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KR101237778B1 - 나선형의 개질반응부를 가지는 연료변환장치 - Google Patents

나선형의 개질반응부를 가지는 연료변환장치 Download PDF

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KR101237778B1
KR101237778B1 KR1020100040105A KR20100040105A KR101237778B1 KR 101237778 B1 KR101237778 B1 KR 101237778B1 KR 1020100040105 A KR1020100040105 A KR 1020100040105A KR 20100040105 A KR20100040105 A KR 20100040105A KR 101237778 B1 KR101237778 B1 KR 101237778B1
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fuel
reforming reaction
heating
catalytic combustion
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구금재
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김성동
박상욱
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에스티엑스중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료변환장치에 관한 것으로서, 유입관과 배출관이 구비된 원통형의 촉매연소부와, 투입관과 배출관을 구비하며 상기 촉매연소부의 외곽을 나선형으로 감싸도록 구성된 튜브형의 개질반응부와, 연소가스 배출관을 구비하며 상기 개질반응부의 외곽을 감싸도록 구성된 원통형의 가열부 및 상기 가열부의 내측에 설치된 가열원을 포함함으로써, 소규모 발전용 수소 연료전지에 사용되는 수증기 개질 방식 연료변환장치의 열효율을 극대화하고 열적 자립도와 연료개질 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

나선형의 개질반응부를 가지는 연료변환장치 {REFORMER HAVING SPIRAL REACTOR}
본 발명은 연료변환장치에 관한 것으로서, 상세하게는 촉매연소열과 발열원을 이용하여 개질반응에 필요한 열을 얻을 수 있고 개질반응이 일어나는 반응부를 나선형으로 구성함으로써 연료변환장치의 열효율을 극대화하고 열적 자립도와 개질효율을 향상시킬 수 있는 연료변환장치와 그 운전방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료의 연소(산화)반응을 이용하지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 이용하여 반응 전후의 에너지 차이를 전기에너지로 직접 변환하는 장치를 말한다.
연료전지는 연료극(Anode)에 연료(수소가스나 탄화수소)를 공급하고 공기극(Cathode)에 산소를 공급하여 전기에너지를 생산하며 일반적인 소규모 발전용 수소 연료전지 시스템이 도1에 도시되어 있다.
도면을 참조하면 일반적인 소규모 발전용 수소 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극(110)과 공기극(120)을 구비하는 연료전지스택부(100)와, 연료(LNG)(1)에서 수소가스(H2)를 만들어 연료전지스택부(100)의 연료극(110)에 공급하는 연료공급부(200)와, 연료전지스택부(100)의 공기극(120)에 산소를 공급하는 공기공급부(300)와, 연료전지스택부(100)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(400)와, 상기한 각 부(100)(200)(300)(400)를 적절히 조절하는 제어부(미도시)로 구성되어 있다.
이 상태에서 제어부(미도시)가 가동 지령을 주면 연료(1)가 연료공급부(200)를 거치면서 수소가스가 생성되어 연료전지스택부(100)의 연료극(110)으로 공급됨과 아울러 공기공급부(300)로부터 연료전지스택부(100)의 공기극(120)으로 공기가 공급된다.
공기공급부(300)로부터 공급된 공기는 연료극(110)으로 공급된 연료(1)와 함께 산화반응과 환원반응을 일으키면서 전기에너지가 발생된다.
연료변환장치(reformer ; 개질기)는 원료공급부(200)를 구성하는 구성요소 중의 하나로서, 개질반응을 통해 연료(1)로부터 수소가스를 생성한다. 이 때 개질반응을 위해서는 열이 필요하므로 연료변환장치 내에 버너 등의 열 공급원을 구비하여 반응이 일어나는 부분에 열을 공급한다.
이 때 소규모 발전용 수소 연료전지에 있어서 수증기 개질 방식의 연료변환장치는 탄화수소 원료를 연료로 사용하는 버너에만 의존하여 열을 공급받기 때문에 소모되는 탄화수소 원료의 양만큼 연료변환장치 전체의 효율이 감소한다.
따라서 열효율을 극대화하고, 열적 자립도와 연료개질 효율을 향상시킬 수 있는 연료변환장치가 필요하다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 소규모 발전용 수소 연료전지에 사용되는 수증기 개질 방식 연료변환장치의 열효율을 극대화하고, 열적 자립도와 연료개질 효율을 향상시킬 수 있는 연료변환장치를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 연료변환장치는, 유입관과 배출관이 구비된 원통형의 촉매연소부와, 투입관과 배출관을 구비하며 상기 촉매연소부의 외곽을 나선형으로 감싸도록 구성된 튜브형의 개질반응부와, 연소가스 배출관을 구비하며 상기 개질반응부의 외곽을 감싸도록 구성된 원통형의 가열부, 상기 가열부의 내측에 설치된 가열원 및 상기 가열부의 내측에 설치되되 상기 개질반응부의 외측으로 설치되는 다수의 구멍이 형성된 원통형의 화염차단판을 포함한다.
상기 연료변환장치의 상기 가열원은, 상기 가열부의 내측 원주 상에 복수개가 대칭으로 설치될 수 있다.
삭제
상기 연료변환장치의 상기 촉매연소부에는, 유입관에 연료전지 스택의 연료극으로부터 발생한 배출가스(Off-Gas)가 공급될 수 있다.
본 발명의 연료변환장치에 따르면, 소규모 발전용 수소 연료전지에 사용되는 수증기 개질 방식 연료변환장치의 열효율을 극대화하고, 열적 자립도와 연료개질 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 열적 통합형 연료변환장치는, 개질반응부가 열원을 감싸는 나선형의 튜브 구조로 이루어지고 촉매연소부 및 가열부와 개질반응부의 상호 열교환이 가능하도록 이루어짐으로써 수열면적 및 열전달효율을 극대화 할 수 있고 컴팩트한 장치를 구현할 수 있다.
또한 스택 연료극의 배출가스를 회수하여 이용함에 따라 연료변환장치의 열적 자립도를 향상시킬 수 있으며 버너만을 이용하여 열을 공급할 때에 비하여 탄화수소연료의 사용량이 감소함에 따라 연료변환장치의 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 촉매연소열을 주된 열원으로 하고 보조 열원으로 가열원을 사용하여 2가지의 열원의 상호보완에 의해 연료전지 시스템의 안정적이고 우수한 시동성을 기대할 수 있다.
또한 최외각에 복수의 가열원을 구비하여 수열면적을 확대하고 연료변환장치 내부의 고른 온도 분포를 기대할 수 있으며 연료변환장치 전체의 열손실을 최소화할 수 있다.
도1은 일반적인 소규모 발전용 수소 연료전지 시스템을 나타내는 도면.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 연료변환장치의 외관을 나타내는 도면.
도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료변환장치의 내부구조를 나타내는 도면.
도4는 촉매연소부의 내부구조를 나타내는 도면.
도5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료변환장치의 내부구조를 나타내는 도면.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 연료변환장치를 이용하여 연료변환을 하는 방법을 나타내는 순서도.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 연료변환장치의 외관을 나타내는 도면으로서 원통형의 가열부(30)의 외측으로 촉매연소부의 유입관(11), 배출관(13) 및 개질반응부의 투입관(21), 배출관(23)이 돌출 구비되는 형상으로 이루어진다.
도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료변환장치의 내부구조를 나타내는 도면이다.
도면을 참조하면 본 발명의 제1실시예에 따른 연료변환장치는 촉매연소부(10)와 개질반응부(20)와 가열부(30) 및 가열원(40)을 포함하여 이루어진다.
상기 촉매연소부(10)는 유입관(11)과 배출관(13)이 구비된 원통형으로 이루어지고 유입관(11)으로부터 유입되는 반응물질을 촉매연소함으로써 후술하는 개질반응부(20)에서 개질반응이 일어나도록 열을 공급한다.
상세하게 설명하면 상기 촉매연소부(10)는 도4와 같이 내부에 공간이 형성되고 상기 내부의 공간과 외부를 연결하여 통하게 하는 유입관(11) 및 배출관(13)을 구비하며 상기 내부의 공간에는 촉매(15)가 충진된다.
상기 유입관(11)과 배출관(13)은 후술하는 가열부(30)의 외측으로 돌출하여 위치하며 가열부(30)와 접촉하는 부분이 고정되어 결과적으로 촉매연소부(10)가 가열부(30)에 지지된다.
이 상태에서 유입관(11)을 통해 반응물질인 수소가스가 유입되고 유입된 수소가스는 상기 공간에 충진된 촉매(15)와 반응하여 연소함으로써 열을 발생시킨다. 생성물질인 촉매연소가스는 배출관(13)을 통해 배출된다.
이 때 상기 촉매연소부(10)의 유입관(11)으로 유입되는 반응물질은 연료전지 스택의 연료극으로부터 발생한 배출가스(Off-Gas)가 공급되도록 함이 바람직하다.
스택의 연료극에서 발생하는 배출가스는 일반적으로 대기 중에 방출되는데 수%~수십% 수준의 탄화수소 연료 및 수%~수십% 수준의 수소가스가 포함되어 있어 이를 촉매연소부(10)를 이용하여 촉매연소시킴으로써 배출가스의 재활용이 가능하다.
이 때 촉매연소부(10)의 유입관(11)과 배출관(13)은 촉매연소부(10)의 내부의 공간 전체에서 촉매(15)에 의한 연소반응이 이루어지도록 서로 반대되는 방향에 위치하도록 함이 바람직하다.
상기 개질반응부(20)는, 튜브형으로서 투입관(21)과 배출관(23)을 구비하며, 상기 촉매연소부(10)의 외곽을 나선형으로 감싸도록 구성되고 투입관(21)으로 공급되는 탄화수소와 수증기의 연료를 개질하여 배출관(23)으로 개질가스를 발생시킨다.
여기에서 탄화수소연료는 예를 들면 LNG(Liguefied Natural Gas)를 사용하고 배출되는 개질가스는 수소가스(H2)이다.
상세하게 설명하면 상기 개질반응부(20)는, 튜브 모양이고 상기 촉매연소부(10)의 외곽을 나선형으로 감싸며 일측 끝으로 반응물이 투입되고 다른 측 끝으로 생성물이 배출되는 구조로 이루어지고 상기 공간 내에는 촉매(25)가 충진된다. 또한 상기 개질반응부(20)의 일측 끝에는 개질반응물이 투입되는 투입관(21)을 구비하고 다른측 끝에는 개질반응의 생성물이 배출되는 배출관(23)을 구비한다.
상기 투입관(21)과 배출관(23)은 후술하는 가열부(30)의 외측으로 돌출하여 위치하며 가열부(30)와 접촉하는 부분이 고정되어 결과적으로 개질반응부(20)가 가열부(30)에 지지된다.
이 상태에서 투입관(21)으로 투입되는 탄화수소원료와 수증기는 일정한 피치(pitch)를 가지는 나선형의 유로를 따라 이동하면서 개질반응이 이루어진다.
상기와 같이 개질반응부(20)가 촉매연소부(10)의 외곽을 나선형으로 감싸는 구조로 이루어짐으로써 촉매연소부(10)에서 발생한 연소열을 손실 없이 개질반응부(20)로 전달하는 것이 가능하다.
상기 개질반응부(20)의 공간 내에 충진된 촉매(15)는 반응물 투입관(21)으로부터 유입되는 탄화수소연료에서 수소가 분리되도록 하고 분리된 수소가스는 생성물 배출관(23)으로 배출되어 연료전지 스택에 공급된다.
상술한 설명에서 개질반응부(20)는 나선형인 것으로 설명하였으나 촉매연소부(10) 외부를 감싸는 튜브형(관형) 구조라면 적용이 가능하다.
상기 가열부(30)는 원통형으로서 연소가스 배출관(33)을 구비하며 상기 개질반응부(20)의 외곽을 감싸도록 구성되고, 상기 가열부(30)의 내측에는 가열원(40)이 설치된다. 이에 따라 가열원(40)의 열이 개질반응부(20)에 공급된다.
상세하게 설명하면 상기 가열부(30)는, 원통형의 형상을 가지고, 내부에 공간이 형성되어 상기 촉매연소부(10)와 수증기 개질반응부(20)를 수용하고, 외부로 통하는 연소가스 배출관(33)을 구비한다.
또한 가열부(30)의 내벽에는 가열원(40)이 설치되는데 상기 가열원(40)은 가열부(30)의 내측 원주 상에 복수개가 대칭으로 설치되는 것이 바람직하다. 이는 가열원(40)으로부터 충분한 열을 얻을 수 있음과 아울러 가열부(30) 전체를 균등하게 가열하여 열이 안정적으로 개질반응부(20)에 전달되도록 하는 역할을 한다.
상기와 같은 구조로 이루어짐으로써 가열원(40)으로부터 발생한 열이 가열부(30) 내부의 공간을 거쳐 개질반응부(20)에 공급되고 이 때 발생하는 연소가스는 배출관(13)을 통하여 배출된다.
상기 가열부(30)의 가열원(40)은 예를 들면 버너로서 이외에도 전도, 대류, 복사 등의 열전달 작용에 의해 열을 공급할 수 있는 요소를 채용할 수 있다. 또한 가열원(40)의 종류에 따라 상기 연소가스 배출관(33)이 없이 가열부(30)를 구성할 수도 있다.
도5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료변환장치의 내부구조를 나타내는 도면이다.
도면을 참조하면 상기 가열부(30)는, 상기 개질반응부(20)의 외측으로 원통형의 화염차단판(35)이 설치되어 버너와 같이 화염이 발생하는 가열원(40)을 채용하는 경우 화염으로부터 개질반응부(20)를 보호함과 아울러 개질반응부(20)에 균등한 열이 공급되도록 한다.
상세하게 설명하면 상기 화염차단판(35)은 가열부(30)의 공간 내에 구비되며 개질반응부(20)와 가열원(40) 사이에 위치한다. 따라서 가열원(40)에서 발생하는 열이 1차적으로 화염차단판(35)에 전달되고 화염차단판(35)에 전달된 열이 2차적으로 개질반응부(20)에 전달된다.
상기 화염차단판(35)에는 구멍이 형성될 수 있고 이 경우 화염차단판(35)의 전체 면적이 줄어들게 되므로 화염을 차단함과 아울러 화염차단판(35)에서 소비되는 열을 줄일 수 있어 과도한 열손실을 방지할 수 있다.
또한 화염차단판(35)이 구비되는 경우 열이 1차적으로 화염차단판(35)에 전달되므로 버너를 대칭으로 복수 개 구비하지 않는 경우라도 개질반응부(20)에 균등하게 열을 전달하는 것이 가능하다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 연료변환장치를 이용하여 수소가스를 생산하는 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 연료변환장치를 이용하여 연료변환을 하는 방법을 나타내는 순서도이다.
이하의 설명은 연소촉매(15)부의 유입관(11)에는 스택으로부터 발생한 배출가스가 공급되는 것으로 한 것이지만 촉매연소가 가능한 다른 가스를 이용할 수도 있다.
먼저 연료전지 시스템을 시동하면 연료변환장치의 가열원(40)을 가동시켜 열을 공급한다(S601). 이 때 촉매연소부(10)로부터 공급되는 열의 양은 적다.
상기와 같이 가열원(40)을 먼저 가동하는 것은, 개질반응부(20)에서 반응이 일어나기 위해서는 온도가 700도 이상으로 유지될 필요가 있는데, 시동시에는 스택으로부터 배출가스가 충분하게 발생하지 않으므로 촉매연소부(10)를 통해서는 충분한 열을 공급받기 어렵기 때문이다.
이 때 개질반응부(20)의 반응물 투입관(21)으로 투입되는 탄화수소연료와 수증기는 나선형의 개질반응부(20)를 흐르면서 가열원(40)으로부터 열을 공급받는다. 또한 상기 개질반응부(20)의 내부의 공간에 충진되어 있는 촉매(15)와 반응하면서 수소가 분리되고 이 때 생성된 수소가스는 생성물 배출관(13)으로 배출된다.
스택(100)의 배출가스가 많이 공급됨에 따라 배출가스와 촉매연소부(10) 내부에 충진된 촉매(15)의 연소반응이 활발해져서 촉매연소부(10)의 온도가 700도 이상을 유지하게 되면(S602) 상기 가열원(40)을 정지시키킨다(S603). 여기에서 700도의 온도는 하나의 예시로서 연료변환장치의 제어부(미도시)에 미리 설정된 값이다.
이 때 개질반응부(20)의 반응물 투입관(21)으로 투입된 탄화수소연료와 수증기는 나선형의 개질반응부(20)를 흐르면서 촉매연소부(10)로부터 열을 공급받는다. 또한 상기 개질반응부(20)의 내부의 공간에 충진되어 있는 촉매(15)와 반응하면서 수소가 분리되고 이 때 생성된 수소가스는 생성물 배출관(13)으로 배출된다.
다음으로 개질반응부(20)의 온도가 700도 이하가 되면(S602) 상기 가열원(40)을 재가동시켜 가열원(40)과 촉매연소부(10)에서 발생하는 열을 모두 이용하여 열을 공급한다(S604).
이 때 개질반응부(20)의 반응물 투입관(21)으로 투입된 탄화수소연료와 수증기는 나선형의 개질반응부(20)를 흐르면서 촉매연소부(10)와 가열원(40)으로부터 열을 공급받는다. 또한 상기 개질반응부(20)의 내부의 공간에 충진되어 있는 촉매(15)와 반응하면서 수소가 분리되고 이 때 생성된 수소가스는 생성물 배출관(13)으로 배출된다.
상술한 설명에서는 촉매연소부(10)와 가열부(30)가 자동으로 전환되면서 작동하는 것으로 설명하였으나 촉매(15) 연소와 가열부(30)의 운전을 작업자가 수동으로 선택함으로써 작동시키는 것도 가능하다.
상기와 같이 탄화수소 원료의 수증기 개질에 필요한 열을 촉매연소부(10)와 가열부(30)에 의해 동시 또는 개별적으로 얻고 나선형의 개질반응부(20)를 채용 가능함으로써 소규모 발전용 수소 연료전지에 사용되는 수증기 개질 방식 연료변환장치의 열효율을 극대화하고 열적 자립도와 연료개질 효율을 향상시킬 수 있는 열적 통합형 연료변환장치를 구현할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 촉매연소부 11 : 유입관
13 : 배출관 15 : 촉매
20 : 개질반응부 21 : 투입관
23 : 배출관 25 : 촉매
30 : 가열부 35 : 화염차단판
33 : 연소가스 배출관 40 : 가열원

Claims (5)

  1. 유입관(11)과 배출관(13)이 구비된 원통형의 촉매연소부(10);
    투입관(21)과 배출관(23)을 구비하며, 상기 촉매연소부(10)의 외곽을 나선형으로 감싸도록 구성된 튜브형의 개질반응부(20);
    연소가스 배출관(33)을 구비하며, 상기 개질반응부(20)의 외곽을 감싸도록 구성된 원통형의 가열부(30);
    상기 가열부(30)의 내측에 설치된 가열원(40) 및
    상기 가열부(30)의 내측에 설치되되, 상기 개질반응부(20)의 외측으로 설치되는 다수의 구멍이 형성된 원통형의 화염차단판(35)을 포함하는 연료변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열원(40)은, 상기 가열부(30)의 내측 원주 상에 복수개가 대칭으로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료변환장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촉매연소부(10)의 유입관(11)에 연료전지 스택의 연료극으로부터 발생한 배출가스(Off-Gas)가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료변환장치.
  5. 삭제
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