KR100814888B1 - 산화 반응기, 이를 포함하는 개질 장치 및 그 구동 방법 - Google Patents

산화 반응기, 이를 포함하는 개질 장치 및 그 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 개질 장치용 산화 반응기는 산화 촉매에 의한 연료 및 산화제의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시키기 위한 것으로서, 연료 및 산화제를 주입하기 위한 적어도 하나의 주입부를 가지면서 상기 산화 촉매가 내부에 형성된 도관 형태의 반응기 본체와, 상기 반응기 본체의 내부 공간에 설치되어 상기 개질 장치의 초기 기동시 상기 연료 및 산화제를 연소시키는 점화유닛과, 상기 주입부와 별도인 상기 반응기 본체의 양단부에 연결 설치되어 상기 연료 및 산화제의 스트림을 상기 양단부 중 어느 한 쪽 방향으로 유도하는 스트림 조절유닛을 포함한다.
개질장치, 산화반응기, 개질반응기, 본체, 촉매, 가열, 점화유닛, 스트림, 조절유닛

Description

산화 반응기, 이를 포함하는 개질 장치 및 그 구동 방법 {COMBUSTOR, REFORMING APPARATUS AND DRIVING METHOD OF THE SAME}
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 산화 반응기 및 이를 포함하는 개질 장치의 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 단면 구성도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 산화 반응기의 작용을 설명하기 위한 개략적인 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 개질 장치의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명>
10... 산화 반응기 11... 제1 반응기 본체
13... 산화 촉매 20... 점화유닛
30... 스트림 조절유닛 31, 33... 연결라인
32, 34... 밸브 50... 개질 반응기
51... 제2 반응기 본체 53... 개질 촉매
본 발명은 개질 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매에 의한 가스 연료의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시키는 산화 반응기에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 연료와 산화제 가스를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Membrane Fuel Cell)로 구분할 수 있다.
이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지는 개질 장치에서 생성된 개질 가스, 및 그 개질 가스와 별도인 산화제 가스를 제공받아 개질 가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.
개질 장치는 산화 촉매에 의한 연료의 산화 방식으로서 열 에너지를 발생시키는 산화 반응기와, 이 열 에너지를 이용한 연료의 개질 반응에 의해 개질 가스를 발생시키는 개질 반응기를 포함하여 구성된다.
산화 반응기는 메탄올, 에탄올 등과 같은 액체 연료 또는 LPG, LNG 등과 같은 가스 연료의 산화 방식으로 열 에너지를 발생시킬 수 있다. 특히, 액체 연료를 사용하는 산화 반응기는 상온에서도 산화 촉매에 의한 연료의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시킬 수 있다.
그런데, 종래의 개질 장치는 산화 촉매에 의한 가스 연료의 산화 방식으로서 열 에너지를 발생시키는 산화 반응기를 채용하는 경우, 그 산화 반응기가 상온에서는 산화 촉매에 의한 가스 연료의 산화 반응을 일으키지 못하게 된다.
따라서, 종래에는 산화 촉매에 열 에너지를 제공하여 그 산화 촉매를 일정한 온도로 예열함으로써 가스 연료의 산화 반응을 가능케 하는 별도의 예열장치가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예는 개질 장치의 초기 기동시 예열장치로부터 열 에너지를 별도로 제공받지 않고서도 간단한 구조로서 산화 촉매를 가열할 수 있는 산화 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 별도의 예열장치를 필요로 하지 않는 개질 장치 및 그 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 개질 장치용 산화 반응기는 산화 촉매에 의한 연료 및 산화제의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시키기 위한 것으로서, 연료 및 산화제를 주입하기 위한 적어도 하나의 주입부를 가지면서 상기 산화 촉매가 내부에 형성된 도관 형태의 반응기 본체와, 상기 반응기 본체의 내부 공간에 설치되어 상기 개질 장치의 초기 기동시 상기 연료 및 산화제를 연소시키는 점화유닛과, 상기 주입부와 별도인 상기 반응기 본체의 양단부에 연결 설치되어 상기 연료 및 산화제의 스트림을 상기 양단부 중 어느 한 쪽 방향으로 유도하는 스트림 조절유닛을 포함한다.
상기 개질 장치용 산화 반응기에 있어서, 상기 스트림 조절유닛은 상기 반응기 본체의 양단부에 각각 연결 설치된 파이프 형태의 연결라인과, 상기 각 연결라인에 설치되어 상기 반응기 본체의 양단부를 선택적으로 개폐시키는 밸브를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 밸브는 솔레노이드 밸브로서 구성될 수 있다.
상기 개질 장치용 산화 반응기는, 상기 연료 및 산화제의 연소 가스를 상기 반응기 본체의 양단부를 통해 배출할 수 있다.
상기 개질 장치용 산화 반응기에 있어서, 상기 반응기 본체의 내부 공간은 상기 산화 촉매가 위치하는 제1 영역과, 상기 반응기 본체의 제1 단부 측에 공간으로서 형성되는 제2 영역과, 상기 반응기 본체의 제2 단부 측에 공간으로서 형성되는 제3 영역으로 구획될 수 있다.
상기 개질 장치용 산화 반응기에 있어서, 상기 주입부는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계 부분에 형성되며, 상기 제1 영역과 상호 연통될 수 있다.
상기 개질 장치용 산화 반응기에 있어서, 상기 점화유닛은 상기 제2 영역에 배치될 수 있다.
상기 개질 장치용 산화 반응기에 있어서, 상기 산화 촉매는 펠릿 형태의 단위 촉매들로 이루어질 수 있다.
상기 개질 장치용 산화 반응기에 있어서, 상기 산화 촉매는 모노리스 타입의 지지체에 촉매 물질이 코팅 형성된 것일 수도 있다.
또한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 개질 장치는, 도관 형태의 제1 반응기 본체, 및 상기 제1 반응기 본체를 감싸는 제2 반응기 본체를 포함하며, 상기 제 1 반응기 본체 내부에 산화 촉매를 형성하여 산화 반응기를 구성하고, 상기 제1 반응기 본체와 상기 제2 반응기 본체 사이에 개질 촉매를 형성하여 개질 반응기를 구성하며, 상기 산화 반응기는 상기 제1 반응기 본체에 형성된 연료 및 산화제의 주입 부와, 상기 제1 반응기 본체의 내부 공간에 설치된 점화유닛과, 상기 반응기 본체의 내부에서 상기 연료 및 산화제의 스트림을 상기 주입부와 별도인 상기 반응기 본체의 양단부 중 어느 한 쪽 방향으로 유도하기 위한 스트림 조절유닛을 포함한다.
상기 개질 장치에 있어서, 상기 스트림 조절유닛은 상기 제1 반응기 본체의 양단부에 각각 연결 설치된 파이프 형태의 연결라인과, 상기 각 연결라인에 설치되어 상기 제1 반응기 본체의 양단부를 선택적으로 개폐시키는 밸브를 포함할 수 있다.
상기 개질 장치에 있어서, 상기 제1 반응기 본체의 직립된 상태를 기준할 때, 상기 연료 및 산화제는 상기 주입부를 통해 상기 산화 촉매의 최상부로 도입될 수 있다.
상기 개질 장치에 있어서, 상기 점화유닛은 상기 제1 반응기 본체의 내부 공간에 대해 상기 산화 촉매와 별개로서 상기 주입부 측에 배치될 수 있다.
상기 개질 장치에 있어서, 상기 개질 반응기는 상기 제1 반응기 본체와 상기 제2 반응기 본체 사이로 상기 연료를 주입하기 위한 연료 주입부와, 상기 제1 반응기 본체와 상기 제2 반응기 본체 사이에서 상기 개질 촉매에 의한 상기 연료의 개질 반응으로서 생성된 개질 가스를 배출시키기 위한 개질 가스 배출부를 포함할 수 있다.
상기 개질 장치는, 상기 연료로서 상온에서 기체 상태인 액화 가스를 사용할 수 있다. 이 경우 상기 연료는 메탄, 에탄, 프로판, 및 부탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 주성분으로 하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 예시적인 실시예는 상기 산화 반응기와 상기 개질 반응기를 포함하는 개질 장치의 구동 방법에 관한 것으로, 상기 개질 장치의 초기 기동시 상기 산화 반응기의 산화 촉매를 가열하기 위해, 스트림 조절유닛에 의해 제1 반응기 본체의 일측 단부를 개방하고 다른 일측 단부를 폐쇄하며, 연료 및 산화제를 상기 제1 반응기 본체 내부로 주입하고 점화유닛으로서 상기 연료와 산화제를 연소시켜 화염을 형성하며, 상기 스트림 조절유닛에 의해 상기 제1 반응기 본체의 일측 단부를 폐쇄하고 다른 일측 단부를 개방한다.
상기 개질 장치의 구동 방법은, 상기 연료와 산화제를 상기 제1 반응기 본체의 일측 단부 쪽으로 주입하고, 상기 점화유닛이 상기 제1 반응기 본체의 일측 단부 쪽에서 상기 연료와 산화제를 연소시킬 수 있다.
상기 개질 장치의 구동 방법은, 상기 제1 반응기 본체의 일측 단부를 개방하고 상기 다른 일측 단부를 폐쇄하는 경우, 상기 화염이 상기 제1 반응기 본체의 일측 단부 쪽으로 전개할 수 있다. 이 경우는 상기 연료 및 산화제의 연소 가스를 상기 제1 반응기 본체의 일측 단부를 통해 배출할 수 있다.
상기 개질 장치의 구동 방법은, 상기 제1 반응기 본체의 일측 단부를 폐쇄하고 상기 다른 일측 단부를 개방하는 경우, 상기 화염이 상기 산화 촉매를 통과하면 서 상기 제1 반응기 본체의 다른 일측 단부 쪽으로 전개할 수 있다. 이 경우는 상기 연료 및 산화제의 연소 가스를 상기 제1 반응기 본체의 다른 일측 단부를 통해 배출할 수 있다.
상기 개질 장치의 구동 방법은, 상기 개질 장치의 정상 구동시 상기 산화 반응기는 상기 산화 촉매에 의한 연료와 산화제의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시킬 수 있다.
상기 개질 장치의 구동 방법에 있어서, 상기 개질 장치의 정상 구동시 상기 개질 반응기는 상기 열 에너지를 흡열하여 개질 촉매에 의한 상기 연료의 개질 반응으로서 개질 가스를 발생시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 산화 반응기 및 이를 포함하는 개질 장치의 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 단면 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 개질 장치(100)는 연료를 산화 반응으로서 연소시켜 열 에너지를 발생시키고, 그 열 에너지를 이용한 연료의 개질 반응으로서 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 이른 바 연료 프로세서(fuel processor)로서 구성된다.
본 장치(100)는 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지에 개질 가스를 제공하 게 되는 바, 이 고분자 전해질형 연료 전지는 개질 가스의 산화 반응 및 공기와 같은 산화제의 환원 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.
여기서, 연료는 소정의 용기에 일부 액화된 상태로 압축 저장되며, 상온에서 기체 상태로 존재하는 액화 가스를 포함할 수 있다. 이러한 연료는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등과 같은 탄화수소 계열의 액화 가스가 사용될 수 있다.
상술한 바와 같은 개질 장치(100)는 연료의 산화 반응에 의해 열 에너지를 발생시키는 산화 반응기(10)와, 연료의 개질 반응에 의해 개질 가스를 발생시키는 개질 반응기(50)를 포함한다.
이러한 개질 장치(100)는 동심원을 갖는 이중 관로 형태의 본체를 구비하는 바, 이 본체는 제1 반응기 본체(11), 및 제1 반응기 본체(11)를 감싸는 제2 반응기 본체(51)로 구성된다.
제1 반응기 본체(11)는 소정의 관로 단면적을 가지면서 제2 반응기 본체(51)의 내부 공간에 배치되며, 실질적으로 양단이 밀폐된 원통형의 파이프 타입으로 이루어진다.
제2 반응기 본체(51)는 제1 반응기 본체(11) 보다 상대적으로 큰 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단부가 밀폐되고, 제1 반응기 본체(11)가 그 양단부를 관통하는 원통형의 파이프 타입으로 이루어진다.
이 경우, 제1 반응기 본체(11)는 이의 외주면과 제2 반응기 본체(51)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 제2 반응기 본체(51)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다.
이와 같이 구성되는 개질 장치(100)에 있어, 본 실시예에 의한 산화 반응기(10)는 연료 및 산화제의 산화 반응으로서 개질 반응기(50)의 개질 반응에 필요한 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 개질 반응기(50)에 제공하기 위한 것이다.
산화 반응기(10)는 제1 반응기 본체(11)의 내부 공간에 산화 촉매(13)가 형성된 구조로 이루어지며, 그 내부 공간으로 연료와 산화제를 공급하기 위한 연료 주입부(15) 및 산화제 주입부(17)를 제1 반응기 본체(11)에 형성하고 있다.
본 실시예에서는 각각의 연료 주입부(15) 및 산화제 주입부(17)를 통해 제1 반응기 본체(11)의 내부 공간으로 연료와 산화제를 주입하는 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 단일의 주입부를 통해 연료와 산화제를 제1 반응기 본체(11)의 내부 공간으로 동시에 주입하는 구조일 수도 있다.
여기서, 제1 반응기 본체(11)의 내부 공간은 산화 촉매(13)가 위치하는 제1 영역(11a)과, 제1 반응기 본체(11)의 일측 단부 쪽에 공간으로서 형성되는 제2 영역(11b)과, 제1 반응기 본체(11)의 다른 일측 단부 쪽에 공간으로서 형성되는 제3 영역(11c)으로 구획될 수 있다.
이하에서는 제1 반응기 본체(11)의 직립된 상태를 기준할 때, 제1 반응기 본체(11)의 상단부에 해당하는 일측 단부를 "제1 단부(a)" 라고 하며, 제1 반응기 본체(11)의 하단부에 해당하는 다른 일측 단부를 "제2 단부(b)" 라고 한다.
이 경우 연료 주입부(15) 및 산화제 주입부(17)는 제1 반응기 본체(11)의 제1 영역(11a)과 제2 영역(11b)의 경계 부분에 형성되며, 제1 영역(11a)과 상호 연통 되게 형성된다.
산화 촉매(13)는 연료와 산화제의 산화 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 백금(Pt), 루테늄(Ru)과 같은 통상적인 촉매 물질로서 이루어진다. 산화 촉매(13)는 펠릿(pellet) 형태로 이루어진 다수의 단위 촉매들(14)로서 제1 반응기 본체(11)의 내부 공간에 충진 형성된다. 이 단위 촉매들(14)은 제1 반응기 본체(11)의 내부 공간에 대해 제1 영역(11a)에 위치한다. 이러한 단위 촉매(14)는 소정 형태의 지지체 표면에 언급한 바 있는 촉매 물질이 담지된 구조로 이루어진다.
따라서, 연료 및 산화제는 도면을 기준할 때 각각의 주입부(15, 17)를 통해 산화 촉매(13)의 최상부로 도입된다. 이는 연료 주입부(15) 및 산화제 주입부(17)가 제1 반응기 본체(11)의 제1 영역(11a)과 상호 연통되도록 제1 영역(11a)과 제2 영역(11b)의 경계 부분에 형성되고, 산화 촉매(13)가 제1 영역(11a)에 충진 형성되고 있기 때문이다.
본 실시예에서, 개질 반응기(50)는 산화 반응기(10)로부터 열 에너지를 제공받아 연료의 개질 반응 예컨대, 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 반응으로서 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키기 위한 것이다.
개질 반응기(50)는 산화 반응기(10)의 가장자리 외측에 배치되며, 제1 반응기 본체(11)와 제2 반응기 본체(51) 사이의 영역에 개질 촉매(53)가 형성된 구조로 이루어진다.
이러한 개질 반응기(50)는 상기 영역으로 연료를 공급하기 위한 연료 주입부(55), 및 개질 촉매(53)에 의한 연료의 개질 반응으로서 생성된 개질 가스를 배 출시키기 위한 개질 가스 배출부(57)를 제2 반응기 본체(51)에 형성하고 있다.
개질 촉매(53)는 연료의 개질 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt)과 같은 통상적인 촉매 물질로 이루어진다. 개질 촉매(53)는 펠릿(pellet) 형태로 이루어진 다수의 단위 촉매들(54)로서 제1 반응기 본체(11)와 제2 반응기 본체(51) 사이의 영역에 충진 형성된다. 이러한 단위 촉매(54)는 소정 형태의 지지체 표면에 언급한 바 있는 촉매 물질이 담지된 구조로 이루어진다.
상기와 같이 구성되는 개질 장치(100)의 초기 기동시, 산화 반응기(10)는 상온에서 연료와 산화제가 산화 촉매(13)에 의하여 산화 반응을 일으킬 수 없기 때문에, 연료와 산화제의 산화 반응이 개시되는 온도 범위의 열 에너지를 산화 촉매(13)에 제공할 필요가 있다.
이를 위해 본 실시예에 의한 개질 장치(100)에 있어, 산화 반응기(10)는 제1 반응기 본체(11)에 설치되는 점화유닛(20), 및 스트림 조절유닛(30)을 포함하고 있다.
본 실시예에서, 점화유닛(20)은 개질 장치(100)의 초기 기동시 산화 반응기(10)의 산화 촉매(13)를 가열하기 위해 제1 반응기 본체(11)의 내부로 주입되는 연료와 산화제를 전기 불꽃으로서 연소시키기 위한 것이다.
점화유닛(20)은 제1 반응기 본체(11)의 내부 공간에 있어 제2 영역(11b)에 설치되며, 산화 촉매(13)와 별개로서 연료 및 산화제 주입부(15, 17) 측에 배치된다.
이 점화유닛(20)은 전기적인 스파크로서 불꽃을 발생시키는 통상적인 구조의 점화장치로서, 전원을 인가받아 전기 불꽃을 발생시키는 전기 불꽃 발생부(21)를 구비하고 있다. 이러한 점화유닛(20)은 당 업계에서 널리 사용되는 통상적인 구조의 점화장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예에서, 스트림 조절유닛(30)은 점화유닛(20)에 의해 형성된 화염을 제1 반응기 본체(11)의 제1 단부(a) 쪽으로 전개시켜 산화 촉매(13)의 최상부를 가열하고, 그 화염과 열 에너지를 제1 반응기 본체(11)의 제2 단부(b) 쪽으로 전개시켜 산화 촉매(13) 전체를 가열하기 위한 것이다.
이를 위해 스트림 조절유닛(30)은 제1 반응기 본체(11)의 내부 공간으로 주입되는 연료 및 산화제의 스트림을 연료 및 산화제 주입부(15, 17)와 별도인 제1 반응기 본체(11)의 양단부 중 어느 한 쪽 방향으로 유도할 수 있는 구조로 이루어진다.
이 스트림 조절유닛(30)은 제1 반응기 본체(11)의 제1 단부(a)에 연결되게 설치되는 파이프 형태의 제1 연결라인(31)과, 제1 연결라인(31)에 설치되는 제1 밸브(32)와, 제1 반응기 본체(11)의 제2 단부(b)에 연결되게 설치되는 제2 연결라인(33)과, 제2 연결라인(33)에 설치되는 제2 밸브(34)를 포함한다.
제1 연결라인(31) 및 제2 연결라인(33)은 제1 반응기 본체(11)의 내부 공간과 상호 연통되는 파이프 형태로서 이루어진다. 이러한 제1 연결라인(31) 및 제2 연결라인(33)은 제1 반응기 본체(11)의 내부에서 연소된 연료 및 산화제의 연소 가스를 배출시키는 기능도 하게 된다.
제1 밸브(32) 및 제2 밸브(34)는 전기적인 제어 신호에 의해 제1 연결라 인(31) 및 제2 연결라인(33)의 유로, 궁극적으로는 제1 반응기 본체(11)의 제1 단부(a) 및 제2 단부(b)를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 통상적인 구조의 솔레노이드 밸브로서 구비된다.
이 경우, 제1 밸브(32) 및 제2 밸브(34)는 도면에 도시되지 않은 컨트롤러에 의해 제어되는 바, 이 컨트롤러는 밸브의 개폐 동작에 상응하는 제어 신호를 제1 밸브(32) 및 제2 밸브(34)에 인가한다.
따라서, 제1 밸브(32)로서 제1 연결라인(31)을 개방하고, 제2 밸브(34)로서 제2 연결라인(33)을 폐쇄하게 되면, 연료 및 산화제 주입부(15, 17)를 통해 제1 반응기 본체(11)의 내부 공간으로 주입되는 연료와 산화제는 제1 반응기 본체(11)의 제1 단부(a) 쪽으로 흐르는 스트림을 형성한다. 이 경우, 연료와 산화제의 스트림이 제1 반응기 본체(11)의 제1 단부(a) 쪽을 향하게 되므로, 점화유닛(20)에 의해 연료 및 산화제가 연소되면서 발생하는 화염 역시 제1 반응기 본체(11)의 제1 단부(a) 쪽으로 전개된다.
반대로, 제1 밸브(32)로서 제1 연결라인(31)을 폐쇄하고, 제2 밸브(34)로서 제2 연결라인(33)을 개방하게 되면, 연료 및 산화제 주입부(15, 17)를 통해 제1 반응기 본체(11)의 내부 공간으로 주입되는 연료와 산화제는 제1 반응기 본체(11)의 제2 단부(b) 쪽으로 흐르는 스트림을 형성한다. 이 경우, 연료와 산화제의 스트림이 제1 반응기 본체(11)의 제2 단부(b) 쪽을 향하게 되므로, 상기 화염 역시 제1 반응기 본체(11)의 제1 단부(a) 쪽에서 제2 단부(b) 쪽으로 전개된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 개질 장 치(100)의 구동 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 개질 장치(100)의 초기 기동시, 연료와 산화제는 도 3a에 도시된 바와 같이, 각각의 주입부(15, 17)를 통해 제1 반응기 본체(11) 내부로 주입된다. 이 때 제1 연결라인(31)은 제1 밸브(32)에 의해 개방되고, 제2 연결라인(33)은 제2 밸브(34)에 의해 폐쇄된 상태에 있다.
따라서 연료와 산화제는 제1 연결라인(31)이 개방되고 제2 연결라인(33)이 폐쇄되어 있기 때문에, 도면을 기준할 때 산화 촉매(13)의 최상부로 도입되면서 제1 반응기 본체(11)의 제1 단부(a) 쪽으로 흐르는 스트림을 형성한다.
이와 동시에, 도 3b에 도시된 바와 같이 점화유닛(20)은 전기 불꽃을 발생시켜 연료와 산화제를 연소시킨다. 연료와 산화제가 연소되면서 발생하는 화염은, 연료와 산화제의 스트림이 제1 반응기 본체(11)의 제1 단부(a) 쪽을 향하므로, 제1 반응기 본체(11)의 제1 단부(a) 쪽으로 전개된다. 그러면, 산화 촉매(13)의 최상부는 화염에 의해 가열된다. 이 때, 연료와 산화제가 연소되면서 발생하는 연소 가스는 제1 연결라인(31)을 통해 배출된다.
이러한 과정을 거친 후, 도 3c에 도시된 바와 같이 제1 연결라인(31)은 제1 밸브(32)에 의해 폐쇄되고, 제2 연결라인(33)은 제2 밸브(34)에 의해 개방된다.
따라서 연료와 산화제는 제1 연결라인(31)이 폐쇄되고 제2 연결라인(33)이 개방되어 있기 때문에, 제1 반응기 본체(11)의 제2 단부(b) 쪽으로 흐르게 되고, 화염과 열 에너지 역시 제1 반응기 본체(11)의 제1 단부(a) 쪽에서 제2 단부(b) 쪽으로 전개된다. 즉, 화염과 연소 가스는 산화 촉매(13) 전체로 확산되면서 그 산화 촉매(13)를 가열하게 된다.
이로써 산화 촉매(13)는 연료와 산화제가 산화 반응을 일으킬 수 있는 반응 개시 온도로서 가열된다. 이 때, 상기 연소 가스는 제2 연결라인(33)을 통해 배출된다.
이어서, 개질 장치(100)의 정상 구동이 이루어지는 시점으로, 산화 반응기(10)에서는 산화 촉매(13)에 의한 연료와 산화제의 산화 반응이 본격적으로 진행되면서 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시킨다. 이 때 상기 열 에너지는 제1 반응기 본체(11)를 통해 개질 반응기(50)의 개질 촉매(53)로 전달된다.
이러한 과정을 거친 후, 연료는 개질 반응기(50)의 연료 주입부(55)를 통해 제1 반응기 본체(11)와 제2 반응기 본체(51) 사이의 영역으로 공급된다. 그러면, 개질 반응기(50)에서는 개질 촉매(53)에 의한 연료의 개질 반응으로서 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시킨다.
따라서, 개질 가스는 개질 가스 배출부(57)를 통해 배출되어 연료 전지로 공급되는 바, 이 연료 전지에서는 개질 가스 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 별도로 제공된 산화제의 환원 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.
도 4는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 개질 장치의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 개질 장치(200)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 통상적인 모노리스 타입의 지지체(118, 158)에 촉매층(119, 159)이 코팅 형성된 산화 촉매(113) 및 개질 촉매(153)를 구성할 수 있다.
산화 반응기(110)에 있어 산화 촉매(113)의 지지체(118)는 제1 반응기 본체(111)의 내부 공간에 설치된다. 개질 반응기(150)에 있어 개질 촉매(153)의 지지체(158)는 제1 반응기 본체(111)와 제2 반응기 본체(151) 사이의 영역에 설치된다.
이러한 지지체(118, 158)는 유체의 흐름 방향과 평행한 벌집 모양의 통로(118a, 158a)를 가지면서 세라믹 또는 금속 소재를 압출 성형하여 단일체의 모듈로서 제작된다. 이 때, 촉매층(119, 159)은 지지체(118, 158)의 통로(118a, 158a) 내벽면에 코팅 형성된다.
본 실시예에 의한 개질 장치(200)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로 그 자세한 설명은 생략한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 예열장치로부터 열 에너지를 별도로 제공받지 않고서도 간단한 구조로서 화염을 산화 촉매로 확산시킴으로써 개질 장치의 초기 기동시 산화 촉매를 가열할 수 있으므로, 초기 기동에 필요한 에너지를 절감할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 산화 촉매에 대한 화염의 전개 속도가 빠르므로, 개질 장치의 초기 기동 시간을 단축할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 종래와 같은 별도의 예열장치를 필요로 하지 않으므로, 연료 전지 시스템의 구조가 간단하고, 전체 시스템의 부피를 줄일 수 있다.

Claims (24)

  1. 산화 촉매에 의한 연료 및 산화제의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시키는 개질 장치용 산화 반응기에 있어서,
    연료 및 산화제를 주입하기 위한 적어도 하나의 주입부를 가지면서 상기 산화 촉매가 내부에 형성된 도관 형태의 반응기 본체;
    상기 반응기 본체의 내부 공간에 설치되어 상기 개질 장치의 초기 기동시 상기 연료 및 산화제를 연소시키는 점화유닛; 및
    상기 주입부와 별도인 상기 반응기 본체의 양단부에 연결 설치되어 상기 연료 및 산화제의 스트림을 상기 양단부 중 어느 한 쪽 방향으로 유도하는 스트림 조절유닛
    을 포함하는 개질 장치용 산화 반응기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스트림 조절유닛은,
    상기 반응기 본체의 양단부에 각각 연결 설치된 파이프 형태의 연결라인과,
    상기 각 연결라인에 설치되어 상기 반응기 본체의 양단부를 선택적으로 개폐시키는 밸브
    를 포함하는 개질 장치용 산화 반응기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 밸브가 솔레노이드 밸브인 개질 장치용 산화 반응기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 연료 및 산화제의 연소 가스를 상기 반응기 본체의 양단부를 통해 배출하는 개질 장치용 산화 반응기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 반응기 본체의 내부 공간이,
    상기 산화 촉매가 위치하는 제1 영역과, 상기 반응기 본체의 제1 단부 측에 공간으로서 형성되는 제2 영역과, 상기 반응기 본체의 제2 단부 측에 공간으로서 형성되는 제3 영역으로 구획된 개질 장치용 산화 반응기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 주입부는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계 부분에 형성되며, 상기 제1 영역과 상호 연통되는 개질 장치용 산화 반응기.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 점화유닛이 상기 제2 영역에 배치된 개질 장치용 산화 반응기.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 산화 촉매가 펠릿 형태의 단위 촉매들로 이루어진 개질 장치용 산화 반응기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 산화 촉매는 모노리스 타입의 지지체에 촉매 물질이 코팅 형성된 것인 개질 장치용 산화 반응기.
  10. 도관 형태의 제1 반응기 본체; 및
    상기 제1 반응기 본체를 감싸는 제2 반응기 본체
    를 포함하며,
    상기 제1 반응기 본체 내부에 산화 촉매를 형성하여 산화 반응기를 구성하고, 상기 제1 반응기 본체와 상기 제2 반응기 본체 사이에 개질 촉매를 형성하여 개질 반응기를 구성하며,
    상기 산화 반응기는, 상기 제1 반응기 본체에 형성된 연료 및 산화제의 주입 부와, 상기 제1 반응기 본체의 내부 공간에 설치된 점화유닛과, 상기 반응기 본체의 내부에서 상기 연료 및 산화제의 스트림을 상기 주입부와 별도인 상기 반응기 본체의 양단부 중 어느 한 쪽 방향으로 유도하기 위한 스트림 조절유닛을 포함하는 개질 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 스트림 조절유닛은,
    상기 제1 반응기 본체의 양단부에 각각 연결 설치된 파이프 형태의 연결라인과,
    상기 각 연결라인에 설치되어 상기 제1 반응기 본체의 양단부를 선택적으로 개폐시키는 밸브
    를 포함하는 개질 장치.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 반응기 본체의 직립된 상태를 기준할 때, 상기 연료 및 산화제는 상기 주입부를 통해 상기 산화 촉매의 최상부로 도입되는 개질 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 점화유닛은 상기 제1 반응기 본체의 내부 공간에 대해 상기 산화 촉매와 별개로서 상기 주입부 측에 배치된 개질 장치.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 개질 반응기는,
    상기 제1 반응기 본체와 상기 제2 반응기 본체 사이로 상기 연료를 주입하기 위한 연료 주입부와,
    상기 제1 반응기 본체와 상기 제2 반응기 본체 사이에서 상기 개질 촉매에 의한 상기 연료의 개질 반응으로서 생성된 개질 가스를 배출시키기 위한 개질 가스 배출부
    를 포함하는 개질 장치.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 연료로서 상온에서 기체 상태인 액화 가스를 사용하는 개질 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 연료는 메탄, 에탄, 프로판, 및 부탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 주성분으로 하는 것인 개질 장치.
  17. 청구항 10의 산화 반응기와 개질 반응기를 포함하는 개질 장치의 구동 방법에 관한 것으로,
    상기 개질 장치의 초기 기동시 상기 산화 반응기의 산화 촉매를 가열하기 위해,
    스트림 조절유닛에 의해 제1 반응기 본체의 일측 단부를 개방하고, 다른 일측 단부를 폐쇄하며;
    연료 및 산화제를 상기 제1 반응기 본체 내부로 주입하고, 점화유닛으로서 상기 연료와 산화제를 연소시켜 화염을 형성하며;
    상기 스트림 조절유닛에 의해 상기 제1 반응기 본체의 일측 단부를 폐쇄하고, 다른 일측 단부를 개방하는
    개질 장치의 구동 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 연료와 산화제를 상기 제1 반응기 본체의 일측 단부 쪽으로 주입하고, 상기 점화유닛이 상기 제1 반응기 본체의 일측 단부 쪽에서 상기 연료와 산화제를 연소시키는 개질 장치의 구동 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 반응기 본체의 일측 단부를 개방하고 상기 다른 일측 단부를 폐쇄하는 경우, 상기 화염이 상기 제1 반응기 본체의 일측 단부 쪽으로 전개하는 개질 장치의 구동 방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 연료 및 산화제의 연소 가스를 상기 제1 반응기 본체의 일측 단부를 통해 배출하는 개질 장치의 구동 방법.
  21. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 반응기 본체의 일측 단부를 폐쇄하고 상기 다른 일측 단부를 개방 하는 경우, 상기 화염이 상기 산화 촉매를 통과하면서 상기 제1 반응기 본체의 다른 일측 단부 쪽으로 전개하는 개질 장치의 구동 방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 연료 및 산화제의 연소 가스를 상기 제1 반응기 본체의 다른 일측 단부를 통해 배출하는 개질 장치의 구동 방법.
  23. 제17 항에 있어서,
    상기 개질 장치의 정상 구동시, 상기 산화 반응기는 상기 산화 촉매에 의한 연료와 산화제의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시키는 개질 장치의 구동 방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 개질 반응기는 상기 열 에너지를 흡열하여 개질 촉매에 의한 상기 연료의 개질 반응으로서 개질 가스를 발생시키는 개질 장치의 구동 방법.
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