KR100979572B1 - 연료 개질 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 개질 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 연소반응부 및 개질반응부를 포함하는 제 1 유닛(10); 상기 제 1 유닛(10)과 연통되며, 상기 제 1 유닛(10)에서 배출된 고온의 개질 가스와 상기 제 1 유닛의 연소과정에 공급되는 공기의 열교환이 이루어지는 제 2 유닛(20); 상기 제 2 유닛(20)과 연통되며, 상기 제 2 유닛(20)에서 배출된 개질가스의 수성가스 전환반응이 이루어지는 제 3 유닛(30); 상기 제 1 유닛(10)과 연통되며, 상기 1 유닛(10)에서 배출된 고온의 연소가스와 개질반응을 위하여 상기 제 1 유닛(10)으로 공급되는 물의 열교환이 이루어지는 제 4 유닛(40); 및 상기 제 3 유닛(30)과 연통되며, 상기 제 3 유닛(30)에서 배출된 개질가스에 포함된 일산화탄소를 선택적으로 연소시키는 제 5 유닛(50);을 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 연료 개질 시스템은 최적화된 열교환망 설계로 효율이 높다.
연료 개질, 열교환기, 마이크로 채널

Description

연료 개질 시스템{System for reforming fuel}
본 발명은 연료 개질 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 시스템 공정 내에서 발생하는 폐열을 회수 및 재활용함으로써 열효율 및 수소로의 전환율이 높은 연료 개질 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 화석연료에 의한 에너지 생산이 대부분을 차지하고 있으나, 최근 지구온난화, 일산화탄소 배출억제 등 환경문제에 대한 관심이 커져가고 있으며 이에 따라 차세대 무공해 발전기술에 대한 수요가 증가하고 있다.
차세대 무공해 발전기술인 연료전지의 전기 생산 원리는 수소와 산소의 화학적 결합으로 전기 에너지를 생산하는 것이므로, 지속적인 전기 생산을 위해서는 수소 공급 장치가 매우 중요하다.
이때 연료 개질 시스템은 연료전지 시스템에 지속적으로 수소를 공급하는 역할을 한다.
최근 휴대용 전자기기용 전원으로서 연료전지를 적용하려는 시도가 이루어지 고 있다.
따라서 휴대용으로 연료 전지 시스템을 사용하기 위해서는 소형 및 경량화라는 제약조건이 발생하고, 소형 및 경량화를 위해서는 단열대책과 저에너지 손실대책이 요구된다.
종래 소형 또는 이동형 연료전지 시스템에 사용되는 실리콘 박막형 메탄올 개질기는 제조공정이 까다롭고 비용이 많이 들며 모듈간 열교환이 용이하지 않아 시스템 전체 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 최적화된 열교환망 설계로 효율이 높은 연료 개질 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열전달 특성이 좋은 플레이트 타입의 반응기를 사용하여 유지, 보수 및 열제어가 용이한 연료 개질 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료 개질 시스템은 연소반응부 및 개질반응부를 포함하는 제 1 유닛; 상기 제 1 유닛과 연통되며, 상기 제 1 유닛에서 배출된 고온의 개질 가스와 상기 제 1 유닛의 연소과정에 공급되는 공기의 열교환이 이루어지는 제 2 유닛;을 포함한다.
또한 본 발명에 따른 연료 개질 시스템은 상기 제 2 유닛(20)과 연통되며, 상기 제 2 유닛에서 배출된 개질가스의 수성가스 전환반응이 이루어지는 제 3 유닛; 상기 제 1 유닛과 연통되며, 상기 1 유닛에서 배출된 고온의 연소가스와 개질반응을 위하여 상기 제 1 유닛으로 공급되는 물의 열교환이 이루어지는 제 4 유닛;을 포함한다.
아울러 본 발명에 따른 연료 개질 시스템은 상기 제 3 유닛과 연통되며, 상기 제 3 유닛에서 배출된 개질가스에 포함된 일산화탄소를 선택적으로 연소시키는 제 5 유닛;을 포함한다.
본 발명에 따른 연료 개질 시스템은 최적화된 열교환망 설계로 인하여 열효율이 높고, 수소 발생율이 높다.
본 발명에 따른 연료 개질 시스템은 연소반응부 및 개질반응부를 포함하는 제 1 유닛; 및 상기 제 1 유닛과 연통되며, 상기 제 1 유닛에서 배출된 고온의 개질 가스와 상기 제 1 유닛의 연소과정에 공급되는 공기의 열교환이 이루어지는 제 2 유닛;을 포함한다.
또한 상기 제 2 유닛(20)과 연통되며, 상기 제 2 유닛에서 배출된 개질가스의 수성가스 전환반응이 이루어지는 제 3 유닛; 및 상기 제 1 유닛과 연통되며, 상기 1 유닛에서 배출된 고온의 연소가스와 개질반응을 위하여 상기 제 1 유닛으로 공급되는 물의 열교환이 이루어지는 제 4 유닛;을 포함한다.
아울러 상기 제 3 유닛과 연통되며, 상기 제 3 유닛에서 배출된 개질가스에 포함된 일산화탄소를 선택적으로 연소시키는 제 5 유닛;을 포함한다.
바람직하게, 상기 각 유닛은 일측에 적어도 하나의 유입구 및 배출구가 구비된 하우징(180) 내부에 적어도 하나의 판조립체(100)들을 적층하여 포함하고, 상기 판조립체(100)는 일측 표면에 다수의 마이크로 채널(116)이 형성된 좌우 대칭의 마이크로 채널판(110, 130)을 포함하되, 상기 마이크로 채널판(110, 130)이 쌍을 이 루며 상기 마이크로 채널들이 서로 대응되어 유로가 형성되도록 결합된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
본 실시예에서 제안하는 연료 개질 시스템은 메탄, 에탄, 프로판 및 부탄 등 현재 연료로 사용되는 모든 탄화수소에 적용이 가능하나, 설명의 편의를 위하여 이하 연료 개질 시스템의 원료는 메탄으로 한정하여 서술한다.
도 1 은 본 실시예에서 제안하는 연료 개질 시스템의 일례를 나타내는 구성도로서, 본 실시예에 따른 연료 개질 시스템은 제 1 유닛(10), 제 2 유닛(20), 제 3 유닛(30), 제 4 유닛(40) 및 제 5 유닛(50)을 포함한다.
본 실시예에서 상기 제 1 내지 제 5 유닛은 적어도 하나의 유입구 및 배출구가 구비된 하우징(180) 내부에 적어도 하나의 판조립체(100)들을 적층하여 포함하는 것이 바람직하다.
이때 상기 판조립체(100)는 일측 표면에 다수의 마이크로 채널(116)이 형성된 좌우 대칭의 마이크로 채널판(110, 130)을 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 좌우 대칭의 마이크로 채널판(110, 130)이 쌍을 이루며 상기 마이크로 채널들이 서로 대응되어 유로가 형성되도록 결합되는 것이 바랍직하다.
도 3 은 본 실시예에 따른 제 1, 2, 4 및 제 5 유닛을 분해하여 도시한 사시도로서, 상기 각 유닛은 하우징(180) 및 적어도 하나의 판조립체(100)를 포함한다.
본 실시예에서 제 1 유닛은 개질반응 및 연소반응이 각각 동시에 일어나고, 제 2 유닛 및 제 4 유닛은 두 유체간에 비혼합식 열교환이 일어나고, 제 5 유닛은 일산화탄소의 선택적 연소 반응 및 열교환이 이루어지므로 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 각 유닛은, 하우징(180)에 제 1 반응유체 투입구(Gas 1 in) 및 배출구가 형성되며, 제 2 반응유체 투입구(Gas 2 in) 및 배출구가 형성되는 것이 바람직하다.
상기 하우징(180)은 일측에 적어도 하나의 유입구 및 배출구가 구비되어 원료, 연료, 공기 및 물 등을 내부에 포함된 판조립체(100a~100d)들과 연통되게 하는 것이 바람직하다.
도 3 에 도시된 바와 같이 2 이상의 반응유체가 유입되면, 각각의 유체는 서로 혼합되지 않고 교대로 적층된 판조립체(100a ~ 100d)을 따라 이동하며 열교환 및 각각의 반응을 하는 것이 바람직하다.
상기 판조립체는(100a ~ 100d)는 도 4 에 도시된 판조립체(100)와 동일하며, 설명의 편의상 도면부호를 달리하였다.
다수의 판조립체(100a ~ 100d)가 교대로 적층되어 하우징에 수용되고, 제 1 반응유체(Gas 1 in)는 차례로 판 조립체들(100b, 100d)을 통과하며 반응이 일어나며, 제 2 반응유체(Gas 2 in)는 차례로 판 조립체들(100a, 100c)을 통과하며 반응이 일어나게 하여, 제 1 반응 유체 및 제 2 반응유체가 서로 혼합되지 않고 각각 반응이 일어나는 것이 바람직하다.
도 4 는 본 실시예에서 제안하는 판조립체를 분해한 사시도로서, 좌형 마이 크로 채널판(110) 및 우형 마이크로 채널판(130)을 포함한다.
상기 좌형과 우형이란 용어의 의미는 한 쌍을 이루어 판조립체를 구성하는 마이크로 채널판을 서로 구분하기 위하여 사용된 것이다.
본 실시예에서는 도 5 및 도 6 에 도시된 바와 같이 마이크로 채널판의 내부 구성은 좌우 대칭인 것이 바람직하다.
상기 마이크로 채널판(110, 130)은 유체가 연통될 수 있도록 유입구 및 배출구가 서로 대각선 방향으로 구비되는 것이 바람직하고, 유입구측에 유체가 마이크로 채널로 확산될 수 있도록 가이드 역할을 하는 확산부(112)가 형성되며, 배출구측에는 마이크로 채널(116)을 경유한 유체가 배출구로 수집되기 위하여 가이드 역할을 하는 수렴부(114)가 형성되는 것이 바람직하다.
도 7 은 본 실시예에서 제안하는 가스켓(120)의 일례를 나타내는 평면도이다.
본 실시예에서는 상기 판조립체(100) 내부에 유체의 유출을 방지하기 위하여 상기 가스켓(120)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 상기 하우징 및 마이크로 채널판은 모두 금속으로 성형될 수 있으며, 바람직하게는 스테인레스 스틸 등과 같이 내식성과 내열성이 우수한 재질로 성형될 수 있다.
또한 상기 마이크로 채널판은 SUS304, SUS310 또는 철-크롬 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
아울러 상기 가스켓(120)은 구리판 또는 스테인레스스틸판으로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 마이크로채널판들(110, 130)사이에 유체의 유로를 형성하기 위한 육각형 모양의 개구와 다수 개의 관통홀들이 형성되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 마이크로 채널판의 넓이는 170mm × 90mm로 형성하였고, 두께는 0.3mm로 형성하였으며, 마이크로 채널의 깊이는 0.15mm로 형성하였으나 요구되는 수소생산량을 고려하여 마이크로 채널판의 크기 및 마이크로 채널의 두께를 형성하는 것이 바람직하다.
이하, 각 유닛에서 일어나는 반응을 중심으로 본 실시예에서 제안하는 연료 개질 시스템의 작동을 구체적으로 살펴본다.
본 실시예에서 제 1 유닛(10)은 연소 및 개질용 판조립체를 포함한다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 연소반응이 일어나는 판조립체(100a, 100c) 및 개질반응이 일어나는 판조립체(100b, 100d)가 교대로 적층되므로 두 유체는 서로 혼합이 일어나지 않고 연소반응 및 개질반응이 각각 일어난다.
즉, 제 1 반응유체 유입구(Gas 1 in)를 통하여 개질원료인 메탄과 물이 공급되어 개질반응이 일어나며, 제 2 반응유체 유입구(Gas 2 in)을 통하여 연소연료인 메탄과 공기가 공급되어 연소반응이 일어난다.
또한 연소용 판조립체(100a, 100c)에서 발생하는 연소열로 개질반응에 필요한 온도를 얻는 것이 바람직하다.
상기 연소반응은 촉매 연소 반응으로서, 연소용 판조립체에 포함된 마이크로 채널판에 형성된 마이크로 채널내에 연소촉매가 코팅되는 것이 바람직하다.
상기 연소촉매로는 백금(platinum), 로듐(rhodium), 루테늄 (ruthenium), 오스뮴(osmium), 이리듐(iridium), 팔라듐(palladium) 및 니켈(Ni) 등과 같은 백금족 원소, 금, 은, 동 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 바람직하다. 특히, 상기 연소촉매는 촉매 지지체에 담지되어 사용되는 것이 바람직하다.
상기 연소촉매의 담지는 촉매지지체를 먼저 코팅하고, 상기 연소촉매의 수용액을 연소촉매의 양이 상기 촉매지지체 대비 0.1 내지 5 중량부가 되도록 첨가한 후, 건조 및 소성 처리하는 것이 바람직하다.
상기 촉매지지체로는 산화알루미늄, α-산화알루미늄, 산화지르코늄 (ZrO2), 실리카(silica; SiO2), 세리아(ceria; CeO2) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하고, 특히 세리아를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 그러나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 달리 탄화수소나 알코올 등의 산화를 촉진시키는데 사용될 수 있는 다른 촉매를 역시 본 발명에서 사용할 수 있다.
본 실시예에서는 도 5 에 도시된 바와 같이, 연소용 판조립체에 포함된 마이크로 채널판에 코팅된 연소 촉매는 연소용 연료가 유입되는 반응영역(150)으로부터 연소반응 후 배출되는 반응영역(156)에 이르기까지 연소촉매의 농도를 달리하여 코팅되는 것이 바람직하다.
특히, 반응유체가 유입되는 영역(150, 152)으로부터 반응 유체가 배출되는 영역(154, 156)으로 갈수록 두껍게 코팅하는 것이 바람직하다.
연소반응 및 개질반응은 각각 반응속도가 상이하므로 농도구배를 주어 코팅하는 경우에 열교환이 반응 전체에 걸쳐 이루어지며, 연소촉매가 코팅된 마이크로 채널판의 부분 열화(hot spot)을 방지하므로 내구성이 향상될 수 있다.
본 실시예에서 메탄의 개질반응은 600℃ ~ 800℃에서 이루어지므로, 상기 제 1 유닛의 온도는 600℃ ~ 800℃인 것이 바람직하다.
연소반응을 위하여 제 2 연료공급원(210)으로부터 메탄이 공급되고, 공기공급원(220)으로부터 공기가 공급되는 것이 바람직하고, 특히 공급된 공기는 제 5 유닛(50)에서 1 차적으로 예열되고 제 2 유닛(20)에서 2 차적으로 예열되어 400℃ ~ 600℃의 온도로 공급되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 메탄 및 예열된 공기는 연소용 판조립체에 공급되어 촉매 연소 반응이 일어나고, 개질반응에 필요한 온도인 600℃ ~ 800℃로 일정하게 유지시키기 위하여 연소용 판조립체와 인접한 개질용 판조립체에 연소열을 전달하는 것이 바람직하다.
메탄의 개질반응을 위하여 제 1 연료공급원(200)으로부터 메탄이 공급되고, 물 공급원(270)으로부터 물이 공급되는 것이 바람직하다.
상기 메탄은 제 2 열교환 장치(70)에서 1 차적으로 예열되고, 상기 물은 제 4 유닛(40)에서 수증기로 가열되어 상기 제 1 유닛(10)으로 공급되는 것이 더욱 바람직하다.
두 번의 예열과정을 마친 후 상기 제 1 유닛으로 공급되는 수증기의 온도는 300℃ ~ 500℃ 인 것이 바람직하다.
상기 개질반응을 위하여 개질용 판조립체에 포함된 마이크로 채널판에는 개질촉매가 코팅되는 것이 바람직하고, 상기 개질촉매로는 백금(platinum), 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium), 오스뮴(osmium), 이리듐(iridium), 팔라듐(palladium) 및 니켈(Ni) 등과 같은 백금족 원소, 금, 은, 동, K2O 또는 MgO 등의 알칼리 성분 및 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 바람직하다. 특히, 상기 개질촉매는 촉매지지체에 담지되어 사용되는 것이 바람직하다.
상기 촉매지지체로는 α-산화알루미늄, θ-산화알루미늄, γ-산화알루미늄, 산화지르코늄 (ZrO2), 실리카(silica; SiO2), 세리아(ceria; CeO2), 칼슘 알루미네이트(calcium aluminate) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하고, 특히 θ-산화알루미늄을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 그러나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 달리 수소를 생산하는데 사용될 수 있는 다른 촉매들 역시 본 발명에서 사용될 수 있다.
또한, 상기 연소용 판조립체 및 개질용 판조립체는 수소 생산량을 고려하여 적층하는 개수를 조정하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 제 2 유닛(20)은 일측이 상기 제 1 유닛(10)에 구비된 개질가스 배출구와 연통되고, 타측이 상기 제 5 유닛에 구비된 공기배출구와 연통되게 설치되는 것이 바람직하다.
공기공급원(220)으로부터 공급되며 제 5 유닛(50)을 경유하여 1 차적으로 예열된 공기는 상기 제 1 유닛에서 개질반응을 마친 개질가스와의 열교환을 통해 2차적으로 예열되는 것이 바람직하다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 제 2 유닛 내에서 상기 공기가 통과하는 판조립체(100b, 100d)와 개질가스가 통과하는 판조립체(100a, 100c)는 교대로 적층되므로 상기 공기 및 개질가스는 서로 혼합되지 않고 열교환을 이루는 것이 바람직하다.
즉 제 1 반응유체 유입구(Gas 1 in)를 통하여 공기가 공급되고, 제 2 반응유체 유입구(Gas 2 in)을 통하여 개질가스가 공급되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 제 3 유닛(30)은 일측이 상기 제 2 유닛(20)에 구비된 개질가스 배출구와 연통되고, 타측이 제 1 열교환 장치(60)와 유입구와 연통되게 설치하는 것이 바람직하며, 제 1 유닛(10)에서 배출되어 제 2 유닛(20)을 경유한 개질가스의 수성가스 전환반응(WGS)이 이루어진다.
상기 제 1 유닛(10)에서 이루어지는 메탄의 개질반응 후 생성물에는 약 5% ~ 15%의 일산화탄소가 포함되며, 이러한 일산화탄소는 양자 교환 멤브레인 연료전지의 전극재료로 사용되는 백금을 피독시켜 연료전지의 성능을 급격히 저하시키므로, 상기 제 3 유닛(30)을 통해 일산화탄소의 함량을 1% 이하로 낮추는 것이 바람직하다.
상기 제 3 유닛으로 수성가스전환반응을 위하여 상기 제 2 유닛으로부터 배출된 일산화탄소를 함유한 개질가스 및 물 공급원(260)으로부터 물이 공급되며, 상 기 물은 제 1 열교환 장치(60)를 경유하여 스팀으로 가열되어 제 3 유닛으로 공급되는 것이 바람직하다.
수성가스 전환반응이 일어나는 제 3 유닛은 도 3 에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 반응유체의 유입구는 필요하지 않으므로, 상기 개질가스 및 물이 함께 공급되는 제 1 반응유체 유입구가 구비되며, 다수의 판조립체(100)를 적층하여 하우징(180) 내부에 수용하는 것이 바람직하다.
수성가스 전환반응을 위하여 제 3 유닛(30)의 판조립체에 포함된 마이크로 채널판에 형성된 마이크로 채널에는 촉매가 코팅되는 것이 바람직하며, 상기 수성가스 전환반응용 촉매로는 백금(platinum), 레니움(Rhenium), 루테늄(ruthenium), 로듐(rhodium) 및 니켈(Ni) 등과 같은 백금족 원소, 금, 은, 동 및 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 촉매는 촉매 지지체에 담지되어 사용하는 것이 바람직하다.
상기 촉매 지지체로는 알루미나(alumina), 세리아(ceria), 지르코니아(zirconia), 칼슘 알루미네이트(calcium aluminate), 산화세슘(cesium oxide), 산화구리(copper oxide), 산화아연(zinc oxide) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
그러나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 달리 수성가스 전환반응에 사용될 수 있는 다른 촉매들 역시 본 발명에서 사용될 수 있다.
또한, 상기 제 3 유닛(30)은 수성가스 전환반응이 이루어 지기 위하여 온도는 250℃ ~ 350℃으로 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 제 4 유닛(40)은 일측이 상기 제 1 유닛에 구비된 개질가스 배출구와 연통되며, 타측이 물공급원(270)과 연통되도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 제 4 유닛(40)은 상기 제 1 유닛(10)의 연소과정 후 배출되는 연소가스의 폐열을 이용하여, 상기 제 1 유닛(10)의 개질반응을 위하여 공급되는 물을 수증기로 가열시킨다.
도 3 에 도시된 바와 같이 물이 통과하는 판조립체(100a, 100c) 및 연소가스가 통과하는 판조립체(100b, 100d)는 교대로 적층되어 상기 물과 연소가스는 서로 혼합되지 않고 열교환이 이루어지는 것이 바람직하다.
즉 제 1 반응유체 유입구(Gas 1 in)를 통하여 연소가스가 공급되고, 제 2 반응유체 유입구(Gas 2 in)를 통하여 물이 공급되면서, 적층된 판조립체 간에 열교환이 이루어지게 된다.
본 실시예에서 제 5 유닛은(50)은 일측이 상기 제 2 유닛(20)에 구비된 유입구와 연통되며, 타측이 상기 제 3 유닛(30)에 구비된 개질가스 배출구와 연통되게 설치되는 것이 바람직하다.
상기 제 5 유닛(50)은 상기 제 3 유닛에서 수성가스 전환반응을 마친 개질가스의 일산화탄소를 선택적으로 연소하여 개질가스에 포함된 일산화 탄소의 양을 줄이고, 상기 연소반응으로부터 생성된 연소열을 이용하여 상기 제 1 유닛의 연소 에 사용되는 공기를 1차적으로 예열하는 것이 바람직하다.
도 3 에 도시된 바와 같이 제 5 유닛은 내부에 선택적으로 일산화탄소의 연소반응이 일어나는 판조립체(100b, 100d) 및 열교환을 위한 공기가 통과하는 판조립체(100a, 100c)를 교대로 적층하여 포함하며, 연소반응이 일어나는 개질가스 및 열교환을 위한 공기가 서로 혼합되지 않고 열교환이 이루어지는 것이 바람직하다.
즉 선택적 연소반응을 위하여 제 1 반응유체 유입구(Gas 1 in)를 통하여 개질가스 및 공기가 공급되며, 열교환을 위하여 제 2 반응유체 유입구(Gas 2 in)를 통하여 외부의 공기공급원(220)으로부터 공기가 공급되는 것이 바람직하다.
상기 제 5 유닛(50)에서 일어나는 일산화탄소 연소반응을 위하여, 상기 제 3 유닛(30)으로부터 개질가스가 공급되고, 공기공급원(230)으로부터 공기가 함께 제 5 유닛으로 공급된다.
일산화탄소의 연소반응이 일어나는 판조립체에 포함된 마이크로 채널판에 형성된 마이크로 채널내에 상기 연소반응을 일으키기 위한 연소용 촉매가 코팅되는 것이 바람직하다.
상기 촉매로는 백금(platinum), 로듐(rhodium), 레니움(rhenium), 루테늄(ruthenium), 오스뮴(osmium), 이리듐(iridium) 및 팔라듐 (palladium) 등과 같은 백금족 원소, 금, 은, 동 및 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 바람직하다. 특히, 상기 연소촉매는 촉매 지지체에 담지되어 사용되는 것이 바람직하다.
상기 촉매 지지체로는 알루미나(Alumina), 세리아(Ceria), 지르코니 아(Zirconia), 칼슘 알루미네이트(Calcium aluminate) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 달리 상기 연소반응에 사용될 수 있는 다른 촉매들 역시 본 발명에서 사용될 수 있다.
또한, 상기 제 5 유닛(50)의 온도는 일산화탄소의 연소반응이 이루어 지기 위하여 70℃ ~ 200℃로 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
한편 본 실시예에서 제 1 열교환 장치(60)는 상기 제 3 유닛(30)에 구비된 개질가스 배출구와 상기 제 5 유닛(50)에 구비된 연소반응 유입구 사이에 연통되게 설치되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 열교환 장치(60)는 수성가스 전환반응을 마친 개질가스의 폐열을 이용하여, 물공급원(260)에서 공급되어 상기 제 3 유닛(30)에 공급되는 물을 100℃ ~ 200℃의 수증기로 가열시키는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 제 2 열교환 장치(70)는 상기 제 5 유닛에 구비된 개질가스 배출구와 연통되게 설치되는 것이 바람직하다.
상기 제 5 유닛(50)에서 연소반응을 마친 개질가스가 상기 제 2 열교환 장치(70)로 유입되고, 유입된 개질가스의 폐열을 이용하여 제 1 연료공급원(200)으로부터 공급된 메탄을 예열하는 것이 바람직하다.
상기 개질반응, 수성가스 전환반응, 일산화탄소의 선택적 연소과정을 마친 개질가스는 수소가 풍부하며, 일산화탄소의 함량이 적다.
상기 제 1 열교환 장치(60) 및 제 2 열교환 장치(70)는 통상의 열교환기로 구성할 수 있으며, 최적화된 열교환을 위하여 튜브라인의 길이, 배치 및 외부 단열등을 종합적으로 고려하여 설치하는 것이 바람직하다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 나타내는 구성도이다.
본 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 제 1, 2, 4 및 5 유닛은 앞서 설명한 것과 동일하게 작용하는 것이 바람직하다.
상기 연료 개질 시스템의 수성가스 전환반응이 일어나는 제 3 유닛은, 온도 구배에 따라 다단계 반응을 수행할 수 있도록, 2 이상의 반응영역을 포함하는 것이 바람직하다.
즉 고온반응영역(30a) 및 저온반응영역(30b)으로 나뉘어 단계적으로 반응이 일어나는 것이 바람직하다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 수성가스 전환반응은 1차적으로 고온반응영역(30a)에서 350℃ ~ 450℃의 온도 범위로 일어나는 것이 바람직하다.
상기 영역에 사용되는 촉매로는 철(iron), 크롬(chrom) 구리(copper), 아연(zinc), 니켈(nickel), 백금(platinum) 및 로듐(rhodium)등과 이들 중 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 바람직하다.
상기 촉매 지지체로는 산화철(Fe3O4), 산화크롬(Cr2O3), 산화아연(zinc oxide), 알루미나(Alumina), 세리아(Ceria) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 달리 상기 연소반응에 사용될 수 있는 다른 촉매들 역시 본 발명에서 사용될 수 있다.
이후, 수성가스 전환반응은 2차적으로 저온반응영역(30b)에서 200℃ ~ 300℃의 온도 범위로 일어나는 것이 바람직하다.
상기 영역에 사용되는 촉매로는 구리(copper), 아연(zinc), 니켈(nickel), 백금(platinum), 로듐(rhodium), 레니움(rhenium), 루테늄(ruthenium), 오스뮴(osmium), 이리듐(iridium), 팔라듐(palladium) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 바람직하다.
상기 촉매 지지체로는 산화아연(zinc oxide), 알루미나(Alumina), 세리아(Ceria), 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 달리 상기 연소반응에 사용될 수 있는 다른 촉매들 역시 본 발명에서 사용될 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하 기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2 는 본 발명에의 다른 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 제 1, 2, 4 및 5 유닛을 분해하여 도시한 사시도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 판조립체를 분해하여 도시한 사시도이다.
도 5 은 본 발명에 따른 판조립체를 구성하는 좌형 마이크로 채널판의 일실시예를 나타내는 평면도이다.
도 6 은 본 발명에 따른 판조립체를 구성하는 우형 마이크로 채널판의 일실시예를 나타내는 평면도이다.
도 7 는 본 발명에 따른 가스켓의 일실시예를 나타내는 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 제 1 유닛 20 : 제 2 유닛
30 : 제 3 유닛 30a : 고온반응영역
30b : 저온반응영역 40 : 제 4 유닛
50 : 제 5 유닛 60 : 제 1 열교환 장치
70 : 제 2 열교환 장치 100 : 판조립체
110 : 좌형 마이크로 채널판 112 : 확산부
114 : 수렴부 116 : 마이크로 채널
120 : 가스켓 130 : 우형 마이크로 채널판
150, 152, 154, 156 : 반응영역 180 : 하우징
200 : 제 1 연료공급원 210 : 제 2 연료공급원
220, 230 : 공기공급원 240 : 수소공급원
250 : 질소공급원 260, 270 : 물공급원

Claims (11)

  1. 연소반응부 및 개질반응부를 포함하는 제 1 유닛(10);
    상기 제 1 유닛(10)과 연통되며, 상기 제 1 유닛(10)에서 배출된 고온의 개질 가스와 상기 제 1 유닛의 연소과정에 공급되는 공기의 열교환이 이루어지는 제 2 유닛(20);
    상기 제 2 유닛(20)과 연통되며, 상기 제 2 유닛(20)에서 배출된 개질가스의 수성가스 전환반응이 이루어지는 제 3 유닛(30);
    상기 제 1 유닛(10)과 연통되며, 상기 1 유닛(10)에서 배출된 고온의 연소가스와 개질반응을 위하여 상기 제 1 유닛(10)으로 공급되는 물의 열교환이 이루어지는 제 4 유닛(40); 및
    상기 제 3 유닛(30)과 연통되며, 상기 제 3 유닛(30)에서 배출된 개질가스에 포함된 일산화탄소를 선택적으로 연소시키는 제 5 유닛(50);을 포함하는 연료 개질 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 유닛은 일측에 적어도 하나의 유입구 및 배출구가 구비된 하우징(180) 내부에 적어도 하나의 판조립체(100)들을 적층하여 포함하고, 상기 판조립체(100)는 일측 표면에 다수의 마이크로 채널(116)이 형성된 좌우 대칭의 마이크로 채널판(110, 130)을 포함하되, 상기 마이크로 채널판(110, 130)이 쌍을 이루며 상 기 마이크로 채널들이 서로 대응되어 유로가 형성되도록 결합하는 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 유닛(30) 및 상기 제 5 유닛(50)과 연통되며, 물과 상기 제 3 유닛(30)으로부터 배출된 개질가스의 열교환이 이루어지는 제 1 열교환 장치(60); 및
    상기 제 5 유닛(50)과 연통되며, 상기 제 1 유닛(10)으로 공급되는 개질원료를 예열시키기 위하여 상기 제 5 유닛(50)에서 배출된 개질가스와 열교환이 이루어지는 제 2 열교환 장치(70); 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 유닛(10)은 연료가 통과하며 연소반응을 일으키는 판조립체의 마이크로 채널에 코팅되는 촉매층의 두께가 촉매지지층 대비 0.1 ~ 0.5 중량부로 연료출구 방향으로 갈수록 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유닛(10)의 온도는 600℃ ~ 800℃인 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 유닛(30)의 온도는 250℃ ~ 350℃인 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 유닛(30)은 고온 및 저온영역에 따라 단계적으로 반응을 수행할 수 있는 2 이상의 반응영역(30a, 30b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 고온반응영역(30a)의 온도는 350℃ ~ 450℃인 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 저온반응영역(30b)의 온도는 200℃ ~ 300℃인 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 5 유닛(50)은 일산화탄소를 선택적으로 연소시키는 과정에서 발생하는 열로 상기 제 2 유닛(20)으로 공급되는 공기를 예열시키기 위한 열교환용 판조 립체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 5 유닛(50)은 온도가 70℃ ∼ 200℃인 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템.
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