KR20190025381A - 연료 개질 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 연료 개질 장치는, 버너가 설치된 연소부; 상기 연소부에서 발생되는 연소가스가 순환하는 배기부; 및 상기 연소부 또는 배기부의 주변에 구비되어, 상기 연소부와 배기부를 통과하는 연소가스로부터 열을 흡수하여 반응가스에서 수소를 발생하도록 촉매가 구비되는 반응부;를 포함하고, 상기 촉매는 상기 연소가스의 이동순서를 기준으로 상류측에 위치하는 촉매의 공극률이 하류측에 위치하는 촉매의 공극률에 비해 크게 형성되거나 또는 상류측에 위치하는 촉매가 하류측에 위치하는 촉매에 비해 반응온도가 높은 재질로 형성될 수 있다.

Description

연료 개질 장치{FUEL REFORMING DIVICE}
본 발명은 탄화수소 계열의 원료를 개질하여 수소를 생성하는 연료 개질 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료 개질 장치는 LNG, LPG 등의 반응가스를 개질하여 수소를 발생시키는 일종의 개질기로서, 흔히 수증기 개질법(Steam reforming)이 널리 알려져 있다.
수증기 개질법은 반응가스를 수소로 전환하는 개질반응기(Steam reformer), 수소와 함께 생성된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하여 일산화탄소의 농도를 낮추는 전환반응기[고온 전환반응기(HTS), 저온 전환반응기(LTS)] 및 열량을 공급하는 버너로 이루어져 있다.
예를 들어, 주 성분이 메탄(CH4)인 LNG가 반응가스인 경우에는 그 LNG가 개질반응기에서 수증기와 반응하여 수소와 일산화탄소를 생성하게 된다. 하지만, 일산화탄소가 연료전지 스택으로 유입될 경우 스택을 오염시켜 스택의 성능이 크게 저하될 수 있다. 따라서, 개질반응기를 거치면서 생성된 일산화탄소는 고온전환반응기(HTS)와 저온전환반응기(LTS)를 이용하여 이산화탄소로 전환시키고 있다.
여기서, 개질반응기에서의 작동온도는 촉매의 종류에 따라 다르지만 니켈(Ni)을 사용하는 경우 통상 600∼700℃정도이고, 이 반응은 흡열반응(吸熱反應)으로 반응에 필요한 열량은 버너를 이용하여 공급하고 있다. 또, 전환반응기에서의 작동온도 역시 촉매의 종류에 따라 다르지만 구리-아연(Cu-Zn)을 사용하는 고온전환반응기의 경우는 통상 300∼420℃정도이고, 철-크롬(Fe-Cr)을 사용하는 저온전환반응기의 경우는 통상 235∼300℃정도이며, 이 전환반응은 발열반응(發熱反應)으로 반응시 열을 발산하고 있다.
한편, 종래의 연료처리장치는 개질반응기와 전환반응기의 배열에 따라 횡형(또는, 방사형)과 종형(또는, 수직형)으로 구분할 수 있다. 예를 들어, 횡형 연료처리장치는 한국 등록특허 등록번호 제10-0677016호(원통식 수증기 개질기, 이하 선행기술)에 개시된 바와 같이 개질반응기인 개질촉매층이 안쪽에 위치하고, 전환반응기인 CO변성촉매층과 CO제거촉매층이 바깥쪽에 위치하며, 개질반응기의 안쪽, 즉 연료처리장치의 제일 안쪽에는 버너가 구비되는 연소실이 위치하고 있다.
이러한 선행기술의 횡형 연료처리장치는 연소과정에서 발생한 연소가스가 개질반응기의 내주면에 근접하는 예열층을 아래에서 위로 통과하면서 개질반응기에 열을 공급한 후 외부로 배출된다. 이때 반응가스는 개질반응기를 통과하여 연료처리장치의 위에서 아래로 이동한 후, 다시 전환반응기를 통과하여 연료처리장치의 아래에서 위로 이동하면서 개질되어 연료전지 스택으로 공급된다.
상기와 같은 종래의 횡형 연료처리장치는, 버너에서 연소되면서 발생되는 연소가스는 개질반응기의 하단에서 상단방향으로 이동하면서 그 개질반응기와 열교환된 후 감소함에 따라, 개질반응기의 양단 사이에서의 온도구배가 커져 위치별 반응편차가 심하게 발생하게 되고, 이로 인해 개질반응기에서의 개질반응이 불균일하게 되는 문제점이 있었다.
또, 종래의 횡형 연료처리장치는, 개질반응기 또는 전환반응기에 구비되는 촉매가 동일한 재질과 동일한 크기로 형성됨에 따라, 반응가스가 개질반응기 또는 전환반응기를 통과하는 시간이 동일하게 되면서 불균일한 온도구배에 따른 반응편차가 더욱 가중되는 문제점도 있었다.
또, 종래의 횡형 연료처리장치는, 개질반응기에서의 개질반응이 불균일하게 됨에 따라 개질 효율이 저하되어 그만큼 연소가스의 소비량이 증가하게 될 뿐만 아니라, 적정 개질량을 확보하기 위하여 개질기의 크기를 크게 제작함에 따라 제조비용이 증가하게 되는 문제점도 있었다.
또, 종래의 횡형 연료처리장치는, 개질반응기에서의 개질반응이 불균일하게 됨에 따라, 개질기가 정지되었다가 재기동을 할 때에는 개질기가 신속하게 재기동을 하지 못하면서 시스템의 운전율이 떨어지는 문제점이 있었다. 특히, 상대적으로 고온에서 흡열반응을 하는 개질반응기(Steam Reforming : SR)는 정지시에 온도 저감속도가 전환반응기에 비해 빠르게 진행되게 되므로 재기동시 전체 개질반응기가 작동온도에 도달하기 위해서는 더욱 많은 시간이 필요하게 되어, 시스템의 운전효율이 저하될 수 있다.
본 발명의 목적은, 개질반응기 또는 전환반응기의 위치별 온도구배를 낮춰 개질효과를 높일 수 있는 연료 개질 장치를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 개질반응기 또는 전환반응기를 통과하는 반응가스의 속도를 상이하게 하여 불균일한 온도구배에도 불구하고 반응편차를 줄일 수 있는 연료 개질 장치를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 개질기의 개질 효과를 높여 연소가스의 소모량을 줄이고 개질기의 크기를 소형화할 수 있는 연료 개질 장치를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 개질기의 재기동시 개질반응기가 작동온도에 신속하게 도달하면서 시스템의 운전율을 높일 수 있는 연료 개질 장치를 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 버너가 설치된 연소부; 상기 연소부에서 발생되는 연소가스가 순환하는 배기부; 및 상기 연소부 또는 배기부의 주변에 구비되어, 상기 연소부와 배기부를 통과하는 연소가스로부터 열을 흡수하여 반응가스에서 수소를 발생하도록 촉매가 구비되는 반응부;를 포함하고, 상기 촉매는 상기 연소가스의 이동순서를 기준으로 상류측에 위치하는 촉매의 공극률이 하류측에 위치하는 촉매의 공극률에 비해 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 촉매는 상류측에 위치하는 촉매의 크기가 하류측에 위치하는 촉매의 크기에 비해 크게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 촉매는 외주면이 곡면을 가진 형상으로 형성되고, 상류측에 위치하는 촉매의 외주면 곡률이 하류측에 위치하는 촉매의 외주면 곡률보다 크게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 촉매는 상류측에 위치하는 촉매의 반응온도가 하류측에 위치하는 촉매의 반응온도에 비해 높게 되도록 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 반응부에는 상기 연소가스의 이동순서를 따라 적어도 한 개 이상의 열회복 부재가 구비되고, 상기 열회복 부재에는 반응가스가 통과하도록 반응구멍이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 열회복 부재는 상기 연소가스의 이동순서를 따라 일정 간격을 두고 복수 개가 구비되며, 상기 복수 개의 열회복 부재 중에서 상류측에 위치하는 제1 열회복 부재가 하류측에 위치하는 제2 열회복 부재에 비해 열전달 계수가 작은 재질로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 열회복 부재는 상기 연소가스의 이동순서를 따라 일정 간격을 두고 복수 개가 구비되며, 상기 복수 개의 열회복 부재 중에서 상류측에 위치하는 제1 열회복 부재의 반응구멍은 하류측에 위치하는 제2 열회복 부재의 반응구멍에 비해 공극률이 크게 형성될 수 있다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 버너가 설치된 연소부; 상기 연소부에서 발생되는 연소가스가 순환하는 배기부; 및 상기 연소부 또는 배기부의 주변에 구비되어, 상기 연소부와 배기부를 통과하는 연소가스로부터 열을 흡수하여 반응가스에서 수소를 발생하도록 촉매가 구비되는 반응부;를 포함하고, 상기 촉매는 상기 연소가스의 이동순서를 기준으로 상류측에 위치하는 촉매의 반응온도가 하류측에 위치하는 촉매의 반응온도에 비해 높은 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 반응부에는 상기 연소가스의 이동순서를 따라 적어도 한 개 이상의 열회복 부재가 구비되고, 상기 열회복 부재에는 반응가스가 통과하도록 반응구멍이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 열회복 부재는 상기 연소가스의 이동순서를 따라 일정 간격을 두고 복수 개가 구비되며, 상기 복수 개의 열회복 부재 중에서 상류측에 위치하는 제1 열회복 부재가 하류측에 위치하는 제2 열회복 부재에 비해 열전달 계수가 작은 재질로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 열회복 부재는 상기 연소가스의 이동순서를 따라 일정 간격을 두고 복수 개가 구비되며, 상기 복수 개의 열회복 부재 중에서 상류측에 위치하는 제1 열회복 부재의 반응구멍은 하류측에 위치하는 제2 열회복 부재의 반응구멍에 비해 공극률이 크게 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 연료 개질 장치는, 개질반응기 또는 전환반응기에 수용되는 촉매를 위치별로 상이한 크기를 가지도록 배치하여 촉매온도가 높은 부위에서는 반응가스의 체류시간을 짧게 하는 반면 촉매온도가 낮은 부위에서는 반응가스의 체류시간을 길게 함으로써, 반응가스의 반응편차를 줄일 수 있고 이를 통해 개질 반응 효과를 높일 수 있다.
또, 개질반응기 또는 전환반응기에 수용되는 촉매를 연소가스의 온도가 높은 부위에서는 높은 반응온도를 가지는 촉매로, 연소가스의 온도가 낮은 부위에서는 낮은 반응온도를 가지는 촉매로 배치함으로써, 연소가스의 온도편차에 따라 적절한 반응온도를 가지는 촉매가 대응되도록 배치되어 반응가스에 대한 반응편차를 미연에 방지할 수 있다.
또, 개질반응기 또는 전환반응기에 열전도 계수가 다르거나 공극률이 다른 열회복 부재를 적용함에 따라, 그 열회복 부재를 통과하는 반응가스가 해당 열회복 부재로부터 서로 다른 열을 전달받게 되거나 반응가스의 체류시간이 상이하게 되어 개질반응기 또는 전환반응기 내에서의 반응가스에 대한 온도분포가 균일하게 유지되면서 개질 반응 효과가 향상될 수 있다.
또, 앞서 설명한 바와 같이 개질 반응 효과가 향상됨에 따라, 연료전지 시스템의 효율을 향상시키고 연소가스의 사용량을 최소화할 수 있다. 아울러, 개질 효과 향상에 따라 개질기 자체를 소형화할 수 있어 제조비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 개질 장치의 일실시예를 파단하여 보인 사시도,
도 2는 도 1에 따른 연료 개질 장치에서 개질반응기 내 촉매에 대한 일실시예를 개략적으로 보인 종단면도,
도 3은 도 1에 따른 연료 개질 장치에서 개질반응기 내 촉매에 대한 다른 실시예를 개략적으로 보인 종단면도,
도 4는 도 1에 따른 연료 개질 장치의 다른 실시예를 정면에서 개략적으로 보인 종단면도,
도 5 및 도 6은 도 1에 따른 연료 개질 장치에서, 열회복 부재에 대한 다른 실시예를 설명하기 위해 제1 열회복 부재와 제2 열회복 부재를 보인 횡단면도,
도 7은 도 1에 따른 연료 개질 장치에서, 열회복 부재에 대한 또다른 실시예들을 설명하기 위해 제1 열회복 부재와 제2 열회복 부재를 보인 종단면도들.
이하, 본 발명에 의한 연료 개질 장치를 첨부도면에 도시된 일실예에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 연료 개질 장치는, 내벽면에 단열벽을 가지며 밀봉된 케이싱(10)이 종방향으로 형성되고, 케이싱(10) 내부의 중앙에는 그 케이싱(10)의 길이방향을 따라 연소실(111a)을 가지는 연소통(111)이 구비되며, 연소통(110)의 내부에는 가스를 연소시켜 열을 발생하는 버너(burner)(112)가 구비될 수 있다. 연소통(111)과 버너(112)는 연소부(110)를 이룬다.
케이싱(10)의 하단에는 버너(112)에 의해 연소될 가스가 연소실(111a)로 주입되도록 연소가스 주입구(11)가 구비될 수 있다. 그리고 케이싱(10)의 상단 중앙부에는 후술할 제2 배기유로(122)를 통과하는 연소가스를 케이싱(10)의 외부로 배출하기 위한 연소가스 배출구(12)가 구비될 수 있다.
버너(112)는 연소실(111a)의 하측에 설치될 수 있다. 버너(112)는 연소가스를 연소시켜 고온을 얻는 통상의 분젠버너(Bunsen burner)가 적용되거나 또는 연소가스와 대기중 공기를 연료로 하는 메탈 화이버(metal fiber)가 적용될 수 있다. 여기서, 메탈 화이버는 분젠버너에 비해 화염이 짧아 높은 열량을 낼 수 있어 효율적이고, 부하조절이 쉬울 뿐만 아니라 화염 범위가 넓은 장점이 있다.
연소통(111)의 바깥에는 반응가스로부터 수소를 발생시키는 반응부(130)를 이루는 개질반응기(131)와 전환반응기(132)(133)가 설치되며, 연소통(111)과 개질반응기(131) 사이 및 개질반응기(131)와 전환반응기(132)(133) 사이에는 연소실(111a)에서 발생되는 연소가스를 연소가스 배출구(12)로 안내하기 위한 제1 배기유로(121)와 제2 배기유로(122)가 형성된다. 제1 배기유로(121)와 제2 배기유로(122)는 배기부(120)를 이룬다.
제1 배기유로(121)의 상단, 즉 연소통(111)의 상단에는 연소실(111a)과 연통되는 제1 배기통공(101a)이 형성되고, 제1 배기유로(121)의 하단에는 반응부를 관통하는 후술할 제2 배기유로(122)와 연통되는 제2 배기통공(101b)이 형성된다. 그리고, 제2 배기유로(122)의 상단에는 제3 배기통공(101c)이 형성되어 배기공간(101d)과 연통되고, 배기공간(101d)은 앞서 설명한 연소가스 배출구(12)에 연통되도록 형성된다. 이에 따라, 연소실(111a)에서 발생되는 연소가스는 연소실(111a)의 상단에서 제1 배기통공(101a)을 통해 제1 배기유로(121)로 유입되고, 이 연소가스는 그 제1 배기유로(121)의 하단에서 제2 배기통공(101b)을 통해 제2 배기유로(122)로 유입되며, 이 연소가스는 제2 배기유로(122)의 상단에서 제3 배기통공(101c)을 통해 배기공간(101d)으로 유입되고, 이 연소가스는 연소가스 배출구(12)를 통해 케이싱(10)의 외부로 배출된다.
한편, 반응부에서는 메탄(CH4)과 물(H2O)에 촉매, 고온 등을 가해 화학반응을 일으키면, 수소와 일산화탄소(3H2+CO)가 발생한다. 일산화탄소(CO)는 대기오염을 유발할 가능성이 있기 때문에 물과의 화학반응을 진행해 이산화탄소로 전환시키게 된다.
여기서, 반응부(130)는 연소통(111)을 감싸도록 그 연소통(111)에 대해 반경방향으로 바깥쪽에 구비된다.
예를 들어, 반응부(130)는 연소부(110)를 기준으로 내측에 설치되는 개질반응기(131)와, 외측에 설치되는 전환반응기(132)(133)를 포함할 수 있다. 즉, 개질반응기(131)와 전환반응기(132)(133)는 모두 연소통(111)과 같이 원통 형상으로 형성되고, 개질반응기(131)는 연소통(111)을 감싸도록 설치되며, 전환반응기(132)(133)는 개질반응기(131)를 감싸도록 설치된다. 전환반응기는 고온전환반응기(132)와 저온전환반응기(133)로 구분되고, 고온전환반응기(132)는 개질반응기(131)에 연통되며, 저온전환반응기(133)는 고온전환반응기(132)의 상측에 위치하여 그 고온전환반응기(132)와 연통된다.
그리고 케이싱(10)의 상단에는 반응부를 이루는 개질반응기(131)를 향해 반응가스를 주입하기 위한 반응가스 주입구(13)가 형성되고, 반응가스 주입구(13)의 주변에는 후술할 각 반응기(131)(132)(133)를 통과하여 배출되는 반응가스 배출구(14)가 각각 구비될 수 있다.
반응가스 주입구(13)는 개질반응기(131)의 상단에 연통되고, 개질반응기(131)의 하단에서 고온전환반응기(132)와 저온전환반응기(133)에 차례대로 연통되며, 저온전환반응기(133)의 상단에는 앞서 설명한 반응가스 배출구(14)가 연통된다. 이에 따라, 반응가스 주입구(13)를 통해 개질반응기(131)로 공급되는 반응가스는 그 개질반응기(131)와 고온전환반응기(132), 그리고 저온전환반응기(133)를 차례대로 거치면서 수소를 발생한 후 반응가스 배출구(14)를 통해 케이싱(10)의 외부로 배출된다.
그리고 연소통(111)과 개질반응기(131)의 사이 및 개질반응기(131)와 전환반응기(132)(133) 사이에는 앞서 설명한 배기유로(121,122)가 형성될 수 있다.
배기유로는 연소통(111)과 개질반응기(131) 사이에 형성되는 제1 배기유로(121)와, 개질반응기(131)와 전환반응기(132)(133) 사이에 형성되는 제2 배기유로(122)로 이루어질 수 있다. 제1 배기유로(121)와 제2 배기유로(122)는 서로 연통된다. 이에 따라, 연소실(111a)에서 발생되는 연소가스는 제1 배기유로를 통과하면서 개질반응기(131)에 열을 공급하고, 이 연소가스는 다시 제2 배기유로(122)를 통과하면서 개질반응기(131)와 전환반응기(132)(133)에 열을 공급할 수 있게 된다.
개질반응기(131)는 내주벽((131a)과 외주벽(131b) 사이에 소정의 공간부(135)를 가지는 원통형상으로 형성되고, 공간부(135)의 내부에는 반응가스의 반응을 촉진하는 촉매(150)가 충진될 수 있다. 개질반응기(131)에서의 촉매(이하, 개질촉매)(151)는 통상 니켈(Ni)이 사용되며 이에 따라 개질반응기(131)의 반응온도는 600∼700℃정도가 된다.
여기서, 촉매(150)는 개질반응기(131) 외에 전환반응기(132)(133)에도 각각 수용된다. 전환반응기(132)(133)에서의 작동온도 역시 촉매(152)(153)의 종류에 따라 다르지만, 구리-아연(Cu-Zn)을 사용하는 고온전환반응기(132)의 경우는 통상 300∼420℃정도이고, 철-크롬(Fe-Cr)을 사용하는 저온전환반응기(133)의 경우는 통상 235∼300℃정도이다. 개질반응기(131)에 수용되는 개질촉매(151)는 물론 전환반응기(132)(133)에 수용되는 촉매(이하, 제1,제2 전환촉매)(152)(153)는 대략 동일한 형상으로 형성되어 대략 동일한 방식으로 수용될 수 있다. 따라서, 이하에서는 개질반응기에 수용되는 개질촉매를 중심으로 하여 살펴본다.
개질반응기(131)에 수용되는 개질촉매(151)는 판상으로 된 금속기재(미도시)에 다수 개의 촉매물질이 부착되어 형성될 수도 있고, 낱개로 된 다수 개의 구(ball) 또는 원봉 형상으로 형성될 수 있다. 이하에서는 낱개이고 원봉조각 형상으로 형성되는 촉매가 개질반응기에 수용되는 경우를 중심으로 살펴본다.
개질 촉매(151)는 앞서 설명한 바와 같이 낱개이며 원봉 형상으로 형성되어, 다수 개가 개질반응기(131)의 공간부(135)에 수용된다. 이 각각의 개질 촉매(151)는 동일한 크기로 형성될 수 있다. 하지만, 개질 촉매(151)의 크기가 동일한 경우에는 개질반응기(131)의 공간부(135)에서 온도구배가 불균일하게 형성되면서, 개질 효과가 저하될 수 있다.
즉, 개질반응기(135)는 제1 배기유로(121)와 제2 배기유로(122)의 반경방향 사이에 위치하게 되고, 제1 배기유로(121)와 제2 배기유로(122)에서는 연소가스가 축방향으로 이동을 하게 된다. 그러면서 연소가스는 개질반응기(131)를 이루는 내벽면(131a)과 외벽면(131b)을 통해 그 연소가스가 가진 열을 개질반응기(131)에 수용된 개질촉매(151)에 전달하게 되고, 개질반응기(131)에 수용된 개질촉매(151)는 연소가스로부터 전달받는 열을 이용하여 개질반응을 하게 된다.
따라서, 연소가스가 가진 열은 그 연소가스의 이동순서에 따라 연소가스가 먼저 접촉하는 부분, 즉 개질반응기(131)의 상측에 많이 전달되고, 하측으로 갈수록 연소가스가 가진 열이 감소하면서 개질반응기(131)에 전달되는 양도 감소하게 된다. 이로 인해 개질반응기(131)의 공간부(135)에서는 불균일한 온도구배가 발생하게 되고, 이 개질반응기(131)에서의 불균일한 온도구배는 반응가스에 대한 불균일한 반응 효과를 유발하게 된다.
이를 감안하여, 본 실시예에서는 개질반응기를 통과하는 반응가스의 유동속도가 위치별로 상이하게 형성되도록 함으로써, 불균일한 온도구배를 적절하게 보상할 수 있도록 하는 것이다.
예를 들어, 도 2와 같이, 연소가스의 이동순서를 기준으로 촉매를 3개의 군으로 구분하여, 개질반응기(131)에서의 상류측에 해당하는 부분에 수용되는 촉매(이하, 제1 촉매군)(151a)의 크기는 개질반응기(131)에서의 중간측에 해당하는 부분에 수용되는 촉매(이하, 제2 촉매군)(151b)의 크기보다 크게 형성되고, 제2 촉매군(151b)의 크기는 개질반응기(131)에서의 하류측에 해당하는 부분에 수용되는 촉매(이하, 제3 촉매군)(151c)의 크기에 비해 크게 형성될 수 있다.
이에 따라, 제1 촉매군(151a)의 크기가 가장 크고, 제2 촉매군(151b)의 크기가 중간 크기이며, 제3 촉매군(151c)의 크기가 가장 작게 형성될 수 있다. 이는, 제1 촉매군(151a)과 제2 촉매군(151b), 그리고 제3 촉매군(151c)의 외형이 원봉조각 형상으로 거의 동일하게 형성되는 것을 기준으로 보면 각 촉매군(151a)(151b)(151c)을 이루는 촉매들 사이에 서로 다른 공극률을 가지게 되는 것을 의미한다.
즉, 제1 촉매군(151a)을 이루는 개질촉매의 크기가 가장 크다는 것은 제1 촉매군(151a)에서의 공극률이 가장 크다는 것을, 제2 촉매군(151b)을 이루는 개질촉매의 크기가 중간이라는 것은 제2 촉매군(151b)에서의 공극률이 중간이라는 것을, 제3 촉매군(151c)을 이루는 개질촉매의 크기가 가장 작다는 것은 제3 촉매군(151c)에서의 공극률이 가장 작다는 것을 각각 의미하게 된다. 이는, 각 촉매군(151a)(151b)(151c)의 개수가 그 이상이거나 그 이하이거나 동일한 패턴, 즉 연소가스의 이동순서를 기준으로 상류측에 위치하는 촉매의 공극률이 하류측에 위치하는 촉매의 공극률보다 크게 형성될 수 있다. 여기서, 각 촉매군(151a)(151b)(151c)에서의 개질촉매는 그 크기만 상이할 뿐 동일한 반응온도를 가지는 재질로 형성될 수 있다.
이에 따라, 개질반응기(131)의 공간부(135)로 유입되는 반응가스는 제1 촉매군(151a)에서는 가장 높은 유동속도로 빠르게 통과하는 반면, 제2 촉매군(151b)에서는 중간의 유동속도로 통과하고, 제3 촉매군(151c)에서는 가장 늦은 유동속도로 통과하게 된다.
이로 인해, 반응가스는 제1 촉매군(151a)에서 가장 짧게 체류하게 되면서 그만큼 개질촉매와의 반응시간이 짧고, 제2 촉매군(151b)에서는 중간 정도의 반응시간을 가지며, 제3 촉매군(151c)에서는 가장 많은 반응시간을 확보하게 된다.
이로써, 연소가스로부터 열을 전달받는 제2 촉매군의 온도가 제1 촉매군보다 낮고, 제3 촉매군의 온도가 제2 촉매군보다 낮더라도, 제3 촉매군에서의 반응가스의 체류시간이 가장 길게 유지되면서 개질반응기에서의 각 위치별 반응편차를 낮출 수 있고 이를 통해 개질반응기에서의 전체적인 개질 반응 효과를 높일 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 연료 개질 장치에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예에서는 개질반응기의 공간부에 수용되는 촉매의 크기를 위치별로 상이하게 배치시키는 것이었으나, 본 실시예는 개질반응기의 공간부에 수용되는 촉매를 위치별로 상이한 반응온도를 가지는 재질로 형성함으로써 반응가스에 대한 반응편차를 보상하는 것이다.
예를 들어, 도 3과 같이, 상류측에 위치하는 제1 촉매군(151a)은 연소가스가 가장 높은 온도의 열을 함유하고 있으므로 이에 대응하는 정도의 반응온도를 가지는 개질촉매로 이루어지고, 중간측에 위치하는 제2 촉매군(151b)은 연소가스가 중간 온도의 열을 함유하고 있으므로 이에 대응하는 정도의 반응온도를 가지는 개질촉매로 이루어지며, 하류측에 위치하는 제3 촉매군(151c)은 연소가스가 가장 낮은 온도의 열을 함유하고 있으므로 이에 대응하는 정도의 반응온도를 가지는 개질촉매로 이루어질 수 있다.
즉, 제1 촉매군(151a)은 대략 750℃ 내외의 반응온도를 가지는 촉매로, 제2 촉매군(151b)은 대략 650℃ 내외의 반응온도를 가지는 촉매로, 제3 촉매군(151c)은 대략 550℃ 내외의 반응온도를 가지는 촉매로 이루어질 수 있다.
이를 통해, 개질반응기(131)에서의 반응가스에 대한 온도구배가 균일하게 되는 효과가 발생하게 되어, 결국 개질반응기(131)에서의 반응편차를 낮추는 효과가 발생할 수 있다. 즉, 제1 배기유로(121)를 통해 이동하는 연소가스가 그 제1 배기유로(121)를 상측에서 하측 방향으로 이동하면서 개질반응기(131)에 열을 전달하는 과정에서 상류측에서 하류측으로 갈수록 점차 연소가스의 온도는 낮아지게 된다. 하지만, 개질반응기(131)에 수용된 개질촉매(151) 역시 위치별로, 즉 상류측에서 하류측으로 갈수록 반응온도가 낮은 재질로 형성됨에 따라, 결국 개질촉매(151)가 필요로 하는 만큼의 반응온도를 연소가스로부터 전달받게 된다.
이로써, 연소가스의 온도변화에 따른 개질반응기의 반응용량을 최적화할 수 있고, 이를 통해 개질반응기의 반응용량에 비해 연소가스가 과도하게 공급되는 것을 억제하여 연소가스에 대한 소모량을 최소화하는 동시에 연료 개질 장치를 소형화할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 연료 개질 장치에 대한 또다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예들에서는 촉매의 크기를 상이하게 하여 반응가스가 체류되는 시간을 상이하게 하거나 또는 촉매의 반응온도를 상이하게 하여 연소가스의 온도변화에 최적화하는 것이었으나, 본 실시예는 각 촉매군 사이에 열회복 부재를 더 구비하여 그 열회복 부재를 통과하는 반응가스가 열회복 부재로부터 열을 전달받도록 함으로써 반응기 내부의 온도구배를 낮춰 반응편차를 더욱 줄일 수 있도록 하는 것이다.
예를 들어, 본 실시예에서는 개질반응기의 공간부에는 크기가 다른 촉매가 수용되거나 또는 반응온도가 다른 촉매가 수용되고, 크기가 다른 촉매군 사이 또는 반응온도가 다른 촉매군 사이에는 각 촉매군 사이를 분리하는 동시에 온도구배를 낮추기 위한 적어도 한 개 이상의 열회복 부재가 구비될 수 있다. 참고로, 도면에서는 열회복 부재가 케이싱의 길이방향을 따라 2개가 구비된 예를 도시하고 있으나, 이는 반드시 2개로 한정되는 것이 아닐 수 있다.
여기서, 열회복 부재는 제1 배기유로의 중간 높이에 한 개만 형성될 수도 있고, 3개가 일정 간격을 두고 형성될 수도 있다. 또, 복수 개가 등간격으로 형성될 수도 있고, 유로저항을 고려하여 복수 개가 서로 다른 간격을 가지도록 형성될 수도 있다. 이하에서는 편의상 2개의 열회복 부재가 등간격으로 배치되는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 4와 같이, 열회복 부재는 반응가스의 이동순서(또는, 제1 배기유로를 통과하는 연소가스의 이동순서)를 기준으로 상류측에 제1 열회복 부재(161)가, 하류측에 제2 열회복 부재(162)가 각각 배치될 수 있다. 이로써, 개질반응기(131)의 공간부(135)는 제1 열회복 부재(161)와 제2 열회복 부재(162)에 의해 3개의 공간으로 분리된다. 그리고 3개의 공간은 도면에서와 같이 동일한 간격으로 형성될 수 있다. 이하에서는 공간부(135)의 상단에서 제1 열회복 부재(161)까지를 제1 공간(135a), 제1 열회복 부재(161)에서 제2 열회복 부재(162)까지를 제2 공간(135b), 제2 열회복 부재(162)에서 공간부(135)의 하단까지를 제3 공간(135c)이라고 한다.
제1 열회복 부재(161)와 제2 열회복 부재(162)는 내주면과 외주면이 개질반응기의 내측벽(131a)과 외측벽(131b)에 각각 접촉하도록 배치되고, 제1 열회복 부재(161)와 제2 열회복 부재(162)는 상류측 공간에서 하류측 공간으로 반응가스가 통과하도록 적어도 한 개 이상의 반응구멍(161a)(162a)이 각각 형성될 수 있다. 이로써, 제1 열회복 부재(161)와 제2 열회복 부재(162)는 제1 배기유로(121)와 제2 배기유로(122)를 통과하는 연소가스로부터 열전도에 의해 열을 전달받고, 이 열은 각 열회복 부재(161)(162)가 축열을 하고 있다가 각 열회복 부재(161)(162)의 반응구멍(161a)(162a)을 통과하는 반응가스에 전달하여 개질반응이 이루어지도록 한다.
여기서, 제1 열회복 부재(161)는 제2 열회복 부재(162)에 비해 열전달 계수가 작은 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 연소가스로부터 열을 받는 제1 열회복 부재(161)와 제2 열회복 부재(162)는 서로 다른 축열량을 가지게 된다. 즉, 제1 열회복 부재(161)가 제2 열회복 부재(162)에 비해 축열량이 낮아지게 된다. 그러면, 제1 열회복 부재(161)와 제2 열회복 부재(162)가 제1 배기유로(121)를 통과하는 연소가스로부터 열을 전달받더라도 제1 열회복 부재(161)가 제2 열회복 부재(162)에 비해 적은 열을 저장하게 된다.
따라서, 제1 공간(135a)에서 제2 공간(135b)으로 이동하는 반응가스가 제1 열회복 부재(161)의 반응구멍을 통과하면서 그 제1 열회복 부재(161)로부터 전달받는 열보다는 제2 공간에서 제3 공간으로 이동하는 반응가스가 제2 열회복 부재(162)의 반응구멍을 통과하면서 그 제2 열회복 부재(162)로부터 전달받는 열이 더 많게 된다. 하지만, 제1 배기유로(121)를 통과하는 연소가스는 제1 열회복 부재(161)가 제2 열회복 부재(162)보다 먼저 접하게 되므로, 제1 열회복 부재(161)가 제2 열회복 부재(162)에 비해 더 높은 열을 전달받게 된다. 그러므로, 반응가스가 제1 열회복 부재(161)로부터 전달받는 전체 열량과 제2 열회복 부재(162)로부터 전달받는 전체 열량은 거의 동일하게 되면서, 개질반응기(131)의 전체 공간에 대한 온도구배는 대략 균일하게 유지될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 열회복 부재에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음고 같다.
즉, 전술한 실시예에서는 열회복 부재의 재질을 상이하게 하여 개질반응기의 온도구배를 균일하게 하는 것이나, 본 실시예는 열회복 부재의 재질을 동일하게 하면서도 개질반응기의 온도구배를 균일하게 하는 것이다.
예를 들어, 도 5 및 도 6과 같이, 제1 열회복 부재(161)의 반응구멍(이하, 제1 반응구멍)(161a)은 제2 열회복 부재(162)의 반응구멍(이하, 제2 반응구멍)(162a)에 비해 공극률이 크게 형성될 수 있다. 즉, 제1 열회복 부재(161)와 제2 열회복 부재(162)의 재질이 동일하고, 제1 반응구멍(161a)의 내경과 제2 반응구멍(162a)의 내경이 동일한 경우라면 제1 반응구멍(161a)의 개수가 제2 반응구멍(162a)의 개수보다 많게 형성될 수 있다.
그러면, 제1 반응구멍(161a)의 공극률이 제2 반응구멍(162a)의 공극률에 비해 커지게 됨에 따라, 제1 공간(135a)의 반응가스가 제1 반응구멍(161a)을 통과하여 제2 공간(135b)으로 이동하는 속도가 제2 공간(135b)의 반응가스가 제2 반응구멍(162a)을 통과하여 제3 공간(135c)으로 이동하는 속도보다 빠르게 된다.
그러면, 반응가스가 상대적으로 고온을 이루는 제1 공간(135a)에서 체류되는 시간보다 상대적으로 저온을 이루는 제2 공간(135b)에서 체류되는 시간보다 짧아지게 되고, 이로 인해 제1 공간(135a)과 제2 공간(135b)에서의 반응가스의 온도는 대략 동일하게 된다.
여기서, 개질반응기(131)와 고온전환반응기(132) 사이의 연통유로 역시 제2 반응구멍(162a)에 비해 동일하거나 작게 형성될 수 있다. 이에 따라, 제3 공간(135c)으로 이동한 반응가스가 연통유로를 통과하여 고온전환반응기(132)로 이동하기 전에 제3 공간(135c)에서 체류되는 시간이 길어지게 되어, 제3 공간(135c)에서의 반응가스의 온도 역시 제2 공간(135b)에서의 반응가스 온도와 대략 유사하게 된다.
이로써, 개질반응기의 내부공간을 이루는 제1 공간에서 제3 공간까지의 반응가스에 대한 온도구배가 대략 균일하게 유지되면서 개질반응 효과를 높일 수 있다.
한편, 제1 반응구멍(161a)의 내경이 제2 반응구멍(162a)의 내경보다 크게 형성하여서도 제1 열회복 부재(161)의 공극률이 제2 열회복 부재(162)의 공극률에 비해 크게 형성되도록 할 수도 있다.
즉, 도 7과 같이, 단위면적당 제1 반응구멍(161a)의 개수와 제2 반응구멍(162a)의 개수가 동일한 경우라면 제1 반응구멍(161a)의 내경(D1)을 제2 반응구멍(162a)의 내경(D2)보다 크게 형성하여서 제1 열회복 부재(161)의 공극률이 제2 열회복 부재(162)의 공극률보다 크게 형성되도록 할 수도 있다.
이에 따른 작용효과는 앞서 설명한 경우, 즉 제1 반응구멍(161a)의 개수를 제2 반응구멍(162a)의 개수보다 많게 형성하는 경우와 대동소이하다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략한다. 다만, 이 경우가 앞서 설명한 경우에 비해 반응구멍에 대한 가공을 간소화할 수 있다.
또, 앞서 설명한 제1 반응구멍(161a)의 개수 및 크기를 제2 반응구멍(162a)의 개수 및 크기와 동일하게 하면서도 개질반응기 내 온도구배를 균일하게 형성할 수도 있다.
예를 들어, 도 8과 같이, 제1 반응구멍(161a)과 제2 반응구멍(162a)의 개수와 크기(D1)(D2)가 동일한 경우라면, 제1 열회복 부재(161)의 두께(H1)가 제2 열회복 부재(162)의 두께(H2)보다 작게 형성되도록 할 수 있다. 이를 통해 제1 반응구멍(161a)의 길이가 제2 반응구멍(162a)의 길이보다 짧게 되면서, 제1 반응구멍(161a)을 통과하여 제1 공간(135a)에서 제2 공간(135b)으로 이동하는 반응가스가 제1 열회복 부재(161)로부터 전달받는 열량이 제2 반응구멍(162a)을 통과하여 제2 공간(135b)에서 제3 공간(135c)으로 이동하는 반응가스가 제2 열회복 부재(162)로부터 전달받는 열량보다 적게 된다. 아울러, 유로저항의 크기도 제1 반응구멍(161a)을 통과할 때보다 제2 반응구멍(162a)을 통과할 때가 더 증가하게 된다.
이에 따라, 결과적으로 개질반응기 내 각 공간에서의 반응가스에 대한 온도구배가 어느 정도 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서는 제1 열회복 부재와 제2 열회복 부재가 개질반응기에 구비되는 것이었으나, 이러한 열회복 부재는 개질반응기 뿐만 아니라 전환반응기에도 구비되거나 또는 개질반응기에는 구비되지 않고 전환반응기에만 구비될 수도 있다.
상기와 같이 개질반응기 또는 전환반응기에 열전도 계수가 다른 열회복 부재를 적용함에 따라, 그 열회복 부재를 통과하는 반응가스가 해당 열회복 부재로부터 서로 다른 열량의 열을 전달받게 되어 개질반응기 또는 전환반응기 내에서의 반응가스에 대한 온도분포가 균일하게 유지되면서 개질 반응 효과가 향상될 수 있다.
또, 상기 열회복 부재의 공극률이 상이하게 형성됨에 따라, 해당 열회복 부재에 의해 개질반응기 또는 전환반응기 내 각 공간에서의 반응가스 체류시간이 상이하게 되고, 이로 인해 개질반응기 또는 전환반응기 내에서의 반응가스에 대한 온도분포가 균일하게 유지되면서 개질 반응 효과가 향상될 수 있다.
또, 이들 실시예를 통해 개질 반응 효과가 향상됨에 따라, 연료전지 시스템의 효율이 향상될 뿐만 아니라, 연소가스의 사용량을 최소화할 수 있다. 아울러, 개질 효과 향상에 따라 개질기 자체를 소형화할 수 있어 제조비용을 절감할 수 있다.
10 : 케이싱 110 : 연소부
111 : 연소통 112 : 버너
120 : 배기유로 121 : 제1 배기유로
122 : 제2 배기유로 130 : 반응부
131 : 개질반응기 131a : 개질반응기 내벽면
131b : 개질반응기 외벽면 132,133 : 전환반응기
150 : 촉매 151 : 개질촉매
151a,151b,151c : 제1,2,3 촉매군 161 : 제1 열회복 부재
161a : 제1 반응구멍 162 : 제2 열회복 부재
162a : 제2 반응구멍

Claims (11)

  1. 버너가 설치된 연소부;
    상기 연소부에서 발생되는 연소가스가 순환하는 배기부; 및
    상기 연소부 또는 배기부의 주변에 구비되어, 상기 연소부와 배기부를 통과하는 연소가스로부터 열을 흡수하여 반응가스에서 수소를 발생하도록 촉매가 구비되는 반응부;를 포함하고,
    상기 촉매는 상기 연소가스의 이동순서를 기준으로 상류측에 위치하는 촉매의 공극률이 하류측에 위치하는 촉매의 공극률에 비해 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 상류측에 위치하는 촉매의 크기가 하류측에 위치하는 촉매의 크기에 비해 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매는 외주면이 곡면을 가진 형상으로 형성되고, 상류측에 위치하는 촉매의 외주면 곡률이 하류측에 위치하는 촉매의 외주면 곡률보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 상류측에 위치하는 촉매의 반응온도가 하류측에 위치하는 촉매의 반응온도에 비해 높은 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응부에는 상기 연소가스의 이동순서를 따라 적어도 한 개 이상의 열회복 부재가 구비되고,
    상기 열회복 부재에는 반응가스가 통과하도록 반응구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열회복 부재는 상기 연소가스의 이동순서를 따라 일정 간격을 두고 복수 개가 구비되며,
    상기 복수 개의 열회복 부재 중에서 상류측에 위치하는 제1 열회복 부재가 하류측에 위치하는 제2 열회복 부재에 비해 열전달 계수가 작은 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열회복 부재는 상기 연소가스의 이동순서를 따라 일정 간격을 두고 복수 개가 구비되며,
    상기 복수 개의 열회복 부재 중에서 상류측에 위치하는 제1 열회복 부재의 반응구멍은 하류측에 위치하는 제2 열회복 부재의 반응구멍에 비해 공극률이 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치.
  8. 버너가 설치된 연소부;
    상기 연소부에서 발생되는 연소가스가 순환하는 배기부; 및
    상기 연소부 또는 배기부의 주변에 구비되어, 상기 연소부와 배기부를 통과하는 연소가스로부터 열을 흡수하여 반응가스에서 수소를 발생하도록 촉매가 구비되는 반응부;를 포함하고,
    상기 촉매는 상기 연소가스의 이동순서를 기준으로 상류측에 위치하는 촉매의 반응온도가 하류측에 위치하는 촉매의 반응온도에 비해 높은 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반응부에는 상기 연소가스의 이동순서를 따라 적어도 한 개 이상의 열회복 부재가 구비되고,
    상기 열회복 부재에는 반응가스가 통과하도록 반응구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열회복 부재는 상기 연소가스의 이동순서를 따라 일정 간격을 두고 복수 개가 구비되며,
    상기 복수 개의 열회복 부재 중에서 상류측에 위치하는 제1 열회복 부재가 하류측에 위치하는 제2 열회복 부재에 비해 열전달 계수가 작은 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 열회복 부재는 상기 연소가스의 이동순서를 따라 일정 간격을 두고 복수 개가 구비되며,
    상기 복수 개의 열회복 부재 중에서 상류측에 위치하는 제1 열회복 부재의 반응구멍은 하류측에 위치하는 제2 열회복 부재의 반응구멍에 비해 공극률이 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 장치.
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