KR101040703B1 - Micro channel reactor having plural intake or discharge port - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 생산 장치에 사용되는 마이크로 채널 반응기로서, 특히 반응 플레이트에 각각 형성되는 유입 포트 또는 토출 포트 중 적어도 하나의 포트를 복수개로 형성하여 유동 효율을 향상시키고 반응기의 크기를 소형화할 수 있는 복수개의 유입 또는 토출 포트를 구비하는 마이크로 채널 반응기에 관한 것이다.The present invention is a micro-channel reactor used in the hydrogen production apparatus, in particular, a plurality of inlet port or discharge port formed in each of the plurality of inlet port or discharge port formed in the plurality of plurality to improve the flow efficiency and the size of the reactor can be reduced A micro channel reactor having two inlet or outlet ports.
개질반응, 마이크로 채널, 누설, 가스켓 Reforming, Micro Channel, Leakage, Gasket
Description
본 발명은 수소 생산 장치에 사용되는 마이크로 채널 반응기로서, 특히 반응 플레이트에 각각 형성되는 유입 포트 또는 토출 포트 중 적어도 하나의 포트를 복수개로 형성하여 유동 효율을 향상시키고 반응기의 크기를 소형화할 수 있는 복수개의 유입 또는 토출 포트를 구비하는 마이크로 채널 반응기에 관한 것이다.The present invention is a micro-channel reactor used in the hydrogen production apparatus, in particular, a plurality of inlet port or discharge port formed in each of the plurality of inlet port or discharge port formed in the plurality of plurality to improve the flow efficiency and the size of the reactor can be reduced A micro channel reactor having two inlet or outlet ports.
일반적으로 에너지 생산은 화석연료에 의해 생상되는 것이 대부분이나, 최근 지구 온난화, 일산화탄소 배출등 환경문제가 대두 되면서, 차세대 무공해 발전기술에 대한 수요가 증대되고 있다.In general, energy production is mostly generated by fossil fuels. However, as environmental issues such as global warming and carbon monoxide emissions are recently raised, demand for next generation pollution-free power generation technology is increasing.
상기 차세대 무공해 발전기술의 한 가지로서 수소를 이용한 연료전지가 제시되고 있다. 상기 연료전지의 원리는 널리 알려져 있는 바와 같이 전기를 전달할 수 있는 전해질을 사이에 두고 양극과 음극의 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하게 한 후, 연료전지의 음극(+)을 통해 수소가 공급되고 양극(-)을 통해 각각 산소가 공급되는 구조를 이용한다. 이때, 상기 음극을 통해 들어온 수소는 백금 등 촉매제(Catalyst)에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)로 나뉘는데, 수소이온은 연료전지의 중심에 있는 전해질을 통해 양극(+)으로 흘러가고, 전자는 외부회로를 통해 이동하면서 전류를 흐르게 하여, 전기를 발생시키게 된다.As one of the next generation pollution-free power generation technologies, fuel cells using hydrogen have been proposed. As is widely known, the fuel cell has two electrodes, a positive electrode and a negative electrode, sandwiched in the form of a sandwich with an electrolyte capable of transferring electricity, and then hydrogen is supplied through the negative electrode (+) of the fuel cell. The structure in which oxygen is supplied through the anode (-) is used. At this time, the hydrogen introduced through the cathode is divided into hydrogen ions (H +) and electrons (e-) by a catalyst such as platinum, and the hydrogen ions flow to the anode (+) through an electrolyte in the center of the fuel cell. The electrons move through an external circuit and flow electric current to generate electricity.
상술한 바와 같이 연료전지를 이용하기 위해서는 수소가 필요하게 되어 최근 개질반응을 이용한 수소생산 관련 기술이 다수 제안되고 있다.As described above, in order to use a fuel cell, hydrogen is required. Recently, a number of technologies related to hydrogen production using a reforming reaction have been proposed.
이때, 상기 개질반응의 경우 통상적으로 흡열반응인 관계로 외부에서 지속적인 열이 공급되어야 한다.In this case, in the case of the reforming reaction, it is usually an endothermic reaction, and therefore, continuous heat must be supplied from the outside.
이러한 원리를 이용한 개질반응을 도 1을 참조하여 설명한다.The reforming reaction using this principle will be described with reference to FIG. 1.
상기 도 1에 나타나 있는 바와 같이 개질 연료가 개질 반응기(11)로 투입되고, 연소 연료가 연소 반응기(12)로 투입된다. 상기 개질 반응기(11)에는 개질 촉매가 포함되어 있어 상술한 바와 같은 반응에 의해 수소가 생성된다.As shown in FIG. 1, the reformed fuel is introduced into the reforming
또한, 상기 개질 반응에 열을 공급하기 위해 연료 반응기(12)에서 연소 연료가 연소되며 열을 발생시키게 된다.In addition, combustion fuel is burned in the
이때 발생된 수소는 분리기(20)를 통해 정화되어 수집되고, 앞서 설명한 바와 같은 연료전지에 투입된다.Hydrogen generated at this time is purified and collected through the
이때 상기 도 1에 나타나 있는 바와 같이 통상 동일한 형상을 가지는 개질 반응기(11)와 연소 반응기(12) 다수를 적층한 반응기(10)를 사용하며, 이러한 반응기(10)를 다수개 사용하여 수소 발생 효율을 향상시키게 된다.In this case, as shown in FIG. 1, a
상술한 반응기(10)의 구성에 대해 도 2를 참조하여 설명한다. 다만 상기 개질 원료나 연소 원료 모두 동일한 형상의 반응기(10)에서 반응 가능하므로 이하 상기 개질 연료나 연소 원료를 통칭해서 반응 가스로 칭한다.The structure of the above-mentioned
상기 도 2에 도시된 바와 같이 상기 반응기(10)는 플레이트 형상으로서 마이크로 채널(10c)이 다수개 돌출되어 상기 마이크로 채널(10c)사이로 상기 반응 가스(개질 가스 또는 연소 가스)가 유동하며 반응을 일으키게 되며, 이때 상기 개질 반응은 개질 촉매에 의하고, 연소 반응은 연소 촉매에 의한다.As shown in FIG. 2, the
이때, 상기 반응기(10)는 상기 반응 가스의 유입, 토출을 위해 유입 포트(10a)와 토출 포트(10b)를 구비한다.In this case, the
즉, 상기 유입 포트(10a)를 통해 반응 가스가 유입되고, 상기 유입된 반응 가스가 상기 마이크로 채널(10c)을 통과하며 소정의 반응이 발생하며, 반응 후에는 토출 포트(10b)를 통해 외부로 배출된다.That is, the reaction gas is introduced through the inlet port 10a, the introduced reaction gas passes through the micro channel 10c, and a predetermined reaction occurs. After the reaction, the reaction gas is discharged to the outside through the discharge port 10b. Discharged.
그런데, 이와 같은 반응기(10)의 경우 유입 포트(10a)와 토출 포트(10b)가 한 개씩 형성되어 있는 관계로 반응 효율이 낮은 문제가 있다.However, such a
즉, 반응 효율을 향상시키기 위해서는 상기 반응 가스를 고압으로 투입해야 하는데, 이러한 종래의 개질 반응기(10)의 경우 고압으로 투입하면 누설(Leakage)현상이 발생하거나 또는 과도한 차압으로 인해서도 누설이 되는 등의 문제가 있어 앞서 설명한 바와 같이 반응 효율이 낮고, 이에 의해 소형화가 어려운 문제점이 있었다.That is, in order to improve the reaction efficiency, the reaction gas should be injected at high pressure. In the conventional reforming
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 상기 반응이 일어나는 플레이트상에 유입 또는 토출 포트를 복수개 형성하여 상기 반응 가스를 고압으로 투입할 수 있고 누설현상이 발생하지 않도록 하여 개질 효율 향상 및 소형화가 가능한 반응 플레이트를 제공함에 목적이 있다.In order to solve the problems described above, the present invention can form a plurality of inlet or outlet ports on the plate where the reaction takes place, so that the reaction gas can be introduced at a high pressure, and the leakage phenomenon does not occur. It is an object to provide a possible reaction plate.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 판체 형상의 반응 플레이트와, 상기 반응 플레이트상에 형성된 마이크로 채널을 포함하여, 상기 마이크로 채널 내부에서 반응 물질이 유동하며 반응을 일으키는 마이크로 채널 반응기에 있어서, 상기 반응 플레이트의 양측단에 각각 형성되는 유입 포트 또는 토출 포트 중 적어도 하나의 포트가 복수개인 마이크로 채널 반응기를 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention includes a plate-shaped reaction plate, and a microchannel formed on the reaction plate, in the microchannel reactor in which a reaction material flows within the microchannel and causes a reaction, the reaction plate At least one port of the inlet port or the discharge port respectively formed on both sides of the characterized in that the micro-channel reactor.
상술한 바와 같은 본 발명의 구성에 의해 반응 가스를 고압으로 투입할 수 있고 누설현상이 발생하지 않도록 하여 반응 효율 향상 및 소형화할 수 있는 효과가 있다.According to the configuration of the present invention as described above it is possible to add the reaction gas at a high pressure, there is an effect that the reaction efficiency can be improved and downsized by preventing the occurrence of leakage phenomenon.
본 발명의 반응기는 유입 포트 또는 토출 포트 중 적어도 하나의 포트가 복수개로 형성되는 것을 요지로 하는 바 이하 첨부된 도면과 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.At least one of the inlet port and the discharge port of the present invention is a bar that is formed in plural to the gist will be described in more detail through the accompanying drawings and embodiments below.
실시예1Example 1
본 실시예의 반응기(100)는 도 3과 청구항 제 1 항에 나타난 바와 같이 판체 형상의 반응 플레이트(110)상에 형성된 마이크로 채널(120) 내부에서 반응 물질이 유동하며 반응을 일으키는 종래의 마이크로 채널 반응기에서, 상기 반응 플레이트(110)의 양측단에 각각 형성되어 상기 반응 물질이 유입/토출되는 유입 포트(130) 및 토출 포트(140)와, 상기 유입 포트(130) 및 토출 포트(140) 일측에 다수개 돌출되어 형성되어 상기 반응 가스의 유동을 가이드하는 가이드 채널(160)을 더 포함하되, 상기 유입 포트(130)는 1개로 형성하고, 토출 포트(140)는 2개로 형성한 것을 대상으로 하고 있다.
즉, 상기 유입 포트(130)를 통해 반응 가스가 상기 마이크로 채널(120)로 유입되며, 상기 마이크로 채널(120)에서 반응이 일어나게 되고 결국 반응된 가스가 상기 토출 포트(140)측으로 토출된다.That is, the reaction gas flows into the
이때 상기 토출 포트(140)가 2개로 형성됨에 의해 상기 반응 가스를 고압으로 투입할 수 있어, 반응 효율을 향상시킬 수 있게 되고, 결과적으로 상기 반응기(100)를 소형화할 수 있게 된다.In this case, since the
또한 상기 도 3에 도시된 바와 같이 유입 포트(130)의 양측에 유동 포트(150)를 형성하여 후술되는 바와 같이 반응 플레이트(110)간 유동이 이루어지게 된다.In addition, as shown in FIG. 3,
한편, 상기 유입 포트(130)에 의해 유입된 반응 가스가 상기 유동 포트(150)측으로 유동하는 것을 방지하기 위해 돌출되어 형성되어 상기 유입 포트(130)와 가 이드 채널(160) 그리고 마이크로 채널(120)을 감싸는 마이크로 채널 파티션(121)을 포함하는 것도 바람직하다.Meanwhile, the
한편 후술되는 바와 같이 반응 플레이트(110) 다수개를 적층할때 견고하게 고정하기 위해 볼트등과 같은 고정 수단(도시되지 않음)이 삽입될 수 있도록 고정공(170)을 형성하는 것도 바람직하다.On the other hand, it is also preferable to form a
또한 상기 유동 포트(150) 주위에 돌출되어 형성되는 파티션을 형성하여 상기 구성요소간 유동함을 차단하는 것이 바람직한데 이에 대해서는 후술한다.In addition, it is preferable to block the flow between the components by forming a partition formed protruding around the
한편, 상술한 바와 같이 상기 반응기(100)를 다수개 적층하여 사용하기 위해 상기 반응 플레이트(110) 상하면, 즉 앞뒷면에 각각 상술한 유입 포트(130), 토출 포트(140), 마이크로 채널(120)등을 형성하는 것도 가능하다.Meanwhile, in order to stack the plurality of
이 때, 도 4와 청구항 제3항에 나타난 바와 같이 상기 반응 플레이트(110)의 상면 및 하면에 상기 마이크로 채널(110)과, 유입 포트(130) 및 토출 포트(140)를 각각 형성하되, 상기 유입 포트(130) 및 토출 포트(140)의 위치는 상하 양면에서 동일하도록 형성할 수 있다.At this time, as shown in Figure 4 and claim 3, wherein the
또한, 도 5와 청구항 제2항에 나타난 바와 같이 상기 반응 플레이트(110)의 상면 및 하면에 상기 마이크로 채널(120)과, 유입 포트(130) 및 토출 포트(140)를 각각 형성하되, 상기 유입 포트(130) 및 토출 포트(140)의 위치는 상하 양면에서 상호 반대방향으로 형성할 수 있다.In addition, the micro-channel 120, the
이와 같이 반응 플레이트(110)의 상하 양면에 상기 유입 포트(130) 및 토출 포트(140)의 위치는 상하 양면에서 상호 반대방향으로 형성한 후 청구항 제4항에 나타난 바와 같이 상기 마이크로 채널 반응기(100)의 일측면은 연소 반응을 수행하고, 타측면은 개질 반응을 수행하도록 하여, 상기 연소 반응에 의해 발생된 열을 이용하여 상기 개질 반응을 하도록 하는 것도 가능하다.As described above, the positions of the
한편, 청구항 제5항과 도 6에 나타난 바와 같이 상기 반응 플레이트(110)를 다수개 적층하여 상기 마이크로 채널(120)이 상호 접촉하여 유동 경로(C)를 형성하는 것도 반응 효율 향상에 바람직하다.Meanwhile, as illustrated in claim 5 and FIG. 6, the plurality of
다만, 상기 적층된 반응 플레이트(110)사이의 기밀을 확보하기 위해 가스켓(300)를 사용하는 것이 바람직하다.However, it is preferable to use the
상기 가스켓(300)은 도 7과 청구항 제7항에 나타난 바와같이 상기 적층된 반응 플레이트(110)사이에 배치된다.The
이때 상기 가스켓(300)은 판체 형상의 본체(310)상에, 상기 본체(310)의 중앙부를 개방시켜 상기 적층되는 반응 플레이트(110)의 마이크로 채널(120)이 상호 접촉하도록 하는 개방부(320)가 형성된다.In this case, the
상기 개방부(320)에 의해 앞서 설명한 바와 같이 다수개 적층된 반응 플레이트(110)의 마이크로 채널(120)이 상호 맞닿게 되어 유동 통로(C)를 형성하게 된다.As described above, the
한편, 상기 개방부(320)의 양측단에는 상기 반응 플레이트(110)의 유입 포트(130), 토출 포트(140) 및 후술되는 유동 포트(150)의 위치에 각각 대응하여 상기 가스켓(300)의 본체(310)를 관통해서 형성되는 포트 연결공(330)이 형성된다.On the other hand, both sides of the
다시 말해서 도 8에 나타난 바와 같이 상기 가스켓(300)의 본체(310) 중앙부에만 개방부(320)가 형성되고, 양측단은 개방되지 않아 상기 반응 플레이트(110)를 덮되, 상기 포트 연결공(330)에 의해 유입 포트(130), 토출 포트(140) 및 유동 포트(150)가 오픈되는 것이다.In other words, as shown in FIG. 8, the
이에 대해 도 9와 도 10을 참조하여 상세히 설명한다.This will be described in detail with reference to FIGS. 9 and 10.
도 9의 경우 유동 포트(150)상에 상기 가스켓(300)이 덮여진 경우를 도시한 것으로서, 상기 유동 포트(150)의 경우 그 주위에 돌출되어 형성되는 유동 포트 파티션(151)과 상기 가스켓(300)이 밀착되어 상기 마이크로 채널(120)측으로는 유동하지 않게 하는 한편 상기 포트 연결공(330) 중 상기 유동 포트(150)에 대응되는 유동 포트 연결공(333)을 통해 상기 적층된 반응 플레이트(110) 사이를 관통해서 유동하게 한다.9 illustrates a case in which the
도 10의 경우는 상기 유입 포트(130) 또는 토출 포트(140)에 가스켓(300)이 덮여진 경우로서, 상기 유입 포트(130) 및 토출 포트(140)에 상기 가스켓(300)이 밀착되지 않고, 상기 가이드 채널(160)에 의해 상기 가스켓(300)과 상기 유입 포트(130) 또는 토출 포트(140)사이에 간극이 형성된다.10 illustrates a case in which the
상기 형성된 간극을 통해 유동 가스가 마이크로 채널(120)측으로 유동하게 하는 한편 상기 포트 연결공(330) 중 유입 연결공(331) 또는 토출 포트 연결(332)을 통해 상기 적층된 반응 플레이트(110) 사이를 관통해서 유동하게 된다.Flow gas flows to the
이와 같은 유동에 대해서는 다음에 한번 더 설명될 것이다.This flow will be explained once again.
이상 설명된 바와 같이 본 발명은 유입 포트(130) 혹은 토출 포트(140) 중 적어도 하나의 포트가 복수로 형성되는 것을 특징으로 하는바, 1개의 유입 포트(130)와 2개의 토출 포트(140)로 구성된 본 실시예에 의해 본 발명이 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.As described above, the present invention is characterized in that at least one port of the
이하 상기 반응 플레이트(110)의 상하면이 동일한 형상을 갖는 경우와 반대의 형상을 갖는 경우에 대해 각각 실시예를 통해 상세히 설명한다.Hereinafter, the case where the upper and lower surfaces of the
실시예2Example 2
본 실시예는 상기 반응 플레이트(110)의 상하면이 동일한 경우 즉 앞서 살펴본 도 4에 나타난 바와 같은 반응 플레이트(110)를 다수개 적층한 경우를 대상으로서 도 11을 참조하여 설명한다.The present embodiment will be described with reference to FIG. 11 as a case where the upper and lower surfaces of the
우선, 본 실시예의 설명의 편의를 위해 최하측에 배치된 반응 플레이트로부터 I,II의 도면 부호를 부여하였으며, 상기 각 반응 플레이트의 하측면에 형성되는 각 유입, 토출, 유동 포트는 각 도면 부호에 d를 부가하였으며, 상측면에 형성된 유입, 토출, 유동 포트는 u를 부가하였다.First, for convenience of description of the present embodiment, reference numerals I and II are given from reaction plates disposed at the lowermost side, and each inflow, discharge, and flow port formed on the lower side of each reaction plate is assigned to each reference numeral. d was added, and inflow, discharge, and flow ports formed on the upper side added u.
또한 상기 도 11에서 본 발명의 반응 플레이트(110)의 두께를 크게해서 도시하였는데, 이는 상기 반응 플레이트(110)의 바닥면에 형성되는 구성요소를 도시하여 본 발명을 보다 이해하기 쉽도록 하기 위한 것으로서 실제로는 앞서 살펴본 도 3에 나타난 바와 같이 얇은 두께의 반응 플레이트(110)가 사용됨이 일반적이다.In addition, the thickness of the
이는 후술하는 도 12의 경우에도 동일하여 자세한 설명은 생략한다.This is the same also in the case of Figure 12 to be described later, detailed description thereof will be omitted.
또한, 도면을 명료하게 표현하기 위해서 가스켓(300)의 도시는 생략하였다.In addition, illustration of the
우선 반응 가스는 상기 반응 플레이트 I의 바닥면 즉 하측면에 형성되는 유입 포트(130d)를 통해 유입되어 상기 반응 플레이트 I의 상면에 형성되는 유입 포 트(130u)측으로 유동한다.First, the reaction gas flows through the
이때, 상기 유입 포트(130)의 일측에는 앞서 설명한 바와 같이 일부는 가이드 채널(160)에 의해 마이크로 채널(도시를 생략함)측으로 유동하고, 다른 일부는 반응 플레이트 II측으로 유동하게 된다.At this time, as described above, one side of the
상기 반응 플레이트 I의 마이크로 채널측으로 유입된 반응 가스는 상기 마이크로 채널을 통과하며 반응 공정을 수행하게 되고, 상기 반응 플레이트 I의 토출 포트(140u)측으로 유동한다.The reaction gas introduced into the micro channel side of the reaction plate I passes through the micro channel to perform a reaction process, and flows to the
이때 상기 토출 포트(140u)는 2개로 형성되어 있는 관계로 상기 마이크로 채널에서 유동하는 반응 가스는 2개의 유동으로 나누어서 상기 토출 포트(140u)로 각각 유입된다.At this time, since the
한편 상기 도 11에서 반응 플레이트I 상에서 2개의 유동으로 갈라지는 것을 표현하기 위해 화살표 2개가 상기 유입 포트(130u)에서 갈라져서 각각 상기 토출 포트(140u)측으로 향하도록 표현하였다.Meanwhile, in order to express the splitting into two flows on the reaction plate I in FIG. 11, two arrows are split from the
그러나 이는 상기 반응 가스의 유동이 2개로 나누어진다는 것을 명료하게 표현하기 위한 것으로서 실제로는 상기 마이크로 채널을 통과한 여러 갈래의 유동이 상기 각 토출 포트(140u)측으로 유입될 것이다.However, this is for clearly expressing that the flow of the reaction gas is divided into two, and in fact, the diverged flow passing through the micro channel will flow into each
한편 상기 토출 포트(140u)으로 유동하는 반응 가스는 상기 반응 플레이트 II의 하측면 토출 포트(140d)와 상측면 토출 포트(140u)를 경유하여 또 다른 반응 플레이트(도시되지 않음)측으로 유동한다.Meanwhile, the reaction gas flowing to the
한편 상기 반응 플레이트 II의 하측면 유입 포트(130d)를 경유하여 상측면 유입 포트(130u)측으로 유동한 가스는 앞서 설명한 바와 같은 방식으로 상기 반응 플레이트 II의 마이크로 채널측으로 일부는 유동하여 반응 플레이트 II의 토출 포트(140)측으로 유동하고 나머지는 다시 또 다른 반응 플레이트(도시되지 않음)측으로 유동하게 된다.Meanwhile, the gas flowing to the upper
이와 같이 적층된 반응 플레이트를 통과하며 소정의 반응을 수행하게 된다.It passes through the reaction plates stacked in this way to perform a predetermined reaction.
특히 본 실시예2의 경우 WGS 반응을 수행할 수 있다. 상기 WGS반응의 경우 단열 성능이 확보되는 경우 별도의 가열 수단이 없어도 필요한 WGS 반응을 수행할 수 있기 때문이다.In particular, in the case of the second embodiment can be carried out the WGS reaction. This is because, in the case of the WGS reaction, when the adiabatic performance is secured, the necessary WGS reaction can be performed without a separate heating means.
실시예3Example 3
본 실시예는 도 12에 도시된 바와 같이 반응 플레이트(110)상의 유입 포트(130)와 토출 포트(140)가 상하 반대로 형성된 경우를 대상으로 한 것이다. As shown in FIG. 12, the
특히 상기 반응 플레이트(110)에서 STR 반응과 연소 반응이 수행되는 경우를 대상으로 설명하기로 한다.In particular, the case in which the STR reaction and the combustion reaction are performed in the
우선, 본 실시예의 설명의 편의를 위해 최하측에 배치된 반응 플레이트로부터 I,II,III의 도면 부호를 부여하였으며, 상기 각 반응 플레이트의 하측면에 형성되는 각 유입, 토출, 유동 포트는 각 도면 부호에 d를 부가하였으며, 상측면에 형성된 유입, 토출, 유동 포트 u를 부가함은 상술한 바와 같다.First, for the convenience of description of the present embodiment, reference numerals I, II, and III are given from the reaction plates disposed at the lowermost side, and each inflow, discharge, and flow port formed on the lower surface of each reaction plate is shown in each drawing. D is added to the symbol, and inflow, discharge, and flow ports u formed on the upper surface are added as described above.
상기 도 12에 도시된 바와 같이 최하측에 배치된 반응 플레이트 I의 하측면에 배치되는 유입 포트(130d)에는 STR 반응 가스가 유입되고, 상기 유입 포트 (130d) 양측에 배치되는 유동 포트(150d)에는 연소 반응 가스가 유입된다.As shown in FIG. 12, the STR reaction gas flows into the
먼저 상기 STR 반응 가스에 대해 설명하면, 상기 STR 반응 가스는 상기 반응 플레이트 I의 상측면에 형성되는 유동 포트 (150u)을 관통해서 반응 플레이트II의 하측면 유동 포트(150d)측으로 유동한다. First, the STR reaction gas will be described. The STR reaction gas flows through the
이때 상기 반응 플레이트 I의 상측면에 형성되는 유동 포트(150u)를 통해서 상기 반응 플레이트I의 상측면에 형성되는 마이크로 채널로 유동하는 것은 가스켓(300)에 의해 막혀서 유동할 수 없음은 이미 설명한 바와 같다.In this case, the flow of the microchannel formed on the upper side of the reaction plate I through the
한편 상기 반응 플레이트 II의 하측면 유동 포트(150d)를 통해 유동하는 STR 반응 가스는 상기 반응 플레이트 II의 상측면 유입 포트(130u)로 유동하게 되고, 앞서 설명한 바와 같이 일부분은 상기 반응 플레이트 II의 상측면 마이크로 채널 로 유동하여 반응을 일으키고, 나머지 부분은 반응 플레이트 III의 하측면 유입 포트(130d)를 통해 상기 반응 플레이트 III의 상측면 유동 포트(150u)측으로 유동하게 된다.Meanwhile, the STR reaction gas flowing through the lower
또한 상기 반응 플레이트II의 마이크로 채널을 통해 유동하는 STR 반응 가스는 반응 플레이트II의 토출 포트(140u)측으로 흐르게 되고, 이는 반응 플레이트 III의 하측면 토출 포트(140d)와 상측면 유동 포트(150u)를 통해 유동하게 된다.In addition, the STR reaction gas flowing through the microchannel of the reaction plate II flows to the
한편 연소 반응 가스는 반응 플레이트I의 하측면 유동 포트(150d)를 통해 유입되고 반응 플레이트I의 상측면 유입 포트(130u)측으로 유동한다.On the other hand, the combustion reaction gas flows through the lower
이때, 상기 유입 포트(130u)측으로 유동한 연소 반응 가스는 일부는 반응 플레이트II의 하측면 유입 포트(130d)측으로 유동하고 나머지 연소 반응 가스는 반응 플레이트I의 마이크로 채널측으로 유동하면서 연소 반응하게 되고, 토출 포트 (140u)측으로 유동한다.At this time, the combustion reaction gas flowing to the
또한, 상기 반응 플레이트II의 하측면 유입 포트(130d)측으로 유동한 연소 반응 가스는 앞서 설명한 방식과 유사하게 반응 플레이트II를 관통한 후 반응 플레이트 III의 상측면 마이크로 채널로 유동하면서 반응하게 된다.In addition, the combustion reaction gas flowing toward the lower
또한 상기 반응 플레이트I의 상측면 마이크로 채널(120u)로 유동한 연소 반응 가스의 경우에도 앞서 설명한 바와 같이 반응 플레이트 II와 반응 플레이트III을 관통하여 유동하게 된다.In addition, the combustion reaction gas flowing into the upper side microchannel 120u of the reaction plate I also flows through the reaction plate II and the reaction plate III as described above.
이때, 상기 연소 반응 가스가 발생시키는 열에 의해 상기 STR 반응을 수행할 수 있게 된다.At this time, the STR reaction can be performed by the heat generated by the combustion reaction gas.
이와 같이 상기 유동 포트(150)는 청구항 제6항에 나타난 바와 같이 상기 반응 플레이트(110)의 유입 포트(130) 및 토출 포트(140) 일측에 각각 형성되는 것으로서, 상기 유동 포트(150)에 의해 상기 반응 가스가 상기 적층된 반응 플레이트(110)를 관통해서 유동하도록 하는 한편, 상기 유입 포트(130)를 통해 마이크로 채널측(120)으로 유동하게 하거나, 상기 토출 포트(140)를 통해 토출된 반응 가스가 상기 적층된 반응 플레이트(110)를 관통해서 유동하도록 한다.As described above, the
한편 앞서 설명한 바와 같은 본 반응기(100)는 상기 STR 반응을 포함한 개질반응을 수행할 수 있고 또한 연소 반응 또한 수행할 수 있는 바, 이하 상기 반응에 대해 각 실시예를 통해 상세히 설명한다.Meanwhile, as described above, the
실시예4Example 4
본 실시예에서는 청구항 제9항 내지 제14항에 나타난 바와 같이 본 발명의 마이크로 채널 반응기(100)에 STR 개질 촉매층을 더 포함하여 수소를 생산하는 개질 반응기로 사용할 수 있다.In this embodiment, as shown in claim 9 to claim 14 may further be used as a reforming reactor to produce hydrogen by further comprising a STR reforming catalyst layer in the
상기 STR 개질 촉매층은 금속, 세라믹 또는 이들의 혼합으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 내열성의 세라믹 담체와 활성 재료를 포함하는 혼합물로부터 형성되는 것이 좋다. The STR reforming catalyst layer may be formed of a metal, a ceramic or a mixture thereof, preferably from a mixture comprising a heat resistant ceramic carrier and an active material.
이때, 상기 내열성의 세라믹 담체는 알파-알루미늄 옥사이드(α-Al2O3), 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3), 세타-알루미늄 옥사이드(θ-Al2O3), 마그네슘 알루미네이트 스페넬(magnesium aluminate spine; Mg-Al2O4), 산화 마그네슘(MgO) 및 산화 칼슘(CaO) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합을 사용할 수 있다. In this case, the heat-resistant ceramic carrier is alpha-aluminum oxide (α-Al 2 O 3 ), gamma-aluminum oxide (γ-Al 2 O 3 ), theta-aluminum oxide (θ-Al 2 O 3 ), magnesium aluminate One or a mixture of two or more selected from magnesium aluminate spine (Mg-Al 2 O 4 ), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), and the like may be used.
또한, 상기 활성 재료는 니켈 계열(예를 들어, 니켈 계열 Al2O3 등), 코발트 계열 및 8족 금속 계열 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. In addition, the active material may be used at least one selected from nickel-based (for example, nickel-based Al 2 O 3, etc.), cobalt-based and Group 8 metal-based.
이때, 상기 8족 금속 계열은 Ru, Pd, Pt, Rh 등의 8족 금속 단독 또는 분자 내에 하나 이상의 8족 금속이 결합된 화합물(예, RuO)을 포함한다. In this case, the Group VIII metal series includes a Group VIII metal such as Ru, Pd, Pt, and Rh, or a compound (eg, RuO) in which one or more Group VIII metals are bound in a molecule.
또한, 상기 활성 재료는 니켈 계열(예를 들어, NiAl2O4 등)과 8족 금속 계열의 혼합이 바람직하다. In addition, the active material is preferably a mixture of nickel-based (for example, NiAl 2 O 4, etc.) and Group 8 metal series.
이때, 니켈 계열은 내열성을 증가시키며, 8족 금속 계열은 Ni과의 합 금(alloy) 또는 크러스터(cluster)를 형성하여 Ni의 분산성을 향상시키면서 높은 반응 활성을 갖게 하고 탄소 침적에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다. At this time, the nickel series increases the heat resistance, and the Group 8 metal series forms alloys or clusters with Ni to improve the dispersibility of Ni while having high reaction activity and resistance to carbon deposition. Can be improved.
보다 바람직하게는, 상기 촉매층은 내열성의 담체와 활성 재료에 더하여 첨가제로서 알칼리 금속계를 더 포함하는 것이 좋다. 상기 알칼리 금속계는 K, Ca, Mg 등으로부터 선택된 알칼리 금속 단독 또는 분자 내에 하나 이상의 알칼리 금속이 결합된 화합물(예, MgO, MgS 등)을 포함한다. 촉매층이 위와 같은 알칼리 금속계를 더 포함하는 경우, 탄소 침적에 대한 저항성을 향상되어 보다 안정된 촉매의 활성 작용을 도모할 수 있다. 또한, 활성 재료로서 니켈 계열을 사용하는 경우, NiAl2O4이 생성되어 활성이 떨어질 수 있는데, 이때 알칼리 금속계가 첨가된 경우 NiAl2O4의 생성이 억제되어 고온(예, 700℃ 이상)에서 소성이 가능한 이점이 있다. More preferably, the catalyst layer further includes an alkali metal type as an additive in addition to the heat resistant carrier and the active material. The alkali metal system includes an alkali metal selected from K, Ca, Mg, and the like, or a compound (eg, MgO, MgS, etc.) in which one or more alkali metals are bound in a molecule. When the catalyst layer further includes an alkali metal system as described above, the resistance to carbon deposition can be improved, thereby achieving a more stable activity of the catalyst. In addition, in the case of using a nickel-based active material, NiAl 2 O 4 may be generated and the activity may be reduced. In this case, when the alkali metal system is added, the formation of NiAl 2 O 4 is suppressed, and thus, at a high temperature (eg, 700 ° C. or more). There is an advantage that firing is possible.
위와 같은 촉매층은, 바람직하게는 내열성의 담체, 활성 재료 및 알칼리 금속계가 물, 유기용제(알코올 등) 등에 분산된 졸(sol) 상태로 제조된 후, 채널 플레이트(130)의 한 면 또는 양면에 형성될 수 있다. 예를 들어, 니켈 계열, 8족 금속 계열 등의 활성 재료의 경우에는 메탄올 등의 알코올류에 분산된 졸(sol) 상태로 제조되어 사용될 수 있으며, 알칼리 금속의 경우에는 물에 분산된 졸(sol) 상태로 제조되어 사용될 수 있다. 또한, 촉매층은 위와 같이 졸(sol) 상태로 제조된 다음, 채널 플레이트(130)의 한 면 또는 양면에 코팅(바람직하게는 함침 코팅)된 후, 소성에 의해 채널 플레이트(130)에 담지된다. 이때, 소성은 특별히 한정하는 것은 아니지만 700℃ 이상, 바람직하게는 750℃ 이상에서 진행될 수 있다. The catalyst layer as described above is preferably manufactured in a sol state in which a heat resistant carrier, an active material, and an alkali metal system are dispersed in water, an organic solvent (alcohol, etc.), and then, on one side or both sides of the
실시예5Example 5
본 실시예에서는 본 발명의 마이크로 채널 반응기(100)를 연소 반응기로 사용하는 경우이다.In this embodiment, the
즉, 상술한 바와 같이 STR 개질 반응은 흡열 반응인 관계로 열을 공급하는 것이 필요한데, 이때 청구항 제10항에 나타난 바와 같이 상기 마이크로 채널 반응기(100)에 포함된 연소 촉매에 의해 연소 반응을 일으키고 이에 의해 상기 개질 반응에 필요한 열을 공급하게 된다.That is, as described above, the STR reforming reaction is required to supply heat in relation to the endothermic reaction, in which the combustion reaction is caused by the combustion catalyst included in the
한편, 상기 연소촉매로는 백금(platinum), 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium), 오스뮴(osmium), 이리듐(iridium), 팔라듐(palladium) 등과 같은 백금족 원소, 금, 은, 동 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 될 수 있다. 특히, 상기 연소촉매는 촉매지지체에 담지되어 사용될 수 있다. 상기 연소촉매의 담지는 촉매지지체를 먼저 코팅하고, 상기 연소촉매의 수용액을 연소촉매의 양이 상기 촉매지지체 대비 0.1 내지 5중량%가 되도록 첨가한 후, 건조 및 소성처리하는 것으로 이루어진다. 상기에서 촉매지지체로는 산화알루미늄, α-산화알루미늄, 산화지르코늄(ZrO2), 실리카(silica ; SiO2) 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 α-산화알루미늄이 사용될 수 있다. Meanwhile, as the combustion catalyst, platinum group elements such as platinum, rhodium, ruthenium, osmium, iridium, palladium, gold, silver, copper, or two of them It may be selected from the group consisting of the above mixture. In particular, the combustion catalyst may be supported on the catalyst support. The supporting of the combustion catalyst is first coated with a catalyst support, and the aqueous solution of the combustion catalyst is added so that the amount of the combustion catalyst is 0.1 to 5% by weight relative to the catalyst support, followed by drying and calcining. The catalyst support may be selected from the group consisting of aluminum oxide, α-aluminum oxide, zirconium oxide (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ) or a mixture of two or more thereof, preferably α-oxidation Aluminum can be used.
즉, 앞서 설명한 바와 같이 상기 마이크로 채널 반응기(100)의 일측면은 연 소 반응을 수행하고, 타측면은 STR 개질 반응을 수행하도록 하여, 상기 연소 반응에 의해 발생된 열을 이용하여 상기 STR 개질 반응을 하도록 하는 것도 가능하다.That is, as described above, one side of the
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 마이크로 채널 반응기(100)는 유입 포트 (130)나 토출 포트(140) 중 적어도 하나 이상의 포트를 복수로 형성하여 고압의 반응 가스를 leakage 없이 사용할 수 있어 반응 효율을 높이는 한편 이에 의해 반응기의 소형화가 가능하게 된다.As described above, the
한편 상기 마이크로 채널 반응기(100)를 다수개 적층하는 경우 도 13과 청구항 제8항에 나타난 바와 같이 상기 반응 플레이트(110)의 일측에 요홈되게 형성되는 가이드 홈(180)을 더 포함하여, 상기 반응 플레이트(110)를 적층할 때 가이드 바(B)에 상기 가이드 홈(18)이 끼움되도록 하여 용이하게 적층할 수 있도록 하는 것도 바람직하다.Meanwhile, when the plurality of
도 1은 종래의 개질 시스템에 대한 개념도,1 is a conceptual diagram of a conventional reforming system,
도 2는 종래의 반응기에 대한 개념도,2 is a conceptual diagram for a conventional reactor,
도 3은 본 발명의 반응 플레이트에 대한 사시도,3 is a perspective view of a reaction plate of the present invention,
도 4 및 도 5는 본 발명의 반응 플레이트의 다양한 변형예에 대한 사시도,4 and 5 are perspective views of various modifications of the reaction plate of the present invention,
도 6은 본 발명의 반응 플레이트가 다수개 적층된 상태의 단면도,6 is a cross-sectional view of a state in which a plurality of reaction plates of the present invention are stacked;
도 7은 본 발명의 가스켓에 대한 사시도,7 is a perspective view of a gasket of the present invention,
도 8은 본 발명의 반응 플레이트와 가스켓이 결합되는 것을 도시하는 분리 사시도,8 is an exploded perspective view illustrating that the reaction plate and the gasket of the present invention are coupled;
도 9 및 도 10은 본 발명의 반응 플레이트의 유동 포트와 유입/토출 포트상에서 유동하는 것을 나타내는 분리 사시도,9 and 10 are separated perspective views showing the flow on the flow port and the inlet / outlet port of the reaction plate of the present invention,
도 11 및 도 12는 본 발명의 반응 플레이트가 다수개 적층된 상태에서 반응 가스가 유동하는 것을 도시하는 개념도,11 and 12 are conceptual diagrams showing that the reaction gas flows in a state where a plurality of reaction plates of the present invention are stacked;
도 13은 본 발명의 반응 플레이트가 가이드 바에 의해 적층되는 것을 도시하는 분리 사시도이다.Fig. 13 is an exploded perspective view showing the reaction plates of the present invention being stacked by guide bars.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
100 : 반응기 110 : 반응 플레이트100
120 : 마이크로 채널 130 : 유입 포트120: micro channel 130: inlet port
140 : 토출 포트 200 : 가스켓140: discharge port 200: gasket
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