KR20070112418A - 연료 개질 장치 - Google Patents
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Abstract
연료 개질 장치(10)는, 개질용 연료인 미가공 연료를 증발시키는 증발기(12)와, 증발한 상기 미가공 연료를 개질 반응에 필요한 온도까지 승온시키는 과열기(14)와, 승온한 상기 미가공 연료를 개질하여 개질 가스를 생성하는 개질기(16)와, 상기 증발기(12)에서 상기 미가공 연료를 증발시키도록 가열 유체를 예열하는 예열기(18)를 구비한다. 증발기(12)는 과열기(14)를 에워싸도록 동심원상으로 배설된다.
연료 개질 장치, 개질용 연료, 승온, 과열기, 증발, 예열기
Description
본 발명은, 개질용 연료를 개질함으로써 수소가 풍부한 연료 가스(hydrogen rich fuel gas)를 생성하는 연료 개질 장치에 관한 것이다.
예컨대, 연료 전지에 연료 가스로서 주로 수소를 함유하는 가스(이하, 수소함유 가스라고도 한다)가 공급된다. 수소함유 가스로서 사용하기 위하여, 일반적으로 개질 가스는 메탄올 등의 탄화 수소 연료 또는 예컨대 LNG인 화석 연료로부터 개질된 미가공 연료를 획득하고, 수증기 개질(steam reforming), 부분 산화 개질(partial oxidation reforming), 자열 개질(autothermal reforming) 등을 행하여 개질 원료 가스를 처리함으로써 생성된다.
예컨대, 일본 특허 공개 제2003-192304호 공보에 개시되어 있는 개질 장치에 있어서, 도 14에 도시한 바와 같이, 증발기(1)에 공급된 순수는 연소 배기 가스를 통해 증발기(1) 내부에서 증발된다. 그 다음, 수증기가 열교환기(2)를 통과하여 개질기(3)로 공급된다. 증발기(1)에는 열교환용 가스인 연소 배기 가스에 의해 물을 증발시켜 수증기를 생성하는 열교환 유닛을 갖춘 증발 열교환기(4)가 설치된다. 증발 열교환기(4)는 평행하게 배설(配設)되는 복수의 파이프(5)와, 상기 파이프(5)의 상류단 및 하류단에서 개구하는 유입 매니폴드(6) 및 유출 매니폴드(7)를 함께 구비하고 있다. 또한, 이 유입 매니폴드(6) 내부에는 파이프(5)의 돌출을 방지하기 위한 섬유재(8)가 배설된다.
개질 장치에서, 증발기(1), 열교환기(2) 및 개질기(3)는 화살표 X 방향에 의해 지시되는 방향인, 수증기의 유동 방향으로 배열된다. 실제로, 도시하지는 않았지만, 상기 증발기(1), 열교환기(2) 및 개질기(3)는 파이프에 의해 연결되어 있다. 따라서, 복수의 파이프가 사용되기 때문에 개질 장치의 전체 치수가 대형화한다. 또한, 파이프로부터의 방열이 발생하기 쉽고, 방열에 기인한 열 에너지의 손실이 야기되어, 열효율이 저하한다.
또한, 증발기(1)에서, 순수는 복수의 파이프(5)를 따라서 화살표 X 방향으로 흐르는 한편, 연소 배기 가스는 화살표 X 방향과 직교하는 화살표 Y 방향으로 공급된다. 이때, 파이프(5)를 통과하는 순수를 확실하게 증발시켜 수증기를 생성하기 위해서는, 연소 배기 가스로부터 순수로 소정 열량의 열 에너지를 공급할 필요가 있다. 따라서, 순수와 연소 배기 가스 사이에서 수행되는 열교환을 충분한 시간동안 확보하기 위하여, 파이프(5)를 화살표 X 방향으로 상당히 길게 연장할 필요가 있다. 이에 따라, 증발기(1)는 화살표 X 방향으로 상당히 대형화되어, 개질 장치 전체 치수의 소형화가 달성될 수 없다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여, 파이프를 가급적 제거하고, 열효율의 개선을 달성한, 단순하고 조밀한 구조를 가진 연료 개질 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 개질용 연료와 가열 유체 사이에서 열교환이 효율적으로 수행되는, 단순하고 조밀한 구조를 가진 연료 개질 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 수소가 풍부한 연료 가스를 생성하는 개질용 연료를 개질하는 연료 개질 장치에 관한 것이다. 연료 개질 장치는, 개질용 연료를 가열 유체와의 열교환에 의해 증발시키는 증발기와, 증발한 상기 개질용 연료를 개질 반응에 필요한 온도까지 승온시키는 과열기와, 개질용 연료의 온도가 승온된 후 개질용 연료를 개질하여 개질 가스를 생성하는 개질기를 포함한다. 증발기가 과열기 주변에 배설되고, 상기 과열기와 개질기는 서로 직렬로 연결된다.
본 발명에 따르면, 과열기, 증발기, 및 개질기는 파이프에 의해 연결될 필요가 없으므로, 파이프를 바람직하게 삭제할 수 있다. 이에 따라, 파이프부터의 방열이 저감되고, 연료 개질 장치의 전체 구조를 단순하고 조밀하게 하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 연료 개질 장치를 도시하는 개략 사시도이다.
도 2는 연료 개질 장치 내의 가스 유동 흐름을 도시하는 단면도이다.
도 3은 연료 개질 장치의 증발기를 도시하는 분해 사시도이다.
도 4는 증발기의 부분 생략 사시도이다.
도 5는 증발기의 부분 단면도이다.
도 6은 증발기의 횡단면도이다.
도 7은 연료 개질 장치의 과열기를 도시하는 분해 사시도이다.
도 8은 연료 개질 장치의 개질기를 도시하는 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 연료 개질 장치 내의 가스 유동 흐름을 도시하는 단면도이다.
도 10은 연료 개질 장치의 증발기를 도시하는 부분 단면도이다.
도 11은 증발기의 부분 생략 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 연료 개질 장치의 증발기를 도시하는 횡단면도이다.
도 13은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 연료 개질 장치의 증발기를 나타내는 단면도이다.
도 14는 종래 개질기를 도시하는 개략도이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 연료 개질 장치(10)를 도시하는 개략 사시도이다. 도 2는 연료 개질 장치(10) 내의 가스 유동 흐름을 도시하는 단면도이다.
연료 개질 장치(10)는, 예컨대, 메탄 등의 탄화 수소나 알콜 등을 함유하는 개질용 연료를 개질함으로써 수소가 풍부한 연료 가스를 생성한다. 연료 가스를, 예컨대, 연료 전지(도시하지 않음)에 공급한다.
연료 개질 장치(10)는 증발기(12), 과열기(14), 개질기(16) 및 예열기(18)를 포함한다. 증발기(12)는 개질용 연료를 증발시킨다. 과열기(14)는 증발한 개질용 연료의 온도를 개질 반응에 필요한 온도까지 승온시킨다. 개질용 연료의 온도가 승온된 후, 개질기(16)는 상기 개질용 연료를 개질하여 개질 가스를 생성한다. 예열기(18)는 증발기(12)에서 상기 개질용 연료를 증발시키기 위하여 가열 유체를 예열한다. 증발기(12)는 과열기(14) 주위에서 동심원상으로 배설된다. 과열기(14)와 개질기(16)는 동축으로 배설되고 서로 직렬로 연결된다. 예열기(18)와 과열기(14)도 또한 동축으로 배설되고, 예열기는 개질기(16)의 대향된 측면에 직렬로 연결된다.
도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 증발기(12)는 만곡형 파이프 부재(20), 내부 원통형 부재(증발기 내부 원통)(22)과 외부 원통형 부재(24)를 포함한다. 내부 원통형 부재(22)와 외부 원통형 부재(24)는 상기 만곡형 파이프 부재(20)의 양측면에서 만곡형 파이프 부재(20)와 동심원상으로 배설된다. 만곡형 파이프 부재(20)는, 단면이 원호형인 개구를 각각 갖는 복수의 원호형 파이프(28a, 28b)를 갖는다. 화살표 A 방향으로 지시된 축방향에서, 원호형 파이프(28a, 28b)의 단부(하단부)를 제1 세퍼레이터(26)에 고정하는 고정단으로 형성한다. 원호형 파이프(28a, 28b)의 타단부(상단부)을 자유단으로 형성한다.
도 3 및 도 6에 도시한 바와 같이, 복수, 예컨대, 4개의 원호형 파이프(28a)가 동일한 원주 상에 등각도 간격으로 배설된다. 또한, 제1 열의 4개의 원호형 파이프(28a)를 에워싸고, 동심원상으로 동일한 원주 상에 복수, 예컨대, 4개의 원호형 파이프(28b)가 배설된다. 제1 열의 원호형 파이프(28a)는 제2 열의 원호형 파 이프(28b)와 상호 위상이 변이되어 배열된다. 각 원호형 파이프(28a, 28b)는 내부에 가열 유체인 연소 가스용 통로를 형성하는 제1 채널(30)를 갖는다. 개질용 연료인 원료용 통로를 형성하는 제2 채널(32)이 형성되고, 이는 내부 원통형 부재(22), 외부 원통형 부재(24), 원호형 파이프(28a, 28b)로 에워싸인다.
만곡형 파이프 부재(20) 내부에는 만곡형 연소용 촉매(34)가 배설된다. 만곡형 연소용 촉매(34)는 단면이 원호형이고, 2열로 배열된 복수의 촉매 외부 원통(38a, 38b)을 포함한다. 촉매 외부 원통(38a, 38b)의 단부는 축방향 일 측면 상에서 제2 세퍼레이터(36)에 고정된 고정단을 형성한다. 촉매 외부 원통(38a, 38b)의 타단부는 자유단을 형성한다. 제1 열의 한 촉매 외부 원통(38a)의 단부가 제1 열의 원호형 파이프(28a) 내에 하나씩 배설되고, 제2 열의 두 개의 촉매 외부 원통(38b)이 제2 열의 원호형 파이프(28b) 내에 각각 배설된다.
촉매 외부 원통(38a)은 등각도 간격으로 배설된다. 이와 마찬가지로, 각 촉매 외부 원통(38b)끼리도 기설정된 등각도 간격으로 배설된다. 촉매 외부 원통(38a, 38b) 내부에는 연소 촉매를 담지한 편평형 메탈 허니컴(40a, 40b)이 수용된다.
도 2 및 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 세퍼레이터(26)는 외부 원통형 부재(24)의 하단부에 고정되고, 제2 세퍼레이터(36)는 외부 원통형 부재(24)의 외측에 배치되는 대략 원통형 케이싱(42)의 하단부에 고정된다. 제1 및 제2 세퍼레이터(26, 36)는 기설정된 간격으로 서로 이격되어, 오프 가스 유체 경로(44)를 형성한다. 이 오프 가스 유체 경로(44)는 제1 세퍼레이터(26)와 촉매 외부 원통(38a, 38b)과의 사이에 형성되는 채널(46a, 46b)과 연통된다. 또한, 오프 가스 유체 경로(44)는 케이싱(42)과 외부 원통형 부재(24) 사이로 연장하여, 케이싱(42)의 상단부에 형성되는 배기 포트(48)를 통하여 외부와 연통한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 외부 원통형 부재(24)의 상단부는 케이싱(42)의 상단부에 부착된다. 원호형 파이프(28a, 28b)의 상단부에 리드 부재(50)가 부착된다. 원호형 파이프(28a, 28b)의 상단부과 촉매 외부 원통(38a, 38b)의 상단부 사이에는 챔버(52)가 형성된다. 후술하는 바와 같이, 메탈 허니컴(40a, 40b)을 통하여 상측으로 유동하는 가열 유체가 상기 챔버(52)로 재유입하여, 제1 채널(30)을 향해 유동한다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 케이싱(42)의 상단부에는 링 부재(54)가 부착된다. 이 링 부재(54)는 메탄 등의 개질용 연료를 공급하기 위한 개질용 연료 공급 파이프(56)와 공기 공급 파이프(58)에 부착된다. 이 링 부재(54)에는 급수 파이프(60)가 마련된다. 이 급수 파이프(60)의 일단(60a)은 링 부재(54)를 통과하여 외부에 노출된다. 급수 파이프(60)는 환형으로 형성되고, 하부 위치에 복수의 구멍(도시하지 않음)을 갖는다. 이러한 구조에서, 물을 샤워형으로 급수할 수 있다. 링 부재(54)의 상부에는 환형 리드 부재(62)가 부착된다. 또, 메탄과 공기를 미리 혼합하여 연료 공급 파이프(56)로부터 공급하는 경우에는, 별도의 공기 공급 파이프(58)가 불필요로 할 수 있다.
도 2 및 도 7에 도시한 바와 같이, 과열기(14)는 외부 원통(과열기 외부 원통)(64)을 포함한다. 이 외부 원통(64)은 증발기(12)의 내부 원통형 부재(22)에 고정된다. 외부 원통(64)은 내부 원통형 부재(22)보다도 길고 화살표 A에 의해 지시되는 방향으로 연장된다. 외부 원통(64)의 하단부에는, 내부 원통형 부재(22)의 하부에서 아래쪽으로, 예컨대 4개 위치에 제2 채널(32)에 연통된 복수의 미가공 연료 유입구(66)가 마련된다. 미가공 연료 유입구(66)는 각각 원주형 슬릿 또는 다공성 구조를 갖는다. 외부 원통(64)의 하단부에는 제3 세퍼레이터(68)가 고정된다.
도 7에 도시한 바와 같이, 제3 세퍼레이터(68)는 내부에는 복수의 구멍(70)을 가진 대략 원형 디스크이다. 구멍(70)에는 파이프(72)의 단부가 용접이나 납땜 등에 의해 고정된다. 파이프(72)에는 복수의 분할판(74)이 압입이나 납땜 등에 의해 각각 소정 높이의 위치에 고정된다. 분할판(74)에는 그 내부에 각 파이프(72)를 삽입하기 위한 복수의 구멍(76)을 갖고, 각각 교대로 다른 위치에 절취부(78)가 형성된다.
외부 원통(64) 내에는 파이프(72)들의 외주부와 분할판(74)들의 절취부(78)에 의해 과열용 채널(82)이 사행 패턴으로 형성된다(도 2 참조). 각 파이프(72) 내에는, 개질 후에 가열된 개질 가스(수소가 풍부한 가스)를 이를 통하여 하방향으로 유동하게 하는 채널(84)이 형성된다. 파이프(72)의 상부측에는 분배판(86)을 통해 제4 세퍼레이터(88)가 고정된다. 분배판(86)은 내부에 파이프(72) 삽입을 위한 구멍(90)을 갖는다. 또한, 분배판(86)의 중앙부에 분배용의 개구(개질용 연료의 출구)(92)가 설치된다. 제4 세퍼레이터(88)는 내부에 파이프(72) 삽입을 위한 구멍(94)을 갖는다.
도 2 및 도 8에 도시한 바와 같이, 개질기(16)는 외부 원통(96)과 내부 원통(98)을 구비한다. 외부 원통(96)과 내부 원통(98) 사이에는, 개구(92)와 연통하는 미가공 연료 채널(100)이 형성된다. 외부 원통(96)의 상부에는 폐색된 챔버(102)가 형성된다. 미가공 연료 채널(100)로부터 이 챔버(102)로 도입된 미가공 연료는 개질용 연료 유입구(105)로부터 내부 원통(98) 내에 마련된 복수의 정류판(104)에 공급된다. 외부 원통(96)을 에워싸게 커버 부재(111)가 배설되고, 이 커버 부재(111) 내부에는 단열층(111a)이 형성된다.
각 정류판(104)은 미가공 연료를 정류하는 기능을 갖는 복수의 구멍(106)을 포함한다. 정류판(104)의 아래쪽으로는, Pd, Pt, 또는 Rh 등의 개질용 촉매를 담지한 허니컴형의 촉매부(108)가 마련된다. 이 촉매부(108)에 제4 세퍼레이터(88)가 고정되고, 제4 세퍼레이터(88) 내에는 각 파이프(72)의 채널(84)과 연통하는 챔버(110)가 형성된다.
도 2 및 도 5에 도시한 바와 같이, 예열기(18)는 연결 부재(112)를 통해 증발기(12)의 하단부에 연결된다. 연결 부재(112)는 링형 챔버(114)를 형성하고, 챔버 상부측에는 링형의 판 부재(116)가 마련된다. 판 부재(116) 내부에는 복수의 구멍(118)이 형성된다. 판 부재(116)는 증발기(12)의 제2 세퍼레이터(36)와 대향하고, 판 부재(116)와 제2 세퍼레이터(36) 사이에 챔버(120)가 형성된다. 챔버(114)는 구멍(118) 및 챔버(120)를 매개로 촉매 외부 원통(38a, 38b)과 연통한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 연결 부재(112)에는 챔버(114)와 연통하는 채 널(122)이 형성된다. 이 채널(122)은 예열기(18)의 외부 원통형 부재(124)와 연통한다. 외부 원통형 부재(124) 내부에는 과열기(14)와 같이, 복수의 파이프(126)와 복수의 분할판(128)이 마련된다. 파이프(126)는 화살표 A 방향으로 연장한다. 분할판(128)은 그 내부에 절취부(130)를 갖고, 파이프(126)를 따라 소정 높이의 위치에 교대로 배설된다.
파이프(126) 내부에는 각각 채널(132)이 마련된다. 과열기(14)를 통과한 개질 가스는 채널(132)을 통하여 하방향으로 유동한다. 파이프(126)의 외주면 및 각 분할판(128) 주위에 사행 패턴으로 예열용 채널(134)이 형성된다. 예열용 채널(134)을 통하여 가열 유체가 상방향으로 유동한다. 외부 원통형 부재(124)의 외주부의 하단부에는 가열 유체를 공급하기 위한 공급 포트(136)가 마련된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 증발기(12)의 내부 원통형 부재(22)와 과열기(14)의 외부 원통(64) 사이의 공간에는, 이 증발기(12)로의 열전도를 억제하기 위한 열전도 억제 매체(열전도 억제 구조)로, 예컨대 핀 부재(142)가 삽입된다. 또, 핀 부재(142) 대신에, 예컨대, 단열층이 형성될 수도 있다.
또한 연료 개질 장치(10)에 있어서, 증발기(12)의 원호형 파이프(28a, 28b) 사이에는, 예컨대, 도 6에 도시한 바와 같이, 열전도 촉진용 핀 부재(140)가 삽입된다. 이 핀 부재(140)는 주름진 형상(corrugated shape)을 갖는다. 선택적으로, 핀 부재(140)는 편평형을 가질 수도 있다. 핀 부재(140)는 화살표 A 방향으로 원호형 파이프(28a, 28b) 보다 짧은 것이 바람직하다.
또한, 과열기(14)와 예열기(18)는 직접 연결되어 있다. 선택적으로, 이 과 열기(14)와 이 예열기(18) 사이에는, 수소가 풍부한 가스에서 이산화탄소를 수소로 전환하는 CO 전환 반응기(shift reactor)(도시하지 않음)가 개재될 수도 있다. 또한, 예열기(18)의 하류측에 수소가 풍부한 가스 중에 잔존하는 일산화탄소를 제거하는 선택 산화 제거 장치(PROX)가 마련될 수도 있다.
이와 같이 형성되는 연료 개질 장치(10)의 동작에 관해서 하기에서 설명한다.
예컨대, 도시하지않는 연료 전지로부터 배출되는 오프 가스가 가열 유체로서 예열기(18)의 공급 포트(136)로부터 이 예열기(18)로 공급된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 가열 유체는 각 분할판(128)의 절취부(130)와 파이프(126)들의 외주부 사이에 형성되는 예열용 채널(134)을 따라 사행 패턴으로 상방향으로 이동한다. 파이프(126)의 채널(132)에는, 후술하는 바와 같은 개질에 의해서 생성된 수소가 풍부한 개질 가스가 과열기(14)를 통과하여, 예컨대, 300℃ 전후의 온도로 냉각된 뒤에 공급된다.
이 때문에, 가열 유체의 온도는 개질 가스와의 열교환에 의해 승온되고, 승온한 가열 유체는 연결 부재(112)의 채널(122)로부터 챔버(114)로 도입된다. 이 챔버(114)의 상부에 판 부재(116)가 마련된다. 예열된 가열 유체는 판 부재(116)의 복수의 구멍(118)을 통하여 챔버(120)로 일시적으로 공급된 뒤, 챔버(120)와 연통된 촉매 외부 원통(38a, 38b) 내의 메탈 허니컴(40a, 40b)을 따라서 상방향으로 이동한다. 따라서, 가열 유체는 메탈 허니컴(40a, 40b)에 담지된 연소 촉매에 의해 연소되고, 연소 가스가 획득된다.
이 연소 가스는, 도 5에 도시한 바와 같이, 촉매 외부 원통(38a, 38b)의 상단부와 원호형 파이프(28a, 28b)의 폐색된 상단부 사이에 형성된 챔버(52)로 도입된다. 연소 가스는 하방향으로 재유입된 다음, 제1 채널(30)을 통과하여 하방향으로 이동한다. 연료 공급 파이프(56)에는, 예컨대, 메탄 등을 함유하는 개질용 연료가 공급되고, 공기 공급 파이프(58)에는 공기가 공급되며, 급수 파이프(60)에는 물이 공급된다. 이에 따라, 개질용 연료, 공기, 및 물이 링 부재(54) 내에서 혼합되어, 미가공 연료가 얻어진다.
이 미가공 연료는, 내부 원통형 부재(22), 외부 원통형 부재(24), 및 원호형 파이프(28a, 28b)에 의해 에워싸인 위치에 형성된 제2 채널(32)을 따라서 하방향으로 이동하고, 그 결과 제1 채널(30)을 통하여 유동하는 연소 가스와의 사이에서 열교환이 행하여진다. 이에 따라, 미가공 연료는 증발된 뒤, 과열기(14)를 형성하는 외부 원통(64)의 하부에 형성된 미가공 연료 입구(66)로부터 외부 원통(64) 내부로 도입된다.
이 때문에, 도 2에 도시한 바와 같이, 증발한 미가공 연료는, 복수의 분할판(74)의 절취부(78) 및 복수의 파이프(72) 사이에 형성되는 과열용 채널(82)을 통하여 상방향으로 유동한다. 한편, 후술하는 것과 같이 개질된 뒤에, 고온의 개질 가스(대략 650 ℃)는, 파이프(72) 내부의 채널(84)을 따라서 하방향으로 이동한다. 따라서, 과열용 채널(82)을 통하여 이동하는 증발한 미가공 연료의 온도는 예컨대, 550 ℃ 전후의 온도로 승온된 뒤, 분배판(86)의 개구(92)로부터 개질기(16)로 공급된다.
이 개질기(16)에서, 증발 및 가열된 미가공 연료는 미가공 연료 채널(100)을 통하여 유동하고, 일시적으로 챔버(102)로 도입된다. 그 후, 미가공 연료는 개질용 연료 유입구(105)로부터 하방향으로 유동한다. 개질기(16)에는 복수의 정류판(104)이 다단으로 마련되어 있다. 정류판(104)에 의해서 미가공 연료가 정류되고 개질된다. 따라서, 개질 가스를 얻을 수 있다.
구체적으로는, 개질용 연료 중 메탄, 공기 중 산소, 및 수증기에 의해서, 산화 반응인 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O(발열 반응)과 연료 개질 반응인 CH4 + 2H2O → CO2+ 4H2(흡열 반응)이 동시에 행해진다. 이 때문에, 이산화탄소와 수소를 함유하는 개질 가스가 생성된다. 이 개질 가스는 챔버(110)로부터 파이프(72)의 채널(84)로 공급된다.
그리고 나서, 채널(84)에 공급된 고온(약 650 ℃)의 개질 가스는 하방향으로 이동하면서, 과열용 채널(82)을 따라 이동하는 미가공 연료를 가열한다. 이 후, 개질 가스는 예열기(18)의 파이프(126) 내 채널(132)에 공급된다. 이 개질 가스는 채널(132)을 따라 하방향으로 이동하여, 예열용 채널(134)을 따라 이동하는 가열 유체를 예열한 다음, 도시하지않는 연료 전지 등에 공급된다.
제1 실시형태에서, 미가공 연료(개질용 연료)를 증발시키는 증발기(12)와, 증발한 미가공 연료를 개질 반응에 필요한 온도까지 승온시키는 과열기(14)가 함께 마련된다. 증발기(12)는 과열기(14)를 에워싸고 동심원상으로 배설되어 있다. 구체적으로는, 도 2에 도시한 바와 같이 증발기(12)의 내부 원통형 부재(22)와, 과열 기(14)의 외부 원통(64)이 함께 고정되고, 외부 원통(64)의 하단부에는 상기 증발기(12)의 제2 채널(32)과 상기 과열기(14) 내부의 과열용 채널(82)과 연통하는 미가공 연료 유입구(66)가 배설된다.
이러한 구조에서, 과열기(14)와 증발기(12)는 파이프에 의해 연결될 필요가 없으므로, 그런 파이프를 제거할 수 있다. 이에 따라, 파이프부터의 방열이 발생하지 않는다. 열효율의 개선이 이루어지고, 단순하고 조밀한 구조의 연료 개질 장치(10)가 얻어진다.
또한, 제1 실시형태에, 열전도 억제 구조(핀 부재(142) 또는 단열 공간층)가마련된다. 이러한 구조에 의해, 과열기(14)로부터 증발기(12)로의 열전도가 억제되어, 열교환 효율의 개선이 용이하게 도모된다.
또한, 증발기(12)에는 화살표 A에 의해 지시된 축방향으로 연장하는 제1 및 제2 채널(30, 32)이 형성된다. 연소 가스 및 미가공 연료는 화살표 A 방향으로 유동하여, 연소 가스와 미가공 연료 사이의 열교환이 행하여지고 있다. 따라서, 과열기(14)의 외주부는, 제1 및 제2 채널(30, 32)에 의해 에워싸여 있다. 따라서, 열이 이 과열기(14)의 외주부로부터 방열하여, 열교환 효율의 개선이 용이하게 달성될 수 있다.
또한, 제1 실시형태에 따르면, 증발기(12)에 의해서 증발한 미가공 연료(개질용 연료)의 온도를 승온시키는 과열기(14)와, 고온의 미가공 연료를 개질하는 개질기(16)가 동축으로 배설되고, 서로 직렬로 연결된다(도 2 참조). 구체적으로는, 과열기(14)의 분배판(86)에는, 고온의 개질용 연료로서 공급되는 미가공 연료를 개 질기(16)에 공급하기 위한 개질용 연료 가스의 출구로서 개구(92)가 설치된다. 이 개구(92)는 미가공 연료 채널(100)과 직접 연통되어 있다.
따라서, 과열기(14)로부터 도출되는 미가공 연료는 개구(92)로부터 미가공 연료 채널(100)에 직접 공급된다. 이 후, 개질용 연료 유입구(105)로부터 정류판(104)으로 미가공 연료가 공급된다. 이 때문에, 과열기(14)와 개질기(16)를 파이프로 연결할 필요가 없으므로, 파이프를 적절하게 삭감할 수 있다. 따라서, 파이프부터의 방열이 발생하지 않는다. 또한, 열효율의 개선이 이루어지고, 단순하고 조밀한 구조의 연료 개질 장치(10)가 얻어진다.
또한, 개질기(16)의 개질 가스 출구 측에는 제4 세퍼레이터(88)를 통하여 챔버(110)가 형성되어 있다. 이 챔버(110)에는 과열기(14)를 형성하는 복수의 파이프(72)가 고정되어 있다. 따라서, 개질기(16)에 의해 생성된 개질 가스는 채널(84)을 통하여 파이프(72) 내부로 유동한다. 이에 따라, 과열용 채널(82)을 통하여 유동하는 개질 가스와 미가공 연료와의 사이에서 즉각 열교환이 행하여진다. 이에 따라, 고온의 개질 가스를 미가공 연료를 과열하기 위한 과열원으로서 이용할 수 있어, 열효율의 개선이 용이하게 도모된다.
또한, 개질기(16) 상에는 외부 원통(96)을 덮는 커버 부재(111)가 배설되고, 이 커버 부재(111) 내부에는 단열층(공간)(111a)이 형성되어 있다. 이러한 구조 때문에, 미가공 연료 채널(100)을 통하여 유동하는 미가공 연료의 온도가 저하되는 것이 효과적으로 방지되어, 개질 처리가 효율적으로 확실하게 수행된다.
또한, 제1 실시형태에서, 증발기(12)는 각 단면이 원호형 개구를 갖는 복수 의 원호형 파이프(28a, 28b)를 포함한다. 원호형 파이프(28a, 28b)는 동심원상에 2열로 배열된다. 각 단면이 원호형 개구를 갖는 촉매 외부 원통(38a, 38b)이 상기 원호형 파이프(28a, 28b)의 내부에 배설된다. 촉매 외부 원통(38a, 38b)은 내부에 메탈 허니컴(40a, 40b)을 수용한다. 그리고, 각 원호형 파이프(28a, 28b) 내부에는, 촉매 외부 원통(38a, 38b) 주위에 화살표 A 방향으로 연장하는 제1 채널(30)이 마련된다. 내부 원통형 부재(22), 외부 원통형 부재(24), 및 원호형 파이프(28a, 28b)에 의해 에워싸인 위치에, 화살표 A 방향으로 연장하는 제2 채널(32)이 형성되어 있다.
이러한 구조 때문에, 가열 유체가 메탈 허니컴(40a, 40b)을 통과한 경우에 생성된 연소 가스는, 제1 채널(30)을 따라서 하방향으로 유동한다. 한편, 개질용 연료, 공기, 및 물이 혼합된 미가공 연료는 제2 채널(32)을 따라 하방향으로 이동하고, 상기 연소 가스와 상기 미가공 연료 사이에서 열교환이 행하여진다.
전술한 바와 같이, 가열 유체인 연소 가스와 미가공 연료와 동일방향으로 이동함으로써 연소 가스와 미가공 연료 사이 사이에서 효율적으로 열교환이 행하여진다. 따라서, 화살표 A 방향의 치수를 효율적으로 감축하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 증발기(12)의 열교환 효율이 편리하게 개선될 수 있으며, 단순하고 조밀한 구조의 연료 개질 장치(10)가 얻어진다.
또한, 만곡형 파이프 부재(20) 내부에는 원호형 파이프(28a, 28b)가 동심원상으로 2열로 배설되고, 각 원호형 파이프(28a, 28b)에 대하여 만곡형 연소용 촉매(34)의 촉매 외부 원통(38a, 38b)이 배설되어 있다. 이러한 구조에 따라서, 다 수의(즉, 길이가 긴) 제1 및 제2 채널(30,32)이 마련될 수 있으므로, 미가공 연료와 연소 가스 사이의 열교환 효율이 편리하게 개선될 수 있다.
또한, 만곡형 연소용 촉매(34)는 편평형의 메탈 허니컴(40a, 40b)을 포함한다. 이러한 구조에 따라, 메탈 허니컴(40a, 40b) 면상에서 온도 분포가 균일화되고, 촉매의 성능을 유지하는 것을 가능해진다. 또한, 촉매의 온도 제어가 용이하게 수행될 수 있다. 열전도 촉진용 핀 부재(140)가 원호형 파이프(28a, 28b) 사이에 배설되기 때문에, 미가공 연료와 연소 가스 사이의 열교환 효율이 한층 더 개선된다.
또한, 일 측면상의 원호형 파이프(28a, 28b)의 단부는 축방향으로 제1 세퍼레이터(26)에 고정되고, 원호형 파이프(28a, 28b)의 타단부는 자유단이다. 이러한 구조 때문에, 원호형 파이프(28a, 28b)는 축방향으로 신장과 축소가 규제되지 않는다. 이에 따라, 온도차에 기인하여 유동 방향(축방향)으로 열응력이 발생하는 것을 방지하는 것이 가능하다. 따라서, 원호형 파이프(28a, 28b)의 내구성이 개선되고, 증발기(12) 전체의 경량화 및 소형화가 가능하게 된다.
또한, 제1 실시형태에서, 과열기(14)와 개질기(16)는 동축으로 배설되어 서로 직렬로 연결된다. 또한, 예열기(18)는 과열기(14)와 동축으로 배설되고, 개질기(16)의 대향된 측면에 직렬로 연결된다. 이러한 구조 때문에, 개질기(16), 과열기(14), 및 예열기(18)를 연결하는 파이프를 제거할 수 있다. 이에 따라, 연료 개질 장치(10) 전체를 소형화할 수 있다. 또한, 파이프부터의 방열을 억제하여 열효율의 개선을 달성할 수 있다. 또한, 적은 시동 에너지로, 연료 개질 장치(10)의 시동이 양호하게 수행되어, 에너지 절약이 확실하게 행해진다.
도 9는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 연료 개질 장치(150) 내부의 가스 유동 상태를 도시하는 단면도이다. 제1 실시형태에 따른 연료 개질 장치(10)와 동일한 형성 요소에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에 설명하는 제3 및 제4 실시형태에 있어서, 제1 실시형태에 따른 연료 개질 장치(10)와 동일한 형성 요소에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 상세한 설명은 생략한다.
증발기(152)의 원통형 파이프 부재(154)는 2열로 배열된 외부 원통 파이프(156) 및 내부 원통 파이프(158)를 포함한다. 각각의 외부 원통형 파이프(156)와 내부 원통형 파이프(158)는 단면이 링형인 개구를 갖는다. 외부 원통 파이프(156)는 2장의 원통판(156a, 156b)의 상단부를 고정하여 형성되는 반면, 내부 원통 파이프(158)는 2장의 원통판(158a, 158b)의 상단부를 고정하여 형성된다.
도 10에 도시한 바와 같이, 외부 원통형 파이프(156) 및 내부 원통형 파이프(158)의 각 상부에 챔버(52)가 형성된다. 외부 원통형 파이프(156)를 형성하는 원통판(156a)의 하단부는 외부 원통형 부재(24)에 고정된다. 또한, 외부 원통형 파이프(156)를 형성하는 원통판(156b)과, 내부 원통형 파이프(158)를 형성하는 원통판(158a)의 하단부를 서로 고정한다. 내부 원통형 파이프(158)의 원통판(158b)의 하단부는 과열기(14)의 외부 원통(64)의 하단부에, 미가공 연료 유입구(66)의 아래쪽 위치에 고정된다.
전술한 바와 같은 구조의 제2 실시형태에서, 내부에 개질용 연료, 공기, 및 물을 포함하는 미가공 연료가 증발기(152)로 공급되는 경우, 주로 물은 외부 원통 파이프(156), 내부 원통 파이프(158), 및 외부 원통형 부재(24) 사이에 형성된 제2 채널(32)을 따라서 하방향으로 낙하한다(도 10 및 도 11 참조). 이때, 만곡형 연소용 촉매(34)에서는 가열 유체가 연소되어 연소 가스가 생성되고, 이 연료 가스는 제1 채널(30)을 따라서 하방향으로 유동한다.
이러한 구조 때문에, 고온의 연소 가스와 물 사이의 열 교환에 의해 수증기가 생성되고, 이 수증기는 상방향으로 이동한다. 개질용 연료 및 공기가 혼합된 경우, 증발된 미가공 연료가 얻어질 수 있다. 이 미가공 연료는 과열기(14)의 외부 원통(64)의 미가공 연료 유입구(66)로부터 외부 원통(64) 내부로 도입된다.
이에 따라, 제2 실시형태에서 원통형 파이프 부재(154)의 축방향을 따라 미가공 연료 및 연소 가스가 모두 유동할 수 있다. 미가공 연료가 채널(32)을 왕복하여 유동하기 때문에, 제1 실시형태와 비교하여 비약적이고 효율적인 열교환이 행하여진다. 또한, 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 연료 개질 장치는 단순하고 조밀한 구조를 갖는다.
도 12는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 연료 개질 장치의 증발기(170)를 나타내는 횡단면도이다.
증발기(170)는 만곡형 파이프 부재(172)를 포함하고, 이 만곡형 파이프 부재(172)는 각각 단면이 원호형이 개구를 갖는 복수의 원호형 파이프(174a, 174b, 174c)를 포함한다. 원호형 파이프(174a, 174b, 174c)는 동심원상으로 서로 위상이 변이되어 배열된다. 따라서, 각 원호형 파이프(174a~174c) 사이에는 사행 패턴으 로 제2 채널(32)이 형성된다. 원호형 파이프(174a~174c) 내부에는 만곡형 연소 촉매(176)의 촉매 외부 원통(178a∼178c)이 형성된다. 촉매 외부 원통(178a∼178c)에는 메탈 허니컴(180a∼180c)이 배설된다.
전술한 바와 같은 제3 실시형태에, 만곡형 파이프 부재(172) 및 만곡형 연소 촉매(176)가 동심원상으로 3열로 배설되어 있다. 따라서, 다수의 제1 및 제2 채널(30, 32)을 마련함으로써, 출력의 증가(처리 원료 가스량의 증가)에 대하여 용이하게 대응할 수 있으며, 보다 많은 연소 가스와 미가공 연료 사이의 열교환이 달성될 수 있다.
도 13은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 연료 개질 장치의 증발기(190) 구조를 도시하는 개략도이다.
증발기(190)를 형성하는 만곡형 연소 촉매(192)는 제1 연소 촉매층(194a)과 제2 연소 촉매층(194b)을 포함하고, 이들은 촉매 외부 원통(38a, 38b) 내에 마련되고 가열 유체의 유동 방향을 따라 배열된다. 구체적으로는, 촉매 외부 원통(38a, 38b)의 하부 위치에는, 저온 착화성이 우수한 Pt계 촉매를 담지한 허니컴이 배치된다. 또한, 촉매 외부 원통(38a, 38b)의 상부 위치에는 특히 메탄에 대한 정화 성능이 우수한 Pd/Pt 합금을 담지한 허니컴이 마련된다.
전술한 구조를 가진 제4 실시형태에서는, 만곡형 연소 촉매(192)의 상류측에 마련된 제1 연소 촉매층(194a)에 의해서 저온 착화성의 개선이 달성된다. 또한, 하류측에 마련된 제2 연소 촉매층(194b)에 의해서 가열 유체 유동중에 함유된 CH4가 연소되지 않더라도, 이 CH4는 제2 연소 촉매층(194b) 내에서 정화된다. 이러한 구조에 따라, 연소 가스 중에 CH4가 혼재하는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
상기한 제2 내지 제4 실시형태에서, 증발기(152, 170, 190)가 동심원상으로 과열기(14)를 에워싸고 배설되어 있다. 이러한 구조 때문에, 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 예컨대, 파이프가 적절하게 제거되어 이러한 파이프부터의 방열이 방지된다. 열교환 효율의 개선이 달성되고, 게다가 연료 개질 장치는 단순하고 조밀한 구조를 가질 수 있다.
Claims (19)
- 개질용 연료를 개질하여, 수소가 풍부한 연료 가스(hydrogen rich fuel gas)를 생성하는 연료 개질 장치로서,상기 개질용 연료를 가열 유체와의 열교환에 의해 증발시키는 증발기(12);증발한 상기 개질용 연료의 온도를 개질 반응에 필요한 온도까지 승온시키는 과열기(14); 및상기 개질용 연료의 온도가 승온된 후 상기 개질용 연료를 개질하여 개질 가스를 생성하는 개질기(16)를 포함하고,상기 증발기(12)는 상기 과열기(14)를 에워싸게 배설(配設)되고,상기 과열기(14)와 상기 개질기(16)는 서로 직렬로 연결되는 것인 연료 개질 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 과열기(14)와 상기 증발기(12)를 동심원상으로 배설되는 것인 연료 개질 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 과열기(14)의 외부 원통(64)에는, 상기 증발기(12)에 의해 증발한 상기 개질용 연료를 상기 과열기(14) 내부로 유입시키는 유입구(66)가 설치되는 것인 연료 개질 장치.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 과열기(14)의 상기 외부 원통(64)과 상기 증발기(12)의 내부 원통(22) 사이에는 열전도 억제 구조가 배설되는 것인 연료 개질 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 열전도 억제 구조는 핀 부재(142)를 포함하는 것인 연료 개질 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 과열기(14)와 상기 개질기(16)는 동축으로 연결되는 것인 연료 개질 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 개질기(16)는 내부 원통(98) 및 외부 원통(96)을 포함하고,상기 내부 원통(98)의 내측에는 개질용 촉매가 충전되며,상기 내부 원통(98)과 상기 외부 원통(96) 사이에는 상기 개질용 연료를 위한 통로를 형성하는 채널(100)이 형성되는 것인 연료 개질 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 과열기(14)는 상기 개질기(16)에 인접한 단부에 상기 채널(100)과 연통하는 상기 개질용 연료의 출구(92)를 갖고,상기 개질기(16)는 상기 과열기(14)에 대향하는 타단부에 상기 채널(100)과 연통하여 상기 내부 원통(98)으로 상기 개질용 연료를 공급하는 개질용 연료 유입 구(105)를 갖는 것인 연료 개질 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 개질기(16)에는, 상기 과열기(14)의 일단부로부터 상기 과열기(14) 내부로 삽입되어, 상기 개질용 촉매를 통과한 개질 가스를 상기 개질용 연료를 가열하는 가열원으로서 유통시키는 파이프(72)가 연결되는 것인 연료 개질 장치.
- 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개질기(16)를 에워싸고 단열용 커버 부재(111)가 배설되는 것인 연료 개질 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 증발기(12)는 만곡형 파이프 부재(20);상기 만곡형 파이프 부재(20)의 양측에서 상기 만곡형 파이프 부재(20)와 동심원상으로 배설되는 내부 원통형 부재(22) 및 외부 원통형 부재(24);상기 만곡형 파이프 부재(20) 내부에 상기 가열 유체 또는 상기 개질용 연료중 하나를 위한 통로로서 기능하는 제1 채널(30); 및상기 내부 원통형 부재(22), 상기 외부 원통형 부재(24), 및 상기 만곡형 파이프 부재(20)에 의해 에워싸인 위치에 형성되어, 상기 가열 유체 또는 상기 개질용 연료 중 다른 하나를 위한 통로로서 기능하는 제2 채널(32)을 포함하는 것인 연료 개질 장치.
- 제11항에 있어서, 복수의 상기 만곡형 파이프 부재(20)는 복수의 동심원상에 복수열로 배열되는 것인 연료 개질 장치.
- 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 만곡형 파이프 부재(20) 내부에 만곡형 연소 촉매(34)가 제공되고,상기 제1 채널(30)은 상기 만곡형 연소 촉매(34)에 의해 연소 후의 가열 유체를 유통시키는 가열 유체 채널을 포함하며,상기 제2 채널(32)은 상기 개질용 연료를 상기 제2 채널(32) 내에 유통시켜 상기 가열 유체와 열교환하게 하는 개질용 연료 채널을 포함하는 것인 연료 개질 장치.
- 제13항에 있어서, 상기 만곡형 연소 촉매(34)는 편평형 메탈 허니컴(40a)을 포함하는 것인 연료 개질 장치.
- 제13항에 있어서, 상기 개질용 연료 채널에는 열전도 촉진용 핀 부재(140)가 배설되는 것인 연료 개질 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 만곡형 파이프 부재(20)는 축방향 일단을 고정단으로 형성하고, 축방향 타단부를 자유단으로 형성한 것인 연료 개질 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 만곡형 파이프 부재(20)는 각 단면이 원호형인 개구를 갖고 동일 원주 상에 배설되는 2 이상의 원호형 파이프(28a)를 포함하고,상기 원호형 파이프(28a) 각각의 내부에는, 단면이 원호형인 만곡형 연소 촉매(34)가 하나 이상 배설되는 것인 연료 개질 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 만곡형 파이프 부재는 단면이 링형인 개구를 갖는 원통 파이프(156)를 포함하며,상기 원통 파이프(156) 내부에는 단면이 원호형인 상기 만곡형 연소 촉매(36)가 배설되는 것인 연료 개질 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 증발기(12)에서 상기 개질용 연료를 증발시키도록 상기 가열 유체를 예열하는 예열기(18)를 더 포함하며,상기 예열기(18)는 상기 과열기(14)와 동축으로 배설되고 상기 개질기(16)의 대향된 측에 상기 과열기(14)와 직렬로 연결되는 것인 연료 개질 장치.
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