KR102352277B1 - Burner for Reformer - Google Patents

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KR102352277B1
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gas
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burner
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fuel
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조근용
김희영
박민국
조규민
이연재
김원용
류성옥
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주식회사 씨에이치피테크
(주)문화지엔코
세원에너텍 주식회사
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Abstract

The present invention relates to a burner for a reformer. More specifically, the burner for a reformer to heat a reformer of a fuel cell comprises: a main body having an opening end on the front thereof, having an internal space, and including a fuel gas supply unit introducing fuel gas in which city gas and air are mixed on one side of the rear side thereof, and an anode-off gas supply unit receiving anode-off gas of a fuel cell stack on the other side of the rear side thereof; a nozzle unit provided in the opening end to inject flames; an ignition device allowing an ignition bar of an ignition plug to be coupled therethrough to protrude in front of the nozzle unit; a distributor provided between the premixing space and the internal space to uniformly introduce the fuel gas and the anode-off gas into the internal space; a backfire prevention device constructed in a structure in which metal mesh sheets are laminated; and a mixer having fluid dispersion balls arranged in the internal space to uniformly mix the fuel gas and the anode-off gas to resolve flame eccentricity and improve the efficiency of the burner.

Description

수소추출기용 버너{Burner for Reformer}Burner for hydrogen extractor {Burner for Reformer}

본 발명은 수소추출기용 버너에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 연료전지의 수소추출기용 버너에 관한 것으로, 연료가스(LNG,LPG 등)를 이용하여 연료전지의 스택에서 전기를 생산하는데 필요한 수소가스로 변환시키기 위해 수소추출기를 가열함에 있어, 가열에 필요한 도시가스 뿐 만아니라, 연료전지 스택에서 사용 후 남은 수소가스가 주성분인 애노드오프가스(AOG; Anode off Gas)와도 잘 혼합되어 균일한 화염을 가진 연소가 가능하며, 또한 역화 방지와 화염감시장치를 구비하여 안전성이 확보된 수소추출기용 버너에 대한 것이다. The present invention relates to a burner for a hydrogen extractor. More particularly, the present invention relates to a burner for a hydrogen extractor of a fuel cell, and uses fuel gas (LNG, LPG, etc.) to heat the hydrogen extractor to convert it into hydrogen gas required to produce electricity in a stack of a fuel cell. In this process, not only the city gas required for heating, but also the hydrogen gas remaining after use in the fuel cell stack is well mixed with the anode off gas (AOG), which is the main component, so that combustion with a uniform flame is possible. It is about a burner for a hydrogen extractor that is equipped with a prevention and flame monitoring device to ensure safety.

연료전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소를 이용, 산소와의 화학반응을 통하여 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 소형 열병합 발전 시스템이다.A fuel cell is a small cogeneration system that directly converts chemical energy into electrical energy through a chemical reaction with oxygen using hydrogen contained in hydrocarbon-based substances such as methanol, ethanol, and natural gas.

고분자전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell:PEMFC) 시스템은 수소와 공기의 전기화학적 반응에 의하여 전기와 열을 생산하는 고효율 차세대 분산형 발전시스템이다. 이러한 연료전지 시스템은 수소추출기(Reformer), 스택(stack) 및 인버터(Inverter)를 주요부로 구성하고 주변기기(BOP)등을 부수적으로 구비한다. 상기 연료전지의 스택은 막전극 접합체(MEA: membrane electrode assembly)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 내지 수십 개가 적층된 구조이다. 상기 수소추출기는 수증기 개질 반응부(SR: Steam reforming), 수성가스 전이 반응부(WGS: Water gas shift), 선택적 산화 반응부(Prox: Preferential oxidation)로 구성된다.The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) system is a high-efficiency, next-generation distributed power generation system that produces electricity and heat through an electrochemical reaction between hydrogen and air. Such a fuel cell system consists of a hydrogen extractor (Reformer), a stack (stack) and an inverter (Inverter) as main parts, and includes a peripheral device (BOP) and the like as ancillary. The stack of the fuel cell has a structure in which several to tens of unit cells including a membrane electrode assembly (MEA) and a separator are stacked. The hydrogen extractor consists of a steam reforming unit (SR), a water gas shift unit (WGS), and a selective oxidation reaction unit (Prox: Preferential oxidation).

수소추출기에서 생성된 수소는 PEMFC 스택의 애노드 전극에 공급되고, 캐소드 전극에 공급된 산소와 만나 전기화학적 반응을 하여, 스택에서 전기를 생산하게 된다.Hydrogen generated in the hydrogen extractor is supplied to the anode electrode of the PEMFC stack, meets with oxygen supplied to the cathode electrode, and undergoes an electrochemical reaction to produce electricity in the stack.

수소추출기에서의 수증기 개질(Steam Reforming)반응은 고온에서 이루어지기 때문에, 연료처리장치로의 필요한 열을 공급하기 위한 수단으로서 수소추출기용 버너를 구비한다.Since the steam reforming reaction in the hydrogen extractor is performed at a high temperature, a burner for the hydrogen extractor is provided as a means for supplying necessary heat to the fuel processing apparatus.

수소추출기용 버너는 기본적으로 연료가스를 연소시켜 열은 생성하며 이때 연료는 일반적으로 탄화수소계의 LNG, LPG 등과 같은 도시가스가 주를 이룬다. 그러나, PEMFC 시스템의 효율 향상을 위하여, 상기 버너는 단순히 도시가스의 연소뿐만이 아니라 애노드오프가스(Anode Off Gas: AOG)의 연소가 가능하여야 한다. 다시 말하면, PEMFC 스택에서 미 반응되어 배출되는 애노드오프가스의 주성분인 수소가스를 연소하는 수단이 필수적으로 갖추어져 있어야 한다. 이는 PEMFC 스택에서의 수소가스 이용률은 일반적으로 70 ~ 85% 정도이며, 이때 스택에서 사용하고 남은 잔량의 수소가스는 스택 밖으로 배출되어 버려져서는 안 된다. 따라서 이를 회수하여 수소추출기버너의 연료로 사용할 경우 전체 발전 시스템의 효율 향상이 가능하다.A burner for a hydrogen extractor basically burns fuel gas to generate heat, and the fuel is generally city gas such as hydrocarbon-based LNG or LPG. However, in order to improve the efficiency of the PEMFC system, the burner must be capable of not only burning city gas, but also burning anode off gas (AOG). In other words, a means for burning hydrogen gas, which is the main component of the anode off-gas that is not reacted and discharged from the PEMFC stack, must be essentially provided. The hydrogen gas utilization rate in the PEMFC stack is generally about 70 to 85%, and the remaining amount of hydrogen gas used in the stack should not be discharged out of the stack and thrown away. Therefore, when it is recovered and used as fuel for the hydrogen extractor burner, it is possible to improve the efficiency of the entire power generation system.

즉, 연료전지란 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 전지로서, 전극에서의 산화·환원 반응을 이용하여 전기를 발생시키는 화학 전지라 할 수 있으나, 반응이 일어나는 계 내로 반응물이 연속해서 공급되는 점이 일반적이 화학 전지와는 구분된다.In other words, a fuel cell is a cell that directly converts chemical energy generated by oxidation of fuel into electrical energy. This continuous supply is different from the general chemical cell.

도 1은 통상적인 연료전지 시스템(1)의 구성도를 도시한 것이다. 이러한 고분자전해질막 연료전지 시스템(1)은 도 1에 도시된 바와 같이, 크게 수소추출기(2)와 연료전지스택(6)으로 이루어지는 바, 수소추출기(2)는 다시 화학적으로 수소를 함유하는 LPG, LNG, 메탄, 석탄가스 메탄올 등과 같은 일반 연료를 연료 전지가 요구하는 수소를 다량 포함한 가스로 변환하는 수증기 개질 반응부(3), 수소추출기에서 생성된 개질가스와 물을 반응시켜 CO 농도를 낮추는 수성가스 전이 반응부(4), PEMFC 전극의 피독을 유발하는 CO 조성을 10ppm 이하까지 제거하는 선택적 산화 반응부(5), 수증기 개질 반응부(3)에서의 화학촉매 반응을 촉진하기 위해 수증기 개질 반응부(3)를 가열하는 버너(100), 그리고 버너(100)에 연료를 공급하는 연료공급부 등을 포함하여 구성된다.1 shows a configuration diagram of a typical fuel cell system 1 . As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte membrane fuel cell system 1 is largely composed of a hydrogen extractor 2 and a fuel cell stack 6, and the hydrogen extractor 2 is again chemically used for LPG containing hydrogen. , the steam reforming reaction unit (3) that converts common fuels such as LNG, methane, coal gas, methanol, etc. into gas containing a large amount of hydrogen required by fuel cells, and lowers the CO concentration by reacting the reformed gas generated in the hydrogen extractor with water. Water gas transfer reaction section (4), selective oxidation reaction section (5) that removes the CO composition that causes poisoning of the PEMFC electrode to 10 ppm or less (5), steam reforming reaction to promote chemical catalysis in the steam reforming section (3) It is configured to include a burner 100 for heating the unit 3 , and a fuel supply unit for supplying fuel to the burner 100 .

그런데, 이와 같이 구성되는 연료전지 시스템에 있어서, 수소추출기용 버너는 시스템 전체의 효율을 향상시키기 위해, 도시가스 뿐 만이 아니라 수소가스를 포함하는 애노드오프가스를 연료로 사용하는 바, 이 두 종류의 가스와 연소용 공기를 혼합하여 연소시킴에 있어 도시가스와 공기의 합류관 및 별도의 애노드오프가스관을 통해 버너부 안으로 공급되므로, 고르게 혼합되지 않은 상태로 연소가 일어나고 화염의 치우침과 같은 문제점이 있었다. However, in the fuel cell system configured as described above, the burner for a hydrogen extractor uses not only city gas but also an anode-off gas containing hydrogen gas as a fuel to improve the efficiency of the entire system. In mixing and burning gas and combustion air, since it is supplied into the burner part through a confluence pipe of city gas and air and a separate anode-off gas pipe, combustion occurs in an unevenly mixed state, and there are problems such as bias of the flame. .

또한, 위와 같은 도시가스 및 애노드오프가스와 공기와의 불완전한 연소로 인하여 버너부 전체가 균일한 온도 분포를 유지하지 못하므로, 결과적으로 높은 CO를 포함한 배기가스를 배출하게 되는 문제점도 있었다. 더욱이, 위와 같은 불완전연소는 전체 수소추출기의 성능 및 열효율 저하를 가져오는 문제점도 있었다.In addition, since the entire burner unit does not maintain a uniform temperature distribution due to incomplete combustion of city gas, anode-off gas, and air as described above, there is a problem in that exhaust gas containing high CO is discharged as a result. Moreover, the above incomplete combustion also had a problem in that the performance and thermal efficiency of the entire hydrogen extractor decreased.

대한민국 등록특허 10-1015506Republic of Korea Patent 10-1015506 대한민국 등록특허 10-1363365Republic of Korea Patent Registration 10-1363365 대한민국 공개특허 10-2012-0067814Republic of Korea Patent Publication 10-2012-0067814 대한민국 등록특허 10-1244510Republic of Korea Patent Registration 10-1244510 대한민국 등록특허 10-1341215Republic of Korea Patent 10-1341215

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 도시가스와 공기 및 애노드오프가스가 원활히 혼합되도록 도시가스 및 공기가 혼합되어 공급되는 연료가스공급부와 애노드오프가스공급부를 직각으로 배치하고, 분배기를 설치하여 연료가스와 애노드오프가스를 버너 내부 공간으로 균일하게 분배되도록 하고, 복수의 유체분산볼을 버너 내부공간에 배치하여 연료가스 및 애노드오프가스를 균일하게 완전 혼합되도록 하여 화염의 치우침 현상 해소와 더불어 연소효율을 향상 시키고, 금속매쉬시트가 적층된 구조의 역화방지기를 통해 역화를 방지할 수 있으며, 화염감시장치를 통해 버너의 화염이 꺼졌을 때, 도시가스 공급계통이 즉시 차단될 수 있는, 수소추출기용 버너를 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention has been devised to solve the problems of the prior art. According to an embodiment of the present invention, a fuel gas supply unit in which city gas and air are mixed and supplied so that city gas, air, and anode-off gas are smoothly mixed. and the anode-off gas supply unit are arranged at right angles, a distributor is installed to uniformly distribute the fuel gas and the anode-off gas to the burner internal space, and a plurality of fluid distribution balls are arranged in the burner internal space to provide fuel gas and anode-off gas to be completely mixed uniformly to improve the combustion efficiency as well as to eliminate the bias of the flame. When the city gas supply system can be shut off immediately, the purpose is to provide a burner for a hydrogen extractor.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood

본 발명의 목적은, 연료전지의 수소추출기를 가열시키기 위한 수소추출기용 버너에 있어서, 전방에 개방단을 갖고 내부공간을 가지며, 후방 측면 일 측에 도시가스와 공기가 혼합된 연료가스가 유입되는 연료가스공급부와, 후방 측면 타 측에 연료전지 스택의 애노드오프가스가 공급되는 애노드오프가스공급부가 구비되는 본체; 상기 개방단 내부에 구비되어 화염이 분사되는 노즐부; 점화플러그의 점화봉이 상기 노즐부 전방에 돌출되도록 관통 결합되는 점화장치; 및 상기 내부공간 상에 유체분산볼을 배치하여 상기 연료가스와 상기 애노드오프가스를 균일하게 혼합시키는 혼합기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소추출기용 버너로서 달성될 수 있다. It is an object of the present invention, in a burner for a hydrogen extractor for heating a hydrogen extractor of a fuel cell, has an open end at the front, has an inner space, and the fuel gas in which city gas and air are mixed is introduced to one side of the rear side a main body provided with a fuel gas supply part and an anode off gas supply part to which the anode off gas of the fuel cell stack is supplied to the other side of the rear side; a nozzle unit provided inside the open end to spray a flame; an ignition device through which the ignition rod of the spark plug protrudes in front of the nozzle unit; and a mixer for uniformly mixing the fuel gas and the anode-off gas by disposing a fluid dispersion ball on the inner space.

그리고 상기 버너의 내부 공간 후방에는 상기 연료가스와 상기 애노드오프가스가 유입되어 혼합되는 예혼합공간을 가지며, 상기 연료가스공급부의 공급방향과, 상기 애노드오프가스공급부의 공급방향은 직각인 것을 특징으로 할 수 있다. and a pre-mixing space in which the fuel gas and the anode-off gas are introduced and mixed in the rear of the internal space of the burner, and a supply direction of the fuel gas supply unit and a supply direction of the anode-off gas supply unit are perpendicular can do.

또한 상기 예혼합공간과 상기 내부공간 사이에 구비되어, 상기 연료가스와 상기 애노드오프가스를 균일하게 상기 내부 공간으로 유입시키는 분배기;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. It may further include a distributor provided between the pre-mixing space and the inner space to uniformly introduce the fuel gas and the anode-off gas into the inner space.

그리고 상기 혼합기는 상기 내부공간에 배치되는 복수의 유체분산볼로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. And the mixer may be characterized in that it is composed of a plurality of fluid distribution balls disposed in the inner space.

또한 상기 노즐부 후단 상기 내부공간의 전방측에 구비되며, 금속매쉬시트가 적층된 구조를 통한 역화를 방지하는 역화방지기;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, it is provided on the front side of the inner space at the rear end of the nozzle unit, a backfire preventer for preventing backfire through a structure in which a metal mesh sheet is laminated; it may further include.

그리고 화염을 감시하여, 상기 버너의 화염이 꺼졌을 때, 연료가스공급부로 유입되는 도시가스의 공급을 차단시키도록 하는 화염감시장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And, by monitoring the flame, when the flame of the burner is extinguished, a flame monitoring device to block the supply of city gas flowing into the fuel gas supply unit; it may further include a.

본 발명의 실시 예에 따른 수소추출기용 버너에 따르면, 도시가스와 공기가 혼합된 연료가스와 애노드오프가스가 원활히 혼합되도록 연료가스공급부와 애노드 오프가스공급부를 직각으로 배치하고, 분배기를 설치하여 연료가스와 애노드오프가스를 버너 내부 공간으로 균일하게 분배되도록 하고, 복수의 유체분산볼을 버너 내부 공간에 배치하여 연료가스와 애노드오프가스가 균일하게 완전 혼합되어 연소 효율 향상과 화염의 치우침 현상을 해소하고, 금속매쉬시트가 적층된 구조의 역화방지기를 통해 역화를 방지할 수 있으며, 화염감시장치를 통해 버너의 화염이 꺼졌을 때 도시가스 연료 공급계통이 즉시 차단될 수 있는 효과를 갖는다. According to the burner for a hydrogen extractor according to an embodiment of the present invention, the fuel gas supply part and the anode off-gas supply part are disposed at right angles so that the fuel gas in which city gas and air are mixed and the anode off-gas are smoothly mixed, and a distributor is installed for fuel The gas and the anode-off gas are uniformly distributed into the burner inner space, and a plurality of fluid distribution balls are arranged in the burner inner space so that the fuel gas and the anode-off gas are uniformly and completely mixed to improve the combustion efficiency and eliminate the bias of the flame. In addition, it is possible to prevent a flashback through a flashback preventer having a stacked metal mesh sheet structure, and has the effect that the city gas fuel supply system can be immediately cut off when the flame of the burner is extinguished through the flame monitoring device.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be able

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 통상의 연료전지시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 수소추출기용 버너의 측면도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수소추출기용 버너의 후면도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수소추출기용 버너의 단면도,
도 5a는 본 발명의 실시 예에 따른 혼합기의 단면도와 정면도,
도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 노즐의 단면도와 정면도,
도 5a는 본 발명의 실시 예에 따른 분배기의 단면도와 정면도,
도 5a는 본 발명의 실시 예에 따른 역화방지기의 단면도와 정면도,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지시스템의 구성도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.The following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the detailed description of the present invention, so that the present invention is limited only to the matters described in those drawings and should not be interpreted.
1 is a configuration diagram of a typical fuel cell system;
2 is a side view of a burner for a hydrogen extractor according to an embodiment of the present invention;
3 is a rear view of a burner for a hydrogen extractor according to an embodiment of the present invention;
4 is a cross-sectional view of a burner for a hydrogen extractor according to an embodiment of the present invention;
5A is a cross-sectional view and a front view of a mixer according to an embodiment of the present invention;
5B is a cross-sectional view and a front view of a nozzle according to an embodiment of the present invention;
5A is a cross-sectional view and a front view of a dispenser according to an embodiment of the present invention;
5A is a cross-sectional view and a front view of a flashback arrester according to an embodiment of the present invention;
6 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention;
7 is a block diagram illustrating a signal flow of a control unit according to an embodiment of the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when a component is referred to as being on another component, it means that it may be directly formed on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for effective description of the technical content.

본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시 예들은 그것의 상보적인 실시 예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and/or plan views, which are ideal illustrative views of the present invention. In the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the shape of the illustrative drawing may be modified due to manufacturing technology and/or tolerance. Accordingly, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form generated according to the manufacturing process. For example, the region shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have properties, and the shapes of the illustrated regions in the drawings are intended to illustrate specific shapes of regions of the device and not to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first, second, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. The embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the terms 'comprises' and/or 'comprising' do not exclude the presence or addition of one or more other components.

아래의 특정 실시 예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, various specific contents have been prepared to more specifically describe the invention and help understanding. However, a reader having enough knowledge in this field to understand the present invention may recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known and not largely related to the invention are not described in order to avoid confusion without any reason in describing the present invention.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 수소추출기용 버너의 구성, 기능 및 그 작동방법에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, the configuration, function, and operation method of the burner for a hydrogen extractor according to an embodiment of the present invention will be described.

먼저, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 수소추출기용 버너의 측면도를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수소추출기용 버너의 후면도를 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수소추출기용 버너의 단면도를 도시한 것이다. First, Figure 2 shows a side view of a burner for a hydrogen extractor according to an embodiment of the present invention, Figure 3 shows a rear view of a burner for a hydrogen extractor according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is the present invention It shows a cross-sectional view of a burner for a hydrogen extractor according to an embodiment.

그리고 도 5a는 본 발명의 실시 예에 따른 혼합기의 단면도와 정면도, 도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 노즐의 단면도와 정면도, 도 5a는 본 발명의 실시 예에 따른 분배기의 단면도와 정면도, 도 5a는 본 발명의 실시 예에 따른 역화방지기의 단면도와 정면도, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지시스템의 구성도를 도시한 것이다. 또한 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 5A is a cross-sectional view and a front view of a mixer according to an embodiment of the present invention, FIG. 5B is a cross-sectional view and a front view of a nozzle according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5A is a cross-sectional view and a front view of a distributor according to an embodiment of the present invention 5A is a cross-sectional view and a front view of a flashback arrester according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 7 is a block diagram illustrating a signal flow of a control unit according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시 예에 따른 수소추출기용 버너(100)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 전체적으로 본체(10), 노즐부(12), 점화장치(20), 화염감시장치(21), 혼합기(70), 분배기(60), 역화방지기(80) 등을 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIGS. 2 to 4, the burner 100 for a hydrogen extractor according to an embodiment of the present invention has a body 10, a nozzle unit 12, an ignition device 20, and a flame monitoring device 21 as a whole. , a mixer 70 , a distributor 60 , and a flashback preventer 80 may be included.

본체(10)는 전체적으로 전방측에 개방단(11)을 갖는 관 형태로 구성될 수 있으며, 후방측 측면에 연료가스공급부(30)와, 애노드오프가스공급부(50)가 마련된다. The main body 10 may be configured in the form of a tube having an open end 11 on the front side as a whole, and a fuel gas supply unit 30 and an anode off-gas supply unit 50 are provided on the rear side side.

연료가스공급부(30)는 연료인 LPG, LNG 등과 같은 도시가스와 공기가 혼합된 연료가스가 공급되는 부분이다. 또한 도시가스공급부(31)와 공기공급부(32)가 별도로 구성될 수도 있으나, 본 발명의 실시 예에서는 도시가스공급부(31)에서 공급되는 도시가스와 공기공급부(32)에서 공급되는 공기가 먼저 설정된 비율로 혼합된 연료가스를 연료가스공급부를 통해 버너 내로 공급되도록 구성된다. The fuel gas supply unit 30 is a part to which fuel gas in which city gas such as LPG, LNG, and the like, which are fuels, and air are mixed is supplied. In addition, the city gas supply unit 31 and the air supply unit 32 may be configured separately, but in the embodiment of the present invention, the city gas supplied from the city gas supply unit 31 and the air supplied from the air supply unit 32 are set first. It is configured to supply the fuel gas mixed in the ratio into the burner through the fuel gas supply unit.

또한 애노드오프가스공급부(50)는 연료전지 스택(6)에서 사용 후 남은 수소가스가 주성분이 되는 애노드오프가스가 공급되는 부분이다. 버너의 내부 공간(13) 후방에는 이러한 연료가스와 애노드오프가스가 유입되어 혼합되는 예혼합공간(14)을 가지게 된다. In addition, the anode off-gas supply unit 50 is a part to which the anode off-gas is supplied, the main component of which is hydrogen gas remaining after use in the fuel cell stack 6 . In the rear of the internal space 13 of the burner, there is a pre-mixing space 14 in which the fuel gas and the anode-off gas are introduced and mixed.

그리고 연료가스공급부(30)의 공급방향과, 애노드오프가스공급부(50)의 공급방향은 소용돌이(swirl) 즉, 와류 형태의 흐름을 형성하여 일차적으로 연료가스와 애노드오프가스가 혼합되도록 서로 직각이 되도록 배치하였다.And the supply direction of the fuel gas supply unit 30 and the supply direction of the anode off-gas supply unit 50 are at right angles to each other so that the fuel gas and the anode-off gas are primarily mixed by forming a swirl, that is, a vortex-type flow. placed as much as possible.

또한 도 6에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(6)으로 수소가 공급되는 수소공급단 일측과 연결되어 연료전지 스택(6)에서 사용하지 않은 수소가스를 애노드 오프가스 공급부(50) 측으로 유입시키는 바이패스 공급부(51)를 더 포함하여 구성될 수도 있다. Also, as shown in FIG. 6 , it is connected to one side of the hydrogen supply terminal to which hydrogen is supplied to the fuel cell stack 6 , so that hydrogen gas not used in the fuel cell stack 6 is introduced into the anode off-gas supply unit 50 side. It may be configured to further include a bypass supply unit 51 .

그리고 개방단(11) 내부에는 노즐부(12)가 구비되어 전방측으로 화염이 분사되게 되며, 점화플러그의 점화봉이 노즐부(12) 전방에 돌출되도록 점화장치(20)가 관통 결합되게 된다. 그리고 화염감시장치(21)를 통해 실시간으로 노즐부(12)에서 형성되는 화염을 감시하도록 구성된다. In addition, a nozzle part 12 is provided inside the open end 11 so that the flame is sprayed to the front side, and the ignition device 20 is coupled through so that the ignition rod of the spark plug protrudes in front of the nozzle part 12 . And it is configured to monitor the flame formed in the nozzle unit 12 in real time through the flame monitoring device (21).

또한 도 4에 도시된 바와 같이, 예혼합공간(14)과 내부공간(13) 사이에 분배기(60)가 구비됨을 알 수 있다. 이러한 분배기(60)는 분산판으로 예혼합공간(14)에서 혼합된 연료가스와 애노드오프가스를 균일하게 내부공간(13)으로 유입시키도록 구성된다. Also, as shown in FIG. 4 , it can be seen that the distributor 60 is provided between the premixing space 14 and the inner space 13 . The distributor 60 is configured to uniformly introduce the fuel gas and the anode-off gas mixed in the premixing space 14 into the inner space 13 as a dispersion plate.

또한 도 4 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 수소추출기용 버너(100)는 본체(10)의 내부 공간(13) 상에 혼합기를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 혼합기는 내부 공간에 배치되는 복수의 유체분산볼(70)로 구성될 수 있다. 따라서 이러한 복수의 유체분산볼(70)로 구성된 혼합기를 통해 버너(100)의 효율 향상과 화염의 치우침 현상을 해소하며, 연료가스와 애노드오프가스를 균일하게 완전 혼합시킬 수 있게 된다.In addition, as shown in FIGS. 4 and 5A , it can be seen that the burner 100 for a hydrogen extractor according to an embodiment of the present invention may be configured to include a mixer on the internal space 13 of the body 10 . have. Such a mixer may be composed of a plurality of fluid distribution balls 70 disposed in the inner space. Accordingly, the efficiency of the burner 100 is improved and the bias of the flame is eliminated through the mixer composed of the plurality of fluid dispersion balls 70, and the fuel gas and the anode-off gas can be uniformly and completely mixed.

그리고 도 4 및 도 5d에 도시된 바와 같이, 노즐부(12) 후단, 내부 공간(13)의 전방측에 역화방지기(80)가 설치되어 화염의 역화를 방지할 수 있도록 구성된다. And, as shown in Figures 4 and 5d, the rear end of the nozzle unit 12, the front side of the internal space 13, a flashback preventer 80 is installed to prevent the backfire of the flame.

이러한 역화방지기(80)는, sus 또는 Ni 등의 금속재질의 금속매쉬시트가 적층된 구조이다. The flashback arrestor 80 has a structure in which a metal mesh sheet made of a metal material such as sus or Ni is laminated.

또한, 제어부(110)는 버너의 연료가스공급부(30), 도시가스공급부(31), 공기공급부(32), 애노드 오프가스 공급부(50), 바이패스 공급부(51), 점화장치(20)를 총체적으로 제어하기 위해 구성될 수 있다. In addition, the control unit 110 controls the burner fuel gas supply unit 30 , city gas supply unit 31 , air supply unit 32 , anode off-gas supply unit 50 , bypass supply unit 51 , and ignition device 20 . It can be configured for total control.

즉, 연료가스공급부(30)를 제어하여 버너 내로 공급되는 혼합가스의 유량을 조절할 수 있으며, 도시가스공급부(31)와 공기 공급부(32)를 제어하여 연료가스 내의 도시가스와 공기의 혼합비를 조절할 수 있고, 애노드 오프가스 공급부(50), 바이패스 공급부(51)를 제어하여 버너로 공급되는 수소가스의 유량을 조절할 수 있다. That is, the flow rate of the mixed gas supplied into the burner can be adjusted by controlling the fuel gas supply unit 30 , and the mixture ratio of city gas and air in the fuel gas can be adjusted by controlling the city gas supply unit 31 and the air supply unit 32 . The flow rate of hydrogen gas supplied to the burner may be adjusted by controlling the anode off-gas supply unit 50 and the bypass supply unit 51 .

또한 제어부(110)는 화염감시장치(21)에서 측정되는 화염감지신호를 실시간으로 전송받을 수 있으며, 버너(100)의 화염이 꺼졌을 때, 혼합가스 공급부(30)를 통한 연료 공급을 즉시 차단시키도록 제어할 수 있다. In addition, the control unit 110 may receive the flame detection signal measured by the flame monitoring device 21 in real time, and when the flame of the burner 100 is extinguished, the fuel supply through the mixed gas supply unit 30 is immediately blocked. can be controlled to do so.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, in the apparatus and method described above, the configuration and method of the above-described embodiments are not limitedly applicable, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made to the embodiments. may be configured.

1:연료전지 시스템
2:연료처리장치
3:수장기개질반응부
4:수성가스 전이반응부
5:선택적 산화반응부
6:스택
10:본체
11:개방단
12:노즐부
13:내부공간
14:예혼합공간
20:점화장치
21:화염감시장치
30:연료가스 공급부
31:도시가스공급부
32:공기공급부
50:오프가스 공급부
51:바이패스공급부
60:분배기
70:유체분산볼
80:역화방지부재
100:수소추출기용 버너
110:제어부 1: Fuel cell system
2: Fuel processing device
3: Long-term reforming reaction unit
4: Water gas transfer reaction unit
5: Selective oxidation reaction unit
6: Stack
10: body
11: Open team
12: Nozzle part
13: inner space
14: Pre-mixed space
20: ignition device
21: Flame monitoring device
30: fuel gas supply unit
31: city gas supply department
32: air supply
50: off-gas supply unit
51: bypass supply unit
60: divider
70: fluid dispersion ball
80: backfire prevention member
100: burner for hydrogen extractor
110: control unit

Claims (7)

연료전지의 수소추출기를 가열시키기 위한 수소추출기용 버너에 있어서,
전방에 개방단을 갖고 내부 공간을 가지며, 후방 측면 일측에 연료와 공기가 혼합된 연료가스가 유입되는 연료가스공급부와, 후방 측면 타측에 연료전지 스택의 애노드오프가스가 공급되는 애노드오프가스공급부가 구비되는 본체;
상기 개방단 내부에 구비되어 화염이 분사되는 노즐부;
점화플러그의 점화봉이 상기 노즐부 전방에 돌출되도록 관통 결합되는 점화장치;
상기 내부 공간 상에 다수의 유체분산볼이 배치되어 상기 버너의 효율을 향상 시키고 화염의 치우침 현상을 해소 시키기 위해 상기 연료가스와 상기 애노드오프가스를 균일하게 혼합시키는 혼합기;
상기 버너의 내부 공간 후방에는 상기 연료가스와 상기 애노드오프가스가 유입되어 혼합되는 예혼합공간;
상기 예혼합공간과 상기 내부공간 사이에 구비되어, 상기 연료가스와 상기 애노드 오프가스를 균일하게 상기 내부공간으로 유입시키는 분배기;
상기 노즐부 후단 상기 내부 공간의 전방측에 구비되며, 금속매쉬시트가 적층된 구조로 구성되어 역화를 방지하는 역화방지기;
화염을 감시하여, 상기 버너의 화염이 꺼졌을 때, 혼합가스 공급부를 통한 연료 공급을 차단시키도록 하는 화염감시장치; 및
상기 연료전지 스택으로 수소가 공급되는 수소공급단 일측과 연결되어 상기 연료전지 스택에서 사용하지 않고 스택을 통과하지 않은 수소가스를 상기 애노드 오프가스 공급부 측으로 유입시키는 바이패스 공급부;
연료가스공급부, 애노드 오프가스 공급부, 바이패스 공급부, 점화장치를 제어하는 제어부;를 포함하고,
도시가스공급부와 공기공급부가 구비되어, 도시가스공급부에서 공급되는 도시가스와 공기공급부에서 공급되는 공기가 먼저 설정된 비율로 혼합된 연료가스가 상기 연료가스공급부를 통해 버너 내로 공급되며,
상기 제어부는,
연료가스공급부를 제어하여 버너 내로 공급되는 혼합가스의 유량을 조절하고, 상기 도시가스공급부와 상기 공기 공급부를 제어하여 연료가스 내의 도시가스와 공기의 혼합비를 조절하며, 상기 애노드 오프가스 공급부, 상기 바이패스 공급부를 제어하여 버너로 공급되는 수소가스의 유량을 조절하고, 화염감시장치에서 측정되는 화염감지신호를 실시간으로 전송받을 수 있으며, 버너의 화염이 꺼졌을 때, 연료가스 공급부를 통한 연료 공급을 즉시 차단시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수소추출기용 버너.
In the burner for a hydrogen extractor for heating the hydrogen extractor of a fuel cell,
A fuel gas supply unit having an open end at the front and having an internal space, a fuel gas mixture of fuel and air flows into one side of the rear side, and an anode-off gas supply unit through which the anode-off gas of the fuel cell stack is supplied to the other side of the rear side a body provided;
a nozzle unit provided inside the open end to spray a flame;
an ignition device through which the ignition rod of the spark plug protrudes in front of the nozzle unit;
a mixer for uniformly mixing the fuel gas and the anode-off gas in order to improve the efficiency of the burner and to eliminate the biasing phenomenon of the flame by disposing a plurality of fluid-dispersing balls on the inner space;
a pre-mixing space in which the fuel gas and the anode-off gas are introduced and mixed in the rear of the internal space of the burner;
a distributor provided between the premixing space and the inner space to uniformly introduce the fuel gas and the anode off-gas into the inner space;
a flashback preventer provided on the front side of the inner space at the rear end of the nozzle unit and configured in a structure in which a metal mesh sheet is stacked to prevent flashback;
A flame monitoring device for monitoring the flame, when the flame of the burner is turned off, to cut off the fuel supply through the mixed gas supply unit; and
a bypass supply unit connected to one side of a hydrogen supply terminal to which hydrogen is supplied to the fuel cell stack and introducing hydrogen gas that is not used in the fuel cell stack and does not pass through the stack to the anode off-gas supply side;
A fuel gas supply unit, an anode off-gas supply unit, a bypass supply unit, and a control unit for controlling the ignition device;
A city gas supply unit and an air supply unit are provided, so that the fuel gas in which the city gas supplied from the city gas supply unit and the air supplied from the air supply unit are mixed in a predetermined ratio is supplied into the burner through the fuel gas supply unit,
The control unit is
Controlling the fuel gas supply unit to adjust the flow rate of the mixed gas supplied into the burner, controlling the city gas supply unit and the air supply unit to adjust the mixing ratio of city gas and air in the fuel gas, the anode off-gas supply unit, the bi By controlling the pass supply unit, the flow rate of hydrogen gas supplied to the burner is adjusted, the flame detection signal measured by the flame monitoring device can be transmitted in real time, and when the burner flame is extinguished, fuel supply through the fuel gas supply unit A burner for a hydrogen extractor, characterized in that it is controlled to cut off immediately.
 제 1항에 있어서,
상기 연료가스공급부의 공급방향과, 상기 애노드오프가스 공급부의 공급방향이 직각인 것을 특징으로 하는 수소추출기용 버너.
The method of claim 1,
A hydrogen extractor burner, characterized in that the supply direction of the fuel gas supply unit and the supply direction of the anode off-gas supply unit are perpendicular to each other.
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