KR100758942B1 - 부분산화 개질장치 - Google Patents

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Abstract

개질반응부(6)에 있어서 원료가스로부터 부분산화를 포함하는 반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 경우에, 개질반응부(6)내의 온도불균형을 저감하고, 또한 그 열효율을 향상시킴과 동시에 개질장치를 심플하고 소형인 구조로 할 목적으로, 개질장치(A)를 하우징(1)과 그 내부의 격벽(2, 2)에 의해 2중벽 구조의 것으로 하고, 그 격벽(2, 2) 사이에 개질반응부(6)를 수용하여 하우징(1)과 격벽(2) 사이의 공간을 원료가스통로(3)로 함으로써, 개질반응부(6)의 주위에 원료가스통로(3)를 설치한다. 개질반응부(6)를 원료가스통로(3)에 의해 단열하여 개질반응부(6)내의 온도불균형을 저감하고, 원료가스통로(3)의 원료가스를 개질반응부(6)에서의 반응열에 의해 예열하고, 자기열회수에 의해 개질장치(A)의 열효율을 향상시켜, 원료가스의 예열을 위한 예열기를 원료가스통로(3)와 개질반응부(6)의 사이에 일체적으로 형성하여 개질장치의 구조의 소형화를 도모한다.

Description

부분산화 개질장치{DEVICE FOR MODIFICATION THROUGH PARTIAL OXIDATION}
본 발명은 탄화수소계의 원료가스를 부분산화반응에 의해 개질하여 연료전지 등에 공급하기 위한 수소를 생성하는 부분산화 개질장치에 관한 것이다.
일반적으로, 탄화수소나 메탄올을 개질하여 수소를 생성할 수 있고, 이와 같이 개질에 의하여 수소를 생성하는 연료개질장치는 연료전지나 수소엔진 등에 사용할 수 있다.
이와 같은 개질장치로서, 종래, 예컨대 일본 특허공개 평11-67256호 공보에 나타낸 바와 같이, 연료전지 시스템에 조성된 것이 알려져 있다. 이 연료개질장치는 부분산화반응에 대하여 활성을 나타내는 촉매가 충전된 연료개질기를 구비하고 있고, 이 연료개질기에 원료가스를 도입하여 그 부분산화반응에 의해서 수소를 발생시키도록 하고 있다.
즉, 부분산화반응에 있어서는, 다음식에 나타낸 바와 같이, 메탄, 산소 및 물을 함유하는 원료가스가 부분산화되어 이산화탄소와 수소로 변화하도록 되어 있고, 그 반응시에 반응열이 발생한다.
CH4 + (1/2)O2 + H2O →CO2 + 3H2
그런데, 이 종류의 개질장치로서, 관(하우징)의 내부에 입자상의 촉매 또는 모노리스(monolith)를 충전한 구조의 개질반응부를 보유하는 것이 있고, 이 것으로는, 예컨대 800℃정도로 승온하는 개질반응부의 반응열이 열로스로서 외부로 유출되기 쉽고, 개질반응부 내에서 온도불균형이 발생하여 반응효율이나 열효율이 떨어진다는 문제가 있었다. 이 반응열을 외부로 유출되지 않도록 하는데는, 관의 주위에 두꺼운 단열재를 설치할 필요가 있다.
또, 개질반응부에서의 원료가스의 부분산화반응을 촉진하기 위하여, 그 개질반응부에 공급하는 원료가스를 소정온도(예컨대 460℃)로 예열하여 둘 필요가 있고, 그 예열을 위하여 열교환기로 이루어지는 예열기를 설치할 필요도 있다.
본 발명의 목적은, 개질장치의 구조에 궁리를 몰두함으로써 그 개질반응부 내의 온도불균형을 저감하고, 또한 그 열효율을 향상시킴과 아울러 개질장치를 심플하고 소형인 구조로 하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 개질장치를 2중벽 타입의 것으로 하고, 그 내벽 내에 개질반응부를, 또 내벽 외측에 원료가스통로를 각각 배치하도록 하였다.
구체적으로는, 원료가스로부터 부분산화를 포함하는 반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질반응부(6)를 보유하는 부분산화 개질장치로서, 상기 개질반응부(6)의 주위에 개질반응부(6)에 대하여 원료가스를 공급하는 원료가스통로(3)를 설치한다.
그러면, 개질반응부(6)의 주위가 원료가스통로(3)에 의해 덮여져서 개질반응부(6)가 원료가스통로(3)에 의해 단열되므로, 개질반응부(6) 내의 온도불균형을 저감할 수 있다.
또, 역으로 상기 개질반응부(6) 둘레의 원료가스통로(3)의 원료가스가 개질반응부(6)에서의 반응열에 의해 가열되게 되어 개질반응부(6)에서의 반응열을 원료가스의 예열을 위하여 회수하고, 그 자기열회수에 의해 개질장치의 열효율을 향상시킬 수 있다.
더구나, 이와 같이 개질반응부(6)의 반응열에 의해 개질반응부(6) 주위의 원료가스통로(3)의 원료가스가 가열되므로, 그 원료가스를 예열하기 위한 예열기가 원료가스통로(3)와 개질반응부(6) 사이에 일체적으로 형성되게 되어, 개질장치의 구조를 심플하고 소형인 것으로 할 수 있다.
또, 본 발명에서는 원료가스로부터 부분산화를 포함하는 반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질반응부(6)를 보유하는 부분산화 개질장치로서, 상기 개질반응부(6)의 출구부(6b)에 연통되는 개질가스통로(11)의 개질가스와, 개질반응부(6)의 입구부(6a)에 연통되는 원료가스통로(3)의 원료가스와의 사이에서 열교환시키는 열교환기(14)를 설치한다.
그러면, 상기 개질반응부(6)에 공급되는, 원료가스통로(3)의 원료가스가 개질반응부(6)에서의 반응열에 의해 고온도로 된 개질가스와 열교환기(14)에서의 열교환에 의해 가열되게 되고, 개질반응부(6)에서의 반응열을 원료가스의 예열을 위하여 회수하여, 그 자기열회수에 의해 개질장치의 열효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 이와 같이 개질반응부(6)에서의 반응열에 의해 원료가스통로(3)의 원료가스가 가열되므로, 그 원료가스를 예열하기 위한 예열기가 원료가스통로(3)와 개질가스통로(11)의 사이에 일체적으로 형성되게 되어 개질장치의 구조를 심플하고 소형인 것으로 할 수 있다.
상기 개질반응부(6)와 원료가스통로(3)가 하우징(1) 내에 일체적으로 설치되어 있는 것으로 하여도 된다. 이것으로 개질장치의 구조를 더욱 심플하게 하고 비용절감을 도모할 수 있다.
상기 개질반응부(6)와 원료가스통로(3)의 사이의 열이동량을 제어하는 열이동량 제어체(10)를 설치하는 것도 가능하다. 이렇게 하면, 개질반응부(6)와 원료가스통로(3)의 연료가스와의 사이의 열교환량을 열이동량 제어체(10)에 의해서 적정하게 컨트롤할 수 있음과 아울러, 이 열이동량의 제어에 의해 개질반응부(6)에서의 온도불균형을 저감할 수 있다.
그 경우, 상기 열이동량 제어체(10)는 내화성의 단열재로 한다. 이것으로, 열이동량 제어체(10)의 구체적 구성이 용이하게 얻어진다.
상기 개질반응부(6)의 출구부(6b)에 연통되는 개질가스통로(11)의 주위에 원료가스통로(3)를 설치하고, 이 원료가스통로(3)의 원료가스와 개질가스통로(11)의 개질가스의 사이에서 열교환시키는 열교환기(14)를 설치하여도 좋다. 이 경우도 열교환기(14)가 상기 원료가스의 예열을 위한 예열기로서 원료가스통로(3)와 개질가스통로(11)의 사이에 일체적으로 형성되게 되어, 개질장치의 구조를 심플하고 소형인 것으로 할 수 있다.
상기 열교환기(14)는, 원료가스통로(3) 및 개질가스통로(11)에 각각 면하고, 또한 각 가스흐름을 따라서 연장되는 전열핀(15, 16)을 보유하는 것으로 하는 것이 좋다. 그러면, 열교환기(14)에서의 가스의 압력손실을 저감할 수 있음과 아울러, 열교환기(14)를 소형으로 할 수 있다.
또, 상기 열교환기(14)는 원료가스통로(3) 및 개질가스통로(11)에 각각 위치하는 다공성 고체(24, 25)(예를 들면 금속발포재나 발포세라믹 등)를 보유하는 것으로 할 수도 있다. 이것으로, 다공성 고체(24, 25)에 의한 복사에 의해 열교환을 행할 수 있고, 열교환기(14)의 구체적 구성이 용이하게 얻어진다.
또한, 상기 개질반응부(6), 원료가스통로(3), 개질가스통로(11) 및 열이동량 제어체(10)를 하우징(1) 내에 일체적으로 설치하여도 된다. 이것으로, 개질장치의 구조를 더욱 심플하게 하여 비용절감을 도모할 수 있다.
상기 개질반응부(6)는 벌집구조의 모노리스(7)로 이루어지는 것으로 한다. 이것으로, 바람직한 구조의 개질반응부(6)가 얻어진다.
상기 원료가스통로(3)는 원료가스를 혼합시키는 혼합기를 보유하는 것으로 한다. 이렇게 하면, 원료가스가 혼합기에 의해 혼합되어 개질반응부(6)에서의 부분산화반응이 효율적으로 행해진다.
상기 열교환기(14)는 원료가스통로(3)의 원료가스와 개질가스통로(11)의 개질가스가 입구측에서 출구측으로 향해서 같은 방향으로 흐르는 병행흐름식 열교환기로 하는 것이 좋다.
그렇게 하면, 부하의 변동에 의해 개질반응부(6)에서의 가스유량이 변화하여 도 그 영향을 받지 않고, 개질반응부(6)의 입구부 및 출구부의 각 가스온도를 각각 대략 일정하게 유지할 수 있다. 즉, 열교환기(14)의 열교환량은 동일하므로 원료가스와 개질가스가 입구측에서 출구측으로 향해서 역방향으로 흐르는 타입의 열교환기이면, 가스유량이 감소하였을 때에 열교환량이 과도하게 되어서 입구부의 원료가스 온도가 지나치게 상승하는 한편, 출구부의 개질가스 온도가 지나치게 내려갈 우려가 발생하지만, 병행흐름식 열교환기(14)에서는 그와 같은 문제가 발행하는 일은 없다.
상기 전열핀(15, 16)은 파형으로 절곡되어 있는 것으로 한다. 그렇게 하면, 전열핀(15, 16) 내지 열교환기(14)를 용이하게 제조할 수 있다.
또, 상기 전열핀(15, 16)을 주위 벽부에 대하여 납땜하여 고정하도록 하여도 된다. 이것으로, 전열핀(15, 16)과 주위 벽부의 접촉열저항이 적어지고, 양산한 경우에서의 열교환 성능을 안정되게 확보할 수 있다.
상기 전열핀(15, 16)에 슬릿(17)을 형성하는 것도 가능하다.
이것으로 각 가스통로(3, 11)가 열교환기(14)에서의 전열핀(15, 16)에 의해 전열면측과 그 반대측의 2개의 통로로 구획되어 있어도, 양 통로의 가스가 슬릿(17)을 통하여 혼합되게 되고, 반대측 통로의 가스의 열교환을 양호하게 행할 수 있음과 아울러, 슬릿(17)의 모서리부에 의한 전연(前緣)효과도 얻어지고, 이들에 의해 열교환기(14)의 열교환 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 열교환기(14) 상류측의 원료가스통로(3)에, 개질반응부(6) 또는 열교환기(14)의 적어도 한쪽을 간격이 떨어진 상태로 둘러싸도록 상기 개질반응부(6) 또 는 열교환기(14)로부터 배치된 대략 환형 공간으로 이루어지는 열회수부(34)를 설치하여도 좋다.
이것으로, 개질반응부(6) 또는 열교환기(14)로부터 주변으로 유출되는 열을 열회수부(34)에서 회수하여 원료가스를 가열할 수 있고, 부분산화 개질장치 전체의 열손실을 저감하여, 개질반응부(6)의 입구부(6a)에서의 원료가스 온도를 개질반응부(6)에서의 촉매반응이 양호하게 유지되는 온도로 유지할 수 있다.
상기 열회수부(34)와 개질반응부(6) 또는 열교환기(14)와의 사이에 열이동량 제어체(22)를 개재하는 것도 가능하다. 이렇게 하면, 열회수부(34)와 개질반응부(6) 또는 열교환기(14)와의 이간거리를 작게 하여 열회수부(34)를 설치하면서 부분산화 개질장치를 소형으로 할 수 있다.
또, 상기 열회수부(34)와 열교환기(14)를 1개 또는 복수의 연통로(32)에 의해 연통한다. 이것으로, 부분산화 개질장치의 구조를 간단하게 할 수 있고, 또한 상기 열회수부(34)와 개질반응부(6) 또는 열교환기(14)와의 사이에 개재되는 열이동량 제어체(22)의 삽입을 용이하게 행하여 부분산화 개질장치의 제조의 용이화를 도모할 수 있다.
상기 개질반응부(6) 주위에, 개질반응부(6)의 출구부(6b)와 열교환기(14)를 연통하는 개질가스통로(11)를 설치하여도 된다.
그러면, 개질반응부(6)가 주위를 개질가스통로(11)에 의해 덮여져서 상기 개질가스통로(11)에 의해 단열되므로, 개질반응부(6) 내의 온도를 촉매반응 온도로 유지할 수 있다.
또, 이와 같이 개질반응부(6)의 출구부(6b)에서 열교환기(14)에 이르는 개질가스통로(11)가 개질반응부(6) 주위에 일체적으로 형성되게 되어, 개질장치의 구조를 심플하고 소형인 것으로 할 수 있다.
또, 상기 개질반응부(6)를 제1반응부(43)와, 상기 제1반응부(43) 주위에 설치되고 입구부가 제1반응부(43)의 출구부에 연통되는 제2반응부(44)로 분할하고, 이들 제1 및 제2반응부(43, 44)의 가스의 흐름을 역방향으로 하는 것도 가능하다.
이 경우도, 개질반응부(6)의 제1반응부(43)가 주위를 제2반응부(44)에 의해 덮여져서 단열되므로, 개질반응부(6) 내의 온도를 유지할 수 있음과 아울러 개질반응부(6) 자체를 2중구조로 하여, 개질장치의 구조를 심플하고 소형인 것으로 할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 기동시에 원료가스를 가열하는 가열수단(20)을 설치하는 것도 가능하다. 이 구성에 의하면, 개질장치의 기동시에 한정하여 원료가스가 가열수단(20)에 의해 예열되게 되고, 개질장치의 기동시간을 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 관한 부분산화 개질장치를 나타내는 단면도,
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도,
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도,
도 4는 실시예 2를 나타내는 도 2 상당도,
도 5는 실시예 3을 나타내는 도 3 상당도,
도 6은 실시예 4를 나타내는 도 2 상당도,
도 7은 실시예 4의 요부를 나타내는 단면도,
도 8은 실시예 5를 나타내는 개질장치의 단면도,
도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ선 단면도,
도 10은 슬릿을 보유하는 전열핀을 전개하여 나타내는 확대정면도,
도 11은 슬릿을 보유하는 전열핀의 확대단면도,
도 12는 실시예 6을 나타내는 도 8 상당도,
도 13은 실시예 7을 나타내는 도 8 상당도,
도 14는 도 13의 XⅣ-XⅣ선 단면도,
도 15는 실시예 8을 나타내는 도 8 상당도,
도 16은 실시예 9를 나타내는 도 8 상당도,
도 17은 실시예 10을 나타내는 도 8 상당도,
도 18은 실시예 11을 나타내는 도 8 상당도이다.
본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 실시예로서 설명한다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 실시예 1에 관한 부분산화 개질장치(A)를 나타내고, 1은 그 바닥이 있는 각통형상의 하우징(1)이고, 이 하우징(1) 내부에는 1쌍의 마주보는 격벽(2, 2)이 하우징(1) 내를 하나의 내측공간 및 2개의 외측공간으로 구획하도록 설치되고, 이 격벽(2, 2)은 하우징(1)과 일체로 형성되어 있다(도 2 및 도 3 참조). 각 격벽(2)에 있어서 하우징(1) 저부측(도 1에서 상측)의 단부는 절결되어 상기 내측 및 외측공간 끼리가 연통하여 있고, 이 내측 및 외측공간 사이의 연통부와 양 외측공간 자체가 원료가스통로(3)로 구성되어 있다. 이 원료가스통로(3)에 있어서 양 외측공간의 하우징(1) 개구측(도 1에서 하측)의 단부는 원료가스 입구(4)로 되고, 이 원료가스 입구(4)는 도면 밖의 원료가스관에 접속되어 있으며, 이 원료가스관에서 공급된 원료가스(도시가스 및 가습공기를 포함한다)를 원료가스 입구(4)를 거쳐 하우징(1)과 각 격벽(2)의 사이의 원료가스통로(3)에 공급되도록 하고 있다.
상기 격벽(2, 2)간의 내측공간에 있어서 하우징(1) 저부측에는, 상기 원료가스를 개질하여 원료가스로부터 부분산화를 포함하는 반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질반응부(6)가 설치되고, 이 개질반응부(6)의 하우징(1) 저부측의 입구부(6a)는 상기 하우징(1) 저부에 대응하는 원료가스통로(3)에 연통하고 있다. 즉, 개질반응부(6)에 대하여 원료가스를 공급하는 원료가스통로(3)가 개질반응부(6) 주위에 부분적으로 배치되고, 이들 개질반응부(6)와 원료가스통로(3)는 하우징(1) 내에 일체적으로 설치되어 있다.
상기 개질반응부(6)는, 도 3에 나타낸 바와 같이 격벽(2, 2)간에 장전된 벌집구조를 보유하는 모노리스(7)로 이루어지고, 이 모노리스(7)에 있어서 하우징(1)의 축심방향(도 1에서 상하방향)으로 관통하는 다수의 관통구멍이 가스통로(8)로 되어 있다. 상기 모노리스(7)는 예를 들면 세라믹이나 알루미늄 등으로 이루어지고, 이 모노리스(7)를 담체로 하여 Pt, Rh, Ru의 적어도 어느 하나로 이루어지는 귀금속계의 촉매가 담지되어 있고, 이 모노리스(7)의 가스통로(8)를 통과하는 동안에 원료가스가 촉매에 의해 이하의 식과 같이 부분산화반응하여 수소가 풍부한 개질가스로 개질되도록 되어 있다.
CH4 + (1/2)O2 + H2O →CO2 + 3H2
또한, 상기 격벽(2, 2)간의 내측공간에 있어서 개질반응부(6) 주위의 양측에는 내화성의 단열재로 이루어지는 한쌍의 열이동량 제어체(10, 10)가 기밀하게 충전된 상태로 배치되어 있고, 이 각 열이동량 제어체(10)에 의해 개질반응부(6)와 원료가스통로(3)의 사이의 열이동량을 제어하도록 하고 있다.
한편, 격벽(2, 2)간의 내측공간에서 하우징(1) 개구측(도 1에서 아래쪽)의 공간은 상기 개질반응부(6)의 출구부(6b)에 연통하는 개질가스통로(11)로 형성되어 있고, 개질반응부(6)에서 원료가스로부터 생성된 개질가스를 개질가스통로(11)로 흐르도록 하고 있다. 따라서, 개질반응부(6)의 출구부(6b)에 연통하는 개질가스통로(11)의 주위에 상기 원료가스통로(3)가 설치되어 있다. 또, 상기 개질반응부(6), 원료가스통로(3), 개질가스통로(11) 및 열이동량 체어체(10, 10)는 하우징(1) 내에 일체적으로 설치되어 있다. 또한, 상기 개질가스통로(11)에서의 하우징(1) 개구측의 단부는 개질가스출구(12)로 되고, 이 개질가스 출구(12)는 도면 밖의 개질가스관을 통하여 예를 들면 연료전지 등에 접속되어 있다.
또, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 원료가스통로(3)의 원료가스와 개질가스통로(11)의 개질가스의 사이에서 열교환시키는 열교환기(14)가 설치되어 있다. 이 열교환기(14)는 각 격벽(2)으로부터 원료가스통로(3)로 향하도록 서로 평행하게 돌 출하는 복수의 원료가스측 전열핀(15, 15, …)과, 개질가스통로(11)로 향하도록 서로 평행하게 돌출하는 복수의 개질가스측 전열핀(16, 16, …)을 보유한다. 그리고, 원료가스통로(3)는 상기 복수의 원료가스측 전열핀(15, 15, …)으로 이루어지는 혼합기를 보유하고, 이 혼합기에 의해 개질반응부(6)에 공급되는 원료가스, 즉 그 도시가스와 가습공기를 교반하여 혼합시키도록 하고 있다.
또한, 상기 하우징(1)의 저부에는 가열수단으로서의 전기히터(20)가 그 가열부를 하우징(1) 내의 원료가스통로(3)에 임하게 한 상태로 부착되어 있고, 개질장치(A)의 기동시에 이 전기히터(20)를 작동시켜 원료가스를 소정온도까지 가열(예열)하도록 하고 있다. 또한, 전기히터(20) 대신에 글로우 플러그(glow plug)를 설치하여도 좋고, 또한 원료가스 자체를 착화연소시키는 버너 등을 설치하는 것도 가능하다. 또, 도 1 내지 도 3에 있어서, 22는 하우징(1)의 주위를 단열을 위해 덮는 단열재이다.
따라서, 이 실시예에 있어서는, 개질장치(A)의 정상운전시, 원료가스관으로부터 공급된 원료가스(도시가스 및 가습공기를 포함한다)가 원료가스입구(4)를 지나서 하우징(1)내에 도입되고, 그 하우징(1)과 각 격벽(2)과의 사이의 원료가스통로(3)에 공급된다. 이 원료가스통로(3)에는 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15, 15,…)이 면하고, 열교환기(14)의 개질가스측 전열핀(16, 16, …)은 격벽(2, 2)사이의 개질가스통로(11)에 면하고 있기 때문에, 이 열교환기(14)에 의해 원료가스와 개질가스가 열교환되어 원료가스가 개질가스의 열을 받아 소정온도(예컨대 460℃)로 예열된다. 또한, 그 때, 상기 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15, 15, …)으 로 구성되는 혼합기에 의해, 원료가스인 도시가스와 가습공기가 교반되어 혼합된다.
이와 같이 하여 개질가스와의 열교환에 의해 예열된 원료가스는 원료가스통로(3)를 하우징(1) 저부측으로 흐르고, 그 사이에 개질반응부(6)의 반응열이 열이동량 제어체(10)(단열재) 및 격벽(2)을 지나서 원료가스에 전달되어, 이 전열에 의해 원료가스가 더욱 가열된다.
상기 원료가스통로(3)를 통과한 원료가스는 하우징(1) 저부측의 입구부(6a)로부터 개질반응부(6) 내로 유입되어, 그 벌집구조의 모노리스(7)에 있어서의 가스통로(8)에서 촉매와 반응하고, 그 부분산화를 포함하는 반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스로 개질된다.
그 때, 상기 혼합기에 의해 원료가스인 도시가스와 가습공기가 혼합되어 있기 때문에, 개질반응부(6)에서의 부분산화반응이 효율적으로 행하여진다.
또한, 상기 개질반응부(6)에서의 반응열은, 후속하여 원료가스통로(3)를 흐르는 원료가스에 열이동량 제어체(10) 및 격벽(2)을 통하여 전달된다. 그리고, 상기 열이동량 제어체(10)에 의해 개질반응부(6)와 그 주위에 있는 원료가스통로(3)와의 사이의 열이동량이 제어되고, 이것으로, 개질반응부(6)의 반응열이 원료가스통로(3)의 연료가스를 가열하기 위한 열교환량을 적정히 컨트롤 할 수가 있다. 반대로, 이 열이동량의 제어에 의해 개질반응부(6)에서의 온도불균형을 저감하여 개질반응부(6)에서의 부분산화반응을 더욱 효율적으로 행하게 할 수 있다.
상기 개질반응부(6)에서 원료가스로부터 생성된 고온도의 개질가스는 개질반 응부(6)의 출구부(6b)로부터 하우징(1) 개구측의 격벽(2, 2)간의 개질가스통로(11)로 흐르고, 그 개질가스통로(11)로부터 개질가스출구(12)를 통하여 개질가스관으로 송출되고, 그 후에 연료전지 등에 공급된다. 그리고, 상기 개질가스통로(11)에는 상기 열교환기(14)의 개질가스측 전열핀(16, 16, …)이 면하고 있기 때문에, 이 개질가스의 열이 열교환기(14)에 의해 회수되고, 뒤에 계속해서 원료가스통로(3)를 흐르는 원료가스에 원료가스측 전열핀(15, 15, …)을 통하여 전달된다.
이 실시예의 경우, 상기와 같이, 개질반응부(6)의 주위에 원료가스통로(3)가 설치되어 있기 때문에, 개질반응부(6)의 주위가 원료가스통로(3)에 의해 덮여져서 개질반응부(6)가 원료가스통로(3)에 의해 단열되게 되고, 이것으로 개질반응부(6)안의 온도불균형을 더욱 저감할 수 있다.
또, 반대로, 상기 개질반응부(6) 주위의 원료가스통로(3)의 원료가스가 개질반응부(6)에서의 반응열에 의해 가열되기 때문에, 개질반응부(6)에서의 반응열을 원료가스의 예열을 위해 회수하고, 이 자기열회수에 의해 개질장치(A)의 열효율을 향상시킬 수 있다.
더구나, 이와 같이 개질반응부(6)의 반응열에 의해 개질반응부(6) 주위의 원료가스통로(3)의 원료가스가 가열되기 때문에, 그 원료가스를 예열하기 위한 예열기가 원료가스통로(3)와 개질반응부(6)의 사이에 일체적으로 형성되게 되어, 개질장치(A)의 구조를 심플하고 소형인 것으로 할 수가 있다.
더구나, 상기 개질반응부(6)와 원료가스통로(3)는 하우징(1) 내에 일체적으로 설치되어 있기 때문에, 개질장치(A)의 구조를 더욱 심플하게 하여 비용절감을 꾀할 수 있다.
또한, 상기 개질반응부(6)의 출구부(6b)에 연통하는 개질가스통로(11)의 주위에 원료가스통로(3)가 설치되어 있고, 이 원료가스통로(3)의 원료가스와 개질가스통로(11)의 개질가스가 열교환기(14)에 의해 열교환하기 때문에, 그 열교환기(14)는 원료가스통로(3)와 개질가스통로(11)의 사이에 일체적으로 형성된 것으로 되어, 개질장치(A)를 심플하고 소형인 구조로 할 수 있다.
더욱이, 개질반응부(6), 원료가스통로(3), 개질가스통로(11) 및 열이동량 제어체(10, 10)가 하우징(1) 내에 일체적으로 설치되어 있기 때문에, 개질장치(A)의 구조를 더욱 심플하게 하여 비용절감을 꾀할 수 있다.
또한, 개질장치(A)의 기동시에는, 전기히터(20)가 작동하여 원료가스통로(3) 내의 원료가스가 전기히터(20)에 의해 가열되고, 개질반응부(6)의 촉매의 활성온도까지 승온된다. 이것으로, 개질장치(A)의 정상운전까지의 기동시간을 단축할 수 있다.
(실시예 2)
도 4는 본 발명의 실시예 2를 나타내고(또한, 이하의 각 실시예에서는, 도 1 내지 도 3과 같은 부분에 관해서는 같은 부호를 붙여 그 상세한 설명은 생략한다), 하우징(1)이나 격벽(2, 2) 등의 형상을 변경한 것이다.
즉, 이 실시예에서는, 하우징(1) 및 격벽(2)은 서로 동심상에 배치된 원통형상의 것으로 되고, 격벽(2) 주위의 환상의 외측공간이 원료가스통로(3)로 형성되고, 내측의 공간에 개질반응부(6), 열이동량 제어체(10) 및 개질가스통로(11)가 설 치되어 있다. 한편, 도시하지 않지만, 개질반응부(6)의 모노리스(7)는 원기둥형상으로 되고, 열이동량 제어체(10)는 환상의 것으로 된다.
그리고, 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15, 15, …)은 격벽(2)의 외주면에 돌출되는 한편, 개질가스측 전열핀(16, 16, …)은 격벽(2) 내면에 개질가스통로(11)를 복수의 부분으로 구획하도록 돌출되어 있다.
따라서, 이 실시예에 있어서도 상기 실시예 1과 같은 작용효과를 이룰 수 있다. 특히, 개질반응부(6) 및 개질가스통로(11)의 각각의 전체의 주위에 원료가스통로(3)가 배치되어 있기 때문에, 개질반응부(6)에서의 온도불균형의 저감이나 열효율의 향상 효과가 더욱 유효히 얻어진다.
(실시예 3)
도 5는 실시예 3을 나타내고, 개질반응부(6) 주위의 구조를 바꾼 것이다. 즉, 이 실시예에서는, 상기 실시예 1(도 1 참조)과 같이, 하우징(1) 및 격벽(2)은 각통형상의 것으로 되어 있다. 또한, 개질반응부(6)에 대응하는 격벽(2)의 주위에 그 전체를 둘러싸도록 위치하는 외측공간이 원료가스통로(3)로 되고, 내측의 공간에, 각기둥형상의 모노리스(7)를 갖는 개질반응부(6)와, 그 주위에 위치하는 각통형상의 열이동량 제어체(10)가 설치되어 있다. 그 밖의 구성은 실시예 1과 같고, 따라서 이 실시예에서도 실시예 1과 같은 작용효과를 이룰 수 있다.
(실시예4)
도 6 및 도 7은 실시예 4를 나타내고, 상기 실시예 2에서는, 열교환기(14)는 전열핀(15, 16)을 갖는 것으로 하고 있는데 대하여, 원료가스통로(3) 및 개질가스 통로(11)에 각각 위치하는 다공성 고체를 갖는 것으로 하고 있다.
즉, 이 실시예에서는, 상기 실시예 2의 구성(도 4 참조)에 있어서, 원료가스측 전열핀(15, 15, …) 및 개질가스측 전열핀(16, 16,…)은 생략되고, 그 대신, 원료가스통로(3)에 예컨대 금속발포재나 발포세라믹으로 이루어지는 원통형상의 원료가스측 다공성 고체(24)가 하우징(1)의 내주면과 격벽(2)의 외주면 사이에 각각 공간(모두 원료가스통로(3))을 두고 배치되어 있고, 이 원료가스측 다공성 고체(24) 외측의 원료가스통로(3)의 원료가스가 다공성 고체(24)를 통하여 그 내측의 원료가스통로(3)로 흐르도록 되어 있다.
한편, 개질가스통로(11)에는 같은 개질가스측 다공성 고체(25)가 격벽(2) 내주면과의 사이에 공간(개질가스통로(11))을 두고 설치되어 있고, 이 개질가스측 다공성 고체(25) 내측의 개질가스통로(11)의 개질가스가 다공성 고체(25)를 통하여 외측의 개질가스통로(11)로 흐르게 되어 있다. 그리고, 이들 다공성 고체(24, 25)에 의한 복사에 의해서 원료가스통로(3)의 원료가스와 개질가스통로(11)의 개질가스의 사이에서 열교환시키도록 하고 있다. 그 외는 실시예 2와 같은 구성이다. 따라서, 이 실시예에서도 실시예 2와 같은 효과가 얻어진다.
(실시예 5)
도 8은 실시예 5를 나타낸다(또한, 이 실시예 5 이하의 각 실시예, 즉 실시예 5∼11에 있어서, 「상」및 「하」라고 하는 용어는 각각 각 도면에 나타내는 상측 및 하측을 가리키는 의미로 사용하고 있고, 부분산화 개질장치(A) 자체의 상하방향을 한정하는 것이 아니다). 이 실시예 5에서는, 하우징(1)은 대략 밀폐원통형 상의 것이고, 이 하우징(1) 내의 상단부가 개질가스출구(12)로 형성되어 있다. 하우징(1) 내의 하부에는 대략 밀폐원통형상의 격벽(2)이 하벽부를 하우징(1)의 하벽부와의 사이에 틈을 형성한 상태로 동심상으로 배치고정되어 있다. 격벽(2) 내의 공간은 입구측 경계벽(27)에 의해 상하 2개의 공간으로 칸막이되고, 아래쪽의 공간에는 개질반응부(6)가 수용되어 있다. 또한, 격벽(2)의 하벽부 및 상기 입구측 경계벽(27)에는 각각 다수의 가스구멍(28, 28,…)이 관통 형성되어 있다.
하우징(1)의 상부는, 하부와 같은 위치에 있는 내측벽부(1a)와, 이 내측벽부(1a)의 외주면에 간격을 둔 상태로 기밀하게 접합된 외측벽부(1b)의 2중벽구조로 설치되고, 양 벽부(1a, 1b)사이에는 원고리형 공간이 형성되어 있다. 그리고, 이 하우징(1)의 양 벽부(1a, 1b)사이의 공간은 격벽(2) 내의 상측공간에 대하여 격벽(2) 상단부와 하우징(1)의 내측벽부(1a)와의 사이에 양자를 기밀하게 관통하도록 가설한 연통관(29) 내의 연통로(30)에 의해 연통되어 있다.
한편, 하우징(1)의 외측벽부(1b)의 하단부에는 원주방향으로 등간격을 둔 위치에 복수개(도시예에서는 2개)의 연통관(31, 31,…)의 내단부가 관통한 상태로 기밀하게 접합되고, 이 각 연통관(31) 내의 연통로(32)는 하우징(1)의 내측 및 외측의 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간 하단부에 연통되어 있다. 그리고, 상기 각 연통관(31) 내의 연통로(32), 하우징(1)의 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간, 연통관(29) 내의 연통로(30) 및 격벽(2) 내의 상측공간에 의해, 개질반응부(6)의 입구부(6a)로 연통하는 원료가스통로(3)의 하류반부가, 또한 하우징(1) 및 격벽(2)의 각 하벽부간의 공간 및 격벽(2)의 외주면과 하우징(1)의 내주면의 사이의 공간 에 의해, 개질반응부(6)의 출구부(6b)에 연통하는 개질가스통로(11)가 각각 형성되어 있고, 후술의 열회수부(34)로부터의 원료가스를 각 연통로(32)를 지나서 하우징(1)의 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간에 공급하여, 그 공간의 상단부에서 연통로(30)를 통하여 격벽(2) 내의 상측공간에 도입하고, 입구측 경계벽(27)의 가스구멍(28, 28,…)에 의해 개질반응부(6) 상단의 입구부(6a)에 공급하는 한편, 이 개질반응부(6)에서의 개질에 의해 생성되어 출구부(6b)로부터 나온 개질가스를, 격벽(2) 하벽부의 가스구멍(28, 28,…)을 거쳐서 격벽(2) 및 하우징(1)의 각 하벽부 사이의 공간, 및 격벽(2) 외주면과 하우징(1) 내주면과의 사이의 공간을 통하여 하우징(1) 상단의 개질가스출구(12)에 공급하도록 하고 있다.
상기 개질반응부(6)의 출구부(6b)에 연통하는 개질가스통로(11)와, 개질반응부(6)의 입구부(6a)에 연통하는 원료가스통로(3)의 사이에, 상기 개질가스통로(11)의 개질가스와 원료가스통로(3)의 원료가스의 사이에서 열교환시키는 열교환기(14)가 설치되어 있다. 이 열교환기(14)는, 원료가스통로(3)와 개질가스통로(11)에 면하고 또한 각각 내부의 가스흐름을 따라 연장되는 전열핀(15, 16)을 보유하는 핀부착 열교환기로 이루어진다. 즉, 하우징(1)의 내측벽부(1a) 외주면과 외측벽부(1b) 내주면의 사이에는 상기 연통로(30)의 접속위치보다도 아래쪽 위치에 원료가스통로(3)에 면하는 원료가스측 전열핀(15)이, 또한 격벽(2) 외주면과 하우징(1)의 내측벽부(1a) 내주면과의 사이에는 개질가스통로(11)에 면하는 개질가스측 전열핀(16)이 각각 서로 대응하도록 접합고정되어 있다. 도 9에 확대하여 나타내는 바와 같이, 이 각 전열핀(15, 16)은 파형으로 절곡되어 있어, 원료가스측 전열핀(15)의 각 절곡모서리부는 하우징(1)의 외측벽부(1b) 내주면 및 내측벽부(1a) 외주면에 대하여, 또한 개질가스측 전열핀(16)의 각 절곡모서리부는 격벽(2)의 외주면 및 하우징(1)의 내측벽부 (1a) 내주면에 대하여 각각 납땜되어 고정되어 있다.
이상의 구조에 의해, 열교환기(14)는 원료가스통로(3)의 원료가스와 개질가스통로(11)의 개질가스가 모두 전열핀(15, 16)의 입구측(도 8의 하측)에서 출구측(도 8의 상측)으로 향하여 같은 방향으로 흐르는 병행흐름식의 열교환기로 되어 있다. 또한, 이 열교환기(14)와 개질반응부(6)의 출구부(6b)를 연통하는 부분의 개질가스통로(11)는 개질반응부(6)의 주위에 설치되어 있다.
또한, 상기 하우징(1)의 주위에는 원고리형상 공간으로 이루어지는 열회수부(34)가 개질반응부(6) 및 열교환기(14)의 쌍방을 상기 개질반응부(6) 및 열교환기(14)로부터 소정치수 떨어진 상태로 둘러싸도록 배치되어 있다. 즉, 하우징(1)의 주위에는 대략 하우징(1)의 하단에서 격벽(2)의 상단까지의 길이를 갖는 원통체(35)가 동심상으로 설치되어 있다. 이 원통체(35)는 서로 동심상으로 배치된 지름이 다른 원통상의 내외측벽(35a, 35b)과, 양 측벽(35a, 35b) 사이의 원고리형상 공간의 상하개구를 각각 기밀하게 폐색하는 원고리형상의 상하벽(35c, 35d)으로 되어 있고, 이들 내외측벽(35a, 35b) 및 상하벽(35c, 35d)으로 둘러싸인 공간이 열회수부(34)로 구성되어 있다. 그리고, 상기 내측벽(35a)의 대략 상하 중앙위치에, 상기 하우징(1)의 외측벽부(1b) 하단부에 내단부를 접합고정시킨 각 연통관(31)의 외단부가 관통상태로 접합고정되고, 한편, 외측벽(35b)의 하단부는 원료가스 입구관(37)내의 원료가스입구(4)에 연통하고 있으며, 이 원료가스입구(4)에서 열회수부(34)에 이르는 부분에 의해 원료가스통로(3)의 상류반부가 구성되어 있다. 따라서, 열회수부(34)는, 열교환기(14) 상류측의 원료가스통로(3)에, 개질반응부(6) 및 열교환기(14)를 상기 개질반응부(6) 및 열교환기(14)부터 떨어진 상태로 둘러싸도록 설치되어 있다. 또한, 열회수부(34)와 열교환기(14)는 복수의 병렬의 연통로(32, 32,…)에 의해 연통되어 있다. 또한, 상기 개질반응부(6)와 열회수부(34)의 간격은, 예컨대 하우징(1) 하부의 외경(d1)이 60.5mm일 때에 원통체(35)의 내측벽(35a)의 내경(d2)이 134.2mm로 되도록 설정된다.
또한, 상기 하우징(1), 연통관(31), 원통체(35) 및 원료가스 입구관(37)은 모두 세라믹울 등의 열이동량 제어체로서의 단열재(22) 내에 매설되어 있다. 이 것으로, 열회수부(34)와 개질반응부(6) 및 열교환기(14)와의 사이, 구체적으로는 원통체(35)의 내측벽(35a) 내주면과 하우징(1) 외주면과의 사이에 열이동량 제어체로서 기능하는 단열재(22)가 개재되어 있다.
따라서, 이 실시예의 경우, 원료가스입구(4)에 도입된 원료가스는 원통체(35)내의 열회수부(34)에 공급된 후, 이 열회수부(34)로부터 각 연통로(32)를 통하여 하우징(1)의 내측 및 외측의 벽부(1a, 1b) 사이의 공간 하단부에 도입된다. 이 공간에 도입된 원료가스는 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15)의 사이를 통하여 개질가스와의 열교환에 의해 가열되면서 상단부로 향하고, 그 상단부에서 연통로(30)를 경유하여 격벽(2) 내의 상측공간에 공급되고, 그 상측공간에서 입구측경계벽(27)의 가스구멍(28, 28, …)을 통하여 개질반응부(6)에 입구부(6a)로부터 도입되어, 그 촉매와의 부분산화를 포함하는 반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스로 개질된다. 이 개질반응부(6)의 출구부(6b)로부터 나온 개질가스는 격벽(2)의 하벽부의 가스구멍(28, 28, …)을 통하여 하우징(1) 및 격벽(2)의 각 하벽부 사이의 공간으로 이동한 후, 개질반응부(6)에 대응하는 격벽(2) 주위의 공간(개질가스통로(11))을 지나서 상기 열교환기(14)에 이르고, 그 개질가스측 전열핀(16)의 사이를 통과하여 개질가스출구(12)에 공급되고, 이 열교환기(14)에 있어서 방열하여 원료가스측 전열핀(15) 사이를 흐르는 원료가스의 가열에 공급된다.
이 경우, 상기 실시예 1와 같이, 개질반응부(6)에 공급되는 원료가스통로(3)의 원료가스가, 개질반응부(6)에서의 반응열에 의해 고온도로 된 개질가스통로(11)의 개질가스와 열교환기(14)에서 열교환되어 가열되기 때문에, 개질반응부(6)에서의 반응열을 원료가스의 예열을 위해 회수하고, 이 자기열회수에 의해 개질장치(A)의 열효율을 향상시킬 수 있다.
더구나, 이와 같이 개질반응부(6)의 반응열에 의해 원료가스통로(3)의 원료가스가 가열되기 때문에, 그 원료가스를 예열하기 위한 예열기가 원료가스통로(3)와 개질가스통로(11)의 사이에 일체적으로 형성되게 되어, 개질장치(A)의 구조를 심플하고 소형인 것으로 할 수가 있다.
또한, 이 실시예에 있어서는, 상기 열교환기(14) 상류측의 원료가스통로(3)에 상기 원료가스통로(3)의 일부를 이루는 원고리형상 공간으로 이루어지는 열회수부(34)가 설치되고, 이 열회수부(34)는 개질반응부(6) 및 열교환기(14)의 주위에 떨어진 상태로 그것들을 둘러싸도록 배치되어 있기 때문에, 개질반응부(6) 및 열교 환기(14)로부터 개질장치(A)의 주변으로 유출되려고 하는 열을 열회수부(34)에서 효율적으로 회수하여 원료가스를 가열할 수 있다. 그 결과, 개질장치(A) 전체의 열손실을 저감하여, 개질반응부(6)의 입구부(6a)에서의 원료가스온도를 개질반응부(6)에서의 촉매반응이 양호하게 유지되는 온도로 유지할 수 있다.
더구나, 상기 열회수부(34)와 개질반응부(6) 및 열교환기(14)와의 사이에 열이동량 제어체가 되는 단열재(22)가 개재되어 있기 때문에, 열회수부(34)와 개질반응부(6) 및 열교환기(14)와의 이간거리를 작게 하면서, 상기 열회수부(34)에서의 열회수를 행할 수 있어, 열회수부(34)를 구비한 구조이더라도 부분산화 개질장치(A)를 소형으로 할 수 있다.
또한, 상기 열회수부(34)와 열교환기(14)가 복수의 병렬의 연통로(32, 32,…)에 의해 연통되어 있기 때문에, 개질장치(A)의 구조를 간단히 할수 있음과 아울러, 열회수부(34)와 개질반응부(6) 및 열교환기(14)와의 사이, 즉 하우징(1)과 원통체(35) 사이에 개재되는 상기 단열재(22)의 삽입을 용이하게 행하여 개질장치(A)를 용이하게 제조할 수가 있다.
더욱이, 상기 개질반응부(6)의 주위에, 그 출구부(6b)로부터 나와 열교환기(14)에 달하는 일부의 개질가스통로(11)가 개질반응부(6)를 둘러싸도록 배치되어 있기 때문에, 개질반응부(6)가 주위를 개질가스통로(11)에 의해 덮여져서 상기 개질가스에 의해 단열되게 되어, 개질반응부(6) 내의 온도를 촉매반응온도로 양호하게 유지할 수 있다. 더구나, 이와 같이 개질반응부(6)의 출구부(6b)로부터 열교환기(14)에 이르는 개질가스통로(11)가 개질반응부(6) 주위에 일체적으로 형성 되기 때문에, 개질장치(A)의 구조를 심플하고 소형인 것으로 할 수가 있다.
또, 상기 열교환기(14)는 원료가스통로(3)의 원료가스와 개질가스통로(11)의 개질가스가 각 전열핀(15, 16)의 입구측에서 출구측으로 향하여 같은 방향으로 흐르는 병행흐름식 열교환기이기 때문에, 개질장치(A)의 부하의 변동에 의해 개질반응부(6)에서의 가스유량이 변화되더라도, 그 영향을 받지 않고, 개질반응부(6)의 입구부(6a) 및 출구부(6b)의 각 가스온도를 각각 대략 일정하게 유지할 수 있다. 즉, 열교환기(14)의 열교환량은 같기 때문에, 원료가스와 개질가스가 입구측에서 출구측으로 향하여 반대방향으로 흐르는 대향류 타입의 열교환기(실시예 1 참조)이면, 가스유량이 감소했을 때에, 열교환량이 과도하게 되어 개질반응부(6)의 입구부(6a)의 원료가스온도가 지나치게 상승한다. 또한, 출구부(6b)의 개질가스온도가 지나치게 내려가는 일이 생긴다. 그러나, 이 실시예에서는, 열교환기(14)가 병행흐름식 열교환기이기 때문에, 상기와 같은 문제가 발생하는 일은 없다.
덧붙여서, 상기 열교환기(14)는, 원료가스통로(3)의 원료가스와 개질가스통로(11)의 개질가스와의 각 가스흐름을 따라 뻗는 전열핀(15, 16)을 보유하는 핀부착 열교환기이기 때문에, 열교환기(14)에서의 가스의 압력손실을 저감할 수 있음과 아울러, 열교환기(14)를 소형으로 할 수 있다.
또한, 상기 각 전열핀(15, 16)은 파형으로 절곡되어 있기 때문에, 그 전열핀(15, 16), 나아가서는 열교환기(14)를 용이하게 제조할 수 있다.
또, 상기 각 전열핀(15, 16)이 절곡모서리부에서 하우징(1)의 벽부(1a, 1b) 및 격벽(2)에 납땜 고정되어 있기 때문에, 전열핀(15, 16)과 하우징(1) 및 격벽(2) 과의 접촉열저항은 작게 되어, 열교환기(14)(개질장치(A))를 양산한 경우에서의 열교환성능을 안정되게 확보할 수 있다.
또한, 상기 열회수부(34)와 하우징(1)의 벽부(1a, 1b) 사이의 공간을 연통하는 연통로(32)(연통관(31))는 복수가 아니고 1개이어도 된다.
또, 상기 실시예에서는, 열회수부(34)는 개질반응부(6) 및 열교환기(14)의 쌍방을 덮도록 배치되어 있지만, 열회수부(34)를 개질반응부(6)또는 열교환기(14)의 어느 한쪽을 덮도록 배치할 수도 있다.
또한, 도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같이(도 10은 전열핀(15, 16)을 전개한 상태로 나타내고 있다), 전열핀(15, 16)에 있어서 절곡모서리부 이외의 부분에 다수의 슬릿(17, 17, …)(개구부)을 형성하여도 좋다. 이렇게 하면, 열교환기(14)에 있어서의 각 가스통로(3, 11)가 전열핀(15, 16)에 의해 전열면측과 그 반대측과의 2개의 통로로 구획되어 있어도, 양 통로의 가스가 각 슬릿(17)을 통해서 혼합되게 되어, 반대측 통로의 가스의 열교환을 양호하게 할수 있다. 더구나, 슬릿(17)의 모서리부에 의한 가스흐름의 전연효과도 얻어지게 되어, 이들에 의해 열교환기(14)의 열교환 특성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
(실시예 6)
도 12는 실시예 6을 나타내고, 열교환기(14)의 타입 등을 바꾼 것이다. 즉, 이 실시예에서는, 하우징(1)의 상부는, 하부와 같은 위치에 있는 외측벽부(1b)와, 이 외측벽부(1b)의 내주면에 간격을 둔 상태로 기밀하게 접합된 내측벽부(1a)와의 2중벽 구조로 되어 있고, 양 벽부(1a, 1b) 사이에 원고리형상의 공간이 형성되고, 이 공간의 상단부는, 외측벽부(1b)를 관통하는 1개의 연통관(31) 내의 연통로(32)에 의해 원통체(35) 내의 열회수부(34)에 연통되어 있다. 또한, 격벽(2)의 상부는 하부보다도 지름이 작은 소경부(2a)로 되어 있고, 이 소경부(2a)의 상단은 하우징(1)의 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간의 하단부 가까이에 위치하고, 이들 소경부(2a)와 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간의 하단부와는 복수의 연통로(30, 30,…)에 의해 연통되어 있고, 열회수부(34)로부터의 원료가스를 연통로(32), 하우징(1)의 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간, 연통로(30), 격벽(2)의 소경부(2a)를 통하여 개질반응부(6)의 입구부(6a)에 공급하는 원료가스통로(3)가 형성되어 있다.
그리고, 열교환기(14)는, 상기 하우징(1)의 내측벽부(1a) 내의 공간인 개질가스통로(11)에 있어서 격벽(2)의 소경부(2a)보다도 위쪽에 상단부를 폐색한 상태로 배치되어 있다, 상기 실시예 4와 같은 구조의 원고리형상의 개질가스측 다공성 고체(25)와, 하우징(1)의 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간인 원료가스통로(3)에 외주부를 외측벽부(1b) 내주면에 고정한 상태로 배치된 원고리형상의 원료가스측 다공성 고체(24)로 이루어지고, 양 다공성 고체(24),(25)에 의한 복사에 의해서 원료가스통로(3)의 원료가스와 개질가스통로(11)의 개질가스 사이에서 열교환시키도록 하고 있다. 또한, 이 열교환기(14)는, 상기 실시예 5와는 달리, 원료가스통로(3)의 원료가스와 개질가스통로(11)의 개질가스가 입구측에서 출구측으로 향하여 반대방향으로 흐르는 대향흐름식 열교환기로 되어 있다. 그 외는 실시예 5와 같은 구성이다. 따라서, 이 실시예에서도 실시예 5와 같은 효과가 얻어진다.
(실시예 7)
도 13은 실시예 7을 나타내고, 열교환기(14)의 개질가스측 전열핀(16)을 격벽(2) 내의 전체에 걸쳐 배치한 것이다.
즉, 이 실시예에서는, 하우징(1)내에 격벽(2)이 동심상으로 배치되고, 이 격벽(2)내의 하단부에 가스구멍(28, 28, …)을 갖는 입구측 경계벽(27)이 격벽(2)의하벽부와의 사이에 공간을 형성하도록 배치되고, 이 경계벽(27)의 위쪽에 개질반응부(6)가 수용되고, 격벽(2)내의 상단부는 개질가스출구(12)로 되어 있다.
하우징(1)의 상단은 격벽(2)의 외주면에 접합되어 폐색되고, 하우징(1)내의 격벽(2)과의 사이의 공간의 하단부는 원료가스 입구관(37)내의 원료가스입구(4)에 연통되어 있는 한편, 동 공간의 상단부는 하우징(1)의 측벽 상단부를 관통하는 연통관(29)내의 연통로(30)에 연통되고, 연통관(29)의 하단부는 하우징(1) 및 격벽(2)을 기밀하게 관통하고 있고, 연통로(30)의 하단부가 격벽(2)내의 입구측 경계벽(27) 아래쪽의 공간에 연통하고 있으며, 원료가스입구(4)의 가스를 하우징(1)내의 하단부에서 격벽(2)과의 사이의 공간 및 연통관(29)내의 연통로(30)에 의해 개질반응부(6)의 입구부(6a)에 공급하는 원료가스통로(3)가, 또한 격벽(2)내의 공간 중 개질반응부(6) 위쪽의 공간에 의해 개질가스통로(11)가 각각 형성되어 있다.
그리고, 상기 개질반응부(6) 위쪽의 공간인 개질가스통로(11)와, 하우징(1)내의 격벽(2)과의 사이의 공간인 원료가스통로(3)에 걸쳐, 상기 실시예 5와 같은 병행흐름식의 핀부착 열교환기(14)가 배치되어 있다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 이 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15)은 실시예 5와 같이, 내주측 및 외주측의 쌍방이 절곡모서리부가 각각 하우징(1) 내주면 및 격벽(2) 외주면에 납땜에 의해 접합되어 있다. 한편, 개질가스측 전열핀(16)은 원료가스측 전열핀(15)과 같이 전체로서 원고리형상의 것이지만, 외주측의 절곡모서리부만이 격벽(2) 내주면에 납땜에 의해 접합되어 있고, 내주측 절곡모서리부는 고정되어 있지 않다.
또한, 개질가스측 전열핀(16)의 아래쪽에는 출구측 경계벽(39)이 배치되어 있고, 이 경계벽(39)의 둘레가장자리부에 관통구멍으로 이루어지는 다수의 가스구멍(28, 28,…)이 개질가스측 전열핀(16)의 위치에 대응하여 개구되어 있고, 개질반응부(6)의 출구부(6b)로부터 나온 개질가스를 경계벽(39) 둘레가장자리부의 가스구멍(28, 28,…)을 통과시켜 개질가스측 전열핀(16)에 강제적으로 안내하도록 하고 있다.
또한, 이 실시예에서는, 상기 실시예 5와 같이 열회수부(34)는 설치되어 있지 않다.
따라서, 이 실시예에 있어서는, 병행흐름식의 열교환기(14)를 사용한 것에 의한 작용효과가 얻어진다. 즉, 개질장치(A)의 부하의 변동에 의해 개질반응부(6)에서의 가스유량이 변화되더라도, 그 영향을 받는 일없이, 개질반응부(6)의 입구부(6a) 및 출구부(6b)의 각 가스온도를 각각 대략 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 열교환기(14)로서, 전열핀(15, 16)이 파형으로 절곡되어 있는 핀부착 열교환기이기 때문에, 열교환기(14)에서의 가스의 압력손실을 저감할 수 있음과 아울러 열교환기(14)를 소형으로 할 수 있어, 전열핀(15, 16) 및 열교환기(14)를 용이하게 제조할 수가 있다. 더구나, 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15)이 절곡모서리부에서 하우징(1)의 벽부 및 격벽(2)에, 또한 개질가스측 전열핀(16)이 외주측의 절곡모서리부에서 격벽(2) 내주면에 각각 납땜 고정되어 있기 때문에, 전열핀(15, 16)과 하우징(1) 및 격벽(2)과의 접촉열저항이 작아져서, 열교환기(14)의 열교환성능을 안정되게 확보할 수 있다.
(실시예 8)
도 15는 실시예 8를 나타내고, 기본적으로는 상기 실시예 7의 구조에 열회수부(34)를 추가한 것이다.
즉, 이 실시예에서는, 하우징(1) 내부에 격벽(2)이 설치되어 있지 않고, 하우징(1)내 하부에 가스구멍(28, 28, …)을 갖는 입구측 경계벽(27)이 하우징(1)의하벽부와 공간을 형성하여 배치되고, 이 경계벽(27)의 위쪽에 개질반응부(6)가 설치되어 있다.
또, 상기 실시예 5(도 8 참조)와 같이, 하우징(1)의 상부는, 하부와 같은 위치에 있는 내측벽부(1a)와, 이 내측벽부(1a)의 외주면에 접합된 외측벽부(1b)와의 2중벽 구조로 되고, 양 벽부(1a, 1b) 사이의 원고리형상의 공간의 상단부는 상기 하우징(1)내 하단부의 공간에 대하여 연통관(29)내의 연통로(30)에 의해 연통되어 있는 한편, 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간의 하단부는, 원통체(35)내의 열회수부(34)와 1개(복수개라도 좋다)의 연통관(31)내의 연통로(32)에 의해 연통되어 있다.
또한, 상기 실시예 7과 같이, 하우징(1)의 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간에 병행흐름식의 핀부착 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15)이, 또한 내측벽부(1a)내의 상부에 동 열교환기(14)의 상기 실시예 7(도 13 참조)과 같은 개질가스측 전열핀(16)이 각각 설치되어 있다. 또한, 열회수부(34)를 형성하는 원통체(35)는 상기 실시예 5의 구조와는 달리, 상하벽(35c, 35d)이 없고, 원고리형상의 내외측벽(35a, 35b)의 상하단부끼리를 직접 기밀하게 접합 일체화하여 이루어진다(도시예에서는 외측벽(35b)의 상하단부가 반경방향 내측으로 절곡되어 내측벽(35a)의 상하단부에 접합되어 있다).
따라서, 이 실시예의 경우, 상기 실시예 5와 같은 작용효과를 이룰 수 있다.
(실시예 9)
도 16은 실시예 9를 나타낸다. 이 실시예에서는, 하우징(1)내의 격벽(2)은, 간격을 두고 서로 동심상으로 배치된 내측 및 외측격벽(2b, 2c)의 2중구조로 형성되고, 양 격벽(2b, 2c) 사이의 하단부는 원고리형상의 하벽(2d)에 의해 기밀하게 폐색되어 있지만, 상단부는 개방되어 있다. 그리고, 내측격벽(2b)내의 하부에 가스구멍(28, 28, …)을 보유하는 입구측 경계벽(27)이 배치되어 있고, 그 위에 개질반응부(6)가 수용되어 있다. 한편, 내측격벽(2b)내의 상단에는 병행흐름식의 핀부착 열교환기(14)의 개질가스측 전열핀(16)이 상기 실시예 7과 같이 배치되어 있다. 또한, 양 격벽(2b, 2c)사이의 원고리형상 공간은 상하 대략 중앙부에서 원고리형상의 경계벽(41)에 의해 구획되고, 그 위쪽의 공간에는 상기 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15)이 수용되어 납땜 고정되어 있다. 그리고, 내측 및 외측격벽(2b, 2c) 사이의 공간에서 원료가스측 전열핀(15)과 경계벽(41)의 사이에, 외단부가 열회수부(34)에 연통하는 연통로(32)의 내단부가 접속되어 있고, 열회수부(34)부터 연통로(32)를 통하여 내측 및 외측격벽(2b, 2c) 사이의 공간의 경계벽(41) 위쪽에 공급된 원료가스를 원료가스측 전열핀(15)을 통과시킨 후에 양 격벽(2b, 2c) 사이의 공간의 상단에서 하우징(1)과 외측격벽(2c)과의 사이의 공간에 도출하여 외측격벽(2c) 주위를 아래쪽으로 흘린 뒤, 개질반응부(6)의 입구부(6a)에 공급하도록 하고 있다. 또한, 열회수부(34)를 형성하는 원통체(35)는 상기 실시예 5와 같은 구조이다.
그 외는 상기 실시예 5와 같은 구성이다. 따라서, 이 실시예에서도 상기 실시예 6과 같은 작용효과를 이룰 수 있다.
(실시예 10)
도 17은 실시예 10을 나타내고, 개질반응부(6)를 분할한 것이다.
즉, 이 실시예에서는, 상기 실시예 6과 같이, 하우징(1)의 상부는, 하부와 같은 위치에 있는 외측벽부(1b)와, 이 외측벽부(1b)의 내주면에 접합된 내측벽부(1a)와의 2중벽 구조로 되어 있고, 양 벽부(1a, 1b) 사이에 원고리형상의 공간이 형성되고, 이 공간의 하단부가 연통로(32)에 의해 원통체(35)내의 열회수부(34)에 연통되어 있다. 또한, 원통체(35)는, 상기 실시예 8(도 15참조)과 같이, 내외측벽(35a, 35b)의 상하단부끼리를 직접 접합하여 이루어지는 것이다.
또한, 격벽(2) 상부의 소경부(2a) 상단은 하우징(1)의 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간 상단부가까이 위치하고, 이 소경부(2a)상과 하우징(1)의 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간의 상단부는 복수의 연통로(30, 30, …)에 의해 연통되어 있고, 열회수부(34)로부터의 원료가스를 연통로(32), 하우징(1)의 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간, 연통로(30, 30, …), 격벽(2)의 소경부(2a)내을 통하여 개질반응부(6)의 입구 부(6a)에 공급하는 원료가스통로(3)가 형성되어 있다.
더욱이, 하우징(1)의 양 벽부(1a, 1b) 사이의 공간인 원료가스통로(3)에 병행흐름식의 핀부착 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15)이 외주부를 외측벽부(1b) 내주면에, 또한 내주부를 내측벽부(1a) 외주면에 각각 납땜 고정한 상태로 배치되고, 하우징(1)의 내측벽부(1a)와 격벽(2)의 소경부(2a)와의 사이의 공간인 개질가스통로(11)에 개질가스측 전열핀(16)이 외주부를 내측벽부(1a) 내주면에, 또한 내주부를 소경부(2a) 외주면에 각각 납땜 고정한 상태로 배치되어 있다.
그리고, 개질반응부(6)는, 상기 격벽(2)의 하부에 위치하는 원기둥형상의 제1반응부(43)와, 상기 제1반응부(43)의 주위, 즉 하우징(1)내 하부 및 격벽(2) 하부의 사이의 공간에 설치된 원고리형상의 제2반응부(44)로 분할되고, 제2반응부(44) 하단의 입구부는 제1반응부(43) 하단의 출구부에 대하여 하우징(1) 하벽부와 격벽(2) 하벽부와의 사이의 공간을 통하여 연통되어 있다. 또한, 제1반응부(43)의 가스의 흐름이 하향으로, 제2반응부(44)의 가스의 흐름이 상향으로 되어 양 반응부의 가스의 흐름은 역방향으로 되어 있다.
따라서, 이 실시예에 있어서는, 열회수부(34)부터의 원료가스는, 연통로(32)를 통하여 하우징(1)의 내외측의 벽부(1a, 1b) 사이의 공간에 공급된 후, 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15)으로 가열되어 연통로(30, 30, …) 및 격벽(2)의 소경부(2a)를 통하여 개질반응부(6)의 입구부(6a)에 도입된다. 한편, 이 개질반응부(6)에 의해 생성된 개질가스는 하우징(1)의 내측벽부(1a)와 격벽(2)의 소경부(2a)와의 사이의 공간(개질가스통로(11))을 통하여 열교환기(14)의 개질가스측 전열핀(16)으로 흡열된 후에 개질가스출구(12)에 도달한다.
그 때, 상기 개질반응부(6)는, 격벽(2)내의 제1반응부(43)와, 상기 제1반응부(43)의 주위에 설치된 제2반응부(44)로 직렬로 분할되고, 이들 제1 및 제2반응부(43, 44)의 가스의 흐름이 반대방향이기 때문에, 개질반응부(6)의 제1반응부(43)의 주위가 제2반응부(44)에 의해 덮여져서 단열되게 되고, 개질반응부(6)내의 온도를 높은 온도로 유지할 수 있음과 아울러, 개질반응부(6) 자체를 2중구조로 하여 개질장치(A)의 구조를 심플하고 소형인 것으로 할 수 있다.
(실시예 11)
도 18은 실시예 11을 나타내고, 상기 실시예 10(도 17 참조)의 구성에 있어서, 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15)과 개질가스측 전열핀(16)의 배치를 바꾼 것이다.
즉, 이 실시예에서는, 격벽(2)의 상부가 부분적으로 서로 동심상으로 배치된 내측 및 외측격벽(2b, 2c)의 2중구조로 되고, 양측 격벽(2b, 2c) 사이에 윗쪽으로 개방된 바닥이 있는 원고리형상의 공간이 형성되어 있다. 또, 외측격벽(2c)의 외벽부는 돔형상의 상벽(2e)에 의해 내측격벽(2b)의 상단과 틈을 둔 상태로 기밀하게 폐색되어 있다. 또한, 격벽(2)의 양측 격벽(2b, 2c)사이의 공간의 상부에 병행흐름식의 핀부착 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15)이, 또 외측격벽(2c)과 하우징(1)과의 사이의 공간에 개질가스측 전열핀(16)이 각각 배치되어 있다. 그리고, 격벽(2)의 양측 격벽(2b, 2c)사이의 공간의 하단부에 열회수부(34)로부터의 연 통로(32)가 연통되어 있고, 열회수부(34)로부터 연통로(32)를 지나서 격벽(2)의 양측 격벽(2b, 2c) 사이의 공간 하단부에 공급된 원료가스를 열교환기(14)의 원료가스측 전열핀(15)으로 가열한 뒤에 내측격벽(2b) 내로 상단에서 도입하여 개질반응부(6)의 제1반응부(43)에 공급하도록 하고 있다.
따라서, 이 실시예에 있어서도 상기 실시예 10과 같은 작용효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 각 실시예에서는, 개질반응부(6)를 모노리스로 구성하고 있지만, 입자상의 촉매를 충전한 것을 사용할 수도 있다. 또한, 본 발명은, 상기 실시예와 같이 연료전지 시스템 이외에 사용되는 개질장치에도 적용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
본 발명은, 연료전지나 수소엔진 등에 사용하는 수소를, 탄화수소나 메탄올을 포함하는 원료가스를 개질반응부에서의 부분산화반응에 의해 개질하여 생성하는 경우에, 개질반응부 내의 온도불균형을 저감하여, 원료가스를 개질반응부에서의 반응열에 의해 예열하고, 자기열회수에 의해 열효율을 향상시켜, 원료가스의 예열을 위한 예열기를 일체적으로 형성하여 장치의 구조의 소형화를 도모할 수 있고, 연료전지나 수소엔진 등의 실용성을 향상할 수 있는 점에서 산업상의 이용가능성은 높다.

Claims (21)

  1. 삭제
  2. 원료가스로부터 부분산화를 포함하는 반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질반응부(6)를 보유하는 부분산화 개질장치로서,
    원통형의 하우징(1)과, 상기 하우징(1) 내에 간격을 두고 배치되고, 내부에 상기 개질반응부(6)가 설치된 원통형의 격벽(2)을 구비하고,
    상기 격벽(2) 내에는 상기 개질반응부(6)의 출구부(6b)에 연통하는 개질가스통로(11)가, 또 하우징(1)과 격벽(2)의 사이에는 상기 개질반응부(6)의 입구부(6a)에 연통하는 원료가스통로(3)가 각각 설치되고,
    상기 개질가스통로(11)의 개질가스와 원료가스통로(3)의 원료가스의 사이에서 열교환시키는 열교환기(14)가 설치되며,
    상기 열교환기(14) 상류측의 원료가스통로(3)에, 개질반응부(6) 또는 열교환기(14)의 한쪽 또는 양쪽을 상기 개질반응부(6) 또는 열교환기(14)로부터 떨어진 상태로 둘러싸도록 배치된 환상 형태인 공간으로 이루어지는 열회수부(34)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 부분산화 개질장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서, 개질반응부(6)와 원료가스통로(3) 사이의 열이동량을 제어하는 열이동량 제어체(10)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 부분산화 개질장치.
  5. 제4항에 있어서, 열이동량 제어체(10)는 내화성의 단열재인 것을 특징으로 하는 부분산화 개질장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제4항에 있어서, 개질반응부(6), 원료가스통로(3), 개질가스통로(11) 및 열이동량 제어체(1O)는 하우징(1) 내에 일체적으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 부분산화 개질장치.
  10. 제2항에 있어서, 개질반응부(6)는 벌집구조의 모노리스(7)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부분산화 개질장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제2항에 있어서, 열교환기(14)는 원료가스통로(3) 및 개질가스통로(11)에 각각 면하고 또한 가스흐름을 따라서 늘어서 있는 전열핀(15, 16)을 보유하고,
    상기 전열핀(15, 16)은 파형으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 부분산화 개질장치.
  14. 제13항에 있어서, 전열핀(15, 16)은 주위 벽부에 대하여 납땜되어 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 부분산화 개질장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 전열핀(15, 16)에 슬릿(17)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 부분산화 개질장치.
  16. 삭제
  17. 제2항에 있어서, 열회수부(34)와 개질반응부(6) 또는 열교환기(14)와의 사이에 열이동량 제어체(22)가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 부분산화 개질장치.
  18. 삭제
  19. 제2항에 있어서, 개질반응부(6)의 출구부(6b)와 열교환기(14)를 연통하는 개질가스통로(11)는 개질반응부(6)의 주위에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 부분산화 개질장치.
  20. 제2항에 있어서, 개질반응부(6)는 제1반응부(43)와, 상기 제1반응부(43)의 주위에 설치되어 입구부가 제1반응부(43)의 출구부에 연통하는 제2반응부(44)로 분할되어 있고,
    상기 제1 및 제2반응부(43, 44)의 가스의 흐름이 반대방향인 것을 특징으로 하는 부분산화 개질장치.
  21. 삭제
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