KR20060112198A - 선택 산화 반응장치 - Google Patents

Abstract

선택 산화 반응기(6)는, 둘레방향의 일부가 노치된 2중 원통형으로 형성되는 동시에, 칸막이판(33)에 의해 구분된 복수의 반응기 본체(31, 32)를 구비하고, 반응기 본체(31, 32)는, 산화용 공기가 혼합된 개질가스를 유통할 수 있도록 한 상하의 다공판(34, 35, 37, 38)에 의해 구분되어 선택 산화촉매가 장전된 방(36, 39)을 구비하고, 방(36)의 상부에 형성한 방(47)내에는, 방(36)으로부터의 개질가스가 유입되는 개질가스 도입 구멍(49a)을 외주에 천공하는 동시에, 선단측으로부터 산화용 공기(48)가 도입되어 개질가스와 산화용 공기(48)를 혼합하고, 또한 산화용 공기(48)가 혼합된 개질가스를 반응기 본체(32)의 방(39) 상부에 형성된 방(51)에 공급할 수 있도록 한 가스 혼합관(49)을 구비한다. 따라서, 선택 산화 반응기를 소형화하여 좁은 통형의 공간 내에 콤팩트하게 수납할 수 있다.

연료개질장치, 선택 산화 반응장치, 다공판, 가스 혼합관, 연료전지.

Description

선택 산화 반응장치{Selective oxidation reaction apparatus}

본 발명은 연료 개질장치에 적용되는 선택 산화 반응장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는, 물의 전기분해와는 반대로 수소와 산소를 결합시키고, 그 때에 발생하는 전기와 열을 추출하는 것으로, 그 발전 효율의 크기나 환경에 의 적합성 때문에, 가정용 연료전지 열병합(cogeneration) 시스템이나 연료전지 자동차로서의 개발이 왕성하게 행하여지고 있지만, 그러한 연료전지의 연료가 되는 수소는, 나프타, 등유 등의 석유계 연료나 도시가스 등을 개질기로 개질하여 제조된다.

도 1은 개질기가 설치되는 설비의 하나의 예로서, 고정식(定置式)의 고체고분자형 연료전지(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)의 전체 계통을 도시하는 것으로, 부호 1은 개질기, 2는 개질기(1)로부터 배출되는 배기 가스의 열에 의해 물을 증발시켜 수증기를 발생시키는 물 증발기, 3은 상기 배기 가스의 열에 의해 나프타 등의 원연료를 기화시키는 원연료 기화기, 4는 개질기(1)에 공급하는 원료가스의 탈황을 하는 탈황기, 5는 개질기(1)로 개질한 개질가스를 냉각수로 소정 온도 (약 200 내지 250℃ 전후)로 온도 강하시키고, CO와 H₂O를 CO₂와 H₂로 변환하는 저온 시프트 컨버터(shift converter), 6은 저온 시프트 컨버터(5)를 통과한 개질가스를 냉각수로 냉각하여, 식 (I)에 의해 나타내지는 산화 반응에 의해서 CO를 제거하는 선택 산화 반응기, 7은 선택 산화 반응기(6)를 통과한 개질가스를 가습하는 가습기, 8은 캐소드(cathode: 8a)와 애노드(anode: 8b)를 갖는 고체고분자형 연료전지, 60은 캐소드(8a)로부터의 출구가스가 유도되는 동시에 출구가스로부터 수분을 회수하고, 나머지의 가스를 배기할 수 있도록 한 수분분리기(drain separator)이다.

CO+1/2O₂ -> CO₂ …(I)

도 1에 도시되는 설비에 있어서는, 물이 물 증발기(2)에서 수증기가 되고, 또한 나프타 등의 원연료가 원연료 기화기(3)에서 기화되어 원료가스가 되고, 상기 수증기를 혼합한 원료가스가 탈황기(4)로 유도되어, 상기 탈황기(4)에서 탈황된 원료가스가 개질기(1)로 유도되며, 상기 개질기(1)에서 개질된 개질가스가 저온 시프트 컨버터(5)와 선택 산화 반응기(6)와 가습기(7)를 통해서 고체고분자형 연료전지(8)의 애노드(8b)로 유도되는 동시에, 공기가 가습기(7)를 통해서 고체고분자형 연료전지(8)의 캐소드(8a)로 유도되어, 발전이 행하여지도록 되어 있다.

또, 상기 애노드(8b)로부터 배출되는 애노드 오프가스는, 개질기(1)에 있어서의 연료가스로서 재이용되는 한편, 상기 캐소드(8a)로부터 출구가스와 함께 배출된 물은, 수분분리기(60)에 있어서 출구가스로부터 분리되어, 고체고분자형 연료전 지(8)와 선택 산화 반응기(6)와 저온 시프트 컨버터(5)의 각각의 냉각수, 및 원료가스에 혼합되는 수증기의 일부로서 사용되도록 되어 있다.

종래, 상기 개질기(1)와, 그 관련기기로서의 물 증발기(2), 원연료 기화기(3), 탈황기(4), 저온 시프트 컨버터(5), 및 선택 산화 반응기(6)는, 연료 개질장치로서 하나의 유닛에 정리되어 있고, 이러한 연료 개질장치에서는, 예를 들면 일본 공개특허공보 2003-327405호에서 개시한 버너 연소 타입의 장치가 제안되어 있다.

일본 공개특허공보 2003-327405호에서 개시한 연료 개질장치는 도 2, 도 3에 도시되고, 도면 중, 도 1에 도시하는 것과 동일한 부호를 붙인 부분은 동일한 것을 나타내고 있다. 도 2, 도 3 중에 도시하는 연료 개질장치에서는 개질기(1)와 그 관련기기(물 증발기(2), 원연료 기화기(3), 탈황기(4), 저온 시프트 컨버터(5), 및 선택 산화 반응기(6))로 이루어지는 유닛에 대하여, 내통(9a)과 외통(9b)의 사이에 단열층(9c)이 형성되는 단열용기(9)를 씌워 덮음으로써, 연료 개질장치를 구성하도록 하고 있다.

이 연소 개질장치의 경우, 상기 단열용기(9)의 내통(9a) 자체를 개질기(1)의 일부로서 이용하도록 하고, 상기 내통(9a)의 내부에서 중심부에, 연소기(10)로부터 분사되는 연소가스가 유통하는 노통(11; 爐筒)을 배치하는 동시에, 상기 노통(11)과 상기 내통(9a)의 사이에 연소가스의 유로(12)를 형성하고, 상기 유로(12) 내에, 내부에 개질 촉매(도시하지 않음)가 장전되어 원료가스를 유통시켜 그 개질을 행하기 위한 복수(도 2, 도 3의 예에서는 6개)의 개질관(13)을 나란히 설치하여 개질기 (1)를 구성하도록 하고 있다. 또, 상기 개질관(13)은, 내관(13a)과 외관(13b)으로 이루어지는 2중관 구조로 하고 있고, 원료가스를 내관(13a)과 외관(13b)의 사이에 형성되는 공간 내를 상승시켜 상기 연소가스와 열교환시킨 후, 그 상단에서 꺽어 내관(13a) 내의 공간을 하강시키도록 하고 있다.

상기 개질기(1)의 노통(11)은, 베이스판(14)으로부터 입설된 베이스판 내통(16)의 상단부에 연결 배치하고 있고, 베이스판(14)의 외주단 가장자리로부터 상승하는 길이가 짧은 베이스 외통(15)의 상단부에 대하여, 상기 단열용기(9)의 하단부를 도시하지 않은 볼트·너트 등의 체결수단에 의해 착탈이 자유자재가 되도록 기밀하게 접속하고, 상기 베이스판(14)와 베이스 내통(16)과 베이스 외통(15)과 단열용기(9)의 내통(9a)으로 구성되고 또한 상기 연소가스의 유로(12)에 연통하는 통형의 공간(17) 내에, 상기 개질기(1)의 관련기기로서의 물 증발기(2), 원연료 기화기(3), 탈황기(4), 저온 시프트 컨버터(5), 및 선택 산화 반응기(6)를 배치하도록 하고 있다.

상기 베이스 내통(16)의 내부에는, 상기 연소기(10)에 공기를 공급하기 위한 공기 유로(18)를 형성하는 동시에, 그 축심부에, 상기 연소기(10)에 연료가스로서 애노드 오프가스를 공급하기 위한 애노드 오프가스 공급관(19)을 배치하고, 또, 기동시 혹은 정상의 연소시에는, 연소용 연료공급관(20)으로부터 상기 연소기(10)에 연소용 연료를 공급하도록 하고 있다. 그리고, 기동시에는 연료로서 연소용 연료가 사용되고, 정상의 연소시에는, 애노드 오프가스 및 연소용 연료가 혼합되어 사용되도록 되어 있다.

도 2, 도 3의 연료 개질장치에 있어서는, 단열용기(9)를 유닛에 씌우는 것만으로 단열층(9c)의 시공이 행하여지기 때문에, 단열층(9c)의 시공의 수고가 대폭으로 경감되고, 더구나, 개질기(1) 내의 촉매교환이나 점검 등의 관리(maintenance)할 때에는, 단열용기(9)를 개방하는 것만으로 달성되어, 신속하게 작업을 할 수 있다.

또, 용기로서 내통(9a)과 외통(9b)의 사이에 단열층(9c)이 형성되는 단열용기(9)를 채용하고 있기 때문에, 단열 성능이 극히 높아지고, 단열층(9c)의 용적이 저감되어, 장치를 소형화하는 것이 가능해지는 한편, 방산열량이 억제되어, 열 효율의 향상에도 도움이 된다. 또, 고성능 단열용기의 한 형태로서 진공 단열을 고려할 수 있다.

또, 단열용기(9)의 내통(9a) 내부를 개질기(1)의 연소가스의 유로(12)로 하고 있기 때문에, 장치 전체의 구조가 단순해져, 비용절감으로 이어지고, 또한, 상기 개질기(1)를, 연소기(10)로부터 분사되는 연소가스가 유통하는 노통(11)과, 상기 노통(11)과 단열용기(9)의 내통(9a)의 사이에 형성되는 연소가스의 유로(12)에 병설되고 또한 내부에 개질 촉매가 장전되어 원료가스를 유통시키고 그 개질을 하기 위한 복수의 개질관(13)으로 구성하고 있기 때문에, 개질관(13)의 다중관화와 연소기(10)에서의 고온연소에 의한 방사전열 이용에 의해 개질기(1)의 전체 길이를 짧게 하는 것이 가능해지고, 이것에 따라, 물 증발기(2), 원연료 기화기(3), 탈황기(4), 저온 시프트 컨버터(5), 선택 산화 반응기(6) 등의 관련기기를 개질기(1)의 하측에 배치할 수 있고, 연료 개질장치의 높이를 낮게 할 수 있다.

또, 통상 운전시에는, 개질기(1)에는 원연료로부터 생성한 원료가스가 공급되고, 연료가스인 애노드 오프가스를 연소시킨 연소가스는, 개질기(1)와, 물 증발기(2) 및 원연료 기화기(3)에 있어서 원료가스와 열교환하여, 약 200℃ 정도로 온도가 내려가고, 저온 시프트 컨버터(5)나 선택 산화 반응기(6)에 있어서의 반응의 온도 레벨이 되기 때문에, 상기 연소가스의 유로가 되는 통형의 공간(17) 내에 저온 시프트 컨버터(5)나 선택 산화 반응기(6) 등의 반응기를 골라내어 배치하여도 불필요한 열교환이 일어날 우려는 없다.

이렇게 해서, 장치의 소형화 및 열 효율 향상을 도모할 수 있고, 또한, 단열층(9c)의 시공의 수고를 대폭으로 저감할 수 있고, 관리도 용이하게 할 수 있다.

상술한 바와 같이, 도 2, 도 3에 도시하는 버너 연소식의 연료 개질장치는 여러가지 우수한 이점을 갖는다. 한편, 상술한 선택 산화 반응기(6)에서는, 도입된 개질가스 중 여러가지의 성분으로부터 선택적으로 농도가 수천 ppm의 CO를 산화 반응에 의해 수 ppm 이하의 농도로 저감해야만 한다. 그리고, 이 농도의 저감을 위해서는 반응온도를 일정하게 할 필요가 있다. 따라서 대부분의 경우, 선택 산화 반응기(6)에서는 2 내지 3단의 다단 반응기를 사용하도록 하고 있다. 또, 선택 산화 반응기(6)에 도입되는 개질가스는, H₂가 약 59%, CO가 약 0.5%, CO₂가 약 19%, H₂O가 약 21.5%이다.

도 4에는, 연료 개질장치에 적용되는 일반적인 선택 산화 반응기에 있어서 반응기 본체가 2세트인 경우의 장치 플로의 개요를 도시하고 있다. 도면 중, 21은 저온 시프트 컨버터(5; 도 1, 도 2 참조)로부터 공급되어 산화용 공기(23)가 혼합된 개질가스(22a)가 도입되는 상류측의 반응기 본체, 24는 반응기 본체(21)로부터의 개질가스(22a)에 산화용 공기(25)를 혼합하기 위한 가스 혼합기, 26은 산화용 공기(25)가 혼합되어 가스 혼합기(24)로부터 공급된 개질가스(22b)가 도입되는 하류측의 반응기 본체이며, 반응기 본체(21, 26)는 냉각기(21a, 26a)를 구비하고 있는 동시에, 내부에 Ru 등을 활성성분으로 하는 선택 산화촉매가 장전되어 있다.

도 4의 장치 흐름도에 도시하는 선택 산화 반응기에서는, 저온 시프트 컨버터(5)로부터의 수천 ppm의 CO를 포함하는 개질가스에 산화용 공기(23)가 더해져 혼합되고, 산화용 공기(23)가 혼합된 개질가스(22a)는 반응기 본체(21)로 도입되고, 촉매의 작용에 의해 식 (I)로 나타내는 산화 반응이 행하여져 CO가 감소하고, 반응기 본체(21)로부터 가스 혼합기(24)로 공급되어 산화용 공기(25)와 혼합된다. 가스 혼합기(24)에서 생성된 산화용 공기(25)가 혼합된 개질가스(22b)는 반응기 본체(26)에 도입되고, 반응기 본체(21)에 있어서와 동일하게 하여 산화 반응이 행하여져, CO가 수 ppm으로 감소하여, 가습기(7)로부터 고체고분자형 연료전지(8)의 애노드(8b)로 도입된다(도 1 참조).

반응기 본체(21, 26)에서는 냉각기(21a, 26a)로 냉각수 등의 냉각매체가 공급되어 냉각이 행하여져, 개질가스(22a, 22b)의 온도는 산화 반응이 행하여지기 쉬운 120℃ 내지 200℃, 바람직하게는 150℃로 제어된다. 또, 반응기 본체(21)의 입구측에서는, 산화용 공기(23)의 유량도 많기 때문에 특별히 가스 혼합기를 설치하지 않아도 개질가스(22a)와 산화용 공기(23)는 용이하게 혼합할 수 있지만, 반응기 본체(26)의 입구측에서는, 산화용 공기(25)의 유량은 적기 때문에, 개질가스(22a)와 산화용 공기(25)의 혼합은 어렵고, 이 때문에 개질가스(22a)와 산화용 공기(25)가 충분히 혼합할 수 있도록, 가스 혼합기(24)가 필요하게 된다.

도 4에 도시하는 선택 산화 반응기에 있어서, 복수의 반응기 본체(21, 26)를 설치하면, 통상은 반응기 본체(21, 26)를 연결하기 위해서 연락관이 필요하게 된다. 또, 반응기 본체(21, 26)가 일반적인 원통형상인 경우에는, 복수 병설한 경우에는, 반응기 본체(21, 26)간에 공극이 형성되고, 이 공극이 좁으면, 공극을 다른 기기의 배치에 유효 이용할 수 없어, 공극은 데드 스페이스(dead space)가 된다. 또, 상술한 바와 같이 반응기 본체(21, 26)의 사이에 가스 혼합기(24)를 설치해야만 한다. 따라서, 선택 산화 반응기를 전체적으로 소형화할 수 없다.

또한, 도 4에 도시하는 선택 산화 반응기를 도 2에 도시하는 연료 개질장치에 적용하는 경우에는, 장치 구성상, 선택 산화 반응기는, 원통형의 베이스 내통(16)과 베이스 내통(16)의 외측에 동심형으로 배치된 단열용기(9)의 내통(9a)과, 베이스 외통(15)으로 형성되는 공간(17) 내에 수납해야만 한다.

그런데, 선택 산화 반응기는 소형으로 하지 않으면 상기 공간(17)에 수납할 수 없고, 따라서 선택 산화 반응기의 구조에 연구가 필요하게 된다.

본 발명은 상술한 실정을 감안하여, 개질기의 관련기기로서의 선택 산화 반응장치를 소형으로 하여 연료 개질장치의 통형의 좁은 공간 내에 콤팩트하게 수납시켜, 장치의 스페이스 절감화를 도모할 수 있도록 하는 것을 목적으로 하여 이루어진 것이다.

본 발명의 선택 산화 반응장치는, 연료 개질장치의 통형의 공간 내에, 개질기의 관련기기로서 배치된 선택 산화 반응장치로서,

상기 선택 산화 반응장치는, 둘레방향의 일부가 노치된 2중 원통형으로 형성되는 동시에, 둘레방향으로 구분된 복수열의 반응기 본체를 구비하고,

각 반응기 본체는, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 유통할 수 있도록 한 다공판에 의해 구분되어 각각 3개의 방(室)을 구비하는 동시에 중앙의 방에는 선택 산화촉매가 장전되고,

개질가스는, 각 반응기 본체에서의 선택 산화촉매가 장전된 방을 상방향 또는 하방향으로 공급되어 선택 산화촉매의 작용에 의해 산화용 가스와 반응하여 CO를 제거할 수 있도록 구성되고,

개질가스가 소정의 열(列)의 반응기 본체로부터 다음의 열(列)의 반응기 본체에 공급될 때는, 개질가스는, 상기 열(列)의 반응기 본체에서의 선택 산화촉매가 장전된 방으로부터 위쪽 또는 아래쪽의 다공판을 유통하여 상기 열의 반응기 본체에서의 선택 산화촉매가 장전되지 않은 방에 배치된 가스 혼합관 내에 그 외주에 설치한 개질가스 도입 구멍으로부터 도입되도록 구성되고,

상기 가스 혼합관 내에서는, 개질가스는 개질가스 도입 구멍과는 다른 부분으로부터 도입된 산화용 가스와 혼합되고, 산화용 가스의 혼합된 개질가스는 가스 혼합관으로부터 다음의 열의 반응기 본체의 선택 산화촉매가 장전되지 않은, 상기 가스 혼합관이 배치된 방에 연설된 방에 공급할 수 있도록 구성되고,

최종열의 반응기 본체로부터는, 선택 산화촉매가 장전된 방을 통과한 개질가스가 추출되도록 구성한 것이다.

또, 본 발명의 선택 산화 반응장치는, 연료 개질장치의 통형의 공간 내에, 개질기의 관련기기로서 배치된 선택 산화 반응장치로서,

상기 선택 산화 반응장치는, 둘레방향의 일부가 노치된 2중 원통형으로 형성되는 동시에, 둘레방향으로 구분된 복수열의 반응기 본체를 구비하고,

각 반응기 본체는, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 유통할 수 있도록 한 상하의 다공판에 의해 구분되어 상하의 다공판간에 선택 산화촉매가 장전된 방을 구비하고,

상기 반응기 본체 중 개질가스 흐름방향의 홀수열의 반응기 본체에서는, 하부의 다공판과 바닥판 사이의 방으로부터, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방에 산화용 가스가 혼합된 개질가스가 공급되도록 구성되며,

상부의 다공판과 천정판의 사이의 방에는, 일단측으로부터 공급된 산화용 가스와, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방으로부터 공급되어 외주에 설치한 복수의 개질가스 도입 구멍으로부터 도입된 개질가스를 혼합시켜, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 다음의 짝수열의 반응기 본체에서의 상부의 다공판과 천정판의 사이의 방에 공급할 수 있도록 한 가스 혼합관이 설치되고,

상기 반응기 본체 중 개질가스 흐름방향의 짝수열의 반응기 본체에 있어서는,

상부의 다공판과 천정판 사이의 방으로부터, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방에 산화용 가스가 혼합된 개질가스가 공급되도록 구성되며,

하부의 다공판과 바닥판 사이의 방에는, 일단측으로부터 공급된 산화용 가스와, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방으로부터 공급되어 외주에 설치한 복수의 개질가스 도입 구멍으로부터 도입된 개질가스를 혼합시켜, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 다음의 홀수열의 반응기 본체에서의 하부의 다공판과 바닥판 사이의 방에 공급할 수 있도록 한 가스 혼합관이 설치되고,

최종열의 반응기 본체로부터는, 선택 산화촉매가 장전된 방을 통과한 개질가스를 추출할 수 있도록 구성한 것이다.

또, 본 발명의 선택 산화 반응장치는, 연료 개질장치의 통형의 공간 내에, 개질기의 관련기기로서 배치된 선택 산화 반응장치로서,

상기 선택 산화 반응장치는, 둘레방향의 일부가 노치된 2중 원통형으로 형성되는 동시에, 둘레방향으로 구분된 복수열의 반응기 본체를 구비하고,

각 반응기 본체는, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 유통할 수 있도록 한 상하의 다공판에 의해 구분되어 상하의 다공판간에 선택 산화촉매가 장전된 방을 구비하고,

상기 반응기 본체 중 개질가스 흐름방향의 홀수열의 반응기 본체에서는, 상부의 다공판과 천정판 사이의 방으로부터, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방에 산화용 가스가 혼합된 개질가스가 공급되도록 구성되며,

하부의 다공판과 바닥판 사이의 방에는, 일단측으로부터 공급된 산화용 가스와, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방으로부터 공급되어 외주에 설치한 복수의 개질가스 도입 구멍으로부터 도입된 개질가스를 혼합시켜, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 다음의 짝수열의 반응기 본체에서의 하부의 다공판과 바닥판 사이의 방에 공급할 수 있도록 한 가스 혼합관이 설치되고,

상기 반응기 본체 중 개질가스 흐름방향의 짝수열의 반응기 본체에서는,

하부의 다공판과 바닥판 사이의 방으로부터, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방에 산화용 가스가 혼합된 개질가스가 공급되도록 구성되며,

상부의 다공판과 천정판 사이의 방에는, 일단측으로부터 공급된 산화용 가스와, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방으로부터 공급되어 외주에 설치한 복수의 개질가스 도입 구멍으로부터 도입된 개질가스를 혼합시켜, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 다음의 홀수열의 반응기 본체에서의 상부의 다공판과 천정판의 사이의 방에 공급할 수 있도록 한 가스 혼합관이 설치되고,

최종열의 반응기 본체로부터는, 선택 산화촉매가 장전된 방을 통과한 개질가스를 추출할 수 있도록 구성한 것이다.

본 발명의 선택 산화 반응장치는, 반응기 본체 내의 산화용 가스의 혼합한 개질가스를 냉각하는 수단을 설치한 것이다.

본 발명에 의하면, 하류측의 반응기 본체에서 반응시키기 위한 개질가스와 산화용 가스를 혼합하기 위해서 별도 설치하는 가스 혼합기가 불필요하게 되기 때문에, 장치의 소형화가 가능해지고 또한 좁은 통형의 방 내에 콤팩트(compact)하게 수납할 수 있는 결과, 장치의 공간 절감화가 가능해진다.

또, 반응기 본체는, 2중 원통의 일부를 노치한 구조이기 때문에, 2중 원통부의 중심부나 노치한 부분은, 연료 개질장치의 다른 구성기기를 정리된 상태로 통과시키는 공간으로 할 수 있어, 공간의 유효 활용이 가능하여 데드 스페이스(dead space)가 생기지 않다.

또한, 상류측의 반응기 본체에서 CO가 제거된 개질가스에 혼합되는 산화용 가스는, 가스 혼합관으로 충분히 효율적으로 혼합되기 때문에, 하류측의 반응기 본체로 CO를 양호하게 제거할 수 있다.

도 1은 개질기가 설치되는 설비의 일례를 도시하는 전체 계통도.

도 2는 연료 개질장치의 일례를 도시하는 종단 정면도.

도 3은 도 2의 III-III방향에서 본 도면.

도 4는 연료 개질장치에 적용되는 일반적인 선택 산화 반응기에서 반응기 본체가 2세트인 경우의 장치 흐름의 개요도.

도 5는 본 발명의 연료 개질장치의 선택 산화 반응장치의 실시예의 평면도로, 도 2의 V-V방향에서 본 도면.

도 6은 도 5에 도시하는 선택 산화 반응장치를 전개하여 도시하는 정면도로, 도 7의 VI-VI방향에서 본 도면.

도 7은 도 6의 VII-VII방향에서 본 도면.

도 8은 도 6의 VIII-VIII방향에서 본 도면.

도 9는 도 6의 IX방향에서 본 도면.

도 10은 도 6의 X방향에서 본 도면.

도 11은 도 6의 XI방향에서 본 도면.

도 12는 도 5에 도시하는 선택 산화 반응장치의 개략 사시도.

도 13은 도 12에 도시하는 선택 산화 반응장치에서의 제1열째의 반응기 본체의 상부의 방에 수납한 가스 혼합관을 도시하는 사시도.

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 설명한다.

도 5 내지 도 13은 본 발명의 실시예로, 도면 중, 도 2와 동일한 부호를 붙인 부분은 동일물을 나타낸다.

그리고, 본 실시예에서는, 연료 개질장치에 적용되는 선택 산화 반응기(6)의 평면형상은, 도 2의 V-V방향 단면도인 도 5에 도시하는 바와 같이, 원둘레방향의 일부를 노치한 2중 원통형상으로, 베이스판(14)와 베이스 내통(16)과 베이스 외통(15)과 단열용기(9)의 내통(9a)으로 구성되고 또한 연소가스의 유로(12)에 연통하는 통형의 공간(17) 내에 배치되어 있다.

선택 산화 반응기(6)는, 도 6 내지 도 13에 상세하게 도시하는 바와 같이, 2중 원통형상의 제1열째의 반응기 본체(31)와, 상기 반응기 본체(31)의 원둘레방향측면에 칸막이판(33)을 통해서 접속된 2중 원통형상의 제2열째의 반응기 본체(32)를 구비하고, 원둘레방향을 구분된 복수열로 형성되어 있고, 원둘레방향의 일부는 연결되지 않고 노치된 형상으로 되어 있다. 그리고, 반응기 본체(31, 32)의 내경(D1)은, 베이스 내통(16)의 외경보다도 약간 크고, 반응기 본체(31, 32)를 공간(17)에 수납하였을 때에는, 반응기 본체(31, 32)의 내주는 베이스 내통(16)의 외주에 완전히 합치하도록 되어 있다.

반응기 본체(31)는, 대직경 원호형의 외주판(31a)과 소직경 원호형의 내주판(31b)과, 외주판(31a) 및 내주판(31b)의 상단을 접속하도록 배치된 천정판(31c)과, 외주판(31a) 및 내주판(31b)의 하단을 접속하도록 배치된 바닥판(31d)과, 반응기 본체(32)로부터 이반한 측부를 덮는 측판(31e)과, 상기 칸막이판(33)에 의해, 밀폐된 2중 원호 용기형으로 형성되어 있다.

반응기 본체(31) 내에는, 다수의 구멍이 형성된 펀칭 메탈 등에 의해 형성된 상하 2단의 다공판(34, 35)에 의해 구분되고, 반응기 본체(31) 내의 다공판(34, 35)간에 형성된 방(36)에는, Ru 등을 활성성분으로 하는 선택 산화촉매가 장전되어 있다.

반응기 본체(32)는, 대직경 원호형의 외주판(32a)과 소직경 원호형의 내주판(32b)과, 외주판(32a) 및 내주판(32b)의 상단을 접속하도록 배치된 천정판(32c)과, 외주판(32a) 및 내주판(32b)의 하단을 접속하도록 배치된 바닥판(32d)과, 반응기 본체(31)로부터 이반한 측부를 덮는 측판(32e)과, 상기 칸막이판(33)으로, 밀폐된 2중 원호 용기형으로 형성되어 있다.

따라서, 반응기 본체(31, 32)는 반응기 본체(31, 32) 각각의 일부를 형성하는 칸막이판(33)을 사이에 두고 접합되어 전체적으로 원둘레방향의 일부를 노치한 약 2중 원통 용기형으로 형성되어 있고, 반응기 본체(31, 32)를 연결하기 위한 연락관은 필요가 없는 구성으로 되어 있다.

반응기 본체(32) 내에는, 다수의 구멍이 설치된 펀칭 메탈 등에 의해 형성된 상하 2단의 다공판(37, 38)에 의해 구분되고, 반응기 본체(31) 내의 다공판(37, 38)간에 형성된 방(39)에는, Ru 등을 활성성분으로 하는 선택 산화촉매가 장전되어 있다.

반응기 본체(31) 내에서의 다공판(35)과 바닥판(31d)의 사이의 방(40)에 개질가스(41a)를 공급할 수 있도록, 측판(31e)에는 개질가스 공급관(42)이 접속되어 있다. 즉, 개질가스 공급관(42)은, 방(40)과 연통하도록, 측판(31e) 하단부에 직접 접속되는 수평부(42a)와, 수평부(42a)에 접속되어 반응기 본체(31)의 상단부 근방까지 연재하는 수직부(42b)와, 수직부(42b)의 상단 근방에 접속된 수평부(42c)를 구비하고, 수직부(42b) 내에는 오리피스(43; orifice)가 설치되어 있다. 그리고, 개질가스(41a)는, 개질가스 공급관(42)의 수평부에 접속된 수직관으로 하단으로부터 개질가스 공급관(42)에 공급할 수 있도록 되어 있다.

개질가스 공급관(42)의 수직부(42b) 내에서의 상류측의 오리피스(43)보다도 위쪽 위치에는, 제1단째의 반응기 본체(31)에 있어서의 산화 반응에 제공되는 산화용 공기(44)를 수직부(42b) 내의 위쪽측의 오리피스(43)보다도 상류측에 도입할 수 있도록, 산화용 공기공급관(45)이 삽입되어 있다. 산화용 공기공급관(45)은, 개질가스 공급관(42)의 수직부(42b) 외에서 수평으로 구부러지고, 수평 단부에는, 아래쪽으로부터 산화용 공기(44)를 공급할 수 있도록 되어 있다.

반응기 본체(31) 내에서의 다공판(34)과 천정판(31c)의 사이의 방(47)에는, 평면형상이 원호형으로 반응기 본체(32)에 있어서의 산화 반응에 제공되는 산화용 공기(48)를 공급할 수 있도록 한 가스 혼합관(49)이 삽입 통과되어 있다. 가스 혼합관(49)은 반응기 본체(31)로부터 외부에 연재하고, 외부 선단에는, 산화용 공기(48)를 아래쪽으로부터 도입할 수 있도록 되어 있다.

가스 혼합관(49)의 선단은, 칸막이판(33)에 외주를 용접 등으로 완전히 밀봉(seal)되도록 접속되고, 반응기 본체(32)에 있어서의 다공판(37)과 천정판(32c)의 사이의 방(51)측에 개구되어 있는 동시에, 외주부에는 다수의 개질가스 도입 구멍(49a)이 천공 설치되어 있고, 반응기 본체(31)에서 방(36)을 상승하여 온 다공판(34)을 길(종류) 방(47)에 도입된 개질가스는, 개질가스 도입 구멍(49a)에서 가스 혼합관(49) 내에 도입되도록 되어 있다.

그리고, 개질가스와 산화용 공기(48)는 가스 혼합관(49) 내에서 양호하게 혼합되어 반응기 본체(32)의 방(51)에 도입되도록 되어 있다.

반응기 본체(32)의 측판(32e)에는, 다공판(38)과 바닥판(32d)의 사이의 방(52)에 연통하도록, 개질가스 추출관(53)이 접속되어 있고, 개질가스 추출관(53)의 선단에서는, 개질가스(41b)를 아래쪽에 공급할 수 있도록 되어 있다.

반응기 본체(32)에 있어서의 바닥판(32d)의 칸막이판(33) 근방 하면으로부터는, 냉각유체(54)를 공급하기 위한 냉각유체 공급관(55)이 방(52)을 통과하여 방(39) 내에 부설되고, 방(39) 내를 지그재그형으로 상부에 부설되어 있다. 방(39)의 상부에서는, 냉각유체 공급관(55)은, 칸막이판(33)을 관통하여 반응기 본체(31) 의 방(36) 내에 연재하여, 방(36) 내를 지그재그형으로 하부에 부설되어 있고, 방(40)을 통과하여 외부로 도출되어 있다. 또, 냉각유체 공급관(55)의 칸막이판(33) 관통부는 치밀하게 유지되어 있다.

반응기 본체(31, 32)는 약 2중 원통형이고, 원둘레방향 양단은 일부를 노치한 형상으로 되어 있기 때문에, 도 7, 도 8에 도시하는 바와 같이, 측판(31e, 32e)은 평면적으로 보아 근접한 형상으로 되어 있다.

다음에, 상기한 실시예의 작동을 설명한다.

도 1의 저온 시프트 컨버터(5)로부터 공급된 개질가스(41a)는, 개질가스 공급관(42)의 수평부(42c)로부터 수직부(42b)로 도입된다. 또, 산화용 공기(44)는 산화용 공기공급관(45)으로부터 개질가스 공급관(42)의 수직부(42b)로 도입된다. 그리고, 개질가스(41a)와 산화용 공기(44)는 수직부(42b) 내의 오리피스(43)를 통과할 때에 혼합되고, 방(40)으로부터 다공판(35)을 통과하여 방(36) 내에 도입된다.

방(36) 내에는 Ru 등을 활성성분으로 하는 선택 산화촉매가 수납되어 있기 때문에, 개질가스(41a)에 포함되어 있는 수천 ppm의 CO는, 방(36)에서, 선택 산화촉매의 작용에 의해 산화용 공기(44) 중의 산소와 식 (I)에 나타내는 바와 같이 반응을 하여 CO₂가 되고, 따라서, 개질가스(41a) 중의 CO는 제거된다.

어느 정도 CO가 제거된 개질가스(41a)는, 방(36)으로부터 다공판(34)을 통과하여 방(47)에 공급되고, 방(47)으로부터 개질가스 도입 구멍(49a)을 지나서 가스 혼합관(49) 내에 도입된다.

또, 산화용 공기(48)는 가스 혼합관(49)의 외단부로부터 가스 혼합관(49) 내에 공급되어, 개질가스 도입 구멍(49a)으로부터 도입된 개질가스에 혼합되고, 산화용 공기(48)의 혼합된 개질가스는, 반응기 본체(32)의 방(51)에 공급된다. 가스 혼합관(49) 내에서의 산화용 공기(48)의 유량은 개질가스(41a)와 비교하여 소량이며 또한 개질가스(41a)는 개질가스 도입 구멍(49a)으로부터 가스 혼합관(49) 내에 고유속으로 도입되고, 더구나, 흐름방향을 바꾸기 위해서, 산화용 공기(48)는 가스 혼합관(49) 내에 있어서 개질가스(41a)와 양호하게 교반, 혼합하여, 반응기 본체(32)의 방(51)에 공급된다.

방(51)에 공급된 산화용 공기(48)의 혼합한 개질가스는, 다공판(37)을 통과하여 방(39) 내에 흘러내린다. 방(39) 내에는 Ru 등을 활성성분으로 하는 선택 산화촉매가 수납되어 있기 때문에, 개질가스에 포함되어 있는 CO는, 방(39)에 있어서, 선택 산화촉매의 작용에 의해 산화용 공기(48) 중의 산소와 식 (I)에 나타내는 바와 같이 반응을 하여 CO₂가 되고, 따라서, 개질가스 중의 CO는 수 ppm 정도까지 제거된다.

그리고, 원하는 상태로 CO가 제거된 개질가스(41b)는, 방(39)으로부터 방(52)을 통과하여 개질가스 도출관(53)에 공급되고, 개질가스 도출관(53)으로부터 도출되어 가습기(7)로부터 고체고분자형 연료전지(8)의 애노드(8b)로 공급된다.

냉각유체(54)는, 냉각유체 공급관(55)을 통과하여, 방(39) 내의 가스 및 방 (36) 내의 개질가스를 소정의 온도로 냉각한다. 개질가스의 온도는, 도 4에 도시한 경우와 같이 산화 반응이 행하여지기 쉬운 120℃ 내지 200℃, 바람직하게는 150℃로 제어된다.

상기 실시예에 의하면, 선택 산화 반응기(6)의 반응기 본체(31, 32)에는 연락관이 불필요하게 되며 또, 제2단째의 반응기 본체(32)에서 반응시키는 개질가스와 산화용 공기를 혼합하기 위해서 별도 설치하는 가스 혼합기가 불필요하게 되고, 따라서, 장치의 소형화가 가능해지고 또한, 반응기 본체(31, 32)를 좁은 통형의 공간(17) 내에 콤팩트하게 수납할 수 있는 결과, 장치의 공간 절감화가 가능해진다.

또, 2중 원통의 일부를 노치한 구조이기 때문에, 2중 원통부의 중심부나 노치한 부분은, 연료 개질장치의 다른 구성기기, 예를 들면, 도 2에 도시하는 연소기(10)에 연소용 공기를 공급하기 위한 원통형의 베이스 내통(16), 애노드 오프가스 공급관(19), 연소용 연료공급관(20) 등을 종합한 상태로 통과시키는 공간으로 할 수 있고, 공간의 유효 활용이 가능하여 데드 스페이스가 생기지 않는다.

또한, 반응기 본체(31)에서 CO가 제거된 개질가스와 산화용 공기(48)는, 가스 혼합관(49)에 있어서 충분히 효율적으로 혼합되기 때문에, 제2단째의 반응기 본체(32)에 있어서도 CO를 양호하게 제거할 수 있다.

또, 본 발명의 연료 개질장치의 선택 산화 반응장치는, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러가지의 변경을 가할 수도 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에서는, 반응기 본체를 원둘레방향으로 2세트 설치하는 경우에 관해서 설명하였지만, 복수 세트이면 몇 세트로 하여도 실시 가능하다.

또, 반응 용기 본체를 3세트 이상 설치하는 경우에는, 개질가스와 산화용 공기를 혼합하는 혼합관은, 이하에 설명하는 바와 같이 배치할 필요가 있다. 즉, 가스 흐름방향 상류측으로부터 하류측을 향하여 홀수단째의 반응기 본체에 있어서, 상부의 다공판과 천정판의 사이의 방에 가스 혼합관을 배치한 경우는, 짝수단째의 반응용기 본체에 있어서는, 하부의 다공판과 바닥판의 사이의 방에 가스 혼합관을 배치할 필요가 있고, 홀수단째의 반응기 본체에 있어서, 하부의 다공판과 바닥판의 사이의 방에 가스 혼합관을 배치한 경우에는, 짝수단째의 반응용기 본체에 있어서는, 상부의 다공판과 천정판의 사이의 방에 가스 혼합관을 배치할 필요가 있다.

또한, CO를 산화시키는 가스는 공기에 한하지 않고 산소를 포함하는 가스이면 사용할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 선택 산화 반응장치는 연료전지에 공급되는 메탄올, 도시가스, 나프타, 등유 등의 원연료를 개질하기 위한 연료 개질장치의 선택 산화 반응장치로서 유용하고, 특히 장치의 소형화가 가능해져 더욱 좁은 통형의 방 내에 콤팩트하게 수납할 수 있어 공간 절감화가 가능한 선택 산화 반응장치로서 유용하고, 또, 공간의 유효 활용이 가능하여 데드 스페이스가 생기지 않고, 더구나 하류측의 반응기 본체에서 CO를 양호하게 제거할 수 있는 선택 산화 반응장치로서 유용하다.

Claims (4)

1. 연료 개질장치의 통형의 공간 내에, 개질기의 관련기기로서 배치된 선택 산화 반응장치에 있어서,

   상기 선택 산화 반응장치는, 둘레방향의 일부가 노치된 2중 원통형으로 형성되며, 둘레방향으로 구분된 복수열의 반응기 본체를 구비하고,

   각 반응기 본체는, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 유통할 수 있도록 한 상하의 다공판에 의해 구분되어 각각 3개의 방을 구비하며 중앙의 방에는 선택 산화촉매가 장전되고,

   개질가스는, 각 반응기 본체에서의 선택 산화촉매가 장전된 방을 상방향 또는 하방향에 공급되어 선택 산화촉매의 작용에 의해 산화용 가스와 반응하여 CO를 제거할 수 있도록 구성되고,

   개질가스가 소정의 열(列)의 반응기 본체로부터 다음의 열(列)의 반응기 본체에 공급될 때에는, 개질가스는, 상기 열(列)의 반응기 본체에서의 선택 산화촉매가 장전된 방으로부터 위쪽 또는 아래쪽의 다공판을 유통하여 상기 열의 반응기 본체에 있어서의 선택 산화촉매가 장전되지 않은 방에 배치된 가스 혼합관 내에 그 외주에 설치한 개질가스 도입 구멍으로부터 도입되도록 구성되고,

   상기 가스 혼합관 내에서는, 개질가스는 개질가스 도입 구멍과는 다른 부분으로부터 도입된 산화용 가스와 혼합되고, 산화용 가스의 혼합된 개질가스는 가스 혼합관으로부터 다음의 열의 반응기 본체의 선택 산화촉매가 장전되지 않은, 상기 가스 혼합관이 배치된 방에 연설된 방에 공급할 수 있도록 구성되고,

   최종열의 반응기 본체로부터는, 선택 산화촉매가 장전된 방을 통과한 개질가스가 추출되도록 구성한 것을 특징으로 하는 선택 산화 반응장치.
2. 연료 개질장치의 통형의 공간 내에, 개질기의 관련기기로서 배치된 선택 산화 반응장치에 있어서,

   상기 선택 산화 반응장치는, 둘레방향의 일부가 노치된 2중 원통형으로 형성되며, 둘레방향으로 구분된 복수열의 반응기 본체를 구비하고,

   각 반응기 본체는, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 유통할 수 있도록 한 상하의 다공판에 의해 구분되어 상하의 다공판간에 선택 산화촉매가 장전된 방을 구비하고,

   상기 반응기 본체 중 개질가스 흐름방향의 홀수열의 반응기 본체에서는,

   하부의 다공판과 바닥판 사이의 방으로부터, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방에 산화용 가스가 혼합된 개질가스가 공급되도록 구성되며,

   상부의 다공판과 천정판 사이의 방에는, 일단측으로부터 공급된 산화용 가스와, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방으로부터 공급되어 외주에 설치한 복수의 개질가스 도입 구멍으로부터 도입된 개질가스를 혼합시켜, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 다음의 짝수열의 반응기 본체에서의 상부의 다공판과 천정판 사이의 방에 공급할 수 있도록 한 가스 혼합관이 설치되고,

   상기 반응기 본체 중 개질가스 흐름방향의 짝수열의 반응기 본체에서는,

   상부의 다공판과 천정판 사이의 방으로부터, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방에 산화용 가스가 혼합된 개질가스가 공급되도록 구성되며,

   하부의 다공판과 바닥판 사이의 방에는, 일단측으로부터 공급된 산화용 가스와, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방으로부터 공급되어 외주에 설치한 복수의 개질가스 도입 구멍으로부터 도입된 개질가스를 혼합시켜, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 다음의 홀수열의 반응기 본체에 있어서의 하부의 다공판과 바닥판 사이의 방에 공급할 수 있도록 한 가스 혼합관이 설치되고,

   최종열의 반응기 본체로부터는, 선택 산화촉매가 장전된 방을 통과한 개질가스를 추출할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 선택 산화 반응장치.
3. 연료 개질장치의 통형의 공간 내에, 개질기의 관련기기로서 배치된 선택 산화 반응장치에 있어서,

   상기 선택 산화 반응장치는, 둘레방향의 일부가 노치된 2중 원통형으로 형성되며, 둘레방향으로 구분된 복수열의 반응기 본체를 구비하고,

   각 반응기 본체는, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 유통할 수 있도록 한 상하의 다공판에 의해 구분되어 상하의 다공판간에 선택 산화촉매가 장전된 방을 구비하고,

   상기 반응기 본체 중 개질가스 흐름방향의 홀수열의 반응기 본체에서는,

   상부의 다공판과 천정판 사이의 방으로부터, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방에 산화용 가스가 혼합된 개질가스가 공급되도록 구성되며,

   하부의 다공판과 바닥판의 사이의 방에는, 일단측으로부터 공급된 산화용 가스와, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방으로부터 공급되어 외주에 설치한 복수의 개질가스 도입 구멍으로부터 도입된 개질가스를 혼합시켜, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 다음의 짝수열의 반응기 본체에서의 하부의 다공판과 바닥판 사이의 방에 공급할 수 있도록 한 가스 혼합관이 설치되고,

   상기 반응기 본체 중 개질가스 흐름방향의 짝수열의 반응기 본체에서는,

   하부의 다공판과 바닥판 사이의 방으로부터, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방에 산화용 가스가 혼합된 개질가스가 공급되도록 구성되며,

   상부의 다공판과 천정판 사이의 방에는, 일단측으로부터 공급된 산화용 가스와, 상기 선택 산화촉매가 장전된 방으로부터 공급되어 외주에 설치한 복수의 개질가스 도입 구멍으로부터 도입된 개질가스를 혼합시켜, 산화용 가스가 혼합된 개질가스를 다음의 홀수열의 반응기 본체에서의 상부의 다공판과 천정판 사이의 방에 공급할 수 있도록 한 가스 혼합관이 설치되고,

   최종열의 반응기 본체로부터는, 선택 산화촉매가 장전된 방을 통과한 개질가스를 추출할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 선택 산화 반응장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 반응기 본체 내의 산화용 가스의 혼합된 개질가스를 냉각하는 수단을 설치한 선택 산화 반응장치.

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