KR20070014681A - 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 개질기는, 제1 도관과, 상기 제1 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제2 도관과, 상기 제2 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제3 도관과, 상기 제3 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제4 도관으로서 구성되는 본체와, 상기 제4 도관의 내부에서 소정 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 제3 도관과 상기 제4 도관 사이의 제1 영역에 형성되어 상기 열 에너지를 이용한 상기 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 상기 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 제2 도관과 상기 제3 도관 사이의 제2 영역에 배치되며, 상기 제2 도관과 상기 제3 도관에 접촉되게 설치되어 상기 열원부로부터 배출되는 연소 가스와 상기 개질 반응부로 공급되는 상기 연료와 물의 패스를 형성하는 패스부재와, 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 제3 영역에 형성되어 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환 반응에 의해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함한다.
개질기, 열원부, 개질반응부, 일산화탄소저감부, 열전달유닛, 패스부재
Description
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 개질기를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개질기를 도시한 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 개질기를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5의 단면 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 개질기를 도시한 단면 구성도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개질기의 열 전달 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화 수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소, 및 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Membrane Fuel Cell)로 구분될 수 있다.
이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며, 작동 온도가 낮고, 빠른 시동 및 응답 특성으로 인해 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
이러한 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 "스택" 이라 한다)와, 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 이 수소를 스택으로 공급하는 개질기와, 산소를 스택으로 공급하기 위한 공기펌프 또는 팬을 구비한다. 따라서 스택에서는 개질기로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
이와 같은 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 개질기는 촉매를 이용한 발열 및 흡열 반응 특성을 이용하는 바, 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 이 열 에너지에 의한 개질 반응을 통해 연료로부터 수소를 발생시키는 개질 반응부와, 수소에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함하여 구성된다.
그런데, 종래 기술에 의한 개질기는 이와 같은 열원부, 개질 반응부 및 일산화탄소 저감부가 분산 배치되어 이 열원부로부터 발생되는 열 에너지를 개질 반응 부 및/또는 일산화탄소 저감부에 전달하는 구조로서 이루어진다. 따라서 종래의 개질기는 열원부, 개질 반응부 및 일산화탄소 저감부가 서로 분산 배치됨에 따라, 개질 반응부 및/또는 일산화탄소 저감부에 대한 열원부의 열교환이 직접적으로 이루어지지 않아 열 전달면에서 불리한 문제점이 있다.
또한, 종래의 개질기는 열원부, 개질 반응부 및 일산화탄소 저감부가 서로 분산 배치됨에 따라, 전체 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있다.
이에 더하여, 종래 기술에 의한 개질기는 개질 반응부 및 일산화탄소 저감부에 대해 이들 각각의 고유한 운전 온도에 상응하는 온도 범위의 열 에너지를 제공하여야만 최적의 운전 효율을 보장 받을 수 있게 되는 바, 열원부로부터 이들 개질 반응부 및 일산화탄소 저감부로 전달되는 열 에너지를 컨트롤 하기가 쉽지 않아 전체 개질기의 운전 효율을 극대화시키기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로, 그 목적은 간단한 구조로서 개질기 전체의 반응 효율 및 열 효율을 향상시킴은 물론, 개질기의 운전 전반에 필요한 열 에너지를 용이하게 제어하여 개질기 전체의 운전 효율을 극대화시킬 수 있는 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 개질기는, 제1 도관과, 상기 제1 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제2 도관과, 상기 제2 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제3 도관으로서 구성되는 본체와, 상기 제3 도관의 내부에서 소정 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열을 발생시키는 열원부와, 상기 제2 도관과 상기 제3 도관 사이의 제1 영역에 형성되어 상기 열을 이용한 상기 연료의 수증기 개질 반응에 의해 상기 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 제2 영역에 형성되어 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환 반응에 의해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함한다.
상기 개질기에 있어서, 상기 열원부는 상기 제3 도관의 일측 단부에 연결 설치되어 상기 연료를 공기와 함께 착화 연소시키는 토치부재를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 열원부는, 상기 토치부재에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제3 도관의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제3 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연료의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함할 수 있다.
상기 개질기에 있어서, 상기 열원부는 상기 제3 도관의 내부 공간에 산화 촉매를 충전 형성하여 상기 산화 촉매에 의한 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 열을 발생시키는 구조로 이루어질 수도 있다. 이 경우 상기 열원부는, 상기 제3 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제3 도관의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제3 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연료의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함할 수 있다.
상기 개질기에 있어서, 상기 개질 반응부는 상기 제1 영역에 개질 촉매를 충 전 형성하여 이루어질 수 있다. 이 경우 상기 개질 반응부는, 상기 제2 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 제1 영역으로 상기 연료와 물을 주입시키기 위한 제2 주입구와, 상기 제2 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 제1 영역으로부터 상기 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구를 포함할 수 있다.
상기 개질기에 있어서, 상기 일산화탄소 저감부는 상기 제2 영역에 수성 가스 전환 촉매를 충전 형성하여 이루어질 수 있다. 이 경우 상기 일산화탄소 저감부는, 상기 제1 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 개질 반응부로부터 배출되는 개질 가스를 상기 제2 영역으로 주입시키기 위한 제3 주입구와, 상기 제3 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 제2 영역으로부터 상기 일산화탄소가 저감된 개질 가스를 배출시키기 위한 제3 배출구를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 개질기는, 제1 도관과, 상기 제1 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제2 도관과, 상기 제2 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제3 도관과, 상기 제3 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제4 도관으로서 구성되는 본체와, 상기 제4 도관의 내부에서 소정 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 제3 도관과 상기 제4 도관 사이의 제1 영역에 형성되어 상기 열 에너지를 이용한 상기 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 상기 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 제2 도관과 상기 제3 도관 사이의 제2 영역에 배치되며, 상기 제2 도관과 상기 제3 도관에 접촉되게 설치되어 상기 열원부로부터 배출되는 연소 가스와 상기 개질 반응부로 공급되는 상기 연료와 물의 패스를 형성하는 패스부재와, 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 제3 영역에 형성되어 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환 반응에 의해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함한다.
상기 개질기에 있어서, 상기 열원부는 상기 제4 도관의 일측 단부에 연결 설치되어 상기 연료를 공기와 함께 착화 연소시키는 토치부재를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 열원부는, 상기 토치부재에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제4 도관의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제4 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연료의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함할 수 있다.
상기 개질기에 있어서, 상기 열원부는 상기 제4 도관의 내부 공간에 산화 촉매를 충전 형성하여 상기 산화 촉매에 의한 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어질 수도 있다. 이 경우 상기 열원부는, 상기 제4 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제4 도관의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제4 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연료의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함할 수 있다.
상기 개질기에 있어서, 상기 개질 반응부는 상기 제1 영역에 개질 촉매를 충전 형성하여 이루어질 수 있다. 이 경우 상기 개질 반응부는, 상기 제3 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 제1 영역으로 상기 연료와 물을 주입시키기 위한 제2 주입구와, 상기 제3 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 제1 영역으로부터 상기 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구를 포함할 수 있다.
상기 개질기에 있어서, 상기 패스부재는 상기 연소 가스의 열을 상기 개질 반응부, 상기 개질 반응부로 공급되는 연료와 물, 및 상기 일산화탄소 저감부에 제공하는 열전달유닛으로서 구성될 수 있다. 이 경우 상기 패스부재는, 상기 제3 도관의 외주면에 대하여 코일 형태로 감기면서 상기 제4 도관과 연통되어 상기 연소 가스의 패스를 형성하는 제1 튜브와, 상기 제1 튜브와 접촉하도록 상기 제3 도관의 외주면에 대하여 코일 형태로 감기면서 상기 제3 도관과 연통되어 상기 연료와 물의 패스를 형성하는 제2 튜브를 포함할 수 있다.
상기 개질기에 있어서, 상기 일산화탄소 저감부는 상기 제3 영역에 수성 가스 전환 촉매를 충전 형성하여 이루어질 수 있다. 이 경우 상기 일산화탄소 저감부는, 상기 제1 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 개질 반응부로부터 배출되는 개질 가스를 상기 제3 영역으로 주입시키기 위한 제3 주입구와, 상기 제1 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 제3 영역으로부터 상기 일산화탄소가 저감된 개질 가스를 배출시키기 위한 제3 배출구를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 상기 개질기는 상기 연료로서 기체 연료를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 이와 같이 구성되는 개질기를 포함하여 구성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스의 산화 반응 및 산화제 가스의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지 방식으로서 구성된다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 LPG 또는 LNG와 같은 기체 연료를 연소시켜 열을 발생시키고, 이 기체 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 예를 설명한다.
그리고 본 시스템(100)은 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 이하에서는 후자를 예로 하여 설명한다.
이와 같은 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소와 산소의 산화 및 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 본체로서의 스택(10)과, 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 스택(10)으로 공급하는 개질기(20)와, 개질기(20)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원(50)과, 스택(10)과 개질기(20)로 산소를 공급하기 위한 산소 공급원(70)을 포함하여 구성 된다.
스택(10)은 개질기(20)와 산소 공급원(70)에 연결 설치되어 이 개질기(20)로부터 개질 가스를 공급받고, 산소 공급원(70)으로부터 산소를 공급받아 수소, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 발생부(11)를 구비한다.
따라서 본 실시예에서는 이와 같은 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부(11)들의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.
여기서, 전기 발생부(11)는 통상적인 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당 업계에서는 "바이폴라 플레이트(bipolar plate)"라고도 한다.)(16)를 밀착되게 배치하여 이루어지는 최소 단위의 연료 전지(fuel cell)로서 구성된다.
이와 같은 스택(10)의 구성은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지의 스택 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에서, 개질기(20)는 열 에너지를 이용한 연료의 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응, 더욱 바람직하게는 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다. 또한, 본 실시예에 의한 개질기(20)는 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환 반응을 통해 일산화탄소의 농도를 저감시키는 구조로 이루어진다. 이러한 개질기(20)의 예시적인 실시예는 도 2 및 도 3을 참고 하여 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.
연료 공급원(50)은 연료와 물을 개질기(20)로 공급하기 위한 것으로서, 기설정된 압력으로서 기체 연료를 압축 저장하는 연료 탱크(51)와, 물을 저장하는 물 탱크(53)와, 물 탱크(53)에 저장된 물을 배출시키기 위한 액체 펌프(55)를 포함한다.
그리고 산소 공급원(70)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하고 이 공기를 스택(10), 및 개질기(20)로 각각 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프(71)를 구비한다. 본 실시예에서, 산소 공급원(70)은 도면에서와 같이, 단일의 공기 펌프(71)를 통해 스택(10)과 개질기(20)로 공기를 공급하는 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 스택(10)과 개질기(20)와 각각 연결되는 한 쌍의 공기 펌프를 구비할 수도 있다. 그리고 산소 공급원(70)은 위와 같은 공기 펌프(71)를 구비하는 것에 한정되지 않고, 통상적인 구조의 팬(fan)을 구비할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 개질기를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 개질기(20)는, 공기와 함께 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부(31)와, 이 열 에너지를 이용한 연료와 물의 수증기 개질(Steam Reforming) 반응을 통해 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부(34)와, 이 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환(Water Gas Shift) 반응에 의해 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부(37)를 포함하여 구성된다.
이러한 개질기(20)는 동심원을 갖는 3중 관로 형태의 본체(30)로서 구성되는 바, 이 본체(30)는 제1 도관(21)과, 제1 도관(21)의 내부에 위치하는 제2 도관(22)과, 제2 도관(22)의 내부에 위치하는 제3 도관(23)을 구비한다.
제1 도관(21)은 소정의 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 제2 도관(22)은 제1 도관(21) 보다 상대적으로 작은 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 그리고 제3 도관(23)은 제2 도관(22) 보다 상대적으로 작은 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 이 때, 제2 도관(22)은 이의 외주면과 제1 도관(21)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 제1 도관(21)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다. 그리고 제3 도관(23)은 이의 외주면과 제2 도관(22)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 제2 도관(22)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다.
이와 같이 구성되는 개질기(20)에 있어, 본 실시예에 의한 열원부(31)는 제3 도관(23)의 일측 단부에 연결 설치되는 토치부재(32)를 구비한다. 이 토치부재(32)는 제3 도관(23)의 내부 공간에서 공기와 함께 연료를 착화 연소시키는 기능을 하게 된다.
이러한 토치부재(32)는 연료와 공기를 점화시키기 위한 통상적인 점화 플러그(도면에 도시하지 않음)를 설치하고 있으며, 연료와 공기를 제3 도관(23)의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구(32a)를 형성하고 있다. 여기서, 제1 주입구(32a)는 통상적인 파이프 라인을 통해 도 1에 도시한 연료 공급원(50)의 연료 탱크 (51), 및 산소 공급원(70)의 공기 펌프(71)와 연결될 수 있다.
이에 더하여, 열원부(31)는 제3 도관(23)의 내부 공간에서 연료와 공기가 연소될 때 발생되는 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구(23b)를 제3 도관(23)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다.
본 실시예에 의한 개질 반응부(34)는 제2 도관(22)과 제3 도관(23) 사이의 제1 영역(A)에 개질 촉매(35)를 충전 형성하여 이루어진다.
이러한 개질 반응부(34)에 있어, 개질 촉매(35)는 연료와 물의 수증기 개질 반응을 촉진시켜 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키기 위한 것이다. 이 개질 촉매(35)는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt)과 같은 촉매 물질을 담지하여 형성될 수 있다.
이에 더하여, 개질 반응부(34)에는 제1 영역(A)으로 연료와 물을 주입시키기 위한 제2 주입구(22a)를 제2 도관(22)의 일측 단부에 형성하고 있다. 이 제2 주입구(22a)는 통상적인 파이프 라인을 통해 도 1에 도시한 연료 탱크(51), 및 물 탱크(53)와 연결될 수 있다. 그리고 개질 반응부(34)에는 제1 영역(A)에서 개질 촉매(35)에 의한 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 발생되는 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구(22b)를 제2 도관(22)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다. 이 제2 배출구(22b)는 통상적인 파이프 라인을 통해 뒤에서 더욱 설명하는 일산화탄소 저감부(37)와 연결될 수 있다.
본 실시예에 의한 일산화탄소 저감부(37)는 제1 도관(21)과 제2 도관(22) 사이의 제2 영역(B)에 수성 가스 전환 촉매(38)를 충전 형성하여 이루어진다.
이 수성 가스 전환 촉매(38)는 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환 반응을 촉진시켜 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 것이다. 이러한 수성 가스 전환 촉매(38)는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 구리(Cu), 아연(Zn), 철(Fe), 크롬(Cr)과 같은 촉매 물질을 담지하여 형성될 수 있다.
이에 더하여, 일산화탄소 저감부(37)에는 개질 반응부(34)의 제2 배출구(22b)를 통해 배출되는 개질 가스를 제2 영역(B)으로 주입시키기 위한 제3 주입구(21a)를 제1 도관(21)의 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때 제3 주입구(21a)는 통상적인 파이프 라인을 통해 개질 반응부(34)의 제2 배출구(22b)와 연결될 수 있다. 그리고 일산화탄소 저감부(37)에는 제2 영역(B)으로부터 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스를 배출시키기 위한 제3 배출구(21b)를 제1 도관(21)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때 제3 배출구(21b)는 파이프 라인을 통해 통상적인 선택적 산화 반응기(PROX 반응기, 도면에 도시하지 않음) 또는 도 1에 도시한 스택(10)과 연결될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 탱크(51)에 압축 저장된 연료는 토치부재(32)의 제1 주입구(32a) 를 통해 제3 도관(23)의 내부 공간으로 공급된다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)는 공기를 흡입하고, 이 공기를 제1 주입구(32a)를 통해 제3 도관(23)의 내부 공간으로 공급한다.
이 상태에서, 점화 플러그(도면에 도시하지 않음)는 제3 도관(23)의 내부 공간으로 공급되는 연료와 공기를 착화시킨다. 그러면, 열원부(31)에서는 연료와 공기가 제3 도관(23)의 내부 공간에서 연소되면서 기설정된 온도 범위의 열을 발생시키게 된다. 따라서, 상기한 열은 제3 도관(23)을 통해 개질 반응부(34)의 개질 촉매(35)에 제공된다. 이로써 개질 반응부(34)는 열원부(31)의 외측에 형성되고 있기 때문에, 이 열원부(31)로부터 열을 제공받아 개질 촉매(35)가 개질 반응부(34)의 고유한 운전 온도 조건에 상응하는 온도 범위로서 예열된 상태를 유지하게 된다.
이러한 과정을 거친 후, 연료 탱크(51)에 압축 저장된 연료는 개질 반응부(34)의 제2 주입구(22a)를 통해 제2 도관(22)과 제3 도관(23) 사이의 제1 영역(A)으로 공급된다. 이와 동시에, 액체 펌프(55)는 물 탱크(53)에 저장된 물을 배출시키고, 이 물을 개질 반응부(34)의 제2 주입구(22a)를 통해 제1 영역(A)으로 공급한다.
그러면, 개질 반응부(34) 즉, 제2 도관(22)과 제3 도관(23) 사이의 제1 영역(A)에서는 개질 촉매(35)에 의한 연료와 물의 수증기 개질 반응이 진행되어 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시킨다. 이 때 개질 반응부(34)에서는 연료의 불완전한 개질 반응에 의해 부(副) 생성물로서 일산화탄소가 함유된 개질 가스를 발생시키게 된다.
이어서, 개질 가스는 개질 반응부(34)의 제2 배출구(22b)를 통해 배출되고, 일산화탄소 저감부(37)의 제3 주입구(21a)를 통해 제1 도관(21)과 제2 도관(22) 사이의 제2 영역(B)으로 공급된다. 이 때 일산화탄소 저감부(37)는 개질 반응부(34)의 외측에 형성되고 있기 때문에, 개질 반응부(34)로부터 열을 제공받아 수성 가스 전환 촉매(38)가 일산화탄소 저감부(37)의 고유한 운전 온도 조건에 상응하는 온도 범위로서 예열된 상태를 유지하게 된다.
이 상태에서, 일산화탄소 저감부(37)에서는 수성 가스 전환 촉매(38)에 의한, 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환 반응을 통해 추가의 수소를 발생시킴과 동시에 일산화탄소의 농도를 저감시키게 된다.
다음, 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스는 일산화탄소 저감부(37)의 제3 배출구(21b)를 통해 배출된다. 그러면, 개질 가스는 도면에 도시되지 않은 선택적 산화 반응기를 통해 2차적으로 일산화탄소의 농도가 저감된 상태에서 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급된다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)는 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다.
따라서 스택(10)에서는 전기 발생부(11)에 의한 수소와 산소의 산화 반응, 및 환원 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개질기를 도시한 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 개질기(120)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 제3 도관(123)의 내부 공간에 산화 촉매(133)를 충전 형성하여 이루어지는 열원부(131)를 구성할 수 있다.
이 열원부(131)는 산화 촉매(133)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열을 발생시키는 구조로 이루어진다. 여기서, 열원부(131)는 연료와 공기를 제3 도관(123)의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구(123a)를 제3 도관(123)의 일측 단부에 형성하고 있다. 그리고 열원부(131)는 산화 촉매(133)에 의해 연료와 공기가 연소될 때 발생하는 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구(123b)를 제3 도관(123)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때 제1 주입구(123a)는 통상적인 파이프 라인을 통해 도 1에 도시한 연료 공급원(50)의 연료 탱크(51), 및 산소 공급원(70)의 공기 펌프(71)와 연결될 수 있다.
여기서, 산화 촉매(133)는 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 백금(Pt), 루테늄(Ru)과 같은 촉매 물질을 담지하여 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 개질기(120)의 작용시, 열원부(131)의 제1 주입구(123a)를 통해 연료와 공기를 제3 도관(123)의 내부로 공급하게 되면, 열원부(131)는 산화 촉매(133)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열을 발생시키고, 이 열을 개질 반응부(134)에 제공하게 된다. 이 때, 본 실시예에서는 산화 촉매(133)에 의해 공기와 함께 연소되는 연료로서 LPG, LNG와 같은 기체 연료를 사용하기 때문에, 산화 촉매(133)가 별도로 제공된 열 에너지에 의해 소정 온도로 예열된 상태를 유지하고 있어야 함은 자명한 사실이다. 따라서, 열원부(131)에서는 연료와 공기가 소정 온도로 예열된 산화 촉매(133)에 의해 산화 반응을 일으키면서 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키게 된다.
본 실시예에 의한 개질기(120)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 개질기를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5의 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 개질기(320)는 전기 제1 실시예에서와 같이 열원부(331)와, 개질 반응부(334)와, 일산화탄소 저감부(337)를 포함하며, 개질 반응부(334)와 일산화탄소 저감부(337) 사이에서 열원부(331)로부터 발생되는 열 에너지를 개질 반응부(334), 개질 반응부(334)로 공급되는 연료와 물, 및 일산화탄소 저감부(337)에 제공할 수 있는 열전달유닛(340)을 구성할 수 있다.
이러한 개질기(320)는 동심원을 갖는 4중 관로 형태의 본체(330)로서 구성되는 바, 이 본체(330)는 제1 도관(321)과, 제1 도관(321)의 내부에 위치하는 제2 도관(322)과, 제2 도관(322)의 내부에 위치하는 제3 도관(323)과, 제3 도관(323)의 내부에 위치하는 제4 도관(324)을 구비한다.
제1 도관(321)은 소정의 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 제2 도관(322)은 제1 도관(321) 보다 상대적으로 작은 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 제3 도관(323)은 제2 도관(322) 보다 상대적으로 작은 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 그 리고 제4 도관(324)은 제3 도관(323) 보다 상대적으로 작은 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다.
여기서, 제2 도관(322)은 이의 외주면과 제1 도관(321)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 제1 도관(321)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다. 제3 도관(323)은 이의 외주면과 제2 도관(322)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 제2 도관(322)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다. 그리고 제4 도관(324)은 이의 외주면과 제3 도관(323)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 제3 도관(323)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다.
이와 같이 구성되는 개질기(320)에 있어, 본 실시예에 의한 열원부(331)는 제4 도관(324)의 일측 단부에 연결 설치되는 토치부재(332)를 구비한다. 이 토치부재(332)는 제4 도관(324)의 내부 공간에서 공기와 함께 연료를 착화 연소시키는 기능을 하게 된다.
이러한 토치부재(332)는 연료와 공기를 점화시키기 위한 통상적인 점화 플러그(도면에 도시하지 않음)를 설치하고 있으며, 연료와 공기를 제4 도관(324)의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구(332a)를 형성하고 있다. 여기서, 제1 주입구(332a)는 통상적인 파이프 라인을 통해 도 1에 도시한 연료 공급원(50)의 연료 탱크(51), 및 산소 공급원(70)의 공기 펌프(71)와 연결될 수 있다.
이에 더하여, 열원부(331)는 제4 도관(324)의 내부 공간에서 연료와 공기가 연소될 때 발생되는 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구(324b)를 제4 도관(324)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다.
본 실시예에서, 개질 반응부(334)는 제3 도관(323)과 제4 도관(324) 사이의 제1 영역(A)에 개질 촉매(335)를 충전 형성하여 이루어진다.
이러한 개질 반응부(334)에 있어, 개질 촉매(335)는 연료와 물의 수증기 개질 반응을 촉진시켜 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키기 위한 것이다. 이 개질 촉매(335)는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt)과 같은 촉매 물질을 담지하여 형성될 수 있다.
이에 더하여, 개질 반응부(334)에는 제1 영역(A)으로 연료와 물을 주입시키기 위한 제2 주입구(323a)를 제3 도관(323)의 일측 단부에 형성하고 있다. 그리고 개질 반응부(334)에는 제1 영역(A)에서 개질 촉매(335)에 의한 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 발생되는 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구(323b)를 제3 도관(323)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다. 이 제2 배출구(323b)는 통상적인 파이프 라인을 통해 뒤에서 더욱 설명하는 일산화탄소 저감부(337)와 연결될 수 있다.
본 실시예에서, 열전달유닛(340)은 열원부(331)로부터 발생하는 열을 개질 반응부(334), 및 뒤에서 더욱 설명하는 일산화탄소 저감부(337)에 대해 이들 각각의 고유한 운전 온도에 상응하는 온도 범위로서 제공하기 위한 것이다.
이 열전달유닛(340)은 개질 반응부(334)와 일산화탄소 저감부(337) 사이에서 열원부(331)로부터 발생되는 열 에너지를 개질 반응부(334), 개질 반응부(334)로 공급되는 연료와 물, 및 일산화탄소 저감부(337)에 제공하는 구조로 이루어진다.
구체적으로, 본 실시예에 의한 열전달유닛(340)은 제2 도관(322)과 제3 도관(323) 사이의 제2 영역(B)에 배치되며, 제2 도관(322)과 제3 도관(323)에 접촉되게 설치된다. 이러한 열전달유닛(340)은 열원부(331)로부터 배출되는 연소 가스, 및 연료 공급원(50: 도 1)에 의해 개질 반응부(334)로 공급되는 연료와 물의 패스를 형성하는 패스부재(341)를 포함한다. 이 패스부재(341)는 열원부(331)로부터 배출되는 연소 가스의 패스를 형성하는 제1 튜브(343)와, 개질 반응부(334)로 공급되는 연료와 물의 패스를 형성하는 제2 튜브(345)를 구비한다.
제1 튜브(343)는 제2 도관(322)과 제3 도관(323) 사이의 제2 영역(B)에서 제3 도관(323)의 외주면에 코일 형태로 감긴 구조로서, 열원부(331)로부터 배출되는 연소 가스의 배출 경로를 형성한다. 이 때 제1 튜브(343)는 일측 단부가 제2 도관(322)의 일측 단부를 관통하여 외부로 인출된 상태에서 열원부(331)의 제1 배출구(324b)와 연결되고, 다른 일측 단부가 제2 도관(322)의 다른 일측 단부를 관통하여 외부로 인출되고 있다.
제2 튜브(345)는 제2 도관(322)과 제3 도관(323) 사이의 제2 영역(B)에서 제1 튜브(343)와 접촉하도록 제3 도관(323)의 외주면에 코일 형태로 감긴 구조로서, 개질 반응부(334)로 공급되는 연료와 물의 공급 경로를 형성한다. 이 때 제2 튜브(345)는 일측 단부가 제2 도관(322)의 일측 단부를 관통하여 외부로 인출된 상태에서 개질 반응부(334)의 제2 주입구(323a)와 연결되며, 다른 일측 단부가 제2 도관(322)의 다른 일측 단부를 관통하여 외부로 인출된 상태에서 도 1에 도시한 연료 탱크(51), 및 물 탱크(53)와 연결될 수 있다.
본 실시예에 의한 일산화탄소 저감부(337)는 제1 도관(321)과 제2 도관(322) 사이의 제3 영역(C)에 수성 가스 전환 촉매(338)를 충전 형성하여 이루어진다.
이 수성 가스 전환 촉매(338)는 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환 반응을 촉진시켜 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 것이다. 이러한 수성 가스 전환 촉매(338)는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 구리(Cu), 아연(Zn), 철(Fe), 크롬(Cr)과 같은 촉매 물질을 담지하여 형성될 수 있다.
이에 더하여, 일산화탄소 저감부(337)에는 개질 반응부(334)의 제2 배출구(323b)를 통해 배출되는 개질 가스를 제3 영역(C)으로 주입시키기 위한 제3 주입구(321a)를 제1 도관(321)의 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때 제3 주입구(321a)는 통상적인 파이프 라인을 통해 개질 반응부(334)의 제2 배출구(323b)와 연결될 수 있다. 그리고 일산화탄소 저감부(337)에는 제3 영역(C)으로부터 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스를 배출시키기 위한 제3 배출구(321b)를 제1 도관(321)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때 제3 배출구(321b)는 파이프 라인을 통해 통상적인 선택적 산화 반응기(PROX 반응기, 도면에 도시하지 않음) 또는 도 1에 도시한 스택(10)과 연결될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 개질기의 작용을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 탱크(51: 도 1)에 저장된 연료는 토치부재(332)의 제1 주입구(332a)를 통해 제4 도관(324)의 내부 공간으로 공급된다. 이와 동시에, 공기 펌프(71: 도 1)는 공기를 흡입하고, 이 공기를 제1 주입구(332a)를 통해 제4 도관(324)의 내부 공간으로 공급한다.
이 상태에서, 열원부(331)의 점화 플러그(도면에 도시하지 않음)는 제4 도관(324)의 내부 공간으로 공급되는 연료와 공기를 착화시킨다. 그러면, 열원부(331)에서는 연료와 공기가 제4 도관(324)의 내부 공간에서 연소되면서 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키게 된다. 따라서, 상기한 열 에너지는 제4 도관(324)을 통해 개질 반응부(334)의 개질 촉매(335)에 제공된다. 이 때, 제4 도관(324)의 내부에서 연료와 공기가 연소될 때 발생하는 비교적 고온의 연소 가스는 열원부(331)의 제1 배출구(324b)를 통해 배출되게 된다.
이어서, 연소 가스는 제1 튜브(343)를 통과하게 되는 바, 제1 튜브(343)가 제3 도관(323)의 외주면에 코일 형태로 감겨져 있기 때문에, 제1 튜브(343)를 통해 나선형 패스를 따라 유동하면서 개질기(320) 외측으로 배출되게 된다. 그러면 제1 튜브(343)는 제2 도관(322)과 제3 도관(323) 사이의 제2 영역(B)에서 제2 도관(322)과 제3 도관(323)에 접촉된 상태로 연소 가스 자체의 열 에너지에 의해 소정 온도로 가열되게 되는 바, 제3 도관(323)을 통해 개질 반응부(334)의 개질 촉매(335)에 부가적인 열 에너지를 제공하게 된다. 이와 동시에, 제1 튜브(343)는 제2 도관(322)을 통해 일산화탄소 저감부(337)의 수성 가스 전환 촉매(338)에 소정 온도 범위의 열 에너지를 제공하게 된다. 따라서, 개질 반응부(334) 및 일산화탄소 저감부(337)는 제1 튜브(343)를 통해 고유한 운전 온도 조건에 상응하는 온도 범위의 열 에너지를 제공받게 된다.
이와 같은 상태에서, 연료 탱크(51: 도 1)에 저장된 연료와 물 탱크(53: 도 1)에 저장된 물은 제2 튜브(345)를 통과하게 되는 바, 제2 튜브(345)가 제2 도관(322)과 제3 도관(323) 사이의 제2 영역(B)에 제3 도관(323)의 외주면에 코일 형태로 감기면서 제1 튜브(343)와 접촉되게 설치되고 있기 때문에, 제1 튜브(343)로부터 방출되는 열 에너지를 전달받아 소정 온도로 예열되게 된다.
이 후, 연료와 물은 개질 반응부(334)의 제2 주입구(323a)를 통해 제3 도관(323)과 제4 도관(324) 사이의 제1 영역(A)으로 공급된다.
그러면, 개질 반응부(334) 즉, 제3 도관(323)과 제4 도관(324) 사이의 제1 영역(A)에서는 개질 촉매(335)에 의한 연료와 물의 수증기 개질 반응이 진행되어 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시킨다. 이 때 개질 반응부(334)에서는 연료의 불완전한 개질 반응에 의해 부(副) 생성물로서 일산화탄소가 함유된 개질 가스를 발생시키게 된다.
이어서, 개질 가스는 개질 반응부(334)의 제2 배출구(323b)를 통해 배출되고, 일산화탄소 저감부(337)의 제3 주입구(321a)를 통해 제1 도관(321)과 제2 도관(322) 사이의 제3 영역(C)으로 공급된다.
이 상태에서, 일산화탄소 저감부(337)에서는 수성 가스 전환 촉매(338)에 의한, 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환 반응을 통해 추가의 수소를 발생시킴과 동시에 일산화탄소의 농도를 저감시키게 된다.
다음, 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스는 일산화탄소 저감부(337)의 제3 배출구(321b)를 통해 배출된다. 그러면, 개질 가스는 도면에 도시되지 않은 선택적 산화 반응기를 통해 2차적으로 일산화탄소의 농도가 저감된 상태에서 도 1에 도시한 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급된다. 이와 동시에, 공기 펌프(71: 도 1)는 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다.
따라서 스택(10)에서는 전기 발생부(11)에 의한 수소와 산소의 산화 반응, 및 환원 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 개질기를 도시한 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 개질기(420)는 전기 제3 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 제4 도관(424)의 내부 공간에 산화 촉매(433)를 충전 형성하여 이루어지는 열원부(431)를 구성할 수 있다.
이 열원부(431)는 산화 촉매(433)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열을 발생시키는 구조로 이루어진다. 여기서, 열원부(431)는 연료와 공기를 제4 도관(424)의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구(424a)를 제4 도관(424)의 일측 단부에 형성하고 있다. 그리고 열원부(431)는 산화 촉매(433)에 의해 연료와 공기가 연소될 때 발생하는 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구(424b)를 제4 도관(424)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다.
본 실시예에서는 산화 촉매(433)에 의해 공기와 함께 연소되는 연료로서 LPG, LNG와 같은 기체 연료를 사용하기 때문에, 산화 촉매(433)가 별도로 제공된 열 에너지에 의해 소정 온도로 예열된 상태를 유지하고 있어야 함은 자명한 사실이 다.
본 실시예에 의한 개질기(420)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제2,3 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 연료의 각종 반응에 필요한 열 에너지를 신속하게 전달할 수 있는 간단한 구조의 개질기를 구비하므로, 시스템의 열 효율 및 운전 성능을 향상시킬 수 있으며, 전체 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 개질 반응부 및 일산화탄소 저감부로 이들의 고유한 운전 온도에 상응하는 온도 범위의 열 에너지를 제공할 수 있는 개질기를 구성함에 따라, 전체 개질기의 운전 효율을 극대화시킬 수 있다.
Claims (22)
- 제1 도관과, 상기 제1 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제2 도관과, 상기 제2 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제3 도관으로서 구성되는 본체;상기 제3 도관의 내부에서 소정 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열을 발생시키는 열원부;상기 제2 도관과 상기 제3 도관 사이의 제1 영역에 형성되어 상기 열을 이용한 상기 연료의 수증기 개질 반응에 의해 상기 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 제2 영역에 형성되어 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환 반응에 의해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함하는 개질기.
- 제1 항에 있어서,상기 열원부는 상기 제3 도관의 일측 단부에 연결 설치되어 상기 연료를 공기와 함께 착화 연소시키는 토치부재를 포함하는 개질기.
- 제2 항에 있어서,상기 열원부는,상기 토치부재에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제3 도관의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구와,상기 제3 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연료의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함하는 개질기.
- 제1 항에 있어서,상기 열원부는 상기 제3 도관의 내부 공간에 산화 촉매를 충전 형성하여 상기 산화 촉매에 의한 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 열을 발생시키는 구조로 이루어지는 개질기.
- 제4 항에 있어서,상기 열원부는,상기 제3 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제3 도관의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구와,상기 제3 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연료의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함하는 개질기.
- 제1 항에 있어서,상기 개질 반응부는 상기 제1 영역에 개질 촉매를 충전 형성하여 이루어지는 개질기.
- 제6 항에 있어서,상기 개질 반응부는,상기 제2 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 제1 영역으로 상기 연료와 물을 주입시키기 위한 제2 주입구와,상기 제2 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 제1 영역으로부터 상기 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구를 포함하는 개질기.
- 제1 항에 있어서,상기 일산화탄소 저감부는 상기 제2 영역에 수성 가스 전환 촉매를 충전 형성하여 이루어지는 개질기.
- 제8 항에 있어서,상기 일산화탄소 저감부는,상기 제1 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 개질 반응부로부터 배출되는 개질 가스를 상기 제2 영역으로 주입시키기 위한 제3 주입구와,상기 제3 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 제2 영역으로부터 상기 일 산화탄소가 저감된 개질 가스를 배출시키기 위한 제3 배출구를 포함하는 개질기.
- 제1 도관과, 상기 제1 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제2 도관과, 상기 제2 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제3 도관과, 상기 제3 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제4 도관으로서 구성되는 본체;상기 제4 도관의 내부에서 소정 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부;상기 제3 도관과 상기 제4 도관 사이의 제1 영역에 형성되어 상기 열 에너지를 이용한 상기 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 상기 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부;상기 제2 도관과 상기 제3 도관 사이의 제2 영역에 배치되며, 상기 제2 도관과 상기 제3 도관에 접촉되게 설치되어 상기 열원부로부터 배출되는 연소 가스와 상기 개질 반응부로 공급되는 상기 연료와 물의 패스를 형성하는 패스부재; 및상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 제3 영역에 형성되어 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환 반응에 의해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함하는 개질기.
- 제10 항에 있어서,상기 열원부는 상기 제4 도관의 일측 단부에 연결 설치되어 상기 연료를 공기와 함께 착화 연소시키는 토치부재를 포함하는 개질기.
- 제11 항에 있어서,상기 열원부는,상기 토치부재에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제4 도관의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구와,상기 제4 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연료의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함하는 개질기.
- 제10 항에 있어서,상기 열원부는 상기 제4 도관의 내부 공간에 산화 촉매를 충전 형성하여 상기 산화 촉매에 의한 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어지는 개질기.
- 제13 항에 있어서,상기 열원부는,상기 제4 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제4 도관의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구와,상기 제4 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연료의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함하는 개질기.
- 제10 항에 있어서,상기 개질 반응부는 상기 제1 영역에 개질 촉매를 충전 형성하여 이루어지는 개질기.
- 제15 항에 있어서,상기 개질 반응부는,상기 제3 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 제1 영역으로 상기 연료와 물을 주입시키기 위한 제2 주입구와,상기 제3 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 제1 영역으로부터 상기 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구를 포함하는 개질기.
- 제10 항에 있어서,상기 패스부재는 상기 연소 가스의 열을 상기 개질 반응부, 상기 개질 반응부로 공급되는 연료와 물, 및 상기 일산화탄소 저감부에 제공하는 열전달유닛으로서 구성되는 개질기.
- 제17 항에 있어서,상기 패스부재는,상기 제3 도관의 외주면에 대하여 코일 형태로 감기면서 상기 제4 도관과 연통되어 상기 연소 가스의 패스를 형성하는 제1 튜브와,상기 제1 튜브와 접촉하도록 상기 제3 도관의 외주면에 대하여 코일 형태로 감기면서 상기 제3 도관과 연통되어 상기 연료와 물의 패스를 형성하는 제2 튜브를 포함하는 개질기.
- 제10 항에 있어서,상기 일산화탄소 저감부는 상기 제3 영역에 수성 가스 전환 촉매를 충전 형성하여 이루어지는 개질기.
- 제19 항에 있어서,상기 일산화탄소 저감부는,상기 제1 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 개질 반응부로부터 배출되는 개질 가스를 상기 제3 영역으로 주입시키기 위한 제3 주입구와,상기 제1 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 제3 영역으로부터 상기 일산화탄소가 저감된 개질 가스를 배출시키기 위한 제3 배출구를 포함하는 개질기.
- 제1 항 또는 제10 항에 있어서,상기 연료로서 기체 연료를 사용하는 개질기.
- 제1 항 내지 제21 항 중 어느 한 항의 개질기를 포함하는 연료 전지 시스템.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020050069515A KR20070014681A (ko) | 2005-07-29 | 2005-07-29 | 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050069515A KR20070014681A (ko) | 2005-07-29 | 2005-07-29 | 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20070014681A true KR20070014681A (ko) | 2007-02-01 |
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ID=38080417
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020050069515A Withdrawn KR20070014681A (ko) | 2005-07-29 | 2005-07-29 | 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20070014681A (ko) |
-
2005
- 2005-07-29 KR KR1020050069515A patent/KR20070014681A/ko not_active Withdrawn
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