KR20220097556A - High Efficiency Fuel Treating Equipment - Google Patents

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KR20220097556A
KR20220097556A KR1020200186900A KR20200186900A KR20220097556A KR 20220097556 A KR20220097556 A KR 20220097556A KR 1020200186900 A KR1020200186900 A KR 1020200186900A KR 20200186900 A KR20200186900 A KR 20200186900A KR 20220097556 A KR20220097556 A KR 20220097556A
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steam
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KR1020200186900A
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김흥구
조형목
김호석
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아크로랩스 주식회사
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Abstract

A high-efficiency fuel processing device is disclosed. The high-efficiency fuel processing device of the present invention comprises: a central combustion unit in which a burner is installed on an upper side of a center thereof; a steam reforming reactor disposed in a combustion gas passage through which combustion exhaust gas exhausted from the central combustion unit is discharged to convert natural gas into hydrogen; a first heat exchange unit with a structure where combustion exhaust gas flows outward through the combustion exhaust gas passage to maintain the temperature of a steam reforming reaction catalyst layer for the steam reforming reactor and the reformed gas raw material flows outward through a reformed gas passage, and disposed in series at an inlet side of the steam reforming reactor; a second heat exchange unit in which combustion exhaust gas, raw material gas, and steam are continuously exchanged; a steam generator unit installed on outer walls of the reformed gas passage and the combustion exhaust gas passage to generate steam; a selective oxidation reactor installed on an outer wall of the steam generator unit; and a burner air passage for cooling a CO conversion reactor connected to the reformed gas passage and a CO conversion reactor. The present invention is to be capable of miniaturization while improving fuel processing efficiency through stable reforming reactions and CO removal.

Description

고효율 연료처리장치{High Efficiency Fuel Treating Equipment}High Efficiency Fuel Treating Equipment

본 발명은 고효율 연료처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 흡열반응인 수증기 개질반응기의 온도를 높게 유지할 수 있도록 제1·2열교환부를 마련하여 연료처리장치의 열효율을 향상시킴과 아울러, 수증기 발생부 외벽에 선택적 산화반응기를 배치하여 높은 촉매 반응으로 CO(수소)제거 반응이 안정적으로 진행될 수 있도록 함으로써, 열전달 및 냉각효율이 우수하며, 안정적인 개질반응 및 CO제거를 통해 연료처리에 대한 효율성이 향상시키면서도 소형화가 가능한 고효율 연료처리장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency fuel processing apparatus, and more particularly, to improve the thermal efficiency of the fuel processing apparatus by providing first and second heat exchange units to maintain a high temperature of a steam reforming reactor, which is an endothermic reaction, and to generate steam By arranging a selective oxidation reactor on the outer wall of the sub-external wall, it enables the CO (hydrogen) removal reaction to proceed stably with a high catalytic reaction. It relates to a high-efficiency fuel processing device that can be miniaturized while reducing the size of the fuel.

최근, 국내외에서도 소형장치에서도 고효율 발전이 가능하게 하는 연료전지 시스템은 분산형 에너지 공급원의 발전시스템으로 연구/개발이 진행되고 있다. Recently, at home and abroad, research/development of a fuel cell system that enables high-efficiency power generation even in small devices is being conducted as a power generation system of a distributed energy source.

그러나, 연료전지에 공급되는 수소 공급파이프 인프라는 아직 설치되어 있지 않고 부족한 상태이다. However, the hydrogen supply pipe infrastructure supplied to the fuel cell is not yet installed and is insufficient.

따라서, 일반적인 연료전지 시스템을 운영하기 위해서는 기존 인프라가 구축된 메탄을 주성분으로 하는 도시가스와 물(수증기)을 이용하여 수소를 생성하는 수증기개질(Steam Reforming) 방법을 사용하고 있다. Therefore, in order to operate a general fuel cell system, a steam reforming method that generates hydrogen using water (steam) and city gas containing methane for which existing infrastructure has been built as a main component is used.

또한, 수증기개질반응을 통해 수소함유 가스 중 발생되는 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위해 CO변성기를 설치한다. In addition, a CO converter is installed to reduce the concentration of carbon monoxide generated in the hydrogen-containing gas through the steam reforming reaction.

연료전지 스택에 일산화탄소가 공급되는 연료전지 촉매의 CO 피독이 발생하여 촉매의 열화가 발생하여 성능저하가 발생한다. 이를 방지하기 위하기 위해 일산화탄소를 완전히 제거하기위해 선택적 산화 반응기를 설치하는 경우가 많다. CO poisoning occurs in the fuel cell catalyst supplied with carbon monoxide to the fuel cell stack, causing deterioration of the catalyst, resulting in performance degradation. To prevent this, a selective oxidation reactor is often installed to completely remove carbon monoxide.

통상적으로, 선택적 산화반응을 통해 일산화탄소가 이산화탄소로 전환되어 10ppm 이하를 함유된 개질가스가 생성된다.In general, carbon monoxide is converted to carbon dioxide through a selective oxidation reaction to generate a reformed gas containing 10 ppm or less.

그리고, 수증기개질반응기에 사용되는 촉매는, 대략 600~700℃의 작동온도에서 Ru 또는 Ni을 사용한 개질촉매를 사용하고, CO변성기 촉매는 대략 200~300℃의 작동온도에서 Cu- Zn을 사용한 CO변성촉매를 사용하며, 선택적 산화반응기 촉매는 대략 80~150℃의 작동온도에서 Ru를 포함한 산화촉매를 사용하여 운전되도록 설계되어 있다. In addition, the catalyst used in the steam reforming reactor uses a reforming catalyst using Ru or Ni at an operating temperature of about 600 to 700 ° C, and the CO transformer catalyst is CO using Cu-Zn at an operating temperature of about 200 to 300 ° C. A denaturing catalyst is used, and the selective oxidation reactor catalyst is designed to be operated using an oxidation catalyst including Ru at an operating temperature of approximately 80 to 150°C.

특히, 선택적 산화 촉매는 온도가 너무 낮으면 반응이 일어나지 않아 일산화탄소가 발생되며, 반대로 온도가 너무 높으면 촉매의 열화가 빨라 설계 수명을 확보할 수 없게 되고, 메탄화반응 (Methanation)이 발생하여 일산화탄소 농도를 저감시키기 어렵다.In particular, in the selective oxidation catalyst, if the temperature is too low, the reaction does not occur and carbon monoxide is generated. Conversely, if the temperature is too high, the catalyst deteriorates quickly, making it impossible to secure the design life, and methanation occurs and carbon monoxide concentration is difficult to reduce.

현재, 연료전지는 그 활용범위가 점차 넓어지고 있는 추세이며, 선진국에서는 앞다투어 연료전지의 개량 및 효율 향상을 위한 투자를 지속적으로 하고 있다.Currently, the range of use of fuel cells is gradually expanding, and advanced countries are racing to improve fuel cells and continuously make investments to improve their efficiency.

예를 들어, 종래의 선행기술 중 KR 등록특허공보 제10-1062507호(명칭 : 연료처리장치)(이하, '선행문헌1'이라 함)에는, 버너가 설치된 중앙연소부과; 중앙연소부에서 배기된 연소 배가스가 배출되는 제1,2유로와; 제1,2유로를 사이에 두고 배치되어 천연가스를 수소로 전환하는 개질반응촉매층 및 수소와 함께 생성된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 고/저온전환반응촉매층이 직렬로 수직배치된 반응기와; 개질반응촉매층의 상부측에 형성되어 반응물을 공급받아 순환시키는 챔버공간과; 챔버공간에서 공급된 반응물을 고온전환반응기의 외측으로 순환시켜 제2유로를 통과하는 연소 배가스로부터 열을 회수함과 동시에 고온전환반응기를 냉각하는 순환코일과; 순환코일에서 배출된 반응물이 연소 배가스와 열교환되도록 제1유로에 인접 형성되고, 상기 연소 배가스와 열교환된 반응물을 개질반응촉매층에 공급하는 반응기통로와; 저온전환반응촉매층과 연통하도록 하부에 직렬 수직배치되어 저온전환반응촉매층에서 배출되는 일산화탄소를 산소를 이용하여 제거하는 선택적 산화반응기를 포함하여 구성되어 있다.For example, among the prior art, KR Patent Publication No. 10-1062507 (name: fuel processing device) (hereinafter referred to as 'prior document 1') has a central combustion unit in which a burner is installed; first and second flow passages through which combustion exhaust gas exhausted from the central combustion unit is discharged; a reactor in which the first and second flow passages are interposed therebetween and a reforming reaction catalyst layer for converting natural gas into hydrogen and a high/low temperature conversion reaction catalyst layer for converting carbon monoxide generated together with hydrogen into carbon dioxide are vertically arranged in series; a chamber space formed on the upper side of the reforming reaction catalyst layer to receive and circulate reactants; a circulation coil that circulates the reactants supplied from the chamber space to the outside of the high-temperature conversion reactor to recover heat from the combustion exhaust gas passing through the second flow path and at the same time cool the high-temperature conversion reactor; a reactor passage formed adjacent to the first passage so that the reactants discharged from the circulation coil exchange heat with the combustion exhaust, and supplying the reactants heat-exchanged with the combustion exhaust to the reforming reaction catalyst layer; It is configured to include a selective oxidation reactor arranged vertically at the bottom so as to communicate with the low-temperature conversion reaction catalyst layer to remove carbon monoxide discharged from the low-temperature conversion reaction catalyst layer using oxygen.

상기와 같은, 선행문헌1은 수증기 개질반응기에 공급되는 원료와 수증기를 이용하여 연소부 상부에서 반응물을 순환시켜 외부로 배출되는 열을 회수하고 예열하기 위한 챔버공간이 형성되어 있으며, 이 챔버공간을 통해 예열된 원료 및 수증기를 수증기 개질반응기로 공급하는 구성인 바, 이러한 구성은 수증기 개질반응기의 온도를 높이기 위해 많은 열량을 공급해야 하는 문제점이 있다.As described above, in Prior Document 1, a chamber space is formed for recovering and preheating heat discharged to the outside by circulating a reactant in the upper part of the combustion unit using raw material and steam supplied to the steam reforming reactor, and this chamber space is This is a configuration in which raw materials and steam preheated through the steam are supplied to the steam reforming reactor, and this configuration has a problem in that a large amount of heat must be supplied to increase the temperature of the steam reforming reactor.

또한, 종래의 또 다른 선행기술인 KR 등록특허공보 제10-1240849호(명칭 : 열교환 효과가 우수한 연료전지용 개질기)(이하, '선행문헌2'라 함)에는, 중앙으로부터 버너부, 고온 개질부, 제1열교환부, 제1단열부, CO변성부, 제2열교환부, 제2단열부, CO제거부 및 제3열교환부가 순차적으로 형성되어 있는 원통형 구조를 가지되, 버너부에서는 연료와 산소가 산화 반응하여 열을 발생시켜 상기 고온 개질부로 전달하고, 고온 개질부에서는 제1열교환부로부터 투입되는 탄화수소계 연료와 반응 물이 버너부에서 전달된 열에 의하여 제1온도에서 촉매 반응하고, CO변성부에서는 고온 개질부에서 발생되는 CO와 잔류하는 반응 물이 제1온도 보다 낮은 제2온도에서 촉매 반응하고, CO제거부에서는 CO변성부에서 잔류하는 CO와 산소가 제2온도보다 낮은 제3온도에서 촉매 반응하는 기술이 제안되어 있다.In addition, in another prior art, KR Patent Publication No. 10-1240849 (name: reformer for fuel cell with excellent heat exchange effect) (hereinafter referred to as 'Prior Document 2'), a burner unit, a high temperature reforming unit, It has a cylindrical structure in which the first heat exchange part, the first heat insulation part, the CO transformation part, the second heat exchange part, the second heat insulation part, the CO removal part, and the third heat exchange part are sequentially formed, but in the burner part, fuel and oxygen The oxidation reaction generates heat and transfers it to the high-temperature reforming unit. In the high-temperature reforming unit, the hydrocarbon-based fuel and the reactant input from the first heat exchange unit catalytically react at the first temperature by the heat transferred from the burner unit, and the CO conversion unit In the high-temperature reforming unit, the CO and the remaining reactants react catalytically at a second temperature lower than the first temperature, and in the CO removal unit, the CO and oxygen remaining in the CO transformation unit at a third temperature lower than the second temperature. A catalytic reaction technique has been proposed.

상기의 선행문헌2는, 스중기 개질반응기와 원료 및 수증기가 직접 열교환하는 구조로 이루어져 있는 데, 수증기 개질반응기의 출구온도가 650~700℃의 고온으로 CO변성부와 열교환된 물(수증기)가 바로 수증기 개질반응기와 열교환 할 경우, 수증기 개질반응기의 온도가 낮아져 온도를 높이기 위해 많은 열량을 공급해 주어야 하는 문제점이 있었다. The above-mentioned Prior Document 2 has a structure in which the raw material and steam directly exchange heat with the Sujung reactor, and the outlet temperature of the steam reforming reactor is at a high temperature of 650 to 700 ° C. In the case of heat exchange with the steam reforming reactor, the temperature of the steam reforming reactor is lowered, so there is a problem that a large amount of heat must be supplied to increase the temperature.

따라서, 각 반응기의 열교환을 통해 안정적으로 온도를 유지하는 것은 연료처리장치의 효율과 수명을 높이는데 중요한 기술인 바, 이를 해결할 수 있는 기술이 시급히 요구되고 있다.Therefore, stably maintaining the temperature through heat exchange in each reactor is an important technology for increasing the efficiency and lifespan of the fuel processing apparatus, and a technology capable of solving this is urgently required.

KR 등록특허공보 제10-1062507호(2011.08.30)KR Registered Patent Publication No. 10-1062507 (2011.08.30) KR 등록특허공보 제10-1240849호(2013.02.28)KR Registered Patent Publication No. 10-1240849 (2013.02.28) KR 등록특허공보 제10-1898788호(2018.09.07)KR Registered Patent Publication No. 10-1898788 (2018.09.07)

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 흡열반응인 수증기 개질반응기의 온도를 높게 유지할 수 있도록 제1·2열교환부를 마련하여 연료처리장치의 열효율을 향상시킴과 아울러, 수증기 발생부 외벽에 선택적 산화반응기를 배치하여 높은 촉매 반응으로 CO(수소)제거 반응이 안정적으로 진행될 수 있도록 함으로써, 열전달 및 냉각효율이 우수하며, 안정적인 개질반응 및 CO제거를 통해 연료처리에 대한 효율성이 향상시키면서도 소형화가 가능한 고효율 연료처리장치를 제공하기 위한 것이다.Accordingly, an object of the present invention to solve this problem is to improve the thermal efficiency of the fuel processing device by providing the first and second heat exchangers so as to maintain a high temperature of the steam reforming reactor, which is an endothermic reaction, and, as well as improving the external wall of the steam generating part. By placing a selective oxidation reactor in the catalytic reaction to ensure that the CO (hydrogen) removal reaction proceeds stably with a high catalytic reaction, the heat transfer and cooling efficiency are excellent, and the efficiency of fuel processing is improved and miniaturized through the stable reforming reaction and CO removal It is to provide a high-efficiency fuel processing device that can be used.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치는, 중앙의 상부측에 버너(201)가 설치된 중앙연소부(200); 상기 중앙연소부(200)에서 배기된 연소 배가스가 배출되는 연소가스 통로()에 배치되어 천연가스를 수소로 전환하는 수증기 개질반응기(300); 상기 수증기 개질반응기(300)에 대한 수증기 개질반응 촉매층의 온도를 유지하기 위해 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)를 통해 연소 배가스가 외측으로 흐르며, 제1·2개질가스통로(321, 322)를 통해 개질가스가 외측으로 흐르는 구조를 이루고, 내부에서 개질가스 원료가 흐르는 구조로 수증기 개질반응기(300)의 입구 측에 직렬로 배치된 제1열교환부(600); 상기 연소 배가스와 원료가스 및 수증기가 연교환하는 제2열교환부(601); 상기 제1·2개질가스통로(321, 322)와 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)의 외벽에 설치되어 수증기를 발생시키는 수증기 발생부(700); 상기 수증기 발생부(700)의 외벽에 설치된 선택적 산화반응기(500); 상기 제1·2개질가스통로(321, 322)와 연결된 CO변성반응기(400) 및 CO변성반응기(800)를 냉각시키는 CO변성반응기출구(431)와, CO변성반응 냉각기 공기입구(821) 및 CO변성반응 냉각기 공기출구(822)를 갖는 냉각용 버너공기 통로; 를 포함하여 구성될 수 있다.A high-efficiency fuel processing apparatus according to the present invention for achieving the above object includes: a central combustion unit 200 in which a burner 201 is installed on the upper side of the center; a steam reforming reactor 300 disposed in the combustion gas passage through which the combustion exhaust gas exhausted from the central combustion unit 200 is discharged to convert natural gas into hydrogen; In order to maintain the temperature of the steam reforming reaction catalyst layer for the steam reforming reactor 300, the combustion exhaust gas flows outward through the first, second, and third combustion gas passages 221, 222, 223, and the first and second reforming gas cylinders. a first heat exchange unit 600 arranged in series at the inlet side of the steam reforming reactor 300 in a structure in which the reformed gas flows outward through the furnaces 321 and 322 and the reformed gas raw material flows therein; a second heat exchange unit 601 in which the combustion exhaust gas, raw material gas, and water vapor are exchanged with each other; a steam generator 700 installed on the outer walls of the first and second reforming gas passages 321 and 322 and the first, second and third combustion gas passages 221, 222, and 223 to generate water vapor; a selective oxidation reactor 500 installed on the outer wall of the steam generator 700; A CO transformation reactor outlet 431 for cooling the CO transformation reactor 400 and the CO transformation reactor 800 connected to the first and second reforming gas passages 321 and 322, an air inlet 821 for a CO transformation reaction cooler, and a burner air passage for cooling having an air outlet 822 for the CO conversion reaction cooler; It may be composed of

상기 제1열교환부(600)는 상기 제2열교환부(601)에서 열교환된 원료가스와 수증기가 중앙으로 통과하여 상기 수증기 개질반응기(300)로 유입되게 하며, 외주연부 측에 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223) 및 제1·2개질가스통로(321, 322)가 구비될 수 있다.The first heat exchange unit 600 allows the raw material gas and water vapor heat-exchanged in the second heat exchange unit 601 to pass through the center and flow into the steam reforming reactor 300, and to the outer periphery side of the first, second, and second heat exchangers. Three combustion gas passages 221 , 222 , 223 and first and second reforming gas passages 321 and 322 may be provided.

상기 제2열교환부(601)는 상기 수증기 발생부(700)와 직렬로 연결되되, 수증기와 원료가 혼합되는 천연가스 혼합부(602)가 구비되며, 상기제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)가 평행한 구조로 구성되고, 상기 천연가스 혼합부 (602)에 공급되는 수증기는 상기 수증기 발생부(700)에서 상기 제2열교환부(601)로 이동되는 통로 기능을 수행하는 작은 구멍(731)을 통해 공급될 수 있다.The second heat exchange unit 601 is connected in series with the steam generator 700, and a natural gas mixing unit 602 in which water vapor and raw materials are mixed is provided, and the first, second, and third combustion gas passages ( 221 , 222 , and 223 are parallel to each other, and the water vapor supplied to the natural gas mixing unit 602 functions as a passage from the water vapor generator 700 to the second heat exchange unit 601 . It can be supplied through a small hole 731.

상기 수증기 발생부(700)는 연소 배가스의 통로 외벽에 설치되며, 상기 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223) 내부에 제1·2개질가스통로(321, 322)가 배치되고, 상기 수증기 발생부(700)의 외벽에 선택적 산화반응기(500)가 설치되되, 상기 수증기 발생부(700)와 상호 열교환을 통해 상기 선택적 산화반응기(500)의 온도를 냉각시켜 과열을 방지하며, 상기 선택적 산화반응기(500)는 발열반응을 통해 상기 수증기 발생부(700)의 수증기 발생능력을 향상시킬 수 있다.The steam generator 700 is installed on the outer wall of the passage of the combustion exhaust gas, and the first and second reforming gas passages 321 and 322 are disposed inside the first, second, and third combustion gas passages 221 , 222 , 223 . A selective oxidation reactor 500 is installed on the outer wall of the steam generator 700, and the temperature of the selective oxidation reactor 500 is cooled through mutual heat exchange with the steam generator 700 to prevent overheating, , the selective oxidation reactor 500 may improve the steam generating capability of the steam generating unit 700 through an exothermic reaction.

상기 제1·2개질가스통로(321, 322)의 하부에 CO변성반응기(400)가 배치되되, 상기 CO변성반응기(400)의 외벽 또는 내벽에 상기 CO변성반응기(400)의 과열을 방지하는 CO변성반응 냉각기(800)가 설치되며, 상기 CO변성반응기(400)의 외벽 또는 내벽에 설치된 CO변성반응 냉각기(800)의 냉각매체로 버너 연소용 공기가 사용될 수 있다.A CO transformation reactor 400 is disposed at the lower portion of the first and second reforming gas passages 321 and 322, and the CO transformation reactor 400 is located on the outer or inner wall of the CO transformation reactor 400 to prevent overheating of the The CO conversion reaction cooler 800 is installed, and air for burner combustion may be used as a cooling medium of the CO conversion reaction cooler 800 installed on the outer or inner wall of the CO conversion reactor 400 .

상기에서 설명한 본 발명의 고효율 연료처리장치에 의하면, 수증기 개질반응기에 공급되는 수증기와 원료로 이루어진 혼합기체의 온도를 높여 연료처리장치의 효율을 높이고 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.According to the high-efficiency fuel processing apparatus of the present invention described above, it is possible to increase the temperature of the mixed gas composed of steam and raw material supplied to the steam reforming reactor, thereby increasing the efficiency of the fuel processing apparatus and improving durability.

또한, 본 발명의 고효율 연료처리장치에 의하면, 복수의 파이프를 사용하여 제작된 연료처리장치는 소형으로 제작이 가능하고, 체계적인 열흐름을 통해 연료처리장치의 기동시간(Warming up)을 단축시킬 수 있다.In addition, according to the high-efficiency fuel processing apparatus of the present invention, the fuel processing apparatus manufactured using a plurality of pipes can be manufactured in a small size, and the warming up of the fuel processing apparatus can be shortened through systematic heat flow. have.

그리고, 본 발명의 고효율 연료처리장치에 의하면, 수증기 개질반응기 입구에 제1·2열교환부를 배치함으로써, 수증기개질반응기에 공급되는 수증기와 원료의 온도를 높여 연료처리장치의 열효율을 높일 수 있다.Further, according to the high-efficiency fuel processing apparatus of the present invention, by arranging the first and second heat exchangers at the inlet of the steam reforming reactor, the temperature of the steam and the raw material supplied to the steam reforming reactor can be increased to increase the thermal efficiency of the fuel processing apparatus.

아울러, 본 발명의 고효율 연료처리장치에 의하면, 별도의 승온 및 냉각장치가 필요없으며, 수증기 생성반응기와 선택적 산화반응기를 함께 배치시킬 수 있도록 함으로써, 수증기 개질반응에 필요한 온도까지 빠르게 상승시킬 수 있어 연료처리장치의 효율을 높일 수 있다. In addition, according to the high-efficiency fuel processing device of the present invention, a separate temperature raising and cooling device is not required, and by allowing the steam generating reactor and the selective oxidation reactor to be disposed together, the temperature required for the steam reforming reaction can be quickly raised to the fuel It is possible to increase the efficiency of the processing device.

또한, 본 발명의 고효율 연료처리장치에 의하면, 고온부를 내부에 배치하고, 저온부를 외부에 배치함으로써 연료처리장치를 소형으로 제작할 수 있게 된다.In addition, according to the high-efficiency fuel processing apparatus of the present invention, by arranging the high-temperature portion inside and the low-temperature portion on the outside, the fuel processing apparatus can be manufactured in a compact size.

도 1는 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치를 도시한 사시도,
도 2는 도 1의 'A-A'선 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 원료가스의 흐름을 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 연소 배가스의 흐름을 도시한 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 수증기 발생부 및 선택적 산화반응기를 도시한 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 수증기 발생부의 홀을 도시한 구성도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료처리장치를 도시한 구성도,
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료처리장치를 도시한 구성도이다.1 is a perspective view showing a high-efficiency fuel processing apparatus according to the present invention;
2 is a cross-sectional view taken along line 'A-A' of FIG. 1;
3 is a block diagram showing the flow of source gas according to the present invention;
4 is a block diagram showing the flow of combustion exhaust gas according to the present invention;
5 is a configuration diagram showing a water vapor generator and a selective oxidation reactor according to the present invention;
6 is a block diagram showing a hole in the steam generator according to the present invention;
7 is a block diagram showing a fuel processing apparatus according to a second embodiment of the present invention;
8 is a block diagram illustrating a fuel processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하기 위한 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and features of the present invention, and a method for achieving the same will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

따라서, 몇몇 실시 예에서, 잘 알려진 공정단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.Accordingly, in some embodiments, well-known process steps, well-known structures, and well-known techniques have not been specifically described in order to avoid obscuring the present invention.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않은 한 복수형도 포함한다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments, and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless otherwise specified in the phrase.

명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다.As used herein, includes and/or comprising refers to the presence or addition of one or more other components, steps, operations and/or elements other than the recited elements, steps, operations and/or elements. It is used in the sense of not being excluded.

그리고, "및/또는"은 언급된 아이템의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.And, “and/or” includes each and every combination of one or more of the recited items.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다.In addition, the embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional and/or schematic diagrams that are ideal illustrations of the present invention.

따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정형태로 제한되는 것이 아니라 제조공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다.Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form generated according to the manufacturing process.

그리고, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.In addition, in each drawing shown in the present invention, each component may be enlarged or reduced to some extent in consideration of convenience of description.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1는 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치를 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1의 'A-A'선 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 원료가스의 흐름을 도시한 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 연소 배가스의 흐름을 도시한 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 수증기 발생부 및 선택적 산화반응기를 도시한 구성도이며, 도 6은 본 발명에 따른 수증기 발생부의 홀을 도시한 구성도이고, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료처리장치를 도시한 구성도이며, 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료처리장치를 도시한 구성도이다.1 is a perspective view showing a high-efficiency fuel processing apparatus according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line 'A-A' of FIG. 1, and FIG. 3 is a configuration diagram showing the flow of raw material gas according to the present invention, 4 is a block diagram illustrating the flow of combustion exhaust gas according to the present invention, FIG. 5 is a block diagram showing a steam generator and a selective oxidation reactor according to the present invention, and FIG. 6 is a hole in the steam generator according to the present invention. FIG. 7 is a configuration diagram showing a fuel processing apparatus according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a configuration diagram illustrating a fuel processing apparatus according to a third embodiment of the present invention. .

본 발명에 따른 고효율 연료처리장치(100)는, 메탄을 주성분으로 하는 천연가스를 수로로 전환하기 위한 연료처리장치를 소형화함과 아울러 개질반응과정과, CO변성반응, CO선택적 반응을 통해 연료전지에 필요한 수소를 공급하는 과정을 간소화하여 연료처리장치의 개질효율을 향상시키기 위한 것이다.The high-efficiency fuel processing device 100 according to the present invention miniaturizes the fuel processing device for converting natural gas containing methane as a main component into a water channel, and also performs a reforming reaction process, a CO conversion reaction, and a CO selective reaction through a fuel cell This is to improve the reforming efficiency of the fuel processing system by simplifying the process of supplying hydrogen required for

이러한 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치(100)는, 증기개질반응기(300)와, 연소부(200)와, 수증기발생부(700)와, CO변성반응기(400)와, 선택적 산화반응기(500)와, 제1 열교환부(600) 및 제2 열교환부(601)를 포함하여 구성될 수 있다.The high-efficiency fuel processing apparatus 100 according to the present invention includes a steam reforming reactor 300 , a combustion unit 200 , a steam generator 700 , a CO transformation reactor 400 , and a selective oxidation reactor 500 . ), and may be configured to include a first heat exchange unit 600 and a second heat exchange unit 601 .

여기서, 연소부(200)는 고효율 연료처리장치(100)의 중앙측에 설치된 것으로, 이 연소부(200)는 수증기 개질반응기(300)에서 혼합된 수증기와 천연가스를 개질하는 데 필요한 열을 지속적으로 공급해주는 기능을 수행한다.Here, the combustion unit 200 is installed on the central side of the high-efficiency fuel processing device 100 , and the combustion unit 200 continuously generates heat required to reform the steam and natural gas mixed in the steam reforming reactor 300 . It performs the function of supplying

이 연소부(200)에는 버너(201)가 설치되는 데, 버너(201)에는 버너(201)와 연통되게 설치된 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)들을 통해 천연가스와 오프가스(off-gas) 및 공기가 공급되어 연소되는 구성을 갖는다.A burner 201 is installed in the combustion unit 200, and the burner 201 communicates with natural gas through the first, second, and third combustion gas passages 221, 222, 223 installed in communication with the burner 201. It has a configuration in which off-gas and air are supplied and combusted.

이를 위해, 연소부(200)의 일측에는 오프가스 입구(231)와, 버너공기 통로를 형성하는 버너공기 입구(232) 및 버너연료 입구(233)이 마련되며, 또 다른 일측에는 연소가스배출을 위한 연소가스출구(234)가 마련되어 있다.To this end, an off-gas inlet 231, a burner air inlet 232 and a burner fuel inlet 233 forming a burner air passage are provided on one side of the combustion unit 200, and combustion gas exhaust is provided on the other side of the combustion unit 200. A combustion gas outlet 234 is provided for.

이 때, 중요한 것은 천연가스와, 오프가스 및 공기가 혼합되어 공급될 경우 역화가 발생할 수 있으므로 개별적으로 버너(201)에 공급하도록 하는 것이 바람직하다.At this time, it is important to separately supply the burner 201 because backfire may occur when natural gas, off-gas, and air are mixed and supplied.

버너(201)에서 발생되는 열기가 수증기 개질반응기(300)에 용이하게 전달될 수 있도록 버너 화염 가이드(미도시)가 버너(201)의 외부에 설치되어 있다.A burner flame guide (not shown) is installed outside the burner 201 so that the heat generated from the burner 201 can be easily transferred to the steam reforming reactor 300 .

상기 연소부(200)의 길이는 수증기 개질반응기(300)의 하부측까지 설치되어 수증기 개질반응에 필요한 열량을 공급하는 구조로 이루어진다.The length of the combustion unit 200 is installed up to the lower side of the steam reforming reactor 300 to supply the amount of heat required for the steam reforming reaction.

또한, 연소부(200)의 하부는 버너(201)의 점화 및 연소 상태를 외부에서 확인할 수 있도록 연소부(200)의 바닥 표면에 온도센서(미도시)가 설치되어 연소부(200)의 상태를 상황을 모니터링할 수 있도록 한다.In addition, a temperature sensor (not shown) is installed on the bottom surface of the combustion unit 200 so that the lower portion of the combustion unit 200 can check the ignition and combustion state of the burner 201 from the outside to determine the state of the combustion unit 200 . to monitor the situation.

상기 버너(201)에서 연소된 연소배가스는 연소부(200)의 아래로 흐르고, 수증기 개질반응기(300)와 연소부(200)의 사이에 있는 유로(221)를 따라 배출된다. The combustion exhaust gas burned in the burner 201 flows under the combustion unit 200 and is discharged along the flow path 221 between the steam reforming reactor 300 and the combustion unit 200 .

이러한 흐름에 의해, 수증기 개질반응기(300)에 열량을 지속적으로 공급할 수 있게 된다.By this flow, it is possible to continuously supply heat to the steam reforming reactor 300 .

상기 유로(221)를 따라 배출되는 연소가스는 제1열교환부(600)에서 수증기 개질반응기(300)로 공급되는 수증기와, 천연가스의 온도를 높여 수증기 개질반응기(300)의 온도를 유지할 수 있도록 한다.The combustion gas discharged along the flow path 221 increases the temperature of the steam and natural gas supplied from the first heat exchange unit 600 to the steam reforming reactor 300 to maintain the temperature of the steam reforming reactor 300 . do.

상기 연소배가스는 제2열교환부(601)에서 천연가스와 수증기가 혼합되는 부분의 온도를 상승시킬 수 있게 되는 데, 제2열교환부(601)를 통해 예열되지 않은 천연가스가 수증기와 혼합될 경우, 수증기의 온도가 낮아져 액체형태의 물발울이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.The combustion exhaust gas can increase the temperature of the portion where natural gas and water vapor are mixed in the second heat exchange unit 601. When natural gas that has not been preheated through the second heat exchange unit 601 is mixed with water vapor , it is possible to prevent the occurrence of liquid water droplets by lowering the temperature of the water vapor.

상기 제2열교환부(601)를 통과한 연소배가스는, 수증기 발생부(700)와 열교환하여 연료처리장치(100)에 공급되는 물을 기화시켜 수증기로 만드는데 열량을 소비하기 때문에 낮은 온도로 배가스 배출이 가능하다.The combustion exhaust gas that has passed through the second heat exchange unit 601 exchanges heat with the steam generator 700 to vaporize the water supplied to the fuel processing device 100 to convert it into steam, and thus consumes heat, so that the exhaust gas is discharged at a low temperature. This is possible.

도 4는 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치(100)의 원료 흐름을 도시한 것으로, 도 4를 참고하여 살펴보면, 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)의 외벽에 설치된 수증기 발생부(700)에서 연소가스의 열기에 의해 물이 기화하며, 기체상태로 제2열교환부(601)에서 천연가스와 수증기 혼합부(602)에서 혼합되는 구성을 갖는다.4 is a view showing the flow of raw materials of the high-efficiency fuel processing apparatus 100 according to the present invention. Referring to FIG. 4 , water vapor installed on the outer walls of the first, second, and third combustion gas passages 221 , 222 , 223 . In the generator 700 , water is vaporized by the heat of the combustion gas, and in a gaseous state, the natural gas and the water vapor mixing unit 602 are mixed in the second heat exchange unit 601 .

상기 수증기 발생부(700)에서 생성된 수증기는 제2열교환부(601)와 연결되어 있으며, 본 발명의 중요한 특징 중 하나로, 제2열교환부(601)와 천연가스 수증기 혼합부(602) 사이에 작은 구멍(732)을 형성하고 있는 바, 이 작은 구멍(732)을 통해 물이 기화할 경우 수증기가 배출되어 연료처리장치(100)의 내부 압력이 흔들리는 것을 방지할 수 있도록 한다.The water vapor generated by the water vapor generating unit 700 is connected to the second heat exchange unit 601 , and as one of the important features of the present invention, it is disposed between the second heat exchange unit 601 and the natural gas vapor mixing unit 602 . A small hole 732 is formed, and when water vaporizes through the small hole 732 , water vapor is discharged to prevent the internal pressure of the fuel processing apparatus 100 from shaking.

이와 같이, 수증기 발생부(700)에서 발생된 수증기는 천연가스 수증기 혼합부(602)를 통과하여 유로(파이프)를 통해 제1열교환부(600)로 이동한다.In this way, the water vapor generated in the water vapor generating unit 700 passes through the natural gas water vapor mixing unit 602 and moves to the first heat exchange unit 600 through a flow path (pipe).

이 때, 수증기는 천연가스 혼합부 (602)에서 천연가스와 혼합이 이뤄지는데, 천연가스 혼합부 (602)의 외벽은 물이 기화시 발생하는 내부압력변동에 연료처리장치의 내부 압력변동을 방지하고자 제2열교환부(601)와 천연가스 수증기 혼합부(602) 사이에 작은 구멍(731)을 뚫어 수증기 발생시 발생하는 압력변동을 예방할 수 있다.At this time, water vapor is mixed with natural gas in the natural gas mixing unit 602, and the outer wall of the natural gas mixing unit 602 prevents internal pressure fluctuations of the fuel processing device due to internal pressure fluctuations occurring when water is vaporized. A small hole 731 is drilled between the second heat exchange unit 601 and the natural gas vapor mixing unit 602 to prevent pressure fluctuations occurring when water vapor is generated.

상기 천연가스 수증기 혼합부(602)에서 혼합된 수증기와 천연가스는 파이프로 된 유로를 통해 제1열교환부(600)로 이동한다. The water vapor and natural gas mixed in the natural gas vapor mixing unit 602 move to the first heat exchange unit 600 through a pipe passage.

이러한, 제1열교환부(600)는 크기가 서로 다른 파이프로 되어 있으며, 중앙에서 혼합가스가 이동하고, 내측에서 연소가스(221)가 이동하며, 외부에서 수증기개질반응기()에서 개질된 개질가스(321)가 이동하면서 상호간에 열교환이 이루어지게 된다.The first heat exchanger 600 is made of pipes of different sizes, the mixed gas moves from the center, the combustion gas 221 moves from the inside, and the reformed gas reformed in the steam reforming reactor ( ) from the outside As the 321 moves, heat exchange is made with each other.

상기 제1열교환부(600)에서 온도가 상승된 수증기와 천연가스가 혼합된 수소생성에 필요한 원료(도시가스, LPG 등)는 수증기개질 반응기(300)로 공급된다. Raw materials (such as city gas, LPG, etc.) required for hydrogen generation in which water vapor and natural gas are mixed with water vapor whose temperature has risen in the first heat exchange unit 600 are supplied to the steam reforming reactor 300 .

상기 수증기 개질반응기(300)에서는 수증기 개질촉매(310)로 충진 되어 있으며 통상 사용되는 촉매로는 Ru 및 Ni을 사용한 개질촉매를 사용하고, 천연가스와 수증기 발생부(700)에서 생성된 수증기를 이용하여 600~700℃의 온도에서 수증기개질반응을 통해 수소로 전환시킨다.The steam reforming reactor 300 is filled with a steam reforming catalyst 310, and a reforming catalyst using Ru and Ni is used as a commonly used catalyst, and natural gas and steam generated in the steam generator 700 are used. It is converted to hydrogen through steam reforming at a temperature of 600 to 700 °C.

이러한 수증기 개질반응기(300)의 일측에는, 개질가스의 유로 기능을 수행하는 제1·2개질가스통로(321, 322)가 마련되어 있으며, 다른 일측에는 원료공급을 위한 원료공급입구(331)이 형성되어 있다.On one side of the steam reforming reactor 300, first and second reforming gas passages 321 and 322 performing a function of a flow path of the reformed gas are provided, and on the other side, a raw material supply inlet 331 for supplying raw materials is formed. has been

한편, 개질가스의 유로 기능을 수행하는 제1·2개질가스통로(321, 322)의 일측에는 단열재(900)가 구비되도록 함이 바람직하다.On the other hand, it is preferable that the heat insulating material 900 is provided on one side of the first and second reformed gas passages 321 and 322 that perform the function of the passage of the reformed gas.

수증기 개질 반응의 화학식은 다음과 같다.The chemical formula of the steam reforming reaction is as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

이와 같이, 흡열발응으로 반응이 일어나면, 수증기 개질반응기(300)의 온도가 낮아지기 때문에 버너(201)에서 지속적으로 열량을 공급해줘야 한다.As described above, when the reaction occurs due to endothermic reaction, since the temperature of the steam reforming reactor 300 is lowered, it is necessary to continuously supply heat from the burner 201 .

상기 수증기 개질반응은 600~700℃에서 촉매반응이 일어나며, 수증기 개질반응에서 개질된 가스는 CO를 제거하기 위해 CO변성반응기(400)로 이동하게 된다.In the steam reforming reaction, a catalytic reaction occurs at 600 to 700° C., and the gas reformed in the steam reforming reaction moves to the CO transformation reactor 400 to remove CO.

상기 CO변성반응기(400)의 일측에는 상기 CO변성반응기출구(431)가 형성되어 있고, CO변성반응기(400)에서 사용되는 촉매로는 Cu-Zn 계열을 사용하고 있으며, 작동온도는 200~300℃이다. 수증기 개질반응으로 가스온도가 600~700℃의 고온상태로 CO변성촉매층(410)을 형성하여 수증기 개질반응기(300)에서 배출되며, 제1열교환부(600) 및 제2열교환부(601)를 경유하면서 200℃ 전후의 온도로 CO변성반응기(400)로 공급된다.The CO transformation reactor outlet 431 is formed on one side of the CO transformation reactor 400, and as a catalyst used in the CO transformation reactor 400, a Cu—Zn series is used, and the operating temperature is 200 to 300. is °C. The steam reforming reaction forms a CO conversion catalyst layer 410 with a gas temperature of 600 to 700° C., and is discharged from the steam reforming reactor 300. The first heat exchange unit 600 and the second heat exchange unit 601 are It is supplied to the CO transformation reactor 400 at a temperature of about 200° C. while passing through.

CO변성반응기(400)에서의 화학식은 다음과 같다.The chemical formula in the CO conversion reactor 400 is as follows.

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 개질가스는 CO변성반응기(400)를 경유하면서 개질가스 내에 있는 일산화탄소량이 0.2~0.5%로 감소하게 된다. As the reformed gas passes through the CO conversion reactor 400, the amount of carbon monoxide in the reformed gas is reduced to 0.2 to 0.5%.

이 CO변성반응기(400)는, 발열 반응을 수행하므로 CO변성반응기(400)의 온도를 유지시키기 위해 CO변성반응기(400)의 외벽 또는 내벽에 버너 공기로 냉각시킬 수 있는 CO변성반응 냉각기(800)를 구비하고 있다.The CO transformation reactor 400 performs an exothermic reaction, so a CO transformation reaction cooler 800 that can be cooled with burner air on the outer or inner wall of the CO transformation reactor 400 to maintain the temperature of the CO transformation reactor 400 ) is provided.

상기 CO변성반응 냉각기(800)은 냉각매체로 버너 연소용 공기를 사용한다.The CO conversion cooler 800 uses air for burner combustion as a cooling medium.

상기 CO변성반응 냉각기(800)의 일측에는 냉각용 버너공기 통로를 형성하는 CO변성반응 냉각기 공기입구(821)와, CO변성반응 냉각기 공기출구(822)가 마련되어 있다.A CO conversion reaction cooler air inlet 821 and a CO conversion reaction cooler air outlet 822 forming a burner air passage for cooling are provided on one side of the CO conversion reaction cooler 800 .

CO변성반응기(400)에서 나온 가스는 선택적 산화반응기(500)에서 산소와 반응하여 CO를 10ppm 이하로 감소한다.The gas from the CO conversion reactor 400 reacts with oxygen in the selective oxidation reactor 500 to reduce CO to 10 ppm or less.

본 발명에 따른 선택적 산화반응기(500)는, 연료전지 스택에 적합하도록 개질가스에 포함된 0.2~0.5% 내외의 일산화탄소를 10ppm 미만으로 줄이기 위한 목적으로 설치되며, 특히 수증기 발생부(700)의 외벽에 설치하여 연료처리장치의 소형화에 적합할 수 있도록 하게 된다.The selective oxidation reactor 500 according to the present invention is installed for the purpose of reducing about 0.2 to 0.5% of carbon monoxide contained in the reformed gas to less than 10 ppm to be suitable for a fuel cell stack, and in particular, the outer wall of the water vapor generating unit 700 It is installed in the fuel processing system to make it suitable for downsizing.

수증기 발생부(700)의 일측에는 물 공급을 위한 물공급 입구(721)이 형성된다.A water supply inlet 721 for supplying water is formed at one side of the steam generator 700 .

선택적 산화반응기(500)의 일측에는 선택적 산화촉매층(510))이 형성되며, 일정 위치에 각각 선택적산화반응기입구(531)와 선택적산화반응기출구(532)가 마련된다.A selective oxidation catalyst layer 510) is formed on one side of the selective oxidation reactor 500, and a selective oxidation reactor inlet 531 and a selective oxidation reactor outlet 532 are provided at predetermined positions, respectively.

이와 같은 구성을 갖는, 상기 선택적 산화반응기(500)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 선택적 산화반응기(500)는 수증기 생성장치(700)의 외벽에 설치되어 선택적 산화반응으로 발생되는 열을 제거할 수 있다.The selective oxidation reactor 500 having such a configuration, as shown in FIG. 5 , the selective oxidation reactor 500 is installed on the outer wall of the steam generator 700 to remove heat generated by the selective oxidation reaction can do.

종래의 경우, 선택적 산화반응기는 산화반응으로 발생되는 열을 제거하기 위해서는 별도의 냉각장치를 설치해야 하는 바, 냉각장치로 팬을 설치하여 선택적 산화반응기를 냉각시키는 공랭식 방식과, 외부에 부가 장치를 설치하여 냉각하는 수냉식 방식을 사용하고 있다. In the conventional case, the selective oxidation reactor requires a separate cooling device to be installed in order to remove the heat generated by the oxidation reaction. A water cooling method is used to install and cool.

이와 같은, 종래기술에 따른 방식은 별도의 장치를 설치해야 하므로 연료처리장치의 크기가 커지며 별도의 배관을 사용해야 하기 때문에 복잡한 구조를 가지게 된다.As such, the method according to the prior art requires a separate device to be installed, so the size of the fuel processing device increases, and since a separate pipe must be used, it has a complicated structure.

반면, 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치(100)에 의하면, 수증기 발생부(700)에 선택적 산화반응기(500)를 설치함에 따라 발생되는 열이 수증기 발생부(700)에 의해 냉각되므로 별도의 냉각장치를 필요로 하지 않게 된다.On the other hand, according to the high-efficiency fuel processing apparatus 100 according to the present invention, since the heat generated by installing the selective oxidation reactor 500 in the steam generator 700 is cooled by the steam generator 700, separate cooling You don't need a device.

상기 선택적 산화반응기(500)가 수증기 발생부(700)의 외벽에 설치되는 바, 이에 의해, 선택적 산화반응으로 인해 수증기 생성 능력을 향상시킬 수 있게 된다.Since the selective oxidation reactor 500 is installed on the outer wall of the water vapor generating unit 700, it is possible to improve the water vapor generating ability due to the selective oxidation reaction.

이와 같이, 수증기 발생부(700)와 선택적 산화반응기(500)를 함께 배치시킴으로써, 운전시 별도의 가열장치 또는 냉각장치를 구비하지 않아도, 본 발명에 따른 선택적 산화반응기(500)의 안정적인 온도유지를 통해 내구성이 높고 안정적인 운전이 가능한 연료처리장치(100)를 제공할 수 있게 된다.In this way, by disposing the steam generating unit 700 and the selective oxidation reactor 500 together, it is possible to maintain a stable temperature of the selective oxidation reactor 500 according to the present invention without a separate heating or cooling device during operation. Through this, it is possible to provide the fuel processing apparatus 100 with high durability and stable operation.

상기 선택적 산화반응기를 통한 일산화탄소 제거 반응식은 다음과 같다.The reaction formula for removing carbon monoxide through the selective oxidation reactor is as follows.

Figure pat00003
Figure pat00003

이러한 반응에 필요한 산소를, 본 발명에서는, 대기중 공기를 이용하게 되며, 이를 위하여, 급기(821)포트가 선택적 산화 반응기 측면에 설치되어 있으며, 선택적 산화반응기(500)에서 일산화탄소를 제거하는 반응은 발열반응이므로 선택적 산화반응기(500)를 냉각시키는 장치가 별도로 필요하게 된다. Oxygen required for this reaction, in the present invention, air in the atmosphere is used. For this, the supply air 821 port is installed on the side of the selective oxidation reactor, and the reaction of removing carbon monoxide in the selective oxidation reactor 500 is Since it is an exothermic reaction, a separate device for cooling the selective oxidation reactor 500 is required.

상기 수증기 발생부(700)의 외벽에 설치된 선택적 산화반응기(500)에서 발생되는 열은, 수증기 발생부(700)로 공급된 물로 인해 안정적이고 일정한 온도를 유지하여 원활한 선택적 산화 반응이 이루어지도록 하며, 일산화탄소가 제거된 개질가스를 개질가스 출구 포트 (532)를 통해 연료전지 스택에 공급할 수 있다.The heat generated in the selective oxidation reactor 500 installed on the outer wall of the steam generator 700 maintains a stable and constant temperature due to the water supplied to the steam generator 700 so that a smooth selective oxidation reaction occurs, The reformed gas from which carbon monoxide has been removed may be supplied to the fuel cell stack through the reformed gas outlet port 532 .

상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른 고효율 연료처리장치(100)는, 각종 촉매층, 제1·2열교환부(600, 601) 및 냉각부의 최적의 배치를 통해 연소가스의 열을 최대한 회수하고, 각 촉매층의 적정 반응온도를 유지하도록 함으로써, 연료처리장치의 효율을 높이고 안정적인 장치의 소형화가 가능하다.The high-efficiency fuel processing apparatus 100 according to the present invention having the above configuration recovers the heat of combustion gas as much as possible through the optimal arrangement of various catalyst layers, the first and second heat exchange units 600 and 601 and the cooling unit, and each By maintaining the appropriate reaction temperature of the catalyst layer, it is possible to increase the efficiency of the fuel processing device and to reduce the size of the stable device.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에 속하는 것으로 해석하여야 할 것이다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been exemplarily described, but the scope of the present invention is not limited only to such specific embodiments, and within the scope apparent to those skilled in the art for understanding the spirit of the present invention, the components Other embodiments may be suggested by addition, change, deletion, addition, etc. of

100 : 연료처리장치, 200 : 연소실,
201 : 버너, 221 : 제1연소가스통로,
222 : 제2연소가스통로, 223 : 제3연소가스통로,
231 : 오프가스 입구, 232 : 버너공기 입구,
233 : 버너연료 입구, 234 : 연소가스출구,
300 : 수증기개질반응기, 310 : 수증기개질 촉매,
321 : 제1개질가스통로, 322 : 제2개질가스통로,
331 : 원료공급입구, 400 : CO변성반응기,
410 : CO변성촉매층, 431 : CO변성반응기출구,
500 : 선택적 산화반응기, 510 : 선택적산화촉매층,
531 : 선택적 산화반응기입구, 532 : 선택적 산화반응기출구,
600 : 제1열교환부, 601 :　제2열교환부,
602 : 원료 - 수증기 혼합부, 700 : 수증기 발생부,
721 : 물공급 입구, 800 : CO변성반응 냉각기,
821: CO변성반응 냉각기 공기입구, 822 : CO변성반응 냉각기 공기출구,
900 : 단열재.100: fuel processing device, 200: combustion chamber,
201: burner, 221: first combustion gas passage,
222: second combustion gas passage, 223: third combustion gas passage,
231: off-gas inlet, 232: burner air inlet,
233: burner fuel inlet, 234: combustion gas outlet,
300: steam reforming reactor, 310: steam reforming catalyst,
321: a first reformed gas passage, 322: a second reformed gas passage,
331: raw material supply inlet, 400: CO transformation reactor,
410: CO transformation catalyst layer, 431: CO transformation reactor outlet,
500: selective oxidation reactor, 510: selective oxidation catalyst layer,
531: selective oxidation reactor inlet, 532: selective oxidation reactor outlet,
600: a first heat exchange unit, 601: a second heat exchange unit,
602: raw material-steam mixing part, 700: steam generating part,
721: water supply inlet, 800: CO conversion reaction cooler,
821: CO conversion reaction cooler air inlet, 822: CO conversion reaction cooler air outlet,
900: insulation.

Claims (5)

중앙의 상부측에 버너(201)가 설치된 중앙연소부(200);
상기 중앙연소부(200)에서 배기된 연소 배가스가 배출되는 연소가스 통로()에 배치되어 천연가스를 수소로 전환하는 수증기 개질반응기(300);
상기 수증기 개질반응기(300)에 대한 수증기 개질반응 촉매층의 온도를 유지하기 위해 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)를 통해 연소 배가스가 외측으로 흐르며, 제1·2개질가스통로(321, 322)를 통해 개질가스가 외측으로 흐르는 구조를 이루고, 내부에서 개질가스 원료가 흐르는 구조로 수증기 개질반응기(300)의 입구 측에 직렬로 배치된 제1열교환부(600);
상기 연소 배가스와 원료가스 및 수증기가 연교환하는 제2열교환부(601);
상기 제1·2개질가스통로(321, 322)와 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)의 외벽에 설치되어 수증기를 발생시키는 수증기 발생부(700);
상기 수증기 발생부(700)의 외벽에 설치된 선택적 산화반응기(500);
상기 제1·2개질가스통로(321, 322)와 연결된 CO변성반응기(400) 및 CO변성반응기(800)를 냉각시키는 CO변성반응기출구(431)와, CO변성반응 냉각기 공기입구(821) 및 CO변성반응 냉각기 공기출구(822)를 갖는 냉각용 버너공기 통로;
를 포함하는 고효율 연료처리장치.
a central combustion unit 200 in which a burner 201 is installed on the upper side of the center;
a steam reforming reactor 300 disposed in a combustion gas passage through which combustion exhaust gas exhausted from the central combustion unit 200 is discharged to convert natural gas into hydrogen;
In order to maintain the temperature of the steam reforming reaction catalyst layer for the steam reforming reactor 300, the combustion exhaust gas flows to the outside through the first, second, and third combustion gas passages 221, 222, 223, and the first and second reforming gas cylinders a first heat exchange unit 600 arranged in series at the inlet side of the steam reforming reactor 300 in a structure in which the reformed gas flows outward through the furnaces 321 and 322 and the reformed gas raw material flows therein;
a second heat exchange unit 601 in which the combustion flue gas, raw material gas, and water vapor are exchanged with each other;
a steam generator 700 installed on the outer walls of the first and second reforming gas passages 321 and 322 and the first, second, and third combustion gas passages 221, 222, and 223 to generate water vapor;
a selective oxidation reactor 500 installed on the outer wall of the steam generator 700;
A CO transformation reactor outlet 431 for cooling the CO transformation reactor 400 and the CO transformation reactor 800 connected to the first and second reforming gas passages 321 and 322, an air inlet 821 of the CO transformation reaction cooler, and a burner air passage for cooling having an air outlet 822 for the CO conversion reaction cooler;
A high-efficiency fuel processing device comprising a.
 청구항 1에 있어서,
상기 제1열교환부(600)는 상기 제2열교환부(601)에서 열교환된 원료가스와 수증기가 중앙으로 통과하여 상기 수증기 개질반응기(300)로 유입되게 하며, 외주연부 측에 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223) 및 제1·2개질가스통로(321, 322)가 구비된 것을 특징으로 하는 고효율 연료처리장치.
The method according to claim 1,
The first heat exchange unit 600 allows the raw material gas and water vapor heat-exchanged in the second heat exchange unit 601 to pass through the center and introduced into the steam reforming reactor 300, and to the outer periphery side of the first, second, A high-efficiency fuel processing apparatus comprising three combustion gas passages (221, 222, 223) and first and second reforming gas passages (321, 322).
 청구항 1에 있어서,
상기 제2열교환부(601)는 상기 수증기 발생부(700)와 직렬로 연결되되, 수증기와 원료가 혼합되는 천연가스 혼합부(602)가 구비되며, 상기제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223)가 평행한 구조로 구성되고, 상기 천연가스 혼합부 (602)에 공급되는 수증기는 상기 수증기 발생부(700)에서 상기 제2열교환부(601)로 이동되는 통로 기능을 수행하는 작은 구멍(731)을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 고효율 연료처리장치.
The method according to claim 1,
The second heat exchange unit 601 is connected in series with the steam generator 700, and a natural gas mixing unit 602 in which water vapor and raw materials are mixed is provided, and the first, second, and third combustion gas passages ( 221 , 222 , and 223 are parallel to each other, and the water vapor supplied to the natural gas mixing unit 602 functions as a passage from the water vapor generating unit 700 to the second heat exchange unit 601 . A high-efficiency fuel processing device, characterized in that it is supplied through a small hole (731).
 청구항 1에 있어서,
상기 수증기 발생부(700)는 연소 배가스의 통로 외벽에 설치되며, 상기 제1·2·3연소가스통로(221, 222, 223) 내부에 제1·2개질가스통로(321, 322)가 배치되고, 상기 수증기 발생부(700)의 외벽에 선택적 산화반응기(500)가 설치되되,
상기 수증기 발생부(700)와 상호 열교환을 통해 상기 선택적 산화반응기(500)의 온도를 냉각시켜 과열을 방지하며, 상기 선택적 산화반응기(500)는 발열반응을 통해 상기 수증기 발생부(700)의 수증기 발생능력을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고효율 연료처리장치.
The method according to claim 1,
The steam generator 700 is installed on the outer wall of the passage of the combustion exhaust gas, and the first and second reforming gas passages 321 and 322 are disposed inside the first, second, and third combustion gas passages 221 , 222 and 223 . and a selective oxidation reactor 500 is installed on the outer wall of the water vapor generating unit 700,
The temperature of the selective oxidation reactor 500 is cooled through mutual heat exchange with the steam generator 700 to prevent overheating, and the selective oxidation reactor 500 generates water vapor in the steam generator 700 through an exothermic reaction. A high-efficiency fuel processing device, characterized in that it can improve the generation capacity.
 청구항 4에 있어서,
상기 제1·2개질가스통로(321, 322)의 하부에 CO변성반응기(400)가 배치되되, 상기 CO변성반응기(400)의 외벽 또는 내벽에 상기 CO변성반응기(400)의 과열을 방지하는 CO변성반응 냉각기(800)가 설치되며,
상기 CO변성반응기(400)의 외벽 또는 내벽에 설치된 CO변성반응 냉각기(800)의 냉각매체로 버너 연소용 공기가 사용되는 것을 특징으로 하는 고효율 연료처리장치.5. The method according to claim 4,
A CO transformation reactor 400 is disposed under the first and second reforming gas passages 321 and 322, and the CO transformation reactor 400 is located on the outer or inner wall of the CO transformation reactor 400 to prevent overheating of the A CO denaturation reaction cooler 800 is installed,
A high-efficiency fuel processing apparatus, characterized in that air for burner combustion is used as a cooling medium of the CO conversion cooler (800) installed on the outer or inner wall of the CO conversion reactor (400).
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