KR20090067894A - Reforming reactor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 개질 반응기에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 외부에서 공급된 개질 원료와 연소 원료의 반응이 이루어져 개질 가스가 생성되는 연소/개질 반응 유니트; 연소/개질 반응 유니트와 연결되며, 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 고온의 물의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 일산화탄소가 저감되는 수성 가스 전환 반응 유니트; 및 수성 가스 전환 반응 유니트 및 외부 장치와 연결되며, 수성 가스 전환 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 공기의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 잔류 일산화탄소가 저감되는 선택적 산화 반응 유니트를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 개질 반응기는 열 손실이 적고 발생하고, 수소발생량이 많다.The present invention relates to a reforming reactor, and more particularly, a combustion / reformation unit for generating a reformed gas by reacting an externally supplied reforming raw material with a combustion raw material; A water gas shift reaction unit connected to the combustion / reformation unit, wherein the reformed gas discharged from the combustion / reformation unit is reacted with hot water supplied from the outside to reduce carbon monoxide contained in the reformed gas; And a selective oxidation reaction unit connected to the water gas shift reaction unit and an external device, wherein the reformed gas discharged from the water gas shift reaction unit and the externally supplied air are reacted to reduce residual carbon monoxide contained in the reformed gas. Characterized in that, the reforming reactor according to the present invention has a low heat loss and generates a large amount of hydrogen.
Description
본 발명은 개질 반응기에 관한 것으로, 구체적으로, 각 반응 유니트 간의 유로를 짧게 형성하여 열손실을 줄이고, 각 반응 유니트의 온도제어가 용이하며, 수소발생량이 높은 개질 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a reforming reactor, and more particularly, to shortening a flow path between each reaction unit to reduce heat loss, to easily control the temperature of each reaction unit, and to a reforming reactor having a high hydrogen generation amount.
일반적으로 화석연료에 의한 에너지 생산이 대부분을 차지하고 있으나, 최근 지구온난화, 일산화탄소 배출억제 등 환경문제에 대한 관심이 커지면서 차세대 무공해 발전기술에 대한 수요가 증가하고 있다.In general, energy production by fossil fuels accounts for the most part. However, as interest in environmental problems such as global warming and carbon monoxide emission control increases, demand for next generation pollution-free power generation technology is increasing.
차세대 무공해 발전기술인 연료전지의 전기 생산 원리는 수소와 산소의 화학적 결합으로 전기 에너지를 생산하는 것으로서, 지속적인 전기 생산을 위해서는 수소 공급 장치가 매우 중요하다.The principle of electricity generation of fuel cell, the next generation pollution-free power generation technology, is to produce electrical energy by chemical combination of hydrogen and oxygen, and hydrogen supply device is very important for continuous electricity production.
이때 연료 개질 시스템은 연료전지 시스템에 지속적으로 수소를 공급하는 역할을 한다.The fuel reforming system serves to continuously supply hydrogen to the fuel cell system.
최근 휴대용 전자기기의 전원으로서 연료전지를 적용하려는 시도가 증가하고 있다.Recently, attempts to apply a fuel cell as a power source for portable electronic devices have been increasing.
따라서 휴대용으로 연료 전지 시스템을 사용하기 위해서는 소형 및 경량화라는 제약조건이 발생하고, 소형 및 경량화를 위해서는 단열대책과 저에너지 손실대책이 요구된다. Therefore, in order to use a fuel cell system in a portable manner, constraints of small size and light weight occur, and thermal insulation measures and low energy loss measures are required for small size and light weight.
연료 개질 시스템은 온도가 80℃ 내지 700℃의 범위에 걸쳐 다양한 반응 온도 영역이 존재한다.Fuel reforming systems have various reaction temperature ranges over a temperature range of 80 ° C to 700 ° C.
비록 연료전지가 다른 발전시스템에 비해 높은 발전효율을 가지고 있으나, 가정에서 사용하는 1 ∼3 kW 급 정도의 시스템은 발전효율이 20% 내외가 되므로 시스템 자체 내에서 열 회수가 이루어져야 한다.Although fuel cells have higher power generation efficiency than other power generation systems, the 1 ~ 3 kW class used at home has a power generation efficiency of about 20%. Therefore, heat recovery must be performed in the system itself.
이를 위한 효과적인 열교환망 설계, 단열 및 열손실 최소화는 연료 개질 시스템의 열효율 향상에 큰 영향을 주게 된다.Effective heat exchange network design, insulation and minimizing heat loss have a significant impact on improving the thermal efficiency of fuel reforming systems.
위와 같은 설계에 있어서, 각 반응 및 열교환 형태 등이 고려되어야 하며, 각 반응기간의 유로의 길이를 최소화하여 열손실을 최소화하여야 한다.In the above design, each reaction and heat exchange type should be considered, and the heat loss should be minimized by minimizing the length of the flow path between the reactors.
종래 소형 또는 이동형 연료전지 시스템에 사용되는 실리콘 박막형 메탄올 개질기는 제조공정이 까다롭고, 비용이 많이 들며, 모듈간 열교환이 용이하지 않아 시스템 전체 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.The silicon thin-film methanol reformer used in the conventional small or mobile fuel cell system has a problem in that the manufacturing process is difficult, expensive, and the heat exchange between modules is not easy, so that the overall efficiency of the system is lowered.
또한 종래의 원통형 개질기는 판형 개질기에 비해 열전달이 빠르게 이루어지지 않으므로 부하의 변화에 따른 응답속도가 느리고 열효율이 낮은 문제점이 있었다.In addition, the conventional cylindrical reformer has a problem that the heat transfer is not made faster than the plate-type reformer because the response speed is slow and the thermal efficiency is low according to the load change.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 각 반응 유니트 간의 유로를 짧게 형성하여 열손실을 줄이고, 각 반응 유니트의 온도제어가 용이하며, 수소발생량이 높은 개질 반응기를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to shorten the flow path between each reaction unit to reduce the heat loss, easy to control the temperature of each reaction unit, provides a reforming reactor with high hydrogen generation amount It is.
본 발명의 일 측면에 따른 개질 반응기는, 외부에서 공급된 개질 원료와 연소 원료의 반응이 이루어져 개질 가스가 생성되는 연소/개질 반응 유니트; 연소/개질 반응 유니트와 연결되며, 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 고온의 물의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 일산화탄소가 저감되는 수성 가스 전환 반응 유니트; 및 수성 가스 전환 반응 유니트 및 외부 장치와 연결되며, 수성 가스 전환 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 공기의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 잔류 일산화탄소가 저감되는 선택적 산화 반응 유니트를 포함하는 것이 바람직하다.Reforming reactor according to an aspect of the present invention, the combustion / reforming reaction unit is a reaction of the reformed raw material and the combustion raw material supplied from the outside to generate a reformed gas; A water gas shift reaction unit connected to the combustion / reformation unit, wherein the reformed gas discharged from the combustion / reformation unit is reacted with hot water supplied from the outside to reduce carbon monoxide contained in the reformed gas; And a selective oxidation reaction unit connected to the water gas shift reaction unit and an external device, wherein the reformed gas discharged from the water gas shift reaction unit and the externally supplied air are reacted to reduce residual carbon monoxide contained in the reformed gas. It is preferable.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 개질 반응기는 각 반응기 간의 유로를 짧게 형성하여 열손실이 낮고, 전체 시스템의 부피가 작으며, 각 반응기의 열제어가 용이하고, 수소발생량이 높다.As described above, the reforming reactor according to the present invention forms a short flow path between the reactors so that the heat loss is low, the volume of the entire system is small, the heat control of each reactor is easy, and the amount of hydrogen generation is high.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a reforming reactor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일 실시예에서 제안하는 개질 반응기는 메탄, 에탄, 프로판 및 부탄 등 현재 개질 원료로 사용되는 모든 탄화수소에 적용이 가능하나, 설명의 편의를 위하여 이하 개질 반응기의 원료는 메탄(CH4)으로 한정하여 서술한다.The reforming reactor proposed in one embodiment of the present invention is applicable to all hydrocarbons currently used as reforming raw materials, such as methane, ethane, propane and butane, but for the convenience of description, the raw materials of the reforming reactor are methane (CH 4 ). It describes only to the following.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기의 구성도이다.1 is a block diagram of a reforming reactor according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기는 외부에서 공급된 개질 원료와 연소 원료의 각 반응이 이루어져 개질 가스(reformed gases)가 생성되는 연소/개질 반응 유니트(100)를 포함한다.The reforming reactor according to an embodiment of the present invention includes a combustion /
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기는 상기 연소/개질 반응 유니트(100)와 연결되며, 연소/개질 반응 유니트(100)에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 고온의 물의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 일산화탄소가 저감되는 수성 가스 전환 반응 유니트(200)를 포함한다.In addition, the reforming reactor according to an embodiment of the present invention is connected to the combustion /
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기는 수성 가스 전환 반응 유니트(200) 및 외부 장치와 연결되며, 수성 가스 전환 반응 유니트(200)에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 공기의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 잔류 일산화 탄소가 저감되는 선택적 산화 반응 유니트(300)를 포함한다.In addition, the reforming reactor according to an embodiment of the present invention is connected to the water gas
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기는 연소/개질 반응 유니 트(100)와 수성 가스 전환 반응 유니트(200)와 연결되는 제 1 열교환기(400)를 더 포함할 수 있다.In addition, the reforming reactor according to an embodiment of the present invention may further include a
상기 제 1 열교환기(400)는 선택적 산화 반응 유니트(300)를 통하여 외부에서 공급된 고온의 매체와 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와의 열교환이 이루어지며, 열 교환된 개질 가스는 수성 가스 전환 반응 유니트(200)로 공급된다.The
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기는 수성 가스 전환 반응 유니트(200)와 선택적 산화 반응 유니트(300)와 연결되며, 외부에서 공급된 매체와 수성 가스 전환 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와의 열교환이 이루어지는 제 2 열 교환기(500) 및 연소/개질 반응 유니트(100)와 연결되어 외부에서 공급된 매체와 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 고온의 연소 가스(combustion gases)와의 열교환이 이루어지는 제 3 열교환기(600)를 더 포함할 수 있다.In addition, the reforming reactor according to an embodiment of the present invention is connected to the water gas
이하 각 반응 유니트 별로 구체적으로 살펴보면,Looking at each reaction unit in detail below,
1. 연소/개질 반응 1. Combustion / reforming reaction 유니트Unit (100)(100)
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 연소/개질 반응 유니트(100)는 제 1 및 제 2 플레이트(110, 120), 채널 플레이트(130), 보조 채널 플레이트(140) 및 중간플레이트(150)를 포함한다.As shown in Figure 2a, the combustion /
본 실시예에서 상기 제 1 및 제 2 플레이트는 각 반응 유니트의 상부와 하부 에 위치하는 각 플레이트를 구분하기 위하여 사용된 것으로, 이하 제 1 플레이트만을 예를 들어 설명한다.In the present embodiment, the first and second plates are used to distinguish each plate located at the top and the bottom of each reaction unit. Hereinafter, only the first plate will be described.
도 2c는 도 2a에 도시된 연소/개질 반응 유니트를 구성하는 제 1 플레이트를 나타내는 사시도이다. FIG. 2C is a perspective view showing a first plate constituting the combustion / reforming reaction unit shown in FIG. 2A.
도 2c에 도시된 바와 같이, 제 1 플레이트(110)는 양 종단부에 복수의 유체 유입포트(113) 및 유체 배출포트(113)가 형성되어 있으며, 각 포트는 유체의 유동방향에 따라 구분한 것으로, 동일한 구조로 되어 있다.As shown in Figure 2c, the
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 반응 유니트는 제 1 플레이트의 일단부의 가운데에 형성된 하나의 유체 유입포트를 통하여 유입된 유체가 채널 플레이트를 통과한 후 제 2 플레이트의 일단부의 양 측에 형성된 2 개의 배출포트를 통하여 외부로 배출될 수 있다.At this time, in the reaction unit constituting the reforming reactor according to an embodiment of the present invention, the fluid introduced through one fluid inlet port formed in the middle of one end of the first plate passes through the channel plate and then ends of the second plate. It can be discharged to the outside through two discharge ports formed on both sides.
이러한 경우에는 제 1 플레이트(110)의 일단부에 형성된 3 개의 포트 중, 양 측에 형성된 포트보다 가운데에 형성된 포트의 직경을 크게 형성하는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable to form a larger diameter of the port formed in the middle of the three ports formed at one end of the
또한, 제 1 플레이트의 양단부의 내측에는 제 1 및 제 2 플레이트 사이에 배치되는 채널 플레이트 및 중간 플레이트를 체결하기 위한 체결홀(114)이 형성되어 있다.In addition, a
상기 유체 유입포트(113)는 제 1 방향으로 연장된 제 1 피팅홀(111) 및 상기 제 1 피팅홀(111)과 연통되며, 제 2 방향으로 연장된 제 2 피팅홀(112)로 이루어진다. 이러한 구조에서는 제 1 유체는 제 1 피팅홀(111)을 통하여 공급되고, 제 2 유 체는 제 2 피팅홀(112)을 통하여 공급되므로, 하나의 유입포트를 통하여 복수의 유체가 공급될 수 있다.The
도 2d는 도 2a에 도시된 연소/개질 반응 유니트를 구성하는 채널 플레이트(130)의 평면도로서, 정면도와 배면도를 나타낸다.FIG. 2D is a plan view of the
상기 채널 플레이트(130)는 폭방향 중심선(S)에 대하여 제 1 표면(130a) 및 제 2 표면(130b)이 회전 대칭 구조를 가지며, 각 표면의 중앙부에 다수의 마이크로 채널(139)이 형성되어 있다.The
또한 채널 플레이트(130)의 양 종단부에는 제 1 및 제 2 플레이트와 체결하기 위한 체결홀(138)이 형성되어 있다.In addition, fastening
상기 채널 플레이트(130)에는 제 1 종단부(A)에 제 1 관통홀(131)과 제 3 관통홀(133)이 형성되어 있고, 제 2 종단부(B)에 상기 각 관통홀과 폭방향 중심선(S)에 대하여 대칭되도록 제 4 관통홀(136)과 제 2 관통홀(134)이 형성되어 있다.The
이때, 상기 채널 플레이트의 제 1 표면(130a)을 중심으로 설명하면, 제 1 종단부(A)에는 제 1 관통홀(131)과 마이크로 채널을 격리하는 제 1 격벽(132)이 형성되고, 제 2 종단부(B)에는 제 2 관통홀(134)과 마이크로 채널(139)을 격리하는 제 2 격벽(135)이 형성되어 있다.In this case, the center of the
또한, 채널 플레이트(130)는 제 3 관통홀과 마이크로 채널 사이 및 제 4 관통홀과 마이크로 채널 사이에 수렴/확산 돌기부(137)가 형성되어, 상기 수렴/확산 돌기부(137)는 각 관통홀에서 마이크로 채널로 유동하는 유체를 확산하거나, 마이 크로 채널에서 각 관통홀로 유동하는 유체를 수렴하는 기능을 한다.In addition, the
이와 같은 구조에서 채널 플레이트(130)는 제 1 표면(130a)과 제 2 표면(130b)에서의 유체의 유동이 반대방향으로 이루어진다.In such a structure, the
도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 연소/개질 반응 유니트는 상기 채널 플레이트(130)와 동일한 구조를 갖는 보조 채널 플레이트(140) 및 상기 보조 플레이트와 대응하며, 양 종단부에 다수의 관통홀이 형상된 중간플레이트(150)로 이루어진 중간 유니트를 더 포함한다.As shown in FIG. 2A, the combustion / reforming reaction unit corresponds to the
이때 중간 유니트는 중간 플레이트(150)가 인접한 채널 플레이트(130)와 대응되도록 배치되어 유체의 흐름경로을 연장하는 기능을 수행한다.At this time, the intermediate unit is disposed so that the
연소/개질 반응 유니트 내에서의 각 유체의 흐름은 도 2a 및 2b를 통하여 설명한다. 도 2b 는 도 2a 의 A 부분의 확대 사시도로서, 중간 플레이트(150) 상방에 배치된 채널 플레이트(130)는 저면 사시도로 나타내었다.The flow of each fluid in the combustion / reforming reaction unit is described with reference to FIGS. 2A and 2B. FIG. 2B is an enlarged perspective view of a portion A of FIG. 2A, and the
제 1 플레이트(110)에 형성된 유체 유입포트(113)을 통하여 연소원료인 메탄과 공기가 함께 유입되며, 연소원료인 메탄은 상기 제 1 피팅홀(111)을 통하여 공급되고, 공기는 제 1 피팅홀(111)과 연통된 제 2 피팅홀(112)를 통하여 공급된다.Methane, which is a combustion material, and air are introduced together through a
상기 유체 유입포트(113)를 통하여 유입된 메탄 및 공기는 제 1 플레이트(110) 하방에 배치된 채널 플레이트(130)의 제 1 관통홀(131)로 유입된다.Methane and air introduced through the
상기 메탄 및 공기는 제 1 표면상에 제 1 격벽이 형성되어 마이크로 채널로 유동할 수 없고, 제 1 표면과 회전 대칭 구조로 형성된 제 2 표면의 다수의 마이크 로 채널 내로 유동하게 된다.The methane and air cannot flow into the microchannel because a first partition is formed on the first surface and flows into the plurality of microchannels of the second surface formed in a rotationally symmetrical structure with the first surface.
제 2 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널에는 연소촉매가 코팅되어 있으므로, 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 연소반응이 일어난다.Since a plurality of microchannels formed on the second surface are coated with a combustion catalyst, a combustion reaction occurs during the flow of the microchannels.
상기 채널 플레이트(130) 하방에 중간 플레이트(150)가 배치되고, 상기 중간 플레이트(150) 하방에 보조 채널 플레이트(140)가 배치된다.The
앞서 설명한 바와 같이, 보조 채널 플레이트(140)는 채널 플레이트(130)와 동일한 구조로 형성되고, 또한 도 4b 에 도시된 바와 같이, 중간 플레이트(150)에는 가열 수단 및 온도 측정 수단이 각각 장착되는 제 1 삽입구(157) 및 제 2 삽입구(158)이 형성되어 있다.As described above, the
따라서 가열수단(도시되지 않음)으로 반응 유니트를 예열할 수 있으며, 온도 측정 수단(도시하지 않음)으로 반응 유니트의 반응온도를 확인할 수 있다.Therefore, the reaction unit may be preheated by a heating means (not shown), and the reaction temperature of the reaction unit may be confirmed by a temperature measuring means (not shown).
연소가스는 중간 플레이트(150)의 제 2 관통홀(154)을 통과한 후, 보조 채널 플레이트(140)의 제 2 관통홀(144)을 통과하고 제 2 플레이트(120)의 유체 배출포트(124)를 통하여 외부로 배출된다.The combustion gas passes through the second through
한편, 채널 플레이트(130)와 중간 플레이트(150) 사이의 유로를 통과하지 않는 메탄 및 공기는 중간 플레이트(150)의 제 1 관통홀(151)을 통하여 보조 채널 플레이트(140)의 제 1 관통홀(141)로 유입된다.Meanwhile, methane and air that do not pass through the channel between the
보조 채널 플레이트(140)의 제 1 관통홀(141)로 유입된 메탄 및 공기는 제 2 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 연소반응이 일어나며, 연소반응을 마친 연소가스는 제 2 플레이트의 유체 배출포트(124)를 통하여 외부로 배출된다.Methane and air introduced into the first through-
한편, 제 2 플레이트(120)에 형성된 유체 유입포트(123)을 통하여 개질원료인 메탄과 물이 함께 유입되며, 물은 상기 제 1 피팅홀(121)을 통하여 공급되고, 개질원료인 메탄은 제 1 피팅홀(121)과 연통된 제 2 피팅홀(122)를 통하여 공급된다.Meanwhile, methane, which is a reforming material, and water are introduced together through the
상기 유체 유입포트(123)를 통하여 유입된 메탄 및 물은 제 2 플레이트 상방에 배치된 보조 채널 플레이트(140)의 제 3 관통홀(143)로 유입된다.Methane and water introduced through the
상기 메탄 및 물은 보조 채널 플레이트(140)의 제 1 표면상에 수렴/확산 돌기부를 지나 다수의 마이크로 채널로 유동하며, 상기 마이크로 채널의 표면에는 개질 촉매가 코팅되어 있으므로, 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 개질반응이 일어난다. The methane and water flow through the converging / diffusion protrusions on the first surface of the
개질반응에 의하여 형성된 개질가스는 중간 플레이트(150)의 제 3 관통홀(156)을 통과한 후, 채널 플레이트(130)의 제 3 관통홀(136)을 통과하고 제 1 플레이트(110)의 유체 배출포트(114)를 통하여 수성가스 전환 반응 유니트(도 1의 200)로 배출된다.The reformed gas formed by the reforming reaction passes through the third through
한편, 보조 채널 플레이트(130)와 중간 플레이트(150) 사이의 유로를 통과하지 않는 메탄 및 물은 중간 플레이트(150)의 제 4 관통홀(153)을 통하여 채널 플레이트(130)의 제 4 관통홀(133)로 유입된다.Meanwhile, methane and water that do not pass through the flow path between the
채널 플레이트(130)의 제 4 관통홀(133)로 유입된 메탄 및 물은 제 1 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 개질 반응이 일어나며, 개질반응에 의하여 형성된 개질가스는 제 1 플레이트(110)의 유체 배출포트(114)를 통하여 수성 가스 전환 반응 유니트(도 1의 200)로 배출된다.Methane and water introduced into the fourth through
앞서 살펴본 바와 같이, 채널 플레이트 및 보조 채널 플레이트의 제 1 표면 및 제 2 표면에서 각각 개질반응 및 연소반응이 이루어지며, 연소반응에서 발생한 열을 개질반응에 이용할 수 있다.As described above, the reforming reaction and the combustion reaction are performed at the first and second surfaces of the channel plate and the auxiliary channel plate, respectively, and heat generated in the combustion reaction may be used for the reforming reaction.
본 실시예에서 개질촉매로서는 백금(platinum), 로듐(rhodium), 루테늄 (ruthenium), 오스뮴(osmium), 이리듐(iridium), 팔라듐(palladium) 및 니켈(Ni) 등과 같은 백금족 원소, 금, 은, 동, K2O 또는 MgO 등의 알칼리 성분 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 바람직하다. In the present embodiment, as a reforming catalyst, platinum group elements such as platinum, rhodium, ruthenium, osmium, iridium, palladium and nickel, gold, silver, it is selected from copper, K 2 O or the group consisting of alkali elements and mixtures of two or more of these of MgO and the like.
이때 상기 개질촉매는 촉매지지체에 담지되어 사용되는 것이 바람직하다.At this time, the reforming catalyst is preferably used supported on the catalyst support.
상기 촉매지지체로는 α-산화알루미늄, γ-산화알루미늄, θ-산화알루미늄, 산화지르코늄 (ZrO2), 실리카(silica; SiO2), 세리아(ceria; CeO2), 칼슘 알루미네이트(calcium aluminate) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하고, 특히 θ-산화알루미늄을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.As the catalyst support, α-aluminum oxide, γ-aluminum oxide, θ-aluminum oxide, zirconium oxide (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ), ceria (CeO 2 ), calcium aluminate (calcium aluminate) Or those selected from the group consisting of two or more of these mixtures are preferable, and in particular, θ-aluminum oxide is more preferably used.
본 실시예에 사용되는 연소촉매로는 백금(platinum), 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium), 오스뮴(osmium), 이리듐(iridium), 팔라듐(palladium) 및 니켈(Ni) 등과 같은 백금족 원소, 금, 은, 동 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 바람직하다. Combustion catalysts used in the present embodiment include platinum group elements such as platinum, rhodium, ruthenium, osmium, iridium, palladium and nickel, and gold. Is preferably selected from the group consisting of copper or a mixture of two or more thereof.
이때 상기 연소촉매는 촉매 지지체에 담지되어 사용되는 것이 바람직하다. At this time, the combustion catalyst is preferably used supported on the catalyst support.
상기 연소촉매의 담지는 촉매지지체를 먼저 코팅하고, 상기 연소촉매의 수용액을 연소촉매의 양이 상기 촉매지지체 대비 0.1 내지 5 중량부가 되도록 첨가한 후, 건조 및 소성 처리하는 것이 바람직하다.The support of the combustion catalyst is first coated with a catalyst support, and then the aqueous solution of the combustion catalyst is added so that the amount of the combustion catalyst is 0.1 to 5 parts by weight relative to the catalyst support, followed by drying and firing treatment.
상기 촉매지지체로는 산화알루미늄, α-산화알루미늄, 산화지르코늄 (ZrO2), 실리카(silica; SiO2), 세리아(ceria; CeO2) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하고, 특히 세리아를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. The catalyst support may be selected from the group consisting of aluminum oxide, α-aluminum oxide, zirconium oxide (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ), ceria (CeO 2 ) or a mixture of two or more thereof. It is preferable, and especially it is more preferable to use ceria.
2. 수성가스전환 반응 2. Water gas shift reaction 유니트Unit (200)(200)
전술한 연소/개질 반응 유니트(100)에서 개질 반응 후 형성된 개질가스에는 약 5% ~ 15%의 일산화탄소가 포함되며, 이러한 일산화탄소는 양자 교환 멤브레인 연료전지의 전극재료로 사용되는 백금을 피독시켜 연료전지의 성능을 급격히 저하시킨다.The reformed gas formed after the reforming reaction in the combustion / reforming
따라서 개질가스를 수성 가스 전환 반응 유니트를 통과시켜 개질가스에 포함 된 일산화탄소의 함량을 1% 이하로 낮추는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable to lower the content of carbon monoxide contained in the reformed gas to 1% or less by passing the reformed gas through the water gas shift reaction unit.
도 3 는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 수성 가스 전환 반응 유니트의 분해 사시도이다.3 is an exploded perspective view of a water gas shift reaction unit constituting a reforming reactor according to an embodiment of the present invention.
도 3 에 도시된 바와 같이, 수성 가스 전환 반응 유니트는 제 1 및 제 2 플레이트(210, 220), 채널 플레이트(230), 보조 채널 플레이트(240) 및 중간 플레이트(250)를 포함한다.As shown in FIG. 3, the water gas shift reaction unit includes first and
각 플레이트의 구조 및 기능은 도 2a 내지 도2b 를 통하여 설명한 연소/개질 반응 유니트를 구성하는 각 플레이트와 구조 및 기능이 동일하다.The structure and function of each plate are identical in structure and function to each plate constituting the combustion / reforming reaction unit described with reference to FIGS. 2A to 2B.
다만, 수성 가스 전환 반응 유니트(200)는 연소/개질 반응 유니트(100)에서 개질반응을 마친 개질가스와 고온의 물의 반응만 이루어 지므로, 유입 및 유출포트의 개수 및 중간플레이트의 관통홀의 개수의 차이가 있다.However, since the water gas
또한, 채널 플레이트(230) 및 보조 채널 플레이트(240)는 제 1 표면 및 제 2 표면이 동일한 구조로 형성된다.In addition, the
이는 수성 가스 전환 반응 유니트(200)를 구성하는 각 채널 플레이트의 제 1 표면과 제 2 표면에서 유체의 유동방향이 동일하기 때문이다.This is because the flow direction of the fluid on the first surface and the second surface of each channel plate constituting the water gas
이하, 수성 가스 전환 반응 유니트 내에서의 각 유체의 흐름은 도 3을 통하여 설명한다.Hereinafter, the flow of each fluid in the water gas shift reaction unit will be described with reference to FIG. 3.
제 1 플레이트는(210)의 유체 유입포트(213)를 통하여 연소/개질 반응 유니트(100)에서 배출된 개질가스와 외부에서 공급된 고온의 물이 함께 공급된다.The first plate is supplied with reformed gas discharged from the combustion /
이때 개질가스는 제 1 피팅홀(212)를 통하여 공급되고, 물은 제 1 피팅홀과 연통된 제 2 피팅홀(212)를 통하여 공급된다.At this time, the reformed gas is supplied through the first fitting hole 212, and water is supplied through the second fitting hole 212 communicating with the first fitting hole.
상기 개질가스와 물은 채널 플레이트(230)의 제 4 관통홀(233)을 통하여 유입된 후, 제 1 표면 및 제 2 표면에 형성된 마이크로 채널로 각각 유동한다.The reformed gas and water flow through the fourth through
상기 마이크로 채널의 표면에는 수성 가스 전환 촉매가 코팅되어 있으므로, 각 표면의 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 수성 가스 전환 반응이 이루어진다.Since the water gas shift catalyst is coated on the surface of the micro channel, the water gas shift reaction occurs in the process of flowing the micro channel on each surface.
채널 플레이트(230)의 양면에서 수성가스 전환 반응을 마친 개질가스는 채널 플레이트(230)의 제 3 관통홀(236)을 통하여, 중간 플레이트(250)의 제 3 관통홀(256)로 함께 유입되고, 상기 제 3 관통홀(256)을 통과한 후 보조 채널 플레이트(240)의 제 2 표면을 유동하며 수성 가스 전환 반응이 이루어지며, 보조 채널 플레이트(240)의 제 1 관통홀(243)을 통과한 후 제 2 플레이트(220)의 유체 배출포트(223)를 통하여 선택적 산화반응 유니트(도 1의 300)로 배출된다.The reformed gas, which has completed the water gas conversion reaction at both sides of the
또한, 중간플레이트(250)의 제 3 관통홀(256)을 통하여 보조 채널 플레이트의 제 3 관통홀(246)로 유입된 개질가스는 보조 채널 플레이트의 제 1 표면을 유동하며 수성 가스 전환 반응이 이루어지고, 반응을 마친 개질가스는 제 2 플레이트의 유체 배출포트(223)을 통하여 선택적 산화반응 유니트(도 1의 300)로 배출된다.In addition, the reformed gas introduced into the third through
본 실시예에서 수성 가스 전환 반응에 사용된 촉매로는 백금(platinum), 레니움(Rhenium), 루테늄(ruthenium), 로듐(rhodium), 철(Iron), 구리(Copper) 및 니켈(Ni) 등과 같은 백금족 원소, 금, 은, 동 및 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지 는 그룹으로부터 선택하는 것이 바람직하다. Catalysts used in the water gas shift reaction in this embodiment are platinum, rhenium, ruthenium, rhodium, iron, copper and nickel. It is preferred to select from the group consisting of the same platinum group elements, gold, silver, copper and mixtures of two or more thereof.
이때 상기 촉매는 촉매 지지체에 담지되어 사용하는 것이 바람직하다. At this time, it is preferable to use the catalyst supported on the catalyst support.
상기 촉매 지지체로는 알루미나(alumina), 세리아(ceria), 지르코니아(zirconia), 칼슘 알루미네이트(calcium aluminate), 산화세슘(cesium oxide), 산화구리(copper oxide), 산화아연(zinc oxide) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하다. The catalyst support may include alumina, ceria, zirconia, calcium aluminate, cesium oxide, copper oxide, zinc oxide, and these. Preference is given to using those selected from the group consisting of mixtures of two or more of them.
3. 선택적 산화 반응 3. Selective Oxidation Reaction 유니트Unit (300)(300)
도 4 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 선택적 산화 반응 유니트(300)의 분해 사시도로서, 상기 선택적 산화 반응 유니트는 제 1 및 제 2 플레이트(310, 320), 채널 플레이트(330), 보조 플레이트(340, 350) 및 중간 플레이트(360, 370)을 포함한다.4 is an exploded perspective view of a selective
각 플레이트는 앞서 설명한 연소/개질 반응 유니트(100)의 각 플레이트와 구조가 동일하며, 제 1 및 제 2 플레이트의 유입포트 및 배출포트의 배치 및 개수, 중간 플레이트의 관통홀의 배치 및 개수에서 차이가 난다.Each plate has the same structure as each plate of the combustion / reforming
이하, 선택적 산화 반응 유니트 내에서의 유체의 흐름을 도 4를 통하여 설명한다.Hereinafter, the flow of the fluid in the selective oxidation reaction unit will be described with reference to FIG. 4.
제 1 플레이트의 일 종단부의 유체 유입포트(311)을 통하여 외부장치(도시하지 않음)로부터 공기가 공급된다.Air is supplied from an external device (not shown) through the
상기 공기는 채널 플레이트(330)의 제 2 표면을 유동한 후, 제 3 관통 홀(334) 및 중간 플레이트(360)의 제 3 관통홀(364)을 통과한다.The air flows through the second surface of the
이후 공기는 보조 플레이트(340)의 제 2 표면을 유동한 후 제 1 관통홀(341) 및 중간플레이트(370)의 제 1 관통홀(371)을 통과한다.The air then flows through the second surface of the
이후 보조 플레이트(350)의 제 2 표면을 유동한 후, 제 3 관통홀 및 제 2 플레이트(320)의 배출포트(321)를 통하여 반응 유니트 외부로 배출된다.Thereafter, the second surface of the
한편, 제 1 플레이트(310)의 타 종단부에 형성된 유체 유입포트(314)를 통하여 수성 가스 전환 반응 유니트에서 배출된 개질가스와 공기가 공급된다.Meanwhile, the reformed gas and the air discharged from the water gas shift reaction unit are supplied through the
제 1 피팅홀(312)를 통하여 개질가스가 공급되고, 제 2 피팅홀(313)을 통하여 공기가 공급된다.The reformed gas is supplied through the first
개질 가스 및 공기는 채널 플레이트(330)의 제 3 관통홀(336)을 통과하여, 제 1 표면을 유동한다. 이때, 제 1 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널에는 프락스 반응 촉매가 코팅되어 있으므로, 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 프락스 반응이 이루어진다.The reformed gas and air pass through the third through
선택적 산화 반응을 거친 개질가스 및 공기는 제 1 중간플레이트(360)의 제 4 관통홀(363)을 통과한 후, 제 1 보조 채널 플레이트(340)의 제 4 관통홀(343)을 지나, 제 1 표면을 유동한다. 이때, 제 1 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널의 표면에는 선택적 산화 반응 촉매가 코팅되어 있으므로, 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 선택적 산화 반응이 이루어진다.The reformed gas and air undergoing the selective oxidation pass through the fourth through
이후, 선택적 산화 반응을 거친 개질가스 및 공기는 제 2 중간플레이트(370)의 제 4 관통홀(376)을 통과한 후, 제 2 보조 채널 플레이트(350)의 제 3 관통 홀(356)을 지나, 제 1 표면을 유동한다. Thereafter, the reformed gas and air which have undergone the selective oxidation reaction pass through the fourth through
이때, 제 2 보조 플레이트(350)의 제 1 표면에 형성된 다수의 마이크로 채널의 표면에는 선택적 산화 반응 촉매가 코팅되어 있으므로, 마이크로 채널을 유동하는 과정에서 선택적 산화 반응이 이루어진다.At this time, since the selective oxidation reaction catalyst is coated on the surfaces of the plurality of micro channels formed on the first surface of the second
선택적 산화 반응을 마친 개질가스는 제 2 플레이트(320)의 배출포트(324)를 통하여 외부로 배출된다.The reformed gas after the selective oxidation reaction is discharged to the outside through the
한편, 채널 플레이트(330) 및 각 보조 채널 플레이트(340, 350)의 제 1 표면으로는 선택적 산화 반응을 위한 개질가스와 공기가 유동하고, 제 2 표면으로는 공기가 유동한다.On the other hand, the reformed gas and air for selective oxidation reaction flows to the first surface of the
이때 선택적 산화 반응은 발열반응이므로, 제 2 표면을 유동하는 공기는 반응열을 흡수한다.At this time, since the selective oxidation reaction is exothermic, the air flowing through the second surface absorbs the heat of reaction.
상기 선택적 산환 반응에 사용되는 촉매로는 백금(platinum), 로듐(rhodium), 레니움(rhenium), 루테늄(ruthenium), 오스뮴(osmium), 이리듐(iridium) 및 팔라듐 (palladium) 등과 같은 백금족 원소, 금, 은, 동 및 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 바람직하다.Catalysts used in the selective conversion reaction include platinum group elements such as platinum, rhodium, rhenium, ruthenium, osmium, iridium and palladium, Preference is given to being selected from the group consisting of gold, silver, copper and mixtures of two or more of these.
이때 선택적 산화 반응에 사용되는 촉매는 촉매 지지체에 담지되어 사용되는 것이 바람직하다. At this time, the catalyst used for the selective oxidation reaction is preferably used supported on the catalyst support.
상기 촉매 지지체로는 알루미나(Alumina), 세리아(Ceria), 지르코니아(Zirconia), 칼슘 알루미네이트(Calcium aluminate) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하다. The catalyst support is preferably selected from the group consisting of alumina, ceria, zirconia, calcium aluminate, and mixtures of two or more thereof.
4. 제 1 열교환기(400)4. The
도 5은 본 발명의 일 실시에에 따른 개질 반응기를 구성하는 제 1 열교환기의 분해 사시도로서, 제 1 및 제 2 플레이트(410, 420), 채널 플레이트(430)을 포함한다.5 is an exploded perspective view of a first heat exchanger constituting a reforming reactor according to an exemplary embodiment of the present invention, and includes first and
제 1 열교환기는 연소/개질 반응 유니트(100)와 수성 가스 전환 반응 유니트(200)와 연결되며, 선택적 산화 반응 유니트(300)를 통하여 외부에서 공급된 고온의 공기와 연소/개질 반응 유니트에서 배출된 개질 가스와의 열교환이 이루어지며, 열 교환된 개질 가스를 수성 가스 전환 반응 유니트(200)로 공급한다.The first heat exchanger is connected to the combustion / reforming
마이크로 채널에 촉매층이 형성되어 있지 않다는 점을 제외하고는 제 1 열교환기의 채널 플레이트는 앞서 설명한 연소/개질 반응 유니트(100)의 채널 플레이트와 동일한 구조로 형성된다.The channel plate of the first heat exchanger is formed in the same structure as the channel plate of the combustion / reforming
개질가스는 제 1 플레이트(410)의 유입포트(411)를 통하여 제 1 열교환기로 유입되고, 채널 플레이트(430)의 제 3 관통홀(436)을 지나 제 1 표면을 유동하며, 제 2 플레이트(420)의 배출포트(424)를 통하여 배출된다.The reformed gas flows into the first heat exchanger through the
한편 공기는 제 2 플레이트(420)의 유입포트(421)를 통하여 제 1 열교환기로 유입되고, 채널 플레이트(430)의 제 2 관통홀(434)를 지나 제 2 표면을 유동하며, 제 1 플레이트(410)의 배출포트(414)를 통하여 배출된다.Meanwhile, air flows into the first heat exchanger through the
5. 제 2 열교환기(500)5.
도 6 은 본 발명의 일 실시에에 따른 개질 반응기를 구성하는 제 2 열교환기의 분해 사시도로서, 제 1 및 제 2 플레이트(510, 520), 채널 플레이트(530)을 포함한다.6 is an exploded perspective view of a second heat exchanger constituting a reforming reactor according to an exemplary embodiment of the present invention, and includes first and
제 2 열교환기(500)는 수성 가스 전환 반응 유니트(200)와 선택적 산화 반응 유니트(300)와 연결되며, 외부에서 공급된 물와 수성 가스 전환 반응 유니트(200)에서 배출된 개질 가스와의 열교환이 이루어진다. The
마이크로 채널에 촉매층이 형성되어 있지 않다는 점을 제외하고는 제 1 열교환기의 채널 플레이트는 앞서 설명한 연소/개질 반응 유니트(100)의 채널 플레이트와 동일한 구조로 형성된다.The channel plate of the first heat exchanger is formed in the same structure as the channel plate of the combustion / reforming
개질 가스는 제 1 플레이트(510)의 유입포트(514)를 통하여 제 2 열교환기로 유입되고, 채널 플레이트(530)의 제 4 관통홀(533)을 지나 제 1 표면을 유동하며, 제 2 플레이트(520)의 배출포트(521)를 통하여 배출된다.The reformed gas flows into the second heat exchanger through the
한편 물은 제 2 플레이트(520)의 유입포트(524)를 통하여 제 2 열교환기로 유입되고, 채널 플레이트(530)의 제 2 관통홀(534)를 지나 제 2 표면을 유동하며, 제 1 플레이트(510)의 배출포트(511)를 통하여 배출된다.Meanwhile, water flows into the second heat exchanger through the
6. 제 3 열교환기(600)6.
도 7 은 본 발명의 일 실시에에 따른 개질 반응기를 구성하는 제 3 열교환기의 분해 사시도로서, 제 1 및 제 2 플레이트(610, 620), 채널 플레이트(630)을 포함한다.7 is an exploded perspective view of a third heat exchanger constituting a reforming reactor according to an exemplary embodiment of the present invention, and includes first and
제 3 열교환기는 연소/개질 반응 유니트(100)와 연결되어, 외부에서 공급된 물과 연소/개질 반응 유니트(100)에서 배출된 고온의 연소 가스와의 열교환이 이루어진다.The third heat exchanger is connected to the combustion / reforming
마이크로 채널에 촉매층이 형성되어 있지 않다는 점을 제외하고는 제 1 열교환기의 채널 플레이트는 앞서 설명한 연소/개질 반응 유니트(100)의 채널 플레이트와 동일한 구조로 형성된다.The channel plate of the first heat exchanger is formed in the same structure as the channel plate of the combustion / reforming
물은 제 1 플레이트(610)의 유입포트(611)를 통하여 제 3 열교환기로 유입되고, 채널 플레이트(630)의 제 4 관통홀(633)을 지나 제 1 표면을 유동하며, 제 2 플레이트(620)의 배출포트(624)를 통하여 배출된다.Water flows into the third heat exchanger through the
한편 연소가스는 제 2 플레이트(620)의 유입포트(621)를 통하여 제 3 열교환기로 유입되고, 채널 플레이트(630)의 제 2 관통홀(634)를 지나 제 2 표면을 유동하며, 제 1 플레이트(610)의 배출포트(614)를 통하여 배출된다.Meanwhile, the combustion gas flows into the third heat exchanger through the
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.Preferred embodiments of the present invention described above are disclosed for purposes of illustration, and those skilled in the art having various ordinary knowledge of the present invention may make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention. And additions should be considered to be within the scope of the following claims.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기의 구성도.1 is a block diagram of a reforming reactor according to an embodiment of the present invention.
도 2a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 연소/개질 반응 유니트의 분해 사시도.Figure 2a is an exploded perspective view of the combustion / reforming reaction unit constituting the reforming reactor according to an embodiment of the present invention.
도 2b 는 도 2a 의 A 부분의 확대 사시도.FIG. 2B is an enlarged perspective view of portion A of FIG. 2A. FIG.
도 2c 는 도 2a 에 도시된 연소/개질 반응 유니트를 구성하는 제 1 플레이트의 사시도.FIG. 2C is a perspective view of a first plate constituting the combustion / reforming reaction unit shown in FIG. 2A. FIG.
도 2d 는 도 2a 에 도시된 연소/개질 반응 유니트를 구성하는 채널 플레이트의 정면도.FIG. 2D is a front view of the channel plate constituting the combustion / reforming reaction unit shown in FIG. 2A; FIG.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 수성 가스 전환 반응 유니트의 분해 사시도.Figure 3 is an exploded perspective view of the water gas shift reaction unit constituting the reforming reactor according to an embodiment of the present invention.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 선택적 산화 반응 유니트의 분해 사시도.4 is an exploded perspective view of a selective oxidation reaction unit constituting a reforming reactor according to an embodiment of the present invention.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 제 1 열교환기의 분해 사시도.5 is an exploded perspective view of a first heat exchanger constituting a reforming reactor according to an embodiment of the present invention.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 제 2 열교환기의 분해 사시도.6 is an exploded perspective view of a second heat exchanger constituting a reforming reactor according to an embodiment of the present invention.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 구성하는 제 3 열교환기의 분해 사시도.7 is an exploded perspective view of a third heat exchanger constituting a reforming reactor according to an embodiment of the present invention.
Claims (16)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020070135713A KR101071804B1 (en) | 2007-12-21 | 2007-12-21 | Reactor for reforming fuel |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020070135713A KR101071804B1 (en) | 2007-12-21 | 2007-12-21 | Reactor for reforming fuel |
Publications (2)
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