KR101239638B1 - Preferential oxidation reactor and preferential oxidation system having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지용 개질가스에 포함되어 있는 일산화탄소를 산화반응시켜 이산화탄소로 변환하는 선택적 산화반응기 및 이를 구비하는 선택적 산화반응 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a selective oxidation reactor for oxidizing and converting carbon monoxide contained in a reformed gas for a fuel cell into carbon dioxide, and a selective oxidation reaction system having the same.
연료전지(fuel cell)는 물의 전기분해 반응의 역반응을 이용한 것으로써, 연료와 산화제의 화학적 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 주는 에너지 변환장치이다.A fuel cell is an energy conversion device that directly converts chemical energy into electrical energy through a chemical reaction between a fuel and an oxidant by using a reverse reaction of an electrolysis reaction of water.
대부분의 연료전지는 수소를 연료로 사용하나, 현재는 수소연료에 대한 보급체계가 구축되어 있지 않기 때문에 탄화수소계열의 연료를 개질(reforming)하여 수소를 생산한 후 이를 연료전지에 사용하는 과도기적 단계에 있다. 그러나 탄화수소를 분해한 개질가스에는 연료전지 스택의 백금 촉매를 피독시켜 정상적인 운전을 불가능하게 하는 일산화탄소가 포함되어 있으므로, 일산화탄소의 추가적이 제거가 필요하다.Most fuel cells use hydrogen as a fuel, but at present, since there is no supply system for hydrogen fuel, hydrogen is produced by reforming hydrocarbon-based fuels and then used in a transitional stage. have. However, the reformed gas that decomposes hydrocarbons contains carbon monoxide, which poisons the platinum catalyst in the fuel cell stack, making normal operation impossible, and thus requires further removal of carbon monoxide.
일산화탄소는 수성가스 전환반응(WGS:Water Gas Shift)과 선택적 산화반응(PROX:Preferential Oxidation)을 이용하여 제거한다. 선택적 산화반응기는 일산화탄소를 산소와 반응시켜 이산화탄소가 되도록 하는 장치로써, 의도하지 않은 반응은 배제하고 원하는 산화반응만을 유도하기 위해 반응온도를 적절히 제어하는 것이 필요하다. Carbon monoxide is removed using Water Gas Shift (WGS) and Selective Oxidation (PROX). The selective oxidation reactor is a device for reacting carbon monoxide with oxygen to make carbon dioxide. It is necessary to properly control the reaction temperature to induce only the desired oxidation reaction without removing an unintended reaction.
종래의 선택적 산화반응기는 반응온도를 제어하기 위해 반응물의 온도를 100℃ 이하로 낮추면 반응물에 포함된 물이 응축하여, 반응기 내부에 배치되는 촉매가 젖어 성능이 저하되는 문제가 있었다. 또한, 선택적 산화반응기를 2단 이상으로 연결하여 선택적 산화반응 시스템을 구성하는 경우, 반응온도 조절을 위해 두 반응기 사이에 열교환기를 추가적으로 배치시키면 전체 시스템의 부피와 무게가 증가하여, 연료전지의 사용이 제한되는 문제가 있었다.In the conventional selective oxidation reactor, when the temperature of the reactants is lowered to 100 ° C. or lower in order to control the reaction temperature, water contained in the reactants condenses, and the catalyst disposed inside the reactor has a problem of deterioration in performance. In addition, in the case of constructing a selective oxidation reaction system by connecting the selective oxidation reactors in two or more stages, additional heat exchangers are placed between the two reactors to control the reaction temperature, thereby increasing the volume and weight of the entire system. There was a limited problem.
본 발명의 일 목적은 반응기의 성능을 유지할 수 있도록 촉매가 젖는 것을 방지할 수 있는 선택적 산화반응기를 제시하기 위한 것이다.One object of the present invention is to provide a selective oxidation reactor that can prevent the catalyst from getting wet to maintain the performance of the reactor.
본 발명의 다른 일 목적은 서로 연결된 선택적 산화 반응기들 사이에 추가적인 열교환기 없이도 산화반응에 필요한 반응온도를 유지할 수 있는 선택적 산화반응 시스템을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a selective oxidation reaction system capable of maintaining the reaction temperature necessary for the oxidation reaction without additional heat exchanger between the selective oxidation reactors connected to each other.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 선택적 산화반응기는, 냉각수가 채워지는 중공부를 구비하고 상단 및 하단으로 반응물이 유입 및 유출되도록 형성되는 외용기와, 상기 중공부를 덮도록 상기 외용기의 내주면에 설치되어 상기 상단으로부터 내측으로 이격되게 배치되며 관통홀을 구비하는 상판과, 상기 관통홀에 삽입되고 상기 상판으로부터 돌출되는 돌출부를 구비하며 내부에 상기 반응물의 선택적 산화반응을 일으키는 촉매가 충전되는 튜브, 및 상기 외용기의 내부에 설치되며 상기 반응물이 상기 돌출부로 유입되기 전에 상기 상판에 접촉되어 상기 반응물에 포함된 수증기가 응축될 수 있도록 상기 외용기의 내주면, 상기 상판 및 상기 튜브의 일단으로부터 이격되게 배치되는 가이드부재를 포함한다.In order to achieve the above object of the present invention, the selective oxidation reactor according to an embodiment of the present invention, the outer container and the outer portion is formed to have a hollow portion filled with the cooling water and the reactants are introduced and discharged to the top and bottom, Installed on the inner circumferential surface of the outer container so as to cover the hollow portion and disposed to be spaced inwardly from the upper end and having a through hole and a protrusion inserted into the through hole and protruding from the top plate, and selectively selecting the reactant therein. The inner circumference of the outer container is installed in the tube filled with the catalyst causing the oxidation reaction, and the inside of the outer container to contact the top plate before the reactant enters the protrusion to condense the water vapor contained in the reactant, And a guide member spaced apart from one end of the upper plate and the tube. .
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 가이드부재는 경사지게 형성되어, 상기 가이드부재의 상부에서 유입되는 상기 반응물을 상기 가이드부재와 상기 외용기 사이의 틈으로 유입되도록 가이드한다.According to an example related to the present invention, the guide member is formed to be inclined to guide the reactant introduced from the upper portion of the guide member to be introduced into the gap between the guide member and the outer container.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 튜브는, 상기 수증기의 연속적인 응축이 일어나도록, 복수개가 서로 이격되게 배치되어 상기 반응물이 상기 튜브들 사이에서 상기 상판에 접촉될 수 있는 공간을 형성한다.According to another example related to the present invention, the tubes are arranged in a plurality of spaced apart from each other so that continuous condensation of the water vapor occurs to form a space in which the reactants can contact the top plate between the tubes. .
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 가이드부재의 위치를 고정시키도록 상기 외용기의 내주면, 상기 상판, 상기 튜브 중 적어도 하나와 상기 가이드부재를 연결하는 연결부재를 더 포함한다.According to another embodiment related to the present invention, the inner circumferential surface of the outer container to fix the position of the guide member further comprises a connection member connecting at least one of the upper plate, the tube and the guide member.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 수증기가 응축되어 형성된 물을 상기 외용기의 외부로 배출시키도록 상기 상판과 연결되는 배수관을 더 포함한다.According to another example related to the present invention, the water vapor further comprises a drain pipe connected to the top plate to discharge the water formed by condensation to the outside of the outer container.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 촉매가 상기 튜브의 외부로 이탈되는 것을 방지하도록 상기 튜브의 입구와 출구에 각각 배치되고, 상기 돌출부로 유입되는 반응물 및 상기 촉매를 통과한 기체에 난류(亂流)를 발생시키도록 불규칙하게 형성된 투과성 공극을 구비하는 마개를 더 포함한다.According to another example related to the present invention, the catalyst is disposed at the inlet and the outlet of the tube to prevent the catalyst from escaping to the outside of the tube, and the turbulent flow in the reactant flowing into the protrusion and the gas passing through the catalyst ( It further includes a stopper having a permeable gap irregularly formed to generate a flow.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 선택적 산화반응 시스템을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따르는 선택적 산화반응 시스템은, 유입되는 반응물에 선택적 산화반응을 일으켜 상기 반응물에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시키도록 이루어지며 직렬로 연결되는 복수의 상기 선택적 산화반응기를 포함하고, 어느 하나의 상기 선택적 산화반응기를 통과하는 기체는, 추가적인 냉각 없이 다음 선택적 산화반응기로 유입 가능하도록 상기 외용기를 빠져나가기 전 상기 튜브의 출구에 배치된 마개를 통과하면서 상기 냉각수에 의해 상기 반응물의 온도인 80~110℃까지 냉각된다.In addition, the present invention discloses a selective oxidation reaction system in order to realize the above object. The selective oxidation reaction system according to an embodiment of the present invention comprises a plurality of the selective oxidation reactors connected in series and configured to cause a selective oxidation reaction to the incoming reactants to convert carbon monoxide contained in the reactants into carbon dioxide. , The gas passing through any one of the selective oxidation reactors is passed by the cooling water through a stopper disposed at the outlet of the tube before exiting the outer container to allow entry into the next selective oxidation reactor without additional cooling. It cools to the temperature of 80-110 degreeC.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 반응물이 튜브로 유입되기 전 상판에 접촉함으로써, 수증기가 응축되어 상기 반응물로부터 제거되므로 튜브 내부의 촉매가 물에 젖는 것을 방지할 수 있다.According to the present invention having the configuration described above, by contacting the top plate before the reactant is introduced into the tube, water vapor is condensed and removed from the reactant, thereby preventing the catalyst inside the tube from getting wet.
또한 본 발명은, 촉매를 통과한 생성물이 선택적 산화반응기에서 배출되기 전 냉각수에 의해 냉각되어 반응물의 온도와 유사한 온도로 조절되므로, 추가적인 냉각 없이 곧바로 다음 선택적 산화반응기로 유입될 수 있다.In addition, the present invention can be introduced into the next selective oxidation reactor directly without additional cooling since the product passing through the catalyst is cooled by the cooling water before being discharged from the selective oxidation reactor and adjusted to a temperature similar to the temperature of the reactants.
또한 본 발명은, 추가적인 물 회수장치와 열교환기 없어도 반응물의 물이 제거되고 반응물의 온도가 조절될 수 있으므로 선택적 산화반응 시스템의 부피와 무게를 감소시킬 수 있다. 이에 따라 설치공간이나 설치무게가 제한된 환경에서도 선택적 산화반응 시스템의 사용이 가능해진다.In addition, the present invention can reduce the volume and weight of the selective oxidation reaction system because the water of the reactants can be removed and the temperature of the reactants can be controlled without additional water recovery and heat exchanger. This makes it possible to use a selective oxidation reaction system in an installation space or in an environment with limited installation weight.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 선택적 산화반응기의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 선택적 산화반응기의 분해도.
도 3은 도 1의 라인 Ⅲ-Ⅲ를 따라 취한 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 선택적 산화반응기의 개념도.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따르는 선택적 산화반응 시스템을 종래의 것과 비교한 개념도.1 is a perspective view of a selective oxidation reactor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded view of the selective oxidation reactor shown in FIG. 1. FIG.
3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG.
4 is a conceptual diagram of a selective oxidation reactor according to another embodiment of the present invention.
5A and 5B are conceptual views comparing a selective oxidation reaction system according to an embodiment of the present invention with the conventional one.
이하, 본 발명에 관련된 선택적 산화반응기에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Hereinafter, the selective oxidation reactor according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification, the same or similar reference numerals are given to different embodiments in the same or similar configurations. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 선택적 산화반응기(100)의 사시도이다.1 is a perspective view of a
선택적 산화반응기(100)는 상부에서 반응물인 개질가스가 유입되어 하부로 배출되도록 이루어진다. 선택적 산화반응기(100) 내부에서는 반응물에 포함된 일산화탄소가 산소와 결합되어 이산화탄소를 형성하는 선택적 산화반응(CO+0.5O2↔CO2)이 일어난다.The
외용기(110)는 선택적 산화반응기(100)의 몸체를 형성한다. 외용기(110)의 외주면 하부에는 냉각수가 유입될 수 있도록 냉각수 입구(111)가 형성되고, 외용기(110)의 외주면 상부에는 상기 냉각수가 배출될 수 있도록 냉각수 출구(112)가 형성된다. 외용기(110)의 일측에는 선택적 산화반응기(100) 내부에서 응축된 물이 외용기(110) 밖으로 배출될 수 있도록 배수관(114)이 설치된다.The
선택적 산화반응은 발열반응이므로 반응물이 선택적 산화반응기(100)를 통과하는 동안, 반응기 내부의 온도는 점점 상승한다. 따라서 냉각수는 선택적 산화반응기(100) 내부에 정체되어 있는 것이 아니라, 냉각수 입구(111)를 통해 지속적으로 유입되고 냉각수 출구(112)를 통해 지속적으로 배출된다.Since the selective oxidation reaction is exothermic, the temperature inside the reactor gradually increases while the reactants pass through the
가이드부재(120)는 외용기(110)의 개방된 부분을 덮도록 상기 외용기(110)의 내부에 배치된다. 가이드부재(120)는 다만 가이드부재(120)는 외용기(110)를 밀폐시키지 않고 외용기(110)와 사이에 틈이 형성되도록 외용기(110)의 횡단면적보다 작은 크기로 형성된다. 반응물은 상기 틈을 통해 선택적 산화반응기(100) 내부로 유입될 수 있다.The
이하에서는 도 2를 참조하여 선택적 산화반응기(100)의 구체적인 구조에 대하여 설명한다.Hereinafter, the specific structure of the
도 2는 도 1에 도시된 선택적 산화반응기(100)의 분해사시도이다.2 is an exploded perspective view of the
외용기(110)는 상하부가 개방된 중공부(113)를 구비한다. 외용기(110)의 내부에는 가이드부재(120), 상판(130), 튜브(140), 하판(150)이 결합되어 배치된다.The
가이드부재(120)는 외용기(110) 내부에 배치되는 구성요소 중 가장 상부에 배치되며 반응물이 가장 처음 접촉되도록 이루어진다. 가이드부재(120)는 튜브(140)의 상부에 배치되어 반응물이 직접 튜브(140)로 유입되지 않고 상기 가이드부재(120)를 우회하여 유입되도록 한다.The
연결부재(121)는 가이드부재(120)의 위치를 고정하도록 상기 가이드부재(120)와 상기 상판(130) 사이에 배치된다. 다만 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 연결부재(121)는 가이드부재(120)와 튜브(140) 사이에 배치되거나, 가이드부재(120)와 외용기(110) 사이에 배치될 수도 있다. 연결부재(121)는 가이드부재(120)의 위치를 고정할 뿐만 아니라 가이드부재(120)를 외용기(110)의 내주면, 튜브(140), 상판(130)으로부터 각각 이격되도록 한다. 연결부재(121)는, 도시한 바와 같이 반응물을 통과시키도록 가교(架橋) 형태로 형성되는 것이 바람직하다.The
상판(130)은 가이드부재(120)의 하부에 배치된다. 반응물에 포함된 수증기는 상판(130)에 접촉하면서 상기 상판(130) 하부를 흐르는 냉각수에 의해 냉각되어 응축된다. 따라서 상판(130)은 물이 외용기(110) 밖으로 용이하게 배출되도록 배수관(114)의 높이와 유사한 높이에 배치되어야 한다. 상판(130)의 크기는 외용기(110)의 중공부(113)를 덮어 상기 외용기(110) 내부의 냉각수가 유출되지 않도록, 상기 외용기(110)의 단면적 크기와 동일하게 형성되는 것이 바람직하다. 상판(130)은 튜브(140)가 삽입되어 결합될 수 있는 관통홀(131)을 구비한다.The
튜브(140)는 상판(130)의 관통홀(131)에 삽입되어 상판(130)과 결합된다. 반응물은 상기 튜브(140)를 통과하여 하부로 배출되고, 튜브(140)를 통과하는 동안 일산화탄소가 산소와 반응하여 이산화탄소로 변환된다. 튜브(140)의 내부에는 반응물의 선택적 산화반응을 위한 촉매가 채워진다.The
하판(150)은 튜브(140)의 하부에 배치되며, 튜브(140)가 결합될 수 있도록 관통홀(151)을 구비한다. 도시된 바와 같이 튜브(140)가 원기둥의 형상으로 형성되는 경우, 상판(130)과 하판(150)에 형성된 관통홀(131, 151)은 서로 대응된다. 다만 제한된 공간에서 선택적 산화반응을 조절하기 위해 튜브(140)의 형성을 나선 등의 형상으로 다양하게 변형할 경우에는, 상기 관통홀(131, 151)은 서로 대응되지 않을 수 있다. 하판(150)은 상판(130)과 마찬가지로 중공부(113)의 하부를 덮어 상기 외용기(110) 내부의 냉각수가 유출되지 않도록, 상기 외용기(110)의 횡단면적 크기와 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.The
선택적 산화반응기(100)는, 상판(130)과 하판(150)이 외용기(110)의 상하부에 각각 결합되고, 튜브(140)가 상기 상판(130)과 하판(150)에 형성된 관통홀(131, 151)에 결합됨으로써, 중공부(113)에 채워진 냉각수가 외용기(110)의 상하부로 누설되지 않도록 이루어진다. 그리고, 튜브(140)의 내부와 외부는 공간적으로 분리된다. 이에 따라 튜브(140)의 내부를 통과하는 반응물과 튜브(140)의 외부를 흐르는 냉각수는 튜브(140)를 사이에 두고 열교환 할 뿐 서로 섞이지 않는다.In the
선택적 산화반응은 발열반응이므로 반응물이 튜브(140)를 통과하면서 온도가 점점 상승한다. 이에 따라 튜브(140)의 하부 온도는 상부 온도보다 높으므로, 냉각수 입구(111)는 외용기(110)의 하부에 배치되는 것이 바람직하다. 또한 냉각수 출구(112)는 냉각수가 외용기(110) 내부 전체를 냉각시킬 수 있도록 외용기(110)의 상부에 배치되는 것이 바람직하다.Since the selective oxidation reaction is exothermic, the temperature of the reactant gradually increases as it passes through the
이하에서는 도 3을 참조하여 반응물이 선택적 산화반응기(100)를 통과하는 과정에 대하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a process of passing the reactant through the
도 3은 도 1의 라인 Ⅲ-Ⅲ를 따라 취한 단면도이다.3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 1.
가이드부재(120)는 반응물이 직접 튜브(140)로 유입되지 않도록, 중공부(113)의 일부를 막는다. 반응물은 선택적 산화반응기(100)의 상부에서 유입되며, 선택적 산화반응이 일어날 수 있도록 추가로 공급되는 공기와 접촉된다. 반응물에 포함된 일산화탄소는 공기에 포함되어 있는 산소와 결합함으로써 이산화탄소로 변환된다. 반응물은 가이드부재(120)를 만난 후 유로가 횡방향으로 변경되며, 외용기(110)의 내주면과 가이드부재(120) 사이에 형성된 틈을 통해 외용기(110)의 내부로 유입되어 상판(130)과 접촉된다.The
선택적 산화반응기(100)로 유입되는 반응물은 다량의 수증기를 포함한다. 따라서 반응물이 수증기와 함께 튜브(140)로 유입될 경우 100℃ 이하의 구간에서는 수증기가 응축되어 물이 되므로, 튜브(140) 내부에 존재하는 촉매(142)가 젖는 문제가 발생한다. 촉매(142)가 젖으면 반응을 일으키는 활성면적이 줄어들게 되므로, 선택적 산화반응기(100)의 성능이 감소한다.The reactant introduced into the
이러한 문제는 반응물이 반응기로 유입되기 전 추가적으로 물 회수장치를 통과시켜 해결할 수 있으나, 별도의 물 회수장치를 장착하면 연료전지 시스템의 부피 및 무게가 증가하므로 공간과 설치무게가 제한된 환경에서는 사용하기 어려운 문제가 있다. 이에 따라, 선택적 산화반응기(100)는 반응물이 튜브(140)로 유입되기 전 먼저 상판(130)에 접촉하도록 형성되며, 상판(130) 하부를 흐르는 냉각수에 의해 상기 반응물에 포함된 물이 응축되어 반응물로부터 분리되도록 이루어진다. 선택적 산화반응기(100)는 물이 반응물로부터 분리되므로 선택적 산화반응동안 촉매(142)가 젖는 것을 방지할 수 있다.This problem can be solved by additionally passing the water recovery device before the reactant enters the reactor.However, if a separate water recovery device is installed, the volume and weight of the fuel cell system increase, making it difficult to use in an environment where space and installation weight are limited. there is a problem. Accordingly, the
튜브(140)는 적어도 일부가 상판(130)으로부터 돌출되도록 상기 상판(130)에 결합된다. 반응물은 확산에 의해 이동하므로 초기에 유입된 반응물은 뒤이어 유입된 반응물에 밀려 상판(130)의 가운데를 향해 이동한다. 이때 튜브(140)가 상판(130)으로부터 돌출되어 있지 않으면, 가운데로 이동된 반응물은 충분한 냉각시간을 갖지 못한채 그대로 튜브(140)의 내부로 떨어지게 된다.The
본원발명의 선택적 산화반응기(100)는 튜브(140)가 상판(130)으로부터 돌출되는 돌출부(141)는 구비하므로 가운데로 이동된 반응물이 그대로 튜브(140)로 떨어지는 것이 아니라 추가적으로 유입되는 반응물에 의해 밀려 튜브(140)의 입구로 올라갈 때까지 충분한 냉각시간을 갖는다. 이에 따라 반응물에 포함된 수증기가 충분히 응축되어 반응물로부터 분리될 수 있다.In the
튜브(140)는 복수개가 서로 이격되어 배치된다. 반응물은 확산에 의해 이동하므로 일부의 반응물은 인접한 튜브(140)로 유입되는 반면, 다른 일부의 반응물은 인접한 튜브(140)로 유입되지 않고 튜브(140)들 사이로 이동할 수 있다. 서로 이격되게 배치된 복수개의 튜브(140)는 사이사이에 튜브(140)로 유입되지 못한 반응물이 다시 상판(130)에 접촉될 수 있는 공간(143)을 형성하여 연속적인 응축이 이루어질 수 있도록 한다.The plurality of
튜브(140)의 내부에는 선택적 산화반응을 위한 촉매(142)가 채워지고 반응물에 포함된 일산화탄소는 촉매(142)를 통과하면서 산소와 결합하여 이산화탄소가 된다. 선택적 산화반응이 지속적으로 일어나기 위해서는 반응온도를 제어해야 한다. 따라서 튜브(140)의 주위에는 반응온도를 제어하기 위한 냉각수가 흐른다.The inside of the
튜브(140)의 입구와 출구에는 마개(160a, 160b)가 배치된다. 마개(160a, 160b)는 튜브(140)의 내부에 채워지는 펠렛 형태의 촉매(142)가 이탈하는 것을 방지하도록 상기 촉매(142)보다 작은 크기의 투과성 공극을 구비한다. 투과성 공극은 불규칙하게 형성되어, 반응물이 복잡한 경로를 지나면서 상기 반응물에 난류(亂流)가 발생하도록 이루어진다.
튜브(140) 입구에 배치되는 마개(160a)는 선택적 산화반응기(100) 전체 영역에서 안정적인 반응이 일어나도록 반응물에 난류를 발생시켜 상기 반응물의 혼합을 극대화한다. 반응물은 서로 다른 여러 기체들을 포함하므로 안정적인 반응을 위해서는 반드시 튜브(140)를 통과하기 전 혼합을 할 필요가 있다.The
반응물은 튜브(140)를 통과하면서 튜브(140) 내부에 있는 펠렛 형태의 촉매(142)와 함께 선택적 산화반응(CO+0.5O2↔CO2)을 하므로 온도가 점점 상승한다. 온도가 220℃ 이상으로 상승하면 선택적 산화반응이 제대로 일어나지 않고, 의도하지 않은 반응들이 일어나므로, 튜브(140) 주위에 흐르는 냉각수는 튜브(140) 내부와 열교환 하여, 튜브(140) 내부를 220℃ 이하의 온도 범위 내에 있도록 한다.As the reactant passes through the
튜브(140) 출구에 배치되는 마개(160b)는 촉매(142)를 통과한 기체에 다시 난류를 발생시켜 냉각수와의 열교환 빈도를 높이고 냉각효과를 극대화시킨다. 튜브(140)의 출구에 배치되는 마개(160b)는 입구에 배치되는 마개(160a)와 달리, 생성물을 냉각시킬 수 있도록 하판(150)의 상부에 배치된다. 하판(150)의 상부에는 냉각수가 흐르므로, 튜브(140) 주위를 흐르는 냉각수에 의해 생성물이 냉각될 수 있다. 이때 생성물은 추가적인 냉각 없이 다음 선택적 산화반응기(100)에 바로 유입될 수 있도록, 반응물이 상판(130)에 접촉되기 전의 온도까지 냉각된다.The
생성물의 온도는 튜브(140)로부터 배출될 때 반응물의 온도까지 냉각된 후 배출되므로 상기 선택적 산화반응기(100)와 연결되어 있는 다른 선택적 산화반응기(100)로 추가적이 냉각 없이 바로 유입될 수 있다.Since the temperature of the product is discharged after cooling to the temperature of the reactant when discharged from the
상기와 같은 구성에 의하여, 선택적 산화반응기(100)로 유입되는 반응물의 온도가 80~110℃로 설정되면, 반응물이 촉매(142)를 통과하는 동안 발열반응인 선택적 산화반응에 의해 온도가 점점 상승하여 150~220℃까지 상승하고, 촉매(142)를 통과한 생성물이 튜브(140)의 출구에 배치된 마개(160b)를 통과하면서 다시 냉각되어 80~110℃의 온도를 가지고 튜브(140)로부터 배출될 수 있다. 이에 의하여 본 발명의 선택적 산화반응기(100)는 유입되는 반응물의 온도와 배출되는 생성물의 온도가 모두 80~110℃의 온도범위 내에 있게 된다.By the above configuration, if the temperature of the reactant flowing into the
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 선택적 산화반응기(200)의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a selective oxidation reactor 200 according to another embodiment of the present invention.
선택적 산화반응기(200)는 도 3에 도시된 선택적 산화반응기(100)와 전체적으로 유사하나 가이드부재(220)의 형상이 다르다.The selective oxidation reactor 200 is generally similar to the
가이드부재(220)는 상부로부터 유입되는 반응물을 상기 가이드부재(220)와 외용기(210) 사이에 형성된 틈으로 유도하도록 경사지게 형성된다. 반응물은 아랫방향을 향해 이동하므로, 가이드부재(220)는 반응물이 상기 가이드부재(220)의 어느 곳에 접촉하더라도 외용기(210)의 내주면과 가이드부재(220) 사이에 형성된 틈으로 유입되도록 유도할 수 있다. 이에 따라 확산에 의해 이동하는 반응물이 추가적으로 유입되는 반응물에 밀려 다시 가이드부재(220)의 상부로 이동되는 것을 방지할 수 있다.The
도 5a와 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따르는 선택적 산화반응 시스템(300)을 종래의 것과 비교한 개념도이다.5A and 5B are conceptual views comparing the selective
반응물로부터 많은 양의 일산화탄소를 제거하기 위해서는 선택적 산화반응기에 존재하는 촉매의 양도 증가시켜야 한다. 또한 선택적 산화반응기로 공급되는 공기의 양도 일산화탄소의 양에 비례하여 증가시켜야 한다. 이러한 필요에 따라 선택적 산화반응기는 하나가 사용되기보다 복수개가 직렬로 연결되어 선택적 산화반응 시스템을 구현하도록 이루어진다. 이 경우 공기도 각 선택적 산화반응기의 입구로 분리되어 공급된다.To remove large amounts of carbon monoxide from the reactants, the amount of catalyst present in the selective oxidation reactor must also be increased. The amount of air supplied to the selective oxidation reactor must also be increased in proportion to the amount of carbon monoxide. According to this need, the selective oxidation reactor is configured to implement a selective oxidation reaction system by connecting a plurality in series rather than using one. In this case, air is also supplied separately from the inlet of each selective oxidation reactor.
일산화탄소가 산소와 결합하여 이산화탄소가 되는 선택적 산화반응은, 발열반응이므로 생성물의 온도가 반응물의 온도보다 높다. 따라서, 촉매의 종류에 따라 다르지만 일반적으로 선택적 산화반응기는, 선택적 산화반응기를 통과하는 기체의 온도가 선택적 산화반응이 일어나기 전에는 80~110℃, 선택적 산화반응이 일어난 후에는 150~220℃가 되도록 설계되어야 지속적인 선택적 산화반응이 일어날 수 있다.The selective oxidation reaction in which carbon monoxide combines with oxygen to form carbon dioxide is an exothermic reaction, so the temperature of the product is higher than the temperature of the reactant. Therefore, although it depends on the type of catalyst, generally, the selective oxidation reactor is designed such that the temperature of the gas passing through the selective oxidation reactor is 80-110 ° C. before the selective oxidation reaction occurs and 150-220 ° C. after the selective oxidation reaction occurs. Only sustained selective oxidation can occur.
만일 반응온도가 적절하게 제어되지 않으면, 산소가 개질가스에 포함되어 있는 수소와 반응하여 물을 생성하거나, 수소와 탄소가 반응하여 메탄을 생성하는 등 의도하지 않은 반응들이 발생한다. 이러한 의도하지 않은 반응들은 연료전지의 연료가 되는 수소를 급격히 소모시키고 연쇄적인 발열반응을 야기하므로 정상적인 연료전지의 사용을 불가능하게 만든다.If the reaction temperature is not properly controlled, unintended reactions occur, such as oxygen reacting with hydrogen contained in the reformed gas to produce water, or hydrogen and carbon reacting to produce methane. These unintended reactions quickly consume hydrogen, which is the fuel of the fuel cell, and cause a series of exothermic reactions, making the normal fuel cell impossible to use.
도 5a는 종래의 선택적 산화반응기를 직렬로 연결하여 구성되는 선택적 산화반응시스템을 나타내는 개념도와 가스의 위치에 따른 온도변화 그래프를 나타낸 것이다. 80~110℃의 온도를 갖는 반응물이 제1 선택적 산화반응기를 통과하는 동안 발열반응에 의해 온도가 150~220℃까지 상승한다. 따라서 제1 선택적 산화반응기를 통과한 기체를 제2 선택적 산화반응기로 유입시켜 정상적인 선택적 산화반응이 일어나도록 하기 위해서는 먼저 상기 기체를 열교환기를 통과하여 80~110℃까지 냉각시켜야 한다. 그러나, 선택적 산화반응시스템에 별도의 열교환기가 포함되는 경우 전체 시스템의 부피와 무게를 부피와 무게를 증가시키므로, 제한된 공간이나 장착무게가 제한된 환경에서는 선택적 산화반응 시스템의 사용이 불가능해진다.5A is a conceptual diagram illustrating a selective oxidation reaction system configured by connecting a conventional selective oxidation reactor in series and showing a graph of temperature change according to a gas position. The temperature rises to 150-220 ° C. by exothermic reaction while the reactants having a temperature of 80-110 ° C. pass through the first selective oxidation reactor. Therefore, in order for the gas passing through the first selective oxidation reactor to flow into the second selective oxidation reactor so that a normal selective oxidation reaction occurs, the gas must first be cooled to 80 to 110 ° C. through a heat exchanger. However, when a separate heat exchanger is included in the selective oxidation reaction system, the volume and weight of the entire system are increased, thereby making it impossible to use the selective oxidation reaction system in a confined space or in an environment where mounting weight is limited.
종래의 선택적 산화반응기는 반응온도를 제어하여 반응기의 입구와 출구의 온도를 각각 80~110℃, 150~220℃로 유지할 수는 있으나, 150~220℃까지 형성된 생성물의 온도를 다시 입구온도인 80~110℃로 낮출 수는 없었다. 만일 냉각수만으로 출구의 온도를 80~110℃가 되도록 설정하면, 입구 또한 이에 대응하여 80~110℃보다 낮은 온도로 저하되므로 정상적인 선택적 산화반응을 유도할 수 없기 때문이다.Conventional selective oxidation reactor can control the reaction temperature to maintain the temperature of the inlet and outlet of the reactor at 80 ~ 110 ℃, 150 ~ 220 ℃, respectively, but the temperature of the product formed up to 150 ~ 220 ℃ again 80 It could not be lowered to ˜110 ° C. If the temperature of the outlet is set to 80 ~ 110 ℃ only with the cooling water, the inlet is also correspondingly lowered to a temperature lower than 80 ~ 110 ℃ because it can not induce a normal selective oxidation reaction.
도 5b는 본 발명에 따른 선택적 산화반응 시스템(300)의 일 실시예와 가스의 위치에 따른 온도변화를 그래프로 나타낸 것이다. 선택적 산화반응 시스템(300)은 제1 선택적 산화반응기(310)와 제2 선택적 산화반응기(320)를 직렬로 연결하여 구성된다. 제1 선택적 산화반응기(310)와 제2선택적 산화반응기(320)는, 예를 들어 도 3 또는 도 4에 도시된 선택적 산화반응기 중 어느 하나(100, 200)가 될 수 있다. 본 발명에 따르는 선택적 산화반응 시스템(300)은 두 개 이상의 선택적 산화반응기가 연결되어 구성될 수 있다.Figure 5b is a graph showing the temperature change according to the position of the gas and one embodiment of the selective
제1 선택적 산화반응기(310)의 입구에서 반응물은 선택적 산화반응을 위해 80~110℃의 온도를 갖는다. 반응물은 제1 선택적 산화반응기(310)를 통과하면서 발열반응에 의해 150~220℃까지 상승한다. 도 3 또는 도 4를 참조하면, 촉매(142, 242)를 통과한 기체는 튜브(140, 240)의 외부로 배출되기 전 마개(160b, 260b)를 통과하면서 주위의 냉각수에 의해 입구온도인 80~110℃까지 냉각된다. 따라서 제1 선택적 산화반응기(310)로부터 배출된 기체의 온도는 제1 선택적 산화반응기(310)의 입구에서와 같은 온도 범위를 가지므로, 추가적인 냉각 없이 바로 제2 선택적 산화반응기(320)로 유입될 수 있다. 이러한 반응은 제2 선택적 산화반응기(320)에서도 같다.The reactant at the inlet of the first
이에 따라 제1 선택적 산화반응기(310)와 제2 선택적 산화반응기(320) 사이에 추가적인 냉각을 위한 열교환기가 설치되지 않아도 두 선택적 산화반응기(310, 320)에서 정상적인 선택적 산화반응을 일으킬 수 있으므로, 제한된 공간과 장착무게가 제한된 환경에서도 선택적 산화반응 시스템(300) 및 연료전지의 사용이 가능해진다.Accordingly, even if a heat exchanger for additional cooling is not installed between the first
이상에서 설명된 선택적 산화반응기 및 선택적 산화반응시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.The selective oxidation reactor and the selective oxidation reaction system described above are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but the embodiments may be selectively combined with each or all of the embodiments so that various modifications may be made. It may be configured.
Claims (7)
상기 중공부를 덮도록 상기 외용기의 내주면에 설치되어, 상기 상단으로부터 내측으로 이격되게 배치되며, 관통홀을 구비하는 상판;
상기 관통홀에 삽입되고, 상기 상판으로부터 돌출되는 돌출부를 구비하며, 내부에 상기 반응물의 선택적 산화반응을 일으키는 촉매가 충전되는 튜브;
상기 외용기의 내부에 설치되며, 상기 반응물이 상기 돌출부로 유입되기 전에 상기 상판에 접촉되어 상기 반응물에 포함된 수증기가 응축될 수 있도록 상기 외용기의 내주면, 상기 상판 및 상기 튜브의 일단으로부터 이격되게 배치되는 가이드부재; 및
상기 가이드부재의 위치를 고정시키도록 상기 외용기의 내주면, 상기 상판, 상기 튜브 중 적어도 하나와 상기 가이드부재를 연결하는 연결부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 산화반응기.External container having a hollow portion is filled with the cooling water, the reactant is formed to enter and exit the top and bottom;
An upper plate installed on an inner circumferential surface of the outer container so as to cover the hollow part, and disposed to be spaced inwardly from the upper end and having a through hole;
A tube inserted into the through hole, the protrusion having a protrusion protruding from the upper plate, and filled with a catalyst causing a selective oxidation reaction of the reactant therein;
Installed inside the outer container, the inner circumferential surface of the outer container, so as to be spaced apart from one end of the upper plate and the tube so that the reactant is in contact with the top plate before the reactant flows into the protrusion to condense the water vapor contained in the reactant A guide member disposed; And
Selective oxidation reactor characterized in that it comprises a connecting member for connecting the guide member and the inner circumferential surface of the outer container, the upper plate, the tube to fix the position of the guide member.
상기 가이드부재는 경사지게 형성되어, 상기 가이드부재의 상부에서 유입되는 상기 반응물을 상기 가이드부재와 상기 외용기 사이의 틈으로 유입되도록 가이드하는 것을 특징으로 하는 선택적 산화반응기.The method of claim 1,
The guide member is formed to be inclined to guide the reactant flowing from the upper portion of the guide member to be introduced into the gap between the guide member and the outer container.
상기 튜브는, 상기 수증기의 연속적인 응축이 일어나도록, 복수개가 서로 이격되게 배치되어 상기 반응물이 상기 튜브들 사이에서 상기 상판에 접촉될 수 있는 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 선택적 산화반응기.The method of claim 1,
Wherein the tubes are arranged so that a plurality of them are spaced apart from each other so that continuous condensation of the water vapor occurs to form a space in which the reactants can contact the top plate between the tubes.
상기 수증기가 응축되어 형성된 물을 상기 외용기의 외부로 배출시키도록 상기 상판과 연결되는 배수관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 산화반응기.The method of claim 1,
Selective oxidation reactor further comprises a drain pipe connected to the top plate to discharge the water formed by condensing the water vapor to the outside of the outer container.
상기 촉매가 상기 튜브의 외부로 이탈되는 것을 방지하도록 상기 튜브의 입구와 출구에 각각 배치되고, 상기 돌출부로 유입되는 반응물 및 상기 촉매를 통과한 기체에 난류(亂流)를 발생시키도록 불규칙하게 형성된 투과성 공극을 구비하는 마개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 산화반응기.The method of claim 1,
Respectively disposed at the inlet and the outlet of the tube to prevent the catalyst from escaping to the outside of the tube, and irregularly formed to generate turbulence in the reactant flowing into the protrusion and the gas passing through the catalyst. The selective oxidation reactor further comprises a stopper having permeable pores.
어느 하나의 상기 선택적 산화반응기를 통과하는 기체는, 추가적인 냉각 없이 다음 선택적 산화반응기로 유입 가능하도록, 상기 외용기를 빠져나가기 전 상기 튜브의 출구에 배치된 마개를 통과하면서 상기 냉각수에 의해 상기 반응물의 온도인 80~110℃까지 냉각되는 것을 특징으로 하는 선택적 산화반응 시스템.A selective oxidation reaction is carried out to the incoming reactant to change carbon monoxide contained in the reactant into carbon dioxide, and the selective of any one of claims 1 to 3 and 5 to 6 so as to be connected in series. Including a plurality of oxidation reactors,
The gas passing through any one of the selective oxidation reactors is passed through a stopper disposed at the outlet of the tube prior to exiting the external container so that it can enter the next selective oxidation reactor without further cooling of the reactant by the cooling water. Selective oxidation system, characterized in that cooled to a temperature of 80 ~ 110 ℃.
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