KR101778228B1

KR101778228B1 - 고온형 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR101778228B1
Application number: KR1020160037168A
Authority: KR
Inventors: 김진태; 조형목
Original assignee: 주식회사 두산
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2017-09-26

Abstract

고온형 연료전지 시스템은 연료전지 스택, 가스 열교환부, 냉매 순환부, 및 냉각수 순환부를 포함한다. 연료전지 스택은 연료가스와 공기를 제공받아 전기를 생산하며, 냉매에 의해 냉각된다. 가스 열교환부는 연료전지 스택에서 배출된 배가스와, 개질기로부터 연료전지 스택으로 공급되는 연료가스로부터 열을 회수한다. 냉매 순환부는 연료전지 스택에서 배출된 냉매로부터 열을 회수하는 냉매 열교환기와, 냉매가 이동하는 냉매 순환관을 포함한다. 냉각수 순환부는 축열조와, 축열조로부터 가스 열교환부를 거쳐 축열조로 이어지는 냉각수 주배관과, 냉각수 주배관으로부터 분기되고 냉매 열교환기를 거쳐 다시 냉각수 주배관에 합류하는 냉각수 분기배관을 포함한다.

Description

고온형 연료전지 시스템 {HIGH TEMPERATURE FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 고온형 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온의 폐열을 안정적으로 회수하기 위한 고온형 연료전지 시스템에 관한 것이다.

고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 80℃ 이하의 낮은 운전 온도를 가지므로 기동 시간이 짧은 장점이 있다. 반면, 수소이온 전도성 향상을 위해 반응물(공기와 연료가스)을 가습해야 함과 동시에 발전 부산물인 물을 제거하여 반응물 이동이 물에 의해 제한되는 것을 막아야 한다.

또한, 탄화수소 계열의 연료를 개질하여 연료가스를 생성하는 경우, 연료가스에 함유된 일산화탄소에 의한 촉매 피독을 방지하기 위하여 산화공정을 추가해야 하는 번거로움이 있다. 또한, 낮은 작동 온도로 인해 축열 온도는 대략 70℃를 넘기 어렵고, 이는 폐열을 활용하는데 상당히 제한적인 요소로 작용한다.

이러한 PEMFC의 단점을 극복하기 위하여 폴리벤즈이미다졸(PBI)막에 인산을 함침시킨 전해질막을 사용하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지(High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; HT-PEMFC)에 대한 연구가 진행되고 있다. HT-PEMFC는 대략 150℃의 온도 및 무가습 환경에서 작동하며, 물은 증기상태로 생성된다.

HT-PEMFC는 작동 온도가 높아짐에 따라 촉매의 일산화탄소 피독 성능이 향상되어 산화공정을 생략할 수 있고, 촉매의 활성도가 향상되어 귀금속 촉매의 사용량을 줄일 수 있다. 또한, 50℃의 저온수부터 100℃ 이상의 증기까지 넓은 온도 범위의 폐열수를 확보할 수 있으므로, 열 활용가치가 매우 높다.

그런데 HT-PEMFC는 작동 온도에 따라 성능 및 수명에 큰 차이를 보이므로 연료전지의 온도를 안정적으로 제어해야 한다. 또한, 최대 축열 온도를 80℃ 이상으로 유지하여 열 활용도를 높임과 동시에 열회수 계통의 내구성 저하를 막아야 하고, 증기 방출에 의한 열 손실을 줄이기 위해 냉각수 온도를 95℃ 이하로 유지해야 한다.

본 발명은 연료전지의 구동 온도를 일정하게 유지시키고, 폐열 회수에 의한 축열 온도를 80℃ 내지 95℃로 유지하여 열 활용도를 극대화시키며, 냉각수 온도를 95℃ 이하로 유지하여 열 손실을 최소화할 수 있는 고온형 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고온형 연료전지 시스템은 연료전지 스택, 가스 열교환부, 냉매 순환부, 및 냉각수 순환부를 포함한다. 연료전지 스택은 연료가스와 공기를 제공받아 전기를 생산하며, 냉매에 의해 냉각된다. 가스 열교환부는 연료전지 스택에서 배출된 배가스와, 개질기로부터 연료전지 스택으로 공급되는 연료가스로부터 열을 회수한다. 냉매 순환부는 연료전지 스택에서 배출된 냉매로부터 열을 회수하는 냉매 열교환기와, 냉매가 이동하는 냉매 순환관을 포함한다. 냉각수 순환부는 축열조와, 축열조로부터 가스 열교환부를 거쳐 축열조로 이어지는 냉각수 주배관과, 냉각수 주배관으로부터 분기되고 냉매 열교환기를 거쳐 다시 냉각수 주배관에 합류하는 냉각수 분기배관을 포함한다.

가스 열교환부는, 연료전지 스택에서 배출된 공기 배가스와 냉각수를 열교환하는 제1 열교환기와, 연료전지 스택에서 배출된 연료 배가스와 냉각수를 열교환하는 제2 열교환기와, 개질기에서 배출된 연료가스와 냉각수를 열교환하는 제3 열교환기를 포함할 수 있다.

개질기는 버너로부터 열을 제공받아 연료가스를 생성할 수 있으며, 제2 열교환기에서 배출된 연료 배가스는 버너에 보조 연료로 제공될 수 있다. 가스 열교환부는 버너에서 배출된 연소가스와 냉각수를 열교환하는 제4 열교환기를 더 포함할 수 있다. 제1 열교환기에서 배출된 공기 배가스는 버너의 연소가스와 합류하여 제4 열교환기에 공급될 수 있다.

냉각수 주배관에 냉각수 펌핑을 위한 제1 펌프가 설치될 수 있고, 축열조와 가스 열교환부 사이에 냉각수 온도를 낮추기 위한 냉각수 방열기가 설치될 수 있다. 냉각수 분기배관은 가스 열교환부를 통과한 냉각수 흐름 상의 제1 지점에서 분기될 수 있고, 냉매 열교환기를 거쳐 냉각수 주배관의 제2 지점에서 합류할 수 있다. 냉각수 흐름 방향을 기준으로 제2 지점이 제1 지점보다 앞에 위치할 수 있다.

냉각수 분기배관에 냉각수 펌핑을 위한 제2 펌프가 설치될 수 있고, 냉각수 주배관을 흐르는 냉각수의 일부는 냉각수 분기배관으로 유입되어 냉매 열교환기를 순환할 수 있다.

냉매 열교환기는 하우징과; 하우징 내부를 서로 이격된 제1 냉매 공간 및 제2 냉매 공간과, 제1 냉매 공간과 제2 냉매 공간 사이의 냉각수 공간으로 구획하며, 복수의 타공이 형성된 제1 분리판 및 제2 분리판과; 냉각수 공간에 위치하며, 양단이 제1 및 제2 분리판에 고정되고, 제1 냉매 공간과 제2 냉매 공간을 연통하는 복수의 방열관을 포함할 수 있다. 제1 분리판과 제2 분리판이 마주하는 방향을 따라 복수의 방열관 각각의 일단은 복수의 방열관 각각의 타단과 다른 위치의 타공에 연결될 수 있다.

하우징에는 제1 냉매 공간과 연통하는 냉매 입구와, 제2 냉매 공간과 연통하는 냉매 출구와, 냉각수 공간의 하측 부위와 연통하는 냉각수 입구와, 냉각수 공간의 상측 부위와 연통하는 냉각수 출구가 형성될 수 있다. 냉각수 입구와 냉각수 출구 사이에 냉각수의 흐름 방향을 결정하는 제1 배플과 제2 배플이 배치될 수 있다.

제1 배플과 제2 배플 각각은 복수의 방열관 중 하나의 방열관을 둘러싸는 복수의 제1 개구와, 복수의 방열관 중 적어도 두 개의 방열관을 함께 둘러싸는 하나의 제2 개구를 포함할 수 있다. 제1 배플의 제2 개구는 제2 배플의 제2 개구와 반대측에 위치할 수 있다.

냉매 순환부는, 냉매를 저장하며 냉매 증기 배출구와 공기 유입구가 형성된 냉매 탱크와, 냉매 탱크의 압력을 감지하는 압력 센서와, 연결관을 통해 냉매 증기 배출구와 연결되고 물이 저장되어 있는 냉매 여과기와, 냉매 탱크의 압력을 일정하게 유지하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

연결관에 제1 밸브가 설치될 수 있고, 공기 유입구는 제2 밸브에 의해 공기 유입이 조절될 수 있다. 제어부는 압력 센서가 감지한 압력이 설정값 이상일 때 제1 밸브를 개방하여 냉매 증기를 냉매 여과기로 공급할 수 있고, 압력 센서가 감지한 압력이 설정값 이하일 때 제2 밸브를 개방하여 외부 공기를 냉매 탱크로 유입할 수 있다.

냉매 순환부는, 냉매 여과기에서 걸러지지 않은 잔존 냉매를 흡착하는 냉매 여과필터를 더 포함할 수 있다.

본 실시예의 고온형 연료전지 시스템은 연료전지 스택의 구동 온도를 일정하게 유지할 수 있고, 폐열 회수에 의한 축열 온도를 80℃ 내지 95℃로 유지하여 열 활용도를 극대화할 수 있다. 또한, 냉각수 온도가 95℃를 넘지 않도록 함으로써 증기 방출에 의한 열 손실을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온형 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2a는 도 1에 도시한 고온형 연료전지 시스템 중 냉매 열교환기를 도시한 개략도이다.
도 2b는 도 1에 도시한 고온형 연료전지 시스템 중 냉매 열교환기의 내부 구성을 도시한 사시도이다.
도 2c는 도 2b에 도시한 제1 및 제2 분리판의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 고온형 연료전지 시스템 중 냉매 탱크를 도시한 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온형 연료전지 시스템의 구성도이다.

도 1을 참고하면, 본 실시예의 고온형 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(10), 개질기(20), 가스 열교환부(30), 냉매 순환부(40), 및 냉각수 순환부(50)를 포함한다.

연료전지 스택(10)은 고온형 고분자 전해질막 연료전지(HT-PEMFC)로 구성된다. 연료전지 스택(10)은 연료가스와 공기(산화가스)를 공급받아 전기를 생산하고, 미반응 연료를 포함한 연료 배가스 및 미반응 공기를 포함한 공기 배가스를 배출한다. 연료전지 스택(10)은 냉매에 의해 일정한 온도를 유지하며, 무가습 환경에서 작동한다.

개질기(20)는 액화천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG)와 같은 탄화수소계 연료와 물을 공급받으며, 버너(21)로부터 열을 공급받는다. 개질기(20)는 수증기 개질반응에 의해 탄화수소계 연료를 개질하여 수소가 풍부한 연료가스를 생성한다. 개질기(20)에서 배출되는 연료가스는 대략 100℃의 온도를 가지며, 소정의 습기를 포함한다.

연료전지 스택(10)에서 배출되는 공기 배가스 및 연료 배가스의 온도는 대략 150℃이다. 가스 열교환부(30)는 공기 배가스로부터 열을 회수하는 제1 열교환기(31), 연료 배가스로부터 열을 회수하는 제2 열교환기(32), 개질기(20)에서 배출된 연료가스로부터 열을 회수하는 제3 열교환기(33), 버너(21)에서 배출된 연소가스로부터 열을 회수하는 제4 열교환기(34)를 포함할 수 있다.

연료전지 스택(10)에서 배출된 공기 배가스는 제1 열교환기(31)를 거쳐 냉각되고, 버너(21)의 연소가스와 합류한다. 버너(21)의 연소가스는 제4 열교환기(34)를 거쳐 냉각된 후 연료전지 시스템(100) 외부로 배기된다.

연료전지 스택(10)에서 배출된 연료 배가스는 제2 열교환기(32)를 거쳐 노점 온도 45℃ 이하로 냉각되며, 버너(21)에 공급되어 버너(21)의 보조 연료로 사용된다. 개질기(20)에서 배출된 연료가스는 제3 열교환기(33)를 거쳐 노점 온도 50℃ 이하로 냉각되며, 연료전지 스택(10)으로 공급된다.

연료전지 스택(10)은 대략 150℃의 구동 온도 및 0.15A/cm² 내지 0.25A/cm²의 전류밀도 영역에서 반응을 하고, 전기 생성량 대비 0.8배 내지 1.2배의 열을 발생한다. 연료전지 스택(10)에서 발생한 열의 대략 10%는 배가스 및 발산에 의해 제거되고, 약 90%는 냉매에 의해 제거된다. 냉매는 유량 검출기(도시하지 않음)와 피드백 제어에 의해 일정한 유량으로 연료전지 스택(10)에 공급된다.

냉매 순환부(40)는 연료전지 스택(10)에서 배출된 대략 150℃의 냉매로부터 열을 회수하는 냉매 열교환기(41)와, 냉매 열교환기(41)에서 배출된 냉매를 저장하는 냉매 탱크(42)와, 연료전지 스택(10)에서 냉매 열교환기(41) 및 냉매 탱크(42)를 거쳐 다시 연료전지 스택(10)으로 이어지는 냉매 순환관(43)을 포함한다. 냉매 순환부(40)의 상세 구조에 대해서는 후술한다.

냉각수는 제1 내지 제4 열교환기(31, 32, 33, 34)를 차례로 통과하면서 배가스와 연료가스 및 연소가스로부터 열을 회수하여 가열되고, 추가로 냉매 열교환기(41)를 순환하면서 냉매로부터 열을 회수하여 가열된다.

구체적으로, 냉각수 순환부(50)는 축열조(51)와, 축열조(51)에서 가스 열교환부(30)를 거쳐 다시 축열조(51)로 이어지는 냉각수 주배관(52)과, 냉각수 주배관(52)의 제1 지점(P1)에서 분기되고 냉매 열교환기(41)를 거쳐 냉각수 주배관(52)의 제2 지점(P2)에서 합류하는 냉각수 분기배관(53)을 포함한다. 이때 냉각수 흐름 방향을 기준으로 제2 지점(P2)이 제1 지점(P1)보다 앞에 위치한다.

냉각수 주배관(52)에는 제1 펌프(61)가 설치된다. 축열조(51)에 저장된 냉각수는 제1 펌프(61)의 펌핑압에 의해 제1 내지 제4 열교환기(31, 32, 33, 34)를 차례로 통과하며, 배가스 및 연료가스로부터 열을 회수하여 대략 35℃ 내지 55℃의 온도로 승온된다. 가스 열교환부(30)에 의한 냉각수의 승온 온도는 계절 및 축열조(51)에 저장된 냉각수 온도에 따라 차이가 날 수 있다.

축열조(51)의 냉각수 출구에는 온도 센서(도시하지 않음)가 설치될 수 있고, 축열조(51)와 제1 펌프(61) 사이에 냉각수 방열기(54)가 설치될 수 있다. 냉각수 방열기(54)는 온도 센서에서 감지한 냉각수 온도가 설정값 이상일 때 작동하여 냉각수 온도를 낮추는 기능을 한다. 따라서 일정 온도 이하의 냉각수가 제1 열교환기(31)로 투입될 수 있다.

냉각수 분기배관(53)에는 제2 펌프(62)가 설치된다. 제2 펌프(62)의 펌핑압에 의해 냉각수 주배관(52)을 흐르는 냉각수의 일부는 냉각수 분기배관(53)으로 유입되고, 유입된 냉각수는 냉매 열교환기(41)로 투입되어 냉매가 가진 열량의 대략 90%를 회수한다. 냉매 열교환기(41)에서 배출되는 냉각수는 대략 75℃ 이상의 온도를 가지며, 제2 지점(P2)에서 냉각수 주배관(52)의 냉각수와 합류한다.

가스 열교환부(30)를 거쳐 대략 35℃ 내지 55℃ 가열된 냉각수는 냉매 열교환기(41)에서 배출된 대략 75℃ 이상의 냉각수와 합류하여 대략 50℃ 내지 70℃의 온도를 가지게 된다. 제2 지점(P2)에서 합류한 냉각수의 일부는 다시 제1 지점(P1)에서 냉각수 분기배관(53)으로 투입되고, 냉매 열교환기(41)에 재공급되어 재가열된다.

냉매 열교환기(41)에서 냉각수가 회수하는 열량은 연료전지 스택(10)의 발전량에 따라 일정하다. 냉각수 분기배관(53)을 통해 냉매 열교환기(41)로 공급되는 냉각수 유량을 조절하면 축열조(51)로 회수되는 냉각수 온도를 80℃ 내지 95℃ 범위로 일정하게 유지할 수 있다.

가스 열교환부(30) 및 냉매 열교환기(41)로부터 열을 회수하여 80℃ 내지 95℃로 가열된 냉각수는 축열조(51)로 이송되어 저장된다. 축열조(51)에는 축열조(51) 내부의 냉각수와 열교환을 하여 외부 설비로 급탕을 공급하는 급탕 배관(71)과, 외부 설비로 난방수를 공급하는 난방수 배관(72) 등이 설치될 수 있다.

이와 같이 연료전지 시스템(100)은 전술한 냉각수 순환부(50) 구성에 의해 폐열 회수에 의한 축열 온도를 80℃ 내지 95℃로 일정하게 유지할 수 있다. 그 결과, 급탕 또는 난방수 공급 등의 열 활용도를 극대화할 수 있고, 냉각수 증발에 따른 열 손실을 방지할 수 있다.

한편, 냉매 열교환기(41)에서 배출되는 냉매는 대략 ±2.5℃의 온도 편차를 가지며 냉매 탱크(42)로 회수된다. 냉매 탱크(42)의 냉매 수용량은 연료전지 스택(10)의 작동 온도를 기준으로 분당 냉매 순환량의 2배수로 설계되어 냉매 탱크(42) 내에서 냉매가 혼합되도록 할 수 있다. 이 경우 냉매 탱크(42)에서 연료전지 스택(10)으로 공급되는 냉매의 온도 편차를 대략 ±0.5℃ 이내로 유지할 수 있다.

냉매는 글리콜 계열의 유체로서, 예를 들어 트리에틸렌 글리콜일 수 있다. 냉매의 비열은 냉각수 비열의 대략 0.7배이고, 냉매와 냉각수 사이의 대수 평균 온도차는 대략 80℃로 매우 크다. 냉매 열교환기(41)의 열교환 용량이 부족하면, 냉매를 냉각시키기 위해 과량의 냉각수를 지속적으로 공급해야 하며, 이 경우 축열조(51)의 축열 온도는 70℃ 이하가 되어 열 이용가치가 저하된다.

반대로 냉매 열교환기(41)의 열교환 용량이 과도하면, 소량의 냉각수 변화에 따라 냉매는 급냉과 급가열을 반복하게 된다. 그리고 냉매 열교환기(41) 내부에서 냉각수가 기화되어 냉각수 유동이 크게 흔들릴 수 있고, 제2 펌프(62)와 냉매 열교환기(41)에 충격이 가해져 내구성이 크게 저하될 수 있다.

따라서 냉매 열교환기(41)는 열교환 용량이 과도하지 않으면서 냉매와 냉각수의 유량 변화에 덜 민감한 구조로 이루어져야 한다. 도 2a와 도 2b는 각각 도 1에 도시한 고온형 연료전지 시스템 중 냉매 열교환기의 외형과 내부 구성을 도시한 개략도이고, 도 2c는 도 2b에 도시한 제1 및 제2 분리판의 평면도이다.

도 2a 내지 도 2c를 참고하면, 냉매 열교환기(41)는 하우징(80)과, 하우징(80) 내부를 두 개의 냉매 공간(S11, S12)과 하나의 냉각수 공간(S20)으로 구획하는 제1 및 제2 분리판(81, 82)과, 양단이 제1 및 제2 분리판(81, 82)에 고정되며 냉각수 공간(S20)에 설치되는 복수의 방열관(83)을 포함한다.

하우징(80)에는 냉매 입구(IN1), 냉매 출구(OUT1), 냉각수 입구(IN2), 및 냉각수 출구(OUT2)가 형성된다. 냉매 입구(IN1)는 하우징(80)의 상단에 형성될 수 있고, 냉매 출구(OUT1)는 하우징(80)의 하단에 형성될 수 있다. 냉각수 입구(IN2)와 냉각수 출구(OUT2)는 하우징(80)의 측면에 형성될 수 있으며, 냉각수 출구(OUT2)가 냉각수 입구(IN2)보다 상측에 형성될 수 있다.

제1 분리판(81)은 냉매 입구(IN1)와 소정의 거리를 두고 하우징(80) 내부에 고정되고, 제2 분리판(82)은 냉매 출구(OUT1)와 소정의 거리를 두고 하우징(80) 내부에 고정된다. 냉매 입구(IN1)와 제1 분리판(81) 사이에 제1 냉매 공간(S11)이 형성되고, 냉매 출구(OUT1)와 제2 분리판(82) 사이에 제2 냉매 공간(S12)이 형성된다.

두 개의 냉매 공간(S11, S12) 사이는 냉각수 공간(S20)이다. 냉각수 입구(IN2)는 냉각수 공간(S20)에 대응하는 하우징(80)의 측면 하측에 형성될 수 있고, 냉각수 출구(OUT2)는 냉각수 공간(S20)에 대응하는 하우징(80)의 측면 상측에 형성될 수 있다.

제1 및 제2 분리판(81, 82)에는 개수가 동일한 복수의 타공(811~816, 821~826)이 형성된다. 복수의 타공(811~816, 821~826)은 제1 및 제2 분리판(81, 82)의 중심으로부터 일정 거리 이격되며, 제1 및 제2 분리판(81, 82)의 원주 방향을 따라 등간격으로 배치된다.

도 2c에서는 제1 및 제2 분리판(81, 82) 각각에 6개의 타공(811~816, 821~826)이 형성된 경우를 예로 들어 도시하였으나, 타공(811~816, 821~826)의 개수는 도시한 예로 한정되지 않는다.

복수의 방열관(83)은 제1 분리판(81)의 타공(811~816)과 같은 개수로 구비된다. 복수의 방열관(83)은 냉각수 공간(S20)에 위치하며, 양단이 제1 분리판(81)과 제2 분리판(82)에 고정된다. 각 방열관(83)의 상단은 제1 분리판(81)의 어느 한 타공을 둘러싸도록 제1 분리판(81)의 하면에 고정되고, 각 방열관(83)의 하단은 제2 분리판(82)의 어느 한 타공을 둘러싸도록 제2 분리판(82)의 상면에 고정된다.

냉매 입구(IN1)를 통해 제1 냉매 공간(S11)에 유입된 냉매는 제1 분리판(81)에 의해 복수의 방열관(83)으로 분배되고, 복수의 방열관(83)을 거친 후 제2 냉매 공간(S12)으로 합류하며, 냉매 출구(OUT1)를 통해 배출된다. 그리고 냉각수는 냉각수 입구(IN2)를 통해 냉각수 공간(S20)으로 유입되고, 복수의 방열관(83) 사이를 흐른 후 냉각수 출구(OUT2)를 통해 배출된다.

냉매는 복수의 방열관(83)을 통과하면서 냉각수로 열을 전달하여 냉각되고, 냉각수는 방열관(83)으로부터 냉매의 열을 회수하여 가열된다. 이때 각 방열관(83)은 스테인리스 스틸과 같은 열전도가 우수한 금속관으로 형성되며, 주름관으로 구성되어 냉매와 냉각수 양쪽으로 난류가 형성되도록 한다.

또한, 복수의 방열관(83)은 일자로 형성되지 않고 두 개의 변곡점을 갖는 휘어진 형상으로 이루어진다. 이를 위해 각 방열관(83)의 하단은 각 방열관(83)의 상단과 수직 방향으로 같은 위치의 타공에 연결되지 않고 다른 위치의 타공에 연결된다.

이 경우 각 방열관(83)은 제1 분리판(81)에 수직으로 결합되는 부분과, 휘어진 두 개의 부분과, 제2 분리판(82)에 수직으로 결합되는 부분을 포함한다. 이와 같이 휘어진 방열관(83)은 냉매와 냉각수의 열교환 면적을 확대시키고, 냉각수 공간(S20)으로 유입되는 냉각수 흐름을 분산시켜 열교환 효율을 높이는 기능을 한다.

예를 들어, 제1 분리판(81)에서 복수의 타공(811~816)은 시계 방향을 따라 811, 812, 813, 814, 815, 816의 순서로 배열되고, 제2 분리판(82)에서 복수의 타공은 시계 방향을 따라 821, 822, 823, 824, 825, 826의 순서로 배열된다. 제1 분리판(81)의 n번째 타공과 제2 분리판(82)의 n번째 타공은 수직 방향으로 마주한다.

그 상단이 제1 분리판(81)의 첫 번째 타공(811)에 연결된 방열관(83)의 경우, 그 하단은 제2 분리판(82)의 첫 번째 타공(821)에서 두 개 멀리 있는 세 번째 타공(823) 또는 다섯 번째 타공(825)에 연결될 수 있다. 나머지 방열관(83)의 경우도 동일한 방식으로 위치할 수 있다.

제1 분리판(81)과 제2 분리판(82) 사이에는 냉각수 흐름 방향을 결정하는 두 개의 배플(84, 85)이 설치될 수 있다. 제1 배플(84)은 제1 분리판(81)과 거리를 두고 냉각수 출구(OUT2) 아래에 위치할 수 있고, 제2 배플(85)은 제2 분리판(82)과 거리를 두고 냉각수 입구(IN2) 위에 위치할 수 있다. 복수의 방열관(83)은 제1 배플(84)과 제2 배플(85)을 관통한다.

제1 배플(84)에는 하나의 방열관(83)을 둘러싸는 복수의 제1 개구(841)와, 적어도 두 개의 방열관(83)을 함께 둘러싸는 하나의 제2 개구(842)가 형성된다. 제2 배플(85)에도 하나의 방열관(83)을 둘러싸는 복수의 제1 개구(851)와, 적어도 두 개의 방열관(83)을 함께 둘러싸는 하나의 제2 개구(852)가 형성된다.

이 경우 냉각수의 대부분은 제2 배플(85)의 제2 개구(852), 제2 배플(85)의 상측 공간, 제1 배플(84)의 제2 개구(842), 및 제1 배플(84)의 상측 공간으로 이어지는 흐름 방향을 가지게 된다. 이때 제1 배플(84)의 제2 개구(842)와 제2 배플(85)의 제2 개구(852)는 수직 방향으로 마주하지 않는다.

즉, 제1 배플(84)의 제2 개구(842)는 제2 배플(85)의 제2 개구(852)와 반대측에 위치한다. 예를 들어, 제2 배플(85)은 제1 배플(84)에 대해 시계 또는 반시계 방향으로 180도 회전된 위치에 놓일 수 있다. 그러면 냉각수의 흐름 방향은 제1 배플(84)과 제2 배플(85) 사이에서 대각 방향이 되며, 냉각수 유로가 길어지는 효과를 얻을 수 있다.

전술한 냉매 열교환기(41)는 냉각수 유량 변동 시 방열관(83)의 하단 위치를 조정하여 냉매와 냉각수의 열교환 용량을 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 휘어진 방열관(83)이 냉각수 흐름을 분산시켜 열교환 효율을 높이며, 냉각수 유량 변화 시 와류를 발생시켜 난류 영역을 유지하는데 적합하다.

한편, 도 1의 냉매 열교환기(41)는 도 2a의 냉매 열교환기(41)와 비교할 때 냉매와 냉각수의 유입/배출 방향이 상이하나, 도 1의 냉매 열교환기(41)는 고온형 연료전지 시스템(100)의 전체 구성을 설명하기 위한 개략도로서, 실제 냉매 열교환기(41)의 구성은 도 2a 내지 도 2c에 도시한 것과 동일하다.

다시 도 1을 참고하면, 냉매는 상온에서부터 연료전지 스택(10)의 작동 온도인 대략 150℃까지 상승하면서 대략 120% 내지 125%의 부피 팽창을 하고, 6mmHg 내지 8mmHg 범위로 증기압이 상승하여 냉매 순환관(43)의 압력을 증가시킨다. 냉매 순환관(43)의 내압이 상승하면 파손의 위험이 커진다.

압력 해소를 위한 방안으로 밀폐형 팽창 탱크와 개방형 팽창 탱크의 사용이 고려될 수 있다. 그러나 밀폐형 팽창 탱크는 설치 면적이 과도하고, 압력 상승을 완전히 제거할 수 없다. 그리고 개방형 팽창 탱크는 배관의 최상부에 위치해야 하며, 냉매가 증발되어 대기 중으로 손실될 수 있다.

도 3은 도 1에 도시한 고온형 연료전지 시스템 중 냉매 탱크를 도시한 구성도이다.

도 1과 도 3을 참고하면, 냉매 탱크(42)는 온도 상승에 의해 냉매가 최대로 팽창한 상태에서 냉매 순환부(40)에 존재하는 모든 냉매를 수용할 수 있는 용적으로 제작된다. 예를 들어, 냉매 탱크(42)의 용적은 2분간 냉매가 흐르는 최대 유량에서 냉매의 체적 증가율(i=1.25)과 냉매 회수율(r=1.1)의 곱으로 설정될 수 있다.

냉매 탱크(42)에는 압력 센서(44)가 설치되어 냉매 탱크(42)의 압력을 감지한다. 냉매 순환부(40)는 냉매 탱크(42)와 연결된 냉매 여과기(45)와, 냉매 여과기(45)와 연결된 냉매 여과필터(46)와, 냉매 탱크(42)를 일정 압력으로 유지하는 제어부(47)를 포함한다. 냉매 여과기(45)는 물을 저장하는 챔버로 구성될 수 있고, 냉매 여과필터(46)는 흡착식 필터로 이루어질 수 있다.

냉매 탱크(42)의 상부에는 냉매 증기 배출구(421)가 형성되고, 연결관(48)이 냉매 증기 배출구(421)와 냉매 여과기(45)를 연결한다. 연결관(48)에는 냉매 증기의 배출을 제어하는 제1 밸브(91)가 설치되며, 연결관(48)은 냉매 여과기(45)의 물 속으로 냉매 증기를 배출하도록 구성된다. 예를 들어, 연결관(48)의 일부는 냉매 여과기(45)의 상측에서 냉매 여과기(45) 내부로 진입하고, 냉매 여과기(45)의 바닥과 가깝도록 아래로 확장될 수 있다.

압력 센서(44)가 감지한 냉매 탱크(42)의 압력이 설정값 이상이면, 제어부(47)는 제1 밸브(91)를 개방하여 냉매 증기를 냉매 여과기(45)로 배출한다. 그러면 냉매 증기는 냉매 여과기(45)의 물을 통과하면서 냉각 및 용해된다. 즉, 냉매 여과기(45)는 냉매 증기를 물에 용해시키는 방식으로 냉매를 여과한다. 냉매 여과기(45)에서 걸러지지 않은 잔존 냉매는 냉매 여과필터(46)로 유입되며, 냉매 여과필터(46)에 흡착된다.

냉매 탱크(42)의 상부에는 공기 유입구(422)가 형성되며, 공기 유입구(422)는 제2 밸브(92)에 의해 개방이 제어된다. 압력 센서(44)가 감지한 냉매 탱크(42)의 압력이 설정값 이하이면, 제어부(47)는 제2 밸브(92)를 개방하여 외부 공기를 냉매 탱크(42) 내부로 유입시킴으로써 냉매 순환관(43)의 압력을 일정 범위로 유지할 수 있다.

이와 같이 본 실시예의 고온형 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(10)의 구동 온도를 일정하게 유지할 수 있고, 폐열 회수에 의한 축열 온도를 80℃ 내지 95℃로 유지하여 열 활용도를 극대화할 수 있다. 또한, 냉각수 온도가 95℃를 넘지 않도록 함으로써 증기 방출에 의한 열 손실을 최소화할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 고온형 연료전지 시스템 10: 연료전지 스택
20: 개질기 21: 버너
30: 가스 열교환부 40: 냉매 순환부
41: 냉매 열교환기 42: 냉매 탱크
43: 냉매 순환관 50: 냉각수 순환부
51: 축열조 52: 냉각수 주배관
53: 냉각수 분기배관 54: 냉각수 방열기

Claims

연료가스와 공기를 제공받아 전기를 생산하며, 냉매에 의해 냉각되는 연료전지 스택;
상기 연료전지 스택에서 배출된 배가스와, 개질기로부터 상기 연료전지 스택으로 공급되는 연료가스로부터 열을 회수하는 가스 열교환부;
상기 연료전지 스택에서 배출된 냉매로부터 열을 회수하는 냉매 열교환기와, 냉매가 이동하는 냉매 순환관을 포함하는 냉매 순환부; 및
축열조와, 축열조로부터 상기 가스 열교환부를 거쳐 다시 축열조로 이어지는 냉각수 주배관과, 제1 지점에서 냉각수 주배관으로부터 분기되고 상기 냉매 열교환기를 거쳐 제2 지점에서 다시 냉각수 주배관에 합류하는 냉각수 분기배관을 포함하는 냉각수 순환부
를 포함하며,
상기 냉각수 주배관의 냉각수 흐름 방향을 기준으로 상기 제1 지점은 상기 가스 열교환부의 후단에 위치하여 상기 가스 열교환부를 통과한 냉각수의 일부가 상기 제1 지점에서 분기되어 상기 냉매 열교환기를 통과하고, 상기 제2 지점은 상기 가스 열교환부의 후단에서 상기 제1 지점보다 앞쪽에 위치하여 상기 제2 지점과 상기 제1 지점 사이에서 상기 가스 열교환부를 1회 통과한 냉각수와 상기 가스 열교환부와 상기 냉매 열교환기를 차례로 통과한 냉각수가 합류되어 흐르는 고온형 연료전지 시스템.
연료가스와 공기를 제공받아 전기를 생산하며, 냉매에 의해 냉각되는 연료전지 스택;
상기 연료전지 스택에서 배출된 배가스와, 개질기로부터 상기 연료전지 스택으로 공급되는 연료가스로부터 열을 회수하는 가스 열교환부;
상기 연료전지 스택에서 배출된 냉매로부터 열을 회수하는 냉매 열교환기와, 냉매가 이동하는 냉매 순환관을 포함하는 냉매 순환부; 및
축열조와, 축열조로부터 상기 가스 열교환부를 거쳐 상기 축열조로 이어지는 냉각수 주배관과, 냉각수 주배관으로부터 분기되어 상기 냉매 열교환기를 거쳐 다시 냉각수 주배관에 합류하는 냉각수 분기배관을 포함하는 냉각수 순환부를 포함하며,
상기 냉매 열교환기는,
하우징;
상기 하우징 내부를 냉각수 공간과, 냉각수 공간의 양측에 위치하는 제1 냉매 공간 및 제2 냉매 공간으로 구획하며, 복수의 타공이 형성된 제1 분리판 및 제2 분리판;
상기 냉각수 공간에 위치하며, 양단이 상기 제1 분리판 및 상기 제2 분리판에 고정되고, 상기 제1 냉매 공간과 상기 제2 냉매 공간을 연통하는 복수의 방열관을 포함하며,
상기 제1 분리판과 상기 제2 분리판이 마주하는 방향을 따라 상기 복수의 방열관 각각의 일단은 상기 복수의 방열관 각각의 타단과 다른 위치의 타공에 연결되는 고온형 연료전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가스 열교환부는,
상기 연료전지 스택에서 배출된 공기 배가스와 냉각수를 열교환하는 제1 열교환기;
상기 연료전지 스택에서 배출된 연료 배가스와 냉각수를 열교환하는 제2 열교환기; 및
상기 개질기에서 배출된 연료가스와 냉각수를 열교환하는 제3 열교환기
를 포함하는 고온형 연료전지 시스템.
제3항에 있어서,
상기 개질기는 버너로부터 열을 제공받아 연료가스를 생성하며,
상기 제2 열교환기에서 배출된 연료 배가스는 상기 버너에 보조 연료로 제공되는 고온형 연료전지 시스템.
제4항에 있어서,
상기 가스 열교환부는 상기 버너에서 배출된 연소가스와 냉각수를 열교환하는 제4 열교환기를 더 포함하며,
상기 제1 열교환기에서 배출된 공기 배가스는 상기 버너의 연소가스와 합류하여 상기 제4 열교환기에 공급되는 고온형 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 냉각수 분기배관은 상기 가스 열교환부를 통과한 냉각수 흐름 상의 제1 지점에서 분기되고, 상기 냉매 열교환기를 거쳐 상기 냉각수 주배관의 제2 지점에서 합류하며,
냉각수 흐름 방향을 기준으로 상기 제2 지점이 상기 제1 지점보다 앞에 위치하는 고온형 연료전지 시스템.
제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 축열조와 상기 가스 열교환부 사이의 상기 냉각수 주배관에 제1 펌프가 설치되고,
상기 냉각수 분기배관에 제2 펌프가 설치되어 상기 냉각수 주배관을 흐르는 냉각수의 일부를 상기 제1 지점에서 상기 냉각수 분기배관으로 유입시켜 상기 냉매 열교환기를 순환하도록 하는 고온형 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 냉매 열교환기는,
하우징;
상기 하우징 내부를 서로 이격된 제1 냉매 공간 및 제2 냉매 공간과, 제1 냉매 공간과 제2 냉매 공간 사이의 냉각수 공간으로 구획하며, 복수의 타공이 형성된 제1 분리판 및 제2 분리판;
상기 냉각수 공간에 위치하며, 양단이 상기 제1 및 제2 분리판에 고정되고, 상기 제1 냉매 공간과 상기 제2 냉매 공간을 연통하는 복수의 방열관
을 포함하며,
상기 제1 분리판과 상기 제2 분리판이 마주하는 방향을 따라 상기 복수의 방열관 각각의 일단은 상기 복수의 방열관 각각의 타단과 다른 위치의 타공에 연결되는 고온형 연료전지 시스템.
제2항 또는 제8항에 있어서,
상기 하우징에는 상기 제1 냉매 공간과 연통하는 냉매 입구와, 상기 제2 냉매 공간과 연통하는 냉매 출구와, 상기 냉각수 공간의 하측 부위와 연통하는 냉각수 입구와, 상기 냉각수 공간의 상측 부위와 연통하는 냉각수 출구가 형성되며,
상기 냉각수 입구와 상기 냉각수 출구 사이에 냉각수의 흐름 방향을 결정하는 제1 배플과 제2 배플이 배치되는 고온형 연료전지 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제1 배플과 상기 제2 배플 각각은 상기 복수의 방열관 중 하나의 방열관을 둘러싸는 복수의 제1 개구와, 상기 복수의 방열관 중 적어도 두 개의 방열관을 함께 둘러싸는 하나의 제2 개구를 포함하며,
상기 제1 배플의 제2 개구는 상기 제2 배플의 제2 개구와 반대측에 위치하는 고온형 연료전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 냉매 순환부는,
냉매를 저장하며, 냉매 증기 배출구와 공기 유입구가 형성된 냉매 탱크;
상기 냉매 탱크의 압력을 감지하는 압력 센서;
연결관을 통해 상기 냉매 증기 배출구와 연결되고, 물이 저장되어 있는 냉매 여과기; 및
상기 냉매 탱크의 압력을 일정하게 유지하는 제어부
를 더 포함하는 고온형 연료전지 시스템.
제11항에 있어서,
상기 연결관에 제1 밸브가 설치되고,
상기 공기 유입구는 제2 밸브에 의해 공기 유입이 조절되며,
상기 제어부는 상기 압력 센서가 감지한 압력이 설정값 이상일 때 상기 제1 밸브를 개방하여 냉매 증기를 상기 냉매 여과기로 공급하고, 상기 압력 센서가 감지한 압력이 설정값 이하일 때 상기 제2 밸브를 개방하여 외부 공기를 상기 냉매 탱크로 유입하는 고온형 연료전지 시스템.
제11항에 있어서,
상기 냉매 순환부는 상기 냉매 여과기에서 걸러지지 않은 잔존 냉매를 흡착하는 냉매 여과필터를 더 포함하는 고온형 연료전지 시스템.