KR20060106436A - 컴팩트형 플라즈마트론 개질기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 플라즈마 토오치인 플라즈마트론(plasmatron) 개질기에 의한 수소생산과 그 적용 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 연료 전지, 가정용 열병합 발전 시스템, 이동용 차량 등에 광범위한 적용이 가능한 개질 시스템으로 다양한 종류의 화석연료와 바이오가스 등을 개질하여 고농도의 수소를 생성하는 장치에 관한 것이다. 상기 플라즈마트론에서 부분산화법을 이용하여 연료를 개질하며 발생된 합성가스(synthesis gas)를 촉매 반응기에서 반응하여 수소의 농도를 높인다. 또한, 전력 소모를 최소화하기 위해 발생되는 열에너지를 열교환기로 전환하여 수증기를 공급하는데 사용하거나 고온에서 작동되는 고체 산화 연료전지(SOFC)와 같은 경우 고온의 가스를 직접 주입하여 연료전지에 필요한 예열에너지를 줄일 수 있다.

Description

컴팩트형 플라즈마트론 개질기 시스템 {Reformer system of compact plasmatron}

도 1.은 본 발명의 개질기의 단면도 이다.

도 2.는 본 발명의 플라즈마트론의 단면도 이다.

도 3.은 본 발명의 플라즈마트론 내부의 기체 주입링 단면도 이다.

도 4.는 본 발명의 열교환기의 단면도 이다.

도 5.는 본 발명의 개질기 시스템 구성 및 적용 분야 개략도 이다.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

1 : 플라즈마트론

2 : 1차 촉매반응기

3 : 1차 열교환기

4 : 2차 촉매반응기

5 : 2차 열교환기

42 : 냉각 물자켓

101 : 혼합기

116 : 기체 주입링

118 : 하프늄

본 발명은 컴팩트형 플라즈마트론 개질기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 플라즈마 기술을 이용하여 다양한 종류의 화석연료 또는 바이오 가스 등을 부분산화 하는 플라즈마트론 개질기와 그 적용 기술에 관한 것이다.

산업의 발전과 과학기술문명의 발달로 인하여 개인 당 에너지의 수효가 급증하고 있지만, 화석연료의 한계성으로 인한 에너지 고갈의 문제와 지구온난화 가스 배출 및 원자력 발전 시 발생되는 핵폐기물 등의 환경오염의 문제로 인해 저공해 대체에너지의 개발이 시급한 실정이다.

수소에너지는 미래의 무공해 에너지원으로서 중시되며 인류 궁극의 연료로 지목되고 있다. 현재, 수소는 경제성 문제로 인해 대부분 석유탈황, 암모니아 제조 등 화학공업부문의 원료로 쓰이고 있다.

기존의 수소생산 개질방법은 수증기 개질법, 부분 산화법, 자동 열분해법, 플라즈마 개질법 등이 있다. 이 중 과열된 수증기를 반응기로 주입하여 개질하는 방법인 수증기 개질법이 가스 처리량과 높은 수소생산수율 등의 장점으로 인하여 현재 가장 많이 사용되고 있다. 하지만 이 방법의 경우 반응기의 예열 시스템, 고압의 수증기 주입장치 그리고 촉매장치가 연결된 시스템으로 복잡하게 이루어져 장치가 비대하고, 반응기 적정온도인 800℃ 정도까지 예열하기위해 1시간이상 예열시간이 필요하게 되어 응답시간의 지체와 고압유지를 위한 유지관리 비용이 많이 드는 문제점을 가지고 있다. 따라서 개질기의 경우 고농도의 수소 생산성을 갖추어야 하는 것은 물론이고, 빠른 시동 및 운전기동 특성성과 장치의 소형화가 가능해야 한다.

또한, 개질기를 연료전지에 적용할 경우 연료전지 스택의 충족 입구조건인 10ppm 이하의 일산화탄소 농도와 고순도 수소농도를 갖추어야 한다. 반면, 고체산화물 연료전지는 고순도의 수소농도가 필요하지 않지만 700~1000℃에서 작동 되므로 고온의 가스 유지를 위한 외부에너지가 필요한 문제점이 있다.

특히, 최근 수소에너지의 보급 확대로 인해 많은 관심의 대상이 되고 있는 가정 전원 공급 및 열병합 발전용 또는 이동용 차량에 적용할 경우에는 다양한 연료등의 적용이 가능하고, 운전기동특성이 빠르고, 장치가 간단한 부분산화 고효율 고온 플라즈마 반응기가 제안되어져야 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 바와 같은 문제점을 해결하여 고농도의 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 플라즈마트론 개질기와 그 적용 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 플라즈마트론(1), 촉매반응기(2),(4), 열교환기(3),(5) 등으로 구성된 개질시스템과 적용분야로 구분된다[도면 4 참조].

플라즈마트론(1)은 안정된 플라즈마를 지속적으로 형성하기 위하여 연료와 공기의 혼합이 원활하게 이루어지게 하는 혼합기(101)와 고온부식에 의한 전극소모를 줄이기 위하여 음극(111)과 양극(112)의 노즐부분이 강제 순환에 의해 수냉이 이루어지는 수냉부로 구성되어있다. 그리고 발생된 개질 가스의 수소순도를 높이기 위한 촉매 반응기(2),(4)와 발생된 열을 에너지로 회수하기 위한 열교환기(3),(5)를 제공한다.

본 발명의 플라즈마트론(1)은 부분산화 반응으로부터 빠른 반응 속도를 얻을 수 있으며, 플라즈마로부터 발생되는 2,000℃ 이상의 고온으로부터 개질에 필요한 에너지를 얻는 것을 특징으로 한다. 두 전극 사이에서 플라즈마 아크를 생성하여 플라즈마 기체의 유동에 의해 불꽃 형태의 플라즈마를 형성한다. 이때 플라즈마 기체로는 일반 공기가 사용되며 이론 공기비 1이하로 유지되는 부분산화방법이다.

개질의 반응을 천연가스 등 탄화수소계 연료의 주성분인 메탄을 가지고 설명하면 다음과 같다. [수학식 1]은 메탄이 부분 산화에 의해 개질하는 강한 발열반응을 나타내며,[수학식 2]는 반응 후 발생되는 일산화탄소가 수증기와 반응하여 이산화탄소로 전환되는 수분변환(water shifting)에 의한 정반응과 역반응을 나타낸다.

본 발명에서는[수학식 1]의 부분산화 개질반응을 촉진시키기 위해 니켈촉매(21)가 담긴 1차 촉매반응기(2)가 제안되어 졌으며 탄화수소계 연료의 부분산화 반응 시 수소생성 반응율을 증가시킨다. [수학식 1]에 의해서 생성된 일산화탄소가 연료전지의 스택으로 유입되면 연료극(수소극, 양극)에 확산되어 연료극의 촉매에 피독 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 이 일산화탄소는 [수학식 2]의 정반응에 의해 제거되는데 반응성을 높이기 위해 철촉매(41)가 들어있는 2차 촉매반응기(4)가 제안되어 졌다.

이하 본 발명을 첨부된 예시 도면을 통해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마트론(1), 촉매 반응기(2),(4), 그리고 열교환기(3),(5)가 포함된 개질기의 간략한 도면이다. 1차 촉매반응기(2)는 플라즈마트론 혼합기(101)부분의 하단에 위치하며 알루미나를 지지체(supporter)로 니켈이 코팅된 지름 약 0.5cm의 구형촉매(21)가 들어 있으며 반응기 내부가 캐스터블 내부단열제(22)로 열 손실을 줄인다. 니켈 촉매 반응기(2) 하단에 위치한 1차 열교환기(3)는 가스의 흐름방향과 반대로 냉각수 주입구(31)에 물을 주입하고 냉각수 출구(32)로 배출하여 1차 촉매반응기(2)로부터 배출되는 고온의 개질가스로부터 열을 회수하고 플라즈마트론(1)에 주입될 물과 공기를 가열하여 수증기와 고온의 공기를 생성한다. 2차 촉매 반응기(4)는 알루미나에 철이 코팅된 지름 약 0.5cm인 구형촉매(41)가 들어 있으며 2차 촉매 반응기(4) 온도 조절을 위한 냉각 물자켓(42)을 가지고 있다. 냉각수의 흐름방향은 가스의 흐름방향과 반대로 냉각 물자켓 주입구(43)에서 냉각 물자켓 출구(44)로 배출되며, 2차 촉매반응기(4)의 적정반응 온도는 약 400℃ 전후이므로 물자켓(42)에 의해 냉각되어 일정온도를 유지되도록 한다. 2차 열교환기(5)는 1차열교환기(3)처럼 냉각수와 가스의 방향이 반대이며 2차 열교환기 냉각수 주입구(51)에서 2차 열교환기 냉각수 출구(52)로 배출된다. 2차 열교환기(5)는 적용분야가 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)와 같은 저온의 영역에서 고농도의 수소가 필요한 대부분의 연료전지 경우에 사용된다. 그러나 고체 산화연료전지(SOFC)와 같은 고온에서 작동하는 경우 2차 열교환기(5)를 사용하지 않고 2차 촉매반응기(4)에서 배출되는 고온의 가스를 그대로 연료전지 스택으로 공급한다. 외부로의 열손실을 막고 에너지 효율을 높이기 위해 세라믹 울 외부단열재(20)로 촉매반응기(2,4) 및 열교환기(3,5)를 모두 단열한다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마트론(1) 및 연결되는 1차 촉매반응기(2) 일부분의 단면도로서 플라즈마트론(1)의 구조와 내부의 냉각수 흐름 및 전원의 공급을 보여준다. 플라즈마트론(1)은 막대모양의 음극(111), 고리모양의 양극(112), 두 전극의 절연 및 공기의 선회류를 생성 시키는 기체 주입링(116)이 기본적인 구성이다. 이외에 열전자의 방출을 용이하도록 하프늄 팁이 삽입된 전극팁(118)과 음극 냉각수 입구(122), 음극 냉각수 출구(121), 음극에 흐르는 냉각수를 원활 및 출구 역할을 하는 관모양으로 구성된 냉각수 분할관(117), 양극 냉각수 입구(124), 양극 냉각수 출구(125), 플라즈마 방전이 생성되는 양극몸체(113)와 기체 주입링(116)을 연결하고 공기주입구(123)을 갖는 양극 지지체(115), 양극 지지체(115)와 기체 주입링(116)을 고정시키는 고정링(119) 및 음극과 양극의 간격을 조절할 수 있는 전극 조절나사(120) 등으로 구성되어 있다. 음극 냉각수 입구(122)로 유입된 냉각수가 음극(111)과 전극팁(114)을 냉각하고 냉각수 분할관(117)을 거쳐 음극 냉각수 출구(121) 로 나오면 다시 양극 냉각수 입구(124)로 들어가 양극과 양극 몸체를 냉각하고 양극 냉각수 출구(125)로 방출 된다. 각각의 냉각수 입구와 출구의 노즐은 나사선을 가공하여 냉각수의 공급라인을 연결할 수 있도록 하였다.

개질기의 구성 재료로서 전극 팁(114)은 니켈이 코팅된 동전극과 하프늄(118)으로 구성되어 있으며 양극 몸체(113)는 무산소동으로 다른 나머지 부분은 황동으로 구성되어있다. 이는 가공성과 열전도도가 좋으며 기계적 강도 및 내부식성이 비교적 우수하므로 본 발명의 목적에 부합한다. 상기 기체 주입링(116)는 내수성과 가공성이 우수한 재질인 테프론으로 제작하였으며 음극과 양극 사이를 절연시키며 내부 나사선에 의해 음극을 고정하도록 하였다.

도 3은 본 발명에 따른 도 2의 플라즈마트론(1) 내부에서 구성된 기체 주입링(116)의 모양을 나타내는 그림으로서 기체 주입링(116)으로부터 주입된 공기가 홈(161)을 따라 들어오게 되며 홈(161)의 모양이 나사선 모양으로 경사져서 선회류를 생성하여 플라즈마의 아크점을 회전 시킨다. 따라서 열수축으로 전극의 침식을 지연하여 전극의 수명을 연장하게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 도 1의 열교환기(3),(5)의 단면도를 나타내는 그림으로서 1차 열교환기(3)와 2차 열교환기(5)는 동일한 모양을 갖는다. 냉각수는 가스의 흐름방향과 반대로 열교환기 냉각수 입구(32),(51)에 주입되고 열교환기 냉각수 출구(31),(52)로 방출된다.

도 5는 본 발명에 의한 플라즈마트론 개질 시스템(16)의 전체적인 구성과 적용 분야(17)가 연결된 개략도 이다.

증기 발생기(9)에서 나온 수증기와 연료를 혼합하여 플라즈마트론(1)의 연료 주입구(103)로 주입된다. 공기주입기(6)와 전원공급기(7)를 사용하여 플라즈마트론(1)에서 플라즈마를 형성하고 내부의 음극(111)과 양극(112)의 침식을 막기 위해 냉각수 공급기(8)로부터 공급되는 냉각수에 의해 전극을 냉각시킨다. 플라즈마에 의해 개질된 가스는 1차 촉매 반응기(2)를 거쳐 수소의 전환농도를 높이며 1차 열교환기(3)에서 발생된 열을 이용하여 수증기 생산에 필요한 에너지를 절감한다. 일산화탄소를 제거하기 위한 2차 촉매반응기(4)를 거쳐 냉각 물자켓(42) 그리고 2차 열교환기(5)에서 다시 열을 회수 및 온도를 조절함으로써 고농도의 수소를 생산한다. 2차 촉매반응기(4)를 거쳐 생성되는 고온의 수소를 고체산화 연료전지(SOFC)(13)에 적용하거나 그 이후 2차 열교환기(5)를 거쳐 저온영역에서 반응하는 연료전지(14) 즉, 용융탄산 연료전지(MCFC), 인산염 연료전지(PAFC), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 알카라인 연료전지(AFC)에 적용한다. 그 외에 가정용 열병합 발전시스템 및 이동용 차량 등에도 적용가능하다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 기존의 개질기에 필요한 빠른 반응성, 장치의 소형화 및 고농도의 수소 생산성을 구현 할 수 있어 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1) 고온 플라즈마에서 발생하는 열을 사용하여 반응온도에 도달하므로 외부의 열원이 필요치 않으며, 기존의 개질기에 필요한 예열 시간을 줄일 수 있으므로 효율을 증가 시킬 수 있다.

2) 본 발명의 플라즈마트론(1)은 플라즈마의 높은 에너지를 이용하므로 다양한 종류의 탄화수소 계열 연료로부터 수소를 생산할 수 있으며, 개질기(15)에 촉매 반응기를 연결하여 고순도의 수소를 생산 할 수 있다.

2) 본 발명에 따른 컴팩트한 개질 시스템(16)은 기존의 개질기에 비해 규모가 작으므로 가정용 열병합 발전과 같이 소형 무공해 에너지원으로 적용성이 우수하며 개질기(15)내에 냉각 물자켓(42)과 열교환기(3),(5)를 연결하여 고온 혹은 저온에서 작동 특성을 갖는 다양한 연료전지에 적용가능 하다.

3) 본 발명에 따른 개질 시스템(16)은 반응에 필요한 온도를 기존의 개질기 보다 매우 적은 시간 내에 도달 하므로 빠른 시동 및 반응성이 필요한 소형연료전지, 이동용 차량 등에 효과적으로 적용이 가능하다.

Claims (5)

1. 고온의 플라즈마를 생성 시키는 플라즈마 토치(110)와 혼합기(101)로 구성된 플라즈마트론(1), [수학식 1]과 같은 수소의 생성을 촉진시키는 구형 니켈촉매와 캐스터블 내부단열제(22)로 구성된 1차 촉매 반응기(2), 열교환에 의해 회수된 열이 연료주입구(103)로 공급되는 수증기 생성을 위해 활용되는 1차 열교환기(3), [수학식 2]와 같은 일산화탄소 저감을을 촉진시키는 구형 철촉매와 반응적정온도인 400℃로 유지하기위해 물자켓(42)으로 냉각되는 2차 촉매 반응기(4), 연료전지 등 적용분야(17)에 가능한 적정온도를 유지하기 위한 2차 열교환기(5)로 구성된 개질기(15)와 플라즈마트론(1)으로 공급되는 공기를 주입하기 위한 공기주입기(6), 연료주입을 위한 연료저장조(10), 수증기 주입을 위한 증기발생기(9),전원공급을 위한 전원공급기(7) 그리고 열교환기(3),(5)에 냉각수 주입을 위한 냉각수공급기(8)로 구성된 개질 시스템(16).
2. 제 1항에 있어서 황동과 구리로 구성된 고리모양의 양극(112)과 무산소 동으로 구성된 양극 몸체(113), 막대모양의 음극(111), 두 전극을 냉각시키는 냉각수 입구와 출구(121),(122),(124),(125), 공기주입구(124)일 달린 양극 지지체(115), 두 전극의 절연과 선회류를 형성시키는 기체 주입링(116) 등으로 하는 플라즈마 토치(110)와 연료주입구(103)와 플라즈마와 반응을 혼합촉진 시키는 테이퍼진 형상을 가지고 있는 혼합실(102)로 구성되어 양극(112)과 나사선으로 결합되어 있는 혼합기(101)로 구성되어 있는 플라즈마트론(1).
3. 제 1항에 있어서 플라즈마트론 혼합기(101)부분의 하단에 위치하며 알루미나를 지지체로 니켈이 코팅된 지름 약 0.5cm의 구형촉매(21)가 들어 있으며 반응기 내부가 캐스터블 내부단열제(22)로 열 손실을 줄인 1차 촉매반응기(2)와 알루미나에 철이 코팅된 지름이 약 0.5cm인 구형촉매(41)가 들어 있으며 반응기(4)의 적정반응 온도는 약 400℃ 전후로 온도 조절을 위해 냉각수의 흐름방향이 가스와 반대로 냉각수가 순환되는 냉각 물자켓(42)을 가지고 있는 2차 촉매 반응기(4).
4. 제 1항에 있어서 1차 촉매 반응기(2) 하단에 위치하여 가스의 흐름방향과 반대로 냉각수 주입구(31)에 물을 주입하고 냉각수 출구(32)로 배출되어 1차 촉매반응기(2)로부터 배출되는 고온의 개질가스로부터 열을 회수하고 플라즈마트론(1)에 주입될 물과 공기를 가열하여 수증기와 고온의 공기를 생성하는 1차 열교환기(3)와 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)와 같은 저온의 영역에서 고농도의 수소가 필요한 대부분의 연료전지 경우에 적용 될 1차 열교환기(3)와 동일한 번들(bundle) 모양의 2차 열교환기(5).
5. 제 1항의 고온 플라즈마토치 적용으로 인해 시동 및 운전특성이 우수한 개질 시스템(16)과 가정용 열병합 발전, 연료전지 등 4의 적용분야(17)를 갖는 포괄적 개념의 적용방법.

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