WO2018124787A1 - 연료처리장치 - Google Patents

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최명훈
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주식회사 두산
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    • C01B2203/82—Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a fuel processing apparatus, and more particularly, to an improved fuel transfer apparatus through an optimal arrangement, improved heat transfer and cooling efficiency, stable reforming, and CO removal reaction, and advantageous for miniaturization of the apparatus.
  • a fuel processor used in a fuel cell system may include a reformer, a CO shift converter, and a CO remover.
  • the reformer reacts fuel gas such as methane with water vapor to produce hydrogen through an endothermic reaction through a burner.
  • the hydrogen produced in the reformer here usually contains carbon monoxide.
  • carbon monoxide is reacted with water vapor to convert carbon monoxide to carbon dioxide and produce additional hydrogen.
  • the carbon monoxide contained in the hydrogen during the CO denaturation is reduced from 10-15% to less than 1%.
  • Hydrogen which has passed through the CO-modifier, is introduced into the CO remover again, and the carbon monoxide is converted into carbon dioxide through a selective oxidation reaction on carbon monoxide.
  • the CO gas is removed from the fuel gas is supplied to the anode (anode) of the fuel cell stack, air (oxygen) is supplied to the cathode (cathode), the electrochemical reaction is carried out through the electrolyte membrane to generate a current, incidentally Water and heat are generated.
  • the generated current is collected through a current collector and converted to alternating current in an inverter and supplied to a load, and the generated heat is stored as hot water through a heat exchanger and used for hot water supply and heating.
  • the related art fields are continuously seeking to improve the performance of a fuel processing device for efficiently generating hydrogen, which is a main raw material of a fuel cell.
  • This research continues to further reduce the size of the device, improve the thermal efficiency through the recovery of the exhaust gas waste heat during the reformer, CO transformer and CO removal period disposed inside the device, and to improve the cooling capacity through the heat transfer between each other.
  • the present invention has been made to solve the problems in the related art as described above, the object of the present invention is to improve the heat transfer and cooling efficiency through the optimum arrangement, the reforming reaction and CO removal reaction is made stable, the size of the device It is to provide an advantageous fuel processing apparatus.
  • the present invention for achieving the above object relates to a fuel processing device, the heating body disposed on the upper side of the apparatus body, so as to heat the fuel reforming unit and the fuel reforming unit disposed on the center side of the apparatus body and the apparatus body.
  • the fuel cell may be connected to a fuel reforming unit and a CO modification reaction unit disposed below the apparatus body, and a proxy reaction unit connected to the CO modification reaction unit and disposed above the apparatus body.
  • the fuel reforming unit is connected to the fuel gas inlet and the fuel gas inlet arranged to be connected to the lower end of the device body, the inside of the device body so that the incoming fuel gas is moved upwards
  • a reforming catalyst layer connected to the first flow passage disposed in the first flow passage and connected to the reforming catalyst layer and the reforming catalyst layer disposed at an inner central side of the device body, disposed inside the first flow passage, and subjected to a reforming reaction. It may include a second flow path provided to move the fuel gas downward.
  • the CO modification reaction unit is disposed at the bottom of the device body and the CO modification catalyst layer disposed along the outer circumference of the fuel reforming unit under the device body, and the second flow path and the CO And a third flow path connecting the denaturation catalyst layer and a fourth flow path provided to connect the CO denaturation catalyst layer and the proxy reaction part outside the device body and to flow the fuel gas subjected to the CO modification catalyst reaction to the proxy reaction part.
  • a third flow path connecting the denaturation catalyst layer and a fourth flow path provided to connect the CO denaturation catalyst layer and the proxy reaction part outside the device body and to flow the fuel gas subjected to the CO modification catalyst reaction to the proxy reaction part.
  • the proxy reaction unit is disposed on one side of the CO removal catalyst layer and the CO removal catalyst layer disposed along the outer circumference of the heating unit at the upper side of the apparatus body, and connected to the fourth flow path.
  • the inlet and the other side of the CO removal catalyst layer it may include a proximal outlet for discharging the fuel gas passed through the CO removal catalyst reaction.
  • the heating unit, the center burner disposed in the upper center portion of the device body and the heat dispersing plate disposed on the upper end of the reforming catalyst layer at the lower side of the burner and the fuel reforming unit inside the device body may include an exhaust gas passage disposed along the outer circumference.
  • the heating unit may further include a side burner disposed along the circumference of the center burner.
  • the heat spreader may have a hemispherical shape protruding in the center burner direction, and the side burner may be disposed perpendicular to the surface of the heat spreader.
  • the embodiment of the present invention further includes a first heat exchanger connected to the heating unit and disposed between the heating unit and the CO modifying unit to exchange heat between the exhaust gas discharged from the heating unit and the CO modifying unit.
  • a first heat exchanger connected to the heating unit and disposed between the heating unit and the CO modifying unit to exchange heat between the exhaust gas discharged from the heating unit and the CO modifying unit. Can be.
  • the first heat exchange part is disposed along the outer circumference of the exhaust gas flow path, and is wound in a plurality of circuits along the inner circumference of the first heat exchange body and the first heat exchange body connected to the exhaust gas flow path.
  • the first heat transfer pipe is disposed and includes a first heat transfer pipe through which the heat transfer fluid flows, and may be configured to exchange heat between the exhaust gas flowing through the first heat exchange body and the heat transfer fluid flowing through the first heat transfer pipe.
  • the embodiment of the present invention may further include a proxy cooling unit disposed along the inner circumference of the proxy reaction unit to cool the proxy reaction unit.
  • the proxy cooling unit is disposed at one side of the cooler and the cooler disposed along the inner circumference of the CO removal catalyst layer, and is disposed at the cooling fluid inlet through which the heat transfer fluid is introduced and the other side of the cooler. It may include a cooling fluid outlet through which the heat transfer fluid flows out.
  • the embodiment of the present invention may further include a second heat exchanger connected between the proxy cooling unit and the first heat exchanger to exchange heat between the exhaust gas and the heat transfer fluid.
  • the second heat exchange part is disposed along the outer circumference of the first heat exchange body, and the second heat exchange body includes an inflow hole through which the heat transfer fluid flows in and an outflow hole through which the heat transfer fluid flows out; It is disposed on the second heat exchange body, and may be connected to the first heat exchange body, and may include a second heat transfer pipe through which exhaust gas flows.
  • the outlet hole of the second heat exchange body may be configured to be connected to the cooling fluid inlet.
  • the cooling fluid outlet may be configured to be connected to the fuel gas inlet.
  • the cooling efficiency of the catalyst layer in which the heat transfer and the exothermic reaction by the waste heat recovery of the exhaust gas occurs through the optimal arrangement of the fuel reforming unit, the CO modification reaction unit, and the PROX reaction unit.
  • the optimum arrangement enables the device to be miniaturized.
  • FIG. 1 is a perspective view of a fuel processing device of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the invention shown in FIG. 1; FIG.
  • FIG. 3 is a view showing the flow of fuel gas in the invention shown in FIG.
  • FIG. 4 is a view showing the flow of exhaust gas in the invention shown in FIG.
  • FIG. 5 is a view showing the flow of the heat transfer fluid in the invention shown in FIG.
  • FIG. 8 is a view showing another form of the burner in the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of a fuel processing apparatus of the present invention
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line AA ′ of the invention shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a view showing a flow of fuel gas in the invention shown in FIG.
  • Figure 2 is a view showing the flow of exhaust gas in the invention shown in Figure 2
  • Figure 5 is a view showing the flow of heat transfer fluid in the invention shown in Figure 2
  • the arrangement position of the inlet or outlet may be changed slightly. However, since improvement of thermal efficiency and cooling capacity through flow is an important feature of the present invention, it may be considered that the arrangement position is changed within a range that can be obvious to those skilled in the art.
  • the unit 500 may include a first heat exchanger 610, a second heat exchanger 650, and a proxy cooler 630.
  • the device body 200 may be generally implemented in a cylindrical shape, and may be made of a material having high heat resistance and rigidity that can withstand high heat and impact.
  • a plurality of support beams connected to the disc-shaped support plate 252 and the support plate 252 and supporting the device body 200 so that the device body 200 can be stably supported at the bottom of the device body 200. 251 may be provided.
  • the fuel reforming unit 300 may be disposed in a space separately partitioned inside the central side of the apparatus body 200.
  • the fuel reforming unit 300 may include a fuel gas inlet 310, a first flow path 320, a reforming catalyst layer 330, and a second flow path 340.
  • the fuel gas inlet 310 may be arranged to be connected to the lower end of the device body 200, the first flow path 320 is connected to the fuel gas inlet 310, and the inlet fuel gas is upward. It may be disposed inside the device body 200 to move to.
  • the reforming catalyst layer 330 may be connected to the first flow channel 320, and may be disposed at an inner central side of the device body 200, and the second flow channel 340 may be connected to the reforming catalyst layer 330. And a fuel gas that is disposed inside the first flow path 320 and that passes through the reforming catalyst layer 330 to be moved downward.
  • the reforming catalyst layer 330 generates a reformed gas (one form of fuel gas) in which hydrogen and carbon monoxide are mixed by a hydrocarbon-steam reforming reaction (endothermic reaction; proper catalyst reaction temperature 400 to 650 ° C.).
  • the concept of the reformed gas is a reformed reaction gas of fuel gas, which contains hydrogen and carbon monoxide, and refers to the fuel gas before the entry of the CO-modified catalyst layer 410 to be discussed below.
  • the CO modification reaction unit 400 may be connected to the fuel reforming unit 300 and disposed below the apparatus body 200.
  • the CO modification reaction unit 400 may include a CO modification catalyst layer 410, a third flow passage 420, and a fourth flow passage 430.
  • the CO modified catalyst layer 410 may be disposed along the outer circumference of the fuel reforming unit 300 at the lower side of the device body 200, and the third flow path 420 may be a lower end of the device body 200.
  • the second flow path 340 may be provided to connect the CO-modified catalyst layer 410.
  • the fourth flow path 430 connects the CO-modified catalyst layer 410 and the proxy reaction part 500 from the outside of the apparatus body 200 and supplies the fuel gas that has undergone the CO-modified catalyst reaction to the proxy reaction part ( 500).
  • CO-modified catalyst layer 410 carbon monoxide is changed to carbon dioxide through a CO modification reaction (exothermic reaction; proper catalyst reaction temperature 1 to 250 ° C.) in the reformed gas generated in the reformed catalyst layer 330, thereby reducing the carbon monoxide ratio in the fuel gas. Reduced.
  • CO modification reaction exothermic reaction; proper catalyst reaction temperature 1 to 250 ° C.
  • carbon monoxide reacts with water to generate hydrogen, and carbon monoxide is converted into carbon dioxide through an oxidation reaction.
  • the proxy reaction unit 500 may be connected to the CO denaturation reaction unit 400 and disposed above the apparatus body 200.
  • the proxy reaction unit 500 may include a CO removal catalyst layer 510, a proxy inlet 520, and a proxy outlet 530.
  • the CO removal catalyst layer 510 may be disposed along the outer circumference of the heating unit 290 at the upper side of the device body 200, and the proxy inlet 520 may be disposed at one side of the CO removal catalyst layer 510. It may be disposed and connected to the fourth flow path 430. In addition, the proxy outlet 530 may be disposed at the other side of the CO removal catalyst layer 510 and may be provided to discharge fuel gas that has undergone the CO removal catalyst reaction.
  • carbon monoxide is changed to carbon dioxide through a carbon monoxide selective oxidation reaction (PROX; exothermic reaction, proper catalyst reaction temperature 80-160 ° C.) of the fuel gas generated in the CO-modified catalyst layer 410. This further reduces the proportion of carbon monoxide in the fuel gas.
  • the target content of carbon monoxide is 10 ppm or less in fuel gas.
  • carbon monoxide reacts with oxygen to change to carbon dioxide, and carbon monoxide in the fuel gas is removed.
  • the heating unit 290 may be disposed above the apparatus body 200 to heat the fuel reforming unit 300.
  • the heating unit 290 may include a center burner 292, a heat dissipation plate 293, and an exhaust gas flow passage 297 connected to the lower end of the burner body 291.
  • the center burner 292 may be disposed at an upper center portion of the apparatus body 200, and the heat dissipation plate 293 may be disposed at an upper end of the fuel reforming unit 300 at the lower side of the burner.
  • the exhaust gas passage 297 may be disposed along the outer circumference of the fuel reforming unit 300 in the apparatus body 200.
  • FIGS. 6 to 8 another form of the heating unit 290 is illustrated.
  • a side burner 294 may be additionally disposed along the circumference of the center burner 292.
  • the side burner 294 may be disposed on a ring-shaped side pipe 294a formed integrally with the connection pipe 292a connected to the center burner 292. Therefore, a plurality of side burners 294 may be disposed in a radial direction.
  • the reforming catalyst layer 330 can be heated more uniformly.
  • the side burner 294 is disposed on the side pipe 294a with an angle ⁇ formed in the heat dispersing plate 293 direction.
  • the heat dissipation plate 293 may be processed into a hemispherical shape protruding toward the center burner 292.
  • the angle formed by the side burner 294 may be formed to be perpendicular to the surface of the heat dissipation plate 293.
  • the reforming catalyst layer 330 may receive heat not only on the top but also on the side thereof, thereby directly receiving heat in a wider area, which enables more uniform heating.
  • the first heat exchanger 610 is connected to the heating unit 290 and heat exchanges between the exhaust gas discharged from the heating unit 290 and the CO modification unit, such that the heating unit 290 and the CO modification unit It can be placed in between.
  • the first heat exchanger 610 may include a first heat exchanger body 611 and a first heat transfer pipe 612.
  • the first heat exchange body 611 may be disposed along the outer circumference of the exhaust gas flow passage 297, and may be provided to be connected to the exhaust gas flow passage 297 through an exhaust gas connection hole 613, and the first heat transfer pipe may be provided. 612 may be disposed to be wound in a plurality of times along the inner circumference of the first heat exchange body 611, and may be provided to flow a heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid may be water. Specifically, it may be DI water (Deionized water) from which the ionic component has been removed, and in the present invention, may be used in a steam state.
  • DI water Deionized water
  • the proxy cooling part may be disposed along an inner circumference of the proxy reaction part 500 to cool the proxy reaction part 500.
  • the proxy cooling unit may include a cooler 631, a cooling fluid inlet 632, and a cooling fluid outlet 633.
  • the cooler 631 may be disposed along an inner circumference of the CO removal catalyst layer 510.
  • the cooling fluid inlet 632 may be disposed at one side of the cooler 631, and may be a portion into which a heat transfer fluid is introduced.
  • the cooling fluid outlet 633 is disposed at the other side of the cooler 631. May be an outflow portion.
  • the second heat exchange part 650 may be provided to be connected between the proxy cooling part and the first heat exchange part 610 to exchange heat between the exhaust gas and the heat transfer fluid.
  • the second heat exchange part 650 may include a second heat exchange body 651 and a second heat transfer pipe 655.
  • the second heat exchange body 651 may be disposed along the outer circumference of the first heat exchange body 611, and may have an inflow hole through which a heat transfer fluid flows in and an outflow hole through which the heat transfer fluid flows out.
  • the second heat transfer pipe 655 may be disposed on the second heat exchange body 651, connected to the first heat exchange body 611, and provided to allow exhaust gas to flow.
  • the outlet hole of the second heat exchange body 651 may be connected to the cooling fluid inlet 632, the cooling fluid outlet 633 may be connected to the fuel gas inlet (310).
  • the configuration of the present invention is as described above, in the following to examine the flow of the fuel gas, heat transfer fluid and exhaust gas to look at the operation of the present invention, to look at the overall thermal efficiency and cooling capacity improvement.
  • the fuel is supplied from the fuel supply unit 230, and the fuel is mixed with the heat transfer fluid (water in a vapor state) that is heated through heat exchange with the exhaust gas in the first heat exchanger 610 and flows out of the first outlet hole 615.
  • the gas flows to the fuel gas inlet 310 disposed at the bottom of the apparatus body 200.
  • the fuel is methane, and the fuel gas is a mixture of methane and steam water.
  • the fuel gas introduced into the fuel gas inlet 310 flows into the first flow path 320 formed at the center of the device body 200. Fuel gas moved upward along the first flow path 320 reaches the reforming catalyst layer 330.
  • the reformed fuel gas (reformed gas) is collected into the second flow path 340 formed inside the first flow path 320 and moves again to the downward direction of the device body 200.
  • a third flow path 420 is formed in a horizontal direction at a lower end of the second flow path 340, and the fuel gas is moved along the third flow path 420 in the outer circumferential direction of the device body 200, and then CO modification is performed. It is introduced into the catalyst layer 410.
  • the fuel gas is further modified into carbon monoxide through the oxidation reaction in the CO-modified catalyst layer 410.
  • heat is supplied from the exhaust gas flowing through the first heat exchange body 611 to form an appropriate reaction temperature. This maintains the proper reaction temperature of 180 ⁇ 250 °C.
  • the fuel gas passing through the CO denaturing catalyst layer 410 now flows into the fourth flow path 430 and is introduced into the CO removal catalyst layer 510 through the proxy inlet 520 connected to the fourth flow path 430.
  • Fuel gas is reduced to less than 10ppm carbon monoxide content through the carbon monoxide selective oxidation reaction in the CO removal catalyst layer 510, flows in the circumferential direction to the fuel cell (F) through the proximal outlet 530 formed on the opposite side It will flow in.
  • the heating raw material (methane + air) is injected into the center burner 292 through the heating raw material inlet 295 through the heating raw material supply unit 210.
  • unreacted exhaust gas is injected through the unreacted raw material inlet 296 from the stack of the fuel cell.
  • This unreacted raw material may be a mixture of hydrogen and other gases, and the stack typically consumes about 70-80% of hydrogen and is discharged in an unreacted state of about 20-30%. Will increase.
  • the injected heating and unreacted raw materials are ignited in the center burner 292 to heat the heat dissipation plate 293 and to be used to form an appropriate reaction temperature of the reforming catalyst layer 330.
  • the exhaust gas discharged after combustion descends downward along the exhaust gas flow passage 297 formed along the outer circumference of the first flow passage 320, and then flows into the first heat exchange body 611 through the exhaust gas connection hole 613. .
  • the first heat exchange body 611 moves upward, and the exhaust gas transfers heat to the CO-modified catalyst layer 410.
  • a first heat transfer pipe 612 is provided inside the first heat exchange body 611 and provided in a circumferential direction a plurality of times, and a heat transfer fluid flows inside the first heat transfer pipe 612.
  • the exhaust gas also transfers heat to the heat transfer fluid flowing through the first heat transfer pipe 612 to heat the heat transfer fluid.
  • the first heat exchange body 611 is connected by the second heat transfer pipe 655 and the exhaust gas connection pipe 656, and the exhaust gas flowing through the first heat exchange body 611 flows through the second heat transfer pipe 655.
  • the exhaust gas outlet 657 is discharged to the atmosphere A.
  • the second heat transfer pipe 655 is disposed inside the second heat exchange body 651, and heats the heat transfer fluid injected into the second heat exchange body 651 while flowing inside the second heat transfer pipe 655. Will be delivered.
  • the exhaust gas not only transfers heat to the heat transfer fluid step by step in the first and second heat exchange parts 610 and 650, but also heats the CO-denatured catalyst layer 410, thereby recycling the waste heat of the exhaust gas as much as possible. .
  • the heat transfer fluid is supplied through the heat transfer fluid supply unit 220.
  • the heat transfer fluid used in the present invention is water, but is not necessarily limited thereto.
  • the heat transfer fluid is introduced into the second heat exchange body 651 through the second inflow hole 652. At this time, the heat is supplied from the exhaust gas flowing through the second heat transfer pipe 655.
  • the cooling fluid refers to a heat transfer fluid, but is used to cool the CO removal catalyst layer 510, and thus, the expression cooling fluid will be used interchangeably.
  • the heat transfer fluid supplied to the cooling fluid inlet 632 cools the CO removal catalyst layer 510 while flowing through the cooler 631 disposed in the circumferential direction. Since the heat transfer fluid is water and the steam temperature is about 100 ° C., heat is removed from the exothermic reaction of the carbon monoxide selective oxidation reaction to maintain an appropriate reaction temperature of 80 to 160 ° C. of the CO removal catalyst layer 510.
  • the heat transfer fluid flows out through the cooling fluid outlet 633 disposed on the opposite side of the cooler 631.
  • the cooling fluid outlet 633 is connected to the first inlet hole 614, and thus, the first inlet hole 614. ) Flows into the first heat transfer pipe 612.
  • the heat transfer fluid flows through the inside of the first heat transfer pipe 612, the heat transfer fluid receives heat from the exhaust gas flowing through the inside of the first heat exchange body 611 and is heated.
  • the heat transfer fluid is discharged to the outside through the first outlet hole 615 connected to the first heat transfer pipe 612, mixed with the fuel supplied from the fuel supply unit 230, and becomes a fuel gas, thereby again providing a fuel gas inlet ( 310 is introduced into the device body 200 through.
  • the heat transfer fluid receives heat from the exhaust gas while flowing through the second heat exchange body 651 and the first heat transfer pipe 612 except when the heat transfer fluid is supplied from the first heat transfer fluid supply unit 220, and while the coolant 631 flows through the heat transfer fluid. Since heat is received from the CO removal catalyst layer 510, most of the state can be maintained in a vapor state.
  • the present invention recovers the waste heat of the exhaust gas as much as possible through the optimum arrangement and operation of the various catalyst layers, heat exchange and cooling as described above, and by maintaining the proper reaction temperature of the various catalyst layers, thermal efficiency and cooling of the fuel processing apparatus 100 Improve your skills.
  • the present invention relates to a fuel processing apparatus, and is an industrial field applicable to fuel cell systems.

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Abstract

본 발명은 연료처리장치에 관한 것으로, 장치바디와 상기 장치바디의 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 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 최적의 배치를 통해 열전달 및 냉각효율이 개선되고 개질반응 및 CO제거반응이 안정적으로 이뤄지며, 장치의 소형화에 유리한 효과가 있다.

Description

연료처리장치
본 발명은 연료처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최적의 배치를 통해 열전달 및 냉각효율이 개선되고 개질반응 및 CO제거반응이 안정적으로 이뤄지며, 장치의 소형화에 유리한 연료처리장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지시스템에 사용되는 연료처리장치는 개질기(reformer), CO 변성기(CO shift converter) 및 CO 제거기(remover)를 포함하여 구성될 수 있다.
개질기는 메탄과 같은 연료가스를 수증기와 반응시켜 버너를 통한 흡열반응을 통해 수소를 생성하게 된다. 여기서 개질기에서 생성된 수소는 일산화탄소가 통상 포함되어 있다.
이러한 일산화탄소가 포함된 수소가 그대로 연료전지시스템에 공급되면, 연료전지 내부에서 반응촉매에 피독을 일으켜 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있다.
따라서, 생성된 수소를 연료전지시스템에 공급하기 전에 일산화탄소를 제거해야 하며, 이때 CO 변성기 및 CO 제거기가 사용되게 된다.
CO 변성기에서는 일산화탄소를 수증기와 반응시켜, 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시키고, 추가적인 수소를 생성한다. CO 변성기를 거치는 동안 수소내 함유되어 있던 일산화탄소는 10~15%에서 1%이하로 감소하게 된다.
CO 변성기를 거친 수소는 다시 CO 제거기로 유입되고, 일산화탄소에 대한 선택산화반응을 통해 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시켜, 통상 10ppm 이하로 감소하게 된다.
이와 같이 CO가 제거된 연료가스는 연료전지 스택의 연료극(anode)으로 공급되고, 공기극(cathode)으로는 공기(산소)가 공급되어 전해질막을 매개로 전기화학반응이 이뤄져 전류가 생성되고, 부수적으로 물과 열이 발생한다.
생성된 전류는 집전체(current collector)를 통해 집전되고 인버터(inverter)에서 교류로 전환되어 부하에 공급되며, 발생된 열은 열교환기를 통해 온수로 저장되어 급탕 및 난방용으로 사용되기도 한다.
현재 연료전지는 그 활용범위가 점차 넓어지고 있는 추세이며, 선진국에서는 앞다투어 연료전지의 개량 및 효율 향상을 위한 투자를 지속적으로 하고 있다.
우리나라도 연료전지를 미래 친환경 에너지원으로 보고, 적극적인 투자에 나서고 있는 추세이다.
이에 따라 관련 기술분야에서는 연료전지의 주원료인 수소의 효율적 생성을 위한 연료처리장치의 성능 개선을 지속적으로 모색하고 있다. 이는 장치를 보다 소형화하고, 장치 내부적으로 배치된 개질기, CO 변성기 및 CO 제거기간의 배가스 폐열 회수를 통한 열효율 향상 및 상호간의 열전달을 통한 냉각능력 향상을 위한 연구가 계속되고 있다.
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 최적의 배치를 통해 열전달 및 냉각효율이 개선되고 개질반응 및 CO제거반응이 안정적으로 이뤄지며, 장치의 소형화에 유리한 연료처리장치를 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 연료처리장치에 관한 것으로, 장치바디와 상기 장치바디의 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 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연료개질부는, 상기 장치바디의 하단과 연결되어 배치되는 연료가스 유입구와 상기 연료가스 유입구와 연결되고, 유입되는 연료가스가 상방향으로 이동되도록 상기 장치바디의 내부에 배치되는 제1 유로와 상기 제1 유로와 연결되고, 상기 장치바디의 내부 중앙측에 배치되는 개질촉매층 및 상기 개질촉매층과 연결되고, 상기 제1 유로의 내측에 배치되며, 개질촉매반응을 거친 연료가스를 하방향으로 이동되도록 제공되는 제2 유로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 CO변성반응부는, 상기 장치바디의 하측에서 상기 연료개질부의 외측 둘레를 따라 배치되는 CO변성촉매층과 상기 장치바디의 하단에 배치되고, 상기 제2 유로와 상기 CO변성촉매층을 연결하는 제3 유로 및 상기 장치바디의 외부에서 상기 CO변성촉매층과 상기 프록스반응부를 연결하고, CO변성촉매반응을 거친 연료가스를 상기 프록스반응부로 흐르도록 제공되는 제4 유로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 프록스반응부는, 상기 장치바디의 상측에서 상기 가열부의 외측 둘레를 따라 배치되는 CO제거촉매층과 상기 CO제거촉매층의 일측에 배치되고, 상기 제4 유로와 연결되는 프록스 유입구 및 상기 CO제거촉매층의 타측에 배치되고, CO제거촉매반응을 거친 연료가스를 배출하는 프록스 유출구를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 가열부는, 상기 장치바디의 상측 중앙부에 배치되는 센터버너와 상기 버너의 하측에서 상기 개질촉매층의 상단에 배치되는 열분산판 및 상기 장치바디의 내부에서 상기 연료개질부의 외측 둘레를 따라 배치되는 배가스유로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 가열부는, 상기 센터버너의 둘레를 따라 배치되는 사이드버너를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 열분산판은, 상기 센터버너 방향으로 돌출된 반구 형상일 수 있으며, 상기 사이드버너는 상기 열분산판의 표면에 수직하게 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 가열부와 연결되고, 상기 가열부에서 배출되는 배가스와 상기 CO변성부간에 열교환되도록, 상기 가열부와 상기 CO변성부 사이에 배치되는 제1 열교환부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 열교환부는, 상기 배가스유로의 외측 둘레를 따라 배치되고, 상기 배가스유로와 연결되는 제1 열교환몸체 및 상기 제1 열교환몸체의 내부 둘레를 따라 복수회로 감기며 배치되고, 열전달유체가 흐르는 제1 열전달파이프를 포함하되, 상기 제1 열교환몸체를 흐르는 배가스와 상기 제1 열전달파이프를 흐르는 열전달유체간에 열교환되도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 프록스반응부를 냉각하도록, 상기 프록스반응부의 내측 둘레를 따라 배치되는 프록스냉각부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 프록스냉각부는, 상기 CO제거촉매층의 내측 둘레를 따라 배치되는 냉각기와 상기 냉각기의 일측에 배치되고, 열전달유체가 유입되는 냉각유체 유입구 및 상기 냉각기의 타측에 배치되고, 열전달유체가 유출되는 냉각유체 유출구를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 배가스와 열전달 유체간에 열교환되도록, 상기 프록스냉각부와 상기 제1 열교환부간에 연결되는 제2 열교환부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 열교환부는, 상기 제1 열교환몸체의 외측 둘레를 따라 배치되고, 열전달유체가 유입되는 유입홀과 열전달유체가 유출되는 유출홀이 구비되는 제2 열교환몸체 및 상기 제2 열교환몸체에 배치되고, 상기 제1 열교환몸체와 연결되며, 배가스가 흐르는 제2 열전달파이프를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 열교환몸체의 유출홀은 상기 냉각유체 유입구와 연결되도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 냉각유체 유출구는 상기 연료가스 유입구와 연결되도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료개질부, CO변성반응부 및 프록스(PROX)반응부의 최적의 배치를 통해 배가스의 폐열 회수에 의한 열전달 및 발열반응이 일어나는 촉매층의 냉각효율이 향상되게 된다.
이는 장치 내부에서 연료전지에 사용되는 연료에 대한 개질반응 및 CO제거반응이 안정적으로 이뤄지도록 하게 되고, 궁극적으로는 장치의 성능을 향상시키게 된다.
또한 이러한 최적의 배치를 통해 장치의 소형화가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명인 연료처리장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 발명에 대한 A-A' 정단면도.
도 3는 도 2에 도시된 발명에서 연료가스의 흐름을 나타낸 도면.
도 4는 도 2에 도시된 발명에서 배가스의 흐름을 나타낸 도면.
도 5는 도 2에 도시된 발명에서 열전달유체의 흐름을 나타낸 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명 중 버너의 다른 형태를 나타낸 도면.
도 8는 본 발명 중 버너의 또 다른 형태를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 연료처리장치의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명인 연료처리장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 발명에 대한 A-A' 정단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 발명에서 연료가스의 흐름을 나타낸 도면이며, 도 4는 도 2에 도시된 발명에서 배가스의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 2에 도시된 발명에서 열전달유체의 흐름을 나타낸 도면이며, 도 6 및 도 7은 본 발명 중 버너의 다른 형태를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명 중 버너의 또 다른 형태를 나타낸 도면이다.
도면상에서 연료가스, 열전달유체 및 배가스의 흐름에 대한 이해를 돕기 위해, 유입구 또는 유출구의 배치위치는 약간씩 변경될 수 있다. 다만 흐름을 통한 열효율 및 냉각능력 개선이 본 발명의 중요한 특징이므로, 통상의 기술자가 자명하게 인식될 수 있는 범위내에서 배치위치가 변경되는 것은 고려될 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 발명인 연료처리장치(100)의 실시예에서는 장치바디(200), 연료개질부(300), 가열부(290), CO변성반응부(400), 프록스반응부(500), 제1 열교환부(610), 제2 열교환부(650) 및 프록스 냉각부(630)를 포함하여 구성될 수 있다.
우선 상기 장치바디(200)는 전반적으로 원통형상으로 구현될 수 있으며, 높은 열과 충격에 견딜 수 있는 내열성 및 강성이 높은 재질로 이뤄질 수 있다. 또한 장치바디(200)의 하단에는 장치바디(200)가 안정적으로 지지될 수 있도록, 원판형상의 받침판(252) 및 받침판(252)과 연결되며 장치바디(200)를 지지하는 복수의 지지빔(251)이 구비될 수 있다.
다음 상기 연료개질부(300)는 도 2를 참고하면, 상기 장치바디(200)의 중앙측 내부에 별도로 구획된 공간에 배치될 수 있다.
이러한 연료개질부(300)는 연료가스 유입구(310), 제1 유로(320), 개질촉매층(330) 및 제2 유로(340)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 연료가스 유입구(310)는 상기 장치바디(200)의 하단과 연결되어 배치될 수 있으며, 상기 제1 유로(320)는 상기 연료가스 유입구(310)와 연결되고, 유입되는 연료가스가 상방향으로 이동되도록 상기 장치바디(200)의 내부에 배치될 수 있다.
상기 개질촉매층(330)은 상기 제1 유로(320)와 연결되고, 상기 장치바디(200)의 내부 중앙측에 배치될 수 있으며, 상기 제2 유로(340)는 상기 개질촉매층(330)과 연결되고, 상기 제1 유로(320)의 내측에 배치되며, 개질촉매층(330)을 거친 연료가스를 하방향으로 이동되도록 제공될 수 있다.
상기 개질촉매층(330)에서는 하이드로카본-수증기 개질반응(흡열반응 ; 적정촉매 반응온도 400~650℃ )에 의해 수소 및 일산화탄소가 혼합된 개질가스(연료가스 중 일 형태)를 생성하게 된다.
개질가스의 개념은 연료가스 중 개질반응을 거친 가스로서, 수소 및 일산화탄소를 함유하고 있으며, 이하 검토할 CO변성촉매층(410) 진입 전단계의 연료가스를 지칭한다.
기본 화학반응식은 CH4 + H2O → CO + 3H2 와 같다. 물론 장치마다 약간 다를 수 있으나, 통상의 기술자에게 자명한 범위내에서는 유추적용될 수 있다. 즉 메탄과 물이 혼합되어 개질촉매층(330)에 유입되면, 연료개질부(300)의 촉매층에서 화학반응이 일어나 수소와 일산화탄소가 생성되게 된다.
연료처리장치(100)상에서 연료가스의 흐름에 대해서는 도 3을 설명할 때, 자세히 살펴보도록 한다.
다음 상기 CO변성반응부(400)는 상기 연료개질부(300)와 연결되고, 상기 장치바디(200)의 하측에 배치될 수 있다. 이러한 CO변성반응부(400)는 CO변성촉매층(410), 제3 유로(420) 및 제4 유로(430)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 CO변성촉매층(410)은 상기 장치바디(200)의 하측에서 상기 연료개질부(300)의 외측 둘레를 따라 배치될 수 있으며, 상기 제3 유로(420)는 상기 장치바디(200)의 하단에 배치되고, 상기 제2 유로(340)와 상기 CO변성촉매층(410)을 연결하도록 제공될 수 있다.
상기 제4 유로(430)는 상기 장치바디(200)의 외부에서 상기 CO변성촉매층(410)과 상기 프록스반응부(500)를 연결하고, CO변성촉매반응을 거친 연료가스를 상기 프록스반응부(500)로 흐르도록 제공될 수 있다.
상기 CO변성촉매층(410)에서는 개질촉매층(330)에서 생성된 개질가스를 CO변성반응(발열반응 ; 적정촉매 반응온도 1~250℃)을 통해 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시켜, 연료가스 내 일산화탄소 비율을 감소시키게 된다.
화학반응식은 CO + H2O → H2 + CO2 와 같다. 물론 장치마다 약간 다를 수 있으나, 통상의 기술자에게 자명한 범위내에서는 유추적용될 수 있다.
즉 일산화탄소가 물과 반응하며, 수소를 추가적으로 생성하게 되고, 일산화탄소는 산화반응을 통해 이산화탄소로 변성되게 된다.
다음 상기 프록스반응부(500)는 상기 CO변성반응부(400)와 연결되고, 상기 장치바디(200)의 상측에 배치될 수 있다. 이러한 프록스반응부(500)는 CO제거촉매층(510), 프록스 유입구(520) 및 프록스 유출구(530)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 CO제거촉매층(510)은 상기 장치바디(200)의 상측에서 상기 가열부(290)의 외측 둘레를 따라 배치될 수 있으며, 상기 프록스 유입구(520)는 상기 CO제거촉매층(510)의 일측에 배치되고, 상기 제4 유로(430)와 연결될 수 있다. 그리고 상기 프록스 유출구(530)는 상기 CO제거촉매층(510)의 타측에 배치되고, CO제거촉매반응을 거친 연료가스를 배출하도록 제공될 수 있다.
상기 CO제거촉매층(510)에서는 CO변성촉매층(410)에서 생성된 연료가스를 일산화탄소 선택적 산화반응(PROX;preferential oxidation reaction, 발열반응, 적정촉매 반응온도 80~160℃)을 통해 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시켜, 연료가스 내 일산화탄소의 비율을 보다 더 감소시키게 된다. 이때 목표되는 일산화탄소의 함유량은 연료가스 내 10ppm이하이다.
화학반응식은 2CO + O2 → 2CO2 와 같다. 물론 장치마다 약간 다를 수 있으나, 통상의 기술자에게 자명한 범위내에서는 유추적용될 수 있다.
즉 일산화탄소가 산소와 반응하여 이산화탄소로 변화되며, 연료가스 내 일산화탄소가 제거되는 것이다.
상기 연료개질부(300), CO변성반응부(400) 및 프록스반응부(500)에서의 연료가스 흐름에 대한 자세한 사항은 도 3을 설명할 때, 살펴보도록 한다.
다음 상기 가열부(290)는 도 2를 참고하면, 상기 연료개질부(300)를 가열하도록, 상기 장치바디(200)의 상측에 배치될 수 있다. 이러한 가열부(290)는 버너몸체(291)의 하단에 연결된 센터버너(292), 열분산판(293), 배가스유로(297)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 센터버너(292)는 상기 장치바디(200)의 상측 중앙부에 배치될 수 있으며, 상기 열분산판(293)은 상기 버너의 하측에서 상기 연료개질부(300)의 상단에 배치될 수 있다. 그리고 상기 배가스유로(297)는 상기 장치바디(200)의 내부에서 상기 연료개질부(300)의 외측 둘레를 따라 배치될 수 있다.
한편, 도 6 내지 도 8을 살펴보면, 상기 가열부(290)의 다른 형태가 도시되어 있다.
우선 도 6 및 도 7을 참고하면, 상기 센터버너(292)의 둘레를 따라 사이드버너(294)가 추가로 배치될 수 있다.
사이드버너(294)는 상기 센터버너(292)와 연결되어 있는 연결파이프(292a)와 일체로 형성되어 있는 링 형상의 사이드파이프(294a)상에 배치될 수 있다. 따라서 상기 사이드버너(294)는 방사방향으로 복수개가 배치될 수 있다.
이와 같은 배치를 통해 열분산판(293)을 센터버너(292)뿐만 아니라 사이드버너(294)에서 동시에 가열하게 되므로, 개질촉매층(330)을 보다 균일하게 가열할 수 있게 된다.
다음 도 8을 참고하면, 사이드버너(294)가 사이드파이프(294a)상에서 열분산판(293) 방향으로 각도(θ)가 형성되어 배치된 것을 볼 수 있다. 이때 열분산판(293)은 상기 센터버너(292) 방향으로 돌출된 반구 형상으로 가공될 수 있다. 여기서 상기 사이드버너(294)가 형성하는 각도는 상기 열분산판(293)의 표면과 직각을 이루도록 형성될 수 있다.
열분산판(293)이 반구 형상으로 가공되면, 개질촉매층(330)은 상부뿐만 아니라 측부도 열을 받을 수 있어, 보다 넓은 영역에서 직접 열을 받게 되어, 이는 보다 더 균일한 가열을 가능하게 한다.
사이드버너(294) 또한 열분산판(293)의 표면과 직각을 이루도록 각도 배치되므로, 가열 중 에너지 낭비를 최소화할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 다양한 형태의 버너 구조가 제시될 수 있으며, 통상의 기술자에게 자명한 범위까지 유추적용될 수 있을 것이다.
다음 상기 제1 열교환부(610)는 상기 가열부(290)와 연결되고, 상기 가열부(290)에서 배출되는 배가스와 상기 CO변성부간에 열교환되도록, 상기 가열부(290)와 상기 CO변성부 사이에 배치될 수 있다.
이러한 상기 제1 열교환부(610)는 제1 열교환몸체(611) 및 제1 열전달파이프(612)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1 열교환몸체(611)는 상기 배가스유로(297)의 외측 둘레를 따라 배치되고, 배가스연결홀(613)을 통해 상기 배가스유로(297)와 연결되도록 제공될 수 있으며, 상기 제1 열전달파이프(612)는 상기 제1 열교환몸체(611)의 내부 둘레를 따라 복수회로 감기며 배치되고, 열전달유체가 흐르도록 제공될 수 있다.
여기서 열전달유체는 물일 수 있다. 자세하게는 이온성분이 제거된 DI water(Deionized water)일 수 있으며, 본 발명에서는 증기(steam) 상태에서 사용될 수 있다.
다음 상기 프록스냉각부는 상기 프록스반응부(500)를 냉각하도록, 상기 프록스반응부(500)의 내측 둘레를 따라 배치될 수 있다. 이러한 프록스냉각부는 냉각기(631), 냉각유체 유입구(632) 및 냉각유체 유출구(633)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 냉각기(631)는 상기 CO제거촉매층(510)의 내측 둘레를 따라 배치될 수 있다. 상기 냉각유체 유입구(632)는 상기 냉각기(631)의 일측에 배치되고, 열전달유체가 유입되는 부분일 수 있으며, 상기 냉각유체 유출구(633)는 상기 냉각기(631)의 타측에 배치되고, 열전달유체가 유출되는 부분일 수 있다.
다음 상기 제2 열교환부(650)는 배가스와 열전달 유체간에 열교환되도록, 상기 프록스냉각부와 상기 제1 열교환부(610)간에 연결되도록 제공될 수 있다. 이러한 제2 열교환부(650)는 제2 열교환몸체(651) 및 제2 열전달파이프(655)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제2 열교환몸체(651)는 상기 제1 열교환몸체(611)의 외측 둘레를 따라 배치되고, 열전달유체가 유입되는 유입홀과 열전달유체가 유출되는 유출홀이 구비될 수 있다. 그리고 상기 제2 열전달파이프(655)는 상기 제2 열교환몸체(651)에 배치되고, 상기 제1 열교환몸체(611)와 연결되며, 배가스가 흐르도록 제공될 수 있다.
한편, 상기 제2 열교환몸체(651)의 유출홀은 상기 냉각유체 유입구(632)와 연결되고, 상기 냉각유체 유출구(633)는 상기 연료가스 유입구(310)와 연결될 수 있다.
이러한 연결구조를 통해 열전달 유체 및 배가스의 흐름을 유도하게 되는데, 도 4 및 도 5를 살펴볼 때, 자세히 살펴보도록 한다.
본 발명의 구성은 상기와 같으며, 이하에서는 연료가스, 열전달유체 및 배가스의 흐름을 검토하여 본 발명의 작동방식을 살펴보아, 전체적인 열효율 및 냉각능력 개선에 대해 알아보도록 한다.
우선 도 3을 참고하면, 본 발명에서 연료가스의 흐름이 도시되어 있다.
연료공급부(230)에서 연료가 공급되고, 연료는 제1 열교환부(610)에서 배가스와의 열교환을 통해 가열되고 제1 유출홀(615)에서 유출된 열전달유체(증기 상태의 물)와 혼합되어 장치바디(200)의 하단에 배치된 연료가스 유입구(310)로 흐르게 된다. 여기서 연료는 메탄이며, 연료가스는 메탄과 증기상태의 물이 혼합된 상태에 있다.
연료가스 유입구(310)로 유입된 연료가스는 장치바디(200)의 중앙측에 형성된 제1 유로(320)로 유입된다. 제1 유로(320)를 따라 상방향으로 이동한 연료가스는 개질촉매층(330)에 도달하게 된다.
개질촉매층(330)에서 개질반응을 통해 상기된 화학반응식과 같이, 수소와 일산화탄소가 생성되게 된다. 이때 개질촉매층(330)의 적정 반응온도 형성을 위해 센터버너(292)의 점화를 통해 열분산판(293)을 가열하고, 열분산판(293)이 개질촉매층(330)에 적절히 열을 전달하여 개질촉매층(330)이 적정 반응온도인 400 ~ 650℃를 유지하게 된다.
이제 개질반응을 거친 연료가스(개질가스)는 제1 유로(320)의 내측에 형성된 제2 유로(340)로 취합되어 다시 장치바디(200)의 하방향으로 이동하게 된다.
제2 유로(340)의 하단에는 수평방향으로 제3 유로(420)가 형성되어 있으며, 연료가스는 제3 유로(420)를 따라 장치바디(200)의 외측 둘레 방향으로 이동한 뒤에, CO변성촉매층(410)으로 유입되게 된다.
연료가스는 CO변성촉매층(410)에서 산화반응을 통해 일산화탄소는 이산화탄소로 더욱 변성되게 된다. 이때 적정반응온도를 형성하기 위해 제1 열교환몸체(611)를 흐르는 배가스로부터 열을 공급받게 된다. 이를 통해 적정 반응온도인 180~250℃를 유지하게 된다.
CO변성촉매층(410)을 통과한 연료가스는 이제 제4 유로(430)로 흐르고, 제4 유로(430)와 연결된 프록스 유입구(520)를 통해 CO제거촉매층(510)으로 유입되게 된다.
연료가스는 CO제거촉매층(510)에서 일산화탄소 선택적 산화반응을 통해 연료가스내 일산화탄소 함유량은 10ppm 이하로 감소하게 되고, 원주방향으로 흐른 후 반대편에 형성된 프록스 유출구(530)를 통해 연료전지(F)로 유입되게 된다.
이때 CO제거촉매층(510)의 적정 반응온도 형성을 위해 CO제거촉매층(510)의 외측 둘레를 따라 배치된 프록스 냉각부(630)의 냉각기(631)와 열교환을 하게 된다. 일산화탄소 선택적 산화반응은 발열반응이므로, 냉각기(631)를 흐르는 열전달유체에 열을 빼앗겨 적정 반응온도 80~160℃를 유지하게 된다.
다음 도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명에서 배가스 및 열전달유체의 흐름이 도시되어 있다.
우선 도 4를 살펴보면, 배가스의 흐름이 도시되어 있는데, 가열원료 공급부(210)를 통해 가열원료(메탄+공기)가 가열원료 주입구(295)를 통해 센터버너(292)로 주입된다.
한편, 미반응원료 주입구(296)를 통해서는 연료전지(fuel cell)의 스택(stack)에서 미반응된 배출가스가 주입된다. 이러한 미반응원료는 수소와 기타 가스가 혼합된 것일 수 있으며, 스택에서는 통상 70~80% 정도의 수소가 소모되고 20~30% 정도는 미반응상태로 배출되며, 이 수소를 주입하여 가열원료 반응성을 높이게 된다.
주입된 가열원료 및 미반응원료는 센터버너(292)에서 점화되어 열분산판(293)을 가열하고 개질촉매층(330)의 적정 반응온도 형성을 위해 사용되게 된다.
연소 후 배출된 배가스는 제1 유로(320)의 외측 둘레를 따라 형성된 배가스유로(297)를 따라 하방향으로 하강한 후 배가스연결홀(613)을 거쳐 제1 열교환몸체(611) 내부로 유입된다.
제1 열교환몸체(611) 내부에서는 상방향으로 이동하며, 배가스는 CO변성촉매층(410)에 열을 전달하게 된다.
그리고 이때 제1 열교환몸체(611)의 내부에는 원주방향으로 복수회 감겨 제공되는 제1 열전달파이프(612)가 배치되어 있으며, 제1 열전달파이프(612)의 내부에는 열전달유체가 흐르고 있다.
배가스는 제1 열전달파이프(612)의 내부를 흐르는 열전달유체에도 열을 전달하여 열전달유체를 가열하게 된다.
제1 열교환몸체(611)는 제2 열전달파이프(655)와 배가스연결파이프(656)에 의해 연결되어 있고, 제1 열교환몸체(611)를 흐르는 배가스는 제2 열전달파이프(655)의 내부를 흐르면서, 배가스유출구(657)를 통해 대기(A)로 배출되게 된다.
물론 제2 열교환몸체(651)의 내부에 제2 열전달파이프(655)가 배치되어 있어, 제2 열전달파이프(655) 내부를 흐르는 동안, 제2 열교환몸체(651)에 주입된 열전달유체에 열을 전달하게 된다.
상기와 같은 구조적 흐름을 통해 배가스는 제1,2 열교환부(610,650)에서 단계적으로 열전달유체에 열을 전달할 뿐만 아니라, CO변성촉매층(410)에도 열을 전달하여, 최대한 배가스의 폐열을 재활용하게 된다.
다음 도 5를 참고하면, 본 발명에서 열전달유체의 흐름이 도시되어 있다.
우선 열전달유체 공급부(220)를 통해 열전달유체가 공급된다. 본 발명에서 사용되는 열전달유체는 물이나, 반드시 이에 한정될 것은 아니다.
열전달유체는 제2 유입홀(652)을 통해 제2 열교환몸체(651)의 내부로 유입된다. 이때 제2 열전달파이프(655)를 흐르는 배가스로부터 열을 공급받아 가열되게 된다.
이후 제2 열교환몸체(651)의 내부를 따라 원주방향으로 흐른 뒤, 반대편에 형성된 제2 유출홀(653)을 통해 배출되며, 제2 유출홀(653)과 연결된 냉각유체 유입구(632) 방향으로 흐르게 된다.
여기서 냉각유체는 열전달유체를 가리키며, 다만 CO제거촉매층(510)을 냉각시키는데에 사용되므로, 냉각유체라는 표현을 혼용하여 사용하기로 한다.
냉각유체 유입구(632)로 공급된 열전달유체는 원주방향으로 배치된 냉각기(631)를 흐르면서 CO제거촉매층(510)을 냉각시키게 된다. 열전달유체는 물이고 증기온도는 약 100℃이므로, CO제거촉매층(510)의 적정 반응온도 80~160℃ 유지를 위해 일산화탄소 선택적 산화반응의 발열반응으로부터 열을 빼앗게 된다.
이후 열전달유체는 냉각기(631)의 반대편에 배치된 냉각유체 유출구(633)를 통해 유출되고, 이때 냉각유체 유출구(633)는 제1 유입홀(614)과 연결되어 있으므로, 제1 유입홀(614)을 통해 제1 열전달파이프(612)의 내부로 흐르게 된다.
열전달유체는 제1 열전달파이프(612)의 내부를 흐르는 동안, 제1 열교환몸체(611)의 내부를 흐르는 배가스로부터 열을 공급받아 가열되게 된다.
이후 열전달유체는 제1 열전달파이프(612)와 연결된 제1 유출홀(615)을 통해 외부로 배출되고, 상기된 연료공급부(230)에서 공급된 연료와 혼합되어 연료가스가 되어 다시 연료가스 유입구(310)를 통해 장치바디(200)의 내부로 유입되게 된다.
그리고 상기와 같은 연료가스의 흐름을 진행하게 된다.
열전달유체는 최초 열전달유체 공급부(220)에서 공급될 때를 제외하고는, 제2 열교환몸체(651) 및 제1 열전달파이프(612)를 흐르는 동안에는 배가스로부터 열을 받고, 냉각기(631)를 흐르는 동안에는 CO제거촉매층(510)으로부터 열을 받으므로, 대부분의 상태를 증기 상태로 유지할 수 있다.
본 발명은 상기와 같이 각종 촉매층, 열교환 및 냉각 부위의 최적의 배치 및 작동방식을 통해 배가스의 폐열을 최대한 회수하고, 각종 촉매층의 적정 반응온도 유지되도록 함으로써, 연료처리장치(100)의 열효율 및 냉각능력을 개선하게 된다.
이상의 사항은 연료처리장치의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
이상의 사항은 연료처리장치의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
본 발명은 연료처리장치에 관한 것으로, 연료전지시스템에 적용되는 기술분야로서, 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (14)

  1. 장치바디;
    상기 장치바디의 중앙측에 배치되는 연료개질부;
    상기 연료개질부를 가열하도록, 상기 장치바디의 상측에 배치되는 가열부;
    상기 연료개질부와 연결되고, 상기 장치바디의 하측에 배치되는 CO변성반응부; 및
    상기 CO변성반응부와 연결되고, 상기 장치바디의 상측에 배치되는 프록스반응부;
    를 포함하는 연료처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료개질부는,
    상기 장치바디의 하단과 연결되어 배치되는 연료가스 유입구;
    상기 연료가스 유입구와 연결되고, 유입되는 연료가스가 상방향으로 이동되도록 상기 장치바디의 내부에 배치되는 제1 유로;
    상기 제1 유로와 연결되고, 상기 장치바디의 내부 중앙측에 배치되는 개질촉매층; 및
    상기 개질촉매층과 연결되고, 상기 제1 유로의 내측에 배치되며, 개질촉매반응을 거친 연료가스를 하방향으로 이동되도록 제공되는 제2 유로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 CO변성반응부는,
    상기 장치바디의 하측에서 상기 연료개질부의 외측 둘레를 따라 배치되는 CO변성촉매층;
    상기 장치바디의 하단에 배치되고, 상기 제2 유로와 상기 CO변성촉매층을 연결하는 제3 유로; 및
    상기 장치바디의 외부에서 상기 CO변성촉매층과 상기 프록스반응부를 연결하고, CO변성촉매반응을 거친 연료가스를 상기 프록스반응부로 흐르도록 제공되는 제4 유로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프록스반응부는,
    상기 장치바디의 상측에서 상기 가열부의 외측 둘레를 따라 배치되는 CO제거촉매층;
    상기 CO제거촉매층의 일측에 배치되고, 상기 제4 유로와 연결되는 프록스 유입구; 및
    상기 CO제거촉매층의 타측에 배치되고, CO제거촉매반응을 거친 연료가스를 배출하는 프록스 유출구;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 장치바디의 상측 중앙부에 배치되는 센터버너;
    상기 버너의 하측에서 상기 개질촉매층의 상단에 배치되는 열분산판; 및
    상기 장치바디의 내부에서 상기 연료개질부의 외측 둘레를 따라 배치되는 배가스유로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 센터버너의 둘레를 따라 배치되는 사이드버너;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열분산판은, 상기 센터버너 방향으로 돌출된 반구 형상이고, 상기 사이드버너는 상기 열분산판의 표면에 수직하게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 가열부와 연결되고, 상기 가열부에서 배출되는 배가스와 상기 CO변성부간에 열교환되도록, 상기 가열부와 상기 CO변성부 사이에 배치되는 제1 열교환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 열교환부는,
    상기 배가스유로의 외측 둘레를 따라 배치되고, 상기 배가스유로와 연결되는 제1 열교환몸체; 및
    상기 제1 열교환몸체의 내부 둘레를 따라 복수회로 감기며 배치되고, 열전달유체가 흐르는 제1 열전달파이프;
    를 포함하되, 상기 제1 열교환몸체를 흐르는 배가스와 상기 제1 열전달파이프를 흐르는 열전달유체간에 열교환되는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프록스반응부를 냉각하도록, 상기 프록스반응부의 내측 둘레를 따라 배치되는 프록스냉각부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 프록스냉각부는,
    상기 CO제거촉매층의 내측 둘레를 따라 배치되는 냉각기;
    상기 냉각기의 일측에 배치되고, 열전달유체가 유입되는 냉각유체 유입구; 및
    상기 냉각기의 타측에 배치되고, 열전달유체가 유출되는 냉각유체 유출구;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  12. 제11항에 있어서,
    배가스와 열전달 유체간에 열교환되도록, 상기 프록스냉각부와 상기 제1 열교환부간에 연결되는 제2 열교환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 열교환부는,
    상기 제1 열교환몸체의 외측 둘레를 따라 배치되고, 열전달유체가 유입되는 유입홀과 열전달유체가 유출되는 유출홀이 구비되는 제2 열교환몸체; 및
    상기 제2 열교환몸체에 배치되고, 상기 제1 열교환몸체와 연결되며, 배가스가 흐르는 제2 열전달파이프;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 열교환몸체의 유출홀은 상기 냉각유체 유입구와 연결되고, 상기 냉각유체 유출구는 상기 연료가스 유입구와 연결되는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
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