KR100632967B1

KR100632967B1 - 연료전지시스템의 선택적 산화반응부 열교환장치

Info

Publication number: KR100632967B1
Application number: KR1020040082437A
Authority: KR
Inventors: 차정은; 박영호; 이갑식; 황정태
Original assignee: 지에스퓨얼셀 주식회사
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-10-11
Also published as: KR20060033366A

Abstract

본 발명은 연료전지시스템의 선택적 산화반응부 열교환장치에 관한 것으로, 개질부와 변성부를 거쳐 생성된 반응물이 투입되어 촉매반응에 의해 일산화탄소를 산화 제거하기 위한 선택적 산화반응부(3)에 있어서, 선택적 산화반응부(3)의 외부를 감싸도록 개질가스(G)와 냉각수(W)와의 열교환을 위한 이중 나선관(10)을 설치하고, 이 이중 나선관(10)의 내부관(12)으로는 선택적 산화반응부(3)로 공급될 개질가스(G)가 공급되도록 하고, 외부관(11)으로는 냉각수(W)를 공급하여 열교환을 이루도록 함으로써 냉각수에 의해 개질가스중의 수분을 응축 제거하는 기능과 온수를 생성하는 기능 및 내부의 선택적 산화반응부(3)와도 열교환이 이루어져 선택적 산화반응부가 초기 및 정상운전상태에서 산화반응에 적합한 적정온도상태를 유지할 수 있도록 한다.

연료전지, 선택적 산화반응부, 열교환기, 이중관, 나선, 적정온도유지

Description

연료전지시스템의 선택적 산화반응부 열교환장치 {A Heat exchanging device of preferential oxidation part for fuel cell system}

도 1은 본 발명에 의한 선택적 산화반응부 열교환장치가 적용된 연료전지시스템의 개략구성도,

도 2는 본 발명에 의한 선택적 산화반응부 열교환장치를 도시한 단면도,

도 3는 본 발명에 의한 선택적 산화반응부 열교환장치에서 개질가스와 냉각수의 흐름방향을 도시한 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 개질반응부 2 : 변성부

3 : 선택적 산화반응부 4 : 연료전지 본체

10 : 이중 나선관 11 : 냉각수 공급관

12 : 개질가스 공급관 20 : 필터

P1 : 개질가스 공급포트 P2 : 개질가스 배출포트

P3 : 냉각수 공급포트 P4 : 냉각수 배출포트

P5 : 응축수 배수포트 P6 : 개질가스 공급포트

P7 : 개질가스 배출포트 G : 개질가스

W : 냉각수

본 발명은 연료전지시스템의 선택적 산화반응부 열교환장치에 관한 것으로, 상세히는 적정온도를 유지하여야 하는 선택적 산화반응부의 외부에 개질반응과 변성반응을 거친 개질가스와 냉각수가 공급되는 이중 나선관을 상기 선택적 산화반응부를 감싸는 형태로 배치하여 냉각수의 유량제어에 의해 선택적 산화반응부의 내부 온도를 적정온도로 유지할 수 있도록 함으로써 산화반응의 효율을 제고시킴과 동시에 개질가스중에 함유된 수분은 냉각수와의 열교환에 의해 응축 제거되도록 함으로써 선택적 산화반응부 내부에서의 산화반응시 촉매 성능을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

연료전지는 화학적 산화-환원반응을 통해 전기를 제공하며, 청결함과 효율성 측면에서 다른 형태의 동력발생보다 잇점이 있고 발전시에 발생된 열을 효과적으로 이용할 수 있기 때문에 발전 및 난방 또는 온수급탕을 동시에 필요로 하는 가정용 복합발전시스템으로 바람직하다.

한편, 상기한 연료전지의 연료원은 수소인데, 이러한 수소는 비교적 낮은 부피 에너지 밀도를 가지며, 현재 대부분 동력발생시스템에서 사용되고 있는 탄화수 소연료에 비하여 저장 및 수송이 곤란하므로, 이 탄화수소를 연료전지의 공급원료로 사용할 수 있도록 개질하는 장치가 필요하다.

이러한 개질장치는 천연가스, LPG, 가솔린, 디젤 등과 같은 탄화수소계 연료를 전화시키기 위한 것으로, 초기 전화공정과 다수의 정제공정이 결합된 다단계 공정을 사용하고 있다. 초기 공정은 대부분 증기 개질, 자연 개질, 촉매적 부분산화 또는 비촉매적 부분산화이며, 정제공정은 일반적으로 탈황, 고온 물-가스 전환, 저온 물-가스 전환, 선택적 CO산화, 또는 선택적 CO메탄화로 구성된다.

본 발명과 관련된 기존의 증기 개질공정에 있어서는 반응물인 상온 액체상태인 물을 사용하고 있으므로 이를 증기화하기 위하여 개질기 전체의 열량소모가 많았으며, 선택적 산화반응촉매의 성능을 향상시키기 위해 선택적 산화반응부의 전단에 추가의 냉각장치를 구비하여 개질가스 중에 함유된 물을 제거해주어야 했었고, 선택적 산화반응부의 빠른 반응성 즉, 초기구동성을 향상시키기 위해 예열장치를 구비해야 했었으므로 시스템 전체가 복잡해지게 되는 문제점은 물론, 시스템 자체의 소모전력이 크게 되는 단점이 있었다.

특히, 기존의 개질시스템에 있어서는 선택적 산화반응부에 공급되는 개질가스에 포함된 수분의 응축과 초기구동성 향상을 위해 전기히터를 이용하여 일정온도를 유지시켜야 하므로 추가적인 전기장치가 필요했었고, 발열반응인 선택적 산화반 응부의 정상상태에서 적정한 온도유지를 위해 전기 팬(electric fan)을 이용하므로 시스템에서 발생된 전기를 사용하게 됨은 물론 부수적인 장치가 추가되어야 했었으며, 선택적 산화반응부에서 발생하는 열을 팬으로 제거하므로 연료전지시스템 구현시 장치 내부의 온도상승요인으로 작용하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 선택적 산화반응부에서 발생하는 열과 개질가스에 포함된 열을 전기 팬과 같은 비효율적인 냉각수단을 사용하지 않고도 냉각수를 사용하여 이를 효과적으로 제거함으로써 선택적 산화반응부 내부의 온도를 산화반응에 적정한 온도로 유지시킬 수 있도록 하는데 있다.

또, 본 발명은 상기한 냉각수가 상기한 선택적 산화반응부의 적정온도유지와 동시에 산화반응부로 공급되는 개질가스 중에 포함된 수분을 응축 제거함으로써 선택적 산화반응부의 성능을 향상시킬 수 있고, 열교환을 이룬 냉각수는 열병합 발전시스템에서 요구로 하는 온수로 사용할 수 있도록 하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 선택적 산화반응부의 외부에 이중관으로 나선형의 열교환기를 설치하되, 이 열교환기의 내부관으로는 선택적 산화반응부로 공급될 개질가스가 공급되도록 하고 외부관으로는 냉각수를 공급하여 상호 열교환을 이루도록 함으로써 개질가스중의 수분을 응축 제거하는 기능과 온수를 생성하는 기능 및 냉각수와 고온의 개질가스가 선택적 산화반응부와도 열교환이 이루어지도록 하여 선택적 산화반응부가 산화반응에 적합한 적정온도를 유지할 수 있도록 한 연료전지시스템의 선택적 산화반응부 열교환장치를 제공한다.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 선택적 산화반응부 열교환장치가 적용된 연료전지시스템의 개략적인 구성을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에 의한 선택적 산화반응부열교환장치를 도시한 단면도이며, 도 3는 본 발명에 의한 선택적 산화반응부 열교환장치에서 개질가스와 냉각수의 흐름방향을 도시한 단면도이다.

상기 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지시스템의 선택적 산화반응부(3)는 그 외부에 개질부(1)와 변성부(2)를 거쳐 생성된 개질가스(G)와 냉각수(W)가 공급되는 이중 나선관(10)이 감싸는 형태로 배치되고, 냉각수(W)의 유량제어에 의해 선택적 산화반응부(3)의 내부 온도를 적정온도로 유지할 수 있도록 함과 아울러 개질가스(G)중에 함유된 수분도 냉각수(W)와의 열교환에 의해 응축되어 제거됨으로써 선택적 산화반응부(3)내부의 촉매 성능을 향상시킬 수 있도록 된 것이다.

상기 이중 나선관(10)은 외부의 냉각수 공급관(11)과 이 냉각수 공급관(11) 내부의 개질가스 공급관(12)으로 이루어져 있으며, 이 이중 나선관(10)은 원통형태의 선택적 산화반응부(3)의 외부를 감싸는 형태로 나선상으로 말려 있어 이중 나선관(10)외측의 냉각수 공급관(11)을 따라 흐르는 상대적으로 저온 상태의 냉각수(W)가 이중 나선관(10)내측의 개질가스 공급관(12)을 따라 흐르는 상대적으로 고온 상태의 개질가스(G)와 열교환을 이룸과 동시에 이 냉각수(W)는 이중 나선관(10)으로 감싸여져 있는 선택적 산화반응부(3)와도 열교환을 이루게 된다.

따라서, 흡열반응인 개질부(1)와 발열반응인 변성부(2)를 거친 상대적으로 고온 상태인 개질가스 중에 함유된 수분은 냉각수와의 열교환에 의해 응축되어 제거될 수 있으며, 선택적 산화반응부(3)는 초기운전상태의 경우에는 상대적으로 고온인 개질가스 공급관(12)에 의해 감싸여져 있으므로 별다른 예열수단이 없더라도 예열이 이루어져 초기구동성을 높일 수 있음과 아울러 정상작동상태에서는 냉각수(W)와의 열교환에 의해 산화반응에 적합한 온도상태 이상으로 상승하는 것을 방지할 수 있도록 되어 있다.

본 발명에서 상기 이중 나선관(10)을 이루는 냉각수 공급관(11)과 개질가스 공급관(12)은 그 내부를 흐르는 냉각수(W)와 개질가스(G)의 흐름이 상반되는 방향 즉, 개질가스는 상부의 공급포트(P1)에서 공급되어 하부의 배출포트(P2)로 배출되도록 되어 있고, 냉각수(W)는 하부의 공급포트(P3)에서 공급되어 상부의 배출포트(P4)로 배출되도록 되어 있어 상대적으로 고온상태의 개질가스와 저온상태의 냉각수와의 열교환효율을 최대화할 수 있도록 되어 있고, 이러한 열교환에 의해 상부에 서 하부를 향해 흐르는 개질가스(G)중에 함유된 증기상태의 수분은 응축되면서 하강하여 배출포트(P2)를 통해 배출되어 배수포트(P5)를 통해 필터(20)로 공급되어 불순물이 제거된 후 개질부(1)로 공급되고, 수분이 제거되고 냉각된 개질가스(G)는 다시 선택적 산화반응부(3)의 하부에 위치한 개질가스 공급포트(P6)를 통해 산화반응부(3)내부로 공급되어 촉매반응을 거쳐 개질가스중에 함유된 CO가 제거된 후 상부의 배출포트(P7)를 통해 배출되어 연료전지 본체(4)로 공급된다.

상기 이중 나선관(10)은 내식성의 금속 또는 비금속재로서 열전도성이 우수한 소재로 제작하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에 의한 선택적 산화반응부 열교환장치의 작용 효과에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 선택적 산화반응부로 공급되는 개질가스는 흡열반응인 개질부(1)와 발열반응인 변성부(2)를 거친 상태이므로 개질가스의 온도는 약 200℃이고, 그 성분은 CH₄, CO, CO₂, H₂O(증기상태), H₂가 혼합된 상태이며, 이중 나선관(10)의 내부 개질가스 공급관(12)으로 유입된 고온상태의 개질가스(G)는 내부 개질가스관(12)의 외부에 나선상태로 설치된 물 공급관(11)내부의 물(W)과 열교환을 이루면서 물(W)의 온도는 상승되고 반대로 고온의 개질가스(G)는 냉각되게 되는데, 이 개질가스(G)가 물(W)과의 간접 열교환에 의해 개질가스(G)중에 포함된 증기상태의 수분은 내부 개질가스 공급관(12)에서 응축되어 액체상태의 물로 상태가 변화되어 하부의 배수포트(P5)로 배출되므로 개질가스(G)중의 수분은 대부분 제거된다.

상기한 냉각수 공급관(11)으로 공급되는 냉각수는 가정에서 사용되는 일반 수돗물을 이용하며, 이 냉각수 공급관(11)을 거치면서 가열되고 연료전지에서 발생하는 열로 인해 생성되는 온수와 함께 가정에서 사용되는 난방 및 온수급탕으로 사용될 수 있다.

한편, 상기 냉각수와 열교환을 이루어 수분이 제거된 개질가스(G)인 CH₄, CO, CO₂, H₂는 선택적 산화반응부(3)의 공급포트(P6)로 공급되어 촉매반응에 의해 CO가 제거되는데, 본 발명에 의한 선택적 산화반응부(3)의 외부에 둘러싼 이중 나선관(10)은 개질가스(G)와 냉각수(W)와의 열교환기 기능에 겸하여 선택적 산화반응부(3)자체를 위한 항온기능을 발휘하게 되는 것으로, 초기구동시 전기 히터와 같은 히팅장치 없이도 선택적 산화반응부(3)의 온도를 산화반응에 적정한 온도까지 상승(예열)시킬 수 있고, 선택적 산화반응부(3)가 정상운전상태에서는 냉각수와의 열교환에 의해 적정온도 이상으로 상승되는 것을 방지하는 냉각수단의 기능을 동시에 발휘하게 된다.

한편, 배수포트(P5)로 배출된 수분은 필터(20)를 거쳐 불순물이 제거된 후 개질부(1)의 개질반응의 공급물로 사용된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 선택적 산화반응부의 외측에 고온의 개질가스와 저온의 냉각수가 열교환을 이루도록 이중 나선관을 감싸는 구조로 이루어져 있어 개질가스중에 포함된 수분을 응축 제거시킨 후 선택적 산화반응부로 공급하여 산화반응부의 촉매성능을 향상시킴과 아울러 이 이중 나선관이 선택적 산화반응부내부의 온도상태를 적정하게 유지하는 기능도 겸하게 되므로 별도의 에너지를 소모하는 히팅수단이나 냉각수단을 사용하지 않아 시스템의 단순화 및 장치의 연료전지 시스템의 에너지효율을 향상시킬 수 있는 등의 유용한 효과를 갖는다.

Claims

개질부와 변성부를 거쳐 생성된 반응물이 투입되어 촉매반응에 의해 일산화탄소를 산화 제거하기 위한 연료전지시스템의 선택적 산화반응부에 있어서;

상기 선택적 산화반응부(3)의 외부를 감싸도록 개질가스(G)와 냉각수(W)와의 열교환을 위하여 외부 냉각수 공급관(11)과 내부 개질가스 공급관(12)으로 이루어진 이중 나선관(10)이 설치되고, 상기 내부 개질가스 공급관(12)으로는 선택적 산화반응부(3)로 공급될 개질가스(G)가 공급되며, 상기 외부 냉각수 공급관(11)으로는 냉각수(W)가 공급되어 상호 열교환을 이루어 개질가스중의 수분을 응축 제거하는 기능과 온수를 생성하는 기능 및 상기 선택적 산화반응부(3)와도 열교환이 이루어져 상기 선택적 산화반응부(3)가 적정온도를 유지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 선택적 산화반응부 열교환장치.
청구항 1에 있어서,

상기 이중 나선관(10)을 이루는 냉각수 공급관(11)과 개질가스 공급관(12)은 그 내부를 흐르는 냉각수(W)와 개질가스(G)의 흐름이 상반되도록 개질가스(G)는 상부의 공급포트(P1)에서 공급되어 하부의 배출포트(P2)로 배출되고, 냉각수(W)는 하부의 공급포트(P3)에서 공급되어 상부의 배출포트(P3)로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 선택적 산화반응부 열교환장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 내부 개질가스 공급관(12)으로 공급된 개질가스(G)중에서 응축 제거된 수분은 배수포트(P5)에서 필터(20)를 거쳐 정제된 후 개질부(1)로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 선택적 산화반응부 열교환장치.