KR101210127B1 - 개질기용 연소기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개질기에 열을 제공하는 연소기에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명은 제1산화부, 열전대, 연료공급관, 연료분배부 및 제1산화촉매층을 포함한다.
제1산화부는 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성된다. 열전대는 상기 제1산화부의 상단을 관통하여 내부까지 연장되어 제1산화부 내부의 온도를 측정한다. 연료공급관은 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되어 상기 열전대를 감싸도록 구비되고, 하부에 연료배출구가 형성된다. 연료분배부는 상기 연료공급관 하부에 구비되어 연료를 분배하는 분배 노즐이 형성된다. 제1산화촉매층은 상기 연료분배부 하부에 구비된다.
본 발명은 연료 공급관을 열전대를 감싸는 구조로 형성함으로써 열전대의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 연소기와 증발기의 연결지점에서의 용접점을 최소화하는 구조를 제공함으로써 열교환 효율이 향상되었으며, 제조시간 및 제조비용 면에서 유리한 효과가 있다.

Description

개질기용 연소기{Combustor for reformer}
본 발명은 개질기에 열을 제공하는 연소기에 관한 것이다.
연료전지에서의 개질 반응이란 탄화수소계 화석연료로부터 연료전지에 사용되는 연료인 수소를 만들어내는 반응을 의미하며, 이러한 반응을 수행하는 장치를 연료변환기(Fuel Processor)라 한다. 연료 변환기는 개질반응을 하는 개질기(Reformer) 이외에도 필요에 따라 일산화탄소의 농도를 낮추기 위한 반응기와 연료의 황성분을 제거하기 위한 탈황기(Desulfurizer) 등을 더 포함하기도 한다.
외부 개질 방식의 경우 연료개질기는 열원부와 개질반응부로 구성된다. 열원부는 개질반응부에서 개질반응에 필요한 열을 공급하고, 개질반응부는 연료를 개질하여 수소가 풍부한 가스를 발생시킨다. 이 때 개질반응부는 수증기 개질 방식(SR, STR), 부분 산화 방식(POX) 또는 상기 두 방식을 조합한 자열 개질 방식(ATR)을 이용하여 공급된 연료를 개질하게 된다. 이 중 수증기 개질(Steam Reforming, SR)방식은 탄화수소의 연료와 수증기의 반응으로 수소를 얻는 방법으로 고농도의 수소를 얻을 수 있어 연료전지의 출력을 높일 수 있는 장점을 가지고 있지만, 흡열반응이기 때문에 외부에서 열을 공급해 주어야 한다.
연소기는 연료를 산화시켜 열과 고온의 가스를 발생시키는 장치이다. 연소기에서 생성된 열과 고온의 가스는 개질장치의 개질 반응이나, 연료 또는 물의 예열 등을 위한 열원으로서 이용될 수 있다. 연소기는 연소실 내로 분사되는 연료를 불꽃 점화하여 직접연소시키는 방식이나 산화촉매를 통해 연료를 촉매연소시키는 방식 등으로 제조될 수 있다. 산화촉매를 통해 연료를 산화시키는 장치는 소위 촉매 연소기라고 불린다.
이러한 연소기의 경우 고온 분위기에서 작동하게 되므로 내부에 구비되는 각종 구성의 내구성을 위하여 다양한 방안들이 제시되고 있는 실정이다.
본 발명의 과제는 연소기 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대의 내구성을 높이는 수단을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 과제는 별도의 연료분배와 함께 플래쉬백(Flash back)을 방지하는 수단을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 과제는 부품수를 단순화하고 리포머의 출력을 향상시킬 수 있는 연소기와 증발기의 연결구조를 제공하는 데 있다.
본 발명은 제1산화부, 열전대, 연료공급관, 연료분배부 및 제1산화촉매층을 포함한다.
제1산화부는 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성된다. 열전대는 상기 제1산화부의 상단을 관통하여 내부까지 연장되어 제1산화부 내부의 온도를 측정한다. 연료공급관은 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되어 상기 열전대를 감싸도록 구비되고, 하부에 연료배출구가 형성된다. 연료분배부는 상기 연료공급관 하부에 구비되고, 연료를 분배하는 분배 노즐이 형성된다. 제1산화촉매층은 상기 연료분배부 하부에 구비된다.
또한 본 발명은 제2산화부와 제2산화촉매층을 더 포함할 수 있다. 제2산화부는 상기 제1산화부를 감싸는 공간부로 형성되고, 하부에서 상기 제1산화부와 유체소통 가능하도록 연결된다. 제2산화촉매층은 상기 제2산화부 내에 구비된다.
또한 상기 연료배출구는 상기 연료공급관 하단 외주면에 수평방향으로 형성될 수 있다,.
또한 상기 연료분배부는 분배노즐이 형성된 노즐 플레이트와 상기 노즐 플레이트 외곽으로부터 하향 연장형성되는 원통 또는 다각통 형상의 열용량 형성부를 구비할 수 있다.
또한 중심축으로부터의 일정 거리에 형성된 분배노즐의 총 면적은 해당 거리에 비례하도록 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 개질장치는 제1산화부, 제2산화부, 제1산화촉매층, 제2산화촉매층, 열전대, 연료공급관, 연료분배부, 증발기 및 개질부를 포함한다.
제1산화부는 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성된다. 제2산화부는 상기 제1산화부를 감싸는 공간부로 형성되고, 하부에서 상기 제1산화부와 유체소통 가능하도록 연결된다. 제1산화촉매층은 상기 연료분배부 하부에 구비된다. 제2산화촉매층은 상기 제2산화부 내에 구비된다. 열전대는 상기 제1산화부의 상단을 관통하여 내부까지 연장되어 제1산화부 내부의 온도를 측정한다. 연료공급관은 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되어 상기 열전대를 감싸도록 구비되고, 하부에 연료배출구가 형성된다. 연료분배부는 상기 연료공급관 하부에 구비되고, 연료를 분배하는 분배 노즐이 형성된다. 증발기는 개질연료 및 물을 공급받고, 상기 제2산화촉매층으로부터 배출되는 배가스의 열에너지를 이용하여 유입되는 물을 증발시키며, 상기 개질연료와 증발된 수증기를 함께 배출한다. 개질부는 상기 제1 및 2연소부로부터 열 에너지를 전달받아 상기 증발기로부터 유입되는 개질연료 및 수증기를 개질한다.
또한 상기 증발기는 다층구조를 형성하는 다수의 플레이트와, 물과 배기가스가 통과하는 층이 번갈아 형성되도록 격 층간을 유체소통 가능하도록 연결하는 유로관을 포함할 수 있다. 이 때 상기 제1산화부는 상기 증발기의 하부로부터 제2 플레이트에 용접되고, 상기 제2산화부는 상기 증발기의 하부로부터 제1 플레이트에 용접된다.
또한 상기 연료배출구는 상기 연료공급관 하단 외주면에 수평방향으로 형성될 수 있다.
또한 상기 연료분배부는 분배노즐이 형성된 노즐 플레이트와 상기 노즐 플레이트 외곽으로부터 하향 연장형성되는 원통 또는 다각통 형상의 열용량 형성부를 구비할 수 있다.
또한 중심축으로부터의 일정 거리에 형성된 분배노즐의 총 면적은 해당 거리에 비례하도록 형성될 수 있다.
본 발명은 연료 공급관을 열전대를 감싸는 구조로 형성함으로써 열전대의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한 캡 형태의 연료분배부를 제공함으로써 열용량의 향상으로 인한 플레쉬 백 저감효과가 있으며, 이로 인하여 별도의 플래쉬 백 저감장치를 채택하지 않은 경우에도 연료분배부와 열전대의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 연소기와 증발기의 연결지점에서의 용접점을 최소화하는 구조를 제공함으로써 열교환 효율이 향상되었으며, 제조시간 및 제조비용 면에서 유리한 효과가 있다.
도 1은 연료전지 시스템의 전체 모습을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 연소기와 비교하기 위한 연소기의 일 예를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
도 3은 일 실시예에 의한 연소기를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
도 4는 일 실시예에 의한 연료분배부를 나타내는 절개사시도이다.
도 5는 일 실시예에 의한 연료분배부를 나타내는 평면도이다.
도 6은 다른 실시예에 의한 연소기를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
도 7은 일 실시예에 의한 연소기 및 증발기의 연결 구조를 나타내는 종단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 '상하좌우' 등 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다.
연료 개질장치(10)는 [도 1]에 도시된 바와 같이 개질 연료를 공급받아 연료 전지(30)의 발전에 이용할 리포메이트로 전환시킨다. 연료 개질장치(10)가 수증기 개질(SR, Steam Reforming) 방식을 이용하여 개질 연료를 리포메이트로 변환시키는 경우에는 열원을 필요로 하므로 제1 산화 연료를 공급받아 열을 발생시키게 된다. 이 경우 전체 시스템의 효율을 향상시키기 위하여, 연료전지(30)의 연료극(애노드, anode)로부터 미반응 되어 배출되는 AOG 가스를 제2 산화연료로 연료 개질장치에 공급하기도 한다. 연료 개질 장치(10)는 수성가스전환(WGS), 선택적 산화반응(PROX) 반응을 이용하여 일산화탄소를 저감하는 반응기를 포함하기도 한다.
본 발명은 이러한 연료 전지 시스템에 있어서 연료 개질장치(10)에 열을 공급하는 연소기 관한 것이다.
<실시예 1>
[도 3]을 참조하여 연소기(200)에 대하여 설명한다. 연소기(200)는 크게 제1산화부(225)와 제2산화부(235)로 구분된다.
제1산화부(225)는 중공형상의 원통형 또는 다각통형으로 형성되는 연소기 내벽(210) 내부에 형성된다. 제2산화부(235)는 연소기 내벽(104)의 외측을 둘러싸는 일정한 공간으로 형성된다. 즉 연소기 외벽(230)은 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되고, 연소기 내벽(210)을 둘러싸도록 구비된다. 연소기 내벽(210)과 연소기 외벽(230) 사이에는 일정한 공간인 제2산화부(235)가 형성된다. 제2산화부(235)와 제1산화부(225)는 하단에서 유체 소통이 가능하도록 연결된다.
열전대(260; thermocouple)는 [도 3]에 도시된 바와 같이 제1산화부(225)의 상단을 관통하여 내부까지 연장되도록 구비된다. 열전대는 제베크효과를 이용하여 넓은 범위의 온도를 측정하기 위해 두 종류의 금속으로 만든 장치로서, 제1산화부 내부의 온도를 측정한다.
연료공급관(250)은 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되며, 열전대(260)의 외부를 감싸도록 구비된다. 연료공급관(250)의 하부에 연료배출구(251)가 형성된다. 이 때 연료배출구(251)는 연료공급관(250) 하단 외주면에는 수평방향으로 형성되어 유입되는 연료가 수평방향으로 공급되도록 하는 것이 바람직하다. 즉 연료공급관(250)은 공급되는 산화 연료를 연소기(200) 내로 공급하는 동시에 고온 분위기로부터 열전대(260)를 보호하는 역할을 하게 된다.
[도 2]는 본 실시예와의 비교를 위한 연소기의 일 예를 나타낸 것이다. [도 2]의 연소기는 연료공급관(150)으로 공급된 산화 연료가 연료분배기(112)를 통하여 균일하게 공급되고 제1산화촉매층(114)에 의하여 산화되는 구성을 갖고 있다. 이 경우 열전대(260)가 제1산화부(111) 내에 그대로 노출되어 있어 제1 연소부(111) 내의 고온 분위기에서 열화가 심하여 수명이 그만큼 줄어들게 된다.
한편, 산화 연료는 산화반응을 통하여 열을 발생시키기 위한 LPG 등의 주 연료를 의미한다. 산화 연료로는 메탄올 등의 알코올류, 메탄, 부탄 등의 탄화수소류, 나프타, 액화천연가스 등의 화석 연료, 바이오매스, 매립지 가스 등이 단독 또는 이들의 조합으로 사용될 수 있다. 연료극 미반응가스(AOG)는 연료전지 스택(미도시)에서 전기를 생산한 이후에 연료극으로부터 배출되는 수소를 주 성분으로 하는 미연소 가스를 의미한다.
[도 3] 내지 [도 5]를 참조하여 연료분배부(211)를 설명한다. 연료분배부(211)는 상술한 연료공급관(251) 하부에 구비되어 연료를 균일하게 분배하는 역할을 한다. [도 4]에 도시된 바와 같이 연료분배부(211)는 상술한 제1산화부의 단면형상에 대응하는 형상으로 형성되는 노즐 플레이트(212)와 노즐 플레이트(212) 외곽으로부터 하향 연장 형성되는 열용량 형성부(213)로 구분된다. 연료분배부(211)가 일종의 캡 형상으로 형성됨으로써 열용량을 높일 수 있다. 이러한 캡 형상으로 인하여 플레쉬 백(Flash back)이 발생한 경우라 하더라도 상술한 연료공급관(250)에 형성된 연료배출구(251)까지 전이되지 않아 안정적인 운전이 가능하다.
노즐 플레이트(212)에는 [도 5]에 도시된 바와 같이 다수의 분배 노즐(214, 215)이 형성된다. 이 때 중심축으로부터의 일정 거리에 형성된 분배노즐(214, 215)의 총 면적은 해당 거리에 비례하도록 형성하는 것이 바람직하다. 즉 연료분배부(211)는 중심축 부근에 비해 상대적으로 반응온도가 낮은 중심축의 주변부 또는 외곽에서 산화연료의 연소가 진행되도록 유도함으로써 열점의 형성을 균일하게 분포시킨다. 연료분배부(211)의 재질로는 제1산화부(225)가 작동되는 온도 범위에서 내구성을 갖는 금속, 합금 또는 복합 재료 등을 사용할 수 있다.
한편, 연료분배부(211)가 높은 열용량을 갖기 때문에 일종의 역화방지부의 역할을 하기도 하지만 별도의 역화방지부를 구비하는 것도 가능하다. 즉 연료분배부(211)와 제1산화촉매층(220) 사이에 역화방지부(미도시)가 구비될 수 있다. 역화방지부는 산화 반응이 가장 활발하게 일어나는 제1산화촉매층(220)의 상단에서 고온의 열점이 형성되어 연료분배부(211)방향으로 역류하는 것을 방지한다. 역화방지부는 제1산화촉매층(220)의 지지체와 유사한 약 400 내지 약 600 CPSI의 셀밀도를 갖는 다공성 부재 또는 메탈 모노리스로 구현될 수 있다.
제1산화부(225) 내부에는 제1산화촉매층(220)이 구비된다. 제1산화촉매층(220)은 유체가 통과할 공간이 형성된 매쉬 또는 모노리스 형태의 지지체와 지지체 표면에 코팅된 활성물질로 형성된다. 제1산화촉매층(220)은 산화 연료 또는 AOG의 플래쉬 백(Flashback)없는 안정적인 연소를 유도하여 연소율을 향상시키며 핫 스팟의 형성 지점을 조절하는 역할을 한다. 활성물질로는 Pd, Pt, Co3O4, PdO, Cr2O3, Mn2O3, CuO, Fe2O3, V2O3, NiO, MoO3, TiO2 등의 단독 또는 이들의 혼합 물질을 사용할 수 있다. 제1산화촉매층(220)의 지지체는 적절한 유체 압력 및 연료의 효율적인 산화반응을 위하여 약 400 내지 약 600 CPSI(cell per square inch)의 셀 밀도를 가지도록 구비될 수 있다.
제2산화부(235) 내부에는 제2산화촉매층(146)이 구비된다. 제2산화촉매층(146)은 약 100 내지 약 200 CPSI의 셀 밀도를 가진 메쉬 또는 모노리스 타입의 지지체를 형성하고 지지체의 표면에 산화 촉매를 코팅하여 형성될 수 있다. 지지체는 고열에 대하여 적절한 내구성을 갖도록 크롬계 스테인리스(Fe-Cr계)와 같은 용융점이 높은 금속, 합금, 또는 복합 재료 등으로 구현될 수 있다. 산화 촉매로는 제1 산화촉매층(141)의 경우와 같이 Pd, Pt, Co3O4, PdO, Cr2O3, Mn2O3, CuO, Fe2O3, V2O3, NiO, MoO3, TiO2 등이 단독으로 또는 이를 혼합하여 사용할 수 있다. 한편, 제2 산화촉매층(146)은 제2산화부(235) 내부에서 일정 간격만큼 이격된 두 부분으로 나뉘어 배치될 수 있다.
개질부, 점화기 및 예열기 등 본 발명과 직접적인 관련이 없는 부분에 대한 설명은 생략한다.
<실시예 2>
[도 6]을 참조하여 실시예 2를 설명한다. 실시예 2는 연료전지(30; 도 1 참조)의 연료극으로부터 배출되는 연료극 미반응가스(AOG)를 재활용하여 연소기(200)에서 연소시키는 기술을 포함하고 있다. 즉 제1산화부(225)의 하부에는 연료극 미반응가스(AOG)가 유입되는 AOG 유입구(240)가 구비된다.
먼저 1차로 제1산화촉매층(220)에서 산화연료가 산화되어 열을 발생시킨다. 이후 제1산화부(225) 하부에서 미반응된 산화연료와 AOG 유입구(240)를 통하여 유입된 AOG가 플레임(flame)에 의하여 연소된다. 마지막으로 미반응 산화연료와 AOG가 제2산화부(235)로 이동하면서 제2산화촉매층(231, 232)에서 연소된다. 연소 후의 배가스는 외부로 배출된다.
이 경우 유입되는 AOG로 인하여 열점의 형성이 증가하고 실시예 1에 비하여 제1산화부(225) 내에서 플래쉬 백이 발생할 확률이 높아 지지만 상술한 연료분배부(211)의 높은 열용량으로 인하여 플래쉬 백이 연료배출구(251)까지 영향을 주지 못하게 된다.
<실시예 3>
[도 7]을 참조하여 증발기(300)가 포함된 실시예를 설명한다.
증발기(300)는 산화기(200a)에서 나오는 배기가스(Exhaust)의 열 에너지를 이용하여 물을 증발시켜 개질연료와 함께 개질부(미도시)로 전달하는 구성부이다. 본 실시예에서 증발기(300)는 배기가스의 열 교환 효율을 높이기 위해 물(Water)이 이동하는 층과 배기가스가 통과하는 층들을 서로 번갈아 배치한 형태로 구성된다. 즉 증발기(300)는 다수의 플레이트로 구분되는 다층구조로 형성되며, 유로관(404, 406)을 통하여 물과 배기가스가 격 층간을 이동할 수 있도록 한다. 이 때 연소기 내벽(210)은 증발기(300)의 하부로부터 두번째 플레이트(302)에 용접되고, 연소기 외벽(230)은 증발기(300)의 하부로부터 첫번째 플레이트(301)에 용접된다. 이러한 구성을 통하여 연소기(200)와 증발기(300)가 연결됨으로써 용접점이 최소화 되며 열전달 효율이 향상된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 개질기용 연소기로 구현될 수 있다.
200: 연소기 210: 연소기 내벽
211: 연료분배부 212: 노즐 플레이트
213: 열용량형성부 214: 제1 분배노즐
215: 제2 분배노즐 220: 제1산화촉매층
225: 제1산화부 230: 연소기 외벽
231, 232: 제2산화촉매층 235: 제2산화부
250: 연료공급관 251: 연료배출구
260: 열전대 300: 증발기

Claims (10)

  1. 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되는 제1산화부;
    상기 제1산화부의 상단을 관통하여 내부까지 연장되어 제1산화부 내부의 온도를 측정하는 열전대(thermocouple);
    중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되어 상기 열전대를 감싸도록 구비되고, 하부에 연료배출구가 형성되는 연료공급관;
    상기 연료공급관 하부에 구비되고, 연료를 분배하는 분배 노즐이 형성된 연료분배부; 및
    상기 연료분배부 하부에 구비되는 제1산화촉매층:을 포함하고,
    상기 연료분배부는 분배노즐이 형성된 노즐 플레이트와 상기 노즐 플레이트 외곽으로부터 하향 연장형성되는 원통 또는 다각통 형상의 열용량 형성부를 구비하는 개질기용 연소기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1산화부를 감싸는 공간부로 형성되고, 하부에서 상기 제1산화부와 유체소통 가능하도록 연결되는 제2산화부; 및
    상기 제2산화부 내에 구비되는 제2산화촉매층;을 포함하는 개질기용 연소기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료배출구는 상기 연료공급관 하단 외주면에 수평방향으로 형성되는 개질기용 연소기.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    중심축으로부터의 일정 거리에 형성된 분배노즐의 총 면적은 해당 거리에 비례하도록 형성되는 개질기용 연소기.
  6. 중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되는 제1산화부;
    상기 제1산화부를 감싸는 공간부로 형성되고, 하부에서 상기 제1산화부와 유체소통 가능하도록 연결되는 제2산화부;
    상기 제1산화부의 상단을 관통하여 내부까지 연장되어 제1산화부 내부의 온도를 측정하는 열전대(thermocouple);
    중공의 원통형 또는 다각통형으로 형성되어 상기 열전대를 감싸도록 구비되고, 하부에 연료배출구가 형성되는 연료공급관;
    상기 연료공급관 하부에 구비되고, 연료를 분배하는 분배 노즐이 형성된 연료분배부;
    상기 연료분배부 하부에 구비되는 제1산화촉매층;
    상기 제2산화부 내에 구비되는 제2산화촉매층;
    개질연료 및 물을 공급받고, 상기 제2산화촉매층으로부터 배출되는 배가스의 열에너지를 이용하여 유입되는 물을 증발시키며, 상기 개질연료와 증발된 수증기를 함께 배출하는 증발기; 및
    상기 제1 및 2연소부로부터 열 에너지를 전달받아 상기 증발기로부터 유입되는 개질연료 및 수증기를 개질하는 개질부;를 포함하고,
    상기 연료분배부는 분배노즐이 형성된 노즐 플레이트와 상기 노즐 플레이트 외곽으로부터 하향 연장형성되는 원통 또는 다각통 형상의 열용량 형성부를 구비하는 개질장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 증발기는 다층구조를 형성하는 다수의 플레이트와, 물과 배기가스가 통과하는 층이 번갈아 형성되도록 격 층간을 유체소통 가능하도록 연결하는 유로관을 포함하고,
    상기 제1산화부는 상기 증발기의 하부로부터 제2 플레이트에 용접되고,
    상기 제2산화부는 상기 증발기의 하부로부터 제1 플레이트에 용접되는 개질장치,
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연료배출구는 상기 연료공급관 하단 외주면에 수평방향으로 형성되는 개질장치.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    중심축으로부터의 일정 거리에 형성된 분배노즐의 총 면적은 해당 거리에 비례하도록 형성되는 개질장치.
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