[go: up one dir, main page]

KR101843556B1 - 고체산화물 연료전지의 연료개질장치 - Google Patents

고체산화물 연료전지의 연료개질장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101843556B1
KR101843556B1 KR1020170030532A KR20170030532A KR101843556B1 KR 101843556 B1 KR101843556 B1 KR 101843556B1 KR 1020170030532 A KR1020170030532 A KR 1020170030532A KR 20170030532 A KR20170030532 A KR 20170030532A KR 101843556 B1 KR101843556 B1 KR 101843556B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
unit
bypass
raw material
burner
pipe
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020170030532A
Other languages
English (en)
Inventor
신장식
곽인섭
김옥선
황진하
Original Assignee
(주)신넥앤테크
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)신넥앤테크 filed Critical (주)신넥앤테크
Priority to KR1020170030532A priority Critical patent/KR101843556B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101843556B1 publication Critical patent/KR101843556B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/323—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/525—

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

바이패스 공기주입관과 점화기를 구비하며, 바이패스 공기를 공급하는 바이패스부; 상기 바이패스부가 관통하여 삽입되며, 상기 점화기의 점화를 통해 연료가스를 연소시키고, 상기 바이패스 공기를 통해 연소온도를 제어하는 버너부; 상기 버너부가 삽입되는 열원공급관과 상기 열원공급관과 일정간격 외측에 위치는 유로관을 포함하며, 개질반응이 이루어지는 개질반응부; 상기 개질반응부를 감싸는 원통형의 케이스와, 상기 케이스의 일측면에 위치하여 개질반응원료를 제공하는 원료주입관과, 상기 원료주입관과 연결되는 원료가스 생성모듈을 포함하는 원료주입부; 및 상기 버너부는, 측면에 복수 개의 관통홀을 구비하여 상기 버너부 내부로부터 외부면으로 상기 연료가스와 연소공기가 이동하고, 상기 점화로 상기 버너부의 외부면 전체영역에서 연소되어 열을 제공하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치를 제공한다.

Description

고체산화물 연료전지의 연료개질장치{The reformer of SOFC}
본 발명은 전체 열용량 조절이 용이하고 버너부와 촉매의 교체 및 밀폐가 가능한 고체산화물 연료전지의 연료개질장치에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 수소를 연료로 공기와 산화시켜 직접 전기를 생산하고, 물을 배출하는 에너지 기술 분야 중 하나이다. 연료전지는 사용가능한 고농도의 수소연료 또는 수소 및 CO 혼합가스로 전환시키는 연료개질장치(reformer)가 필요하다.
연료개질에 있어서 탄화수소 수증기 개질은 수소 생산 방법 중 가장 염가의 방법이며, 탄화수소 수증기 개질은 메탄을 주성분으로 하는 탄화수소를 수증기와 함께 촉매 하에 반응시켜 수소를 얻는 방법이다. 이때 진행되는 반응은 주반응인 개질반응과 부반응인 수성가스 전이반응 2가지이며 하기의 식과 같다.
[수학식 1]
CH4 + H2O → CO +3H2 △H = +497kcal/mol
CO + H2O → CO2 + H2 △H = -10kcal/mol
상기 수학식 1과 같이 수소는 메탄과 물 모두에서 분리되어 생산되기 때문에 높은 수소 생산수율이 가능하다. 그러나 상기 개질반응은 강한 흡열반응이며 고온 및 저압 조건이 정반응의 진행에 유리하므로 대부분 수증기와 메탄을 700 내지 1100℃의 촉매반응으로 반응시켜 수소를 얻고 있다.
상기와 같은 탄화수소 수증기 개질반응은 흡열반응이므로 연료개질장치 내부에 높은 열을 공급해주는 버너가 필요하다. 개질반응에 필요한 높은 열은 버너 및 점화기의 수명을 단축시킬 수 있으며, 일체형 개질장치의 경우 버너 또는 점화기로 인해 개질장치의 기기수명이 단축될 수 있다.
또한 단위 촉매당 반응활성을 증가시키기 위해 촉매에 반응열이 효율적으로 공급되어야 하므로 버너의 열분포는 고르게 이루어져야하는데, 점화 영역 부근과 점화 영역에서 거리가 있는 영역의 온도차는 버너의 반응열 공급에 비효율적인 측면을 가져올 수 있다.
또한 효과적인 반응열을 공급하기 위한 연료개질장치의 전체 열용량 조절은, 상기의 버너 열분포 문제와 함께 개질반응에 중요한 요소이다.
한국 등록특허 제10-1015506호(등록일 : 2011. 02. 10.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 버너부 내부에 바이패스 공기를 주입할 수 있는 바이패스부를 구비함으로써 연소가스의 전체 열용량을 조절할 수 있는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치를 제공하는 것에 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 분리 및 교체가 가능한 버너부, 개질반응부 또는 원료주입부를 구비함으로써 장치의 수명을 증가시킬 수 있고, 촉매제를 교체할 수 있는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치를 제공하는 것에 목적이 있다.
나아가서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 버너부의 열원 분포의 균일성이 향상되어 개질반응에 열원 공급 효율을 향상시킬 수 있는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치를 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 바이패스 공기주입관과 점화기를 구비하며, 바이패스 공기를 공급하는 바이패스부; 상기 바이패스부가 관통하여 삽입되며, 상기 점화기의 점화를 통해 연료가스를 연소시키고, 상기 바이패스 공기를 통해 연소온도를 제어하는 버너부; 상기 버너부가 삽입되는 열원공급관과 상기 열원공급관과 일정간격 외측에 위치는 유로관을 포함하며, 개질반응이 이루어지는 개질반응부; 상기 개질반응부를 감싸는 원통형의 케이스와, 상기 케이스의 일측면에 위치하여 개질반응원료를 제공하는 원료주입관과, 상기 원료주입관과 연결되는 원료가스 생성모듈을 포함하는 원료주입부; 및 상기 버너부는, 측면에 복수 개의 관통홀을 구비하여 상기 버너부 내부로부터 외부면으로 상기 연료가스와 연소공기가 이동하고, 상기 점화로 상기 버너부의 외부면 전체영역에서 연소되어 열을 제공하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치를 제공한다.
상기 바이패스부는, 상기 점화기가 위치하는 영역의 외측에 타공분배판을 구비하여 상기 바이패스 공기의 유로 분배를 조절할 수 있다.
상기 바이패스부는, 상기 점화기가 장착된 영역에 복수 개의 바이패스 홀을 구비하여 상기 바이패스 공기의 유로가 형성되는 것일 수 있다.
상기 버너부는, 상기 바이패스부가 중심에 관통하여 삽입되는 연료주입관과, 상기 연료주입관이 관통 삽입되는 연소공기주입관과, 상기 연소공기주입관의 일측을 둘러싸는 플렌지 형태의 상부 커버를 포함할 수 있다.
상기 복수개의 관통홀은, 복수의 제 1 관통홀과 복수의 제 2 관통홀을 포함하되, 상기 제 1 관통홀은 상기 연료주입관의 측면에 구비되고, 상기 제 2 관통홀은 상기 연소공기주입관의 측면에 구비되어, 상기 버너부의 외부면을 따라 연료가스와 연소공기를 혼합하여 제공할 수 있다.
상기 개질반응부는, 상기 상부 커버와 대응되는 위치에 하부 커버를 구비할 수 있다.
상기 원료가스 생성모듈은, 내부에 동심형으로 일정 간격의 격벽을 구비하여 지그재그형의 유로가 형성될 수 있다.
상기 개질반응부는, 상기 유로관의 내측에 촉매가 구비되고, 상기 원료가스 생성모듈의 유로를 이동한 수증기와 반응기체들이 상기 유로관을 통과할 수 있다.
상기 개질반응부는, 제 1 플렌지를 구비하고, 상기 원료주입부는 상기 개질반응부가 삽입되는 단부에 제 2 플렌지를 구비하여, 상기 제 1 플렌지와 상기 제 2 플렌지를 결합하여 밀폐할 수 있다.
상기 열원 공급관은, 상기 버너부가 위치하는 가열관과 가열된 공기가 이동하는 열이동관을 구비하고, 상기 가열관보다 상기 열이동관의 직경이 더 작은 크기로 구비될 수 있다.
상기 열이동관은, 상기 원료가스 생성모듈의 내측 벽을 관통하여 인접 구비될 수 있다.
상기 버너부, 개질반응부 및 원료주입부는 결합하여 밀폐하되, 상기 버너부는 분리 또는 교체가 가능하게 상기 개질반응부와 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 연료 개질장치는 버너부 내부에 바이패스 공기를 주입할 수 있는 바이패스부를 구비함으로써 연소가스의 전체 열용량을 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한, 분리 및 교체가 가능한 버너부, 개질반응부 또는 연료공기주입부를 구비함으로써 장치의 수명을 증가시킬 수 있고, 촉매제를 쉽게 교체할 수 있는 장점이 있다.
나아가서, 열원 분포의 균일성이 향상된 버너부를 구비함으로써 개질반응에 열원 공급 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치를 나타낸 분해사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 원료가스 및 생성가스의 유로를 나타낸 단면도,
도 4a는 종래의 버너부와 연료가스 방향을 나타낸 사시도,
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 버너부의 연료가스 및 연소열 방향과 바이패스 공기의 흐름을 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치를 나타낸 분해사시도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 단면도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 원료가스 및 생성가스의 유로를 나타낸 단면도, 도 4a는 종래의 버너부와 연료가스 방향을 나타낸 사시도, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 버너부의 연료가스 및 연소열 방향과 바이패스 공기의 흐름을 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치는 바이패스부(100), 버너부(200), 개질반응부(300) 및 원료주입부(400)를 포함한다.
상기 바이패스부(100)는 바이패스 공기주입관(120)과 점화기(130)를 구비하며 바이패스 공기를 공급한다. 상기 바이패스부(100)는 관형의 몸체(110)로, 상기 몸체(110)의 일측 단부에 바이패스 공기주입관(120)이 위치하고, 상기 몸체(110)의 타측에 점화기(130)를 구비할 수 있다.
상기 바이패스부(100)는 상기 점화기(130)가 위치하는 영역의 외측에 타공분배판(140)을 구비하여 상기 바이패스 공기의 유로 분배를 조절할 수 있다. 또한, 상기 바이패스부(100)는 상기 몸체(110)의 점화기(130)가 장착된 영역에 복수 개의 바이패스 홀(110a)을 구비하여 상기 바이패스 공기의 유로가 형성될 수 있다.
상기 바이패스 공기주입관(120)으로부터 유입된 바이패스 공기는 바이패스부(100) 내부를 이동하여, 버너부(200) 끝단의 영역에 바이패스 공기를 제공할 수 있다.
도 1 내지 도 3 및 도 4b를 참조하면, 상기 버너부(200)에서 가열된 공기는 1100℃ 내외로, 가열된 1차 연소 공기(2)는 개질반응부(300)에 열을 공급한다. 상기 바이패스부(100)로부터 공급된 바이패스 공기(7)로 인해 상기 고온의 공기는 상기 버너부(200) 끝단의 영역에서 750℃ 내외의 온도로 용이하게 감소시킬 수 있으며, 전체 고체산화물 연료전지 시스템의 적정 온도로 제어할 수 있다.
즉, 상기 1차 가열된 연소공기로 인해 상승된 버너부(200)의 온도는 촉매(X) 전반에 제공되어 개질반응을 효율적으로 촉진시키고, 상기 버너부(200) 끝단의 영역, 예를 들어 열이동관(314)에서는 바이패스 공기(7)로 인해 온도가 감소될 수 있다. 감소된 열은 고체산화물 연료전지 시스템의 다음 단계에 따라 연료개질장치에서 열교환기 및 스택으로 이동하게 되는데, 열교환기 또는 스택의 적정온도는 약 750℃ 내외이므로 전체 고체산화물 연료전지 시스템의 적정 온도가 제공될 수 있다.
또한, 바이패스 공기의 공급으로 인한 유체량의 증가는 전체 고체산화물 연료전지 시스템의 열공급을 위한 열유량의 증가를 가져올 수 있으며, 이는 전체 열용량의 증가를 유도하는 효과가 있다.
상기 바이패스부(100)는 복수 개의 바이패스 홀(110a) 또는 타공분배판(140)을 구비함으로써 바이패스 공기의 유로 분배를 더욱 용이하게 수행할 수 있으며, 개질반응이 완료된 후 버너부(200) 및 연료개질장치의 온도를 정상적으로 낮추는데 더욱 도움을 줄 수 있다.
상기 버너부(200)는 상기 바이패스부(100)가 관통하여 삽입되며, 상기 점화기(130)의 점화를 통해 연료가스를 연소시킬 수 있다. 상기 버너부(200)는 측면에 복수 개의 관통홀(250)을 구비하여 버너부(200) 내부로부터 외부면으로 연료가스와 연소공기가 이동하고, 상기 점화로 버너부(200) 외부면 전체에 걸쳐 연소되어 열을 제공한다.
상기 버너부(200)는 상기 바이패스부(100)와 결합 밀폐하는 결합고정구(210)를 구비할 수 있다. 상기 버너부(200)는, 상기 바이패스부(100)가 중심에 관통하여 삽입되는 연료주입관(220)과, 상기 연료주입관(220)이 관통 삽입되는 연소공기주입관(230)과, 상기 연소공기주입관(230)의 일측을 둘러싸는 플렌지 형태의 상부 커버(240)를 포함하고, 상기 연료주입관(220), 연소공기주입관(230) 및 상부 커버(240)는 일체형으로 구성될 수 있다. 상기 결합고정구(210)를 통해 상기 바이패스부(100)와 상기 연소공기주입관(220)이 결합할 수 있다.
연료개질장치의 개질반응 적정 온도는 600 내지 900℃인데, 그에 해당하는 온도를 제공하기 위하여 상기 버너부(200)은 700 내지 1100℃의 고온을 발생시키게 된다. 따라서 고온을 발생하고 유지시키기 위한 버너부(200)는 개질장치의 다른 구성요소보다 수명이 짧을 수 있으며, 일체형의 개질장치인 경우 버너부(200)의 수명에 따라 장치의 수명이 결정될 수 있다.
하지만, 본 발명에 따른 상기 버너부(200)는 종래와는 달리 분리 또는 교체할 수 있으므로, 그에 따라 개질장치의 수명은 더욱 길어질 수 있는 장점이 있다.
이러한 버너부(220)에는 측면에 복수개의 관통홀(250)이 구비되는데 연료주입관(220)의 측면에 복수개의 제1 관통홀(250a)을 구비하고, 연소공기주입관(230)의 측면에 복수개의 제 2 관통홀(250b)을 구비함으로써, 상기 버너부(200)의 외부면을 따라 연료가스와 연소공기를 혼합하여 전체 영역에서 고르고 균일하게 제공할 수 있다.
상기 연료주입관(220)의 제1 관통홀(250a)을 통해 연료주입관(220)으로부터 버너부(200)의 외부면으로 연료가스가 배출되고, 상기 연소공기주입관(230)의 제 2 관통홀(250b)을 통하여 버너부(200)의 외부면, 즉 연소공기주입관(230)의 외부면으로 상기 연료가스와 함께 공기가 이동할 수 있다. 그와 동시에 점화기(130)에서 점화가 되면서 연료가스의 연소가 일어날 수 있으며, 따라서 상기 버너부(200)의 외부면 주위는 모두 일정한 연소가 동시에 이루어지며 이로 인해 열원의 분포가 균일하게 이루어질 수 있다.
또한, 상기 연료주입관(220)의 일측에는 연료주입구(222)가, 상기 연소공기주입관(230)의 일측에는 연소공기주입구(232)가 위치하여 각각 연료가스 또는 연소공기를 버너부(200) 내부로 주입할 수 있다.
도 4a와 같은 종래의 버너부(3)는 점화기에서 이격된 곳에 위치하는 연료가스 공급부로부터 연료가스(1)가 공급되어 점화기(5)로 이동하고, 상기 점화기(5)에서 점화되면 열의 흐름에 의해 점화기(5)로부터 버너부(3) 몸체에 열이 전달된다. 따라서 버너부(3) 몸체의 각 부분은 점화기(5) 근처의 열원으로부터 거리가 멀어질수록 온도편차가 크게 발생할 수 있다.
그러나 도 4b와 같은 본 발명의 버너부(200)은 연료주입관(220) 또는 상기 연소공기주입관(230)으로 인해 연료가스와 공기가 버너부(200) 내부 전체에 공급되고, 복수 개의 제 1 관통홀(250a) 및 제 2 관통홀(250b)을 통해 버너부(200) 외부면 전체를 따라 연료가스와 공기가 제공(2)되어, 버너부(200) 전체가 가열됨으로써 상기 버너부(200)의 전 구간에서 열이 고르게 분포될 수 있다.
1구간(℃) 2구간(℃) 3구간(℃) 4구간(℃) 5구간(℃)
종래의 버너부 75.5 207.9 346.4 415.6 829.7
본 발명의 버너부 358.5 409.3 464.9 486.7 642.2
(표 1)은 점화 1분 후 버너의 각 구간별 온도측정 결과를 나타낸 것으로, 5구간은 점화기 영역이고, 1구간으로 갈수록 점화기에서 멀어지는 영역이다. 상기 표 1에서 나타난 결과와 같이, 본 발명의 버너부(200)는 종래의 버너부와 달리 몸체 전체에 걸쳐 고르게 열이 분포함을 알 수 있다. 즉, 점화 1분 후 종래의 버너부에서는 대략 75.5 내지 829.7℃의 온도 분포로 편차가 심하게 나타나지만, 본 발명의 버너부(200)에서는 대략 358.5 내지 642.2℃의 온도 분포로 편차가 상대적으로 감소함을 알 수 있다.
개질반응부(300)는 원료주입부(400)로부터 제공된 원료공기가 이동되어 개질반응을 수행하는데, 개질반응에 필요한 열을 공급하기 하되 상기 버너부(200)가 삽입되는 열원공급관(310)과, 상기 열원공급관(310)과 일정간격 외측에 위치하여 개질반응이 이루어지는 유로관(320)을 포함한다. 또한 상기 개질반응부(300)는 상기 유로관(320)과 연결된 반응기체 배출관(330)을 구비할 수 있다.
상기 개질반응부(300)는 상기 버너부(200)와 분리 또는 교체가 가능하게 상기 버너부(200)와 결합된다. 예를 들어, 상기 개질반응부(300)는 상기 버너부(200)의 상부 커버(240)와 대응되는 위치에 하부 커버(340)를 구비할 수 있다. 따라서, 상기 상부 커버(240)와 하부 커버(340)를 조립함으로써, 상기 버너부(200)와 상기 개질반응부(300) 조립 및 밀폐가 가능하여, 각각의 구성요소들에 문제가 발생한다하더라도 교체가 가능하여 장치의 수명을 증가시켜 공정비용을 감소시킬 수 있다.
밀폐력의 향상을 위해 상기 상부 커버(240) 및 하부 커버(340)는 서로 대응하는 위치에 실링부재(245, 345)를 각각 구비할 수 있다.
상기 열원 공급관(310)은 상기 버너부(200)가 내부에 위치하는 가열관(312)과 가열된 공기가 이동하는 열이동관(314)을 구비하고, 상기 가열관(312)보다 상기 열이동관(314)의 직경이 더 작은 크기로 구비될 수 있다. 따라서 가열된 공기가 열이동관(314)으로 이동하더라도 직경이 좁아지므로 열손실이 최소화되어, 개질반응을 위한 수증기와 탄화수소 가스 형성에 필요한 열공급을 더욱 효율적으로 할 수 있다.
상기 열이동관(314)이 외부로 돌출된 단부에는 결합수단(360)이 구비되어, 원료주입부(400)와 개질반응부(300)의 결합을 더욱 견고하게 할 수 있다.
상기 개질반응부(300)는 상기 유로관(320)의 내측에는 촉매(X)가 구비되고, 원료주입부(400)의 원료가스 생성모듈(430)의 유로를 이동한 수증기와 반응기체들이 상기 유로관(320)을 통과할 수 있다.
분리 및 교체가 가능한 개질반응부(300) 내부에 상기 촉매(X)가 위치함으로써 촉매(X)를 쉽게 교체할 수 있어 장치의 수명을 증가시켜 공정비용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 원료가스 생성모듈(430)의 유로(a)를 이동한 수증기와 반응기체들은 상기 개질반응부(300) 내부에 구비된 유로관(320)을 통과할 수 있다. 상기 반응기체, 즉 수증기와 탄화수소는 원료가스 생성모듈(430)의 유로(a)를 통과하고, 상기 유로(a)와 연결된 유로관(320) 내부에 위치한 촉매(X)를 통과함으로써 개질반응이 촉진된다. 또한 상기 촉매(X)는 상기 가열관(312)을 따라 위치하므로 촉매(X)의 어느 영역이든 반응 온도가 일정하게 유지됨으로써 촉매 반응의 효율이 더욱 향상될 수 있다.
상기 촉매(X)는 금속 모노리스 촉매체일 수 있으며, 나아가서 Ni/MgAl2O4 금속 모노리스 촉매일 수 있다.
상기 촉매(X)는 내열성 담체에 니켈이나 코발트, 백금족 원소 또는 이들의 혼합물에서 선택된 활성금속을 5 내지 12 중량 % 함유하도록 담지하여 제조될 수 있다. 예를 들어 내열성 담체는 α-알루미나 칼슘-알루미네이트에서 선택된 것을 사용할 수 있으며 담지시 활성금속은 5 내지 12 2중량 % 함유되도록 하고, 직경은 2 내지 10mm 정도의 크기를 가질 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정된 것은 아니며 필요에 따라 담체와 활성금속의 함량 및 직경의 변화가 가능하다.
상기 촉매(X)는 펠럿의 형태로, 상기 유로관(320) 내부의 촉매(X)가 위치하는 영역의 상하부에는 펠럿을 고정하기 위한 펠럿 고정 수단이 위치할 수 있다. 상기 펠럿 고정수단은 내열성 및 내산화성을 가진 금속으로 형성될 수 있고, 유입되는 탄화수소와 수증기 및 수소를 포함한 생성물이 이동 가능하도록 기체 유동 통로를 구비할 수 있다.
상기 원료주입부(400)는 개질반응에 필요한 원료가스와 수증기를 형성하여 상기 개질반응부(300)에 제공하는데, 상기 개질반응부(300)를 감싸는 원통형의 케이스(410)와, 상기 케이스의 일측면에 위치하여 개질반응원료를 제공하는 원료주입관(510)과, 상기 원료주입관(420)과 연결되는 원료가스 생성모듈(430)을 포함한다.
상기 원료가스 생성모듈(430)은 내부에 동심형으로 일정 간격의 격벽(433)을 구비하여 지그재그형의 유로가 형성된 것일 수 있다. 상기 원료가스 생성모듈(430)에 연결되는 원료주입관(420)에는 물과 탄화수소 계열의 원료가 유입될 수 있다. 상기 원료는 탄화수소 1 몰 당 수증기 2 내지 5몰의 비율로 혼합되어 유입되도록 조절할 수 있다.
상기 원료가스 생성모듈(430)의 내측 벽을 관통하여 상기 열원공급관(310)의 열이동관(314)이 인접 구비될 수 있다. 따라서 상기 지그재그형의 유로(a)를 따라 이동한 물과 탄화수소 계열의 원료는 혼합과 함께 가열이 되어 수증기와 탄화수소 가스로 변화하여 개질반응의 원료가스가 생성될 수 있다. 또한, 상기 열이동관(314)은 상기 원료가스 생성모듈(430)의 내측 벽에 전체적으로 접하도록 구비됨으로써, 원료가스 생성에 필요한 열효율을 향상시킬 수 있다.
상기 원료주입부(400)와 상기 개질반응부(300)는 서로 결합하여 밀폐할 수 있다. 즉, 상기 버너부(200), 개질반응부(300) 및 원료주입부(400)는 결합하여 밀폐하되, 상기 버너부(200)는 분리 또는 교체가 가능하게 상기 개질반응부(300)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 개질반응부(300)는 제 1 플렌지(350)를 구비하고, 상기 원료주입부(400)는 상기 개질반응부(300)가 삽입되는 단부에 제 2 플렌지(450)를 구비하여, 상기 제 1 플렌지(350)와 상기 제 2 플렌지(450)를 결합하여 밀폐할 수 있다. 나아가서, 상기 제 1 플렌지(350)와 상기 제 2 플렌지(450)는 서로 대응하는 영역에 복수 개의 결합공을 구비하고, 결합구를 이용하여 체결함으로써 상기 개질반응부(300)와 상기 원료주입부(400)는 결합 또는 밀폐할 수 있다.
따라서, 상기 버너부(200)는 물론 개질반응부(300)와 원료주입부(400)의 조립이 가능함으로써 각각의 구성요소들에 문제가 발생한다하더라도 교체가 가능하여 장치의 수명을 증가시켜 공정비용을 감소시킬 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료 개질장치의 연료 개질과정은 다음과 같다.
도 1 내지 도 3에서 나타낸 바와 같이, 상기 원료주입관(420)으로부터 물과 탄화수소 계열의 원료가 원료가스 생성모듈(430)로 유입이 되면, 상기 열원공급관(310)의 열이동관(314)으로부터 열을 공급받아 상기 원료들은 수증기와 탄화수소 가스로 기화된다. 즉, 상기 물과 탄화수소 계열의 원료는 상기 원료가스 생성모듈(430)의 격벽(433)으로 형성된 지그재그형의 유로를 따라 이동하면서 상기 열이동관(314)으로부터 공급받은 열로 인해 수증기와 탄화수소 가스로 변화한다.
상기 원료가스 생성모듈(430)에서 생성된 수증기와 탄화수소 가스는 유로관(320)의 내부로 이동하고, 상기 유로관(320) 내부에 위치하는 촉매(X)를 통과함으로써 상기 수증기와 탄화수소 가스는 개질반응이 촉진된다. 상기 촉매(X)는 열원공급관(310)의 가열관(312)을 따라 위치하므로, 촉매(X1)의 어느 영역이든 600 내지 900℃로 반응 온도가 일정하게 유지됨으로써 촉매 반응의 효율이 더욱 향상될 수 있다.
상기 유로관(320)을 통과함으로써 개질 반응이 종료된 기체는 반응기체 배출관(330)을 통해 고체산화물 연료전지의 음극으로 이동하게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100; 바이패스부, 120; 바이패스 공기주입관,
130; 점화기, 200; 버너부,
210; 결합고정구, 300; 개질반응부,
310; 열원공급관, 320; 유로관,
330; 반응기체 배출관, 400; 원료주입부,
410; 케이스, 420; 원료주입관,
430; 원료가스 생성모듈

Claims (12)

  1. 바이패스 공기주입관과 점화기를 구비하며, 바이패스 공기를 공급하는 바이패스부;
    상기 바이패스부가 관통하여 삽입되며, 상기 점화기의 점화를 통해 연료가스를 연소시키고, 상기 바이패스 공기를 통해 연소온도를 제어하는 버너부;
    상기 버너부가 삽입되는 열원공급관과 상기 열원공급관과 일정간격 외측에 위치는 유로관을 포함하며, 개질반응이 이루어지는 개질반응부; 및
    상기 개질반응부를 감싸는 원통형의 케이스와, 상기 케이스의 일측면에 위치하여 개질반응원료를 제공하는 원료주입관과, 상기 원료주입관과 연결되는 원료가스 생성모듈을 포함하는 원료주입부; 를 포함하며,
    상기 버너부는, 측면에 복수 개의 관통홀을 구비하여 상기 버너부 내부로부터 외부면으로 상기 연료가스와 연소공기가 이동하고, 상기 점화로 상기 버너부의 외부면 전체영역에서 연소되어 열을 제공하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스부는, 상기 점화기가 위치하는 영역의 외측에 타공분배판을 구비하여 상기 바이패스 공기의 유로 분배를 조절하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 바이패스부는, 상기 점화기가 장착된 영역에 복수 개의 바이패스 홀을 구비하여 상기 바이패스 공기의 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 버너부는, 상기 바이패스부가 중심에 관통하여 삽입되는 연료주입관과, 상기 연료주입관이 관통 삽입되는 연소공기주입관과, 상기 연소공기주입관의 일측을 둘러싸는 플렌지 형태의 상부 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수개의 관통홀은, 복수의 제 1 관통홀과 복수의 제 2 관통홀을 포함하되, 상기 제 1 관통홀은 상기 연료주입관의 측면에 구비되고, 상기 제 2 관통홀은 상기 연소공기주입관의 측면에 구비되어, 상기 버너부의 외부면을 따라 상기 연료가스와 상기 연소공기를 혼합하여 제공하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 개질반응부는, 상기 상부 커버와 대응되는 위치에 하부 커버를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료가스 생성모듈은, 내부에 동심형으로 일정 간격의 격벽을 구비하여 지그재그형의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 개질반응부는, 상기 유로관의 내측에 촉매가 구비되고, 상기 원료가스 생성모듈의 유로를 이동한 수증기와 반응기체들이 상기 유로관을 통과하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질반응부는, 제 1 플렌지를 구비하고, 상기 원료주입부는 상기 개질반응부가 삽입되는 단부에 제 2 플렌지를 구비하여, 상기 제 1 플렌지와 상기 제 2 플렌지를 결합하여 밀폐하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원 공급관은, 상기 버너부가 위치하는 가열관과 가열된 공기가 이동하는 열이동관을 구비하고, 상기 가열관보다 상기 열이동관의 직경이 더 작은 크기로 구비되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 열이동관은, 상기 원료가스 생성모듈의 내측 벽을 관통하여 인접 구비되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버너부, 개질반응부 및 원료주입부는 결합하여 밀폐하되, 상기 버너부는 분리 또는 교체가 가능하게 상기 개질반응부와 결합되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
KR1020170030532A 2017-03-10 2017-03-10 고체산화물 연료전지의 연료개질장치 Active KR101843556B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170030532A KR101843556B1 (ko) 2017-03-10 2017-03-10 고체산화물 연료전지의 연료개질장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170030532A KR101843556B1 (ko) 2017-03-10 2017-03-10 고체산화물 연료전지의 연료개질장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101843556B1 true KR101843556B1 (ko) 2018-04-02

Family

ID=61976100

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170030532A Active KR101843556B1 (ko) 2017-03-10 2017-03-10 고체산화물 연료전지의 연료개질장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101843556B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220004419A (ko) 2020-07-03 2022-01-11 주식회사 하이젠 연료전지의 연소장치

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007187150A (ja) * 2006-01-12 2007-07-26 General Electric Co <Ge> 外部燃料補給トラップ渦空洞部オーグメンタ
KR20110035016A (ko) * 2009-09-29 2011-04-06 어코드 주식회사 연료전지 시스템의 연료개질기 버너
KR20120067814A (ko) * 2010-12-16 2012-06-26 주식회사 효성 연료전지용 개질기 버너
JP2014101237A (ja) * 2012-11-16 2014-06-05 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 水素製造装置および燃料電池システム
KR20140140796A (ko) * 2013-05-30 2014-12-10 현대하이스코 주식회사 미세 분무 노즐을 이용한 액상 연료 개질 장치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007187150A (ja) * 2006-01-12 2007-07-26 General Electric Co <Ge> 外部燃料補給トラップ渦空洞部オーグメンタ
KR20110035016A (ko) * 2009-09-29 2011-04-06 어코드 주식회사 연료전지 시스템의 연료개질기 버너
KR20120067814A (ko) * 2010-12-16 2012-06-26 주식회사 효성 연료전지용 개질기 버너
JP2014101237A (ja) * 2012-11-16 2014-06-05 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 水素製造装置および燃料電池システム
KR20140140796A (ko) * 2013-05-30 2014-12-10 현대하이스코 주식회사 미세 분무 노즐을 이용한 액상 연료 개질 장치

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220004419A (ko) 2020-07-03 2022-01-11 주식회사 하이젠 연료전지의 연소장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6835365B2 (ja) 液体燃料ｃｐｏｘ改質器と燃料セルの統合システム、及び電気を生成する方法
EP3136487B1 (en) Hydrogen generating apparatus and fuel cell system
US8038960B2 (en) Reformer
US20170183227A1 (en) Liquid fuel cpox reformer and fuel cell systems, and methods of producing electricity
US8936656B2 (en) Hydrogen generator using steam-reforming reaction
US9343765B2 (en) Fuel cell module
JP4854037B2 (ja) 燃料改質装置及びその駆動方法、並びに燃料電池システム
EP3022791B1 (en) Fuel cell module
KR100988470B1 (ko) 수소 제조장치
KR20170084143A (ko) 촉매 버너 장치
KR102358839B1 (ko) 튜브형 채널 수소추출기
KR101843556B1 (ko) 고체산화물 연료전지의 연료개질장치
KR101240688B1 (ko) 개질 장치
KR101895927B1 (ko) 고분자 전해질 연료전지의 연료 개질장치
KR102315289B1 (ko) 다중 개질 반응기 구성이 가능한 수증기 개질장치
KR101194244B1 (ko) 수증기 개질기
CN109798508B (zh) 原料预热部一体型水蒸气改质器及含其的氢制备系统
KR102412880B1 (ko) 판형 구조의 연료 개질장치
CN117577878A (zh) 集成式热装置、燃料电池系统及燃料电池系统用控制方法
KR102052615B1 (ko) 고체산화물 연료전지의 연료개질장치
US11476473B2 (en) Fuel cell module
JP7388154B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP4617079B2 (ja) 改質器用バーナおよび燃料電池システム
KR20060111068A (ko) 금속단일체형 촉매체가 내장된 수증기 개질장치
JP4664767B2 (ja) 改質器

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20170310

PA0201 Request for examination
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20180122

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20180323

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20180326

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20210311

Start annual number: 4

End annual number: 4

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20220315

Start annual number: 5

End annual number: 5

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20230313

Start annual number: 6

End annual number: 6

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20240320

Start annual number: 7

End annual number: 7