KR102262236B1 - 인산형 연료전지(pafc)용 백연 방지장치 - Google Patents

Abstract

공간 효율적이면서도, 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell,"PAFC)로부터 백연이 발생되는 것을 효율적으로 방지할 수 있는 인산형 연료전지용 백연 방지장치를 개시한다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell,"PAFC")로부터 발생된 배기가스로부터 백연(white plume)이 발생되는 것을 방지하기 위한 인산형 연료전지용 백연 방지장치에 있어서, 하나 이상의 배기가스 유입구를 통해 배기가스가 유입되도록 구성된 배기가스 유입로(exhaust gas inflow path); 배기가스 유입로의 하부에 배치되어, 배기가스가 내부로 유입되도록 배기가스 유입로에 유체 연통(fluid communication)되는 복수의 열교환관(heat exchange tube); 복수의 열교환관의 하부에 배치되어, 복수의 열교환관을 통과한 배기가스가 배출되도록 복수의 열교환관에 유체 연통되는 배기가스 배출로(exhaust gas outflow path); 외기 유입구를 통해 외기가 유입되도록 구성되고, 적어도 일부가 배기가스 배출로의 하부에서 배기가스 배출로와 인접하도록 배치되며, 외기 및 배기가스 배출로의 배기가스가 열교환격벽(heat exchange wall)을 이용하여 열교환할 수 있도록 구성된 외기 유입로(ambient air inflow path); 외기 유입로에 외기를 주입하도록 구성된 송풍기(air blower); 외기 유입로와 유체 연통하며, 외기를 분배하여 복수의 열교환관 일측으로 공급하도록 구성된 외기 분배부(ambient air distribution unit); 복수의 열교환관 타측에 배치되어, 복수의 열교환관과 열교환이 이루어진 외기가 배출되도록 구성된 외기 배출로(ambient air outflow path); 및 배기가스 배출로 및 외기 배출로의 상부에 배치되고, 외기 배출로로부터 배출된 외기 및 배기가스 배출로로부터 배출된 배기가스가 원활히 혼합되도록 구성된 혼합촉진부(mixing promotion unit)를 구비한 혼합챔버(mixing chamber)를 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치를 제공한다.

Description

인산형 연료전지(PAFC)용 백연 방지장치{White Plume Eliminating Device for Phosphoric Acid Fuel Cell}

본 개시는 인산형 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell)용 백연 방지장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 공냉식을 이용한 인산형 연료전지용 백연 방지장치에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

연료전지 발전소는 산소와 수소가 전기화학 반응을 일으킴으로써, 열과 전기를 생산해내는 발전소이다. 특히, 인산형 연료전지를 이용하는 발전소는 소음이 작고 친환경적으로 에너지를 생산하기 때문에, 인산형 연료전지를 이용한 발전소가 계속해서 늘어나고 있는 추세이다. 다만, 인산형 연료전지로부터 발생되는 배기가스가 연통을 통과하여 외부로 배출될 시 백연을 형성하는 문제가 있다.

백연이란 고온의 습공기가 저온의 외기와 만날 때, 습공기 내 수분이 응축되어 구름처럼 보이는 것을 말한다. 백연은 연통에서 배출된 습공기가 외기와 혼합되어 습공기에 포함된 수증기가 응결됨으로써 발생한다. 한편, 백연은 수증기가 응결된 것으로서 실제로는 인체에 유해하지 않으나, 일반인들이 이를 대기 오염물질로 오인함으로써 시각적 혐오감을 유발한다. 또한, 백연은 주로 날씨가 흐리고 습도가 높은 날에 백연을 배출하는 공장 인근 지역에서 장시간 사라지지 않고 지표에 인접한 곳에 잔존되어, 사람들의 시야가 방해되는 상황을 유발한다. 이외에도, 특히 기온이 낮은 겨울에 백연이 도로 상의 노면에 결빙을 형성함으로써 각종 안전사고 및 교통사고를 유발하기도 한다.

이와 같이 각종 문제를 유발하는 백연의 발생 및 배출을 방지하기 위하여 배출가스를 재가열하거나, 배출가스를 수냉법 또는 공냉법으로 냉각하는 형태의 선행기술들이 이미 존재한다. 재가열법은 연료비 사용이 높고, 수냉법은 냉각수의 재냉각 비용이 높으며, 양 방법 모두 백연제거 효과가 우수하지 못하여 최근에는 공냉법이 많이 사용되고 있다. 그러나, 공냉식 백연 방지장치도 배기가스 배출로 및 외기 유입로를 위한 설치 공간을 필요로 하는 바, 이를 설치함에 있어서 공간적인 제약이 따른다는 문제가 있다.

이에, 본 개시는 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 공간 효율적이면서도, 연료전지로부터 발생되는 백연이 발생하는 것을 효율적으로 방지시킬 수 있는 인산형 연료전지용 백연 방지장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시예에 의하면, 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell,"PAFC")로부터 발생된 배기가스로부터 백연(white plume)이 발생되는 것을 방지하기 위한 인산형 연료전지용 백연 방지장치에 있어서, 하나 이상의 배기가스 유입구를 통해 상기 배기가스가 유입되도록 구성된 배기가스 유입로(exhaust gas inflow path); 상기 배기가스 유입로의 하부에 배치되어, 상기 배기가스가 내부로 유입되도록 상기 배기가스 유입로에 유체 연통(fluid communication)되는 복수의 열교환관(heat exchange tube); 상기 복수의 열교환관의 하부에 배치되어, 상기 복수의 열교환관을 통과한 배기가스가 배출되도록 상기 복수의 열교환관에 유체 연통되는 배기가스 배출로(exhaust gas outflow path); 외기 유입구를 통해 외기가 유입되도록 구성되고, 적어도 일부가 상기 배기가스 배출로의 하부에서 상기 배기가스 배출로와 인접하도록 배치되며, 상기 외기 및 상기 배기가스 배출로의 배기가스가 열교환격벽(heat exchange wall)을 이용하여 열교환할 수 있도록 구성된 외기 유입로(ambient air inflow path); 상기 외기 유입로에 외기를 주입하도록 구성된 송풍기(air blower); 상기 외기 유입로와 유체 연통하며, 상기 외기를 분배하여 상기 복수의 열교환관 일측으로 공급하도록 구성된 외기 분배부(ambient air distribution unit); 상기 복수의 열교환관 타측에 배치되어, 상기 복수의 열교환관과 열교환이 이루어진 외기가 배출되도록 구성된 외기 배출로(ambient air outflow path); 및 상기 배기가스 배출로 및 상기 외기 배출로의 상부에 배치되고, 상기 외기 배출로로부터 배출된 외기 및 상기 배기가스 배출로로부터 배출된 배기가스가 원활히 혼합되도록 구성된 혼합촉진부(mixing promotion unit)를 구비한 혼합챔버(mixing chamber)를 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 공간 효율적이면서도, 연료전지로부터 발생되는 백연이 발생하는 것을 효율적으로 방지시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 습공기선도 및 습공기선도 상에서 기체 상태에 따라 백연이 발생하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치가 백연을 저감하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 개시의 제1 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 복수의 열교환관의 내부로 배기가스가 유입되는 과정 및 복수의 열교환관의 외부로 배기가스가 배출되는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 5는 외기분배부의 구조를 확대한 도면이다.
도 6은 본 개시의 제2 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 개시의 제3 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치를 나타내는 도면이다.
도 8은 열교환격벽의 표면구조를 나타내는 분해 사시도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 백연 방지장치의 고장 여부를 판단하는 과정을 나타낸 도면이다.

이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 이용해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 개시에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 습공기선도 및 습공기선도 상에서 기체 상태에 따라 백연이 발생하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하여, 상태가 다른 두 기체가 만났을 때 습공기선도 상에서의 상태 변화에 대해 먼저 간략히 설명한다.

도 1의 (a)에 개략적으로 도시된 습공기선도를 참조하면, 예시적으로 A점에서 기체의 온도는 21 ℃ 이며, 기체가 가진 절대 수증기량에 대한 지표인 절대 습도(Absolute Humidity; A.H.)가 0.05 kg/kg DA(Dry Air)라고 가정할 수 있다. 이때 같은 온도에서 포화수증기 곡선 상의 점에 해당하는 절대 습도가 만약 0.1 kg/kg DA라면, A 지점에서 상대습도(relative humidity; R.H.)는 50 % 가 된다.

한편, A 지점의 기체를 가열하는 경우 해당 기체의 상태는 A' 를 거쳐 A" 지점으로 이동한다. 이때 기체의 가열 정도에 따라 절대 습도는 큰 변동이 없지만, 포화 수증기 곡선과의 간격이 점점 더 벌어지므로 기체가 포함할 수 있는 수증기의 양은 점점 더 증가함을 알 수 있다. 즉, 기체가 가열됨에 따라 기체의 상대습도는 작아지게 된다.

또한, 도 1의 (a)를 참조하여 상태가 다른 두 기체가 혼합되었을 때 수증기 포화 선도 상에서의 혼합 기체의 상태를 설명할 수 있다.

즉, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 서로 다른 상태의 두 기체 A 및 B가 서로 혼합되는 경우, 두 기체의 수증기 포화 선도 상에서의 상태는 선분 AB 상의 어느 한 지점에서 결정된다.

이때, 기체 A와 기체 B가 혼합되어 상태가 결정되는 선분 상의 어느 한 지점은 기체 A의 양과 기체 B의 양의 상대적인 비율에 따라 결정될 수 있다. 만약 기체 A와 기체 B가 혼합됨에 있어 기체 A가 기체 B보다 더 양이 많은 경우, 선분 AB 사이에서 혼합 기체의 상태는 A 점에 더 치우치도록 결정된다. 한편 기체 B가 기체 A보다 더 많은 양을 가지고 혼합되는 경우, 혼합 기체의 상태는 선분 AB 상에서 B 점에 치우친 상태로 결정된다.

한편 도 1의 (c)에는 배출되는 배기가스의 습공기선도 상에서의 상태(D) 및 이때 외기의 상태(E)가 도시되어 있다.

여기서, 인산형 연료전지로부터 발생되는 배기가스는 약 40 ℃ 내지 50 ℃의 온도로, 다량의 수증기를 함유하고 있는 상태이고, 외기는 대략 영하 15 ℃ 내지 영상 35 ℃이다. 배기가스가 외부로 방출되는 경우, 방출되는 과정에서 외기와 혼합되어 급격한 온도 하강을 겪게 된다.

이때 배기가스와 외기가 혼합되어 형성되는 기체의 상태는 선분 DE 상의 어느 한 점에서 결정된다. 외기는 배기가스에 비해 그 양이 상당히 많으므로, 배기가스와 외기가 혼합된 혼합 기체의 상태는 최종적으로 외기의 상태에 가까운 점에서 결정될 것을 알 수 있다.

한편, 선분 DE 가 포화 수증기 곡선과 만나는 F 점에 이르기까지는 선분 DE 가 포화 수증기 곡선보다 위에 위치한다. 따라서, 배기가스가 외기와 혼합되어 습공기선도 상의 D 점에서 E 점으로 이동하는 동안 배기가스에 포함된 수증기는 응결되게 된다. 이때, 배기가스의 단위 무게당 응결되는 수증기의 양은 D 점에서의 포화 수증기량과 F 점에서의 포화 수증기량의 차이만큼이 된다. 응결된 수증기는 외부로 방출되면서 백연(white plume)을 형성하게 된다.

도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치가 백연을 저감하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.

우선, 인산형 연료전지로부터 배출되는 배기가스의 상태를 구분하여, 인산형 연료전지로부터 배출되어 제2 외기와 열교환이 이루어져 냉각되기 전까지의 배기가스를 제1 배기가스, 제2 외기와 열교환이 이루어져 냉각된 상태의 배기가스를 제2 배기가스, 제1 외기와 열교환이 이루어져 다시 냉각된 상태의 배기가스를 제3 배기가스라고 정의한다.

또한, 외기의 상태를 구분하여, 제2 배기가스와 열교환이 이루어지지 않은 상태의 외기를 제1 외기, 제2 배기가스와 열교환이 이루어져 온도가 상승한 상태의 외기를 제2 외기, 제1 배기가스에 대한 냉각을 수행함으로써 온도가 상승한 상태의 외기를 제3 외기라고 정의한다. 이하의 도 3 내지 도 9를 설명함에 있어서도 위의 정의에 따른 외기 및 배기가스를 이용하여 설명한다.

도 2의 (a)를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치는 배기가스 유입영역(S1), 외기 유입영역(S2) 및 혼합영역(S3)을 포함한다.

외부로부터 주입되는 외기는 외기 유입영역(S2)을 유동하면서, 제2 배기가스와 열교환이 이루어진다. 이때 제2 배기가스의 온도는 외기에 비해 높으므로 제2 배기가스는 제1 외기에 의해 냉각되어 제3 배기가스가 된다. 한편, 제1 외기의 온도는 제2 배기가스에 비해 낮으므로 제1 외기는 제2 배기가스에 의해 가열되어 제2 외기가 된다.

따라서, 도 2의 (b)의 습공기 선도 상에서 배기가스는 X2 에서 X3 로 이동하게 되고, 외기는 Y1 에서 Y2 로 이동하게 된다. 또한, 제2 배기가스가 제3 배기가스가 되는 과정에서, 단위 무게당 습공기선도 상의 X2 및 X3 에서의 포화 수증기량의 차이 값만큼 수증기가 추가로 응결될 수 있다. 수증기가 추가로 응결됨으로써, 배기가스에 포함된 절대 수증기량은 더욱 감소되고, 이에 따라 백연이 더욱 효과적으로 제거될 수 있다.

배기가스 유입영역(S1)을 통과하여 유입된 제1 배기가스는 외기 유입영역(S2)을 통과하여 유입된 제2 외기에 의해 냉각된다. 이때 제1 배기가스와 제2 외기는 공간적으로 분리된 상태이며, 제1 배기가스는 제2 외기에 비해 높은 온도를 가지므로 제2 외기에 의해 냉각되어 도 2의 (b)의 습공기선도 상의 X1 에서 X2 로 이동하게 된다.

이때, 단위 무게당 습공기선도 상의 X1 및 X2 에서의 포화 수증기량의 차이 값만큼 수증기는 응결되며, 응결된 물방울은 배출되거나 폐기될 수 있다. 한편, 제2 외기는 제1 배기가스를 냉각시킴으로써 온도가 상승하여 제3 외기 상태가 되며, 습공기선도 상의 Y2 으로부터 Y3로 이동한다.

또한, 습공기선도 상에서 각각 X3 및 Y3 로 이동한 배기가스 및 외기는 혼합영역(S3) 내에서 혼합되고, 배기가스의 양보다 외기의 양이 더 많으므로 혼합 기체는 선분 X3Y3 상에서 Y3 에 더 가까운 Z 에 해당하는 상태가 된다.

습공기선도 상에서 Z 에 위치하는 혼합 기체는 외부로 방출되어 방대한 양의 외기와 다시 혼합되며, 이 과정에서 습공기선도 상의 선분 ZY1을 따라 Y1을 향해 이동한다.

이와 같이 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치를 이용함에 따라, 제1 배기가스가 냉각되어 제2 배기가스 및 제3 배기가스가 되는 과정에서만 수증기 응결이 일어나고, 그 이외의 과정은, 특히 혼합된 기체가 외부로 방출되는 과정은 습공기선도 상의 포화 수증기 곡선 아래에서 일어나게 된다. 따라서, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치는 인산형 연료전지를 사용함에 따라 발생되는 배기가스로부터 백연이 생성되지 않음을 알 수 있다.

도 3은 본 개시의 제1 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치를 나타내는 도면이다.

도 4는 복수의 열교환관의 내부로 배기가스가 유입되는 과정 및 복수의 열교환관의 외부로 배기가스가 배출되는 과정을 나타내는 단면도이다.

도 5는 외기분배부의 구조를 확대한 도면이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치는 배기가스 유입로(exhaust gas inflow path, 350), 복수의 열교환관(heat exchange tube, 360), 배기가스 배출로(exhaust gas outflow path, 370), 외기 유입로(ambient air inflow path, 320), 외기 분배부(ambient air distribution unit, 330), 외기 배출로(ambient air outflow path, 340), 혼합챔버(mixing chamber, 380), 배출연통(exhaustion smokestack, 390), 송풍기(air blower, 300)의 전부 또는 일부를 포함한다.

배기가스 유입로(350)는 하나 이상의 배기가스 유입구(exhaust gas inlet, 355)를 통해 배기가스가 유입되도록 구성된다. 즉, 인산형 연료전지로부터 발생되는 제1 배기가스는 적어도 하나 이상의 배기가스 유입구(355)를 통해 배기가스 유입로(350)에 유입된다. 또한, 배기가스 유입구(355)는 1개 또는 복수 개로 구성될 수 있으며, 복수 개로 구성되는 경우, 복수 개의 인산형 연료전지로부터 발생되는 배기가스는 복수 개의 배기가스 유입구(355)를 통해 배기가스 유입로(350)로 한번에 유입될 수 있다.

복수의 열교환관(360)은 배기가스 유입로(350)의 하부에 배치되어, 배기가스가 내부로 유입되도록 배기가스 유입로(350)에 유체 연통(fluid communication)된다. 즉, 제1 배기가스는 배기가스 유입로(350)를 통과하여 복수의 열교환관(360) 내부로 유입되고, 복수의 열교환관(360) 내부를 유동하는 동안 제2 외기와 열교환이 이루어진다.

복수의 열교환관(360)은 중력 방향으로 배치될 수 있다. 즉, 배기가스 유입로(350)를 통과한 배기가스는 복수의 열교환관(360)에 유입되고, 복수의 열교환관(360)을 유동하는 배기가스는 중력 방향으로 유동하게 된다. 복수의 열교환관(360)을 유동하는 배기가스가 냉각됨에 따라 응결되어 발생되는 액적도 중력에 의해서 배기가스 배출로(370)로 전달된다.

복수의 열교환관(360)이 위와 같이 구성됨으로써, 별도의 장치 없이도 액적이 자연스럽게 배기가스 배출로(370)로 전달되어, 이후 배기가스 배출로(370) 내에 위치된 드레인배관(372)을 통해 외부로 배출되거나 또는 별도의 회수장치에 의해 회수될 수 있다. 또한, 액적이 복수의 열교환관(360) 내부에 고여 발생할 수 있는 배기가스의 압력손실 문제도 발생하지 않게 된다.

복수의 열교환관(360)은 외주면에 형성되는 복수의 열교환핀(heat exchange fin, 362)을 포함할 수 있다. 복수의 열교환관(360)의 외주면에 열교환핀(362)이 형성됨으로써, 복수의 열교환관(360)과 제2 외기 사이의 접촉 면적이 증가될 수 있다. 접촉 면적이 증가될수록, 복수의 열교환관(360) 내부를 통과하는 배기가스의 냉각이 효율적으로 이루어지게 된다.

한편, 도 3에는 열교환핀(362)이 나선형(spiral type)으로 구성되어 있으나, 열교환핀(362)의 형상이 반드시 나선형으로 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 열교환핀(362)의 형상은 나선형 이외에도 막대형(bar type), 원형(circular type) 등의 형상으로 구성되는 것이 가능하다.

또한, 도 4를 참조하면, 복수의 열교환관(360)의 상부 및 하부 단면적이 열교환관(360)의 내부 단면적보다 점진적(gradually)으로 넓어지도록 형성될 수 있다. 예컨대, 도 4의 (b)와 같이 배기가스가 유입되는 구간의 단면적이 내부 단면적보다 점진적으로 넓어지도록 구성될 수 있으나, 반드시 도 4의 (b)와 같은 형상에 한정되는 것은 아니며, 도 4의 (a)와 같이 단면적이 일정하게 구성되는 것도 가능하다.

복수의 열교환관(360)이 도 4의 (a)와 같이 구성될 경우, 제1 배기가스가 상부로 유입될 때, 유입구간 주변에서 난류가 형성될 수 있으므로 유동 과정에서 압력 손실이 발생할 수 있다. 이는 복수의 열교환관(360)으로부터 배출될 때도 마찬가지이다. 따라서, 이러한 압력 손실을 최소화하기 위해서 복수의 열교환관(360) 상부 및 하부 단면적은 도 4의 (b)와 같이 열교환관(360)의 내부 단면적보다 점진적으로 넓어지도록 형성되는 것이 바람직하다.

배기가스 배출로(370)는 복수의 열교환관(360)의 하부에 배치되어, 복수의 열교환관(360)을 통과한 배기가스가 배출되도록 복수의 열교환관(360)에 유체 연통된다. 즉, 제2 외기와 열교환이 이루어진 제2 배기가스는 배기가스 배출로(370)를 통과하여 배출되게 된다. 따라서, 배기가스 유입로(350), 복수의 열교환관(360) 및 배기가스 배출로(370)는 유체 연통되어있다. 제2 배기가스가 배기가스 배출로(370)를 통과하는 과정에서, 외기 유입로(320)를 유동하는 외기와 열교환이 이루어질 수 있고, 이 경우 제2 배기가스는 냉각되어 제3 배기가스가 된다.

송풍기(300)는 외기 유입로(320)에 외기를 주입하도록 구성된다. 따라서, 송풍기(300)는 기설정된 풍량 및 풍속으로 제1 외기를 외기 유입로(320)에 공급할 수 있다. 송풍기(300)는 도 3에서와 같이 지면에 위치하여 제2 배기가스의 유동방향과 반대 방향으로 제1 외기를 주입시킬 수 있으나, 송풍기(300)의 위치가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

송풍기(300)가 주입하는 외기의 풍량 및 풍속은 외기의 온도 및 습도를 이용하여 설정된다. 예컨대, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치를 구동할 당시의 날씨정보를 이용하여 사용자가 수동으로 설정해줄 수 있다. 이 경우, 날씨가 더운 여름철에는 외기의 풍량 및 풍속을 낮추고, 날씨가 추운 겨울철에는 외기의 풍량 및 풍속을 높일 수 있다. 다만, 송풍기(300)가 주입하는 외기의 풍량 및 풍속은 반드시 사용자에 의해 수동으로 결정되어야 하는 것은 아니며, 자동으로 제어되도록 구성될 수도 있다.

송풍기(300)가 주입하는 외기의 풍량 및 풍속을 자동으로 제어하기 위해서, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치는 센서(sensor, 375) 및 제어기(controller, 미도시), 고장알람부(fault alarm unit, 미도시)를 포함할 수 있다.

센서(375)는 배기가스 배출로(370) 내부에 위치하고, 열교환격벽(310)을 이용하여 열교환이 이루어진 배기가스의 온도 및 습도를 측정한다. 즉 센서(375)는 제1 외기와 열교환이 이루어진 제3 배기가스의 온도 및 습도를 측정한다. 다만, 센서(375)가 반드시 제3 배기가스의 온도 및 습도를 측정하는 것에 한정되는 것은 아니며, 외기 유입로(320)에 위치하여 제1 외기의 온도 및 습도를 측정하도록 구성되는 것도 가능하다.

제어기는 송풍기(300)에 포함되고, 센서(375)가 측정한 온도 및 습도를 기초로 외기 유입로(320)에 주입되는 외기의 풍량 및 풍속을 제어할 수 있다. 즉, 제3 배기가스의 온도 및 습도값을 기초로 외기의 풍량 및 풍속을 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어기에는 외부의 온도 및 습도에 따라 백연을 발생시키지 않도록 하는 제3 배기가스의 온도 및 습도정보가 기저장되어 있을 수 있다. 따라서, 제어기는 외부의 온도 및 습도에 따라 제3 배기가스가 기저장된 온도 및 습도값을 유지하도록 외기의 풍량 및 풍속을 제어할 수 있다. 여기서, 외부의 온도 및 습도는 별도의 센서 또는 기상청 등에서 제공하는 날씨정보를 이용하여 알아낼 수 있다.

한편, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치가 정상적으로 구동하는 경우, 센서(375)가 측정하는 제3 배기가스의 온도 및 습도값은 센서(375)의 오차 범위 내에서 변동하게 된다. 그러나, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치의 구성 중 일부가 고장난 경우, 제3 배기가스의 온도 및 습도값은 센서(375)의 오차 범위를 넘어서 크게 달라질 수 있다. 따라서, 제어기는 센서(375)에 의해 측정되는 제3 배기가스의 온도 및 습도값이 기설정된 범위를 벗어나는 경우, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치가 고장이라고 판단할 수 있다.

고장알람부는 송풍기(300)에 포함되고, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치의 고장을 사용자에게 알리도록 구성된다. 즉, 제어기는 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치가 고장인 경우, 고장신호를 고장알람부에 송신할 수 있고, 고장알람부는 고장신호를 수신하여 사용자에게 고장을 알릴 수 있다. 예컨대, 고장알람부는 별도의 디스플레이 패널을 이용하여 고장여부를 표시하도록 구성될 수 있고, 무선통신을 이용하여 사용자의 통신단말기에 고장여부를 알리도록 구성될 수도 있다.

외기 유입로(320)는 외기 유입구(ambient air inlet, 미도시)를 통해 외기가 유입되도록 구성되고, 적어도 일부가 배기가스 배출로(370)의 하부에서 배기가스 배출로(370)와 인접하도록 배치된다. 또한, 외기 유입로(320)는 외기 및 배기가스 배출로(370)의 배기가스가 열교환격벽(heat exchange wall, 310)을 이용하여 열교환할 수 있도록 구성된다. 즉, 제1 외기는 외기 유입로(320)를 통과하면서 상대적으로 고온인 제2 배기가스와 열교환이 이루어진다.

따라서, 배기가스 배출로(370)를 유동하는 제2 배기가스는 외기 유입로(320)를 유동하는 제1 외기에 의해 한번 더 냉각될 수 있다. 제2 배기가스가 한번 더 냉각되어 제3 배기가스가 됨으로써, 더 많은 수증기가 응결되고, 이에 따라 백연을 더욱 효율적으로 저감시킬 수 있다. 또한, 배기가스 배출로(370)의 하부에 위치하는 열교환격벽(310)을 이용하여 냉각을 수행함으로써, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치의 전체적인 높이를 높이지 않고서도 냉각 효율을 높일 수 있다.

외기 분배부(330)는 외기 유입로(320)와 유체 연통하며, 외기를 분배하여 복수의 열교환관(360) 일측으로 공급하도록 구성된다. 즉, 제2 외기는 외기 분배부(330)를 통과하게 됨으로써, 복수의 열교환관(360)과 열교환을 할 수 있게 된다. 제2 외기는 복수의 열교환관(360)과 열교환이 이루어진 후 제3 외기가 된다.

한편, 외기를 복수의 열교환관(360) 일측으로 공급하기 위해서, 외기 분배부(330)는 가이드베인(guide vane, 335)을 포함할 수 있다.

도 5를 참조하면, 가이드베인(335)은 외기 분배부(330) 내부에 배치되어, 외기 유입로(320)로부터 유입되는 외기의 유동을 균일하게 안내하도록 구성된다. 즉, 가이드베인(335)은 제2 외기가 복수의 열교환관(360) 일측으로 균일하게 공급될 수 있도록 구성된다. 따라서, 가이드베인(335)은 외기의 회전반경이 클수록 날개의 길이가 길어지도록 구성되어 있다. 다만, 가이드베인(335)의 형상이 반드시 도 5에서 개시된 형상에 제한되는 것은 아니며, 복수의 열교환관(360) 일측으로 외기를 균일하게 공급할 수 있는 한, 날개의 길이 및 개수를 변경한 다양한 형상이 가능하다.

외기 배출로(340)는 복수의 열교환관(360) 타측에 배치되어, 복수의 열교환관(360)과 열교환이 이루어진 외기가 배출되도록 구성된다. 즉, 제2 외기는 복수의 열교환관(360)과 열교환이 이루어진 후 제3 외기가 되며, 제3 외기는 외기 배출로(340)를 통과하여 다시 혼합챔버(380)에 유입되게 된다.

따라서, 제3 외기 및 제3 배기가스는 각각 외기 배출로(340) 및 배기가스 배출로(370)를 통과하여 혼합챔버(380)에 유입되고, 혼합챔버(380) 내에서 혼합된다.

혼합챔버(380)는 배기가스 배출로(370) 및 외기 배출로(340)의 상부에 배치되고, 외기 배출로(340)로부터 배출된 외기 및 배기가스 배출로(370)로부터 배출된 배기가스가 원활히 혼합되도록 구성된 혼합촉진부(mixing promotion unit)를 구비한다. 즉, 제3 외기 및 제3 배기가스는 혼합챔버(380) 내에서 혼합되어 외부로 방출된다. 한편, 혼합챔버(380)가 위치하는 높이는 배기가스 유입로(350)가 위치하는 높이 부근이 될 수 있다.

혼합을 원활하게 하기 위해서 혼합촉진부는, 외기 배출로(340)로부터 배출된 외기에 의해 회전하여 배기가스 배출로(370)의 배기가스를 상승시키도록 구성된 믹싱 블레이드(mixing blade, 382)를 포함할 수 있다. 이는 인산형 연료전지로부터 배출되는 배기가스의 압력이 일반적인 발전소로부터 배출되는 배기가스에 비해 낮기 때문에, 이러한 낮은 압력의 배기가스를 원활하게 상승 및 혼합시키기 위함이다.

따라서, 제3 외기의 속도 및 압력은 제3 배기가스에 비하여 상대적으로 높으며, 제3 외기에 의해 믹싱 블레이드(382)가 회전될 수 있다. 즉, 믹싱 블레이드(382)는 예컨대, 바람개비와 같은 형상을 가지고 있으며, 별도의 구동장치 없이도 제3 외기에 의해 회전될 수 있다. 제3 외기에 의해 믹싱 블레이드(382)가 회전함에 따라 제3 배기가스가 믹싱 블레이드(382)를 향해 흡입되므로, 저압의 제3 배기가스가 혼합챔버(380) 내에서 제3 외기와 혼합될 수 있다.

배출연통(390)은 혼합챔버(380)에 의해 혼합된 외기 및 배기가스를 외부로 배출하도록 구성된다. 즉, 혼합챔버(380)에 의해 혼합된 제3 외기 및 제3 배기가스는 배출연통(390)을 통과하여 방출된다. 혼합챔버(380)를 통과한 배기가스 및 외기는 이미 충분히 냉각되었으므로, 배출연통(390)의 길이는 일반적으로 발전소에서 사용되는 것에 비해 더 짧아질 수 있다.

도 6은 본 개시의 제2 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치를 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 혼합촉진부는, 외기 배출로(340)로부터 배출된 외기가, 외기 배출로(340)의 상부측 유로보다 좁은 유로를 통과하면서 배기가스 배출로(370)로부터 배출된 배기가스와 혼합되도록 구성될 수 있다. 이는 유체가 유로의 단면적이 상대적으로 작은 부분을 통과할 때, 유체의 속도가 상대적으로 증가되고, 유체의 압력은 상대적으로 낮아지는 현상인 벤츄리 효과(Venturi effect)를 얻기 위한 것이다.

즉, 제3 외기의 유동단면적이 외기 배출로(340)의 상부측 단면적보다 작게 구성됨으로써, 제3 외기의 유동속도는 빨라지고, 압력은 낮아지게 된다. 제3 외기의 유동속도가 빨라지고, 압력이 낮아짐으로써, 제3 배기가스는 혼합통로(mixing passage, 384)를 이용하여 제3 외기와 혼합될 수 있다. 즉, 제3 배기가스는 상대적으로 빠른 속도 및 낮은 압력의 제3 외기가 유동하는 경로에 흡입되고, 이들은 혼합챔버(380)를 유동하면서 혼합되므로, 혼합 효율을 높일 수 있다.

도 7은 본 개시의 제3 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치를 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 배기가스 배출로(370)에 모이게 된 액적을 효과적으로 배출 및 회수하기 위해서, 열교환격벽(310)은 지면을 향하여 경사(inclined)지도록 형성될 수 있다. 이 경우, 배기가스 배출로(370)에 모이게 된 액적이 별도의 장치 없이도 자연스럽게 배출되어 회수될 수 있는 효과가 있다.

도 8은 열교환격벽의 표면구조를 나타내는 분해 사시도이다.

도 8을 참조하면, 열교환격벽(310)을 이용한 냉각 효율을 높이기 위해서, 열교환격벽(310)은 열교환격벽(310)의 적어도 일면에 위치하는, 요철부(uneven unit, 800) 또는 냉각핀(cooling fin, 820)을 포함할 수 있다.

도 8의 (a)를 참조하면, 요철부(800)는 열교환격벽(310)의 상부면, 즉 제2 배기가스가 유동되는 면에 위치함으로써, 열교환 면적을 넓히도록 구성된다. 열교환격벽(310)의 상부면이 오목하게 구성되는 경우, 수증기가 응결된 액적이 오목한 부분에 고일 수 있으므로, 요철부(800)는 열교환격벽(310)의 상부면에 볼록하게 구성되는 것이 바람직하다. 요철부(800) 각각의 볼록한 형상 사이의 간격은 용이하게 변경 가능하며, 반드시 도 8의 (a)와 같은 간격에 제한되는 것은 아니다.

도 8의 (b)를 참조하면, 냉각핀(820)은 열교환격벽(310)의 적어도 일면에 위치하여 요철부(800)와 마찬가지로 열교환 면적을 넓히도록 구성된다. 즉, 도 8의 (b)에서는 냉각핀(820)이 열교환격벽(310)의 양면에 위치하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 열교환격벽(310)의 어느 일면에만 위치하는 것도 가능하다. 냉각핀(820)의 높이는 용이하게 변경될 수 있으며, 반드시 도 8의 (b)와 같은 높이를 갖는 것은 아니다.

도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 백연 방지장치의 고장 여부를 판단하는 과정을 나타낸 도면이다.

본 개시의 일 실시예에 따른 백연 방지장치가 가동을 시작하면, 송풍기는 제3 배기가스의 온도 및 습도가 기저장된 값을 갖도록 외기를 주입한다(S90). 센서(375)는 제3 배기가스의 온도 및 습도를 측정한다(S91). 제3 배기가스의 온도 및 습도에 대한 측정값을 제어기가 수신한다(S92). 제어기가 센서(375)가 측정한 측정값을 수신할 수 있도록 하기 위해 별도의 유선 또는 무선 통신이 이용될 수 있다. 측정값을 수신한 제어기는 제3 배기가스의 온도 및 습도가 기설정된 범위를 초과하였는지를 판단한다(S93). 제3 배기가스의 온도 및 습도가 기설정된 범위를 초과하지 않은 경우, 제어기는 제3 배기가스의 온도 및 습도가 유지되도록 외기의 풍량 및 풍속을 제어한다(S94). 제3 배기가스의 온도 및 습도가 기설정된 범위를 초과한 경우, 제어기는 고장알람부에 고장신호를 송신한다(S95). 고장신호를 수신한 고장알람부는 사용자에게 고장을 알린다(S96).

이와 같은 방법으로, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치의 고장 여부를 사용자가 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치는 복수의 열교환관(360)을 기준으로 상부에 배기가스 유입로(350)가 배치되고, 하부에 배기가스 배출로(370)가 배치되며, 복수의 열교환관(360) 사이를 외기가 지나가게 구성됨으로써, 혼합챔버(380)가 배기가스 유입로(350)가 위치하는 높이 부근에 위치하게 된다. 즉, 인산형 연료전지로부터 발생된 배기가스는 초기에 유입된 높이 부근에서 외기와 혼합되어 배출연통(390)에 의해 외부로 방출되므로, 배기가스를 계속 상승시켜 냉각시키는 일반적인 공냉식 백연 방지장치보다 높이를 더 낮출 수 있다. 따라서, 본 개시의 일 실시예에 따른 인산형 연료전지용 백연 방지장치는 공간 효율적인 구성을 가지는 효과가 있다.

또한, 공간 효율적인 구조를 가지면서도, 인산형 연료전지로부터 발생된 배기가스의 냉각 효율을 높일 수 있도록 구성됨으로써, 백연을 더욱 효율적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

300: 송풍기 310: 열교환격벽
320: 외기 유입로 330: 외기 분배부
335: 가이드베인 340: 외기 배출로
350: 배기가스 유입로 360: 열교환관
362: 열교환핀 370: 배기가스 배출로
372: 드레인배관 375: 센서
380: 혼합챔버 382: 믹싱 블레이드
384: 혼합통로 390: 배출연통
800: 요철부 820: 냉각핀

Claims (13)

1. 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell,"PAFC")로부터 발생된 배기가스로부터 백연(white plume)이 발생되는 것을 방지하기 위한 인산형 연료전지용 백연 방지장치에 있어서,
   하나 이상의 배기가스 유입구를 통해 상기 배기가스가 유입되도록 구성된 배기가스 유입로(exhaust gas inflow path);
   상기 배기가스 유입로의 하부에 배치되어, 상기 배기가스가 내부로 유입되도록 상부가 상기 배기가스 유입로에 유체 연통(fluid communication)되는 복수의 열교환관(heat exchange tube);
   상기 복수의 열교환관을 통과한 배기가스가 배출되도록 상기 복수의 열교환관의 하부와 유체 연통되는 배기가스 배출로(exhaust gas outflow path);
   외기 유입구를 통해 외기가 유입되도록 구성되고, 적어도 일부가 상기 배기가스 배출로의 하부에서 상기 배기가스 배출로와 인접하도록 배치되는 외기 유입로(ambient air inflow path);
   상기 외기 유입로 및 상기 배기가스 배출로가 인접하는 영역에 배치되어, 상기 복수의 열교환관을 통과한 배기가스가 상기 외기 유입로를 통과하는 외기와 열교환이 이루어지도록 구성된 열교환격벽(heat exchange wall);
   상기 외기 유입로에 외기를 주입하도록 구성된 송풍기(air blower);
   상기 외기 유입로와 유체 연통하며, 상기 외기를 분배하여 상기 복수의 열교환관 일측으로 공급하도록 구성된 외기 분배부(ambient air distribution unit);
   상기 복수의 열교환관 타측에 배치되어, 상기 복수의 열교환관과 열교환이 이루어진 외기가 배출되도록 구성된 외기 배출로(ambient air outflow path); 및
   상기 배기가스 배출로 및 상기 외기 배출로의 상부에 배치되고, 상기 외기 배출로로부터 배출된 외기 및 상기 배기가스 배출로로부터 배출된 배기가스가 원활히 혼합되도록 구성된 혼합촉진부(mixing promotion unit)를 구비한 혼합챔버(mixing chamber)를 포함하되,
   상기 배기가스 유입로를 통해 유입되는 배기가스는, 상기 외기 배출로로부터 배출된 외기와 혼합되기 이전에, 상기 외기 유입로를 통해 유입되는 외기에 의해 적어도 2회 이상 냉각되는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 혼합촉진부는,
   상기 외기 배출로로부터 배출된 외기에 의해 회전하여, 상기 배기가스 배출로의 배기가스를 상승시키도록 구성된 믹싱 블레이드(mixing blade)을 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 혼합촉진부는, 상기 외기 배출로로부터 배출된 외기가, 상기 외기 배출로의 상부측 유로보다 좁은 유로를 통과하면서 상기 배기가스 배출로로부터 배출된 배기가스와 혼합되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 외기 분배부는,
   상기 외기 분배부의 내부에 배치되어, 상기 외기 유입로로부터 유입되는 외기의 유동을 균일하게 안내하도록 구성된 가이드베인(guide vane)을 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 열교환격벽은 지면을 향하여 경사(inclined)지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 열교환격벽은,
   상기 열교환격벽의 적어도 일면에 위치하는, 요철부(uneven unit) 또는 냉각핀(cooling fin)을 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 복수의 열교환관은 중력 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 열교환관의 상부 및 하부의 단면적이 상기 열교환관의 내부 단면적보다 점진적으로(gradually) 넓어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 열교환관은 외주면에 형성되는 복수의 열교환핀(heat exchange fin)을 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 복수의 열교환핀은 나선형(spiral type)인 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.
11. 제 1항에 있어서,
    상기 배기가스 배출로 내부에 위치하고, 상기 열교환격벽을 이용하여 열교환이 이루어진 배기가스의 온도 및 습도를 측정하는 센서(sensor)를 더 포함하고,
    상기 송풍기는,
    상기 센서가 측정한 온도 및 습도를 기초로 상기 외기 유입로에 주입되는 외기의 풍량 및 풍속을 제어하는 제어기(controller)를 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 송풍기는, 상기 인산형 연료전지용 백연 방지장치의 고장을 사용자에게 알리도록 구성된 고장알람부(fault alarm unit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.
13. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합챔버에 의해 혼합된 외기 및 배기가스를 외부로 배출하도록 구성된 배출연통(exhaustion smokestack)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지용 백연 방지장치.

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