KR101008402B1 - 개질장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촉매 산화 방식의 반응부에서 발생하는 역화를 방지할 수 있는 개질장치에 관한 것이다. 본 발명의 개질장치는 제1 챔버, 제1 챔버 내에 배치되는 제1 촉매를 구비하며, 제1 연료를 연소시켜 열을 생성하는 제1 반응부; 제2 촉매를 구비하고, 제1 반응부의 열에 의해 가열되며, 제2 연료를 개질하는 제2 반응부; 및 제1 챔버 내의 제1 연료가 유입되는 상류측에 제1 촉매와 일정 간격을 두고 배치되는 역화방지부를 포함한다.
개질장치, 촉매 산화 방식, 촉매, 역화 방지, 모노리스

Description

개질장치{Reformer}
본 발명은 촉매 산화 방식의 반응부에서 발생하는 역화를 방지할 수 있는 개질장치에 관한 것이다.
연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 고효율의 발전시스템이며, 공해 물질의 배출이 매우 낮다는 점에서 환경 친화적이다. 따라서, 연료전지는 청정 에너지원으로써 차세대 에너지원의 하나로 주목받고 있다.
용융탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell) 등과 같이 약 600℃ 이상에서 작동하는 고온형 연료전지와 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell)와 같이 약 200℃ 이상에서 작동하는 중온형 연료전지는 대규모 발전이나 바이오 가스 플랜트(bio gas plant) 등을 주용도로 개발되고 있다. 그리고, 고분자 전해질막이 채용되어 약 100℃ 이하의 저온 영역에서 작동되는 고분자 전해질형 연료전지(polyner electrolyte fuel cell; PEFC)는 주로 수송용, 가정용, 휴대용 전원으로 개발되고 있다.
PEFC 시스템은 크게 수소 가스를 직접 이용하는 시스템과 탄화수소계 연료를 이용하는 개질기 기반의(reformer-based) 시스템으로 구분할 수 있다.
개질기는 액화천연가스(LNG), 액화프로판가스(LPG), 등유(diesel) 등의 탄화수소계 연료나 부틸 알코올 등의 알코올계 연료를 수소와 일산화탄소 등의 혼합물로 변환한다. 개질 반응의 산화제로는 스팀이나 공기가 이용될 수 있다. 부탄의 개질 반응은 약 600℃에서 이루어지며, 메탄의 개질 반응은 약 800℃에서 이루어진다. 또한, 부탄과 스팀을 이용한 개질 반응과 메탄과 이산화탄소를 이용한 개질 반응은 흡열 반응이다.
부탄이나 메탄과 같은 탄화수소계 연료를 사용하는 개질기에서는 약 600℃ 이상에서 운전하는데 요구되는 열 에너지를 공급할 수 있는 열원을 필요로 한다. 이러한 열원으로는 버너가 일반적이다. 그런데, 버너 방식은 직열을 피하기 위해 최소한의 연소 공간이 필요하므로 소형 개질기에는 적합하지 않다. 대안적으로 개질기의 또 다른 열원으로는 촉매 산화 방식의 열원을 고려할 수 있다.
하지만, 촉매 산화 방식의 열원은 열원 자체가 상대적으로 고른 온도 분포를 가지는 장점이 있지만, 약 600℃ 이상의 고온 분위기에서 촉매층으로부터 연료가 유입되는 상류측으로 역화가 발생하는 문제가 있다. 역화는 개질기의 연료 공급 노즐에 화염이 생기도록 작용하기 때문에 개질기의 수명에 악영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 목적은 촉매 산화 방식의 반응부에서 원하지 않는 고온 부위를 형성되는 것을 방지하고 연료 분배의 개선을 통해 반응부 내에 일정한 공간 속도(gas hourly space velocity)를 형성함으로써 역화(flash back)를 방지할 수 있는 개질장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 의하면, 제1 챔버, 제1 챔버 내에 배치되는 제1 촉매를 구비하며, 제1 연료를 연소시켜 열을 생성하는 제1 반응부; 제2 촉매를 구비하고, 제1 반응부의 열에 의해 가열되며, 제2 연료를 개질하는 제2 반응부; 및 제1 챔버 내의 제1 연료가 유입되는 상류측에 제1 촉매와 일정 간격을 두고 배치되는 역화방지부를 포함하는 개질장치가 제공된다.
바람직하게, 일정 간격은 5㎜ 내지 15㎜의 범위를 가진다.
제1 연료가 유동하는 방향을 길이 방향이라고 할 때, 역화방지부의 길이 방향에서의 길이는 폭 방향에서의 길이에 대하여 50% 내지 100%의 범위에서 설계될 수 있다.
제2 촉매의 일단은 역화방지부에 인접하게 배치될 수 있다.
제1 촉매는 복수의 통로들을 가진 제1 지지체 및 제1 지지체에 담지되는 활성 물질을 포함한다.
제1 지지체는 모노리스를 포함한다.
역화방지부는 제1 지지체와 동일한 단면 구조 및 형상을 가진 모노리스를 포함한다.
모노리스의 단면은 벌집 형상일 수 있다.
모노리스는 시트상 제1 부재와 파상형 제2 부재가 중첩되어 감긴 나선 형상일 수 있다.
모노리스의 복수의 통로들의 개면적은 모노리스의 단면적의 40% 내지 95%의 범위에서 설계될 수 있다.
모노리스의 셀 밀도는 200 cpi 내지 1500 cpi의 범위에서 설계될 수 있다.
제2 반응부는 제1 챔버에 접하는 제2 챔버, 및 제2 챔버 내에 배치되는 제2 지지체를 구비하고, 제2 촉매는 제2 지지체와 제2 지지체에 담지된 활성 물질을 포함할 수 있다.
제2 연료가 유입되는 상류측에 위치한 제2 지지체의 일단은 역화방지부에 인접하게 배치될 수 있다.
제2 지지체는 펠릿 또는 구슬 모양을 구비할 수 있다.
제2 지지체는 세라믹 또는 금속 모노리스일 수 있다.
제1 반응부 및 제2 반응부는 양단이 폐쇄되며 유체 유동을 위한 복수의 개구부들을 가진 2중관 구조를 구비할 수 있다.
제1 연료는 부탄, 메탄, 천연가스, 프로판가스, 디젤 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
제1 촉매는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 지지체에 PdAl2O3, NiO, CuO, CeO2 및 Al2O3, Pu, Pd 및 Pt, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질을 담지하여 이루어질 수 있다.
개질장치는 제1 반응부에 제1 연료를 분사하는 노즐을 더 포함할 수 있다.
개질장치는 제1 반응부에 공급되는 제1 연료를 점화시키는 점화부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 촉매 산화 방식의 반응부 내에서 역화가 발생하는 것을 방지할 수 있으므로 개질장치의 내구성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 열효율 향상을 통해 개질장치의 촉매 산화 방식의 반응부에 공급되는 공기의 양을 감소시킴으로써 개질장치를 채용한 연료전지 시스템의 BOP(balance of plants)의 소모 전력을 낮출 수 있고 열교환기의 용량도 감소시킬 수 있다. 따라서, 개질장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템의 소형화 및 고효율화에 기여할 수 있다.
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 일 실시예에 따른 개질장치의 사시도이다. 도 2는 도 1의 개질장치의 Ⅱ-Ⅱ선에 의한 횡단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 개질장치(10)는 적어도 하나의 챔버를 형성하는 하우징(20), 하우징(20) 내에 배치되는 제1 반응부(30), 하우징(20) 내에 배치되는 제2 반응부(40), 및 하우징(20) 내에 배치되는 역화방지부(50)를 포함한다.
본 실시예에서 하우징(20)은 소정 단면적을 가지고 실질적으로 양측 단부가 폐쇄되며 유체 유동을 위한 복수의 개구부들을 구비한 파이프 형태로 이루어진다. 하우징(20)은 단열성을 갖는 금속 또는 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다.
예를 들면, 하우징(20)은 2중관 구조를 구비할 수 있다. 그 경우, 제1 하우징(22)은 소정의 제1 단면적을 가지면서 실질적으로 양측 단부가 폐쇄된 파이프 형태를 구비한다. 제2 하우징(24)은 제1 단면적보다 작은 제2 단면적을 가지면서 실질적으로 양측 단부가 폐쇄된 파이프 형태를 구비하고, 파이프의 길이 방향에서 제1 하우징(22)에 의해 포위된다. 이때, 제1 하우징(22)의 내주면과 제2 하우징(24)의 외주면은 일정 간격을 두고 이격될 수 있고, 제2 하우징(24)의 내주면과 배관(60)의 외주면은 일정 간격을 두고 이격될 수 있다. 배관(60)은 제2 하우징의 제2 단면적보다 작은 제3 단면적을 가지면서 실질적으로 양측 단부가 개방되며, 제2 하우징 내의 제2 반응부(40)에서 생성된 리포메이트를 외부로 이송하기 위한 통로로서 기능한다.
제1 하우징(22)과 제2 하우징(24) 사이의 공간은 제1 반응부(30)용 제1 챔버를 형성하고, 제2 하우징(24)과 배관(60) 사이의 공간은 제2 반응부(40)용 제2 챔버를 형성한다. 제1 반응부(30)와 제2 반응부(40)를 2중관 구조로 형성하면, 제1 반응부(30)가 제2 반응부(40)를 둘러싸는 형태를 구비하므로, 제1 반응부(30)에서 발생한 열을 효과적으로 제2 반응부(40)에 공급할 수 있다. 따라서, 장치의 열 효율을 높일 수 있다.
제1 반응부(30)는 제2 반응부(40)의 개질 반응에 필요한 열을 공급하는 열원으로서 기능한다. 제1 반응부(30)는 약 600~800℃ 범위의 반응온도를 가진다.
본 실시예의 제1 반응부(30)는 제1 챔버 내에 배치되는 제1 지지체(substrate, 35), 및 제1 지지체(35)에 담지되는 활성 물질(36)을 구비한다. 지지체(35)는 복수의 통로들(38)을 가진 모노리스(monolith)를 포함한다. 모노리스는 세라믹이나 금속 모노리스로 구현될 수 있다. 이하에서는, 활성물질이 담지되어 있는 지지체를 촉매로서 언급한다. 즉, 활성 물질(36)이 담지된 제1 지지체(35)는 제1 촉매를 형성한다.
제1 촉매는 산화 촉매로서 제1 연료를 산화시켜 열과 연소 가스를 발생시킨다. 제1 촉매로는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 지지체에 PdAl2O3, NiO, CuO, CeO2 및 Al2O3, Pu, Pd 및 Pt, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질을 담지하여 형성할 수 있다. 또 다른 측면에서, 제1 촉매는 복수의 통로들을 가진 지지체를 산화 및/또는 환원 처리하여 지지체에 직접 활성 물질이 담지되도록 구현될 수 있다.
또한, 제1 반응부(30)는 제1 연료와 산화제가 유입되는 적어도 하나의 제1 개구부(31a)와, 연소 가스의 배기를 위한 제2 개구부(31b)를 구비한다. 제1 개구 부(31a)에는 노즐(32)이 구비될 수 있다. 노즐(32)은 제1 반응부(30) 내에 제1 연료를 분사한다. 또한, 제1 반응부(30)는 점화기(33)를 구비할 수 있는데, 점화기(33)는 제1 반응부(30) 내에 분사되는 제1 연료를 점화한다.
제2 반응부(40)는 제1 반응부(30)에서 열을 받고 제2 연료를 개질하여 리포메이트를 생성한다. 본 실시예에서, 제2 반응부(40)는 제2 챔버 내에 배치되는 펠릿 또는 구슬 모양의 지지체에 활성 물질이 담지되어 있는 제2 촉매(42)를 구비한다. 제2 반응부(40)에는 제2 촉매(42)의 비산을 방지하기 위하여 제2 촉매(42)를 포위하는 망상체(44)가 구비될 수 있다. 다른 측면에서, 제2 촉매(42)는 복수의 관형반응기에 충진된 채로 제2 챔버 내에 배치될 수도 있다.
제2 촉매(42)는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체(support)에 Cu-Zn, Ni/Al2O3, Ru/ZrO2, Ru/Al2O3/Ru/CeO2-Al2O3, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질을 담지하여 형성될 수 있다.
제2 촉매(42)의 일단은 역화방지부(50)에 인접하게 배치되는 것이 바람직하다. 그것은 역화방지부(50)가 제1 반응부(30)의 제1 챔버 내에 배치되므로 제1 연료의 연소시 발생하는 열에 의해 가열되고, 가열된 역화방지부(50)를 통해서 제2 촉매(42)에 열이 전달될 수 있기 때문이다. 전술한 구성에 의하면, 개질장치(10)의 열효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제2 반응부(40)는 제2 연료와 수증기가 유입되는 적어도 하나의 제1 개구부(41a), 및 제2 연료와 수증기의 개질 반응에 의해 발생한 리포메이트가 유출되는 적어도 하나의 제2 개구부(41b)를 구비한다. 제2 개구부(41b)는 하우징(20)의 중심부에 위치한 배관(60)의 일단에 연결된다. 배관(60)의 타단은 하우징(20)의 외부에 노출된다. 리포메이트는 배관(60)을 통해 연료전지 스택 등에 공급될 수 있다.
전술한 구성에 있어서, 제1 반응부(30)에서 제2 반응부에 필요한 열을 공급할 때, 제1 반응부(30)에서 부탄과 같은 연료를 촉매 산화 방식으로 연소시키는 경우, 역화가 쉽게 발생할 수 있다. 하지만, 본 실시예에서는 제1 반응부(30)에서 발생할 수 있는 역화를 방지하기 위하여 제1 챔버 내의 제1 연료가 유입되는 상류측에 역화방지부(50)를 배치한다.
특히, 2중관 구조의 개질장치(10)의 경우, 제1 연료와 공기가 유입되기 시작하는 제1 촉매의 일단에서 큰 열점(hot spot)이 쉽게 발생하고, 이러한 열점에 의해 역화가 발생할 수 있지만, 본 실시예의 역화방지부(50)를 이용하면, 이를 방지할 수 있다.
여기서, 역화(flash-back)는 제1 연료 및/또는 공기가 제1 촉매(36)의 전체 영역으로 균일하게 분산 공급되지 않고 제1 촉매의 특정 영역에 집중됨으로써 제1 연료와 공기의 국지적인 산화 반응에 의해 다른 영역보다 열 에너지가 집중적으로 발생하는 영역에서 불꽃이 발생하고, 발생된 불꽃이 제1 연료의 흐름상에서 상류측으로 번지는 현상을 의미한다.
본 실시예의 역화방지부(50)는, 좀더 효과적인 역화 방지를 위하여 제1 반응 부(30) 내에 배치되는 제1 지지체(35)와 동일한 구조를 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 역화방지부(50)는 제1 지지체(35)와의 사이에 소정 공간(54)을 두고 배치된다. 즉. 역화방지부(50)와 제1 지지체(35)는 소정 간격(L)을 두고 배치된다. 간격(L)은 약 5㎜ 내지 약 15㎜ 범위를 가진다.
상기 간격(L)이 5㎜ 미만이면, 역화방지부(50)를 통과한 연료가 지지체(35)의 복수의 통로들(38)로 원활히 분배되지 못하여 각 통로(38)에서 연료의 선속도 차이가 발생하고, 그것에 의해 역화가 발생할 수 있다. 그리고, 상기 간격(L)이 15㎜를 초과하면, 역화방지부(50)에서 분배된 연료가 다시 합쳐져 연료 분배 효과가 없어진다. 따라서, 지지체(35)의 복수의 통로들(38)에서 연료의 선속도 차이가 발생하며, 그것에 의해 역화가 발생할 수 있다.
제1 촉매의 지지체(35)가 모노리스인 경우, 역화방지부(50)는 촉매가 담지되지 않은 상태의 모노리스 지지체(35)와 실질적으로 동일한 모노리스로 구현되는 것이 바람직하다. 다만, 역화방지부(50)는 일 방향에서의 크기만 제1 촉매의 모노리스 지지체(35)와 다를 수 있다.
전술한 역화방지부(50)는 제1 개구부(31a) 및/또는 노즐(32)을 통해 공급되는 제1 연료 및 공기를 적절하게 분배하며, 제1 반응부(30)의 제1 개구부(31a)와 제1 촉매 사이의 공간에서 일정한 공간 속도를 형성함으로써 제1 촉매의 일단 부분에 상대적으로 큰 고온 부위가 형성되는 것을 방지하고, 제1 반응부(30)에서 역화가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
전술한 개질장치(10)의 작동과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
노즐(32) 및/또는 제1 개구부(31a)를 통해 제1 연료와 공기가 제1 반응부(30) 내에 공급되면, 제1 연료와 공기는 역화방지부(50)의 복수의 통로들(52)을 통해 분배되어 제1 촉매(36)의 복수의 통로들(38)에 들어간다. 즉, 복수의 통로들(52)을 구비한 역화방지부(50)의 구조 및 형태와 또 다른 복수의 통로들(38)을 구비한 지지체(35)의 구조 및 형태는 실질적으로 동일하므로 제1 반응부(30) 내에 유입된 제1 연료와 공기는 역화방지부(50)를 통과한 후 자연스럽게 지지체(35)의 통로들(38)에 유입될 수 있다.
지지체(35)의 통로들(38)에 유입된 제1 연료 및 공기는 제1 촉매의 촉매 작용에 의해 발열 산화 반응을 하며 연소된다. 이때, 제1 연료가 유입되는 상류측에 위치한 제1 촉매의 일단에서 상대적으로 큰 열점이 발생하는 것이 방지되므로, 역화가 발생하지 않는다.
제1 반응부(30)에서 생성된 열 에너지는 제2 반응부(40)에 공급된다. 이때, 제1 반응부(30)의 제1 챔버 내에 함께 배치된 역화방지부(50)도 제1 반응부(30)와 실질적으로 동일한 온도로 가열되기 때문에 제1 반응부(30)와 함께 제2 반응부(40)에 열을 공급하는 열원으로서도 작용한다. 제1 연료의 산화 반응에 의해 발생한 연소 가스는 제2 개구부(31b)를 통해 외부로 배출된다.
한편, 노즐(32) 및/또는 또 다른 제1 개구부(41a)를 통해 제2 반응부(40) 내에 유입된 제2 연료와 수증기는 개질 반응을 촉진시키는 제2 촉매(42)의 도움으로 수증기 개질 반응한다. 수증기 개질 반응은 수증기와 탄화수소 연료를 고온의 분위기에서 분해하여 수소 분자와 이산화탄소로 재구성한다. 제2 연료로써 부탄을 사용 하는 경우, 수증기 개질 반응의 관계식은 아래의 반응식 1과 같다.
C4H10 + 8H2O ↔ 4CO2 + 13H2
반응식 1을 보면, 수증기 개질 반응은 낮은 에너지 상태의 물분자에서 높은 에너지 상태의 수소분자를 생성하므로 흡열 반응이 된다. 수증기 개질 반응은 수소의 발생량이 많은 장점이 있다. 제2 반응부(40)에서 생성된 리포메이트는 제2 개구부(41b)에 연결된 배관(60)을 통해 외부로 방출된다. 리포메이트는 수소 가스, 이산화탄소 등을 포함한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개질장치의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 개질장치(100)는 제1 챔버와 제2 챔버를 형성하는 2중관 구조의 하우징(120), 하우징(122) 내에 각각 배치되는 제1 반응부(130), 제2 반응부(140), 및 역화방지부(150)를 포함한다.
하우징(120)은 소정의 제1 단면적과 일정 길이를 갖고 실질적으로 양단이 폐쇄된 파이프 형상의 제1 하우징(122)과, 제1 단면적보다 큰 제2 단면적을 갖고 제1 하우징(122)의 길이 방향에서 제1 하우징(122)을 둘러싸며 실질적으로 양단이 폐쇄된 파이프 형상의 제2 하우징(124)을 포함한다. 제1 하우징(122)은 제1 연료와 공기의 유입을 위한 적어도 하나의 제1 개구부(131a), 및 제1 연료의 산화 반응시 발생하는 연소 가스를 배출하기 위한 적어도 하나의 제2 개구부(131b)를 구비한다. 제2 하우징(124)은 제2 연료와 수증기의 유입을 위한 적어도 하나의 제1 개구 부(141a), 및 제2 연료와 수증기의 개질 반응에 의해 생성된 리포메이트를 방출하기 위한 적어도 하나의 제2 개구부(141b)를 구비한다.
제1 반응부(130)는 제1 하우징(122)에 의해 형성되는 제1 챔버를 구비한다. 제1 반응부(130)는 제1 챔버 내에 배치되며 일 방향으로 연장되는 복수의 통로들(138)을 가진 지지체(135), 및 지지체(135)에 담지되는 활성 물질(136)을 구비한다. 활성 물질(136)이 담지된 지지체(135)는 제1 촉매를 형성한다.
지지체(135)는 세라믹이나 금속 모노리스로 구현될 수 있다. 지지체(135)는 복수의 통로들(138) 중 인접한 통로들이 그 중간 부분에서 유체 소통가능하게 서로 연결되도록 구현될 수 있다.
제1 촉매는 지지체(135)를 산화 및/또는 환원 처리하여 지지체(135)에 직접 활성 물질(136)이 담지되도록 구현될 수 있다. 예를 들면, 제1 촉매는 활성 금속 종을 균질하게 함유하는 결정성의 전구체를 소성, 환원하는 고상정성법(solid phase crystalization method; SPC-)으로 제작될 수 있다. 전구체로는 페로브스카이트 또는 하이드로탈사이트 계의 전구체가 이용될 수 있다. 예컨대, 니켈(Ni)을 함유하는 Mg-Al계의 HT를 전구체로 준비하고, 준비된 전구체를 소성하여 NiO-MgO 고용체를 생성한 다음, 그것을 환원하여 고 분산되고 안정적인 spc-Ni/MgAl 촉매를 제조할 수 있다.
본 실시예에서, 촉매는 기본적으로 활성 물질이 담지되어 있는 지지체(support)를 의미한다. 하지만, 촉매는 넓은 의미에서 촉매 작용을 하는 활성 물질 자체를 의미하거나, 지지체의 비표면적(specific geometric surface area)을 일 정 크기(예컨대, 100㎡/g) 이상이 되도록 지지체에 또 다른 지지체가 부가된 구조체에 활성 물질이 담지되어 있는 촉매시스템을 의미할 수도 있다.
제2 반응부(140)는 제1 하우징(122)의 외표면과 제2 하우징(124)의 내표면에 의해 형성되는 제2 챔버를 구비한다. 제2 반응부(140)는 제2 챔버 내에 배치되며 일 방향으로 연장되는 복수의 통로들(143)을 가진 제2 지지체(141), 및 제2 지지체(141)에 코팅되는 활성 물질(142)을 구비한다.
제2 지지체(141)는 세라믹이나 금속 모노리스로 구현될 수 있다. 예컨대, 제1 반응부(130)의 제1 지지체(135)가 제1 금속모노리스인 경우, 제2 반응부(140)의 제2 지지체(141)는 제1 금속모노리스를 둘러싸는 제2 금속모노리스로 구현될 수 있다. 제2 지지체(141)는 복수의 통로들(143) 중 인접한 통로들이 그 중간 부분에서 유체 소통가능하게 서로 연결되도록 구현될 수 있다.
활성 물질(142)이 담지된 제2 지지체(141)는 제2 촉매를 형성한다. 제2 촉매는 지지체 상에 활성 물질을 도포하는 방식으로 구현되거나 지지체를 산화 및/또는 환원 처리하여 지지체에 직접 활성 물질이 담지되도록 구현될 수 있다.
역화방지부(150)는 제1 챔버 내에서 제1 개구부(131a)와 제2 지지체(135) 사이에 배치된다. 역화방지부(150)는 세라믹이나 금속성 재료로 이루어진 몸체(151)를 구비한다.
몸체(151)는 일 방향으로 연장하는 복수의 통로들(152)을 구비한다. 제1 반응부(130)의 제1 지지체(135)가 금속모노리스인 경우, 역화방지부(150)의 몸체(151)도 제1 지지체(135)와 실질적으로 동일한 금속모노리스로 구현되는 것이 바 람직하다. 이때, 몸체(151)에는 촉매가 담지되지 않는다.
또한, 역화방지부(150)는 제1 반응부(130)의 지지체(135)의 일단 즉, 제1 개구부(131a)와 마주하는 일단과 약 5㎜ 내지 약 15㎜ 정도의 간격(L)을 두고 배치된다. 전술한 역화방지부(150)에 의하면, 제1 연료 분배의 개선을 통해 제1 반응부(130)의 상류측에서 연료의 선속도를 균일하게 함으로써 제1 촉매에서 큰 열점이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 개질장치에 채용가능한 역화방지부의 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 역화방지부(250)는 몸체(251)와, 일 방향으로 몸체(251)를 관통하는 복수의 통로들(252)을 구비한다.
몸체(251)는 원통형 또는 원반형의 세라믹이나 금속 모재를 가공하여 모재를 일 방향으로 관통하는 복수의 통로들(252)을 형성하거나 복수의 통로들(252)이 구비된 형태로 제조될 수 있다.
본 실시예에서 복수의 통로들(252)이 연장하는 방향과 대략적으로 직교하는 방향에서의 단면은 벌집 형상이다. 이러한 벌집 형상의 단면은 일례이며, 몸체(251)의 단면 형상은 삼각형, 사각형, 육각형, 사다리꼴, 또는 둥근 형상을 가질 수 있다.
역화방지부(250)의 제곱인치당 셀의 개수(cells per square inch, cpsi)는 200 ~ 1500cpsi의 범위를 가질 수 있다. 다른 측면에서, 복수의 통로들(252)의 개면적(open frontal area)은 몸체(251)의 단면적에 대하여 약 40% 내지 약 95% 정도의 범위를 가질 수 있다. 전술한 범위는 촉매 산화 방식의 반응부에 배치된 제1 지 지체의 셀 밀도를 고려하여 설정된 것이다.
또한, 몸체(251)의 일 방향에서의 길이(H1)는 폭 방향에서의 길이가 커지는만큼 커질 수 있다. 예컨대, 몸체(251)의 단면이 대략 원형인 경우, 몸체(251)의 길이(H1)는 폭 방향에서의 길이(예컨대, 지름)에 대하여 약 50% 내지 약 100%의 범위를 가질 수 있다. 즉, 몸체(251)의 길이(H1)는 몸체(251)의 단면적이 커짐에 따라서 일정 범위 내에서 커지도록 설계될 수 있다. 상기 일정 범위에 있어서, 길이(H1)가 폭 방향에서의 길이의 50%보다 작거나 100%보다 크면, 역화방지부(250)에서의 연료 분배나 공간 속도의 개선 효과는 미미할 수 있다.
본 실시예의 역화방지부(250)는, 도 3에 도시한 개질장치의 역화방지부와 유사하게, 개질 반응을 수행하는 제2 반응부가 산화 반응을 수행하는 제1 반응부를 둘러싸는 2중관 구조에 채용될 수 있다. 한편, 제1 반응부가 제2 반응부를 둘러싸는 2중관 구조인 경우, 본 실시예의 역화방지부(250)의 몸체(251)는 중앙부에 제2 반응부가 배치될 수 있는 공간을 가진 원반 링 형태로 변형될 수 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 개질장치에 채용가능한 또 다른 역화방지부의 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 역화방지부(350)는 금속으로 이루어진 몸체(351)와, 일 방향으로 몸체(351)를 관통하는 복수의 통로들(352)을 구비한다.
몸체(351)의 단면은 나선형으로 되어 있다. 하지만, 이러한 나선 형상의 단면은 일례이며, 몸체(351)는 원형이나 타원형과 같은 대칭적 구조를 갖도록 변형될 수 있다.
몸체(351)는 시트상의 제1 몸체(351a)와 주름진 형태의 제2 몸체(351b)를 겹 쳐서 나선형으로 감은 후, 제1 몸체(351a)와 제2 몸체(351b) 사이에 소정의 접착제를 도포한 후 열을 가해 브레이징 함으로써 제작될 수 있다. 제1 몸체(351a)와 제2 몸체(351b) 사이의 공간은 복수의 통로들(352)을 형성한다. 이러한 제작 방법은 본 실시예의 역화방지부(350)나 촉매 산화 방식의 반응부용 제1 지지체를 금속모노리스 형태로 간단하게 제작할 수 방법으로서, 제조 비용을 절약할 수 있고 양산에 적합한 이점이 있다. 또한, 역화방지부(350)를 금속모노리스로 제조하면, 단위체적당 높은 표면적과, 넓은 입구의 개면적, 및 뛰어난 내마멸성(attrition resistance) 등을 가질 수 있다.
역화방지부(350)의 제곱인치당 셀의 개수는 200 ~ 1500cpsi의 범위를 가질 수 있다. 다른 측면에서, 복수의 통로들(352)의 개면적은 몸체(351)의 단면적에 대하여 약 40% 내지 약 95% 정도의 범위를 가질 수 있다. 전술한 범위는 촉매 산화 방식의 반응부에 배치된 제1 지지체의 셀 밀도를 고려하여 설정된 것이다. 본 실시예의 역화방지부(350)의 셀 밀도는 개질장치에서 요구되는 열전달 조건 또는 전열 표면적에 따라, 및/또는 몸체(351)의 구성이나 형상에 따라 통로들(352)의 반복 거리, 통로들(352) 간의 벽두께를 설계하면서 적절히 조정될 수 있다.
또한, 몸체(351)의 일 방향에서의 길이(H2)는 폭 방향에서의 길이가 커지는만큼 커질 수 있다. 예컨대, 몸체(351)의 단면이 대략 원형이라고 가정할 때, 몸체(351)의 길이(H2)는 폭 방향에서의 길이(예컨대, 지름)에 대하여 약 50% 내지 약 100%의 범위를 가질 수 있다. 즉, 몸체(351)의 길이(H2)는 몸체(351)의 단면적이 커짐에 따라서 일정 범위 내에서 커지도록 설계될 수 있다. 상기 일정 범위에 있어 서, 길이(H2)가 폭 방향에서의 길이의 50%보다 작거나 100%보다 크면, 역화방지부(350)에서의 연료 분배나 공간 속도의 개선 효과는 미미할 수 있다.
본 실시예의 역화방지부(350)는, 제2 반응부(140)가 제1 반응부(130) 및 역화방지부(150)를 일 방향에서 둘러싸는 2중관 구조(도 3 참조)와 유사하게, 촉매 산화 반응을 수행하는 제1 반응부와 함께 개질 반응을 수행하는 제2 반응부에 의해 둘러싸이도록 2중관 구조 내에 배치될 수 있다.
다른 측면에서, 몸체(351)의 중심부(353)에는 도 1 및 도 2의 배관(60)과 유사하게 유체를 이송하기 위한 배관이 배치될 수 있다. 또 다른 측면에서, 몸체(351)의 중심부(353)에는 도 1 및 도 2의 배관(60) 및 제2 반응부(40)와 유사하게 배관 및 제2 반응부가 배치될 수 있다. 이 경우, 중심부(353)는 배관 및 제2 반응부가 배치될 수 있도록 더 넓게 형성될 수 있다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질장치의 사시도.
도 2는 도 1의 개질장치의 Ⅱ-Ⅱ선에 의한 횡단면도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개질장치의 단면도.
도 4는 본 발명의 개질장치에 채용가능한 역화방지부의 사시도.
도 5는 본 발명의 개질장치에 채용가능한 또 다른 역화방지부의 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 100 : 개질장치
20, 120 : 하우징
30, 130 : 제1 반응부
40, 140 : 제2 반응부
50, 150, 250, 350 : 역화방지부

Claims (20)

  1. 제1 챔버, 상기 제1 챔버 내에 배치되는 제1 산화촉매를 구비하며, 제1 산화연료를 연소시켜 열을 생성하는 제1 반응부;
    제2 산화촉매를 구비하고, 상기 제1 반응부의 열에 의해 가열되며, 제2 산화연료를 개질하는 제2 반응부; 및
    상기 제1 챔버 내의 상기 제1 산화연료가 유입되는 상류측에 상기 제1 산화촉매와 일정 간격을 두고 배치되는 역화방지부를 포함하는 개질장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일정 간격은 5㎜ 내지 15㎜의 범위를 가지는 개질장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 산화연료가 유동하는 방향을 길이 방향이라고 할 때, 상기 역화방지부의 길이 방향에서의 길이는 폭 방향에서의 길이에 대하여 50% 내지 100%의 범위를 가지는 개질장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 산화촉매의 일단은 상기 역화방지부에 인접하게 배치되는 개질장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 산화촉매는 복수의 통로들을 가진 제1 지지체 및 상기 제1 지지체에 담지되는 활성 물질을 포함하는 개질장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 지지체는 모노리스인 개질장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 역화방지부는 상기 제1 지지체와 동일한 단면 구조 및 형상을 가진 모노리스인 개질장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모노리스의 단면은 벌집 형상인 개질장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 모노리스는 시트상 제1 부재와 파상형 제2 부재가 중첩되어 감긴 나선 형상을 구비하는 개질장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 모노리스의 복수의 통로들의 개면적은 상기 모노리스의 단면적의 40% 내지 95%인 개질장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 모노리스의 셀 밀도는 200 cpi 내지 1500 cpi인 개질장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반응부는 상기 제1 챔버에 접하는 제2 챔버, 및 상기 제2 챔버 내에 배치되는 제2 지지체를 구비하고,
    상기 제2 산화촉매는 상기 제2 지지체와 상기 제2 지지체에 담지된 활성 물질을 포함하는 개질장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 산화연료가 유입되는 상류측에 위치한 상기 제2 지지체의 일단은 상기 역화방지부에 인접하게 배치되는 개질장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 지지체는 펠릿 또는 구슬 모양을 구비하는 개질장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제2 지지체는 세라믹 또는 금속 모노리스인 개질장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응부 및 상기 제2 반응부는 양단이 폐쇄되며 유체 유동을 위한 복수의 개구부들을 가진 2중관 구조를 구비하는 개질장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 산화연료는 부탄, 메탄, 천연가스, 프로판가스, 디젤 중 적어도 어느 하나를 포함하는 개질장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 산화촉매는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 지지체에 PdAl2O3, NiO, CuO, CeO2 및 Al2O3, Pu, Pd 및 Pt, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질을 담지하여 이루어지는 개질장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응부에 상기 제1 산화연료를 분사하는 노즐을 더 포함하는 개질장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응부에 공급되는 상기 제1 산화연료를 점화시키는 점화부를 더 포함하는 개질장치.
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