KR20060032882A - The structure of integrated microchannel reactor for hydrogen production - Google Patents
The structure of integrated microchannel reactor for hydrogen production Download PDFInfo
- Publication number
- KR20060032882A KR20060032882A KR1020040081881A KR20040081881A KR20060032882A KR 20060032882 A KR20060032882 A KR 20060032882A KR 1020040081881 A KR1020040081881 A KR 1020040081881A KR 20040081881 A KR20040081881 A KR 20040081881A KR 20060032882 A KR20060032882 A KR 20060032882A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- thin plate
- microchannel
- catalytic combustion
- reforming
- flow path
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
- C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
- C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
- H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
- H01M8/0631—Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00783—Laminate assemblies, i.e. the reactor comprising a stack of plates
- B01J2219/00786—Geometry of the plates
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00851—Additional features
- B01J2219/00858—Aspects relating to the size of the reactor
- B01J2219/0086—Dimensions of the flow channels
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
- C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/06—Integration with other chemical processes
- C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
- C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
- C01B2203/1011—Packed bed of catalytic structures, e.g. particles, packing elements
- C01B2203/1017—Packed bed of catalytic structures, e.g. particles, packing elements characterised by the form of the structure
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
본 발명은 탄화수소의 개질에 의해 수소를 생생시켜 연료전지에 공급하기 위한 수소 발생기의 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a hydrogen generator for generating hydrogen and reforming the hydrocarbon to supply the fuel cell.
본 발명의 구조는 촉매연소반응물 기화용 박판(11), 촉매연소반응물 기화용 열전달 박판(12)과, 유로차단판(13)과, 촉매연소용 박판(14)과, 유로차단판(15)과, 개질반응용 열전달 박판(16)과, 개질반응용 박판(17)과, 유로차단판(18)과, 개질반응물 기화용 열전달 박판(19)과, 개질반응물 기화용 박판(20)이 일련의 순으로 적층되며, 반응기의 역할을 수행하기 위하여 일측 면에 마이크로채널이 형성된 상기 각 박판이 유로차단판에 의해 분리됨으로써 개질반응용 유체와 촉매연소용 유체의 흐름이 섞이지 않도록 구성됨에 기술적 특징이 있다.The structure of the present invention is the thin plate 11 for the catalytic combustion reactant vaporization, the heat transfer thin plate 12 for the vaporization of the catalytic combustion reactant, the flow path blocking plate 13, the thin plate 14 for catalytic combustion, and the flow path blocking plate 15. The heat transfer thin plate 16 for reforming reaction, the thin plate 17 for reforming reaction, the flow path blocking plate 18, the heat transfer thin plate 19 for vaporization of reforming reactant, and the thin film 20 for vaporization of reforming reactant Stacked in the order of, the thin plate formed with a microchannel on one side in order to perform the role of the reactor is separated by a flow path blocking plate is configured so that the flow of the reforming fluid and the catalyst combustion fluid does not mix have.
본 발명 일체형 마이크로채널 수소 발생기의 구조는 촉매연소열이 각 단위 반응기에 효과적으로 전달되어 전체 반응기의 효율이 향상되며, 유체의 흐름이 나누어지지 않기 때문에 유량 분할 및 분배 문제가 발생되지 않는 장점이 있다.The structure of the integrated microchannel hydrogen generator of the present invention has the advantage that the catalytic combustion heat is effectively transferred to each unit reactor to improve the efficiency of the entire reactor, and that the flow rate division and distribution problems do not occur because the fluid flow is not divided.
연료전지, 개질반응, 촉매연소, 수소 발생기, 마이크로채널Fuel cell, reforming reaction, catalytic combustion, hydrogen generator, microchannel
Description
도 1은 본 발명 일실시예 수소 발생기의 구조도.1 is a structural diagram of an embodiment of the hydrogen generator of the present invention.
도 2는 본 발명의 구조를 구성하는 단위 박판을 보인 것으로,Figure 2 shows the unit thin plate constituting the structure of the present invention,
(가)는 일실시예 박판의 평면도이고, (A) is a plan view of an embodiment thin plate,
(나)는 다른 실시예 박판의 평면도이다. (B) is a top view of another Example thin plate.
도 3은 본 발명의 구조를 구성하는 유로차단판을 보인 것으로,Figure 3 shows the flow path blocking plate constituting the structure of the present invention,
(가)는 일실시예 유로차단판의 평면도이고, (A) is a plan view of an embodiment of the flow path blocking plate,
(나)는 다른 실시예 유로차단판의 평면도이다. 2B is a plan view of another embodiment of the flow path blocking plate.
도 4는 병렬 적층된 반응기로 구성된 본 발명 수소 다른 실시예 발생기의 부분 구조도.4 is a partial structural diagram of another embodiment hydrogen generator of the present invention consisting of reactors stacked in parallel.
((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)) ((Explanation of symbols for main part of drawing))
11. 연소반응물 기화용 박판 12. 연소반응물 기화용 열전달 박판11. Combustion reactant
13,15,18,30. 유로차단판 14. 촉매연소용 박판13,15,18,30. Euro Barrier Plate 14. Catalytic Combustion Plate
16. 개질반응용 열전달 박판 17. 개질반응용 박판16. Heat transfer thin plate for reforming
19. 개질반응물 기화용 열전달 박판 20. 개질반응물 기화용 박판19. Heat transfer plate for reforming
10A,10B. 박판10A, 10B. Lamination
본 발명은 탄화수소의 개질에 의해 수소를 생생시켜 연료전지에 공급하기 위한 수소 발생기의 구조에 관한 것으로, 더 자세하게는 액상의 탄화수소와 물 및 액상의 탄화수소와 공기를 각각 개질반응과 촉매연소의 원료로 하여 촉매층이 구비된 마이크로 채널 반응기 내에서 메탄올 개질반응과 함께 촉매연소반응이 함께 일어나도록 하되 서로 다른 유체 흐름을 갖도록 하는 동시에 유로차단판을 개재시켜 유체의 흐름이 혼합되지 않도록 함으로써, 반응열 및 공급 원료의 예열 등을 위한 기화열이 시스템 내에서 자체적으로 충당되면서 화학반응과 열교환이 효율적으로 복합 진행되어 수소가 함유된 기체를 생성시키고, 이를 연료전지에 공급하는 일체형 마이크로채널 수소 발생기의 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a hydrogen generator for generating hydrogen and supplying it to a fuel cell by reforming a hydrocarbon. More particularly, the liquid hydrocarbon, water, and liquid hydrocarbon and air are used as raw materials for reforming and catalytic combustion, respectively. In the micro-channel reactor equipped with a catalyst layer, the catalytic reforming reaction occurs together with the methanol reforming reaction, but with different fluid flows, and through the flow path blocking plate so that the fluid flows are not mixed. The heat of vaporization for preheating, etc. in the system itself, and the chemical reaction and heat exchange efficiently proceeds to produce a gas containing hydrogen, and the structure of the integrated micro-channel hydrogen generator for supplying it to the fuel cell.
연료전지는 수소와 산소를 연료로 하여 그 화학적 반응에 의해 생성되는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전지로서, 산화·환원반응을 이용한다는 점에 있어서는 보통의 화학전지와 동일하나, 폐쇄계 내에서 전지 반응을 하는 화학전지와는 달리, 반응물이 연속적으로 외부에서 공급되면서 반응 생성물인 물과 전기가 연속적으로 계외로 전달되는 발전 장치의 역할을 수행하게 되는 일종의 무공해 고 효율 발전기이다.A fuel cell is a battery that converts chemical energy generated by its chemical reaction into hydrogen by using hydrogen and oxygen as fuels, and is the same as a conventional chemical cell in that it uses an oxidation / reduction reaction. Unlike a chemical cell that reacts, it is a kind of pollution-free high efficiency generator that serves as a power generation device in which reactants are continuously supplied from the outside while reaction products, water and electricity, are continuously transferred out of the system.
상기와 같은 연료전지는 다양한 분야에 걸쳐 전기를 공급하는 시스템으로 적용될 수 있으며, 특히, 소형 전자기기 부문에서는 기존의 2차전지를 대체하는 전원으로써 그 연구가 활발히 진행 중이나, 연료로 사용되는 수소의 보관, 저장 및 공급 상에 문제가 있다.The fuel cell as described above may be applied as a system for supplying electricity in various fields. In particular, in the small electronics sector, research is being actively conducted as a power source to replace a conventional secondary battery, but storage of hydrogen used as fuel There is a problem with storage and supply.
즉, 연료전지를 작동시키기 위해서는 연료인 수소의 공급이 필수적이나, 수소가스를 저장하여 사용하기 위해서는 대용량 저장 탱크가 필요할 뿐 아니라 취급시 상당한 주의를 필요로 한다는 측면에서 수소가스를 직접 저장하여 사용하기는 매우 어려운 실정이다.In other words, supplying hydrogen as fuel is essential to operate a fuel cell, but in order to store and use hydrogen gas, not only a large storage tank is required but also a great deal of care is required in handling. Is very difficult.
따라서, 메탄올과 같이 저장과 취급이 쉬운 액상의 탄화수소계 물질을 개질하여 수소를 얻은 후 이를 연료로 사용하는 것이 바람직하며, 특히, 연료전지를 소형화하기 위해서는 컴팩트한 수소 공급시스템의 개발이 가장 중요한 과제로서, 이를 위하여 근래에는 마이크로 채널을 이용한 개질에 의해 메탄올로부터 수소를 얻는 수소 발생기에 대한 연구가 관심을 끌고 있다.Therefore, it is desirable to obtain hydrogen after reforming a liquid hydrocarbon-based material that is easy to store and handle, such as methanol, and use it as a fuel. In particular, in order to miniaturize a fuel cell, the development of a compact hydrogen supply system is the most important task. For this purpose, in recent years, research on a hydrogen generator which obtains hydrogen from methanol by reforming using a microchannel has attracted attention.
상기 마이크로 채널을 이용한 수소 발생기는 마이크로채널이 구비된 단위 반응기 다수가 결합된 구조로서, 마이크로채널을 이용한 반응기는 메탄올의 개질반응과 같은 화학반응을 수행하기에 매우 효과적인 반응기인 바, 기존의 고정층 반응기에 비하여 물질 및 열 교환이 원활하게 이루어져 촉매의 성능을 극대화할 수 있는 구조를 가지고 있기 때문에 소형 연료전지 시스템에 대한 수소 공급 장치로서는 가장 효과적인 것으로 평가되고 있다.The hydrogen generator using the microchannel is a structure in which a plurality of unit reactors equipped with microchannels are combined, and the reactor using the microchannel is a very effective reactor for performing a chemical reaction such as reforming of methanol. Compared to other materials, it is considered to be the most effective hydrogen supply device for small fuel cell systems because it has a structure that maximizes the performance of the catalyst due to the smooth exchange of materials and heat.
상기와 같은 마이크로채널을 이용한 수소 발생기는 미국특허공보 제6,159, 434호, 대한민국 공개특허공보 특2003-0028829호 등에 개시되어 있는 바, 이들을 살펴보면 다음과 같다.Hydrogen generator using a microchannel as described above is disclosed in US Patent No. 6,159, 434, Korean Patent Publication No. 2003-0028829, etc. Looking at these as follows.
상기 미국특허공보의 발명은 평탄한 박판(薄板)의 표면에 열전달 핀을 결합하여 마이크로채널을 구성하고, 이러한 마이크로채널을 이용하여 연료 증발기, 반응기체 가열기, 개질기, 수소가스 전이 반응기, CO 저감기, 촉매연소기 및 열교환기 등의 단위 반응기들이 상호 연계되는 복합 수소 발생기에 대한 것으로, 마이크로채널이 열전달 핀들로 구성되는 고전적인 열교환기의 구조를 가지고 있고, 단위 반응기 사이에 유체 차단 분리판과 같은 온도 및 열 전단 제어 매체가 존재하지 않기 때문에 각 반응기의 효과적인 화학반응 수행에 필요한 온도 제어에 어려움이 있다.The invention of the U.S. Patent Publication forms a microchannel by combining heat transfer fins on the surface of a flat thin plate, and uses the microchannel to form a fuel evaporator, a reactor heater, a reformer, a hydrogen gas transfer reactor, a CO reducer, It is a complex hydrogen generator in which unit reactors such as a catalytic combustor and a heat exchanger are interconnected, and has a structure of a classic heat exchanger in which microchannels are composed of heat transfer fins, and has a temperature and a fluid barrier plate between unit reactors. Since there is no thermal shear control medium, it is difficult to control the temperature required for effective chemical reaction of each reactor.
또한, 단위 반응기 구성을 볼 때 전체 복합 반응기의 반응에 필요로 되는 모든 열을, 연료전지에서 소모되지 않고 배출되는 수소의 연소열로만 충당하고 있기 때문에 실제적으로는 전체 시스템의 출력 제어와 출력량 증대에 문제점을 가지게 된다.In addition, in view of the unit reactor configuration, since all the heat required for the reaction of the entire composite reactor is covered only by the combustion heat of hydrogen discharged without being consumed from the fuel cell, there is a problem in controlling the output and increasing the output of the entire system. Will have
그리고. 상기 대한민국 공개특허공보의 발명은 세라믹을 기본 재료로 하며, 마이크로채널을 이용하여 증발기, 열교환기, 개질기, 촉매연소기 등의 단위 반응기를 구성한 후 각 반응기를 적층한 복합 수소 발생기 및 소형 연료전지에 관한 것으로, 이 발명의 경우에서 사용된 세라믹 재료는 가공성 및 촉매 코팅 등의 측면에서 금속재료에 비하여 용이한 장점이 있는 반면에 열교환, 적층 및 접합, 기계적 강도, 대량 생산화 공정 등에서 문제점을 가지고 있다.And. The invention of the Republic of Korea Patent Publication discloses a composite hydrogen generator and a small fuel cell in which a unit reactor such as an evaporator, a heat exchanger, a reformer, a catalytic combustor, etc. are laminated using a microchannel, and then stacked in each reactor. In this case, the ceramic material used in the case of the present invention has an easy advantage over the metal material in terms of processability and catalyst coating, but has problems in heat exchange, lamination and bonding, mechanical strength, and mass production process.
또한, 상기 발명에서는 개질반응 부분과 촉매연소반응 부분이 서로 독립적으로 구성되어 총 2개의 기체 흐름이 존재하게 되는데, 개질 부분에서와는 달리 촉매연소 부분에서는 액상 연료의 증발기가 없기 때문에 효과적인 촉매연소반응의 수행에 문제점을 지니고 있다.In addition, in the present invention, the reforming reaction portion and the catalytic combustion reaction portion are configured independently of each other, so that a total of two gas flows exist. Unlike the reforming portion, the catalytic combustion portion does not have an evaporator of liquid fuel, so that an effective catalytic combustion reaction is performed. I have a problem with
본 발명은 연료전지에 수소를 공급하기 위한 종래의 소형 수소 발생기에 구비되어 메탄올을 개질하기 위한 마이크로채널의 미세 채널 형상 및 복합 반응기가 가지고 있는 구조상의 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 개질반응용 연료의 흐름과 촉매연소기용 연료의 흐름이 서로 혼합되지 않도록 하고, 내부에서 유체의 흐름이 나누어지지 않도록 하여 보다 컴팩트하고 효율적인 일체형 수소 발생기의 구조를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is provided with a conventional small hydrogen generator for supplying hydrogen to a fuel cell to solve various structural problems of the microchannel and channel structure of a microchannel for reforming methanol. It is an object of the present invention to provide a structure of a more compact and efficient integrated hydrogen generator by preventing the flow of the gas and the flow of the fuel for the catalytic combustor and the flow of the fluid therein not to be divided.
본 발명의 상기 목적은 메탄올 개질반응을 위한 유체와 개질반응에 필요한 열량 공급을 위한 유체의 독립적인 흐름과, 단위 반응기 사이에 개재되는 유로차단판에 의하여 달성된다.The above object of the present invention is achieved by an independent flow of a fluid for methanol reforming and a fluid for supplying calories required for reforming, and a flow path blocking plate interposed between the unit reactors.
본 발명의 일체형 마이크로채널 수소 발생기의 구조는, 마이크로채널이 형성되어 단위 반응기의 역할을 수행하는 박판 다수가 적절히 조합 적층된 구조로서, 단위 반응기와 단위 반응기 사이의 유로 연결과 두 종류 유체의 흐름이 서로 섞이지 않도록 유로차단판을 단위 반응기 사이에 개재시킴에 본 발명 구조의 기술적 특징이 있다.The structure of the integrated microchannel hydrogen generator of the present invention is a structure in which a plurality of thin plates in which microchannels are formed to serve as a unit reactor are appropriately stacked together, and a flow path and flow of two fluids between the unit reactor and the unit reactor are There is a technical feature of the structure of the present invention in interposing the flow path blocking plate between the unit reactor so as not to mix with each other.
상기 마이크로채널은 폭이 1000㎛ 이하로서, 에칭, 기계가공, 펀칭 등의 방법으로 형성되고, 유로와 외부 연결관 사이에 유체의 흐름이 가능한 통로의 역할을 하는 동시에 유체의 분배를 균일하게 하여 주는 바, 마이크로채널이 형성된 박판의 수를 변화시킴으로써 메탄올 개질기의 수소생산 용량을 제어할 수 있으며, 박판과 박판 사이에 유로차단판을 개재시켜 메탄올 개질반응을 위한 유체의 흐름과 개질반응에 필요로 되는 열량 공급을 위한 메탄올 연소기용 유체 흐름이 각각 독립적으로 형성되도록 함으로써, 효과적인 열교환과 화학반응이 수행되어 효율이 높아지게 된다.The microchannel has a width of 1000 μm or less, and is formed by etching, machining, or punching, and serves to provide a uniform flow of fluid between the flow path and the external connection pipe. Bar, it is possible to control the hydrogen production capacity of the methanol reformer by varying the number of thin plates formed with microchannels, and through the flow blocking plate between the thin plate and the thin plate is required for the flow and reforming of the fluid for the methanol reforming reaction By allowing the fluid streams for the methanol combustor for calorie supply to be formed independently of each other, effective heat exchange and chemical reaction are performed to increase efficiency.
본 발명의 일체형 마이크로채널 수소 발생기의 구조는 단위 반응기인 각 마이크로채널 박판 다수가 적층되어 이루어지는 바, 적층하는 방법에 따라 전체 유체가 복수의 반응기에 분배되어 주입되도록 하는 병렬식 방법과, 전체 유체가 함께 일측 반응기에 주입된 후 순차적으로 흐르도록 하는 직렬식 방법으로 나눌 수 있다.In the structure of the integrated microchannel hydrogen generator of the present invention, a plurality of microchannel thin plates, which are unit reactors, are stacked, so that the entire fluid is distributed and injected into the plurality of reactors according to the stacking method, and the entire fluid is It can be divided into a tandem method that is injected into one reactor together and flows sequentially.
상기 병렬식 방법은 유체가 균일하게 분배되도록 하는 문제가 있으나 유체의 흐름에 따른 압력 강하가 최소화 할 수 있으며, 직렬식 방법은 유체의 분배 문제는 없으나 압력 강하가 필요 이상으로 커질 수 있기 때문에 적층되는 박판의 수에 따라 적절한 박판 적층 방법을 선택하여야 한다.The parallel method has a problem that the fluid is uniformly distributed, but the pressure drop due to the flow of the fluid can be minimized, and the tandem method has no problem of distributing the fluid, but the pressure drop can be increased because it can be larger than necessary. The appropriate lamination method should be selected according to the number of laminations.
그리고, 상기 단위 반응기 다수를 적층하여 복합 반응기인 수소 발생기를 구성함에 있어서 촉매연소 반응기에서 발생되는 열이 개질 반응기 및 기화 반응기에서 효율적으로 사용되도록 하여야 하는 바, 유로차단판을 사용하여 촉매연소샐성물의 흐름을 제어하여 촉매연소 반응기에서 발생된 열이 우선적으로 개질 반응기에 사용되도록 한 후 사용되지 않은 열은 개질반응물의 기화에 사용되도록 하고, 촉매연소 반응기로부터 전도되는 일부 열은 촉매연소반응물의 기화에 사용되도록 한다.In addition, in the stacking of the plurality of unit reactors to form a hydrogen generator which is a complex reactor, the heat generated from the catalytic combustion reactor should be efficiently used in the reforming reactor and the vaporization reactor. The heat generated from the catalytic combustion reactor is preferentially used in the reforming reactor so that unused heat is used for the vaporization of the reforming reactor, and some heat conducted from the catalytic combustion reactor is vaporized from the catalytic combustion reactor. To be used in.
이때, 촉매연소 반응기측의 유로차단판은 열전도율이 다른 재질을 사용하여 촉매연소반응물용 기화 반응기로 과도한 열이 전달되지 않도록 열전달을 제어하여야 복합 반응기의 열효율을 극대화 할 수 있다.At this time, the flow path blocking plate on the side of the catalytic combustion reactor uses heat-different materials to maximize heat efficiency of the hybrid reactor by controlling heat transfer so that excessive heat is not transferred to the vaporization reactor for the catalytic combustion reactant.
상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 고안의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.Details of the effects and the resulting effects, including the object and technical configuration of the present invention will be clearly understood by the following description with reference to the drawings showing a preferred embodiment of the present invention.
도 1에 본 발명 수소 발생기의 구조도를, 도 2에 단위 박판의 평면도를, 도 3에 유로차단판의 평면도를 도시하였다.The top view of the structure of the hydrogen generator of this invention in FIG. 1, the top view of the unit thin plate in FIG. 2, and the top view of the flow path blocking plate in FIG.
도시된 바와 같이 본 발명 수소 발생기의 구조는, 저면에 마이크로채널이 형성되어 촉매연소반응물을 기화시키는 기화 반응기의 역할을 수행하는 촉매연소반응물 기화용 박판(11)과;As shown in the structure of the hydrogen generator of the present invention, a microchannel is formed on the bottom surface of the catalytic combustion reactant vaporization thin plate (11) which serves as a vaporization reactor for vaporizing the catalytic combustion reactant;
상기 촉매연소반응물 기화용 박판(11)의 평탄한 상면에 적층되며, 저면에 마이크로채널이 형성되어 촉매연소열을 상기 촉매연소반응물 기화용 박판(11)에 전달하기 위한 열교환기의 역할을 수행하는 촉매연소반응물 기화용 열전달 박판(12)과;Catalyst combustion which is stacked on the flat upper surface of the catalytic combustion reactant vaporization
상기 촉매연소반응물 기화용 열전달 박판(12)의 평탄한 상면에 적층되며 유체의 흐름이 섞이는 것을 방지하기 위하여 상면과 저면이 평탄한 유로차단판(13)과;A flow
상기 유로차단판(13)의 상면에 적층되며, 저면에 마이크로채널이 형성되고, 연소촉매가 구비되어 촉매연소반응물을 연소시키는 촉매연소 반응기의 역할을 하는 촉매연소용 박판(14)과;A catalyst combustion
상기 촉매연소용 박판(14)의 평탄한 상면에 적층되며 유체의 흐름이 섞이는 것을 방지하기 위하여 상면과 저면이 평탄한 유로차단판(15)과;A
상기 유로차단판(15)의 상면에 적층되며, 저면에 마이크로채널이 형성되어 촉매연소열을 개질 반응기에 전달하기 위한 열교환기의 역할을 하는 개질반응용 열전달 박판(16)과;A heat transfer
상기 개질반응용 열전달 박판(16)의 평탄한 상면에 적층되며, 저면에 마이크로채널이 형성되고, 개질반응물을 개질하기 위한 개질 반응기의 역할을 수행하기 위한 개질촉매가 구비된 개질반응용 박판(17)과;A reforming
상기 개질반응용 박판(17)의 평탄한 상면에 적층되며, 유체의 흐름이 섞이는 것을 방지하기 위하여 상면과 저면이 평탄한 유로차단판(18)과;A flow
상기 유로차단판(18)의 상면에 적층되며, 저면에 마이크로채널이 형성되어 촉매연소열을 개질반응물의 기화 반응기에 전달하기 위한 열교환기의 역할을 하는 개질반응물 기화용 열전달 박판(19)과;A heat transfer thin plate (19) for vaporizing the reformed reactant, which is stacked on an upper surface of the flow path blocking plate (18) and has a microchannel formed at the bottom thereof to serve as a heat exchanger for transferring the catalytic combustion heat to the vaporization reactor of the reformed reactant;
상기 개질반응물 기화용 열전달 박판(19)의 평탄한 상면에 적층되며, 저면에 마이크로채널이 형성되어 개질반응물을 기화시키기 위한 기화 반응기의 역할을 수행하는 개질반응물 기화용 박판(20)으로 구성된다.The reformed reactant vaporization
상기와 같은 본 발명 수소 발생기의 구조에서 이루어지는 개질반응물과 연소반응물의 흐름을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the flow of the reforming reactants and combustion reactants made in the structure of the hydrogen generator of the present invention as described above are as follows.
상기 개질반응물 기화용 박판(20)의 좌측 하부로 주입된 메탄올과 물이 혼합된 액상의 개질반응물은, 개질반응물 기화용 열전달 박판(19)으로부터 공급되는 촉매연소열에 의해 기화되며, 기화된 개질반응물은 마이크로채널을 따라 분산 이동하여 개질반응물 기화용 박판(20)의 우측 상부로 모인 후 상기 열전달 박판(19)과 유로차단판(18)을 관통하여 개질반응용 박판(17)의 우측 상부로 공급된다.The reforming reactant in the liquid phase mixed with methanol and water injected into the lower left of the reforming reactant vaporization
상기 개질반응용 박판(17)의 우측 상부로 주입된 개질반응물은 마이크로채널을 통하여 개질반응용 박판(17)의 좌측 하부로 흘러 모이는 과정에서 개질반응용 열전달 박판(16)에 의해 전달되는 촉매연소열을 공급받아 개질반응을 일으킴으로써 수소를 발생시키게 되며, 수소를 다량 포함하게 되는 개질기체는 열교환기의 역할을 수행하는 개질반응용 열전달 박판(16)을 통하여 계외로 배출되어 연료전지로 공급된다.The reformed reactant injected into the upper right side of the reforming
그리고, 상기의 개질반응에 의해 새롭게 생성된 개질생성물은 개질반응용 박판(17)의 좌측 하부로부터 개질반응용 열전달 박판(16), 유로차단판(15), 촉매연소용 박판(14) 및 유로차단판(13)을 순차적으로 관통한 후 촉매연소반응물 기화용 열전달 박판(12)의 좌측 하부로 주입된다.In addition, the reformed product newly generated by the reforming reaction is carried out from the lower left side of the reforming
상기 촉매연소반응물 기화용 열전달 박판(12)의 좌측 하부로 공급된 개질생 성물은 마이크로채널을 통하여 그 우측 상부로 흘러 모이는 동안 가지고 있던 열을 촉매연소반응물 기화용 박판(11)에 전달한 후 촉매연소반응물 기화용 박판(11)의 우측 상부를 관통하여 계외로 배출된다.The reformed product supplied to the lower left side of the catalytic combustion reactant vaporization heat transfer
그리고, 메탄올 용액과 공기의 혼합물인 촉매연소반응물은 상기 촉매연소반응물 기화용 박판(11)의 좌측 상부로 공급되어 마이크로채널을 통하여 우측 하부로 흘러 모이는 동안 상기 촉매연소반응물 기화용 열전달 박판(12)으로부터 전달되는 촉매연소열에 의해 기화된 후 촉매연소반응물 기화용 열전달 박판(12)과 유로차단판(13)을 관통하여 촉매연소용 박판(14)의 우측 하부로 공급된다.Then, the catalytic combustion reactant, which is a mixture of methanol solution and air, is supplied to the upper left side of the catalytic combustion reactant vaporization
상기 촉매연소용 박판(14)의 우측 하부로 공급된 촉매연소반응물은 마이크로채널을 통하여 그 좌측 상부로 흐르는 동안 연소되어 촉매연소열과 촉매연소생성물을 생성시키게 되며, 촉매연소열을 함유한 촉매연소생성물은 촉매연소용 박판(14)의 좌측 상부로부터 유로차단판(15)을 관통하여 개질반응용 열전달 박판(14)의 좌측 상부로 공급되어 마이크로채널을 통하여 그 우측 하부로 흐르는 동안 개질반응용 박판(17)에 촉매연소열을 1차 전달한 후 유로차단판(18)을 관통하여 개질반응물 기화용 열전달 박판(19)의 우측 하부로 주입된다.The catalytic combustion reactant supplied to the lower right of the catalytic combustion
그리고, 상기 개질반응물 기화용 열전달 박판(19)의 우측 하부로 공급된 촉매연소생성물은 마이크로채널을 통하여 그 좌측 상부로 흐르는 동안 상기 1차 열전달 후 남은 촉매연소열을 개질반응물 기화용 박판(20)에 전달한 다음 개질반응물 기화용 박판(20)의 좌측 상부를 관통하여 계외로 배출되는 구조이다.In addition, the catalytic combustion product supplied to the lower right side of the reforming reactant vaporization
상기의 구조는 단위 반응기인 개질 반응물 기화 반응기와, 개질 반응기와, 연소촉매 반응기 및 연소반응물 기화기가 각각 유로차단판에 의해 분리된 상태에서 각 반응기가 직렬로 연결된 구조로서, 유체는 각 반응기를 순차적으로 통과하게 된다.The above structure is a structure in which each reactor is connected in series with a reforming reactant vaporization reactor, a reforming reactor, a combustion catalyst reactor, and a combustion reactant vaporizer, each separated by a flow path blocking plate. Will pass through.
이때, 용량에 따라 용도가 다른 다수의 반응기들을 직렬 혹을 병렬로 연결함으로써, 각 반응기를 단독이 아닌 다수로 구성할 수도 있다.In this case, by connecting a plurality of reactors of different uses depending on the capacity in series or in parallel, each reactor may be configured in plural instead of alone.
즉, 용도가 다른 각 반응기와 반응기는 병렬이 아닌 직렬식으로 연결되지만, 동일한 용도의 반응기는 용량에 따라 다수의 반응기들로 연결될 수 있으며, 이러한 경우의 연결 방식은 전체 복합 반응기의 효율을 고려하여 직렬, 병렬 또는 직·병렬 혼합 방식 중의 어느 한 방식을 적용할 수 있는 바, 복합 반응기 내에서 동일한 반응기 다수가 병렬로 연결된 것을 부분적으로 보인 것이 도 4이다.That is, each reactor and reactors having different uses are connected in series, not in parallel, but reactors of the same use can be connected to a plurality of reactors according to their capacity, and in this case, the connection method takes into account the efficiency of the entire complex reactor. Since any one of a series, a parallel, or a serial / parallel mixing method can be applied, FIG. 4 partially shows that a plurality of identical reactors are connected in parallel in a complex reactor.
즉, 도 4는 복합 반응기의 개질 반응기 부분이 서로 쌍을 이루며 병렬로 연결된 다수의 개질반응용 박판(17)과 개질반응용 열전달 박판(16)으로 구성된 구조를 보인 것으로, 유로차단판(18)의 우측 상부를 통하여 유입된 개질반응물은 분배된 후 각 개질반응용 박판(17)의 우측 상부로 유입되어 좌측 하부에서 모인 후 유로차단판(15)의 좌측 하부를 통하여 배출된다.That is, Figure 4 shows a structure consisting of a plurality of reforming
그리고, 상기와 같은 일련의 순차적인 유체의 흐름이 이루어지도록 상기 각 박판의 상·하부 네모서리부근에는 유체의 통로가 되는 관통공(H)이 각각 형성되며, 각 박판은 일측 하부 관통공에서 분산된 후 타측 상부 관통공으로 모이게 되는 마이크로채널이 형성된 박판(10A) 또는 일측 상부 관통공에서 분산된 후 타측 하부 관통공으로 모이게 되는 마이크로채널이 형성된 박판(10B) 중의 어느 하 나이며, 본 발명의 구조는 이러한 두 종류의 박판(10A)(10B)이 서로 교대로 적층되어 이루어진다.In addition, through-holes H are formed in the vicinity of the upper and lower edges of each thin plate so that a series of sequential fluid flows as described above, and each thin plate is dispersed in one lower through-hole. It is either one of the thin plate (10A) is formed with a microchannel to be collected into the other upper through hole after being formed in the thin plate (10B) is formed in the microchannel is dispersed in one of the lower through hole after being dispersed in the other upper through hole, the structure of the present invention is These two kinds of
또한, 유로의 흐름 뿐 아니라 반응기 사이의 열교환 정도를 제어하는 역할을 수행하는 각 유로차단판(30)에도 상기 박판의 관통공(H)과 위치가 일치되는 관통공(H')이 형성되나, 두 쌍의 관통공(H)이 형성된 박판과 달리 네 모서리 중 인접한 두 모서리 부근에 각각 하나씩 모두 한 쌍의 관통공(H')이 형성되는 구조이다.In addition, the through hole (H ') is formed in each of the flow
상기와 같은 복합 반응기에서 각 반응에 필요로되는 열은 촉매연소 반응기에서 일어나는 촉매연소반응으로부터 얻어지며, 개질반응에 가장 많은 열이 필요로되는 바, 위치에 따라 열전도도가 다른 재질의 유로차단판을 사용함으로써 적절한 열전도를 제어하여 효율을 최대화할 수 있다.The heat required for each reaction in the complex reactor is obtained from the catalytic combustion reaction occurring in the catalytic combustion reactor, and the most heat is required for the reforming reaction, and thus the flow path blocking plate made of a material having different thermal conductivity depending on the position By controlling the proper heat conduction can maximize the efficiency.
즉, 개질 반응기측이 촉매연소반응물 주입측에 비하여 많은 열이 필요하므로, 촉매연소용 박판(14)과 촉매연소반응물 기화용 열전달 박판(12) 사이의 유로차단판(13)은 열전도도가 낮은 재질을, 촉매연소용 박판(14)과 개질반응용 열전달 박판(16) 사이의 유로차단판(15)은 열전도도가 높은 재질을 하용하는 것이 바람직하다.That is, since the reforming reactor side requires more heat than the catalytic combustion reactant injection side, the flow
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명 일체형 마이크로채널 수소 발생기의 구조는 단위 반응기로 사용되는 박판과 유로차단판을 함께 적층하여 개질반응용 유체 와 촉매연소용 유체의 흐름이 서로 섞이지 않도록 구성됨으로써, 촉매연소열이 각 단위 반응기에 효과적으로 전달되어 전체 반응기의 효율이 향상되며, 유체의 흐름이 나누어지지 않기 때문에 유량 분할 및 분배 문제가 발생되지 않는 장점이 있다.As described above, the structure of the integrated micro-channel hydrogen generator of the present invention is configured so that the flow of the reforming reaction fluid and the catalyst combustion fluid is not mixed with each other by stacking the thin plate and the flow path blocking plate used as the unit reactor together, and thus the catalytic combustion heat Effectively delivered to each unit reactor is improved the efficiency of the entire reactor, there is an advantage that the flow rate division and distribution problems do not occur because the flow of the fluid is not divided.
그리고, 촉매연소 반응기에서 발생된 촉매연소열이 각각의 열교환기에서 전달되므로 열교환기의 수를 조절하고 유로차단판의 열전도도를 적절히 선택함으로써 촉매연소열을 적절히 배분할 수 있어 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, since the catalytic combustion heat generated in the catalytic combustion reactor is transferred from each heat exchanger, the catalytic combustion heat can be appropriately distributed by controlling the number of heat exchangers and selecting the thermal conductivity of the flow path blocking plate to improve the efficiency of the entire system. have.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020040081881A KR100589727B1 (en) | 2004-10-13 | 2004-10-13 | The structure of integrated microchannel reactor for hydrogen production |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020040081881A KR100589727B1 (en) | 2004-10-13 | 2004-10-13 | The structure of integrated microchannel reactor for hydrogen production |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20060032882A true KR20060032882A (en) | 2006-04-18 |
KR100589727B1 KR100589727B1 (en) | 2006-06-19 |
Family
ID=37142128
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020040081881A KR100589727B1 (en) | 2004-10-13 | 2004-10-13 | The structure of integrated microchannel reactor for hydrogen production |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR100589727B1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100746344B1 (en) * | 2006-05-19 | 2007-08-03 | 한국과학기술원 | Micro channel reactor with combustion catalyst layer |
CN110562917A (en) * | 2019-10-18 | 2019-12-13 | 翁幼云 | Micro reforming device and micro reforming system |
CN110589764A (en) * | 2019-09-23 | 2019-12-20 | 厦门大学 | Self-heating methanol reforming hydrogen production equipment |
-
2004
- 2004-10-13 KR KR1020040081881A patent/KR100589727B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100746344B1 (en) * | 2006-05-19 | 2007-08-03 | 한국과학기술원 | Micro channel reactor with combustion catalyst layer |
CN110589764A (en) * | 2019-09-23 | 2019-12-20 | 厦门大学 | Self-heating methanol reforming hydrogen production equipment |
CN110562917A (en) * | 2019-10-18 | 2019-12-13 | 翁幼云 | Micro reforming device and micro reforming system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR100589727B1 (en) | 2006-06-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8968432B2 (en) | Rapid start fuel reforming systems and techniques | |
US7967878B2 (en) | Reformer apparatus and method | |
US20010018140A1 (en) | Catalytic burner element inside a fuel cell with structured catalytic coated surfaces | |
JP2011025240A (en) | Chemical reactor | |
JP5111492B2 (en) | Heat exchanger system with fluid circuit selectively coated with chemical reaction catalyst | |
US20070287047A1 (en) | Device For Carrying Out A Chemical Reaction | |
JP2005504428A (en) | Hydrocarbon steam reformer microcomponent system and hydrogen gas production cycle | |
US20090064579A1 (en) | Heat exchange reformer unit and reformer system | |
US20070280862A1 (en) | Modular Micro-Reactor Architecture And Method For Fluid Processing Devices | |
WO2005009606A2 (en) | High aspect ratio chemical microreactor | |
CN1835270B (en) | Stack having reforming function and fuel cell system having the same | |
JP3831688B2 (en) | Reformer system | |
US7638213B2 (en) | Multi-stage rapid vaporization apparatus and method | |
EP1729877B1 (en) | Modular reformer with enhanced heat recuperation | |
KR100589727B1 (en) | The structure of integrated microchannel reactor for hydrogen production | |
KR100585374B1 (en) | The fabrication method of microchannel reactor, and the same | |
US20020106596A1 (en) | Catalytic burner element inside a fuel cell with structured catalytic coated surfaces | |
JP2001263968A (en) | Plate fin type heat exchanger | |
JP2006256886A (en) | Gas reforming system for fuel cell | |
JP2004010376A (en) | Co-removing apparatus and fuel cell system | |
TWM304780U (en) | Field segregation design for fuel cell | |
JP2003267702A (en) | Hydrogen production apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130610 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20140605 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20150603 Year of fee payment: 10 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160602 Year of fee payment: 11 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170308 Year of fee payment: 12 |
|
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |