KR101095666B1 - 흡착식 탈황기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개질 반응기로 공급되는 연료에 포함된 황화합물 및 불순물을 제거하는 흡착식 탈황기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착식 탈황기는, 탄화수소 계열인 가스 상태의 원료를 사용하여 수소를 생성할 때, 상기 연료에 존재하는 부취제 성분인 황화합물을 제거하는 탈황부, 및 상기 탈황부로 유입되는 상기 연료로부터 불순물을 제거하도록 상기 탈황부의 전방에 구비되는 필터를 포함한다.
탈황기, 흡착식, 황화합물, 부취제

Description

흡착식 탈황기 {ADSORPTION TYPE DESULFURIZER}
본 발명은 흡착식 탈황기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 시스템에서 연료처리장치의 개질 반응기로 공급되는 원료에 포함된 황화합물 및 불순물을 제거하는 흡착식 탈황기에 관한 것이다.
연료전지 시스템에서, 연료처리장치는 탈황기, 개질 반응기, 일산화탄소 저감 반응기 및 일산화탄소 제거 반응기를 포함한다. 탈황기는 연료처리장치로 공급되는 원료에 포함되어 있는 황성분을 제거한다. 황성분이 제거된 반응 가스는 개질 반응기로 도입하여 수소를 생성한다.
수소성분을 다량 함유하는 개질가스에 일산화탄소가 존재한다. 개질가스가 고분자전해질 연료전지에 연료로 사용되기 위해서 개질가스에서 일산화탄소가 제거되어야 한다.
이를 위하여, 개질 반응기에서 생성된 개질가스는 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 일산화탄소 저감 반응기를 거치고, 이어서, 일산화탄소의 농도를 10ppm 이하로 낮추는 일산화탄소 제거 반응기로 도입되어 최종적으로 일산화탄소가 제거된 수소 혼합가스가 된다. 여기서 생성된 수소 혼합가스는 고분자전해질 연료전지 에서 전기화학 반응을 거쳐 전력과 열을 생산하게 된다.
예를 들면, 탈황기는 촉매의 종류에 따라 다르지만 크게 저온형 탈황기와 고온형 탈황기로 구분된다. 고온형 탈황기는 수소화탈유황처리(HDS; hydrodesulfurisation) 방법을 적용하며, 즉 황화합물을 H2S로 변환시킨 다음, ZnO 촉매를 사용하여 황을 제거한다.
저온형 탈황기는 개질 반응기로 연료를 공급하기 전에 저온형 흡착제인 활성탄, 제올라이트, 몰레큘러시브(molecular sieves), 또는 산화철(iron oxide) 등을 사용하여 황성분을 제거한다.
저온형 탈황기인 흡착식 탈황기는 황화합물의 흡착용량이 크지 않아 주기적으로 흡착제를 교환하거나 흡착제의 재생과정을 필요로 한다. 도시가스(LNG) 배관 내에 포함되어 있는 황화합물이 부취제 혼합비와의 불균형으로 인하여 흡착식 탈황기로 과량 공급될 수 있다. 또한, 도시가스 배관의 노후에 따라 녹이나 불순물 등이 발생되어 흡착식 탈황기로 공급될 수 있다.
흡착식 탈황기에서 흡착되지 못한 황화합물은 개질 반응기로 공급되어 개질 촉매에 흡착된다. 따라서 개질 촉매가 피독되고 개질 촉매의 성능이 저하될 수 있다.
본 발명은 연료처리장치의 개질 반응기로 공급되는 연료에 포함된 황화합물 및 불순물을 제거하는 흡착식 탈황기에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 흡착식 탈황기는, 탄화수소 계열인 가스 상태의 원료를 사용하여 수소를 생성할 때, 상기 연료에 존재하는 부취제 성분인 황화합물을 제거하는 탈황부, 및 상기 탈황부로 유입되는 상기 연료로부터 불순물을 제거하도록 상기 탈황부의 전방에 구비되는 필터를 포함한다.
상기 탈황부는, 상기 필터 측에 입구 포트를 구비하고 상기 입구 포트 반대측에 출구 포트를 구비하는 하우징, 및 상기 입구 포트와 상기 출구 포트 사이에서 유통되는 상기 연료에 포함된 상기 황화합물을 흡착하는 흡착제, 및 상기 하우징 내에서 상기 흡착제의 양측에 설치되어 상기 원료로부터 탈황되어 상기 흡착제에 흡착된 탈황재의 이탈을 방지하는 탈황재 배출 방지막을 포함할 수 있다.
상기 탈황재 배출 방지막은, 상기 하우징의 상기 입구 포트와 상기 흡착제 사이에 배치되는 제1 탈황재 배출 방지막과, 상기 흡착제와 상기 하우징의 상기 출구 포트에 배치되는 제2 탈황재 배출 방지막을 포함할 수 있다.
상기 탈황부는, 상기 제1 탈황재 배출 방지막과 상기 제2 탈황재 방지막 사이에 설치되어, 상기 흡착제에 대하여 상기 연료의 흐름을 균일하게 분배하는 가스 흐름 분배판을 더 포함할 수 있다. 상기 가스 흐름 분배판은 상기 흡착제를 복수로 구획하도록 복수로 배치될 수 있다. 상기 탈황재 배출 방지막은 부직포로 형성될 수 있다.
상기 가스 흐름 분배판은, 원판으로 형성되고 상기 연료를 통과시키는 미세 구멍들을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 흡착식 탈황기는, 상기 필터의 출구 포트와 상기 하우징의 입구 포트에 양단으로 삽입되어 상기 연료 통로를 형성하는 삽입부재와, 상기 삽입부재의 양단 중 일단을 상기 필터와 상기 출구 포트에 체결하고, 다른 일단을 상기 하우징의 상기 입구 포트에 체결하는 체결부재를 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탈황부의 전방에 필터를 구비하므로 가스 상태의 탄화수소 계열 연료(예를 들면, LNG)에 포함된 불순물 및 황화합물을 제거하여 연료처리장치의 개질 반응기로 공급하는 효과가 있다. 즉 탈황부 및 흡착제의 오염을 방지할 수 있다. 삽입부재와 체결부재를 사용하여, 필터의 출구 포트와 탈황부 하우징의 입구 포트를 서로 연결하므로 필터 및 흡착제의 교환을 용이하게 하는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 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. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도1은 연료전지의 스택에 연료를 공급하는 연료처리장치의 블록도이다. 도1 을 참조하면, 연료처리장치(100)는 탄화수소 계열(예를 들면, 도시가스(LNG))의 기체 상태 연료를 개질한 수소가스를 스택(200)으로 공급하도록 구성된다. 예를 들면, 연료처리장치(100)는 흡착식 탈황기(11), 개질 반응기(12), 일산화탄소 저감 반응기(13) 및 일산화탄소 제거 반응기(14)를 포함한다.
흡착식 탈황기(11)는 공급되는 원료에 포함되어 있는 황성분을 흡착하여 탈황하고, 개질 반응기(12)는 황성분이 제거된, 즉 탈황된 반응 가스를 도입하여 수소를 생성하며, 일산화탄소 저감 반응기(13) 및 일산화탄소 제거 반응기(14)는 수소 성분을 다량 함유한 개질가스에서 일산화탄소를 저감 및 제거한다.
원료로 도시가스를 사용하는 경우, 도시가스 배관의 노후화로 인하여 불순물이 발생되어 연료처리장치(100)로 유입될 수 있다. 또한 부취제 성분의 고체화로 인하여 발생된 큰 덩어리가 유입될 수도 있다. 본 실시예에서 불순물은 부취제 덩어리를 포함하는 개념이다. 부취제는 도시가스의 누설을 냄새로 감지할 수 있게 하는 첨가제로써, 황화합물을 포함한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 흡착식 탈황기의 사시도이고, 도3은 도2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다.
도2 및 도3을 참조하면, 일 실시예의 흡착식 탈황기(11)는, 연료처리장치(100)에서 가스 상태의 원료를 사용하여 스택(200)에 공급할 수소 가스를 생성할 때, 연료에 존재하는 부취제 성분인 황화합물을 제거하면서, 또한, 연료인 도시가스에 포함되어 있는 불순물을 제거하도록 구성된다.
예를 들면, 흡착식 탈황기(11)는 황화합물을 제거하는 탈황부(20)와, 탈황 부(20)로 유입되는 연료를 1차로 필터링 하여 비교적 큰 입자의 불순물을 1차로 필터링 하는 필터(30)를 포함한다.
필터(30)는 부취제 덩어리를 포함하는 불순물을 필터링 하는 필터부재(31)를 내장하여, 양측에 입구 포트(32)와 출구 포트(33)를 구비하며, 탈황부(20)의 연료 유입측 전방에 구비된다.
탈황부(20)는 연료를 유통시키는 하우징(23), 하우징(23)에 내장되는 흡착제(26), 탈황재 배출 방지막(24) 및 가스 흐름 분배판(25)을 포함한다. 하우징(23)은 필터(30) 측에 입구 포트(21)를 구비하고, 입구 포트(21) 반대측에 출구 포트(22)를 구비한다.
필터(30)에서 탈황부(20)로 연료를 유통시키도록 필터(30)의 출구 포트(33)는 탈황부(20) 하우징(23)의 입구 포트(21)에 연결된다. 이를 위하여, 필터(30)와 탈황부(20) 사이에 삽입부재(40)와 체결부재(50)가 개재된다. 삽입부재(40)와 체결부재(50)는 흡착식 탈황기(11)에서 필터(30)와 탈황부(20)의 분리 및 체결을 용이하게 한다.
보다 구체적으로 보면, 필터(30)의 출구 포트(33)와 하우징(23)의 입구 포트(21)는 각각 포트의 직경보다 원주 방향으로 크게 형성되는 제1, 제2 플랜지(41, 42)를 구비한다. 삽입부재(40)는 양단 중 일단을 필터(30)의 출구 포트(33)에 연결되고 다른 일단을 하우징(23)의 입구 포트(21)에 연결된다. 또한 삽입부재(40)의 양단은 각각 직경보다 원주 방향으로 크게 형성되는 제3, 제4 플랜지(43, 44)를 구비한다.
삽입부재(40)가 필터(30)의 출구 포트(33)와 하우징(23)의 입구 포트(21)에 삽입될 때, 제3, 제4 플랜지(43, 44)는 각각 제1, 제2 플랜지(41, 42)에 마주한다. 삽입부재(40)는 양단에 각각 오링(45)을 개재하여 필터(30)의 출구 포트(33)와의 사이 및 하우징(23)의 입구 포트(21)와의 사이에 기밀 구조를 형성하면서, 필터(30)와 탈황부(20) 사이에서 연료통로를 형성한다.
체결부재(50)는 1개로 형성될 수 있으나, 본 실시예에서는 탄성재질로 형성되는 제1, 제2 체결부재(51, 52)를 예시한다. 제1 체결부재(51)는 필터(30)의 출구 포트(33)측에 형성되는 제1 플랜지(41)와 삽입부재(40)의 제3 플랜지(43)를 체결한다. 제2 체결부재(52)는 삽입부재(40)의 제4 플랜지(44)와 하우징(23)의 제2 플랜지(42)를 체결한다. 따라서 제1 체결부재(51)를 제거하므로 필터(30)와 삽입부재(40)가 서로 분리될 수 있고, 제2 체결부재(52)를 제거하므로 삽입부재(40)와 하우징(23)이 서로 분리될 수 있다.
본 실시예의 흡착식 탈황기(11)는 연료전지 시스템의 사용 중에, 도시가스 배관의 오염물질에 의하여 필터(30)가 오염되면 필터(30)만 교환하고, 흡착제(26)의 수명이 끝나면 흡착제(26)만 교환할 수 있게 한다.
또한, 필터(30)와 탈황부(20)를 포함하는 흡착식 탈황기(11)는 직선 배열 구조를 형성하므로 연료처리장치(100)가 수직형태로 구성된 연료전지시스템 케이스(미도시) 내에 편리하게 설치 및 교체될 수 있다.
탈황부(20)에서, 흡착제(26)는 하우징(23)의 입구 포트(21)와 출구 포트(22)사이에 충전되어 유통되는 연료에 포함된 황화합물을 흡착한다.
탈황재 배출 방지막(24)은 하우징(23) 내에서 흡착제(26)의 양측에 설치되어 유통되는 원료로부터 탈황되어 흡착제(26)에 흡착된 탈황재의 이탈을 방지하고, 탈황재가 이탈된 경우에도 출구 포트(22)로 배출되는 것을 방지한다. 이를 위하여 탈황재 배출 방지막(24)은 제1, 제2 탈황재 배출 방지막(241, 242)를 포함한다.
즉 제1 탈황재 배출 방지막(241)은 하우징(23)의 입구 포트(21)와 흡착제(26) 사이에 배치되어, 1차로 탈황재의 이탈 및 배출을 방지한다. 제2 탈황재 배출 방지막(242)은 흡착제(26)와 하우징(23)의 출구 포트(22)에 배치되어 2차로 탈황재의 이탈 및 배출을 방지한다. 예를 들면, 탈황재 배출 방지막(241, 242)은 탈황재의 입자 크기 보다 작은 크기(예를 들면, 탈황재 입자의 1/2)의 구멍을 가지는 얇은 막이나 부직포로 형성될 수 있다.
탈황부(20)에서, 가스 흐름 분배판(25)은 하우징(23) 내의 제1 탈황재 배출 방지막(241)과 제2 탈황재 배출 방지막(242) 사이에 설치되어, 흡착제(26)에 대하여 연료의 흐름을 균일하게 분배할 수 있도록 구성된다.
즉 가스 흐름 분배판(25)은 유통되는 연료의 흐름을 제어하여 연료가 흡착제(26)와 반응하지 않고, 유통되는 것을 방지한다. 가스 흐름 분배판(25)은 흡착제(26)를 복수로 구획할 수 있도록 기설정된 간격을 두고 복수로 배치될 수 있다. 따라서 복수의 가스 흐름 분배판(25)은 단수 구성에 비하여, 유통되는 연료의 흐름을 더욱 균일하게 분배할 수 있다.
도4는 도2의 가스 흐름 분배판의 평면도이다. 도4를 참조하면, 가스 흐름 분배판(25)은 원판으로 형성되어 하우징(23)에 내장되고, 흡착제(26)를 경유하는 연 료를 통과시키는 미세 구멍들(hole)(251)을 등간격으로 구비한다.
따라서 가스 흐름 분배판(25)은 연료가 하우징(23) 내면을 따라 진행함으로써 흡착제(26)를 경유하지 않는 것을 방지하고, 연료가 등간격의 미세 구멍들(251)을 경유함으로써 흡착제(26)에 균일하게 분배되어 반응하여 탈황될 수 있게 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도1은 연료전지의 스택에 연료를 공급하는 연료처리장치의 블록도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착식 탈황기의 사시도이다.
도3은 도2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다.
도4는 도2의 가스 흐름 분배판의 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 연료처리장치 11 : 흡착식 탈황기
12 : 개질 반응기 13 : 일산화탄소 저감 반응기
14 : 일산화탄소 제거 반응기 20 : 탈황부
21, 32 : 입구 포트 22, 33 : 출구 포트
23 : 하우징 26 : 흡착제
24 : 탈황재 배출 방지막 25 : 가스 흐름 분배판
30 : 필터 31 : 필터부재
40 : 삽입부재 41, 42, 43, 44 : 제1, 제2, 제3, 제4 플랜지
50 : 체결부재 51, 52 : 제1, 제2 체결부재
241, 242 : 제1, 제2 탈황재 배출 방지막 251 : 미세 구멍

Claims (8)

  1. 탄화수소 계열인 가스 상태의 원료를 사용하여 수소를 생성할 때, 상기 연료에 존재하는 부취제 성분인 황화합물을 제거하는 탈황부; 및
    상기 탈황부로 유입되는 상기 연료로부터 불순물을 제거하도록 상기 탈황부의 전방에 구비되는 필터를 포함하며,
    상기 탈황부는,
    상기 필터 측에 입구 포트를 구비하고 상기 입구 포트 반대측에 출구 포트를 구비하는 하우징,
    상기 입구 포트와 상기 출구 포트 사이에서 유통되는 상기 연료에 포함된 상기 황화합물을 흡착하는 흡착제, 및
    상기 하우징 내에서 상기 흡착제의 양측에 설치되어 상기 원료로부터 탈황되어 상기 흡착제에 흡착된 탈황재의 이탈을 방지하는 탈황재 배출 방지막을 포함하는 흡착식 탈황기.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 탈황재 배출 방지막은,
    상기 하우징의 상기 입구 포트와 상기 흡착제 사이에 배치되는 제1 탈황재 배출 방지막과,
    상기 흡착제와 상기 하우징의 상기 출구 포트에 배치되는 제2 탈황재 배출 방지막을 포함하는 흡착식 탈황기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 탈황부는,
    상기 제1 탈황재 배출 방지막과 상기 제2 탈황재 방지막 사이에 설치되어, 상기 흡착제에 대하여 상기 연료의 흐름을 균일하게 분배하는 가스 흐름 분배판을 더 포함하는 흡착식 탈황기.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 가스 흐름 분배판은 상기 흡착제를 복수로 구획하도록 복수로 배치되는 흡착식 탈황기.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 탈황재 배출 방지막은 부직포로 형성되는 흡착식 탈황기.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 가스 흐름 분배판은,
    원판으로 형성되고 상기 연료를 통과시키는 미세 구멍들을 형성하는 흡착식 탈황기.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 필터의 출구 포트와 상기 하우징의 입구 포트에 양단으로 삽입되어 상기 연료 통로를 형성하는 삽입부재와,
    상기 삽입부재의 양단 중 일단을 상기 필터와 상기 출구 포트에 체결하고, 다른 일단을 상기 하우징의 상기 입구 포트에 체결하는 체결부재를 포함하는 흡착식 탈황기.
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