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KR20070110370A - 반응기 - Google Patents

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KR20070110370A
KR20070110370A KR1020077021290A KR20077021290A KR20070110370A KR 20070110370 A KR20070110370 A KR 20070110370A KR 1020077021290 A KR1020077021290 A KR 1020077021290A KR 20077021290 A KR20077021290 A KR 20077021290A KR 20070110370 A KR20070110370 A KR 20070110370A
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high temperature
fuel
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다다오 야마모토
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가시오게산키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 소정의 온도로 반응을 일으키는 저온 반응 유닛; 저온 반응 유닛에 비해 높은 온도에서 반응을 일으키는 고온 반응 유닛; 및 저온 반응 유닛과 고온 반응 유닛이 서로 연통된 연통관을 포함하며, 저온 반응 유닛과 고온 반응 유닛 중 적어도 하나는 돌출면과 오목면으로 설치되고, 돌출면과 오목면 각각은 저온 반응 유닛과 고온 반응 유닛 중 다른 하나의 대향면을 향하고; 오목면과 대향면 사이의 길이는 돌출면과 대향면 사이의 길이보다 길고; 그리고 연통관은 오목면과 대향면 사이에 구비됨을 개시한다.
저온 반응 유닛, 고온 반응 유닛, 연통관, 돌출면, 오목면, 대향면, 반응기, 연료, 수소

Description

반응기{REACTOR}
본 발명은, 연료 전지 장치에 각각 사용되는 기화기, 개질기, CO 제거기 등과 같은 다른 동작 온도를 가지는 반응기를 일체화한 반응로에 관한 것이다.
근래에는, 에너지 변환 효율이 높고 깨끗한 전원으로서 수소를 연료로 하는 연료 전지가 자동차나 휴대 기기 등에 응용되기 시작하고 있다. 연료 전지는 연료와 대기중의 산소를 전기 화학적으로 반응시키고, 화학 에너지로부터 전기 에너지를 직접 획득하는 장치이다.
연료 전지에 이용하는 연료로 수소가 될 수 있지만, 상온에서는 기체로 되어 취급 및 저장 문제가 있다. 알코올류 및 가솔린 등과 같은 액체 연료를 이용하는 경우, 액체 연료를 기화시키는 기화기와, 액체 연료와 고온의 수증기를 반응시킴으로서 발전에 필요한 수소를 추출하는 개질기와, 개질 반응의 부산물인 일산화탄소를 제거하는 CO 제거기 등이 필요하다(예를 들면, JP-2002-356310A 참조).
소형 전자 장치에 연료 전지를 설치하기 위해서, 기화기, 개질기, CO 제거기로 설치된 반응기에서, 약 200 ℃ 미만에서 적당한 동작 온도를 가지는 기화기 및 CO 제거기와, 약 ２５０ ℃ 이상에서 적당한 동작 온도를 가지는 개질기 사이에는 온도차가 있다. 따라서, 기화기 및 CO 제거기 온도가 개질기 열의 전달로 인해 동 작 온도 범위 이상으로 상승하지 않도록, 이러한 비교적 저온 반응로는 비교적 고온 반응로부터 즉, 개질기로부터 충분히 긴 거리를 두고 이격될 필요가 있다. 그러나, 그렇게 긴 거리의 이격은 반응기 전제에 소형화를 저해시킨다. 소형화 설치가 이러한 이유로 불가능할 경우, 열용량은 초과되어, 에너지 효율을 향상시키기 위해 전체 반응기의 열손실을 감소시킬 필요가 있다.
본 발명의 이점은 열 손실을 막고 적당한 온도에서 화학 반응이 일어나는 반응기를 제공함이다.
본 발명의 제 1 관점에 따라서, 상술된 문제점을 해결하기 위해, 연료를 개질하기 위해 연료 개질 반응기는: 소정의 온도로 반응을 일으키는 저온 반응 유닛; 저온 반응 유닛에 비해 높은 온도에서 반응을 일으키는 고온 반응 유닛; 및 저온 반응 유닛과 고온 반응 유닛이 서로 연통된 연통관을 포함하며, 저온 반응 유닛과 고온 반응 유닛 중 적어도 하나는 돌출면과 오목면으로 설치되고, 돌출면과 오목면 각각은 저온 반응 유닛과 고온 반응 유닛 중 다른 하나의 대향면을 향하고; 오목면과 대향면 사이의 길이는 돌출면과 대향면 사이의 길이보다 길고; 그리고 연통관은 오목면과 대향면 사이에 구비된다.
본 발명의 제 1 관점에 따른 반응기에서, 저온 반응 유닛은 CO 제거기 또는 기화기를 포함할 수 있다.
고온 반응 유닛은 연료를 수소로 개질하기 위해 개질기를 포함할 수 있다.
저온 반응 유닛 또는 고온 반응 유닛은 가열기를 포함할 수 있다.
반응기는 저온 반응 유닛, 고온 반응 유닛 및 연통관을 덮기 위해 단열 패키지를 더 포함할 수 있다.
저온 반응 유닛 또는 고온 반응 유닛은 복수의 금속 기판들로 형성될 수 있다.
저온 반응 유닛 또는 고온 반응 유닛이 가열될 시, 열 팽창에 의해 연통관 연결부에서의 변형을 최소화시키기 위해, 저온 반응 유닛, 고온 반응 유닛 및 연통관은 동일 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
저온 반응 유닛은 CO 제거기를 포함하고; 고온 반응 유닛은 연료를 수소로 개질하는 개질기를 포함하고; 그리고 연통관은 개질기에 의해 개질된 가스를 CO 제거기로 순환하기 위한 배관을 포함할 수 있다.
저온 반응 유닛은 집합 배관을 포함할 수 있다.
상술된 반응기는 연료 전지로 설치된 발전 장치에 적용될 수 있다.
본 발명의 제 1 관점에 따라서, 연통관의 거리는 길게 된다. 이로써, 고온 반응 유닛으로부터 저온 반응 유닛로의 열전달은 차단될 수 있게 되고, 그리고 저온 반응 유닛과 고온 반응 유닛 사이의 거리는 소형화가 가능하도록 짧아질 수 있다.
본 발명의 제 2 관점에 따라서, 연료 개질 반응기는: 소정의 온도로 반응을 일으키는 저온 반응 유닛; 저온 반응 유닛에 비해 높은 온도에서 반응을 일으키는 고온 반응 유닛; 및 저온 반응 유닛과 고온 반응 유닛이 서로 연통된 연통관을 포함하며, 저온 반응 유닛과 고온 반응 유닛 중 적어도 하나는 복수의 금속판들로 형성된다.
본 발명의 제 2 관점에 따라서, 저온 반응 유닛과 고온 반응 유닛 중 적어도 하나는 금속판으로 형성된다. 그 결과, 금속판은 글라스 기판보다 열전도성이 우수하며, 반응기도 얇게 작동될 수 있다. 이로써, 소형화는 실현될 수 있고, 열용량도 동시에 작아질 수 있다. 때문에, 화학 반응은 소량의 열량으로 적당한 온도에서 일어날 수 있다.
본 발명의 제 3 관점에 따라서, 연료 개질 반응기는: 소정의 온도로 반응을 일으키는 저온 반응 유닛; 저온 반응 유닛에 구비된 유입 배관; 유입 배관과 연결되기 위해 구비된 유출 배관; 저온 반응 유닛에 비해 높은 온도에서 반응을 일으키는 고온 반응 유닛; 및 저온 반응 유닛과 고온 반응 유닛이 서로 연통된 연통관을 포함한다.
본 발명의 제 3 관점에 따라서, 유입 배관 및 유출 배관이 서로 연결되도록 구비되기 때문에, 유체가 유출 배간을 통해 유출될 시, 온도가 낮은 부분의 열에 의해 가열된 유체는 유출 배관으로 유입된 유체를 가열시킨다. 이로써, 열교환이 가능하게 되고, 미리 저온 반응 유닛내의 유입 배관에 가열된 유체를 가열시키기 위한 열량을 감소시킬 수 있다. 때문에, 화학 반응은 적당한 온도에서 일어날 수 있다.
본 발명에 따라서, 화학 반응은 적당한 온도에서 일어날 수 있다.
도 1은 발전 장치(100)의 블록도이다.
도 2는 반응기(10)의 사시도이다.
도 3은 도 ２의 선 Ⅲ - Ⅲ으로 절단하여 화살표 방향으로 본 단면도이다.
도 4는 도 ２의 선 Ⅳ - Ⅳ으로 절단하여 화살표 방향으로 본 단면도이다.
도 5는 도 ２의 선 Ⅴ - Ⅴ으로 절단하여 화살표 방향으로 본 단면도이다.
도 6은 도 ２의 선 Ⅵ - Ⅵ으로 절단하여 화살표 방향으로 본 단면도이다.
도 7은 도 ２의 선 Ⅶ - Ⅶ으로 절단하여 화살표 방향으로 본 단면도이다.
이하에, 본 발명은 도면을 첨부하여 설명한다. 그러나, 이하 기재된 실시예는 본 발명을 실시하기 위해 여러 가지로 바람직하고 기술적으로 국한되지만, 본 발명의 범위를 이하의 실시예 및 도시예로 국한되는 것은 아니다.
[제 １ 실시예]
도 １은, 본 발명의 제 １ 실시예에 따른 반응기(10)가 적용되는 발전 장치(100)의 블록도이다. 이 발전 장치(100)는, 노트북-크기의 개인용 컴퓨터, 휴대 전화기, 개인 휴대용 단말기(PDA), 전자수첩, 손목시계, 디지털 스틸 카메라, 디지털 비디오 카메라, 게임기기, 재생 장치, 그 외의 전자 장치에 설치될 수 있어서, 전자 장치 본체를 동작시키기 위한 전원으로서 이용된다.
발전 장치(100)는, 연료 용기(101)와, 연료 용기(101)와 자유롭게 연결가능하고 연료 용기(101)로부터 공급된 연료를 개질하는 반응로를 포함한 반응기(10)와, 반응기(10)에 의해 개질된 수소로 발전시키는 연료 전지 장치(102)로 구성된다. 연료 용기(101)는, 미도시인 마이크로-펌프로 연료와 물의 혼합된 액체를 공급 하기 위해 서로 혼합된 상태에서, 또는 서로 분리된 상태에서 메타놀 등의 연료와 물을 저장할 수 있다. 대안적으로, 연료와 물은 미리 연료 용기내에 서로 혼합될 수 있다.
도 ２는, 반응기(10)를 아래로 내려본 사시도이다. 도 ２에 도시된 바와 같이, 반응기(10)는 고온 반응 유닛(11)과, 고온 반응 유닛(11)에 대향하여 배치된 저온 반응 유닛(12)으로 구성된다. 고온 반응 유닛(11)은 200 ℃ 이상으로 반응을 일으키는 반응 유닛이다. 고온 반응 유닛(11)은 연료 용기(101)내의 연료를 개질해 수소를 생성하는 수증기 개질 반응을 일으키는 개질기(14)와, 개질기(14)의 개질 반응을 촉진하기 위해서 개질기(14)를 고온에 가열하는 고온 연소기(16)와, 그리고 특히 발전 장치(100)의 기동 시와 같이, 고온 연소기(16)가 고온에 가열할 수 없는 상태에서도 개질기(14)를 신속하게 가열하기 위한 보조 열원으로서 사용되는 전열 소자인 고온 가열기(18)를 포함한다.
저온 반응 유닛(12)은 200 ℃ 미만으로 반응을 일으키는 반응 유닛이다. 저온 반응 유닛(12)은, 미리 개질기(14)에 공급되는 연료나 물을 기화시키는 반응로인 기화기(13)와, 개질기(14)에서 개질할 시에 부생성물로서 생성되는 이산화탄소를 제거하는 반응로인 CO 제거기(15)와, CO 제거기(15)내의 반응 및 기화기(13)내의 기화 반응에 필요한 비교적 저온의 열원으로서 사용된 저온 연소기(17)와, 그리고 특히 발전 장치(100)의 기동 시와 같이, 저온 연소기(17)를 충분히 가열할 수 없는 상태에서도 기화기(13)와 CO 제거기(15)를 신속하게 가열하기 위한 보조 열원으로서 사용되는 전열 소자인 저온 가열기(19)를 포함한다.
고온 반응 유닛(11) 및 저온 반응 유닛(12) 중 일부는, 예를 들면, 이하에서 설명되는 유로를 형성하는 스텐레스(SUS 304)로 구성된 복수의 금속판들과 서로 부착시킴으로써 형성된다. 때문에, 고온 가열기(18)는 절연막을 가진 개질기(14)의 금속판에 부착되며, 그리고 저온 가열기(14)는 절연막을 가진 CO 제거기(15)의 금속판 또는 저온 연소기(17)의 금속판에 부착된다.
기화기(13)는, 연료 용기(101)로부터 공급된 연료와 물을 기화시키는 반응로이다. 개질기(14)는 주생성물인 수소 가스, 이산화탄소 가스와 부생성물인 일산화탄소의 혼합 기체를 생성하는 [화학식 1]에 따라서, 기화기(13)로부터 공급된 연료와 물을 혼합한 기체를 반응시킨다.
개질기(14)는 미량의 일산화탄소를 생성하기 위해 [화학식 2]에 따른 반응도 일부 일으킨다. CO 제거기(15)는 혼합 기체로부터 일산화탄소를 제거하기 위해 [화학식 3]에 따라서, 개질기(14)에 의해 생성된 일산화탄소를 선택적으로 산화시킨다. 이하에서, 일산화탄소를 제거한 수소-리치(rich)의 혼합 기체를 개질 가스라고 칭한다. 게다가, [화학식 3]은 발열 반응이지만, 반응을 개시할 시 열에 의해 반응속도가 향상될 수 있다.
CH3OH + H2O → 3H2 + CO2
H2 + CO2 → H2O + CO
2CO + O2 → 2CO2
개질 가스는 반응기(10)로부터 연료 전지 장치(102)의 연료 전극 측으로 공급된다. 개질 가스내의 수소 가스는 전기 화학 반응식[화학식 4]에 표기된 바와 같이, 연료 전극 상에 구비된 촉매로 수소 이온과 전자로 분리된다. 수소 이온은 산소 전극측으로 이동하기 위해 연료 전지 장치(102)의 전해질 막을 통과한다. 전자는 외부 회로를 거쳐 산소 전극으로 이동한다. 산소 전극 측 상에는, 전기 화학 반응식[화학식 5]에 표기된 바와 같이, 전해질 막을 통과한 수소 이온과, 외부 회로를 거쳐 산소 전극으로부터 공급되는 전자와, 대기로부터 공급되는 산소 가스와의 화학반응에 의해 물을 생성한다. 전기 에너지는 연료 전극과 산소 전극의 전극 전위차로부터 획득될 수 있다.
H2 → 2H+ + 2e-
2H+ + 2e- + 1/2O2 → H2O
고온 연소기(16)는, 연료 전극 측에 공급된 개질 가스에서, 상술된 전기 화학반응을 실행하지 않고 남은 수소 가스(이하, 오프(off)-가스라고 칭함)에 산소를 혼합하여, 250 ℃ 이상의 온도, 예를 들면, 약 250 ℃ 내지 400 ℃ 범위내의 온도 로 고온 반응 유닛(11)을 가열하기 위해 가스를 연소한다. 고온 연소기(16)와 같이, 저온 연소기(17)는 오프-가스 일부에 산소를 혼합하여 고온 연소기(16)에 의한 온도보다 낮은 200 ℃ 미만의 온도, 예를 들면, 약 110 ℃ 내지 190 ℃ 범위내의 온도로 저온 반응 유닛(12)을 가열하기 위해 오프-가스를 연소한다. 고온 가열기(18)는 기동 시에 고온 연소기(16) 대신에 고온 반응 유닛(11)을 가열하여, 저온 가열기(19)는 기동 시에 저온 연소기(17) 대신에 저온 반응 유닛(12)을 가열한다.
도 ２는 반응기(10)를 도시한 사시도이다. 반응기(10)는 단열 패키지(20)에 덮히게 된다. 갭은 표면들 사이에서 미도시인 간격으로 단열 패키지(20)의 내측면과 외측면과의 사이에 형성된다. 게다가, 단열 패키지(20)의 내부 공간에 단열 효과가 있도록 하기 위해 저압(0.03 Pa 이하)으로 유지되어, 반응기(10)로부터 단열 패키지(20) 외부까지의 열손실을 차단한다. 단열 패키지(20)의 내부 공간에는 약간의 가스가 존재한다. 가스에 있어서, 고온 반응 유닛(11) 및 저온 반응 유닛(12)의 온도 범위 내에 있는 불활성의 아르곤, 헬륨과 같은 희소한 가스가 바람직하지만, 이에 국한되지 않는다.
단열 패키지(20) 물질로서, 예를 들면 스텐레스(SUS 304)와 같은 금속판을 사용할 수 있다. 게다가, 반응기(10)로부터 복사에 의한 열손실을 차단하기 위해, 복사 방지막이 단열 패키지(20)의 내면 상에 형성된다. 예를 들면, 복사 방지막에는 금(Au) 등이 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반응기(10)에서, 고온 반응 유닛(11)과 저온 반응 유닛(12)은 서로로부터 이격된 상태로 구비된다. 게다가, 단열 패키지(20)의 내면 상에 구비된 복사 방지막과 유사한 복사 방지막들은 고온 반응 유닛(11)과 저온 반응 유닛(12)의 외부 주변면 상에 형성되는 것이 바람직하다.
도 ４-６에 도시된 바와 같이, 저온 반응 유닛(12)은, 기화기(13)인 기화 유로(41)로 구비된 상부층의 금속 기판(52)과, CO 제거기(15)인 CO 제거 유로(43)로 구비된 중간층의 금속 기판(54)과, 그리고 저온 연소기(17)인 연소 유로(44)로 구비된 하부층의 금속 기판(56)으로 3 개 층을 포함한다. 저온 반응 유닛(12)은 이러한 금속 기판들(52, 54 및 56)이 적층된 구조를 가진다. 게다가, 기화 유로(41)가 개방된 경우, 개방된 부분을 밀봉하기 위해 상위 덮개로서 사용되는 금속 기판이 구비된다. 연소 유로(44)가 개방된 경우, 개방된 부분을 밀봉하기 위해 하위 덮개로서 사용되는 금속 기판이 구비된다. 이러한 금속 기판들 각각에 있어서, 스텐레스(SUS 304)로 구성된 금속 기판들이 이용될 수 있다.
저온 반응 유닛(12)도 돌출면(12A)과 오목면(12B)을 포함하여, 고온 반응 유닛(11)의 평평한 대향면(11A)을 향하고 있다. 저온 반응 유닛(12)의 돌출면(12A)은 오목면(12B)과 비교하여 고온 반응 유닛(11)의 대향면(11A)을 향하여 돌출된다. 돌출면(12A)의 말단 측의 4 개의 모서리에서, 특히 금속판들(52, 56) 각 위치에서, 노치들(notches)(오목부)(21, 22, 23 및 24)이 형성된다. 노치들(21, 22, 23 및 24)에 의해, 각 오목면(12B)은 대향되기 위해 고온 반응 유닛(11)의 대향면(11A)을 향한다. 4 개의 노치들(21, 22, 23 및 24)에 의해 노출된 각 오목면(12B)은 저온 반응 유닛(12)내의 유로와 연통되고, ４개의 선형 배관인 관들(25, 26, 27 및 28)과 각각 연통된다. 게다가, 노치들(21, 22, 23 및 24)에 의해, 측면들(12C)은 측면 돌출면(12A)와 오목면(12B) 사이에서 노출된다. ４ 개의 관들(25, 26, 27 및 28)의 다른 측들의 말단부는 고온 반응 유닛(11) 대향면(11A) 말단부의 4 개 모서리와 연통된다. 고온 반응 유닛(11) 대향면(11A)과 저온 반응 유닛(12) 오목면(12B) 사이에서 4 개의 연통관들(25, 26, 27 및 28) 길이(L1)는 저온 반응 유닛(12) 노치들(21, 22, 23 및 24)의 세로 방향 길이, 즉 저온 반응 유닛(12)의 돌출면(12A)과 오목면(12B) 사이의 길이(L2)와, 그리고 고온 반응 유닛(11) 대향면(11A)과 저온 반응 유닛(12) 돌출면(12A) 사이의 길이(L3)의 합이다. 길이들(L1, L2 및 L3)은 고온 반응 유닛(11)의 적당한 온도 범위와, 저온 반응 유닛(12)의 적당한 온도 범위와, 고온 반응 유닛(11)과 저온 반응 유닛(12) 사이의 온도차에 따라서 설정된다.
이로써, 연통관들(25, 26, 27 및 28)이 대향면(11A) 상에 고온 반응 유닛(11)과 연통하며, 노치들(21, 22, 23 및 24)에 의해 형성된 각 오목면(12B)을 가진 저온 반응 유닛(12)과 연통하기 때문에, 고온 반응 유닛(11)과 저온 반응 유닛(12) 사이의 연통관들(25, 26, 27 및 28) 길이(L1)는 고온 반응 유닛(11)의 대향면(11A)과 저온 반응 유닛(12)의 돌출면(12A) 사이의 길이(L3)보다 현저하게 길다. 게다가, 4 개의 연통관들(25, 26, 27 및 28) 외경(R)은 노치들(21, 22, 23 및 24)의 폭(W) 및 높이(H)에 비해 충분히 작다.
게다가, 노치들(21, 22, 23 및 24)에 의해 둘러싸인 저온 반응 유닛(12)의 부분에서, 저온 반응 유닛(12)의 유로는 형성된다.
연통관들(25, 26)이 하부층 금속 기판(56) 물질의 열팽창 계수에 근접한 열팽창 계수를 가지는 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 특히, 연통관들(25, 26)이 금속 기판(56)과 동일한 물질로 구성되고, 그리고 연통관들(25, 26)이 금속 기판(56)과 함께 통합적으로 형성되는 것이 바람직하다. 연통관들(27, 28)이 상부층 금속 기판(52) 물질의 열팽창 계수에 근접한 열팽창 계수를 가지는 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 특히, 연통관들(27, 28)이 금속 기판(52)과 동일한 물질로 구성되고, 그리고 연통관들(27, 28)이 금속 기판(53)과 함께 통합적으로 형성되는 것이 바람직하다.
그러한 구조를 가지는 반응기(10)에서, 고온 반응 유닛(11)에서 저온 반응 유닛(12)에 대향된 주요 평면은 대향면(11A)이다. 저온 반응 유닛(12)에서 고온 반응 유닛(11)에 대향된 주요 평면은 돌출면(12A)이다. 고온 반응 유닛(11)과 저온 반응 유닛(12) 사이의 간격은 고온 반응 유닛(11) 및 저온 반응 유닛(12)을 덮는 단열 패키지(20)에 의해 분할된 공간 부분이며, 그리고 저압의 단열 가스는 상기 부분에 채워지게 된다.
그러므로, 고온 반응 유닛(11)에서 저온 반응 유닛(12)에 대향된 주요 평면인 대향면(11A)과 저온 반응 유닛(12)에서 고온 반응 유닛(11)에 대향된 주요평면인 돌출면(12A) 사이는 비교적 작다. 게다가, 연통관들(25, 26, 27 및 28)은 고체이기 때문에, 연통관들의 열전도는 단열 가스의 열전도보다 높다. 때문에, 고온 반응 유닛(11)에서 저온 반응 유닛(12)까지의 열전달의 주요 통로는 4개의 연통관들(25, 26, 27 및 28)이다.
반응기(10) 전체의 용량을 작게 하기 위해서는 대향면(11A)과 돌출면(12A) 사이의 길이(L3)가 가능한 짧게 하는 것이 바람직하다. 노치들(21, 22, 23 및 24) 이 저온 반응 유닛(12)에 구비된 경우, 고온 반응 유닛(11)과 저온 반응 유닛(12) 사이의 연통관들(25, 26, 27 및 28)의 길이는 대향면(11A)과 돌출면(12A) 사이의 길이와 일치한다. 대향면(11A)과 돌출면(12A) 사이의 길이는 그러한 구조에서 소형화되기 위해 짧아진 경우, 고온 반응 유닛(11)과 저온 반응 유닛(12) 사이의 연통관들(25, 26, 27 및 28)의 길이도 짧아지게 되어, 고온 반응 유닛(11)의 열은 저온 반응 유닛(12)으로 전달되기 쉽다. 때문에, 적당한 온도 범위에서 고온 반응 유닛(11)과 저온 반응 유닛(12) 사이의 온도증감을 유지시키는 것은 어렵다.
반면에, 본 발명에서, 대향면(11A)과 돌출면(12A) 사이의 길이(L3)가 반응기(10)를 소형화하기 위해 가능한 짧게 구성된 경우조차도, 고온 반응 유닛(11)과 저온 반응 유닛(12) 사이의 연통관들(25, 26, 27 및 28) 길이는 길이(L2)가 길게 설정시킴으로써 충분히 길게 구성될 수 있다. 때문에, 고온 반응 유닛(11)에서 저온 반응 유닛(12)까지의 열 전달은 연통관들(25, 26, 27 및 28)을 통한 고온 반응 유닛(11)에서 저온 반응 유닛(12)까지의 열전달 통로 길이(L1)를 충분히 길게 설정하여 차단될 수 있다. 이로써, 고온 반응 유닛(11)과 저온 반응 유닛(12) 사이의 온도차는 쉽게 유지될 수 있다.
고온 반응 유닛(11), 저온 반응 유닛(12) 및 연통관들(25, 26, 27 및 28)은 SUS 304로 구성된다. 단열 패키지(20)의 크기는 길이 39 ㎜, 폭 19 ㎜ 및 높이 9.4 ㎜로 구성된다. 단열 패키지(20)와 고온 반응 유닛(11) 사이의 간격과, 단열 패키지(20)와 저온 반응 유닛(12) 사이의 간격은 1 ㎜가 된다. 단열 패키지(20)의 내압은 0.03 Pa로 설정된다. 노치들(21, 22, 23 및 24)의 폭(W), 높이(H) 및 길이(L2) 는 각각 2.8 ㎜, 2.8 ㎜ 및 3 ㎜가 된다. 연통관들(25, 26, 27 및 28)로부터 측면(12C)까지의 간격은 2.3 ㎜가 된다. 고온 반응 유닛(11)과 저온 반응 유닛(12) 사이의 길이(L1), 외경(R) 및 내경은 각각 6 ㎜, 0.5 ㎜ 및 0.3 ㎜가 된다. 길이(L3)는 3 ㎜ 가 된다. 이로써, 고온 반응 유닛(11)과 저온 반응 유닛(12) 각각은 124 ℃로 유지될 수 있다.
게다가. 노치들(21, 22, 23 및 24)과 연통관들(25, 26, 27 및 28)의 위치들은 4 개의 모서리에 국한되지 않는다. 예를 들면, 4 개의 모서리는 고온 반응 유닛(11) 측 상에 말단면의 중심부에서 형성된다. 또한, 노치들(21, 22, 23 및 24) 및 연통관들(25, 26, 27 및 28)을 저온 반응 유닛(12)에 구비되는 대신에 고온 반응 유닛(11) 측 상에 구비될 수 있거나, 양쪽 모두에 구비될 수도 있다. 또한, 노치들(21, 22, 23 및 24)의 형상은 도 ２에 도시된 바와 같이 직사각형에 국한되지 않고, 원주형으로 형성될 수도 있다.
외부로부터 반응기(10)에 유출입하는 유체(연료 및 물, 산소(공기), 개질 가스, 오프-가스 및 배기가스)의 유로로서 사용되는 집합 배관들(30)은 저온 반응 유닛(12) 상부에 구비된다. 고온 반응 유닛(11) 및 저온 반응 유닛(12)은, 예를 들면 이하에서 설명되는 유로들이 형성된 금속판들로 이루어진 스텐레스(SUS 304)를 부착하여 형성될 수 있다. 또한, 고온 반응 유닛(11) 및 저온 반응 유닛(12)과 같은유사한 물질은, 예를 들면, 스텐레스(SUS 304) 등의 금속은 연통관들(25, 26, 27 및 28) 및 집합 배관(30)의 물질로서 사용될 수 있다.
도 ３은 집합 배관(30)의 수평 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 집합 배관(30)은 하나의 본체로 일체화되어 형성된 다음 구성부들로 이루어진다. 구성부들은 연료 용기(101)로부터 기화기(13)에 물을 포함한 연료를 공급하기 위한 액체 연료 배관(31)과, 저온 연소기(17)에 연소용의 공기를 공급하기 위한 공기 공급 배관(32)과, CO 제거기(15)에 CO 제거용의 공기(산소)를 공급하기 위한 공기 공급 배관(33)과, 연료 전지(102)로부터 고온 연소기(16) 및 저온 연소기(17)에 오프 가스를 공급하기 위한 오프-가스 공급관(34)과, CO 제거기(15)로부터 연료 전지(102)에 개질 가스를 공급하기 위한 개질 가스 운송관(35)과, 그리고 고온 연소기(16) 및 저온 연소기(17) 각각으로 오프-가스를 연소했을 때에 발생된 배기가스를 배출하기 위한 배기관(36)을 형성한다. 집합 배관(30)은 다음 크기를 가질 수 있도록 형성된다. 즉 외경은 1.3 ㎜ × 0.9 ㎜으로 형성된다. 액체 연료 배관(31), 공기 공급 배관(32), 공기 공급 배관(33), 오프-가스 공급관(34), 개질 가스 운송관(35) 및 배기관(36) 각각의 내경은 0.3 ㎜ × 0.3 ㎜으로 형성된다. 집합 배관(30)은 단열 패키지(20)를 관통하여, 외부 연료 용기(101), 연료 전지 장치(102), 미도시인 공기 펌프 등에 연결된다.
저온 반응 유닛(12) 상에 배관을 구비하기 위해 반응기(10)에 유출입하는 유체의 배관을 집중시킴으로써, 외부에 노출된 영역이 다른 배관들로 구비된 영역에 비해 감소되어, 집합 배관(30)으로부터 단열 패키지(20)의 외부에 유출하는 열량이 감소될 수 있다. 게다가, 배관을 집합시킴으로써, 기계적 응력에 대한 강성이 향상되어, 열응력에 의한 일그러짐이 감소될 수 있다. 또한, 고온 반응 유닛(11)으로부터 고온 반응 유닛(11)보다 현저하게 낮은 온도인 단열 패키지(20)의 외부에 연결 되는 배관을 구비하지 않고, 단열 패키지(20)의 외부에의 열량의 유출을 저온 반응 유닛(12)으로부터 국한함으로써, 열손실이 한층 더 감소될 수 있다.
이하에서, 반응기(10)의 내부 구조를 설명한다.
도 ４는 도 2의 절단선 Ⅳ-Ⅳ에 따라 고온 반응 유닛(11) 및 저온 반응 유닛(12)을 수평 방향으로 절단했을 때 화살표 방향으로 본 사시 단면도이다. 도 5는 도 ２의 절단선 V-V에 따라 고온 반응 유닛(11) 및 저온 반응 유닛(12)을 수평 방향으로 절단했을 때 화살표 방향으로 본 사시 단면도이다. 도 6은 도２의 절단선 Ⅵ-Ⅵ에 따라 고온 반응 유닛(11) 및 저온 반응 유닛(12)을 수평 방향으로 절단했을 때 화살표 방향으로 본 사시 단면도이다. 도 7은 도 ２의 절단선 Ⅶ-Ⅶ에 따라 고온 반응 유닛(11)을 수직 방향으로 절단했을 때 화살표 방향으로 본 사시 단면도이다.
도 ４-６에 도시된 바와 같이, 고온 반응 유닛(11)은 저온 반응 유닛(12) 부근에 개질기(14)가 구비되고, 그 반대 측에 고온 연소기(16)가 구비된다. 개질기(14) 및 고온 연소기(16)는, 예를 들면 스텐레스 강철(SUS 304)과 같은 금속 기판으로 각각 이루어진 상부층 금속 기판(51), 중간층 금속 기판(53) 및 하부층 금속 기판(55)을 가진다. 개방된 홈 상부 측은 하부층 금속 기판(55) 상에 형성된다. 홈부는 개질기(14)의 개질 유로(42)로서 사용된다. 중간층 금속 기판(53)을 관통한 개구부는 두께 방향으로 형성된다. 개구부는 개질기(14)의 개질 유로(42)로서 사용된다. 개방된 측 아래에 있는 홈부는 상부층 금속 기판(51) 상에 형성된다. 홈부는 개질기(14)의 개질 유로(42)로서 사용된다. 상부층 금속 기판(51), 중간층 금속 기 판(53) 및 하부층 금속 기판(55)을 적층시킴으로써, 홈부들 및 개구부들은 서로 겹쳐서, 상부층 금속 기판(51), 중간층 금속 기판(53) 및 하부층 금속 기판(55)에 서로 연통한 개질 유로(42)가 형성된다. 상부층 금속 기판(51)에 있어서, 개질 유로(42)를 연통관(27)과 연통시키기 위해 연통홈부(57)는 홈부의 말단부에서 형성되고, 그리고 개질 유로(42)를 연통관(28)과 연통시키기 위해 연통홈부(58)는 홈부의 다른 말단부에서 형성된다. 게다가, 도 4-7에서 도시된 바와 같이, 고온 연소기(16)인 연소 유로(45)는 저온 반응 유닛(12)으로부터 이격된 말단부에 구비된다. 연소 유로(45)는 상부층 금속 기판(51), 중간층 금속 기판(53) 및 하부층 금속 기판(55)에 각각 형성된 관통-개구부들이 서로 겹쳐짐으로써 형성된다. 연소 유로(45)의 말단부와 연소 유로(45)의 연통관(25)을 연통하기 위한 연통로(50)로서 사용된 홈부는 하부층 금속 기판(55)에 형성되고, 그리고 연소 유로(45)의 다른 말단부와 연통관(26)을 연결하기 위한 연통로(49)로서 사용된 홈부는 하부층 금속 기판(55)에 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기화 유로(41)는 금속 기판(52)에 구불구불한 형태로 형성된다. 집합 배관(30)의 액체 연료 배관(31)은 금속 기판(54 및 56)을 통하여 기화 유로(41)의 말단부와 연결되고, 그리고 연통관(27)은 기화 유로(41)의 다른 말단부와 연결된다. 연통관(27)의 말단부는 기화 유로(41)와 연결되고, 연통관(27)의 다른 말단부는 개질 유로(42)와 연결된다. 상부층 금속 기판(51), 중간층 금속 기판(53) 및 하부층 금속 기판(55)내의 개질 유로(42)는 구불구불한 형태로 형성된다. 개질 유로(42)의 말단부는 상부층 금속 기판(51)내의 연통관(27)과 연결 되고, 개질 유로(42)의 다른 말단부는 연통관(28)과 연결된다. [화학식 １] 또는 [화학식 2]에는 개질 반응의 촉매로서 작용하는 개질 촉매가 개질 유로(42)에 구비된다. 개질 촉매는 예를 들면 구리/산화납 종류의 촉매이며, 담체로서 알루미나에 의해 구리/산화납을 운반함으로써 구현된다.
연통관(28)의 말단부는 개질 유로(42)와 연결되고, 연통관(28)의 다른 말단부는 저온 반응 유닛(12)내의 CO 제거 유로(43)의 연결 유로(46)와 연결된다. 연결 유로(46)는 금속 기판(52)을 관통하여 중간층의 금속 기판(54)과 연통되어서, 저온 반응 유닛(12)의 상부층의 금속 기판(52)에 연결된 연통관(28)과 금속 기판(54)에 형성된 CO 제거 유로(43)와 연결된다.
도 5에 도시된 바와 같이, CO 제거 유로(43)는 금속 기판(54)에 구불구불한 형태로 형성된다. CO 제거 유로(43)의 말단부는 연결 유로(46) 및 공기 공급 배관(33)과 연결되고, CO 제거 유로(43)의 다른 말단부는 개질 가스 운송관(35)과 연결된다. [화학식 ３]의 산화 반응의 촉매로서 작용하는 CO 제거 촉매는 CO 제거 유로(43)에 구비된다. CO 제거 촉매는 백금 종류의 촉매이고, 알루미나로 백금 또는 백금 및 루테늄을 운반하여 구현된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 구불구불한 형태로 형성된 연소 유로(44)외에 혼합 유로(47), 배기 유로(48)는 저온 반응 유닛(12)의 하부층 금속 기판(56)에 형성된다.
연소 유로(44)의 말단부는 혼합 유로(47)와 연결되고, 연소 유로(44)의 다른 말단부는 배기관(36)과 연결된다. 오프-가스내의 수소 산화 반응의 촉매로서 작용 하는 연소 촉매는 연소 유로(44)에 구비된다. 연소 촉매는, 담체로서 백금을 알루미나로 운반하여 구현된다.
혼합 유로(47)는 오프-가스 공급관(34) 및 공기 공급 배관(32)과 연결되고, 연통관(26) 및 연소 유로(44)와도 연결된다. 혼합 유로(47)는 오프-가스와 공기를 혼합하여, 혼합 기체를 연통관(26) 및 연소 유로(44)에 소정의 비율(예를 들면, 연통관(26)：연소 유로 = 1.37 : 1)로 공급한다.
연통관(26)의 말단부는 혼합 유로(47)와 연결되고, 연통관(26)의 다른 말단부는 연통관(26)을 통하여 고온 반응 유닛(11)에 형성된 연결로(49)와 연결된다. 연결로(49)의 말단부는 연통관(26)과 연결되고, 연결로(49)의 다른 말단부는 연소 유로(45)와 연결된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 연소 유로(45)는 구불구불한 형태로 형성된다. 연소 유로(45)의 말단부는 연결로(49)와 연결되고, 연소 유로(45)의 다른 말단부는 연결로(50)와 연결된다. 연료 산화 반응의 촉매로서 작용하는 연소 촉매는 연소 유로(45)에 구비된다. 연소 촉매는, 연소 유로(44)와 유사한 연소 촉매를 사용할 수 있다.
연결로(50)의 말단부는 연소 유로(45)와 연결되고, 연결로(50)의 다른 말단부는 연통관(25)과 연결된다. 연통관(25)의 말단부는 연결로(50)와 연결되고, 연통관(25)의 다른 말단부는 배기 유로(48)와 연결된다.
금속 기판(56) 상에 형성된 배기 유로(48)는 배기 유로(48)가 연소 유로(44)를 둘러쌓을 수 있도록 하부층 주위에 구비된다. 배기 유로(48)의 말단부는 연통관(25)과 연결되고, 배기 유로(48)의 다른 말단부는 연소 유로(44)와 함께 배기관(36)과 연결된다. 배기 유로(48)로 흐르는 배기가스가 고온 연소기(16)로부터 배출된 가스이기 때문에, 배기 가스는 비교적 온도가 높고 저온 연소기(17)를 보조 가열하는 기능도 가진다.
게다가, 액체 연료 배관(31)은 하부층 및 중간층을 관통하여 상부층과 연통한다. 또한, 공기 공급 배관(33) 및 개질 가스 운송관(35)은 하부층을 관통하여 중간층과 연통한다.
이하에, 반응기(10)의 동작에 대해 설명한다. 우선, 전압은 고온 가열기(18) 및 저온 가열기(19)로 인가되어, 고온 반응 유닛(11) 및 저온 반응 유닛(12)은, 예를 들면 250℃ 내지 400 ℃ 범위의 높은 온도에서, 110℃ 내지 190 ℃ 범위의 낮은 온도에서 각각 설정되기 위해 가열된다.
고온 반응 유닛(11) 및 저온 반응 유닛(12) 각각이 설정 온도까지 상승하면, 연료 및 물은 액체 연료 배관(31)으로부터 기화 유로(41)로 공급된다. 연료 및 물이 공급되면, 기화 유로(41)는 연료와 물이 기화하도록 가열한다. 기화한 연료 및 물은 연통관(27)을 거쳐 개질 유로(42)로 유입된다.
개질 유로(42)에 있어서, 기화한 연료 및 물은 개질 반응에 의해 수소 가스, 이산화탄소 가스 및 소량의 일산화탄소로 구성된 혼합 기체로 변환된다. 개질 반응에 의해 생성된 혼합 기체는 연통관(28) 및 연결 유로(46)를 거쳐 CO 제거 유로(43)로 유입된다.
CO 제거 유로(43)에 있어서, 공기 공급 배관(33)으로부터 공급된 산소는 혼 합 기체와 혼합되어, 혼합 기체에 포함된 소량의 일산화탄소가 선택적으로 산화된다. 일산화탄소가 제거된 혼합 기체(개질 가스)는 개질 가스 운송관(35)으로부터 연료 전지 장치(102)로 공급된다.
연료 전지 장치(102)내의 연료 전극측 상에 전기 화학 반응을 하기 위해 도입된 개질 가스내의 비반응된 오프-가스는 오프-가스 공급관(34)으로부터 혼합 유로(47)로 공급된다. 혼합 유로(47)에 있어서, 오프-가스는 공기 공급 배관(32)으로부터 공급된 공기와 혼합된다. 오프-가스와 공기의 혼합 기체는 연소 유로(44)에서 연소되면서, 연통관(26)과 연결로(49)를 거쳐 연소 유로(45)에서 연소된다. 이 시점에서 고온 연소기(16) 및 저온 연소기(17)는 오프-가스의 유량에 기초하여 제어될 수 있고, 오프-가스의 유량은 연소 유로들(44 및 45)의 유로의 폭 및 깊이에 의해 설정될 수 있다.
연소 유로(45)의 배기 가스는 연결로(50), 연통관(25) 및 연소 유로(44)를 둘러싸는 방식으로 저온 반응 유닛(12) 주위에 구비된 배기 유로(48)를 거쳐 배기관(36)으로부터 외부에 방출된다. 이 시점에서 배기 유로(48)를 통과하는 고온 배기 가스를 저온 반응 유닛(12)의 열원으로서 사용될 수 있다.
연소 유로(44)의 배기 가스는 연소 유로(45)의 배기 가스와 함께 배기관(36)으로부터 외부로 방출된다.
충분한 열량이 연소 유로(45)에서 연소 반응에 의해 획득될 시, 고온 가열기(18)의 동작이 정지되거나 고온 가열기(18)의 발열이 감소되어, 고온 반응 유닛(11)의 주열원을 연소 유로(45)로 전환한다.
연소 유로(44)에서 연소 반응에 의해, 그리고 배기 유로(48)를 통과하는 고온 배기 가스에 의해 저온 반응 유닛(12)을 가열하기 위한 충분한 열량이 획득될 시, 저온 가열기(19)의 동작이 정지되거나 저온 가열기(19)의 발열이 감소되어, 저온 반응 유닛(12)의 주열원을 연소 유로(44)로 전환한다. 이후, 연료, 물 및 공기를 계속 공급시킴으로써 전력은 연속해 발전될 수 있다.
게다가, 연료 및 산소는 액체 연료 배관(31)으로부터 연소 유로(44)와 연소 유로(45)까지만 공급될 수 있다.
또한, 고온 연소기(16) 및 저온 연소기(17)는 연료와 오프-가스를 병용하여 발열될 수 있다. 이 경우, 내부의 유로 구조에 따라 연료 또는 오프-가스는 소정의 비율로 액체 연료 배관(31) 또는 오프-가스 공급관(34)으로부터 연소 유로(44 및 45)에 분배될 수 있고, 공기는 공기 공급 배관(32)으로부터 연소 유로(44 및 45)에 분배될 수도 있다.
상술된 실시예에서, 메타놀이 연료로서 사용되었지만, 이에 국한되지 않고, 메타놀 대신에, 에탄올 등과 같은 알코올류과 가솔린의 수소원자를 포함하는 화합물을 연료로서 사용될 수 있다. 게다가, 연소 촉매와 개질 촉매도 적합하게 변화될 수 있음은 물론이다.
본 미합중국 특허 출원은 부정확한 번역이 보정된 것에 기반하여 2005년 6월 9일에 제출된 일본 특허 출원 번호 제 2005-169188 호의 파리 조약하에 우선권을 청구한다.
본 발명은, 연료 전지에 각각 사용되는 기화기, 개질기, CO 제거기 등과 같은 다른 동작 온도를 가지는 반응기를 일체화한 반응 장치들의 여러 형태로 적합하게 이용될 수 있다. 반응기는 연료장치로 설치된 전력 장치에 적용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 소정의 온도로 반응을 일으키는 저온 반응 유닛;
    상기 저온 반응 유닛에 비해 높은 온도에서 반응을 일으키는 고온 반응 유닛; 및
    상기 저온 반응 유닛과 상기 고온 반응 유닛이 서로 연통된 연통관을 포함하며,
    상기 저온 반응 유닛과 상기 고온 반응 유닛 중 적어도 하나는 돌출면과 오목면으로 설치되고, 상기 돌출면과 상기 오목면 각각은 상기 저온 반응 유닛과 상기 고온 반응 유닛 중 다른 하나의 대향면을 향하고;
    상기 오목면과 상기 대향면 사이의 길이는 상기 돌출면과 상기 대향면 사이의 길이보다 길고; 그리고
    상기 연통관은 상기 오목면과 상기 대향면 사이에 구비됨을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 반응 유닛은 CO 제거기를 포함함을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 반응 유닛은 기화기를 포함함을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 반응 유닛은 연료를 수소로 개질하는 개질기를 포함함을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 반응 유닛은 가열기를 포함함을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 반응 유닛은 가열기를 포함함을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 반응 유닛, 상기 고온 반응 유닛 및 상기 연통관을 덮는 단열 패키지를 더 포함함을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 반응 유닛은 복수의 금속 기판들로 형성됨을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 반응 유닛은 복수의 금속 기판들로 형성됨을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 반응 유닛, 상기 고온 반응 유닛 및 상기 연통관은 동일한 물질로 형성됨을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 반응 유닛은 CO 제거기를 포함하고; 상기 고온 반응 유닛은 연료를 수소로 개질하는 개질기를 포함하고; 그리고 상기 연통관은 상기 개질기에 의해 개질된 가스를 상기 CO 제거기로 순환하기 위한 배관을 포함함을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 반응 유닛은 발열시키기 위해 연소 가스를 연소하는 연소기를 포함하며, 그리고 상기 연통관은 상기 연소 가스를 상기 저온 반응 유닛으로부터 상기 연소기로 순환하기 위한 배관을 포함함을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 반응 유닛은 집합 배관을 포함함을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  14. 청구항 제 1 항에 따른 반응기로 설치됨을 특징으로 발전 장치.
  15. 소정의 온도로 반응을 일으키는 저온 반응 유닛;
    상기 저온 반응 유닛에 비해 높은 온도에서 반응을 일으키는 고온 반응 유닛; 및
    상기 저온 반응 유닛과 상기 고온 반응 유닛이 서로 연통된 연통관을 포함하며,
    상기 저온 반응 유닛과 상기 고온 반응 유닛 중 적어도 하나는 복수의 금속판들로 형성됨을 특징으로 하는 연료 개질 반응기.
  16. 소정의 온도로 반응을 일으키는 저온 반응 유닛;
    상기 저온 반응 유닛에 구비된 유입 배관;
    상기 유입 배관과 연결되기 위해 구비된 유출 배관;
    상기 저온 반응 유닛에 비해 높은 온도에서 반응을 일으키는 고온 반응 유닛; 및
    상기 저온 반응 유닛과 상기 고온 반응 유닛이 서로 연통된 연통관을 포함하는 연료 개질 반응기.
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