KR100774572B1 - Heat exchanger for solid oxide fuel cell power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 고체산화물 연료전지 시스템의 발전 개념도.1 is a conceptual diagram of power generation of a solid oxide fuel cell system.
도 2는 보조전원 유닛용 고체산화물 연료전지 발전시스템의 개략도.2 is a schematic diagram of a solid oxide fuel cell power generation system for an auxiliary power supply unit.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기에 있어서의 분해 사시도.3 is an exploded perspective view of a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 유로의 흐름을 나타내는 개략도.Figure 3a is a schematic diagram showing the flow of the flow path of the heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 제 1 커버의 정면도 및 단면도.4 is a front view and a cross-sectional view of a first cover of a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 노즐의 정면도.5A and 5B are front views of a nozzle of a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 매니폴드의 정면도.6 is a front view of a manifold of a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 금속판의 정면도.7 is a front view of a metal plate of the heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 제 2 커버의 정면도 및 단면도.8 is a front view and a sectional view of a second cover of a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
20: 연료전지 스택 21 : 연료극20: fuel cell stack 21: fuel electrode
22 : 공기극 30 : 개질기22: air cathode 30: reformer
40 : 후 연소기 50 : 열교환기40: after combustor 50: heat exchanger
60 : 밸브 80 : 연료공급부60
90 : 공기공급부 110 : 제 1 커버90: air supply unit 110: first cover
120 : 노즐 130 : 매니폴드120: nozzle 130: manifold
140 : 금속판 150 : 제 2 커버140: metal plate 150: second cover
본 발명은 고체산화물 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) 발전시스템에 있어서의 열교환기의 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a heat exchanger in a solid oxide fuel cell (SOFC) power generation system.
연료전지의 종류에는 사용하는 전해질의 종류에 따라 인산형(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염형(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고체고분자형(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 등 크게 네 가지 방식으로 나눌 수 있다. Depending on the type of electrolyte used, the type of fuel cell includes phosphate (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), molten carbonate (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), solid oxide type (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), and solid polymer type. (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
도 1 은 상기 연료전지 중 고체산화물 연료전지 시스템의 발전 개념도를 나타낸다.1 is a conceptual diagram of power generation of a solid oxide fuel cell system among the fuel cells.
동 도면에서 보는 바와 같이 고체산화물 연료전지는 수소와 산소가 가지고 있는 화학 에너지를 전기화학반응에 의하여 직접 전기 에너지로 변환시키는 것으로서 고효율의 무공해 발전장치로서 공기극(cathode, 22)에는 산소가, 연료극(anode, 21)에는 수소 등이 공급되어 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기를 발생시키는 장치이다.As shown in the figure, a solid oxide fuel cell converts chemical energy of hydrogen and oxygen directly into electrical energy by an electrochemical reaction, and is a high efficiency, pollution-free power generation apparatus. The
고체산화물 연료전지의 작동원리는 공기극에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이다. The operation principle of the solid oxide fuel cell is to produce water by the oxygen ion generated by the reduction reaction of oxygen in the cathode moves to the anode through the electrolyte and reacts with hydrogen supplied to the anode again. In the air electrode, electrons are consumed, so when two electrodes are connected to each other, electricity flows.
한편, 위의 고체산화물 연료전지를 상용화하기 위해 여러 가지 방안들이 제안되고 있는데 이 중 자동차의 동력원으로 사용하는 방법이 제시되고 있다. 자동차의 주 동력원으로 사용되기 위해서는 최대출력 약 50kW가 요구되며 이러한 용량의 연료전지 시스템이 자동차의 엔진룸에 장착되기 위해서는 무게나 부피의 제약이 있고, SOFC에서 보고된 최대출력을 감안하더라고 수십 단의 적층된 스택이 있어야 하므로 상용화에 어려움이 있는 것이 사실이다.Meanwhile, various methods have been proposed to commercialize the solid oxide fuel cell, and a method of using the same as a power source of a vehicle has been proposed. In order to be used as the main power source of a vehicle, a maximum output of about 50 kW is required, and the fuel cell system of this capacity is limited in weight or volume in order to be mounted in the engine room of the vehicle, and even considering the maximum power reported by the SOFC, It is true that there is a difficulty in commercialization since there must be a stacked stack.
그러나 최근에는 이러한 고체산화물 연료전지를 자동차 등의 주 동력원으로 사용하기에 앞서 자동차 보조전원 유닛(APU: Auxiliary Power Unit)으로 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, however, studies are being actively conducted to utilize such a solid oxide fuel cell as an Auxiliary Power Unit (APU) before using it as a main power source for automobiles.
도 2는 보조전원 유닛용 고체산화물 연료전지 발전시스템의 개략도를 나타낸다.2 shows a schematic diagram of a solid oxide fuel cell power generation system for an auxiliary power supply unit.
동 도면에서 보는 바와 같이 연료전지 스택(20)의 연료극에는 개질된 가스가, 공기극에는 공기가 공급되는데 개질된 가스는 개질기(30)를 통과하여 스택(20)으로 들어오게 된다. 그러나 연료가 개질되기 위해서는 개질기(30)가 적정온도 이상이 되어야 하므로 이를 위해 먼저 개질기(30)를 고온의 공기로서 예열시켜야 하며 이는 공기가 예열기를 통해 예열된 후 개질기(30)를 통과하게 됨으로써 가능하게 된다. 또한, 연료전지 스택(20)에 개질기(30)를 통한 개질된 가스와 예열된 공기가 투입됨으로써 비로소 발전이 가능하게 된다. As shown in the figure, the reformed gas is supplied to the fuel electrode of the
상기와 같은 발전이 이루어지기 위해서는 네 단계의 운전단계를 거쳐야 하는데 이를 간략하게 설명하면 다음과 같다.In order to achieve the above development, it is necessary to go through four steps of operation.
고온의 공기로 개질기를 예열하는 개질기 예열단계(제 1 단계), 개질기 연료공급을 통한 개질기 작동단계(제 2 단계), 후 연소기에 개질된 가스 공급을 통한 후 연소기 작동 및 예열된 공기를 이용한 연료전지 스택 예열단계(제 3 단계) 및 개질된 가스를 스위칭 밸브를 거쳐 연료전지 스택으로 공급하고 예열된 공기를 연료전지 스택으로 공급하는 운전단계(제 4 단계)를 거쳐야만 한다.Reformer preheating stage (first stage) to preheat the reformer with hot air, reformer operation stage (second stage) through reformer fuel supply, post combustor operation through reformed gas supply to post combustor and fuel using preheated air The cell stack preheating step (third step) and the reformed gas are supplied to the fuel cell stack via a switching valve and the preheated air is supplied to the fuel cell stack (fourth step).
상기 1단계 기동 운전 모드에서는 연료 공급은 행하지 않으며, 공기공급 부(90)를 통하여 공급된 공기를 예열기에서 예열한 후, 열교환기(50)로 공급하며, 열교환기(50)를 통과한 공기는 개질기(30)로 유입되어 개질기(30)를 예열시킨 후, 다시금 열교환기(50)를 통과한 후 후 연소기(40)를 통과하며, 이후 다시금 열교환기(50)를 통과하여 외부로 배출되는 단계이다.In the one-step start operation mode, fuel is not supplied, and after the air supplied through the
제 2단계 기동 운전 모드에서는 연료의 공급이 추가되나 아직 개질된 가스가 연료전지 스택(20)에 공급되어 정상적인 운전을 하는 상태의 단계는 아니다. 상기 2단계 모드에서는 연료공급을 행하여 개질기(30)에 연료를 유입시켜 개질기(30)를 가동시킨다. 상기 개질된 가스는 열교환기(50)를 거쳐 후 연소기(40)로 공급된다. 공기공급부(90)에서 공급된 공기는 2개의 라인으로 분기시켜 일부는 열교환기(50)를 거쳐 개질기(30)로 유입되게 하여 개질기(30) 온도를 유지한다.In the second stage start-up operation mode, fuel supply is added, but the reformed gas is not supplied to the
그리고 제 3단계 기동 운전 모드에서는 상기 열교환기(50)를 통과한 분기된 공기 중 일부를 연료전지 스택(20)으로 보내어 예열을 시키고 개질기 출구에서 나오는 개질된 가스를 후 연소기(40)로 보내어 후 연소기(40)를 작동시키게 된다. 이를 위해서는 개질기 출구에 위치한 스위칭 밸브(61)는 연료전지 스택(20)방향이 아닌 열교환기(50) 방향으로 개질된 가스를 보내도록 조절한다.In the third stage start-up operation mode, a part of the branched air passing through the
즉, 2단계 및 3단계 기동 운전 모드에서는 개질기(30)에 연료를 공급하여 개질기(30)를 작동시키며(2단계), 후 연소기(40)를 작동시키나(3단계), 1단계와는 달리 예열기 등을 작동시킬 필요는 없다. 또한, 2-3단계의 시차는 2분 정도이다. That is, in the two-stage and three-stage start-up operation mode, the
마지막으로 제 4단계 운전 모드는 연료전지 스택(20)의 내부 온도가 650~700도 정도까지 예열된 이후에 작동되는 모드이며 SOFC 발전 시스템이 정상적으로 운 전되는 상태이다.Lastly, the fourth stage operation mode is a mode in which the internal temperature of the
4단계 운전 모드는 2단계 및 3단계에서 열교환기(50)를 거쳐 후 연소기(40)로 공급하였던 개질된 가스를 스위칭밸브(61)를 거쳐 연료전지 스택(20)으로 공급한다. 연료전지 내에서는 유입된 개질 연료와 공기가 반응하여 발전이 일어나고, 생성된 수증기와 반응 후 가스 중 일부는 분기되어 개질기(30)로 다시 돌아가고, 분기된 나머지 반응 후 가스는 후 연소기(40)로 유입되어 연소된 후 열교환기(50)를 거쳐 배기부로 배출된다.In the four-stage operation mode, the reformed gas, which was supplied to the
이로써, 연료전지에 개질된 가스가 공급되어 개질기(30)가 정상적으로 작동되면서 발전이 이루어지게 된다.As a result, the reformed gas is supplied to the fuel cell so that the
즉, 연료전지 발전 시스템 내에서는 각 발전 단계에 따라 계속적인 열교환이 이루어지고 있으며 이를 위해서는 한 번의 열원 공급이 있은 후에는 발전시에는 추가적인 열원의 공급이 없이도 자체적인 열교환을 수행하는 열교환기가 구비되어 있어야 한다.That is, in the fuel cell power generation system, heat exchange is continuously performed according to each power generation stage. For this purpose, after one heat source is supplied, a heat exchanger that performs its own heat exchange without power supply should be provided. do.
본 발명은 고체산화물 연료전지 발전시스템에 있어서, 초기 기동단계에서 열원이 구비된 공기가 열교환기로 공급된 이후에는 자체적인 열교환에 의해 외부의 추가적인 열교환이 필요치 않는 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to provide a heat exchanger in the solid oxide fuel cell power generation system, after the air provided with the heat source in the initial start-up stage is supplied to the heat exchanger does not require additional heat exchange from the outside by its own heat exchange.
또한, 복수개의 유로가 형성되어 있는 복합적인 열교환에 있어서 유체가 서로 섞이지 아니하도록 하는 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a heat exchanger in which fluids do not mix with each other in a complex heat exchange in which a plurality of flow paths are formed.
본 발명은 고체산화물 연료전지 발전시스템에 있어서의 열교환기의 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a heat exchanger in a solid oxide fuel cell power generation system.
즉, 일단에 복수개의 유로관이 형성되고 타단에는 상기 유로관과 연결되는 복수개의 사각형상 개방부가 형성되어 있는 제 1 커버; 상기 개방부와 연결되고 상기 유로관으로부터 들어온 유체의 균일분배를 위한 복수개의 둥근 홀이 형성되어 있는 노즐; 상기 노즐을 실장할 수 있는 홈을 구비하며 상기 제 1 커버와 접합되는 매니폴드; 상기 매니폴드와 접합되며 상기 유체가 통과하는 복수개의 사각형상의 개방부와 상기 개방부와 연결되어 유체의 열 교환이 이루어지는 미세 채널을 구비하는 복수개의 교번 적층된 금속판; 및 상기 적층된 금속판 중 마지막 금속판과 접합되고 배출구를 구비하는 제 2 커버; 를 포함하는 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기에 관한 것이다.That is, a first cover having a plurality of flow path pipes formed at one end and a plurality of rectangular openings connected to the flow path pipes at the other end thereof; A nozzle connected to the opening and having a plurality of round holes for uniform distribution of the fluid introduced from the flow path tube; A manifold having a groove for mounting the nozzle and joined to the first cover; A plurality of alternately stacked metal plates joined to the manifold and having a plurality of rectangular openings through which the fluid passes and microchannels connected to the openings to exchange heat between the fluids; And a second cover bonded to the last metal plate of the stacked metal plates and having an outlet. It relates to a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system comprising a.
또한, 상기 노즐에는 일렬로 형성된 복수개의 홀을 구비하되 상기 복수개의 홀 중 중간에는 작은 홀을 구비하며 가장자리로 갈수록 크기가 큰 홀을 구비하거나, 상기 노즐에 일렬로 형성된 복수개의 동일한 크기의 홀을 구비하되 가장자리로 갈수록 홀간 간격이 줄어드는 방법으로 형성하여 유체가 미세 채널로 균일하게 통과하도록 할 수 있다.In addition, the nozzle includes a plurality of holes formed in a row, but a small hole in the middle of the plurality of holes and a larger hole toward the edge, or a plurality of holes of the same size formed in a row in the nozzle It is provided with a method in which the spacing between holes decreases toward the edge to allow the fluid to pass evenly through the fine channels.
그리고, 상기 금속판에 형성된 사각형상 개방부는 각 면에 2개씩의 개방부를 형성하되 각 대향하는 개방부간에는 상기 미세채널로 연결되어 구성되며 한 면에 형성된 2개의 개방부는 그 크기가 서로 상이하게 구성하여 유체의 양에 따라 열 교환의 효율을 향상시키도록 하는 것 또한 가능하다.In addition, the rectangular opening formed in the metal plate forms two openings on each side, but is formed by connecting the microchannels between the opposing openings, and the two openings formed on one surface are configured differently from each other. It is also possible to improve the efficiency of heat exchange depending on the amount of fluid.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템에 있어서의 열교환기의 분해사시도를, 도 3a는 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 유로의 흐름을 나타내는 개략도를 각 나타낸다.3 is an exploded perspective view of a heat exchanger in a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3A is a schematic diagram showing a flow path of a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system.
동 도면에서 보는 바와 같이 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기는 복수개의 유로관을 구비하는 제 1 커버(110), 상기 제 1 커버의 내측 부분에 장착되는 복수개의 홀을 구비하는 노즐(120), 상기 노즐과 결합되며 유체가 금속판으로 이동될 수 있도록 노즐과 금속판을 연결시켜주는 매니폴드(130), 상기 매니폴드와 제 2 커버 사이에서 수십 개의 교번 적층되는 금속판(140) 및 상기 금속판의 마지막 부분과 결합되고 외부로 유출되는 유체를 안내하는 배출관을 구비하는 제 2 커버(150)로 구성된다.As shown in the drawing, a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system includes a
상기 제 1 커버(110)에는 복수개의 유로관(111)과 함께 상기 유로관(111)들을 통해 열교환기 내부로 보내어줄 수 있는 사각 형상의 개방부(112)가 구비되는데 여기에는 공기공급장치로부터 공급되는 예열된 공기가 유입되는 통로(A)과 상기 공기가 열교환기를 거친 후 배출되는 통로(A'), 개질기를 통과한 개질된 가스가 스택으로 공급되기 전인 스택 예열단계에서 상기 개질기를 통과한 개질된 가스가 유입 되는 통로(B)와 상기 가스가 열교환기를 거친 후 배출되는 통로(B'), 그리고 공기공급장치로부터 공급되는 예열되지 않은 공기가 유입되는 통로(C) 및 상기 공기가 유출되는 통로(C'), 마지막으로 후 연소기를 거친 반응후 가스가 유입되는 통로(D)가 구비된다.The
상기 유로관(111)이 구비된 제 1 커버(110)와 미세채널이 구비된 금속판(140) 사이에서 이들을 서로 결합시켜주는 매니폴드(130)가 형성되는데 이는 유로관(111)을 통해 들어온 유체가 미세채널을 구비한 금속판(140)으로 이동시키는 역할을 한다.A manifold 130 is formed between the
제 2 커버(150)에는 상기 후 연소기를 거친 반응후 가스가 열교환기로 유입된 후 배출되는 배출관(D')이 구비된다.The
노즐(120)은 매니폴더(130)와 상기 제 1 커버(110)의 A, B, C 및 D 부위 사이에 결합되어 상기 부위로부터 유입되는 공기가 금속판(140)의 미세 채널로 균일하게 분배되도록 하는 금속재질의 복수개의 홀을 가진 것을 말한다.The
금속판은 상기 매니폴드(131)에 결합되며 유로관들로부터 들어온 유체를 복수개의 채널 내부로 보내어 실질적인 열 교환이 이루어지도록 한다. 상기 금속판(140)의 재질은 열 교환이 빠르게 일어날 수 있도록 열 전도성이 뛰어난 재질이 사용되며 열교환의 효과를 높이기 위하여 금속판의 두께는 아주 얇게 형성된다. 바람직하게는 상기 재질은 알루미늄, 알루미늄 실리콘 합금 또는 구리합금 등의 재질이 사용되며, 상기 판의 두께는 3mm 이하로 하여 형성되는 것이 가능하다. The metal plate is coupled to the manifold 131 and directs fluid from the flow path tubes into the plurality of channels for substantial heat exchange. As the material of the
또한, 상기 금속판(140)은 수십 개를 적층시켜 열 교환이 이루어지게 되므로 상기 미세채널 부위가 돌출되거나 함몰되지 아니하고 평평한 면 내에 채널이 형성된다. 따라서 상기 금속판(140)과 금속판(140)을 접합함에 있어 추가적인 부재가 필요하지 않게 되어 열교환의 효율이 향상되게 된다. 상기 금속판과 금속판의 접합은 브레이징 접합방법에 의한다.In addition, since the heat exchange is performed by stacking dozens of
상기 금속판(140)은 복수개를 적층 결합시키되 가로 세로 방향을 교번시켜 적층시켜야 한다. 이는 고체산화물 연료전지에서 필요로 하는 유로가 여러 개 필요하고 이들 유로로부터 들어오는 유체의 성질은 각각 다른 것이므로 이들 유체가 서로 섞여서는 아니 되기 때문이다.The
이와 같은 특성상 상기 금속판(140)을 교번시켜 적층시키되, 각 금속판에는 유입되는 통로 및 출구를 각 2개로 형성하여 각기 들어오는 유체가 서로 섞이지 않도록 한다.Due to the above characteristics, the
상기 금속판(140)을 모두 적층시킨 후에는 열교환기의 마지막 부분에 배출관(151)을 구비하는 제 2 커버(150)가 결합된다. 상기 배출관(151)은 후 연소기를 통과한 반응후 가스가 밖으로 배출되기 전에 상기 기체가 가지는 열을 회수한 후 내보내는 역할을 하는 것이다. After stacking all of the
상기 제 1 커버(110), 매니폴드(130), 금속판(140) 및 제 2 커버(150)의 각 모서리에는 둥근 홀(160)을 구비한 후 체결구(152)를 연결하여 상기 열교환기가 전체적으로 견고하게 결합되어 분해되지 않도록 한다.Each corner of the
도 3a에서 보는 바와 같이 유로관을 통해 A로 들어온 유체는 미세채널을 통 해 열 교환이 이루어진 후 A'로만 배출되고 이는 B,C 및 D의 경우도 마찬가지이다. 이는 복잡한 유로를 가지는 발전시스템에 있어서 서로 유체가 섞이지 않도록 하기 위함이다.As shown in FIG. 3A, the fluid entering A through the flow channel is discharged only to A ′ after heat exchange through the microchannels, and the same is true of B, C, and D. This is to prevent fluids from mixing with each other in a power generation system having a complicated flow path.
A, B, C 및 D의 크기는 유체의 흐름의 양에 따라 상대적으로 결정될 문제이나 고체산화물 연료전지 발전시스템의 운전과정을 살펴 그에 맞도록 그 크기를 결정할 수 있다. 즉, 유체의 흐름이 많은 곳에는 큰 사각형상의 개방부를 형성하여 금속판의 채널 중 다수의 채널을 통과하게 하고, 유체의 흐름이 적은 곳에는 작은 사각형상의 개방부를 형성하여 금속판의 채널 중 소수의 채널을 통과하게 하여 열 교환의 효율을 높일 수 있도록 한다.The size of A, B, C, and D can be determined according to the problem of the relative flow depending on the amount of fluid flow or the operation process of the solid oxide fuel cell power generation system. That is, a large rectangular opening is formed in a place where the flow of fluid is large, and passes through a plurality of channels of the channel of the metal plate, and a small rectangular opening is formed in a place where the fluid flow is small, so that a small number of channels of the channel of the metal plate are formed. Pass through to increase the efficiency of heat exchange.
연료전지 발전시스템 내에 유입되는 연료의 유량을 Mf, 예열된 공기의 유량을 M1, 일반 공기의 유량을 M2라고 하고 연료전지 스택에서 전해질을 통해 공기극에서 연료극으로 전달되는 산소이온의 유량을 Mt라고 한다면, 각 단계별 유체 및 유량에 대한 정보는 다음과 같다.If the flow rate of fuel flowing into the fuel cell power generation system is Mf, the flow rate of preheated air is M1, the flow rate of general air is M2, and the flow rate of oxygen ions transferred from the cathode to the anode through the electrolyte in the fuel cell stack is Mt. The information on fluid and flow rate for each stage is as follows.
개질기 예열단계(제 1 단계)Reformer Preheating Step (Step 1)
개질기 작동단계(제 2 단계) 및 후연소기 작동 및 연료전지 스택 예열단계(제 3 단계)Reformer operating stage (second stage) and afterburner operation and fuel cell stack preheating stage (third stage)
정상 운전단계(제 4 단계)Normal operation stage (fourth stage)
즉, 상기 각 단계별 열교환기의 각 유로를 통과하는 유체의 종류 및 온도가 각 다르고 상기 통과되는 유체가 나가는 통로가 일정해야만 상기 발전시스템이 원활하게 구동될 수가 있다.That is, the power generation system can be operated smoothly only when the type and temperature of the fluid passing through each flow path of each stage heat exchanger are different and the passage through which the fluid passes is constant.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 제 1 커버의 정면도 및 단면도를 나타낸다.4 is a front view and a cross-sectional view of a first cover of a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
동 도면에서 보는 바와 같이 제 1 커버(110)에는 도 3의 설명에서와 같이 각기 다른 유로관(111)으로부터 들어오는 유체가 섞이지 않고 지정된 유로로 나갈 수 있도록 하는 복수개의 유로관이 형성되어 있다.As shown in FIG. 3, the
각 유로관(111)으로부터 유입된 유체는 유로관(111)으로부터 제 1 커버(110)의 직사각형 개방부를 지나 유체가 균등하게 배분될 수 있는 노즐 및 금속판의 미세 채널을 거쳐 열 교환이 이루어진 다음 유로관(111) 또는 배출관을 거쳐 배출되게 된다.The fluid flowing from each
상기 도면에서 유로관(111)의 크기는 각 다른 것이 구비되어 있는데 이는 연료전지 발전시스템의 운용상 발생되는 유체의 양에 따라 그 크기를 달리하여 조정하는 것이 가능하다.In the drawing, the size of the
그리고 상기 제 1 커버의 각 모서리에는 체결구를 이용하여 열교환기를 구성하는 요소가 견고하게 지지될 수 있도록 하는 원형의 홀이 형성되어 있다.In addition, circular holes are formed at each corner of the first cover so that the elements constituting the heat exchanger can be firmly supported using fasteners.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 노즐의 정면도를, 도 6은 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 매니폴드의 정면도를 각 나타낸다.5A and 5B show front views of nozzles of a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 shows front views of a manifold of a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system.
도 5a에 도시된 도면은 도 3a에서의 A와 D부위에 연결되고, 도 5b에 도시된 도면은 B와 C부위에 연결되되, 도 5a는 131a에, 도 5b는 131b에 각 연결된다. 또한, 상기 노즐(120)은 매니폴드(130)의 홈 부위(131a, 131b)에 결합되어 장착되게 된다. 상기 노즐(120)은 열교환기로 들어오는 유체가 골고루 흩어질 수 있도록 하기 위한 장치이다.5A is connected to portions A and D in FIG. 3A, and the diagram shown in FIG. 5B is connected to portions B and C, with FIG. 5A connected to 131a and FIG. 5B connected to 131b, respectively. In addition, the
노즐(120)에 형성된 복수개의 홀(121)은 유체가 유입되는 부위(A,B,C 및 D)에 따라 홀(121)의 크기와 간격을 다르게 하여 형성하는 것이 가능하다. 즉, 가운데 부위의 홀(121)은 작게 형성하면서 외부로 갈수록 큰 홀(121)을 형성하거나, 또는 홀(121)의 형성 간격을 좁게 하는 방식으로 균일분배하는 방식이 가능하다.The plurality of
즉, 도면에서 보는 바와 같이 가운데 홀의 지름(Ø1)의 크기를 가장자리 부 분의 지름(Ø2)보다 작게 형성하거나, 가운데 홀과 그 다음 홀과의 거리(L1)를 가장자리의 홀과의 거리(L2)보다 크게 형성하는 것이 가능하다.That is, as shown in the drawing, the diameter of the center hole (Ø 1 ) is formed to be smaller than the diameter of the edge part (Ø 2 ), or the distance (L 1 ) between the center hole and the next hole with the hole of the edge. It is possible to form larger than the distance L 2 .
바람직하게는 A와 D 부위에 결합되는 노즐(120)에는 9개의 홀을 형성하되, 가운데 부분의 홀의 크기는 4파이(Ø)로 하되 나머지 8개의 홀은 5파이(Ø)로 구성하며 가운데 홀과 양 측면의 홀간의 간격을 11mm로 하고 가장자리로 갈수록 1mm씩 줄이는 방법으로 형성되도록 하는 것이 가능하다.Preferably, nine holes are formed in the
그리고 B와 C 부위에 결합되는 노즐(120)에는 5개의 홀을 형성하되, 가운데 부분의 홀의 크기는 3파이(Ø)로 하고 나머지 4개의 홀은 4파이(Ø)로 구성하되, 가운데 홀과 양 측면의 홀의 간격을 7mm로 형성하고, 가장자리로 갈수록 1mm씩 줄이는 방법으로 형성되도록 하는 것 또한 가능하다.And five holes are formed in the
상기 매니폴드 각 모서리에는 체결구를 이용하여 열교환기를 구성하는 요소가 견고하게 지지될 수 있도록 하는 원형의 홀이 형성되어 있다.At each corner of the manifold, a circular hole is formed so that the elements constituting the heat exchanger can be firmly supported using fasteners.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 금속판의 정면도를 나타낸다.7 is a front view of a metal plate of a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
동 도면에서 보는 바와 같이 미세 채널(141)을 구비하는 금속판(140)의 각 모서리에는 체결구가 관통하여 열교환기를 고정시킬 수 있는 원형 홀(160)이 구비되어 있고, 가장자리에는 제 1 커버에 연결된 유로관으로부터 들어오는 유체가 들어올 수 있는 사각형상의 8개의 개방부(142) 및 상기 개방부(142)간 연결되는 미세 하고 긴 구멍인 채널(141)이 구비되어 있다. 상기 채널(141)은 사각 형상의 개방부(142)의 크기에 따라 수가 정해지는 것이며, 바람직하게는 A와 D에는 28개의 채널, B와 C에는 11개의 채널이 구비되는 것이 가능하다.As shown in the drawing, each corner of the
상기 금속판(140)은 열 교환이 잘 이루어지며, 열에 의한 변화가 적은 재질이 사용되며 바람직하게는 알루미늄, 알루미늄 실리콘 합금 또는 구리합금의 재질이 사용될 수 있다. 또한, 도 3에서 설명한 바와 같이 상기 금속판(140)은 가로세로를 교대로 적층한 후 금속판(140)과 금속판(140)이 결합되므로 금속판(140)의 형상은 정사각형의 형태를 구비해야 한다. The
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 제 2 커버의 정면도 및 단면도를 각 나타낸다.8 is a front view and a cross-sectional view of a second cover of a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
동 도면에서 보는 바와 같이 제 2 커버(150)의 각 모서리에는 열교환기의 각 구성요소들을 체결시킬 수 있는 홀(160)이 형성되어 있고, 상기 홀에 체결구가 결합되어 열교환기가 고정되게 된다. As shown in the figure, each corner of the
또한, 후 연소기로 출구로부터 나오는 유체는 D 부분으로 들어온 후 미세 채널을 구비한 금속판을 통화한 후 D'로 배출되게 되는데 상기 D'와 연결되어 외부로 배출시키기 위해 배출관(151)이 형성되어 있다.In addition, the fluid coming from the outlet to the after-burner enters the D portion and then passes through the metal plate provided with the fine channel and is discharged to D '. A
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기의 일 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.What has been described above is only one embodiment of a heat exchanger for a solid oxide fuel cell power generation system according to the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiment, and as claimed in the following claims, Without departing from the gist of the present invention, one of ordinary skill in the art will have the technical idea of the present invention to the extent that various modifications can be made.
본 발명에 의하게 되면 고체산화물 연료전지 발전시스템에 있어서 초기에 열원을 가진 공기의 공급이 있은 후에는 추가적인 열원의 공급이 없어도 상기 시스템을 가동시킬 수 있는 열교환기를 제공할 수 있다.According to the present invention, after the initial supply of air having a heat source in a solid oxide fuel cell power generation system, a heat exchanger capable of operating the system without supplying an additional heat source can be provided.
또한, 유로가 복수개 형성되어 상기 열교환기로 들어오는 유체의 종류별로 섞이지 아니하고 열교환을 할 수 있는 열교환기를 제공할 수 있다.In addition, a plurality of flow paths may be formed to provide a heat exchanger capable of heat exchange without mixing for each type of fluid entering the heat exchanger.
Claims (7)
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JP2002267391A (en) | 2001-03-05 | 2002-09-18 | Nissan Motor Co Ltd | Heat exchanger |
JP2004044870A (en) | 2002-07-10 | 2004-02-12 | Sumitomo Precision Prod Co Ltd | Hybrid heat exchanger |
JP2005282951A (en) | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Institute Of Tsukuba Liaison Co Ltd | Heat exchanger having integrated laminate structure |
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2006
- 2006-11-06 KR KR1020060108997A patent/KR100774572B1/en active IP Right Grant
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