WO2018164418A1 - 배기가스를 이용하는 수소 개질기 - Google Patents

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WO2018164418A1
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gas
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김명수
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Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen reformer using exhaust gas for producing hydrogen using exhaust gas and supplying the produced hydrogen to an engine.
  • Hydrogen which is a major component of reformed gas, has very ideal characteristics as an engine fuel such as combustion reaction and diffusion rate faster and clean combustion without soot compared to existing fossil fuels. It can improve the engine's thermal efficiency and dramatically reduce the exhaust gas.
  • An engine system having a conventional reforming reaction unit includes a first reforming reaction unit for introducing fuel and air and burning a fuel to generate a heat source, as disclosed in Korean Patent Publication No. 10-1190233 (October 12, 2012).
  • Such an engine system heat-exchanges the reformed gas discharged from the reformer and the air flowing into the reformer and uses it as a heat source necessary for catalysis.
  • Another object of the present invention is to provide a hydrogen reformer using exhaust gas which can improve the heat exchange performance of the catalyst and the exhaust gas to improve the efficiency of the reformer.
  • the hydrogen reformer is supplied with the exhaust gas and fuel generated from the engine to the catalytic reaction unit to produce a reformed gas containing hydrogen, and the exhaust gas is supplied to the heat exchange chamber mounted on the outer surface of the catalytic reaction unit The exhaust gas and the catalytic reaction portion are heat exchanged to provide heat required for the endothermic reaction of the catalytic reaction portion.
  • the catalytic reaction unit includes a housing formed with an intake port through which exhaust gas and fuel are supplied, a discharge port through which a reformed gas including hydrogen produced after the reaction with the catalyst is discharged, and mounted inside the housing to react with the exhaust gas and fuel. And a metal catalyst carrier to produce the reformed gas.
  • the inlet is connected to an exhaust pipe through which exhaust gas generated in the engine is discharged in a first line, and is connected to a fuel supply line for supplying fuel to the engine and a second line, and the outlet is a fuel supply line for supplying fuel to the engine. And a third line.
  • the metal catalyst carrier is alternately arranged in a flat plate and corrugated plate to form a passage through which the mixed gas mixed with the exhaust gas and fuel passes, and reacts with the mixed gas on the surface of the flat plate and corrugated plate to produce reformed gas containing hydrogen.
  • the catalytic material may be coated.
  • the heat exchange chamber is mounted on an outer surface of the housing to form a space through which the exhaust gas passes, and a gas inlet through which the exhaust gas flows is formed on one side thereof, and a gas outlet through which the exhaust gas after the heat exchange is completed is formed on the other side thereof.
  • Inside the heat exchange chamber may be provided with a heat exchange unit to increase the heat exchange area between the exhaust gas and the catalytic reaction portion, and to extend the time the exhaust gas stays to improve the heat exchange performance.
  • the heat exchange unit may be formed as a heat exchange plate mounted on the outer surface of the housing at a predetermined interval so as to partition the inside of the heat exchange chamber into a plurality of spaces and allow exhaust gas to pass through the outer surface of the housing.
  • the heat exchange unit may be formed of a honeycomb member mounted on an outer surface of the housing and having a plurality of passages through which exhaust gas passes in the longitudinal direction of the housing.
  • the heat exchange unit is a honeycomb member having a plurality of passages through which exhaust gas passes in the longitudinal direction of the housing, the honeycomb member is divided into a plurality of passages in the longitudinal direction of the housing, and the exhaust gas is evenly divided into the plurality of passages between the honeycomb members. Distribution spaces may be formed to allow distribution.
  • the heat exchange unit may be a plurality of heat exchange fins mounted to protrude in the vertical direction on the outer surface of the housing.
  • the heat exchange chamber is provided on the outer surface of the housing so that the exhaust gas can be used for the endothermic reaction of the catalytic reaction unit, thereby simplifying the construction and reducing the cost.
  • a heat exchange unit may be provided inside the heat exchange chamber to improve heat exchange performance, thereby improving heat exchange performance between the exhaust gas and the catalytic reaction unit and improving the efficiency of the reformer.
  • FIG. 1 is a block diagram of an engine system provided with a hydrogen reformer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a hydrogen reformer according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a longitudinal sectional view of a hydrogen reformer according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of a hydrogen reformer according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a hydrogen reformer according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a hydrogen reformer according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a hydrogen reformer according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG 8 is a cross-sectional view of a hydrogen reformer according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG 9 is a perspective view of a hydrogen reformer according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view in which the catalytic reaction part and the heat exchange unit of the hydrogen reformer according to the sixth embodiment of the present invention are alternately stacked.
  • the hydrogen reformer 10 is a catalytic reaction unit 12 for producing a reformed gas containing hydrogen when the exhaust gas and fuel of the engine 20 is supplied And a heat exchange chamber 14 mounted on an outer surface of the catalyst reaction unit 12 and providing heat required for the endothermic reaction of the catalyst reaction unit 12 by using heat of exhaust gas discharged from the engine.
  • the catalytic reaction unit 12 includes a housing 50 in which an inlet 40 through which exhaust gas and fuel are supplied, and an outlet 42 through which a reformed gas including hydrogen produced after reaction with the catalyst is discharged are formed, and the housing 50. It is mounted inside the metal catalyst carrier 52 that reacts with the exhaust gas and the fuel to produce a reformed gas.
  • the housing 50 is formed in a cylindrical or polygonal shape
  • the inlet 40 is connected to the first line 30 to the exhaust pipe 22 through which the exhaust gas generated in the engine 20 is discharged, and the exhaust gas is exhausted. A part is supplied into the housing 50 through the first line 30.
  • the inlet 40 is connected to the second line 32 through which the fuel is supplied so that a small amount of fuel is supplied into the housing 50 through the second line 32.
  • the fuel supplied through the second line 32 is atomized in the liquid fuel by the fuel injection device, the atomized fuel and the exhaust gas is mixed into the housing 50 through the inlet 40.
  • the mixing ratio of the exhaust gas and the fuel can be appropriately adjusted through various tests, and the first line 30 and the second line 32 are equipped with control valves for controlling the supply amount of the exhaust gas and the supply amount of the fuel, respectively. Can be.
  • the outlet 42 of the housing 50 is connected to the fuel supply line 24 and the third line 34 which supply fuel to the engine, and mixes the reformed gas containing hydrogen in the fuel and supplies the fuel to the engine.
  • the engine may be a gasoline engine, a diesel engine, or an LPG engine, and the like.
  • the engine is applied to a gasoline engine, and the fuel supplied to the hydrogen reformer is preferably gasoline.
  • the metal catalyst carrier 52 has a flat plate 54 when the flat plate 54 and the corrugated plate 56 are alternately arranged, and the housing 50 is cylindrical according to the shape of the housing 50. ) And the metal catalyst carrier 52 in which the corrugated plates 56 are alternately arranged are arranged inside the housing 50 in a dried form.
  • a plurality of flat plates 54 and wave flat plates 56 may be stacked and disposed in the housing 50.
  • the flat plate 54 and the corrugated board 56 are formed of a heat resistant metal thin plate, and the thickness is 20-100 micrometers.
  • the corrugated plate 56 is formed in a wave form or irregularities, and the flat plate 54 is formed in a flat plate form.
  • a mixed gas in which exhaust gas and fuel are mixed passes.
  • a passage 58 is formed.
  • the surface of the flat plate 54 and the corrugated plate 56 is coated with a catalytic material that can react with the mixed gas to produce hydrogen.
  • the heat exchange chamber 14 is mounted on the outer surface of the housing 50 and has a space 60 in which the exhaust gas stays, and one side of the heat exchange chamber 14 is connected to the exhaust pipe 22 and the fourth line 36 to suck the exhaust gas.
  • the inlet 44 is formed, and on the other side, the exhaust gas sucked into the gas inlet 44 is moved from one side of the heat exchange chamber 14 to the other side, and the exhaust gas is heat-exchanged with the catalytic reaction unit 12 and the heat exchange is completed.
  • a gas outlet 46 is discharged.
  • the fourth line 36 may be provided with a control valve for controlling the amount of exhaust gas supplied to the heat exchange chamber 14.
  • the heat exchange chamber 14 is formed in a sealed form on the outer surface of the housing 50 to include a space 60 through which the exhaust gas passes, and an outer surface of the heat exchange chamber 14 insulates the heat exchange chamber 14 to form a space ( A heat insulating material may be installed to prevent the heat of the exhaust gas passing through the outside 60 from being discharged to the outside, and the heat exchange chamber 14 itself may be formed of a material having heat insulating performance.
  • the gas outlet 46 is connected to the fifth line 38, and the fifth line 38 is connected to the exhaust port for discharging the exhaust gas to the outside.
  • the hydrogen reformer requires a heat source for the endothermic reaction of the metal catalyst tint 52.
  • a conventional heater is used as a heat source
  • electricity or a battery generated by an engine generator must be used.
  • various electronic devices that use electricity by being digitized and digitalized are increasing, and the electric consumption of the vehicle is increased by such electronic devices.
  • the hydrogen reformer of the present embodiment can use the exhaust heat generated in the engine for the endothermic reaction of the catalytic reaction unit 12, so that a separate heater is not required and the electric power consumption of the vehicle can be reduced.
  • the hydrogen reformer according to the second embodiment uses the catalytic reaction unit 12 to produce reformed gas containing hydrogen when the exhaust gas and the fuel of the engine are supplied, and the exhaust heat is used.
  • the heat exchange chamber 14 and the heat exchange chamber 14 are formed inside the heat exchange chamber 14 to form a space through which the exhaust gas passes so as to supply heat required for the endothermic reaction of the catalytic reaction unit 12. It includes a heat exchange unit 70 to improve the heat exchange performance between.
  • the heat exchange unit 70 is installed between the inner surface of the heat exchange chamber 14 and the outer surface of the housing 50 to increase the time for which the exhaust gas stays in the space 60 and to increase the heat exchange area to improve the heat exchange performance.
  • Spiral Type heat exchange plate (72).
  • the heat exchange plate 72 is formed in a spiral shape on the outer surface of the housing 50 at a predetermined interval so that the exhaust gas is rotated along the heat exchange plate 72 by partitioning the inside of the heat exchange chamber 14 into a plurality of spaces. Since it moves, the time for exhaust gas to stay inside the heat exchange chamber 14 is increased, and the heat transfer area is increased.
  • the heat exchange plate 72 is made of a metal material with excellent heat transfer performance.
  • the hydrogen reformer according to the second embodiment may improve the heat exchange performance between the exhaust gas and the catalyst reaction unit 12 by the heat exchange plate 72, and thus may improve the reforming performance of the catalyst reaction unit 12. have.
  • the hydrogen reformer according to the third embodiment has a honeycomb member 74 having a plurality of passages 76 as a heat exchange unit 70 installed inside the heat exchange chamber 14 to improve heat exchange performance. Is used.
  • the honeycomb member 74 has a plurality of passages 76 formed in the heat exchange chamber 14 along the longitudinal direction, and exhaust gas passes through the plurality of passages 76 to maximize the heat exchange area.
  • honeycomb member 74 a structure in which the flat plate 54 and the corrugated plate 56 of the metal catalyst carrier 52 described above are alternately stacked may be applied.
  • the hydrogen reformer according to the fourth embodiment has honeycomb members 80 and 82 having a plurality of passages to a heat exchange unit 70 installed inside the heat exchange chamber 14 to improve heat exchange performance.
  • the honeycomb members 82 and 82 are divided into a plurality of portions along the longitudinal direction of the heat exchange chamber 14, and a distribution space 84 through which exhaust gas is distributed is formed between the plurality of divided honeycomb members.
  • the heat exchange unit 70 includes the first honeycomb member 80 through which the exhaust gas sucked into the gas inlet 44 passes first, and the exhaust gas passed through the first honeycomb member 80. Is distributed to distribute evenly to the plurality of passages 76, and a second honeycomb member 82 through which the exhaust gas distributed in the distribution space 84 passes secondarily.
  • the heat exchange unit according to the fourth embodiment includes a distribution space 84 between the honeycomb members 80 and 82 so that the exhaust gas evenly passes through the plurality of passages 76 formed in the honeycomb members 80 and 82. By allowing it to pass through, heat exchange performance can be improved further.
  • the hydrogen reformer according to the fifth embodiment is a heat exchange unit installed inside the heat exchange chamber 14 to improve heat exchange performance, and is provided in a plurality of heat exchange fins 86 on the outer surface of the housing 50. This applies.
  • the heat exchange fins 86 are formed to protrude in plural in the vertical direction on the outer surface of the housing 50 to exchange heat with the heat exchange fins 86 while passing the exhaust gas, thereby extending the heat exchange area to improve heat exchange performance.
  • the hydrogen reformer according to the sixth embodiment is alternately stacked with the catalyst reaction unit 120, the catalyst reaction unit 120, and the catalyst reaction unit 120.
  • the heat exchange unit 130 is disposed to be orthogonal to provide heat to the catalyst reaction unit 120, and the housing 110 in which the catalyst reaction unit 120 and the heat exchange unit 130 are embedded.
  • the housing 110 includes hydrogen produced by reacting with the metal catalyst carrier while passing through the inlet 112 and the catalyst reaction unit 120 for supplying the mixed gas mixed with the exhaust gas and the fuel to the catalyst reaction unit 120.
  • a discharge port 114 through which the reformed gas is discharged is formed at the inlet side and the outlet side of the catalytic reaction section, respectively.
  • the front and rear surfaces of the inlet 112 and the outlet 114 of the housing 110 are formed so that the mixed gas sucked into the inlet 112 is evenly supplied to the plurality of catalytic reaction units 120.
  • a first distribution space 142 and a second distribution space 144 are formed to smoothly discharge the reformed gas discharged from the 120 to the discharge port 114.
  • the housing 110 includes a supply unit 116 for supplying exhaust gas to the heat exchange unit 130, and a discharge unit 118 through which the heat exchange is exhausted through the heat exchange unit 130 and discharged to the outside.
  • the supply unit 116 and the discharge unit 118 are disposed to be perpendicular to each other with the suction port 112 and the discharge port 114.
  • the third distribution space 146 and the fourth distribution space 148 are formed to be smoothly discharged to the discharge portion 118, respectively.
  • the catalytic reaction part 120 is the same as the structure of the catalytic reaction part described in the first embodiment, and the heat exchange unit 130 is formed in a shape having a plurality of passages identical to those of the honeycomb member or the catalytic reaction part described in the third embodiment. Can be.
  • the hydrogen reformer according to the sixth embodiment reacts with the metal catalyst carrier while the mixed gas in which the exhaust gas and the fuel are mixed passes through the plurality of catalytic reaction units 120 to produce a reformed gas containing hydrogen, and the produced reformed gas. Is supplied to the fuel supply line, mixed with fuel, and supplied to the combustion chamber of the engine.
  • the catalyst reaction unit 120 and the heat exchange unit 130 are alternately orthogonally arranged, thereby improving heat exchange performance.
  • the engine using the fossil fuel is provided with a hydrogen reformer to provide a mixed gas containing hydrogen in the fossil fuel to improve the thermal efficiency of the engine and reduce the exhaust gas.

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Abstract

본 발명은 배기가스를 이용하는 수소 개질기는 엔진에서 발생되는 배기가스와 연료가 공급되면 수소가 포함된 개질가스를 생산하는 촉매 반응부와, 상기 촉매 반응부의 외면에 장착되어 배기가스와 촉매 반응부를 열 교환하여 상기 촉매 반응부의 흡열 반응에 필요한 열을 공급하는 열교환 챔버로 구성되어, 배기가스의 열을 촉매의 흡열반응에 이용하여 흡열반응을 위한 별도의 열원이 불필요하다.

Description

배기가스를 이용하는 수소 개질기
본 발명은 배기가스를 이용하여 수소를 생산하고, 생산된 수소를 엔진에 공급하는 배기가스를 이용하는 수소 개질기에 관한 것이다.
현재 연료전지 등 수소 연료 기술에 대한 한계로 수소와 화석 연료를 혼합시킨 이용기술의 개발 및 활용을 통해 수소 관련 산업을 창출하고 수소를 포함한 개질가스 발생기를 비롯한 핵심 부품 기술 개발을 병행해나가는 추세이다.
개질가스의 주요 성분인 수소는 기존 화석 연료에 비해 연소 반응 및 확산 속도가 빠르고 매연이 없는 청정연소를 이루는 등 엔진 연료로서 매우 이상적인 특성을 가지고 있기 때문에 기존 화석 연료에 합성 가스를 혼합하여 사용함으로써, 엔진의 열효율을 향상시키고 배기가스를 획기적으로 줄일 수 있다.
기존의 개질 반응부를 갖는 엔진 시스템은 등록특허공보 10-1190233(2012년 10월 12일)에 개시된 바와 같이, 연료 및 공기가 유입되며 연료를 연소시켜 열원을 발생시키는 제1개질 반응부와, 제1개질 반응부와 연결되며 표면에 개질 촉매가 도포되고 제1개질 반응부에서 생성 유입된 수증기와 미반응 연료, 및 공기를 개질 반응시키는 개질 촉매반응기를 갖는 제2개질 반응부를 구비한 개질기와, 개질기와 엔진 사이에 설치되어 개질기에서 배출되는 개질가스와 개질기로 유입되는 공기를 열교환시키는 열교환기를 구비한다.
이와 같은 엔진 시스템은 개질기에서 배츨되는 개질가스와 개질기로 유입되는 공기를 열교환하여 촉매 작용에 필요한 열원으로 사용한다.
하지만, 열교환기로 공급되는 공기를 가열하기 위한 별도의 열원을 필요로 하여 구성이 복잡하고, 일반적인 열교환기의 경우 열교환 성능이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 배기가스의 열을 촉매의 흡열반응에 필요한 열원으로 사용하여 흡열반응을 위한 별도의 열원이 불필요한 배기가스를 이용하는 수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 촉매와 배기가스의 열교환 성능을 향상시켜 개질기의 효율을 향상시킬 수 있는 배기가스를 이용한 수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 수소 개질기는 엔진에서 발생되는 배기가스와 연료가 촉매 반응부로 공급되어 수소가 포함된 개질가스를 생산하고, 촉매 반응부의 외면에 장착된 열교환 챔버로 배기가스가 공급되면 배기가스와 촉매 반응부가 열 교환되어 상기 촉매 반응부의 흡열 반응에 필요한 열을 제공한다.
상기 촉매 반응부는 배기가스와 연료가 공급되는 흡입구와, 촉매와 반응 후 생산된 수소를 포함한 개질 가스가 배출되는 배출되는 배출구가 형성되는 하우징과, 상기 하우징의 내부에 장착되어 배기가스 및 연료와 반응하여 개질 가스를 생산하는 금속 촉매 담체를 포함할 수 있다.
상기 흡입구는 엔진에 발생되는 배기가스가 배출되는 배기관에 제1라인으로 연결되고, 엔진으로 연료를 공급하는 연료공급라인과 제2라인으로 연결되며, 상기 배출구는 엔진으로 연료를 공급하는 연료공급라인과 제3라인으로 연결될 수 있다.
상기 금속 촉매 담체는 평판과 파형판이 교대로 배열되어 배기가스와 연료가 혼합된 혼합가스가 통과하는 통로를 형성하고, 평판과 파형판의 표면에는 혼합가스와 반응하여 수소가 포함된 개질가스를 생산하는 촉매물질이 코팅될 수 있다.
상기 열교환 챔버는 상기 하우징의 외면에 장착되어 배기가스가 통과하는 공간이 형성되며, 그 일측에는 배기가스가 유입되는 가스 유입구가 형성되고, 타측에는 열교환을 완료한 배기가스가 배출되는 가스 배출구가 형성될 수 있다.
상기 열교환 챔버의 내부에는 배기가스와 촉매 반응부 사이의 열교환 면적을 늘리고, 배기가스가 머무르는 시간을 연장하여 열교환 성능을 향상시키는 열교환 유닛이 구비될 수 있다.
상기 열교환 유닛은 하우징의 외면에 일정 간격을 두고 감겨지게 장착되어 상기 열교환 챔버 내부를 복수의 공간으로 구획하고 배기가스가 하우징의 외면에 회전되면서 통과하도록 하는 열교환 판으로 형성될 수 있다.
상기 열교환 유닛은 하우징의 외면에 장착되고 하우징의 길이방향으로 배기가스가 통과하는 복수의 통로를 갖는 허니컴 부재로 형성될 수 있다.
상기 열교환 유닛은 하우징의 길이방향으로 배기가스가 통과하는 복수의 통로를 갖는 허니컴 부재이고, 상기 허니컴 부재는 하우징의 길이방향으로 복수로 분할되고, 상기 허니컴 부재 사이에는 배기가스가 복수의 통로로 고르게 분포되도록 하는 분배공간이 형성될 수 있다.
상기 열교환 유닛은 하우징의 외면에 수직방향으로 돌출되게 장착되는 복수의 열교환 핀이 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 하우징 외면에 배기가스가 공급되는 열교환 챔버가 구비되어 배기가스의 열을 촉매 반응부의 흡열반응에 이용할 수 있어 구성을 단순화하고, 비용을 줄일 수 있다.
또한, 열교환 챔버 내부에 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 열교환 유닛이 구비되어 배기가스와 촉매 반응부 사이의 열교환 성능을 향상시키고 개질기의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수소 개질기가 구비된 엔진 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 개질기의 횡 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 개질기의 종 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 개질기의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 개질기의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 수소 개질기의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 수소 개질기의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 수소 개질기의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제6실시예에 따른 수소 개질기의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제6실시예에 따른 수소 개질기의 촉매 반응부와 열교환 유닛이 교대로 적층된 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 개질기(10)는 엔진(20)의 배기가스와 연료가 공급되면 수소가 포함된 개질가스를 생산하는 촉매 반응부(12)와, 촉매 반응부(12)의 외면에 장착되고 엔진에서 배출되는 배기가스의 열을 이용하여 촉매 반응부(12)의 흡열 반응에 필요한 열을 제공하는 열교환 챔버(14)를 포함한다.
촉매 반응부(12)는 배기가스와 연료가 공급되는 흡입구(40)와 촉매와 반응 후 생산된 수소를 포함한 개질 가스가 배출되는 배출구(42)가 형성되는 하우징(50)과, 하우징(50)의 내부에 장착되어 배기가스 및 연료와 반응하여 개질 가스를 생산하는 금속 촉매 담체(52)를 포함한다.
여기에서, 하우징(50)은 원통 또는 다각형 형태로 형성되고, 흡입구(40)는 엔진(20)에 발생되는 배기가스가 배출되는 배기관(22)에 제1라인(30)으로 연결되어 배기가스 중 일부가 제1라인(30)을 통해 하우징(50) 내부로 공급된다. 그리고, 흡입구(40)는 연료가 공급되는 제2라인(32)으로 연결되어 소량의 연료가 제2라인(32)을 통해 하우징(50) 내부로 공급된다.
이때, 제2라인(32)을 통해 공급되는 연료는 연료분사장치 등에 의해 액상의 연료가 무화되고, 무화된 연료와 배기가스가 혼합되어 흡입구(40)를 통해 하우징(50) 내부로 공급된다.
여기에서, 배기가스와 연료의 혼합비는 다양한 시험을 통해 적절하게 조절할 수 있고, 제1라인(30) 및 제2라인(32)에는 각각 배기가스의 공급량 및 연료의 공급량을 조절하는 조절밸브가 장착될 수 있다.
하우징(50)의 배출구(42)는 엔진으로 연료를 공급하는 연료 공급라인(24)과 제3라인(34)으로 연결되어 연료에 수소가 포함된 개질가스를 혼합하여 엔진으로 공급한다.
화석연료를 사용하는 엔진의 경우 수소가 포함된 연료가 엔진으로 공급되면 연소실 내부의 연소 반응 및 확산 속도가 빠르고 매연이 없는 청정 연소를 이루어지기 때문에 유해 배기가스를 줄이면서 열효율을 향상시킬 수 있다.
엔진은 가솔린 엔진, 디젤엔진, 또는 LPG 엔진 등이 적용될 수 있고, 바람직하게는 가솔린 엔진에 적용되고, 수소 개질기로 공급되는 연료는 가솔린이 사용되는 것이 좋다.
금속 촉매 담체(52)는 도 3에 도시된 바와 같이, 평판(54)과 파형판(56)이 교대로 배열되고, 하우징(50)의 형상에 따라 하우징(50)이 원통일 경우 평판(54)과 파형판(56)이 교대로 배열된 금속 촉매 담체(52)가 말린 형태로 하우징(50) 내부에 배치된다.
그리고, 하우징(50)이 사각형 형태일 경우 평판(54)과 파평판(56)이 복수로 적층되어 하우징(50) 내부에 배치될 수 있다.
평판(54)과 파형판(56)은 내열성 금속 박판으로 형성되고, 그 두께는 20~100㎛인 것이 바람직하다.
파형판(56)은 물결 형태 또는 요철 형태로 형성되고, 평판(54)은 평평한 판 형태로 형성되며, 하우징(50) 내부에 상호 교대로 적층되면 배기가스와 연료가 혼합된 혼합가스가 통과하는 통로(58)가 형성된다. 이러한 평판(54)과 파형판(56)의 표면에는 혼합가스와 반응하여 수소를 생산할 수 있는 촉매물질이 코팅된다.
열교환 챔버(14)는 하우징(50)의 외면에 장착되고 배기가스가 머무르는 공간(60)이 형성되고, 그 일측에는 배기관(22)과 제4라인(36)으로 연결되어 배기가스가 흡입되는 가스 흡입구(44)가 형성되고, 타측에는 가스 흡입구(44)로 흡입된 배기가스가 열교환 챔버(14)의 일측에서 타측으로 이동하면서 촉매 반응부(12)와 열교환이 이루어지고 열교환이 완료된 배기가스가 배출되는 가스 배출구(46)를 포함한다.
제4라인(36)에는 열교환 챔버(14)로 공급되는 배기가스 공급량을 조절할 수 있는 조절밸브가 설치될 수 있다.
열교환 챔버(14)는 하우징(50)의 외면에 밀폐된 형태로 형성되어 배기가스가 통과하는 공간(60)이 구비되고, 열교환 챔버(14)의 외면에는 열교환 챔버(14)를 단열하여 공간(60)을 통과하는 배기가스의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하는 단열재가 장착될 수 있고, 열교환 챔버(14) 자체가 단열성능을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
가스 배출구(46)는 제5라인(38)으로 연결되고, 제5라인(38)은 배기가스를 외부로 배출시키는 배기구에 연결된다.
수소 개질기의 경우 금속 촉매 담채(52)의 흡열 반응을 위해 열원을 필요로 한다. 열원으로 기존의 전원을 공급하면 발열되는 히터 등이 사용될 경우 엔진의 제너레이터에서 발생되는 전기나 배터리를 사용해야된다. 하지만, 현재 차량의 경우 디지털화되고 전자화되어 전기를 사용하는 각종 전자기기가 늘어나는 추세이고, 이러한 전자기기에 의해 차량의 전기소모가 심해지고 있는 실정이다.
본 실시예의 수소 개질기는 촉매 반응부(12)의 흡열 반응을 위해 엔진에서 발생되는 배기열을 이용할 수 있어 별도의 히터가 불필요하고 차량의 전기소모를 줄일 수 있다.
제2실시예에 따른 수소 개질기는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 엔진의 배기가스와 연료가 공급되면 수소가 포함된 개질가스를 생산하는 촉매 반응부(12)와, 배기열을 이용하여 촉매 반응부(12)의 흡열 반응에 필요한 열을 공급하도록 배기가스가 통과하는 공간이 형성되는 열교환 챔버(14)와, 열교환 챔버(14)의 내부에 설치되어 배기가스와 촉매 반응부(12) 사이의 열교환 성능을 향상시키는 열교환 유닛(70)을 포함한다.
열교환 유닛(70)은 열교환 챔버(14)의 내면과 하우징(50)의 외면 사이에 설치되어 배기가스가 공간(60)에 머무르는 시간을 늘리고 열교환 면적을 넓게 하여 열교환 성능을 향상시키는 스파이어럴 타입(Spiral Type) 열교환 판(72)을 포함한다.
열교환 판(72)은 하우징(50)의 외면에 일정 간격을 두고 나선형으로 감겨진 형태로 형성되어 열교환 챔버(14) 내부를 다수의 공간으로 구획하여 배기가스가 열교환 판(72)을 따라 회전되면서 이동되므로 배기가스가 열교환 챔버(14) 내부에 머무르는 시간을 늘리고, 열전달 면적을 늘린다.
이러한 열교환 판(72)은 열 전달 성능이 우수한 금속재질이 사용된다.
따라서, 제2실시예에 따른 수소 개잴기는 열교환 판(72)에 의해 배기가스와 촉매 반응부(12) 사이의 열교환 성능을 향상시키고, 이에 따라 촉매 반응부(12)의 개질 성능을 향상시킬 수 있다.
제3실시예에 따른 수소 개질기는 도 6에 도시된 바와 같이, 열교환 챔버(14) 내부에 설치되어 열교환 성능을 향상시키는 열교환 유닛(70)으로 복수의 통로(76)를 갖는 허니컴 부재(74)가 사용된다.
허니컴 부재(74)는 열교환 챔버(14)의 내부에 길이방향을 따라 복수의 통로(76)가 형성되어 복수의 통로(76)로 배기가스가 통과하여 열교환 면적을 극대화할 수 있다.
그리고, 허니컴 부재(74)로는 위에서 설명한 금속 촉매 담체(52)의 평판(54)과 파형판(56)이 교대로 적층된 구조가 적용될 수 있다.
제4실시예에 따른 수소 개질기는 도 7에 도시된 바와 같이, 열교환 챔버(14) 내부에 설치되어 열교환 성능을 향상시키는 열교환 유닛(70)으로 복수의 통로를 갖는 허니컴 부재(80,82)가 사용되고, 허니컴 부재(82,82)는 열교환 챔버(14)의 길이방향을 따라 복수로 분할되고, 복수로 분할된 허니컴 부재들 사이에는 배기가스가 분배되는 분배공간(84)이 형성된다.
즉, 제4실시예에 따른 열교환 유닛(70)은 가스 흡입구(44)로 흡입된 배기가스가 1차 통과하는 제1허니컴 부재(80)와, 제1허니컴 부재(80)를 통과한 배기가스가 분배되어 복수의 통로(76)로 고르게 분포되도록 하는 분배공간(84)과, 분배공간(84)에서 분배된 배기가스가 2차 통과하는 제2허니컴 부재(82)를 포함한다.
이와 같이, 제4실시예에 따른 열교환 유닛은 허니컴 부재(80,82) 사이에 분배공간(84)을 구비하여 허니컴 부재(80,82)에 형성되는 복수의 통로(76)를 배기가스가 고르게 통과할 수 있도록 함으로써, 열교환 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
제5실시예에 따른 수소 개질기는 도 8에 도시된 바와 같이, 열교환 챔버(14) 내부에 설치되어 열교환 성능을 향상시키는 열교환 유닛으로 하우징(50)의 외면에 복수로 장착되는 열교환 핀(86)이 적용된다.
즉, 열교환 핀(86)은 하우징(50)의 외면에 수직방향으로 복수로 돌출되게 형성되어 배기가스가 통과하면서 열교환 핀(86)과 열교환되어 열교환 면적을 확장하여 열교환 성능을 향상시킨다.
제6실시예에 따른 수소 개질기는 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 복수로 적층되는 촉매 반응부(120)와, 촉매 반응부(120)와 교대로 적층되고 촉매 반응부(120)와 직교되게 배치되어 촉매 반응부(120)에 열을 제공하는 열교환 유닛(130)과, 촉매 반응부(120)와 열교환 유닛(130)이 내장되는 하우징(110)을 포함한다.
하우징(110)은 촉매 반응부(120)로 배기가스와 연료가 혼합된 혼합가스를 공급하는 흡입구(112)와 촉매 반응부(120)를 통과하면서 금속 촉매 담체와 반응하여 생산되는 수소가 포함된 개질가스가 배출되는 배출구(114)가 각각 촉매 반응부의 입구측 및 출구측에 형성된다.
그리고, 하우징(110)의 흡입구(112)와 배출구(114)가 형성되는 전면 및 후면에는 흡입구(112)로 흡입된 혼합가스가 복수의 촉매 반응부(120)에 고르게 공급되도록 하고 촉매 반응부(120)에서 배출되는 개질가스가 배출구(114)로 원활하게 배출되도록 하는 제1분배공간(142) 및 제2분배공간(144)이 형성된다.
그리고, 하우징(110)에는 열교환 유닛(130)으로 배기가스를 공급하는 공급부(116)와, 열교환 유닛(130)을 통과하여 열교환이 완료된 배기가스가 외부로 배출되는 배출부(118)가 각각 형성되고, 공급부(116) 및 배출부(118)는 흡입구(112) 및 배출구(114)와 서로 직교되게 배치된다.
하우징(110)의 공급부(116)와 배출부(118)가 형성되는 양쪽 측면에는 각각 배기가스가 복수의 열교환 유닛(130)에 고르게 공급되도록 분배하고, 열교환 유닛(130)을 통과한 배기가스가 원활하게 배출부(118)로 배출되도록 하는 제3분배공간(146) 및 제4분배공간(148)이 각각 형성된다.
촉매 반응부(120)는 제1실시예에서 설명한 촉매 반응부의 구성과 동일하고, 열교환 유닛(130)은 제3실시예에서 설명한 허니컴 부재 또는 촉매 반응부의 형태와 동일한 복수의 통로를 갖는 형태로 형성될 수 있다.
제6실시예에 따른 수소 개질기는 복수의 촉매 반응부(120)로 배기가스와 연료가 혼합된 혼합가스가 통과하면서 금속 촉매 담체와 반응하여 수소가 포함된 개질가스가 생산되고, 생산된 개질가스는 연료공급라인으로 공급되어 연료와 혼합되어 엔진의 연소실로 공급된다.
그리고, 열교환 유닛(130)으로 배기가스가 공급되어 열교환 유닛(130)을 통과하면 배기가스와 촉매 반응부(120)가 열교환되어 촉매 반응부(120)의 흡열반응에 필요한 열을 공급한다.
이와 같이, 촉매 반응부(120)와 열교환 유닛(130)이 교대로 직교되게 배치됨으로써, 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
화석 연료를 사용하는 엔진에 수소 개질기를 구비하여 화석 연료에 수소가 포함된 혼합가스를 제공하여 엔진의 열효율을 향상시키고 배기가스를 줄일 수 있다.

Claims (12)

  1. 엔진에서 발생되는 배기가스와 연료가 공급되면 수소가 포함된 개질가스를 생산하는 촉매 반응부; 및
    상기 촉매 반응부의 외면에 장착되고 배기가스의 열을 사용하여 상기 촉매 반응부의 흡열 반응에 필요한 열을 제공하는 열교환 챔버를 포함하는 배기가스를 이용하는 수소 개질기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 반응부는 배기가스와 연료가 공급되는 흡입구와, 촉매와 반응 후 생산된 수소를 포함한 개질 가스가 배출되는 배출구가 형성되는 하우징; 및
    상기 하우징의 내부에 장착되어 배기가스 및 연료와 반응하여 개질 가스를 생산하는 금속 촉매 담체를 포함하는 배기가스를 이용하는 수소 개질기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 흡입구는 엔진에 발생되는 배기가스가 배출되는 배기관과 연결되는 제1라인 및 연료가 공급되는 제2라인이 연결되며,
    상기 배출구는 엔진으로 연료를 공급하는 연료공급라인과 제3라인으로 연결되는 배기가스를 이용하는 수소 개질기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 금속 촉매 담체는 평판과 파형판이 교대로 배열되어 배기가스와 연료가 혼합된 혼합가스가 통과하는 통로를 형성하고, 평판과 파형판의 표면에는 혼합가스와 반응하여 수소가 포함된 개질가스를 생산하는 촉매물질이 코팅되는 배기가스를 이용하는 수소 개질기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 열교환 챔버는 상기 하우징의 외면에 장착되어 배기가스가 통과하는 공간이 형성되며, 그 일측에는 배기가스가 유입되는 가스 유입구가 형성되고, 타측에는 열교환을 완료한 배기가스가 배출되는 가스 배출구가 형성되는 배기가스를 이용하는 수소 개질기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열교환 챔버의 내부에는 배기가스와 촉매 반응부 사이의 열교환 면적을 늘리고, 배기가스가 머무르는 시간을 연장하여 열교환 성능을 향상시키는 열교환 유닛이 구비되는 배기가스를 이용하는 수소 개질기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열교환 유닛은 하우징의 외면에 일정 간격을 두고 감겨지게 장착되어 상기 열교환 챔버 내부를 복수의 공간으로 구획하고 배기가스가 하우징의 외면에 회전되면서 통과하도록 하는 열교환 판인 배기가스를 이용하는 수소 개질기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 열교환 유닛은 하우징의 외면에 장착되고 하우징의 길이방향으로 배기가스가 통과하는 복수의 통로를 갖는 허니컴 부재인 배기가스를 이용한 수소 개질기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 열교환 유닛은 하우징의 길이방향으로 배기가스가 통과하는 복수의 통로를 갖는 허니컴 부재이고, 상기 허니컴 부재는 하우징의 길이방향으로 복수로 분할되고, 상기 허니컴 부재 사이에는 배기가스가 복수의 통로로 고르게 분포되도록 하는 분배공간이 형성되는 배기가스를 이용한 수소 개질기.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 열교환 유닛은 하우징의 외면에 수직방향으로 돌출되게 장착되는 복수의 열교환 핀인 배기가스를 이용한 수소 개질기.
  11. 엔진에서 발생되는 배기가스와 연료가 공급되면 수소가 포함된 개질가스를 생산하는 촉매 반응부;
    상기 촉매 반응부와 교대로 적층되고 촉매 반응부와 직교되게 설치되어 배기가스가 공급되어 배기가스의 열을 이용하여 상기 촉매 반응부의 흡열 반응에 필요한 열을 제공하는 열교환 유닛;을 포함하는 배기가스를 이용하는 수소 개질기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 촉매 반응부와 열교환 유닛이 교대로 적층되어 내장되는 하우징을 더 포함하고,
    상기 하우징의 촉매 반응부의 입구측에는 각각 배기가스와 연료가 혼합된 혼합가스가 공급되는 흡입구가 형성되고, 상기 하우징의 촉매 반응부의 출구측에는 개질가스가 배출되는 배출구가 형성되며,
    상기 열교환 유닛의 입구측 및 출구측에는 배기가스가 공급 및 배출되는 공급부와 배출부가 각각 형성되는 배기가스를 이용하는 수소 개질기.
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