KR20130054603A - Apparatus and method for treating fuel - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료 처리 장치 및 이를 이용한 연료 처리 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 연료전지 특히 소형 휴대용 고온 PEMFC에 적용될 수 있는 자열 개질 반응 및 수성화 반응 일체형의 연료 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
연료전지에 필요한 수소를 공급하는 방법으로 수소를 물리적이나 화학적으로 저장(고압수소 탱크, 액화수소 탱크, 금속수소화물, 화학적 수소화물 등)하여 공급하는 방법 또는 탄화수소의 개질을 통해 수소를 제공하는 방법이 있다.A method of supplying hydrogen required for a fuel cell, a method of physically and chemically storing hydrogen (high pressure hydrogen tank, liquefied hydrogen tank, metal hydride, chemical hydride, etc.) or a method of providing hydrogen through reforming of a hydrocarbon. There is this.
궁극적으로 수소는 태양 에너지나 핵에너지를 사용해서 물 분해하는 방식으로 제공하는 것이 바람직하지만, 이에 대한 연구는 미진한 상황이다. Ultimately, it is desirable to provide hydrogen by water decomposition using solar or nuclear energy, but little research is available.
반면, 수소를 비교적 쉽고 경제적으로 생산할 수 있는 탄화수소를 개질하는 방법에 대해서 많은 연구가 진행되고 있다. 해당 방법은 수소 공급을 위한 사회기반시설이 부족한 상태에서 연료전지의 상용화에 활용될 수 있다. On the other hand, much research is being conducted on a method of reforming a hydrocarbon that can produce hydrogen relatively easily and economically. The method can be used for commercialization of fuel cells in the absence of infrastructure for hydrogen supply.
탄화수소 개질은 두 가지 큰 장점을 갖는다. 첫째 탄화수소 연료는 일반적으로 고압 기체 수소, 액화수소, 금속 수화물, 화학적 수소 저장 방법에 비하여 에너지 저장 밀도가 높다. 둘째 현재 구축되어 있는 탄화수소 연료에 대한 인프라를 활용할 수 있다.Hydrocarbon reforming has two major advantages. First, hydrocarbon fuels generally have higher energy storage densities than high pressure gaseous hydrogen, liquefied hydrogen, metal hydrates, and chemical hydrogen storage methods. Second, the existing infrastructure for hydrocarbon fuels can be used.
에탄올, 가솔린과 같은 연료를 고온 PEMFC에 공급하기 위해서 연속적인 개질 반응이 필요하다. 먼저 일차 개질 반응에서는 CxHyOz로 구성된 연료를 수소가 풍부한 합성 가스(synthetic gas)로 변환하게 되는데, 반응물에 물과 공기를 공급하는지 여부에 따라 수증기 개질(steam reforming, SR), 부분 산화(partial oxidation, POX), 자열 개질(autothermal reforming, ATR) 방법으로 나눌 수 있다. A continuous reforming reaction is required to feed fuels such as ethanol and gasoline to the high temperature PEMFC. In the first reforming reaction, the fuel consisting of C x H y O z is converted into a hydrogen-rich synthetic gas, depending on whether steam reforming (SR), part, depending on whether water or air is supplied to the reactants. Partial oxidation (POX), autothermal reforming (ATR) method can be divided into.
상기 수증기 개질 반응은 연료와 함께 물을 이용하여 수소를 생산하는 방법으로 화공분야에서 이미 합성가스(수소, 일산화탄소 혼합가스)를 만든 공정으로 잘 알려져 있는 기술이다. 이 반응은 동일한 연료를 사용했을 때 수소의 생성량이 부분 산화 반응이나 자열 개질 반응 방식에 비해서 높으며, 보다 안정적인 장기 운전 특성을 나타낸다. 그러나, 수증기 개질 반응은 흡열 반응으로서 외부의 열원이 필요하기 때문에 장치의 크기가 상대적으로 크다. 또한 빠른 시동이 어렵고 시스템의 동적 부하에 대한 응답성이 떨어진다. 따라서 수증기 개질 반응을 이용한 수소 생산 방법은 소형 개질 반응기에는 적합하지 않다. The steam reforming reaction is a technique that is well known as a process for producing a synthesis gas (hydrogen, carbon monoxide mixed gas) in the chemical industry by producing hydrogen using water together with fuel. When the same fuel is used, the amount of hydrogen generated is higher than that of the partial oxidation reaction or the autothermal reforming reaction method, and shows more stable long-term operation characteristics. However, the steam reforming reaction is an endothermic reaction, and the size of the apparatus is relatively large because an external heat source is required. In addition, fast startup is difficult and the response to dynamic loads on the system is poor. Hence, hydrogen production using steam reforming is not suitable for small reforming reactors.
상기 부분 산화 반응은 산소를 이용하여 연료를 부분적으로 산화시킴으로써 수소를 생산하는 방법이다. 산화과정에서 발생하는 급격한 발열반응은 반응기의 빠른 시동을 가능하게 할 뿐만 아니라, 시스템의 구성이 간단하여 소형시스템에 적합한 기술이다. 그러나, 동일 연료에서 얻을 수 있는 수소 생성량이 다른 개질 방법에 비해 상대적으로 적으며, 심한 발열 반응으로 인한 높은 반응 온도 때문에 촉매와 반응기 외벽의 열화현상이 상대적으로 심각한 문제점이 있다. The partial oxidation reaction is a method of producing hydrogen by partially oxidizing a fuel using oxygen. The rapid exothermic reaction that occurs in the oxidation process not only enables the rapid start-up of the reactor, but also makes the system simple and suitable for small systems. However, the amount of hydrogen produced from the same fuel is relatively low compared to other reforming methods, and due to the high reaction temperature due to severe exothermic reaction, deterioration of the catalyst and the outer wall of the reactor is relatively serious.
자열 개질 반응은 수증기만 이용하는 수증기 개질 반응과 공기만 이용하는 부분 산화 반응을 혼합한 것으로 물과 산소양을 조절하여 전체 반응의 흡열량 및 발열량을 조절할 수 있으며, 이를 통해 외부의 열원이 필요하지않는 자립 운전 조건(Self-sustaining condition)을 구성할 수 있다. 또한, 자열 개질 반응에서는 초기 부분 산화 반응으로 발생하는 열을 이용하여 반응기의 빠른 시동이 가능하며, 수증기 개질 반응에 필요한 열을 부분 산화 반응에서 공급받을 수 있기 때문에, 외부의 열원 없이 시스템을 구성할 수 있어 소형 개질기에 적합하다. 또한 동일 연료 대비 수소 생성량도 부분 산화 반응에 비하여 많으며, 물이 반응물에 포함되기 때문에 부분 산화 반응보다 탄소 침적이 적다.The autothermal reforming reaction is a mixture of a steam reforming reaction using only steam and a partial oxidation reaction using only air, and by controlling the amount of water and oxygen, the endothermic amount and calorific value of the entire reaction can be controlled. Self-sustaining condition can be configured. In addition, in the autothermal reforming reaction, the reactor can be started quickly using heat generated by the initial partial oxidation reaction, and since the heat required for the steam reforming reaction can be supplied from the partial oxidation reaction, the system can be configured without an external heat source. It is suitable for small reformers. In addition, the amount of hydrogen generated compared to the same fuel is higher than that of the partial oxidation reaction, and since water is included in the reactants, carbon deposition is less than that of the partial oxidation reaction.
그런데, 이렇게 만들어진 개질 가스는 일산화탄소 농도가 대략 10% 정도로 고온 PEMFC에 직접 공급하기에는 무리가 있기 때문에, 수성화 반응(Water Gas Shift, WGS)을 통해서 일산화탄소 농도를 대략 1 내지 2% 정도로 낮춰야한다. However, since the reformed gas is not suitable to supply the carbon monoxide concentration to about 10% directly to the high temperature PEMFC, the carbon monoxide concentration should be reduced to about 1 to 2% through water gas shift (WGS).
상기 수성화 반응은 수증기 개질 반응과 유사한 반응으로 물과 일산화탄소를 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하는 발열 반응이다. 열역학적으로 낮은 온도에서 일산화탄소의 농도가 낮아지지만, 반응속도 면에서는 높은 온도가 유리하다. The aqueous reaction is an exothermic reaction that generates carbon dioxide and hydrogen by reacting water and carbon monoxide in a reaction similar to steam reforming. At lower temperatures thermodynamically, the concentration of carbon monoxide is lower, but higher temperatures are advantageous in terms of reaction rate.
종래 수증기 개질 장치로서 금속 단일체형 촉매체가 내장된 수증기 개질 장치가 알려져 있다(특허 문헌 1).BACKGROUND ART A steam reformer in which a metal monolithic catalyst body is incorporated as a conventional steam reformer is known (Patent Document 1).
또한, 장치 내 일산화탄소 제거 반응기와 열교환기가 통합된 연료 전지용 일산화탄소 제거 장치가 알려져 있다(특허 문헌 2).In addition, a carbon monoxide removal device for a fuel cell in which a carbon monoxide removal reactor and a heat exchanger are integrated in a device is known (Patent Document 2).
본 발명자들은 연료전지 특히 소형 휴대용 고온 PEMFC에 적용될 수 있는 자열 개질 반응 및 수성화 반응 일체형의 반응기를 예의 연구하였다. The inventors have intensively studied reactors incorporating autothermal reforming reactions and aqueous reactions that can be applied to fuel cells, in particular small portable high temperature PEMFCs.
그 결과, 본 발명자들은 높은 수소 수득률과 낮은 일산화탄소 수득률을 유지할 수 있으면서 또한 복잡한 열교환기 없이도 작은 공간 내에서도 자열 개질 반응과 수성화 반응 사이에 충분한 온도 차이를 유지할 수 있어 소형화 경량화가 가능한 연료 처리 장치 및 방법을 제공하고자 한다.As a result, the present inventors can maintain a high hydrogen yield and a low carbon monoxide yield, and maintain a sufficient temperature difference between the autothermal reforming reaction and the aqueous reaction even in a small space without a complicated heat exchanger, thereby miniaturizing and reducing the weight. To provide.
본 발명의 구현예들에서는, 자열 개질 반응이 일어나는 자열 개질 반응기; 상기 자열 개질 반응기와 대향하여 위치하고 수성화 반응이 일어나는 수성화 반응기; 상기 자열 개질 반응기와 상기 수성화 반응기 사이에 위치하는 내부 열교환기를 포함하는 연료 처리 장치로서, 상기 자열 개질 반응기의 반응물은 상기 내부 열교환기를 거쳐서 상기 자열 개질 반응기로 공급되고, 상기 자열 개질 반응기의 생성물은 상기 내부 열교환기를 거쳐서 상기 자열 개질 반응기의 반응물과 열교환한 후 상기 수성화 반응기에 반응물로서 공급되는 자열 개질 반응기와 수성화 반응기가 통합된 연료 처리 장치를 제공한다.In embodiments of the present invention, an autothermal reforming reactor in which an autothermal reforming reaction occurs; An aqueous hydrolysis reactor positioned opposite the autothermal reforming reactor and undergoing an aqueous reaction; A fuel processing apparatus comprising an internal heat exchanger located between the autothermal reforming reactor and the aqueous reactor, wherein the reactant of the autothermal reforming reactor is supplied to the autothermal reforming reactor via the internal heat exchanger, and the product of the autothermal reforming reactor is Provided is a fuel processing device in which an autothermal reforming reactor and an aqueous reactor are integrated with the reactant of the autothermal reforming reactor via the internal heat exchanger, and then supplied as a reactant to the aqueous reactor.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 자열 개질 반응기는 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역; 및 상기 반응 구역의 외측에 존재하고 자열 개질 반응의 반응물이 이동하는 통로;를 포함하며, 상기 자열 개질 반응의 반응물은 내부 열교환기를 거친 후 상기 반응 구역의 외측을 따라서 이동하며 추가로 자열 개질 반응의 생성물과 열교환한 후 상기 반응 구역으로 공급되는 것이다.In an exemplary embodiment of the invention, the autothermal reforming reactor comprises: a reaction zone in which the autothermal reforming reaction occurs; And a passage that exists outside the reaction zone and through which the reactant of the autothermal reforming reaction moves, wherein the reactant of the autothermal reforming reaction moves along the outside of the reaction zone after passing through an internal heat exchanger and is further subjected to an autothermal reforming reaction. After heat exchange with the product is supplied to the reaction zone.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 자열 개질 반응기는 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매를 수용하는 것이고, 상기 수성화 반응기는 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매를 수용하는 것이다.In an exemplary embodiment of the invention, the autothermal reforming reactor is to receive one or more disk-type catalysts having through holes, and the aqueous reactor is to contain one or more disk-type catalysts having through holes.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 자열 개질 반응기의 반응물은 상기 자열 개질 반응기의 디스크 형 촉매의 중심에서 외측을 향하여 방사형으로 퍼지는 것이고, 상기 수성화 반응기에서의 반응물은 상기 수성화 반응기의 디스크 형 촉매의 외측에서 디스크 형 촉매의 중심으로 방사형으로 수렴하는 것이다.In an exemplary embodiment of the invention, the reactant of the autothermal reforming reactor is radially spread outward from the center of the disk-shaped catalyst of the autothermal reforming reactor, and the reactant in the aqueous reactor is the disk-type of the aqueous reactor. Radial convergence from the outside of the catalyst to the center of the disk-type catalyst.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 자열 개질 반응기 외부에는 상기 자열 개질 반응기의 초기 시동을 위한 보조 가열 장치가 더 구비된다.In an exemplary embodiment of the present invention, an auxiliary heating device for initial startup of the autothermal reforming reactor is further provided outside the autothermal reforming reactor.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 연료 처리 장치의 외부에는 외부 열교환기가 더 구비된다.In an exemplary embodiment of the present invention, an external heat exchanger is further provided outside the fuel processing device.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 자열 개질 반응기는 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역; 및 상기 반응 구역의 외측에 존재하고 자열 개질 반응의 반응물이 이동하는 통로;를 포함하며, 상기 반응 구역은, 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매; 상기 디스크 형 촉매를 지지하는 지지체; 상기 디스크 형 촉매의 통공에서 점화를 수행하는 점화기; 및 상기 촉매, 지지체 및 점화기를 수용하고, 상기 반응물이 이동하는 통로와 반응 구역을 구획하는 외부 하우징을 포함하는 것이다. In an exemplary embodiment of the invention, the autothermal reforming reactor comprises: a reaction zone in which the autothermal reforming reaction occurs; And a passage outside the reaction zone and through which the reactant of the autothermal reforming reaction moves, wherein the reaction zone comprises at least one disk-type catalyst having a through hole; A support for supporting the disk catalyst; An igniter which performs ignition in the through hole of the disc catalyst; And an outer housing which receives the catalyst, the support and the igniter and partitions a passage through which the reactants move and a reaction zone.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 수성화 반응기는 수성화 반응이 일어나는 반응 구역; 및 상기 반응 구역의 외측에 존재하고 수성화 반응의 반응물이 이동하는 통로;를 포함하며, 상기 반응 구역은, 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매; 상기 디스크 형 촉매를 지지하는 지지체; 및 상기 디스크 형 촉매의 통공에서 점화를 수행하는 점화기를 포함한다.In an exemplary embodiment of the invention, the aqueous hydrolysis reactor comprises a reaction zone in which an aqueous hydrolysis reaction takes place; And a passage outside the reaction zone and through which the reactant of the aqueous reaction moves, wherein the reaction zone comprises at least one disk-type catalyst having a through hole; A support for supporting the disk catalyst; And an igniter that performs ignition in the through hole of the disc catalyst.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 자열 개질 반응기는 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역; 및 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역의 외측에 존재하고 자열 개질 반응의 반응물이 이동하는 통로;를 포함하며, 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역은, 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매; 상기 디스크 형 촉매를 지지하는 지지체; 상기 디스크 형 촉매의 통공에서 점화를 수행하는 점화기; 및 상기 촉매, 지지체 및 점화기를 수용하고 상기 자열 개질 반응의 반응물이 이동하는 통로와 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역을 구획하는 외부 하우징을 포함하는 것이고, 상기 수성화 반응기는 수성화 반응이 일어나는 반응 구역; 및 상기 수성화 반응이 일어나는 반응 구역의 외측에 존재하고 수성화 반응의 반응물이 이동하는 통로;를 포함하며, 상기 수성화 반응이 일어나는 반응 구역은, 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매; 상기 디스크 형 촉매를 지지하는 지지체; 및 상기 디스크 형 촉매의 통공에서 점화를 수행하는 점화기;를 포함하는 것이며, 상기 자열 개질 반응의 반응물은 내부 열교환기를 거친 후 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역의 외부 하우징을 따라서 이동하며 추가로 자열 개질 반응의 생성물과 열교환한 후 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역으로 공급되는 것이다. In an exemplary embodiment of the invention, the autothermal reforming reactor comprises: a reaction zone in which the autothermal reforming reaction occurs; And a passage outside the reaction zone in which the autothermal reforming reaction occurs and in which the reactant of the autothermal reforming reaction moves, wherein the reaction zone in which the autothermal reforming reaction occurs comprises: at least one disk-type catalyst having a through hole; A support for supporting the disk catalyst; An igniter which performs ignition in the through hole of the disc catalyst; And an outer housing accommodating the catalyst, the support and the igniter and defining a passage through which the reactant of the autothermal reforming reaction moves and a reaction zone in which the autothermal reforming reaction takes place, wherein the aqueous reactor is a reaction in which an aqueous reaction occurs. area; And a passage outside the reaction zone in which the aqueous reaction takes place and through which a reactant of the aqueous reaction moves, wherein the reaction zone includes: at least one disk-type catalyst having a through hole; A support for supporting the disk catalyst; And an igniter which performs ignition in the through hole of the disk-type catalyst. The reactant of the autothermal reforming reaction passes through an internal heat exchanger and then moves along the outer housing of the reaction zone where the autothermal reforming reaction occurs, and further autothermal reforming. After heat exchange with the product of the reaction, it is fed to the reaction zone where the autothermal reforming reaction takes place.
여기서, 상기 자열 개질 반응기의 반응물은 상기 자열 개질 반응기의 반응 구역 내의 디스크 형 촉매의 중심에서 외측을 향하여 방사형으로 퍼지는 것이고, 상기 수성화 반응기의 반응물은 상기 수성화 반응기의 반응 구역 내의 디스크 형 촉매의 외측에서 디스크 형 촉매의 중심으로 방사형으로 수렴하는 것일 수 있다.Here, the reactant of the autothermal reforming reactor is radially spread outward from the center of the disk-shaped catalyst in the reaction zone of the autothermal reforming reactor, and the reactant of the aqueous reactor is the reaction of the disk-type catalyst in the reaction zone of the aqueous reactor. Radially converging from the outside to the center of the disk catalyst.
본 발명의 구현예들에서는, 자열 개질 반응과 수성화 반응을 통합하여 수행하는 연료 처리 방법으로서, 상기 자열 개질 반응의 반응물과 상기 자열 개질 반응물의 생성물이 상호 열교환하도록 하는 단계; 상기 열교환된 자열 개질 반응의 반응물을 상기 자열 개질 반응에 반응물로서 공급하고, 상기 열교환된 자열 개질 반응의 생성물을 상기 수성화 반응에 반응물로서 공급하는 단계를 포함하는 연료 처리 방법을 제공한다.In embodiments of the present invention, a fuel treatment method for integrating an autothermal reforming reaction and an aqueous reaction, comprising: allowing a reactant of the autothermal reforming reaction and a product of the autothermal reforming reactant to mutual heat exchange; And supplying a reactant of the heat exchanged autothermal reforming reaction as a reactant to the autothermal reforming reaction and supplying a product of the heat exchanged autothermal reforming reaction as a reactant to the aqueous hydrolysis reaction.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 자열 개질 반응과 상기 수성화 반응의 온도 구배는 200 내지 300℃이다.In an exemplary embodiment of the invention, the temperature gradient of the autothermal reforming reaction and the aqueous reaction is 200 to 300 ° C.
본 발명의 구현예들에 따른 연료처리장치 및 방법에 의하면 높은 수소 수득률과 낮은 일산화탄소 수득률을 유지할 수 있으면서 동시에 복잡한 열교환기 없이도 작은 공간 내에서도 자열 개질 반응과 수성화 반응 사이에 충분한 온도 차이를 유지할 수 있어 소형화 경량화가 가능하다. According to the fuel processing apparatus and method according to the embodiments of the present invention, it is possible to maintain a high hydrogen yield and a low carbon monoxide yield while maintaining a sufficient temperature difference between an autothermal reforming reaction and an aqueous reaction even in a small space without a complicated heat exchanger. Miniaturization and weight reduction are possible.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에서의 연료 처리 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에서의 디스크형 촉매(도 2a)와 그 지지체(도 2b), 디스크형 촉매가 지지체에 지지된 형상(도 2c)을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 연료 처리 장치를 포함하는 연료 처리 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 실시예에서 반응기 시동 시 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 실시예에서 반응기 운전 시 조성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 실시예에서 반응기 운전 시 온도 변화를 나타내는 그래프이다. 1 is a schematic diagram illustrating a fuel processing apparatus in an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a disc shaped catalyst (FIG. 2A), a support thereof (FIG. 2B), and a shape in which a disc shaped catalyst is supported on a support (FIG. 2C) in an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram illustrating a fuel processing system including a fuel processing apparatus in an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a temperature change at the start of the reactor in the present embodiment.
5 is a graph showing a change in composition during operation of the reactor in the present embodiment.
6 is a graph showing a change in temperature during the operation of the reactor in the present embodiment.
이하 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.
자열 개질 반응기와 수성화 반응기가 일체화된 통합 반응기를 구성함에 있어서, 자열 개질 반응과 수성화 반응의 온도 차이 때문에 일체형 반응기 내의 제한된 공간에서 자열 개질 반응기와 수성화 반응기가 예컨대 200℃ 내지 300℃ 정도의 온도 구배를 유지하는 것이 중요하다. In constructing an integrated reactor in which the autothermal reforming reactor and the hydrolysis reactor are integrated, the autothermal reforming reactor and the hydrolysis reactor may be, for example, between 200 ° C and 300 ° C in a limited space in the integrated reactor due to the temperature difference between the autothermal reforming reaction and the waterification reaction. It is important to maintain a temperature gradient.
따라서, 본 발명의 구현예들에서는 자열 개질 반응기와 수성화 반응기를 집적하되, 자열 개질 반응의 반응물과 생성물이 상호 열교환하도록 함으로써 상기 반응물은 예열하도록 하고, 상기 생성물은 온도를 낮추어 수성화 반응에 공급되도록 함으로써, 원하는 온도 구배를 유지하도록 할 수 있다.Therefore, in the embodiments of the present invention, an autothermal reforming reactor and an aqueous reactor are integrated, and the reactants and the product of the autothermal reforming reaction are heat-exchanged with each other so that the reactants are preheated, and the product is lowered to supply the aqueous reaction. By doing so, it is possible to maintain a desired temperature gradient.
구체적으로, 본 발명의 구현예들에서는, 자열 개질 반응이 일어나는 자열 개질 반응기, 상기 자열 개질 반응기와 대향하여 위치하고 수성화 반응이 일어나는 수성화 반응기, 상기 자열 개질 반응기와 상기 수성화 반응기 사이에 위치하는 내부 열교환기를 포함하는 자열 개질 반응기와 수성화 반응기가 통합된 연료 처리 장치를 제공한다. Specifically, in the embodiments of the present invention, the autothermal reforming reactor in which the autothermal reforming reaction takes place, the hydrolysis reactor located opposite to the autothermal reforming reactor and in which the hydrolysis reaction occurs, located between the autothermal reforming reactor and the aqueous hydrolysis reactor. A fuel processing apparatus incorporating an autothermal reforming reactor and an aqueous reactor including an internal heat exchanger is provided.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에서의 연료 처리 장치를 나타내는 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a fuel processing apparatus in an exemplary embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 연료 처리 장치(100)는, 자열 개질 반응기(10)와 이에 대향하여 위치하는 수성화 반응기(30)를 구비하며, 상기 자열 개질 반응기(10)와 상기 수성화 반응기(30) 사이에 내부 열교환기(20)가 구비될 수 있다. As shown in FIG. 1, a
상기 자열 개질 반응기(10)는 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역 및 상기 반응 구역의 외측에 존재하고 자열 개질 반응의 반응물이 이동하는 통로(도 1에서 반응물이 수직 상 방향으로 이동하는 통로)를 포함할 수 있다. The
상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역은, 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매, 상기 디스크 형 촉매를 지지하는 지지체, 상기 디스크 형 촉매의 통공에서 점화를 수행하는 점화기 및 상기 촉매, 지지체 및 점화기를 수용하고 상기 자열 개질 반응의 반응물이 이동하는 통로와 반응 구역을 구획하는 외부 하우징을 포함할 수 있다. The reaction zone in which the autothermal reforming reaction occurs comprises at least one disk-type catalyst having a through hole, a support for supporting the disk-type catalyst, an igniter for igniting at the hole of the disk-type catalyst and the catalyst, the support and the igniter It may include an outer housing that receives and defines a passageway and a reaction zone through which the reactants of the autothermal reforming reaction travel.
여기서, 상기 자열 개질 반응의 반응물은 도 1에 도시된 바와 같이 내부 열교환기를 거친 후 상기 반응 구역의 외측(즉, 예컨대 상기한 외부 하우징)을 따라서 이동하면서 자열 개질 반응의 생성물과 추가로 열교환한 후 상기 반응 구역으로 공급될 수 있다.Here, the reactant of the autothermal reforming reaction passes through an internal heat exchanger as shown in FIG. 1, and then further heat exchanges with the product of the autothermal reforming reaction while moving along the outside of the reaction zone (ie, the outer housing described above). May be fed to the reaction zone.
상기 자열 개질 반응기(10)에는 초기 시동을 위한 보조 가열 장치(15)가 추가될 수 있으며, 상기 보조 가열 장치(15)는 예컨대 상기 자열 개질 반응기(10)를 감싸도록 형성될 수 있다. 상기 연료 처리 장치에는 반응물 또는 생성물이 유입 또는 유출 될 수 있는 통로(6, 7)가 구비될 수 있으며, 점화기가 장입되기 위한 점화기 장입 통로(5)도 구비될 수 있다.The
상기 자열 개질 반응기의 반응물(특별히 제한되지 않지만, 예컨대 에탄올, 물 및 공기를 포함할 수 있다)은 반응물 공급 통로(6)를 따라서 상기 내부 열교환기(20)내로 공급되고, 상기 내부 열교환기(20)를 거쳐서 상기 자열 개질 반응기(10)로 공급되고, 상기 자열 개질 반응기(10)의 생성물은 상기 내부 열교환기(20)를 거쳐서 상기 자열 개질 반응기의 반응물과 열교환한 후 상기 수성화 반응기(30)에 반응물로서 공급될 수 있다. Reactants of the autothermal reforming reactor (which may include, but are not particularly limited to, for example, ethanol, water and air) are fed into the
상기 수성화 반응기는 수성화 반응이 일어나는 반응 구역 및 상기 수성화 반응이 일어나는 반응 구역의 외측에 존재하고 수성화 반응의 반응물이 이동하는 통로를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 수성화 반응이 일어나는 반응 구역은, 도 1에 도시된 바와 같이 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매, 상기 디스크 형 촉매를 지지하는 지지체 및 상기 디스크 형 촉매의 통공에서 점화를 수행하는 점화기를 포함할 수 있다.The aqueous reactor may comprise a reaction zone in which the aqueous reaction takes place and a passage that exists outside of the reaction zone where the aqueous reaction takes place and through which the reactants of the aqueous reaction move. The reaction zone in which the aqueous reaction takes place may include an igniter which performs ignition in one or more disk-type catalysts having through holes therethrough, a support for supporting the disk-type catalysts and in the holes of the disk-type catalysts. It may include.
이상과 같은 자열 개질 반응기와 수성화 반응기의 통합 구성에 의하면, 두 반응의 반응 구역 사이의 온도 구배가 잘 유지될 수 있게 되어 복잡한 열교환기를 사용할 필요 없이도 작은 공간 내에서 자열 개질 반응기와 수성화 반응기 사이에 충분한 온도 차이를 유지할 수 있게 된다. According to the integrated configuration of the autothermal reforming reactor and the hydrolysis reactor as described above, the temperature gradient between the reaction zones of the two reactions can be maintained well, so that the space between the autothermal reforming reactor and the hydrolysis reactor in a small space without using a complicated heat exchanger is required. It is possible to maintain a sufficient temperature difference.
예컨대, 작은 공간 내에서 700℃ 이상의 자열 개질 반응기의 출구 가스 온도를 수성화 반응에 적합한 예컨대 500℃ 이하로 떨어뜨리는 것이 용이하게 되는 것이다(즉, 예컨대 200℃ 내지 300℃ 정도의 온도 구배; 참고로 상기 온도 구배의 측정은 예컨대 도 1에서 자열 개질 반응기의 중심인 T1 및 수성화 반응기의 중심인 T3간 온도, 또는 자열 개질 반응기의 출구 측인 T2 및 수성화 반응기의 중심인 T3 간 온도 구배를 측정하여 확인할 수 있다). 또한, 자열 개질 반응기의 반응물도 손쉽게 예열되어 자열 개질 반응에 공급될 수 있다. 이러한 특징을 가지는 자열 개질 반응과 수성화 반응의 통합 반응기는 소형, 경량화가 가능함에 따라서 특히 휴대용 시스템 용 연료처리장치로서 적합하게 되는 것이다. 참고로, 도 1은 소형 경량화된 통합 반응기에서의 반응물 및 생성물의 이동 경로를 표시하고 있다. For example, it is easy to drop the outlet gas temperature of the autothermal reforming reactor of 700 ° C. or higher in a small space to, for example, 500 ° C. or lower suitable for an aqueous reaction (ie, a temperature gradient of, for example, 200 ° C. to 300 ° C .; The measurement of the temperature gradient is, for example, by measuring the temperature gradient between T1, which is the center of the autothermal reforming reactor and T3, which is the center of the hydrolysis reactor, or T2, which is the outlet side of the autothermal reforming reactor, and T3, which is the center of the hydrolysis reactor, in FIG. Can be checked). In addition, the reactants of the autothermal reforming reactor can also be easily preheated and fed to the autothermal reforming reaction. The combined reactor of the autothermal reforming reaction and the aqueous reaction which has such a characteristic can be made small and light, and thus is particularly suitable as a fuel processor for a portable system. For reference, FIG. 1 shows the route of reaction of reactants and products in a compact, lightweight integrated reactor.
이하 자열 개질 반응기(10)와 수성화 반응기(30)가 디스크형 촉매를 수용하는 경우에 대하여 보다 상술한다.Hereinafter, the case where the
앞서 설명한 바와 같이, 상기 자열 개질 반응기(10)는 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매를 수용하는 것일 수 있다. 또한, 상기 수성화 반응기(30) 역시 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매를 수용하는 것일 수 있다.As described above, the
상기 디스크 형 촉매는 적어도 2장 이상이 적층되어 스택으로 형성될 수 있다. 이와 같이 스택으로 형성하는 경우 해당 디스크 형 촉매 사이에 틈이 없도록 충분히 밀착시키도록 한다.At least two or more disk-type catalysts may be stacked to form a stack. In the case of forming the stack in this way, the disk-type catalysts should be sufficiently in contact with each other so that there is no gap.
상기 디스크 형 촉매는 백금(Pt), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd)과 같은 높은 개질 활성을 갖으면서 산화환원 안정성이 높은 금속이 산화세륨(CeO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화타이타늄(TiO2), 산화실리콘(SiO2), 도핑된 산화세륨(예를 들어, Sm, Gd, Zr, Y, Ca-CeO2)상에 담지된 담지 촉매를, 예컨대 철-크롬-알루미늄 합금(FeCrAl)이나 인코넬(Inconnel)과 같은 금속 구조체 위에 코팅한 구조의 촉매일 수 있다. 이러한 구조를 가지는 촉매는 개질 활성, 산화환원 안정성, 열전도도, 내열성이 우수하다.The disk-type catalyst is a metal having a high redox stability such as platinum (Pt), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), palladium (Pd) and high redox stability is cerium oxide (CeO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), silicon oxide (SiO 2 ), doped cerium oxide (eg Sm, Gd, Zr, Y, Ca—CeO 2 ) The supported supported catalyst may be, for example, a catalyst having a structure coated on a metal structure such as iron-chromium-aluminum alloy (FeCrAl) or Inconnel. Catalysts having such a structure are excellent in reforming activity, redox stability, thermal conductivity and heat resistance.
이와 같이 자열 개질 반응기(10)와 수성화 반응기(30)가 디스크 형 촉매를 수용하는 경우, 상기 자열 개질 반응기(10)의 반응물은 상기 자열 개질 반응기(10)의 디스크 형 촉매의 중심에서 디스크 형 촉매의 외측을 향하여 퍼짐 즉, 예를 들어 방사형으로 디스크 형 촉매의 바깥쪽으로 퍼지면서 자열 개질 반응을 수행할 수 있다. As described above, when the
또한, 상기 수성화 반응기(30)에서의 반응물(즉, 자열 개질 반응의 생성물)은 상기 수성화 반응기(30)의 디스크 형 촉매의 외측에서 디스크 형 촉매의 중심으로 수렴 즉, 예를 들어 방사형으로 디스크 형 촉매의 중심으로 수렴하도록 이동하면서 수성화 반응을 수행할 수 있다(도 1의 반응물 및 생성물 이동 경로 참조). 상기 수성화 반응기를 거친 생성물은 배출구(7)를 통하여 배출될 수 있다.In addition, the reactants (ie, the product of the autothermal reforming reaction) in the
이와 같이 상기 자열 개질 반응기(10)와 수성화 반응기(30)가 디스크 형 촉매를 채용하는 형태를 가지게 되면, 자열 개질 반응에서는 자연스럽게 반응물이 각 디스크 형 촉매를 따라서 안에서 밖으로 퍼지고, 수성화 반응에서는 각 디스크 형 촉매를 따라서 밖에서 안으로 모아지게 된다. As described above, when the
이에 따라, 자열 개질 생성물은 자연스럽게 넓은 면적에서 자열 개질 반응기에 유입되는 반응물과 더욱 원활하게 열교환할 수 있는 구조가 된다(도 1의 반응물 및 생성물 이동 경로 참조). As a result, the autothermal reforming product is naturally structured to exchange heat more smoothly with the reactants entering the autothermal reforming reactor in a large area (see the reactants and the product migration path of FIG. 1).
즉, 자열 개질 반응에서 반응물이 디스크 형 촉매를 따라서 중심에서 바깥쪽으로 퍼진다는 것은, 자열 개질 반응의 반응물이 자열 개질 반응 구역에서 외측으로 도달하기 더 쉽고 이에 따라 자열 개질 반응의 반응 구역의 외측을 따라서 이동하는 자열 개질 반응의 반응물과 추가로 열교환하는 것에 더 유리하다는 것을 의미한다. 이러한 특징은 연료 처리 장치의 소형화 경량화에 더욱 기여할 수 있게 되는 것이다.That is, in the autothermal reforming reaction, the spreading of the reactants from the center outward along the disk-type catalyst means that the reactants of the autothermal reforming reaction are more likely to reach outwards from the autothermal reforming reaction zone and thus along the outside of the reaction zone of the autothermal reforming reaction. It means more advantageous to further heat exchange with the reactants of the moving autothermal reforming reaction. This feature can further contribute to miniaturization and weight reduction of the fuel processing device.
한편, 수성화 반응기에서는 디스크형 촉매의 중심으로 수성화 반응의 생성물이 모여져서 반응기에 출구로 나가게 된다. On the other hand, in the aqueous reactor, the product of the aqueous reaction is collected at the center of the disk-type catalyst and exits to the reactor.
통합 반응기의 예시적인 구현예에서, 상기 자열 개질 반응기(10)는 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역 및 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역의 외측에 존재하고 자열 개질 반응의 반응물이 이동하는 통로를 포함할 수 있으며, 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역은, 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매, 상기 디스크 형 촉매를 지지하는 지지체 상기 디스크 형 촉매의 통공에서 점화를 수행하는 점화기 및 상기 촉매, 지지체 및 점화기를 수용하고 상기 자열 개질 반응의 반응물이 이동하는 통로와 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역을 구획하는 외부 하우징을 포함할 수 있다. 여기서 상기 자열 개질 반응의 반응물은 내부 열교환기를 거친 후 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역의 외부 하우징을 따라서 이동하며 자열 개질 반응의 생성물과 추가로 열교환한 후 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역으로 공급될 수 있다.In an exemplary embodiment of an integrated reactor, the
또한, 상기 수성화 반응기(30)는 수성화 반응이 일어나는 반응 구역 및 상기 수성화 반응이 일어나는 반응 구역의 외측에 존재하고 수성화 반응의 반응물이 이동하는 통로를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 수성화 반응이 일어나는 반응 구역은, 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매, 상기 디스크 형 촉매를 지지하는 지지체 및 상기 디스크 형 촉매의 통공에서 점화를 수행하는 점화기를 포함할 수 있다. In addition, the
여기서, 상기 자열 개질 반응기의 반응물은 상기 자열 개질 반응기의 반응 구역 내의 디스크 형 촉매의 중심에서 외측을 향하여 방사형으로 퍼지는 것이고, 상기 수성화 반응기의 반응물은 상기 수성화 반응기의 반응 구역 내의 디스크 형 촉매의 외측에서 중심으로 방사형으로 수렴하는 것일 수 있다.Here, the reactant of the autothermal reforming reactor is radially spread outward from the center of the disk-shaped catalyst in the reaction zone of the autothermal reforming reactor, and the reactant of the aqueous reactor is the reaction of the disk-type catalyst in the reaction zone of the aqueous reactor. It may be a radial convergence from the outside to the center.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에서의 디스크형 촉매와 그 지지체, 디스크형 촉매가 지지체에 지지된 형상을 나타내는 개략도이다.2 is a schematic view showing a disk-shaped catalyst, a support thereof, and a shape in which a disk-type catalyst is supported on a support in an exemplary embodiment of the present invention.
도 2a는 디스크형 촉매(1)를 나타내는 예시이고, 도 2b는 그 지지체(2)를 나타내는 예시이며, 도 2c는 디스크형 촉매(1)가 지지체(2) 상에 지지된 것을 나타내는 예시이다. 참고로, 도 1은 디스크형 촉매(1)가 지지된 지지체(2)가 연료 처리 장치(100)에 장착된 것을 모사하고 있다. FIG. 2A is an illustration showing the disk-shaped
한편, 본 발명의 구현예들에서는 또한, 자열 개질 반응과 수성화 반응을 통합하여 수행하는 연료 처리 방법으로서, 상기 자열 개질 반응의 반응물과 상기 자열 개질 반응의 생성물이 상호 열교환하도록 하는 단계, 상기 열교환된 자열 개질 반응의 반응물을 상기 자열 개질 반응에 반응물로서 공급하고, 상기 열교환된 자열 개질 반응의 생성물을 상기 수성화 반응에 반응물로서 공급하는 연료 처리 방법을 제공한다. On the other hand, in the embodiments of the present invention, the fuel treatment method is performed by integrating an autothermal reforming reaction and an aqueous reaction, the step of allowing the reactant of the autothermal reforming reaction and the product of the autothermal reforming reaction to mutual heat exchange, the heat exchange Provided is a fuel treatment method for supplying a reactant of the prepared autothermal reforming reaction as a reactant to the autothermal reforming reaction, and supplying a product of the heat exchanged autothermal reforming reaction as a reactant to the aqueous reaction.
여기서, 상기 열교환은, 예컨대 도 1을 참조하면, 상기 자열 개질 반응의 반응물과 상기 자열 개질 반응의 생성물이 내부 열교환기 측 즉, 자열 개질 반응의 생성물의 최종 출구 측에서 1차적으로 열교환한 후, 1차 열교환된 자열 개질 반응의 반응물이 자열 개질 반응기의 반응 구역을 따라 이동하면서 2차적으로 열교환하는 것을 모두 포함할 수 있다.Here, the heat exchange, for example, referring to Figure 1, after the reactant of the autothermal reforming reaction and the product of the autothermal reforming reaction is primarily heat exchanged on the internal heat exchanger side, that is, the final outlet side of the product of the autothermal reforming reaction, The reactants of the first heat exchanged autothermal reforming reaction may include both secondary heat exchange while moving along the reaction zone of the autothermal reforming reactor.
앞서 설명한 바와 같이, 이와 같은 열교환에 의하면, 자열 개질 반응 시, 자열 개질 반응과 수성화 반응 간의 온도 구배를 200 내지 300℃의 낮은 온도로 유지할 수 있다.As described above, according to this heat exchange, during the autothermal reforming reaction, the temperature gradient between the autothermal reforming reaction and the aqueous reaction can be maintained at a low temperature of 200 to 300 ° C.
이상과 같은 본 발명의 구현예들에 따른 연료처리장치 및 방법에 의하면 높은 수소 수득률과 낮은 일산화탄소 수득률을 유지할 수 있으면서 동시에 복잡한 열교환기 없이도 작은 공간 내에서도 자열 개질 반응과 수성화 반응 사이에 온도 구배를 유지할 수 있어 소형화 경량화를 달성할 수 있게 된다. According to the fuel processing apparatus and method according to the embodiments of the present invention as described above, it is possible to maintain a high hydrogen yield and a low carbon monoxide yield and at the same time maintain a temperature gradient between the autothermal reforming reaction and the aqueous reaction in a small space without a complicated heat exchanger. It is possible to achieve miniaturization and weight reduction.
이하 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 예시적인 구현예들을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to specific examples.
도 3은 본 발명의 실시예에서 연료 처리 장치를 포함하는 연료 처리 시스템을 나타내는 개략도이다. 3 is a schematic diagram illustrating a fuel processing system including a fuel processing apparatus in an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 자열 개질 반응기(10)와 내부 열교환기(20) 및 수성화 반응기(30)를 포함하는 일체형 반응기를 통해 일산화탄소 농도를 대략 2% 이하까지 떨어뜨린 후, 고온 PEMFC의 성능을 향상하고자 일산화탄소 농도를 추가적으로 0.1% 수준 까지 떨어뜨릴 수 있도록 일체형 통합 반응기의 후단에 다시 외부 수성화 반응기(50)를 추가로 설치하였다. As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the carbon monoxide concentration is dropped to about 2% or less through an integrated reactor including an
여기서 액체 반응물(물, 에탄올)은 펌프(P)(이소크라틱 펌프: Lab Alliance)를 이용하여 공급하였으며, 공기 공급을 위해서 유체 흐름 조절 장치(MFC: Mass Flow Controller)를 사용하였다. The liquid reactant (water, ethanol) was supplied using a pump (P) (Isocratic Pump: Lab Alliance), and a fluid flow controller (MFC: Mass Flow Controller) was used for air supply.
공기는 공기용 외부 열교환기(40)와 내부 열교환기(20)에 의해 수성화 반응기(30)와 자열 개질 반응기(10) 출구 가스에 의해 순차적으로 예열된 후 자열 개질 반응기에 입구에 공급되었다. The air was sequentially preheated by the
예컨대 에탄올인 액상 연료와 물은 내부 열교환기(20)에 펌프(P)에 의하여 직접 공급되어 내부 열교환기(20)와 자열 개질 반응기(10)의 외벽에서 충분히 기화가 된 후 자열 개질 반응기(1O)에 공급되도록 할 수 있다.For example, the liquid fuel and water, which are ethanol, are directly supplied to the
자열 개질 반응기(10)는 반응기 벽면에 감겨 있는 보조 가열 장치 예컨대 전열선에 의해서 초기 시동 된다. 예컨대, 70W 보조 배터리를 사용하여 초기 10분 당안 반응기 외벽의 온도를 300℃까지 올리고, 그 다음 에탄올과 공기를 완전 연소 조건으로 점차 유속을 높이면서 공급하여 30분 안에 개질 조건(에탄올 0.711min/min, OCR = 0.7, SCR = 2.5)에 이르게 하였다.The
내부 발열로 자열 개질 반응기(10) 온도를 700℃ 이상으로 유지시키기 위해서 OCR을 0.7로 약간 높게 유지하였다.The OCR was kept slightly high at 0.7 to maintain the
위 연료 처리 시스템에 대하여 장기 성능 평가를 실시하였다.Long-term performance evaluation of the fuel treatment system was conducted.
도 4는 본 실시예에서 반응기 시동 시 온도 변화를 나타내는 그래프로서, 35분 내 시동 가능한 것을 보여준다. 도 5는 본 실시예에서 반응기 운전 시 조성 변화를 나타내는 그래프이며, 도 6은 본 실시예에서 반응기 운전 시 온도 변화를 나타내는 그래프이다. 참고로, 도 4, 6에서 ATR outlet은 자열 개질 반응기 출구를 나타내고, WGS outlet은 수성화 반응기 출구를 나타내며, Surface of the reactor는 통합 반응기 표면을 나타낸다.Figure 4 is a graph showing the temperature change at the start-up of the reactor in this example, shows that it can be started in 35 minutes. 5 is a graph showing a change in composition during operation of the reactor in the present embodiment, Figure 6 is a graph showing a change in temperature during operation of the reactor in the present embodiment. For reference, in FIGS. 4 and 6, the ATR outlet represents the autothermal reforming reactor outlet, the WGS outlet represents the aqueous hydrolysis reactor outlet, and the Surface of the reactor represents the integrated reactor surface.
700 시간 동안 수소 생성량은 700sccm 이하(130W, LHV 기준)이고, 연료 전환율은 100%, 개질 효율은 40~50% (LHV 기준), 일산화탄소 농도는 1% 미만 (건조 베이시스)이 유지됨을 확인할 수 있었다. 참고로, 연료 전환율은 (일산화탄소 및 이산화탄소 생성 속도)/(탄소 공급 속도)로 표시되고, 개질 효율은 (생성되는 수소의 LHV 흐름)/(공급하는 에탄올의 LHV 흐름)으로 표시된다. Hydrogen production was 700 sccm or less (130W, LHV) for 700 hours,
참고로, 생성물 조성(건조베이시스)은 통합 반응기의 경우 수소 24.9 몰%, 질소 55몰%, 메탄 1.2몰%, 일산화탄소 2.5몰%, 이산화탄소 16.3몰%이고, 외부 수성화 반응기의 경우 수소 27몰%, 질소 51.4몰%, 메탄 1.3몰%, 일산화탄소 0.7몰%, 이산화탄소 19.4몰%이다. For reference, the product composition (dry basis) is 24.9 mol% hydrogen, 55 mol% nitrogen, 1.2 mol% methane, 2.5 mol% carbon monoxide, 16.3 mol% carbon dioxide for an integrated reactor, and 27 mol% hydrogen for an external aqueous reactor. , 51.4 mol% of nitrogen, 1.3 mol% of methane, 0.7 mol% of carbon monoxide, and 19.4 mol% of carbon dioxide.
TC 는 온도 측정 부위를 표시하는 것으로서, TC2는 자열 개질 반응기(10) 입구, TC3는 자열 개질 반응기(10) 출구, TC4는 수성화 반응기(30) 출구, TC5는 통합 반응기 외벽이고, TC6는 외부 수성화 반응기(50) 입구, TC7은 외부 수성화 반응기(50) 출구이다.TC denotes the temperature measurement site, TC2 is the inlet of the
참고로, 자열 반응기(10) 출구(TC3)의 온도는 700~800℃로 유지되었고, 수성화 반응기(30) 출구(TC4)는 250℃로 유지할 수 있었다. 외부 수성화 반응기 입구(TC6) 및 출구(TC7)는 200℃로 비교적 잘 유지되어 약간의 외부열손실을 고려하였을 때 200℃ 이하에서 작동하는 예컨대 PBI전해질 기반 고온 고분자전해질연료전지에 적합함을 확인할 수 있었다.
For reference, the temperature of the
1: 디스코 형 촉매, 2: 지지체
5: 점화 장치 장입 통로 6, 7 : 반응물 또는 생성물 통로
10: 자열 개질 반응기 15: 보조 가열 장치
20: 내부 열교환기 30: 수성화 반응기
40: 외부 열교환기 50: 외부 수성화 반응기
P: 펌프1: disco type catalyst, 2: support
5: ignition
10: autothermal reforming reactor 15: auxiliary heating device
20: internal heat exchanger 30: aqueous reactor
40: external heat exchanger 50: external aqueous hydration reactor
P: Pump
Claims (12)
상기 자열 개질 반응기와 대향하여 위치하고 수성화 반응이 일어나는 수성화 반응기; 및
상기 자열 개질 반응기와 상기 수성화 반응기 사이에 위치하는 내부 열교환기를 포함하는 연료 처리 장치로서,
상기 자열 개질 반응기의 반응물은 상기 내부 열교환기를 거쳐서 상기 자열 개질 반응기로 공급되고, 상기 자열 개질 반응기의 생성물은 상기 내부 열교환기를 거쳐서 상기 자열 개질 반응기의 반응물과 열교환한 후 상기 수성화 반응기에 반응물로서 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 처리 장치.An autothermal reforming reactor in which an autothermal reforming reaction occurs;
An aqueous hydrolysis reactor positioned opposite the autothermal reforming reactor and undergoing an aqueous reaction; And
A fuel processing apparatus comprising an internal heat exchanger located between the autothermal reforming reactor and the aqueous reactor,
The reactant of the autothermal reforming reactor is supplied to the autothermal reforming reactor via the internal heat exchanger, and the product of the autothermal reforming reactor is heat exchanged with the reactant of the autothermal reforming reactor via the internal heat exchanger and then supplied as a reactant to the aqueous reactor. A fuel processing device, characterized in that.
상기 자열 개질 반응기는 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역; 및 상기 반응 구역의 외측에 존재하고 자열 개질 반응의 반응물이 이동하는 통로;를 포함하며, 상기 자열 개질 반응의 반응물은 내부 열교환기를 거친 후 상기 반응 구역의 외측을 따라서 이동하며 자열 개질 반응의 생성물과 추가로 열교환한 후 상기 반응 구역으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 처리 장치.The method of claim 1,
The autothermal reforming reactor includes a reaction zone in which the autothermal reforming reaction occurs; And a passage outside the reaction zone and through which the reactant of the autothermal reforming reaction moves, wherein the reactant of the autothermal reforming reaction moves along the outside of the reaction zone after passing through an internal heat exchanger, And further heat-exchange and then feed to said reaction zone.
상기 자열 개질 반응기는 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매를 수용하는 것이고, 상기 수성화 반응기는 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매를 수용하는 것을 특징으로 하는 연료 처리 장치.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein said autothermal reforming reactor contains one or more disk-type catalysts having through holes therein, and said aqueous hydrolysis reactor contains one or more disk-type catalysts having through holes therethrough.
상기 자열 개질 반응기의 반응물은 상기 자열 개질 반응기 내의 디스크 형 촉매의 중심에서 외측을 향하여 방사형으로 퍼지는 것이고, 상기 수성화 반응기의 반응물은 상기 수성화 반응기 내의 디스크 형 촉매의 외측에서 중심으로 방사형으로 수렴하는 것을 특징으로 하는 연료 처리 장치.The method of claim 3, wherein
The reactant of the autothermal reforming reactor is radially spread outward from the center of the disk type catalyst in the autothermal reforming reactor, and the reactant of the aqueous hydrolysis reactor radially converges from the outer side of the disk type catalyst in the aqueous reactor. A fuel processing device, characterized in that.
상기 자열 개질 반응기 외부에는 상기 자열 개질 반응기의 초기 시동을 위한 보조 가열 장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료 처리 장치.The method of claim 1,
A fuel processing device further comprises an auxiliary heating device for initial startup of the autothermal reforming reactor outside the autothermal reforming reactor.
상기 연료 처리 장치의 외부에는 외부 열교환기가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료 처리 장치.The method of claim 1,
An external heat exchanger is further provided outside the fuel processing device.
상기 자열 개질 반응기는 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역; 및 상기 반응 구역의 외측에 존재하고 자열 개질 반응의 반응물이 이동하는 통로;를 포함하며, 상기 반응 구역은, 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매; 상기 디스크 형 촉매를 지지하는 지지체; 상기 디스크 형 촉매의 통공에서 점화를 수행하는 점화기; 및 상기 촉매, 지지체 및 점화기를 수용하고, 상기 반응물이 이동하는 통로와 반응 구역을 구획하는 외부 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리 장치.The method of claim 1,
The autothermal reforming reactor includes a reaction zone in which the autothermal reforming reaction occurs; And a passage outside the reaction zone and through which the reactant of the autothermal reforming reaction moves, wherein the reaction zone comprises at least one disk-type catalyst having a through hole; A support for supporting the disk catalyst; An igniter which performs ignition in the through hole of the disc catalyst; And an outer housing which receives the catalyst, the support and the igniter and partitions a passage through which the reactant moves and a reaction zone.
상기 수성화 반응기는 수성화 반응이 일어나는 반응 구역; 및 상기 반응 구역의 외측에 존재하고 수성화 반응의 반응물이 이동하는 통로;를 포함하며, 상기 반응 구역은, 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매; 상기 디스크 형 촉매를 지지하는 지지체; 및 상기 디스크 형 촉매의 통공에서 점화를 수행하는 점화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리 장치.The method of claim 1,
The aqueous reactor comprises a reaction zone in which the aqueous reaction takes place; And a passage outside the reaction zone and through which the reactant of the aqueous reaction moves, wherein the reaction zone comprises at least one disk-type catalyst having a through hole; A support for supporting the disk catalyst; And an igniter which performs ignition in the through hole of the disc catalyst.
상기 자열 개질 반응기는 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역; 및 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역의 외측에 존재하고 자열 개질 반응의 반응물이 이동하는 통로;를 포함하며, 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역은, 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매; 상기 디스크 형 촉매를 지지하는 지지체; 상기 디스크 형 촉매의 통공에서 점화를 수행하는 점화기; 및 상기 촉매, 지지체 및 점화기를 수용하고 상기 자열 개질 반응의 반응물이 이동하는 통로와 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역을 구획하는 외부 하우징을 포함하는 것이고,
상기 수성화 반응기는 수성화 반응이 일어나는 반응 구역; 및 상기 수성화 반응이 일어나는 반응 구역의 외측에 존재하고 수성화 반응의 반응물이 이동하는 통로;를 포함하며, 상기 수성화 반응이 일어나는 반응 구역은, 관통된 통공을 가지는 하나 이상의 디스크 형 촉매; 상기 디스크 형 촉매를 지지하는 지지체; 및 상기 디스크 형 촉매의 통공에서 점화를 수행하는 점화기;를 포함하는 것이며,
상기 자열 개질 반응의 반응물은 내부 열교환기를 거친 후 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역의 외부 하우징을 따라서 이동하며 자열 개질 반응의 생성물과 추가로 열교환한 후 상기 자열 개질 반응이 일어나는 반응 구역으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 처리 장치.The method of claim 1,
The autothermal reforming reactor includes a reaction zone in which the autothermal reforming reaction occurs; And a passage outside the reaction zone in which the autothermal reforming reaction occurs and in which the reactant of the autothermal reforming reaction moves, wherein the reaction zone in which the autothermal reforming reaction occurs comprises: at least one disk-type catalyst having a through hole; A support for supporting the disk catalyst; An igniter which performs ignition in the through hole of the disc catalyst; And an outer housing accommodating the catalyst, the support and the igniter and defining a passage through which the reactants of the autothermal reforming reaction move and a reaction zone in which the autothermal reforming reaction occurs,
The aqueous reactor comprises a reaction zone in which the aqueous reaction takes place; And a passage outside the reaction zone in which the aqueous reaction takes place and through which a reactant of the aqueous reaction moves, wherein the reaction zone includes: at least one disk-type catalyst having a through hole; A support for supporting the disk catalyst; And an igniter which performs ignition in the through hole of the disc catalyst.
The reactant of the autothermal reforming reaction passes along the outer housing of the reaction zone where the autothermal reforming reaction occurs after passing through an internal heat exchanger and is further fed to the reaction zone where the autothermal reforming reaction occurs after further heat exchange with the product of the autothermal reforming reaction. A fuel processing device characterized by the above-mentioned.
상기 자열 개질 반응기의 반응물은 상기 자열 개질 반응기의 반응 구역 내의 디스크 형 촉매의 중심에서 외측을 향하여 방사형으로 퍼지는 것이고, 상기 수성화 반응기의 반응물은 상기 수성화 반응기의 반응 구역 내의 디스크 형 촉매의 외측에서 중심으로 방사형으로 수렴하는 것을 특징으로 하는 연료 처리 장치. The method of claim 9,
The reactant of the autothermal reforming reactor is radially spread outward from the center of the disk-shaped catalyst in the reaction zone of the autothermal reforming reactor, and the reactant of the aqueous reactor is outside of the disk-type catalyst in the reaction zone of the aqueous reactor. A fuel processing apparatus, characterized by radially converging to the center.
상기 자열 개질 반응의 반응물과 상기 자열 개질 반응물의 생성물이 상호 열교환하도록 하는 단계; 및
상기 열교환된 자열 개질 반응의 반응물을 상기 자열 개질 반응에 반응물로서 공급하고, 상기 열교환된 자열 개질 반응의 생성물을 상기 수성화 반응에 반응물로서 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리 방법.A fuel processing method performed by integrating an autothermal reforming reaction and an aqueous reaction,
Allowing the reactant of the autothermal reforming reaction and the product of the autothermal reforming reactant to heat exchange with each other; And
And supplying a reactant of the heat exchanged autothermal reforming reaction as a reactant to the autothermal reforming reaction and supplying a product of the heat exchanged autothermal reforming reaction as a reactant to the aqueous hydrolysis reaction.
상기 자열 개질 반응과 상기 수성화 반응의 온도 구배는 200 내지 300℃인 것을 특징으로 하는 연료 처리 방법.The method of claim 11,
And a temperature gradient of the autothermal reforming reaction and the aqueous reaction is 200 to 300 ° C.
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