KR101841188B1 - Fuel Processor for PEMFC with excellent reaction efficiency - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촉매가 충진되어 개질반응에 의해 탄화수소계 원료 및 수증기로 부터 CO, CO2, H2, H2O를 포함하는 혼합가스를 생성시키는 증기개질 반응부, 연료가스 및 공기의 연소반응에 의하여 고온의 가스를 발생시키는 중앙 연소부 및 고온의 가스를 상기 증기개질 반응부에 반응열을 전달하는 열원 공급부를 포함하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 관한 것으로, 연료가스 및 공기를 중앙 연소부에 공급하는 연료가스 공급부 및 증기개질 반응부와 연통되며, 혼합가스로부터 고순도 수소를 생성하도록 내부에 촉매가 충진된 물-가스전이(water gas shift. WGS) 반응부를 더 포함하되, 연료가스 공급부가 물-가스전이 반응부의 일부와 접하도록 설치되어 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 연료가스 및 공기를 예열하는 촉매 반응 효율이 우수한 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 연료가스 공급부가 물-가스전이 반응부와 접하도록 설치되어 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 연료가스 및 공기를 예열하는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있는 우수한 장점을 가진다.The present invention relates to a steam reforming reaction unit for generating a mixed gas containing CO, CO 2 , H 2 and H 2 O from a hydrocarbon-based raw material and steam by a reforming reaction, A central combustion unit for generating a high temperature gas, and a heat source supply unit for transferring a reaction heat to the steam reforming reaction unit at a high temperature. The fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell includes a fuel gas and air, And a water gas shift (WGS) reaction unit communicating with the fuel gas supply unit and the steam reforming reaction unit to supply high-purity hydrogen from the mixed gas, the fuel gas supply unit - the catalytic reaction efficiency in which the gas field is in contact with a part of the reaction part and the water-gas field absorbs the radiant heat of the reaction part to preheat the fuel gas and air, A polymer electrolyte membrane to a fuel cell fuel converter.
In the fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention, a fuel gas supply unit is provided so as to be in contact with a reaction part of a water-gas field, and a water-gas field absorbs radiant heat of a reaction part to preheat the fuel gas and air, It is possible to reduce the energy consumption in the case of the above.

Description

촉매 반응 효율이 우수한 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기{Fuel Processor for PEMFC with excellent reaction efficiency}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a polymer electrolyte membrane fuel cell,

본 발명은 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 관한 것으로서, 상세하게는 연료가스 공급부가 물-가스전이 반응부와 접하도록 설치되어 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 연소용 연료가스 및 공기를 예열하는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있고, 물-가스 전이 반응부와 기존의 1차원적 열원 공급 양상을 가지는 증기 개질반응부의 반응열 공급 양상을 향상하기 위하여 2차원적으로 열원 공급이 가능한 추가 열원 공급부를 더 포함하여 촉매 반응 효율이 우수한 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell. More particularly, the present invention relates to a fuel cell for a polymer electrolyte membrane fuel cell, In order to improve the aspect of the reaction heat supply of the water-gas transfer reaction unit and the steam reforming reaction unit having the conventional one-dimensional heat source supply mode, the water- To a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell, which further has an excellent catalytic reaction efficiency.

탄화수소 수증기 개질은 수소생산방법 중 가장 염가의 방법으로 여겨지고 있으며, 이 방법으로 세계 총 수소생산의 거의 절반이 생산되고 있다. 이러한 탄화수소 수증기 개질방법은 메탄을 주성분으로 하는 탄화수소를 수증기와 함께 촉매 존재하에 반응시켜 수소를 얻는 것으로서, 이때 진행되는 반응은 주반응인 개질반응과 부반응인 수성가스 전이반응 2가지이며 반응식은 아래와 같다.Hydrocarbon steam reforming is considered to be the cheapest method of producing hydrogen, and nearly half of the world's total hydrogen production is produced by this method. This hydrocarbon steam reforming process is a process for producing hydrogen by reacting hydrocarbon having methane as a main component together with steam in the presence of a catalyst. In this case, there are two reforming reactions as a main reaction and a water gas shift reaction as a side reaction. .

반응식 1Scheme 1

CH4 + H2O → CO + 3H2 ΔH = +497kcal/molCH 4 + H 2 O? CO + 3H 2 ? H = + 497 kcal / mol

CO + H2O → CO2 + H2 ΔH = -10kcal/molCO + H 2 O? CO 2 + H 2 ? H = -10 kcal / mol

상기 반응식 1에서 보는 바와 같이 수소는 메탄과 물 모두에서 분리되어 생산되기 때문에 높은 수소 생산수율이 가능하다. 그러나 상기 개질반응은 강한 흡열반응이며 고온 및 저압 조건에 의하여 정반응의 진행이 유리하므로, 대부분 수증기와 메탄을 700∼1,100℃의 촉매반응기에서 0∼40bar의 압력하에서 공간속도 3,000∼50,000hr-1정도로 공급하면서 반응시켜 수소를 얻고 있다. 반면에 전이반응은 온화한 발열반응으로서 저온이 유리하며 압력은 거의 영향을 미치지 않는다.As shown in the above reaction scheme 1, since hydrogen is produced separately from methane and water, a high yield of hydrogen production is possible. However, since the reforming reaction is a strong endothermic reaction and the progress of the reaction is favorable under high temperature and low pressure conditions, most of the water vapor and methane are decomposed at a space velocity of 3,000 to 50,000 hr -1 under a pressure of 0 to 40 bar in a catalytic reactor at 700 to 1,100 ° C And hydrogen is obtained by reacting while supplying. On the other hand, the transition reaction is a mild exothermic reaction, which is advantageous at low temperature and has little effect on pressure.

상기한 바와 같이 수증기 개질반응은 많은 반응열을 공급해야 하는 흡열반응이므로 촉매에 반응열이 효율적으로 공급되면 단위 촉매당 반응활성이 늘어나 반응기의 크기를 줄일 수 있음은 물론 수율을 높일 수 있게 된다.As described above, since the steam reforming reaction is an endothermic reaction requiring a large amount of reaction heat, if the reaction heat is efficiently supplied to the catalyst, the reaction activity per unit catalyst is increased so that the size of the reactor can be reduced and the yield can be increased.

도 1a는 종래의 촉매반응기의 측단면도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A 단면도이다. 펠릿형 촉매를 이용하는 일반적인 수증기 개질에 사용되는 공정은 관형반응기에 펠릿 형태의 촉매를 충전한 다음 관 외부로 연료의 연소에 의해 발생되는 고온의 배기가스를 공급하여 관내부의 펠릿이 반응에 필요한 열을 공급받도록 한 구조를 갖는다. 즉, 탄화수소 수증기 개질에 사용되는 반응기는 탄화수소와 수증기가 공급되어 내부에 충전된 촉매와의 접촉에 의해 탄화수소 수증기 개질반응이 일어나는 반응부와, 상기 반응부에 고온의 반응열을 전달하는 연도부로 이루어진다.1A is a side cross-sectional view of a conventional catalytic reactor, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 1A. The process used for general steam reforming using a pellet type catalyst is a process in which a pellet type catalyst is filled in a tubular reactor and then a high temperature exhaust gas generated by the combustion of fuel is supplied to the outside of the tube, And the like. That is, the reactor used for hydrocarbon steam reforming is composed of a reaction part in which hydrocarbon steam reforming reaction occurs by contact with a catalyst filled with hydrocarbon and water vapor, and a flue part which transfers high-temperature reaction heat to the reaction part.

이러한 반응기에 충전되는 펠릿형 촉매는 제조단가가 매우 낮은 이점은 있으나, 연도부를 통과하는 배기가스에서 반응열로 공급되는 비율이 매우 적다는 문제점을 가지고 있다. The pellet type catalyst packed in such a reactor has an advantage that the manufacturing cost is very low, but has a problem that the ratio of the exhaust gas passing through the flue gas to the reaction heat is very small.

또한, 위와 같이 탄화수소 수증기 개질반응으로 수소를 생성하고 다음 단계로 물-가스 전이(water gas shift, WGS) 반응을 진행한다. 촉매 하에서 일산화탄소와 물이 반응해서 일산화탄소를 제거하고 수소의 순도를 높이는 반응이다. WGS 반응을 한 단계로만 했을 경우는 일산화탄소의 전환율이 낮은 단점이 있어 HTS(high temperature shift)와 LTS(low temperature shift)의 두 과정으로 구성될 수 있다. 그러나 이로 인해 중간에 냉각기가 들어가서 장치가 커지고, 에너지 소비가 커지게 되는 단점을 가진다.In addition, hydrogen is produced by the hydrocarbon steam reforming reaction as described above, and the water gas shift (WGS) reaction proceeds to the next step. Carbon monoxide and water react with each other to remove carbon monoxide and increase purity of hydrogen. When the WGS reaction is performed in only one step, there is a disadvantage in that the conversion rate of carbon monoxide is low. Thus, it can be composed of two processes, high temperature shift (HTS) and low temperature shift (LTS). However, this has the disadvantage that the cooler enters in the middle, the device becomes large, and the energy consumption becomes large.

이에 따라, 탄화수소 수증기 개질반응에서 열 효율이 우수한 동시에 물-가스 전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.Accordingly, there is a need for a technique that is superior in thermal efficiency in the hydrocarbon steam reforming reaction and can reduce the energy consumption in the water-gas transfer reaction.

1. 한국등록특허 제10-1066970호1. Korean Patent No. 10-1066970

본 발명은 상기와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 연료가스 공급부가 물-가스전이 반응부의 일부와 접하도록 설치되어, 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 연소용 연료가스 및 공기를 예열할 수 있는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in view of the above-described needs, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system in which a fuel gas supply unit is provided so as to be in contact with a part of a reaction unit, And to provide a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell in which energy consumption in a water-gas field reaction can be reduced.

또한, 증기개질 반응부에 접하여 배치된 추가 열원공급부가 하나 이상의 구획판을 구비하여 고온의 가스가 체류하는 시간을 증가시켜 증기개질 반응부에 충분한 열을 전달해주어 우수한 촉매 반응 효율을 가지는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기를 제공하는데 그 목적이 있다.Further, the additional heat source supply unit disposed in contact with the steam reforming reaction unit may include at least one partition plate to increase the time during which the high temperature gas stays, thereby transferring sufficient heat to the steam reforming reaction unit, It is an object of the present invention to provide a fuel converter for a fuel cell.

더불어, HTS 반응기 및 LTS 반응기 사이에 병목 현상을 유도하여 충분한 냉각 효과로 높은 개질 반응 효율을 가지는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기를 제공하는데 그 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell having a high reforming reaction efficiency by inducing a bottleneck phenomenon between an HTS reactor and an LTS reactor.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 촉매가 충진되어 개질반응에 의해 탄화수소계 원료 및 수증기로 부터 CO, CO2, H2, H2O를 포함하는 혼합가스를 생성시키는 증기개질 반응부, 연료가스 및 공기의 연소반응에 의하여 고온의 가스를 발생시키는 중앙 연소부 및 상기 고온의 가스를 상기 증기개질 반응부에 반응열을 전달하는 열원 공급부를 포함하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기로서, 상기 연료가스 및 공기를 상기 중앙 연소부에 공급하는 연료가스 공급부; 및 상기 증기개질 반응부와 연통되며, 상기 혼합가스로부터 고순도 수소를 생성하도록 내부에 촉매가 충진된 물-가스전이(water gas shift. WGS) 반응부를 더 포함하되, 상기 연료가스 공급부가 상기 물-가스전이 반응부의 일부와 접하도록 설치되어 상기 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 상기 연료가스 및 공기를 예열할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell including CO, CO 2 , H 2 , and H 2 O from a hydrocarbon-based material and a water vapor by a reforming reaction A central combustion unit for generating a high-temperature gas by a combustion reaction of the fuel gas and the air, and a heat source supply unit for transmitting the heat of the high-temperature gas to the steam reforming reaction unit A fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell, comprising: a fuel gas supply unit for supplying the fuel gas and air to the central combustion unit; And a water gas shift (WGS) reaction unit which is in communication with the steam reforming reaction unit and has a catalyst packed therein to produce high purity hydrogen from the gas mixture, wherein the fuel gas supply unit includes a water- A gas field is provided in contact with a part of the reaction part, and the water-gas field absorbs radiant heat of the reaction part to preheat the fuel gas and the air.

본 발명의 일 실시예로 상기 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 내측관 및 외측관으로 이루어진 이중원통형 구조로 설치되어, 상기 증기개질 반응부는 상기 내측관 및 외측관 사이에 형성된 상기 유로의 일부에 촉매가 충진되고, 상기 중앙 연소부는 상기 내측관 하단에 위치하여 고온의 가스를 발생시키고, 상기 열원 공급부는 상기 고온의 가스가 상기 내측관의 상부로 이동하면서 상기 증기개질 반응부에 반응열을 전달할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell is installed in a double cylindrical structure composed of an inner pipe and an outer pipe, and the steam reforming reaction unit includes a catalyst And the central combustion unit is positioned at the lower end of the inner tube to generate a high temperature gas and the heat source supply unit can transfer the heat of reaction to the steam reforming reaction unit while the high temperature gas moves to the upper portion of the inner tube .

본 발명의 일 실시예로 상기 이중원통형 구조의 직경 보다 큰 직경을 가지는 제2 내측관 및 제2 외측관으로 이루어지고, 상기 이중원통형 구조와 동심원을 가지며 설치되는 제2 이중원통형 구조 및 상기 이중원통형 구조 및 제2 이중원통형 구조 사이에 설치되어 상기 열원 공급부의 열원을 차단하는 단열재를 더 포함하되, 상기 제2 내측관 및 제2 외측관 사이에 형성된 유로를 구비하여, 상기 유로가 세로로 배치된 구획판에 의해 구획되고, 상기 연료가스 공급부와 상기 물-가스전이 반응부가 상기 구획된 유로에 순차적으로 반복하여 배치될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the second double cylindrical structure may include a second inner tube and a second outer tube each having a diameter larger than the diameter of the double cylindrical structure, the second double cylindrical structure having the double cylindrical structure and the concentric circle, And a heat insulating material disposed between the second inner cylindrical tube and the second outer cylindrical tube so as to block a heat source of the heat source supplying part, wherein a flow path is provided between the second inner tube and the second outer tube, The fuel gas supply unit and the water-gas field reaction unit may be sequentially and repeatedly arranged in the partitioned flow path.

본 발명의 일 실시예로 상기 물-가스전이 반응부는, 상기 증기개질 반응부에서 생성된 혼합 가스 중 CO 가스를 1차 감소시키면서 CO2, H2 가스를 생성시키는 HTS(High Temperature Shift, 고온전이) 반응기 및 상기 HTS 반응기와 연통되고, CO 가스를 2차 감소시키면서 CO2, H2 가스를 추가로 생성시키는 LTS(LTS: Low Temperature Shift, 저온전이) 반응기를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the water-gas field reaction unit may include a HTS (High Temperature Shift) method for generating CO 2 and H 2 gas while first reducing the CO gas in the mixed gas generated in the steam reforming reaction unit, ) Reactor and an LTS (LTS: Low Temperature Shift) reactor which communicates with the HTS reactor and further generates CO 2 , H 2 gas while secondarily reducing the CO gas.

본 발명의 일 실시예로 상기 증기개질 반응부의 반응온도는 600∼900℃이고, 상기 HTS 반응기의 반응온도는 400℃ 내지 500℃이고, 상기 LTS 반응기의 반응온도는 200℃ 내지 300℃일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the reaction temperature of the steam reforming reaction unit is 600 to 900 ° C, the reaction temperature of the HTS reactor is 400 ° C to 500 ° C, and the reaction temperature of the LTS reactor is 200 ° C to 300 ° C .

본 발명의 일 실시예로 상기 HTS 반응기 및 상기 LTS 반응기 사이에 상기 물-가스전이 반응부에서 방사열을 흡수하도록 금속 망으로 구획된 열 흡수부를 더 포함하되, 상기 열 흡수부의 단면적이 상기 HTS 반응기 및 상기 LTS 반응기의 단면적보다 작은 구간을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the HTS reactor and the LTS reactor further include a heat absorbing portion, which is partitioned by a metal mesh to absorb radiant heat in the reaction portion, wherein a cross sectional area of the heat absorbing portion is larger than a cross- Sectional area smaller than the cross-sectional area of the LTS reactor.

본 발명의 일 실시예로 상기 연료가스 공급부는 유로분할 수단을 포함하여 상기 연료가스 공급부의 유로를 분할하여 저항을 부여한 뒤 재결합할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the fuel gas supply unit may include a flow path dividing unit to divide the flow path of the fuel gas supply unit, apply resistance, and then recombine.

본 발명의 일 실시예로 상기 유로분할 수단은 마름모, 원형, 사각형 등의 형태로 유로의 중앙을 차단하되, 상기 연료가스 공급부의 유로는 일정한 단면적을 유지할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the flow path dividing means blocks the center of the flow path in the form of rhombus, circle, quadrangle, etc., and the flow path of the fuel gas supply portion can maintain a constant cross sectional area.

본 발명의 일 실시예로 상기 이중원통형 구조의 상부면에 접하여 배치되고, 상기 요철 형태의 액체공급 방지턱을 포함하여, 주입된 탄화수소계 액체 원료의 일부 또는 전부가 상기 열원 공급부의 열원에 의하여 기화되어 상기 증기개질 반응부에 공급하는 원료 공급부를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a part or the whole of the injected hydrocarbon-based liquid raw material is vaporized by the heat source of the heat source supply portion, including the liquid supply preventing jaw of the concavo-convex form, placed in contact with the upper surface of the double cylindrical structure And a raw material supply unit for supplying the steam reforming reaction unit.

본 발명의 일 실시예로 상기 내측관을 통과하면서 고온의 가스가 상기 증기개질 반응부에 전달하고 남은 잔열을 추가적으로 전달하는 추가 열원 공급부를 더 포함하되, 상기 내측관 및 외측관 사이에 형성된 상기 유로가 세로로 배치된 구획판에 의해 구획되고, 상기 추가 열원 공급부와 상기 증기개질 반응부가 상기 구획된 유로에 순차적으로 반복하여 배치될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the steam reforming apparatus further includes an additional heat source supply unit for passing the remaining heat transferred from the steam reforming reaction unit through the inner pipe to the steam reforming reaction unit, The additional heat source supply unit and the steam reforming reaction unit may be sequentially and repeatedly arranged in the partitioned flow path.

본 발명의 일 실시예로 상기 추가 열원 공급부는, 하나 이상의 구획판을 구비하여 고온의 가스가 체류하는 시간을 증가시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the additional heat source supply unit may include at least one partition plate to increase the time during which the hot gas stays.

본 발명의 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 연료가스 공급부가 물-가스전이 반응부의 일부와 접하도록 설치되어 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 연료가스 및 공기를 예열하는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있는 장점을 가진다. The fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention is characterized in that the fuel gas supply part is provided so that the water-gas field is in contact with a part of the reaction part, the water-gas field absorbs radiant heat of the reaction part to preheat the fuel gas and air, It is possible to reduce the energy consumption in the case of the power supply.

또한, 증기개질 반응부에 접하여 배치된 추가 열원공급부가 하나 이상의 구획판을 구비하여 고온의 가스가 체류하는 시간을 증가시켜 증기개질 반응부에 충분한 열을 전달해주어 우수한 촉매 반응 효율을 가질 수 있다.Further, the additional heat source supply unit disposed in contact with the steam reforming reaction unit may include at least one partition plate to increase the time for residence of the high temperature gas, thereby transferring sufficient heat to the steam reforming reaction unit.

또한, HTS 반응기 및 LTS 반응기 사이에 병목 현상을 유도하여 충분한 냉각 효과로 높은 개질 반응 효율을 얻을 수 있다.In addition, it is possible to obtain a high reforming reaction efficiency by inducing a bottleneck phenomenon between the HTS reactor and the LTS reactor, thereby achieving a sufficient cooling effect.

도 1a는 종래의 촉매반응기의 측단면도이다.
도 1b는 도 1a의 A-A 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기의 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 탄화수소계 원료 및 수증기가 공급되어 고순도의 수소를 생성하는 흐름을 표시한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 연료가스 및 공기가 공급되어 고온의 가스를 발생시키고 증기개질 반응부에 반응열을 전달하는 흐름을 표시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기의 연료가스 공급부 및 물-가스전이 반응부를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원료 공급부의 액체공급 방지턱을 나타낸 도면이다.1A is a side cross-sectional view of a conventional catalytic reactor.
1B is a cross-sectional view taken along the line AA in Fig. 1A.
2A is a perspective view of a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2B is a cross-sectional view of a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3A is a view showing a flow of generating high-purity hydrogen by supplying a hydrocarbon-based raw material and water vapor to a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3B is a view showing a flow of supplying a fuel gas and air to a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention to generate a high-temperature gas and transferring a reaction heat to the steam reforming reaction unit.
4 is a view showing a fuel gas supply unit and a water-gas field reaction unit of a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention.
5 is a view illustrating a liquid supply preventing jaw of a raw material supplying unit according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings illustrate only the essential features for the sake of clarity of the invention and are not to be construed as limiting the drawings.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기의 사시도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기의 단면도이다. 본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 증기개질 반응부(100), 중앙 연소부(200) 및 열원 공급부(300)를 포함한다. FIG. 2A is a perspective view of a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention. The fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention includes a steam reforming reaction unit 100, a central combustion unit 200, and a heat source supply unit 300.

본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 내측관(10) 및 외측관(20)으로 이루어진 이중원통형 구조(10, 20)로 설치되고, 상기 내측관(10) 및 외측관(20) 사이에 형성된 유로를 구비할 수 있으며, 상기 증기개질 반응부(100)는 상기 유로의 일부에 촉매가 충진되어 개질반응에 의해 탄화수소계 원료 및 수증기로 부터 CO, CO2, H2, H2O를 포함하는 혼합가스를 생성시킬 수 있다.The fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention is provided with a double cylindrical structure 10 and 20 made up of an inner tube 10 and an outer tube 20 and is provided between the inner tube 10 and the outer tube 20 The steam reforming reaction part 100 may be configured such that CO, CO 2 , H 2 , and H 2 O are removed from a hydrocarbon-based raw material and steam by a reforming reaction, Can be produced.

상기 중앙 연소부(200)는 상기 내측관 하단에 위치하고, CH4 등의 연료가스 및 공기의 연소반응에 의하여 고온의 가스를 발생시킬 수 있고, 상기 열원 공급부(300)는 상기 고온의 가스가 상기 내측관의 상부로 이동하면서 상기 증기개질 반응부(100)에 반응열을 전달할 수 있다. The central burner unit 200 located in the bottom of the inner tube, CH 4, etc. The high temperature gas can be generated by the combustion reaction of the fuel gas and the air and the heat source supply unit 300 can transfer the heat of reaction to the steam reforming reaction unit 100 while the high temperature gas moves to the upper portion of the inner pipe .

더불어, 본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 연료가스 공급부(600) 및 물-가스전이(water gas shift. WGS) 반응부(700)를 더 포함할 수 있다. 상기 연료가스 공급부(600)는 상기 연료가스 및 공기를 상기 중앙 연소부(200);에 공급하고, 상기 물-가스전이 반응부(700)는 상기 증기개질 반응부(100)와 연통되며, 상기 혼합가스로부터 고순도 수소를 생성하도록 내부에 촉매가 충진될 수 있다.In addition, the fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention may further include a fuel gas supply unit 600 and a water gas shift (WGS) reaction unit 700. The fuel gas supply unit 600 supplies the fuel gas and air to the central combustion unit 200 and the water-gas field reaction unit 700 is in communication with the steam reforming reaction unit 100, The catalyst can be filled in to produce high purity hydrogen from the gaseous mixture.

특히, 본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 상기 연료가스 공급부(600)가 상기 물-가스전이 반응부(700)의 일부와 접하도록 설치되어 상기 물-가스전이 반응부(700)의 방사열을 흡수하여 상기 연료가스 및 공기를 예열하는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있는 장점을 가진다. In particular, in the fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention, the fuel gas supply unit 600 is installed so as to be in contact with a part of the water-gas field reaction unit 700, Absorbing radiant heat to preheat the fuel gas and the air, and at the same time, the water-gas field can reduce the energy consumption in the reaction.

본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 제2 이중원통형 구조(30, 40) 및 단열재(50)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 이중원통형 구조(30, 40)는 상기 이중원통형 구조(10, 20)의 직경 보다 큰 직경을 가지는 제2 내측관(30) 및 제2 외측관(40)으로 이루어지고, 상기 이중원통형 구조(10, 20)와 동심원을 가지며 설치될 수 있으며, 사익 단열재(50)는 상기 이중원통형 구조(10, 20) 및 제2 이중원통형 구조(30, 40) 사이에 설치되어 상기 열원 공급부의 열원을 차단할 수 있다.The fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention may further include a second double cylindrical structure (30, 40) and a heat insulating material (50). Wherein the second double cylindrical structure (30, 40) comprises a second inner tube (30) and a second outer tube (40) having diameters larger than the diameters of the double cylindrical structures (10, 20) And the seawater insulation 50 may be installed between the double cylindrical structures 10 and 20 and the second double cylindrical structures 30 and 40 so that the heat source of the heat source supply unit Lt; / RTI >

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 탄화수소계 원료 및 수증기가 공급되어 고순도의 수소를 생성하는 흐름을 표시한 도면이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 연료가스 및 공기가 공급되어 고온의 가스를 발생시키고 증기개질 반응부에 반응열을 전달하는 흐름을 표시한 도면이다.FIG. 3A is a view showing a flow of supplying hydrogen-based raw material and water vapor to a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention to generate hydrogen of high purity, and FIG. FIG. 2 is a view showing a flow of supplying a fuel gas and air to a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention, generating a high-temperature gas and transferring a reaction heat to the steam reforming reaction unit.

도 3과 같이, 연료가스 공급부(600)에 공기와 연료가스(CH4)가 튜브를 통해 주입되고 유로를 따라 상단에서 하단으로 흐를 수 있다. 이때, 물-가스전이 반응부(700)의 HTS 반응기(710) 및 LTS 반응기(720)에서 나오는 방사열을 연료가스 공급부(600)의 유로를 통하는 공기와 연료가스(CH4)가 흡수할 수 있도록 접하여 설치된다.As shown in FIG. 3, air and fuel gas CH 4 can be injected into the fuel gas supply unit 600 through the tubes and flow from the upper end to the lower end along the flow path. At this time, the radiant heat from the HTS reactor 710 and the LTS reactor 720 of the reaction unit 700 can be absorbed by the air passing through the channel of the fuel gas supply unit 600 and the fuel gas CH 4 Respectively.

상기 제2 내측관(30) 및 제2 외측관(40) 사이에 형성된 유로를 구비하여, 상기 유로가 세로로 배치된 구획판에 의해 구획되고, 상기 연료가스 공급부(600)와 상기 물-가스전이 반응부(700)가 상기 구획된 유로에 순차적으로 반복하여 배치될 수 있다.And a flow path formed between the second inner pipe (30) and the second outer pipe (40), the flow path is partitioned by a partition plate vertically disposed, and the fuel gas supply unit (600) The reaction unit 700 may be repeatedly disposed in the partitioned flow path sequentially.

상기 물-가스전이 반응부(700)는, HTS(High Temperature Shift, 고온전이) 반응기(710) 및 LTS(LTS: Low Temperature Shift, 저온전이) 반응기(720)를 포함한다. 상기 HTS 반응기(710)는 상기 증기개질 반응부(100)에서 생성된 혼합 가스 중 CO 가스를 1차 감소시키면서 CO2, H2 가스를 생성시킬 수 있고. 상기 LTS 반응기(720)는 상기 HTS 반응기(710)와 연통되고, CO 가스를 2차 감소시키면서 CO2, H2 가스를 추가로 생성시킬 수 있다.The water-gas shift reaction unit 700 includes a HTS (High Temperature Shift) reactor 710 and a LTS (LTS: Low Temperature Shift) The HTS reactor 710 can generate CO 2 and H 2 gas while first reducing the CO gas in the mixed gas generated in the steam reforming reaction unit 100. The LTS reactor 720 may be in communication with the HTS reactor 710 and may further generate CO 2 and H 2 gases while secondarily reducing the CO gas.

상기 증기개질 반응부(100)의 반응온도는 600∼900℃이고, 상기 HTS 반응기(710)의 반응온도는 400℃ 내지 500℃이고, 상기 LTS 반응기(720)의 반응온도는 200℃ 내지 300℃일 수 있다. WGS 반응을 한 단계로만 했을 경우는 일산화탄소의 전환율이 낮은 단점이 있어 HTS(high temperature shift)와 LTS(low temperature shift)의 두 과정으로 구성될 수 있다. 그러나 이로 인해 중간에 냉각기가 들어가서 장치가 커지고, 에너지 소비가 커지게 되는 단점을 가진다.The reaction temperature of the steam reforming reaction unit 100 is 600 to 900 ° C., the reaction temperature of the HTS reactor 710 is 400 ° C. to 500 ° C., and the reaction temperature of the LTS reactor 720 is 200 ° C. to 300 ° C. Lt; / RTI > When the WGS reaction is performed in only one step, there is a disadvantage in that the conversion rate of carbon monoxide is low. Thus, it can be composed of two processes, high temperature shift (HTS) and low temperature shift (LTS). However, this has the disadvantage that the cooler enters in the middle, the device becomes large, and the energy consumption becomes large.

그러나 본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 상기 연료가스 공급부(600)가 상기 물-가스전이 반응부(700)의 일부와 접하도록 설치되어 상기 물-가스전이 반응부(700)의 방사열을 흡수하여 상기 연료가스 및 공기를 예열하는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있는 장점을 가진다.However, in the fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention, the fuel gas supply unit 600 is installed so as to be in contact with a part of the water-gas field reaction unit 700, Thereby preheating the fuel gas and the air and reducing the energy consumption in the water-gas field reaction.

더불어, 도 4와 같이, 병목구간을 통해서 추가의 열교환기 장비 없이 열의 흐름을 변경하여 냉각효과를 부여할 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기의 연료가스 공급부 및 물-가스전이 반응부를 나타낸 도면이다. 상기 HTS 반응기(710) 및 상기 LTS 반응기(720) 사이에 상기 물-가스전이 반응부(700)에서 방사열을 흡수하도록 금속 망(731)으로 구획된 열 흡수부(730)를 더 포함할 수 있으며, 상기 열 흡수부(730)의 단면적이 상기 HTS 반응기(710) 및 상기 LTS 반응기(720)의 단면적보다 작은 구간을 포함할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 4, the cooling effect can be given by changing the flow of heat without additional heat exchanger equipment through the bottleneck section. 4 is a view showing a fuel gas supply unit and a water-gas field reaction unit of a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention. The heat absorbing part 730 may further include a metal net 731 partitioned between the HTS reactor 710 and the LTS reactor 720 to absorb radiant heat in the water- Sectional area of the heat absorber 730 may be smaller than the cross-sectional area of the HTS reactor 710 and the LTS reactor 720.

상기 HTS 반응기(710) 및 상기 LTS 반응기(720) 층을 나누고 상기 HTS 반응기(710) 및 상기 LTS 반응기(720)의 사이 부분이 모래시계 형태로 단면적이 좁아들게 설계하여 병목현상이 생기도록 한다. HTS 알갱이들 사이를 비집고 지나온 가스들은 금속 망(731)을 통과하고 병목구간에 도달하게 된다. 이후, 가스들은 ⓑ구간에 모이게 되고 정체 구간인 ⓑ구간을 통과하여 ⓒ구간으로 나아갈 때 빠르게 퍼져나가게 된다. 이때의 병목현상을 통해 450℃에서 250℃ 정도로 내려가는 냉각효과를 볼 수 있고, 이렇게 빠르게 퍼져나간 가스들은 LTS 알갱이들 사이로 촘촘하게 들어가게 되고 이를 통과하며 냉각효과가 더 커질 수 있다. The HTS reactor 710 and the LTS reactor 720 are divided and a portion between the HTS reactor 710 and the LTS reactor 720 is designed to have an hourglass shape to narrow the bottleneck. The gases passing between the HTS granules pass through the metal mesh (731) and reach the bottleneck section. Then, the gases are gathered in the interval ⓑ, and they spread rapidly when they pass through the congestion interval ⓑ and the ⓒ interval. By this bottleneck, the cooling effect can be seen from 450 ° C down to 250 ° C, and the rapidly spreading gas can be densely inserted between the LTS grains and pass through it, resulting in a greater cooling effect.

또한 도 4와 같이, 상기 연료가스 공급부(600)는 유로분할 수단(610)을 포함하여 상기 연료가스 공급부의 유로를 분할하여 저항을 부여한 뒤 재결합할 수 있으며, 상기 유로분할 수단(610)은 마름모, 원형, 사각형 등의 형태로 유로의 중앙을 차단하되, 상기 연료가스 공급부(600)의 유로는 일정한 단면적을 유지할 수 있다.4, the fuel gas supply unit 600 may include a flow path dividing unit 610 to divide the flow path of the fuel gas supply unit and apply resistance to the fuel gas supply unit 600, The fuel gas supply unit 600 can be maintained at a constant cross-sectional area.

공기와 연료가스(CH4)가 흐르는 연료가스 공급부(600) 유로의 중앙에 유로분할 수단(610)이 설치되어, 유로가 나뉘게 되며 온도 변화가 생기도록 유도할 수 있다. ⓐ지점에서 가스들이 충돌하며 상기 HTS 반응기(710) 및 LTS 반응기(720)의 열을 더 흡수하게 되고 유로분할 수단(610)이 끝나는 지점에서 공기와 연료가스(CH4)가 다시 섞이며 완벽한 혼합을 하도록 유도함과 동시에 중앙 연소부(200)로 들어가기 전 많은 열을 흡수 할 수 있도록 하여 중앙 연소부(200)의 예열이 필요 없이 높은 온도로 바로 연소할 수 있으며, 많은 량의 연료 없이도 충분한 연소를 할 수 있다. 또한, 상기 유로분할 수단(610)은 마름모, 원형, 사각형 등의 다양한 형태로 설치되어 유로를 분할할 수 있다.The flow path dividing means 610 is provided at the center of the flow path of the fuel gas supply part 600 through which the air and the fuel gas CH 4 flow so that the flow paths are separated and a temperature change can be induced. The gas at the point a collides with the gas and further absorbs the heat of the HTS reactor 710 and the LTS reactor 720 and the air and the fuel gas CH 4 are re-mixed at the point where the flow path dividing means 610 ends, So that it is possible to absorb a large amount of heat before entering the central combustion unit 200, so that the central combustion unit 200 can be directly burned at a high temperature without requiring preheating and sufficient combustion can be performed without a large amount of fuel can do. In addition, the channel dividing means 610 may be provided in various forms such as rhombus, circular, square, etc. to divide the flow path.

본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 원료 공급부(400)를 더 포함할 수 있다. 상기 원료 공급부(400)은 상기 이중원통형 구조(10, 20)의 상부면에 접하여 배치되고, 상기 요철 형태의 액체공급 방지턱(410)을 포함하여, 주입된 탄화수소계 원료 및 물의 일부 또는 전부가 상기 열원 공급부(300)의 열원에 의하여 기화되어 상기 증기개질 반응부에 공급할 수 있다.The fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention may further include a raw material supply unit 400. The raw material supply part 400 is disposed in contact with the upper surface of the double cylindrical structure 10 and 20 and includes a liquid supply preventing jaw 410 of the concavo-convex form, and a part or all of the injected hydrocarbon- Can be vaporized by the heat source of the heat source supply unit (300) and supplied to the steam reforming reaction unit.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원료 공급부의 액체공급 방지턱을 나타낸 도면이다. 증기개질 반응부(100)에서 촉매의 반응을 유도하기 위하여 원료 공급부(400)로 연결되어 있는 튜브를 통해 탄화수소계 원료 및 물이 공급된다. 도 2 및 5와 같이, 원료 공급부(400) 내부의 구간을 나누기 위해 액체공급 방지턱(410)이 설치될 수 있다. 액체공급 방지턱(410)은 탄화수소계 원료 및 물이 Section 1에 채워진 뒤 Section 2로 넘어 흐를 수 있도록 한다. 이는 상기 중앙 연소부(200)에서 나온 열을 탄화수소계 원료 및 수증기가 충분히 흡수하고 기화되어 수증기 개질을 유도할 수 있다. 또한, 팽창구간(420)을 설치하여 열로 인해 탄화수소계 원료 및 수증기가 기화되어 부피가 팽창하더라도 유로가 막히지 않고 잘 흐르도록 한다.5 is a view illustrating a liquid supply preventing jaw of a raw material supplying unit according to an embodiment of the present invention. In order to induce the reaction of the catalyst in the steam reforming reaction unit 100, the hydrocarbon-based raw material and water are supplied through a tube connected to the raw material supply unit 400. As shown in FIGS. 2 and 5, the liquid supply protector 410 may be provided to divide the inside of the raw material supply part 400. The liquid supply bushing 410 allows the hydrocarbonaceous feedstock and water to flow into Section 2 after filling in Section 1. This is because the heat from the central combustion unit 200 can be sufficiently absorbed by the hydrocarbon-based raw material and steam and vaporized to induce steam reforming. In addition, the expansion section 420 is provided to allow the flow of the hydrocarbon-based raw material and steam to flow well even if the volume is expanded due to heat.

또한, 본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 추가 열원 공급부(500)를 더 포함할 수 있다. 상기 추가 열원 공급부(500)는 상기 내측관(10)을 통과하면서 고온의 가스가 상기 증기개질 반응부(100)에 전달하고 남은 잔열을 추가적으로 전달할 수 있다. 상기 유로가 세로로 배치된 구획판에 의해 구획되고, 상기 추가 열원 공급부(500)와 상기 증기개질 반응부(100)가 상기 구획된 유로에 순차적으로 반복하여 배치될 수 있다.In addition, the fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention may further include an additional heat source supply unit 500. The additional heat source supply unit 500 may further transmit the remaining heat transferred to the steam reforming reaction unit 100 by passing the high temperature gas through the inner pipe 10. The additional heat source supply unit 500 and the steam reforming reaction unit 100 may be sequentially and repeatedly arranged in the partitioned flow path.

특히, 상기 추가 열원 공급부(500)는 하나 이상의 구획판(510)을 구비하여 고온의 가스가 체류하는 시간을 증가시킬 수 있다. 물-가스전이 반응부(700)의 방사열을 흡수하여 연료가스 공급부(600)에서 예열 되어진 공기와 연료가스(CH4)는 중앙 연소부(200) 구간으로 유입되고 추가의 예열 없이 바로 연소되어 진다. 이때 연소 되어진 열원들은 열원 공급부(300) 상층부 통로를 통해 추가 열원 공급부(500)로 흐를 수 있다. 유로 중간에 세로로 배치된 구획판(510)를 두어 위에서 아래로, 아래에서 위로 즉, 열 순환을 두 번 일으키는 순환 구조일 수 있으며, 다수의 구획판이 가로로 설치되어 지그재그 형태로 열 순환할 수도 있다. 상기 추가 열원 공급부(500)를 통해 양 옆에 배치된 증기개질 반응부(100)의 촉매에 충분한 열을 전달해주어 반응 온도를 적정 수준까지 올릴 수 있다. 이를 통해 중앙 연소부(200)의 열 손실을 줄이고 열 효율을 극대화할 수 있으며, 증기개질 반응부(100) 촉매 층 온도를 높여 높은 개질 반응 효율을 얻을 수 있다.In particular, the additional heat source supply unit 500 may include at least one partition plate 510 to increase the time during which the hot gas stays. The water-gas field absorbs the radiant heat of the reaction part 700 and the air and the fuel gas CH 4 preheated in the fuel gas supply part 600 are introduced into the central combustion part 200 and burned immediately without additional preheating . At this time, the burned heat sources may flow to the additional heat source supply unit 500 through the upper layer passage of the heat source supply unit 300. It may be a circulation structure that causes the partition plate 510 disposed vertically in the middle of the flow channel to cause top to bottom and bottom to top, that is, to cause two times of thermal circulation, and a plurality of partition plates may be horizontally installed to thermally circulate in a zigzag have. It is possible to increase the reaction temperature to an appropriate level by transmitting sufficient heat to the catalyst of the steam reforming reaction unit 100 disposed on both sides through the additional heat source supply unit 500. Accordingly, the heat loss of the central combustion unit 200 can be reduced, the heat efficiency can be maximized, and the reforming reaction efficiency can be improved by increasing the temperature of the catalyst bed of the steam reforming unit 100.

위와 같이, 본 발명에 따른 촉매 반응 효율이 우수한 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 연료가스 공급부가 물-가스전이 반응부의 일부와 접하도록 설치되어, 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 연료가스 및 공기를 예열할 수 있는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 줄일 수 있다.As described above, the fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell having an excellent catalytic reaction efficiency according to the present invention is characterized in that the fuel gas supply part is provided so that the water-gas field is in contact with a part of the reaction part, The air can be preheated while the water-gas field can reduce energy consumption in the reaction.

또한, 증기개질 반응부에 접하여 배치된 추가 열원공급부가 하나 이상의 구획판을 구비하여 고온의 가스가 체류하는 시간을 증가시켜 증기개질 반응부에 충분한 열을 전달해주어 우수한 촉매 반응 효율을 가질 수 있으며, HTS 반응기 및 LTS 반응기 사이에 병목 현상을 유도하여 충분한 냉각 효과로 높은 개질 반응 효율을 가지는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기를 제공할 수 있다.Further, the additional heat source supply unit disposed in contact with the steam reforming reaction unit may include at least one partition plate to increase the time during which the high temperature gas stays, thereby transferring sufficient heat to the steam reforming reaction unit, It is possible to provide a fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell that induces a bottleneck phenomenon between an HTS reactor and an LTS reactor to have a high reforming reaction efficiency with a sufficient cooling effect.

이상에서는 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be possible.

10: 내측관 20: 외측관
30: 제2 내측관 40: 제2 외측관
50: 단열재 100: 증기개질 반응부
200: 중앙 연소부 300: 열원 공급부
400: 원료 공급부 410: 액체공급 방지턱
420: 팽창구간 500: 추가 열원 공급부
510: 구획판 600: 연료가스 공급부
610: 유로분할 수단 700: 물-가스전이 반응부
710: HTS 반응기 720: LTS 반응기
730: 열 흡수부 731: 금속 망10: Inner tube 20: Outer tube
30: second inner tube 40: second outer tube
50: Insulation material 100: Steam reforming reaction part
200: central combustion unit 300: heat source supply unit
400: raw material supply unit 410: liquid supply bail
420: expansion section 500: additional heat source section
510: partition plate 600: fuel gas supply unit
610: channel dividing means 700: water-gas field reaction unit
710: HTS reactor 720: LTS reactor
730: heat absorber 731: metal mesh

Claims (11)

촉매가 충진되어 개질반응에 의해 탄화수소계 원료 및 수증기로 부터 CO, CO2, H2, H2O를 포함하는 혼합가스를 생성시키는 증기개질 반응부, 연료가스 및 공기의 연소반응에 의하여 고온의 가스를 발생시키는 중앙 연소부 및 상기 고온의 가스를 상기 증기개질 반응부에 반응열을 전달하는 열원 공급부를 포함하고,
상기 연료가스 및 공기를 상기 중앙 연소부에 공급하는 연료가스 공급부; 및
상기 증기개질 반응부와 연통되며, 상기 혼합가스로부터 고순도 수소를 생성하도록 내부에 촉매가 충진된 물-가스전이(water gas shift. WGS) 반응부를 더 포함하되, 상기 연료가스 공급부가 상기 물-가스전이 반응부의 일부와 접하도록 설치되어 상기 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 상기 연료가스 및 공기를 예열하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 있어서,
상기 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 내측관 및 외측관으로 이루어진 이중원통형 구조로 설치되어,
상기 증기개질 반응부는 상기 내측관 및 외측관 사이에 형성된 유로의 일부에 촉매가 충진되고, 상기 중앙 연소부는 상기 내측관 하단에 위치하여 고온의 가스를 발생시키고, 상기 열원 공급부는 상기 고온의 가스가 상기 내측관의 상부로 이동하면서 상기 증기개질 반응부에 반응열을 전달하며,
상기 이중원통형 구조의 직경보다 큰 직경을 가지는 제2 내측관 및 제2 외측관으로 이루어지고, 상기 이중원통형 구조와 동심원을 가지며 설치되는 제2 이중원통형 구조; 및
상기 이중원통형 구조 및 제2 이중원통형 구조 사이에 설치되어 상기 열원 공급부의 열원을 차단하는 단열재를 더 포함하되,
상기 제2 내측관 및 제2 외측관 사이에 형성된 유로를 구비하여, 상기 유로가 세로로 배치된 구획판에 의해 구획되고, 상기 연료가스 공급부와 상기 물-가스전이 반응부가 상기 구획된 유로에 순차적으로 반복하여 배치되는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
A steam reforming reaction unit for generating a mixed gas containing CO, CO 2 , H 2 and H 2 O from hydrocarbon-based raw materials and steam by a reforming reaction with a catalyst, a high-temperature A central combustion unit for generating a gas, and a heat source supply unit for transferring the reaction heat to the steam reforming reaction unit,
A fuel gas supply unit for supplying the fuel gas and air to the central combustion unit; And
Further comprising a water gas shift (WGS) reaction unit which is in communication with the steam reforming reaction unit and is filled with a catalyst to generate high purity hydrogen from the gas mixture, wherein the fuel gas supply unit includes a water- The fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell, which is provided in contact with a part of the reaction part and absorbs radiant heat of the reaction part of the water-gas field to preheat the fuel gas and air,
Wherein the fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell comprises a double cylindrical structure comprising an inner tube and an outer tube,
Wherein the steam reforming reaction part is charged with a catalyst in a part of the flow path formed between the inner tube and the outer tube and the central combustion part is located at the lower end of the inner tube to generate a high temperature gas, The reaction heat is transferred to the steam reforming reaction unit while moving to an upper portion of the inner pipe,
A second double cylindrical structure comprising a second inner tube and a second outer tube each having a diameter larger than the diameter of the double cylindrical structure and having a double cylindrical structure and a concentric circle; And
And a heat insulating material disposed between the double cylindrical structure and the second double cylindrical structure to block a heat source of the heat source supply unit,
And a flow path formed between the second inner pipe and the second outer pipe, wherein the flow path is partitioned by a partition plate vertically disposed, and the fuel gas supply unit and the water- The fuel converter for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to claim 1,
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 물-가스전이 반응부는,
상기 증기개질 반응부에서 생성된 혼합 가스 중 CO 가스를 1차 감소시키면서 CO2, H2 가스를 생성시키는 HTS(High Temperature Shift, 고온전이) 반응기; 및
상기 HTS 반응기와 연통되고, CO 가스를 2차 감소시키면서 CO2, H2 가스를 추가로 생성시키는 LTS(LTS: Low Temperature Shift, 저온전이) 반응기를 포함하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
The method of claim 1, wherein the water-
A HTS (High Temperature Shift) reactor for generating CO 2 and H 2 gas while first reducing the CO gas in the mixed gas generated in the steam reforming reaction unit; And
And a LTS (LTS: Low Temperature Shift) reactor which is in communication with the HTS reactor and further generates CO 2 and H 2 gas while secondarily reducing CO gas.
제4항에 있어서,
상기 증기개질 반응부의 반응온도는 600∼900℃이고, 상기 HTS 반응기의 반응온도는 400℃ 내지 500℃이고, 상기 LTS 반응기의 반응온도는 200℃ 내지 300℃인 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
5. The method of claim 4,
Wherein the reaction temperature of the steam reforming reaction unit is 600 to 900 占 폚, the reaction temperature of the HTS reactor is 400 to 500 占 폚, and the reaction temperature of the LTS reactor is 200 to 300 占 폚.
제4항에 있어서,
상기 HTS 반응기 및 상기 LTS 반응기 사이에 상기 물-가스전이 반응부에서 방사열을 흡수하도록 금속 망으로 구획된 열 흡수부를 더 포함하되,
상기 열 흡수부의 단면적이 상기 HTS 반응기 및 상기 LTS 반응기의 단면적보다 작은 구간을 포함하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
5. The method of claim 4,
Further comprising a heat absorbing portion between the HTS reactor and the LTS reactor, the heat absorbing portion being partitioned into a metal net so that the water-gas field absorbs radiation heat in the reaction portion,
Wherein the cross-sectional area of the heat absorber is smaller than the cross-sectional area of the HTS reactor and the LTS reactor.
제1항에 있어서,
상기 연료가스 공급부는 유로분할 수단을 포함하여 상기 연료가스 공급부의 유로를 분할하여 저항을 부여한 뒤 재결합하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
The method according to claim 1,
Wherein the fuel gas supply unit includes a flow path dividing unit to divide the flow path of the fuel gas supply unit, apply resistance to the fuel gas, and reassemble the polymer electrolyte fuel cell.
제7항에 있어서,
상기 유로분할 수단은 마름모, 원형, 사각형 등의 형태로 유로의 중앙을 차단하되, 상기 연료가스 공급부의 유로는 일정한 단면적을 유지하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
8. The method of claim 7,
Wherein the flow path dividing means blocks the center of the flow path in the form of rhombus, circular, quadrangle, etc., and maintains a constant cross-sectional area of the flow path of the fuel gas supply portion.
제1항에 있어서,
상기 이중원통형 구조의 상부면에 접하여 배치되고, 요철 형태의 액체공급 방지턱을 포함하여, 주입된 탄화수소계 원료 및 물의 일부 또는 전부가 상기 열원 공급부의 열원에 의하여 기화되어 상기 증기개질 반응부에 공급하는 원료 공급부를 더 포함하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
The method according to claim 1,
And a part of or all of the injected hydrocarbon-based raw material and water is vaporized by the heat source of the heat source supply unit and supplied to the steam reforming reaction unit And further comprising a raw material supply unit.
제1항에 있어서,
상기 내측관을 통과하면서 고온의 가스가 상기 증기개질 반응부에 전달하고 남은 잔열을 추가적으로 전달하는 추가 열원 공급부를 더 포함하되,
상기 내측관 및 외측관 사이에 형성된 상기 유로가 세로로 배치된 구획판에 의해 구획되고, 상기 추가 열원 공급부와 상기 증기개질 반응부가 상기 구획된 유로에 순차적으로 반복하여 배치되는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
The method according to claim 1,
Further comprising an additional heat source supply unit for passing additional heat remaining in the steam reforming reaction unit through the inner pipe while passing a high temperature gas through the steam reforming reaction unit,
Wherein the flow path formed between the inner pipe and the outer pipe is partitioned by a vertically disposed partition plate and the additional heat source supply unit and the vapor reforming reaction unit are sequentially and repeatedly arranged in the partitioned flow path. converter.
제10항에 있어서, 상기 추가 열원 공급부는,
하나 이상의 구획판을 구비하여 고온의 가스가 체류하는 시간을 증가시키는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.11. The apparatus according to claim 10,
A fuel transducer for a polymer electrolyte membrane fuel cell, comprising at least one partition plate to increase the residence time of a high temperature gas.
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