KR100905422B1 - Fuel Reformer And Manufacturing Method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료개질기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전달 효과를 고려하여 활성 촉매 코어와 비활성 촉매를 교대로 적층하므로써 적은 촉매량으로도 효율적 수소 생산이 가능하도록 한 연료개질기 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel reformer and a method for manufacturing the same, and more particularly, a fuel reformer and a method for manufacturing the same, which enable efficient hydrogen production with a small amount of catalyst by alternately stacking an active catalyst core and an inert catalyst in consideration of a heat transfer effect. It is about.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수증기 개질용 연료개질기(1)로서, 상기 연료개질기(1)는 금속제 튜브(11); 상기 튜브(11) 내부에 적층되되 상기 튜브(11)의 높이보다는 낮은 높이로 적층되는 활성 촉매코어(12); 및 상기 활성 촉매코어(12)에 이어 상기 튜브(11) 내부에 적층되는 것으로 열전도도가 높은 비활성 촉매코어(13);를 포함하는 것이 특징인 연료개질기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a steam reforming fuel reformer (1), the fuel reformer (1) is a metal tube (11); An active catalyst core 12 stacked inside the tube 11 but stacked at a height lower than that of the tube 11; And an inert catalyst core 13 having a high thermal conductivity by being stacked inside the tube 11 after the active catalyst core 12.
또한, 본 발명은 수증기 개질용 연료개질기의 제조 방법에 있어서, 금속제 튜브(11)를 제공하는 제1단계; 상기 튜브(11)의 내부에 상기 튜브(11)의 높이보다는 낮은 높이로 활성 촉매코어(12)를 적층하는 제2단계; 및 상기 활성 촉매코어(12)에 이어 상기 튜브 내부에 열전도도가 높은 비활성 촉매코어(13)를 적층하는 제3단계를 포함하는 것이 특징인 연료개질기의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a fuel reformer for steam reforming, the first step of providing a metal tube (11); Stacking an active catalyst core (12) at a height lower than that of the tube (11) inside the tube (11); And a third step of stacking the inert catalyst core 13 having high thermal conductivity inside the tube after the active catalyst core 12.
연료전지, 연료개질기, 촉매, 충진, 활성, 비활성, 열전도도 Fuel cell, fuel reformer, catalyst, filling, active, inert, thermal conductivity
Description
본 발명은 연료개질기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전달 효과를 고려하여 활성 촉매 코어와 비활성 촉매를 교대로 적층하므로써 적은 촉매량으로도 효율적 수소 생산이 가능하도록 한 연료개질기 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel reformer and a method for manufacturing the same, and more particularly, a fuel reformer and a method for manufacturing the same, which enable efficient hydrogen production with a small amount of catalyst by alternately stacking an active catalyst core and an inert catalyst in consideration of a heat transfer effect. It is about.
연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜서 전기와 부산물인 물을 만들어 내는 발전시스템이다. 이러한 연료전지는 에너지효율이 우수하여 내연기관을 대체할 것으로 예상되며 세계적으로 활발히 연구, 개발이 진행되고 있다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical energy into electrical energy by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen to produce electricity and water as a byproduct. Such fuel cells are expected to replace internal combustion engines due to their excellent energy efficiency and are being actively researched and developed around the world.
연료전지에 있어서 안정적인 수소 연료의 공급은 대단히 중요한데, 연료전지에 수소를 공급하는 방법으로는 수소 자체를 보관하는 방법도 초기에 제안되었으나 안전상의 이유로 이용이 쉽지 않고, 대부분 수소를 함유하는 연료를 개질하여 수소를 생산해 내는 연료개질법을 사용한다.Stable supply of hydrogen fuel is very important in fuel cells. As a method of supplying hydrogen to fuel cells, a method of storing hydrogen itself was also proposed at the beginning, but it is not easy to use for safety reasons, and most fuels containing hydrogen are reformed. Fuel reforming to produce hydrogen.
연료개질법에 의한 수소 생산 방법으로는 자열개질(Autothermal Reforming, ATR), 부분산화개질(Partial Oxidation, POX) 및 수증기 개질(Steam Reforming, SR) 방법 등이 알려져 있다. 이 중 수증기 개질법은 높은 수소 수득율을 이룰 수 있다는 장점으로 주로 사용되고 있으나, 수증기 개질 반응은 특성상 강한 흡열반응(endothermic reaction)에 해당되어 외부로부터 열이 공급되어야 반응이 일어난다는 단점이 있다. 열을 공급하는 방법으로는 연소로(furnace)를 가열하여 외부 연소로부터 얻은 반응열을 반응기 주위로 흘려주어 열을 공급하는 방법이 주로 채택된다. 또한, 반응기 내부로 유입되는 개질용 탄화수소 가스의 입구 온도를 올리는 방법도 하나의 대안으로 모색되고 있다.Hydrogen production by fuel reforming is known as Autothermal Reforming (ATR), Partial Oxidation (POX) and Steam Reforming (SR). Among them, the steam reforming method is mainly used for the advantage of achieving a high hydrogen yield, but the steam reforming reaction is a strong endothermic reaction due to its characteristics, so that the reaction occurs only when heat is supplied from the outside. As a method of supplying heat, a method of supplying heat by heating a furnace and flowing reaction heat obtained from external combustion around the reactor is mainly adopted. In addition, a method of raising the inlet temperature of the reforming hydrocarbon gas introduced into the reactor has also been sought as an alternative.
도 1에 종래의 Haldor-Topsoe 열교환기형 개질기(100)를 도시하였다. 연료주입구(140)로 유입되는 탄화수소 연료 가스는 1차 촉매(110)와 2차 촉매(120)를 순차적으로 통과하며 수증기 개질을 통해 수소 가스로 전환되고, 수소 출구(141)를 통해 연료개질기(100)를 빠져 나간다. 1차 촉매(110) 및 2차 촉매(120)에서 진행되는 수증기 개질 반응을 위한 반응열은 케이싱(150) 하부에 마련된 버너(130)를 통해 공급한다. 통상 버너(130)의 연료는 합성가스를 사용하는 것이 일반적이나, 도 1에 도시한 바와 같이 연료전지 출구 측에서 나온 미반응 연료를 공기와 혼합하여 사용하는 방법도 있다. 버너(130)에서 생성된 고온의 반응 가스는 2차 촉매(120) 및 1차 촉매 측을 돌아 연소가스 출구(131)로 빠져 나가며 촉매를 지나는 개질 가스에 반응열을 공급한다. 이 때 상기 1차 촉매(110) 및 2차 촉매(120)의 반응기 튜브(11)는 열전달 특성이 우수하고 고온 환경에서도 기계적 특성이 변하지 않는 재질로 선택되어야 한다.1 illustrates a conventional Haldor-Topsoe
일반적으로 현재까지 사용된 수증기 개질용 촉매는 비교적 가격이 낮은 니켈(Ni) 계열의 촉매를 사용하였다. 크롬과 8족 귀금속들도 활성을 갖기는 하지만 비교적 가격이 비싼 편이다. 니켈과 루테늄 촉매는 300도 정도의 비교적 낮은 온도에서도 메탄을 전환시킬 수 있는 촉매 특성을 갖는다.In general, the catalyst for steam reforming used up to now used a nickel (Ni) -based catalyst which is relatively inexpensive. Chromium and Group VIII precious metals are also active but relatively expensive. Nickel and ruthenium catalysts have catalytic properties that can convert methane even at relatively low temperatures of around 300 degrees.
그러나 니켈, 루테늄 등은 좋은 촉매 특성을 보임에도 불구하고 여전히 비싼 편이다. 종래 대부분의 촉매 관련 연구는 화학공학 부분에서는 촉매의 제조법이나 활성도(activity)를 향상시키는 방향으로 집중되었다. 통상 촉매는 여러 개의 합금 개질용 튜브에 장착되고, 이들 튜브가 연소로(furnace) 내에 장착되어 운용되고 있으나, 튜브형 개질기는 여전히 비싼 장치 중의 하나이다. 따라서 열전달 효율의 향상으로 튜브의 숫자를 줄이고 촉매량도 줄여 반응기의 크기도 줄이는 한편, 제작비도 절감하려는 노력이 절실한 실정이다.However, nickel and ruthenium are still expensive despite their good catalytic properties. In the past, most of the research related to catalysts focused on improving the preparation method or activity of the catalyst in the chemical engineering area. Catalysts are usually mounted in several alloy reforming tubes, and these tubes are mounted and operated in a furnace, but tubular reformers are still one of the expensive devices. Therefore, efforts to reduce the number of tubes, reduce the amount of catalyst, reduce the size of the reactor, and reduce the manufacturing cost by improving the heat transfer efficiency are urgently needed.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 새로운 촉매 충진법을 제시함으로써 적은 양의 촉매를 사용하고도 종래와 동일한 수준 또는 그 이상의 수소 수득율을 얻도록 하며, 열전달 특성을 개선하여 촉매 교환 주기도 늘릴 수 있는 촉매 충진 방법 및 이를 이용한 연료개질기를 제공하고자 하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, by presenting a new catalyst filling method to obtain a hydrogen yield of the same or higher than conventional, even with a small amount of catalyst, improve the heat transfer characteristics to improve the catalyst exchange cycle It is an object of the present invention to provide a catalyst filling method and a fuel reformer using the same.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수증기 개질용 연료개질기(1)로서, 상기 연료개질기(1)는 금속제 튜브(11); 상기 튜브(11) 내부에 적층되되 상기 튜브(11)의 높이보다는 낮은 높이로 적층되는 활성 촉매코어(12); 및 상기 활성 촉매코어(12)에 이어 상기 튜브(11) 내부에 적층되는 것으로 열전도도가 높은 비활성 촉매코어(13);를 포함하는 것이 특징인 연료개질기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a steam reforming fuel reformer (1), the fuel reformer (1) is a metal tube (11); An
여기서, 상기 활성 촉매코어(12) 및 비활성 촉매코어(13)는 2회 이상 교대로 반복하여 적층되는 것이 특징이다.Here, the
한편, 상기 반복하여 적층된 활성 촉매코어(12)의 높이는 균일하지 않은 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable that the height of the repeatedly stacked
더욱이, 상기 반복하여 적층된 활성 촉매코어(12)의 높이는 연료개질기(1) 튜브(11)의 입구에서 출구측으로 갈수록 작아지는 것이 훨씬 바람직하다.Furthermore, it is even more preferable that the height of the repeatedly stacked
한편, 상기 튜브(11)는 탄소강, 동, 스테인레스강, 인코넬, 인콜로이 또는 하스텔로이로부터 선택된 재질로 되는 것이 특징이다.On the other hand, the
또한, 상기 튜브(11)의 내표면에는 촉매층이 더 포함되어 형성된 것이 바람직하다. In addition, it is preferable that the inner surface of the
또한, 상기 비활성 촉매코어(13)는 알루미나 계열로부터 선택된 재질을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the
본 발명의 다른 일측면으로서, 본 발명은 수증기 개질용 연료개질기의 촉매를 충진하는 방법에 있어서, 금속제 튜브(11)를 제공하는 제1단계; 상기 튜브(11)의 내부에 상기 튜브(11)의 높이보다는 낮은 높이로 활성 촉매코어(12)를 적층하는 제2단계 ; 및 상기 활성 촉매코어(12)에 이어 상기 튜브 내부에 열전도도가 높은 비활성 촉매코어(13)를 적층하는 제3단계를 포함하는 것이 특징인 연료개질기의 촉매 충진 방법을 제공한다.In another aspect of the present invention, the present invention provides a method for filling a catalyst of a steam reformer for fuel reformer, comprising: a first step of providing a metal tube (11); A second step of stacking the
상기 충진 방법에서, 상기 제2단계 및 제3단계를 2회 이상 교대로 반복하는 것이 좋다.In the filling method, it is preferable to repeat the second step and the third step two or more times.
또한, 상기 충진을 교대로 반복함에 있어서 서로 다른 높이의 활성 촉매코어(12)를 사용하여 충진하는 것이 바람직하다. In addition, it is preferable to use the
더욱이, 상기 충진을 교대로 반복함에 있어서 적층되는 서로 다른 활성 촉매코어(12)의 높이는 연료개질기(1) 튜브(11)의 입구에서 출구측으로 갈수록 작아지도록 충진하는 것이 훨씬 유리하다. Furthermore, it is much more advantageous to fill so that the heights of the different
본 발명에서 제공하는 새로운 형태의 연료개질기용 촉매 충진 방법 및 그 연료개질기를 사용함에 따라, 적은 촉매 제조비용으로도 동등 혹은 우수한 수준의 수소 수득율을 얻는 것이 가능하며, 열전달 특성이 개선되어 연료개질기의 장기 운전 성능이 보장된다.According to the present invention, a catalyst charging method for a fuel reformer and a fuel reformer using the new type of fuel reformer can obtain an equivalent or excellent level of hydrogen yield even at a low catalyst production cost, and the heat transfer characteristics are improved to improve the fuel reformer. Long term driving performance is guaranteed.
본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 연료개질기의 부분 절개 사시도이고, 도 3a 는 본 발명과 종래의 연료개질기의 단면도이며, 도 3b는 상기 도 3a에 도시한 연료개질기의 길이에 따른 온도 그래프이고, 도 3c는 상기 도 3에 도시한 연료개질기의 성능을 나타낸 그래프이며, 도 4a는 본 발명에 따른 연료개질기의 다양한 형태를 나타낸 단면도이고, 도 4b는 상기 도 4a에 도시한 연료개질기의 길이에 따른 온도 그래프이고, 도 4c는 상기 도 4a에 도시한 연료개질기의 성능을 나타낸 그래프이다.Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Figure 2 is a partial cutaway perspective view of a fuel reformer according to the present invention, Figure 3a is a cross-sectional view of the fuel reformer and the present invention, Figure 3b is a temperature graph according to the length of the fuel reformer shown in Figure 3a, Figure 3c 3 is a graph showing the performance of the fuel reformer shown in Figure 3, Figure 4a is a cross-sectional view showing various forms of the fuel reformer according to the present invention, Figure 4b is a temperature graph according to the length of the fuel reformer shown in Figure 4a 4C is a graph showing the performance of the fuel reformer shown in FIG. 4A.
종래 기술과 다르지 않은 부분으로서 필요하지 않은 사항은 설명에서 제외하나, 본 발명의 기술적 사상과 그 보호범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Matters that are not required as a part that is not different from the prior art are excluded from the description, but the technical spirit and protection scope of the present invention are not limited thereto.
본 발명의 촉매 충진 방법은 활성 촉매코어(12)와 비활성 촉매코어(13)를 교대로 금속제 튜브(11) 내에 적층하는 것이 특징이다. 이 때, 상기 비활성 촉매코어(13)는 열전도도가 높아 튜브의 길이 방향 및 반경방향(첨가)으로의 열전달 효율은 우수하되 개질 반응에 대하여는 촉매 특성이 비활성화 된 일반적 촉매를 지칭한다.The catalyst filling method of the present invention is characterized in that the
도 2를 참조하여 본 발명의 촉매 충진 방법이 적용된 연료개질기(1)를 좀 더 자세히 설명한다. 본 발명의 연료개질기(10)는 금속제 튜브(11) 내에 활성 촉매코어(12)와 비활성 촉매코어(13)를 교대로 적층하여 제조된다. The
상기 튜브(11)는 수증기 개질에 필요한 반응열이 외부로부터 열저항 이 적은 상태로 전달되도록 금속제로 하는 것이 바람직하며, 상기 튜브(11)의 재질로는 탄소강, 동, 또는 스테인레스강일 수 있다. 또한, 더 나아가 인코넬, 인콜로이 또는 하스텔로이와 같은 물질로 제조되는 것도 바람직하다. 상기 튜브(11)는 기계적 강도에 문제가 없는 한 두께를 되도록 작게 설계하는 것이 필요하다. The
상기 튜브(11)의 내표면에는 귀금속 또는 무기물 산화 촉매를 별도로 형성하여 튜브(11) 표면에 반응물이 침착되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.It is preferable to form a noble metal or inorganic oxidation catalyst separately on the inner surface of the
상기 활성 촉매코어(12)는 세라믹 포옴(foam)이나 모노리스(monolith) 담체에 담지된 형태로 사용되며, 모노리스 담체에 촉매를 담지시키는 방법은 워시코팅(wash coating)법이 사용될 수 있다. 워시코팅법은 물과 바인더를 혼합한 용액을 만들어 촉매를 넣고 반죽한 후, 볼밀 등의 장비를 이용하여 교반하고 담체나 모노리스에 디핑(dipping)하여 촉매코어(12)를 얻는 방법이다. 세라믹 포옴이나 모노리스는 압력강하를 최소화하기 위하여 높은 공극율을 갖도록 제조된다. 상기 모노리스의 재질로는 Al2O3, Ca-aluminate, MgO 등이 적당하며, 상기 담지체에 Ni 등의 촉매가 사용되는 경우 반응온도는 대략 500도 이상이다.The
한편, 비활성 촉매코어(13)는 실제 촉매의 활성은 없으나, 열전도도가 우수한 물질로 채워진다. 상기 비활성이면서 열전도도가 우수한 물질로는 알루미나를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니고 개질 반응에 대하여 촉매 활성은 떨어지되 열전도도가 높아 튜브(11) 길이 및 반경방향으로는 열저항이 작은 물질이면 족하다. 한편, 상기 비활성 코어(13)는 열전도도가 우수한 흡착제(adsorbent) 혹은 흡수제(absorbent)일 수도 있다.On the other hand, the
촉매 지지판(14)은 수직 방향으로 적층되는 활성 촉매코어(12) 및 비활성 촉매코어(13)를 지지하는 것으로 개질 가스의 유동 저항이 적도록 체(screen), 그물(mesh), 구멍난 평판 혹은 다공성 소결 금속 평판 형태로 제조하는 것이 바람직하다. 재질로는 스테인레스강, 인코넬, 하스텔로이 혹은 적당한 세라믹 물질로 제조될 수 있다. 상기 촉매 지지판(14)은 촉매코어(12, 13)를 지지하는 외에 개질 반응물이 튜브(11) 단면에 고르게 퍼져 지나가도록 유도하는 유도판의 역할을 겸한다. The
또한, 상기 촉매 지지판(14)은 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 튜브(11)의 출구측에 구비될 수 있으며, 상기 활성 촉매코어(12) 또는 비활성 촉매코어(13)의 중간에도 구비될 수 있고, 상기 촉매 지지판(14)의 형성 두께 및 개수는 개질 가스의 이동을 방해하지 않는 범위 내로 형성되어야 함은 당연하다.In addition, the
본 발명의 촉매는 활성 촉매코어(12)와 비활성 촉매코어(13)를 교대로 적층하여 제조된다. 상기 적층의 수는 필요에 따라 달라질 수 있다. 즉, 도 4a에 도시한 case4 또는 case5와 같이 1회 교대로 적층하는 것으로 할 수도 있고, 튜브(11)의 길이가 상당히 길고 온도의 균일도가 중요하게 취급되는 경우에는 case6과 같이 적층 횟수를 증가시킬 수 있다. 상기 적층의 수는 튜브(11)의 길이 및 반응온도에 따라 최적화되는 것이 바람직하다.The catalyst of the present invention is produced by alternately stacking the
한편, 적층되는 상기 활성 촉매코어(12)의 높이(도 2에서 b, d, f)와 비활성 촉매코어(13)의 높이(도 2에서 a, c, e)가 동일할 필요는 없다. Meanwhile, the heights of the active catalyst cores 12 (b, d, f in FIG. 2) and the heights of the inactive catalyst cores 13 (a, c, e in FIG. 2) do not need to be the same.
상기 활성 촉매코어(12)의 높이는 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 튜브(11)의 길이방향에 따른 높이를 뜻하며, 본 발명의 연료개질기(1)는 튜브(11) 길이 방향으로의 온도 편차를 줄이기 위해 b>d>f의 순으로 높이를 다르게 설정할 수 있다. 상기 비활성 촉매코어(13)의 높이 또한 이와 유사한 형태로 다르게 정해질 수 있다. 활성 촉매코어(12)와 비활성 촉매코어(13)의 높이를 다르게 하는 방법은 모두 본 발명의 기술적 범위에 속한다. As shown in FIG. 2, the height of the
다음으로 본 발명의 구체적인 효과를 도 3과 도 4를 참조하여 자세히 설명한다. 도 3a에 종래의 촉매 적층 방법(case1, 2)과 본 발명의 적층 방법(case3)에 의해 제작된 연료개질기(1)의 절단면도를 도시하였다. 종래의 연료개질기(1)는 튜브(11) 내 전체에 촉매를 담지하도록 제작하는 것이로 상기 튜브(11) 내부에 본 발명의 활성 촉매코어(12)가 전체에 구비되는 것이며, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같이 비활성 촉매코어(13)와 활성 촉매코어(12)를 교대로 적층하여 제조한 것이다. 논의를 명확하게 하기 위하여 본 발명의 경우(case)는 1단만을 적층한 경우를 상정하여 테스트하였다. Next, the specific effects of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4. 3A is a sectional view of a
상기 도 3a에서 수직방향의 화살표는 상기 튜브(11) 외벽에 가해지는 열을 나타내는 것으로 그 길이에 따라 가해지는 열량의 세기를 나타낸다.In FIG. 3A, the vertical arrow indicates heat applied to the outer wall of the
아울러, 통상 연소가스에 의해 전달되는 현상을 실제와 가깝게 모사하기 위 하여 case2와 같은 선형화된 열전달 양상을 채택하는 것이 일반적이나, 비교 실험을 위하여 총 열전달량은 동일하되 선형 형태가 아닌 일정한 열유속을 갖는 case1까지 포함시켜 검토하였다. 개질 가스는 좌측 입구에서 촉매코어(12)로 유입되어 개질된 후 우측 출구를 통해 나가는 것으로 한다.In addition, it is common to adopt a linearized heat transfer pattern such as
적층 방법의 우수성을 확인하기 위하여 촉매 내부의 온도 분포 및 넣어준 탄화수소 대비 수소의 몰수비에 대하여 관찰하였다. In order to confirm the superiority of the lamination method, the temperature distribution inside the catalyst and the mole ratio of hydrogen to hydrocarbons added were observed.
도 3c는 상기 튜브(11)의 길이방향에 따른 도 3c에서 확인할 수 있듯이 동일한 열유속에 대하여 탄화수소 대비 생산된 수소의 몰수는 거의 동등한 수준인 것으로 확인되었다. 적은 양(case3, 50%)의 촉매를 충진하고도 종래 충진법에 의한 경우(case2)와 유사한 정도의 수소 수득율을 얻었다는 점은 본 발명의 충진법에 효과가 상당히 크다는 것을 반증한다. 즉, 비활성이긴 하나 열전도도가 우수한 비활성 촉매코어(13)를 활성 촉매코어(12)와 같이 적층시킴으로써 열전달이 원활이 이루어질 수 있도록 함으로써 동등한 수준의 수득율을 이룰 수 있었다.As shown in FIG. 3c in FIG. 3c along the longitudinal direction of the
도 3b에서 촉매 튜브(11)의 특성길이에 따라 온도가 어떻게 달라지는지 확인할 수 있다. 종래의 충진법에 의한 경우는 길이를 따라 비교적 일정하게 온도가 상승하는 반면, 본 발명의 충진 방법에 의한 경우는 초기에 급격히 온도가 상승하다가 후반에는 종래의 방법과 동등해진다는 것을 알 수 있다.In Figure 3b it can be seen how the temperature varies depending on the characteristic length of the catalyst tube (11). In the case of the conventional filling method, the temperature rises relatively uniformly along the length, whereas in the case of the filling method of the present invention, the temperature rises rapidly in the early stage and becomes equivalent to the conventional method in the second half.
그러나 상기 도 3에서 보이고 있는 case3의 50% 충진한 경우와 같은 온도분포는 촉매코어(12, 13) 및 튜브(11)를 포함하는 연료개질기(1)의 기계적 강도에 결코 좋은 영향을 주지 않는다. 즉, 촉매층 사이 온도편차가 커 수명을 단축시키게 되며, 이는 좀 더 짧은 주기로 촉매를 교체시켜 주어야 함을 의미한다. 튜브(11)를 갖는 개질관 형태의 촉매는 통상 10만 시간을 기준으로 설계를 하는데, 개질관의 온도가 20도 정도 저하되면 수명이 2배 연장되는 것으로 알려져 있다. 이런 관점에서 길이방향으로의 온도편차는 더더욱 문제가 된다.However, the temperature distribution as in the case of 50% filling of
상기 튜브(11) 길이방향의 온도편차를 줄이기 위하여 본 발명에서는 추가로 도 4a에 개시된 것과 같은 case6의 충진 방법을 안출하였다. 즉, 본 발명의 연료개질기(10)는 활성 촉매코어(12)와 비활성 촉매코어(13)를 교대로 적층하되 적층수를 증가시킨다.In order to reduce the temperature deviation in the longitudinal direction of the
아울러, 본 발명의 연료개질기(1)는 상기 도 4a의 case4와 같이, 상기 활성 촉매코어(12)와 비활성 촉매코어(13)가 교대로 한 번씩 구비되고, 상기 활성 촉매코어(12)가 상기 튜브(11)의 후단부에 구비되며 상기 비활성 촉매코어(13)가 상기 튜브(11)의 전단부에 구비될 수 있고(이 때, 도 4a의 case 4는 상기 도 3b의 case3, 50%로 표현한 것과 같은 형태이다), 상기 도 4b의 case5와 같이, 상기 활성 촉매코어(12)가 상기 튜브(11)의 전단부에 구비되며 상기 비활성 촉매코어(13)가 상기 튜브(11)의 후단부에 구비될 수 있다.In addition, the
도 4b는 상기 도 4a에 도시한 연료개질기의 상기 튜브(11)의 특성길이에 따 른 온도분포를 나타낸 그래프이고, 도 4c는 수소 수득율 성능을 나타낸 것으로, 도 4에서 알 수 있듯이 반복적으로 상기 활성 촉매코어(12)와 비활성 촉매코어(13)를 적층한 case6의 경우 온도편차가 길이방향으로 현저히 줄어든 것을 확인할 수 있다. 결국, 본 발명에 따른 촉매의 충진 방법에 따라 촉매량은 종래보다 적게 유지하면서도 수소 수득율은 동일하고 온도편차도 크게 나지 않은 양질의 연료개질기(1) 제조가 가능하게 된다.Figure 4b is a graph showing the temperature distribution according to the characteristic length of the
한편, 본 발명의 연료개질기(1)의 제조방법은 수증기 개질용 연료개질기(1)를 제조하는 방법에 있어서, 금속제 튜브(11)를 제공하는 제1단계; 상기 튜브(11)의 내부에 상기 튜브(11)의 높이보다는 낮은 높이로 활성 촉매코어(12)를 적층하는 제2단계 ; 및 상기 활성 촉매코어(12)에 이어 상기 튜브 내부에 열전도도가 높은 비활성 촉매코어(13)를 적층하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the manufacturing method of the fuel reformer (1) of the present invention, the method for producing a steam reforming fuel reformer (1), comprising: a first step of providing a metal tube (11); A second step of stacking the
아울러, 상기 활성 촉매코어(12) 및 비활성 촉매코어(13)는 상기 튜브(11)에 적층되는 높이를 조절하여 상기 제2단계 및 제3단계를 2회 이상 교대로 반복할 수 있으며, 그 높이 또한 다르게 형성될 수 있다.In addition, the
이 때, 상기 활성 촉매코어(12)는 상기 튜브(11)의 입구에서 출구측으로 진행할수록 작아지도록 형성하는 것이 바람직하다. At this time, the
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the scope of application is not limited, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims.
본 발명의 연료개질기용 촉매 충진 방법에 따라 적은 촉매량으로도 동일한 수준 또는 그 이상의 수소 수득율을 얻을 수 있는 저비용 고효율의 촉매 코어 제조가 가능하다. 상기 충진 방법은 수증기 개질법뿐만 아니라 열전달이 중요하게 취급되는 촉매 튜브의 제조에 공히 적용될 수 있다.According to the catalyst filling method for a fuel reformer of the present invention, it is possible to produce a catalyst core of low cost and high efficiency which can obtain hydrogen yields of the same level or higher with a small amount of catalyst. The filling method can be applied not only to steam reforming but also to the production of catalyst tubes in which heat transfer is important.
도 1은 종래의 Haldor-Topsoe 열교환기형 개질기 단면 개략도.1 is a schematic cross-sectional view of a conventional Haldor-Topsoe heat exchanger type reformer.
도 2는 본 발명에 따른 연료개질기의 부분 절개 사시도.2 is a partially cutaway perspective view of a fuel reformer according to the present invention;
도 3a 는 본 발명과 종래의 연료개질기의 단면도.3A is a cross-sectional view of the present invention and a conventional fuel reformer.
도 3b는 상기 도 3a에 도시한 연료개질기의 길이에 따른 온도 그래프.Figure 3b is a graph of the temperature according to the length of the fuel reformer shown in Figure 3a.
도 3c는 상기 도 3에 도시한 연료개질기의 성능을 나타낸 그래프.3C is a graph showing the performance of the fuel reformer shown in FIG. 3.
도 4a는 본 발명에 따른 연료개질기의 다양한 형태를 나타낸 단면도.Figure 4a is a cross-sectional view showing various forms of a fuel reformer according to the present invention.
도 4b는 상기 도 4a에 도시한 연료개질기의 길이에 따른 온도 그래프.4b is a temperature graph according to the length of the fuel reformer shown in FIG. 4a.
도 4c는 상기 도 4a에 도시한 연료개질기의 성능을 나타낸 그래프.4C is a graph showing the performance of the fuel reformer shown in FIG. 4A.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **
1 : 연료 개질기1: fuel reformer
11 : 튜브 12 : 활성 촉매코어11
13 : 비활성 촉매코어 14 : 촉매 지지판13
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