KR101353917B1 - 원료의 혼합과 분배가 개선된 연료 개질기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원료의 혼합과 분배가 개선된 연료 개질기에 관한 것으로, 연소실을 형성하는 제1원통체; 제1원통체와 동심으로 배치되고, 제1원통체보다 직경이 큰 제2원통체; 제2원통체와 동심으로 배치되고, 제2원통체보다 직경이 큰 제3원통체; 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에 형성되는 수증기 개질 반응부; 및 제3원통체의 측면에서 제3원통체의 접선방향으로 형성되는 원료 도입부를 포함하는 연료 개질기를 제공한다.

Description

원료의 혼합과 분배가 개선된 연료 개질기{Fuel reformer in which mixture and distribution of raw material have improved}
본 발명은 연료전지 시스템용 연료 개질기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료 개질기의 원료로 사용되는 물과 천연가스의 혼합과 분배특성을 개선할 수 있는 원료 공급장치를 구비한 연료 개질기에 관한 것이다.
일반적으로 연료 개질기는 연료전지 시스템의 구동에 필요한 수소를 공급하기 위한 장치로서, 물과 탄화수소(LNG, LPG 등)를 원료로 하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생산하는 장치이다. 이러한 연료 개질기는 주로 탈황, 수증기 개질 반응, 수성가스 전이반응, 선택적 산화반응의 4가지 단위공정으로 구성되어 있다.
연료 개질기의 구조는 대한민국 특허 등록 제512226호, 제677016호, 제761945호에 개시된 바와 같이 주로 동심관형이며, 크기가 다른 원통이 동심으로 중첩된 구조이다. 중앙부에는 버너가 장착된 연소실이 위치하고 있으며, 연소실에서는 천연가스의 연소를 통하여 연료 개질 반응에 필요한 열을 공급한다.
연소실 외곽으로 각각의 원통 사이에 실린더 형태로 촉매층이 위치하고 있으며, 특히 중앙에 위치한 연소실로 인해 원료 입구부는 중앙이 아닌 측면부에 위치하고 있다. 측면부에서 원료가 공급되는 경우 다음과 같은 문제점이 야기된다. 원료물질 중 하나인 물은 연료 개질기로 공급될 때 예열과정을 거쳐 부분적으로 증기화가 이루어지지만, 상당량이 액체상태인 물로 존재한다. 따라서 측면에서 공급될 경우 중력의 영향으로 인해 원료 입구부 부근에서 수직으로 내려가게 되어 원주 방향으로 균일하게 분배되기 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 원료가 반응기 내부에 도입된 후 촉매층에 도달하기까지 나선형의 흐름을 유지할 수 있는 유로를 형성시켜 원료의 혼합 특성을 개선하였다. 하지만 이에 따라 촉매층에 공급되는 원료 혼합물이 나선형의 흐름을 유지하게 되어 촉매층 상부에서는 원료가 먼저 도달하는 부분과 그렇지 않은 부분이 존재하게 된다. 따라서 이상적인 경우를 가정하면 원료 혼합물은 원주 방향으로 균일하게 수직방향의 흐름을 통해 촉매층으로 공급되어야 한다.
원료의 혼합 및 분배가 잘 되지 않을 경우 촉매를 효과적으로 활용하기 어려우며, 이로 인해 과량의 촉매를 충진해야 한다. 또한 경우에 따라서는 원료의 혼합 불량으로 인해 촉매의 양을 과량으로 충진하여도 개질 가스가 열역학적 평형조성에 도달하지 못하게 된다.
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료 개질기의 반응원료를 촉매층의 측면에서 공급하는 경우에 발생할 수 있는 원료의 혼합 문제 및 촉매층으로의 분배 문제를 개선하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 연소실을 형성하는 제1원통체; 제1원통체와 동심으로 배치되고, 제1원통체보다 직경이 큰 제2원통체; 제2원통체와 동심으로 배치되고, 제2원통체보다 직경이 큰 제3원통체; 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에 형성되는 수증기 개질 반응부; 및 제3원통체의 측면에서 제3원통체의 접선방향으로 형성되는 원료 도입부를 포함하는 연료 개질기를 제공한다.
본 발명에서 원료 도입부를 통해 도입된 원료 혼합물은 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에서 수평방향의 원형 회전흐름을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 개질기는 원료 도입부 하부에 위치하고, 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에 설치되며, 원주 방향으로 형성되는 다수의 분배구멍을 구비하는 원료 분배판을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 원료 혼합물은 원료 분배판을 통해 수평방향의 원형 회전흐름에서 수직방향 흐름으로 전환될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따른 연료 개질기는 연소실을 형성하는 제1원통체; 제1원통체와 동심으로 배치되고, 제1원통체보다 직경이 큰 제2원통체; 제2원통체와 동심으로 배치되고, 제2원통체보다 직경이 큰 제3원통체; 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에 형성되는 수증기 개질 반응부; 및 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에 설치되고, 수직관 및 이 수직관과 연결되면서 제2원통체의 접선방향으로 형성되는 수평관으로 구성되는 원료 도입부를 포함한다.
본 발명은 연료 개질기의 원료 도입부에 원형의 회전 흐름을 갖는 원료 혼합부를 설치하여 원료의 혼합특성을 향상시켜 주며, 혼합부의 하단에 위치한 분배판을 통과함으로써 혼합된 원료를 원주 방향으로 균일하게 분배시켜 촉매층에 원료 혼합물을 균일하게 공급하게 한다. 이러한 원료의 혼합 및 분배를 통해 충진된 촉매의 이용률을 높여 촉매 충진량을 최소화 할 수 있으며, 이로 인해 연료 개질기의 가격 저감 및 소형화를 달성할 수 있다.
도 1은 원료 도입부가 수평방향으로 형성된 종래 연료 개질기의 구성도이다.
도 2는 도 1의 A-A 및 B-B선 단면도이다.
도 3은 원료 도입부가 수직방향으로 형성된 종래 연료 개질기의 구성도이다.
도 4는 도 3의 A-A 및 B-B선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따라 원료 도입부가 수평방향으로 형성된 연료 개질기의 구성도이다.
도 6은 도 5의 A-A 및 B-B선 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따라 원료 도입부가 수직방향으로 형성된 연료 개질기의 구성도이다.
도 8은 도 7의 A-A 및 B-B선 단면도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
연료 개질기는 도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 동심으로 배치되면서 직경이 단계적으로 커지는 제1원통체(10), 제2원통체(20), 제3원통체(30), 제4원통체(40)로 구성되는 동심관형 개질기로서, 중앙에는 버너(50)와 연소실(60)이 구비되고, 각 원통체(10 내지 40) 사이에 형성된 공간에는 실질적인 촉매반응이 일어나는 수증기 개질반응부(70), 수성가스 전이반응부(80), 선택적 산화반응부(90)가 순차적으로 구비되며, 개질기의 외곽에는 원료 도입부(100, 102, 104, 106), 공기 도입부(110), 배가스 배출부(120), 개질가스 배출부(130), 원료 분배판(140) 등이 구비된다.
제1원통체(10)는 연료 개질기의 가장 안 쪽에 배치되고, 그 내부공간은 연소실(60)을 형성하며, 상부 중앙에는 버너(50)가 설치된다.
제2원통체(20)는 제1원통체(10)와 동심으로 배치되고, 제1원통체(10)보다 직경이 크며, 즉 제1원통체(10)를 둘러싸도록 배치된다.
제1원통체(10)와 제2원통체(20) 사이에 형성되는 도넛 형태의 공간(S1)은 연소 배가스의 통로 역할을 한다.
연소실(60)에서 생성된 배가스(G3)는 배가스 통로(S1)를 지나면서 인접하는 수증기 개질반응부(70)에 필요한 열을 제공하고, 또한 제2원통체(20)와 제3원통체(30) 사이의 공간(S2)으로 도입되는 원료 혼합물(G1)을 예열시킨 후, 개질기 상부에 형성된 배가스 배출부(120)를 통해 개질기 밖으로 배출된다.
제3원통체(30)는 제2원통체(20)와 동심으로 배치되고, 제2원통체(20)보다 직경이 커서, 제2원통체(20)를 둘러싸도록 배치된다.
제2원통체(20)와 제3원통체(30) 사이에 형성되는 원주 형태의 공간(S2) 중 하부에는 수증기 개질반응부(70)가 형성되고, 상부는 원료 혼합물의 예열부로 작용한다.
수증기 개질반응부(70)에는 탈황기를 통해 황 성분이 제거된 탄화수소(LNG, LPG 등) 원료가 유입되고, 탄화수소와 수증기로 구성되는 원료 혼합물(G1)은 개질반응부(70)의 개질 촉매층에 도입되어 에탄, 프로판, 이소부탄 등의 탄화수소는 메탄으로 전환된 후 다음의 수증기 개질 반응을 거친다. 개질 촉매로는 니켈 계열, 루테늄 계열 등의 촉매를 사용할 수 있다.
[반응식 1]
CH4 + H2O → CO + 3H2
제4원통체(40)는 제3원통체(30)와 동심으로 배치되고, 제3원통체(30)보다 직경이 커서, 제3원통체(30)를 둘러싸도록 배치된다.
제3원통체(30)와 제4원통체(40) 사이에 형성되는 공간(S3) 중 하부에는 수성가스 전이반응부(80)가 형성되고, 상부에는 선택적 산화반응부(90)가 형성된다.
수성가스 전이반응부(80)에는 수증기 개질반응부(70)를 거쳐 개질된 가스가 유입되며, 다음의 수성가스 전이반응을 통해 일산화탄소는 수소와 이산화탄소로 전환된다. 수성가스 전이반응부(80)는 고온 전이반응부와 저온 전이반응부로 구분되어 이루어질 수 있다. 전이 촉매로는 철-크롬 계열, 백금-세리움 계열 등의 촉매를 사용할 수 있다.
[반응식 2]
CO + H2O → CO2 + H2
선택적 산화반응부(90)에는 수성가스 전이반응부(80)를 거친 가스 및 공기 도입부(110)를 통해 도입된 공기(G2)가 유입되고, 다음과 같이 일산화탄소가 선택적으로 이산화탄소로 산화된다. 선택적 산화반응용 촉매로는 백금 계열, 루테늄 계열 등의 촉매를 사용할 수 있다.
[반응식 3]
CO + 1/2O2 → CO2
수증기 개질반응용 촉매, 수성가스 전이반응용 촉매, 선택적 산화반응용 촉매는 촉매층의 형태로 구성될 수 있는데, 예를 들어 하니컴(honeycomb) 형태의 세라믹 또는 금속 담체에 금속 촉매를 담지하여 구성할 수 있다.
선택적 산화반응부(90)를 통과한 최종 개질가스(G4)는 예를 들어 수소 72 내지 76%, 이산화탄소 18 내지 21%, 질소 2 내지 6%, 메탄 1 내지 3%, 일산탄화탄소 10 ppm 이하로 조성될 수 있으며, 개질가스 배출부(130)를 통해 개질기 밖으로 배출된다.
도 1 내지 도 4는 종래의 동심관형 연료 개질기의 구성도 및 원료 공급부의 단면을 도시한 것으로, 원료인 물(액상 및/또는 기상)과 천연가스는 동심관형 연료 개질기의 일 측면에서 수평 또는 수직관 형태의 도입부를 통해 연료 개질기의 내부로 공급된다.
도 1 및 도 2는 종래의 수평관 형태의 원료 도입부(100)를 예시한 것인데, 이 원료 도입부(100)는 제3원통체(30)와 직각으로 연결된다.
원료 분배판(140)은 원료 도입부(100)의 하부에 위치하고, 제2원통체(20)와 제3원통체(30) 사이의 공간(S2)에 설치되며, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 형성되는 다수의 분배구멍(142)을 구비한다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도(a) 및 B-B선 단면도(b)로서, 원료 혼합물(G1)이 수평방향으로 공급되는 경우, 원료 혼합물(G1)은 일차적으로 내측 원통, 즉 제2원통체(20)에 충돌하게 된다. 이후 가스 형태인 천연가스와 수증기는 원료 분배판(140)의 전체 분배구멍(142)을 통해 고루 분배되지만, 액체 상태인 물은 주로 원료 도입부(100) 부근의 분배구멍(142)을 통해 수직방향으로 떨어지게 된다. 또한 액체 상태인 물이 원료 도입부(100) 부근으로 떨어지지 않는 경우에는, 원료의 도입 후 흐름 방향으로 인해 원료 도입부(100)의 반대쪽으로 치우칠 확률이 높다.
도 3 및 도 4는 종래의 수직관 형태의 원료 도입부(102)를 예시한 것인데, 이 원료 도입부(102)는 2원통체(20)와 제3원통체(30) 사이에 형성된 공간(S2) 중 상부에 수직방향으로 설치된다.
도 4는 도 3의 A-A선 단면도(a) 및 B-B선 단면도(b)로서, 원료 혼합물(G1)이 수직방향으로 공급되는 경우, 원료 혼합물(G1)은 일차적으로 원료 도입부(102) 바로 아래에 있는 원료 분배판(140) 부분에 충돌하게 된다. 이후 가스 형태인 천연가스와 수증기는 전체 분배구멍(142)을 통해 고루 분배가 되지만, 액체 상태인 물은 주로 원료 도입부(102)와 근접한 분배구멍(142)을 통해 수직방향으로 떨어지게 된다.
도 1 내지 도 4에서 살펴본 바와 같이, 원료 도입부(100, 102)가 측면에 위치하고 원료 혼합물(G1)이 수평 또는 수직방향으로 공급될 경우, 액체 상태인 물이 원주방향으로 균일하게 분배되지 못하는 결과가 나타난다. 또한, 원료 분배판(140)을 통과한 원료 혼합물(G1)은 그 흐름이 수직방향으로 지속되어 촉매층에 도달하기까지의 짧은 공간에서는 원주방향으로의 혼합이 어려워진다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 본 발명에서는 도 1 내지 도 4에 나타낸 원료 도입부 구조를 도 5 내지 도 8과 같이 개선하였다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 수평관 형태의 원료 도입부(104)를 예시한 것인데, 이 원료 도입부(104)는 제3원통체(30)의 측면에서 제3원통체(30)의 접선방향으로 연결된다.
도 6은 도 5의 A-A선 단면도(a) 및 B-B선 단면도(b)로서, 원료 혼합물(G1)이 수평방향으로 도입될 경우, 원료 도입부(104)의 방향을 제3원통체(30)의 접선방향으로 바꾸어준 구조를 나타낸 것이다. 이러한 원료 도입부(104) 구조를 통해 개질기 내부로 공급된 원료 혼합물(G1)은 흐름방향, 예를 들어 도 6에서 화살표로 표시된 원주방향을 따라 원형으로 회전하는 흐름을 갖게 된다. 이를 통해 액체 상태인 물은 제2원통체(20)의 원주 방향으로 특정 위치에서 정체되지 않게 되고, 이에 따라 가스 성분인 천연가스 및 수증기와 함께 원료 분배판(140)의 분배구멍(142)을 통해 고르게 분배된다.
이와 같이, 원료 도입부(104)를 통해 도입된 원료 혼합물(G1)은 제2원통체(20)와 제3원통체(30)에 형성된 원주 형태의 공간(S2)에서 수평방향의 원형 회전흐름을 형성하며, 이후 원료 혼합물(G1)은 원료 분배판(140)을 통해 수평방향의 원형 회전흐름에서 수직방향 흐름으로 전환된 후, 수증기 개질반응부(70) 쪽으로 균일하게 공급되면서 촉매층과 균일하게 접촉된다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 수직관 형태의 원료 도입부(106)를 예시한 것인데, 이 원료 도입부(106)는 제2원통체(20)와 제3원통체(30)의 사이 공간(S2)에 설치되고, 수직관(107) 및 이 수직관(107)과 연결되면서 제2원통체(20)의 접선방향으로 형성되는 수평관(108)으로 구성된다.
도 8은 도 7의 A-A선 단면도(a) 및 B-B선 단면도(b)로서, 원료 혼합물(G1)이 수직방향으로 도입될 경우, 원료 도입부(106) 중 수평관(108)의 방향을 제2원통체(20)의 접선방향으로 바꾸어 준 구조를 나타내었다. 원료 도입부(106)는 수직관(107)과 수평관(108)으로 구성되는 L자 형태의 구조를 갖고, 이 중 수평관(108)은 제2원통체(20)와 접선을 이루기 때문에, 도 5 및 도 6에서 나타낸 원형의 회전 흐름을 동일하게 구현할 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 원료 혼합물의 혼합 및 분배를 개선시킨 원료 공급수단을 구비한 연료 개질기를 제공한다.
본 발명에 따라 연료 개질기의 측면에서 원통체의 접선방향으로 도입된 원료 도입부, 또는 연료 개질기의 측면에서 수직방향으로 도입된 L자 형태의 원료 도입부를 통해 도입된 원료 혼합물은 원형의 회전흐름을 형성하여 원주방향으로 균일하게 분배되며, 이후 타공판 형태의 분배판을 통해 원형의 수평 회전흐름에서 수직방향의 흐름으로 전환된 후 촉매층에 균일하게 도달됨으로써, 촉매 반응 효율이 월등히 개선될 수 있다.
10: 제1원통체
20: 제2원통체
30: 제3원통체
40: 제4원통체
50: 버너
60: 연소실
70: 수증기 개질반응부
80: 수성가스 전이반응부
90: 선택적 산화반응부
100, 102, 104, 106: 원료 도입부
107: 수직관
108: 수평관
110: 공기 도입부
120: 배가스 배출부
130: 개질가스 배출부
140: 원료 분배판
142: 분배구멍

Claims (8)

  1. 연소실을 형성하는 제1원통체;
    제1원통체와 동심으로 배치되고, 제1원통체보다 직경이 큰 제2원통체;
    제2원통체와 동심으로 배치되고, 제2원통체보다 직경이 큰 제3원통체;
    제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에 형성되고, 탄화수소가 수증기와 반응하여 수소로 개질되는 반응이 일어나는 수증기 개질 반응부;
    제3원통체의 측면에서 제3원통체에 접선방향으로 연결되고, 탄화수소를 포함하는 원료 혼합물이 도입되는 원료 도입부; 및
    원료 도입부 하부에 위치하고, 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에 설치되며, 원주방향을 따라 다수의 분배구멍이 형성되는 원료 분배판을 포함하고,
    원료 도입부를 통해 도입된 원료 혼합물은 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에서 원주방향으로 수평적인 원형 회전흐름을 형성하며,
    원료 혼합물은 원료 분배판을 통해 원주방향의 수평적인 원형 회전흐름에서 수직방향 흐름으로 전환되는 것을 특징으로 하는 연료 개질기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 연소실을 형성하는 제1원통체;
    제1원통체와 동심으로 배치되고, 제1원통체보다 직경이 큰 제2원통체;
    제2원통체와 동심으로 배치되고, 제2원통체보다 직경이 큰 제3원통체;
    제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에 형성되고, 탄화수소가 수증기와 반응하여 수소로 개질되는 반응이 일어나는 수증기 개질 반응부; 및
    제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에 설치되고, 수직관 및 이 수직관과 연결되면서 제2원통체의 접선방향으로 형성되는 수평관으로 구성되며, 탄화수소를 포함하는 원료 혼합물이 도입되는 원료 도입부를 포함하는 연료 개질기.
  6. 제5항에 있어서,
    원료 도입부를 통해 도입된 원료 혼합물은 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에서 원주방향으로 회전흐름을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 개질기.
  7. 제6항에 있어서,
    원료 도입부 하부에 위치하고, 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에 설치되며, 원주방향을 따라 다수의 분배구멍이 형성되는 원료 분배판을 추가로 포함하는 연료 개질기.
  8. 제7항에 있어서,
    원료 혼합물은 원료 분배판을 통해 원주방향의 회전흐름에서 수직방향 흐름으로 전환되는 것을 특징으로 하는 연료 개질기.
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