KR100818259B1 - Hydrogen fuel reforming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 1 is a view schematically showing the configuration of a general fuel cell system.
도 2는 종래의 수소연료 개질장치의 일 예를 보여주는 도면이다.2 is a view showing an example of a conventional hydrogen fuel reformer.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료 개질장치의 구조를 보여주는 도면이다. 3 is a view showing the structure of a hydrogen fuel reformer according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소연료 개질장치의 구조를 보여주는 도면이다. 4 is a view showing the structure of a hydrogen fuel reformer according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100, 200: 리포머 111, 220: 버너100, 200: Reformer 111, 220: Burner
112, 212: 연소챔버 113, 213: 리포머 촉매112, 212:
115, 215: 배출구 150, 250: 열반사 영역115, 215:
221: 연료공급관 222: 연료공급챔버221: fuel supply pipe 222: fuel supply chamber
224: 분사홀224: injection hole
본 발명은 수소를 생성하는 수소연료 개질장치에 관한 것으로서, 더욱 상세 하게는 리포머 촉매가 설치되는 수소연료 개질장치 내부의 버너의 연소효율의 개선에 관한 것이다. The present invention relates to a hydrogen fuel reformer for generating hydrogen, and more particularly, to an improvement in combustion efficiency of a burner inside a hydrogen fuel reformer in which a reformer catalyst is installed.
연료전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts chemical energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.
연료전지 시스템은 연료전지 스택(stack)과 연료 개질기(FP: fuel processor)를 주요부로 구비하고 연료탱크, 연료 펌프 등을 부수적으로 구비한다. 상기 연료전지스택은 막-전극 접합체(MEA: membrane electrode assembly)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 내지 수십 개가 적층된 구조이다. The fuel cell system includes a fuel cell stack and a fuel reformer (FP) as a main part, and additionally includes a fuel tank, a fuel pump, and the like. The fuel cell stack has a structure in which several to tens of unit cells including a membrane electrode assembly (MEA) and a separator are stacked.
도 1은 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 1 is a view schematically showing the configuration of a fuel cell system.
도 1을 참조하면, 수소 원자를 포함하는 연료는 연료처리장치에서 수소 개스 로 개질되며, 상기 수소개스는 연료전지 스택으로 공급한다. 연료전지 스택에서는 상기 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.Referring to FIG. 1, a fuel including hydrogen atoms is reformed into hydrogen gas in a fuel processing apparatus, and the hydrophobic gas is supplied to a fuel cell stack. In the fuel cell stack, the hydrogen and oxygen are electrochemically reacted to generate electrical energy.
연료처리장치는 탈황장치와 수소생성장치를 구비한다. 수소생성장치는 수소연료 개질장치(이하 "리포머(reformer)"로도 칭함)와 쉬프트 반응기(shift reactor)를 구비한다. The fuel processing device includes a desulfurization device and a hydrogen generation device. Hydrogen growth is equipped with a hydrogen fuel reformer (hereinafter also referred to as a "reformer") and a shift reactor.
상기 탈황장치는 상기 리포머와 쉬프트 반응기의 촉매가 황 화합물에 의해 피독되지 않도록 연료에서의 황을 제거한다. The desulfurization apparatus removes sulfur from the fuel so that the catalysts of the reformer and shift reactor are not poisoned by sulfur compounds.
상기 리포머는 탄화수소를 개질하여 수소를 생성하지만, 이산화탄소 및 일산화탄소를 생성하게 된다. 상기 일산화탄소는 연료전지 스택의 전극에 사용되는 촉 매에 촉매독으로 작용하기 때문에 개질된 연료를 바로 스택에 공급하여서는 안되고, 상기 일산화탄소를 제거하는 장치인 쉬프트 반응기를 필요로 한다. 상기 쉬프트 반응기는 배출되는 일산화탄소의 함량을 10 ppm 이내로 감소시키는 것이 바람직하다.The reformer reforms hydrocarbons to produce hydrogen, but produces carbon dioxide and carbon monoxide. Since the carbon monoxide acts as a catalyst poison to the catalyst used in the electrode of the fuel cell stack, the reformed fuel should not be directly supplied to the stack, and a shift reactor, which is a device for removing the carbon monoxide, is required. The shift reactor preferably reduces the amount of carbon monoxide discharged to within 10 ppm.
리포머를 가열하는 리포머 버너는 리포머 내부(연소챔버)를 대략 750 ℃로 가열하여 리포머의 외부에 부착된 촉매를 통과하는 탄화수소를 수소 개스로 개질한다. The reformer burner that heats the reformer heats the reformer interior (combustion chamber) to approximately 750 ° C. to reform the hydrocarbon passing through the catalyst attached to the exterior of the reformer with hydrogen gas.
도 2는 수소연료 개질장치의 일 예를 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 리포머(10)의 내부인 연소챔버(12)에는 파이프 형상의 리포머 버너(11)가 설치된다. 리포머(10)의 외주에는 리포머 촉매(13)가 배치된다. 리포머 버너(11)로 공급된 연료 및 공기는 미도시된 점화기에 의해서 점화되어서 연소되며, 연소 개스는 배출구(15)를 통해서 외부로 배출된다. 2 is a view showing an example of a hydrogen fuel reformer. Referring to FIG. 2, a
리포머 촉매(13)는 대략 700~750 ℃ 온도로 균일하게 가열되는 것이 원료(탄화수소)의 개질의 효율이 양호하다. The
한편, 연소챔버(12) 내의 버너(11)는 대략 500 ℃로 가열되며, 이는 버너(11)의 열효율을 감소시키며, 열손실을 초래한다. On the other hand,
본 발명의 목적은 리포머 내부에 배치된 버너의 온도를 낮추어서 연소챔버에서의 열효율을 향상시킨 수소연료 리포머를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a hydrogen fuel reformer in which the temperature of a burner disposed inside a reformer is lowered to improve thermal efficiency in a combustion chamber.
본 발명의 다른 목적은 리포머 내부에 열반사 영역을 형성하여 리포머 촉매 가 부착되지 않은 영역의 열을 반사시켜서 리포머 촉매가 부착된 영역의 연소챔버를 효율적으로 가열시킨 수소연료 리포머를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a hydrogen fuel reformer in which a heat reflection region is formed inside a reformer to reflect heat in a region where the reformer catalyst is not attached, thereby efficiently heating the combustion chamber in the region where the reformer catalyst is attached.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 수소연료 개질장치는: Hydrogen fuel reformer of the present invention to achieve the above object is:
연소챔버의 외주에 리포머 촉매가 설치되며, 상기 연소챔버를 가열하는 리포머 버너를 구비하는 연료 개질장치에 에 있어서, In the fuel reformer having a reformer catalyst is installed on the outer periphery of the combustion chamber, the reformer burner for heating the combustion chamber,
상기 리포머 버너의 일단이 상기 연소챔버 내부에 노출되며, 상기 노출된 리포머 버너의 외부에 열반사 영역이 형성된 것을 특징으로 한다. One end of the reformer burner is exposed inside the combustion chamber, and a heat reflection area is formed outside the exposed reformer burner.
본 발명에 따르면, 상기 연소챔버에서 상기 리포머 버너의 양측에 상기 열반사 영역이 더 형성될 수 있다. According to the present invention, the heat reflection region may be further formed on both sides of the reformer burner in the combustion chamber.
본 발명에 따르면, 상기 열반사 영역은 코팅되어 형성되거나 또는 박편으로 부착될 수 있다. According to the present invention, the heat reflection area may be formed by coating or adhered with flakes.
본 발명에 따르면, 상기 열반사 영역은 세라믹 코팅으로 형성될 수 있다. According to the invention, the heat reflection region may be formed of a ceramic coating.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 열반사 영역은 금속물질 박편이 부착되어 형성될 수 있다. In addition, according to the present invention, the heat reflection region may be formed by attaching a metal material flake.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 버너는 연료가 공급되는 연료공급관과, 상기 연료공급관의 토출구가 그 내부에 배치되도록 상기 연료공급관을 감싸며 복수의 분사홀이 형성되어 상기 분사홀로부터 상기 리포머 내부로 상기 연료가 분사되는 연료공급챔버를 구비하며, According to another aspect of the present invention, the burner includes a fuel supply pipe to which fuel is supplied, and a plurality of injection holes are formed to surround the fuel supply pipe so that an outlet of the fuel supply pipe is disposed therein, from the injection hole into the reformer. And a fuel supply chamber into which the fuel is injected,
상기 열반사 영역은 상기 연료공급챔버의 표면에 형성된다. The heat reflection area is formed on the surface of the fuel supply chamber.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 수소연료 개질장치(이하 "리포머(reformer)"이라고도 칭함)을 더욱 구체적으로 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail the hydrogen fuel reformer (hereinafter also referred to as "reformer") of the present invention. In this process, the thicknesses of layers or regions illustrated in the drawings are exaggerated for clarity.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료 개질장치의 구조를 보여주는 도면이다. 3 is a view showing the structure of a hydrogen fuel reformer according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 리포머(100))의 내부인 연소챔버(112)에는 파이프 형상의 리포머 버너(111)가 설치된다. 리포머(100))의 외주에는 리포머 촉매(113)가 배치된다. 리포머 촉매(113)은 일반적으로 리포머 버너(111)의 화염과 가까운 지역에 배치되어서 대략 700~750 ℃ 온도로 가열된다. 리포머 버너(111)로 공급된 연료 및 공기는 미도시된 점화기에 의해서 점화되어서 연소되며, 연소 개스는 배출구(115)를 통해서 외부로 배출된다. Referring to FIG. 3, a reformer burner 111 having a pipe shape is installed in the
참조번호 150은 본 발명의 특징부인 열반사 영역이다. 열반사 영역(150)은 리포머(100)) 내부에 노출된 버너(111)의 표면과, 리포머 촉매(113)가 부착된 영역을 제외한 연소챔버(112) 내부에 부착될 수 있다. 이 열반사 영역(150)은 리포머 촉매가 부착되지 않은 영역의 온도를 낮추면서 리포머 촉매가 부착된 연소챔버의 영역의 온도를 상승시킴으로써 리포머 내부에서의 연소효율(수소생성량 대비 사용되는 연료량)을 향상시킬 수 있다. 열반사 영역(150)에 따라 리포머 가동중 버너의 온도를 300 ℃ 이하로 낮출 수 있다.
상기 열반사 영역은 스프레이 코팅된 세라믹 물질, 예컨대 지르코니아 코팅(지르코니아가 90% 이상인 코팅)일 수 있다. The heat reflecting zone may be a spray coated ceramic material, such as a zirconia coating (coating with zirconia greater than 90%).
또한, 상기 열반사 영역은 금속 코팅, 예컨대 아연 또는 아연을 주성분으로 하는 아연 화합물, 또는 알루미늄일 수 있다. In addition, the heat reflection region may be a metal coating such as zinc or a zinc compound based on zinc, or aluminum.
또한, 상기 열반사 영역은 금속막, 예컨대 알루미늄 호일, 아연 호일 등을 접착제를 사용하거나 용접 등을 통하여 버너 및 연소챔버 내부에 부착된 것일 수도 있다. In addition, the heat reflection region may be a metal film, for example, aluminum foil, zinc foil or the like attached to the inside of the burner and the combustion chamber by using an adhesive or welding.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소연료 개질장치의 구조를 보여주는 도면이다. 4 is a view showing the structure of a hydrogen fuel reformer according to another embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 리포머(200))의 내부인 연소챔버(212)에는 파이프 형상의 리포머 버너(211)가 설치된다. 리포머 버너(220)는 연료, 예컨대 공기와 함께 개스연료 및/또는 액체연료가 공급되는 연료공급관(221)와, 상기 연료공급관(221)을 감싸는 연료공급챔버(222)를 구비한다. 상기 연료공급관(221)의 연료토출구(221a)가 연료공급챔버(222)의 내부에 배치된다. 리포머(200)의 외주에는 리포머 촉매(213)가 배치된다. 리포머 촉매(213)는 일반적으로 리포머 버너(211)의 화염과 가까운 지역에 배치되어서 대략 700~750 ℃ 온도로 가열된다. 리포머 버너(211)로 공급된 연료 및 공기는 미도시된 점화기에 의해서 점화되어서 연소되며, 연소 개스는 배출구(215)를 통해서 외부로 배출된다. Referring to FIG. 4, a reformer burner 211 having a pipe shape is installed in the
상기 연료공급관(221)은 연료공급챔버(222)의 하부의 중앙으로부터 돌출되게 배치되어 있다. 상기 연료공급관(221)은 파이프 형상인 것이 바람직하다. 상기 연료공급챔버(222)는 상기 리포머(220)의 하부의 중앙으로부터 돌출되게 설치되는 것이 바람직하다. The
상기 연료공급챔버(222)에는 다수의 분사홀(224)이 형성되어 있다. 상기 분사홀(224)에서는 상기 연료공급관(221)을 통해서 공급된 연료가 연소챔버(222)인 리포너 내부로 분사된다. 상기 분사홀(224)의 직경은 역화(flashback of the flame)를 방지하도록 설계되어야 하며, 이 직경은 사용되는 연료의 종류에 따라서 다를 수 있다. 개스 이동속도가 빠른 수소를 기준으로 볼 때 상기 직경은 최소 0.76 mm 이하가 되어야 한다. 한편, CH4 개스의 경우, 상기 직경은 3.3 mm 이하이면 된다. 상기 직경의 하한은 연료공급관(221)으로 유입되는 유체의 압력에 따라 달라질 수 있다. 상기 분사홀(224)의 수는 리포머(220)의 설계에 따라 달라질 수 있다. 연료공급관으로 공급하는 연료는 수소를 사용하지는 않지만, 연료전지스택으로부터 회수된 미반응 수소를 사용할 수도 있으므로, 상기 분사홀(224)의 설계는 수소의 연소를 기준으로 설계되는 것이 바람직하다. A plurality of injection holes 224 are formed in the
참조번호 250은 본 발명의 특징부인 열반사 영역이다. 열반사 영역(250)은 리포머(200)) 내부에 노출된 버너(211)의 표면과, 리포머 촉매(213)가 부착된 영역을 제외한 연소챔버(212) 내부에 코팅으로 형성되거나 또는 부착될 수 있다. 이 열반사 영역(250)은 리포머 촉매가 부착되지 않은 영역의 온도를 낮추면서 리포머 촉매가 부착된 연소챔버의 영역의 온도를 상승시킴으로써 리포머 내부에서의 연소효율(수소생성량 대비 사용되는 연료량)을 향상시킬 수 있다. 열반사 영역(250)에 따라 리포머 가동중 버너의 온도를 300 ℃ 이하로 낮출 수 있다.
상기 열반사 영역은 스프레이 코팅된 세라믹 물질, 예컨대 지르코니아 코팅 (지르코니아가 90% 이상인 코팅)일 수 있다. The heat reflecting zone may be a spray coated ceramic material, such as a zirconia coating (coating with at least 90% zirconia).
또한, 상기 열반사 영역은 금속 코팅, 예컨대 아연 또는 아연을 주성분으로 하는 아연 화합물, 또는 알루미늄일 수 있다. In addition, the heat reflection region may be a metal coating such as zinc or a zinc compound based on zinc, or aluminum.
또한, 상기 열반사 영역은 금속막, 예컨대 알루미늄 호일, 아연 호일 등을 접착제를 사용하거나 용접 등을 통하여 버너 및 연소챔버 내부에 부착된 것일 수도 있다. In addition, the heat reflection region may be a metal film, for example, aluminum foil, zinc foil or the like attached to the inside of the burner and the combustion chamber by using an adhesive or welding.
본 발명에 따른 수소연료 리포머는 리포머 촉매가 설치되지 않는 연소챔버 내부와 버너의 표면에 열반사 영역을 형성함으로써 고열을 필요로 하지 않는 영역에서의 열을 고열을 필요로 하는 영역으로 반사시킴으로써 리포머의 연소효율을 향상시킬 수 있다. The hydrogen fuel reformer according to the present invention forms a heat reflection region inside the combustion chamber where the reformer catalyst is not installed and on the surface of the burner, thereby reflecting heat in an area that does not require high heat to an area requiring high heat. Improved combustion efficiency
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments with reference to the drawings, this is merely exemplary, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined only by the appended claims.
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