KR102453923B1 - 연료전지 시스템용 개질기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연료전지 시스템용 개질기는 원료가 통과하는 공간을 갖는 하우징과, 상기 하우징 내부에 설치되어 상기 하우징으로 유입되는 원료와 반응하여 수소를 생산하는 촉매유닛과, 상기 하우징의 일측에 배치되어 연소기에서 발생되는 열이 하우징으로 집중되도록 열을 가둬두는 열 차단부재로 구성되어, 연소기에서 발생되는 열이 빠져나가는 것을 방지하여 개질 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지 시스템용 개질기{REFORMER FOR A FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 개질효율을 향상시킬 수 있고 사이즈를 줄일 수 있으며 열효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템용 개질기에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 시스템은 전기화학 반응에 의해 수소와 산소의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서, 통상 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소, 그리고 산소를 포함하고 있는 공기를 연료로 사용한다.

이러한 연료전지 시스템은 사용하는 전해질의 종류에 따라, 150~200℃ 부근에서 동작하는 인산형 연료전지, 600~700℃의 고온에서 동작하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다.

종래의 연료전지 시스템용 개질기는 공개특허공보 10-2005-0116444(2005년 12월 12일)에 개시된 바와 같이, 제1 관로와, 상기 제1 관로의 단면적 보다 상대적으로 작은 단면적을 가지면서 제1 관로의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 관로를 포함하는 이중 관로 형태로 이루어지며, 수소를 함유한 연료의 산화 반응을 통해 소정의 열 에너지를 발생시키는 산화 촉매층이 상기 제2 관로의 내부 공간에 위치하는 제1 반응부와, 상기 열 에너지에 의한 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 촉매층이 상기 제1 관로와 제2 관로 사이의 공간에 위치하는 제2 반응부와, 상기 제2 관로의 외주면에 설치되어 상기 제1 반응부에서 발생하는 열 에너지를 상기 제2 반응부로 전달하는 제1 열전달 유니트를 포함하고, 개질 촉매층은 혼합 연료의 개질 반응 즉, 혼합 연료의 분해 반응 및 일산화탄소의 변성 반응을 촉진시켜 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키기 위한 것으로서, 제1 관로와 제2 관로 사이의 공간에 충전된다. 이러한 개질 촉매층은 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂) 또는 이산화티타늄(TiO₂)으로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt)과 같은 촉매 물질을 담지하고 있는 구조로 이루어진다.

하지만, 종래의 개질기는 개질 촉매층이 알갱이 형태로 형성되어 제1관로와 제2관로 사이의 공간에 충전되어 있기 때문에 혼합 연료가 통과할 때 유동저항이 발생되어 혼합연료가 원활하게 유동되지 못하여 효율이 저하되는 문제가 있다.

또한, 종래의 개질기는 개질 촉매층이 펠릿(pellet) 형태이므로 가격이 비싼 촉매 물질의 사용량이 많아지게 되어 제조비용이 증가하는 문제가 있다.

또한, 종래의 개질기는 제2 반응부로 열을 전달하기 위한 열전달 유니트의 구조가 복잡하여 사이즈가 커지게 되고 열전달 효율이 떨어지는 문제가 있다.

공개특허공보 10-2005-0116444(2005년 12월 12일)

따라서, 본 발명의 목적은 개질기의 일측에 열 차단부재를 설치하여 연소기에서 발생되는 열이 빠져나가는 것을 방지하여 개질기를 빠르게 가열할 수 있어 개질 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템용 개질기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 촉매유닛의 지지체 표면에 개질 촉매층을 코팅하여 형성함으로써, 개질 촉매층의 사용량을 최소화할 수 있는 연료전지 시스템용 개질기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 지지체가 열전도가 높은 금속재질로 형성되고, 개질 촉매층과 원료의 접촉면적을 최대화할 수 있어 개질 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템용 개질기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 지지체에 중공형의 셀이 관통되게 형성되어 원료의 유동 저항을 최소화할 수 있고, 개질 반응의 응답성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템용 개질기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 연료전지 시스템용 개질기는 원료가 통과하는 공간을 갖는 하우징과, 상기 하우징 내부에 설치되고 원료가 통과하는 복수의 중공형 셀이 형성되는 지지체와, 상기 지지체의 표면에 코팅되어 상기 하우징으로 유입되는 원료와 반응하여 수소를 발생시키는 개질 촉매층을 구비한 촉매유닛과, 연소기와 마주보게 배치되는 하우징의 반대쪽면에 배치되고, 상기 하우징의 일면에 배치되는 상면 덮개부와, 상기 상면 덮개부의 가장자리에서 절곡되어 하우징의 측면에 배치되는 측면 덮개부를 포함하여 연소기에서 발생되는 열이 하우징으로 집중되도록 열을 가둬두는 열 차단부재를 포함할 수 있다.
상기 하우징은 원료가 유입되는 유입구가 형성되는 제1하우징과, 상기 제1하우징과 수평하게 배치되고 원료와 촉매가 반응하여 발생된 수소가 배출되는 배출구가 형성되는 제2하우징과, 상기 제1하우징과 제2하우징 사이가 연통되도록 연결하는 연결부재를 포함할 수 있다.

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상기 지지체는 물결 형태 또는 요철 형태의 파판과 평판이 상호 결합되어 복수의 중공형 셀을 갖도록 형성되고, 하우징의 내면 형태와 동일한 형태로 권선하여 성형되고, 열전도가 높은 금속박판이고, 1000℃ 이상의 고온에서 견딜 수 있는 내열성을 가지며, 그 두께는 20~100㎛으로 형성될 수 있다.

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상기 하우징의 외면에는 연소기에서 발생되는 열이 빠르게 하우징으로 전달되도록 열 접촉면적을 넓게 하는 열 전달부재가 형성되고, 상기 열 전달부재는 상기 하우징의 길이방향으로 돌출되게 형성되고, 상기 하우징의 둘레방향으로 일정 간격으로 배열되는 바 타입 또는 하우징의 길이방향으로 일정 간격으로 배열되는 링 타입이 사용될 수 있다.

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상기 하우징은 그 양쪽면에 평면부가 형성되는 트랙 형태로 형성되고, 상기 열전달 부재는 하우징의 둘레방향으로 돌출되게 형성되고, 하우징의 길이방향으로 일정 간격으로 배열되는 트랙 형태로 형성될 수 있다.

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상기한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템용 개질기는 개질기의 일측에 개질기를 덮어주는 열 차단부재를 설치하여 연소기에서 발생되는 열이 빠져나가는 것을 방지함으로써, 개질기를 빠르게 가열할 수 있어 개질 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 연료전지 시스템용 개질기는 지지체의 표면에 개질 촉매층을 코팅하여 형성함으로써, 개질 촉매층의 사용량을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명의 연료전지 시스템용 개질기는 지지체가 열전도가 높은 금속재질로 형성되고, 개질 촉매층과 원료의 접촉면적을 최대화할 수 있어 개질 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 연료전지 시스템용 개질기는 지지체에 중공형의 셀이 관통되게 형성되어 원료의 유동 저항을 최소화할 수 있고, 개질 반응의 응답성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 연료전지 시스템의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 개질기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 개질기의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 개질기의 촉매유닛을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 개질기의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 개질기의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 개질기의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 개질기의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 개질기의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 개질기의 평면도이다.
도 11은 본 발명의 제5실시예에 따른 개질기의 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제5실시예에 따른 개질기의 평면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 탄화수소계열 물질의 연료가 저장되는 연료 저장부(100)와, 연료저장부(100)에 저장된 연료가 공급되어 수소를 생산하는 개질기(110)와, 개질기에서 생산된 수소와 공기에 포함된 산소를 반응시켜 직류 전원을 출력하는 연료전지 스택(120)을 포함한다.

연료전지 스택(120)에서 출력된 전원은 직접 또는 원하는 종래의 전원으로 변환시키는 전력 변환기를 거쳐 전원을 필요로 하는 기기 및 충전기기인 배터리에 공급한다.

그리고, 개질기(110)의 일측에는 개질기(110)를 가열하여 개질 반응이 정상적으로 일어날 수 있도록 연소기(도시되지 않음)가 구비되고, 연소기는 개질기(110)에 충분한 열이 전달될 수 있도록 개질기(110)에 인접하여 배치될 수 있다.

제1실시예에 따른 개질기는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 원료가 통과하는 공간을 갖는 하우징(10)과, 하우징(10) 내부에 설치되어 하우징(10)으로 유입되는 원료와 반응하여 수소를 생산하는 촉매유닛(20)과, 하우징(10)의 일측에 배치되어 연소기에서 발생되는 열이 하우징(10)으로 집중되도록 열을 가둬두는 역할을 하는 열 차단부재(30)를 포함한다.

하우징(10)은 탄화수소 계열의 원료가 유입되는 유입구(40)가 형성되는 제1하우징(12)과, 하우징(10) 내부에서 원료와 촉매가 반응하여 발생된 수소가 배출되는 배출구(42)가 형성되는 제2하우징(14)과, 제1하우징(12)과 제2하우징(14) 사이가 연통되도록 연결하는 연결부재(16)를 포함한다.

제1하우징(12)과 제2하우징(14)은 수평하게 일정 간격으로 배치되고, 제1하우징(12)과 제2하우징(14)는 연결부재(16)에 의해 상호 연결된다. 그리고, 제1하우징(12)의 유입구(40)에는 유입구(40)로 유입되는 연료를 예열하는 열교환기가 설치될 수 있다.

촉매유닛(20)은 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(10) 내부에 권선되고 원료가 통과하는 복수의 중공형 셀(56)이 형성되는 지지체(50)와, 지지체(50)의 표면에 코팅되어 원료와 반응하여 수소를 발생시키는 개질 촉매층을 포함한다.

지지체(50)는 파판(52)과 평판(54)이 상호 결합되고 권선하여 성형한 후 하우징에 삽입된다. 이때, 파판(52)과 평판(54)은 열전도가 높고, 1000℃ 이상의 고온에서 견딜 수 있는 내열성 금속 박판으로 형성되고, 그 두께는 20~100㎛인 것이 바람직하다.

파판(52)는 물결 형태 또는 요철 형태로 형성되고, 평판(54)은 평평한 판 형태로 형성되며, 파판(52)과 평판(54) 사이를 결합하면 파형 또는 반원형의 중공형 셀(56)이 둘레방향으로 간격을 두고 복수로 형성된다. 파판(52)과 평판(54) 사이는 용접에 의해 상호 결합될 수 있다.

이러한 촉매유닛(20)은 하우징(10)이 사각형 형태일 경우 사각형 형태로 권선되어 형성되고, 하우징(10)이 원통형일 경우 원형으로 권선되어 형성된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 촉매유닛(20)은 복수의 중공형의 셀(56)을 갖는 지지체(50)의 표면에 개질 촉매층이 코팅되므로 개질 촉매층과 원료가 서로 접촉하는 면적은 최대화하면서 개질 촉매층의 사용량을 최소화할 수 있다.

그리고, 지지체(50)는 열전도가 높은 금속재질이 사용되므로 연소기에서 발생되는 열이 빠르게 전달되어 개질효율을 향상시킬 수 있다.

그리고, 지지체(50)에 복수의 중공형 셀(56)이 형성되고, 이 중공형 셀(56)을 원료가 통과하기 때문에 원료의 유동 저항을 최소화할 수 있고, 이에 따라 원료의 흐름을 원활하게 할 수 있어 개질 반응의 응답성을 향상시킬 수 있다.

연료전지 시스템은 전해질의 종류에 따라 150 ~ 200℃ 부근에서 동작하는 인산형 연료전지, 600 ~ 700℃의 고온에서 동작하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등이 사용되고 있다.

따라서, 연료전지를 정상적으로 동작시키기 위해서는 하우징(10)의 온도를 일정 이상으로 유지해야 된다. 이를 위해 본 발명에서는 하우징(10)의 일측에 열 차단부재(30)를 설치하여 연소기에서 발생되는 열을 가둬두는 역할을 하여 하우징(10)을 보다 빠르게 가열할 수 있어 개질 효율을 향상시키고 연소기의 연소량을 줄일 수 있어 에너지를 절약할 수 있도록 한다.

열 차단부재(30)는 연소기와 마주보게 배치되는 하우징(10)의 일면의 반대쪽면에 배치되어 연소기에서 발생되는 열이 빠져나가는 것을 방지하여 하우징(10)을 좀더 효과적으로 가열할 수 있도록 하는 것으로, 하우징(10)의 일면에 배치되는 상면 덮개부(32)와, 상면 덮개부(32)의 가장자리에서 직각으로 절곡되어 하우징(10)의 측면에 배치되는 측면 덮개부(34)를 포함한다.

이러한 열 차단부재(30)는 열 차단이 우수한 금속 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에서는 하우징(10)의 일측에 열 차단부재(30)를 구비하여, 연소기에서 발생되는 열이 외부로 배출되지 못하도록 가둬두는 역할을 하여 하우징(10)을 좀더 빠르게 가열할 수 있고, 연소기의 열 효율을 향상시킬 수 있다.

제2실시예에 따른 개질기는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 원료가 통과하는 공간을 갖는 하우징(10)과, 하우징의 외면에 설치되어 연소기에서 발생되는 열이 빠르게 하우징으로 전달되도록 하는 열 전달부재(60)와, 하우징(10) 내부에 설치되어 하우징(10)으로 유입되는 원료와 반응하여 수소를 생산하는 촉매유닛(20)과, 하우징(10)의 일측에 배치되어 연소기에서 발생되는 열이 하우징(10)으로 집중되도록 열을 가둬두는 역할을 하는 열 차단부재(30)를 포함한다.

제2실시예에 따른 열 전달부재(60)는 하우징(10)의 외면에 하우징(10)의 길이방향으로 돌출되는 바 타입으로 형성되고, 하우징(10)의 둘레방향으로 간격을 두고 형성되어 연소기에서 발생되는 열과의 접촉면적을 넓게 하여 하우징(10)으로 보다 빠르게 열이 전달될 수 있도록 한다.

제3실시예에 따른 열 전달부재(70)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 하우징(10)의 둘레방향으로 링 형태로 돌출되는 링 타입으로 형성된다.

이러한 제3실시예에 따른 열 전달부재(70)는 링 형태이고 원통 형태의 하우징의 외면에 원형으로 둘레방향으로 돌출되게 형성된다. 그리고, 열 전달부재(70)는 하우징의 길이방향으로 일정 간격으로 배열되어 연소기에서 발생되는 열과의 접촉면적을 넓게 하여 하우징을 보다 빠르게 가열되도록 한다.

제4실시예에 따른 하우징(80)은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 그 양면에 평면부(84)가 형성되어 그 단면이 트랙 형태를 갖는다. 그리고, 제4실시예에 따른 열 전달부재(82)는 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 연소기와 마주보게 배치되는 평면부(84)에 하우징(80)의 길이방향으로 돌출되게 형성된다.

제5실시예에 따른 열 전달부재(90)는 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 하우징(80)의 둘레방향으로 돌출되게 형성된다. 하우징은 그 단면이 양면에 평면부(84)가 형성되는 트랙 형태이므로, 열 전달부재(90)도 트랙 형태로 형성되고 하우징(80)의 길이방향으로 일정 간격으로 배열된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

10: 하우징 12: 제1하우징
14: 제2하우징 16: 연결부재
20: 촉매유닛 30: 열 차단부재
32: 상면 덮개부 34: 측면 덮개부
40: 유입구 42: 배출구
50: 지지체 52: 파판
54: 평판

Claims (11)

1. 원료가 통과하는 공간을 가지며, 연소기에서 발생하는 열이 빠르게 전달되도록 열 접촉면적을 크게 하는 열 전달부재가 그 외면에 형성되는 하우징;
   상기 하우징 내부에 설치되고 원료가 통과하는 복수의 중공형 셀이 형성되는 지지체와, 상기 지지체의 표면에 코팅되어 상기 하우징으로 유입되는 원료와 반응하여 수소를 발생시키는 개질 촉매층을 구비한 촉매유닛; 및
   상기 하우징의 일면에 배치되는 상면 덮개부와 상기 상면 덮개부의 가장자리에서 절곡되어 하우징의 측면에 배치되는 측면 덮개부를 포함하여 연소기에서 발생하는 열이 하우징으로 집중되도록 열을 가둬두는 열 차단부재;를 포함하는 연료전지 시스템용 개질기로서,
   상기 열 전달부재는 상기 하우징에 일체로 형성되며,
   상기 연소기는 상기 하우징에 인접하여 배치되며,
   상기 열 차단부재는 상기 연소기와 마주보게 배치되는 하우징의 일면의 반대쪽면에 배치되고,
   상기 열 전달부재는 상기 하우징의 길이방향으로 돌출 형성되어 상기 하우징의 둘레방향으로 일정 간격으로 배열되는 바(bar) 타입의 돌출부 또는 상기 하우징의 길이방향으로 일정 간격으로 배열되는 링(ring) 타입의 돌출부로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 개질기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하우징은 원료가 유입되는 유입구가 형성되는 제1하우징;
   상기 제1하우징과 수평하게 배치되고 원료와 촉매가 반응하여 발생된 수소가 배출되는 배출구가 형성되는 제2하우징; 및
   상기 제1하우징과 제2하우징 사이가 연통되도록 연결하는 연결부재를 포함하는 연료전지 시스템용 개질기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 지지체는 물결 형태 또는 요철 형태의 파판과 평판이 상호 결합되어 복수의 중공형 셀을 갖도록 형성되고, 하우징의 내면 형태와 동일한 형태로 권선하여 성형되고, 열전도성 금속박판이고, 1000℃ 이상의 고온에서 견딜 수 있는 내열성을 가지며, 그 두께는 20~100㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 개질기.
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