KR101095665B1 - Fuel cull power generation system - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 개질기에서 생성한 개질 가스를 사용하며 시스템 내의 압력변화 요인을 최소화 하여 안정된 운전을 가능하게 하는 연료전지 발전 시스템에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a fuel cell power generation system that uses a reformed gas generated in a reformer and enables stable operation by minimizing pressure change factors in the system.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템은, 탄화수소계열의 발전 원료를 수소로 전환하는 개질기, 개질 가스를 유동시키는 상기 개질기의 개질 가스 라인에 구비되는 제1 일체형 열교환기, 오프 가스를 유동시키는 연료전지 스택의 오프 가스 라인에 구비되는 제2 일체형 열교환기, 공기를 배출하는 상기 연료전지 스택의 공기 출구 라인에 구비되는 제3 일체형 열교환기, 및 연소 배출 가스를 배출하는 상기 개질기의 연소 배출 가스 라인에 구비되는 버너 배기 열교환기를 포함하며, 상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 상기 제3 일체형 열교환기 및 상기 버너 배기 열교환기는 통합된 모듈로 형성된다.The fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention includes a reformer for converting a hydrocarbon-based power generation raw material into hydrogen, a first integrated heat exchanger provided in a reformer gas line of the reformer for flowing reformed gas, and an off gas flow. A second integrated heat exchanger provided in the off-gas line of the fuel cell stack, a third integrated heat exchanger provided in an air outlet line of the fuel cell stack to discharge air, and a combustion discharge of the reformer which discharges combustion discharge gas And a burner exhaust heat exchanger provided in the gas line, wherein the first integrated heat exchanger, the second integrated heat exchanger, the third integrated heat exchanger, and the burner exhaust heat exchanger are formed as an integrated module.
열교환기, 일체형, 플로우트식 기수분리기, 배관, 충전물 Heat Exchanger, Integral, Float Separator, Piping, Filling
Description
본 발명은 연료전지 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개질기에서 생성한 개질 가스를 사용하는 연료전지 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell power generation system, and more particularly, to a fuel cell power generation system using reformed gas generated in a reformer.
연료전지 발전 시스템의 일례로써, 고분자 전해질형 연료전지 발전 시스템을 들 수 있다. 연료전지 발전 시스템은 개질기에서 생성한 수소와 공기 중의 산소를 연료전지 스택에서 전기화학으로 반응시켜, 직류전력을 생성하고, 인버터를 통하여 직류전력을 교류전력으로 변환시킨다.As an example of a fuel cell power generation system, there may be mentioned a polymer electrolyte fuel cell power generation system. The fuel cell power generation system reacts hydrogen generated in the reformer with oxygen in the air electrochemically in the fuel cell stack to generate DC power, and converts DC power into AC power through an inverter.
도9는 종래기술에 따른 연료전지 발전 시스템의 구성도이다. 도9를 참조하면, 연료전지 발전 시스템에서, 개질기(1)는 탈황 촉매부(2), 개질 촉매부(3), 시프트 촉매부(4), CO 선택 산화 촉매부(5), 및 버너부(6)를 포함한다. 개질기(1)가 개질 반응(steam reforming)을 위하여, 개질기(1)에는 연료와 물(pure water)이 공급된다. 물은 시프트 촉매부(4)와 CO 선택 산화 촉매부(5) 사이에 위치한 예열 열교환기(Pre-heater)(7)를 경유하여 개질기(1)로 공급된다.9 is a block diagram of a fuel cell power generation system according to the prior art. 9, in the fuel cell power generation system, the
개질 촉매부(3)에서 개질 반응한 개질 가스는 시프트 촉매부(4)를 지나 예열교환기(7)와 안정화 열교환기(stabilizer)(8)를 거처 CO 선택 산화 촉매부(5)로 공 급된다. 예열교환기(7) 및 안정화 열교환기(8)에서 생성된 응축수를 분리하기 위하여 싸이클론식 기수분리기(9a)가 사용된다.The reformed gas reformed in the reforming
즉 기수분리기(9a)에서 분리된 개질 가스는 CO 선택 산화 촉매부(5)로 들어가고, 분리된 물은 배관에 모였다가 일정 수위를 감지하는 수위 센서(11a)에 감지되어 솔레노이드 밸브(12a)의 개방 작동에 의하여 외부로 배출된다. 물 배출 방법은 배출된 물의 부피만큼 개질 가스에 압력 변화를 주게 되는 데, 이는 연료전지 발전 시스템의 운전에 있어서 불안 요소로 작용한다. 개질기(1)의 촉매들(2, 3, 4, 5)은 일정한 압력하에서 온도에 의존하여 반응하므로 일정한 압력으로 유지되는 것이 개질 가스를 생성하는데 있어서 유리하다.That is, the reformed gas separated from the
개질기(1)에서 생성된 풍부한 수소 가스와 공기 중의 산소는 연료전지 스택(13)에서 전기화학 반응되고, 전기화학반응 이외의 나머지 수소 가스인 오프 가스(off gas)는 개질기(1)의 버너부(6)에서 연소된 후 버너 배기 열교환기(19)를 통하여 배출된다. The rich hydrogen gas generated in the
오프 가스(off gas)에 수분이 많으면 개질기(1) 버너부(6)에서 수분을 연소하는데 더 많은 에너지가 필요하게 된다. 따라서 오프 가스 수분의 영향으로 인하여, 일정한 반응기 온도를 유지하도록 버너부(6)로 공급되는 도시가스가 더 많아져 연료전지 발전 시스템의 효율이 떨어진다. 버너부(6)로 공급되는 도시가스 공급이 불안정해지면 개질기(steam reforming)(1)의 온도에 영향을 주어 전체적으로 연료전지 발전 시스템이 불안해진다. 따라서 오프 가스의 수분을 줄이기 위하여, 오프 가스 열교환기(15)와 응축된 물을 분리하는 기수분리기(9b)가 구비된다.If the off gas has a lot of moisture, more energy is required to burn the moisture in the
즉 기수분리기(9b)에서 분리된 오프 가스는 개질기(1)의 버너부(6)로 공급되어 연소되고, 분리된 응축 물은 배관에 모였다가 일정 수위를 감지하는 수위 센서(11b)에 감지되어 솔레노이드 밸브(12b)의 개방 작동에 의하여 외부로 배출된다. 물 배출 방법은 배출된 물의 부피만큼 연료전지 스택(13)과 개질 가스에 압력 변화를 줌으로써, 연료전지 발전 시스템의 운전에 불안 요소가 된다.That is, the off gas separated from the
또한, 연료전지 스택(13)은 공기 중 산소를 사용하는데, 연료전지 스택(13)의 공기극에서 반응 후 생성된 물과 잉여 공기는 막가습기(17)를 통하여 연료전지 스택(13)의 공기 입구로 공급되는 건조공기를 가습하고, 그 나머지 공기와 수분은 열회수율 향상을 위하여 열교환기(16)를 거처 기수분리기(9c)를 통과한다.In addition, the
즉 기수분리기(9c)에서 분리된 공기는 연통을 통하여 외부로 배출되며, 분리된 물은 배관에 모였다가 일정 수위를 감지하는 수위 센서(11c)에 감지되어 솔레노이드 밸브(12c)의 개방 작동에 의하여 연료전지 발전 시스템 내부의 물탱크로 회수되어, 연료전지 스택(13)의 냉각수로 사용된다. 물 배출 방법은 배출된 물의 부피만큼 연료전지 스택(13)과 공기에 압력 변화를 일으켜 유량 변동이 발생하게 되므로 연료전지 발전 시스템의 운전에 불안 요소가 된다.That is, the air separated from the
연료전지 발전 시스템에서, 열교환기들(7, 8, 15, 16) 및 기수분리기들(9a, 9b, 9c)은 시스템 내에서 압력변화의 원인이 되어, 연료 공급 및 공기 공급에 있어서 유량 변동을 발생시켜, 운전시 불안한 요인으로 작용한다. 또한 수위 센서들(11a, 11b, 11c)의 오동작으로 인하여 솔레노이드 밸브들(12a, 12b, 12c)이 불필요하게 개방되면 개질 가스가 버려지게 되므로 개질기(1)와 연료전지 스택(13)의 온도 밸런스가 무너져 연료전지 발전 시스템이 불안해진다.In a fuel cell power generation system, the
또한, 복수의 열교환기들(7, 8, 15, 16)과 기수분리기들(9a, 9b, 9c)이 배관에 분산 배치되므로 배관이 길어지고 연료전지 발전 시스템의 구성이 복잡해진다. 따라서 열 손실이 커져 열 회수 효율이 감소하는 문제가 있고, 복잡한 배관 구성으로 인하여 연료전지 발전 시스템의 제조를 어렵게 하고, 이로 인하여 생산 수율이 저하된다.In addition, since the plurality of
본 발명은 개질기에서 생성한 개질 가스를 사용하며 시스템 내의 압력변화 요인을 최소화 하여 안정된 운전을 가능하게 하는 연료전지 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell power generation system using reformed gas generated in a reformer and enabling stable operation by minimizing pressure change factors in the system.
또한, 본 발명은 각 열교환기와 이에 대응하는 기수분리기를 일체화하여 열 회수 효율을 높이고 생산성을 향상시키는 연료전지 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention also relates to a fuel cell power generation system that integrates each heat exchanger and a corresponding water separator and improves heat recovery efficiency and improves productivity.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템은, 탄화수소계열의 발전 원료를 수소로 전환하는 개질기, 개질 가스를 유동시키는 상기 개질기의 개질 가스 라인에 구비되는 제1 일체형 열교환기, 오프 가스를 유동시키는 연료전지 스택의 오프 가스 라인에 구비되는 제2 일체형 열교환기, 공기를 배출하는 상기 연료전지 스택의 공기 출구 라인에 구비되는 제3 일체형 열교환기, 및 연소 배출 가스를 배출하는 상기 개질기의 연소 배출 가스 라인에 구비되는 버너 배기 열교환기를 포함 하며, 상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 상기 제3 일체형 열교환기 및 상기 버너 배기 열교환기는 통합된 모듈로 형성된다.The fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention includes a reformer for converting a hydrocarbon-based power generation raw material into hydrogen, a first integrated heat exchanger provided in a reformer gas line of the reformer for flowing reformed gas, and an off gas flow. A second integrated heat exchanger provided in the off-gas line of the fuel cell stack, a third integrated heat exchanger provided in an air outlet line of the fuel cell stack to discharge air, and a combustion discharge of the reformer which discharges combustion discharge gas And a burner exhaust heat exchanger provided in the gas line, wherein the first integrated heat exchanger, the second integrated heat exchanger, the third integrated heat exchanger, and the burner exhaust heat exchanger are formed as an integrated module.
상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 상기 제3 일체형 열교환기는, 각각 상기 개질 가스, 상기 오프 가스 및 상기 공기 중 하나와 냉각수를 순환시켜 열교환하는 열교환기와, 상기 열교환기에 연결되어 응축되는 냉각수의 배출을 단속하는 플로우트식 기수분리기를 포함하고, 상기 열교환기와 상기 플로우트식 기수분리기는, 일체로 형성되어, 수직 상태로 설치될 수 있다.The first integrated heat exchanger, the second integrated heat exchanger, and the third integrated heat exchanger may each include a heat exchanger configured to circulate heat exchange by circulating coolant with one of the reformed gas, the off gas, and the air, and condensed by being connected to the heat exchanger. It includes a float type separator for intermittent discharge of the cooling water, the heat exchanger and the float type separator, are integrally formed, can be installed in a vertical state.
상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 상기 제3 일체형 열교환기는, 상기 열교환기에 연결되는 배관, 상기 배관의 내부에 채워지는 충전물, 및 상기 배관의 일측에 연결되는 플로우트식 기수분리기를 더 포함할 수 있다.The first integrated heat exchanger, the second integrated heat exchanger, and the third integrated heat exchanger may include a pipe connected to the heat exchanger, a filler filled in the pipe, and a float separator connected to one side of the pipe. It may further include.
상기 모듈은, 상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 제3 일체형 열교환기, 및 상기 버너 배기 열교환기를 축열탱크에 연결하는 제1 냉각수 라인을 포함하며, 상기 제1 냉각수 라인은, 축열탱크에서 상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 제3 일체형 열교환기, 및 상기 버너 배기 열교환기의 순서로 연결하여, 제1 냉각수를 순환시킬 수 있다.The module includes a first cooling water line connecting the first integrated heat exchanger, the second integrated heat exchanger, the third integrated heat exchanger, and the burner exhaust heat exchanger to a heat storage tank, wherein the first cooling water line includes: In the heat storage tank, the first cooling water may be circulated by connecting the first integrated heat exchanger, the second integrated heat exchanger, the third integrated heat exchanger, and the burner exhaust heat exchanger.
상기 모듈은, 상기 축열탱크에 연결되는 제2 냉각수 라인과, 상기 제2 냉각수 라인 및 상기 제1 냉각수 라인을 서로 연결하여 폐열 회수용 열교환기 및 상기 축열탱크에 연결하는 혼합 냉각수 라인을 더 포함할 수 있다.The module may further include a second cooling water line connected to the heat storage tank, a mixed cooling water line connecting the second cooling water line and the first cooling water line to each other and a heat exchanger for waste heat recovery and the heat storage tank. Can be.
상기 열교환기들은, 각각 내부에 제1 냉각수를 유동시키는 주름관, 상기 주름관 주위에 형성되는 원통형 배관을 포함하며, 상기 배관에 상기 플로우트식 기수 분리기가 일체로 연결될 수 있다.The heat exchangers each include a corrugated pipe for flowing the first cooling water therein, and a cylindrical pipe formed around the corrugated pipe, and the float type separator may be integrally connected to the pipe.
상기 제1 일체형 열교환기는, 상기 개질기의 시프트 촉매부와 CO 선택 산화 촉매부 사이에 위치하며, 개질 반응을 위한 물을 예열하는 예열교환기, 상기 개질 가스의 온도는 낮추는 안정화 열교환기, 및 상기 예열교환기 및 상기 안정화 열교환기에서 응축된 물과 상기 개질 가스를 분리하는 플로우트식 기수분리기를 포함하여 일체로 형성할 수 있다.The first integrated heat exchanger is located between the shift catalyst portion and the CO selective oxidation catalyst portion of the reformer, the preheat exchanger for preheating the water for reforming reaction, the stabilized heat exchanger to lower the temperature of the reforming gas, and the preheat exchanger And a float type separator separating the condensed water and the reformed gas from the stabilized heat exchanger.
상기 제1 일체형 열교환기는, 상기 예열교환기 및 상기 안정화 열교환기에 연결되어 상기 개질 가스의 유속을 충분히 감소시기는 배관, 상기 배관의 내부에 채워지는 충전물 및 상기 배관의 일측에 연결되는 플로우트식 기수분리기를 더 포함할 수 있다.The first integrated heat exchanger is connected to the preheat exchanger and the stabilization heat exchanger, the pipe to sufficiently reduce the flow rate of the reforming gas, the filling filled in the inside of the pipe and the float type separator connected to one side of the pipe It may further include.
상기 제2 일체형 열환기는, 상기 연료전지 스택의 상기 오프 가스 라인과 상기 개질기의 버너부 사이에 위치하며, 상기 오프 가스를 냉각시켜 수분을 제거하는 공랭식 열교환기와 수냉식 열교환기, 및 상기 공랭식 열교환기와 상기 수냉식 열교환기에서 응축된 물과 상기 오프 가스를 분리하는 플로우트식 기수분리기를 포함하여 일체로 형성할 수 있다.The second integrated heat exchanger is located between the off gas line of the fuel cell stack and the burner portion of the reformer, and an air-cooled heat exchanger and a water-cooled heat exchanger that cool the off gas to remove water, and the air-cooled heat exchanger. The water-cooled heat exchanger may be integrally formed including a float type separator separating the off-gas and the water condensed.
상기 제2 일체형 열교환기는, 상기 수냉식 교환기에 연결되어 상기 오프 가스의 유속을 충분히 감소시키는 배관, 상기 배관의 내부에 채워지는 충전물 및 상기 배관의 일측에 연결되는 플로우트식 기수분리기를 더 포함할 수 있다.The second integrated heat exchanger may further include a pipe connected to the water-cooled exchanger to sufficiently reduce the flow rate of the off gas, a filler filled in the pipe, and a float separator connected to one side of the pipe. .
상기 제3 일체형 열환기는, 상기 연료전지 스택의 상기 공기 출구 라인에 위치하며, 상기 연료전지 스택에서 전기화학반응 후 생성된 수분을 응축하는 열교환 기, 상기 열교환기에서 응축된 물과 상기 공기를 분리하는 플로우트식 기수분리기를 포함할 수 있다.The third integrated heat exchanger is located at the air outlet line of the fuel cell stack, and is a heat exchanger for condensing moisture generated after an electrochemical reaction in the fuel cell stack, and the water and the air condensed in the heat exchanger. It may include a float separator.
상기 제2 일체형 열교환기는, 상기 열교환기에 연결되어 상기 공기의 유속을 충분히 감소시키는 배관, 상기 배관의 내부에 채워지는 충전물 및 상기 배관의 일측에 연결되는 플로우트식 기수분리기를 더 포함할 수 있다.The second integrated heat exchanger may further include a pipe connected to the heat exchanger to sufficiently reduce the flow rate of the air, a filler filled in the inside of the pipe, and a float type separator connected to one side of the pipe.
상기 플로우트식 기수분리기는, 유입되는 응축수를 내장하는 하우징, 상기 하우징에 내장되어 유입되면 물의 부력에 의하여 승강하는 플로우터, 및 상기 플로우터의 승강 작동으로 물의 배출을 단속하도록 상기 하우징의 하측에 형성되는 물 배출구를 포함할 수 있다.The float separator is formed in the housing to house the condensed water flowing in, the floater is built up in the housing and lifted by buoyancy of the water, and formed in the lower side of the housing to control the discharge of the water by the lifting operation of the floater. It may include a water outlet.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 개질 가스 라인, 오프 가스 라인, 및 공기 출구 라인에 구비되는 각각 제1, 제2, 제3 일체형 열교환기에 응축수를 분리하는 기수분리기를 구비하므로 연료 공급 및 공기 공급에서 압력 변동을 최소화하는 효과가 있다. 따라서 개질기와 연료전지 스택에서 전기화학 반응이 안정적으로 유지된다. 제1, 제2, 제3 일체형 열교환기를 하나의 모듈로 구성하므로 연료전지 발전 시스템의 안정적인 운전이 가능하고, 발생된 열의 회수율이 높아지며, 제조시 조립 공정이 단순해지고, 생산성이 향상된다.As described above, according to one embodiment of the present invention, since the first, second, and third integrated heat exchangers provided in the reformed gas line, the off gas line, and the air outlet line are provided with a separator for separating condensed water, the fuel supply and This has the effect of minimizing pressure fluctuations in the air supply. Therefore, the electrochemical reaction is maintained stably in the reformer and fuel cell stack. Since the first, second and third integrated heat exchangers are configured as one module, the fuel cell power generation system can be stably operated, the heat recovery rate is increased, the assembly process during manufacturing is simplified, and the productivity is improved.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한 다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템의 구성이다. 도1을 참조하면, 연료전지 발전 시스템은 개질기(1)와 연료전지 스택(13) 및 복합 열교환기 모듈(100)(도2 및 도3 참조)을 포함한다. 1 is a configuration of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a fuel cell power generation system includes a
개질기(1)는 탄화수소계열의 발전 원료를 수소로 전환하도록 탈황 촉매부(2), 개질 촉매부(3), 시프트 촉매부(4), CO 선택 산화 촉매부(5), 및 버너부(6)를 포함한다.The
도2는 도1에 적용되는 제1 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈(100)의 정면측 사시도이고, 도3은 도2의 배면측 사시도이다. 도2 및 도3을 참조하면, 복합 열교환기 모듈(100)은 연료전지 발전 시스템의 한 부품으로서 일체형 열교환 장치를 구성한다.FIG. 2 is a front side perspective view of the composite
복합 열교환 모듈(100)은 제1 일체형 열교환기(101), 제2 일체형 열교환기(102), 제3 일체형 열교환기(103) 및 버너 배기 열교환기(19)를 포함하여, 일체형 모듈을 형성된다. 제1, 제2, 제3 일체형 열교환기(101, 102, 103)는 각각에서 열교환기와 기수분리기를 하나의 부품처럼 일체로 하여 구성된다.The composite
제1 일체형 열교환기(101)는 개질기(1)의 개질 가스 라인에 설치되어, 시프트 촉매부(4)에서 나온 개질 가스를 CO 선택 산화 촉매부(5)에 공급한다. 제1 일체 형 열교환기(101)는 예열교환기(7)와 안정화 열교환기(8) 및 플로우트식 기수분리기(10a)를 일체화하여 구성된다. 제1 일체형 열교환기(101)는 연료전지 스택(13) 및 개질 가스 라인에서 압력 변동 없이 안정적으로 개질 가스와 응축수를 분리한다. 분리된 개질 가스는 공기와 함께 CO 산화 촉매부(5)로 공급되고, 응축수는 물탱크(미도시)로 회수된다.The first
제2 일체형 열교환기(102)는 연료전지 스택(13)의 오프 가스 라인에 설치되어, 연료전지 스택(13)에서 전력 생산에 이용되고 남은 오프 가스를 개질기(1)의 버너부(6)로 공급한다. 제2 일체형 열교환기(102)는 공랭식 열교환기(14)와 수냉식 열교환기(15), 및 플로우트식 기수분리기(10b)를 일체화하여 구성된다. 제2 일체형 열교환기(102)는 연료전지 스택(13) 및 오프 가스 라인에서 압력 변동 없이 안정적으로 오프 가스와 응축수를 분리한다. 분리된 오프 가스는 개질기(1)의 버너부(6)에서 연소되고, 응축수는 물탱크로 회수된다.The second
제3 일체형 열교환기(103)는 연료전지 스택(13)의 공기 배출 라인에 설치되어, 많은 양의 응축된 물을 연료전지 발전 시스템의 내부 물탱크(미도시)로 회수한다. 제3 일체형 열교환기(103)는 열교환기(16)와 및 플로우트식 기수분리기(10c)를 일체화하여 구성된다. 제3 일체형 열교환기(103)는 연료전지 스택(13) 및 공기 배출 라인에서 압력 변동 없이 안정적으로 공기와 응축수를 분리한다. 분리된 기체는 외부로 배출되고, 응축수는 물탱크로 회수된다.The third
도4는 도2의 복합 열교환기 모듈에서 냉각수 흐름을 나타내는 구성도이다. 도4를 참조하면, 연료전지 발전 시스템에서 발생된 열은, 제1 냉각수 라인(20)을 통하여 축열탱크(23)에서 복합 열교환 모듈(100) 내의 제1 일체형 열교환기(101), 제2 일체형 열교환기(102), 제3 일체형 열교환기(103) 및 버너 배기 열교환기(19)를 순환하는 제1 냉각수와, 제2 냉각수 라인(21)을 통하여 축열탱크(23)에서 폐열 회수용 열교환기(18)로 들어가는 제2 냉각수에 의하여, 혼합 냉각수 라인(22)을 경유하는 혼합된 냉각수를 통하여, 폐열 회수용 열교환기(18)에서 연료전지 스택(13)의 스택 냉각수와 열교환 된다. 그리고 폐열 회수용 열교환기(18)에서 열을 회수한 제2 냉각수는 축열탱크(23)에 다시 저장된다.FIG. 4 is a diagram illustrating a cooling water flow in the composite heat exchanger module of FIG. 2. Referring to FIG. 4, the heat generated in the fuel cell power generation system includes a first
제1 일체형 열교환기(101)는 연료전지 발전 시스템에서 고온의 열을 발생시킨다. 즉 개질 가스가 시프트 촉매부(4)를 지나 CO 선택 산화 촉매부(5)로 들어갈 때, 제1 일체형 열교환기(101)를 지나게 된다. 이때, 개질 가스의 온도가 150도씨 이상이기 때문에, 제1 일체형 열교환기(101)는 냉각수를 이용하여 가스의 온도를 냉각시킨다.The first
CO 선택 산화 촉매부(5)는 약 100도씨에서 촉매 반응하기 때문에 고온의 개질 가스가 공급되면 촉매 열화가 발생된다. 따라서 제1 일체형 열교환기(101)에서 고온의 개질 가스로부터 열을 회수하고 나온 출열용 냉각수인 제1 냉각수는 제1 냉각수 라인(20)을 통하여 제2 일체형 열교환기(102)의 수냉식 열교환기(15)를 통과한다.Since the CO selective
제2 일체형 열교환기(102)는 수냉식 열교환기(15)에 제1 냉각수 라인(20)의제1 냉각수를 순환시켜 공랭식 열교환기(14)와 함께 60도씨 이상의 오프 가스를 냉각하여 수분을 제거한다. 수분이 제거된 오프 가스는 개질기(1)의 버너부(6)에 공 급되어 안정적인 연소를 가능하게 한다.The second
제2 일체형 열교환기(102)를 통과한 제1 냉각수 라인(20)의 제1 냉각수는 연료전지 스택(13)의 공기 배출부에 있는 제3 일체형 열교환기(103)로 공급된다. 연료전지 스택(13)에서 배출되는 공기는 60도씨 이상이고 전기화학 반응에 의한 생성물로서 과량의 수분을 함유한 상태이다. 따라서 제2 일체형 열교환기(102)를 통과한 제1 냉각수 라인(20)의 제1 냉각수를 이용하여 제3 일체형 열교환기(103)는 수분을 함유한 공기를 냉각시킨다. The first cooling water of the first
제3 일체형 열교환기(103)에서 응축된 물은 플로우트식 기수분리기(10c)에 의하여 회수되어 연료전지 발전 시스템의 내부 물탱크(미도시)에 공급하여 재활용된다. 제3 일체형 열교환기(103)에서 수분이 제거된 공기는 배기 연통부를 통하여 외부로 배출된다.The water condensed in the third
제3 일체형 열교환기(103)를 순환하고 나온 제1 냉각수 라인(20)의 제1 냉각수는 개질기(1) 버너부(6)의 연소 가스 배출 라인에 연결된 버너 배기 열교환기(19)를 통과하여 60도씨 이상의 개질기(1) 연소 배기가스의 열을 회수한다.The first cooling water of the first
즉, 제1 냉각수 라인(20)을 통하여 제1, 제2, 제3 일체형 열교환기(101, 102, 103) 및 버너 배기 열교환기(19)를 순환한 제1 냉각수는 폐열 회수용 열교환기(18)에서 연료전지 스택(13)의 스택 냉각수와 열교환 된다.That is, the first cooling water circulated through the first, second and third
다시 도1을 참조하면, 제1 일체형 열교환기(101)는 예열교환기(7), 안정화 열교환기(8) 및 플로우트식 기수분리기(10a)로 구성된다. 그리고 제1 일체형 열교환기(101)는 종래기술에서 예열교환기(7), 안정화 열교환기(8), 싸이클론식 기수분 리기들(9a, 9b, 9c), 수위 센서들(11a, 11b, 11c) 및 솔레노이드 밸브들(12a, 12b, 12c)에 의하여 이루어지던, 개질 가스 중 수분을 제거하는 역할과 개질기(1)의 열 밸런스를 유지하는 역할을 한다.Referring again to FIG. 1, the first
플로우트식 기수분리기(10a)는 내부에 플로우터(floater)가 구비되므로, 응축수에 의하여 일정 수위가 되면 자동으로 물을 배출하므로, 종래기술의 수위 센서들(11a, 11b, 11c)과 솔레노이드 밸브들(12a, 12b, 12c)의 제어 동작과 같이 물을 배출한다. 제1 일체형 열교환기(101)는 수직으로 설치되어 고온의 가스가 위에서 아래 방향으로 흐르는 것을 유지할 수 있게 한다.
제1 일체형 열교환기(101)는 개질 반응을 위한 물(pure water)을 예열하는 기능이 포함된 예열교환기(Pre-heater)(7), CO 선택 산화 촉매부(5)로 들어가는 개질 가스의 온도를 안정된 온도까지 낮춰주는 역할을 하는 안정화 열교환기(stabilizer)(8), 및 플로우트식 기수분리기(10a)를 일체로 구성한다.The first integrated heat exchanger (101) is a pre-heater (7) having a function of preheating pure water for reforming reaction, and the temperature of the reformed gas entering the CO selective oxidation catalyst section (5). The stabilizer heat exchanger (stabilizer) 8, which serves to lower the temperature to a stable temperature, and the
따라서 예열교환기(7)와 안정화 열교환기(8)를 지나면서 수분을 함유한 개질 가스가 냉각되면서 생성된 응축수가 가스 흐름 속도를 감소시켜 중력 방향으로 떨어지면 프로우트식 기수분리기(10a)에서 물과 개질 가스를 분리한다. 응축수가 분리된 개질 가스는 CO 선택 산화 촉매부(5)로 들어가고, 응축수는 플로우트식 기수분리기(10a)에 의하여 물탱크로 배출된다.Therefore, when the reformed gas containing water is cooled while passing through the
플로우트식 기수분리기(10a)는 도5에 도시된 바와 같이, 유입되는 응축수를 내장하는 하우징(31), 하우징(31)에 내장되어 유입되면 물의 부력에 의하여 승강하는 플로우터(32), 및 플로우터(32)의 승강 작동으로 물의 배출을 단속하도록 상기 하우징(31)의 하측에 형성되는 물 배출구(33)를 포함한다.As shown in FIG. 5, the
즉, 응축수가 하우징(31)으로 유입되면 물의 부력에 의하여 내부 플로우터(32)가 뜨면서 물 배출구(33)를 개방하여, 물이 하우징(31) 밖으로 자동 배출된다. 플로우트식 기수분리기(10a) 내부에 응축된 물이 없으면 플로우터(32)는 자중에 의하여 물 배출구(33)를 막게 되어 개질 가스가 새는 것을 방지한다.That is, when the condensed water flows into the
따라서 제1 실시예의 플로우트식 기수분리기(10a)는 수위 센서들(11a, 11b, 11c)를 통해 물을 감지하고 솔레노이드 밸브들(12a, 12b, 12c)를 제어하는 종래의 기술의 제어동작을 제거할 수 있게 한다. Accordingly, the
또한, 플로우트식 기수분리기(10a)는 유입된 응축수를 연속적으로 배출함으로써 개질 가스의 압력 변동을 최소화하여 물을 안정적으로 배출하기 때문에 개질 반응을 안정적으로 유지하면서 재질 가스의 흐름을 일정하게 유지 할 수 있게 한다.In addition, the
제1 일체형 열교환기(101)에서, 예열교환기(7)와 안정화 열교환기(8)는 각각 내부 제1 냉각수가 순환되는 제1 냉각수 라인(20)의 유로를 형성하는 주름관(71)과 주름관(71) 주위에 형성되는 원통형 배관(81)을 포함한다. 제1 일체형 열교환기(101)는 배관(81)에 플로우트식 기수분리기(10a)를 일체로 연결하여 형성된다.In the first integrated heat exchanger (101), the preheat exchanger (7) and the stabilizing heat exchanger (8) each have a corrugated pipe (71) and a corrugated pipe (2) forming a flow path of the first coolant line (20) through which the internal first coolant is circulated. 71) a
제2 일체형 열교환기(102)는 연료전지 스택(13)의 오프 가스를 일체화된 공랭식 열교환기(14), 수냉식 열교환기(15) 및 플로우트식 기수 분리장치(10b)를 경유하여 개질기(1)의 버너부(6)에서 연소시킨다.The second integrated heat exchanger (102) is a reformer (1) via the air-cooled heat exchanger (14), the water-cooled heat exchanger (15), and the float water separator (10b) integrating the off gas of the fuel cell stack (13). Burner in the
제2 일체형 열교환기(102)는 수직으로 설치될 수 있다. 오프 가스는 공랭식 열교환기(14)를 통하여 냉각되어 응축수를 발생시키고, 수냉식 열교환기(15)를 통과하면서 더 냉각되어 생성된다. 응축수는 플로우트식 기수분리기(10b)를 통하여 제거된다. 물이 제거된 오프 가스는 버너부(6)에서 연소되어 개질기(1)의 안정적인 온도 밸런스를 유지시킨다.The second
공랭식 열교환기(14)는 연료전지 스택(13)의 산화제인 공기를 이용하여 오프가스를 냉각시키고, 이로 인하여 회수한 열을 이용하여 막가습기(17)에 연료전지 스택(13)의 공기측 가습 효과를 상승시킨다.The air-cooled
플로우트식 기수분리기(10b)는 제1 일체형 열교환기(101)의 플로우트식 기수분리기(10a)와 동일하게 작동되므로 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다.Since the
제3 일체형 열교환기(103)는 막가습기(17)에서 가습을 하고 남은 공기를 외부로 배출한다. 외부의 공기는 공랭식 열교환기(14) 및 막가습기(17)를 지나면서 가습되어 연료전지 스택(13)의 공기극으로 공급된다. 막가습기(17)는 연료전기 스택(13)에서 전기화학 반응 후 배출되는 공기는 풍부한 수분을 가지고 있으며, 출구의 풍부한 수분을 이용하여 입구측 공기를 가습하는 역할을 한다.The third
제3 일체형 열교환기(103)는 수직으로 설치될 수 있다. 제3 일체형 열교환기(103)는 수냉식 열교환 방식으로써 수분이 함유된 공기를 응축시켜 수분이 최소인 상태에서 외부로 배출된다. 응축된 물은 플로우트식 기수분리기(10c)를 통하여 연료전지 발전 시스템 내의 물탱크로 회수되어 스택 냉각수와 개질 반응을 위한 물(pure water)로 재활용된다.The third
플로우트식 기수분리기(10c)는 제1 일체형 열교환기(101)의 플로우트식 기수 분리기(10a)와 동일하게 작동되므로 이에 대한 구체적인 설명을 또한 생략한다.Since the
도9의 종래기술과 비교할 때, 본 발명의 제1 실시예는 열교환기들(7, 8, 14, 15, 17, 19)과 플로우트식 기수분리기들(10a, 10b, 10c)의 각 연결 배관 길이를 최소화하기 때문에, 배관에서 열손실이 적고, 즉 열 회수율이 높은 장점을 가진다.Compared with the prior art of Fig. 9, the first embodiment of the present invention provides a connection pipe for each of the
복합 열교환 모듈(100)은 열회수율 향상을 위하여, 개질 가스의 온도가 높은 제1 일체형 열교환기(101), 제2 일체형 열교환기(102), 제3 일체형 열교환기(103), 및 버너 배기 열교환기(19)의 순서로 제1 냉각수를 순환시키도록 제1 냉각수 라인(20)을 형성한다(도4 참조).The composite
제1 일체형 열교환기(101), 제2 일체형 열교환기(102), 제3 일체형 열교환기(103)는 각각 제1 냉각수에 의하여 응축된 물과 기체를 분리할 수 있도록 플로우트식 기수분리기(10a, 10b, 10c)와 일체형으로 구성된다.The first
따라서 연료전지 발전 시스템을 구성함에 있어서, 복합 열교환 모듈(100)은 제조시, 조립 공정을 간단하게 한다. 복합 열교환 모듈(100)은 도9의 종래기술의 연료전지 발전 시스템 내에 분산 배치된 여러 개의 열교환기들(7, 8, 15, 16)과 기수분리기들(9a, 9b, 9c)의 연결 배관의 부품들을 하나의 모듈로 통합하므로 부품수를 감소하고, 수위 센서들(11a, 11b, 11c) 및 솔레노이드들(12a, 12b, 12c)과 같은 부품을 불필요하게 한다. 따라서 일 실시예의 연료전지 발전 시스템에서, 구성이 간단해지고, 소비 전력이 저감되며, 생산성이 향상된다.Therefore, in constructing the fuel cell power generation system, the composite
제1 실시예와 비교하여, 이하에서 본 발명의 다양한 실시예들을 설명한다. 편의상, 제1 실시예와 유사 내지 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다.Compared with the first embodiment, various embodiments of the present invention are described below. For the sake of convenience, the description of the similar or identical configurations to the first embodiment will be omitted.
도6은 도1에 적용되는 제2 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈에서, 제1 일체형 열교환기의 구성도이다. 제2 실시예에서 제1 일체형 열교환기(101')는 제1 실시예의 제1 일체형 열교환기(101)의 구성에, 유속을 충분히 감소시킬 수 있는 배관(24), 배관(24)의 내부에 채워지는 충전물(25) 및 배관(24)의 일측에 구비되는 플로우트식 기수분리기(10a')를 더 포함한다. 충전물(25)으로 메시부재로 형성될 수 있다.FIG. 6 is a configuration diagram of a first integrated heat exchanger in the composite heat exchanger module according to the second embodiment applied to FIG. 1. In the second embodiment, the first
배관(24), 충전물(25) 및 플로우트식 기수분리기(10a')는 응축된 물이 CO 선택 산화 촉매부(5)로 공급되는 것을 더욱 차단할 수 있고, 응축된 물은 플로우트식 기수분리기(10a')에서 물탱크로 배출된다.The piping 24, the
도7은 도1에 적용되는 제3 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈에서, 제2 일체형 열교환기의 구성도이다. 제3 실시예에서 제2 일체형 열교환기(102')는 제1 실시예의 제2 일체형 열교환기(102)의 구성에, 유속을 충분히 감소시킬 수 있는 배관(24), 배관(24)의 내부에 채워지는 충전물(25) 및 배관(24)의 일측에 구비되는 플로우트식 기수분리기(10b')를 더 포함한다. 충전물(25)으로 메시부재로 형성될 수 있다.FIG. 7 is a configuration diagram of a second integrated heat exchanger in the composite heat exchanger module according to the third embodiment of FIG. 1. In the third embodiment, the second integrated heat exchanger 102 'is provided in the configuration of the second
배관(24), 충전물(25) 및 플로우트식 기수분리기(10b')는 응축된 물이 개질기(1)의 버너부(6)로 공급되는 것을 더욱 차단할 수 있고, 응축된 물은 플로우트식 기수분리기(10b')에서 배출된다.
도8은 도1에 적용되는 제4 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈에서, 제3 일체형 열교환기의 구성도이다. 제4 실시예에서 제3 일체형 열교환기(103')는 제1 실시 예의 제3 일체형 열교환기(103)의 구성에, 유속을 충분히 감소시킬 수 있는 배관(24), 배관(24)의 내부에 채워지는 충전물(25) 및 배관(24)의 일측에 구비되는 플로우트식 기수분리기(10c')를 더 포함한다. 충전물(25)으로 메시부재로 형성될 수 있다.FIG. 8 is a configuration diagram of a third integrated heat exchanger in the composite heat exchanger module according to the fourth embodiment applied to FIG. 1. In the fourth embodiment, the third integrated heat exchanger 103 'is provided in the configuration of the third
배관(24), 충전물(25) 및 플로우트식 기수분리기(10c')는 응축된 물이 외부로 배출되는 것을 최대한 차단할 수 있고, 응축된 물은 플로우트식 기수분리기(10c')에서 연료전지 발전 시스템의 내부 냉각수용 물탱크로 회수된다.The
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템의 구성이다.1 is a configuration of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
도2는 도1에 적용되는 제1 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈의 정면측 사시도이다.FIG. 2 is a front side perspective view of the composite heat exchanger module according to the first embodiment applied to FIG. 1.
도3은 도2의 배면측 사시도이다.3 is a rear side perspective view of FIG.
도4는 도2의 복합 열교환기 모듈에서 제1, 제2 및 혼합 냉각수의 흐름을 나타내는 구성도이다.4 is a block diagram showing the flow of the first, second and mixed cooling water in the composite heat exchanger module of FIG.
도5는 도1의 플로우트식 기수분리기의 구성도이다.5 is a block diagram of the float separator of FIG.
도6은 도1에 적용되는 제2 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈에서, 제1 일체형 열교환기의 구성도이다.FIG. 6 is a configuration diagram of a first integrated heat exchanger in the composite heat exchanger module according to the second embodiment applied to FIG. 1.
도7은 도1에 적용되는 제3 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈에서, 제2 일체형 열교환기의 구성도이다.FIG. 7 is a configuration diagram of a second integrated heat exchanger in the composite heat exchanger module according to the third embodiment of FIG. 1.
도8은 도1에 적용되는 제4 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈에서, 제3 일체형 열교환기의 구성도이다.FIG. 8 is a configuration diagram of a third integrated heat exchanger in the composite heat exchanger module according to the fourth embodiment applied to FIG. 1.
도9는 종래기술에 따른 연료전지 발전 시스템의 구성도이다.9 is a block diagram of a fuel cell power generation system according to the prior art.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 복합 열교환기 모듈 1 : 개질기100: composite heat exchanger module 1: reformer
2 : 탈황 촉매부 3 : 개질 촉매부2: desulfurization catalyst portion 3: reforming catalyst portion
4 : 시프트 촉매부 5 : CO 선택 산화 촉매부4: shift catalyst part 5: CO selective oxidation catalyst part
6 : 버너부 7 : 예열교환기6: burner part 7: preheat exchanger
8 : 안정화 열교환기 101, 101' : 제1 일체형 열교환기8: stabilized
102, 102' : 제2 일체형 열교환기 103, 103' : 제3 일체형 열교환기102, 102 ': second
10a, 10b, 10c, 10a', 10b', 10c' : 플로우트식 기수분리기10a, 10b, 10c, 10a ', 10b', 10c ': float type separator
19 : 버너 배기 열교환기 11b : 플로우트식 기수분리기19: burner
13 : 연료전지 스택 14 : 공랭식 열교환기13 fuel cell stack 14 air-cooled heat exchanger
15 : 수냉식 열교환기 20, 21 : 제1, 제2 냉각수 라인15: water-cooled
22 : 혼합 냉각수 라인 23 : 축열탱크22: mixed cooling water line 23: heat storage tank
24 : 배관 25 : 충전물24: piping 25: filling
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