KR20080085387A

KR20080085387A - 액체연료 분무노즐 및 이를 이용한 부분산화 개질기

Info

Publication number: KR20080085387A
Application number: KR1020070026824A
Authority: KR
Inventors: 이대근; 동상근; 양제복
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-09-24

Abstract

본 발명은 액체연료 분무노즐 및 이를 이용한 부분산화 개질기에 관한 것으로, 더 상세하게는 공기와 연료와 물을 혼합 분무가 용이하게 이루어지도록 하는 구조의 분무노즐과 이를 이용하여 분무된 혼합물을 부분산화시켜 수소의 수율을 높인 개질가스를 생산하는 개질기에 관한 것이다.

본 발명은 액체연료를 다른 유체와 혼합 분무하는 분무노즐에 있어서, 상측에는 액체연료와 공기와 물의 3종류 유체를 각각 유입하는 제1~3유체유입구가 형성되고, 상기 유체유입구로부터 유입된 유체는 상기 제1~3유체유입구에 각각 연통된 제1~3유로가 하단의 배출공에서 합류되어 3종류 유체를 혼합 분무되도록 한다.

상기 구조를 갖는 본 발명은 분무노즐은 물을 공급하는 유체유입구가 더 형성되어 물이 함께 분무되도록 함으로써 촉매의 활성저하를 막을 수 있도록 하는 유체분무노즐의 제공이 가능하게 되었다. 또한 본 발명은 상기 3유체를 분무하는 노즐을 장착하여 별도의 증발기 없이 EHM으로 액체연료를 기화시키도록 하여 소형화된 부분산화개질기의 제공이 가능하게 된 것이다.

액체연료, 3유체, 분무노즐, 부분산화, 개질기

Description

액체연료 분무노즐 및 이를 이용한 부분산화 개질기{Liquid Fuel Spray Nozzle and Partial Oxidation Reforming Apparatus Using It}

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체연료분무노즐의 사시도.

도 1b는 본 발명에 따른 액체분무노즐의 종단면도.

도 2는 본 발명에 따른 액체분무노즐의 분해단면도.

도 3a는 본 발명에 따른 액체분무노즐의 횡단면을 도시한 개략도.

도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체분무노즐의 횡단면을 도시한 개략도.

도 4a는 본 발명의 액체분무노즐을 이용한 산화개질기의 개략도.

도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화개질기의 개략도.

도 5는 본 발명에 따른 산화개질기를 이용하여 설계조건에 따른 측정값을 도시한 그래프.

도 6은 산화개질기의 설계조건에 대해 각 위치별 시간에 따른 온도변화를 도시한 그래프.

도 7은 산화개질기의 설계조건에 대해 각 위치별 정상상태의 온도를 나타낸 그래프.

도 8a는 연료의 유량이 변하는 조건에 대한 농도측정결과를 나타낸 그래프.

도 8b는 물의 유량이 변하는 조건에 대한 농도측정결과를 나타낸 그래프.

도 9는 도 8a와 도 8b상태에서의 steam/C값의 변화상태를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 액체연료 분무노즐 11 : 유체유입너트

12 : 양면커플러 13 : 유로합류캡

14 : 분무캡 20 : 개질기

21 : 챔버 22 : EHM

23 : 촉매층 24, 25 : 온도센서

110 : 유로관 111~113 : 유체유입구

141 : 배출공 151~153 : 제1~3유로

211 : 배출구

화석에너지의 고갈과 지구온난화에 대처하기 위한 새로운 에너지 운반자로서 수소의 역할에 대해 많은 관심을 집중되고 있다. 상기 수소는 분자크기가 매우 작고 환산계수가 매우 커서 자연적인 상태에서는 매우 낮은 농도로만 존재한다. 따라서 수소는 다른 에너지원을 소비 혹은 전환하여 얻어지는데 이러한 수소를 생산하는 대표적인 방법이 화석연료에 포함된 탄화수소를 분해 또는 개질하여 수소를 생산하는 것이다.

상기 개질은 주로 화석연료인 가솔린 또는 디젤등의 액상의 탄화수소를 이용하여 이루어지며, 액체연료를 증발기를 통과하여 기화시킨 후 공기와 혼합하여 개질이 이루어지도록 하는 부분산화(POx; Partial Oxidation)시키는 개질기가 제공되고 있다.

또한, 개질가스를 수득하기 위한 상기 개질기는 대형트럭을 비롯한 많은 전력을 소모하는 냉동차량 등에서 엔진의 작동여부와 관계없이 전력을 공급할 수 있는 보조전원장치(APU; auxiliary power unit)에 주로 사용한다.

상기 자동차 APU용 고체산화물 연료전지 시스템은 델파이(Delphi)에서 가장 활발한 연구가 이루어졌고, 연료전지 스택과 개질장치를 비롯한 BOP(balance of plant) 일체를 개발하고 있으며 이의 소형화와 성능향상이 이루어지고 있으나, 이는 연료로써 천연가스나 가솔린을 사용하는 시스템에 한정하고 있다.

좀더 고체산화물연료전지(SOFC)에 대해 설명하면, 상기 SOFC는 산소이온을 전달하는 이온 전도성 세라믹을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 단상의 유체를 사용하고 전해질의 수분유지가 필요치 않으므로 여타의 연료전지에 비해 개념적으로 간단하면서도 높은 작동온도로 인하여 높은 효율을 보인다. 탄화수소 연료를 개 질하여 얻어진 개질가스에는 수소 이외에 일산화탄소를 필연적으로 함유하게 되는데, 일산화탄소는 백금촉매와는 높은 친화도로 인해 촉매표면의 반응 자리를 차지하여 수소가 반응하는 것을 막게 된다. 이러한 일산화탄소 피독은 고분자연료전지에 있어서는 심각한 문제가 되어 연료의 전처리 과정을 반드시 필요하게 되지만 SOFC의 경우에는 연료극에서 전력 생산을 위한 연료로서 일산화탄소를 사용한다. 따라서, SOFC에서는 수소와 일산화탄소가 연료가 됨으로 반응에 의해 다량의 일산화탄소가 배출되는 POx 개질기는 소형의 SOFC 시스템에 사용하는 것이 적합하다.

여기서 상기 부분산화(POx)반응은 매우 높은 당량비에서 이루어지는 반응으로서, 낮은 발열량으로 인해 자체적으로 유지되기 어렵기 때문에 촉매를 추가로 사용하고 있다.

참고로 디젤유 성분중 자발화성이 가장 좋은 헥사데칸(n-hexadecane)을 연료로서 사용할 경우의 POx반응은 다음과 같다.

C₁₆H₃₄ + 8O₂ → 17H₂ + 16CO

상기 1몰의 헥사데칸이 반응하면 17몰의 수소와 16몰의 일산화탄소가 생성되지만, 국부적으로 연소를 위한 이론 당량비 조건이 만족되면 강한 발열을 수반하는 반응식2와 같은 연소 반응이 발생한다.

C₁₆H₃₄ + 24.5O₂ → 16CO₂ + 17H₂O

따라서, POx 반응기의 개질가스에는 H₂, CO, CO₂, H₂O와 반응식으로 표현되지 않은 기타반응에 의해 생성된 CH₄와 소량의 탄화수소 연료와 미반응 O₂를 포함한다.

상기 POx 개질기에서는 외부에서 추가적으로 공급된 물 혹은 반응식2에 의해 생성된 물이 수성가스전환반응(WGSR; water-gas shift reaction)을 통해 일산화탄소와 반응하여 수소를 생산하는 반응식3의 약한 발열반응이 발생한다.

CO + H₂O → H₂ + CO₂

이와같이 액상의 연료를 사용하는 CPOx 개질기에서는 연료를 증발시켜 공기와 혼합하는 과정이 매우 중요한 변수가 된다. 이것이 충분치 못할 경우 반응식2와 같이 연소반응이 증가하여 개질효율이 저하된다.

또한, 연소반응으로 인한 온도상승이 촉매의 활성을 저하시킬 수 있으며, 충분하지 못한 혼합에 의해 생성된 탄소덩어리도 촉매의 소결이나 활성을 저하시킬 수 있다.

또한, 액체연료를 디젤로 사용할 경우 발화점이 낮아 연소반응에 의한 발화가 발생될 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 추가적으로 물을 공급해야 됨으로 원활한 물공급수단의 개발이 필요하다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 발명된 것으로,

액체연료와 공기를 충분히 혼합하는 분무노즐에 물공급구를 더 형성하여 분무시 물이 공급하게 함으로써 촉매의 활성저하를 막을 수 있도록 하는 유체분무노즐의 제공을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 3유체를 분무하는 노즐을 장착한 부분산화개질기의 제공을 다른 목적을 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액체연료 분무노즐은,

액체연료를 다른 유체와 혼합 분무하는 분무노즐에 있어서, 상측에는 액체연료와 공기와 물의 3종류 유체를 각각 유입하는 제1~3유체유입구가 형성되고, 상기 유체유입구로부터 유입된 유체는 상기 제1~3유체유입구에 각각 연통된 제1~3유로가 하단의 배출공에서 합류되어 3종류 유체를 혼합분무되도록 한다.

상기 제1유체유입구와 연통된 제1유로는 중앙에 형성되고, 상기 제2유체유입구와 연통된 제2유로는 제1유로의 외측에 형성되고, 상기 제3유체유입구와 연통된 제3유로는 제2유로의 외측에 형성되어 배출공과 근접된 부분에서 제2유로와 합류된 후 제1유로와 합류되어 유체의 배출이 이루어지도록 한다.

상기 제2유로와 제3유로는 단면이 환형태로 형성되거나, 다수개의 유로공이 환형태로 배열되도록 형성되어 하부의 배출공 방향으로 유체가 배출되도록 할 수 있다.

또한, 상기 분무노즐은, 상하부에 각각 나사부가 형성된 양면커플러와; 상기 양면커플러의 상부 나사부에 결합되고 3종류의 유체를 유입하는 유체유입구가 각각 형성된 유체유입너트와; 상기 양면커플러의 하단에 장착되어 유체유입구와 연통된 각 유로를 순차적으로 합류되게 하는 유로합류캡과; 상기 유로합류캡의 하단에 장착되어 혼합된 유체를 분무하는 배출공이 형성된 분무캡으로 분리구성될 수 있다.

상기 액체연료 분무노즐을 이용한 부분산화 개질기는, 분무노즐이 장착된 부분산화개질기에 있어서, 내부에 수용공간이 형성되고 하부에 배출구가 형성된 챔버와; 상기 챔버의 상부에 장착되고, 3종유체를 각각 유입하는 제1~3유체유입구가 측면에 형성되고, 상기 유체유입구로부터 유입된 유체는 상기 제1~3유체유입구에 각각 연통된 제1~3유로가 하단의 배출공에서 합류되어 3종유체를 혼합분무되도록 한 분무노즐과; 상기 챔버의 내부에 상기 분무노즐의 배출공과 일정거리 이격설치되어 분무된 혼합물을 전기 가열하여 기화시키는 EHM과; 상기 EHM에서 기화된 혼합물을 부분산화시켜 개질이 이루어지도록 하는 촉매층;을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 제1유체유입구와 연통된 제1유로는 중앙에 형성되고, 상기 제2유체유입구와 연통된 제2유로는 제1유로의 외측에 형성되고, 상기 제3유체유입구와 연통된 제3유로는 제2유로의 외측에 형성되어 배출공과 근접된 부분에서 제2유로와 합류된 후 제1유로와 합류되어 유체의 배출이 이루어지도록 한다.

상기 EHM은 퍼크랄로이(Fecralloy)판을 물결무늬로 굴절한 판과 평판을 겹치게 하여 감은 형태로 셀의 밀도는 250 ~ 350 cpi로 형성하며, 중심과 최외각에 각각 연결된 철심을 외부로 인출하여 전원이 공급되도록 한다.

또한, 상기 EHM과 촉매층 사이에는 온도센서를 장착하여 EHM을 통과한 공기 의 온도를 측정하여 설정온도 이상이 되면 액체연료와 물이 공급되도록 한다.

상기 촉매층과 배출구 사이의 공간에는 온도센서를 더 장착하여 측정된 온도가 설정온도 이상이면 EHM의 전원공급을 중단하도록 할 수 있다.

이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 액체연료 분무노즐 및 이를 이용한 부분산화 개질기를 첨부된 도면을 참조로 상세하게 설명한다.

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체연료분무노즐의 사시도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 액체분무노즐의 종단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 액체분무노즐의 분해단면도이고, 도 3a는 본 발명에 따른 액체분무노즐의 횡단면을 도시한 개략도이고, 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체분무노즐의 횡단면을 도시한 개략도이고, 도 4a는 본 발명의 액체분무노즐을 이용한 산화개질기의 개략도이고, 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화개질기의 개략도이다.

도시된 바와같이 본 발명의 액체연료 분무노즐(10)은 상부에 3개의 유체유입구(111~113)가 형성되어 각각 액체연료, 공기, 물이 유입되도록 하고, 고압의 공기배출에 의해 유입된 액체연료와 물이 공기와 혼합되어 분무된다. 이때 상기 물은 액체연료의 온도 및 액체연료가 분무된 챔버의 온도를 낮추어 액체연료가 발화되는 것을 방지하도록 하여 연소반응이 억제되도록 한다.

상기 제1~3유체유입구(111~113)로부터 유입된 유체는 하단에 형성된 배출공(141)으로 배출이 이루어지면 상기 노즐내부에서는 각각 유체유입구와 배출공을 연결하는 유로(151~153)에 의해 유체의 이동이 이루어지도록 한다.

상기 유로는 도 3a를 참조한 바와같이 중앙의 제1유로(151)와 상기 제1유로의 외측으로 환형태로 형성된 제2유로(152)와, 상기 제2유로보다 큰 직경을 갖는 환형태의 제3유로(153)로 형성되어 제1 내지 3유체유입구(111~113)에 연결된다. 즉, 제1유체유입구(111)는 중앙의 제1유로(151)와 연결되고, 제2유체유입구(112)는 제2유로(152)와 연결되고, 제3유체유입구(113)는 최외측의 제3유로(153)와 연결되어 유체의 이동이 이루어지도록 한다. 또한 상기 제1유체유입구에는 액체연료가 유입되고, 제2유체유입구에는 물이 유입되고 제3유체유입구에는 공기가 유입되도록 하여 최외측의 공기가 내측으로 이동되는 액체연료와 물을 혼합하면서 분무가 이루어지도록 하여 혼합이 용이하게 이루어지도록 한다.

또한, 상기 유로(152, 153)는 도 3b에 도시된 바와같이 다수개가 환의 형태로 형성되도록 하는 등 다양한 형태로 형성할 수 있다.

이와같이 구성되는 액체연료분무노즐(10)은 도 2를 참조한 바와같이 다수개로 분리구성될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 액체연료분무노즐은 양면커플러(12)와 상기 양면커플러의 상부에 결합되는 유체유입너트(11)와, 상기 양면커플러의 하부에 결합되는 유로합류캡(13)과, 상기 유로합류캡의 하단에 장착되는 분무캡(14)으로 구성된다.

상기 양면커플러(12)의 상부 나사부에 장착되는 유체유입너트(11)는 유체유입구(111~113)가 각각 형성되고 상기 유체유입구로부터 하부 방향으로 유로(151~153)가 각각 연통형성된다. 여기서 상기 유체유입너트(11)는 중앙에 유로관(110)이 일체로 형성되어 상기 유로관이 양면커플러(12)의 내측으로 삽설되도록 한다. 여기서 상기 유로관은 유체유입너트와 분리가능한 구조로 형성하여 나사결합이나 억지끼움으로 결합되게 할 수 있다.

또한, 상기 유로합류캡(13)은 내측의 상면과 하부면이 양면커플러(12)의 하부면과 분무캡(14)의 상부면으로부터 이격되어 유체가 중앙으로 모여 합류되면서 진행이 이루어지도록 한다. 또한 상기 분무캡(14)은 유로합류캡의 하단에 결합되는 것으로, 상기 유로합류캡과 분무캡은 억지끼움등의 방법을 이용하여 견고한 결합이 이루어지도록 하고 있으며, 유입된 유체가 유출되는 것을 방지하기 위해 상기 각 연결부분에는 오링이나 패킹이 삽설되도록 하는 것이 바람직하다.

이와같이 구성되는 액체연료분무노즐(10)은 도 4a에 도시된 바와같이 부분산화개질기(20)에 장착되어 부분산화개질기의 챔버(21)내로 유체를 분무되도록 한다.

즉, 본 발명에 따른 액체연료 분무노즐(10)을 이용한 부분산화개질기(20)는 챔버(21)의 상부에 액체연료 분무노즐(10)이 장착되고, 챔버의 하단에는 배출구(211)가 형성되며, 상기 챔버내에는 EHM(22)과 촉매층(23)이 형성된다. 상기 EHM(22)은 공급된 전원에 의해 가열이 이루어져 혼합물 중 액체연료를 기화시키도록 한 것이다.

상기 촉매층(23)은 기화된 연료가 POx반응에 의해 부분산화되어 개질이 이루어지도록 한다.

또한, 도 4b를 참조한 바와같이 EHM(22)과 촉매층(23) 사이에 온도센서(24)를 장착하여 초기 구동시 EHM(22)을 통과한 공기를 센싱하게 함으로써 센싱값이 설정온도 이상이 되면 액체연료와 물이 공급되게 함으로써 EHM에서 액체연료 기화가 효율적으로 이루어지도록 한다. 그리고, 상기 촉매층(23)과 배출구(211) 사이에도 온도센서(25)를 더 장착하여 측정된 온도가 설정온도 즉, 발열반응인 POx반응에 의해 일정온도 이상일 경우에는 EHM의 가열이 없어도 액체연료의 기화가 발생됨으로 EHM의 전원을 차단하도록 하도록 한다.

본 발명에 따른 액체연료분무노즐을 이용한 부분산화개질기를 실시예를 통해 설명한다.

먼저 부분산화개질기(20)는 본 발명의 액체연료 분무노즐(10)을 장착하였고, 챔버(21)내에는 EHM(22)과 촉매층(23)이 순차적으로 형성되며, 노즐에서 분무된 연료는 EHM에서 기화한 후 촉매층에서 개질이 이루어진다.

또한 개질기(20)에 물을 공급하는 이유는 연료의 분무 및 공기와의 혼합영역의 온도를 낮추어서 화염연소가 발생되는 것을 방지하기 위한 것이다. 즉, 본 발명에서 사용되는 헥사데칸은 자발화온도(201.7℃)가 증발온도(286.9℃)보다 낮아서 조건만 갖추어진다면 화염연소가 발생할 가능성이 높으므로 물을 공급하는 것이다. 또한, 수성가스전환반응을 유도하여 수소의 수율을 높이기 위해 물을 공급한다.

상기 EHM(22)은 50㎛ 두께의 Fecralloy판을 물결무늬로 만든 판과 평판을 겹치게 하여 감은 것을 사용하였고, 밀도는 약 300cpi이고, 원통형의 중심과 최외각에는 굵은 철심을 은납하여 개질기의 외부로 인출해 전원공급이 이루어지도록 한다.

다음으로 상기 촉매층(23)은 알루미나(150 메쉬 분말)에 3종류의 알칼리 조 촉매 전구체를 수용액으로 만들어 혼합한 후 건조한 고형분을 공기중에서 소성시키고, 소성된 고체를 분말화하고 다시 볼밀에 의해 매우 미세한 분말로 분쇄한다. 이 분말을 고농도로 슬러리화한 용액에 적당향의 Pd nitrate를 용해하고, 이용액에 EHM가 동일한 방법으로 제작한 금속지지체를 여러번 담갔다가 건조하는 과정을 거친 후 900℃에서 소성에 의해 제조하였다.

세라믹 형태의 담층과 금속과의 접착 정도를 향상하기 위해 제조된 금속지지체는 고온에서 미리 표면을 산화시켜 사용하였다. 제조된 단위촉매는 직경 5cm, 높이 2cm크기이며, 귀금속이 포함된 담체는 금속지지체 1cm³ 당 0.16g이다. 귀금속의 담지량은 nitrate 전구체의 농도를 변경하여 조절하였다.

유량조절은 기체용과 액체용 MFC를 각각 사용하였으며, EHM의 상단과 EHM과 촉매층의 중간, 그리고 촉매 후단에서 온도를 측정하였다. 개질가스의 성분중 CO, CO₂, O₂등은 HORIBA PG-250을 사용하여 계측하였으며, H₂의 농도는 HORIBA TCA-31을 사용하였다.

실험은 상온의 공기를 공급하면서 EHM에 전원을 공급하여 촉매층의 온도를 상승시킨 후 촉매층 상단에서 계측된 온도가 300℃에 도달하면 연료와 물이 동시에 공급하였다. 그리고 촉매층의 반응이 시작되어 촉매 후단의 온도가 750℃에 도달하면 EHM의 전원공급을 중단하여 POx반응열에 의해 연료와 물이 자체적으로 기화되도록 하였다.

실험은 공기의 유량을 일정하게 유지한 상태에서 연료와 물의 공급량을 변화 시켜 가면서 각 위치별 온도와 개질가스 성분의 농도를 측정하였다. 개질기 전체유량의 대부분을 차지하는 공기의 유량을 일정하게 유지하는 것은 연료의 촉매와의 접촉시간을 조건에 관계없이 거의 일정하게 유지시키는 효과가 있다. 실험은 설계점(DP; desing point)을 포함한 일곱가지 조건에서 수행하였으며, 각각을 도 5에 도시하였다. 물과 공기의 유량이 일정한 상태에서 연료의 유량이 바뀌는 것은 탄소와 산소비(C/O)의 변화를 의미하며, 연료와 공기의 유량이 일정한 상태에서 물의 유량이 바뀌는 것은 증기 대 탄소의 비(steam/C)가 변하는 조건이다.

도 5에서 직선은 steam/C=1을 의미하며, 실험결과는 C/O와 steam/C를 두 파라미터로 하였다.

1) 온도측정

개질기의 설계조건(Case DP)에 대해 각 위치별 시간에 따른 온도변화를 도 6에 나타내었다. 참고한 바와같이 EHM에 전력을 공급하는 순간 급격한 온도의 상승이 발생하며, 9분정도의 시간이 지나면 EHM 후단의 온도가 헥사데칸의 증발온도를 넘어서 가장 먼저 300℃에 도달하는데 이때 촉매층 후단의 온도가 250℃ 정도이므로 촉매층의 온도는 그 사이 값을 갖는다. 연료와 물을 공급하기 시작함에 따라 그 증발열로 인하여 EHM의 상단과 개질기의 중간의 온도는 떨어지지만 촉매층 후단의 온도는 급격하게 증가하기 시작하는데 이는 POx 반응이 개시됨을 의미한다. 촉매 후단의 온도가 750℃를 넘어서면 POx 반응의 발열에 의해 촉매층 전단의 온도가 300℃ 이상을 유지하므로 EHM의 전원을 차단하였다.

실험 개시후 약 23분이 경과하면 촉매층 후단의 온도가 800℃로 수렴함을 볼수 있는데 이로부터 개질반응이 안정화 되어 가고 있음을 예측할 수 있다.

충분한 시간이 경과한 후에 도달하게 되는 각 위치별 정상상태 온도를 도 5에 주어진 일곱가지 조건 각각에 대해 계측한 결과를 도 7에 도시하였다. 위치에 따른 온도변화는 뚜렷한 경향성을 보이고 있으나, 조건에 따른 온도 편차는 100℃ 이내로 큰 차이를 보이고 있지 않는다. 다만 조건에 따른 증감의 원인을 찾기는 힘들다.

또한, 도 7은 조건에 관계없이 개질기 중간의 온도는 300℃ 정도를 유지하고 있으므로 연료와 물의 증발이 충분하게 이루어지고 있음을 알수 있다. 또한 개질기 후단의 온도가 800℃ 정도를 유지하고 있으므로 SOFC시스템의 기동시에 열원으로 사용되어 후연소기의 반응을 유발시킬 수 있는 조건을 만족함을 알 수 있다.

2) 농도 측정

조건에 따른 정상 상태 개질 가스의 조성을 측정하였다. 계측기(HORIBA PG-250)의 특성상 고농도의 CO를 계측할 수 없으므로 질소를 이용하여 100:1로 희석한 후 농도를 계측하여 환산하였다.

도 8a는 물과 공기의 유량이 일정한 상황에서 연료의 유량이 변하는 조건(도 5의 Case DP_F _-1~ DP_F ₊₂; 가로방향 네 지점)에 대한 농도측정결과를 나타내었다.

H₂의 농도는 설계점(Case DP)에서 최대값 15.5% 정도를 가지며, 연료 유량이 증가하거나 감소하면 그에 따라 감소하는 경향이 보인다. SOFC의 또 하나의 연료가 되는 CO의 농도도 설계점 근방에서 최대값 11.5%를 가지므로, 이때 SOFC에 공급되는 연료(H₂, CO)의 체적비율은 개질가스의 27%에 달한다. CO₂의 농도도 설계점에서 최대값을 갖는데, 이는 반응식2의 연소 반응 또는 반응식3의 WGSR에 의한 부산물이라 볼 수 있다.

도 8b는 연료와 공기의 일정 유량에 대해 물의 유량을 변화시킨 경우(도 5의 Case DP_W _-1~ DP_W ₊₂; 세로방향 네 지점)에 대한 농도측정결과를 나타내었다.

상술한 바와같이 H₂의 농도는 설계점 근방에서 최대값을 가지는 반면, CO의 농도의 최대값은 설계점에서 steam/C값이 큰 쪽으로 약간 어긋나 있으나 대체로 그 변화는 완만하다.

도 8a의 경우 연료의 유량이 변화하면 C/O값 분만 아니라 steam/C 값도 변화하므로, 가로축을 steam/C로 변환한 후 도 8b와 합쳐 도 9에 도시하였다. 도시된 바와같이 H₂의 농도는 steam/C 값에 대해 뚜렷한 경향성을 가짐을 알 수 있다.

즉, 물과 연료의 유량비에 따라 H₂의 농도가 결정되는 것으로, 도 5의 steam/C=1인 직선으로부터 어느방향으로 얼마만큼 떨어져 있느냐에 따라 그 농도가 결정된다.

이와같이 헥사데칸을 연료로 사용하고 추가적으로 물을 공급하는 CPOx 개질 기를 이용하여 실험한 결과 본 발명의 액체연료분무노즐은 연료와 물의 분무와 더불어 공기와의 충분한 균일 혼합을 보장함으로써 디젤개질기의 개질효율을 향상할 수 있다.

또한, 액상연료의 기화를 위한 증발기를 별도로 설치하지 않고 개질기 내부에 EHM으로 대체하도록 하여 전체 시스템의 크기를 소형화하고, 정상상태에서는 EHM에 전력을 공급하지 않아도 운전이 가능하다.

개질기의 가동시간은 약 11분 정도이나 EHM의 용량을 변화시키거나 기동시의 공기 유량을 변화시킴으로써 단축이 가능하다. 또한 개질율은 설계점(C/O=0.67,steam/C=1)에 해당하는 연료와 물 유량에서 최대가 되며, 개질가스 체적의 약 27%가 SOFC의 연료가 되는 H₂와 CO로 이루어져 있다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 액체연료 분무노즐 및 이를 이용한 부분산화 개질기는,

액체연료와 공기를 충분히 혼합분무하는 노즐에 물공급구를 더 형성하여 분무시 물이 같이 공급되게 함으로써 액체연료의 기화전에 발화되는 것을 방지하도록 하고, 촉매층의 활성저하를 막을 수 있도록 하는 유체분무노즐의 제공이 가능하게 되었다.

또한 본 발명은 상기 3유체를 분무하는 노즐을 장착하여 별도의 증발기 없이 EHM으로 액체연료를 기화시키도록 하여 소형화된 부분산화개질기의 제공이 가능하게 된 것이다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

Claims

액체연료를 다른 유체와 혼합 분무하는 분무노즐에 있어서,

상측에는 액체연료와 공기와 물의 3종류 유체를 각각 유입하는 제1~3유체유입구(111~113)가 형성되고, 상기 유체유입구로부터 유입된 유체는 상기 제1~3유체유입구에 각각 연통된 제1~3유로(151~153)가 하단의 배출공(141)에서 합류되어 3종류 유체를 혼합분무되도록 한 것을 특징으로 하는 액체연료 분무노즐.
제 1항에 있어서,

상기 제1유체유입구(111)와 연통된 제1유로(151)는 중앙에 형성되고, 상기 제2유체유입구(112)와 연통된 제2유로(152)는 제1유로의 외측에 형성되고, 상기 제3유체유입구(113)와 연통된 제3유로(153)는 제2유로의 외측에 형성되어 배출공(141)과 근접된 부분에서 제2유로와 합류된 후 제1유로와 합류되어 유체의 배출이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 액체연료 분무노즐.
제 1항에 있어서,

상기 제2유로(152)와 제3유로(153)는 단면이 환형태로 형성되어 하부의 배출공(141) 방향으로 유체가 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 액체연료 분무노즐.
제 1항에 있어서,

상기 제2유로(152)와 제3유로(153)는 다수개의 유로공이 환형태로 배열되도록 형성되어 하부의 배출공(141) 방향으로 유체가 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 액체연료 분무노즐.
제 1항에 있어서, 상기 분무노즐(10)은,

상하부에 각각 나사부가 형성된 양면커플러(12)와;

상기 양면커플러의 상부 나사부에 결합되고 3종류의 유체를 유입하는 유체유입구(111~113)가 각각 형성된 유체유입너트(11)와;

상기 양면커플러(12)의 하단에 장착되어 유체유입구와 연통된 각 유로(151~153)를 순차적으로 합류되게 하는 유로합류캡(13)과;

상기 유로합류캡(13)의 하단에 장착되어 혼합된 유체를 분무하는 배출공(141)이 형성된 분무캡(14);으로 분리구성됨을 특징으로 하는 액체연료 분무노즐.
분무노즐이 장착된 부분산화개질기(20)에 있어서,

내부에 수용공간이 형성되고 하부에 배출구(211)가 형성된 챔버(21)와;

상기 챔버의 상부에 장착되고, 3종유체를 각각 유입하는 제1~3유체유입구(111~113)가 측면에 형성되고, 상기 유체유입구로부터 유입된 유체는 상기 제1~3유체유입구에 각각 연통된 제1~3유로(151~153)가 하단의 배출공에서 합류되어 3종유체를 혼합분무되도록 한 분무노즐(10)과;

상기 챔버의 내부에 상기 분무노즐의 배출공과 일정거리 이격설치되어 분무된 혼합물을 전기 가열하여 기화시키는 EHM(22)과;

상기 EHM(22)에서 기화된 혼합물을 부분산화시켜 개질이 이루어지도록 하는 촉매층(23);을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 액체연료 분무노즐을 이용한 부분산화 개질기.
제 6항에 있어서,

상기 제1유체유입구(111)와 연통된 제1유로(151)는 중앙에 형성되고, 상기 제2유체유입구(112)와 연통된 제2유로(152)는 제1유로의 외측에 형성되고, 상기 제3유체유입구(113)와 연통된 제3유로(153)는 제2유로의 외측에 형성되어 배출공(141)과 근접된 부분에서 제2유로(152)와 합류된 후 제1유로(151)와 합류되어 유체의 배출이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 액체연료 분무노즐을 이용한 부분산화 개질기.
제 6항에 있어서,

상기 EHM(22)과 촉매층(23) 사이에는 온도센서(24)를 장착하여 EHM을 통과한 공기의 온도를 측정하여 설정온도 이상이 되면 액체연료와 물이 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 액체연료 분무노즐을 이용한 부분산화 개질기.
제 6항에 있어서,

상기 촉매층(23)과 배출구(211) 사이의 공간에는 온도센서(25)를 더 장착하여 측정된 온도가 설정온도 이상이면 EHM의 전원공급을 중단하도록 한 것을 특징으로 하는 액체연료 분무노즐을 이용한 부분산화 개질기.