KR101132538B1 - 연료전지용 수증기 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온가스의 입구 및 출구가 마련되고, 내부에 고온가스의 이동로가 형성된 열공급부; 및 이러한 열공급부의 일측에 마련된 물의 유입구와, 열공급부의 타측에 마련된 수증기의 배출구와, 유입구와 배출구를 연통시키고 열공급부의 내부에서 이동로 상에 배치되어 고온가스와 열교환하는 물 또는 수증기의 유동관을 포함하는 열흡수부를 구비하되, 물 또는 수증기의 유동관은, 물 또는 수증기가 통과하는 제1관과, 이러한 제1관의 외부를 둘러싸고, 열공급부의 이동로를 유동하는 고온가스의 온도에 대응하여 상태가 변화하는 상변화물질(PCM)로 충진된 제2관을 포함하되, 상기 상변화물질은 M2Co3이고, 상기 M은 알칼리 금속인 연료전지용 수증기 발생장치를 제공한다.
본 발명에 의한 연료전지용 수증기 발생장치에 의하면, 상변화물질의 잠열 및 현열을 이용하여 안정적으로 열을 공급하는 것이 가능하기 때문에, 열원 변동에 따른 수증기 발생의 불균일을 해소할 수 있으며, 수증기를 발생하기 위한 유량제어가 단순해진다.
연료전지, 수증기, 상변화, 축열, 잠열, 열교환

Description

연료전지용 수증기 발생장치{Steam generator for fuel cell}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메탄(CH4) 등과 같은 연료의 수증기 개질반응에 제공하기 위하여, 고온가스로부터 열을 공급받아 물로부터 수증기로 상태를 변화시켜 공급하는 수증기 발생장치에 관한 것이다.
연료전지란 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지를 말한다. 일종의 발전장치라고 할 수 있으나, 산화 환원반응을 이용한 점 등에 있어서는 기본적으로 통상의 화학전지와 같지만, 닫힌 계내에서 전지반응를 하는 화학전지와는 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고, 반응생성물이 시스템 밖으로 제거된 다는 점에 차이가 있다.
이러한 연료전지는 공해물질의 배출이 거의 없어서 친환경 기술로 꼽히고 있으며, 석유 외에 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 자원고갈의 문제도 덜 수 있는 대안으로 제시되고 있다. 그러나 전지를 충전하는데 소모되는 연료가격이 다른 2차전지를 충전하는 비용보다는 저렴하지만, 지금까지는 저지 자체의 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다.
상기 연료전지는 전지 내에 사용되는 전해질 종류를 기준으로 고분자 전해질 형(PEMFC), 직접 메탄올형(DMFC), 인산형(PAFC), 알칼리형(AFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC) 등으로 구분된다.
도 1에는 위와 같은 연료전지의 개념을 나타낸 구성도가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 일반적인 연료전지는, 스택(Stack;10)과, BOP(Balance of Plant;20)와, 연료변환기(Fuel processor;30)를 포함한다.
상기 스택(10)은 수소 원료의 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜 직류 전류를 생성하는 발전장치로서, 전원 공급의 역할을 한다. 그리고 상기 BOP(20)는 연료전지에 필요한 연료를 공급하고, 시스템이 원활하게 작동하기 위한 역할을 담당하는 장치이다.
상기 연료변환기(30)는 연료인 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유 등으로부터 연료전지에 사용되는 수소를 만들어내는 장치로서, 일반적으로 개질기(Reformer)라고도 한다.
상기 개질기에서는 연료의 개질반응을 위하여 고온의 수증기를 공급하여야 하기 때문에 수증기 발생장치를 필요로 한다. 여기서 액체 상태인 물을 가열하여 고온의 수증기를 발생하기 위해서는 고온의 열원이 필요하며, 이러한 열원은 태양열을 이용하거나 고온의 폐열을 이용하는 등 다양한 방법이 있다.
예를 들면, 용융탄산염형 연료전지(MCFC)의 수증기 발생장치의 경우, 고온의 폐열을 열교환 방식을 통해 이용하는 HRSG(Heat Recovery Steam Generator)를 사용하기도 한다. 따라서 고온의 폐열로부터 효과적으로 열을 회수할 수 있는 기술이 필요하다.
그런데, 상기 용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 넓은 부하 변동의 범위로 인하여, 이에 대응할 수 있도록 스택 내부에 적절한 수증기를 공급하여야 한다. 만약 수증기의 상태 및 공급량이 적절하지 않을 경우에는 전체 연료전지의 성능저하는 물론, 시스템의 수명을 크게 단축시키는 결과를 초래한다. 따라서 열원이 변동되더라도 안정적으로 수증기를 공급할 수 있는 수증기 발생장치가 필요하다.
본 발명은 상기한 필요성을 충족하기 위하여 창출된 것으로, 열원이 변동되는 경우에도 안정적으로 수증기를 발생하도록 하여, 수증기 발생의 불균일에 따른 연료전지의 성능저하 및 수명단축을 해소할 수 있는 연료전지용 수증기 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 고온가스의 입구 및 출구가 마련되고, 내부에 상기 고온가스의 이동로가 형성된 열공급부; 및 상기 열공급부의 일측에 마련된 물의 유입구와, 상기 열공급부의 타측에 마련된 수증기의 배출구와, 상기 유입구와 배출구를 연통시키고 상기 열공급부의 내부에서 상기 이동로 상에 배치되어 상기 고온가스와 열교환하는 물 또는 수증기의 유동관을 포함하는 열흡수부를 구비하되, 상기 물 또는 수증기의 유동관은, 물 또는 수증기가 통과하는 제1관과, 상기 제1관의 외부를 둘러싸고, 상기 열공급부의 이동로를 유동하는 고온가스의 온도에 대응하여 상태가 변화하는 상변화물질(Phae Change Material;PCM)로 충진된 제2관을 포함하되, 상기 상변화물질은 M2Co3이고, 상기 M은 알칼리 금속인는 연료전지용 수증기 발생장치를 제공한다.
삭제
여기서, 상기 M은 리튬(Li), Na(나트륨) 및 K(칼륨) 중 선택된 적어도 하나일 수 있다.
본 발명에 의한 연료전지용 수증기 발생장치에 의하면, 상변화물질의 잠열 및 현열을 이용하여 안정적으로 열을 공급하는 것이 가능하기 때문에, 열원 변동에 따른 수증기 발생의 불균일을 해소할 수 있으며, 수증기를 발생하기 위한 유량제어가 단순해진다.
또한 수증기의 상태 및 유량이 적절하지 못하여 발생할 수 있는 전체 연료전지의 성능저하 및 시스템의 수명단축을 방지할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되 어야만 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수증기 발생장치의 구성도이고, 도 3은 도 2에 나타낸 물 또는 수증기의 유동관 일부를 도시한 부분사시도이며, 도 4는 도 3에 나타낸 상변화물질의 적용 유무에 따른 유동관의 온도변화를 나타낸 비교 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수증기 발생장치는, 열공급부(100)와, 이러한 열공급부(100)로부터 열을 흡수하는 열흡수부(200)를 구비한다.
상기 열공급부(100)에는 고온가스의 입구(110) 및 출구(120)가 마련되어 있다. 그리고 내부에는 입구(110)로 유입된 고온가스가 유동하는 이동로(130)가 형성어 있으며, 이동로(130)를 유동한 고온가스는 출구(120)를 통해 유출된다. 여기서 상기 고온가스로는 연소가스와 같이, 본연의 기능을 수행한 이후에 통상적으로는 버려질 수 있는 폐열가스를 사용할 수 있다.
상기 열흡수부(200)는, 상기 열공급부(100)의 일측에 마련되어 물이 유입되는 유입구(210)와, 열공급부(100)의 타측에 마련되어 수증기가 배출되는 배출구(220)를 포함한다. 그리고 상기 열흡수부(200)는 유입구(210)와 배출구(220)를 연통시키는 유동관(230)을 포함한다. 이러한 유동관(230)은 상기 열공급부(100)의 내부에 형성된 이동로(130) 상에 배치되어 고온가스와 열교환하는 물 또는 수증기가 유동한다.
위와 같은 본 발명의 실시예에서, 상기 유동관(230)은, 제1관(231)과, 제2 관(232)을 포함하는 이중관 구조를 갖는다.
상기 제1관(231)은 물 또는 중간에서 가열된 수증기가 통과한다. 그리고 상기 제2관(232)은 제1관(231)의 외부를 둘러싸고 있다. 여기서 상기 제1관(231)의 외부를 둘러싸는 상기 제2관(232)의 내측에는 상변화물질(Phae Change Material;PCM;232a)로 충진되어 있다. 이러한 상변화 물질은 상기 열공급부(100)의 이동로(130)를 유동하는 고온가스의 온도에 대응하여 상태가 변화하는 물질이다.
위와 같은 상변화 물질(232a)로는 M2Co3를 사용할 수 있다. 여기서 M은 알칼리 금속으로서, 리튬(Li), Na(나트륨) 및 K(칼륨) 중 선택된 적어도 하나일 수 있다.
도 4는 도 3에 나타낸 상변화물질의 적용 유무에 따른 유동관의 온도변화를 나타낸 비교 그래프이다. 여기서 상변화물질(232a)로는 Li2Co3를 사용하였다. 도시된 바와 같이, 이중관 구조에 상변화물질(Li2Co3)을 충진한 경우(A)가 단일관 구조에 상변화물질을 사용하지 않은 경우(B)보다 오랫동안 고온 상태를 유지하는 것을 볼 수 있다.
즉, 상변화 물질이 갖는 잠열과 현열을 이용함으로써, 열원 변동에 따른 수증기 발생의 불균일을 해소할 수 있으며, 수증기를 발생하기 위한 유량제어가 단순해진다. 또한 전체 연료전지의 성능이 저하되거나 시스템의 수명이 단축되는 문제도 해결할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균 등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 일반적인 연료전지의 개념을 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수증기 발생장치의 구성도,
도 3은 도 2에 나타낸 물 또는 수증기의 유동관 일부를 도시한 부분사시도,
도 4는 도 3에 나타낸 상변화물질의 적용 유무에 따른 유동관의 온도변화를 나타낸 비교 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
100 : 열공급부 110 : 입구
120 : 출구 130 : 이동로
200 : 열흡수부 210 : 유입구
220 : 유출구 230 : 유동관
231 : 제1관 232 : 제2관
232a : 상변화물질

Claims (3)

  1. 고온가스의 입구(110) 및 출구(120)가 마련되고, 내부에 상기 고온가스의 이동로(130)가 형성된 열공급부(100); 및
    상기 열공급부(100)의 일측에 마련된 물의 유입구(210)와, 상기 열공급부(100)의 타측에 마련된 수증기의 배출구(220)와, 상기 유입구(210)와 배출구(220)를 연통시키고 상기 열공급부(100)의 내부에서 상기 이동로(130) 상에 배치되어 상기 고온가스와 열교환하는 물 또는 수증기의 유동관(230)을 포함하는 열흡수부(200)를 구비하되, 상기 물 또는 수증기의 유동관(230)은,
    물 또는 수증기가 통과하는 제1관(231)과,
    상기 제1관(231)의 외부를 둘러싸고, 상기 열공급부(100)의 이동로(130)를 유동하는 고온가스의 온도에 대응하여 상태가 변화하는 상변화물질(Phae Change Material;PCM;232a)로 충진된 제2관(232)을 포함하되,
    상기 상변화 물질(232a)은 M2Co3이고, 상기 M은 알칼리 금속인 연료전지용 수증기 발생장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 M은 리튬(Li), Na(나트륨) 및 K(칼륨) 중 선택된 적어도 하나인 연료전지용 수증기 발생장치.
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