KR102316259B1 - 연료 개질 시스템 및 연료 개질 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템은 가열로; 가열로 내부에 설치되고 개질 촉매가 내부에 충진되며, 연료가 개질 가스로 전환되는 개질 반응이 일어나는 복수의 반응 튜브; 상기 반응 튜브에 개질 대상 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 반응 튜브에서 생성된 수소가 저장되고, 선택적으로 상기 반응튜브에 수소를 공급하는 수소 저장부; 및 상기 가열로의 내부에 구비되어 상기 반응 튜브에 열을 공급하는 버너;를 포함하고, 상기 수소 저장부가 상기 반응 튜브에 수소를 공급하는 경우, 상기 반응 튜브의 상기 개질 촉매에 침착된 탄소가 분리될 수 있다.

Description

연료 개질 시스템 및 연료 개질 방법{FUEL REFORMER SYSTEM AND REFORMING METHOD FOR FUEL}
본 발명은 연료 개질 시스템 및 연료 개질 방법에 관한 것이다.
널리 주지된 바와 같이 연료 전지는 연료에서 추출된 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 발전장치의 일종으로 전력수요 증가에 따른 전원확보의 어려움과 날로 증가하는 지구환경 문제를 해결할 수 있는 대안으로 연구 개발되고 있다.
수소는 대체로 알코올계 연료(메탄올, 에탄올 등), 탄화수소계 연료(메탄, 부탄, 프로판 등), 천연가스계 연료(액화천연가스 등)과 같이 수소 함유 연료가 연료 개질기에 의해 개질됨으로써 얻어진다.
이러한 연료 개질기는 주로 수증기 개질방식이 이용되고 있으며, 이러한 수증기 개질방식의 연료 개질기는 수소 함유 연료가 물과 함께 개질기 내로 공급되고, 개질기 내에서 촉매와 반응하여 수소 생성반응을 통해 수소를 생산하는 방식으로 수소를 생성한다. 이때 버너에 의해 반응에 적합한 열이 공급될 수 있다.
한편, 기존의 연료 개질기의 경우, 촉매의 탄소 침착 등의 문제로 활성이 저하되므로 주기적으로 개질 촉매를 교체해줘야하는 문제점, 개질 반응에 필요한 열의 온도 편차로 인해 개질 촉매의 열화가 가속되는 문제점 및 필요한 부하에 대응하여 수소를 생성하지 못한다는 문제점이 있었다.
따라서, 촉매의 라이프 사이클을 향상시킬 수 있고, 열공급에 대한 온도 편차를 감소시킬 수 있으면서도 필요한 부하에 대응하여 수소를 생성할 수 있는 연료 개질 시스템에 대한 연구가 요구되고 있다.
본 발명은 연료 개질 시스템의 개질 촉매를 재생시켜 개질 촉매의 라이프 사이클을 향상시킬 수 있는 연료 개질 시스템 및 연료 개질 방법을 제공하는데 발명의 목적이 있다.
또한, 개질 반응 시 열전도 효율을 향상시키고, 온도 편차 문제를 완화시킬 수 있는 연료 개질 시스템 및 연료 개질 방법을 제공하는데 발명의 목적이 있다.
또한, 요구되는 부하에 대응되어 구동될 수 있는 연료 개질 시스템 및 연료 개질 방법을 제공하는데 발명의 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템은 가열로; 가열로 내부에 설치되고 개질 촉매가 내부에 충진되며, 연료가 개질 가스로 전환되는 개질 반응이 일어나는 복수의 반응 튜브; 상기 반응 튜브에 개질 대상 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 반응 튜브에서 생성된 수소가 저장되고, 선택적으로 상기 반응튜브에 수소를 공급하는 수소 저장부; 및 상기 가열로의 내부에 구비되어 상기 반응 튜브에 열을 공급하는 버너;를 포함하고, 상기 수소 저장부가 상기 반응 튜브에 수소를 공급하는 경우, 상기 반응 튜브의 상기 개질 촉매에 침착된 탄소가 분리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템에서 상기 반응 튜브는 내관, 외관 및 상기 내관과 외관사이에 충진된 개질 촉매를 포함하고, 상기 외관의 하단부는 막혀있고, 상기 내관의 하단부는 개방될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템에서 복수의 상기 반응 튜브 각각의 상측 단부에는 복수의 유입구가 형성된 밸브가 구비되고, 복수의 상기 유입구 중 어느 하나는 상기 연료 공급부와 연결되고, 복수의 상기 유입구 중 다른 하나는 상기 수소 저장부와 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템에서 수소 생성 동작 시 상기 연료 공급부와 연결된 유입구가 개방되어 상기 반응 튜브로 연료가 유입되고, 촉매 재생 동작 시 상기 수소 저장부와 연결된 유입구가 개방되어 상기 반응튜브로 수소가 유입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템에서 복수의 상기 반응 튜브 중 일부의 반응 튜브에서 수소 생성 동작이 진행되는 경우 상기 수소 생성 동작이 진행되지 않는 다른 반응 튜브에서 촉매 재생 동작이 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템에서 상기 반응 튜브는 9개로 구비되고, 상기 반응 튜브는 임의로 3개씩 선택된 제1 그룹, 제2 그룹, 제3 그룹으로 분류되며, 저부하 요구 시 상기 제1 그룹이 수소 생성 동작을 수행하고, 상기 제2 그룹 및 상기 제3 그룹은 촉매 재생 동작을 수행하며, 중간부하 요구 시, 상기 제1 그룹 및 상기 제2 그룹이 수소 생성 동작을 수행하고, 상기 제3 그룹은 촉매 재생 동작을 수행하며, 고부하 요구 시, 상기 제 1그룹, 상기 제2 그룹 및 상기 제3 그룹이 수소 생성 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템에서 상기 반응 튜브는 상기 가열로의 내주면을 따라 배치되고, 동일한 그룹에 속한 상기 반응 튜브는 서로 이웃하게 배치되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템에서 상기 가열로의 내주면에는 메탈 화이버(metal fiber)를 포함하는 오프가스버너가 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 방법은 연료 공급부를 통해 반응 튜브에 개질 대상 연료를 공급하는 단계; 상기 반응 튜브에서 개질 반응을 통해 수소를 포함하는 혼합 기체를 생성하는 단계; 상기 반응 튜브에서 생성된 혼합 기체를 정제하여 고순도 수소를 추출한 후 수소 저장부에 저장하는 단계; 및 상기 수소 저장부에 저장된 수소를 상기 반응 튜브에 공급하여 촉매 재생 동작을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템 및 연료 개질 방법은 개질 촉매의 라이프 사이클을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템 및 연료 개질 방법은 개질 반응 시 열전도 효율이 향상될 수 있고, 온도 편차 문제를 완화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템 및 연료 개질 방법은 요구되는 부하에 대응되어 구동될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가열로 및 버너의 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 개략 수평 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 개략 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템에 구비되는 반응 튜브의 개략 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템과 일반적인 연료 개질 시스템의 개질 촉매 효율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 방법에 대한 개략 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '지지', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 지지, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 상측, 하측, 측면 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가열로 및 버너의 개략 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 개략 수평 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 개략 수직 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템에 구비되는 반응 튜브의 개략 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템(1)은 가열로(100), 가열로(100)의 내부에 설치되고 개질 촉매(230)가 내부에 충진되며 연료가 개질 가스로 전환되는 개질 반응이 일어나는 복수의 반응 튜브(200), 반응 튜브(200)에 개질 대상 연료를 공급하는 연료 공급부(300), 반응 튜브(200)에서 생성된 수소가 저장되고, 선택적으로 반응 튜브(200)에 수소를 공급하는 수소 저장부(400) 및 가열로(100)의 내부에 구비되어 반응 튜브에 열을 공급하는 버너(500)를 포함할 수 있다.
가열로(100)는 외통벽은 내화 재료로 구비될 수 있으며, 내부에 연료(또는 오프가스)와 연소 공기가 혼합되는 공간이 형성된 원통 구조로 구비될 수 있다. 가열로(100)의 내주면에는 버너(500)가 구비될 수 있다. 버너(500)는 가열로(100)의 내주면 형상에 대응되게 내부에 공간이 형성된 원통 구조로 구비될 수 있다. 따라서, 가열로(100)의 내주면과 버너(500)의 외주면은 서로 접촉할 수 있다. 버너(500)는 개질 반응 시 필요한 열을 공급해 줄 수 있다. 버너(500)는 가열로(100)의 내주면 전체에 대응하게 구비될 수 있으며 메탈 화이버가 적용된 내부 원통형 오프가스 버너로 구비될 수 있다. 다만, 버너(500)는 당업계에서 통용되는 다양한 버너로 대체 가능하다.
가열로(100)의 내측에는 복수의 반응 튜브(200)가 구비될 수 있다. 보다 구체적으로 반응 튜브(200)는 버너(500)의 내측에 설치될 수 있다.
반응 튜브(200)에서는 천연 가스 등의 연료가 수소를 포함하는 개질 가스로 전환되는 개질 반응이 일어날 수 있다.
반응 튜브(200)는 가열로(100)의 중심을 기준으로 일정 반경을 갖는 가상의 원에 복수 개가 구비될 수 있다. 예를 들어, 반응 튜브(200)는 가열로(100)의 내주면을 따라 9개가 구비될 수 있으며, 복수 개의 반응 튜브(200)는 임의로 3개씩 선택된 제1 그룹(G1), 제2 그룹(G2) 및 제3 그룹(G3)으로 분리될 수 있다.
여기서, 복수 개의 반응 튜브(200) 중 동일한 그룹에 속한 반응 튜브(200)는 서로 이웃하게 배치되지 않을 수 있다. 다시 말해, 제1 그룹(G1)에 속한 어느 하나의 반응 튜브(200)의 양 측에는 제2 그룹(G2) 또는 제3 그룹(G3)에 속한 반응 튜브(200)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 반응 튜브(200)는 가열로(100)의 원주 방향을 따라 순차적으로 제1 그룹(G1)에 속한 반응 튜브(200), 제2 그룹(G2)에 속한 반응 튜브(200) 및 제3 그룹(G3)에 속한 반응 튜브(200)가 배치될 수 있다. 따라서, 어느 한 그룹에 속한 반응 튜브(200)들은 가상의 정삼각형 꼭지점에 배치될 수 있다. 다만, 반응 튜브(200)의 배치 구성 및 개수는 구조적/설계적 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
반응 튜브(200)는 이중관 형상으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 반응 튜브(200)는 적어도 일부가 버너(500)와 대향하게 배치되고 외면을 형성하는 외관(210), 외관의 내측에 배치되는 내관(220) 및 외관(210)과 내관(220) 사이에 충진되는 개질 촉매(230)를 포함할 수 있다.
반응 튜브(200)의 외관(210)의 하단부는 막혀 있고, 내관(220)의 하단부는 개방된 구조로 구비될 수 있다. 따라서, 반응 튜브(200)의 내측에는 외관(210)과 내관(220)사이의 개질 촉매(230)가 구비되고 개질 대상 연료 또는 수소가 공급되는 제1 통로(200a) 및 제1 통로(200a)와 연통되고 제1 통로(200a)를 통과한 가스가 배출되는 내관(220) 내부의 제2 통로(200b)가 형성될 수 있다. 여기서 반응 튜브(200)는 상단부만 가열로(100)에 고정될 수 있다.
반응 튜브(200)의 외곽으로 버너(500)의 연소 배가스가 접촉하거나 버너(500)의 복사 열을 통해 열교환이 진행되며, 반응 튜브(200)의 상단에 공급된 원료는 외관(210)과 내관(220) 사이에 충진된 개질 촉매(230)를 통과하면서 개질 반응이 진행된다. 반응 튜브(200) 하단으로 배출된 수소를 포함한 개질 가스는 개질 촉매(230) 상단보다 고온이 되고, 고온의 개질 가스는 상승관인 내관(220)을 통해 상승하면서 반응 튜브(200)의 상단으로 배출되며, 이때 개질 가스는 내관(220)을 통과하면서 개질 촉매(230)에 열을 전달할 수 있다.
한편, 복수의 반응 튜브(200) 각각의 상측 단부에는 복수의 유입구가 형성된 밸브가 구비될 수 있으며, 복수의 유입구 중 어느 하나는 연료 공급부(300)와 연결되고 복수의 유입구 중 다른 하나는 수소 저장부(400)와 연결될 수 있으며, 복수의 유입구 중 또 다른 하나는 수성가스 전이반응기(410)에 연결될 수 있다. 밸브는 예를 들어 3웨이 밸브(3-way valve)로 구비될 수 있다.
수소 생성 동작 시 연료 공급부(300)와 연결된 유입구가 개방되어 반응 튜브(200)로 개질 대상 연료가 유입될 수 있고, 촉매 재생 동작 시 수소 저장부(400)와 연결된 유입구가 개방되어 반응 튜브(200)로 고순도의 수소가 공급될 수 있다. 다시 말해, 수소 생성 동작 또는 촉매 재생 동작에 대응하여 밸브의 유입구는 선택적으로 개폐될 수 있다.
반응 튜브(200)에서 배출된 개질 가스는 수성가스 전이 반응기(410), 가스 정제기(420, PSA)를 순차적으로 통과할 수 있으며, 이러한 일련의 과정을 통해 개질 가스에 포함된 수소가 고순도로 정제될 수 있다. 가스 정제기(420)에서 정제된 고순도의 수소는 수소 저장부(430)에 저장될 수 있다. 수소 저장부(430)는 개질 공정 및 정제 공정을 통해 정제된 고순도의 수소를 저장할 수 있다. 이때 수소 저장부(430)는 촉매 재생 동작 시 저장된 수소를 반응 튜브(200)로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템(1)은 수소 저장부(400)에 저장된 수소를 반응 튜브(200)에 공급함으로써 개질 촉매 효율을 향상시킬 수 있다. 다시 말해, 개질 반응 시 개질 촉매의 표면에는 탄소(C)가 침착되며, 탄소(C) 침착이 진행됨에 따라 개질 촉매의 효율은 저하될 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템(1)은 수소 저장부(400)에 저장된 수소를 반응 튜브(200)로 공급함으로써, 메탈화 반응을 통해 개질 촉매의 표면에 침착(C)된 탄소를 메탄(CH4)으로 배출할 수 있다. 일 예로, 복수의 반응 튜브(200) 중 일부의 반응 튜브(200)에서 수소 생성 동작이 진행되는 경우 수소 생성 동작이 진행되지 않는 다른 반응 튜브(200)에서는 촉매 재생 동작이 수행될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 개질 촉매 효율(c1)과 일반적인 연료 개질 시스템의 개질 촉매 효율(c2)을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면 일반적인 개질 촉매의 경우 개질 촉매의 효율은 지속적으로 감소하여 상대적으로 짧은 교체 주기(L1)를 갖는다. 여기서 교체 주기란 개질 촉매 효율이 개질 촉매 효율 한계값(T1)에 다다르는 시간을 의미할 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템(1)은 반복적인 촉매 재생 동작을 통해 개질 촉매의 효율을 향상시키는 구간(r1, r2, r3, r4, r5, r6, r7, r8)을 포함할 수 있으며, 이에 따라 향상된 교체 주기(L2)를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템(1)은 요구되는 부하에 추종하여 구동될 수 있다. 예를 들어, 반응 튜브(200)는 9개로 구비될 수 있으며, 복수의 반응 튜브(200)는 임의로 3개씩 선택된 제1 그룹(G1), 제2 그룹(G2) 및 제3 그룹(G3)으로 분류될 수 있다.
요구되는 부하가 저부하인 경우, 제1 그룹(G1)에 속한 반응 튜브(200)는 수소 생성 동작을 수행할 수 있으며, 제2 그룹(G2) 및 제3 그룹(G3)에 속한 반응 튜브(200)는 촉매 재생 동작을 수행할 수 있다.
요구되는 부하가 중부하인 경우, 제1 그룹(G1) 및 제2 그룹(G2)에 속한 반응 튜브(200)는 수소 생성 동작을 수행할 수 있으며, 제3 그룹(G3)에 속한 반은 튜브(200)는 촉매 재생 동작을 수행할 수 있다.
요구되는 부하가 고부하인 경우, 제1 그룹(G1), 제2 그룹(G2) 및 제3 그룹(G3)에 속한 반응 튜브(200)가 수소 생성동작을 수행할 수 있다.
다만, 요구되는 부하가 저부하 또는 중부하인 경우, 수소 생성 동작을 수행하지 않는 그룹에 속하는 반응 튜브(200) 중 탄소 침착으로 개질 촉매(230)의 효율이 소정 효율 이하로 인지되는 반응 튜브(200)만이 촉매 재생 동작을 수행하는 것도 가능하다. 다시 말해, 요구되는 부하가 저부하 또는 중부하인 조건 및 개질 촉매의 효율이 소정 효율 이하인 조건을 모두 만족하는 반응 튜브(200)만이 촉매 재생 동작을 수행할 수도 있다.
이하에서는 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 방법에 대해 설명한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 방법은 우선 연료 공급부(300)를 통해 반응 튜브(200)에 개질 대상 연료를 공급하는 단계(S10)가 수행될 수 있다. 이때 개질 대상 연료로서 알코올계 연료(메탄올, 에탄올 등), 탄화수소계 연료(메탄, 부탄, 프로판 등), 천연가스계 연료(액화천연가스 등)와 같이 수소 함유 연료가 연료가 사용될 수 있다.
반응 튜브(200)에 개질 대상 연료가 공급되면, 반응 튜브(200)에서 개질 반응을 통해 수소를 포함하는 혼합 기체를 생성하는 단계(S20)가 수행될 수 있다. 개질 대상 연료는 반응 튜브(200)의 제1 통로(200a)를 통해 흐르면서 개질 촉매(230)에 의해 개질 반응이 이루어질 수 있다. 이후 개질 반응이 완료된 혼합 기체는 제2 통로(200b)를 통해 배출될 수 있다.
개질 반응이 완료되면, 반응 튜브(200)에서 생성된 혼합 기체를 정제하여 고순도 수소를 추출한 후 수소 저장부(400)에 저장하는 단계가 수행될 수 있다. 이러한 일련의 과정을 거쳐 수소 생성 동작이 수행될 수 있다. 이후 수소 저장부(400)에 저장된 수소를 반응 튜브(200)에 공급하는 단계(S40)를 통해 촉매 재생 동작이 수행될 수 있다. 촉매 재생 동작에서 수소는 개질 촉매(230)와 메탄화 반응을 통해 개질 촉매 표면의 탄소를 분리할 수 있다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템(1) 및 연료 개질 방법은 촉매 재생 동작을 통해 개질 촉매의 라이프 사이클을 향상시킬 수 있다. 또한, 메탈 화이버를 포함하는 버너를 구비함으로써, 개질 반응 시 열전달 효율을 향상시킬 수 있으며 온도 편차 문제를 완화시킬 수 있다. 또한, 요구되는 부하에 대응하여 수소 생성 동작을 수행하는 반응 튜브의 개수를 조절함으로써 부하 추종 운전이 가능한 효과가 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
1: 연료 개질 시스템 100: 가열로
200: 반응 튜브 300: 연료 공급부
400: 수소 저장부 410: 수성가스 전이 반응기
420: 가스 정제기 500: 버너
G1: 제1 그룹 G2: 제2 그룹
G3: 제3 그룹
C1: 연료 개질 시스템의 개질 촉매효율
C2: 일반적인 연료 개질 시스템의 개질 촉매효율

Claims (9)

  1. 가열로;
    상기 가열로 내부에 구비되고, 상기 가열로의 내주면을 따라 배치되며, 개질 촉매가 내부에 충진되고, 연료가 개질 가스로 전환되는 개질 반응이 일어나는 복수의 반응 튜브;
    상기 반응 튜브에 개질 대상 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 반응 튜브에서 생성된 수소가 저장되고, 선택적으로 상기 반응튜브에 수소를 공급하는 수소 저장부; 및
    상기 가열로의 내부에 구비되어 상기 반응 튜브에 열을 공급하고, 외주면이 상기 가열로의 내주면과 접촉되는 버너;를 포함하고,
    상기 수소 저장부가 상기 반응 튜브에 수소를 공급하는 경우, 상기 반응 튜브의 상기 개질 촉매에 침착된 탄소가 분리되고,
    복수의 상기 반응 튜브는,
    상기 버너의 내측에 설치되고, 상기 가열로의 중심을 기준으로 일정 반경을 갖는 가상의 원을 따라 배치되는,
    연료 개질 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 반응 튜브는 내관, 외관 및 상기 내관과 외관사이에 충진된 개질 촉매를 포함하고,
    상기 외관의 하단부는 막혀있고, 상기 내관의 하단부는 개방된,
    연료 개질 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    복수의 상기 반응 튜브 각각의 상측 단부에는 복수의 유입구가 형성된 밸브가 구비되고,
    복수의 상기 유입구 중 어느 하나는 상기 연료 공급부와 연결되고, 복수의 상기 유입구 중 다른 하나는 상기 수소 저장부와 연결된,
    연료 개질 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    수소 생성 동작 시 상기 연료 공급부와 연결된 유입구가 개방되어 상기 반응 튜브로 연료가 유입되고,
    촉매 재생 동작 시 상기 수소 저장부와 연결된 유입구가 개방되어 상기 반응튜브로 수소가 유입되는,
    연료 개질 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    복수의 상기 반응 튜브 중 일부의 반응 튜브에서 수소 생성 동작이 진행되는 경우 상기 수소 생성 동작이 진행되지 않는 다른 반응 튜브에서 촉매 재생 동작이 수행되는,
    연료 개질 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 반응 튜브는 9개로 구비되고, 임의로 3개씩 선택된 제1 그룹, 제2 그룹, 제3 그룹으로 분류되며,
    저부하 요구 시 상기 제1 그룹이 수소 생성 동작을 수행하고, 상기 제2 그룹 및 상기 제3 그룹은 촉매 재생 동작을 수행하며,
    중간부하 요구 시, 상기 제1 그룹 및 상기 제2 그룹이 수소 생성 동작을 수행하고, 상기 제3 그룹은 촉매 재생 동작을 수행하며,
    고부하 요구시, 상기 제 1그룹, 상기 제2 그룹 및 상기 제3 그룹이 수소 생성 동작을 수행하는,
    연료 개질 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    동일한 그룹에 속한 상기 반응 튜브는 서로 이웃하게 배치되지 않는,
    연료 개질 시스템
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 가열로의 내부에는 연료 또는 오프가스가 연소공기와 혼합되는 혼합영역이 구비되고, 내주면에는 메탈화이버를 포함하는 오프가스버너가 구비된,
    연료 개질 시스템.
  9. 가열로 내부에 구비되고, 상기 가열로의 내주면을 따라 배치되며, 개질 촉매가 내부에 충진되는 반응 튜브에 연료 공급부를 통해 개질 대상 연료를 공급하는 단계;
    외주면이 상기 가열로의 내주면과 접촉되는 버너를 통해 상기 반응 튜브에 열을 공급하여 상기 반응 튜브에서 개질 반응을 통해 수소를 포함하는 혼합 기체를 생성하는 단계;
    상기 반응 튜브에서 생성된 혼합 기체를 정제하여 고순도 수소를 추출한 후 수소 저장부에 저장하는 단계; 및
    상기 수소 저장부에 저장된 수소를 상기 반응 튜브에 공급하여 촉매 재생 동작을 수행하는 단계;를 포함하고,
    복수의 상기 반응 튜브는,
    상기 버너의 내측에 설치되고, 상기 가열로의 중심을 기준으로 일정 반경을 갖는 가상의 원을 따라 배치되는,
    연료 개질 방법.

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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3538746A1 (en) 2016-11-09 2019-09-18 8 Rivers Capital, LLC Systems and methods for power production with integrated production of hydrogen
KR102651575B1 (ko) 2017-11-09 2024-03-27 8 리버스 캐피탈, 엘엘씨 수소 및 이산화탄소의 생산 및 분리를 위한 시스템들 및 방법들
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CA3238610A1 (en) 2021-11-18 2023-05-25 Rodney John Allam Apparatus for hydrogen production

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030045965A (ko) * 2001-12-03 2003-06-12 (주)세티 연료전지용 연료개질기
JP2009119307A (ja) * 2007-11-09 2009-06-04 Japan Science & Technology Agency 触媒の再生方法
KR20090081997A (ko) * 2008-01-25 2009-07-29 에스케이에너지 주식회사 고성능 메탈 화이버 버너를 이용한 수증기 개질장치 및상기 수증기 개질장치가 포함된 수소 스테이션
KR102149149B1 (ko) * 2020-01-29 2020-08-28 연세대학교 산학협력단 수소 생산 장치 및 이를 이용한 수소 생산 방법

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100971743B1 (ko) * 2007-12-27 2010-07-21 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템용 개질기

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030045965A (ko) * 2001-12-03 2003-06-12 (주)세티 연료전지용 연료개질기
JP2009119307A (ja) * 2007-11-09 2009-06-04 Japan Science & Technology Agency 触媒の再生方法
KR20090081997A (ko) * 2008-01-25 2009-07-29 에스케이에너지 주식회사 고성능 메탈 화이버 버너를 이용한 수증기 개질장치 및상기 수증기 개질장치가 포함된 수소 스테이션
KR102149149B1 (ko) * 2020-01-29 2020-08-28 연세대학교 산학협력단 수소 생산 장치 및 이를 이용한 수소 생산 방법

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