KR101576713B1 - 연료전지용 예혼합 연소버너 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료전지용 예혼합 연소버너는 연료전지의 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스와 연료전지의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스를 미리 혼합시켜 혼합가스를 생성시키는 혼합부, 및 혼합부로부터 혼합가스를 공급받아 연소시키는 연소부를 포함한다. 이를 통해 본 발명에 따른 연료전지용 예혼합 연소버너는 연소 전에 혼합부를 통해 연료극 배기가스와 공기극 배기가스를 미리 혼합시키기 때문에, 연료전지로 공급될 공급가스에 대한 예열에 있어 성능이나 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지용 예혼합 연소버너 {Pre-mixed combustion burner for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 예혼합 연소버너에 관한 것으로서, 연료전지로 공급될 공급가스에 대한 예열에 있어 성능이나 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 예혼합 연소버너에 관한 것이다.

연료전지는 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)나 고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell)와 같은 고온형 연료전지가 대표적이다. 이와 같은 연료전지는 크게 연료전지 스택(Stack), MBOP(Mechanical Balance of Plant), 및 EBOP(Electrical Balance of Plant)로 구성된다. 여기서 연료전지 스택은 연료(수소)를 공급받는 연료극과 공기(산소)를 공급받는 공기극을 구비하여 전기화학반응으로 전기를 생산하고, MBOP는 연료전지 스택의 연료극과 공기극으로 각각 수소와 공기를 공급하며, EBOP는 연료전지 스택에서 생산한 직류전기를 교류전기로 변환한다.

그런데 고온형 연료전지는 매우 고온에서 작동하기 때문에 연료전지의 연료극이나 공기극으로 공급될 공급가스(예를 들어, 공기)도 미리 예열되는 것이 바람직하다. 이를 위해 확산형 연소버너(Diffusion combustion burner)를 사용하는 것을 고려해 볼 수 있다. 확산형 연소버너는 상대적으로 저렴하기 때문이다. 그러나 확산형 연소버너를 사용할 경우, 연료와 공기가 충분하게 혼합되지 않기 때문에 화염 형태가 불안정하다는 문제가 있다. 이와 같으면 연소 중에 일산화탄소(CO)나 녹스 (NOx)가 많이 배출되기 때문에, 이와 같은 오염물질을 해결하기 위한 부가 장비가 추가로 요구된다. 그러나 부가 장비는 결과적으로 시스템의 부하를 높여 시스템의 효율을 낮추는 요인으로 작용한다는 문제가 있다. 또한 확산형 연소버너를 사용할 경우, 화염의 길이가 길어 연소버너의 크기도 증가하며, 공급가스를 목표온도까지 가열하기도 쉽지 않다는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 연료전지로 공급될 공급가스에 대한 예열에 있어 성능이나 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 예혼합 연소버너를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 연료전지용 예혼합 연소버너는 연료전지의 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스와 연료전지의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스를 미리 혼합시켜 혼합가스를 생성시키는 혼합부, 및 혼합부로부터 혼합가스를 공급받아 연소시키는 연소부를 포함한다.

본 발명에 따른 연료전지용 예혼합 연소버너는 연소 전에 혼합부를 통해 연료극 배기가스와 공기극 배기가스를 미리 혼합시키기 때문에, 연료전지로 공급될 공급가스에 대한 예열에 있어 성능이나 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 예혼합 연소버너를 도시하고 있는 사시도
도 2는 도 1의 연료전지용 예혼합 연소버너를 부분적으로 절개하여 도시하고 있는 부분절개 사시도
도 3은 도 1의 연료전지용 예혼합 연소버너에 적용되는 버너 노즐을 도시하고 있는 사시도
도 4는 도 3의 버너 노즐의 단면을 도시하고 있는 단면도
도 5는 도 1의 연료전지용 예혼합 연소버너가 적용되는 연료전지를 개념적으로 도시하고 있는 개념도

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

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 예혼합 연소버너를 도시하고 있는 사시도이며, 도 2는 도 1의 연료전지용 예혼합 연소버너를 부분적으로 절개하여 도시하고 있는 부분절개 사시도이다. 도 1과 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 예혼합 연소버너(100)는 기본적으로 혼합부(110)와 연소부(130)를 포함한다. 이와 같은 예혼합 연소버너(100)는 연료전지(F)에 적용된다.

먼저 도 5를 참조하여 연료전지(F)에 대해 살펴본다. 도 5는 도 1의 연료전지용 예혼합 연소버너가 적용되는 연료전지를 개념적으로 도시하고 있는 개념도이다. 연료전지(F)는 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 용융탄산염 연료전지나 고체산화물 연료전지와 같은 고온형 연료전지가 대표적이다. 이와 같은 연료전지(F)는 전기화학반응을 위해 스택(stack)의 연료극(A)으로 수소를 공급받을 필요가 있고, 스택의 공기극(C)으로 공기(산소)를 공급받을 필요가 있다.

보다 구체적으로 연료전지(F, 또는 연료전지 스택)의 연료극(A)으로 공급되는 수소는 통상 메탄(CH4)과 같은 탄화수소를 개질기(reformer)에서 개질하여 얻을 수 있다. 이때 기상의 물이 필요하다. 탄화수소는 일반적으로 천연가스(NG)로부터 공급된다. 그리고 연료전지(F)의 공기극(C)으로 공급되는 공기(산소)는 대기로부터 얻을 수 있다. 이때 공기는 가열될 필요가 있다. 이를 위해 후술할 열교환부(170)가 사용될 수 있다. 열교환부(170)에서 공기를 가열하기 위해 필요한 열은 본 실시예에 따른 예혼합 연소버너(100)를 통해 확보할 수 있다.

참고로, 용융탄산염 연료전지는 작동온도가 약 650℃이고, 고체산화물 연료 전지는 작동온도가 약 800℃이다. 따라서 고온형 연료전지로부터 배기되는 배기 가스는 매우 높은 온도를 가진다. 따라서 이와 같은 배기가스를 활용하여 스택으로 공급될 공급가스를 가열할 수도 있다(도 5의 Fuel HEX 참조). 또한 연료극 (A)으로부터 배기되는 연료극 배기가스는 연료극(A)에서 반응되지 않은 채로 배기되는 연료를 부분적으로 포함하기 때문에 이를 열원으로 활용할 수 있다. 본 실시예에 따른 예혼합 연소버너(100)는 이와 같은 연료극 배기가스를 활용한다.

다음으로 도 1과 도 2를 참조하여 혼합부(110)에 대해 살펴본다. 혼합부 (110)는 연료전지(F)의 연료극(A)으로부터 배기되는 연료극 배기가스와 연료전지 (F)의 공기극(C)으로부터 배기되는 공기극 배기가스를 혼합시켜 혼합가스를 생성시킨다. 즉, 혼합부(110)는 연료극 배기가스와 공기극 배기가스가 연소부(130)로 공급되기 전에 미리 연료극 배기가스와 공기극 배기가스를 혼합시킨다. 이를 위해 혼합부(110)는 연료극 배기가스를 공급받는 도관(116)과 공기극 배기가스를 공급받는 도관(117)에 연결된다.

이와 같이 연소 전에 예혼합을 수행하면, 연소부(130)에서 화염이 안정적으로 생성되고, 연소 중에 일산화탄소(CO)나 녹스(NOx)가 적게 배출되며, 이에 따라 일산화탄소와 같은 오염물질을 해결하기 위한 부가 장비가 불필요해진다. 또한 화염의 온도가 높아 공급가스의 예열에 유리하고, 화염의 길이가 짧아 연소부(130)의 크기를 줄일 수 있다. 결국, 본 실시예에 따른 예혼합 연소버너는 연소부(130)와 별개로 예혼합을 위한 혼합부(110)를 구비하기 때문에, 연료전지(F)로 공급될 공급가스에 대한 예열에 있어 성능이나 효율을 향상시킬 수 있다.

그런데 연료극 배기가스와 공기극 배기가스간의 혼합을 유도할 때, 혼합부 (110)의 내부에서 연료극 배기가스와 공기극 배기가스는 긴 경로를 따라 흐르는 것이 바람직하다. 이를 위해 혼합부(110)는 일측 내면(118)으로부터 일측 내면(118)을 바라보는 타측 내면(119)을 향해 연장하는 제1 배플(111)을 포함할 수 있다. 이에 따라 본 실시예에서 연료극 배기가스와 공기극 배기가스는 혼합부(110)로 공급된 다음에 바로 연소부(130)로 공급되는 것이 아니라, 혼합부(110)의 내부에서 제1 배플(111)에 의해 긴 경로를 따라 흐른 다음에 연소부(130)로 공급될 수 있다. 이의 결과로 연료극 배기가스와 공기극 배기가스는 혼합부(110)에서 서로 잘 혼합될 수 있다.

이와 같은 효과를 더욱 높이기 위해 본 실시예에서 혼합부(110)는 제1 배플(111)로부터 이격된 채로 타측 내면(119)으로부터 일측 내면(118)을 향해 연장하는 제2 배플(112)을 더 구비할 수 있다. 제1 배플(111)과 제2 배플(112)은 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 복수 개가 서로 교대로 구비될 수도 있다.

다음으로 도 1 내지 4를 참조하여 연소부(130)에 대해 살펴본다. 연소부 (130)는 혼합부(110)로부터 혼합가스를 공급받아 연소시킨다. 연소부(130)는 이를 통해 화염을 발생시킬 수 있다. 이를 위해 연소부(130)는 혼합가스를 공급받아 화염을 발생시키는 버너 노즐(140)을 포함할 수 있다.

보다 구체적으로 버너 노즐(140)은 도 3과 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 몸체부(141), 점화부(143) 및 화염부(145)를 포함할 수 있다. 여기서 몸체부(141)는 혼합가스가 일측에서 타측으로 흐르기 위한 내부 통로(142)를 가진다. 여기서 내부 통로(142)의 일측은 혼합부(110)와 통하고, 내부 통로(142)의 타측은 연소부(130)의 내부 또는 후술할 열교환부(170)와 통한다. 점화부(143)는 이와 같은 내부 통로 (142)에 구비되어 내부 통로(142)의 타측에서 불꽃을 생성한다. 불꽃을 생성하기 위해 점화부(143)는 천연가스를 일부 공급받을 수도 있다. 이와 같은 불꽃을 통해 화염부(145)는 화염을 생성한다. 이를 위해 화염부(145)는 몸체부(141)의 타측에서 몸체부(141)에 수직한 방향으로 연장된다. 이때 화염부(145)는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 곡면을 형성하며 몸체부(141)로부터 외측으로 연장될 수 있다. 이에 따라 혼합가스는 내부 통로(142)의 타측에서 화염부(145)를 따라 외측으로 확산되면서 화염부(145)에 화염을 생성시킬 수 있다.

이와 같이 점화부(143)는 시동을 위한 시동용 버너(startup burner)로서 기능할 수 있고, 화염부(145)는 운전을 위한 운전용 버너(after burner)로서 기능할 수 있다. 즉, 점화부(143)가 시동을 위해 불꽃을 생성하면, 화염부(145)는 이와 같은 불꽃을 통해 화염을 생성할 수 있다. 이후 화염부(145)는 혼합부(110)로부터 혼합 가스가 공급되는 동안 화염을 계속 유지할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 예혼합 연소버너(100)는 공기극 배기가스가 혼합부(110)로 공급되기 전에 공기극 배기가스 중의 일부를 우회시켜 연소부(130)로 공급하는 우회부(150)를 더 포함할 수 있다. 연소부(130)가 안정적으로 화염을 생성하려면 소정 당량비를 일정하게 유지할 필요가 있다.

이를 위해 우회부(150)는 공기극 배기가스 중의 일부를 우회시켜 연소부 (130)로 공급한다. 보다 구체적으로 우회부(150)는 혼합부(110)로 공기극 배기가스를 공급하는 도관(117)과 연소부(130)를 연결하는 도관(151)을 통해, 공기극 배기가스 중의 일부를 연소부(130)로 공급하여 소정 당량비를 일정하게 유지한다. 이때 우회부(150)는 연소부(130)로 우회되는 공기극 배기가스의 양을 제어하기 위해 유량제어 밸브(152)를 포함할 수 있다. 여기서 유량제어 밸브(152)는 도관(151)에 마련되어 도관(151)을 따라 유동하는 공기극 배기가스의 양을 제어할 수 있다.

또한 우회부(150)는 연소부(130)에서 생성된 화염의 둘레를 따라 공기극 배기가스를 배출하는 배출 노즐(153)을 포함할 수 있다. 소정 당량비를 일정하게 유지하여 연소부(130)에서 생성된 화염을 안정적으로 유지하려면, 화염에 전체적으로 공기극 배기가스를 공급하는 것이 바람직하다. 따라서 공기극 배기가스를 공급하는 배출 노즐(153)은 화염의 둘레를 따라, 즉 버너 노즐(140)의 둘레를 따라 공기극 배기가스를 공급하는 것이 바람직하다. 이를 위해 배출 노즐(153)은 화염의 둘레를 따라 원형으로 형성될 수도 있고, 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 복수 개로 구비되어 화염의 둘레를 따라 여러 개가 배치될 수도 있다.

그런데 배출 노즐(153)에서 배출된 공기극 배기가스는 화염을 향해 연소부(130)의 중심으로 공급되는 것이 바람직하다. 이를 위해 연소부(130)는 내면으로부터 중심을 향해 연장하는 제3 배플(131)을 구비할 수 있다. 이와 같은 제3 배플(131)로 인해 배출 노즐(153)에서 배출된 공기극 배기가스는 화염을 향해 연소부(130)의 중심으로 유도될 수 있다. 이때 제3 배플(131)은 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 연소부(130)의 내면을 따라 한 바퀴 연장될 수 있다. 이와 같으면 보다 효과적으로 공기극 배기가스를 연소부(130)의 중심으로 유도할 수 있다.

한편, 용융탄산염 연료전지나 고체산화물 연료전지와 같은 고온형 연료전지는 작동온도가 높기 때문에 공기극(C)으로 공급될 공기(공급가스)도 미리 예열되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 예혼합 연소버너(100)는 이와 같은 예열을 위해 열교환부(170)를 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 본 실시예에서 예혼합 연소버너(100)는 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이, 연소부(130)에서 생성된 화염을 통해 연료전지(F)의 공기극(C)으로 공급될 공급가스를 가열하는 열교환부(170)를 더 포함할 수 있다. 이때 연소부(130)에서 생성된 화염을 통해 직접적으로 공급가스를 가열하는 것보다, 화염에서 발생된 고온가스를 통해 간접적으로 공급가스를 가열하는 것이 바람직하다. 즉, 연소부(130)의 화염에서 발생된 고온가스와 연료전지(F)의 공기극(C)으로 공급될 공급가스를 열교환 시켜 공급가스를 가열시킬 수 있다. 참고로, 열교환부(170)는 연소부(130)에 결합되는 결합형 모듈로 구성되는 것이 설치 용이성의 측면에서 바람직하다.

100: 예혼합 연소버너 110: 혼합부
111: 제1 배플 112: 제2 배플
130: 연소부 131: 제3 배플
140: 버너 노즐 141: 몸체부
142: 내부 통로 143: 점화부
145: 화염부 150: 우회부
151: 도관 152: 유량제어 밸브
153: 배출 노즐 170: 열교환부
F: 연료전지 A: 연료극
C: 공기극

Claims (11)

1. 연료전지의 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스와 상기 연료전지의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스를 미리 혼합시켜 혼합가스를 생성시키는 혼합부; 및
   상기 혼합부로부터 상기 혼합가스를 공급받아 연소시키는 연소부;
   상기 공기극 배기가스가 상기 혼합부로 공급되기 전에 상기 공기극 배기가스 중의 일부를 우회시켜 상기 연소부로 공급하는 우회부;를 포함하고.
   상기 우회부는 상기 연소부에서 생성된 화염의 둘레를 따라 상기 공기극 배기가스를 배출하는 복수개의 배출 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 는 연료전지용 예혼합 연소버너.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 혼합부는 상기 연료극 배기가스와 상기 공기극 배기가스간의 혼합을 유도하기 위해 일측 내면으로부터 상기 일측 내면을 바라보는 타측 내면을 향해 연장하는 제1 배플을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 예혼합 연소버너.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 혼합부는 상기 제1 배플로부터 이격된 채로 상기 타측 내면으로부터 상기 일측 내면을 향해 연장하는 제2 배플을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 예혼합 연소버너.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 연소부는 상기 혼합가스를 공급받아 화염을 발생시키는 버너 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 예혼합 연소버너.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 버너 노즐은, 상기 혼합가스가 일측에서 타측으로 흐르기 위한 내부 통로는 가지는 몸체부, 상기 몸체부의 상기 내부 통로에 구비되어 상기 타측에서 불꽃을 생성하는 점화부, 및 상기 몸체부의 상기 타측에서 상기 몸체부의 외측으로 연장되며 상기 불꽃에 의해 화염이 생성되는 화염부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 예혼합 연소버너.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 우회부는 상기 연소부로 우회되는 공기극 배기가스의 양을 제어하는 유량제어 밸브를 포함하는 것을 특징으로 연료전지용 예혼합 연소버너.
8. 삭제
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 연소부는 상기 배출 노즐에서 배출된 공기극 배기가스를 중심으로 유도하기 위해 내면으로부터 중심을 향해 연장하는 제3 배플을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 예혼합 연소버너.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제3 배플은 상기 연소부의 내면을 따라 한 바퀴 연장되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 예혼합 연소버너.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소부에서 생성된 화염에 의해, 상기 연료전지의 공기극으로 공급될 공급가스를 가열하는 열교환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 예혼합 연소버너.

Images