KR101093132B1 - Reformer using off gas, fuel cell system, and driving method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 연료 이용 효율을 향상시킬 수 있도록 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부와, 열원에 의한 개질 반응을 통해 상기 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원, 및 상기 산소를 상기 전기 생성부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 개질기는 개질 촉매가 내장되며 내부에 화염이 발생하는 공간이 형성된 개질 반응부와 연소 촉매가 내장되며 스택에서 배출된 미반응 연료와 공기가 유입되는 1차 가열관과 상기 1차 가열관에서 가열된 미반응 연료와 공기가 혼합되는 혼합관을 포함하는 가열부를 포함하고 상기 개질 반응부와 상기 가열부 사이에는 가열된 미반응 연료와 혼합된 공기가 분출되는 분사 홀이 형성된다.Fuel cell system according to the present invention, at least one electricity generating unit for generating electrical energy through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen to improve fuel utilization efficiency, and the hydrogen through a reforming reaction by a heat source A reformer for generating hydrogen gas from the fuel contained therein, a fuel supply source for supplying the fuel to the reformer, and an oxygen supply source for supplying the oxygen to the electricity generating unit, wherein the reformer includes a reforming catalyst and a flame therein. The reformed reaction unit and the combustion catalyst in which the space is generated are embedded, and the primary heating tube into which the unreacted fuel and air discharged from the stack are introduced, and the mixing tube in which the unreacted fuel and air heated in the primary heating tube are mixed. And a heating unit including a air mixed between the unreacted fuel heated between the reforming reaction unit and the heating unit. The injection hole through which is ejected is formed.
연료전지, 스택, 개질기, 미반응 연료 Fuel Cells, Stacks, Reformers, Unreacted Fuels
Description
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미반응 연료를 이용하는 개질기의 구조를 개선한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system having an improved structure of a reformer using unreacted fuel.
알려진 바와 같이, 연료전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.As is known, a fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol, and natural gas directly into electrical energy.
이 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 및 전해질 등이 서로 다르다.This fuel cell is classified into a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, a polymer electrolyte type or an alkaline fuel cell according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.
용융탄산염형 연료전지(MCFC; Molt Carbonate Fuel Cell)와 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell) 같은 고온형 연료전지는 600℃ 내지 1000℃에서 운전되는 연료전지로서 기술적인 한계로 연료를 100% 연소시키지 못하고 일부 연료가 반응물과 함께 배출된다. 반응물과 혼합된 미반응 연료는 수소의 농도가 낮은 희박 연료이기 때문에 직접 연소시켜서 에너지로 활용하기 어렵다. 이러한 연료의 에너지 활용도를 높이기 위한 방법으로는 미반응 연료가 배출되는 부분에 연료를 추가하여 연소시키는 방법과 촉매를 이용한 반응기를 설치하여 활용도를 높이는 방법이 있다. 그러나 전자의 경우는 연료전지의 효율을 현저히 저하시키는 문제가 있으며, 후자의 경우는 촉매 내구온도 이상으로 승온이 어렵기 대문에 때문에 열에너지의 활용이 매우 제한적인 문제가 있다.High-temperature fuel cells such as molten carbonate fuel cells (MCFCs) and solid oxide fuel cells (SOFCs) are fuel cells that operate at 600 ° C to 1000 ° C. It does not burn 100% and some fuel is discharged with the reactants. The unreacted fuel mixed with the reactants is a lean fuel with low concentration of hydrogen, so it is difficult to directly burn and use it as energy. As a method for increasing the energy utilization of the fuel, there is a method of adding fuel to a portion where an unreacted fuel is discharged and burning the fuel, and a method of increasing the utilization by installing a reactor using a catalyst. However, in the former case, there is a problem of significantly lowering the efficiency of the fuel cell, and in the latter case, since it is difficult to raise the temperature beyond the catalyst endurance temperature, there is a problem that utilization of thermal energy is very limited.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 미반응 연료를 이용하여 연료 이용 효율이 향상된 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system having improved fuel use efficiency by using unreacted fuel.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 개질기는, 개질 촉매가 내장되며 내부에 화염이 발생하는 공간이 형성된 개질 반응부, 및 연소 촉매가 내장되며 스택에서 배출된 미반응 연료와 공기가 유입되는 1차 가열관과 상기 1차 가열관에서 가열된 미반응 연료와 공기가 혼합되는 혼합관을 포함하는 가열부를 포함하고 상기 개질 반응부와 상기 가열부 사이에는 가열된 미반응 연료와 혼합된 공기가 분출되는 분사 홀이 형성된다.The reformer of the fuel cell system according to the present invention for achieving the above object, the reforming reaction unit is a built-in reforming catalyst and the space is generated therein, and the combustion catalyst is embedded in the unreacted fuel discharged from the stack And a heating unit including a primary heating tube into which air is introduced and a mixing tube in which unreacted fuel heated in the primary heating tube and air are mixed, and an unreacted fuel heated between the reforming reaction unit and the heating unit. And injection holes through which air mixed with the air are ejected are formed.
상기 개질 반응부는 개질 촉매가 내장되는 제1 공간을 형성하는 제1 벽체와 제1 벽체의 내부에 형성되어 상기 분사 홀과 연통되어 내부에 화염이 형성되는 제2 공간을 형성하는 제2 벽체를 포함하고, 상기 제1 벽체와 상기 제2 벽체를 포함할 수 있다.The reforming reaction part includes a first wall forming a first space in which a reforming catalyst is embedded and a second wall formed in the first wall and communicating with the injection hole to form a second space in which a flame is formed. And the first wall and the second wall.
상기 제2 벽체에는 제1 벽체를 향하여 돌출된 열전달 핀이 형성될 수 있으며, 상기 제1 벽체에는 연료 공급관과 물 공급관이 연결 설치될 수 있다. 또한, 상기 혼합관의 외측에는 공기가 유입되며, 상기 혼합관의 외면에서 이격된 가열 몸체가 형성될 수 있다.The second wall may have a heat transfer fin protruding toward the first wall, and the fuel supply pipe and the water supply pipe may be connected to the first wall. In addition, air is introduced into the outside of the mixing tube, and a heating body spaced apart from the outer surface of the mixing tube may be formed.
상기 혼합관의 하부는 개방되고, 상기 혼합관과 상기 1차 가열관 사이의 공간에는 상기 1차 가열관의 중심축 방향에 대하여 경사지게 형성된 안내판이 설치될 수 있으며, The lower portion of the mixing tube is open, the guide plate formed to be inclined with respect to the direction of the central axis of the primary heating tube in the space between the mixing tube and the primary heating tube,
상기 1차 가열관에는 상기 산화촉매에서 반응하지 아니한 미반응 연료가 상기 1차 가열관과 상기 혼합관 사이의 공간으로 배출 될 수 있도록 홀이 형성될 수 있으며, 상기 1차 가열관의 상단에는 상기 분사 홀의 아래에 위치하며 원뿔 형태로 이루어진 돌출부가 형성될 수 있다.The primary heating tube may be formed with a hole to discharge the unreacted fuel that did not react in the oxidation catalyst into the space between the primary heating tube and the mixing tube, the upper end of the primary heating tube Located below the injection hole may be formed of a conical projection.
상기 혼합관에서 상기 돌출부를 향하는 면은 상기 돌출부의 외면과 평행하도록 경사지게 형성될 수 있으며, 상기 1차 가열부로 유입된 상기 미반응 연료는 상기 연소 촉매에서 10% 내지 30%만 소모되고, 나머지는 상기 혼합관으로 유입될 수 있다.The surface facing the protrusion in the mixing tube may be formed to be inclined parallel to the outer surface of the protrusion, the unreacted fuel introduced into the primary heating portion consumes only 10% to 30% in the combustion catalyst, the rest It may be introduced into the mixing tube.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부와, 열원에 의한 개질 반응을 통해 상기 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개 질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원, 및 상기 산소를 상기 전기 생성부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 개질기는 개질 촉매가 내장되며 내부에 화염이 발생하는 공간이 형성된 개질 반응부와 화 촉매가 내장되며 스택에서 배출된 미반응 연료와 공기가 유입되는 1차 가열관과 상기 1차 가열관에서 가열된 미반응 연료와 공기가 혼합되는 혼합관을 포함하는 가열부를 포함하고 상기 개질 반응부와 상기 가열부 사이에는 가열된 미반응 연료와 혼합된 공기가 분출되는 분사 홀이 형성된다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a fuel cell system includes at least one electricity generating unit generating electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and hydrogen from a fuel containing hydrogen through a reforming reaction by a heat source. A reformer for generating a gas, a fuel supply source for supplying the fuel to the reformer, and an oxygen supply source for supplying the oxygen to the electricity generating unit, wherein the reformer includes a reforming catalyst and a space in which a flame is generated. The formed reforming reaction unit and the combustion catalyst are built-in, including a primary heating tube into which unreacted fuel and air discharged from the stack are introduced, and a mixing tube in which unreacted fuel and air heated in the primary heating tube are mixed. And an injection hole in which air mixed with the heated unreacted fuel is ejected between the reforming reaction part and the heating part. do.
상기 개질 반응부는 개질 촉매가 내장되는 제1 공간을 형성하는 제1 벽체와 제1 벽체의 내부에 위치하며 상기 분사 홀과 연통되어 내부에 화염이 형성되는 제2 공간을 형성하는 제2 벽체를 포함할 수 있으며, 상기 제2 벽체에는 제1 벽체를 향하여 돌출된 열전달 핀이 형성될 수 있다.The reforming reaction part includes a first wall that forms a first space in which a reforming catalyst is embedded and a second wall that is positioned inside the first wall and communicates with the injection hole to form a second space in which a flame is formed. The second wall may have a heat transfer fin protruding toward the first wall.
상기 혼합관의 외측에는 공기가 유입되며, 상기 혼합관의 외면에서 이격 배치된 가열 몸체가 형성될 수 있으며, 상기 혼합관의 하부는 개방되고, 상기 혼합관과 상기 1차 가열관 사이의 공간에는 상기 1차 가열관의 중심축 방향에 대하여 경사지게 형성된 안내판이 설치될 수 있다.Air is introduced into the outside of the mixing tube, a heating body spaced apart from the outer surface of the mixing tube may be formed, the lower portion of the mixing tube is opened, the space between the mixing tube and the primary heating tube A guide plate inclined with respect to the direction of the central axis of the primary heating tube may be installed.
상기 1차 가열관의 상단에는 상기 분사 홀의 아래에 위치하며 원뿔 형태로 이루어진 돌출부가 형성될 수 있다.An upper end of the primary heating tube may be formed under the injection hole and a protrusion having a cone shape.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동 방법은 미반응 연료와 미반응 연료가 완전 연소되기에 부족한 희박한 양의 공기를 연소 촉매가 내장된 1차 가열관으로 공급하여 미반응 연료를 가열하는 단계와, 상기 1차 가열관에서 가 열된 미반응 연료와 공기를 혼합하는 단계와, 가열된 미반응 연료와 혼합하여 개질 촉매가 내장된 개질 반응부의 내부로 분사하는 단계, 및 연료와 수증기를 상기 개질 촉매와 반응시켜 개질가스를 생산하는 단계를 포함한다.In a method of driving a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, an unreacted fuel and an unreacted fuel are supplied to a primary heating tube having a combustion catalyst to supply an unreacted amount of air that is insufficient to completely burn the unreacted fuel. And mixing the unreacted fuel and air heated in the primary heating tube, mixing the heated unreacted fuel and injecting the reformed reaction unit with the reforming catalyst therein, and the fuel and water vapor. Reacting with the reforming catalyst to produce a reformed gas.
상기 미반응 연료를 가열하는 단계는 상기 1차 가열관으로 공급된 미반응 연료는 공급된 양의 10% 내지 30%가 연소 촉매와 반응하여 소모될 수 있다.In the heating of the unreacted fuel, the unreacted fuel supplied to the primary heating tube may be consumed by reacting 10% to 30% of the supplied amount with the combustion catalyst.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에 의하면, 미반응 연료를 1차로 촉매 가열한 후, 가열된 연료를 공기와 혼합하여 연소시킴으로써 저함수 고발열 미반응 연료를 이용하여 개질기로 안정적인 열을 공급할 수 있다. 이와 같이 미반응 연료를 이용하여 개질기에 열을 공급함으로써 연료 이용효율이 향상된다. According to the fuel cell system according to the present invention, it is possible to stably supply heat to a reformer by using a low-function, high-heating unreacted fuel by first catalytically heating unreacted fuel and then mixing the heated fuel with air to combust it. As such, the fuel utilization efficiency is improved by supplying heat to the reformer using unreacted fuel.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략적인 구성도이고 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 스택을 도시한 분해 사시도이다.1 is a schematic configuration diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is an exploded perspective view showing a stack of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료전지 시스템(100)은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 개질가스를 발생시키고, 이 개질가스와 공기 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.Referring to this drawing, the
이러한 연료전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 통칭한다. In the
그리고 본 연료전지 시스템(100)은 수소 가스와 반응하는 공기 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.In addition, the
본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 생성부(11)와, 전술한 바 있는 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 생성부(11)로 공급하는 개질기(20)와, 상기 혼합 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급원(50)과, 산소를 상기 전기 생성부(11)로 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.The
전기 생성부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고 한다.)(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 연료전지를 구성한다. 본 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 생성부(11)를 복수로 구비하여 도 2에 도시한 바와 같이, 이들 전기 생성부(11)의 집합체 구조인 스택(10)을 형성하고 있다.The electricity generating
상기 스택(10)에 있어 전기 생성부(11)를 구성하는 막-전극 어셈블리(12)는 전해질막을 중심에 두고 이의 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하여 수소와 산소를 산화/환원 반응시키는 통상적인 MEA의 구조로 이루어진다. 그리고 세퍼레이터(16)는 막-전극 어셈블리(12)의 양측에 수소 가스와 산소를 함유한 공기를 공급하는 기능 이 외에, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다.In the
그리고 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 생성부(11)를 밀착시키는 별도의 가압 플레이트(13)를 설치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(10)은 상기한 가압 플레이트(13)를 배제하고, 전기 생성부(11)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(16)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수도 있다. 또한 가압 플레이트(13)가 복수의 전기 생성부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 다음에 설명하는 세퍼레이터(16)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.And the outermost of the
이에 더하여 상기 가압 플레이트(13)에는 개질기(20)로부터 발생되는 개질가스를 전기 생성부(11)로 공급하기 위한 제1 주입부(13a)와, 공기를 상기 전기 생성부(11)로 공급하기 위한 제2 주입부(13b)와, 상기 전기 생성부(11)에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출시키기 위한 제1 배출부(13c)와, 상기 전기 생성부(11)에서 수소와 반응하고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(13d)를 형성하고 있다. In addition, the
한편, 본 연료전지 시스템(100)에 적용되는 개질기(20)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다. 이러한 개질기(20)의 구조는 뒤에서 더욱 설명한다.Meanwhile, the
위와 같은 개질기(20)로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)은 전술한 바 있는 연료를 저장하는 탱크를 포함하며, 산소 공급원(70)은 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 스택(10)으로 공급하는 공기 펌프를 포함한다. 본 기재에서 산소라 함은 순수한 산소와 산소를 포함하는 공기를 포함하는 광의의 개념으로 정의한다.The
연료 공급원(50)과 개질기(20)는 연료 공급관(91)을 통해서 연결되고, 산소 공급원(70)은 제1 개질 공기 공급관(93)과 제2 개질 공기 공급관(94)을 통해서 개질기로 공기를 공급하며, 스택 공기 공급관(95)을 통해서 스택으로 공기를 공급한다. 한편, 제1 배출부(13c)에는 미반응 연료를 개질기(20)로 전달하는 회수관(97)이 연결 설치되고, 제1 유입부(13a)에는 개질기(20)에서 발생된 개질가스를 스택(10)으로 전달하는 개질가스 공급관(96)이 설치된다.The
또한, 연료전지 시스템(100)은 물 공급원(60)를 더 포함하며, 물 공급원(60)는 물 공급관(92)을 통해서 수증기를 개질기(20)로 전달한다.In addition, the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 도시한 절개 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 도시한 종단면도이며 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 도시한 횡단면도이다.3 is a cutaway perspective view showing a reformer according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a longitudinal cross-sectional view showing a reformer according to an embodiment of the present invention and Figure 5 is a reformer according to an embodiment of the present invention Figure is a cross-sectional view.
도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 개질기(20)는 열원(이하에서 '열 에너지'라고도 한다.)에 의한 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 촉매 반응을 통해 연료로부터 개질가스를 발생시키는 개질 반응부(22)와, 미반응 연료를 착화 연소시켜 상기 열원을 발생시키는 가열부(24)를 포함하여 구성된다.Referring to FIGS. 3 to 5, the
개질 반응부(22)는 상호 독립적인 제1 공간(A)과 제 2 공간(B)을 형성하는 이중의 원통 관로 형태로 이루어지며, 개질 촉매(21a)가 설치된 제1 벽체(21)와 제1 벽체(21)의 내부에 배치되어 화염(29)이 분사되는 제2 벽체(23)를 포함한다. 제1 벽체(21)는 소정의 단면적을 가지면서 실질적으로 양측 단부가 폐쇄된 원형의 파이프 형태로 이루어진다. 이 때, 제1 벽체(21)는 단열성을 갖는 통상적인 금속 또는 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다.The reforming
그리고 제2 벽체(23)는 제1 벽체(21)의 단면적 보다 상대적으로 더 작은 단면적을 가지는 원형의 파이프 형태로 이루어진다. 이 때, 제2 벽체(23)의 외주면과 제1 벽체(21)의 내주면이 일정 간격 이격되도록 제1 벽체(21)의 내부 중심 방향으로 배치된다.The
이러한 구조로서 본 실시예에 의한 개질 반응부(22)는 제1 벽체(21)와 제2 벽체(23) 사이에 제1 공간(A)을 형성하고, 제2 벽체(23) 내부에 제2 공간(B)을 형성할 수 있다. With this structure, the reforming
따라서 제1 벽체(21)와 제2 벽체(23) 사이의 제1 공간(A)에 개질 촉매(21a)를 충전하여 이 개질 촉매(21a)에 의한 연료의 개질 반응으로 수소가 풍부한 개질가스를 발생시킬 수 있으며, 제2 벽체(23)의 내부의 제2 공간(B)으로 화염(29)을 형성하여 개질 촉매(21a)에 열 에너지를 전달할 수 있다.Therefore, a reforming gas rich in hydrogen is filled in the first space A between the
또한, 제2 벽체(23)에는 제1 벽체(21)를 향하여 돌출된 복수개의 판 형상의 열전달 핀(23a)이 형성된다. 이 열전달 핀(23a)은 제2 공간(B)에서 발생한 열을 효율적으로 개질 촉매(21a)로 전달하는 역할을 한다.In addition, a plurality of plate-shaped
개질 반응부(22)의 제1 벽체(21)에는 연료가 공급되는 연료 공급관(91)과 수증기가 유입되는 물 공급관(92)이 연결 설치되며, 개질 반응부(22)로 유입된 수증기와 연료는 가열부에서 전달된 열 에너지로 가열된 개질 촉매(21a)를 통해서 수소가 풍부한 개질가스로 변환된다. 생성된 개질가스는 개질가스 공급관(96)을 통해서 스택(10)으로 전달되며, 화염(29)으로 발생한 연소가스는 배기관(98)을 통해서 외부로 배출된다.The
한편, 가열부(24)는 개질 반응부(22)의 아래에 배치되며, 제1 개질 공기 공급관(93)이 연결 설치된 가열 몸체(25)와 가열 몸체(25)의 내부에 삽입 설치되며 내부에 연소 촉매(28c)가 설치된 1차 가열관(28), 및 가열 몸체(25)와 1차 가열관(28) 사이에 설치된 혼합관(27)을 포함한다. 본 기재에서 연소 촉매(28c)라 함은 연료를 산화시키는 촉매를 말한다.On the other hand, the
혼합관(27)은 가열 몸체(25)의 내면에서 이격 배치되어 공간(25a)이 형성되며, 1차 가열관(28)은 혼합관(27)의 내면에서 이격 배치되어 공간(27a)이 형성되는 바, 이에 따라 가열 몸체(25), 혼합관(27), 1차 가열관(28)은 3중의 원통관 구조로 이루어진다. 이때, 혼합관(27)은 하단이 개방된 구조로 이루어지는 바, 이에 따라 혼합관(27)의 안쪽 공간(27a)은 가열 몸체(25)가 형성하는 공간(25a)과 연통된다.The mixing
1차 가열관(28)의 아래에는 스택(10)에서 배출되는 미반응 연료를 1차 가열관(28)으로 전달하는 회수관(97)이 연결 설치되고, 공기를 1차 가열관(28)으로 공급하는 제2 개질 공기 공급관(94)이 연결 설치된다. 또한, 1차 가열관(28)의 내부에는 연소 촉매(28c)가 설치되어 미반응 연료와 공기를 이용하여 열을 발생시킨다. 또한, 1차 가열관(28)의 위쪽에는 연소 촉매(28c)에 의하여 산화되고 남은 미반응 연료를 1차 가열관(28)과 혼합관(27) 사이의 공간(27a)으로 전달하는 복수 개의 홀(28a)이 형성되어 있다.Under the
이에 따라 미반응 연료는 연소 촉매(28c)에 의하여 가열되어 혼합관(27)으로 이동할 수 있다. 이때, 제2 개질 공기 공급관(94)을 통해서 1차 가열관(28)으로 전달되는 공기의 양은 미반응 연료가 완전 연소할 수 있는 양보다 적은 희박한 정도 양이 공급된다. 이에 따라 연료 과잉 조건에서 공급된 미반응 연료는 10% 내지 30%의 연료만 반응하여 가열된 미반응 연료가 혼합관(27)과 1차 가열관(28) 사이의 공간(27a)으로 이동한다.As a result, the unreacted fuel may be heated by the
한편, 가열 몸체(25) 내부로 유입된 공기는 혼합관(27)의 하부를 통해서 혼합관(27)과 1차 가열관(28) 사이의 공간(27a)으로 유입되는 바, 이 1차 가열관(28)과 혼합관(27) 사이의 공간(27a)에서 미반응 연료와 공기가 혼합되고 가열된다. 개질 반응부(22)와 가열부(24) 사이의 판에는 분사 홀(26)이 형성되는 바, 이 분사 홀(26)을 통해서 공기와 혼합된 미반응 연료가 제1 공간(A)으로 분사되면서 화염(29)을 형성한다. 이 때 분사 홀(29)에는 화염을 형성하기 위해서 점화 플러그 등이 설치될 수 있다.On the other hand, the air introduced into the
1차 가열관(28)은 가열된 미반응 연료가 분사 홀(26)을 통해서 제1 공간(A)으로 용이하게 전달될 수 있도록 상단에 원뿔 형태로 이루어진 돌출부(28b)가 형성되며, 돌출부(28b)의 꼭지는 분사 홀(26)의 아래에 위치한다. 혼합관(27)의 상단에는 돌출부(28b)를 향하는 면이 돌출부(28b)와 평행하도록 내부 단면적이 점진적 으로 감소하는 경사면으로 형성되어 1차 가열관(28)과 혼합관(27) 사이에 위치하는 가스를 분사 홀(26)로 쉽게 전달할 수 있다. 분사 홀(26)에는 점화기(미도시)가 설치될 수 있다.The
한편, 1차 가열관(28)의 외면에는 혼합관(27)으로 유입되는 공기가 미반응 연료와 용이하게 혼합될 수 있도록 스월을 발생시키는 안내판(28d)이 설치된다. 안내판(28d)은 1차 가열관(28)의 중심축 방향에 대하여 경사지게 형성되어 유입되는 공기가 1차 가열관(28)의 벽면에 대하여 비스듬하게 유입되도록 한다. 경사를 가지고 유입된 공기는 난류를 형성하여 미반응 연료와 더욱 잘 혼합된다.On the other hand, the outer surface of the
이와 같이 희박한 미반응 연료가 연소 촉매에 의한 희박 연소로 고온으로 승온된 후, 산소가 풍부한 공기를 다량 공급하면 개질 반응부로 충분한 양의 열을 전달할 수 있다.After the lean unreacted fuel is heated to a high temperature by lean combustion by a combustion catalyst, a large amount of oxygen-rich air can be supplied to transfer a sufficient amount of heat to the reforming reaction unit.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 구동 방법에 대하여 살펴보면, 먼저 미반응 연료와 미반응 연료가 완전 연소되기에 부족한 희박한 양의 공기를 연소 촉매(28c)가 내장된 1차 가열관(28)으로 공급하여 미반응 연료를 가열하는 단계와 1차 가열관(28)에서 가열된 미반응 연료와 공기를 혼합하는 단계와 가열된 미반응 연료와 혼합된 공기를 연소시켜서 개질 촉매(21a)가 내장된 개질 반응부(22)의 내부로 분사하는 단계, 및 연료와 수증기를 개질 촉매(21a)와 반응시켜 개질가스를 생산하는 단계를 포함한다.Referring to the driving method of the
미반응 연료를 가열하는 단계에서 10% 내지 30%의 미반응 연료가 연소 촉매(28c)와 반응하여 소모된다.In the step of heating the unreacted fuel, 10% to 30% of the unreacted fuel is consumed by reacting with the
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략적인 구성도이다.1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 스택을 도시한 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view illustrating a stack of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 도시한 절개 사시도이다.3 is a cutaway perspective view showing a reformer according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 도시한 종단면도이다.4 is a longitudinal sectional view showing a reformer according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 도시한 횡단면도이다.5 is a cross-sectional view showing a reformer according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 참조부호의 설명><Description of reference numerals for main parts of the drawings>
100: 연료전지 시스템 10: 스택100: fuel cell system 10: stack
11: 전기 생성부 12: 막-전극 어셈블리11: electricity generator 12: membrane-electrode assembly
16: 세퍼레이터 20: 개질기16: Separator 20: Reformer
21: 제1 벽체 21a: 개질 촉매21:
22: 개질 반응부 23: 제2 벽체22: reforming reaction portion 23: the second wall
23a: 열전달 핀 24: 가열부23a: heat transfer fin 24: heating part
25: 가열 몸체 26: 분사 홀25: heating body 26: injection hole
27: 혼합관 28: 1차 가열관27: mixing tube 28: primary heating tube
28c: 연소 촉매 28d: 안내판28c:
50: 연료 공급원 60: 물 공급원50: fuel source 60: water source
70: 산소 공급원70: oxygen source
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