KR101421355B1

KR101421355B1 - 연료 가습기

Info

Publication number: KR101421355B1
Application number: KR1020120151894A
Authority: KR
Inventors: 이현수; 김기선
Original assignee: 포스코에너지 주식회사
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2014-07-18
Also published as: KR20140082240A

Abstract

본 발명에 따른 연료 가습기는, 가스가 유입되는 유입구와 가스가 배출되는 배출구를 구비하는 몸체부, 몸체부의 내부에 구비되고 몸체부의 외부로부터 물을 공급받아 가스와의 열교환을 통해 증기를 생성하는 증기 생성부, 및 몸체부의 내부에 구비되고 몸체부의 외부로부터 연료를 공급받아 증기 생성부에 의해 생성된 증기와 혼합하는 혼합부를 포함한다.

Description

연료 가습기 {FUEL HUMIDIFIER}

본 발명은 연료 가습기에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 별도의 열원을 사용하거나 물을 승압시키지 않더라도 기상의 물로 연료를 가습할 수 있는 연료 가습기에 관한 것이다.

연료전지는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 다시 말해, 연료전지는 연료극에서의 수소산화반응과 공기극에서의 산소환원반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 이와 같이 전기에너지(즉, 전기)를 생산하는 연료전지 시스템은 크게 연료전지 스택(stack), MBOP(Mechanical Balance of Plant), EBOP(Electrical Balance of Plant)를 포함한다. 여기서 연료전지 스택은 전기화학반응으로 전기를 생산하는 구성이고, MBOP는 연료전지 스택으로 수소와 산소를 공급하는 구성이며, EBOP는 연료전지 스택에서 생산한 직류전기를 교류전기로 변환하여 필요한 곳으로 공급하는 구성이다.

이와 같이 연료전지 스택에서 전기화학반응으로 전기를 생산하려면 연료전지 스택의 연료극으로 수소를, 그리고 연료전지 스택의 공기극으로 공기(산소)를 공급할 필요가 있다. 여기서 연료극으로 공급되는 수소는 일반적으로 탄화수소를 개질하여 얻는다. (탄화수소는 일반적으로 천연가스나 LPG와 같은 연료전지용 연료에 의해 공급된다.) 이와 같이 탄화수소를 수소로 개질하는 개질 반응은 물을 필요로 하는 반응이다. 그러나 액상의 물은 개질 촉매에 손상을 가할 수 있다. 따라서 개질 반응을 위해 물을 기상으로 연료에 공급하거나, 또는 물을 분무하여 연료로 공급할 필요가 있다.

그런데 물을 기상으로 연료에 공급하려면 물을 증발시킬 필요가 있다. 이에 따라 종래(예를 들어, PEMFC나 PAFC)에는 물을 증발시키기 위해 별도의 열원을 사용하였다. 그러나 별도의 열원을 사용하면 별도의 열원에서 사용되는 에너지로 인해 전체 시스템의 효율이 떨어진다는 문제가 있다. 그리고 종래(예를 들어, MCFC)와 같이 물을 분무하여 연료로 공급하려면 일단 물을 고압으로 승압시킬 필요가 있다. 그러나 물의 유량이 적을 경우 이에 적합한 펌프나 압축기를 선택하는 것이 매우 어렵다는 문제가 있다. 또한 물을 승압시키려면 그만큼 에너지를 소모하여야 하므로 전체 시스템의 효율이 떨어진다는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 별도의 열원을 사용하거나 물을 승압시키지 않더라도 기상의 물로 연료를 가습할 수 있는 연료 가습기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 연료 가습기는 공기극 배기가스와 같이 전체 시스템에서 그대로 배기되는 고온의 가스를 활용하여 물을 증발시키기 때문에 별도의 열원의 사용에 따라 소모되는 에너지나 물의 승압에 따라 소모되는 에너지가 없어 전체 시스템의 효율이 우수하다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 가습기를 개념적으로 도시하고 있는 개념도

이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 가습기는 기상의 물로 연료를 가습하는 장치에 적용될 수 있으며, 특히 연료전지의 연료극으로 공급될 연료를 사전에 가습하는 장치에 적용될 수 있다. 이하에서 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 가습기에 대해 상술한다. 여기서 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 가습기를 개념적으로 도시하고 있는 개념도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 가습기는 기본적으로 연료 가습기의 동체(shell)를 이루는 몸체부(110)를 포함한다. 몸체부(110)는 가스가 유입되는 유입구(111)와 가스가 배출되는 배출구(112)를 가진다. 여기서 유입구(111)와 배출구(112)는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 몸체부(110)의 양단에 각각 구비될 수 있다. 이에 따라 몸체부(110)의 유입구(111)로 유입된 가스는 몸체부(110)의 내부를 따라 흐르다가 몸체부(110)의 배출구(112)로 배출된다.

여기서 몸체부(110)의 유입구(111)로 유입되는 가스는 연료극과 공기극을 구비하는 연료전지의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스일 수 있다. 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 같은 고온형 연료전지는 공기극 배기가스가 매우 고온이다. 따라서 공기극 배기가스는 후술할 바와 같이 열교환을 통해 물을 증발시키는 데에 적합하다. 그리고 공기극 배기가스를 그대로 배기하는 것은 전체 시스템의 효율을 고려할 때 바람직하지 않다. 따라서 이와 같이 공기극 배기가스를 활용하는 것은 매우 바람직하다.

몸체부(110)의 유입구(111) 측에는 증기 생성부(120)가 구비된다. 증기 생성부(120)는 몸체부(110)의 외부로부터 물을 공급받아 이를 가스와의 열교환을 통해 증발시킨다. 즉, 증기 생성부(120)는 열교환을 통해 증기를 생성한다. 이에 따라 증기 생성부(120)는 몸체부(110)의 유입구(111) 측에 구비되는 것이 바람직하다. 왜냐하면 가스가 고온을 유지하는 동안 가스를 물과 열교환을 시키는 것이 바람직하기 때문이다.

여기서 증기 생성부(120)는 몸체부(110)의 내부에서 반복적으로 접힌 파이프 형상을 가지는 것이 바람직하다. 증기 생성부(120)는 가스와의 열교환을 통해 증기를 생성하는 구성이므로 열교환 면적이 넓을수록 유리하다. 따라서 반복적으로 접힌 파이프 형상으로 증기 생성부(120)를 구성하면 열교환 면적을 넓게 확보할 수 있어 열교환에 유리하다.

증기 생성부(120)에 의해 생성된 증기는 혼합부(130)로 공급된다. 이때 연료도 몸체부(110)의 외부로부터 혼합부(130)로 공급된다. 보다 구체적으로 증기와 연료는 혼합부(130)의 제1 부분(131)으로 공급된다. 제1 부분(131)은 이와 같이 증기와 연료를 공급받기 위해 내부 공간을 구비한다. 증기와 연료는 제1 부분(131)의 내부 공간으로 공급되면서 확산된다. 이와 같은 확산은 증기와 연료의 혼합을 증진시킨다.

이와 같은 증기와 연료의 혼합은 혼합부(130)의 제2 부분(132)에서 보다 증진된다. 혼합부(130)의 제2 부분(132)은 제1 부분(131)으로부터 연장되어 점차 좁아지는 부분이다. 즉, 제2 부분(132)은 일종의 노즐과 같은 형상을 가진다. (결국 혼합부는 팽이와 유사한 형상을 가진다.) 제2 부분(132)의 좁아진 말단에는 배출 구멍(136)이 형성된다. 따라서 제2 부분(132)을 따라 배출 구멍(136)으로 배출되는 증기와 연료는 점차 좁아지는 제2 부분(132)으로 인해 서로 확실하게 혼합될 수 있다.

앞서 살펴본 바와 같이 본 실시예에 따른 연료 가습기는 물을 증발시키기 위해 별도의 열원을 구비할 필요가 없다. 즉, 본 실시예에 따른 연료 가습기는 공기극 배기가스와 같이 전체 시스템에서 그대로 배기되는 고온의 가스를 활용하여 별도의 열원 없이 물을 증발시킬 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 연료 가습기를 사용하면 별도의 열원으로 인한 에너지의 소모가 없기 때문에 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

그리고 본 실시예에 따른 연료 가습기는 물을 증발시킨 다음에 이를 연료와 혼합시키기 때문에 물을 고압으로 승압시킨 다음에 이를 연료로 분무할 필요가 없다. 즉, 본 실시예에 따른 연료 가습기를 사용하면 물을 승압시킬 필요가 없기 때문에 물의 유량이 적다고 하더라도 용이하게 연료를 가습할 수 있다. 또한 본 실시예에 따른 연료 가습기를 사용하면 물을 승압시킬 필요가 없기 때문에 물의 승압에 따른 에너지의 소모가 없어 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 연료 가습기는 몸체부(110)의 배출구(112) 측에 가열부(140)를 더 포함할 수 있다. 가열부(140)는 혼합부(130)에 의해 증기와 혼합된 연료를 가스와의 열교환을 통해 가열하는 구성이다. 예를 들어, 연료전지의 경우 연료의 온도가 높으면 개질기에서 일어나는 반응에 유리하다. (개질기에서 일어나는 반응은 열을 필요로 하는 흡열 반응이다.)

따라서 연료는 보다 높은 온도를 가지는 것이 바람직하다. 이를 위해 본 실시예에 따른 연료 가습기는 가열부(140)를 더 포함할 수 있다. 그런데 본 실시예에 따른 가열부(140)는 별도의 열원을 사용하는 것이 아니라, 공기극 배기가스와 같이 전체 시스템에서 그대로 배기되는 고온의 가스를 사용하는 것이기 때문에, 본 실시예에 따른 가열부(140)를 사용하면 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

여기서 가열부(140)는 연료를 가열하는 것이기 때문에 액상의 물을 기화시키는 것보다는 적은 에너지를 필요로 한다. 즉, 가열부(140)보다 증기 생성부(120)가 보다 많은 에너지를 필요로 한다. 이에 따라 가열부(140)는 몸체부(110)의 배출구(112) 측에 구비되는 것이 바람직하고, 증기 생성부(120)는 몸체부(110)의 유입구(111) 측에 구비되는 것이 바람직하다. 유입구(111) 측으로 유입되는 가스의 온도가 제일 높기 때문이다.

그리고 가열부(140)는 몸체부(110)의 내부에서 반복적으로 접힌 파이프 형상을 가지는 것이 바람직하다. 가열부(140)는 가스와의 열교환을 통해 연료를 가열하는 구성이므로 열교환 면적이 넓을수록 유리하다. 따라서 반복적으로 접힌 파이프 형상으로 가열부(140)를 구성하면 열교환 면적을 넓게 확보할 수 있어 열교환에 유리하다.

본 실시예에 따른 연료 가습기는 또한 배플부(150)를 더 포함할 수 있다. 배플부(150)는 몸체부(110)의 내면으로부터 몸체부(110)의 길이 방향에 수직한 방향(도 1을 기준으로 상하 방향)으로 연장하여 증기 생성부(120)와 혼합부(130)를 구획하는 구성이다. 이와 같이 증기 생성부(120)와 혼합부(130)가 구획되면 증기 생성부(120)로 유입된 가스가 보다 오래 증기 생성부(120)에 머물 수 있다. 이와 같이 가스가 증기 생성부(120)에 오래 머물면 가스가 증기 생성부(120)로 보다 많은 열을 전달할 수 있기 때문에 증기 생성에 유리하다.

이때 배플부(150)는 가스가 통과하는 개구(151)를 가진다. 이와 같은 개구(151)를 통해 가스가 증기 생성부(120) 측으로부터 혼합부(130) 측이나 가열부(140) 측으로 흐를 수 있다. 이때 개구(151)의 위치는 가스의 유동을 고려하여 결정되는 것이 바람직하다. 즉, 가스가 가능한 증기 생성부(120) 측에 오래 머물 수 있도록 하는 위치에 개구(151)가 형성되는 것이 바람직하다.

110: 몸체부 111: 유입구
112: 배출구 120: 증기 생성부
130: 혼합부 131: 제1 부분
132: 제2 부분 136: 배출 구멍
140: 가열부 150: 배플부
151: 개구

Claims

가스가 유입되는 유입구와 상기 가스가 배출되는 배출구를 구비하는 몸체부;
상기 몸체부의 내부에 구비되고 상기 몸체부의 외부로부터 물을 공급받아 상기 가스와의 열교환을 통해 증기를 생성하는 증기 생성부; 및
상기 몸체부의 내부에 구비되고 상기 몸체부의 외부로부터 연료를 공급받아 상기 증기 생성부에 의해 생성된 증기와 혼합하는 혼합부를 포함하며,
상기 혼합부는 내부에 공간을 구비하여 상기 연료와 상기 증기를 상기 공간으로 공급받는 제1 부분과, 상기 제1 부분으로부터 연장하여 점차 좁아지는 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 점차 좁아진 말단에 배출 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 몸체부의 내부에 구비되고 상기 혼합부에 의해 상기 증기와 혼합된 연료를 상기 가스와의 열교환을 통해 가열하는 가열부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 가습기.
청구항 2에 있어서,
상기 유입구와 상기 배출구는 상기 몸체부의 양단에 각각 구비되며, 상기 증기 생성부는 상기 유입구 측에 구비되고, 상기 가열부는 상기 배출구 측에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료 가습기.
청구항 3에 있어서,
상기 몸체부의 내면으로부터 상기 몸체부의 길이 방향에 수직한 방향으로 연장하여 상기 증기 생성부와 상기 혼합부를 구획하는 배플부를 더 포함하고, 상기 배플부는 상기 가스가 통과하는 개구를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 가습기.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 증기 생성부는 상기 몸체부의 내부에서 반복적으로 접힌 파이프 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 가습기.
청구항 2에 있어서,
상기 가열부는 상기 몸체부의 내부에서 반복적으로 접힌 파이프 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 가습기.
청구항 1에 있어서,
상기 가스는 연료극과 공기극을 가지는 연료전지의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스인 것을 특징으로 하는 연료 가습기.