KR100824526B1 - 복사 에너지를 이용하는 연료 개질장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복사 에너지를 이용하는 연료 개질장치에 관한 것이다. 본 발명의 연료 개질장치는 개질 촉매를 구비하며 연료를 원하는 물질로 전환하는 개질 반응기와, 개질 촉매에 열을 공급하는 가열기와, 투명한 부재로 이루어지며 개질 반응기와 가열기 사이에 위치하는 내벽을 포함한다. 본 발명에 의하면, 가열부의 열 에너지를 복사 형태로 개질 촉매에 전달함으로써 장치의 열효율을 향상시킬 수 있다.
개질기, 연료전지, 내벽, 투명, 열효율

Description

복사 에너지를 이용하는 연료 개질장치{Fuel reformer using radiation}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질장치의 개략적인 사시도.
도 2는 도 1의 연료 개질장치의 Ⅱ-Ⅱ선에 의한 횡단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 개질장치의 개략적인 단면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 연료 개질장치의 온도 구배와 비교예의 연료 개질장치의 온도 구배를 비교 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 연료 개질장치
12 : 개질 반응부
13 : 개질 촉매
14 : 가열부
15 : 산화 촉매
16 : 공기 채널
17 : 내벽
18 : CO 제거부
19 : 쉬프트 촉매
본 발명은 연료 프로세서(fuel processor)에 관한 것으로, 특히 투명한 내벽을 구비함으로써 가열기의 복사 에너지를 효과적으로 이용할 수 있는 고효율 연료 개질장치에 관한 것이다.
연료 프로세서는 연료를 원하는 물질로 전환하는 장치이며, 통상 연료 개질장치라고 불리운다. 연료전지용 연료 개질장치는 탄화수소계 연료로부터 수소를 생성하며 통상적으로 고온의 개질 촉매 반응을 위한 개질 반응기와 이 개질 반응기에 열을 공급하는 가열기를 구비한다. 개질 촉매 반응은 메탄올 연료의 경우 약 300℃이며, 부탄이나 LPG의 경우 약 700℃ 이상의 고온에서 이루어진다. 가열기로는 통상 촉매 산화기나 버너가 사용된다.
그런데, 기존의 연료 개질장치에서는 가열기와 개질 반응기 내의 피가열체, 예컨대, 개질 촉매 사이에 금속 벽과 같은 내벽이 위치한다. 즉, 가열기로부터 발생한 열의 대부분은 전도(conduction)의 형태로 내벽을 통과한 후 개질 촉매에 전달된다. 이와 같이 기존의 연료 개질장치에서는 가열기의 열과 복사 에너지 일부가 내벽에 의해 흡수되어 버리고, 따라서 가열기로부터 개질 반응기로의 열 전달률이 낮아지며 내벽의 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고온의 가열기에서 발생한 복사 에너지를 효과적으로 개질 반응기에 전달함으로써 가열기의 작동 온도를 낮출 수 있고 내구성 저하를 방지하며 열효율을 향상시킬 수 있는 연료 개질장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에서는 개질 촉매를 구비하며 연료를 원하는 물질로 전환하는 개질 반응기; 개질 촉매에 열을 공급하는 가열기; 및 개질 반응기와 가열기 사이에 위치하는 투광성 내벽을 포함하는 연료 개질장치를 제공한다.
바람직하게, 내벽은 석영 또는 파이렉스로 이루어진다.
이하, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질장치의 개략적인 사시도이다. 도 2는 도 1의 연료 개질장치의 Ⅱ-Ⅱ선에 의한 횡단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 연료 개질장치(10)는 개질용 연료를 전환하여 수소가스를 생성하는 장치로서 통상 개질기라 불리우며, 연료를 수소가 풍부한 가스로 전환하는 개질 반응부(12)를 포함한다. 개질 반응부(12)는 촉매를 이용한 개질 반응이 흡열 반응이기 때문에 반응을 개시하기 위한 열이 필요한다. 따라서 연료 개질장치(10)는 개질 반응부(12)에 열을 공급하기 위한 가열부(14)를 포함한다. 특히 본 발명의 연료 개질장치(10)는 열효율을 향상시키기 위하여 개질 반응부(12)와 가열부(14)와의 사이에 위치하는 투명한 재질의 내벽(17)을 포함하는 것을 주된 특징으로 한다.
연료 개질장치(10)에 있어서 피가열체 즉 열을 필요로 하는 개질 촉매(13)의 반응 온도는 대략 300℃에서 700℃이며, 따라서 가열체 즉 가열부(14)의 온도는 개질 촉매(13)의 온도보다 높아야 열전달이 이루어진다. 상기 온도 범위에서의 열전달의 대부분은 전도나 대류가 아닌 복사(radiation)로 이루어진다. 스테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmanns law)에 의하면 복사는 열이 전달되는 거리에 거의 구애받지 않고 오직 가열체와 피가열체의 절대 온도의 네제곱의 차이에만 비례한다. 복사의 주된 파장 대역은 적색의 가시광선 대역이므로 복사는 석영과 같이 투명한 내벽(17)을 그대로 통과한다. 본 발명에서는 이러한 원리를 이용하여 연료 개질장치의 열효율을 향상시킨다.
본 실시예에서 연료 개질장치(10)는 대략 평판 모양의 단일 반응기 내에서 투명한 재질의 내벽(17)을 사이에 두고 개질 반응부(12)와 가열부(14)가 상하 층으로 분리 배치된 구조를 구비한다. 다시 말하면, 개질 반응부(12)와 가열부(14)는 별도의 장치로 구현될 수 있지만, 본 실시예에서는 일체로 형성된 것으로 설명한다.
개질 반응부(12)는 고온 분위기의 촉매 반응에 의하여 연료와 충분한 수분을 수소와 이산화탄소로 전환하는 수증기 개질반응(steam reforming reaction) 및/또는 자열 개질 반응(autothermal reforming reaction)이 일어나는 부분이다. 개질 반응부(12)는 연료와 수증기의 유입을 위한 유입공(10a)과 생성된 개질 가스의 방출을 위한 유출공(10b)을 구비한다.
개질 반응부(12)는 처리하고자 하는 연료에 따라 서로 다른 반응 온도를 갖는데, 반응 온도는 대략 150~1200℃ 이며, 바람직하게는 메탄올 연료의 경우 개질 촉매(13)의 입구측 온도는 150~200℃ 이고 생성가스의 온도는 300~450℃ 이며, 부탄 연료의 경우 개질 촉매(13)의 입구측 온도는 450~600℃ 이고 생성가스의 온도는 800~950℃ 이다. 개질 촉매(13)로는 수증기개질용 촉매나 자열개질용 촉매가 사용될 수 있으며, 예를 들면, 니켈(nickel), 백금(platinum), 구리(copper) 또는 루테늄(ruthenium) 계의 촉매가 사용될 수 있다.
연료로써 메탄올을 이용하는 경우, 개질 반응부(12)에서 메탄올과 물을 항온 조건하에서 반응시키면 흡열 반응에 따라 아래의 반응식 1과 같이 수소와 이산화탄소가 생성된다.
CH3OH + H2O ⇔ CO2 + 3H2
연료로써 부탄을 이용하는 경우, 개질 반응부(12)에서 n-부탄과 물을 항온 조건하에서 반응시키면 흡열 반응에 의해 아래의 반응식 2와 같이 수소와 이산화탄소가 생성된다.
n-C4H10 + 8H2O ⇔ 4CO2 + 13H2
부탄을 이용한 수증기 개질 반응에서, 개질 반응은 약 600℃ ~ 800℃ 정도의 고온에서 일어나며, 생성된 개질 가스 속에는 열평형에 의해 보통 약 4~10%의 일산 화탄소가 잔류하게 된다. 위의 반응식 2에서는 n-부탄과 물의 반응에 의해 생성되는 일산화탄소 성분이 생략되어 있다.
한편, 개질 반응부(12)는 자열 개질 반응을 통해 연료를 전환하여 수소를 생성할 수 있는데, 본 발명의 개질 반응부(12)의 자열 개질 반응은 수증기개질 반응과 부분산화 반응(partial oxidation reation)의 복합 반응으로 수증기개질 반응이 주반응인 흡열 반응이 된다.
탄화수소의 자열 개질 반응은 아래의 반응식 3과 같다.
CnHm + n/2 H2O + n/4 ⇔ nCO2 + (n+m)/2 H2
가열부(14)는 연료를 연소시켜 열을 발생시키고 발생된 열을 개질 반응부(12)에 공급하는 부분이다. 가열부(14)는 연소용 연료의 유입을 위한 유입공(10c), 연료 연소시 필요한 공기의 유입을 위한 공기홀(10d), 및 연료 연소에 의해 발생하는 생성물을 배출하기 위한 배기공(10e)을 구비한다. 가열부(14)는 발열 반응하는 산화 촉매(15)와 산화 촉매(15)에 산소를 공급하기 위한 공기 채널(16)을 구비한다.
가열부(14)에 사용가능한 산화 촉매(15)로는 PdAl2O3, NiO, CuO, CeO2, Al2O3이나 플로토늄(Pu), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 중에서 선택되는 하나 이상을 주성분으로 하는 물질이 사용될 수 있다.
공기 채널(16)은 산화 촉매(15)에 의한 연료 연소시 필요한 공기를 공급하기 위한 통로이며, 연소용 연료의 흐름 방향에 따라 적정량의 공기를 공급하기 위한 분배공(16a)을 구비한다.
부탄 연료를 사용한 경우, 가열부(14)의 발열 반응하는 부탄 연소는 아래의 반응식 4와 같다.
n-C4H10 + 6.5O2 ⇔ 4CO2 + 5H2O
내벽(17)은 고온의 환경을 견딜 수 있으며 재질이면서 가열부(14)에서 생성된 열 에너지를 개질 반응부(12)에 효율적으로 전달하기 위한 투명한 재질로 구성된다. 내벽(17)은 반응기 내의 요철부(10f)에 끼워져 고정된다.
전술한 내벽(17)은 두께 1㎜ 이상의 석영(quartz) 또는 파이렉스(pyrex)로 구현될 수 있다. 석영은 이산화규소로 이루어진 규산염 광물로서 유리, 광학 기계, 도기 등의 제작에 이용되는 물질이다. 파이렉스는 열충격, 화학적 내구성 및 온도의 급격한 변화에 높은 저항력을 가진 유리로서, 대표적인 제품으로는 파이렉스 글라스(pyrex glass)가 있다. 파이렉스 글라스는 이산화규소(SiO2) 81%, 산화붕소(B2O3) 12%를 함유하고, 그것의 열팽창율은 보통 유리의 1/3 정도이다. 또한 파이렉스는 내열충격성이 석영에 미치지 못하나 석영보다 대량생산이 가능하고 성형성이 좋은 저팽창성을 갖는다.
본 실시예에 따른 연료 개질장치(10)는 반응기 내의 투명한 내벽(17)을 이용하여 개질 반응에 필요한 열이 가열부(14)로부터 개질 반응부(12)로 효율적으로 전 달되도록 이루어짐으로써 가열부(14)의 작동 온도를 낮출 수 있고 따라서 개질 반응부(12) 및 가열부(14) 또는 장치 전체의 내구성을 기존에 비해 장시간 보증할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 개질장치의 개략적인 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 연료 개질장치는, 투명한 재질의 내벽(17)을 갖는 중공관과 이 중공관의 내부에 충진되는 산화 촉매(15)를 구비하는 가열부(14), 가열부(14)의 외부를 둘러싸는 외부관과 이 외부관과 가열부(14) 사이에 충진되는 개질 촉매(13)를 구비하는 개질 반응부(12), 및 개질 반응부(12)에 연결되는 채널과 이 채널에 충진되는 쉬프트 촉매(19)를 구비하는 CO 제거부(18)를 포함한다.
본 실시예에 따른 연료 개질장치는 대략 원통형 또는 튜브형의 반응기 내에 투명한 재질의 내벽(17)을 사이에 두고 개질 반응부(12)와 가열부(14)가 이중 중공관 형태로 분리 배치된 구조를 구비하는 것을 특징으로 한다.
내벽(17)은 가열부(14)의 중공관 전체나 그 일부분에 윈도우 형태로 형성될 수 있는데, 장치의 열효율 향상을 위하여 중공관의 가능한 많은 부분에 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 실시예의 연료 개질장치는 개질 반응부(12)에 충진되는 개질 촉매(13), 가열부(14)에 충진되는 산화 촉매(15), 및 CO 제거부(18)에 충진되는 쉬프트 촉매(19)의 비산을 방지하기 위하여 망상체(20a, 20b, 20c)가 더 구비할 수 있다.
CO 제거부(18)는 개질 반응부(12)에서 나오는 개질 가스 내의 일산화탄소를 제거한다. CO 제거부(18)는 수성가스쉬프트(water gas shift) 반응부 및/또는 선택산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 반응부로 구현될 수 있다.
수성가스쉬프트 반응부는 고온 수성가스쉬프트 반응부와 저온 수성가스쉬프트 반응부로 구현될 수 있다. 고온 수성가스쉬프트 반응부는 대략 350~450℃에서 연료와 물을 반응시켜 개질 가스 내의 일산화탄소를 일차적으로 저감시킨다. 고온 수성가스쉬프트 반응부에 사용가능한 쉬프트 촉매(19)로는 500℃ 이상의 온도에서 사용가능한 Fe3O4, Cr2O3 등의 기존의 고온계 촉매를 선택하여 사용할 수 있다. 저온 수성가스쉬프트 반응부는 대략 200~250℃에서 연료와 물을 반응시켜 개질 가스 내의 일산화탄소를 추가적으로 저감시킨다. 저온 수성가스쉬프트 반응부에 사용가능한 쉬프트 촉매(19)로는 200℃ 이상의 온도에서 사용가능한 CuO, ZnO, Al2O3 등의 기존의 저온계 촉매를 선택하여 사용할 수 있다.
CO 제거부(18)의 쉬프트 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
CO + H2O ⇔ CO2 + H2
선택산화 반응부는 개질 가스 내의 일산화탄소를 공기 중 산소와 선택적으로 발열 반응시켜 개질가스 내의 일산화탄소 농도를 감소시킨다. 선택산화 반응부를 이용하면, 개질 반응부 또는 수성가스쉬프트 반응부를 통과한 개질 가스 내의 일산화탄소 농도를 원하는 농도 예컨대 10ppm 이하로 저감시킬 수 있다. 선택산화 반응 부에 사용가능한 촉매로는 Ru, Rh, Pt/Al2O3, TiO2, ZrO2, Au/Fe2O3 등이 있다.
본 실시예에서 가열부(14)는 연소 촉매(15)를 이용하는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 연소기(burner)를 이용하는 장치로 구현될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 연료 개질장치의 온도 구배와 비교예의 연료 개질장치의 온도 구배를 비교 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에서는 투명하지 않은 내벽(17p)을 구비한 비교예의 연료 개질장치와 투명한 재질의 내벽(17)을 구비한 본 발명의 연료 개질장치를 준비하고, 이들의 작동시 가열부(14)에서 열을 필요로 하는 개질 촉매(13)까지의 온도 구배를 측정하였다.
비교예의 연료 개질장치는 도 4a에 도시된 온도 구배 곡선(A)에서 볼 수 있듯이, 가열부(14)에서 생성된 열 에너지(Q)가 불투명한 내벽(17p)에 흡수되고 굴절되면서 불투명한 내벽(17p)을 통해 전도되어 개질 반응부 내의 개질 촉매(13)로 전달된다. 따라서 가열부(14)로부터 개질 촉매(13)로 전달되는 열 에너지(Q)에 의한 반응기의 온도 구배는 가열부(14)의 온도 또는 불투명한 내벽(17p)에 도달하였을 때의 온도(Tw)와 내벽(17p)을 통과한 직후의 온도(Tc) 또는 개질 촉매(13)의 반응을 위하여 유지하여야 하는 온도 사이에 큰 차이를 갖는다는 것을 알 수 있다.
반면에, 본 발명의 연료 개질장치는 도 4b에 도시된 온도 구배 곡선(B)에서 볼 수 있듯이, 가열부(14)에서 생성된 열 에너지(Q) 대부분이 전자기파의 형태로 투명한 내벽(17)을 통과하여 개질 촉매(13)로 전달된다. 여기서, 투명한 내벽(17)은 가시광선 및 적외선 투과율이 80% 이상인 투명한 내벽(17)을 포함한다. 따라서 가열부(14)로부터 개질 촉매(13)로 전달되는 열 에너지(Q)에 의한 반응기의 온도 구배는 가열부(14)의 온도 또는 투명한 내벽(17)에 도달하였을 때의 온도(Tw)와 내벽(17)을 통과한 직후의 온도(Tc) 또는 개질 촉매(13)의 반응을 위하여 유지하여야 하는 온도 사이의 차이가 비교예의 연료 개질장치에 비해 상당히 작다는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명은 연료 개질장치의 반응기 내벽(17)을 투명한 재질로 구성함으로써 반응기의 열효율을 향상시키고, 가열부(14)의 온도를 낮추어 장치의 내구성을 장시간 유지할 수 있는 장점을 가진다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그것들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해지는 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 가열부로부터 개질 촉매까지 열을 효율적으로 전달할 수 있으므로 장치의 열효율을 향상시킨다. 아울러, 가열부의 작동 온도를 낮출 수 있어 장치의 내구성을 장시간 보증하는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 개질 촉매를 구비하며 연료를 원하는 물질로 전환하는 개질 반응부;
    상기 개질 촉매에 열을 공급하는 가열부; 및
    상기 개질 반응부와 상기 가열부 사이에 위치하는 투광성 내벽을 포함하는 연료 개질장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내벽은 석영 또는 파이렉스로 이루어지는 연료 개질장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 내벽의 두께는 1㎜ 이상 100㎜ 이하인 연료 개질장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질 반응부 및 상기 가열부는 단일 반응기 내에 상기 내벽을 사이에 두고 분리 설치되는 연료 개질장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질 반응부 및 상기 가열부는 이중 중공관 구조를 구비하는 연료 개질장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는 산화 촉매를 구비하는 연료 개질장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는 화염을 분사하는 버너를 구비하는 연료 개질장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질 촉매는 수증기 개질 촉매 또는 자열 개질 촉매인 연료 개질장치.
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