KR20220100350A

KR20220100350A - 개질기

Info

Publication number: KR20220100350A
Application number: KR1020210002686A
Authority: KR
Inventors: 원재영; 우형석; 이지혜
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2022-07-15

Abstract

개질기가 개시된다. 본 개시의 개질기는, 길게 연장되는 하우징; 상기 하우징의 내부로 연료와 증기의 혼합물을 제공하는 유입관; 상기 유입관으로부터 상기 혼합물을 제공받고, 개질 공정용 촉매가 충진되는 반응기; 상기 반응기에 열 에너지를 제공하는 버너; 상기 반응기에 인접하고, 상기 버너가 삽입되며, 하측이 개구되며 가이드; 상기 반응기와 상기 가이드 사이에 형성되고, 상기 버너에서 생성되어 상기 가이드의 하측을 통과한 배기가스가 유동하는 배기가스 유로; 그리고, 상기 배기가스 유로에 설치되는 배플(baffle) 또는 슬리브(sleeve)를 포함한다.

Description

개질기{REFORMER}

본 개시는 연료전지 시스템의 개질기에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 반응기에 대한 배기가스의 열전달율을 높여 연소 효율을 향상시킬 수 있는 개질기에 관한 것이다.

연료전지(Fuel Cell) 장치는 탄화수소계 연료를 개질하여 얻은 수소와 공기중의 산소를 스택의 막전극접합체(MEA)에서 전기화학반응시켜 전기를 생산하는 장치이며, 연료전지 장치의 작동 시 물과 열이 발생된다.

연료전지 시스템 또는 연료전지 장치는 공급 연료를 개질하는 개질기와, 개질반응에 필요한 열을 공급하는 버너와, 스택을 냉각하고 열을 회수하기 위한 열교환기 및 냉각수배관, 생산된 직류전류를 교류전류로 바꿔주는 전력변환기 등을 구비한다. 연료전지 장치의 케이스 내부에는 다수의 개별 장치들과 이들 사이의 유체(공기, 연료, 물) 흐름을 가능케 하는 배관이 복잡하게 설치되어 있다.

KR2007-0019986은 일산화탄소를 순차적으로 세정(CO cleaning)하는 개질기(1)를 개시한다(도 1 참조). 개질기(1)는 개질 공정용 촉매(12)가 충진된 반응기(9)와, 반응기(9)에 연료와 증기의 혼합물을 제공하는 공급 라인(7)과, 반응기(9)를 가열하고 배기가스가 생성되는 연소 챔버(15)를 포함한다.

이때, 연소 챔버(15)로 제공되는 공기와 가스는 코일 형상의 라인(21, 22)을 유동하며, 라인(21, 22)을 수용하는 배기가스 도관(23)을 유동하는 고온의 배기가스에 의해 예열된다.

그리고, 물은 배기가스 도관(23)을 둘러싸는 환형의 공간(26)에 인접한 코일 형상의 관(pipe)을 유동하며 증발되어, 증기로서 공급 라인(7)에 제공된다(도면부호 28, 29, 32, 33, 36, 38, 41, 42, 43 등 참조). 또한, 물이 유동하는 상기 코일 형상의 관은 반응기(9)에서 발생된 개질물이 유동하며 촉매들이 충진되는 환형의 챔버(10)에 설치된다. 이에, 상기 환형의 챔버(10)를 유동하는 개질물은 냉각되고, 상기 촉매들이 후속 반응기를 구성한다.

한편, 중공의 가이드 몸체(19)는 연소 챔버(15)에서 생성되는 연소가스를 반응기(9)와 가이드 몸체(19) 사이의 유로로 가이드 한다. 상기 유로를 유동하는 배기가스는 배기가스 도관(23)을 통해 개질기(1)의 외부로 배출된다.

그러나, 고온의 배기가스가 흡열반응을 하는 반응기(9)와 충분히 열교환을 하지 못한 채 외부로 배출됨에 따라, 반응기(9)의 충분한 반응을 위해 연소 챔버(15)에 더 많은 연료를 공급하는 것이 필요한 문제가 있다. 다시 말해, 개질기(1)의 연소 효율이 낮아 개선이 필요하다.

대한민국 공개특허 제10-2007-0019986호

본 개시는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

또 다른 목적은 반응기에 대한 배기가스의 열전달율을 높여 연소 효율을 향상시킬 수 있는 개질기를 제공하는 것일 수 있다.

또 다른 목적은 반응기로 배기가스의 열이 많이 전달되도록 배기가스 유로에 설치되는 배플의 다양한 예들을 제공하는 것일 수 있다.

또 다른 목적은 반응기로 배기가스의 열이 많이 전달되도록 배기가스 유로에 설치되는 슬리브의 다양한 예들을 제공하는 것일 수 있다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 측면에 따르면, 길게 연장되는 하우징; 상기 하우징의 내부로 연료와 증기의 혼합물을 제공하는 유입관; 상기 유입관으로부터 상기 혼합물을 제공받고, 개질 공정용 촉매가 충진되는 반응기; 상기 반응기에 열 에너지를 제공하는 버너; 상기 반응기에 인접하고, 상기 버너가 삽입되며, 하측이 개구되며 가이드; 상기 반응기와 상기 가이드 사이에 형성되고, 상기 버너에서 생성되어 상기 가이드의 하측을 통과한 배기가스가 유동하는 배기가스 유로; 그리고, 상기 배기가스 유로에 설치되는 배플(baffle) 또는 슬리브(sleeve)를 포함하는 개질기를 제공한다.

본 개시에 따른 개질기의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 개시의 적어도 하나의 실시 예에 의하면, 반응기에 대한 배기가스의 열전달율을 높여 연소 효율을 향상시킬 수 있는 개질기를 제공할 수 있다.

본 개시의 적어도 하나의 실시 예에 의하면, 반응기로 배기가스의 열이 많이 전달되도록 배기가스 유로에 설치되는 배플의 다양한 예들을 제공할 수 있다.

본 개시의 적어도 하나의 실시 예에 의하면, 반응기로 배기가스의 열이 많이 전달되도록 배기가스 유로에 설치되는 슬리브의 다양한 예들을 제공할 수 있다.

본 개시의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 개시의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 개시의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 종래기술에 따른 개질기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 개질기의 단면도이다.
도 3은 본 개시의 일 예에 따른 개질기의 오픈 링 형상의 배플을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 개시의 다른 예에 따른 개질기의 나선형의 배플을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 6은 본 개시의 일 예에 따른 개질기의 단일의 슬리브를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 개시의 다른 예에 따른 개질기의 2 개의 슬리브를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 개시의 또 다른 예에 따른 개질기의 3 개의 슬리브를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 2를 참조하면, 연료전지의 개질기(reformer)는 황화합물이 제거된 도시가스 또는 액화석유가스(LPG)와 같은 연료를 개질하여, 연료전지의 스택에 수소를 제공할 수 있다. 상기 스택은 수소와 산소를 화학반응시켜 전기 에너지를 생성할 수 있다.

개질기는 연료와 증기가 유입되는 유입관(110)이 구비되는 하우징(101)을 구비할 수 있다. 예를 들면, 하우징(101)은 길게 연장되고, 실린더 형상으로 형성될 수 있다. 한편, 하우징(101)은 쉘(shell)이라 칭할 수 있다.

제1 바디(102)와 제2 바디(103)는 하우징(101)의 내부 공간에 설치될 수 있다. 제1 바디(102)는 제2 바디(103)의 외측에 위치할 수 있다. 다시 말해, 제1 바디(102)는 제2 바디(103)를 둘러쌀 수 있다.

단열 공간(미부호)은 하우징(101)의 내면과 제1 바디(102)의 외면 사이에 형성될 수 있다. 단열재(미도시)는 상기 단열 공간에 충진될 수 있다.

공급 유로(미부호)는 제1 바디(102)의 내면과 제2 바디(103)의 외면 사이에 형성되고, 유입관(110)과 연통될 수 있다. 즉, 연료와 증기의 혼합물(F)은 유입관(110)을 통해 상기 공급 유로로 제공될 수 있다. 예를 들면, 제1 바디(102)의 상부는 제2 바디(103)의 상부로부터 외측으로 벌어지고, 제1 바디(102)의 상부와 제2 바디(103)의 상부 사이에 깔때기(funnel) 형상의 유입구가 형성될 수 있다. 이로써, 혼합물(F)은 상기 깔때기 형상의 유입구로 원활하게 유입될 수 있다.

그리고, 상기 공급 유로는 제2 바디(103)의 외면을 둘러쌀 수 있다. 상기 공급 유로는 하우징(101)의 길이방향으로 길게 형성되고, 제1 바디(102) 또는 제2 바디(103)의 하단 중앙부로 모아질 수 있다.

반응기(131, 132)는 제2 바디(103)의 내측에 위치할 수 있다. 반응기(131, 132)는 제2 바디(103)의 하부의 내측에 위치할 수 있다. 개질 공정용 촉매(132a)는 반응기(131, 132)의 내부 공간에 충진될 수 있다.

예를 들면, 반응기(131, 132)는 전체적으로 컵(cup) 형상으로 형성될 수 있다. 반응기(131, 132)는 반응기(131, 132)의 하면을 형성하고 아래로 오목한 원반(disk) 형상의 제1 파트(131)와, 제1 파트(131)로부터 상측으로 연장되어 반응기(131, 132)의 측면을 형성하는 실린더 형상의 제2 파트(132)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 파트(131)의 내부 공간과 제2 파트(132)의 내부 공간은 서로 연통될 수 있다. 그리고, 개질 공정용 촉매(132a)는 제2 파트(132)의 내부 공간에 충진되거나, 제1 파트(131)와 제2 파트(132)의 내부 공간에 충진될 수 있다.

커넥터(120)는 제2 바디(103)와 반응기(131, 132)의 제1 파트(131) 사이에 설치되어, 상기 공급 유로와 상기 제1 파트(131)의 내부 공간을 잇는 유로를 제공할 수 있다. 즉, 상기 공급 유로를 유동하는 혼합물(F)은 커넥터(120)의 유로릍 통해 반응기(131, 132)에 제공될 수 있다.

버너(140)는 하우징(101)을 관통하여 제3 바디(104)의 내부에 위치할 수 있다. 여기서, 제3 바디(104)는 반응기(131, 132)의 상측에서 제2 바디(103)의 내측에 위치하고, 버너(140)를 수용하는 내부 공간을 제공할 수 있다. 그리고, 버너(140)는 반응기(131, 132)의 내측에 위치하는 가이드(150)를 관통하고, 가이드(150)의 내측에 배치되는 연소 챔버(141)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 가이드(150)는 전체적으로 실린더 형상으로 형성되고, 버너(140)가 관통하는 상단과, 개구된 하단을 가질 수 있다. 이때, 가이드(150)의 외측면은 제2 파트(132)의 내측면으로부터 이격될 수 있다. 배기가스 유로(132G)는 가이드(150)의 외측면과 제2 파트(132)의 내측면 사이에 형성될 수 있다.

공기와 연료는 버너(140)로 제공되어, 버너(140)의 연소 챔버(141)에서 연소될 수 있다. 연소 챔버(141)의 상기 연소반응에 의해 생성된 열(q)은 반응기(131, 132)에 제공될 수 있다. 또한, 상기 연소반응에 의해 생성된 연소가스는 배기가스(g)로서 가이드(150)의 하단을 통해 배기가스 유로(132G)로 유입될 수 있다(도 3의 굵은 화살표 참조). 배기가스 유로(132G)를 유동하는 배기가스(g)는 제3 바디(104)와 버너(140) 사이의 공간에서 상승하며, 하우징(101)의 상단에 형성된 배기가스 홀(미부호)을 통해 개질기의 외부로 배출될 수 있다. 이 경우, 제3 바디(104)와 버너(140) 사이의 공간에서 상승하는 배기가스(g)에 의해 버너(140)로 유입된 공기와 연료가 예열될 수 있다. 한편, 제3 바디(104)와 버너(140) 사이의 공간에 형성되는 유로는 제1 유로라 칭할 수 있다.

이에 따라, 개질 공정용 촉매(132a)가 충진된 반응기(131, 132)는 버너(140)로부터 제공받은 열(q)을 이용해 혼합물(F)로부터 개질물(reformate, H)을 생성시킬 수 있다.

개질물(H)은 반응기(131, 132)로부터 제2 바디(103)와 제3 바디(104) 사이에 형성되는 환형의 유로(미부호)로 제공될 수 있다. 개질물(H)은 상기 환형의 유로에서 상승하며, 하우징(101)의 상단에 형성된 개질물 홀(미부호)을 통해 연료전지의 스택에 제공될 수 있다. 한편, 상기 환형의 유로는 제2 유로라 칭할 수 있다.

예를 들면, 상기 환형의 유로는 개질물(H)에 대한 변위 반응(shift reaction)을 수행하는 후속 반응기를 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 환형의 유로에 CO-변위 촉매(CO-shift catalyst), 메탄-발생 촉매(methane-generating catalyst), 및 후속 산화 촉매 중 적어도 하나가 충진될 수 있다. 그리고, 물이 유동하는 배관이 상기 환형의 유로에 설치되어, 상기 배관을 유동하는 물이 상기 환형의 유로를 유동하는 개질물(H)에 의해 증발되어 혼합물(F)을 구성하는 증기로서 유입관(110)에 제공될 수 있다. 이로써, 상기 환형의 유로를 유동하는 개질물(H)로부터 일산화탄소(CO)가 세정(cleaning)될 수 있다.

도 3을 참조하면, 가이드(150)의 상단을 형성하는 제1 가이드(151)와, 제1 가이드(151)로부터 하측으로 연장되어 가이드(150)의 측면을 형성하는 제2 가이드(152)를 포함할 수 있다. 홀(150a)은 제1 가이드(151)를 관통하여 형성되고, 연소 챔버(141)가 관통할 수 있다.

리브들(154a, 154b, ribs)은 제2 가이드(152)로부터 하측으로 연장되어, 반응기(131, 132)의 제1 파트(131)에 결합되거나 고정될 수 있다. 이로써, 제1 파트(131)에 대한 가이드(150)의 위치가 고정될 수 있다. 이때, 가이드(150)의 하단은 개구되고, 제1 파트(131)로부터 상측으로 이격될 수 있다.

배플들(161, 162, baffles)은 반응기(131, 132)의 제2 파트(132)와 제2 가이드(152) 사이에 형성되는 배기가스 유로(132G, 도 2 참조)에 배치될 수 있다. 배플들(161, 162)은 제2 파트(132)의 내면과 제2 가이드(152)의 외면에 결합되거나 고정될 수 있다. 배플들(161, 162)은 하우징(101, 도 2 참조)의 길이방향에서 순차적으로 서로 이격되며 배치될 수 있다. 예를 들면, 배플들(161, 162) 사이의 간격을 일정하거나, 위로 갈수록 커질 수 있다.

배플들(161, 162)은 하우징(101)의 길이방향에서 서로 평행하게 배치되는 제1 배플들(161)과, 제1 배플들(161)과 교차하거나 엇갈리게 배치되는 제2 배플들(162)을 포함할 수 있다. 제2 배플들(162)은 제1 배플들(161) 사이에 배치되며, 하우징(101)의 길이방향에서 서로 평행하게 배치될 수 있다.

제1 배플(161)의 폭은 배기가스 유로(132G)의 폭과 동일할 수 있다. 제1 배플(161)의 두께는 제1 배플(161)의 폭보다 작을 수 있다. 제1 배플(161)은 전체적으로 오픈 링(open ring) 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 제1 배플(161)은 제1 중심(O1)에 대해 제1 반경(r1)으로 호(arc)를 그리며 연장될 수 있다. 제1 각도(theta 1)는 상기 호의 중심각으로서 제1 배플(161)의 일단과 타단 사이의 각도일 수 있다. 예를 들면, 제1 각도(theta 1)는 180도보다 크고 350도보다 작을 수 있다.

제2 배플(162)의 폭은 상기 제1 배플(161)의 폭과 동일할 수 있다. 제2 배플(162)의 두께는 제1 배플(161)의 두께와 동일할 수 있다. 제2 배플(162)은 전체적으로 오픈 링(open ring) 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 제2 배플(162)은 제2 중심(O2)에 대해 제2 반경(r2)으로 호(arc)를 그리며 연장될 수 있다. 제2 각도(theta 2)는 상기 호의 중심각으로서 제2 배플(162)의 일단과 타단 사이의 각도일 수 있다. 예를 들면, 제2 각도(theta 2)는 제1 각도(theta 1)와 동일할 수 있다.

제1 배플(161)의 끊어진 구간의 위치는 제2 배플(162)의 끊어진 구간의 위치와 반대될 수 있다. 즉, 제1 배플(161)이 링 부재의 우측을 향하는 일 구간이 컷-아웃(cut-out)되어 형성되면, 제2 배플(162)은 링 부재의 좌측을 향하는 일 구간이 컷-아웃되어 형성될 수 있다.

제1 배플(161)의 일부와 제2 배플(162) 일부는 하우징(101)의 길이방향에서 서로 중첩될 수 있다. 제1 배플(161)은 하우징(101)의 길이방향에서 제2 배플(162)의 일부에 중첩되는 중첩부(OA)를 포함할 수 있다. 제2 배플(162)은 하우징(101)의 길이방향에서 제1 배플(161)의 일부에 중첩되는 중첩부(OA)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 배플(161)과 제2 배플(162)은 중첩부(OA)에 대해 서로 대향되거나 대칭될 수 있다.

연소 챔버(141, 도 2 참조)에서 생성된 연소가스는 배기가스(g)로서 가이드(150)의 하단을 통해 배기가스 유로(132G)로 제공될 수 있다. 배기가스 유로(132G)로 유입된 배기가스(g)는 중첩부(OA)에 의해 지그재그로 유동하며 제1 배플들(161)과 제2 배플들(162)을 지나며, 제3 바디(104)와 버너(140) 사이의 공간과 상기 배기가스 홀을 통해 외부로 배출될 수 있다(도 2 참조).

이에 따라, 배기가스 유로(132G)에서 지그재그로 유동하는 고온의 배기가스(g)는 반응기(131, 132)로 많은 양의 열 에너지를 제공할 수 있다. 그 결과, 반응기(131, 132)의 충분한 반응을 위해 연소 챔버(141)에 제공되는 연료의 양이 줄어들어, 연소 효율 또는 연료 전지 시스템의 에너지 효율이 향상될 수 있다.

도 4를 참조하면, 배플(170, baffle)은 반응기(131, 132)의 제2 파트(132)와 제2 가이드(152) 사이에 형성되는 배기가스 유로(132G, 도 2 참조)에 배치될 수 있다. 배플(170)은 제2 파트(132)의 내면과 제2 가이드(152)의 외면에 결합되거나 고정될 수 있다.

배플(170)은 하우징(101)의 길이방향에서 나선을 그리며 연장될 수 있다. 배플(170)은 제2 가이드(152)의 외면을 복수 회에 걸쳐 감을 수 있다. 배플(170)의 폭은 배기가스 유로(132G)의 폭과 동일할 수 있다. 배플(170)의 두께는 배플(170)의 폭보다 작을 수 있다. 하우징(101)의 길이방향에서, 배플(170)의 나선이 제2 가이드(152)의 외면을 한번 감았을 때 상기 나선이 나아간 거리인 피치(pitch)는 일정하거나, 위로 갈수록 커질 수 있다.

연소 챔버(141, 도 2 참조)에서 생성된 연소가스는 배기가스(g)로서 가이드(150)의 하단을 통해 배기가스 유로(132G)로 제공될 수 있다. 배기가스 유로(132G)로 유입된 배기가스(g)는 배플(170)을 따라서 나선을 그리며 유동하며, 제3 바디(104)와 버너(140) 사이의 공간과 상기 배기가스 홀을 통해 외부로 배출될 수 있다(도 2 참조).

이에 따라, 배기가스 유로(132G)에서 나선을 그리며 유동하는 고온의 배기가스(g)는 반응기(131, 132)로 많은 양의 열 에너지를 제공할 수 있다. 그 결과, 반응기(131, 132)의 충분한 반응을 위해 연소 챔버(141)에 제공되는 연료의 양이 줄어들어, 연소 효율 또는 연료 전지 시스템의 에너지 효율이 향상될 수 있다.

도 5 및 6을 참조하면, 제1 슬리브(180, a first sleeve)는 반응기(131, 132)의 제2 파트(132)와 제2 가이드(152) 사이에 형성되는 배기가스 유로(132G, 도 2 참조)에 배치될 수 있다. 제1 슬리브(180)는 제2 파트(132)의 내면과 제2 가이드(152)의 외면에 결합되거나 고정될 수 있다. 제1 슬리브(180)와 제2 가이드(152)는 하우징(101)의 길이방향으로 길게 연장될 수 있다.

예를 들면, 제1 슬리브(180)의 상단은 제1 가이드(151)에 인접하고, 제1 슬리브(180)의 길이(L2)는 제2 가이드(152)의 길이(L1)보다 작을 수 있다.

제1 슬리브(180)는 제1 바디(181)와 제1 핀들(182, a first fins)을 포함할 수 있다. 제1 바디(181)와 제1 핀들(182)은 제1 슬리브(180)의 길이방향으로 길게 연장될 수 있다. 제1 바디(181)는 전체적으로 실린더 형상으로 형성되어, 제2 파트(132)의 내면에 접촉할 수 있다. 제1 핀들(182)은 제1 바디(181)의 내면으로부터 제2 가이드(152)를 향해 돌출되어, 제2 가이드(152)의 외면에 접촉할 수 있다. 제1 핀들(182)은 제1 바디(181)의 원주방향으로 서로 이격되며 배치될 수 있다. 제1 홈들(182p, a first grooves)은 제1 핀들(182) 사이에 형성될 수 있다. 이때, 제1 홈(182p)은 제1 슬리브(180)의 길이방향으로 길게 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 홈(182p)의 폭은 제1 핀(182)의 두께와 동일하거나 이보다 작을 수 있다.

전술한 바와 달리, 제1 슬리브(180)는 제1 바디(181)없이 제1 핀들(182)만을 포함할 수도 있다. 이 경우, 제1 핀들(182)은 제2 파트(132)의 내면과 제2 가이드(152)의 외면에 접촉할 수 있다.

연소 챔버(141, 도 2 참조)에서 생성된 연소가스는 배기가스(g)로서 가이드(150)의 하단을 통해 배기가스 유로(132G)로 제공될 수 있다. 배기가스 유로(132G)로 유입된 배기가스(g)는 제1 홈들(182p)로 분산되어 유동하며, 제3 바디(104)와 버너(140) 사이의 공간과 상기 배기가스 홀을 통해 외부로 배출될 수 있다(도 2 참조).

이에 따라, 배기가스 유로(132G)에서 제1 홈들(182p)로 분산되어 유동하는 고온의 배기가스(g)는 반응기(131, 132)로 많은 양의 열 에너지를 제공할 수 있다. 그 결과, 반응기(131, 132)의 충분한 반응을 위해 연소 챔버(141)에 제공되는 연료의 양이 줄어들어, 연소 효율 또는 연료 전지 시스템의 에너지 효율이 향상될 수 있다.

도 7을 참조하면, 제1 슬리브(180)와 제2 슬리브(190)는 반응기(131, 132)의 제2 파트(132)와 제2 가이드(152) 사이에 형성되는 배기가스 유로(132G, 도 2 참조)에 배치될 수 있다. 제1 슬리브(180)와 제2 슬리브(190)는 제2 파트(132)의 내면과 제2 가이드(152)의 외면에 결합되거나 고정될 수 있다. 제1 슬리브(180), 제2 슬리브(190), 및 제2 가이드(152)는 하우징(101)의 길이방향으로 길게 연장될 수 있다.

제1 슬리브(180)는 전술한 제1 바디(181)와 제1 핀들(182)을 포함할 수 있다. 제1 슬리브(180)의 상단은 제2 슬리브(190)의 하단으로부터 하측으로 제1 간격(ga)만큼 이격될 수 있다.

예를 들면, 제2 슬리브(190)의 상단은 제1 가이드(151, 도 5 참조)에 인접하고, 제2 슬리브(190)의 길이, 제1 슬리브(180)의 길이, 및 제1 간격(ga)의 합(L3)은 제2 가이드(152)의 길이(L1, 도 5 참조)보다 작을 수 있다.

제2 슬리브(190)는 제2 바디(191)와 제2 핀들(192)을 포함할 수 있다. 제2 바디(191)와 제2 핀들(192)은 제2 슬리브(190)의 길이방향으로 길게 연장될 수 있다. 제2 바디(191)는 전체적으로 실린더 형상으로 형성되어, 제2 파트(132)의 내면에 접촉할 수 있다. 제2 핀들(192)은 제2 바디(191)의 내면으로부터 제2 가이드(152)를 향해 돌출되어, 제2 가이드(152)의 외면에 접촉할 수 있다. 제2 핀들(192)은 제2 바디(191)의 원주방향으로 서로 이격되며 배치될 수 있다. 제2 홈들(192p)은 제2 핀들(192) 사이에 형성될 수 있다. 이때, 제2 홈(192p)은 제2 슬리브(190)의 길이방향으로 길게 형성될 수 있다. 예를 들면, 제2 홈(192p)의 폭은 제2 핀(192)의 두께와 동일하거나 이보다 작을 수 있다.

전술한 바와 달리, 제2 슬리브(190)는 제2 바디(191)없이 제2 핀들(192)만을 포함할 수도 있다. 이 경우, 제2 핀들(192)은 제2 파트(132)의 내면과 제2 가이드(152)의 외면에 접촉할 수 있다.

제2 핀들(192)은 제1 핀들(182)과 교차하거나 엇갈리게 배치될 수 있다. 다시 말해, 제2 홈들(192p)은 제1 홈들(182p)과 교차하거나 엇갈리게 배치될 수 있다. 이 경우, 제1 슬리브(180)와 제2 슬리브(190) 사이의 제1 간격(ga)에 해당하는 공간은 제1 홈들(182p)로부터 제2 홈들(192p)로 이어지는 배기가스의 유로의 저항을 줄일 수 있다.

연소 챔버(141, 도 2 참조)에서 생성된 연소가스는 배기가스(g)로서 가이드(150)의 하단을 통해 배기가스 유로(132G)로 제공될 수 있다. 배기가스 유로(132G)로 유입된 배기가스(g)는 제1 홈들(182p)로 분산되어 유동한 후, 제2 홈들(192p)로 다시 분산되어 유동하여, 제3 바디(104)와 버너(140) 사이의 공간과 상기 배기가스 홀을 통해 외부로 배출될 수 있다(도 2 참조).

이에 따라, 배기가스 유로(132G)에서 순차적으로 제1 홈들(182p)과 제2 홈들(192p)로 분산되어 유동하는 고온의 배기가스(g)는 반응기(131, 132)로 보다 많은 양의 열 에너지를 제공할 수 있다. 그 결과, 반응기(131, 132)의 충분한 반응을 위해 연소 챔버(141)에 제공되는 연료의 양이 보다 줄어들어, 연소 효율 또는 연료 전지 시스템의 에너지 효율이 보다 향상될 수 있다.

도 8을 참조하면, 제1 슬리브(180), 제2 슬리브(190), 및 제3 슬리브(200)는 반응기(131, 132)의 제2 파트(132)와 제2 가이드(152) 사이에 형성되는 배기가스 유로(132G, 도 2 참조)에 배치될 수 있다. 제1 슬리브(180), 제2 슬리브(190), 및 제3 슬리브(200)는 제2 파트(132)의 내면과 제2 가이드(152)의 외면에 결합되거나 고정될 수 있다. 제1 슬리브(180), 제2 슬리브(190), 제3 슬리브(200), 및 제2 가이드(152)는 하우징(101)의 길이방향으로 길게 연장될 수 있다.

제2 슬리브(190)는 전술한 제2 바디(191)와 제2 핀들(192)을 포함할 수 있다. 제2 슬리브(190)의 상단은 제3 슬리브(200)의 하단으로부터 하측으로 제2 간격(gb)만큼 이격될 수 있다.

예를 들면, 제3 슬리브(200)의 상단은 제1 가이드(151, 도 5 참조)에 인접하고, 제3 슬리브(200)의 길이, 제2 슬리브(190)의 길이, 제1 슬리브(180)의 길이, 제1 간격(ga), 및 제2 간격(gb)의 합(L4)은 제2 가이드(152)의 길이(L1, 도 5 참조)보다 작을 수 있다.

제3 슬리브(200)는 제3 바디(201)와 제3 핀들(202)을 포함할 수 있다. 제3 바디(201)와 제3 핀들(202)은 제3 슬리브(200)의 길이방향으로 길게 연장될 수 있다. 제3 바디(201)는 전체적으로 실린더 형상으로 형성되어, 제2 파트(132)의 내면에 접촉할 수 있다. 제3 핀들(202)은 제3 바디(201)의 내면으로부터 제2 가이드(152)를 향해 돌출되어, 제2 가이드(152)의 외면에 접촉할 수 있다. 제3 핀들(202)은 제3 바디(201)의 원주방향으로 서로 이격되며 배치될 수 있다. 제3 홈들(202p)은 제3 핀들(202) 사이에 형성될 수 있다. 이때, 제3 홈(202p)은 제3 슬리브(200)의 길이방향으로 길게 형성될 수 있다. 예를 들면, 제3 홈(202p)의 폭은 제3 핀(202)의 두께와 동일하거나 이보다 작을 수 있다.

전술한 바와 달리, 제3 슬리브(200)는 제3 바디(201)없이 제3 핀들(202)만을 포함할 수도 있다. 이 경우, 제3 핀들(202)은 제2 파트(132)의 내면과 제2 가이드(152)의 외면에 접촉할 수 있다.

제3 핀들(202)은 제2 핀들(192)과 교차하거나 엇갈리게 배치될 수 있다. 다시 말해, 제3 홈들(202p)은 제2 홈들(192p)과 교차하거나 엇갈리게 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 슬리브(190)와 제3 슬리브(200) 사이의 제2 간격(gb)에 해당하는 공간은 제2 홈들(192p)로부터 제3 홈들(202p)로 이어지는 배기가스의 유로의 저항을 줄일 수 있다.

연소 챔버(141, 도 2 참조)에서 생성된 연소가스는 배기가스(g)로서 가이드(150)의 하단을 통해 배기가스 유로(132G)로 제공될 수 있다. 배기가스 유로(132G)로 유입된 배기가스(g)는 제1 홈들(182p)로 분산되어 유동하고, 제2 홈들(192p)로 다시 분산되어 유동한 후, 제3 홈들(202p)로 또 다시 분산되어 유동하여, 제3 바디(104)와 버너(140) 사이의 공간과 상기 배기가스 홀을 통해 외부로 배출될 수 있다(도 2 참조).

이에 따라, 배기가스 유로(132G)에서 순차적으로 제1 홈들(182p), 제2 홈들(192p), 및 제3 홈들(202p)로 분산되어 유동하는 고온의 배기가스(g)는 반응기(131, 132)로 보다 더 많은 양의 열 에너지를 제공할 수 있다. 그 결과, 반응기(131, 132)의 충분한 반응을 위해 연소 챔버(141)에 제공되는 연료의 양이 보다 줄어들어, 연소 효율 또는 연료 전지 시스템의 에너지 효율이 보다 더 향상될 수 있다.

본 개시의 일 측면에 따르면, 길게 연장되는 하우징; 상기 하우징의 내부로 연료와 증기의 혼합물을 제공하는 유입관; 상기 유입관으로부터 상기 혼합물을 제공받고, 개질 공정용 촉매가 충진되는 반응기; 상기 반응기에 열 에너지를 제공하는 버너; 상기 반응기에 인접하고, 상기 버너가 삽입되며, 하측이 개구되며 가이드; 상기 반응기와 상기 가이드 사이에 형성되고, 상기 버너에서 생성되어 상기 가이드의 하측을 통과한 배기가스가 유동하는 배기가스 유로; 그리고, 상기 배기가스 유로에 설치되는 배플(baffle) 또는 슬리브(sleeve)를 포함하는 개질기를 제공한다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 가이드는: 상기 가이드의 상단을 형성하고, 상기 버너가 관통하는 제1 가이드; 및 상기 제1 가이드로부터 하측으로 연장되고, 상기 가이드의 측면을 형성하는 제2 가이드를 더 포함하고, 상기 배플 또는 상기 슬리브는 상기 반응기와 상기 제2 가이드 사이에 배치될 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 하우징의 내부에 배치되는 제1 바디; 상기 제1 바디의 내측에 배치되는 제2 바디; 상기 제1 바디와 상기 제2 바디 사이에 형성되고, 상기 유입관을 통과한 혼합물을 상기 반응기로 공급하는 공급 유로; 상기 반응기의 상측에서 상기 제2 바디의 내측에 배치되는 제3 바디; 상기 제3 바디와 상기 버너 사이에 형성되고, 상기 배기가스 유로와 연통되는 제1 유로; 그리고, 상기 제2 바디와 상기 제3 바디 사이에 형성되고, 상기 반응기를 통과한 개질물이 유동하는 제2 유로를 더 포함할 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 배플 또는 상기 슬리브는, 상기 반응기의 내면과 상기 가이드의 외면에 결합되거나 고정될 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 배플의 폭은 상기 배기가스 유로의 폭과 동일하고, 상기 배플의 두께는 상기 배플의 폭보다 작을 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 배플은: 상기 하우징의 길이방향에서 순차적으로 서로 이격되며 배치되는 배플들을 포함할 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 배플들은: 상기 하우징의 길이방향에서 서로 평행하게 배치되는 제1 배플들; 그리고, 상기 제1 배플들과 교차하거나 엇갈리게 배치되는 제2 배플들;로서, 상기 하우징의 길이방향에서 서로 평행하게 배치되는 제2 배플들을 더 포함할 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 제1 배플은, 제1 중심에 대해 제1 반경으로 호(arc)를 그리며 연장되고, 상기 제2 배플은, 제2 중심에 대해 제2 반경으로 호(arc)를 그리며 연장될 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 제1 배플의 호의 중심각은 180도보다 크고 350보다 작으며, 상기 제2 배플의 호의 중심각은 상기 제1 배플의 호의 중심각과 동일할 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 제1 배플은: 상기 하우징의 길이방향에서 상기 제2 배플의 일부와 중첩되는 중첩부를 더 포함하고, 상기 제1 배플과 상기 제2 배플은, 상기 중첩부에 대해 서로 대향되거나 대칭될 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 배플은, 상기 하우징의 길이방향에서 나선을 그리며 연장되고, 상기 가이드의 외면을 복수 회에 걸쳐 감을 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 슬리브는: 상기 하우징의 길이방향으로 길게 연장되고, 상기 가이드의 둘레방향으로 서로 이격되며 배치되는 제1 핀들을 구비하는 제1 슬리브를 포함하고, 상기 제1 슬리브는: 상기 제1 핀들 사이에 형성되는 제1 홈들을 포함할 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 가이드는 상기 제1 슬리브의 길이방향으로 길게 연장되고, 상기 제1 슬리브의 상단은 상기 가이드의 상단에 인접하고, 상기 제1 슬리브의 길이는 상기 가이드의 길이보다 작을 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 슬리브는: 상기 제1 슬리브로부터 제1 간격만큼 상측으로 이격되고, 상기 가이드의 둘레방향으로 서로 이격되며 배치되는 제2 핀들을 구비하는 제2 슬리브를 더 포함하고, 상기 제2 핀들은 상기 제1 핀들과 교차하거나 엇갈리게 배치되고, 상기 제2 슬리브는: 상기 제2 핀들 사이에 형성되는 제2 홈들을 포함할 수 있다.

또 본 개시의 다른(another) 측면에 따르면, 상기 슬리브는: 상기 제2 슬리브로부터 제2 간격만큼 상측으로 이격되고, 상기 가이드의 둘레방향으로 서로 이격되며 배치되는 제3 핀들을 구비하는 제3 슬리브를 더 포함하고, 상기 제3 핀들은 상기 제2 핀들과 교차하거나 엇갈리게 배치되고, 상기 제3 슬리브는: 상기 제3 핀들 사이에 형성되는 제3 홈들을 포함할 수 있다.

앞에서 설명된 본 개시의 어떤 실시예들 또는 다른 실시예들은 서로 배타적이거나 구별되는 것은 아니다. 앞서 설명된 본 개시의 어떤 실시예들 또는 다른 실시예들은 각각의 구성 또는 기능이 병용되거나 조합될 수 있다.

예를 들어 특정 실시예 및/또는 도면에 설명된 A 구성과 다른 실시예 및/또는 도면에 설명된 B 구성이 결합될 수 있음을 의미한다. 즉, 구성 간의 결합에 대해 직접적으로 설명하지 않은 경우라고 하더라도 결합이 불가능하다고 설명한 경우를 제외하고는 결합이 가능함을 의미한다.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims

길게 연장되는 하우징;
상기 하우징의 내부로 연료와 증기의 혼합물을 제공하는 유입관;
상기 유입관으로부터 상기 혼합물을 제공받고, 개질 공정용 촉매가 충진되는 반응기;
상기 반응기에 열 에너지를 제공하는 버너;
상기 반응기에 인접하고, 상기 버너가 삽입되며, 하측이 개구되며 가이드;
상기 반응기와 상기 가이드 사이에 형성되고, 상기 버너에서 생성되어 상기 가이드의 하측을 통과한 배기가스가 유동하는 배기가스 유로; 그리고,
상기 배기가스 유로에 설치되는 배플(baffle) 또는 슬리브(sleeve)를 포함하는 개질기.
제1 항에 있어서,
상기 가이드는:
상기 가이드의 상단을 형성하고, 상기 버너가 관통하는 제1 가이드; 및
상기 제1 가이드로부터 하측으로 연장되고, 상기 가이드의 측면을 형성하는 제2 가이드를 더 포함하고,
상기 배플 또는 상기 슬리브는 상기 반응기와 상기 제2 가이드 사이에 배치되는 개질기.
제1 항에 있어서,
상기 하우징의 내부에 배치되는 제1 바디;
상기 제1 바디의 내측에 배치되는 제2 바디;
상기 제1 바디와 상기 제2 바디 사이에 형성되고, 상기 유입관을 통과한 혼합물을 상기 반응기로 공급하는 공급 유로;
상기 반응기의 상측에서 상기 제2 바디의 내측에 배치되는 제3 바디;
상기 제3 바디와 상기 버너 사이에 형성되고, 상기 배기가스 유로와 연통되는 제1 유로; 그리고,
상기 제2 바디와 상기 제3 바디 사이에 형성되고, 상기 반응기를 통과한 개질물이 유동하는 제2 유로를 더 포함하는 개질기.
제1 항에 있어서,
상기 배플 또는 상기 슬리브는,
상기 반응기의 내면과 상기 가이드의 외면에 결합되거나 고정되는 개질기.
제1 항에 있어서,
상기 배플의 폭은 상기 배기가스 유로의 폭과 동일하고,
상기 배플의 두께는 상기 배플의 폭보다 작은 개질기.
제1 항에 있어서,
상기 배플은:
상기 하우징의 길이방향에서 순차적으로 서로 이격되며 배치되는 배플들을 포함하는 개질기.
제6 항에 있어서,
상기 배플들은:
상기 하우징의 길이방향에서 서로 평행하게 배치되는 제1 배플들; 그리고,
상기 제1 배플들과 교차하거나 엇갈리게 배치되는 제2 배플들;로서, 상기 하우징의 길이방향에서 서로 평행하게 배치되는 제2 배플들을 더 포함하는 개질기.
제7 항에 있어서,
상기 제1 배플은,
제1 중심에 대해 제1 반경으로 호(arc)를 그리며 연장되고,
상기 제2 배플은,
제2 중심에 대해 제2 반경으로 호(arc)를 그리며 연장되는 개질기.
제8 항에 있어서,
상기 제1 배플의 호의 중심각은 180도보다 크고 350보다 작으며,
상기 제2 배플의 호의 중심각은 상기 제1 배플의 호의 중심각과 동일한 개질기.
제9 항에 있어서,
상기 제1 배플은:
상기 하우징의 길이방향에서 상기 제2 배플의 일부와 중첩되는 중첩부를 더 포함하고,
상기 제1 배플과 상기 제2 배플은,
상기 중첩부에 대해 서로 대향되거나 대칭되는 개질기.
제1 항에 있어서,
상기 배플은,
상기 하우징의 길이방향에서 나선을 그리며 연장되고, 상기 가이드의 외면을 복수 회에 걸쳐 감는 개질기.
제1 항에 있어서,
상기 슬리브는:
상기 하우징의 길이방향으로 길게 연장되고, 상기 가이드의 둘레방향으로 서로 이격되며 배치되는 제1 핀들을 구비하는 제1 슬리브를 포함하고,
상기 제1 슬리브는:
상기 제1 핀들 사이에 형성되는 제1 홈들을 포함하는 개질기.
제12 항에 있어서,
상기 가이드는 상기 제1 슬리브의 길이방향으로 길게 연장되고,
상기 제1 슬리브의 상단은 상기 가이드의 상단에 인접하고,
상기 제1 슬리브의 길이는 상기 가이드의 길이보다 작은 개질기.
제12 항에 있어서,
상기 슬리브는:
상기 제1 슬리브로부터 제1 간격만큼 상측으로 이격되고, 상기 가이드의 둘레방향으로 서로 이격되며 배치되는 제2 핀들을 구비하는 제2 슬리브를 더 포함하고,
상기 제2 핀들은 상기 제1 핀들과 교차하거나 엇갈리게 배치되고,
상기 제2 슬리브는:
상기 제2 핀들 사이에 형성되는 제2 홈들을 포함하는 개질기.
제14 항에 있어서,
상기 슬리브는:
상기 제2 슬리브로부터 제2 간격만큼 상측으로 이격되고, 상기 가이드의 둘레방향으로 서로 이격되며 배치되는 제3 핀들을 구비하는 제3 슬리브를 더 포함하고,
상기 제3 핀들은 상기 제2 핀들과 교차하거나 엇갈리게 배치되고,
상기 제3 슬리브는:
상기 제3 핀들 사이에 형성되는 제3 홈들을 포함하는 개질기.