KR101237778B1 - Reformer having spiral reactor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료변환장치에 관한 것으로서, 유입관과 배출관이 구비된 원통형의 촉매연소부와, 투입관과 배출관을 구비하며 상기 촉매연소부의 외곽을 나선형으로 감싸도록 구성된 튜브형의 개질반응부와, 연소가스 배출관을 구비하며 상기 개질반응부의 외곽을 감싸도록 구성된 원통형의 가열부 및 상기 가열부의 내측에 설치된 가열원을 포함함으로써, 소규모 발전용 수소 연료전지에 사용되는 수증기 개질 방식 연료변환장치의 열효율을 극대화하고 열적 자립도와 연료개질 효율을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a fuel conversion device, comprising a cylindrical catalytic combustion unit having an inlet tube and an outlet tube, a tubular reforming reaction unit having an inlet tube and an outlet tube and configured to spirally surround the outer portion of the catalytic combustion unit, and combustion Maximizing the thermal efficiency of the steam reforming type fuel conversion device used in small-scale hydrogen fuel cell by including a cylindrical heating unit and a heating source installed inside the heating unit having a gas discharge pipe and configured to surround the outer portion of the reforming reaction unit. Thermal independence and fuel reforming efficiency.

Description

나선형의 개질반응부를 가지는 연료변환장치 {REFORMER HAVING SPIRAL REACTOR}Fuel converter with spiral reforming reaction unit {REFORMER HAVING SPIRAL REACTOR}

본 발명은 연료변환장치에 관한 것으로서, 상세하게는 촉매연소열과 발열원을 이용하여 개질반응에 필요한 열을 얻을 수 있고 개질반응이 일어나는 반응부를 나선형으로 구성함으로써 연료변환장치의 열효율을 극대화하고 열적 자립도와 개질효율을 향상시킬 수 있는 연료변환장치와 그 운전방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel conversion device, and in particular, it is possible to obtain heat required for reforming reaction by using catalytic combustion heat and a heat generating source, and to maximize the thermal efficiency of the fuel conversion device by forming a reaction part in which the reforming reaction occurs, and maximizing thermal independence. The present invention relates to a fuel conversion device capable of improving reforming efficiency and a method of operating the same.

일반적으로 연료전지는 연료의 연소(산화)반응을 이용하지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 이용하여 반응 전후의 에너지 차이를 전기에너지로 직접 변환하는 장치를 말한다.In general, a fuel cell refers to a device for directly converting an energy difference before and after the reaction into electrical energy using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, without using a combustion (oxidation) reaction of the fuel.

연료전지는 연료극(Anode)에 연료(수소가스나 탄화수소)를 공급하고 공기극(Cathode)에 산소를 공급하여 전기에너지를 생산하며 일반적인 소규모 발전용 수소 연료전지 시스템이 도1에 도시되어 있다.The fuel cell supplies fuel (hydrogen gas or hydrocarbon) to the anode and produces oxygen by supplying oxygen to the cathode, and a typical small scale hydrogen fuel cell system for power generation is shown in FIG. 1.

도면을 참조하면 일반적인 소규모 발전용 수소 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극(110)과 공기극(120)을 구비하는 연료전지스택부(100)와, 연료(LNG)(1)에서 수소가스(H2)를 만들어 연료전지스택부(100)의 연료극(110)에 공급하는 연료공급부(200)와, 연료전지스택부(100)의 공기극(120)에 산소를 공급하는 공기공급부(300)와, 연료전지스택부(100)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(400)와, 상기한 각 부(100)(200)(300)(400)를 적절히 조절하는 제어부(미도시)로 구성되어 있다.Referring to the drawings, a typical small-scale hydrogen fuel cell system for power generation includes a fuel cell stack unit 100 including a fuel electrode 110 and an air electrode 120 to generate electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and a fuel ( Hydrogen gas (H2) is produced from the LNG (1) and oxygen is supplied to the fuel supply unit 200 for supplying the anode 110 of the fuel cell stack 100 and the air electrode 120 of the fuel cell stack 100. The air supply unit 300 to supply, the electrical energy output unit 400 for supplying the electrical energy generated by the fuel cell stack unit 100 to the load, and each of the above-described parts 100, 200, 300, 400 It is composed of a control unit (not shown) for appropriately adjusting.

이 상태에서 제어부(미도시)가 가동 지령을 주면 연료(1)가 연료공급부(200)를 거치면서 수소가스가 생성되어 연료전지스택부(100)의 연료극(110)으로 공급됨과 아울러 공기공급부(300)로부터 연료전지스택부(100)의 공기극(120)으로 공기가 공급된다.In this state, when the control unit (not shown) gives an operation command, the fuel 1 passes through the fuel supply unit 200, generates hydrogen gas, is supplied to the anode 110 of the fuel cell stack 100, and the air supply unit ( Air is supplied from the 300 to the cathode 120 of the fuel cell stack 100.

공기공급부(300)로부터 공급된 공기는 연료극(110)으로 공급된 연료(1)와 함께 산화반응과 환원반응을 일으키면서 전기에너지가 발생된다.The air supplied from the air supply unit 300 generates electric energy while causing an oxidation reaction and a reduction reaction together with the fuel 1 supplied to the anode 110.

연료변환장치(reformer ; 개질기)는 원료공급부(200)를 구성하는 구성요소 중의 하나로서, 개질반응을 통해 연료(1)로부터 수소가스를 생성한다. 이 때 개질반응을 위해서는 열이 필요하므로 연료변환장치 내에 버너 등의 열 공급원을 구비하여 반응이 일어나는 부분에 열을 공급한다.The reformer (reformer) is one of the components constituting the raw material supply unit 200, and generates hydrogen gas from the fuel 1 through the reforming reaction. At this time, since the heat is required for the reforming reaction, a heat source such as a burner is provided in the fuel converter to supply heat to the reaction part.

이 때 소규모 발전용 수소 연료전지에 있어서 수증기 개질 방식의 연료변환장치는 탄화수소 원료를 연료로 사용하는 버너에만 의존하여 열을 공급받기 때문에 소모되는 탄화수소 원료의 양만큼 연료변환장치 전체의 효율이 감소한다.At this time, since the steam reforming fuel converter in a small-scale power generation hydrogen fuel cell receives heat by relying only on the burner that uses the hydrocarbon raw material as fuel, the overall efficiency of the fuel converter decreases by the amount of hydrocarbon raw material consumed. .

따라서 열효율을 극대화하고, 열적 자립도와 연료개질 효율을 향상시킬 수 있는 연료변환장치가 필요하다.Therefore, there is a need for a fuel converter capable of maximizing thermal efficiency and improving thermal independence and fuel reforming efficiency.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 소규모 발전용 수소 연료전지에 사용되는 수증기 개질 방식 연료변환장치의 열효율을 극대화하고, 열적 자립도와 연료개질 효율을 향상시킬 수 있는 연료변환장치를 제공한다.
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and maximizes the thermal efficiency of the steam reforming type fuel converter used in a small-scale hydrogen fuel cell for power generation, and can improve thermal independence and fuel reforming efficiency. To provide.

본 발명의 일 특징에 따른 연료변환장치는, 유입관과 배출관이 구비된 원통형의 촉매연소부와, 투입관과 배출관을 구비하며 상기 촉매연소부의 외곽을 나선형으로 감싸도록 구성된 튜브형의 개질반응부와, 연소가스 배출관을 구비하며 상기 개질반응부의 외곽을 감싸도록 구성된 원통형의 가열부, 상기 가열부의 내측에 설치된 가열원 및 상기 가열부의 내측에 설치되되 상기 개질반응부의 외측으로 설치되는 다수의 구멍이 형성된 원통형의 화염차단판을 포함한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a fuel conversion device comprising: a cylindrical catalytic combustion unit having an inlet tube and an outlet tube; a tubular reforming reaction unit having an inlet tube and an outlet tube and configured to spirally surround the outside of the catalytic combustion unit; A cylindrical heating part having a combustion gas discharge pipe and configured to surround the outside of the reforming reaction part, a heating source installed inside the heating part, and a plurality of holes provided inside the heating part and installed outside the reforming reaction part It includes a cylindrical flame shield plate.

상기 연료변환장치의 상기 가열원은, 상기 가열부의 내측 원주 상에 복수개가 대칭으로 설치될 수 있다.The plurality of heating sources of the fuel conversion device may be provided symmetrically on the inner circumference of the heating unit.

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상기 연료변환장치의 상기 촉매연소부에는, 유입관에 연료전지 스택의 연료극으로부터 발생한 배출가스(Off-Gas)가 공급될 수 있다.
The off-gas generated from the anode of the fuel cell stack may be supplied to the catalytic combustion unit of the fuel converter.

본 발명의 연료변환장치에 따르면, 소규모 발전용 수소 연료전지에 사용되는 수증기 개질 방식 연료변환장치의 열효율을 극대화하고, 열적 자립도와 연료개질 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the fuel conversion device of the present invention, it is possible to maximize the thermal efficiency of the steam reforming type fuel conversion device used in the small-scale hydrogen fuel cell for power generation, and to improve thermal independence and fuel reforming efficiency.

본 발명의 열적 통합형 연료변환장치는, 개질반응부가 열원을 감싸는 나선형의 튜브 구조로 이루어지고 촉매연소부 및 가열부와 개질반응부의 상호 열교환이 가능하도록 이루어짐으로써 수열면적 및 열전달효율을 극대화 할 수 있고 컴팩트한 장치를 구현할 수 있다.The thermally integrated fuel conversion device of the present invention has a helical tube structure in which a reforming reaction part surrounds a heat source, and the heat exchange area and heat transfer efficiency can be maximized by allowing the catalyst combustion part, the heating part and the reforming reaction part to exchange with each other. Compact devices can be implemented.

또한 스택 연료극의 배출가스를 회수하여 이용함에 따라 연료변환장치의 열적 자립도를 향상시킬 수 있으며 버너만을 이용하여 열을 공급할 때에 비하여 탄화수소연료의 사용량이 감소함에 따라 연료변환장치의 개질 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, the thermal independence of the fuel converter can be improved by recovering and using the exhaust gas of the stack anode, and the reforming efficiency of the fuel converter can be improved as the amount of hydrocarbon fuel used is reduced compared to the supply of heat using only the burner. have.

또한 촉매연소열을 주된 열원으로 하고 보조 열원으로 가열원을 사용하여 2가지의 열원의 상호보완에 의해 연료전지 시스템의 안정적이고 우수한 시동성을 기대할 수 있다.In addition, stable and excellent startability of the fuel cell system can be expected by complementary complementation of two heat sources using catalytic combustion heat as a main heat source and heating source as an auxiliary heat source.

또한 최외각에 복수의 가열원을 구비하여 수열면적을 확대하고 연료변환장치 내부의 고른 온도 분포를 기대할 수 있으며 연료변환장치 전체의 열손실을 최소화할 수 있다.
In addition, by providing a plurality of heating sources at the outermost surface, it is possible to increase the heat receiving area, to expect an even temperature distribution inside the fuel converter, and to minimize heat loss of the entire fuel converter.

도1은 일반적인 소규모 발전용 수소 연료전지 시스템을 나타내는 도면.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 연료변환장치의 외관을 나타내는 도면.
도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료변환장치의 내부구조를 나타내는 도면.
도4는 촉매연소부의 내부구조를 나타내는 도면.
도5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료변환장치의 내부구조를 나타내는 도면.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 연료변환장치를 이용하여 연료변환을 하는 방법을 나타내는 순서도.1 is a view showing a typical small-scale hydrogen fuel cell system for power generation.
2 is a view showing the appearance of a fuel conversion device according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing an internal structure of a fuel conversion device according to a first embodiment of the present invention.
4 is a view showing an internal structure of a catalytic combustion unit.
5 is a view showing an internal structure of a fuel conversion device according to a second embodiment of the present invention.
6 is a flowchart illustrating a method of converting fuel using a fuel conversion device according to an embodiment of the present invention.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, It will be possible. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosure, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 연료변환장치의 외관을 나타내는 도면으로서 원통형의 가열부(30)의 외측으로 촉매연소부의 유입관(11), 배출관(13) 및 개질반응부의 투입관(21), 배출관(23)이 돌출 구비되는 형상으로 이루어진다.2 is a view showing the appearance of a fuel conversion device according to an embodiment of the present invention, the inlet pipe 11, the discharge pipe 13 and the input pipe 21 of the reforming reaction section outside the cylindrical heating section 30. ), The discharge pipe 23 is formed in a shape that protrudes.

도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료변환장치의 내부구조를 나타내는 도면이다.3 is a view showing an internal structure of a fuel conversion device according to a first embodiment of the present invention.

도면을 참조하면 본 발명의 제1실시예에 따른 연료변환장치는 촉매연소부(10)와 개질반응부(20)와 가열부(30) 및 가열원(40)을 포함하여 이루어진다.Referring to the drawings, the fuel conversion apparatus according to the first embodiment of the present invention includes a catalytic combustion unit 10, a reforming reaction unit 20, a heating unit 30, and a heating source 40.

상기 촉매연소부(10)는 유입관(11)과 배출관(13)이 구비된 원통형으로 이루어지고 유입관(11)으로부터 유입되는 반응물질을 촉매연소함으로써 후술하는 개질반응부(20)에서 개질반응이 일어나도록 열을 공급한다.The catalytic combustion unit 10 is formed in a cylindrical shape having an inlet pipe 11 and an outlet pipe 13 and reforming reaction in the reforming reaction unit 20 to be described later by catalytic combustion of the reaction material flowing from the inlet pipe 11. Supply heat for this to happen.

상세하게 설명하면 상기 촉매연소부(10)는 도4와 같이 내부에 공간이 형성되고 상기 내부의 공간과 외부를 연결하여 통하게 하는 유입관(11) 및 배출관(13)을 구비하며 상기 내부의 공간에는 촉매(15)가 충진된다.In detail, the catalytic combustion unit 10 has a space formed therein as shown in FIG. 4 and includes an inlet pipe 11 and an outlet pipe 13 to connect the space and the outside to the inside, and the space therein. The catalyst 15 is filled.

상기 유입관(11)과 배출관(13)은 후술하는 가열부(30)의 외측으로 돌출하여 위치하며 가열부(30)와 접촉하는 부분이 고정되어 결과적으로 촉매연소부(10)가 가열부(30)에 지지된다. The inlet pipe 11 and the discharge pipe 13 are protruded to the outside of the heating unit 30 which will be described later and the part in contact with the heating unit 30 is fixed, as a result, the catalytic combustion unit 10 is a heating unit ( 30) is supported.

이 상태에서 유입관(11)을 통해 반응물질인 수소가스가 유입되고 유입된 수소가스는 상기 공간에 충진된 촉매(15)와 반응하여 연소함으로써 열을 발생시킨다. 생성물질인 촉매연소가스는 배출관(13)을 통해 배출된다.In this state, hydrogen gas, which is a reactant, is introduced through the inlet pipe 11, and the introduced hydrogen gas reacts with the catalyst 15 charged in the space to generate heat. The catalytic combustion gas that is a product is discharged through the discharge pipe (13).

이 때 상기 촉매연소부(10)의 유입관(11)으로 유입되는 반응물질은 연료전지 스택의 연료극으로부터 발생한 배출가스(Off-Gas)가 공급되도록 함이 바람직하다.At this time, the reactant flowing into the inlet pipe 11 of the catalytic combustion unit 10 is preferably such that the exhaust gas (Off-Gas) generated from the anode of the fuel cell stack is supplied.

스택의 연료극에서 발생하는 배출가스는 일반적으로 대기 중에 방출되는데 수%~수십% 수준의 탄화수소 연료 및 수%~수십% 수준의 수소가스가 포함되어 있어 이를 촉매연소부(10)를 이용하여 촉매연소시킴으로써 배출가스의 재활용이 가능하다.Exhaust gas generated from the anode of the stack is generally emitted to the atmosphere, and contains several to several ten percent hydrocarbon fuel and several to several ten percent hydrogen gas, which is then catalytically burned using the catalytic combustion unit 10. By doing so, the exhaust gas can be recycled.

이 때 촉매연소부(10)의 유입관(11)과 배출관(13)은 촉매연소부(10)의 내부의 공간 전체에서 촉매(15)에 의한 연소반응이 이루어지도록 서로 반대되는 방향에 위치하도록 함이 바람직하다.In this case, the inlet pipe 11 and the outlet pipe 13 of the catalytic combustion unit 10 are positioned in opposite directions to allow the combustion reaction by the catalyst 15 to be performed in the entire space inside the catalytic combustion unit 10. It is preferable to.

상기 개질반응부(20)는, 튜브형으로서 투입관(21)과 배출관(23)을 구비하며, 상기 촉매연소부(10)의 외곽을 나선형으로 감싸도록 구성되고 투입관(21)으로 공급되는 탄화수소와 수증기의 연료를 개질하여 배출관(23)으로 개질가스를 발생시킨다.The reforming reaction unit 20 has a tube type, which has an inlet tube 21 and an outlet tube 23, and is configured to spirally surround the periphery of the catalytic combustion unit 10 and supplied to the inlet tube 21. And reforming the fuel of the steam to generate a reformed gas to the discharge pipe (23).

여기에서 탄화수소연료는 예를 들면 LNG(Liguefied Natural Gas)를 사용하고 배출되는 개질가스는 수소가스(H2)이다.Hydrocarbon fuel is used here, for example, LNG (Liguefied Natural Gas) and the reformed gas discharged is hydrogen gas (H2).

상세하게 설명하면 상기 개질반응부(20)는, 튜브 모양이고 상기 촉매연소부(10)의 외곽을 나선형으로 감싸며 일측 끝으로 반응물이 투입되고 다른 측 끝으로 생성물이 배출되는 구조로 이루어지고 상기 공간 내에는 촉매(25)가 충진된다. 또한 상기 개질반응부(20)의 일측 끝에는 개질반응물이 투입되는 투입관(21)을 구비하고 다른측 끝에는 개질반응의 생성물이 배출되는 배출관(23)을 구비한다.In detail, the reforming reaction unit 20 has a tubular shape and surrounds the outer periphery of the catalytic combustion unit 10 in a helical manner, in which a reactant is introduced at one end and a product is discharged at the other end and the space The catalyst 25 is filled in. In addition, one end of the reforming reaction unit 20 is provided with an inlet tube 21 into which the reforming reactant is introduced, and the other end is provided with a discharge tube 23 through which the product of the reforming reaction is discharged.

상기 투입관(21)과 배출관(23)은 후술하는 가열부(30)의 외측으로 돌출하여 위치하며 가열부(30)와 접촉하는 부분이 고정되어 결과적으로 개질반응부(20)가 가열부(30)에 지지된다. The inlet tube 21 and the outlet tube 23 are protruded out of the heating unit 30 to be described later and the part in contact with the heating unit 30 is fixed, and as a result, the reforming reaction unit 20 is a heating unit ( 30) is supported.

이 상태에서 투입관(21)으로 투입되는 탄화수소원료와 수증기는 일정한 피치(pitch)를 가지는 나선형의 유로를 따라 이동하면서 개질반응이 이루어진다. In this state, the hydrocarbon raw material and the water vapor introduced into the input pipe 21 move along a spiral flow path having a constant pitch, and the reforming reaction is performed.

상기와 같이 개질반응부(20)가 촉매연소부(10)의 외곽을 나선형으로 감싸는 구조로 이루어짐으로써 촉매연소부(10)에서 발생한 연소열을 손실 없이 개질반응부(20)로 전달하는 것이 가능하다.As described above, since the reforming reaction unit 20 has a structure that spirally surrounds the outer portion of the catalytic combustion unit 10, it is possible to transfer the heat of combustion generated from the catalytic combustion unit 10 to the reforming reaction unit 20 without loss. .

상기 개질반응부(20)의 공간 내에 충진된 촉매(15)는 반응물 투입관(21)으로부터 유입되는 탄화수소연료에서 수소가 분리되도록 하고 분리된 수소가스는 생성물 배출관(23)으로 배출되어 연료전지 스택에 공급된다.The catalyst 15 filled in the space of the reforming reaction unit 20 allows hydrogen to be separated from the hydrocarbon fuel flowing from the reactant inlet tube 21, and the separated hydrogen gas is discharged to the product outlet tube 23 to stack the fuel cell. Supplied to.

상술한 설명에서 개질반응부(20)는 나선형인 것으로 설명하였으나 촉매연소부(10) 외부를 감싸는 튜브형(관형) 구조라면 적용이 가능하다.In the above description, the reforming reaction unit 20 is described as being spiral, but if the tubular (tubular) structure surrounding the outside of the catalytic combustion unit 10 is applicable.

상기 가열부(30)는 원통형으로서 연소가스 배출관(33)을 구비하며 상기 개질반응부(20)의 외곽을 감싸도록 구성되고, 상기 가열부(30)의 내측에는 가열원(40)이 설치된다. 이에 따라 가열원(40)의 열이 개질반응부(20)에 공급된다.The heating unit 30 has a cylindrical shape and has a combustion gas discharge pipe 33 and is configured to surround the outside of the reforming reaction unit 20, and a heating source 40 is installed inside the heating unit 30. . Accordingly, the heat of the heating source 40 is supplied to the reforming reaction unit 20.

상세하게 설명하면 상기 가열부(30)는, 원통형의 형상을 가지고, 내부에 공간이 형성되어 상기 촉매연소부(10)와 수증기 개질반응부(20)를 수용하고, 외부로 통하는 연소가스 배출관(33)을 구비한다.In detail, the heating unit 30 has a cylindrical shape, and a space is formed therein to accommodate the catalytic combustion unit 10 and the steam reforming reaction unit 20, and the combustion gas discharge pipe communicating with the outside ( 33).

또한 가열부(30)의 내벽에는 가열원(40)이 설치되는데 상기 가열원(40)은 가열부(30)의 내측 원주 상에 복수개가 대칭으로 설치되는 것이 바람직하다. 이는 가열원(40)으로부터 충분한 열을 얻을 수 있음과 아울러 가열부(30) 전체를 균등하게 가열하여 열이 안정적으로 개질반응부(20)에 전달되도록 하는 역할을 한다.In addition, a heating source 40 is installed on an inner wall of the heating unit 30, and a plurality of heating sources 40 are preferably symmetrically installed on the inner circumference of the heating unit 30. This serves to obtain sufficient heat from the heating source 40 and to heat the entire heating part 30 evenly so that the heat is stably transmitted to the reforming reaction part 20.

상기와 같은 구조로 이루어짐으로써 가열원(40)으로부터 발생한 열이 가열부(30) 내부의 공간을 거쳐 개질반응부(20)에 공급되고 이 때 발생하는 연소가스는 배출관(13)을 통하여 배출된다.By the structure as described above, the heat generated from the heating source 40 is supplied to the reforming reaction unit 20 through the space inside the heating unit 30 and the combustion gas generated at this time is discharged through the discharge pipe 13. .

상기 가열부(30)의 가열원(40)은 예를 들면 버너로서 이외에도 전도, 대류, 복사 등의 열전달 작용에 의해 열을 공급할 수 있는 요소를 채용할 수 있다. 또한 가열원(40)의 종류에 따라 상기 연소가스 배출관(33)이 없이 가열부(30)를 구성할 수도 있다.The heating source 40 of the heating unit 30 may employ an element capable of supplying heat by heat transfer action such as conduction, convection, and radiation, in addition to, for example, a burner. In addition, the heating unit 30 may be configured without the combustion gas discharge pipe 33 according to the type of the heating source 40.

도5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료변환장치의 내부구조를 나타내는 도면이다.5 is a view showing the internal structure of a fuel conversion device according to a second embodiment of the present invention.

도면을 참조하면 상기 가열부(30)는, 상기 개질반응부(20)의 외측으로 원통형의 화염차단판(35)이 설치되어 버너와 같이 화염이 발생하는 가열원(40)을 채용하는 경우 화염으로부터 개질반응부(20)를 보호함과 아울러 개질반응부(20)에 균등한 열이 공급되도록 한다.Referring to the drawings, the heating unit 30 has a cylindrical flame shield plate 35 installed outside the reforming reaction unit 20 and employs a heating source 40 that generates a flame such as a burner. Protecting the reforming reaction unit 20 from and to ensure that the heat is uniformly supplied to the reforming reaction unit (20).

상세하게 설명하면 상기 화염차단판(35)은 가열부(30)의 공간 내에 구비되며 개질반응부(20)와 가열원(40) 사이에 위치한다. 따라서 가열원(40)에서 발생하는 열이 1차적으로 화염차단판(35)에 전달되고 화염차단판(35)에 전달된 열이 2차적으로 개질반응부(20)에 전달된다.In detail, the flame blocking plate 35 is provided in the space of the heating unit 30 and is located between the reforming reaction unit 20 and the heating source 40. Therefore, the heat generated from the heating source 40 is primarily transmitted to the flame shield plate 35 and the heat transferred to the flame shield plate 35 is secondly transferred to the reforming reaction unit 20.

상기 화염차단판(35)에는 구멍이 형성될 수 있고 이 경우 화염차단판(35)의 전체 면적이 줄어들게 되므로 화염을 차단함과 아울러 화염차단판(35)에서 소비되는 열을 줄일 수 있어 과도한 열손실을 방지할 수 있다.Holes may be formed in the flame shield plate 35, and in this case, the entire area of the flame shield plate 35 is reduced, thereby blocking the flame and reducing heat consumed by the flame shield plate 35. The loss can be prevented.

또한 화염차단판(35)이 구비되는 경우 열이 1차적으로 화염차단판(35)에 전달되므로 버너를 대칭으로 복수 개 구비하지 않는 경우라도 개질반응부(20)에 균등하게 열을 전달하는 것이 가능하다.
In addition, when the flame shield plate 35 is provided, heat is first transmitted to the flame shield plate 35, so that even if the burner is not provided with plural burners, the heat is uniformly transferred to the reforming reaction unit 20. It is possible.

다음은 본 발명의 실시예에 따른 연료변환장치를 이용하여 수소가스를 생산하는 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Next, a method of producing hydrogen gas using a fuel converter according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도6은 본 발명의 실시예에 따른 연료변환장치를 이용하여 연료변환을 하는 방법을 나타내는 순서도이다.6 is a flowchart illustrating a method of converting fuel using a fuel conversion device according to an embodiment of the present invention.

이하의 설명은 연소촉매(15)부의 유입관(11)에는 스택으로부터 발생한 배출가스가 공급되는 것으로 한 것이지만 촉매연소가 가능한 다른 가스를 이용할 수도 있다.In the following description, the exhaust gas generated from the stack is supplied to the inlet pipe 11 of the combustion catalyst 15, but other gases capable of catalytic combustion may be used.

먼저 연료전지 시스템을 시동하면 연료변환장치의 가열원(40)을 가동시켜 열을 공급한다(S601). 이 때 촉매연소부(10)로부터 공급되는 열의 양은 적다.First, when the fuel cell system is started, the heating source 40 of the fuel converter is operated to supply heat (S601). At this time, the amount of heat supplied from the catalytic combustion section 10 is small.

상기와 같이 가열원(40)을 먼저 가동하는 것은, 개질반응부(20)에서 반응이 일어나기 위해서는 온도가 700도 이상으로 유지될 필요가 있는데, 시동시에는 스택으로부터 배출가스가 충분하게 발생하지 않으므로 촉매연소부(10)를 통해서는 충분한 열을 공급받기 어렵기 때문이다.As described above, operating the heating source 40 first requires that the temperature be maintained at 700 degrees or higher in order for the reaction to occur in the reforming reaction unit 20. However, since the exhaust gas is not sufficiently generated from the stack at start-up, This is because sufficient heat cannot be supplied through the catalytic combustion unit 10.

이 때 개질반응부(20)의 반응물 투입관(21)으로 투입되는 탄화수소연료와 수증기는 나선형의 개질반응부(20)를 흐르면서 가열원(40)으로부터 열을 공급받는다. 또한 상기 개질반응부(20)의 내부의 공간에 충진되어 있는 촉매(15)와 반응하면서 수소가 분리되고 이 때 생성된 수소가스는 생성물 배출관(13)으로 배출된다.At this time, the hydrocarbon fuel and water vapor introduced into the reactant inlet pipe 21 of the reforming reaction unit 20 receive heat from the heating source 40 while flowing through the spiral reforming reaction unit 20. In addition, hydrogen is separated while reacting with the catalyst 15 charged in the space inside the reforming reaction unit 20, and the generated hydrogen gas is discharged to the product discharge pipe 13.

스택(100)의 배출가스가 많이 공급됨에 따라 배출가스와 촉매연소부(10) 내부에 충진된 촉매(15)의 연소반응이 활발해져서 촉매연소부(10)의 온도가 700도 이상을 유지하게 되면(S602) 상기 가열원(40)을 정지시키킨다(S603). 여기에서 700도의 온도는 하나의 예시로서 연료변환장치의 제어부(미도시)에 미리 설정된 값이다.As the exhaust gas of the stack 100 is supplied a lot, the combustion reaction of the exhaust gas and the catalyst 15 filled in the catalytic combustion unit 10 is activated, so that the temperature of the catalytic combustion unit 10 is maintained at 700 degrees or more. If (S602) the heating source 40 is stopped (S603). Here, the temperature of 700 degrees is a value preset in the control unit (not shown) of the fuel converter as an example.

이 때 개질반응부(20)의 반응물 투입관(21)으로 투입된 탄화수소연료와 수증기는 나선형의 개질반응부(20)를 흐르면서 촉매연소부(10)로부터 열을 공급받는다. 또한 상기 개질반응부(20)의 내부의 공간에 충진되어 있는 촉매(15)와 반응하면서 수소가 분리되고 이 때 생성된 수소가스는 생성물 배출관(13)으로 배출된다.At this time, the hydrocarbon fuel and steam introduced into the reactant inlet tube 21 of the reforming reaction unit 20 receive heat from the catalytic combustion unit 10 while flowing through the spiral reforming reaction unit 20. In addition, hydrogen is separated while reacting with the catalyst 15 charged in the space inside the reforming reaction unit 20, and the generated hydrogen gas is discharged to the product discharge pipe 13.

다음으로 개질반응부(20)의 온도가 700도 이하가 되면(S602) 상기 가열원(40)을 재가동시켜 가열원(40)과 촉매연소부(10)에서 발생하는 열을 모두 이용하여 열을 공급한다(S604). Next, when the temperature of the reforming reaction unit 20 becomes 700 degrees or less (S602), the heating source 40 is restarted to utilize heat using both the heat generated from the heating source 40 and the catalytic combustion unit 10. Supply (S604).

이 때 개질반응부(20)의 반응물 투입관(21)으로 투입된 탄화수소연료와 수증기는 나선형의 개질반응부(20)를 흐르면서 촉매연소부(10)와 가열원(40)으로부터 열을 공급받는다. 또한 상기 개질반응부(20)의 내부의 공간에 충진되어 있는 촉매(15)와 반응하면서 수소가 분리되고 이 때 생성된 수소가스는 생성물 배출관(13)으로 배출된다.At this time, the hydrocarbon fuel and water vapor introduced into the reactant inlet pipe 21 of the reforming reaction unit 20 receive heat from the catalytic combustion unit 10 and the heating source 40 while flowing through the spiral reforming reaction unit 20. In addition, hydrogen is separated while reacting with the catalyst 15 charged in the space inside the reforming reaction unit 20, and the generated hydrogen gas is discharged to the product discharge pipe 13.

상술한 설명에서는 촉매연소부(10)와 가열부(30)가 자동으로 전환되면서 작동하는 것으로 설명하였으나 촉매(15) 연소와 가열부(30)의 운전을 작업자가 수동으로 선택함으로써 작동시키는 것도 가능하다.In the above description, the catalyst combustion unit 10 and the heating unit 30 are automatically switched to operate, but the catalyst 15 can be operated by manually selecting the combustion and operation of the heating unit 30. Do.

상기와 같이 탄화수소 원료의 수증기 개질에 필요한 열을 촉매연소부(10)와 가열부(30)에 의해 동시 또는 개별적으로 얻고 나선형의 개질반응부(20)를 채용 가능함으로써 소규모 발전용 수소 연료전지에 사용되는 수증기 개질 방식 연료변환장치의 열효율을 극대화하고 열적 자립도와 연료개질 효율을 향상시킬 수 있는 열적 통합형 연료변환장치를 구현할 수 있다.
As described above, heat required for steam reforming of a hydrocarbon raw material can be obtained simultaneously or separately by the catalytic combustion unit 10 and the heating unit 30, and a spiral reforming reaction unit 20 can be employed to provide a small scale hydrogen fuel cell for power generation. It is possible to implement a thermally integrated fuel converter that can maximize the thermal efficiency of the steam reforming fuel converter used, and improve thermal independence and fuel reforming efficiency.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
In the detailed description of the present invention described above with reference to the preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art or those skilled in the art having ordinary skill in the art will be described in the claims to be described later And it will be understood that various modifications and changes of the present invention can be made without departing from the scope of the art.

10 : 촉매연소부 11 : 유입관
13 : 배출관 15 : 촉매
20 : 개질반응부 21 : 투입관
23 : 배출관 25 : 촉매
30 : 가열부 35 : 화염차단판
33 : 연소가스 배출관 40 : 가열원10: catalytic combustion unit 11: inlet pipe
13: discharge pipe 15: catalyst
20: reforming reaction unit 21: input pipe
23 discharge pipe 25 catalyst
30: heating part 35: flame shield plate
33: combustion gas discharge pipe 40: heating source

Claims (5)

유입관(11)과 배출관(13)이 구비된 원통형의 촉매연소부(10);
투입관(21)과 배출관(23)을 구비하며, 상기 촉매연소부(10)의 외곽을 나선형으로 감싸도록 구성된 튜브형의 개질반응부(20);
연소가스 배출관(33)을 구비하며, 상기 개질반응부(20)의 외곽을 감싸도록 구성된 원통형의 가열부(30);
상기 가열부(30)의 내측에 설치된 가열원(40) 및
상기 가열부(30)의 내측에 설치되되, 상기 개질반응부(20)의 외측으로 설치되는 다수의 구멍이 형성된 원통형의 화염차단판(35)을 포함하는 연료변환장치.
Cylindrical catalytic combustion unit 10 having an inlet pipe 11 and the discharge pipe 13;
A tubular reforming reaction unit (20) having an inlet tube (21) and an outlet tube (23), the tubular reforming unit configured to spirally surround the outside of the catalytic combustion unit (10);
A cylindrical heating part (30) having a combustion gas discharge pipe (33) and configured to surround the outside of the reforming reaction part (20);
A heating source 40 installed inside the heating unit 30 and
Is installed inside the heating unit 30, the fuel conversion device including a cylindrical flame shield plate 35 is formed with a plurality of holes provided to the outside of the reforming reaction unit (20).
제1항에 있어서,
상기 가열원(40)은, 상기 가열부(30)의 내측 원주 상에 복수개가 대칭으로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료변환장치.
The method of claim 1,
The heating source (40) is a fuel conversion device, characterized in that a plurality of symmetrical is installed on the inner circumference of the heating unit (30).
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 촉매연소부(10)의 유입관(11)에 연료전지 스택의 연료극으로부터 발생한 배출가스(Off-Gas)가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료변환장치.
The method of claim 1,
A fuel converter characterized in that the off-gas generated from the anode of the fuel cell stack is supplied to the inlet pipe (11) of the catalytic combustion unit (10).
삭제delete
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