KR100940171B1 - 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기 - Google Patents

다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명은 액체연료가 액적화되는 분무기와, 상기 액적화된 연료와 물 및 공기가 챔버를 통해 순차적으로 혼합되는 혼합기와, 상기 혼합기에서 혼합된 혼합물이 촉매에 의해 개질되는 반응기를 특징으로 한다.

Description

다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기 {A FUEL REFORMER ADOPTING INCLUSIVE OF MULTI-CHAMBER TYPE MIXER}
본 발명은 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 챔버 방식을 채용하여 효율적으로 반응물을 혼합하여 반응시키는 연료 개질기에 관한 것이다.
현재 전 세계적으로 화석연료의 고갈 및 가격 상승에 따라 대체에너지의 개발 필요성이 크게 대두 되고 있고, 이에 더하여 화석연료의 연소반응에 기인한 환경오염의 문제, 지구 온난화의 문제 등은 청정에너지의 개발 필요성을 더욱 강조하고 있다. 연료전지는 오염물질의 배출이 거의 없을 뿐만 아니라 기존의 연소를 이용하는 엔진에 비해 효율이 높고 용량을 쉽게 변화시킬 수 있어 대체에너지 자원으로서 큰 관심을 불러일으키고 있다.
연료개질 특히 디젤 개질은 가정에서 쉽게 입수가 가능한 디젤 연료를 이용하여 빠르고 값싸게 수소로 전환시켜주는 기술로 고 효율화, 소형화, 경량화, 시동 의 신속성 및 안정성 등이 연료전지 보급의 핵심 기술이라고 할 수 있다.
디젤 개질 방법으로는 수증기 개질법(Steam Reforminf: SR), 부분산화법(Partial Oxidation: POX) 및 자열개질법(Autothermal Reforming: ATR) 등이 있다. 이 중 자열개질법을 이용한 디젤 개질은 다른 개질법들에 비해 높은 개질 효율 및 연료 전환율을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 하지만, 디젤 개질시 황에 의한 개질 촉매의 피독현상, 개질 반응 중의 탄소침적(carbon deposition) 현상 및 액상인 디젤과 기상인 다른 반응물들의 혼합 문제점이 있다. 특히, 액상 디젤의 혼합 문제는 연료 전환율과도 관계가 있어 장기 운전 성능을 보장하기 위하여는 적절한 혼합 대책이 반드시 필요하다.
그러나 이런 문제점에도 종래 열병합식 연료전지 시스템의 설계에 있어 연료개질기의 성능 향상은 타 주변장치의 개발에 비하여 간과되어 왔다. 또한, 우수한 연료 개질을 보장하기 위하여 각 반응물 간의 혼합비를 조절하여야 할 필요성이 있으나, 펌프나 블로어 성능에만 의존할 뿐 능동적인 대응 설계가 없는 문제점이 있다.
본 발명의 과제는 종래 기술의 결점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 과제는 액상의 디젤을 타 반응물과 효율적으로 혼합시킬 수 있어 개질 성능이 크게 향상되고, 그에 따라 장기 운전 성능이 보장되는 고체 산화물 연료전지 시스템의 연료 개질기를 제공하고자 하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 액체연료가 액적화되는 분무기와, 상기 액적화된 연료와 물 및 공기가 챔버를 통해 순차적으로 혼합되는 혼합기와, 상기 혼합기에서 혼합된 혼합물이 촉매에 의해 개질되는 반응기를 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템의 연료개질기는 액상의 디젤 연료를 효율적으로 혼합하여 개질하여, 개질 효율이 향상되어 연료전지 시스템의 장기 운전 성능이 보장된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료개질기가 적용되는 액체연료용 고체 산화물 연료전지 시스템의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 열병합 발전 형태의 연료전지 시스템은 고체 산화물 연료전지(SOFC) 시스템은 핫박스와 콜드 박스로 구성될 수 있다.
상기 핫박스(Hot Box)(100)는 외부에서 유입되는 공기 및 물을 가열하여 이용하는 단열 공간이다. 따라서 운전 중 고온 유지가 필요한 연료전지 스택(110), 공기 및 물을 가열하는 열교환기(120), 연료개질기(130), 버너(140) 및 애프터버너 형태의 촉매연소기(150)가 내장될 수 있다.
상기 콜드 박스(Cold Box)(200)는 주변장치를 별도로 보관하는 공간으로, 공기 블로어(210, 220, 230) 및 펌프(240, 250, 260)와 제어모듈(미도시)가 내장될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체연료용 연료개질기의 조립 측면도이다.
도 2를 참조하면, 연료개질기(130)는 분무기(300), 혼합기(400) 및 반응기(500)로 구성될 수 있다.
상기 분무기(300)는 초음파 발진부(330)를 구비하며, 액체연료를 액적화 한다. 따라서 비교적 고온으로 유지되는 핫박스(100) 내에 배치되며, 원활하게 디젤을 액적화 하기 위해 적정한 수준으로 냉각될 수 있다.
상기 혼합기(400)는 분무기(300)에서 액적화된 디젤이 공기 및 물과 혼합되며, 반응물이 고르게 혼합될 수 있도록 다중 챔버 형태로 이루어질 수 있다.
상기 반응기(500)는 상기 공기 및 물과 혼합된 디젤이 유입되어 수소로 개질 된다.
따라서 분무기(300), 혼합기(400), 반응기(500)가 순차적으로 조립되어 일체화된 연료개질기(130)는 디젤과 같은 액체 연료를 액적화하고 공기 및 물과 혼합하여 스택(110)에 주입되는 수소 연료 가스를 개질해 낼 수 있다.
도 3a는 도 2의 연료개질기 중 분무기 측면 절개도를 나타낸 도면이고, 도 3b는 도 3a의 분무기의 분무기 본체의 단면을 상세히 나타낸 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 분무기(300)는 분무기 본체(310), 노즐(320) 및 접합부(340)로 구성될 수 있다.
상기 분무기 본체(310)는 연료 주입구(311)와 공기 주입구(312)로 구성될 수 있다.
상기 연료주입구(311)는 분무기(300) 상단에 위치하며 연료주입구(311)로 주입된 액체 디젤은 고압의 디젤펌프(250) 및 초음파 발진부(330)에 의해 유동 압력 및 진동 에너지를 받아 분무기의 노즐(320)에서 액적화되고, 접합부(340)를 통해 빠져나간다. 따라서 분무기 본체(310)의 하단 측면에 초음파 발진부(330)를 부착하여 능동적으로 디젤을 액적화하는 초음파 방식을 사용할 수 있다.
상기 초음파 발진부(330)는 대략 20W 정도의 용량이 되도록 선정할 수 있으나, 용량이 이에 한정되는 것은 아니고 요구되는 디젤의 유량에 따라 적정한 크기로 선정할 수 있다. 또한, 상기 디젤분부기(300)의 정상 운전 여부를 용이하게 확인하기 위하여, 실시간 소비전력 표시장치를 추가할 수도 있다.
상기 공기주입구(312)는 냉각용 공기가 주입되는 곳으로 상기 공기주입구(312)로 주입된 비교적 저온의 공기는 분무기 본체(310) 내에 마련된 냉각공간(미도시)을 돌아 나가며 분무기(300)를 냉각한다.
여기서 냉각 방식은 공냉식 및 수냉식 모두 사용 가능하도록 설계할 수 있다. 냉각방식을 수랭식으로 하는 경우 상기 공기주입구(312)에는 비교적 저온의 냉각수가 주입된다. 상기 냉각용 공기 및 냉각수는 연료전지 시스템에 필수적으로 공급되는 반응물로서의 물 혹은 공기일 수 있다. 반응물 자체를 분무기(300) 냉각에 사용하는 경우, 냉각 후 배출되는 반응물은 혼합기(400)에 다시 주입되어 개질에 사용된다. 연료개질기(130)에서 필요로 하는 공기 및 물은 반응기(500)로 들어가기 전 일정한 고온으로 가열되면 반응성이 크게 향상되는바, 상기와 같이 반응물 자체를 냉각에 사용함으로써, 부가적인 냉각장치를 포함하지 않고도 고효율의 열 이용이 가능하게 된다.
접합부(340)는 혼합기(400)와의 연결을 위해 분무기(300) 하단에 위치한다.
도 3b를 참조하면, 냉각방식으로 공랭식과 수랭식을 동시에 사용할 수도 있다. 분무기 본체(310)의 상단 둘레에는 물이 돌아나가며 분무기(300)를 냉각하는 수랭식 열교환기(313)를 구비하고, 분무기 본체(310)의 하단 둘레에는 공기가 돌아나가며 분무기(300)를 냉각하는 공랭식 열교환기(314)를 구비함으로써 냉각 효율을 극대화할 수도 있다.
도 4a는 도 2의 연료개질기 중 혼합기를 나타낸 도면이며, 도 4b는 도 4a의 I-I’ 선을 따라 자른 단면을 나타낸 측면도이며, 도 4c는 도 4a의 Ⅱ-Ⅱ’선을 따 라 자른 단면을 나타낸 측면도이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 일실시 예인 혼합기(400)는 다중 챔버 방식을 사용할 수 있다. 구체적으로, 혼합기(400) 내부를 내측 챔버(411) 및 외측 챔버(412)의 이중 챔버로 구성하여 공기와 다른 반응물을 분리하여 주입한다. 분무기(300)에서 액적화된 연료와 물이 내측 챔버(411)에서 1차 혼합되고 나면 외측 챔버(412)에서 공기가 내측 챔버(411)의 에어 홀(4131)을 통해 다점 공급된다. 혼합기 본체(410)는 원통형의 내측 챔버(411)의 주위로 속이 빈 도넛형의 외측 챔버(412)가 둘러싸게 된다. 그리고 상기 외측 챔버(412)와 내측 챔버(411) 사이는 내벽(413)으로 구분되며, 외측 챔버(412)의 외주면은 외벽(414)으로 형성된다. 상기 내측 챔버(411)의 상단부에는 액적화된 연료가 주입되는 연료주입구(420)가 형성되고, 하단부에는 혼합가스 배출구(460)가 구비된다.
연료개질기(130)에 필요한 물은 외벽(414)에 형성되는 물 유입구(440)를 통해 주입된다. 상기 물 유입구(440)는 외벽(414)을 통해 외측 챔버(412)를 관통하여 내벽(413)까지 이어진다. 상기 물 유입구(440)를 통해 내측 챔버(411)로 주입된 물은 연료유입구(420)의 액적 디젤과 먼저 혼합된다. 따라서 물 유입구(440)는 혼합을 위해 혼합기(400)의 중심축을 지나도록 형성될 수 있다.
한편, 공기유입구(430)는 외벽(414)에 접선 방향으로 형성될 수 있다. 상기 공기유입구(430)를 통해 들어온 공기는 접선 방향의 진입으로 인해 외측 챔버(412)를 회전하는 식으로 유동한다. 상기 외측 챔버(412)로 유입된 공기는 내벽(413)에 다수 형성된 에어홀(4131)을 통해 내측 챔버(411)로 공급된다. 액적화된 연료와 물 이 먼저 혼합되고 공기가 2차로 혼합되는 다점식으로 혼합되어, 반응물의 혼합 효율을 극대화할 수 있다.
한편, 상기 에어 홀(4131)의 크기는 반응물의 혼합 비율에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 에어 홀(4131)은 디젤펌프, 공기 블로어 등의 용량에 따라 최적 성능을 유지하도록 크기를 변경할 수 있다. 즉, 공기유입구(430) 주변의 에어 홀(4131)은 작게 형성하고 내벽(413)을 따라 공기유입구(430)로부터 멀어질수록 직경을 크게 하여, 내측 챔버(411) 내로 공급되는 공기의 유량을 균일하게 함으로써 혼합을 극대화할 수 있다.
또한, 상기 혼합기(400)의 외벽(414)에는 열전대 삽입포트(450)를 구비하여 혼합기(400)의 내부 챔버 온도를 관찰할 수 있다.
도 5는 도 2의 반응기의 절개 측면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반응기(500)는 작동온도가 대략 500~900도에서 작동하도록 설계될 수 있다. 반응기 본체(510)는 STS 316L가 사용될 수 있고, 촉매(530)는 NECS-1가 사용될 수 있다. 촉매(530)는 촉매지지대(520)에 지지되어 움직임 없도록 배치된다. 혼합기(400)를 거쳐 반응기 입구(511)로 들어온 혼합된 반응물은 촉매에 의해 수소 가스로 개질 된다.
한편, 반응기 입구(511) 내측 벽면은 그루브(미도시)를 형성할 수 있다. 상기 그루브에 의해 혼합기(400)에서 미처 혼합되지 않은 반응물이 좀 더 고르게 혼합될 수 있다. 또한, 상기 반응기(500)의 외측 벽면에는 방열핀(미도시)이 더 부착될 수 있다. 상기 방열핀에 의해 반응기(500)는 일정한 개질 온도로 유지될 수 있 다.
다음으로, 본 발명의 연료개질기(130)를 이용한 연료개질 과정을 설명한다. 디젤펌프(250)에 의해 액체 디젤이 분무기(300)로 주입된다. 상기 분무기(300)로 주입된 디젤은 노즐(320) 및 초음파 발진부(330)에 의해 적절한 크기로 액적화 된다. 상기 분무기(300)는 냉각용 공기 혹은 냉각수에 의해 일정한 운전온도로 냉각 유지될 수 있다. 액적화된 디젤은 혼합기(400)로 유입된다. 혼합기(400)의 내측 챔버(411)에는 물 유입구(440)가 연결되어 물이 주입되고 상기 주입된 물과 연료가 먼저 혼합된다. 한편, 공기 블로워로부터 유입되는 공기는 외측 챔버(412)를 회전하는 방향으로 진입하여 에어 홀(4131)을 통해 내측 챔버(411)로 다점 공급된다. 이에 따라 반응물의 혼합이 고르고 빠르게 진행된다. 상기 혼합된 반응물은 반응기(500)로 들어가 촉매(530)에 의해 개질 되고 혼합가스 배출구(460)를 통해 토출되어 연료전지 스택(110)의 연료극으로 들어간다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료개질기가 적용되는 액체연료용 고체 산화물 연료전지 시스템의 모식도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체연료용 연료개질기의 조립 측면도,
도 3a는 도 2의 연료개질기 중 분무기 측면 절개도를 나타낸 도면,
도 3b는 도 3a의 분무기의 분무기 본체의 단면을 상세히 나타낸 단면도,
도 4a는 도 2의 연료개질기 중 혼합기를 나타낸 도면,
도 4b는 도 4a의 I-I’ 선을 따라 자른 단면을 나타낸 측면도,
도 4c는 도 4a의 Ⅱ-Ⅱ’선을 따라 자른 단면을 나타낸 측면도,
도 5는 도 2의 반응기의 절개 측면도이다.

Claims (14)

  1. 액체연료가 액적화되는 분무기, 상기 액적화된 연료와 물 및 공기가 다중챔버를 통해 순차적으로 혼합되는 혼합기, 상기 혼합기에서 혼합된 혼합물이 촉매에 의해 개질되는 반응기를 포함하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기에 있어서,
    상기 다중챔버는,
    내벽에 의해 구획되는 내측 챔버와 외측 챔버;
    상기 내측 챔버와 연결되며 내벽을 관통하여 외부로 신장된 물유입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료 개질기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분무기는 연료개질에 사용되는 공기를 통해 냉각되는 것을 특징으로 하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 분무기는 연료개질에 사용되는 물을 통해 냉각되는 것을 특징으로 하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 챔버는 적어도 2개의 독립된 챔버로 형성되는 것을 특징으로 하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료 개질기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 물유입구의 관통 방향은 혼합기의 중심축을 향하는 것을 특징으로 하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측 챔버의 접선방향으로 챔버에 공기를 유입시키는 공기 유입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 내벽에는 복수의 공기 주입용 에어홀이 구비된 것을 특징으로 하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 분무기에 소비전력 표시장치가 더 포함된 것을 특징으로 하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 공기유입구에서 멀어질 수 록 커지는 직경을 가지는 에어홀이 상기 내벽에 형성된 것을 특징으로 하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합기의 외벽에는 열전대 삽입포트가 더 포함된 것을 특징으로 하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기.
  12. 진동 에너지로 연료를 액적화시키는 초음파 발진부, 상기 액적화된 연료를 분사하는 분무기, 상기 액적화된 연료와 물 및 공기를 다중 챔버를 통해 순차적으로 혼합하는 혼합기, 상기 혼합기에서 혼합된 혼합물이 촉매에 의해 개질되는 반응기를 포함하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기에 있어서,
    상기 다중 챔버는,
    내벽에 의해 구획되는 내측 챔버와 외측 챔버;
    상기 내측 챔버와 연결되며 내벽을 관통하여 외부로 신장된 물유입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료 개질기.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 분무기는 연료개질에 사용되는 공기와 물 통해 냉각되는 것을 특징으로 하는 일체화된 다중 챔버 방식 혼합기를 채용한 연료개질기.
  14. 삭제
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