KR20110092471A - 배기가스 배출이 개선된 수증기 개질 반응을 이용한 수소발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄화수소원료를 수증기 개질 반응하여 수소를 생산하는 수소발생장치에 있어서, 연소영역과 배기가스 배출관 사이에 압력손실 유도 구조를 설치하여 배기가스의 불균등 분배를 개선할 수 있도록 한 수증기 개질 반응을 이용한 수소발생장치에 관한 것으로, 배기가스가 불균등 분배되었을 경우 일부 반응기 튜브에는 충분한 열이 전달되지 못하고, 그로 인해 원활한 수증기 개질 반응을 일으키지 못하여 수소발생장치의 효율을 저하시키는 것을 방지하는 매우 유용한 발명이다.

Description

배기가스 배출이 개선된 수증기 개질 반응을 이용한 수소발생장치{Hydrogen generating apparatus using steam reforming reaction with improved distribution of exhaust gas}

본 발명은 수증기 개질 반응을 이용한 수소발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄화수소를 원료로 하여 수증기 개질 반응을 통해 수소를 생산하는 열교환기 일체형 수소발생장치에 있어서, 연소부와 연소가스 배출관 사이에 배기가스의 배출 압력을 인위적으로 손실하기 위한 압력손실 유도 구조를 설치하여 배기가스로부터 각각의 반응기 튜브에 공급되는 연소가스의 불균일한 열전달을 개선할 수 있도록 한 수증기 개질 반응을 이용한 수소발생장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜서 전기와 열을 동시에 발생시키는 발전시스템이다.

이러한 연료전지는 에너지효율이 우수하여 내연기관을 대체할 것으로 예상되므로, 가까운 미래에는 수소의 안정적인 공급이 연료전지가 미래의 대체에너지로 사용되기 위한 필수요소라 할 수 있다.

연료전지에 수소를 공급하는 방법으로는 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 방법과 수소를 함유하고 있는 원료를 수증기 개질 반응하여 수소를 생산하는 수증기 개질 반응을 이용한 방법이 있다.

이때, 천연가스, LPG, 납사, 휘발유, 등유 등 모든 종류의 탄화수소가 원료로 사용될 수 있다. 또한, 상기의 수증기 개질 반응은 고온에서 촉매의 존재 하에 일어난다.

따라서, 수증기 개질 반응이 일어나는 장소에는 촉매가 필요하며, 수증기 개질 반응에 필요한 열이 공급되어야 한다.

종래에는 상기 수증기 개질 반응에 필요한 열을 별도의 장소에서 연소시킨 다음 이 열을 수소발생장치에 전달하는 방식이 사용되었으나, 장치의 대형화 및 고온의 배기가스의 전달 과정에서 열손실이 발생하므로 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

최근에는 관형 또는 판형 금속을 이용하여 수소발생장치의 내부를 두 구역으로 구획한 다음 한쪽 구역은 수증기 개질 구역(개질부)으로, 다른 한쪽 구역은 수증기 반응에 필요한 열을 발생시키는 구역(연소부)으로 나누어 사용토록 하고 있다.

이때, 상기 개질부의 촉매는 많은 경우 직경이 크지 않은 촉매 반응기 튜브 내에 위치하며, 수소발생장치의 용량과 크기에 따라 여러 개의 촉매 반응기 튜브들을 열원 주위에 대칭적으로 설치하고 있다.

또한, 상기 연소부에서 발생한 열은 복사 혹은 배기가스의 대류에 의해 촉매 반응기 튜브로 전달되어 수증기 개질 반응에 이용된다.

그러나, 이와 같은 배기가스를 이용한 열전달 방식은 배기가스의 불균일 흐름에 의해 각 반응기 튜브에 고르게 열을 전달하지 못할 가능성이 높으며, 결과적으로 충분히 열을 공급받지 못한 반응기 튜브에서 수증기 개질 반응이 원활하게 진행되지 못하여 반응기 성능 및 전체 효율을 저하시키는 원인이 된다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 고온의 배기가스는 열효율 향상을 위하여 개질기에서 배출된 뒤에도 열교환기 등에서 배열을 회수하는 과정을 몇 차례 거치게 되며, 이를 위해 배기가스는 하나의 배출구로 모아져 후단의 열교환기로 전달된다. 이러한 경우 배기가스는 연소부와 배출구 간의 최단 경로로 이동하게 되며, 도 1의 (가)와 같이 배출구와 상대적으로 멀리 있는 반응기 튜브는 배기가스와의 접촉이 줄어들어 전달받는 열량이 적어진다.

이를 개선하기 위하여 배기가스 배출관의 전단에 모든 방향으로 배기가스를 유도하는 압력손실 구조 및 포집 장치를 설치하여, 도 1의 (나)와 같이 배기가스가 각 방향으로 균등하게 배출되도록 하는 구조가 요구된다.

배기가스가 불균일 흐름을 형성하여 각 반응기 튜브에 균등하지 못한 열이 공급되었을 경우 다음과 같은 문제를 유발할 수 있다. 첫째, 일부 반응기 튜브가 목표온도에 도달하지 못하였을 경우 해당 반응기 튜브에서 수증기 개질 반응이 설계값 이하로 진행되어 수소 생산량을 감소시키고 생산물 내에 미반응 메탄의 농도를 증가시키게 된다. 이는 직접적으로 수소발생장치의 효율을 감소시킬 뿐만 아니라 수소발생장치의 후단에 필수적인 수소정제장치의 분리 비용 증가를 유발한다. 둘째로 배기가스의 불균등 흐름은 일부의 반응기 튜브를 설계값 이상으로 가열할 수 있으며, 장시간 고온에 노출되었을 경우 반응기 재질에 크립 등의 손상을 유발할 뿐만 아니라 개질가스에 의한 금속침탈 등에 의한 손상을 유발하여 결과적으로 수소발생장치의 내구성을 약화시키게 된다. 상기 기술한 바와 같이 배기가스의 불균등 분배는 저온부위에서 효율감소, 고온부위에서의 내구성 감소의 문제를 야기하며 이는 수소발생장치의 성능 증대를 위하여 반드시 해결되어야 할 문제이다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 배기가스의 불균일 흐름에 따른 문제점을 해소하기 위한 것으로, 각 반응기 튜브에 같은 양의 열이 공급되게 하여 일부 반응기에서 열부족으로 인해 충분한 반응이 진행되지 않는 것을 방지하는데 그 목적이 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 목적은, 연소부에서 출발한 배기가스가 배기가스 배출관에 도달하기 전에 인위적으로 형성된 격벽과 오리피스(Orifice)를 통하여 배기가스가 전 방향으로 분배/배출되게 함으로써, 설계값과 동일한 열량이 모든 촉매 튜브에 공급될 수 있을 뿐 아니라, 제작 및 설치가 용이하며, 고온 배기가스에 의한 열 변형에 안정적으로 작동할 수 있는 압력손실 유도 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수소발생장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적은, 탄화수소원료를 수증기 개질하여 수소를 생산하기 위한 촉매가 채워진 다수의 반응기 튜브가 개질부에 설치되고, 상기 반응기 튜브의 수증기 개질 반응에 필요한 열을 발생시키는 열원이 연소부에 설치되는 원통형 수소가스 발생장치에 있어서, 상기 연소부에서 생성된 배기가스를 인위적으로 유도하고, 상기 연소부와 배출관 사이에 배기가스의 압력을 인위적으로 조절하여 배출가스를 전 방향으로 균등 분배할 수 있도록, 오리피스가 방사상 형성된 격벽을 갖는 본 발명에 따른 압력손실 유도 구조가 설치됨으로써 달성된다.

상기와 같은 본 발명의 구성에 의하면, 연소부과 배기가스 배출관 사이에 포집통로를 설치하고 두 공간을 구획하는 격벽에 오리피스를 둠으로써, 배기가스의 배출압력을 인위적으로 손실되게 하여 열원을 중심으로 원통형으로 배치되는 각각의 반응기 튜브에 배기가스가 균등 분배되는 효과를 누리게 된다.

따라서, 배기가스의 불균등 분배에 의한 일부 반응기 튜브의 활성저하를 방지하여 기대하는 반응 효율을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 수소발생장치의 구동에 따른 안정성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 압력손실 유도 구조는 제작 및 설치가 용이하며, 고온운전에 따른 열 변형에 의해 그 성능이 영향을 받지 않도록 고안되어, 장기간 사용에 따른 생산성과 사용 편의성을 크게 향상시킬 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.

도 1은 배가스 분배의 필요성을 나타낸 개략도.
도 2는 종래기술에 따른 수소발생장치의 구성을 보인 단면도.
도 3은 본 발명의 일 구체 예에 따라 압력손실 유도 구조가 형성된 수소발생장치의 구성을 보인 개략도.
도 4는 본 발명의 일 구체 예에 따른 압력손실 유도 구조의 예시도.

이하, 본 발명의 바람직한 구체 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 대상이 되는 수소발생장치의 실시 예를 단면도로 보인 것으로, 촉매가 채워져 있는 반응기 튜브, 연소부 등을 포함한 열교환기 일체형 수소발생장치의 전체적인 구성 및 결합상태를 보이고 있는 것으로, 본 발명은 연소부와, 상기 연소부의 배기가스에 의하여 수증기 개질 반응에 필요한 열을 공급받는 2 이상의 튜브형 개질기가 구비된 개질부를 포함하는 원통형 수소발생장치에 관한 것으로서, 특히 상기 원통형 수소발생장치 내부 둘레를 따라 배기가스 배출관과 연통되는 배기가스 포집통로가 격벽에 의하여 형성되고, 상기 격벽에는 배기가스를 상기 포집통로로 균일하게 이송시키기 위한 오리피스가 일정 간격의 방사상으로 형성된 압력손실 유도 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수소발생장치에 관한 것이다.

도 3은 본 발명의 일 구체 예에 따라 압력손실 유도 구조가 설치된 수소발생장치의 구성을 개략도로 보인 것으로, 상술한 바와 같이 배기가스가 전 방향으로 배출될 수 있도록 격벽과 압력 조절을 위한 오리피스가 설치된 것을 보이고 있다.

또한, 도 4는 본 발명에 따른 압력손실 유도 구조의 다른 구체 예를 단면도로 보인 것으로, 배기가스의 유로의 단면적을 길이 조절 및 오리피스의 설치를 통하여 조절할 수 있음을 보이고 있다.

구체적으로, 도 2에서 보인 것과 같이, 본 발명의 기초가 된 수소발생장치(1)는 열원(10)이 설치되는 연소부(2)와 수증기를 이용하여 탄화수소원료를 개질하기 위한 개질부(3)로 분리 형성된다.

상기 연소부(2)에 설치되는 열원(10)으로는 주로 버너가 사용되고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 버너와 같이 수증기 개질 반응에 필요한 열을 발생시키기 위한 가열장치는 모두 적용 가능하다는 것을 사전에 밝혀둔다.

따라서, 이와 같은 역할을 수행하는 열원(10)이 수소발생장치(1)에 설치됨에 따라 상기 열원(10)의 주위에는 내화재(耐火材)가 설치되어 고온의 화염이 구성 금속재에 직접 닿지 않게 함과 동시에 열손실을 최소화하여 효율을 증대시키게 된다.

이러한 내화재(13)가 설치되어 있는 수소발생장치(1)의 내부에는 화염가이드(14)를 설치하여 안쪽 부분으로는 개질 반응에 필요한 열을 발생하는 연소부(2)로 설정하여, 이 연소부(2)에서 발생한 배기가스가 개질부(3)로 흘러 반응에 필요한 열을 전달하게 된다.

상기 화염가이드(14)에 의해 구획 형성된 수소발생장치(1) 내의 개질부(3)에는 촉매가 채워져 있는 다수의 반응기 튜브(20)가 설치된 것을 보이고 있으며, 이 반응기 튜브(20)에 채워진 촉매의 작용을 통하여 탄화수소원료를 수증기 개질하여 수소를 생산하게 되는 것이다.

본 발명에 따른 반응기 튜브(20)는 원형의 형상을 갖고 내부가 이중으로 구획된 구성으로, 상부접합판(21)을 이용하여 개질부(3) 내에 설치된 것을 도면상으로 보이고 있으나, 이는 하나의 예로서 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 반응기 튜브(20)는 공간을 최소화한 상태에서 열을 효율적으로 이용할 수 있도록 주로 열원(10)을 중심으로 원통형으로 배치된 구성을 갖게 된다.

상기 수소발생장치(1)를 전체적으로는 외부케이스(15)로 감싸도록 하여 외부환경 요인으로부터 수소발생장치(1)를 보호하고, 특히 상기 외부케이스(15)의 안쪽에는 단열재(16) 등을 부착하여 열손실의 발생을 예방하게 된다.

또한, 수소발생장치(1)의 상부와 하부는 상부커버(17)와 하부커버(17a)를 이용하여 마감토록 한 것을 보이고 있으며, 이 중 상부커버(17)의 아래에는 반응기 튜브(20)에 원료를 공급하고, 수증기 개질 반응에 의해 생산된 수소를 배출하는 분배장치가 설치된다.

각각의 원료 분배기(18)와 개질가스 분배기(19)는 탄화수소원료 및 수소가 이동할 수 있는 통로를 갖고 있어 반응기 튜브(20)에 탄화수소원료를 공급하거나, 개질 반응에 의해 만들어진 수소를 필요로 하는 곳으로 원활하게 배출할 수 있도록 하게 된다.

따라서, 상기와 같이 본 발명에 따른 수소발생장치(1)가 구성됨으로써, 탄화수소원료는 원료 분배기(18)를 통해 각각의 반응기 튜브(20)로 공급되고, 연소부(2)에 설치되어 있는 열원(10)에서 발생한 열은 개질부(3)로 공급되어 상호 열교환 하게 된다.

이 과정에서 수증기와 촉매의 작용을 이용하여 수증기 개질 반응을 유도하게 되고, 이 수증기 개질 반응에 의해 반응기 튜브(20) 내에서는 수소가 생산되어 최종적으로는 개질 가스 분배기(19)를 통해 외부로 배출되어 연료전지 등으로 활용되는 것이다.

한편, 연소가스가 각각의 반응기 튜브(20)에 고르게 열을 전달하고 배출되도록 하기 위하여 압력손실을 유도하기 위한 장치(32,33)가 설치된다. 연소부에서 생성된 배기가스는 연소가스 배출관(31)을 통하여 외부로 배출되며, 본 발명에서는 압력손실을 유발하기 위한 격벽(32) 및 오리피스(33)가 설치되어 배기가스가 연소가스 배출관(31) 방향으로 편재되어 흐르지 않고 모든 방향으로 배출되어 배기가스 포집통로(34)로 모아진 뒤 배출되도록 하였다.

여기서, 상기 격벽은 도 3에서 개시된 바와 같이, 상기 장치의 내부에 설치된 단열재의 외벽으로부터 연장된 구조일 수 있으며, 상기 배기가스 포집통로는 격벽에 의하여 구획되고 배기가스 배출관과 연통된 구조로서 본 발명에 따른 수소발생장치의 개질부의 둘레를 따라 단일의 공간을 이루도록 형성된다.

또한, 상기 오리피스는 상기 격벽에 형성되어 있으며 도 1의 '나'에서 보이는 바와 같은 평면도로 살펴보았을 경우, 방사상으로 일정간격을 가지고 균등하게 타공하여 배기가스가 균일하게 유입되도록 배치되어 있다. 상기 오리피스는 필요한 개수로 형성될 수 있으며 유입되는 압력을 감소시킬 수 있도록 도 1의 '나'와 같이 각 튜브형 반응기에 직접 대향하고 있는 격벽의 각 부분과 부분 사이의 영역에 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 오리피스가 형성된 격벽을 설치함으로써 개질부에서 열원으로 사용된 배기가스의 불균일한 흐름이 유발되는 직접적인 배출이 미리 차단될 수 있으며, 오리피스에 의하여 단일의 연통로인 포집통로(34)로 유입된 배기가스가 원활하게 배기가스 배출관(31)으로 이송될 수 있게 된다.

여기서, 상기 압력손실을 위한 구조는 연소부(2)와 열전달부(4) 사이에 화염가이드(14)의 길이를 조절하거나 화염가이드에 오리피스를 설치하여 배기가스 유로 면적을 조절하는 방법으로 설치하여 사용하여도 무방하나, 본 발명의 상세한 설명에서는 열전달부(4)와 연소가스 배출관(31) 사이에 설치된 것을 기본으로 하여 설명된다.

이를 위하여 상기 압력손실 구조는 도4와 같이 오리피스 혹은 격벽과 벽체 사이의 공간 길이 조절 등의 형태로 제공될 수 있으며, 특히 가이드 월(35)을 더 포함하여, 상기 배기가스가 오리피스로 유입되기 전에 상기 가이드 월을 지나도록 형성될 수 있다. 상기 가이드 월(35)은 도 4에 개시된 바와 같이, 본 장치의 연소부를 감싸도록 설치된 단열재의 외벽으로부터 연장된 구조일 수 있다. 상기 가이드 월을 지나도록 배기가스의 유로를 설정하고 이어서 격벽에 설치된 오리피스를 통과하도록 구성하는 것이 직접 배기가스가 오리피스로 도입되는 것에 비하여 압력 저감에 유리할 수 있다.

본 발명에 따른 압력손실 유도 구조는 보다 향상된 분배 성능을 구현하기 위하여 제작 및 설치가 용이하고, 고온운전에 따른 열 변형에 크게 영향을 받지 않으며, 전체 반응기 구조를 지지하는 것에 영향을 주지 않아야 한다.

손실 압력의 크기는 전단의 버너에 공급되는 연료의 압력과 후단 열교환기에서 손실될 압력을 고려하여 선정되어야 한다.

이러한 압력손실을 위한 오리피스의 가장 바람직한 예는 100~150 kg/hr 유속의 배기가스가 배출될 경우, 직경 10~15㎜ 크기의 오리피스가 설치되면, 배기가스의 압력이 인위적으로 손실되어(Δp = 0.02 bar), 반응기 튜브(20)에는 배기가스가 항상 균등하게 분배되는 것으로 보고 있다.

1: 수소발생장치 2 : 연소부
3 : 개질부 10 : 열원
20 : 반응기 튜브 32 : 격벽
33 :오리피스 35: 가이드 월

Claims (5)

1. 연소부와, 상기 연소부의 배기가스에 의하여 수증기 개질 반응에 필요한 열을 공급받는 2 이상의 튜브형 개질기가 구비된 개질부를 포함하는 원통형 수소발생장치에 있어서,
   상기 원통형 수소발생장치 내부 둘레를 따라 배기가스 배출관과 연통되는 배기가스 포집통로가 격벽에 의하여 형성되고, 상기 격벽에는 배기가스를 상기 포집통로로 이송시키도록 오리피스(Orifice)가 일정 간격의 방사상으로 형성된 압력손실 유도 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 격벽은 상기 장치의 내부에 설치된 단열재의 외벽으로부터 연장된 구조인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 장치는 가이드 월을 더 포함하여, 상기 배기가스가 오리피스로 유입되기 전에 상기 가이드 월을 지나도록 형성된 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 가이드 월은 상기 장치의 내부에 설치된 단열재의 외벽으로부터 연장된 구조인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
5. 청구항 1에 있어서 상기 오리피스는 상기 각각의 튜브형 개질기 사이의 격벽 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
   

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