KR101275346B1 - 연료전지용 열교환기 - Google Patents

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KR101275346B1
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서준석
이재준
이현수
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포스코에너지 주식회사
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Abstract

연료전지용 열교환기는 길이 방향으로 한쪽 끝 부분과 다른 쪽 끝 부분에 각각 유체 유입구와 유체 유출구를 가지는 원기둥 형상의 열교환기 몸체, 및 열교환기 몸체의 내부에 구비되고 열교환기 몸체의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 튜브를 포함하며, 상기 튜브는 튜브의 외면으로부터 열교환기 몸체의 내면을 향해 열교환기 몸체의 지름 방향으로 돌출하는 복수 개의 돌출부를 구비하고, 상기 열교환기 몸체는 열교환기 몸체의 내면으로부터 돌출부를 향해 돌출하여 돌출부를 아래쪽에서 지지하는 복수 개의 하측 지지부를 구비한다.

Description

연료전지용 열교환기 {HEAT EXCHANGER FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 열교환기에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 과열로 인한 튜브의 팽창이 일어난다 하더라도 파손이 쉽게 일어나지 않는 연료전지용 열교환기에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 즉, 연료전지는 연료극에서의 수소 산화반응과 공기극에서의 산소 환원반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 이러한 반응으로 전기를 생산하는 연료전지 시스템은 크게 연료전지 스택(stack), MBOP(Mechanical Balance of Plant), EBOP(Electrical Balance of Plant)로 구성된다. 연료전지 스택은 전기화학반응으로 전기를 생산하는 구성이고, MBOP는 연료전지 스택으로 수소와 산소를 공급하는 구성이며, EBOP는 연료전지 스택으로터의 직류전기를 교류전기로 변환하여 필요한 곳으로 공급하는 구성이다.
그런데 전술한 연료극에서의 산화반응을 위해서는 연료전지 스택의 연료극에 수소를 공급하여야 한다. 이러한 수소의 공급을 위해 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 같은 고온형 연료전지는 개질기를 통해 연료전지용 연료(예를 들어, LNG) 중의 탄화수소를 수소로 개질한다. 그런데 개질기에서 일어나는 개질반응은 물을 필요로 하는 반응이다. 그러나 액상의 물은 개질 촉매에 손상을 줄 수 있기 때문에 개질기에는 연료전지용 연료와 함께 기상의 물이 공급되어야 한다. 그리고 물을 기상으로 공급하면 연료전지용 연료와 물이 잘 혼합된다는 장점도 있다. 이와 같이 기상의 물을 공급하기 위해 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 같은 고온형 연료전지는 물을 증발시켜 연료전지용 연료와 혼합하는 가습 열교환기를 구비한다.
한편, 이러한 가습 열교환기로는 종래에 다관식 열교환기(multi-tubular heat exchanger) 중에 고정관판식 열교환기(fixed tube sheet heat exchanger)가 주로 사용되었다. 고정관판식 열교환기는 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 길이 방향으로 양쪽 끝에 관판(12, tube sheet)이 구비되고, 이러한 관판(12) 사이에 튜브(14)가 고정되는 구조를 가지고 있다. 그러나 이러한 구조로 인해 종래의 가습 열교환기는 관판(12)과 튜브(14) 사이의 결합 부분에서 파손이 쉽게 일어난다는 문제가 있다. 보다 상술하면, 열교환 중에 일어나는 튜브(14)의 과열은 튜브(14)를 주로 축 방향(길이 방향)으로 팽창시킨다. 그러나 튜브(14)는 축 방향의 끝에서 관판(12)과 결합하고 있기 때문에, 이러한 팽창은 관판(12)에 의해 억제될 수밖에 없다. 이러한 팽창의 억제로 인해 관판(12)과 튜브(14) 사이의 결합 부분에는 응력이 집중된다. 이에 따라 종래의 고정관판식 열교환기는 관판(12)과 튜브(14) 사이의 결합 부분에서 파손(또는 변형)이 쉽게 일어난다는 문제가 있다. 이러한 결합 부분에서의 파손(또는 변형)은 가습 열교환기를 비롯한 연료전지용 열교환기에서 흔하게 일어나는 문제이다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 과열로 인한 튜브의 팽창이 일어난다 하더라도 파손이 쉽게 일어나지 않는 연료전지용 열교환기를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 열교환기는 길이 방향으로 한쪽 끝 부분과 다른 쪽 끝 부분에 각각 유체 유입구와 유체 유출구를 가지는 원기둥 형상의 열교환기 몸체, 및 열교환기 몸체의 내부에 구비되고 열교환기 몸체의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 튜브를 포함하며, 상기 튜브는 튜브의 외면으로부터 열교환기 몸체의 내면을 향해 열교환기 몸체의 지름 방향으로 돌출하는 복수 개의 돌출부를 구비하고, 상기 열교환기 몸체는 열교환기 몸체의 내면으로부터 돌출부를 향해 돌출하여 돌출부를 아래쪽에서 지지하는 복수 개의 하측 지지부를 구비한다.
상기 열교환기 몸체는 상기 하측 지지부에 대응하여 상기 돌출부의 위쪽에서 상기 열교환기 몸체의 내면으로부터 상기 돌출부를 향해 돌출하는 복수 개의 상측 지지부를 더 구비할 수 있다. 그리고 상기 돌출부는 상기 열교환기 몸체의 내면으로부터 소정 거리만큼 이격될 수 있다. 또한 상기 하측 지지부는 양측의 말단으로부터 수직하게 상측으로 연장하는 이탈 방지부를 포함할 수 있다. 이때 상기 이탈 방지부는 상기 돌출부로부터 소정 거리만큼 이격될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 열교환기는 내부의 튜브가 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있기 때문에, 과열로 인한 튜브의 팽창이 일어난다 하더라도 튜브가 이러한 팽창을 용이하게 수용할 수 있어 파손이 쉽게 일어나지 않을 뿐만 아니라, 열교환기 몸체의 하측 지지부 위에 튜브의 돌출부를 올려놓는 것으로 열교환기 몸체 내에 튜브를 설치하기 때문에, 과열로 인한 튜브의 팽창이 일어난다 하더라도 이러한 팽창을 억제하는 부분이 존재하지 않아 팽창으로 인한 파손이 거의 발생하지 않는다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열교환기의 내부를 도시하고 있는 정면도
도 2는 도 1의 A 부분의 확대도
도 3은 도 1의 연료전지용 열교환기를 도시하고 있는 평면도
도 4는 종래기술에 따른 가습 열교환기를 도시하고 있는 정면도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열교환기의 내부를 도시하고 있는 정면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분의 확대도이며, 도 3은 도 1의 연료전지용 열교환기를 도시하고 있는 평면도이다. 도 1 내지 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 연료전지용 열교환기는 열교환기 몸체(110)와 튜브(130)를 포함한다. 열교환기 몸체(110)는 연료전지용 열교환기의 동체(shell)를 이루는 것으로서, 길이 방향(도 1 를 기준으로 상하 방향)으로 한쪽 끝 부분과 다른 쪽 끝 부분에 각각 유체 유입구(112)와 유체 유출구(114)를 가진다. 이러한 유체 유입구(112)와 유체 유출구(114)를 통해서는 고온의 유체가 유동하고, 튜브(130)를 통해서는 저온의 유체가 유동한다.
즉, 고온의 유체는 유체 유입구(112)로 유입되어 유체 유출구(114)로 배출되고, 저온의 유체는 유체 유출구(114) 쪽에서 튜브(130)로 유입되어 유체 유입구(112) 쪽에서 튜브(130)로부터 배출된다. 이와 같이 고온의 유체와 저온의 유체가 흐르면, 고온의 유체의 흐름과 저온의 유체의 흐름은 대향류(counterflow)를 이룰 수 있다. 그리고 이러한 흐름 중에 고온의 유체와 저온의 유체 사이에서 열교환이 일어난다. 가습 열교환기에 있어서 저온의 유체는 연료(fuel)와 물(water)의 혼합물일 수 있고, 고온의 유체는 연료전지 스택의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스일 수 있다.
참고로, 유체 유입구(112)와 유체 유출구(114)는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 열교환기 몸체(110)의 양쪽 끝에 각각 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 형성되면 유체가 일자 형태로 유동할 수 있어 유체의 원활한 유동에 유리하기 때문이다. 그러나 경우에 따라서는 유체 유입구와 유체 유출구가 열교환기 몸체(110)의 양쪽 끝 부분쯤에 구비될 수도 있다. 이러한 경우에는 유체 유입구와 유체 유출구가 열교환기 몸체(110)의 길이 방향과 수직한 방향(도 1를 기준으로 좌우 방향)으로 형성될 수도 있다.
한편, 이러한 열교환기 몸체(110) 내에는 저온의 유체가 흐르는 튜브(130)가 구비된다. 튜브(130)는 도 1 에서 도시하고 있는 것과 같이 열교환기 몸체(110)의 길이 방향(도 1을 기준으로 상하 방향)을 따라 나선형으로 감겨 있다. 이와 같이 본 실시예에 따른 튜브(130)는 나선형의 구조를 가지고 있기 때문에 과열되더라도 쉽게 파손되거나 변형되지 않는다는 장점이 있다. 이에 대해 상술하면, 본 실시예에 따른 튜브(130)는 일종의 스프링과 같은 형상을 가진다. 이에 따라 과열로 인해 튜브(130)가 팽창하더라도 본 실시예에 따른 튜브(130)는 길이 방향 또는 그에 수직한 방향으로 이러한 팽창을 용이하게 수용할 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에 따른 튜브(130)를 안쪽으로 밀거나, 또는 바깥쪽으로 당기더라도 스프링과 유사한 형상으로 인해 본 실시예에 따른 튜브(130)는 그러한 가압으로 인한 변형을 용이하게 수용할 수 있다. 이와 같이 본 실시예에 따른 튜브(130)는 스프링과 유사한 형상을 가지고 있기 때문에, 즉 열교환기 몸체(110)의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있기 때문에, 과열로 인해 튜브(130)가 팽창하더라도 그러한 팽창을 용이하게 수용할 수 있고, 이의 결과로 팽창을 억제하는 부분이 거의 없어, 즉 응력이 집중되는 부분이 거의 없어 쉽게 파손되거나 변형되지 않는다.
다만, 본 실시예에 따른 튜브(130)가 과열로 인한 팽창을 용이하게 수용할 수 있다고 하더라도, 튜브(130)를 고정하는 부분에서 응력이 집중되는 것은 피하기 어렵다. 이러한 응력의 집중을 방지하기 위해 본 실시예에 따른 튜브(130)는 돌출부(132)를, 그리고 본 실시예에 따른 열교환기 몸체(110)는 하측 지지부(116)를 구비한다. 여기서 돌출부(132)는 도 1과 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 튜브(130)의 외면으로부터 열교환기 몸체(110)의 내면을 향해 열교환기 몸체(110)의 지름 방향(도 3 참조)으로 돌출하는 구성이다. 그리고 하측 지지부(116)는 열교환기 몸체(110)의 내면으로부터 돌출부(132)를 향해 돌출하여 돌출부(132)를 아래쪽에서 지지하는 구성이다. 참고로, 열교환기 몸체(110)와 하측 지지부(116) 사이, 그리고 튜브(130)와 돌출부(132) 사이는 용접 등의 방법으로 결합될 수 있다.
이러한 돌출부(132)와 하측 지지부(116)를 복수 개 마련한 다음에 하측 지지부(116) 위에 돌출부(132)를 올려놓으면, 튜브(130)가 열교환기 몸체(110) 내에 안정적으로 고정될 수 있을 뿐만 아니라, 튜브(130)의 고정 부분에서 파손(또는 변형)이 거의 발생하지 않을 수 있다. 즉, 하측 지지부(116)가 돌출부(132)를 통해 튜브(130)의 하중을 지탱하기 때문에 튜브(130)는 열교환기 몸체(110) 내에 안정적으로 고정될 수 있고, 하측 지지부(116)가 돌출부(132)와 결합하지 않기 때문에 하측 지지부(116)나 돌출부(132)에 튜브(130)의 팽창으로 인한 응력의 집중이 발생할 여지가 없어 파손(또는 변형)이 거의 발생하지 않을 수 있다.
다만, 이러한 효과를 위해서는 돌출부(132)가 열교환기 몸체(110)의 내면으로부터 소정 거리만큼 이격되는 것이 바람직하다. 돌출부(132)와 열교환기 몸체(110)의 내면 사이에 이격 거리가 없으면, 튜브(130)의 팽창으로 돌출부(132)가 열교환기 몸체(110)의 내면과 접촉할 수 있기 때문이다. 이러한 접촉이 발생하면 응력이 집중이 일어날 수 있어 다시 파손의 문제가 발생할 수도 있다.
한편, 고온의 유체가 유체 유입구(112)로부터 유체 유출구(114)로 흐르다 보면, 이러한 유체의 흐름으로 인해 돌출부(132)가 흔들릴 수 있다. 이러한 흔들림을 방지하기 위해 본 실시예에 따른 열교환기 몸체(110)는 하측 지지부(116)에 대응하여 돌출부(132)의 위쪽에서 열교환기 몸체(110)의 내면으로부터 돌출부(132)를 향해 돌출하는 복수 개의 상측 지지부(118)를 더 구비할 수 있다. 이와 같이 상측 지지부(118)가 더 구비되면, 돌출부(132)가 하측 지지부(116)와 상측 지지부(118) 사이에서 샌드위치되기 때문에 고온의 유체가 흐른다고 하더라도 전술한 흔들림이 발생하지 않을 수 있다.
그리고 외부의 진동 등으로 인해 튜브(130)가 수평 방향으로 흔들리면 돌출부(132)가 하측 지지부(116)로부터 이탈될 수도 있으므로, 이러한 이탈을 방지할 수 있는 구성을 더 구비하는 것도 바람직하다. 본 실시예에 따른 하측 지지부(116)는 이러한 수평 방향으로의 이탈을 방지하기 위해 하측 지지부(116)의 양측 말단으로부터 수직하게 상측으로 연장하는 이탈 방지부(미도시)를 포함할 수 있다. 하측 지지부(116)가 이러한 이탈 방지부를 포함하면, 하측 지지부(116)는 'ㄷ' 자와 유사한 형상의 단면을 가질 것이다.
그러나 이러한 경우에도 이탈 방지부가 돌출부(132)로부터 소정 거리만큼 이격되는 것이 바람직하다. 이탈 방지부와 돌출부(132) 사이에 이격 거리가 전혀 없으면 튜브(130)의 팽창으로 인해 돌출부(132)가 이탈 방지부와 접촉할 수 있기 때문이다. 이러한 접촉이 발생하면 전술한 것과 같이 응력이 집중이 일어날 수도 있어 다시 파손의 문제가 발생할 수도 있다. 참고로, 상측 지지부(118)도 하측 지지부(116)와 동일하게 'ㄷ' 자와 유사한 형상의 단면을 가질 수도 있다.
전술한 것과 같이 본 실시예에 따른 연료전지용 열교환기는 열교환기 몸체(110)와 튜브(130) 사이에 결합 부분이 존재하지 않는다. 즉, 열교환기 몸체(110)의 하측 지지부(116) 위에 튜브(130)의 돌출부(132)를 올려놓는 것으로 열교환기 몸체(110) 내에 튜브(130)를 설치할 수 있기 때문에 열교환기 몸체(110)와 튜브(130) 사이에 결합 부분이 존재하지 않는다. 이에 따라 고온에서 튜브(130)가 팽창한다고 하더라도 이러한 팽창을 억제하는 부분이 존재하지 않으며, 이의 결과로 본 실시예에 따른 열교환기는 팽창으로 인한 파손이나 변형이 거의 발생하지 않을 수 있다.
한편, 고온의 유체와 저온의 유체 사이의 열교환 효율을 높이기 위해 본 실시예에 따른 연료전지용 열교환기는 하나의 튜브(미도시)가 다른 하나의 튜브를 감싸고 있는 구조를 가질 수도 있다. 이와 같이 2개의 튜브를 구비하면, 열전달 면적이 넓어져서 열교환 효율이 향상될 수 있다. 그리고 본 실시예에 따른 연료전지용 열교환기는 열교환기 몸체의 길이 방향을 따라 연장하고 튜브의 중심을 관통하는 원기둥 형상의 유동 확산부(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 이와 같이 유동 확산부가 구비되면, 고온의 유체가 튜브의 중심을 지나갈 수 없기 때문에, 즉 고온의 유체가 외측으로 확산되기 때문에 고온의 유체가 더 많이 튜브와 접촉할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 열교환기 몸체 112: 유체 유입구
114: 유체 유출구 116: 하측 지지부
118: 상측 지지부 130: 튜브
132: 돌출부

Claims (5)

  1. 길이 방향으로 한쪽 끝 부분과 다른 쪽 끝 부분에 각각 유체 유입구와 유체 유출구를 가지는 원기둥 형상의 열교환기 몸체, 및 상기 열교환기 몸체의 내부에 구비되고 상기 열교환기 몸체의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 튜브를 포함하며,
    상기 튜브는 상기 튜브의 외면으로부터 상기 열교환기 몸체의 내면을 향해 상기 열교환기 몸체의 지름 방향으로 돌출하는 복수 개의 돌출부를 구비하고, 상기 열교환기 몸체는 상기 열교환기 몸체의 내면으로부터 상기 돌출부를 향해 돌출하여 상기 돌출부를 아래쪽에서 지지하는 복수 개의 하측 지지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기 몸체는 상기 하측 지지부에 대응하여 상기 돌출부의 위쪽에서 상기 열교환기 몸체의 내면으로부터 상기 돌출부를 향해 돌출하는 복수 개의 상측 지지부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 열교환기 몸체의 내면으로부터 소정 거리만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 하측 지지부는 양측의 말단으로부터 수직하게 상측으로 연장하는 이탈 방지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 이탈 방지부는 상기 돌출부로부터 소정 거리만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
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