KR20040085623A

KR20040085623A - 수소제조를 위한 메탄올 자열개질장치

Info

Publication number: KR20040085623A
Application number: KR1020030020381A
Authority: KR
Inventors: 김동현
Original assignee: 김동현
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2004-10-08
Also published as: KR100498159B1

Abstract

본 발명은 연료 전지 자동차등에 메탄올 부분산화와 수증기 개질을 이용하여 외부가열없이 수소를 생성하는 메탄올 자열개질 반응기에 관한것으로서, 기존에 고질적으로 나타나는 핫스팟 (Hot spot)현상을 제거하여 반응기(10)에 사용하는 촉매(30)의 수명을 대폭 연장시키고 이로인해 반응기를 장기적으로 사용할수 있다. 상기 핫스팟(Hot spot)현상을 제거 하기위하여,자열 개질 반응기의 내부는 가느다란 반응관(20)이 다발로 뚫어져 있으며,각 반응관은 원통형 또는 벌집형상으로 촉매입자(30)로 충진되거나 반응관 벽면(21)에 촉매입자를 고정할수 있는 구조로 되어 있다. 또한,반응기(10)의 재질로 표면처리 또는 보호피막이 형성 되어있는 구리 또는 알루미늄등의 열전도도가 우수한 재질을 사용하여 반응기의 열전도율을 향상 시켰으며,메탄올 부분 산화에서 발생하는 열을 상기 구조의 반응관 벽면(21)을 통하여 전도시킴으로서 수증기개질에 필요한 열을 원활히 공급함은 물론, 열전도로 인하여 부분산화영역에서 반응층온도가 촉매(30) 내열온도 이상으로 상승하는것을 방지하고, 반응층 온도를 촉매(30) 내열온도 범위인 200。C-300。C 이하로 유지시켜, 기존의 문제점인 핫스팟(Hot spot)현상을 제거하여 연료의 효율적개질 및 반응기의 수명을 장기화 할수있는 대단히 유익한 발명이다.

Description

수소제조를 위한 메탄올 자열개질장치 {Methanol autothermal reformer for hydrogen production}

내연기관을 대체하면서 에너지효율이 우수한 자동차로 연료전지를 이용한 자동차가 세계적으로 활발히 연구,개발되고 있다. 상기 연료전지를 이용한 자동차는 수소를 원료로 사용하는바, 수소는 상온에서는 가스상태로 자동차에 대량으로 저장하여 보관하기 어려우므로 통상의 액체연료를 이용하여 수소를 생성하는 차량탑재용 개질기가 활발히 개발되고 있다.

시중에 상기목적이 아닌,자동차의 배기가스 배출용으로 사용되는 세라믹 및금속 재질의 하니콤 반응기가 있으나, 세라믹 하니콤은 높은 내열온도를 갖는 코디어 라이트를 주로 사용하며,금속하니콤은주로 내열성이 우수한 철크롬합금(FeCr alloy)을 주로 사용한다. 세라믹하니콤은 반응기의 총단면적에서 개구면이 차지하는 비율은 70%내외이며,이에반해 금속하니콤은 총단면적에서 개구면이 차지하는 비율이 90%내외로서 벽면을 세라믹 하니콤에 비하여 얇게 제작할수 있어 상대적으로 많은 유량을 처리할수가 있어 자동차의 배기가스 정화용으로 널리 사용되고 있다.

이 금속하니콤은 세라믹 하니콤에 비해 상대적으로 우수한 열전도를 나타내나 내열성을 증가시키기 위하여 상기와같은 합금을 사용하므로 구리등에 비해 열전도도는 매우 낮다. 본발명과같이 메탄올등의 반응물을 이용,다량의 수소를 제조하는 공정에 있어서 반응기의 열전도를 통하여 반응물을 촉매운전 범위내로 유지시킴으로서,촉매의 설계수명대로 반응기의 수명을 장기화 및 다량의 수소를 제조할수있는 자열 개질 반응기는 현재 개발되어 있지 않다. 수소생성에 사용하는 액체연료로는 메탄올을 이용하는 공정과 가솔린등의 기타 액체연료를 이용하는 공정으로 크게 두가지로 나누어진다.

이하, 메탄올과 수증기를 이용하여 수소를 생성하는 공정에 대한 현황 및 문제점을 각각의 화학식으로 표현 및 설명키로 한다.

상기 반응은 메탄올과 수증기를 이용하여 메탄올 1몰당 3몰의 수소를 생성하며 메탄올 1몰당 14 kcal의 열량이 필요한 흡열반응이다.

적정반응온도는 섭씨 200-300 도이며 촉매는 통상의 구리계 촉매를 사용한다.

상기 반응은 메탄올 부분산화에 의한 수소생성 공정으로 메탄올 1몰당 수소 2몰을 생성하며 메탄올 1몰 반응에 약 44 kcal의 열을 발생한다. 본 발열반응과 화학식1의 메탄올 수증기개질반응을 적절히 조합하면 전체적으로 열이 발생하거나 외부가열이 필요하지 않는 반응계를 구성할 수 있다.

상기와 같은 반응계를 메탄올 자열개질반응 (methanol autothermal reforming)이라 한다. 상기 자열개질반응은 반응에서 발생한 열을 바로 그 자리에서 소비할 수 있기 때문에 외부가열장치 또는 냉각장치가 필요없으므로, 기존의 개질 반응기에 비해 간단하며 개질반응기의 부피 또한 작다.

1998년 Johnson Matthey사가 개발한 핫스팟(HotSpot) 메탄올개질기는 자열개질반응을 이용하고 있으며 반응기 부피 245 ml 인 단위모듈당 750 리터 수소를 매시간 생산한다고 보고되어 있다. 그러나 지금까지도 본격적으로 시판되고 있지 않으며 그 이유는 다음에서 설명하는 문제점들로 인한 것으로 추정된다.

자열개질 반응에서는 화학식 1과 화학식 2 의 반응이 동시에 진행된다. 반응기 전체로는 화학식 3과 같이 진행되나, 반응기 내부에서는 각 반응의 서로간의 진행 속도가 상이하므로 발열 또는 흡열이 일어나게 된다. 주입산소가 존재하는 반응기전단부에서 화학식 2에 나타난 부분산화반응이 빠르게 진행되는 반면 화학식 1로 표현된 수증기 개질반응은 반응기 전체에 걸쳐 진행되게 된다. 따라서 반응열이 크게 발생하는 부분산화반응으로 인해 반응기 전단부의 온도가 크게 상승하고 반응기 후반부로 갈수록 흡열반응에 의해서 반응온도가 낮아지게 된다. Johnson Matthey개질반응기는 핫스팟(Hot spot)반응기로 명명되어 있으며 이는 반응기내부에 고온의 열점이 있다는 것을 가리키고, 적어도 섭씨 400도에서 운전된다고 보고되어 있다.

또한 직경 5cm인 단열반응기를 사용한 자열개질 실험에서도 반응층 입구의 온도가 급격히 증가하여 섭씨 400도 이상의 핫 스팟( hot spot)이 발생한다고 보고 되어 있다.

화학식 1 및 2 에서 우수한 활성을 나타내는 촉매는 구리가 주활성 성분으로 구성된 촉매이다. 우수한 구리계 상용촉매들은 다수 개발되어 있으며 이들 촉매 대부분은 섭씨 300도 이상에서 활성성분인 미세 구리입자들이 소결되어 촉매의 활성이 저하된다고 보고되어 있다. 최신 촉매인 Synetix 33-5(CuO/ZnO/AL₂O₃/MgO로구성된 최신상업촉매의 상품명임)촉매는 운전온도 범위가 200 - 320 도 로 제한되어 있다. 따라서 320도 이상에 달하는 열점에 위치하는 촉매는 급격히 촉매활성이 저하되고 이에 따라 열점이 이동하여 결국 반응기내 촉매들을 망가트리게 된다.

상기에서 언급한 Johnson Matthey사가 개발한 자열개질반응기는 상업용 촉매와는 달리 크롬을 첨가한 구리계촉매를 사용하여 촉매의 내열온도를 다소 상승시키기는 했으나 구리계 촉매로서는 대단히 높은 온도인 섭씨 400도에서 지속적으로 운전되므로 그 수명이 대단히 짧아서 실용성이 없는 문제점이 있다.

또한 이와는 별도로, 고온의 열점에서는 다음의 메탄올 분해반응이 빠르게 진행되어 많은 량의 일산화탄소가 발생하는 문제점도 있었다.

일산화탄소는 연료전지의 성능을 크게 저하시키므로 반드시 제거하여야 한다.

대량으로 존재하는 경우 수성가스 전화반응을 이용하여 그 함량을 줄이고, 1% 또는 그 이하이면 통상 일산화탄소의 선택적 산화반응을 이용하여 제거한다.

설령, 내열온도 400 도 이상을 나타내는 우수한 촉매가 개발된다 하더라도 생성되는 다량의 일산화탄소로 말미암아 수성가스 전화반응 공정을 추가해야 하거나 선택적 산화반응공정의 부하를 증가 시켜야 한다.

Johnson Matthey사가 개발한 핫 스팟(Hot spot)자열개질 반응기 역시 통상의 수증기 개질보다 2-3배 많은 일산화탄소를 새성한다고 보고하였다.

결론적으로,상기와같이 우수한 장점이 있는 메탄올 자열개질에 의한 수소생성은

반응기내에서 발생하는 핫 스팟(Hot spot)으로 인해 상용화되지 못하는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점인 반응기내에서 발생하는 핫 스팟(Hot spot 이하,열점이라칭한다)을 완벽히 제거하는 새로운 형태의 반응기에 관한 것으로, 본 발명은 상기 문제점인 열점을 제거할 뿐 아니라,메탄올 자열개질 반응기를 사용시 반응온도를 촉매가 안정적으로 작동하는 온도 범위 내로 유지시킴으로서 일산화탄소의 발생을 최소화하고, 촉매의 수명을 통상의 설계수명인 3-5년까지 연장가능하게 함으로서 반응기의 수명을 촉매의 설계수명까지 장기사용이 가능하게 하는 반응기의제공 및 자열개질에 의한 수소생성을 최대화하여 효율성을 향상시키는데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명에 의한 메탄올 자열개질반응기의 사용상태상의 참고사시도및 부분확대도

도2는 본 발명에 의한 메탄올 자열개질 반응기의 사용상태상의 열전도를 도시한 단면도

도3은 본 발명에 의한 메탄올 자열개질 반응기의 다른사용상태상의 열전도를 도시한 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 반응기 11 반응기입구

12 반응기출구 13 구리블록

20 반응관 21 반응관벽면

22 반응관전단부 23 반응관후단부

24 금속 30 촉매

31 반응원료 32 반응혼합물

33 생성물

상술한 기술적 과제를 달성하고자, 본발명은 반응기 전단부에서 발생하는 열의 일부를 반응기 구조를 통한 열전도로 반응물 흐름에 의한 열전달 비중을 줄임으로서, 반응층의 온도를 촉매내열온도 범위내로 유지시키는데 있다.또한 촉매 내열온도 이상으로 예열된 반응원료는 반응기 입구에서 반응기 구조를 통한 열전도를 이용하여 촉매 내열온도 이내로 낮추어주는 효과를 가져온다.

이하,첨부 도면을 참고로 본 발명을 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 의한 메탄올 자열개질 반응기의 사용상태상의 참고사시도및 부분확대도이고, 도2는 본 발명에 의한 메탄올 자열개질 반응기의 사용상태상의 열전도를 도시한 단면도이며, 도3은 본 발명에 의한 메탄올 자열개질 반응기의 다른 사용상태상의 열전도를 도시한 단면도이다.

본 발명에서 제시하는 반응기는 도 1 에 나타난 형태로 반응기(10)내에 가느다란 반응관 (20)이 다발로 뚫어져 있으며 각 반응관은 촉매입자(30)로 충진되거나 또는 반응관 벽면(21)에 촉매입자가 고정되어 있다.

각 반응관(20)은 원통형 또는 벌집모양 또는 여러 다른 모양으로 만들어질 수 있으며, 각 반응관(20)은 단면적이 1 cm2 이하가 바람직하다. 각 반응관(20)의 단면적이 작으면 반응기(10) 축방향으로는 온도변화는 있을 수 있으나 반응관(20) 내부의 온도와 반응기 벽면(21)의 온도차는 작아지며 따라서,반응기벽면(21)의 온도는 반응관(20) 내부온도와 유사하거나 같게 된다.

반응기(10)의 재질로는 열전도성이 우수한 금속 물질인 표면처리 또는 보호피막을 형성한 구리 또는 알루미늄 등을 사용하며, 메탄올 자열개질반응이 반응기내에서 진행되면 각 반응관(20)의 전단부(22)에서 메탄올 부분산화 또는 메탄올 산화반응에 의해 열이 발생하게 되는데, 이 열의 일부를 반응관 벽(21)을 통해 전도시켜 반응혼합물(32)의 과도한 온도 상승을 억제함과 동시에 반응관 후단부(23)로 열을 공급하게 된다.

본 반응기구조와 운전에 대한 해석에서 중요한 하나의 인자가 다음과 같이 정의된다.

B = (Aw kw)/( A G Cp)

여기서 Aw 는 반응관벽들의 단면적 (cross sectional area)이고, A는반응기 개구면의 반응관들의 단면적이며, kw는 반응관벽물질의 열전도도이고, G는 반응관 단면적 단위면적 당 질량흐름속도 이며, Cp는 반응혼합물 단위질량 당 비열이다.

여기에 정의된 B는 길이의 단위 (m 또는 cm) 를 갖는다.

B는 반응관벽(21)을 통한 열전도에 의한 열전달과 반응물 흐름에 의한 열전달의 비를 나타내며 그 값이 증가할수록 열전도에 의한 열전달이 상대적으로 증가한다는 것을 의미하며, 반응관(20) 축방향으로 온도의 변화가 줄어들게 된다.

온도변화가 줄어들면 반응기(10) 축방향으로는 온도가 급격히 변화하지 아니하게 되므로 고온의 열점은 소멸된다. 즉 반응기(10)내 온도를 촉매(30)가 안정적으로 활성을 보이는 온도범위내로 조절할 수 있다.

적절한 B 값으로는 1 cm이상이며, 바람직하게는 5cm이상이다.

B 값을 증대시키는 방안으로는 열전도성이 우수한 재질 (예: 구리 또는 알루미늄)을 반응기(10) 재질로 사용하며, 반응관 벽(21)두께 즉 Aw를 개구면 면적 A에 비해 상대적으로 증가 시키거나,반응혼합물(32)의 유량을 줄이는 것이다.

상기 반응혼합물(32) 유량은 수소생성량과 직결되므로 반응혼합물 유량을 극대화하면서도 B 값이 바람직한 범위에 있도록 반응기(10)를 제작하는 것이 필요하다.

또한, 열발생이 반응기 전단부(22)에 집중되므로, 열전도는 도 2와 같이 반응기후단부(23) 방향 뿐 아니라 반응기 전단부(22) 방향으로도 일어나서 반응원료(31)를가열하는데 사용된다.

도 2는 이러한 열전달을 나타낸것이며, 촉매(30)가 시작되는 점에서 반응원료(31)의 온도는 반응기(10)로 주입되는 최초의 온도와는 상당히 달라지게 된다.

본 발명의 다른 실시예로 도3과같이 반응기 입구(11) 방향으로 전달된 열이 반응원료(31)에 충분히 잘 전달되도록 하기 위하여 촉매(30)를 반응기 입구(11)에서 일정 거리를 띄운 다음 충진할 수도 있다. 이 때,반응기 입구(11)의 촉매(30)가 충진되지 않은 반응관(21) 내부에 핀(24)등의 금속구조물을 설치하여 벽면(21)과 반응원료(31)간의 열전달을 촉진할 수도 있다.

개질 반응기에서 생성된 생성물(32)인 수소를 연료전지에 사용하는 경우, 생성된 수소의 70 -80%를 연료전지에서 사용하고 나머지는 배출하게 되며 배출된 가스에 상당량의 수소가 남아있게 되므로 이 가스를 연소시켜 얻어진 열은 액체인 반응물 기화 및 예열에 사용할 수 있다. 본 반응기는 이러한 회수되는 열량이 기화에 필요한 열량보다 월등히 많아 기화된 반응원료를 300 도 이상까지 예열하는 경우에도

열전도효과에 의해 반응원료의 온도를 반응층 입구에서 촉매 내열온도 이하로 낮출수 있는 장점도 있다.

특히, 본 발명에서 제시하는 반응기(10)는 입구(11)에서 예열된 반응원료(31)가갖는 열량 일부를 전도를 통해 반응기 하단부(23)로 이동시킬 수 있어서 실제 촉매층 (30)입구의 온도는 예열온도 보다 크게 낮아지는 장점이 있다. 즉 예열된 반응원료(31)의 온도가 320도 이상으로 매우 높다 하더라도 촉매층(30)이 시작되는 지점의 온도는 촉매의 내열온도 이하인 200-320도로 떨어뜨릴수가 있다는 것이다.

이 경우, 주입산소량을 줄여 수소 생성량을 증진할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 개질장치의 실시형태에 대해서 설명한다.

반응기의 온도분포, 메탄올전환율, 압력강하 등은 본 발명자가 개발한 모사 프로그램을 이용하여 계산하였다. 사용촉매는 Synetix 33-5 메탄올개질촉매이다.

실시예 1.

가로세로 각각 3cm 인 정방형 구리 블록내에 가로세로 각각 2 mm 인 정방형 반응관(20)들이 144개 균일하게 뚫어져 있다. 즉 구리블록 단면에서 보면 반응관(20)들은 가로방향으로 12개 세로방향으로 12개씩 위치한다. 구리블록의 길이는 20 cm 이며 이 구리블록을 갖는 반응기는 외부가 단열되어 있어 반응기 바깥으로 열손실이 없는 단열반응기이다. 각 반응관(20)의 내부는 0.2mm 크기의 촉매입자(30)들로 채워져 있다. 본반응기는 매시간 메탄올 20몰, 물 26몰, 산소 2.6몰 (공기로는 12.4몰)을 처리하며, 온도 200도로 예열되어 공급되며 반응원료(31)의 공급압력은 2기압이다.

본 반응기에서 앞서 정의한 중요한 인자인 B 값은 반응기 입구(11)조건에서 17.6 cm이다.

표 1로, 반응기(10) 축방향의 온도분포를 나타내었으며, 반응관 외벽(21)을 통한 열전도도가 없을 때의 온도 분포(A)도 함께 나타내었다. 그 결과 외벽(21)에의한 열전도가 없는 경우 열점이 반응기입구(11)에서 발생하고 그 온도가 약 380 도에 도달하는것을 알수있었다. 그러나, 본 실시예의 반응기는 280도 이하의 온도 분포(B)를 나타내고 있어 사용촉매(30)의 온도범위인 200 -320 도 범위내에서 반응기가 잘 운전되고 있다는 것을 보여주고 있다.

부피 180 ml인 본 반응기의 시간당 수소 생성량은 1200 리터로 약 1.2 kW급에 해당된다. 메탄올 전환율은 99% 이상이고 출구압력은 1.6기압이다.

실시예 2.

상기 실시예 1에서 구리블록을 알루미늄 블록으로 대치한 경우는 B값은 11cm를 나타내며, 상기 표 1과 같이 반응기내 최고온도는 290도로 구리를 사용한 것에 비해약 10도 상승하나 사용촉매(30)의 운전 범위내의 온도분포(C)를 나타내었다.

실시예 3.

본 실시예 에서는 반응원료(31)의 예열정도에 따라 주입 산소량을 조절하여 반응기 운전을 최적화 할 수 있다는 것을 나타내고자 한다. 반응원료(31)를 700도까지 예열할 수 있으면 이론적으로 산소주입 없이 개질반응을 진행할수 있다.또한,촉매 내열온도보다 높은온도로 반응물을 예열하는경우, 도3에 나타낸 바와 같이 촉매층 전단부에 온도안정화 구간 즉,반응관 전단부(22)를 형성하면 고온의 반응원료(31)가 가진 열량 일부가 전도되어 반응물(31)의 온도가 낮아지게 된다.

상기 실시예 1의 반응기 길이를 25 Cm로 5 Cm 증가시키고, 촉매층은 반응기 시작점으로 부터 5 Cm 내부에 위치토록 하여 촉매층 전에 5 Cm의 반응관 전단부가 있게금 형성 하였다. 공기를 제외한 반응물은 메탄올 20몰,물 26몰이 매시간 공급되며, 공급되는 반응물의 압력은 2기압이며,본실시예에 따른 반응물 예열온도와 산소 주입량에 따른 반응기 상태및 성능결과는 다음과같다.

예열온도(도,섭씨)	메탄올에 대한 산소 몰비	촉매층입구온도	촉매층출구온도	메탄올전화율(%)	출구압력(기압)	수소생성량(리터/hr)
700	0	288	238	99	1.68	1329
500	0.055	288	247	99.8	1.64	1291
300	0.105	284	243	99.6	1.62	1243
150	0.14	280	236	98.9	1.61	1203
100	0.16	285	254	99.9	1.56	1200
100*	0.17	306	282	100	1.2	1332

(예열온도 100도* 결과치는 메탄올 주입량을 28몰로 증가시켰을 때의 결과이다)

상기결과와 같이, 반응원료의 예열온도가 높을수록 주입산소량을 줄일수가 있고 생성 되는 수소의 량은 늘어나게 된다.

즉,주입산소량을 반응원료의 예열온도에 따라 적절히 조정할 필요가 있다는것이다.

따라서,본실시예의 반응기는 상기와같이 반응원료의 예열온도가 700도 일때 촉매층입구 온도는 288 도이며,수소 생성량은 증가하여 1329몰을 생성한다.

또한,본 실시예의 반응기는 고온의 반응원료 사용이 가능하므로, 연료전지에서 배출되는 미반응수소량이 증가 하더라도 수소증가분의 연소열 전부를 반응원료 예열에 자체적으로 사용할수 있는것으로 나타났다.

실시예 4.

총단면적에서 개구면이 차지하는 비율이 90%인 통상의 FeCr합금 하니콤 반응기에 0.2mm촉매들을 충진하고 본 반응기에 매시간 메탄올 20몰, 물 26몰, 산소 2.6몰 (공기로는 12.4몰)이 온도 200도로 예열되어 공급된다. 철합금중 열전도도가 가장우수한 재질인 스테인레스 스틸의 경우 열전도도는 알루미늄에 비해 1/10 이하이므로 FeCr합금도 유사한 값을 갖게 되므로, 본 실시예 에서는 금속 하니콤 반응기의 열전도도를 알루미늄의 1/10로 가정하였다. 본 반응기를 사용시 촉매층 입구온도는 343도에 도달하였으며 이 온도는 촉매 내열 온도범위인 200-320도를 초과 하여 반응기내의 촉매를 망가 뜨려 사용상에 문제점이 있는것으로 나타나었다. 또한, 벽면 (21)이 단열재로 구성되는 경우 촉매층 입구 온도는 실시예 1에서 언급된바와 같이 380도에 이르게되어 이또한 사용상에 문제점이 있었다.

결국,통상의 금속하니콤을 사용하는 경우 열점온도의 상하범위는 단지 37도로서 벽면을 통한 열전달이 불충분한것으로 나타나었다.개구면이 차지하는 비율을 80%로 낮춘다 하더라도 반응관내 최고온도는 340도로 계산되며, 이또한 촉매 적정온도범위를 벗어나므로 사용상 문제점이 있다.

결국,본 실시예에서 나타나듯이,시중에 유통되고 있는 통상의 금속하니콤은 본발명에서 필요로 하는 열점없이 다량의 수소생성및 반응기의 수명을 연장할수있는 특성을 가지지 않아 본 발명에 사용하기가 부적절하였고, 따라서 현재 다른용도 즉,유량에만 관계가 있는 자동차의 배기가스 배출용으로 사용되고 있는것이다.

본 발명은 메탄올자열개질기에서 발생하는 고온의 열점을 효과적으로 제거하여

반응기 운전온도를 반응기 전체에 걸쳐 고르게 전달함으로, 저가의 구리계 촉매의 운전 온도 범위인 200-320도이하로 반응혼합물을 유지시켜 반응기의 수명을 촉매의 설계 수명인 3-5년까지 장기사용을 할수가 있으며,반응기 입구에서의 반응원료의 예열온도에 관계없이 사용할수가있으며,또한 반응기의 후면부에서 전면부 또는 전면부에서 후면부로 열 전달이 가능한 구조로 되어있어, 반응원료를 자체 예열 시킬수가 있어 에너지 효율화 효과를가져올수 있는 발명이다. 또한,열점이 제거됨으로 말미암아 일산화탄소 발생이 줄어들며,이는 본 개질반응기 후단에 설치되는 일산화탄소제거 공정의 부하를 줄여 줌과 동시에 수소의 발생량을 증가시켜 연료전지 발전시스템의 효율을 극대화 할수 있는 매우 유용한 발명이다.

Claims

메탄올및 수증기를 포함한 공기 또는 순수산소를 이용하여 수소를 생성하는 메탄올 자열개질 반응기에 있어서, 반응기(10)내 반응관(20)들이 다발로 구성되어 있으며, 각 반응관(20)은 촉매(30)가 충진 또는 반응관 벽면(21)에 고착될수 있는 구조 및 반응관 벽면(21)을 따라 반응기의 입구(11)및 출구(12)로 열이 전달될수 있는 구조로, 다음으로 정의되는 인자 B의값이 1 cm 이상인 메탄올 자열개질장치.

B = (Aw kw)/( A G Cp)

Aw: 반응기 단면적중 개구면을 제외한 단면적 ,

A:반응기 개구면 즉 반응관들의 단면적,

kw: 반응관벽물질의 열전도도, G: 개구면 단위면적 당 질량흐름속도,

Cp: 반응혼합물 단위질량 당 비열.
제 1항에 있어서,반응관(20)의 전면에 0.5-10cm 거리의 반응관 전단부 (22)를 형성한 메탄올 자열개질장치.
제2항에 있어서,반응관(20)의 전단부(22)에 금속재질의 금속핀(24)을 형성한 구조를 특징으로 하는 메탄올 자열개질장치.
제 1항 내지 3항에 있어서,반응기(10)는 구리 또는 알루미늄 재질의 하니콤으로 구성된것을 특징으로 하는 메탄올 자열개질장치.
제 4항에 있어서,금속표면에 보호피막을 첨가한 것을 특징으로 하는 메탄올 자열개질장치.
제 1항 내지 5항에 있어서,예열온도 섭씨 100도-700도인 반응원료(31)를 예열온도에 따른 메탄올에 대한 주입산소량을 0-0.3 몰비의 범위내에서 각기 조정하여 반응원료(31)의 예열온도에 관계없이 반응기(10)내 반응온도를 섭씨320도 이하로 유지시키는 메탄올 자열개질장치.