KR101028849B1 - One body type apparatus with burner and heat-exchanger for solid oxide fuel cell system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 관한 것으로서, 열교환부(12)와 촉매연소부(14)가 마련된 열교환형촉매연소부(10); 상기 열교환부(12)의 유입측에 배치되는 개질공기유입부(20); 상기 개질공기유입부(20) 인접부에 배치되는 공정공기유입부(22); 상기 열교환부(12)의 배출측에 배치되는 개질공기배출부(24); 상기 개질공기배출부(24) 인접부에 배치되는 공정공기배출부(26); 상기 촉매연소부(14)의 유입측에 배치되어 스택 양극쪽에서 나오는 폐가스가 이 촉매연소부(14)로 유입되도록 하는 폐가스유입부(30); 상기 폐가스유입부(30) 인접부에 배치되어 스택 음극쪽에서 나오는 폐공기가 상기 촉매연소부(14)로 유입되도록 하는 폐공기유입부(32); 및 상기 촉매연소부(14)의 배출측에 배치되어 폐열이 외부로 배출되도록 하는 폐열배출부(34)를 포함하여 구성된다. 따라서, 열손실의 최소화에 따른 에너지 절약을 도모할 수 있음은 물론 시스템의 효율을 향상시킬 수 있도록 하여 결과적으로 제품의 신뢰성까지 향상되도록 하는 등의 효과를 얻는다.The present invention relates to a combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system, comprising: a heat exchange catalyst burner (10) provided with a heat exchanger (12) and a catalyst burner (14); A reformed air inlet part 20 disposed on an inflow side of the heat exchange part 12; A process air inlet 22 disposed adjacent to the reformed air inlet 20; A reformed air discharge unit 24 disposed on the discharge side of the heat exchange unit 12; A process air discharge unit 26 disposed adjacent to the reformed air discharge unit 24; A waste gas inlet unit 30 disposed on the inlet side of the catalytic combustion unit 14 to allow the waste gas from the stack anode to be introduced into the catalytic combustion unit 14; A waste air inlet unit 32 disposed adjacent to the waste gas inlet unit 30 to allow waste air from the stack cathode to be introduced into the catalytic combustion unit 14; And a waste heat discharge unit 34 disposed on the discharge side of the catalytic combustion unit 14 to discharge waste heat to the outside. Therefore, the energy saving can be achieved by minimizing heat loss, and the efficiency of the system can be improved. As a result, the reliability of the product can be improved.

고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치, 열교환부, 촉매연소부, 유로홈, 플랜지부 Combustor-heat exchanger integrated device for solid oxide fuel cell system, heat exchange part, catalytic combustion part, flow path groove, flange part

Description

고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치{One body type apparatus with burner and heat-exchanger for solid oxide fuel cell system}Combustor-heat exchanger integrated device for solid oxide fuel cell system {One body type apparatus with burner and heat-exchanger for solid oxide fuel cell system}

본 발명은 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환부와 촉매연소부가 층상으로 반복 교차되도록 구성된 열교환형촉매연소부를 마련하는 한편 촉매연소부의 후방에는 폐에너지와의 연소열을 이용하여 스팀을 발생시키도록 하는 스팀발생부를 구비함으로써, 촉매연소부를 통해서는 스택을 경유한 폐가스(tail gas)와 폐공기를 연소시켜 유해물질을 제거할 수 있도록 하는 동시에 연소 후의 연소열은 스팀발생부에서 스팀을 발생시킬 수 있도록 하며, 또한, 열교환부에서는 개질공기와 공정공기를 가열시켜 각각의 자열개질기와 스택의 운전조건에 맞는 공기를 공급할 수 있도록 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system, and more particularly, to provide a heat exchange type catalyst combustion unit configured to repeatedly cross a heat exchange unit and a catalytic combustion unit in a layered manner, while waste energy behind the catalytic combustion unit. The steam generating unit is configured to generate steam using the heat of combustion with the catalyst, and the catalytic combustion unit can burn tail gas and waste air via the stack to remove harmful substances and at the same time, the heat of combustion after combustion. Is a steam generator to generate steam, and heat exchanger in the heat exchanger to heat the reformed air and the process air to supply the air according to the operating conditions of the respective autothermal reformer and stack, the combustor for a solid oxide fuel cell system A heat exchanger integrated device.

일반적으로 연료전지라 함은 연료의 산화로 인해 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치라고 할 수 있다. 산화, 환원반응을 이용하는 점에서는 보통의 화학전지와 차이가 없지만 닫힌 계내(系內)에서 전지반응을 하는 화학전지와는 달리, 반응물이 연속적으로 외부로부터 공급되는 동시에 반응생 성물은 연속적으로 계외로 제거되는 것이 양자 간이 차이점이라 할 수 있다. In general, a fuel cell is a kind of power generation device that directly converts chemical energy generated by oxidation of fuel into electrical energy. In terms of using oxidation and reduction reactions, it is no different from ordinary chemical cells, but unlike chemical cells in which cells are reacted in a closed system, reactants are continuously supplied from the outside and reaction products are continuously discharged out of the system. Elimination is the difference between the two.

이러한 연료전지의 가장 대표적인 것으로서 수소-산소 연료전지가 있는데, 이것은 알칼리 수용액을 전해질로 사용하고 순수한 수소와 산소를 반응물로 사용한다. The most representative of these fuel cells is a hydrogen-oxygen fuel cell, which uses an aqueous alkali solution as an electrolyte and pure hydrogen and oxygen as reactants.

그리고, 수소 외에도 메탄이나 천연가스 등의 화석연료를 사용하는 기체연료와 메탄올(메틸알코올) 히드라진 같은 액체연료를 사용하는 것 등 많은 연료전지가 있으며, 이들 중 작동온도가 300℃ 이하인 것을 저온형이라 하고, 그 이상인 것을 고온형이라고 한다. In addition to hydrogen, there are many fuel cells such as gaseous fuel using fossil fuels such as methane and natural gas and liquid fuels such as methanol (methyl alcohol) hydrazine. It is called a high temperature type more than that.

또한, 발전효율의 향상을 고려한 연료전지와 귀금속 촉매를 사용하지 않은 고온형의 용융탄산염 연료전지를 제2세대, 그리고 보다 높은 효율로 발전(發電)하는 고체산화물 전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라 한다. In addition, the fuel cell considering the improvement of power generation efficiency and the solid oxide electrolyte fuel cell which generate the high temperature molten carbonate fuel cell without using the noble metal catalyst with higher efficiency and the third generation fuel It is called a battery.

현재 가장 실용화에 가까운 것은 인산전해질 연료전지로서, 이것은 화석연료를 개질시킨 수소를 주성분으로 하는 수소가스와 공기 속의 산소를 이용한 수소-공기연료전지가 있다. At present, the closest practical use is a phosphate fuel cell, which includes a hydrogen gas mainly containing hydrogen modified fossil fuel and a hydrogen-air fuel cell using oxygen in the air.

일례로 이러한 종래 기술의 연료전지 시스템에 대해 개략적으로 살펴보면, 양단부에 연료극과 공기극이 위치되고 이들 사이에 전해질이 마련되며 이들 연료극과 공기극으로 각각 공급된 수소와 산소에 의한 전기화학반응을 통해 전기를 생성시키는 스택과, 이 스택의 연료극으로 수소를 공급하기 위해 연료가스를 수소로 전환시키는 개질기와, 이 개질기로 개질공기를 공급하는 동시에 상기 스택의 공기극으로 가열공기를 공급하기 위한 연소기 및 상기 개질기로 스팀을 공급하기 위한 스 팀발생기 등을 포함하여 구성된다.As an example, the fuel cell system of the related art is roughly described. The anode and the cathode are positioned at both ends, and an electrolyte is provided therebetween, and electricity is supplied through the electrochemical reaction by hydrogen and oxygen supplied to the anode and the cathode, respectively. A stack to be produced, a reformer for converting fuel gas into hydrogen for supplying hydrogen to the anode of the stack, a combustor and a reformer for supplying reformed air to the cathode of the stack while supplying reformed air to the cathode of the stack. It includes a steam generator for supplying steam.

이러한 구성의 종래 기술은 연료를 개질기로 공급하는 동시에 연소기와 스팀발생기를 통해 고온의 개질공기와 스팀을 공급하여 연료를 수소로 개질시킨 후 스택의 연료극으로 공급하는 동시에 스택의 공기극으로는 산소를 공급하여 이들의 전기화학반응을 통해 전기를 생성시키는 것이다.The prior art of such a configuration supplies fuel to a reformer and at the same time supplies reformed fuel and steam at high temperature through a combustor and steam generator to reform fuel into hydrogen and then to the cathode of the stack while supplying oxygen to the cathode of the stack. To generate electricity through their electrochemical reactions.

한편, 스택의 연료극과 공기극으로 공급되는 수소와 산소가 완전히 반응되지는 못하고 그 중 일부는 불완전 반응에 의해 다시 스택 외부로 배출되는 경우도 있다. On the other hand, hydrogen and oxygen supplied to the fuel electrode and the air electrode of the stack are not completely reacted, and some of them may be discharged to the outside of the stack again by incomplete reaction.

그러나, 위와 같은 종래 기술의 연료전지 시스템은 스택에서 발생되는 폐에너지원(불완전 반응에 의한 수소와 산소)을 처리하기 위한 별도의 장치가 마련되어 있지 않아 폐에너지원을 그냥 외부로 방출시켜야만 하기 때문에, 열 손실에 따른 에너지 낭비는 물론 시스템 자체의 효율도 크게 떨어지게 되며, 또한, 기동 및 운전시에 소요되는 에너지 낭비가 극심하여 결과적으로 시스템의 신뢰성까지 하락시키게 되는 등의 문제점을 갖고 있었다. However, the fuel cell system of the prior art as described above does not have a separate device for treating the waste energy source (hydrogen and oxygen due to incomplete reaction) generated in the stack, so the waste energy source has to be discharged to the outside. Not only energy waste due to heat loss, but also the efficiency of the system itself is greatly reduced, and also has a problem such that the energy waste required during start-up and operation is severe, resulting in a drop in the reliability of the system.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 열교환부와 촉매연소부가 층상으로 반복 교차되도록 구성된 열교환형촉매연소부를 마련하는 한편 촉매연소부의 후방에는 폐에너지와의 연소열을 이용하여 스팀을 발생시키도록 하는 스팀발생부를 구비하여, 촉매연소부를 통해서는 스택을 경유한 폐가스(tail gas)와 폐공기를 연소시켜 유해물질을 제거할 수 있도록 하는 동시에 연소 후의 연 소열은 스팀발생부에서 스팀을 발생시킬 수 있도록 하며, 또한, 열교환부에서는 개질공기와 공정공기를 가열시켜 각각의 자열개질기와 스택의 운전조건에 맞는 공기를 공급할 수 있도록 함으로써, 열손실의 최소화에 따른 에너지 절약을 도모할 수 있음은 물론 시스템의 효율을 향상시킬 수 있도록 하여 결과적으로 제품의 신뢰성까지 향상되도록 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and provides a heat exchange type catalyst combustion unit configured to repeatedly cross the heat exchange unit and the catalytic combustion unit in a layered form while generating steam by using the heat of combustion with waste energy at the rear of the catalytic combustion unit. It has a steam generator to make it possible to remove harmful substances by burning tail gas and waste air via the stack through the catalytic combustion unit, and the heat of combustion after combustion generates steam in the steam generator. In addition, in the heat exchange part, the reformed air and the process air are heated to supply air suitable for the operating conditions of the respective autothermal reformer and the stack, thereby minimizing heat loss. Of course, the efficiency of the system can be improved, resulting in improved product reliability. It is an object of the present invention to provide a combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system.

이러한 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명의 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치는 열교환부와 촉매연소부가 마련된 열교환형촉매연소부; 상기 열교환부의 유입측에 배치되어 개질공기가 이 열교환부로 유입되도록 하는 개질공기유입부; 상기 개질공기유입부 인접부에 배치되어 공정공기가 상기 열교환부로 유입되도록 하는 공정공기유입부; 상기 열교환부의 배출측에 배치되어 개질공기가 이 열교환부 외부로 배출되도록 하는 개질공기배출부; 상기 개질공기배출부 인접부에 배치되어 공정공기가 상기 열교환부 외부로 배출되도록 하는 공정공기배출부; 상기 촉매연소부의 유입측에 배치되어 스택 양극쪽에서 나오는 폐가스가 이 촉매연소부로 유입되도록 하는 폐가스유입부; 상기 폐가스유입부 인접부에 배치되어 스택 음극쪽으로 나오는 폐공기가 상기 촉매연소부로 유입되도록 하는 폐공기유입부; 및 상기 촉매연소부의 배출측에 배치되어 폐열이 외부로 배출되도록 하는 폐열배출부를 포함하여 구성된다.In order to achieve the above object, the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system of the present invention comprises: a heat exchange type catalyst combustion unit provided with a heat exchange unit and a catalytic combustion unit; A reformed air inlet unit disposed at an inflow side of the heat exchange unit to allow reformed air to flow into the heat exchange unit; A process air inlet unit disposed adjacent to the reformed air inlet unit to allow process air to flow into the heat exchange unit; A reformed air discharge unit disposed on the discharge side of the heat exchange unit to discharge reformed air to the outside of the heat exchange unit; A process air discharge unit disposed at an adjacent portion of the reformed air discharge unit to discharge process air to the outside of the heat exchange unit; A waste gas inlet unit disposed at the inlet side of the catalytic combustion unit such that waste gas from the stack anode side is introduced into the catalytic combustion unit; A waste air inlet unit disposed at an adjacent portion of the waste gas inlet unit to allow the waste air coming out of the stack cathode to flow into the catalytic combustion unit; And a waste heat discharge unit disposed at the discharge side of the catalyst combustion unit to discharge waste heat to the outside.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체 형 장치에 있어서, 상기 열교환형촉매연소부의 열교환부와 촉매연소부는 이들의 열교환유로 및 촉매연소유로를 경유하는 가스들이 서로 교차해서 흐르는 동안 열 교환이 이루어지도록 교차 배열된 것이 바람직하다.Further, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, the heat exchange portion and the catalyst combustion portion of the heat exchange type catalyst combustion portion cross each other through the heat exchange passage and the catalyst combustion passage. It is preferred that they are arranged crosswise so that heat exchange takes place during the flow.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 있어서, 상기 열교환부와 촉매연소부의 교차 배열 구조는, 각각의 열교환유로 및 촉매연소유로가 상하 층상 구조로 반복해서 교차 배열된 것이 바람직하다.Further, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, the heat exchange unit and the catalytic combustion unit have a cross arrangement of the heat exchange passages and the catalyst combustion passages in a vertically arranged layer structure. Is preferred.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 있어서, 상기 열교환부의 열교환유로는 각각 복수의 유로홈을 갖는 상, 하판이 서로 겹쳐져서 된 것이 바람직하다.In addition, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, it is preferable that the heat exchange passages of the heat exchange part have a plurality of upper and lower plates overlapping each other.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 있어서, 상기 열교환유로는 상, 하판의 폐열 흐름 방향인 길이방향 내측에 배치되어 열교환 흐름 방향인 폭 방향 전체를 따라 유입측에서 배출측까지 연속되는 지그재그 구조로 된 것이 바람직하다.In addition, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, the heat exchange passage is disposed in the longitudinal direction in the waste heat flow direction of the upper and lower plates, and the inflow side along the entire width direction in the heat exchange flow direction. It is preferable that the zigzag structure is continuous from the discharge side to the discharge side.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 있어서, 상기 열교환유로의 지그재그 구조는, 상기 열교환부 유입측의 일측면에서 일정길이 직진하여 촉매연소유로와 교차되는 제1교차유로; 상기 제1교차유로에서 직각 절곡되어 상기 촉매연소유로와 평행한 상태로 일정길이 연장되는 평행유로; 및 상기 평행유로에서 다시 직각 절곡되어 촉매연소유로와 교차되는 제2교차유로로 이루어진 것이 바람직하다.In addition, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, the zigzag structure of the heat exchange flow path is a first length that goes straight on one side of the heat exchange inlet side and crosses the catalytic combustion flow path. Cross flow paths; A parallel flow passage bent at a right angle in the first cross flow passage to extend a predetermined length in parallel with the catalytic combustion flow passage; And a second crossover passage that is bent at right angles to the parallel passage and intersects with the catalytic combustion passage.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 있어서, 상기 촉매연소부의 촉매연소유로는, 상하 열교환유로 사이의 공간 중 이 열교환유로의 유입측과 배출측 방향의 전, 후단부에 각각 차단벽체가 배치되고, 이들 차단벽체 사이의 공간에 촉매제가 채워져서 된 것이 바람직하다.Further, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, the catalytic combustion flow path of the catalytic combustion section includes the front and rear sides of the heat exchange flow path in the inflow side and the discharge side direction of the space between the upper and lower heat exchange flow paths. It is preferable that the blocking walls are arranged at the rear ends, and the catalyst is filled in the space between these blocking walls.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 있어서, 상기 개질공기유입부, 공정공기유입부, 개질공기배출부 및 공정공기배출부는 각각의 해당 유입측과 배출측을 덮어씌우도록 일측면이 개방된 사각박스 형상으로 그 타단면에 관체가 연통된 구조로 된 것이 바람직하다.In addition, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, the reformed air inlet, the process air inlet, the reformed air outlet, and the process air outlet are respectively corresponding inlet and outlet sides. It is preferable to have a structure in which a tubular body is communicated with the other end surface in a rectangular box shape in which one side is opened to cover.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 있어서, 상기 열교환형촉매연소부의 촉매연소유로 방향 전단부에 이 촉매연소유로가 개방되도록 중앙에 관통공을 갖는 플랜지부가 마련되고, 이에 대응되는 폐가스유입부 및 폐공기유입부에 각각 가스 및 공기가 흐르도록 중앙에 관통공이 형성되며 상기 플랜지부와 착탈 가능하게 결합되는 플랜지부가 마련된 것이 바람직하다.Further, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, a flange portion having a through hole in the center is provided so that the catalytic combustion flow path is opened at the front end of the catalytic combustion flow path in the heat exchange type catalyst combustion section. The through-gas is formed in the center so that the gas and air flow through the corresponding waste gas inlet and the waste air inlet, respectively, and a flange portion detachably coupled to the flange portion is provided.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 있어서, 상기 폐가스유입부 및 폐공기유입부는 격벽에 의해 중앙이 분리되고 일단부가 상기 플랜지부의 관통공에 밀착 결합되도록 개방되며 그 타단부가 호퍼 형상으로 좁아져서 그 타단면에 각각 폐가스와 폐공기가 유입되도록 하는 관체가 각각 마련된 일체형 구조인 것이 바람직하다.In addition, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, the waste gas inlet part and the waste air inlet part are separated by a partition wall and open so that one end thereof is tightly coupled to the through hole of the flange part. It is preferable that the other end is narrowed in the shape of a hopper so that the other end is a one-piece structure is provided with each of the tubular body to allow the waste gas and the waste air inflow.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체 형 장치에 있어서, 상기 격벽은 폐가스와 폐공기가 촉매연소부 입구에서 혼합되어 연소될 수 있도록 상기 촉매연소부의 입구까지 연장된 것이 바람직하다.Further, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, the partition wall extends to the inlet of the catalytic combustion unit so that the waste gas and the waste air can be mixed and combusted at the inlet of the catalytic combustion unit. desirable.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 있어서, 상기 플랜지부의 관통공에 밀착되는 일단부 내측부에 폐가스와 폐공기가 분기되어 촉매연소부 입구까지 안내되도록 복수의 분기공을 갖는 다공판 구조의 매니폴드가 더 구비된 것이 바람직하다.In addition, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, a plurality of waste gas and waste air are branched inside one end portion in close contact with the through-hole of the flange to guide to the inlet of the catalytic combustion portion. It is preferable that the manifold of the porous plate structure which has a branch hole is further provided.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 있어서, 상기 매니폴드의 분기공은 중앙부에 소직경 구조의 분기공이 마련되고 그 테두리쪽으로 갈수록 대직경 구조의 분기공이 배치되는 구조로 된 것이 바람직하다.In addition, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, a branch hole of the manifold is provided with a branch hole having a small diameter structure at a central portion thereof, and a branch hole having a large diameter structure is disposed toward the edge thereof. It is preferable to become.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 있어서, 상기 열교환형촉매연소부의 촉매연소유로 방향 후단부에 이 촉매연소유로가 개방되도록 중앙에 관통공을 갖는 플랜지부가 마련되고, 이에 대응되는 폐열배출부에 해당 폐열가스가 흐르도록 중앙에 관통공이 형성되며 상기 플랜지부와 착탈 가능하게 결합되는 플랜지부가 마련된 것이 바람직하다.Further, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, a flange portion having a through hole in the center is provided at the rear end of the heat exchange-type catalyst combustion section in the catalytic combustion flow path direction. The through-hole is formed in the center so that the waste heat gas flows to the corresponding waste heat discharge part, and a flange part detachably coupled to the flange part is provided.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치에 있어서, 상기 폐열배출부는 일단부가 상기 플랜지부의 관통공에 밀착 결합되도록 개방되며 그 타단부가 호퍼 형상으로 좁아져서 그 타단면에 폐열가스가 배출되도록 하는 관체가 마련된 구조인 것이 바람직하다.Further, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, the waste heat discharge portion is opened so that one end thereof is tightly coupled to the through hole of the flange portion, and the other end thereof is narrowed in a hopper shape so that the other end thereof is narrowed. It is preferable that it is the structure provided with the pipe body which discharges waste heat gas in the cross section.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체 형 장치에 있어서, 상기 폐열배출부와 플랜지부 사이에 이 폐열배출부로 배출되는 폐열을 이용하여 스팀을 발생시키기 위한 스팀발생부가 더 구비된 것이 바람직하다.Further, in the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to the present invention, a steam generator for generating steam by using waste heat discharged to the waste heat discharge portion between the waste heat discharge portion and the flange portion is further included. It is preferred to be provided.

이상에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치는 열교환부와 촉매연소부가 층상으로 반복 교차되도록 구성된 열교환형촉매연소부를 마련하는 한편 촉매연소부의 후방에는 폐에너지와의 연소열을 이용하여 스팀을 발생시키도록 하는 스팀발생부를 구비하여, 촉매연소부를 통해서는 스택을 경유한 폐가스(tail gas)와 폐공기를 연소시켜 유해물질을 제거할 수 있도록 하는 동시에 연소 후의 연소열은 스팀발생부에서 스팀을 발생시킬 수 있도록 하며, 또한, 열교환부에서는 개질공기와 공정공기를 가열시켜 각각의 자열개질기와 스택의 운전조건에 맞는 공기를 공급할 수 있도록 함으로써, 열손실의 최소화에 따른 에너지 절약을 도모할 수 있음은 물론 시스템의 효율을 향상시킬 수 있도록 하여 결과적으로 제품의 신뢰성까지 향상되도록 하는 등의 효과를 얻는다.As described above, the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention provides a heat exchange type catalyst combustion unit configured to repeatedly cross the heat exchange unit and the catalytic combustion unit in a layered manner, while the rear of the catalytic combustion unit It has a steam generator to generate steam by using the heat of combustion with the waste energy, and through the catalytic combustion unit to remove the harmful substances by burning the tail gas and waste air via the stack. The heat of combustion after combustion allows steam to be generated in the steam generator and heat exchanger to heat the reformed air and the process air to supply air suitable for the operating conditions of the respective autothermal reformer and the stack. Energy savings due to minimization can be achieved and system efficiency can be improved. As a result, the effect is obtained such as to improve the reliability of the product.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명을 다음의 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.The present invention having the above configuration will be described in more detail with reference to the following drawings.

도 1 내지 도 6에서 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치는 열교환부(12)와 촉매연소 부(14)가 마련된 열교환형촉매연소부(10)와, 상기 열교환부(12)의 유입측에 배치되어 개질공기가 이 열교환부(12)로 유입되도록 하는 개질공기유입부(20)와, 이 개질공기유입부(20) 인접부에 배치되어 공정공기가 상기 열교환부(12)로 유입되도록 하는 공정공기유입부(22)와, 상기 열교환부(12)의 배출측에 배치되어 개질공기가 이 열교환부(12) 외부로 배출되도록 하는 개질공기배출부(24)와, 이 개질공기배출부(24) 인접부에 배치되어 공정공기가 상기 열교환부(12) 외부로 배출되도록 하는 공정공기배출부(26)와, 상기 촉매연소부(14)의 유입측에 배치되어 폐가스가 이 촉매연소부(14)로 유입되도록 하는 폐가스유입부(30)와, 이 폐가스유입부(30) 인접부에 배치되어 폐공기가 상기 촉매연소부(14)로 유입되도록 하는 폐공기유입부(32) 및 상기 촉매연소부(14)의 배출측에 배치되어 폐열이 외부로 배출되도록 하는 폐열배출부(34)를 포함하는 구성으로 되어 있다.As shown in Figures 1 to 6, the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention is a heat exchange catalyst combustion unit provided with a heat exchange unit 12 and a catalytic combustion unit 14 10, a reformed air inlet 20 disposed on the inflow side of the heat exchanger 12 to allow reformed air to flow into the heat exchanger 12, and adjacent to the reformed air inlet 20 A process air inlet part 22 disposed to allow process air to flow into the heat exchange part 12, and disposed on a discharge side of the heat exchange part 12 so that reformed air is discharged to the outside of the heat exchange part 12. A reformed air exhaust portion 24, a process air exhaust portion 26 disposed adjacent to the reformed air exhaust portion 24 to allow process air to be discharged outside the heat exchange portion 12, and the catalytic combustion portion ( 14 is disposed on the inflow side to allow waste gas to flow into the catalytic combustion section 14 The inlet part 30 and the waste air inlet part 32 disposed adjacent to the waste gas inlet part 30 to allow the waste air to flow into the catalytic combustion part 14 and to discharge the catalyst combustion part 14. It is arranged to include a waste heat discharge portion 34 disposed on the side to discharge the waste heat to the outside.

그리고, 상기 열교환형촉매연소부(10)의 열교환부(12)와 촉매연소부(14)는 이들의 열교환유로(12a) 및 촉매연소유로(14a)를 경유하는 가스들이 서로 교차해서 흐르는 동안 열 교환이 이루어지도록 교차 배열되되, 특히 상기 열교환부(12)와 촉매연소부(14)의 교차 배열 구조는, 각각의 열교환유로(12a) 및 촉매연소유로(14a)가 상하 층상 구조로 반복해서 교차 배열되어 있다.The heat exchanger 12 and the catalyst combustion unit 14 of the heat exchange type catalyst combustion unit 10 are heated while the gases passing through the heat exchange passage 12a and the catalyst combustion passage 14a cross each other. The heat exchange unit 12 and the catalytic combustion unit 14 cross each other so that the heat exchange unit 12 and the catalyst combustion unit 14a cross each other repeatedly in an upper and lower layered structure. Are arranged.

그리고, 상기 열교환부(12)의 열교환유로(12a)는 각각 복수의 유로홈(12a11,12a21)을 갖는 상, 하판(12a1,12a2)이 서로 겹쳐져서 만들어지며, 이 열교환유로(12a)는 상, 하판(12a1,12a2)의 폐열 흐름 방향인 길이방향 내측에 배치되어 열교환 흐름 방향인 폭 방향 전체를 따라 유입측에서 배출측까지 연속되는 지그 재그 구조로 되어 있다.In addition, the heat exchange passage 12a of the heat exchange unit 12 is formed by the upper and lower plates 12a1 and 12a2 having a plurality of flow path grooves 12a11 and 12a21 respectively, and the heat exchange passages 12a overlap each other. The inner side of the lower plates 12a1, 12a2 is arranged in the longitudinal direction in the waste heat flow direction, and has a jig-zag structure that is continuous from the inflow side to the discharge side along the entire width direction in the heat exchange flow direction.

즉, 상기 유로홈(12a11,12a21)에 의해 유로가 형성되는 구조이므로 자연히 길이방향 전, 후단부는 막혀있는 구조가 되어 이 전, 후단부를 차단하기 위한 별도의 차단부재가 필요 없게 되는 것이다. That is, since the flow path is formed by the flow path grooves 12a11 and 12a21, the front and rear ends of the longitudinal direction are naturally blocked, so that a separate blocking member for blocking the front and rear ends is unnecessary.

한편, 상기 열교환유로(12a)의 지그재그 구조를 보다 상세히 살펴보면, 상기 열교환부(12) 유입측의 우측면에서 시작하고 일정길이 직진하여 촉매연소유로(14a)와 교차되는 제1교차유로(12a3)와, 이 제1교차유로(12a3)에서 좌측으로 직각 절곡되어 상기 촉매연소유로(14a)와 평행한 상태로 일정길이 연장되는 평행유로(12a4) 및 이 평행유로(12a4)에서 다시 우측으로 직각 절곡되어 촉매연소유로(14a)와 교차되는 제2교차유로(12a5)로 이루어져 있다.On the other hand, when looking at the zigzag structure of the heat exchange passage 12a in more detail, starting from the right side of the heat exchange unit 12 inlet side and go straight a predetermined length and crosses the first combustion passage 12a and the catalytic combustion passage 14a The first cross flow passage 12a3 is bent at right angles to the left and parallel passage 12a4 extends a predetermined length in parallel with the catalytic combustion flow passage 14a and at right angles to the right in the parallel flow passage 12a4 again. It consists of a 2nd intersection flow path 12a5 which cross | intersects the catalyst combustion flow path 14a.

그리고, 상기 촉매연소부(14)의 촉매연소유로(14a)는, 상하 열교환유로(12a) 사이의 공간 중 이 열교환유로(12a)의 유입측과 배출측 방향의 전, 후단부에 각각 길다란 사각막대 형상의 차단벽체(14a1)가 배치되고, 이들 차단벽체(14a1) 사이의 공간에 촉매제(14a2)가 채워지는 구조로 되어 있다.The catalyst combustion flow passage 14a of the catalyst combustion portion 14 has a long square at the front and rear ends of the heat exchange flow passage 12a in the inflow side and the discharge side direction of the space between the upper and lower heat exchange flow passages 12a. The bar-shaped blocking wall 14a1 is arranged, and the catalyst 14a2 is filled in the space between these blocking wall 14a1.

즉, 열교환부(12) 방향에서 볼 때, 어느 한 층이 열교환유로(12a)이면 그 다음층은 차단벽체(14a1)이고 다시 그 다음층은 열교환유로(12a)가 되는 이른바 격층 구조로 되어 있는 것이다. In other words, when viewed from the heat exchange part 12 direction, if one layer is a heat exchange passage 12a, the next layer is a barrier wall 14a1, and the next layer is a so-called diaphragm structure that becomes the heat exchange passage 12a. will be.

그리고, 상기 개질공기유입부(20), 공정공기유입부(22), 개질공기배출부(24) 및 공정공기배출부(26)는 각각의 해당 유입측과 배출측을 밀폐 상태로 덮어씌우도록 일측면이 개방된 사각박스 형상으로 되고, 그 타단면에는 각각의 가스가 유입되 도록 하는 소직경 형상의 관체(20a,22a,24a,26a)가 연통된 구조로 되어 있다.The reformed air inlet 20, the process air inlet 22, the reformed air outlet 24, and the process air outlet 26 cover the respective inlet and outlet sides in a sealed state. One side is an open rectangular box shape, and the other end surface has a structure in which small-diameter tubular bodies 20a, 22a, 24a, and 26a communicate with each other.

그리고, 상기 열교환형촉매연소부(10)의 촉매연소유로(14a) 방향 전단부에는 이 촉매연소유로(14a)가 개방되도록 중앙에 관통공(42a)을 갖는 플랜지부(42)가 밀접 결합되어 있고, 이에 대응되는 폐가스유입부(30) 및 폐공기유입부(32)에는 각각 가스 및 공기가 흐르도록 중앙에 관통공(44a)이 형성되며 상기 플랜지부(42)와 착탈 가능하게 결합되는 플랜지부(44)가 밀접 결합되어 있다.In addition, a flange portion 42 having a through hole 42a at the center thereof is closely coupled to the front end portion of the heat exchange type catalyst combustion section 10 in the direction of catalytic combustion flow passage 14a so as to open the catalyst combustion flow passage 14a. The waste gas inlet part 30 and the waste air inlet part 32 corresponding thereto have a through hole 44a formed at the center thereof so that gas and air flow, respectively, and are detachably coupled to the flange part 42. Branch 44 is closely coupled.

여기서, 미 설명부호 43은 플랜지부(42)의 관통공(42a)에 배치되어 상기 촉매연소부(14) 내의 촉매제가 외부로 이탈되는 것을 방지하는 동시에 유입되는 산소량(즉, 산소의 흐름)을 줄여 촉매제에 의해 서서히 연소되도록 하기 위한 미세 망상 구조의 타공망을 나타낸 것이고, 45는 양 플랜지부(42,44) 사이를 실링하기 위한 실링부재를 나타낸 것이다. Here, reference numeral 43 is disposed in the through hole 42a of the flange portion 42 to prevent the catalyst agent in the catalytic combustion unit 14 from escaping to the outside and at the same time the amount of oxygen introduced (that is, the flow of oxygen). In other words, a perforated network having a fine network structure for slowly burning by the catalyst is shown, and 45 represents a sealing member for sealing between both flange portions 42 and 44.

그리고, 상기 폐가스유입부(30) 및 폐공기유입부(32)는 격벽(33)에 의해 중앙이 분리되고 일단부가 상기 플랜지부(44)의 관통공(44a)에 밀착 결합되도록 개방되며 그 타단부가 호퍼 형상으로 좁아져서 그 타단면에 각각 폐가스와 폐공기가 유입되도록 하는 소직경 원관 형상의 관체(30a,32a)가 각각 마련된 일체형 구조로 되어 있다.In addition, the waste gas inlet 30 and the waste air inlet 32 are separated from each other by the partition 33, and one end thereof is opened to be tightly coupled to the through hole 44a of the flange 44. The end is narrowed in the shape of a hopper, and has an integral structure in which small-diameter cylindrical tubular bodies 30a and 32a are provided, respectively, to allow the waste gas and the waste air to flow into the other end faces thereof, respectively.

여기서, 상기 격벽(33)은 폐가스와 폐공기가 촉매연소부(14) 입구에서 혼합되어 연소될 수 있도록 상기 촉매연소부(14)의 입구까지 연장되는 판재 형상으로 되어 있다.Here, the partition 33 has a plate shape extending to the inlet of the catalytic combustion unit 14 so that the waste gas and the waste air can be mixed and combusted at the inlet of the catalytic combustion unit 14.

그리고, 상기 플랜지부(44)의 관통공(44a)에 밀착되는 일단부 내측부에는 폐 가스와 폐공기가 분기되어 촉매연소부(14) 입구까지 안내되도록 복수의 분기공(52)을 갖는 다공판 구조의 매니폴드(50)가 마련되어 있다.In addition, a perforated plate structure having a plurality of branched holes 52 at one end portion in close contact with the through hole 44a of the flange portion 44 so that the waste gas and the waste air are branched and guided to the inlet of the catalytic combustion portion 14. Manifold 50 is provided.

이러한 상기 매니폴드(50)의 분기공(52)들은 중앙부에 소직경 구조의 분기공(52)이 마련되고 그 테두리쪽으로 갈수록 대직경 구조의 분기공(52)이 배치되는 구조로 되어 있다.The branch holes 52 of the manifold 50 have a structure in which a branch hole 52 of a small diameter structure is provided at a central portion thereof, and a branch hole 52 of a large diameter structure is disposed toward the edge thereof.

그리고, 상기 열교환형촉매연소부(10)의 촉매연소유로(14a) 방향 후단부에는 이 촉매연소유로(14a)가 개방되도록 중앙에 관통공(46a)을 갖는 플랜지부(46)가 마련되고, 이에 대응되는 폐열배출부(34)에는 해당 폐열가스가 흐르도록 중앙에 관통공(48a)이 형성되며 상기 플랜지부(46)와 착탈 가능하게 결합되는 플랜지부(48)가 마련되어 있다.In addition, a flange portion 46 having a through hole 46a in the center is provided at a rear end portion of the heat exchange type catalyst combustion section 10 in the direction of catalytic combustion flow passage 14a so as to open the catalyst combustion flow passage 14a. The waste heat discharge portion 34 corresponding thereto has a through hole 48a formed at the center so that the waste heat gas flows, and a flange portion 48 detachably coupled to the flange portion 46 is provided.

그리고, 상기 폐열배출부(34)는 일단부가 상기 플랜지부(48)의 관통공(48a)에 밀착 결합되도록 개방되며 그 타단부가 호퍼 형상으로 좁아져서 그 타단면에 폐열가스가 배출되도록 하는 소직경 원관 형상의 관체(34a)가 마련된 구조로 되어 있다. The waste heat discharging portion 34 is open so that one end thereof is tightly coupled to the through hole 48a of the flange portion 48, and the other end thereof is narrowed into a hopper shape so that waste heat gas is discharged to the other end surface thereof. It is a structure provided with the tubular body 34a of diameter cylindrical tube shape.

여기서도, 미 설명부호 47은 플랜지부(46)의 관통공(46a)에 배치되어 상기 촉매연소부(14) 내의 촉매제가 외부로 이탈되는 것을 방지하는 동시에 배출되는 산소량(즉, 산소의 흐름)을 줄여 촉매제에 의해 서서히 연소되도록 하기 위한 미세 망상 구조의 타공망을 나타낸 것이고, 49는 양 플랜지부(46,48) 사이를 실링하기 위한 실링부재를 나타낸 것이다. Here too, reference numeral 47 is disposed in the through hole 46a of the flange portion 46 to prevent the catalyst agent in the catalytic combustion portion 14 from escaping to the outside and at the same time discharges the amount of oxygen (ie, the flow of oxygen). In other words, a perforated network having a fine network structure for slowly burning by the catalyst is shown, and 49 represents a sealing member for sealing between both flange portions 46 and 48.

한편, 도 7에서 나타낸 것과 같이, 상기 폐열배출부(34)와 플랜지부(48) 사 이에는 이 폐열배출부(34)로 배출되는 폐열을 이용하여 스팀을 발생시키기 위한 스팀발생부(60)를 구비할 수도 있을 것이다.On the other hand, as shown in Figure 7, between the waste heat discharging portion 34 and the flange 48, the steam generator 60 for generating steam by using the waste heat discharged to the waste heat discharging portion 34 It may be provided with.

이러한 구성에 따른 본 발명의 일 실시예인 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치를 통해 폐열이 처리되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the process of the waste heat is processed through the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention as described above.

먼저, 스택으로부터 배출된 폐가스는 폐가스유입부(30)를 통해 촉매연소부(14)로 유입되고 이와 동시에 폐공기는 폐공기유입부(32)를 통해 촉매연소부(14)로 유입되어 연소가 이루어진다.First, the waste gas discharged from the stack is introduced into the catalytic combustion unit 14 through the waste gas inlet unit 30, and at the same time, the waste air is introduced into the catalytic combustion unit 14 through the waste air inlet unit 32 to burn the gas. Is done.

이때, 각각의 폐가스와 폐공기는 격벽(33)에 의해 따로 유입되다가 촉매연소부(14) 입구측에서 합쳐진 후 이 촉매연소부(14)로 유입된다.At this time, each of the waste gas and the waste air is separately introduced by the partition wall 33 and then combined at the inlet side of the catalytic combustion unit 14 and then introduced into the catalytic combustion unit 14.

여기서, 상기 촉매연소부(14)로 유입되는 기체들은 그 전에 타공망(43)을 거쳐 미세먼지 등의 이물질이 제거된 상태로 유입된다. Here, the gas flowing into the catalytic combustion unit 14 is introduced into the state in which foreign matters such as fine dust are removed through the perforation network 43.

이렇게, 촉매연소부(14)에서 연소되어 유해물질이 제거된 후 남은 폐열은 최종적으로 폐열배출부(34)를 통해 외부로 방출된다.In this way, the waste heat remaining after the harmful substances are removed by combustion in the catalytic combustion unit 14 is finally discharged to the outside through the waste heat discharge unit 34.

한편, 상기 폐열배출부(34)로 배출되기 전에 스팀발생부(60)가 설치되어 있을 경우에는 이 스팀발생부(60)에서 폐열을 이용하여 스팀을 생성할 수도 있을 것이다.On the other hand, if the steam generating unit 60 is installed before being discharged to the waste heat discharging unit 34, the steam generating unit 60 may generate steam using waste heat.

여기서도, 상기 스팀발생부(60)로 유입되는 기체들은 그 전에 타공망(47)을 거쳐 미세먼지 등의 이물질이 제거된 상태로 유입된다. Here, the gas flowing into the steam generating unit 60 is introduced into the state in which foreign matters such as fine dust are removed through the perforation network 47.

이렇게 하여, 스택으로부터 배출된 폐가스 및 폐공기는 열교환형촉매연소 부(10)의 촉매연소부(14)에서 연소된 후 외부로 배출되는 흐름을 갖게 되는 것이다.In this way, the waste gas and the waste air discharged from the stack have a flow discharged to the outside after being burned in the catalytic combustion unit 14 of the heat exchange type catalytic combustion unit 10.

한편, 상기 폐열 흐름과 교차되는 방향으로 마련된 열교환부(12)의 개질공기유입부(20)로는 개질을 위한 개질공기가 유입되어 해당 열교환유로(12a)를 타고 흘러 반대편의 개질공기배출부(24)로 배출되는 동시에 상기 열교환부(12)의 공정공기유입부(22)로는 스택에서 수소와 반응하기 위한 산소가 유입되어 이 역시 해당 열교환유로(12a)를 타고 흘러 반대편의 공정공기배출부(26)로 배출되는 흐름을 갖게 되는 것이다.Meanwhile, the reformed air inlet 20 of the heat exchange part 12 provided in the direction intersecting the waste heat flow flows into the reformed air for reforming, flows through the corresponding heat exchange flow path 12a, and the other side of the reformed air discharge part 24. At the same time, the oxygen flow for reacting with hydrogen in the stack flows into the process air inlet 22 of the heat exchanger 12, which also flows through the heat exchange passage 12a and is opposite to the process air outlet 26. Will have a flow to the outlet.

이때, 이들 개질공기와 공정공기는 열교환유로(12a)를 경유하는 동안 그 상, 하층에 마련되어 있는 촉매연소부(14)의 연소열에 의해 열 교환이 이루어져 가열된 상태로 배출된다. At this time, the reformed air and the process air are heat exchanged by the heat of combustion of the catalytic combustion unit 14 provided in the upper and lower layers while passing through the heat exchange passage 12a, and discharged in a heated state.

한편, 상기 개질공기와 공정공기는 지그재그 구조의 제1교차유로(12a3), 평행유로(12a4) 및 제2교차유로(12a5)를 거치는 동안 충분히 가열되어 해당 개질기와 스택으로 원하는 공기를 공급할 수 있게 되는 것이다. Meanwhile, the reformed air and the process air are sufficiently heated to pass the first cross flow passage 12a3, the parallel flow passage 12a4, and the second cross flow passage 12a5 of the zigzag structure to supply the desired air to the reformer and the stack. Will be.

이렇게 함으로써, 본 발명의 열교환형촉매연소부(10)를 통해 스택으로부터 배출된 폐가스 및 폐공기는 유해물질을 제거한 나머지 연소열만 외부로 방출시키는 동시에 개질공기와 공정공기들에게는 열을 공급하여 해당 개질기와 스택으로 고열공기를 공급할 수 있도록 하는 한편, 스팀발생부(60)를 추가로 설치하여 폐열을 통해 스팀까지 얻을 수 있게 되는 것이다. By doing so, the waste gas and waste air discharged from the stack through the heat exchange type catalyst combustion unit 10 of the present invention remove the harmful substances and release only the combustion heat to the outside, while supplying heat to the reformed air and the process air to the reformer. While allowing to supply high-temperature air to the stack, the steam generator 60 may be additionally installed to obtain steam through waste heat.

이상에서와 같이, 본 발명은 상기의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 이러한 실시예를 종래의 공지 기술과 단순히 조합 적용한 실시예는 물론 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 용이하게 변형하여 이용할 수 있는 기술들은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다. As described above, the present invention has been described with reference to the above preferred embodiments, but the embodiments to which such embodiments are simply combined with conventionally known techniques, as well as the technical field of the present invention in the claims and detailed description of the present invention. It will be appreciated that those skilled in the art can readily be modified and used within the technical scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치를 나타낸 사시도이다. 1 is a perspective view showing a combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치를 나타낸 분해사시도이다. Figure 2a is an exploded perspective view showing a combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2b는 도 2a의 열교환형촉매연소부를 나타낸 요부사시도이다. FIG. 2B is an essential part perspective view of the heat exchange catalyst combustion part of FIG. 2A; FIG.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치를 나타낸 평면도이다. 3 is a plan view showing a combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 4는 도 2b의 A-A선 단면도이다.4 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG. 2B.

도 5는 도 2b의 B-B선 단면도이다. 5 is a cross-sectional view taken along the line B-B in FIG. 2B.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치의 각 유로 흐름을 나타낸 개략 평단면도이다. 6 is a schematic plan cross-sectional view showing each flow path of the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치로서 스팀발생부가 추가된 상태를 나타낸 분해사시도이다. 7 is an exploded perspective view showing a state in which a steam generator is added as a combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system according to another exemplary embodiment of the present invention.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **** Description of symbols for the main parts of the drawing **

10 : 열교환형촉매연소부 12 : 열교환부10: heat exchange type catalyst combustion unit 12: heat exchange unit

12a : 열교환유로 12a1 : 상판12a: heat exchange path 12a1: top plate

12a11 : 유로홈 12a2 : 하판12a11: Eurohome 12a2: Lower plate

12a21 : 유로홈 12a3 : 제1교차유로12a21: Euro Home 12a3: First Crossing Euro

12a4 : 평행유로 12a5 : 제2교차유로12a4: Parallel Euro 12a5: Second Cross Euro

14a : 촉매연소유로 14a1 : 차단벽체14a: catalytic combustion flow passage 14a1: barrier wall

14a2 : 촉매제 20 : 개질공기유입부14a2: catalyst 20: reformed air inlet

20a : 관체 22 : 공정공기유입부20a: pipe 22: process air inlet

22a : 관체 24 : 개질공기배출부22a: tube 24: reformed air outlet

24a : 관체 26 : 공정공기배출부24a: pipe body 26: process air discharge part

26a : 관체 30 : 폐가스유입부26a: pipe 30: waste gas inlet

30a : 관체 32 : 폐공기유입부30a: pipe 32: waste air inlet

32a : 관체 33 : 격벽32a: tube 33: bulkhead

34 : 폐열배출부 34a : 관체34: waste heat discharge part 34a: tube

42 : 플랜지부 42a : 관통공42: flange portion 42a: through hole

43 : 타공망 44 : 플랜지부43: perforation network 44: flange

44a : 관통공 45 : 실링부재44a: through hole 45: sealing member

46 : 플랜지부 46a : 관통공46: flange portion 46a: through hole

47 : 타공망 48 : 플랜지부47: perforation network 48: flange

48a : 관통공 49 : 실링부재48a: through hole 49: sealing member

50 : 매니폴드 52 : 분기공50: manifold 52: branch hole

60 : 스팀발생부60: steam generator

Claims (16)

열교환부(12)와 촉매연소부(14)가 마련된 열교환형촉매연소부(10);A heat exchange type catalyst combustion unit 10 provided with a heat exchange unit 12 and a catalyst combustion unit 14; 상기 열교환부(12)의 유입측에 배치되어 개질공기가 이 열교환부(12)로 유입되도록 하는 개질공기유입부(20);A reformed air inflow unit 20 disposed at an inflow side of the heat exchange unit 12 to allow reformed air to flow into the heat exchange unit 12; 상기 개질공기유입부(20) 인접부에 배치되어 공정공기가 상기 열교환부(12)로 유입되도록 하는 공정공기유입부(22);A process air inlet part 22 disposed adjacent to the reformed air inlet part 20 to allow process air to flow into the heat exchange part 12; 상기 열교환부(12)의 배출측에 배치되어 개질공기가 이 열교환부(12) 외부로 배출되도록 하는 개질공기배출부(24);A reformed air discharge part 24 disposed on the discharge side of the heat exchange part 12 so that the reformed air is discharged to the outside of the heat exchange part 12; 상기 개질공기배출부(24) 인접부에 배치되어 공정공기가 상기 열교환부(12) 외부로 배출되도록 하는 공정공기배출부(26);A process air discharge unit 26 disposed adjacent to the reformed air discharge unit 24 to allow process air to be discharged to the outside of the heat exchange unit 12; 상기 촉매연소부(14)의 유입측에 배치되어 스택 양극쪽에서 나오는 폐가스가 이 촉매연소부(14)로 유입되도록 하는 폐가스유입부(30);A waste gas inlet unit 30 disposed on the inlet side of the catalytic combustion unit 14 to allow the waste gas from the stack anode to be introduced into the catalytic combustion unit 14; 상기 폐가스유입부(30) 인접부에 배치되어 스택 음극쪽에서 나오는 폐공기가 상기 촉매연소부(14)로 유입되도록 하는 폐공기유입부(32); 및A waste air inlet unit 32 disposed adjacent to the waste gas inlet unit 30 to allow waste air from the stack cathode to be introduced into the catalytic combustion unit 14; And 상기 촉매연소부(14)의 배출측에 배치되어 폐열이 외부로 배출되도록 하는 폐열배출부(34);A waste heat discharging unit 34 disposed on the discharging side of the catalytic combustion unit 14 to discharge waste heat to the outside; 를 포함하여 구성되는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.Combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system comprising a. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 열교환형촉매연소부(10)의 열교환부(12)와 촉매연소부(14)는 이들의 열교환유로(12a) 및 촉매연소유로(14a)를 경유하는 가스들이 서로 교차해서 흐르는 동안 열 교환이 이루어지도록 교차 배열된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.The heat exchange unit 12 and the catalyst combustion unit 14 of the heat exchange type catalyst combustion unit 10 are heat exchanged while the gases passing through the heat exchange passage 12a and the catalyst combustion passage 14a cross each other. A combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system, characterized in that it is arranged to cross. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 열교환부(12)와 촉매연소부(14)의 교차 배열 구조는, 각각의 열교환유로(12a) 및 촉매연소유로(14a)가 상하 층상 구조로 반복해서 교차 배열된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.The cross talk arrangement of the heat exchange section 12 and the catalytic combustion section 14 is characterized in that each of the heat exchange flow passages 12a and the catalytic combustion flow passage 14a is repeatedly arranged in a vertical layer structure. Combustor-heat exchanger integrated device for battery system. 제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 열교환부(12)의 열교환유로(12a)는 각각 복수의 유로홈(12a11,12a21)을 갖는 상, 하판(12a1,12a2)이 서로 겹쳐져서 된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.The heat exchange flow path 12a of the heat exchange part 12 is a combustor for a solid oxide fuel cell system, characterized in that the upper and lower plates 12a1 and 12a2 having a plurality of flow path grooves 12a11 and 12a21 respectively overlap each other. Heat exchanger integrated device. 제4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 열교환유로(12a)는 상, 하판(12a1,12a2)의 폐열 흐름 방향인 길이방향 내측에 배치되어 열교환 흐름 방향인 폭 방향 전체를 따라 유입측에서 배출측까지 연속되는 지그재그 구조로 된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.The heat exchange passage 12a is disposed inside the longitudinal direction of the waste heat flow direction of the upper and lower plates 12a1 and 12a2, and has a zigzag structure continuous from the inflow side to the discharge side along the entire width direction of the heat exchange flow direction. A combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 열교환유로(12a)의 지그재그 구조는, The zigzag structure of the heat exchange passage 12a is 상기 열교환부(12) 유입측의 일측면에서 일정길이 직진하여 촉매연소유로(14a)와 교차되는 제1교차유로(12a3);A first intersecting flow passage 12a3 crossing the catalytic combustion flow passage 14a by going straight at a predetermined length on one side of the heat exchange part 12 inlet; 상기 제1교차유로(12a3)에서 직각 절곡되어 상기 촉매연소유로(14a)와 평행한 상태로 일정길이 연장되는 평행유로(12a4); 및A parallel flow passage (12a4) extending at a predetermined length in a state parallel to the catalytic combustion flow passage (14a) by bending at a right angle in the first cross flow passage (12a3); And 상기 평행유로(12a4)에서 다시 직각 절곡되어 촉매연소유로(14a)와 교차되는 제2교차유로(12a5);A second intersecting flow passage 12a5 that is bent at right angles in the parallel flow passage 12a4 and crosses the catalytic combustion flow passage 14a; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.Combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system, characterized in that consisting of. 제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 촉매연소부(14)의 촉매연소유로(14a)는, 상하 열교환유로(12a) 사이의 공간 중 이 열교환유로(12a)의 유입측과 배출측 방향의 전, 후단부에 각각 차단벽체(14a1)가 배치되고, 이들 차단벽체(14a1) 사이의 공간에 촉매제(14a2)가 채워져서 된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.The catalyst combustion passage 14a of the catalyst combustion section 14 has a barrier wall 14a1 at the front and rear ends of the inlet and outlet sides of the heat exchange passage 12a, respectively, in the space between the upper and lower heat exchange passages 12a. And a catalyst (14a2) is filled in the space between these barrier walls (14a1), characterized in that the combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 개질공기유입부(20), 공정공기유입부(22), 개질공기배출부(24) 및 공정공기배출부(26)는 각각의 해당 유입측과 배출측을 덮어씌우도록 일측면이 개방된 사각박스 형상으로 그 타단면에 관체(20a,22a,24a,26a)가 연통된 구조로 된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.The reformed air inlet 20, the process air inlet 22, the reformed air outlet 24, and the process air outlet 26 have one side open to cover the respective inlet and outlet sides, respectively. A combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system, characterized in that the rectangular box shape has a structure in which tubular bodies (20a, 22a, 24a, 26a) communicate with each other end surface. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 열교환형촉매연소부(10)의 촉매연소유로(14a) 방향 전단부에 이 촉매연소유로(14a)가 개방되도록 중앙에 관통공(42a)을 갖는 플랜지부(42)가 마련되고, 이에 대응되는 폐가스유입부(30) 및 폐공기유입부(32)에 각각 가스 및 공기가 흐르도록 중앙에 관통공(44a)이 형성되며 상기 플랜지부(42)와 착탈 가능하게 결합되는 플랜지부(44)가 마련된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.A flange portion 42 having a through hole 42a in the center is provided at the front end portion of the heat exchange type catalyst combustion section 10 in the direction of catalytic combustion flow passage 14a so as to open the catalyst combustion flow passage 14a. A through hole 44a is formed in the center so that gas and air flow through the waste gas inlet 30 and the waste air inlet 32, respectively, and the flange 44 is detachably coupled to the flange 42. Combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system, characterized in that provided. 제9항에 있어서, 10. The method of claim 9, 상기 폐가스유입부(30) 및 폐공기유입부(32)는 격벽(33)에 의해 중앙이 분리되고 일단부가 상기 플랜지부(44)의 관통공(44a)에 밀착 결합되도록 개방되며 그 타단부가 호퍼 형상으로 좁아져서 그 타단면에 각각 폐가스와 폐공기가 유입되도록 하는 관체(30a,32a)가 각각 마련된 일체형 구조인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.The waste gas inlet 30 and the waste air inlet 32 are separated by a partition 33 and open at one end thereof to be tightly coupled to the through hole 44a of the flange 44, and the other end thereof. A combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system, characterized in that the unitary structure is provided with pipes (30a, 32a) each narrowing to a hopper shape and allowing waste gas and waste air to flow into the other end surface thereof, respectively. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 격벽(33)은 폐가스와 폐공기가 촉매연소부(14) 입구에서 혼합되어 연소될 수 있도록 상기 촉매연소부(14)의 입구까지 연장된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.The partition 33 extends to the inlet of the catalytic combustion unit 14 so that the waste gas and the waste air are mixed at the inlet of the catalytic combustion unit 14 and combusted. Integrated unit. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 플랜지부(44)의 관통공(44a)에 밀착되는 일단부 내측부에 폐가스와 폐공기가 분기되어 촉매연소부(14) 입구까지 안내되도록 복수의 분기공(52)을 갖는 다공판 구조의 매니폴드(50)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.A manifold having a porous plate structure having a plurality of branch holes 52 so that the waste gas and the waste air branch to an inner side of one end of the flange portion 44 in close contact with the through hole 44a and are guided to the inlet of the catalytic combustion unit 14. A combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system, further comprising (50). 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 매니폴드(50)의 분기공(52)은 중앙부에 소직경 구조의 분기공(52)이 마련되고 그 테두리쪽으로 갈수록 대직경 구조의 분기공(52)이 배치되는 구조로 된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.The branch hole 52 of the manifold 50 has a structure in which a small diameter branch hole 52 is provided at a central portion thereof, and a branch hole 52 having a large diameter structure is disposed toward the edge thereof. Combustor-heat exchanger integrated device for battery system. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 열교환형촉매연소부(10)의 촉매연소유로(14a) 방향 후단부에 이 촉매연소유로(14a)가 개방되도록 중앙에 관통공(46a)을 갖는 플랜지부(46)가 마련되고, 이에 대응되는 폐열배출부(34)에 해당 폐열가스가 흐르도록 중앙에 관통공(48a)이 형성되며 상기 플랜지부(46)와 착탈 가능하게 결합되는 플랜지부(48)가 마련된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.A flange portion 46 having a through hole 46a at the center thereof is provided at the rear end of the heat exchange type catalyst combustion section 10 in the direction of catalytic combustion flow passage 14a so as to open the catalyst combustion flow passage 14a. The through-hole 48a is formed in the center so that the waste heat gas flows to the waste heat discharging portion 34, and the flange portion 48 detachably coupled to the flange portion 46 is provided. Combustor-heat exchanger integrated device for battery system. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 폐열배출부(34)는 일단부가 상기 플랜지부(48)의 관통공(48a)에 밀착 결합되도록 개방되며 그 타단부가 호퍼 형상으로 좁아져서 그 타단면에 폐열가스가 배출되도록 하는 관체(34a)가 마련된 구조인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.The waste heat discharging portion 34 is open so that one end thereof is tightly coupled to the through hole 48a of the flange portion 48, and the other end thereof is narrowed in a hopper shape so that waste heat gas is discharged to the other end surface thereof. Combustor-heat exchanger integrated device for a solid oxide fuel cell system, characterized in that the structure provided). 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 폐열배출부(34)와 플랜지부(48) 사이에 이 폐열배출부(34)로 배출되는 폐열을 이용하여 스팀을 발생시키기 위한 스팀발생부(60)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치.A solid oxide further comprising a steam generator (60) for generating steam by using the waste heat discharged to the waste heat discharge portion (34) between the waste heat discharge portion (34) and the flange portion (48). Combustor-heat exchanger integrated device for fuel cell system.
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