KR20220018311A - 수소 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 공급 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공간 활용을 극대화하여 충분한 열전달 면적을 확보할 수 있도록 연료 가스나 물, 연소 가스가 흐르는 내부 및 외부 유로를 스파이럴 판형 구조로 적용하고, 이러한 내부 유로를 형성하는 격판에 돌기 형상을 적용하여 각각의 요소들의 열전달 향상을 도모할 수 있으며, 또한 연소 가스의 복사열을 수소 스팀 개질 부재에 전달할 수 있도록 함으로써 연소 가스의 열회수를 극대화할 수 있는 수소 공급 장치에 관한 것이다.

Description

수소 공급 장치{APPARATUS FOR SUPPLYING HYDROGEN}
본 발명은 수소 공급 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공간 활용을 극대화하여 충분한 열전달 면적을 확보할 수 있도록 연료 가스나 물, 연소 가스가 흐르는 내부 및 외부 유로를 나선 형상의 스파이럴 판형 구조로 적용하고, 이러한 내부 유로를 형성하는 격판에 돌기 형상을 적용하여 각각의 요소들의 열전달 향상을 도모할 수 있으며, 또한 연소 가스의 복사열을 수소 스팀 개질 부재에 전달할 수 있도록 함으로써 연소 가스의 열회수를 극대화할 수 있는 수소 공급 장치에 관한 것이다.
환경 오염문제 및 에너지 자원의 지역적인 편중으로 인한 수급 불안 문제와 에너지 자원의 고갈 우려를 가지고 있는 화석 연료로부터 벗어나기 위해서는 재생 에너지를 비롯한 다양한 원료로 만든 청정한 에너지 매체인 수소를 이용함으로써 가능할 수 있다는 이유로 인하여 1973년 1차 석유 위기를 겪은 이후 “지속 가능 수소 경제 사회”에 대한 논의가 시작되었으며, 2017년 1월 17일 다보스 포럼(Davos World Economic Forum)에서 수소를 청정에너지로 사용하는 것을 가속화하고 기후 변화를 일으키는 온난화 가스를 저감하기 위해 수소 위원회(Hydrogen Council)가 구성되었다. 국내에서도 2019년 1월 정부가 발표한 수소경제 활성화 로드맵의 양대 축으로 수소전기차와 함께 연료전지가 대두되면서 연료로서 수소의 중요성이 매우 커지고 새로운 전환기를 맞이하고 있다. 국내외적으로도 에너지전환 흐름에 맞추어 세계 각국이 수소와 관련된 정책과 지원이 이루어지고 있으며, 수소연료전지 발전소 및 수소 충전소 등이 지속적으로 확대되고 있는 상황으로 수소 생산 기술은 매우 중요한 기술이 되어 가고 있는 실정이다.
수소는 물과 석유, 석탄, 천연가스, 가연성 폐기물로부터 다양하게 출발할 수 있으며, 수소로의 전환 공정은 전기 및 열, 미생물 등을 사용해야만 가능하며, 수소를 제조할 수 있는 여러 기술들은 기초 연구 내지 기술 개발 단계에 있는 것이 대부분이다. 수소 에너지 제조 기술에는 일반적으로 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 분해하는 수전해 방식과 화석연료를 통한 수증기 개질 또는 부분 산화 방식, 제철산업 및 화학공정에서의 생산되는 부생 수소, 바이오매스 가스화 혹은 탄화 방식, 광촉매활용 방식, 미생물 또는 광합성세균을 활용한 생물학적 방식 등 여러 제조 방법이 있으나 대부분의 수소 제조 기술의 경우에 기술이 상용화되기 위해서는 아직도 해결해야 할 기술적 난관이 많이 있는 실정이다. 따라서 새로운 기술들이 실용화되기까지는 현재 그 중 가장 보편화 되어 있는 화석연료 이용 수소 제조 기술을 당분간 계속 활용할 수 밖에 없으며, 특히 천연가스(도시가스), 메탄 가스로부터 수소를 개질하는 방식이 현재로서는 가장 현실적이며 타당한 방식으로 알려져 있다.
다만, 상기 기술한 바와 같이 도시가스 또는 메탄(CH4)을 연료로 하여 수소를 제조하는 수소 스팀 개질 방식에 대하여 종래의 기존 수소 스팀 개질기의 경우 연소 장치(연료: 도시가스 or 메탄가스 + 공기)에서 충분한 열을 공급 받기 위해 하향 연소 장치를 적용하고, 연료 예열기 및 스팀 개질기 등 구성 요소들이 대부분 실린더 원통형 열교환 형태를 적용하여 연소가스가 연료 예열기 및 스팀 개질기에 접해있는 원통형 유로를 거쳐 배출되도록 되어 있으나, 이러한 경우 공간 활용 및 전열 면적 확보 측면에서 효율이 떨어져 수소 개질기 유닛의 크기가 커져야 하며, 연소가스의 유동 압력 손실이 커져 연소기 공기 흡입 팬의 전력 소모가 커져야 하는 단점이 있을 뿐만 아니라 이 또한 팬의 사이즈를 키우는 단점이 되고 있다.
본 발명에 따르면 공간 활용을 극대화하여 최소 공간 내에 충분한 열전달 면적을 확보할 수 있도록 연료 가스나 물, 연소 가스가 흐르는 내부 및 외부 유로를 나선 형상의 스파이럴 판형 구조로 적용하고, 이러한 내부 및 외부 유로를 형성하는 격판에 돌기 형상을 적용하여 각각의 요소들의 열전달 향상을 도모할 수 있으며, 또한 연소 가스의 복사열을 수소 스팀 개질 부재에 전달할 수 있도록 함으로써 연소 가스의 열회수를 극대화할 수 있는 수소 공급 장치를 제공하고자 한다.
또한, 연료 예열 부재 및 수소 스팀 개질 부재, 고온/저온 열교환 부재, 고온/저온 수성가스 전환 반응 부재에 나선 형상의 스파이럴 판형 구조가 적용된 수소 공급 장치를 구성하는 형태 및 방안을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소 공급 장치는, 스팀이 생성되도록 공급되는 물을 가열하고, 원료 가스와 상기 스팀이 혼합된 연료 가스를 예열하며, 상기 스팀 생성 및 연료 가스 개질 시 필요한 열을 공급하는 버너가 구비된 스팀 생성 부재와, 상기 스팀과 원료 가스가 혼합된 연료 가스를 예열하는 연료 예열 부재와, 상기 연료 예열 부재로부터 배출되는 연료 가스를 개질해서 수소를 1차로 생성하는 수소 스팀 개질 부재와, 상기 스팀 생성 부재와 상기 연료 예열 부재와 상기 수소 스팀 개질 부재를 동시에 감싸는 제1 케이스 부재가 구비되는 제1 수소 생성부; 및 상기 수소 스팀 개질 부재로부터 배출되는 연료 가스를 이용해서 물을 1차로 가열하는 고온 열교환 부재와, 상기 고온 열교환 부재로부터 배출되는 연료 가스를 개질해서 수소를 2차로 생성하는 고온 수성가스 전환 반응 부재와, 상기 고온 수성가스 전환 반응 부재로부터 배출되는 연료 가스를 이용해서 1차로 가열된 물을 2차로 가열하는 저온 열교환 부재와, 상기 저온 열교환 부재로부터 배출되는 연료 가스를 개질해서 수소를 3차로 생성하는 저온 수성가스 전환 반응 부재와, 상기 고온 열교환 부재와 상기 고온 수성가스 전환 반응 부재와 상기 저온 열교환 부재와 상기 저온 수성가스 전환 반응 부재를 동시에 감싸는 제2 케이스 부재가 구비되는 제2 수소 생성부;를 포함하는 수소 공급 장치에 있어서, 상기 제1 수소 생성부를 경유하는 상기 연료 가스는 나선 형상의 제1 내부 유로를 따라 흐르면서 열교환하고, 상기 버너에서 토출되는 연소 가스는 상기 제1 케이스 부재의 내부에 상하로 일체로 연통 형성되는 제1 외부 유로를 따라 흐르면서 열교환하며, 상기 제2 수소 생성부를 경유하는 상기 물은 나선 형상의 제2 내부 유로를 따라 흐르면서 열교환하고, 상기 제1 수소 생성부에서 배출된 연료 가스는 상기 제2 케이스 부재의 내부에 상하로 일체로 연통 형성되는 제2 외부 유로를 따라 흐르면서 열교환할 수 있다.
이때, 상기 제1 케이스 부재의 내부에는 상기 스팀 생성 부재, 상기 수소 스팀 개질 부재 및 상기 연료 예열 부재의 순서로 상향 적층 배치되고, 상기 버너는 상기 버너에서 토출되는 연소 가스가 상기 스팀 생성 부재, 상기 수소 스팀 개질 부재 및 상기 연료 예열 부재를 순차적으로 경유하도록 상기 제1 케이스 부재의 하부에 배치될 수 있다.
이때, 상기 제1 내부 유로는 상기 연료 예열 부재에 형성되는 제1-1 내부 유로와, 상기 수소 스팀 개질 부재에 형성되는 제1-2 내부 유로를 포함하고, 상기 제1 외부 유로는 상기 연료 예열 부재에 형성되는 제1-1 외부 유로와, 상기 수소 스팀 개질 부재에 형성되는 제1-2 외부 유로를 포함하며, 상기 제1-1 외부 유로와 상기 제1-2 외부 유로는 상기 제1 케이스 부재의 내주면을 따라 상하로 일체로 연통 형성될 수 있다.
이때, 상기 연료 예열 부재에는 상기 제1-1 내부 유로가 형성되도록 상호 대향 배치되는 한 쌍의 제1 격판이 구비되고, 한 쌍의 상기 제1 격판 중 어느 하나의 상기 제1 격판에는 상기 제1-1 내부 유로를 향해 돌출되는 제1 돌기가 형성되고, 다른 하나의 상기 제1 격판에는 상기 제1-1 외부 유로를 향해 돌출되는 제1 돌기가 형성될 수 있다.
이때, 상기 수소 스팀 개질 부재에는 상기 제1-2 내부 유로가 형성되도록 상호 대향 배치되는 한 쌍의 제2 격판이 구비되고, 한 쌍의 상기 제2 격판에는 상기 제1-2 외부 유로를 향해 돌출되는 제2 돌기가 형성될 수 있다.
이때, 상기 수소 스팀 개질 부재에는 하향 연장되는 보조 열전달판이 구비되되, 상기 보조 열전달판은 상기 연소 가스 토출구의 외주면을 감싸도록 상기 수소 스팀 개질 부재의 하단부터 상기 스팀 생성 부재의 하단까지 하향 연장될 수 있다.
이때, 상기 보조 열전달판은 한 쌍의 상기 제2 격판 중 적어도 어느 하나 이상의 상기 제2 격판으로부터 하향 연장 형성될 수 있다.
이때, 상기 보조 열전달판은 상기 제2 격판에 대응되도록 나선 형상으로 형성되며, 상기 연소 가스 토출구를 통해 토출되는 연소 가스 중 일부 연소 가스는 상기 수소 스팀 개질 부재의 하단으로 유입되고, 나머지 연소 가스는 상기 보조 열전달판의 나선 형상을 따라 흐르면서 상기 보조 열전달판에 1차로 열을 전달한 후에 상기 스팀 생성 부재의 상변화 유로로 이동해서 상기 상변화 유로와 2차로 열교환할 수 있다.
이때, 상기 제2 내부 유로는 상기 고온 열교환 부재에 형성되는 제2-1 내부 유로와, 상기 저온 열교환 부재에 형성되는 제2-2 내부 유로를 포함하고, 상기 제2 외부 유로는 상기 고온 열교환 부재에 형성되는 제2-1 외부 유로와, 상기 저온 열교환 부재에 형성되는 제2-2 외부 유로를 포함하며, 상기 제2-1 외부 유로와 상기 제2-2 외부 유로는 상기 제2 케이스 부재의 내주면을 따라 상하로 일체로 연통 형성될 수 있다.
이때, 상기 고온 열교환 부재에는 상기 제2-1 내부 유로가 형성되도록 상호 대향 배치되는 한 쌍의 제3 격판이 구비되고, 한 쌍의 상기 제3 격판 중 어느 하나의 상기 제3 격판에는 상기 제2-1 내부 유로를 향해 돌출되는 제3 돌기가 형성되고, 다른 하나의 상기 제3 격판에는 상기 제2-1 외부 유로를 향해 돌출되는 제3 돌기가 형성될 수 있다.
이때, 상기 저온 열교환 부재에는 상기 제2-2 내부 유로가 형성되도록 상호 대향 배치되는 한 쌍의 제4 격판이 구비되고, 한 쌍의 상기 제4 격판 중 어느 하나의 상기 제4 격판에는 상기 제2-2 내부 유로를 향해 돌출되는 제4 돌기가 형성되고, 다른 하나의 상기 제4 격판에는 상기 제2-2 외부 유로를 향해 돌출되는 제4 돌기가 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1-1 외부 유로와 상기 제1-2 외부 유로의 상단과 하단을 각각 폐쇄해서 상기 제1-1 외부 유로와 상기 제1-2 외부 유로를 나선 형상으로 형성하고, 상기 제1-1 외부 유로와 상기 제1-2 외부 유로의 최외곽을 통해 각각 공급된 연소 가스가 상기 제1-1 외부 유로와 상기 제1-2 외부 유로의 중앙을 통해 각각 배출되면서 연소 가스가 연료 가스와 상호 반대 방향으로 이동하면서 열교환할 수 있다.
이때, 상기 제2-1 외부 유로와 상기 제2-2 외부 유로의 상단과 하단을 각각 폐쇄해서 상기 제2-1 외부 유로와 상기 제2-2 외부 유로를 나선 형상으로 형성하고, 상기 제2-1 외부 유로와 상기 제2-2 외부 유로의 최외곽을 통해 각각 공급된 연료 가스가 상기 제2-1 외부 유로와 상기 제2-2 외부 유로의 중앙을 통해 각각 배출되면서 연료 가스가 물과 상호 반대 방향으로 이동하면서 열교환할 수 있다.
상기의 구성에 따라, 본 발명의 일 측면에 따른 수소 공급 장치는 연료 가스가 흐르는 연료 예열 부재와 수소 스팀 개질 부재의 내부 유로 및 물이 흐르는 고온 열교환 부재와 저온 열교환 부재의 내부 유로를 나선 형상의 스파이럴 판형 구조로 적용함으로써 공간 활용을 극대화하여 최소 공간에서 충분한 열전달 면적을 확보할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 수소 공급 장치는 이러한 내부 유로를 형성하는 격판에 돌기 형상을 적용하여 각각의 요소들의 열전달 향상을 도모할 수 있게 된다.
아울러 본 발명의 일 측면에 따른 수소 공급 장치는 연소 가스의 복사열을 수소 스팀 개질 부재에 전달할 수 있도록 함으로써 연소 가스의 열회수를 극대화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 공급 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀 생성 부재를 확대 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 스팀 개질 부재를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 스팀 개질 부재의 내부 유로를 도시한 단면도(도 3의 A-A’ 부분)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 격판을 도시한 도면으로, (a)는 제2 격판의 평면도(도 4의 F-F’ 부분)이고, (b)는 제2 격판의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 결합면을 도시한 단면도(도 3의 B 부분)이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 열전달판을 도시한 단면도(도 3의 E-E’ 부분)이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 예열 부재, 고온 열교환 부재 및 저온 열교환 부재를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 예열 부재, 고온 열교환 부재 및 저온 열교환 부재의 내부 유로를 도시한 단면도(도 8의 G-G’ 부분)이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1, 제3 및 제4 격판을 도시한 도면으로, (a)는 제1, 제3 및 제4 격판의 평면도(도 9의 I-I’ 부분)이고, (b)는 제1, 제3 및 제4 격판의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1, 제3 및 제4 결합면을 도시한 단면도(도 8의 H 부분)이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 케이스 부재를 도시한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 케이스 부재를 도시한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀 생성 부재에 대한 설계 결과를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 예열 부재에 대한 설계 결과를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 스팀 개질 부재에 대한 설계 결과를 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 단어와 용어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 않고, 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 발명자가 용어와 개념을 정의할 수 있는 원칙에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
그러므로 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 해당하고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로 해당 구성은 본 발명의 출원시점에서 이를 대체할 다양한 균등물과 변형예가 있을 수 있다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 설명하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부"에 있다는 것은 특별한 사정이 없는 한 다른 구성 요소와 바로 접하여 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부"에 배치되는 것뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성 요소가 배치되는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소와 "연결"되어 있다는 것은 특별한 사정이 없는 한 서로 직접 연결되는 것뿐만 아니라 간접적으로 서로 연결되는 경우도 포함한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수소 공급 장치를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 공급 장치를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀 생성 부재를 확대 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 스팀 개질 부재를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 스팀 개질 부재의 내부 유로를 도시한 단면도(도 3의 A-A’ 부분)이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 격판을 도시한 도면으로, (a)는 제2 격판의 평면도(도 4의 F-F’ 부분)이고, (b)는 제2 격판의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 결합면을 도시한 단면도(도 3의 B 부분)이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 열전달판을 도시한 단면도(도 3의 E-E’ 부분)이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 예열 부재, 고온 열교환 부재 및 저온 열교환 부재를 도시한 단면도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 예열 부재, 고온 열교환 부재 및 저온 열교환 부재의 내부 유로를 도시한 단면도(도 8의 G-G’ 부분)이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1, 제3 및 제4 격판을 도시한 도면으로, (a)는 제1, 제3 및 제4 격판의 평면도(도 9의 I-I’ 부분)이고, (b)는 제1, 제3 및 제4 격판의 단면도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1, 제3 및 제4 결합면을 도시한 단면도(도 8의 H 부분)이고, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 케이스 부재를 도시한 단면도이며, 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 케이스 부재를 도시한 단면도이다. 또한, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀 생성 부재에 대한 설계 결과를 도시한 도면이고, 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 예열 부재에 대한 설계 결과를 도시한 도면이며, 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 스팀 개질 부재에 대한 설계 결과를 도시한 도면이다. 본 명세서에서는 본 발명의 실시예에 따른 수소 공급 장치를 설명함에 있어 발명의 내용과 관련이 없는 구성은 도면의 간략화를 위하여 상세하게 도시하지 않거나 도시를 생략하도록 하고 발명의 사상과 관련된 내용을 중심으로 본 발명에 따른 수소 공급 장치를 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 공급 장치(1)는, 스팀이 생성되도록 공급되는 물을 가열하는 버너(111)가 구비된 스팀 생성 부재(110)와, 스팀과 원료 가스가 혼합된 연료 가스를 예열하는 연료 예열 부재(160)와, 연료 예열 부재(160)로부터 배출되는 연료 가스를 개질해서 수소를 1차로 생성하는 수소 스팀 개질 부재(170)와, 스팀 생성 부재(110)와 연료 예열 부재(160)와 수소 스팀 개질 부재(170)를 동시에 감싸는 제1 케이스 부재(180)가 구비되는 제1 수소 생성부(100) 및 수소 스팀 개질 부재(170)로부터 배출되는 연료 가스를 이용해서 물을 1차로 가열하는 고온 열교환 부재(220)와, 고온 열교환 부재(220)로부터 배출되는 연료 가스를 개질해서 수소를 2차로 생성하는 고온 수성가스 전환 반응 부재(240)와, 고온 수성가스 전환 반응 부재(240)로부터 배출되는 연료 가스를 이용해서 1차로 가열된 물을 2차로 가열하는 저온 열교환 부재(250)와, 저온 열교환 부재(250)로부터 배출되는 연료 가스를 개질해서 수소를 3차로 생성하는 저온 수성가스 전환 반응 부재(270)와, 고온 열교환 부재(220)와 상기 고온 수성가스 전환 반응 부재(240)와 저온 열교환 부재(250)와 저온 수성가스 전환 반응 부재(270)를 동시에 감싸는 제2 케이스 부재(280)가 구비되는 제2 수소 생성부(200)를 포함하며, 제1 수소 생성부(100)를 경유하는 연료 가스는 나선 형상의 제1 내부 유로를 따라 흐르면서 열교환하고, 버너(111)에서 토출되는 연소 가스는 제1 케이스 부재(180)의 내부에 상하로 일체로 연통 형성되는 제1 외부 유로를 따라 흐르면서 열교환하며, 제2 수소 생성부(200)를 경유하는 물은 나선 형상의 제2 내부 유로를 따라 흐르면서 열교환하고, 제1 수소 생성부(100)에서 배출된 연료 가스는 제2 케이스 부재(280)의 내부에 상하로 일체로 연통 형성되는 제2 외부 유로를 따라 흐르면서 열교환할 수 있다.
이러한 버너(111)의 연소용 연료는 상온(25 ℃)의 메탄 또는 도시가스가 사용될 수 있으며, 이는 상온(25 ℃)의 공기와 함께 블로워를 통해 유입되고, 별도의 연료 혼합기를 통해 상호 혼합된 상태로 버너(111)에 공급된다. 즉, 버너(111)는 스팀이 생성되도록 공급되는 물을 가열하고, 원료 가스(메탄 또는 도시가스)와 스팀이 혼합된 연료 가스를 예열하며, 이러한 연료 가스를 촉매를 통해 개질하는데 필요한 열을 공급하는 열원 장치로 사용된다.
스팀 생성 부재(110)에는 저온 열교환 부재(250)를 통해 배출되는 고온(약 90 ℃)의 물이 공급되고, 버너(111)의 연소 가스를 통해 전달되는 연소열에 의해 스팀으로 상변화하게 된다.
이와 같이 생성된 스팀은 스팀 이동 유로(120)를 통해 연료 예열 부재(160)로 이동하게 되는데, 스팀 이동 유로(120)에는 원료 가스 공급 유로(130)를 통해 공급되는 원료 가스와 스팀이 혼합되는 혼합 유로(140)가 형성되며, 혼합 유로(140)를 지나면서 혼합된 연료 가스는 연료 가스 이동 유로(150)를 통해 연료 예열 부재(160)로 이동하게 된다.
이때, 원료 가스 공급 유로(130)를 통해 공급되는 원료 가스는 연료 전지 기타 수소를 필요로 하는 장치의 연료로 사용하게 될 메탄 가스 또는 도시 가스(일반적으로 도시 가스에서 탈황장치 등을 통해 전처리된 가스)일 수 있다.
상기 연료 가스는 연료 예열 부재(160)의 중앙에 구비된 공급 포트(IN)를 통해 연료 예열 부재(160)의 내부로 이동하게 되고, 연료 예열 부재(160)에 형성된 나선 형상의 유로를 따라 흐르면서 인접 배치된 유로를 흐르는 연소 가스와 열교환하여 적정 온도(약 510 ℃)로 예열된 후에 연료 예열 부재(160)의 최외곽에 구비된 배출 포트(OUT)를 통해 배출된다. 이때, 연소 가스는 상향 이동한 후에 제1 케이스 부재(180)의 외부로 배출된다.
연소 가스가 예열되는 적정 온도는 수소 스팀 개질 부재(170)에서 촉매의 반응이 원활하게 일어날 수 있는 온도일 수 있다.
아울러 적정 온도로 예열된 연료 가스가 수소 스팀 개질 부재(170)로 이동하도록 수소 스팀 개질 부재(170)의 중앙에는 공급 포트(IN)가 구비된다. 연료 예열 부재(160)에 구비된 배출 포트(OUT)는 수소 스팀 개질 부재(170)에 구비된 공급 포트(IN)와 연결되어 예열된 연료 가스가 수소 스팀 개질 부재(170)의 중앙으로 유입된다.
수소 스팀 개질 부재(170)로 유입된 연료 가스는 수소 스팀 개질 부재(170)에 형성된 나선 형상의 유로를 따라 흐르면서 인접 배치된 유로를 흐르는 연소 가스와 열교환하는 과정에서 수소가 생성되며, 이는 원료 가스가 메탄 가스일 경우를 기준으로 다음의 반응식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
이때, 연료 가스가 흐르는 나선 형상의 유로에는 상기한 반응이 원활하게 일어나도록 촉매가 구비되고, 상기한 반응은 흡열 반응으로 연소 가스로부터 필요한 열량을 공급받게 된다. 연소 가스 중 수소 스팀 개질 부재(170)로 직접 이동하는 일부 연소 가스는 스팀 생성 부재(110)를 거쳐 상향 이동하는 연소 가스와 혼합된 상태로 제1 케이스 부재(180) 내부를 따라 상향 이동하게 되며, 수소 스팀 개질 부재(170)와 먼저 열교환하고, 그 다음으로 연료 예열 부재(160)와 열교환한 후에 외부로 배출된다.
이와 같이 수소 스팀 개질 부재(170)를 통해 배출되는 연료 가스의 온도(약 510 ℃)는 수소 스팀 개질 부재(170)로 공급되는 연료 가스의 온도(약 510 ℃)와 거의 동일하다. 이는 연소 가스를 통해 공급되는 열량이 모두 상기한 흡열 반응에 사용되기 때문이다.
전술한 수소 스팀 개질 부재(170)를 통해 배출되는 연료 가스는 개질 가스 이동 유로(210)를 통해 제2 수소 생성부(200)로 이동하게 된다. 제2 수소 생성부(200)로 이동한 연료 가스는 고온 열교환 부재(220)를 경유하면서 적정 온도(약 340 ℃)로 냉각되는데, 이는 고온 수성가스 전환 반응 부재(240)에서 수소 생성 반응이 원활하게 일어날 수 있도록 하기 위함이다.
연료 가스의 냉각을 위해서 고온 열교환 부재(220)에는 상온수 공급 유로(230)를 통해 상온(25 ℃)의 물이 공급되며, 이러한 상온의 물은 고온 열교환 부재(220)의 중앙에 구비된 공급 포트(IN)를 통해 고온 열교환 부재(220)의 내부로 이동하게 되고, 고온 열교환 부재(220)에 형성된 나선 형상의 유로를 따라 흐르면서 인접 배치된 유로를 흐르는 연료 가스와 열교환하여 소정 온도(약 66 ℃)로 1차 가열된다. 이와 같이 가열된 물은 고온 열교환 부재(220)의 최외곽에 구비된 배출 포트(OUT)를 통해 배출된다.
이러한 고온 열교환 부재(220)를 경유하며 냉각된 연료 가스는 제2 케이스 부재(280)의 내부를 따라 상향 이동한 후에 고온 수성가스 전환 반응 부재(240)로 이동하게 되고, 이러한 고온 수성가스 전환 반응 부재(240)에는 촉매가 구비되어 수소 생성 반응이 일어나게 된다. 이는 다음의 반응식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
이때, 상기한 반응은 발열 반응으로 연료 가스는 고온 수성가스 전환 반응 부재(240)를 경유하면서 소정 온도(약 360 ℃)로 상승된 상태에서 저온 열교환 부재(250)를 향해 제2 케이스 부재(280)의 내주면을 따라 상향 이동하게 된다.
전술한 고온 열교환 부재(220)를 통해 소정 온도로 가열된 물은 중온수 공급 유로(260)를 통해 저온 열교환 부재(250)의 중앙에 구비된 공급 포트(IN)로 이동하게 되고, 저온 열교환 부재(250)의 내부에 형성된 나선 형상의 유로를 따라 흐르면서 인접 배치된 유로를 흐르는 연료 가스와 열교환하여 고온(약 92 ℃)으로 2차 가열된다. 이와 같이 가열된 물은 저온 열교환 부재(250)의 최외곽에 구비된 배출 포트(OUT)를 통해 배출된 후 고온수 공급 유로(112)를 통해 스팀 생성 부재(110)로 이동하게 된다.
이러한 저온 열교환 부재(250)를 경유하며 소정 온도(약 240 ℃)로 냉각된 연료 가스는 제2 케이스 부재(280)의 내부를 따라 상향 이동한 후에 저온 수성가스 전환 반응 부재(270)로 이동하게 되고, 이러한 저온 수성가스 전환 반응 부재(270)에는 촉매가 구비되어 고온 수성가스 전환 반응 부재(240)에서 변환되지 않은 대부분의 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시킬 뿐만 아니라 동일한 수소 생성 반응이 일어나게 된다. 이는 다음의 반응식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
이때, 전술한 바와 같이, 상기한 반응은 발열 반응으로 연료 가스는 저온 수성가스 전환 반응 부재(270)를 경유하면서 소정 온도(약 250 ℃)로 가열된 상태에서 제2 케이스 부재(280)의 내주면을 따라 상향 이동한 후 외부로 배출된다. 이와 같이 배출되는 연료 가스는 이후 수소를 사용할 장치에 알맞게 처리된(예 : 이산화탄소 제거 공정) 상태에서 배출될 수 있다.
이와 같이 고온 수성가스 전환 반응 부재(240)와 저온 수성가스 전환 반응 부재(270)를 통해 수소가 추가로 생성되면서 수소 수득율이 증가하게 되며, 일산화탄소는 이산화탄소로 변환되어 최종적으로 배출되는 일산화탄소의 농도가 적정 수준까지 저감될 수 있게 된다. 이때, 제2 케이스 부재(280)의 내부에는 최종적으로 배출되는 연소 가스에 포함된 이산화탄소의 농도 저감을 위해 별도의 이산화탄소 제거 부재(미도시)가 구비될 수 있다.
또한, 제1 수소 생성부(100)를 경유하는 연료 가스는 나선 형상의 제1 내부 유로를 따라 흐르면서 열교환하고, 제2 수소 생성부(200)를 경유하는 물은 나선 형상의 제2 내부 유로를 따라 흐르면서 열교환하므로 공간 활용을 극대화하면서도 최소 공간에서 충분한 전열 면적을 확보할 수 있게 된다.
아울러 버너(111)에서 토출되는 연소 가스는 제1 케이스 부재(180)의 내부에 하측에서 상측 방향으로 일체로 연통 형성되는 제1 외부 유로를 따라 흐르면서 열교환하고, 제1 수소 생성부(100)에서 배출된 연료 가스는 제2 케이스 부재(280)의 내부에 하측에서 상측 방향으로 일체로 연통 형성되는 제2 외부 유로를 따라 흐르면서 열교환하도록 구성함으로써 유로 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 케이스 부재(180)의 내부에는 스팀 생성 부재(110), 수소 스팀 개질 부재(170) 및 연료 예열 부재(160)의 순서로 상향 적층 배치되고, 버너(111)는 버너(111)에서 토출되는 연소 가스가 스팀 생성 부재(110), 수소 스팀 개질 부재(170) 및 연료 예열 부재(160)를 순차적으로 경유하도록 제1 케이스 부재(180)의 하부에 배치될 수 있다.
즉, 전술한 바와 같이, 연료 예열 부재(160)로부터 배출된 연료 가스는 수소 스팀 개질 부재(170)로 공급되므로 연료 예열 부재(160)와 수소 스팀 개질 부재(170)가 상호 인접하도록 연속적으로 배치하면 연료 가스가 이동하는 경로의 길이가 짧아지게 되어 유로 저항으로 인한 압력 손실이 감소하게 된다.
이때, 수소 스팀 개질 부재(170)에서 배출되는 연료 가스는 제2 케이스 부재(280)의 내주면을 따라 상향 이동하게 되므로 이러한 연료 가스가 제2 케이스 부재(280)의 하부로 공급되도록 구성되며, 수소 스팀 개질 부재(170)를 연료 예열 부재(160)의 하부에 배치하게 되면 수소 스팀 개질 부재(170)에서 배출되는 연료 가스가 제2 케이스 부재(280)의 하부까지 이동해야 하는 경로의 길이가 짧아지게 되어 전술한 바와 같이 유로 저항으로 인한 압력 손실이 감소하게 된다.
또한, 버너(111)가 제1 케이스 부재(180)의 하부에 배치된 상태에서 이러한 버너(111)로부터 토출되는 연소 가스가 제1 케이스 부재(180)의 내주면을 따라 상향 이동하면서 스팀 생성 부재(110), 수소 스팀 개질 부재(170) 및 연료 예열 부재(160)를 순차적으로 경유하도록 구성하면 연소 가스의 유로 저항으로 인한 압력 손실이 감소하게 된다.
버너(111)에서 토출되는 연소 가스의 온도 변화를 보면, 연소 가스 토출구(111a)에서 토출되는 연소 가스의 온도는 대략 1,700 ℃이고, 스팀 생성 부재(110)를 경유한 연소 가스의 온도는 대략 1,350 ℃이고, 수소 스팀 개질 부재(170)를 경유한 연소 가스의 온도는 대략 600 ℃이며, 연료 예열 부재(160)를 경유한 후 배출되는 연소 가스의 온도는 대략 380 ℃ 정도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 스팀 생성 부재(110)는 버너(111)에 형성된 연소 가스 토출구(111a)가 중앙에 삽입 배치되며, 제1 케이스 부재(180)의 내주면 둘레를 따라 나선 형상으로 감기면서 상향 연장되는 상변화 유로(113)를 포함할 수 있다.
이는 고온의 물이 스팀으로 상변화하면서 급격한 비체적 증가 및 유속 상승, 압력 손실 상승 등의 변화가 생기는 상황에서도 원활하게 이동할 수 있게 하기 위함이다.
이때, 제1 내부 유로는 연료 예열 부재(160)에 형성되는 제1-1 내부 유로(163)와, 수소 스팀 개질 부재(170)에 형성되는 제1-2 내부 유로(173)를 포함하고, 제1 외부 유로는 연료 예열 부재(160)에 형성되는 제1-1 외부 유로(164)와, 수소 스팀 개질 부재(170)에 형성되는 제1-2 외부 유로(174)를 포함하며, 제1-1 외부 유로(164)와 제1-2 외부 유로(174)는 제1 케이스 부재(180)의 내주면을 따라 하측에서 상측 방향으로 일체로 연통 형성될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 연료 예열 부재(160)에는 제1-1 내부 유로(163)가 형성되도록 상호 대향 배치되는 한 쌍의 제1 격판(161, 162)이 구비될 수 있다. 또한, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제1 격판(161, 162) 중 어느 하나의 제1 격판(162)에는 제1-1 내부 유로(163)를 향해 돌출되는 제1 돌기(162a)가 형성되고, 다른 하나의 제1 격판(161)에는 제1-1 외부 유로(164)를 향해 돌출되는 제1 돌기(161a)가 형성될 수 있다.
즉, 연료 가스가 경유하는 제1-1 내부 유로(163)와 연소 가스가 경유하는 제1-1 외부 유로(164)에 모두 제1 돌기(161a, 162a)가 형성될 수 있어서 보다 더 많은 열전달 면적 및 유동 교란을 통한 열전달 촉진을 가져올 수 있게 된다.
이러한 제1 돌기(161a, 162a)는 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 지그재그로 배치될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고 일렬 배치되는 것도 가능하다.
도 11에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제1 격판(161, 162)의 둘레에는 제1-1 내부 유로(163)가 폐쇄되도록 제1 결합면(161c)이 형성될 수 있다. 즉, 한 쌍의 제1 격판(161, 162)을 상호 밀착시킨 상태에서 제1 결합면(161c)이 형성되도록 어느 하나의 제1 격판(161)을 접어서 용접 등을 통해 기밀을 제공할 수 있다.
이때, 제1-1 내부 유로(163)로 연료 가스가 공급 및 배출되도록 공급 포트(IN)와 배출 포트(OUT)가 각각 구비될 수 있으며, 이러한 공급 포트(IN)는 나선 형상으로 연장되는 제1-1 내부 유로(163)가 시작되는 중앙부에 구비되고, 배출 포트(OUT)는 최외곽에 구비될 수 있다.
또한, 제1-1 외부 유로(164)는 연소 가스가 연료 예열 부재(160)의 하부에서 상부로 수직 이동이 가능하도록 제1-1 외부 유로(164)의 상하부가 완전히 개방되도록 구성할 수 있으며, 이를 통해 유로 저항으로 인한 압력 손실이 감소하게 된다. 다만, 설계 조건에 따라 필요한 경우 제1-1 외부 유로(164)의 상단과 하단을 폐쇄해서 나선 형상으로 구성한 후에 제1-1 외부 유로(164)의 최외곽을 통해 연소 가스가 공급되고, 제1-1 외부 유로(164)의 중앙을 통해 연소 가스가 배출되도록 구성하는 것도 가능하다. 즉, 연소 가스가 연료 가스와 상호 반대 방향으로 이동하면서 열교환하도록 구성하는 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수소 스팀 개질 부재(170)에는 제1-2 내부 유로(173)가 형성되도록 상호 대향 배치되는 한 쌍의 제2 격판(171, 172)이 구비될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제2 격판(171, 172)에는 제1-2 외부 유로(174)를 향해 돌출되는 제2 돌기(171a, 172a)가 형성될 수 있다.
즉, 연소 가스가 경유하는 제1-2 외부 유로(174)에 제2 돌기(171a, 172a)가 형성될 수 있어 보다 더 많은 열전달 면적 및 유동 교란을 통한 열전달 촉진을 가져올 수 있게 된다. 연료 가스가 경유하는 제1-2 내부 유로(173)에는 촉매가 구비되어 이를 통해 열교환 및 개질 반응이 일어나게 된다. 일 예로, 이러한 촉매는 구 형태이며, 직경은 대략 7 mm 정도일 수 있다.
이러한 제2 돌기(171a, 172a)는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 지그재그로 배치될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고 일렬 배치되는 것도 가능하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제2 격판(171, 172)의 둘레에는 제1-2 내부 유로(173)가 폐쇄되도록 제2 결합면(171c)이 형성될 수 있다. 즉, 한 쌍의 제2 격판(171, 172)을 상호 밀착시킨 상태에서 제2 결합면(171c)이 형성되도록 어느 하나의 제2 격판(171)을 접어서 용접 등을 통해 기밀을 제공할 수 있다.
이때, 제1-2 내부 유로(173)로 연료 가스가 공급 및 배출되도록 공급 포트(IN)와 배출 포트(OUT)가 각각 구비될 수 있으며, 이러한 공급 포트(IN)는 나선 형상으로 연장되는 제1-2 내부 유로(173)가 시작되는 중앙부에 구비되고, 배출 포트(OUT)는 최외곽에 구비될 수 있다.
또한, 제1-2 외부 유로(174)는 연소 가스가 수소 스팀 개질 부재(170)의 하부에서 상부로 수직 이동이 가능하도록 제1-2 외부 유로(174)의 상하부가 완전히 개방되도록 구성할 수 있으며, 이를 통해 유로 저항으로 인한 압력 손실이 감소하게 된다. 다만, 설계 조건에 따라 필요한 경우 제1-2 외부 유로(174)의 상단과 하단을 폐쇄해서 나선 형상으로 구성한 후에 제1-2 외부 유로(174)의 최외곽을 통해 연소 가스가 공급되고, 제1-2 외부 유로(174)의 중앙을 통해 연소 가스가 배출되도록 구성하는 것도 가능하다. 즉, 연소 가스가 연료 가스와 상호 반대 방향으로 이동하면서 열교환하도록 구성하는 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수소 스팀 개질 부재(170)에는 하향 연장되는 보조 열전달판(171b, 172b)이 구비될 수 있다. 이러한 보조 열전달판(171b, 172b)은 도 2에 도시된 바와 같이, 연소 가스 토출구(111a)의 외주면을 감싸도록 수소 스팀 개질 부재(170) 하단부터 스팀 생성 부재(110)의 하단까지 하향 연장될 수 있다.
이러한 보조 열전달판(171b, 172b)은 한 쌍의 상기 제2 격판(171, 172) 중 적어도 어느 하나 이상의 제2 격판(171, 172)으로부터 하향 연장 형성될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 격판(171, 172)의 일부 구간(점선 구간)에서만 하향 연장되되, 이때, 버너(111)의 연소 가스 토출구(111a)와 간섭이 발생하지 않는 구간에서만 하향 연장될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 보조 열전달판(171b, 172b)은 제2 격판(171, 172)에 대응되도록 나선 형상으로 형성되며, 연소 가스 토출구(111a)를 통해 토출되는 연소 가스 중 일부 연소 가스는 수소 스팀 개질 부재(170)의 하단으로 유입되고, 나머지 연소 가스는 보조 열전달판(171b, 172b)의 나선 형상을 따라 흐르면서 보조 열전달판(171b, 172b)에 1차로 열을 전달한 후에 스팀 생성 부재(110)의 상변화 유로(113)로 이동해서 상변화 유로(113)와 2차로 열교환할 수 있다.
즉, 보조 열전달판(171b, 172b)이 구비됨으로써 버너(111)에서 토출되는 연소 가스의 열량이 더 많은 열량을 필요로 하는 수소 스팀 개질 부재(170)에 더 많은 열량을 공급함으로써 효율적인 열량 공급을 통해 각 구성 요소를 적정한 크기로 형성할 수 있게 된다. 특히, 이러한 보조 열전달판(171b, 172b)은 연소 가스가 배출되면서 고온으로 가열된 연소 가스 토출구(111a)의 복사열도 회수할 수 있다. 아울러 보조 열전달판(171b, 172b)에도 제2 결합면(171c)이 구비되어 상호 간에 안정적으로 결합될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상변화 유로(113)에는 고온(약 90 ℃)의 물이 공급되므로 적은 열량을 공급해도 충분히 스팀으로 상변화될 수 있으며, 보조 열전달판(171b, 172b)을 통해 수소 스팀 개질 부재(170)에 많은 열량이 공급되면 상기한 반응을 통해 수소가 원활하게 생성될 수 있고, 각 구성 요소의 크기도 보다 더 콤팩트하게 형성할 수 있게 된다.
이때, 제2 내부 유로는 고온 열교환 부재(220)에 형성되는 제2-1 내부 유로(223)와, 저온 열교환 부재(250)에 형성되는 제2-2 내부 유로(253)를 포함하고, 제2 외부 유로는 고온 열교환 부재(220)에 형성되는 제2-1 외부 유로(224)와, 저온 열교환 부재(250)에 형성되는 제2-2 외부 유로(254)를 포함하며, 제2-1 외부 유로(224)와 제2-2 외부 유로(254)는 제2 케이스 부재(280)의 내주면을 따라 상하로 일체로 연통 형성될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 고온 열교환 부재(220)에는 제2-1 내부 유로(223)가 형성되도록 상호 대향 배치되는 한 쌍의 제3 격판(221, 222)이 구비될 수 있다. 또한, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제3 격판(221, 222) 중 어느 하나의 제3 격판(222)에는 제2-1 내부 유로(223)를 향해 돌출되는 제3 돌기(222a)가 형성되고, 다른 하나의 제3 격판(221)에는 제2-1 외부 유로(224)를 향해 돌출되는 제3 돌기(221a)가 형성될 수 있다.
즉, 물이 경유하는 제2-1 내부 유로(223)와 연료 가스가 경유하는 제2-1 외부 유로(224)에 모두 제3 돌기(221a, 222a)가 형성될 수 있어 보다 더 많은 열전달 면적 및 유동 교란을 통한 열전달 촉진을 가져올 수 있게 된다.
이러한 제3 돌기(221a, 222a)는 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 지그재그로 배치될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고 일렬 배치되는 것도 가능하다.
도 11에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제3 격판(221, 222)의 둘레에는 제2-1 내부 유로(223)가 폐쇄되도록 제3 결합면(221c)이 형성될 수 있다. 즉, 한 쌍의 제3 격판(221, 222)을 상호 밀착시킨 상태에서 제3 결합면(221c)이 형성되도록 어느 하나의 제3 격판(221)을 접어서 용접 등을 통해 기밀을 제공할 수 있다.
이때, 제2-1 내부 유로(223)로 물이 공급 및 배출되도록 공급 포트(IN)와 배출 포트(OUT)가 각각 구비될 수 있으며, 이러한 공급 포트(IN)는 나선 형상으로 연장되는 제2-1 내부 유로(223)가 시작되는 중앙부에 구비되고, 배출 포트(OUT)는 최외곽에 구비될 수 있다.
또한, 제2-1 외부 유로(224)는 연료 가스가 고온 열교환 부재(220)의 하부에서 상부로 수직 이동이 가능하도록 제2-1 외부 유로(224)의 상하부가 완전히 개방되도록 구성할 수 있으며, 이를 통해 유로 저항으로 인한 압력 손실이 감소하게 된다. 다만, 설계 조건에 따라 필요한 경우 제2-1 외부 유로(224)의 상단과 하단을 폐쇄해서 나선 형상으로 구성한 후에 제2-1 외부 유로(224)의 최외곽을 통해 연료 가스가 공급되고, 제2-1 외부 유로(224)의 중앙을 통해 연료 가스가 배출되도록 구성하는 것도 가능하다. 즉, 연료 가스가 물과 상호 반대 방향으로 이동하면서 열교환하도록 구성하는 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 저온 열교환 부재(250)에는 제2-2 내부 유로(253)가 형성되도록 상호 대향 배치되는 한 쌍의 제4 격판(251, 252)이 구비될 수 있다. 또한, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제4 격판(251, 252) 중 어느 하나의 제4 격판(252)에는 제2-2 내부 유로(253)를 향해 돌출되는 제4 돌기(252a)가 형성되고, 다른 하나의 제4 격판(251)에는 제2-2 외부 유로(254)를 향해 돌출되는 제4 돌기(251a)가 형성될 수 있다.
즉, 물이 경유하는 제2-2 내부 유로(253)와 연료 가스가 경유하는 제2-2 외부 유로(254)에 모두 제4 돌기(251a, 252a)가 형성될 수 있어 보다 더 많은 열전달 면적 및 유동 교란을 통한 열전달 촉진을 가져올 수 있게 된다.
이러한 제4 돌기(251a, 252a)는 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 지그재그로 배치될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고 일렬 배치되는 것도 가능하다.
도 11에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제4 격판(251, 252)의 둘레에는 제2-2 내부 유로(253)가 폐쇄되도록 제4 결합면(251c)이 형성될 수 있다. 즉, 한 쌍의 제4 격판(251, 252)을 상호 밀착시킨 상태에서 제4 결합면(251c)이 형성되도록 어느 하나의 제4 격판(251)을 접어서 용접 등을 통해 기밀을 제공할 수 있다.
이때, 제2-2 내부 유로(253)로 물이 공급 및 배출되도록 공급 포트(IN)와 배출 포트(OUT)가 각각 구비될 수 있으며, 이러한 공급 포트(IN)는 나선 형상으로 연장되는 제2-2 내부 유로(253)가 시작되는 중앙부에 구비되고, 배출 포트(OUT)는 최외곽에 구비될 수 있다.
또한, 제2-2 외부 유로(254)는 연료 가스가 저온 열교환 부재(250)의 하부에서 상부로 수직 이동이 가능하도록 제2-2 외부 유로(254)의 상하부가 완전히 개방되도록 구성할 수 있으며, 이를 통해 유로 저항으로 인한 압력 손실이 감소하게 된다. 다만, 설계 조건에 따라 필요한 경우 제2-2 외부 유로(254)의 상단과 하단을 폐쇄해서 나선 형상으로 구성한 후에 제2-2 외부 유로(254)의 최외곽을 통해 연료 가스가 공급되고, 제2-2 외부 유로(254)의 중앙을 통해 연료 가스가 배출되도록 구성하는 것도 가능하다. 즉, 연료 가스가 물과 상호 반대 방향으로 이동하면서 열교환하도록 구성하는 것이다.
더 나아가 도 12에 도시된 바와 같이, 연료 예열 부재(160)와 수소 스팀 개질 부재(170)의 제1 내부 유로가 나선 형상으로 형성됨에 따라 연소 가스가 경유하게 되는 제1 외부 유로가 제1 케이스 부재(180)의 단면 기준으로 균일하게 형성되지 않을 수 있으나 가급적 균일하도록 연료 예열 부재(160)와 수소 스팀 개질 부재(170)의 편심 장착을 적용할 수 있으며, 조건에 따라 미흡할 경우 제1 외부 유로가 상대적으로 크게 형성되는 부분(도 12의 경우 우측 하부)으로 연소 가스가 다량 흐르게 되면 열교환 성능이 저하될 수 있게 된다. 이를 방지하기 위해 도 12에 도시된 바와 같이, 전술한 제1 외부 유로가 상대적으로 크게 형성되는 부분에 연소 가스 이동을 제한하는 제1 스페이서 부재(181)가 구비될 수 있으며, 제1 외부 유로가 균일하게 형성되어 충분한 열교환 성능을 확보할 수 있게 할 수도 있다.
또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 고온 열교환 부재(220)와 저온 열교환 부재(250)의 제2 내부 유로가 나선 형상으로 형성됨에 따라 연료 가스가 경유하게 되는 제2 외부 유로가 제2 케이스 부재(280)의 단면 기준으로 균일하게 형성되지 않을 수 있으나, 가급적 균일하도록 연료 예열 부재(160)와 수소 스팀 개질 부재(170)의 편심 장착을 적용할 수 있으며, 조건에 따라 미흡할 경우 제2 외부 유로가 상대적으로 크게 형성되는 부분(도 13의 경우 우측 하부)으로 연소 가스가 다량 흐르게 되면 열교환 성능이 저하될 수 있게 된다. 이를 방지하기 위해 도 13에 도시된 바와 같이, 전술한 제2 외부 유로가 상대적으로 크게 형성되는 부분에 연료 가스 이동을 제한하는 제2 스페이서 부재(281)가 구비되면 제2 외부 유로가 균일하게 형성되어 충분한 열교환 성능을 확보할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 스팀 생성 부재(110)에는 나선 형상으로 감기면서 상향 연장되는 상변화 유로(113)가 구비되고, 수소 스팀 개질 부재(170)에는 나선 형상의 제1-2 내부 유로(173)와 상하부가 완전히 개방된 제1-2 외부 유로(174) 및 연소 가스 토출구(111a)의 둘레를 감싸는 보조 열전달판(171b, 172b)이 구비되며, 이와 같이 구성하면 연소 가스 유로 내의 압력 손실이 대략 30% 정도 감소하게 되고, 열교환 성능 향상을 통한 전체 장치의 부피가 대략 10% 정도 감소(종래의 실린더 원통형 타입은 29.8 L인 반면, 본 발명의 연료 예열 부재(160) 및 수소 스팀 개질 부재(170)는 26.4 L임)하여 콤팩트화가 가능하며, 버너(111)에 공기를 공급하는 블로워의 동력 감소도 대략 5 ~ 10% 정도 향상하는 것으로 예측된다.
스팀 생성 부재(110)의 설계를 위한 이론적 배경
연소 가스 화학적 반응 : 버너(111)에 유입되는 연료의 연소에 따른 성분 변화 파악이 필요하며, 설계 시 보다 단순화를 위하여 메탄과 공기 중에 포함되어 있는 타 성분은 무시하고, 연소 과정도 이상적인 반응으로 가정하였다.
Figure pat00004
혼합 가스 물성치 계산 : 설계를 위해서 우선적으로 해야 할 사항이 단일 가스가 아닌 혼합 가스의 물성치 계산이며, 물성치 값을 확보하여야 모든 설계 변수들의 값을 산정할 수 있다. 하기 식은 혼합 가스의 밀도와 비열, 열전도도, 점도에 대한 물성치 계산식의 일 예이다.
Figure pat00005
Figure pat00006
화염 측 복사 열전달량 계산 : 버너(111)의 화염에서 스팀 생성 부재(110)의 상변화 유로(113) 내측 수직 전열면으로 전달된 열량은 일 예를 들어 하기 계산식으로 계산할 수 있다.
Figure pat00007
연소 가스 측 복사 열전달량 계산 : 일 예를 들어 연소 가스 측 복사 전열량은 가스 분자 종류에 따라서 변하므로 가스에 의한 복사는 성분 원소의 분압 및 가스 층 두께, 온도의 함수로 산출될 수 있다.
Figure pat00008
연소 가스 측 대류 열전달 : 일 예를 들어 1986년 Gnielinski의 헬리컬 코일관 열교환기 외측 열전달 계수 실험 상관식을 적용할 수 있다.
Figure pat00009
연소 가스 측 복사와 대류 복합 열전달 계수 : 일 예를 들어 복사 전열량을 통해 산정한 복사에 의한 동등 열전달 계수와 상기 연소 가스 측 대류 열전달 계수의 합으로 산정할 수 있다.
상변화 유로(113) 내부 물 측 대류 열전달 : 물 측의 경우 3 영역(물 단상 영역과 물과 증기가 혼합되어 있는 2상 영역, 스팀 단상 영역)으로 나뉘며, 각 영역에 따라 층류와 천이구역, 난류 등으로 구분하고 이에 적합한 실험 상관식을 적용하여 설계할 수 있다.
(a) 물 및 스팀 영역 : 예를 들어 층류인 경우 1981년 Manlapaz & Churchill 의 헬리컬 코일관 열교환기 내측 열전달 계수 실험 상관식을 적용할 수 있으며, 난류 유동인 경우 Dittus-Boelter 식을 기준으로 1987년 Schmidt 실험 상관식을 적용할 수 있다.
층류 실험 상관식 (Manlapaz & Churchill (1981))
Figure pat00010
난류 실험 상관식 (Dittus-Boelter & Schmidt (1987년))
Figure pat00011
(b) 2상 영역 : 적용하려는 열교환기에 대하여 이상 유동 조건에 대한 신뢰할만한 열전달 실험 관계식은 많지 않으나, 예를 들어 1989년 Kandlikar의 수평관에 대한 증발 실험 상관식이 가장 포괄적이며 1943년 Hausen의 헬리컬 코일관 열교환기 내측 열전달 계수 실험 상관식을 복합적으로 적용할 수 있다.
Figure pat00012
(c) 총괄열전달계수 및 소요 전열면적 계산 : 예를 들어 나선 형상(헬리컬 코일 형태)의 스팀 생성 부재(110) 총괄열전달계수는 상기 영역별로 각 내외측 열전달 계수를 반영하여 계산할 수 있으며, 확보되어야 할 필요한 전열 면적은 계산된 스팀 생성 부재(110) 열교환량과 총괄열전달계수, 대수평균온도차에 의해 최종적으로 계산될 수 있다.
Figure pat00013
연소 가스 측 압력 손실 계산 : 예를 들어 1972년 Smith & Coombs의 실험 상관식을 적용할 수 있다.
Figure pat00014
Figure pat00015
물 측 압력 손실 계산 : 설계 시 물 단상 영역 및 물과 스팀의 2상 영역, 스팀 단상 영역으로 구분하여 계산하며, 우선적으로 매체 유동 형태가 층류 또는 천이구역, 난류 유동인지를 먼저 파악한 후 각 영역별로 적합한 실험 상관식을 선정 및 적용하여 압력 손실을 산정할 수 있다.
(a) 물 영역 : 예를 들어 층류의 경우 1970년 Srinivasan 실험 상관식을 적용할 수 있다.
Figure pat00016
(b) 2상 영역: 적용하려는 열교환기에 대하여 이상 유동 조건의 신뢰할만한 압력 손실 실험 관계식 또한 많지 않으나, 예를 들어 일반적으로 균질유동 모델을 적용한 Blasius의 난류 실험 상관식을 적용할 수 있다.
Figure pat00017
(c) 스팀 과열 영역 : 예를 들어 난류 유동의 경우 1967년 Mori & Nakayama 실험 상관식을 적용할 수 있다.
Figure pat00018
예를 들어 상기와 같은 실험 상관식을 적용하여 설계 과정을 수행할 경우 스팀 생성 부재(110)에 대하여 도 14에 도시된 바와 같은 설계 결과를 얻을 수 있다.
연료 예열 부재(160)의 설계를 위한 이론적 배경
연료 및 연소 가스 측 물성치의 경우 스팀 생성 부재(110) 연소가스 측 물성치 산정 과정과 동일하게 산출한다.
연료 및 연소 가스 측 열전달 계수 산정 : 양측 모두 기체 단상 유동이며 돌출(protrusion) 형상의 요철이 형성된 열전달 촉진 스파이럴(나선 형상) 판형 구조에서의 열전달에 대한 실험 상관식 중 적합한 실험 상관식을 선정하여 적용할 수 있으며, 예를 들어 1985년 Incropera & DeWitt 실험 상관식을 적용하여 설계할 수 있다.
Figure pat00019
총괄열전달 계수 및 소요 전열면적 산정 : 상기 각 측의 열전달 계수를 산정을 통하여 하기 관계식을 적용할 수 있다.
Figure pat00020
연료 및 연소 가스 측 압력손실 산정 : 돌출(protrusion) 요철 형상을 적용한 판형 구조에서의 압력손실에 대한 상관 실험식들 중 적정한 상관 실험식을 선정하여 적용할 수 있으며, 예를 들어 2010년 안혁진 실험 논문의 실험 상관식을 적용하여 산정할 수 있다.
Figure pat00021
상기와 같은 이론을 바탕으로 연료 예열 부재(160)를 설계한 결과, 도 15에 도시된 바와 같은 설계 결과를 얻을 수 있다.
수소 스팀 개질 부재(170)의 설계를 위한 이론적 배경
수소 스팀 개질 부재(170) 내 연료 가스 측 화학 반응 : 연료 가스 측의 메탄과 스팀은 이론적으로 수소 스팀 개질 부재(170)에서 1 mol의 메탄과 4 mol의 스팀이 반영하여 수소 3 mol을 생성하고, 스팀 3 mol, 일산화탄소 1 mol이 생성되어 수소 스팀 개질 부재(170)에서 유출된다. 하기 반응식은 수소 스팀 개질 부재(170)에서의 메탄 1mol 기준 연료 측 이론적인 화학 반응식이다. 실제로는 수소와 스팀, 이산화탄소, 일산화탄소 등이 혼재되어 유출된다.
Figure pat00022
수소 스팀 개질 부재(170) 내의 혼합 가스 물성치 계산은 다음과 같다.
(a) 연소 가스 측 : 스팀 생성 부재(110)에서의 연소 가스 물성치 계산 과정을 동일하게 적용하여 계산한다.
(b) 연료 가스 측: 연료 가스 측의 경우는 연소 가스 측과는 다르게 화학반응에 의해 연료 혼합가스의 성분이 변경되므로 이 반응 과정을 정확하게 나누어 각 물성치를 계산하는 것은 너무 복잡하기 때문에 수소 스팀 개질 부재(170) 설계 시에는 단순한 방법을 적용할 필요가 있으며, 예를 들어 유입 측 연료 혼합가스의 성분에 대한 각 물성치를 스팀 생성 부재(110) 연소 가스 물성치 계산 과정과 동일한 과정으로 계산하고 유출 측 연료 혼합가스의 성분에 대한 각 물성치 또한 동일한 과정으로 계산하여 유입 측 물성치와 유출 측 물성치를 평균하여 계산할 수도 있다.
수소 스팀 개질 부재(170) 열전달 계수 계산은 다음과 같다.
(a) 연소 가스 측 : 연료 예열 부재(160)의 연소 가스 측과 동일한 돌출(protrusion) 형태의 요철 형상을 적용한 스파이럴(나선 형상) 판형 구조의 열전달에 대한 실험 상관식을 적용하여 설계할 수 있다. 그러므로 열전달 계수 계산 과정 또한 연료 예열 부재(160)와 동일한 과정을 적용하여 계산할 수 있다.
(b) 연료 가스 측 : 연료 가스 측의 경우는 열판에 돌출(protrusion) 형태의 요철 형상을 적용할 필요가 없다. 그 이유는 돌출(protrusion) 형상의 요철을 적용하여 촉매 충진 공간을 감소시킬 필요가 없으며, 이와 같이 촉매 충진 공간 확보와 더불어 촉매 충진에 따라 열교환 촉진이 발생되므로 굳이 돌출(protrusion) 형상의 요철을 형성할 필요가 없다. 연료 측 채널의 경우 구 형태의 촉매가 채워진 상태이므로 구 형태의 Porouse media에서의 열전달 실험 상관식을 적용할 수 있으며, 예를 들어 다음의 2013년 Mahgoub 실험 상관식을 적용하여 설계할 수 있다.
Figure pat00023
수소 스팀 개질 부재(170) 연료 가스 및 연소 가스 측 압력손실 계산은 다음과 같다.
(a) 연료 가스 측 : 구 형태의 Porouse media에서의 유동 시 압력손실 산정 모델을 적용하였고 예를 들어 낮은 Re 수에서는 Carman-Kozeny 식에서 유도된 마찰손실 계수 항이 지배적이 되며 보다 큰 Re 수에서는 Burke-Plummer 식에서 유도된 마찰손실 계수 항이 지배적이 된다. 2000년 F. Durst 의 상기 두 식이 조합된 폭 넓은 Re 수에 대한 압력손실 산정 실험식을 적용할 수 있다.
Figure pat00024
(b) 연소 가스 측: 연소 가스 측 채널의 양측 열판 모두 돌출(protrusion) 형태의 요철이 형성되어 있는 형태로 예를 들어 2020년 조형희 논문 실험 결과 적용하여 산정(관계식 및 과정의 경우 연료 예열 부재(160) 연소 가스 측과 동일)할 수 있다.
상기와 같은 이론을 바탕으로 수소 스팀 개질 부재(170)를 설계한 결과, 도 16에 도시된 바와 같은 설계 결과를 얻을 수 있다.
상기의 구성에 따라, 본 발명의 일 측면에 따른 수소 공급 장치(1)는 연료 가스가 흐르는 연료 예열 부재(160)와 수소 스팀 개질 부재(170)의 내부 유로 및 물이 흐르는 고온 열교환 부재(220)와 저온 열교환 부재(250)의 내부 유로를 나선 형상의 스파이럴 판형 구조로 적용함으로써 공간 활용을 극대화하여 최소 공간에서 충분한 열전달 면적을 확보할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 수소 공급 장치(1)는 이러한 내부 유로를 형성하는 격판에 돌기 형상을 적용하여 각각의 요소들의 열전달 향상을 도모할 수 있게 된다.
아울러 본 발명의 일 측면에 따른 수소 공급 장치(1)는 연소 가스의 복사열을 수소 스팀 개질 부재(170)에 전달할 수 있도록 함으로써 연소 가스의 열회수를 극대화할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1 : 수소 공급 장치 100 : 제1 수소 생성부
110 : 스팀 생성 부재 111 : 버너
111a : 연소 가스 토출구 112 : 고온수 공급 유로
113 : 상변화 유로 120 : 스팀 이동 유로
130 : 원료 가스 공급 유로 140 : 혼합 유로
150 : 연료 가스 이동 유로 160 : 연료 예열 부재
161, 162 : 제1 격판 161a, 162a : 제1 돌기
161c : 제1 결합면 163 : 제1-1 내부 유로
164 : 제1-1 외부 유로 170 : 수소 스팀 개질 부재
171, 172 : 제2 격판 171a, 172a : 제2 돌기
171b, 172b : 보조 열전달판 171c : 제2 결합면
173 : 제1-2 내부 유로 174 : 제1-2 외부 유로
180 : 제1 케이스 부재 181 : 제1 스페이서 부재
200 : 제2 수소 생성부 210 : 개질 가스 이동 유로
220 : 고온 열교환 부재 221, 222 : 제3 격판
221a, 222a : 제3 돌기 221c : 제3 결합면
223 : 제2-1 내부 유로 224 : 제2-1 외부 유로
230 : 상온수 공급 유로 240 : 고온 수성가스 전환 반응 부재
250 : 저온 열교환 부재 251, 252 : 제4 격판
251a, 252a : 제4 돌기 251c : 제4 결합면
253 : 제2-2 내부 유로 254 : 제2-2 외부 유로
260 : 중온수 공급 유로 270 : 저온 수성가스 전환 반응 부재
280 : 제2 케이스 부재 281 : 제2 스페이서 부재
IN : 공급 포트 OUT : 배출 포트

Claims (13)

  1. 스팀이 생성되도록 공급되는 물을 가열하고, 원료 가스와 상기 스팀이 혼합된 연료 가스를 예열하며, 상기 스팀 생성 및 연료 가스 개질 시 필요한 열을 공급하는 버너가 구비된 스팀 생성 부재와, 상기 스팀과 원료 가스가 혼합된 연료 가스를 예열하는 연료 예열 부재와, 상기 연료 예열 부재로부터 배출되는 연료 가스를 개질해서 수소를 1차로 생성하는 수소 스팀 개질 부재와, 상기 스팀 생성 부재와 상기 연료 예열 부재와 상기 수소 스팀 개질 부재를 동시에 감싸는 제1 케이스 부재가 구비되는 제1 수소 생성부; 및
    상기 수소 스팀 개질 부재로부터 배출되는 연료 가스를 이용해서 물을 1차로 가열하는 고온 열교환 부재와, 상기 고온 열교환 부재로부터 배출되는 연료 가스를 개질해서 수소를 2차로 생성하는 고온 수성가스 전환 반응 부재와, 상기 고온 수성가스 전환 반응 부재로부터 배출되는 연료 가스를 이용해서 1차로 가열된 물을 2차로 가열하는 저온 열교환 부재와, 상기 저온 열교환 부재로부터 배출되는 연료 가스를 개질해서 수소를 3차로 생성하는 저온 수성가스 전환 반응 부재와, 상기 고온 열교환 부재와 상기 고온 수성가스 전환 반응 부재와 상기 저온 열교환 부재와 상기 저온 수성가스 전환 반응 부재를 동시에 감싸는 제2 케이스 부재가 구비되는 제2 수소 생성부;
    를 포함하는 수소 공급 장치에 있어서,
    상기 제1 수소 생성부를 경유하는 상기 연료 가스는 나선 형상의 제1 내부 유로를 따라 흐르면서 열교환하고, 상기 버너에서 토출되는 연소 가스는 상기 제1 케이스 부재의 내부에 상하로 일체로 연통 형성되는 제1 외부 유로를 따라 흐르면서 열교환하며,
    상기 제2 수소 생성부를 경유하는 상기 물은 나선 형상의 제2 내부 유로를 따라 흐르면서 열교환하고, 상기 제1 수소 생성부에서 배출된 연료 가스는 상기 제2 케이스 부재의 내부에 상하로 일체로 연통 형성되는 제2 외부 유로를 따라 흐르면서 열교환하는 수소 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 케이스 부재의 내부에는 상기 스팀 생성 부재, 상기 수소 스팀 개질 부재 및 상기 연료 예열 부재의 순서로 상향 적층 배치되고,
    상기 버너는 상기 버너에서 토출되는 연소 가스가 상기 스팀 생성 부재, 상기 수소 스팀 개질 부재 및 상기 연료 예열 부재를 순차적으로 경유하도록 상기 제1 케이스 부재의 하부에 배치되는 수소 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내부 유로는 상기 연료 예열 부재에 형성되는 제1-1 내부 유로와, 상기 수소 스팀 개질 부재에 형성되는 제1-2 내부 유로를 포함하고,
    상기 제1 외부 유로는 상기 연료 예열 부재에 형성되는 제1-1 외부 유로와, 상기 수소 스팀 개질 부재에 형성되는 제1-2 외부 유로를 포함하며,
    상기 제1-1 외부 유로와 상기 제1-2 외부 유로는 상기 제1 케이스 부재의 내주면을 따라 상하로 일체로 연통 형성되는 수소 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료 예열 부재에는 상기 제1-1 내부 유로가 형성되도록 상호 대향 배치되는 한 쌍의 제1 격판이 구비되고,
    한 쌍의 상기 제1 격판 중 어느 하나의 상기 제1 격판에는 상기 제1-1 내부 유로를 향해 돌출되는 제1 돌기가 형성되고, 다른 하나의 상기 제1 격판에는 상기 제1-1 외부 유로를 향해 돌출되는 제1 돌기가 형성되는 수소 공급 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 수소 스팀 개질 부재에는 상기 제1-2 내부 유로가 형성되도록 상호 대향 배치되는 한 쌍의 제2 격판이 구비되고,
    한 쌍의 상기 제2 격판에는 상기 제1-2 외부 유로를 향해 돌출되는 제2 돌기가 형성되는 수소 공급 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수소 스팀 개질 부재에는 하향 연장되는 보조 열전달판이 구비되되,
    상기 보조 열전달판은 연소 가스 토출구의 외주면을 감싸도록 상기 수소 스팀 개질 부재의 하단부터 상기 스팀 생성 부재의 하단까지 하향 연장되는 수소 공급 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보조 열전달판은 한 쌍의 상기 제2 격판 중 적어도 어느 하나 이상의 상기 제2 격판으로부터 하향 연장 형성되는 수소 공급 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보조 열전달판은 상기 제2 격판에 대응되도록 나선 형상으로 형성되며,
    상기 연소 가스 토출구를 통해 토출되는 연소 가스 중 일부 연소 가스는 상기 수소 스팀 개질 부재의 하단으로 유입되고, 나머지 연소 가스는 상기 보조 열전달판의 나선 형상을 따라 흐르면서 상기 보조 열전달판에 1차로 열을 전달한 후에 상기 스팀 생성 부재의 상변화 유로로 이동해서 상기 상변화 유로와 2차로 열교환하는 수소 공급 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제2 내부 유로는 상기 고온 열교환 부재에 형성되는 제2-1 내부 유로와, 상기 저온 열교환 부재에 형성되는 제2-2 내부 유로를 포함하고,
    상기 제2 외부 유로는 상기 고온 열교환 부재에 형성되는 제2-1 외부 유로와, 상기 저온 열교환 부재에 형성되는 제2-2 외부 유로를 포함하며,
    상기 제2-1 외부 유로와 상기 제2-2 외부 유로는 상기 제2 케이스 부재의 내주면을 따라 상하로 일체로 연통 형성되는 수소 공급 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고온 열교환 부재에는 상기 제2-1 내부 유로가 형성되도록 상호 대향 배치되는 한 쌍의 제3 격판이 구비되고,
    한 쌍의 상기 제3 격판 중 어느 하나의 상기 제3 격판에는 상기 제2-1 내부 유로를 향해 돌출되는 제3 돌기가 형성되고, 다른 하나의 상기 제3 격판에는 상기 제2-1 외부 유로를 향해 돌출되는 제3 돌기가 형성되는 수소 공급 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 저온 열교환 부재에는 상기 제2-2 내부 유로가 형성되도록 상호 대향 배치되는 한 쌍의 제4 격판이 구비되고,
    한 쌍의 상기 제4 격판 중 어느 하나의 상기 제4 격판에는 상기 제2-2 내부 유로를 향해 돌출되는 제4 돌기가 형성되고, 다른 하나의 상기 제4 격판에는 상기 제2-2 외부 유로를 향해 돌출되는 제4 돌기가 형성되는 수소 공급 장치.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 제1-1 외부 유로와 상기 제1-2 외부 유로의 상단과 하단을 각각 폐쇄해서 상기 제1-1 외부 유로와 상기 제1-2 외부 유로를 나선 형상으로 형성하고, 상기 제1-1 외부 유로와 상기 제1-2 외부 유로의 최외곽을 통해 각각 공급된 연소 가스가 상기 제1-1 외부 유로와 상기 제1-2 외부 유로의 중앙을 통해 각각 배출되면서 연소 가스가 연료 가스와 상호 반대 방향으로 이동하면서 열교환하는 수소 공급 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제2-1 외부 유로와 상기 제2-2 외부 유로의 상단과 하단을 각각 폐쇄해서 상기 제2-1 외부 유로와 상기 제2-2 외부 유로를 나선 형상으로 형성하고, 상기 제2-1 외부 유로와 상기 제2-2 외부 유로의 최외곽을 통해 각각 공급된 연료 가스가 상기 제2-1 외부 유로와 상기 제2-2 외부 유로의 중앙을 통해 각각 배출되면서 연료 가스가 물과 상호 반대 방향으로 이동하면서 열교환하는 수소 공급 장치.
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