KR100837679B1 - Fuel processor of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 연료변환장치의 일 예시도,1 is an exemplary view of a conventional fuel conversion device;
도 2는 종래 연료변환장치의 또 다른 예시도,Figure 2 is another example of a conventional fuel conversion device,
도 3은 도 1의 연료변환장치에 본 발명에 따라 개질기의 내부를 구획한 상태의 도면,3 is a view of a state partitioned inside the reformer according to the present invention in the fuel conversion device of FIG.
도 4는 본 발명에 따라 개질기의 버너측 면에 배플플레이트를 형성한 상태의 도면,4 is a view of a state in which a baffle plate is formed on the burner side of the reformer according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따라 CO변성기의 내측에 전열코일을 설치한 상태의 도면,5 is a view of a state in which a heat transfer coil is installed inside the CO transformer according to the present invention;
도 6은 CO변성기에 전열코일을 설치하지 않은 경우(ㄱ)와 설치한 경우(ㄴ)의 온도-시간 관계 그래프,6 is a graph of the temperature-time relationship when the heating coil is not installed in the CO transformer (a) and when it is installed (b),
도 7은 본 발명에 따라 CO변성기의 외측에 전열코일을 설치한 상태의 도면,7 is a view of a state in which the heat transfer coil is installed on the outside of the CO transformer according to the present invention,
도 8은 도 2의 연료변환장치에 본 발명에 따라 개질촉매층을 구획하고 CO변성촉매층의 내측에 전열코일을 설치한 상태의 도면,8 is a view of a state in which a reforming catalyst layer is partitioned and a heat transfer coil is installed inside a CO-modified catalyst layer in the fuel conversion device of FIG. 2;
도 9는 상기 CO변성촉매층의 외측에 전열코일을 설치한 상태의 도면이다.FIG. 9 is a diagram of a state in which a heat transfer coil is installed outside the CO-modified catalyst layer. FIG.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10 : 연료변환장치 11 : 버너10: fuel converter 11: burner
12 : 개질기 12a : 저온개질층12:
12b : 고온개질층 12c : 확산층12b: high temperature modified
12d : 배플플레이트 13 : CO변성기12d: baffle plate 13: CO transformer
13a : 홀 13b : 확산층13a:
13c : 변성촉매 14 : 연료가스/물 공급관13c: modified catalyst 14: fuel gas / water supply pipe
15 : 열교환기 15a : 외측관15:
15b : 내측관 16 : 튜브코일15b: inner tube 16: tube coil
17 : 개질가스배출관 18 : 개질가스도입관17: reformed gas discharge pipe 18: reformed gas introduction pipe
19 : 변성가스배출관 20 : 연소가스배출관19: denatured gas discharge pipe 20: combustion gas discharge pipe
21,22 : 전열코일21,22: Electric coil
30 : 연료변환장치 31~39 : 원통30:
40 : 전열격벽 41 : 버너40: heat transfer partition 41: burner
42 : 예열층 43 : 개질촉매층42: preheat layer 43: reforming catalyst layer
43a : 저온개질층 43b : 고온개질층43a: low temperature modified
44 : 열회수층 45 : CO변성촉매층44: heat recovery layer 45: CO modified catalyst layer
46,46' : 공기혼합층 47,47' : CO제거촉매층46,46 ':
48,48' : 공기유입구 49,50 : 전열코일48,48 ':
본 발명은 연료전지 시스템에서 탄화수소계 연료가스를 스택에서 이용할 수 있는 수소함유가스로 변환하는 연료변환장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel conversion device for converting a hydrocarbon fuel gas into a hydrogen-containing gas that can be used in a stack in a fuel cell system.
현재 국제적으로 에너지 자원 확보와 환경오염 해결에 관한 경쟁이 가속화됨에 따라 보다 안정적이고 친환경적인 에너지 시스템이 요구되고 있는 바, 이에 고효율이며 공해물질의 배출이 거의 없는 연료전지 시스템이 주목받고 있다.As the competition for securing energy resources and environmental pollution is accelerated internationally, a more stable and eco-friendly energy system is required. Accordingly, a fuel cell system with high efficiency and almost no emission of pollutants is drawing attention.
그 중 가정용 연료전지 시스템은 도시가스, LPG, 등유 등의 연료를 스택에서 사용할 수 있도록 변환하는 연료변환장치(fuel processor)와, 변환된 가스를 이용하여 발전하는 상기 스택(stack)과, 생산된 직류전류를 교류전류로 변환하는 인버터(inverter)와, 상기 연료변환장치와 스택에서 발생하는 열을 회수하여 온수로 저장하고 필요에 따라 사용할 수 있도록 하는 코제너레이션(cogeneration) 및 연료가스, 공기, 물을 시스템에 공급하는 펌프와 밸브 및 센서 등의 주변기기(BOP;Balance of Plant)로 구성된다.Among them, a domestic fuel cell system includes a fuel processor for converting fuel such as city gas, LPG, kerosene, and the like into a stack, the stack generated by using the converted gas, and the produced fuel. Inverter for converting DC current into AC current, Cogeneration for recovering heat generated from the fuel converter and stack, storing it as hot water, and using it as needed, and fuel gas, air, and water. It is composed of a peripheral device (BOP; Balance of Plant) such as a pump and a valve and a sensor to supply the system to the system.
일반적으로 상기 연료변환장치는 연료가스를 수증기와 반응시켜 수소를 생성하는 개질기(reformer)와, 생성된 가스가 스택의 촉매에 피독을 일으키지 않도록 일산화탄소를 제거하는 CO변성기(shift converter) 및 CO제거기(remover)를 포함하여 구성된다.In general, the fuel converter includes a reformer for generating hydrogen by reacting fuel gas with water vapor, and a CO shift converter and a CO remover for removing carbon monoxide so that the generated gas does not poison the catalyst of the stack. remover).
상기 개질기는 다음의 메탄-수증기 개질반응에 의해 수소를 생성한다.The reformer produces hydrogen by the following methane-steam reforming reaction.
CH4 + H2O → CO + 3H2 - 206 kJ/mol (흡열반응) CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 - 206 kJ / mol ( endothermic)
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 - 165 kJ/mol (흡열반응) CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 - 165 kJ / mol ( endothermic)
상기 개질반응을 통해 생성된 개질가스의 CO농도는 10~15% 정도이다.The CO concentration of the reformed gas produced through the reforming reaction is about 10-15%.
이어, 상기 CO변성기는 아래와 같은 CO변성반응을 통하여 개질가스 중의 CO를 이산화탄소로 변성시키고 더불어 수소를 생성한다.Subsequently, the CO transformer denatures CO in the reformed gas to carbon dioxide through the following CO modification reaction to produce hydrogen.
CO + H2O → CO2 + H2 - 41 kJ/mol(발열반응) CO + H 2 O → CO 2 + H 2 - 41 kJ / mol ( exothermic)
상기 반응에 의하여 개질가스 중의 CO 함량은 1% 이하, 더 바람직하게는 0.5% 정도까지 감소된다.By the reaction, the CO content in the reformed gas is reduced to 1% or less, more preferably about 0.5%.
이어, 상기 CO제거기에서 아래와 같은 선택적 산화반응에 의하여 CO를 ppm 단위까지 제거/정화하게 된다.Subsequently, CO is removed / purified to ppm unit by the selective oxidation reaction as described below.
2CO + O2 → 2CO2 2CO + O 2 → 2CO 2
상기와 같은 방법으로 일산화탄소가 필요한 수준까지 정화된 연료가스가 스택으로 공급되면, 스택을 구성하는 각 단위 셀의 연료극(anode)에서 수소가 수소이온(H+)와 전자(e-)로 분해되고, 이들은 각각 전해질막과 외부도선을 통해 공기극(cathod)으로 이동하여 공기극으로 공급된 공기중의 산소와 결합하여 물을 생성하는 반응을 일으킨다.When the fuel gas purified to the level required for carbon monoxide is supplied to the stack as described above, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (H +) and electrons (e-) in the anode of each unit cell constituting the stack. They move to the cathode through the electrolyte membrane and the outer conductor, respectively, and combine with oxygen in the air supplied to the cathode to produce water.
이때 상기 전자의 흐름에 의해 전류가 생성되고 물 생성반응에서 부수적으로 열이 발생하며, 상기 발생된 전류는 직류로서 상기 인버터를 사용하여 교류로 전환하여 사용하게 된다. 또한, 상기 발생된 열은 소정의 열교환기를 사용하여 온수로서 축열 저장하고 필요에 따라 급탕 및 난방용으로 사용하게 된다.At this time, a current is generated by the flow of electrons, and heat is incidentally generated in the water generation reaction, and the generated current is converted into an alternating current using the inverter as a direct current. In addition, the generated heat is stored as heat storage as hot water using a predetermined heat exchanger, and used for hot water supply and heating as necessary.
도 1에 종래 연료변환장치의 일례를 도시하였다.1 shows an example of a conventional fuel converter.
예시된 연료변환장치(10)는 내측 하부 중앙에 버너(11)가 설치되고, 이를 감싸는 돔 형태로 개질기(12)가 설치되며, 그 상부에 소정 간격을 두고 CO변성기(13)가 배치되어 있다.In the illustrated
또한, 상기 CO변성기(13)의 외주에는 이중 나선관 구조의 열교환기(15)가 설치되는데, 그 열교환기(15)의 외측관(15a)은 연료가스/물 공급관(14)과 상기 개질기(12)의 외주를 둘러싸고 있는 튜브코일(16) 사이에 연결되고, 내측관(15b)은 개질기(12) 상단에 형성된 개질가스배출관(17)과 상기 CO변성기(13)의 개질가스도입관(18) 사이에 연결된다.In addition, a
그리고, 상기 CO변성기(13)에는 변성가스배출관(19)이 설치되고, 상기 연료변환장치(10)의 케이스 상단에는 연소가스배출관(20)이 설치된다.In addition, a modified
따라서, 외부로부터 공급된 연료가스와 물은 열교환기(15)의 외측관(15a)을 통해 흐르면서 버너(11)의 연소가스와 CO변성기(13)로부터 전달되는 열 및 내측관(15b)을 흐르는 개질가스에 의해 가열되어 예열 및 증발되고 이어 상기 튜브코일(16)을 흐르면서 연소가스에 의해 더욱 가열되어 개질기(12)의 하측으로 유입된다.Accordingly, fuel gas and water supplied from the outside flow through the
상기 개질기(12)의 하측으로 유입된 연료가스와 수증기는 상방으로 확산하면서 개질기(12)에 내장된 개질촉매를 매개로 반응하여 다량의 수소를 포함한 개질가스(hydrogen rich gas)로 변성되고, 상기 개질가스배출관(17)을 거쳐 열교환기(15)의 내측관(15b)을 통해 상승하면서 상기 외측관(15a)의 연료가스와 물에 열을 주어 적절한 온도로 냉각된 후, 개질가스도입관(18)을 통해 CO변성기(13)로 유입된다.Fuel gas and water vapor introduced into the lower side of the
상기 CO변성기(13)에서는 CO변성촉매를 매개로 CO변성반응이 발생하여 CO는 더욱 줄어들고 수소는 증가하게 되며, 그 결과물인 변성가스는 상기 변성가스배출관(19)을 통해 이후의 라인으로 공급된다.In the
도 2에 예시된 연료변환장치(30)는 또 다른 형태의 종래 연료변환장치로서, 다수의 동심 원통(31~39)들로 구성되어 있으며, 내부 중앙에 전열격벽(40)이 설치되고 그 상부로부터 버너(41)가 삽입/설치되며, 상기 동심 원통(31~39)들의 사이에 연료가스와 수증기가 유입되었다가 CO제거가스로서 배출되는 일련의 유로가 형성되는데, 연료가스와 수증기의 흐름 방향을 따라 상기 버너(41)에 인접한 내측으로부터 예열층(42), 개질촉매층(43), 열회수층(44), CO변성촉매층(45), 공기혼합층(46), CO제거촉매층(47)이 순차적으로 배치된 구조로 이루어진다. 추가로 공기혼합층(46')과 CO제거촉매층(47')이 더 배치될 수도 있다. 그리고, 상기 공기혼합층(46,46')의 직전 부분에는 선택적 산화반응에 사용되는 공기가 외부로부터 공급되는 공기유입구(48,48')가 형성된다.The
따라서, 전열격벽(40)과 이에 가장 인접한 원통(39)의 사이에 형성된 연소가스배출유로를 통해 연소가스가 배출될 때 , 상기 내측 원통(39)과 그 외측 원통(38) 사이에 위치한 개질촉매층(43)에 개질반응에 사용되는 열이 공급된다.Therefore, when the combustion gas is discharged through the combustion gas discharge passage formed between the
또한, 외부로부터 공급되는 연료가스와 수증기는 CO변성촉매층(45)과 CO제거촉매층(47) 사이에 형성된 유로를 따라 흐르고 상기 예열층(42)을 통과하면서 예열된다.In addition, the fuel gas and water vapor supplied from the outside are preheated while flowing along the flow path formed between the CO
이어 상기 개질촉매층(43)에서 개질반응에 의해 생성된 개질가스는 열회수 층(44)을 지나면서 CO변성촉매층(45)의 변성촉매가 열화를 일으키지 않을 정도로 적절히 냉각된 뒤 CO변성촉매층(45)으로 유입되어, CO변성반응을 통해 CO가 크게 저감됨과 더불어 수소가 추가 생성된다.Subsequently, the reformed gas generated by the reforming reaction in the reforming
그 후, 변성가스는 상기 공기혼합층(46)에서 상기 공기유입구(48)로 유입되는 공기와 혼합되어 CO제거촉매층(47)에서 선택적 산화반응을 통해 CO가 ppm 단위까지 정화된 뒤 스택으로 공급되어 발전에 사용된다.Thereafter, the modified gas is mixed with the air flowing into the
그런데, 상기와 같은 연료변환장치는 하나의 케이스 내에 필요장치들이 내장되어 제작되는 소형 연료전지 시스템에 사용되는 것으로서, 연료변환장치의 열량 공급원인 버너는 그 연료로 도시가스와 같이 외부에서 공급되는 연료가스 이외에도, 가연성 및 독성 가스의 외부 방출을 방지하기 위해서 시스템의 내부에서 발생하는 가스 즉, 상기 스택에서 배출되는 오프가스(수소잔존가스)를 동시에 사용할 수 있어야 한다.However, such a fuel converter is used in a small fuel cell system in which necessary devices are built in one case, and a burner which is a calorie supply source of the fuel converter is a fuel supplied from the outside, such as city gas. In addition to the gas, it is also necessary to be able to simultaneously use the gas generated inside the system, i.e. off-gas (hydrogen remaining gas) emitted from the stack, in order to prevent external emissions of flammable and toxic gases.
따라서, 보편적으로 연료변환장치에는 화염을 방출하는 형태의 버너를 사용하게 되고, 이와 같이 화염방출형 버너를 사용할 경우 버너의 열량이 개질부(개질기, 개질촉매층)의 전체에 균일하게 전달되지 못하고 화염으로부터의 복사열 전달 정도에 따라 개질부에 온도구배가 발생하게 된다.Therefore, in general, the fuel converter uses a burner that emits flames. When using a flame-emitting burner, the heat of the burner is not uniformly transmitted to the entire reforming part (reformer, reforming catalyst layer), and the flame is not used. Temperature gradients are generated in the reformer depending on the degree of radiant heat transfer therefrom.
따라서, 가열 열량이 충분히 전달되지 않는 저온영역에서는 개질촉매의 활성도가 저하됨으로써 개질부의 개질성능이 저하되는 문제점이 있었다.Therefore, there is a problem in that the reforming performance of the reforming portion is lowered by lowering the activity of the reforming catalyst in a low temperature region in which heating calories are not sufficiently transmitted.
이를 보완하기 위해서는 상기 개질촉매의 양을 증가시킬 수밖에 없으므로 결국 개질부의 크기가 증가하게 되는 문제점이 있었다.In order to compensate for this, there is no choice but to increase the amount of the reforming catalyst, which results in an increase in the size of the reforming unit.
또한, 열량공급원이 버너로 한정되어 있으므로 시동시 버너의 열량은 상기와 같이 개질부의 국부적인 공간에만 집중적으로 전달되고 그로부터 소정 거리 떨어진 곳에 위치한 CO변성부(CO변성기, CO변성촉매층)는 버너의 폐가스 즉, 배출되는 연소가스의 열량만으로 가열되어야만 하였다.In addition, since the calorie supply source is limited to the burner, the calorie of the burner at the time of start-up is intensively transferred only to the local space of the reformer as described above, and the CO-modified part (CO-modifier, CO-modified catalyst layer) located at a predetermined distance therefrom is the waste gas of the burner. That is, it had to be heated only by the amount of heat of the combustion gas discharged.
예를 들어 도 1의 경우에서, 연료가스와 물은 CO변성기(13)와 연소가스 및 개질가스로부터 열량을 전달받아 예열된 후 개질기(12)에 공급된다. 그런데, 연료변환장치는 정격에서 최적의 열교환 네트워크를 형성하도록 설계되어 있으므로 운전개시 동안에는 연소가스의 열량만으로 가열되기 때문에 반응물 투입시기, 즉 개질기의 온도가 600~750℃에 도달한 시점에서 CO변성기(13)의 온도는 정격운전 온도인 200~300℃에 도달하지 못하고 100℃ 정도에 머물게 된다.For example, in the case of FIG. 1, fuel gas and water are preheated by receiving heat from the
따라서 상기 상태에서 연료변환장치로 연료가스와 물이 공급되어도, 상기 CO변성기(13)가 CO변성반응에 따른 발열이 이루어지지 않아 낮은 온도를 유지하는 것과 상기 열교환기(15)의 외측관(15a)으로 유입되는 상기 연료가스와 물이 상온이어서 상기 CO변성기(13)와 버너(11) 연소가스의 열량이 반응물인 물과 연료가스로 전달되는 것에 의해, CO변성기(13)가 정격운전 상태에 도달하는데 더욱 많은 시간이 소모됨으로써 시스템의 시동시간이 크게 증가하게 되는 문제점이 있었다.Therefore, even when fuel gas and water are supplied to the fuel converter in the above state, the
또한, 운전개시 동안 연료변환장치로 공급되는 연료가스와 물이 CO변성기(13)로부터 충분한 열량을 전달받지 못하므로 낮은 온도상태에서 개질기(12)로 공급되며, 이와 같이 반응물이 낮은 온도로 공급되므로 개질기(12)가 정격 온도인 600~750℃로 유지되기 위해서는 상기 버너(11)를 통해 추가 열량을 공급받아야만 하는 문제점이 있었다.In addition, since the fuel gas and water supplied to the fuel converter during the start of operation do not receive sufficient heat from the
즉, 연료변환장치의 CO변성부가 신속하게 정격운전 상태에 도달하지 못함으로써 시스템의 시동시간이 증가하고, 개질부에는 추가로 열량을 공급해야만 하는 문제점이 있었다.That is, there is a problem that the start time of the system is increased because the CO modified part of the fuel converter does not reach the rated operation state quickly, and additional heat must be supplied to the reforming part.
상기와 같이 연료변환장치 전체적으로 볼 때 열원부인 버너에서 발생하는 열량을 효율적으로 이용하지 못함으로써 연료변환장치의 효율이 저하되고 각 구성부의 작동 안정성이 저하되며, 결국 시스템의 시동시간이 증가하게 되는 문제점이 있었다.As described above, the overall efficiency of the fuel converter decreases as a result of inefficient use of the heat generated from the burner, which is a heat source. There was this.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 개질부의 전 영역에 걸쳐 양호한 촉매 활성이 이루어질 수 있게 되어 개질성능이 향상되고, 이에 개질촉매를 과량 구비할 필요가 없게 되어 개질부의 크기가 증가되는 것을 방지할 수 있으며, 버너로부터 공급되는 열량이 개질부로 보다 원활하게 전달되어 개질부의 온도구배 정도가 감소됨은 물론 연료변환장치의 효율이 향상되고, CO변성부가 보다 신속하게 정격운전 온도에 도달할 수 있게 됨으로써 연료변환장치의 각 구성부의 작동 안정성이 향상되며, 나아가 연료전지 시스템의 시동시간을 크게 감소시킬 수 있도록 된 연료전지 시스템의 연료변환장치를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in order to solve the above problems, it is possible to achieve a good catalytic activity over the entire area of the reforming portion is improved reforming performance, there is no need to provide an excessive amount of reforming catalyst to the size of the reforming portion Can be prevented from increasing, and the amount of heat supplied from the burner is more smoothly transferred to the reforming unit, thereby reducing the temperature gradient of the reforming unit, improving the efficiency of the fuel converter, and improving the efficiency of the CO transformer more quickly at the rated operating temperature. It is an object of the present invention to provide a fuel converter of a fuel cell system that can be reached to improve the operational stability of each component of the fuel converter, and further to significantly reduce the startup time of the fuel cell system.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, The present invention for achieving the above object,
버너와, 상기 버너에 인접한 개질부와, 상기 개질부로부터 배출된 개질가스의 CO를 저감하는 CO변성부를 구비한 연료전지 시스템의 연료변환장치에 있어서,A fuel converter of a fuel cell system comprising a burner, a reforming unit adjacent to the burner, and a CO modifying unit for reducing CO of reformed gas discharged from the reforming unit.
상기 개질부는 저온활성촉매가 설치된 저온개질층과, 고온활성촉매가 설치된 고온개질층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The reforming unit includes a low temperature reforming layer provided with a low temperature active catalyst and a high temperature reforming layer provided with a high temperature active catalyst.
또한, 상기 개질부의 버너측 면에 배플플레이트가 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the baffle plate protrudes from the burner side of the reforming portion.
또한, 상기 CO변성부에 전열코일이 설치된 것을 특징으로 한다.In addition, the heat transfer coil is characterized in that the CO-modified part.
즉, 상기 저온 및 고온활성촉매는 개질부에 발생하는 온도구배 현상을 이용하여 개질부 전 영역에서 활발히 개질반응이 이루어질 수 있게 하고, 상기 배플플레이트는 버너의 연소가스와 개질부와의 열교환 면적 및 시간을 증가시켜 개질부에서 발생하는 온도구배를 감소시킴으로써 보다 효율적으로 버너의 열량을 이용할 수 있도록 유도하며, 전열코일은 버너와 멀리 떨어진 CO변성부를 직접 가열하여 신속하게 정격운전 온도에 도달할 수 있게 한다.That is, the low temperature and high temperature active catalysts enable the reforming reaction to be actively performed in the entire reforming region by using a temperature gradient phenomenon occurring in the reforming portion, and the baffle plate has a heat exchange area between the combustion gas of the burner and the reforming portion and Increasing the time to reduce the temperature gradient generated in the reforming section to more efficiently use the heat of the burner, the heat transfer coil directly heats the CO modified part far away from the burner to quickly reach the rated operating temperature do.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따라 도 1의 연료변환장치를 개선한 연료변환장치의 구성도로서, 전술한 바와 같이 상기 연료변환장치(10)는 내측 하부 중앙에 버너(11)가 설치되고, 그 버너(11)의 주변에 돔형의 개질기(12)가 설치되며, 상기 개질기(12)의 상부에 소정 간격을 두고 CO변성기(13)가 설치되고, 그 CO변성기(13)의 외주에 열교환기(15)가 설치된 구성으로 이루어진다.3 is a block diagram of a fuel conversion device improved from the fuel conversion device of FIG. 1 according to the present invention. As described above, the
그리고 상기 열교환기(15)는 연료가스와 물이 도입되는 연료가스/물 공급관(14)과 상기 개질기(12)의 주변을 둘러싼 튜브코일(16)을 연결하는 외측관(15a)과, 상기 개질기(12) 상단의 개질가스배출관(17)과 상기 CO변성기(13)의 개질가스도입관(18)을 연결하는 내측관(15b)으로 이루어진 이중 나선관 구조로 되어 있다.The
상기와 같은 구성에 있어서, 본 발명은 상기 개질기(12)의 내부가 저온개질층(12a)과 고온개질층(12b)으로 구분되어 상기 저온개질층(12a)에는 저온활성촉매가 내장되고, 상기 고온개질층(12b)에는 고온활성촉매가 내장된 것을 특징으로 한다.In the above configuration, the present invention is the interior of the
고온활성촉매가 설치되는 상기 고온개질층(12b)은 개질기(12)에 있어서 버너(11) 화염의 측부로부터 그 상부 전체에 이르는 화염인접영역이고, 상기 저온활성촉매가 설치되는 저온개질층(12a)은 고온개질층(12b)의 하측 부분으로서 고온개질층(12b)에 비해 상대적으로 열이 덜 전달되는 영역이다.The high
또한, 상기 저온개질층(12a)의 하부에는 촉매가 충진되지 않는 빈 공간이 형성되는데, 그 빈 공간은 상기 튜브코일(16)로부터 개질기(12)의 하부로 연료가스와 수증기가 유입될 때 그 토출구로부터 개질기(12) 내의 전 영역으로 연료가스와 수증기가 신속하고 균일하게 확산되어 촉매층 전체 단면적을 통해 연료가스와 수증기의 상승이 이루어지도록 함으로써 촉매층 전체에서 고른 반응이 일어날 수 있도록 하는 확산층(12c)으로 기능하게 된다.In addition, an empty space in which the catalyst is not filled is formed in the lower portion of the low
상기 저온개질층(12a)과 고온개질층(12b)에 설치되는 저온활성촉매와 고온활성촉매는 메쉬(mesh) 또는 스크린(screen)으로 지칭되는 망(網)형 부재에 의해 연 료가스와 수증기가 통과할 수 있는 상태로 상호 분리되고 각각 지지되도록 설치될 수 있다.The low temperature active catalyst and the high temperature active catalyst which are installed in the low
상기와 같이 버너(11) 화염의 복사열이 직접 전달되는 고온층인 화염 인접부에 고온활성촉매가 설치된 고온개질층(12b)이 형성되고, 상기 고온층의 하부에 위치하여 상대적으로 저온층이 되는 부분에 저온활성촉매가 설치된 저온개질층(12a)이 형성됨으로써 개질기(12)에 상부는 높고 하부는 낮은 온도구배가 발생하여도 상기 고온활성촉매와 저온활성촉매가 각각의 활성온도 범위에 용이하게 도달할 수 있으므로 개질기(12) 전체에서 원활한 개질반응이 이루어지게 된다. 즉, 개질기(12) 전체의 촉매 활성이 최적화되어 개질성능이 향상된다.As described above, the high
상기 연료변환장치(10)의 저온개질층(12a)과 고온개질층(12b) 및 개질가스배출관(17)의 (a),(b),(c) 지점에 온도센서를 설치하여 온도를 측정한 결과, 저온개질층(12a)의 온도는 400~500℃이고 고온개질층(12b)의 온도는 600~800℃로서 버너(11)의 위치에 따라 변화가 발생하지만 개질기(12)에는 200~300℃의 온도구배가 발생함을 확인하였다. 또한, 개질기(12)에서 배출되는 개질가스의 온도는 600~700℃였다.The temperature is measured by installing a temperature sensor at points (a), (b) and (c) of the low temperature reformed
따라서, 500℃ 영역에서 우수한 활성을 보이는 저온활성촉매와 600~750℃에서 우수한 활성을 가지는 고온활성촉매를 개질기(12) 내부를 두 층으로 나누어 각각 설치함으로써 개질 활성을 극대화할 수 있었다.Therefore, the reforming activity could be maximized by installing the low temperature active catalyst having excellent activity in the 500 ° C region and the high temperature active catalyst having excellent activity at 600 to 750 ° C by dividing the inside of the
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 개질기(12)의 버너(11)에 인접한 벽면 즉, 내측 벽면에는 상하로 일정 간격마다 배플플레이트(12d)가 돌출 형성된다. 이 는 돔형 개질기(12)의 내주면 즉, 원통형 벽면에 형성되는 것이므로 원형의 배플플레이트(12d)가 상하방향으로 일정 간격마다 형성되는 것이다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 4, a
또한, 상기 배플플레이트(12d)는 상기 내측 벽면을 따라 나선형으로 형성된 하나의 부품으로 형성될 수도 있다.In addition, the
개질기(12) 전체에서의 고른 개질반응을 위해서 개질기(12)의 온도구배는 가능한 최소화되는 것이 바람직한 바, 본 발명은 상기 배플플레이트(12d)에 의해서 온도구배를 최소화하고자 하였다.It is preferable that the temperature gradient of the
상기 배플플레이트(12d)는 다수로 이루어진 원형의 것이든 하나로 이루어진 나선형의 것이든 어느 것이나 도시된 바와 같이 개질기(12)의 내부벽면을 따라 하향하는 연소가스의 흐름을 억제하게 된다. 이와 같이 연소가스의 흐름을 억제하는 것이 연소가스의 원활한 배출성능에 영향을 주는 정도는 아니며, 상기 배플플레이트(12d)에 의해 개질기(12)에 접하는 연소가스 유동의 길이가 증가되어 접촉 면적과 시간이 증가됨으로써 연소가스로부터 개질기(12)로의 열전달이 개질기(12) 전체에 걸쳐 보다 효율적으로 이루어지게 된다.The
즉, 개질기(12) 내부벽면에서 고온 연소가스의 유동속도가 감소하게 되어 개질기(12)의 하측, 화염과 다소 거리가 있는 부분까지 열전달량이 향상됨으로써 개질기 상부와 하부의 온도구배가 감소하게 되는 것이다.That is, the flow rate of the hot combustion gas in the
따라서, 보다 많은 열량이 개질기(12)로 전달되어 내부의 촉매가 신속하게 활성화 온도로 가열될 수 있고, 또한 강력한 흡열반응인 개질반응에 사용되는 열량의 공급이 원활히 이루어질 수 있다.Therefore, more heat is transferred to the
상기 도 4의 실시예에서 도 3의 실시예에서와 같이 동일 지점 (a),(b),(c)의 온도를 측정하여 본 결과, 배플플레이트(12d)를 설치하기 전에 개질기(12)의 온도구배가 200~300℃였으나, 배플플레이트(12d)의 설치 후에는 저온개질층(12a)의 온도가 480~500℃이고 고온개질층(12b)의 온도가 600~750℃로 최고온도가 50℃ 낮아지고 온도편차가 100℃정도로서 개질기(12) 내부의 온도구배가 감소함을 확인하였다.In the embodiment of FIG. 4, the temperature of the same points (a), (b), and (c) is measured as in the embodiment of FIG. 3, and as a result, before the
상기와 같이 배플플레이트(12d)를 설치함으로써 개질기(12) 내부의 온도편차를 완전히 없앨 수는 없지만 그 온도구배를 감소시킴으로써 개질반응이 우수한 고온활성촉매가 장착된 층인 고온개질층(12b)의 사용공간을 확장할 수 있고, 상대적으로 저온개질층(12a)을 감소시킬 수 있게 되어, 결과적으로 개질기(12)의 크기를 감소시킬 수 있게 된다.By installing the
한편, 상기 저온개질층(12a)의 저온활성촉매는 기화되지 못한 물과 연료가스에 포함된 황 성분이 고온개질층(12b)으로 이동하는 것을 차단하여 그들로부터 저온활성촉매에 비해 상대적으로 다량인 고온개질층(12b)의 고온활성촉매를 보호함으로써 개질기(12)가 전체적으로 일정 수준 이상의 개질성능을 유지토록 하는 역할을 하고, 또한 결국 개질기(12)의 수명이 연장되는 효과를 가져온다.On the other hand, the low temperature active catalyst of the low
본 발명에서 상기 배플플레이트(12d)가 개질기(12)의 외측 벽면에도 형성될 수 있음은 물론이다.(별도 도시하지 않음)Of course, the
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 CO변성기(13)에는 CO변성기 전용의 히터로서 전열코일(21)이 설치된다.On the other hand, as shown in Figure 5, the
이를 위해 상기 CO변성기(13)의 용기 중앙에 홀(13a)이 형성되고, 그 홀(13a)면에 접하도록 상기 전열코일(21)이 나선형으로 설치된다.To this end, a
그리고, 상기 열교환기(15)의 내측관(15b)의 상단에 연결된 개질가스도입관(18)은 상기 홀(13a)을 통해 하방으로 연장 성형되어 CO변성기(13) 용기의 하부에 위치한 확산층(13b)에 연결된다. 상기 홀(13a)로 의해 상기 확산층(13b)의 상부에 설치되는 변성촉매(13c)는 도우넛 형상을 가진다.In addition, the reformed
이때, 상기 전열코일(21)은 홀(13a)의 내주면 뿐만 아니라 상기 개질가스도입관(18)의 외주면에도 접촉하는 상태로 설치될 수 있다.In this case, the
따라서, 시동시 먼저 버너(11)에 의해 개질기(12)가 반응온도로 상승되면 상기 전열코일(21)을 작동시켜 CO변성기(13)의 온도를 200℃ 이상으로 상승시킨다. 이때 CO변성기(13)의 반응용기 뿐만 아니라 개질가스가 도입되는 상기 개질가스도입관(18)도 동시에 가열되므로 CO변성기(13)에 도입되는 개질가스의 온도도 상승되어 있게 되는데, 상기 전열코일(21)에 의한 외부로부터의 열전달과 상기 개질가스가 내부를 통과하면서 발생하는 열전달에 의하여 변성촉매(13c)는 온도구배 없이 전체적으로 균일한 상태를 유지하게 되며, 이러한 변성촉매(13c)를 개질가스가 통과하면서 CO변성반응이 활발하게 이루어지게 되고, 이때 발열이 이루어지므로 상기 전열코일(21)의 작동을 중지(전원공급중지)하게 된다.Therefore, when the
상기와 같이 시동시 CO변성기(13)는 전열코일(21)의 작동으로 신속하게 정격 운전 온도로 가열되어 시스템의 시동시간이 크게 감소하게 된다.As described above, the
또한, 이후 연소가스와 자체 발열에 의해 그 온도를 유지하게 되므로 상기 열교환기(15)를 흐르면서 CO변성기(13)로부터 열을 전달받는 반응물(연료가스와 물)이 충분한 열량을 공급받은 상태에서 개질기(12)로 공급된다.In addition, since the temperature is maintained by the combustion gas and self-heating, the reformer in the state where the reactants (fuel gas and water) receiving heat from the
이와 같이, 개질기(12)에 연료가스와 물(수증기 상태)이 충분한 열량을 가진 상태로 유입되므로 종래와 같이 버너(11)의 연료 공급량을 증가시켜 추가 열량을 공급할 필요 없이 개질반응이 이루어질 수 있게 된다.As such, the fuel gas and water (steam state) are introduced into the
도 6을 참조하여, CO변성기(13)에 전열코일(21)을 설치하지 않은 경우(ㄱ)와 설치한 경우(ㄴ)를 비교해 본다.With reference to Figure 6, compare the case (b) and the case (b) is not installed a
전열코일(21)을 설치하지 않은 경우(ㄱ), 연료변환장치(10) 운전 개시에서 버너(11)를 점화하고 개질기(12) 온도를 600℃까지 상승시키면 CO변성기(13) 온도도 함께 상승하여 100℃에 도달하게 된다. 이때 반응물인 물과 연료가스는 CO변성기(13) 외부의 열교환기(15)를 통해 공급되어 개질기(12)로 투입되고, 개질반응이 진행된다. CO변성기(13)의 온도는 반응물이 공급되면 온도상승이 둔화된다. 이는 CO변성기(13) 및 버너(11)에서 발생되는 열량이 반응물에 공급되어 나타나는 현상으로, 이때 반응물은 작은 열량을 얻어 개질기(12)에 공급되므로 개질기(12)의 온도를 유지하기 위하여 버너(11)를 통해 추가 열량이 공급된다. 일정시간 CO변성기(13)의 온도가 100℃에 머무른 후, CO변성반응으로 발생하는 열량과 개질반응을 위하여 추가로 공급된 버너(11)의 열량으로 CO변성기(13)의 온도가 다시 상승하고 정격인 230℃에 도달하여 평형을 이룬다. CO변성기(13)의 정격운전 온도에 도달하는 시간은 반응물 투입 후, 대략 30~40분 정도가 소요됨을 확인하였다.When the
반면, 전열코일(21)을 설치한 경우(ㄴ), 버너(11)를 점화하고 개질기(12)의 온도가 600℃에 도달하면, CO변성기(13)의 온도는 전열코일(21)에 의해 이미 정격인 230℃에 도달해 있게 된다. 이때 CO변성기(13) 외부의 열교환기(15)로 반응물이 투입되고 반응물은 정격상태의 CO변성기(13) 온도에 의해 충분한 열량을 얻어 개질기에 공급되므로 버너(11)를 통한 추가 열량 공급이 필요 없게 된다. On the other hand, when the
개질기(12)에서 생성된 개질가스는 CO변성기(13)로 투입되고, 이미 정격 반응온도까지 상승한 CO변성기(13)에서 변성반응이 진행된다. CO변성반응에 의해 열이 발생하므로 상기 전열코일(21)의 작동은 중지시킨다.The reformed gas generated in the
상기 비교실험의 결과와 같이, 전열코일(21)이 설치되지 않은 경우에는 CO변성기의 온도가 정격까지 상승하는 시간으로 인해 운전 개시 시간이 반응물 투입 후 30~40분이 소요되나, 전열코일(21)이 설치된 경우에는 개질기(12)의 온도가 600℃까지 상승하는 동안 CO변성기(13)가 충분히 활성화되어 반응이 원활히 진행되므로 CO변성기(13)의 정격온도 상승을 위한 시간이 필요치 않다. 따라서, 연료변환장치 운전 개시에 소요되는 시간이 30~40분 정도 감소하게 된다.As a result of the comparative experiment, when the
한편, 상기 CO변성기(13)에는 도 7에 도시된 바와 같이, 반응용기의 외주면에 나선형으로 전열코일(22)이 설치될 수도 있다. 이때 상기 전열코일(22)은 열교환기(15)의 외측관(15a)에도 접하도록 설치된다.On the other hand, the
이 경우, CO변성기(13)를 신속하게 정격운전 온도로 가열함은 물론, 상기 외측관(15a)을 흐르는 연료가스와 물을 보다 효과적으로 가열하게 되므로 상기 개질기(12)가 보다 신속하게 정격운전 온도로 상승하고 그 온도를 유지하게 되며 이를 위해 추가 열량을 소모할 필요가 없게 되는 효과가 발생하게 된다.In this case, the
또한, 상기 반응용기 내/외측의 전열코일(21,22)들을 모두 설치하여 사용할 수 있음은 물론이다.In addition, it is a matter of course that all of the heat transfer coils (21, 22) inside / outside the reaction vessel can be installed and used.
도 8은 도 2에 도시된 형태의 연료변환장치에 본 발명이 적용된 실시예로서, 도 2에 도시된 연료변환장치(30)는 다수의 동심 원통(31~39)들과 전열격벽(40)의 사이에 연소가스배출통로 및 개질촉매층(43)과 CO제거촉매층(47) 등이 반경방향 외측으로 순차적으로 배치된 형태의 것으로 중심부에 배치되는 버너(41)가 하향 설치되어서 화염의 방출방향에 의해 개질촉매층(43)의 하측이 온도가 높고 상측이 온도가 낮은 상태의 온도구배가 발생한다.(상기 형태의 연료변환장치에 있어서도, 저온개질층(43a)과 고온개질층(43b) 및 개질가스 배출부의 각 지점 (a),(b),(c)에서 온도를 측정하여 본 결과, 앞서 설명한 형태의 연료변환장치(도 3의 형태)와 동일하게 200~300℃의 온도구배를 가지고 있음을 확인하였다.)FIG. 8 is an embodiment to which the present invention is applied to the fuel converter of the type shown in FIG. 2. The
따라서, 상기 예열층(42)의 하부에 저온활성촉매가 설치되는 저온개질층(43a)이 형성되고, 그 저온개질층(43a)의 하부 전체에 고온활성촉매가 설치되는 고온개질층(43b)이 형성된다.Therefore, the low
또한, 가장 안쪽에 위치된 상기 전열격벽(40)과 더불어 연소가스배출통로를 형성하는 원통(39)의 내측 벽면에는 연소가스의 흐름방향에 대향하는 방향 즉, 하방으로 경사 돌출된 배플플레이트(39a)가 일정 간격으로 다수 형성된다.In addition, the inner wall surface of the
또한, CO변성촉매층(45)을 구성하는 원통(36)의 내주면에는 전열코일(49)이 나선형으로 설치된다.In addition, the
따라서, 시동시 상기 전열코일(49)에 의해 CO변성촉매층(45)이 신속하게 정 격운전 온도로 가열되고 이와 같이 가열된 CO변성촉매층(45)으로부터 충분히 열량을 전달받은 연료가스와 수증기가 상기 예열층(42)을 지나 개질촉매층(43)으로 유입되므로 개질촉매층(43)은 정격운전 온도를 유지하기 위해 버너(41)에서 연소되는 연소량을 추가로 증가시킬 필요가 없게 된다.Accordingly, the fuel gas and water vapor which are sufficiently heated by the
또한, 상기와 같이 개질촉매층(43)에 발생하는 온도구배에도 불구하고 그에 맞추어 저온개질층(43a)과 고온개질층(43b)이 배치되므로 개질촉매층(43)의 전 영역에서 개질반응이 원활히 진행될 수 있으며, 더욱이 연소가스통로에 형성된 다수의 배플플레이트(39a)에 의해 연소가스의 열량이 보다 효과적으로 개질촉매층(43)으로 전달되므로 버너(41)에 의해 공급되는 열량을 보다 효율적으로 사용할 수 있게 되고, 개질촉매층(43)이 정격운전 온도로 신속하게 도달할 수 있게 된다.In addition, despite the temperature gradient occurring in the reforming
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 변성촉매층(45)의 외측 원통(35)의 외주면에 전열코일(50)을 설치할 수도 있다.In addition, as illustrated in FIG. 9, the
이 경우에도 상기한 바와 같은 여러 효과들이 동일하게 나타나며, 상기 전열코일(50)이 설치된 부분이 연료가스와 수증기의 이동통로이므로 개질촉매층(43)으로 공급되는 연료가스와 수증기를 더욱 효과적으로 예열할 수 있다는 장점이 있다.In this case, various effects as described above are the same, and since the portion in which the
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 개질부의 온도구배를 고려하여 저온 및 고온 활성의 촉매를 구분 설치함으로써 개질부의 전 영역에 걸쳐 양호한 촉매 활성이 이루어질 수 있게 되어 개질성능이 향상되고, 이에 개질촉매를 과량 구비할 필요가 없게 되어 개질부의 크기가 감소될 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, by providing a catalyst having a low temperature and a high temperature activity in consideration of the temperature gradient of the reforming unit, good catalytic activity can be achieved over the entire region of the reforming unit, thereby improving the reforming performance, thereby improving the reforming catalyst. There is no need to provide an excess so that the size of the reforming portion can be reduced.
또한, 버너로부터 공급되는 열량이 개질부로 보다 원활하게 전달되어 개질기의 온도구배가 감소됨은 물론 연료변환장치의 효율이 향상되고, CO변성기가 보다 신속하게 정격운전 온도에 도달할 수 있게 됨으로써 연료변환장치의 각 구성부의 작동 안정성이 향상되며, 나아가 연료전지 시스템의 시동시간을 크게 감소시킬 수 있게 되는 효과가 있다.In addition, the heat supplied from the burner is more smoothly transferred to the reformer, thereby reducing the temperature gradient of the reformer, improving the efficiency of the fuel converter, and allowing the CO transformer to reach the rated operating temperature more quickly. The operation stability of each component of the is improved, and furthermore, there is an effect that can significantly reduce the startup time of the fuel cell system.
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