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KR101616199B1 - 소형 메탄올 연료변환기 - Google Patents

소형 메탄올 연료변환기 Download PDF

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KR101616199B1
KR101616199B1 KR1020140141610A KR20140141610A KR101616199B1 KR 101616199 B1 KR101616199 B1 KR 101616199B1 KR 1020140141610 A KR1020140141610 A KR 1020140141610A KR 20140141610 A KR20140141610 A KR 20140141610A KR 101616199 B1 KR101616199 B1 KR 101616199B1
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reforming
carbon monoxide
catalyst
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raw material
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김기혁
박정주
전유택
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현대제철 주식회사
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Abstract

구조를 단순화하여 제작이 용이한 소형 메탄올 연료변환기에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 소형 메탄올 연료변환기는 원통형 하우징; 상기 원통형 하우징 내부의 중앙부에 형성되는 열 제공부; 상기 열 제공부 외측에 형성되며, 메탄올과 물을 포함하는 원료가 상기 열 제공부에서 제공되는 열에 의해 기화되면서 공급되는 원료 공급부; 상기 원료 공급부 외측에 형성되며, 기화된 원료에 포함된 메탄올을 수소로 변환하는 개질부; 상기 개질부 상부에 형성되며, 개질부 배출가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부; 및 상기 개질부 및 일산화탄소 제거부와 연결되도록 상기 원통형 하우징 측면에 형성되며, 상기 개질부 또는 일산화탄소 제거부에 촉매가 충진되도록 하기 위한 촉매 충진부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

소형 메탄올 연료변환기 {COMPACT METHANOL FUEL REFOMER}
본 발명은 연료전지 시스템의 연료변환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 스택에 수소를 공급하기 위해 메탄올 연료를 수소로 변환하는 연료 변환기에 관한 것이다.
석탄, 석유 등 화석 연료가 점차 고갈됨에 따라, 화석 연료를 대체하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 연구의 일환으로, 연료전지가 많은 주목을 받고 있다.
연료전지 구동을 위해서는 수소(H2)가 필요하며, 이러한 수소를 얻기 위해서 연료변환기가 요구된다.
일반적인 연료변환기는 천연가스를 수소로 변환하기 위한 것으로, 주로 공장용, 가정용 등 대형 연료전지 시스템에 이용되고 있다.
그러나, 차량 등에 설치되는 연료전지 시스템의 경우, 공간적인 제약으로 인하여 대형 연료전지 시스템이 적합하지 않으며, 이에 따라 연료변환기 역시 소형 연료변환기가 요구된다.
본 발명에 관련된 배경 기술로는 대한민국 공개특허공보 제 10-2007-0099702(2007.10.09. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 메탄올 증기 개질 촉매를 포함하는 증기 개질 연료 처리 장치, 및 메탄올을 증기 개질하여 수소 가스를 생성하는 방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 촉매 충진이 용이하며, 반응기 구조를 단순화하여 제작이 용이한 소형 메탄올 연료변환기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 소형 메탄올 연료변환기는 원통형 하우징; 상기 원통형 하우징 내부의 중앙부에 형성되는 열 제공부; 상기 열 제공부 외측에 형성되며, 메탄올과 물을 포함하는 원료가 상기 열 제공부에서 제공되는 열에 의해 기화되면서 공급되는 원료 공급부; 상기 원료 공급부 외측에 형성되며, 기화된 원료에 포함된 메탄올을 수소로 변환하는 개질부; 상기 개질부 상부에 형성되며, 개질부 배출가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부; 및 상기 개질부 및 일산화탄소 제거부와 연결되도록 상기 원통형 하우징 측면에 형성되며, 상기 개질부 또는 일산화탄소 제거부에 촉매가 충진되도록 하기 위한 촉매 충진부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 열 제공부는 연소 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 연소 촉매는 백금(Pt) 촉매를 이용할 수 있다.
또한, 상기 개질부에서 수증기에 의한 메탄올 개질 반응 및 수성가스전이반응(water-gas-shift reaction)이 동시에 수행되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 개질부에는 구리(Cu) 촉매가 포함될 수 있다.
또한, 상기 일산화탄소 제거부는 외부의 산소를 공급받아 개질부 배출가스에 포함된 일산화탄소를 선택적으로 산화시킬 수 있다. 이 경우, 상기 일산화탄소 제거부에는 루테늄(Ru) 촉매가 포함될 수 있다.
또한, 상기 원료는 상기 일산화탄소 제거부 및 상기 개질부와 열교환할 수 있다.
본 발명에 따른 소형 메탄올 연료변환기는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 촉매 충진부를 통하여 개질부 또는 일산화탄소 제거부에 촉매를 직접 충진할 수 있으므로, 종래의 플랜지 형태에 비하여 촉매 충진이 용이하며, 연료변환기 구조를 단순화할 수 있다.
둘째, 개질부에서 개질 반응 및 수성가스전이 반응이 동시에 수행될 수 있어, 공정을 간소화할 수 있으며, 이에 따라 연료변환기 구조를 단순화할 수 있다.
또한, 연소 촉매를 이용함으로써 종래의 버너 방식에 비하여 열 제공부 구조를 단순화할 수 있다.
또한, 원료가 일산화탄소 제거부 및 개질부와 열교환할 수 있어, 원료 예열 및 촉매 반응 온도를 쉽게 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소형 메탄올 연료변환기를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소형 메탄올 연료변환기에서 원료 흐름을 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 소형 메탄올 연료변환기에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소형 메탄올 연료변환기를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소형 메탄올 연료변환기에서 원료 흐름을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 소형 메탄올 연료변환기는 원통형 하우징(101), 열 제공부(105), 원료 공급부(110), 개질부(120), 일산화탄소 제거부(130) 및 촉매 충진부(160a, 160b)를 포함한다.
원통형 하우징(101)은 도 1에 도시된 예와 같이, 내부에 각 요소들이 배치될 수 있도록 공간이 구획되어 있다.
열 제공부(105)는 원통형 하우징(101) 내부의 중앙부에 형성된다.
열 제공부(105)는 버너를 이용할 수도 있으나, 연소 촉매를 이용하여 산화 반응을 통하여 열을 발생시키는 것이 연료변환기 구성을 단순화할 수 있어 보다 바람직하다.
연소 촉매를 이용할 경우, 도 1에 도시된 예와 같이, 산소를 포함하는 공기(air)와, 메탄올 혹은 메탄올과 물을 포함하는 연료가 공급될 수 있다. 연소 촉매는 백금(Pt) 촉매를 이용할 수 있으며, 이외에도 공지된 다양한 연소 촉매를 이용할 수 있다.
도 1에서는 열 제공부(105)가 하측에서 연통되는 이중관의 형태를 가지며, 내부관에 연소 촉매가 배치되고, 발생하는 연소가스는 내측관에서 하부 방향으로 이동한 후, 외측관에서 상부 방향으로 이동하는 것을 나타내었다.
원료 공급부(110)는 열 제공부(105) 외측 및 하부에 형성된다.
원료는 개질 대상이 되는 액상의 메탄올과, 메탄올을 개질하기 위한 액상의 물(H2O(l))을 포함한다.
원료 공급부(110)는 액상의 메탄올과 물을 포함하는 원료가 혼합됨과 더불어 열 제공부(105)에서 제공되는 열에 의해 기화되면서 개질부(120)로 공급된다.
한편, 원료는 도 2에 도시된 예와 같이, 열교환부(141, 142)를 통하여, 일산화탄소 제거부(130) 및 개질부(120)와 순차적으로 열교환할 수 있다. 이를 통하여, 원료의 예열 효과를 향상시킬 수 있으며, 또한, 일산화탄소 제거부(130) 및 개질부(120)의 온도 조절도 가능하다.
개질부(120)는 원료 공급부(110) 외측에 형성된다.
개질 반응은 250~400℃ 정도에서 수행될 수 있으며, 아래 식 1과 같이 수소(H2) 및 불가피한 CO를 생성한다.
식 1 : CH3OH(g) + H2O(g) → H2 + CO + CO2 + CH4 + H2O
식 1의 경우, 충분히 많은 양의 메탄올과 물을 투입하였을 때의 반응식으로 각 성분의 몰 수는 고려하지 않았다.
이때, 상기의 식 1에서도 볼 수 있는 바와 같이, 개질 반응 결과, 원하는 수소(H2) 이외에도 불가피하게 일산화탄소(CO)도 생성된다. 또한, 개질 반응 결과, 잔류 H2O도 존재하게 된다. 따라서, 개질부 배출가스는 H2, CO 및 잔류 H2O를 포함한다.
한편, 본 발명에서는 개질부에서 상기의 수증기에 의한 메탄올 개질 반응 개질반응 이외에, 아래 식 2와 같이 수성가스전이반응(water-gas-shift reaction)이 동시에 수행될 수 있다. 수성가스전이반응에 의하여 개질 반응에 의해 불가피하게 생성된 일산화탄소(CO) 일부가 제거될 수 있다.
식 2 : CO + H2O → CO2 + H2
개질부에서 개질반응과 함께 상기와 같은 수성가스전이반응이 수행되기 위해서는 2가지 반응 모두에 적합한 촉매가 요구되고, 이러한 촉매로 구리(Cu) 촉매를 제시할 수 있다. 촉매의 형태는 예를 들어 Al2O3 담체에 Cu가 분산된 것과 같이 세라믹 담체에 촉매 분산된 것을 제시할 수 있다.
일산화탄소 제거부(130)는 개질부(120) 상부에 형성되며, 개질부 배출가스에 포함된 일산화탄소를 제거한다. 이러한 일산화제거부를 통하여 개질 가스 내에 포함되는 일산화탄소 함량을 최대한 억제시킬 수 있다.
상기 일산화탄소 제거부는 외부의 산소를 공급받아 개질부 배출가스에 포함된 일산화탄소를, 아래 식 3과 같이 선택적으로 산화시킬 수 있다.
식 3 : CO + 1/2O2 → CO2
이 경우, 일산화탄소 제거부(130)에는 대략 100~250℃에서 활성화되는 루테늄(Ru) 촉매가 포함될 수 있다. 루테늄 촉매 역시 Al2O3와 같은 세라믹 담체에 분산된 형태가 될 수 있다.
촉매 충진부(160a, 160b)는 개질부(120) 및 일산화탄소 제거부(130)와 연결되도록 원통형 하우징(101) 측면에 형성된다. 촉매 충진부(160a)를 통하여 개질부(120)에 촉매가 직접 충진될 수 있고, 또한 촉매 충진부(160b)를 통하여 일산화탄소 제거부(130)에 촉매가 직접 충진될 수 있다.
촉매 충진부(160a, 160b)는 연료변환기 구동시 또는 평상시에는 접합이나 캡에 의해 폐쇄되어 있고, 촉매 충진시에만 개방될 수 있다.
종래의 메탄올 연료변환기의 경우, 주로 플랜지에 의해 결합되는 구조를 가졌다. 따라서, 촉매 충진시에는 플랜지 결합을 해제하여야만 하였다. 이는 촉매 충진 작업을 번거롭게 할 뿐만 아니라, 연료변환기 구조를 복잡하게 하는 요인이 되었다. 그러나, 본 발명의 경우, 개질부 및 일산화탄소 제거부에 필요시 직접 촉매를 충진할 수 있는 촉매 충진부(160a, 160b)가 형성되어 있어, 종래와 같은 플랜지 결합을 요하지 않으며, 촉매 충진 작업 또한 용이하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 메탄올 연료변환기의 경우, 원통형 하우징 측면에 촉매 충진부를 형성함으로써, 필요시 촉매 충진부를 통해 개질부와 일산화탄소 제거부에 직접 촉매 충진이 가능한 바, 촉매 충진이 용이한 장점이 있다.
아울러, 본 발명에 따른 메탄올 연료변환기는 플랜지 결합을 생략하고, 원통형 하우징 내에 연료변환에 요구되는 각 요소들을 모두 형성할 수 있어, 연료변환기 구조를 단순화할 수 있으며, 이를 통하여 연료변환기 제작을 용이하게 할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
101 : 원통형 하우징
105 : 열 제공부
110 : 원료 공급부
120 : 개질부
130 : 일산화탄소 제거부
135 : 공기 공급부
141, 142 : 열교환부
160a, 160b : 촉매 충진부

Claims (8)

  1. 원통형 하우징;
    상기 원통형 하우징 내부의 중앙부에 형성되는 열 제공부;
    상기 열 제공부 외측에 형성되며, 메탄올과 물을 포함하는 원료가 상기 열 제공부에서 제공되는 열에 의해 기화되면서 공급되는 원료 공급부;
    상기 원료 공급부 외측에 형성되며, 기화된 원료에 포함된 메탄올을 수소로 변환하는 개질부;
    상기 개질부 상부에 형성되며, 개질부 배출가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부; 및
    상기 개질부 및 일산화탄소 제거부와 연결되도록 상기 원통형 하우징 측면에 형성되며, 상기 개질부 또는 일산화탄소 제거부에 촉매가 충진되도록 하기 위한 촉매 충진부;를 포함하고,
    상기 촉매 충진부는 연료변환기 구동시 또는 평상시에는 접합 또는 캡에 의해 폐쇄되고, 촉매 충전시에만 개방되는 것을 특징으로 하는 메탄올 연료변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 제공부는 연소 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄올 연료변환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연소 촉매는 백금(Pt) 촉매인 것을 특징으로 하는 메탄올 연료변환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 개질부에서 수증기에 의한 메탄올 개질 반응 및 수성가스전이반응(water-gas-shift reaction)이 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 메탄올 연료변환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 개질부에는 구리(Cu) 촉매가 포함되는 것을 특징으로 하는 메탄올 연료변환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 일산화탄소 제거부는 외부의 산소를 공급받아 개질부 배출가스에 포함된 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 것을 특징으로 하는 메탄올 연료변환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 일산화탄소 제거부에는 루테늄(Ru) 촉매가 포함되는 것을 특징으로 하는 메탄올 연료변환기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 원료는 상기 일산화탄소 제거부 및 상기 개질부와 열교환하는 것을 특징으로 하는 메탄올 연료변환기.
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