KR20120047545A - 연료 개질 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 개질 장치에 대한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 의한 연료 개질장치는 열원부 및 개질부를 포함한다. 열원부는 산화연료를 공급받아 산화반응에 의하여 열을 발생시킨다. 개질부는 상기 열원부 외곽을 감싸도록 형성되어 개질 반응을 하는 제1반응부와, 제1반응부 외곽을 감싸도록 형성되어 일산화탄소를 저감시키는 제2반응부와, 상기 제1반응부의 말단과 제2반응부의 입구를 유체소통 가능하도록 연결하고 개질 반응과 일산화탄소 저감반응을 동시에 하는 혼합 반응부를 포함한다.
본 발명에 의한 연료 개질장치는 개질 및 일산화탄소 저감을 동시에 실현할 수 있는 혼합 촉매층을 구비함으로써 수소 발생량을 증가시킴과 동시에 일산화 탄소 발생량을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

연료 개질 장치{Reformer}
본 발명은 연료 개질 장치에 대한 것으로서, 구체적으로는 안정적인 CO 처리가 가능한 연료 개질 장치에 관한 것이다.
연료전지에서의 개질 반응이란 탄화수소계 화석연료로부터 연료전지에 사용되는 연료인 수소를 만들어내는 반응을 의미하며, 이러한 반응을 수행하는 장치를 연료변환기(Fuel Processor)라 한다. 연료 변환기는 개질반응을 하는 개질기(Reformer) 이외에도 필요에 따라 일산화탄소의 농도를 낮추기 위한 반응기와 연료의 황성분을 제거하기 위한 탈황기(Desulfurizer) 등을 더 포함하기도 한다.
외부 개질 방식의 경우 연료개질기는 열원부와 개질반응부로 구성된다. 열원부는 개질반응부에서 개질반응에 필요한 열을 공급하고, 개질반응부는 연료를 개질하여 수소가 풍부한 가스를 발생시킨다. 이 때 개질반응부는 수증기 개질 방식(SR, STR), 부분 산화 방식(POX) 또는 상기 두 방식을 조합한 자열 개질 방식(ATR)을 이용하여 공급된 연료를 개질하게 된다. 이 중 수증기 개질(Steam Reforming, SR)방식은 탄화수소의 연료와 수증기의 반응으로 수소를 얻는 방법으로 고농도의 수소를 얻을 수 있어 연료전지의 출력을 높일 수 있는 장점을 가지고 있지만, 흡열반응이기 때문에 외부에서 열을 공급해 주어야 한다.
개질 반응 이후에는 선택에 따라 일반적으로 반응기라하는 CO를 저감하는 장치를 추가할 수 있다. 반응기의 대표적인 반응으로는 수성가스 전환 반응과 CO 선택적 산화 반응을 들 수 있다. 수성가스 전환(Water Gas Shift) 개질기 바로 뒤에 반응기가 위치하며 일산화탄소의 농도를 10%정도에서 0.1~0.5% 수준까지 감소시킨다. CO변성기(CO Shift Converter)라고도 한다. 수성가스 전환은 또한 반응 온도에 따라 고온 수성가스 전환(HTS: 섭씨 400도 내지 500도)과 저온 수성가스 전환(LTS: 섭씨 200도 내지 300도)반응으로 구분하기도 한다. CO 선택적 산화(Preferential Oxidation, PROX) 반응은 반응기로 공기를 유입시켜 일산화탄소를 선택적으로 산화시켜 일산화탄소의 농도를 수 ppm 수준까지 떨어뜨려 연료전지 스택으로 개질 가스를 공급시켜준다.
한편, 스택(stack)에서 전자를 생산하고 남은 리포메이트가 연료극으로부터 배출되는 데 이를 AOG(Anode off gas)라 하며 종래에는 AOG를 별개의 촉매 연소기를 이용하여 연소시키거나 대기 가스와 혼합을 하여 AOG 내의 CO 배출가스의 농도를 낮추어 배출하였다. 그러나 점차 세계적인 환경 기준이 상향되는 추세에 있으며, 또한 실내에서도 사용이 가능한 연료전지를 제작하기 위해서는 보다 적극적인 AOG의 관리가 필요하다. 즉 AOG 가스를 연소시키는 방법을 통하여 대기 오염면에서의 환경기준을 충족하는 것 이외에도 AOG 가스의 주 구성이 수소(H2)인 점에 착안하여 보다 적극적으로 이를 이용하여 개질기(reformer)의 효율 향상에 기여하도록 하는 기술 개발이 제안되고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
본 발명의 과제는 한정된 연료 개질 장치의 공간 내에서 수소 발생량을 증가시키고 동시에 일산화탄소의 발생량을 저감시켜 일산화탄소 저감부의 처리 부하를 낮추는 수단을 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 의한 연료 개질장치는 열원부 및 개질부를 포함한다. 열원부는 산화연료를 공급받아 산화반응에 의하여 열을 발생시킨다. 개질부는 상기 열원부 외곽을 감싸도록 형성되어 개질 반응을 하는 제1반응부와, 제1반응부 외곽을 감싸도록 형성되어 일산화탄소를 저감시키는 제2반응부와, 상기 제1반응부의 말단과 제2반응부의 입구를 유체소통 가능하도록 연결하고 개질 반응과 일산화탄소 저감반응을 동시에 하는 혼합 반응부를 포함한다.
또한 상기 혼합 반응부는 수증기 개질 및 고온 수성가스 전환 방식에 이용되는 혼합 촉매를 포함할 수 있다. 나아가 상기 혼합 촉매는 다수의 금속 알갱이 형태로 형성될 수 있다. 더 나아가 상기 금속 알갱이는 직경이 1mm 내지 3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 또한 상기 혼합 촉매는 백금 및 로듐(Pt-Rh) 성분을 포함할 수 있다. 또한 상기 혼합 촉매는 Ru/Alumina 촉매를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제1반응부는 수증기 개질 방식으로 개질할 수 있다.
또한 상기 제2반응부는 수성가스 전환 방식으로 일산화탄소를 저감할 수 있다.
또한 상기 열원부는 원통형 또는 다각통형으로 형성되고, 일 단부에 산화 연료가 유입되는 산화연료 유입구를 구비하고, 타 단부에 연료극 오프 가스가 유입되는 AOG 유입구를 구비하며, 내부에 제1 산화촉매층을 구비하는 제1산화부 및 상기 제1산화부를 둘러싸도록 형성되고, 상기 제1산화부의 말단과 유체소통 가능하도록 연결되며, 내부에 제2 산화촉매층을 구비하며, 산화 후 배가스를 배출하는 배가스 배출구를 구비하는 제2산화부를 포함할 수 있다.
나아가 상기 산화 연료 유입구와 상기 제1 산화촉매층 사이에는 연료를 균일하게 분배하는 연료분배부(distributor)가 구비될 수 있다. 더 나아가 상기 연료분배부와 상기 제1 산화촉매층 사이에는 역화방지부가 구비될 수 있다.
본 발명에 의한 연료 개질장치는 개질 및 일산화탄소 저감을 동시에 실현할 수 있는 혼합 촉매층을 구비함으로써 수소 발생량을 증가시킴과 동시에 일산화 탄소 발생량을 줄일 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 혼합 촉매층에 고온 수성가스전환(HTS) 반응을 촉진할 수 있는 촉매를 포함하므로써 혼합 촉매층을 구비하지 않은 경우에 비하여 수소 발생량은 180%로 증가시키고, 일산화 탄소 발생량은 약 50%로 감소시키는 효과가 있다.
도 1은 연료 개질 장치를 포함하는 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 출원인에 의하여 개발중인 연료 개질장치의 모습을 나타내는 개략적인 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료 개질장치의 개략적인 모습을 나타내는 종단면도이다.
도 4는 도 3의 연료 개질장치를 IV-IV선으로 잘라 본 횡단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 의한 연료 개질장치의 개략적인 모습을 나타내는 종단면도이다.
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.
연료 개질장치(10)는 [도 1]에 도시된 바와 같이 개질 연료를 공급받아 연료 전지(30)의 발전에 이용할 리포메이트로 전환시킨다. 연료 개질장치(10)가 수증기 개질(SR, Steam Reforming) 방식을 이용하여 개질 연료를 리포메이트로 변환시키는 경우에는 열원을 필요로 하므로 제1 산화 연료를 공급받아 열을 발생시키게 된다. 이 경우 전체 시스템의 효율을 향상시키기 위하여, 연료전지(30)의 연료극(애노드, anode)로부터 미반응 되어 배출되는 AOG 가스를 제2 산화연료로 연료 개질장치에 공급하기도 한다. 연료 개질 장치(10)는 수성가스전환(WGS), 선택적 산화반응(PROX) 반응을 이용하여 일산화탄소를 저감하는 반응기를 포함하기도 한다.
본 발명은 이러한 연료 전지 시스템에 있어서 연료 개질장치(30)에 관한 것이다. 먼저 [도 2]를 참조하여 현재 본 출원인에 의하여 개발중인 연료 개질장치(100)를 도시하였다. 연료 개질장치(100)는 종방향 중심축을 기준으로 중앙부에 열원부(140, 145)가 구비된다. 열원부(20)는 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되며 그 외부에는 열원부(140, 145)를 둘러싸는 제1반응부(150)가 구비되고, 제1반응부(150)의 외곽에는 제1반응부(150)를 둘러싸는 제2반응부(170)가 구비된다. 또한 제1반응부(12)와 제2반응(10)부는 하부에서 유체가 소통 가능하도록 연결된다. 이러한 구조로 인하여 개질기 중심축을 기준으로 중앙부가 가장 온도가 높고 외곽으로 갈수록 온도가 낮아지는 열구조가 형성됨으로써 균일한 산화 온도를 유지할 수 있다. 이렇게 유지되는 열을 이용하여 제1반응부(150)에서는 개질 반응을 하게 되고, 제2반응부(170)에서는 일산화탄소를 저감시키게 된다.
한편, 이러한 구조를 갖는 연료 개질장치에서 보다 많은 수소를 발생시키도록 개질하기 위해서는 연료 개질장치 자체의 크기를 키우고 개질 촉매의 양을 증가시킬 수 있으나, 이 경우 경제성 등이 문제가 된다. 반면 한정된 공간 내에서 개질 촉매 자체의 양을 늘이는 경우에는 제2반응부(170)에서 처리해야 할 일산화탄소의 처리 부하가 늘어나게 되어 별도의 일산화탄소 저감장치를 구비해야 한다. 본 발명은 한정된 공간 내에서 수소 발생량을 증가시키면서도 일산화탄소 발생량을 감소시키기 위하여 안출되었다.
본 실시예에 의한 연료 개질장치(100a)는 내부를 흐르는 유체의 종류 및 흐름에 따라 열원부(140, 145) 계열 및 개질부(150,160, 170) 계열로 구분될 수 있다.
[도 3] 및 [도 4]를 참조하여 개질부(150, 160, 170)를 설명한다. 본 실시예에 의한 연료 개질장치는 개질기 및 일산화 탄소 저감을 위한 반응기가 일체형으로 형성되어 있다. 특히 장시간 동안의 연료 개질장치(100a)의 건전성을 위하여 개질 방식으로는 수증기 개질(SR) 방식을 채택하였고, 일산화탄소 저감을 위해서는 수성가스전환(WGS, Water gas shift) 반응을 이용하였으나, 본 발명이 이러한 방식 자체에 제한되지는 않는다.
먼저 제1반응부(150)는 열원부(140, 145)의 외부를 둘러싸는 일정한 공간으로 형성된다. 즉, 개질부 내벽(102)은 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되고, 열원부 외벽(103)의 외부를 둘러싸도록 구비된다. 개질부 내벽(102)과 열원부 외벽(103) 사이에는 일정한 공간인 제1반응부(150)가 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이 본 실시예의 제1반응부(150) 내에는 수증기 개질방식의 개질반응을 위한 개질 촉매층(151)이 구비된다. 개질 촉매의 양은 이후 개질 연료의 발생량과 처리해야 할 이산화탄소의 양과 밀접한 관련이 있다. 따라서 후술할 혼합반응부(160)의 유무에 따른 효과를 정확히 측정 및 비교하기 위하여 본 실시예에서 개질 촉매층(151)은 Ni 혹은 귀금속 촉매가 코팅된 600cpsi 메탈모노리스 80cc로 구성된 것으로 가정한다. 이는 수소 발생기준으로 5SLPM에 적합한 촉매량으로 그 이상의 개질을 위해서는 보다 많은 촉매를 구비할 수 있다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 촉매량만을 단순히 증가시키는 경우에는 개질후의 일산화탄소 발생량과 제2반응부(170)에서의 일산화탄소 처리 부하가 증가하게 되는 문제가 발생하게 된다.
제2반응부(170)는 개질부 내벽(102) 외측을 둘러싸는 일정한 공간으로 형성된다. 즉, 개질부 외벽(101)은 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되고, 개질부 내벽(102)을 둘러싸도록 구비된다. 개질부 내벽(102)과 개질부 외벽(101) 사이에는 일정한 공간인 제2반응부(150)가 형성된다. 제2반응부(170) 내부에는 일산화탄소를 저감하기 위한 수성가스전환(WGS; water gas shift) 촉매층(171)이 구비된다. 수성가스전환 촉매층(171)은 제2반응부(170)의 하단으로부터 유입되는 리포메이트로부터 수성가스전환 반응을 통하여 일산화탄소 함량을 저감시킨다. 수성가스전환 촉매층(171)을 통과하여 일산화탄소가 저감된 리포메이트는 리포메이트 배출구(116)를 통하여 외부 또는 다른 구성부로 배출된다. 수성가스전환을 위한 촉매로는 담체 또는 지지체와 이 담체 또는 지지체에 담지되는 활성물질로 형성될 수 있다. 이 때 시프트촉매로는 Cu-Zn 촉매가 사용될 수 있다. 필요에 따라 수성가스전환 촉매층(171)은 약 300~500℃의 작동 온도 범위를 갖는 고온수성가스전환(HTS) 촉매층 약 150~250℃의 작동 온도 범위를 갖는 저온수성가스전환(LTS) 촉매층으로 각각 구분하여 구비될 수 있다.
한편, 개질부 내벽(102)은 열 전도율을 조절하여 개질부 내벽(102) 외부의 온도를 일정하게 유지시키기 위하여 두께를 조절할 수 있다. 즉 개질부 내벽(102) 외부의 온도를 상대적으로 낮출 필요가 있을 때에는 벽의 두께를 두껍게 형성할 수 있다. 더 나아가서 개질부 내벽(102)은 [도 5]에 도시된 바와 같이 이중벽으로 형성될 수 있다. 개질부 내벽(102)을 이중벽으로 형성하여 이중벽 사이에 공기층을 형성하거나 이종의 물질을 채워 넣음으로써 열 전도율을 조절할 수 있다.
혼합반응부(160)는 도우넛 형상의 공간부로 형성되어 제1반응부(150)와 제2반응부(170)의 하단, 즉 제1반응부(150)의 말단과 제2반응부(170)의 입구를 유체소통 가능하도록 연결한다. 제1반응부(150)를 통하여 개질된 리포메이트는 혼합반응부(160)를 통하여 제2반응부(170)로 전달된다. 한편, 본 실시예의 혼합반응부(160)는 개질 반응과 일산화탄소 저감반응을 동시에 하는 혼합총매층(161)을 더 구비한다. 혼합 촉매층(161)은 수증기 개질(SR) 및 고온 수성가스전환(HTS) 반응을 위한 다수의 금속 알갱이 형태의 촉매로 형성될 수 있다. 상술한 제1반응부(150)로부터 전달되는 리포메이트는 금속 알갱이 형태로 구비된 혼합 촉매층(161)의 공극을 통하여 이동하면서 수증기 개질 반응 및 고온 수성가스전환 반응을 하게 된다. 혼합 촉매층(161)을 통과한 리포메이트는 제2반응부(170)의 하단으로 유입되어 추가적인 일산화탄소 저감 반응을 하게 된다.
한편, 혼합 촉매층(161)은 직경이 1mm 내지 3mm인 금속 알갱이로 형성될 수 있다. 혼합 촉매층(161)의 금속 알갱이 직경이 3mm 이상이 되면 전체 금속 알갱이 표면적 합이 작아지게 되므로 촉매의 성능이 떨어져 개질 및 일산화 탄소 저감 효율이 떨어지게 된다. 반면 혼합 촉매층(161)의 금속 알갱이 직경이 1mm 이하가 되면 각각의 알갱이가 형성하는 공극이 좁아지면서 혼합 촉매층(161)의 압력이 상승하는 문제가 발생하게 되어 별도의 압력 조절 장치 등이 필요하게 된다. 혼합 촉매는 백금 및 로듐(Pt-Rh)이나 Ru/Alumina 촉매를 포함하도록 형성할 수 있다.
[도 3] 및 [도 4]를 참조하여 열원부(140, 145)에 대하여 설명한다. 열원부는 크게 제1산화부(140)와 제2산화부(145)로 구분된다.
제1산화부(140)는 중공형상의 원통형 또는 다각통형으로 형성되는 열원부 내벽(104) 내부에 형성된다. 제1산화부(140)의 일단에는 산화연료가 유입되는 산화연료 유입구(111)가 형성된다. 한편 필요에 따라 산화연료 유입구(111)의 타단쪽에는 연료극 미반응가스(AOG)가 유입되는 AOG 유입구(112)가 형성될 수 있다.
제2산화부(145)는 열원부 내벽(104)의 외측을 둘러싸는 일정한 공간으로 형성된다. 즉 열원부 외벽(103)은 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되고, 열워부 내벽(104)을 둘러싸도록 구비된다. 열원부 내벽(104)과 열원부 외벽(103) 사이에는 일정한 공간인 제2산화부(145)가 형성된다. 제2산화부(145)와 제1산화부(140)는 하단에서 유체 소통이 가능하도록 연결된다. 또한 제2산화부(145)의 상단에는 산화 후의 배가스가 배출되는 배가스 배출구(113)가 형성된다.
산화 연료는 산화반응을 통하여 열을 발생시키기 위한 LPG 등의 주 연료를 의미한다. 산화 연료로는 메탄올 등의 알코올류, 메탄, 부탄 등의 탄화수소류, 나프타, 액화천연가스 등의 화석 연료, 바이오매스, 매립지 가스 등이 단독 또는 이들의 조합으로 사용될 수 있다. 연료극 미반응가스(AOG)는 연료전지 스택(미도시)에서 전기를 생산한 이후에 연료극으로부터 배출되는 수소를 주 성분으로 하는 미반응 가스를 의미한다.
제1산화부(140) 내부에는 제1산화촉매층(141)이 구비된다. 제1산화촉매층(141)은 유체가 통과할 공간이 형성된 매쉬 또는 모노리스 형태의 지지체와 지지체 표면에 코팅된 활성물질로 형성된다. 제1산화촉매층(141)은 산화 연료 또는 AOG의 플래쉬 백(Flashback)없는 안정적인 연소를 유도하여 연소율을 향상시키며 핫 스팟의 형성 지점을 조절하는 역할을 한다. 활성물질로는 Pd, Pt, Co3O4, PdO, Cr2O3, Mn2O3, CuO, Fe2O3, V2O3, NiO, MoO3, TiO2 등의 단독 또는 이들의 혼합 물질을 사용할 수 있다. 제1산화촉매층(141)의 지지체는 적절한 유체 압력 및 연료의 효율적인 산화반응을 위하여 약 400 내지 약 600 CPSI(cell per square inch)의 셀 밀도를 가지도록 구비될 수 있다.
제2산화부(145) 내부에는 제2산화촉매층(146)이 구비된다. 제2산화촉매층(146)은 약 100 내지 약 200 CPSI의 셀 밀도를 가진 메쉬 또는 모노리스 타입의 지지체를 형성하고 지지체의 표면에 산화 촉매를 코팅하여 형성될 수 있다. 지지체는 고열에 대하여 적절한 내구성을 갖도록 크롬계 스테인리스(Fe-Cr계)와 같은 용융점이 높은 금속, 합금, 또는 복합 재료 등으로 구현될 수 있다. 산화 촉매로는 제1 산화촉매층(141)의 경우와 같이 Pd, Pt, Co3O4, PdO, Cr2O3, Mn2O3, CuO, Fe2O3, V2O3, NiO, MoO3, TiO2 등이 단독으로 또는 이를 혼합하여 사용할 수 있다. 한편 일정 간격만큼 이격된 상태로 배치될 수 있다. 제2 산화촉매층(146)은 제2산화부(145) 내부에서 일정 간격만큼 이격된 두 부분으로 나뉘어 배치될 수 있다.
한편 산화연료 유입구(111)와 제1 산화촉매층 사이에는 연료분배부(120, distributor)가 구비될 수 있다. 연료분배부(120)는 원판 형태의 몸체 가장자리를 두께 방향으로 관통하는 복수의 홀들을 구비한다. 연료분배부(120)는 제1산화부(140) 내로 산화연료를 균일하게 분배하는 기능을 한다. 즉 연료분배부(120)는 중심축 부근에 비해 상대적으로 반응온도가 낮은 중심축의 주변부 또는 외곽에서 산화연료의 연소가 진행되도록 유도함으로써 열을 균일하게 분포시키게 된다. 제1산화부(140)가 작동되는 온도 범위에서 내구성을 갖는 금속, 합금 또는 복합 재료 등을 연료분배부(120)의 재질로 사용할 수 있다. 제1산화부(140)의 작동 온도는 산화연료의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다.
또한 연료분배부(120)와 제1산화촉매층(141) 사이에는 역화방지부(130)가 구비될 수 있다. 역화방지부(130)는 산화 반응이 가장 활발하게 일어나는 제1산화촉매층(141)의 상단에서 고온의 열점이 형성되어 연료분배부(120)방향으로 역류하는 것을 방지한다. 역화방지부(130)는 원통형 다공성 부재 또는 메탈 모노리스로 구현될 수 있다. 역화방지부(130)는 제1산화촉매층(141)의 지지체와 동일한 셀 밀도를 갖도록 약 400 내지 약 600 CPSI의 메탈 모노리스로 구현될 수 있다.
한편, 점화기 또는 예열기 등 본 발명과 직접적인 관련이 없는 부분에 대한 설명은 생략한다.
이하 [도 5]를 참조하여 본 실시예에 의한 작용 및 비교 실험예를 설명한다.
산화연료는 산화연료유입구(111)를 통하여 제1산화부(140) 내로 유입되고 점화기 등 별도의 장치에 의하여 점화된 후 제1산화촉매층(141)에서 대부분 산화되며 열을 발생시킨다. 산화된 배가스와 산화되지 않은 일부 제1 산화연료는 제2산화부(145) 측으로 이동한다.
AOG는 AOG 유입구(112)를 통하여 제1산화부(140) 하단으로 유입된다. 유입된 AOG는 산화연료와 혼합되어 제2산화부(145)로 이동하게 된다. 배가스, 미반응 산화연료 및 AOG는 제2산화부(145) 내의 제2산화촉매층(146)을 거치면서 산화된다. 이 때 제2산화촉매층(146)이 제1산화촉매층(141) 보다 낮은 셀 밀도를 가지므로 제1산화부(140) 내의 배압은 거의 일정하게 유지된다. 제2산화부(145) 내에서 산화된 후 발생하는 배가스는 배가스 유출구(113)를 통해 외부로 배출된다. 산화 연료와 AOG는 이러한 경로를 따라 산화됨으로써 열을 발생시키게 된다.
개질연료는 개질연료 유입구(115)를 통해 제1반응부(150)로 유입된다. 유입된 개질연료는 열원부(140, 145)로부터 발생하는 열을 이용하여 개질 촉매층(151)에서 개질된다. 개질된 리포메이트는 혼합반응부(160)로 유입되고, 혼합반응부(160) 내의 혼합촉매층(161)을 거치면서 잔여 개질연료로부터 개질을 하고 제1산화부(150)를 거치면서 발생한 일산화탄소를 저감시키게 된다. 혼합반응부(160)를 통과한 가스는 제2반응부(170)로 이동한 후 수성가스전환 촉매층(171)을 거치면서 다시 일산화 탄소를 저감시키게 된다. 최종적으로 개질된 리포메이트는 리포메이트 배출구(116)를 통하여 배출된다.
이하 본 실시예에 의한 혼합촉매층(161)을 구비하지 않은 경우와의 비교실험예를 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이 개질 촉매층(151)을 600cpsi 의 셀밀도를 갖는 메탈모노리스 지지체를 구비하였다. 이러한 지지체 표면에 수소 발생기준으로 5SLPM에 적합한 촉매량인 80cc의 Ni 혹은 귀금속 촉매를 코팅하였다. 수성가스 전환 촉매층(171)의 촉매로는 Cu-Zn 촉매를 사용하였다.
이러한 환경에서 제1반응부(150)에서는 약 4.3 SLPM 정도의 개질능력을 보였으며, 수증기 개질반응 이후에 약 10% 내지 12%의 함량비를 갖는 일산화탄소가 발생하였다.
이와 조건을 달리하여 본 실시예에서의 백금 및 로듐(Pt-Rh) 재질, 약 1.5mm의 직경을 갖는 금속 알갱이 촉매로 형성된 혼합촉매층(161)을 구비하여 동일한 외부환경에서 실험을 반복하였다. 그 결과 개질능력은 약 9SLPM으로 향상되었으며, 수증기 개질 반응 후의 일산화탄소 발생량은 함량비로 약 5% 내지 8%까지 낮출 수 있었다. 한편, 촉매를 Ru/Alumina 재질의 촉매로 변경하여 진행한 실험에서는 일산화 탄소 함량비가 4% 내지 7%까지 감소되는 효과가 있었다. 이는 고온 수성가스변환(HTS) 기능이 강화된 결과로 해석될 수 있다.
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 연료 개질장치로 구현될 수 있다.
100: 개질장치 101: 개질부 외벽
102: 개질부 내벽 103: 열원부 외벽
104: 열원부 내벽 111: 산화연료 유입구
112: AOG 유입구 113: 배가스 배출구
115: 개질연료 유입구 116: 리포메이트 배출구
120: 연료분배부 130: 역화방지부
140: 제1산화부 141: 제1산화촉매층
145: 제2산화부 146: 제2산화촉매층
150: 제1반응부 151: 수증기 개질 촉매층
160: 혼합반응부 161: 혼합촉매층
170: 제2반응부 171: 수성가스전환 촉매층

Claims (11)

  1. 산화연료를 공급받아 산화반응에 의하여 열을 발생시키는 열원부; 및
    상기 열원부 외곽을 감싸도록 형성되어 개질 반응을 하는 제1반응부와, 제1반응부 외곽을 감싸도록 형성되어 일산화탄소를 저감시키는 제2반응부와, 상기 제1반응부의 말단과 제2반응부의 입구를 유체소통 가능하도록 연결하고 개질 반응과 일산화탄소 저감반응을 동시에 하는 혼합 반응부를 구비하는 개질부:를 포함하는 연료 개질장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 반응부는 수증기 개질 및 고온 수성가스 전환에 이용되는 혼합 촉매를 포함하는 연료 개질장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 혼합 촉매는 다수의 금속 알갱이 형태로 형성되는 연료 개질장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속 알갱이는 직경이 1mm 내지 3mm의 범위에서 형성되는 연료 개질장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 혼합 촉매는 백금 및 로듐(Pt-Rh) 성분을 포함하는 연료 개질장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 혼합 촉매는 Ru/Alumina 촉매를 포함하는 연료 개질장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응부는 수증기 개질 방식으로 개질하는 연료 개질장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2반응부는 수성가스 전환 방식으로 일산화탄소를 저감하는 연료 개질장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열원부는,
    원통형 또는 다각통형으로 형성되고, 일 단부에 산화 연료가 유입되는 산화연료 유입구를 구비하고, 타 단부에 연료극 오프 가스가 유입되는 AOG 유입구를 구비하며, 내부에 제1 산화촉매층을 구비하는 제1산화부; 및
    상기 제1산화부를 둘러싸도록 형성되고, 상기 제1산화부의 말단과 유체소통 가능하도록 연결되며, 내부에 제2 산화촉매층을 구비하며, 산화 후 배가스를 배출하는 배가스 배출구를 구비하는 제2산화부:를 포함하는 연료 개질장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 산화 연료 유입구와 상기 제1 산화촉매층 사이에는 연료를 균일하게 분배하는 연료분배부(distributor)가 구비되는 연료 개질장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연료분배부와 상기 제1 산화촉매층 사이에는 역화방지부가 구비되는 연료 개질장치.
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