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KR101127688B1 - 원통형 소형 개질 장치 - Google Patents

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KR101127688B1
KR101127688B1 KR1020040102501A KR20040102501A KR101127688B1 KR 101127688 B1 KR101127688 B1 KR 101127688B1 KR 1020040102501 A KR1020040102501 A KR 1020040102501A KR 20040102501 A KR20040102501 A KR 20040102501A KR 101127688 B1 KR101127688 B1 KR 101127688B1
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김일수
최근섭
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Abstract

본원발명은 화석연료로부터 소형연료전지 발전을 위한 수소를 생산하는데 있어 개질반응기, 수성가스 전환반응기(온 및 저온), 연소기, 열교환기, 수증기 발생기를 하나의 용기 하에 최적의 열교환 네트워크를 구성하고, 열손실을 최소화하여 최적의 열 교환 효율을 나타낼 수 있도록 일체화하여 콤팩트하면서도 가공 및 제작이 용이하게 설계하여 고효율, 경량화, 대량생산이 가능하도록 설계한 원통형 소형개질장치에 관한 것이다.
개질반응부, 수성가스 전환반응부(고온 및 저온), 선택산화 반응기, 연소기, 열교환기, 수증기 발생기, 공기예열튜브

Description

원통형 소형 개질 장치{SMALL-SIZED REFORMER OF CYLINDER TYPE}
도1은 본원발명에 따른 원통형 소형 개질장치를 도시하는 내부구조도이고,
도2는 본원발명의 다른 실시예에 따른 원통형 소형 개질장치를 도시하는 내부구조도이며,
도3은 본원발명의 다른 실시예에 따른 원통형 소형 개질장치를 도시하는 내부구조도이고,
도4a, 도4b는 본원발명에 따른 원통형 소형개질장치의 단면도이며,
도5는 본원발명에 따른 원통형 소형 개질장치에 열교환기가 추가된 흐름도를 도시한다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1: 공기/연료입구 2: 배기가스 출구
3: 원료/물입구 4: 선택산화 반응용 공기입구
5: 리포메이트 출구 10: 공기/연료예열통로1
11:버너 12: 파이프1
13: 공기 예열튜브 14: 연소실
15: 연소가스분배기 16:파이프2
17: 파이프3 18: 파이프4
20: 연소가스 통로1 21: 연소가스 통로2
22: 배기가스 연결통로 23: 배기가스 통로
30: 원료/물 통로1 31: 원료/물 통로2
32: 원료/물 예열기 33: 원료/물 과열기
34: 파이프 5 35: 파이프 6
36: 개질기 37: 개질반응 리포메이트 통로1
38: 개질반응 리포메이트 통로2 39: 전환 반응부
40: 수성가스 전환반응 리포메이트 통로1
41: 수성가스 전환반응 통로2
42: 수성가스 전환반응 리포메이트/공기통로
43: 선택산화 반응기
51: 공기/연료 분배기 52: 공기/연료예열통로
53: 소형 열교환기 54: 물 입구
본 발명은 화석연료로부터 소형연료전지 발전을 위한 수소를 생산하는데 있어 개질반응기, 수성가스 전환반응기(고온 및 저온), 연소기, 열교환기, 수증기 발생기를 하나의 용기 하에 최적의 열교환 네트워크를 구성하고, 열손실을 최소화하여 최적의 열 교환 효율을 나타낼 수 있도록 일체화하여 콤팩트하면서도 가공 및 제작이 용이하게 설계하여 고 효율, 경량화, 대량생산이 가능하도록 설계한 원통형 소형개질장치에 관한 것이다.
현재의 연료소비형태는 점진적으로 수소/탄소-원자비가 높은 저공해 청정연료쪽으로 변천해가고 있으며, 머지 않은 미래에 무공해 청정연료인 수소를 기반으로 하는 산업사회가 도래할 것으로 예측되고 있다. 이미 산업분야에 있어서는 암모니아 합성, 메탄올 합성, 석유정제(수소화 탈화, 수소화처리 등), 일반 및 정밀화학산업, 전자 및 반도체, 식품 그리고 금속가공업 등에 이용되고 있으며, 에너지 분야에 있어서는 내연기관이 활용되지 못하는 우주 왕복선의 추진제, 자체 전력공급 및 에너지 효율과 환경오염 문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 가정용, 발전용 연료전지 및 연료전지 자동차의 전력 공급원 연료로 사용되고 있다.
현재, 이를 위한 수소제조방법으로서는 화석연료(석탄, 석유, 천연가스, 프로판, 부탄)의 수증기 개질, 부분산화 혹은 자열 개질, 그리고 물의 전기분해가 있으며 일부는 석유정제 부생가스로부터 얻어지나 이 중 수증기 개질법이 가장 상업적으로 널리 이용되고 있는 경제적인 응용기술이라 할 수 있다.
수증기 개질법을 사용하는 대규모 수소생산 공정의 경우 개질반응기를 고압(15-25bar) 및 고온(850도이상) 조건에서 운전함으로써 수소제조에는 유리하나 전체적인 효율이 낮으며, 스케일이 작아지는 경우 설치비용이 급속도로 증가하는 경향이 있다. 또한, 안정적 운전에 초점을 맞추어 장치가 크며 각 단위공정들이 분리되어 열의 통합에 한계가 있어, 효율을 향상시키는 것이 어렵다.
따라서, 가정용 또는 상업용 소형 연료전지 시스템에 적합한 개질장치들은 이러한 단점을 극복하기 위해 각 단위 공정들을 통합하고 소형 연료전지 시스템에 적합한 촉매를 개발함과 동시에 열흐름의 분석을 통해 최적화하고, 구조적으로 단순하게 하여 가공 및 생산성을 높이고, 크기를 작게 하면서 일체화하여 초기 기동시간 및 열 손실을 줄이고 열 효율을 높이려는 시도들이 진행되고 있다.
원통형으로 연소촉매를 적용한 경우로는 미국특허번호 제5,932,181호를 들 수 있다. 상기 발명은 탈황반응기, 개질반응기, 수성가스 전환반응기, PSA 등 각 반응기의 장치수를 줄여 소형화하고 제작비용을 대폭 줄였으며, 상기 탈황반응기를 열 교환을 통해 효율 및 기동시간을 향상시킨 수소발생장치이다. 이 장치의 경우 탈황반응기, 개질반응기, 수증기 발생장치, 연소기까지는 열통합이 이루어져 있으나 수성가스 전환반응기 이후의 열 및 장치 통합이 이루어지지 않아 전체적으로 열효율이 떨어지고 장치가 커지는 단점이 있다.
또한, 연소촉매 또는 버너의 두가지 열원 공급방식을 모두 적용하는 방식으로, 미국특허 제6,117,578호를 들 수 있는 바, 이는 연료전지 발전(FUEL CELL POWER PLANT)용으로 벽면에 연소촉매 및 개질촉매를 코팅하여 촉매이용 효율의 극대화를 추구하였으며 이로 인해 낮은 온도에서 운전함으로써 반응 운전조건을 온화하게 할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이 또한 후단 공정들의 통합이 이루어지지 않아 높은 열효율을 얻기가 힘들다는 단점이 있다.
또한, 원통형으로 금속섬유(Metal Fiber)버너를 적용한 방식을 개시하고 있는 한국특허 공개공보 제2002-82061호는 콤팩트한 수증기 개질장치에 관한 것으로, 각각의 반응기, 열교환기 및 스팀발생기 등을 일체형으로 구성하도록 함으로써 수증기 개질장치의 콤팩트화를 구현하고, 개질에 필요한 열원공급원으로는 원통형의 금속섬유(Metal Fiber) 버너를 적용하여 균일한 가열이 가능하게 함으로써 개질반응기의 촉매층 온도구배를 줄여 개질반응 효율을 극대화 할 수 있도록 하였다. 또한 연소 배기 가스를 이용하여 수증기를 발생시키기 때문에 에너지 이용 효율을 높이고 추가적인 수증기 발생기의 설치를 필요치 않게 함으로써 전체 시스템의 단순화 및 장치비와 운전비의 절감효과를 꾀하였다. 하지만 열흐름이 최적화 되어있지 않아 운전 중에 배기가스 흐름을 정밀제어 해야 하며, 필요 이상의 연료가 소모되거나, 수성가스 전환반응기 및 선택적 산화반응기에서 발생하는 열 회수가 없게되어 열효율이 낮아지며, 이 장치에서 배기가스와 수증기가 열교환을 하게 되면 장치가 상당히 커지는 단점이 있다.
최근에는 열효율을 극대화하기 위한 방식 중의 하나로써, 미국특허 제6,481,207호에서는 중앙 상부에 버너를 설치하고 원통형 실린더를 방사상으로 가장 높은 온도영역에서 부터 낮은 온도영역으로 순차적으로 배치하여 열의 손실을 최대한 억제하였으며, 각 실린더 별 열교환을 통해 열효율을 높이면서 일체화를 꾀하였다. 반응기를 축 방향으로 위치시켜 실린더 형태의 개질반응기가 열적변형에 강하게 설계 되었으며, 예열층과 열회수층을 구성하여 효과적으로 열교환을 시키는 장점이 있다. 하지만 공기의 예열이 없고 구조상 많은 액체들의 정체 구간이 존재하여 물이 완전히 증기화되지 않았을 경우 또는 생성물이 응축될 경우 문제가 생길 수 있으며, 구조가 매우 복잡하여 제작이 용이하지 않은 단점이 있다.
본 발명은 상기 소형개질장치들이 가지고 있는 단점을 보완하여 개질 반응기, 수성가스 전환반응기(고온 및 저온), 연소기, 열교환기, 수증기 발생기 등 각각의 구성요소를 하나의 용기하에 일체형으로 제작하면서 그 구성요소 들이 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 최적의 열교환 네트워크를 구성하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적으로는 열손실을 최소화하고 최적의 열교환 효율을 나타낼 수 있도록 구성하여 높은 열 효율을 가지면서도 콤팩트하고 가공 및 제작이 용 이하도록 하였으며, 본원발명의 내부에 흐르는 유체흐름을 단순화하여 정체구간을 최소화한 고효율, 경량화, 대량생산이 용이하도록 설계된 원통형 소형개질장치를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 소형개질장치는 공기/연료입구(1)로 부터 들어온 공기/연료를 연소시키기 위한 연소부, 상기 연소부에서 연소된 연소가스를 분배하기 위한 연소가스분배기(15), 상기 분배된 연소가스를 출구(2)로 배출하기 위해 통과하는 연소가스통로1,2(20, 21)를 포함하여 구성되는 연소반응부와; 원료/물입구(3)로부터 들어온 원료/물을 개질시키기 위한 개질촉매가 포함되어 있는 2개의 개질 반응부와, 상기 2개의 개질 반응부 사이에 형성되어 상기 개질반응을 통과한 개질반응 리포메이트의 일산화탄소의 농도를 낮추는 수성가스 전환반응부를 포함하여 구성된 연료변환 촉매반응부로 구성되는 원통형 몸체를 구비한 개질장치에 있어서, 상기 연소반응부와 상기 연료변환 촉매반응부는 최적의 열교환 효율을 위해 6개의 환형파이프로 일체화하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도1은 본원발명에 따른 원통형 소형개질장치를 도시하는 내부구조도이고, 도2는 본 발명의 다른 실시예이며, 도3은 본 발명의 또 다른 실시예이고, 도4-a, 도 4-b는 본 발명에 따른 원통형 소형 개질장치의 단면도이며, 도5는 본 발명에 따른 원통형 소형 개질장치에 소형 열교환기가 추가된 경우를 도시한 것이다.
도1을 참고하여 본원발명에 따른 원통형 소형 개질장치를 그 구성별로 설명하면, 상기 원통형 소형 개질장치는 연소반응부와 연료변환 촉매반응부의 두부분으로 나뉘어 질 수 있는 바, 상기 연소반응부는 공기/연료입구(1)로 부터 들어온 공기/연료를 연소시키기 위한 연소부와, 상기 연소부에서 연소된 연소가스를 분배하기 위한 연소가스분배기(15)와, 상기 분배된 연소가스를 출구(2)로 배출하기 위해 통과하는 연소가스통로1,2(20, 21)로 형성되어 있고, 상기 연료변환 촉매반응부는 원료/물입구(3)로부터 들어온 원료/물을 개질시키기 위한 개질촉매가 포함되어 있는 2개의 개질 반응부와, 상기 2개의 개질 반응부 사이에 형성되어 상기 개질반응을 통과한 개질반응 리포메이트의 일산화탄소의 농도를 낮추는 수성가스 전환반응을 행하기 위한 수성가스 전환반응부를 포함하여 구성된다.
상기 연료변환 촉매반응부와 상기 연소반응부는 최적의 열교환 효율을 달성하기 위해 6개의 환형파이프로 일체적으로 형성되어 있으며, 그러한 구성에 의해 열교환 효율에 있어 최적의 네트워크를 달성할 수 있도록 하고 있다. 덧붙여, 상기 연료변환 촉매반응부는 상기 수성가스 전환반응부에서 배출되는 일산화탄소량을 소정량 이하로 낮추기 위해 상기 몸체의 외부에 선택적 산화반응기를 추가적으로 구성하도록 한다.
상술한 바와 같은 소형 연료개질장치에 있어, 상기 연소부는 공기/연료예열통로1(10)와 연소실(14)을 포함하여 구성되어 있으며, 상기 공기/연료예열통로1(10)의 둘레에는 공기를 예열하기 위한 공기예열튜브(13)가 마련되도록 한다. 상기 공기/연료예열통로1(10)는 공기/연료입구(1)로부터 들어오는 공기/연료를 연소실(14)로 들어가기 전에 예열을 행하기 위한 공간으로, 그러한 예열에 의해 연소실(14)에서 요구되는 열량을 최소한으로 줄일 수 있도록 하고 있다. 상술한 바와 같은 예열은 상기 공기/연료예열통로1(10)의 주변에 마련된 공기예열튜브(13)에 의해 행해지는 바, 상기 공기예열튜브(13)에 저장되는 열은 연소실(14)에서 연소된 연소가스가 외부로 배출되기 위해 통과하는 연소가스통로1(20)에서 얻어지는 것이다.
상기 공기/연료예열통로1(10)를 통과한 공기/연료는 연소실(14)로 들어가서 연소되어지고, 연소된 연소가스는 연소실(14) 상부에 마련된 연소가스 분배기(15)에 의해 연소가스통로1(20)와 연소가스통로2(21)로 균일하게 분배가 행해진다. 상기 연소가스분배기(15)는 판 형상으로 구성되어 있어 상술한 연소가스통로1(20)와 연소가스통로2(21)로 적절한 분배가 행해질 수 있도록 한다.
분배된 상기 연소가스는 상기 연소가스통로1(20)와 연소가스통로2(21)를 거쳐 배기가스출구(2)로 배출되어진다. 상술한 상기 연소가스통로1(20)와 연소가스통로2(21)는 그 사이에 형성되어 있는 2개의 개질 반응부로 열을 전달하도록 하고 있으며, 특히, 상기 연소가스통로1(20)는 상기 개질 반응부에 열을 전달하는 것 외에 상술한 공기예열튜브(13)에 열을 전달하여 배출되는 연소가스의 열을 최대한 활용하도록 하고 있다. 또한, 상기 연소가스가 통과하는 연소가스통로2(21)에는 상기 개질장치의 몸체를 이루고 있는 파이프4(18)와 직접적으로 접촉이 되므로, 상기 파이프4(18)의 내부면에는 Al이 함유된 합금이나 클래딩한 금속재질을 활용하여 표면에 Al2O3을 석출시키거나, 세라믹재질을 붙여서 고온 영역에서의 단열을 통해 열 손실을 최소화하거나 연소가스로부터의 산화부식을 방지하도록 하고 있다.
상술한 상기 공기/연료예열통로1(10)와 상기 연소가스통로1,2(20, 21)는 적절한 열 교환을 위해 그 간격이 서로 조정될 수 있도록 형성되며, 또한, 열교환 효율을 높일 수 있도록 압력강하가 거의 없는 금속형태의 열전달 향상물질이 삽입될 수 있다. 덧붙여 바람직하게는 상기 간격은 일정간격을 유지하도록 하는 것과 동시에 열전달 향상을 위해 지지체가 삽입될 수도 있다. 상기 금속 지지체는 가스 흐름이 한쪽으로 치우치는 채널링(channelling) 현상을 방지하여 원할한 흐름을 유도할 수 있도록 환형의 금속 볼, 적당한 격자 크기를 갖는 금속 망(metal mesh), 또는 금속 직물(metal woven)을 사용할 수 있다. 이 때 금속의 재질은 고온에서의 변형이나 열팽창 그리고 표면의 산화에 의한 부식이 초래되지 않는 범위에서 선정할 수 있으나 바람직하게는 스테인레스강으로 구성된 제품을 사용하는 것이 좋다.
상기 개질장치를 이루고 있는 연료변환 촉매반응부는 상술한 바와 같이 2개의 개질 반응부와, 상기 2개의 개질 반응부 사이에 형성되어 있는 수성가스 전환반응부와, 선택산화반응기로 형성되어 있다. 그 중 개질 반응부에 대해 먼저 설명하면, 상기 2개의 개질 반응부는 원료/물입구(3)로부터 들어온 원료/물을 예열하기 위한 원료/물예열부(32)와, 상기 예열된 원료/물을 과열하기 위한 원료/물과열부(33)와, 상기 과열된 원료/물을 개질반응을 행하기 위한 개질반응부(36)로 구성되어 있다.
즉, 원료/물입구(3)로 부터 들어온 원료/물은 원료/물통로(30, 31)를 통하여 상기 개질파이프부로 들어가게 되고, 상부로 이동함에 따라, 원료/물예열기(32) 및 원료/물과열기(33)를 통하여 예열 및 과열이 행해진다.
상술한 바와 같은 예열 및 과열은 상기 개질 반응부 주위에 형성되어 있는 연소가스통로1,2(20, 21)와의 열 교환을 통하여 이루어지는 것이고, 상기 2개의 개질 반응부 내에 형성되어 있는 수성가스 전환반응부와의 열교환을 통하여도 이루어진다.
이러한 상기 원료/물예열부(32)와 원료/물과열부(33)는 압력강하가 거의 형성되지 않을 정도의 지름크기를 구비하는 세라믹 충진물로 채워지도록 한다. 상기 세라믹 충진물은 환형, 프레이크(flake), 원통형을 모두 적용할 수 있지만, 유체의 흐름을 원할하기 위해 바람직하게는 환형을 사용하고, 이 때 지름은 충진 간격의 1/3에서 1/10로 적용하며, 또한 더욱 바람직하게는 충진물의 지름은 오차 범위 10%를 넘지 않는 것으로 한다.
세라믹 충진물은 열교환 효율을 고려하여 알루미나, 실리카, 마그네시아 등을 주성분으로 한 또는 이들 성분 중 한 가지 또는 한 가지 이상을 주성분으로 하고 기타 성분을 조합으로 이루어진 제품을 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 형성된 상기 원료/물예열부(32)와 원료/물과열부(33)는 상기 연소가스통로1,2(20, 21)와 상기 수성가스 전환반응부와의 2중의 열교환을 행하도록 함으로써 열전달효율을 최적으로 향상시킬 수 있도록 한다.
상기 과열부를 통과한 원료는 개질반응기(36)로 유입되어 충진된 수증기 개질촉매와 접촉하게 되어 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 물로 구성되어 있는 개질반응 리포메이트로 전환되어진다. 이러한 반응을 일으키는 개질촉매로는 Ni계를 바탕으로 한 수증기 개질용 촉매나, Ni계 수증기 개질촉매에 Pt 또는 Ru 등의 귀금속류를 적어도 0.01wt%이상 함유한 것을 사용할 수 있다. 그리고, 그 개질촉매의 지름은 파이프 내의 압력강하와 반응성을 고려하여 상기 개질 반응부 간격의 1/3 내지 1/10 정도의 크기를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 2개의 개질 반응부를 통과하여 형성된 개질반응 리포메이트는 상기 두개의 파이프 내에 형성되어 있는 수성가스 전환반응부로 유입되는데, 상술한 수성가스 전환반응부는 상기 개질 반응부를 통과한 개질반응 리포메이트의 온도를 적정한 수준으로 낮추도록 효율적인 열교환을 행하는 개질반응 리포메이트 통로1(37) 및 개질반응 리포메이트 통로2(38)와, 상기 개질반응 리포메이트에 포함된 일산화탄소의 농도를 일정수준 이하로 낮추기 위한 전환 반응부(39)로 구성되어 있다.
상기 개질반응 리포메이트 통로1(37) 및 개질반응 리포메이트 통로2(38)는 상기 2개의 개질 반응부 내에 형성되어 있는 예열 및 과열부와 유사한 역할을 행하기 위한 것으로, 개질 반응부를 통해 생성된 개질반응 리포메이트의 온도를 적절한 열교환을 통하여 낮추는 역할을 행한다. 따라서, 그 내부에도 상기 원료/물예열부(32) 및 원료/물과열부(33)와 동일한 압력강하가 거의 형성되지 않을 정도의 지름크기를 구비하는 세라믹볼로 채워지도록 한다. 상기 세라믹 충진물은 환형, 프레이크(flake), 원통형을 모두 적용할 수 있지만, 유체의 흐름을 원할하기 위해 바람직하게는 환형을 사용하고 이 때 지름은 충진 간격의 1/3에서 1/10로 적용하며, 또한 더욱 바람직하게는 충진물의 지름은 오차 범위 10%를 넘지 않는 것으로 한다. 충진물은 열교환 효율을 고려하여 알루미나, 실리카, 마그네시아 등을 주성분으로 한 또는 이들 성분 중 한 가지 또는 한 가지 이상을 주성분으로 하고 기타 성분을 조합으로 이루어진 제품을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 재질의 내부재료에 의해 열전달 효율의 향상, 축열 또는 온도를 일정 범위에서 균일하게 유지하는 것을 기대할 수 있는 것이다.
상기 개질반응 리포메이트 통로1(37) 및 개질반응 리포메이트 통로2(38)를 통하여 일정한 온도로 낮추어진 개질반응 리포메이트는 전환 반응부(39)로 유입되어 수성가스 전환 촉매와 접촉하면서 수성가스 전환 반응을 수행하여 7 내지 15%정도의 일산화탄소의 농도를 0.3 내지 1.0% 정도의 수준으로 낮추도록 한다. 그러한 역할을 행하는 수성가스 전환촉매로는 고온에서는 Fe-Cr계, 저온에서는 Cu-Zn계 또는 Pt, Pd 등의 귀금속류를 적어도 0.01wt% 이상 함유한 수성가스 전환촉매를 사용할 수 있다. 또한 촉매의 지름은 파이프 내의 압력강하와 반응성을 고려하여 상기 전환 반응부(39) 간격의 1/3 내지 1/10 정도의 크기를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 수성가스 전환반응부를 통과하여 생성된 수성가스 전환반응 리포메이트(shift reformate)는 수성가스 전환반응 리포메이트 통로1, 2(40, 41)를 통해 하나로 합쳐지게 되어 상기 몸체의 외부로 나오게 되며, 선택적 산화 반응에 필요한 공기와 혼합되어 선택산화 반응에 적합한 온도가 되도록 수성가스 전환반응 리포메이트 공기통로(42)를 거쳐 선택산화 반응기(43)로 유입되어진다. 유입된 수성가스 전환반응 리포메이트는 선택산화 반응기(43)에서 충진된 선택산화 반응촉매와 접촉하면서 선택산화 반응을 수행하여 수성가스 전환 반응기에서 배출되는 리포메이트에 포함된 0.3% 내지 1.0%의 일산화탄소의 농도를 10ppm이하로 낮추도록 한다. 이러한 선택산화 반응촉매로는 Pt, Ru, Au 중 어느 하나 또는 그 중 어느 두개의 결합을 행하여 적어도 0.05wt% 이상 함유하도록 하고, 그 지름은 파이프 내의 압력강하와 반응성을 고려하여, 상기 수성가스 전환반응부 간격의 1/3 내지 1/10 정도의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 과정을 거쳐 형성된 수성가스 전환반응 리포메이트는 출구(5)를 통하여 배출되어진다.
또한, 본원발명의 경우 상기 몸체의 외부에는 최종 배출되는 배기가스(2)의 열회수를 위해 추가적인 열교환기를 설치하여 유입되는 물과 열교환하도록 함으로써 전체적인 열효율을 높일 수 있도록 한다. 즉, 본원발명은 6개의 환형파이프부를 일체로 형성하도록 함으로써 최적의 열교환 네트워크를 달성할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다고 할 것이다. 이와 같은 구성은 연소부와 개질부의 열흐름에 있어 정체되는 구간을 형성하지 않도록 함으로써 효율을 향상시킨다는 장점이 있다.
이와 같이 형성된 본원발명의 개질장치의 작용을 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
도1은 본 발명에 따른 원통형 소형개질 장치를 나타내는 내부구조도로써, 본 발명에 따른 원통형 소형개질장치는 크게 연소과정과 개질과정의 두부분으로 나뉠 수 있는데 연소과정은 입구(1)를 통해 유입된 공기/연료가 예열되고 버너(11)를 통해 연소실(14)에서 연소되어 열량을 발생하고 연소가스 분배기(15)를 통해 고르게 분배되어 연소가스통로1,2(20, 21)를 거치면서 개질반응기(36), 원료/물 과열기(33), 물예열기(32) 및 공기/연료예열통로1(10)에 열량을 전달하고 배기가스 출구(2)로 배출되는 과정을 말하고,
개질과정은 입구(3)를 통해 유입된 원료/물이 배기가스 통로1, 2(30, 31)를 통해 원료/물 예열기(32)로 유입되어 배기가스와 수성가스 전환기의 열을 회수하고 원료/물 과열기(33)로 유입되어 배기가스와 개질반응 리포메이트의 열을 회수한 후에, 개질반응기(36)에 유입되어 개질반응을 수행하고, 개질된 개질반응 리포메이트는 통로1, 2(37, 38)를 거치면서 적정한 온도로 식어 전환 반응부(39)에 유입되고 수성가스 전환반응을 거친 후 수성가스 전환반응 리포메이트 통로(40)를 통해 선택산화 반응기에 필요한 공기(4)와 혼합되어 수성가스 전환반응 리포메이트/공기 통로 1,2(41,42)를 통해 선택산화 반응기(45)에 유입되어 남은 일산화탄소를 제거하고 수성가스 전환반응 리포메이트 출구(5)로 배출되는 과정을 거치는 것을 말한다.
상술한 바와 같은 과정을 구체적으로 설명하면, 공기/연료 입구(1)로 주입되는 연료는 초기에는 개질에 사용되는 화석연료를 사용하여 적절한 공기와 혼합하여 사용되며, 운전 중에는 연료전지 스택(stack)에서 미처 사용하지 못한 오프-가스를 주로 사용하게 되며 화석연료는 열량을 맞추는 데 보조로 사용하게 된다.
예열된 공기 연료는 화석연료 및 연료전지 스택 오프-가스를 모두 안전하게 연소시킬 수 있는 버너(11)를 통해 연소하여 이산화탄소와 물을 생성하게 되고 1차로 복사열을 주변의 개질반응기에 전달하게 되며 연소가스 분배기(15)를 통해 적절히 분배된다. 또한 도4a에 도시한 본 발명에 따른 원통형 소형개질장치의 단면도에 서 보는 바와 같이 주 반응기는 6개의 환형 타입의 파이프로 구성되어 있으며, 연소실을 구별하는 파이프1(12), 전체 반응기를 감싸는 파이프4(18), 그 사이에 각각 레디얼 방향으로 파이프2(16), 파이프5(34), 파이프6(35), 파이프3(17)이 위치한다. 파이프1(12)과 파이프2(16) 사이의 연소가스 통로1(20), 파이프3(17)과 파이프4(18) 사이에 연소가스 통로2(21)가 있어 이를 통과하는 연소가스는 주변의 공기, 개질반응기(36), 원료/물 과열기(33), 원료/물 예열기(32)등에 열을 전해주고 배기가스 배출구로 배출된다. 도1의 내부 구조도에서 볼 수 있는 바와 같이 연소가스 통로1,2(20, 21)는 배기가스 연결 통로(22)를 통하여 하나로 합쳐지며 배기가스 통로(23)를 통해 배출된다.
또한, 입구(3)를 통해 유입된 원료/물은 원료/물 통로1, 2(30, 31)를 통해 둘로 나뉘어져 한쪽은 파이프2(16)와 파이프5(34) 사이, 또 다른 한 쪽은 파이프3(17)과 파이프6(35) 사이 원료/물 예열기(32)로 유입되어 연소가스와 전환 반응부(39)의 열을 회수하게 된다.
여기서 예열된 원료는 원료/물 과열기(33)로 유입되어 연소가스와 개질반응 리포메이트의 열을 회수 하게 되고, 과열된 원료는 개질 반응기(36)로 유입되어 충진된 수증기 개질촉매와 접촉하면서 개질반응을 수행하여 수소와 일산화탄소, 이산화탄소 그리고 미반응된 원료와 여분의 물로 구성된 개질반응 리포메이트로 전환된다. 개질반응 리포메이트는 개질반응 리포메이트 통로 1(37)과 개질반응 리포메이 트 통로 2(38)를 거치면서 개질반응기(36) 및 원료/물 과열기(33)에 열을 전달하면서 온도가 낮아지게 된다.
수성가스 전환 반응온도에 적합하게 낮아진 개질반응 리포메이트는 전환 반응부(39)로 유입되게 되어 충진된 수성가스 전환 촉매와 접촉하면서 수성가스 전환반응을 수행하여 7 내지 15%의 일산화탄소 농도를 0.3% 내지 1.0%수준으로 낮추게 된다. 상기 전환 반응부(39)를 통해 생성된 수성가스 전환반응 리포메이트는 수성가스 전환반응 리포메이트 통로 1,2(40, 41)를 통해 하나로 합쳐져 반응기 외부로 나오게 되며 선택산화 반응에 필요한 공기(4)와 혼합되어 선택산화 반응에 적합한 온도가 되도록 수성가스 전환반응 리포메이트/공기통로(42)를 거쳐 선택산화 반응기(43)로 유입된다.
유입된 수성가스 전환반응 리포메이트는 선택산화 반응기(43)에서 충진된 선택산화 반응촉매와 접촉하면서 선택산화 반응을 수행하여 수성가스 전환 반응기에서의 0.3% 내지 1.0% 일산화탄소 농도를 10ppm이하로 낮추게 되어 수성가스 전환반응 리포메이트 출구(5)로 배출된다.
도2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 소형개질장치를 나타내는 내부 구조도로써 도1에 따른 본원발명에서 선택산화 반응기(43)의 위치를 변화시켜 공간 활용도를 높이고, 열 교환 효율을 증대시킨 경우를 도시한다.
즉, 도1에서 도시된 바와 같이, 본원발명의 외부몸체에 형성되어 있던 선택산화 반응기(43)를 도2에서는 공기/연료예열통로1(10)의 내부에 형성한 경우를 도시하고 있다. 상기 선택산화 반응기(43)를 상기 공기/연료예열통로1(10)의 내부에 형성하도록 하는 것에 의해, 상기 선택산화 반응기(43)와 상기 공기/연료예열통로1(10)의 열교환을 촉진시키도록 함으로써 시스템 전체의 열효율을 증가시키도록 하는 것이 본 실시예의 목적이라 할 것이다.
도4b는 본 발명의 상기 실시예에 따른 원통형 소형개질장치의 단면도를 도시하고 있는 것으로, 도시된 바와 같이, 주입된 공기/연료는 파이프1(12), 파이프7(44), 파이프8(45)사이의 예열 구역으로 유입되어 공기/연료예열통로1(10)를 통과하면서 선택산화 반응기(43)에서 발열하는 열량과 배기가스의 열량을 회수하게 된다. 이 통로는 적절한 열 교환을 위해 간격이 조정될 수 있으며, 열 교환 효율을 높일 수 있도록 압력 차이가 거의 없는 금속 형태의 열전달율 향상 물질을 삽입할 수 있다.
즉, 이와 같은 실시예에 의한 작용은 상술한 바와 같은 본원발명에 따른 작용에 부가하여, 전환 반응부(39)를 통해 생성된 수성가스 전환반응 리포메이트는 통로(40)를 통해 하나로 합쳐져(41) 선택산화 반응기(43)로 유입되어진다. 유입된 수성가스 전환반응 리포메이트는 선택산화 반응기(43)에서 충진된 선택산화 반응 촉매와 접촉하면서 선택산화 반응을 수행하면서 수성가스 전화 반응기에서의 0.3 %-1.0% 의 일산화탄소 농도를 10ppm이하로 낮추게 되며 리포메이트 출구(5)로 배출된다.
도3은 본 발명의 또 다른 응용 실시예에 따른 원통형 소형 개질장치를 나타내는 내부구조도로써 공기/연료입구(1)로 부터 들어온 공기/연료를 연소시키기 위한 연소부와, 상기 연소부에서 연소된 연소가스를 분배하기 위한 연소가스분배기(15)와, 상기 분배된 연소가스를 출구(2)로 배출하기 위해 통과하는 연소가스통로1,2(20, 21)를 포함하여 구성되는 연소반응부와, 원료/물입구(3)로 부터 들어온 원료/물을 개질시키기 위한 개질촉매가 포함되어 있는 2개의 개질 반응부와, 상기 2개의 개질 반응부 사이에 형성되어 상기 개질반응을 통과한 개질반응 리포메이트의 일산화탄소의 농도를 낮추는 수성가스 전환반응을 행하기 위한 수성가스 전환반응부를 포함하여 구성된 연료변환 촉매반응부를 포함하여 구성되는 6개의 일체형 환형파이프로 구성된 원통형 몸체를 구비한 개질장치로 구성되고,
상기 몸체의 하방에는 상기 수성가스 전환반응부를 통과한 수성가스 전환반응 리포메이트가 선택산화 반응부로 들어가는 경로와, 원료/물입구(3)를 통해 개질 반응부로 들어가는 경로를 서로 겹치도록 설계하여 열전달 효율을 높이도록 하며, 상기 수성가스 전환반응부를 통과한 수성가스 전환반응 리포메이트의 일산화탄소 농도를 소정량 이하로 낮추기 위해 요구되는 선택산화 반응부(43)는 상기 경로의 하방에 위치하도록 하여 공기/연료입구(1)를 통하여 들어오는 공기/연료예열통로(52)와 열전달효율을 향상시키도록 배치한 것을 특징으로 한다.
즉, 본원발명의 상기 실시예는 상기 개질장치의 몸체의 하방에 선택산화 반응기(43)를 설치하도록 함으로써, 열전달효율의 향상을 가져오도록 하고 있으며, 그와 같은 열전달효율의 향상은 상기 선택산화 반응기와 공기/연료예열통로(52)와의 사이에서 효과적인 열 분배를 행하기 위해 다수의 공기/연료분배기(51)를 설치하도록 함으로써 달성될 수 있도록 하고 있다.
또한, 상기 몸체의 하방에 형성되어 있는 상기 선택산화 반응기(43)와, 상기 공기/연료예열통로(52)는 조립식으로 형성하는 것이 가능하여 상기 소형연료개질장치의 조립을 더욱 편리하게 할 수 있는 장점이 있다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기가 추가된 흐름도를 도시한 것으로 도1에서 배출되는 배기가스(2)를 유입되는 물(54)과 추가적인 소형 열 교환기(53)를 설치하여 열 교환함으로서 전체적인 열 효율을 높일 수 있는 실시예이며, 마찬가지로 도2, 도3에서도 배출되는 배기가스(2)를 유입되는 물(54)과 추가적인 소형 열교환기(53)를 설치하여 열 교환함으로서 전체적인 열 효율을 높일 수 있다.
상술한 본 발명의 기본 실시예와 같이 촉매반응기, 연소기, 열 교환기 등 각 각의 구성요소가 최적의 열 교환 네트워크를 구성하면서 하나의 용기하에 일체형으로 제작된 원통형 소형개질장치를 운전하여 본 결과 메탄 전환율 94%이상, 수성가스 전환반응 후단 CO농도 0.7% 이하, PROX 후단 CO 농도 10ppm 이하의 값을 얻을 수 있었으며, 높은 열전달 효율 또한 얻을 수 있었다.
또한, 이러한 열전달효율은 이들 장치들이 각각 고유의 촉매 및 연소반응을 수행하면서 동시에 2개 이상의 유체와 열교환을 함으로써 최적의 열효율을 나타낼 수 있게 하며 이들 장치들을 하나의 반응기로 일체화하여 열손실을 최소화 하면서도 콤팩트하게 구성하였고, 상기 6개의 파이프를 일체형으로 설계하여 가공이 용이하게 설계한 것을 특징으로 한다.
상기 기술한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 발전을 위한 원통형 소형 개질장치에 의하면 개질반응기, 수성가스 전환반응 반응기(고온 및 저온), 연소기, 열교환기, 수증기 발생기 등 각각의 구성요소를 하나의 용기 하에 일체형으로 제작하면서 그 구성요소들이 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 최적의 열 교환 네트워크를 구성함으로써, 열 손실을 최소화하고 최적의 열 교환 효율을 나타낼 수 있도록 구성하여 높은 열 효율을 가지면서도 콤팩트 하고 가공 및 제작이 용이하게 설계하였으며, 유체흐름을 단순화하여 정체구간을 최소화하고 잦은 기동, 정지에 따른 재질의 팽창 수축을 고려하여 고 효율, 경량화, 대량생산이 용이하며, 내구성을 갖도록 설계되어있다. 이를 연료전지 발전 시스템에 적용하게 되면, 고 효율로 전체적인 발전효율을 높일 수 있으며 경량화로 초기 기동시간이나 운전용량 변경에 기민하게 대처할 수있으며, 대량생산이 용이하며 내구성을 갖춘 설계로 상용화에 매우 유리한 효과가 있다.
이와 같이, 본 발명은 상기 서술된 본 발명의 실시예에 한하지 않고 자유로운 변경 및 수정이 가능하다. 본 발명의 자유스러운 변경은 상술된 상세한 설명의 실시예에 한정되지 않고 당 발명인에 의해 이하 서술되는 특허청구범위를 넘지않는 범위 내에서 자유로운 변경이 가능하다.

Claims (20)

  1. 공기/연료입구로부터 들어온 공기/연료를 연소시키기 위한 연소부와, 상기 연소부에서 연소된 연소가스를 분배하기 위한 연소가스분배기와, 상기 분배된 연소가스를 출구로 배출하기 위해 통과하는 연소가스통로1,2를 포함하여 구성되는 연소반응부와;
    원료/물입구로부터 들어온 원료/물을 개질시키기 위한 개질촉매가 포함되어 있는 2개의 개질 반응부와, 상기 2개의 개질 반응부 사이에 형성되어 개질반응 리포메이트의 일산화탄소의 농도를 낮추는 수성가스 전환반응부를 포함하여 구성된 연료변환 촉매반응부;를 포함하여 구성되는 원통형 몸체를 구비한 개질장치에 있어서,
    상기 연소반응부와 상기 연료변환 촉매반응부는 6개의 환형파이프로 일체화하여 구성된 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료변환 촉매반응부는 상기 수성가스 전환반응부에서 배출되는 수성가스 전환반응 리포메이트의 일산화탄소량을 소정량 이하로 낮추기 위해 상기 몸체의 외부에 선택산화 반응기가 추가된 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소부는 공기/연료예열통로1와 연소실로 구성되되, 상기 공기/연료예열통로1의 둘레에는 공기를 예열하기 위한 공기예열튜브가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 연소가스분배기는 상기 연소실 내에서 연소된 연소가스를 연소가스통로1,2로 균일하게 분배할 수 있도록 판형으로 구성된 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 공기/연료예열통로1와 상기 연소가스통로1,2는 열교환을 위해 간격 조정이 가능하고, 열전달 효율을 높일 수 있도록 금속형태의 열전달 향상물질이 삽입되며, 일정간격을 유지하도록 하는 것과 동시에 열전달 향상을 위한 지지체가 삽입된 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 2개의 개질 반응부는,
    원료/물입구로부터 들어온 원료/물을 예열하기 위한 원료/물예열부와;
    상기 예열된 원료/물을 과열하기 위한 원료/물과열부와;
    상기 과열된 원료/물을 개질반응을 행하기 위한 개질반응부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 개질반응부의 개질촉매는 Ni계를 바탕으로 한 수증기 개질 촉매나, Ni계 수증기 개질 촉매에 Pt 또는 Ru 등의 귀금속류를 적어도 0.01wt%이상 함유하고, 그 지름은 파이프 내의 압력강하와 반응성을 고려하여 상기 개질반응부 간격의 1/3 내지 1/10 정도의 크기를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 원료/물예열부와 상기 원료/물과열부 내에는 세라믹 충진물이 채워진 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 수성가스 전환반응부는
    상기 개질 반응부를 통과한 개질반응 리포메이트의 온도를 낮추도록 열교환을 행하는 개질반응 리포메이트통로1 및 개질반응 리포메이트 통로2와;
    상기 개질반응 리포메이트의 일산화탄소의 농도를 낮추기 위한 전환 반응부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 전환 반응부의 수성가스 전환촉매로는 고온에서는 Fe-Cr계, 저온에서는 Cu-Zn계 또는 Pt, Pd 등의 귀금속류를 적어도 0.01wt%이상 함유한 수성가스 전환촉매를 사용하고, 그 지름은 파이프 내의 압력강하와 반응성을 고려하여 상기 전환 반응부 간격의 1/3 내지 1/10 정도의 크기를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 개질반응 리포메이트통로1와 상기 개질반응 리포메이트통로2는 세라믹 충진물로 채워진 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 선택산화 반응기에는 상기 수성가스 전환반응 리포메이트와 선택산화 반응용 공기입구에서 들어오는 공기를 혼합하여 수성가스 전환반응기에서 0.3 내지 1.0%의 일산화탄소 농도를 10ppm이하로 낮추도록 하며, 상기 선택산화 반응촉매로는 Pt, Ru, Au 중 어느 하나 또는 그 중 어느 두개의 결합을 행하여 적어도 0.05wt% 이상 함유하도록 하고, 그 지름은 파이프 내의 압력강하와 반응성을 고려하여 상기 수성가스 전환반응부 간격의 1/3 내지 1/10 정도의 크기를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 몸체를 형성하는 파이프4는 그 내부 표면에서 Al2O3을 석출시키기 위해 그 파이프 재질로 Al이 함유된 합금이나 Al을 클래딩한 금속재질을 사용하거나, 고온영역에서의 단열을 위해 세라믹재질로 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  14. 공기/연료입구로부터 들어온 공기/연료를 연소시키기 위한 연소부와, 상기 연소부에서 연소된 연소가스를 분배하기 위한 연소가스분배기와, 상기 분배된 연소가스를 출구로 배출하기 위해 통과하는 연소가스통로1,2를 포함하여 구성되는 연소반응부와;
    원료/물입구로부터 들어온 원료/물을 개질시키기 위한 개질촉매가 포함되어 있는 2개의 개질 반응부와, 상기 2개의 개질 반응부 사이에 형성되어 개질반응 리포메이트의 일산화탄소의 농도를 낮추는 수성가스 전환반응부를 포함하여 구성된 연료변환 촉매반응부;를 포함하여 구성되는 6개의 일체형 환형파이프로 구성된 원통형 몸체를 구비한 개질장치에 있어서,
    상기 수성가스 전환반응 리포메이트의 일산화탄소 농도를 소정량 이하로 낮추기 위해 요구되는 선택산화 반응부를 상기 연소부 내의 공기/연료예열통로1 내부에 마련한 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 선택산화 반응부는 열전달 효율의 향상을 위해 소정수의 파이프로 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  16. 공기/연료입구로부터 들어온 공기/연료를 연소시키기 위한 연소부와, 상기 연소부에서 연소된 연소가스를 분배하기 위한 연소가스분배기와, 상기 분배된 연소가스를 출구로 배출하기 위해 통과하는 연소가스통로1,2를 포함하여 구성되는 연소반응부와;
    원료/물입구로부터 들어온 원료/물을 개질시키기 위한 개질촉매가 포함되어 있는 2개의 개질 반응부와, 상기 2개의 개질 반응부 사이에 형성되어 개질반응 리포메이트의 일산화탄소의 농도를 낮추는 수성가스 전환반응부를 포함하여 구성된 연료변환 촉매반응부;를 포함하여 구성되는 6개의 일체형 환형파이프로 구성된 원통형 몸체를 구비한 개질장치에 있어서,
    상기 몸체의 하방에는 상기 수성가스 전환반응 리포메이트가 선택산화 반응부로 들어가는 경로와, 원료/물입구를 통해 개질반응부로 들어가는 경로를 서로 겹치도록 설계하여 열전달 효율을 높이도록 하며,
    상기 수성가스 전환반응 리포메이트의 일산화탄소 농도를 소정량 이하로 낮추기 위해 요구되는 선택산화 반응부는 상기 경로의 하방에 위치하도록 하여 공기/연료입구를 통하여 들어오는 공기/연료예열통로와 열전달효율을 향상시키도록 배치된 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 선택산화 반응부에는 공기/연료입구로부터 들어오는 공기/연료와 열교환을 하기 위한 판형상의 공기/연료분배기가 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 소형 개질장치의 하방에 마련되는 선택산화반응기 및 공기/연료예열통로는 상기 소형 개질장치와 조립식으로 탈부착될 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  19. 청구항 1, 청구항 14 또는 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체의 외부에는 최종 배출되는 배기가스의 열 회수를 위해 추가적인 열교환기를 설치하여 유입되는 물과 열교환하도록 함으로서 전체적인 열효율을 높일 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
  20. 청구항 1, 청구항 14 또는 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 개질 반응부는 그 사이의 수성가스 전환반응부와, 그 외부의 연소가스통로1,2와 2중으로 열교환하는 것을 특징으로 하는 원통형 소형 개질장치.
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