KR101244510B1 - 연료전지 시스템의 연료 개질기 버너 - Google Patents

연료전지 시스템의 연료 개질기 버너 Download PDF

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한국가스공사
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 연료 개질기 버너에 관한 것으로, 점화플러그의 점화봉이 일단부로 돌출되도록 관통 결합되고, 공기가 공급되는 공기공급구와 연료가 공급되는 연료공급구가 각각 구비되는 버너바디와, 상기 버너바디의 일단부에 결합되되, 상기 점화봉의 외면과의 사이에 공기와 연료가 유동되는 통로를 형성하는 제1튜브와, 상기 제1튜브의 외면과의 사이에 공기가 유동되는 통로를 형성하는 제2튜브;를 포함하되,상기 공기공급구와 상기 연료공급구를 통해 각각 유입되는 공기와 연료는 상기 제1튜브에서 혼합되도록 구성됨으로써, 제1튜브의 선단부가 과열되어 자연 발화되고, 점화불꽃이 불어 날리는 것을 방지할 수 있다.

Description

연료전지 시스템의 연료 개질기 버너{FUEL REFORMER BURNER OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템의 연료 개질기 버너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 버너 노즐의 선단 외측에 공기를 추가로 공급으로 공기 2단 연소를 채택하여 자연발화 및 역화를 방지하고 버너 노즐 선단의 내구성을 향상킬 수 있는 연료전지 시스템의 연료 개질기 버너에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소를 이용하며, 산화제로는 산소(공기)가 사용되는 것으로, 산소와의 화학반응을 통하여 화학에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 발전 시스템이다.
상기 연료전지 시스템은 연료전지 스택(stack)과 연료 처리장치를 주요부로 구비하고, 연료탱크, 연료펌프 등을 부수적으로 구비한다. 여기서, 상기 스택은 화학반응을 일으켜서 전기를 발생시킨다. 이때, 화학반응이 끝나고 나오는 가스를 애노드오프 개스(anode off gas)라고 한다.
수소는 일반적으로 화석연료(LNG 혹은 LPG)와 수증기를 촉매로 이용하여 고온에서 개질(reforming)시켜 얻는다. 이러한 개질 내부에는 촉매를 가열시키기 위해 버너가 필요하며 초기 기동시에는 단일연료(LNG 혹은 LPG)로 버너가 동작하지만, 정상적인 운전이 될 경우 반응 후 가스인 anode off gas와 연료가스가 동시에 투입되어 운전된다.
연료처리 장치에서 생성된 수소는 스택의 애노드 전극에 공급되고, 캐소드 전극에 공급된 산소와 만나 전기화학적 반응을 하여 스택에서 전기와 열을 생산하게 된다. 연료개질기에서의 리포밍 반응과 쉬프트 반응기의 쉬프트 반응은 고온에서 이루어지므로 연료처리 장치에는 필요한 열을 공급하기 위한 수단으로서 버너를 구비하게 된다.
이 연료개질기 버너는 기본적으로 연료가스를 연소시켜 열을 생성하며, 이때 연료가스는 일반적으로 도시가스 등의 탄화수소 가스가 주를 이룬다. 그러나, 연료전지 시스템의 효율향상을 위하여는 버너는 단순히 탄화수소 등의 연료가스의 연소뿐만이 아니라 수소가스의 연소가 가능하여야 한다.
이렇게 탄화수소 등의 연료가스뿐만이 아니라 수소가스를 연소시켜 연료처리장치에서 필요한 열원으로 사용이 가능케 하는 버너가 필요로 하게 된다. 이러한 연료전지 시스템의 개질기 버너가 한국특허 공개번호 10-2009-0010402호에 개시되어 있다.
상기 특허문헌에 개시된 종래의 연료개질기 버너는 탄화수소연료와 공기(또는 산화제)가 토출되는 제1튜브와, 애노드오프 개스가 토출되는 제2튜브가 각각 구비된다.
이 제1튜브에는 공기유입구와 연료개스 유입구가 구비되어 공기와 메탄가스가 주를 이루는 도시가스가 공급된다. 여기서, 도시가스 대신에 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 디메틸 에테르, LPG, LNG 및 이들의 결합물 등이 공급될 수도 있다.
그리고, 제2튜브에는 수소가스 유입구가 구비되어 수소가스 유입구로 연료전지 시스템에서의 연료전지 스택의 애노드측에서 미반응된 수소가스 및 생성된 이산화탄소가 혼합된 애노드 오프 가스가 공급될 수 있도록 애노드 오프 가스 공급관이 구비된다.
여기서, 제1튜브와 제2튜브는 동심원을 이루도록 일체로 형성되되, 제2튜브가 제1튜브의 외측에 구비된다. 그리고, 제1튜브의 내측에는 단부에 전기점화기를 가 설치되고, 전기점화기에 소정의 전압이 인가되면 전기점화기의 단부 및 제1튜브 사이에서 전기스파크가 형성되며, 이때 이곳으로 연료 및 공기가 공급되면 발화가 일어나게 된다.
그러나, 종래의 개질기 버너의 경우에는 완전 예혼합 연소방식으로 구성되어 있어 연소속도의 차이가 큰 도시가스와 애노드 오프 가스를 하나의 노즐에서 사용할 경우 부분부하에서 역화의 가능성이 있고 구조적으로 자연 발화의 가능성이 있으며, 완전 예혼합 연소방식으로 인하여 버너 노즐 선단의 고온의 화염에 노출되어 내구성이 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, , 혼합연료의 통로 둘레의 공기통로를 이용하여 점화봉의 선단부로 공기를 추가로 공급하여, 혼합연료의 배출되는 부분의 주변으로 공기가 배출되어 쉴드역할을 함으로써 자연 발화되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 시스템의 연료개질기 버너를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 공기2단 연소방식으로 구성하여 1차 연소연영역에서 연소속도를 늦추어 역화를 방지하고, 연소반응을 1차,2차로 나누어 진행시켜 화염온도를 낮게 함으로써 버너 노즐 선단의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템의 연료개질기 버너를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 점화플러그의 점화봉이 일단부로 돌출되도록 관통 결합되고, 공기가 공급되는 공기공급구와 연료가 공급되는 연료공급구가 각각 구비되는 버너바디와, 상기 버너바디의 일단부에 결합되되, 상기 점화봉의 외면과의 사이에 공기와 연료가 유동되는 통로를 형성하는 제1튜브와, 상기 제1튜브의 외면과의 사이에 공기가 유동되는 통로를 형성하는 제2튜브;를 포함하되, 상기 공기공급구와 상기 연료공급구를 통해 각각 유입되는 공기와 연료는 상기 제1튜브에서 혼합되도록 구성되며, 상기 제1튜브의 외측 선단과 상기 제2튜브의 선단 사이에는 상기 제1튜브의 외면과 제2튜브 사이의 간격을 일정하게 유지하도록 하는 간격유지부재가 구비되되, 상기 간격유지부재는, 상기 제2튜브 내의 공기가 상기 제1튜브의 외면 선단과 제2튜브 내면 선단 사이로 배출되도록 하는 적어도 하나 이상의 홈부가 일단부에서 타단부까지 관통 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공기공급구에는 외부에서 공급되는 공기를 상기 제1튜브와 상기 제2튜브로 각각 분기하는 분기통로가 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 점화봉과 제1튜브의 선단에는 와류발생부재가 결합되어, 상기 제1튜브를 통해 배출되는 공기와 연료가 혼합된 혼합연료가 점화되어 형성되는 불꽃이 날리는 것을 방지하도록 구성되는 것이 바람직하다.
삭제
또한, 상기 간격유지부재는, 외주면이 상기 제2튜브의 내면에 밀착되고, 내주면이 상기 제1튜브의 외면에 밀착되는 링 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
삭제
본 발명에 의하면, 불꽃이 발생하는 제1튜브의 선단 외측 둘레로 공기가 추가로 공급되므로 제1튜브의 선단부가 과열되어 자연 발화되는 것을 방지할 수 있으며 버너 노즐 선단의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 버너 노즐 선단에서의 연소를 1차 및 2차로 나누어 진행함으로써 1차 연소의 예혼합연소에서의 연소속도를 늦추어 역화를 방지할 수 있다.
불꽃이 발생하는 제1튜브의 선단 외측 둘레로 공기가 공급되어 쉴드 역할을 하고, 와류발생부재에 의해 혼합연료가 와류 형태로 공급되므로 불꽃의 불어날림을 방지할 수 있다.
또한, 불꽃이 발생하는 제1튜브의 선단부로 공기가 추가로 공급되므로 혼합연료를 완전 연소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료개질기 버너를 보인 단면도.
도 2는 도 1의 A를 상세하게 보인 요부 단면도.
도 3은 도 1의 B를 상세하게 보인 요부 단면도.
도 4는 도 1의 연료개질기 버너에서 와류발생부재를 보인 사시도.
도 5는 도 1의 연료개질기 버너에서 간격유지부재를 보인 사시도.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료개질기 버너를 보인 단면도이고, 도 2는 도 1의 A를 보인 요부 단면도이며, 도 3은 도 1의 B를 상세하게 보인 요부 단면도이다. 도 4는 도 1의 연료개질기 버너에서 와류발생부재를 보인 사시도이고, 도 5는 도 1의 연료개질기 버너에서 간격유지부재를 보인 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지시스템의 연료개질기 버너(100)는, 점화플러그(120)의 점화봉(121)이 일단부로 돌출되도록 관통 결합되고, 공기가 공급되는 공기공급구(113)와 연료가 공급되는 연료공급구(113a)가 각각 구비되는 버너바디(110)와, 버너바디(110)의 일단부에 결합되되, 점화봉(121)의 외면과의 사이에 공기와 연료가 유동되는 통로를 형성하는 제1튜브(130)와, 제1튜브(130)의 외면과의 사이에 공기가 유동되는 통로(112a)를 형성하는 제2튜브(140)를 포함한다.
여기서, 버너바디(110)는 양단부를 관통하여 점화플러그(120)가 결합되되, 점화봉(121)이 버너바디(110)의 일단부로 돌출되도록 설치된다. 그리고, 버너바디(110)의 일단부에 제1홈부(111)가 형성되고, 이 제1홈부(111)에 연장되어 제2홈부(112)가 형성된다. 또한, 버너바디(110)에는 공기가 공급되는 공기공급구(113)와 연료가 공급되는 연료공급구(113a)가 구비된다.
따라서, 제1튜브(130)는 하단부가 제1홈부(111)에 끼워져 결합되며, 점화플러그(120)의 점화봉(121) 외면과의 사이에 일정한 갭을 가지고 구성되어 연료와 공기가 혼합된 혼합연료의 통로(111a)를 형성하게 된다. 그리고, 제2튜브(140)는 하단부가 제2홈부(112)에 끼워져 결합되며, 제1튜브(130)의 외면과의 사이에 일정한 갭을 가지고 구성되어 공기가 유동되는 통로(112a)를 형성하게 된다.
또한, 공기공급구(113)는 공기가 공급되는 공기공급관(115)이 연결되어, 점화봉(121)과 제1튜브(130) 사이의 통로(111a)에 연통된다. 그리고, 이 공기공급구(113)에는 공기공급관(115)를 통해 유입되는 공기를 제1튜브(130)의 통로(111a)와 제2튜브(140)의 통로(112a)으로 분기시키기 위한 분기통로(114)가 구비된다.
또한, 연료공급구(113a)는 연료가 공급되는 연료공급관이 연결되며, 제1튜브(130)에 연통된다.
즉, 제1튜브(130)의 통로(111a)는 공기공급구(113)와 연료공급구(113a)를 통해 제1튜브(130)로 각각 유입되는 연료와 공기가 유동하면서 혼합된 후에 제1튜브(130)의 선단부로 이동되도록 가이드하여 제1튜브(130)의 선단부에서 점화플러그(120)의 점화봉(121)의 스파크에 의해 점화되도록 구성되는 것이다.
그리고, 점화플러그(120)가 버너바디(110)에 관통 결합되되, 점화플러그(120)에 일체로 형성되는 점화봉(121)이 제1튜브(130)의 선단부까지 구성된다. 따라서, 제1튜브(130)의 선단으로 배출되는 혼합연료가 점화봉(121)의 스파크에 의해 제1튜브(130)의 선단부에서 점화되는 것이다.
그리고, 제1튜브(130)의 내주면 선단부와 점화봉(121) 사이에는 제1튜브(130)의 선단에 형성되는 불꽃이 날리는 것을 방지하기 위하여 제1튜브(130)의 선단으로 혼합연료가 배출될 때 와류가 발생되도록 하는 와류발생부재(150)가 구비된다.
이 와류발생부재(150)는 링 형상으로 형성되며, 중앙에 점화봉(121)이 끼워져 관통되는 끼움홀(151)이 형성되고, 외주면에는 제1튜브(130)의 선단으로 혼합연료가 배출될 때 와류를 발생시키기 위한 사선으로 형태의 다수의 나선홈(152)이 형성된다. 와류발생부재(150)는 혼합연료를 점화되는 제1튜브(130)와 점화봉(121)의 선단으로 배출시키는 노즐이라고 할 수 있는 것이다.
제2튜브(140)는 제1튜브(130)의 외측에 일정간격의 갭(gap)을 두고 구성되어 통로(112a)으로 유입되는 공기가 유동되어 제2튜브(140)의 선단 즉, 제1튜브(130)의 외측 둘레로 배출되도록 구성된다.
따라서, 제2튜브(140)는 제1튜브(130)의 선단에 형성되는 불꽃이 날리지 않도록 불꽃 주변으로 공기막을 형성하고, 제1튜브(130)의 선단으로 배출되는 혼합연료로 공기를 추가로 공급하여 완전연소가 이루어지도록 하는 역할을 하게 된다. 또한, 제2튜브(140)는 제1튜브(130)의 외측 둘레로 공기막을 형성하여 제1튜브(130)의 선단이 가열되어 혼합연료가 자연발생 발화되는 것을 방지하는 역할도 하게 된다.
그리고, 제2튜브(140)의 내주 선단부와 제1튜브(130)의 외주 선단부 사이에는 일정한 간격의 갭을 유지하기 위한 간격유지부재(160)가 구비된다.
간격유지부재(160)는 외주면이 제2튜브(140)의 내면에 밀착되고, 내주면이 제1튜브(130)의 외면에 끼워지는 링 형상으로 형성된다. 그리고, 이 간격유지부재(160)에는 제2튜브(140) 내의 공기가 제1튜브(130)의 외면과 제2튜브(140)의 내면 사이를 통하여 제1튜브(130)의 외측 둘레로 배출되도록 하는 적어도 하나 이상의 홈부(161)가 형성된다. 이 홈부(161)는 간격유지부재(160)의 상단에서 하단까지 관통 형성되되, 간격유지부재(160)의 외면이나 내면에 형성될 수 있으나, 본 발명의 일실시예에서는 도 5와 같이, 간격유지부재(160)의 외면에 형성된다.
또한, 점화플러그(120)에는 점화봉(121)이 일체로 구성되며, 와류발생부재(150)의 끼움홀(151)에 관통되어 설치되며, 불꽃을 발생하여 점화기능을 하게 된다. 이 점화기능은 별도의 점화트랜스를 이용하여 제1튜브(130)의 선단과 점화플러그(120)의 점화봉(121) 사이에서 스파크가 일어나 점화된다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료개질기 버너에 대한 작용을 설명하기로 한다.
먼저, 버너바디(110)의 공기공급구(113)와 연료공급구(113a)에 각각 구비되는 공기공급관(115)와 연료공급관를 통해 버너바디(110)의 내측으로 공기와 연료가 각각 유입된다. 이때, 제1튜브(130)의 통로(111a)에는 공기와 연료가 각각 유입된 후에 혼합된 후에 제1튜브(130)의 선단부로 이동되어 배출된다.
그리고, 버너바디(110)의 분기통로(114)를 통해 제2튜브(140)의 통로(112a)에 유입되는 공기는 유동되어 제1튜브(130)의 선단 외면 주변으로 배출된다. 여기서, 공기공급관(115)을 통해 버너바디(110) 내로 유입되는 공기는 제1튜브(130)의 통로(111a)와 제2튜브(140)의 통로(112a)로 동시에 유입되는 것이다.
이렇게 제1튜브(130)의 통로(111a)에는 공기와 연료가 각각 유입된 후에 혼합되어 제1튜브(130)의 선단으로 이동되고, 제2튜브(140)의 통로(112a)에는 공기만 유입된 후에 제2튜브(140)의 선단에서 제1튜브(130)의 선단 둘레 외측으로 배출된다.
이때, 점화플러그(120)를 작동되어 제1튜브(130)의 선단과 점화봉(121)의 선단 사이에서 스파크가 일어나 점화되어 불꽃이 발생된다. 이때, 제2튜브(140)의 선단과 제1튜브(130)의 선단 사이로 공기가 배출되는데, 이 공기에 의해 상기에서 점화된 불꽃은 휘날리지 않고 안정적인 불꽃을 유지하게 되며, 제1튜브(130)와 점화봉(121) 사이에서 공급되는 혼합연료의 연소 효율이 향상되는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 연료 개질기의 버너
110 : 버너바디 111 : 제1홈부
112 : 제2홈부
113 : 공기공급구 113a : 연료공급구
114 : 분기통로 115 : 공기공급관
120 : 점화플러그 121 : 점화봉
130 : 제1튜브 140 : 제2튜브
150 : 와류발생부재 151 : 끼움홀
152 : 나선홈
160 : 간격유지부재 161 : 홈부

Claims (6)

  1. 점화플러그의 점화봉이 일단부로 돌출되도록 관통 결합되고, 공기가 공급되는 공기공급구와 연료가 공급되는 연료공급구가 각각 구비되는 버너바디와,
    상기 버너바디의 일단부에 결합되되, 상기 점화봉의 외면과의 사이에 공기와 연료가 유동되는 통로를 형성하는 제1튜브와,
    상기 제1튜브의 외면과의 사이에 공기가 유동되는 통로를 형성하는 제2튜브;를 포함하되,
    상기 공기공급구와 상기 연료공급구를 통해 각각 유입되는 공기와 연료는 상기 제1튜브에서 혼합되도록 구성되며,
    상기 제1튜브의 외측 선단과 상기 제2튜브의 선단 사이에는 상기 제1튜브의 외면과 제2튜브 사이의 간격을 일정하게 유지하도록 하는 간격유지부재가 구비되되,
    상기 간격유지부재는, 상기 제2튜브 내의 공기가 상기 제1튜브의 외면 선단과 제2튜브 내면 선단 사이로 배출되도록 하는 적어도 하나 이상의 홈부가 일단부에서 타단부까지 관통 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료개질기 버너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기공급구에는 외부에서 공급되는 공기를 상기 제1튜브와 상기 제2튜브로 각각 분기하기 위한 분기통로가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료개질기 버너.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 점화봉과 제1튜브의 선단에는 와류발생부재가 결합되어, 상기 제1튜브를 통해 배출되는 공기와 연료가 혼합된 혼합연료가 점화되어 형성되는 불꽃이 날리는 것을 방지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 개질기 버너.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 간격유지부재는,
    외주면이 상기 제2튜브의 내면에 밀착되고, 내주면이 상기 제1튜브의 외면에 밀착되는 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 개질기 버너.
  6. 삭제
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