KR20110114417A - 버너 노즐 장치 및 이를 구비한 연료 개질 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산화기에 산화 연료와 수소를 포함하는 애노드 오프 가스를 효율적으로 분사할 수 있는 버너 노즐 장치 및 이를 구비하는 연료 개질 장치에 관한 것이다.

Description

버너 노즐 장치 및 이를 구비한 연료 개질 장치{Burner Nozzle and Fuel Reformer having the same}
본 발명은 산화기에 산화 연료와 수소를 포함하는 애노드 오프 가스(AOG)를 효율적으로 분사할 수 있는 버너 노즐 장치 및 이를 구비하는 연료 개질 장치에 관한 것이다.
연료전지에서 고농도의 수소를 얻기 위하여 수증기 개질방식의 개질기(reformer)가 이용될 수 있다. 이러한 수증기 개질방식의 개질기에서는 흡열반응이 일어나므로 열원이 필요하게 된다. 이러한 열원으로는 주로 직접 연소 방식(flame type) 또는 촉매 연소 방식의 버너가 사용된다.
주로 가정용 개질기 구조에 많이 적용되는 직접 연소 방식의 버너의 경우 불꽃이 소화되지 않으면서 안정적인 발열이 가능한 버너를 제조하는 것이 필요하다. .
또한, 촉매 연소 방식의 버너의 경우, 촉매 내부에 핫 스팟(hot spot)의 형성이 최소화되며, 촉매 반응 개시부의 역화 즉, 플래시백(flashback)이 발생하지 않는 버너를 필요로 한다. 특히 연료전지의 효율을 높이기 위하여 애노드 오프 가스(AOG)를 재활용하는 구조에서는 AOG 가스에 다량 포함된 수소가 반응성이 매우 높기 때문에 이러한 역화 방지 구조는 매우 중요한 기술적 과제가 된다.
본 발명은 AOG 가스를 연소시킴으로써 반응성이 높은 수소를 재활용하여 연료 개질장치 자체의 효율을 증가시키고 운전상의 안정성을 향상시키는 수단을 제공한다.
또한 주 연료와 애노드 오프 가스의 효율적인 혼합 및 분사가 가능한 버너 수단을 제공한다.
또한 연료전지 시스템의 효율을 높이기 위하여 AOG를 연료 개질 장치의 버너로 리사이클하는 구조에서 역화가 발생하지 않도록 혼합 연료를 공급할 수 있는 수단을 제공한다.
본 발명의 일실시예에서는 연료극 미반응 가스(AOG) 공급관을 통하여 공급되는 AOG와 탄화수소계 산화연료를 산화기에 공급하는 장치에 있어서 중앙에 AOG 가스가 공급되는 AOG 노즐이 형성되고, 상기 AOG 노즐을 중심으로 일정한 거리에 다수 형성되어 산화연료를 공급하는 복수개의 산화연료 노즐이 형성되는 노즐 플레이트; 상기 AOG 노즐을 AOG 공급관과 유체 소통가능하도록 연결하고, 상기 산화연료 공급관으로부터 상기 각 산화연료 노즐을 유체소통 가능하도록 분배하여 연결하는 채널부를 포함하는 버너 노즐 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에서 상기 산화연료 노즐의 배출면적의 총합은 상기 AOG 노즐의 배출면적의 1.0~3.5배이다.
또한, 상기 AOG 노즐과 산화연료 노즐의 최대 직경은 각각 2.5mm와 1.5mm이다.
또한, 상기 채널부는 AOG 노즐을 AOG 공급관과 유체소통가능하게 연결하는 AOG 채널과 상기 AOG 채널에서 이력되고 산화연료 노즐을 산화연료 공급관과 유체소통가능하게 연결하는 산화연료 채널을 포함하는 버너 노즐 장치를 제공한다.
또한, 상기 산화연료 채널은 산화연료 공급관으로부터 산화연료를 수용하기 위하여 원주면을 따라 연속적인 환형의 채널을 갖는 제1공간과,
또한, 상기 산화연료를 상기 산화연료 노즐로 분배하기 위하여 복수의 불연속 공간을 갖는 제2공간을 포함하는 버너 노즐 장치를 제시한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 개질부; 상기 개질부를 둘러싸는 산화기; 및 AOG 가스와 산화연료를 혼합하여 혼합된 AOG와 산화연료를 산화기에 공급하는 버너 노즐 장치를 포함하되, 상기 버너 노즐 장치는 AOG 와 산화연료를 혼합하여 혼합된 AOG와 산화연료를 산화기에 공급하고, 중앙에 위치한 AOG 노즐과 AOG를 산화기에 공급하기 위한 노즐 플레이트와, 상기 산화연료를 산화기에 공급하기 위하여 AOG 노즐을 둘러싸서 위치하는 복수개의 산화연료 노즐을 포함하는 개질장치를 제공한다.
또한, 본 발명에서 상기 버너 노즐 장치는 상기 AOG 노즐을 AOG 공급관과 유체 소통가능하도록 연결하고, 상기 산화연료 공급관으로부터 상기 각 산화연료 노즐을 유체소통 가능하도록 연결하는 채널부를 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 개질부는 내관; 외관 및 내관 및 외관 사이에서 주 연료를 리포메이트로 변환시키는 개질반응부를 포함하되, 상기 외관은 상기 내관을 둘러싸고 버너 노즐 장치와 마주하여 하단이 밀폐되고 상기 내관은 상기 외관의 밀폐된 하단과 마주하는 개방된 단부를 구비하고 리포메이트를 배출하는 개질장치를 제공한다.
또한, 본 발명에서 상기 산화기는 상기 개질부의 외관을 둘러싸는 산화기 몸체와 상기 개질부의 외관과 산화기 몸체 사이의 산화반응부를 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 산화반응부는 산화촉매를 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 버너 노즐 장치의 노즐 플레이트는 상기 개질부의 하단과 일정간격 이격되고 상기 산화기의 하단을 밀폐하도록 구비된다.
또한, 본 발명에서 상기 산화기는 버너 노즐 장치의 노즐 플레이트와 마주하는 혼합 연료 플레이트와 상기 혼합 연료 플레이트의 중앙부를 둘러싸는 복수개의 혼합 연료 노즐을 포함하고, 상기 혼합 연료 노즐은 일정 간격 버너 노즐 장치의 노즐 플레이트와 이격되어 있다.
또한, 본 발명에서 상기 혼합 연료 노즐은 상기 개질장치의 중심축을 기준으로 상기 산화 연료 노즐 보다 외측에 구비된다.
또한, 본 발명에서 상기 산화기는 버너 노즐 장치와 마주하며 상기 개질장치의 중심축을 향하여 경사진 제1굴곡부를 구비하고 상기 개질부의 외관은 상기 버너 노즐 장치와 마주하여 상기 개질부의 중심축을 기준으로 외측으로 경사진 제2굴곡부를 구비하고 상기 혼합 연료 노즐은 상기 제1굴곡부와 제2굴곡부의 사이에 위치된다.
또한, 본 발명에서 상기 제1굴곡부와 제2굴곡부에 의하여 상기 혼합 연료 노즐의 출구측으로부터 이격된 곳에 형성된 제1공간과 상기 혼합 연료 노즐의 출구측과 인접한 곳에 형성된 제2공간을 포함하되, 상기 제1공간이 제2공간보다 크게 형성되고, 상기 제1공간과 제2공간 사이에 제3공간이 형성되되, 제2공간은 제3공간은 제2공간보다 크게 형성되고, 제1공간은 제3공간보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 혼합 연료 노즐의 (205)의 면적은 AOG 노즐의 면적과 산화연료 노즐의 총 면적의 합의 1~4배이다.
또한, 본 발명에서 상기 산화반응부로부터 배출되는 배기가스의 잔존열을 이용하여 물을 수증기로 변환시켜 상기 개질부에 공급하는 증발기를 더 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 산화연료 노즐의 배출면적의 총합은 상기 AOG 노즐의 배출면적의 1.0~3.5배이다.
또한, 본 발명에서 상기 AOG 노즐과 산화연료 노즐의 최대 직경은 각각 2.5mm와 1.5mm이다.
본 발명에 따르면 액화 프로판 가스(LPG) 등의 버너 연료와 AOG 및 공기가 안정적으로 혼합되도록 노즐의 직경(quenching diameter) 및 분포를 최적화함으로써, 연소부 내 역화를 방지하고 유체의 분배를 고르게 하며, 그에 의해 연료 개질 장치의 수명 증가와 안정적인 개질 온도를 유지할 수 있다.
즉 본 발명은 AOG를 이용하여 개질반응에 필요한 열을 공급함으로써 연료전지 전체의 효율을 증가시키면서, 동시에 역화 없이 AOG를 안정적으로 연소시킬 수 있도록 하고, 열분포도 상의 채널링을 방지하여 열 에너지의 집중으로 인한 연료 개질 장치의 열화를 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 버너 노즐장치를 나타내는 사시도이다.
도 2a는 도 1의 II-II'선을 잘라본 절개 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 III- III'선을 잘라본 절개 사시도이다.
도 2c는 도 2a의 IV-IV'선을 잘라본 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 버너 노즐장치를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료변환기를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 연료변환기를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 6은 도 5의 산화기 몸체를 바라 본 저면 절개사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 연료변환기를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 연료변환기에 증발기를 포함된 실시예를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 노즐 플레이트 상에서의 열분포를 비교하기 위한 열분포도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 '상하좌우' 등 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다.
일반적인 연료전지는 연료를 개질하여 공급하는 연료변환기(개질기 및 반응기)와 연료전지 모듈로 구성된다. 여기서 연료전지 모듈은 화학적 에너지를 전기화학적인 방법으로 전기에너지와 열에너지로 전환하는 연료전지 스택을 포함한 어셈블리(Assembly)를 말한다.
본 발명은 개질기에 열을 공급하는 산화기와 특히 산화기에 산화연료를 공급하는 버너 노즐 장치에 관한 것이다. 이하 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저 [도 1] 내지 [도 3]을 참조하여 버너 노즐 장치(100)에 대하여 설명한다. 버너 노즐 장치(100)는 노즐 플레이트(110), 채널부(120), 산화연료 도입부(130) 및 AOG 도입부(140)로 나눌 수 있다.
산화연료 도입부(130)와 AOG 도입부(140)는 산화기(200; 도 4 참조)에 공급될 연료가 공급되는 파이프로서, 산화연료 도입부(130)를 통하여 산화연료가 버너 노즐 장치(100)에 공급되고, AOG 도입부(140)를 통하여 연료전지의 운전 중 발생하는 AOG가 버너 노즐 장치(100)에 공급된다.
노즐 플레이트(110)는 원판이나 소정 모양의 판 형태로 형성된다. 이 때 노즐 플레이트(110)는 약 1000℃의 고온에서도 견딜 수 있는 내열성 재질로 형성되는 것이 바람직하다. AOG 노즐(111)과 산화연료 노즐(112)은 노즐 플레이트(110)에 천공된 형태로 형성된다. AOG 노즐(111)은 노즐 플레이트(110)의 중앙에 형성되며, 산화연료 노즐(112)은 AOG 노즐(111)을 중심으로 일정한 거리를 두고 방사상으로 배치된다. 그리고 AOG 노즐(111)과 산화연료 노즐(112)을 통하여 각각 AOG와 산화연료가 산화기(200) 내부로 공급된다.
[도 2a] 내지 [도 3]을 참조하여 채널부(120)를 설명한다. [도 2b]는 [도 2a]에서 III-III'선을 중심으로 절단된 횡단면도이며, [도 2c]는 [도 2a]에서 IV-IV'선을 잘라 바라본 횡단면도이다. 채널부(120)는 산화연료 도입부(130)와 AOG 도입부(140)로부터 노즐 플레이트(110)에 형성된 AOG 노즐(111)과 산화연료 노즐(112)까지 파이프를 내장하여 연통하거나 또는 채널부(120) 자체에 연결통로를 형성하여 구비된다. [도 3]에 도시된 바와 같이, AOG는 AOG 도입부(140)로부터 AOG 채널(121)을 통하여 AOG 노즐(111)로 이송된다. 산화연료는 산화연료 도입부(130)로부터 산화연료 채널(122)을 통하여 각 산화연료 노즐(112)에 분산 이송된다. 한편, 산화연료 채널(122)은 [도 2b] 및 [도 2c]에 도시된 바와 같이 상하부가 다른 구조로 형성될 수 있다. 즉, 산화연료채널 하부(122b)는 산화연료를 공급받아 각 산화연료 노즐(112) 아래에까지 이동할 수 있도록 원주방향으로 연속된 통로를 제공할 수 있는 공간으로 형성되며, 산화연료 채널 상부(122a)는 산화연료채널 하부(122b)로부터 각 산화연료 노즐(112)에 산화연료를 분배하여 이송할 수 있도록 원주방향으로 불연속적인 다수의 공간이 형성될 수 있다. 다만 버너 노즐 장치(100)의 요지는 AOG 노즐(111)과 산화연료 노즐(112)의 구성 및 노즐 플레이트(110) 상에서의 형성 위치에 있으므로 산화연료 도입부(130)와 AOG 도입부(140)의 구성, 채널부(122)의 구성 및 각각의 연결관계는 동일한 작용의 범위 내에서 변경이 가능하다.
[도 4]를 참조하여 산화기(200) 및 개질부(300)에 대하여 설명한다. 도시의 편의상 점화기와 관련된 구성이 생략되어 있다.
개질부(300)는 탄화수소계 연료(이하 '주 연료'라 함)로부터 연료전지에서 전기의 생산을 위하여 직접 사용될 주 원료인 수소를 얻기 위한 구성이다. 개질 방식 중 하나인 수증기 개질(Steam Reforming, SR)방식의 경우 전지의 출력을 높일 수 있으며 고농도의 수소를 얻을 수 있는 장점이 있으나, 흡열반응이기 때문에 외부에서 열을 공급해 주어야 하며, 이러한 역할을 산화기(200)가 담당하게 된다.
개질부(300)는 이중의 중공 원통형으로 형성된다. 개질부의 최외측면인 외관(302)은 하단이 개질부 하판(303)으로 밀폐되어 있으며, 내부에는 하단이 개방된 개질부 내관(301)을 구비한다. 주 연료는 개질부 내관(301) 및 개질부 외관(302) 사이에 구비된 개질반응부(310)을 따라 내려가며 수증기 개질 반응을 하고, 이후 개질부 내관(301)을 통하여 상부로 이송된다.
본 실시예에서의 산화기(200)는 중공 원통형의 형상을 하고 있으며 하단은 노즐 플레이트(110)에 의하여 밀폐되는 것이 바람직하다. 산화기(200) 내부에 개질부(300)가 구비된다. 이 때 개질부 하판(303)은 노즐 플레이트(110)로부터 일정 간격을 유지하도록 구비되며, 개질부 외관(302) 또한 산화기 몸체(201)로부터 일정한 간격이 유지되도록 한다. 위와 같이 개질부(300)와 산화기(200) 사이에 형성된 공간을 통하여 AOG 노즐(111)과 산화연료 노즐(112)로부터 배출되는 AOG와 산화연료가 이동하게 된다.
AOG와 산화연료는 혼합된 상태로 개질부 하판(303) 아래를 지나 개질부 외관(302)과 산화기 몸체(201) 사이의 공간을 따라 상승하며, 개질부 외관(302)과 산화기 몸체(201) 사이의 공간에 구비된 산화반응부(210)에서 산화되어 열을 발생시킨다. 산화 반응부(210)에는 PdAl2O3, NiO, CuO, CeO2, Al2O3, 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나가 촉매로 사용될 수 있다. 한편, 본 실시예에서 산화기(200) 및 개질부(300)의 상부 구성은 설명의 편의를 위하여 생략한다.
[도 4]를 참조하여 AOG 및 산화연료의 흐름 및 혼합과정에 대하여 설명한다. 산화연료로는 액화 프로판 가스(LPG)와 같은 탄화수소계 연료가 사용될 수 있으며, 산화제로서 공기(Air)를 포함할 수 있다. 반면 AOG는 앞서 설명한 바와 같이 연료전지의 연료극에서 반응하지 않고 배출되는 수소를 다량 함유하고 있다. 수소는 반응성이 매우 크기 때문에 AOG가 산화기 내부로 직접 공급되는 경우에는 역화가 발생할 위험성이 상당히 높다. 이러한 이유로 반응성이 매우 큰 수소를 다량 함유하는 AOG와 반응성이 비교적 작은 산화연료(예를 들면 LPG와 Air의 혼합 가스)를 혼합하여 산화기 내로 공급함으로써 역화의 위험을 줄이는 방법을 이용할 수 있다.
한편, 수소는 분자량이 매우 작기 때문에 확산 속도가 크다. 따라서 동일한 압력으로 AOG와 산화연료를 공급하는 경우 AOG가 산화연료에 비하여 확산되는 속도가 빠르다. 따라서 [도 4]에 도시된 바와 같이 AOG는 AOG 노즐(111)로부터 산화기(200) 내로 공급된 후 주위의 산화연료 노즐(112)로부터 배출되는 산화연료와 혼합되어 산화 반응부(210)로 이동하게 된다. 이 때 앞서 설명한 바와 같이 수소가 다량 함유된 AOG가 확산 속도가 더 커서 밀도가 더 큰 산화연료 내에 AOG가 주입되는 효과가 있으므로 산화 반응부(210)에 이르기 전까지 AOG와 산화연료가 충분히 혼합된다. 그 결과 AOG와 산화연료가 혼합된 연료(이하 '혼합 산화연료'라 함)의 단위 부피 당 수소의 분자 몰수는 AOG 자체에 비하여 산화연료가 혼합된 비율에 비례하여 줄어들고, 그 만큼 역화의 위험성도 감소하게 된다.
AOG와 산화연료의 혼합 비율은 AOG 및 산화연료의 공급 압력이 동일하다는 전제하에서 AOG 노즐(111)의 직경, 산화연료 노즐(112)의 직경 및 개수로 조절이 가능하다. 즉 AOG 노즐(111)의 직경을 크게 하면 AOG의 혼합비율이 높아지고, 산화연료 노즐(112)의 직경이나 개수를 증가시키면 산화연료의 혼합비율을 증가시킬 수 있다. 다만 역화의 위험이 있으므로 AOG 노즐(111)의 크기를 무한히 크게 할 수는 없으며 AOG 노즐(111)의 크기가 너무 작은 경우 AOG의 공급량이 너무 적어지게 되어 문제가 된다. AOG 노즐(111)의 크기는 역화의 위험성 및 AOG의 공급량을 고려하여 최대 직경은 2.5mm 로 형성하는 것이 바람직하며, 한편, 산화연료노즐의 최대직경은 1.5mm로 하는 것이 바람직하다.
산화연료 노즐(112)의 경우에는 혼합비율을 고려하여 AOG 노즐(111)의 면적에 따라 결정할 수 있다. 산화연료는 AOG 부피의 약 1~3.5배의 비율로 공급되는 것이 바람직하다.
예를 들어 AOG 노즐(111)의 직경이 2.5mm이고, AOG와 산화연료의 혼합 비율을 1:2로 하는 경우 직경이 1mm인 산화연료 노즐(112)을 AOG 노즐(111)의 주위에 12개를 배치할 수 있다. 이 경우 노즐 별 배출 면적은 아래와 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
한편, 각 산화연료 노즐(112)은 수소의 편중으로 인하여 산화기(200)의 운전시 열분포도상의 채널링이 발생하지 않도록 등간격으로 배치하여 AOG와 산화연료가 균일하게 혼합되도록 하는 것이 바람직하다.
<실시예 2>
[도 5] 내지 [도 7]을 참조하여 다른 실시예를 설명한다. 본 실시예는 AOG와 산화연료의 혼합을 강화시키는 산화기 하부구조에 관한 것이다.
본 실시예에 의한 산화기(200a)는 그 하단이 노즐 플레이트(110)에 의하여 밀폐되어 있으며, 상기 노즐 플레이트(11)가 구비된 산화기 몸체(201)의 하단으로부터 일정 높이로 이격되어 형성되어 산화기 몸체(201)의 하부를 막고 있는 산화기 하판(203)을 구비한다. 따라서 산화기 하판(203)과 노즐 플레이트(110) 사이에는 원판형상의 일정한 공간이 형성될 수 있다. 또한 산화기 하판(203)에는 상하를 관통하는 혼합 산화연료 노즐(205)가 형성된다. 혼합 산화연료 노즐(205)은 산화기 하판(203)의 중심축으로부터 일정한 거리에 배치되며, 산화기 몸체(201) 측에 편향되도록 배치된다.
이 때 버너 노즐장치(100)의 노즐 플레이트(110)의 직경은 노즐 플레이트(110)가 산화기 몸체(201)의 하부로부터 적은 유격으로 삽입될 수 있도록 결정된다. 노즐 플레이트(110)의 외곽에는 노즐 플레이트(110)의 직경보다 확대된 직경을 갖도록 형성된 단차부(113; 도 1참조)를 구비하여 노즐 플레이트(110)가 산화기 몸체(201) 하부에 일정 깊이만 삽입되도록 한다. 결합 후 노즐 플레이트(110)와 산화기 몸체(201)가 결합된 후 용접 등의 방법으로 밀폐시키는 것이 바람직하다.
노즐플레이트(110)와 산화기 몸체(201)이 결합하게 되면 [도 5]에 도시된 바와 같이 노즐 플레이트(110)와 산화기 하판(203) 사이에는 원판형상의 일정한 공간(A2)이 형성된다.
앞서 설명한 바와 같이 AOG와 산화연료는 진행경로를 따라 산화 반응부(210)까지 이동하면서 혼합이 되는데, 혼합 공간(A2)의 출구가 혼합 산화연료 노즐(205)로 제한되어 AOG와 산화연료의 구성 분자끼리의 충돌횟수가 증가하게 되므로, 실시예 1에 비하여 AOG와 산화연료의 혼합이 더 잘 이루어지게 된다.
이 때 혼합 산화연료 노즐(205)의 직경은 혼합 산화연료의 공급량에 따라 결정할 수 있다. 즉 복수의 산화연료 노즐(205)의 총 면적은 AOG 노즐의 면적과 산화연료 노즐의 총 면적의 합의 1배 내지 4배 정도가 적당하다. 1배 이하인 경우에는 A2 영역에 불필요한 압력이 발생하게 되며, 4배 이상인 경우에는 본 실시예에 따른 노즐에 의한 혼합의 효과가 저하되게 된다. 예를 들어 앞서 예시로 든 바와 같이 AOG 노즐의 직경을 2.5mm로 하고 산화연료 노즐의 직경을 1mm 개수를 12개로 결정하는 경우, 혼합 산화연료 노즐(205)의 직경을 1.5mm로 개수를 30개와 같이 결정할 수 있다. 이 경우 AOG 노즐(111) 및 산화연료 노즐(112)의 총면적은 4.5625π이고, 혼합 산화연료 노즐(205)의 총면적은 16.875π로 AOG 노즐(111) 및 산화연료 노즐(112) 면적의 합의 약 4배가 된다.
<실시예 3>
[도 7]을 참조하여 다른 실시예를 설명한다. 본 실시예는 실시예 2와 비교하면 혼합 산화연료 노즐(205)의 출구 부근의 공간을 좁히는데 의의가 있다.
본 실시예에서는 산화기 몸체(201b)의 하단을 내측으로 굽히고 개질부 외관(301b)의 하단을 외측으로 굽힌 후 노즐 플레이트(110)를 부착하여 산화기 몸체(201b)의 하단을 밀폐시킨다. 이 때 개질부 외관(303b)의 하부에 불필요한 공간이 생기는 것을 방지하기 위하여 별도의 개질부 하판(303b)를 일정한 높이에 구비하여 개질부 외관(301b)의 하단을 밀폐시킬 수 있다.
즉, 본 발명에서 상기 산화기는 버너 노즐 장치와 마주하며 상기 개질장치의 중심축을 향하여 경사진 제1굴곡부를 구비하고 상기 개질부의 외관은 상기 버너 노즐 장치와 마주하여 상기 개질부의 중심축을 기준으로 외측으로 경사진 제2굴곡부를 구비하고 상기 혼합 연료 노즐은 상기 제1굴곡부와 제2굴곡부의 사이에 위치될 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 제1굴곡부와 제2굴곡부에 의하여 상기 혼합 연료 노즐의 출구측으로부터 이격된 곳에 형성된 제1공간과 상기 혼합 연료 노즐의 출구측과 인접한 곳에 형성된 제2공간으로 정의할 때 상기 제1공간이 제2공간보다 크게 형성된다.
또한, 상기 제1공간과 제2공간 사이에 제3공간이 형성되되, 제2공간은 제3공간은 제2공간보다 크게 형성되고, 제1공간은 제3공간보다 크게 형성될 수 있다.
이러한 구성에 의하여 혼합 산화연료 노즐(205)의 출구로부터 점차 넓어지는 공간(A3)을 구비할 수 있다. 혼합 산화연료가 혼합 산화연료 노즐(205)로부터 배출되어 A3공간을 지나가는 경우, 노즐 부근은 공간이 좁기 때문에 기체밀도가 낮아지고 혼합연료의 이동 속도가 비교적 빠르다. 이러한 특성으로 인하여 혼합 산화연료 노즐(205) 부근에서의 역화 가능성을 더 줄일 수 있다.
<실시예 4>
[도 8]를 참조하여 증발기(400)가 포함된 실시예를 설명한다.
증발기(400)는 산화기(200a)에서 나오는 배기가스(Exhaust)의 열 에너지로 수증기 개질방식을 이용하는 개질부(300)로 공급되는 물을 증발시키는 구성부이다. 본 실시예에서 증발기(400)는 배기가스의 열 교환 효율을 높이기 위해 물(Water)이 이동하는 단과 배기가스가 통과하는 단들을 서로 번갈아 배치한 형태로 구성된다.
AOG와 산화연료는 각각 AOG 노즐(111)과 산화연료 노즐(112)를 통하여 공급이 되고, 산화기 하판(203)과 노즐 플레이트(111) 사이에 형성된 공간부(A2)에서 혼합되어 혼합 산화연료 노즐(205)을 통하여 배출된다. 배출된 혼합 산화연료는 산화 반응부(210)에서 산화되어 열을 발생시키게 되고, 산화 후 발생하는 배기가스는 증발기에 잔존 열을 전달하여 물공급부(402)로부터 공급되는 물을 수증기로 전환시킨 후 증발기(400)의 배기가스 배출구(404)를 통하여 배출된다. 변환 된 수증기는 연결관(403)을 통하여 주 연료 투입구(401)로부터 공급되는 주연료와 혼합된 후 개질부(300)로 이동하게 된다.
주연료와 수증기는 개질 반응부(310)에서 수증기 개질 방식을 이용하여 수소를 다량 포함하는 리포메이트로 변환된 후 개질부 내관(301)을 통하여 일산화 탄소를 저감하기 위한 반응기(미도시)나 연료전지의 연료극으로 이동하게 된다.
이상과 같은 구성을 갖는 개질 장치(10)를 운전하는 도중의 노즐 플레이트(110) 상의 열분포도를 [도 9b]에 도시하였다. [도 9]에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 버너 노즐 장치(100)의 구성을 이용한 경우가 일반적인 버너 노즐 장치를 이용한 경우의 열분포도(도 9a)에 비하여 열적 균형이 뛰어남을 확인할 수 있었다. 이로부터 본 발명에 의하여 AOG와 산화연료가 균일하게 혼합될 수 있다는 결론을 얻게 되었다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 버너 노즐 장치 및 이를 구비한 연료 개질 장치로 구현될 수 있다.

Claims (20)

  1. 중앙에 AOG 가스가 공급되는 AOG 노즐이 형성되고, 상기 AOG 노즐을 중심으로 일정한 거리에 다수 형성되어 산화연료를 공급하는 복수개의 산화연료 노즐이 형성되는 노즐 플레이트;
    상기 AOG 노즐을 AOG 공급관과 유체 소통가능하도록 연결하고, 상기 산화연료 공급관으로부터 상기 각 산화연료 노즐을 유체소통 가능하도록 분배하여 연결하는 채널부를 포함하는 버너 노즐 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화연료 노즐의 배출면적의 총합은 상기 AOG 노즐의 배출면적의 1.0~3.5배인 버너 노즐 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 AOG 노즐과 산화연료 노즐의 최대 직경은 각각 2.5mm와 1.5mm인 버너 노즐 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 채널부는 AOG 노즐을 AOG 공급관과 유체소통가능하게 연결하는 AOG 채널과 상기 AOG 채널에서 이력되고 산화연료 노즐을 산화연료 공급관과 유체소통가능하게 연결하는 산화연료 채널을 포함하는 버너 노즐 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 산화연료 채널은 산화연료 공급관으로부터 산화연료를 수용하기 위하여 원주면을 따라 연속적인 환형의 채널을 갖는 제1공간과,
    상기 산화연료를 상기 산화연료 노즐로 분배하기 위하여 복수의 불연속 공간을 갖는 제2공간을 포함하는 버너 노즐 장치.
  6. 개질부;
    상기 개질부를 둘러싸는 산화기; 및
    AOG 가스와 산화연료를 혼합하여 혼합된 AOG와 산화연료를 산화기에 공급하는 버너 노즐 장치를 포함하되,
    상기 버너 노즐 장치는 AOG 와 산화연료를 혼합하여 혼합된 AOG와 산화연료를 산화기에 공급하고, 중앙에 위치한 AOG 노즐과 AOG를 산화기에 공급하기 위한 노즐 플레이트와, 상기 산화연료를 산화기에 공급하기 위하여 AOG 노즐을 둘러싸서 위치하는 복수개의 산화연료 노즐을 포함하는 개질장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 버너 노즐 장치는 상기 AOG 노즐을 AOG 공급관과 유체 소통가능하도록 연결하고, 상기 산화연료 공급관으로부터 상기 각 산화연료 노즐을 유체소통 가능하도록 연결하는 채널부를 포함하는 개질장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 개질부는 내관; 외관 및
    내관 및 외관 사이에서 주 연료를 리포메이트로 변환시키는 개질반응부를 포함하되, 상기 외관은 상기 내관을 둘러싸고 버너 노즐 장치와 마주하여 하단이 밀폐되고 상기 내관은 상기 외관의 밀폐된 하단과 마주하는 개방된 단부를 구비하고 리포메이트를 배출하는 개질장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 산화기는 상기 개질부의 외관을 둘러싸는 산화기 몸체와 상기 개질부의 외관과 산화기 몸체 사이의 산화반응부를 포함하는 개질장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 산화반응부는 산화촉매를 포함하는 개질장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 버너 노즐 장치의 노즐 플레이트는 상기 개질부의 하단과 일정간격 이격되고 상기 산화기의 하단을 밀폐하도록 구비되는 개질장치.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 산화기는 버너 노즐 장치의 노즐 플레이트와 마주하는 혼합 연료 플레이트와 상기 혼합 연료 플레이트의 중앙부를 둘러싸는 복수개의 혼합 연료 노즐을 포함하고, 상기 혼합 연료 노즐은 일정 간격 버너 노즐 장치의 노즐 플레이트와 이격되어 있는 개질장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 혼합 연료 노즐은 상기 개질장치의 중심축을 기준으로 상기 산화 연료 노즐 보다 외측에 구비되는 개질장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 산화기는 버너 노즐 장치와 마주하며 상기 개질장치의 중심축을 향하여 경사진 제1굴곡부를 구비하고 상기 개질부의 외관은 상기 버너 노즐 장치와 마주하여 상기 개질부의 중심축을 기준으로 외측으로 경사진 제2굴곡부를 구비하고 상기 혼합 연료 노즐은 상기 제1굴곡부와 제2굴곡부의 사이에 위치되는 개질장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1굴곡부와 제2굴곡부에 의하여 상기 혼합 연료 노즐의 출구측으로부터 이격된 곳에 형성된 제1공간과 상기 혼합 연료 노즐의 출구측과 인접한 곳에 형성된 제2공간을 포함하되, 상기 제1공간이 제2공간보다 크게 형성되는 개질장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1공간과 제2공간 사이에 제3공간이 형성되되, 제2공간은 제3공간은 제2공간보다 크게 형성되고, 제1공간은 제3공간보다 크게 형성되는 개질장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 혼합 연료 노즐의 (205)의 면적은 AOG 노즐의 면적과 산화연료 노즐의 총 면적의 합의 1~4배인 개질장치.
  18. 제6항에 있어서,
    상기 산화반응부로부터 배출되는 배기가스의 잔존열을 이용하여 물을 수증기로 변환시켜 상기 개질부에 공급하는 증발기를 더 포함하는 개질장치.
  19. 제6항에 있어서,
    상기 산화연료 노즐의 배출면적의 총합은 상기 AOG 노즐의 배출면적의 1.0~3.5배인 개질장치.
  20. 제6항에 있어서,
    상기 AOG 노즐과 산화연료 노즐의 최대 직경은 각각 2.5mm와 1.5mm인 개질장치.
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