KR100563182B1 - 연료 전지 동력 장치용 탄화수소 연료 가스 개질체 조립체 - Google Patents

연료 전지 동력 장치용 탄화수소 연료 가스 개질체 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생 연료로부터 수소 농후 처리 연료를 생산하고 소형 촉매 튜브(30) 배열체를 단열 하우징 안에 형성하는 연료 개질체에 관한 것이다. 촉매 튜브 배열체는 배열체내에 배열된 다층 촉매 튜브(30)를 포함한다. 촉매 튜브의 내부는 연료 스트립에 비말 동반하는 분진에 대한 분진 트랩으로서 역할을 하는 중공형 사단부 중앙 튜브(76)를 포함한다. 촉매 튜브는 촉매가 보존되는 촉매 베드(72)로 연장되는 상부 절두 원추형 부분(64)이 형성되어 있다. 조립체는 개질체 상부에 분산 버너 오리피스 배열체를 허용하는 측부 점화 시동 버너를 갖는다. 촉매 튜브(30)는 조립체내의 튜브를 안정화시키는 조립체의 측벽에 의해서 지지된다. 내부 횡방향 매니폴드 판은 튜브 조립체의 부분들에 의해서 서로 연결되어 있어서 촉매 튜브 조합체의 중량을 지지한다.

Description

연료 전지 동력 장치용 탄화수소 연료 가스 개질체 조립체{HYDROCARBON FUEL GAS REFORMER ASSEMBLY FOR A FUEL CELL POWER PLANT}
본 발명은 촉매 반응 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 각각이 환상 촉매 베드를 갖는 촉매 튜브 배열체를 갖는 시스템에 관한 것이다.
촉매 반응 장치는 수소 농후 연료 가스와 같은 산업 가스를 생산하는 산업분야에 통상 사용되어 왔으며, 당해 기술분야에 널리 공지되어 있다. 수소를 생산하기 위한 가장 일반적인 시도는 생 연료 가스가 증기와 혼합되고 튜브형 개질체 내에 배치된 촉매 베드를 통과하는 증기 개질 공정이다. 이러한 흡열 반응에 대한 열은 튜브가 멀리 이격되는 구조로 배치된 노로부터 제공된다.
이들 산업 장치는 대규모이고 작동 유연성이 제한되어 있기 때문에, 증기 개질 기술은 미국 특허 제4,098,587호와, 미국 특허 제4,098,588호와, 미국 특허 제4,098,589호에 개시된 바와 같은 성공적인 적용전까지는 수소 소모 연료 전지와 합체된 동력 장치와 함께 사용되도록 성공적으로 통합되지 못했다. 이들 특허에 개시된 새로운 설계는 연료 전지 동력 장치 내부에서 사용되기에 적절한 많은 중요한 특징을 갖는 소형 반응 장치로 구성된다.
즉, 생 연료를 증기 개질을 위한 소형 반응 장치는 노 내에서 기술분야의 당시 표준 상태에 의해 긴밀하게 패킹되고 튜브 배열체 내의 임의의 위치에서 균일하게 가열된 튜브를 생산하도록 단열된 복수개의 수직 튜브형 개질체와, 버너 공동 영역과 열전달 향상 영역과, 반응 생성물과 처리 스트림 사이에 재생열 전달 용량을 형성하는 환상 개질체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 설계는 경쟁력 있는 전체 동력 장치의 작동 효율을 보장하는데 필요한 높은 열 효율을 유지하면서 연료 전지 동력 장치의 크기 및 작동 특성 조건을 만족시키는 스트림 개질체 장치를 제공한다.
전술한 특허에 개시된 설계는 수소 발생 기술을 연료 전지 동력 장치에 적용하는데 있어 이정표가 된 성취인 반면에, 이들 초기 설계는 더 소형화되고 경량화 되며 그 열 분포 및 촉매 베드 안정성이 균일하게 개량될 필요성이 있었다. 이들 문제들 중 가장 해결해야 할 문제점은 튜브 다발을 정렬시키고, 과도한 중량 패널티나 복잡하고 고가인 구조적 고정구 없이 튜브와 촉매 및 보조 장치에 의한 부하력을 적당히 분배시키는 효율적인 지지 구조체를 개발할 필요성이 남아 있다는 것이다.
본 발명은 천연 가스 등과 같은 생 연료로부터 수소-농후(hydrogen-enriched) 처리 연료를 생산하도록 작동할 수 있는 소형의 효율적인 개질체에 관한 것이다. 본 발명의 개질체는 단열 하우징에 포함된 촉매 튜브의 소형 배열체를 포함한다. 양호하게는, 촉매 튜브 배열체는 육각형 배열체로 배열된 다수의 튜브를 포함한다. 하우징은 제조 효율 및 구조 효율을 위해 원형이 바람직하며, 원형 하우징의 내부는 기하학적 정합 단열재로 끼워 맞춤 된다. 예컨대, 개질체 튜브의 육각형 배열이 채용되는 경우에, 단열재는 개질체 튜브 배열체와 대면하는 육각형 주변부를 제공할 것이다. 따라서, 배열체의 최외부 튜브는 열 손실에 대해서 효율적으로 균일하게 단열된다. 또한, 튜브의 직경은 배열체내의 인접한 튜브 사이의 공간이 효율적인 열전달을 위해 최소화될 수 있도록 크기가 결정된다. 강성 튜브 지지 구조체는 개질체 작동 온도의 물건의 무게(dead-weight)하에서 튜브 사이의 임계 공간을 유지한다.
각각의 촉매 튜브의 내부는 처리된 연료가 촉매 반응 베드를 지난 후, 통과되는 중공형 사단부(dead-ended) 중앙 튜브를 구비한다. 상기 사단부 중앙 튜브는 연료 스트림이 촉매 베드를 통과할 때 연료 증기와 비말 동반되는 촉매 분진들을 수집하기 위한 분진 트랩으로서 작용을 한다. 또한, 촉매 튜브는 구성 및 조립될 때, 여분의 촉매가 베드에 적재될 수 있도록 촉매 베드를 연장하기 위해 사용되는 최상측 원추형 캡을 구비한다. 따라서, 조립 및 폐쇄된 촉매 튜브는 촉매 침전 및 침강이 일어나는 때조차 촉매 베드까지 소정의 높이를 유지하도록 여분의 촉매를 함유할 것이다. 또한, 촉매 침전은 촉매 펠릿의 각각의 크기와 촉매 베드의 반경방향 두께에 의해서 제어된다. 또한, 유동 면적이 증가함에 따라 가스 유동 속도를 감소시킴으로써, 원추형 캡의 형상이 촉매 반응 영역의 상부에서 촉매 베드의 유동화를 방지한다. 유동화는 각각의 열 순환 영역에서 촉매의 과도한 침강 및 분쇄를 야기하기 때문에 중요하다. 이에 의해서 최소화되는 것이 바람직한 촉매층 고 손실을 악화시킨다.
또한, 이 설계는 기존에 사용된 바와 같은 중앙 점화 시동 버너 대신에 측부 점화 시동 버너를 사용하는 것을 특징으로 한다. 이 측부 점화 시동 버너는 개질체의 상부에서 개선된 확산 버너 오리피스 배열을 가능하게 한다. 따라서, 중앙에 배치된 시동 버너에 의해서 간섭받지 않는 버너 오리피스 배열이 분산 버너로부터의 열 분배가 더 쉽고 더 효율적으로 달성되도록 수행된다. 중앙에 배치된 시동 버너의 존재가 분산 버너 패턴을 방해할 것이며 시동 버너가 차단될 때 노의 상부 중앙에 보이드를 형성할 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 이 바람직하지 못한 결과는 본 발명에 따른 측부 점화 시동 버너가 사용되는 경우에 야기되지 않는다.
또한, 이 설계는 작동 범위가 부식 및 강도 조건에 의해서 주로 제한되기 때문에, 부가의 작동 온도 범위를 제공하기 위해서 종래에 사용되는 것보다 더 두꺼운 두께를 갖는 개질체 튜브 캡을 사용하는 것을 특징으로 한다.
촉매 튜브는 조립체 내의 튜브를 안정되게 하고 중량 또는 체적을 증가시킴 없이 열응력 저항성과, 강도 및 강성을 증가시키는 유일한 구조적 특징을 제공하는 조립 구성요소를 사용할 수 있는 방식으로 조립체 하우징의 측벽에 의해서 지지된다. 전술한 미국 특허 제4,098,587 호에 있어서, 촉매 튜브의 중량은 장치의 바닥벽에 의해서 지지되며, 또한 이것은 용기의 압력 경계가 된다. 이 발명의 구성에 있어서, 내부 횡방향 매니폴드 판은 촉매 튜브 배열체의 중량을 지지하는 복합재 비임을 형성하도록 튜브 조립체의 일부에 의해서 상호 결합된다. 매니폴드 판과 결합 튜브 조립체 부분은 튜브로부터 부하를 조립체의 실린더형 측벽 외부로 전달하는 복합재 비임의 구성 및 효과를 달성하는 방식으로 상호 작용한다. 이렇게 형성된 구조체는 벌집형 패널과 마찬가지로 부하지지 강도를 증가시킨다.
2개의 내부 횡방향 매니폴드 판은 벌집형 구조체의 대면 시트로서 역할을 하며, 매니폴드 판들 사이의 튜브 부분은 벌집형 구조체에 대한 코어로서 작용한다. 조립체의 바닥 영역은 중량 및 부하를 지지할 필요가 없게 하므로써 바닥 영역을 분진의 부가적인 포획 또는 집적형 열 교환 옵션과 같은 다른 기능을 위해 사용될 수 있다. 이것은 중량 및 체적에 민감한 동력 장치의 설계에서 최대 패키징 밀도를 달성할 수 있는 바람직한 특성이다.
따라서, 본 발명의 목적은 연료 공급부가 연료 전지 동력 장치에 사용되도록 된 연료 공급부를 개선한 더 효율적이고 소형인 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 촉매 베드 압밀(compaction)이 개선된 기술한 특징의 장치를 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적 및 다른 목적과 장점은 첨부 도면과 관련된 이하의 상세한 설명으로부터 보다 자명해질 것이다.
도1은 본 발명에 따라 형성된 개질체 조립체의 축방향 단면도이며,
도1a는 도1에 도시된 환상 연료 가스 입구의 확대 단면도이며,
도2는 도1의 개질체 조립체의 상부의 축방향 단면도이며,
도3은 개질체 조립체의 횡방향 단면도이며,
도4는 개질체 조립체에 장착된 촉매 튜브 조립체를 도시하는 촉매 튜브 조립체중 하나의 축방향 단면도이며,
도5는 촉매 튜브 조립체중 하나의 하부의 축방향 단면도이다.
이제 도면을 참조하면, 도1은 본 발명에 따라 형성되고 생 탄화수소 연료 스톡이 있는 복수개의 촉매 튜브(14)를 포함하는 하우징(12)을 포함하는 개질체 장치(10)의 실시예를 개시한다. 개질체 장치(10)는 생 탄화수소 연료가 주입되는 생 연료 유입구(16)와, 탄화수소 연료 장치(10)로부터 제거되는 개질된 연료 유출구(18)를 포함한다. 장치(10)는 버너 연료가 장치(10)로 주입되는 버너 연료 유입구(20)와, 대기 또는 다른 산소 공급원이 생 탄화수소 연료 스톡의 처리를 위해서 열을 제공하도록 버너 연료를 연소시키기 위한 장치(10)로 주입되는 버너 공기 유입구(22)를 포함한다. 버너 배출가스 유출구(24)가 장치(10)로부터의 버너 연료 배기가스 스트림을 배기하도록 설치된다. 도면에 있어서, 화살표(A, B)는 각기 버너 가스 스트림 및 버너 공기 스트림의 방향을 나타낸다. 화살표(C, D)는 각기 개질된 처리 연료와 시동 버너 가스 스트림의 방향을 나타낸다.
도1, 도2 및 도3에 도시된 바와 같이, 폐쇄식으로 패키징된 육각형 배열체 내에 배열된 19개의 촉매 튜브 조립체(14)가 존재한다. 촉매 튜브 조립 배열체는 7개의 촉매 튜브 조립체의 중앙 그룹과 12개의 촉매 튜브 조립체의 외측 그룹을 포함한다. 각각의 촉매 튜브 조립체(14)는 내부면(32)과 외부면(34)을 갖는 외부 개질체 튜브(30)를 포함한다. 개질체 튜브(30)의 밀봉된 상단부(36)가 개질체 튜브(30)의 최상부를 형성하는 단부 캡(38)에 의해 제공된다. 개질체 튜브(30)는 하단부(40)와, 하단부(40)로부터 단부 캡(38)까지 연장된 튜브 본체(36)를 포함한다. 재열기 튜브(50)는 개질체 튜브(30) 내에 동심으로 배치된다. 재열기 튜브(50)는 내부 및 외부면(52, 54)을 각기 가지며, 촉매 튜브 조립체(14)의 하단부(56)로부터 그 상단부(64)까지 연장된다. 도2에 도시된 바와 같이, 재열기 튜브(50)는 3개의 주요부로 구성되는데, 즉, 하단부(40)로부터 상향으로 높이(H1)만큼 연장되는 실린더형 본체부(60)와, 본체부(60)로부터 높이(H2)만큼 상향으로 연장되는 절두 원추형의 내향으로 테이퍼진 중간부(62)와, 중간부(62)로부터 높이(H3)만큼 상향으로 연장되는 더욱 소형의 실린더형 상단부(64)를 포함한다. 중간부(62)는 튜브(30)의 축(500)을 향해 수렴 각도(φ)를 가진다. 높이 및 각도는 공간(H2)에 위치된 여분의 촉매 체적이 열 순환 중 발생하는 촉매의 체적 감소를 보상하고 촉매 베드의 유동화를 제한하고 촉매 베드를 통한 압력 강하를 최소화하기 위해 촉매를 비축하도록 선택된다. 재열기 튜브(50)의 상부(64)의 상단부는 개방되어서 촉매 베드로부터의 가스 스트림이 화살표(D)로 나타낸 바와 같이 튜브(64, 74)로 진입한다. 천공판(58)은 튜브(64)에 고정되며 개질 가스가 촉매 베드의 상단부를 떠나 튜브(64, 74)로 진입할 수 있게 한다. 로드 형태의 크로스 부재(66)는 개질체 튜브(30)의 상단부에서 재열기 튜브 조립체(50)가 중앙에 오게 하기 위해 그 단부가 단부 캡(38)의 내부면에 접촉되도록 위치된다. 중간부(62)의 테이퍼 각도(φ)는 장치에 대한 크기, 유동 및 압력 강하 조건이 꼭 맞도록 선택된다.
환상 공간(70)은 개질체 튜브(30)의 내부면과 재열기 튜브(50)의 외부면 사이에 형성된다. 상기 공간(70)은 재열기 튜브(50)의 3개의 주요부에 인접하여 있으며 이들 3개의 주요부와 결합된 3개의 주요부를 갖는다. 예시적인 실시예에 있어서, 하부와 중간부가 있다. 중간부는 그 하단부에서 하부와 일치하며 상향으로 증가하는 두께를 갖는다. 공간(70)의 상부는 재열기 튜브(50)의 상부(64)의 테이퍼를 따라 상향으로 더 증가하는 두께를 가진다. 본 발명의 전술한 실시예에 있어서, 대부분의 환상 공간(70)은 촉매 베드를 포함한다. 촉매 베드는 니켈과 같은 적절한 촉매 물질로 형성된 외부면을 갖는 실린더형 펠릿(72)으로 형성된다. 재열기 튜브(50)는 재열기 튜브 본체부(60)를 따라 튜브(50)의 외부면으로부터 반경방향 외향으로 연장되는 복수개의 스페이서(73)로 형성된다. 스페이서(73)는 개질체 튜브(30) 내부에서 재열기 튜브(50)가 중심에 오도록 유지된다.
상하 내부 튜브(74, 76)를 포함하는 분진 수집 시스템이 재열기 튜브(50) 내에 제공된다. 상부 튜브(74)는 그 상하단부에서 개방된다. 상부 튜브(74)의 상단부는 재열기 튜브(50)의 중간부(62)의 내부면에 용접되고 중간부(62)의 상단부 아래에서 리세스가 형성된다. 하부 튜브(76)의 상단부는 재열기 튜브 본체부(60)의 상단부와 거의 같은 높이이다. 상부 튜브(74)의 하단부는 하부 튜브(76)를 향해 약간 연장된다. 하부 튜브(76)의 내직경은 상부 튜브(74)의 외직경을 수용하기에 충분하며 튜브(74, 76) 사이에 측방향으로 환상 공간(78)을 형성한다. 하부 튜브의 폐쇄 하단부는 재열기 튜브(50)의 본체부(60) 하단부를 지나 돌출된다. 환상 공간(79)은 재열 챔버로서 역할을 하는 재열기 튜브(50)의 내부면과 하부 튜브(76)의 외부면 사이에 형성된다. 촉매 베드로부터의 처리 연료는 천공부(64)를 통해서 상부 튜브(74)로 진입하며, 비교적 정적 방법으로 하부 튜브를 충전시키도록 하부 튜브(76)로 하향 유동한다. 하부 튜브(76)는 사단부(dead-end)를 가지므로 처리 연료 스트림이 촉매 베드를 통과할 때 처리 연료 스트림 내에 비말 동반되는 촉매 펠릿 분진을 수집하기 위한 트랩으로서 역할을 한다. 처리 연료 스트림은 튜브(76)의 상부를 넘쳐 나와 필수 반응열 공급을 돕도록 처리 가스의 열 에너지가 주입 처리 유동 스트림으로 재 전달되는 재열기 챔버(79)를 통해 유동한다.
개질체를 조립하기 위해서, 개질체 튜브(30)는 판(84)의 관련 구멍 내부에 위치된 후 용접부(31)에 의해서 그 위치에 부착된다. 그 후 조립된 재열기 튜브(50)가 개질체 튜브(30)로 삽입되고 조합체가 전화된다. 전화 상태에 있어서, 재열기 튜브(50)는 크로스 부재(66)와 단부 캡(38) 사이에서 접촉에 의해서 지지된다. 스페이서(73)는 재열기 튜브(50)를 개질체 튜브(30) 내의 중심에 유지하여 이들 사이의 환상 공간(70)이 촉매 펠릿(72)으로 충전될 수 있게 한다. 적당량의 촉매가 공간(70)으로 주입된 후, 촉매 지지 조립체는 스페이스(70)로 삽입된다. 촉매 지지 조립체는 지지 로드(75)에 용접되는 환상 천공판(81)을 포함한다. 로드는 환상판(80)에 의해 지지된다. 스페이스(70)의 하부 경계는 고상 디스크(77)의 내측 에지를 재열기 튜브(50)에 용접부(37)에 의해서 용접하고, 용접부(35)에 의해서 디스크(77)의 외측 가장자리를 하부 지지판(86)에 용접하여 밀봉된다. 일단 이렇게 밀봉되면, 개질체는 적당하게 되어 촉매 펠릿(72)이 공간(70)을 기본적으로 충전시킬 것이다.
버너 공동(100)은 각기 상하부 영역(99, 101)으로 구성되며, 각각의 촉매 튜브 조립체(14)의 상부들은 버너 공동(100)의 하부 영역(99)으로 돌출된다. 개방 영역인 상부 영역(101)은 버너 공동(100)의 이러한 영역의 체적이 완전한 버너 가스의 연소와 그에 따른 낮은 배기를 보장하도록 크기가 결정된다. 또한, 상부 영역이나 하부 영역(101, 99) 중 하나의 촉매 튜브 상의 버너 공동 폭은 튜브 배열체를 형성한 개별 튜브 조립체(14) 각각으로 균일한 유동을 촉진하도록 크기가 결정된다. 돌출 튜브 배열체를 포함하는 하부 영역(99)은 튜브 조립체(14)에 대한 열전달율을 최대화하도록 크기가 결정된다. 버너 공동(100)의 하부 영역(99)의 주변부는 육각형 단열 벽(102)으로 둘러싸여 있다. 벽(102)은 세라믹 섬유재 단열 보드 패널로 형성된다. 패널은 촉매 튜브 조립체(14)의 육각형 배열체의 6개의 측면에 긴밀한 대면 관계로 배치된다. 벽(102)과 주변 촉매 튜브 조립체(14) 사이의 예시적 공간은 배열체의 인접한 촉매 튜브 조립체(14)들 사이의 공간과 대체로 동일하다. 벽(102)의 육각형 구성과, 촉매 튜브 조립체 배열체에 대한 근접성으로 인하여 배열체를 가로질러 온도 균일성이 유지되어 주변부 촉매 튜브 조립체(14)와, 보다 상세하게는 그들의 외측부가 시스템의 효율을 최대화하도록 내부 촉매 튜브 조립체(14)의 온도와 거의 같이 될 것이다. 벽(102)의 상단부는 촉매 튜브 조립체(14)의 상단부 위로 연장되며 버너 공동(100)의 상하 영역(102, 99) 사이의 경계를 형성한다. 도면에 도시되지 않았지만, 조립체에 포함될 수 있는 추가의 요소들은 본 명세서에 전체적으로 합체된 미국 특허 제4,740,357호에 개시된 촉매 튜브 조립체(14)용 세라믹 캡이 있다.
버너 공동(100)의 하부 영역(99) 바로 아래에 버너 가스로부터 촉매 튜브 조립체(14)로의 열전달을 향상시키도록 구성된 노(12)의 가열 촉진부(104)가 있다. 이 가열 촉진부(104)에 있어서, 각각의 촉매 튜브 조립체(14)는 연관된 동심 슬리브(106) 내부에 배치된다. 슬리브(106)는 슬리브(106)의 내부면과 개질체 촉매(30)의 외부면 사이의 환상 공간(108)을 형성하는 내부 직경을 가진다. 지지판(112)은 슬리브(106)들 사이의 공간을 충전하는 세라믹 섬유 단열재(114)를 지지하며 경계(110)를 향해 상향으로 연장된다.
도1, 도1A, 도4 및 도5는 촉매 튜브 조립체(14)의 세부 사항과, 촉매 튜브 조립체(14)가 개질체 장치(10) 내에 장착된 방식을 개시한다. 상하판(84, 86)은 하우징(12)의 하단벽(95) 부근에 개질체 하우징(12)을 연결한다. 각각의 판(84, 86)은 각기 복수개의 구멍(85, 87)을 가진다. 각각의 촉매 튜브 조립체(14)는 상부판(84)의 연관 구멍(85)과 하부판(86)의 연관 구멍(87)을 통해 연장된다. 촉매 튜브(30)는 용접부(31)를 거쳐서 상부판(84)에 용접되며 용접부(33)를 거쳐서 하부판(86)에 용접된다. 촉매 튜브(30)는 판(84, 86)과 조합되어 벌집형 패널과 유사한 강성 구조체를 형성하며, 판(84, 86)은 대면 시트이며, 판(84, 86) 사이에서 연장되는 촉매 튜브(30)는 코어로서 작용한다는 것을 주목하여야 할 것이다. 처리 가스 유입구 매니폴드로서 역할을 하는 이 용접 구조는 또한 정상 작업중 그리고 일시적인 이동 및 심한 부하 중에 촉매 튜브 조립체(14)를 지지하도록 작동 가능하다. 촉매 베드(72), 촉매 지지판(81), 지지 로드(75) 및 재열기 튜브(50)를 포함하는 촉매 튜브 조립체(14)내의 내부 구성 요소의 무게는 내직경이 용접부(37)에 의해서 재열기 튜브(50)에 용접되고, 외직경은 용접부(35)상에서 각각 표면(92, 98)에 의해서 판(86)에 용접되는 환상판(77)에 의해서 지지된다. 상하부판(84, 86)의 외부 에지는 개질체 외부 쉘(94, 96)에 의해서 지지된다. 판(84, 86)이 개질체 쉘 측벽(94, 96)에 고정된다는 사실은 촉매 튜브 조립체(14)의 무게가 판(84, 86)에 의해서 외향하여 측벽(94, 96)으로 전달되는 것을 보장한다. 튜브(76)는 개질된 가스 스트림이 환상부(79)로부터 매니폴드(144)로 유동 가능하게 하는 복수개의 이격 클립(7)에 의해서 튜브(50)에 고정된다.
조립체(10)는 이하와 같이 작동한다. 버너 연료는 버너 공동(100)의 하부 영역(99)과 거의 동일한 높이에 위치된 버너 연료 유입구(20)를 통해서 시스템에 진입한다. 연료는 환상 통로(122)로 유도되는 환상 매니폴드(120)에 진입한다. 통로(122)를 형성하는 벽(123, 125)은 연료가 통로(122)를 통해서 균일하게 하강하도록 촉매 튜브 배열체(14)를 둘러싼다. 연료는 통로(122)를 통해서 하향으로 유동하며 가열 촉진부(104)의 하부에서 환상 매니폴드(124)를 향해 하향으로 진행될 때 열을 포획한다.
수직 도관(126)은 매니폴드(124)로부터 버너 공동(100)의 상부 영역(101)에 위치된 연료 매니폴드(128)까지 상향으로 예열된 버너 연료를 이송한다. 버너 연료는 매니폴드(128)의 하부벽으로부터 하향으로 연장되는 튜브형 노즐(130)을 통해서 매니폴드(128)로부터 진행한다. 노즐(130)은 유입구(22)에 결합된 공기 매니폴드(132)를 통과하고 공기 매니폴드(132)와 버너 공동(100)의 하부 영역(101) 사이의 하나 이상의 단열 패널을 통과한다. 이러한 패널 내 구멍은 노즐(130) 둘레에 충분한 공극을 가져서 공기가 노즐(130)을 통해서 버너 공동(100)에 주입된 가스와 함께 연소되도록 공기 매니폴드(132)로부터 흡인되는 대응 환상 통로를 형성한다. 시동 버너(140)는 촉매 튜브 조립체(14) 상부의 버너 공동(100) 측벽에 배치되며 화염 센서(141)는 버너 공동(100)의 대향 측벽에 배치된다. 도1의 화살표(C)는 시동 버너 가스의 유동 방향을 지시한다.
버너 연료로부터의 고온 연소 가스와 버너 공동(100)을 통해서 하향으로 진행된 공기는 유입구를 통해서 연관된 슬리브(106)의 상단부의 환상 공간(108)을 향해 이동하여 열을 촉매 튜브 조립체(14)에 전달한다. 선택적으로, 공간(108)은 그 내용이 전체적으로 합체된 미국 특허 제4,847,051호에 도시된 바와 같이 유지된다. 연소 가스가 슬리브(106)의 하단부의 환상 공간(108)을 떠날 때, 연소 가스는 판(112, 84) 사이의 배기 플레넘에 진입한다. 버너 가스는 플레넘(152)의 외주연으로 진행하고 통로(122) 바로 내측의 환상 통로(146)를 통해서 그로부터 상향으로 진행한다. 통로(146)를 통해서 상향으로 이동하는 버너 가스는 통로(122)를 통해서 하향으로 진행하는 주입 가열 연료에 열을 전달한다. 통로(146)의 상단부에 도달했을 때, 버너 가스는 환상 수집 공간(148)에 수집되고 배기가스 유출구(24)를 거쳐서 그로부터 진출한다.
처리 연료는 유입구(16)를 통해서 진입하고 적절한 도관을 거쳐서 판(84, 86) 사이의 처리 연료 가스 유입구 플레넘(150)으로 지향된다. 플레넘(150)으로부터, 처리 연료 가스는 플레넘(150) 내부에 배치된 개질체 튜브(30) 하부의 개구를 통과한다. 처리 연료는 촉매 베드를 통해서 상향으로 진행하여 반응실의 외측에 있는 환상 공간(108)의 하향 유동하는 버너 가스로부터 그리고 후술하는 재열 챔버의 하향 유동하는 처리된 가스 모두로부터 열을 수용한다. 처리 연료 가스는 처리된 상태에서 촉매 베드의 상부면을 나와서 재열기 튜브(50)의 천공된 상부(64) 내의 구멍을 통과한다. 그 후 처리된 가스는 상부 필터 튜브(74)를 하향 통과한다. 튜브(74)의 하단부를 나갈 때, 처리된 가스는 방향이 변화되어, 화살표(D)로 지시된 바와 같이 환상 공간(78)을 통과하여 상측으로 진행한다. 이러한 유동 방향의 변경 시에, 미립자 물질(예컨대, 소정의 반응 부산물, 촉매 입자 등)은 하부 튜브(76)의 폐쇄된 하단부에 떨어져 수집된다. 튜브(76)의 개방 상단부를 통과한 후에, 처리 가스의 유동은 다시 방향이 반대로 되어 재열 챔버(79)를 통과하여 하측으로 유동한다. 이러한 하측 유동 시에, 처리 가스는 바로 외측에 위치된 반응 챔버내의 열을 주입되는 처리 연료로 전달한다. 재열 튜브의 하단부에서, 처리된 가스는 판(86)과 개질체 하우징(12)의 하부 사이에서 처리된 연료 유출구 플레넘(144)에 진입한다. 플레넘(144)으로부터 처리된 가스는 도관을 통하여 처리된 연료 유출구(18)로 진행한다.
삭제
또한, 처리 연료 유입구 플레넘을 형성하는 판의 구조적 결합은 시스템의 전체적인 강도를 증가시켜 더욱 얇고 가벼운 재료의 사용과, 운반 시 손상 가능성의 감소와, 이용 시 손상 가능성의 감소를 가능하게 한다. 강성 튜브 지지 구조는 튜브 지지 구조가 상승한 온도에서 자중 부하 하에 편향할 때에 촉매 튜브의 상단부가 서로를 향하여 이동하는 경향이 최소화될 필요가 있다. 과다한 편향은 촉매 튜브의 하단부에서 다양한 가스 유동 내에 비균일함을 야기함으로써 촉매 튜브 온도가 불균형하게 분포될 수 있다.
개질체 이용 시에 다른 손상 영역은 촉매 재료의 분쇄를 포함한다. 촉매 튜브의 더욱 강한 장착은 재열기 튜브에 대해서 이러한 이동을 감소시킬 수 있다. 이러한 이동은 개질체가 사용될 때에 진동에 의해서 또는 열 순환에 의해서 야기될 수도 있다. 이러한 상대 이동은 우선 촉매의 병진하게 한 후, 상대 이동이 반대로 될 때 촉매의 분쇄가 후속되며, 이 튜브는 그들의 이전 상대 위치를 재점유하도록 요구한다. 재열기의 절두 원추형 중간부 및 상부는 촉매 펠릿 분쇄 또는 침전을 보상하는 촉매의 예비량을 저장하고, 이와 같이 발생하여야 하며, 또한 장치의 작동 시에 유동화에 대해서 촉매 베드의 상부를 안정화시킨다.
상술한 설계는 직경이 10.16㎝(4인치)인 촉매 튜브를 이용하는 19개의 촉매 튜브 배열 개질체 조립을 초래한다. 직경이 10.16㎝(4인치)인 튜브에서는 분진을 포획하는데 이용되는 중공부가 현저하게 감소된다. 중공부는 체적이기 필요하지 않으므로 가능한 작게 제조되어야 한다. 또한 촉매 공동 환상 내에서의 열 성장의 양은 튜브 직경에 비례하기 때문에, 중심이 작으면 촉매 분쇄 효과를 감소시킨다. 촉매 튜브 내에서 작동 온도를 일정하게 유지시키기 위해 중요한 점은 버너의 공동내의 6각형 형상, 튜브 지지부의 강도 및 촉매 튜브 상에서 복합재 버너 튜브 배열체의 설비이다.
본 발명의 개시된 실시예의 다양한 변형 및 변화는 본 발명의 개념에서 벗어나지 않고 제조될 수 있기 때문에, 첨부된 청구범위에 의해 요구되는 바와 같이 본 발명을 제한하지 않게 될 것이다.

Claims (8)

  1. 생 연료 가스를 연료 전지 동력 장치에 사용하기에 적합한 수소 농후 처리 가스로 전환하기 위한 탄화수소 연료 가스 개질체 조립체이며,
    a) 단열 하우징과,
    b) 상기 하우징에 배치된 복수개의 촉매 튜브와,
    c) 상기 각각의 촉매 튜브에 배치된 환상 촉매 베드와,
    d) 상기 각각의 촉매 튜브 내에 있으며, 상기 촉매 베드의 내향 반경방향으로 배치되며, 각각이 실린더형 제1 부분과, 상기 촉매 튜브 내에 여분의 촉매를 보유하도록 작동할 수 있는 내측으로 테이퍼진 절두 원추형 제2 부분을 포함하는 중앙 재열기 튜브 조립체를 포함하는 탄화수소 연료 가스 개질체 조립체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 테이퍼진 부분은 가스가 상기 촉매 베드로부터 상기 재열기 튜브 조립체로 유동 가능하도록, 천공판으로 덮인 탄화수소 연료 가스 개질체 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 촉매 튜브는 상기 재열기 튜브 조립체의 상기 테이퍼진 절두 원추형 부분의 외향으로 배치된 여분의 촉매를 구비하고, 여분의 촉매는 촉매 압밀로 인한 개질체 성능 감소를 방지하는 탄화수소 연료 가스 개질체 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 테이퍼진 부분은 조립체의 작동중 촉매 베드의 유동화를 최소화하는 처리 가스 유동 채널을 제공하는 탄화수소 연료 가스 개질체 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 상기 촉매 튜브로부터의 처리 가스를 수용하기 위한 최하측 매니폴드를 포함하며, 상기 최하측 매니폴드는 상기 하우징의 바닥벽과 상기 바닥벽으로부터 이격된 제1 판으로 형성되며, 상기 제1 판은 상기 하우징의 측벽에 연결되고, 상기 재열기 튜브 조립체는 상기 제1 판에 연결되어 상기 재열기 튜브 조립체의 중량은 상기 하우징의 측벽에 의해서 지지되는 탄화수소 연료 가스 개질체 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 하우징은 상기 생 연료 가스를 수용하기 위한 제 1매니폴드에 인접한 제2 매니폴드를 포함하며, 상기 제2 매니폴드는 상기 제1 판과 제1 판으로부터 이격된 제2 판에 의해 형성되고, 상기 제2 판은 상기 하우징의 상기 측벽에 연결되며, 상기 촉매 튜브는 상기 제1 및 제2 판에 연결되어 상기 촉매 튜브와 상기 촉매 베드의 중량은 상기 하우징의 측벽에 의해서 지지하는 탄화수소 연료 가스 개질체 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 매니폴드는 상기 촉매 베드로 개방된 탄화수소 연료 가스 개질체 조립체.
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