KR101926704B1 - Fuel processing device and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

연료 처리장치는 개질 반응기와 선택적 산화반응기 및 냉각부를 포함한다. 개질 반응기는 탄화수소계 연료를 수증기와 반응시켜 개질가스를 생성한다. 선택적 산화반응기는 촉매가 내장된 반응관과, 반응관을 둘러싸는 냉각 유로를 포함하며, 개질가스 중의 일산화탄소 농도를 저감시킨다. 냉각부는 선택적 산화반응기의 상부에 설치된 냉각수 챔버와, 냉각수 챔버와 냉각 유로를 연결하는 냉각수 주입관 및 냉각수 회수관을 포함한다. 냉각수 챔버의 냉각수는 중력에 의해 냉각 유로로 이동하고, 냉각 유로의 냉각수는 반응관과의 열교환에 의해 승온된 후 냉각수 챔버로 상승하여 회수된다.The fuel treatment apparatus includes a reforming reactor, a selective oxidation reactor, and a cooling section. The reforming reactor reacts the hydrocarbon-based fuel with water vapor to produce a reformed gas. The selective oxidation reactor includes a reaction tube having a catalyst therein and a cooling channel surrounding the reaction tube, thereby reducing the concentration of carbon monoxide in the reformed gas. The cooling section includes a cooling water chamber provided on the upper portion of the selective oxidation reactor, and a cooling water injection pipe and a cooling water recovery pipe connecting the cooling water chamber and the cooling flow passage. The cooling water in the cooling water chamber moves to the cooling flow path by gravity and the cooling water in the cooling flow path is heated by heat exchange with the reaction tube and then ascends to the cooling water chamber and is recovered.

Description

연료 처리장치 및 연료전지 시스템 {FUEL PROCESSING DEVICE AND FUEL CELL SYSTEM}[0001] FUEL PROCESSING DEVICE AND FUEL CELL SYSTEM [0002]

본 발명은 탄화수소계 연료를 개질가스로 변환하는 연료 처리장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel processing apparatus for converting a hydrocarbon-based fuel into a reformed gas and a fuel cell system having the same.

수소를 공기 중의 산소와 화학반응시켜 전기를 생성하는 연료전지는 공해 물질의 배출이 없고, 소음이 없으며, 수소를 지속적으로 공급하는 한 영구적으로 사용할 수 있는 고효율 에너지원이다. 연료전지 시스템은 크게 연료전지 스택과, 탄화수소계 연료를 개질가스(수소리치 가스)로 변환하여 연료전지 스택에 공급하는 연료 처리장치로 구성된다.Fuel cells that generate electricity by chemically reacting hydrogen with oxygen in the air are highly efficient energy sources that can be used permanently as long as they do not emit pollutants, are noiseless, and continuously supply hydrogen. The fuel cell system mainly comprises a fuel cell stack and a fuel processing device that converts the hydrocarbon-based fuel into a reformed gas (hydrogen rich gas) and supplies it to the fuel cell stack.

통상의 연료 처리장치는 탄화수소계 연료를 수증기와 반응시켜 개질가스를 생성하는 개질기와, 개질기의 개질가스가 연료전지 스택의 촉매에 피독을 일으키지 않도록 일산화탄소를 제거하는 변성 반응기 및 선택적 산화반응기를 포함한다. 변성 반응기는 개질가스의 일산화탄소 농도를 1% 이하로 낮추며, 선택적 산화반응기는 일산화탄소 농도를 10ppm 이하로 낮춘다.A typical fuel treatment apparatus includes a reformer for generating a reformed gas by reacting a hydrocarbon-based fuel with water vapor, a denaturing reactor for removing carbon monoxide to prevent the reforming gas of the reformer from poisoning the catalyst of the fuel cell stack, and a selective oxidation reactor . The denaturing reactor lowers the carbon monoxide concentration of the reformed gas to less than 1%, and the selective oxidation reactor lowers the carbon monoxide concentration to less than 10 ppm.

선택적 산화반응기에서 일산화탄소는 공기 중의 산소와 결합하여 이산화탄소로 변환되며 이 과정에서 반응열이 발생한다. 통상의 선택적 산화반응기는 별도의 냉각장치를 구비하여 일정한 작동 온도를 유지함으로써 일산화탄소 농도를 일정하게 유지시킨다. 그런데 이러한 냉각장치로 인해 연료 처리장치의 구성이 복잡해지고, 냉각장치의 소비전력에 의해 연료전지 시스템의 전체 효율이 낮아진다.In a selective oxidation reactor, carbon monoxide combines with oxygen in the air to convert it into carbon dioxide, which generates a reaction heat. A typical selective oxidation reactor is equipped with a separate cooling device to maintain a constant carbon monoxide concentration by maintaining a constant operating temperature. However, such a cooling apparatus complicates the configuration of the fuel processing apparatus, and the overall efficiency of the fuel cell system is lowered by the power consumption of the cooling apparatus.

본 발명은 냉각을 위한 별도의 소비전력 투입 없이도 선택적 산화반응기를 균일하게 냉각시켜 작동 온도를 일정하게 유지시키며, 그 결과 연료 처리장치의 구성을 간소화하고 연료전지 시스템의 전체 효율을 높일 수 있는 연료 처리장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.The present invention provides a fuel cell system that uniformly cools a selective oxidation reactor without additional power consumption for cooling and maintains an operating temperature at a constant level, thereby simplifying the configuration of the fuel processor and improving the overall efficiency of the fuel cell system. And a fuel cell system having the same.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 처리장치는 개질 반응기와 선택적 산화반응기 및 냉각부를 포함한다. 개질 반응기는 탄화수소계 연료를 수증기와 반응시켜 개질가스를 생성한다. 선택적 산화반응기는 촉매가 내장된 반응관과, 반응관을 둘러싸는 냉각 유로를 포함하며, 개질가스 중의 일산화탄소 농도를 저감시킨다. 냉각부는 선택적 산화반응기의 상부에 설치된 냉각수 챔버와, 냉각수 챔버와 냉각 유로를 연결하는 냉각수 주입관 및 냉각수 회수관을 포함한다. 냉각수 챔버의 냉각수는 중력에 의해 냉각 유로로 이동하고, 냉각 유로의 냉각수는 반응관과의 열교환에 의해 승온된 후 냉각수 챔버로 상승하여 회수된다.A fuel processing apparatus according to an embodiment of the present invention includes a reforming reactor, a selective oxidation reactor, and a cooling unit. The reforming reactor reacts the hydrocarbon-based fuel with water vapor to produce a reformed gas. The selective oxidation reactor includes a reaction tube having a catalyst therein and a cooling channel surrounding the reaction tube, thereby reducing the concentration of carbon monoxide in the reformed gas. The cooling section includes a cooling water chamber provided on the upper portion of the selective oxidation reactor, and a cooling water injection pipe and a cooling water recovery pipe connecting the cooling water chamber and the cooling flow passage. The cooling water in the cooling water chamber moves to the cooling flow path by gravity and the cooling water in the cooling flow path is heated by heat exchange with the reaction tube and then ascends to the cooling water chamber and is recovered.

반응관은 복수개로 이루어질 수 있고, 복수의 반응관은 서로간 거리를 두고 나란히 정렬될 수 있다. 냉각 유로는 복수의 반응관을 동시에 둘러싸는 단일 유로로 구성될 수 있다. 복수의 반응관 외면에 복수의 돌기가 형성되어 냉각수와 접촉하는 표면적을 늘릴 수 있다.A plurality of reaction tubes may be arranged, and a plurality of reaction tubes may be aligned side by side with each other. The cooling channel may be composed of a single channel surrounding the plurality of reaction tubes at the same time. A plurality of projections are formed on the outer surface of the plurality of reaction tubes to increase the surface area in contact with the cooling water.

냉각 유로의 하측에 냉각수 입구포트가 설치되어 냉각수 주입관에 연결될 수 있고, 냉각 유로의 상측에 냉각수 출구포트가 설치되어 냉각수 회수관에 연결될 수 있다.A cooling water inlet port may be provided on the lower side of the cooling channel and may be connected to the cooling water injection pipe and a cooling water outlet port may be provided on the upper side of the cooling channel to be connected to the cooling water recovery pipe.

냉각수 회수관의 일단은 냉각수 챔버의 상측에 연결될 수 있고, 냉각수 주입관의 일단은 냉각수 챔버의 하측에 연결될 수 있다. 냉각수 챔버로 회수된 냉각수는 자연 방열에 의해 온도가 내려갈 수 있다. 냉각수 챔버의 외면에 복수의 방열핀이 설치되어 냉각수의 방열 효율을 높일 수 있다.One end of the cooling water return pipe may be connected to the upper side of the cooling water chamber, and one end of the cooling water inlet pipe may be connected to the lower side of the cooling water chamber. The cooling water recovered into the cooling water chamber can be lowered in temperature by natural heat radiation. A plurality of radiating fins may be provided on the outer surface of the cooling water chamber to enhance the heat radiation efficiency of the cooling water.

냉각수 챔버에 냉각수 수위 검출을 위한 수위 센서가 설치될 수 있고, 냉각수 챔버에 냉각수 보충포트와 전자 밸브가 설치될 수 있다. 전자 밸브는 수위 센서와 전기적으로 연결되어 냉각수 수위 저하 시 냉각수를 보충하도록 작동할 수 있다. 냉각수 챔버에 보조 열교환기가 설치되어 냉각수 챔버에 저장된 냉각수의 열을 회수할 수 있다.A water level sensor for detecting the level of the cooling water can be installed in the cooling water chamber, and a cooling water replenishing port and an electromagnetic valve can be installed in the cooling water chamber. The solenoid valve may be electrically connected to the level sensor to operate to replenish the coolant when the coolant level drops. An auxiliary heat exchanger is installed in the cooling water chamber to recover the heat of the cooling water stored in the cooling water chamber.

복수의 반응관 상부에 개질가스 유입로가 위치할 수 있고, 복수의 반응관 하부에 개질가스 배출로가 위치할 수 있으며, 복수의 반응관 양단은 개질가스 유입로 및 개질가스 배출로에 개방될 수 있다. 냉각 유로는 격리판에 의해 개질가스 유입로 및 개질가스 배출로와 격리 및 밀폐될 수 있다.The reformed gas inflow path may be located above the plurality of reaction tubes, the reformed gas discharge path may be located below the plurality of reaction tubes, and both ends of the plurality of reaction tubes may be opened to the reformed gas inflow path and the reformed gas discharge path . The cooling flow path can be isolated and sealed by the separator from the reformed gas inflow path and the reformed gas discharge path.

개질가스 유입로에 확산부가 설치되어 개질가스와 외부 공기의 혼합가스를 복수의 반응관으로 고르게 분배할 수 있다. 확산부는 복수의 개구가 형성된 관으로 구성될 수 있고, 일단이 개질가스 유입관에 연결될 수 있으며, 개질가스 유입로의 중앙을 가로지르며 위치할 수 있다.A diffusion portion is provided in the reformed gas inlet path, and a mixed gas of the reformed gas and the outside air can be evenly distributed to a plurality of reaction tubes. The diffusing portion may be constituted by a tube having a plurality of openings, and one end may be connected to the reforming gas inlet pipe, and may be located across the center of the reforming gas inlet passage.

복수의 개구 각각의 직경은 확산부 직경의 절반 이하일 수 있고, 복수의 개구는 확산부의 길이 방향 및 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 배치될 수 있다.The diameter of each of the plurality of openings may be equal to or less than half the diameter of the diffusing portion, and the plurality of openings may be arranged with a distance from each other along the longitudinal direction and the circumferential direction of the diffusing portion.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택과, 전술한 구성의 연료 처리장치를 포함한다. 연료 처리장치는 연료전지 스택으로 수소가 함유된 개질가스를 공급한다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack and a fuel processing apparatus having the above-described configuration. The fuel processor supplies reformed gas containing hydrogen to the fuel cell stack.

본 발명의 실시예에 따른 연료 처리장치는 선택적 산화반응기의 냉각 유로에 냉각수를 채울 때와, 열교환을 마친 냉각수가 냉각수 챔버로 회수될 때 전력이 소모되지 않는다. 따라서 선택적 산화반응기의 냉각을 위한 복잡한 장치 구성을 배제할 수 있으므로 장치 구성을 간소화하고, 연료전지 시스템의 전체 효율을 높일 수 있다.The fuel processing apparatus according to the embodiment of the present invention does not consume power when filling cooling water in the cooling passage of the selective oxidation reactor and when the heat-exchanged cooling water is recovered into the cooling water chamber. Therefore, it is possible to eliminate the complicated device configuration for cooling the selective oxidation reactor, thereby simplifying the apparatus configuration and increasing the overall efficiency of the fuel cell system.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 시스템 중 선택적 산화반응기와 냉각부의 단면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 기준으로 절개한 선택적 산화반응기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 처리장치 중 선택적 산화반응기의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 선택적 산화반응기 중 개질가스 유입관과 확산부를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 처리장치 중 선택적 산화반응기의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 처리장치 중 냉각수 챔버의 단면도이다.1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of the selective oxidation reactor and the cooling unit in the fuel cell system shown in FIG.
3 is a cross-sectional view of the selective oxidation reactor cut along the line III-III in FIG.
4 is a cross-sectional view of a selective oxidation reactor in a fuel processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view showing a reformed gas inlet pipe and a diffusion unit in the selective oxidation reactor shown in FIG.
6 is a cross-sectional view of a selective oxidation reactor in a fuel processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional view of a cooling water chamber of a fuel processing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(10)과, 연료전지 스택(10)으로 개질가스(수소리치 가스)를 공급하는 연료 처리장치(200)를 포함한다. 연료 처리장치(200)는 액화천연가스(LNG)와 같은 탄화수소계 연료로부터 개질가스를 생성하여 연료전지 스택(10)으로 공급한다.1, the fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 10 and a fuel processing apparatus 200 for supplying a reformed gas (hydrogen rich gas) to the fuel cell stack 10. [ The fuel processing apparatus 200 generates a reformed gas from a hydrocarbon-based fuel such as liquefied natural gas (LNG) and supplies it to the fuel cell stack 10.

연료 처리장치(200)는 탄화수소계 연료와 수증기의 혼합 가스를 수소로 전환하는 개질 반응기(210)와, 개질 반응기(210)로 열을 공급하는 버너(220)와, 개질 반응기(210)에서 배출된 개질가스 중 일산화탄소의 농도를 저감시키는 변성 반응기(230) 및 선택적 산화반응기(240)와, 선택적 산화반응기(240)에 구비된 냉각부(250)를 포함한다.The fuel processing apparatus 200 includes a reforming reactor 210 for converting a mixed gas of hydrocarbon-based fuel and steam into hydrogen, a burner 220 for supplying heat to the reforming reactor 210, A reforming reactor 230 and a selective oxidation reactor 240 for reducing the concentration of carbon monoxide in the reformed gas and a cooling unit 250 provided in the selective oxidation reactor 240.

액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG) 등이 탄화수소계 연료로 사용될 수 있다. 개질 반응기(210)는 탄화수소계 연료를 고온 분위기에서 수증기와 반응시켜 수소로 개질한다. 이때 반응 부산물로서 일산화탄소가 발생하며, 개질가스 중 일산화탄소의 농도는 대략 7% 내지 13%이다. 개질 반응기(210)에 의한 화학반응은 아래와 같다.Liquefied natural gas (LNG), liquefied petroleum gas (LPG), etc. can be used as hydrocarbon fuel. The reforming reactor 210 reforms the hydrocarbon-based fuel into hydrogen by reacting it with water vapor in a high-temperature atmosphere. At this time, carbon monoxide is generated as a reaction by-product, and the concentration of carbon monoxide in the reformed gas is approximately 7% to 13%. The chemical reaction by the reforming reactor 210 is as follows.

(반응 1)(Reaction 1)

CH4 + H20 ↔ CO + 3H2 (△H = 205.813kJ/mol)CH 4 + H 2 O ↔ CO + 3H 2 (? H = 205.813 kJ / mol)

CO + H2O ↔ CO2 + H2 (△H = -41.15kJ/mol)CO + H 2 O ↔ CO 2 + H 2 (ΔH = -41.15 kJ / mol)

개질 반응기(210)는 수소와 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 개질가스를 배출하며, 배출된 개질가스는 변성 반응기(230)로 투입된다. 도 1에서 부호 P1은 버너(220)와 개질 반응기(210)로 탄화수소계 연료를 공급하는 연료 펌프를 나타내고, 부호 P2는 버너(220)로 공기를 공급하는 제1 공기 펌프를 나타낸다.The reforming reactor 210 discharges a reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide, and the discharged reformed gas is introduced into the reforming reactor 230. 1, reference symbol P1 denotes a fuel pump for supplying a hydrocarbon-based fuel to the burner 220 and the reforming reactor 210, and reference symbol P2 denotes a first air pump for supplying air to the burner 220. [

변성 반응기(230)(수성가스 반응기)는 수성가스 전환 반응을 이용하여 개질가스의 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시킨다. 변성 반응기(230)는 구리-아연계 촉매, 금속산화물 담체에 백금을 담지시킨 촉매, 구리와 백금계 금속을 포함하는 촉매 등 다양한 촉매를 구비할 수 있다. 변성 반응기(230)에 의한 화학반응은 아래와 같다.The denaturing reactor 230 (water gas reactor) converts the carbon monoxide of the reformed gas to carbon dioxide using a water gas conversion reaction. The denaturing reactor 230 may include various catalysts such as a copper-zinc catalyst, a catalyst in which platinum is supported on a metal oxide support, and a catalyst containing copper and a platinum-based metal. The chemical reaction by the denaturing reactor 230 is as follows.

(반응 2)(Reaction 2)

CO + H2O ↔ CO2 + H2 (△H = -41.15kJ/mol)CO + H 2 O ↔ CO 2 + H 2 (ΔH = -41.15 kJ / mol)

변성 반응기(230)에서 배출된 개질가스 중 일산화탄소의 농도는 대략 0.5% 내지 1%이다. 선택적 산화반응기(240)(부분산화 반응기)는 변성 반응기(230)에서 배출된 개질가스를 외부 공기와 혼합하여 반응시킨다. 도 1에서 부호 P3은 선택적 산화반응기(240)에 공기를 공급하는 제2 공기 펌프를 나타낸다.The concentration of carbon monoxide in the reformed gas discharged from the denaturing reactor 230 is approximately 0.5% to 1%. The selective oxidation reactor 240 (partial oxidation reactor) reacts the reformed gas discharged from the denaturing reactor 230 with the outside air. 1, reference symbol P3 denotes a second air pump for supplying air to the selective oxidation reactor 240. [

선택적 산화반응기(240)는 개질가스 중의 일산화탄소 농도를 50ppm 이하, 바람직하게 10ppm 이하로 낮추어 연료전지 스택(10)에 공급한다. 선택적 산화반응기(240)에 의한 화학반응은 아래와 같다.The selective oxidation reactor 240 lowers the carbon monoxide concentration in the reformed gas to 50 ppm or less, preferably 10 ppm or less, and supplies the carbon monoxide concentration to the fuel cell stack 10. The chemical reaction by the selective oxidation reactor 240 is as follows.

(반응 3)(Reaction 3)

CO + ½O2 ↔ CO2 (△H = -282.984kJ/mol)CO + ½O 2 ↔ CO 2 (ΔH = -282.984 kJ / mol)

선택적 산화반응기(240)에서 배출된 개질가스는 연료전지 스택(10)으로 공급되어 발전에 사용된다. 연료전지 스택(10)은 개질가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 화학반응시켜 전기 에너지를 생산하며, 이 과정에서 부수적으로 물과 열이 발생한다. 도 1에서 부호 P4는 연료전지 스택(10)으로 공기를 공급하는 제3 공기 펌프를 나타낸다.The reformed gas discharged from the selective oxidation reactor (240) is supplied to the fuel cell stack (10) and used for power generation. The fuel cell stack 10 chemically reacts hydrogen in the reformed gas with oxygen in the air to produce electrical energy, and water and heat are generated incidentally in this process. In Fig. 1, reference symbol P4 denotes a third air pump for supplying air to the fuel cell stack 10.

연료전지 스택(10)의 폐열을 회수하기 위하여 열교환기(31)와 축열조(32)가 설치될 수 있다. 연료전지 스택(10)에서 배출되는 물은 열교환기(31)로 투입되어 축열조(32)의 물을 가열시키는데 사용되고, 열교환에 의해 냉각된 물은 탈이온수 탱크(33)로 유입된다. 도 1에서 부호 P5는 축열조의 물을 열교환기로 공급하는 제1 물 펌프를 나타낸다.A heat exchanger (31) and a heat storage tank (32) may be installed to recover the waste heat of the fuel cell stack (10). The water discharged from the fuel cell stack 10 is introduced into the heat exchanger 31 to heat the water in the heat storage tank 32 and the water cooled by the heat exchange flows into the deionized water tank 33. 1, reference numeral P5 denotes a first water pump for supplying water in the heat storage tank to the heat exchanger.

탈이온수 탱크(33)의 물은 제2 물 펌프(P6)에 의해 개질 반응기(210)로 투입되어 재사용될 수 있다. 한편, 연료전지 스택(10)의 과도한 발열을 억제하기 위하여 연료전지 스택(10)에 냉각수가 공급될 수 있다. 도 1에서 부호 P7은 연료전지 스택(10)으로 냉각수를 공급하는 냉각수 펌프를 나타낸다. 탈이온수 탱크(33)에 저장된 물의 일부가 연료전지 스택(10)의 냉각수로 사용될 수 있다.The water in the deionized water tank 33 can be supplied to the reforming reactor 210 by the second water pump P6 and reused. On the other hand, cooling water may be supplied to the fuel cell stack 10 to suppress excessive heat generation of the fuel cell stack 10. 1, reference numeral P7 denotes a cooling water pump for supplying cooling water to the fuel cell stack 10. [ A part of the water stored in the deionized water tank 33 can be used as the cooling water of the fuel cell stack 10. [

전술한 연료전지 시스템(100)에서 선택적 산화반응기(240)는 반응 과정에서 지속적으로 반응열이 발생한다. 선택적 산화반응기(240)의 온도가 설정값을 초과하면 메탄화 반응의 역반응이 발생하여 개질가스 중의 수소 농도가 낮아지고, 이는 연료전지 스택(10)의 전압 강하를 유발한다. 따라서 수소 농도 저하와 연료전지 스택(10)의 전압 강하를 억제하기 위해서는 선택적 산화반응기(240)의 온도를 일정하게 유지시켜야 한다.In the fuel cell system 100, the selective oxidation reactor 240 continuously generates heat in the reaction process. If the temperature of the selective oxidation reactor 240 exceeds the set value, a reverse reaction of the methanation reaction occurs to lower the hydrogen concentration in the reformed gas, which causes the voltage drop of the fuel cell stack 10. [ Therefore, the temperature of the selective oxidation reactor 240 must be kept constant to suppress the decrease of the hydrogen concentration and the voltage drop of the fuel cell stack 10.

도 2는 도 1에 도시한 연료전지 시스템 중 선택적 산화반응기와 냉각부의 단면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 기준으로 절개한 선택적 산화반응기의 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view of the selective oxidation reactor and the cooling unit in the fuel cell system shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the selective oxidation reactor cut along the line III-III in FIG.

도 2와 도 3을 참고하면, 선택적 산화반응기(240)는 반응기 본체(41)와, 반응기 본체(41)의 내부에서 서로간 거리를 두고 수직하게 설치된 복수의 반응관(42)과, 복수의 반응관(42) 내부와 격리되며 복수의 반응관(42)을 둘러싸는 냉각 유로(43)를 포함한다.2 and 3, the selective oxidation reactor 240 includes a reactor main body 41, a plurality of reaction tubes 42 disposed vertically with a distance therebetween in the reactor main body 41, And a cooling channel (43) which is isolated from the inside of the reaction tube (42) and surrounds the plurality of reaction tubes (42).

복수의 반응관(42) 내부는 촉매(44)로 채워져 있다. 냉각 유로(43)의 하측에 냉각수 입구포트(51)가 설치되고, 냉각 유로(43)의 상측에 냉각수 출구포트(52)가 설치된다.A plurality of reaction tubes (42) are filled with a catalyst (44). A cooling water inlet port 51 is provided below the cooling channel 43 and a cooling water outlet port 52 is provided above the cooling channel 43.

또한, 선택적 산화반응기(240)는 반응기 본체(41)의 내부에서 복수의 반응관(42) 내부와 연통하는 개질가스 유입로(45) 및 개질가스 배출로(46)를 포함한다. 개질가스 유입로(45)는 복수의 반응관(42) 상측에 위치할 수 있고, 개질가스 배출로(46)는 복수의 반응관(42) 하측에 위치할 수 있다.The selective oxidation reactor 240 includes a reformed gas inlet passage 45 and a reformed gas discharge passage 46 which communicate with the interior of the plurality of reaction tubes 42 inside the reactor body 41. The reformed gas inflow path 45 may be located above the plurality of reaction tubes 42 and the reformed gas discharge path 46 may be located below the plurality of reaction tubes 42.

개질가스 유입관(53)은 개질가스 유입로(45)의 일측에 설치되어 변성 반응기(230)에서 배출된 개질가스와 외부 공기의 혼합가스를 개질가스 유입로(45)에 제공한다. 각 반응관(42)의 상단은 개질가스 유입로(45)에 개방되어 있으며, 개질가스 유입로(45)에 투입된 혼합가스는 복수의 반응관(42)으로 분배되어 촉매(44)를 통과한다.The reformed gas inflow pipe 53 is provided at one side of the reformed gas inflow path 45 and provides the reformed gas inflow path 45 with a mixed gas of the reformed gas and the outside air discharged from the modified reactor 230. The upper end of each reaction tube 42 is opened to the reformed gas inflow path 45 and the mixed gas introduced into the reformed gas inflow path 45 is distributed to the plurality of reaction tubes 42 and passes through the catalyst 44 .

각 반응관(42)의 하단은 개질가스 배출로(46)에 개방되어 있고, 촉매(44)를 통과하면서 촉매반응에 의해 일산화탄소가 제거된 개질가스는 개질가스 배출로(46)에 모인다. 개질가스 배출관(54)은 개질가스 배출로(46)의 일측에 설치되어 일산화탄소가 제거된 개질가스를 연료전지 스택(10)으로 공급한다.The lower end of each reaction tube 42 is open to the reformed gas discharge path 46 and the reformed gas from which carbon monoxide is removed by the catalytic reaction while passing through the catalyst 44 is collected in the reformed gas discharge path 46. The reformed gas discharge pipe 54 is installed at one side of the reformed gas discharge path 46 to supply the reformed gas from which the carbon monoxide is removed to the fuel cell stack 10.

복수의 반응관(42) 중 어느 하나의 반응관(42)에 온도 센서(47)가 삽입될 수 있다. 온도 센서(47)는 반응관(42)의 상부로부터 중앙에 이르기까지 수직하게 설치될 수 있다. 연료 처리장치(200)는 온도 센서(47)를 이용하여 반응관(42)의 온도를 측정함으로써 선택적 산화반응기(240)의 온도 분포와 운영 상태를 파악할 수 있다.The temperature sensor 47 may be inserted into one of the plurality of reaction tubes 42. The temperature sensor 47 may be vertically installed from the top of the reaction tube 42 to the center thereof. The fuel processor 200 can determine the temperature distribution and operating state of the selective oxidation reactor 240 by measuring the temperature of the reaction tube 42 using the temperature sensor 47.

냉각 유로(43)는 개질가스가 흐르는 개질가스 유입로(45), 복수의 반응관(42) 내부, 및 개질가스 배출로(46)와 격리되고 밀폐 상태를 유지하여 냉각수와 개질가스가 섞이지 않도록 한다. 이를 위해 개질가스 유입로(45)와 냉각 유로(43) 사이에 상부 격리판(48)이 위치할 수 있고, 냉각 유로(43)와 개질가스 배출로(46) 사이에 하부 격리판(49)이 위치할 수 있다.The cooling flow path 43 is isolated from the reformed gas inflow path 45 through which the reformed gas flows, the inside of the plurality of reaction pipes 42 and the reformed gas discharge path 46 and is kept closed to prevent the cooling water from being mixed with the reformed gas do. The upper separator 48 may be positioned between the reformed gas inlet 45 and the cooling passage 43 and the lower separator 49 may be disposed between the cooling passage 43 and the reformed gas discharge passage 46. [ This location can be.

냉각 유로(43)는 복수의 반응관(42)을 공통으로 둘러싸는 단일 유로이다. 즉, 냉각 유로(43)는 복수개로 분기되지 않고 냉각수 입구포트(51)와 냉각수 출구포트(52)를 연결하는 단일 유로로 이루어진다. 이로써 냉각 유로(43)에 투입된 냉각수는 복수의 반응관(42) 외면과 동시에 접촉하여 온도편차 없이 복수의 반응관(42)을 균일하게 냉각시킬 수 있다.The cooling channel 43 is a single channel that commonly surrounds the plurality of reaction tubes 42. That is, the cooling flow path 43 is formed by a single flow path connecting the cooling water inlet port 51 and the cooling water outlet port 52 without branching into a plurality. As a result, the cooling water introduced into the cooling passage 43 simultaneously contacts the outer surfaces of the plurality of reaction tubes 42, and the plurality of reaction tubes 42 can be uniformly cooled without temperature variation.

냉각부(250)는 냉각 유로(43)에 냉각수를 공급하여 반응관(42)의 과열을 방지함으로써 선택적 산화반응기(240)가 일정한 온도를 유지하도록 한다. 냉각부(250)는 펌프와 같이 전력을 소모하는 기계장치 없이 자연 대류에 의한 열교환 방식으로 복수의 반응관(42)을 균일하게 냉각시킨다.The cooling unit 250 supplies cooling water to the cooling channel 43 to prevent the reaction tube 42 from overheating, thereby maintaining the selective oxidation reactor 240 at a constant temperature. The cooling unit 250 uniformly cools the plurality of reaction tubes 42 by a heat exchange method by natural convection without a mechanical power consuming device such as a pump.

구체적으로, 냉각부(250)는 반응기 본체(41)의 상부에 위치하는 냉각수 챔버(61)와, 냉각수 챔버(61)와 냉각수 입구포트(51)를 연결하는 냉각수 주입관(62)과, 냉각수 챔버(61)와 냉각수 출구포트(52)를 연결하는 냉각수 회수관(63)을 포함한다.Specifically, the cooling section 250 includes a cooling water chamber 61 located at the top of the reactor body 41, a cooling water injection pipe 62 connecting the cooling water chamber 61 and the cooling water inlet port 51, And a cooling water return pipe 63 for connecting the chamber 61 and the cooling water outlet port 52.

냉각수 챔버(61)가 반응기 본체(41)의 상부에 위치함에 따라, 냉각수 챔버(61)에 저장된 냉각수는 중력에 의해 하강하며, 반응기 본체(41)의 냉각 유로(43)를 가득 채운다. 이때 냉각수 입구포트(51)가 냉각 유로(43)의 하측에 위치하므로 냉각수는 냉각 유로(43)의 하측으로부터 위로 상승하고, 반대로 개질가스와 외부 공기의 혼합가스는 반응관(42)의 상측으로부터 촉매(44)를 통과하면서 하측으로 이동한다.The cooling water stored in the cooling water chamber 61 is lowered by gravity and fills the cooling flow path 43 of the reactor main body 41 as the cooling water chamber 61 is located at the upper portion of the reactor main body 41. [ At this time, since the cooling water inlet port 51 is located at the lower side of the cooling passage 43, the cooling water rises from the lower side of the cooling passage 43. On the contrary, the mixed gas of the reformed gas and the outside air flows from above the reaction tube 42 And moves downward while passing through the catalyst 44.

냉각수 입구포트(51)로 유입된 냉각수는 위로 상승하면서 반응관(42)의 열을 빼앗아 승온되고, 반대로 개질가스는 반응관(42)의 내부에서 하측으로 이동하면서 반응관(42)과 더불어 냉각수로 열을 빼앗기며 냉각된다.The reformed gas moves downward from the inside of the reaction tube 42 while the cooling water flowing into the cooling water inlet port 51 moves upward and takes the heat of the reaction tube 42 and increases the temperature. Heat is taken away and cooled.

선택적 산화반응기(240)의 작동 과정에서 냉각수는 위로 상승하면서 점진적으로 승온되어 최종으로 냉각수 출구포트(52) 근처에서(냉각 유로(43)의 상단에서) 90℃ 내지 100℃에 도달한다. 이 온도로 승온된 냉각수는 별도의 기계장치 없이 냉각수 챔버(61)로 상승하여 회수된다.During the operation of the selective oxidation reactor 240, the cooling water gradually rises up to reach 90 [deg.] C to 100 [deg.] C near the cooling water outlet port 52 (at the top of the cooling channel 43). The cooling water that has been heated to this temperature rises to the cooling water chamber 61 without any additional mechanical device and is recovered.

냉각수 챔버(61)로 회수된 고온의 냉각수는 냉각수 챔버(61)에서 자연적으로 방열되어 냉각된다. 냉각수 챔버(61)의 외면에 복수의 방열핀(64)이 설치되어 방열 효율을 높일 수 있다. 이때 냉각수 회수관(63)의 일단은 냉각수 챔버(61)의 상측에 연결되고, 냉각수 주입관(62)의 일단은 냉각수 챔버(61)의 하측에 연결된다.The high-temperature cooling water recovered into the cooling water chamber 61 is naturally dissipated in the cooling water chamber 61 and cooled. A plurality of radiating fins 64 may be provided on the outer surface of the cooling water chamber 61 to increase the heat radiation efficiency. At this time, one end of the cooling water recovery pipe 63 is connected to the upper side of the cooling water chamber 61, and one end of the cooling water injection pipe 62 is connected to the lower side of the cooling water chamber 61.

냉각수 챔버(61)의 상측으로 회수된 고온의 냉각수는 냉각수 챔버(61)에서 자연 방열되면서 온도가 낮아지고, 낮아진 온도의 냉각수는 점차 아래로 이동한다. 그리고 냉각수 챔버(61)의 가장 아래에 모인 가장 낮은 온도의 냉각수는 냉각수 주입관(62)을 통해 다시 냉각 유로(43)로 공급되어 재사용된다.The high temperature cooling water recovered to the upper side of the cooling water chamber 61 is naturally radiated in the cooling water chamber 61 to lower the temperature and the cooling water of the lower temperature is gradually moved downward. The cooling water having the lowest temperature collected at the lowermost part of the cooling water chamber 61 is supplied again to the cooling channel 43 through the cooling water injection pipe 62 and reused.

이와 같이 냉각수는 냉각수 챔버(61)와 선택적 산화반응기(240)의 냉각 유로(43)를 자연 대류 현상에 의해 순환하며, 선택적 산화반응기(240)의 온도를 일정하게 유지시킨다. 이때 냉각수의 순환 속도는 선택적 산화반응기(240)의 열량에 따라 결정된다. 즉, 반응열량이 높을수록 냉각수의 순환 속도가 빨라진다.The cooling water circulates the cooling water chamber 61 and the cooling channel 43 of the selective oxidation reactor 240 by natural convection to maintain the temperature of the selective oxidation reactor 240 at a constant level. The circulation rate of the cooling water is determined according to the amount of heat of the selective oxidation reactor 240. That is, the higher the reaction heat amount, the faster the circulation rate of the cooling water.

냉각수 챔버(61)에는 냉각수 수위를 검출하기 위한 수위 센서(65)와, 냉각수를 보충하기 위한 냉각수 보충포트(66)가 설치될 수 있으며, 전자 밸브(67)가 냉각수 보충포트(66)에 연결될 수 있다. 전자 밸브(67)는 수위 센서(65)와 전기적으로 연결되어 수위 센서(65)가 감지한 수위가 설정치 이하일 때 자동으로 개방되어 냉각수를 보충할 수 있다.A water level sensor 65 for detecting the level of the cooling water and a cooling water replenishment port 66 for replenishing the cooling water may be provided in the cooling water chamber 61. The electromagnetic valve 67 is connected to the cooling water replenishment port 66 . The electromagnetic valve 67 is electrically connected to the water level sensor 65 and automatically opens when the water level sensed by the water level sensor 65 is lower than a set value to replenish the cooling water.

전자 밸브(67)의 작동은 연료전지 시스템(100)의 중앙 제어기(도시하지 않음)와 연동하거나, 중앙 제어기와 연동 없이 독립적으로 수행될 수 있다. 냉각부(250)는 수위 센서(65)와 전자 밸브(67)를 이용하여 냉각수 챔버(61)의 냉각수 수위를 일정하게 유지할 수 있다.The operation of the solenoid valve 67 can be performed independently of the central controller (not shown) of the fuel cell system 100, or in conjunction with the central controller. The cooling unit 250 can maintain the water level of the cooling water in the cooling water chamber 61 constant by using the water level sensor 65 and the electromagnetic valve 67.

전술한 구성에서 선택적 산화반응기(240)의 용량은 대략 3L 내지 6L일 수 있고, 연료전지 시스템(100)은 대략 5kW 내지 10kW급에 속할 수 있다. 또한, 선택적 산화반응기(240)에는 대략 10개 내지 20개의 반응관(42)이 설치될 수 있고, 반응관(42)의 길이는 200mm 내지 300mm일 수 있다. 선택적 산화반응기(240)의 용량과 상세 구성은 전술한 예시로 한정되지 않는다.In the above-described configuration, the capacity of the selective oxidation reactor 240 may be approximately 3 L to 6 L, and the fuel cell system 100 may belong to approximately 5 kW to 10 kW class. Also, the selective oxidation reactor 240 may have about 10 to 20 reaction tubes 42, and the reaction tube 42 may have a length of 200 to 300 mm. The capacity and detailed configuration of the selective oxidation reactor 240 are not limited to the above-described examples.

전술한 구성의 냉각부(250)는 냉각수의 순환 과정에서 전력이 소모되지 않는다. 즉, 냉각수를 냉각 유로(43)에 채울 때와, 열교환으로 승온된 냉각수가 냉각수 챔버(61)로 회수될 때 전력이 소모되지 않는다. 따라서 본 실시예의 연료 처리장치(200)는 선택적 산화반응기(240) 냉각을 위한 복잡한 장치 구성을 배제할 수 있으므로, 장치 구성을 간소화하고 연료전지 시스템(100)의 전체 효율을 높일 수 있다.The cooling unit 250 of the above-described configuration does not consume power during the circulation of the cooling water. That is, no power is consumed when the cooling water is filled in the cooling passage 43 and when the cooling water heated by the heat exchange is recovered to the cooling water chamber 61. Therefore, the fuel processing apparatus 200 of the present embodiment can eliminate the complicated apparatus configuration for cooling the selective oxidation reactor 240, so that the apparatus configuration can be simplified and the overall efficiency of the fuel cell system 100 can be increased.

한편, 개질가스 유입관(53)으로부터 개질가스 유입로(45)에 혼합가스가 투입되는 과정에서 개질가스는 외부 공기와 균일하게 혼합되어야 하고, 또한 혼합가스는 복수의 반응관(42)에 균일하게 분배되어야 한다. 이 조건을 만족해야 개질가스와 촉매(44)의 접촉을 균일화하여 연속으로 생성되는 개질가스의 일산화탄소 농도를 균일하게 유지할 수 있다.On the other hand, the reformed gas must be uniformly mixed with the outside air in the process of injecting the mixed gas into the reformed gas inflow passage 45 from the reformed gas inflow pipe 53, . When this condition is satisfied, the contact between the reformed gas and the catalyst 44 is made uniform, and the carbon monoxide concentration of the reformed gas continuously produced can be maintained uniformly.

이를 위하여 선택적 산화반응기(240)는 개질가스 유입로(45)에 제공된 확산부(디퓨저)를 더 포함할 수 있다.To this end, the selective oxidation reactor 240 may further include a diffusion unit (diffuser) provided in the reformed gas inflow path 45.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 처리장치 중 선택적 산화반응기의 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시한 선택적 산화반응기 중 개질가스 유입관과 확산부를 나타낸 평면도이다.FIG. 4 is a cross-sectional view of a selective oxidation reactor in a fuel processor according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a plan view showing a reformed gas inlet pipe and a diffusion unit in the selective oxidation reactor shown in FIG.

도 4와 도 5를 참고하면, 확산부(70)는 복수의 개구(71)가 형성된 관으로 구성되며, 일단이 개질가스 유입관(53)에 연결된다. 개질가스 유입관(53)과 확산부(70)는 같은 직경으로 형성되고, 꺾임 없이 일렬로 배치될 수 있다. 확산부(70)는 개질가스 유입로(45)의 중앙을 가로지르며 위치할 수 있다.Referring to FIGS. 4 and 5, the diffusion portion 70 is formed of a tube having a plurality of openings 71, and one end thereof is connected to the reformed gas inlet pipe 53. The reformed gas inlet pipe 53 and the diffusion part 70 are formed to have the same diameter and can be arranged in a line without bending. The diffusion portion 70 may be positioned across the center of the reformed gas inflow path 45.

확산부(70)에 형성된 개구(71)의 직경은 확산부(70) 직경의 절반 이하일 수 있으며, 복수의 개구(71)는 확산부(70)의 길이 방향 및 확산부(70)의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 배치된다.The diameter of the opening 71 formed in the diffusion portion 70 may be less than half the diameter of the diffusion portion 70 and the plurality of openings 71 may be formed in the longitudinal direction of the diffusion portion 70 and in the circumferential direction of the diffusion portion 70 As shown in FIG.

개질가스 유입관(53)에 투입된 개질가스와 외부 공기의 혼합가스는 확산부(70) 내부로 진입하며, 복수의 개구(71)를 통해 여러 방향으로 확산 분출된다. 이 과정에서 개질가스와 외부 공기가 고르게 혼합되고, 확산부(70)의 개구(71)를 통해 수평 방향으로 고르게 확산되어 복수의 반응관(42)으로 혼합가스가 균일하게 분배된다.The mixed gas of the reformed gas and the outside air introduced into the reformed gas inlet pipe 53 enters the diffusion portion 70 and is diffused and spat out in a plurality of directions through the plurality of openings 71. In this process, the reformed gas and the outside air are uniformly mixed, and evenly diffused in the horizontal direction through the opening 71 of the diffusion part 70, and the mixed gas is uniformly distributed to the plurality of reaction tubes 42.

따라서 혼합가스는 복수의 반응관(42)에 채워진 촉매(44)와 균일하게 접촉하여 균일한 촉매 반응이 이루어지며, 연료전지 스택(10)으로 공급되는 개질가스의 품질과 일산화탄소 농도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 균일한 촉매 반응에 의해 복수의 반응관(42)은 반응열에 큰 편차가 없으므로 선택적 산화반응기(240a)의 온도 분포를 균일화할 수 있다.Therefore, the mixed gas uniformly contacts with the catalyst 44 filled in the plurality of reaction tubes 42 to perform a uniform catalytic reaction, and the quality of the reformed gas supplied to the fuel cell stack 10 and the concentration of carbon monoxide . In addition, since the plurality of reaction tubes 42 do not have a large variation in the reaction heat due to the uniform catalytic reaction, the temperature distribution of the selective oxidation reactor 240a can be made uniform.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 처리장치 중 선택적 산화반응기의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of a selective oxidation reactor in a fuel processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.

도 6을 참고하면, 선택적 산화반응기(240b)에서 복수의 반응관(42) 외면에 냉각 유로(43)를 향해 돌출된 복수의 돌기(421)가 형성된다. 반응관(42)의 외면은 복수의 돌기(421)로 인해 냉각수와 접촉하는 표면적이 늘어난다. 따라서 반응관(42)과 냉각수의 열교환 효율을 높일 수 있고, 같은 용량의 냉각수를 이용하면서 보다 높은 냉각 기능을 구현할 수 있다.Referring to FIG. 6, in the selective oxidation reactor 240b, a plurality of protrusions 421 protruding toward the cooling channel 43 are formed on the outer surfaces of the plurality of reaction tubes 42. The outer surface of the reaction tube 42 has a surface area in contact with the cooling water due to the plurality of projections 421. [ Therefore, the heat exchange efficiency between the reaction tube 42 and the cooling water can be increased, and a higher cooling function can be realized while using the cooling water of the same capacity.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 처리장치 중 냉각수 챔버의 단면도이다.7 is a cross-sectional view of a cooling water chamber of a fuel processing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.

도 7을 참고하면, 냉각부(250a)는 냉각수 챔버(61)에 저장된 냉각수의 열을 회수하는 보조 열교환기(80)를 포함한다. 냉각부(250a)는 보조 열교환기(80)를 이용하여 선택적 산화반응기(240)에서 회수된 냉각수의 열을 빼앗아 냉각수의 온도를 신속하게 낮출 수 있다.7, the cooling section 250a includes an auxiliary heat exchanger 80 that recovers the heat of the cooling water stored in the cooling water chamber 61. As shown in FIG. The cooling unit 250a can take the heat of the cooling water recovered in the selective oxidation reactor 240 by using the auxiliary heat exchanger 80 to rapidly lower the temperature of the cooling water.

보조 열교환기(80)는 보조 축열조(81)와, 보조 축열조(81)에 연결되며 일부가 냉각수 챔버(61)의 내부에 위치하는 열교환관(82)과, 보조 축열조(81)의 유체를 열교환관(82)으로 투입하는 보조 펌프(83)로 구성될 수 있으나, 보조 열교환기(80)의 상세 구성은 전술한 예시로 한정되지 않는다.The auxiliary heat exchanger 80 includes an auxiliary heat storage tank 81 and a heat exchange pipe 82 connected to the auxiliary storage tank 81 and partially located inside the cooling water chamber 61, And the auxiliary pump 83 for supplying the refrigerant to the pipe 82. However, the detailed structure of the auxiliary heat exchanger 80 is not limited to the above example.

열교환관(82)으로 투입된 유체는 냉각수로부터 열을 받아 승온되며, 보조 축열조(81)로 회수된다. 보조 열교환기(80)는 냉각수의 자연 방열 대비 냉각수의 온도를 신속하게 낮추는 효과가 있으나, 전력소모가 있으므로 필요 시 선택적으로 가동될 수 있다.The fluid introduced into the heat exchange tube 82 is heated by the heat from the cooling water and is recovered to the auxiliary heat storage tank 81. The auxiliary heat exchanger (80) has an effect of rapidly lowering the temperature of the cooling water compared to the natural heat radiation of the cooling water, but it can be selectively operated when necessary because of power consumption.

전술한 제1 내지 제4 실시예의 연료 처리장치(200)는 선택적 산화반응기(240, 240a, 240b)의 냉각 유로(43)에 냉각수를 채울 때와, 열교환을 마친 냉각수가 냉각수 챔버(61)로 회수될 때 전력이 소모되지 않는다. 따라서 선택적 산화반응기(240, 240a, 240b)의 냉각을 위한 복잡한 장치 구성을 배제할 수 있으므로 장치 구성을 간소화하고, 연료전지 시스템(100)의 전체 효율을 높일 수 있다.The fuel processing apparatus 200 of the first to fourth embodiments described above can be used when the cooling water is filled in the cooling flow path 43 of the selective oxidation reactors 240, 240a, 240b and when the heat exchanged cooling water is supplied to the cooling water chamber 61 Power is not consumed when recovered. Therefore, it is possible to eliminate the complicated apparatus configuration for cooling the selective oxidation reactors 240, 240a, and 240b, thereby simplifying the apparatus configuration and increasing the overall efficiency of the fuel cell system 100. [

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

100: 연료전지 시스템 10: 연료전지 스택
200: 연료 처리장치 210: 개질 반응기
220: 버너 230: 변성 반응기
240, 240a, 240b: 선택적 산화반응기 250, 250a: 냉각부
41: 반응기 본체 42: 반응관
43: 냉각 유로 44: 촉매
45: 개질가스 유입로 46: 개질가스 배출로
61: 냉각수 챔버 62: 냉각수 주입관
63: 냉각수 회수관 64: 방열핀100: Fuel cell system 10: Fuel cell stack
200: fuel processor 210: reforming reactor
220: burner 230: denaturation reactor
240, 240a, 240b: selective oxidation reactor 250, 250a: cooling unit
41: reactor body 42: reaction tube
43: cooling channel 44: catalyst
45: reforming gas inflow path 46: reforming gas exhausting path
61: cooling water chamber 62: cooling water injection pipe
63: cooling water recovery pipe 64:

Claims (14)

탄화수소계 연료를 수증기와 반응시켜 개질가스를 생성하는 개질 반응기;
촉매가 내장된 반응관, 반응관을 둘러싸는 냉각 유로, 냉각 유로의 하측에 설치된 냉각수 입구포트, 및 냉각 유로의 상측에 설치된 냉각수 출구포트를 포함하며, 상기 개질가스 중의 일산화탄소 농도를 저감시키는 선택적 산화반응기; 및
지면으로부터 상기 냉각수 출구포트보다 높게 위치하는 냉각수 챔버, 냉각수 챔버의 외면에 설치된 복수의 방열핀, 냉각수 챔버와 상기 냉각수 입구포트를 연결하는 냉각수 주입관, 및 냉각수 챔버와 상기 냉각수 출구포트를 연결하는 냉각수 회수관을 구비한 냉각부를 포함하며,
상기 냉각수 챔버에서 배출된 냉각수는 중력에 의해 하강하여 상기 냉각 유로로 이동하고, 상기 냉각 유로의 냉각수는 상기 반응관과의 열교환에 의해 물과 증기의 혼합 상태로 승온된 후 상기 냉각수 챔버를 향해 스스로 상승하여 회수되며, 상기 냉각수 챔버로 회수된 냉각수는 상기 복수의 방열핀에 의한 자연 방열에 의해 냉각되는 연료 처리장치.A reforming reactor for producing a reformed gas by reacting a hydrocarbon-based fuel with steam;
And a cooling water outlet port provided on an upper side of the cooling passage, wherein the cooling water outlet port is provided at a lower side of the cooling passage, and the selective oxidation is performed to reduce the concentration of carbon monoxide in the reformed gas A reactor; And
A plurality of radiating fins provided on the outer surface of the cooling water chamber, a cooling water injection pipe connecting the cooling water chamber and the cooling water inlet port, and a cooling water recovery port connecting the cooling water chamber and the cooling water outlet port. And a cooling section having a tube,
The cooling water discharged from the cooling water chamber is lowered by the gravity to move to the cooling passage, the cooling water of the cooling passage is heated to a mixed state of water and steam by heat exchange with the reaction tube, And the cooling water recovered into the cooling water chamber is cooled by natural heat radiation by the plurality of radiating fins. 제1항에 있어서,
상기 반응관은 복수개로 이루어지고,
복수의 반응관은 서로간 거리를 두고 나란히 정렬되며,
상기 냉각 유로는 상기 복수의 반응관을 동시에 둘러싸는 단일 유로로 구성되는 연료 처리장치.The method according to claim 1,
Wherein the reaction tube comprises a plurality of reaction tubes,
The plurality of reaction tubes are aligned side by side with each other,
Wherein the cooling passage is composed of a single flow passage that simultaneously surrounds the plurality of reaction tubes. 제2항에 있어서,
상기 복수의 반응관 외면에 복수의 돌기가 형성되어 상기 냉각수와 접촉하는 표면적을 늘리는 연료 처리장치.3. The method of claim 2,
Wherein a plurality of projections are formed on outer surfaces of the plurality of reaction tubes to increase the surface area in contact with the cooling water. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 냉각수 회수관의 일단은 상기 냉각수 챔버의 상측에 연결되고,
상기 냉각수 주입관의 일단은 상기 냉각수 챔버의 하측에 연결되는 연료 처리장치.The method according to claim 1,
One end of the cooling water return pipe is connected to the upper side of the cooling water chamber,
And one end of the cooling water injection pipe is connected to the lower side of the cooling water chamber. 삭제delete 제5항에 있어서,
상기 냉각수 챔버에 냉각수 수위 검출을 위한 수위 센서가 설치되고,
상기 냉각수 챔버에 냉각수 보충포트와 전자 밸브가 설치되며,
상기 전자 밸브는 상기 수위 센서와 전기적으로 연결되어 냉각수 수위 저하 시 냉각수를 보충하도록 작동하는 연료 처리장치.6. The method of claim 5,
A water level sensor for detecting the level of the cooling water is installed in the cooling water chamber,
A cooling water replenishing port and an electromagnetic valve are provided in the cooling water chamber,
Wherein the solenoid valve is electrically connected to the water level sensor to operate to replenish the coolant water when the coolant level drops. 제5항에 있어서,
상기 냉각수 챔버에 보조 열교환기가 설치되어 상기 냉각수 챔버에 저장된 냉각수의 열을 회수하는 연료 처리장치.6. The method of claim 5,
And an auxiliary heat exchanger is installed in the cooling water chamber to recover the heat of the cooling water stored in the cooling water chamber. 제2항에 있어서,
상기 복수의 반응관 상부에 개질가스 유입로가 위치하고,
상기 복수의 반응관 하부에 개질가스 배출로가 위치하며,
상기 복수의 반응관의 양단은 상기 개질가스 유입로 및 상기 개질가스 배출로에 개방되는 연료 처리장치.3. The method of claim 2,
A reforming gas inflow path is located above the plurality of reaction tubes,
A reforming gas discharge path is located below the plurality of reaction tubes,
And both ends of the plurality of reaction tubes are opened to the reformed gas inlet and the reformed gas outlet. 제9항에 있어서,
상기 냉각 유로는 격리판에 의해 상기 개질가스 유입로 및 상기 개질가스 배출로와 격리 및 밀폐되는 연료 처리장치.10. The method of claim 9,
Wherein the cooling passage is isolated and sealed from the reformed gas inflow passage and the reformed gas discharge passage by a separator. 제9항에 있어서,
상기 개질가스 유입로에 확산부가 설치되어 상기 개질가스와 외부 공기의 혼합가스를 상기 복수의 반응관으로 고르게 분배하는 연료 처리장치.10. The method of claim 9,
Wherein a diffusion portion is provided in the reformed gas inflow path to evenly distribute the mixed gas of the reformed gas and the outside air to the plurality of reaction tubes. 제11항에 있어서,
상기 확산부는 복수의 개구가 형성된 관으로 구성되고, 일단이 개질가스 유입관에 연결되며, 상기 개질가스 유입로의 중앙을 가로지르며 위치하는 연료 처리장치.12. The method of claim 11,
Wherein the diffusion portion is constituted by a tube having a plurality of openings, one end of which is connected to the reformed gas inflow pipe, and is located across the center of the reformed gas inflow path. 제12항에 있어서,
상기 복수의 개구 각각의 직경은 상기 확산부 직경의 절반 이하이고,
상기 복수의 개구는 상기 확산부의 길이 방향 및 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 배치되는 연료 처리장치.13. The method of claim 12,
Wherein a diameter of each of the plurality of openings is equal to or less than half of a diameter of the diffusion portion,
Wherein the plurality of openings are arranged with an interval therebetween along the longitudinal direction and the circumferential direction of the diffusion portion. 연료전지 스택; 및
상기 연료전지 스택으로 수소가 함유된 개질가스를 공급하는 제1항 내지 제3항, 제5항, 제7항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 연료 처리장치
를 포함하는 연료전지 시스템.Fuel cell stack; And
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, 5, 7 to 13, wherein the reforming gas containing hydrogen is supplied to the fuel cell stack
And a fuel cell system.
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