KR20220097556A

KR20220097556A - 고효율 연료처리장치

Info

Publication number: KR20220097556A
Application number: KR1020200186900A
Authority: KR
Inventors: 김흥구; 조형목; 김호석
Original assignee: 아크로랩스 주식회사
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2022-07-08

Abstract

고효율 연료처리장치가 개시된다. 본 발명의 고효율 연료처리장치는, 중앙의 상부측에 버너가 설치된 중앙연소부; 중앙연소부에서 배기된 연소 배가스가 배출되는 연소가스 통로에 배치되어 천연가스를 수소로 전환하는 수증기 개질반응기; 수증기 개질반응기에 대한 수증기 개질반응 촉매층의 온도를 유지하기 위해 연소 배가스통로를 통해 연소 배가스가 외측으로 흐르며, 개질가스통로를 통해 개질가스가 외측으로 흐르는 구조를 이루고, 내부에서 개질가스 원료가 흐르는 구조로 수증기 개질반응기의 입구 측에 직렬로 배치된 제1열교환부; 연소 배가스와 원료가스 및 수증기가 연교환하는 제2열교환부; 개질가스통로와 연소 배가스통로의 외벽에 설치되어 수증기를 발생시키는 수증기 발생부; 수증기 발생부의 외벽에 설치된 선택적 산화반응기; 개질가스통로와 연결된 CO변성반응기 및 CO변성반응기를 냉각시키는 냉각용 버너공기 통로; 를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

고효율 연료처리장치{High Efficiency Fuel Treating Equipment}

본 발명은 고효율 연료처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 흡열반응인 수증기 개질반응기의 온도를 높게 유지할 수 있도록 제1·2열교환부를 마련하여 연료처리장치의 열효율을 향상시킴과 아울러, 수증기 발생부 외벽에 선택적 산화반응기를 배치하여 높은 촉매 반응으로 CO(수소)제거 반응이 안정적으로 진행될 수 있도록 함으로써, 열전달 및 냉각효율이 우수하며, 안정적인 개질반응 및 CO제거를 통해 연료처리에 대한 효율성이 향상시키면서도 소형화가 가능한 고효율 연료처리장치에 관한 것이다.

최근, 국내외에서도 소형장치에서도 고효율 발전이 가능하게 하는 연료전지 시스템은 분산형 에너지 공급원의 발전시스템으로 연구/개발이 진행되고 있다.

그러나, 연료전지에 공급되는 수소 공급파이프 인프라는 아직 설치되어 있지 않고 부족한 상태이다.

따라서, 일반적인 연료전지 시스템을 운영하기 위해서는 기존 인프라가 구축된 메탄을 주성분으로 하는 도시가스와 물(수증기)을 이용하여 수소를 생성하는 수증기개질(Steam Reforming) 방법을 사용하고 있다.

또한, 수증기개질반응을 통해 수소함유 가스 중 발생되는 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위해 CO변성기를 설치한다.

연료전지 스택에 일산화탄소가 공급되는 연료전지 촉매의 CO 피독이 발생하여 촉매의 열화가 발생하여 성능저하가 발생한다. 이를 방지하기 위하기 위해 일산화탄소를 완전히 제거하기위해 선택적 산화 반응기를 설치하는 경우가 많다.

통상적으로, 선택적 산화반응을 통해 일산화탄소가 이산화탄소로 전환되어 10ppm 이하를 함유된 개질가스가 생성된다.

그리고, 수증기개질반응기에 사용되는 촉매는, 대략 600~700℃의 작동온도에서 Ru 또는 Ni을 사용한 개질촉매를 사용하고, CO변성기 촉매는 대략 200~300℃의 작동온도에서 Cu- Zn을 사용한 CO변성촉매를 사용하며, 선택적 산화반응기 촉매는 대략 80~150℃의 작동온도에서 Ru를 포함한 산화촉매를 사용하여 운전되도록 설계되어 있다.

특히, 선택적 산화 촉매는 온도가 너무 낮으면 반응이 일어나지 않아 일산화탄소가 발생되며, 반대로 온도가 너무 높으면 촉매의 열화가 빨라 설계 수명을 확보할 수 없게 되고, 메탄화반응 (Methanation)이 발생하여 일산화탄소 농도를 저감시키기 어렵다.

현재, 연료전지는 그 활용범위가 점차 넓어지고 있는 추세이며, 선진국에서는 앞다투어 연료전지의 개량 및 효율 향상을 위한 투자를 지속적으로 하고 있다.

예를 들어, 종래의 선행기술 중 KR 등록특허공보 제10-1062507호(명칭 : 연료처리장치)(이하, '선행문헌1'이라 함)에는, 버너가 설치된 중앙연소부과; 중앙연소부에서 배기된 연소 배가스가 배출되는 제1,2유로와; 제1,2유로를 사이에 두고 배치되어 천연가스를 수소로 전환하는 개질반응촉매층 및 수소와 함께 생성된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 고/저온전환반응촉매층이 직렬로 수직배치된 반응기와; 개질반응촉매층의 상부측에 형성되어 반응물을 공급받아 순환시키는 챔버공간과; 챔버공간에서 공급된 반응물을 고온전환반응기의 외측으로 순환시켜 제2유로를 통과하는 연소 배가스로부터 열을 회수함과 동시에 고온전환반응기를 냉각하는 순환코일과; 순환코일에서 배출된 반응물이 연소 배가스와 열교환되도록 제1유로에 인접 형성되고, 상기 연소 배가스와 열교환된 반응물을 개질반응촉매층에 공급하는 반응기통로와; 저온전환반응촉매층과 연통하도록 하부에 직렬 수직배치되어 저온전환반응촉매층에서 배출되는 일산화탄소를 산소를 이용하여 제거하는 선택적 산화반응기를 포함하여 구성되어 있다.

상기와 같은, 선행문헌1은 수증기 개질반응기에 공급되는 원료와 수증기를 이용하여 연소부 상부에서 반응물을 순환시켜 외부로 배출되는 열을 회수하고 예열하기 위한 챔버공간이 형성되어 있으며, 이 챔버공간을 통해 예열된 원료 및 수증기를 수증기 개질반응기로 공급하는 구성인 바, 이러한 구성은 수증기 개질반응기의 온도를 높이기 위해 많은 열량을 공급해야 하는 문제점이 있다.

또한, 종래의 또 다른 선행기술인 KR 등록특허공보 제10-1240849호(명칭 : 열교환 효과가 우수한 연료전지용 개질기)(이하, '선행문헌2'라 함)에는, 중앙으로부터 버너부, 고온 개질부, 제1열교환부, 제1단열부, CO변성부, 제2열교환부, 제2단열부, CO제거부 및 제3열교환부가 순차적으로 형성되어 있는 원통형 구조를 가지되, 버너부에서는 연료와 산소가 산화 반응하여 열을 발생시켜 상기 고온 개질부로 전달하고, 고온 개질부에서는 제1열교환부로부터 투입되는 탄화수소계 연료와 반응 물이 버너부에서 전달된 열에 의하여 제1온도에서 촉매 반응하고, CO변성부에서는 고온 개질부에서 발생되는 CO와 잔류하는 반응 물이 제1온도 보다 낮은 제2온도에서 촉매 반응하고, CO제거부에서는 CO변성부에서 잔류하는 CO와 산소가 제2온도보다 낮은 제3온도에서 촉매 반응하는 기술이 제안되어 있다.

상기의 선행문헌2는, 스중기 개질반응기와 원료 및 수증기가 직접 열교환하는 구조로 이루어져 있는 데, 수증기 개질반응기의 출구온도가 650~700℃의 고온으로 CO변성부와 열교환된 물(수증기)가 바로 수증기 개질반응기와 열교환 할 경우, 수증기 개질반응기의 온도가 낮아져 온도를 높이기 위해 많은 열량을 공급해 주어야 하는 문제점이 있었다.

따라서, 각 반응기의 열교환을 통해 안정적으로 온도를 유지하는 것은 연료처리장치의 효율과 수명을 높이는데 중요한 기술인 바, 이를 해결할 수 있는 기술이 시급히 요구되고 있다.

KR 등록특허공보 제10-1062507호(2011.08.30) KR 등록특허공보 제10-1240849호(2013.02.28) KR 등록특허공보 제10-1898788호(2018.09.07)

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 흡열반응인 수증기 개질반응기의 온도를 높게 유지할 수 있도록 제1·2열교환부를 마련하여 연료처리장치의 열효율을 향상시킴과 아울러, 수증기 발생부 외벽에 선택적 산화반응기를 배치하여 높은 촉매 반응으로 CO(수소)제거 반응이 안정적으로 진행될 수 있도록 함으로써, 열전달 및 냉각효율이 우수하며, 안정적인 개질반응 및 CO제거를 통해 연료처리에 대한 효율성이 향상시키면서도 소형화가 가능한 고효율 연료처리장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치는, 중앙의 상부측에 버너(201)가 설치된 중앙연소부(200); 상기 중앙연소부(200)에서 배기된 연소 배가스가 배출되는 연소가스 통로()에 배치되어 천연가스를 수소로 전환하는 수증기 개질반응기(300); 상기 수증기 개질반응기(300)에 대한 수증기 개질반응 촉매층의 온도를 유지하기 위해 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)를 통해 연소 배가스가 외측으로 흐르며, 제1·2개질가스통로(321, 322)를 통해 개질가스가 외측으로 흐르는 구조를 이루고, 내부에서 개질가스 원료가 흐르는 구조로 수증기 개질반응기(300)의 입구 측에 직렬로 배치된 제1열교환부(600); 상기 연소 배가스와 원료가스 및 수증기가 연교환하는 제2열교환부(601); 상기 제1·2개질가스통로(321, 322)와 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)의 외벽에 설치되어 수증기를 발생시키는 수증기 발생부(700); 상기 수증기 발생부(700)의 외벽에 설치된 선택적 산화반응기(500); 상기 제1·2개질가스통로(321, 322)와 연결된 CO변성반응기(400) 및 CO변성반응기(800)를 냉각시키는 CO변성반응기출구(431)와, CO변성반응 냉각기 공기입구(821) 및 CO변성반응 냉각기 공기출구(822)를 갖는 냉각용 버너공기 통로; 를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 제1열교환부(600)는 상기 제2열교환부(601)에서 열교환된 원료가스와 수증기가 중앙으로 통과하여 상기 수증기 개질반응기(300)로 유입되게 하며, 외주연부 측에 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223) 및 제1·2개질가스통로(321, 322)가 구비될 수 있다.

상기 제2열교환부(601)는 상기 수증기 발생부(700)와 직렬로 연결되되, 수증기와 원료가 혼합되는 천연가스 혼합부(602)가 구비되며, 상기제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)가 평행한 구조로 구성되고, 상기 천연가스 혼합부 (602)에 공급되는 수증기는 상기 수증기 발생부(700)에서 상기 제2열교환부(601)로 이동되는 통로 기능을 수행하는 작은 구멍(731)을 통해 공급될 수 있다.

상기 수증기 발생부(700)는 연소 배가스의 통로 외벽에 설치되며, 상기 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223) 내부에 제1·2개질가스통로(321, 322)가 배치되고, 상기 수증기 발생부(700)의 외벽에 선택적 산화반응기(500)가 설치되되, 상기 수증기 발생부(700)와 상호 열교환을 통해 상기 선택적 산화반응기(500)의 온도를 냉각시켜 과열을 방지하며, 상기 선택적 산화반응기(500)는 발열반응을 통해 상기 수증기 발생부(700)의 수증기 발생능력을 향상시킬 수 있다.

상기 제1·2개질가스통로(321, 322)의 하부에 CO변성반응기(400)가 배치되되, 상기 CO변성반응기(400)의 외벽 또는 내벽에 상기 CO변성반응기(400)의 과열을 방지하는 CO변성반응 냉각기(800)가 설치되며, 상기 CO변성반응기(400)의 외벽 또는 내벽에 설치된 CO변성반응 냉각기(800)의 냉각매체로 버너 연소용 공기가 사용될 수 있다.

상기에서 설명한 본 발명의 고효율 연료처리장치에 의하면, 수증기 개질반응기에 공급되는 수증기와 원료로 이루어진 혼합기체의 온도를 높여 연료처리장치의 효율을 높이고 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 고효율 연료처리장치에 의하면, 복수의 파이프를 사용하여 제작된 연료처리장치는 소형으로 제작이 가능하고, 체계적인 열흐름을 통해 연료처리장치의 기동시간(Warming up)을 단축시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 고효율 연료처리장치에 의하면, 수증기 개질반응기 입구에 제1·2열교환부를 배치함으로써, 수증기개질반응기에 공급되는 수증기와 원료의 온도를 높여 연료처리장치의 열효율을 높일 수 있다.

아울러, 본 발명의 고효율 연료처리장치에 의하면, 별도의 승온 및 냉각장치가 필요없으며, 수증기 생성반응기와 선택적 산화반응기를 함께 배치시킬 수 있도록 함으로써, 수증기 개질반응에 필요한 온도까지 빠르게 상승시킬 수 있어 연료처리장치의 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 고효율 연료처리장치에 의하면, 고온부를 내부에 배치하고, 저온부를 외부에 배치함으로써 연료처리장치를 소형으로 제작할 수 있게 된다.

도 1는 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치를 도시한 사시도,
도 2는 도 1의 'A-A'선 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 원료가스의 흐름을 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 연소 배가스의 흐름을 도시한 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 수증기 발생부 및 선택적 산화반응기를 도시한 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 수증기 발생부의 홀을 도시한 구성도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료처리장치를 도시한 구성도,
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료처리장치를 도시한 구성도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하기 위한 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

따라서, 몇몇 실시 예에서, 잘 알려진 공정단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않은 한 복수형도 포함한다.

명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다.

그리고, "및/또는"은 언급된 아이템의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다.

따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정형태로 제한되는 것이 아니라 제조공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다.

그리고, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1는 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치를 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1의 'A-A'선 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 원료가스의 흐름을 도시한 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 연소 배가스의 흐름을 도시한 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 수증기 발생부 및 선택적 산화반응기를 도시한 구성도이며, 도 6은 본 발명에 따른 수증기 발생부의 홀을 도시한 구성도이고, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료처리장치를 도시한 구성도이며, 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료처리장치를 도시한 구성도이다.

본 발명에 따른 고효율 연료처리장치(100)는, 메탄을 주성분으로 하는 천연가스를 수로로 전환하기 위한 연료처리장치를 소형화함과 아울러 개질반응과정과, CO변성반응, CO선택적 반응을 통해 연료전지에 필요한 수소를 공급하는 과정을 간소화하여 연료처리장치의 개질효율을 향상시키기 위한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치(100)는, 증기개질반응기(300)와, 연소부(200)와, 수증기발생부(700)와, CO변성반응기(400)와, 선택적 산화반응기(500)와, 제1 열교환부(600) 및 제2 열교환부(601)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 연소부(200)는 고효율 연료처리장치(100)의 중앙측에 설치된 것으로, 이 연소부(200)는 수증기 개질반응기(300)에서 혼합된 수증기와 천연가스를 개질하는 데 필요한 열을 지속적으로 공급해주는 기능을 수행한다.

이 연소부(200)에는 버너(201)가 설치되는 데, 버너(201)에는 버너(201)와 연통되게 설치된 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)들을 통해 천연가스와 오프가스(off-gas) 및 공기가 공급되어 연소되는 구성을 갖는다.

이를 위해, 연소부(200)의 일측에는 오프가스 입구(231)와, 버너공기 통로를 형성하는 버너공기 입구(232) 및 버너연료 입구(233)이 마련되며, 또 다른 일측에는 연소가스배출을 위한 연소가스출구(234)가 마련되어 있다.

이 때, 중요한 것은 천연가스와, 오프가스 및 공기가 혼합되어 공급될 경우 역화가 발생할 수 있으므로 개별적으로 버너(201)에 공급하도록 하는 것이 바람직하다.

버너(201)에서 발생되는 열기가 수증기 개질반응기(300)에 용이하게 전달될 수 있도록 버너 화염 가이드(미도시)가 버너(201)의 외부에 설치되어 있다.

상기 연소부(200)의 길이는 수증기 개질반응기(300)의 하부측까지 설치되어 수증기 개질반응에 필요한 열량을 공급하는 구조로 이루어진다.

또한, 연소부(200)의 하부는 버너(201)의 점화 및 연소 상태를 외부에서 확인할 수 있도록 연소부(200)의 바닥 표면에 온도센서(미도시)가 설치되어 연소부(200)의 상태를 상황을 모니터링할 수 있도록 한다.

상기 버너(201)에서 연소된 연소배가스는 연소부(200)의 아래로 흐르고, 수증기 개질반응기(300)와 연소부(200)의 사이에 있는 유로(221)를 따라 배출된다.

이러한 흐름에 의해, 수증기 개질반응기(300)에 열량을 지속적으로 공급할 수 있게 된다.

상기 유로(221)를 따라 배출되는 연소가스는 제1열교환부(600)에서 수증기 개질반응기(300)로 공급되는 수증기와, 천연가스의 온도를 높여 수증기 개질반응기(300)의 온도를 유지할 수 있도록 한다.

상기 연소배가스는 제2열교환부(601)에서 천연가스와 수증기가 혼합되는 부분의 온도를 상승시킬 수 있게 되는 데, 제2열교환부(601)를 통해 예열되지 않은 천연가스가 수증기와 혼합될 경우, 수증기의 온도가 낮아져 액체형태의 물발울이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.

상기 제2열교환부(601)를 통과한 연소배가스는, 수증기 발생부(700)와 열교환하여 연료처리장치(100)에 공급되는 물을 기화시켜 수증기로 만드는데 열량을 소비하기 때문에 낮은 온도로 배가스 배출이 가능하다.

도 4는 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치(100)의 원료 흐름을 도시한 것으로, 도 4를 참고하여 살펴보면, 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)의 외벽에 설치된 수증기 발생부(700)에서 연소가스의 열기에 의해 물이 기화하며, 기체상태로 제2열교환부(601)에서 천연가스와 수증기 혼합부(602)에서 혼합되는 구성을 갖는다.

상기 수증기 발생부(700)에서 생성된 수증기는 제2열교환부(601)와 연결되어 있으며, 본 발명의 중요한 특징 중 하나로, 제2열교환부(601)와 천연가스 수증기 혼합부(602) 사이에 작은 구멍(732)을 형성하고 있는 바, 이 작은 구멍(732)을 통해 물이 기화할 경우 수증기가 배출되어 연료처리장치(100)의 내부 압력이 흔들리는 것을 방지할 수 있도록 한다.

이와 같이, 수증기 발생부(700)에서 발생된 수증기는 천연가스 수증기 혼합부(602)를 통과하여 유로(파이프)를 통해 제1열교환부(600)로 이동한다.

이 때, 수증기는 천연가스 혼합부 (602)에서 천연가스와 혼합이 이뤄지는데, 천연가스 혼합부 (602)의 외벽은 물이 기화시 발생하는 내부압력변동에 연료처리장치의 내부 압력변동을 방지하고자 제2열교환부(601)와 천연가스 수증기 혼합부(602) 사이에 작은 구멍(731)을 뚫어 수증기 발생시 발생하는 압력변동을 예방할 수 있다.

상기 천연가스 수증기 혼합부(602)에서 혼합된 수증기와 천연가스는 파이프로 된 유로를 통해 제1열교환부(600)로 이동한다.

이러한, 제1열교환부(600)는 크기가 서로 다른 파이프로 되어 있으며, 중앙에서 혼합가스가 이동하고, 내측에서 연소가스(221)가 이동하며, 외부에서 수증기개질반응기()에서 개질된 개질가스(321)가 이동하면서 상호간에 열교환이 이루어지게 된다.

상기 제1열교환부(600)에서 온도가 상승된 수증기와 천연가스가 혼합된 수소생성에 필요한 원료(도시가스, LPG 등)는 수증기개질 반응기(300)로 공급된다.

상기 수증기 개질반응기(300)에서는 수증기 개질촉매(310)로 충진 되어 있으며 통상 사용되는 촉매로는 Ru 및 Ni을 사용한 개질촉매를 사용하고, 천연가스와 수증기 발생부(700)에서 생성된 수증기를 이용하여 600~700℃의 온도에서 수증기개질반응을 통해 수소로 전환시킨다.

이러한 수증기 개질반응기(300)의 일측에는, 개질가스의 유로 기능을 수행하는 제1·2개질가스통로(321, 322)가 마련되어 있으며, 다른 일측에는 원료공급을 위한 원료공급입구(331)이 형성되어 있다.

한편, 개질가스의 유로 기능을 수행하는 제1·2개질가스통로(321, 322)의 일측에는 단열재(900)가 구비되도록 함이 바람직하다.

수증기 개질 반응의 화학식은 다음과 같다.

이와 같이, 흡열발응으로 반응이 일어나면, 수증기 개질반응기(300)의 온도가 낮아지기 때문에 버너(201)에서 지속적으로 열량을 공급해줘야 한다.

상기 수증기 개질반응은 600~700℃에서 촉매반응이 일어나며, 수증기 개질반응에서 개질된 가스는 CO를 제거하기 위해 CO변성반응기(400)로 이동하게 된다.

상기 CO변성반응기(400)의 일측에는 상기 CO변성반응기출구(431)가 형성되어 있고, CO변성반응기(400)에서 사용되는 촉매로는 Cu-Zn 계열을 사용하고 있으며, 작동온도는 200~300℃이다. 수증기 개질반응으로 가스온도가 600~700℃의 고온상태로 CO변성촉매층(410)을 형성하여 수증기 개질반응기(300)에서 배출되며, 제1열교환부(600) 및 제2열교환부(601)를 경유하면서 200℃ 전후의 온도로 CO변성반응기(400)로 공급된다.

CO변성반응기(400)에서의 화학식은 다음과 같다.

상기 개질가스는 CO변성반응기(400)를 경유하면서 개질가스 내에 있는 일산화탄소량이 0.2~0.5%로 감소하게 된다.

이 CO변성반응기(400)는, 발열 반응을 수행하므로 CO변성반응기(400)의 온도를 유지시키기 위해 CO변성반응기(400)의 외벽 또는 내벽에 버너 공기로 냉각시킬 수 있는 CO변성반응 냉각기(800)를 구비하고 있다.

상기 CO변성반응 냉각기(800)은 냉각매체로 버너 연소용 공기를 사용한다.

상기 CO변성반응 냉각기(800)의 일측에는 냉각용 버너공기 통로를 형성하는 CO변성반응 냉각기 공기입구(821)와, CO변성반응 냉각기 공기출구(822)가 마련되어 있다.

CO변성반응기(400)에서 나온 가스는 선택적 산화반응기(500)에서 산소와 반응하여 CO를 10ppm 이하로 감소한다.

본 발명에 따른 선택적 산화반응기(500)는, 연료전지 스택에 적합하도록 개질가스에 포함된 0.2~0.5% 내외의 일산화탄소를 10ppm 미만으로 줄이기 위한 목적으로 설치되며, 특히 수증기 발생부(700)의 외벽에 설치하여 연료처리장치의 소형화에 적합할 수 있도록 하게 된다.

수증기 발생부(700)의 일측에는 물 공급을 위한 물공급 입구(721)이 형성된다.

선택적 산화반응기(500)의 일측에는 선택적 산화촉매층(510))이 형성되며, 일정 위치에 각각 선택적산화반응기입구(531)와 선택적산화반응기출구(532)가 마련된다.

이와 같은 구성을 갖는, 상기 선택적 산화반응기(500)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 선택적 산화반응기(500)는 수증기 생성장치(700)의 외벽에 설치되어 선택적 산화반응으로 발생되는 열을 제거할 수 있다.

종래의 경우, 선택적 산화반응기는 산화반응으로 발생되는 열을 제거하기 위해서는 별도의 냉각장치를 설치해야 하는 바, 냉각장치로 팬을 설치하여 선택적 산화반응기를 냉각시키는 공랭식 방식과, 외부에 부가 장치를 설치하여 냉각하는 수냉식 방식을 사용하고 있다.

이와 같은, 종래기술에 따른 방식은 별도의 장치를 설치해야 하므로 연료처리장치의 크기가 커지며 별도의 배관을 사용해야 하기 때문에 복잡한 구조를 가지게 된다.

반면, 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치(100)에 의하면, 수증기 발생부(700)에 선택적 산화반응기(500)를 설치함에 따라 발생되는 열이 수증기 발생부(700)에 의해 냉각되므로 별도의 냉각장치를 필요로 하지 않게 된다.

상기 선택적 산화반응기(500)가 수증기 발생부(700)의 외벽에 설치되는 바, 이에 의해, 선택적 산화반응으로 인해 수증기 생성 능력을 향상시킬 수 있게 된다.

이와 같이, 수증기 발생부(700)와 선택적 산화반응기(500)를 함께 배치시킴으로써, 운전시 별도의 가열장치 또는 냉각장치를 구비하지 않아도, 본 발명에 따른 선택적 산화반응기(500)의 안정적인 온도유지를 통해 내구성이 높고 안정적인 운전이 가능한 연료처리장치(100)를 제공할 수 있게 된다.

상기 선택적 산화반응기를 통한 일산화탄소 제거 반응식은 다음과 같다.

이러한 반응에 필요한 산소를, 본 발명에서는, 대기중 공기를 이용하게 되며, 이를 위하여, 급기(821)포트가 선택적 산화 반응기 측면에 설치되어 있으며, 선택적 산화반응기(500)에서 일산화탄소를 제거하는 반응은 발열반응이므로 선택적 산화반응기(500)를 냉각시키는 장치가 별도로 필요하게 된다.

상기 수증기 발생부(700)의 외벽에 설치된 선택적 산화반응기(500)에서 발생되는 열은, 수증기 발생부(700)로 공급된 물로 인해 안정적이고 일정한 온도를 유지하여 원활한 선택적 산화 반응이 이루어지도록 하며, 일산화탄소가 제거된 개질가스를 개질가스 출구 포트 (532)를 통해 연료전지 스택에 공급할 수 있다.

상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치(100)는, 각종 촉매층, 제1·2열교환부(600, 601) 및 냉각부의 최적의 배치를 통해 연소가스의 열을 최대한 회수하고, 각 촉매층의 적정 반응온도를 유지하도록 함으로써, 연료처리장치의 효율을 높이고 안정적인 장치의 소형화가 가능하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에 속하는 것으로 해석하여야 할 것이다.

100 : 연료처리장치, 200 : 연소실,
201 : 버너, 221 : 제1연소가스통로,
222 : 제2연소가스통로, 223 : 제3연소가스통로,
231 : 오프가스 입구, 232 : 버너공기 입구,
233 : 버너연료 입구, 234 : 연소가스출구,
300 : 수증기개질반응기, 310 : 수증기개질 촉매,
321 : 제1개질가스통로, 322 : 제2개질가스통로,
331 : 원료공급입구, 400 : CO변성반응기,
410 : CO변성촉매층, 431 : CO변성반응기출구,
500 : 선택적 산화반응기, 510 : 선택적산화촉매층,
531 : 선택적 산화반응기입구, 532 : 선택적 산화반응기출구,
600 : 제1열교환부, 601 :　제2열교환부,
602 : 원료 - 수증기 혼합부, 700 : 수증기 발생부,
721 : 물공급 입구, 800 : CO변성반응 냉각기,
821: CO변성반응 냉각기 공기입구, 822 : CO변성반응 냉각기 공기출구,
900 : 단열재.

Claims

중앙의 상부측에 버너(201)가 설치된 중앙연소부(200);
상기 중앙연소부(200)에서 배기된 연소 배가스가 배출되는 연소가스 통로()에 배치되어 천연가스를 수소로 전환하는 수증기 개질반응기(300);
상기 수증기 개질반응기(300)에 대한 수증기 개질반응 촉매층의 온도를 유지하기 위해 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)를 통해 연소 배가스가 외측으로 흐르며, 제1·2개질가스통로(321, 322)를 통해 개질가스가 외측으로 흐르는 구조를 이루고, 내부에서 개질가스 원료가 흐르는 구조로 수증기 개질반응기(300)의 입구 측에 직렬로 배치된 제1열교환부(600);
상기 연소 배가스와 원료가스 및 수증기가 연교환하는 제2열교환부(601);
상기 제1·2개질가스통로(321, 322)와 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)의 외벽에 설치되어 수증기를 발생시키는 수증기 발생부(700);
상기 수증기 발생부(700)의 외벽에 설치된 선택적 산화반응기(500);
상기 제1·2개질가스통로(321, 322)와 연결된 CO변성반응기(400) 및 CO변성반응기(800)를 냉각시키는 CO변성반응기출구(431)와, CO변성반응 냉각기 공기입구(821) 및 CO변성반응 냉각기 공기출구(822)를 갖는 냉각용 버너공기 통로;
를 포함하는 고효율 연료처리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1열교환부(600)는 상기 제2열교환부(601)에서 열교환된 원료가스와 수증기가 중앙으로 통과하여 상기 수증기 개질반응기(300)로 유입되게 하며, 외주연부 측에 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223) 및 제1·2개질가스통로(321, 322)가 구비된 것을 특징으로 하는 고효율 연료처리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제2열교환부(601)는 상기 수증기 발생부(700)와 직렬로 연결되되, 수증기와 원료가 혼합되는 천연가스 혼합부(602)가 구비되며, 상기제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)가 평행한 구조로 구성되고, 상기 천연가스 혼합부 (602)에 공급되는 수증기는 상기 수증기 발생부(700)에서 상기 제2열교환부(601)로 이동되는 통로 기능을 수행하는 작은 구멍(731)을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 고효율 연료처리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 수증기 발생부(700)는 연소 배가스의 통로 외벽에 설치되며, 상기 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223) 내부에 제1·2개질가스통로(321, 322)가 배치되고, 상기 수증기 발생부(700)의 외벽에 선택적 산화반응기(500)가 설치되되,
상기 수증기 발생부(700)와 상호 열교환을 통해 상기 선택적 산화반응기(500)의 온도를 냉각시켜 과열을 방지하며, 상기 선택적 산화반응기(500)는 발열반응을 통해 상기 수증기 발생부(700)의 수증기 발생능력을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고효율 연료처리장치.
청구항 4에 있어서,
상기 제1·2개질가스통로(321, 322)의 하부에 CO변성반응기(400)가 배치되되, 상기 CO변성반응기(400)의 외벽 또는 내벽에 상기 CO변성반응기(400)의 과열을 방지하는 CO변성반응 냉각기(800)가 설치되며,
상기 CO변성반응기(400)의 외벽 또는 내벽에 설치된 CO변성반응 냉각기(800)의 냉각매체로 버너 연소용 공기가 사용되는 것을 특징으로 하는 고효율 연료처리장치.