KR101383862B1 - 연료전지용 열교환기 및 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 열교환기에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택으로부터 발생되는 배기가스가 지나는 공간이 내부에 마련되는 내벽; 상기 내벽의 내부로 연료를 공급하기 위한 연료공급부; 상기 연료공급부와 연결되고 상기 배기가스가 지나는 공간 내에 배치되어 배기가스로부터 열을 공급받는 열교환부; 상기 내벽을 감싸도록 배치되되, 내부에 유체가 흐르는 외벽; 상기 내벽과 외벽 사이로 유체를 공급하는 유체공급부; 상기 외벽을 따라서 흐르는 유체가 상기 열교환부로 안내되도록 하는 혼합부;를 포함하되, 상기 내벽과 외벽 사이를 통과하는 유체가 배기가스의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하는 단열기능을 수행하는 연료전지용 열교환기에 대한 것이다.

Description

연료전지용 열교환기 및 열교환기{Heat exchanging device for fuel cell and heat exchanging device}
본 발명은 연료전지용 열교환기 및 열교환기에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 단열효율을 향상시키고 제조가 용이한 연료전지용 열교환기 및 열교환기에 대한 것이다.
일반적인 연료전지는, 연료전지 스택에서 발생되는 고열의 배기가스(약 600℃)를 시스템 내부 부품인 열교환기를 통과시켜 연료를 가열한다. 열교환기는 연료가스가 흐르는 tube side와, 연료전지 배기가스가 흐르는 shell side로 구분될 수 있는데, 이때 tube side로의 열교환을 극대화하기 위하여 열교환기 내에 단열재를 설치한다.
예를 들어, 대한민국 공개특허 10-2011-0008230호에는, 단열재를 설치하여 열교환을 극대화하기 위한 구조가 개시되어 있다. 이러한 종래기술에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료 가스 공급부(1)로부터 공급된 연료 가스와 공기 팬(3)으로부터 공급되어 공기 유로(2)를 통해 보내져 온 공기를 혼합해서 화염을 형성하는 버너(4)를 가지고 있다. 버너(4)에서 생긴 연소 배기가스는, 원통(100) 안쪽의 연소 배기가스 유로(16)를 따라 흘러 배기구(13)로부터 장치 외부로 배기된다. 연소 배기가스 유로(16)의 외측에는, 원료 가스 공급부(5)로부터의 원료 가스와 물공급부(6)로부터의 물이 공급되어 공급된 물을 수증기로 하여 원료 가스와 혼합하는 물증발부(7)가 설치된다. 물증발부(7)는, 나선형의 분할부인 금속의 환봉(8)을 원통(100)과 원통(101) 사이에 끼우는 것으로 환봉 간에 공간을 형성해, 그 공간에 환봉(8)을 따라서 원료 가스와 물을 유통하는 구성으로 이루어진다. 따라서 물증발부(7)의 공간은 나선형의 환봉(8)으로 나누어져 원통(100)의 외주를 따라서 주위로 형성된 나선 모양 유로로 이루어진다. 다시 말하면, 물증발부(7)는 연소 배기가스 유로(16)의 외측에 원료 가스와 물이 흐르는 유로 부재인 금속의 환봉(8)을 가지고 있다. 이때, 버너(4)의 연소열을 유효하게 이용하기 위해 기기 전체가 단열재(17)로 덮여 있다.
이러한 종래기술에 따른 열교환기에서는, 단열재(17)를 사용함으로서 연소열을 유용하게 이용하는 기술이 개시되어 있으나, 실질적으로는 상온보다 높은 온도의 열이 대기 중으로 방출되는 문제점이 있다. 또한, 단열재(17)를 사용함으로 인하여 설치비용이 증대한다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0008230호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 더욱 상세하게는 열교환기에서 외부로 열이 방출되는 것을 방지하기 위하여 물을 사용함으로서, 단열효과를 극대화함은 물론 별도의 단열재를 사용하지 않음으로 인하여 제작을 단순화할 수 있는 연료전지용 열교환기 및 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 열교환기는, 연료전지 스택으로부터 발생되는 배기가스가 지나는 공간이 내부에 마련되는 내벽;
상기 내벽의 내부로 연료를 공급하기 위한 연료공급부;
상기 연료공급부와 연결되고 상기 배기가스가 지나는 공간 내에 배치되어 배기가스로부터 열을 공급받는 열교환부;
상기 내벽을 감싸도록 배치되되, 내부에 유체가 흐르는 외벽;
상기 내벽과 외벽 사이로 유체를 공급하는 유체공급부; 및
상기 외벽을 따라서 흐르는 유체가 상기 열교환부로 안내되도록 하는 혼합부;를 포함하되,
상기 내벽과 외벽 사이를 통과하는 유체가 배기가스의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하는 단열기능을 수행할 수 있다.
상기 연료전지용 열교환기에서, 상기 유체는 물일 수 있다.
상기 연료전지용 열교환기에서, 상기 유체는, 외벽과 내벽 사이에서, 상기 배기가스가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 흐를 수 있다.
상기 연료전지용 열교환기에서, 상기 유체는 상방향으로 흐를 수 있다.
상기 연료전지용 열교환기에서, 상기 유체공급부는 외벽의 하단에 연결될 수 있다.
상기 연료전지용 열교환기에서, 상기 외벽의 상단에는 유체를 유체공급부 측으로 안내하는 바이패스관이 마련될 수 있다.
상기 연료전지용 열교환기에서, 상기 바이패스관에는 개폐용 밸브가 마련될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환기는,
열원으로부터 발생된 고온의 배기가스가 지나는 공간이 내부에 마련되는 내벽;
상기 내벽의 내부로 연료를 공급하기 위한 연료공급부;
상기 연료공급부와 연결되고 상기 배기가스가 지나는 공간 내에 배치되어 배기가스로부터 열을 공급받는 열교환부;
상기 내벽을 감싸도록 배치되되, 내부에 유체가 흐르는 외벽;
상기 내벽과 외벽 사이로 유체를 공급하는 유체공급부; 및
상기 외벽을 따라서 흐르는 유체가 상기 열교환부로 안내되도록 하는 혼합부;를 포함하되,
상기 내벽과 외벽 사이를 통과하는 유체가 배기가스의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하는 단열기능을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 열교환기는, 단열을 위하여 연료와 혼합되는 유체를 사용함으로서 단열효과가 극대화됨은 물론, 별도의 단열재를 제작할 필요가 없어서 전체적인 제작비용을 절감할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 열교환기를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열교환기를 도시한 도면.
도 3은 도 2의 작동일예
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열교환기를 첨부된 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열교환기(100)는, 열교환기(100)를 외벽(110)과 내벽(120)으로 이루어지는 2중벽으로 제작하고, 외벽(110)과 내벽(120)의 사이에 단열을 위하여 물이 흐르게 함으로서 단열효과를 극대화하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이러한 연료전지용 열교환기(100)는, 외벽(110), 내벽(120), 연료공급부(130), 열교환부(140), 유체공급부(150), 혼합부(160) 및 바이패스관(170)을 포함한다.
상기 외벽(110)은, 상기 내벽(120)을 감싸도록 배치되되, 내부에 물과 같은 유체가 흐르는 것이다. 구체적으로는, 상기 내벽(120)과 일정간격을 두고 이격되어 배치되되 상기 내벽(120)을 주변을 감싸도록 배치된다. 이러한 외벽(110)은 금속소재로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 외부로 열이 쉽게 방출되지 않게 하는 소재라면 무엇이나 가능하다.
상기 외벽(110)과 내벽(120)의 사이에는 하단의 유체공급부(150)로부터 공급된 물과 같은 유체가 흐르는 통로(121)가 마련된다. 이때, 외벽(110)과 내벽(120) 사이를 흐르는 유체는 배기가스가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 흐를 수 있도록 설정되어 있다. 구체적으로는 하부에서 유입된 물이 상방으로 흐르도록 설계되어 있게 된다.
상기 외벽(110)과 내벽(120) 사이에 상방향으로 흐르는 물을 내벽(120) 상단에서 수평방향으로 흐르다가 혼합부(160)를 거쳐서 열교환부(140)로 안내되어 연료와 혼합된다.
상기 내벽(120)은, 연료전지 스택으로부터 발생되는 고열의 배기가스가 지나는 공간이 내부에 마련되는 것이다. 구체적으로는 대략 통형상으로 이루어질 수 있다. 상기 내벽(120)은 금속소재로 이루어질 수 있으며 고열의 배기가스가 지날 수 있도록 배기가스의 발생부(미도시)와 연결되어 있다.
한편, 상기 내벽(120)은 외벽(110)으로 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하는 각종 열기계(스팀터빈 또는 ORC 터빈) 등과 연결될 수 있게 된다.
상기 연료공급부(130)는, 상기 내벽(120)의 내부로 연료를 공급하기 위한 것이다. 예를 들어, 도시가스와 LPG 등의 탄화 수소 원료가 유도될 수 있는 관으로서, 내벽(120) 내부에 배치되는 열교환부(140)와 연결되어 있게 된다.
상기 열교환부(140)는, 상기 연료공급부(130) 및 혼합부(160)와 연결되어 있으며 고열의 배기가스의 열이 상기 내부를 흐르는 연료가스 및 물로 전달될 수 있도록 하는 것이다. 이러한 열교환부(140)는 내벽(120)의 내부공간 내에서 지그재그의 형태로 배치되어 있어 열교환 효율을 극대화하도록 한다. 이러한 열교환부(140)는, 튜브의 형상으로 이루어지되 열교환을 극대화할 수 있는 소재라면 무엇이나 사용가능함은 물론이다.
상기 유체공급부(150)는, 상기 내벽(120)과 외벽(110)의 사이로 유체를 공급하기 위한 것으로서, 물과 같은 유체가 상기 내벽(120)과 외벽(110) 사이로 유입될 수 있도록 하는 것이다. 이러한 유체공급부(150)는 외벽(110)의 하단측에 설치되어 물이 하측에서 상방으로 흐를 수 있도록 한다.
상기 혼합부(160)는, 상기 외벽(110)을 따라서 흐르는 유체가 상기 열교환부(140)로 안내되도록 하는 것으로서, 이러한 혼합부(160)는 내벽(120)과 외벽(110)의 사이의 공간과 열교환부(140)를 서로 연결하도록 구성된다.
상기 바이패스관(170)은, 상기 외벽(110)의 상단과 유체공급부(150)를 서로 연결하는 관으로서, 외벽(110)의 상단측에 위치한 유체가 다시 유체공급부(150) 측으로 유도될 수 있도록 안내하는 것이다. 이러한 바이패스관(170)에는 개폐용 밸브(171)가 마련되어 있어 필요에 따라서 상기 유체가 혼합부(160)를 통하여 열교환부(140)로 유입되지 않고 다시 유체공급부(150) 측으로 유입되도록 한다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열교환기를 다음과 같이 작동한다.
연료전지 스택으로부터 발생되는 배기가스는 통상적으로 매우 고열로 가열되어 있으며 상기 배기가스는 내벽을 통하여 외부로 방출된다. 이때 배기가스의 고온의 열은 연료 및 물의 반응물로 전달하여 개질기로 투입되기 전에 반응물이 충분한 정도로 승온되도록 한다.
이러한 열교환과정에서 종래기술에서는, 단열재로 이루어진 단열벽을 구성함으로서 내부의 열이 외부로 배출되는 것을 방지하였으나, 본 실시예에서는 반응물을 구성하는 물을 내벽의 외부에 배치시켜 흐르게 함으로서 단열의 효과를 극대화시키도록 하고 있다. 이와 같이 물을 이용하여 단열을 하게 되는 경우에는 단열재를 이용하는 것에 비하여 단열효율이 상승됨은 물론, 별도의 단열재를 사용할 필요가 없어 제작비용이 충분하게 감소되도록 한다.
또한, 본 실시예에서는 단열효과가 높은 물이 내벽 외부에 배치되도록 함으로서, 배기가스를 다른 시스템과 연계시키는 것이 가능하다. 예를 들어 열교환기를 통과한 배기가스는 대략 350℃를 유지할 수 있는데, 이러한 폐열을 이용하여 스팀터빈이나 ORC 터빈을 구동시킬 수 있어 경제적이게 된다.
또한, 본 실시예에서는, 내벽 내부를 흐르는 고온의 가스와 동일한 방향, 즉, 하부에서 상측으로 흐르게 함으로서 중력에 의한 압력으로 추가적인 시스템이 없이 외벽을 둘러 본연의 역할을 할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 외벽과 내벽 사이를 흐르는 초기의 저온의 물이 온도가 상승되어 열교환부로 유입되기 때문에, 열교환 초기에 물의 상변화로 인한 압력강하 및 수두 손실을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 바이패스관을 설치함으로서 시스템의 오작동을 최소화시킬 수 있다는 장점이 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기는 연료전지에 한정되는 것은 아니며, HRSC(Heat Recovery Steam Generator)에서도 적용이 가능함은 물론이다.
이러한 본 발명에 따른 열교환기는 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위에 의하여 합리적으로 해석되는 범위라면 확대되어 해석될 수 있음은 물론이다.
100...열교환기 110...외벽
120...내벽 130...연료공급부
140...열교환부 150...유체공급부
160...혼합부 170...바이패스관
171...개폐용 밸브

Claims (8)

  1. 연료전지 스택으로부터 발생되는 배기가스가 지나는 공간이 내부에 마련되는 내벽;
    상기 내벽의 내부로 연료를 공급하기 위한 연료공급부;
    상기 연료공급부와 연결되고 상기 배기가스가 지나는 공간 내에 배치되어 배기가스로부터 열을 공급받는 열교환부;
    상기 내벽을 감싸도록 배치되되, 내부에 유체가 흐르는 외벽;
    상기 내벽과 외벽 사이로 유체를 공급하는 유체공급부; 및
    상기 외벽을 따라서 흐르는 유체가 상기 열교환부로 안내되도록 하는 혼합부;를 포함하되,
    상기 내벽과 외벽 사이를 통과하는 유체가 배기가스의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하는 단열기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체는 물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유체는, 외벽과 내벽 사이에서, 상기 배기가스가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유체는 상방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체공급부는 외벽의 하단에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 외벽의 상단에는 유체를 유체공급부 측으로 안내하는 바이패스관이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바이패스관에는 개폐용 밸브가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
  8. 열원으로부터 발생된 고온의 배기가스가 지나는 공간이 내부에 마련되는 내벽;
    상기 내벽의 내부로 연료를 공급하기 위한 연료공급부;
    상기 연료공급부와 연결되고 상기 배기가스가 지나는 공간 내에 배치되어 배기가스로부터 열을 공급받는 열교환부;
    상기 내벽을 감싸도록 배치되되, 내부에 유체가 흐르는 외벽;
    상기 내벽과 외벽 사이로 유체를 공급하는 유체공급부; 및
    상기 외벽을 따라서 흐르는 유체가 상기 열교환부로 안내되도록 하는 혼합부;를 포함하되,
    상기 내벽과 외벽 사이를 통과하는 유체가 배기가스의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하는 단열기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
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