KR102476506B1 - 연소 및 열교환 조립체와, sofc 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연소 및 열교환 조립체와, 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템을 개시한다. SOFC 시스템의 연소 및 열교환 조립체는, 케이싱 및 상기 케이싱의 내부에 배치된 격벽으로서, 상기 격벽은 상기 케이싱의 내부를 연소 챔버 및 열교환 챔버로 구획하는, 상기 케이싱 및 상기 격벽; 상기 연소 챔버 내에 배치된 연소 유닛으로서, 상기 연소 유닛은, 점화기, 연소 노즐, 연료 가스 공급 파이프, 및 공기 디렉터(air director)를 포함하고, 상기 연소 노즐은 중앙 캐비티 및 상기 중앙 캐비티와 연통하는 복수의 화염 채널을 포함하고, 상기 격벽에 인접한 상기 화염 채널의 측면 상에는 화염을 투사하기 위한 복수의 관통 구멍이 배치되고, 상기 공기 디렉터는 상기 중앙 캐비티 내에 공기를 지향시키는데 사용되는, 상기 연소 유닛; 및 상기 열교환 챔버 내부에 배치된 열교환 유닛으로서, 상기 열교환 유닛은 서로 독립적인 냉각 채널 및 고온 채널을 포함하고, 상기 고온 채널과 연통하는 가스 흐름 포트는 상기 격벽 상에 배치되는, 상기 열교환 유닛을 포함한다. 상기 연소 및 열교환 조립체는 버너 및 공기 열교환기의 큰 체적의 문제를 효과적으로 해결할 수 있어, 차량 내의 장치에 전도성이 없다.

Description

연소 및 열교환 조립체와, SOFC 시스템
본 발명은 연료 전지의 기술 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게 연소 및 열교환 조립체 및 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell: SOFC) 시스템에 관한 것이다.
SOFC(solid oxide fuel cell) 시스템은 고체 산화물을 전해질로 사용하고 고온에서 작업하는 연료 전지이다. SOFC 시스템은 버너 및 공기 열교환기를 포함한다. 버너는 연소 및 배기를 위한 구성요소이며, 공기 열교환기는 주로 버너의 배기를 이용하여 흡입 공기를 가열한다.
공지된 기술에서, 버너는 파이프라인을 통해 공기 열교환기에 연결된다. 이러한 방식으로 배치된 버너 및 공기 열교환기는 큰 체적을 갖는다. 큰 체적 및 중량은 차량에 SOFC 시스템을 배치하는데 도움이 되지 않는다.
본 발명의 제1 목적은 버너 및 공기 열교환기의 큰 체적의 문제를 효과적으로 해결하여 차량 내의 장치에 전도성이 없도록 설계된 구조를 갖는 연소 및 열교환 조립체를 제공하는 것이다. 본 발명의 제2 목적은 전술한 연소 및 열교환 조립체를 포함하는 SOFC 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 관점은 SOFC 시스템의 연소 및 열교환 조립체에 있어서,
케이싱 및 상기 케이싱의 내부에 배치된 격벽으로서, 상기 격벽은 상기 케이싱의 내부를 연소 챔버 및 열교환 챔버로 구획하는, 상기 케이싱 및 상기 격벽;
상기 연소 챔버 내에 배치된 연소 유닛으로서, 상기 연소 유닛은, 점화기, 연소 노즐, 연료 가스 공급 파이프, 및 공기 디렉터(air director)를 포함하고, 상기 연소 노즐은 중앙 캐비티 및 상기 중앙 캐비티와 연통하는 복수의 화염 채널을 포함하고, 상기 격벽에 인접한 상기 화염 채널의 측면 상에는 화염을 투사하기 위한 복수의 관통 구멍이 배치되고, 상기 공기 디렉터는 상기 중앙 캐비티 내에 공기를 지향시키는데 사용되는, 상기 연소 유닛; 및
상기 열교환 챔버 내부에 배치된 열교환 유닛으로서, 상기 열교환 유닛은 서로 독립적인 냉각 채널 및 고온 채널을 포함하고, 상기 고온 채널과 연통하는 가스 흐름 포트는 상기 격벽 상에 배치되는, 상기 열교환 유닛
을 포함하는 연소 및 열교환 조립체를 제공한다.
상기 연소 유닛은 상기 연소 노즐의 상부에 배치된 화염 모니터(flame monitor)를 더 포함할 수 있다.
상기 연소 유닛은 상기 격벽에 인접한 상기 연소 노즐의 측면에 배치된 화염 홀더(flame holder)를 더 포함할 수 있다.
상기 화염 홀더의 단면은 연속적인 W의 형상일 수 있고, 이 경우 상기 화염 홀더는 복수의 W-형상의 채널을 구비하고, 상기 격벽으로부터 더 먼 상기 화염 홀더의 단부면은 복수의 입구를 구비하고, 상기 격벽에 인접한 상기 화염 홀더의 단부면은 복수의 출구를 구비한다.
상기 연소 유닛은 상기 격벽에 인접한 상기 연소 노즐의 측면 상에 배치된 촉매 버너를 더 포함하고, 상기 촉매 버너는 다공성 플레이트 구조를 가지며, 상기 다공성 플레이트 구조체는 촉매로 코팅된다.
상기 연소 및 열교환 조립체는 제1 출구 및 제2 출구를 포함하는 공기 분로(air shunt)를 더 포함할 수 있고, 이 경우 상기 연소 및 열교환 조립체는 상기 연소 챔버 내에 배치된 격리 후드를 더 포함하고, 상기 격리 후드는 상기 점화기, 상기 공기 디렉터 및 상기 연소 노즐 위를 덮고, 상기 공기 분로의 제1 출구는 상기 격리 후드의 내부 및 상기 공기 디렉터와 연통하고, 상기 공기 디렉터의 제2 출구는 상기 격리 후드의 외부와 연통하고, 상기 격리 후드로부터 배출된 연소 테일 가스(combustion tail gas)는 상기 격리 후드 외부의 공기와 혼합된 후에 상기 고온 채널에 진입한다.
상기 연료 가스 공급 파이프는 수렴 섹션(convergence section) 및 서브-공급 섹션(sub-supply section)을 포함할 수 있고, 상기 서브-공급 섹션은 평행하게 배치된 제1 파이프 및 제2 파이프를 포함한다.
상기 열교환 유닛은 복수의 열교환 핀을 포함할 수 있다.
상기 화염 채널은 환형 채널 및 복수의 반경방향 채널을 구비할 수 있고, 상기 반경방향 채널의 각각의 일단부는 상기 중앙 캐비티와 연통하고, 다른 단부는 상기 환형 채널과 연통한다.
본 발명의 제2 관점은 연소 및 열교환 조립체를 포함하는 SOFC 시스템을 제공한다.
본 발명에 의해 제공되는 SOFC 시스템의 연소 및 열교환 조립체는 케이싱, 격벽, 연소 유닛 및 열교환 유닛을 포함한다. 상기 격벽은 상기 케이싱의 내부에 배치되고, 상기 케이싱의 내부를 연소 챔버 및 열교환 챔버로 구획한다.
상기 연소 유닛은 상기 연소 챔버 내부에 배치되고, 점화기, 연소 노즐, 연료 가스 공급 파이프, 및 공기 디렉터를 포함한다. 상기 점화기는 연료 가스를 점화하기 위해 사용된다. 상기 연소 노즐은 중앙 캐비티 및 상기 중앙 캐비티와 연통하는 복수의 화염 채널을 포함하고, 화염을 투사하기 위한 복수의 관통 구멍은 상기 격벽에 인접한 상기 화염 채널의 측면에 배치된다. 연료 가스는 상기 중앙 캐비티 내의 공기와 혼합되어 상기 중앙 캐비티에서 점화된다. 상기 공기 디렉터는 공기를 상기 중앙 캐비티 내로 지향시키기 위해 사용된다. 상기 연료 가스 공급 파이프는 상기 중앙 캐비티 내로 연료 가스를 공급하기 위해 사용된다.
상기 열교환 유닛은 상기 열교환 챔버의 내부에 배치되며, 서로 독립적인 냉각 채널(cold channel) 및 고온 채널(hot channel)을 포함한다. 상기 고온 채널과 연통하는 가스 유동 포트는 상기 격벽 상에 배치된다. 즉, 상기 연소 챔버 내부의 테일 가스는 가스 흐름 포트를 통해 상기 고온 채널에 진입할 수 있다.
전술한 실시예에 의해 제공된 연소 및 열교환 조립체가 적용되는 경우, 상기 공기 디렉터는 상기 중앙 캐비티 내로 공기를 지향시키기 위해 사용되며, 상기 연료 가스 공급 파이프는 상기 중앙 캐비티에 연료 가스를 공급하고, 상기 점화기는 상기 중앙 캐비티 내의 연료 가스를 점화시키고, 점화된 연료 가스는 복수의 화염 채널에 들어가고, 그 다음 상기 연소 노즐 상의 관통 구멍으로부터 분출된다. 상기 연소 챔버 내부의 테일 가스는 상기 가스 흐름 포트를 통해 상기 고온 채널로 들어간다. 상기 고온 채널 내부의 연소 테일 가스는 상기 냉각 채널 내부의 유체와 열교환하여 상기 냉각 채널 내부의 유체의 온도를 상승시키고 열교환 목적을 달성한다. 특히, 상기 냉각 채널 내부의 유체는 고체 연료 전지 스택으로 들어가는 신선한 공기일 수 있다. 즉, 상기 스택으로 들어가기 전에, 공기는 상기 냉각 채널 내에서 가열된다. 상기 연소 챔버로 들어가는 공기는 연료 전지 반응 후에 남은 공기일 수 있고, 즉 상기 연소 챔버로 들어가는 공기는 상기 스택으로부터 배출되는 가스일 수 있다.
본 발명은 SOFC 시스템을 더 포함한다. 상기 SOFC 시스템은 전술한 연소 및 열교환 조립체 중 임의의 것을 포함한다. 연소 및 열교환 조립체가 기술적 효과를 갖는 경우, 연소 및 열교환 조립체 중 임의의 것을 포함하는 SOFC 시스템은 또한 대응하는 기술적 효과를 가질 것이다.
하기의 설명에서의 도면은 본 발명의 일부 실시예를 도시한다.
도 1은 연소 및 열교환 조립체의 구조적 개략도이다.
도 2는 연소 및 열교환 조립체의 다른 구조적 개략도이다.
도 3은 연소 및 열교환 조립체의 가스 흐름도이다.
도 4는 연소 및 열교환 조립체의 다른 가스 흐름도이다.
도 5는 공기 분로(air shunt)의 구조적 개략도이다.
도 6은 연소 노즐의 구조적 개략도이다.
도 7은 촉매 버너의 구조적 개략도이다.
도 8은 열교환 유닛의 구조적 개략도이다.
본 발명의 제1 목적은 버너 및 공기 열교환기의 큰 체적의 문제를 효과적으로 해결하여 차량 내의 장치에 전도성이 없도록 설계된 구조를 갖는 연소 및 열교환 조립체를 제공하는 것이다. 본 발명의 제2 목적은 전술한 연소 및 열교환 조립체를 포함하는 SOFC 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들은 도면과 관련하여 후술될 것이다. 설명된 실시예들은 본 발명 단지 일부이고, 본 발명의 실시예들 모두가 아니다.
본 발명의 설명에서, "위에", "상에", "아래에", "하의", "앞의", "후방의", "좌측의" 및 "우측의"와 같은 방향 또는 위치 관계를 나타내는 용어들은 도면들에 도시된 방향 또는 위치 관계들에 기초한다. 이들은 본 발명의 설명을 용이하게 하고 단순화하기 위한 것이며, 당해의 장치 또는 요소가 특정 방향을 소유하고 특정 방향으로 구성 및 동작되어야 한다는 것을 표시하거나 의미하지 않으며, 따라서 이러한 해결책에 한정되지 않는다. 또한, 용어 "제1" 및 "제2"는 단지 설명을 위한 것이며, 설명된 기술적 특징들의 양을 암시적으로 표시하거나 암시적으로 표시하지 않는다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 SOFC 시스템의 연소 및 열교환 조립체는 케이싱(1), 격벽(12), 연소 유닛, 및 열교환 유닛(2)을 포함한다. 격벽(12)은 케이싱(1)의 내부에 배치되고, 케이싱(1)의 내부를 연소 챔버 및 열교환 챔버로 구획한다.
연소 유닛은 연소 챔버 내에 배치되고, 점화기(5), 연소 노즐(10), 연료 가스 공급 파이프, 및 공기 디렉터를 포함한다. 점화기(5)는 연료 가스를 점화하기 위해 사용된다. 연소 노즐(10)은 중앙 캐비티와, 상기 중앙 캐비티와 연통하는 복수의 화염 채널과, 상기 격벽(12)에 인접한 화염 채널의 측면 상에 화염을 투사하기 위한 복수의 관통 구멍을 포함한다. 연료 가스는 중앙 캐비티 내의 공기와 혼합되어 중앙 캐비티에서 점화된다. 공기 디렉터는 공기를 중앙 캐비티 내로 지향시키기 위해 사용된다. 연료 가스 공급 파이프는 중앙 캐비티 내로 연료 가스를 공급하기 위해 사용된다.
열교환 유닛(2)은 열교환 챔버 내부에 배치되며, 서로 독립된 냉각 채널 및 고온 채널을 포함한다. 고온 채널과 연통하는 가스 흐름 포트는 격벽(12) 상에 배치된다. 즉, 연소 챔버 내의 테일 가스는 가스 흐름 포트를 통해 고온 채널에 진입할 수 있다.
전술한 실시예에 의해 제공된 연소 및 열교환 조립체가 적용되는 경우, 공기 디렉터는 중앙 캐비티 내로 공기를 지향시키기 위해 사용되며, 연료 가스 공급 파이프는 중앙 캐비티에 연료 가스를 공급하고, 점화기(5)는 중앙 캐비티 내의 연료 가스를 점화시키고, 점화된 연료 가스는 복수의 화염 채널에 들어가고, 그 다음 연소 노즐(10) 상의 관통 구멍으로부터 돌출된다. 연소 챔버 내부의 테일 가스는 가스 흐름 포트를 통해 고온 채널로 들어간다. 고온 채널 내부의 연소 테일 가스는 냉각 채널 내부의 유체와 열교환하여 냉각 채널 내부의 유체의 온도를 상승시키고 열교환 목적을 달성한다. 특히, 냉각 채널 내부의 유체는 고체 연료 전지 스택으로 들어가는 신선한 공기일 수 있다. 즉, 스택으로 들어가기 전에, 공기는 냉각 채널 내부에서 가열된다. 연소 챔버로 들어가는 공기는 연료 전지 반응 후에 남은 공기일 수 있고, 즉 연소 챔버로 들어가는 공기가 스택으로부터 배출되는 가스일 수 있다. 공기 디렉터는 스택 공기 출구(8)와 연통될 수 있다.
본 발명에 의해 제공되는 연소 및 열교환 조립체에서, 연소 유닛 및 열교환 유닛(2)은 케이싱(1) 내부에 통합되어 SOFC 시스템의 체적을 상당히 감소시키고 차량 내의 SOFC 시스템의 사용을 용이하게 한다. 또한, 연소 챔버 내의 화염은 연소 노즐(10) 상의 복수의 관통 구멍으로부터 돌출되어, 얇고 짧은 안정된 화염을 형성하며, 이는 종래 기술에서의 큰 화염에 비해 화염의 길이를 상당히 감소시켜서, 연소 챔버 부분의 전체 길이 및 SOFC 시스템의 체적을 상당히 감소시킨다.
일 실시예에서, 연소 유닛은 연소 챔버 내부의 화염의 강도를 적시에 검출하기 위해 연소 노즐(10)의 상부에 배치된 화염 모니터를 더 포함한다.
추가로, 화염 안정성을 더욱 보장하기 위해, 연소 유닛은 격벽(12)에 인접한 연소 노즐(10)의 측면 상에 배치된 화염 홀더(11)를 더 포함한다.
구체적으로, 화염 홀더(11)의 단면은 연속적인 W의 형상을 가지며, 화염 홀더(11)는 복수의 W-형상의 채널을 구비하며, 격벽(12)으로부터 먼 화염 홀더(11)의 단부면은 복수의 입구를 구비하고, 격벽(12)에 인접한 화염 홀더(11)의 단부면은 복수의 출구를 구비한다. 화염이 화염 홀더(11)와 만날 때, 화염은 화염 홀더(11)의 입구를 통해 W-형상의 채널로 들어가고, 그 다음 화염 홀더(11)의 출구로부터 배출된다. 작동 조건이 변경될 때, 화염 기류의 높이는 그에 따라 변경될 것이다. 이러한 W-형상의 화염 홀더(11)는 다양한 길이의 화염에 적응할 수 있다. 또한, 화염 홀더(11)의 내부에 화염 기류가 흐를 때, 연료 가스는 연속적으로 연소되어 충분한 연소를 달성할 수 있다.
여기서, 열교환 챔버는 연소 챔버의 상측에 위치할 수 있다. 이 경우, 화염 기류는 하측방향으로 흐르고 화염 홀더(11)와 만나고, 연소 챔버의 테일 가스는 또한 자동으로 열교환 챔버에 들어갈 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 연소 유닛은 격벽(12)에 인접한 연소 노즐(10)의 측면에 배치된 촉매 버너(3)를 더 포함하며, 촉매 버너(3)는 다공성 플레이트 구조를 가지며, 다공성 플레이트 구조는 촉매로 코팅된다. 이러한 설정을 통해, 연소 후의 연도 가스(flue gas)는 촉매 버너(3)에서 촉매 연소를 일으켜 미연소된 연료가 더 반응하도록 한다. 촉매 버너(3)는 화염 홀더(11)의 상측에 위치할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서, 연소 및 열교환 조립체는 공기 분로(9) 및 격리 후드(4)를 더 포함할 수 있다. 공기 분로(9)는 제1 출구(9a) 및 제2 출구(9b)를 포함한다. 격리 후드(4)는 연소 챔버 내에 배치되고 점화기(5), 공기 디렉터 및 연소 노즐(10) 위를 덮고, 공기 분로(9)의 제1 출구(9a)는 격리 후드(4)의 내부와 연통하고, 공기 분로(9)의 제1 출구(9a)는 공기 디렉터와 연통하고, 공기 분로(9)의 제2 출구(9b)는 격리 후드(4)의 외부와 연통하고, 격리 후드(4)로부터 배출된 연소 테일 가스는 격리 후드(4) 외부의 공기와 혼합된 후에 고온 채널로 진입한다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 백색 화살표는 공기 또는 스택 공기의 유동 방향을 나타내고, 흑색 화살표는 화염 공기의 흐름 방향을 나타낸다. 격리 후드(4)의 내부에는 내부 덕트가 형성되고, 격리 후드(4)의 외측에 외부 덕트가 형성되고, 공기 분로(9)를 통해 유입되는 공기 또는 스택 공기의 일부는 제1 출구(9a)를 통해 공기 디렉터로 유입되어 연소 노즐(10)의 중앙 캐비티에 유입되어 연소된다. 공기 분로(9)를 통해 유입되는 공기 또는 스택 공기의 다른 부분은 제2 출구(9b)를 통해 격리 후드(4)의 외측으로 들어가고, 외부 덕트를 통해 흐른다. 결국, 격리 후드(4)의 외부에 위치하고 외부 덕트를 통해 흐르는 공기는 연소로부터 발생된 테일 가스와 혼합된 다음, 고온 채널로 유입된다. 이러한 설정은 고온 채널에 들어가는 가스의 온도가 너무 높아지는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 연료 가스 공급 파이프는 수렴 섹션 및 서브-공급 섹션을 포함하고, 서브-공급 섹션은 평행하게 배치된 제1 파이프(6) 및 제2 파이프(7)를 포함한다. 제1 파이프(6)의 출구 및 제2 파이프(7)의 출구는 수렴 섹션의 입구와 연통하고, 수렴 섹션의 출구는 중앙 캐비티의 내부를 향한다. 제1 파이프(6)는 니트로글리세린(NG)을 운반하기 위해 사용될 수 있고, 제2 파이프(7)는 양극배출가스(anode off gas: AOG)를 운반하기 위해 사용될 수 있다. 연소 초기 스테이지에서, NG만이 연소될 수 있고, 그 다음 AOG가 점차적으로 첨가되고, NG는 AOG로 점차적으로 대체된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 열교환 유닛(2)은 복수의 열교환 핀(2a)을 포함한다. 브레이징 연결(brazed connection)은 열교환 핀(2a)들 사이에 채용된다. 서로 직교하는 고온 채널 및 냉각 채널은 열교환 유닛(2)의 전면 및 배면 모두에 배치된다. 물론, 열교환 유닛(2)의 구조는 테스트 결과에 따라 설계 및 개선될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 환형 채널(10a)은 원형 채널이고, 화염 채널은 환형 채널(10a) 및 복수의 반경방향 채널(10b)을 포함하고, 각각의 반경방향 채널(10b)의 일단부는 중앙 캐비티와 연통하고, 다른 단부는 환형 채널(10a)과 연통한다. 연소 노즐(10)은 전체로서 디스크 구조를 가지며, 연료 가스는 중간 캐비티로부터 중앙 캐비티에 들어가고, 연료 가스 및 공기는 중앙 캐비티에서 혼합되고, 그 다음 반경방향 채널을 통해 환형 채널(10a)을 균일하게 충전한다. 환형 채널(10a)은 또한 정사각형 또는 다른 형상일 수 있다. 관통 구멍들 간의 간격은 실제 필요에 따라 설정될 수 있다.
전술한 실시예에 의해 제공된 연소 및 열교환 조립체에 기초하여, 본 발명은 전술한 실시예에서 연소 및 열교환 조립체 중 어느 하나를 포함하는 SOFC 시스템을 추가로 제공한다. SOFC 시스템은 전술한 실시예에서 연소 및 열교환 조립체를 채택하기 때문에, SOFC 시스템의 유익한 효과는 이들 실시예에서 알 수 있다.
본 명세서의 실시예들은 모두 점진적인 방식으로 설명되고, 각각의 실시예는 다른 실시예들로부터의 차이들에 초점을 맞추고, 실시예들 중 동일하거나 유사한 부분들이 상호 지칭될 수 있다.
이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들이 명백해질 것이다. 본 명세서에 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예에서 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 제공된 실시예에 한정되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위에 따른다.
여기서, "일 실시예", "예", "특정 예" 등에 관한 설명은 실시예 또는 예와 조합하여 설명된 특정한 특징, 구조, 재료 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예 또는 예에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서에서의 상기한 용어의 개략적인 표현은 반드시 동일한 실시예 또는 예를 언급하는 것은 아니다. 또한, 설명된 특정한 특징, 구조, 재료 또는 특성은 임의의 하나 또는 다수의 실시예들 또는 예들에서 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
하기의 참조부호는 도 1 내지 도 8에 사용된다:
1: 케이싱
2: 열교환 유닛
2a: 열교환 핀
3: 촉매 버너
4: 격리 후드
5: 점화기
6: 제1 파이프
7: 제2 파이프,
8: 스택 공기 출구
9: 공기 분로
9a: 제1 출구
9b: 제2 출구
10: 연소 노즐
lOa: 환형 채널
lOb: 반경방향 채널
11: 화염 홀더
12: 격벽

Claims (10)

  1. 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell: SOFC) 시스템의 연소 및 열교환 조립체에 있어서,
    케이싱(1) 및 상기 케이싱(1)의 내부에 배치된 격벽(12)으로서, 상기 격벽(12)은 상기 케이싱(1)의 내부를 연소 챔버 및 열교환 챔버로 구획하는, 상기 케이싱(1) 및 상기 격벽(12);
    상기 연소 챔버 내에 배치된 연소 유닛으로서, 상기 연소 유닛은,
    점화기(5),
    연소 노즐(10),
    연료 가스 공급 파이프, 및
    공기 디렉터(air director)를 포함하고,
    상기 연소 노즐(10)은 중앙 캐비티 및 상기 중앙 캐비티와 연통하는 복수의 화염 채널을 포함하고,
    상기 격벽(12)에 인접한 상기 화염 채널의 측면 상에는 화염을 투사하기 위한 복수의 관통 구멍이 배치되고,
    상기 공기 디렉터는 상기 중앙 캐비티 내에 공기를 지향시키는데 사용되는, 상기 연소 유닛; 및
    상기 열교환 챔버 내부에 배치된 열교환 유닛(2)으로서, 상기 열교환 유닛(2)은 서로 독립적인 냉각 채널 및 고온 채널을 포함하고, 상기 고온 채널과 연통하는 가스 흐름 포트는 상기 격벽(12) 상에 배치되는, 상기 열교환 유닛(2)
    을 포함하는,
    연소 및 열교환 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소 노즐(10)의 상부에 배치된 화염 모니터(flame monitor)를 더 포함하는,
    연소 및 열교환 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 격벽(12)에 인접한 상기 연소 노즐(10)의 측면에 배치된 화염 홀더(11)를 더 포함하는,
    연소 및 열교환 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 화염 홀더(11)의 단면은 연속적인 W의 형상이고,
    상기 화염 홀더(11)는 복수의 W-형상의 채널을 구비하고,
    상기 격벽(12)으로부터 더 먼 상기 화염 홀더(11)의 단부면은 복수의 입구를 구비하고,
    상기 격벽(12)에 인접한 상기 화염 홀더(11)의 단부면은 복수의 출구를 구비하는,
    연소 및 열교환 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 격벽(12)에 인접한 상기 연소 노즐(10)의 측면 상에 배치된 촉매 버너(3)를 더 포함하고, 상기 촉매 버너(3)는 다공성 플레이트 구조체를 가지며, 상기 다공성 플레이트 구조체는 촉매로 코팅되는,
    연소 및 열교환 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연소 및 열교환 조립체는,
    제1 출구(9a) 및 제2 출구(9b)를 포함하는 공기 분로(air shunt)(9); 및
    상기 연소 챔버 내에 배치된 격리 후드(4)
    를 더 포함하고,
    상기 격리 후드(4)는 상기 점화기(5), 상기 공기 디렉터 및 상기 연소 노즐(10) 위를 덮고,
    상기 공기 분로(9)의 제1 출구(9a)는 상기 격리 후드(4)의 내부 및 상기 공기 디렉터와 연통하는,
    상기 공기 디렉터의 제2 출구(9b)는 상기 격리 후드(4)의 외부와 연통하고,
    상기 격리 후드(4)로부터 배출된 연소 테일 가스(combustion tail gas)는 상기 격리 후드(4) 외부의 공기와 혼합된 후에 상기 고온 채널에 진입하도록 지향되는,
    연소 및 열교환 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료 가스 공급 파이프는 수렴 섹션(convergence section) 및 서브-공급 섹션(sub-supply section)을 포함하고, 상기 서브-공급 섹션은 평행하게 배치된 제1 파이프(6) 및 제2 파이프(7)를 포함하는,
    연소 및 열교환 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열교환 유닛(2)은 복수의 열교환 핀(2a)을 포함하는,
    연소 및 열교환 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 화염 채널은 환형 채널(10a) 및 복수의 반경방향 채널(10b)을 포함하고, 상기 반경방향 채널(10b)의 각각의 일단부는 상기 중앙 캐비티와 연통하고, 다른 단부는 상기 환형 채널(10a)과 연통하는,
    연소 및 열교환 조립체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 연소 및 열교환 조립체를 포함하는 SOFC 시스템.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114151804B (zh) * 2020-09-08 2023-12-01 国家能源投资集团有限责任公司 发电系统的尾气处理燃烧器

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140065500A1 (en) 2012-08-31 2014-03-06 Institute of Nuclear Energy Research, Atomic Energy Council, Executive Yuan, R.O.C. Integrated Design of Burner, Reformer and Heat Exchangers for the Solid Oxide Fuel Cell

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT406808B (de) * 1997-11-18 2000-09-25 Vaillant Gmbh Kraft-wärme-kopplungsanlage mit brennstoffzellen
US20030188735A1 (en) * 2002-04-08 2003-10-09 Wei Yang Outdoor patio gas fireplace
JP4945901B2 (ja) 2005-01-07 2012-06-06 株式会社日立製作所 燃料電池発電システムの運転方法
JP4320011B2 (ja) 2005-12-08 2009-08-26 本田技研工業株式会社 触媒燃焼器
JP4899521B2 (ja) 2006-02-17 2012-03-21 独立行政法人産業技術総合研究所 燃料電池システム
JP5416347B2 (ja) 2007-10-12 2014-02-12 株式会社日立製作所 固体酸化物形燃料電池発電システムおよびその起動方法
JP5244008B2 (ja) 2009-03-26 2013-07-24 株式会社日立製作所 固体酸化物形燃料電池昇温用バーナ及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池発電システム
US9125516B2 (en) * 2012-09-14 2015-09-08 Hearth Products Controls Co. Fire pit burner
JP6495062B2 (ja) 2015-03-20 2019-04-03 国立大学法人東北大学 医療用能動クリップ
US20180138526A1 (en) * 2015-04-28 2018-05-17 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
JP6785441B2 (ja) * 2016-02-16 2020-11-18 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 高温動作型燃料電池モジュール

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140065500A1 (en) 2012-08-31 2014-03-06 Institute of Nuclear Energy Research, Atomic Energy Council, Executive Yuan, R.O.C. Integrated Design of Burner, Reformer and Heat Exchangers for the Solid Oxide Fuel Cell

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