KR20040024535A - 단일 챔버 콤팩트 연료 처리장치 - Google Patents

단일 챔버 콤팩트 연료 처리장치 Download PDF

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Abstract

탄화수소 원료(200)를 실질적으로 순수한 수소 가스(216)로 전화시키는 다단계 방법을 수행하기 위한 장치는 일상적인 반응 챔버(20)에 정렬된 복수의 반응 영역(208, 210, 212 및 214) 및 상기 반응 챔버(20)의 길이방향으로 통과되어 내부에 위치되어 열을 제공하거나 특정 반응 영역에 의해 요구되는 만큼의 열을 제거하는 열 교환기(202)를 포함한다. 상기 다단계 방법은 연료(200)를 반응 챔버(20)에 제공하여, 연료가 반응하고 고수소 가스(216)를 제조함에 따라서, 중간 가스 생성물이 반응 챔버(20)에 정렬된 각 반응 영역을 통과하여 고수소 가스(216)를 제조한다.

Description

단일 챔버 콤팩트 연료 처리장치{SINGLE CHAMBER COMPACT FUEL PROCESSOR}
연료전지(fuel cell)는 화학적 산화-환원 반응을 통해 전기를 제공하며, 청결함과 효율성 측면에서 다른 형태의 동력 발생보다 현저한 이점을 가진다. 일반적으로, 연료전지는 수소를 연료로 사용하고 산소를 산화제로 사용한다. 동력 발생은 반응물들의 소비속도에 비례한다.
보다 광범위한 연료전지 사용을 방해하는 현저한 단점으로는 수소 기반구조(infrastructure)가 널리 보급되지 않은 것이다. 수소는 비교적 낮은 부피 에너지 밀도를 가지며, 현재 대부분의 동력 발생 시스템에서 사용되고 있는 탄화수소 연료에 비하여 저장 및 수송이 곤란하다. 이와 같은 문제점을 극복하는 한 가지 방법은 탄화수소를 연료전지의 공급원료로 사용될 수 있는 고수소 가스 스트림으로 전화시키는 개질제를 사용하는 것이다.
천연가스, LPG, 가솔린 및 디젤 등과 같은 탄화수소-기반 연료들은 대부분의연료전지의 연료 원(source)으로 사용하기 위하여 전화 공정이 필요하다. 현재의 기술은 초기 전화(conversion) 공정과 다수의 정제(clean-up) 공정이 결합된 다단계 공정을 사용한다. 초기 공정은 대부분 증기 개질(steam reforming; SR), 자열 개질(autothermal reforming; ATR), 촉매적 부분 산화(catalytic partial oxidation; CPOX), 또는 비촉매적 부분 산화(POX)이다. 정제 공정은 일반적으로 탈황, 고온 물-가스 전환, 저온 물-가스 전환, 선택적 CO 산화, 또는 선택적 CO 메탄화(methanation)로 구성된다. 또한, 상기 정제공정은 수소 선택적 막 반응기 및 필터를 대안으로 포함할 수 있다.
위와 같은 노력에도 불구하고, 탄화수소 연료를 연료전지와 관련하여 사용할 수 있는 고수소 가스 스트림으로 전화시키는 단순한 장치가 여전히 요구된다.
발명의 요약
발명은 탄화수소 원료를 고수소 가스로 전화시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 탄화수소 원료 공급물을 고수소 가스로 전화시키는 콤팩트 연료 처리장치에 있어서, 연료 처리장치 어셈블리(assembly)가 흡입 말단(inlet end) 및 배출 말단(outlet end)을 보유하고, 복수의 촉매들이 연속적으로 적재되어 일련의 반응 영역을 형성하는 실린더; 및 흡입 말단 및 배출 말단을 보유하고, 상기 실린더의 길이방향으로 관통하여 내부에 위치함으로써 열을 제공하거나 특정 반응 영역에 의해 요구되는 만큼의 열을 제거하는 열 교환기(heat exchanger)를 포함한다. 이와 같은 실시예 내에서, 복수의 촉매들은 자열 개질촉매(autothermal reforming catalyst), 탈황 촉매(desulfurization catalyst), 물 가스 전환 촉매(water gas shift catalyst), 우선적 산화 촉매(preferential oxidation catalyst), 및 이들의 혼합물 및 조합물, 및 유사 촉매들을 포함한다. 연료 처리장치에 사용되는 탄화수소 원료 공급물은 바람직하게는 실린더에 주입하기 전에 열 교환기를 통과시키거나, 대안으로 자열 개질 반응 영역으로부터 기능적으로 상류 위치에 위치한 연료 예열장치로 예열시킨다. 많은 종류의 탄화수소 원료를 사용할 수 있지만, 일 실시예에서 탄화수소 원료는 천연가스, 가솔린, 디젤, 연료 오일(fuel oil), 프로판, 액화석유(liquefied petroleum), 메탄올, 에탄올 또는 기타 유사하고 적당한 탄화수소 및 이들의 혼합물에서 선택된다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예가 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내부의 미리 한정되고, 각각이 반응영역 내부에서 발생하는 화학반응으로 특징지워지는 복수의 반응 영역; 및 흡입 말단 및 배출 말단을 보유하고, 상기 반응 챔버 내부에 적어도 부분적으로 위치되는 열 교환기로 구성된, 탄화수소 원료 공급물을 고수소 가스로 전화시키는 콤팩트 연료 처리장치를 포함한다는 것을 당업자는 이해하고 인식할 수 있다. 이와 같은 일 실시예에 있어서, 일차 반응 영역은 자열 개질 촉매를 포함하고, 이차 반응 영역은 탈황 촉매를 포함하고, 삼차 반응 영역은 물 가스 전환 촉매를 포함하고, 및 반응 영역 모듈은 우선적 산화 촉매를 포함한다. 이와 같은 실시예를 고려할 경우, 열 교환기가 상기 일차 반응 영역 내부에 실질적으로 위치하지 않는다는 것이 예상된다. 일 실시예에 대한 탄화수소 연료 공급물은 반응 챔버에 주입하기 이전에 열 교환기를 통과시켜 예열된다. 대안적으로, 탄화수소 원료 공급물, 공기 및 물의 혼합물이 상기 일차 반응 영역으로 주입되기 이전에 열 교환기를 통과시켜 예열된다. 앞서 언급한 바와 같은 다양한 종류의 탄화수소 원료가 사용될 수 있다.
각각의 반응 영역이 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다는 것은 당업자는 인식할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 촉매들은 자열 개질 촉매, 탈황 촉매, 물 가스 전환 촉매, 우선적 산화 촉매 및 이들의 혼합물과 조합물 및 유사 촉매들로부터 선택된다. 하나 이상의 촉매를 포함하는 어떠한 특정 반응 영역은 인접 반응 영역을 지지하도록 제공하는 투과성 평판에 의해 인접 반응 영역으로부터 분리될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 평판은 구멍난 평판(perforated metal), 금속 체(metal screen), 금속 그물(metal mesh), 소결성 금속(sintered metal), 다공성 세라믹(porous ceramic), 또는 이들 물질들의 조합물 및 유사 물질에서 선택된다. 상기 평판이 적어도 부분적으로 인코넬(inconel), 탄소강(carbon steel) 및 스테인레스강(stainless steel)으로 구성되는 것이 이와 같은 실시예 내에서 바람직하다.
본 발명은 또한 탄화수소 원료를 고수소로 전화시키는 방법을 포함한다. 일 실시예는 본 명세서에 기술된 장치를 사용한다. 이와 같은 방법은 일반적으로 복수의 촉매가 적재되는 반응기 챔버를 보유한 연료 처리장치를 제공하는 것을 포함한다. 상기 반응기 챔버를 통하는 반응물 가스의 흐름은 각각의 반응 챔버 영역이 일련의 차별적인 반응 영역을 형성하도록 한다. 탄화수소 원료를 미리 정해진 방법으로 각 반응 영역을 통하여 연속적으로 주입시켜, 공간 고찰 및 열 전달 고찰을 최적화시키는 방법으로 고수소 가스를 제조한다.
도면의 간략한 설명
첨부 도면에 대한 간략한 설명은 아래와 같다:
도 1은 본 발명의 한 실시예에 대한 단순 공정 흐름도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 콤팩트 연료 처리장치의 일차 실시예를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 콤팩트 연료 처리장치의 이차 실시예를 도시하고 있다.
본 발명은 탄화수소 연료를 고수소 가스로 전화시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 탄화수소 원료를 고수소 가스로 전화시키는 장치에 관한 것이다. 바람직한 한 일면에 있어서, 본 명세서에 기술된 장치 및 방법은 탄화수소 연료로부터 연료전지에 사용될 수 있는 고수소 가스 스트림을 제조하는 콤팩트 처리장치에 관한 것이다. 그러나, 고수소 스트림이 요구되는 어떠한 용도를 포함하여 이외의 가능한 용도들도 본 명세서에 기술된 장치 및 방법에서 고려되고 있다. 따라서, 연료전지와 관련되어 본 발명이 사용되도록 본 명세서에 기술되어 있지만, 본 발명의 범위는 이와 같은 사용에 제한되지는 않는다.
본 발명의 실시예 각각은 연료 처리장치로 투입될 탄화수소 원료 공급물과 함께 이와 같은 연료 처리장치를 사용하는 연료 처리장치 또는 처리방법을 기술하고 있다. 증발될 수 있는 기간동안에는 상기 탄화수소 원료는 주위 조건하에서 액체 또는 기체일 수 있다. 본 명세서에 기술된 용어 "탄화수소"는 부분 산화 또는 증기 개질 반응으로부터 수소를 생성시킬 수 있는 C-H 결합을 갖는 유기화합물을포함한다. 상기 화합물의 분자구조에 탄소 및 수소 이외의 원자가 존재하는 것은 제외된다. 즉, 본 명세서에 기술된 방법 및 장치에 사용되는 적합한 연료들은, 이에 제한되지는 않지만, 천연가스, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 나프타, 가솔린, 및 디젤 연료, 및 메탄올, 에탄올, 프로판올 등과 같은 알코올을 포함한다.
연료 처리장치 공급물은 탄화수소 원료, 산소 및 물을 포함한다. 산소는 공기, 부화(enriched) 공기, 또는 실질적으로 순수한 산소 형태일 수 있다. 물은 액체 또는 증기 형태로 주입될 수 있다. 공급물 성분의 조성비율은 하기에서 논의되는 바와 같이 원하는 운영조건에 의해 결정된다.
본 발명의 연료 처리장치 유출물 스트림은 수소 및 이산화탄소를 포함하고, 또한, 일부 물, 비전화 탄화수소, 일산화탄소, 불순물(예를 들면, 수소 황화물 및 암모니아) 및 불활성 성분(예를 들면, 질소 및 아르곤, 특히 공기가 공급물 스트림의 성분일 경우)을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 포함된 공정 단계를 도해한 일반적인 공정 흐름도를 도시하고 있다. 당업자는 일정량의 프로그레시브 오더(progressive order)가 본 명세서에 개시된 반응기를 통과하는 반응물 흐름에 요구된다는 것으로 이해할 수 있다.
공정 A 단계는 두 개의 반응, 부분 산화(하기 반응식 I) 및 선택적으로 증기 개질(하기 반응식 II)이 결합되어 공급물 스트림 F를 수소 및 일산화탄소를 포함한 합성 가스로 전화시키는 자열 개질 공정이다. 반응식 I 및 II는 탄화수소로서 메탄을 사용한 반응식의 예이다:
CH4+ 1/2O2→ 2H2+ CO(I)
CH4+ H2O → 3H2+ CO(II)
부분 산화 반응은 매우 신속히 일어나서 첨가된 산소를 완전히 전화시키고 열을 생성시킨다. 증기 개질 반응은 보다 느리게 진행되고 열을 소모한다. 부분 산화 반응은 공급물 스트림내 높은 산소 농도를 선호하는 반면에, 증기 개질 반응은 높은 수증기 농도를 선호한다. 그러므로, 탄화수소에 대한 산소의 비율과 탄화수소에 대한 물의 비율이 매개변수들을 특징화하게된다. 이와 같은 비율은 운영 온도 및 수소 수율에 영향을 미친다.
자열 개질 단계의 운영 온도는 공급 조건 및 촉매에 따라 의존적이며, 약 550℃ 내지 약 900℃의 범위일 수 있다. 본 발명은 증기 개질 촉매를 포함하거나 포함하지 않는 부분 산화 촉매로 이루어진 촉매 층(bed)을 사용한다. 촉매는 정제(pellet), 구형(sphere), 압출물(extrudate), 모놀리스(monolith) 등을 포함하는 어떠한 형태일 수 있다. 부분 산화 촉매는 당업자에게 자명한 것이어야 하며, 종종 모놀리스, 압출물, 정제 또는 기타의 지지체 표면에 코팅된 알루미나 워시코트(washcoat)상에 지지된 알루미나 백금(platinum), 팔라듐(palladium), 로듐(rhodium), 및/또는 루테늄 등과 같은 귀금속으로 구성된다. 니켈 또는 코발트와 같은 비-귀금속도 사용된다. 티타니아(titania), 지르코니아(zirconia), 실리카(silica), 및 마그네시아(magnesia) 등과 같은 기타의 워시코트들도 문헌에서 인용되고 있다. 란타눔(lanthanum), 세리움(cerium) 및 포타슘(potassium) 등과같은 많은 수의 부가 물질들도 부분 산화 촉매의 성능을 향상시키는 프로모터(promoter)로 문헌에서 인용되고 있다.
증기 개질 촉매는 당업자에게 알려져 있어야 하며, 일정량의 코발트 또는 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및/또는 이리듐 등과 같은 귀금속과 함께 니켈을 포함할 수 있다. 촉매는 예를 들면, 마그네시아, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 또는 마그네슘 알루미네이트의 표면에 단독으로 또는 결합하여 지지될 수 있다. 대안으로, 증기 개질 촉매는 포타슘과 같은 알칼리 금속에 의해 촉진된 마그네시아, 알루미나, 실리카, 지르코니아 또는 마그네슘 알루미네이트 표면에 단독으로 또는 결합하여 바람직하게 지지된 니켈을 포함할 수 있다.
공정 B 단계는 공정 A 단계로부터 수득된 합성 가스를 약 200℃ 내지 약 600℃, 바람직하게는 약 300℃ 내지 약 500℃, 보다 바람직하게는 약 375℃ 내지 약 425℃로 냉각시켜 다음 단계의 합성 가스 유출물 온도를 최적화시키는 냉각 단계이다. 디자인 설계 및 가스 스트림의 열함량을 회수/순환하려는 필요성에 따라서 열 흡수장치(heat sink), 열 파이프(heat pipe) 또는 열 교환기(heat exchanger)를 사용하여 합성 가스를 냉각시킬 수 있다. B 단계의 한 실시예로는 공급물 스트림 F를 열 교환기 전체를 순환하는 냉각제(coolant)로 사용하고 있는 열 교환기의 사용이 있다. 열 교환기는 덮개(shell) 및 튜브(tube), 평판(plate), 나사선(spiral)등을 포함하여, 당업자에게 알려진 적합한 구성중 어떠한 것도 가능할 수 있다. 대안으로, 또는 부가하여, 냉각 단계 B는 연료, 공기 또는 물과 같은 부가의 공급물 성분을 주입하여 달성될 수 있다. 물이 증기로 증발되면서 대량의 열을 흡수할 수 있는 능력 때문에 물이 바람직하다. 첨가되는 성분의 양은 목적하는 냉각정도에 의존하며, 당업자에 의해 쉽게 결정된다.
공정 C 단계는 정제 단계이다. 탄화수소 스트림중 주요 불순물중 하나는 황이며, 이는 자열 개질 단계 A에 의해 수소 황화물로 전화된다. 공정 C 단계에서 사용되는 프로세싱 코어는 아연 산화물 및/또는 수소 황화물을 흡수하고 전화시킬 수 있는 기타 물질을 포함하는 것이 바람직하고, 지지체(예를 들면, 모놀리스(monolith), 압출물(extrudate), 정제(pellet) 등)를 포함할 수 있다. 탈황화반응은 하기의 반응식 III에 따라서 수소 황화물을 물로 전화시킴으로서 수행된다:
H2S + ZnO → H2O + ZnS(III)
또한, 염화물과 같은 기타의 불순물들도 제거될 수 있다. 상기 반응은 바람직하게는 약 300℃ 내지 약 500℃, 보다 바람직하게는 약 375℃ 내지 약 425℃ 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 아연 산화물은 약 25℃ 내지 약 700℃의 넓은 온도 범위에 걸쳐서 효율적인 수소 황화물 흡착제이고, 운영 온도(operating temperature)를 적당히 선택함으로써 공정 단계의 순서를 최적화하기 위한 큰 유연성을 부여한다.
이후, 유출물 스트림을 혼합 E 단계로 보내며, 혼합 E 단계에서 가스 스트림에 물을 선택적으로 첨가한다. 물을 첨가하면 물에 의한 증발에 의해 반응 스트림의 온도가 감소하며, 공정 E 단계의 물 가스 전환 반응으로 보다 많은 물을 공급하게 한다(하기에 논의됨). 물 증기 및 기타 유출물 스트림 성분들은 효과적으로 혼합하고 및/또는 물의 증기화 반응을 도와주는 세라믹 비드 또는 기타의 유사물질과 같은 불활성 물질로 이루어진 프로세싱 코어를 통과하면서 혼합되어진다. 대안으로, 공급물에 어떠한 부가 물을 주입할 수 있으며, 하기에 개시된 CO 산화 G 단계에서 산화 가스를 보다 원활하게 혼합하기 위하여 혼합단계를 재배치할 수 있다.
공정 E 단계는 반응식 IV에 따라 일산화탄소를 이산화탄소로 전화시키는 물 가스 전환 반응이다:
H2O + CO → H2+ CO2(IV)
일산화탄소가 인체에 매우 높은 독성을 갖고 있을 뿐만 아니라 연료 전지에도 악영향을 미치기 때문에 이와 같은 전환 단계는 중요한 단계이다. 일산화탄소의 농도는 연료전지에서 허용될 수 있는 수준, 일반적으로 50 ppm 이하 정도로 낮게 유지되어지는 것이 바람직하다. 일반적으로, 물 가스 전환반응은 사용된 촉매에 의존하여 150℃ 내지 600℃ 온도에서 일어날 수 있다. 이와 같은 조건하에서, 가스 스트림에 존재하는 대부분의 일산화탄소가 현 단계에서 전화된다.
저온 전환 촉매는 약 150℃ 내지 약 300℃ 온도범위에서 작용하고, 예를 들면, 구리 산화물(copper oxide), 또는 지르코니아(zirconia)와 같은 기타의 전이(transition) 금속 산화물 표면에 지지된 구리, 실리카(silica),알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia) 등과 같은 전이 금속 산화물 또는 내열성 지지체(refractory support) 표면에 지지된 아연(zinc), 또는 실리카, 알루미나, 지르코니아 등과 같은 적당한 지지체 표면에 지지된 백금, 레늄, 팔라듐, 로듐 또는 금과 같은 귀금속을 포함한다.
고온 전환 촉매는 약 300℃ 내지 약 600℃ 범위의 온도에서 운영되는 것이 바람직하고, 산화제이철(ferric oxide), 또는 크롬 산화물(chromic oxide)과 같은 전이 금속 산화물을 포함할 수 있으며, 구리 또는 철 실리사이드(silicide)와 같은 프로모터(promoter)를 선택적으로 포함할 수 있다.
본 단계를 수행하기 위하여 사용된 프로세싱 코어는 앞서 기술된 바와 같은 고온 또는 저온 전환촉매, 또는 고온 및 저온 전환촉매의 조합의 충전층(packed bed)을 포함한다. 공정은 물 가스 전환 반응에 적당한 어떠한 온도, 사용된 촉매의 형태에 의존하여 바람직하게는 150℃ 내지 약 400℃의 온도하에서 수행되어야 한다. 선택적으로, 촉매 충전층 내부의 반응온도를 감소시키기 위하여 냉각 코일과 같은 냉각 소자(element)를 전환 반응기의 프로세싱 코어에 위치시킬 수 있다. 저온에서 일산화탄소를 이산화탄소로 전화시키는 것이 바람직하다. 또한, 정제 공정 C 단계는 고온 및 저온 전환 단계 사이에 탈황화 모듈을 사용하여 고온 및 저온 전환에 대한 독립적인 단계를 제공함으로써 고 전환 및 저 전환 전화(shift conversion) 사이에서 수행될 수 있다.
공정 F 단계는 열 교환기에 의한 한 실시예에서 수행되는 냉각 단계이다. 상기 열 교환기는 덮게(shell) 및 튜브(tube), 평판(plate), 나사선(spiral) 등을 포함하는 어떠한 적합한 구조물일 수 있다. 대안으로, 열 파이프(heat pipe) 또는 다른 형태의 열 흡수장치(heat sink)를 사용할 수 있다. 열 교환기의 목적은 가스 스트림의 온도를 감소시켜 약 90℃ 내지 약 150℃의 바람직한 온도 범위를 갖는 유출물을 생성시키는 것이다.
산소를 상기 공정 F 단계에 첨가한다. 하기에 기술된 공정 G 단계의 반응에서 상기 산소가 소비된다. 산소는 공기, 부화(enriched) 공기, 또는 실질적으로 순수한 산소 형태일 수 있다. 열 교환기는 디자인을 통하여 공기와 고수소 가스와의 혼합을 제공할 수 있다. 대안으로, 공정 D 단계의 실시예를 혼합과정을 수행하기 위하여 사용될 수 있다.
공정 G 단계는 유출물 스트림에 존재하는 거의 모든 잔존 일산화탄소가 이산화탄소로 전화되는 산화 단계이다. 일산화탄소를 산화시키는 촉매 존재하에 공정이 수행되며, 정제(pellet), 구형(sphere), 모놀리스(monolith) 등과 같은 어떠한 적합한 형태도 될 수 있다.
일산화탄소에 대한 산화촉매는 알려져 있으며, 일반적으로 귀금속(예를 들면, 백금, 팔라듐) 및/또는 전이금속(예를 들면, 철, 크롬, 망간), 및/또는 귀금속 또는 전이금속 화합물, 특히 산화물을 포함한다. 바람직한 산화 촉매는 알루미나 워시코트 표면에 지지된 백금이다. 워시코트는 모놀리스(monolith), 압출물(extrudate), 정제(pellet) 또는 기타 지지체에 적용될 수 있다. 세리움(cerium) 또는 란타눔(lanthanum)과 같은 부가 물질들도 성능향상을 위해 첨가될 수 있다. 로듐 또는 알루미나 촉매들로부터 우수한 성능을 주장하는 일부 연구자들의 문헌에 이외의 많은 조성들이 인용되어 있다. 루테늄, 팔라듐, 금 및 기타 물질들도 이와 같은 용도에 활성이 있는 것으로 문헌에 인용되어 있다.
공정 G 단계에서 두 가지 반응이 발생된다: 바람직한 일산화탄소의 산화반응(반응식 V) 및 바람직하지 않은 수소의 산화반응(반응식 VI)은 하기와 같다:
CO + 1/2O2→ CO2(V)
H2+ 1/2O2→ H2O(VI)
일산화탄소의 산화반응은 저온에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 두 가지 반응은 열을 발생하기 때문에 공정 내부에 배치된 냉각 코일과 같은 냉각 소자를 선택적으로 포함하는 것이 유리하다. 공정의 운영 온도는 약 90℃ 내지 약 150℃ 온도범위에서 유지되는 것이 바람직하다. 공정 G 단계는 일산화탄소 수준을 50 ppm 이하로 감소시키는 것이 바람직하며, 이와 같은 일산화탄소 수준은 연료전지에 사용하기에 적합한 수준이지만, 당업자는 보다 높거나 낮은 수준의 일산화탄소를 함유한 고수소 생성물을 제조하기 위하여 본 발명을 변형할 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
연료 처리장치에서 배출되는 유출물은 일산화탄소 및 물, 불활성 성분(예를 들면, 질소, 아르곤), 잔존 탄화수소 등으로 존재할 수 있는 기타의 구성 성분들을 포함한 고수소 가스이다. 생성된 가스는 연료전지의 공급원료로 사용되거나, 고수소 공급원료 스트림이 바람직한 기타의 용도에 사용되는 공급원료로 사용될 수 있다. 선택적으로, 생성 가스는, 예를 들면, 이산화탄소, 물 또는 기타 성분들을 제거하기 위하여, 추가의 공정으로 이송될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 연료 처리장치(20)의 단면도를 도시하고 있다. 연료 또는 대안으로 연료/산소 또는 대안으로 연료/산소/물 혼합물(200)을 코일 튜빙 열 교환기(202)의 흡입 말단으로 주입시키는 것은 당업자는 이해하고 인식할 수 있다. 상기 열 교환기는 연료 처리장치 내부에 위치하여, 연료 처리장치의 길이를 실질적으로 연장시킨다. 상기 열 교환기는 연료를 예열시킬 뿐만 아니라 다양한 반응 영역의 온도를 냉각/조절한다. 다수의 요인들이 연료 흐름 속도, 연료 열 성능, 어떠한 특정 반응 영역에 존재하는 코일의 수, 코일을 제조하기 위해 사용되는 튜빙(tubing)의 지름, 코일상의 지느러미(fin)의 존재 또는 부재 등을 포함한 열 전달 공정에 영향을 미친다는 것은 당업자는 이해할 수 있다. 그러나, 이와 같은 열 전달에 관한 고찰은 정해진 계산 및 실험법을 통하여 최적화될 수 있다. 예열된 연료는 열 교환기로부터 반응기 공급 튜브(204)에 의해 일차 반응 영역(208)으로 발송된다. 반응기 공급 튜브는 일차 반응 영역(208)으로 주입되기 이전에 연료 혼합물의 상태를 조절하고 최적화시키기 위하여 흐름 제어 장치 및 이와 유사장치를 포함할 수 있다. 이와 같은 실시예에서 일차 반응 영역(208)은 자열 개질 반응 촉매로 충진된다. 이와 같은 촉매는 펠릿(pellet)형이거나 또는 모놀리스(monolith)상에 지지될 수 있다. 일부의 경우에 있어서, 전체 일차 반응 영역에 연료를 균일하게 분포시키기 위하여 분포 평판(distribution plate)(206)이 요구될 수 있다. 또한, 연료 처리장치의 시동시 선택적으로 전기 예열기(미도시)를 사용할수 있다. 상기 연료가 일차 반응 영역에서 반응하여 고수소 가스를 생성한 후, 고수소 가스에 대한 압력으로 인하여 가스의 자연적 흐름이 이차 반응 영역(210)으로 유동된다. 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이차 반응 영역은 탈황화 촉매, 바람직하게는 아연산화물로 충진된다. 아연산화물과 같은 탈황화 촉매상으로 고수소 가스를 통과시키면, 고수소 가스 스트림에 존재하는 황함유 화합물의 농도를 실질적으로 감소시킨다. 이후, 탈황화 처리된 고수소 가스를 삼차 반응 영역(212)으로 전달한다. 본 실시예의 삼차 반응 영역은 물-가스 전환 반응기 촉매 또는 앞서 언급된 촉매의 혼합물로 충진된다. 이와 같은 촉매상에 고수소 가스를 통과시키면, 수소함량을 추가로 증가시키고 일산화탄소 농도를 감소시킨다. 이후, 고수소 가스를 우선적 산화 촉매를 포함하고 있는 사차 반응 영역(214)으로 전달한다. 이와 같은 촉매는 앞서 언급한 바와 같이 일산화탄소 농도를 바람직하게는 50 ppm 이하로 감소시킬 것이다. 일부의 경우에 있어서, 공기 또는 또 다른 적당한 산소원을 상기 사차 반응 영역으로 주입할 수 있으며, 이로서 우선적 산화 반응이 최적화된다. 이는 부분 산화 촉매 층(bed)으로 삽입된 단순 가스 주입 튜브(미도시)와 같은 잘 알려진 수단을 사용하여 달성될 수 있다. 바람직한 일 구현예에 있어서, 다공성 튜브를 우선적 산화 반응 영역 디자인의 설계에 실질적으로 포함시킬 수 있으며, 주입 산소가 균일하게 분포되도록 다공성 튜브를 설계한다. 최종 생성물이 고수소 가스(216)이다. 또한, 바람직한 일 실시예에 있어서, 유리 솜(glass wool), 세라믹 솜(ceramic wool), 암면(rock wool), 또는 기타 유사한 불활성 물질과 같은 불활성이지만 다공성이고 신축성이 있는 물질이 반응 영역 전이 지역(reaction zonetransition regions)(218)에서 사용될 수 있다는 것을 주지하여야 한다. 이와 같은 물질은 다양한 촉매들로 반응기를 충진하는데 도움을 주며, 수송과정중 촉매들이 우연하게 혼합되는 것을 방지하며, 각각의 상이한 반응 영역간의 큐션 또는 완충 영역을 제공한다. 고수소 가스는 연료전지에 사용하는 것이 바람직하며, 또한 저장될 수 있거나, 당업자에게 자명한 기타의 공정에 사용될 수 있다.
당업자라면, 상기 도 2의 기술내용을 검토한 후, 각각의 모듈이 별도의 작용 기능을 수행한다는 것을 이해하고 인지할 수 있다. 공급물 스트림 F(200)는 흡입 파이프(미도시)를 통하여 주입되고, 생성물 가스 P(216)는 배출 파이프(미도시)를 통하여 배출된다. 반응 영역(208)은 도 1의 공정 A 단계에 해당하는 자열 개질 반응 영역이다. 전기 가열기(미도시)는 열 시동을 위하여 반응기의 흡입 바닥에 설치될 수 있다. 반응 영역(210)은 도 1의 공정 C 단계에 해당하는 정제 반응 영역이다. 반응 영역(212)은 도 1의 공정 E 단계에 해당하는 물 가스 전환 반응 영역이다. 도 1의 공정 F 단계에 해당하는 냉각 단계는 열 교환기(202)에 의해 수행된다. 반응 영역(214)은 도 1의 공정 G 단계에 해당하는 산화 단계이다. 공기 원(source)(미도시)은 반응 영역(214)의 산화 반응(반응식 V)을 위해 공정 가스에 산소 원(source)을 제공한다. 또한, 반응 영역(214)은 촉매층 내부 또는 주위에 위치한 열 교환기(202)를 포함함으로써 희망하는 산화 반응 온도를 유지한다. 당업자라면, 이와 같은 실시예에 기술된 공정의 배치가 공급원료의 품질 및 요구되는 생성물 품질등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 많은 요인들에 따라 변형될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
도 3을 고찰하면, 연료 처리장치 반응 챔버(40)가 단면도로 도시된 본 발명의 제 2 실시예가 도해되어 있다. 당업자라면, 연료, 또는 대안으로 연료/산소, 또는 대안으로 연료/산소/물 혼합물(300)이 일차 코일 튜빙(coiled tubing) 열 교환기(302)의 흡입 말단으로 주입된다는 것을 이해하고 인식할 수 있다. 바람직하게는, 각각의 열 교환기(302, 304, 및 306)는 서로 유체(fluid) 연통된다. 각각의 열 교환기는 연료 처리장치 내부에 위치하여, 열 교환기가 특정 반응 영역의 길이를 실질적으로 연장시킨다. 열 교환기는 다양한 반응 영역의 온도를 냉각시키고/조절할 뿐만 아니라 연료를 예열한다. 당업자라면, 연료 흐름 속도, 연료 열 용량, 어떠한 특정 반응 영역에 존재하는 코일 수, 코일을 제조하는데 사용되는 튜빙의 지름 코일상의 지느러미(fin)의 존재 또는 부재 등을 포함하는 많은 수의 요인들이 열 전달 공정에 영향을 미친다는 사실을 이해할 수 있다. 그러나, 이와 같은 열 전달에 대한 고찰은 정해진 계산 및 실험법을 통하여 최적화될 수 있다. 예열된 연료는 열 교환기로부터 반응기 공급 튜브(308)에 의해 일차 반응 영역(312)으로 발송된다. 반응기 공급 튜브는 일차 반응 영역(312)으로 주입되기 이전에 연료 혼합물의 상태를 조절하고 최적화시키기 위하여 흐름 제어 장치 및 이와 유사장치를 포함할 수 있다. 이와 같은 실시예에서, 일차 반응 영역(312)은 자열 개질 반응 촉매로 충진된다. 이와 같은 촉매는 펠릿(pellet)형이거나 또는 모놀리스(monolith)상에 지지될 수 있다. 일부의 경우에 있어서, 전체 일차 반응 영역에 연료를 균일하게 분포시키기 위하여 분포 평판(distribution plate)(310)이 요구될 수 있다. 또한, 연료 처리장치의 시동시 선택적으로 전기 예열기(미도시)를사용할 수 있다. 상기 연료가 일차 반응 영역에서 반응하여 고수소 가스를 생성한 후, 압력으로 인하여 가스의 자연적 흐름이 일차 지지 평판(314)을 지나쳐 흘러 이차 반응 영역(316)으로 유동된다. 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이차 반응 영역은 탈황화 촉매, 바람직하게는 아연산화물로 충진된다. 아연산화물과 같은 탈황화 촉매상으로 고수소 가스를 통과시키면, 고수소 가스 스트림에 존재하는 황함유 화합물의 농도를 실질적으로 감소시킨다. 상기 이차 반응 영역의 온도는 삼차 열 교환기(304)에 의해 적어도 부분적으로 조절된다. 이후, 탈황화 처리된 고수소 가스를 이차 지지 평판(318)을 통과하여 삼차 반응 영역(320)으로 전달한다. 본 실시예의 삼차 반응 영역은 물-가스 전환 반응기 촉매 또는 앞서 언급된 촉매의 혼합물로 충진된다. 이와 같은 촉매상에 고수소 가스를 통과시키면, 수소함량을 추가로 증가시키고 일산화탄소 농도를 감소시킨다. 상기 삼차 반응 영역의 온도는 상기 이차 열 교환기(304)에 의해 적어도 부분적으로 조절된다. 이후, 고수소 가스를 삼차 지지 평판(322)을 통과시켜 우선적 산화 촉매를 포함하고 있는 사차 반응 영역(324)으로 전달한다. 이와 같은 촉매는 앞서 언급한 바와 같이 일산화탄소 농도를 바람직하게는 50 ppm 이하로 감소시킬 것이다. 일부의 경우에 있어서, 공기 또는 또 다른 적당한 산소원을 상기 사차 반응 영역으로 주입할 수 있으며, 이로서 우선적 산화 반응이 최적화된다. 이는 부분 산화 촉매층(bed)으로 삽입된 단순 가스 주입 튜브(미도시)와 같은 잘 알려진 수단을 사용하여 달성될 수 있다. 바람직한 일 구현예에 있어서, 다공성 튜브를 우선적 산화 반응 영역 디자인의 설계에 실질적으로 포함시킬 수 있으며, 주입 산소가 균일하게 분포되도록 다공성 튜브를 설계한다. 이와 같은 사차 반응 영역의 온도는 상기 일차 열 교환기(302)에 의해 적어도 부분적으로 조절된다. 최종 생성물이 고수소 가스(216)이다. 이와 같은 지지 평판은 반응 영역 전이 지역(transition region)에서 사용되는 반응기 물질의 조건하에 비교적 비반응적인 경화물(rigid)이 바람직하다. 이와 같은 물질은 다양한 촉매들로 반응기를 충진하는데 도움을 주며, 수송과정중 촉매들이 우연하게 혼합되는 것을 방지하며, 각각의 상이한 반응 영역간의 큐션 또는 완충 영역을 제공한다. 고수소 가스는 연료전지에 사용하는 것이 바람직하며, 또한 저장될 수 있거나, 당업자에게 자명한 기타의 공정에 사용될 수 있다.
당업자라면, 상기 도 3의 기술내용을 검토한 후, 각각의 모듈이 별도의 작용 기능을 수행한다는 것을 이해하고 인지할 수 있다. 공급물 스트림 F(300)는 흡입 파이프(미도시)를 통하여 주입되고, 생성물 가스 P(326)는 배출 파이프(미도시)를 통하여 배출된다. 반응 영역(312)은 도 1의 공정 A 단계에 해당하는 자열 개질 반응 영역이다. 전기 가열기(미도시)는 열 시동을 위하여 반응기의 흡입 바닥에 선택적으로 설치된다. 반응 영역(316)은 도 1의 공정 C 단계에 해당하는 정제 반응 영역이다. 반응 영역(320)은 도 1의 공정 E 단계에 해당하는 물 가스 전환 반응 영역이다. 도 1의 공정 F 단계에 해당하는 냉각 단계는 열 교환기(304)에 의해 수행된다. 반응 영역(324)은 도 1의 공정 G 단계에 해당하는 산화 단계이다. 공기 원(source)(미도시)은 반응 영역(324)의 산화 반응(반응식 V)을 위해 공정 가스에 산소 원(source)을 제공한다. 또한, 반응 영역(324)은 촉매층 내부 또는 주위에 위치한 열 교환기(320)를 포함함으로써 희망하는 산화 반응 온도를 유지한다. 당업자라면, 이와 같은 실시예에 기술된 공정의 배치가 공급원료의 품질 및 요구되는 생성물 품질등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 많은 요인들에 따라 변형될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
상기 기술된 내용에 관하여, 당업자라면, 본 발명이 설계 기준에 따라 많은 수의 가능한 실시예를 포함한다는 것을 이해하고 인식할 수 있다. 이와 같은 실시예중 하나의 실시예는 탄화수소 원료 공급물을 고수소 가스로 전화하는 콤팩트 연료 처리장치를 포함하되, 연료 처리장치 어셈블리가 흡입 말단 및 배출 말단을 보유하고, 복수의 촉매들이 연속적으로 적재되어 일련의 반응 영역을 형성하는 실린더; 및 흡입 말단 및 배출 말단을 보유하고, 상기 실린더의 길이방향으로 관통하여 내부에 위치함으로써 열을 제공하거나 특정 반응 영역에 의해 요구되는 만큼의 열을 제거하는 열 교환기를 포함한다. 이와 같은 실시예 내에서, 복수의 촉매들은 자열 개질 촉매, 탈황 촉매, 물 가스 전환 촉매, 우선적 산화 촉매 및 이들의 혼합물 및 조합물 및 유사 촉매들을 포함한다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 열 교환기는 자열 개질 촉매 내부에 위치하지 않는다. 실시예에 기술된 연료 처리장치에서 사용되는 탄화수소 원료 공급물은, 바람직하게는, 실린더에 주입되기 이전에 열 교환기에 통과되거나, 대안으로, 자열 개질 반응 영역으로부터 작용 상류 위치에 배치된 연료 예열장치에 의해 예열된다. 다양한 탄화수소 연료들이 사용될 수 있지만, 일 실시예에 있어서, 탄화수소 원료는 천연가스, 가솔린, 디젤, 연료 오일(fuel oil), 프로판, 액화 석유(liquefied petroleum), 메탄올, 에탄올 또는 기타 유사하고 적당한 탄화수소 및 이들의 혼합물에서 선택된다. 일 실시예에 있어서, 실린더가 상부에 위치한 실린더의 배출 말단과 실질적으로 수직으로 배향되고, 흡입 말단으로부터 배출 말단방향으로 일반적으로 상향된 반응물 흐름과도 실질적으로 수직으로 배향되는 것이 바람직하다.
당업자라면, 또 다른 본 발명의 실시예가 탄화수소 원료 공급물을 고수소 가스로 전화시키는 콤팩트 연료 처리장치를 포함하되, 연료 처리장치가 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내부의 미리 한정되고, 각각이 반응영역 내부에서 발생하는 화학반응에 의해 특징지워지는 복수의 반응 영역; 및 흡입 말단 및 배출 말단을 보유하고, 상기 반응 챔버 내부에 적어도 부분적으로 위치되는 열 교환기로 구성되어 있다는 것을 이해하고 인식할 수 있다. 이와 같은 실시예에 있어서, 일차 반응 영역은 자열 개질촉매를 포함하고, 이차 반응 영역은 탈황 촉매를 포함하고, 삼차 반응 영역은 물 가스 전환 촉매를 포함하고, 및 반응 영역 모듈은 우선적 산화 촉매를 포함한다. 이와 같은 실시예를 고찰할 경우, 열 교환기가 상기 일차 반응 영역 내부에 실질적으로 위치하지 않는 다는 것이 예상된다. 일 실시예에 대한 탄화수소 원료 공급물은 반응 챔버로 주입되기 이전에 열 교환기에 통과되어 예열된다. 대안적으로, 탄화수소 원료 공급물, 공기 및 물의 혼합물은 일차 반응 영역으로 주입되기 이전에 열 교환기에 통과되어 예열된다. 다양한 종류의 탄화수소 원료들이 사용될 수 있지만, 일 실시예에 있어서 탄화수소 원료는 천연가스, 가솔린, 디젤, 원료 오일, 프로판, 액화 석유, 메탄올, 에탄올 또는 기타 유사 및 적당한 탄화수소 및 이들의 혼합물에서 선택된다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 열 교환기의 흡입 말단은 사차 반응 영역에 위치하고, 배출 말단은 이차 반응 영역에 위치한다.
당업자라면, 각각의 반응 영역이 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 이와 같은 일 실시예에 있어서, 촉매들은 자열 개질 촉매, 탈황 촉매, 물 가스 전환 촉매, 우선적 산화 촉매 및 이들의 혼합물 및 조합물 및 유사 촉매들에서 선택된다. 하나 이상의 촉매를 포함하는 어떠한 특정 반응 영역은 인접한 반응 영역을 지지하는 투과성 평판에 의하여 인접 반응 영역으로부터 분리될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 평판은 구멍난 평판(perforated metal), 금속 체(metal screen), 금속 그물(metal mesh), 소결성 금속(sintered metal), 다공성 세라믹(porous ceramic), 또는 이들 물질들의 조합물 및 유사 물질에서 선택된다. 상기 평판이 적어도 부분적으로 인코넬(inconel), 탄소강(carbon steel) 및 스테인레스강(stainless steel)으로 구성되는 것이 이와 같은 실시예내에서 바람직하다.
본 발명의 장치, 조성물 및 방법들이 바람직하거나 설명적인 실시예들을 통하여 기술되었지만, 다양한 변형을 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 명세서에 기술된 방법에 적용할 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 이와 같이 당업자에게 자명한 유사 치환체 및 변형들 모두는 하기의 청구범위에 기술된 바와 같은 본 발명의 범위와 사상의 범주에 포함된다.

Claims (17)

  1. 흡입 말단 및 배출 말단을 보유하고, 복수의 촉매들이 연속적으로 적재되어 일련의 반응 영역을 형성하는 실린더; 및
    흡입 말단 및 배출 말단을 보유하고, 실린더의 길이방향으로 내부에 위치되어 열을 제공하거나 특정 반응 영역에 의해 요구되는 만큼의 열을 제거하는 열 교환기
    를 포함하는 탄화수소 원료 공급물을 고수소 가스로 전화시키는 콤팩트 연료 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 촉매들이 자열 개질 촉매, 탈황 촉매, 물 가스 전환 촉매 및 우선적 산화 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 열 교환기가 자열 개질 촉매 내부에 위치되지 않는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 탄화수소 원료 공급물이 실린더로 주입되기 이전에 열 교환기에 통과되어 예열되는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 탄화수소가 천연가스, 가솔린, 디젤, 연료 오일(fuel oil), 프로판, 액화 석유(liquefied petroleum), 메탄올, 에탄올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 열 교환기의 흡입 말단이 실린더의 배출 말단에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 실린더가 상부에 위치한 실린더의 배출 말단과 실질적으로 수직으로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  8. 반응 챔버;
    상기 반응 챔버 내부에서 미리 한정되고, 각 반응 영역이 반응 영역 내부에서 발생되는 화학 반응에 의해 특징지워지는 복수의 반응 영역; 및
    흡입 말단 및 배출 말단을 보유하고, 상기 반응 챔버 내부에 위치한 열 교환기
    를 포함하는 탄화수소 원료 공급물을 고수소 가스로 전화시키는 콤팩트 연료 처리장치.
  9. 제 8항에 있어서, 일차 반응 영역이 자열 개질 촉매를 포함하고, 이차 반응 영역이 탈황 촉매를 포함하고, 삼차 반응 영역이 물 가스 전환 촉매를 포함하고,및 반응 영역 모듈이 우선적 산화 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 열 교환기가 상기 일차 반응 영역 내부에 위치하지 않는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 탄화수소 연료 공급물이 반응 챔버로 주입되기 이전에 열 교환기에 통과되어 예열되는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  12. 제 8항에 있어서, 탄화수소 원료 공급물, 공기 및 물의 혼합물이 상기 일차 반응 영역으로 주입되기 이전에 열 교환기에 통과되어 예열되는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 열 교환기의 흡입 말단이 상기 사차 반응 영역에 위치하고, 배출 말단이 상기 이차 반응 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  14. 제 8항에 있어서, 복수의 반응 영역의 각 반응 영역이 자열 개질 촉매, 탈황 촉매, 물 가스 전환 촉매 및 우선적 산화 촉매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  15. 제 14항에 있어서, 하나 이상의 촉매를 포함하는 반응 영역이 인접 반응 영역으로부터 분리되고, 투과성 평판에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 평판이 구멍난 평판(perforated metal), 금속 체(metal screen), 금속 그물(metal mesh), 소결성 금속(sintered metal) 및 다공성 세라믹(porous ceramic)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 평판이 인코넬(inconel), 탄소강(carbon steel) 및 스테인레스강(stainless steel)으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 제조된 것을 특징으로 하는 콤팩트 연료 처리장치.
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