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KR102358839B1 - 튜브형 채널 수소추출기 - Google Patents

튜브형 채널 수소추출기 Download PDF

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KR102358839B1
KR102358839B1 KR1020200069547A KR20200069547A KR102358839B1 KR 102358839 B1 KR102358839 B1 KR 102358839B1 KR 1020200069547 A KR1020200069547 A KR 1020200069547A KR 20200069547 A KR20200069547 A KR 20200069547A KR 102358839 B1 KR102358839 B1 KR 102358839B1
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burner
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mixing pipe
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신장식
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Abstract

버너케이스와, 상기 버너케이스 내부에 위치하는 단면이 링 형태인 공기혼합관과, 상기 공기혼합관의 내측면 내에 삽입되되 버너연료가 일측에서 주입되어 타측으로 이동하는 연료주입관 및 상기 공기혼합관 내측면과 상기 연료주입관 외측면 사이에 형성되는 연료이동로를 포함하며, 분리 또는 교체가 가능한 버너부재; 상기 버너케이스의 일측에 결합되는 점화부재; 및 상기 버너케이스의 외주면에 근접하여 위치하는 복수개의 개질반응 모듈이 결합되어 구성되고 개질반응을 수행하는 개질반응부재;를 구비하고, 상기 연료주입관을 통과한 버너연료는, 상기 연료이동로 내 타측에서 일측으로 이동하고, 상기 공기혼합관의 일측으로 유입되어 공기와 혼합되고 타측으로 이동하며 예열되는 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기를 제공한다.

Description

튜브형 채널 수소추출기{Tube type channel hydrogen extractor}
본 발명은 튜브형 채널 수소추출기에 대한 것으로, 버너연료의 예열구간을 구비하여 에너지 효율을 높이며 개질반응의 온도를 유지할 수 있고, 개질반응 용량에 따라 크기를 조절할 수 있으며 모듈화된 개질반응부재를 구비하는 튜브형 채널 수소추출기에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료(수소, 천연가스, 메탄올, 가솔린)와 산화제(공기, 산소)의 화학 에너지가 전기 에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 전지로 에너지 기술 분야 중 하나이다. 연료전지는 천연가스, 메탄올, 등유, 경유뿐만 아니라, 석탄, 바이오에탄올 등 모든 탄화수소를 반응물로 사용하는 것이 가능하다. 상기와 같은 탄화수소 연료로부터 수소가스로 개질하는 과정은 크게 황 제거, 연료 개질, 수성화 반응, 일산화탄소 제거의 4단계로 이루어진다.
즉 연료전지 분야는 사용가능한 고농도의 수소연료 또는 수소 및 CO 혼합가스로 전환시키는 연료개질 및 물-가스 전이반응(WGS; water gas shift)과 같은 수소농도를 높이는 후속 처리기술이 필요하다.
예를 들어, 연료개질에 있어서 탄화수소 수증기 개질은 수소 생산 방법 중 가장 염가의 방법이며, 탄화수소 수증기 개질은 메탄을 주성분으로 하는 탄화수소를 수증기와 함께 촉매 하에 반응시켜 수소를 얻는 방법이다. 이때 진행되는 반응은 주반응인 개질반응과 부반응인 수성가스 전이반응 2가지이며 하기의 식과 같다.
[수학식 1]
CH4 + H2O → CO +3H2 △H = +497kcal/mol
CO + H2O → CO2 + H2 △H = -10kcal/mol
상기 수학식 1과 같이 수소는 메탄과 물 모두에서 분리되어 생산되므로 수소 생산수율이 높다고 볼 수 있다.
그러나 상기 개질반응은 강한 흡열반응이며 고온 및 저압 조건이 정반응의 진행에 유리하므로, 대부분 수증기와 메탄을 700 내지 1100℃의 촉매반응으로 반응시켜 수소를 얻고 있다. 따라서, 강한 흡열반응을 위하여 연료개질장치는 내부에 높은 열을 공급해주는 버너가 필요하다. 또한, 단위 촉매당 반응활성을 증가시키기 위해 촉매에 반응열이 효율적으로 공급되어야 하므로 튜브형 채널 수소추출기 내부에서 버너의 열분포는 고르게 이루어져야 한다.
하지만, 개질반응에 필요한 높은 반응열은 버너 및 점화기의 수명을 단축시킬 수 있으며, 일체형 개질장치의 경우 버너 또는 점화기로 인해 개질장치의 기기수명이 단축될 수 있다. 또한, 연료개질장치의 이상이 발생하거나 촉매를 교체해야 하는 경우 반응기 전체를 보수해야 할 수 있으며, 이는 유지보수에 대한 비용을 증가시킬 수 있다.
한국 등록특허 제10-1015506호(등록일 : 2011. 02. 10.) 한국 등록특허 제 10-1180645호(등록일: 2012. 09. 03.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 버너부재와 개질반응부재를 모듈화함으로써 개별적으로 교체가 가능하여 유지보수 비용을 감소시키고, 개질장치의 수명을 향상시킬 수 있으며, 장치의 크기에 상관없이 필요한 곳에 적용이 가능한 튜브형 채널 수소추출기를 제공하는 것에 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 다양한 버너연료에 적용을 할 수 있으며, 특히 액체연료의 가스화 및 공기와 버너연료의 혼합이 고르게 이루어질 수 있고, 튜브형 채널 수소추출기 내부에 효율적으로 고른 반응열을 제공하는 버너부재를 포함하는 튜브형 채널 수소추출기를 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 버너케이스와, 상기 버너케이스 내부에 위치하는 단면이 링 형태인 공기혼합관과, 상기 공기혼합관의 내주면 내에 삽입되되 버너연료가 일측에서 주입되어 타측으로 이동하는 연료주입관 및 상기 공기혼합관 내주면과 상기 연료주입관 외주면 사이에 형성되는 연료이동로를 포함하며, 분리 또는 교체가 가능한 버너부재; 상기 버너케이스의 일측에 결합되는 점화부재; 및 상기 버너케이스의 외주면에 근접하여 위치하는 복수개의 개질반응 모듈이 결합되어 구성되고 개질반응을 수행하는 개질반응부재;를 구비하고, 상기 연료주입관을 통과한 버너연료는, 상기 연료이동로 내 타측에서 일측으로 이동하고, 상기 공기혼합관의 일측으로 유입되어 공기와 혼합되고 타측으로 이동하며 예열되는 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기를 제공할 수 있다.
상기 연료주입관은, 타측에 연료확산부가 형성되되, 상기 연료확산부는 단부를 향하여 지름이 점차 확장되어 내측면의 수직 단면은 경사가 형성되고, 외측면은 상기 내측면의 경사를 따르는 계단형의 단면을 구비하고, 상기 버너연료는 상기 연료확산부의 외측면을 타고 흐르며 상기 연료이동로로 유입되는 것일 수 있다.
상기 공기혼합관의 내주면은 일단 영역에 복수개의 연료유입홀이 위치하고, 상기 연료유입홀은 상기 연료이동로와 연통되어 상기 버너연료가 상기 공기혼합관으로 유입되는 것일 수 있다.
상기 공기혼합관의 일단부는 상기 연료주입관이 관통되되 상기 공기혼합관의 외주면과 대응되는 직경을 구비하는 공기주입관이 위치하고, 상기 공기혼합관의 일단면은 복수개의 공기유입홀이 형성되고, 상기 공기주입관과 연통되어 공기가 상기 공기혼합관으로 유입되는 것일 수 있다.
상기 공기혼합관은 타단 영역 외주면에 형성된 복수개의 분사홀을 통하여 상기 혼합된 버너연료와 공기를 분사하여 점화되는 것일 수 있다.
상기 버너부재는, 상기 복수개의 분사홀을 수평으로 각각 구획하며 상기 버너부재의 일측방향으로 개방하고 타측방향으로 차단하는 복수개의 격벽을 상기 공기혼합관의 외주면에 구비하는 것일 수 있다.
상기 격벽은 상기 공기혼합관의 중심축에 대한 단면이 동심원이 되도록 구비되되 일측의 개방된 영역이 서로 일직선 상에 위치하지 않도록 단계적으로 위치하는 것일 수 있다.
상기 개질반응 모듈은 상기 버너부재의 외주면에 근접하여 위치하는 열교환부와, 상기 열교환부로부터 외측으로 나란히 위치하는 촉매부와, 상기 열교환부와 촉매부의 일단부 및 타단부에 결합되어 상기 열교환부를 통과한 반응물 또는 생성물을 촉매부로 이동시키는 유로를 형성하는 커넥터부를 포함할 수 있다.
상기 촉매부를 통과한 반응물 또는 생성물은 상기 커넥터부를 통하여 이웃한 다른 개질반응 모듈의 열교환부로 다시 유입되는 반복 과정을 거치며 상기 복수개의 개질반응 모듈을 따라서 반응물 또는 생성물이 순차적으로 이동하며 개질반응이 수행되는 것일 수 있다.
상기 개질반응 부재는, 상기 촉매부의 온도를 측정하는 온도측정 센서가 체결되는 제1 온도센서 체결부가 각각의 상기 커넥터부를 관통하여 구비되는 것일 수 있다.
상기 튜브형 채널 수소추출기는, 상기 개질반응 모듈의 열교환부가 각각 결합되는 제1 플렌지와, 상기 개질반응 모듈의 촉매부가 각각 결합되는 제2 플렌지와, 상기 커넥터부의 외주면이 결합되는 상부커버와, 상기 개질반응 모듈이 내부에 위치하는 원통형의 외부케이스와, 상기 외부케이스의 일측단부와 결합되는 하부커버를 포함하는 케이스 부재를 포함할 수 있다.
상기 케이스 부재는, 상기 외부케이스의 외주면 일측에 점화부재 체결부가 형성된 것일 수 있다.
상기 케이스 부재는, 상기 버너부재의 온도를 측정하는 온도측정 센서가 체결되는 제2 온도센서 체결부가 상기 하부커버를 관통하여 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기는 버너부재와 개질반응부재를 모듈화함으로써 개별적으로 교체가 가능하여 유지보수 비용을 감소시키고, 개질장치의 수명을 향상시킬 수 있으며, 장치의 크기에 상관없이 필요한 곳에 적용이 가능한 장점이 있다.
또한, 다양한 버너연료에 적용을 할 수 있는 버너부재는 특히 액체연료의 가스화 및 공기와 버너연료의 혼합이 고르게 이루어질 수 있는 장점이 있으며, 튜브형 채널 수소추출기 내부에 효율적으로 고른 반응열을 제공할 수 있다.
도 1 및 도2는 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기의 내부를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기의 개질반응부재를 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기의 개질반응부재의 개질반응모듈을 나타낸 분해사시도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기의 버너부재와 점화부재를 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기의 버너부재의 타측 영역을 나타낸 단면도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기의 버너부재의 일측 영역을 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1 및 도2는 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기의 내부를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기의 개질반응부재를 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기의 개질반응부재의 개질반응모듈을 나타낸 분해사시도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기의 버너부재와 점화부재를 나타낸 단면도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기의 버너부재의 타측 영역을 나타낸 단면도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기의 버너부재의 일측 영역을 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기(10)는 버너부재(100)와, 점화부재(200)와, 개질반응부재(300)를 포함할 수 있으며, 나아가서 케이스 부재(400)를 포함할 수 있다. 버너부재(100)는 공급된 버너연료와 공기를 연소하여 버너케이스(110) 내부(112)에 고온의 연소가스를 형성하며, 고온의 연소가스를 개질반응부재(300)에 공급함으로써 개질반응 온도를 유지할 수 있다. 버너부재(100)에서 발생되는 온도는 약 700 내지 1500 ℃일 수 있으며, 개질반응부재(300)의 흡열 반응에 따른 열량을 공급할 수 있다.
버너부재(100)는 튜브형 채널 수소추출기(10)에 대해 분리 또는 교체가 가능하며, 원통형의 버너케이스(110)와, 상기 버너케이스(110) 내부에 위치하는 단면이 링 형태인 공기혼합관(120)을 포함할 수 있다. 즉, 공기혼합관(120)은 내주면(127)과 외주면(129)을 구비하여 단면이 링형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 버너부재(100)는 상기 공기혼합관(120)의 내주면(127) 내에 삽입되되 버너연료가 일측에서 주입되어 타측으로 이동(a1)하는 연료주입관(130) 및 상기 공기혼합관 내주면(127)과 상기 연료주입관(130) 외주면 사이에 형성되는 연료이동로(140)를 포함할 수 있다.
상기 연료주입관(130)을 통과한 버너연료는 상기 연료이동로(140) 내 타측에서 일측으로 이동(a2)하고, 상기 공기혼합관(120)의 일측으로 유입되어 공기와 혼합되고 타측으로 이동(c1)하며 예열될 수 있다. 즉, 공기와 혼합된 버너연료가 공기혼합관(120)의 분사홀(120h)로 이동하는 동안 버너케이스(110) 내부 공간(112)의 열로 인해 예열됨으로써 액상 연료의 경우 가스화를 위한 구간을 제공할 수 있으며, 이로 인해 기상 연료는 물론 액상의 연료에도 관계없이 버너연료로 제공받을 수 있으므로 다양한 연료에 적용이 가능하며 에너지 효율 또한 증가시킬 수 있다. 예로써 상기 버너연료는 메탄올, 에탄올, DMC(디메틸에테르), 디젤, 가솔린, bio fuel) 등과 같은 액상의 연료 또는 NG, LPG, 메탄 등과 같은 기상의 연료를 사용할 수 있다.
상세히 설명하면, 상기 버너부재(100)의 연료주입관(130)은 일측으로부터 연료가 주입되고, 타측에 연료확산부(130A)가 형성될 수 있다. 상기 연료확산부(130A)는 단부를 향하여 지름이 점차 확장되어 내측면의 수직 단면은 경사(131)가 형성되고, 외측면은 상기 내측면의 경사(131)를 따르는 계단형(133)의 단면을 구비할 수 있다. 상기 버너연료는 상기 연료확산부(130A)의 외측면을 타고 흐르며 상기 연료이동로(140)로 유입되는 것일 수 있다.
따라서 연료주입관(130)을 따라 타측으로 이동한 버너연료는 연료확산부(130A)의 내측면의 경사(131)를 따라 상향으로 고르게 확산될 수 있으며, 연료확산부(130A)의 단부에 이른 버너연료는 도7의 a1과 같이 외측면에 형성된 계단형(133) 단면을 타고 흘러내림으로써 어느 한 방향으로 집중되는 현상을 방지하여 버너연료를 고르게 분포시킬 수 있다. 이때, 버너케이스(110)는 연료확산부(130A)를 통과하여 고르게 분포된 버너연료가 일정한 양으로 연료주입관(130)으로 제공될 수 있도록 연료확산부(130A)와 연료이동로(140) 사이에 구획판(115)이 위치할 수 있다. 따라서 연료이동로(140)로 유입되는 버너연료 또한 공기혼합관 내주면(127)과 상기 연료주입관(130) 외주면을 타고 고르게 유입될 수 있다.
상기 공기혼합관의 내주면(127)은 일단 영역에 복수개의 연료유입홀(140h)이 위치하고, 상기 연료유입홀(140h)은 상기 연료이동로(140)와 연통되어 상기 버너연료가 상기 공기혼합관(120)으로 유입되는 것일 수 있다. 즉, 연료이동로(140)의 타측으로부터 일측으로 이동(a2)한 버너연료는 연료유입홀(140h)을 통과하여 공기혼합관(120)으로 이동할 수 있다.
또한, 상기 공기혼합관(120)의 일단부는 상기 연료주입관(130)이 관통되되 상기 공기혼합관(120)의 외주면(129)과 대응되는 직경을 구비하는 공기주입관(150)이 위치할 수 있으며, 공기주입관(150)의 일단부는 측부로 돌출 연장된 공기주입구(155)가 형성된 것일 수 있다. 이때, 상기 공기혼합관(120)의 일단면은 복수개의 공기유입홀(150h)이 형성되고, 상기 공기주입관(150)과 연통되어 공기가 상기 공기혼합관(120)으로 유입(b2)될 수 있다. 즉, 공기주입관(150)의 일단부로부터 유입(b1)된 공기는 공기유입홀(150h)을 통과하여 공기혼합관(120)으로 이동할 수 있다.
따라서, 공기혼합관(120)의 일단부 영역에 구비된 연료유입홀(140h)과 공기유입홀(150h)을 통하여 각각 유입된 버너연료와 공기는 공기혼합관(120)내에서 혼합될 수 있으며, 공기와 혼합된 버너연료는 공기혼합관(120)의 타측으로 이동(c1)할 수 있다.
상기 공기혼합관(120)은 타단 영역 외주면(129)에 형성된 복수개의 분사홀(120h)을 통하여 상기 혼합된 버너연료와 공기가 분사되어 점화되는 것일 수 있다. 즉, 공기와 혼합된 버너연료는 공기혼합관(120) 외부, 즉 버너케이스(110) 내부(112)로 분사되고 버너케이스(110)의 일측에 결합되는 점화부재(200)에 의해 점화되어 반응열을 제공할 수 있다. 점화되어 연소된 버너연료의 연소가스는 케이스부재(400)의 타측면을 관통하여 형성된 연소가스 배기부(435)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.
상기 버너부재(100)는 상기 복수개의 분사홀(120h)을 수평으로 각각 구획하며 상기 버너부재의 일측방향으로 개방하고 타측방향으로 차단하는 복수개의 격벽(160)을 상기 공기혼합관(120)의 외주면(129)에 구비할 수 있다. 격벽(160)은 공기혼합 버너연료의 버너케이스(110) 내 타측방향의 이동을 차단을 위한 차단부(161a, 163a)와, 일측방향으로 개방되어 점화부재(200)를 향한 이동을 유도하는 격벽부(161, 163, 165)를 각각 구비하여 공기혼합 버너연료의 점화부재(200)로 이동을 유도함으로써 점화효율을 더욱 높일 수 있다.
상기 격벽(160)은 상기 공기혼합관(120)의 중심축에 대한 단면이 동심원이 되도록 구비되되 일측의 개방된 영역이 서로 일직선 상에 위치하지 않도록 단계적으로 위치하는 것일 수 있다. 따라서 일측에서 타측으로 열량이 흐르는 방향을 유도하고 점화 및 연소의 영역을 고르게 분포시킴으로써 점화부재(100) 전체적으로 고른 반응열을 개질반응부재(300)에 제공할 수 있다.
상기와 같이 다양한 버너연료에 적용을 할 수 있는 버너부재(100)는 특히 예열로 인한 액체연료의 가스화 및 공기와 버너연료의 균일한 혼합이 이루어질 수 있는 장점이 있으며, 버너연료와 공기가 일정한 연소 조건으로 주입되어 불꽃이 형성되고 고열량의 반응열을 발생시킬 수 있어 튜브형 채널 수소추출기(10) 내부에 효율적으로 고른 반응열을 제공할 수 있다.
버너부재(100)는 개질반응부재(300)의 용량 크기에 따라 버너케이스(110), 공기혼합관(120), 연료주입관(130) 및 공기주입관(150)의 결합 및 교체가 가능하여 크기별로 조립 제작이 가능하며 부분적인 유지보수를 수행할 수 있으므로, 개질반응장치(10)의 제조 생산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
개질반응부재(300)는 상기 버너케이스(110)의 외주면에 근접하여 위치하는 복수개의 개질반응 모듈(M)이 결합되어 구성되고, 상기 버너부재(100)로부터 제공된 반응열을 흡수하여 개질반응을 수행할 수 있다.
상기 개질반응 모듈(M)은 상기 버너부재(100)의 외주면에 근접하여 위치하는 열교환부(310)와, 상기 열교환부(310)로부터 외측으로 나란히 위치하는 촉매부(320)와, 상기 열교환부(310)와 촉매부(320)의 일단부 및 타단부에 결합되어 상기 열교환부(310)를 통과한 반응물 또는 생성물을 촉매부로 이동시키는 유로를 형성하는 커넥터부(330)를 포함할 수 있다. 커넥터부(330)는 열교환부(310)와 결합되는 제1 결합공(331)과 촉매부와 결합되는 제2 결합공(333) 및 제1 결합공(331)과 제2 결합공(333) 사이를 연결하는 반응물이동로(335)를 포함할 수 있다. 상기와 같은 개질반응 모듈(M)의 구성으로 인해 튜브형 채널 수소추출기(10)의 이상이나 촉매를 교체해야 하는 경우, 튜브형 채널 수소추출기 전체를 수정하는 기존의 방법과는 달리, 문제가 발생한 구성만 수리 또는 교체함으로써 유지보수 비용이 감소될 수 있으며, 자원의 낭비를 최소화할 수 있다.
외부로 돌출된 반응물투입부(340)로부터 개질반응모듈(M)의 열교환부(310)로 반응물이 유입되면, 열교환부(310) 내부를 이동하면서 반응물은 버너부재(100)로부터 발생한 열을 공급받아 개질반응에 필요한 반응열을 얻을 수 있다. 그리고 열교환부(310)의 일단부에 결합된 커넥터부(330a)로 반응물이 유입되어 반응물이동로(335)를 통하여 촉매부(320)로 이동한 반응물은 열교환부(310)에서 제공받은 반응열과 촉매부(320)에 구비된 촉매로 인해 개질반응이 수행될 수 있다. 예로써 반응물은 메탄올, 에탄올, DMC(디메틸에테르), 디젤, 가솔린, bio fuel 등과 같은 액상의 원료 또는 NG, LPG, 메탄 등과 같은 기상의 원료를 포함할 수 있으며, 수증기와 함께 주입될 수 있다. 또한, 반응물은 액상의 원료 또는 기상의 원료 1몰 당 수증기 2 내지 4몰의 비율로 혼합되어 함께 주입될 수 있다.
상기 촉매부(320)를 통과한 반응물 또는 생성물은 촉매부(320)의 타단에 결합된 커넥터부(330b)를 통하여 이웃한 다른 개질반응 모듈의 열교환부(310)로 다시 유입되는 반복 과정을 거치며 상기 복수개의 개질반응 모듈(M)을 따라서 반응물 또는 생성물이 순차적으로 이동하며 개질반응이 수행될 수 있다. 즉, 촉매부(320)에서 흡열반응으로 반응물의 개질이 이루어지고, 다시 열교환부(310)로 생성물 및 미반응된 반응물이 유입되어 개질반응에 필요한 열을 공급받으며 촉매부(320)로 다시 이동함으로써 개질반응의 효율성을 더욱 높여줄 수 있다.
개질반응부재(300)의 각각의 개질반응모듈(M)은 촉매부(320)와 열교환부(310)로 공간이 개별적으로 격리되어 있으며, 사전 제작을 할 수 있도록 개별 모듈화를 통하여 구성된 것으로써, 단위 시간당 개질반응장치(10)의 생산량이 증가될 수 있으며, 품질 관리가 용이할 수 있다. 나아가서, 촉매부(320)와 열교환부(310)로 구성되는 개질반응모듈(M)은 반응용량(1 ~ 50 kW)에 따라 모듈의 수 또는 모듈의 크기를 조절하여 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한, 수소 선택도를 높이기 위한 수성가스화반응기(WGS 반응기)와 CO 선택적산화반응기(PrOx) 등을 집적화한 수소정제 모듈과도 연계 가능하여 이를 적용함으로써 연료전지의 범위를 확대하여 사용할 수 있다.
촉매부(320)에서 흡열 반응 후 떨어진 온도는 열교환부(310)를 지나며 반응온도가 회복되는 순서로써 반시계방향 또는 시계방향으로 반응물 또는 생성물이 개질반응모듈(M)을 반복적으로 거칠수 있다. 반응물은 열교환부(310)로 인해 열량 공급이 원활하여 개질반응 온도는 유지될 수 있으며, 투입된 반응물에 대해 효율적으로 생성물을 얻을 수 있다. 그리고 최종적으로 생성물유출부(350)로 이동하여 최종 생성물이 취득될 수 있다.
상기 개질반응부재(300)는 상기 촉매부(320)의 온도를 측정하는 온도측정 센서가 체결되는 제1 온도센서 체결부(370)가 각각의 상기 커넥터부(330)를 관통하여 구비될 수 있다. 따라서 개질반응이 이루어지는 동안 촉매부(320)의 온도를 점검하고 버너부재(100)를 조절함으로써 개질반응이 이루어지는 온도를 적정수준으로 유지할 수 있다.
케이스 부재(400)는 상기 개질반응 모듈(M)의 열교환부(310)가 각각 결합되는 제1 플렌지(410)와, 상기 개질반응 모듈(M)의 촉매부(320)가 각각 결합되는 제2 플렌지(420)와, 상기 커넥터부(330)의 외주면이 결합되는 상부커버(430)와, 상기 개질반응 모듈(M)이 내부에 위치하는 원통형의 외부케이스(440)와, 상기 외부케이스(440)의 일측단부와 결합되는 하부커버(450)를 포함할 수 있다.
나아가서 상기 케이스 부재(400)는 상기 외부케이스(440)의 외주면 일측에 점화부재 체결부(460)가 형성된 것일 수 있으며, 점화부재 체결부(460) 내부로 점화부재(200)가 결합되어 버너부재(100)의 버너케이스(110) 외측에 점화부재(200)가 위치할 수 있다.
또한, 상기 케이스 부재(400)는 상기 버너부재(100)의 온도를 측정하는 온도측정 센서가 체결되는 제2 온도센서 체결부(470)가 상기 하부커버(450)를 관통하여 형성된 것일 수 있으며, 온도측정 센서를 통하여 버너부재(100)의 온도를 상시적으로 점검할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 튜브형 채널 수소추출기는 버너부재와 개질반응부재를 모듈화함으로써 개별적으로 교체가 가능하여 유지보수 비용을 감소시키고, 개질장치의 수명을 향상시킬 수 있으며, 장치의 크기에 상관없이 가정용, 건물용, 휴대용, 수송용 등 필요한 곳에 적용이 가능한 장점이 있다. 나아가서 연료전지에 적용할 경우 온수 및 난방으로도 활용할 수 있으므로 에너지 절약의 효과가 있다.
또한, 다양한 버너연료에 적용을 할 수 있는 버너부재는 특히 액체연료의 가스화 및 공기와 버너연료의 혼합이 고르게 이루어질 수 있는 장점이 있으며, 튜브형 채널 수소추출기 내부에 효율적으로 고른 반응열을 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10; 튜브형 채널 수소추출기
100; 버너부재
110; 버너케이스
120; 공기혼합관
130; 연료주입관
140; 연료이동로
150; 공기주입관
160; 격벽
200; 점화부재
300; 개질반응부재
310; 열교환부
320; 촉매부
330; 커넥터부
M; 개질반응 모듈
340; 반응물투입부
350; 생성물유출부
370; 제1 온도센서 체결부
400; 케이스 부재
410; 제1 플렌지
420; 제2 플렌지
430; 상부커버
440; 외부케이스
450; 하부커버
460; 점화부재 체결부
470; 제2 온도센서 체결부

Claims (13)

  1. 버너케이스와, 상기 버너케이스 내부에 위치하는 단면이 링 형태인 공기혼합관과, 상기 공기혼합관의 내주면 내에 삽입되되 버너연료가 일측에서 주입되어 타측으로 이동하는 연료주입관 및 상기 공기혼합관 내주면과 상기 연료주입관 외주면 사이에 형성되는 연료이동로를 포함하며, 분리 또는 교체가 가능한 버너부재;
    상기 버너케이스의 일측에 결합되는 점화부재; 및
    상기 버너케이스의 외주면에 근접하여 위치하는 복수개의 개질반응 모듈이 결합되어 구성되고 개질반응을 수행하는 개질반응부재;를 구비하고,
    상기 연료주입관을 통과한 버너연료는, 상기 연료이동로 내 타측에서 일측으로 이동하고, 상기 공기혼합관의 일측으로 유입되어 공기와 혼합되고 타측으로 이동하며 예열되고,
    상기 공기혼합관의 내주면은 일단 영역에 복수개의 연료유입홀이 위치하고, 상기 연료유입홀은 상기 연료이동로와 연통되어 상기 버너연료가 상기 공기혼합관으로 유입되는 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료주입관은, 타측에 연료확산부가 형성되되, 상기 연료확산부는 단부를 향하여 지름이 점차 확장되어 내측면의 수직 단면은 경사가 형성되고, 외측면은 상기 내측면의 경사를 따르는 계단형의 단면을 구비하고,
    상기 버너연료는 상기 연료확산부의 외측면을 타고 흐르며 상기 연료이동로로 유입되는 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기혼합관의 일단부는 상기 연료주입관이 관통되되 상기 공기혼합관의 외주면과 대응되는 직경을 구비하는 공기주입관이 위치하고,
    상기 공기혼합관의 일단면은 복수개의 공기유입홀이 형성되고, 상기 공기주입관과 연통되어 공기가 상기 공기혼합관으로 유입되는 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기혼합관은 타단 영역 외주면에 형성된 복수개의 분사홀을 통하여 상기 혼합된 버너연료와 공기를 분사하여 점화되는 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 버너부재는, 상기 복수개의 분사홀을 수평으로 각각 구획하며 상기 버너부재의 일측방향으로 개방하고 타측방향으로 차단하는 복수개의 격벽을 상기 공기혼합관의 외측면에 구비하는 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 공기혼합관의 중심축에 대한 단면이 동심원이 되도록 구비되되 일측의 개방된 영역이 서로 일직선 상에 위치하지 않도록 단계적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질반응 모듈은 상기 버너부재의 외주면에 근접하여 위치하는 열교환부와, 상기 열교환부로부터 외측으로 나란히 위치하는 촉매부와, 상기 열교환부와 촉매부의 일단부 및 타단부에 결합되어 상기 열교환부를 통과한 반응물 또는 생성물을 촉매부로 이동시키는 유로를 형성하는 커넥터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 촉매부를 통과한 반응물 또는 생성물은 상기 커넥터부를 통하여 이웃한 다른 개질반응 모듈의 열교환부로 다시 유입되는 반복 과정을 거치며 상기 복수개의 개질반응 모듈을 따라서 반응물 또는 생성물이 순차적으로 이동하며 개질반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 개질반응 부재는, 상기 촉매부의 온도를 측정하는 온도측정 센서가 체결되는 제1 온도센서 체결부가 각각의 상기 커넥터부를 관통하여 구비되는 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 튜브형 채널 수소추출기는, 상기 개질반응 모듈의 열교환부가 각각 결합되는 제1 플렌지와, 상기 개질반응 모듈의 촉매부가 각각 결합되는 제2 플렌지와, 상기 커넥터부의 외주면이 결합되는 상부커버와, 상기 개질반응 모듈이 내부에 위치하는 원통형의 외부케이스와, 상기 외부케이스의 일측단부와 결합되는 하부커버를 포함하는 케이스 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 케이스 부재는, 상기 외부케이스의 외주면 일측에 점화부재 체결부가 형성된 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 케이스 부재는, 상기 버너부재의 온도를 측정하는 온도측정 센서가 체결되는 제2 온도센서 체결부가 상기 하부커버를 관통하여 형성된 것을 특징으로 하는 튜브형 채널 수소추출기.
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