KR102532270B1 - 연료전지의 코일형 개질 반응시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메탄(CH4)과 수증기를 반응시켜 수소를 생성하는 연료전지의 코일형 개질 반응시스템에 관련되며, 이는 나선형 구조의 개질촉매를 타고 메탄과 물이 이동하고, 열원은 개질촉매 사이에 형성되는 나선형 가스유로를 타고 이동하면서 흡열반응이 이루어지도록 구조 개선되어 코일의 특성상 기존 대비 열교환 면적이 확대되고, 열교환 물질의 체류 길이가 증가되어 수소생성을 위한 흡열반응 효율이 고도로 향상되고, 또, 나선형 반응코일이 원형 단열공간 내에 삽입되는 조립 구조에 의해 나선형 가스유로가 형성되도록 구조 개선되어 무용접 조립방식으로 인해 열변형에 따른 연결부 손상이 방지되고, 고장이 나면 부품을 부분적으로 교체할 수 있도록 이너단열부재(10), 아우터단열부재(20), 나선형 반응코일(30), 나선형 가스유로(40), 원형 버너(50)를 포함하여 주요구성으로 한다.

Description

연료전지의 코일형 개질 반응시스템{Coil reforming reaction system of fuel cell}
본 발명은 연료전지의 코일형 개질 반응시스템에 관련되며, 보다 상세하게는 나선형 구조의 개질촉매를 타고 메탄과 물이 이동하고, 열원은 개질촉매 사이에 형성되는 나선형 가스유로를 타고 이동하면서 흡열반응이 이루어지도록 구조 개선되어 코일의 특성상 기존 대비 열교환 면적이 확대되고, 열교환 물질의 체류 길이가 증가되어 수소생성을 위한 흡열반응 효율이 고도로 향상되고, 또, 나선형 반응코일이 원형 단열공간 내에 삽입되는 조립 구조에 의해 나선형 가스유로가 형성되도록 구조 개선되어 무용접 조립방식으로 인해 열변형에 따른 연결부 손상이 방지되고, 고장이 나면 부품을 부분적으로 교체할 수 있는 연료전지의 코일형 개질 반응시스템에 관한 것이다.
통상적으로 연료처리장치는 수증기 개질법(Steam reforming)을 이용해 천연가스를 수소로 전환하는 개질 반응기(Steam reformer), 수소와 함께 생성된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 전환반응기(HTS, LTS) 및 열량을 공급하는 버너를 포함하여 구성된다.
즉, 천연가스의 주성분은 메탄(CH4)이며 개질 반응기에서 수증기와 반응하여 수소와 일산화탄소가 생성되는데, 반응온도는 통상 650~700도 정도이고, 상기 반응은 흡열반응으로서, 반응에 필요한 열량은 버너를 이용하여 공급하고 있다.
여기서, 버너는 연료처리장치의 연소실에 위치하여 연소하게 되며, 상기 연소과정에서 발생한 연소배기가스는 상기 연료처리장치의 상층부로 올라가 촉매반응기와 연소실 사이의 유로를 위에서 아래로 통과하며 상기 촉매반응기에 열을 공급하도록 구성되지만, 연소배기가스로부터 열회수량이 저조한 실정이다.
이에 종래에 개시된 등록특허 10-0968541호에서, 개질가스배출구가 상부 정점에 형성된 돔형 개질기와; 상기 개질기의 외주를 둘러싸는 열회수층과; 상기 개질기의 내측 공간에 설치된 버너와; 상기 개질기의 내주면에 근접 설치되어 연소가스배출통로를 형성하는 전열격벽과; 상기 열회수층의 외측에 설치되고, 상기 열회수층에 연결되어 개질가스가 배출되는 내측관과, 상기 개질기의 하단에 연결되어 반응물이 투입되는 중간관과, 상기 연소가스배출통로에 연결되어 버너 연소가스가 배출되는 외측관으로 이루어진 3중관열교환기와; 상기 열회수층을 둘러쌈과 더불어 내부 공간을 상부공간과 하부공간으로 구획하는 단열재와; 상기 상부공간에 설치된 CO변성기;를 포함하는 기술이 선제시된 바 있다.
그러나, 상기 종래기술은 돔형 개질기는 버너 연소과정에서 발생한 연소배기가스가 연료처리장치의 상층부로 올라가 촉매반응기와 연소실 사이의 유로를 위에서 아래로 통과하며 상기 촉매반응기에 열을 공급하도록 구성되므로, 연소배기가스와 촉매반응기 간에 열교환 면적 축소 및 연소가스 체류시간 단축되고, 이로 인해 흡열반응 온도(700℃)가 지속적으로 균일하게 유지되지 못하여 수소 생성 효율이 저하되며, 특히, 돔형 개질기가 고온에 쉽게 열변형됨과 더불어 부분적인 유지보수가 불가능한 문제점이 따랐다.
KR 10-0968541 B1 (2010.06.30.)
이에 따라 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 착안 된 것으로서, 나선형 구조의 개질촉매를 타고 메탄과 물이 이동하고, 열원은 개질촉매 사이에 형성되는 나선형 가스유로를 타고 이동하면서 흡열반응이 이루어지도록 구조 개선되어 코일의 특성상 기존 대비 열교환 면적이 확대되고, 열교환 물질의 체류 길이가 증가되어 수소생성을 위한 흡열반응 효율이 고도로 향상되고, 또, 나선형 반응코일이 원형 단열공간 내에 삽입되는 조립 구조에 의해 나선형 가스유로가 형성되도록 구조 개선되어 무용접 조립방식으로 인해 열변형에 따른 연결부 손상이 방지되고, 고장이 나면 부품을 부분적으로 교체할 수 있는 연료전지의 코일형 개질 반응시스템을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 특징은, 메탄(CH4)과 수증기를 반응시켜 수소를 생성하는 연료전지의 코일형 개질 반응시스템에 있어서, 외주면에 원형 이너단열벽(12)이 형성되는 이너단열부재(10); 상기 이너단열부재(10)를 감싸도록 설치되고, 내부에 원형 이너단열벽(12)과 이격되어 원형 단열공간(21)을 형성하도록 원형 아우터단열벽(22)이 구비되는 아우터단열부재(20); 상기 원형 단열공간(21)에 나선형으로 설치되고, 내부에 개질촉매(32)가 구비되는 나선형 반응코일(30); 상기 나선형 반응코일(30)의 피치 사이에 형성되는 나선형 이격공간이 이너단열벽(12)과 아우터단열벽(22)에 의해 내, 외측에서 마감되어 형성되는 나선형 가스유로(40); 및 상기 원형 단열공간(21) 하부에 설치되고, 나선형 가스유로(40)를 통하여 열원을 공급하도록 구비되는 원형 버너(50);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 원형 버너(50)에서 발생되는 열원은 연소배기가스 형태로 발생되고, 열원은 나선형 가스유로(40)를 타고 하부에서 상방향으로 나선형으로 회전하면서 나선형 반응코일(30)과 열교환되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나선형 반응코일(30) 상단부에 입구(30a)가 형성되고, 입구(30a)를 통하여 투입되는 메탄과 물은 나선형 반응코일(30)을 타고 상부에서 하방향으로 나선형으로 회전하면서 흡열반응에 의해 수소와 일산화탄소를 생성하여 나선형 반응코일(30) 하부에 형성되는 출구(30b)를 통하여 배출되고, 출구(30b)는 이너단열부재(10) 내부를 경유하여 상방향으로 연장되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
이상의 구성 및 작용에 의하면, 본 발명은 나선형 구조의 개질촉매를 타고 메탄과 물이 이동하고, 열원은 개질촉매 사이에 형성되는 나선형 가스유로를 타고 이동하면서 흡열반응이 이루어지도록 구조 개선되어 코일의 특성상 기존 대비 열교환 면적이 확대되고, 열교환 물질의 체류 길이가 증가되어 수소생성을 위한 흡열반응 효율이 고도로 향상되고, 또, 나선형 반응코일이 원형 단열공간 내에 삽입되는 조립 구조에 의해 나선형 가스유로가 형성되도록 구조 개선되어 무용접 조립방식으로 인해 열변형에 따른 연결부 손상이 방지되고, 고장이 나면 부품을 부분적으로 교체할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 코일형 개질 반응시스템을 전체적으로 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 코일형 개질 반응시스템의 나선형 반응코일과 나선형 가스유로를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 코일형 개질 반응시스템의 내부 구조를 나타내는 종단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자들에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 코일형 개질 반응시스템을 전체적으로 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 코일형 개질 반응시스템의 나선형 반응코일과 나선형 가스유로를 나타내는 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 코일형 개질 반응시스템의 내부 구조를 나타내는 종단면도이다.
본 발명은 메탄(CH4)과 수증기를 반응시켜 수소를 생성하는 연료전지의 코일형 개질 반응시스템에 관련되며, 이는 나선형 구조의 개질촉매를 타고 메탄과 물이 이동하고, 열원은 개질촉매 사이에 형성되는 나선형 가스유로를 타고 이동하면서 흡열반응이 이루어지도록 구조 개선되어 코일의 특성상 기존 대비 열교환 면적이 확대되고, 열교환 물질의 체류 길이가 증가되어 수소생성을 위한 흡열반응 효율이 고도로 향상되고, 또, 나선형 반응코일이 원형 단열공간 내에 삽입되는 조립 구조에 의해 나선형 가스유로가 형성되도록 구조 개선되어 무용접 조립방식으로 인해 열변형에 따른 연결부 손상이 방지되고, 고장이 나면 부품을 부분적으로 교체할 수 있도록 이너단열부재(10), 아우터단열부재(20), 나선형 반응코일(30), 나선형 가스유로(40), 원형 버너(50)를 포함하여 주요구성으로 한다.
본 발명에 따른 이너단열부재(10)는 외주면에 원형 이너단열벽(12)이 형성된다.
상기 이너단열부재(10)는 내열단열재로서, 원기둥형태로 형성되고, 내부에 후술하는 나선형 반응코일(30)의 입, 출구(30a)(30b)를 구성하는 배관 라인이 설치된다.
또한, 본 발명에 따른 아우터단열부재(20)는 상기 이너단열부재(10)를 감싸도록 설치되고, 내부에 원형 이너단열벽(12)과 이격되어 원형 단열공간(21)을 형성하도록 원형 아우터단열벽(22)이 구비된다.
상기 아우터단열부재(20)는 내열단열재로서, 내부에 이너단열부재(10) 및 후술하는 나선형 반응코일(30)이 수용되도록 원형관 형태로 형성된다.
이때, 상기 아우터단열부재(20)의 원형 아우터단열벽(22) 지름은 원형 이너단열벽(12) 지름 대비 확장된 사이즈로 형성되고, 원형 아우터단열벽(22)과 원형 이너단열벽(12)의 지름 차이로 인해 이너단열부재(10)와 아우터단열부재(20) 사이에 원형 단열공간(21)이 형성된다.
그리고, 상기 원형 단열공간(21)의 상, 하단부는 별도의 상, 하부 단열부재에 의해 마감되어 밀폐된 단열공간을 형성하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 나선형 반응코일(30)은 상기 원형 단열공간(21)에 나선형으로 설치되고, 내부에 개질촉매(32)가 구비된다.
상기 나선형 반응코일(30)은 열전도성 및 내식성이 우수한 재질로 형성되고, 후술하는 나선형 가스유로(40)를 통하여 이동하는 열원(연소배기가스)과 열교환되도록 구비된다.
이처럼 상기 나선형 반응코일(30)이 이너단열벽(12)을 감싸도록 나선형으로 설치되는바, 즉, 메탄과 물이 흡열반응(개질반응)하는 개질촉매(32)가 나선형으로 균일한 단면적을 가지도록 배치되므로, 열원과 반응하는 열교환 면적이 확장됨과 더불어 메탄과 물이 체류하는 영역이 길어지는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 나선형 가스유로(40)는 상기 나선형 반응코일(30)의 피치 사이에 형성되는 나선형 이격공간이 이너단열벽(12)과 아우터단열벽(22)에 의해 내, 외측에서 마감되어 형성된다.
상기 나선형 가스유로(40)는 나선형 반응코일(30) 외주면을 따라 나선형으로 형성됨에 따라 열교환면적 확대로 에너지효율이 향상됨과 더불어 흡열반응에 필요한 온도로 일정하게 제어된다.
이처럼, 상기 나선형 반응코일(30)이 원형 단열공간(21) 내에 삽입되는 조립 구조에 의해 나선형 가스유로(40)가 형성됨에 따라 무용접 조립방식으로 인해 열변형에 따른 연결부 손상이 방지되고, 고장이 나면 간단하게 분해하여 부품을 부분적으로 교체할 수 있는 유지보수의 편의성이 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 원형 버너(50)는 상기 원형 단열공간(21) 하부에 설치되고, 나선형 가스유로(40)를 통하여 열원을 공급하도록 구비된다.
상기 원형 버너(50)는 이너단열부재(10) 내부를 경유하여 설치되는 연료라인을 통하여 연료가 공급되고, 연료는 연료라인을 통과하는 중에 예열되어 불완전연소로 인한 에너지효율 저하현상이 방지된다.
그리고, 상기 원형 버너(50)에서 발생되는 열원은 연소배기가스 형태로 발생되고, 열원은 나선형 가스유로(40)를 타고 하부에서 상방향으로 나선형으로 회전하면서 나선형 반응코일(30)과 열교환되도록 구비된다.
또한, 상기 나선형 반응코일(30) 상단부에 입구(30a)가 형성되고, 입구(30a)를 통하여 투입되는 메탄과 물은 나선형 반응코일(30)을 타고 상부에서 하방향으로 나선형으로 회전하면서 가열되어 메탄과 수증기의 흡열반응에 의해 수소와 일산화탄소로 개질된 상태로 나선형 반응코일(30) 하부에 형성되는 출구(30b)를 통하여 배출되고, 출구(30b)는 이너단열부재(10) 내부를 경유하여 상방향으로 연장되도록 구비된다.
이처럼 상기 나선형 반응코일(30)을 타고 메탄과 물이 이동하고, 열원은 나선형 가스유로(40)를 타고 하부에서 상방향으로 이동되도록 구조 개선되어 코일의 특성상 기존 대비 열교환 면적이 확대되고, 열교환 물질의 체류 길이가 증가되어 수소생성을 위한 흡열반응 효율이 향상되는 이점이 있다.
이상과 같이 본 발명의 상세한 설명에는 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 기술범위에 벗어나지 않는 범위 내에서는 다양한 변형실시도 가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정하여 정하여 질 것이 아니라 후술하는 특허청구범위의 기술들과 이들 기술로부터 균등한 기술수단들에까지 보호범위가 인정되어야 할 것이다.
10: 이너단열부재 20: 아우터단열부재
30: 나선형 반응코일 40: 나선형 가스유로
50: 원형 버너

Claims (3)

  1. 메탄(CH4)과 수증기를 반응시켜 수소를 생성하는 연료전지의 코일형 개질 반응시스템에 있어서,
    외주면에 원형 이너단열벽(12)이 형성되는 이너단열부재(10);
    상기 이너단열부재(10)를 감싸도록 설치되고, 내부에 원형 이너단열벽(12)과 이격되어 원형 단열공간(21)을 형성하도록 원형 아우터단열벽(22)이 구비되는 아우터단열부재(20);
    상기 원형 단열공간(21)에 나선형으로 설치되고, 내부에 개질촉매(32)가 구비되는 나선형 반응코일(30);
    상기 나선형 반응코일(30)의 피치 사이에 형성되는 나선형 이격공간이 이너단열벽(12)과 아우터단열벽(22)에 의해 내, 외측에서 마감되어 형성되는 나선형 가스유로(40); 및
    상기 원형 단열공간(21) 하부에 설치되고, 나선형 가스유로(40)를 통하여 열원을 공급하도록 구비되는 원형 버너(50);를 포함하고,
    상기 원형 버너(50)에서 발생되는 열원은 연소배기가스 형태로 발생되고, 열원은 나선형 가스유로(40)를 타고 하부에서 상방향으로 나선형으로 회전하면서 나선형 반응코일(30)과 열교환되도록 구비되며, 상기 나선형 반응코일(30)을 타고 메탄과 물이 상부에서 하방향으로 나선형으로 회전하면서 가열되고,
    상기 나선형 반응코일(30)이 원형 단열공간(21) 내에 삽입되는 무용접 조립 구조에 의해 나선형 가스유로(40)가 형성되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 코일형 개질 반응시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 나선형 반응코일(30) 상단부에 입구(30a)가 형성되고, 입구(30a)를 통하여 투입되는 메탄과 물은 나선형 반응코일(30)을 타고 상부에서 하방향으로 나선형으로 회전하면서 흡열반응에 의해 수소와 일산화탄소를 생성하여 나선형 반응코일(30) 하부에 형성되는 출구(30b)를 통하여 배출되며, 출구(30b)는 이너단열부재(10) 내부를 경유하여 상방향으로 연장되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 코일형 개질 반응시스템.
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