KR20150102835A - an integrated equipment of fuel processors and heat exchange units in the fuel cell systems and operating methods using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an integrated device for pre- and post-processing and heat exchange of a stack fuel, and to a method for operating the same and, more specifically, to a unit device, in which a stack discharge gas discharged from a fuel cell stack is treated, and a fuel fed to the fuel cell stack can be reformed by using the stack discharge gas. According to the present invention, the device, which performs fuel pre- and post-processing and heat exchange of a fuel cell, comprises: a first channel in which a stack discharge gas flows and is combusted by a combustion catalyst; and a second channel in which a fuel gas of a fuel cell stack flows in opposite to the stack discharge gas to be reformed by a reforming catalyst. Heat is exchanged between the first channel and the second channel.

Description

스텍 연료의 전후 처리 및 열교환을 위한 통합 장치 및 그 운전 방법{an integrated equipment of fuel processors and heat exchange units in the fuel cell systems and operating methods using the same}An integrated device for the post-treatment and heat exchange of stack fuel and a method of operating the fuel cell system,

본 발명은 스텍 연료의 전후 처리 및 열교환을 위한 통합 장치 및 그 운전 방법에관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 스텍에서 배출되는 스텍배출가스를 처리하고, 동시에 스텍배출가스를 이용하여 연료전지스텍으로 유입되는 연료를 개질할 수 있는 단위 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an integrated device for post-treatment and heat exchange of stack fuel and a method of operating the same, and more particularly, to an integrated device for treating stack exhaust gas discharged from a fuel cell stack and at the same time, To a unit device capable of reforming an incoming fuel.

연료전지는 연료를 산소와 연소하여 생기는 화학적 에너지를 직접 전기로 변환시키는 장치이며, 많은 경우 수소를 연료로서 사용하고 있다.
Fuel cells are devices that convert chemical energy generated by burning fuel with oxygen directly into electricity. In many cases, hydrogen is used as fuel.

H2 + O2 →? H2O???????????? (전기 및 열 발생)
H 2 + O 2 ? H 2 O ??????????????????????? (Electricity and heat generation)

연료전지는 음극 (연료극, anode), 전해질(electrolyte), 양극(공기극, cathode)로 구성된 단위 cell을 적층한 스텍에서 양극에는 공기를 음극에는 수소 함유 가스를 도입하면 반응하여 전기와 열이 발생된다.? Fuel cells are produced by stacking unit cells consisting of a cathode (anode, anode), an electrolyte, and an anode (cathode, cathode). When air is introduced into the anode and hydrogen containing gas is introduced into the cathode, electricity and heat are generated .?

대표적으로 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 인산형 연료전지 (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell)는 백금 촉매를 전극에 사용하고 각각 80℃ 및 180℃ 정도의 저온에서 운전되며, 탄산염 연료전지 (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)와 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 각각 금속과 금속산화물을 전극으로 사용하고 650℃와 700∼800℃ 범위의 고온에서 운전된다. Typically, a PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) and a PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) are operated at a low temperature of about 80 ° C. and 180 ° C., respectively, Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) and Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) are operated at 650 ℃ and 700 ~ 800 ℃, respectively, using metal and metal oxide as electrodes.

연료전지의 스텍에서 배출되는 배출가스에 포함된 열을 효과적으로 사용하여 연료전지의 효율을 높이고자 하는 시도들이 이루어지고 있지만, 저온에서 운전되는 연료전지의 경우 배출되는 온도가 낮다는 문제가 있다. Attempts have been made to increase the efficiency of the fuel cell by effectively using the heat contained in the exhaust gas discharged from the stack of the fuel cell. However, the fuel cell operated at a low temperature has a problem that the discharged temperature is low.

또한, 연료전지의 연료가스의 개질반응이 필요한데, 개질 반응의 온도가 너무 높아 스텍 배출가스를 사용하기 어렵다는 문제가 있다. 이에 따라, 개질반응을 스텍과 일체화시켜, 스텍에서 발생하는 열을 이용하는 방식이 개발되고 있지만, 이로 인해 스텍의 안정적인 운전이 어려워지며, 장치가 복잡해지는 문제가 있다. Further, a reforming reaction of the fuel gas of the fuel cell is required, but the temperature of the reforming reaction is too high, which makes it difficult to use the stack exhaust gas. Accordingly, a method of integrating the reforming reaction with the stack and using heat generated from the stack has been developed. However, this makes it difficult to stably operate the stack, and the apparatus becomes complicated.

따라서, 연료전지의 스텍에서 배출되는 배출가스를 이용하여 개질의 열원으로 사용할 수 있는 단위 장치에 대한 요구가 계속되고 있다. Accordingly, there is a continuing need for a unit device that can be used as a heat source for reforming by using the exhaust gas discharged from the fuel cell stack.

본원 발명에서 해결하고자 하는 과제는 스텍배출가스를 원료가스 개질 반응의 열원으로 사용할 수 있는 장치를 제공하는 것이다. ‘A problem to be solved by the present invention is to provide an apparatus capable of using stack exhaust gas as a heat source for a raw material gas reforming reaction. '

본원 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 스텍배출가스를 원료가스 개질반응의 열원으로 사용할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method of using stack exhaust gas as a heat source for a raw material gas reforming reaction.

본원 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 스텍배출가스의 처리와 원료가스 개질반응이 동시에 일어날 수 있는 새로운 통합형 단위 장치를 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a new integrated unit device in which the treatment of stack exhaust gas and the reforming reaction of raw material gas can occur at the same time.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 연료전지의 연료 전후처리 및 열교환이 이루어지는 장치로서, 스텍 배출가스가 흐르면서 연소촉매에 의해 연소되는 제1 채널과, 연료전지 스텍의 연료가스가 상기 스텍 배출가스와 반대로 흐르면서 개질촉매에 의해 개질되는 제2 채널을 포함하고, 상기 제1 채널의 연소된 스텍배출가스가 상기 제2 채널의 개질반응에 열을 공급하는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for performing fuel back and front heat treatment and heat exchange in a fuel cell. The apparatus includes a first channel that is combusted by a combustion catalyst while flowing a stack exhaust gas, And a second channel that is modified by a reforming catalyst while flowing opposite to the exhaust gas, wherein the burned stack exhaust gas of the first channel supplies heat to the reforming reaction of the second channel.

본 발명은 일 측면에 있어서, 제1 채널을 통해서 스텍배출가스를 흘리면서, 스텍 배출가스를 개질된 연소가스와 열교환하여 가열하고, 가열된 스텍배출가스를 연소시켜 승온시키며, 승온된 스텍배출가스를 개질전 연소가스와 열교환하여 냉각시켜 배출하고, 제2 채널을 통해서 연료가스를 스텍 배출가스와 반대로 흘리면서, 개질 전 연료가스를 연소된 스텍 배출가스와 열교환하여 가열하고, 가열된 연료가스를 개질하고, 개질된 연료가스를 연소 전 스택배출가스와 열교환하여 냉각시켜 연료전지의 연료극으로 보내는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다. In one aspect, the present invention provides a method of heating a stack exhaust gas by heat-exchanging a stack exhaust gas with a reformed combustion gas while flowing a stack exhaust gas through a first channel, burning a heated stack exhaust gas to raise the temperature, Reforming the fuel gas by heat exchange with the burned stack exhaust gas while flowing the fuel gas through the second channel as opposed to the stack exhaust gas while heating the fuel gas by heat exchange with the combustion gas before reforming and modifying the heated fuel gas , The reformed fuel gas is heat-exchanged with the stack exhaust gas before the combustion, cooled, and sent to the fuel electrode of the fuel cell.

본 발명에 있어서, 연료전지는 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 인산형 연료전지 (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell)와 같은 저온형 연료전지와 탄산염 연료전지 (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)와 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)와 같은 고온형 연료전지를 사용할 수 있다. In the present invention, the fuel cell includes a low temperature type fuel cell such as a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) and a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a carbonate fuel cell (MCFC, Molten Carbonate Fuel Temperature type fuel cells such as a solid oxide fuel cell (SOFC) and a solid oxide fuel cell (SOFC).

본 발명에 있어서, 연료전지에서 공기극의 원료인 공기는 전체적인 장치의 단순화를 위해서, 제3 채널을 통해서 상기 스텍 배출가스와 반대로 흐르면서 연소된 스텍배출가스에 의해서 가열되고, 연소 전 스텍 배출가스를 냉각시키면서 적절한 온도로 냉각되어 스텍의 공기극으로 공급되는 것이 바람직하다.In the present invention, in the fuel cell, air as a raw material of the air electrode in the fuel cell is heated by the stack exhaust gas that is burned while flowing in the direction opposite to the stack exhaust gas through the third channel for the sake of simplification of the whole apparatus, It is cooled to an appropriate temperature and supplied to the air electrode of the stack.

이론적으로 한정된 것은 아니지만, 스택의 양극 및 음극에서 배출되는 가스 혼합물인 스텍 배출가스는 스텍으로 유입되는 공기 및 연료가스와 열용량이 비슷하고, 스텍 배출가스를 대기로 배출하기 위해 냉각 시 발생하는 열량과 스텍으로 유입되는 공기 및 연료가스를 스텍 온도까지의 승온에 필요한 열량이 비슷하며, 또한 연료가스의 개질에 흡열되는 열량과 스텍 배출가스 중의 미 반응 잔류 수소(통상 약 20%)의 연소에 의한 발생열도 비슷하여, 상기 두 종류의 가스 사이에 열교환이 이루어지면 열 밸런스가 맞아 추가 연료의 사용이 최소화 될 수 있게 된다. Theoretically, though not exclusively, stack exhaust gas, which is a gas mixture discharged from the anode and cathode of the stack, has a heat capacity similar to that of air and fuel gas introduced into the stack, and the amount of heat generated during cooling The amount of heat required to raise the temperature of the air and the fuel gas flowing into the stack to the stack temperature is similar, and also the amount of heat absorbed by the reforming of the fuel gas and the combustion of unreacted residual hydrogen (usually about 20% Heat is similar so that heat exchange between the two types of gases can be balanced by the heat balance, minimizing the use of additional fuel.

본 발명에 있어서, 상기 제1 채널에는 유입된 스텍배출가스가 개질된 연료가스에 의해 가열되는 제1 가열부와, 가열된 스텍배출가스가 연소 촉매에 의해 연소되는 연소부와, 및 연소된 스텍배출가스가 연료가스를 가열하면서 냉각되는 제1 냉각부가 차례로 존재하여, 스텍배출가스는 가열, 연소, 및 냉각 과정을 거쳐 외부로 배출된다. In the present invention, the first channel may include a first heating part heated by the reformed fuel gas, and a combustion part burning the heated stack exhaust gas by the combustion catalyst, There is in turn a first cooling portion where the exhaust gas is cooled while heating the fuel gas, and the stack exhaust gas is discharged to the outside through heating, combustion, and cooling processes.

본 발명에서는 Pt, Pd, Ru, Os, Ir등 연소 활성이 높은 촉매를 사용하며, 스텍에서In the present invention, a catalyst having high combustion activity such as Pt, Pd, Ru, Os, and Ir is used,

발생하는 배출가스를 하기와 같이 반응시켜 발열 반응을 유도하게 된다.The generated exhaust gas is reacted as follows to induce an exothermic reaction.

CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2 (-210kcal/mol) CH 4 + 2O 2 ? 2H 2 O + CO 2 (-210 kcal / mol)

CO + 1/2O2 → CO2 (-94kcal/mol)CO + 1 / 2O 2 - > CO 2 (-94 kcal / mol)

H2 + 1/2O2 → H2O (-58kcal/mol)H 2 + 1 / 2O 2 - > H 2 O (-58 kcal / mol)

이때, 상기 연소된 스텍 배출 가스의 온도는 개질 반응 온도보다 높은 것이 바람직하다. 스텍배출가스에 포함된 미반응 연료의 연소에 의해서 개질 반응 온도 이상으로 승온되지 않을 경우, 스텍배출가스에 추가 연료를 혼합하여 연소시킬 수 있다. 상기 추가 연료는 상기 제1 가열부의 벽면에 형성된 구멍을 통해서 투입하여 혼합할 수 있다. 또한, 상기 연소부는 열손실에 의해서 연소 온도가 낮아지는 것을 방지할 수 있도록 주변을 단열처리하는 것이 바람직하다. At this time, the temperature of the burned stack exhaust gas is preferably higher than the reforming reaction temperature. When the unreacted fuel contained in the stack exhaust gas is not heated to a temperature higher than the reforming reaction temperature, additional fuel may be mixed and combusted with the stack exhaust gas. The additional fuel may be injected and mixed through a hole formed in the wall surface of the first heating part. In addition, it is preferable that the combustion portion is subjected to heat insulation treatment so as to prevent the combustion temperature from being lowered due to heat loss.

본 발명에 있어서, 상기 제2 채널에는 연소된 스텍배출가스에 의해서 가열되는 가열되는 제2 가열부와, 가열된 연료가스가 개질 촉매에 의해 개질되는 개질부와, 개질된 연료가스가 스텍배출가스를 가열하면서 냉각되는 제2 냉각부가 차례로 존재하며, 연료가스는 가열, 개질, 및 냉각 과정을 거쳐 연료전지의 연료극으로 유출된다.In the present invention, the second channel is provided with a second heated portion heated by the burned stack exhaust gas, a reforming portion in which the heated fuel gas is reformed by the reforming catalyst, And the fuel gas flows out to the fuel electrode of the fuel cell through heating, reforming, and cooling processes.

본 발명에 있어서, 상기 제2 채널로 유입되어 흐르는 연료가스는 수증기와 함께 CO, CH4, LNG, LPG, CH3OH, diesel, bio gas, coal gas 등을 다양하게 사용될 수 있으며, 바람직하게는 메탄을 사용할 수 있다. 발명의 실시에 있어서, 상기 제2 채널의 입구에서 투입된 물이 가열되어 수증기로 변환되고, 상기 메탄은 별도의 채널 벽면의 메탄 투입구를 통해서 제2 채널로 유입되어 수증기와 혼합된다. In the present invention, the first fuel gas flow is introduced into the second channel may be variously used together with the steam CO, CH 4, LNG, LPG, CH 3 OH, diesel, bio gas, coal gas, etc., preferably Methane can be used. In the practice of the present invention, the water introduced at the inlet of the second channel is heated and converted into water vapor, and the methane flows into the second channel through the methane inlet of the separate channel wall surface and is mixed with the water vapor.

또한, 상기 물은 증발시 맥동(pulsation)을 막기 위해 물이 있는 하부에 걸쳐서 고표면적의 다공성의 볼을 채우거나 또는 모세관으로 된 심지를 세워서 물이 모세관 현상으로 채널 내로 빨려 올라가 증발하도록 하는 것이 바람직하다. In addition, it is preferable that the water is filled with a high surface area porous ball over the lower part of the water to prevent pulsation during evaporation, or a capillary wick is set up so that water is sucked into the channel by capillary action and evaporated Do.

상기 연료가스는 연소되어 제1 채널로부터 연전달에 의해서 가열되며, 연소된 스택배출가스와 반대방향으로 흐르면서 개질 반응이 가능한 온도까지 승온된다. 승온된 연료가스는 하기 반응식에 의해서 개질된다. The fuel gas is burned and heated by soft transfer from the first channel and is heated to a temperature allowing reforming reaction while flowing in a direction opposite to the burned stack exhaust gas. The heated fuel gas is reformed by the following reaction formula.

CH4 + H2O → CO + 3H2??????????? (steam reforming) CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ?????????????? (steam reforming)

개질반응은 보통 H2O/CH4 비율 2∼6, 촉매층 공간 속도 (GHSV) 2,000∼7,000 hr-1, 촉매층 온도는 600∼900℃ 정도에서 가동되며 흡열반응으로 많은 반응열 (약 41kcal/mol-CH4)이 필요하다. The reforming reaction usually operates at a H 2 O / CH 4 ratio of 2 to 6, a catalyst bed space velocity (GHSV) of 2,000 to 7,000 hr -1 , a catalyst bed temperature of about 600 to 900 ° C., CH 4 ) is required.

개질된 연료가스는 연료전지 스텍의 운전온도에 따라 스텍배출가스와 반대로 흐르면서 열을 공급하여 냉각되고, 필요시 추가 반응이 이루어진다. 예를 들어, 저온형 인산형 연료전지는 개질된 가스에 잔류하는 CO에 의한 백금 전극 촉매의 피독을 막기 위해 CO를 추가로 수소로 전환하는 Water gas shift reaction을 시켜 CO 농도를 1,000ppm 이하로 유지시켜 음극에 공급한다.The reformed fuel gas is cooled by supplying heat while flowing in reverse to the stack exhaust gas according to the operating temperature of the fuel cell stack, and further reaction is performed, if necessary. For example, in a low temperature phosphoric acid type fuel cell, to prevent poisoning of the platinum electrode catalyst due to CO remaining in the reformed gas, a CO gas is further subjected to a water gas shift reaction to convert the CO into hydrogen to maintain the CO concentration at 1,000 ppm or less To the cathode.

?????CO + H2O → CO2 + H2??????????? (water gas shift reaction) CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ????????????? (water gas shift reaction)

상기 반응은 약한 발열반응 (9.4 kcal/mol)으로 촉매 존재 하에 350℃의 고온에서 시작하여 200℃ 저온으로 내리면서 열역학적인 전환율을 극대화 한다.?The reaction starts with a weak exothermic reaction (9.4 kcal / mol) at a high temperature of 350 ° C in the presence of a catalyst and falls to a low temperature of 200 ° C, maximizing the thermodynamic conversion.

또한, 인산형 보다 더 저온에서 운전되는 고분자 연료전지는 음극 내 CO의 허용치가 10ppm 이하이기 때문 추가로 CO를 산소에 의해 촉매 존재 하에서 선별산화 (Preferential oxidation; PROX) 시켜서 CO2로 전환한 후 음극에 도입하게 된다.? Further, since the polymer fuel cell operating at a lower temperature than the phosphoric acid type has the allowable value of CO in the anode of 10 ppm or less, CO is further converted to CO 2 by preferential oxidation (PROX) in the presence of a catalyst by oxygen, .

CO + O2 → CO2????????????????????? (PROX reaction) CO + O 2 → CO 2 ?????????????????????????????????????????? (PROX reaction)

상기 반응은 약한 발열 반응 (66.3 Kcal/mol)이나 반응물에 다량으로 존재하는 수소의 산화를 막기 위해 운전 온도 범위가 좁고 200oC 이하에서 바람직하게는 150oC 정도에서 반응시키는 것이 좋다.?The reaction is preferably carried out at a temperature of less than 200 ° C and preferably at about 150 ° C in order to prevent the oxidation of hydrogen present in the exothermic reaction (66.3 Kcal / mol) or a large amount of hydrogen in the reaction product.

본 발명에 있어서, 공기가 흐르는 상기 제3 채널에는 연소된 스텍배출가스에 의해서 가열되는 제3 가열부와, 가열된 공기가 연소 전 스텍배출가스를 가열하면서 냉각되는 제3 냉각부가 차례로 존재하며, 상기 공기는 가열 및 냉각 과정을 거쳐서 연료전지의 공기극으로 유출된다. In the present invention, the third channel through which the air flows has a third heating part heated by the burned stack exhaust gas, and a third cooling part where the heated air is cooled while heating the stack exhaust gas, The air flows out to the air electrode of the fuel cell through heating and cooling processes.

본 발명에 있어서, 상기 통합 장치는 열교환기의 서로 다른 채널 내부에 연소 촉매와 개질 촉매를 각각 설치하여 반응과 함께 열교환이 일어나도록 구현된다. 열교환기는 향류식 열교환기를 사용할 수 있으며, 쉘앤튜브(shell and tube)형 열교환기나 판형 열교환기를 사용할 수 있다. In the present invention, the integrated device is installed such that a combustion catalyst and a reforming catalyst are installed in different channels of the heat exchanger, respectively, and heat exchange occurs together with the reaction. The heat exchanger may use a countercurrent heat exchanger, and a shell and tube type heat exchanger or a plate type heat exchanger may be used.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 제1 채널은 쉘앤튜브(shell and tube)형 열교환기의 튜브 채널 또는 판형 열교환기의 홀수 채널이며, 쉘앤튜브(shell and tube)형 열교환기의 쉘 채널 또는 판형 열교환기의 짝수 채널은 길이 방향으로 두 개로 분할되어, 하나는 제2 채널, 다른 하나는 제3 채널을 이루게 된다. 촉매들은 압력손실을 최소화할 수 있도록 채널 내벽에 피복되거나 주름판형의 와이어 매쉬 또는 매트에 피복되어 장착된다. In an embodiment of the present invention, the first channel is an odd channel of a tube channel of a shell and tube type heat exchanger or an odd channel of a plate type heat exchanger, and the shell channel of the shell and tube type heat exchanger, The odd-numbered channels of the group are divided into two in the longitudinal direction, one of which is the second channel and the other is the third channel. The catalysts are mounted on the inner wall of the channel so as to minimize the pressure loss, or they are coated and coated on a corrugated wire mesh or mat.

본 발명의 실시에 있어서, 종래의 연료전지들에 있어서 연료의 전후처리, 가열 및 냉각과 열 교환을 위해 여러 개의 반응기와 열교환기를 연결 복잡하게 설치하고 운전하는 방법의 문제점을 해결하고 하나의 통합된 장치에서 추가 외부 열원의 공급이 없거나 최소한의 추가 공급을 이루기 위해서, 길이가 긴 열교환기 (튜브형이나 평판형 어느 것도 상관 없음)에서 한 쪽 (예로 튜브 쪽이나 홀수번 평판 체널)은 스텍 배출가스를 흘리고 다른 쪽 (shell side나 짝수 번 평판 체널)은 공기와 연료가스의 열용량에 비래하여 길이 방향으로 양분한 후 공기와 연료가스를 별도로 흘리되 스텍 배출가스와 반대 방향인 counter current로 흘리면서 스택 배출가스 기준 연소 촉매 장착 지점의 직전까지는 스텍 배출가스는 가열되고 공기 및 연료가스는 냉각되며 촉매 연소 후에는 스텍 배출가스의 온도가 200oC 이상 증가하여 열전달 방향이 바뀌어 스택 배가스는 냉각되어 대기로 배출되고 반대로 유입되는 공기 및 연료가스는 가열되어 최대 개질반응 온도까지 승온시켜 연료가스의 개질 반응을 수행한 직후 다시 두 가스는 냉각되어 스텍에 도입될 수 있는 조건으로 온도가 자연스럽게 떨어지게 된다. In the practice of the present invention, in the conventional fuel cells, a problem of a method of complicatedly installing and operating a plurality of reactors and a heat exchanger for fuel back-and-forth processing, heating and cooling, and heat exchange is solved, In order for the device to have no additional external heat source supply or to achieve the minimum additional supply, one side (eg, tube or odd numbered plate channel) of the long heat exchanger (tubular or plate type) On the other side (shell side or even numbered flat channel), the air and the fuel gas are separately flowed in the longitudinal direction along the heat capacity of the air and the fuel gas. While flowing in counter current opposite to the stack exhaust gas, Up to just before the combustion catalyst mount point, stack exhaust gas is heated, air and fuel gas are cooled, There was heated is the heat transfer direction changed is stack-gas is cooled exhaust is opposed to the air and the fuel gas is heated flowing in the air, the temperature of the stack gas emissions increase by more than 200 o C up to the reforming reaction temperature to perform the reforming reaction of the fuel gas Immediately afterwards, both gases cool down and the temperature naturally falls under conditions that can be introduced into the stack.

또한 연료가스의 수소 순도를 더 높이려면 해당 되는 저온 지점에 순차적으로 WGS 반응용 촉매 및 PROX 반응용 촉매를 장착하여 자연스럽게 CO 제거 반응을 수행할 수가 있다. Further, in order to further increase the hydrogen purity of the fuel gas, the WGS reaction catalyst and the PROX reaction catalyst are sequentially installed at the corresponding low temperature point, so that the CO elimination reaction can be performed naturally.

열 교환기형 통합 장치(Heat recovery unit; HRU)는, 기존의 연료 전후처리용 반응기들과 냉각-가열에 필요한 열회수 장치들이 하나로 통합되어 장치가 간단하면서도 에너지 손실을 최소화 할 수 있는 새로운 개념의 장치로서, 기존의 고정층 촉매 반응기들과 열교환기들의 복잡다단한 조합으로 구성된 설비에 비해, 장치가 간단하고 해당 설비의 부피가 대폭 축소되며 일반 고정층 촉매 반응기에서 수반되는 반응기 내 온도 구배가 없어서 장치의 대형화도 쉽고, 또한 열 공급 및 수급 절차가 공정별로 적재 적소에서 균형을 이루어 열 낭비가 최소화되기 때문에 최종적으로 전체 연료전지시스템의 에너지 효율을 증대시키는 수단을 제공함과 동시에 부품이 단순화 되어 제조 단가를 줄이게 된다. The heat recovery unit (HRU) is a new concept device that simplifies the device and minimizes the energy loss by integrating the conventional heat exchangers for fuel pre- and post-treatment and the heat recovery devices for cooling-heating Compared with the existing complex systems of fixed bed catalyst reactors and heat exchangers, the apparatus is simple, the volume of the equipment is greatly reduced, and there is no temperature gradient in the reactor accompanied by a general fixed bed catalytic reactor, The heat supply and the supply and demand procedures are balanced in the right place to minimize the waste of heat. Therefore, the fuel cell system finally provides a means for increasing the energy efficiency of the entire fuel cell system and simplifies parts and reduces the manufacturing cost.

원리를 설명하기 위해 tube and shell 형의 열교환기를 사용하여 스텍 온도가 가장 낮아서 열 교환이 어려운 고분자 연료전지의 경우에 대한 통합형 HRU 장치를 보여주는 도 1을 참조하면, 상기 도면은 열교환기를 펼쳐서 도식상으로 tube 쪽 체널공간과 Shell 쪽 체널 공간을 나타낸 것으로, 도면에서 보듯이 스텍으로부터 배출되는 가스는 열교환기의 튜브 쪽으로 상부에서 하부로 흘려보내게 되고, Shell 쪽 공간은 길이 방향으로 공기와 연료가스의 열용량 (유량 x 비열)에 비례하여 공간 (일 예로 튜브 갯수)를 양분하여 한쪽은 공기를 주입하고 다른 한쪽은 물과 연료가스를 주입하되 하부에서 상부로 스텍 배출가스와는 counter current 방향으로 흘리게 된다.? 이렇게 할 경우 스텍에서 나온 스텍 배출가스는 하향하면서 인접한 shell side의 공기와 연료가스로부터 열을 공급받아 가열되어 최대 530oC까지 온도가 상승하게 되어 촉매 연소의 발화점보다 온도가 높아지게 되면 체널 양면에 피복된 연소촉매에 의해 잔류 수소를 추가 연소하면 온도를 최대 약 780oC 까지 올리는 것이 가능하다. 그러나 이 온도로는 인접한 shell 쪽의 연료가스를 개질반응 온도까지 올리기가 쉽지 않으며 외부에서 추가로 연료를 도입하여 70∼100oC 정도 온도를 더 상승시켜 인접한 Shell side의 연료가스의 개질반응과 공기의 가열에 열을 공급하게 되고 이후로도 보다 저온의 공기와 연료가스에 열을 전달 공급하면서 최종적으로 120oC로 냉각되어 대기로 배출된다.? 한편 Shell side의 양분된 체널의 한쪽에는 공기가 다른 한쪽에는 물과 연료가스가 도입되어 상향류로 흐르면서 옆 체널의 하향류로 흐르는 보다 고온의 스텍 배가스로부터 열을 공급받아 개질온도까지 승온 된 후 연료가스는 체널 양면에 피복된 개질촉매에 의해 수소 농후 가스로 전환된다.? 개질반응 지점을 지난 연료가스와 공기는 옆 tube 쪽의 연소촉매 위치를 지나가게 되면 (스택 배출가스 흐름 기준 촉매 연소 전이므로) tube 속의 스텍 배출가스 온도가 200oC 이상 갑자기 하강하게 됨으로써 열 전달 방향이 역전되어, 스텍 배출가스는 흐르면서 열을 공급받아 발화점 이상으로 승온이 가능해지게 되고 공기 및 연료가스는 흐르면서 온도가 지속적으로 냉각된다.? 따라서 연료가스는 개질반응 후 순차적으로 보다 저온부의 체널 양면에 WGS 촉매 (350∼200oC) 및 PROX 반응용 촉매 (200∼150oC)를 피복하여 CO를 감소시키고 보다 순수한 수소를 얻는 후 스텍의 음극에 도입하는 것이 가능하다.? Referring to FIG. 1, which illustrates an integrated HRU apparatus for a polymer fuel cell having a lowest stack temperature and difficult to heat-exchange using a tube and shell type heat exchanger to illustrate the principle, the figure shows a heat exchanger As shown in the figure, the gas discharged from the stack flows from the upper side to the lower side of the tube of the heat exchanger, and the space on the side of the shell in the longitudinal direction shows the heat capacity of the air and the fuel gas (For example, the number of tubes) in proportion to the flow rate (specific flow rate and specific heat), while injecting air and water into one side and injecting water and fuel gas into the counter current direction from the lower side to the stack exhaust gas. ? In this case, the stack exhaust gas from the stack is downwardly heated by supplying heat from the air and fuel gas of the adjacent shell side, and the temperature rises to a maximum of 530 ° C. When the temperature becomes higher than the ignition point of the catalytic combustion, It is possible to raise the temperature up to about 780 o C by further burning the residual hydrogen by the burning catalyst. However, at this temperature, it is not easy to raise the fuel gas of the adjacent shell to the reforming reaction temperature, and further the fuel is introduced from the outside to raise the temperature of 70 to 100 ° C., And then the heat is transferred to the lower temperature air and the fuel gas, and finally cooled to 120 ° C and discharged to the atmosphere. On the other hand, air is supplied to one side of the channel side of the shell side, and water and fuel gas are introduced into the other side of the channel side, so that heat is supplied from the higher temperature stack exhaust gas flowing downward in the side channel, The gas is converted to hydrogen-rich gas by a reforming catalyst coated on both sides of the channel. When the fuel gas and air passing through the reforming reaction point pass through the position of the combustion catalyst on the side tube side (since it is before the catalytic combustion based on the stack exhaust gas flow), the temperature of the stack exhaust gas in the tube suddenly drops below 200 o C, The stack exhaust gas is supplied with heat and can be heated to a temperature higher than the ignition point, and the temperature and the temperature are continuously cooled as the air and the fuel gas flow. Therefore, after the reforming reaction, the fuel gas is continuously supplied to both sides of the channel of the low temperature part by coating the WGS catalyst (350 to 200 ° C) and the PROX reaction catalyst (200 to 150 ° C) Can be introduced into the negative electrode of the battery.

?본 발명에 의하면 스텍 배출가스에 의해 냉각된 공기와 수소 함유 가스는 열 교환의 특성 상 스택 배출가스 보다 온도가 다소 높지만 추가 간단한 냉각의 과정을 거치면 바로 스텍에 도입이 가능하다.? 그러나 스텍 배출가스 온도가 600∼800oC 이상인 고온형 연료전지 (MCFC, SOFC)에서는 개질촉매의 위치를 연소촉매보다 다소 상부로 이동시키거나 두 촉매의 상대적인 촉매 피복량을 조절하여 연료가스의 개질반응 후단부 지점에서의 tube 속의 스텍 배출가스로 부터의 열공급을 지연시켜 개질반응에 의해 자연 냉각이 되게 하면 추가 냉각 과정 없이 스텍 음극으로의 바로 도입도 가능하다.??According to the present invention, the air cooled by the stack exhaust gas and the hydrogen-containing gas are somewhat higher in temperature than the stack exhaust gas due to the heat exchange characteristic, but can be introduced into the stack immediately after an additional simple cooling process. However, in a high temperature type fuel cell (MCFC, SOFC) having a stack exhaust gas temperature of 600 to 800 ° C. or higher, the position of the reforming catalyst is shifted to a higher level than the combustion catalyst, or the relative catalyst covering amount of the two catalysts is controlled, It is also possible to introduce directly into the stack cathode without additional cooling process by letting the heat supply from the stack exhaust gas in the tube at the end point after the reaction be delayed and natural cooling by the reforming reaction.

본 발명에서 음극에 도입되는 연료가스는 먼저 하부 체널에 물을 공급하여 스팀으로 증발시키고 온도가 충분히 올라간 후 (250oC 이상) 연료가스를 주입하여 온도 감소에 의한 스팀의 재 응축을 예방하는 방법을 제공한다.? In the present invention, the fuel gas introduced into the cathode is first supplied to the lower channel to evaporate it into steam, and injected with fuel gas (at a temperature of 250 ° C or higher) after the temperature is sufficiently raised to prevent recondensing of the steam by temperature reduction .

본 발명에서 상기 촉매들은 직접 해당 tube의 내부 또는 외부 금속 면에 피복하는 것이 바람직하나, 그외 주름판이나 주름으로 된 wire mesh 또는 다공성 mat 등에 함침 또는 피복한 후 압력이 걸리지 않게 공간을 두고 적치하여 저압차 반응기로 운전할 수도 있는 방법을 제공한다. In the present invention, it is preferable that the catalysts are directly coated on the inner or outer metal surface of the tube, but they are impregnated or coated with a wire mesh or a porous mat with wrinkles or wrinkles, And may also be operated as a secondary reactor.

본 발명에 의하면 스텍 배출가스가 촉매 연소 후 공기 및 연료가스 쪽으로 열전달이 역전이 되기 위해서는 촉매 연소 후 온도가 개질 반응온도보다 높아야 한다. 스텍 배출가스 중의 잔류 수소를 촉매연소하면 80%의 연료 이용율에서 250oC의 온도 상승이 있게 된다.?? 따라서 스텍 운전 온도가 가장 낮은 PEMFC의 경우에는 스텍 배출가스가 80oC로 HRU에 유입되면 반대 편 체널의 공기 및 연료가스와의 열교환에 의해 최대 530oC 정도까지 가열이 되고 촉매 연소 후 최대 780oC 정도 가열이 될 수 있다.? 연료가스 개질반응에 필요한 흡열이 스택 잔류가스 연소열과 비슷하기 때문, 만약 연소하자마자 개질반응부와 열교환이 이루어진다면 스택 배출가스는 연소 후에도 온도가 증가하지 못하게 되고 결과적으로 개질반응 온도가 낮아져서 많은 부피의 촉매가 필요하게 된다.? 따라서 저온형 연료전지로 갈수록 촉매연소부는 단열을 하여 옆 체널로의 열전달을 막는 것이 좋고, 개질 촉매도 스텍 배출가스 기준 연소촉매 위치 이후 부분에 피복하는 것이 바람직하며, 필요 시 최소한의 추가 연료 (스텍 도입량의 2-5%)만을 태워 필요한 온도를 유지할 수 있는 연료효율이 보다 개선된 방법을 제공한다.? According to the present invention, in order for the stack discharge gas to reverse the heat transfer toward the air and the fuel gas after the catalytic combustion, the temperature after the catalytic combustion must be higher than the reforming reaction temperature. Catalytic combustion of residual hydrogen in stack exhaust gas results in a temperature rise of 250 ° C at 80% fuel utilization. Therefore, in the case of the PEMFC with the lowest stack operation temperature, when the stack exhaust gas flows into the HRU at 80 ° C, it is heated up to 530 ° C by heat exchange with air and fuel gas in the opposite channel, o Can be heated to C degree. If the endothermic heat required for the reforming reaction of the fuel gas is similar to the heat of stack residual gas combustion, if the heat exchange with the reforming reaction part is performed immediately after the combustion, the temperature of the stacked exhaust gas does not increase even after the combustion. As a result, Catalyst is needed.? Therefore, it is preferable that the catalytic combustion part is thermally insulated to prevent heat transfer to the side channel toward the low-temperature type fuel cell, and it is preferable that the reforming catalyst is coated after the position of the stack exhaust gas reference combustion catalyst, 2 to 5% of the incoming volume) to provide a more fuel-efficient way to maintain the required temperature.

본 발명에 의하면, 통상의 shell and tube 또는 판형 열교환기 장치를 사용하여, 스텍의 양극 및 음극에서 배출되는 폐 공기 및 연료가스는 열교환기 한 쪽편 체널에 흘리고 양극으로 도입되는 공기 및 음극으로 도입되는 연료가스는 열교환기 다른 편의 체널 공간을 양분한 후 스텍 배출가스와 counter courrent로 흘려서, 이 2 종류의 가스 사이 열교환을 시키되 연소 촉매 위치 전후로 열전달 방향이 바뀌도록 연소촉매와 개질촉매의 위치를 선정하여 가스들이 자체 내재한 에너지와 연소반응 및 개질반응 사이 열 손실 없이 최대의 에너지 발란스가 일어나도록 장치를 설계하고 운전하여, 연료전후처리 및 열교환이 동시에 일어나면서도 열효율을 극대화하고 운전이 쉬운 새로운 형태의 통합 장치의 설계 및 운전 방법을 제공한다.? 본 발명에 따르면 하나의 같은 장치로 열교환기의 길이만 변경하고 촉매 장착 종류 만 변경하면 저온형부터 고온형 연료전지에 두루 적용이 가능하고, 장치가 간단하고 부피가 적고 또한 scale up이 용이하고 발전효율이 기존의 개개의 장치를 물리적으로 연결하여 구성한 경우보다 최소 7%∼12% 정도 증대가 가능하다.
According to the present invention, waste air and fuel gas discharged from the positive and negative electrodes of a stack are introduced into one side of the heat exchanger through the channel and introduced into the air and the negative electrode, which are introduced into the positive electrode, using a normal shell and tube or plate heat exchanger device The fuel gas is flowed to the stack exhaust gas and the counter courrent through the channel space of the other heat exchanger, and the heat exchange between the two kinds of gas is performed, and the combustion catalyst and the reforming catalyst are positioned so that the heat transfer direction changes before and after the combustion catalyst position It is designed and operated so that the maximum energy balance occurs without heat loss between the energy inherent to the gases and the combustion reaction and the reforming reaction, so that a new type of integration that maximizes heat efficiency and facilitates operation while the fuel pre- Provides the design and operation of the device. According to the present invention, it is possible to apply to both low-temperature type and high-temperature type fuel cells by changing only the length of the heat exchanger and only the type of catalyst mounting with one same device, Efficiency can be increased by at least 7% ~ 12% compared with the case where the existing individual devices are physically connected.

도 1은 본 발명에 따른 통합형 열교환기형의 HRU 장치의 설계에서 스텍 배출가스와 공기 및 연료가스의 각 단에서의 대략적인 온도 분포와 열전달 방향을 나타내는 원리도이다.
도 2~도 6은 본 발명에 따른 평판 열교환기형 HRU 장치의 조립에 필요한 주요 구성품의 설계 방법을 도시한 설계도이며, 도 2은 뒷면 cover 사시도, 도 3은 스텍 배출가스의 체널 공간을 형성하고 상기 가스 및 추가 연료/공기를 유입, 배출하기 위한 spacing bar의 설계도, 도 4는 열전도성 금속판 및 각종 유체의 해당 체널 분배용 관통구 설계도, 도 5는 왼쪽에 공기 체널 공간을 형성하고 공기를 유입 배출하며, 오른쪽에 연료가스 체널공간을 형성하고 물 및 연료가스를 유입, 배출하기 위한 spacing bar의 설계도, 도 6는 앞면 Cover 상의 배관 설치를 나타내는 사시도
도 7~도 8은 본 발명에 따른 열전도판의 구성품에 스텍 배출가스와 스텍의 음극에 도입되는 연료가스의 반응에 촉매를 피복하는 위치를 도시한 사시도이며, 도 7은 연료가스가 흐르는 체널 공간의 양면에 개질반응 촉매, WGS 촉매, PROX 촉매를 피복하는 위치를 나타낸 사시도, 도 8은 스텍 배출가스가 흐르는 체널 공간의 양면에 연소 촉매를 피복하는 위치를 나타낸 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 평판 열교환기형 HRU 장치를 도 2의 구성품들을 이용하여 최종적으로 조립한 사시도.1 is a principle diagram showing the approximate temperature distribution and heat transfer direction at each stage of stack exhaust gas and air and fuel gas in the design of an integrated heat exchanger type HRU apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a rear cover, FIG. 3 is a plan view showing a channel space of stack exhaust gas, and FIG. 2 is a front view of the HRU unit according to the present invention. FIG. 4 is a schematic view of a through hole for distributing a channel of a thermally conductive metal plate and various fluids, FIG. 5 is a view of a through hole forming a space for air channel on the left side, FIG. 6 is a perspective view showing the installation of piping on the front cover; FIG. 6 is a perspective view of a spacing bar for forming a fuel gas channel space on the right side and introducing and discharging water and fuel gas;
7 to 8 are perspective views showing positions where the stacked exhaust gas and the fuel gas introduced into the cathode of the stack are covered with the catalyst in the components of the heat conduction plate according to the present invention, FIG. 8 is a perspective view showing a position where a combustion catalyst is coated on both sides of a channel space through which a stack exhaust gas flows; FIG. 8 is a perspective view showing positions where a reforming reaction catalyst, a WGS catalyst, and a PROX catalyst are coated on both sides;
FIG. 9 is a perspective view of a plate heat exchanger type HRU apparatus according to the present invention finally assembled using the components of FIG. 2; FIG.

이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니며, 본 발명의 예시화기 위한 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. The following examples are not intended to be limiting of the invention and are intended to be illustrative of the invention.

본 발명에서 제시된 통합 HRU 장치의 설계 및 운전 방법의 원리를 보다 자세히 설명하기 위해, 메탄을 연료로 사용하는 경우의 평판형 열교환기형 통합 HRU 장치의 설계 방법을 예를 들어 설명하고자 하나, 본 발명이 본 도면의 방식에 국한되는 것은 아니다. 도 2~도 6는 열교환형 통합 HRU의 조립에 필요한 구성품을 나타내며, 도 3은 여기에 피복되는 촉매의 위치를 도 9는 도 2~도 6의 구성품을 적층하여 하나의 통합된 반응기-열교환기로 조립된 최종 장치를 나타낸다.? 통합 HRU 장치는 도 2~6에서 보듯이 뒷 카버용 금속판 (1)에 사각형 spacing bar (2)를 놓고 그다음 열전도판 (3)을 놓는다. 그 위에 다시 길이 방향으로 양분된 사각형 spacing bar (4)를 놓게 되고, 상기 (2), (3) 및 (4)를 원하는 만큼 반복 적층하고 최종적으로 앞면 커버 (5)를 놓아 완성된다.? Spacing bar의 역할은, 첫째, 금속판사이에 체널 공간을 만들어주고, 둘째, 금속판과 spacing bar사이는 밀봉이 되어 가스가 새는 것을 막아준다.? 또한 각종 가스들을 체널 공간으로 유입, 배출하기 위해 적층 수직 방향으로 spacing bar 중심에 여려개의 관통구를 내게 되는데, 도면 2~6에서 보는 것처럼 스택 배출가스의 경우 체널 유입용 (21), 추가외부 원료 유입용 (22) 및 체널로 부터의 유출용이 있으며 이것들은 홀수 번의 체널 공간에 연결하기 위해? 사각형 spacing bar (2) 상에 관통구와 체널 사이 연결구 (31), (32) 및 (33)이 만들어 져서, 스텍의 배출가스는 홀수 번 체널 공간으로 상부에서 하부로 하향류로 흐르게 된다.? 한편 공기는 관통구 (25) 및 (26)과 spacing bar (3)에 설치된 연결구 (35) 및 (36)을 통해? 짝수 번의 좌측 체널 공간에 하부에서 상부로 상향류로 유입되고 배출되고, 짝수 번의 우측 체널 공간에는 물이 하부에서 관통구 (27) 및 연결구 (37)통해서 유입되고 보다 높은 위치에 있는 관통구 (28) 및 연결구 (38)을 통해서 연료가스인 메탄이 도입되며 상향류로 상부로 올라가서 최종적으로 연결구 (39) 및 관통구 (29)를 통해서 밖으로 배출된다.? 도 7~8에는 PEMFC의 경우 각각의 촉매를 해당 부위의 금속면에 피복하는 것을 나타내었으며 도 9는 최종 조립품 (7)을 나타낸다.? 따라서 스텍의 양극 및 음극으로부터 배출된 가스는 유입구 (71)로 유입되어 홀수 번의 체널공간으로 분산되어 들어가 상부에서 하부로 내려가며 연소 촉매에 도달하기 전 까지는 이웃한 짝수 번 체널의 연료가스와 공기로부터 열을 전달받아 가열이 되고 연소촉매 부위에서 유입구 (72)룰 통해서 추가로 유입되는 메탄과 혼합 연소되어 가스 온도를 850oC 이상 올린다.? 이후는 열전달 방향이 역전되어 스텍 배출가스로부터 공기 및 연료가스로 열이 전달 되면서 개질반응에 필요한 열을 공급하여 단기간에 개질이 돌 수 있도록 한다.? 스텍 배출가스는 계속 하강하면서 이웃한 공기와 연료가스에 열을 공급하고 최종적으로 배출구 (73)을 통해 대기로 방출된다.? 한편 공기는 하부 도입부 (75)를 통해서 짝수 번 체널의 좌측 공간으로 유입되어 스텍 배출가스로부터 열을 공급받아 가열되면서 상승하며 연소 촉매 위치에서 최대 온도가 된 후 그 이후는 열전달 방향이 바뀌어 보다 저온의 스텍 배출가스로 열을 전달하면서 다시금?냉각되어 최종 스텍으로 유입되는 온도 조건을 맞추게 된다.? 짝수 번 체널의 우측 공간으로는 우선 하부의 (77) 배관으로 물을 공급하여 스텍 배출가스에 의해 가열되고 상부의 (78)로 메탄 연료를 주입하여 상향류도 상승하며 개질반응 최대 온도까지 상승하여 개질반응이 일어나며 연소 촉매 이후에는 열전달이 역전되어 스텍 배출가스오 열을 주면서 계속 냉각되면서 상승한다.? 따라서 해당되는 저온부에 WGS (66)와 PROX 촉매 (67)룰 순차적으로 설치하여 수소의 순도를 올리는 것이 가능하다.? 상기 2 반응은 약한 발열반응이나 CO 농도가 낮고 가스가 자연스런 냉각 과정에 있어서 추가 냉각 과정이 없이 온도 제어가 되어 일반 고정층 반응기와 대비 된다.?In order to further explain the principles of the design and operation of the integrated HRU apparatus proposed in the present invention, a method of designing a flat plate heat exchanger type integrated HRU apparatus using methane as fuel will be described by way of example, The present invention is not limited to the method of this drawing. FIGS. 2 to 6 show the components necessary for assembling the heat exchange type integrated HRU. FIG. 3 shows the positions of the catalysts coated thereon, FIG. 9 shows the positions of the catalysts stacked with the components shown in FIGS. 2 to 6 and integrated into one integrated reactor- Represents the final device assembled. The integrated HRU apparatus places a square spacing bar (2) on the metal plate (1) for the rear cover as shown in Figs. 2 to 6, and then places the heat conduction plate (3). The rectangular spacing bar 4 is again placed in the longitudinal direction, and the steps (2), (3) and (4) are repeatedly laminated as many times as desired and finally the front cover 5 is placed. The role of the spacing bar is to create a channel space between the metal plates and, secondly, to seal between the metal plate and the spacing bar to prevent gas leakage. In addition, as shown in FIGS. 2 to 6, in the case of the stack exhaust gas, the inlet for the channel 21, the additional outer material The outflow from the inlet 22 and the channel is easy and these are connected to the odd number of channel spaces? Connections 31, 32 and 33 between the through-hole and the channel on the rectangular spacing bar 2 are made so that the stack's exhaust gas flows downward from the top to the bottom in an odd numbered channel space. Meanwhile, the air flows through the through holes 25 and 26 and the connecting ports 35 and 36 provided in the spacing bar 3. Numbered left channel space upwardly from the bottom to the upper right channel space and water is introduced into the even numbered right channel space through the through hole 27 and the connecting hole 37 at the bottom and the through hole 28 And methane as the fuel gas is introduced through the connecting port 38 and is raised upward by the upward flow and finally discharged to the outside through the connecting hole 39 and the through hole 29. [ In FIGS. 7 to 8, each of the catalysts was coated on the metal surface in the case of the PEMFC, and FIG. 9 shows the final assembly 7. FIG. Therefore, the gas discharged from the positive electrode and the negative electrode of the stack flows into the inlet 71, disperses into the odd number of channel spaces, falls from the top to the bottom, and flows from the fuel gas and air in the adjacent even- The heat is received by the heat and mixed with methane, which is further flowed through the inlet 72 at the combustion catalyst site, to increase the gas temperature by more than 850 ° C. Thereafter, the heat transfer direction is reversed so that the heat is transferred from the stack exhaust gas to the air and the fuel gas, thereby supplying the heat required for the reforming reaction so that the reforming can be performed in a short period of time. Stack exhaust gas continues to descend while supplying heat to the neighboring air and fuel gas and finally discharged to the atmosphere through outlet 73. On the other hand, the air flows into the space on the left side of the even-numbered channel through the lower inlet portion 75, and is supplied with heat from the stack exhaust gas and rises while being heated. The maximum temperature is reached at the combustion catalyst position. Thereafter, The heat is transferred to the stack exhaust gas, where it is cooled again to meet the temperature conditions that flow into the final stack. In the space on the right side of the even-numbered channel, water is first supplied to the lower portion of the pipe (77) and heated by the stack exhaust gas. Methane fuel is injected into the upper portion 78 to increase the upward flow, The reforming reaction takes place, and after the combustion catalyst, the heat transfer is reversed and the stack is cooled while continuously cooling the exhaust gas. Therefore, it is possible to increase the purity of hydrogen by installing the WGS 66 and the PROX catalyst 67 sequentially at the low temperature part. The two reactions are temperature controlled with a mild exothermic reaction or a low CO concentration and no further cooling in the course of natural cooling, which is comparable to a conventional fixed bed reactor.

금속판 사이에 넣어 체널 공간을 확보하고 가스 통로를 만드는 spacing bar의 두께는 촉매의 활성도 및 피복량에 따라 다르게 설계된다.? 두께가 얇아지면 장치 크기도 작아지고 가스의 선속도가 빨라져 가스층의 열전도도는 개선되나, 대신 체류시간이 짧아져서 촉매반응의 전환율이 감소하기 때문 촉매 피복량 및 면적이 늘어나야 하는 문제가 있어서 둘 사이 적절한 접합점을 찾아야 하며, 통산 1∼10mm 정도가 적당하다.? The thickness of the spacing bar to secure the channel space between the metal plates and to form the gas passage is designed differently depending on the activity of the catalyst and the coating amount. If the thickness is decreased, the size of the device becomes smaller and the linear velocity of the gas becomes faster to improve the thermal conductivity of the gas layer. However, since the retention time is shortened, the conversion rate of the catalytic reaction is decreased, It is necessary to find junctions, and a total length of 1 ~ 10mm is appropriate.

도 7~8의 금속면에 피복된 산화촉매 및 개질촉매는 연료전지 종류에 따라 피복된 촉매의 양, 면적과 위치가 아주 중요하다. 고온형 연료전지에서는 스텍 배출가스 쪽의 산화촉매는 될수록 적은 량의 넓은 면석에 개질촉매의 피복 면과 겹치게 피복하여 고온에서 유입된 스텍 배출가스의 촉매 연소에 의한 급격한 온도 상승을 막아보호하고 또한 개질 촉매는 연소촉매 위치를 지나서 후단까지 다소 연장하여 피복하여 개질 후 계속 온도를 감소시켜 가능하며 스텍의 음극에 바로 투입이 가능하도록 한다.? 그러나 저온형?연료전지는 스텍 배출가스 온도가 낮아서 촉매 연소 후 가스 온도가 충분히 올라가지 못하는 염려 때문 개질 촉매 전에 연소 촉매를 단위 면적 당 많은 량을 피복하여 최대한 빠른 시간에 반응이 일어나고 개질가스 쪽으로의 열전달을 지연시켜 온도를 일단 최대한 올리는 것이 필요하다. 계산 상으로는 이렇게 설계하면 운전 온도가 가장 낮은 PEMFC도 추가 외부 연료의 공급 없이 운전이 가능하나 스텍 유입 연료의 2∼5% 만 외부 연료를 공급하면 되어서 PEMFC의 발전효율을 7% 이상 증대시키는 것이 가능하다.The oxidation catalyst and the reforming catalyst coated on the metal surfaces of FIGS. 7 to 8 are very important in terms of the amount, area and position of the catalyst coated according to the fuel cell type. In the high-temperature type fuel cell, as the oxidizing catalyst on the stack exhaust gas side is overlapped with the coated surface of the reforming catalyst on a small amount of the large surface, the sudden temperature rise due to the catalytic combustion of the stack exhaust gas introduced at high temperature is protected, The catalyst can be extended after the combustion catalyst position to the rear end to allow the temperature to be reduced after the reforming, and to be able to be directly introduced into the cathode of the stack. However, the low-temperature fuel cell has a problem that the temperature of the stack exhaust gas is low so that the gas temperature does not sufficiently rise after the catalytic combustion. Therefore, the reaction is performed as soon as possible by covering the combustion catalyst per unit area before the reforming catalyst, It is necessary to increase the temperature once as much as possible. In this calculation, the PEMFC with the lowest operating temperature can be operated without additional external fuel, but it is possible to increase the power generation efficiency of the PEMFC more than 7% by only supplying 2 ~ 5% of the stack fuel. .

연료전지의 운전온도가 높아질수록 스텍 배출가스의 온도가 높아서 개질반응에 열을 공급하기가 쉬워지고 세 종류의 가스 사이에 열 균형(balance)를 맞추기가 쉬워지고 장치의 부피도 작아진다. 도 7~8에서 보듯이 스텍 온도가 올라갈수록 통합 장치의 길이가 짧아지나(도면과 일치하는지 확인해 주시기 바랍니다) )(삭제)As the operating temperature of the fuel cell increases, the temperature of the stack exhaust gas becomes higher, so that it is easy to supply heat to the reforming reaction, and the thermal balance between the three kinds of gases can be easily adjusted and the volume of the apparatus becomes small. As shown in FIGS. 7 to 8, as the stack temperature increases, the length of the integrated device becomes shorter (please check whether it matches the drawing)

전술한 바와 같이 저온형 PEMFC, PAFC, 중온형 MCFC, 고온형 SOFC의 작동온도가 다르기 때문에 온도가 올라갈수록 도1의 shell side Ⅰ, Ⅱ의 후단 길이가 짧아지며, 배가스 온도에 따라 tube side 상단의 길이가 짧아지게 된다. 또한 도7의 명시된 (91~94)에 해당하는 연료전지 구동에 필요한 연료 온도와 필요 개질 촉매의 도포 부위, 즉 (91) SOFC, (92) MCFC, (93) PAFC, (94) PEMFC의 반응용 촉매 피복 부위만큼 HRU 길이가 짧아지게 된다. 중요한 것은 같은 장치로 길이 만 달리하고 촉매 피복 수만 늘어나면 본 통합 HRU 장치는 모든 연료전지에 사용이 가능하다는 장점이 있다.As described above, since the operating temperatures of the low temperature type PEMFC, PAFC, mesophilic type MCFC and high temperature type SOFC are different, the rear end length of the shell side I and II of FIG. 1 becomes shorter as the temperature rises. The length becomes shorter. (91) SOFC, (92) MCFC, (93) PAFC, (94) PEMFC reaction of the fuel temperature required for driving the fuel cell corresponding to the specified (91 to 94) The HRU length becomes shorter as compared with the portion where the catalyst is coated. The important thing is that this integrated HRU unit can be used for all fuel cells if the length of the same unit is different and the number of catalyst covers is increased.

1.? 본 발명에 따른 HRU 장치에 부착되는 최종 뒷면 Cover plate
2.? 스텍 배출가스의 체널 공간 형성을 위한?spacing bar.?
3.? 열 전도용 금속판
4.? 공기 및 연료가스의 별도 독립된 체널 공간 형성을 위한 spacing bar.??
5.? 본 발명에 따른 HRU 장치에 부착되는 최종 앞면 Cover.
7.? 구성품으로 조립된 최종 HRU 장치
11. 스텍 배출가스의 하향류 흐름 체널 공간
12. 공기의 상향류 흐름 체널공간
13. 수증기 함유 연료가스의 상향류 흐름 체널공간
21. 스텍 배출가스를 체널들에 분산 도입하기 위한 관통구??
22. 외부 연료가스나 공기를 추가 도입하기 위한 관통구
23. 배출용 스텍 배출가스를 체널들로부터 모아서 배출하기 위한 관통구
25. 공기를 체널들에 분산 도입하기 위한 관통구
26. 배출용 공기를 체널들로부터 모아서 배출하기 위한 관통구
27. 물을 체널들에 분산 도입하기 위한 관통구
28. 연료가스를 체널들에 분산 도입하기 위한 관통구
29. 수소로 전환된 연료가스를 체널들로부터 모아서 배출하기 위한 관통구
31. 스텍 배출가스를 홀수 번 체널들에만 분산 도입하기 위한 관통구와 체널 사이 연결 통로??
32. 외부 연료가스나 공기를 홀수 번 체널들에만 추가 도입하기 위한 관통구와 체널 사이 연결 통로
33. 배출용 스텍 배출가스를 홀수 번 체널들로 부터 모아서 배출하기 위한 관통구와 체널 사이 연결 통로
35. 공기를 짝수 번 좌측 체널 공간에 분산 도입하기 위한 관통구와 체널 사이 연결 통로
36. 배출용 공기를 짝수 번 좌측 체널들로 부터 모아서 배출하기 위한 관통구와 체널 사이 연결 통로
37. 물을 짝수 번 좌측 체널 공간에 분산 도입하기 위한 관통구와 체널 사이 연결 통로
38. 연료가스를 짝수 번 좌측 체널 공간에 분산 도입하기 위한 관통구와 체널 사이 연결 통로
36. 수소로 전환된 연료가스를 짝수 번 좌측 체널들로 부터 모아서 배출하기 위한 관통구와 체널 사이 연결 통로
41. PROX 용 반응에 필요한 공기를 도입하기 위한 관통구
51. PROX용 관통구와 체널을 연결하기 위한 통로
61. 홀수 번 체널의 수소나 연료가스를 연소시키기 위해 열전도판 양면에 피복되는 연소용 촉매
65. 짝수 번 체널의 연료가스를 수증기 개질시키기 위해 열전도판 양면에 피복되는 수증기 개질반응용 촉매
66. 짝수 번 체널의 개질된 가스 중 CO룰 추가로 수소로 전환하기 위해 열전도판 양면에 피복되는 WGS 반응용 촉매
67. 짝수 번 체널의 가스 중 잔류 CO룰 추가로 제거하기 위해 열전도판 양면에 피복되는 PROX 반응용 촉매
71.? 스택 배출가스 도입용 배관
72.? 추가 연소를 위해 외부 연료가스 도입용 배관
73.? 스택 배출가스 배출용 배관
75.? 공기 공급용 배관;?? 76.? 공기 배출용 배관
77.? 물 도입용 배관
78.? 개질용 연료가스 도입용 배관
79.? 수소로 전환된 연료가스 배출용 배관
91.? 고온형 SOFC용 HRU 장치의 반응 및 열교환 끝 단 위치
91.? 중온형 MCFC용 HRU 장치의 반응 및 열교환 끝 단 위치
91.? 저온형 PAFC용 HRU 장치의 반응 및 열교환 끝 단 위치
91.? 저온형 PEMFC용 HRU 장치의 반응 및 열교환 끝 단 위치One.? The final back cover plate attached to the HRU device according to the invention
2.? Spacing bar for forming the channel space of stack exhaust gas.
3.? Metal plate for heat conduction
4.? Spacing bar for the formation of separate independent channel spaces of air and fuel gas.
5.? A final front cover attached to the HRU device according to the present invention.
7.? Final HRU unit assembled with components
11. Downstream flow of stack exhaust gas channel space
12. Upflow of air flow channel space
13. Upflow flow of water vapor containing fuel gas channel space
21. Through-hole for introducing stack exhaust gas into the channels.
22. A through hole for further introduction of external fuel gas or air
23. Exhaust Stack A through-hole for collecting and discharging the exhaust gas from the channels
25. A through-hole for introducing air into the channels
26. A through-hole for collecting and discharging exhaust air from the channels
27. A through hole for introducing water into the channels
28. A through-hole for introducing the fuel gas into the channels in a dispersed manner
29. A through-hole for collecting and discharging the fuel gas converted into hydrogen from the channels
31. A passage between the through-hole and the channel for distributing the stack exhaust gas only to odd-numbered channels.
32. A passage between the through-hole and the channel for introducing an external fuel gas or air into odd-numbered channels only
33. A connection path between the through-hole and the channel for collecting and discharging the discharge stack exhaust gas from the odd-numbered channels
35. A communication path between a through hole and a channel for introducing air into an even-numbered left channel space
36. A passage between a through-hole and a channel for collecting and discharging exhaust air from even-numbered left-side channels
37. A passage between a through-hole and a channel for introducing water into an even-numbered left channel space
38. A fuel cell system, comprising: a passage for connecting fuel gas to a channel,
36. A passage between the through-hole and the channel for collecting and discharging the fuel gas converted into hydrogen from the even-numbered left channels
41. A through-hole for introducing the air required for the reaction for PROX
51. A passage for connecting the PROX penetrator to the channel
61. A combustion catalyst coated on both sides of a heat conduction plate for burning hydrogen or fuel gas in odd-numbered channels
65. A catalyst for steam reforming reaction coated on both sides of a heat conduction plate for steam reforming of fuel gas in even-numbered channels
66. CO in the reformed gas of even-numbered channels A catalyst for WGS reaction coated on both sides of the heat transfer plate to convert further hydrogen
67. PROX Reaction Catalyst coated on both sides of the thermal conductivity plate to further remove remaining CO rule in the gas in even-numbered channels
71.? Stack exhaust gas introduction pipe
72.? Piping for introducing external fuel gas for additional combustion
73.? Stack exhaust gas piping
75.? Air supply piping; 76.? Piping for air discharge
77.? Piping for water introduction
78.? Piping for introducing fuel gas for reforming
79.? Fuel gas exhaust piping converted to hydrogen
91.? Reaction and heat exchange end position of HRU unit for high temperature type SOFC
91.? Reaction and heat exchange end position of HRU unit for mesothermal MCFC
91.? Reaction and heat exchange end position of HRU unit for low temperature type PAFC
91.? Reaction and heat exchange end position of HRU unit for low temperature type PEMFC

Claims (21)

연료전지의 연료 전후처리 및 열교환이 이루어지는 장치에 있어서,
스텍 배출가스가 흐르면서 연소촉매에 의해 연소되는 제1 채널과,
연료전지 스텍의 연료가스가 상기 스텍 배출가스와 반대로 흐르면서 개질촉매에 의해 개질되는 제2 채널을 포함하고,
상기 제1 채널과 상기 제2 채널 사이에 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.1. An apparatus for performing fuel back-and-forth processing and heat exchange of a fuel cell,
A first channel in which stack exhaust gas is burnt by the combustion catalyst,
And a second channel in which the fuel gas in the fuel cell stack is reformed by the reforming catalyst while flowing in a direction opposite to the stack exhaust gas,
Wherein heat exchange occurs between the first channel and the second channel. 제1항에 있어서, 공기가 상기 스텍 배출가스와 반대로 흐르면서 제1 채널과 열교환하는 제3 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.The apparatus of claim 1, further comprising a third channel in which air exchanges with the stack discharge gas and exchanges heat with the first channel. 제1항에 있어서, 상기 제1 채널에는 개질된 연료가스에 의해 가열되는 제1 가열부와, 가열된 스텍배출가스가 연소 촉매에 의해 연소되는 연소부와, 및 연소된 스텍배출가스가 연료가스를 가열하면서 냉각되는 제1 냉각부가 차례로 존재하는 것을 특징으로 하는 장치.2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the first channel is provided with a first heating portion heated by the reformed fuel gas, a combustion portion where the heated stack exhaust gas is combusted by the combustion catalyst, Characterized in that there is in turn a first cooling part which is cooled while heating it. 제1항에 있어서, 상기 제2 채널에는 연소된 스텍배출가스에 의해서 가열되는 가열되는 제2 가열부와, 가열된 연료가스가 개질 촉매에 의해 개질되는 개질부와, 개질된 연료가스가 스텍배출가스를 가열하면서 냉각되는 제2 냉각부가 차례로 존재하는 것을 특징으로 하는 장치. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the second channel includes a heated second heating unit heated by burned stack exhaust gas, a reforming unit in which the heated fuel gas is reformed by the reforming catalyst, And a second cooling section which is cooled while heating the gas. 제2항에 있어서, 상기 제3 채널에는 연소된 스텍배출가스에 의해서 가열되는 제3 가열부와, 상기 가열된 공기가 상기 스텍배출가스를 가열하면서 냉각되는 것을 특징으로 하는 장치.3. The apparatus of claim 2, wherein the third channel is a third heating unit heated by the burned stack exhaust gas, and the heated air is cooled while heating the stack exhaust gas. 제1항에 있어서, 개질된 연소가스는 수성 가스 전환반응을 더 거치는 것을 특징으로 하는 장치.The apparatus of claim 1, wherein the reformed combustion gas further undergoes a water gas conversion reaction. 제6항에 있어서, 상기 개질된 연소가스는 수성가스 전환반응 후 일산화탄소의 선별 산화 반응을 더 거치는 것을 특징으로 하는 장치.The apparatus of claim 6, wherein the reformed combustion gas further undergoes a selective oxidation reaction of carbon monoxide after the water gas shift reaction. 제1항에 있어서, 상기 스텍 배출가스에 연료가스를 추가로 혼합하여 연소시키는 것을 특징으로 하는 장치.The apparatus of claim 1, further comprising: mixing and burning fuel gas with the stack exhaust gas. 제1항에 있어서, 상기 제2 채널의 입구에서 투입된 물이 가열되어 수증기로 변환되고, 상기 수증기가 메탄 투입구를 통해서 유입된 메탄과 혼합되는 것을 특징으로 하는 장치.The apparatus of claim 1, wherein the water introduced at the inlet of the second channel is heated and converted into steam, and the steam is mixed with methane introduced through the methane inlet. 제9항에 있어서, 상기 물은 제2 채널의 입구에 모세관 이용해서 유입되는 것을 특징으로 하는 장치.10. The apparatus of claim 9, wherein the water is introduced into the inlet of the second channel using a capillary. 제1항에 있어서, 상기 제1 채널은 쉘앤튜브(shell and tube)형 열교환기의 튜브 채널 또는 판형 열교환기의 홀수 채널이며, 상기 제2 채널은 쉘앤튜브(shell and tube)형 열교환기의 쉘 채널 또는 판형 열교환기의 짝수 채널인 것을 특징으로 하는 장치.The heat exchanger of claim 1, wherein the first channel is an odd channel of a tube or plate heat exchanger of a shell and tube type heat exchanger and the second channel is a shell and a tube of a shell and tube type heat exchanger, Channel or a plate-type heat exchanger. 제2항에 있어서, 상기 제1 채널은 쉘앤튜브(shell and tube)형 열교환기의 튜브 채널 또는 판형 열교환기의 홀수 채널이며, 쉘앤튜브(shell and tube)형 열교환기의 쉘 채널 또는 판형 열교환기의 짝수 채널은 길이 방향으로 두 개로 분할되어, 하나는 제2 채널, 다른 하나는 제3 채널을 이루는 것을 특징으로 하는 장치.The heat exchanger of claim 2, wherein the first channel is an odd channel of a tube channel of a shell and tube type heat exchanger or an odd channel of a plate type heat exchanger and the shell channel of the shell and tube type heat exchanger or the plate type heat exchanger Is divided into two in the longitudinal direction, one of which is the second channel and the other is the third channel. 제1항에 있어서, 상기 촉매들은 채널 내벽에 피복되거나 주름판형의 와이어 매쉬 또는 매트에 피복되어 장착되는 것을 특징으로 하는 장치.The apparatus according to claim 1, wherein the catalysts are coated on an inner wall of a channel or mounted on a wire mesh or mat of a corrugated plate. 제1항에 있어서, 연소된 스텍 배출 가스의 온도는 개질 반응의 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 장치.The apparatus of claim 1, wherein the temperature of the burned stack exhaust gas is higher than the temperature of the reforming reaction. 제1항에 있어서, 상기 연료전지는 저온형 연료전지이며, 상기 연소촉매가 피복된 부위는 단열되고, 상기 연소 촉매와 상기 개질 촉매는 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 장치. The apparatus of claim 1, wherein the fuel cell is a low temperature type fuel cell, and the combustion catalyst coated portion is insulated, and the combustion catalyst and the reforming catalyst are spaced apart from each other. 제1항에 있어서, 상기 연료전지는 고온형 연료전지이며, 상기 연소촉매가 피복된 부위와 상기 개질 촉매가 피복된 부위가 겹치는 것을 특징으로 하는 장치. The apparatus according to claim 1, wherein the fuel cell is a high temperature type fuel cell, and the combustion catalyst coated portion overlaps with the reformed catalyst coated portion. 스텍 배출가스를 개질된 연소가스와 열교환하여 가열하고, 가열된 스텍배출가스를 연소시켜 승온시키며, 승온된 스텍배출가스를 개질전 연소가스와 열교환하여 냉각시켜 배출하고,
연료가스를 스텍 배출가스와 반대로 흘리면서, 개질 전 연료가스를 연소된 스텍 배출가스와 열교환하여 가열하고, 가열된 연료가스를 개질하고, 개질된 연소가스를 연소전 스택배출가스와 열교환하여 냉각시켜 연료전지의 연료극으로 보내는 것을 특징으로 하는 방법.Exchanges the stack exhaust gas with the reformed combustion gas to heat the heated stack exhaust gas and burns the heated stack exhaust gas to heat the heated stack exhaust gas to heat exchange with the pre-
Exchanging fuel gas with reformed stack exhaust gas to heat the reformed fuel gas by heat exchange with the stacked exhaust gas before reforming and reforming the heated fuel gas by heat exchange with the pre- And then to the fuel electrode of the battery. 제17항에 있어서, 스텍배출가스에 연료가스를 추가로 혼합하여 개질 반응이 일어나는 온도보다 높은 온도로 승온시키는 것을 특징으로 하는 방법.18. The method of claim 17, further comprising adding fuel gas to the stack exhaust gas to raise the temperature to a temperature above the temperature at which the reforming reaction occurs. 제17항에 있어서, 공기를 스텍 배출가스와 반대로 흘리면서, 공기를 연소된 스텍배출가스와 열교환하여 가열하고, 가열된 공기를 연소전 스택배출가스와 열교환하여 냉각시켜 연료전지의 공기극으로 보내는 것을 특징으로 하는 방법.18. The fuel cell system according to claim 17, characterized in that the air is heat-exchanged with the stacked exhaust gas while flowing air opposite to the stack exhaust gas, and the heated air is heat-exchanged with the pre- Lt; / RTI > 쉘앤튜브형 열교환기의 튜브측 채널 또는 판형 열교환기의 홀수 채널에 연소 촉매를 길이 방향의 소정 부위에 장착하고 스텍 배출가스를 흘리고, 쉘앤튜브형 열교환기의 쉘측 채널 또는 판형 열교환기의 짝수 채널을 길이 방향으로 양분하여 한쪽 채널에는 양극 유입용 공기를 스텍 배출가스와 반대 방향 (counter current)로 흘리고, 다른 쪽 채널에는 길이 방향 소정 부위에 수증기 개질반응용 촉매를 장착하고 음극 유입용 연료가스를 스텍 배출가스와 반대 방향 (counter current)로 흘려서, 열전도성 금속판을 사이에 두고 열 교환이 일어나는 하는 것을 특징으로 하는 연료 전후처리 및 열교환이 동시에 진행되는 통합 장치. The combustion catalyst is mounted on a predetermined portion in the longitudinal direction on the tube side channel of the shell-and-tube heat exchanger or the odd-numbered channel of the plate heat exchanger, and the stack exhaust gas is flowed, and the even-numbered channels of the shell side channel or the plate heat exchanger of the shell- And the other channel is provided with a catalyst for steam reforming reaction at a predetermined position in the longitudinal direction and the fuel gas for inlet to the cathode is supplied to the stack exhaust gas Wherein heat exchange is performed between the thermally conductive metal plates, and the heat exchange is performed simultaneously. 제20항에 있어서, 연소 촉매와 개질반응용 촉매는 길이 방향 비슷한 위치에 장착되어지고, 스텍 배출가스 흐름 방향 기준 연소촉매 전에는 공기 및 연료가스에서 열이 공급되어 스텍 배출가스 온도를 촉매 연소에 필요한 발화점까지 올리고 촉매 연소 후에는 급격히 온도가 상승하면서 열전달 방향이 바뀌어서 연료가스와 공기가 가열되면서 흡열인 연료의 개질반응에 열을 공급하면서 스텍 배출가스는 지속적으로 냉각되어 최종적으로 대기로 배출될 수 있고, 공기와 연료가스도 개질반응 지점을 지난 후에는 스택 배출가스의 온도가 더 낮아서 열을 전달하고 지속적으로 냉각되어 스텍 운전 온도 이하 또는 근처까지 접근하여 배출되게 하는 것을 특징으로 하는 연료 전후처리 및 열교환이 동시에 진행되는 통합 장치. 21. The method of claim 20, wherein the combustion catalyst and the reforming catalyst are mounted in a longitudinally similar position, and heat is supplied from the air and the fuel gas prior to the stack exhaust gas flow direction reference combustion catalyst, After the catalyst is burned up, the temperature rises suddenly and the direction of heat transfer changes. As the fuel gas and air are heated, heat is supplied to the reforming reaction of the endothermic fuel while the stack exhaust gas is continuously cooled and finally discharged to the atmosphere , And after passing through the air and fuel gas reforming reaction point, the temperature of the stacked exhaust gas is lower and the heat is transferred and continuously cooled so as to be approached to or near the stack operation temperature and discharged. This integrated device is simultaneously running.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007290901A (en) * 2006-04-24 2007-11-08 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Heat exchange type reformer
KR20100052888A (en) * 2008-11-11 2010-05-20 한국전력공사 Heat exchanger array for solid fuel cell power generation system
JP2013157216A (en) * 2012-01-30 2013-08-15 Honda Motor Co Ltd Fuel cell module

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007290901A (en) * 2006-04-24 2007-11-08 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Heat exchange type reformer
KR20100052888A (en) * 2008-11-11 2010-05-20 한국전력공사 Heat exchanger array for solid fuel cell power generation system
JP2013157216A (en) * 2012-01-30 2013-08-15 Honda Motor Co Ltd Fuel cell module

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