KR100846716B1 - 연료 개질 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질 장치는, 도관 형태로 이루어진 반응기 본체와, 상기 반응기 본체의 내부에 형성되어 탄화수소계 연료 및 산화제를 포함하는 반응물의 적어도 부분 산화(POX: Partial Oxiation) 반응을 촉진시켜 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 촉매 반응부와, 상기 반응기 본체의 내벽면에 코팅 형성되어 상기 부분 산화 반응에 의해 발생되는 열을 단열하는 단열층을 포함하며, 상기 촉매 반응부는 상기 반응기 본체의 내부에 설치된 모노리스 타입의 촉매 성형체와, 상기 촉매 성형체에 코팅 형성된 제1 촉매층과, 상기 단열층에 코팅 형성된 제2 촉매층을 포함한다.
연료, 개질, 부분산화, 자열개질, 반응기본체, 촉매반응부, 산화, 코크, 단열층, 알루미나, 촉매층

Description

연료 개질 장치 {APPARATUS FOR REFORMING FUEL}
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 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 개략적인 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명>
10... 반응기 본체 30... 제1 촉매 반응부
31... 제1 촉매 성형체 33... 제1 촉매층
35... 제1 통로 50... 점화기
51... 전기 불꽃 발생부 70... 단열층
80... 제2 촉매층 160... 증발부
161... 패스부재 290... 일산화탄소 저감부
291... 제2 촉매 반응부 293... 제2 촉매 성형체
295... 제3 촉매층 297... 제2 통로
본 발명은 연료 개질 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료의 부분 산화 반응 또는 자열 개질 반응으로서 개질 가스를 발생시키는 연료 개질 장치에 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 가스 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 산화제 가스에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.
개질 장치는 촉매에 의한 연료의 수증기 개질(SR: Steam Reforming) 반응, 부분 산화(POX: Partial Oxiation) 반응 또는 자열 개질(ATR: Auto-Thermal Reforming) 반응으로서 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다.
수증기 개질 반응은 수소의 수율과 안정성이 상대적으로 높은 반면, 큰 흡열 반응이므로 많은 양의 열을 외부에서 공급해야 하는 단점이 있고, 화학평형 면에서의 전환율 제한과 낮은 반응속도에 의하여 장치가 커지게 되는 단점이 있다.
부분 산화 반응은 다소 발열 반응이므로 열공급이 수증기 개질 반응에 비하여 최소화되고, 반응 속도가 더 빠르므로 장치가 작아지고 전환율은 더 높아지게 된다. 자열 개질 반응은 연료의 수증기 개질 반응과 부분 산화 반응이 동시에 일어나는 반응으로서 반응 속도 및 응답이 빠른 장점이 있다.
그런데, 종래의 연료 개질 장치는, 촉매에 의한 연료의 부분 산화 반응 또는 자열 개질 반응으로서 개질 가스를 발생시키는 경우, 그 촉매에서는 대략 700℃ 이상의 열을 발생시킨다.
이에, 종래의 연료 개질 장치는 핫-스팟(hot spot) 현상 즉, 촉매에서 발생되는 열이 금속 소재로 이루어진 반응기의 내벽면에 집중됨으로 인해 그 내벽면이 쉽게 산화되고, 반응기의 내부에 산화 파티클로 의한 코크(coke)를 형성하게 된다.
따라서, 종래에 의한 연료 개질 장치는 반응기의 내벽면이 상기한 핫-스팟 현상에 의해 산화되면서 코크를 형성하게 됨으로써, 연료를 포함하는 반응물의 이동이 원활하지 못하게 되고, 촉매의 반응 효율이 저하되며, 전체 장치의 내구성 및 신뢰성이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 예시적인 실시예는 연료의 부분 산화 반응 또는 자열 반응으로서 발생되는 열 에너지에 의해 반응기가 쉽게 산화되지 않고, 산화 파티클로 인한 코크의 형성을 억제함은 물론, 반응 효율을 더욱 촉진시킬 수 있는 연료 개질 장치를 제공한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질 장치는, 도관 형태로 이루어진 반응기 본체와, 상기 반응기 본체의 내부에 형성되어 탄화수소계 연료 및 산화제를 포함하는 반응물의 적어도 부분 산화(POX: Partial Oxiation) 반응을 촉진시켜 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 촉매 반응부와, 상기 반응기 본체의 내벽면에 코팅 형성되어 상기 부분 산화 반응에 의해 발생되는 열을 단열하는 단열층을 포함하며, 상기 촉매 반응부는 상기 반응기 본체의 내부에 설치된 모노리스 타입의 촉매 성형체와, 상기 촉매 성형체에 코팅 형성된 제1 촉매층과, 상기 단열층에 코팅 형성된 제2 촉매층을 포함한다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 단열층이 상기 제2 촉매층을 지지하는 지지체로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 반응물의 부분 산화 반응에 의해 상기 개질 가스를 발생시키는 부분 산화(POX) 반응기로서 구성될 수 있다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 반응물의 부분 산화 반응 및 수증기 개질 반응(SR: Steam Reforming)에 의해 상기 개질 가스를 발생시키는 자열 개질(ATR: Auto-Thermal Reforming) 반응기로서 구성될 수도 있다. 이 경우 상기 반응물은 물을 더욱 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 단열층은 알루미나(Al2O3), 실리 카(SiO2), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2) 및 란타나((La2O3)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 세라믹 소재로 이루어질 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 촉매 성형체는 상기 반응기 본체의 길이 방향을 따라 복수의 통로를 형성하고, 상기 통로의 내벽면에 상기 제1 촉매층을 형성할 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층은 Pt, Ru, Pd, Rh 및 Ir로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 촉매 물질을 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 반응기 본체가 스테인레스 스틸로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 개질장치의 초기 기동시 상기 촉매 반응부를 가열하기 위해, 상기 반응기 본체의 일측 단부에 설치되어 상기 반응물을 상기 반응기 본체 내부에서 연소시키는 점화기를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 반응기 본체는 상기 반응물을 주입시키기 위한 반응물 주입부와, 상기 개질 가스를 배출시키기 위한 개질 가스 배출부를 구비할 수 있다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 반응기 본체에 설치되어 상기 반응물에 함유된 물을 증발시키는 증발부를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 증발부는 상기 반응기 본체의 외주면에 코일 형태로 접촉되게 설치되어 상기 반응물의 패스를 형성하는 패스부재를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치는, 상기 반응기 본체의 내부에 형성되어 상기 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 더욱 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 장치에 있어서, 상기 일산화탄소 저감부는 상기 개질 가스의 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 제2 촉매 반응부를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 제2 촉매 반응부는 모노리스 타입의 제2 촉매 성형체와, 상기 제2 촉매 성형체에 코팅 형성된 제3 촉매층을 포함할 수 있다.
상기 연료 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.
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 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 개략적인 단면 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 개질 장치(100)는 연료의 부분 산화(POX: Partial Oxiation) 반응으로서 수소를 함유한 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, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스가 사용될 수 있다.
본 실시예에서, 연료 개질 장치(100)는 부분 산화(POX) 반응기로 구성될 수 있다. 이 부분 산화 반응기는 연료의 부분 산화 반응이 화학식 1에서와 같이 다소 발열 반응이므로, 화학식 2에서와 같은 수증기 개질(SR: Steam Reforming) 반응에 비해 열 공급이 최소화 되고, 반응 속도가 빠르며, 전체 장치를 컴팩트하게 구현할 수 있는 장점을 지닌다.
Figure 112007031198788-pat00002
이러한 연료 개질 장치(100)는 반응기 본체(10)와, 반응기 본체(10)의 내부에 형성된 제1 촉매 반응부(30)를 포함한다.
반응기 본체(10)는 소정의 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 밀폐된 원통형의 파이프 타입으로 이루어진다. 이 반응기 본체(10)는 통상적인 금속 소재 예컨대, 스테인레스 스틸(SUS) 소재로서 형성될 수 있다.
제1 촉매 반응부(30)는 발열 반응으로서 연료와 산화제(이하에서는 "반응물"이라고 한다.)의 부분 산화 반응을 촉진시켜 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 기능을 하게 된다. 제1 촉매 반응부(30)는 모노리스 타입의 제1 촉매 성형체(31)에 제1 촉매층(33)이 코팅 형성된 구조로 이루어진다.
제1 촉매 성형체(31)는 반응기 본체(10)의 내부 공간에 배치되며, 세라믹 또는 금속 소재를 압출 성형하여 단일체의 모듈로서 제작된다. 이러한 제1 촉매 성형체(31)는 반응물의 흐름 방향과 평행한 벌집(honeycomb) 모양의 제1 통로들(35)을 형성하고 있다.
제1 촉매층(33)은 제1 촉매 성형체(31)의 제1 통로(35) 내벽면에 코팅 형성된다. 이러한 제1 촉매층(33)은 반응물의 부분 산화 반응을 촉진시킬 수 있는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 또는 이리듐(Ir)의 촉매 물질로서 이루어진다.
상기와 같이 구성되는 연료 개질 장치(100)는 초기 기동시, 상온에서 반응물이 제1 촉매 반응부(30)에 의하여 부분 산화 반응을 일으킬 수 없기 때문에, 반응물의 부분 산화 반응이 개시되는 온도 범위의 열 에너지를 제1 촉매 반응부(30)에 제공할 필요가 있다.
이를 위해 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(100)는 반응기 본체(10)의 일측 단부에 설치되는 점화기(50)를 포함하고 있다. 점화기(50)는 개질 장치(100)의 초기 기동시 제1 촉매 반응부(30)를 가열하기 위해 반응기 본체(10)의 내부로 주입되는 반응물을 전기 불꽃으로서 연소시키기 위한 것이다.
이 점화기(50)은 전기적인 스파크로서 불꽃을 발생시키는 통상적인 구조의 점화장치로서, 전원을 인가받아 전기 불꽃을 발생시키는 전기 불꽃 발생부(51)를 구비하고 있다. 이러한 점화기(50)는 당 업계에서 널리 사용되는 통상적인 점화장치의 구성으로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략한다.
따라서 본 실시예에서는 개질 장치(100)의 초기 기동시, 반응기 본체(10)의 내부로 주입되는 반응물을 점화기(50)를 이용하여 연소시킴으로써 제1 촉매 반응부(30)를 일정한 온도 범위로 가열할 수 있게 된다.
도면에서, 참조부호 53은 반응기 본체(10)의 일측 단부에 형성되어 반응기 본체(10)의 내부로 반응물을 주입하기 위한 반응물 주입부를 나타낸다. 그리고 참조부호 55는 반응기 본체(10)의 다른 일측 단부에 형성되어 제1 촉매 반응부(30)에 의한 반응물의 부분 산화 반응으로서 생성되는 개질 가스를 배출시키기 위한 개질 가스 배출부를 나타낸다.
여기서, 반응물 주입부(53)는 반응기 본체(10)의 일측 단부에 별도로 형성되는 것에 한정되지 않고, 점화기(50)에 일체로 형성될 수도 있다.
이와 같은 연료 개질 장치(100)는 정상 구동시, 제1 촉매 반응부(30)에 의한 반응물의 부분 산화 반응이 진행되는 과정에서, 제1 촉매 반응부(30)에서는 대략 600~900℃의 열을 발생시킨다. 이러한 열은 일반적으로 700℃ 이상의 온도에서 스 테인레스 스틸(SUS)을 산화시킬 수 있다.
이로 인해 반응기 본체(10)는 제1 촉매 반응부(30)에서 발생되는 열이 내벽면에 집중됨으로써 그 내벽면이 산화될 수 있다. 따라서, 반응기 본체(10)의 내부에는 Fe, Co, Cr, Ni 등과 같은 산화 파티클이 발생되는 바, 이 산화 파티클은 코크(coke)를 형성하는 전구체로 작용하게 된다.
이에, 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(100)는 반응기 본체(10)의 내벽면에 코팅 형성되는 단열층(70)을 포함하고 있다. 이 단열층(70)은 제1 촉매 반응부(30)에 의한 반응물의 부분 산화 반응으로서 발생되는 열 에너지가 반응기 본체(10)의 내벽면에 직접 전달되는 것을 차단하는 이른 바 단열재로서의 기능을 하게 된다.
단열층(70)은 도면에 도시된 바와 같이, 반응기 본체(10)의 내벽면 전체에 코팅 형성될 수 있으며, 열 에너지가 집중적으로 작용하는 소정의 내벽면에 부분적으로 코팅 형성될 수도 있다.
이러한 단열층(70)은 일반적으로 비활성인 세라믹 소재로 이루어지는 바, 더욱 바람직하게는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2) 또는 란타나(La2O3)로 이루어질 수 있다.
따라서 본 실시예에서는 반응기 본체(10)의 내벽면에 단열층(70)이 코팅 형성되어 있기 때문에, 반응물의 부분 산화 반응으로서 발생되는 열 에너지에 의해 반응기 본체(10)의 내벽면이 산화되는 것을 방지하고, 궁극적으로는 산화 파티클의 생성을 막아 반응기 본체(10)의 내벽면에 코크가 생성되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(100)에 있어, 제1 촉매 반응부(30)는 반응물의 부분 산화 반응을 더욱 촉진시키기 위해 단열층(70)에 코팅 형성된 제2 촉매층(80)을 포함할 수 있다.
제2 촉매층(80)은 제1 촉매층(33)과 같은 촉매 물질로서 이루어지며, 단열층(70)의 표면에 코팅 형성된다. 이 때, 단열층(70)은 제2 촉매층(80)을 지지하는 지지체(담지체)로서의 기능을 하게 된다.
이로써 본 실시예에서는 단열층(70)에 코팅 형성되는 제2 촉매층(80)을 구비함에 따라, 제2 촉매층(80)으로 인해 반응물의 부분 산화 반응을 더욱 촉진시킬 수 있으므로 전체 장치의 반응 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(100)의 작용을 설명하면, 개질 장치(100)의 초기 기동시 반응물은 반응물 주입부(53)를 통해 반응기 본체(10)의 내부로 주입된다.
이어서, 점화기(50)는 전기 불꽃을 발생시켜 반응물을 연소시킨다. 그러면, 제1 촉매 반응부(30)는 반응물이 연소되면서 발생하는 화염에 의해 소정의 온도 범위로서 가열된다.
다음으로는, 개질 장치(100)의 정상 구동이 이루어지는 시점으로, 점화기(50)가 오프된 상태에서 반응물은 반응물 주입부(53)를 통해 반응기 본체(10)의 내부로 공급된다.
따라서 제1 촉매 반응부(30)는 제1 촉매 성형체(31)에 코팅 형성된 제1 촉매층(33)에 의한 반응물의 부분 산화 반응을 촉진시켜 수소를 함유한 개질 가스를 발 생시킨다. 이 때, 개질 가스는 반응기 본체(10)의 개질 가스 배출부(55)를 통해 배출된다.
이 과정에서, 반응기 본체(10)의 내부에서는 반응물의 부분 산화 반응에 의해 700℃ 이상의 열이 발생되는 바, 반응기 본체(10)의 내벽면에 단열층(70)이 코팅 형성되어 있으므로, 반응기 본체(10)의 내벽면으로 전달되는 열 에너지가 단열층(70)에 의해 일부 차단된다. 따라서 본 실시예에서는 열에 의해 반응기 본체(10)의 내벽면이 산화되는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 본 실시예에 의한 제1 촉매 반응부(30)는 단열층(70)에 코팅 형성된 제2 촉매층(80)을 더욱 구비하고 있으므로, 제2 촉매층(80)에 의해 반응물의 부분 산화 반응을 더욱 촉진시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(200)는 반응물의 부분 산화 반응과 수증기 개질 반응이 동시에 일어나는 자열 개질(ATR: Auto-Thermal Reforming) 반응기로서 구성될 수 있다.
이 자열 개질 반응기는 화학식 3에서와 같이 발열 반응으로서 부분 산화 반응이 짧은 순간에 일어나고, 이어서 화학식 4 및 화학식 5에서와 같이 흡열 반응인 수증기 개질 반응이 서서히 일어나는 매커니즘을 갖는다.
Figure 112007031198788-pat00003
Figure 112007031198788-pat00004
Figure 112007031198788-pat00005
여기서, 반응물은 연료 및 산화제 외에, 수증기 개질 반응을 도모하기 위한 물을 더욱 포함할 수 있다.
이에, 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(200)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 반응물에 함유된 물을 증발시킬 수 있는 증발부(160)를 더욱 포함한다.
이 증발부(160)는 반응기 본체(110)의 외주면에 접촉되게 설치되는 패스부재(161)를 구비하는 바, 이 패스부재(161)는 반응기 본체(110)의 외주면에 코일 형태로 감기면서 반응물을 통과시킬 수 있는 패스를 형성한다.
본 실시예에서, 패스부재(161)는 반응기 본체(110)로부터 열 에너지를 제공받아 반응물에 함유된 물을 증발시키기 위한 것으로서, 열전도성을 지닌 금속 소재의 파이프 형태로 이루어진다. 이 때, 패스부재(161)는 반응기 본체(110)의 반응물 주입부(153)와 연결된다.
따라서 본 실시예에서는 패스부재(161)로 반응물을 유통시키게 되면, 반응기 본체(110) 자체의 열 에너지가 패스부재(161)로 전달되면서 반응물에 함유된 물을 증발시킬 수 있다. 이 때 수증기는 연료 및 산화제와 함께 반응물 주입부(153)를 통해 반응기 본체(110)의 내부로 주입된다.
이로써 반응기 본체(110)의 내부에서는 제1 촉매 반응부(130)에 의한 반응물의 부분 산화 반응 및 수증기 개질 반응이 동시에 진행되면서 수소를 함유한 개질 가스를 발생시킨다.
본 실시예에 의한 연료 개질 장치(200)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 연료 개질 장치(300)는 전기 제2 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 일산화탄소 저감부(290)를 더욱 포함할 수 있다.
일산화탄소 저감부(290)는 일산화탄소의 수성가스 전환(WGS: Water Gas Shift) 반응을 촉진시키는 제2 촉매 반응부(291)를 구비한다. 제2 촉매 반응부(291)는 발열 반응으로서 일산화탄소의 수성가스 전환 반응을 촉진시켜 그 일산화탄소의 농도를 저감시키는 기능을 하게 된다.
제2 촉매 반응부(291)는 반응기 본체(210)의 내부 공간에 대해 제1 촉매 반응부(230)의 제1 촉매 성형체(231)와 이격되게 배치된다. 즉, 제2 촉매 반응부(291)는 제1 촉매 성형체(231)의 통로 출구단과 이격되게 배치된다. 이러한 제2 촉매 반응부(291)는 모노리스 타입의 제2 촉매 성형체(293)에 제3 촉매층(295)이 코팅 형성된 구조로 이루어진다.
제2 촉매 성형체(293)는 반응기 본체(210)의 내부 공간에 배치되며, 세라믹 또는 금속 소재를 압출 성형하여 단일체의 모듈로서 제작된다. 이러한 제2 촉매 성형체(293)는 반응물의 흐름 방향과 평행한 벌집(honeycomb) 모양의 제2 통로들(297)을 형성하고 있다.
제3 촉매층(295)은 제2 촉매 성형체(293)의 제2 통로(297) 내벽면에 코팅 형성된다. 이러한 제3 촉매층(295)은 일산화탄소의 수성가스 전환 반응을 촉진시킬 수 있는 구리(Cu), 아연(Zn), 철(Fe), 크롬(Cr)과 같은 촉매 물질로서 이루어진다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 제1 촉매 반응부(230)에 의한 자열 개질 반응으로서 생성된 개질 가스는 제2 촉매 반응부(291)에 의한 일산화탄소의 수성가스 전환 반응을 통해 일산화탄소의 농도가 저감된다. 이 때, 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스는 반응기 본체(210)의 개질 가스 배출부(255)를 통해 배출된다.
본 실시예에 의한 연료 개질 장치(300)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제2 실시예와 같으므로 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, 반응기 본체의 내벽면에 단열 층을 구비함에 따라, 반응물의 부분 산화 반응 또는 자열 개질 반응으로서 발생되는 열 에너지에 의해 반응기 본체의 내벽면이 산화되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예서는 산화 파티클의 생성을 막아 반응기 본체의 내벽면에 코크가 생성되는 것을 방지할 수 있으므로, 장치의 내구성 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 단열층에 별도의 촉매층을 형성함에 따라, 연료의 반응 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (19)

  1. 도관 형태로 이루어진 반응기 본체;
    상기 반응기 본체의 내부에 형성되어 탄화수소계 연료 및 산화제를 포함하는 반응물의 적어도 부분 산화(POX: Partial Oxiation) 반응을 촉진시켜 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 촉매 반응부; 및
    상기 반응기 본체의 내벽면에 코팅 형성되어 상기 부분 산화 반응에 의해 발생되는 열을 단열하는 단열층
    을 포함하며,
    상기 촉매 반응부는, 상기 반응기 본체의 내부에 설치된 모노리스 타입의 촉매 성형체와, 상기 촉매 성형체에 코팅 형성된 제1 촉매층과, 상기 단열층에 코팅 형성된 제2 촉매층을 포함하는 연료 개질 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 단열층이 상기 제2 촉매층을 지지하는 지지체로서 이루어지는 연료 개질 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 반응물의 부분 산화 반응에 의해 상기 개질 가스를 발생시키는 부분 산화(POX) 반응기로서 구성되는 연료 개질 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 반응물의 부분 산화 반응 및 수증기 개질 반응(SR: Steam Reforming)에 의해 상기 개질 가스를 발생시키는 자열 개질(ATR: Auto-Thermal Reforming) 반응기로서 구성되는 연료 개질 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 반응물이 물을 더욱 포함하는 연료 개질 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 단열층이 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2) 및 란타나((La2O3)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 세라믹 소재인 연료 개질 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매 성형체는 상기 반응기 본체의 길이 방향을 따라 복수의 통로를 형성하고, 상기 통로의 내벽면에 상기 제1 촉매층을 형성하는 연료 개질 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층은 Pt, Ru, Pd, Rh 및 Ir로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 촉매 물질을 포함하는 연료 개질 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 반응기 본체가 스테인레스 스틸로서 이루어지는 연료 개질 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 개질장치의 초기 기동시 상기 촉매 반응부를 가열하기 위해,
    상기 반응기 본체의 일측 단부에 설치되어 상기 반응물을 상기 반응기 본체 내부에서 연소시키는 점화기를 포함하는 연료 개질 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 반응기 본체는 상기 반응물을 주입시키기 위한 반응물 주입부를 구비하는 연료 개질 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 반응기 본체는 상기 개질 가스를 배출시키기 위한 개질 가스 배출부를 구비하는 연료 개질 장치.
  13. 제5 항에 있어서,
    상기 반응기 본체에 설치되어 상기 반응물에 함유된 물을 증발시키는 증발부를 더욱 포함하는 연료 개질 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 증발부는 상기 반응기 본체의 외주면에 코일 형태로 접촉되게 설치되어 상기 반응물의 패스를 형성하는 패스부재를 포함하는 연료 개질 장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 반응기 본체의 내부에 형성되어 상기 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 더욱 포함하는 연료 개질 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 저감부는 상기 개질 가스의 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 제2 촉매 반응부를 포함하는 연료 개질 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제2 촉매 반응부는 모노리스 타입의 제2 촉매 성형체와, 상기 제2 촉매 성형체에 코팅 형성된 제3 촉매층을 포함하는 연료 개질 장치.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 연료로서 상온에서 기체 상태인 액화 가스를 사용하는 연료 개질 장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 연료는 메탄, 에탄, 프로판, 및 부탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 주성분으로 하는 것인 연료 개질 장치.
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