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KR20060004927A - 연료 개질 반응물의 급속가열 방법 및 장치 - Google Patents

연료 개질 반응물의 급속가열 방법 및 장치 Download PDF

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KR20060004927A
KR20060004927A KR1020057018879A KR20057018879A KR20060004927A KR 20060004927 A KR20060004927 A KR 20060004927A KR 1020057018879 A KR1020057018879 A KR 1020057018879A KR 20057018879 A KR20057018879 A KR 20057018879A KR 20060004927 A KR20060004927 A KR 20060004927A
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heated
fuel
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케빈 에이치. 엔거이엔
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텍사코 디벨롭먼트 코포레이션
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Abstract

연료 개질장치에서 사용하기 위하여 하나 이상의 반응물을 급속하게 가열하는 장치이다. 상기 장치는 연소 챔버 및 연소 챔버 내에 놓여진 촉매를 둘러싸는 외벽을 가진 연소부를 포함한다. 상기 촉매는 가스의 연소와 열의 생성을 위한 연소 챔버를 통과하는 비-확산 유로 및 연소 챔버로부터의 상기 가스와 열의 통로를 제공한다. 열 회수부는 연소부과 유체로 연결되어 있고, 열 회수 챔버를 한정짓는 외벽을 가지고 있다. 적어도 하나의 열 교환 요소가 연료 개질 반응물을 받아들이는 유입구 및 가열된 반응물을 열 회수부 밖으로 향하게 하는 유출구를 가진 열 회수 챔버내에 위치한다. 연소부는 가열된 연소 가스가 열 회수부로 하향하도록 열 회수부에 비해 상승되어 있다. 연소 및 열 회수부의 외벽은 서로 연속적 이어져 있어 바람직하게는 원통형인 틀을 형성한다. 상기 틀은 약 10인치 이하의 내경을 가지고 있거나, 길이와 직경의 비가 약 7:1 내지 약 4:1인 길이와 직경을 가지고 있다. 상기 전-개질장치를 사용하는 연료 처리장치의 급속 시동 방법이 역시 제공된다. 또한, 연료 개질장치와 상기 전-개질장치를 포함하는 집적 연료 처리장치를 제공한다.
연료 개질장치, 전-개질장치, 연료 전지

Description

연료 개질 반응물의 급속가열 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR RAPID HEATING OF FUEL REFORMING REACTANTS}
본 발명은 연료 개질 반응물의 급속가열 방법 및 장치에 관한 것이다.
연료전지는 화학적 산화-환원 반응으로부터 전기를 제공하며, 청정성 및 효율성 측면에서 다른 형태의 동력 생성 방법에 비하여 현저한 이점을 갖는다. 일반적으로, 연료전지는 수소를 연료로 사용하고, 산소를 산화제로 사용한다. 동력 생성은 반응물 소비속도에 비례한다.
연료전지의 광범위한 사용을 방해하는 심각한 단점으로는 수소 기반시설이 널리 분포되어 있지 못하다는 것이다. 수소는 비교적 낮은 용량 에너지 밀도를 가지며, 현재 대부분의 동력생성 시스템에서 사용되고 있는 탄화수소 연료보다 저장 및 수송에 있어 더욱 어려운 점이 있다. 이와 같은 어려움을 극복하는 한 가지 방법으로는 탄화수소를 연료전지의 공급물로 일부 사용가능 또는 저장 가능한 수소가 풍부한 기체 스트림으로 전환시키는 개질장치를 사용하는 것이다.
천연가스, LPG, 가솔린, 및 디젤과 같은 탄화수소 기반 연료는 대부분의 연 료전지에 사용되는 연료로 사용하기 위하여 전환반응이 요구된다. 현재의 기술은 여러 번의 세척공정을 수반하는 초기 전환 공정과 결합한 다단계 공정을 사용한다. 상기 초기공정은 대부분 증기개질반응(steam reforming; SR), 자열개질반응(autothermal reforming: ATR), 촉매적 부분산화반응(catalytic partial oxidation; CPOX) 또는 비촉매적 부분산화반응(non-catalytic partial oxidation; POX) 또는 이들의 조합이다. 세척공정은 일반적으로 탈황화반응, 고온 물-기체 전환반응, 저온 물-기체 전환반응, 선택적 CO 산화반응 또는 선택적 CO 메탄화반응의 조합으로 구성되어 있다. 대체가능한 공정들로는 수소 선택적 막 반응기 및 필터를 포함한다.
상기와 같은 노력에도 불구하고, 연료전지에 사용하기 위하여 탄화수소 연료를 수소가 풍부한 기체 스트림으로 변환하는 간략한 연료 공정 시스템의 개발이 필요하다. 이러한 문제점의 해결책에 대한 실제적인 장애물은 개질 반응기 및 개질 공정에서 사용될 수 있는 여러가지 촉매 단(catalytic bed)을 빠르게 시동(start-up) 해야 하는 필요성이다. 자열 개질이 필요한 경우, 개질 반응기를 자열 온도(autothermal temperature)로 빠르게 예열하고 개질 공정 동안 이러한 온도를 유지해야 하는 필요성도 있다. 이와 유사하게 증기 개질이 사용되는 경우, 빠르고 신뢰성 높은 스트림의 생성이 요구된다.
본 발명은 급속 시동(start-up)이 가능하고 개질 장치가 작동하는 동안 좀 더 안정적인 온도 프로파일을 유지하는 연료 개질 장치의 필요성에 의해 안출되었 다.
<발명의 요약>
본 발명은 연료개질 장치에서의 사용에 있어서 하나 또는 그 이상의 반응물을 급속하게 가열하기 위한 장치를 제공한다. 상기 장치는 연소 챔버 및 연소 챔버 내에 배치된 하나 이상의 촉매를 둘러싸는 외벽을 가진 연소부를 포함한다. 하나 이상의 촉매는 연소 가스 및 열 생성에 대한 연소 챔버를 통하는 비확산 유로(flow path)를 제공한다. 열회수부는 연소부과 유체로 연결되어 있으며, 열 회수 챔버를 한정짓는 외벽을 가지고 있다. 그리고, 적어도 하나의 열교환 요소가 그 안에 놓여 있다. 연소부는 열회수부에 비해 상승되어 있어서 가열된 연소 가스가 열 회수부로 하강하게 된다. 열 교환 요소는 연료 개질 반응물을 받는 유입구와 가열된 반응물을 열 회수부 밖으로 향하게 하는 유출구를 각각 가지고 있다. 선택적으로, 적어도 하나의 열 교환 요소는 가열된 연소가스와 물 사이에 열을 교환하는데 사용되어, 개질장치에서 사용하는 증기를 생성한다. 연소 및 열 교환부는 서로 외벽이 연속적연결되어 틀(housing)을 형성하고, 바람직하게는 원통 모양으로 틀(housing)을 형성한다. 상기 틀은 약 10인치 이내, 바람직하게는 약 8인치 이내, 더 바람직하게는 약 6인치 이내의 내경을 가진다.
공정 측면에서, 본 발명은 연료 개질장치에서 사용하기 위하여 연료 개질 반응물을 급속하게 가열하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 연소부 내에서 가열된 연 소 가스가 생성되도록 위하여 하나 이상의 연소 촉매 상에서 연료 및 산소-함유 가스를 전-개질장치(pre-reformer)에서 연소하는 단계; 연소부를 통과하여 열 회수부로 이동하는 가열된 연소 가스에 대한 비확산 유로(flow path)를 제공하는 단계; 가열된 반응물을 제공하기 위해 열 회수부에서 가열된 연소 가스와 연료 개질 반응물간 열을 교환하는 단계; 및 가열된 반응물을 하부-공급(bottom-fed) 개질장치로 향하게 하는 단계를 포함한다. 연소부는 열 회수부에 비해 상승되어 있어서 가열된 연소 가스가 열 회수부로 하강하게 된다. 가열된 연소가스는 적어도 약 550℃의 운영온도로 급속하게 가열된다. 이 때, 상기 온도에서 개질장치 반응물과 증기 생성간 충분한 열 교환이 된다. 바람직하게는 가열된 연소가스는 약 20분이내에, 더 바람직하게는 약 15분 이내에, 한층 더 바람직하게는 약 10분이내에 운영온도에 다다른다.
본 발명은 급속 시동(start-up) 및 최소의 열 손실을 위한 집적 연료 개질 장치를 제공한다. 상기 집적 장치는 가열된 개질 반응물을 연료 개질장치에 제공하도록 배열된 전-개질장치(pre-reformer)를 포함하며, 상기 전-개질장치는 연소 챔버와 연소 챔버내에 놓여진 촉매를 둘러싼 외벽을 가지는 연소부를 포함한다. 상기 촉매는 연소 챔버를 통해 연소가스와 열에 대한 비-확산 유로를 제공한다. 열 회수부는 열회수 챔버를 한정짓는 외벽 및 열 회수 챔버내에 배치된 적어도 하나의 열 교환 요소를 가지는 연소부와 유체로 연결되어 있다. 열 교환 요소는 연료 개질 반응물을 받는 유입구와 가열된 반응물을 열 회수부 밖으로 향하게 하는 유출구를 각 각 가지고 있다. 특히, 연소부는 열 회수부에 비해 상승되어 있다. 연료 개질장치는 가열된 반응물을 전-개질장치로부터 받기 위해서 열 교환 요소의 유출구에 연결되어 있다. 바람직하게는 상기 개질장치는 하부-공급 증기(bottom-fed steam) 개질장치이다. 선택적으로, 적어도 하나의 열 교환 요소가 가열된 연소 가스와 물 사이에 열을 교환하는데 사용되어 개질장치에서 사용하기 위한 증기를 생산한다. 전 개질장치의 연소 및 열 회수부는 서로 외벽들이 연속적으로 연결되어 틀을 형성한다. 상기 틀은 길이와 직경이 약 7:1 내지 약 4:1인 비를 가진다.
본 발명은 급속 시동을 위한 집적 연료 개질 장치를 제공한다. 상기 장치는 가열된 개질 반응물을 연료 개질장치에 제공하기 위해 배열된 전-개질장치를 포함한다. 이 때, 상기 전-개질장치는 틀, 가열된 연소 가스를 생성하기 위해 연소 챔버내에 놓여진 연소 촉매를 가지는 연소 챔버 및 열 회수부내에 배치된 적어도 하나의 열 교환 요소를 가지는 열 회수부를 포함한다. 상기 열 교환 요소는 반응물을 받는 유입구와 가열된 반응물을 열 회수부으로부터 내보내는 유출구를 가진다. 상기 틀은 길이와 직경이 약 7:1 내지 약 4:1인 비를 가진다. 연료 개질장치는 상기 전-개질장치로 부터 가열된 반응물을 받기 위하여 열 교환 요소의 유출구에 연결될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면과 결합되어 기술된 하기의 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명 및 전-개질장치, 개질장치 및 연료 전지 스택(stack)의 집적을 묘사하는 간단한 블록도(block diagram)이다.
도 2는 본 발명의 전-개질장치의 단면도이다.
본 발명은 다양한 변형 및 대체 형태가 있을 수 있지만, 그 특정한 구현예는 도면의 실시예로 나타나 있으며, 이하에서 자세히 설명된다. 하지만, 여기의 특정 실시예에 기술된 내용은 개시된 특정형태로 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 반면에 청구범위에 기술된 본 발명의 사상 및 범위 내에 가능한 모든 변형, 균등물 및 대체물을 포함한다.
본 발명의 구체적인 실시예를 하기에 기술한다. 명확성의 측면에서 실제적인 실행의 모든 특징들이 본 명세서에 모두 기술된 것은 아니다. 어떠한 이와 같은 실제적인 실시예의 개발에 있어서, 수많은 실행 특이적 결정들이 하나의 실행으로부터 또 다른 하나의 실행으로 변형될 수 있는 시스템 관련 및 사업 관련 구속을 갖는 응낙과 같은 개발자의 특정 목적을 달성하도록 이루어져야 한다는 것은 당연할 것이다. 또한, 이와 같은 개발 노력은 이것이 복잡하고 시간이 소요되는 것일지라도 본 개시의 이점을 갖는 당업자에게는 정해진 착수일 것으로 사료된다.
도 1은 수소-풍부 개질유를 연료 전지 스택(stack) D에 연료로서 제공하는데 사용하기 위하여 연료 개질장치 B로 집적된 전-개질장치 A의 블록도이다. 도 1은 상당히 단순화되어 있고, 이러한 시스템이 집적된 연료 처리자(processor) 및 전력 생산 시스템으로 집적될 수 있는 방식을 설명하려는 목적이다. 모듈(module) C는 수소 농도를 높이기 위해 전환 반응(shift reaction)이 일어나게 하는 그리고/또는 개질유 증기에서 일산화탄소를 제거하기 위한 공정 또는 반응이 일어나게 하는 수소 풍부 개질유가 탈황되는 정화 단계 모듈이다. 연료 전지 배출 가스, 음극 및/또는 양극은 처리(disposal)를 위하여 본 발명의 장치의 연소부로 향하게 될 수 있다.
연소 연료 및 산소-함유 가스의 원료는 연소 반응의 연료를 공급하기 위해 전-개질장치의 연소부으로 향하게 한다. 연소기 내에서 생성된 가열된 연소 가스는 열 교환부로 하향하여 통과된다. 물, 연료 및 산소-함유 가스의 원료는 연료 개질장치 B로 이동되기 전에 각각 증기 및 열로 변환되는 열 교환부로 향하게 된다. 열 교환부에서 연소 생성물 가스를 통풍하는 배출 라인은 도시되지 않았다.
이하에서 설명된 전-개질장치 및 개질장치는 여기서 묘사된 운영 조건 및 반응의 화학적 환경을 견딜 수 있는 어떠한 재료로도 제조될 수 있으며, 예를 들면, 스테인리스 스틸, 인코넬(Inconel), 인콜로이(Incoloy), 하스텔로이(Hastelloy) 등이 포함될 수 있다. 반응 압력은 바람직하게는 약 0 내지 약 100psig이나 더 높은 압력이 가해질 수 있다. 반응기의 운영 압력은 연료 전지에 의해 필요한 전달 압력에 달려 있다. 일반적으로 1 내지 20kW의 범위로 작동하는 연료 전지에 대해서 0 내지 약 100psig의 운영 압력이면 충분하다.
전- 개질장치
도 2는 본 발명의 전-개질장치의 단면도이다. 전-개질장치(10)는 예열 개질장치 반응물에서 열의 발생, 개질 반응에서 사용하기 위한 증기의 발생 및 여러가지 연료 전지 배출 가스 및 연료 전지 품질이 아닌 개질유의 산화를 통한 처리를 포함하는 많은 기능을 한다. 개질장치 반응물의 예열처리는 공급 조건 및 촉매에 따라서 상기 개질장치의 운영 온도가 약 550℃ 내지 약 900℃의 범위일 수 있기 때문에 자열 개질이 의도되는 경우가 특히 바람직하다.
전-개질장치(10)는 두가지 기본 구성요소, 즉 외벽(6) 내에 연소 챔버(36)을 내포하는 선(20, 20') 사이에 나타낸 연소부와 외벽(8) 내에 열 회수 챔버(38)을 내포하는 선(20', 20'') 사이에 나타낸 열 회수부를 포함한다.
도시된 바와 같이 연소 챔버는 열 교환 챔버에 비해 위에 있다. 연소부 및 열 교환부가 같은 수직축 상에 정렬될 필요는 없다. 그러나, 제작, 단가 및 디자인의 단순성을 위해서 상기 두 부가 공통의 축에 대해서 수직으로 있는 것이 바람직하다. 더욱이, 열 교환 챔버 위에 연소 챔버가 수직으로 위치하는 것이 열 교환 챔버의 더 빠르고 균일한 가열을 제공한다고 사료된다.
전-개질장치의 치수는 전-개질장치의 급속 시동 및 개질장치의 급속 시동을 달성하는데 중요하다고 사료된다. 외벽(6) 및 외벽(8)에 의해 형성된 틀은 길이와 내경의 비가 약 7:1 내지 약 3:1의 범위가 되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 약 6:1 내지 약 4:1이 된다. 연소부의 외벽(6) 및 외벽 (8)은 서로 바람직하게 연속되어 있어 연소부 및 열 교환부의 길이 방향을 따라 원통모양의 틀을 형성한다. 이러한 두 부는 같은 직경을 가질 필요는 없으나, 같은 직경을 가지는 배열이 전-개질장치를 개질장치 또는 공간이 제약되는 환경에서 전력 생산 시스템의 다른 요소와 집적하는데에 바람직하다. 특히, 틀은 적어도 약 20인치, 바람직하게는 적어도 약 30인치, 그리고 더 바람직하게는 적어도 약 40인치의 길이를 가지는 것이 바람직하다. 틀의 내경은 약 10인치 이하, 바람직하게는 약 8인치 이하, 더 바람직하게는 약 6인치 이하, 한층 더 바람직하게는 약 5인치 이하이다.
연소 챔버(36)의 상부는 산소-함유 가스 및 탄화수소 연료가 연소 챔버로 향하게 하는 유입구(32)이다. 산소는 공기, 농축 공기 또는 실질적으로 순수한 산소의 형태가 될 수 있다. 탄화수소 연료는 일상 조건에서는 기체상태로 바람직하게 존재하지만, 쉽게 증기화될 수 있는 것으로 제공되는 액체일 수도 있다. 여기서 사용된 것과 같이 탄화수소는 부분 산화 또는 증기 개질 반응으로 수소를 생산할 수 있는 C-H 결합을 가지는 유기화합물을 포함한다. 상기 화합물의 분자 구조에서 탄소 및 수소가 아닌 원자의 존재는 제외되지 않는다. 그러므로, 여기서 언급된 방법 및 장치에 사용하기 위한 적당한 연료는 (이에 한정되지는 않지만) 메탄올, 에탄올, 프로판올 등 및 그 혼합물 뿐만아니라 천연가스, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 나프타, 가솔린, 디젤 및 그 혼합물을 포함한다. 바람직하게는 상기 탄화수소 연소 연료는 천연가스이다.
상기한 바와 같이, 반드시 처리되어야 하며 대기중으로 방출되지 않아야 할 많은 성분들을 통상적으로 함유하고 있기 때문에. 연료 전지 배출물은 산화를 위해서 연소 챔버(36)로 역시 향할 수 있다. 부가적으로 측면-증기(도 1에 미도시)가 오프-스펙(off-spec) 개질유를 마찬가지로 연소시키기 위해 전-개질장치로 향하게 하려고 연료 전지 스택 상류에 제공될 수 있다.
선택적으로, 그러나 바람직하게, 전-개질장치는 연소 챔버(36) 상류에 연소 가스를 예열하는 수단을 가질 것이다. 도시된 바와 같이, 전기적 가열요소(14)는 연소 챔버의 상류에 제공되며, 적여도 약 300℃의 온도에 이르를 수 있다. 다른 가열 수단은 공지되어 있으며, 상기 전기적 가열요소(14)를 대신하여 연소 챔버 내에 혹은 유입구(32)의 상류에 별개의 모듈상에 또는 모듈내에서 사용될 수 있다. 선택적으로, 그러나 바람직하게, 전-개질장치는 연소 챔버(36)의 상류에 혼합수단을 가질 수 있다. 도시한 바와 같이 정적 믹서(static mixer)(2)는 유입구(32)를 통해 유입하는 가스를 섞기 위하여 선상에 제공된다. 이런 목적을 위하여 대체수단으로 혼합수단은 연소부 상류에 별개의 모듈로 제공될 수 있다.
연소 촉매(16)은 연소 챔버(36) 내에 놓여져 있다. 연소 촉매(16)은 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있는 것과 같은 산화 촉매이어야 한다. 적절한 산화 촉매의 예는 모노리식(monolith), 압출물(extrudate), 펠렛(pellet) 또는 다른 지지물에 알루미나 도금 피막(alumina wash coat)상의 백금, 팔라듐, 로듐 및/또는 루테늄과 같은 귀금속을 포함한다. 니켈 또는 코발트와 같은 비귀금속 역시 사용되었다. 티탄니아(titania), 지르코니아(zirconia), 실리카 및 마그네시아(magnesia)와 같은 다른 도금 피막도 문헌에 기재되어 있다. 란탄(lanthanum), 세륨(cerium) 및 칼륨과 같은 많은 부가 물질이 산화 촉매의 효능을 증진시키는 조촉매(promoter)로 문헌에 기재되어 있다.
산화반응은 매우 빠르게 일어나서 가해진 산소의 변환이 완성되며, 열이 발생한다. 연소 촉매의 조성과는 무관하게 촉매 미디움(medium)은 연소 가스 및 열이 연소 챔버를 통과할 수 있도록 비-확산 유로(flow path)를 제공해야 한다. 본 명세서에서 "비-확산 유로"는 촉매 미디움을 가로지르는 가스의 흐름이 실질적으로 저해되지 않는 상기 촉매 미디움을 가로지르는 복수의 경로를 가지는 촉매 미디움을 의미한다. 특히, 촉매 미디움은 적어도 약 5,000 가스체류속도(gas hourly space velocity;GHSV)에서 약 20,000 GHSV의 범위의 가스 흐름을 허용해야 한다. 촉매 미디움을 통과하는 연소가스의 온도 및 압력은 약 400℃ 과 약 650℃ 사이가 될 것이며, 압력은 대략 대기압이어야 한다. 바람직하게는 촉매 미디움은 촉매 미디움을 통하여 가열된 연소 생성 가스 열린 유로를 제공하는 복수의 오픈 채널(open channel)을 가지는 모노리식(monolith) 지지물이다. 단일석 촉매 미디움은 포장된 촉매단(catalyst bed) 보다 더 빠르게 연소 챔버를 가로질러 연소촉매가 보다 균일한 온도에 이르도록 한다.
연소챔버(36)과 열 교환 챔버(38)사이의 개방구(14)는 상기 두 챔버간에 유체 연결부를 제공한다. 연소 연료 및 산소-함유 가스가 촉매(16)상에서 연소될 때, 가열된 연소 생성물 가스는 열 교환 챔버(38)로 내려가게 된다.
열 교환 챔버(38)은 외벽(8)에 의해 한정되어 있다. 적어도 하나의 열 교환 요소(18)가 열 교환 챔버(38)에 놓여 있다. 도 2에 도시한 것과 같이, 전-개질장치(10)는 열 교환 챔버(38)내에 복수의 열 교환 요소(18a, 18b)를 가지고 있다. 열 교환 요소(18a)는 개질장치 반응물의 증기가 향하는 유입구(22) 및 가열된 개질장치 반응물이 전-개질장치 밖으로 향하는 유출구(28)을 가지고 있다. 개질장치 반응물은 전술한 바와 같이 탄화수소 연료, 산소-함유 가스, 물 또는 그들의 조합일 수 있다.
열 교환 요소(18b)는 유입구(24) 및 유출구(26)를 가지고 있는 것으로 도시되있다. 유입구(22, 24) 및 유출구(26, 28)은 열 교환 챔버(38)의 하부에 위치하는 것으로 나타나 있다. 결합되어 있는 개질장치의 유입구에 근접하도록 유출구(26, 28)의 위치가 변할 수 있다. 열 손실이 주요 관심사이므로, 집적된 전-개질장치 및 개질장치가 둘 사이에서 일어날 수 있는 열 손실을 감소시키도록 배열되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 둘 또는 그 이상의 개질장치 반응물이 별개의 열 교환 요소에서 예열될 수 있다. 개질장치 반응물의 성질 및 필요한 열의 양에 따라, 열 교환 요소는 다른 치수와 배열을 가질 수 있다. 따라서 다른 열 교환 표면적이 다른 것이 다양한 개질장치 반응물에 적당하다.
예를 들면, 기체상의 연료 및 산소-함유 가스의 예열처리는 교환기를 통하는 가스에서 압력 손실을 감소하도록 보다 큰 직경과 보다 짧은 길이를 가지는 코일배관의 부분에서 이루어는 것이 바람직하다. 대조적으로, 초과가열된 증기의 생성은, 압력 손실은 덜 중요하지만, 열 전달의 증가가 중요한 경우, 보다 길고 보다 좁은 열 교환기 코일에서 이루어지는 것이 바람직하다.
열 교환 요소가 최대한의 열 회수를 제공하도록 열 회수 챔버 내에 큰 비율의 부피를 차지하는 것이 또한 바람직하다. 바람직하게는, 열 교환 요소가 열 회수 챔버(38)내의 부피의 적어도 약 50%, 더 바람직하게 적어도 약 60%, 그리고 더욱 더 바람직하게 적어도 약 70%를 차지한다.
도 2에 도시한 것과 같이 열 교환 요소(18a, 18b)는 다른 길이와 직경을 가지는 코일배관을 포함한다. 실시예로서, 요소(18a)는 산소-함유 가스와 함께 또는 산소-함유 가스 없이 탄화수소 가스를 가열하는데 이용된다. 반면에, 더 큰 열 교환 표면적을 가지는 요소(18b)는 물을 증기로 바꾸는데 사용된다.
더욱이, 열 교환 요소(18a, 18b)는 개질장치 반응물이 처음에 열 교환 챔버(38)로 그리고 거의 연소 챔버(36)로 상향되도록 하기 위하여 바람직하게 배치된다는 것을 유념해야 한다. 그런 다음 열 교환 요소는 개질장치 반응물이 열 교환 챔버에서 천천히 내려가도록 회전하여 나선강하를 시작한다. 나선 강하는 반응물의 더 빠르고 균일한 가열을 제공할 뿐만 아니라 정지 절차에서 일어날 수 있는 열 교환 요소에서의 응결을 감소한다고 알려져 있다. 응결은 열 교환 장치에서, 특히 냉각 절차 동안의 일반적인 문제이며, 부식, 점착(clogging) 및 다른 유지관리상 문제를 초래할 수 있다.
연소부에서 생성된 가열된 연소 가스는 열 교환 챔버(38)을 채우고 열 교환 요소(18a, 18b)의 표면을 가로질러 개질장치 반응물과 열을 교환한다. 개질장치 반응물은 코일배관을 지나갈 때 가열된다. 그런 다음 가열된 반응물은 유출구(26, 28)로 각각 향하게 된다. 유출구(26, 28)를 개질장치의 유입구(역시 도 2에 도시되지 않음)에 연결하는 도관 또는 관은 도 2에 나타나지는 않았다. 게다가 또, 유출구의 위치는 두 장치간의 연결에서 열 손실을 최소화하도록 개질장치의 유입구에 인접하여 있어야 한다. 또한, 전-개질장치(10)으로 부터 가열된 연소 생성물 가스를 내보내는 연소 배출구(30)는 열 교환 챔버(38)의 가장 낮은 부위에 공동으로 위치한다.
연료 처리장치의 급속 시동 방법
본 발명은 전-개질장치 및 개질장치를 포함하는 연료 처리장치의 급속 시동 방법을 제공한다. 상기 방법은 전-개질장치에서 연소부에서의 가열된 연소 가스를 생성하기 위하여 연료와 산소-함유 가스를 연소 촉매와 함께 연소하는 것을 포함한다.
선택적으로 연료 및/또는 산소-함유 가스는 연소되기 전에 예열될 수 있다. 연소 반응물의 예열은 연소 반응을 촉진한다. 예열은 연소 촉매 바로 상류에 위치한 전기적 가열 요소로 수행하는 것이 바람직하나, 공지된 다른 가열 수단에 의해서도 수행될 수 있다. 시동 동안, 가열 요소는 연료 및 산소의 연소가 시작하기 위하여 약 200℃이상, 바람직하게는 약 250℃이상, 더 바람직하게는 약 300℃의 온도로 빠르게 도달할 수 있어야 한다. 그러나 다음의 시동 및 정상 운영 동안, 수소-함유 연료 및 산소 간의 반응은 보통의 실온에서 일어난다. 그러한 때에는 가열 요소의 사용은 필요하지 않을 것이다.
선택적으로, 연소 연료 및 산소-함유 가스는 연소되기 전에 혼합되는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 혼합은 가스의 흐름을 방해하는 배플(baffle) 및/또는 핀(fin)을 가지는, 선상에 있는 정적 혼합기로 바람직하게 될 수 있다. 연료 전지 배출 가스와 같은 다른 가스도 연소되는 경우, 이러한 가스는 연소부에 들어가지 전에 연소 연료 및 산소-함유 가스와 합해지고 혼합되어야 한다. 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 기체상태의 연소 반응물을 혼합하는 다른 수단이 적절하게 사용될 수 있다는 것을 인식하고 있다.
가열된 연소 생성물 가스는 연소 촉매를 통과하여 가열된 반응물을 제공하기 위해 가열된 연소 가스와 연료 개질장치 반응물 간에 열이 교환되는 열 회수부으로 간다. 연료 처리장치의 급속 시동을 달성하기 위하여, 가열된 연소 가스는 연소 촉매를 통과하여 열 회수부로 비-확산 유로를 따라서 가야 한다. 바람직하게, 모노리식 연소 촉매가 촉매 미디움을 통해서 비-확산 유로를 제공하는 데에 사용된다. 대체 수단으로, 시동 기간 동안 적어도 약 5,000GHSV를 제공할 수 있고, 작동기간 동안 20,000GHSV까지를 제공할 수 있는 다른 촉매 미디움이 사용될 수 있다.
연소부는 연소부으로부터 열 회수부에의 가열된 연소 가스의 통과가 전치(displacement)의 결과로 일어나도록 열 회수부보다 상대적으로 위에 있다. 가열된 연소 가스의 열 회수부으로의 전치가 열 회수부의 더 빠르고, 균일한 가열을 가능하게 한다고 사료된다.
열은 열 회수부 내에 놓여진 열 교환 요소에서 개질장치 반응물과 가열된 연소 가스 간에 교환된다. 별개의 열 교환 요소가 둘 또는 그 이상의 개질장치 반응물에 사용될 수 있으며, 각각의 성질과 열 요구도에 따라 다른 크기와 배열의 열 교환 요소가 다른 개질장치 반응물에 사용될 수 있다. 예를 들면, 탄화수소 개질장치 연료의 증기 및 산소-함유 가스가 동일한 열 교환 요소를 통해 들어올 (directed) 수 있고, 반면에 물은 증기로 변환하기 위해 큰 열 교환 표면적을 가지는 별개의 열 교환 요소를 통해 들어올 수 있다.
연료 및 산소-함유 가스의 연소는 증기를 생산하고, 개질 반응물을 예열하기 위해 열을 교환하는 열 교환 구역내에 배치된 촉매단(catalyst bed)내에서 가열된 연소가스를 생성한다. 열 회수부에서 가열된 연소 가스가 개질장치에서 자열 개질 반응을 촉진하기 위해 적당한 증기를 생성하고 충분히 개질장치 반응물을 예열하는 때에 운영 온도에 이를 수 있다고 알려져 있다. 이 운영 온도는 연소 챔버내의 온도가 적어도 약 500℃, 바람직하게 적어도 약 550℃, 더 바람직하게 적어도 약 600℃에 다다랐을 때 관찰된다. 통상적인 전-개질장치와 달리, 이 운영 온도는 약 20분이하, 바람직하게 약 15분이하, 더 바람직하게 약 10분이하에 달성될 수 있다. 일단 이런 전-개질장치 내의 운영 온도가 달성되면, 증기 및 가열된 개질장치 반응물은 자열 개질이 시작되는 개질장치로 향해진다.
개질장치
개질 과장에서 두 가지 별개의 반응이 전형적으로 일어난다. 반응식(I, II)은 탄화수소로 메탄이 사용되는 경우 전형적인 반응식이다.
CH4 + 1/2O2 → 2H2 + CO (I)
CH4 + H2O → 3H2 + CO (II)
부분 산화 반응식(반응식 I)은 매우 빠르게 일어나서 첨가된 산소의 변환이 완료되며, 발열반응이다(즉, 열이 생성된다). 공급물 스트림에 더 높은 산소 농도가 있으면 부분 산화 반응이 쉽게 일어난다.
증기 개질 반응식(반응식 II)은 천천히 일어나며, 흡열반응이다(즉, 열을 소모한다). 고 농도의 수증기가 있으면 증기 개질이 쉽게 일어난다.
기술분야에서 지식을 가진 자는 부분 산화 및 증기 개질이 조합되어 전-개질장치에서의 예열된 개질장치 반응물을 수소와 일산화 탄소를 함유하는 합성 가스로 변환한다는 것을 이해하고 인식할 것이다. 그러한 사례에서, 탄화수소에 대한 산소의 비율과 탄화수소에 대한 물의 비율은 특성을 결정짓는 매개변수가 된다. 이러한 비율이 운영 온도 및 수소 수율에 영향을 미친다. 개질 단계의 운영 온도는 공급 조건 및 촉매에 따라서 약 550℃에서 약 900℃의 범위를 가질 수 있다.
개질장치는 펠렛(pellet), 구형(sphere), 압출물(extrudate), 모노리식(monolith) 등을 포함하는 하나 이상의 촉매 또는 핀(fin) 또는 열 파이프의 표면에 코팅된 도금(wash)를 포함할 수 있는 촉매단을 사용한다. 부분 산화 촉매는 당업자에게 잘 알려져 있고, 모노리식, 압출물, 펠렛 또는 다른 지지대상에 알루미나 도금 피막(alumina wash coat)상의 백금, 팔라듐, 로듐 및/또는 루테늄과 같은 귀금속이 포함된다. 니켈 또는 코발트와 같은 비-귀금속이 사용되어 왔다. 티타니아(titania), 지르코니아(zirconia), 실리카 및 마그네시아(magnesia)와 같은 다른 도금 피막도 문헌에 기재되어 있다. 란탄(lanthanum), 세륨(cerium) 및 칼륨과 같은 많은 부가 물질이 부분 산화 촉매의 효능을 증진시키는 조촉매(promoter)로 문헌에 기재되어 있다. 증기 개질 촉매는 당업자에게 잘 알려져 있고, 상당한 양의 코발트와 같이 있는 니켈 또는 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및/또는 이리듐과 같은 귀금속이 포함될 수 있다. 촉매는 예를 들면, 마그네시아, 알루미나, 실리카, 지르코니아 또는 마그네슘 알루민산염이 단독으로 또는 조합한 것에 지지될 수 있다. 대신에, 증기 개질 촉매는 칼륨과 같은 알칼리 금속에 의해 증진된 마그네시아, 알루미나, 실리카, 지르코니아 또는 마그네슘 알루민산염이 단독으로 또는 조합한 것에 바람직하게 지지된 니켈을 포함할 수 있다.
개질 반응이 주로 자열 개질반응일 때, 정화 공정 전에 개질유의 온도를 최적화하기 위해 약 600℃에서 약 200℃로, 바람직하게는 약 500℃에서 약 300℃로, 더 바람직하게는 약 425℃에서 약 375℃의 온도로 개질유 증기를 냉각하기 위한 냉각 과정이 수행된다. 이러한 냉각은 디자인 설계 및 가스 흐름의 열량(heat content)을 회수/재활용할 필요성에 따라 열 싱크(sink), 열 파이프(pipe) 또는 열 교환기로 달성된다. 대신에, 또는 그에 부가하여, 냉각은 연료, 공기 또는 물과 같은 추가적인 공급 성분들을 주입하여 이루어 질 수 있다. 증기로 증발할 때 많은 양의 열을 흡수하는 물의 능력 때문에 물이 바람직하다. 추가되는 성분의 양은 원하는 냉각의 정도에 달려 있으며, 당업자라면 바로 측정할 수 있다. 개질 공정이 주로 증기 개질 공정이 되려고 할 때에는 증기 개질 공정의 흡열 반응적 특성때문에 합성 가스의 냉각은 임의적이다.
본 발명의 전-개질장치는 탄화수소 증기를 연료 전지에 사용가능한 수준의 수소-풍부 가스 증기로 개질 또는 변환하는데 사용하기 위한 기술분야에서 공지된 개질장치 또는 연료 처리장치와 집적될 것이다. 적당한 개질장치는, 이에 한정되지는 않지만, 미국특허 공개공보 제2002/0083646호(데쉬판드 등, 2002년 7월 4일 발행), 제2002/0090326호(데쉬판드, 2002년 7월 11일 발행), 제2002/0090328호(데쉬판드, 2002년 7월 11일 발행), 제2002/0090327호(데쉬판드, 2002년 7월 11일 발행), 제2002/0088740호(크라우세 등, 2002년 7월 11일 발행), 제2002/0094310호(크라우세, 2002년 7월 18일 발행), 제2002/0155329호(스티븐스, 2002년10월 24일 발행), 제2003/00211741호(칠드레스 등, 2003년 1월 30일 발행), 제2003/0021742호(크라우세 등 2003년 1월 30일 발행)과 같은 것을 포함하며, 그 내용은 참고문헌으로 여기에 삽입되었다. 이러한 공개공보는 본 발명의 전-개질장치에 유리하게 사용될 수 있는, 다르게 배치된 많은 개질장치를 나타낸다. 그러나, 본 발명 발명의 전-개질장치와 집적된 개질장치는 하부-공급 방식의 반응기인 것이 바람직하다.
개질후 정화 및 전환 반응
탄화수소 스트림의 주된 불순물 중 하나는 황이며, 황은 개질 공정에 의해 황화수소로 변환된다. 개질장치 또는 개질장치 하부 스트림의 모듈은 산화 아연 및/또는 황화 수소를 흡수하고 변환할 수 있는 다른 물질을 바람직하게 포함할 수 있으며, 지지대(예를 들면, 모노리식, 압출물, 펠렛 등)를 포함할 수도 있다. 탈황은 다음의 반응식 III에 따라 황화수소를 물로 변환시킴으로써 수행될 수 있다.
H2S + ZnO → H2O + ZnS (III)
염소와 같은 다른 불순물도 역시 제거될 수 있다. 그 반응은 바람직하게는 약 300℃에서 약 500℃, 더 바람직하게는 약 375℃에서 약 425℃의 온도에서 수행된다. 산화 아연은 약 25℃에서 약 700℃의 광범위한 범위의 온도에서 효과적인 황화 수소의 흡수제이며, 적당한 운영 온도의 선택에 의해 처리 단계의 순서를 최적화하는데 큰 유연성을 준다.
그런 다음, 개질유 스트림은 물이 가스 증기에 첨가되는 임의의 혼합 단계에 보내진다. 물의 첨가는 물이 증발할 때 반응물 스트림의 온도를 낮추고, 물 가스 전환 반응에 대해 더 많은 물을 공급해 준다. 수증기 및 다른 개질유 스트림 성분은 세라믹 비드(bead)과 같은 비활성 물질 또는 효과적으로 혼합되거나 및/또는 물의 증발에서 도움을 주는 다른 유사한 물질의 처리핵(processing core)을 통과하여 혼합될 수 있다.
전형적인 물 가스 전환 반응은 반응식 IV에 따라 일산화탄소를 이산화탄소로 변환한다.
H2O + CO → H2 + CO2 (IV)
이러한 처리단계에서, 연료전지에 독이 되는 일산화탄소는 가스 스트림에서 실질적으로 제거되고, 연료 전지에서 불활성 가스로 일반적으로 생각되는 이산화탄소로 변환된다. 일산화탄소의 농도는 바람직하게는 연료전지가 견딜 수 있는 농도, 일반적으로 약 50ppm이하로 낮추어야 한다. 일반적으로, 물 가스 전환 반응은 사용한 촉매에 따라서 150℃에서 600℃의 온도에서 일어날 수 있다. 그러한 조건에서 대부분의 가스 스트림 내의 일산화탄소는 이산화탄소로 산화된다.
저온 전환 촉매는 약 150℃에서 약 300℃의 범위에서 운영되고, 예를 들어, 산화 구리(copper oxide) 또는 지르코니아와 같은 다른 이행 산화 금속에 지지된 구리, 이행 산화 금속 또는 실리카, 알루미나, 지르코니아 등과 같은 내화 지지대에 지지된 아연, 또는 실리카, 알루미나, 지르코니아 등과 같은 적당한 지지대 상의 백금, 레늄(rhenium), 팔라듐, 로듐 또는 금과 같은 귀금속을 포함한다. 고온 전환 촉매는 약 300℃에서 약 600℃의 범위의 온도에서 바람직하게 운영되고, 산화 제2철(ferric oxide) 또는 산화 크롬(chromic oxide)와 같은 이행 산화 금속 및 임의적으로 구리 또는 실리카 철(iron silicide)과 같은 조촉매를 포함하는 이행 산화 금속을 포함할 수 있다. 고온 전환 촉매로서 지지된 백금, 팔라듐 및/또는 다른 백금족 멤버와 같은 지지된 귀금속 역시 포함된다. 전환 촉매는 전술한 것과 같은 고온 또는 저온 전환 촉매 또는 고온 및 저온 전환 촉매 모두의 조합의 포장단(packed bed)를 포함할 수 있다. 임의적으로, 일산화탄소의 이산화탄소로의 변환에 더 낮은 온도가 유리한 때, 열 파이프와 같은 요소는 촉매의 포장단내에 반응온도를 조절하기 위하여 전환 반응기의 처리핵(processing core)에 놓일 수 있다.
더욱이, 잔존하는 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하기 위하여 수소-풍부 개질유에 선택적 산화를 선택적으로 수행할 수 있다. 그러한 반응은 다음과 같이 바람직한 일산화탄소의 산화(반응식 V) 및 바람직하지 않은 수소의 산화(반응식 VI)를 포함한다.
CO + 1/2O2 → CO2 (V)
H2 + 1/2O2 → H2O (VI)
상기 공정은 일산화탄소의 산화를 위한 하나 이상의 촉매의 존재하에 수행되며, 펠렛, 구형, 모노리식 등과 같은 어떠한 적당한 형태가 될 수도 있다. 일산화탄소에 대한 산화촉매는 공지되어 있으며, 전형적으로 귀금속(예를 들면, 백금, 팔라듐) 및/또는 이행 금속(예를 들면, 철, 크롬, 망간) 귀금속 또는 이행 금속의 화합물, 특히 산화물을 포함한다. 바람직한 산화 촉매는 알루미나 도금 피막상의 백금이다. 도금 피막은 초속, 압출물, 펠렛 또는 다른 지지물에 적용될 수 있다. 세륨 또는 란탄(lanthanum)과 같은 부가적인 물질은 효율을 높이기 위해 추가될 수 있다. 알루미나 촉매상에 로듐으로부터의 더 좋은 효율을 주장하는 많은 다른 반응식들이 업자와 함께 문헌에 언급되어 왔다. 루테늄, 팔라듐, 금 및 다른 물질은 이러한 용도에 역시 활성이 있다고 문헌에 언급되어 왔다.
일산화탄소의 선택적 산화(preferential oxidation)에는 저온이 바람직하다. 두 반응 모두 열을 내기 때문에, 열 파이프 또는 다른 수단이 이 공정에서 생성된 열을 제거하기 위하여 반응기내에 놓일 수 있다. 공정의 운영 온도는 약 90℃에서 약 150℃의 범위에서 바람직하게 유지된다. 다시, 그러한 산화 공정은 연료전지에 사용하는데 적당한 수준인 50ppm이하로 일산화탄소 수준을 낮추는데 사용될 수 있다.
연료 처리장치를 나오는 수소-풍부 개질유는 이산화탄소와 물, 비활성 구성성분(예를 들면, 질소, 아르곤)과 같은 다른 구성물, 잔여 탄화수소 등을 포함하는 수소-풍부 가스이다. 이 개질유는 연료 전지 또는 수소-풍부 공급 스트림이 필요로 하는 다른 장치에 대한 공급원으로 사용될 수 있다. 선택적으로 생성 가스는 추가 처리, 예를 들면 이산화탄소, 물 또는 다른 성분을 제거하는 데에 보내질 수도 있다.
연료 전지 스택 및 전- 개질장치와의 집적
본 발명의 전-개질장치 및 개질장치와 연료전지 스택을 포함하는 전력 생산 시스템이 전체적으로 D로 표시된 연료 전지 스택과 함께 도 1에 나타나 있다. 연료 전지 스택(D)은 통상적으로 작동가능하게 함께 연결된 복수의 연료전지를 포함하는 연료 전지 스택의 형태로 하나 이상의 연료전지를 포함한다. 비록 여기에서는 연료 전지 스택으로 언급되지만, 연료 전지 스택(D)에는 단지 하나의 연료 전지, 별개로 동작하는 복수의 연료 전지 또는 별개로 작동하는 또는 교차연결된 복수의 연료 전지 스택도 포함하여 본 발명의 범위에 들어 온다. 적당한 연료 전지의 예에는 양자 교환막(proton exchange membrane; PEM) 연료 전지 및 알칼리 연료 전지가 포함된다.
개질장치(B)에 의해 생산된 수소-풍부 개질유는 세척되고, 수소농도를 증가시키도록 전환되고, 이후 연료 전지 스택(D)로 전해진다. 연료 전지 스택(D)는 개질유를 사용하여 전력, 물, 소모된 개질유(spent reformate) 및 소모된 공기를 생산한다. 연료 전지 스택에서 배출된 소모된 개질유 스트림은 일반적으로 잔존 수소와 일산화탄소를 포함한다. 연료 전지가 본 발명의 전-개질장치와 집적되었을 때, 소모된 개질유는 전-개질장치의 연소부으로 향하게 된다. 비록 여기에서는 전-개질장치로 언급되지만, 연소부는 때로는 아노드 테일 가스 산화기(anode tail gas oxidizer; ATO)로 언급된다. 어떤 실시예에서는 연료 전지 스택에서 배출된 소모된 공기(미도시)는 소모된 개질유와 혼합될 수 있어 전-개질장치의 연소부에 필요한 산소-함유 가스를 제공한다.
집적된 연료 개질 장치
본 발명의 다른 실시예에서, 급속 시동을 위한 집적된 연료 처리 장치가 제공된다. 집적 장치는 가열된 연료 개질 반응물을 연료 개질장치에 제공하도록 배열된 전-개질장치를 포함한다. 전 개질장치는 연소 챔버 및 연소 챔버내에 위치한 촉매를 둘러싸는 외벽을 가지고 있는 연소부를 포함한다. 촉매는 촉매를 통하여 연소 가스와 열이, 연소부과 함께 유체로 연결되어 있는 열 회수부로 통과하는 비-확산 유로를 제공한다. 열 회수부는 열 회수 챔버와 상기 열 회수 챔버에 놓인 적어도 하나의 열 교환 요소를 한정짓는 외벽을 가지고 있다. 열 교환 요소는 개질장치 반응물을 받아들이는 유입구와 가열된 반응물이 열 회수부로부터 나가게 하는 유출구를 가지고 있다. 열 교환 요소의 유입구 및 유출구는 열 회수부의 외벽의 하부에 바람직하게는 위치한다. 연소부는 열 회수부에의 가열된 연소 가스의 통과가 전치(displacement)의 결과로 일어나도록 열 회수부보다 상대적으로 위에 있다. 연소부의 외벽 및 열 회수부의 외벽은 전-개질장치의 틀을 이룬다. 틀은 바람직하게는 길이대 직경이 약 7:1에서 약 4:1 사이의 비인 길이와 직경을 가진다. 연료 개질장치는 전-개질장치에서 가열된 반응물을 받는 열 교환 요소의 유출구에 연결되어 있다. 바람직하게는 연료 개질장치는 하부-공급 방식 증기 개질장치이다. 더욱이 전-개질장치는 연료 전지로부터 배출 가스를 받고, 배출가스를 연소부로 연소 연료 및 산소-함유 가스와 함께 향하도록 배열될 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에서, 급속 시동을 위한 집적된 연료 처리 장치가 제공된다. 전-개질장치를 포함하는 집적 장치는 가열된 개질 반응물이 연료 개질장치에 제공하기 위해 배열되었다. 전-개질장치는 틀, 가열된 연소 가스를 생성하기 위해 연소 챔버안에 놓인 연소 촉매를 가지는 연소 챔버 및 열 교환부에 놓인 적어도 하나의 열 교환 요소를 가지는 열 교환부를 포함한다. 열 교환 요소는 반응물을 받아들이는 유입구 및 가열된 반응물을 열 회수부 밖으로 향하게 하는 유출구를 가진다. 틀은 길이대 직경이 약 7:1에서 약 4:1 사이의 비인 길이와 직경을 가진다. 연료 개질장치는 전-개질장치로 부터 가열된 반응물을 받아들이기 위하여 열 교환 요소의 유출구와 연결되어 있다. 더욱이, 전-개질장치는 연료 전지로부터 배출 가스를 받고, 배출가스를 연소부로 연소 연료 및 산소-함유 가스와 함께 향하도록 배열될 수 있다.
앞에서 나타낸 특정 실시예는 단지 설명 목적이며, 본 발명은 변형될 수 있고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하고, 다르지만 대등한 형태로 실시될 수 있다. 아래의 특허청구범위에서 묘사한 외에 여기서 나타낸 구조 또는 디자인의 세부사항에 대해 어떤 제한도 의도하는 것이 아니다. 상기에서 언급된 특정한 실시예는 변경되거나 수정될 수도 있고, 모든 그러한 변화물들이 본 발명에 속하는 것으로 간주되어야 한다는 것은 명백하다. 따라서, 여기에서 추구하는 보호범위는 이하의 특허청구범위에서 밝힌 바와 같은 것이다.

Claims (31)

  1. (i) 연소 챔버 및 연소 챔버 내에 놓여진, 연소 기체 및 열의 통과를 위해 연소 챔버를 관통하는 비-확산 유로(non-diffused flow path)를 제공하는 촉매를 둘러싸는 외벽을 가지는 연소부 ;
    (ii) 선택적으로, 둘 이상의 연소 반응물의 혼합용 상기 연소 챔버의 상류 믹서(mixer);
    (iii) 선택적으로, 상기 촉매와 접촉하기 전에 연소 반응물의 예열용 상기 연소 챔버의 상류의 가열 수단; 및
    (iv) 상기 연소 챔버와 유체로 연결되며, 열 회수 챔버와 상기 열 회수 챔버 내에 놓여진, 반응물을 받아들이는 유입구와 가열된 반응물을 열 회수부 밖으로 향하게 하는 유출구를 가지는 적어도 하나의 열 교환 요소를 한정하는 외벽을 가지는 열 회수부;
    를 포함하며,
    상기 연소부는 상기 열 회수부에 비해 상승되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 개질장치에서 사용하기 위한 반응물의 급속 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열 수단은 장치 외부의 열원인 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가열 수단은 연소 챔버 내에 놓인 열 방출 요소인 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 모노리식 촉매(monolithic catalyst)인 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열 교환 요소는 코일 배관인 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열 회수 챔버는 내부에 적어도 2 개의 열 교환 요소를 가진 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 적어도 2개의 열 교환 요소는 제1 열 교환 요소 및 제2 열 교환 요소를 포함하고 상기 제1 열 교환 요소는 제2 열 교환 요소의 표면적 이하인 열을 교환하기 위한 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  8. 제7항에 있어서, 제2 열 교환 요소는 물을 증기로 변환시키는 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연소부의 외벽과 상기 열 회수부의 외벽은 장치 틀을 형성하는 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 열 교환 요소의 유입구와 유출구는 열 회수부의 외벽의 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 틀은 원통형인 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 원통은 약 10인치 이하의 내경을 가지는 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 원통은 약 8인치 이하의 내경을 가지는 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 원통은 약 6인치 이하의 내경을 가지는 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  15. 제9항에 있어서, 상기 틀은 길이 대 직경 비가 약 7:1 내지 약 4:1인 길이와 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 급속 가열 장치.
  16. (i) 전-개질장치에서, 연소부 내에서 가열된 연소 가스가 생성되도록 연료 및 산소-함유 가스를 연소 촉매상에서 연소하는 단계;
    (ii) 선택적으로, 연소 전에 연료 및/또는 산소-함유 가스를 예열하는 단계;
    (iii) 선택적으로, 연소 전에 연료 및/또는 산소-함유 가스를 혼합하는 단계;
    (iv) 가열된 연소 가스를 연소 촉매를 통과하여 열 회수부으로 이동하는 단 계;
    (v) 가열된 반응물을 생성하기 위하여 열 회수부에서 가열된 연소 가스와 연료 개질장치 반응물 사이에 열을 교환하는 단계; 및
    (vi) 가열된 반응물을 하부-공급 연료 개질장치로 향하게 하는 단계를 포함하며, 상기 연소부는 상기 열 회수부에 비해 상승되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치의 급속 시동 방법.
  17. 제16항에 있어서, 증기를 생성하기 위하여 가열된 연소 가스와 물 사이에 열을 교환하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 시동 방법.
  18. 제16항에 있어서, 열이 제1 열 교환 요소에서 가열된 연소 가스와 적어도 하나의 개질장치 반응물 사이에서 교환되고, 열이 제2 열 교환 요소에서 가열된 연소 가스와 물 사이에서 교환되는 것을 특징으로 하는 급속 시동 방법.
  19. 제16항에 있어서, 연료 전지에서의 배출가스를 연료 및 산소-함유 가스와 혼합하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 시동 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 가열된 연소 가스는 연소부 내에서 약 600℃의 운영 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 급속 시동 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 운영 온도는 약 20분 이내에 도달하는 것을 특징으로 하는 급속 시동 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 운영 온도는 약 15분 이내에 다다르는 것을 특징으로 하는 급속 시동 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 운영 온도는 약 10분 이내에 도달하는 것을 특징으로 하는 급속 시동 방법.
  24. 제16항에 있어서, 상기 가열된 연소 가스는 적어도 약 5000GHSV의 속도로 연소 촉매를 통과하는 것을 특징으로 하는 급속 시동 방법.
  25. (i) 연료 개질장치에 가열된 연료 개질 반응물을 제공하기 위해 배열된 전-개질 장치 - 상기 전-개질 장치는
    연소 챔버 및 연소 챔버 내에 놓여진, 연소 가스 및 열의 통과를 위하여 촉매를 통하는 비-확산 유로(non-diffused flow path)를 제공하는 촉매를 둘러싸는 외벽을 가지는 연소부; 및
    연소부과 유체로 연결되며, 열 회수 챔버와 상기 열 회수 챔버 내에 놓여진, 반응물을 받아들이는 유입구와 가열된 반응물을 열 회수부 밖으로 향하게 하는 유출구를 가지는 적어도 하나의 열 교환 요소를 한정하는 외벽을 가지는 열 회수부; 를 포함하고, 상기 연소부는 상기 열 회수부에 비해 상승되어 있는 것을 특징으로 함; 및
    (ii) 전-개질장치로부터 가열된 반응물을 받아들이기 위해 열 교환 요소의 유출구에 연결된 연료 개질장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 시동을 위한 집적 연료 처리 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 연료 개질장치는 하부-공급 증기 개질장치인 것을 특징으로 하는 집적 연료 처리 장치.
  27. 제25항에 있어서, 상기 전-개질장치는 연료 전지로 부터 배출 가스를 받아들이고, 배출 가스를 연소부으로 향하게 하기 위해 배열된 것을 특징으로 하는 집적 연료 처리 장치.
  28. 제25항에 있어서, 상기 연소부의 외벽 및 열 회수부의 외벽은 전-개질장치의 틀을 형성하는 것을 특징으로 하는 집적 연료 처리 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 틀은 길이 대 직경 비가 약 7:1 내지 약 4:1인 길이와 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 집적 연료 처리 장치.
  30. 제25항에 있어서, 상기 열 교환 요소의 유입구와 유출구는 열 회수부의 외벽의 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 집적 연료 처리 장치.
  31. (i) 연료 개질장치에 가열된 개질 반응물을 제공하도록 배열되고, 길이 대 직경 비가 약 7:1 내지 약 4:1인 길이와 직경을 가지는 틀, 가열된 연소 가스를 생성하기 위하여 연소 챔버 내에 놓여진 연소 촉매를 가지는 연소챔버 및 연소 회수 부 내에 놓여진, 반응물을 받아들이는 유입구 및 가열된 반응물을 열 회수부 밖으로 향하게 하는 유출구를 가지는 적어도 하나의 열 교환 요소를 가지는 연소 회수부를 포함하는 전-개질 장치 및
    (ii) 전-개질장치로 부터 가열된 반응물을 받아들이기 위한 열 교환 요소의 유출구에 연결된 연료 개질장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 시동을 위한집적 연료 처리 장치.
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