KR20180043035A - 발전용 연료개질기 및 그 운전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료와 공기가 들어오는 유입부; 유입부와 축방향으로 연결되어 연소가 제1산화부; 제1산화부가 구비된 이너챔버의 외주면과의 사이에 일정공간을 형성한채 제1산화부에서의 연소에 의한 배기가스가 빠져나가는 배기통로를 형성하는 아웃터챔버; 이너챔버와 아웃터챔버 사이에 형성된 제2산화부; 제2산화부에 의해 형성된 열에 의해 활성화되도록 아웃터챔버와 동심을 이루면서 그 외측에 형성된 SR촉매부; 제2산화부를 통해 정화된 연소가스에 의해 증기를 형성하도록 아웃터챔버 상단에 형성된 증발기; 유입부의 직경은 제1산화부의 직경보다 작고, 역화방지를 위한 스크린 메쉬가 유입부 내에 삽입됨으로서 증발기의 증기와 개질가스에 의한 SR촉매부에서의 개질반응을 활성시키는 발전용 연료개질기에 대한 것이다.

Description

발전용 연료개질기 및 그 운전방법 {Reformer for Power Generation and Operating Method thereof}

본 발명은 연료개질기에 관한 것으로, 특히 연료 및 공기 유입부 내에 역화방지를 위한 스크린 메쉬가 삽입된 발전용 연료개질기 및 그 운전방법에 관한 것이다.

통상, 개질기는 연료전지스택을 동력원으로 사용하는 연료전지발전시스템에 주로 적용된다.

또한, 산업계 전반에 걸쳐 적용되고 있는 친환경기술로 인해 소형 발전분야에서도 환경오염을 일으키는 디젤발전기 대신 친환경적인 연료전지 발전시스템이 사용됨으로써, 개질기는 그 사용범위가 넓어지고 있다.

이러한, 개질연료(일례로, LPG, LNG, CNG를 포함한 탄화수소계열 연료)로부터 수소(H2)가스를 추출하는 개질기의 산화부에는 역화방지부가 설치되며, 통상 이너챔버 내에 역화방지부 - 산화촉매의 순으로 배치되어 외부로부터의 연료 및 공기가 산화촉매에 의해 연소 반응을 하더라도 연료 및 공기 유입부로 역화가 방지된다.

국내등록특허 10-1400719 증발기 일체형 개질기 및 이를 이용한 연료전지시스템

종래에는 이너챔버(10) 내에 상반부에는 역화방지부(70)가 하반부에는 제1산화촉매(40)가 위치하는 구조로서, 상반부에 위치한 역화방지부에서는 연소가 일어나지 않고, 하반부인 제1산화촉매에서 대부분의 연료가 연소되고, 연소가스는 제2산화촉매(50)을 통해 정화되고 증발기(30)를 통과하면서 물을 증기로 만들어 연료와 함께 SR촉매(60)에서 연료가 개질된다.

아웃터챔버(20)를 둘러싼 SR촉매(60)에 전달되는 열손실이 발생한다. SR촉매 요구온도는 약 550~700℃이고, 기존구조의 이너챔버 상반부는 약 300℃까지도 낮아져, 개질반응이 전혀 되지 않아 수소발생 성능이 저하되며, SR촉매에도 손상을 줄 수 있었다. 또한, 연소가 하반부에 집중되면서 이너챔버 내부 온도는 약 1200℃ 까지 상승하고, 이너챔버를 이루는 SUS의 녹는 점이 약 1400℃이나, 박판(약 0.1mm이하)의 모노리스에 장시간 노출 시, 열화에 의하여 모노리스의 경화 혹은 부스러짐 현상이 발생하며, 심지어는 멜팅이 되기도 한다.

한편, 산화부에서 화염의 수직적 위치는 LPG와 공기의 비율에 의해 결정되는데, 역화방지부로 화염이 올라오지 않도록 하기 위하여 과도한 공기를 주입해야하는 상황도 발생한다. 예를들어, 연료로서 LPG 사용 시 적정 공연비는 약 30(LPG유량 대비 30배의 공기주입)으로, 공기를 초과 주입 시, 냉각으로 온도가 오히려 내려갈 수 있다. 그럼에도 역화를 방지하기 위해 LPG유량의 약 40배의 공기를 주입하는 경우가 발생하며, 이는 공기 펌프의 용량/펌프 소비전력이 늘어나 시스템의 효율이 떨어지고, 크기 및 무게가 상승함으로서 연료전지 발전을 위한 개질기로서 큰 단점이다.

이를 해결하기 위한 발전용 연료개질기는 연료와 공기가 들어오는 유입부; 유입부와 축방향으로 연결되어 연소가 제1산화부; 제1산화부가 구비된 이너챔버의 외주면과의 사이에 일정공간을 형성한채 제1산화부에서의 연소에 의한 배기가스가 빠져나가는 배기통로를 형성하는 아웃터챔버; 이너챔버와 아웃터챔버 사이에 형성된 제2산화부; 제2산화부에 의해 형성된 열에 의해 활성화되도록 아웃터챔버와 동심을 이루면서 그 외측에 형성된 SR촉매부; 제2산화부를 통해 정화된 연소가스에 의해 증기를 형성하도록 아웃터챔버 상단에 형성된 증발기; 유입부의 직경은 제1산화부의 직경보다 작고, 역화방지를 위한 스크린 메쉬가 유입부 내에 삽입됨으로서 증발기의 증기와 개질연료 의한 SR촉매부에서의 개질반응을 활성화시키고, 산화부의 연료 역화를 방지한다.

또한, 유입부 내 삽입된 스크린 메쉬가 제1산화부와 마주하는 스크린 메쉬의 역화방지면은 이너챔버의 입구면으로부터 제1거리만큼 이격되어 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 아웃터챔버의 내측면에 형성된 제2산화부 및 아웃터챔버의 외측면에 형성된 SR촉매부의 상부단면은 서로 연장된 동일평면 상에 위치한 것을 특징으로 한다.

또한, 동일평면은 상기 이너챔버의 입구면으로부터 아래로 제2거리만큼 이격되어 위치한 것을 특징으로 한다.

또한, 역화방지면으로부터 형성된 화염의 길이는 제1거리와 제2거리의 합보다 큰 것을 특징으로 한다.

또한, 증발기와 제1산화부와의 사이에는 유입부 길이에 의해 공간이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 공간에서 점화플러그에 의해 점화가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이를 해결하기 위한 발전용 연료개질기의 운전방법은 공기의 양은 유입구의 온도에 따라 제어되며, 유입구의 온도가 제1산화부의 상부기준온도보다 높으면 공기의 양을 단계적으로 증가시키고, 유입구의 온도가 제1산화부의 상부기준온도보다 낮으면 공기의 양을 단계적으로 감소시키며, 재점화는 제1산화부의 하부기준온도에 따라 제어되고, 제1산화부의 하부온도가 하부기준온도보다 10%이상 낮아지면 재점화를 하고, 제1산화부의 하부온도가 하부기준온도보다 10%이상 높아지면 연료를 일정시간 차단 뒤, 다시 연료주입 및 재점화를 하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 역화방지부가 유입부 내에 삽입됨으로서 증발기의 증기와 개질가스에 의한 SR촉매부에서의 개질반응을 활성시킨다. 즉, 산화부 및 그 외부에 설치된 SR촉매의 수직거리에 의한 온도 차이를 줄여 열효율을 향상 시키고, SR촉매의 손상을 방지한다. 또한 산화부의 화염 집중부에서 발생할 수 있는 열화에 의하여 모노리스의 경화 혹은 부스러짐 현상이 감소하며, 멜팅이 방지된다.

도 1은 종래의 개질기의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 개질기의 구성도이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 종래의 개질기이며, 이너챔버(10)내에 역화방지부(70)와 제1산화부(40)가 위아래 직렬로 배치되며, 점화플러그(80)는 제1산화부 하단에 위치한다. 이너챔버와 아웃터챔버(20) 사이에 제2산화부(50)가 탑재되어 제1산화부로부터의 연소반응에 의해 생성된 연소가스가 지나가며 이는 연료 및 공기 주입부를 중심에 형성한 증발기(30)로 유입되어 증발기에서 물을 증기로 변환시킨다. 연소는 제1산화부를 통과한 연료 및 공기가 점화플러그에서의 점화에 의해서 개시된다.

도 2는 외부로부터 연료 및 공기가 유입되는 유입부(190)가 제1산화부(140)와 동심축을 이루면서 연결된다. 제1산화부는 이너챔버(110) 내에 연소가 이루어지는 공간이며, 이너챔버와 동심축을 갖는 아우터챔버(120)와의 사이에 산화촉매로 채워진 제2산화부(150)가 있다. 즉, 제1산화부는 유입부로부터의 연료와 공기를 연소시키는 공간이며, 제2산화부는 제1산화부에 의해 발생되는 열로 활성화되어, 제1산화부에서의 연소반응에 의해 생성된 연소가스를 정화시키는 산화촉매이다.

이때, 이너챔버와 아우터챔버는 하단부가 서로 연통되어, 제1산화부에서 발생한 연소가스가 이너챔버와 아우터챔버 사이에 형성된 제2산화부에 의해 정화된 뒤 증발기(200)로 이동된다. 온도센서가 하단부에 위치하여 제1산화부 하단의 온도를 측정할 수 있다.연소가스는 증발기를 통과하면서 증발기의 물과 열교환을 통해 온도가 낮아져 외부로 배출되고, 증발기의 물은 증기로 되어 개질촉매로 유입된다. 개질촉매는 아웃터챔버를 감싸도록 형성되며, 제1산화부 및 제2산화부의 발열에 의해 촉매활성화되고, 증발기로부터 유입된 증기 및 외부로부터 유입된 연료와 반응하여 연료를 개질하여 수소를 생성하게 된다. 개질촉매 중 증발기의 스팀이 반응에 이용되므로 스팀리포밍 즉 SR촉매(160)라고 한다.

종전에는 도 1에서 보듯이 유입부를 통과한 연료와 공기가 연소 될 때 역화를 방지하기 위한 역화방지부(70)가 이너챔버(10) 내에 제1산화촉매(40)와 직렬로 형성되어 있어, 유입부로터 이너챔버로 유입된 연료 및 공기는 역화방지부를 통과한 뒤 제1산화부에서 연소되었다. 그러나, 본 발명에서는 역화방지부를 유입부 내에 탑재하는 대신 이너챔버 내에 제1산화부가 더욱 연장되어, 촉매에 의한 연소를 더욱 활성화시킨다.

이때, 아웃터챔버의 내측면에 제2산화부의 상부단면과 아웃터챔버의 외측면에 형성된 SR촉매부의 상부단면은 서로 연장된 동일평면에 위치하는데 이는 제2산화부로부터 SR촉매부로의 열교환을 충분히 하기 위해서이다.

한편, 유입부 내에 탑재된 역화방지부는 종전의 모노리스가 아닌 스크린 메쉬이며, 바람직하게는 40메쉬를 사용할 수 있다. 유입부 내에 탑재된 스크린 메쉬는 이너챔버 내의 제1산화부와 면접하는 것이 아니라 일정거리 이격되어 설치된다. 즉, 유입부 내 삽입된 스크린메쉬가 제1산화부와 마주하는 면을 스크린 메쉬의 역화방지면이라 할 수 있다. 역화방지면은 유입부의 출구로부터 제1거리만큼 유입부 내측으로 이격되어 위치할 수 있다.

제1산화부는 아웃터챔버의 내측면에 제2산화부의 상부단면과 아웃터챔버의 외측면에 형성된 SR촉매부의 상부단면은 서로 연장된 동일평면보다 유입부를 향해 더 길게 형성된다. 즉, 역화방지면은 제1산화부의 상단으로부터의 거리 즉, 유입부의 출구로부터 이격되는데 이를 제1거리라고 한다. 또한, 제1산화부의 상단부가 제2산화부와 SR촉매의 상단부에 의해 형성되는 평면보다 더 높게 형성되는데 이를 제2산화부와 SR촉매의 상단부에 의해 형성되는 평면으로부터의 제2거리라고 한다.

이를 정리하면, 제2산화부 및 SR촉매부의 상단면이 이루는 평면으로부터 역화방지면은 제1거리와 2거리의 합이되는데, 적어도 화염의 길이는 이보다 크도록 형성할 수 있다.

한편, 유입구에 설치된 온도센서(130)는 측정된 온도에 따라 공기의 양을 증감시킨다. 평상 시, 유입구 온도는 40℃이며, 이를 제1산화부 상부기준온도라 한다. 일반적으로 LPG의 공급량은 500ccm, 공기는 15LPM으로 연료대비 공기량은 약 30배이다. 만일, 유입구의 온도가 50℃에 도달 시 연료는 동일하나, 공기량은 기존 유량으로부터 1LPM씩 증가시키며, 유입구의 온도가 30℃에 도달 시는 이와 반 대로 1LPM씩 감소시킨다. 매 1분마다 재측정을 하고 그럼에도 불구하고 일정시간동안 제1산화부 상부기준온도에 도달하지 못하면 공기량을 추가하여 +1/-1LPM으로 조절한다.

역화 안정성을 위해 종전에는 유량센서을 공기 유로상에 설치하여 펌프의 구동 PWM (펄스 폭 변조를 통한 유량조절)을 제어하는 방식이었으나, 본 발명에서는 유량 센서를 적용하지 않고, 제1산화부 하단에서 측정된 온도(210)가 제1산화부하부기준온도에 도달여부에 따라 재점화로직을 적용한다. 즉, 제1산화부 하단에서 측정된 온도는 평상 시 900℃인데, 일정시간(예를들어 20초) 안에 800℃ 까지 급격히 온도가 감소하면 점화플러그를 1분간 ON함으로서 운전 중 발생가능한 소화 현상에 대응하며, 일정시간 안에 1000℃ 까지 급격히 상승 시, LPG 공급을 5초간 OFF한 뒤, 다시 LPG 공급 후 1분간 점화플러그를 ON함으로서, 운전 중 화염이 제2산화부로 이동되는 것을 방지할 수 있다.

이를 부연설명하면, 연료와 함께 유입되는 공기의 양은 유입구의 온도에 따라 제어되며, 유입구의 온도가 제1산화부의 상부기준온도보다 높으면 공기의 양을 단계적으로 증가시키고, 유입구의 온도가 제1산화부의 상부기준온도보다 낮으면 공기의 양을 단계적으로 감소시키며, 재점화는 제1산화부의 하부기준온도에 따라 제어되고, 제1산화부의 하부온도가 하부기준온도보다 10%이상 낮아지면 재점화를 하고, 제1산화부의 하부온도가 하부기준온도보다 10%이상 높아지면 연료를 일정시간 차단 뒤, 다시 연료주입 및 재점화를 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서의 연소는 제2산화부를 통과한 연료 및 공기를 점화하면, 불꽃이 제2산화부와 제1산화부를 지나 연료 및 공기 유입부로 전달됨으로서 개시된다.

Claims (12)

1. 연료와 공기가 들어오는 유입부;
   상기 유입부와 축방향으로 연결되어 연소가 이루어지는 제1산화부;
   상기 제1산화부를 포함하는 이너챔버의 외주면과의 사이에 일정공간을 형성하며 상기 제1산화부에서의 연소에 의한 배기가스가 빠져나가는 배기통로를 형성하는 아웃터챔버;
   상기 이너챔버와 상기 아웃터챔버 사이에 형성된 제2산화부;
   상기 제1산화부와 제2산화부에서 발생한 열에 의해 활성화되도록 상기 아웃터챔버와 동심을 이루면서 그 외측에 형성된 SR촉매부;
   상기 제2산화부를 통해 정화된 연소가스에 의해 증기를 형성하도록 상기 아웃터챔버 상단에 형성된 증발기;
   상기 유입부의 직경은 상기 제1산화부의 직경보다 작고, 역화방지를 위한 스크린 메쉬가 상기 유입부 내에 삽입됨으로서 상기 증발기의 증기와 개질가스에 의한 상기 SR촉매부에서의 개질반응을 활성시키는 발전용 연료개질기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유입부 내 삽입된 상기 스크린 메쉬의 역화방지면은 상기 이너챔버의 입구면으로부터 제1거리만큼 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 발전용 연료개질기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 아웃터챔버의 내측면에 형성된 상기 제2산화부 및 상기 아웃터챔버의 외측면에 형성된 상기 SR촉매부 각각의 상부단면은 서로 연장된 동일평면 상에 위치한 것을 특징으로 하는 발전용 연료개질기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 동일평면은 상기 이너챔버의 입구면으로부터 아래로 제2거리만큼 이격되어 위치한 것을 특징으로 하는 발전용 연료개질기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 역화방지면으로부터 형성된 화염의 길이는 상기 제1거리와 상기 제2거리의 합보다 큰 것을 특징으로 하는 발전용 연료개질기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 증발기와 상기 제1산화부와의 사이에는 상기 유입부 길이에 의해 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 발전용 연료개질기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 공간에서 점화플러그에 의해 점화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 발전용 연료개질기.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 발전용 연료개질기의 운전방법에 있어서,
   상기 공기의 양은 상기 유입구의 온도에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 발전용 연료개질기의 운전방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 유입구의 온도가 상기 제1산화부의 상부기준온도보다 높으면 상기 공기의 양을 단계적으로 증가시키고, 상기 유입구의 온도가 상기 제1산화부의 상부기준온도보다 낮으면 상기 공기의 양을 단계적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 발전용 연료개질기의 운전방법.
10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 발전용 연료개질기의 운전방법에 있어서,
    재점화는 상기 제1산화부의 하부기준온도에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 발전용 연료개질기의 운전방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1산화부의 하부온도가 하부기준온도보다 10%이상 낮아지면 재점화를 하는 것을 특징으로 하는 발전용 연료개질기의 운전방법.
12. 제10항에 있어서,
    상기 제1산화부의 하부온도가 하부기준온도보다 10%이상 높아지면 상기 연료를 일정시간 차단 뒤, 다시 연료주입 및 재점화를 하는 것을 특징으로 하는 발전용 연료개질기의 운전방법.

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