KR20240040401A - 연료 개질기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시에에 따르면, 수증기와 탄화수소 가스의 혼합물로부터 수소 및 일산화탄소를 포함하는 개질 가스를 생성하는 수증기 개질 반응부; 상기 수증기 개질 반응부로부터 상기 개질 가스를 공급받아, 상기 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 저온전환 반응부; 및 상기 수증기 개질 반응부 내부에 제공되는 연소 챔버를 포함하고, 상기 연소 챔버, 상기 수증기 개질 반응부 및 상기 저온전환 반응부는 중공관 형태를 갖고, 동심(Co-center)을 갖도록 배치되며, 상기 동심으로부터 상기 연소 챔버, 상기 수증기 개질 반응부 및 상기 저온전환 반응부 순서로 배치되어 상기 연소 챔버에서 발생한 열이 상기 동심으로부터 멀어지는 방향으로 전달되는, 연료 개질기가 제공된다.
Description
본 발명은 천연가스를 연료전지 스택에 공급하기 용이한 개질 가스로 전환하기 위해 사용되는 것으로서, 보다 상세하게는 버너에서 발생된 고온의 화염이 수직 하향되도록 버너부을 배치시켜 개질 반응부의 반응 시간과 온도를 향상시키고, 열 교환기에서의 열 효율이 향상된 연료 개질기에 관한 것이다.
일반적으로 연료 개질기는 수증기 개질법(Steam reforming)을 이용해 천연가스를 수소로 전환하는 수증기 개질 반응기(Steam reformer), 수소와 함께 생성된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 수성가스 전환반응기 (Water Gas Shift Reaction, WGS) 및 열량을 공급하는 버너를 포함하여 구성된다.
즉. 천연가스의 주성분은 메탄(CH4)이며 개질 반응기에서 수증기와 반응하여 수소와 일산화탄소가 생성되는데, 반응온도는 통상 650 ℃ ~ 800 ℃ 정도이고, 상기 반응은 흡열반응으로 반응에 필요한 열량은 버너를 이용하여 공급하고 있다.
수소와 함께 생성된 일산화탄소는 연료전지 스택으로 유입될 경우 상기 스택을 피독시켜 성능에 치명적인 악영향을 끼치므로, 이를 제거하기 위하여 수성가스 전이반응기를 통해 이산화탄소로 전환한다. 수성가스 전이반응을 온도에 따라 크게 고온전환반응기(High Temperature Shift, HTS)와 저온전환반응기(Low Temperature Shift, LTS)로 구분하고 있다.
상기 수성가스 전이반응온도는 고온전환반응기의 경우 통상 350 ℃ ~ 400 ℃ 정도이고, 저온전환반응기는 통상 200 ℃ ~ 300 ℃ 정도이며, 상기 전환반응은 발열반응으로 반응시 열을 발산하고 있다. 상업적으로는 고온과 저온 수상가스전환반응을 순차적으로 적용하는 경우가 많지만 온도제어, 시스템 단순화, 저온 수성가스 전환 반응 촉매, 개선 등의 이유로 연료 개질기에서는 수성가스 전환부만 사용한다.
버너는 연료 개질기의 연소실에 위치하여 연소하게 되며, 상기 연소과정에서 발생한 연소배기가스는 상기 연료 개질기의 상층부로 올라가 촉매반응기와 연소실 사이의 유로를 아래에서 위로 통과하며 상기 촉매반응기에 열을 공급하고 있다.
종래의 연료 개질기는 전술한 바와 같이, 반응기를 각각 개질반응기와 전환반응기로 구분하여 분리사용 하고 있는데, 상기 개질반응기의 경우 흡열반응, 상기 전환반응기의 경우에는 발열반응으로 열 구배가 다르고, 반응 온도의 차이가 크기 때문에 따로 구분하여 분리제작하고 있으며, 이로 인해 내부구조 및 유로가 복잡해지고 전체적인 반응기의 부피가 커지는 문제점이 발생되었다.
본 발명의 실시예들은 개질 가스를 생성하기 위해 사용되는 수증기 개질 반응부와 열 교환기와 저온전환 반응부의 배치를 변경하고 열 교환 챔버를 통한 열 교환 효율 및 촉매 반응 효율이 향상된 연료 개질기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수증기와 탄화수소 가스의 혼합물로부터 수소 및 일산화탄소를 포함하는 개질 가스를 생성하는 수증기 개질 반응부; 상기 수증기 개질 반응부로부터 상기 개질 가스를 공급받아, 상기 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 저온전환 반응부; 및 상기 수증기 개질 반응부 내부에 제공되는 연소 챔버를 포함하고, 상기 연소 챔버, 상기 수증기 개질 반응부 및 상기 저온전환 반응부는 동심(Co-center)을 갖도록 배치되며, 상기 동심으로부터 상기 연소 챔버, 상기 수증기 개질 반응부 및 상기 저온전환 반응부 순서로 배치되어 상기 연소 챔버에서 발생한 열이 상기 동심으로부터 멀어지는 방향으로 전달되는, 연료 개질기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수증기 개질 반응부의 외주면을 따라 배치된 수증기 공급부를 더 포함하고, 상기 연료 개질기 하단부에 제공된 수증기 공급부 입구로 유입된 물은 상기 수증기 개질 반응부의 외주면을 따라 상승하면서 수증기로 전환되고, 상기 수증기 공급부는 전환된 수증기를 상기 수증기 개질 반응부 내부로 전달하는, 연료 개질기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수증기 개질 반응부는 탄화수소 가스를 공급하는 탄화수소 가스 공급부; 수증기와 탄화수소 가스의 혼합물로부터 수소 및 일산화탄소를 포함하는 개질 가스를 생성하기 위한 개질 반응을 촉진하는 수증기 개질 촉매부; 탄화수소 가스와 수증기를 혼합하여 상기 수증기 개질 촉매부로 공급하는 혼합 가스 분배부를 더 포함하고, 상기 혼합 가스 분배부는 상기 수증기 개질 촉매부의 하단에 제공되며, 상기 수증기 개질 촉매부보다 작은 직경을 가져, 상기 혼합 가스 분배부로부터 배출된 수증기와 탄화수소 가스의 혼합물이 중공관 형태의 상기 수증기 개질 촉매부에 고르게 공급될 수 있도록 하는, 연료 개질기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연소 챔버는 연료를 연소시켜 열을 발생시키고, 상기 연료의 연소 후 생성된 배기가스는 상기 연료 개질기의 하부를 거쳐 상기 연료 개질기의 상부로 이동한 후 상기 연료 개질기의 외부로 배출되도록 유로가 설계되어, 상기 수증기 개질 반응부 및 상기 수증기 공급부 중 적어도 일부 영역에 열을 전달하고 외부로 배출되는, 연료 개질기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료 개질기의 상부에는 공기 가열부가 제공되고, 상기 공기 가열부의 입구 및 출구는 상기 연소 챔버의 입구와 인접하여 배치되는, 연료 개질기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수증기 공급부는 상기 수증기 개질 반응부의 적어도 일부 영역을 감는 코일 형태로 제공되는, 연료 개질기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수증기 개질 반응부 내 공정 온도는 상기 저온전환 반응부 내 공정 온도보다 높은, 연료 개질기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수증기 개질 반응부 및 상기 저온전환 반응부는 각각 상기 동심(Co-center)을 공유하는 중공관 형태를 갖는, 연료 개질기가 제공된다.
본 발명에 따른 연료 개질기는 높이를 상대적으로 줄일 수 있어 컴팩트 한 장비 운영이 가능하다.
본 발명에 따른 연료 개질기는 연료처리 공정 수행 중 장치 내부를 이동하는 유체들의 흐름을 설계하여 열 효율 및 촉매 반응 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 포함된 각 부재의 배치 형태를 간략화하여 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 있어서, 수증기 공급부의 제공 형태 및 물의 이동 경로를 강조한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 있어서, 수증기 개질 반응부와 개질 가스의 이동 경로를 강조한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 있어서, 수증기 개질 반응부에 포함된 혼합 가스 분배부의 제공 형태를 나타낸 사시도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 있어서, 연소 챔버와 저온전환 반응부를 강조한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 포함된 각 부재의 배치 형태를 간략화하여 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 있어서, 수증기 공급부의 제공 형태 및 물의 이동 경로를 강조한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 있어서, 수증기 개질 반응부와 개질 가스의 이동 경로를 강조한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 있어서, 수증기 개질 반응부에 포함된 혼합 가스 분배부의 제공 형태를 나타낸 사시도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 있어서, 연소 챔버와 저온전환 반응부를 강조한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기는 연소 챔버, 수증기 개질 반응부 및 저온전환 반응부가 동심(Co-center)을 갖는 형태로 배치되고, 각각의 부재 사이의 유체 흐름이 정교하게 설계되어 공정 수행 중 열 효율 및 촉매 반응 효율이 개선될 수 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 포함된 각 부재의 배치 형태를 간략화하여 도시한 단면도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 수증기와 탄화수소 가스의 혼합물로부터 수소 및 일산화탄소를 포함하는 개질 가스를 생성하는 수증기 개질 반응부(100); 상기 수증기 개질 반응부(100)으로부터 상기 개질 가스를 공급받아, 상기 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 저온전환 반응부(200); 및 상기 수증기 개질 반응부(100) 내부에 제공되는 연소 챔버(300)를 포함하고, 상기 연소 챔버(300), 상기 수증기 개질 반응부(100) 및 상기 저온전환 반응부(200)는 동심(Co-center)을 갖도록 배치되며, 상기 동심으로부터 상기 연소 챔버(300), 상기 수증기 개질 반응부(100) 및 상기 저온전환 반응부(200) 순서로 배치되어 상기 연소 챔버(300)에서 발생한 열이 상기 동심으로부터 멀어지는 방향으로 전달되는, 연료 개질기가 제공된다.
수증기 개질 반응부(100)는 탄화수소 가스와 수증기를 공급받아 수소를 생성하는 개질 반응을 수행하기 위한 부재이다. 따라서, 수증기 개질 반응부(100)는 탄화수소 가스와 수증기를 이용한 개질 반응을 촉진할 수 있는 촉매를 포함한다.
저온전환 반응부(200)는 수증기 개질 반응부의 바깥에 제공된다. 저온전환 반응부(200)에서는 개질 반응 후 생성된 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키는 반응이 수행된다. 저온전환 반응부(200) 내 공정 온도는 수증기 개질 반응부(100) 내 공정 온도보다 낮다. 따라서, 열이 수증기 개질 반응부(100)에서 저온전환 반응부(200)쪽으로 이동되도록 두 부재를 배치한다.
연소 챔버(300)는 수증기 개질 반응부(100) 안쪽에 제공된다. 연소 챔버(300)는 연료를 연소시켜 열을 발생시키기 위한 부재이다.
상술한 수증기 개질 반응부(100), 저온전환 반응부(200) 및 연소 챔버(300)는 도면에서 확인할 수 있듯이 동심(Co-center)을 공유하며, 연소 챔버(300), 수증기 개질 반응부(100), 저온전환 반응부(200)의 순서로 배치된다. 상술한 것과 같이 수증기 개질 반응부(100)에서의 반응 온도(또는 공정 온도)가 저온전환 반응부(200)에서의 반응 온도(또는 공정 온도)보다 높기 때문에, 연소 챔버(300)에서 발생한 열은 순차적으로 수증기 개질 반응부(100)를 거쳐 저온전환 반응부(200)쪽으로 이동된다. 이렇게 연소 챔버(300)에서 발생한 열 에너지가 수증기 개질 반응부(100)에서 수소 발생 반응에 이용되고, 남은 열 에너지가 저온전환 반응부(200)쪽으로 이동하기 때문에, 저온전환 반응부(200)에 도달한 열 에너지의 양은 상대적으로 적다. 따라서, 저온전환 반응부(200)에서의 공정 온도(약 200 ℃ 내지 약 300 ℃)가 수증기 개질 반응부(100)에서의 공정 온도(약 650 ℃ 내지 약 800 ℃)가 크게 차이남에도 불구하고, 저온전환 반응부(200) 공정 온도를 맞추기 위한 냉각 부재 등이 필요하지 않다. 또한, 연소 챔버(300)에서 발생한 열을 순차적으로 활용하기 때문에 폐열 발생이 저감된다.
수증기 개질 반응부(100), 저온전환 반응부(200) 및 연소 챔버(300)가 동심을 갖도록 배치하는 것 외에도 열 효율 및 촉매 반응 효율을 높이기 위해 각 부재 사이에서 이동되는 유체의 유동로가 설계되어 있다. 이하에서는 각 부재 사이를 이동하는 유체의 흐름을 중심으로 각 부재의 기능 및 본 발명의 유리한 효과에 대하여 살펴본다.
먼저, 공정을 수행하기 위해 공급되는 물 및 수증기의 흐름에 대하여 살펴본다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 있어서, 수증기 공급부의 제공 형태 및 물의 이동 경로를 강조한 단면도이다.
도 3을 참고하면, 연료 개질기는 수증기 개질 반응부의 외주면을 따라 배치된 수증기 공급부(400)를 더 포함하고, 연료 개질기 하단부에 제공된 수증기 공급부(400) 입구로 유입된 물은 수증기 개질 반응부의 외주면을 따라 상승하면서 수증기로 전환되고, 수증기 공급부(400)는 전환된 수증기를 상기 수증기 개질 반응부 내부로 전달할 수 있다.
도면에서 확인할 수 있듯이, 수증기 공급부(400)의 입구는 연료 개질기의 하단부에 제공된다. 연료 개질기의 하단부에 제공된 입구로는 액체 상태의 물이 공급된다. 이때 수증기 공급부(400) 내부로 공급되는 물은 가열 과정에서 배관을 녹슬게 하거나, 수소 발생 반응 중 부반응을 일으키지 않도록 불순물이 제거된 탈이온수일 수 있다.
수증기 공급부(400)의 입구로 유입된 액체 상태의 물은 연료 개질기의 높이 방향으로 올라가는 형태로 공급될 수 있다. 이때 물을 연료 개질기의 높이 방향으로 올리기 위해 필요에 따라 펌프가 더 제공될 수 있다. 제공되는 펌프의 용량은 연료 개질기의 반응 용량에 따라 결정할 수 있다.
수증기 공급부(400)의 입구로 유입된 액체 상태의 물은 연료 개질기의 높이 방향으로 올라가면서 열을 공급받을 수 있다. 이때 물에 공급되는 열은 연소 챔버 및/또는 수증기 개질 반응부에서 방출되는 것일 수 있다. 수증기 공급부(400)는 연소 챔버 및/또는 수증기 개질 반응부에서 방출되는 열을 더 효율적으로 흡수하기 위하여 연소 챔버 및/또는 수증기 개질 반응부의 외주면을 감는 코일 형태로 제공될 수 있다. 수증기 공급부(400) 내부의 액체 상태의 물은 연소 챔버 및/또는 수증기 개질 반응부에서 공급되는 열을 흡수하여 수증기 상태로 전환될 수 있다. 이때 수증기 역시 계속해서 열을 흡수하기 때문에 수증기 공급부(400)로부터 고온의 수증기가 제공될 수 있다. 수증기 공급부(400)에서 액체 상태의 물을 수증기 상태로 전환시키는데 열이 사용되므로, 수증기 개질 반응부와 저온전환 반응부의 공정 온도 차이에도 불구하고 별도의 냉각 부재 등이 필요하지 않다.
수증기 공급부(400)는 경우에 따라 도면에서 볼 수 있듯이 수증기 개질 반응부 외주면을 거친 후 반드시 연소 챔버 외주면을 거치도록 제공될 수 있다. 이렇게 수증기 공급부(400)를 설계하는 경우 수증기 개질 반응부에서 방출되는 열을 1차적으로 흡수하여 저온전환 반응부로 적절한 양의 열 에너지가 공급되도록 할 수 있다. 동시에, 혹시 수증기 공급부(400) 내부에 남아있을 수 있는 액체 상태의 물이 수증기 개질 반응부보다 높은 온도의 연소 챔버 외주면을 거치면서 고온의 수증기 상태가 되도록 담보할 수 있다. 만약 수증기 공급부(400)가 연소 챔버 외주면을 먼저 거친 후 수증기 개질 반응부 외주면을 지나갈 경우, 연소 챔버 외주면에 비하여 상대적으로 저온인 수증기 개질 반응부 외주면을 지나면서 온도 차이에 의해 일부 수증기가 물로 응축될 우려가 있다. 따라서, 수증기 공급부(400)가 수증기 개질 반응부 외주면과 연소 챔버 외주면을 모두 거치는 경우에는 수증기 개질 반응부 외주면을 먼저 거치고 다음으로 연소 챔버 외주면을 거치도록 설계할 수 있다.
수증기 공급부(400)에서 생성된 고온의 수증기는 다음으로 수증기 개질 반응부로 공급된다. 수증기 개질 반응부에서는 고온의 수증기와 탄화수소 가스가 공급되고 개질 반응이 수행된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 있어서, 수증기 개질 반응부와 개질 가스의 이동 경로를 강조한 단면도이다.
도 4를 참고하면, 수증기 개질 반응부(100)는 탄화수소 가스를 공급하는 탄화수소 가스 공급부(110); 수증기와 탄화수소 가스의 혼합물로부터 수소 및 일산화탄소를 포함하는 개질 가스를 생성하기 위한 개질 반응을 촉진하는 수증기 개질 촉매부(120); 탄화수소 가스와 수증기를 혼합하여 수증기 개질 촉매부(120)로 공급하는 혼합 가스 분배부(130)를 더 포함하고, 혼합 가스 분배부(130)는 상기 수증기 개질 촉매부(120)의 하단에 제공되며, 수증기 개질 촉매부(120)보다 작은 직경을 가져, 혼합 가스 분배부(130)로부터 배출된 수증기와 탄화수소 가스의 혼합물이 중공관 형태의 상기 수증기 개질 촉매부(120)에 고르게 공급되도록 할 수 있다.
수증기 개질 반응부(100)는 상술한 것과 같이 탄화수소 가스와 고온의 수증기를 공급받아 혼합하고, 혼합된 탄화수소 가스와 고온의 수증기를 촉매의 존재 하에 개질 반응하는 부재이다.
수증기 개질 반응부(100)에 제공된 탄화수소 가스 공급부(110)는 따라서 개질 반응 수행을 위한 반응물 중 하나인 탄화수소 가스를 공급하기 위한 부재이다. 탄화수소 가스는 저분자량의 탄화수소로 구성된 혼합물일 수 있는데, 예를 들어 일반적으로 산업적으로 사용되는 천연가스일 수 있다. 탄화수소 가스는 외부로부터 공급될 수 있으며 이에 따라 탄화수소 가스 공급부(110)는 외부의 탄화수소 가스 공급원과 연료 개질기를 연결하는 배관 형태로 제공될 수 있다.
탄화수소 가스 공급부(110)는 연료 개질기의 외주면에 대하여 수직하게 제공될 수 있으며, 연소 챔버 및 저온전환 반응부와 이격되어 배치될 수 있다. 이에 따라 탄화수소 가스 공급부(110) 내부에 제공된 탄화수소 가스가 고온에 노출되어 화재 또는 폭발이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
탄화수소 가스 공급부(110)는 앞서 설명한 수증기 공급부의 말단과 연결될 수 있다. 이에 따라, 탄화수소 가스 공급부(110)에서 유입된 탄화수소 가스는 고온의 수증기와 혼합될 수 있다. 탄화수소 가스와 고온의 수증기의 혼합 가스는 연료 개질기의 아래쪽 방향으로 이동될 수 있다. 이때 혼합 가스는 단면 상에서 보았을 때 수증기 개질 촉매부(120)와 수증기 개질 촉매부(120)로부터 생성된 개질 가스의 유동로 사이로 이동할 수 있다. 상술한 수증기 개질 촉매부(120)와 수증기 개질 촉매부(120)로부터 생성된 개질 가스의 유동로는 상대적으로 고온으로 유지되기 때문에 혼합 가스의 이동 중 온도가 낮아져 수증기의 응축 현상이 생기는 것을 막을 수 있다. 혼합 가스는 수증기 개질 촉매부(120)로 유입되기 전에 혼합 가스 분배부(130)를 거칠 수 있다.
혼합 가스 분배부(130)는 혼합 가스가 수증기 개질 촉매부(120)의 모든 영역에 균일하게 공급될 수 있도록 하는 부재이다. 혼합 가스 분배부(130) 없이 혼합 가스가 바로 수증기 개질 촉매부(120)로 제공될 경우, 배관의 위치에 따라 유체의 압력과 유동 속도에 의해 배관에서 가까운 영역에는 많은 양의 혼합 가스가 유입되고, 배관에서 먼 영역에는 적은 양의 혼합 가스만 유입될 수 있다. 이 경우, 수증기 개질 촉매부(120)의 특정 영역에만 다량의 혼합 가스가 유입되므로 촉매 반응의 효율이 저하될 수 있다. 다만, 혼합 가스를 균일하게 분배하는 것에만 집중하여 종래와 같이 혼합 가스가 다공성 판을 지나도록 설계할 경우, 혼합 가스가 다공성 판을 거치면서 유동 속도가 매우 저하되고, 이에 따라 수증기 개질 촉매부(120)로 혼합 가스가 유입되는 속도가 느려져 공정 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 혼합 가스의 유동 속도를 크게 저하시키지 않으면서도 수증기 개질 촉매부(120)로 균일하게 혼합 가스가 유입될 수 있도록 하는 것이 필요하다.
도 5를 참고하면, 혼합 가스 분배부(130)는 수증기 개질 촉매부(120)의 하단에 제공되며, 수증기 개질 촉매부(120)보다 작은 직경을 가져, 혼합 가스 분배부(130)로부터 배출된 수증기와 탄화수소 가스의 혼합물이 중공관 형태의 상기 수증기 개질 촉매부(120)에 고르게 공급되도록 할 수 있다.
혼합 가스 분배부(130)를 수증기 개질 촉매부(120) 하단에 제공할 경우, 혼합 가스가 배관 내에서 갖는 속도와 압력에 의해 별도의 펌프 없이도 혼합 가스가 수증기 개질 촉매부(120) 쪽으로 유입될 수 있다.
혼합 가스 분배부(130)는 수증기 개질 촉매부(120)보다 작은 직경을 갖도록 제공될 수 있는데, 이에 따라 혼합 가스 분배부(130)에서 배출된 혼합 가스는 배관 말단에서 넓게 퍼지고, 중공관 형태의 수증기 개질 촉매부(120)로 균일하게 유입될 수 있다. 이때, 수증기 개질 촉매부(120)가 중공관 형태를 갖고 중심 영역은 막혀있기 때문에 혼합 가스 분배부(130) 말단에서 높은 압력과 빠른 유동 속도로 배출된 혼합 가스는 수증기 개질 촉매부(120)의 막혀있는 중심 영역에 부딪힌 후, 넓게 퍼져 가장자리의 촉매 영역쪽으로 유입될 수 있다.
혼합 가스 분배부(130)에서 배출된 혼합 가스가 보다 균일하게 수증기 개질 촉매부(120)로 유입될 수 있도록 혼합 가스 분배부(130) 배관 말단의 중심과 수증기 개질 촉매부(120)의 중공관의 중심을 일치시킬 수 있다.
수증기 개질 촉매부(120)는 수증기와 탄화수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 반응시켜 수소를 생성하는 수소 생성 반응을 촉진한다. 수증기 개질 촉매부(120)에서 수행되는 반응은 예를 들어 아래 화학식 1의 반응일 수 있다.
[화학식 1]
CH4+H2O → 3H2+CO △H=206.28 kJ/mol
위의 화학식 1의 반응은 흡열 반응이기 때문에 수증기 개질 촉매부(120)에서 반응을 위해서는 고온이 필요하다. 따라서, 수증기 개질 촉매부(120)는 약 650 ℃ 내지 약 800 ℃로 유지될 수 있다.
수증기 개질 촉매부(120)에 사용되는 촉매는 수소 생성 반응에 일반적으로 사용되는 물질일 수 있다. 예를 들어, 코발트 촉매, 니켈 촉매 등이 사용될 수 있으며 이들은 알루미나와 같은 담체에 담지되거나 Pt, Ir, Sn, Pb, Ge, As, Sb, Bi, Ag, Cu, Zu 등이 첨가된 것일 수 있다.
수증기 개질 촉매부(120) 내부에 제공된 촉매는 펠렛 형태로 제공될 수 있다. 펠렛 형태의 촉매는 촉매 활성이 저하될 경우 쉽게 교체할 수 있다는 장점이 있다.
수증기 개질 촉매부(120)는 연료 개질기의 길이 방향을 따라 길게 연장될 수 있다. 수증기 개질 촉매부(120)가 길이 방향으로 길게 연장됨에 따라 인접한 연소 챔버로부터 더 많은 열을 더 넓은 영역에서 공급받을 수 있다.
수증기 개질 촉매부(120)는 내부가 비어있는 중공관 형태로 제공될 수 있다. 이에 따라 수증기 개질 촉매부(120)는 혼합 가스 분배부(130)와 함께 배치되어 균일하게 혼합 가스를 공급받을 수 있는 수증기 개질 촉매부(120)의 중심은 연소 챔버의 중심과 일치할 수 있다. 이에 따라 연소 챔버로부터 수증기 개질 촉매부(120)로 열이 균일하게 전달될 수 있다.
수증기 개질 촉매부(120)의 외부 직경(안쪽 벽면과 바깥쪽 벽면 사이의 거리)(D)와 길이 사이(L)는 전열 면적과 기체 공간 속도(Gas hourly Space Velocity, GHSV)를 고려하여 설계할 수 있다. 전열 면적은 수증기 개질 촉매부(120)에 전달되는 열면적(버너 연소부와 인접해 있는 내부면적, 전열면적)을 의미한다. 연료 개질기에 사용되는 촉매의 경우 안정적인 운전을 위한 적정 GHSV는 단위 시간당 처리할 수 있는 유량을 의미한다. 연료 개질기에서 사용되는 촉매의 안정적인 운전을 위해서 적정 GHSV(3,000 h-1 ~ 3,500 h-1)를 유지해야 한다. 따라서 외부 직경(D)의 값이 정해지면 전열면적, GHSV, 차압 등을 고려하여 길이(L)를 설계할 수 있다.
수증기 개질 촉매부(120)에서 생성된 개질 가스, 즉, 수소와 일산화탄소와 경우에 따라 이산화탄소를 포함하는 가스는 수증기 개질 촉매부(120)의 외주면을 따라 아래 방향으로 연료 개질기 하단까지 내려온 후 다시 위 방향으로 이동해 저온전환 반응부로 유입될 수 있다. 이때, 개질 가스는 연료 개질기 내부에서 아래 방향으로, 그리고 다시 위 방향으로 유동하면서 혼합 가스의 유동로 및/또는 수증기 공급부의 코일 배관과 만날 수 있다. 혼합 가스와 수증기 공급부 내부의 물 또는 수증기는 모두 개질 가스보다 낮은 온도를 갖기 때문에, 개질 가스가 유동하는 과정에서 개질 가스에 포함된 열 에너지가 혼합 가스 및/또는 수증기 공급부 내 물 또는 수증기로 전달될 수 있다. 따라서, 혼합 가스가 저온전환 반응부에 도달했을 때에는 온도가 저온전환 반응을 수행하기에 적합한 정도로 내려갈 수 있다. 또한, 앞서 서술한 것과 같이 열 에너지가 혼합 가스 및/또는 수증기 공급부 내 물 또는 수증기로 전달됨에 따라 이들이 공정에 사용하기 적합한 상태로 전환/유지될 수 있다.
개질 가스를 공급받은 저온전환 반응부에서는 일산화탄소의 이산화탄소로의 전환 반응이 수행된다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기에 있어서, 연소 챔버와 저온전환 반응부를 강조한 단면도이다.
저온전환 반응부(200)는 중공관 형태를 가지며 연소 챔버(300) 및 수증기 개질 반응부와 동심을 공유하도록 제공될 수 있다. 이때 저온전환 반응부(200)가 수증기 개질 반응부와 동심을 공유한다는 것은 저온전환 반응부(200)에 제공된 촉매부가 수증기 개질 반응부에 제공된 수증기 개질 촉매부와 동심을 갖도록 배치됨을 의미할 수 있다.
저온전환 반응부(200)에서 수행되는 반응은 아래의 화학식 2의 반응일 수 있다. 화학식 2의 반응은 발열 반응이기 때문에, 수증기 개질 공정보다 저온에서 공정이 수행될 수 있다.
[화학식 2]
CO + H2O ↔ CO2 + H2
△H = -41.15 kJ/mol
저온전환 반응부(200)는 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하기 위한 촉매가 제공된 중공관을 포함한다. 상기 저온전환 반응부(200)의 중공관의 직경은 수증기 개질 반응부의 직경에 비해 크게 구성되며, 수증기 개질 반응부로부터 발생된 개질 가스를 공급받아 내부에 위치된 펠렛 촉매와 반응이 이루어질 수 있다.
저온전환 반응부(200)에 사용될 수 있는 촉매는, Cu/Zn, Cu/Zn/Al의 금속촉매일 수 있으며, 경우에 따라서는 귀금속(Pt, Rh, Ru, Au, Pd)을 환원성 담체(CeO2, ZrO2, TiO2, Fe2O3, Ce-ZrO2와 같은 CeO2와 혼합된 산화물)에 담지시켜 제조된 촉매를 사용할 수도 있다.
저온전환 반응부(200)는 두께가 얇을수록 개질 가스와 펠렛 촉매간 접촉이 증가하여 촉매 사용률이 향상되고 상기 펠렛 촉매의 양도 상대적으로 저감되어 경제성이 향상될 수 있다.
저온전환 반응부(200)는 약 200 ℃ 내지 약 300 ℃의 공정 온도를 가질 수 있으며, 저온전환 반응부(200)를 거친 후 개질 가스 내 일산화탄소 함량은 약 0.2% 내지 약 0.5%의 범위 이내로 감소될 수 있다. 저온전환 반응부(200)는 상술한 것과 같이 상대적으로 낮은 반응 온도를 갖기 때문에 연소 챔버(300)로부터 가장 멀리 배치될 수 있다.
저온전환 반응부(200)를 거친 후 이산화탄소 및 수소는 연료 개질기 하단으로 배출될 수 있다. 이때 필요에 따라 이산화탄소와 수소를 분리하기 위한 추가 수단이 더 제공될 수 있다.
연소 챔버(300)는 연료를 연소시켜 열을 발생시키고, 연료의 연소 후 생성된 배기가스는 연료 개질기의 하부를 거쳐 연료 개질기의 상부로 이동한 후 연료 개질기의 외부로 배출되도록 유로가 설계될 수 있다. 이에 따라 배기가스는 수증기 개질 반응부 및 수증기 공급부 중 적어도 일부 영역에 열을 전달하고 외부로 배출될 수 있다.
연소 챔버(300)의 상부에는 연료 연소를 위해 공기를 유입하는 유입구가 제공될 수 있다. 따라서, 연소 챔버(300)는 연료 개질기 상부로부터 공기를 공급받아 연소하여 열을 제공하고, 배기 가스는 연료 개질기의 아래쪽에서 위쪽으로 이동한 후 외부로 배출될 수 있다.
연소 챔버(300)에서 발생된 배기 가스는 우선적으로 연소가 발생하는 공간과 수증기 개질 반응부 사이로 유동될 수 있다. 이와 같이 연소 챔버(300)의 연소가 발생하는 공간과 수증기 개질 반응부가 직접 맞닿아 있지 않고, 배기 가스 유동로가 버퍼(buffer)로 제공되어 있어 과도한 열이 수증기 개질 반응부에 곧바로 전달되어 촉매를 손상시키는 것을 방지할 수 있다.
연소 챔버(300)에서 발생된 배기 가스는 다음으로 수증기 공급부 코일이 제공된 영역으로 유입될 수 있다. 이때, 배기 가스의 유입구는 위쪽에 제공하고 배기 가스의 배출구는 아래쪽에 제공하여 배기 가스가 수증기 공급부 코일이 제공된 공간을 전체적으로 가열한 후 빠져나갈 수 있도록 할 수 있다.
추가적으로 연료 개질기의 상부에는 공기 가열부(310)가 제공되고, 공기 가열부(310)의 입구 및 출구는 연소 챔버(300)의 입구와 인접하여 배치될 수 있다. 공기 가열부(310)는 앞서 설명한 연소 챔버(300)의 배기 가스 배출 영역과 맞닿아 제공될 수 있다. 따라서, 공기 가열부(310) 내부의 공기는 배기 가스에 의해 가열될 수 있다. 다만, 이 경우 공기 가열부(310)와 연소 챔버(300)는 서로 연결되지 않도록 분리하여, 배기 가스가 공기 가열부(310)로 유입되는 것을 막을 수 있다. 공기 가열부(310)에서 가열된 공기는 밀도 차이에 의하여 위로 상승하고, 연소 챔버(300) 내부로 유입될 수 있다. 이를 위하여 연소 챔버(300)의 입구와 공기 가열부(310)의 출구를 인접하여 배치할 수 있다. 가열된 공기가 연소 챔버(300) 내부로 유입될 경우, 보다 쉽게 고온의 연소 반응을 일으킬 수 있고, 연료 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료 개질기는 연료 전지 시스템에 장착하여 사용가능하며 이를 통해 안정적인 수소 생산을 도모할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기는 수소 에너지로 구동되는 차량 또는 선박에 장착하여 사용 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료 개질기는 수소 충전 시스템에 설치되되, 상기 수소 충전 시스템은 하이브리드 자동차 또는 수소 생산을 위한 플랜트 설비 또는 소규모 수소 충전 시스템에 모두 적용하여 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료 개질기는 연료 전지 시스템용 수소 제조 장치에 설치되어 사용 가능하며 중대형 또는 소규모 수소 제조 장치에 사용 될 수 있다.
상술한 것과 같이 연료 개질기는 다양한 부재와 연결되어 활용될 수 있는데, 대부분의 부재가 동심을 공유하는 원통 또는 중공관 형태로 제공되기 때문에 수직 방향으로의 길이를 대폭 줄일 수 있다. 이에 따라 연료 개질기를 설치하는 공간의 제약이 사라지기 때문에 차량 또는 소규모 수소 충전 시스템에 활용하기 적합하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
100: 수증기 개질 반응부
200: 저온전환 반응부
300: 연소 챔버
400: 수증기 공급부
200: 저온전환 반응부
300: 연소 챔버
400: 수증기 공급부
Claims (8)
- 수증기와 탄화수소 가스의 혼합물로부터 수소 및 일산화탄소를 포함하는 개질 가스를 생성하는 수증기 개질 반응부;
상기 수증기 개질 반응부로부터 상기 개질 가스를 공급받아, 상기 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 저온전환 반응부; 및
상기 수증기 개질 반응부 내부에 제공되는 연소 챔버를 포함하고,
상기 연소 챔버, 상기 수증기 개질 반응부 및 상기 저온전환 반응부는 동심(Co-center)을 갖도록 배치되며,
상기 동심으로부터 상기 연소 챔버, 상기 수증기 개질 반응부 및 상기 저온전환 반응부 순서로 배치되어 상기 연소 챔버에서 발생한 열이 상기 동심으로부터 멀어지는 방향으로 전달되는, 연료 개질기. - 제1항에 있어서,
상기 수증기 개질 반응부의 외주면을 따라 배치된 수증기 공급부를 더 포함하고,
상기 연료 개질기 하단부에 제공된 수증기 공급부 입구로 유입된 물은 상기 수증기 개질 반응부의 외주면을 따라 상승하면서 수증기로 전환되고, 상기 수증기 공급부는 전환된 수증기를 상기 수증기 개질 반응부 내부로 전달하는, 연료 개질기. - 제2항에 있어서,
상기 수증기 개질 반응부는
탄화수소 가스를 공급하는 탄화수소 가스 공급부;
수증기와 탄화수소 가스의 혼합물로부터 수소 및 일산화탄소를 포함하는 개질 가스를 생성하기 위한 개질 반응을 촉진하는 수증기 개질 촉매부;
탄화수소 가스와 수증기를 혼합하여 상기 수증기 개질 촉매부로 공급하는 혼합 가스 분배부를 더 포함하고,
상기 혼합 가스 분배부는 상기 수증기 개질 촉매부의 하단에 제공되며, 상기 수증기 개질 촉매부보다 작은 직경을 가져, 상기 혼합 가스 분배부로부터 배출된 수증기와 탄화수소 가스의 혼합물이 중공관 형태의 상기 수증기 개질 촉매부에 고르게 공급될 수 있도록 하는, 연료 개질기. - 제2항에 있어서,
상기 연소 챔버는 연료를 연소시켜 열을 발생시키고,
상기 연료의 연소 후 생성된 배기가스는 상기 연료 개질기의 하부를 거쳐 상기 연료 개질기의 상부로 이동한 후 상기 연료 개질기의 외부로 배출되도록 유로가 설계되어, 상기 수증기 개질 반응부 및 상기 수증기 공급부 중 적어도 일부 영역에 열을 전달하고 외부로 배출되는, 연료 개질기. - 제4항에 있어서,
상기 연료 개질기의 상부에는 공기 가열부가 제공되고, 상기 공기 가열부의 입구 및 출구는 상기 연소 챔버의 입구와 인접하여 배치되는, 연료 개질기. - 제2항에 있어서,
상기 수증기 공급부는 상기 수증기 개질 반응부의 적어도 일부 영역을 감는 코일 형태로 제공되는, 연료 개질기. - 제1항에 있어서,
상기 수증기 개질 반응부 내 공정 온도는 상기 저온전환 반응부 내 공정 온도보다 높은, 연료 개질기. - 제1항에 있어서,
상기 수증기 개질 반응부 및 상기 저온전환 반응부는 각각 상기 동심(Co-center)을 공유하는 중공관 형태를 갖는, 연료 개질기.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220119350A KR20240040401A (ko) | 2022-09-21 | 2022-09-21 | 연료 개질기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220119350A KR20240040401A (ko) | 2022-09-21 | 2022-09-21 | 연료 개질기 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240040401A true KR20240040401A (ko) | 2024-03-28 |
Family
ID=90482656
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220119350A KR20240040401A (ko) | 2022-09-21 | 2022-09-21 | 연료 개질기 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240040401A (ko) |
-
2022
- 2022-09-21 KR KR1020220119350A patent/KR20240040401A/ko unknown
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