KR20230078858A - High-efficiency fuel processing device with durability that enables stable hydrogen production and carbon monoxide removal through heat exchange optimization - Google Patents

High-efficiency fuel processing device with durability that enables stable hydrogen production and carbon monoxide removal through heat exchange optimization Download PDF

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Abstract

열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치가 개시된다. 이러한 본 발명은, 상부측 중앙에 구비된 버너; 버너연소실의 내·외부에 배치되어 탄화수소계 원료가스를 수소로 변환하는 개질반응부; 외부로부터 공급되는 물을 버너연소가스와 개질가스의 열량으로 수증기화시키는 제1열교환부; 버너연소가스의 열량으로 개질반응부에 공급하는 수증기 및 탄화수소계 원료가스의 온도를 예열시키는 제2열교환부; 제1열교환부의 외측에 구비되는 CO변성반응기; 내측에 버너연소가스 이송통로를 구비하여 CO변성반응기를 냉각하는 제3열교환부; 개질가스 이송통로의 외벽에 구비되는 선택산화반응기; 내측에 제1열교환부에 공급하는 물의 이송 통로를 구비하여 선택산화반응기를 냉각하는 제 4열교환부; 를 포함하여 구성될 수 있다.Disclosed is a high-efficiency fuel processing device having durability capable of stably producing hydrogen and removing carbon monoxide through optimization of heat exchange. The present invention, the burner provided in the center of the upper side; A reforming reaction unit disposed inside and outside the burner combustion chamber to convert hydrocarbon-based raw material gas into hydrogen; A first heat exchange unit that vaporizes water supplied from the outside with the heat of burner combustion gas and reformed gas; A second heat exchange unit for preheating the temperature of steam and hydrocarbon-based raw material gas supplied to the reforming reaction unit with the heat of burner combustion gas; A CO conversion reactor provided outside the first heat exchange unit; A third heat exchange unit provided with a burner combustion gas transfer passage inside to cool the CO conversion reactor; a selective oxidation reactor provided on an outer wall of the reformed gas transport passage; a fourth heat exchange unit having a passage for supplying water to the first heat exchange unit therein to cool the selective oxidation reactor; It can be configured to include.

Description

열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치{High-efficiency fuel processing device with durability that enables stable hydrogen production and carbon monoxide removal through heat exchange optimization}High-efficiency fuel processing device with durability that enables stable hydrogen production and carbon monoxide removal through heat exchange optimization}

본 발명은 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 메탄(CH4)를 주성분으로 가지는 탄화수소계 원료가스 또는 천연가스를 수증기 개질반응을 통해 연료전지 스택에 수소를 공급하되, 연료처리장치 기동, 운전 및 정지 시에 내부 반응기들과 연계된 열교환부들의 최적화된 열교환을 이용하여 안정적인 수소생산이 가능하게 함과, 아울러 일산화탄소를 제거할 수 있도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치에 관한 것이다. The present invention relates to a highly efficient fuel processing device having durability that enables stable hydrogen production and carbon monoxide removal through optimization of heat exchange, and more particularly, hydrocarbon-based raw material gas or natural gas having methane (CH 4) as a main component While supplying hydrogen to the fuel cell stack through a steam reforming reaction, stable hydrogen production is possible by using optimized heat exchange of heat exchange units linked to internal reactors when starting, operating, and stopping the fuel processing unit. It relates to a highly efficient fuel processing device having durability capable of removing carbon monoxide.

최근에 들어, 국내·외에서 고효율 발전이 가능하게 하는 연료전지시스템을 분산형 에너지 공급원의 발전시스템으로 개발·사업화하는 작업이 한창 진행되고 있다.Recently, work to develop and commercialize a fuel cell system that enables high-efficiency power generation as a power generation system of a distributed energy source is in full swing at home and abroad.

현재, 연료전지시스템에 공급되는 수소는, 도시가스와 같이 공급 파이프라인 인프라가 구축되어 있지 않아, 연료전지 시스템을 운영하기 위해서는 수소 트레일러를 설치하여 지속적인 수소 공급을 하거나, 기존 인프라가 구축된 메탄을 주성분으로 하는 도시가스를 이용하여 수소를 생산하는 수증기개질(Steam Reforming) 방법을 사용하고 있다.Currently, hydrogen supplied to the fuel cell system does not have a supply pipeline infrastructure like city gas, so in order to operate the fuel cell system, a hydrogen trailer is installed to continuously supply hydrogen, or methane for which the existing infrastructure is built is required. A steam reforming method is used to produce hydrogen using city gas as a main component.

이러한 수증기개질반응을 통해 수소함유 가스 중 발생되는 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위해 CO변성반응기를 구성하며, 일산화탄소를 완전히 제거하기 위해 선택산화반응기를 구성하여 개질가스 내의 일산화탄소를 제거(10ppm이하) 하고, 연료전지 스택에 수소 조성(74%이상)이 높은 개질가스를 공급함으로써, 연료전지에서 전력과 열원을 생산하고 있다.In order to reduce the concentration of carbon monoxide generated in the hydrogen-containing gas through this steam reforming reaction, a CO conversion reactor is configured, and a selective oxidation reactor is configured to completely remove carbon monoxide to remove carbon monoxide in the reformed gas (less than 10 ppm), By supplying reformed gas with a high hydrogen composition (74% or more) to the fuel cell stack, the fuel cell produces power and heat sources.

수증기개질반응에서 사용되는 촉매는 Ru 또는 Ni을 600~700℃ 운전온도 범위에서 사용하며, CO변성반응기 촉매는 Cu-Zn을 200~300℃ 운전온도 범위에서 사용하고, 선택산화반응기 촉매는 Ru를 포함한 산화촉매를 90~150℃의 운전온도 범위에서 사용되도록 설계하고 있다.The catalyst used in the steam reforming reaction uses Ru or Ni in the operating temperature range of 600 ~ 700 ℃, the CO conversion reactor catalyst uses Cu-Zn in the operating temperature range of 200 ~ 300 ℃, and the selective oxidation reactor catalyst uses Ru It is designed to be used in the operating temperature range of 90 ~ 150 ℃.

특히, 선택산화반응기 촉매는 온도가 너무 낮으면 반응이 일어나지 않아 일산화탄소가 제거되지 않고, 반대로 온도가 너무 높으면 촉매의 열화가 빨라 연료처리장치 수명을 확보하기 어렵게 되며, 메탄화반응(Methanation)이 발생하여 생산되는 개질가스 내의 수소 조성을 높이기 어렵게 된다.In particular, in the selective oxidation reactor catalyst, if the temperature is too low, the reaction does not occur and carbon monoxide is not removed. Conversely, if the temperature is too high, the catalyst deteriorates quickly, making it difficult to secure the life of the fuel processor and methanation occurs. Thus, it is difficult to increase the hydrogen composition in the reformed gas produced.

즉, 상기 연료전지 스택에 일산화탄소(CO)가 미량(≥50ppm)이라도 장시간 공급되면, 연료전지 촉매에서 CO 피독이 발생하여 촉매 열화 및 연료전지 성능저하가 발생하게 되는 문제점이 있었다.That is, if carbon monoxide (CO) is supplied to the fuel cell stack in a small amount (≧50 ppm) for a long time, CO poisoning occurs in the fuel cell catalyst, resulting in catalyst deterioration and fuel cell performance degradation.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 선행기술로는, KR 특허공개공보 제10-2008-0123945호 (2008.12.08)(이하, '선행문헌1'이라 함), KR 특허공개공보 제10-2011-0005363호 (2011. 01. 19)(이하, '선행문헌2'라 함), KR 특허공개공보 제10-2016-0183329호 (2016. 12. 30)(이하, '선행문헌3'이라 함)이 개시되어 있다.As prior art devised to solve the above problems, KR Patent Publication No. 10-2008-0123945 (2008.12.08) (hereinafter referred to as 'Prior Document 1'), KR Patent Publication No. 10- 2011-0005363 (January 19, 2011) (hereinafter referred to as 'Prior Document 2'), KR Patent Publication No. 10-2016-0183329 (December 30, 2016) (hereinafter referred to as 'Prior Document 3') ) is disclosed.

그러나, 상기 선행문헌1에 의하면, 수증기 개질반응기에 공급되는 원료와 수증기를 연소실 상부에 반응물을 순환시켜 외부로 배출되는 열을 회수하고 예열하기 위한 챔버가 형성되어 있으며, 이 챔버에서 예열된 원료-수증기가 수증기개질반응기로 공급되지만, CO변성반응기와 선택산화반응기의 연료처리장치 기동 시에 반응기들의 열균형을 이루는데 긴 기동시간이 필요한 문제점이 있다.However, according to Prior Document 1, a chamber is formed to recover and preheat the heat discharged to the outside by circulating the raw material and steam supplied to the steam reforming reactor at the upper part of the combustion chamber, and preheating the raw material- Although steam is supplied to the steam reforming reactor, there is a problem in that a long start-up time is required to achieve heat balance between the reactors when the fuel processing device of the CO conversion reactor and the selective oxidation reactor is started.

또한, 상기 선행문헌2에 의하면, 수증기개질반응기와 원료-수증기가 직접 열교환 하는 구조로 되어 있으며, 수증기 개질반응기의 출구온도는 650~700℃로 고온으로, CO변성부와 열교환된 물(수증기)이 바로 수증기개질반응기와 열교환 할 경우, 수증기개질반응기의 온도가 낮아져 온도를 높이기 위해 많은 열량을 공급하는 문제점이 있다. In addition, according to Prior Document 2, the steam reforming reactor and the raw material-steam have a structure in which heat is exchanged directly, and the outlet temperature of the steam reforming reactor is high at 650 to 700 ° C., and water (steam) heat-exchanged with the CO conversion unit. In the case of heat exchange with the steam reforming reactor, the temperature of the steam reforming reactor is lowered, and there is a problem in that a large amount of heat is supplied to increase the temperature.

그리고, 상기 선행문헌3에 의하면, 연료처리장치의 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 구성하고 있으나, 열분산판으로는 개질촉매의 내구성을 보장할 수 없으며, 연료처리장치 기동 시에 CO변성반응부의 승온시간이 길고, 운전 시에 효율적인 냉각을 할 수 없는 문제점이 있다.And, according to Prior Document 3, the fuel reforming unit disposed at the center of the fuel processing device and the heating unit disposed on the upper side of the device body are connected to the fuel reforming unit so as to heat the fuel reforming unit, and the apparatus It is composed of a CO transformation reaction unit disposed on the lower side of the body and a Prox reaction unit connected to the CO transformation reaction unit and disposed on the upper side of the device body, but the durability of the reforming catalyst cannot be guaranteed by the heat dissipation plate. , there is a problem in that the temperature rise time of the CO conversion reaction unit is long when the fuel processing apparatus is started, and efficient cooling cannot be performed during operation.

KR 특허공개공보 제10-2008-0123945호 (2008.12.08)KR Patent Publication No. 10-2008-0123945 (2008.12.08) KR 특허공개공보 제10-2011-0005363호 (2011. 01. 19)KR Patent Publication No. 10-2011-0005363 (2011. 01. 19) KR 특허공개공보 제10-2016-0183329호 (2016. 12. 30)KR Patent Publication No. 10-2016-0183329 (2016. 12. 30)

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 메탄(CH4)를 주성분으로 가지는 탄화수소계 원료가스 또는 천연가스를 수증기 개질반응을 통해 연료전지 스택에 수소를 공급하되, 연료처리장치 기동, 운전 및 정지 시에 내부 반응기들과 연계된 열교환부들의 최적화된 열교환을 이용하여 안정적인 수소생산이 가능하게 함과 아울러 일산화탄소를 제거할 수 있도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치를 제공하는 데 있다.Therefore, an object of the present invention to solve this problem is to supply hydrogen to a fuel cell stack through a steam reforming reaction of a hydrocarbon-based raw material gas or natural gas having methane (CH 4) as a main component, starting a fuel processing device, It is an object of the present invention to provide a highly efficient fuel processing device having durability that enables stable production of hydrogen by using optimized heat exchange of heat exchangers associated with internal reactors during operation and shutdown and also removes carbon monoxide.

또한, 연료처리장치 내의 각 반응기들의 반응 열량에 맞는 최적화된 구성과 각 반응기들의 운전온도에 따른 유체 열교환부들을 통해, 빠른 기동시간과 운전 시에 안정적인 온도 유지를 통한 각 반응기들의 촉매 반응 효율을 높일 수 있는 고효율 연료처리장치를 제공하는 데 있다.In addition, through a configuration optimized for the reaction heat of each reactor in the fuel processing device and fluid heat exchangers according to the operating temperature of each reactor, the catalytic reaction efficiency of each reactor is increased through fast start-up time and stable temperature maintenance during operation. It is to provide a high-efficiency fuel processing device capable of

아울러, 기동 및 정지 시에 발생하는 열응력을 견딜 수 있는 균형 구조들을 구성하여, 연료처리장치의 일체형 및 소형화가 가능한 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치를 제공하는데 목적이 있다.In addition, high-efficiency fuel with durability that enables stable production of hydrogen and removal of carbon monoxide through optimization of heat exchange that enables integrated and miniaturization of the fuel processing device by configuring balanced structures that can withstand thermal stress generated during start-up and stop. The purpose is to provide a processing device.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치(100)는, 상부측 중앙에 구비된 버너(101); 버너연소실(102)의 내·외부에 배치되어 탄화수소계 원료가스를 수소로 변환하는 개질반응부(103); 외부로부터 공급되는 물을 버너연소가스와 개질가스의 열량으로 수증기화시키는 제1열교환부(104); 버너연소가스의 열량으로 개질반응부(103)에 공급하는 수증기 및 탄화수소계 원료가스의 온도를 예열시키는 제2열교환부(105); 제1열교환부(104)의 외측에 구비되는 CO변성반응기(106); 내측에 버너연소가스 이송통로(107a)를 구비하여 CO변성반응기(106)를 냉각하는 제3열교환부(107); 개질가스 이송통로(103a)의 외벽에 구비되는 선택산화반응기(108); 내측에 제1열교환부(104)에 공급하는 물의 이송 통로(109a)를 구비하여 선택산화반응기(108)를 냉각하는 제 4열교환부(109); 를 포함하여 구성될 수 있다.To achieve the above object, a highly efficient fuel processing device 100 having durability enabling stable production of hydrogen and removal of carbon monoxide through optimization of heat exchange according to the present invention includes a burner 101 provided at the center of the upper side; A reforming reaction unit 103 disposed inside and outside the burner combustion chamber 102 to convert hydrocarbon-based raw material gas into hydrogen; A first heat exchange unit 104 that vaporizes water supplied from the outside with the heat of burner combustion gas and reformed gas; a second heat exchange unit 105 for preheating the temperature of steam and hydrocarbon-based raw material gas supplied to the reforming reaction unit 103 with the heat of burner combustion gas; A CO conversion reactor 106 provided outside the first heat exchange unit 104; a third heat exchange unit 107 having a burner combustion gas transfer passage 107a inside to cool the CO conversion reactor 106; a selective oxidation reactor 108 provided on an outer wall of the reformed gas transport passage 103a; a fourth heat exchange unit 109 cooling the selective oxidation reactor 108 by having a water transfer passage 109a supplied therein to the first heat exchange unit 104; It can be configured to include.

상기 버너연소실(102) 내부에 형성된 버너연소가스 이송통로(107a)의 하부측에 구비된 다수의 홀(107b)이 마련되되, 다수의 홀(107b)이 형성된 하부측이 버너연소실(102)의 하부판(102b)과 결합되어 원형통 이송통로를 형성할 수 있다.A plurality of holes 107b provided on the lower side of the burner combustion gas transport passage 107a formed inside the burner combustion chamber 102 are provided, and the lower side in which the plurality of holes 107b are formed is of the burner combustion chamber 102. It can be combined with the lower plate 102b to form a circular cylinder transfer passage.

상기 CO변성반응기(106)와 선택산화반응기(108)의 외측에 히터가 더 구비될 수 있다.A heater may be further provided outside the CO denaturation reactor 106 and the selective oxidation reactor 108 .

상기 CO변성반응기(106)와 선택산화반응기(108의 내부에 코일 형태의 냉각유체 이송 통로가 더 구비될 수 있다.A cooling fluid transfer passage in the form of a coil may be further provided inside the CO denaturation reactor 106 and the selective oxidation reactor 108 .

상기에서 설명한 본 발명의 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치에 의하면, 버너 연소가스를 활용하여 연료처리장치 하부에서 상부까지 열교환을 할 수 있는 버너연소가스 이동 통로를 구비하되, 버너 연소가스와 개질가스의 열량으로 연료처리장치에 공급되는 물을 수증기화시키는 제1열교환부와, 버너 연소가스 열량으로 수증기(물)와 탄화수소계 원료가스의 온도를 예열시키는 제2열교환부를 통해 공급되는 탄화수소계 원료가스와 수증기의 온도를 높힐 수 있게 된다.According to the high-efficiency fuel processing device having durability that enables stable hydrogen production and carbon monoxide removal through optimization of heat exchange of the present invention described above, a burner capable of heat exchange from the bottom to the top of the fuel processing device by utilizing burner combustion gas A first heat exchanger having a combustion gas flow passage, which vaporizes the water supplied to the fuel processing device with the heat of the burner combustion gas and the reformed gas, and the temperature of the water vapor (water) and the hydrocarbon-based raw material gas with the heat of the burner combustion gas. It is possible to increase the temperature of the hydrocarbon-based raw material gas and water vapor supplied through the second heat exchange unit for preheating.

또한, 본 발명의 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치에 의하면, 연료처리장치 운전 시에 CO변성반응기를 버너 공기로 냉각하는 제3열교환부와, 개질가스 통로 외벽에 구성하는 선택산화반응기 내측에 물의 이송 통로를 구성하여 선택산화반응기를 냉각하는 제4열교환부를 구비함으로써, 연료처리장치의 일체화가 가능한 내구성 있는 고효율 연료처리장치를 제공할 수 있다.In addition, according to the high-efficiency fuel processing device having durability that enables stable hydrogen production and carbon monoxide removal through optimization of heat exchange of the present invention, a third heat exchange unit for cooling the CO conversion reactor with burner air during operation of the fuel processing device and , By providing a fourth heat exchange unit for cooling the selective oxidation reactor by configuring a water transfer passage inside the selective oxidation reactor constituting the outer wall of the reformed gas passage, it is possible to provide a durable, high-efficiency fuel processing device capable of integrating the fuel processing device. .

도 1은 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치의 개질가스에 대한 전체 흐름을 도시한 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치의 버너연소가스에 대한 흐름을 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치의 하부판과 결합된 버너연소가스의 원통형 이송통로를 도시한 구성도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치의 외곽반응기 내윽에 구비된 코일 형태의 냉각유체 이송통로를 도시한 구성도이다.1 is a block diagram of a high-efficiency fuel processing device according to the present invention;
2 is a configuration diagram showing the overall flow of reformed gas of the high-efficiency fuel processing device according to the present invention;
3 is a block diagram showing the flow of burner combustion gas of the high-efficiency fuel processing device according to the present invention;
4 is a configuration diagram showing a cylindrical transfer passage for burner combustion gas combined with a lower plate of a high-efficiency fuel processing device according to the present invention;
5 and 6 are configuration diagrams showing a coil-shaped cooling fluid transfer passage provided inside the outer reactor of the high-efficiency fuel processing device according to the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하기 위한 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and features of the present invention, and a method for achieving them will become clear with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms, only the present embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the person who has the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.

따라서, 몇몇 실시 예에서, 잘 알려진 공정단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.Thus, in some embodiments, well-known process steps, well-known structures and well-known techniques have not been described in detail in order to avoid obscuring the interpretation of the present invention.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않은 한 복수형도 포함한다.Terms used in this specification are for describing embodiments, and are not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase.

명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다.As used herein, "comprises" and/or "comprising" refers to the presence or addition of one or more other elements, steps, operations and/or elements other than the mentioned elements, steps, operations and/or elements. It is used in the sense of not being excluded.

그리고, "및/또는"은 언급된 아이템의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.And "and/or" includes each and every combination of one or more of the recited items.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다.In addition, the embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional views and/or schematic views, which are ideal exemplary views of the present invention.

따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정형태로 제한되는 것이 아니라 제조공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다.Therefore, the embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form produced according to the manufacturing process.

그리고, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.In addition, in each drawing shown in the present invention, each component may be shown somewhat enlarged or reduced in consideration of convenience of description.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치의 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치의 개질가스에 대한 전체 흐름을 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치의 버너연소가스에 대한 흐름을 도시한 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치의 하부판과 결합된 버너연소가스의 원통형 이송통로를 도시한 구성도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치의 외곽반응기 내윽에 구비된 코일 형태의 냉각유체 이송통로를 도시한 구성도이다.1 is a block diagram of a high-efficiency fuel processor according to the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing the overall flow of reformed gas in the high-efficiency fuel processor according to the present invention, and FIG. 3 is a high-efficiency fuel processor according to the present invention. It is a block diagram showing the flow of the burner combustion gas of the processing device, and FIG. 4 is a block diagram showing a cylindrical transfer path of the burner combustion gas combined with the lower plate of the high-efficiency fuel processing device according to the present invention, FIG. 5 and FIG. 6 is a configuration diagram showing a coil-shaped cooling fluid transfer passage provided inside the outer reactor of the high-efficiency fuel processing device according to the present invention.

본 발명에 따른 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치(100)는, 상부측 중앙에 구비된 버너(101); 버너연소실(102)의 내·외부에 배치되어 탄화수소계 원료가스를 수소로 변환하는 개질반응부(103); 외부로부터 공급되는 물을 버너연소가스와 개질가스의 열량으로 수증기화시키는 제1열교환부(104); 버너연소가스의 열량으로 개질반응부(103)에 공급하는 수증기 및 탄화수소계 원료가스의 온도를 예열시키는 제2열교환부(105); 제1열교환부(104)의 외측에 구비되는 CO변성반응기(106); 내측에 버너연소가스 이송통로(107a)를 구비하여 CO변성반응기(106)를 냉각하는 제3열교환부(107); 개질가스 이송통로(103a)의 외벽에 구비되는 선택산화반응기(108); 내측에 제1열교환부(104)에 공급하는 물의 이송 통로(109a)를 구비하여 선택산화반응기(108)를 냉각하는 제 4열교환부(109); 를 포함하여 구성될 수 있다.A high-efficiency fuel processing device 100 having durability enabling stable production of hydrogen and removal of carbon monoxide through optimization of heat exchange according to the present invention includes a burner 101 provided at the center of the upper side; A reforming reaction unit 103 disposed inside and outside the burner combustion chamber 102 to convert hydrocarbon-based raw material gas into hydrogen; A first heat exchange unit 104 that vaporizes water supplied from the outside with the heat of burner combustion gas and reformed gas; a second heat exchange unit 105 for preheating the temperature of steam and hydrocarbon-based raw material gas supplied to the reforming reaction unit 103 with the heat of burner combustion gas; A CO conversion reactor 106 provided outside the first heat exchange unit 104; a third heat exchange unit 107 having a burner combustion gas transfer passage 107a inside to cool the CO conversion reactor 106; a selective oxidation reactor 108 provided on an outer wall of the reformed gas transport passage 103a; a fourth heat exchange unit 109 cooling the selective oxidation reactor 108 by having a water transfer passage 109a supplied therein to the first heat exchange unit 104; It can be configured to include.

먼저, 본 발명에 따른 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치(100)를 운영하기 위해서는, 개질반응부(103)에 공급되는 수증기-원료의 혼합기체의 온도가 높을수록, CO변성반응기(106)와 선택산화반응기(108)의 발열반응으로 인한 냉각이 효과적으로 이루어져야 하며, 연료처리장치의 기동, 운전 및 정지 시의 반응기들의 열균형이 잘 이루어야 함을 밝혀둔다. First, in order to operate the highly efficient fuel processing device 100 having durability that enables stable hydrogen production and carbon monoxide removal through optimization of heat exchange according to the present invention, steam supplied to the reforming reaction unit 103 - mixture of raw materials The higher the temperature of the gas, the more effective the cooling due to the exothermic reaction of the CO transformation reactor 106 and the selective oxidation reactor 108 should be, and the heat balance of the reactors should be well maintained during start-up, operation and stop of the fuel processing device reveal

여기서, 개질반응부(103)는 개질촉매로 충진되어 있으며, 이에 사용되는 촉매는 Ru 또는 Ni 개질 촉매를 사용하며, 600~700℃의 운전 온도에서 탄화수소계 원료와 생성된 수증기를 이용하여 개질반응을 통해 수소로 변환시킨다. Here, the reforming reaction unit 103 is filled with a reforming catalyst, a Ru or Ni reforming catalyst is used as a catalyst, and a reforming reaction is performed using hydrocarbon-based raw materials and generated water vapor at an operating temperature of 600 to 700 ° C. converted to hydrogen through

이러한 수증기 개질 반응의 화학식은 하기와 같고, 흡열반응으로 개질반응기의 온도가 낮아지기 때문에 버너부에서 지속적으로 열량을 공급해줘야 한다.The chemical formula of the steam reforming reaction is as follows, and since the temperature of the reforming reactor is lowered due to an endothermic reaction, heat must be continuously supplied from the burner unit.

Figure pat00001
Figure pat00001

본 발명의 고효율 연료처리장치(100)의 중앙에 마련된 버너연소실(102)은 혼합된 수증기과 탄화수소계 원료를 수증기개질반응으로 수소로 변환하는데 필요한 열원을 지속적으로 공급해 줄 수 있도록 하는 기능을 수행한다.The burner combustion chamber 102 provided in the center of the high-efficiency fuel processing device 100 of the present invention serves to continuously supply a heat source necessary for converting the mixed steam and hydrocarbon-based raw material into hydrogen through a steam reforming reaction.

이러한 버너연소실(102)의 상부에는 버너(101))가 설치되며, 탄화수소계 원료, 연료전지 스택 오프가스, 버너 공기가 배관을 통해 버너(101)로 공급되어 연소하게 한다.A burner 101) is installed above the burner combustion chamber 102, and hydrocarbon-based raw material, fuel cell stack off-gas, and burner air are supplied to the burner 101 through a pipe to cause combustion.

상기 연료전지 스택 오프가스와 공기가 혼합되어 공급될 경우에는, 역화가 발생할 수 있으므로 개별적인 배관으로 버너(101)에 공급하는 것이 바람직하다. When the fuel cell stack offgas and air are mixed and supplied, backfire may occur, so it is preferable to supply the fuel cell stack offgas to the burner 101 through separate pipes.

또한, 상기 버너연소실(102)의 하부에는 버너의 점화/연소 상태를 외부에서 확인할 수 있도록 온도센서를 구성하여 연소실 상태를 모니터링 할 수 있다. In addition, a temperature sensor may be configured at the bottom of the burner combustion chamber 102 to check the ignition/combustion state of the burner from the outside, and the state of the combustion chamber may be monitored.

본 발명에 따른 고효율 연료처리장치(100)는, 버너연소실(102)의 내·외부에 배치되어 탄화수소계 원료가스를 수소로 변환하는 개질반응부(103)가 구비된다.The high-efficiency fuel processing device 100 according to the present invention is provided with a reforming reaction unit 103 disposed inside and outside the burner combustion chamber 102 to convert hydrocarbon-based raw material gas into hydrogen.

그리고, 버너 연소가스와 개질가스 열량으로 연료처리장치(100)에 공급되는 물을 수증기화시키는 제1열교환부(104)와, 버너 연소가스 열량으로 연료처리장치 개질반응부에 공급하는 수증기(물)와 탄화수소계 원료가스의 온도를 예열시키는 제2열교환부(105)를 구비할 수 있다.In addition, the first heat exchange unit 104 that vaporizes the water supplied to the fuel processor 100 with the heat of burner combustion gas and the reformed gas, and the steam (water) supplied to the fuel processor reforming reaction unit with the heat of burner combustion gas. And it may be provided with a second heat exchange unit 105 for preheating the temperature of the hydrocarbon-based raw material gas.

이에 의해, 버너 연소가스의 열원을 최대한 활용할 수 있고, 600℃∼700℃의 온도범위를 갖는 개질가스 온도를 냉각하여 CO변성반응기(106)로 공급할 수 있다.Accordingly, the heat source of the burner combustion gas can be maximally utilized, and the reformed gas having a temperature range of 600° C. to 700° C. can be cooled and supplied to the CO modification reactor 106 .

한편, 상기 제1열교환부(104)의 외측에 구성하는 발열반응기인 CO변성반응기(106)와, 버너공기 이송 통로를 구성하여 CO변성반응기(106)를 냉각하는 제3열교환부(107)와, 상기 개질가스 통로 외측에 구성하는 발열반응기인 선택산화반응기(108)와, 상기 제 1열교환부(104)에 공급하는 물의 이송 통로를 구성하여 선택산화반응기(108)를 냉각하는 제4열교환부(109)를 구성하여 버너 공기와 수증기개질반응기에 공급하는 물을 승온시킬 수 있다. On the other hand, the CO transformation reactor 106, which is an exothermic reactor constituting the outside of the first heat exchange unit 104, and the third heat exchange unit 107 constituting a burner air transport passage to cool the CO transformation reactor 106, , The selective oxidation reactor 108, which is an exothermic reactor formed outside the reformed gas passage, and the fourth heat exchange unit configured to form a transfer passage for water supplied to the first heat exchange unit 104 to cool the selective oxidation reactor 108. (109) can be configured to increase the temperature of burner air and water supplied to the steam reforming reactor.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고효율 연료처리장치(100)는, 수증기개질반응을 위해 연료처리장치(100)의 하부에서 공급된 물을 1차적으로 버너 연소가스와 개질가스와 열교환하는 제1열교환부(104)를 거쳐 수증기화되어 연료처리장치 상부에서 공급되는 탄화수소계 원료와 혼합되도록 한다.As shown in FIG. 2, the high-efficiency fuel processing device 100 of the present invention primarily exchanges heat with burner combustion gas and reformed gas for water supplied from the lower part of the fuel processing device 100 for steam reforming reaction. It is vaporized through the first heat exchanger 104 and mixed with the hydrocarbon-based raw material supplied from the upper part of the fuel processing device.

이 후, 버너 연소가스와 열교환하는 제2열교환부(105)를 거쳐 개질촉매가 충진된 개질반응부(103)로 공급하여 수증기개질반응에 의해 수소로 변환하고 상부 이동통로를 거쳐 CO변성반응기(106)로 공급한다. Thereafter, it is supplied to the reforming reaction unit 103 filled with the reforming catalyst through the second heat exchange unit 105 that exchanges heat with the burner combustion gas, and is converted into hydrogen by steam reforming reaction, and passed through the upper transfer passage to the CO transformation reactor ( 106) is supplied.

본 발명의 연료처리장치(100)에 대한 개질반응은 예열 되지 않은 탄화수소계 원료와 수증기와 혼합될 경우, 수증기의 온도가 낮아져 액체형태의 물방울이 발생될 수 있으므로, 수증기와 탄소의 비율이 맞지 않아 높은 효율의 수증기개질반응을 저해하는 요소를 제거할 수 있다.In the reforming reaction of the fuel processor 100 of the present invention, when a hydrocarbon-based raw material that is not preheated and water vapor are mixed, the temperature of the water vapor is lowered and liquid water droplets may be generated, so that the ratio of water vapor and carbon is not correct. Elements that hinder high-efficiency steam reforming can be removed.

본 발명에 의하면, 상기 버너연소실(102) 내부에 형성된 버너연소가스 이송통로(107a)의 하부측에 구비된 다수의 홀(107b)이 마련되되, 다수의 홀(107b)이 형성된 하부측이 버너연소실(102)의 하부판(102b)과 결합되어 원형통 이송통로를 형성할 수 있다.According to the present invention, a plurality of holes 107b provided on the lower side of the burner combustion gas transport passage 107a formed inside the burner combustion chamber 102 are provided, and the lower side in which the plurality of holes 107b are formed is the burner It can be combined with the lower plate 102b of the combustion chamber 102 to form a circular cylinder transfer passage.

즉, 버너(101)에서 점화, 연소된 버너 연소가스는 연료처리장치(100)의 하부 버너 연소가스 통로 내에 다수의 홀(107b)이 구비되며, 연료처리장치(100)의 하부판(102b)과 결합된 원형통 이송통로를 거쳐 제1열교환부(104)와 제 2열교환부(105) 사이의 통로로 이동하여 연료처리장치 외부로 배출된다. That is, the burner combustion gas ignited and burned in the burner 101 is provided with a plurality of holes 107b in the lower burner combustion gas passage of the fuel processing device 100, and the lower plate 102b of the fuel processing device 100 It moves to the passage between the first heat exchange part 104 and the second heat exchange part 105 through the combined cylinder transfer passage and is discharged to the outside of the fuel processing device.

상기와 같이 연료처리장치 기동, 운전 및 정지 시에 발생하는 열응력을 견딜 수 있는 구조로 구성하며, 버너 연소가스의 열원을 최대한 활용할 수 있는 연료처리장치를 제공할 수 있다. As described above, it is possible to provide a fuel processing device having a structure capable of withstanding thermal stress generated during startup, operation, and stop of the fuel processing device and maximally utilizing the heat source of the burner combustion gas.

상기 CO변성반응기에 Cu-Zn 촉매을 사용하고 있으며, 운전온도는 200℃~300℃ 범위이다. A Cu-Zn catalyst is used in the CO conversion reactor, and the operating temperature is in the range of 200 ° C to 300 ° C.

600~700℃로 고온상태로 수증기개질반응기에서 배출된 개질가스는 제1 열교환부 경유하면서 200℃ 범위의 온도로 냉각되어 CO변성반응기로 공급한다.The reformed gas discharged from the steam reforming reactor at a high temperature of 600 to 700 ° C is cooled to a temperature in the range of 200 ° C while passing through the first heat exchange unit and supplied to the CO reforming reactor.

여기서, CO변성반응의 화학식은 하기와 같고, 상기 개질가스는 CO변성반응기를 경유하면서 개질가스 내에 있는 일산화탄소 조성을 0.1~0.5%로 감소시킨다. Here, the chemical formula of the CO transformation reaction is as follows, and the reforming gas reduces the carbon monoxide composition in the reforming gas to 0.1 to 0.5% while passing through the CO transformation reactor.

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 CO변성반응은 발열반응이지만 연료처리장치(100)의 기동 시에 빠른 승온을 위해 외벽에 히터가 구성되어 있고, 운전 시에 CO변성반응기(106)를 냉각시키기 위해 CO변성반응기 내측에 버너 공기로 냉각시킬 수 있는 코일 형태의 냉각유체 이송통로를 구성하고 있다.The CO transformation reaction is an exothermic reaction, but a heater is configured on the outer wall for rapid temperature rise when the fuel processing device 100 is started, and burner air is inside the CO transformation reactor to cool the CO transformation reactor 106 during operation. It constitutes a coil-shaped cooling fluid transfer passage that can be cooled by

이와 같은, 선택산화반응을 통한 일산화탄소 제거 반응에 대한 화학식은 하기와 같고, 상기 선택산화반응은 발열반응이지만, 연료처리장치의 기동 시에 빠른 승온을 위해 상기 CO변성반응기(106)와 선택산화반응기(108)의 외측에 히터가 더 구비되어 있으며, 운전 시에 선택산화반응기를 냉각시키기 위해 CO변성반응기 내측에 수냉식으로 냉각시킬 수 있는 코일 형태의 냉각유체 이송통로(108a)를 구성하고 있다.The chemical formula for the carbon monoxide removal reaction through the selective oxidation reaction is as follows, and the selective oxidation reaction is an exothermic reaction, but the CO conversion reactor 106 and the selective oxidation reactor A heater is further provided outside 108, and a coil-shaped cooling fluid transfer passage 108a that can be cooled by water cooling inside the CO denaturation reactor is configured to cool the selective oxidation reactor during operation.

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 CO변성반응기(106)를 경유한 개질가스는 선택산화반응기에서 공기 중에 산소를 공급하여 CO를 10ppm 이하로 제거하며, 공랭식 팬과 같은 별도의 냉각장치가 필요하지 않아 연료처리장치를 소형화 할 수 있다.The reformed gas passing through the CO transformation reactor 106 supplies oxygen to the air in the selective oxidation reactor to remove CO to 10 ppm or less, and a separate cooling device such as an air-cooled fan is not required, so the fuel processing device can be miniaturized. there is.

상기와 같은 구성을 갖는, 본 발명은 탄화수소계 원료가스나 메탄(CH4)이 주성분인 천연가스를 수소로 변환하기 위한 연료처리장치를 수증기개질반응, CO변성반응, 그리고 CO선택산화반응을 통해 수소를 생산할 때, 버너 연소가스의 열원을 최대한 활용하는 열교환 방법과 각 반응기들의 운전온도에 따른 열교환 효율을 높혀 내구성 있는 고효율 연료처리장치를 제공할 수 있게 된다.Having the configuration as described above, the present invention provides a fuel processing device for converting hydrocarbon-based raw material gas or natural gas whose main component is methane (CH 4 ) into hydrogen through steam reforming reaction, CO modification reaction, and CO selective oxidation reaction. When producing hydrogen, it is possible to provide a durable, high-efficiency fuel processing device by increasing the heat exchange efficiency according to the operating temperature of each reactor and the heat exchange method that utilizes the heat source of the burner combustion gas to the maximum.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에 속하는 것으로 해석하여야 할 것이다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been described by way of example, but the scope of the present invention is not limited to such specific embodiments, and within the scope obvious to those skilled in the art who understand the spirit of the present invention, the components Other embodiments may be proposed by addition, change, deletion, addition, etc. of, but this should also be construed as belonging to the scope described in the claims of the present invention.

100 : 연료처리장치, 101 : 버너,
102 : 버너연소실, 103 : 개질반응부,
104 : 제1열교환부, 105 : 제2열교환부,
106 : CO변성반응기, 107 : 제3열교환부,
108 : 선택산화반응기, 109 : 제4열교환부.100: fuel processing device, 101: burner,
102: burner combustion chamber, 103: reforming reaction unit,
104: first heat exchange unit, 105: second heat exchange unit,
106: CO conversion reactor, 107: third heat exchange unit,
108: selective oxidation reactor, 109: fourth heat exchange unit.

Claims (4)

상부측 중앙에 구비된 버너(101);
버너연소실(102)의 내·외부에 배치되어 탄화수소계 원료가스를 수소로 변환하는 개질반응부(103);
외부로부터 공급되는 물을 버너연소가스와 개질가스의 열량으로 수증기화시키는 제1열교환부(104);
버너연소가스의 열량으로 개질반응부(103)에 공급하는 수증기 및 탄화수소계 원료가스의 온도를 예열시키는 제2열교환부(105);
제1열교환부(104)의 외측에 구비되는 CO변성반응기(106);
내측에 버너연소가스 이송통로(107a)를 구비하여 CO변성반응기(106)를 냉각하는 제3열교환부(107);
개질가스 이송통로(103a)의 외벽에 구비되는 선택산화반응기(108);
내측에 제1열교환부(104)에 공급하는 물의 이송 통로(109a)를 구비하여 선택산화반응기(108)를 냉각하는 제 4열교환부(109);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치.
a burner 101 provided at the center of the upper side;
A reforming reaction unit 103 disposed inside and outside the burner combustion chamber 102 to convert hydrocarbon-based raw material gas into hydrogen;
A first heat exchange unit 104 that vaporizes water supplied from the outside with the heat of burner combustion gas and reformed gas;
a second heat exchange unit 105 for preheating the temperature of steam and hydrocarbon-based raw material gas supplied to the reforming reaction unit 103 with the heat of burner combustion gas;
A CO conversion reactor 106 provided outside the first heat exchange unit 104;
a third heat exchange unit 107 having a burner combustion gas transfer passage 107a inside to cool the CO conversion reactor 106;
a selective oxidation reactor 108 provided on an outer wall of the reformed gas transport passage 103a;
a fourth heat exchange unit 109 cooling the selective oxidation reactor 108 by having a water transfer passage 109a supplied therein to the first heat exchange unit 104;
A high-efficiency fuel processing device having durability that enables stable hydrogen production and carbon monoxide removal through optimization of heat exchange, characterized in that it comprises a.
 청구항 1에 있어서,
상기 버너연소실(102) 내부에 형성된 버너연소가스 이송통로(107a)의 하부측에 구비된 다수의 홀(107b)이 마련되되,
다수의 홀(107b)이 형성된 하부측이 버너연소실(102)의 하부판(102b)과 결합되어 원형통 이송통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치.
The method of claim 1,
A plurality of holes 107b provided on the lower side of the burner combustion gas transfer passage 107a formed inside the burner combustion chamber 102 are provided,
The lower side where a plurality of holes 107b are formed is combined with the lower plate 102b of the burner combustion chamber 102 to form a circular cylinder transfer passage. Through optimization of heat exchange, stable hydrogen production and carbon monoxide removal are possible. High-efficiency fuel processing device with durability.
 청구항 1에 있어서,
상기 CO변성반응기(106)와 선택산화반응기(108)의 외측에 히터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치.
The method of claim 1,
A high-efficiency fuel processing device having durability that enables stable hydrogen production and carbon monoxide removal through optimization of heat exchange, characterized in that a heater is further provided outside the CO transformation reactor 106 and the selective oxidation reactor 108.
 청구항 1에 있어서,
상기 CO변성반응기(106)와 선택산화반응기(108)의 내부에 코일 형태의 냉각유체 이송 통로(108a)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치.



The method of claim 1,
To enable stable hydrogen production and carbon monoxide removal through optimization of heat exchange, characterized in that a coil-shaped cooling fluid transfer passage 108a is further provided inside the CO transformation reactor 106 and the selective oxidation reactor 108 High-efficiency fuel processing device with durability.
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