KR20120019106A - 개질가스와 공기의 혼합 성능을 증가시킨 일산화탄소 제거 반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일산화탄소 제거 반응기를 포함하는 것으로, 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거하기 위하여, 촉매와 가스가 반응하는 배플부와 개질가스와 공기의 혼합 성능을 향상 시키기 위한 유로게이트부를 갖는 것을 특징으로 하되, 배플부는 외부 몸체 및 내부 몸체의 사이에 동심원을 이루는 형태로 배치되어, 상기 내부 몸체와 사이의 영역을 통하여 상기 개질가스 및 공기가 하부 방향으로 유입되도록 하고, 촉매와 반응 후 상기 외부 몸체와 사이의 영역을 통하여 촉매와 가스는 상부 방향으로 반응 후 상부로 배출되도록 하는 경로를 제공하는 원통형의 배플(Baffle)을 갖고, 상기 배플의 하부에 배치되는 유로게이트부로, 외부 몸체와 내부 몸체 사이를 가로지르는 격벽 형태로 이루어지는 복수개의 유로게이트를 포함하되, 상기 유로게이트는 횡방향으로 가스가 혼합되는 경로를 제공하는 유로공을 포함하는 것을 특징으로 하는 발명에 관한 것이다.
Description
본 발명은 일산화탄소 제거 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개질된 연료전지 가스와 공기와의 혼합 성능을 향상시키고, 혼합가스와 촉매부의 접촉 면적 및 접촉 시간을 증가시킴으로써, 일산화탄소(CO) 제거 효과를 극대화시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
연료전지에 수소를 공급하기 위하여 연료전지 입측에 배치되는 개질기는 반응가스를 이용하여 수소(H2)로 개질(reforming)하는 기능을 수행한다.
이를 위하여, 개질기는 메탄(CH4) 등과 같은 탄화수소류를 연료로 하여 다량의 수소로 개질하는 고온개질부와, 고온개질에 의하여 불가피하게 생성되는 일산화탄소를 변성시키는 일산화탄소 변성부(CO변성부) 및 일산화탄소 제거부(CO제거부)를 포함한다.
이때, 일산화탄소 변성부까지의 개질을 거치고 나면 다량의 H2 가스와 0.5% 정도의 CO 가스를 포함하게 된다.
따라서, CO 가스를 ppm 단위로 제거하기 위하여 PROX반응(Preferential Oxidation)을 위한 일산화탄소 제거부가 더 필요하게 되며, PROX반응(Preferential Oxidation)은 다음과 같다.
Preferential Oxidation 반응 : CO + 1/2O2 → CO2
상기와 같은 반응식에 의하면, 개질가스를 공기와 혼합하여 CO를 CO2 로 변형시키어 농도를 낮추는 원리를 이용함을 알 수 있다.
따라서, 기존의 일산화탄소 제거 반응기 구조를 살펴보면 개질가스와 공기를 혼합하는 구조로서 복수개의 격벽을 이용하는 구조를 볼 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 일산화탄소 제거 반응기를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일산화탄소 제거 반응기(10)의 일측에 혼합가스를 내부로 주입하는 주입구(20)가 구비되고, 본체 내부에는 혼합가스의 유로를 변형시키는 복수개의 격벽(30)들이 구비되어 가스의 흐름이 상하 왕복 경로가 형성된다. 그리고, 일산화탄소 제거 반응기(10)의 타측에 일산화탄소가 제거된 개질가스를 배출시키는 배출구(40)가 구비된다.
그러나, 상기와 같은 구조의 일산화탄소 제거 반응기에서는 개질가스와 공기의 혼합 성능을 증가시키기 위해 상하 확산 공간을 필요로 하므로, 불필요하게 넓은 공간을 차지하게 되어 공간 효율성이 저하되었다.
상술한 바와 같이, 상기와 같은 상하 왕복 경로는 반응가스의 온도 제어가 용이하지 않다.
그리고, 충진된 촉매와 반응하지 않는 데드존(Dead zone)이 발생되어 일산화탄소 제거 반응성이 저하되고 일산화탄소 제거 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
따라서, 10ppm 이하의 일산화탄소 제거 성능을 확보하기 위해서는 반응기의 부피를 증가시키고 또한 촉매의 양을 증가시켜야 하는데, 이 경우 비용이 상승하는 문제를 초래하였다.
본 발명의 목적은 일산화탄소 제거 반응기 내부의 가스 유로 길이를 증가시킬 수 있도록 하는 원통형의 배플 및 상기 배플 하부에 배치되어 가스 혼합 기능을 갖는 유로게이트들을 이용함으로써, 반응기의 크기를 감소시키면서도 개질가스와 공기의 혼합이 균일하고 용이하게 이루어지고, 촉매와의 접촉 시간을 증가시켜서, 반응성을 극대화시킬 수 있도록 하는 일산화탄소 제거 반응기를 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 다른 목적은 원통형의 일산화탄소 제거 반응기 내부에 하부에서부터 유입되는 개질가스 및 공기를 지그재그 형태로 순환시킬 수 있는 호형 개구부를 포함하는 배플을 제공함으로써, 가스 혼합 특성을 극대화시키고, 데드존(Dead zone)을 최소화시키고, 상부에서 반응 가스의 냉각을 용이하게 수행할 수 있도록 하는 일산화탄소 제거 반응기를 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 다른 목적은 원통형의 일산화탄소 제거 반응기 내부에 하부에서부터 유입되는 개질가스 및 공기를 분산시킬 수 있는 미세 유로관통공을 포함하는 배플을 제공함으로써, 가스 혼합 특성을 극대화시키고, 데드존(Dead zone)을 최소화시키고, 상부에서 반응 가스의 냉각을 용이하게 수행할 수 있도록 하는 일산화탄소 제거 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소 제거 반응기는 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거하기 위하여, 상기 개질가스와 공기를 혼합하고 촉매와의 반응영역을 제공하는 몸체부와, 상기 반응영역 중 상기 촉매와 상기 개질가스가 반응하는 면적 및 시간을 증가시키는 배플부 및 상기 배플부를 제외한 상기 반응영역에 개질가스와 공기의 혼합 성능을 향상시키기 위한 유로게이트부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 몸체부는 원통형의 외부 몸체 및 내부 몸체를 포함하며, 상기 배플부는 상기 반응영역을 형성하는 원통형의 외부 몸체 및 내부 몸체 사이에 동심원을 이루는 형태로 배치되는 원통형의 배플(Baffle)을 포함하되, 상기 내부 몸체와 상기 배플 사이의 영역을 통하여 상기 개질가스 및 공기가 상부에서 하부 방향으로 유입되도록 하고, 유입된 상기 개질가스 및 공기가 촉매와 반응하도록 하면서, 상기 배플과 상기 외부 몸체 사이의 영역을 통하여 하부에서 상부 방향으로 배출되도록 하는 경로를 제공하는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 상기 배플부 상부에는 개질기 내에 순환되는 물(H2O) 및 버너(Burner)에 공급되는 공기(Air)가 예열 가능하도록 하는 열교환기를 장착하여 발열반응인 일산화탄소 제거 반응의 온도를 유지하며, 예열로 인한 개질기 열효율의 상승을 갖는 것을 특징으로 한다.
그 다음으로, 상기 유로게이트부는 상기 배플부 하부에 배치되며, 상기 몸체부 사이를 가로지르는 격벽 형태로 이루어지는 복수개의 유로게이트를 포함하되, 상기 유로게이트는 횡방향으로 가스가 이동하는 경로를 제공하는 유로공을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 배플부와 상기 유로게이트부는 일체형 또는 분리형으로 포함되는 것을 특징으로 한다.
그 다음으로, 상기 배플(Baffle)은 상기 외부 몸체의 높이를 기준으로 80 ~ 90%에 대응되는 높이인 것을 특징으로 하고, 상기 유로게이트는 상기 몸체부의 높이를 기준으로 20%이하에 대응되는 높이인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 유로게이트는 상기 외부 몸체 및 상기 내부 몸체 사이의 영역에 4개이상 포함되며, 각각 3개 이상의 상기 유로공을 포함하며, 상기 유로공은 사각형 또는 원형인 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 일산화탄소 제거 반응기는 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거하기 위하여, 상기 개질가스에 공기를 혼합하고, 촉매 반응시킬 수 있는 유로를 제공하는 원통형의 외부 몸체와 내부 몸체 및 상기 외부 몸체와 상기 내부 몸체의 사이에 삽입되는 도넛 형태의 배플(Baffle)을 포함하되, 상기 배플은 하부에서부터 공급되는 상기 개질가스 및 공기를 통과시키는 호형(弧形) 개구부를 포함하여, 상기 개질가스 및 공기가 상기 외부 몸체의 하부에서부터 상부로 흐르면서 지그재그 형태로 흐를 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 배플(Baffle)은 원형 또는 타원형으로 넷 이상 삽입되는 것을 특징으로 하고, 상기 배플(Baffle) 사이의 영역에 촉매가 충진되는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 상기 호형(弧形) 개구부는 하부에서로부터 0 ~ 120°, 90 ~ 210°, 180 ~ 300°, 270 ~ 30° 사이의 영역에 순차적으로 위치하는 것을 특징으로 한다.
그 다음으로, 상기 일산화탄소 제거 반응기는 최하부에 구비되는 상기 배플의 하부에 구비되며, 상기 외부 몸체와 상기 내부 몸체 사이를 가로지르는 격벽 형태로 이루어지는 복수개의 유로게이트를 포함하되, 상기 유로게이트는 횡방향으로 가스가 이동하는 경로를 제공하는 유로공을 포함하여, 상기 배플을 통과하기 이전에 먼저 상기 개질가스 및 공기의 혼합이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일산화탄소 제거 반응기는 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거하기 위하여, 상기 개질가스에 공기를 혼합 반응시킬 수 있는 유로를 제공하는 원통형의 외부 몸체와 내부 몸체 및 상기 외부 몸체 및 상기 내부 몸체의 사이에 삽입되는 도넛 형태의 배플(Baffle)을 포함하되, 상기 배플은 하부에서부터 공급되는 상기 개질가스 및 공기를 분산시키는 복수개의 미세 유로관통공을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 배플(Baffle)은 원형 또는 타원형으로 넷 이상 삽입되고, 상기 배플(Baffle) 사이의 영역에 촉매가 충진되는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 상기 일산화탄소 제거 반응기는 최하부에 구비되는 상기 배플의 하부에 구비되며, 상기 외부 몸체와 상기 내부 몸체 사이를 가로지르는 격벽 형태로 이루어지는 복수개의 유로게이트를 포함하되, 상기 유로게이트는 횡방향으로 가스가 이동하는 경로를 제공하는 유로공을 포함하여, 상기 배플을 통과하기 이전에 먼저 상기 개질가스 및 공기의 혼합이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 원통형의 일산화탄소 제거 반응기 내부에 개질가스 및 공기의 혼합 및 분산 효율과, 촉매와의 반응 시간을 증가시킬 수 있도록 하는 배플을 배치시킴으로써, 반응기의 크기를 감소시키면서도 개질가스와 공기의 혼합이 균일하고 용이하게 이루어질 수 있도록 하고, 촉매와의 접촉 시간을 증가시켜서, 반응성을 극대화시킬 수 있도록 하고, 데드존(Dead zone)을 최소화시키고, 반응기 상부에서 반응 가스의 냉각을 용이하게 수행할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 일산화탄소 제거 반응기를 이용하는 경우 반응 효율 극대화 및 일산화탄소 제거 촉매 양이 감소되어 비용이 절감되는 효과를 제공한다.
도 1은 종래 기술에 따른 일산화탄소 제거 반응기를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소 제거 반응기를 나타낸 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 유로게이트들을 나타낸 정면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일산화탄소 제거 반응기를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 호형 개구부를 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일산화탄소 제거 반응기를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 미세 유로관통공을 포함하는 배플을 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소 제거 반응기를 나타낸 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 유로게이트들을 나타낸 정면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일산화탄소 제거 반응기를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 호형 개구부를 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일산화탄소 제거 반응기를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 미세 유로관통공을 포함하는 배플을 나타낸 평면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 개질가스와 공기의 혼합 성능을 증가시키는 일산화탄소 제거 반응기에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소 제거 반응기를 나타낸 개략도이다.
도 2를 참조하면, 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거하기 위한 원통형의 일산화탄소 제거 반응기(100)가 구비된다.
여기서, 일산화탄소 제거 반응기(100)는 배플부(160)와 유로게이트부(170)로 나뉘어 진다.
이때, 본 발명에서 배플부(160)는 외부 몸체(110) 및 내부 몸체(120)의 사이에 동심원을 이루는 형태로 배치되어 유로의 길이를 증가시키는 원통형의 배플(130)을 포함한다.
그리고, 내부 몸체(120)와 배플(130) 사이의 영역에 유로게이트부(170)를 통하여 혼합 된 개질가스 및 공기가 유입되도록 하고, 외부 몸체(110)와 배플(130) 사이의 영역을 통하여 촉매와 반응한 가스가 상부로 배출되도록 한다.
이와 같이, 일산화탄소가 제거된 가스를 반응기의 상부로 배출시키는 이유는 일산화탄소 제거 과정이 발열반응이기 때문이다. 가열된 개질 가스는 반응기의 하부에서 보다 상부로 갈수록 자연 냉각이 용이해 지며, 별도의 냉각수 유입 과정도 더 용이하게 수행할 수 있다.
또한, 반응에 의해서 고온이 된 개질가스가 상부에 위치하도록 함으로써, 개질기 내에 순환되는 물(H2O) 및 버너(Burner)에 공급되는 공기(Air)가 예열 가능하도록 하는 열교환기를 장착하여 발열반응인 일산화탄소 제거 반응의 온도를 유지하며 예열로 인한 개질기 열효율의 상승이 가능하다.
따라서, 본 발명에 따른 개질가스 및 공기의 혼합가스는 반응기의 하부에서 상부로 흐로도록 하여야 하며, 이를 위해서는 배플(130)을 단일 구조로 구비시키는 것이 바람직하다.
여기서, 배플이 복수개로 구비되어도 혼합가스가 상단으로 배출되는 방식이라면 본 발명에 따른 일산화탄소 제거 반응기로서 적용이 가능하다. 그러나, 이 경우에는 배플과 후술되는 유로게이트 사이의 영역에 공급부를 제외하고, 나머지 부분을 차단하는 차단막 등의 장치를 더 추가해야 하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 효율성이 일부 저하될 수 있으므로, 본 발명에서는 가능한 한 개의 배플을 사용하고, 상단에서 혼합가스가 공급되어 하부로 순환되면서, 다시 상단부로 배출될 수 있도록 하는 시스템을 이용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 유로게이트부(170)는 본 발명에 따른 배플부(160)의 하부에 배치되며, 외부 몸체(110)와 내부 몸체(120) 사이를 가로지르는 격벽 형태로 이루어지는 복수개의 유로게이트(140)를 포함한다.
여기서, 유로게이트(140)는 횡방향으로 가스가 이동하는 경로를 제공하고, 개질가스와 공기의 혼합 성능을 향상 시키는 복수개의 유로공(150)을 포함한다. 이때, 유로게이트(140)는 4개 이상 구비되도록 하는 것이 바람직하다. 유로게이트(140)가 4개 미만인 경우에도 도면 1의 기존 일산화탄소 제거 반응기 보다 높은 효율을 나타낼 수 있었으나, 유로게이트(140)가 4개 이상인 경우부터 최대의 가스 혼합 성능을 얻을 수 있었다.
또한, 이때 각 유로게이트(140)에 포함되는 유로공(150)의 개수도 3개 이상인 경우에서부터 뚜렷한 효율 증가를 볼 수 있었다. 그리고, 도시된 바에 의하면 유로공(150)의 형태가 사각형인 것으로 되어 있으나, 이에 항상 제한되는 것은 아니다.
하기 도 3에서 도시하고 있는 바와 같이 유로게이트(240) 내에 형성된 슬릿 형태의 유로공(250)이 사용될 수 있으며, 하기 도 4에서 도시하고 있는 바와 같이 유로게이트(340) 내에 형성된 원형의 유로공(350)이 사용될 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 일산화탄소 제거 반응기는 상단부에 원통형의 배플을 구비시키고, 하단부에는 복수개의 유로공을 갖는 유로게이트들을 구비시킴으로써, 개질가스와 공기의 혼합 특성을 극대화시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 연료전지의 개질기에 있어서 배플부(160)와 유로게이트부(170)는 일체형도 가능하며, 분리형으로 사용되어도 동일한 일산화탄소 제거 성능을 갖는다.
아울러, 반응성 향상을 위한 조건으로서 상기 배플 및 유로게이트의 크기 관계를 들 수 있다.
배플의 경우 외부 몸체의 높이를 기준으로 80 ~ 90%에 대응되는 높이로 구비되도록 하는 것이 바람직하며, 유로게이트는 외부 몸체의 높이를 기준으로 20%이하에 대응되는 높이로 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 외부 몸체의 길이가 1m라 할 때 배플의 경우 80cm ~ 90cm가 되는 높이의 배플이 상부에 매달린 형태가 되며, 배플 하부의 나머지 범위인 20cm 이하의 길이 내에서 유로게이로가 형성되는데, 배플과 유로게이트의 합이 항상 1m가 되어야 하는 것은 아니다.
여기서, 배플의 높이가 80% 미만이 될 경우 촉매 접촉 시간 및 면적이 감소되므로 반응성이 떨어질 수 있으며, 90%를 초과하는 경우에는 가스의 흐름이 방해되어 압력이 상승 하는 등 일산화탄소 제거 성능이 저하될 수 있다.
아울러, 유로게이트의 크기 관계도 상기 조건에 따라 정해 질 수 있는데, 즉 유로게이트의 크기가 외부 몸체 높이의 20%를 초과할 경우에는 상대적으로 배플부의 크기가 감소되므로 일산화탄소 제거 성능이 저하될 수 있으며 일산화탄소 제거 반응기(100)의 부피가 커질 수 있다.
또한, 배플과 유로게이트는 일체형 또는 분리형으로 사용되는 경우에도 촉매와 가스와 반응 면적 증가, 반응 시간 증대 시킬 수 있는 배플의 기능과, 개질가스와 공기의 혼합율을 극대화시키는 유로게이트의 기능의 결합관계는 변화하지 않으므로, 모두 동일한 일산화탄소 제거 성능을 갖는다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 일산화탄소 제거 반응기는 배플 및 유로게이트들을 구비시키고, 이들의 크기 또는 개수 관계를 조절하거나 촉매 또는 열교환기 등을 활용함으로써, 일산화탄소 제거 효율뿐만 아니라 개질 공정 전반적인 효율까지도 향상시킬 수 있다.
여기에서, 효율 향상에 영향을 미치는 주요 요소들로서, 상부에 배플이 형성되는 것과 혼합가스가 하부에서 상부로 흐르도록 하는 것을 들 수 있다.
따라서, 하기에서는 상부 배플 및 상부 배출식 혼합가스를 이용할 수 있는 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하는 것으로 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일산화탄소 제거 반응기를 나타낸 개략도이다.
도 5를 참조하면, 상기 도 2에서와 같이 원통형의 일산화탄소 제거 반응기(400)를 구비시키되, 하부에서 상부로 개질가스 및 공기가 혼합되어 흐를 수 있도록 한다.
여기서, 외부 몸체(410)와 내부 몸체(420) 사이에 도넛 형태의 배플(440a, 440b, 440c)들을 삽입하되, 각 배플(440a, 440b, 440c)은 호형(弧形) 개구부(450a, 450b, 450c)를 포함하도록 하여 하부에서부터 공급되는 개질가스 및 공기가 지그재그 형태로 흐를 수 있도록 배치한다.
따라서, 개질가스 및 공기가 지그재그 형태로 유동 되면서 혼합되는 비율이 높아지고, 반응이 이루어지지 않는 데드존(Dead zone)을 최소화시킬 수 있다.
이때, 배플(440a, 440b, 440c)은 원형 또는 타원형으로 넷 이상 삽입되도록 하는 것이 바람직하다. 배플이 원형일 경우 도시된 바와 같이 수평으로 삽입될 수 있는데, 타원형으로 구비되어 경사진 형태로 외부 몸체(410) 및 내부 몸체(420) 사이에 삽입되어도 무방하다.
이와 같은 배플은 특히 넷 이상 삽입되는 경우 가스 혼합 성능이 현저하게 증가되었으며, 넷 미만일 경우 혼합 성능의 증가가 미흡하였다.
그리고, 각 호형(弧形) 개구부(450a, 450b, 450c)는 배플 면적의 20 ~ 45%의 면적을 가지도록 형성하는 것이 바람직한데, 각 호형 개구부의 면적이 배플 면적의 20%미만일 경우에는 혼합 가스의 흐름이 원활해지지 못할 수 있으며, 45%를 초과하는 경우에는 배플에 의한 지그재그형 흐름을 형성하지 못하고 혼합율이 감소될 수 있다.
따라서, 상기 배플을 넷 이상 구비시키되 각 배플에 형성되는 호형 개구부가 하부에서부터 0 ~ 120°, 90 ~ 210°, 180 ~ 300°, 270 ~ 30° 사이에 순차적으로 배치되도록 하는 것이 바람직하다.
이때, 각 호형 개구부의 면적이 배플 전체 면적의 33%의 크기를 갖는 형태로 네 개가 구비되는 경우, 호형 개구부의 면적은 120°에 해당되는 크기를 갖게 되므로, 상기 각도 범위에 정확하게 매칭될 수 있다.
따라서, 평면도 상에서 볼 때 각 호형 개구부의 에지부들이 서로 중첩되는 형태를 취할 것이다.
반대로, 호형 개구부의 면적이 33% 미만이될 경우에는 각 개구부들의 중첩영역이 나타나지 않을 수 있는데, 이러한 경우에는 호형 개구부의 개수를 증가시킴으로써, 가스의 혼합 비율을 조절할 수 있다.
또한, 각 호형 개구부의 면적이 배플 전체 면적의 25%의 크기를 갖는 경우에는 하기 도 6과 같이 도시될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 호형 개구부를 나타낸 평면도이다.
도 6을 참조하면, 일산화탄소 제거 반응기의 하부에서부터, 시계 방향을 따라서 제1호형 개구부(550a), 제2호형 개구부(550b), 제3호형 개구부(550c) 및 제4호형 개구부(550d)의 순서로 배치된 것을 볼 수 있다.
따라서, 개질가스 및 공기도 상기 각 호형 개구부의 위치를 따라서 지그재그 형태로 흐르면서, 그 혼합율을 증가시킬 수 있다.
이때, 일산화탄소 제거 반응 촉매는 각 배플 사이에 충진 될 수 있다.
아울러, 최하부의 배플 하부에는 상기 도 2에서 설명한 유로게이트 및 유로공을 더 설치하여서, 개질가스 및 공기의 혼합율을 극대화시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일산화탄소 제거 반응기를 나타낸 개략도이다.
도 7을 참조하면, 상기 도 2에서와 같이 원통형의 일산화탄소 제거 반응기(600)를 구비시키되, 하부에서 상부로 개질가스 및 공기가 혼합되어 흐를 수 있도록 한다.
여기서, 외부 몸체(610)와 내부 몸체(620) 사이에 도넛 형태의 배플(650a, 650b, 650c, 650d)들을 삽입하되, 각 배플(650a, 650b, 650c, 650d)은 미세 유로관통공(630a, 630b, 630c, 630d)를 포함하도록 하여 하부에서부터 공급되는 개질가스 및 공기가 미세하게 분산될 수 있도록 배치한다.
따라서, 개질가스 및 공기의 혼합되는 비율을 증가시키고, 반응이 이루어지지 않는 데드존(Dead zone)을 최소화시킬 수 있다.
이때, 배플은 원형 또는 타원형으로 넷 이상 삽입되도록 하는 것이 바람직하다. 배플이 원형일 경우 도시된 바와 같이 수평으로 삽입될 수 있는데, 타원형으로 구비되어 경사진 형태로 삽입될 수도 있다.
이와 같은 배플은 특히 넷 이상 삽입되는 경우 가스 혼합 성능이 현저하게 증가되었으며, 넷 미만일 경우 혼합 성능의 증가가 미흡하였다.
그리고, 각 미세 유로관통공(630a, 630b, 630c, 630d) 들은 각 배플들의 전면적에 걸쳐서 균일하게 분포되도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 이와 같은 경우 외부 몸체(610) 및 내부 몸체(620)의 지름을 최소화하고, 그 높이를 최대한 길게 형성하여서 가스들의 혼합비율이 극대화될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명에 따른 미세 유로관통공을 포함하는 배플을 나타낸 평면도이다.
도 8을 참조하면, 배플(650)의 전면에 걸쳐서 미세 유로관통공(630)들이 균일하게 형성된 것을 볼 수 있다. 따라서, 개질가스 및 공기가 상기 미세 유로관통공(630)을 통과하면서 미세하게 분산될 수 있고, 이 분산 과정에서 개질가스 및 공기의 혼합이 균일하게 이루어지고, 일산화탄소의 제거가 용이해 질 수 있도록 하는 것이다.
이때, 일산화탄소 제거 반응 촉매는 각 배플과 배플 사이에 충진 될 수 있다.
아울러, 최하부의 배플 하부에는 상기 도 2에서 설명한 유로게이트 및 유로공을 더 설치하여서, 개질가스 및 공기의 혼합율을 극대화시킬 수 있다.
이상에서 설명한 도 6 내지 도 8의 실시예에 의하면, 특히 개질가스 및 공기는 하부에서 공급되도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 일산화탄소 제거 반응이 일어나면서, 일산화탄소 제거 반응기의 최상부로 갈 수로 반응가스들의 온도가 증가될 수 있다. 이 경우 본 발명에서는 일산화탄소 제거 반응기의 상단부에 별도의 열교환기를 설치함으로써, 물(H2O)을 예열시키는데 활용할 수 있다.
또한, 반응기의 상부에 냉각을 위한 공기 또는 물순환 채널을 형성하는 것이 용이해지므로, 일산화탄소 제거 효율을 극대화시키면서도, 전체 연료전지 개질 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 원통형의 일산화탄소 제거 반응기 내부에 개질가스 및 공기의 혼합 및 분산 효율과, 촉매와의 반응 시간을 증가시킬 수 있도록 하는 배플을 배치시킴으로써, 반응기의 크기를 감소시키면서도 개질가스와 공기의 혼합이 균일하고 용이하게 이루어질 수 있도록 하고, 촉매와의 접촉 시간을 증가시켜서, 반응성을 극대화시킬 수 있도록 하고, 데드존(Dead zone)을 최소화시키고, 반응기 상부에서 반응 가스의 냉각을 용이하게 수행할 수 있도록 한다.
따라서, 본 발명에 따른 일산화탄소 제거 반응기는 일산화탄소 제거를 위한 비용을 최소화시킬 수 있으며, 각 상황에 따라서 다양한 형태의 배플을 활용할 수 있으므로, 다양한 형식의 연료전지 개질 시스템에 적용할 수 있는 활용성을 제공한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10, 100, 400, 600 : 일산화탄소 제거 반응기
20 : 주입구
30 : 격벽
40 : 배출구
110, 410, 510, 610 : 외부 몸체
120, 420, 520, 620 : 내부 몸체
120a, 130a : 촉매 충진부
130, 650 : 배플
140, 240, 340 : 유로게이트
150, 250, 350 : 유로공
160 : 배플부
170 : 유로게이트부
440a, 650a : 제1배플
440b, 650b : 제2배플
440a, 650c : 제3배플
650d : 제4배플
450a, 550a : 제1호형 개구부
450b, 550b : 제2호형 개구부
450c, 550c : 제3호형 개구부
630 : 미세 유로관통공
630a : 제1미세 유로관통공
630b : 제2미세 유로관통공
630c : 제3미세 유로관통공
630d : 제4미세 유로관통공
20 : 주입구
30 : 격벽
40 : 배출구
110, 410, 510, 610 : 외부 몸체
120, 420, 520, 620 : 내부 몸체
120a, 130a : 촉매 충진부
130, 650 : 배플
140, 240, 340 : 유로게이트
150, 250, 350 : 유로공
160 : 배플부
170 : 유로게이트부
440a, 650a : 제1배플
440b, 650b : 제2배플
440a, 650c : 제3배플
650d : 제4배플
450a, 550a : 제1호형 개구부
450b, 550b : 제2호형 개구부
450c, 550c : 제3호형 개구부
630 : 미세 유로관통공
630a : 제1미세 유로관통공
630b : 제2미세 유로관통공
630c : 제3미세 유로관통공
630d : 제4미세 유로관통공
Claims (18)
- 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거하기 위하여, 상기 개질가스와 공기를 혼합하고 촉매와의 반응영역을 제공하는 몸체부;
상기 반응영역 중 상기 촉매와 상기 개질가스가 반응하는 면적 및 시간을 증가시키는 배플부; 및
상기 배플부를 제외한 상기 반응영역에 개질가스와 공기의 혼합 성능을 향상시키기 위한 유로게이트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 몸체부는 원통형의 외부 몸체 및 내부 몸체를 포함하며,
상기 배플부는 상기 반응영역을 형성하는 원통형의 외부 몸체 및 내부 몸체 사이에 동심원을 이루는 형태로 배치되는 원통형의 배플(Baffle)을 포함하되, 상기 내부 몸체와 상기 배플 사이의 영역을 통하여 상기 개질가스 및 공기가 상부에서 하부 방향으로 유입되도록 하고, 유입된 상기 개질가스 및 공기가 촉매와 반응하도록 하면서, 상기 배플과 상기 외부 몸체 사이의 영역을 통하여 하부에서 상부 방향으로 배출되도록 하는 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 배플부 상부에는 개질기 내에 순환되는 물(H2O) 및 버너(Burner)에 공급되는 공기(Air)가 예열 가능하도록 하는 열교환기를 장착하여 발열반응인 일산화탄소 제거 반응의 온도를 유지하며, 예열로 인한 개질기 열효율의 상승을 갖는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 유로게이트부는 상기 배플부 하부에 배치되며, 상기 몸체부 사이를 가로지르는 격벽 형태로 이루어지는 복수개의 유로게이트;를 포함하되, 상기 유로게이트는 횡방향으로 가스가 이동하는 경로를 제공하는 유로공;을 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 배플부와 상기 유로게이트부는 일체형 또는 분리형으로 포함되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제2항에 있어서,
상기 배플(Baffle)은
상기 외부 몸체의 높이를 기준으로 80 ~ 90%에 대응되는 높이인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제4항에 있어서,
상기 유로게이트는
상기 몸체부의 높이를 기준으로 20%이하에 대응되는 높이인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제4항에 있어서,
상기 유로게이트는
상기 외부 몸체 및 상기 내부 몸체 사이의 영역에 4개이상 포함되며, 각각 3개 이상의 상기 유로공을 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제4항에 있어서,
상기 유로공은
사각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거하기 위하여, 상기 개질가스에 공기를 혼합하고, 촉매 반응시킬 수 있는 유로를 제공하는 원통형의 외부 몸체와 내부 몸체; 및
상기 외부 몸체 및 상기 내부 몸체의 사이에 삽입되는 도넛 형태의 배플(Baffle)을 포함하되, 상기 배플은 하부에서부터 공급되는 상기 개질가스 및 공기를 통과시키는 호형(弧形) 개구부를 포함하여, 상기 개질가스 및 공기가 상기 외부 몸체의 하부에서부터 상부로 흐르면서 지그재그 형태로 흐를 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제10항에 있어서,
상기 배플(Baffle)은
원형 또는 타원형으로 넷 이상 삽입되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제11항에 있어서,
상기 배플(Baffle) 사이의 영역에
촉매가 충진되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제10항에 있어서,
상기 호형(弧形) 개구부는
하부에서로부터 0 ~ 120°, 90 ~ 210°, 180 ~ 300°, 270 ~ 30° 사이의 영역에 순차적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제10항에 있어서,
상기 일산화탄소 제거 반응기는
최하부에 구비되는 상기 배플의 하부에 구비되며, 상기 외부 몸체와 상기 내부 몸체 사이를 가로지르는 격벽 형태로 이루어지는 복수개의 유로게이트;를 포함하되, 상기 유로게이트는 횡방향으로 가스가 이동하는 경로를 제공하는 유로공;을 포함하여, 상기 배플을 통과하기 이전에 먼저 상기 개질가스 및 공기의 혼합이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거하기 위하여, 상기 개질가스에 공기를 혼합 반응시킬 수 있는 유로를 제공하는 원통형의 외부 몸체와 내부 몸체; 및
상기 외부 몸체 및 상기 내부 몸체의 사이에 삽입되는 도넛 형태의 배플(Baffle)을 포함하되, 상기 배플은 하부에서부터 공급되는 상기 개질가스 및 공기를 분산시키는 복수개의 미세 유로관통공을 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제15항에 있어서,
상기 배플(Baffle)은
원형 또는 타원형으로 넷 이상 삽입되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제16항에 있어서,
상기 배플(Baffle) 사이의 영역에
촉매가 충진되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
- 제15항에 있어서,
상기 일산화탄소 제거 반응기는
최하부에 구비되는 상기 배플의 하부에 구비되며, 상기 외부 몸체와 상기 내부 몸체 사이를 가로지르는 격벽 형태로 이루어지는 복수개의 유로게이트;를 포함하되, 상기 유로게이트는 횡방향으로 가스가 이동하는 경로를 제공하는 유로공;을 포함하여, 상기 배플을 통과하기 이전에 먼저 상기 개질가스 및 공기의 혼합이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 반응기.
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| P22-X000 | Classification modified |
St.27 status event code: A-4-4-P10-P22-nap-X000 |