KR101220120B1 - High efficient Autothermal Reformer with inner preheater - Google Patents
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Abstract
연료 개질기에서 열교환기(Heat exchange) 및 물을 수증기로 전환하는 프리히터(Pre-heater) 내장형이며, 전기히터(Electric Heated Converter, EHC)의 사용으로 개질기의 신속한 기동과 반응물의 유동적인 온도조절이 가능한 일체형 자열 개질(Autothermal reformer, ATR) 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 개질장치는 본체의 내부에 내통을 구비하여 본체와 내통속에 각각 ATR 촉매층이 내장되고, 내통의 하단에는 확산부가 형성된 반응기; 본체의 상단을 마감하며, 그 외부에 전원부와 제1원료주입부가 형성된 헤드; 헤드를 상,하로 관통하여 내통의 상단에 결합되는 튜브와, 튜브내에 적어도 한줄 이상이 상,하로 배치되는 반응물 연통와, 튜브의 어느 일측 상부에 형성되는 증류수 도입부와, 증류수 도입부에 연통되어 튜브의 하단까지 지그재그 형태로 연장되는 지그재그판과, 튜브의 어느 일측이나 양측 하부에 형성되는 수증기 배출공과, 튜브의 상부면상에 형성되는 생성물 배출부로 구성되는 열교환기; 본체의 내부에서 튜브를 감싸는 전기히터; 전기히터의 하측에 설치되는 부분산화촉매층; 및 본체의 외부에 장착되어 내부온도를 감지하는 서모커플;를 포함한다.Built-in pre-heater that converts heat exchanger and water into water vapor in fuel reformer.The use of Electric Heated Converter (EHC) enables quick start-up of reformer and fluid temperature control of reactant. Possible integrated autothermal reformer (ATR) devices are disclosed. The reformer according to the present invention includes a reactor having an inner cylinder inside the main body, each of which includes an ATR catalyst layer in the main body and the inner cylinder, and a diffusion portion formed at a lower end of the inner cylinder; A head which closes an upper end of the main body and has a power supply part and a first raw material injection part formed thereon; A tube coupled to the upper end of the inner cylinder through the head up and down, a reactant communication in which at least one line is disposed up and down in the tube, a distilled water inlet formed at an upper side of the tube, and a distilled water inlet connected to the lower end of the tube A heat exchanger comprising a zig-zag plate extending in a zigzag form, a water vapor discharge hole formed in one side or both bottom portions of the tube, and a product discharge portion formed on an upper surface of the tube; An electric heater surrounding the tube in the interior of the body; A partial oxidation catalyst layer disposed under the electric heater; And a thermocouple mounted outside the main body to sense an internal temperature.
Description
본 발명은 연료전지의 발전시스템에서 연료전지의 연료인 수소를 생산하는 개질 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기(Heat exchange) 및 물을 수증기로 전환하는 Pre-heater 내장형이며, 전기히터(Electric Heated Converter, EHC)의 사용으로 개질기의 신속한 기동과 반응물의 유동적인 온도조절이 가능한 일체형 자열 개질(Autothermal reformer, ATR) 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a reforming apparatus for producing hydrogen, which is fuel of a fuel cell, in a fuel cell power generation system. More specifically, a heat exchanger and a pre-heater built-in type for converting water into steam are provided. Electric Heated Converter (EHC) relates to an integrated autothermal reformer (ATR) device that enables rapid start-up of the reformer and fluid temperature control of the reactants.
차세대 신에너지 청정 환경기술로서 가장 상용화 시기가 빠를 것으로 기대되는 소형(수백 W에서 수 kW급 규모) 고분자전해질 연료전지 발전시스템의 보급을 확대하기 위해서는 스택 효율 향상과 더불어 발전 연료인 수소를 공급하는 연료 개질기의 고효율화 및 소형화를 위한 컴팩트 통합형 시스템화 기술개발이 필수적이다.In order to expand the supply of small-sized (several hundred W to several kW scale) polymer electrolyte fuel cell power generation systems, which are expected to be the most commercially available next-generation clean energy environment technology, fuel efficiency It is essential to develop compact integrated systemization technology for high efficiency and miniaturization of reformer.
연료 개질기는 천연가스, LPG, 가솔린, 메탄올 등과 같은 연료를 촉매 반응시켜 수소를 포함하는 개질가스로 전환해서 연료전지에 공급하는 장치로, 가정용 연료전지에 적용할 수 있는 고효율 및 소형화를 필요로 하며 고농도의 수소를 안정적으로 생산할 수 있어야 한다.BACKGROUND ART A fuel reformer is a device for converting a fuel such as natural gas, LPG, gasoline or methanol into a reformed gas containing hydrogen and supplying the reformed gas to a fuel cell. This fuel reformer requires high efficiency and miniaturization applicable to domestic fuel cells It is necessary to stably produce hydrogen at a high concentration.
연료 개질기는 개질 방식에 따라 부분산화(Partial oxidation, POX), 수증기 개질(Steam reformer, SR), 자열 개질(Autothermal reformer, ATR)로 구별 된다. 부분산화 개질은 발열 반응을 하여 열 공급이 필요 없고 응답 특성이 빠르지만 수소 전환 효율이 낮은 단점이 있다. 수증기 개질 반응은 보통 강한 흡열반응으로 연료의 수소 전환율을 높이기 위해 높은 온도가 필요하다. 일반적으로 촉매가 사용되는 반응 조건은 반응온도 700~850℃, 압력은 상압~40기압, 공간속도(GHSV) 3,000~6000hr-1 정도이며, 촉매 구성은 내열성 담체(α-alumina 혹은 calcium aluminate)에 환원된 니켈이 담지(약 10~12%)되어 있는 형태이므로 표면적이 10m2/g 이하가 된다. 수증기 개질은 수소 전환 효율이 높지만 흡열 반응을 하기 때문에 열을 공급해주어야 하고 응답 특성이 느린 단점이 있다. 자열 개질기는 부분산화 개질과 수증기 개질 방식의 장점을 이용할 수 있으며 에너지가 적게 필요하고 응답 특성이 빠른 장점을 갖고 있다. 아래의 반응식에서 수증기 개질은 흡열 반응이고 부분산화반응은 발열반응이므로 열적으로 평형상태를 유지하면 에너지를 공급하지 않고도 자열개질 반응이 진행될 수 있다.Fuel reformers are classified into partial oxidation (POX), steam reformer (SR), and autothermal reformer (ATR) depending on the reforming method. Partial oxidation reforming does not require heat supply due to exothermic reaction and has fast response characteristics, but has a disadvantage of low hydrogen conversion efficiency. Steam reforming reactions are usually strong endothermic and require high temperatures to increase the hydrogen conversion of the fuel. In general, the reaction conditions in which the catalyst is used are the reaction temperature of 700 ~ 850 ℃, the pressure is atmospheric pressure ~ 40 atm, the space velocity (GHSV) of about 3,000 ~ 6000hr -1 , the catalyst composition is a heat-resistant carrier (α-alumina or calcium aluminate) Since the reduced nickel is supported (about 10 to 12%), the surface area is 10 m 2 / g or less. The steam reforming has a high hydrogen conversion efficiency, but it suffers an endothermic reaction and therefore has to supply heat and has a slow response characteristic. The autothermal reformer can take advantage of the partial oxidation reforming and steam reforming methods, and it has the advantages of low energy and fast response characteristics. In the following scheme, steam reforming is endothermic and partial oxidation is exothermic, so if the thermal equilibrium is maintained, the autothermal reforming reaction can proceed without supplying energy.
수증기 개질반응 : CH4+H2O→CO+3H2 △H=+205.9kJ/㏖Steam reforming reaction: CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 △ H = + 205.9kJ / mol
부분산화 개질반응 : CH4+0.5O2→CO+2H2 △H=-36kJ/㏖Partial oxidation reforming reaction: CH 4 + 0.5O 2 → CO + 2H 2 △ H = -36kJ / mol
가정용 연료전지의 연료 개질 반응 중 흡열반응인 수증기 개질 반응은 공급되는 열에너지에 의해 전체 열효율이 결정되므로 수증기 개질 반응에 대한 열 공급 양상을 개선할 필요가 있다. 따라서 반응열의 열 공급 양상 개선과 신속한 에너지 공급이 가능한 새로운 개념의 개질 반응 시스템 기술은 안정적 수소 제조 성능 유지와 고효율 운전을 위한 가장 중요한 필요 기술이다.The steam reforming reaction, which is an endothermic reaction during the fuel reforming reaction of a domestic fuel cell, needs to improve the heat supply pattern for the steam reforming reaction because the total thermal efficiency is determined by the supplied thermal energy. Therefore, the new concept of reforming reaction system technology that can improve the heat supply aspect of reaction heat and enable rapid energy supply is the most important technology for maintaining stable hydrogen production performance and high efficiency operation.
연료 개질 반응 중 자열 개질기는 초기 기동을 위해 연료의 발화점 이상으로 온도를 가열하거나, 산소와 연료의 비율을 조절하면서 점화스파크를 발생시켜야 한다. 이러한 개질기의 기동은 열선, 점화기, 기동 제어 장치 등의 별도의 장치가 요구되어 개질기의 구조를 복잡하게 하며 에너지가 많이 소모되는 단점을 갖고 있다. 또한, 가열 방식의 초기 기동은 개질기의 목적으로 하는 온도까지 예열하는데 많은 시간이 소요되는 단점을 갖고 있다.During the fuel reforming reaction, the autothermal reformer must generate an ignition spark by heating the temperature above the ignition point of the fuel for initial start-up or by adjusting the ratio of oxygen to fuel. Starting the reformer requires a separate device such as a heating wire, an igniter, a start control device, which complicates the structure of the reformer and consumes a lot of energy. In addition, the initial startup of the heating method has a disadvantage that it takes a long time to preheat up to the temperature of the reformer.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연료 개질기에서 열교환기(Heat exchange) 및 물을 수증기로 전환하는 프리히터(Pre-heater) 내장형이며, 전기히터(Electric Heated Converter, EHC)의 사용으로 개질기의 신속한 기동과 반응물의 유동적인 온도조절이 가능한 일체형 자열 개질(Autothermal reformer, ATR) 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, a pre-heater built-in type for converting the heat exchange (heat exchange) and water to water vapor in the fuel reformer (Electric Heated Converter, EHC) The aim is to provide an integrated autothermal reformer (ATR) device that enables rapid start-up of the reformer and fluid temperature control of the reactants.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은,The present invention to achieve the above object,
본체의 내부에 내통을 구비하여 본체와 내통속에 각각 ATR 촉매층이 내장되고, 내통의 하단에는 확산부가 형성된 반응기;A reactor having an inner cylinder in the main body, each having an ATR catalyst layer in the main body and the inner cylinder, and a diffusion portion formed at a lower end of the inner cylinder;
본체의 상단을 마감하며, 그 외부에 전원부와 제1원료주입부가 형성된 헤드;A head which closes an upper end of the main body and has a power supply part and a first raw material injection part formed thereon;
헤드를 상,하로 관통하여 내통의 상단에 결합되는 튜브와, 튜브내에 적어도 한줄 이상이 상,하로 배치되는 반응물 연통와, 튜브의 어느 일측 상부에 형성되는 증류수 도입부와, 증류수 도입부에 연통되어 튜브의 하단까지 지그재그 형태로 연장되는 지그재그판과, 튜브의 어느 일측이나 양측 하부에 형성되는 수증기 배출공과, 튜브의 상부면상에 형성되는 생성물 배출부로 구성되는 열교환기;A tube coupled to the upper end of the inner cylinder through the head up and down, a reactant communication in which at least one line is disposed up and down in the tube, a distilled water inlet formed at an upper side of the tube, and a distilled water inlet connected to the lower end of the tube A heat exchanger comprising a zig-zag plate extending in a zigzag form, a water vapor discharge hole formed in one side or both bottom portions of the tube, and a product discharge portion formed on an upper surface of the tube;
본체의 내부에서 튜브를 감싸는 전기히터;An electric heater surrounding the tube in the interior of the body;
전기히터의 하측에 설치되는 부분산화촉매층; 및A partial oxidation catalyst layer disposed under the electric heater; And
본체의 외부에 장착되어 내부온도를 감지하는 서모커플;를 포함함을 특징으로 하는 개질장치를 제공한다.It is mounted to the outside of the main body to provide a reforming device comprising a; a thermocouple for sensing the internal temperature.
또한, 부분산화촉매층의 하측에 위치한 본체의 외부에는 제2원료도입부가 더 형성될 수도 있다.In addition, a second raw material introduction portion may be further formed on the outside of the main body located under the partial oxidation catalyst layer.
본 발명에 따르면 열교환기(Heat exchange) 및 증류수를 수증기로 전환하는 프리히터(Pre-heater) 내장형이며, 전기히터(Electric Heated Converter, EHC)로 구성된 일체형 자열 개질기로 신속한 기동과 연료의 수소전환 효율을 극대화할 수 있게 된다.According to the present invention, a pre-heater built-in type for converting heat exchange and distilled water into steam, and an integrated autothermal reformer composed of an electric heater (ECH), enables quick start-up and hydrogen conversion efficiency of fuel. To maximize.
도 1은 본 발명의 예열 기능 내장형 자열 개질기의 정단면도이다.1 is a front sectional view of a self-heating reformer with a preheating function according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 개질장치를 설명한다.Hereinafter, a reforming apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 개질장치(100)는 크게 통으로 된 본체(111)를 갖는 반응기(110)와, 반응기(110)의 상부를 마감하는 헤드(120)와, 외부에서 헤드(120)를 통과하여 반응기(110)내부로 연결되는 열교환기(130)와, 반응기(110)의 내부에서 열교환기(130)의 외부를 감싸는 전기히터(140)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the reforming
반응기(110)는 통으로 된 본체(111)와 그 내부에 본체(111)의 내측면 및 바닥면과 이격되게 통 형상으로 구획하는 내통(112)으로 구비되고, 내통(112)의 내,외부에는 촉매층(113)이 내장된다. 여기에서 촉매층(113)은 ATR(Autothermal Reformer)촉매층이다. 그리고 내통(112)의 하단에는 상, 하로 다수의 통공(116)이 뚫린 반응물 확산부(115)가 형성된다.The
이러한 반응기(110)의 본체(111) 상단에는 헤드(120)가 결합되고, 헤드(120)에는 양 옆으로 전원부(121)가 결합되고, 상부면상 어느 일측에는 제1원료도입부(122)가 형성된다.The
열교환기(130)는 통으로 된 튜브(131)가 헤드(120)의 중앙부를 상,하로 관통하면서 반응기(110)내부에 설치된 내통(112)의 상부면과 일체로 결합되고, 튜브(131)의 상부면상에는 수소를 포함하는 개질가스가 배출되는 생성물 배출부(136)가 형성된다. 이러한 튜브(131)의 내부에는 상,하로 연장되는 적어도 하나 이상의 반응물 연통(132)이 배치되고, 튜브(131)의 일측 상단에는 증류수 도입부(133)가 형성되며, 튜브(131)의 내부에는 이 증류수 도입부(133)에서 유입된 증류수가 하측 방향으로 지그재그 통과하도록 다수의 지그재그판(134)이 일체로 형성된다. 이때, 지그재그판(134)에 의해 형성된 유로는 반응물 연통(132)을 그 유로 내부에 노출된 상태로 형성된다. 그리고 튜브(131)의 일측 또는 양측 하단에는 반응기(110)쪽으로 수증기가 배출되도록 수증기 배출공(135)이 형성된다.The
전기히터(140)는 반응기(110) 본체(111)내에 위치한 열교환기(130)의 튜브(131)외측에 감싸지도록 설치되고, 이 전기히터(140)는 헤드(120)에 형성된 전원부(121)에서 전원을 인가받는다. 그리고 전기히터(140)의 하측에는 부분산화촉매(Partial Oxidation Catalyst, POXC)층(150)이 배치된다.The
한편, 부분산화촉매층(150)의 하측에 위치한 본체(111)에는 제2원료도입부(160)가 더 형성될 수도 있다. 원료도입부는 제1원료도입부(122) 하나만으로도 충분하나 원료도입부로 원료뿐만 아니라 공기도 유입시켜야 하므로 사용상의 편리성을 위해 두 개를 설치함이 좋다.On the other hand, the second raw
본 발명에 따른 반응기(110) 본체(111)에는 도면에서 보는 것과 같은 위치에 내부온도를 측정할 수 있도록 서모커플(TC, Thermocouple)(170)이 형성된다. 즉, 서모커플(170)은 내통(112)속 및 내통(112)과 본체(111) 사이에 내장된 촉매층(113)내의 온도감지, 본체(111)의 바닥쪽 온도감지, 부분산화촉매층(150)의 아래쪽 온도감지, 전기히터(140)의 위쪽 온도감지 등을 위해 각 위치에 형성된다.The thermocouple (TC, Thermocouple) 170 is formed in the
다음은 본 발명에 따른 개질장치(100)를 이용하여 원료를 개질시키는 과정을 간략하게 설명한다.The following briefly describes the process of modifying the raw material using the reforming
본 발명에 따른 개질장치(100)는 제1원료도입부(122)로 공기를 주입하는 것으로부터 시작된다. 공기가 주입되면, 전원부(121)에 전원을 인가시키고 이에 따라 전기히터(140)가 가동된다.The reforming
전기히터(140)의 가동으로 인해 약 350~400℃에 도달되면, 제1원료도입부(122) 또는 제2원료도입부(160)를 통해 원료를 주입시킨다.When it reaches about 350 ~ 400 ℃ due to the operation of the
이후, 열교환기(130)측의 온도가 600~700℃에 도달되면, 증류수 도입부(133)를 통해 증류수를 도입한다. 증류수 도입부(133)로 주입된 증류수는 열교환기(Shell & Tube Heat Exchange)(130)내에서 지그재그판(134)에 의해 형성된 유로를 따라 아래로 내려가다가 예열(pre-heat)된 증류수를 수증기화 하여 반응기(110) 내부로 투입된다.Then, when the temperature of the
한편, 반응기(110)내부로 들어온 원료는 내통(112)의 바깥쪽 촉매층(113)을 통해 반응한 후, 다시 내통(112)의 하단에 형성된 반응물 확산부(115)에 의해 확산되어 내통(112)의 안쪽 촉매층(113)과 수증기가 반응하여 수소 전환율을 극대화하게 되고, 이처럼 생성된 반응물이 열교환기(130)의 반응물 연통(132)를 통해 생성물 배출부(136)으로 배출된다.Meanwhile, the raw material introduced into the
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined by the appended claims. .
100 : 개질장치
110 : 반응기 111 : 본체
112 : 내통 113 : 촉매층
115 : 반응물 확산부 116 : 통공
120 : 헤드 121 : 전원부
122 : 제1원료도입부 130 : 열교환기
131 : 튜브 132 : 반응물 연통
133 : 증류수 도입부 134 : 지그재그판
135 : 수증기 배출공 136 : 생성물 배출부
140 : 전기히터 150 : 부분산화촉매층
160 : 제2원료도입부 170 : 서모커플100: reformer
110
112: inner cylinder 113: catalyst layer
115: reactant diffusion 116: through hole
120: head 121: power supply
122: first raw material introduction portion 130: heat exchanger
131
133: distilled water introduction portion 134: zigzag plate
135: water vapor discharge hole 136: product discharge
140: electric heater 150: partial oxidation catalyst layer
160: second raw material introduction portion 170: thermocouple
Claims (2)
상기 본체(111)의 상단을 마감하며, 그 외부에 전원부(121)와 제1원료주입부(122)가 형성된 헤드(120);
상기 헤드(120)를 상,하로 관통하여 상기 내통(112)의 상단에 결합되는 튜브(131)와, 상기 튜브(131)내에 적어도 한줄 이상이 상,하로 배치되는 반응물 연통(132)와, 상기 튜브(131)의 어느 일측 상부에 형성되는 증류수 도입부(133)와, 상기 증류수 도입부(133)에 연통되어 튜브(131)의 하단까지 지그재그 형태로 연장되는 지그재그판(134)과, 상기 튜브(131)의 어느 일측이나 양측 하부에 형성되는 수증기 배출공(135)과, 상기 튜브(131)의 상부면상에 형성되는 생성물 배출부(136)로 구성되는 열교환기(130);
상기 본체(111)의 내부에서 상기 튜브(131)를 감싸며 상기 전원부(121)에서 전원을 인가받는 전기히터(140);
상기 전기히터(140)의 하측에 설치되는 부분산화촉매층(150); 및
상기 본체(111)의 외부에 장착되어 내부온도를 감지하는 서모커플(170);를 포함함을 특징으로 하는 개질장치.The reactor 110 includes an inner cylinder 112 inside the main body 111, and an ATR catalyst layer 113 is built in the main body 111 and the inner cylinder speed, respectively, and a diffusion part 115 is formed at a lower end of the inner cylinder 112. ;
A head 120 finishing an upper end of the main body 111 and having a power supply 121 and a first raw material injection part 122 formed therein;
A tube 131 coupled to an upper end of the inner cylinder 112 by penetrating the head 120 upward and downward, and reactant communication 132 having at least one or more lines disposed up and down in the tube 131, and The distilled water introduction unit 133 formed on an upper portion of one side of the tube 131, the zigzag plate 134 communicating with the distilled water introduction unit 133 and extending in a zigzag form to the lower end of the tube 131, and the tube 131. A heat exchanger (130) composed of steam discharge holes (135) formed at either one side or both sides of the bottom), and a product discharge part (136) formed on the upper surface of the tube (131);
An electric heater 140 surrounding the tube 131 in the main body 111 and receiving power from the power supply 121;
A partial oxidation catalyst layer 150 disposed below the electric heater 140; And
And a thermocouple (170) mounted outside the main body (111) to sense an internal temperature.
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