KR100823515B1 - 연료 개질 장치 및 그 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질 장치는, 산화 촉매가 형성된 산화 반응유닛과, 개질 촉매가 형성된 개질 반응유닛과, 개질 장치의 초기 기동시 탄화수소계 연료와 산화제를 연소시켜 상기 산화 촉매를 예열하기 위한 점화유닛을 포함하며, 상기 산화 반응유닛은, 상기 산화 촉매를 사이에 두고 양측에 각각 형성된 제1 섹션 및 제2 섹션을 구비하고, 상기 제2 섹션에 상기 점화유닛이 위치하며, 상기 제1 섹션으로부터 상기 산화 촉매를 통과하여 상기 제2 섹션으로 흐르는 상기 연료와 산화제의 스트림을 형성한다.
개질, 개질반응유닛, 산화반응유닛, 점화유닛, 촉매, 가열, 섹션, 스트림

Description

연료 개질 장치 및 그 구동 방법 {APPARATUS FOR REFORMING FUEL 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 제1 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 개략적인 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 제4 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 제5 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제6 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명>
10... 개질 반응유닛 11... 제1 본체
12... 개질 촉매 20... 산화 반응유닛
21... 제2 본체 22... 산화 촉매
30... 점화유닛 31... 전기 불꽃 발생부
40... 스트림 형성유닛 41... 제1 섹션
42... 제2 섹션 150... 증발부
151... 제3 본체 153... 제3 섹션
155... 패스부재 260... 혼합부
261... 제4 섹션 370... 유로부
371... 홈 373... 제4 본체
375... 통로 480...연소가스 순환부
481... 제5 본체 483... 제5 섹션
490... 일산화탄소 저감부 491... 제6 본체
492... 수성가스 전환 촉매 493... 제6 섹션
512a, 522a, 592a... 단위 촉매들
본 발명은 개질 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매에 의한 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 발생시키는 구조로 이루어진다.
개질 장치는 연료를 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 히터와, 이 열 에너지를 이용한 연료의 개질 반응으로서 개질 가스를 발생시키는 개질 반응기를 구비한다.
히터는 메탄올, 에탄올 등과 같은 액체 연료, 및 LPG, LNG 등과 같은 가스 연료를 포함하는 연료를 직접적으로 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 버너 방식과, 연료의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시키는 산화 방식으로 구분할 수 있다.
전자는 운전이 까다롭고, 화염에 의한 버너의 핫-스팟(hot-spot) 현상으로 인해 전체 개질 장치의 수명을 단축시키는 단점이 있으며, 이러한 핫-스팟 현상을 제거하기 위해 버너의 공간을 충분히 확보하는 방법이 있으나 전체 장치의 부피가 커지게 되는 단점이 있다.
후자는 산화 촉매에 의한 연료의 산화 방식으로서 열 에너지를 발생시키는 산화 반응기를 구비한다. 그러나 이와 같은 산화 반응기는 특히, 가스 연료를 사용하는 경우, 상온에서는 산화 촉매에 의한 가스 연료의 산화 반응을 일으키지 못하게 되므로, 산화 촉매를 일정한 온도로 예열해야 하는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해 종래에는 열선과 같은 전기 히터를 사용하여 산화 촉매를 직,간접적으로 가열하거나 버너와 같이 화염을 분사하여 산화 촉매를 직접 가열하는 예열장치가 개시된 바 있다.
그런데, 전기 히터를 사용하는 종래의 산화 반응기는 부품수가 증가하게 되고, 연료 전지에서 발생되는 전력을 소모해야 하는 문제점이 있다.
또한, 버너를 사용하는 종래의 산화 반응기는 운전이 까다로워 화염에 의해 산화 촉매가 소결(sintering) 되는 등 산화 촉매가 손상되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 전기 히터나 버너와 같은 예열 장치를 사용하지 않고 간단한 구조로서 개질 장치의 초기 기동시 화염을 산화 촉매로 확산시킬 수 있는 연료 개질 장치 및 그 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질 장치는, 산화 촉매가 형성된 산화 반응유닛과, 개질 촉매가 형성된 개질 반응유닛과, 개질 장치의 초기 기동시 탄화수소계 연료와 산화제를 연소시켜 상기 산화 촉매를 예열하기 위한 점화유닛을 포함하며, 상기 산화 반응유닛은, 상기 산화 촉매를 사이에 두고 양측에 각각 형성된 제1 섹션 및 제2 섹션을 구비하고, 상기 제2 섹션에 상기 점화유닛이 위치하며, 상기 제1 섹션으로부터 상기 산화 촉매를 통과하여 상기 제2 섹션으로 흐르는 상기 연료와 산화제의 스트림을 형성한다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 점화유닛은 상기 제2 섹션에서 상기 연료와 산화제를 전기 불꽃으로서 연소시킬 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 산화 반응유닛은 상기 개질 장치의 정상 구동시 상기 산화 촉매에 의한 상기 연료와 산화제의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시킬 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 개질 반응유닛은 상기 개질 장치의 정상 구동시, 상기 열 에너지를 제공받아 상기 개질 촉매에 의한 연료와 수증기의 개질 반응으로서 수소를 함유한 개질 가스를 발생시킬 수 있다.
또한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질 장치는, ⅰ) 제1 본체, 및 상기 제1 본체 내부에 형성된 개질 촉매를 포함하며, 상기 개질 촉매에 의한 탄화수소계 연료와 수증기의 개질 반응으로서 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응유닛과, ⅱ) 상기 제1 본체를 감싸는 제2 본체, 및 상기 제1 본체와 상기 제2 본체 사이에 형성된 산화 촉매를 포함하며, 상기 산화 촉매에 의한 탄화수소계 연료와 산화제의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시키고, 상기 열 에너지를 상기 개질 반응유닛에 제공하는 산화 반응유닛과, ⅲ) 개질 장치의 초기 기동시 상기 산화 촉매를 반응 개시 온도로서 예열하기 위해 상기 연료와 산화제를 연소시켜 화염 을 형성하는 점화유닛을 포함하며,
상기 산화 반응유닛은, 상기 제2 본체의 양측 단부에 각각 연결되게 형성되며 상기 제1 본체와 상기 제2 본체 사이의 영역과 상호 연통되는 제1 섹션 및 제2 섹션을 구비하고, 상기 제2 섹션에 상기 점화유닛이 위치하며, 상기 산화 촉매를 통해 상기 제1 섹션에서 상기 제2 섹션으로 흐르는 상기 연료와 산화제의 스트림을 형성하고, 상기 화염을 상기 연료와 산화제의 스트림 방향에 반대되는 방향으로 확산시키는 구조로 이루어진다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 제1 본체와 상기 제2 본체가 도관 형태로 이루어지며, 상기 제1 본체가 상기 제2 본체의 내부에 배치될 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 개질 촉매 및 상기 산화 촉매는 모노리스 타입의 지지체에 촉매 물질이 코팅 형성되는 것일 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 개질 촉매 및 상기 산화 촉매는 펠릿 형태의 단위 촉매들로 이루어진 것일 수도 있다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 제2 본체를 감싸는 도관 형태의 제3 본체를 가지면서 상기 산화 반응유닛으로부터 열 에너지를 제공받아 물을 증발시키는 증발부를 더욱 포함한다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 증발부는, 상기 제3 본체에 의해 상기 제2 본체와 상기 제3 본체 사이에 형성되며 상기 제2 섹션과 상호 연통되는 제3 섹션과, 상기 제3 섹션에 상기 제2 본체의 외주 방향을 따라 코일 형태로 형성되어 상기 물을 통과시키는 패스부재를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 제2 섹션과 상기 증발부 사이에 별도로 형성된 제 4섹션을 구비하며, 상기 제4 섹션에서 상기 연료 및 수증기를 혼합하는 혼합부를 더욱 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 혼합부는 상기 연료를 상기 제4 섹션으로 주입하기 위한 연료 주입포트를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 혼합부는 상기 제4 섹션과 상기 패스부재가 상호 연통되게 형성될 수 있다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 증발부와 상기 산화 반응유닛 사이에 형성되어 상기 혼합부에서 혼합된 상기 연료와 수증기를 상기 개질 반응유닛으로 공급하는 유로부를 더욱 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 유로부는 상기 제2 본체의 외주면에 형성된 나선형 홈, 및 상기 제2 본체의 외주면을 감싸는 도관 형태의 제4 본체로서 형성된 나선형의 통로를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 통로는 상기 혼합부 및 상기 개질 반응유닛과 상호 연결되게 형성될 수 있다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 제3 본체를 감싸는 도관 형태의 제5 본체를 가지면서 상기 제3 섹션을 거친 상기 연료와 산화제의 연소 가스를 순환시키는 연소가스 순환부를 더욱 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 연소가스 순환부는, 상기 제5 본체에 의해 상기 제3 본체와 상기 제5 본체 사이에 형성되며 상기 제3 섹션과 상호 연통되는 제5 섹션으로서 형성될 수 있다. 이 경우 상기 연소가스 순환부는 상기 연소 가스를 배출시키기 위한 연소 가스 배출포트를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 제5 본체를 감싸는 도관 형태의 제6 본체를 가지면서 상기 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 더욱 포함할 수 있다. 이 경우 상기 연소가스 순환부는 상기 연소 가스의 열 에너지를 상기 일산화탄소 저감부에 제공할 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 일산화탄소 저감부는 상기 제6 본체에 의해 상기 제5 본체와 상기 제6 본체 사이에 형성된 제6 섹션과, 상기 제6 섹션에 형성되어 상기 일산화탄소의 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 수성가스 전환 촉매를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 개질 반응유닛은 상기 개질 가스를 배출시키는 제1 개질 가스 배출포트를 포함하며, 상기 제1 개질 가스 배출포트는 상기 제6 섹션과 상호 연통될 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 일산화탄소 저감부는 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스를 배출시키는 제2 개질 가스 배출포트를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 탄화수소계 연료로서 상온에서 기체 상태인 액화 가스를 사용할 수 있다. 이 경우 상기 연료는 메탄, 에탄, 프로판, 및 부탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 주성분으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질 장치의 구동 방법은, 상기 산화 반응유닛, 개질 반응유닛 및 점화유닛을 제공하고, 개질 장치의 초기 기동 시 상기 산화 반응유닛의 산화 촉매를 예열하기 위해 제1 섹션으로부터 상기 산화 촉매를 통과하여 제2 섹션으로 흐르는 연료와 산화제의 스트림을 형성하고, 상기 점화유닛을 가동하고, 상기 제2 섹션에서 상기 연료와 산화제를 상기 점화유닛으로서 연소시켜 화염을 형성하고, 상기 화염이 상기 연료와 산화제의 스트림 방향에 반대되는 방향으로 전개한다.
상기 연료 개질 장치의 구동 방법은, 상기 산화 촉매가 250℃ 이상의 온도로서 예열된 시점에 상기 점화유닛의 가동을 오프시킬 수 있다.
상기 연료 개질 장치의 구동 방법은, 상기 산화 반응유닛이 650~700℃를 유지할 때, 상기 개질 장치의 정상 구동이 이루어질 수 있다.
상기 연료 개질 장치의 구동 방법에 있어서, 상기 산화 반응유닛은 상기 산화 촉매에 의한 상기 연료와 산화제의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시킬 수 있다.
상기 연료 개질 장치의 구동 방법에 있어서, 상기 개질 장치의 정상 구동시, 상기 개질 반응유닛은 700~750℃를 유지하며, 연료와 수증기의 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 제1 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 개질 장치(100)는 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 이른 바 연료 프로세서(fuel processor)로서 구성된다.
본 장치(100)는 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지에 개질 가스를 제공하게 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.
도 2는 도 1의 개략적인 단면 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(100)는 연료와 수증기의 개질 반응으로서 개질 가스를 발생시키는 개질 반응유닛(10)과, 연료와 산화제의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시키는 산화 반응유닛(20)을 포함한다.
본 실시예에서, 개질 반응유닛(10)은 산화 반응유닛(20)으로부터 열 에너지를 제공받아 촉매에 의한 연료의 수증기 개질 반응(SR: Steam Reforming)을 일으키는 구조로 이루어진다.
이러한 개질 반응유닛(10)은 제1 본체(11)와, 제1 본체(11) 내부에 형성된 개질 촉매(12)를 포함한다.
제1 본체(11)는 관로를 가지면서 실질적으로 양단이 밀폐된 원통형의 도관 형태로 이루어진다.
개질 촉매(12)는 연료의 수증기 개질 반응을 촉진시켜 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 기능을 하게 된다. 이 개질 촉매(12)는 모노리스 타입의 제1 촉매 성형체(12a)와, 제1 촉매 성형체(12a)에 코팅 형성된 제1 촉매층(12b)을 포함한다.
제1 촉매 성형체(12a)는 제1 본체(11)의 내부 공간에 배치되며, 세라믹 또는 금속 소재를 압출 성형하여 단일체의 모듈로서 제작된다. 제1 촉매 성형체(12a)는 반응물의 흐름 방향과 평행한 벌집(honeycomb) 모양의 제1 통로들(12c)을 형성하고 있다.
제1 촉매층(12b)은 제1 촉매 성형체(12a)의 제1 통로(12c) 내벽면에 코팅 형성된다. 이러한 제1 촉매층(12b)은 연료의 수증기 개질 반응을 촉진시킬 수 있는 통상적인 촉매 물질 예컨대, 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 백금(Pt)으로 이루어진다.
이에 더하여, 개질 반응유닛(10)은 제1 본체(11)의 일측 단부에 형성된 제1 주입 포트(14)와, 제1 본체(11)의 다른 일측 단부에 형성된 제1 배출 포트(16)를 포함하고 있다.
제1 주입 포트(14)는 제1 본체(11)의 내부로 연료와 수증기를 주입시키기 위한 것이며, 제1 배출 포트(16)는 개질 촉매(12)에 의한 연료의 수증기 개질 반응으로서 생성된 개질 가스를 배출시키기 위한 것이다.
여기서, 수증기는 본 개질 장치(100)와 별도인 물 증발기(도면에 도시되지 않음)로부터 제공될 수 있으며, 연료와 함께 제1 주입 포트(14)를 통해 제1 본 체(11)의 내부로 주입될 수 있다.
본 실시예에서, 산화 반응유닛(20)은 촉매에 의한 연료와 산화제의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 개질 반응유닛(10)에 제공할 수 있는 구조로 이루어진다.
이러한 산화 반응유닛(20)은 제1 본체(11)를 감싸는 제2 본체(21)와, 제1 본체(11)와 제2 본체(21) 사이에 형성된 산화 촉매(22)를 포함한다.
제2 본체(21)는 제1 본체(11) 보다 상대적으로 큰 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 개방된 원통형의 도관 형태로 이루어진다. 이 경우, 제1 본체(11)는 이의 외주면과 제2 본체(21)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 제2 본체(21)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다.
산화 촉매(22)는 연료와 산화제의 산화 반응을 촉진시켜 열 에너지를 발생시키는 기능을 하게 된다. 이 산화 촉매(22)는 모노리스 타입의 제2 촉매 성형체(22a)와, 제2 촉매 성형체(22a)에 코팅 형성된 제2 촉매층(22b)을 포함한다.
제2 촉매 성형체(22a)는 제1 본체(11)와 제2 본체(21) 사이의 영역에 배치되며, 세라믹 또는 금속 소재를 압출 성형하여 단일체의 모듈로서 제작된다. 제2 촉매 성형체(22a)는 반응물의 흐름 방향과 평행한 벌집(honeycomb) 모양의 제2 통로들(22c)을 형성하고 있다.
제2 촉매층(22b)은 제2 촉매 성형체(22a)의 제2 통로(22c) 내벽면에 코팅 형성된다. 이러한 제2 촉매층(22b)은 연료와 산화제의 산화 반응을 촉진시킬 수 있는 통상적인 촉매 물질 예컨대, 백금(Pt) 또는 루테늄(Ru)으로 이루어진다.
이와 같은 연료 개질 장치(100)는 초기 기동시, 상온에서 연료와 산화제가 산화 촉매(22)에 의하여 산화 반응을 일으킬 수 없기 때문에, 연료와 산화제의 산화 반응이 개시되는 온도, 대략 250℃ 이상의 열 에너지를 산화 촉매(22)에 제공할 필요가 있다.
이를 위해 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(100)는 점화유닛(30)과, 스트림 형성유닛(40)을 포함하고 있다.
본 실시예에서, 점화유닛(30)은 개질 장치(100)의 초기 기동시 연료와 산화제를 연소시켜 산화 촉매(22)를 고유한 반응 개시 온도 범위로서 예열하기 위한 것이다.
점화유닛(30)은 뒤에서 더욱 설명하는 스트림 형성유닛(40)에 설치되며, 전기적인 스파크로서 불꽃을 발생시키는 통상적인 점화장치로 구성된다. 이 점화유닛(30)은 전원을 인가받아 전기 불꽃을 발생시키는 전기 불꽃 발생부(31)를 구비하고 있다.
이러한 점화유닛(30)은 당 업계에서 널리 사용되는 통상적인 점화장치의 구성으로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예에서, 스트림 형성유닛(40)은 연료와 산화제가 산화 촉매(22)를 통과한 후 점화유닛(30)에 의해 연소될 수 있도록 산화 촉매(22)를 통과하는 연료와 산화제의 스트림을 형성하기 위한 것이다.
이에 더하여, 스트림 형성유닛(40)은 점화유닛(30)에 의해 연소되면서 형성된 화염과 열 에너지를 연료와 산화제의 스트림 방향과 반대되는 방향으로 전개시 키는 기능도 하게 된다.
스트림 형성유닛(40)은 제2 본체(21)의 일측 단부에 공간으로서 형성되는 제1 섹션(41)과, 제2 본체(21)의 다른 일측 단부에 공간으로서 형성되는 제2 섹션(42)을 포함한다.
제1 섹션(41)은 도면을 기준할 때, 제2 본체(21)의 하단부에 일체로 연결되게 형성된다. 제1 섹션(41)은 제1 본체(11)와 제2 본체(21) 사이의 영역과 상호 연통되는 내부 공간을 형성한다.
제1 섹션(41)에는 연료와 산화제를 상기 내부 공간으로 주입하기 위한 제2 주입 포트(43)를 형성하고 있다.
제2 섹션(42)은 도면을 기준할 때, 제2 본체(21)의 상단부에 일체로 연결되게 형성된다. 제2 섹션(42)은 제1 본체(11)와 제2 본체(21) 사이의 영역과 상호 연통되는 내부 공간을 형성한다.
제2 섹션(42)의 내부 공간에는 앞서 설명한 바 있는 점화유닛(30)이 설치되고 있다. 그리고 제2 섹션(42)에는 점화유닛(30)에 의해 연소된 연료와 산화제의 연소 가스를 배출시키기 위한 제2 배출 포트(44)를 형성하고 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질 장치의 구동 방법을 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질 장치의 작용을 설명하기 위한 개략적인 단면 구성도이다.
도 3을 참조하면, 우선 개질 장치(100)의 초기 기동시, 연료와 산화제는 제2 주입 포트(43)를 통해 제1 섹션(41)의 내부 공간으로 주입된다.
연료와 산화제는, 제1 섹션(41) 및 제2 섹션(42)이 제1 본체(11)와 제2 본체(21) 사이의 영역과 상호 연통되기 때문에, 도면에 실선 화살표로 표시한 바와 같이 제1 섹션(41)으로부터 산화 촉매(22)를 통과하여 제2 섹션(42)으로 흐른다.
즉, 연료와 산화제는 제1 섹션(41)의 내부 공간에서 산화 촉매(22)의 제2 통로들(22c)을 통해 제2 섹션(42)의 내부 공간으로 유동된다.
여기서, 연료와 산화제는 상술한 바와 같이 제1 섹션(41)의 내부 공간으로 동시에 주입될 수 있으며, 임의의 시간 차를 두고 각각 별도로 주입될 수도 있다.
이러는 과정을 거치는 동안, 점화유닛(30)은 전기 불꽃을 발생시켜 제2 섹션(42)의 내부 공간으로 도입된 연료와 산화제를 연소시킨다.
이렇게 연료와 산화제가 점화유닛(30)에 의해 연소됨에 따라, 이 때 발생되는 화염은 산화 촉매(22)의 상부 즉, 산화 촉매(22)의 제2 섹션(42) 측 단부를 가열한다. 따라서 산화 촉매(22)의 상부는 상기 화염에 의해 온도가 급상승한다.
이 후, 화염은 도면에 점선 화살표로 표시한 바와 같이 산화 촉매(22)의 제2 통로들(22c)을 통해 연료와 산화제의 스트림 방향에 반대되는 방향으로 전개된다. 따라서 산화 촉매(22)의 상부에 작용하는 열 에너지는 산화 촉매(22)의 하부 쪽으로 점차 이동한다.
이로써 화염과 열 에너지는 산화 촉매(22)를 통해 제2 섹션(42)에서 제1 섹션(41) 방향으로 확산되고, 빠른 시간 안에 산화 촉매(22) 전체를 가열한다.
이러는 과정을 거치면서 산화 촉매(22)는 연료와 산화제의 산화 반응을 일으 킬 수 있는 반응 개시 온도, 바람직하게는 250℃ 이상으로 가열된다. 이 때, 연료와 산화제의 연소 가스는 제2 배출 포트(44)를 통해 배출된다.
이어서, 본 개질 장치(100)의 정상 구동이 이루어지는 시점으로, 산화 촉매(22)의 온도가 250℃ 이상의 온도로서 예열된 시점에, 점화유닛(30)은 그 가동이 정지된다. 이 때, 연료와 산화제는 제2 주입 포트(43)를 통해 제1 섹션(41)의 내부 공간으로 계속 주입되는 상태에 있다.
다음, 산화 반응유닛(20)에서는 산화 촉매(22)에 의한 연료와 산화제의 산화 반응이 본격적으로 진행되면서 650~700℃ 열 에너지를 발생시킨다. 이 열 에너지는 제1 본체(11)를 통해 개질 반응유닛(10)의 개질 촉매(12)로 전달된다. 따라서 개질 반응유닛(10)은 수증기 개질 반응에 필요한 700~750℃의 온도 범위를 유지하게 된다.
이어서, 연료와 수증기는 개질 반응유닛(10)의 제1 주입 포트(14)를 통해 제1 본체(11)의 내부로 주입된다. 그러면, 개질 반응유닛(10)에서는 개질 촉매(12)에 의한 연료의 수증기 개질 반응(흡열 반응)으로서 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시킨다.
따라서 개질 가스는 제1 배출 포트(16)를 통해 배출되고, 그 개질 가스는 연료 전지로 공급된다. 연료 전지는 개질 가스 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 별도로 제공된 산화제의 환원 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.
도 4는 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(200)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 산화 반응유닛(120)에서 발생하는 열 에너지를 제공받고, 그 열 에너지로서 물을 증발시킬 수 있는 증발부(150)를 더욱 포함한다.
본 실시예에서, 증발부(150)는 산화 반응유닛(120)의 가장자리 외측에 형성된다. 이 증발부(150)는 제2 본체(121)를 감싸는 제3 본체(151)와, 제3 본체(151)에 의해 제2 본체(121)와 제3 본체(151) 사이에 형성된 제3 섹션(153)과, 제3 섹션(153)에 설치된 패스부재(155)를 포함한다.
제3 본체(151)는 제2 본체(121) 보다 상대적으로 큰 관로 단면적을 가진 원통형의 도관 형태로 이루어진다. 이 경우 제2 본체(121)는 이의 외주면과 제3 본체(151)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 제3 본체(151)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다.
제3 섹션(153)은 제3 본체(151)에 의해 제2 본체(121)와 제3 본체(151) 사이에 밀폐 공간으로서 형성된다.
제3 섹션(153)은 제2 섹션(142)과 상호 연통된다. 이를 위해 제3 본체(151)의 일측 단부(도면에서의 상단부)에는 제2 섹션(142)과 제3 섹션(153)을 상호 연통시키기 위한 복수의 연통구(154)를 형성하고 있다.
따라서 본 장치(200)의 초기 기동시 점화유닛(130)에 의해 연료와 산화제가 연소되거나, 정상 구동시 산화 촉매(122)에 의한 연료와 산화제의 산화 반응으로서 발생하는 화염의 일부는 연통구(154)를 통해 제2 섹션(142)에서 제3 섹션(153)으로 진입한다.
여기서, 연료와 산화제가 점화유닛(130) 또는 산화 촉매(122)에 의해 연소되면서 발생하는 연소 가스는 연통구(154)를 통해 제2 섹션(142)에서 제3 섹션(153)으로 유입된다. 이에, 제3 본체(151)의 다른 일측 단부에는 제2 섹션(142)에서 제3 섹션(153)으로 유입된 연소 가스를 배출하기 위한 복수의 제2 배출 포트(144)를 형성하고 있다.
본 실시예에서, 패스부재(155)는 제2 본체(121)의 외주 방향을 따라 감긴 코일 형태로 이루어지며, 물을 통과시킬 수 있는 패스를 형성한다.
패스부재(155)는 제3 섹션(153)에 작용하는 열 에너지를 제공받아 물을 증발시키기 위한 것으로서, 열전도성을 지닌 금속 소재의 파이프로 이루어진다. 이 경우 패스부재(155)는 일측 단부가 물 공급유닛(도면에 도시되지 않음)과 연결되며, 다른 일측 단부는 도면에 점선 화살표로 표시한 바와 같이 개질 반응유닛(110)의 제1 주입 포트(114)와 연결된다.
여기서, 패스부재(155)는 제2 본체(121)의 외주면에 접촉되지 않고, 그 외주면과 떨어진 상태로 제2 본체(121)의 외주 방향을 따라 감겨 있다. 이는 제3 섹션(153)에 작용하는 열 에너지를 패스부재(155)로 더욱 용이하게 전달하기 위함이다.
이로써 본 실시예에서는 물을 증발시키기 위한 유닛을 본 장치와 별도로 구비하지 않고, 산화 반응유닛(120)의 외측에 형성되는 증발부(150)를 구비함에 따라 전체 장치의 부품수 및 부피를 줄일 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(200)의 작용에 의하 면, 점화유닛(130) 또는 산화 촉매(122)에 의해 연료와 산화제가 연소될 때 발생하는 화염과 연소 가스는 연통구(154)를 통해 제2 섹션(142)에서 제3 섹션(153)으로 진입한다.
따라서 패스부재(155)로 물이 주입되면, 제3 섹션(153)에 작용하는 열 에너지가 패스부재(155)로 전달됨에 따라 그 패스부재(155)를 통과하는 물은 상기 열 에너지에 의해 증발된다. 이 때 연소 가스는 제2 배출 포트(144)를 통해 배출된다.
이렇게 물이 증발되면서 발생하는 수증기는 개질 반응유닛(110)의 제1 주입 포트(114)를 통해 제1 본체(111)의 내부로 주입된다. 이 경우 연료는 제1 주입 포트(114)를 통해 제1 본체(111)의 내부로 별도 주입될 수 있다.
따라서 개질 반응유닛(110)에서는 개질 촉매(112)에 의한 연료와 수증기의 개질 반응으로서 개질 가스를 발생시킨다. 이 개질 가스는 개질 반응유닛(110)의 제1 배출 포트(116)를 통해 배출된다.
본 실시예에 의한 연료 개질 장치(200)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 같으므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(300)는 전기 제2 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 연료와 수증기를 혼합하고, 상기 혼합된 연료와 수증기를 개질 반응유닛(210)으로 공급할 수 있는 혼합부(260)를 더욱 포함한다.
혼합부(260)는 제2 섹션(242)과 증발부(250) 사이에 별도로 구획 형성된 제4 섹션(261), 및 제4 섹션(261)으로 연료를 주입하기 위한 제3 주입 포트(263)를 구비한다.
제4 섹션(261)은 도면을 기준할 때, 증발부(250)의 상측에 위치하며, 제2 섹션(242)과 증발부(250)의 제3 섹션(253) 사이에 독립적으로 구획된 공간으로서 형성된다.
본 실시예에서, 제4 섹션(261)은 패스부재(255)의 일측 단부와 연결되며, 그 패스부재(255)의 패스와 상호 연통된다.
제3 주입 포트(263)는 제4 섹션(261)과 연통하며, 제2 섹션(242)을 관통하는 파이프와 연결된다.
여기서, 제4 섹션(261)과 개질 반응유닛(210)의 제1 주입 포트(214)는 파이프(도면에 도시되지 않음)에 의해 서로 연결된다. 즉, 제4 섹션(261)에서 혼합된 연료와 수증기는 상기 파이프를 통해 유동되고, 제1 주입 포트(214)를 통해 제1 본체(211) 내부로 공급된다.
이로써 본 실시예에서는 연료와 수증기를 혼합하기 위한 유닛을 본 장치와 별도로 구비하지 않고, 제2 섹션(242)과 증발부(250) 사이에 구획 형성된 혼합부(260)를 구비함에 따라 전체 장치의 부품수 및 부피를 줄일 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(300)의 작용에 의하면, 연료는 제3 주입 포트(263)을 통해 제4 섹션(261)으로 주입된다.
이와 동시에, 전기 제2 실시예에서와 같이 물이 패스부재(255)를 통과하면서 증발된 수증기는 제4 섹션(261)으로 주입되고, 제4 섹션(261)에서 상기 연료와 혼 합된다.
따라서 상기 혼합된 연료와 수증기는 제4 섹션(261)으로부터 배출되고, 파이프를 통해 유동되며, 개질 반응유닛(210)의 제1 주입 포트(214)를 통해 제1 본체(211)의 내부로 공급된다.
이로써 개질 반응유닛(210)에서는 개질 촉매(212)에 의한 연료와 수증기의 개질 반응으로서 개질 가스를 발생시킨다.
본 실시예에 의한 연료 개질 장치(300)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예들과 같으므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 예시적인 제4 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(400)는 전기 제3 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 혼합부(360)에서 혼합된 연료와 수증기를 개질 반응유닛(310)으로 공급할 수 있는 유로부(370)를 더욱 포함한다.
유로부(370)는 증발부(350)와 산화 반응유닛(320) 사이에 형성된다. 이 유로부(370)는 상기 혼합된 연료와 수증기를 유통시키기 위한 유로로서, 혼합부(360)의 제4 섹션(361), 및 개질 반응유닛(310)의 제1 본체(311)와 상호 연통되게 형성된다.
본 실시예에서, 유로부(370)는 산화 반응유닛(320)의 제2 본체(321)의 외주면에 형성된 나선형 홈(371) 및 그 외주면을 감싸는 도관 형태의 제4 본체(373)에 의해서 형성된 나선형의 통로(375)를 구비한다.
홈(371)은 제2 본체(321)의 외주면에 나선형 방향으로 형성되며, 제4 본체(373)는 이의 내주면이 제2 본체(321)의 외주면과 접촉되게 배치된다.
통로(375)는 상기한 홈(371)과 제4 본체(373)에 의해 연료와 수증기를 나선형 방향으로 유동시킬 수 있는 유로로서 형성된다.
이와 같이 통로(375)를 제2 본체(321)의 외주면 쪽에 나선형으로서 형성하는 이유는 연료와 수증기의 체류 시간을 늘리고, 산화 반응유닛(320)에서 발생되는 열 에너지를 연료와 수증기에 용이하게 제공하기 위함이다.
통로(375)는 한 쪽 끝이 혼합부(360)의 제4 섹션(361)과 연통되며, 다른 한 쪽 끝은 개질 반응유닛(310)의 제1 주입 포트(314)와 연통된다. 이 때, 통로(375)의 다른 한 쪽 끝과 제1 주입 포트(314)는 도면에 점선 화살표로 표시된 파이프에 의해 연결될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(400)의 작용에 의하면, 전기 제3 실시예에서와 같이 혼합부(360)의 제4 섹션(361)에서 혼합된 연료와 수증기는 통로(375)를 따라 나선형 방향으로 유동된다.
따라서 연료와 수증기는 통로(375)를 따라 유동되는 동안 산화 반응유닛(320)에서 발생되는 열 에너지를 제공받게 된다.
상기 연료와 수증기는 개질 반응유닛(310)의 제1 주입 포트(314)를 통해 제1 본체(311) 내부로 공급된다.
따라서 개질 반응유닛(310)에서는 개질 촉매(312)에 의한 연료와 수증기의 개질 반응으로서 개질 가스를 발생시킨다.
이로써 본 실시예에서는 산화 반응유닛(320)에서 발생되는 열 에너지를 연료와 수증기에 제공할 수 있는 유로부(370)를 구비함에 따라, 연료와 수증기의 개질 반응에 요구되는 열 에너지의 전달 효율을 극대화시켜 결과적으로는 전체 장치의 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 의한 연료 개질 장치(400)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예들과 같으므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 예시적인 제5 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(500)는 전기 실시예들의 구조를 기본으로 하면서, 연료와 산화제의 연소 가스를 순환시키기 위한 연소가스 순환부(480), 및 개질 반응유닛(410)에서 생성된 개질 가스 중의 일산화탄소를 저감시키기 위한 일산화탄소 저감부(490)를 더욱 포함한다.
본 실시예에서, 연소가스 순환부(480)는 증발부(450)를 거친 연료와 산화제의 연소 가스를 순환시켜 그 연소 가스 자체의 열 에너지를 일산화탄소 저감부(490)에 제공하기 위한 것이다.
연소가스 순환부(480)는 증발부(450)의 제3 본체(451)를 감싸는 제5 본체(481)를 구비하며, 제5 본체(481)에 의해 제3 본체(451)와 제5 본체(481) 사이에 형성된 제5 섹션(483)으로서 구성된다.
제5 본체(481)는 전기 제4 실시예에 개시된 개질 장치의 전체를 감싸는 하우징 형태를 취한다. 제5 본체(481)는 제3 본체(451) 보다 상대적으로 큰 관로 단면 적을 가진 원통형의 도관 형태로 이루어진다.
여기서, 제3 본체(451)는 이의 외주면과 제5 본체(481)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 제5 본체(481)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다.
제5 섹션(483)은 제5 본체(481)에 의해 제3 본체(451)와 제5 본체(481) 사이에 밀폐 공간으로서 형성된다.
제5 섹션(483)은 증발부(450)의 제3 섹션(453)과 상호 연통된다. 이를 위해 제3 본체(451)의 일측 단부(도면에서의 하단부)에는 제3 섹션(453)과 제5 섹션(483)을 상호 연통시키기 위한 적어도 하나의 연통구(485)를 형성하고 있다.
따라서 증발부(450)의 제3 섹션(453)으로 유입된 연료와 산화제의 연소 가스는 연통구(485)를 통해 제5 섹션(483)으로 순환된다.
여기서, 제5 섹션(483)을 순환하는 연소 가스는 제5 본체(481)의 일측 단부(도면에서의 하단부)에 형성된 복수의 제2 배출 포트(444)를 통해 배출될 수 있다.
이로써 본 실시예에서는 연료와 산화제의 연소 가스를 순환시키기 위한 연소가스 순환부(480)를 구비함에 따라, 연소 가스 자체의 열 에너지를 일산화탄소 저감부(490)에 제공하고, 그 일산화탄소 저감부(490)를 반응 개시 온도로서 예열할 수 있다.
본 실시예에서, 일산화탄소 저감부(490)는 개질 반응유닛(410)에서 생성된 개질 가스(이하에서는 "제1 개질 가스" 라고 한다)를 제공받고, 제1 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 수성가스 전환(WGS: Water Gas Shift) 반응으로서 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스(이하에서는 "제2 개질 가스" 라고 한다)를 발생시키기 위한 것이다.
일산화탄소 저감부(490)는 제5 본체(481)를 감싸는 제6 본체(491)와, 제5 본체(481)와 제6 본체(491) 사이에 형성된 수성가스 전환 촉매(492)를 포함한다.
제6 본체(491)는 제5 본체(481) 보다 상대적으로 큰 관로 단면적을 가진 원통형이 도관 형태로 이루어진다. 제6 본체(491)는 도면에서와 같이 제5 본체(481)의 하면을 제외한 나머지 부분을 감싸는 하우징 형태를 취한다.
이 경우 제5 본체(481)는 이의 외주면과 제6 본체(491)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 제6 본체(491)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다. 즉, 제5 본체(481)와 제6 본체(491) 사이에는 수성가스 전환 촉매(492)를 수용하기 위한 제6 섹션(493)을 형성하고 있다.
수성가스 전환 촉매(492)는 일산화탄소의 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 기능을 하게 된다. 이 수성가스 전환 촉매(492)는 모노리스 타입의 제3 촉매 성형체(492a)와, 제3 촉매 성형체(492a)에 코팅 형성된 제3 촉매층(492b)을 포함한다.
제3 촉매 성형체(492a)는 제6 섹션(493)에 배치되며, 세라믹 또는 금속 소재를 압출 성형하여 단일체의 모듈로서 제작된다. 제3 촉매 성형체(492a)는 제1 개질 가스의 흐름 방향과 평행한 벌집(honeycomb) 모양의 제3 통로들(492c)을 형성하고 있다.
제3 촉매층(492b)은 제3 촉매 성형체(492a)의 제3 통로(492c) 내벽면에 코팅 형성된다. 이러한 제3 촉매층(492b)은 일산화탄소의 수성가스 전환 반응을 촉진시킬 수 있는 통상적인 촉매 물질 예컨대, 구리(Cu), 아연(Zn), 철(Fe) 또는 크 롬(Cr)으로 이루어진다.
한편, 개질 반응유닛(410)은 제1 개질 가스를 배출시키기 위한 제1 배출 포트(416)를 구비하는 바, 제1 배출 포트(416)는 제6 섹션(493)과 상호 연통되게 구성된다.
일산화탄소 저감부(490)는 제2 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출 포트(494)를 형성하고 있다. 제2 배출 포트(494)는 제6 섹션(493)과 연통되도록 제6 본체(491)에 형성된다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(500)의 작용에 의하면, 전기 제2 실시예에서와 같이 증발부(450)의 제3 섹션(453)으로 유입된 연료와 산화제의 연소 가스는 연통구(485)를 통해 제5 섹션(483)으로 순환된다.
일산화탄소 저감부(490)는 제5 섹션(483)을 순환하는 연소 가스 자체의 열 에너지를 제공받고, 고유한 반응 개시 온도 예컨대, 230~280℃의 온도 범위로서 예열된다.
이러는 과정을 거치는 동안, 개질 반응유닛(410)에서 생성된 제1 개질 가스는 제1 배출 포트(416)를 통해 배출되고, 제1 배출 포트(416)와 제6 섹션(493)이 상호 연통되기 때문에 제6 섹션(493)으로 유입된다.
따라서 일산화탄소 저감부(490)는 제1 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 수성가스 전환 반응이 수성가스 전환 촉매(492)로서 가속화되면서 상기 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.
상기 일산화탄소의 농도가 저감된 제2 개질 가스는 제2 배출 포트(494)를 통 해 배출된다. 제2 개질 가스는 별도의 파이프를 통해 연료 전지로 공급된다.
본 실시예에 의한 연료 개질 장치(500)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예들과 같으므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제6 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(600)는 전기 실시예들의 구조를 기본으로 하면서, 개질 촉매(512), 산화 촉매(522), 및 수성가스 전환 촉매(592)가 펠릿(pellet) 형태의 단위 촉매들로 이루어진 개질 반응유닛(510), 산화 반응유닛(520), 및 일산화탄소 저감부(590)를 각각 구성할 수 있다.
즉, 개질 촉매(512)는 개질 반응유닛(510)의 제1 본체(511) 내부에 채워진 단위 촉매들(512a)로 이루어지며, 산화 촉매(522)는 제1 본체(511)와 제2 본체(521) 사이의 영역에 채워진 단위 촉매들(522a)로 이루어지며, 수성가스 전환 촉매(592)는 제6 섹션(593)에 채워진 단위 촉매들(592a)로 이루어진다.
이러한 단위 촉매들(512a, 522a, 592a)은 알루미나로 이루어진 소정 형태의 지지체 표면에 촉매 물질이 코팅된 구조로 이루어진다.
본 실시예에 의한 연료 개질 장치(600)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예들과 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 범 위에 속하는 것은 당연하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 화염을 산화 촉매로 확산시키는 방식으로 개질 장치의 초기 기동시 산화 촉매를 가열할 수 있으므로, 초기 기동에 필요한 에너지(전력)를 절감할 수 있으며, 전체 장치의 운전 효율을 향상시킬 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 달리 화염에 의한 산화 촉매의 손상을 줄일 수 있으며, 산화 반응유닛의 열구배 및 내구성에 유리하고, 전체 장치의 수명을 더욱 연장시킬 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 별도의 예열장치를 필요로 하지 않으므로, 전체 장치의 구조가 간단하고, 부피를 줄일 수 있다.

Claims (31)

  1. 산화 촉매가 형성된 산화 반응유닛;
    개질 촉매가 형성된 개질 반응유닛; 및
    개질 장치의 초기 기동시 탄화수소계 연료와 산화제를 연소시켜 상기 산화 촉매를 예열하기 위한 점화유닛
    을 포함하며,
    상기 산화 반응유닛은,
    상기 산화 촉매를 사이에 두고 양측에 각각 형성된 제1 섹션 및 제2 섹션을 구비하고, 상기 제2 섹션에 상기 점화유닛이 위치하며, 상기 제1 섹션으로부터 상기 산화 촉매를 통과하여 상기 제2 섹션으로 흐르는 상기 연료와 산화제의 스트림을 형성하는 연료 개질 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 점화유닛은 상기 제2 섹션에서 상기 연료와 산화제를 전기 불꽃으로서 연소시키는 연료 개질 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 산화 반응유닛은,
    상기 개질 장치의 정상 구동시, 상기 산화 촉매에 의한 상기 연료와 산화제 의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시키는 연료 개질 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 개질 반응유닛은,
    상기 개질 장치의 정상 구동시, 상기 열 에너지를 제공받아 상기 개질 촉매에 의한 연료와 수증기의 개질 반응으로서 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 연료 개질 장치.
  5. 제1 본체, 및 상기 제1 본체 내부에 형성된 개질 촉매를 포함하며, 상기 개질 촉매에 의한 탄화수소계 연료와 수증기의 개질 반응으로서 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응유닛;
    상기 제1 본체를 감싸는 제2 본체, 및 상기 제1 본체와 상기 제2 본체 사이에 형성된 산화 촉매를 포함하며, 상기 산화 촉매에 의한 탄화수소계 연료와 산화제의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시키고, 상기 열 에너지를 상기 개질 반응유닛에 제공하는 산화 반응유닛; 및
    개질 장치의 초기 기동시 상기 산화 촉매를 반응 개시 온도로서 예열하기 위해 상기 연료와 산화제를 연소시켜 화염을 형성하는 점화유닛
    을 포함하며,
    상기 산화 반응유닛은:
    상기 제2 본체의 양측 단부에 각각 연결되게 형성되며 상기 제1 본체와 상기 제2 본체 사이의 영역과 상호 연통되는 제1 섹션 및 제2 섹션을 구비하고;
    상기 제2 섹션에 상기 점화유닛이 위치하며;
    상기 산화 촉매를 통해 상기 제1 섹션에서 상기 제2 섹션으로 흐르는 상기 연료와 산화제의 스트림을 형성하고;
    상기 화염을 상기 연료와 산화제의 스트림 방향에 반대되는 방향으로 확산시키는 구조로 이루어진 연료 개질 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 본체와 상기 제2 본체가 도관 형태로 이루어지며, 상기 제1 본체가 상기 제2 본체의 내부에 배치된 연료 개질 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 개질 촉매 및 상기 산화 촉매는 모노리스 타입의 지지체에 촉매 물질이 코팅 형성된 것인 연료 개질 장치.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 개질 촉매 및 상기 산화 촉매는 펠릿 형태의 단위 촉매들로 이루어진 것인 연료 개질 장치.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 본체를 감싸는 도관 형태의 제3 본체를 가지면서 상기 산화 반응유닛으로부터 열 에너지를 제공받아 물을 증발시키는 증발부를 더욱 포함하는 연료 개질 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 증발부는,
    상기 제3 본체 의해 상기 제2 본체와 상기 제3 본체 사이에 형성되며, 상기 제2 섹션과 상호 연통되는 제3 섹션과,
    상기 제3 섹션에 상기 제2 본체의 외주 방향을 따라 코일 형태로 형성되어 상기 물을 통과시키는 패스부재
    를 포함하는 연료 개질 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 섹션과 상기 증발부 사이에 별도로 형성된 제 4섹션을 구비하며, 상기 제4 섹션에서 상기 연료 및 수증기를 혼합하는 혼합부를 더욱 포함하는 연료 개질 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 혼합부는,
    상기 연료를 상기 제4 섹션으로 주입하기 위한 연료 주입포트를 포함하는 연 료 개질 장치.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 증발부는 상기 제2 본체와 상기 제3 본체 사이에 형성된 제3 섹션에 코일 형태로 배치되어 물을 통과시키는 패스부재를 포함하며,
    상기 혼합부는 상기 연료를 상기 제4 섹션으로 주입하기 위한 연료 주입포트를 가지면서 상기 제4 섹션과 상기 패스부재가 상호 연통되는 연료 개질 장치.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 증발부와 상기 산화 반응유닛 사이에 형성되어 상기 혼합부에서 혼합된 상기 연료와 수증기를 상기 개질 반응유닛으로 공급하는 유로부를 더욱 포함하는 연료 개질 장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 유로부는,
    상기 제2 본체의 외주면에 형성된 나선형 홈, 및 상기 제2 본체의 외주면을 감싸는 도관 형태의 제4 본체로서 형성된 나선형의 통로를 포함하는 연료 개질 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 통로는 상기 혼합부 및 상기 개질 반응유닛과 상호 연결되게 형성되는 연료 개질 장치.
  17. 제9 항에 있어서,
    상기 제3 본체를 감싸는 도관 형태의 제5 본체를 가지면서 상기 제3 섹션을 거친 상기 연료와 산화제의 연소 가스를 순환시키는 연소가스 순환부를 더욱 포함하는 연료 개질 장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 연소가스 순환부는,
    상기 제5 본체에 의해 상기 제3 본체와 상기 제5 본체 사이에 형성되며, 상기 제3 섹션과 상호 연통되는 제5 섹션으로서 형성되는 연료 개질 장치.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 연소가스 순환부는,
    상기 연소 가스를 배출시키기 위한 연소 가스 배출포트를 포함하는 연료 개질 장치.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 제5 본체를 감싸는 도관 형태의 제6 본체를 가지면서 상기 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 더욱 포함하는 연료 개질 장치.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 연소가스 순환부는 상기 연소 가스의 열 에너지를 상기 일산화탄소 저감부에 제공하는 연료 개질 장치.
  22. 제20 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 저감부는,
    상기 제6 본체에 의해 상기 제5 본체와 상기 제6 본체 사이에 형성된 제6 섹션과,
    상기 제6 섹션에 형성되어 상기 일산화탄소의 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 수성가스 전환 촉매
    를 포함하는 연료 개질 장치.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 개질 반응유닛은 상기 개질 가스를 배출시키는 제1 개질 가스 배출포트를 포함하며,
    상기 제1 개질 가스 배출포트는 상기 제6 섹션과 상호 연통되는 연료 개질 장치.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 저감부는,
    상기 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스를 배출시키는 제2 개질 가스 배출포트를 포함하는 연료 개질 장치.
  25. 제5 항에 있어서,
    상기 탄화수소계 연료로서 상온에서 기체 상태인 액화 가스를 사용하는 연료 개질 장치.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 연료는 메탄, 에탄, 프로판, 및 부탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 주성분으로 하는 것인 연료 개질 장치.
  27. 청구항 5의 산화 반응유닛, 개질 반응유닛 및 점화유닛을 제공하고;
    개질 장치의 초기 기동시 상기 산화 반응유닛의 산화 촉매를 예열하기 위해, 제1 섹션으로부터 상기 산화 촉매를 통과하여 제2 섹션으로 흐르는 연료와 산화제의 스트림을 형성하고;
    상기 점화유닛을 가동하고;
    상기 제2 섹션에서 상기 연료와 산화제를 상기 점화유닛으로서 연소시켜 화 염을 형성하고;
    상기 화염이 상기 연료와 산화제의 스트림 방향에 반대되는 방향으로 전개하는
    연료 개질 장치의 구동 방법.
  28. 제27 항에 있어서,
    상기 산화 촉매가 250℃ 이상의 온도로서 예열된 시점에 상기 점화유닛의 가동을 오프시키는 연료 개질 장치의 구동 방법.
  29. 제27 항에 있어서,
    상기 산화 반응유닛이 650~700℃를 유지할 때, 상기 개질 장치의 정상 구동이 이루어지는 연료 개질 장치의 구동 방법.
  30. 제29 항에 있어서,
    상기 산화 반응유닛은 상기 산화 촉매에 의한 상기 연료와 산화제의 산화 반응으로서 열 에너지를 발생시키는 연료 개질 장치의 구동 방법.
  31. 제29 항에 있어서,
    상기 개질 장치의 정상 구동시,
    상기 개질 반응유닛은 700~750℃를 유지하며, 연료와 수증기의 개질 반응으 로서 개질 가스를 발생시키는 연료 개질 장치의 구동 방법.
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