KR100908867B1 - 단일 챔버 콤팩트 연료 처리장치 - Google Patents

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Abstract

탄화수소 연료(F)를 실질적으로 순수한 수소 기체 공급물(H)로 변환시키는 다단계 공정을 수행하는 장치(20)는 통상의 반응 챔버(212)에 정렬된 복수의 반응 구역들(202, 204, 206, 208, 210)을 포함한다. 다단계 공정은 연료(F)를 연료 처리장치(226)에 제공함으로써 연료(F)가 반응하여 수소가 풍부한 기체(H)를 생성시키는 단계를 포함하고, 중간 기체 생성물은 반응기에 정렬된 각각의 반응 구역을 통과하여 수소가 풍부한 기체(H)를 생성시킨다.
Figure R1020037014024
콤팩트 연료 처리장치, 단일 챔버, 수소가 풍부한 기체, 탄화수소 연료

Description

단일 챔버 콤팩트 연료 처리장치{SINGLE CHAMBER COMPACT FUEL PROCESSOR}
본 발명은 탄화수소 연료를 수소가 풍부한 기체로 변환시키는 장치에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 화학적 산화-환원 반응으로부터 전기를 제공하고, 청결함과 효율성 측면에서 다른 형태의 전기 발생보다 현저한 이점을 가진다. 일반적으로, 연료전지는 수소를 연료로 사용하고 산소를 산화제로 사용한다. 전기 발생은 반응물들의 소비속도에 비례한다.
보다 광범위한 연료전지 사용을 방해하는 현저한 단점으로는 수소 기반구조(infrastructure)가 널리 보급되지 않은 것이다. 수소는 비교적 낮은 부피 에너지 밀도를 가지며, 현재 대부분의 동력 발생 시스템에서 사용되고 있는 탄화수소 연료에 비하여 저장 및 수송이 곤란하다. 연료전지의 공급물로 사용될 수 있는 수소가 풍부한 기체 스트림으로 탄화수소를 변환시키기 위하여 개질제(reformers)를 사용하는 것이 이와 같은 문제점을 극복하는 한 가지 방법이다.
천연가스, LPG, 가솔린, 및 디젤과 같은 탄화수소-기반 연료들은 대부분의 연료전지의 연료공급원으로 사용되기 위하여 변환공정을 필요로 한다. 현재의 기술은 초기 변환 공정을 여러 정화 공정과 결합시킨 다단계 공정을 사용한다. 초기 공정은 흔히 대부분 증기 개질(steam reforming, SR), 자열 개질(autothermal reforming, ATR), 촉매적 부분 산화(catalytic partial oxidation, CPOX), 또는 비촉매적 부분 산화(non-catalytic partial oxidation, POX)이다. 정화 공정은 일반적으로 탈황, 고온 물-기체 변이, 저온 물-기체 변이, 선택적 CO 산화, 또는 선택적 CO 메탄화의 조합을 포함한다. 대체 가능한 공정들로는 수소 선택적 막반응기 및 필터를 포함한다.
위와 같은 노력에도 불구하고, 연료전지와 함께 사용하기 위하여 탄화수소 연료를 수소가 풍부한 기체 스트림으로 변환시키는 단순한 장치가 여전히 요구되고 있다.
발명의 요약
본 발명은 탄화수소 연료를 수소가 풍부한 기체로 변환시키는 장치에 관한 것이다. 일 실시예에 있어서, 본 발명은 탄화수소 연료 공급물을 수소가 풍부한 기체로 변환시키는 콤팩트 연료 처리장치를 포함하며, 상기 연료 처리장치 어셈블리(assembly)는 공급 말단(end) 및 매니폴드(manifold) 말단을 보유한 실린더, 제거 가능한 매니폴드, 및 상기 실린더 내에 위치하고, 각각의 반응 구역이 반응 구역에서 발생되는 화학 반응에 의해 특징지워지는 복수의 미리 정의된 반응 구역(zone)을 포함한다. 또한, 상기 연료 처리장치는 주입(inlet) 말단 및 상기 매니폴드 말단과 연결된 배출(outlet) 말단을 보유한 적어도 하나의 냉각 코일을 포함하고, 상기 적어도 하나의 냉각 코일 각각은 특정 반응 구역에서 열을 제거하도록 내부에 위치된다. 이와 같은 실시예에서, 복수의 촉매는 자열 개질 촉매, 탈황 촉매, 물 기체 변이 촉매, 선택적 산화 촉매 및 이들의 조합 및 유사 촉매들을 포함한다. 일례의 연료 처리장치에 사용되는 탄화수소 연료 공급물은, 바람직하게는 실린더에 주입되기 전에 열교환기(heat exchanger)에 통과되어, 또는 다른 방법으로는 자열 개질 반응 구역으로부터 기능적으로 상류 위치에 위치한 연료 예열장치에 의해 예열된다.
실린더가 실린더의 상부에 위치한 매니폴드 말단 및 공급 말단으로부터 매니폴드 말단으로 일반적으로 상승하는 반응물 흐름과 실질적으로 수직으로 배향되는 것이 일 실시예에 있어서 바람직하다. 본 실시예는 자열 개질 촉매를 함유하는 일차 반응 구역, 탈황 촉매를 함유하는 이차 반응 구역, 물 기체 변이 촉매를 함유하는 삼차 반응 구역, 및 선택적 산화 촉매를 함유하는 사차 반응 구역을 포함한다. 바람직하게는, 상기 일차 반응 구역은 실린더의 공급 말단에 위치되고, 상기 이차 반응 구역은 일차 반응 구역에 인접하여 위치되고, 상기 삼차 반응 구역은 이차 반응 구역에 인접하여 위치되고, 및 사차 반응 구역은 실린더의 매니폴드 말단에 위치된다. 또한, 수소가 풍부한 기체와 공기의 혼합을 향상시키기 위하여 삼차 반응 구역과 사차 반응 구역 사이에 세라믹 비드(ceramics beads) 구역이 위치될 수 있으며, 상기 공기는 매니폴드의 고정 노즐을 통하여 세라믹 비드 구역으로 주입된다. 이와 같은 공기 주입은 단순 기체 주입 튜브 또는 다공성 튜브와 같은 잘 알려 진 수단으로 수행될 수 있다. 당업자는 복수의 반응 구역들 각각이 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다는 것으로 이해하여야 한다.
당업자는 복수의 반응 구역들 각각이 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다는 것으로 이해하여야 한다. 일 실시예에 있어서, 촉매는 자열 개질 촉매, 탈황 촉매, 물 기체 변이 촉매, 선택적 산화 촉매, 이의 혼합물 및 조합 및 유사 촉매로부터 선택된다. 하나 이상의 촉매를 포함하는 어떠한 특정 반응 구역이 투과성 플레이트(plate)에 의해 인접 반응 구역으로부터 분리될 수 있으며, 상기 투과성 플레이트는 또한 인접 반응 구역들을 지지한다. 일 실시예에 있어서, 상기 플레이트는 천공(perforated) 금속, 금속 체(screen), 금속 망(mesh), 소결(sintered) 금속, 다공성 세라믹, 또는 이들 물질의 조합 및 유사 물질들에서 선택된다. 상기 플레이트가 인코널(inconel), 탄소 스틸(carbon steel), 스테인리스 스틸(stainless steel), 하스텔로이(hastelloy), 또는 온도, 압력 및 조성에 적합한 기타 물질의 적어도 일부로 이루어지는 것이 이와 같은 일 실시예에서 바람직하다.
본 발명의 바람직한 면에 있어서, 콤팩트 연료 처리장치는 또한 연료전지로부터 아노드(anode) 잔류기체를 산화시켜 배출(exhaust) 기체를 생성시키기 위하여 아노드 잔류기체 산화 촉매층(bed)을 갖는 이차 실린더를 포함한다. 상기 이차 실린더는 탄화수소 연료를 일차 실린더에 주입하기 전에 탄화수소 연료를 가열시키는 예열교환기를 보유할 수 있으며, 이와 같은 예열교환기는 아노드 잔류기체 산화 촉매층 내부에 위치될 수 있다. 또한, 또 다른 선택적 산화 촉매층을 함유한 오차 반응 구역이 본 실시예에 포함된다는 것을 예상할 수 있다. 이와 같은 실시예에 있어 서, 충분히 혼합되도록 하기 위하여, 사차 반응 구역과 오차 반응 구역 사이에 전술한 공기 주입 노즐을 함유한 세라믹 비드의 이차 구역이 위치될 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 일 실시예에 대한 간단한 공정 흐름도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 콤팩트 연료 처리장치의 일차 실시예를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 콤팩트 연료 처리장치의 이차 실시예를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 콤팩트 연료 처리장치의 삼차 실시예를 도시하고 있다.
본 발명은 탄화수소 연료를 수소가 풍부한 기체로 변환시키는 장치에 관한 것이다. 바람직한 면에 있어서, 본 명세서에 기술된 장치 및 방법은 연료전지에 사용하기 위하여 탄화수소 연료로부터 수소가 풍부한 기체 스트림을 생성시키는 콤팩트 연료 처리장치에 관한 것이다. 그러나, 수소가 풍부한 스트림이 요구되는 어떠한 용도를 포함한 기타의 가능한 용도들도 본 명세서에 기술된 장치 및 방법에서 예상된다. 따라서, 비록 본 발명이 연료전지와 함께 사용되도록 본 명세서에 기술되어 있지만, 본 발명의 범위가 이와 같은 사용에 제한되지는 않는다.
본 발명의 실시예 각각은 연료 처리장치, 또는 상기 연료 처리장치를 통해 배향되는 탄화수소 연료 공급물을 사용하는 이와 같은 연료 처리장치를 사용하는 방법을 기술하고 있다. 탄화수소 연료는 증발될 수만 있으면 주위 조건하에서 액체 또는 기체일 수 있다. 본 명세서에 사용된 "탄화수소" 용어는 부분 산화 반응 또는 증기 개질 반응으로부터 수소를 생성시킬 수 있는 C-H 결합을 갖는 유기화합물을 포함한다. 화합물의 분자 구조에서 탄소 및 수소 이외의 원자들이 존재하는 것은 배제되지 않았다. 그러므로, 본 명세서에 기술된 방법 및 장치에서 사용하기에 적당한 연료들은 탄화수소 연료, 예를 들면, 천연가스, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 나프타, 가솔린, 및 디젤 연료, 및 알코올, 예를 들면, 메탄올, 에탄올, 프로판올 등을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
연료 처리장치 공급물은 탄화수소 연료, 산소 및 물을 포함한다. 산소는 공기, 농축 공기, 또는 실질적으로 순수한 산소의 형태일 수 있다. 물은 액체 또는 증기로 주입될 수 있다. 하기에 언급한 바와 같이, 공급물 성분의 조성비율은 요구되는 작업조건에 의해 결정된다.
본 발명으로부터의 연료 처리장치 유출물 스트림은 수소 및 이산화탄소를 포함하고, 또한 일부의 물, 비변환 탄화수소, 일산화탄소, 불순물(예컨대, 황화수소 및 암모니아), 및 불활성 성분들(예컨대, 질소 및 아르곤, 특히 공기가 공급물 스트림의 성분일 경우)을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 포함된 공정 단계들을 도시하고 있는 일반적인 공정 흐름도를 도시하고 있다. 당업자는 일정량의 프로그레시브(progressive) 순서가 본 명세서에 기술된 반응기를 통한 반응물 흐름에 요구된다는 것을 이해하여야 한다.
공정 단계 A는 자열 개질 공정이며, 이 공정에서 부분 산화반응(하기의 반응 식 I) 및 선택적 증기 개질 반응(하기 반응식 II)의 두 개의 반응들이 결합되어 공급물 스트림(F)을 수소 및 일산화탄소를 함유한 합성 기체로 변환시킨다. 반응식 I 및 II는 메탄을 탄화수소로 간주한 일례의 반응식이다:
CH4 + 1/2O2 → 2H2 + CO (I)
CH4 + H2O → 3H2 + CO (II)
부분 산화 반응은 첨가 산소가 완전히 변환될 때까지 매우 빠른시간내에 발생되며, 열을 발생시킨다. 증기 개질 반응은 보다 느리게 진행되며, 열을 소모한다. 공급물 스트림에 고농도의 산소가 존재하면, 부분 산화반응이 바람직하고, 반면에 공급물 스트림에 고농도의 물이 존재하면 증기 개질 반응이 바람직하다. 그러므로, 탄화수소에 대한 산소 비율 및 탄화수소에 대한 물 비율이 매개변수들의 특징을 부여하게 된다. 이와 같은 비율들은 작업 온도 및 수소 수율에 영향을 준다.
자열 개질 단계의 작업 온도는 공급물 조건 및 촉매에 의존하여, 약 550℃ 내지 약 900℃ 온도범위일 수 있다. 본 발명은 증기 개질 촉매를 함유하거나 함유하지 않는 부분 산화 촉매의 촉매층(bed)을 사용한다. 촉매는 펠릿형(pellets), 구형(spheres), 압출물형(extrudates), 모노리스형(monoliths) 등과 같은 어떠한 형태가 될 수 있다. 부분 산화 촉매는 당업자에게 잘 알려져 있으며, 종종 모노리스, 압출물, 펠릿 또는 기타 지지체상에 코팅된 알루미나 위시코트(washcoat)상에 지지된 백금, 팔라듐, 로듐 및/또는 루테늄과 같은 귀금속으로 구성된다. 니켈 또는 코발트와 같은 비귀금속들도 사용된다. 티타니아(titania), 지르코니아(zirconia), 실리카(silica) 및 마그네시아(magnesia)와 같은 기타의 워시코트들이 문헌에서 인용되어 있다. 란타눔(lanthanum), 세리움(cerium) 및 포타슘(potassium)과 같은 많은 수의 부가 물질들이 부분 산화 촉매의 성능을 향상시키는 "촉진제"로서 문헌에 인용되어 있다.
증기 개질 촉매는 당업자에게 잘 알려져 있으며, 일정량의 코발트 또는 귀금속, 예를 들면, 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 및/또는 이리듐과 함께 니켈을 포함할 수 있다. 촉매는 예를 들면 마그네시아, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 또는 마그네슘 알루미네이트 단독 또는 이들의 조합물상에 지지될 수 있다. 대안으로, 증기 개질 촉매는 포타슘과 같은 알칼리 금속에 의해 촉진되고, 바람직하게는 마그네시아, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 또는 마그네슘 알루미네이트 단독 또는 이들의 조합물상에 지지된 니켈을 포함할 수 있다.
공정 단계 B는 다음 단계를 위해 합성 기체 유출물의 온도를 최적화하기 위하여 공정 단계 A로부터의 합성 기체 스트림을 약 200℃ 내지 약 600℃, 바람직하게는 약 300℃ 내지 약 500℃, 및 보다 바람직하게는 약 375℃ 내지 약 425℃ 온도로 냉각시키는 냉각 단계이다. 이와 같은 냉각은 설계서 및 기체 스트림의 열함량을 회수/재순환하려는 요구에 의존하여 열 싱크(sink), 열 파이프 또는 열교환기를 사용하여 수행될 수 있다. 단계 B에 대한 일 실시예로는 열교환기를 통해 순환되는 냉매로서 공급물 스트림(F)을 이용한 열교환기의 사용이 있다. 열교환기는 덮개(shell)와 튜브(tube), 플레이트(plate), 나선(spiral) 등을 포함하는, 당업자에게 알려진 적당한 어떠한 구조물일 수 있다. 대안으로, 또는 이외에도, 냉각 단 계 B는 연료, 공기 또는 물과 같은 부가의 공급 성분들을 주입하여 수행될 수 있다. 물이 증발하여 증기가 되면서 대량의 열을 흡수하는 능력을 가지고 있기 때문에 물이 바람직하다. 첨가 성분의 양은 요구되는 냉각 정도에 의존하며, 당업자에 의해 용이하게 결정된다.
공정 단계 C는 정제단계이다. 탄화수소 스트림의 주요 불순물중 하나는 일반적으로 황이며, 황은 자열 개질 단계 A에 의해 황화수소로 변환된다. 공정 단계 C에서 사용되는 프로세싱 코어(processing core)는 바람직하게는 산화아연 및/또는 황화수소를 흡수하고 변환할 수 있는 기타의 물질을 포함하고, 지지체(예컨대 모노리스, 압출물, 펠릿 등)를 포함할 수 있다. 탈황화반응은 하기의 반응식 III에 따라 황화수소를 물로 변환시켜 수행된다.
H2S + ZnO → H2O + ZnS (III)
또한, 염화물과 같은 기타의 불순물들도 제거될 수 있다. 상기 반응은 바람직하게는 약 300℃ 내지 약 500℃, 보다 바람직하게는 약 375℃ 내지 약 425℃ 온도에서 수행된다. 산화아연은 약 25℃ 내지 약 700℃의 넓은 온도범위에 걸쳐서 효율적인 황화수소 흡착제이며, 작업 온도를 적당히 선택함으로써 가공 단계 순서의 최적화에 대하여 큰 유연성을 부여한다.
이후, 유출물 스트림은 혼합 단계 D로 이송될 수 있으며, 여기서 물이 선택적으로 기체 스트림에 첨가된다. 물이 첨가되면 물이 증발하면서 반응 스트림의 온도를 낮추고, 공정 단계 E(하기에 논의됨)의 물 기체 변이 반응으로 보다 많은 물 을 공급하게 한다. 수증기 및 기타 유출 스트림 성분들은 세라믹 비드 또는 물의 증기화에서 효과적으로 혼합 및/또는 보조하는 기타의 유사 물질들과 같은 불활성 물질들의 프로세싱 코어에 통과되어 혼합된다. 대안으로, 어떠한 부가 물(water)이 공급물과 함께 도입될 수 있으며, 혼합 단계가 하기에 기술된 CO 산화 단계 G에서 산화제(oxidant) 기체의 보다 나은 혼합을 제공하기 위하여 재배치될 수 있다.
공정 단계 E는 반응식 IV에 따라 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 물 기체 변이 반응이다:
H2O + CO → H2 + CO2 (IV)
일산화탄소가 인체에 매우 높은 독성이 있다는 것 이외에도 연료 전지에 독성이 있기 때문에 이와 같은 단계가 중요한 단계이다. 일산화탄소의 농도는 바람직하게는 연료전지에 허용될 수 있는 수준, 일반적으로 50 ppm 이하까지 낮추어져야 한다. 일반적으로, 물 기체 변이 반응은 사용된 촉매의 의존하여, 150℃ 내지 600℃에서 일어날 수 있다. 이와 같은 조건하에서, 기체 스트림내 대부분의 일산화탄소가 이와 같은 단계에서 변환된다.
저온 변이 촉매들은 약 150℃ 내지 약 300℃ 범위에서 활동을 하며, 예를 들면, 산화구리, 또는 지르코니아와 같은 기타의 전이금속 산화물상에 지지된 구리, 전이금속 산화물상에 또는 실리카, 알루미나, 지르코니아 등과 같은 내화(refractory) 지지체상에 지지된 아연, 또는 실리카, 알루미나, 지르코니아 등과 같은 적당한 지지체상의 백금, 레늄, 팔라듐, 로듐 또는 금과 같은 귀금속을 포 함한다.
고온 변이 촉매는 바람직하게는 약 300℃ 내지 약 600℃ 온도범위에서 활동하며, 산화제2철(ferric oxide) 또는 산화크롬과 같은 전이금속 산화물을 포함할 수 있고, 구리 또는 철 규화물(silicide)과 같은 프로모터(promoter)를 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 지지 백금, 팔라듐 및/또는 기타 백금군 물질과 같은 지지 귀금속도 고온 변이 촉매에 포함된다.
이와 같은 단계를 수행하기 위하여 사용된 프로세싱 코어는 전술한 것과 같은 고온 또는 저온 변이 촉매, 또는 고온 및 저온 변이 촉매의 조합으로 이루어진 충전층(packed bed)을 포함할 수 있다. 상기 공정은 물 기체 변이 반응에 적당한 어떠한 온도에서, 바람직하게는 사용된 촉매형태에 의존하여 150℃ 내지 400℃ 온도에서 수행되어져야 한다. 선택적으로, 촉매 충전층 내부의 반응 온도를 낮추기 위하여 냉각 코일과 같은 냉각 부재를 변이 반응기의 프로세싱 코어에 위치시킬 수 있다. 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키기에 보다 낮은 온도가 바람직하다. 또한, 고온 및 저온 변이 단계 사이의 탈황 모듈(module)을 사용하여 고온 및 저온 변이에 대한 분리 단계를 제공함으로써 고 및 저 변위 변환 사이에서 정제 가공 단계 C가 수행될 수 있다.
공정 단계 F'는 열교환기에 의한 일 실시예에서 수행되는 냉각 단계이다. 열교환기는 덮개(shell)와 튜브(tube), 플레이트(plate), 나선(spiral) 등을 포함하는 어떠한 적당한 구조물일 수 있다. 대안으로, 열 파이프 또는 기타 형태의 열 싱크(sink)가 사용될 수 있다. 열교환기의 목적은 기체 스트림의 온도를 감소시켜 바람직하게는 약 90℃ 내지 약 150℃ 범위의 온도를 갖는 유출물을 생성시키는 것이다.
산소가 단계 F'의 공정에 첨가된다. 산소는 하기에 기술된 공정 단계 G의 반응에 의해 소모된다. 산소는 공기, 농축 공기, 또는 실질적으로 순수한 산소의 형태일 수 있다. 열교환기는 공기와 수소가 풍부한 기체와의 혼합을 제공하도록 설계될 수 있다. 대안으로, 공정 단계 D의 실시예가 혼합을 수행하기 위하여 사용될 수 있다.
공정 단계 G는 산화 단계이며, 여기서 유출물 스트림내 거의 모든 잔존 일산화탄소가 이산화탄소로 변환된다. 상기 공정은 일산화탄소의 산화용 촉매의 존재하에 수행되며, 촉매는 펠릿형, 구형, 압출물형, 모노리스형 등의 어떠한 적당한 형태일 수 있다. 일산화탄소용 산화 촉매가 알려져 있으며, 일반적으로 귀금속(예컨대 백금, 팔라듐) 및/또는 전이금속(예컨대 철, 크롬, 망간), 및/또는 귀금속 또는 전이금속 화합물, 특히 산화물을 포함한다. 바람직한 산화촉매는 알루미나 워시코트상의 백금이다. 워시코트는 모노리스, 압출물, 펠릿 또는 기타 지지체에 적용될 수 있다. 세륨(cerium) 또는 란타눔(lanthanum)과 같은 부가 물질들이 성능을 향상시키기 위하여 첨가될 수 있다. 로듐 또는 알루미나 촉매로부터 우수한 성능을 주장하는 일부 실시자들에 의한 많은 수의 기타 조성들이 문헌에 인용되어 왔다. 이와 같은 용도에 대하여 활성이 있는 것으로 루테늄, 팔라듐, 금 및 기타 물질들이 문헌에 인용되어 왔다.
공정 단계 G에서 두 가지 반응이 일어난다: 하기와 같은 바람직한 일산화탄 소의 산화반응(반응식 V) 및 바람직하지 않은 수소의 산화반응(반응식 VI):
CO + 1/2O2 → CO2 (V)
H2 + 1/2O2 → H2O (VI)
일산화탄소의 선택적 산화반응은 저온하에 바람직하다. 두 가지 반응들이 열을 발생시키기 때문에, 상기 공정에 냉각 코일과 같은 냉각 부재를 선택적으로 포함시키는 것이 유리할 수 있다. 공정의 작업 온도는 바람직하게는 약 90℃ 내지 약 150℃ 범위에서 유지된다. 공정 단계 G는 바람직하게는 일산화탄소 수준을 500 ppm 이하로 감소시키며, 이와 같은 수준은 연료전지에 사용하기 적당한 수준이지만, 당업자는 보다 높거나 낮은 수준의 일산화탄소를 사용하여 수소가 풍부한 기체를 생성시키기 위하여 본 발명이 채택될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
연료 처리장치에 존재하는 유출물은 이산화탄소 및 물, 불활성 성분(예컨대 질소, 아르곤), 잔존 탄화수소 등과 같은 것으로 존재할 수 있는 기타 성분들을 포함하는 수소가 풍부한 기체 P 이다. 생성 기체는 연료전지용 공급물 또는 수소가 풍부한 공급물 스트림이 요구되는 기타의 응용들에 사용되는 공급물로 사용될 수 있다. 선택적으로, 생성 기체는 예를 들면, 이산화탄소, 물 또는 기타 성분들을 제거하기 위하여 추가의 가공단계로 이송될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예인 연료 처리장치(20)의 횡단면도를 도시하고 있다. 당업자는 연료 또는 대안으로 연료/산소 또는 대안으로 연료/산소/물 혼합물(F)이 열교환기(200)의 주입구로 주입된다는 것을 이해하여야 한다. 예열 연료(F')는 열 교환기(200)에서 배출되어 일차 반응 구역(202)으로 진행된다. 본 실시예의 일차 반응 구역(202)은 자열 개질 반응 촉매로 충진되어 있다. 대안으로, 이와 같은 구역은 증기 개질 촉매로 충진될 수 있다. 이와 같은 촉매는 펠릿형, 구형, 또는 압출물형일 수 있고; 또는 모노리스, 망상 발포제(reticulated foam), 또는 기타 촉매 지지물질상에 지지될 수 있다. 일부 경우에 있어서, 전체 일차 반응 구역에 걸쳐 균일하게 연료를 분배하기 위하여 분배 플레이트(미도시)가 요구될 수 있다. 또한, 연료 처리장치의 시동을 위하여 전기 예열장치(미도시)가 선택적으로 사용될 수 있다. 상기 일차 반응 구역에서 연료가 반응하여 수소가 풍부한 기체를 생성시킨 후, 압력에 기인한 자연적인 기체흐름이 수소가 풍부한 기체를 이차 반응 구역(204)으로 유동되도록 한다. 본 실시예에 있어서, 이차 반응 구역은 탈황 촉매, 바람직하게는 산화아연으로 충진된다. 산화아연과 같은 탈황 촉매에 수소가 풍부한 기체가 통과되면 수소가 풍부한 기체 스트림내 황함유 화합물 농도가 실질적으로 감소된다. 이후, 탈황된 수소가 풍부한 기체는 삼차 반응 구역(206)으로 이송된다. 본 실시예의 삼차 반응 구역은 전술한 바와 같이 물-기체 변이 반응기 촉매 또는 이와 같은 촉매의 혼합물로 충진된다. 이와 같은 촉매에 수소가 풍부한 기체가 통과되면 수소 함량을 더욱 증가시키고 일산화탄소 농도를 더욱 감소시킨다. 일부 경우에 있어서, 공기 또는 또 다른 적당한 산소 공급원을 이 시점에서 사차 반응 구역으로 주입할 수 있어서, 선택적 산화 반응이 최적화된다. 이것은 부분 산화 촉매층으로 삽입된 간단한 기체 주입 튜브(미도시)와 같은 잘 알려진 수단으로 수행될 수 있다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 다공성 튜브가 선택적 산화 반응 구 역의 설계에 실질적으로 포함되며, 주입 산소가 균일하게 분포되도록 설계된다. 이와 같은 도면에 도시된 실시예에 있어서, 수소가 풍부한 기체는 세라믹 비드(208) 구역을 통과하며, 이는 사차 반응 구역(210)으로 진입하기전에 수소가 풍부한 기체가 공기와 충분히 혼합되도록 한다. 이후, 수소가 풍부한 기체는 사차 반응 구역(210)으로 이송되며, 상기 사차 반응 구역(210)은 선택적 산화 촉매를 포함한다. 이와 같은 촉매는 앞서 언급한 바와 같이 일산화탄소 농도를 바람직하게는 50 ppm 이하로 감소시킬 것이다. 최종 생성물은 수소가 풍부한 기체(H)이다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 유리 솜(glass wool), 세라믹 솜(ceramic wool), 암 솜(rock wool), 또는 기타의 유사 불활성 물질과 같은 불활성, 다공성 및 탄력성 물질이 반응 구역 변화 영역(212)에서 사용될 수 있다는 것을 주지하여야 한다. 이와 같은 물질은 다양한 촉매들로 반응기를 충전하는 것에 도움을 주고, 수송기간중 촉매의 부주의한 혼합을 예방하는 것에 도움을 주고, 각각의 상이한 반응 구역 사이에 쿠션 또는 완충 구역을 제공한다. 냉각 코일들(218, 220, 222)을 사용하여 이차, 삼차 및 사차 반응 구역의 반응온도를 조절하며, 상기 냉각 코일들은 촉매층을 통하여 물, 공기, 탄화수소 연료 공급물, 또는 어떠한 냉각제(refrigerant)와 같은 냉매(coolant)를 순환시킨다. 이와 같은 실시예에 있어서, 각각의 냉각 코일의 주입 및 배출 말단들은 실린더(226)의 상부 덮개에 포함된 매니폴드(224)에 고정되며, 상기 실린더는 다양한 반응 구역들을 에워싼다. 당업자는 연료의 유동속도, 어떠한 특정 반응 구역에 존재하는 코일수, 코일을 제조하는데 사용되는 튜빙(tubing) 지름, 코일표면의 핀(fin)의 존재 또는 부재 등을 포함하는 많은 수의 요인들이 열전 달 공정에 영향을 끼친다는 것을 이해하여야 한다. 그러나, 이와 같은 열전달에 관한 이해는 일상적인 예측 및 실험을 통하여 최적화될 수 있다. 또한, 이와 같은 실시예에 있어서, 공기(A)가 매니폴드(224)에 고정된 노즐을 통하여 세라믹 비드 구역으로 주입된다. 또한, 수소가 풍부한 기체(H)는 매니폴드(224)를 통하여 회수된다.
또한, 도 2는 부가 열교환기(214) 및 선택적 산화 촉매층(216)을 첨가하는 것에 관한 선택적 실시예를 도시하고 있다. 열교환기(214)의 주된 목적은 수소가 풍부한 기체(H)를 냉각시키는 것이다. 냉각 정도는 층(216)의 추가적인 산화반응에 사용되는 기체로부터의 응축수(W)를 생성시키거나 생성시키지 않을 수 있으며, 이와 같은 산화반응은 수소가 풍부한 기체(H')에 50 ppm 이하의 일산화탄소 농도가 존재하도록 한다. 수소가 풍부한 기체(H 또는 H')는 연료전지에 사용되는 것이 바람직하며, 당업자에게 자명한 기타의 공정에 저장되거나 사용될 수 있다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예는 아노드(anode) 잔류기체 산화장치를 포함하며, 상기 장치는 연료전지(미도시)로부터 아노드 잔류기체(T)를 산화시킨다. 이와 같은 첨가는 열교환기(200)에서 예열 탄화수소 연료(F)에 대한 유용한 열원이다.
도 2에 대한 상기 기술내용을 고찰한 후, 당업자는 각각의 모듈(module)이 분리적인 작업 기능을 수행한다는 것을 이해하여야 한다. 공급 증기 F(200)는 주입 파이프(미도시)을 통해 주입되고 생성된 기체 P(216)는 배출 파이프(미도시)를 통해 배출된다. 반응 구역(208)은 도 1의 공정 단계 A에 해당하는 자열 개질 반응 구역이다. 시동열을 제공하기 위하여 전기 가열장치(미도시)가 반응기의 하부 주입부에 설치될 수 있다. 반응 구역(210)은 도 1의 공정 단계 C에 해당하는 정제 반응 구역이다. 반응 구역(212)은 도 1의 공정 단계 E에 해당하는 물 기체 변이 반응 구역이다. 도 1의 공정 단계 F'에 해당하는 냉각 단계는 열교환기(202)에 의해 수행된다. 반응 구역(214)은 도 1의 공정 단계 G에 해당하는 산화 단계이다. 공기원(미도시)은 반응 구역(214)의 산화 반응(공식 V)에 사용되는 공정 기체에 산소원을 제공한다. 또한, 반응 구역(214)은 원하는 산화 반응 온도를 유지하도록 촉매층 내부 또는 주위에 위치된 열교환기(202)를 포함한다. 당업자는 본 실시예에 기술된 공정 배치가 공급원료 품질 및 요구되는 생성물 품질을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는 많은 요인들에 의존하여 다양할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예인 연료 처리장치(30)의 횡단면도를 도시하고 있다. 당업자는 연료 또는 대안으로 연료/산소 또는 대안으로 연료/산소/물 혼합물(F)이 아노드 잔류기체 산화장치 촉매층을 포함하는 컨테이너(300)의 주입부로 주입된다는 것을 이해하여야 하며, 상기 촉매층은 연료전지(미도시)로부터 아노드 잔류기체(T)를 산화시킨다. 또한, 컨테이너(300)는 탄화수소 연료(F)의 유용한 예열을 제공하는 열교환기를 포함한다. 예열 연료(F')는 컨테이너(300)에서 배출되어 일차 반응 구역(302)으로 진행된다. 본 실시예의 일차 반응 구역(302)은 자열 개질 반응 촉매로 충진된다. 이와 같은 촉매는 펠릿형, 구형, 또는 압출물형일 수 있고; 또는 모노리스, 망상 발포제(reticulated foam), 또는 기타 촉매 지지물질상에 지지될 수 있다. 일부 경우에 있어서, 전체 일차 반응 구역에 걸쳐 균일하게 연료를 분배하기 위하여 분배 플레이트(미도시)가 요구될 수 있다. 또한, 연료 처리장치의 시동을 위하여 전기 예열장치(미도시)가 선택적으로 사용될 수 있다. 상기 일차 반응 구역에서 연료가 반응하여 수소가 풍부한 기체를 생성시킨 후, 압력에 기인한 자연적인 기체흐름이 수소가 풍부한 기체를 이차 반응 구역(304)으로 유동되도록 한다. 본 실시예에 있어서, 이차 반응 구역은 탈황 촉매, 바람직하게는 산화아연으로 충진된다. 산화아연과 같은 탈황 촉매에 수소가 풍부한 기체가 통과되면 수소가 풍부한 기체 스트림내 황함유 화합물 농도가 실질적으로 감소된다. 이후, 탈황된 수소가 풍부한 기체는 삼차 반응 구역(306)으로 이송된다. 본 실시예의 삼차 반응 구역은 전술한 바와 같이 물-기체 변이 반응기 촉매 또는 이와 같은 촉매의 혼합물로 충진된다. 이와 같은 촉매에 수소가 풍부한 기체가 통과되면 수소 함량을 더욱 증가시키고 일산화탄소 농도를 더욱 감소시킨다. 일부 경우에 있어서, 공기 또는 또 다른 적당한 산소 공급원을 이 시점에서 사차 반응 구역으로 주입할 수 있어서, 선택적 산화 반응이 최적화된다. 이것은 부분 산화 촉매층으로 삽입된 간단한 기체 주입 튜브(미도시)와 같은 잘 알려진 수단으로 수행될 수 있다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 다공성 튜브가 선택적 산화 반응 구역의 설계에 실질적으로 포함되며, 주입 산소가 균일하게 분포되도록 설계된다. 이와 같은 도면에 도시된 실시예에 있어서, 수소가 풍부한 기체는 세라믹 비드(308) 구역을 통과하며, 이는 사차 반응 구역(310)으로 진입하기전에 수소가 풍부한 기체가 공기와 충분히 혼합되도록 한다. 이후, 수소가 풍부한 기체는 사차 반응 구역(310)으로 이송되며, 상기 사차 반응 구역(310)은 선택적 산화 촉매를 포함한다. 이와 같은 촉매는 앞서 언급한 바와 같이 일산화탄소 농도를 바람직하게는 50 ppm 이하로 감소시킬 것이다. 일산화탄소 농도를 바람직하게는 50 ppm 이하로 감소시키기 위하여 세라믹 비드로 구성된 부가 층 및 선택적 산화 촉매를 함유한 오차 반응 구역(미도시)이 선택적으로 사용될 수 있다. 최종 생성물은 수소가 풍부한 기체(H)이다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 유리 솜, 세라믹 솜, 암 솜, 또는 기타의 유사 불활성 물질과 같은 불활성, 다공성 및 탄력성 물질이 반응 구역 변화 영역(312)에서 사용될 수 있다는 것을 주지하여야 한다. 이와 같은 물질은 다양한 촉매들로 반응기를 충전하는 것에 도움을 주고, 수송기간중 촉매의 부주의한 혼합을 예방하는 것에 도움을 주고, 각각의 상이한 반응 구역 사이에 쿠션 또는 완충 구역을 제공한다. 냉각 코일들(318, 320, 322)을 사용하여 이차, 삼차 및 사차 반응 구역의 반응온도를 조절하며, 상기 냉각 코일들은 촉매층을 통하여 물, 공기, 탄화수소 연료 공급물, 또는 어떠한 냉각제(refrigerant)와 같은 냉매(coolant)를 순환시킨다. 이와 같은 실시예에 있어서, 각각의 냉각 코일의 주입 및 배출 말단들은 실린더(326)의 상부 덮개에 포함된 매니폴드(324)에 고정되며, 상기 실린더는 다양한 반응 구역들을 에워싼다. 당업자는 연료의 유동속도, 어떠한 특정 반응 구역에 존재하는 코일수, 코일을 제조하는데 사용되는 튜빙(tubing) 지름, 코일표면의 핀(fin)의 존재 또는 부재 등을 포함하는 많은 수의 요인들이 열전달 공정에 영향을 끼친다는 것을 이해하여야 한다. 그러나, 이와 같은 열전달에 관한 이해는 일상적인 예측 및 실험을 통하여 최적화될 수 있다. 또한, 이와 같은 실시예에 있어서, 공기(A)가 매니폴드(324)에 고정된 노즐을 통하여 세라믹 비드 구역으로 주입된다. 또한, 수소가 풍부한 기체(H)는 매니폴드(324)를 통하여 회수된다.
도 3에 대한 상기 기술내용을 고찰한 후, 당업자는 각각의 반응 구역이 개별적인 작업 기능을 수행한다는 것을 이해하여야 한다. 반응 구역(302)은 도 1의 공정 단계 A에 해당하는 자열 개질 반응 구역이다. 시동열을 제공하기 위하여 전기 가열장치(미도시)가 반응기의 하부 주입부에 설치될 수 있다. 반응 구역(304)은 도 1의 공정 단계 C에 해당하는 정제 반응 구역이다. 반응 구역(306)은 도 1의 공정 단계 E에 해당하는 물 기체 변이 반응 구역이다. 도 1의 공정 단계 F'에 해당하는 냉각 단계는 냉각 코일(320)에 의해 수행된다. 반응 구역(310)은 도 1의 공정 단계 G에 해당하는 산화 단계이다. 공기원(미도시)은 반응 구역(310)의 산화 반응(공식 V)에 사용되는 공정 기체에 산소원을 제공한다. 또한, 반응 구역(310)은 원하는 산화 반응 온도를 유지하도록 촉매층 내부 또는 주위에 위치된 냉각 코일(322)을 포함한다. 당업자는 본 실시예에 기술된 공정 배치가 공급원료 품질 및 요구되는 생성물 품질을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는, 많은 요인들에 의존하여 다양할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예인 연료 처리장치(40)의 횡단면도를 도시하고 있다. 당업자는 연료 또는 대안으로 연료/산소 또는 대안으로 연료/산소/물 혼합물(F)이 열교환기(400)의 주입구로 주입된다는 것을 이해하여야 한다. 예열 연료(F')는 열교환기(400)에서 배출되어 일차 반응 구역(402)으로 진행된다. 본 실시예의 일차 반응 구역(402)은 자열 개질 촉매 또는 증기 개질 촉매로 충진되어 있다. 이와 같은 촉매는 펠릿형, 구형, 또는 압출물형일 수 있고; 또는 모노리스, 망상 발포제, 또는 기타 촉매 지지물질상에 지지될 수 있다. 일부 경우에 있어서, 전체 일차 반응 구역에 걸쳐 균일하게 연료를 분배하기 위하여 분배 플레이트(미도 시)가 요구될 수 있다. 또한, 연료 처리장치의 시동을 위하여 전기 예열장치(미도시)가 선택적으로 사용될 수 있다. 상기 일차 반응 구역에서 연료가 반응하여 수소가 풍부한 기체를 생성시킨 후, 압력에 기인한 자연적인 기체흐름이 수소가 풍부한 기체를 이차 반응 구역(404)으로 유동되도록 한다. 본 실시예에 있어서, 이차 반응 구역은 탈황 촉매, 바람직하게는 산화아연으로 충진된다. 산화아연과 같은 탈황 촉매에 수소가 풍부한 기체가 통과되면 수소가 풍부한 기체 스트림내 황함유 화합물 농도가 실질적으로 감소된다. 이후, 탈황된 수소가 풍부한 기체는 삼차 반응 구역(406)으로 이송된다. 본 실시예의 삼차 반응 구역은 전술한 바와 같이 물-기체 변이 반응기 촉매 또는 이와 같은 촉매의 혼합물로 충진된다. 이와 같은 촉매에 수소가 풍부한 기체가 통과되면 수소 함량을 더욱 증가시키고 일산화탄소 농도를 더욱 감소시킨다. 일부 경우에 있어서, 공기 또는 또 다른 적당한 산소 공급원을 이 시점에서 사차 반응 구역으로 주입할 수 있어서, 선택적 산화 반응이 최적화된다. 이것은 부분 산화 촉매층으로 삽입된 간단한 기체 주입 튜브(미도시)와 같은 잘 알려진 수단으로 수행될 수 있다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 다공성 튜브가 선택적 산화 반응 구역의 설계에 실질적으로 포함되며, 주입 산소가 균일하게 분포되도록 설계된다. 이와 같은 도면에 도시된 실시예에 있어서, 수소가 풍부한 기체는 세라믹 비드(408) 구역을 통과하며, 이는 사차 반응 구역(410)으로 진입하기전에 수소가 풍부한 기체가 공기와 충분히 혼합되도록 한다. 이후, 수소가 풍부한 기체는 사차 반응 구역(410)으로 이송되며, 상기 사차 반응 구역(410)은 선택적 산화 촉매를 포함한다. 이와 같은 촉매는 앞서 언급한 바와 같이 일산화탄소 농도를 바람직 하게는 50 ppm 이하로 감소시킬 것이다. 최종 생성물은 수소가 풍부한 기체(H)이다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 유리 솜(glass wool), 세라믹 솜(ceramic wool), 암 솜(rock wool), 또는 기타의 유사 불활성 물질과 같은 불활성, 다공성 및 탄력성 물질이 반응 구역 변화 영역(412)에서 사용될 수 있다는 것을 주지하여야 한다. 이와 같은 물질은 다양한 촉매들로 반응기를 충전하는 것에 도움을 주고, 수송기간중 촉매의 부주의한 혼합을 예방하는 것에 도움을 주고, 각각의 상이한 반응 구역 사이에 쿠션 또는 완충 구역을 제공한다. 촉매층으로 직접 물을 주입하여 이차, 삼차 및 사차 반응 구역의 반응온도를 조절한다. 이와 같은 실시예에 있어서, 각각의 주입 라인의 주입 노즐은 실린더(426)의 상부 덮개에 포함된 매니폴드(424)에 고정되며, 상기 실린더는 다양한 반응 구역들을 에워싼다. 당업자는 노즐 크기, 연료의 유동속도, 및 각 촉매층에 존재하는 노즐의 수 및 위치를 포함하는 많은 수의 요인들이 반응 온도의 제어에 영향을 끼친다는 것을 이해하여야 한다. 그러나, 이와 같은 열전달에 관한 이해는 일상적인 예측 및 실험을 통하여 최적화될 수 있다. 또한, 이와 같은 실시예에 있어서, 공기(A)가 매니폴드(424)에 고정된 노즐을 통하여 세라믹 비드 구역으로 주입된다. 또한, 수소가 풍부한 기체(H)는 매니폴드(424)를 통하여 회수된다.
또한, 도 4는 부가 열교환기(414) 및 선택적 산화 촉매층(416)을 첨가하는 것에 관한 선택적 실시예를 도시하고 있다. 열교환기(414)의 주된 목적은 수소가 풍부한 기체(H)를 냉각시켜, 층(416)의 추가적인 산화반응에 사용되는 기체로부터 물(W)을 응축시키며, 이와 같은 산화반응은 수소가 풍부한 기체(H')에 50 ppm 이하 의 일산화탄소 농도가 존재하도록 한다. 수소가 풍부한 기체(H 또는 H')는 연료전지에 사용되는 것이 바람직하며, 당업자에게 자명한 기타의 공정에 저장되거나 사용될 수 있다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예는 아노드(anode) 잔류기체 산화장치를 포함하며, 상기 장치는 연료전지(미도시)로부터 아노드 잔류기체(T)를 산화시킨다. 이와 같은 첨가는 열교환기(400)에서 예열 탄화수소 연료(F)에 대한 유용한 열원이다.
도 4에 대한 상기 기술내용을 고찰한 후, 당업자는 각각의 반응 구역이 개별적인 작업 기능을 수행한다는 것을 이해하여야 한다. 반응 구역(402)은 도 1의 공정 단계 A에 해당하는 자열 개질 반응 구역이다. 시동열을 제공하기 위하여 전기 가열장치(미도시)가 반응기의 하부 주입부에 설치될 수 있다. 반응 구역(404)은 도 1의 공정 단계 C에 해당하는 정제 반응 구역이다. 반응 구역(406)은 도 1의 공정 단계 E에 해당하는 물 기체 변이 반응 구역이다. 도 1의 공정 단계 F'에 해당하는 냉각 단계는 반응 구역(406)으로 물을 직접 주입함으로써 수행된다. 반응 구역(410)은 도 1의 공정 단계 G에 해당하는 산화 단계이다. 공기원(미도시)은 반응 구역(410)의 산화 반응(공식 V)에 사용되는 공정 기체에 산소원을 제공한다. 또한, 반응 구역(410)은 원하는 산화 반응 온도를 유지하기 위하여 직접 물 주입장치를 포함한다. 당업자는 본 실시예에 기술된 공정 배치가 공급원료 품질 및 요구되는 생성물 품질을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는 많은 요인들에 의존하여 다양할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
상기 개시내용에 관하여, 당업자는 본 발명이 설계 기준에 의존하는 많은 수의 실시예를 포함한다는 것을 이해하여야 한다. 이와 같은 일 실시예는 탄화수소 연료 공급물을 수소가 풍부한 기체로 변환시키는 콤팩트 연료 처리장치를 포함하며, 상기 연료 처리장치 어셈블리는 공급 말단 및 매니폴드 말단을 보유한 실린더, 제거 가능한 매니폴드, 및 실린더내에 위치하고 미리 정해진 복수의 반응 구역을 포함하고, 각각의 반응 구역은 반응 구역에서 발생하는 화학 반응으로 특징지워진다. 또한, 상기 연료 처리장치는 매니폴드 말단에 연결된 하나의 주입 말단 및 하나의 배출 말단을 보유한 적어도 하나의 냉각 코일을 포함하고, 상기 적어도 하나의 냉각 코일 각각은 특정 반응 구역에서 열을 제거하거나, 또는 특정 반응 구역의 온도를 조절하기 위하여 물을 직접 주입하기 위하여 내부에 위치된다. 이와 같은 실시예에 안에서, 복수의 촉매들은 자열 개질 촉매 또는 증기 개질 촉매, 탈황 촉매, 물 기체 변이 촉매, 선택적 산화 촉매, 및 이의 혼합물 및 조합, 및 유사 촉매들을 포함한다. 본 일례의 연료 처리장치에서 사용되는 탄화수소 연료 공급물은 바람직하게는 실린더에 주입되기 전에 열교환기에 통과되거나, 또는 대안으로 자열 개질 반응 구역으로부터 기능적 상류 위치에 위치한 연료 예열장치에 의해 예열된다. 넓은 종류의 탄화수소 연료들이 사용될 수 있다. 그러나, 일 실시예에 있어서, 탄화수소 연료는 천연 가스, 가솔린, 디젤, 연료 오일, 프로판, 액화 석유, 메탄올, 에탄올 또는 기타 유사하고 적당한 탄화수소 및 이들의 혼합물에서 선택된다. 일 실시예에 있어서, 실린더가 실린더의 상부에 위치한 매니폴드 말단 및 공급 말단으로부터 매니폴드 말단으로 일반적으로 상승하는 반응물 흐름과 실질적으로 수직으로 배향되는 것이 바람직하다. 본 실시예는 자열 개질 촉매를 함유하는 일차 반응 구역, 탈황 촉매를 함유하는 이차 반응 구역, 물 기체 변이 촉매를 함유하는 삼차 반응 구역, 및 선택적 산화 촉매를 함유하는 사차 반응 구역을 포함한다. 바람직하게는, 상기 일차 반응 구역은 실린더의 공급 말단에 위치되고, 상기 이차 반응 구역은 일차 반응 구역에 인접하여 위치되고, 상기 삼차 반응 구역은 이차 반응 구역에 인접하여 위치되고, 및 사차 반응 구역은 실린더의 매니폴드 말단에 위치된다. 또한, 수소가 풍부한 기체와 공기의 혼합을 향상시키기 위하여 삼차 반응 구역과 사차 반응 구역 사이에 세라믹 비드 구역이 위치될 수 있으며, 상기 공기는 매니폴드의 고정 노즐을 통하여 세라믹 비드 구역으로 주입된다. 이와 같은 공기 주입은 단순 기체 주입 튜브 또는 다공성 튜브와 같은 잘 알려진 수단으로 수행될 수 있다. 당업자는 복수의 반응 구역들 각각이 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다는 것으로 이해하여야 한다. 이와 같은 일 실시예에 있어서, 촉매는 자열 개질 촉매, 탈황 촉매, 물 기체 변이 촉매, 선택적 산화 촉매, 이의 혼합물 및 조합, 및 유사 촉매로부터 선택된다. 하나 이상의 촉매를 포함하는 어떠한 특정 반응 구역이 투과성 플레이트에 의해 인접 반응 구역으로부터 분리될 수 있으며, 상기 투과성 플레이트는 또한 인접 반응 구역들을 지지한다. 일 실시예에 있어서, 상기 플레이트는 천공 금속, 금속 체, 금속 망, 소결 금속, 다공성 세라믹, 또는 이들 물질의 조합 및 유사 물질들에서 선택된다. 상기 플레이트가 인코널, 탄소 스틸, 스테인리스 스틸, 하스텔로이, 또는 온도, 압력 및 조성에 적합한 기타 물질의 적어도 일부로 이루어지는 것이 이와 같은 일 실시예에서 바람직하다. 본 발명의 바람직한 면에 있어서, 콤팩트 연료 처리장치는 또한 연료전지로부터 아노드 잔류기체를 산화시켜 배출 기체를 생성시키기 위하여 아노드 잔류기체 산화 촉매층을 보유한 이차 실린더를 포함한다. 상기 이차 실린더는 탄화수소 연료를 일차 실린더에 주입하기 전에 탄화수소 연료를 가열시키는 예열교환기를 보유할 수 있으며, 이와 같은 예열교환기는 아노드 잔류기체 산화 촉매층 내부에 위치될 수 있다. 또한, 또 다른 선택적 산화 촉매층을 함유한 오차 반응 구역이 본 실시예에 포함된다는 것을 예상할 수 있다. 이와 같은 실시예에 있어서, 충분히 혼합되도록 하기 위하여, 사차 반응 구역과 오차 반응 구역 사이에 전술한 공기 주입 노즐을 함유한 세라믹 비드의 이차 구역이 위치될 수 있다.
또 다른 이와 같은 일 실시예는 탄화수소 연료 공급물을 수소가 풍부한 기체로 변환시키는 콤팩트 연료 처리장치를 포함하며, 상기 연료 처리장치 어셈블리는 공급 말단 및 매니폴드 말단을 보유한 실린더, 제거 가능한 매니폴드, 및 실린더내에 위치하고 미리 정해진 복수의 반응 구역을 포함하고, 각각의 반응 구역은 반응 구역에서 발생하는 화학 반응으로 특징지워진다. 냉각 코일 또는 기타의 열교환기 대신에, 직접 물 주입장치를 통하여 각 반응 구역의 온도를 조절한다. 일 실시예에 있어서, 실린더가 실린더의 상부에 위치한 매니폴드 말단 및 공급 말단으로부터 매니폴드 말단으로 일반적으로 상승하는 반응물 흐름과 실질적으로 수직으로 배향되는 것이 바람직하다. 본 실시예는 자열 개질 촉매를 함유하는 일차 반응 구역, 탈황 촉매를 함유하는 이차 반응 구역, 물 기체 변이 촉매를 함유하는 삼차 반응 구역, 및 선택적 산화 촉매를 함유하는 사차 반응 구역을 포함한다. 바람직하게는, 상기 일차 반응 구역은 실린더의 공급 말단에 위치되고, 상기 이차 반응 구역은 일차 반응 구역에 인접하여 위치되고, 상기 삼차 반응 구역은 이차 반응 구역에 인접하여 위치되고, 및 사차 반응 구역은 실린더의 매니폴드 말단에 위치된다. 또한, 수소가 풍부한 기체와 공기의 혼합을 향상시키기 위하여 삼차 반응 구역과 사차 반응 구역 사이에 세라믹 비드 구역이 위치될 수 있으며, 상기 공기는 매니폴드의 고정 노즐을 통하여 세라믹 비드 구역으로 주입된다. 이와 같은 공기 주입은 단순 기체 주입 튜브 또는 다공성 튜브와 같은 잘 알려진 수단으로 수행될 수 있다. 당업자는 복수의 반응 구역들 각각이 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다는 것으로 이해하여야 한다. 이와 같은 일 실시예에 있어서, 촉매는 자열 개질 촉매 또는 증기 개질 촉매, 탈황 촉매, 물 기체 변이 촉매, 선택적 산화 촉매, 이의 혼합물 및 조합, 및 유사 촉매로부터 선택된다. 하나 이상의 촉매를 포함하는 어떠한 특정 반응 구역이 투과성 플레이트에 의해 인접 반응 구역으로부터 분리될 수 있으며, 상기 투과성 플레이트는 또한 인접 반응 구역들을 지지한다. 일 실시예에 있어서, 상기 플레이트는 천공 금속, 금속 체, 금속 망, 소결 금속, 다공성 세라믹, 또는 이들 물질의 조합 및 유사 물질들에서 선택된다. 상기 플레이트가 인코널(INCONEL®; 니켈합금과 니켈, 크롬 및 철의 합금과 관련되어 사용하기 위해 등록된 상표), 탄소스틸 및 스테인리스 스틸의 적어도 일부로 이루어지는 것이 이와 같은 일 실시예에서 바람직하다.
바람직한 또는 일례의 실시예를 통하여 본 발명의 장치, 조성 및 방법들이 기술되어 있지만, 본 발명의 개념 및 사상에서 벗어나지 않으면서 본 명세서에 기술된 방법에 다양한 변형들이 적용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 당업자에게 자명한 이와 같은 유사한 치환 및 변형들 모두는 청구범위에서 청구된 본 발명의 범위 및 사상의 범주 안에 속한다.

Claims (25)

  1. 제거 가능한 매니폴드(manifold)를 보유하고, 공급 말단(end) 및 매니폴드 말단을 보유한 실린더;
    상기 실린더의 공급 말단에 위치하는 일차 반응 구역, 상기 일차 반응 구역에 인접하게 위치하는 이차 반응 구역, 상기 이차 반응 구역에 인접하게 위치하는 삼차 반응 구역 및 상기 실린더의 매니폴드 말단에 위치하는 사차 반응 구역을 포함하고, 각각의 반응 구역이 반응 구역에서 발생되는 화학 반응에 의해 특징지워지는 반응 구역;
    상기 삼차 반응 구역과 상기 사차 반응 구역 사이에 위치하는 세라믹 비드 구역; 및
    특정 반응 구역으로부터 열을 제거하기 위해 각각의 적어도 하나의 냉각 코일이 반응 구역 내부에 위치되고, 주입 말단 및 상기 매니폴드 말단과 연결된 배출 말단을 보유한 적어도 하나의 냉각 코일을 포함하는 탄화수소 연료 공급물을 수소가 풍부한 기체로 변환시키는 콤팩트 연료 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실린더가 실린더의 상부에 위치한 매니폴드 말단과 수직으로 배향되는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  3. 제1항에 있어서, 일차 반응 구역이 자열(autothermal) 개질 촉매 또는 증기 개질 촉매를 포함하고, 이차 반응 구역이 탈황 촉매를 포함하고, 삼차 반응 구역이 물 기체 변이 촉매를 포함하고, 및 사차 반응 구역이 선택적 산화 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 매니폴드에 연결되고, 상기 세라믹 비드 구역으로 공기를 주입시키는 공기 주입 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  7. 제1항에 있어서, 하나 이상의 촉매를 포함하는 반응 구역이 투과성 플레이트(plate)에 의해 인접한 반응 구역으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 투과성 플레이트가 천공(perforated) 금속, 금속 체(screen), 금속 망(mesh), 소결(sintered) 금속, 또는 다공성 세라믹인 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 투과성 플레이트가 인코널(inconel), 탄소 스틸(carbon steel), 스테인리스 스틸(stainless steel) 및 하스텔로이(hastelloy)로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  10. 제1항에 있어서, 배출(exhaust) 기체를 생성시키기 위하여 연료전지로부터 아노드(anode) 잔류기체를 산화시키는 아노드 잔류기체 산화 촉매층(bed)을 포함하는 이차 실린더를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 이차 실린더가 탄화수소 연료를 상기 일차 실린더로 공급하기 전에 탄화수소 연료를 가열하는 예열교환기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 예열교환기가 상기 아노드 잔류기체 산화 촉매층 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  13. 제3항에 있어서, 오차 반응 구역이 선택적 산화 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 일차 반응 구역이 실린더의 공급 말단에 위치되고, 상기 이차 반응 구역이 상기 일차 반응 구역에 인접하여 위치되고, 상기 삼차 반응 구역이 상기 이차 반응 구역에 인접하여 위치되고, 상기 사차 반응 구역이 상기 삼차 반응 구역에 인접하여 위치되고, 및 상기 오차 반응 구역이 실린더의 매니폴드 말단에 위치되는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  15. 제14항에 있어서, 사기 삼차 반응 구역 및 상기 사차 반응 구역 사이에 위치된 세라믹 비드의 일차 구역, 및 상기 사차 반응 구역 및 상기 오차 반응 구역 사이에 위치된 세라믹 비드의 이차 구역을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  16. 제15항에 있어서, 매니폴드에 연결되고, 공기를 세라믹 비드의 각 구역으로 주입시키는 공기 주입 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  17. 제거 가능한 매니폴드(manifold)를 보유하고, 공급 말단(end) 및 매니폴드 말단을 보유한 실린더;
    상기 실린더의 공급 말단에 위치하는 일차 반응 구역, 상기 일차 반응 구역에 인접하게 위치하는 이차 반응 구역, 상기 이차 반응 구역에 인접하게 위치하는 삼차 반응 구역 및 상기 실린더의 매니폴드 말단에 위치하는 사차 반응 구역을 포함하고, 각각의 반응 구역이 반응 구역에서 발생되는 화학 반응에 의해 특징지워지는 반응 구역;
    상기 삼차 반응 구역과 상기 사차 반응 구역 사이에 위치하는 세라믹 비드 구역; 및
    각각의 주입수단이 상기 매니폴드에 연결되고, 특정 반응 구역으로 물을 주입시키는 적어도 하나의 주입 수단을 포함하는 탄화수소 연료 공급물을 수소가 풍부한 기체로 변환시키는 콤팩트 연료 처리장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 실린더가 실린더 상부에 위치한 매니폴드 말단과 수직으로 배향되는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  19. 제17항에 있어서, 일차 반응 구역이 자열 개질 촉매 또는 증기 개질 촉매를 포함하고, 이차 반응 구역이 탈황 촉매를 포함하고, 삼차 반응 구역이 물 기체 변이 촉매를 포함하고, 및 사차 반응 구역이 선택적 산화 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제17항에 있어서, 상기 매니폴드에 연결되고, 상기 세라믹 비드 구역으로 공기를 주입시키는 공기 주입 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  23. 제19항에 있어서, 반응 구역이 투과성 플레이트에 의해 인접한 반응 구역으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 투과성 플레이트가 천공 금속, 금속 체, 금속 망, 소결 금속, 또는 다공성 세라믹인 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 투과성 플레이트가 인코널, 탄소 스틸, 스테인리스 스틸 및 하스텔로이로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
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