KR101071804B1 - 개질 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개질 반응기에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 외부에서 공급된 개질 원료와 연소 원료의 반응이 이루어져 개질 가스가 생성되는 연소/개질 반응 유니트; 연소/개질 반응 유니트와 연결되며, 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 고온의 물의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 일산화탄소가 저감되는 수성 가스 전환 반응 유니트; 및 수성 가스 전환 반응 유니트 및 외부 장치와 연결되며, 수성 가스 전환 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 공기의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 잔류 일산화탄소가 저감되는 선택적 산화 반응 유니트를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 개질 반응기는 열 손실이 적고 발생하고, 수소발생량이 많다.
개질 반응기, 마이크로 채널, 중간플레이트, 채널플레이트

Description

개질 반응기{Reactor for reforming fuel}
본 발명은 개질 반응기에 관한 것으로, 구체적으로, 각 반응 유니트 간의 유로를 짧게 형성하여 열손실을 줄이고, 각 반응 유니트의 온도제어가 용이하며, 수소발생량이 높은 개질 반응기에 관한 것이다.
일반적으로 화석연료에 의한 에너지 생산이 대부분을 차지하고 있으나, 최근 지구온난화, 일산화탄소 배출억제 등 환경문제에 대한 관심이 커지면서 차세대 무공해 발전기술에 대한 수요가 증가하고 있다.
차세대 무공해 발전기술인 연료전지의 전기 생산 원리는 수소와 산소의 화학적 결합으로 전기 에너지를 생산하는 것으로서, 지속적인 전기 생산을 위해서는 수소 공급 장치가 매우 중요하다.
이때 연료 개질 시스템은 연료전지 시스템에 지속적으로 수소를 공급하는 역할을 한다.
최근 휴대용 전자기기의 전원으로서 연료전지를 적용하려는 시도가 증가하고 있다.
따라서 휴대용으로 연료 전지 시스템을 사용하기 위해서는 소형 및 경량화라는 제약조건이 발생하고, 소형 및 경량화를 위해서는 단열대책과 저에너지 손실대책이 요구된다.
연료 개질 시스템은 온도가 80℃ 내지 700℃의 범위에 걸쳐 다양한 반응 온도 영역이 존재한다.
비록 연료전지가 다른 발전시스템에 비해 높은 발전효율을 가지고 있으나, 가정에서 사용하는 1 ∼3 kW 급 정도의 시스템은 발전효율이 20% 내외가 되므로 시스템 자체 내에서 열 회수가 이루어져야 한다.
이를 위한 효과적인 열교환망 설계, 단열 및 열손실 최소화는 연료 개질 시스템의 열효율 향상에 큰 영향을 주게 된다.
위와 같은 설계에 있어서, 각 반응 및 열교환 형태 등이 고려되어야 하며, 각 반응기간의 유로의 길이를 최소화하여 열손실을 최소화하여야 한다.
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.
또한 종래의 원통형 개질기는 판형 개질기에 비해 열전달이 빠르게 이루어지지 않으므로 부하의 변화에 따른 응답속도가 느리고 열효율이 낮은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 각 반응 유니트 간의 유로를 짧게 형성하여 열손실을 줄이고, 각 반응 유니트의 온도제어가 용이하며, 수소발생량이 높은 개질 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 개질 반응기는, 외부에서 공급된 개질 원료와 연소 원료의 반응이 이루어져 개질 가스가 생성되는 연소/개질 반응 유니트; 연소/개질 반응 유니트와 연결되며, 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 고온의 물의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 일산화탄소가 저감되는 수성 가스 전환 반응 유니트; 및 수성 가스 전환 반응 유니트 및 외부 장치와 연결되며, 수성 가스 전환 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 공기의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 잔류 일산화탄소가 저감되는 선택적 산화 반응 유니트를 포함하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 개질 반응기는 각 반응기 간의 유로를 짧게 형성하여 열손실이 낮고, 전체 시스템의 부피가 작으며, 각 반응기의 열제어가 용이하고, 수소발생량이 높다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에서 제안하는 개질 반응기는 메탄, 에탄, 프로판 및 부탄 등 현재 개질 원료로 사용되는 모든 탄화수소에 적용이 가능하나, 설명의 편의를 위하여 이하 개질 반응기의 원료는 메탄(CH4)으로 한정하여 서술한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기는 외부에서 공급된 개질 원료와 연소 원료의 각 반응이 이루어져 개질 가스(reformed gases)가 생성되는 연소/개질 반응 유니트(100)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기는 상기 연소/개질 반응 유니트(100)와 연결되며, 연소/개질 반응 유니트(100)에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 고온의 물의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 일산화탄소가 저감되는 수성 가스 전환 반응 유니트(200)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기는 수성 가스 전환 반응 유니트(200) 및 외부 장치와 연결되며, 수성 가스 전환 반응 유니트(200)에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 공기의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 잔류 일산화 탄소가 저감되는 선택적 산화 반응 유니트(300)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기는 연소/개질 반응 유니 트(100)와 수성 가스 전환 반응 유니트(200)와 연결되는 제 1 열교환기(400)를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 열교환기(400)는 선택적 산화 반응 유니트(300)를 통하여 외부에서 공급된 고온의 매체와 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와의 열교환이 이루어지며, 열 교환된 개질 가스는 수성 가스 전환 반응 유니트(200)로 공급된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기는 수성 가스 전환 반응 유니트(200)와 선택적 산화 반응 유니트(300)와 연결되며, 외부에서 공급된 매체와 수성 가스 전환 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와의 열교환이 이루어지는 제 2 열 교환기(500) 및 연소/개질 반응 유니트(100)와 연결되어 외부에서 공급된 매체와 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 고온의 연소 가스(combustion gases)와의 열교환이 이루어지는 제 3 열교환기(600)를 더 포함할 수 있다.
이하 각 반응 유니트 별로 구체적으로 살펴보면,
1. 연소/개질 반응 유니트 (100)
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 연소/개질 반응 유니트(100)는 제 1 및 제 2 플레이트(110, 120), 채널 플레이트(130), 보조 채널 플레이트(140) 및 중간플레이트(150)를 포함한다.
본 실시예에서 상기 제 1 및 제 2 플레이트는 각 반응 유니트의 상부와 하부 에 위치하는 각 플레이트를 구분하기 위하여 사용된 것으로, 이하 제 1 플레이트만을 예를 들어 설명한다.
도 2c는 도 2a에 도시된 연소/개질 반응 유니트를 구성하는 제 1 플레이트를 나타내는 사시도이다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 제 1 플레이트(110)는 양 종단부에 복수의 유체 유입포트(113) 및 유체 배출포트(113)가 형성되어 있으며, 각 포트는 유체의 유동방향에 따라 구분한 것으로, 동일한 구조로 되어 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 반응 유니트는 제 1 플레이트의 일단부의 가운데에 형성된 하나의 유체 유입포트를 통하여 유입된 유체가 채널 플레이트를 통과한 후 제 2 플레이트의 일단부의 양 측에 형성된 2 개의 배출포트를 통하여 외부로 배출될 수 있다.
이러한 경우에는 제 1 플레이트(110)의 일단부에 형성된 3 개의 포트 중, 양 측에 형성된 포트보다 가운데에 형성된 포트의 직경을 크게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 플레이트의 양단부의 내측에는 제 1 및 제 2 플레이트 사이에 배치되는 채널 플레이트 및 중간 플레이트를 체결하기 위한 체결홀(114)이 형성되어 있다.
상기 유체 유입포트(113)는 제 1 방향으로 연장된 제 1 피팅홀(111) 및 상기 제 1 피팅홀(111)과 연통되며, 제 2 방향으로 연장된 제 2 피팅홀(112)로 이루어진다. 이러한 구조에서는 제 1 유체는 제 1 피팅홀(111)을 통하여 공급되고, 제 2 유 체는 제 2 피팅홀(112)을 통하여 공급되므로, 하나의 유입포트를 통하여 복수의 유체가 공급될 수 있다.
도 2d는 도 2a에 도시된 연소/개질 반응 유니트를 구성하는 채널 플레이트(130)의 평면도로서, 정면도와 배면도를 나타낸다.
상기 채널 플레이트(130)는 폭방향 중심선(S)에 대하여 제 1 표면(130a) 및 제 2 표면(130b)이 회전 대칭 구조를 가지며, 각 표면의 중앙부에 다수의 마이크로 채널(139)이 형성되어 있다.
또한 채널 플레이트(130)의 양 종단부에는 제 1 및 제 2 플레이트와 체결하기 위한 체결홀(138)이 형성되어 있다.
상기 채널 플레이트(130)에는 제 1 종단부(A)에 제 1 관통홀(131)과 제 3 관통홀(133)이 형성되어 있고, 제 2 종단부(B)에 상기 각 관통홀과 폭방향 중심선(S)에 대하여 대칭되도록 제 4 관통홀(136)과 제 2 관통홀(134)이 형성되어 있다.
이때, 상기 채널 플레이트의 제 1 표면(130a)을 중심으로 설명하면, 제 1 종단부(A)에는 제 1 관통홀(131)과 마이크로 채널을 격리하는 제 1 격벽(132)이 형성되고, 제 2 종단부(B)에는 제 2 관통홀(134)과 마이크로 채널(139)을 격리하는 제 2 격벽(135)이 형성되어 있다.
또한, 채널 플레이트(130)는 제 3 관통홀과 마이크로 채널 사이 및 제 4 관통홀과 마이크로 채널 사이에 수렴/확산 돌기부(137)가 형성되어, 상기 수렴/확산 돌기부(137)는 각 관통홀에서 마이크로 채널로 유동하는 유체를 확산하거나, 마이 크로 채널에서 각 관통홀로 유동하는 유체를 수렴하는 기능을 한다.
이와 같은 구조에서 채널 플레이트(130)는 제 1 표면(130a)과 제 2 표면(130b)에서의 유체의 유동이 반대방향으로 이루어진다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 연소/개질 반응 유니트는 상기 채널 플레이트(130)와 동일한 구조를 갖는 보조 채널 플레이트(140) 및 상기 보조 플레이트와 대응하며, 양 종단부에 다수의 관통홀이 형상된 중간플레이트(150)로 이루어진 중간 유니트를 더 포함한다.
이때 중간 유니트는 중간 플레이트(150)가 인접한 채널 플레이트(130)와 대응되도록 배치되어 유체의 흐름경로을 연장하는 기능을 수행한다.
연소/개질 반응 유니트 내에서의 각 유체의 흐름은 도 2a 및 2b를 통하여 설명한다. 도 2b 는 도 2a 의 A 부분의 확대 사시도로서, 중간 플레이트(150) 상방에 배치된 채널 플레이트(130)는 저면 사시도로 나타내었다.
제 1 플레이트(110)에 형성된 유체 유입포트(113)을 통하여 연소원료인 메탄과 공기가 함께 유입되며, 연소원료인 메탄은 상기 제 1 피팅홀(111)을 통하여 공급되고, 공기는 제 1 피팅홀(111)과 연통된 제 2 피팅홀(112)를 통하여 공급된다.
상기 유체 유입포트(113)를 통하여 유입된 메탄 및 공기는 제 1 플레이트(110) 하방에 배치된 채널 플레이트(130)의 제 1 관통홀(131)로 유입된다.
상기 메탄 및 공기는 제 1 표면상에 제 1 격벽이 형성되어 마이크로 채널로 유동할 수 없고, 제 1 표면과 회전 대칭 구조로 형성된 제 2 표면의 다수의 마이크 로 채널 내로 유동하게 된다.
제 2 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널에는 연소촉매가 코팅되어 있으므로, 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 연소반응이 일어난다.
상기 채널 플레이트(130) 하방에 중간 플레이트(150)가 배치되고, 상기 중간 플레이트(150) 하방에 보조 채널 플레이트(140)가 배치된다.
앞서 설명한 바와 같이, 보조 채널 플레이트(140)는 채널 플레이트(130)와 동일한 구조로 형성되고, 또한 도 4b 에 도시된 바와 같이, 중간 플레이트(150)에는 가열 수단 및 온도 측정 수단이 각각 장착되는 제 1 삽입구(157) 및 제 2 삽입구(158)이 형성되어 있다.
따라서 가열수단(도시되지 않음)으로 반응 유니트를 예열할 수 있으며, 온도 측정 수단(도시하지 않음)으로 반응 유니트의 반응온도를 확인할 수 있다.
연소가스는 중간 플레이트(150)의 제 2 관통홀(154)을 통과한 후, 보조 채널 플레이트(140)의 제 2 관통홀(144)을 통과하고 제 2 플레이트(120)의 유체 배출포트(124)를 통하여 외부로 배출된다.
한편, 채널 플레이트(130)와 중간 플레이트(150) 사이의 유로를 통과하지 않는 메탄 및 공기는 중간 플레이트(150)의 제 1 관통홀(151)을 통하여 보조 채널 플레이트(140)의 제 1 관통홀(141)로 유입된다.
보조 채널 플레이트(140)의 제 1 관통홀(141)로 유입된 메탄 및 공기는 제 2 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 연소반응이 일어나며, 연소반응을 마친 연소가스는 제 2 플레이트의 유체 배출포트(124)를 통하여 외부로 배출된다.
한편, 제 2 플레이트(120)에 형성된 유체 유입포트(123)을 통하여 개질원료인 메탄과 물이 함께 유입되며, 물은 상기 제 1 피팅홀(121)을 통하여 공급되고, 개질원료인 메탄은 제 1 피팅홀(121)과 연통된 제 2 피팅홀(122)를 통하여 공급된다.
상기 유체 유입포트(123)를 통하여 유입된 메탄 및 물은 제 2 플레이트 상방에 배치된 보조 채널 플레이트(140)의 제 3 관통홀(143)로 유입된다.
상기 메탄 및 물은 보조 채널 플레이트(140)의 제 1 표면상에 수렴/확산 돌기부를 지나 다수의 마이크로 채널로 유동하며, 상기 마이크로 채널의 표면에는 개질 촉매가 코팅되어 있으므로, 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 개질반응이 일어난다.
개질반응에 의하여 형성된 개질가스는 중간 플레이트(150)의 제 3 관통홀(156)을 통과한 후, 채널 플레이트(130)의 제 3 관통홀(136)을 통과하고 제 1 플레이트(110)의 유체 배출포트(114)를 통하여 수성가스 전환 반응 유니트(도 1의 200)로 배출된다.
한편, 보조 채널 플레이트(130)와 중간 플레이트(150) 사이의 유로를 통과하지 않는 메탄 및 물은 중간 플레이트(150)의 제 4 관통홀(153)을 통하여 채널 플레이트(130)의 제 4 관통홀(133)로 유입된다.
채널 플레이트(130)의 제 4 관통홀(133)로 유입된 메탄 및 물은 제 1 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 개질 반응이 일어나며, 개질반응에 의하여 형성된 개질가스는 제 1 플레이트(110)의 유체 배출포트(114)를 통하여 수성 가스 전환 반응 유니트(도 1의 200)로 배출된다.
앞서 살펴본 바와 같이, 채널 플레이트 및 보조 채널 플레이트의 제 1 표면 및 제 2 표면에서 각각 개질반응 및 연소반응이 이루어지며, 연소반응에서 발생한 열을 개질반응에 이용할 수 있다.
본 실시예에서 개질촉매로서는 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 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 바람직하다.
이때 상기 개질촉매는 촉매지지체에 담지되어 사용되는 것이 바람직하다.
상기 촉매지지체로는 α-산화알루미늄, γ-산화알루미늄, θ-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.
본 실시예에 사용되는 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.
이때 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.
2. 수성가스전환 반응 유니트 (200)
전술한 연소/개질 반응 유니트(100)에서 개질 반응 후 형성된 개질가스에는 약 5% ~ 15%의 일산화탄소가 포함되며, 이러한 일산화탄소는 양자 교환 멤브레인 연료전지의 전극재료로 사용되는 백금을 피독시켜 연료전지의 성능을 급격히 저하시킨다.
따라서 개질가스를 수성 가스 전환 반응 유니트를 통과시켜 개질가스에 포함 된 일산화탄소의 함량을 1% 이하로 낮추는 것이 바람직하다.
도 3 는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 수성 가스 전환 반응 유니트의 분해 사시도이다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 수성 가스 전환 반응 유니트는 제 1 및 제 2 플레이트(210, 220), 채널 플레이트(230), 보조 채널 플레이트(240) 및 중간 플레이트(250)를 포함한다.
각 플레이트의 구조 및 기능은 도 2a 내지 도2b 를 통하여 설명한 연소/개질 반응 유니트를 구성하는 각 플레이트와 구조 및 기능이 동일하다.
다만, 수성 가스 전환 반응 유니트(200)는 연소/개질 반응 유니트(100)에서 개질반응을 마친 개질가스와 고온의 물의 반응만 이루어 지므로, 유입 및 유출포트의 개수 및 중간플레이트의 관통홀의 개수의 차이가 있다.
또한, 채널 플레이트(230) 및 보조 채널 플레이트(240)는 제 1 표면 및 제 2 표면이 동일한 구조로 형성된다.
이는 수성 가스 전환 반응 유니트(200)를 구성하는 각 채널 플레이트의 제 1 표면과 제 2 표면에서 유체의 유동방향이 동일하기 때문이다.
이하, 수성 가스 전환 반응 유니트 내에서의 각 유체의 흐름은 도 3을 통하여 설명한다.
제 1 플레이트는(210)의 유체 유입포트(213)를 통하여 연소/개질 반응 유니트(100)에서 배출된 개질가스와 외부에서 공급된 고온의 물이 함께 공급된다.
이때 개질가스는 제 1 피팅홀(212)를 통하여 공급되고, 물은 제 1 피팅홀과 연통된 제 2 피팅홀(212)를 통하여 공급된다.
상기 개질가스와 물은 채널 플레이트(230)의 제 4 관통홀(233)을 통하여 유입된 후, 제 1 표면 및 제 2 표면에 형성된 마이크로 채널로 각각 유동한다.
상기 마이크로 채널의 표면에는 수성 가스 전환 촉매가 코팅되어 있으므로, 각 표면의 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 수성 가스 전환 반응이 이루어진다.
채널 플레이트(230)의 양면에서 수성가스 전환 반응을 마친 개질가스는 채널 플레이트(230)의 제 3 관통홀(236)을 통하여, 중간 플레이트(250)의 제 3 관통홀(256)로 함께 유입되고, 상기 제 3 관통홀(256)을 통과한 후 보조 채널 플레이트(240)의 제 2 표면을 유동하며 수성 가스 전환 반응이 이루어지며, 보조 채널 플레이트(240)의 제 1 관통홀(243)을 통과한 후 제 2 플레이트(220)의 유체 배출포트(223)를 통하여 선택적 산화반응 유니트(도 1의 300)로 배출된다.
또한, 중간플레이트(250)의 제 3 관통홀(256)을 통하여 보조 채널 플레이트의 제 3 관통홀(246)로 유입된 개질가스는 보조 채널 플레이트의 제 1 표면을 유동하며 수성 가스 전환 반응이 이루어지고, 반응을 마친 개질가스는 제 2 플레이트의 유체 배출포트(223)을 통하여 선택적 산화반응 유니트(도 1의 300)로 배출된다.
본 실시예에서 수성 가스 전환 반응에 사용된 촉매로는 백금(platinum), 레니움(Rhenium), 루테늄(ruthenium), 로듐(rhodium), 철(Iron), 구리(Copper) 및 니켈(Ni) 등과 같은 백금족 원소, 금, 은, 동 및 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지 는 그룹으로부터 선택하는 것이 바람직하다.
이때 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.
3. 선택적 산화 반응 유니트 (300)
도 4 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 선택적 산화 반응 유니트(300)의 분해 사시도로서, 상기 선택적 산화 반응 유니트는 제 1 및 제 2 플레이트(310, 320), 채널 플레이트(330), 보조 플레이트(340, 350) 및 중간 플레이트(360, 370)을 포함한다.
각 플레이트는 앞서 설명한 연소/개질 반응 유니트(100)의 각 플레이트와 구조가 동일하며, 제 1 및 제 2 플레이트의 유입포트 및 배출포트의 배치 및 개수, 중간 플레이트의 관통홀의 배치 및 개수에서 차이가 난다.
이하, 선택적 산화 반응 유니트 내에서의 유체의 흐름을 도 4를 통하여 설명한다.
제 1 플레이트의 일 종단부의 유체 유입포트(311)을 통하여 외부장치(도시하지 않음)로부터 공기가 공급된다.
상기 공기는 채널 플레이트(330)의 제 2 표면을 유동한 후, 제 3 관통 홀(334) 및 중간 플레이트(360)의 제 3 관통홀(364)을 통과한다.
이후 공기는 보조 플레이트(340)의 제 2 표면을 유동한 후 제 1 관통홀(341) 및 중간플레이트(370)의 제 1 관통홀(371)을 통과한다.
이후 보조 플레이트(350)의 제 2 표면을 유동한 후, 제 3 관통홀 및 제 2 플레이트(320)의 배출포트(321)를 통하여 반응 유니트 외부로 배출된다.
한편, 제 1 플레이트(310)의 타 종단부에 형성된 유체 유입포트(314)를 통하여 수성 가스 전환 반응 유니트에서 배출된 개질가스와 공기가 공급된다.
제 1 피팅홀(312)를 통하여 개질가스가 공급되고, 제 2 피팅홀(313)을 통하여 공기가 공급된다.
개질 가스 및 공기는 채널 플레이트(330)의 제 3 관통홀(336)을 통과하여, 제 1 표면을 유동한다. 이때, 제 1 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널에는 프락스 반응 촉매가 코팅되어 있으므로, 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 프락스 반응이 이루어진다.
선택적 산화 반응을 거친 개질가스 및 공기는 제 1 중간플레이트(360)의 제 4 관통홀(363)을 통과한 후, 제 1 보조 채널 플레이트(340)의 제 4 관통홀(343)을 지나, 제 1 표면을 유동한다. 이때, 제 1 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널의 표면에는 선택적 산화 반응 촉매가 코팅되어 있으므로, 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 선택적 산화 반응이 이루어진다.
이후, 선택적 산화 반응을 거친 개질가스 및 공기는 제 2 중간플레이트(370)의 제 4 관통홀(376)을 통과한 후, 제 2 보조 채널 플레이트(350)의 제 3 관통 홀(356)을 지나, 제 1 표면을 유동한다.
이때, 제 2 보조 플레이트(350)의 제 1 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널의 표면에는 선택적 산화 반응 촉매가 코팅되어 있으므로, 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 선택적 산화 반응이 이루어진다.
선택적 산화 반응을 마친 개질가스는 제 2 플레이트(320)의 배출포트(324)를 통하여 외부로 배출된다.
한편, 채널 플레이트(330) 및 각 보조 채널 플레이트(340, 350)의 제 1 표면으로는 선택적 산화 반응을 위한 개질가스와 공기가 유동하고, 제 2 표면으로는 공기가 유동한다.
이때 선택적 산화 반응은 발열반응이므로, 제 2 표면을 유동하는 공기는 반응열을 흡수한다.
상기 선택적 산환 반응에 사용되는 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.
이때 선택적 산화 반응에 사용되는 촉매는 촉매 지지체에 담지되어 사용되는 것이 바람직하다.
상기 촉매 지지체로는 알루미나(Alumina), 세리아(Ceria), 지르코니아(Zirconia), 칼슘 알루미네이트(Calcium aluminate) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
4. 제 1 열교환기(400)
도 5은 본 발명의 일 실시에에 따른 개질 반응기를 구성하는 제 1 열교환기의 분해 사시도로서, 제 1 및 제 2 플레이트(410, 420), 채널 플레이트(430)을 포함한다.
제 1 열교환기는 연소/개질 반응 유니트(100)와 수성 가스 전환 반응 유니트(200)와 연결되며, 선택적 산화 반응 유니트(300)를 통하여 외부에서 공급된 고온의 공기와 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와의 열교환이 이루어지며, 열 교환된 개질 가스를 수성 가스 전환 반응 유니트(200)로 공급한다.
마이크로 채널에 촉매층이 형성되어 있지 않다는 점을 제외하고는 제 1 열교환기의 채널 플레이트는 앞서 설명한 연소/개질 반응 유니트(100)의 채널 플레이트와 동일한 구조로 형성된다.
개질가스는 제 1 플레이트(410)의 유입포트(411)를 통하여 제 1 열교환기로 유입되고, 채널 플레이트(430)의 제 3 관통홀(436)을 지나 제 1 표면을 유동하며, 제 2 플레이트(420)의 배출포트(424)를 통하여 배출된다.
한편 공기는 제 2 플레이트(420)의 유입포트(421)를 통하여 제 1 열교환기로 유입되고, 채널 플레이트(430)의 제 2 관통홀(434)를 지나 제 2 표면을 유동하며, 제 1 플레이트(410)의 배출포트(414)를 통하여 배출된다.
5. 제 2 열교환기(500)
도 6 은 본 발명의 일 실시에에 따른 개질 반응기를 구성하는 제 2 열교환기의 분해 사시도로서, 제 1 및 제 2 플레이트(510, 520), 채널 플레이트(530)을 포함한다.
제 2 열교환기(500)는 수성 가스 전환 반응 유니트(200)와 선택적 산화 반응 유니트(300)와 연결되며, 외부에서 공급된 물와 수성 가스 전환 반응 유니트(200)에서 배출된 개질 가스와의 열교환이 이루어진다.
마이크로 채널에 촉매층이 형성되어 있지 않다는 점을 제외하고는 제 1 열교환기의 채널 플레이트는 앞서 설명한 연소/개질 반응 유니트(100)의 채널 플레이트와 동일한 구조로 형성된다.
개질 가스는 제 1 플레이트(510)의 유입포트(514)를 통하여 제 2 열교환기로 유입되고, 채널 플레이트(530)의 제 4 관통홀(533)을 지나 제 1 표면을 유동하며, 제 2 플레이트(520)의 배출포트(521)를 통하여 배출된다.
한편 물은 제 2 플레이트(520)의 유입포트(524)를 통하여 제 2 열교환기로 유입되고, 채널 플레이트(530)의 제 2 관통홀(534)를 지나 제 2 표면을 유동하며, 제 1 플레이트(510)의 배출포트(511)를 통하여 배출된다.
6. 제 3 열교환기(600)
도 7 은 본 발명의 일 실시에에 따른 개질 반응기를 구성하는 제 3 열교환기의 분해 사시도로서, 제 1 및 제 2 플레이트(610, 620), 채널 플레이트(630)을 포함한다.
제 3 열교환기는 연소/개질 반응 유니트(100)와 연결되어, 외부에서 공급된 물과 연소/개질 반응 유니트(100)에서 배출된 고온의 연소 가스와의 열교환이 이루어진다.
마이크로 채널에 촉매층이 형성되어 있지 않다는 점을 제외하고는 제 1 열교환기의 채널 플레이트는 앞서 설명한 연소/개질 반응 유니트(100)의 채널 플레이트와 동일한 구조로 형성된다.
물은 제 1 플레이트(610)의 유입포트(611)를 통하여 제 3 열교환기로 유입되고, 채널 플레이트(630)의 제 4 관통홀(633)을 지나 제 1 표면을 유동하며, 제 2 플레이트(620)의 배출포트(624)를 통하여 배출된다.
한편 연소가스는 제 2 플레이트(620)의 유입포트(621)를 통하여 제 3 열교환기로 유입되고, 채널 플레이트(630)의 제 2 관통홀(634)를 지나 제 2 표면을 유동하며, 제 1 플레이트(610)의 배출포트(614)를 통하여 배출된다.
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 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기의 구성도.
도 2a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 연소/개질 반응 유니트의 분해 사시도.
도 2b 는 도 2a 의 A 부분의 확대 사시도.
도 2c 는 도 2a 에 도시된 연소/개질 반응 유니트를 구성하는 제 1 플레이트의 사시도.
도 2d 는 도 2a 에 도시된 연소/개질 반응 유니트를 구성하는 채널 플레이트의 정면도.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 수성 가스 전환 반응 유니트의 분해 사시도.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 선택적 산화 반응 유니트의 분해 사시도.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 제 1 열교환기의 분해 사시도.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 제 2 열교환기의 분해 사시도.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 제 3 열교환기의 분해 사시도.

Claims (16)

  1. 외부에서 공급된 개질 원료와 연소 원료의 반응이 이루어져 개질 가스가 생성되는 연소/개질 반응 유니트;
    연소/개질 반응 유니트와 연결되며, 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 고온의 물의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 일산화탄소가 저감되는 수성 가스 전환 반응 유니트;
    수성 가스 전환 반응 유니트 및 외부 장치와 연결되며, 수성 가스 전환 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 공기의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 잔류 일산화탄소가 저감되는 선택적 산화 반응 유니트; 및
    연소/개질 반응 유니트와 수성 가스 전환 반응 유니트와 연결되며, 선택적 산화 반응 유니트를 통하여 외부에서 공급된 고온의 매체와 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와의 열교환이 이루어지며, 열 교환된 개질 가스를 수성 가스 전환 반응 유니트로 공급하는 제 1 열 교환기를 포함하는 개질 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 연소/개질 반응 유니트는,
    양 종단부에 유체 유입포트 및 유체 배출포트가 각각 형성된 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트; 및
    제 1 플레이트 및 제 2 플레이트 사이에 배치되어 제 1 플레이트와의 사이 및 제 2 플레이트와의 사이에 유로를 각각 형성하는 채널 플레이트를 포함하고,
    채널 플레이트는 폭방향 중심선에 대하여 회전 대칭 구조를 가지며, 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트와 각각 대응하는 제 1 표면 및 제 2 표면에 형성되고, 반 응촉매가 코팅된 다수의 마이크로 채널 및 양 종단부에 각각 형성된 제 1 및 제 2 관통홀을 포함하며,
    제 1 플레이트의 유입 포트를 통하여 유입된 유체는 채널 플레이트의 제 1 종단부에 형성된 제 1 관통홀을 통하여 채널플레이와 제 2 플레이트 사이에 형성된 유로로 유입된 후 제 2 플레이트의 유출포트를 통하여 외부로 배출되며,
    제 2 플레이트의 유입 포트를 통하여 채널플레이트와 제 1 플레이트 사이에 형성된 유로로 유입된 후 제 1 플레이트의 유출포트를 통하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 플레이트의 유입포트는 제 1 방향으로 연장된 제 1 피팅홀과, 상기 제 1 피팅홀과 연통되며 제 2 방향으로 연장된 제 2 피팅홀로 이루어진 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  4. 제 2 항에 있어서, 채널 플레이트는,
    제 1 표면상에 형성되어, 제 1 종단부의 제 1 관통홀과 마이크로 채널을 격리하는 제 1 격벽 및 제 2 종단부의 제 2 관통홀과 마이크로 채널을 격리하는 제 2 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 채널플레이트와 동일한 구조를 갖는 보조 채널 플레이트 및 상기 보조 채널 플레이트와 대응하며, 양 종단부에 다수의 관통홀이 형성된 중간 플레이트로 이루어진 중간 유니트를 더 포함하되,
    중간 유니트는 중간 플레이트가 인접한 채널 플레이트와 대응하도록 배치되어 유체의 흐름경로를 연장하는 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서, 수성 가스 전환 반응 유니트는,
    일 종단부에 유체 유입포트가 형성된 제 1 플레이트 및 일 종단부에 유체 배출포트가 형성된 제 2 플레이트; 및
    제 1 플레이트 및 제 2 플레이트 사이에 배치되어 제 1 플레이트와의 사이 및 제 2 플레이트와의 사이에 유로를 각각 형성하는 채널 플레이트를 포함하고,
    각 채널 플레이트는, 동일한 구조를 가지며, 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트와 각각 대응하는 제 1 표면 및 제 2 표면에 형성되며, 반응촉매가 코팅된 다수의 마이크로 채널 및 양 종단부에 각각 형성된 제 1 및 제 2 관통홀을 포함하며,
    상기 유체 유입포트는 상기 연소/개질 반응 유니트의 제 1 플레이트의 유체 배출포트와 연결되어, 제 1 플레이트의 유체 유입포트를 통하여 유입된 유체는 채 널 플레이트의 제 1 종단부에 형성된 제 1 관통홀을 통하여 채널플레이트와 제 1 플레이트 사이 및 채널플레이트와 제 2 플레이트 사이에 형성된 유로로 유입된 후 제 2 플레이트의 유체 유출포트를 통하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  7. 제 6 항에 있어서, 채널플레이트는,
    제 1 표면상에 형성되어, 제 1 종단부의 제 1 관통홀과 마이크로 채널을 격리하는 제 1 격벽 및 제 2 종단부의 제 2 관통홀과 마이크로 채널을 격리하는 제 2 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 채널플레이트와 동일한 구조를 갖는 보조 채널 플레이트 및 상기 보조 채널 플레이트와 대응하며, 양 종단부에 다수의 관통홀이 형성된 중간 플레이트로 이루어진 중간 유니트를 더 포함하되,
    중간 유니트는 중간 플레이트가 인접한 채널 플레이트와 대응하도록 배치되어 유체의 흐름경로를 연장하는 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서, 선택적 산화 반응 유니트는,
    양 종단부에 유체 유입포트가 각각 형성된 제 1 플레이트 및 양 종단부에 유체 배출포트가 각각 형성된 제 2 플레이트; 및
    제 1 플레이트 및 제 2 플레이트 사이에 배치되어 제 1 플레이트와의 사이 및 제 2 플레이트와의 사이에 유로를 각각 형성하는 채널 플레이트를 포함하고,
    채널 플레이트는 폭방향 중심선에 대하여 회전 대칭 구조를 가지며, 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트와 각각 대응하는 제 1 표면에 반응촉매가 코팅된 다수의 마이크로 채널, 제 2 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널 및 양 종단부에 각각 형성된 제 1 및 제 2 관통홀을 포함하며,
    상기 제 1 플레이트의 일 종단부의 유체 유입포트는 외부장치와 연결되어, 외부장치로부터 유입된 유체는 채널플레이트의 제 2 표면과 제 1 플레이트 사이에 형성된 유로로 유입된 후, 제 2 플레이트의 유출포트를 통하여 외부로 배출되며,
    상기 제 1 플레이트의 타 종단부의 유체 유입포트는 수성 가스 전환반응 유니트의 제 2 플레이트의 유체 배출포트와 연결되어, 상기 유체 유입포트로 유입된 유체는 채널플레이트의 제 2 표면과 제 2 플레이트 사이에 형성된 유로로 유입된 후 제 2 플레이트의 유출포트를 통하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    제 1 플레이트의 타 종단부에 형성된 유체 유입포트는 제 1 방향으로 연장된 제 1 피팅홀과, 상기 제 1 피팅홀과 연통되며, 제 2 방향으로 연장된 제 2 피팅홀로 이루어진 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  11. 제 9 항에 있어서, 채널플레이트는,
    제 1 표면상에 형성되어, 제 1 종단부의 제 1 관통홀과 마이크로 채널을 격리하는 제 1 격벽 및 제 2 종단부의 제 2 관통홀과 마이크로 채널을 격리하는 제 2 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 채널플레이트와 동일한 구조를 갖는 보조 채널 플레이트 및 상기 보조 채널 플레이트와 대응하며, 양 종단부에 다수의 관통홀이 형성된 중간 플레이트로 이루어진 복수의 중간 유니트를 더 포함하되,
    중간 유니트는 중간 플레이트가 인접한 채널 플레이트와 대응하도록 배치되어 유체의 흐름경로를 연장하는 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    수성 가스 전환 반응 유니트와 선택적 산화 반응 유니트와 연결되며, 외부에서 공급된 매체와 수성 가스 전환 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와의 열교환이 이루어지는 제 2 열 교환기; 및
    연소/개질 반응 유니트와 연결되어 외부에서 공급된 매체와 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 고온의 연소 가스와의 열교환이 이루어지는 제 3 열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    제 1 열 교환기, 제 2 열 교환기 및 제 3 열 교환기 각각은,
    유체의 유입 포트와 배출 포트가 형성된 제 1 플레이트;
    유체의 유입 포트와 배출 포트가 형성된 제 2 플레이트; 및
    제 1 플레이트 및 제 2 플레이트 사이에 배치되어 제 1 플레이트와의 사이 및 제 2 플레이트와의 사이에 유로를 각각 형성하는 채널 플레이트를 포함하고,
    채널 플레이트는 폭방향 중심선에 대하여 회전 대칭 구조를 가지며, 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트와 각각 대응하는 제 1 표면 및 제 2 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널 및 양 종단부에 각각 형성된 제 1 및 제 2 관통홀을 포함하며
    제 1 플레이트의 유입 포트를 통하여 유입된 매체와 제 2 플레이트를 통하여 유입된 매체가 유로를 따라 유동하는 과정에서 양 매체간의 열 교환이 이루어지며, 열 교환된 양 매체는 다른 플레이트의 배출 포트를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
  16. 제 5 항, 제 8 항 및 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간플레이트는 일측에 장착된 가열수단 및 온도측정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개질 반응기.
KR1020070135713A 2007-12-21 2007-12-21 개질 반응기 KR101071804B1 (ko)

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