KR20100064138A - Catalytic combustor for molten carbonate fuel cell(mcfc) - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A catalytic combustor for a molten carbonate fuel cell(MCFC) is provided to completely burn combustible gas inside blast furnace gas generating from the entrance of an anode of the MCFC, and to use the heat from the MCFC as a heating source of air. CONSTITUTION: A catalytic combustor(1) for a molten carbonate fuel cell(MCFC) combusting mixture gas containing air and blast furnace gas discharged from an anode of a fuel cell stack comprises the following: a gas supplying unit(2) including a pathway to separately supply the air and the blast furnace gas; a mixing unit(3) including a mixing divide with a venturi mixer function and a rob mixer function; a second mixing diffusion unit(4) including a diffusing pipe structure to supply the mixture gas to a flowing area; and a catalytic combustion unit(5) including a combustion catalyst layer(51). The catalytic combustion unit is installed on the entrance of the anode and a cathode.

Description

ＭＣＦＣ용 스택 직결형 촉매연소장치{Catalytic combustor for molten carbonate fuel cell(MCFC)}Stackable Direct Combustion Catalytic Combustion Device for MFC (CFC)

본 발명은 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치에 관한 것으로, 자세하게 설명하자면 MCFC(molten carbonate fuel cell) 시스템에서는 개질반응에 의해 양극(anode)출구 측에서 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기 등의 부생가스(off-gas)가 발생된다. 이러한 부생가스 중에서 수소와 일산화탄소는 양질의 가연성 가스로서 이를 회수하여 공정에 필요한 열원으로 활용하면 상당량의 시스템의 에너지 절감 효과를 기대할 수 있으므로 MCFC(molten carbonate fuel cell)의 양극(anode) 출구 측에서 발생되는 부생가스에 존재하는 양질의 가연성 가스들을 완전 연소시키고, 이때 발생되는 열을 회수하여, 음극(cathode) 입구 측에 공급되는 공기의 가열 열원으로 이용하기 위해 필요한 촉매연소장치에 관한 것이다.The present invention relates to a stack-type catalytic combustion device for MCFC, which will be described in detail. In the MCFC (molten carbonate fuel cell) system, a by-product gas such as hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, water vapor, etc. off-gas) is generated. Among these by-product gases, hydrogen and carbon monoxide are high quality combustible gases that can be recovered and used as a heat source for the process. Therefore, a considerable amount of energy savings can be expected. Therefore, they occur at the anode exit side of molten carbonate fuel cell (MCFC). The present invention relates to a catalytic combustion device necessary for completely burning high quality combustible gases present in by-product gas, and recovering heat generated at this time, to be used as a heating heat source of air supplied to a cathode inlet side.

MCFC용 촉매연소장치 기술은 일본과 미국 등의 선진국에서 이미 개발이 진행중에 있다. The catalytic combustion device technology for MCFC is already being developed in advanced countries such as Japan and the United States.

대표적으로 일본의 IHI(Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co.)에서는 NEDO의 지원 하에 외부개질형 MCFC를 개발 중에 있다. IHI에서 채택하고 있는 촉매연소기 및 혼합기는 연료전지 스택과 함께 용기(vessel) 내부에 설치하는 구조이며, 촉매연소기에서 발생된 열은 개질기의 열원으로 사용되도록 하였다. For example, Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co. (IHI) in Japan is developing an externally modified MCFC with the support of NEDO. Catalytic combustor and mixer adopted by IHI are installed inside the vessel together with fuel cell stack, and heat generated from catalytic combustor is used as heat source of reformer.

IHI사의 촉매연소기는 촉매연소 후 얻어지는 고온의 가스를 개질기의 열원으로 사용하게 됨으로, 촉매연소기 출구가스의 온도는 개질기의 개질온도 이상으로 유지되어야 원활한 공정을 수행할 수 있게 된다. 그러므로 IHI사의 개질기에서 적정한 개질 전환율을 얻기 위해서는 개질 촉매층의 온도는 800 ℃ 이상이 되어야 하며, 이를 만족시키기 위한 촉매연소기 출구단의 열원은 800℃ 이상의 고온을 유지해야 한다. 이에 따라서 촉매연소기 내에서 촉매는 800℃ 이상의 고온에서 내구성을 가지는 촉매를 사용하여야 한다. 그러나 현재 연소용 촉매 가운데서 800 ℃ 이상의 고온에서 수분이 다량으로 포함된 가연가스를 처리하는데 장시간 안전하게 운전할 수 있는 제품을 확보할 수 없는 상황이다.Since IHI's catalytic combustor uses the hot gas obtained after catalytic combustion as a heat source of the reformer, the temperature of the catalytic combustion outlet gas must be maintained at or above the reforming temperature of the reformer to perform a smooth process. Therefore, in order to obtain an appropriate reforming conversion rate in the reformer of IHI, the temperature of the reforming catalyst bed should be 800 ° C. or higher, and the heat source at the outlet of the catalytic combustor should maintain a high temperature of 800 ° C. or higher. Accordingly, the catalyst in the catalytic combustor should use a catalyst having a durability at a high temperature of 800 ℃ or more. However, it is currently impossible to secure a product capable of safely operating for a long time to process the combustible gas containing a large amount of moisture at a high temperature of more than 800 ℃ among the combustion catalyst.

다음으로 미국의 FCE사에서는 내부개질형 MCFC를 개발하고 있으며, 250kW를 단위모듈로 한 제품을 상용화하여 미국을 비롯한 세계 각국에 보급하고 있다. FCE사의 촉매연소기는 양극(anode) 측의 출구가스와 음극(cathode) 측에서 필요한 공기를 혼합하여 촉매층에 공급하고, 혼합가스 중의 가연성 가스가 촉매층에서 소각되면서, 이때 발생된 열은 공급된 상온의 공기를 예열시키는 데 이용하고 있다. 촉매연소기의 출구가스는 음극(cathode)의 입구측에 곧바로 공급되는 방식이며, 따라서 연소가스는 음극(cathode) 입구측 온도 조건인 550~600 ℃에 맞게 조절되고 있다. Next, FCE in the United States is developing an internally modified MCFC, and is commercializing a 250kW unit module and distributing it to the United States and other countries. FCE's catalytic combustor mixes the outlet gas at the anode side and the air required at the cathode side and supplies it to the catalyst layer, and as the combustible gas in the mixed gas is incinerated in the catalyst layer, the heat generated at this time is It is used to preheat the air. The outlet gas of the catalytic combustor is directly supplied to the inlet side of the cathode, and thus the combustion gas is adjusted to 550 to 600 ° C., which is the cathode inlet side temperature condition.

FCE사에서는 특허 US6,902,840에서 양극(anode)측에서 배출되는 부생가스를 외부 공기와 혼합시키기 위해 벤츄리 타입의 혼합기를 개발하여 사용하고 있는데, 벤츄리 구조를 사용함으로서 공기가 분출되는 노즐 출구에서 공기의 속도는 최대로 증가하고 주위의 압력은 감소하게 되어, 양극(anode) 측에서 배출되는 부생가스는 자연적으로 흡입되는 구조이다. 이로 인하여 스택의 양극(anode)측과 음극(cathode)측의 압력차를 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 여전히 혼합기(mixer)는 단순한 벤츄리 타입을 사용함으로 인하여 양극(anode)측 부생가스와 공기와의 균일한 혼합 성능에 있어서는 개선되어야 할 점을 가지고 있다.FCE has developed and used a venturi-type mixer to mix the by-product gas discharged from the anode side with external air in the patent US 6,902,840, and the air at the nozzle outlet where the air is ejected by using the venturi structure is used. The speed increases to the maximum and the pressure of the surroundings decreases, so that the by-product gas discharged from the anode side is naturally sucked. This has the advantage of minimizing the pressure difference between the anode side and the cathode side of the stack. However, the mixer still needs to be improved in the uniform mixing performance of anode side by-product gas and air by using a simple Venturi type.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기존 MCFC용 촉매연소장치에서 드러난 혼합기의 구조적 문제점 및 고온의 부생가스 연소 하에서의 촉매 장기성능 향상에 관한 기술적 문제점을 보완하기 위해 새로운 개념의 혼합장치 구조를 구비하여 MCFC 내부개질용으로 최적화된 촉매연소장치를 제공함에 있다.An object of the present invention for solving the above problems is a new concept of a mixer structure to compensate for the technical problems of the structural problems of the mixer in the conventional MCFC catalyst combustion apparatus and the long-term performance improvement of the catalyst under high temperature by-product combustion The present invention provides a catalytic combustion device optimized for internal reforming of MCFC.

구체적인 본 발명의 목적은 공급된 혼합가스와 공기가 벤츄리 믹서 기능과 로브 믹서 기능을 혼합한 혼합장치를 포함하는 MCFC용 촉매연소 장치를 제공함에 있다.It is an object of the present invention to provide a catalytic combustion device for MCFC comprising a mixing device in which the supplied mixed gas and air mixed a venturi mixer function and a lobe mixer function.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 연료전지 스택의 양극(anode) 측에서 배출되는 부생가스와 외부로부터 공급되는 공기를 혼합후 연소시키는 MCFC용 촉매연소 장치에 있어서,The present invention, which achieves the object as described above and removes the drawbacks of the prior art, is a catalyst for MCFC that mixes and combusts by-product gas discharged from the anode side of the fuel cell stack and air supplied from the outside. In the combustion device,

양극(anode)측 출구의 혼합가스와 공기가 별도로 분리되어 공급되는 유로를 가지는 가스공급구간부와;  A gas supply section having a flow path through which the mixed gas and air at the anode side outlet are separately supplied;

상기 공급된 혼합가스와 공기가 벤츄리 믹서 기능과 로브 믹서 기능을 혼합한 형태를 갖는 혼합장치가 설치되어 균일하게 혼합되도록 한 혼합구간부와; A mixing section configured to provide a mixing device having a form in which the supplied mixed gas and air are mixed with a venturi mixer function and a lobe mixer function to uniformly mix;

혼합구간부에서 1차 혼합되어진 혼합가스와 공기를 완전하게 균일한 유동장으로 촉매층으로 공급할 수 있도록 확산 구조의 관 형태로 이루어진 2차 혼합 확산 구간부와;A second mixed diffusion section formed in a tubular shape of a diffusion structure to supply the mixed gas and air primarily mixed in the mixing section to the catalyst layer in a completely uniform flow field;

2차 혼합 확산구간부를 지난 농도가 균일하고, 유동분포도 균일한 혼합가스를 완전 연소시키는 연소용 촉매층이 설치된 촉매연소구간부로;로 구성되어 양극(anode)출구와 음극(cathode)입구 사이에 스택 직결형 방식으로 설치된 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치를 제공함으로써 달성된다.It is composed of a catalytic combustion section which is equipped with a combustion catalyst layer for completely burning the mixed gas having a uniform concentration and uniform flow distribution after the secondary mixed diffusion section. It is composed of a direct connection between an anode outlet and a cathode inlet. It is achieved by providing a stack direct-type catalytic combustion device for MCFC, characterized in that installed in a mold manner.

상기 혼합장치는 중심부는 혼합가스가 통과하도록 뚫려 있고 바깥쪽은 공기가 통과하도록 다수의 기어산이 배열된 기어 모양의 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.The mixing device is characterized in that the center portion is formed in a gear-like structure in which a plurality of gear mountains are arranged so that the mixed gas passes through and the outside passes through the air.

상기 기어산의 각도는 유체 흐름방향(축방향)에서 회전방향으로 최소 0도 보다 크고 최대 15도로 하여 선회를 부가하도록 구성한 것을 특징으로 한다.The angle of the gear mountain is characterized in that it is configured to add a turn to a greater than minimum 0 degrees and a maximum 15 degrees in the rotation direction in the fluid flow direction (axial direction).

상기 촉매연소 구간부에 설치된 촉매층은 세라믹 또는 금속재질의 다공성 구조를 갖는 하니컴 또는 폼구조체로 이루어지고, 그 외형은 사각 또는 원형의 프레임에 설치된 것을 특징으로 한다.The catalyst layer installed in the catalytic combustion section is made of a honeycomb or a foam structure having a porous structure of ceramic or metal material, the outer shape is characterized in that installed in a square or circular frame.

상기 세라믹 또는 금속재질의 다공성 구조를 갖는 하니컴 또는 폼구조체에 코팅되는 촉매는 귀금속 촉매인 백금(Pt)을 기본으로 하되, 혼합가스의 종류에 따라 팔라듐이 백금(Pd)에 대하여 첨가된 이원촉매를 사용하고, 코팅량은 0,5-2.0 wt%인 것을 특징으로 한다.The catalyst coated on the honeycomb or the foam structure having the porous structure of the ceramic or metal material is based on platinum (Pt), which is a precious metal catalyst, and palladium is added to the platinum (Pd) according to the type of mixed gas. It is used, characterized in that the coating amount is 0,5-2.0 wt%.

상기 이온 촉매간의 조성비율은 백금에 대한 팔라듐의 성분이 10 ~ 50wt%인 것을 특징으로 한다.The composition ratio between the ion catalysts is characterized in that the component of palladium to platinum is 10 to 50wt%.

상기 확산구간부(4)의 확산 구조가 가지는 각도(α)는 10 ~ 30도인 것을 특징으로 한다. The angle α of the diffusion structure of the diffusion section 4 is characterized in that 10 to 30 degrees.

본 발명은 MCFC의 핵심 주변기술(BOP)인 양극(anode)측 출구의 부생가스의 촉매연소기술의 해결 및 내부개질용 MCFC의 촉매연소장치의 독자 기술을 확보함으로써, 기존 제품에 대한 기술 경쟁력 및 수출 경쟁력에서 우위를 확보할 수 있을 것으로 판단되며, 특히 본 발명에서 제시된 핵심 기술인 혼합장치는 독창적인 구조로 혼합도가 매우 우수하므로, 균일한 혼합가스를 얻고자 하는 기타 분야에도 응용이 가능한 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.The present invention solves the catalytic combustion technology of by-product gas at the anode side outlet, which is the core peripheral technology (BOP) of MCFC, and secures the unique technology of the catalytic combustion device of MCFC for internal reforming, It is believed that it is possible to secure an advantage in the export competitiveness, in particular, the mixing device, which is the core technology presented in the present invention, has a unique structure and excellent mixing, and thus is a useful invention that can be applied to other fields to obtain a uniform mixed gas. As such, the invention is expected to be greatly utilized in the industry.

본 발명에서는 양극(anode) 측에서 배출되는 부생가스와 공기를 균일하게 혼합하여 촉매연소하기 위한 혼합기(Mixer)를 개발하였다. 혼합기의 형태는 양극(anode) 측에서 배출되는 부생가스에 압력이 부가되지 않고 촉매연소기로 흡입되 도록 하는 벤츄리 믹서 기능과 부생가스와 공기가 최단 시간에 효과적으로 혼합되도록 하는 로브 믹서(lobe mixer) 기능을 조합한 독창적 구조의 혼합기를 개발하였다. 벤츄리 믹서와 로브 믹서가 조합된 혼합기의 최적 설계 및 성능평가는 먼저 수치해석에 의한 속도, 혼합도 및 온도분포 해석을 통해 확보하였다. 이어서 혼합기를 제작하여 실험을 통하여 혼합가스의 압력 손실, 농도분포 등의 측정을 통해 실질적으로 검증하였다. 마지막으로 촉매연소기의 정상 운전조건에서 촉매연소 실험을 통해 상기 목적에 맞는 MCFC용 촉매연소기를 개발하였다.In the present invention, a mixer (Mixer) for the catalytic combustion by uniformly mixing the by-product gas and air discharged from the anode (anode) side was developed. The mixer has a venturi mixer function that allows the inlet gas discharged from the anode to be sucked into the catalytic combustor without applying pressure, and a lobe mixer function that allows the byproduct gas and air to be effectively mixed in the shortest time. We developed a mixer with a unique structure that combines. The optimum design and performance evaluation of the mixer with the Venturi mixer and the lobe mixer were first obtained through the numerical analysis of the speed, mixing and temperature distribution. Subsequently, the mixer was manufactured and verified through measurement of pressure loss and concentration distribution of the mixed gas. Finally, a catalytic combustion experiment was developed for the MCFC through catalytic combustion experiments under normal operating conditions.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1은 본 발명에 따른 MCFC용 촉매연소장치의 개략도와 장착된 촉매층의 구조도이고, 도 2는 본 발명에 따른 MCFC용 촉매연소장치의 혼합장치에 대한 상세도 및 실제 제작된 혼합장치를 보인 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 촉매 연소 시험 장치에 대한 전체 공정도이고, 도 4는 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 촉매연소 시험 결과 각 부분별 온도분포를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 촉매연소 시험 결과 공급되는 수소량에 따른 촉매연소의 실제 전경을 나타 낸 사진이다.1 is a schematic view of the catalytic combustion device for MCFC according to the present invention and the structure of the catalyst layer mounted, Figure 2 is a perspective view showing a detailed view of the mixing device and the actual production of the mixing device of the catalytic combustion device for MCFC according to the present invention 3 is an overall process diagram of a catalytic combustion test apparatus for a catalytic combustion device for MCFC manufactured according to the present invention, and FIG. 4 is a catalytic combustion test result for each catalytic combustion device for MCFC manufactured according to the present invention. Figure 5 is a graph showing the temperature distribution, Figure 5 is a photograph showing the actual foreground of the catalytic combustion according to the amount of hydrogen supplied as a result of the catalytic combustion test for the catalytic combustion device for MCFC produced according to the present invention.

먼저 도 1은 본 발명에 따른 MCFC용 촉매연소장치의 개략도와 장착된 촉매층의 구조도인데, 도시된 바와 같이 본 발명은 양극(anode) 측에서 배출되는 부생가스와 외부에서 공급되는 공기를 균일하게 완전 혼합할 수 있는 독창적인 구조의 혼합장치를 수반하는 내부개질형 MCFC용 촉매연소장치(1)이다. 이를 위하여 본 발명의 내부개질형 MCFC용 촉매연소장치(1)는 크게 가스공급 구간부(2)와, 혼합 구간부(3), 2차혼합확산 구간부(4), 그리고 촉매연소 구간부(5)로 구분되는 MCFC용 촉매연소장치(1)를 구성하였다.First, Figure 1 is a schematic diagram of the catalytic combustion device for MCFC according to the present invention is a structural diagram of the mounted catalyst layer, as shown in the present invention uniformly complete by-product gas discharged from the anode (anode) and air supplied from the outside It is a catalytic combustion device (1) for an internal reforming MCFC accompanied by a mixing device of an original structure that can be mixed. To this end, the internal combustion type MCFC catalytic combustion device 1 of the present invention is largely provided with a gas supply section 2, a mixing section 3, a secondary mixed diffusion section 4, and a catalytic combustion section ( The catalytic combustion device 1 for MCFC divided into 5) was comprised.

구체적으로 본 발명의 구성을 설명하면 양극(anode) 출구 쪽에 연결되어 유입되는 혼합가스(22)와 별도의 송풍기를 통하여 공급되는 공기(21)가 각각의 유로로 공급되는 가스공급구간부(2)와; 상기 공급된 혼합가스(22)와 공기(21)가 벤츄리 믹서와 로브 믹서의 기능을 조합하도록 형성된 독특한 형태를 갖는 혼합장치(31)가 설치되어 완전, 균일 혼합되어지도록 형성된 혼합구간부(3)와; 1차 혼합된 혼합가스(22)와 공기(21)를 완전하게 균일한 유동장으로 촉매층으로 공급할 수 있도록 하기 위해 확산 구조의 관으로 이루어진 2차혼합 확산구간부(4)와; 혼합가스의 농도가 균일하고, 유동분포도 균일한 혼합가스를 완전연소시키기 위해 고안된 촉매층(51)으로 구성된 촉매연소구간부(5);으로 구성되며, 촉매층에서 연소를 마친 혼합가스는 스택의 음극(cathode) 입구 측에 바로 유입되도록 구성하였다. Specifically, the configuration of the present invention is connected to the anode (anode) side gas supply section (2) which is connected to the mixed gas 22 and the air 21 supplied through a separate blower is supplied to each flow path Wow; Mixing section 3 formed so that the supplied mixed gas 22 and air 21 have a unique mixing device 31 formed to combine the functions of the venturi mixer and the lobe mixer to be completely and uniformly mixed. Wow; A secondary mixed diffusion section 4 made of a pipe having a diffusion structure to supply the first mixed gas 22 and the air 21 to the catalyst layer in a completely uniform flow field; A catalyst combustion section 5 composed of a catalyst layer 51 designed to completely burn a mixed gas having a uniform mixed gas concentration and a uniform flow distribution. The mixed gas which has been burned in the catalyst layer is a cathode of the stack ( cathode) so that it flows directly to the inlet side.

상기 가스공급구간부(2), 혼합구간부(3), 2차혼합 확산구간부(4), 촉매연소구간부(5)간의 연결은 용접등의 방법을 포함한 통상의 연결하여 한몸체를 이루도록 구성한다.The connection between the gas supply section (2), mixing section (3), secondary mixed diffusion section (4), catalytic combustion section (5) is to form a body by the usual connection, including the welding method Configure.

상기에서 혼합장치가 벤츄리 믹서기능를 가지는 이유는 유동의 방향이 같은 축 선상에 있고, 각각의 면적비가 달라 압력차가 생겨 벤츄리 혼합구조를 갖게 되고, 로브 믹서기능을 가지는 이유는 기어와 스큐류 모양의 구조 때문이다.The reason why the mixing device has a venturi mixer function is that the flow direction is on the same axis, and the area ratio is different so that there is a pressure difference, and thus the venturi mixer structure has a lobe mixer function. Because.

상기 확산구간부(4)의 확산 구조가 가지는 각도(α)는 10~30도 사이이다. 수치한정 이유는 이와 같은 각도에서 완전하게 균일한 유동장으로 촉매층으로 공급하는 반응을 얻게 되기 때문이다. The angle α of the diffusion structure of the diffusion section 4 is between 10 and 30 degrees. The reason for the numerical limitation is that the reaction is fed to the catalyst bed in a completely uniform flow field at this angle.

이하 보다 상세히 본 발명의 구성을 설명한다. Hereinafter, the configuration of the present invention in more detail.

본 발명의 혼합장치(31)에 의한 혼합방식에 있어서, 혼합장치(31)는 중심부가 관통되어 있고, 외곽 부분이 기어 모양으로 가공되어 중심부를 통과하는 부생가스와 기어 모양의 바깥쪽을 통과하는 공기가 벤튜리 믹서 기능과 로브 믹서 기능에 의해서 양극(anode)측에 흡입 압력을 발생시킴과 동시에 부생가스와 공기가 최단 시간에 완전 혼합될 수 있도록 구성된 것으로, 본 발명에서는 양극(anode)측 부생가스가 유입되는 혼합가스(22)는 혼합장치(31)의 중심부를 통과하고, 외부로부터 공급되는 공기(21)는 기어 모양의 바깥쪽으로 유입되면서 1차 혼합되고, 확산 구조 를 갖는 유로에서 2차 완전 혼합되는 원리를 특징으로 한다. 이때 공기가 기어산과 기어산 사이의 골을 통과하도록 기어 모양의 전단부는 막혀 있도록 구성한다.In the mixing method by the mixing device 31 of the present invention, the mixing device 31 has a central portion penetrated therein, and the outer portion is processed into a gear shape and passes through the outside of the by-product gas and gear shape passing through the central portion. The air is configured to generate suction pressure on the anode side by the venturi mixer function and the lobe mixer function, and to simultaneously mix the by-product gas and air in the shortest time. The mixed gas 22 into which the gas is introduced passes through the center of the mixing device 31, and the air 21 supplied from the outside is primarily mixed while flowing out of the gear shape, and is secondary in a flow path having a diffusion structure. It is characterized by a principle of complete mixing. At this time, the gear-shaped front end portion is closed so that air passes through the valley between the gear mountain and the gear mountain.

가스공급구간부(2)에서는 양극(anode)측으로부터 배출되는 혼합가스(22)와 외부로부터 공급되는 공기(21)는 혼합장치(31)에 도달하기 전까지는 유로를 구분되어 공급되어진다. 이때 혼합가스(22)는 MCFC 스택의 양극(anode) 측에서 배출되는 부생가스가 내부 유로를 통해 공급되며, 공기(21)는 외부에 설치된 송풍기(61; 도 3 참조)에 의해 정량 공급된다. In the gas supply section 2, the mixed gas 22 discharged from the anode side and the air 21 supplied from the outside are supplied by separating the flow paths until they reach the mixing device 31. In this case, the by-product gas discharged from the anode side of the MCFC stack is supplied through the internal flow path, and the air 21 is quantitatively supplied by the blower 61 (see FIG. 3) installed outside.

양극(anode) 측의 혼합가스(22)는 주성분이 수소, 이산화탄소, 수증기, 일산화탄소로 구성되는데, 이중에 수소와 일산화탄소는 양질의 가연성 연료로 다시 사용될 수 있다. 이렇게 공급된 혼합가스(22)와 공기(21)는 혼합장치(31)를 통과하여 2차확산 구간부(4)로 초기 유입되기 직전까지 혼합되지 않고 독립적으로 흐른다. The mixed gas 22 on the anode side is composed mainly of hydrogen, carbon dioxide, water vapor, and carbon monoxide, of which hydrogen and carbon monoxide can be used again as a combustible fuel of good quality. The mixed gas 22 and the air 21 thus supplied flow independently without being mixed until just before the initial inflow into the secondary diffusion section 4 through the mixing device 31.

혼합장치(31)는 중심부가 관통되어 있고, 외곽 부분이 기어 모양으로 가공되어 중심부를 통과하는 가스와 기어 모양의 바깥쪽을 통과하는 가스가 벤튜리 믹서 기능과 로브 믹서 기능의 조합 형태를 보이면서 완전 혼합될 수 있도록 구성된 것으로, 본 발명에서는 양극(anode)에서 공급된 혼합가스(22)는 혼합장치(31)의 중심부를 통과하고, 공기(21)는 기어 모양의 바깥쪽으로 유입되면서 1차 혼합될 수 있도록 설계되었다. The mixing device 31 has a center portion penetrated, and the outer portion is processed into a gear shape so that the gas passing through the center portion and the gas passing through the outside portion of the gear form a combination of a venturi mixer function and a lobe mixer function. In the present invention, the mixed gas 22 supplied from the anode passes through the center of the mixing device 31, and the air 21 flows into the outside of the gear shape to be primarily mixed. It was designed to be.

도 2에서는 상기와 같은 원리를 갖는 본 발명에 따른 MCFC용 촉매연소장치의 혼합장치(31)에 대한 상세도 및 실제 제작된 혼합장치의 전경을 나타낸다. Figure 2 shows a detailed view of the mixing device 31 of the catalytic combustion device for MCFC according to the present invention having the principle as described above and the foreground of the actual production of the mixing device.

도시된 바와 같이 혼합장치(31)는 외부가 기어 모양으로 가공되어 있는 것을 확인할 수 있는데, 기어의 높이와 개수는 벤츄리 믹서 기능에 맞추어 공기(21)의 고속 흐름에 의하여 혼합가스(22) 라인에 흡입압력이 발생하도록 하고 동시에 로브 믹서 기능에 맞추어 혼합가스(22)와 공기(21)가 효과적으로 혼합되도록 선정하게 된다. As shown, the mixing device 31 can be seen that the outside is processed into a gear shape, the height and number of the gears to the mixed gas 22 line by the high-speed flow of air 21 in accordance with the Venturi mixer function The suction pressure is generated and at the same time, the mixed gas 22 and the air 21 are selected to be effectively mixed in accordance with the lobe mixer function.

또한 기어 산(32)의 형태는 축방향으로 각도(β)가 최소 0도보다 크고 최대 15도까지 편심되게 하여 혼합장치의 흐름 중에 선회 기능을 부가할 수 있다. 즉, 헬리컬 기어와 같은 나선형 원통기어 형태를 가진다. 상한치를 15도로 한정한 이유는 지나치게 이 각도가 크면 혼합가스 유동의 선속도 방향이 지나치게 좌,우로 흔들려 촉매연소에 부적합한 유동장이 형성될 수 있기 때문이다. The shape of the gear mountain 32 also allows the angle β in the axial direction to be greater than minimum 0 degrees and eccentric to a maximum of 15 degrees to add a turning function during the flow of the mixing device. That is, it has a spiral cylindrical gear like a helical gear. The reason for limiting the upper limit to 15 degrees is that if the angle is too large, the linear velocity direction of the mixed gas flow may fluctuate too much to the left and right to form a flow field unsuitable for catalytic combustion.

상기의 혼합장치(31)를 통과한 혼합가스(22)와 공기(21)는 2차혼합확산구간부(4)에 유입되면서 초기 1차혼합이 진행된다. 그러므로 1차혼합이 시작되는 혼합장치(31) 끝단에서의 혼합도는 만족할 정도의 균일 혼합을 기대하기 힘들며, 공기(21)에 대한 혼합가스(22) 농도가 중심부에 가장 크며, 관 외부에서 가장 작은 분포를 갖게 된다. 그러나 2차혼합확산구간부(4)를 진행하면서 혼합도는 점차적으로 향상되다가 촉매연소구간부(5)에 가까워질 수록 균일한 혼합도를 유지하게 된다. As the mixed gas 22 and the air 21 passing through the mixing device 31 enter the secondary mixing diffusion section 4, the initial primary mixing proceeds. Therefore, the degree of mixing at the end of the mixing device 31 where the primary mixing starts is difficult to expect a satisfactory uniform mixing, the concentration of the mixed gas 22 to the air 21 is the largest in the center, the most outside the tube It has a small distribution. However, as the secondary mixing diffusion section 4 proceeds, the mixing degree gradually improves, and as the closer to the catalytic combustion section 5, the uniform mixing degree is maintained.

혼합가스(22)와 공기(21)는 2차혼합확산구간부(4)를 통과하면서 그 혼합도가 크게 향상되는데, 이렇게 균일하게 혼합된 가스는 촉매층(51)이 장착된 촉매연소구 간부(5)를 통과하면서 혼합가스(22) 중에 포함된 가연성 가스들(수소, 일산화탄소)이 완전 연소된다. While the mixed gas 22 and the air 21 pass through the secondary mixed diffusion section 4, the degree of mixing is greatly improved. The uniformly mixed gas includes the catalyst burner section equipped with the catalyst layer 51 ( While passing through 5), combustible gases (hydrogen, carbon monoxide) contained in the mixed gas 22 are completely burned.

본 발명에서 사용된 촉매층(51)의 형태는 도 1에서 도시된 것과 같이 하니컴 구조나 폼 구조를 갖는 다공성 촉매층이 사각 또는 원형의 외형을 가지는 프레임에 설치되도록 하며, 재질도 금속과 세라믹 재질을 모두 사용할 수 있는 것을 특징으로 한다. The shape of the catalyst layer 51 used in the present invention is such that the porous catalyst layer having a honeycomb structure or a foam structure as shown in FIG. 1 is installed in a frame having a square or circular shape, and the material is made of both metal and ceramic materials. It can be used.

촉매층에 사용되는 촉매로는 수소와 일산화탄소의 산화반응에 탁월한 성능을 발휘하는 귀금속 촉매인 백금(Pt) 촉매를 기본으로 하며, 부생가스의 성분에 따라 팔라듐(Pd)이 부분적으로 참가된 이원촉매를 사용할 수 있도록 하였다. 이원촉매일 경우 백금에 대한 팔라듐의 함유양은 10 ~ 50wt%로 한다. 수치한정의 이유는 10보다 적으면 효과가 미미하여 첨가 의미가 없고, 50보다 크면 백금촉매의 성능을 떨어뜨리기 때문이다.The catalyst used in the catalyst layer is based on a platinum (Pt) catalyst, a noble metal catalyst that exhibits excellent performance in the oxidation reaction between hydrogen and carbon monoxide, and is based on a binary catalyst in which palladium (Pd) is partially added depending on the components of by-product gas. It can be used. In the case of binary catalysts, the palladium content in platinum is 10 to 50wt%. The reason for the numerical limitation is that if it is less than 10, the effect is insignificant and there is no added meaning, and if it is larger than 50, the performance of the platinum catalyst is degraded.

세라믹 하니컴이나 금속 지지체에 대한 촉매의 담지량은 0.5~ 2 wt%로 하였다. 이와 같이 수치 한정한 이유는 촉매량이 상한치보다 너무 많으면 단가가 많이 올라갈 뿐 아니라, 반응성이 너무 좋아져 오히려 나쁜 영향을 미치기 때문이고, 반대로 촉매량이 너무 적으면 활성이 너무 나빠 미연소되는 현상이 발생할 수 있기때문이다. 따라서 상기 범위가 본 발명에서는 가장 적합하다. The amount of the catalyst supported on the ceramic honeycomb or the metal support was 0.5 to 2 wt%. The reason for the numerical limitation is that if the amount of the catalyst is too large, the unit price increases not only, but also the reactivity is too good, and thus adversely affects. On the contrary, if the amount of the catalyst is too small, the activity may be so bad that unburned phenomenon may occur. Because. Therefore, the above range is most suitable in the present invention.

도 3은 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 하나의 실시예로서 촉매연소 시험을 위해 제작된 장치에 대한 전체 공정도를 나타낸다. Figure 3 shows an overall process diagram for the apparatus produced for the catalytic combustion test as an embodiment of the catalytic combustion device for MCFC manufactured according to the present invention.

촉매연소 시험 장치에서는 실제 운전되는 MCFC 시스템의 양극(anode)측에서 배출되는 부생가스와 동일 조건으로, 수소(74), 일산화탄소(75), 이산화탄소(76) 가스가 각각 공급되며, 각각의 가스는 유량계(77~79)에 의해 제어되도록 설계되었다. 이때 이산화탄소(76)는 액체 이산화탄소(76)를 사용하여 가열식 기화기(80)에 의해 기화시켜 공급하는 방식을 채택하였다. 상기와 같이 각각 공급된 가스는 스태틱 믹서(static mixer, 67)에 의해 완전 혼합되며, 유량계(65)에 의해 최종 제어된다. 이렇게 공급된 혼합가스(22)는 제1열교환기(84)에 의해 온도가 최대 600도까지 가열되어 최종 촉매연소 장치(1)로 공급된다. 제1열교환기(84)의 열교환을 위해 필요한 열은 버너(83)에 의해 발생되는데, 버너(83)는 공기가 자동 공급되는 LPG(81)를 연료로 사용하는 버너를 사용하였다. 또한 양극(anode) 측 혼합가스 중 수증기 성분은 별도로 과열 증기 보일러(89)를 사용하여 공급하였다. 공기는 공기 송풍기(61)에 의해 공급되고, 유량계(64)에 의해 제어되는데, 촉매연소장치(1)로 최종 공급되는 공기의 온도 조건을 유지하기 위해 제2열교환기(85)가 설치되었다. 제2열교환기(85)에 필요한 열은 버너(83)에서 바이패스(by-pass)되는 열량과 제1열교환기(84)에서 남은 열량으로 공급하였다. In the catalytic combustion test apparatus, hydrogen 74, carbon monoxide 75, and carbon dioxide 76 gas are supplied under the same conditions as by-product gas discharged from the anode side of the MCFC system which is actually operated. Designed to be controlled by flowmeters 77-79. In this case, the carbon dioxide 76 is vaporized by the heated vaporizer 80 using the liquid carbon dioxide 76 is adopted. The gas supplied as above is completely mixed by the static mixer 67 and finally controlled by the flowmeter 65. The mixed gas 22 thus supplied is heated to a maximum temperature of 600 degrees by the first heat exchanger 84 and supplied to the final catalytic combustion device 1. The heat necessary for heat exchange of the first heat exchanger 84 is generated by the burner 83, and the burner 83 uses a burner that uses LPG 81, which is automatically supplied with air, as a fuel. In addition, the water vapor component in the anode side mixed gas was separately supplied using a superheated steam boiler (89). Air is supplied by the air blower 61 and controlled by the flow meter 64, in which a second heat exchanger 85 is installed to maintain the temperature conditions of the air finally supplied to the catalytic combustion device 1. The heat required for the second heat exchanger 85 was supplied by the amount of heat bypassed in the burner 83 and the amount of heat remaining in the first heat exchanger 84.

상기와 같이 공급된 각각의 가스와 공기들은 최종적으로 밸브(68)들에 의해 제어되며, 촉매연소장치(1)의 촉매층(51)에서 연소되는 상황은 촉매층과 평행하게 설치된 관측창(86)에 의해 관찰하였다.Each of the gas and air supplied as described above is finally controlled by the valves 68, and the situation in which the combustion in the catalyst layer 51 of the catalytic combustion device 1 is carried out in the observation window 86 installed in parallel with the catalyst layer. Was observed.

도 3에서 미설명 부호 66은 압력계이고, 69는 샘플링구멍이고, 87은 보일러 용 LPG이고, 88은 보일러용 LPG 유량계이고, 90은 물 유량계이고, 91은 열전대이다.(열전대는 도면에서 점으로 표시된 다수개임)In Fig. 3, reference numeral 66 is a pressure gauge, 69 is a sampling hole, 87 is LPG for a boiler, 88 is a LPG flow meter for a boiler, 90 is a water flow meter, and 91 is a thermocouple. Many)

도 4는 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 하나의 실시 예로서, 촉매연소 시험 결과, 시스템의 각 부분별 온도분포를 나타낸다. Figure 4 is an embodiment of the catalytic combustion device for MCFC manufactured according to the present invention, the results of catalytic combustion test, shows the temperature distribution for each part of the system.

도면에서 X축의 "1" 단계는 이산화탄소만 18 m3/h 공급하면서 운전하였을 경우의 온도 분포를 나타낸다. 이 상태에서 스팀은 아직 공급되지 않기 때문에 상온으로 측정되었다. 공기 입구측(제2열교환기 출구)의 온도는 150도 내외, anode 부생가스 입구측(제1열교환기 출구)의 온도는 550도 내외, 촉매층 전단 및 후단의 온도는 각각 270도와 250도로 나타났다. In the figure, the "1" step on the X-axis shows the temperature distribution when the carbon dioxide was operated while supplying only 18 m 3 / h. In this state, steam was not supplied yet, so it was measured at room temperature. The temperature at the air inlet side (the second heat exchanger outlet) was about 150 degrees, the temperature at the anode by-product gas inlet side (the first heat exchanger outlet) was around 550 degrees, and the temperatures at the front and rear stages of the catalyst bed were 270 degrees and 250 degrees, respectively.

이 상태에서 보일러용 버너(89)를 작동하였을 경우 "2"단계, 증기 보일러 측의 온도가 600도에 가까운 온도를 나타낸 것으로 확인되었다. When the burner burner 89 was operated in this state, it was confirmed that the temperature of the steam boiler side showed a temperature close to 600 degrees in the "2" stage.

"3"단계에서 가연성 가스인 수소와 일산화탄소 각각 3.8 m3/h와 1.8 m3/h 공급해 주었을 경우, 촉매층 후단의 온도가 전단 온도보다 급격히 증가하여 550도에 가까운 온도 분포를 나타낸 것으로 측정되었다. 이러한 온도는 anode 측으로부터 공급되어진 혼합가스(22)의 온도와 비슷한 수준이다. When 3.8 m 3 / h and 1.8 m 3 / h of the combustible gases hydrogen and carbon monoxide were supplied in the step “3”, respectively, the temperature of the rear end of the catalyst layer increased rapidly than the shear temperature, indicating a temperature distribution close to 550 degrees. This temperature is comparable to the temperature of the mixed gas 22 supplied from the anode side.

다시 수소 양만 4.0 ~ 4.5 m3/h로 증가시켰을 경우 "4"단계로서, 촉매층 후단의 온도는 더 증가하여 650도를 나타내었다.When only the amount of hydrogen again increased to 4.0 ~ 4.5 m 3 / h as a "4" step, the temperature of the rear end of the catalyst layer was further increased to show 650 degrees.

도 5는 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 하나의 실시예로서, 촉매연소 시험 결과 공급되는 수소량에 따른 촉매연소의 실제 전경을 나타낸다.  FIG. 5 is an embodiment of a catalytic combustion device for MCFC manufactured according to the present invention, and shows an actual foreground of catalytic combustion according to the amount of hydrogen supplied as a result of catalytic combustion test.

도 5에서 (a)와 (b)는 각각 수소의 량이 2.0, 3.8 m3/h일 경우에 대한 결과로서, 양극(anode) 측의 나머지 가스인 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기와 공기의 량은 각각 18 m3/h, 1.8 m3/h, 1.6 m3/h, 100 m3/h로 같았다. 그림에서 가연성 가스의 촉매연소가 두 조건 모두에서 균일하게 발생하고 있는 것이 확인되었으며, 수소의 량에 따라 촉매연소에 의해 발열되는 정도의 차이를 확인할 수 있다. (A) and (b) in FIG. 5 are results for the case where the amount of hydrogen is 2.0 and 3.8 m 3 / h, respectively, and the amounts of carbon dioxide, carbon monoxide, water vapor and air, which are the remaining gases on the anode side, are respectively 18 equal to m 3 / h, 1.8 m 3 / h, 1.6 m 3 / h, 100 m 3 / h. In the figure, it was confirmed that the catalytic combustion of the combustible gas occurred uniformly under both conditions.

또한 촉매연소를 통하여 연소된 혼합가스를 분석한 결과, 수소와 일산화탄소 성분은 완전히 소각되어 전혀 검출되지 않았으며, 이는 촉매연소기의 본래 목적에 따라, 양극(anode) 측에서 배출된 가연 성분이 촉매층에서 완전 소각되어, 그 열이 상온에서 공급되는 공기의 온도를 승온시키는 데 이용되는 것을 확인하였다. In addition, as a result of analyzing the mixed gas combusted through the catalytic combustion, the hydrogen and carbon monoxide components were completely incinerated and thus were not detected at all. It was completely incinerated and confirmed that the heat was used to raise the temperature of the air supplied at room temperature.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.

도 1은 본 발명에 따른 MCFC용 촉매연소장치의 개략도와 장착된 촉매층의 구조도이고,1 is a schematic diagram of a catalytic combustion device for MCFC according to the present invention is a structural diagram of the catalyst layer mounted,

도 2는 본 발명에 따른 MCFC용 촉매연소장치의 혼합장치에 대한 상세도 및 실제 제작된 혼합장치를 보인 사시도이고,Figure 2 is a perspective view showing a detailed view of the mixing device and the actual production of the mixing device of the catalytic combustion device for MCFC according to the present invention,

도 3은 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 촉매 연소 시험 장치에 대한 전체 공정도이고,3 is an overall process diagram of a catalytic combustion test apparatus for a catalytic combustion device for MCFC manufactured according to the present invention,

도 4는 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 촉매연소 시험 결과 각 부분별 온도분포를 나타낸 그래프이고, Figure 4 is a graph showing the temperature distribution of each part of the catalytic combustion test results for the catalytic combustion device for MCFC produced according to the present invention,

도 5는 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 촉매연소 시험 결과 공급되는 수소량에 따른 촉매연소의 실제 전경을 나타낸 사진이다.Figure 5 is a photograph showing the actual foreground of the catalytic combustion according to the amount of hydrogen supplied as a result of the catalytic combustion test for the catalytic combustion device for MCFC produced in accordance with the present invention.

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

(1) : MCFC용 촉매연소장치 (2) : 가스공급구간부 (1): Catalytic combustion device for MCFC (2): Gas supply section

(3) : 혼합구간부 (4) : 2차혼합확산구간부 (3): Mixing section (4): Secondary mixing diffusion section

(5) : 촉매연소구간부 (21) : 공기 (5): catalytic combustion section 21: air

(22) : 혼합가스 (31) : 혼합장치 (22): mixed gas (31): mixing device

(32) : 기어 산 (52) : 프레임32: gear mountain 52: frame

(61) : 공기 공급용 송풍기 (64) : 공기 공급용 유량기 (61): Blower for air supply 64: Flow meter for air supply

(65) : 혼합가스 공급용 유량기 (66) : 압력계65: flow meter for mixed gas supply 66 pressure gauge

(67) : 스태틱 믹서(static mixer) (67): static mixer

(68) : 밸브 (69) : 샘플링 구멍68: valve 69: sampling hole

(74) : 수소가스 (75) : 일산화탄소가스 (74): hydrogen gas (75): carbon monoxide gas

(76) : 이산화탄소가스 (76): carbon dioxide gas

(77, 78, 79) : 혼합가스 유량계(수소, 일산화탄소, 이산화탄소 순) (77, 78, 79): Mixed gas flow meter (hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide)

(80) : 이산화타소 기화기 (81) : 버너용 LPG(80): Taso dioxide vaporizer (81): LPG for burner

(82) : 버너용 LPG 유량계 (83) : 버너 (82): LPG flowmeter for burner (83): Burner

(84) : 제 1열교환기 (85) : 제 2열교환기(84): first heat exchanger (85): second heat exchanger

(86) : 촉매연소 관측창 (87) : 보일러용 LPG(86): Catalytic combustion observation window (87): LPG for boiler

(88) : 보일러용 LPG 유량계 (89) : 증기 보일러(88): LPG flow meter for boiler (89): steam boiler

(90) : 물 유량계 (91) : 열전대90: water flow meter 91: thermocouple

Claims (7)

연료전지 스택의 양극(anode) 측에서 배출되는 부생가스와 외부로부터 공급되는 공기를 혼합후 연소시키는 MCFC용 촉매연소 장치에 있어서,In the catalytic combustion device for MCFC for mixing and burning by-product gas discharged from the anode side of the fuel cell stack and air supplied from the outside, 양극(anode)측 출구의 혼합가스와 공기가 별도로 분리되어 공급되는 유로를 가지는 가스공급구간부와;  A gas supply section having a flow path through which the mixed gas and air at the anode side outlet are separately supplied; 상기 공급된 혼합가스와 공기가 벤츄리 믹서 기능과 로브 믹서 기능을 혼합한 형태를 갖는 혼합장치가 설치되어 균일하게 혼합되도록 한 혼합구간부와; A mixing section configured to provide a mixing device having a form in which the supplied mixed gas and air are mixed with a venturi mixer function and a lobe mixer function to uniformly mix; 혼합구간부에서 1차 혼합되어진 혼합가스와 공기를 완전하게 균일한 유동장으로 촉매층으로 공급할 수 있도록 확산 구조의 관 형태로 이루어진 2차 혼합 확산구간부와;A secondary mixed diffusion section formed in a tubular shape of a diffusion structure to supply the mixed gas and air primarily mixed in the mixing section to the catalyst layer in a completely uniform flow field; 2차 혼합 확산구간부를 지난 농도가 균일하고, 유동분포도 균일한 혼합가스를 완전 연소시키는 연소용 촉매층이 설치된 촉매연소구간부로;로 구성되어 양극(anode)출구와 음극(cathode)입구 사이에 스택 직결형 방식으로 설치된 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치.It is composed of a catalytic combustion section which is equipped with a combustion catalyst layer for completely burning the mixed gas having a uniform concentration and uniform flow distribution after the secondary mixed diffusion section. It is composed of a direct connection between an anode outlet and a cathode inlet. Stack direct-attached catalytic combustion device for MCFC, characterized in that installed in the type system. 청구항 1에서,In claim 1, 상기 혼합장치는 중심부는 혼합가스가 통과하도록 뚫려 있고 바깥쪽은 공기가 통과하도록 다수의 기어산이 배열된 기어 모양의 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치.Wherein the mixing device is a stack direct connection type catalytic combustion device for MCFC, characterized in that the center is formed of a gear-like structure in which a plurality of gear mountains are arranged so that the mixed gas passes through the outside. 청구항 2에서,In claim 2, 상기 기어산의 각도는 유체 흐름방향(축방향)에서 회전방향으로 최소 0도 보다 크고 최대 15도로 하여 선회를 부가하도록 구성한 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치.The angle of the gear peak is larger than the minimum 0 degrees in the direction of rotation in the fluid flow direction (axial direction) and the stack direct connection type catalytic combustion device for MCFC, characterized in that configured to add a maximum of 15 degrees. 청구항 1에서,In claim 1, 상기 촉매연소 구간부에 설치된 촉매층은 세라믹 또는 금속재질의 다공성 구조를 갖는 하니컴 또는 폼구조체로 이루어지고, 그 외형은 사각 또는 원형의 프레임에 설치된 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치.The catalyst layer installed in the catalytic combustion section is made of a honeycomb or a foam structure having a porous structure of ceramic or metal material, the appearance is a direct stack type catalytic combustion device for MCFC, characterized in that installed in a square or circular frame. 청구항 4에서,In claim 4, 상기 세라믹 또는 금속재질의 다공성 구조를 갖는 하니컴 또는 폼구조체에 코팅되는 촉매는 귀금속 촉매인 백금(Pt)을 기본으로 하되, 혼합가스의 종류에 따라 팔라듐이 백금(Pd)에 대하여 첨가된 이원촉매를 사용하고, 코팅량은 0,5-2.0 wt%인 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치.The catalyst coated on the honeycomb or the foam structure having the porous structure of the ceramic or metal material is based on platinum (Pt), which is a precious metal catalyst, and palladium is added to the platinum (Pd) according to the type of mixed gas. And a coating amount of 0,5-2.0 wt%. 청구항 5에서,In claim 5, 상기 이온 촉매간의 조성비율은 백금에 대한 팔라듐의 성분이 10 ~ 50wt%인 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치.The composition ratio between the ionic catalyst is a stack direct connection type catalytic combustion device for MCFC, characterized in that the component of palladium to platinum 10 to 50wt%. 청구항 1에서,In claim 1, 상기 확산구간부(4)의 확산 구조가 가지는 각도(α)는 10 ~ 30도인 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치. Stack direct connection type catalytic combustion device for MCFC, characterized in that the angle (α) of the diffusion structure of the diffusion section (4) is 10 to 30 degrees.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101309932B1 (en) * 2010-12-28 2013-09-17 주식회사 포스코 Treatment device for exhaust gas of fuel cell
US10026976B2 (en) 2014-06-12 2018-07-17 Hyundai Motor Company Humidifier for fuel cell system
CN114122468A (en) * 2021-11-09 2022-03-01 中国科学院大连化学物理研究所 Catalytic combustion reactor for fuel cell system

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000274611A (en) 1999-03-26 2000-10-03 Hitachi Ltd Combustor
JP3918915B2 (en) 2001-11-30 2007-05-23 石川島播磨重工業株式会社 Fuel heating device and fuel processing device using the same
US20080075655A1 (en) 2006-09-21 2008-03-27 Lev Davydov Gas mixing device and methods of use

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101309932B1 (en) * 2010-12-28 2013-09-17 주식회사 포스코 Treatment device for exhaust gas of fuel cell
US10026976B2 (en) 2014-06-12 2018-07-17 Hyundai Motor Company Humidifier for fuel cell system
CN114122468A (en) * 2021-11-09 2022-03-01 中国科学院大连化学物理研究所 Catalytic combustion reactor for fuel cell system
CN114122468B (en) * 2021-11-09 2024-04-23 中国科学院大连化学物理研究所 Catalytic combustion reactor for fuel cell system

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