KR20230117904A - 수소 추출 장치 및 그 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개질 반응이 이루어지는 연소부의 외부에 스팀을 생성할 수 있는 나선형의 기화부를 구성하고 이 기화부의 스팀 생성량 제어를 통해 연소부의 온도를 제어함으로써 연소열의 외부 방열을 최소화해 열효율을 극대화시키며 연소부의 과열을 방지함으로써 연소부의 재질 제한을 낮추고 제작방식을 간소화시킬 수 있게 되는 수소 추출 장치에 관한 것으로, 외관을 형성하는 케이스; 상기 케이스의 내부에 구비되며, 연료와 물을 공급받고 물을 스팀으로 만들어 개질 반응이 이루어지는 반응부; 상기 반응부의 외부 측면을 따라 튜브가 나선형으로 감겨 형성되며, 물을 공급받아 스팀으로 만들어 상기 반응부로 배출하는 기화부; 및 상기 반응부의 하부에 구비되어 상기 반응부 및 기화부로 연소가스를 공급하여 가열하는 버너부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수소 추출 장치 및 그 운전 방법{HYDROGEN EXTRACTION APPARATUS AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 수소 추출 장치 및 그 운전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개질 반응이 이루어지는 연소부의 외부에 스팀을 생성할 수 있는 나선형의 기화부를 구성하고 이 기화부의 스팀 생성량 제어를 통해 연소부의 온도를 제어함으로써 연소열의 외부 방열을 최소화해 열효율을 극대화시키며 연소부의 과열을 방지함으로써 연소부의 재질 제한을 낮추고 제작방식을 간소화시킬 수 있게 되는 수소 추출 장치 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료(수소, 천연가스, 메탄올, 가솔린)와 산화제(공기, 산소)의 화학 에너지가 전기 에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 전지로 에너지 기술 분야 중 하나이다. 연료전지는 천연가스, 메탄올, 등유, 경유뿐만 아니라, 석탄, 바이오에탄올 등 모든 탄화수소를 반응물로 사용하는 것이 가능하다.
연료개질에 있어서 탄화수소 수증기 개질은 수소 생산 방법 중 가장 염가의 방법이며, 탄화수소 수증기 개질은 메탄을 주성분으로 하는 탄화수소를 수증기와 함께 촉매 하에 반응시켜 수소를 얻는 방법이다.
이러한 개질 반응은 강한 흡열 반응이며 고온 및 저압 조건이 정반응의 진행에 유리하므로, 대부분 수증기와 메탄을 700 내지 1100℃의 촉매반응으로 반응시켜 수소를 얻고 있다. 따라서, 강한 흡열 반응을 위하여 연료개질 장치는 내부에 높은 열을 공급해주는 버너가 필요하다. 또한, 단위 촉매당 반응활성을 증가시키기 위해 촉매에 반응열이 효율적으로 공급되어야 하므로 수소추출기 내부에서 버너의 열분포는 고르게 이루어져야 한다.
하지만, 개질 반응에 필요한 높은 반응열은 버너 및 점화기의 수명을 단축시킬 수 있으며, 일체형 개질 장치의 경우 버너의 고열로 인해 개질 장치의 기기수명이 단축될 수 있다.
이 같은 기기 수명의 문제를 해결하기 위해서는 개질 반응이 이루어지는 내부 연소부와 케이스의 두께를 두껍게 만들고 고가의 내온성 재질을 사용해야 하는데, 이는 버너의 열원이 연소부 내부로 전달되는 것을 어렵게 만들고 있으며 제작비용을 상승시키는 원인이 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 개질 반응이 이루어지는 연소부의 외부에 스팀을 생성할 수 있는 나선형의 기화부를 구성하고 이 기화부의 스팀 생성량 제어를 통해 연소부의 온도를 제어함으로써 연소열의 외부 방열을 최소화해 열효율을 극대화시키며 연소부의 과열을 방지함으로써 연소부의 재질 제한을 낮추고 제작방식을 간소화시킬 수 있게 되는 수소 추출 장치 및 그 운전 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 외관을 형성하는 케이스; 상기 케이스의 내부에 구비되며, 연료와 물을 공급받고 물을 스팀으로 만들어 개질 반응이 이루어지는 반응부; 상기 반응부의 외부 측면을 따라 튜브가 나선형으로 감겨 형성되며, 물을 공급받아 스팀으로 만들어 상기 반응부로 배출하는 기화부; 및 상기 반응부의 하부에 구비되어 상기 반응부 및 기화부로 연소가스를 공급하여 가열하는 버너부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 추출 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 케이스는 상하로 중공된 외관을 가지며, 상부에는 평면 형상의 상부 커버가 결합되고 하측에는 상기 버너부가 개재될 수 있는 하부 커버가 결합되며, 상기 상부 커버에는 중심 부위에 연료 공급관이 구비되며, 그 주위로 개질가스 배출관, 연소가스 배출관, 물 주입관, 스팀 배출관 및 복수의 온도 측정관이 케이스 내부와 연통되게 구비되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 상부 커버의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 연료 공급관은 그 하측 말단이 케이스 내의 반응부에 위치되게 연장형성되고, 내부 유로를 통해 개질 반응을 위한 연료와 물이 반응부로 직접 주입될 수 있게 구성되고, 상기 상부 커버의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 개질가스 배출관은 그 하측 말단이 케이스 내의 반응부에 위치되게 연장형성되고, 내부 유로를 통해 개질 반응의 결과물인 수소 가스 및 부산물 가스가 외부로 배출될 수 있게 구성되며, 상기 상부 커버의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 연소가스 배출관은 그 하측 말단이 케이스와 반응부 사이의 연소존과 연통되게 연장형성되고, 버너부에 의해 가열된 연소존의 연소가스를 내부 유로를 통해 외부로 배출될 수 있게 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 상부 커버의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 물 주입관은 그 하측 말단이 케이스 내의 기화부의 상부 상단과 연통되게 연장형성되고, 내부 유로를 통해 기화를 위한 물이 기화부로 직접 주입될 수 있게 구성되고, 상기 상부 커버의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 스팀 배출관은 그 하측 말단이 케이스 내의 기화부의 하부 하단과 연통되게 연장형성되고, 내부 유로를 통해 기화부에서 기화된 스팀이 외부로 배출될 수 있게 구성되며, 상기 연료 공급관의 상측에는 T-유니온이 결합되고, 상기 상부 커버의 상부로 노출된 상기 스팀 배출관의 상측 말단은 상기 T-유니온에 연결되어 기화부에서 생산된 스팀이 연료 공급관을 통해 반응부로 주입되게 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 물 주입관과 스팀 배출관은 상기 상부 커버의 상부로 돌출하여 위치하면서 이 상부 커버와 접촉하는 부분이 상부 커버에 고정되어, 기화부가 상부 커버에 의해 지지되어 나선형으로 감긴 튜브가 반응부의 외곽에 감긴 상태를 유지하게 되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 하부 커버의 하부로 돌출되어 구성된 버너부의 측면에는 측면 방향으로 돌출되어 노출된 주연료 주입관이 형성되어 주연료 주입관을 통해 버너부 내의 주버너를 운전하기 위한 주연료가 주입되고, 상기 케이스의 측면에는 측면 방향으로 돌출되어 노출된 보조연료 주입관이 형성되어 보조연료 주입관을 통해 버너부 내의 보조버너를 운전하기 위한 보조연료가 주입되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 나선형의 기화부의 직경은 상기 주버너의 화염 크기 보다 작도록 구성하여 주버너의 화염에 의한 기화부의 스팀 생성이 가능하도록 하고, 상기 보조버너의 크기는 상기 기화부의 직경 보다 작도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 특징들 중 어느 하나에 따른 수소 추출 장치를 운전하는 방법에 있어서, 버너부에 연료를 공급하여 반응부를 가열하는 단계; 기화부로 물을 공급해 2차 스팀을 생성하고 생성된 2차 스팀을 상기 반응부로 공급하며, 개질 반응을 위한 연료와 물을 상기 반응부로 공급해 1차 스팀을 생성하는 단계; 및 상기 반응부에서 개질 반응을 통해 수소를 생산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 추출 장치의 운전 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 특징들 중 어느 하나에 따른 수소 추출 장치를 운전하는 방법에 있어서, 버너부에 연료를 공급하여 반응부를 가열하는 단계; 물을 기화부로 주입해 2차 스팀을 생성하는 단계; 생성된 2차 스팀을 반응부로 연료와 함께 공급하는 단계; 및 상기 반응부에서 개질 반응을 통해 수소를 생산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 추출 장치의 운전 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 개질 반응이 이루어지는 연소부의 외부에 스팀을 생성할 수 있는 나선형의 기화부를 구성하고 이 기화부의 스팀 생성량 제어를 통해 연소부의 온도를 제어함으로써 연소열의 외부 방열을 최소화해 열효율을 극대화시키고 외부 단열 효과를 가져올 수 있게 된다.
또한 연소부의 과열을 방지함으로써 연소부의 재질 제한을 낮추고 제작방식을 간소화시킬 수 있게 되는 효과도 가지고 있다.
특히 본 발명에서 제안하는 기화기를 통한 내부 2차 스팀 생성 방식은 냉각에 사용된 2차 스팀이 다시 반응부 내부로 공급되면서 그 열을 개질 반응에 필요한 열로 사용할 수 있게 되는 장점도 가지게 된다. 외부 방열되는 열을 기화부의 물을 기화시키는데 사용하며, 그로 인해 높아진 2차 스팀의 온도는 다시 반응부로 공급됨으로써 방열되는 열을 회수 하는 효과와 방열 에너지를 줄이는 두가지 효과를 모두 거둘 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치의 기화부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치의 버너부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치의 운전 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치의 제 1 연계 운전 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치의 제 2 연계 운전 예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치를 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 수소 추출 장치는 외관을 형성하는 케이스(10)와, 상기 케이스(10)의 내부에 구비되어 개질 반응이 이루어지는 반응부(20)와, 상기 반응부(20)의 외부 측면을 따라 튜브가 나선형으로 감겨 형성되는 기화부(30)와, 상기 반응부(20)의 하부에 구비되어 상기 반응부(20) 및 기화부(30)로 고온의 연소가스를 공급하여 가열하는 버너부(40)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 수소 추출 장치는 SR(Steam Reforming) 타입의 개질 장치로서 도시가스(CH4), 암모니아(NH3), 메탄올(CH3OH) 등의 연료를 스팀(수증기)과 함께 촉매 하에 반응시켜 수소를 생산하게 된다. 이 수소 추출 장치의 개질 반응은 강한 흡열 반응이며 연료와 스팀을 700 내지 1100 ℃의 촉매 반응으로 반응시켜 수소를 얻게 된다. 따라서 강한 흡열 반응을 위하여 수소 추출 장치는 내부에 높은 열을 공급해 주는 버너부(40)가 필요하다.
상기 케이스(10)는 상하로 중공된 원통형의 외관을 가지며 상부에는 평면 형상의 상부 커버(11)가 결합되고 하측에는 후술하는 버너부(40)가 개재될 수 있는 하부 커버(12)가 결합된다.
상기 상부 커버(11)에는 중심 부위에 연료 공급관(13)이 구비되며, 그 주위로 개질가스 배출관(14), 연소가스 배출관(15), 물 주입관(31), 스팀 배출관(32) 및 복수의 온도 측정관(16)이 케이스 내부(10)와 연통되게 구비된다.
상기 상부 커버(11)의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 연료 공급관(13)은 그 하측 말단이 케이스(10) 내의 반응부(20)에 위치되게 연장형성되고, 내부 유로를 통해 개질 반응을 위한 연료와 물이 반응부(20)로 직접 주입될 수 있게 한다.
상기 연료는 도시가스(CH4), 암모니아(NH3) 및 메탄올(CH3OH) 중 어느 하나일 수 있으며 이 연료와 함께 물(DI-WATER)이 직접 주입된다. 주입된 물은 가열된 반응부(20) 내에서 직접 기화되어 스팀을 생성하게 되고 연료와 반응하여 수소 가스(H2) 및 부산물 가스(CO, CO2 등)를 생성하게 된다.
여기에서 상기 연료 공급관(13)을 통해 반응부(20)로 주입되는 물에 의해 기화되어 생성되는 스팀을 이하에서 설명될 2차 스팀과 구별짓기 위해 1차 스팀이라 하여 설명한다.
또한 상기 상부 커버(11)의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 개질가스 배출관(14)은 그 하측 말단이 케이스(10) 내의 반응부(20)에 위치되게 연장형성되고, 내부 유로를 통해 개질 반응의 결과물인 수소 가스(H2) 및 부산물 가스(CO, CO2 등)가 외부로 배출될 수 있게 한다.
또한 상기 상부 커버(11)의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 연소가스 배출관(15)은 그 하측 말단이 케이스(10)와 반응부(20) 사이의 연소존과 연통되게 연장형성되고, 버너부(40)에 의해 가열된 연소존의 연소가스를 내부 유로를 통해 외부로 배출될 수 있게 한다.
또한 상기 상부 커버(11)의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 물 주입관(31)은 그 하측 말단이 케이스(10) 내의 기화부(30)의 상부 상단과 연통되게 연장형성되고, 내부 유로를 통해 기화를 위한 물이 기화부(30)로 직접 주입될 수 있게 한다.
또한 상기 상부 커버(11)의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 스팀 배출관(32)은 그 하측 말단이 케이스(10) 내의 기화부(30)의 하부 하단과 연통되게 연장형성되고, 내부 유로를 통해 기화부(30)에서 기화된 스팀이 외부로 배출될 수 있게 한다.
또한 상기 상부 커버(11)의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 온도 측정관(16)들은 그 하측 말단이 케이스(10) 내의 연소존이나 반응부(20) 내의 다양한 높이까지 연통되게 연장형성된다. 이 같은 온도 측정관(16)들은 내부 연소존의 높이/위치별 온도와 반응부 내의 높이/위치별 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 설치할 수 있게 한다.
여기에서 상기 연료 공급관(13)의 상측에는 두 개의 관체를 동시에 체결할 수 있는 T-유니온(17)이 결합된다. 상부 커버(11)의 상부로 노출된 상기 스팀 배출관(32)의 상측 말단은 상기 T-유니온(17)에 연결되어 기화부(30)에서 생산된 스팀이 연료 공급관(13)을 통해 반응부(20)로 주입되게 한다.
이하에서는 상기 기화부(30)에서 생산되는 고온의 스팀을 2차 스팀이라 하여, 상기 연료 공급관(13)을 통해 반응부(20)로 주입되는 물에 의해 기화되어 생성되는 스팀인 1차 스팀과 구별지어 설명하기로 한다.
따라서 상기 연료 공급관(13)은 1차 스팀 생성을 위한 물을 반응부(20)로 공급할 수 있으며, 별도로 상기 기화부(30)에서 생산된 고온의 2차 스팀도 직접 반응부(20)로 공급할 수 있게 되는 것이다.
한편, 상기 하부 커버(12)의 하부로 돌출되어 구성된 버너부(40)의 측면에는 측면 방향으로 돌출되어 노출된 주연료 주입관(42)이 형성된다. 상기 주연료 주입관(42)을 통해 버너부(40) 내의 주버너(41)를 운전하기 위한 주연료가 주입되게 된다.
또한 상기 케이스(10)의 측면에는 측면 방향으로 돌출되어 노출된 보조연료 주입관(44)이 형성된다. 상기 보조연료 주입관(44)을 통해 버너부(40) 내의 보조버너(43)를 운전하기 위한 보조연료가 주입되게 된다.
이제 도 3을 도 1 및 도 2와 함께 참조하여 상기 케이스(10) 내부의 연소존에 구비되는 반응부(20)와 기화부(30) 그리고 버너부(40)의 구성에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
상기 반응부(20)는 폐쇄된 원통형의 몸체를 가지게 형성되며 상기 케이스(10)의 내부에 케이스(10)와 일정 간격의 이격 공간을 가지게 내장된다. 이 같은 이격 공간은 상술한 연소존으로 기능하여 하부의 버너부(40)에 의해 가열된 연소가스로 채워지게 되며, 이 연소가스에 의해 반응부(20)는 개질 반응에 필요한 온도로 가열되게 된다. 이 같은 반응부(20)의 온도는 600 ℃ 이상으로 올라가도록 상기 버너부(40)의 열원을 이용하여 가열하게 되며, 버너부(40)에 공급되는 연료에 따라 반응부(20)의 내부 온도가 목표치 보다 상승할 수 있다. 특히 750 ℃ 이상으로 반응부(20)의 온도가 올라가면 이 반응부(20)를 보다 높은 열내구성의 재질로 만들어야 하고 열관리가 이루어져야 하기 때문에 제작 비용이 상승하는 원인이 된다. 따라서 반응부(20)의 적절한 온도 관리는 제조비용을 줄이고 제품수명을 연장시키는데 있어 상당히 중요한 요소이다.
이 반응부(20)의 내부에는 상기 연료 공급관(13)의 하부 말단이 배치되어 연료 공급관(13)으로부터 공급되는 개질 반응을 위한 연료와 물이 주입되거나 여기에 더하여 기화부(30)에서 생산된 고온의 2차 스팀도 주입될 수 있다.
이 같은 반응부(20)는 버너부(40)의 가열에 의해 600 내지 800℃의 온도를 유지하며 물을 스팀으로 만들고 스팀을 이용하여 연료를 개질하게 된다. 개질촉매는 루테늄 혹은 니켈을 사용할 수 있다. 반응부(20)의 최상부는 물을 스팀으로 만들게 되며 개질 반응이 시작되는 곳으로 많은 열원이 필요하게 되며 그 온도가 반응부(20)의 내부에서 가장 낮다.
상기 반응부(20)의 내부에는 연료 및 스팀의 진행 방향 흐름을 방해하는 다수의 베플(21)이 설치되어 열효율을 높일 수 있으며, 최상부는 물을 스팀으로 만들고 개질반응이 최초 시작되는 곳으로 많은 열원이 필요하기 때문에 온도가 반응부(20) 내에서 가장 낮다. 온도 분포는 최상부로부터 밑으로 내려갈수록 목표 온도에 도달하도록 설계된다.
또한 상기 반응부(20)의 내부에는 상기 개질가스 배출관(14)의 하부 말단이 배치되어 반응부(20)에서 생산된 개질 반응의 결과물인 수소 가스(H2) 및 부산물 가스(CO, CO2 등)가 외부로 배출된다.
그리고 기화부(30)는 튜브 형상을 가지며 상기 반응부(20)의 외곽을 따라 나선형으로 감싸며 감겨 형성된다. 이 기화부(30)에서 나선형으로 감기기 전의 상측 말단은 상부 커버(11)의 상부로 돌출되어 물 주입관(31)을 형성하고, 나선형으로 감겨진 후의 하측 말단은 곧바로 상부 커버(11)의 상부로 돌출되어 스팀 배출관(32)을 형성하게 된다.
상기 물 주입관(31)과 스팀 배출관(32)은 상기 상부 커버(12)의 상부로 돌출하여 위치하며 이 상부 커버(12)와 접촉하는 부분이 고정되어 결과적으로 기화부(30)가 상부 커버(12)에 의해 지지되어 나선형으로 감긴 튜브는 반응부(20)의 외곽에 감긴 상태를 유지하게 된다.
이 상태에서 물 주입관(31)으로 주입되는 물은 나선형의 튜브 유로를 이동하면서 기화되게 되고, 기화된 스팀은 스팀 배출관(32)으로 배출되게 된다.
이렇게 기화부(30)가 반응부(20)의 외곽을 나선형으로 감싸는 구조로 이루어짐으로써 반응부(20)의 열원을 공급받아 기화부(30)가 스팀을 생성하게 된다. 즉 기화부(30)를 케이스(10)의 내부에 설치하면 기화에 필요한 열을 버너부(40) 혹은 연소존으로부터 획득하게 되며 기화부(30)에 공급되는 물의 양은 곧 2차 스팀 생성양으로 연소존의 온도를 빼앗는 역할을 한다. 따라서 기화부(30)는 수소 추출 장치의 온도를 제어할 수 있게 된다.
수소 추출 장치의 특성상 이 수소 추출 장치와 연결되는 전후 공정의 상태에 따라 수소 추출 장치에 공급되는 보조버너(43)의 연료량은 가변적이며 이 때문에 수소 추출 장치의 내부 온도에는 빈번한 변화가 일어나게 된다. 이러한 장치 내부의 온도 변화를 제어하기 위해 쿨링 에어(Cooling Air)를 장치 내부로 공급하게 되는데, 이러한 냉각 방식은 블로워 등을 운전하기 위한 에너지 손실이 필연적이며 압력과 선속도 등에 영향을 줘 결국 화염운전 및 연소존의 설계 최적화에 많은 문제를 야기하게 된다.
이와 달리 반응부(20)의 열원으로 기화가 이루어지는 기화부(30)를 구비함으로써 본 발명에 따른 수소 추출 장치는 기화기(20)로의 물 공급 유량을 제어하여 반응부(20) 외부 연소존의 온도를 조절할 수 있으며, 나아가 이 기화기(20)를 통해 연소존의 온도 분포를 고르게 하고 수소 추출 장치의 방열량을 최소화하여 외부 단열 효과를 가져올 수 있게 된다. 즉 연소열의 방열을 막아 열량 손실을 최소화할 수 있게 되는 것이다.
기존 방식에서는 버너, 연소존 및 오프 가스의 온도를 제어하기 위해 과량의 공기를 주입하는 방법을 사용하고 있다. 이 같은 방법은 온도가 내려가는 역할은 하지만 실제로 오프 가스의 양을 늘려 그 열을 외부로 방출하게 만든다. 하지만 본 발명에서 제안하는 기화기(30)를 통한 내부 2차 스팀 생성 방식은 냉각에 사용된 2차 스팀이 다시 반응부(20) 내부로 공급되면서 그 열을 개질 반응에 필요한 열로 사용할 수 있게 되는 장점도 가지게 된다. 외부 방열되는 열을 기화부(30)의 물을 기화시키는데 사용하며, 그로 인해 높아진 2차 스팀의 온도는 다시 반응부(20)로 공급됨으로써 방열되는 열을 회수 하는 효과와 방열 에너지를 줄이는 두가지 효과를 모두 거둘 수 있게 되는 것이다.
또한 고압 수소 추출 장치의 경우 장치의 압력이 7 BAR 이상으로 올라가기 때문에 외벽의 두께가 압력에 견뎌낼 수 있도록 두껍게 제작되어 외부 열원이 내부로 전달되기 쉽지 않다. 상기 기화부(30)에서 생성된 고온의 2차 스팀을 내부로 공급함으로써 내부 온도가 외부 열원으로 가열되는 경우보다 승온 속도가 높다.
더군다나 기화부(30)의 구성으로 연소존 온도의 가열을 막을 수 있기 때문에 전체 수소 추출 장치는 저가의 재질로 구성하는 것이 가능하게 된다.
상술한 설명에서 상기 기화부(30)는 나선형인 것으로 설명하였으나, 반응부(20)의 외부를 감싸는 튜브형(관형) 구조라면 어떠한 형태라도 적용이 가능하다.
한편 상기 버너부(40)는 다양한 버너연료를 적용할 수 있으며, 상기 반응부(20)의 하부와 일정 공간 이격되어 배치되는 주버너(41)와 보조버너(43)를 포함하여 구성되며, 버너연료와 공기가 일정한 연소 조건으로 주입되어 불꽃이 형성되고 고열량의 반응열을 발생시킬 수 있어 케이스(10) 내부의 연소존에 효율적으로 고른 반응열을 제공할 수 있게 된다.
상기 주버너(41)와 보조버너(43)에서 발생한 열이 연소존을 거쳐 반응부(20)에 공급되고 이때 발생되는 연소가스는 연소가스 배출관(15)을 통해 배출된다.
도 4를 참조하면, 상기 주버너(41)는 상기 반응부(20)의 아래에 위치하며, 공급되는 연료로 화염을 발생시켜 연소존을 가열하는 주열원이 된다. 이 같은 주버너(41)는 단독 운전으로 개질 반응을 유도할 수 있으며 개질 운전의 시동 역할을 하게 된다. 또한 보조보너(43)는 원형 튜브 형태로 구성되어 상기 주버너(41)의 화염 주변을 감싸게 주버너(41)의 상부에 배치되어 주버너(41)의 화염을 강화하는 역할을 한다. 특히 보조버너(43)는 수소 추출 장치와 연결되는 전후 공정에서 버려지는 연료를 이용하여 연소존을 가열하는 보조열원이 된다. 타 시스템과의 연계 운전시 타 시스템의 오프(OFF) 가스를 연료로 사용할 수 있으며 상기 주버너(41)의 소비연료량을 줄여 전체적인 수소 추출 장치의 효율을 증가시키게 된다. 또한 소량의 2차 스팀은 400 ℃ 이상의 온도가 유지되어 보조버너(43)의 이그나이터로서 역할할 수 있게 된다.
여기에서 나선형의 기화부(30)의 직경은 상기 주버너(41)의 화염 크기 보다 작도록 구성하여 주버너(41)의 화염에 의한 2차 스팀 생성이 가능하도록 하고, 또한 상기 보조버너(43)의 크기는 상기 기화부(30)의 직경 보다 작도록 하는 것이 열전달 효율에 유리하다.
이제 도 5를 참조하여 상술한 바와 같은 구성을 가지는 수소 추출 장치의 운전 방법에 대해 상세히 설명한다.
먼저 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 기화부(30)를 배제한 기본 운전 시에는, 상기 버너부(41)에 연료를 공급하여 반응부(20)를 가열하고(S1), 상기 연료 공급관(13)을 통해 개질 반응을 위한 연료와 물을 반응부(20)로 직접 주입하게 된다(S2). 버너부(41)의 가열에 의해 반응부(20)의 온도는 700℃ 이상으로 올라가게 1차 스팀을 생성하게 되고, 반응부(20)에서는 강한 흡열 반응을 통해 개질이 이루어져 수소를 생산하게 되며 생산된 수소는 개질가스 배출관(14)을 통해 배출되게 될 것이다(S3).
기화부(30)를 포함하는 본 발명의 실시예에서는 상기 반응부(20)는 물을 주입받아 1차 스팀을 생성하게 되며, 상기 기화부(30)는 물을 주입받아 2차 스팀을 생성하고 이를 반응부(20)로 공급하게 된다.
기본적으로 개질을 위해 사용되는 물의 총량은 동일하다.
따라서 상기 반응부(20)의 단독 운전시 사용되는 물의 양과 상기 반응부(20)와 기화부(30)가 함께 연동 운전시 사용되는 물의 양은 같다.
일 예로, 도시가스 개질 기준으로 도시가스 40 lpm의 연료 공급시 사용되는 물의 총량은 120 cc이다.
이 경우 상기 기화부(30)에 공급되어 2차 스팀으로 유도되는 물의 양은 1~120 cc로 유량을 조절하여 공급하게 되며, 나머지 총량 120 cc에서 기화부(30)로 공급된 물의 양을 빼면 1차 스팀으로 유도되는 반응부(20)로 공급될 물의 양이 계산될 수 있게 된다. 이렇게 기화부(30)로 공급되는 물의 양은 2차 스팀을 생성하는 과정에서 연소존의 온도를 낮추는 역할을 하게 될 것이다.
따라서 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 기화부(30)와 연동 운전 시에는, 먼저 상기 버너부(41)에 연료를 공급하여 반응부(20)를 가열한다(S10). 그리고 상기 기화부(30)로 물을 공급해 2차 스팀을 생성하고(S20) 생성된 2차 스팀을 반응부(20)로 공급하며(S40), 이와 연동해 상기 연료 공급관(13)을 통해 개질 반응을 위한 연료와 물을 반응부(20)로 공급해 1차 스팀을 생성하는 과정(S30)이 동시에 이루어지게 된다. 마찬가지로 반응부(20)에서는 강한 흡열 반응을 통해 개질이 이루어져 수소를 생산하게 되며 생산된 수소는 개질가스 배출관(14)을 통해 배출되게 된다(S50).
여기에서 상기 S20 단계에서 생성된 2차 스팀의 양과 상기 S30 단계에서 생성된 1차 스팀의 양을 합한 총합이 본 개질에 필요한 물의 총량이 될 것이기 때문에 추가적인 물은 필요하지 않다. 또한 S20 단계의 기화 과정에서 상기 기화부(30)로 공급하는 물의 양을 조절하여 연소존의 온도를 제어할 수 있게 되는 것이다. 나아가 S20 단계의 기화 과정에서 상기 반응부(20)를 감싸게 구성된 상기 기화부(30)는 연소존의 온도 분포를 고르게 하고 수소 추출 장치의 방열량을 최소화하여 외부 단열 효과를 가져올 수 있게 된다.
이와 달리, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 반응부(20)의 가열(S110) 이후 소량의 물(필요 물 총량의 0~30%)을 기화부(30)로 주입해 소량의 2차 스팀을 만들고 연소존의 온도 상승에 따라 다량의 물(필요 물 총량의 100%)을 기화부(30)로 주입해 2차 스팀을 만들어(S120), 이 2차 스팀을 반응부(20)로 연료와 함께 공급하며(S130), 2차 스팀만으로 개질 반응을 유도할 수도 있다(S140).
이 같은 운전 방식은 기화부(30)에서 생성된 2차 스팀만으로 개질 반응을 진행하는 방식이다.
한편, 본 발명에 따른 수소 추출 장치는 연료전지나 수소 충전소 등을 전후 공정에 연결하여 연계 운전될 수 있다.
보통 SR 타입의 수소 추출 장치는 생성 가스(개질 가스)의 순도 및 활용에 따라 단독 운전이 아닌 다른기기(PSA 등 수소의 순도를 높이는 장치)와 연계운전으로 구성될 수 있다.
먼저 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 수소 추출 장치는 고온형 연료전지와 연계 운전(제 1 연계 운전)될 수 있다.
수소 추출 장치에서 생성된 수소 가스(H2) 및 부산물 가스(CO, CO2 등)가 고온형 연료전지로 공급되며, 이 연료전지에서 미반응된(연료전지에 공급되는 수소의 양보다 전력 생산을 적게 하면 공급된 수소의 일부가 배출된다) 수소 가스(H2) 및 부산물 가스(CO, CO2 등)가 배출되고 이를 수소 추출 장치의 보조버너(43)로 공급해 보조연료로 사용하는 방식이다.
그 연계 운전 방식을 일 예로 설명하면 다음과 같다.
여기에서 수소 추출 장치의 운전 온도는 700 ℃이고, 연료전지의 운전 온도는 750 ℃이다.
1 단계로, 수소 추출 장치는 0~700 ℃로 운전되고, 연료전지는 0~750 ℃로 운전된다. 이때 수소 추출 장치는 주버너(41)로 운전하고, 수소 추출 장치 및 기화부(30)는 운전 정지 상태이다.
2 단계로, 수소 추출 장치의 온도가 700 ℃에 도달하며, 연료전지는 0~750 ℃로 운전된다. 이때 수소 추출 장치는 주버너(41)로 운전하고, 반응부(20)에는 연료와 물이 공급되며, 기화부(30)는 필요 물 총량의 10%를 기화해 스팀 상태로 반응부(20)로 공급하게 된다.
3 단계로, 수소 추출 장치의 온도가 700 ℃이고, 연료전지는 0~750 ℃로 운전된다. 이때 수소추출 장치는 주버너(41)와 함께 연료전지로부터 오프 가스(연료전지에서 미반응된 수소 가스(H2) 및 부산물 가스(CO, CO2 등))를 연료로 하는 보조버너(43)를 가동한다. 그리고 기화부(30)는 모든 필요 물 총량을 기화해 스팀 상태로 반응부(20)로 공급하게 되는 것이다.
실제 연료전지의 운전시 생산 전력을 늘 100% 소비하지는 못한다. 연료전지와 연동되는 외부 부하장치가 필요한 만큼의 전력을 소비하게 되는데, 공급되는 연료량 보다 소비되는(생산되는) 전력량이 적을 경우 오프 가스(연료전지에서 미반응된 수소 가스(H2) 및 부산물 가스(CO, CO2 등))의 양이 늘어 순간적으로 수소 추출 장치의 온도가 상승하는 경우가 발생한다. 이때 시스템은 연료 공급에 따른 전력 생산 변화량이 느리기 때문에 연료량을 소비 전력에 따라 줄이거나 늘리기가 쉽지 않다.　이때 수소 추출 장치의 급격한 온도 변화를 상술한 기화부(30)를 통해 조절하는 것이다.
다음으로 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 수소 추출 장치는 수소 분리기와 연계 운전(제 1 연계 운전)될 수 있다.
수소 분리기는 PSA 공정을 통해 수소 추출 장치에서 생산된 수소의 불순물을 걸러내 고순도의 수소를 추출하는 데 중요한 역할을 하는 장치이다. 즉 수소 추출 장치에서 생산된 수소 가스(H2) 및 부산물 가스(CO, CO2, N2 등)에서 수소 가스만 분리하게 된다.
수소 가스를 분리하는 수소 분리기는 흡착제에 흡착된 부산물 가스(CO, CO2, N2 등)를 분리하기 위해 고순도 수소를 공급해 고순도의 수소와 함께 오프 가스(H2, CO, CO2)를 배출하게 된다. 이렇게 배출된 오프 가스(H2, CO, CO2)를 다시 수소 추출 장치의 보조버너(43)로 공급하여 수소 추출 장치의 열원으로 사용하는 것이다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 케이스 11 : 상부 커버
12 : 하부 커버 13 : 연료 공급관
14 : 개질가스 배출관 15 : 연소가스 배출관
16 : 온도 측정관 17 : T-유니온
20 : 반응부 21 : 베플
30 : 기화부 31 : 물 주입관
32 : 스팀 배출관 40 : 버너부
41 : 주버너 42 : 주연료 주입관
43 : 보조버너 44 : 보조연료 주입관

Claims (9)

  1. 외관을 형성하는 케이스;
    상기 케이스의 내부에 구비되며, 연료와 물을 공급받고 물을 스팀으로 만들어 개질 반응이 이루어지는 반응부;
    상기 반응부의 외부 측면을 따라 튜브가 나선형으로 감겨 형성되며, 물을 공급받아 스팀으로 만들어 상기 반응부로 배출하는 기화부; 및
    상기 반응부의 하부에 구비되어 상기 반응부 및 기화부로 연소가스를 공급하여 가열하는 버너부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 추출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스는 상하로 중공된 외관을 가지며, 상부에는 평면 형상의 상부 커버가 결합되고 하측에는 상기 버너부가 개재될 수 있는 하부 커버가 결합되며,
    상기 상부 커버에는 중심 부위에 연료 공급관이 구비되며, 그 주위로 개질가스 배출관, 연소가스 배출관, 물 주입관, 스팀 배출관 및 복수의 온도 측정관이 케이스 내부와 연통되게 구비되는 것을 특징으로 하는 수소 추출 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 상부 커버의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 연료 공급관은 그 하측 말단이 케이스 내의 반응부에 위치되게 연장형성되고, 내부 유로를 통해 개질 반응을 위한 연료와 물이 반응부로 직접 주입될 수 있게 구성되고,
    상기 상부 커버의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 개질가스 배출관은 그 하측 말단이 케이스 내의 반응부에 위치되게 연장형성되고, 내부 유로를 통해 개질 반응의 결과물인 수소 가스 및 부산물 가스가 외부로 배출될 수 있게 구성되며,
    상기 상부 커버의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 연소가스 배출관은 그 하측 말단이 케이스와 반응부 사이의 연소존과 연통되게 연장형성되고, 버너부에 의해 가열된 연소존의 연소가스를 내부 유로를 통해 외부로 배출될 수 있게 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 추출 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 상부 커버의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 물 주입관은 그 하측 말단이 케이스 내의 기화부의 상부 상단과 연통되게 연장형성되고, 내부 유로를 통해 기화를 위한 물이 기화부로 직접 주입될 수 있게 구성되고,
    상기 상부 커버의 상부로 상측 말단이 돌출되어 노출된 스팀 배출관은 그 하측 말단이 케이스 내의 기화부의 하부 하단과 연통되게 연장형성되고, 내부 유로를 통해 기화부에서 기화된 스팀이 외부로 배출될 수 있게 구성되며,
    상기 연료 공급관의 상측에는 T-유니온이 결합되고,
    상기 상부 커버의 상부로 노출된 상기 스팀 배출관의 상측 말단은 상기 T-유니온에 연결되어 기화부에서 생산된 스팀이 연료 공급관을 통해 반응부로 주입되게 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 추출 장치.
  5. 제 5항에 있어서,
    상기 물 주입관과 스팀 배출관은 상기 상부 커버의 상부로 돌출하여 위치하면서 이 상부 커버와 접촉하는 부분이 상부 커버에 고정되어, 기화부가 상부 커버에 의해 지지되어 나선형으로 감긴 튜브가 반응부의 외곽에 감긴 상태를 유지하게 되는 것을 특징으로 하는 수소 추출 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 하부 커버의 하부로 돌출되어 구성된 버너부의 측면에는 측면 방향으로 돌출되어 노출된 주연료 주입관이 형성되어 주연료 주입관을 통해 버너부 내의 주버너를 운전하기 위한 주연료가 주입되고,
    상기 케이스의 측면에는 측면 방향으로 돌출되어 노출된 보조연료 주입관이 형성되어 보조연료 주입관을 통해 버너부 내의 보조버너를 운전하기 위한 보조연료가 주입되는 것을 특징으로 하는 수소 추출 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    나선형의 기화부의 직경은 상기 주버너의 화염 크기 보다 작도록 구성하여 주버너의 화염에 의한 기화부의 스팀 생성이 가능하도록 하고, 상기 보조버너의 크기는 상기 기화부의 직경 보다 작도록 구성하는 것을 특징으로 하는 수소 추출 장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항의 수소 추출 장치를 운전하는 방법에 있어서,
    버너부에 연료를 공급하여 반응부를 가열하는 단계;
    기화부로 물을 공급해 2차 스팀을 생성하고 생성된 2차 스팀을 상기 반응부로 공급하며, 개질 반응을 위한 연료와 물을 상기 반응부로 공급해 1차 스팀을 생성하는 단계; 및
    상기 반응부에서 개질 반응을 통해 수소를 생산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 추출 장치의 운전 방법.
  9. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항의 수소 추출 장치를 운전하는 방법에 있어서,
    버너부에 연료를 공급하여 반응부를 가열하는 단계;
    물을 기화부로 주입해 2차 스팀을 생성하는 단계;
    생성된 2차 스팀을 반응부로 연료와 함께 공급하는 단계; 및
    상기 반응부에서 개질 반응을 통해 수소를 생산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 추출 장치의 운전 방법.
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