KR20160083007A - 기상 발열 반응들의 점화를 위한 점화기를 갖는 다중-관형 화학 반응기 - Google Patents

기상 발열 반응들의 점화를 위한 점화기를 갖는 다중-관형 화학 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다중-관형 화학 반응기는 그 관형 반응기 유닛들의 기상 반응 구역들 내에서 기상 발열 반응의 시동을 위한 점화기를 포함한다.

Description

기상 발열 반응들의 점화를 위한 점화기를 갖는 다중-관형 화학 반응기 {MULTI-TUBULAR CHEMICAL REACTOR WITH IGNITER FOR INITIATION OF GAS PHASE EXOTHERMIC REACTIONS}
본 출원은 2013년 11월 6일자로 출원된 미국 특허출원 61/900,510호 및 제61/900,543호 모두의 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 본 출원에 참조문헌으로 통합된다.
본 발명은 화학 반응기들에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 상기 반응기 내부에서 기상(gas phase) 발열 반응들의 점화를 위한 점화기를 장치한 다중-관형 화학 반응기들에 관한 것이다.
본 발명은 일반적으로 모든 방식의 기상 발열 반응들을 수행하기 위한 모든 유형의 다중-관형 반응기들에 적용할 수 있으며, 구체적으로 본 명세서에서 다중-관형 개질장치(reformer)들과, 액체 및 기체 개질가능 연료들의 기상 발열성 개질이 수소-풍부(hydrogen-rich) 리포메이트들을 생산하도록 상기한 개질장치들을 작동하는 방법이 예시될 것이다.
기체 또는 기화된 액체 개질가능 연료를 수소-풍부 일산화탄소-함유 기체 혼합물(보통 합성 가스(synthesis gas)” 또는 “신가스(syngas)”라 칭해지는 생성물)로의 전환(conversion)은, 스팀 개질, 건식(dry) 개질, 자기열(autothermal) 개질 및 촉매 부분 산화(CPOX) 개질과 같은 잘 알려진 임의의 기상 연료 개질 방법으로 수행될 수 있다. 이러한 연료 개질 방법들의 각각은 그 특유의 화학작용과 요건들을 가지며, 다른 방법들에 대한 장점들과 단점들이 있다.
향상된 연료 개질장치들, 연료 개질장치 구성요소들, 및 개질 프로세스들의 개발이, 연료 전지들, 즉 수소, 수소와 일산화탄소의 혼합물, 및 그 유사물과 같은 화학적으로 산화가능한 연료들을 전기화학적으로 전기로 전환하기 위한 디바이스들의, 주전력 장치들((MPUs) 및 보조전력 장치들(APUs)을 포함하는 일반 용도로 크게 확장된 역할을 할 잠재성으로 인해, 상당한 연구의 초점이 되어 왔다. 또한, 연료 전지들은 전문 용도, 예를 들어 전기 차량용 차내탑재(on-board) 전기발생 디바이스들, 가정용 디바이스들을 위한 비상 전력 공급원, 레저용 주전력 공급원, 설비 부재 위치(our-of-grid locations)에서 옥외용 및 다른 전력소비 디바이스들, 및 휴대용 배터리 팩들을 위한 경량, 고전력 밀도, 주위온도-비의존형(ambient temperature-independent) 휴대용 배터리 팩 대체물들에 사용될 수 있다.
수소의 경제적인 대량 생산, 그 분배에 필요한 인트라스트럭쳐(intrastructure), 및(특히 수송 연료로서) 그 저장을 위한 실용적인 수단은 멀리 있다고 생각되기 때문에, 최근의 대부분의 연구 개발은, 전기화학적으로 산화가능한 연료의 공급원, 특히 수소와 일산화탄소의 혼합물의 공급원으로서 연료 개질장치와; 이러한 연료의 전력으로의 전환기(convertors)로서, 통상적으로 연료 전지 "스택(stacks)"이라 칭해지는, 연료 전지 어셈블리를 모두 향상시키는 것과, 보다 컴팩트하고, 신뢰성있으며, 효율적인 전기 에너지 생산 디바이스로 연료 개질장치와 연료전지의 일체화를 지향하고 있다.
본 발명에 의하면 복수의 이격된 반응기 유닛들을 포함하여 구성되는 다중-관형 화학 반응기가 제공되는데, 각 반응기 유닛은 내부 표면 및 외부 표면이 있는 벽, 하나의 말단에 유입구 및 그 대향 말단에 유출구를 갖는 세장관(elongate tube)을 포함하여 구성되고, 상기 벽은 기체 플로우 통로를 에워싸고 적어도 하나의 부위에서 기상 반응 구역을 구획한다. 본 발명의 다중-관형 화학 반응기는 반응기 유닛의 기상 반응 구역 내에서 기상 발열 반응의 점화를 위한 점화기를 적어도 하나 포함할 수 있다. 상기 점화기는, 상기 기상 반응 구역과 열 연통 관계로, 그리고 상기 기상 반응 구역에 근접하나 그로부터 물리적으로 격리되어 위치하는 방사열-발생 소자를 포함할 수 있다.
상기 복수의 이격된 반응기 유닛들에 대해서, 인접하는 반응기 유닛들 사이의 최대 간격은, 이 간격을 상회하면, 작동하는 반응기 유닛에서 기상 발열 반응에서 나온 열에 의해 인접하는 반응기 유닛에서 기상 발열 반응이 개시되지 못하고, 그리고/또는 정상-상태 작동 모드 중에 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들의 온도가 사전결정된 최소 어레이 온도를 하회하는 간격일 수 있다. 인접하는 반응기 유닛들 사이의 최소 간격은, 이 간격을 하회하면, 반응기 유닛의 유출구에서 온도가 사전결정된 최대 온도를 상회하는 간격일 수 있다.
본 발명의 다중-관형 화학 반응기는 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들을 포함하고 있는 챔버 내에 배치되는 적어도 하나의 열전대(thermocouple)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다중-관형 화학 반응기는 복수의 점화기를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 점화기는 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들을 포함하고 있는 챔버의 하나의 말단에 배치될 수 있고, 적어도 하나의 점화기는 상기 챔버의 대향 말단에 배치될 수 있다. 상기 다중-관형 화학 반응기는 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들을 포함하고 있는 챔버 내에 배치되는 복수의 점화기 및 복수의 열전대를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 점화기와 적어도 하나의 열전대는 상기 챔버의 하나의 말단에 배치될 수 있고, 적어도 하나의 점화기와 적어도 하나의 열전대는 상기 챔버의 대향 말단에 배치될 수 있다.
상기 복수의 점화기와 상기 복수의 열전대는 상기 챔버의 하나의 말단에 있는 적어도 하나의 점화기가 상기 챔버의 대향 말단에 있는 열전대와 대향할 수 있도록 상기 챔버 내에 배치된다.
본 발명의 다중-관형 화학 반응기는 기체 반응물들의 공급원을 포함할 수 있으며, 상기 기체 반응물들의 공급원은 상기 반응기 유닛(들)의 기상 반응 구역(들)과 유체 연통한다.
본 발명의 다중-관형 화학 반응기는 다중-관형 화학 반응기의 작동을 제어하기 위한 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 적어도 하나의 점화기, 및 존재하는 경우 상기 적어도 하나의 열전대 및 상기 기체 반응물들의 공급원 중의 적어도 하나와 연동(operative communication)할 수 있다.
본 발명에 의하면, 다중-관형 화학 반응기 내에서 목표하는 생성물을 생산하기 위한 기상 개질 발열 반응(들)을 수행하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 일반적으로, 기체 반응물들을 반응기 유닛으로 도입하는 단계; 상기 반응기 유닛의 기상 반응 구역 내에서 기체 반응물들의 발열성 개질 반응(들)을 방사열로 개시하여서 목표하는 생성물(들)의 생산을 시작하는 단계; 및 상기 반응기 유닛의 기상 반응 구역 내에서 발생하는 발열 반응에 의해 생산된 열을 하나 이상의 인접하는 반응기 유닛들의 기상 반응 구역에 전달하고, 이에 의해 적어도 하나의 인접하는 반응기 유닛 내에서 발열 반응을 개시하고, 이러한 방식으로 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들 각각에서 발열 반응을 개시하는 단계를 포함한다. 상기 반응기 유닛은 복수의 이격된 반응기 유닛들을 포함할 수 있고, 각 반응기 유닛은 내부 표면 및 외부 표면이 있는 벽, 하나의 말단에서 유입구 및 대향 말단에 유출구를 가지는 세장관을 포함할 수 있으며, 상기 벽은 기체 플로우 통로를 둘러싸고 적어도 하나의 부위가 기상 반응 구역을 구획할 수 있다.
본 발명의 방법은 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들에서 발열 반응들을 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
발열 반응들을 유지하는 단계는 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들의 각 반응기 유닛으로 기체 반응물들을 도입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 발열 반응은 부분 산화 반응일 수 있다.
일부 방법들에서, 방사열로 발열 반응을 개시하는 단계는 방사열-발생 소자를 포함하여 구성되는 적어도 하나의 점화기로 개시하는 것을 포함하여 구성된다. 상기 방사열-발생 소자는, 상기 기상 반응 구역과 열 연통관계로, 그리고 상기 기상 반응 구역에 근접하나 그로부터 물리적으로 격리되어 위치될 수 있다.
본 발명에 의하면,(a) 각 반응기 유닛이 내부 표면 및 외부 표면이 있는 벽, 하나의 말단에서 유입구 및 대향 말단에서 유출구를 가지는 세장관을 포함하여 구성되며, 상기 벽이 기체 플로우 통로를 둘러싸고, 상기 통로의 적어도 하나의 부분은 기상 반응 구역을 구획하는, 복수의 이격된 반응기 유닛들; 및 (b) 반응기 유닛들의 노출된 섹션들과 근접하나 그로부터 물리적으로 격리되어 위치되는 방사열-발생 소자를 포함하여, 상기 반응기 유닛들의 기상 반응 구역들 내에서 기상 발열 반응의 점화를 위한 적어도 하나의 점화기를 포함하여 구성되는 다중-관형 화학 반응기가 제공된다. 상기 반응기 유닛들은 챔버 내에 배치될 수 있다. 상기 점화기의 작동에 의해 근접하여 있는 적어도 하나의 반응기 유닛의 노출된 부위로 방사열이 전파되어, 그 기상 반응 구역 내에서 기상 발열 반응이 개시된다. 상기 적어도 하나의 반응기 유닛의 반응 구역 내에서 발생하는 발열 반응에 의해 생산된 방사열은 다시, 임의선택적으로 챔버 내에 있는, 적어도 하나의 다른 반응기 유닛 내에서 발열 반응을 개시할 수 있으며, 이러한 방식으로 반응기 유닛들 모두에서 발열 반응을 개시할 수 있다.
상기 챔버 내에 반응기 유닛들의 노출된 섹션들에 물리적으로 격리된 상태로 위치되는, 다중-관형 기상 화학 반응기의 점화기 구성요소는 반응기 작동 관리에 몇가지 이점 및 장점을 제공한다. 관형 반응기 유닛들의 수 및 배치구조에 의존하여, 단 하나의 점화기 유닛, 많아야 몇 개의 점화기 유닛들이, 반응기 유닛들의 기상 반응 구역들 내에서 발열 기상 반응을 개시 또는 라이트-오프(light-off) 하는데 종종 충분할 수 있다. 이는 반응기 및 그 개별 관형 반응기 유닛들의 구성, 반응기의 작동, 및 반드시 필요하게 될 작동하지 않는 또는 결함있는 점화기의 확인 및 교체 모두를 단순화한다.
본 발명에서 반응기의 점화기 구성요소의 또 하나의 주요 장점은, 반응기의 정상-상태 작동이 달성되면 비활성화될 수 있고, 반응기 작동들의 관리가 필요할 때 다시 발열 기상 반응을 개시하도록 재활성화될 수 있는 편리함이다. 점화기의 활성화 및 비활성화의 용이함은, 다중-관형 반응기들이 상기 반응기들의 정상적인 기능에서 빈번하고 신속한 온-오프 사이클을 수행할 수 있게 하는데 이득이 될 수 있다.
아래에 설명되는 첨부 도면들은 단지 예시의 목적으로 제시되는 것으로 이해하여야 한다. 상기 도면들은 반드시 축척에 따라 도시된 것은 아니며, 일반적으로 본 발명의 원리를 설명하는데 중점을 두고 도시한 것이다. 첨부 도면들은 본 발명의 범위를 어떤 식으로든 제한하고자 하는 것이 아니다. 같은 도면 부호는 일반적으로 같은 부분을 가리킨다.
도 1은 본 발명의 하나의 구체예에 따르는 기상 발열성 화학 반응기, 구체적으로 기체 연료 CPOX 개질장치의 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1의 기체 연료 CPOX 개질장치의 작동을 관리하기 위한 예시적인 제어 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 제어 시스템과 같은 제어기에 의해 실행되는 예시적인 제어 루틴의 플로우챠트이다.
도 4A는 본 발명의 하나의 구체예에 따르는 기체 연료 CPOX 개질장치의 종단면도이다.
도 4B는 도 4A에 도시된 기체 연료 CPOX 개질장치의 횡방향(종방향 축에 수직인 방향) 단면도이다.
도 4C는 도 4A에 도시된 기체 연료 CPOX 개질장치의 평면 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 하나의 구체예에 따르는 기상 화학 반응기, 구체적으로 액체 연료 CPOX 개질장치의 종단면도이다.
도 6은 도 5의 액체 연료 CPOX 개질장치의 작동을 관리하기 위한 제어기에 의해 실행되는 예시적인 제어 루틴의 플로우챠트이다.
본 발명의 설명이 CPOX 개질장치에 적용되어 기술되고 있지만, 본 발명은 모든 발열성 개질장치들 및/또는 반응들에 적용된다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명은 본 명세서에서 설명된 특정 절차들, 물질들, 및 수정들에 제한되는 것이 아니며, 상황에 따라 달라질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 용어들은 특정 구체예들을 설명할 목적으로 사용되는 것일 뿐이며, 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정될, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
간결한 설명을 위해, 본 명세서에서 논의 및 설명 내용은 주로 촉매 부분 산화 개질 반응들 및 반응물들(개질가능 연료 및 산소-함유 기체)을 포함하는 부분 산화 개질 반응들 및 반응물들에 주로 초점을 두고 있다. 하지만, 본 명세서에서 설명되는 디바이스들, 어셈블리들, 시스템들 및 방법들은 자기열 개질 반응들 및 반응물들(개질가능 연료, 스팀 및 산소-함유 기체)과 같은 다른 발열성 개질 반응들뿐만 아니라, 본 명세서에 설명되는 다른 기상 발열 반응들에 응용될 수 있는 것이다. 따라서, 산소-함유 기체가 본 명세서에서 디바이스 또는 방법과 관련해서 참조되는 경우, 달리 명시되거나 또는 문맥상 달리 이해되지 않는 한, 본 발명은 스팀을 산소-함유 기체와 조합하여 포함하는 것으로 고려되어야 한다. 또한, 개질가능 연료가 디바이스 또는 방법과 관련해서 참조되는 경우, 달리 명시되거나 또는 문맥상 달리 이해되지 않는 한, 본 발명은 스팀을 단독으로 또는 조합하여, 즉 개질가능 연료 및/또는 스팀을 포함하는 것으로 고려되어야 한다.
또한, 본 발명의 반응기들, 시스템들 및 방법들은, 예를 들어 동일한 구조 및 구성요소들 내에서 그리고/또는 본 명세서에서 설명된 바와 같은 동일한 일반적 방법들과 함께, 발생하는 CPOX 개질 및 자기열 개질을 수행하는데 적합할 수 있음을 이해하여야 한다. 말하자면, 본 발명의 반응기들, 시스템들 및 방법들은 적합한 액체 반응물들, 예를 들어, 액체 개질가능 연료 및/또는 액체인 물(water)을 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화된 액체 개질가능 연료 및 스팀을 각각 발생시키기 위한 기화기로 송출할 수 있고, 그리고 적합한 기체 반응물들, 예를 들어, 산소-함유 기체, 기체 개질가능 연료 및 스팀 중의 적어도 하나를 그 각각의 공급원으로부터 연료 전지 유닛 또는 시스템의 목표하는 구성요소, 예를 들어 개질장치로 송출할 수 있다.
물이 송출 시스템(delivery system)에 사용되는 경우, 개질장치, 연료 전지 유닛 또는 시스템의 연료 전지 스택 및 애프터버너(afterburner) 중의 하나 이상으로부터 리사이클링된 열은, 송출 시스템에 존재할 수 있는, 그리고/또는 독립 공급원으로부터 송출 시스템으로 도입될 수 있는, 스팀을 발생시키기 위한 물을 기화하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 명세서 및 특허청구범위 전체에서, 구조들, 디바이스들, 장치들, 조성들 등이 특정 구성요소들을 가지는, 포함하는, 또는 포함하여 구성되는 것으로 설명되는 경우, 또는 방법들이 특정 방법 단계를 가지는, 포함하는, 또는 포함하여 구성되는 것으로 설명되는 경우에, 상기한 구조들, 디바이스들, 장치들, 조성들 등이 또한 언급된 구성요소들로 주 구성되는, 또는 구성되는 것을, 그리고 상기한 방법들이 또한 언급된 방법단계들로 주 구성되는, 또는 구성되는 것을 고려한 것이다.
본 명세서와 특허청구 범위에서, 구성 요소 또는 구성 성분이, 언급된 구성요소 또는 구성성분의 리스트에 포함되고 그리고/또는 그로부터 선택된다고 언급된 경우, 구성 요소 또는 구성 성분은, 기재된 구성요소들 또는 구성성분들 중의 임의의 것일 수 있고, 둘 또는 그 이상의 기재된 구성요소들 또는 구성성분들로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에 기술된 구조, 디바이스, 장치 또는 구성, 또는 방법의 구성요소 및/또는 특징은, 명시되어 있든 암시되어 있든 관계없이, 본 발명의 초점과 범위를 벗어나지 않고 다양한 방식으로 조합될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 특정 구조가 참조 인용된 경우, 그 구조는 본 발명의 장치 및/또는 방법의 여러 구체예들에 사용될 수 있다.
사용된 용어 "포함하는(include, includes, including)", "가지는(have, has, having)", "함유하는(contain, contains, containing)" 및 그 문법적 등가의 표현은, 달리 명시되거나 또는 문맥상 다르게 이해되는 것이 아닌 한, 일반적으로 개방형이고 비제한적인 것으로, 예를 들어, 기재되지 않은 추가 구성요소들 또는 단계들을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용된 단수형, 예를 들어 "하나의" 및 "상기"는 달리 명시하지 않는 한, 복수형을 포함하며, 그 반대도 성립한다.
수량 값 앞에 용어 "약"이 사용되는 경우, 달리 명시되는 않는 한, 본 발명은 그 특정 수량 값 자체도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는, 용어 "약"은, 달리 표시되거나 또는 추론되지 않는 한, 그 명목 값(nominal value)의 ±10% 차이를 가리킨다.
단계들의 순서 또는 특정 작용들을 수행하기 위한 순서는, 본 발명이 작동할 수 있는 상태를 유지하는 한, 중요하지 않음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 방법들은, 본 명세서에 달리 표시되지 않는 한 또는 문맥에 의해 명백하게 부정되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 또한, 둘 또는 그 이상의 단계들 또는 작용들이 동시에 수행될 수도 있다.
본 명세서의 전체에 걸쳐, 수치들은 값들의 범위들로 개시된다. 구체적으로 본 명세서에 개시된 수치들의 범위는 그러한 범위 및 그 하위범위의 구성원들의 각각 및 모든 개별 값을 포함하는 것으로 의도된 것이다. 구체적인 예를 들어, 0 내지 20 범위의 정수는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 및 20을 개별적으로 개시하는 것으로 의도된 것이며, 그리고 임의의 그 하위 범위, 예를 들어, 0 내지 10, 8 내지 16, 16 내지 20 등을 개별적으로 개시하는 것으로 의도된 것이다.
본 명세서에서 제공되는 모든 예들, 또는 예시어들(예를 들어 "-와 같은")의 사용은 단지 본 발명을 더 잘 이해할 수 있도록 의도된 것이며, 특허청구되지 않는다고 해서 본 발명의 범위에 제한을 가하기 위한 것은 아니다. 본 명세서의 여하한 표현들도, 비-특허청구 요소를 본 발명의 실시에 필수적인 구성요소로 나타내는 것으로 해석되지 않아야 한다.
"상부(upper)", "하부(lower)", "최상부(top)", "저부(bottom)", "수평의(horizontal)", "수직의(horizontal)" 등과 같은 공간적인 방향 또는 고도를 나타내는 용어들 및 표현들은, 문맥상 달리 명시하지 않는 한, 구조적, 기능적 또는 작동적 의미를 가지지 않는 것이며, 단지 첨부 도면들의 특정 도면에 도시된 본 발명의 반응기들의 다양한 도면들(views)의 임의로 선택된 방향들을 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 사용된, "개질가능 연료'는 액체 개질가능 연료 및/또는 기체 개질가능 연료를 말한다.
상기 표현 "기체 개질가능 연료"는 표준 온도 및 압력(standard temperature and pressuer: STP) 조건에서 기체이고, 개질하면 수소-풍부 리포메이트로 전환하는, 개질가능 탄소- 및 수소-함유 연료를 포함하는 것으로 이해하여야 하며, 그 예를 들면, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 이소부틸렌, 디메틸 에테르, 이들의 혼합물들, 예컨데 천연 가스 및 액화 천연 가스(LNG)(주성분은 메탄임); 석유가스 및 액화 석유 가스(LPG)(주성분은 프로판 또는 부탄이나, 주로 프로판과 부탄으로 만들어진 모든 혼합물을 포함함), 암모니아 및 그 유사물들이 있다.
표현 "액체 개질가능 연료"는 표준 온도 및 압력(STP) 조건에서 액체인 개질가능 탄소- 및 수소-함유 연료를 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 그 예로는 개질을 받게 되면 수소-풍부 리포메이트로 전환되는 메탄올, 에탄올, 나프타, 석유추출액(distillate), 가솔린, 등유, 제트 연료, 디젤, 바이오디젤 등이 있다. 또한, 상기 표현 "액체 개질가능 연료"는 이러한 연료가 액체 상태로 있거나 기체 상태(즉, 증기)로 있거나 관계없이 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 사용된 표현 "기체 개질 반응 혼합물"은 기체상태의(gaseous) 액체 개질가능 연료(예를 들어, 기화된 액체 개질 가능 연료), 기체 개질가능 연료, 또는 그 조합들, 및 산소-함유 기체(예를 들어 공기) 및/또는 물(예를 들어, 기체 상태인)을 포함하는 혼합물을 지칭한다. 기체 개질 반응 혼합물은, 역시 일산화탄소를 포함할 수 있는, 수소 풍부 생성물(리포메이트; reformate)을 만들어내기 위하여 개질 반응을 하게 할 수 있다. 촉매 부분 산화 개질 반응이 수행되는 경우, 기체 개질 반응 혼합물은 개질가능 연료와 산소 함유 기체를 포함하는, "기체 CPOX 반응 혼합물"이라고 할 수 있다. 스팀 개질 반응이 수행되는 경우, 기체 개질 반응 혼합물은 개질가능 연료와 스팀을 포함하는,"기체 스팀 반응 혼합물"이라고 할 수 있다. 자기열 개질 반응이 수행되는 경우, 기체 개질 반응 혼합물은 개질가능 연료, 산소 함유 기체 및 스팀을 포함하는, "기체 자기열 개질 반응 혼합물"이라고 할 수 있다.
상기 용어 "개질 반응"은, 기체 반응 매질이 수소 풍부 리퍼메이트로 전환하는 동안에 일어나는, 발열 및/또는 흡열 반응(들)을 포함하는 것으로 이해하여야 한다. 그러므로 본 명세서에서, "개질 반응"이라는 표현은, 예를 들어, CPOX, 자기열 개질 및 스팀 개질을 포함한다.
간결한 설명을 위해 언급한 바 있으나, 다시 설명하면, 본 명세서에서의 논의와 설명은, 촉매 부분 산화 개질 반응 및 반응물을 포함하는 부분 산화 개질 반응 및 반응물에 주로 초점을 둘 것이다. 그러나 본 명세서에서 설명된 디바이스, 어셈블리, 시스템 및 방법은, 스팀 개질과 자기열 개질과 같은 다른 개질 반응 그리고 그 각각의 반응물에 균등하게 적용할 수 있다. 예를 들어, 자기열 개질의 경우, 스팀이 본 명세서에서 설명된 산소-함유 기체 및/또는 개질가능 연료와 함께 도입될 수 있다.
이하, 본 발명의 기상 반응기(gas phase reactor)를 도 1, 2, 3 및 4A-4D의 기체 연료 CPOX개질장치들의 구체예들, 및 도 5 및 6의 액체 연료 CPOX 개질장치의 구체예들과 연관지어 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1에 개략적인 블록도로 도시된 기체 연료 CPOX 개질장치(100), 개질장치(100)의 작동들을 관리하기 위한 도 2의 개략적인 블록도로 도시된 예시적인 제어 시스템(200), 도 2의 제어 시스템(200)에 의한 실행을 위하여 도 3에 도시된 예시적인 제어 루틴, 및 도 4A-4D에 도시된 기체 연료 CPOX 개질장치(400)는 우선권으로 주장하는 미국특허출원 제61/900,543호에 개시된 종류이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 기체 연료 CPOX 개질장치(100)는 산소-함유 기체(이 구체예 및 본 발명의 다른 구체예들에서 공기로 예시됨)를 도관(103)으로 도입하고, 이 기체 스트림 및 다른 기체 스트림들(기체 연료-공기 혼합물(들)과 수소-풍부 리포메이트들을 포함함)을 CPOX 개질장치의 다양한 통로들을 통해 구동하기 위한 원심 블로워(102)를 포함한다. 도관(103)은 유량계(104) 및 열전대(105)를 포함할 수 있다. 이러한 디바이스들 및 유사 디바이스들이 기체 연료 CPOX 개질장치의 작동을 측정, 모니터링 및 제어하기 위하여 기체 연료 CPOX 개질장치 내의 다양한 위치에 배치될 수 있으며, 이에 대해서는 도 3에 도시된 제어 시스템과 연관지어 더 상세하기 설명하기로 한다.
예시적인 기체 연료 CPOX 개질장치(100)의 시동 작동 모드에서, 블로워(102)에 의해 도관(103)으로 도입된 공기는 기체 연료 저장탱크(113)로부터 임의선택적 열전대(115), 유량계(116) 및 유량제어밸브(117)가 장치된 연료 라인(114)을 통해 상대적으로 낮은 압력으로 도관(103)으로 도입된 기체 개질가능 연료(이 구체예 및 본 발명의 다른 구체예들에서 프로판으로 예시됨)와 합류한다. 상기 공기와 프로판은 도관(103)의 혼합 구역(118)에서 합류한다. 믹서, 예를 들어 인-라인 믹서(119)와 같은 정적 믹서 및/또는 도관(103)의 내부 표면 내의 와류-형성(vortex-creating) 나선형-홈들, 또는 외부동력을 이용하는 믹서(도시안됨)가 도관(103)의 혼합 구역(118) 내에 배치되어, 그렇지 않은 경우에 비해 더 균일한 프로판-공기 기체 CPOX 반응 혼합물을 제공한다.
상기 프로판-공기 혼합물(즉, 기체 CPOX 반응 혼합물)은 관형 CPOX 반응기 유닛들(109)의 유입구로 상기 반응 혼합물을 분배하기 위한 매니폴드 또는 플리넘(120)으로 들어간다. CPOX 개질장치(100)의 시동 작동 모드에서, 점화기(123)[도 4A-4D의 기체 연료 CPOX 개질장치(400)와 연관지어 더 상세하게 설명될 것임]는 관형 CPOX 반응기 유닛들 (109)의 CPOX 반응 구역들 내에서 기체 CPOX 반응 혼합물의 발열성 기상 CPOX 반응을 개시하여서, 수소-풍부 리포메이트의 생산을 시작한다. 정상-상태 CPOX 반응 온도에 도달하면(예를 들어, 150℃ 내지 1,100 ℃), 상기 발열 반응은 자기지속(self-sustaining)이 되고, 점화기의 작동이 중단될 수 있다. 열전대(125)는 하나 이상의 CPOX 반응 구역들(110)에 근접하여 위치되어, CPOX 반응기 유닛들(109) 내에서 일어나는 CPOX 반응의 온도를 모니터링하고, 온도 측정치들은 모니터링된 파라미터로서 개질장치 제어 시스템(126)으로 릴레이된다.
개질장치(100)는 그 전기 구동 구성요소들, 예를 들어 블로워(102), 유량계들(104 및 116), 유량제어밸브(117) 및 점화기(123)에 전력을 제공하기 위한 전류 공급원, 예를 들어 재충전가능한 리튬-이온 배터리 시스템(127)을 포함할 수 있다.
필요한 경우, 생성 유출물, 예를 들어 기체 연료 CPOX 개질장치로부터의 수소-풍부 리포메이트는, 상기 생성 유출물이 일산화탄소(CO)에 의한 오염에 특히 민감한 촉매를 사용하는 연료 전지 스택(예를 들어, 폴리머 전해질 멤브레인 연료전지)에 연료로서 도입되는 경우, 그 일산화탄소(CO) 함량을 줄이기 위하여 하나 이상의 통상의 또는 공지의 일산화탄소 제거 디바이스에 도입될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 생성 유출물이, CO를 이산화탄소(CO2)로 전환함과 동시에 추가의 수소를 산출하는 워터 가스 시프트(WGS) 컨버터로 도입될 수 있고, 또는 CO가 CO2로 선택 산화(preferential oxidation : PROX)가 이루어지는 반응기로 도입될 수 있다. CO 감량은 이러한 프로세스들의 조합을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어 WGS에 이어서 PROX, 또는 PROX에 이어서 WGS로 수행될 수 있다. 또한, 생성 리포메이트를 수소 스트림과 CO-함유 부산물 스트림으로 분리를 제공하는 수소-선택성 멤브레인이 장치된 공지 또는 통상의 클린업(clean-up) 유닛 또는 디바이스를 통해, 생성 리포메이트 내의 CO 레벨을 줄이는 것도 본 발명의 범위 내에 있다. 이러한 종류의 유닛들/디바이스들은, 위에서도 설명한 WGS 컨버터 및/또는 PROX 반응기와 같은 하나 이상의 다른 CO-감량 유닛들과 조합될 수 있다.
도 2에 도시된 제어 시스템(200)은 본 발명에 따르는 기체 연료 CPOX 개질장치, 예를 들어 도 1의 개질장치(100) 및 도 4A-4D의 개질장치(400)의 작동들을 제어하기 위하여 제공된다. 당 분야의 기술자라면 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 도 5의 액체 연료 CPOX 개질장치(500)의 공기-예열 및 액체 연료-기화 구성요소들의 작동들을 감안하여 적절한 수정들이 이러한 방식의 개질장치의 작동을 제어하는 데에도 이용될 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 제어 시스템(200)은 기체 연료 CPOX 개질장치(202)를 그 시동, 정상-상태, 및 정지 작동 모드에서 관리하기 위한 제어기(201)를 포함한다. 상기 제어기는 프로세서상에서 작동하는 소프트웨어일 수 있다. 하지만, 하나 이상의 디지털 또는 아날로그 회로, 또는 이들의 조합으로 구현되는 제어기를 사용하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다.
제어 시스템(200)은 제어기(201)와 통신하며, CPOX 개질장치(202)의 선택된 작동 파라미터들을 모니터링하도록 구성된, 복수의 센서 어셈블리들, 예를 들어 열전대 및 이와 결합된 연료 압력계(pressure meter: 304), 열전대 및 이와 결합된 공기압력계(209), 및 개질장치 열전대(214)를 더 포함할 수 있다.
상기 센서 어셈블리들로부터의 입력 신호들에 응답하여, 사용자는 사용자-입력 디바이스 및/또는 프로그램된 서브루틴들 및 명령 시퀀스들을 명령하며, 제어기는 본 발명에 따르는 기체 연료 CPOX 개질장치의 작동들을 관리할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어기(201)는 특정 작용을 지시하는 명령 신호를 보내는 것에 의해 기체 연료 CPOX 개질장치의 원하는 섹션 또는 구성요소의 제어 신호-수신부와 통신할 수 있다. 예를 들어, 열전대 및 이와 결합된 압력계(204 및 209)로부터의 유량 입력 신호들, 및/또는 개질장치 열전대(314)로부터의 온도 입력 신호들에 응답하여, 제어기(201)는, 예를 들어 기체 연료 저장탱크(203)로부터 연료 라인(206)을 통한 도관(207)으로의 연료 플로우를 제어하기 위하여 연료 유량조절밸브(205)로, 도관(207)으로 공기 플로우를 제어하고 CPOX 개질장치(202) 내의 그리고 그것을 통한 기체 CPOX 반응 혼합물 플로우를 구동하기 위하여 원심 블로워(208)로, 점화기(211)의 온-오프 상태를 제어하기 위하여 점화기(211)로, 그리고 배터리/배터리 재충전기 시스템(212)의 기능을 관리하기 위하여 배터리/배터리 재충전기 시스템(212)으로 제어 신호들을 보낼 수 있다.
본 발명에서, 센서 어셈블리들, 제어 신호-수신 디바이스들 및 통신경로들(communication pathways)은 임의의 적합한 구성을 가질 수 있고, 당 분야에 알려진 것일 수 있다. 상기 센서 어셈블리들은 모니터링되는 작동 파라미터들을 위한 임의의 적합한 센서 디바이스들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 연료 유량은 임의의 적합한 유량계로 모니터링될 수 있고, 압력은 임의의 적합한 압력-감지 또는 압력-조절 디바이스 등으로 모니터링될 수 있다. 또한, 상기 센서 어셈블리들은, 필수적인 것은 아니지만, 제어기와 통신하는 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 상기 통신경로들은 보통 유선 전기 신호들이나, 임의의 다른 적당한 형태의 통신 경로들도 사용될 수 있다.
도 2에 통신경로들이 일방향 화살표 또는 양방향 화살표로 개략적으로 도시된다. 제어기(201)에서 끝나는 화살표는 측정된 유량 또는 측정된 온도의 값과 같은 입력 신호를 개략적으로 나타낸다. 제어기(201)로부터 연장하는 화살표는 화살표가 끝나는 구성요소로부터 응답 동작을 명령하도록 보낸 제어 신호를 개략적으로 나타낸다. 양방향 경로들은, 제어기(201)가 결정된 응답 동작을 제공하도록 CPOX 개질장치(202)의 대응하는 구성요소로 명령 신호들을 송신하는 것뿐만 아니라, CPOX 개질장치(202)와 연료 조절 밸브(205) 및 블로워(208)와 같은 기계적 유닛들로부터 작동 입력들과, 압력계(204 및 209) 및 열전대(214)와 같은 센서 어셈블리들로부터 측정 입력들을 수신하는 것을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 기체 연료 CPOX 개질장치, 예를 들어 도 1의 개질장치(100) 및 도 4A-4D의 개질장치(400)의 작동을 자동화하기 위하여 제어 시스템의 제어기에 의해 실행될 수 있는 예시적 제어루틴의 플로우챠트를 제시한다. 이 플로우챠트는 제어기에 의해 고정된 인터벌로, 예를 들어 매 0.01 초(10 milliseconds) 등과 같은 인터벌로 실행될 수 있다. 도 3에 도시된 제어 논리(control logic)는 시동 작동 모드 및 정상-상태 작동 모드에서 기체 플로우들 및 CPOX 반응 온도들의 관리, 그리고 개질장치의 정지 작동 모드를 위한 절차의 관리를 포함하는 여러 가지 기능들을 수행한다.
도 4A-4D에 도시된, 본 발명의 또 다른 구체예들을 대표하는, 기체 연료 CPOX 개질장치(400) 및 구성요소들의 여러 가지 도면들에 나타낸 바와 같이, 전형적으로 주위 온도에서, 산소-함유 기체로서의 공기는 원심 블로워 시스템(402)을 경유하여 사전설정된 질량유량(mass flow rate)으로 도관(404)의 유입구(403)를 통해 도입된다. 프로판은 연료 라인(441) 및 연료 유입구(442)를 경유하여 도관(404)으로 도입된다. 프로판과 공기는 도관(404)의 혼합 구역(420)에서 합쳐져, 기체 CPOX 반응 혼합물을 제공한다. 임의의 적당한 종류의 믹서, 예를 들어 혼합 구역(420) 내에 배치된 정적 믹서 및/또는 도관(404)의 나선형-홈이 형성된 내부 벽면이, 그렇지 않은 경우보다 혼합 구역(420)에서 더 조성 균일성을 갖는 기체 CPOX 반응 혼합물을 제공하도록 포함될 수 있다.
상기 임의선택적 정적 믹서를 통과한 후 그리고/또는 혼합 구역(420) 내에 배치된 나선형 홈과의 접촉 후에, 기체 CPOX 반응 혼합물이 유출구(425)를 통해 도관(404)을 빠져나가, 연료분배 매니폴드(426)로 들어간다. 매니폴드(426)로부터, 기체 CPOX 반응 혼합물이 CPOX 반응기 유닛들(408)의 유입구들(431)로 들어가 CPOX 반응구역들(409)로 흐르고, 여기서 상기 반응 혼합물이 기상 CPOX 반응하여 수소-풍부, 일산화탄소-함유 리포메이트를 생성한다. 시동 모드에서, 하나 이상의 점화기(435)가 CPOX를 개시한다. CPOX가, 예를 들어 반응구역의 온도가 약 250℃ 내지 약 1100℃에 도달할 때, 자기지속이 된 이후에는, 이제 자기지속인 발열성 CPOX 반응을 유지하는데 더 이상의 외부 점화가 필요하지 않게 되므로, 상기 점화기(들)(435)를 정지할 수 있다. 단열부(410), 예를 들어 미세다공성 또는 알루미나-기반 내화형 단열부는 CPOX 개질장치 (400)의 부분들을 에워싸서, 그 구성요소들로부터 열손실을 줄여준다.
도 4A-4D는, 두 대의 점화기(435) [분리된 CPOX 반응기 유닛들(408)의 어레이 마다 한 대)가 개질장치(400)의 시동 작동 모드 중에 챔버(436) 내에 그리고/또는 상기 챔버를 통해 연장하여 배치된 CPOX 반응기 유닛들(408)의 발열성 CPOX 반응 구역들(409) 내에서 CPOX 반응을 개시하는데 사용되는, 본 발명의 하나의 구체예를 도시한다. 도 4C 및 4D에 나타낸 바와 같이, CPOX 반응기 유닛들(408)은 각각 챔버(436) 내에 배치된, 두 개의 분리된 평행한 2x7 어레이로 배열된다. 상기 어레이들 중의 하나는 도관(404)의 일 측면(side)에 배치되고, 상기 어레이들 중의 다른 하나는 도관(404)의 타 측면에 배치된다. 어레이의 둘레(perimeter)는 챔버(436)의 개방 공간(438)과 단열부(410) 사이의 경계(boundary)를 표시한다. CPOX 반응기 유닛들(408)의 CPOX 반응구역들(409)의 적어도 일부분에 대응하는 CPOX 반응기 유닛들(408)의 벽들의 외부 표면들(437)은 개방 공간(438) 내에서 노출된다. 예를 들어 10 내지 80 와트, 또는 이보다 큰 정격의, 전기저항식 점화기들(435)이 챔버(436)의 대향하는 말단들에 배치되고, 거기서 방사열-산출 소자들(439)이 CPOX 반응기 유닛들(408)의 외부 표면들(437)에 근접하나 그로부터 물리적으로 격리되어 위치한다. 열전대들(440)이 점화기들(435)에 대향하는 챔버(436)의 말단들에 배치되어, CPOX 반응구역들(409)의 온도를 모니터링하고, 도 2에 도시된 제어시스템과 관련지어 설명된 바와 같이 개질장치 제어 입력을 제공한다. 점화기들의 작동은 방사열을 일으키고, 이 방사열은 하나 이상의 인접한 CPOX 반응기 유닛들의 벽들에, 그리고 상기 벽들을 통해서 전달되어서, CPOX가 상기 반응기 유닛(들)의 CPOX 반응구역 내에서 CPOX가 개시된다. 그런 다음, 도 4C에 파형 화살표로 도시된 바와 같이, 상기 인접한 CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응구역(들)에서 방출된 방사열은 상기 어레이 내의 나머지 CPOX 반응기 유닛들의 반응구역 내에서 CPOX를 개시할 수 있다.
CPOX 반응기 유닛들과 직접 접촉하는 것을 피한 점화기(들)(435)를 하나, 또는 둘, 또는 많아야 몇 개를 제공하는 것은, CPOX 반응기 유닛마다 그 자체에 물리적으로 부착된 또는 일체로 된 점화기를 가지는 CPOX 점화기 시스템에 비해 여러 가지 장점을 제공한다. 작동불능 점화기의 확인이 문제가 될 수 있으며, 일체인 CPOX 반응기 유닛을 손상시킴이 없이 그리고/또는 어레이 내의 다른 반응기들에 피해를 줌이 없이 작동불능 점화기를 제거 및 교체하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 어레이 또는 복수의 CPOX 반응기 유닛들 내에 적절하게 위치한 하나 또는 몇 개의 점화기는, CPOX 개질장치로부터 고장난 또는 결함있는 점화기를 쉽고 간단하게 확인하고 취출하는 것을 허용할 수 있고, 작동가능 점화기로 쉽고 간단하게 교체하는 것을 허용할 수 있다.
도 4C 및 4D에 나타낸 바와 같이, 두 대의 점화기가 CPOX 반응기 유닛들(408)의 CPOX 반응 구역들(409) 내에서 CPOX 반응을 개시하는데 사용되는 경우, 챔버(436)의 일 측면 상의 점화기(435) 및 열전대(440)의 위치를 그 타 측면 상의 점화기(435) 및 열전대(440)의 위치에 상대하여 뒤바꾸는 것이 유리할 수 있는데, 특히 두 챔버 사이에서 유의적으로 열 연통할 수 있는 경우에 그러하다. 이러한 장치구조는 각각 분리된 어레이의 CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응구역 내에서 CPOX의 더 신속한 점화를 가져오는 것으로 관찰되었다. 하지만, 챔버 내에서 CPOX 반응기 유닛들이 적절한 치수 및 위치를 가지면, 상기 챔버 내의 CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응구역 내에서 CPOX를 개시하는데 단 하나의 점화기가 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.
당 분야의 기술자라면 기꺼이 인정하고 이해하는 바와 같이, CPOX 반응기 유닛들의 단면 형태, 수 및 치수와, 그 기하학적 구조 중심 또는 무게중심에서 측정된 상호 간의 이격된 간격은, 구체적인 기체 연료 CPOX 반응기의 작동 및 기계 성능 사양들에 좌우될 것이다. 실질적으로 균일한 원형 단면의 CPOX 반응기 유닛, 예를 들어 도 4C 및 4D에 도시된 CPOX 반응기 유닛(408)의 경우에, 이러한 반응기 유닛들의 수, 길이, 내경 및 외경(기체투과성 벽의 두께를 한정함), 기체-투과성 벽은 여러 인자에 의해 결정될 수 있으며, 이러한 인자들에는 예를 들어, 형태 및 양(기체-투과성 벽들 내의 CPOX 촉매의 충전량 및 분포)을 포함하는 몇몇 인자들의 함수인 CPOX 개질장치의 수소-생산 능력; 기공 용적(기공 크기의 함수), 기공의 주된 형태(주로 개구형, 예를 들어 그물형, 또는 주로 폐쇄형, 예를 들어 비-그물형), 및 기공 형상(구 형상 또는 불규칙 형상)과 같은, 다공성 구조 벽들의 특성들(상기 벽의 기체투과성에 영향을 주는, 따라서 CPOX 반응에 영향을 미치는 특성들); CPOX 반응 혼합물의 체적 유량, CPOX 온도, 배압 등이 있다.
특정 기체 연료 CPOX 개질장치의 소망하는 기계적 성능 특성들은, CPOX 반응기 유닛들의 구성에 사용된 물질의 열적 및 기계적 특성들, CPOX 반응기 유닛들의 벽들의 기체투과성 구조의 기공들의 용적 및 모폴로지, 반응기 유닛들의 치수들, 특히 벽 두께, 및 관련 인자들과 같은 인자들에 상당한 정도로 좌우될 것이다.
적절하게 기능하는 기체 연료 CPOX 개질장치를 위하여, 기상 CPOX 반응구역을 둘러싸는 관형 CPOX 반응기 유닛의 촉매 활성 벽 구조의 기체 투과 특성은, 기체 개질가능 연료가 상기 벽 구조를 통해 자유롭게 들어가서 확산하는 것을 허용하여, 표면 CPOX 촉매뿐만 아니라, 존재하는 경우 내부 CPOX 촉매와도 효율적으로 접촉하게 하는 정도이어야 한다. 기화된 개질가능 연료를 위한 제한된 기체 투과성을 가지는 CPOX 반응기 유닛 벽 구조는, 기체 개질가능 연료의 수소-풍부 리포메이트로의 유의적인 CPOX 전환을 지연시키도록 제한된 물질이행(mass transport)일 수 있음을 주목하여야 한다. 대조적으로, 적합한 기체 투과성을 가지는 촉매 활성 반응기 벽 구조는 기체 개질가능 연료의 CPOX 전환 및 원하는 조성의 수소-풍부 리포메이트들에 대한 선택성(selectivity)을 촉진한다.
본 발명에 의해 가르침을 받은 당 분야의 기술자는 공지 및 통상의 테스트 절차들을 사용하여 처리될(processed) 특정 기체 개질가능 연료를 위한 최적의 기체 투과 특성을 나타내는 촉매 활성 벽 구조를 가지는 CPOX 반응기 유닛들을 용이하게 구성할 수 있다.
관형 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 반응구역의 촉매 활성 벽 구조가 제작될 수 있는 재료는, 이러한 벽 구조가 CPOX 반응들의 특성인 고온 및 산화환경에서 안정을 유지할 수 있게 하는 재료이다. 공지 및 통상의 내화 금속들, 내화 세라믹들, 및 이들의 조합들이 CPOX 반응구역의 촉매 활성 벽 구조를 구성하는데 이용될 수 있다. 이러한 재료들 중 일부, 예를 들어 페로브스카이트들(perovskites)은 부분 산화를 위한 촉매 활성을 보유할 수 있으므로, CPOX 반응구역의 촉매 활성 벽 구조의 제작에 유용할 뿐만 아니라, 이러한 구조를 위한 CPOX 촉매의 일부 또는 심지어 전부를 제공할 수 있다.
유용한 내화 금속들 중에는 티타늄, 바나듐, 크롬, 지르코늄, 몰리브덴, 로듐, 텅스텐, 니켈, 철, 및 그 유사물, 이들 상호 간의, 및/또는 다른 금속들과의, 및/또는 금속 합금들과의 조합들 등이 있다. 내화 세라믹은, 수많은 내화 금속 및 금속 합금에 비해 상대적으로 저가이기 때문에, 촉매 활성 벽 구조의 구성에 유용한 물질이다. 이러한 세라믹들은 공지 및 통상의 기공-형성 방법을 이용하여 관형 기체-투과성 구조에 상당히 높은 재현성의 기공 형태를 비교적 용이하게 형성할 수 있으며, 세라믹들은 일반적으로 매우 만족스러운 구조적/기계적 특성(열팽창 계수 및 열충격 성능을 포함함) 및 화학적인 열화에 대한 저항성이 있어 매우 매력적인 물질이다. CPOX 반응구역(앞서 언급한 바와 같이, CPOX 반응기 유닛의 전제 벽 구조를 포함할 수 있음)의 구성에 적합한 내화 세라믹의 예는, 페로브스카이트, 스피넬, 산화마그네슘, 산화세륨, 안정화 산화세륨, 실리카, 산화티타늄, 산화지르코늄; 알루니마-안정화 산화지르코늄, 산화칼슘-안정화 산화지르코늄, 산화세륨-안정화 산화지르코늄, 산화마그네슘-안정화 산화지르코늄, 산화란탄-안정화 산화지르코늄 및 산화이트륨-안정화 산화지르코늄과 같은 안정화 산화지르코늄; 산화지르코늄 안정화 알루미나, 피로클로르, 브라운밀레라이트, 인산 지르코늄, 탄화규소, 이트륨 알루미늄 가넷, 알루미나, 알파-알루미나, 감마-알루미나, 베타-알루미나, 알루미늄 실리케이트, 코리더라이트, MgAl2O4, 및 그 유사물 (그 다양한 예들이 전체 내용이 본 출원에 참조문헌으로 통합되는 미국 특허 제6,402,989호 및 제7,070,752호에 개시되어 있음); 및 희토류 알루미네이트들(rare earth aluminates) 및 희토류 갈레이트(rare earth gallates) (그 다양한 예들이 전체 내용이 본 출원에 참조문헌으로 통합되는 미국 특허 제7,001,867호 및 제7,888,278호에 개시되 있음)를 포함한다.
일반적으로, 주어진 설계의 CPOX 개질장치의 전체 또는 전반적인 연료 전환 용량(conversion capacity)은, 그 개별 CPOX 반응기 유닛들의 연료 전환 능력들의 합계일 것이다. 인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최소 간격은, 개질장치의 작동의 정상-상태 모드에서 반응기 유닛들의 온도가 사전결정된, 또는 사전설정된 최대 값을 상회하지 않도록 설정될 수 있고; 인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최대 간격은, 이 간격을 상회하면, 기체 연료 CPOX 개질장치의 시동 작동 모드 중에 하나 이상의 반응기 유닛들 내에서 CPOX 반응이 개시되지 못하게 되는 간격, 또는 하나 이상의 CPOX 반응기 유닛들 내에서 온도가 개질장치의 정상-상태 작동 모드에 의도된 사전결정된, 또는 사전설정된 최소 값을 하회하는 간격이다. 인접하는 CPOX 반응기 유닛들의 상기한 최소 간격 및 최대 간격은 루틴한 테스트 방법을 이용하여 주어진 개질장치 설계에 대하여 용이하게 알아낼 수 있다.
보다 구체적으로, 인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최대 간격은, 이 간격을 상회하면, 일차-점화된 CPOX 반응기 유닛에서 초기 CPOX 반응(예를 들어, 점화기에 의해 개시된 초기 CPOX 반응)으로부터 발생된 열, 또는 작동하는 CPOX 반응기 유닛에서 CPOX 반응으로부터 발생된 열에 의해 인접하는 CPOX 반응기 유닛 내에서 CPOX 반응이 개시되지 못하게 되는 간격일 수 있다. 상기 최대 간격은, 이 간격을 상회하면, 정상-상태 작동 모드 중에 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이의 온도가 사전결정된 최소 어레이 온도를 하회하는 간격일 수 있다. 본 명세서에서 논의된 인자들을 포함하는, 다양한 인자들에 의존하여, 정상-상태 작동 모드 중에 상기 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이의 사전결정된 최소 어레이 온도는, 약 550℃, 약 575℃, 약 600℃, 약 625℃, 약 650℃, 약 675℃, 약 700℃, 약 725℃, 약 750℃, 약 775℃, 약 800℃, 약 825℃, 또는 약 850℃일 수 있다.
인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최소 간격은, 이 간격을 하회하면, CPOX 반응기 유닛의 유출구의 온도가 사전결정된 최대 온도를 상회하는 간격일 수 있다. 상기 사전결정된 최대 온도는 CPOX 반응기 유닛의 유출구와 열 및 유체 연통하는 연료 전지 스택의 유입구에 의해 허용될 수 있는 온도, 예를 들어 연료 전지 스택의 유입구들의 시일(seal)이 열화하지 않고 기능을 유지하는 온도일 수 있다. 본 명세서에서 논의된 인자들을 포함하는, 다양한 인자들에 의존하여, CPOX 반응기 유닛의 사전결정된 최대 온도는 약 775℃, 약 800℃, 약 825℃, 약 850℃, 약 875℃, 약 900℃, 약 925℃, 약 950℃, 약 975℃, 또는 약 1000℃일 수 있다.
본 발명은 공지 및 통상의 임의의 CPOX 촉매들(촉매 시스템들을 포함함)의 사용, 다공성 기재 또는 지지체 내에, 구체적으로 CPOX 반응기 유닛의 기체-투과성 벽 내에 촉매를 합체하는 방법들, 및 촉매 분포 패턴들을 고려한다. 촉매 분포 패턴들의 비한정적인 예는, 벽의 특정 부위에 국한시킨 촉매, 반응기 유닛의 길이를 따라 증가된 및/또는 벽의 내부 표면에서 외부 표면으로 감소된 촉매 충전량, 반응기 유닛의 길이를 따른 CPOX 촉매의 조성 변화, 및 유사 변형들(similar variants)을 포함한다. 예를 들어, CPOX 반응구역의 출발점으로부터 종점으로 또는 종점 근처로 CPOX 반응기 유닛 벽 내의 촉매 충전량을 증가시키는 것은, 이 구역에서 일정한 CPOX 반응 온도를 유지하는데 도움이 될 수 있다.
본 발명에 이용될 수 있는 수많은 공지 및 통상의 CPOX 촉매들 중에는, 금속, 금속 합금, 금속 산화물, 혼합된 금속 산화물, 페로브스카이트, 피로클로르, 이들의 혼합물들 및 조합들이 있으며, 그 예는 미국특허 5,149,156; 5,447,705; 6,379,586; 6,402,989; 6,458,334; 6,488,907; 6,702,960; 6,726,853; 6,878,667; 7,070,752; 7,090,826; 7,328,691; 7,585,810; 7,888,278; 8,062,800; 및 8,241,600호에 개시된 다양한 것들을 포함하며, 상기 특허문헌들의 전체 내용은 본 출원에 참조문헌으로 통합된다.
많은 고활성 귀금속-함유 CPOX 촉매들이 알리어져 있고, 이러한 촉매들은 본 발명에 이용할 수 있다. 하지만, 이러한 촉매들은 고가이고, 고온에서 소결하여 촉매 활성이 저하하는 경향이 있으며, 황에 오염되는 경향이 있기 때문에, 일반적으로 다른 종류의 공지된 CPOX 촉매들보다 덜 사용된다.
페로브스카이트 촉매들은, CPOX 반응기 유닛의 촉매 활성 벽 구조의 구성에도 적합하기 때문에, 본 발명에 유용한 CPOX 촉매류이다. 페로브스카이트 촉매들은 구조 ABX3를 특징으로 하며, 여기서 "A" 및 "B"는 크기가 매우 다른 양이온들이고, "X"는 상기 두 양이온 모두에 결합하는 음이온(일반적으로 산소)이다. 적합한 페로브스카이트 CPOX 촉매의 예는 LaNiO3, LaCoO3, LaCrO3, LaFeO3 및 LaMnO3를 포함한다.
상기 페로브스카이트의 A-사이트 변성(A-site modification)은 일반적으로 열안정성에 영향을 미치는 한편, B-사이트 변성은 일반적으로 촉매 활성에 영향을 미친다. 페로브스카이트는, A 및/또는 B 사이트에서의 도핑(doping)에 의해 특정 CPOX 반응 조건에 맞게 변성될 수 있다. 도핑은 페로브스카이트 격자(lattice) 내에서 활성 도판트의 원자수준 분산을 유발하여, 페로브스카이트의 촉매 성능 열화를 억제한다. 페로브스카이트는 또한 CPOX 개질의 특성인 고온에서 황에 대한 우수한 저항성을 발현할 수 있다. CPOX 촉매로 유용한 도핑된 페로브스카이트의 예는, La1-xCexFeO3, LaCr1-yRuyO3, La1-xSrxAl1-yRuyO3 및 La1-xSrxFeO3 를 포함하며, 여기서 x 및 y는, 도판트의 용해한도(solubility limit) 및 코스트에 의존하며, 0.05 내지 0.5, 예를 들어 0.05 내지 0.2의 수이다.
도 5에 도시된 액체 연료 CPOX 개질장치(500) 및 개질장치(500)의 자동화를 위한 도 6에 도시된 예시적인 제어 루틴은 우선권으로 주장하는 미국특허출원 제61/900,510호에 개시된 유형이다.
본 발명을 대표하는 또 하나의 구체예인, 도 5의 액체 연료 CPOX 개질장치(500)에 나타낸 바와 같이, 산소-함유 기체로서의 공기는 원심 블로워 시스템(502)을 경유하여 주위 온도 및 사전설정된 질량유량(mass flow rate)으로 도관(504)의 유입구(503)를 통해 도입된다. 상기 도관은 콤팩트한 설계에 바람직한 대체로 U자 형의 도관을 포함한다. 주위온도의 공기는, 개질장치의 시동 작동 모드에서 전기 히터(506)로부터 열이 공급된 제1 가열 구역(505)을 통과하면서 사전설정된 범위의 승온 온도로 초기 가열된다. 상기 전기 히터는 공지 및 통상의 전기저항식 히터 일 수 있으며, 개질장치의 설계된 연료 처리 용량 범위에 의존하여 10 내지 80 와트 또는 심지어 그보다 높은 정격을 갖는 것일 수 있다. 전기저항 히터는 도관으로 도입된 주위 공기의 온도를 비교적 넓은 범위의 CPOX 개질장치 구조형태들 및 작동 용량들에 필요한 레벨로 상승시킬 수 있다. 개질장치(500)의 정상-상태 작동 모드 중에, 전기 히터(506)는 정지될 수 있으며, 그러면 도관(504)로 도입된 공기는, 예를 들어 도 4A-4D의 기체 연료 CPOX 개질장치(400)의 CPOX 반응기 유닛들(408)과 연관지어 설명된 구조 및 조성의, 세장관형 기체-투과성 CPOX 반응기 유닛들(508)의 CPOX 반응 구역들(509)에서 회수된 발열 열에 의해 제2 가열 구역(507) 내에서 초기 가열된다. 이러한 방식으로, 도관(504)으로 도입된 공기의 온도는 주위온도로부터 다양한 설계, 즉 당 분야의 기술자들이 이미 인식하고 있는 구조적 및 작동적 인자들에 의해 영향을 받는 특정 온도를 갖는 몇몇의 사전설정된 승온 온도 범위로 승온된다.
도 4A-4D의 기체 연료 CPOX 개질장치(400)의 경우와 같이, 단열부(510)가 액체 연료 CPOX 개질장치(500)의 열방사 부분들을 에워싸게 하여 상기 열방사 부분들로부터 열이 손실되는 것 줄여주는 것이 유리하다.
시동 모드에서 제1 가열 구역(505) 을 통과하는 것에 의해, 또는 정상-상태 모드에서 제2 가열 구역(507)을 통과하는 것에 의해 초기에 가열되었던 공기의 온도를, 초기 가열된 공기가 도관(504)의 하류로 유동하면서 승온하도록 하기 위하여, 상기 초기 가열된 공기가 임의선택적인 제2 전기 히터 유닛(513)으로부터의 열이 공급되는 임의선택적인 제3 가열 구역(512)을 통해 유동하게 하는 것이 유리하다. 임의선택적인 제2 전기 히터 유닛(513)은 상기 초기 가열된 공기의 온도를 상대적으로 적은 범위로 증가시키는 것만이 필요하기 때문에, 연료 기화 시스템의 기능과 관형 CPOX 반응기 유닛들의 기능 모두에 관하여 개질장치의 정밀하고 신속한 열관리를 쉽게 하도록, 전형적으로 공기 온도를 약간씩 조절할 수 있는 증분 히터(incremental heater)로 기능할 수 있다.
위에서 설명되고, 이 구체예에서, 그리고 본 발명의 다른 구체예들에서 예시된 것들 중 임의의 것과 같은 액체 개질가능 연료, 예를 들어 자동차 디젤 연료는, 도관(504)내에서 끝나는 연료 라인(514)을 통해 액체 연료 스프레더 디바이스(515), 예를 들어(도시된 바와 같은) 윅(wick)(316), 또는 분무 디바이스에 도입된다.
액체 연료 CPOX 개질장치의 통로 및 도관을 통해 유체를 통과시키기 위한, 예를 들어 액체 연료를 연료 라인(514)을 통해 도관(504)으로 도입하기 위한 임의의 공지 및 통상의 펌프 또는 유사 디바이스(518)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 계량 펌프(metering pump), 로타리 펌프(rotary pump), 임펠러 펌프, 격막 펌프(diaphragm pump), 연동 펌프(peristaltic pump), 지로터(gerotor)와 같은 양변위 펌프(positive displacement pump), 기어 펌프, 압전 펌프(piezoelectric pump), 동전기 펌프(electrokinetic pump), 전기삼투 펌프(electroosmotic pump) 및 모세관 펌프(capillary pump) 등이 이러한 목적을 위하여 이용될 수 있다. 일부 구체예들에서, 펌프 또는 유사 디바이스(518)가 연료를 간헐식 또는 펄스식 플로우에 기초하여 송출할 수 있다. 특정. 구체예들에서, 펌프 또는 유사 디바이스가 연료를 실질적으로 연속인 플로우로 송출할 수 있다. 특별한 구체예들에서, 펌프 또는 유사 디바이스가 CPOX 개질장치 작동 요건들의 변화에 응하여 연료 유량을 신속하게 조절할 수 있다.
전술한 바와 같이, 가압된 액체 연료는 윅에 의해 도관내에서 산포되거나, 또는 연료 인젝터, 가압 노즐, 아토마이저(초음파 아토마이저를 포함함), 네블라이저(nebulizers) 등과 같은 임의의 공지 및 통상의 분무 디바이스에 의해 미세 분무액적(fine spray) 또는 다른 액적 형태로 도관 내에서 산포될 수 있다.
시동 모드에서 제1 가열 구역(505) 내에서 전기 히터(506)에 의해 생산된 열 또는 정상-상태 모드 중에 제2 가열 구역(507) 내에서의 CPOX로부터 회수된 발열 열, 필요한 경우, 임의선택적인 가열 구역(512) 내에서 도관(504)으로 도입된, 임의선택적인 제2 전기 히터(513)에 의해 생산된 열과 조합된 열은, 도관(504)으로 도입된 액체 연료를 기화하는데 협력하여 작용하고, 개질장치의 연료 기화기 시스템의 주 구성요소들을 함께 구성한다.
임의선택적인 제2 전기 히터(513)는 작동하여, 연계된 임의선택적인 제3 가열 구역 내를 통과하는 상기 초기 가열된 주위 온도 공기의 온도를 증분적으로 승온시킬뿐만 아니라, 액체연료를 도관(504)으로 도입 전에 가열하는데 이용될 수 있으며, 이에 의해 도관에 들어간 연료의 기화가 용이하게 된다.
메인 도관(504)으로 들어가기 전에 액체 연료의 가열을 준비하기 위하여, 연료 라인(514)은, 길이가 연장된 그 섹션(519)이 도관(504)의 벽을 횡단함으로써, 메인 도관(504)의 임의선택적인 제3 가열 구역(512)을 통과하는 또는 상기 구역에 근접하는 곳을 연료라인을 통해 흐르는 연료의 체류시간을 연장시킨다. 연장된 연료 라인 섹션은 상기한 목적을 위한 다양한 구조 형태를 가질 수 있으며, 그 예를 들면 제2 가열 구역에 대응하는 도관의 외부 표면에 배치된 또는 상기 외부 표면에 근접하게 배치된 코일 형태 또는 나권 형태(도시된 바와 같음) 또는 일련의 세로주름들로 된 형태, 또는 제2 가열 구역에서 또는 그 근처에서 도관의 내측에 배치된 임의의 유사 구조 형태들이 있다. 그 정확한 구조 형태 및/또는 배치와 관계없이, 연장된 연료 라인 섹션(519)은, 제3 가열 구역(512) 가까이에서 효과적인 열전달을 하여 연료의 온도를 몇몇의 사전설정된 온도 범위 내로 승온시키기에 충분한 양의 열을 받아야만 한다. 그래서, 도관(504)의 제3 가열 구역(512) 내에서 임의선택적 제2 전기 히터(513)의 열출력의 일부는, 이 구역 내에서 흐르는 공기를 더 가열하는 것 이외에도, 연료 라인(514)의 선단부(519) 내에서 흐르는 연료, 예를 들어 디젤 연료로 전달될 것이며, 연료 라인(514)의 선단부는 도면 부호 519로 나타낸 바와 같이 길게 연장되어, 연료의 온도를 사전설정된 범위 내로 승온시킬 수 있다. 연료 라인 내의 연료에 대해 어느 온도 범위가 선정되든 간에, 상기 온도범위는 연료의 비점(디젤의 경우 150℃ 내지 350℃)을 초과하지 않아야 하며, 그렇지 않으면 증기 폐색(vapor lock)이 일어나 개질장치가 멈추게 된다.
액체 연료 스프레더(515)는 제2 가열 구역(312) 및 이에 연합된 제2 전기 히터(513)의 하류이고 혼합 구역(520)의 상류에서 도관(504) 내에 배치된다. 열전대(522)가 챔버(536)내에 배치되고, 열전대(523)가 혼합 구역(520) 내에 배치되어, 각각 CPOX 반응기 유닛들(508)의 CPOX 반응 구역들(509) 내에서 일어나는 CPOX 개질의 온도와 기화된 연료-공기 혼합물의 온도를 각각 모니터링한다.
본 명세서에서 설명된 액체 연료 기화기 시스템들에 있어서, 디젤은 가열된 표면, 예를 들어 전기저항 히터 소자의 가열된 표면과 직접 접촉할 기회가 전혀 없거나 거의 없다. 그렇지 않고 디젤이 상기 가열된 표면과 직접 접촉하면 디젤 연료의 온도가 인화점 이상으로 상승하여 기화보다는 연료의 스패터링(spattering)을 유발하고, 그리고/또는 코크스 형성을 초래하는 연료의 열분해를 유발할 수 있다. 따라서, 디젤 연료의 온도는 인화점 미만의 수준으로 용이하게 그리고 신뢰성있게 유지될 수 있어서, 유의적인 스패터링 또는 코크스화(coking)가 발생하지 않게 된다.
기체 CPOX 반응혼합물은, 혼합 구역(520) 내에 배치된 정적 믹서를 통과한 후에, 유출구(525)를 통해 메인 도관(504)을 나가서, 매니폴드(526)로 들어간다. 매니폴드(526)로부터, 기체 CPOX 반응 혼합물은 유입구들(531)을 통해 관형 CPOX 반응기 유닛들(508)에 들어간다. 그런 다음, 상기 기체 CPOX 반응 혼합물은 CPOX 반응 구역들(509)에 들어가고, 여기서 상기 혼합물은 기상 CPOX 반응(들)을 수행하여 수소-풍부, 일산화탄소-함유 리포메이트를 생성한다. 시동 모드에서. 열-방사 소자가 챔버(536) 내에 배치된, 적어도 하나의 점화기(535)는 활성화되어 CPOX를 개시한다. 점화기(535) 및 그 작동은 기체 연료 CPOX 개질장치(400)의 점화기(435) 및 그 작동과 본질적으로 동일하다. CPOX가 자기지속이 된 후에, 예를 들어 반응 구역 (509)의 온도가 약 250℃ 내지 약 1100℃에 도달한 때에, 이제 자기지속인 발열성 CPOX 반응을 유지하는데 외부 점화가 더 이상 필요하지 않기 때문에 점화기(들)(535)는 정지된다.
또한, 본 발명에 의하면, 스팀이 개질장치로 도입되어, 개질장치가 자기열 및/또는 스팀 개질 반응(들)을 수행하도록 작동될 수 있다.
하나의 구체예에서, 본 발명의 개질장치는 초기에 액체 또는 기체 개질가능 연료의 CPOX 전환을 수행하도록 작동되어 열을 발생하고. 상기 열은, 예를 들어 전기 히터에 의해 공급되는 추가의 열과 함께 또는 없이, 스팀 발생기에서 스팀을 생산하기 위하여 회수될 수 있다. 이와 같이 발생된 스팀은 하나 이상의 위치에서 개질장치로 도입될 수 있다. 적합한 위치 중의 하나는 상기 스팀이 액체 연료를 기화하기 위한 열을 제공할 수 있는 기화기이다. 예를 들어, 도 5에 도시된 개질장치(500)에서 윅(515)으로 도입된 스팀은 윅 표면들에서 액체 연료를 기화하기 위한 열을 제공할 수 있으며, 이와 동시에 이러한 표면들의 막힘(clogging)을 제거 또는 억제하는 데 도움을 줄 수 있다.
또 하나의 구체예에서, 본 발명에 따르는 개질장치는 연료 전지 스택에 연결되고, 연료 전지 스택에서 상기 개질장치로부터의 수소-풍부 리포메이트는 전류로 전환될 수 있다. 연료 전지 스택의 작동은, 연계된 애프터버너 유닛이 존재하는 경우, 폐열원(들)을 제공할 수 있으며, 회수된 상기 폐열은 독자적으로 또는 전기 히터에 의해 공급되는 열과 같은 추가의 열과 함께 스팀 발생기의 작동에 이용될 수 있다. 그러면, 상기 스팀 발생기로부터 발생된 스팀은, 예를 들어 도 5의 개질장치(500)의 윅(515)를 통해, 개질 장치로 도입되어서, 자기열 또는 스팀 개질을 지원할 수 있다. 이러한 일체화된 개질장치 및 연료 전지 스택의 장치구조에서, 폐열원(들)은 자기열 및 스팀 개질 프로세스에 관련된, 흡열 반응(들)을 구동하는데 필요한 열을 공급할 수 있게 된다.
종합하면, 본 발명의 송출 시스템들은 촉매 부분 산화("CPOX") 개질과 같은 부분 산화("POX") 개질, 스팀 개질, 및 자기열("AT") 개질을 포함하는 개질 반응들을 수행하기 위한 적절한 반응물들을 송출할 수 있음을 이해하여야 한다. 액체 개질가능 연료들 및 물과 같은 액체 반응물들은 본 송출 시스템의 "액체 개질가능 연료" 송출 구성요소들, 도관들 및 어셈블리들로부터 그리고 이들을 통해 송출될 수 있다. 기체 개질가능 연료들, 스팀, 및 공기와 같은 산소-함유 기체 등의 기체 반응물들은 본 송출 시스템의 "기체 개질가능 연료" 송출 구성요소들, 도관들 및 어셈블리들로부터 그리고 이들을 통해 송출될 수 있다. 스팀 및 산소-함유 기체와 같은 특정 기체 반응물들은 본 발명의 송출 시스템에 부속하는 또는 이차적인 구성요소들 및 어셈블리들로부터 또는 이들을 통해 송출될 수 있다. 예를 들어, 산소-함유 기체는 기화기, 개질장치, 연료 전지 유닛 또는 시스템의 연료 전지 스택과 작동가능한 유체 연통관계로 독립해있는 산소-함유 기체 공급원으로부터, 예를 들어 개질 전에 액체 개질가능 연료 및/또는 기화된 액체 개질가능 연료와 혼합하기 위하여 송출될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 또는 본질적인 특징에서 벗어나지 않는 다른 특정 형태들의 구체예들을 망라한다. 그러므로 전술한 구체예들은 모두 예시적인 관점에서 고려된 것이며 여기서 설명된 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 본 발명의 범위는 전술한 설명에 의한 것보다는 첨부하는 청구범위에 의해 표시되며, 본 청구범위와 등가의 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경들은 청구범위 안에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (14)

  1. (a) 내부 표면 및 외부 표면이 있고, 기체 플로우 통로를 둘러싸며 적어도 한 부위가 기상(gas phase) 반응 구역을 구획하는 벽, 하나의 말단에 유입구 및 그 대향 말단에 유출구를 가지는 세장관을 포함하여 구성되는, 복수의 이격된 반응기 유닛들; 및
    (b) 상기 기상 반응 구역과 열 연통하고 상기 기상 반응 구역에 근접하나 물리적으로 격리되어 위치하는 방사열-발생 소자를 포함하여 구성되어, 상기 반응기 유닛의 기상 반응 구역 내에서 기상 발열 반응을 시동하기 위한, 적어도 하나의 점화기를 포함하여 구성되는,
    다중-관형 화학 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다중-관형 화학 반응기가 부분 산화 개질장치(partial oxidation reformer) 또는 자기열 개질장치(autothermal reformer)인, 다중-관형 화학 반응기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 인접하는 반응기 유닛들 사이의 최대 간격은, 이 간격을 상회하면, 작동하는 반응기 유닛에서의 기상 발열 반응으로부터의 열에 의해 인접하는 반응기 유닛에서 기상 발열 반응이 개시되지 못하는, 그리고/또는 정상-상태 작동 모드 중에, 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들의 온도가 사전결정된 최소 어레이 온도 값을 하회하는 간격이며; 인접하는 반응기 유닛들 사이의 최소 간격은, 이 간격을 하회하면, 반응기 유닛의 유출구에서의 온도가 사전결정된 최대 온도 값을 상회하는 간격인, 다중-관형 화학 반응기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들을 포함하고 있는 챔버 내에 배치된 적어도 하나의 열전대를 더 포함하여 구성되는, 다중-관형 화학 반응기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 점화기를 포함하여 구성되며, 적어도 하나의 점화기는 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들을 포함하고 있는 챔버의 하나의 말단에 배치되고, 적어도 하나의 점화기는 그 대향 말단에 배치되는, 다중-관형 화학 반응기.
  6. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들을 포함하고 있는 챔버 내에 배치되는 복수의 점화기 및 복수의 열전대를 포함하여 구성되고, 여기서 적어도 하나의 점화기 및 적어도 하나의 열전대는 상기 챔버의 하나의 말단에 배치되고, 적어도 하나의 점화기 및 적어도 하나의 열전대는 그 대향 말단에 배치되는, 다중-관형 화학 반응기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 점화기 및 상기 복수의 열전대는, 상기 챔버의 하나의 말단에 있는 적어도 하나의 점화기가 그 대향 말단에 있는 열전대와 대향하도록 상기 챔버내에 배치되는, 다중-관형 화학 반응기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 유닛(들)의 기상 반응 구역(들)과 유체 연통하는 기체 반응물들의 공급원을 포함하여 구성되는, 다중-관형 화학 반응기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 점화기, 및 존재하는 경우 상기 적어도 하나의 열전대 및 상기 기체 반응물들의 공급원 중의 적어도 하나와 연동(operative communication)하여, 상기 다중-관형 화학 반응기의 작동을 제어하기 위한 제어기를 포함하여 구성되는, 다중-관형 화학 반응기.
  10. 목표하는 생성물(들)을 생산하기 위하여 다중-관형 화학 반응기 내에서 기상 발열 반응을 수행하는 방법으로서,
    상기 방법은,
    기체 반응물들을. 내부 표면 및 외부 표면이 있고 기체 플로우 통로를 둘러싸며 적어도 한 부위가 기상 반응 구역을 구획하는 벽, 하나의 말단에 유입구 및 그 대향 말단에 유출구를 가지는 세장관을 포함하여 구성되는 복수의 이격된 반응기 유닛들 중의 하나에 도입하는 단계;
    상기 반응기 유닛의 기상 반응 구역 내에서 방사 열로 상기 기체 반응물들의 발열 반응을 개시하는 단계; 및
    상기 반응기 유닛의 기상 반응 구역 내에서 일어나는 발열 반응에 의해 생산된 열을 하나 이상의 인접하는 반응기 유닛들의 기상 반응구역에 전달하여, 적어도 하나의 인접하는 반응기 유닛 내에서 발열 반응을 개시하고, 이러한 방식으로 발열 반응을 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들의 각각에서 개시하는 단계를 포함하여 구성되는, 다중-관형 화학 반응기 내에서 기상 발열 반응을 수행하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 방사열로 발열 반응을 개시하는 단계는, 방사열-발생 소자를 포함하여 구성되는 적어도 하나의 점화기를 시동하는(initiate) 것을 포함하여 구성되고, 여기서 상기 방사열-발생 소자는 상기 기상 반응 구역과 열 연통하고 상기 기상 반응 구역에 근접하나 물리적으로 격리되어 위치되는, 다중-관형 화학 반응기 내에서 기상 발열 반응을 수행하는 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들에서 상기 발열 반응들을 유지하는 단계를 포함하여 구성되는, 다중-관형 화학 반응기 내에서 기상 발열 반응을 수행하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 발열 반응들을 유지하는 단계가, 상기 복수의 이격된 반응기 유닛들의 각 반응기 유닛으로 기체 반응물들을 도입하는 것을 포함하여 구성되는, 다중-관형 화학 반응기 내에서 기상 발열 반응을 수행하는 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에서 있어서, 상기 발열 반응이 부분 산화반응인, 다중-관형 화학 반응기 내에서 기상 발열 반응을 수행하는 방법.
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