KR20180078522A - 연료처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료처리장치에 관한 것으로, 장치바디와 상기 장치바디의 중앙측에 배치되는 연료개질부와 상기 연료개질부를 가열하도록, 상기 장치바디의 상측에 배치되는 가열부와 상기 연료개질부와 연결되고, 상기 장치바디의 하측에 배치되는 CO변성반응부 및 상기 CO변성반응부와 연결되고, 상기 장치바디의 상측에 배치되는 프록스반응부를 포함하여 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 최적의 배치를 통해 열전달 및 냉각효율이 개선되고 개질반응 및 CO제거반응이 안정적으로 이뤄지며, 장치의 소형화에 유리한 효과가 있다.

Description

연료처리장치{APPARATUS FOR PROCESSING FUEL}
본 발명은 연료처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최적의 배치를 통해 열전달 및 냉각효율이 개선되고 개질반응 및 CO제거반응이 안정적으로 이뤄지며, 장치의 소형화에 유리한 연료처리장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지시스템에 사용되는 연료처리장치는 개질기(reformer), CO 변성기(CO shift converter) 및 CO 제거기(remover)를 포함하여 구성될 수 있다.
개질기는 메탄과 같은 연료가스를 수증기와 반응시켜 버너를 통한 흡열반응을 통해 수소를 생성하게 된다. 여기서 개질기에서 생성된 수소는 일산화탄소가 통상 포함되어 있다.
이러한 일산화탄소가 포함된 수소가 그대로 연료전지시스템에 공급되면, 연료전지 내부에서 반응촉매에 피독을 일으켜 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있다.
따라서, 생성된 수소를 연료전지시스템에 공급하기 전에 일산화탄소를 제거해야 하며, 이때 CO 변성기 및 CO 제거기가 사용되게 된다.
CO 변성기에서는 일산화탄소를 수증기와 반응시켜, 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시키고, 추가적인 수소를 생성한다. CO 변성기를 거치는 동안 수소내 함유되어 있던 일산화탄소는 10~15%에서 1%이하로 감소하게 된다.
CO 변성기를 거친 수소는 다시 CO 제거기로 유입되고, 일산화탄소에 대한 선택산화반응을 통해 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시켜, 통상 10ppm 이하로 감소하게 된다.
이와 같이 CO가 제거된 연료가스는 연료전지 스택의 연료극(anode)으로 공급되고, 공기극(cathode)으로는 공기(산소)가 공급되어 전해질막을 매개로 전기화학반응이 이뤄져 전류가 생성되고, 부수적으로 물과 열이 발생한다.
생성된 전류는 집전체(current collector)를 통해 집전되고 인버터(inverter)에서 교류로 전환되어 부하에 공급되며, 발생된 열은 열교환기를 통해 온수로 저장되어 급탕 및 난방용으로 사용되기도 한다.
현재 연료전지는 그 활용범위가 점차 넓어지고 있는 추세이며, 선진국에서는 앞다투어 연료전지의 개량 및 효율 향상을 위한 투자를 지속적으로 하고 있다.
우리나라도 연료전지를 미래 친환경 에너지원으로 보고, 적극적인 투자에 나서고 있는 추세이다.
이에 따라 관련 기술분야에서는 연료전지의 주원료인 수소의 효율적 생성을 위한 연료처리장치의 성능 개선을 지속적으로 모색하고 있다. 이는 장치를 보다 소형화하고, 장치 내부적으로 배치된 개질기, CO 변성기 및 CO 제거기간의 배가스 폐열 회수를 통한 열효율 향상 및 상호간의 열전달을 통한 냉각능력 향상을 위한 연구가 계속되고 있다.
국내특허 공개번호:10-2016-0097669
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 최적의 배치를 통해 열전달 및 냉각효율이 개선되고 개질반응 및 CO제거반응이 안정적으로 이뤄지며, 장치의 소형화에 유리한 연료처리장치를 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 연료처리장치에 관한 것으로, 장치바디와 상기 장치바디의 중앙측에 배치되는 연료개질부와 상기 연료개질부를 가열하도록, 상기 장치바디의 상측에 배치되는 가열부와 상기 연료개질부와 연결되고, 상기 장치바디의 하측에 배치되는 CO변성반응부 및 상기 CO변성반응부와 연결되고, 상기 장치바디의 상측에 배치되는 프록스반응부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연료개질부는, 상기 장치바디의 하단과 연결되어 배치되는 연료가스 유입구와 상기 연료가스 유입구와 연결되고, 유입되는 연료가스가 상방향으로 이동되도록 상기 장치바디의 내부에 배치되는 제1 유로와 상기 제1 유로와 연결되고, 상기 장치바디의 내부 중앙측에 배치되는 개질촉매층 및 상기 개질촉매층과 연결되고, 상기 제1 유로의 내측에 배치되며, 개질촉매반응을 거친 연료가스를 하방향으로 이동되도록 제공되는 제2 유로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 CO변성반응부는, 상기 장치바디의 하측에서 상기 연료개질부의 외측 둘레를 따라 배치되는 CO변성촉매층과 상기 장치바디의 하단에 배치되고, 상기 제2 유로와 상기 CO변성촉매층을 연결하는 제3 유로 및 상기 장치바디의 외부에서 상기 CO변성촉매층과 상기 프록스반응부를 연결하고, CO변성촉매반응을 거친 연료가스를 상기 프록스반응부로 흐르도록 제공되는 제4 유로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 프록스반응부는, 상기 장치바디의 상측에서 상기 가열부의 외측 둘레를 따라 배치되는 CO제거촉매층과 상기 CO제거촉매층의 일측에 배치되고, 상기 제4 유로와 연결되는 프록스 유입구 및 상기 CO제거촉매층의 타측에 배치되고, CO제거촉매반응을 거친 연료가스를 배출하는 프록스 유출구를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 가열부는, 상기 장치바디의 상측 중앙부에 배치되는 센터버너와 상기 버너의 하측에서 상기 개질촉매층의 상단에 배치되는 열분산판 및 상기 장치바디의 내부에서 상기 연료개질부의 외측 둘레를 따라 배치되는 배가스유로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 가열부는, 상기 센터버너의 둘레를 따라 배치되는 사이드버너를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 열분산판은, 상기 센터버너 방향으로 돌출된 반구 형상일 수 있으며, 상기 사이드버너는 상기 열분산판의 표면에 수직하게 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 가열부와 연결되고, 상기 가열부에서 배출되는 배가스와 상기 CO변성부간에 열교환되도록, 상기 가열부와 상기 CO변성부 사이에 배치되는 제1 열교환부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 열교환부는, 상기 배가스유로의 외측 둘레를 따라 배치되고, 상기 배가스유로와 연결되는 제1 열교환몸체 및 상기 제1 열교환몸체의 내부 둘레를 따라 복수회로 감기며 배치되고, 열전달유체가 흐르는 제1 열전달파이프를 포함하되, 상기 제1 열교환몸체를 흐르는 배가스와 상기 제1 열전달파이프를 흐르는 열전달유체간에 열교환되도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 프록스반응부를 냉각하도록, 상기 프록스반응부의 내측 둘레를 따라 배치되는 프록스냉각부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 프록스냉각부는, 상기 CO제거촉매층의 내측 둘레를 따라 배치되는 냉각기와 상기 냉각기의 일측에 배치되고, 열전달유체가 유입되는 냉각유체 유입구 및 상기 냉각기의 타측에 배치되고, 열전달유체가 유출되는 냉각유체 유출구를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 배가스와 열전달 유체간에 열교환되도록, 상기 프록스냉각부와 상기 제1 열교환부간에 연결되는 제2 열교환부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 열교환부는, 상기 제1 열교환몸체의 외측 둘레를 따라 배치되고, 열전달유체가 유입되는 유입홀과 열전달유체가 유출되는 유출홀이 구비되는 제2 열교환몸체 및 상기 제2 열교환몸체에 배치되고, 상기 제1 열교환몸체와 연결되며, 배가스가 흐르는 제2 열전달파이프를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 열교환몸체의 유출홀은 상기 냉각유체 유입구와 연결되도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 냉각유체 유출구는 상기 연료가스 유입구와 연결되도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료개질부, CO변성반응부 및 프록스(PROX)반응부의 최적의 배치를 통해 배가스의 폐열 회수에 의한 열전달 및 발열반응이 일어나는 촉매층의 냉각효율이 향상되게 된다.
이는 장치 내부에서 연료전지에 사용되는 연료에 대한 개질반응 및 CO제거반응이 안정적으로 이뤄지도록 하게 되고, 궁극적으로는 장치의 성능을 향상시키게 된다.
또한 이러한 최적의 배치를 통해 장치의 소형화가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명인 연료처리장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 발명에 대한 A-A' 정단면도.
도 3는 도 2에 도시된 발명에서 연료가스의 흐름을 나타낸 도면.
도 4는 도 2에 도시된 발명에서 배가스의 흐름을 나타낸 도면.
도 5는 도 2에 도시된 발명에서 열전달유체의 흐름을 나타낸 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명 중 버너의 다른 형태를 나타낸 도면.
도 8는 본 발명 중 버너의 또 다른 형태를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 연료처리장치의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명인 연료처리장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 발명에 대한 A-A' 정단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 발명에서 연료가스의 흐름을 나타낸 도면이며, 도 4는 도 2에 도시된 발명에서 배가스의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 2에 도시된 발명에서 열전달유체의 흐름을 나타낸 도면이며, 도 6 및 도 7은 본 발명 중 버너의 다른 형태를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명 중 버너의 또 다른 형태를 나타낸 도면이다.
도면상에서 연료가스, 열전달유체 및 배가스의 흐름에 대한 이해를 돕기 위해, 유입구 또는 유출구의 배치위치는 약간씩 변경될 수 있다. 다만 흐름을 통한 열효율 및 냉각능력 개선이 본 발명의 중요한 특징이므로, 통상의 기술자가 자명하게 인식될 수 있는 범위내에서 배치위치가 변경되는 것은 고려될 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 발명인 연료처리장치(100)의 실시예에서는 장치바디(200), 연료개질부(300), 가열부(290), CO변성반응부(400), 프록스반응부(500), 제1 열교환부(610), 제2 열교환부(650) 및 프록스 냉각부(630)를 포함하여 구성될 수 있다.
우선 상기 장치바디(200)는 전반적으로 원통형상으로 구현될 수 있으며, 높은 열과 충격에 견딜 수 있는 내열성 및 강성이 높은 재질로 이뤄질 수 있다. 또한 장치바디(200)의 하단에는 장치바디(200)가 안정적으로 지지될 수 있도록, 원판형상의 받침판(252) 및 받침판(252)과 연결되며 장치바디(200)를 지지하는 복수의 지지빔(251)이 구비될 수 있다.
다음 상기 연료개질부(300)는 도 2를 참고하면, 상기 장치바디(200)의 중앙측 내부에 별도로 구획된 공간에 배치될 수 있다.
이러한 연료개질부(300)는 연료가스 유입구(310), 제1 유로(320), 개질촉매층(330) 및 제2 유로(340)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 연료가스 유입구(310)는 상기 장치바디(200)의 하단과 연결되어 배치될 수 있으며, 상기 제1 유로(320)는 상기 연료가스 유입구(310)와 연결되고, 유입되는 연료가스가 상방향으로 이동되도록 상기 장치바디(200)의 내부에 배치될 수 있다.
상기 개질촉매층(330)은 상기 제1 유로(320)와 연결되고, 상기 장치바디(200)의 내부 중앙측에 배치될 수 있으며, 상기 제2 유로(340)는 상기 개질촉매층(330)과 연결되고, 상기 제1 유로(320)의 내측에 배치되며, 개질촉매층(330)을 거친 연료가스를 하방향으로 이동되도록 제공될 수 있다.
상기 개질촉매층(330)에서는 하이드로카본-수증기 개질반응(흡열반응 ; 적정촉매 반응온도 400~650℃ )에 의해 수소 및 일산화탄소가 혼합된 개질가스(연료가스 중 일 형태)를 생성하게 된다.
개질가스의 개념은 연료가스 중 개질반응을 거친 가스로서, 수소 및 일산화탄소를 함유하고 있으며, 이하 검토할 CO변성촉매층(410) 진입 전단계의 연료가스를 지칭한다.
기본 화학반응식은 CH4 + H2O → CO + 3H2 와 같다. 물론 장치마다 약간 다를 수 있으나, 통상의 기술자에게 자명한 범위내에서는 유추적용될 수 있다. 즉 메탄과 물이 혼합되어 개질촉매층(330)에 유입되면, 연료개질부(300)의 촉매층에서 화학반응이 일어나 수소와 일산화탄소가 생성되게 된다.
연료처리장치(100)상에서 연료가스의 흐름에 대해서는 도 3을 설명할 때, 자세히 살펴보도록 한다.
다음 상기 CO변성반응부(400)는 상기 연료개질부(300)와 연결되고, 상기 장치바디(200)의 하측에 배치될 수 있다. 이러한 CO변성반응부(400)는 CO변성촉매층(410), 제3 유로(420) 및 제4 유로(430)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 CO변성촉매층(410)은 상기 장치바디(200)의 하측에서 상기 연료개질부(300)의 외측 둘레를 따라 배치될 수 있으며, 상기 제3 유로(420)는 상기 장치바디(200)의 하단에 배치되고, 상기 제2 유로(340)와 상기 CO변성촉매층(410)을 연결하도록 제공될 수 있다.
상기 제4 유로(430)는 상기 장치바디(200)의 외부에서 상기 CO변성촉매층(410)과 상기 프록스반응부(500)를 연결하고, CO변성촉매반응을 거친 연료가스를 상기 프록스반응부(500)로 흐르도록 제공될 수 있다.
상기 CO변성촉매층(410)에서는 개질촉매층(330)에서 생성된 개질가스를 CO변성반응(발열반응 ; 적정촉매 반응온도 1~250℃)을 통해 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시켜, 연료가스 내 일산화탄소 비율을 감소시키게 된다.
화학반응식은 CO + H2O → H2 + CO2 와 같다. 물론 장치마다 약간 다를 수 있으나, 통상의 기술자에게 자명한 범위내에서는 유추적용될 수 있다.
즉 일산화탄소가 물과 반응하며, 수소를 추가적으로 생성하게 되고, 일산화탄소는 산화반응을 통해 이산화탄소로 변성되게 된다.
다음 상기 프록스반응부(500)는 상기 CO변성반응부(400)와 연결되고, 상기 장치바디(200)의 상측에 배치될 수 있다. 이러한 프록스반응부(500)는 CO제거촉매층(510), 프록스 유입구(520) 및 프록스 유출구(530)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 CO제거촉매층(510)은 상기 장치바디(200)의 상측에서 상기 가열부(290)의 외측 둘레를 따라 배치될 수 있으며, 상기 프록스 유입구(520)는 상기 CO제거촉매층(510)의 일측에 배치되고, 상기 제4 유로(430)와 연결될 수 있다. 그리고 상기 프록스 유출구(530)는 상기 CO제거촉매층(510)의 타측에 배치되고, CO제거촉매반응을 거친 연료가스를 배출하도록 제공될 수 있다.
상기 CO제거촉매층(510)에서는 CO변성촉매층(410)에서 생성된 연료가스를 일산화탄소 선택적 산화반응(PROX;preferential oxidation reaction, 발열반응, 적정촉매 반응온도 80~160℃)을 통해 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시켜, 연료가스 내 일산화탄소의 비율을 보다 더 감소시키게 된다. 이때 목표되는 일산화탄소의 함유량은 연료가스 내 10ppm이하이다.
화학반응식은 2CO + O2 → 2CO2 와 같다. 물론 장치마다 약간 다를 수 있으나, 통상의 기술자에게 자명한 범위내에서는 유추적용될 수 있다.
즉 일산화탄소가 산소와 반응하여 이산화탄소로 변화되며, 연료가스 내 일산화탄소가 제거되는 것이다.
상기 연료개질부(300), CO변성반응부(400) 및 프록스반응부(500)에서의 연료가스 흐름에 대한 자세한 사항은 도 3을 설명할 때, 살펴보도록 한다.
다음 상기 가열부(290)는 도 2를 참고하면, 상기 연료개질부(300)를 가열하도록, 상기 장치바디(200)의 상측에 배치될 수 있다. 이러한 가열부(290)는 버너몸체(291)의 하단에 연결된 센터버너(292), 열분산판(293), 배가스유로(297)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 센터버너(292)는 상기 장치바디(200)의 상측 중앙부에 배치될 수 있으며, 상기 열분산판(293)은 상기 버너의 하측에서 상기 연료개질부(300)의 상단에 배치될 수 있다. 그리고 상기 배가스유로(297)는 상기 장치바디(200)의 내부에서 상기 연료개질부(300)의 외측 둘레를 따라 배치될 수 있다.
한편, 도 6 내지 도 8을 살펴보면, 상기 가열부(290)의 다른 형태가 도시되어 있다.
우선 도 6 및 도 7을 참고하면, 상기 센터버너(292)의 둘레를 따라 사이드버너(294)가 추가로 배치될 수 있다.
사이드버너(294)는 상기 센터버너(292)와 연결되어 있는 연결파이프(292a)와 일체로 형성되어 있는 링 형상의 사이드파이프(294a)상에 배치될 수 있다. 따라서 상기 사이드버너(294)는 방사방향으로 복수개가 배치될 수 있다.
이와 같은 배치를 통해 열분산판(293)을 센터버너(292)뿐만 아니라 사이드버너(294)에서 동시에 가열하게 되므로, 개질촉매층(330)을 보다 균일하게 가열할 수 있게 된다.
다음 도 8을 참고하면, 사이드버너(294)가 사이드파이프(294a)상에서 열분산판(293) 방향으로 각도(θ)가 형성되어 배치된 것을 볼 수 있다. 이때 열분산판(293)은 상기 센터버너(292) 방향으로 돌출된 반구 형상으로 가공될 수 있다. 여기서 상기 사이드버너(294)가 형성하는 각도는 상기 열분산판(293)의 표면과 직각을 이루도록 형성될 수 있다.
열분산판(293)이 반구 형상으로 가공되면, 개질촉매층(330)은 상부뿐만 아니라 측부도 열을 받을 수 있어, 보다 넓은 영역에서 직접 열을 받게 되어, 이는 보다 더 균일한 가열을 가능하게 한다.
사이드버너(294) 또한 열분산판(293)의 표면과 직각을 이루도록 각도 배치되므로, 가열 중 에너지 낭비를 최소화할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 다양한 형태의 버너 구조가 제시될 수 있으며, 통상의 기술자에게 자명한 범위까지 유추적용될 수 있을 것이다.
다음 상기 제1 열교환부(610)는 상기 가열부(290)와 연결되고, 상기 가열부(290)에서 배출되는 배가스와 상기 CO변성부간에 열교환되도록, 상기 가열부(290)와 상기 CO변성부 사이에 배치될 수 있다.
이러한 상기 제1 열교환부(610)는 제1 열교환몸체(611) 및 제1 열전달파이프(612)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1 열교환몸체(611)는 상기 배가스유로(297)의 외측 둘레를 따라 배치되고, 배가스연결홀(613)을 통해 상기 배가스유로(297)와 연결되도록 제공될 수 있으며, 상기 제1 열전달파이프(612)는 상기 제1 열교환몸체(611)의 내부 둘레를 따라 복수회로 감기며 배치되고, 열전달유체가 흐르도록 제공될 수 있다.
여기서 열전달유체는 물일 수 있다. 자세하게는 이온성분이 제거된 DI water(Deionized water)일 수 있으며, 본 발명에서는 증기(steam) 상태에서 사용될 수 있다.
다음 상기 프록스냉각부는 상기 프록스반응부(500)를 냉각하도록, 상기 프록스반응부(500)의 내측 둘레를 따라 배치될 수 있다. 이러한 프록스냉각부는 냉각기(631), 냉각유체 유입구(632) 및 냉각유체 유출구(633)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 냉각기(631)는 상기 CO제거촉매층(510)의 내측 둘레를 따라 배치될 수 있다. 상기 냉각유체 유입구(632)는 상기 냉각기(631)의 일측에 배치되고, 열전달유체가 유입되는 부분일 수 있으며, 상기 냉각유체 유출구(633)는 상기 냉각기(631)의 타측에 배치되고, 열전달유체가 유출되는 부분일 수 있다.
다음 상기 제2 열교환부(650)는 배가스와 열전달 유체간에 열교환되도록, 상기 프록스냉각부와 상기 제1 열교환부(610)간에 연결되도록 제공될 수 있다. 이러한 제2 열교환부(650)는 제2 열교환몸체(651) 및 제2 열전달파이프(655)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제2 열교환몸체(651)는 상기 제1 열교환몸체(611)의 외측 둘레를 따라 배치되고, 열전달유체가 유입되는 유입홀과 열전달유체가 유출되는 유출홀이 구비될 수 있다. 그리고 상기 제2 열전달파이프(655)는 상기 제2 열교환몸체(651)에 배치되고, 상기 제1 열교환몸체(611)와 연결되며, 배가스가 흐르도록 제공될 수 있다.
한편, 상기 제2 열교환몸체(651)의 유출홀은 상기 냉각유체 유입구(632)와 연결되고, 상기 냉각유체 유출구(633)는 상기 연료가스 유입구(310)와 연결될 수 있다.
이러한 연결구조를 통해 열전달 유체 및 배가스의 흐름을 유도하게 되는데, 도 4 및 도 5를 살펴볼 때, 자세히 살펴보도록 한다.
본 발명의 구성은 상기와 같으며, 이하에서는 연료가스, 열전달유체 및 배가스의 흐름을 검토하여 본 발명의 작동방식을 살펴보아, 전체적인 열효율 및 냉각능력 개선에 대해 알아보도록 한다.
우선 도 3을 참고하면, 본 발명에서 연료가스의 흐름이 도시되어 있다.
연료공급부(230)에서 연료가 공급되고, 연료는 제1 열교환부(610)에서 배가스와의 열교환을 통해 가열되고 제1 유출홀(615)에서 유출된 열전달유체(증기 상태의 물)와 혼합되어 장치바디(200)의 하단에 배치된 연료가스 유입구(310)로 흐르게 된다. 여기서 연료는 메탄이며, 연료가스는 메탄과 증기상태의 물이 혼합된 상태에 있다.
연료가스 유입구(310)로 유입된 연료가스는 장치바디(200)의 중앙측에 형성된 제1 유로(320)로 유입된다. 제1 유로(320)를 따라 상방향으로 이동한 연료가스는 개질촉매층(330)에 도달하게 된다.
개질촉매층(330)에서 개질반응을 통해 상기된 화학반응식과 같이, 수소와 일산화탄소가 생성되게 된다. 이때 개질촉매층(330)의 적정 반응온도 형성을 위해 센터버너(292)의 점화를 통해 열분산판(293)을 가열하고, 열분산판(293)이 개질촉매층(330)에 적절히 열을 전달하여 개질촉매층(330)이 적정 반응온도인 400 ~ 650℃를 유지하게 된다.
이제 개질반응을 거친 연료가스(개질가스)는 제1 유로(320)의 내측에 형성된 제2 유로(340)로 취합되어 다시 장치바디(200)의 하방향으로 이동하게 된다.
제2 유로(340)의 하단에는 수평방향으로 제3 유로(420)가 형성되어 있으며, 연료가스는 제3 유로(420)를 따라 장치바디(200)의 외측 둘레 방향으로 이동한 뒤에, CO변성촉매층(410)으로 유입되게 된다.
연료가스는 CO변성촉매층(410)에서 산화반응을 통해 일산화탄소는 이산화탄소로 더욱 변성되게 된다. 이때 적정반응온도를 형성하기 위해 제1 열교환몸체(611)를 흐르는 배가스로부터 열을 공급받게 된다. 이를 통해 적정 반응온도인 180~250℃를 유지하게 된다.
CO변성촉매층(410)을 통과한 연료가스는 이제 제4 유로(430)로 흐르고, 제4 유로(430)와 연결된 프록스 유입구(520)를 통해 CO제거촉매층(510)으로 유입되게 된다.
연료가스는 CO제거촉매층(510)에서 일산화탄소 선택적 산화반응을 통해 연료가스내 일산화탄소 함유량은 10ppm 이하로 감소하게 되고, 원주방향으로 흐른 후 반대편에 형성된 프록스 유출구(530)를 통해 연료전지(F)로 유입되게 된다.
이때 CO제거촉매층(510)의 적정 반응온도 형성을 위해 CO제거촉매층(510)의 외측 둘레를 따라 배치된 프록스 냉각부(630)의 냉각기(631)와 열교환을 하게 된다. 일산화탄소 선택적 산화반응은 발열반응이므로, 냉각기(631)를 흐르는 열전달유체에 열을 빼앗겨 적정 반응온도 80~160℃를 유지하게 된다.
다음 도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명에서 배가스 및 열전달유체의 흐름이 도시되어 있다.
우선 도 4를 살펴보면, 배가스의 흐름이 도시되어 있는데, 가열원료 공급부(210)를 통해 가열원료(메탄+공기)가 가열원료 주입구(295)를 통해 센터버너(292)로 주입된다.
한편, 미반응원료 주입구(296)를 통해서는 연료전지(fuel cell)의 스택(stack)에서 미반응된 배출가스가 주입된다. 이러한 미반응원료는 수소와 기타 가스가 혼합된 것일 수 있으며, 스택에서는 통상 70~80% 정도의 수소가 소모되고 20~30% 정도는 미반응상태로 배출되며, 이 수소를 주입하여 가열원료 반응성을 높이게 된다.
주입된 가열원료 및 미반응원료는 센터버너(292)에서 점화되어 열분산판(293)을 가열하고 개질촉매층(330)의 적정 반응온도 형성을 위해 사용되게 된다.
연소 후 배출된 배가스는 제1 유로(320)의 외측 둘레를 따라 형성된 배가스유로(297)를 따라 하방향으로 하강한 후 배가스연결홀(613)을 거쳐 제1 열교환몸체(611) 내부로 유입된다.
제1 열교환몸체(611) 내부에서는 상방향으로 이동하며, 배가스는 CO변성촉매층(410)에 열을 전달하게 된다.
그리고 이때 제1 열교환몸체(611)의 내부에는 원주방향으로 복수회 감겨 제공되는 제1 열전달파이프(612)가 배치되어 있으며, 제1 열전달파이프(612)의 내부에는 열전달유체가 흐르고 있다.
배가스는 제1 열전달파이프(612)의 내부를 흐르는 열전달유체에도 열을 전달하여 열전달유체를 가열하게 된다.
제1 열교환몸체(611)는 제2 열전달파이프(655)와 배가스연결파이프(656)에 의해 연결되어 있고, 제1 열교환몸체(611)를 흐르는 배가스는 제2 열전달파이프(655)의 내부를 흐르면서, 배가스유출구(657)를 통해 대기(A)로 배출되게 된다.
물론 제2 열교환몸체(651)의 내부에 제2 열전달파이프(655)가 배치되어 있어, 제2 열전달파이프(655) 내부를 흐르는 동안, 제2 열교환몸체(651)에 주입된 열전달유체에 열을 전달하게 된다.
상기와 같은 구조적 흐름을 통해 배가스는 제1,2 열교환부(610,650)에서 단계적으로 열전달유체에 열을 전달할 뿐만 아니라, CO변성촉매층(410)에도 열을 전달하여, 최대한 배가스의 폐열을 재활용하게 된다.
다음 도 5를 참고하면, 본 발명에서 열전달유체의 흐름이 도시되어 있다.
우선 열전달유체 공급부(220)를 통해 열전달유체가 공급된다. 본 발명에서 사용되는 열전달유체는 물이나, 반드시 이에 한정될 것은 아니다.
열전달유체는 제2 유입홀(652)을 통해 제2 열교환몸체(651)의 내부로 유입된다. 이때 제2 열전달파이프(655)를 흐르는 배가스로부터 열을 공급받아 가열되게 된다.
이후 제2 열교환몸체(651)의 내부를 따라 원주방향으로 흐른 뒤, 반대편에 형성된 제2 유출홀(653)을 통해 배출되며, 제2 유출홀(653)과 연결된 냉각유체 유입구(632) 방향으로 흐르게 된다.
여기서 냉각유체는 열전달유체를 가리키며, 다만 CO제거촉매층(510)을 냉각시키는데에 사용되므로, 냉각유체라는 표현을 혼용하여 사용하기로 한다.
냉각유체 유입구(632)로 공급된 열전달유체는 원주방향으로 배치된 냉각기(631)를 흐르면서 CO제거촉매층(510)을 냉각시키게 된다. 열전달유체는 물이고 증기온도는 약 100℃이므로, CO제거촉매층(510)의 적정 반응온도 80~160℃ 유지를 위해 일산화탄소 선택적 산화반응의 발열반응으로부터 열을 빼앗게 된다.
이후 열전달유체는 냉각기(631)의 반대편에 배치된 냉각유체 유출구(633)를 통해 유출되고, 이때 냉각유체 유출구(633)는 제1 유입홀(614)과 연결되어 있으므로, 제1 유입홀(614)을 통해 제1 열전달파이프(612)의 내부로 흐르게 된다.
열전달유체는 제1 열전달파이프(612)의 내부를 흐르는 동안, 제1 열교환몸체(611)의 내부를 흐르는 배가스로부터 열을 공급받아 가열되게 된다.
이후 열전달유체는 제1 열전달파이프(612)와 연결된 제1 유출홀(615)을 통해 외부로 배출되고, 상기된 연료공급부(230)에서 공급된 연료와 혼합되어 연료가스가 되어 다시 연료가스 유입구(310)를 통해 장치바디(200)의 내부로 유입되게 된다.
그리고 상기와 같은 연료가스의 흐름을 진행하게 된다.
열전달유체는 최초 열전달유체 공급부(220)에서 공급될 때를 제외하고는, 제2 열교환몸체(651) 및 제1 열전달파이프(612)를 흐르는 동안에는 배가스로부터 열을 받고, 냉각기(631)를 흐르는 동안에는 CO제거촉매층(510)으로부터 열을 받으므로, 대부분의 상태를 증기 상태로 유지할 수 있다.
본 발명은 상기와 같이 각종 촉매층, 열교환 및 냉각 부위의 최적의 배치 및 작동방식을 통해 배가스의 폐열을 최대한 회수하고, 각종 촉매층의 적정 반응온도 유지되도록 함으로써, 연료처리장치(100)의 열효율 및 냉각능력을 개선하게 된다.
이상의 사항은 연료처리장치의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
이상의 사항은 연료처리장치의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
100:연료처리장치 200:장치바디
210:가열원료 공급부 220:열전달유체 공급부
230:연료공급부 251:지지빔
252:받침판
290:가열부 291:버너몸체
292:센터버너 292a:연결파이프
293:열분산판 294:사이드버너
294a:사이드파이프 295:가열원료 주입구
296:미반응원료 주입구 297:배가스유로
300:연료개질부 310:연료가스 유입구
320:제1 유로 330:개질촉매층
340:제2 유로
400:CO변성반응부 410:CO변성촉매층
420:제3 유로 430:제4 유로
500:프록스반응부 510:CO제거촉매층
520:프록스 유입구 530:프록스 유출구
610:제1 열교환부 611:제1 열교환몸체
612:제1 열전달파이프 613:배가스연결홀
614:제1 유입홀 615:제1 유출홀
630:프록스 냉각부 631:냉각기
632:냉각유체 유입구 633:냉각유체 유출구
650:제2 열교환부 651:제2 열교환몸체
652:제2 유입홀 653:제2 유출홀
655:제2 열전달파이프 656:배가스연결파이프
657:배가스유출구

Claims (14)

  1. 장치바디;
    상기 장치바디의 중앙측에 배치되는 연료개질부;
    상기 연료개질부를 가열하도록, 상기 장치바디의 상측에 배치되는 가열부;
    상기 연료개질부와 연결되고, 상기 장치바디의 하측에 배치되는 CO변성반응부; 및
    상기 CO변성반응부와 연결되고, 상기 장치바디의 상측에 배치되는 프록스반응부;
    를 포함하는 연료처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료개질부는,
    상기 장치바디의 하단과 연결되어 배치되는 연료가스 유입구;
    상기 연료가스 유입구와 연결되고, 유입되는 연료가스가 상방향으로 이동되도록 상기 장치바디의 내부에 배치되는 제1 유로;
    상기 제1 유로와 연결되고, 상기 장치바디의 내부 중앙측에 배치되는 개질촉매층; 및
    상기 개질촉매층과 연결되고, 상기 제1 유로의 내측에 배치되며, 개질촉매반응을 거친 연료가스를 하방향으로 이동되도록 제공되는 제2 유로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 CO변성반응부는,
    상기 장치바디의 하측에서 상기 연료개질부의 외측 둘레를 따라 배치되는 CO변성촉매층;
    상기 장치바디의 하단에 배치되고, 상기 제2 유로와 상기 CO변성촉매층을 연결하는 제3 유로; 및
    상기 장치바디의 외부에서 상기 CO변성촉매층과 상기 프록스반응부를 연결하고, CO변성촉매반응을 거친 연료가스를 상기 프록스반응부로 흐르도록 제공되는 제4 유로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프록스반응부는,
    상기 장치바디의 상측에서 상기 가열부의 외측 둘레를 따라 배치되는 CO제거촉매층;
    상기 CO제거촉매층의 일측에 배치되고, 상기 제4 유로와 연결되는 프록스 유입구; 및
    상기 CO제거촉매층의 타측에 배치되고, CO제거촉매반응을 거친 연료가스를 배출하는 프록스 유출구;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 장치바디의 상측 중앙부에 배치되는 센터버너;
    상기 버너의 하측에서 상기 개질촉매층의 상단에 배치되는 열분산판; 및
    상기 장치바디의 내부에서 상기 연료개질부의 외측 둘레를 따라 배치되는 배가스유로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 센터버너의 둘레를 따라 배치되는 사이드버너;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열분산판은, 상기 센터버너 방향으로 돌출된 반구 형상이고, 상기 사이드버너는 상기 열분산판의 표면에 수직하게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 가열부와 연결되고, 상기 가열부에서 배출되는 배가스와 상기 CO변성부간에 열교환되도록, 상기 가열부와 상기 CO변성부 사이에 배치되는 제1 열교환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 열교환부는,
    상기 배가스유로의 외측 둘레를 따라 배치되고, 상기 배가스유로와 연결되는 제1 열교환몸체; 및
    상기 제1 열교환몸체의 내부 둘레를 따라 복수회로 감기며 배치되고, 열전달유체가 흐르는 제1 열전달파이프;
    를 포함하되, 상기 제1 열교환몸체를 흐르는 배가스와 상기 제1 열전달파이프를 흐르는 열전달유체간에 열교환되는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프록스반응부를 냉각하도록, 상기 프록스반응부의 내측 둘레를 따라 배치되는 프록스냉각부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 프록스냉각부는,
    상기 CO제거촉매층의 내측 둘레를 따라 배치되는 냉각기;
    상기 냉각기의 일측에 배치되고, 열전달유체가 유입되는 냉각유체 유입구; 및
    상기 냉각기의 타측에 배치되고, 열전달유체가 유출되는 냉각유체 유출구;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  12. 제11항에 있어서,
    배가스와 열전달 유체간에 열교환되도록, 상기 프록스냉각부와 상기 제1 열교환부간에 연결되는 제2 열교환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 열교환부는,
    상기 제1 열교환몸체의 외측 둘레를 따라 배치되고, 열전달유체가 유입되는 유입홀과 열전달유체가 유출되는 유출홀이 구비되는 제2 열교환몸체; 및
    상기 제2 열교환몸체에 배치되고, 상기 제1 열교환몸체와 연결되며, 배가스가 흐르는 제2 열전달파이프;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 열교환몸체의 유출홀은 상기 냉각유체 유입구와 연결되고, 상기 냉각유체 유출구는 상기 연료가스 유입구와 연결되는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.



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