KR101490691B1 - a BOP system of solid oxide fuel cell, a stack module of solid oxide fuel cell including it and an operating method to increase thermal efficiency thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템은 열효율, 장치의 공간성, 제조 효율을 향상시키는 것을 목적으로 하는 것으로서, 버너, 개질기, 스팀발생기 및 열교환기를 포함하며, 상기 버너, 개질기, 스팀발생기는 버너, 개질기, 스팀발생기의 순서로 하층으로부터 순차적으로 적층되어, 상기 버너에서의 발생된 화염 및 연소가스를 상기 버너의 상층에 마련된 상기 개질기 및 스팀발생기에 직접적으로 전달하며, 상기 열교환기는 상기 스팀발생기에서 배출되는 배가스를 유입하여 상기 스택의 공기극으로 공급되는 공정 공기를 예열시킨다.The BOP system of the solid oxide fuel cell according to the present invention is intended to improve the thermal efficiency, the space of the apparatus and the manufacturing efficiency. The BOP system includes a burner, a reformer, a steam generator and a heat exchanger. A reformer and a steam generator are sequentially stacked in this order from the bottom to direct the flame and combustion gas generated in the burner to the reformer and the steam generator provided in the upper layer of the burner, And the exhaust gas discharged therefrom flows to preheat the process air supplied to the air electrode of the stack.

Description

고체산화물 연료전지의 BOP 시스템, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택모듈 및 그 열효율 향상 작동 방법. {a BOP system of solid oxide fuel cell, a stack module of solid oxide fuel cell including it and an operating method to increase thermal efficiency thereof}BOP system of solid oxide fuel cells, solid oxide fuel cell stack module comprising the same, and thermal efficiency improving operation method thereof. {a BOP system of solid oxide fuel cell, a stack module of solid oxide fuel cell including it and an operating method to increase thermal efficiency thereof}

본 발명은 탄화수소 연료를 공급하여 수소와 산소의 반응을 통하여 전기를 생산하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택모듈 및 그 열효율 향상 작동 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a BOP system for a solid oxide fuel cell that generates electricity through reaction of hydrogen and oxygen by supplying a hydrocarbon fuel, a solid oxide fuel cell stack module including the same, and a thermal efficiency improving operation method.

연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 반응에 의하여 생성되는 전자를 이용하여 전기를 발생시키는 것이다. 보다 상세하게는, 물을 전기분해하면 전극에서 산소와 수소가 발생하는데 연료전지는 물의 전기분해 역반응을 이용하는 것으로서 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어 내는 것이다. 연료극과 공기극에 각각 수소와 공기(산소)가 공급되어 전해질과 반응하여 이온을 형성한다. 이렇게 생성된 이온이 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 연료극에서 전자가 생성되어 공기극으로 이동하면서 결국 전기를 발생시키며, 부수적으로 열이 발생된다. 연료전지는 일반 화학전지(예, 건전지, 축전지 등)와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있다.The basic concept of a fuel cell is to generate electricity by using electrons generated by the reaction of hydrogen and oxygen. More specifically, electrolysis of water produces oxygen and hydrogen at the electrode, which uses electrolysis reverse reaction of water to produce electricity and water from hydrogen and oxygen. Hydrogen and air (oxygen) are supplied to the fuel electrode and the air electrode, respectively, and react with the electrolyte to form ions. In the process of forming the water by the electrochemical reaction of the generated ions, electrons are generated at the anode and move to the cathode, thereby generating electricity and incidentally generate heat. Fuel cells can produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, unlike general chemical cells (eg, batteries, batteries, etc.).

한 개의 셀(cell)에서 전기가 발생하지만 이 전기의 양은 우리가 실생활에 사용하기에는 매우 적은 양이므로 셀(cell)들을 여러 개 포개서 많은 양의 전기를 발생시켜 사용하게 된다. 여러 개의 셀(cell)들을 모아 놓은 것을 스택(Stack)이라고 한다. Electricity is generated in a single cell, but the amount of this electricity is so small that we can not use it in real life, so we use multiple cells to generate a large amount of electricity. A stack of cells is called a stack.

연료전지의 연료는 순수 수소를 이용하거나, 메탄이나 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여 개질 과정을 통해 생산된 수소를 이용한다. 한편, 순수한 산소는 연료전지의 효율을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있어 공기를 사용하기도 한다.The fuel of the fuel cell uses pure hydrogen or hydrogen produced through a reforming process using hydrocarbons such as methane and ethanol. On the other hand, pure oxygen can increase the efficiency of the fuel cell, but air is also used because oxygen storage costs and weight increase.

한편, 탄화수소를 연료로 사용하는 연료전지를 고체산화물 연료전지라고 한다. 일례로 종래기술에 따른 고체산화물 연료전지에 대해 개략적으로 살펴보면 다음과 같다. 양측에 연료극과 공기극이 위치되고 이들 사이에 전해질이 마련되며 이들 연료극과 공기극으로 각각 공급된 수소와 산소에 의한 전기화학반응을 통해 전기를 생성시키는 스택과, 이 스택의 연료극으로 수소를 공급하기 위해 연료가스를 수소로 전환시키는 개질기와, 상기 개질기 및 스팀발생기를 가열시키는 후연소기, 상기 공기극으로 공급되는 공기를 예열시키는 히터 및 상기 개질기로 스팀을 공급하기 위한 스팀발생기 등을 포함하여 구성된다.On the other hand, a fuel cell using a hydrocarbon as a fuel is called a solid oxide fuel cell. For example, the solid oxide fuel cell according to the prior art will be schematically described as follows. A stack in which a fuel electrode and an air electrode are disposed on both sides, an electrolyte is provided therebetween, an electricity is generated through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen supplied to the fuel electrode and the air electrode, A reformer for converting the fuel gas into hydrogen, a post-burner for heating the reformer and the steam generator, a heater for preheating the air supplied to the air electrode, and a steam generator for supplying steam to the reformer.

종래기술에 따른 고체산화물 연료전지는 각 구성이 각종 배관 및 밸브로 연결되어 있어 전체 배관구조가 복잡하며, 각 구성간의 유체 전달 및 열전달에 있어서 열손실이 야기되는 문제점이 있다. The solid oxide fuel cell according to the related art is complicated in the entire piping structure because each structure is connected with various pipes and valves and there is a problem that heat transfer is caused in fluid transmission and heat transfer between the respective structures.

그리고, 시동버너 또한 장치 외부에 추가로 마련되므로 추가적인 제조비용이 요구되며, 열효율 또한 비효율적인 문제점 있다. Further, since a startup burner is additionally provided outside the apparatus, additional manufacturing costs are required, and thermal efficiency is also inefficient.

또한, 공기극 입구로 공급되는 공기의 예열에 있어서 별도의 전기 히터를 두는 구조이므로 전체 열효율에 있어서 비효율을 야기하는 문제점이 있다.
Further, since the structure has a separate electric heater for preheating the air supplied to the inlet of the air electrode, there is a problem in that it causes inefficiency in the overall thermal efficiency.

선행문헌: 한국 공개특허공보 제2012-0010662호, 한국 공개특허공보 제2011-0086036호
Preceding literature: Korean Unexamined Patent Publication No. 2001-0010662, Korean Unexamined Patent Publication No. 2011-0086036

본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 장치 전반의 열손실을 최소화고, 각 구성간의 열공급원과 열수요처를 이웃하게 하여 열전달 효율 및 공간성을 극대화시키며, 나아가 별도의 시동버너를 구비하지 않음으로써 제조 비용을 감소시키는 동시에 장치 전체의 컴팩트화를 도모하며, 공기극 입구의 예열 히터를 별도로 구비하지 않고 배가스를 이용하여 예열시킴으로써 열효율을 크게 향상시키는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택모듈 그리고 그 열효율 향상 작동 방법을 제공하고자 한다.
In order to solve the above-described problems, it is an object of the present invention to minimize the heat loss of the entire apparatus and to maximize the heat transfer efficiency and space by making the heat supply source and the heat demand place adjacent to each other maximize, A BOP system of a solid oxide fuel cell in which thermal efficiency is greatly improved by reducing the manufacturing cost and reducing the overall size of the apparatus and preheating the exhaust gas at the entrance of the air electrode by using an exhaust gas without separately providing a preheater, A fuel cell stack module, and a method for improving the thermal efficiency.

상술한 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템은 버너, 개질기, 스팀발생기 및 열교환기를 포함하며, 상기 버너, 개질기, 스팀발생기는 버너, 개질기, 스팀발생기의 순서로 하층으로부터 순차적으로 적층되어, 상기 버너에서의 발생된 화염 및 연소가스를 상기 버너의 상층에 마련된 상기 개질기 및 스팀발생기에 직접적으로 전달하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a BOP system of a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a burner, a reformer, a steam generator, and a heat exchanger, wherein the burner, the reformer, And the flame and the combustion gas generated in the burner are directly transferred to the reformer and the steam generator provided in the upper layer of the burner.

그리고, 상기 열교환기는 상기 스팀발생기에서 배출되는 배가스를 유입하여 상기 스택의 공기극으로 공급되는 공정 공기를 예열시키는 것을 특징으로 한다.
The heat exchanger may preheat the process air supplied to the air electrode of the stack by flowing the exhaust gas discharged from the steam generator.

한편, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택모듈는 스택, 버너, 개질기, 스팀발생기 및 열교환기를 포함하며, 상기 버너, 개질기, 스팀발생기는 버너, 개질기, 스팀발생기의 순서로 하층으로부터 순차적으로 적층되어, 상기 버너에서의 발생된 화염 및 연소가스를 상기 버너의 상층에 마련된 상기 개질기 및 스팀발생기에 직접적으로 전달하는 것을 특징으로 하며, 상기 열교환기는 상기 스팀발생기에서 배출된 배가스를 유입하여 상기 스택의 공기극으로 공급되는 공정 공기를 예열시키는 것을 특징으로 한다.
Meanwhile, the solid oxide fuel cell stack module according to the present invention includes a stack, a burner, a reformer, a steam generator, and a heat exchanger, wherein the burner, the reformer, and the steam generator are sequentially stacked from a lower layer, And the flame and the combustion gas generated in the burner are directly transferred to the reformer and the steam generator provided in the upper layer of the burner. The heat exchanger is configured to introduce the flue gas discharged from the steam generator into the air electrode And preheating the supplied process air.

그리고, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 열효율 향상 작동 방법은, 버너, 개질기, 스팀발생기는 버너, 개질기, 스팀발생기의 순서로 하층으로부터 순차적으로 적층시켜 상기 버너에서의 발생된 화염 및 연소가스를 상기 버너의 상층에 마련된 상기 개질기 및 스팀발생기에 직접적으로 전달되도록 하는 가열단계 및 상기 스팀발생기에서 배출되는 배가스를 상기 열교환기로 유입시켜 상기 스택의 공기극으로 공급되는 공정 공기를 예열시키는 예열단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method for improving the thermal efficiency of a solid oxide fuel cell according to the present invention is characterized in that the burner, the reformer, and the steam generator are sequentially stacked in this order from the lower layer in order of the burner, the reformer, and the steam generator, And a preheating step of preheating the process air supplied to the air electrode of the stack by introducing the exhaust gas discharged from the steam generator into the heat exchanger so that the reformer and the steam generator are directly supplied to the upper layer of the burner, .

그리고, 상기 가열단계는 상기 버너로 시동연료를 추가로 공급하는 시동가열단계 및 상기 개질기의 온도가 일정온도 이상으로 가열된 경우 시동연료를 차단하고 상기 스택에서 공급되는 미연가스만을 연소시키는 후가열단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
The heating step may include a startup heating step of additionally supplying starting fuel to the burner, and a post-heating step of stopping the starting fuel when the temperature of the reformer is heated to a predetermined temperature or higher and burning only the unburned gas supplied from the stack And a control unit.

본 발명은 스택, 버너, 개질기 및 스팀발생기를 플랜지 적층구조로 마련함으로써 외부로의 열손실을 최소화하고 열전달 효율을 높이며, 아울러 장치를 공간성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.The present invention provides a stack, a burner, a reformer, and a steam generator in a flange laminate structure, thereby minimizing heat loss to the outside, increasing heat transfer efficiency, and maximizing the space of the apparatus.

또한, 시동버너를 별도로 구비하지 않고 후연소기를 통합버너 형태로 마련하여 시동버너 기능을 구현함으로써 장치 제조 비용 및 장치 전체의 열효율을 향상시킬 수 있다. In addition, since the afterburner is provided in the form of an integrated burner without separately providing a starter burner, the start-up burner function can be implemented, thereby improving the apparatus manufacturing cost and the thermal efficiency of the entire apparatus.

그리고, 별도의 히터를 구비하지 않고 열교환기를 마련하여 반응 후 배가스를 이용하여 공기극으로 유입되는 공기를 예열시킬 수 있어 장치의 열효율을 크게 개선할 수 있는 효과가 있다.
Also, the heat exchanger is provided without a separate heater, and the air introduced into the air electrode can be preheated by using the exhaust gas after the reaction, thereby significantly improving the thermal efficiency of the apparatus.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템이 결합된 독립형 고체산화물 연료전지의 주요 구성 및 구성간의 결합 관계를 나타내는 외형 사시도에 해당한다.
한편, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 버너를 나타내는 사시도 및 평면도에 해당한다.
한편, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 나타내는 사시도 및 평면도에 해당한다.
한편, 도 6 및 도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀발생기를 나타내는 사시도 및 평면도에 해당한다.
한편, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 나타내는 사시도 및 평면도에 해당한다.FIG. 1 is an external perspective view showing a coupling structure between a main structure and a constitution of a stand-alone solid oxide fuel cell incorporating a BOP system of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 correspond to a perspective view and a plan view showing a burner according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 correspond to a perspective view and a plan view of a reformer according to an embodiment of the present invention.
6 and 7 correspond to a perspective view and a plan view of a steam generator according to an embodiment of the present invention.
8 and 9 correspond to a perspective view and a plan view of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템이 결합된 독립형 고체산화물 연료전지의 주요 구성 및 구성간의 결합 관계를 나타내는 외형도에 해당한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an outline view showing a coupling structure between a main structure and a constitution of a stand-alone solid oxide fuel cell incorporating a BOP system of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 BOP(Balance of Plant) 시스템은 크게 버너(20), 개질기(30), 스팀발생기(40), 열교환기(50)를 포함하여 구성된다.1, a BOP (Balance of Plant) system of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a burner 20, a reformer 30, a steam generator 40, a heat exchanger 50 ).

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템은 스택(10)을 중심으로 좌우 측면에 열교환기(50)가 배치되며, 상기 스택(10) 및 열교환기(50)의 상층으로 순차적으로 버너(20), 개질기(30), 스팀발생기(40)가 적층된 형태로 이루어져 공간성을 극대화할 수 있다.The BOP system of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a heat exchanger 50 disposed on left and right sides of a stack 10, The burner 20, the reformer 30, and the steam generator 40 are laminated, thereby maximizing the space.

상기 버너(20), 개질기(30), 스팀발생기(40)의 적층은 각 구성 간 플랜지 결합을 통하여 이루어지며, 스택(10)으로부터 버너(20), 개질기(30), 스팀발생기(40)에 이르기까지 각종 배관 연결부위를 제외하고는 그 전체가 밀봉되어 있어 열손실을 최소화할 수 있다.The stacking of the burner 20, the reformer 30 and the steam generator 40 is performed through flange connection between the respective components and is carried out from the stack 10 to the burner 20, the reformer 30, the steam generator 40 The whole is sealed except for various pipe connection parts, so that heat loss can be minimized.

그리고, 상기 버너(20)의 하층에 마련된 스택(10)에서 발생된 고온의 미연가스를 별도의 연결 배관 없이 버너(20)에 직접적으로 전달한다.
The hot unburned gas generated in the stack 10 provided in the lower layer of the burner 20 is directly transferred to the burner 20 without a separate connection pipe.

한편, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 버너를 나타내는 사시도 및 평면도에 해당한다.2 and 3 correspond to a perspective view and a plan view showing a burner according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 버너(20)는 일 측면에 공기 유입구(25)가 마련되며, 타 측면에 시동연료 유입구(24)가 마련된다.The burner 20 according to an embodiment of the present invention has an air inlet 25 on one side and a staring fuel inlet 24 on the other side.

상기 버너(20)는 시동버너의 역할이 결합된 통합버너로서 장치 시동시에는 상기 시동연료 유입구(24)로 연료가스를 직접 주입하여 버너(20) 상층의 개질기(30) 및 스팀발생기(40)를 가열시킨다. The burner 20 is an integrated burner combined with the role of a starting burner. The burner 20 directly injects the fuel gas into the starting fuel inlet 24 to start the reformer 30 and the steam generator 40 in the upper layer of the burner 20, .

그리고, 상기 개질기(30)가 일정온도 이상에 도달한 경우 상기 연료가스를 차단하고 상기 버너(20)의 하층에 마련된 스택(10)으로부터 공급되는 미연가스만으로 연소를 수행한다.When the reformer 30 reaches a predetermined temperature or more, the fuel gas is shut off and the combustion is performed using unburnt gas supplied from the stack 10 provided in the lower layer of the burner 20. [

일정온도 이상에 도달한 상태의 장치 운용중에는 개질기(30)를 통과하고 스택(10)으로 공급된 후 스택(10)에서의 반응을 마친 미연가스의 상기 버너(20)로의 공급량이 충분하나, 장치 시동시에 상기 개질기(30) 및 스팀발생기(40)의 온도가 낮은 상태이므로 개질반응 및 스팀발생이 원활하지 않으므로 미연가스의 버너(20)로의 공급량이 충분하지 않기 때문이다.The amount of unburned gas that has passed through the reformer 30 and supplied to the stack 10 after the reaction in the stack 10 has been supplied to the burner 20 is sufficient during operation of the apparatus in a state where the temperature has reached a predetermined temperature or more, Since the temperature of the reformer 30 and the steam generator 40 is low at the time of starting, the reforming reaction and the steam generation are not smooth, so that the amount of the unburned gas supplied to the burner 20 is not sufficient.

종래의 버너의 경우 시동 버너와 후연소기를 별도로 마련하였으나, 본 발명의 경우 버너(20)를 통합버너의 형태로 마련함으로써 장치를 컴팩트화시키고 제조 효율을 높일 수 있다. In the case of the conventional burner, a starter burner and a post-burner are separately provided. However, in the case of the present invention, the burner 20 is provided in the form of an integrated burner, thereby making the apparatus compact and improving manufacturing efficiency.

상기 스택(10)의 상부와 버너(20)의 하부는 서로 뚫려서 연결되어 있으므로 미연가스의 공급량은 제어하지 않고, 시동연료의 공급여하를 조절한다. 즉, 시동시 시동연료를 버너(20)의 측면으로 추가 공급하며, 상기 개질기(30)의 온도가 일정온도 이상에 도달한 경우 시동연료의 주입을 중단하고 미연가스만으로 연소를 수행한다.Since the upper portion of the stack 10 and the lower portion of the burner 20 are pierced and connected to each other, the supply amount of the unburned gas is not controlled and the supply of the starting fuel is controlled. That is, the starter fuel is further supplied to the side surface of the burner 20 at the start, and when the temperature of the reformer 30 reaches the predetermined temperature or higher, the injection of the starter fuel is stopped and the combustion is performed only with the unburned gas.

한편, 상기 버너(20)는, 상측에 위치된 개질기(30) 및 스팀발생기(40)의 전면적에 결쳐 균일한 열량이 전달될 수 있도록, 메탈화이버 표면버너의 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.The burner 20 is preferably formed in the form of a metal fiber surface burner so that a uniform amount of heat can be transferred to the entire surface of the reformer 30 and the steam generator 40 located on the upper side.

상기 미연가스의 경우 버너(20) 하측의 스택(10)으로부터 비교적 균일하게 상측 버너(20) 내부로 공급되나, 시동연료의 경우 측면에서 공급되므로 상기 메탈화이버 표면버너에서 균일한 연소가 이루어질 수 있도록 버너(20) 내부에 복수 개의 가스공급노즐용 튜브(22)를 일정간격으로 배열하는 것이 바람직하다.The unburned gas is supplied from the stack 10 below the burner 20 relatively uniformly into the upper burner 20 but is supplied from the side in the case of the starting fuel so that uniform burning can be performed in the metal fiber surface burner It is preferable that a plurality of gas supply nozzle tubes 22 are arranged in the burner 20 at regular intervals.

또한, 버너(20)로의 공기 공급 또한 국부적인 연소의 정도에 영향을 미치므로 상기 가스공급노즐용 튜브(22) 사이 사이에 공기공급노즐용 튜브(23) 배열하는 것이 바람직하다.In addition, since the air supply to the burner 20 also affects the degree of local combustion, it is preferable to arrange the air supply nozzle tubes 23 between the gas supply nozzle tubes 22.

연료와 공기의 적정 비율을 조절하기 위하여 상기 가스공급노즐용 튜브(22)와 공기공급노즐용 튜브(23)에 형성된 노즐 구멍의 크기는 1:4의 비율로 형성되는 것이 바람직하다.It is preferable that the size of the nozzle hole formed in the gas supply nozzle tube 22 and the air supply nozzle tube 23 is 1: 4 in order to adjust the proper ratio of fuel and air.

한편, 상기 가스공급노즐용 튜브(22)와 공기공급노즐용 튜브(23)는 메탈화이버(21)의 하측에 배치되어 메탈화이버(21) 측으로 화염을 분사하게 되며, 보다 균일한 가열을 위하여 상기 메탈화이버(21)와 가스공급노즐용 튜브(22) 및 공기공급노즐용 튜브(23)의 배열 사이에 다공판을 추가로 마련하는 것이 바람직하다.The gas supply nozzle tube 22 and the air supply nozzle tube 23 are disposed below the metal fiber 21 to inject a flame toward the metal fiber 21, It is preferable to additionally provide a perforated plate between the arrangement of the metal fiber 21, the gas supply nozzle tube 22 and the air supply nozzle tube 23.

그리고, 상기 공기공급노즐용 튜브(23)와 상기 가스공급노즐용 튜브(22)는 공급되는 공기 또는 가스의 일정한 분배를 위하여 입구 측이 매니폴더(29)에 의해 각각 공기 유입구(25)와 시동연료 유입구(24)에 연결되는 것이 바람직하다.The inlet side of the air supply nozzle tube 23 and the gas supply nozzle tube 22 are connected to the air inlet port 25 by a manifold 29 for the purpose of uniform distribution of the supplied air or gas, It is preferable to be connected to the fuel inlet 24.

그리고, 상기 버너(20)의 측면에 마련된 점화기 장착구(26)를 통하여 점화기가 장착되며 버너(20)의 시동 점화를 일으키며, 압력센서 장착구(27) 및 온도센서 장착구(28)를 통하여 압력센서 및 온도센서가 장착되어 버너(20) 내부의 압력 및 온도를 모니터링 한다.
The igniter is mounted through the igniter attachment port 26 provided on the side surface of the burner 20 to cause the ignition of the burner 20 to be ignited and the pressure sensor mount port 27 and the temperature sensor port 28 A pressure sensor and a temperature sensor are mounted to monitor the pressure and temperature inside the burner 20.

한편, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 나타내는 사시도 및 평면도에 해당한다.4 and 5 correspond to a perspective view and a plan view of a reformer according to an embodiment of the present invention.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 개질기(30)는 일 측면에 연료 유입구(32) 및 스팀 유입구(34)가 마련되며, 타 측면에 개질가스 배출구(33)가 마련된다. 상기 연료 유입구(32)로 연료가스가 유입되며, 상기 스팀 유입구(34)로 유입된 스팀 및 개질기(30) 내부에 충진된 촉매화 혼합되어 개질 반응이 일어난다. 개질된 개질가스는 상기 개질가스 배출구를 통하여 배출되어, 상기 스택(11)의 전면 하측에 마련된 개질가스 유입구(11)을 통하여 스택(10) 내부로 유입된다.4 and 5, the reformer 30 has a fuel inlet 32 and a steam inlet 34 on one side and a reformed gas outlet 33 on the other side. The fuel gas flows into the fuel inlet 32 and the steam introduced into the steam inlet 34 is filled in the reformer 30 to be catalytically mixed and reformed. The reformed reformed gas is discharged through the reformed gas outlet and flows into the stack 10 through the reformed gas inlet 11 provided at the lower front side of the stack 11.

상기 개질기(30)의 내부는 촉매로 충진되며, 보다 구체적으로는 촉매 유입구(미도시)를 통하여 상기 촉매는 충진되며 충진 후 상기 촉매 유입구를 막는 멜커넥터 막음장치(미도시)에 의해 밀봉된다.The inside of the reformer 30 is filled with a catalyst, and more specifically, the catalyst is filled through a catalyst inlet (not shown), and is sealed by a melt connector closure device (not shown) which closes the catalyst inlet after filling.

그리고, 개질기(30)의 하층에 마련된 버너(20)로부터 화염 및 연소가스가 상층의 스팀발생이에 전달될 수 있도록 평면 전체에 걸쳐 복수 개의 관통구(31)가 마련된다. 상기 관통구(31)를 지나는 화염 및 연소가스로부터 개질기(30) 내부로의 열전달이 일어나며, 이렇게 전달된 열을 이용하여 개질반응이 촉진된다.A plurality of through-holes 31 are provided in the entire plane so that the flame and the combustion gas can be transferred from the burner 20 provided in the lower layer of the reformer 30 to the generation of steam in the upper layer. Heat transfer from the flame and combustion gas passing through the through-hole 31 to the inside of the reformer 30 occurs, and the reforming reaction is promoted by using the transferred heat.

한편, 버너(20)로부터의 화염과 직접 접촉하게되는 개질기(30) 아랫부분의 케이싱은 높은 열과 부식을 감안하여 인코넬 판을 플랜지와 일체로 형성시키는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 관통 구 또한 인코넬 튜브로 형성되는 것이 바람직하다. 인코넬(inconel)은 니켈을 주체로 하여 15%의 크로뮴, 6∼7%의 철, 2.5%의 타이타늄, 1% 이하의 알루미늄·망가니즈·규소를 첨가한 내열합금이다. 내열성이 좋고, 900℃ 이상의 산화기류(酸化氣流) 속에서도 산화하지 않고, 황을 함유한 대기에도 침지되지 않는다.내열성이 좋고, 900℃ 이상의 산화기류(酸化氣流) 속에서도 산화하지 않고, 황을 함유한 대기에도 침지되지 않는다. 신장(伸長)·인장강도·항복점(降伏點) 등 여러 성질도 600℃ 정도까지 대부분 변화하지 않는 등 기계적 성질에 우수하며, 유기물·염류용액에 대해서도 부식하지 않는다.On the other hand, it is preferable that the casing in the lower part of the reformer 30, which is in direct contact with the flame from the burner 20, forms the inconel plate integrally with the flange in consideration of high heat and corrosion. Further, it is preferable that the through-hole is also formed of an inconel tube. Inconel is a heat-resistant alloy mainly composed of nickel and containing 15% of chromium, 6 to 7% of iron, 2.5% of titanium, and 1% or less of aluminum, manganese and silicon. It is good in heat resistance and does not oxidize even in an oxidation stream (oxidation stream) of 900 DEG C or more and is not immersed in an atmosphere containing sulfur. It is excellent in heat resistance and does not oxidize even in an oxidation stream (oxidation stream) It is not immersed in air. Many properties, such as elongation, tensile strength and yield point, do not change much to about 600 ° C. They are excellent in mechanical properties and do not corrode organic or salt solutions.

한편, 개질기(30) 케이스는 각종 유출구 및 배출구를 제외하고는 스테인레스판으로 모두 밀봉시키는 것이 바람직하다.On the other hand, the casing of the reformer 30 is preferably sealed with a stainless steel plate except for various outlets and outlets.

또한, 개질기(30) 내부에 촉매를 충진시키고 수평방향의 일 측면으로 개질용 연료가스와 스팀을 공급하고 타 측면으로 개질가스가 배출될 수 있게 하기 위해서는 양 옆면을 메쉬망으로 마련하는 것이 바람직하다. 이때 공급된 개질용 연료가스와 스팀이 충진된 촉매의 한곳으로만 집중적으로 쏠려서 들어가지 않고 균일하게 들어갈 수 있도록 개질기(30) 케이싱의 양 측면은 콘(35) 형태로 설계하여 가스가 전체적으로 모든 촉매와 균일하게 접촉할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
In addition, it is preferable that both sides of the reformer 30 are provided with a mesh network in order to fill the inside of the reformer 30, supply the reforming fuel gas and steam to one side in the horizontal direction and exhaust the reformed gas to the other side . At this time, both sides of the casing of the reformer 30 are designed in the form of a cone 35 so that the reforming fuel gas and steam can be uniformly entered into one place of the catalyst filled with steam, So that it can be brought into contact uniformly.

한편, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀발생기를 나타내는 사시도 및 평면도에 해당한다.6 and 7 correspond to a perspective view and a plan view of a steam generator according to an embodiment of the present invention.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 스팀발생기(40)는 일 측면에 복수 개의 물 유입구(41)와 타 측면에 스팀 배출구(42)를 포함한다. 상기 물 유입구(41)를 통하여 유입된 물은 상기 물 유입구(41)부터 동일한 개수로 연장된 코일 형태의 증발 튜브(43)를 지나면서 증발된다. 상기 증발 튜브(43)는 상기 타 측면 인접에서 하나로 모여져 상기 스팀 배출구(42)로 배출된다. 상기 스팀 발생기(40)의 하층으로부터 버너(20)에서 발생된 연소가스 및 화염이 전달되며, 이중 대부분은 연소가스에 해당한다. 이와 같이 전달된 연소가스는 증발 튜브(43)를 가열시켜 내부의 물을 증발시킨 후 배가스 배출구(44, 45)를 통하여 배출된다. 이렇게 배출된 배가스는 열교환기(50)로 공급되어 공정가스의 예열에 사용된다.
6 and 7, the steam generator 40 includes a plurality of water inlets 41 on one side and a steam outlet 42 on the other side. The water introduced through the water inlet 41 is evaporated by passing through the evaporation tube 43 in the form of a coil extending from the water inlet 41 to the same number. The evaporation tubes 43 are gathered in the vicinity of the other side and discharged to the steam outlet 42. The combustion gas and the flame generated in the burner 20 are transferred from the lower layer of the steam generator 40, most of which corresponds to the combustion gas. The combustion gas thus delivered is heated through the evaporation tube 43 to evaporate the water therein, and then discharged through the exhaust gas outlet ports 44 and 45. The exhaust gas thus discharged is supplied to the heat exchanger 50 and used for preheating the process gas.

도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 나타내는 사시도 및 평면도에 해당한다.8 and 9 correspond to a perspective view and a plan view of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.

도1, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(50)는 수직 판상형 구조를 가진다. 상기 열교환기(50)는 스택(10)의 양측 버너(20)의 하측에 각각 하나씩 한 쌍으로 마련된다. 상기 스팀발생기(40)로부터 배출된 배가스는 열교환기(50)의 스택(10) 반대편 측면의 상부에 마련된 배가스 유입구(51)로 공급되어, 열교환기(50) 정면 하부에 마련된 공정 공기 유입구(56)로부터 유입되는 공기와 열교환 과정을 거치고, 상기 공정 공기를 예열시킨 뒤 열교환 가스 배출구(55)로 배출된다. 그리고, 예열된 상기 공정 공기는 상기 열교환기(50)의 스택(10) 측 하부에 마련된 복수 개의 공정 공기 배출구(56)를 통하여 스택(10)의 양 측면 하부로 유입된다.1, 8 and 9, the heat exchanger 50 has a vertical plate-shaped structure. The heat exchanger (50) is provided on the lower side of the burners (20) on both sides of the stack (10). The exhaust gas discharged from the steam generator 40 is supplied to an exhaust gas inlet 51 provided on the upper side of the side opposite to the stack 10 of the heat exchanger 50 to be supplied to the process air inlet 56 , And the process air is preheated and discharged to the heat exchange gas outlet 55. [ The preheated process air flows into lower portions of both sides of the stack 10 through a plurality of process air outlets 56 provided at the lower side of the stack 10 of the heat exchanger 50.

상기 열교환기(50)는 열교환 효율을 높이기 위하여 핀 방식으로 이루어지며, 다수의 굴곡 유로(52)(serpentine path}를 형성한다. 공정 공기는 열교환기(50)의 하부에서 유입되어 상기 굴곡 유로(52)를 거처 열교환기(50)의 상부로 이동된 후, 상부로부터 하부로 이어지는 하방 전환 유로(53)를 통해 열교환기(50) 하부로 이동되며, 상기 하방 전화 유로의 하부측에 연결된 상기 공정 공기 배출구(56)로 통하여 스택(10) 내부로 배출된다. 스택(10) 내부로 균일하게 공정 공기가 공급될 수 있도록 상기 공정 공기 배출구(56)는 복수 개의 구멍으로 형성되며, 상기 구멍의 개수에 대응되도록 상기 굴곡 유로(52) 및 하방 전환 유로(53)가 열교환기(50) 내부에 형성되는 것이 바람직하다.
The heat exchanger 50 is formed in a pin shape to increase the heat exchange efficiency and forms a plurality of serpentine paths 52. The process air flows from the lower portion of the heat exchanger 50, 52 to the upper portion of the heat exchanger 50 and then to the lower portion of the heat exchanger 50 through the lower switching passage 53 leading from the upper portion to the lower portion, And is discharged into the stack 10 through the air outlet 56. The process air outlet 56 is formed with a plurality of holes so that process air can be uniformly supplied into the stack 10, The bending passage 52 and the downwardly diverting passage 53 are preferably formed in the heat exchanger 50 so as to correspond to the bending angle.

한편, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 열효율 향상 작동 방법은, 버너, 개질기, 스팀발생기는 버너, 개질기, 스팀발생기의 순서로 하층으로부터 순차적으로 적층시켜 상기 버너에서의 발생된 화염 및 연소가스를 상기 버너의 상층에 마련된 상기 개질기 및 스팀발생기에 직접적으로 전달되도록 하는 가열단계 및 상기 스팀발생기에서 배출되는 배가스를 상기 열교환기로 유입시켜 상기 스택의 공기극으로 공급되는 공정 공기를 예열시키는 예열단계를 포함하다.The method for improving the thermal efficiency of a solid oxide fuel cell according to the present invention is characterized in that a burner, a reformer, and a steam generator are sequentially stacked from a lower layer in order of a burner, a reformer, and a steam generator, And a preheating step of preheating the process air supplied to the air electrode of the stack by introducing the exhaust gas discharged from the steam generator into the heat exchanger, so that the reformer and the steam generator provided in the upper layer of the burner are directly delivered to the reformer and the steam generator, .

그리고, 상기 가열단계는 상기 버너로 시동연료를 추가로 공급하는 시동가열단계 및 상기 개질기의 온도가 일정온도 이상으로 가열된 경우 시동연료를 차단하고 상기 스택에서 공급되는 미연가스만을 연소시키는 후가열단계를 포함한다.The heating step may include a startup heating step of additionally supplying starting fuel to the burner, and a post-heating step of stopping the starting fuel when the temperature of the reformer is heated to a predetermined temperature or higher and burning only the unburned gas supplied from the stack .

그리고, 상기 예열단계에서 예열된 공정 공기를 상기 스택의 공기극으로 공급하는 공정공기공급단계를 더 포함한다.
And a process air supply step of supplying the preheated process air to the air electrode of the stack in the preheating step.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 사용된 위치관계는 첨부된 도면을 중심으로 설명된 것으로서, 실시 태양에 따라 그 위치관계는 달라질 수 있다.The positional relationship used to describe the preferred embodiment of the present invention is described with reference to the accompanying drawings, and the positional relationship thereof may vary according to the embodiment.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 본 발명에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다고 할 것이다. 아울러, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 할 것이다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, shall have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs will be. Further, unless explicitly defined in the present application, it should not be interpreted as an ideal or overly formal sense.

이상에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예는 물론, 본 발명에 기존의 공지기술을 단순 주합하거나, 본 발명을 단순 변형한 실시 또한, 당연히 본 발명의 권리 범위에 해당한다고 보아야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, You should see.

10: 스택 11: 개질가스 유입구
20: 버너 21: 메탈화이버
22: 가스공급노즐용 튜브 23: 공기공급노즐용 튜브
24: 시동연료 유입구 25: 공기 유입구
26: 점화기 장착구 27: 온도센서 장착구
28: 압력센서 장착구 29: 매니폴더
30: 개질기 31: 관통구
32: 연료 유입구 33: 개질가스 배출구
34: 스팀 유입구 35: 콘
40: 스팀발생기 41: 물 유입구
42: 스팀 배출구 43: 증발 튜브
44, 45: 배가스 배출구 50: 열교환기
51: 배가스 유입구 52: 굴곡 유로
53: 하방 전환 유로 55: 열교환 배가스 배출구
56: 공정 공기 유입구10: Stack 11: Reforming gas inlet
20: burner 21: metal fiber
22: gas supply nozzle tube 23: air supply nozzle tube
24: Starting fuel inlet 25: Air inlet
26: Igniter mounting part 27: Temperature sensor mounting part
28: Pressure sensor mounting hole 29: Manifold
30: Reformer 31: Through-
32: fuel inlet 33: reformed gas outlet
34: steam inlet 35: cone
40: steam generator 41: water inlet
42: steam outlet 43: evaporation tube
44, 45: exhaust gas outlet 50: heat exchanger
51: Flue gas inlet 52:
53: downward flow passage 55: heat exchange flue gas outlet
56: Process air inlet

Claims (39)

버너, 개질기, 스팀발생기 및 열교환기를 포함하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템에 있어서,
상기 버너, 개질기, 스팀발생기는 버너, 개질기, 스팀발생기의 순서로 하층으로부터 순차적으로 적층되어, 상기 버너에서의 발생된 화염 및 연소가스를 상기 버너의 상층에 마련된 상기 개질기 및 스팀발생기에 직접적으로 전달하며,
상기 열교환기는 상기 스팀발생기에서 배출되는 배가스를 유입하여 스택의 공기극으로 공급되는 공정 공기를 예열시키며,
상기 개질기는,
상기 버너에서 발생된 화염 및 연소가스로부터 개질기 내부로 열전달을 수행하되, 상기 화염 및 연소가스가 상기 개질기 내부로 유입되지 않고 상기 스팀발생기로 이어질 수 있는 통로 역할을 수행하는 복수 개의 수직 관통구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
A BOP system for a solid oxide fuel cell comprising a burner, a reformer, a steam generator and a heat exchanger,
The burner, the reformer, and the steam generator are sequentially stacked from the lower layer in the order of the burner, the reformer, and the steam generator, and the flame and the combustion gas generated in the burner are directly delivered to the reformer and the steam generator provided in the upper layer of the burner In addition,
The heat exchanger preheats the process air supplied to the air electrode of the stack by flowing the exhaust gas discharged from the steam generator,
The reformer,
A plurality of vertical through holes that perform heat transfer from the flame and the combustion gas generated in the burner to the reformer and serve as passages through which the flame and the combustion gas can flow into the steam generator without flowing into the reformer; Wherein the BOP system of the solid oxide fuel cell comprises:
제1항에 있어서,
상기 버너, 개질기 및 스팀발생기의 케이스는 상호 플랜지 결합되어 상호 밀봉되도록 적층된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the case of the burner, the reformer, and the steam generator are stacked so as to be mutually flanged and mutually sealed.
제1항에 있어서,
상기 버너는,
시동시에는 시동연료를 주입하여 시동버너 역할을 수행하고,
개질기 온도가 일정 이상 상승된 경우에는 상기 시동연료의 주입을 차단하고 상기 스택을 통과한 미연가스 및 공기가 공급되도록 하여 후연소기의 역할을 수행하는 통합버너로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
The method according to claim 1,
The burner includes:
During start-up, starting fuel is injected to act as a starting burner,
And an integrated burner for shutting off the injection of the starting fuel and supplying the unburned gas and air passing through the stack when the temperature of the reformer is increased by a predetermined amount or more, thereby performing a role of a post-combustor. BOP system.
제1항에 있어서,
상기 버너는,
메탈화이버 표면버너 형태로 형성되어 균일한 표면가열을 수행하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
The method according to claim 1,
The burner includes:
Wherein the BOP system of the solid oxide fuel cell is formed in the form of a metal fiber surface burner to perform uniform surface heating.
제4항에 있어서,
상기 메탈화이버 표면버너는,
복수 개의 공기공급노즐용 튜브와 가스공급노즐용 튜브를 포함하되,
상기 공기공급노즐용 튜브와 가스공급노즐용 튜브는 균일한 표면가열을 위하여 일정간격으로 순차적으로 반복배열된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
5. The method of claim 4,
Wherein the metal fiber surface burner comprises:
A plurality of air supply nozzle tubes and a gas supply nozzle tube,
Wherein the air supply nozzle tube and the gas supply nozzle tube are repeatedly arranged at regular intervals in order to uniformly heat the surface of the solid oxide fuel cell.
제5항에 있어서,
상기 메탈화이버 표면버너는,
상기 공기공급노즐용 튜브와 가스공급노즐용 튜브의 상부로부터 일정거리 이격된 위치에 다공판 더 포함하여 연소시 메탈화이버의 처짐을 방지하고 공기와 가스의 혼합을 도모하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
6. The method of claim 5,
Wherein the metal fiber surface burner comprises:
And a perforated plate at a position spaced apart from the upper portion of the tube for the air supply nozzle and the tube for the gas supply nozzle so as to prevent sagging of the metal fiber during combustion and to mix air and gas. Battery BOP system.
제5항에 있어서,
상기 공기공급노즐용 튜브와 상기 가스공급노즐용 튜브는 공급되는 공기 또는 가스의 일정한 분배를 위하여 입구 측이 매니폴더에 의해 각각 공기 유입구와 시동연료 유입구에 연결된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
6. The method of claim 5,
Wherein the air supply nozzle tube and the gas supply nozzle tube are connected at their inlet sides to the air inlet and the staring fuel inlet respectively by a manifold for uniform distribution of supplied air or gas. system.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 개질기는,
일 측면에 마련되며 연료가스가 유입되는 연료 유입구와, 상기 일 측면에 마련되며 스팀발생기에서 배출된 스팀이 유입되는 스팀 유입구 및
타 측면에 마련되며 개질가스가 배출되는 개질가스 배출구를 더 포함하며,
상기 일 측면과 타 측면은 외부로 돌출된 콘 형태로 이루어져 균일한 유입 및 배출이 이루어질 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
The method according to claim 1,
The reformer,
A steam inlet provided at one side of the steam generator and through which the steam discharged from the steam generator flows,
And a reforming gas outlet provided on the other side of the reforming chamber and through which the reforming gas is discharged,
Wherein the one side surface and the other side surface are cone-shaped protruding outwardly and formed so as to be able to uniformly flow in and out of the solid oxide fuel cell.
제9항에 있어서,
상기 개질기의 상기 버너 측의 하부판은 인코넬 판으로 이루어지며, 상기 관통구는 인코넬 튜브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
10. The method of claim 9,
Wherein the bottom plate on the burner side of the reformer is made of an inconel plate, and the through-hole is made of an inconel tube.
제9항에 있어서,
상기 개질기는 상기 개질기 내부에 촉매를 충진시키는 촉매 유입구를 더 포함하되,
상기 촉매 유입구는 촉매를 충진시킨 후 상기 촉매 유입구를 막을 수 있는 멜커넥터 막음장치를 이용하여 밀봉하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
10. The method of claim 9,
Wherein the reformer further comprises a catalyst inlet for filling a catalyst inside the reformer,
Wherein the catalyst inlet is filled with a catalyst and then sealed using a Meller connector closure device capable of blocking the catalyst inlet.
제1항에 있어서,
상기 스팀발생기는,
상기 버너로부터 전달된 연소가스를 배출하는 배가스 배출구를 더 포함하며, 배출된 상기 배가스는 열교환기로 공급되어 스택으로 공급되는 공정 공기를 예열하는 데 활용되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
The method according to claim 1,
The steam generator includes:
Further comprising an exhaust gas outlet for exhausting the combustion gas delivered from the burner, wherein the exhausted exhaust gas is supplied to a heat exchanger and utilized to preheat process air supplied to the stack.
제12항에 있어서,
상기 스팀발생기는,
적어도 2개 이상의 물 유입구;
상기 물 유입구의 개수에 대응하는 개수로 마련되고, 상기 각각의 물 유입구로부터 각각 이어져 상기 스팀발생기 내부를 통과하는 코일 형태의 증발 튜브; 및
상기 증발 튜브 각각의 출구측이 하나로 합쳐져 상기 스팀발생기 외부로 연장되며 상기 스팀발생기 내부에서 발생된 스팀을 방출하는 스팀배출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
13. The method of claim 12,
The steam generator includes:
At least two water inlets;
An evaporation tube in the form of a coil provided in a number corresponding to the number of the water inlets and passing through each of the water inlets and passing through the inside of the steam generator; And
And a steam outlet for collecting the steam from the steam generator, the steam outlet being connected to the outlet of each of the evaporator tubes to extend to the outside of the steam generator.
제1항에 있어서,
상기 열교환기는,
한 쌍으로 마련되어 상기 스택의 양측에 위치되며, 외부는 수직 판상 형태로 형성되며 내부는 핀 타입으로 형성되어 굴곡 유로를 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
The method according to claim 1,
The heat exchanger
Wherein the stack is disposed on both sides of the stack, and the outer part is formed in a vertical plate shape and the inner part is formed in a pin shape to form a bending flow path.
제14항에 있어서,
상기 열교환기는,
상기 스택의 반대편 측면 상부에 위치되는 배가스 유입구와 상기 스택과 접촉되는 측면의 하부에 열교환 가스 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 BOP 시스템.
15. The method of claim 14,
The heat exchanger
Further comprising an exhaust gas inlet located above the opposite side of the stack and a heat exchange gas outlet at a lower side of the side contacting the stack.
스택, 버너, 개질기, 스팀발생기 및 열교환기를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택모듈에 있어서,
상기 버너, 개질기, 스팀발생기는 버너, 개질기, 스팀발생기의 순서로 하층으로부터 순차적으로 적층되어, 상기 버너에서의 발생된 화염 및 연소가스를 상기 버너의 상층에 마련된 상기 개질기 및 스팀발생기에 직접적으로 전달하며,
상기 열교환기는 상기 스팀발생기에서 배출된 배가스를 유입하여 상기 스택의 공기극으로 공급되는 공정 공기를 예열시키며,
상기 개질기는,
상기 버너에서 발생된 화염 및 연소가스로부터 개질기 내부로 열전달을 수행하되, 상기 화염 및 연소가스가 상기 개질기 내부로 유입되지 않고 상기 스팀발생기로 이어질 수 있는 통로 역할을 수행하는 복수 개의 수직 관통구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈
A solid oxide fuel cell stack module comprising a stack, a burner, a reformer, a steam generator, and a heat exchanger,
The burner, the reformer, and the steam generator are sequentially stacked from the lower layer in the order of the burner, the reformer, and the steam generator, and the flame and the combustion gas generated in the burner are directly delivered to the reformer and the steam generator provided in the upper layer of the burner In addition,
The heat exchanger preheats the process air supplied to the air electrode of the stack by flowing the exhaust gas discharged from the steam generator,
The reformer,
A plurality of vertical through holes that perform heat transfer from the flame and the combustion gas generated in the burner to the reformer and serve as passages through which the flame and the combustion gas can flow into the steam generator without flowing into the reformer; The solid oxide fuel cell stack module
제16항에 있어서,
상기 버너, 개질기 및 스팀발생기의 케이스는 상호 플랜지 결합되어 상호 밀봉되도록 적층된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
17. The method of claim 16,
Wherein the burner, the reformer, and the case of the steam generator are stacked so as to be mutually flanged and mutually sealed.
제16항에 있어서,
상기 버너는,
시동시에는 시동연료를 주입하여 시동버너 역할을 수행하고,
개질기 온도가 일정 이상 상승된 경우에는 상기 시동연료의 주입을 차단하고 상기 스택을 통과한 미연가스 및 공기가 공급되도록 하여 후연소기의 역할을 수행하는 통합버너로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
17. The method of claim 16,
The burner includes:
During start-up, starting fuel is injected to act as a starting burner,
And an integrated burner for shutting off the injection of the starting fuel and supplying the unburned gas and air passing through the stack when the temperature of the reformer is increased by a predetermined amount or more, module.
제16항에 있어서,
상기 버너는,
메탈화이버 표면버너 형태로 형성되어 균일한 표면가열을 수행하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
17. The method of claim 16,
The burner includes:
Wherein the metal oxide is formed in the form of a metal fiber surface burner to perform uniform surface heating.
제19항에 있어서,
상기 메탈화이버 표면버너는,
복수 개의 공기공급노즐용 튜브와 가스공급노즐용 튜브를 포함하되,
상기 공기공급노즐용 튜브와 가스공급노즐용 튜브는 균일한 표면가열을 위하여 일정간격으로 순차적으로 반복배열된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
20. The method of claim 19,
Wherein the metal fiber surface burner comprises:
A plurality of air supply nozzle tubes and a gas supply nozzle tube,
Wherein the air supply nozzle tube and the gas supply nozzle tube are sequentially and repeatedly arranged at regular intervals in order to uniformly heat the surface of the solid oxide fuel cell stack.
제20항에 있어서,
상기 메탈화이버 표면버너는,
상기 공기공급노즐용 튜브와 가스공급노즐용 튜브의 상부로부터 일정거리 이격된 위치에 다공판 더 포함하여 연소시 메탈화이버의 처짐을 방지하고 공기와 가스의 혼합을 도모하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
21. The method of claim 20,
Wherein the metal fiber surface burner comprises:
And a perforated plate at a position spaced apart from the upper portion of the tube for the air supply nozzle and the tube for the gas supply nozzle so as to prevent sagging of the metal fiber during combustion and to mix air and gas. Battery stack module.
제20항에 있어서,
상기 공기공급노즐용 튜브와 상기 가스공급노즐용 튜브는 공급되는 공기 또는 가스의 일정한 분배를 위하여 입구 측이 매니폴더에 의해 각각 공기 유입구와 시동연료 유입구에 연결된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
21. The method of claim 20,
Wherein the air supply nozzle tube and the gas supply nozzle tube are connected at their inlet sides to an air inlet and a staring fuel inlet respectively by a manifold for uniform distribution of supplied air or gas. .
삭제delete 제16항에 있어서,
상기 개질기는,
일 측면에 마련되며 연료가스가 유입되는 연료 유입구와, 상기 일 측면에 마련되며 스팀발생기에서 배출된 스팀이 유입되는 스팀 유입구 및
타 측면에 마련되며 개질가스가 배출되는 개질가스 배출구를 더 포함하며,
상기 일 측면과 타 측면은 외부로 돌출된 콘 형태로 이루어져 균일한 유입 및 배출이 이루어질 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
17. The method of claim 16,
The reformer,
A steam inlet provided at one side of the steam generator and through which the steam discharged from the steam generator flows,
And a reforming gas outlet provided on the other side of the reforming chamber and through which the reforming gas is discharged,
Wherein the one side surface and the other side surface of the solid oxide fuel cell stack are formed in a cone shape protruding outward so that they can be uniformly introduced and discharged.
제24항에 있어서,
상기 개질기의 상기 버너 측의 하부판은 인코넬 판으로 이루어지며, 상기 관통구는 인코넬 튜브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
25. The method of claim 24,
Wherein the burner-side lower plate of the reformer is made of an Inconel plate, and the through-hole is made of an inconel tube.
제24항에 있어서,
상기 개질기는 상기 개질기 내부에 촉매를 충진시키는 촉매 유입구를 더 포함하되,
상기 촉매 유입구는 촉매를 충진시킨 후 상기 촉매 유입구를 막을 수 있는 멜커넥터 막음장치를 이용하여 밀봉하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
25. The method of claim 24,
Wherein the reformer further comprises a catalyst inlet for filling a catalyst inside the reformer,
Wherein the catalyst inlet is filled with a catalyst and then sealed using a Meller connector closure device capable of closing the catalyst inlet.
제16항에 있어서,
상기 스팀발생기는,
상기 버너로부터 전달된 연소가스를 배출하는 배가스 배출구를 더 포함하며, 배출된 상기 배가스는 열교환기로 공급되어 스택으로 공급되는 공정 공기를 예열하는 데 활용되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
17. The method of claim 16,
The steam generator includes:
Further comprising an exhaust gas outlet for exhausting the combustion gas delivered from the burner, wherein the exhausted exhaust gas is supplied to a heat exchanger and utilized to preheat process air supplied to the stack.
제27항에 있어서,
상기 스팀발생기는,
적어도 2개 이상의 물 유입구;
상기 물 유입구의 개수에 대응하는 개수로 마련되고, 상기 각각의 물 유입구로부터 각각 이어져 상기 스팀발생기 내부를 통과하는 코일 형태의 증발 튜브; 및
상기 증발 튜브 각각의 출구측이 하나로 합쳐져 상기 스팀발생기 외부로 연장되며 상기 스팀발생기 내부에서 발생된 스팀을 방출하는 스팀배출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
28. The method of claim 27,
The steam generator includes:
At least two water inlets;
An evaporation tube in the form of a coil provided in a number corresponding to the number of the water inlets and passing through each of the water inlets and passing through the inside of the steam generator; And
And a steam outlet formed at an outlet side of each of the evaporation tubes to extend to the outside of the steam generator and to discharge steam generated in the steam generator.
제16항에 있어서,
상기 열교환기는,
한 쌍으로 마련되어 상기 스택의 양측에 위치되며, 외부는 수직 판상 형태로 형성되며 내부는 핀 타입으로 형성되어 굴곡 유로를 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
17. The method of claim 16,
The heat exchanger
Wherein the fuel cell stack is disposed on both sides of the stack, and the outer portion is formed in a vertical plate shape and the inner portion is formed in a pin shape to form a curved flow passage.
제29항에 있어서,
상기 열교환기는,
상기 스택의 반대편 측면 상부에 위치되는 배가스 유입구와 상기 스택과 접촉되는 측면의 하부에 열교환 가스 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택모듈.
30. The method of claim 29,
The heat exchanger
Further comprising an exhaust gas inlet located above the opposite side of the stack and a heat exchange gas outlet at a lower side of the side contacting the stack.
버너, 개질기, 스팀발생기는 버너, 개질기, 스팀발생기의 순서로 하층으로부터 순차적으로 적층시켜 상기 버너에서의 발생된 화염 및 연소가스를 상기 버너의 상층에 마련된 상기 개질기 및 스팀발생기에 직접적으로 전달되도록 하는 가열단계;
상기 스팀발생기에서 배출되는 배가스를 열교환기로 유입시켜 스택의 공기극으로 공급되는 공정 공기를 예열시키는 예열단계; 및
상기 개질기로 연료가스와 스팀을 공급하고, 상기 화염 및 연소가스로부터 개질기 내부로 전달된 열을 이용하여 촉매가 충진된 개질기 내부에서 상기 연료가스와 스팀의 개질반응을 통하여 개질가스를 배출하는 개질단계;를 포함하며,
상기 개질단계는,
복수 개의 수직 관통구를 통하여 상기 버너에서 발생된 화염 및 연소가스로부터 개질기 내부로 열전달을 수행하되, 상기 관통구를 통하여 상기 화염 및 연소가스가 상기 개질기 내부로 유입되지 않고 상기 스팀발생기로 이어질 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 열효율 향상 작동 방법.
The burner, the reformer, and the steam generator are sequentially stacked from the lower layer in order of the burner, the reformer, and the steam generator so that the flame and the combustion gas generated in the burner are directly transferred to the reformer and the steam generator provided in the upper layer of the burner Heating step;
A preheating step of preheating the process air supplied to the air electrode of the stack by flowing the exhaust gas discharged from the steam generator into the heat exchanger; And
A reforming step of supplying the fuel gas and steam to the reformer and discharging the reformed gas through the reforming reaction of the fuel gas and the steam in the reformer filled with the catalyst using the heat transferred from the flame and the combustion gas into the reformer ≪ / RTI >
In the modification step,
The flame and the combustion gas may be introduced into the reformer through the plurality of vertical through holes so that the flame and the combustion gas may flow into the reformer through the through hole. Wherein the solid oxide fuel cell is a solid oxide fuel cell.
제31항에 있어서,
상기 가열단계는,
상기 버너로 시동연료를 추가로 공급하는 시동가열단계; 및
상기 개질기의 온도가 일정온도 이상으로 가열된 경우 시동연료를 차단하고 상기 스택에서 공급되는 미연가스만을 연소시키는 후가열단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 열효율 향상 작동 방법.
32. The method of claim 31,
In the heating step,
A starting heating step of additionally supplying starting fuel to the burner; And
And a post-heating step of shutting off the starting fuel when the temperature of the reformer is heated to a predetermined temperature or more and burning only the unburned gas supplied from the stack.
제31항에 있어서,
상기 예열단계에서 예열된 공정 공기를 상기 스택의 공기극으로 공급하는 공정공기공급단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 열효율 향상 작동 방법.
32. The method of claim 31,
And supplying the preheated process air to the air electrode of the stack in the preheating step.
삭제delete 삭제delete 제31항에 있어서,
상기 스팀발생기에 물을 공급하고 상기 관통구를 통하여 전달된 화염 및 연소가스로부터 열을 흡수하여 상기 물을 스팀으로 증발시키는 증발단계;를 더 포함하되,
상기 스팀은 상기 개질단계의 개질기로 공급되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 열효율 향상 작동 방법.
32. The method of claim 31,
And an evaporation step of supplying water to the steam generator and absorbing heat from a flame and a combustion gas delivered through the through hole to evaporate the water into steam,
And the steam is supplied to the reformer of the reforming step.
제36항에 있어서,
상기 증발단계의 상기 스팀발생기는,
적어도 2개 이상의 물 유입구를 통하여 물을 공급받으며,
상기 물 유입구의 개수에 대응하는 개수로 마련되고, 상기 각각의 물 유입구로부터 각각 이어져 상기 스팀발생기 내부를 통과하는 코일 형태의 증발 튜브 내부에서 상기 물의 증발이 이루어지며,
상기 증발 튜브 각각의 출구측이 하나로 합쳐져 상기 스팀발생기 외부로 연장되며 상기 스팀발생기 내부에서 발생된 스팀을 방출하는 스팀 배출구를 통하여 스팀이 배출되어 상기 개질기로 유입되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 열효율 향상 작동 방법.
37. The method of claim 36,
Wherein the steam generator in the evaporation step comprises:
Water is supplied through at least two water inlets,
And evaporation of the water is carried out in a coil-shaped evaporation tube which is provided in a number corresponding to the number of the water inflow ports and which is connected to each of the water inflow ports and passes through the inside of the steam generator,
And the steam outlet is connected to the outlet of each of the evaporation tubes to extend to the outside of the steam generator and the steam is discharged through the steam outlet for discharging the steam generated in the steam generator to be introduced into the reformer. How to improve thermal efficiency.
제31항에 있어서,
상기 예열단계의 상기 열교환기는,
한 쌍으로 마련되어 상기 스택의 양측에 위치되며, 외부는 수직 판상 형태로 형성되며 내부는 핀 타입으로 형성되어 굴곡 유로를 형성하여 상기 공정 공기와 배가스 사이의 열교환 효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 열효율 향상 작동 방법.
32. The method of claim 31,
The heat exchanger in the pre-
Wherein the heat exchange efficiency between the process air and the exhaust gas is improved by forming a pair of the heat exchanger and the heat exchanger, the heat exchanger being disposed at both sides of the stack, the outer plate being formed in a vertical plate shape, A method for improving thermal efficiency of a fuel cell.
제38항에 있어서,
상기 예열단계는,
상기 스택의 반대편 측면 상부에 위치된 배가스 유입구를 통하여 상기 스팀발생기에서 배출되는 배가스를 열교환기 내부로 유입하며,
상기 배가스는 상기 굴곡 유로를 통하여 공정 공기와 열교환을 수행하여 상기 공정 공기를 예열시키며, 상기 예열된 공정 공기는 상기 열교환기의 상기 스택과 접촉되는 측면의 하부에 마련된 열교환 가스 배출구를 통하여 상기 스택 내부로 유입되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 열효율 향상 작동 방법.39. The method of claim 38,
The preheating step may include:
The exhaust gas discharged from the steam generator flows into the heat exchanger through an exhaust gas inlet located above the opposite side of the stack,
Wherein the preheated process air is passed through a heat exchanging gas outlet provided in a lower portion of a side of the heat exchanger which is in contact with the stack to perform heat exchange with the process air through the bending passage, Wherein the solid oxide fuel cell comprises a plurality of solid oxide fuel cells.
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