KR101309932B1 - 연료전지 배기가스 처리장치 - Google Patents

연료전지 배기가스 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부에 촉매부가 구비되는 장치바디 및 상기 장치바디에 제공되면서, 가스혼합부와 가스분배부로 구성되는 가스혼합분배부를 포함하여 구성된 연료전지 배기가스 처리장치에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면, 연료전지 스택의 연료극 배기가스와 공기가 균일하게 혼합된 혼합가스가 상기 촉매부에서 촉매 연소된 후, 연소반응부에 균일하게 공급되어 연료전지의 안정적인 운전을 보장하는 효과가 있다.

Description

연료전지 배기가스 처리장치{TREATMENT DEVICE FOR EXHAUST GAS OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부에 촉매부가 구비되는 장치바디 및 상기 장치바디에 제공되면서, 상기 촉매부에 연료전지 스택의 연료극 배기가스와 공기가 균일하게 혼합된 혼합가스를 유입토록 제공되는 가스혼합분배부를 포함하여 구성된 연료전지 배기가스 처리장치에 관한 것이다.
과거 수세기 동안 에너지에 대한 수요는 기하급수적으로 증가하여 왔다. 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라, 많은 다양한 에너지원이 탐사되고 개발되어 왔다.
탄화수소의 연소는 기초적인 에너지원 중 하나이나, 탄화수소의 연소시 생성되는 오염물질로 인해, 최근에는 청정 에너지원에 대한 요구가 증가함에 따라, 연료전지에 대한 연구가 증가하고 있다.
연료전지는 수소 및 산소를 전기 및 열로 전환시키는 전기화학적 에너지 전환을 이용한다. 연료전지는 배터리와 비슷하지만, 전력을 공급하면서도 충전될 수 있다. 많은 경우, 연료전지는 휴대용 전력 공급원으로서 1차 및 2차 배터리를 대체할 것으로 기대되고 있다.
연료전지의 한 종류인 용융탄산염 연료전지(MCFC) 및 고체산화물 연료전지(SOFC)는 효율적인 작동을 위해서 일반적으로 고온 환경을 요구한다. 고체산화물 연료전지에 대한 고온 요구는 연료전지를 시동할 때 심각한 지연을 발생시킨다. 고체산화물 연료전지가 기능성 면에서 배터리를 대체하기 위해서는, 고체산화물 연료전지가 작동온도에 신속하게 도달할 수 있어야 한다.
그 결과, 일부 연료전지는 연료전지가 효율적인 작동 온도에 더욱 신속하게 도달하도록 하기 위하여 연료전지 가열 수단을 포함한다.
종래기술은 촉매연소기를 구비하여, 스택 연료극의 배기가스를 송풍기에서 공급되는 공기를 이용하여 촉매층에서 완전연소시켜 고온의 연소가스를 발생시킨다. 그리고, 이렇게 발생하는 열을 열교환을 통해 전달하여 연료전지가 작동온도에 신속하게 도달할 수 있게 한다.
그런데, 연료극의 배기가스와 공기가 균일하게 혼합되지 않아 촉매연소기의 촉매층에서 부분과열이 일어나 연료전지의 안정적인 작동을 보장하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 내부에 촉매부가 구비되는 장치바디 및 상기 장치바디에 제공되면서, 상기 촉매부에 연료전지 스택의 연료극 배기가스와 공기가 균일하게 혼합된 혼합가스를 유입토록 제공되는 가스혼합분배부를 포함하여 구성된 연료전지 배기가스 처리장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 측면으로서 본 발명은, 내부에 촉매부가 구비되는 장치바디; 및 상기 장치바디에 제공되면서, 상기 촉매부에 연료전지 스택의 연료극 배기가스와 공기가 균일하게 혼합된 혼합가스를 유입토록 제공되는 가스혼합분배부;를 포함하고, 상기 가스혼합분배부는, 혼합가스를 균일하게 혼합토록 제공되는 가스혼합부와, 상기 혼합가스를 촉매부로 균등하게 공급토록 제공되는 가스분배부를 포함하고, 상기 가스혼합분배부는, 판형상의 상기 가스혼합부와 가스분배부가 교대로 중첩되고, 상기 가스혼합부와 가스분배부가 역방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배기가스 처리장치를 제공한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 다른 기술적인 측면으로서 본 발명은 내부에 촉매부가 구비되는 장치바디; 및 상기 장치바디에 제공되면서, 상기 촉매부에 연료전지 스택의 연료극 배기가스와 공기가 균일하게 혼합된 혼합가스를 유입토록 제공되는 가스혼합분배부;를 포함하고, 상기 가스혼합분배부는, 혼합가스를 균일하게 혼합토록 제공되는 가스혼합부와, 상기 혼합가스를 촉매부로 균등하게 공급토록 제공되는 가스분배부를 포함하고, 상기 가스혼합부는, 혼합가스가 유입토록 구성되는 유입유로부와, 혼합가스를 상기 유입유로부로부터 배출토록 구성되는 배출유로부를 포함하여, 배출된 혼합가스가 장치바디에 충돌하면서 균일하게 혼합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배기가스 처리장치를 제공한다.
삭제
바람직하게는, 상기 배출유로부는, 혼합가스 균일성을 증대토록, 상기 유입유로부에 연계되는 입구에서 상기 장치바디의 일측면에 인접한 출구방향으로 넓어지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 가스분배부는, 상기 가스혼합부로부터 배출된 혼합가스를 촉매부로 균등하게 분배토록 제공되는 분배유로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 분배유로부는, 상기 장치바디의 내부 일측면에 인접한 입구에서 촉매부에 인접한 출구 방향으로 넓어지게 형성되고, 내부에 혼합가스를 보다 균일하게 혼합시키는 재혼합부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 재혼합부는, 혼합가스가 보다 균일하게 혼합되도록, 상기 분배유로부의 일부를 차단하여 혼합가스의 유로를 복수로 형성하는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 가스혼합분배부는, 중첩된 상태의 가스혼합부와 가스분배부를 지지하도록 양측에서 결합하는 판형상의 외부지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 내부에 촉매부가 구비되는 장치바디 및 상기 장치바디에 제공되면서, 가스혼합부와 가스분배부로 구성되는 가스혼합분배부를 포함하여, 상기 촉매부에 연료전지 스택의 연료극 배기가스와 공기가 균일하게 혼합된 혼합가스를 유입토록 하는 효과가 있다.
따라서, 연료전지 배기가스 처리장치로 공급되는 연료전지 스택의 연료극 배기가스와 공기를 상기 처리장치에서 균일하게 혼합하고, 균일하게 혼합된 혼합가스가 촉매부에서 균일한 연소반응을 하여 연료전지의 안정적인 작동을 보장하는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 배기가스 처리장치의 개략도
도 2는 본 발명의 가스혼합분배부의 사시도
도 3은 본 발명의 가스혼합분배부의 구성을 나타내는 구성도
도 4는 본 발명의 가스혼합부의 가스 흐름을 나타내는 측면도
도 5는 본 발명의 가스분배부의 가스 흐름을 나타내는 측면도
도 6은 본 발명의 재혼합부를 상세하게 도시한 측면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 배기가스 처리장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 배기가스 처리장치(1)를 개략적으로 나타내고, 이를 참조하여, 연료극 배기가스와 공기가 균일하게 혼합되는 과정을 간단히 설명한다.
먼저, 연료전지 스택의 연료극 배기가스 유로부(200)와 공기공급 유로부(100)가 연결되어, 연료극 배기가스와 공기가 혼합된다. 그러고 혼합된 가스는 가스혼합분배부(30)에서 균일하게 혼합된 후 균등하게 촉매부(10)로 유입된다.
구체적으로, 연료극 배기가스와 공기의 혼합가스는 가스혼합부의 유입유로부(42)와 배출유로부(44)를 통과하면서 균일하게 혼합된다. 그리고, 균일하게 혼합된 혼합가스는 가스분배부의 분배유로부(52)를 통과하면서 균등하게 촉매부(10)로 유입된다.
그런데, 상기 설명한 바와 같이 종래기술에서는 연료극의 배기가스와 공기가 균일하게 혼합되지 않아 촉매연소기의 촉매층에서 부분과열이 일어나 연료전지의 안정적인 작동을 보장하기 어려운 문제가 있었다.
이에 반해, 본 발명은 가스혼합분배부(30)를 통해 혼합가스를 균일하게 혼합하고, 이를 촉매부(10)로 균등하게 공급하여, 상기와 같은 문제점을 해소하였다.
본 발명의 구체적인 구성 및 작용을 이하에서 상세하게 설명한다.
도 2에서 본 발명에 따른 연료전지 배기가스 처리장치(1)의 가스혼합분배부(30)를 나타내고, 도 3에서 본 발명의 가스혼합분배부(30)의 구성을 분리하여 나타내며, 도 4에서 가스혼합부(40)에서 혼합가스가 균일하게 혼합되는 과정을 나타내고, 도 5에서 혼합가스가 가스분배부(50)로부터 균등하게 배출되는 과정을 나타낸다.
본 발명은 내부에 촉매부(10)가 구비되는 장치바디(20) 및 상기 장치바디(20)에 제공되면서, 상기 촉매부(10)에 연료전지 스택의 연료극 배기가스와 공기가 균일하게 혼합된 혼합가스를 유입토록 제공되는 가스혼합분배부(30)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 가스혼합분배부(30)는, 혼합가스를 균일하게 혼합토록 제공되는 가스혼합부(40)와, 혼합가스를 촉매부(10)로 균등하게 공급토록 제공되는 가스분배부(50)를 포함한다.
즉, 본 발명의 가스혼합분배부(30)는 1차적으로 가스혼합부(40)에서 연료극 배기가스와 공기를 균일하게 혼합하고, 2차적으로 상기 가스혼합부(40)에서 균일하게 혼합된 가스를 가스분배부(50)에서 균등하게 촉매부(10)로 분배한다.
이에 따라, 연료전지 배기가스 처리장치(1)의 촉매부(10)에서의 연소반응이 균일하게 발생하여, 부분과열이 일어나지 않는다.
도 1을 참조하면, 연료전지 배기가스 처리장치(1)로부터 고온의 연소가스가 연소가스 유로부(300)를 통해 열교환기로 유입되어, 저온의 연료가스와 열교환을 함으로써, 스택에 적정 반응온도의 연료가스를 공급하게 된다. 도 1에서는 열교환 과정은 도시를 생략하였다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지 배기가스 처리장치(1)에서 연소반응이 일정하게 일어나 연소가스 또한 일정한 온도로 열교환기를 통과하게 된다. 이에 따라, 스택에 공급되는 연료가스의 온도도 일정하게 되므로, 연료전지의 안정적인 작동을 보장하는 효과가 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 상기 가스혼합분배부(30)는, 판형상의 상기 가스혼합부(40)와 가스분배부(50)가 교대로 중첩되고, 중첩된 상태의 가스혼합부(40)와 가스분배부(50)를 지지하도록 양측에서 결합하는 판형상의 외부지지부(60)를 더 포함하여 구성된다.
다음, 본 발명의 상기 가스혼합부(40)는, 혼합가스가 유입토록 구성되는 유입유로부(42)와, 혼합가스를 상기 유입유로부(42)로부터 배출토록 구성되는 배출유로부(44)를 포함하여, 배출된 혼합가스가 장치바디(20)에 충돌하면서 균일하게 혼합되는 것을 특징으로 한다.
도면을 참조하여 구성을 설명하면, 가스혼합부(40)는 긴 판형상으로 형성되고, 일면에 길이방향으로 홈 형상의 유입유로부(42)가 형성된다. 그리고, 상기 유입유로부(42)에 일정간격으로 촉매부 반대방향(장치바디 방향)으로 홈 형상의 배출유로부(44)가 형성된다.
그리고, 배출유로부(44)는, 혼합가스 균일성을 증대토록, 상기 유입유로부(42)에 연계되는 입구에서 상기 장치바디(20)의 일측면에 인접한 출구방향으로 넓어지게 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 좁은 공간으로부터 넓은 공간으로 혼합가스가 퍼져 나가면서 균일하게 혼합된다.
가스혼합부(40) 및 상기 가스혼합부에서 연료극 배기가스와 공기가 균일하게 혼합되는 과정은 도 4에 나타나 있다.
연료극 배기가스와 공기의 혼합가스는 유입유로부(42) 입구로 유입되어 유로를 따라 흐르면서, 상기 유입유로부(42)와 연결된 배출유로부(44)를 통해 배출된다.
이 때, 상기 혼합가스는 배출유로부(44)로부터 가스혼합분배부(30)와 장치바디(20) 사이의 공간으로 배출되면서, 혼합가스 간에 간섭이 일어나고, 장치바디(20)의 벽과 충돌하여 균일하게 혼합된다.
다음, 상기 가스분배부(50)는, 상기 가스혼합부(40)로부터 배출된 혼합가스를 촉매부(10)로 균등하게 분배토록 제공되는 분배유로부(52)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배출유로부(44)로부터 배출된 혼합가스는 가스혼합분배부(30)와 장치바디(20)의 사이 공간에 모이게 된다. 혼합가스가 가스혼합부(40)로 계속하여 유입되면 배출유로부도 계속하여 혼합가스를 배출한다.
그리고, 도 5에 나타나듯이 계속하여 배출된 혼합가스가 가스혼합분배부(30)와 장치바디(20)의 사이 공간을 채우면서, 가스분배부(50)를 통해 혼합가스가 촉매부(10)로 배출된다.
이 때, 혼합가스는 상기 가스혼합부(40)에서 균일하게 혼합된 상태이므로, 가스분배부(50)를 통해 균일하게 촉매부(10)로 공급된다.
또한, 상기 분배유로부(52)는, 상기 장치바디(20)의 내부 일측면에 인접한 입구에서 촉매부(10)에 인접한 출구 방향으로 넓어지게 형성된다. 즉, 분배유로부(52)는 홈 형상으로 형성되되, 장치바디(20) 쪽은 좁게 촉매부(10) 쪽은 넓게 형성된다. 유입유로부(42)와 마찬가지로 혼합가스가 좁은 공간에서 넓은 공간으로 퍼져 나가면서 촉매부(10)에 균일하게 유입된다.
도 4 및 5를 참조하면, 가수혼합부의 배출유로부(44)와 가스분배부(50)의 분배유로부(52)는 서로 반대 형상으로 형성된다.
즉, 유입유로부(42)에 유입된 혼합가스는 배출유로부(44)의 좁은 입구로 새어 들어가 넓은 공간으로 퍼져 나간다. 그리고, 상기 혼합가스가 장치바디(20) 벽에 충돌하면서 균일하게 혼합된 후, 분배유로부(52)의 좁은 입구로 새어 들어가 넓은 공간으로 퍼지면서 촉매부(10)로 균등하게 유입되게 된다.
이 때, 배출유로부(44)와 분배유로부(52)의 혼합가스의 유동방향은 서로 반대이다.
다음, 도 6에서 본 발명의 재혼합부(54) 및 재혼합부에 의해 혼합가스가 균일하게 촉매부(10)로 유입되는 과정을 나타낸다.
본 발명의 분배유로부(52)는 내부에 혼합가스를 보다 균일하게 혼합시키는 재혼합부(54)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 재혼합부(54)는, 혼합가스가 보다 균일하게 혼합되도록, 상기 분배유로부(52)의 일부를 차단하여 혼합가스의 유로를 복수로 형성하는 것을 특징으로 한다.
즉, 재혼합부(54)에 의해 분배유로부(52)의 일부가 차단되는 경우 혼합가스의 흐름에 변화가 발생하여 혼합가스가 보다 균일하게 혼합된다.
도 6에 도시된 재혼합부(54)는, 혼합가스가 좁은 공간에서 넓은 공간으로 퍼져 나가도록 구성되어 혼합가스를 더욱 균일하게 혼합된다.
구체적으로, 재혼합부(54)는 혼합가스의 유동방향에 대해 역삼각형 형상으로 형성된다. 이에 따라, 재혼합부(54) 양측의 유로는 혼합가스 유동방향으로 넓어지게 형성된다.
그리고, 재혼합부(54)가 복수로 구비되어, 혼합가스의 유로가 다수로 나뉘어 형성된다. 혼합가스가 다수의 유로로 나뉘어 유동하면서 보다 균일하게 혼합된다. 이 후, 혼합가스가 촉매부(10)로 유입된다.
여기서, 복수의 재혼합부(54)의 형성 패턴이 도 6에 한정되지 않음은 물론이다. 즉, 사용자는 필요에 따라 다른 형상의 재혼합부를 선택할 수 있으며, 재혼합부의 개수 및 배치도 필요에 따라 적절히 선택할 수 있다.
따라서, 상기 설명한 본 발명에 의하면, 연료전지 배기가스 처리장치로 공급되는 연료전지 스택의 연료극 배기가스와 공기를 상기 처리장치에서 균일하게 혼합하고, 균일하게 혼합된 혼합가스를 균등하게 촉매부로 공급하여 연료전지의 안정적인 작동을 보장하는 효과가 있다.
본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
1 ... 연료전지 배기가스 처리장치 10 ... 촉매부
20 ... 장치바디 30 ... 가스혼합분배부
40 ... 가스혼합부 42 ... 유입유로부
44 ... 배출유로부 50 ... 가스분배부
52 ... 분배유로부 54 ... 재혼합부
60 ... 외부지지부 100 ... 공기공급 유로부
200 ... 연료극 배기가스 유로부 300 ... 연소가스 유로부

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 내부에 촉매부(10)가 구비되는 장치바디(20); 및
    상기 장치바디(20)에 제공되면서, 상기 촉매부(10)에 연료전지 스택의 연료극 배기가스와 공기가 균일하게 혼합된 혼합가스를 유입토록 제공되는 가스혼합분배부(30);를 포함하고,
    상기 가스혼합분배부(30)는, 혼합가스를 균일하게 혼합토록 제공되는 가스혼합부(40)와, 상기 혼합가스를 촉매부로 균등하게 공급토록 제공되는 가스분배부(50)를 포함하고,
    상기 가스혼합분배부(30)는, 판형상의 상기 가스혼합부(40)와 가스분배부(50)가 교대로 중첩되고, 상기 가스혼합부(40)와 가스분배부(50)가 역방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배기가스 처리장치.
  3. 내부에 촉매부(10)가 구비되는 장치바디(20); 및
    상기 장치바디(20)에 제공되면서, 상기 촉매부(10)에 연료전지 스택의 연료극 배기가스와 공기가 균일하게 혼합된 혼합가스를 유입토록 제공되는 가스혼합분배부(30);를 포함하고,
    상기 가스혼합분배부(30)는, 혼합가스를 균일하게 혼합토록 제공되는 가스혼합부(40)와, 상기 혼합가스를 촉매부로 균등하게 공급토록 제공되는 가스분배부(50)를 포함하고,
    상기 가스혼합부(40)는, 혼합가스가 유입토록 구성되는 유입유로부(42)와, 혼합가스를 상기 유입유로부로부터 배출토록 구성되는 배출유로부(44)를 포함하여, 배출된 혼합가스가 장치바디에 충돌하면서 균일하게 혼합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배기가스 처리장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배출유로부(44)는, 혼합가스 균일성을 증대토록, 상기 유입유로부(42)에 연계되는 입구에서 상기 장치바디(20)의 일측면에 인접한 출구방향으로 넓어지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배기가스 처리장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스분배부(50)는, 상기 가스혼합부(40)로부터 배출된 혼합가스를 촉매부(10)로 균등하게 분배토록 제공되는 분배유로부(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배기가스 처리장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 분배유로부(52)는, 상기 장치바디(20)의 내부 일측면에 인접한 입구에서 촉매부(10)에 인접한 출구 방향으로 넓어지게 형성되고, 내부에 혼합가스를 보다 균일하게 혼합시키는 재혼합부(54)가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 배기가스 처리장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 재혼합부(54)는, 혼합가스가 보다 균일하게 혼합되도록, 상기 분배유로부(52)의 일부를 차단하여 혼합가스의 유로를 복수로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배기가스 처리장치.
  8. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스혼합분배부(30)는, 중첩된 상태의 가스혼합부와 가스분배부를 지지하도록 양측에서 결합하는 판형상의 외부지지부(60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배기가스 처리장치.
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