KR100818488B1 - Fuel reforming method and reformer - Google Patents

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오용수
장재혁
쿤두 아루나바
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Abstract

A fuel reformer and a method for reforming fuel using the same are provided to perform a reformation reaction even without a separate external heat source, thereby downsizing a fuel cell system and realizing high-energy efficiency. Hydrocarbon-based compound reacts with peroxide to generate hydrogen and water in a preliminary reactor(101a). A steam reformation reactor(101b) is connected to the preliminary reactor. In the steam reformation reactor, unreacted hydrocarbon-based compound, which is supplied from the preliminary reactor, reacts with water by using heat generated from the preliminary reactor, thereby generating hydrogen. Exothermic reaction catalysts(122) are disposed in the preliminary reactor to promote the reaction between the hydrocarbon-based compound and the peroxide. Steam reformation catalysts(124) are disposed in the steam reformation reactor to promote the reaction between the hydrocarbon-based compound and steam. Further, the hydrocarbon-based compound is methanol, and the exothermic reaction catalysts comprise Zr-Pt-based catalyst.

Description

연료 개질 방법과 개질기{Fuel Reforming Method and Reformer}Fuel Reforming Method and Reformer

도 1은 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to the prior art.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 개질기의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a reformer according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.3 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 연료전지 시스템에 사용될 수 있는 연료전지 구성을 나타내 보인 단면 구성도이다.4 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell that can be used in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.5 is a schematic structural diagram of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 연료전지 시스템에 사용될 수 있는 연료 공급부의 예들을 개략적으로 나타낸 구성도이다.6 is a configuration diagram schematically showing examples of a fuel supply unit that may be used in the fuel cell system of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100: 개질기 101a: 예비 반응기100: reformer 101a: pre-reactor

101b: 수증기 개질 반응기 103: 연결부101b: steam reforming reactor 103: connection

105: 단열체 105a: 개질기 입구105: insulator 105a: reformer inlet

105b: 개질기 출구 121: 유리면(glass wool)105b: reformer outlet 121: glass wool

122: 발열반응 촉매 124: 수증기 개질 촉매122: exothermic catalyst 124: steam reforming catalyst

500, 510: 연료전지 시스템 130: 연료전지500, 510: fuel cell system 130: fuel cell

140: 배기가스 버너 150: 공기 펌프140: exhaust gas burner 150: air pump

160: 제어 밸브 170: 연료 펌프160: control valve 170: fuel pump

180: 연료 공급부 Tc1, Tc2: 온도 센서180: fuel supply part Tc1, Tc2: temperature sensor

본 발명은 탄화수소계 연료로부터 수소가스를 얻는 연료 개질 방법, 개질기 및 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 개질기에 열을 공급하기 위한 별도의 히터나 버너를 필요로 하지 않고 소형화에 유리한 연료 개질 방법, 개질기 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel reforming method, a reformer, and a fuel cell system for obtaining hydrogen gas from a hydrocarbon fuel, and in particular, a fuel reforming method and a reformer that are advantageous for miniaturization without requiring a separate heater or burner for supplying heat to the reformer. And a fuel cell system having the same.

최근 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터, 전자수첩 등 휴대용 소형 전자기기의 사용이 증가하고 있으며, 그 전원으로서 알카리 건전지 등의 1차 전지 또는 리튬이온 전지 등의 2차 전지가 사용되고 있다. 특히 휴대용 소형 전자기기가 소형화되고 다기능화됨에 따라, 그 전원 성능의 향상이 요구되고 있다. In recent years, the use of portable small electronic devices such as mobile phones, PDAs, digital cameras, notebook computers, electronic notebooks, etc. is increasing, and as a power source thereof, primary batteries such as alkaline batteries or secondary batteries such as lithium ion batteries are used. In particular, as portable miniature electronic devices become smaller and more versatile, improvement in power supply performance is required.

현재 휴대용 정보기기의 전원장치로서 일반적으로 사용되고 있는 리튬 이온 등 2차 전지에 대해서는 에너지의 효과적인 이용과 용량의 추가적인 개선이 요구되고 있다. 그러나 고용량 고효율의 전원장치에 대한 요구를 보다 근본적으로 해결하기 위해서는, 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 소형의 고용량 연료전지를 개발할 필요가 있다.Secondary batteries such as lithium ions, which are generally used as power supply devices for portable information devices, are required to effectively use energy and further improve their capacity. However, in order to fundamentally solve the demand for a high capacity and high efficiency power supply device, it is necessary to develop a small high capacity fuel cell that can replace a lithium ion battery.

연료전지는, 연료와 산소를 전기 화학적으로 반응시킴으로써 화학 에너지로부터 전기 에너지를 얻는 에너지 변환장치로서, 고용량의 전지로 유망하다. 연료 전지 시스템에 이용되는 연료로서 수소 자체를 고려할 수 있으나, 수소 가스의 취급 및 저장 상의 문제로 인해 통상적으로 메탄올 등의 탄화수소계 화합물을 연료로 사용할 수 있다. A fuel cell is an energy converter that obtains electrical energy from chemical energy by electrochemically reacting fuel and oxygen, and is promising as a high capacity battery. Hydrogen itself can be considered as a fuel used in a fuel cell system. However, hydrocarbon-based compounds such as methanol can usually be used as a fuel due to problems in handling and storage of hydrogen gas.

탄화수소계 화합물은 연료전지에 직접 이용되거나(직접 메탄올 연료전지: Direct Methanol Fuel Cell(DMFC)), 개질 반응에 의해 수소를 함유한 혼합가스로 전환되어 그 수소가 연료전지에 공급될 수 있다(개질 수소 연료전지: Reformed Hydrogen Fuel Cell(RHFC)). 직접 메탄올 연료전지(DMFC)는, 수소를 사용하는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)보다 출력 에너지 밀도가 낮아서, 소형의 연료전지 시스템 사이즈에서 충분한 용량을 얻기가 어렵다. 개질 수소 연료전지(RHFC)는 고출력, 단위체적당 높은 전력용량 등의 장점이 있으나, 별도의 개질 장치를 필요로 하므로 연료전지 시스템의 소형화에 불리한 것으로 여겨지고 있다.Hydrocarbon-based compounds can be used directly in fuel cells (direct Methanol Fuel Cell (DMFC)) or can be converted to mixed gas containing hydrogen by reforming reaction and the hydrogen can be supplied to the fuel cell (reforming Hydrogen Fuel Cell: Reformed Hydrogen Fuel Cell (RHFC). Direct methanol fuel cells (DMFCs) have lower output energy densities than polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs) that use hydrogen, making it difficult to obtain sufficient capacity in small fuel cell system sizes. The reformed hydrogen fuel cell (RHFC) has advantages such as high output and high power capacity per unit volume, but it is considered to be disadvantageous in miniaturization of a fuel cell system because it requires a separate reformer.

도 1은 종래의 연료전지 시스템의 개략적 구성을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 연료전지 시스템(50)은 메탄올 공급부(8), 물 공급부(9), 공기 펌프(5), 개질 장치(10), 연료전지(3)를 포함한다. 개질 장치(10)는 증발기(6), 개질기(1) 및 CO 제거부를 포함한다. 메탄올은 메탄올 공급부(8)에 수용되고 펌프(7)에 의해 증발기(6)로 보내어진다. 물은 물 공급부(9)로부터 펌프(7')에 의해 증발기로 보내어진다. 증발기(6)에서는 메탄올과 물의 혼합 연료가 기화되어 개질기(1)로 가고, 개질기(1)는 배기가스 버너(4)로부터 열을 공급받아 수증기 개질 반응을 통해 '수소를 포함하는 개질 가스(reformate gas)'를 발생시킨다.1 is a view showing a schematic configuration of a conventional fuel cell system. Referring to FIG. 1, the fuel cell system 50 includes a methanol supply unit 8, a water supply unit 9, an air pump 5, a reformer 10, and a fuel cell 3. The reformer 10 includes an evaporator 6, a reformer 1, and a CO remover. Methanol is received in the methanol supply 8 and sent to the evaporator 6 by a pump 7. Water is sent from the water supply 9 to the evaporator by the pump 7 '. In the evaporator 6, a mixed fuel of methanol and water is vaporized to the reformer 1, and the reformer 1 receives heat from the exhaust gas burner 4 and reformulates the hydrogen-containing reformed gas through a steam reforming reaction. gas) '.

개질기(1)에서 나온 개질 가스가 CO 제거부(2)를 거치면서 개질 가스 내의 일산화탄소(CO)가 제거된다. CO 제거부(2)를 거친후 개질 가스는 연료전지(3)에 도입되고 연료전지(3)의 발전에 제공된다. 연료전지(3)로부터 배출되는 배기가스(수소, 이산화탄소, 일산화탄소 등을 포함)는 공기 펌프(5)로부터 온 공기(산소 포함)와 혼합되어 버너(4)에서 연소되고 개질기(1)나 증발기(6)에 열을 공급한다. 연료전지(3)에서는 수소 함유 개질 가스와 공기(특히 산소)를 공급받아 양전극 및 음전극 반응을 통해 전기를 발생시킨다.As the reformed gas from the reformer 1 passes through the CO removal unit 2, carbon monoxide (CO) in the reformed gas is removed. After passing through the CO removal unit 2, the reformed gas is introduced into the fuel cell 3 and provided to the power generation of the fuel cell 3. Exhaust gases (including hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, etc.) discharged from the fuel cell 3 are mixed with air (including oxygen) from the air pump 5 and burned in the burner 4 and reformed 1 or evaporator ( 6) Supply heat. In the fuel cell 3, the hydrogen-containing reformed gas and air (particularly oxygen) are supplied to generate electricity through the positive electrode and negative electrode reactions.

수증기 개질 반응은 200℃ 이상의 온도에서 이루어지는 흡열 반응이기 때문에 외부(버너 또는 전기히터 등)로부터 개질기(1)에 열이 공급되어야 한다. 또한 연료전지(3) 성능을 저하시키는 CO 가스가 개질 과정에서 부가적으로 발생하기 때 문에, 개질 가스내의 CO 가스를 제거하기 위한 CO 제거부(2)가 필요하다. 이러한 종래 연료전지 시스템(50)에 따르면, 버너(4) 또는 전기 히터, CO 제거부(2) 등의 구성요소가 필요하고, 이로 인해 구조가 복잡해지며 소형화를 달성하기가 어렵다. Since the steam reforming reaction is an endothermic reaction at a temperature of 200 ° C. or higher, heat must be supplied to the reformer 1 from the outside (burner or electric heater or the like). In addition, since CO gas that degrades the performance of the fuel cell 3 is additionally generated in the reforming process, a CO removal unit 2 for removing CO gas in the reforming gas is required. According to the conventional fuel cell system 50, components such as a burner 4 or an electric heater, a CO removal unit 2, etc. are required, which makes the structure complicated and it is difficult to achieve miniaturization.

개질 반응에 필요한 열을 공급하기 위해 전기 히터나 배기가스 버너 이외에, 촉매 연소기(catalytic burner or combustor)를 이용하는 방안이 제안되었다. 촉매 연소기는 개질 장치 내에 설치될 수 있는데, 메탄올과 산소를 연소시켜 열을 발생시키고 이 열을 개질기에 공급한다. 그러나 이러한 촉매 연소기는 산소(또는 공기)를 공급받아야 하고 메탄올을 소모하기 때문에, 산소(또는 공기) 공급을 위한 컴프레서가 추가적으로 필요하고 전지 시스템의 제어가 어려우며 에너지 효율도 높지 않다.In addition to electric heaters and exhaust burners, a catalytic burner or combustor has been proposed to supply heat for the reforming reaction. A catalytic combustor can be installed in the reformer, which burns methanol and oxygen to generate heat and supplies this heat to the reformer. However, since such a catalytic combustor must be supplied with oxygen (or air) and consume methanol, an additional compressor for oxygen (or air) supply is required, control of the battery system is difficult, and energy efficiency is not high.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 연소기, 버너, 전기 히터 등 별도의 외부 열원없이도 개질 반응을 가능케 함으로써 연료전지 시스템의 소형화에 유리하고 고에너지 효율 및 고용량 실현에 적합한 개질기를 제공하는 데에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to enable the reforming reaction without a separate external heat source such as a combustor, a burner, and an electric heater, which is advantageous for miniaturization of a fuel cell system and suitable for high energy efficiency and high capacity To provide a reformer.

본 발명의 다른 목적은 연료전지 시스템의 소형화에 유리하고 고용량을 실현시킬 수 있으며 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 연료 개질 방법을 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel reforming method which is advantageous for miniaturization of a fuel cell system, which can realize high capacity, and which can improve energy efficiency.

본 발명의 또 다른 목적은 소형화에 유리하고 고에너지 효율 및 고용량을 구현할 수 있고 제어가 용이한 연료전지 시스템을 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that is advantageous for miniaturization, can implement high energy efficiency and high capacity, and is easy to control.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, In order to achieve the above technical problem, the present invention,

탄화수소계 화합물과 과산화수소(H2O2)을 반응시켜 수소(H2)와 물(H2O)을 발생시키는 예비 반응기; 및A pre-reactor for reacting the hydrocarbon compound with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) to generate hydrogen (H 2 ) and water (H 2 O); And

상기 예비 반응기와 연결되며, 상기 예비 반응기에서 발생된 열을 이용하여 상기 예비 반응기로부터 공급되는 미반응 탄화수소계 화합물과 물(H2O)을 반응시켜 수소(H2)를 발생시키는 수증기 개질 반응기를 포함하고, 상기 예비 반응기에는 탄화수소계 화합물과 과산화수소의 반응을 촉진시키는 발열반응 촉매가 설치되고,
상기 수증기 개질 반응기에는 탄화수소계 화합물과 수증기의 반응을 촉진시키는 수증기 개질 촉매가 설치되는 개질기를 제공한다. The steam reforming reactor is connected to the preliminary reactor and generates hydrogen (H 2 ) by reacting water (H 2 O) with the unreacted hydrocarbon compound supplied from the preliminary reactor using heat generated in the preliminary reactor. It includes, the pre-reactor is provided with an exothermic reaction catalyst for promoting the reaction of the hydrocarbon compound and hydrogen peroxide,
The steam reforming reactor provides a reformer in which a steam reforming catalyst is installed to promote the reaction between the hydrocarbon compound and the steam.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 탄화수소계 화합물은 메탄올을 포함한다. 상기 탄화수소계 화합물이 메탄올인 경우, 상기 발열반응 촉매로는 Zr-Pt계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 Zr-Pt계 촉매는, 85~95 중량%의 Zr과 2~10 중량%의 Pt와 3~5 중량%의 Al2O3를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소계 화합물이 메탄올인 경우, 상기 수증기 개질 촉매로는, 예컨대 Cu/ZnO/Al2O3계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 발열반응 촉매 및 수증기 개질 촉매 주위에는 유리면(glass wool)이 설치될 수 있다.According to an embodiment of the invention, the hydrocarbon compound comprises methanol. When the hydrocarbon compound is methanol, a Zr-Pt catalyst may be used as the exothermic catalyst. The Zr-Pt-based catalyst may include 85 to 95 wt% Zr, 2 to 10 wt% Pt, and 3 to 5 wt% Al 2 O 3 . When the hydrocarbon compound is methanol, for example, a Cu / ZnO / Al 2 O 3 based catalyst may be used as the steam reforming catalyst. Glass wool may be installed around the exothermic catalyst and the steam reforming catalyst.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, In order to achieve the other object of the present invention, the present invention,

탄화수소계 화합물과 과산화수소를 반응시켜 수소와 물을 발생시키는 예비 반응 단계와; A preliminary reaction step of reacting the hydrocarbon compound with hydrogen peroxide to generate hydrogen and water;

상기 예비 반응 단계에서 발생된 열을 이용하여 상기 예비 반응기로부터 미반응 탄화수소계 화합물 및 물을 공급받아 이를 반응시켜 수소를 발생시키는 수증기 개질 반응 단계를 포함하고, 상기 예비 반응 단계는 탄화수소계 화합물과 과산화수소의 반응을 촉진시키는 발열반응 촉매하에서 실행되고,
상기 수증기 개질 반응 단계는 탄화수소계 화합물과 수증기의 반응을 촉진시키는 수증기 개질 촉매하에서 실행되는 연료 개질 방법을 제공한다. A steam reforming step of receiving unreacted hydrocarbon compound and water from the preliminary reactor by using the heat generated in the preliminary reaction step and reacting the same to generate hydrogen, wherein the preliminary reaction step includes a hydrocarbon compound and hydrogen peroxide. Is carried out under an exothermic catalyst which catalyzes the reaction of
The steam reforming reaction step provides a fuel reforming method that is carried out under a steam reforming catalyst that promotes the reaction of the hydrocarbon compound with the steam.

상기 탄화수소계 화합물로서 메탄올을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 예비 반응 단계에서는, 메탄올/과산화수소 = 0.5 내지 2의 중량비로 액체 상태의 메탄올과 과산화수소의 혼합물이 예비 반응기에 공급되어 상기 메탄올과 과산화수소가 반응한다.Methanol may be used as the hydrocarbon compound. According to one embodiment of the present invention, in the preliminary reaction step, a mixture of methanol and hydrogen peroxide in a liquid state is supplied to the preliminary reactor in a weight ratio of methanol / hydrogen peroxide = 0.5 to 2 to react the methanol and hydrogen peroxide.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 탄화수소계 화합물이 메탄올일 경우, 상기 예비 반응 단계는 Zr-Pt계 촉매하에서 실행될 수 있다. 상기 Zr-Pt계 촉매는, 85~95 중량%의 Zr과 2~10 중량%의 Pt와 3~5 중량%의 Al2O3를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소계 화합물이 메탄올일 경우, 상기 수증기 개질 반응 단계는 Cu/ZnO/Al2O3계 촉매하에서 실행될 수 있다.According to one embodiment of the invention, when the hydrocarbon-based compound is methanol, the preliminary reaction step may be carried out under a Zr-Pt-based catalyst. The Zr-Pt-based catalyst may include 85 to 95 wt% Zr, 2 to 10 wt% Pt, and 3 to 5 wt% Al 2 O 3 . When the hydrocarbon compound is methanol, the steam reforming step may be performed under a Cu / ZnO / Al 2 O 3 based catalyst.

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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.

도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 개질기를 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 2를 참조하면, 개질기(100)는, 예비 반응기(101a)와 수증기 개질 반응기(101b)를 포함한다. 예비 반응기(101a)에서는 탄화수소계 화합물(예컨대, 메탄올(CH3OH)))과 과산화수소(H2O2)의 혼합 연료가 반응하여 수소와 물과 열을 발생시킨다. 예비 반응기(101a)에서 발생된 열은, 후술하는 바와 같이 수증기 개질 반응에 사용된다.2 is a schematic cross-sectional view showing a reformer according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the reformer 100 includes a preliminary reactor 101a and a steam reforming reactor 101b. In the preliminary reactor 101a, a mixed fuel of a hydrocarbon compound (eg, methanol (CH 3 OH)) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) reacts to generate hydrogen, water, and heat. The heat generated in the preliminary reactor 101a is used for the steam reforming reaction as described later.

탄화수소계 화합물과 과산화수소의 반응을 촉진시키기 위해, 예비 반응기(101a)내에는 발열반응 촉매(122)가 설치될 수 있다. 특히, 탄화수소계 화합물로서 메탄올을 사용할 경우, 발열반응 촉매(122)로 Zr-Pt계 촉매가 설치될 수 있다. 상기 Zr-Pt계 촉매는 85~95 중량%의 Zr과 2~10 중량%의 Pt와 3~5 중량%의 Al2O3를 포함할 수 있다. 이러한 조성을 포함하는 Zr-Pt계 촉매를 사용함으로써 과산화수소의 개질 반응을 효과적으로 촉진시킬 수 있다. 발열반응 촉매(122)는 알루미나 등으로 된 펠렛(pellet) 형태의 촉매 담지체에 담지된 상태로 사용될 수 있다. 예비 반응기(101a) 내에는 유리면(glass wool: 121)이 발열 반응 촉매(122) 주위에 설치되어, 가스나 유체를 통과시키면서 촉매(122)를 안정적으로 지지할 수 있다. 발열 반응 촉매(122)는 혼합 연료 유로 내에 균일하게 분포될 수 있다.In order to promote the reaction between the hydrocarbon compound and the hydrogen peroxide, an exothermic catalyst 122 may be installed in the preliminary reactor 101a. In particular, when methanol is used as the hydrocarbon compound, a Zr-Pt catalyst may be installed as the exothermic catalyst 122. The Zr-Pt-based catalyst may include 85 to 95 wt% Zr, 2 to 10 wt% Pt, and 3 to 5 wt% Al 2 O 3 . By using a Zr-Pt-based catalyst containing such a composition, it is possible to effectively promote the reforming reaction of hydrogen peroxide. The exothermic catalyst 122 may be used in a state of being supported on a catalyst carrier in the form of pellets made of alumina or the like. In the preliminary reactor 101a, glass wool 121 may be installed around the exothermic reaction catalyst 122 to stably support the catalyst 122 while allowing gas or fluid to pass therethrough. The exothermic catalyst 122 may be uniformly distributed in the mixed fuel flow path.

수증기 개질 반응기(101b)는 연결부(103)에 의해 예비 반응기(101a)와 연통되어 있다. 수증기 개질 반응기(101b)에서는 연결부(103)를 통해 공급된 미반응 탄화수소계 화합물과 물이 반응하여, 수소와 이산화탄소가 발생된다. 이 수증기 개질 반응에 필요한 열은 예비 반응기(101a)로부터 마련된다.The steam reforming reactor 101b is in communication with the preliminary reactor 101a by the connecting portion 103. In the steam reforming reactor 101b, water and the unreacted hydrocarbon compound supplied through the connecting portion 103 react with each other to generate hydrogen and carbon dioxide. The heat necessary for this steam reforming reaction is provided from the preliminary reactor 101a.

수증기 개질 반응기(101b)에는 수증기 개질 촉매(124)가 설치된다. 특히 탄화수소계 화합물로서 메탄올을 사용하는 경우, 수증기 개질 촉매(124)로서 Cu/ZnO/Al2O3계 촉매가 설치될 수 있다. 이러한 수증기 개질 촉매(124)는 펠 렛(pellet) 형태의 촉매 담지체에 담지된 상태로 사용될 수 있으며, 이 촉매(124) 주위에는 유리면(121)이 설치될 수 있다. 예비 반응기(101a) 및 수증기 개질 반응기(101b)에서 발생된 수소는 연료전지 내에서의 전기화학 반응에 이용된다. The steam reforming reactor 101b is provided with a steam reforming catalyst 124. In particular, when methanol is used as the hydrocarbon compound, a Cu / ZnO / Al 2 O 3 based catalyst may be installed as the steam reforming catalyst 124. The steam reforming catalyst 124 may be used as supported on a catalyst carrier in a pellet form, and a glass surface 121 may be installed around the catalyst 124. Hydrogen generated in the preliminary reactor 101a and the steam reforming reactor 101b is used for the electrochemical reaction in the fuel cell.

개질기(100) 전체의 열손실을 줄이기 위해, 개질기(100)의 외벽은 단열체(105)로 형성될 수 있다. 다른 방안으로서 개질기(100) 외측에 별도의 단열벽을 설치할 수도 있다. 도 2의 개질기 구성은 일 실시형태에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 발생된 수소를 유통시키기 위한 별도의 유로나 출구를 개질기(100) 내에 형성할 수도 있다.In order to reduce the heat loss of the reformer 100 as a whole, the outer wall of the reformer 100 may be formed of a heat insulator 105. Alternatively, a separate heat insulation wall may be installed outside the reformer 100. The reformer configuration of FIG. 2 is only one embodiment and the invention is not limited thereto. For example, a separate flow path or outlet for circulating the generated hydrogen may be formed in the reformer 100.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 개질기(100)의 동작을 설명한다. 아래의 개질기 동작에 관한 설명에서는 탄화수소계 화합물로서 메탄올을 사용하고 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 예컨대 에탄올, 프로판올, 메탄, 천연가스 등 다른 탄화수소계 화합물을 사용할 수도 있다.Hereinafter, the operation of the reformer 100 according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2. In the following description of the reformer operation, methanol is used as the hydrocarbon compound, but the present invention is not limited thereto. For example, other hydrocarbon compounds such as ethanol, propanol, methane, and natural gas may be used.

예비 반응기(101a)는 그 입구(105a)로부터 액체 상태의 메탄올(CH3OH)과 과산화수소(H2O2)의 혼합 연료를 공급받는다. 예컨대, 메탄올/과산화수소 = 0.5 내지 2의 중량비로 메탄올과 과산화수소의 혼합물이 예비 반응기에 공급될 수 있다. 상기 중량비가 0.5보다 작거나 2보다 클 경우 반응효율이 감소될 수 있다. 예비 반응 기(101a)에 주입되는 메탄올과 과산화수소의 양을 적절히 조절함으로써 개질기 전체를 약 300℃의 높은 온도로 유지시킬 수 있다.The preliminary reactor 101a is supplied with a mixed fuel of liquid methanol (CH 3 OH) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) from the inlet 105a. For example, a mixture of methanol and hydrogen peroxide may be fed to the preliminary reactor in a weight ratio of methanol / hydrogen peroxide = 0.5 to 2. When the weight ratio is less than 0.5 or greater than 2, the reaction efficiency may be reduced. By appropriately adjusting the amounts of methanol and hydrogen peroxide injected into the preliminary reactor 101a, the entire reformer can be maintained at a high temperature of about 300 ° C.

공급된 액체 상태의 메탄올과 과산화수소는 아래 반응식 1의 과산화수소 개질 반응에 의해 반응하여 수소와 물(H2O)과 열을 발생시킨다(발열 반응). The supplied liquid methanol and hydrogen peroxide react by the hydrogen peroxide reforming reaction of Scheme 1 below to generate hydrogen, water (H 2 O), and heat (exothermic reaction).

CH3OH + H2O2 → H2O + 2H2 + CO2 CH 3 OH + H 2 O 2 → H 2 O + 2 H 2 + CO 2

상기 과산화수소의 개질 반응(반응식 1)은 발열반응 촉매(122), 특히 Zr-Pt계 촉매를 사용하여 이루어질 수 있다. 예비 반응기(101a)에서 발생된 열은 수증기 개질 반응기(101b)에 전달되며, 이 전달된 열을 이용하여 수증기 개질 반응기(101b)에서는 수증기 개질 반응(steam reforming)이 일어난다. The reforming reaction of hydrogen peroxide (Scheme 1) may be performed using an exothermic catalyst 122, in particular Zr-Pt-based catalyst. Heat generated in the preliminary reactor 101a is transferred to the steam reforming reactor 101b, and steam reforming occurs in the steam reforming reactor 101b using the transferred heat.

수증기 개질 반응기(101b)는, 연결부(103)를 통해 예비 반응기(101a)로부터 미반응 메탄올(예비 반응기에서 미반응된 메탄올)과 물(예비 반응기에서 발생된 물)을 공급받는다. 이 때, 이 미반응된 메탄올과 물은 예비 반응기(101a)에서 발생된 열에 의해 가열 및 기화되어 증기 상태로 수증기 개질기(101b)에 공급된다. 따라서 메탄올과 물을 기화시키기 위한 별도의 증발기를 설치할 필요는 없다. 수증기 개질 반응기(101b)는 아래의 반응식 2의 수증기 개질 반응에 의해 상기 공급된 미 반응 메탄올과 물을 반응시켜 수소를 발생시킨다(흡열 반응). The steam reforming reactor 101b receives unreacted methanol (unreacted methanol in the preliminary reactor) and water (water generated in the preliminary reactor) from the preliminary reactor 101a via the connecting portion 103. At this time, the unreacted methanol and water are heated and vaporized by the heat generated in the preliminary reactor 101a and supplied to the steam reformer 101b in a vapor state. Therefore, it is not necessary to install a separate evaporator for vaporizing methanol and water. The steam reforming reactor 101b generates hydrogen by reacting the supplied unreacted methanol with water by the steam reforming reaction of Scheme 2 below (endothermic reaction).

CH3OH + H2O → 3H2 + CO2 CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2

상기 수증기의 개질 반응은 수증기 개질 촉매, 특히 Cu/ZnO/Al2O3계 촉매를 사용하여 이루어질 수 있다. 수증기 개질 반응에 필요한 열은, 전술한 바와 같이, 예비 반응기(101a)에서 발생된 열로부터 마련된다. 반응식 1 및 2에서 발생된 수소(또는 수소를 포함하는 혼합 가스)는 개질기(100)의 출구(105b)를 통해 나와서 연료전지에 사용된다. The steam reforming reaction can be carried out using a steam reforming catalyst, in particular Cu / ZnO / Al 2 O 3 -based catalyst. The heat required for the steam reforming reaction is provided from the heat generated in the preliminary reactor 101a as described above. Hydrogen (or mixed gas containing hydrogen) generated in Schemes 1 and 2 exits through outlet 105b of reformer 100 and is used in a fuel cell.

수증기 개질 반응기(101a)에서는 수증기 개질 반응만이 아니라 아래 반응식 3과 같은 부가적 반응이 일어나서 일산화탄소(CO)가 발생할 수 있다. In the steam reforming reactor 101a, not only the steam reforming reaction but also additional reactions such as the following Scheme 3 may occur to generate carbon monoxide (CO).

CO2 + H2 → CO + H2O CO 2 + H 2 → CO + H 2 O

CO 가스는 연료전지 스택의 성능을 저하시키는 특성을 갖기 때문에, 발생된 CO 가스를 제거하기 위해서 통상적으로 별도의 CO 제거부를 연료전지 시스템에 설치한다. 그러나 본 실시형태에 따른 개질기(100)를 사용하면 CO 가스 발생량이 상당히 줄어들기 때문에, 연료전지 스택이 허용하는 범위에서 별도의 CO 제거부를 연 료전지 시스템에 설치하지 않아도 된다.Since the CO gas has a characteristic of degrading the performance of the fuel cell stack, a separate CO removal unit is usually installed in the fuel cell system to remove generated CO gas. However, when the reformer 100 according to the present embodiment is used, the amount of CO gas generated is considerably reduced, so that a separate CO removal unit does not have to be installed in the fuel cell system within a range allowed by the fuel cell stack.

즉, 예비 반응기(101a)에서 과산화수소의 개질 반응(반응식 1 참조)에 의해 이미 상당한 수소가 발생되기 때문에, 주입된 연료(탄화수소계 화합물)중 미반응된 일부의 연료만이 수증기 개질 반응기(101a)로 공급되어 수증기 개질 반응(반응식 2 참조)을 거치게 된다. 또한 과산화수소의 개질 반응에서는 일산화탄소가 거의 발생하지 않는다. 따라서, 개질기(100) 내에서의 전체 반응을 고려할 때, 주입된 연료 중에서 수증기 개질 반응을 거치는 것은 일부이므로 (수증기 개질 반응시 부가적으로 발생하는) 일산화탄소의 발생량도 상당히 줄어들게된다. 뿐만 아니라, 예비 반응기(101a)와 수증기 개질 반응기(101b)을 통한 2차에 걸친 개질 반응에 의해 충분한 수소를 얻을 수 있고 이에 따라 메탄올 전환율도 향상된다.That is, since considerable hydrogen is already generated by the reforming reaction of hydrogen peroxide (see Scheme 1) in the preliminary reactor 101a, only some of the unreacted fuel in the injected fuel (hydrocarbon-based compound) is steam reforming reactor 101a. It is fed to steam and undergoes a steam reforming reaction (see Scheme 2). In addition, almost no carbon monoxide is generated in the reforming reaction of hydrogen peroxide. Therefore, when considering the overall reaction in the reformer 100, since some of the injected fuel undergoes the steam reforming reaction, the amount of carbon monoxide generated (additionally generated during the steam reforming reaction) is also significantly reduced. In addition, sufficient hydrogen can be obtained by the second reforming reaction through the preliminary reactor 101a and the steam reforming reactor 101b, thus improving the methanol conversion.

더욱이 상기 개질기(100)에 따르면, 수증기 개질 반응에 필요한 열을 별도의 연소기나 버너 또는 전기 히터 등으로부터 얻는 것이 아니라 예비 반응기(101a)의 과산화수소 개질 반응(발열반응)의 발생열로부터 얻는다. 따라서, 수증기 개질 반응에 열을 공급하기 위한 별도의 히터 장치를 설치할 필요가 없게 된다. 또한 촉매 연소기나 히터 등에 공기를 주입하거나 그 주입되는 공기의 양을 제어해주어야 하는 어려움을 제거할 수 있다.Furthermore, according to the reformer 100, the heat required for the steam reforming reaction is not obtained from a separate combustor, burner, or electric heater, but from the heat generated from the hydrogen peroxide reforming reaction (exothermic reaction) of the preliminary reactor 101a. Therefore, there is no need to install a separate heater device for supplying heat to the steam reforming reaction. In addition, it is possible to eliminate the difficulty of injecting air to the catalytic combustor or heater, or controlling the amount of the injected air.

본 실시형태에 따른 개질기(100)를 사용할 경우, 상기한 장점들로 인해 연료 전지 시스템의 구성이 단순화되고 소형화에 유리하게 되며 열효율 및 연료 효율 또한 향상된다. When using the reformer 100 according to the present embodiment, the above-mentioned advantages simplify the configuration of the fuel cell system, favor the miniaturization, and improve the thermal efficiency and fuel efficiency.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도 3을 참조하면, 연료전지 시스템(500)은 연료 공급부(180)와 개질기(100)와 연료전지(130)를 포함한다. 연료 공급부(180)는 탄화수소계 화합물과 과산화수소의 혼합 연료를 공급한다. 펌프(170)를 통해 상기 혼합 연료는 개질기(100)로 공급된다. 개질기(100)는 공급된 혼합 연료로부터 수소를 발생시키며, 발생된 수소는 연료전지(130)로 공급된다. 연료전지(130)는 개질기(100)로부터 공급된 수소와 산소 공급부(예컨대 공기 펌프(150))로부터 공급된 산소를 이용하여 전기를 발생시킨다. 3 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the fuel cell system 500 includes a fuel supply unit 180, a reformer 100, and a fuel cell 130. The fuel supply unit 180 supplies a mixed fuel of a hydrocarbon compound and hydrogen peroxide. The mixed fuel is supplied to the reformer 100 through the pump 170. The reformer 100 generates hydrogen from the supplied mixed fuel, and the generated hydrogen is supplied to the fuel cell 130. The fuel cell 130 generates electricity by using hydrogen supplied from the reformer 100 and oxygen supplied from an oxygen supply unit (for example, the air pump 150).

개질기(100)는 전술한 바와 같이, 예비 반응기(101a)와 수증기 개질 반응기(101b)를 구비한다(도 2 참조). 예비 반응기에서는 탄화수소계 화합물과 과산화수소를 반응시켜 수소와 물을 발생시키며(발열반응), 수증기 개질 반응기(101b)에서는 예비 반응기(101a)에서 발생된 열을 이용하여 (예비 반응기로부터 공급되는) 증기 상태의 미반응 탄화수소계 화합물과 물을 반응시켜 수소를 발생시킨다(흡열반응). 개질기(100)에서 발생된 수소는 스택 형태의 연료전지(130)에 공급된다. The reformer 100 has a preliminary reactor 101a and a steam reforming reactor 101b as described above (see FIG. 2). In the preliminary reactor, hydrocarbon-based compounds and hydrogen peroxide are reacted to generate hydrogen and water (exothermic reaction), and in the steam reforming reactor 101b, the steam state (supplied from the preliminary reactor) is utilized by using the heat generated in the preliminary reactor 101a. Reacts with unreacted hydrocarbon compound and water to generate hydrogen (endothermic reaction). Hydrogen generated in the reformer 100 is supplied to the fuel cell 130 in a stack form.

개질기(100)에는 열전대 등의 온도 센서(Tc1)가 마련될 수 있다. 개질 기(100)에 마련된 온도 센서(Tc1)의 측정 온도에 따라 연료 공급부(180)를 제어함으로써, 개질기(100)에 공급되는 연료의 양을 조절할 수 있다. 이와 같이 개질기(100)의 온도에 따라 연료의 양을 조절함으로써, 개질기(100)를 정상 작동 온도 범위 내로 효과적으로 유지시킬 수 있다. 즉, 개질기(100)의 작동 온도가 정상 작동 온도보다 낮을 경우 개질기(100)에 연료를 더 많이 공급해주고 개질기(100)의 작동 온도가 정상 작동 온도보다 높을 경우 개질기(100)에 공급되는 연료의 양을 줄일 수 있다. The reformer 100 may be provided with a temperature sensor Tc1 such as a thermocouple. By controlling the fuel supply unit 180 according to the measured temperature of the temperature sensor Tc1 provided in the reformer 100, the amount of fuel supplied to the reformer 100 may be adjusted. By adjusting the amount of fuel in accordance with the temperature of the reformer 100 in this way, it is possible to effectively maintain the reformer 100 within the normal operating temperature range. That is, when the operating temperature of the reformer 100 is lower than the normal operating temperature, more fuel is supplied to the reformer 100, and when the operating temperature of the reformer 100 is higher than the normal operating temperature, the fuel supplied to the reformer 100 is supplied. The amount can be reduced.

연료전지(130)는 개질기(100)로부터 수소를 공급받고 공기 펌프(150)로부터 산소를 공급받아, 아래 반응식 4 내지 6의 전극 반응에 의해 전기를 발생시킨다. 연료전지(130)로는 스택 구조의 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)가 사용될 수 있다.The fuel cell 130 receives hydrogen from the reformer 100 and oxygen from the air pump 150 to generate electricity by the electrode reactions shown in Schemes 4 to 6 below. As the fuel cell 130, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) having a stack structure may be used.

애노드 전극(Anode) 반응 : H2 → 2H+ + 2e- An anode electrode (Anode) reaction: H 2 → 2H + + 2e -

캐소드 전극(Cathod) 반응: (1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2OA cathode electrode (Cathod) reaction: (1/2) O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O

전체 전극 반응 : H2 + (1/2)O2 → H2OTotal electrode reaction: H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O

연료전지(130)는 수증기와, 미반응된 가스를 배출한다. 예컨대, 연료전지(130)의 애노드 전극에서는 미반응된 수소가 배출되고 캐소드 전극에서는 미반응된 산소가 배출된다. 이와 같이 연료전지(130)에서 배출되는 산소와 수소는 다른 용도의 연소기에 공급될 수 있다(도 5 참조). The fuel cell 130 discharges water vapor and unreacted gas. For example, unreacted hydrogen is discharged from the anode of the fuel cell 130 and unreacted oxygen is discharged from the cathode. As described above, oxygen and hydrogen discharged from the fuel cell 130 may be supplied to a combustor for another use (see FIG. 5).

상기한 연료전지 시스템(500)에 따르면, 개질기(100)에 열을 공급하기 위한별도의 히터나 연소기 또는 버너 등이 필요하지 않다. 또한 개질기(100)는 예비 반응기(101a)에서 미반응된 일부 연료에 대해서만 수증기 개질 반응을 수행하기 때문에, 전체적인 CO 가스의 발생량이 작고, 이에 따라 대부분의 경우 CO 제거부를 설치할 필요성이 없다. 결국, 연료전지 시스템의 전체 구성이 단순화 및 소형화된다. 뿐만 아니라 개질기(100)의 메탄올 전환율이 높기 때문에 연료 효율 또한 개선된다. 결국, 연료전지 시스템(500)은 휴대용 전자기기에서 요구되는 연료전지 시스템의 소형화, 고용량화에 매우 적합한 해결방안을 제공해줄 수 있다.According to the fuel cell system 500, a separate heater, a combustor, a burner, or the like for supplying heat to the reformer 100 is not required. In addition, since the reformer 100 performs the steam reforming reaction on only some of the unreacted fuel in the preliminary reactor 101a, the total amount of generated CO gas is small, and thus, in most cases, there is no need to install a CO removal unit. As a result, the overall configuration of the fuel cell system is simplified and downsized. In addition, the fuel efficiency is also improved because the methanol conversion of the reformer 100 is high. As a result, the fuel cell system 500 may provide a solution suitable for miniaturization and high capacity of the fuel cell system required in portable electronic devices.

도 4는 연료전지(130)의 구성의 일례를 개략적으로 나타내 보인 단면 구성도이다. 이 연료전지(130)는 스택 구조를 갖는 고분자 전해질형 연료전지로서, 멤브레인-전극 집합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)(138)를 구비한다. 연료전지(130)는 복수개의 전기 생성부(30)가 적층된 구조(stack)를 갖는다. 전기 생성부는 MEA(138)와 그 양측에 배치된 바이폴라 플레이트(bipolar plate)(131, 133)을 포함한다. MEA(138)에서는 수소와 산소의 산화/환원 반응이 일어나며, 바이폴라 플 레이트(131, 133)는 MEA들을 서로 연결해주며 수소와 산소를 MEA(138)로 공급해준다. MEA(138)는 애노드 전극 및 캐소드 전극(134, 136)과 이들 사이에 개재된 멤브레인(고분자 전해질 막: 132)을 포함한다. 4 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the fuel cell 130. The fuel cell 130 is a polymer electrolyte fuel cell having a stack structure, and includes a membrane-electrode assembly (MEA). The fuel cell 130 has a stack in which a plurality of electricity generating units 30 are stacked. The electricity generation unit includes the MEA 138 and bipolar plates 131 and 133 disposed on both sides thereof. In the MEA 138, an oxidation / reduction reaction of hydrogen and oxygen occurs, and the bipolar plates 131 and 133 connect the MEAs to each other and supply hydrogen and oxygen to the MEA 138. The MEA 138 includes anode and cathode electrodes 134, 136 and a membrane (polymer electrolyte membrane) 132 interposed therebetween.

상기 MEA(138)의 멤브레인(132)으로는 불소계 멤브레인(예컨대, 듀퐁사(Dupont)의 나피온(Nafion) 막)을 사용할 수 있다. 그러나 보다 높은 온도에서 연료전지를 작동하고자 할 경우에는, PBI(Polybenzimidazole)계 멤브레인 또는 고체산(solid acid) 멤브레인 등을 구비한 고온형 MEA를 사용할 수 있다. As the membrane 132 of the MEA 138, a fluorine-based membrane (eg, a Dupont Nafion membrane) may be used. However, if the fuel cell is to be operated at a higher temperature, a high temperature MEA having a polybenzimidazole (PBI) -based membrane or a solid acid membrane may be used.

도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 5의 실시형태에서는, 연료전지 시스템(510)은 연료전지(130)에 열을 공급하는 배기 가스 버너(140)를 더 포함한다. 고온형 MEA를 구비한 연료전지(130)에 필요한 열은 이 배기 가스 버너(140)의해 공급될 수 있다. 5 is a schematic structural diagram of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention. In the embodiment of FIG. 5, the fuel cell system 510 further includes an exhaust gas burner 140 that supplies heat to the fuel cell 130. The heat required for the fuel cell 130 having the high temperature MEA may be supplied by the exhaust gas burner 140.

배기 가스 버너(140)는 연료전지(130)의 애너드 전극에서 배출되는 미반응 수소와 캐소드 전극에서 배출되는 산소를 공급받아. 이들을 반응시켜 열을 방출한다. 이 열은 연료전지(130)의 고온형 MEA에 공급되어 MEA를 150℃ 이상의 온도로 유지시킨다. 이러한 고온형 MEA는 일산화탄소(CO) 피독성(poisoning)에 대한 내성이 높다는 장점을 갖는다. 따라서, 본 실시형태에 따르면, 도 3의 실시형태에서보다 더 넓은 동작 범위에서 CO 제거부 없이 연료전지가 정상적으로 작동할 수 있으 며, CO 가스로 인한 연료전지의 성능 저하가 더 억제된다.The exhaust gas burner 140 receives unreacted hydrogen discharged from the anode electrode of the fuel cell 130 and oxygen discharged from the cathode electrode. They react to release heat. This heat is supplied to the high temperature MEA of the fuel cell 130 to maintain the MEA at a temperature of 150 ° C or higher. These high temperature MEAs have the advantage of high resistance to carbon monoxide (CO) poisoning. Therefore, according to the present embodiment, the fuel cell can operate normally without the CO removal unit in a wider operating range than in the embodiment of FIG. 3, and the performance degradation of the fuel cell due to the CO gas is further suppressed.

도 5를 참조하면, 연료전지(130)에 열전대 등의 온도 센서(Tc2)가 설치되어 있으며, 연료전지(130)와 배기 가스 버너(140)를 연결하는 라인에는 제어 밸브(160)가 설치되어 있다. 이 온도 센서(Tc2)의 측정 온도에 따라, 배기 가스 버너(140)에 공급되는 산소량을 제어밸브(160)로 조절할 수 있다. 제어밸브(160)를 통한 산소량 조절에 의해, 연료전지(130)를 정상 작동 온도 범위 내로 유지시킬 수 있다. 연료 펌프(170), 공기 펌프(150) 또는 밸브(160) 등의 제어에 필요한 전기는 연료전지(130)에서 발생된 전력을 통해 얻을 수 있다. Referring to FIG. 5, a temperature sensor Tc2 such as a thermocouple is installed in the fuel cell 130, and a control valve 160 is installed in a line connecting the fuel cell 130 and the exhaust gas burner 140. have. According to the measured temperature of this temperature sensor Tc2, the amount of oxygen supplied to the exhaust gas burner 140 can be adjusted with the control valve 160. FIG. By adjusting the amount of oxygen through the control valve 160, the fuel cell 130 may be maintained within a normal operating temperature range. Electricity necessary for control of the fuel pump 170, the air pump 150, or the valve 160 may be obtained through the power generated by the fuel cell 130.

도 6은 연료전지 시스템(500, 510)에 사용될 수 있는 연료 공급부의 예들을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 탄화수소계 화합물(예컨대, 메탄올)과 과산화수소가 액체 혼합물의 상태로 연료 탱크(181)에 수용될 수 있다. 연료 탱크(181)에 수용된 액체 연료 혼합물은 펌프(170)를 통해 개질기(100)로 공급된다. 6 is a schematic diagram illustrating examples of a fuel supply unit that may be used in the fuel cell systems 500 and 510. As shown in FIG. 6 (a), hydrocarbon-based compounds (eg, methanol) and hydrogen peroxide can be accommodated in the fuel tank 181 in the form of a liquid mixture. The liquid fuel mixture contained in the fuel tank 181 is supplied to the reformer 100 through the pump 170.

다른 대안으로서, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 액상의 탄화수소계 화합물과 과산화수소가 별개의 탱크에 나누어 수용될 수도 있다. 제1 탱크(182)에 수용된 탄화수소계 화합물과, 제2 탱크(183)에 수용된 과산화수소는 각각의 공급 라인을 유동하다가 라인 교차부에서 합쳐져 혼합될 수 있다. 혼합된 연료(탄화수소계 화합물 + 과산화수소)는 펌프(170)를 통해 개질기로 보내어진다. As another alternative, as shown in Fig. 6 (b), the liquid hydrocarbon compound and the hydrogen peroxide may be contained in separate tanks. The hydrocarbon-based compound contained in the first tank 182 and the hydrogen peroxide contained in the second tank 183 may be combined at the line intersection and mixed together while flowing through the respective supply lines. The mixed fuel (hydrocarbon-based compound + hydrogen peroxide) is sent to the reformer through pump 170.

(실시예)(Example)

본 발명자들은 본 발명에 따른 개질기의 매탄올 전환율(methanol conversion rate)의 개선 및 사용 연료의 절감 효과를 확인하기 위해 아래와 같은 비교 실험을 실시하였다. The present inventors carried out the following comparative experiment to confirm the improvement of methanol conversion rate of the reformer according to the present invention and the saving effect of the fuel used.

(1) 실시예의 개질 반응(1) Modification Reaction of Example

도 2에 도시된 바와 같은 개질기(100)를 사용하여 개질 반응(과산화수소의 개질 반응 및 수증기 개질 반응)을 실시하였다. 메탄올:과산화수소의 중량비=1:1(부피비는 1: 1.22)인 메탄올과 과산화수소의 혼합물을 연료(혼합 연료)로 사용하였다. 5W 정도의 출력의 연료 전지에 필요한 개질가스 유량 185 ㎖/min을 얻기 위해 혼합 연료를 0.27 ㎖/min 유량(feed rate)으로 공급해주어야 하였다. 이 경우 메탄올 전환율은 85%이고, 3시간 정도 연료 전지를 가동하기 위해 50 ㎖의 연료가 필요하다. The reforming reaction (modification reaction of hydrogen peroxide and steam reforming reaction) was performed using the reformer 100 as shown in FIG. 2. A mixture of methanol and hydrogen peroxide having a weight ratio of methanol: hydrogen peroxide = 1: 1 (volume ratio of 1: 1.22) was used as a fuel (mixed fuel). The mixed fuel had to be supplied at a feed rate of 0.27 ml / min to obtain a reformed gas flow rate of 185 ml / min for a fuel cell with a power of about 5 W. In this case, the methanol conversion rate is 85%, and 50 ml of fuel is required to operate the fuel cell for about 3 hours.

(2) 비교예의 개질 반응 (2) Reforming reaction of the comparative example

종래와 같이 수증기 개질 반응기만을 사용하여 메탄올의 수증기 개질 반응을 실시하였다. 메탄올과 물(메탄올: 물의 중량비=1:1)의 혼합물을 연료로 사용하였다. 상기 실시예와 같은 개질가스 유량 185 ㎖/min를 얻기 위해, 혼합 연료(메탄올 + 물)를 0.32 ㎖/min 유량으로 공급해주어야 했다. 이 경우 메탄올 전환율은 70%이고, 3시간 정도 연료 전지를 구동하기 위해 약 60 ㎖의 연료가 필요하다.As in the prior art, steam reforming of methanol was carried out using only a steam reforming reactor. A mixture of methanol and water (weight ratio of methanol to water = 1: 1) was used as fuel. In order to obtain a reformed gas flow rate of 185 ml / min as in the above example, a mixed fuel (methanol + water) had to be supplied at a flow rate of 0.32 ml / min. In this case, the methanol conversion rate is 70%, and about 60 ml of fuel is required to drive the fuel cell for about 3 hours.

상기 실험결과로부터 실시예는 비교예에 비하여 메탄올 전환율이 15% 정도 더 높으며 동일한 시간동안 연료전지를 구동하기 위해 필요한 연료도 절감된다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 개질기는 연료전지 시스템의 단순화, 소형화에 유리할 뿐만 아니라 개질기의 효율 또한 개선된다는 점을 확인할 수 있다. From the experimental results, it can be seen that the embodiment has a methanol conversion rate of about 15% higher than that of the comparative example, and the fuel required for driving the fuel cell for the same time is also reduced. Therefore, it can be seen that the reformer according to the present invention is advantageous not only for simplifying and miniaturizing the fuel cell system but also for improving the efficiency of the reformer.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. It is intended that the invention not be limited by the foregoing embodiments and the accompanying drawings, but rather by the claims appended hereto. In addition, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be substituted, modified, and changed in various forms without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 개질기에 열을 공급하기 위한 별도의 히터 등 외부 열원이 필요없게 되고 CO 가스 발생량이 작게 된다. 이에 따라 연료전지 시스템의 소형화 및 고용량화에 유리하게 된다. 또한 메탄올 전환율이 더욱 향상되고 연료가 절감됨으로써 고효율의 연료전지 시스템을 효과적으로 구현할 수 있게 된다. As described above, according to the present invention, there is no need for an external heat source such as a heater for supplying heat to the reformer, and the amount of CO gas generated is small. Accordingly, it is advantageous for miniaturization and high capacity of the fuel cell system. In addition, the methanol conversion rate is further improved and fuel savings can be effectively implemented in a high efficiency fuel cell system.

Claims (19)

탄화수소계 화합물과 과산화수소을 반응시켜 수소와 물을 발생시키는 예비 반응기; 및A pre-reactor for reacting a hydrocarbon compound with hydrogen peroxide to generate hydrogen and water; And 상기 예비 반응기와 연결되며, 상기 예비 반응기에서 발생된 열을 이용하여 상기 예비 반응기로부터 공급되는 미반응 탄화수소계 화합물과 물을 반응시켜 수소를 발생시키는 수증기 개질 반응기를 포함하고,A steam reforming reactor connected to the preliminary reactor and generating hydrogen by reacting water with an unreacted hydrocarbon compound supplied from the preliminary reactor using heat generated in the preliminary reactor, 상기 예비 반응기에는 탄화수소계 화합물과 과산화수소의 반응을 촉진시키는 발열반응 촉매가 설치되고, The preliminary reactor is provided with an exothermic catalyst for promoting the reaction between the hydrocarbon compound and hydrogen peroxide, 상기 수증기 개질 반응기에는 탄화수소계 화합물과 수증기의 반응을 촉진시키는 수증기 개질 촉매가 설치된 것을 특징으로 하는 개질기.The steam reforming reactor is a reformer, characterized in that the steam reforming catalyst is installed to promote the reaction of the hydrocarbon compound and the steam. 삭제delete 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 탄화수소계 화합물은 메탄올이고, 상기 발열반응 촉매는 Zr-Pt계 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 개질기.The hydrocarbon-based compound is methanol, wherein the exothermic catalyst comprises a Zr-Pt-based catalyst. 제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 Zr-Pt계 촉매는, 85~95 중량%의 Zr과 2~10 중량%의 Pt와 3~5 중량%의 Al2O3를 포함하는 것을 특징으로 하는 개질기.The Zr-Pt-based catalyst is a reformer comprising 85 to 95% by weight of Zr, 2 to 10% by weight of Pt and 3 to 5% by weight of Al 2 O 3 . 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 발열반응 촉매 및 수증기 개질 촉매 주위에는 유리면이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 개질기.And a glass surface is provided around the exothermic reaction catalyst and the steam reforming catalyst. 탄화수소계 화합물과 과산화수소를 반응시켜 수소와 물을 발생시키는 예비 반응 단계; 및A preliminary reaction step of reacting the hydrocarbon compound with hydrogen peroxide to generate hydrogen and water; And 상기 예비 반응 단계에서 발생된 열을 이용하여 상기 예비 반응기로부터 미반응 탄화수소계 화합물 및 물을 공급받아 이를 반응시켜 수소를 발생시키는 수증기 개질 반응 단계를 포함하고,A steam reforming reaction step of receiving unreacted hydrocarbon compound and water from the preliminary reactor by using the heat generated in the preliminary reaction step and reacting the same to generate hydrogen, 상기 예비 반응 단계는 탄화수소계 화합물과 과산화수소의 반응을 촉진시키는 발열반응 촉매하에서 실행되고, The preliminary reaction step is carried out under an exothermic catalyst for promoting the reaction of the hydrocarbon compound with hydrogen peroxide, 상기 수증기 개질 반응 단계는 탄화수소계 화합물과 수증기의 반응을 촉진시키는 수증기 개질 촉매하에서 실행되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 방법.The steam reforming reaction step is carried out under a steam reforming catalyst for promoting the reaction of the hydrocarbon compound with the steam. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 예비 반응 단계에서는, 0.5 내지 2의 메탄올/과산화수소 중량비로 메탄올과 과산화수소의 혼합물이 예비 반응기에 공급되어 상기 메탄올과 과산화수소가 반응하는 것을 특징으로 하는 연료 개질 방법.In the preliminary reaction step, a mixture of methanol and hydrogen peroxide is supplied to the preliminary reactor at a methanol / hydrogen peroxide weight ratio of 0.5 to 2 so that the methanol and hydrogen peroxide react. 삭제delete 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 탄화수소계 화합물은 메탄올이고, The hydrocarbon compound is methanol, 상기 예비 반응 단계는 Zr-Pt계 촉매하에서 실행되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 방법.The preliminary reaction step is carried out under a Zr-Pt based catalyst. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 Zr-Pt계 촉매는, 85~95 중량%의 Zr과 2~10 중량%의 Pt와 3~5 중량%의 Al2O3를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 개질 방법.The Zr-Pt catalyst is 85 to 95% by weight of Zr, 2 to 10% by weight of Pt and 3 to 5% by weight of Al 2 O 3 characterized in that the fuel reforming method. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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