KR20100128483A - 촉매 연소기 및 이를 구비한 연료 개질기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료의 완전 산화를 유도하고 반응기의 열효율을 향상시킬 수 있는 촉매 연소기 및 이를 구비한 연료 개질기에 관한 것이다. 본 발명의 촉매 연소기는 실린더형 제1 반응부 및 제1 반응부를 이중관 형태로 둘러싸는 제2 반응부를 구비하며, 제1 반응부와 제2 반응부 내의 유체의 흐름이 대향류를 형성하도록 제1 반응부에 연료 및 산화제를 공급하는 제1 개구부 및 제2 반응부 내의 배가스를 배출하는 제2 개구부를 제1 반응부와 제2 반응부의 일측에 각각 구비하고 제1 반응부와 제2 반응부가 타측에서 서로 유체소통가능하게 연결되는 하우징; 제1 반응부 내에 배치되는 촉매; 및 제2 반응부에 삽입되는 메쉬층을 포함한다.
2중 산화, 대향류(counter flow), 촉매, 셀 밀도, 선속도, 분배부, 화염방지기

Description

촉매 연소기 및 이를 구비한 연료 개질기{Catalytic Combustor and Fuel Reformer having the same}
본 발명은 연료의 완전 산화를 유도하고 반응기의 열효율을 향상시킬 수 있는 촉매 연소기 및 이를 구비한 연료 개질기에 관한 것이다.
연소기는 연료를 산화시켜 열과 고온의 가스를 발생시키는 장치이다. 연소기에서 생성된 열과 고온의 가스는 개질장치의 개질 반응이나, 연료 또는 물의 예열 등을 위한 열원으로서 이용될 수 있다. 연소기는 연소실 내로 분사되는 연료를 불꽃 점화하여 직접연소시키는 방식이나 산화촉매를 통해 연료를 촉매연소시키는 방식 등으로 제조될 수 있다. 산화촉매를 통해 연료를 산화시키는 장치는 소위 촉매 연소기라고 불린다.
촉매 연소기는 버너와 같은 직접연소 방식의 연소기(이하 직접연소기라 함)의 작동 온도(예컨대, 650~800℃)보나 낮은 작동온도(예컨대 150~400℃)에서 촉매 접촉을 통해 연료를 연소하므로, 통상 효율을 높이기 위해 직접연소기 내의 공간속도(예컨대, 7,500~12,000/hr)에 비해 빠른 공간속도(예컨대, 15,000~26,000/hr)를 갖도록 제작된다. 이러한 촉매 연소기는 직접연소기에 비해 운영 경비가 저렴하고 질소산화물 발생량이 적다는 장점이 있다.
가연성탄화수소를 연료로 사용하는 경우, 촉매 연소기 내에서 연료의 연소 반응식은 다음과 같다.
CmH2n + (m+2n)O2 → mCO2 + nH2O + 열량
한편, 촉매 연소기는 상대적으로 낮은 온도에서 연료를 연소시키므로 직접연소기에 비해 연료의 완전 연소가 어렵다. 촉매 연소기의 연료 산화율이 낮으면, 촉매 연소기의 배가스에는 미연연료(unburned fuel)와 미연연료의 부분산화에 의한 일산화탄소, 그리고 수증기가 다량 함유된다.
따라서, 촉매 연소기의 열효율을 높이기 위하여, 촉매 연소기의 연료 산화율을 높일 필요가 있다. 다시 말해, 촉매 연소기의 완전 연소를 위한 최적화된 연소 제어 기술이나 이를 대체할 방안이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 2중 산화 구조를 이용하여 연료의 완전 산화를 유도하고 반응기의 열효율을 향상시킬 수 있는 촉매 연소기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 2중 산화 구조 및 2중 연료 구조를 이용하여 연료의 완전 산화를 유도하고 반응기의 열효율을 향상시킬 수 있는 촉매 연소기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 촉매 연소기를 구비한 연료 개질기를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 의하면, 실린더형 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부를 이중관 형태로 둘러싸는 제2 반응부를 구비하며, 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부 내의 유체의 흐름이 대향류를 형성하도록 상기 제1 반응부에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 제1 개구부 및 상기 제2 반응부 내의 배가스를 배출하기 위한 제2 개구부를 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부의 일측에 각각 구비하고 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부가 그 타측에서 서로 유체소통가능하게 연결되는 하우징; 상기 제1 반응부 내에 배치되는 촉매; 및 상기 제2 반응부에 삽입되는 메쉬층을 포함하는 촉매 연소기가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 실린더형 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부를 이중관 형태로 둘러싸는 제2 반응부를 구비하며, 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부 내의 유체의 흐름이 대향류를 형성하도록 상기 제1 반응부에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 제1 개구부 및 상기 제2 반응부 내의 배가스를 배출하기 위한 제2 개구부를 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부의 일측에 각각 구비하고 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부가 그 타측에서 서로 유체소통가능하게 연결되는 하우징; 상기 제1 반응부 내에 배치되는 제1 촉매; 및 상기 제2 반응부 내에 배치되는 제2 촉매를 포함하는 촉매 연소기가 제공된다.
바람직하게, 제2 촉매는 메쉬층, 및 상기 메쉬층에 코팅되는 활성물질을 포함한다. 제2 촉매의 활성물질은 메쉬층 1㏄당 약 0.01g 내지 약 0.4g의 비율로 코팅될 수 있다. 활성물질은 백금을 포함한다. 활성물질을 상기 범위 미만으로 코팅하는 경우, 활성물질에 의한 연료 연소의 효과가 미미하고, 상기 범위를 초과하여 코팅하는 경우, 귀금속의 사용량이 증가하여 비용증가를 초래할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 실린더형 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부를 이중관 형태로 둘러싸는 제2 반응부를 구비하며, 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부 내의 유체의 흐름이 대향류를 형성하도록 상기 제1 반응부에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 제1 개구부 및 상기 제2 반응부 내의 배가스를 배출하기 위한 제2 개구부를 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부의 일측에 각각 구비하고 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부가 그 타측에서 서로 유체소통가능하게 연결되는 하우징; 상기 제1 반응부 내에 배치되는 촉매; 및 상기 제2 반응부에 삽입되는 메쉬층을 포함하고, 상기 하우징은 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부의 사이에 제2 연료의 유입을 위한 연료공급로를 더 포함하는 촉매 연소기가 제공된다.
바람직하게, 제2 연료의 공급량은 제1 연료의 공급량의 1% 내지 15%이다. 제2 연료는 연료전지의 애노드에서 방출되는 수소 함유 배가스를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 실린더형 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부를 이중관 형태로 둘러싸는 제2 반응부를 구비하며, 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부 내의 유체의 흐름이 대향류를 형성하도록 상기 제1 반응부에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 제1 개구부 및 상기 제2 반응부 내의 배가스를 배출하기 위한 제2 개구부를 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부의 일측에 각각 구비하고 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부가 그 타측에서 서로 유체소통가능하게 연결되는 하우징; 상기 제1 반응부 내에 배치되는 제1 촉매; 상기 제2 반응부 내에 배치되는 제2 촉매; 및 상기 하우징은 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부의 사이에 제2 연료를 공급하는 연료공급로를 포함하는 촉매 연소기가 제공된다.
바람직하게, 제2 촉매는 메쉬층, 및 메쉬층에 코팅되는 활성물질을 포함한다.
또한 바람직하게, 촉매(제1 촉매)는 제1 반응부의 후단부에 배치된다. 촉매(제1촉매)는 고온에서 내구성이 있는 금속으로 만들어진 벌집형 지지체, 및 지지체에 코팅된 활성물질을 포함한다. 촉매(제1 촉매)의 벌집형 지지체의 셀 밀도는 평방인치당 400 내지 600셀이다.
촉매 연소기는 연료의 흐름 상에서 촉매의 상류측에 배치되는 분배부를 더 포함할 수 있다. 분배부는 고온에서 내구성이 있는 금속으로 만든 벌집형 모노리스로 이루어질 수 있다. 분배부에서의 연료 및 산화제의 공간속도는 촉매(제1 촉매) 에서의 공간속도보다 빠르다. 촉매(제1 촉매)에서 연료 및 산화제의 공간속도는 1000/hr 내지 50,000/hr 범위이다. 다른 측면에서, 분배부의 벌집형 모노리스의 셀 밀도는 촉매(제1 촉매)의 벌집형 지지체의 셀 밀도보다 작다. 분배부의 벌집형 모노리스의 셀 밀도는 평방인치당 100 내지 200셀이다.
촉매 연소기는 분배부의 상류측에 배치되는 화염방지기를 더 포함할 수 있다. 화염방지기는 고온에서 내구성이 있는 금속으로 만든 벌집형 모노리스로 이루어질 수 있다. 화염방지기의 벌집형 모노리스의 셀 밀도는 분배부의 벌집형 모노리스의 셀 밀도와 동일하다.
촉매(제1 촉매) 또는 제2 촉매는 Pd, Pt, Co3O4, PdO, Cr2O3, Mn2O3, CuO, Fe2O3, V2O3, NiO, MoO3, TiO2로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함한다.
메쉬층은 고온에서 내구성이 있는 금속으로 만든 벌집형 모노리스로 이루어질 수 있다. 메쉬층은 2단 구조로 배열될 수 있다. 메쉬층의 벌집형 모노리스의 셀 밀도는 평방인치당 50 내지 1000셀이다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 전술한 일 실시예들의 촉매 연소기들 중 어느 하나의 촉매 연소기, 및 촉매 연소기에서 열을 공급받고 연료를 개질하여 리포메이트(reformate)를 생성하는 개질반응부를 포함하는 연료 개질기가 제공된다.
본 발명에 의하면, 촉매 연소기에서 연료를 실질적으로 완전 산화시킬 수 있 다. 또한, 전도와 대류를 동시에 이용함으로써 열구배를 보다 균일하게 하여 열점(hot spot)을 저감할 수 있다. 따라서, 장치의 열효율을 크게 향상시킬 수 있다. 아울러, 전단에만 산화촉매를 사용-상대적으로 적은 양의 촉매를 사용-하면서도 연료의 완전 산화를 도모할 수 있다. 또한, 촉매 연소기를 구비한 연료 개질기의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하의 설명에 있어서, 도면에서 동일하거나 유사한 요소들은 동일한 참조부호로 나타낸다. 또한, 도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의성 및 명확성을 위하여 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 연소기의 개략적인 사시도이다. 도 2는 도 1의 촉매 연소기의 개략적인 횡단면도이다. 도 3은 본 발명의 촉매 연소기의 종단면도이다. 도 3의 단면도는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선으로 도 1의 대응 부분을 절단한 단면에 대응할 수 있다. 도 4는 본 발명의 촉매 연소기의 또 다른 종단면도이다. 도 4의 단면도는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ선으로 도 1의 대응 부분을 절단한 단면에 대응할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 촉매 연소기(100)는 기본적으로 제1 반응부(10)와 제2 반응부(20)를 구비한 하우징(30), 제1 반응부(10)에 배치된 촉매(50), 및 제2 반응부(20)에 배치된 메쉬층(60)을 포함한다.
하우징(30)은 실린더형 제1 반응부(10)를 형성하는 제1 하우징(30a)과, 제1 반응부(10)를 이중관 형태로 둘러싸면서 제1 하우징(30a)과의 사이에 제2 반응부(20)를 형성하는 제2 하우징(30b)을 구비한다. 본 실시예의 관형 또는 실린더형 하우징(30)의 양단부는 실질적으로 막혀 있다.
하우징(30)은 적어도 하나의 제1 개구부(31), 및 적어도 하나의 제2 개구부(33)를 구비한다. 제1 개구부(31)는 제1 반응부(10)에 연료를 공급하기 위한 통로로서 작용한다. 제1 개구부(31)는 실린더형 하우징(30)의 길이 방향의 일측에 구비된다. 제2 개구부(33)는 제2 반응부(20)에 있는 배가스를 외부로 방출하기 위한 통로로서 작용한다. 제2 개구부(33)는 실린더형 하우징(30)의 길이 방향의 일측에 구비된다. 제1 개구부(31)와 제2 개구부(33)는 하우징(30)의 일측에 인접하게 배치될 수 있다.
실린더형 하우징(30)은 길이 방향의 타측(상기 일측의 반대측)에 제1 반응부(10)와 제2 반응부(20)를 유체소통 가능하게 연결하는 통로(35)를 구비한다. 다시 말해, 제1 반응부(10)의 일단에는 제1 개구부(31)가 결합하고, 제1 반응부(10)의 타단에는 상기 통로(35)의 일단이 결합한다. 그리고 제2 반응부(20)의 타단에는 상기 통로(35)의 타단이 결합하고, 제2 반응부(20)의 일단에는 제2 개구부(33)가 결합한다. 즉, 본 실시예의 하우징(30)은 내부의 유체 흐름이 역류하는 형태의 대향류(counter flow) 구조 또는 U-자 흐름 구조를 형성하도록 배열된 제1 반응 부(10) 및 제2 반응부(20)를 구비한다.
촉매(50)는 제1 반응부(10)의 대략 후반부에 배치된다. 다시 말해, 제1 반응부(10)를 연료 유동의 상류측에 위치한 제1 영역(A1)과 연료 유동의 하류측에 위치한 제2 영역(A2)으로 대략 이분할 때, 촉매(50)는 제2 영역(A2)에 배치된다.
촉매(50)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 금속성 벌집형 지지체(metallic honeycomb)이나 세라믹 벌집형 지지체(캐리어)(52)와 이 지지체(52)에 결합된 활성물질(54)을 포함할 수 있다. 활성물질은 플라티늄이나 백금이나 다른 귀금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 촉매는 Pd, Pt, Co3O4, PdO, Cr2O3, Mn2O3, CuO, Fe2O3, V2O3, NiO, MoO3, TiO2로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
메쉬층(60)은 제1 반응부(10)에서 나오는 미연 연료(unburned fuel)를 산화시키도록 제2 반응부(20)에 배치된다. 미연 연료의 산화를 위해, 메쉬층(60)은 예컨대 고온에서 내구성이 있는 금속성 벌집형 모노리스로 구현될 수 있다. 상기 미연 연료는 촉매 연소기(100)의 작동시 약 150~400℃로 가열되는 금속 메쉬층(60)과 접촉할 때 산화된다. 전술한 촉매(50)의 하류측에 배치된 메쉬층(60)을 채용하면, 연료를 2중 산화시키므로 연료의 완전 산화를 유도할 수 있다.
또한, 메쉬층(60)은 제2 반응부(20) 내부를 유동하는 유체의 흐름 상에서 제1단 메쉬층(61a)과 제2단 메쉬층(61b)으로 형성될 수 있다. 2단 구조의 메쉬층들(61a, 61b)을 채용하면, 제1단 메쉬층(61a)과 제2단 메쉬층(61b) 사이의 공 간(63)에서 미연 연료의 흐름에 난류(turbulent flow)를 형성하여 메쉬층(60)을 통과하는 미연 연료 전체가 메쉬층(60)에 접촉하여 완전히 산화하도록 유도할 수 있다.
또한, 본 실시예의 촉매 연소기(100)는 제1 반응부(10)의 대략 전반부에 배치되는 분배부(70)를 더 포함할 수 있다. 분배부(60)는 연료 흐름 상에서 촉매(50)의 상류측에 배치된다. 분배부(70)는 제1 반응부(10)에 유입된 연료를 적절히 분배하여 촉매(50)에 전달한다. 분배부(70)를 채용하면, 촉매(50)의 일단(상류단)의 특정 지점에서 연료의 산화가 집중하여 큰 열점(hot spot)이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 분배부(70)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 고온에서 내구성이 있는 금속성 벌집형 모노리스로 구현될 수 있다.
분배부(70)는 촉매(50)에 대하여 상대적인 규격을 갖는다. 예컨대, 제1 반응부(10) 내부를 유동하는 유체에 있어서, 분배부(70)에서의 공간속도는 촉매(50)에서의 공간속도보다 빠르도록 형성된다. 예컨대, 분배부(70)의 벌집형 모노리스는 촉매(50)에서의 공간속도 1000/hr 내지 50,000/hr 범위보다 빠른 공간속도를 갖도록 형성된다. 다시 말해, 분배부(70)의 벌집형 모노리스는 그 셀 밀도가 촉매(50)의 벌집형 지지체의 셀 밀도보다 작도록 형성된다. 예컨대, 분배부(70)의 벌집형 모노리스의 셀 밀도는 평방인치당 100 내지 200 셀이다.
또한, 본 실시예의 촉매 연소기(100)는 제1 반응부(10)의 대략 전반부에 배치되는 역화방지부(80)를 더 포함할 수 있다. 역화방지부(80)는 연료 흐름 상에서 촉매(50) 및/또는 분배부(70)의 상류측에 배치된다. 역화방지부(80)는 촉매(50)에 서 발생한 불꽃이 제1 개구부(31) 쪽으로 확산되는 것을 방지한다.
역화방지부(70)는 고온에서 내구성이 있는 금속성 벌집형 모노리스로 구현될 수 있다. 이때, 역화방지부(70)는 촉매(50) 및/또는 분배부(60)에 대하여 상대적인 규격을 갖는다. 예컨대, 역화방지부(70)는 전술한 분배부(60)와 실질적으로 동일한 셀 밀도 및/또는 단면 구조(또는 단면 모양)를 구비한다. 제1 반응부(10) 내부를 유동하는 유체의 흐름 방향상에서 역화방지부(70)의 길이는 분배부(60)와 다를 수 있다.
본 실시예에서 연료 및 산화제는 복수의 제1 개구부를 통해 개별적으로 공급될 수 있다. 연료는 메탄, 부탄, 프로판 등의 탄화수소계 연료를 포함하고, 산화제는 공기를 포함한다.
전술한 구성에 의하면, 제1 개구부(31)를 통해 제1 반응부(10)로 제1 연료 및 공기(도시안됨)가 유입되면, 제1 연료는 역화방지부(80)와 분배부(70)를 거쳐 촉매(50) 영역을 통과하며, 촉매(50)의 산화 촉진 작용에 의해 산화된다. 제1 연료 중 미연연료는 메쉬층(60)을 통과하면서 2차적으로 산화된다. 그리고, 제1 및 제2 반응부(10, 20)에서 생성된 배가스는 제2 반응부(20)의 일단부 또는 하류측에 구비된 제2 개구부(33)를 통해 외부로 방출된다.
전술한 과정에 있어서, 촉매 연소기(100)는 전도와 대류를 동시에 이용함으로써 열구배를 보다 균일하게 하여 열점(hot spot)을 저감할 수 있다. 아울러, 전단(제1 반응부)에만 산화촉매를 사용하면서 연료의 완전 산화를 도모할 수 있어 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 촉매 연소기의 종단면도이다. 도 5의 단면도는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ선으로 도 1의 대응 부분을 절단한 단면에 대응할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 촉매 연소기(100a)는 실린더형 제1 반응부(10a)와 상기 제1 반응부(10a)를 이중관 형태로 둘러싸는 제2 반응부(20a)를 구비한 하우징(32), 제1 반응부(10a)에 배치되는 제1 촉매(미도시), 제1 반응부(10a)의 상기 촉매의 상류측에 배치되는 분배기(70a), 및 제2 반응부(20a)에 배치되는 제2 촉매(60a)를 포함한다.
하우징(32)의 제1 반응부(10a)와 제2 반응부(20a)는 도 2에 도시된 제1 반응부(10)와 제2 반응부(20)와 실질적으로 동일한 구조 및 형태를 구비한다.
제1 촉매 및 분배기(70a)는 도 2에 도시된 촉매(50) 및 분배기(70)와 실질적으로 동일한 구조 및 형태를 각각 구비한다.
제2 촉매(60a)는 메쉬층(62) 및 상기 메쉬층(62)에 결합하는 활성물질(64)을 구비한다. 활성물질(64)은 소정량 메쉬층(62)에 결합될 수 있다. 예컨대, 활성물질(64)은 메쉬층(62)의 1㏄당 0.01g 내지 0.4g 정도가 코팅될 수 있다. 활성물질(64)은 백금을 포함한다.
본 실시예에서, 제2 촉매(60a)는 제1 반응부(10a)에 유입된 연료 중 제1 촉매에서 산화되지 않고 제1 촉매를 통과한 미연연료를 2차적으로 산화한다. 또한, 제2 촉매(60a)는 미연연료의 산화를 촉진시키는 활성물질을 포함하므로, 도 2를 참조한 실시예(제2 반응부에 메쉬층만을 구비한 실시예)보다 좀더 효율적으로 연료를 완전 산화시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 촉매 연소기의 개략적 사시도이다. 도 7은 도 6의 촉매 연소기의 개략적 횡단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예의 촉매 연소기(300)는 기본적으로 제1 연료의 유입을 위한 제1 개구부(131), 배가스의 배출을 위한 제2 개구부(133), 제1 반응부(110) 및 제2 반응부(120)를 구비한 하우징(130); 제1 반응부(110)에 배치된 촉매(150); 제2 반응부(120)에 배치된 메쉬층(160); 및 제1 반응부(110)와 제2 반응부(120) 사이에 제2 연료를 공급하기 위한 연료공급로(190)를 포함한다.
하우징(130)은 양단이 막힌 실린더 형태를 구비하며, 실린더형 제1 반응부(110)를 형성하는 제1 하우징과 상기 제1 하우징을 이중관 형태로 둘러싸며 제1 하우징과의 사이에 제2 반응부(120)를 형성하는 제2 하우징을 구비한다. 제1 반응부(110)와 제2 반응부(120)는 중력 방향으로 이중관 형태의 제1 및 제2 반응부(110, 120)의 길이 방향이 대략 평행하게 놓일 때, 그것들의 하부측에 위치한 통로(135)를 통해 서로 유체소통 가능하게 연결된다.
본 실시예의 하우징(130)의 제1 반응부(110)와 제2 반응부(120)의 구조 및 형태는 도 2에 도시된 제1 반응부(10)와 제2 반응부(20)의 구조 및 형태와 실질적으로 동일하다. 참고로, 도 7에서 제1 점(P1)은 제1 반응부(110)의 상류측 또는 일단부를 나타내며, 제2 점(P2)은 제1 반응부(110)의 하류측 또는 타단부를 나타내고, 제3 점(P3)은 제2 반응부(120)의 상류측 또는 타단부를 나타내고, 제4 점(P4)은 제2 반응부(120)의 하류측 또는 일단부를 나타낸다.
촉매(150)는 제1 반응부(110)의 상류측보다는 하류측에 인접하게 배치된다. 촉매(150)의 구조 및 형태는 도 2에 도시된 촉매(50)의 구조 및 형태와 실질적으로 동일하다.
메쉬층(160)의 구조 및 형태는 도 2에 도시된 메쉬층(60)의 구조 및 형태와 실질적으로 동일하다. 또한, 메쉬층(160)은 2단 구조의 제1 메쉬층(161a) 및 제2 메쉬층(161b)을 구비할 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 메쉬층들(161a, 161b)은 도 3 및 도 4에 도시된 2단 구조의 메쉬층들(61a, 61b)과 실질적으로 동일한 구조 및 형태를 구비한다.
본 실시예의 촉매 연소기(300)는 제1 반응부(110) 내에 분배부(170)를 더 포함할 수 있다. 분배부(170)의 구조 및 형태는 도 2에 도시된 분배부(70)의 구조 및 형태와 실질적으로 동일하다.
본 실시예의 촉매 연소기(300)의 Ⅲ-Ⅲ선으로 절단한 단면은 도 3에 도시한 단면과 실질적으로 동일하다. 또한, 본 실시예의 촉매 연소기(300)의 Ⅳ-Ⅳ선으로 절단한 단면은 도 4에 도시한 단면과 실질적으로 동일하다.
또한, 본 실시예의 촉매 연소기(300)는 제1 반응부(110) 내에 역화방지부(180)를 더 포함할 수 있다. 역화방지부(180)의 구조 및 형태는 도 2에 도시된 역화방지부(80)의 구조 및 형태와 실질적으로 동일하다.
연료공급로(190)는 제2 연료를 제1 반응부(110)의 하류측이나 제2 반응부(120)의 상류측에 공급한다. 연료공급로(190)의 일단으로는 제2 연료가 유입되며 하우징(130)의 제3 개구부(137)를 형성할 수 있다. 그리고, 연료공급로(190)의 타 단(192)는 제2 점(P2)에 인접하게 연장 및 개방될 수 있다.
제2 연료는 제1 연료의 미연연료보다 메쉬층(160)에서 연소하기 쉬운 물질인 것이 바람직하다. 제2 연료는 소정량만 공급되는 것이 바람직하다. 예컨대, 제1 연료로써 일반식 CmH2n으로 표현되는 가연성탄화수소(예컨대, 메탄, 부탄 등)를 대략 시간당 20L 공급하는 경우, 제2 연료는 대략 시간당 0.2L 내지 3L 정도를 공급하는 것이 바람직하다. 제2 연료의 공급량이 제1 연료의 1%보다 작으면, 제2 연료의 추가에 의한 미연연료의 2차 산화 효율이 낮아 완전 산화을 유도하기 어렵다. 또한, 제2 연료의 공급량이 제1 연료의 15%를 초과하면, 제2 연료를 포함한 전체 연료의 사용량이 증가하여 효율이 저하되는 단점이 있다.
전술한 구성에 의하면, 제1 개구부(131)로 제1 연료 및 공기(도시안됨)가 유입되면, 제1 연료는 역화방지부(180)와 분배부(170)를 거쳐 촉매(150) 영역을 통과하며, 촉매(150)의 산화 촉진 작용에 의해 산화된다. 제1 연료 중 미연연료는 제1 반응부(110)의 하류측 또는 제2 반응부(120)의 상류측에 공급된 제2 연료와 함께 메쉬층(160)을 통과하면서 2차적으로 산화된다. 이때, 제2 연료가 미연연료보다 산화하기 쉬운 물질이거나 조성을 가지면, 제2 연료와 혼합된 미연연료는 더욱 효율적으로 산화될 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 반응부(110, 120)에서 생성된 배가스는 제2 반응부(120)의 일단부 또는 하류측에 구비된 제2 개구부(133)를 통해 외부로 방출된다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉매 연소기는 도 7의 촉매 연소기 의 Ⅳ-Ⅳ선으로 절단한 단면이 도 5에 도시한 단면과 같은 요소들을 포함하도록 구현될 수 있다.
다시 말해, 본 실시예의 촉매 연소기는 제2 반응부에 제2 촉매층을 구비하는 점을 제외하고 실질적으로 도 6 및 도 7에 도시된 촉매 연소기(300)와 실질적으로 동일하다. 그리고, 제2 촉매층은 도 5에 도시된 촉매 연소기(100a)의 제2 촉매층(60a)과 실질적으로 동일하다.
도 8은 도 6의 촉매 연소기의 응용예를 설명하기 위한 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 촉매 연소기(300)에 공급되는 제2 연료는 연료전지(500)의 애노드에서 배출되는 애노드 유출물을 포함한다. 애노드 유출물은 제2 연료로써 직접 이용되거나 적절하게 필터링된 수소 함유 배가스로 이용될 수 있다.
연료전지(500)는 연료(제4 연료)와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기와 물을 생성하는 발전시스템을 포함한다. 연료전지(500)는 고분자 전해질형 연료전지 등의 기존에 잘 알려진 다양한 연료전지를 포함한다. 제4 연료는 수소가 풍부한 리포메이트나 탄화수소계 연료를 포함하고, 산화제는 공기 중 산소를 포함한다. 캐소드 유출물은 상기 물을 포함한다.
한편, 전술한 실시예들의 촉매 연소기들은 연료전지(500)에 제4 연료를 공급하기 위한 연료개질기에 열을 공급하도록 사용될 수 있다. 예컨대, 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 반응부(110)와 제2 반응부(120) 사이에 개질반응부(400)를 배치하여 촉매 연소기(300)에서 생성한 열을 개질반응부(400)에 공급할 수 있다. 개질반 응부(400)는 제3 연료를 수증기 개질하여 리포메이트를 생성하는 수증기 개질반응부를 포함할 수 있다. 상기 리포메이트는 도 8의 제4 연료로써 이용될 수 있다.
개질반응부(400)에 대한 상세한 구조 및 헝태는 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있다. 따라서, 개질반응부(400)에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 전술한 실시예들의 촉매 연소기들 중 어느 하나를 구비한 연료개질기를 용이하게 구현할 수 있음은 자명하다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 연소기의 개략적인 사시도.
도 2는 도 1의 촉매 연소기의 개략적인 횡단면도.
도 3은 본 발명의 촉매 연소기의 종단면도.
도 4는 본 발명의 촉매 연소기의 또 다른 종단면도.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 촉매 연소기의 종단면도.
도 6은 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 촉매 연소기의 개략적인 사시도.
도 7은 도 6의 촉매 연소기의 개략적인 횡단면도.
도 8은 도 6의 촉매 연소기의 응용예를 설명하기 위한 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 100a, 300 : 촉매연소기
10, 110 : 제1 반응부
20, 120 : 제2 반응부
30, 30a, 130 : 하우징
50, 150 : 촉매(제1 촉매)
60, 60a, 160 : 메쉬층
70, 170 : 분배부
80, 180 : 역화방지부
190 : 제2연료주입부

Claims (30)

  1. 실린더형 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부를 이중관 형태로 둘러싸는 제2 반응부를 구비하며, 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부 내의 유체의 흐름이 대향류를 형성하도록 상기 제1 반응부에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 제1 개구부 및 상기 제2 반응부 내의 배가스를 배출하기 위한 제2 개구부를 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부의 일측에 각각 구비하고 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부가 그 타측에서 서로 유체소통가능하게 연결되는 하우징;
    상기 제1 반응부 내에 배치되는 촉매; 및
    상기 제2 반응부에 삽입되는 메쉬층을 포함하는 촉매 연소기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 제1 반응부의 후단부에 배치되는 촉매 연소기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매는 고온에서 내구성이 있는 금속으로 만들어진 벌집형 지지체, 및 상기 지지체에 코팅된 활성물질을 포함하는 촉매 연소기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 촉매의 벌집형 지지체의 셀 밀도는 평방인치당 400 내지 600셀인 촉매 연소기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료의 흐름 상에서 상기 촉매의 상류측에 배치되는 분배부를 더 포함하는 촉매 연소기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분배부는 고온에서 내구성이 있는 금속으로 만든 벌집형 모노리스로 이루어지는 촉매 연소기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분배부에서의 상기 연료 및 산화제의 공간속도는 상기 촉매에서의 상기 공간속도보다 빠른 촉매 연소기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촉매에서 상기 연료 및 산화제의 공간속도는 1000/hr 내지 50,000/hr 범위인 촉매 연소기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 분배부의 벌집형 모노리스의 셀 밀도는 상기 촉매의 벌집형 지지체의 셀 밀도보다 작은 촉매 연소기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분배부의 벌집형 모노리스의 셀 밀도는 평방인치당 100 내지 200셀인 촉매 연소기.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 연료의 흐름 상에서 상기 분배부의 상류측에 배치되는 화염방지기를 더 포함하는 촉매 연소기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 화염방지기는 고온에서 내구성이 있는 금속으로 만든 벌집형 모노리스로 이루어지는 촉매 연소기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 화염방지기의 벌집형 모노리스의 셀 밀도는 상기 분배부의 벌집형 모노리스의 셀 밀도와 동일한 촉매 연소기.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 촉매는 Pd, Pt, Co3O4, PdO, Cr2O3, Mn2O3, CuO, Fe2O3, V2O3, NiO, MoO3, TiO2로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 촉매 연소기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬층은 고온에서 내구성이 있는 금속으로 만든 벌집형 모노리스로 이루어지는 촉매 연소기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 메쉬층은 2단 구조로 배열되는 촉매 연소기.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 메쉬층의 벌집형 모노리스의 셀 밀도는 평방인치당 50 내지 1000셀인 촉매 연소기.
  18. 실린더형 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부를 이중관 형태로 둘러싸는 제2 반응부를 구비하며, 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부 내의 유체의 흐름이 대향류를 형성하도록 상기 제1 반응부에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 제1 개구부 및 상기 제2 반응부 내의 배가스를 배출하기 위한 제2 개구부를 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부의 일측에 각각 구비하고 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부가 그 타측에서 서로 유체소통가능하게 연결되는 하우징;
    상기 제1 반응부 내에 배치되는 제1 촉매; 및
    상기 제2 반응부 내에 배치되는 제2 촉매를 포함하는 촉매 연소기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2 촉매는 메쉬층, 및 상기 메쉬층에 코팅되는 활성물질을 포함하는 촉매 연소기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 활성물질은 상기 메쉬층 1㏄당 0.01g 내지 0.4g의 비율로 코팅되는 촉매 연소기.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 활성물질은 백금을 포함하는 촉매 연소기.
  22. 제19항에 있어서,
    제2항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 촉매 연소기를 포함하는 촉매 연소기.
  23. 실린더형 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부를 이중관 형태로 둘러싸는 제2 반 응부를 구비하며, 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부 내의 유체의 흐름이 대향류를 형성하도록 상기 제1 반응부에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 제1 개구부 및 상기 제2 반응부 내의 배가스를 배출하기 위한 제2 개구부를 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부의 일측에 각각 구비하고 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부가 그 타측에서 서로 유체소통가능하게 연결되는 하우징;
    상기 제1 반응부 내에 배치되는 촉매; 및
    상기 제2 반응부에 삽입되는 메쉬층을 포함하고,
    상기 하우징은 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부의 사이에 제2 연료의 유입을 위한 연료공급로를 더 포함하는 촉매 연소기.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제2 연료의 공급량은 상기 제1 연료의 공급량의 1% 내지 15%인 촉매 연소기.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 제2 연료는 연료전지의 애노드에서 방출되는 수소 함유 배가스를 포함하는 촉매 연소기.
  26. 제24항에 있어서,
    제2항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 촉매 연소기를 포함하는 촉매 연 소기.
  27. 실린더형 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부를 이중관 형태로 둘러싸는 제2 반응부를 구비하며, 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부 내의 유체의 흐름이 대향류를 형성하도록 상기 제1 반응부에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 제1 개구부 및 상기 제2 반응부 내의 배가스를 배출하기 위한 제2 개구부를 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부의 일측에 각각 구비하고 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부가 그 타측에서 서로 유체소통가능하게 연결되는 하우징;
    상기 제1 반응부 내에 배치되는 제1 촉매;
    상기 제2 반응부 내에 배치되는 제2 촉매; 및
    상기 하우징은 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부의 사이에 제2 연료를 공급하는 연료공급로를 포함하는 촉매 연소기.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제2 촉매는 메쉬층, 및 상기 메쉬층에 코팅되는 활성물질을 포함하는 촉매 연소기.
  29. 제28항에 있어서,
    제2항 내지 제17항, 제20항, 제21항, 제24항 및 제25항 중 어느 한 항에 기재된 촉매 연소기를 포함하는 촉매 연소기.
  30. 제1항 내지 제18항, 제23항 및 제27항 중 어느 한 항의 촉매 연소기; 및
    상기 촉매 연소기에서 열 에너지를 받고, 연료를 개질하여 리포메이트를 생성하는 개질반응부를 포함하는 연료 개질기.
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