KR20100048635A - 높은 열효율을 가지는 연료전지용 천연 가스 개질기 - Google Patents

높은 열효율을 가지는 연료전지용 천연 가스 개질기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 천연가스 개질기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 천연가스가 수증기 및 산소와 자열 개질 반응을 일으키는 자열 개질기, 상기 개질기로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기 및 천연가스를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 1 열교환기, 상기 제 1 열교환기를 통과한 개질 가스의 고온 수증기 개질 반응이 일어나는 고온 수증기 개질 반응기, 상기 고온 수증기 개질 반응기로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 2 열교환기, 상기 제 2 열교환기를 통과한 개질 가스의 저온 수증기 개질 반응이 일어나는 저온 수증기 개질 반응기, 상기 저온 수증기 개질 반응기로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 3 열교환기, 상기 제 3 열교환기를 통과한 개질 가스 내의 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 부분 산화 반응기, 상기 부분 산화 반응기로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 물을 가열하는 열 교환이 일어나는 제 4 열교환기 및 상기 제 4 열교환기를 통과한 개질가스의 수분을 제거하고 수분이 제거된 개질 가스를 연료전지로 공급하기 위한 기수분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 천연가스 개질기에 관한 것이다.
자열 개질, 수증기 개질, 부분산화, 열교환기

Description

높은 열효율을 가지는 연료전지용 천연 가스 개질기 {NATURAL GAS REFORMER FOR FUELCELL WITH HIGH THERMAL EFFICIENCY}
본 발명은 높은 열효율을 가지는 연료전지용 천연 가스 개질기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 도시가스 공급압축기와 탈황기를 통하여 공급되는 천연가스가 수증기 및 제 1 공기 공급 압축기를 통하여 공급되는 공기 중의 산소와 촉매 자열 개질 반응(Auto Thermal Reaction)을 일으키는 자열 개질기, 상기 개질기로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기 및 천연가스를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 1 열교환기, 상기 제 1 열교환기를 통과한 개질 가스의 고온 수증기 개질 반응(High Temperature Steam Reforming Reaction)이 일어나는 고온 수증기 개질 반응기, 상기 고온 수증기 개질 반응기로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 2 열교환기, 상기 제 2 열교환기를 통과한 개질 가스의 저온 수증기 개질 반응(Low Temperature Steam Reforming Reaction)이 일어나는 저온 수증기 개질 반응기, 상기 저온 수증기 개질 반응기로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 3 열교환기, 상기 제 3 열교환기를 통과한 개질 가스 내의 일산화탄소를 선택적 산화 반 응을 통하여 이산화탄소로 전환하는 부분 산화 반응기, 상기 부분 산화 반응기로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 물을 가열하는 열 교환이 일어나는 제 4 열교환기, 및 상기 제 4 열교환기를 통과한 개질 가스의 수분을 제거하고 수분이 제거된 개질 가스를 연료전지로 공급하기 위한 기수분리기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 천연 가스 개질기에 관한 것이다.
자원 고갈 문제 및 환경 오염 문제 등으로 인하여 화석연료의 대체에너지를 찾고자 하는 많은 연구가 진행 중이다. 그 중 수소 연료전지는 발전 효율이 높고 불순물의 배출이 적을 뿐만 아니라, 연료인 수소를 화석연료를 비롯한 다양한 원료를 통하여 공급할 수 있어, 발전용, 가정/상업용, 휴대용 등 여러 분야에서의 산업화 방법들이 활발히 연구되고 있다.
수소 연료전지의 주된 연료인 수소는 그 자체로는 자연계에 존재하지 않으므로 열, 빛, 전기 등을 이용하여 화석연료, 물, 바이오매스 등에서 얻어야 한다. 수소의 국내 생산량은 연간 약 40만톤 이상이 되는데, 이들 대부분이 석유의 정제공장, 화학공장, 반도체 및 철강산업에서 산업적인 목적으로 주로 사용되고 있으며, 높은 생산 단가로 인하여 에너지 목적으로의 수소 생산은 아직 활발히 이루어지고 있지 않은 상황이다.
구체적인 수소 에너지 생산 기술로는 1) 천연가스, LPG, 납사, 석탄 등의 화석연료의 수증기 개질, 부분산화, 자열반응, 열분해 등을 이용한 수소제조방법, 2) 풍력, 태양광 등의 재생에너지를 이용한 물의 전기분해, 광전기화학적 또는 광생물학적 수소제조방법, 3) 원자력 에너지를 활용한 물의 열화학적 또는 전기분해 방법에 의한 수소제조방법 등 다양한 방법들이 연구되고 있다.
그 중에서도, 단기적으로 경제성이 있는 화석연료로부터 연료 전지용 수소를 제조하는 방법에 대한 산업화 연구가 가장 활발히 이루어지고 있으며, 그 중에서도 특히 기술적 상용화를 위하여 제조 가격을 절감시키려는 노력이 다양하게 행하여지고 있다.
화석연료로부터 연료전지에 사용되는 연료인 수소를 만들어내는 반응을 개질(reforming)이라고 하는데, 개질 장치는 크게 연료를 개질하는 개질부과 생성된 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부로 나누어진다. 개질부에서는 연료를 수증기 개질, 부분산화, 자열 반응 등을 이용하여 촉매에 의해 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환하는 역할을 하며, 일산화탄소 제거부에서는 수성전환과 선택적 산화방법과 같은 촉매 반응, 분리막을 이용한 수소의 정제 등을 이용하여 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거하는 역할을 한다.
예를 들어, 메탄올의 개질반응은 아래 표와 같다.
개질반응 유형 반응
(1) 분해 반응 (Decomposition Reaction) CH3OH -> CO + 2 H2 (△H = +90.0 kJ/mol)
(2) 스팀 개질 반응 (Steam Reforming Reaction) CH3OH + H2O -> CO2 + 3 H2 (△H = +49.5 kJ/mol)
(3) 부분 산화 반응 (Partial Oxidation Reaction) CH3OH + 1/2 O2 -> CO2 + 2 H2 (△H = -189.5 kJ/mol)
(4) 자열 개질 반응 (Autothermal Reforming Reaction) CH3OH + X(1/2 O2) + (1-X)H2O -> CO2 + (3-X)H2
탄화수소 분해 반응은 물이나 산소를 유입하지 않은 상태에서 탄화수소에 열을 공급하여 수소와 탄소로 분해하는 방법으로 비교적 순수한 수소를 경제적이고 간단하게 얻을 수 있으나, 반응 부산물의 생성 및 탄소의 계속적인 침적으로 인하여 촉매의 활성이 감소하고 가스의 유로를 막는 등의 문제가 있다. 이에 반해, 수증기 개질 반응은 탄화 수소 연료와 수증기의 반응으로 수소를 얻는 방법으로 비교적 덜 비싼 촉매를 사용하고, 고농도의 수소가 얻어져 연료 전지의 출력을 높일 수 있는 등의 장점을 가지나, 흡열 반응이기 때문에 외부에서 열을 공급해 주어야 하며 반응 속도가 느리다는 단점이 있다.
부분 산화 반응은 발열 반응이며 반응 속도가 빨라서 부하 변동에 따른 응답 속도가 빠르고 반응기를 소형화할 수 있다는 장점을 가지지만, 산화 반응의 산소원으로 공기를 사용하기 때문에 개질 가스 내의 수소 농도가 질소에 의해 희석되어 연료 전지의 출력이 저하된다는 단점 등을 가진다.
자열 개질 반응은 공급되는 연료의 일부를 부분 산화 반응으로 개질하고 여기서 나온 열로 나머지 연료의 수증기 개질을 진행하는 반응으로서, 외부로부터의 열공급이 필요 없고 부하 변동에 따른 응답 속도도 빠르며, 수증기 개질 방법과 부분 산화 방법의 중간 정도의 수소 농도를 가지는 개질 가스를 얻을 수 있다. 그러나, 촉매가 비교적 고가이고, 반응물질들의 양을 정확하게 조절할 필요가 있어 공정이 복잡해진다는 단점 등을 가진다.
한편, 화석 연료를 개질하는 과정에서 필연적으로 CO가 생성되며, 개질 과정에서 발생되는 CO는 PEMFC의 경우 연료극 촉매로 사용되는 백금을 피독시켜 연료전 지의 성능을 급격히 감소시키므로 PEMFC에 개질 가스를 공급하기 전에 반드시 CO를 제거하는 공정이 필요하다. 따라서 PEMFC로 유입되는 개질 가스의 CO를 약 20ppm 이하, 이상적으로는 10ppm 이하로 제거하는 것이 요구되며, 이러한 처리가 일산화탄소 제거부에서 이루어진다.
연료전지용 개질 가스 중의 CO를 제거하는 방법에는 아래와 같은 방법들이 사용될 수 있다.
CO 제거 방법 내용
(1) 수성가스 전환 (water gas shift) CO + H2O → CO2 + H2, △H = - 40.5kJ/mol
(2) CO 선택적 산화 CO + 1/2 O2 → CO2, △H = - 279.5kJ/mol
(3) 메탄화 (methanation) CO + 3 H2 → CH4 + H2O, △H = -206.4 kJ/mol
(4) 수소분리막 개질 가스로부터 수소를 분리 정제하는 방법, 대부분 Pd계열의 막을 사용. 개질 기의 크기를 줄이는데 유리하나 가압이 필요하고 Pd 분리막이 매우 고가
(5) CO 흡착 분리 실온 ~ 100℃에서 가역적으로 흡ㆍ탈착할 수 있는 흡착제를 사용. 용량을 크게 하는 것이 문제
상기에서 설명한 개질 및 수소 정제 기술들은 기존의 석유화학 공정에서 이미 상용화된 공정이지만 연료 전지 시스템에 적합하도록 실용화하는 연구가 진행 중이다. 특히 수소 개질용 연료로 천연가스를 사용하면 기존의 도시가스 공급라인을 활용할 수 있어 인프라구축 비용을 절감하는 효과를 가져올 수 있으므로, 천연가스를 이용한 연료 전지용 개질기에 대한 연구들이 많이 이루어지고 있다.
앞서 설명하였듯이, 개질기는 수소 원자를 함유한 연료로부터 화학 촉매 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 것으로서, 이를 위해 열원, 수증기 및 산소의 공급 장치, 일산화탄소 저감 장치 등 여러 부분들로 구성된다.
이러한 개질 반응부와 일산화탄소 저감부는 각각의 반응에 요구되는 고유한 반응 온도 범위를 형성하기 위한 열원을 필요로 하며, 개질 반응의 경우 적절한 수증기 및 공기의 공급을 필요로 한다. 그러나, 종래의 개질기는 열원부 등의 별개 구조가 존재함으로 인하여 개질기의 구조가 복잡하게 되어 전체적인 시스템의 크기가 너무 커질 뿐만 아니라 열 효율 및 반응 효율이 떨어지게 된다는 문제점이 있었다.
이러한 문제점들을 해결하고자 상기에서 설명한 자열 개질 반응을 활용한 개질기가 개발되고 있으나 이 또한 공기, 수증기의 공급과 그에 따른 추가적인 장비가 필요하여 비슷한 문제점들을 안고 있다. 예를 들어, 한국공개특허 10-2007-0050322에서는 자열 개질 촉매반응을 이용한 개질기에 대하여 언급하고 있으나, 반응부에 열원을 제공하기 위하여 개질 반응부의 일측에 별개로 설치되는 열원부, 센서에 의해 측정된 온도에 따라 반응기 밸브 및 공기 공급부를 조절하는 제어기 등추가적으로 설치되는 구조나 복잡한 공정 등으로 인한 전체적인 시스템의 효율이 떨어진다는 문제점이 있었다.
즉, 기존의 개질기들은 별개의 구조 및 복잡한 공정들로 인해 개질기의 열손실이 커져 전체적으로 열 효율 및 반응 효율이 저하되고, 또한 자열 개질 반응에 의한 정상 운전에 이를 때까지의 초기 기동 시간이 지연되어 전체적인 개질기의 효율이 떨어지는 등 개선해야 할 점들이 있었다.
이에, 본 발명자는 자열 개질 반응을 활용한 개질기에 있어서, 초기 기동 시간을 최소화하고 공기, 수증기의 공급 등을 위한 추가적인 장비를 최소화하여 설치 공간의 제한 및 관리의 불편함을 해결하고 열효율 및 반응효율을 극대화시킬 수 있는 연료전지용 천연가스 개질기를 발명하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 별도의 열원부가 필요없는 자열 개질 반응을 이용한 천연가스 개질기에 있어서, 공기 및 수증기의 공급을 위한 추가적인 장비들을 최소화하여 열효율 및 반응 효율을 극대화하고 전체 개질 시스템의 구조를 단순화시킨 개질기를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 버너의 사용으로 자열 개질 반응에 의한 정상 운전에 이를 때까지의 초기 기동 시간을 최소화하면서도, 초기가동과 정상운전의 전환이 손쉽게 제어할 수 있는 개질기를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 기수분리기에서 분리된 물을 열교환 시킴으로써 전체 시스템의 열 효율을 증가시킬 수 있는 개질기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 천연가스가 수증기 및 공기 중의 산소와 촉매 자열 개질 반응(Auto Thermal Reaction)을 일으키는 자열 개질기(1), 상기 개질기(1)로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기 및 천연가스를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 1 열교환기(3), 상기 제 1 열교환기(3)를 통과한 개질 가스의 고온 수증기 개질 반응(High Temperature Steam Reforming Reaction)이 일어나는 고온 수증기 개질 반응기(4), 상기 고온 수증기 개질 반응기(4)로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 2 열교환기(5), 상기 제 2 열교 환기(5)를 통과한 개질 가스의 저온 수증기 개질 반응(Low Temperature Steam Reforming Reaction)이 일어나는 저온 수증기 개질 반응기(6), 상기 저온 수증기 개질 반응기(6)로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 3 열교환기(7), 상기 제 3 열교환기(7)를 통과한 개질 가스 내의 일산화탄소를 선택적 산화 반응을 통하여 이산화탄소로 전환하는 부분 산화 반응기(8), 상기 부분 산화 반응기(8)로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 물을 가열하는 열 교환이 일어나는 제 4 열교환기(10), 및 상기 제 4 열교환기(10)를 통과한 개질 가스의 수분을 제거하고 수분이 제거된 개질 가스를 연료전지로 공급하기 위한 기수분리기(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 천연 가스 개질기를 제공함으로써 달성된다.
또한, 본 발명의 목적은 정상 운전 전의 초기 가동 시간을 줄이기 위한 버너(2)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 천연 가스 개질기를 제공함으로써 달성된다.
또한, 본 발명의 목적은 자열 개질기(1)에 천연가스를 공급하기 위한 도시가스 공급압축기(18) 및 탈황기(16)와 자열 개질기(1)에 공기를 공급하기 위한 제 1 공기 공급 압축기(17)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 천연 가스 개질기를 제공함으로써 달성된다.
또한, 본 발명의 목적은, 도시가스 공급압축기(18)와 탈황기(16)를 통하여 공급되는 천연가스와 제 1 공기 공급 압축기(17)를 통하여 공급되는 공기가 혼합되는 3 방 밸브(15)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 천연 가스 개 질기를 제공함으로써 달성된다.
종래의 개질기는 물을 수증기로 가열하기 위한 개별적 히터 부착에 따라 전체 크기가 커져 열효율이 감소하고, 전체시스템의 구성이 복잡한 문제점 등이 있었다. 그러나, 본 발명의 연료전지용 천연가스 개질기를 사용함으로써 전체 개질기 크기를 줄이고 전체 공정을 단순화시켜, 열효율을 증가시킬 뿐만 아니라 설치공간의 제한 및 관리 등의 불편함을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 개질기는 열교환기들을 사용하여 개질 반응의 여열을 회수하여 수증기를 만드는데 사용하며, 기수분리기에서 분리된 물은 가정용 연료전지 시스템에서 온수로써 사용하는 등 시스템 전체의 열효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 초기 가동시에는 버너를 사용함으로써 초기 가동에 필요한 시간을 줄일 수 있으며, 정상 가동 시에는 별도의 열원이 필요 없이버너를 유로로 이용함으로써, 장비를 단순화시키고 기동부하를 줄여주어 열효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 연료전지용 천연 가스 개질기의 일 실시예를 도면을 참조하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 천연 가스 개질기의 전체 공정도이다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따른 연료전지용 천연가스 개질기는 천연가스가 수증기 및 공기 중의 산소와 촉매 자열 개질 반응(Auto Thermal Reaction)을 일으키는 자열 개질기(1), 상기 개질기(1)로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기 및 천연가스를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 1 열교환기(3), 상기 제 1 열교환기(3)를 통과한 개질 가스의 고온 수증기 개질 반응(High Temperature Steam Reforming Reaction)이 일어나는 고온 수증기 개질 반응기(4), 상기 고온 수증기 개질 반응기(4)로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 2 열교환기(5), 상기 제 2 열교환기(5)를 통과한 개질 가스의 저온 수증기 개질 반응(Low Temperature Steam Reforming Reaction)이 일어나는 저온 수증기 개질 반응기(6), 상기 저온 수증기 개질 반응기(6)로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 3 열교환기(7), 상기 제 3 열교환기(7)를 통과한 개질 가스 내의 일산화탄소를 선택적 산화 반응을 통하여 이산화탄소로 전환하는 부분 산화 반응기(8), 상기 부분 산화 반응기(8)로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 물을 가열하는 열 교환이 일어나는 제 4 열교환기(10), 및 상기 제 4 열교환기(10)를 통과한 개질 가스의 수분을 제거하고 수분이 제거된 개질 가스를 연료전지로 공급하기 위한 기수분리기(13)로 이루어진다.
이때, 상기 개질기는 정상 운전 전의 초기 가동 시간을 줄이기 위하여 버너(2)를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 개질기는 천연가스를 공급하기 위한 도시 가스 공급압축기(18), 천연가스로부터 황을 제거하기 위한 탈황기(163) 및 공기를 공급하기 위한 공기 공급 압축기(17)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 각 구성을 활용한 공정을 구체적으로 살펴보면, 도시가스 배관망을 통하여 공급되는 천연가스는 본 장치에 적용되기 위하여 도시가스 공급압축기(18)를 거친 후, 도시가스에 포함된 황을 제거하기 위하여 탈황기(16)로 공급된다. 황이 제거된 도시가스는 제 1 공기 공급 압축기(17)를 통하여 공급되는 공기와 3 방 밸브(15) 라인으로 혼합되어 공급된다.
3방 밸브(15)에서 혼합된 혼합가스는 초기 가동시에는 버너(2)로 공급되도록 밸브가 조작된다. 한편, 초기 가동 시간이 지난 후 자열 반응이 충분히 가능한 상태 즉, 정상 운전 상태가 되면 3방 밸브(16)는 제 1 열교환기(3)로 혼합가스를 공급하여 열교환을 통하여 혼합 가스가 예열될 수 있도록 하며, 예열된 혼합가스는 버너(2)로 이동한다.
이때, 정상 운전 상태에서의 버너(2)는 연소 기기의 역할이 아닌 유로로서만 작용하게 되며 이때 가스의 혼합 효율을 높이기 위한 장비로도 사용될 수 있다. 또한, 일련의 열교환기들을 통과하면서 가열된 수증기도 제 1 열교환기(3)를 통과한 후 자열 반응을 위하여 혼합가스와 함께 버너로 이동한다.
초기 가동 상태와 정상 운전 상태 모두 버너(2)를 통과한 혼합가스와 수증기는 자열 반응기(1)(ATR: Auto Thermal Reactor)에서 촉매를 이용하여 자열 반응(Autothermal Reaction)을 일으키며, 자열 반응기(1)를 통과한 가스는 약 700℃까지 가열된다. 가열된 가스는 다시 제 1 열교환기(3)을 통과하며 이때 혼합가스와 수증기를 가열하는 열원역할을 하고 온도는 약 400℃로 낮아지게 된다.
다시 400℃의 가스는 고온 수증기 개질 반응기(4)로 공급되어 고온 수증기 개질 반응(High Temperature Steam Reforming Reaction)을 통하여 수소의 비율을 높이게 된다. 고온 수증기 개질 반응기(4)를 통과한 가스는 제 2 열교환기(5)를 통과하면서 수증기를 가열하는데 필요한 열원으로 사용되고, 제 2 열교환기(5)를 통과한 가스는 200℃로 낮아진 후 저온 수증기 개질 반응기(6)로 공급된다.
저온 수증기 개질 반응기(6)로 공급된 가스는 저온 수증기 개질 반응응(Low Temperature Steam Reforming Reaction)을 통하여 수소의 비율을 더욱 높이게 되고, 저온 수증기 개질 반응기(6)를 통과한 가스는 제 3 열교환기(7)를 통과하며 수증기를 가열하는데 필요한 열원으로 사용되며 제 3 열교환기(7)를 통과한 가스는 150℃로 낮아진 후 부분 산화 반응기(8)로 공급된다.
부분 산화 반응기(8)에는 산화 반응에 필요한 공기가 제 2 공기 공급압축기(9)를 통해 공급되며, 이때 CO를 CO2로 산화하여 CO를 제거하는 공정을 수행하게 된다. 부분 산화 반응기(8)를 통과한 가스는 제 4 열교환기(10)를 통과하며 순수공급펌프(11)로부터 공급된 물을 가열하는데 필요한 열원으로 사용되며 제 4 열교환기(10)를 통과한 가스는 100℃ 이하로 낮아진 후 기수 분리기(13)(Water Separator)로 공급된다.
기수분리기(13)로 공급된 개질 가스에서 응축된 수분은 물 탱크(14)로 공급되며, 수분이 제거된 개질 가스는 연료 전지로 공급되기 위하여 개질 가스 공급라인(12)으로 이동하게 된다. 기수분리기에서 분리된 물은 열교환을 통해 시스템에 재투입됨으로써 전체 시스템의 열 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 기수분리기로부터 분리된 물의 여열을 물탱크와 열 교환을 시킴으로써 전체 효율을 높이는 장치를 더 포함하도록 구성할 수도 있고, 기수분리기에서 분리된 물을 가정용 연료전지 시스템에서 온수로써 사용하는 등의 방법을 통해 시스템 전체의 열효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 개질기에서 사용되는 각 열교환기(10, 7, 5, 3)들은 여열을 충분이 회수할 수 있도록 전열 휜이 충분한 면적을 갖는 것이 바람직하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명한 것으로, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 균등한 기술범위를 당연히 포함한다고 보아야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 연료전지용 천연 가스 개질기의 전체적인 공정도이다.
<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>
1 : 자열 반응기 2 : 버너
3 : 제 1 열교환기 4 : 고온 수증기 개질 반응기
5 : 제 2 열교환기 6 : 저온 수증기 개질 반응기
7 : 제 3 열교환기 8 : 부분 산화 반응기
9 : 제 2 공기 공급 압축기 10 : 제 4 열교환기
11 : 순수 공급 펌프 12 : 개질 가스 공급 라인
13 : 기수 분리기 14 : 물탱크
15 : 3 방 밸브 16 : 탈황기
17 : 제 1 공기 공급 압축기 18 : 도시 가스 공급 압축기

Claims (9)

  1. 천연가스가 수증기 및 공기 중 산소와 촉매 자열 개질 반응(Auto Thermal Reaction)을 일으키는 자열 개질기(1);
    상기 개질기(1)로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기 및 천연가스를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 1 열교환기(3);
    상기 제 1 열교환기(3)를 통과한 개질 가스의 고온 수증기 개질 반응(High Temperature Steam Reforming Reaction)이 일어나는 고온 수증기 개질 반응기(4);
    상기 고온 수증기 개질 반응기(4)로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 2 열교환기(5);
    상기 제 2 열교환기(5)를 통과한 개질 가스의 저온 수증기 개질 반응(Low Temperature Steam Reforming Reaction)이 일어나는 저온 수증기 개질 반응기(6);
    상기 저온 수증기 개질 반응기(6)로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 수증기를 가열하는 열 교환이 일어나는 제 3 열교환기(7);
    상기 제 3 열교환기(7)를 통과한 개질 가스 내의 일산화탄소를 선택적 산화 반응을 통하여 이산화탄소로 전환하는 부분 산화 반응기(8);
    상기 부분 산화 반응기(8)로부터 얻어진 개질 가스의 여열로 물을 가열하는 열 교환이 일어나는 제 4 열교환기(10); 및
    상기 제 4 열교환기(10)를 통과한 개질 가스의 수분을 제거하고 수분이 제거된 개질 가스를 연료전지로 공급하기 위한 기수분리기(13);를 포함하는 것을 특징 으로 하는 연료전지용 천연 가스 개질기.
  2. 청구항 제 1 항에 있어서, 정상 운전 전의 초기 가동 시간을 줄이기 위한 버너(2)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 천연 가스 개질기.
  3. 청구항 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 자열 개질기(1)에 공기를 공급하기 위한 제 1 공기 공급 압축기(17)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 천연 가스 개질기.
  4. 청구항 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 자열 개질기(1)에 천연가스를 공급하기 위한 도시가스 공급압축기(18)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 천연 가스 개질기.
  5. 청구항 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 자열 개질기(1)에 공급되는 천연가스에서 황을 제거하기 위한 탈황기(16)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 천연 가스 개질기.
  6. 청구항 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 도시가스 공급 압축기(18)와 탈황기(16)를 통하여 공급되는 천연가스와 제 1 공기 공급 압축기(17)를 통하여 공급되는 공기가 혼합되는 3 방 밸브(15)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 천연 가스 개질기.
  7. 청구항 제 6 항에 있어서, 상기 3 방 밸브(15)가 초기 가동시에는 혼합가스가 버너(2)로 공급되도록 유로를 전환하고, 정상 운전시에는 혼합 가스가 제 1 열교환기(3)로 공급되도록 유로를 전환하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 천연 가스 개질기.
  8. 청구항 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 부분 산화 반응기(8)의 부분 산화 반응을 위하여 공기를 공급하는 제 2 공기 공급 압축기(9)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 천연 가스 개질기.
  9. 청구항 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 열교환기들(10, 7, 5, 3)을 거 치면서 가열되는 순수를 공급하기 위한 공급펌프(11)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 천연 가스 개질기.
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