KR101769308B1 - 열전달능이 우수한 연료개질기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수증기 개질용 연료개질기에 관한 것으로, 활성촉매코어가 충진된 반응기를 포함하는 수증기 개질용 연료개질기에 있어서, 상기 반응기는 적어도 둘 이상의 활성촉매코어층으로 이루어지며, 활성촉매코어층 사이에는 미반응코어층이 형성되고, 미반응코어층에는 열전달을 활성화시키기 위한 배플이 설치되어진 것을 특징으로 하는 열전달능이 우수한 연료개질기를 제공한다. 따라서 적은 양의 촉매 비용으로도 높은 수소 수득율을 얻을 수 있으며, 압력 손실을 최소화함으로서 연료 개질기의 장기 운전 성능이 보장되게 된다.

수증기 개질, 연료개질기, 활성촉매코어, 배플(baffle)

Description

열전달능이 우수한 연료개질기{Fuel reformer with enhanced heat transfer abillity}

본 발명은 수증기 개질용 연료개질기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개질반응후의 반응가스의 열적 혼합 및 열전달 효과가 강화될 수 있도록 배플(baffle)구조를 적용시킴으로서 적은 촉매량으로도 효율적인 수소 생산이 가능한 열전달능이 우수한 연료개질기에 관한 것이다.

연료전지는 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시켜주는 시스템으로서, 에너지 효율이 우수하고 환경 친화적인 장점을 가지고 있어 현재 세계적으로 활발히 연구, 개발이 진행 중인 기술분야이다.

이러한 연료전지는 고농도의 수소를 연료로 사용하며, 안정적인 수소 공급은 매우 중요한 요소이다. 연료전지에 수소를 공급하는 방법으로는 수소 자체를 공급해 주는 방법도 있으나, 안전상의 문제로 현재의 연구 단계에서는 대부분 탄화수소 화합물을 개질하여 고농도의 수소를 생산하여 공급하고 있다.

연료 개질 방법은 크게 자열 개질(Autothermal Reforming, ATR), 부분 산화 개질(Partial Oxidation, POX) 및 수증기 개질(Steam Reforming, SR)로 분류된다. 이들 중에서 수증기 개질 방법은 다른 개질 방법에 비하여 고농도의 수소를 생산할 수 있는 장점이 있으나, 반응기 내부에서 강한 흡열반응이 발생하므로 수소 생산성을 결정짓는 중요한 인자가 외부로부터 유입되는 열전달 현상을 수반하게 된다.

일반적으로 반응기 내부로의 열공급 방법은 연소로(furnace)부터 얻은 반응열을 반응기 주위로 흘려 주어 열을 공급하는 방식이 주로 채택되고 있다.

도 1은 종래의 열교환기형 개질기의 개략도이다. 도시와 같이 연료주입구(1)로 유입되는 탄화수소 화합물 연료는 1차 촉매(2)와 2차 촉매(3)를 순차적으로 통과하며 수증기 개질을 통해 수소 가스로 전환되고, 수소 출구(4)를 통해 연료개질기를 빠져 나간다. 1차 촉매(2) 및 2차 촉매(3)에서 진행되는 수증기 개질 반응을 위한 반응열은 케이싱(5) 하부에 마련된 버너(6)를 통해 공급한다. 통상 버너(6)의 연료는 합성가스를 사용하는 것이 일반적이나, 도시와 같이 연료전지 출구 측에서 나온 미반응 연료를 공기와 혼합하여 사용하는 방법도 있다. 버너(6)에서 생성된 고온의 반응 가스는 2차 촉매(3) 및 1차 촉매(2) 측을 돌아 연소가스 출구(7)로 빠져 나가며 촉매를 지나는 개질 가스에 반응열을 공급한다. 이 때 상기 1차 촉매(2) 및 2차 촉매(3)의 반응기 튜브(8)는 열전달 특성이 우수하고 고온 환경에서도 기계적 특성이 변하지 않는 재질로 선택되어야 한다.

도 2는 종래의 연료 개질기의 반응기를 나타낸 단면도이다. 도시와 같이 반응기(10)는 반응기 튜브(11)에 활성촉매(12)가 충진되어 있다. 반응기(10) 일단으로는 메탄(CH₄)과 수증기가 공급되며, 흡열반응을 위한 열원이 반응기 튜브(11)의 외부로부터 공급된다. 일반적으로 수증기 개질용 활성촉매(12)로는 크롬과 8족 귀금속들도 활성을 갖기는 하여 사용될 수도 있으나 가격이 고가이므로, 상대적으로 가격이 저렴한 니켈(Ni)과 루테늄(Ru) 계열이 주로 사용되고 있다. 니켈과 루테늄 촉매는 300도 정도의 비교적 낮은 온도에서도 메탄을 전환시킬 수 있는 촉매 특성을 갖는다.

그러나 이러한 니켈, 루테늄 역시 우수한 촉매 특성을 나타내기는 하나, 여전히 비싼 편이다. 따라서 고가의 촉매 사용량을 최소화하기 위해서는 촉매의 활성도를 높여 효율성을 향상시키는 것이 매우 중요하다. 그러나 좋은 활성을 가진 촉매일지라도 강한 흡열반응을 동반한 반응에서는 열전달의 한계를 극복하는 것이 반응기의 중요한 설계 변수에 해당한다.

따라서 열전달 효율성을 높여 반응기 튜브 수와 촉매량을 줄이고 나아가 생산비용을 절감할 수 있는 반응기 구조를 갖는 연료개질기의 개발이 절실히 요구된다.

한편, 한국공개특허 2009-0046345호에서는 수증기 개질용 연료개질기의 열전달효과를 높이고자 반응기 튜브에 활성 촉매 코어와 열전도도가 높은 알루미나, 흡착제, 흡수제 등의 비활성 촉매를 교대로 적층시킨 연료개질기를 개시하고 있다. 그러나 이러한 연료개질기는 비활성 촉매가 다공성 매질공간이므로 압력손실이 크고, 수소 수득율의 개선 효과가 높지 않다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 안출된 것으로, 기존과 다른 촉매 충진법을 적용하고 반응기에 배플(baffle)을 도입하여 열전달 특성이 개선되고 반응후의 가스의 열적 혼합이 효율적으로 수행되도록 함으로서 적은 양의 촉매를 사용하면서도 종래 이상의 수소 수득율을 얻을 수 있도록 개선된 열전달능이 우수한 연료개질기를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 열전달능이 우수한 연료개질기는 활성촉매코어가 충진된 반응기를 포함하는 수증기 개질용 연료개질기에 있어서, 상기 반응기는 적어도 둘 이상의 활성촉매코어층으로 이루어지며, 활성촉매코어층 사이에는 미반응코어층이 형성되고, 미반응코어층에는 열전달을 활성화시키기 위한 배플이 설치되어진 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 배플은 봉형태로 이루어져 반응기 튜브 내면을 따라 간격을 두고 다수개 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 배플은 반응기 튜브 직경의 1/2을 초과하는 길이로 형성되고, 각각의 미반응코어층에 적어도 2열 이상 설치되는 것을 또 하나의 특징으로 한다.

상기 배플은 다수의 관통공이 형성된 판형태로 이루어져 반응기 튜브 내면에 고정되어 반응기의 중심측으로 연장되도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 배플은 반응기의 중심측에 형성된 관통공의 직경이 반응기 튜브 내면에 인접되도록 형성된 관통공의 직경보다 작도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 배플을 미반응코어층에 설치하여 열전달능을 향상시킴으로서 적은 양의 촉매 비용으로도 높은 수소 수득율을 얻게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료개질기를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 연료개질기를 이루는 반응기(100)의 단면도이다. 도시와 같이, 본 발명에 따른 연료개질기는 활성촉매코어가 충진된 반응기(100)를 포함하는 수증기 개질용 연료개질기에 있어서, 상기 반응기(100)는 적어도 둘 이상의 활성촉매코어층(B0,B1,B2)으로 이루어지며, 상기 활성촉매코어층(B0,B1,B2) 사이에는 미반응코어층(A1,A2)이 형성된 구조를 갖는다. 즉, 반응기(100)내의 공간적 열회복을 위하여 활성촉매코어층(B0,B1,B2) 사이에 미반응코어층(A1,A2)을 형성함으로서 열전달능을 향상시키게 된다.

본 발명에 따른 연료개질기는 상기 미반응코어층(A0,A1,A2)에 열전달을 활성화시키기 위한 배플구조(120)가 반응기(100)의 미반응코어층(A0,A1,A2)에 설치되는 것을 특징으로 하는 것이다. 즉, 미반응코어층(A0,A1,A2)에 배플구조(120)를 설치하여 열전달 면적을 증대시킴으로서 열전달능을 향상시키고자 하는 것이다.

반응기 내부의 열전달능을 극대화하기 위해서는 열전달 계수가 높은 금속으로 배플구조를 형성함이 바람직하다. 반응에 필요한 열을 효율적으로 공급받을 수 있도록 배플은 알루미나(Al₂O₃) 재질로 이루어지는 것이 특히 바람직하다. 상기 활성촉매코어층(B0,B1,B2)은 그 양측으로 반응기 튜브(110)내에 설치되는 차단판(미도시)으로 지지될 수 있음은 물론이다.

상기 배플구조(120)는 이하에서 설명되는 다양한 형태로 구현될 수 있으나, 이는 바람직한 실시예를 제시하여 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 구체적으로 열거되는 배플구조(120)로 본 발명이 한정 해석되어서는 아니될 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료개질기에 설치되는 배플구조(120)의 종단면도를 나타낸다.

도 4의 (a)는 도 3의 연료 개질기의 A-B단면도로서, 본 발명의 제1실시예를 나타낸다. 본 발명의 제1실시예에서 배플(121)은 봉형태로 이루어져 반응기 튜브(110) 내면 일측에 고정 설치된다. 배플(121)의 길이는 특별히 한정되는 것은 아니나, 배플(121)의 단부가 반응기(100)의 중심부까지 연장되도록 반응기 튜브 직경의 1/2을 초과하는 길이로 형성됨이 바람직하다. 이는 반응기 튜브(110)의 내면으로부터 반응기(100)의 중심부로 향하는 열전달 효과를 높이기 위함이다. 또한, 배플(121,122)은 각각의 미반응코어층에 적어도 2열 이상 설치된다. 도 3에서는 반응기 튜브(110) 내면을 따라 전,후로 봉형태의 배플(121,122)이 2열로 설치되어진 것 을 나타낸다. 이때, 제1열에 배치된 배플(121)과 제2열에 배치된 배플(121)은 반응기 튜브 직경의 1/2을 초과하는 길이로 형성됨이 바람직하다. 이는 반응기(100) 중심부에는 두 개의 배플(121,122)의 단부로 전달되는 열을 공급받게 되어 열적 혼합이 보다 원활해질 수 있기 때문이다. 한편, 반응기(100)내부의 열적분포가 대칭을 이루도록 각 배플(121,122)은 반응기 튜브(110) 내면의 서로 대향되는 반대측 위치에 고정 설치됨이 바람직하다.

도 4의 (b)는 본 발명의 제2실시예를 나타낸다. 본 발명의 제2실시예에서 배플(121a~f)은 봉형태로 이루어져 반응기 튜브(110) 내면을 따라 간격을 두고 다수개 고정 설치된다. 배플(121a~f)의 길이는 특별히 한정되는 것은 아니나, 배플(121)의 단부가 반응기(100)의 중심부를 향해 최대한 연장되도록 반응기 튜브 직경의 1/3을 초과하는 길이로 형성됨이 바람직하다. 이는 반응기 튜브(110)의 내면으로부터 반응기(100)의 중심부로 향하는 열전달 효과를 높이기 위함이다. 다만, 배플(121a~f)이 반응기 튜브 내면에 원형으로 배치되는 경우 배플의 길이는 반응기 튜브 직경의 1/2보다는 작게 설치되어야 할 것이다. 그러나, 배플(121a~f)이 반응기 튜브 내면에 나선형으로 배치되는 경우에는 배플이 반응기 튜브 직경의 1/2을 초과하는 길이로 형성될 수 있다. 또한, 제1실시예에서와 같이, 배플(121a~f)은 각각의 미반응코어층에 적어도 2열 이상 설치되는 것도 가능하다.

도 4의 (c)는 본 발명의 제3실시예를 나타낸다. 본 발명의 제3실시예에서 배 플(123)은 원판형태로 이루어져 반응기 튜브(110) 내면에 고정 설치된다. 배플(123)에는 메탄가스가 통과되어 공급될 수 있도록 다수의 관통공(123a)이 관통 형성되어 있다. 배플(123)은 각각의 미반응코어층에 적어도 2열 이상 설치될 수 있음은 물론이다.

도 4의 (d)는 본 발명의 제4실시예를 나타낸다. 본 발명의 제4실시예에서 배플(124)은 원판형태로 이루어져 반응기 튜브(110) 내면에 고정 설치된다. 배플(124)에는 메탄가스가 통과되어 공급될 수 있도록 다수의 관통공(124a~c)이 관통 형성되어 있다. 배플(124)은 반응기(100)의 중심측에 형성된 관통공(124a)의 직경이 반응기 튜브(110) 내면에 인접되도록 형성된 관통공(124c)의 직경보다 작도록 이루어짐이 바람직하다. 이는 반응기(100)의 중심측에 형성된 관통공(124a)의 직경을 작게하여 반응기(100) 중심부의 열전달 효율을 높임과 동시에, 반응기 튜브(110) 내면에 인접되도록 형성된 관통공(124c)의 직경을 크게하여 메탄가스의 흐름을 반응기 튜브(100)의 내면에 인접한 위치로 유도시킴으로서 반응기 반경방향으로의 메탄가스의 활발한 유동을 통한 열전달 효과를 얻기 위함이다. 이와 함께 메탄가스를 반응기 중심부보다 상대적으로 고온인 반응기 튜브(100)의 내면측으로 유동시켜 메탄가스의 온도를 상승시킴으로서 활성촉매코어층에서의 반응 효율을 높이는 효과도 제공한다. 상기의 제1실시예~제3실시예와 마찬가지로 제4실시예에서도 배플(124)은 각각의 미반응코어층에 적어도 2열 이상 설치될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제1실시예에서 반응물의 유량에 따른 반응기 내부 온도분포를 나타낸 그래프이다. 실험에서 사용된 반응기의 직경은 6cm, 길이는 30cm였으며, 활성촉매코어층은 5cm의 길이로 3단으로 구성하고, 미반응코어층은 5cm의 길이로 3단으로 구성하였다. 적용된 활성촉매는 Ni-Al₂O₃였으며, 배플의 재질은 알루미나(Al₂O₃)로 하였다. 열공급량(Heat flux)은 15kW/m² 로 설정하였으며, 반응물의 공급유량(GHSV)은 2,000/h과 5,000/h의 두 가지 값으로 하여 측정하였다. 비교를 위해 종래의 활성촉매코어층으로 이루어지고 배플구조를 적용하지 않은 종래예에 대하여도 동일한 유량과 열공급량으로 하여 반응기의 온도 분포를 측정하였다. 도 5의 도시로부터, 본 발명에서와 같이 활성촉매코어층과 미반응코어층이 교대로 적층되고 미반응코어층에 배플구조를 적용시킨 P1과 P2의 경우, 종래예인 Q1과 Q2와 달리 반응기의 배플구조를 적용시킨 위치(A0,A1,A2)에서 온도가 상승함을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제1실시예에서 반응물의 유량에 따른 수소 수득율을 나타낸 그래프이다. 도시와 같이, 반응물의 유량(GHSV)을 2,000/h과 5,000/h로 한 경우 모두, 활성촉매코어층과 미반응코어층이 교대로 적층되고 미반응코어층에 배플구조를 적용시킨 본 발명예(Mixed packing)에 있어서의 연료대비 수소 생산량(수소 수득률)이 종래예(Typical packing)보다 높음을 확인할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 배플을 미반응코어층에 설치하여 열전달능을 향상시킴으로서 적은 촉매량으로도 높은 수소 수득율을 얻게 되는 것이다.

도 1은 종래의 열교환기형 개질기의 개략도,

도 2는 종래의 연료 개질기의 반응기를 나타낸 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 연료개질기를 이루는 반응기(100)의 단면도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료개질기에 설치되는 배플구조(120)의 종단면도,

도 5는 반응물의 유량에 따른 반응기 내부 온도분포를 나타낸 그래프,

도 6은 본 발명의 제1실시예에서 반응물의 유량에 따른 수소 수득율을 나타낸 그래프이다.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100: 반응기 110: 반응기 튜브 120: 배플구조

121,122,123,124: 배플 123a,124a~c: 관통공 130: 활성촉매

Claims (5)

1. 탄화수소와 수소가 혼합된 혼합물의 이동경로를 제공하는 공간이 길이방향을 따라 내부에 형성된 튜브;

   복수로 구비되어 상기 튜브의 길이방향을 따라 서로 이격되어 상기 공간에 배치되며, 활성촉매코어가 충진된 활성촉매코어층들; 및

   이웃하는 상기 활성촉매코어층들 사이에 형성된 미반응코어층에 배치되며, 상기 공간의 횡단면에 대응하는 원판형으로 구비되는 배플판을 포함하되,

   상기 배플판은 상기 튜브의 길이방향과 나란한 방향으로 상기 배플판을 관통하도록 형성되는 복수의 관통공들을 구비하며,

   상기 관통공들은 상기 배플판의 중심부측으로부터 상기 배플판의 외측을 향해 순차적으로 직경이 증가하는 형상으로 구비되는, 수증기 개질용 연료개질기.
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