KR20170002116A - 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치 및 이를 이용한 원료 공급 방법 - Google Patents

연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치 및 이를 이용한 원료 공급 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가압을 통해 액상 연료를 공급하고, 자열개질기의 폐열을 활용하여 액상 연료를 기화시키며, 대향식 열교환기를 사용하고, 분배기를 사용한 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치 및 이를 이용한 원료 공급 방법을 제공함으로써, 균일한 연료 공급이 가능하며, 이를 혼합하기 위한 별도의 노즐 등이 필요치 않기 때문에 이에 따른 수소의 생산량이 일정하고, 촉매 층 내의 카본 침적이 쉽게 발생하지 않고, 일부 촉매층의 과도한 온도 증가를 방지하여, 촉매의 수명 및 내구성을 증가시킬 수 있다.

Description

연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치 및 이를 이용한 원료 공급 방법{HEAT TRANSFER TYPE RAW MATERIAL SUPPLYING APPARATUS OF AUTOTHERMAL REFORMER FOR FUEL CELL APPLICATION AND SUPPLYING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치 및 이를 이용한 원료 공급방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 디젤, 물, 공기 및/또는 산소로부터 수소를 생산하여 연료전지에 공급하는 자열개질기에 원료를 공급하는 열교환형 원료 공급장치 및 이를 이용한 원료 공급방법에 관한 것이다.
신재생에너지 분야 중 하나인 연료전지는 분산형 전력공급원뿐만 아니라 수송용 분야 주동력원으로서 많은 연구가 진행중이다. 가정용 및 산업용 연료전지는 연료로 사용되는 수소 공급을 위한 천연가스의 개질이 핵심기술이나, 트럭이나 선박은 디젤유과 같은 액상 탄화수소를 이미 사용하고 있기 때문에 이들을 개질하여 수소를 얻는 방법에 관심이 높다.
디젤을 개질하여 수소를 생산하는 방법은 대표적으로 수증기 개질(SR, Steam Reforming), 부분산화법(Partial Oxidation Reforming), 자열개질(ATR, Auto-Thermal Reforming)이 있으나, 자열개질이 가장 효율적인 것으로 알려져 있다. 자열개질은 탄화수소 연료와 함께 물과 산소(또는 공기)를 동시에 공급하여 수소를 얻는 방법으로서 초기 반응 시작 단계에서만 일정량의 열을 공급하면 이후에는 반응에서 발생되는 열로 인해 후속반응이 계속적으로 진행되는 방법이다.
디젤은 다른 탄화수소 연료 및 액체 수소에 대비하여 단위질량 및 단위부피 당 높은 수소 밀도를 갖기 때문에 자열개질의 탄화수소 연료로 사용된다. 디젤은 높은 수소 밀도를 가졌을 뿐만 아니라, 디젤을 개질하여 생산된 수소를 에너지원으로 사용할 경우 디젤을 직접 연료로 사용할 경우 발생할 수 있는 NOx의 발생을 사전에 예방할 수 있다는 장점이 있다.
그럼에도 불구하고 디젤 자열개질기는 1) 개질 반응 중 개질기 내에서 발생하는 탄소침적, 2) 디젤 내 포함된 황에 의한 촉매 피독 현상, 3) 액상인 디젤과 기상인 산소(공기), 물과의 혼합, 4) 디젤 내 포함된 방향족 탄화수소로 인한 연료 전환의 어려움과 같은 문제점 있다.
본 발명에서는 상기 문제점 중 3) 액상인 디젤과 기상인 산소(공기), 물과의 혼합 문제를 해결하고자 한다.
디젤은 200 여가지 이상의 물질로 이루어진 복잡한 혼합물로서 끓는점이 200~380℃로 넓고 높기 때문에, 디젤을 기화시켜 개질기 내부로 공급하는 것은 매우 어렵다. 따라서, 기상으로 공급되는 산소(공기) 및 물과의 균일한 혼합이 잘 이루어지지 않으며 개질 효율 저감을 야기할 수 있다.
통상적으로 액상인 디젤을 개질기 내로 공급하는 방식은 크게 두 가지로 나누어진다. 첫 번째는 아무런 전처리 없이 디젤을 직접 개질기 내로 공급하는 방식이며, 두 번째는 개질기 입구 단에 초음파 분무장치를 탑재하여 디젤을 미립화 액적으로 변환 후 공급하는 방식이다.
통상적으로 디젤을 미립화하여 개질기 내에 공급하면 개질기 내에서 반응물들 사이의 혼합도가 증가하여 개질 반응에서 원하지 않는 부산물인 에틸렌의 생성을 억제할 수 있으며, 이를 통해 디젤 자열개질기의 개질 효율을 높일 수 있는 것으로 알려져 있다(윤상호, "디젤 자열개질 중 발생하는 에틸렌에 의한 탄소침적 억제에 관한 연구", 한국과학기술원 석사학위논문, 2008 참조).
그러나, 초음파를 이용하여 액적으로 변환시켜 공급함에도 불구하고 분무 과정과 액적의 크기로 인해서 천연가스와 같은 기상의 연료에 비해서 불균일한 연료 공급이 발생할 수밖에 없다. 이로 인해 연료와 스팀, 그리고 산소의 공급 비율이 일정하지 못할 뿐만 아니라 개질기 일부 구간에 연료의 과다 또는 부족이 발생할 수 있다. 이로 인해 촉매 층 내의 카본 침적이 쉽게 발생되고 부분적인 연료의 과다 공급으로 일부 촉매층의 온도가 과도하게 증가하는 결과가 발생할 수 있다. 이와 같은 현상들은 촉매의 비활성을 동반하여 촉매의 수명 및 내구성을 저하시킬 수 있다.
연료 전지의 개질기 및 개질기에 연료를 공급하는 방법에 관한 종래 기술은 기상의 연료 및 공기, 물에 있어서 물만을 가열하여 스팀으로 변환하거나(대한민국 공개특허공보 제10-2013-0142273호), 액체를 미립화시킨 연료, 수증기화 시키지 않은 물, 공기를 혼합하기 위한 3유체 노즐을 사용하는(대한민국 공개특허공보 제10-2009-0109243호) 기술이 공개되어 있다. 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0092496호는 액체 연료를 초음파 분무기를 사용하여 무화시켰으나, 앞서 설명한 바와 같이 초음파 분무기의 경우에도 연료를 균일하게 공급할 수 없는 단점이 있다. 다만, 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0092496호에는 열에너지를 이용하여 액상의 연료를 무화시킨다고 기재되어 있을 뿐, 모두 기화되는지에 대해서 구체적인 구성이 기재되어 있지 않을 뿐만 아니라, 자열개질기에서 발생되는 에너지를 사용하여 에너지 효율을 높이고, 펌프를 사용하지 않고 가압에 의해서 액체 연료를 공급하기 때문에 구성이 단순하며, 열순환의 효과를 높이기 위해서 대향류 방식을 사용하고, 기화되지 않은 액상 연료를 걸러내는 분배기 등에 대해서는 기재되어 있지 않다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 디젤 연료를 기화시켜 증기 상태로 자열개질기에 공급하는 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치 및 이를 이용한 원료 공급 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치에 있어서, 내부에 액상 연료 또는 기상 원료를 포함하며 내부 압력 조절이 가능한 원료탱크; 상기 원료탱크의 내부 압력에 의해서 배출되는 상기 액상 연료의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브; 상기 자열개질기로부터 발생되는 열을 상기 자열개질기의 원료로 공급되는 상기 기상 원료와 상기 유량조절밸브를 통과한 상기 액상연료에 각각 전달하기 위한 열교환기;
상기 열교환기에 의해서 가열된 액상 연료 중 증기 또는 기체상은 상기 자열개질기로 공급하고 증기 또는 기체상이 아닌 부분은 다시 각각의 상기 원료탱크 또는 상기 열교환기 주입 전으로 순환시키며 상기 열교환기에 의해서 가열된 기상 원료는 바로 상기 자열개질기로 공급하는 분배기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 또한 연료전지용 자열개질기에 원료를 공급하는 방법에 있어서, 원료탱크의 내부 압력을 조절하여 내부의 액상 연료 또는 기상 원료를 공급하는 단계; 상기 원료탱크의 내부 압력에 의해서 배출되는 상기 액상 연료의 유량을 유량조절밸브를 사용하여 더 조절하는 단계; 상기 자열개질기로부터 발생되는 열을 열교환기를 사용하여 상기 액상 연료 및 상기 기상 원료를 각각 가열하는 단계; 상기 열교환기에 의해서 가열된 액상 연료 중 증기 또는 기체상은 상기 자열개질기로 공급하고 증기 또는 기체상이 아닌 부분은 다시 각각의 상기 원료탱크 또는 상기 열교환기 사용 전으로 순환시키며 상기 열교환기에 의해서 가열된 기상 원료는 바로 상기 자열개질기로 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질기에 원료를 공급하는 방법을 추가로 제공한다.
상기 공급장치 및 방법에 있어서 상기 연료전지는 수소를 연료로 사용하며, 상기 자열개질기는 수소를 생산하고, 상기 액상 연료는 디젤 및 물이며 상기 기상 원료는 공기 및/또는 산소일 수 있다.
또한, 상기 열교환기는 대향류 방식의 열교환기일 수 있으며, 상기 열교환기는 추가의 열량 공급을 위해서 자열개질기에서 발생되는 열 외에 외부의 열을 추가로 공급받을 수 있다.
상기 유량조절밸브는 미량조절밸브일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치 및 이를 이용한 원료 공급 방법은 액상 연료를 기상으로 변환하여 공급하기 때문에 균일한 연료 공급이 가능하며, 이를 혼합하기 위한 별도의 노즐 등이 필요치 않아 장치 및 공정이 단순해진다. 이에 따른 수소의 생산량이 일정하고, 촉매 층 내의 카본 침적이 쉽게 발생하지 않고, 일부 촉매층의 과도한 온도 증가를 방지하여, 촉매의 수명 및 내구성을 증가시킬 수 있다.
또한, 자열개질기로부터 발생되는 열을 재사용하기 때문에 가열에 소비되는 에너지를 줄일 수 있고, 대향류 방식의 열교환기를 사용하기 때문에 에너지 효율이 높으며, 펌프를 사용하지 않고 가압에만 의해서 액체 연료를 공급하기 때문에 구성이 단순하고, 비용이 적게 들며, 분배기를 사용하므로 기화되지 않은 액상을 걸러낼 수 있어 개질기의 효율이 높다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치의 개략적인 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 액상 원료탱크의 압력, 유량조절밸브의 표시 눈금과 유량에 대한 캘리브레이션 커브
도 3은 기화된 액상 연료(디젤)의 온도에 대한 열교환기에 공급되는 가열매체의 온도, 액상 연료의 유량 및 액상 원료탱크의 압력에 따른 영향 비교
도 4는 디젤이 충분히 기화되는 경우와 기화되지 않을 경우에 공급되는 액체 연료의 상태 변화 비교
본 발명은 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치 및 이를 이용한 원료 공급 방법에 관한 것이다.
이하 본 발명에 따른 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치 및 이를 이용한 원료 공급 방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치의 개략적인 구조를 나타낸 것이다.
도 1과 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치는 액상 원료탱크(100), 기상 원료탱크(110), 유량조절밸브(120), 열교환기(130), 분배기(140), 혼합기(150), 자열개질기(160), 연료전지(170)를 포함한다.
액상 원료탱크(100)는 가압 탱크로서 내부에는 액상 연료가 구비되어 있으며, 용기 내부는 액상 연료와 반응성이 없는 기체를 사용하여 가압을 한다. 용기 상부에는 내부 압력을 측정할 수 있는 압력계와 가압 기체를 주입할 수 있는 입구가 구비되어 있다. 액상 원료탱크(100) 옆면에는 내부 액상 연료의 잔여량을 알 수 있는 게이지 또는 투명의 유리창이 구비될 수 있다. 액상 연료가 부족할 경우 별도의 주입구 및 펌프를 통해 액상 연료를 액상 원료탱크(100)로 주입한다. 액상 원료탱크(100) 내부의 압력 및 유량조절밸브(120)의 표시 눈금과 실제 유량에 대한 캘리브레이션 커브를 작성하여, 조업 중에는 액상 원료탱크(100)의 압력과 유량조절밸브의 표시 눈금만으로 액상 연료의 주입량을 계산할 수 있다. 압력조건과 밸브의 개방에 따른 주입량은 비선형적으로 변하였지만 실험을 통해 조사할 결과 도 2와 같이 연료의 주입량을 계산할 수 있음을 알 수 있었다.
한편, 액상 연료탱크(100)는 디젤을 공급하는데 사용될 수 있고, 자열개질기(160)에 공급되는 물은 가압 탱크가 아닌 통상적인 상압용 물 저장 탱크 및 펌프를 이용하여 공급할 수 있다.
기상 원료탱크(110)는 공기 및/또는 산소를 공급하기 위한 것으로서 통상의 기체용 고압 탱크 및 기체의 유량 조절을 위한 통상적인 장치가 사용되는바 이에 대해서는 자세한 설명은 생략한다.
유량조절밸브(120) 또한 유체의 유량을 미세하게 조정할 수 있는 통상적인 장치가 사용되는바 이에 대해서는 자세한 설명은 생략한다.
열교환기(130)는 자열개질기(160)로부터 발생되는 열을 분배하여 액체 연료, 통상적으로 디젤을 기화시키고, 물을 스팀으로 바꾸며, 산소 및/또는 공기를 가열하기 위한 열교환기로서 열교환기의 효율을 높이기 위해서 대향류 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 열교환기는 통상적으로 사용되는 열교환기를 사용할 수 있으며, 구체적인 형태는 열교환 용량 등을 고려하여 통상의 기술자가 적절히 선택할 수 있는 것이므로 이에 대해서는 자세한 설명은 생략한다.
분배기(140)는 열교환기(130)를 통해 가열된 액체 연료(디젤) 또는 물 중 기상이 되지 못한 부분을 분배하여 다시 각각의 원료탱크(100) 또는 열교환기(130) 주입 전으로 순환시킬 수 있는 장치로서 기화된 액체 연료(디젤), 스팀, 기체는 혼합기(150)에 혼합되어 자열개질기(160)으로 공급된다.
자열개질기(160) 및 연료전지(170)는 통상적인 연료전지 및 이에 수소를 공급하는 자열개질기이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
열교환기에 공급되는 가열매체의 온도, 액상 연료의 유량 및 액상 원료탱크의 압력에 따른 기화된 액상 연료(디젤)의 온도를 조사한 결과 도 3과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 도 3에서 본 바와 같이 가열매체의 온도가 높을수록 디젤의 온도가 높아지나, 액상 연료의 유량이 가열매체가 공급하는 열량의 범위를 넘어설 경우 오히려 기화된 디젤의 온도가 떨어짐을 알 수 있어, 안정적인 개질기의 운전을 위해서는 연료공급기의 운전 조건을 최적화하는 것이 매우 중요함을 알 수 있었다.
한편, 도 4에서 알 수 있듯이, 충분히 기화된 디젤의 경우 스팀의 형태로 배출되므로 별도의 분무기 또는 노즐이 필요치 않으며, 가열량이 충분치 않을 경우 응축상의 액체가 관측이 되는바, 본 발명에서와 같이 분배기를 사용할 경우 자열개질기로 공급되는 디젤을 기상으로만 공급하게 되는 향상된 효과가 있음을 알 수 있었다.
이와 같이 본 발명은 가압을 통해 액상 연료를 공급하고, 자열개질기의 폐열을 활용하여 액상 연료를 기화시키며, 대향식 열교환기를 사용하고, 분배기를 사용한 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치 및 이를 이용한 원료 공급 방법을 제공함으로써, 균일한 연료 공급이 가능하며, 이를 혼합하기 위한 별도의 노즐 등이 필요치 않아 장치 및 공정이 단순해진다. 이에 따른 수소의 생산량이 일정하고, 촉매 층 내의 카본 침적이 쉽게 발생하지 않고, 일부 촉매층의 과도한 온도 증가를 방지하여, 촉매의 수명 및 내구성을 증가시킬 수 있다.
또한, 자열개질기로부터 발생되는 열을 재사용하기 때문에 가열에 소비되는 에너지를 줄일 수 있고, 대향류 방식의 열교환기를 사용하기 때문에 에너지 효율이 높으며, 펌프를 사용하지 않고 가압에만 의해서 액체 연료를 공급하기 때문에 구성이 단순하고, 비용이 적게 들며, 분배기를 사용하므로 기화되지 않은 액상을 걸러낼 수 있어 개질기의 효율이 높다는 장점이 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
100 액상 원료탱크 110 기상 원료탱크
120 유량조절밸브 130 열교환기
140 분배기 150 혼합기
160 자열개질기 170 연료전지

Claims (10)

  1. 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치에 있어서,
    내부에 액상 연료 또는 기상 원료를 포함하며 내부 압력 조절이 가능한 원료탱크;
    상기 원료탱크의 내부 압력에 의해서 배출되는 상기 액상 연료의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브;
    상기 자열개질기로부터 발생되는 열을 상기 자열개질기의 원료로 공급되는 상기 기상 원료와 상기 유량조절밸브를 통과한 상기 액상 연료에 각각 전달하기 위한 열교환기;
    상기 열교환기에 의해서 가열된 액상 연료 중 증기 또는 기체상은 상기 자열개질기로 공급하고 증기 또는 기체상이 아닌 부분은 다시 각각의 상기 원료탱크 또는 상기 열교환기 주입 전으로 순환시키며 상기 열교환기에 의해서 가열된 기상 원료는 바로 상기 자열개질기로 공급하는 분배기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지는 수소를 연료로 사용하며, 상기 자열개질기는 수소를 생산하고, 상기 액상 연료는 디젤 및 물이며 상기 기상 원료는 공기 및/또는 산소인 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기는 대향류 방식의 열교환기인 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기는 추가의 열량 공급을 위해서 자열개질기에서 발생되는 열 외에 외부의 열을 추가로 공급받을 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유량조절밸브는 미량조절밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치.
  6. 연료전지용 자열개질기에 원료를 공급하는 방법에 있어서,
    원료탱크의 내부 압력을 조절하여 내부의 액상 연료 또는 기상 원료를 공급하는 단계;
    상기 원료탱크의 내부 압력에 의해서 배출되는 상기 액상 연료의 유량을 유량조절밸브를 사용하여 더 조절하는 단계;
    상기 자열개질기로부터 발생되는 열을 열교환기를 사용하여 상기 액상 연료 및 상기 기상 원료를 각각 가열하는 단계;
    상기 열교환기에 의해서 가열된 액상 연료 중 증기 또는 기체상은 상기 자열개질기로 공급하고 증기 또는 기체상이 아닌 부분은 다시 각각의 상기 원료탱크 또는 상기 열교환기 사용 전으로 순환시키며 상기 열교환기에 의해서 가열된 기상 원료는 바로 상기 자열개질기로 공급하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질기에 원료를 공급하는 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 연료전지는 수소를 연료로 사용하며, 상기 자열개질기는 수소를 생산하고, 상기 액상 연료는 디젤 및 물이며 상기 기상 원료는 공기 및/또는 산소인 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질기에 원료를 공급하는 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 열교환기는 대향류 방식의 열교환기인 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질기에 원료를 공급하는 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 열교환기는 추가의 열량 공급을 위해서 자열개질기에서 발생되는 열 외에 외부의 열을 추가로 공급받을 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질기에 원료를 공급하는 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 유량조절밸브는 미량조절밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질기에 원료를 공급하는 방법.
KR1020150092119A 2015-06-29 2015-06-29 연료전지용 자열개질기의 열교환형 원료 공급장치 및 이를 이용한 원료 공급 방법 KR20170002116A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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