KR102517418B1 - 연료전지 개질 시스템용 버너 - Google Patents

연료전지 개질 시스템용 버너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 개질 시스템용 버너에 관한 것이다. 본 발명의 일측면에 따르면 중심홀이 형성되고, 내부에 원주 방향으로 확산부가 형성되며, 상기 확산부에 외측 방향으로 복수 개의 발산부가 연장 형성되는 복수 개의 적층 가능한 하우징 및 상기 중심홀을 통과하여 각각의 상기 확산부에 연결되어, 유체를 상기 확산부로 유도하는 다수의 유체관을 포함할 수 있다.

Description

연료전지 개질 시스템용 버너{A burner of fuel cell reforming system}
본 발명은 연료전지 시스템용 버너에 관한 것으로, 수소 연료를 사용함으로써 화염이 방사가 조절이 용이한 연료전지 시스템용 버너에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 전기화학 반응에 의해 열과 전기를 생성하는 에너지 전환 장치로서, 수소와 공기를 시스템으로 공급하고 바로 전기를 생성하기 때문에 기존의 발전 시스템에서 제기되던 오염 문제를 해결할 수 있는 유망한 기술이다.
특히, SOFC 또는 MCFC로 대표되는 고온에서 작동하는 고온 발전용 연료전지(high temperature stationary fuel cell)는 고온으로 배출되는 미반응 배가스(off-gas)가 가지고 있는 에너지를 효과적으로 사용할 수 있으므로 기존의 복합발전에 상응하는 효율을 가지고 있으며, 향후 분산형 발전(distributed generation)을 주도할 에너지 활용도가 우수한 기술로 알려져 있다.
한편, 고온 발전용 연료전지 시스템은 연료전지 스택(stack)과 더불어 개질기, 촉매연소기, 열교환기, 전기 변환기 등의 주변장치(balance of plant, BOP)를 포함하고 있으므로 시스템을 개발하기 위하여 단위전지(single cell)와 스택에 대한 기술 개발과 더불어 이에 최적화된 주변장치의 개발을 병행하여야 한다.
그러나 범용 BOP의 경우 고온형 연료전지 시스템의 효율의 최적화와 운전 내구성 확보에 어려움이 있는 것으로 알려져 있다..
최근에는, 극복하고자 촉매연소 방식을 이용하고 고온 연료전지 스택의 미반응 가스를 좀 더 효과적으로 이용하고자 하는 연구가 선진 연구기관 및 업체를 중심으로 진행되고 있지만 실제 개발되어 적용되고 있는 케이스는 없다. 촉매연소 방식은 대기오염 물질의 저감화, 장치의 소형화 그리고 미반응 가스의 효과적인 연소 등에서 장점이 있지만 안정적인 촉매연소를 위한 제어가 쉽지 않다는 단점도 가지고 있다. 또한, 연소촉매의 종류 및 예열온도, 공간속도 등을 결정하는 것이 안정적인 연소기 설계 및 효율의 극대화에 있어 매우 중요하지만 아직 시스템에 적용하여 사용하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 수소를 연료로 연소시키게 되면 수소가 가지는 유속이 도시가스 등의 다른 연료보다 선속도가 빠를 수 있어, 수로를 통해 방사되는 화염이 외부로 배출되는 등의 화염을 조절하기 어려운 문제점이 있다.
이에 대한민국 등록특허 10-0818592호는 하나의 장치 내에서 촉매발열반응을 발생하여 직접 열을 이용하거나 최단거리에서 열을 공급할 수 있어 열효율을 향상시킬 수 있으나, 수소의 선속도를 조절하고 수소의 유량을 조절하기 어려운 문제점이 있다,
또한, 대한민국 등록특허 10-0834789호는 매트 형태의 연소촉매를 사용하고 연소용 공기를 예혼합 형태로 보내는 촉매연소 버너에서 촉매 내부에 열회수 장치를 설치하여 촉매 층의 온도를 일정하게 유지할 수 있으나, 화염 생성에 필요한 연료일 수 있는 수소의 유량을 조절이 어려운 문제점이 있다.
상기와 같은 기술적 배경을 바탕으로 안출된 것으로, 본 발명은 발산 방향으로 빠른 선속도를 가지고 상승할 수 있는 수소 연료를 분할하여 공급함으로써, 수소의 공급량의 조절이 간편하고, 화염이 생성된 이후 일부에만 수소를 공급하여 수소 연료의 효율을 향상시킬 수 있으며, 수소가 외부로 발산될 때 일정하게 공급할 수 있어, 수소 연료를 효과적으로 사용할 수 있는 연료전지 개질 시스템용 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 중심홀이 형성되고, 내부에 원주 방향으로 확산부가 형성되며, 상기 확산부에 외측 방향으로 복수 개의 발산부가 연장 형성되는 복수 개의 적층 가능한 하우징 및 상기 중심홀을 통과하여 각각의 상기 확산부에 연결되어, 유체를 상기 확산부로 유도하는 다수의 유체관을 포함할 수 있다.
또한, 상기 하우징이 서로 일정 간격을 가지고 적층되도록 상기 하우징 사이에 설치되어 상기 유체관에서 발산되는 상기 유체 간에 간섭을 최소화하는 간격유지부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 유체관은, 적층된 상기 하우징의 상부에 위치하는 상부하우징에 연결되는 상부관, 적층된 상기 하우징의 하부에 위치하는 하부하우징에 연결되고, 상기 상부관보다 길이가 짧게 형성되는 하부관 및 상기 상부관과 상기 하부관 사이에 위치하여 상기 상부하우징과 상기 하부하우징 사이에 적층되는 중부하우징 연결되는 중부관을 포함할 수 있다.
또한, 상기 유체관은, 복수 개의 상기 하우징의 적층 방향으로 연장되어 외부에서 상기 유체를 유입시키는 관체, 상기 관체의 단부에 형성되어 상기 하우징을 향하는 방향으로 절곡된 절곡부 및 상기 절곡부의 단부에 연결되고, 상단부가 하단부보다 상기 하우징의 내측으로 갈수록 돌출되는 연장부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연장부의 단부에 연장되어 상기 하우징 내측에서 일정 방향으로 기울어지도록 연장되어 상기 확산부와 연결되는 경사부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 하우징은, 내측면에 상기 확산부의 외측면에 연장되고, 상기 경사부가 기울어진 방향과 반대되는 방향으로 소정의 각도를 가지며 상기 발산부가 연장 형성될 수 있다.
또한, 상기 유체가 외측 방향으로 발산이 일정하도록 상기 유체관은 상기 확산부보다 직경이 크게 형성되고, 상기 확산부는 상기 발산부보다 직경이 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너는 서로 다른 길이를 갖는 복수 개의 유체관을 통해, 연료의 공급을 분할하고, 연료가 분산되는 위치를 서로 다르게 하여 발산되는 연료의 양을 최소화할 수 있어, 연료 효율을 극대화시킴과 동시에 화력을 일정하게 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너는, 서로 다른 길이를 갖는 유체관이 복수 개로 적층되는 하우징에 각각 배치됨으로써, 유량 조절이 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너는, 유체관으로 유입되는 연료일 수 있는 유체가 외부로 배출될 때, 유체관과 하우징이 연결된 부분이 일정 방향으로 기울어지도록 설치되어, 하우징이 확산부로 균일하게 확산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너는, 발산부가 유체관이 기울어진 방향과 반대되는 방향으로 기울어지게 형성됨으로써, 복수개로 형성된 발산부 각각에서 연료가 외부로 배출될 ‹š, 균일하게 발산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너는, 유체관의 직경이 확산부의 직경보다 크게 형성되고, 확산부의 직경이 발산부의 직경보다 크게 형성되어 확산부를 통해 확산되는 유체의 유량이 외부로 배출되는 발산부의 유체의 유량보다 크게 형성될 수 있어 연료가 균일하게 발산될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너의 상부에서 바라본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너의 중부하우징 내부에 형성된 구성을 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시 예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너의 사시도이다.
연료전지 개질시스템의 촉매 반응에 필요한 고온의 환경 조성을 위해 높은 열에너지를 필요로 할 수 있다.
본 발명의 일 일실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너(1)에 연료로 사용되는 유체는 수소일 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 또한, 연료전기 개질 시스템용 버너(1)는 연료전지 개질 반응기에 설치되어 연료를 개질에 필요한 높은 온도를 제공 할 수 있다. 또한, 연료전지 개질 시스템용 버너(1)의 상측에 버너(1)와 이격되어 점화부(미도시)가 설치될 수 있어 상승하는 유체를 연료로 화염이 발생될 수 있다.
이때, 연료개질 반응기를 통해 생산되는 수소는 자동차 등에 사용되는 원료로 사용될 수 있다. 또한, 순도 높은 수소를 생산하면서 연료전지를 통해 전기에너지를 생산할 수 있어, 생산된 전기에너지는 전기 자동차나 전자기기 등에 사용될 수 있다.
또한, 연료개질 반응기는 연료전지의 미반응된 수소와 순수소 제조시 버려지는 다른 화학 성분이 첨가되는 수소를 다시 버너의 연료로 공급하여 연료개질 반응기에 필요한 열에너지를 공급 할 수 있으며, 개질 반응을 통해 순도가 높게 생상된 수소도 다시 연료로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너(1)는 수소를 사용할 수 있다. 이때, 수소는 일반적으로 사용될 수 있는 탄소가 포함되어 있는 도시가스보다 선속도가 빠를 수 있어, 수소인 연료를 주입할 때, 선속도에 비례하여 화염이 방사됨으로써, 화염이 외부로 배출되거나 열이 손실되고, 과도한 양의 수소가 사용될 수 있다.
연료전지 개질 시스템용 버너(1)에 사용되는 수소 등으로 이루어진 유체를 연료로 사용하면서, 과도한 선속도에 의해 수소를 연료로 발생되는 화염이 이탈을 방지할 수 있고, 열을 손실되는 것을 방지할 수 있으며, 열효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 연료전지 개질 시스템용 버너(1)는 높은 열의 온도는 최저 200도에서 최고 1000도 이상까지 올라갈 수 있다. 또한, 연료전지 개질 시스템용 버너(1)는 높은 온도의 열을 생성할 수 있고, 연료의 사용 효율을 극대화함으로써, 개질기의 촉매 반응에 필요한 버너의 연료 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너(1)는 연료로 사용되는 유체의 유량을 조절하고, 연료의 사용 효율을 증가시킬 수 있도록, 하우징(100), 유체관(300), 확산부(500) 및 발산부(700)를 포함할 수 있다.
하우징(100)은 링형 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 하우징(100)은 중심부에 중심홀(101)이 형성될 수 있다. 또한, 중심홀(101)에는 유체관(300)이 삽입될 수 있어, 하우징(100)으로 유체를 유입시킬 수 있다. 이때, 하우징(100) 내부로 인입되는 유체는 수소일 수 있다.
또한, 하우징(100)은 내측에 내벽(110a, 130a, 150a)이 형성될 수 있고, 바깥쪽을 향하는 외측면에는 외벽(110b, 130b, 150b)이 형성될 수 있다. 이때, 내벽(110a, 130a, 150a)에는 관통홀(미도시)이 형성될 수 있어, 유체관(300)이 결합될 수 있다. 이를 통해, 유체관(300)으로 유입되는 연료로 사용되는 유체가 하우징(100) 내부로 유입될 수 있다.
하우징(100)은 연료로 사용될 수 있는 유체가 내부로 유입되어 외부로 균일하게 발산시킬 수 있도록, 상부하우징(110), 중부하우징(130) 및 하부하우징(150)이 형성될 수 있다.
상부하우징(110)은 링형 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 상부하우징(110)은 내측면에 상부내벽(110a)이 형성될 수 있다. 이‹š, 상부내벽(110a)은 상부관통홀(미도시)이 형성될 수 있다. 상부관통홀(미도시)은 하방에서 삽입되어 가장 길게 형성되는 상부관(310)이 끼움결합될 수 있다. 또한, 상부하우징(110)과 상부관(310)은 용접 등을 통해 완전 밀폐될 수 있어, 수소일 수 있는 연료가 외부로 공급(유입)되면서 외부로 세어나가는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상부하우징(110)의 외측 방향으로는 상부외벽(110b)이 형성될 수 있다. 상부외벽(110b)에는 복수개의 상부발산홀(111)이 형성될 수 있다. 이때, 상부발산홀(111)은 상부외벽(110b)을 따라 서로 일정하게 이격 배치될 수 있고, 상부발산홀(111)은 내측면에 상단발산부(710)가 연장 형성될 수 있다.
이때, 상부하우징(110)의 하방에는 상부하우징(110)과 하방에 이격되어 중부하우징(130)이 설치될 수 있다.
중부하우징(130)은 링형 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 중부하우징(130)은 내측면에 중부내벽(130a)이 형성될 수 있다. 이‹š, 중부내벽(130a)은 중단관통홀(미도시)이 형성될 수 있다. 중단관통홀(미도시)은 하방에서 삽입되어 가장 길게 형성되는 중부관(330)이 끼움결합될 수 있고, 중단관통홀(미도시)은 상부관통홀(미도시)보다 중심홀(101)의 중심을 축으로 하여 60도 내지 120도로 이격되어 형성될 수 있다. 또한, 중부하우징(130)과 중부관(330)은 용접 등을 통해 완전 밀폐될 수 있어, 수소일 수 있는 연료가 외부로부터 공급(유입)되면서 외부로 세어나가는 것을 방지할 수 있다.
또한, 중부하우징(130)의 외측 방향으로는 중부외벽(130b)이 형성될 수 있다. 중부외벽(130b)에는 복수개의 중부발산홀(131)이 형성될 수 있다. 이때, 중부발산홀(131)은 중부외벽(130b)을 따라 서로 일정하게 이격 배치될 수 있고, 중부발산홀(131)은 내측면에 중단발산부(730)가 연장 형성될 수 있다.
하부하우징(150)은 링형 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 하부하우징(150)은 내측면에 하부내벽(150a)이 형성될 수 있다. 이‹š, 하부내벽(150a)은 하부관통홀(미도시)이 형성될 수 있다. 하부관통홀(미도시)은 하방에서 삽입되어 가장 길게 형성되는 중부관(330)이 끼움결합될 수 있고, 하부관통홀(미도시)은 중단관통홀(미도시)보다 중심홀(101)의 중심을 축으로 하여 60도 내지 120도로 이격되어 형성될 수 있다. 또한, 하부하우징(150)과 하부관(350)은 용접 등을 통해 완전 밀폐될 수 있어, 수소일 수 있는 연료가 외부로부터 공급(유입)되면서 외부로 세어나가는 것을 방지할 수 있다.
또한, 하부하우징(150)의 외측 방향으로는 하부외벽(150b)이 형성될 수 있다. 하부외벽(150b)에는 복수개의 하부발산홀(151)이 형성될 수 있다. 이때, 하부발산홀(151)은 하부외벽(150b)을 따라 서로 일정하게 이격 배치될 수 있고, 하부발산홀(151)은 내측면에 하단발산부(750)가 연장 형성될 수 있다. 이때, 서로 이격 배치되는 상부, 중단 및 하부하우징(150)은 서로 적층이 가능하도록 사이에 간격유지부(200)가 설치될 수 있다.
간격유지부(200)는 링형 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 간격유지부(200)는 하우징(100) 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 간격유지부(200)는 각각의 하우징(100) 사이의 이격 거리를 조절하여 설치될 수 있도록 제1 간격유지부재(210) 및 제2 간격유지부재(230)를 포함할 수 있다.
제1 간격유지부재(210)는 상부하우징(110)과 중부하우징(130) 사이에 설치될 수 있다. 또한, 제1 간격유지부재(210)는 링형 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 간격유지부재(210)는 수소 등일 수 있는 연료로 사용되는 유체의 선속도와 버너(1)가 설치되는 장치에 따라 상하로 연장되는 방향을 따라 연장 및 축소될 수 있다.
예를 들어, 유체가 수소일 때, 수소의 선속도에 따라 연장시킬 수 있다. 수소를 연료로 사용하면 유체관(300)은 도시가스를 연료로 사용하는 것보다 더욱 연장 형성될 수 있고, 유체관(300)이 연장됨에 따라 서로 이격 시켜야할 거리도 연장될 수 있다.
또한, 중부하우징(130)에서 배출되는 연료가 중부하우징(130)의 외측 방향으로 발산되면, 유체는 상부로 상승할 수 있어, 상승되는 연료가 상부하우징(110)에서 발산되는 유체와 중복되어 화력이 강화될 수 있다. 즉, 제1 간격유지부재(210)의 길이를 짧게 형성시켜, 상부하우징(110)과 중부하우징(130)에서 배출되는 연료를 중복시켜 화염을 강화시킬 수 있다.
또한, 이미 연료가 발화가된 상태에서 상부하우징(110)에서의 연료 공급을 중단하고, 중부하우징(130)으로만 연료를 공급함으로써, 발화된 상태를 유지할 수 있다. 이를 통해, 연료 사용양을 줄이면서 지속적으로 화염이 발생될 수 있도록 유지할 수 있다.
또한, 수소보다 선속도가 낮은 연료를 유체로 사용하면 수소보다는 상하 길이 방향으로 짧게 형성될 수 있다. 이를 통해, 제1 간격유지부재(210)의 길이를 통해서 연료의 사용량과 화염의 세기 조절을 할 수 있어, 연료의 효율을 향상시키고 열손실을 최소화할 수 있다.
제2 간격유지부재(230)는 중부하우징(130)과 하부하우징(150) 사이에 설치될 수 있다. 또한, 제2 간격유지부재(230)는 링형 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 제2 간격유지부재(230)는 수소 등일 수 있는 연료로 사용되는 유체의 선속도와 버너(1)가 설치되는 장치에 따라 상하로 연장되는 방향을 따라 연장 및 축소될 수 있다.
예를 들어, 유체가 수소일 때, 수소의 선속도에 따라 연장시킬 수 있다. 수소를 연료로 사용하면 유체관(300)은 도시가스를 연료로 사용하는 것보다 더욱 연장 형성될 수 있고, 유체관(300)이 연장됨에 따라 서로 이격 시켜야할 거리도 연장될 수 있다.
또한, 하부하우징(150)에서 배출되는 연료가 하부하우징(150)의 외측 방향으로 발산되면, 유체는 상부로 상승할 수 있어, 상승되는 연료가 상부 및 상부하우징(110)에서 발산되는 유체와 중복되어 화력이 강화될 수 있다. 즉, 제2 간격유지부재(230)의 길이를 짧게 형성시켜, 상부하우징(110), 중부하우징(130) 및 하부하우징(150)에서 배출되는 연료를 중복시켜 화염을 강화시킬 수 있다.
또한, 이미 연료가 발화가된 상태에서 상부 및 중부하우징(130)에서의 연료 공급을 중단하고, 하부하우징(150)으로만 연료를 공급함으로써, 발화된 상태를 유지할 수 있다. 이를 통해, 연료 사용양을 줄이면서 지속적으로 화염이 발생될 수 있도록 유지할 수 있다.
또한, 수소보다 선속도가 낮은 연료를 유체로 사용하면 수소보다는 상하 길이 방향으로 짧게 형성될 수 있다. 이를 통해, 제2 간격유지부재(230)의 길이를 통해서 연료의 사용량과 화염의 세기 조절을 할 수 있어, 연료의 효율을 향상시키고 열손실을 최소화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너의 상부에서 바라본 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 하우징(100) 중심에 형성되는 중심홀(101)에는 유체관(300)이 삽입되어 하우징(100)과 연결될 있다. 또한, 중심홀(100)의 직경은 6mm 내지 10mm로 형성됨으로써, 도시가스를 사용되는 관의 직경보다 작게 형성될 수 있다.
이를 통해, 선속도가 빠른 수소일 수 있는 연료의 선속도를 더욱 향상시킬 수 있어, 수소를 따라 화염이 역류하는 것을 방지할 수 있다. 이때, 선속도를 증가시키거나 감소시키기 위해서 중심홀(101)의 직경을 조절할 수 있다.
또한, 유체관(300)은 복수 개로 형성될 수 있어, 내부에서 유입되는 수소를 서로 분할하여 상부로 이동시킬 수 있다. 즉, 100의 유량을 갖는 유체를 3개의 유체관(300)으로 유입시킬 때, 각각 33.3 비율 서로 동일하게 나뉘어 상방으로 이동시킬 수 있다.
또한, 유체관(300)은 상부, 중부 및 하부관통홀(미도시)과 연결되어 유체를 하우징(100) 내부로 공급할 수 있도록, 상부관(310), 중부관(330) 및 하부관(350)을 포함할 수 있다.
상부관(310)은 하방에서 연장되어 상부하우징(110)까지 연장될 수 있는 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 상부관(310)과 다른 길이를 갖는 중부관(330) 및 하부관(350)보다 상방으로 길게 연장될 수 있다. 또한, 상부관(310)은 상부하우징(110)의 내측으로 연결될 수 있고, 상부하우징(110)의 내측에 형성되는 상단확산부(510)와 연결될 수 있다.
이때, 상부관(310)은 하방으로 소정의 각도로 기울어지게 형성할 수 있다. 또한 상부관(310)은 유체가 상부하우징(110)의 내측에 형성되는 상단확산부(510)의 바닥면에 부딪히면서 유체의 선속도를 저감시켜 상단확산부(510)로 유체가 동일하게 확산될 수 있도록, 상단관체(311), 싱단절곡부(313), 상단연장부(315) 및 상단경사부(317)를 포함할 수 있다.
이때, 상단관체(311), 싱단절곡부(313), 상단연장부(315) 및 상단경사부(317)는 중부관(330)에 형성되는 중단관체(331), 중단절곡부(333), 중단연장부(335) 및 중단경사부(337)와 동일한 형상으로 형성될 수 있어, 후술하기로 한다.
중부관(330)은 하방에서 연장되어 중부하우징(130)까지 연장될 수 있는 길이를 가질 수 있다. 또한, 중부관(330)은 상부관(310)보다는 짧게 형성될 수 있고, 하부관(350)보다는 길게 형성될 수 있다.
이때, 중부관(330)은 중부하우징(130)의 내측으로 소정의 각도로 기울어지게 형성할 수 있다, 또한, 중부관(330)은 유체가 중부하우징(130)의 내측에 형성되는 중단확산부(530)의 바닥면에 부딪히면서 유체의 선속도를 저감시켜 중단확산부(530)로 유체가 동일하게 확산될 수 있도록 중단관체(331), 중단절곡부(333), 중단연장부(335) 및 중단경사부(337)를 포함할 수 있다.
중단관체(331)는 링형 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 중단관체(331)는 중심홀(101)의 내측으로 연장될 수 있다. 또한, 중단관체(331)는 중심홀(101)의 중심을 축으로 상단관체(311)보다 60도 회전되는 위치에 배치됨으로써, 중단관체(331)와 상단관체(311) 동일 선상에 위치하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 중단관체(331)는 하방에서 유입되는 연료로 사용될 수 있는 유체를 내부로 유입시킬 수 있다. 이때, 유체는 수소일 수 있다.
또한, 중단관체(331)는 상방으로 연장 형성될 수 있다. 또한, 중단관체(331)는 상단관체(311)보다는 짧게 형성될 수 있고, 하부관체(351)보다는 길게 형성될 수 있다. 또한, 중단관체(331)는 중부하우징(130)의 높이까지 연장될 수 있다.
이때, 중단관체(331)의 상단부는 중부하우징(130)을 향하는 방향으로 절곡지게 형성되는 중단절곡부(333)가 연장될 수 있다.
중단절곡부(333)는 중단관체(331)와 동일한 직경으로 형성될 수 있다. 또한, 중단절곡부(333)는 중부하우징(130)까지 연장된 중단관체(331)가 중부하우징(130)의 내측 방향으로 연장될 수 있도록 수직으로 꺾여 있는 부분일 수 있다.
이를 통해, 중단관체(331)로 유입되는 연료일 수 있는 유체를 중부하우징(130) 내측으로 유입시킬 수 있다. 또한, 중단절곡부(333)가 절곡되어 유체를 중부하우징(130) 내측으로 유입될 때, 유체가 중단관체(331)의 상단부에 충돌될 수 있어, 유입되는 유체의 선속도를 저감시킬 수 있고, 유체의 선속도가 저감됨으로써, 유체의 확산속도를 저감시킬 수 있다.
이때, 중부하우징(130) 방향으로 절곡진 중단절곡부(333)의 단부에는 중단연장부(335)가 형성될 수 있다.
중단연장부(335)는 링형 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 중단연장부(335)는 중단절곡부(333)와 대응되는 직경으로 형성될 수 있다.
중단연장부(335)는 상단부가 중단절곡부(333)와 연결되어 중부하우징(130)의 내측으로 연장 형성됨으로써, 중단절곡부(333)로 유입되는 유체를 중부하우징(130)의 내측으로 유도할 수 있다. 이때, 중단연장부(335)는 외측 단면은 하방으로 갈수록 기울어지도록 형성될 수 있다.
즉, 중단연장부(335)의 상단부는 중단연장부(335)의 하단부보다 중부하우징(130)의 내측 방향으로 더 돌출될 수 있다. 이를 통해, 중단연장부(335)의 중부하우징(130)의 내측 방향으로 연장되는 중단경사부(337)가 중부하우징(130)의 내측 방향으로 기울어지게 돌출될 수 있다.
중단경사부(337)는 링형 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 중단경사부(337)는 중단연장부(335)와 동일한 직경으로 형성될 수 있다. 이를 통해, 중단연장부(335)로 유입되는 유체를 중단경사부(337)로 유입시킬 수 있다.
이때, 중단경사부(337)는 중단연장부(335)가 하방으로 기울어지게 형성됨으로써, 중부하우징(130)에 형성되는 중단확산부(530)의 바닥면을 향하는 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 중단경사부(337)는 중단확산부(530)를 향해 소정의 각도로 기울어지게 형성될 수 있다. 또한, 중단경사부(337)는 하방으로 기울어질 수 있다.
이를 통해, 중단경사부(337)로 유입되는 유체가 중부하우징(130)의 바닥면을 향해 배출될 수 있고, 중부하우징(130)에 형성되는 중단확산부(530)의 바닥면으로 배출되는 유체는 중단확산부(530)의 바닥에 위치하는 면에 부딪혀 유체의 확산 속도가 저하될 수 있다. 이를 통해, 선속도가 빠른 유체들이 중단확산부(530)의 주변으로 확산되는 속도를 유사하게 할 수 있어, 중단확산부(530)에 고르게 퍼질 수 있다.
하부관(350)은 하방에서 연장되어 하부하우징(150)까지 연장될 수 있는 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 하부관(350)과 다른 길이를 갖는 상부관(310) 및 중부관(330)보다 짧은 길이로 형성될 수 있다. 또한, 하부관(350)은 하부하우징(150)의 내측으로 연결될 수 있고, 하부하우징(150)의 내측에 형성되는 하단확산부(550)와 연결될 수 있다.
이때, 하부관(350)은 하방으로 소정의 각도로 기울어지게 형성할 수 있다. 또한, 하단확산부(550)는 유체가 하부하우징(150)의 내측에 형성되는 하단확산부(550)의 바닥면에 부딪히면서 유체의 선속도를 저감시켜 하단확산부(550)로 유체가 동일하게 확산될 수 있도록, 하부관체(351), 하단절곡부(353), 하단연장부(355) 및 하단경사부(357)를 포함할 수 있다.
이때, 하부관(350)은 상술한 중부관(330)과 동일한 형상으로 형성되어 하부관체(351), 하단절곡부(353), 하단연장부(355) 및 하단경사부(357)가 중단관체(331), 중단절곡부(333), 중단연장부(335) 및 중단경사부(337)와 동일한 형상으로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 개질 시스템용 버너의 중부하우징 내부에 형성된 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 하우징(100)의 내부로 유입되는 연료일 수 있는 유체가 연료전지 개질 시스템용 버너(1)의 외측으로 균일하에 확산될 수 있도록, 확산부(500) 및 발산부(700)를 포함할 수 있다.
확산부(500)는 유체관(300)으로 유입되는 연료일 수 있는 유체가 하우징(100)으로 유입되어 하우징(100)의 내측에서 유체가 확산될 수 있도록 상단확산부(510), 중단확산부(530) 및 하단확산부(550)를 포함할 수 있다.
이때, 상단확산부(510), 중단확산부(530) 및 하단확산부(550)는 각각 상부하우징(110), 중부하우징(130) 및 하부하우징(150)에 형성될 수 있다. 또한, 상단확산부(510), 중단확산부(530) 및 하단확산부(550)는 동일한 형상으로 형성될 수 있어, 도면에 도시된 상단확산부(510) 및 중단확산부(530)를 구체적으로 설명할 수 있다.
상단확산부(510)는 링형 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 상단확산부(510)는 홀로 형성될 수 있다. 예를 들어, 내부가 패킹될 수 있는 상부하우징(110)의 내측에는 상부관(310)이 삽입되고, 삽입된 상부관(310)의 단부에 위치하는 상단경사부(317)가 상단확산부(510)와 연결될 수 있다.
이를 통해, 상부관(310)으로 유입되는 유체가 상부하우징(110) 내부에 홀로 형성되는 상단확산부(510) 내측으로 유입되어 상단확산부(510)의 원주 방향을 따라 유체가 이동될 수 있다. 이때, 상단확산부(510)를 통해 확산되는 유체는 발산부(700)를 통해 상부하우징(110)의 외측 방향으로 균일하게 발산될 수 있다.
또한, 상단확산부(510)의 직경은 상부관(310)보다 직경이 좁게 형성될 수 있어, 상부관(310)으로 유입되는 유체의 유량이 상단확산부(510)를 통해 확산되는 유량보다 많을 수 있어, 상단확산부(510)에 유체가 균일하게 채워지면서 확산될 수 있다.
중단확산부(530)는 링형 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 중단확산부(530)는 홀로 형성될 수 있다. 또한, 중단확산부(530)는 내부가 패킹될 수 있는 중부하우징(130)의 내측에 형성될 수 있다. 또한, 중단확산부(530)는 중심홀(101)을 향하는 방향에 형성되는 면에는 중부관(330)의 중단경사부(337)가 연결될 수 있다. 이를 통해, 중부관(330) 내부로 유입되는 유체가 중부하우징(130)의 내측으로 유입되어 중단확산부(530)가 형성된 원주 방향을 따라, 유체를 중부하우징(130) 내측에서 확산시킬 수 있다.
이때, 중단확산부(530)를 통해 중부하우징(130) 내측에서 확산되는 유체는 중단발산부(730)를 통해 중부하우징(130)의 외측 방향으로 균일하게 발산될 수 있다.
또한, 중단확산부(530)의 직경은 중부관(330)보다 직경이 좁게 형성될 수 있어, 중부관(330)으로 유입되는 유체의 유량이 중단확산부(530)를 통해 확산되는 유량보다 많을 수 있어, 중단확산부(530)에 유체가 균일하게 채워지면서 확산될 수 있다.
하단확산부(550)는 상단확산부(510) 및 중단확산부(530)와 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 하단확산부(550)는 하부하우징(150)의 내측에 형성될 수 있다.
이때, 상부하우징(110), 중부하우징(130) 및 하부하우징(150)의 내측에 형성된 확산부(500)에는 각각 하우징(100)의 외측 방향으로 발산부(700)가 형성될 수 있다.
발산부(700)는 하우징(100) 내측으로 유입된 유체가 확산부(500)를 통해 확산되면, 확산된 유체를 하우징(100)의 주변으로 균일하게 발산할 수 있도록 상단발산부(710), 중단발산부(730), 하단발산부(750)를 포함할 수 있다.
이때, 상단발산부(710), 중단발산부(730) 및 하단발산부(750)는 각각 상부하우징(110), 중부하우징(130) 및 하부하우징(150)에 형성될 수 있다. 또한, 상단발산부(710), 중단발산부(730) 및 하단발산부(750)는 서로 동일하게 형성될 수 있어, 도면에 도시된 중단발산부(730)를 구체적으로 설명할 수 있다.
중단발산부(730)는 복수 개가 소정의 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 중단확산부(530)는 홀로 형성될 수 있다. 또한, 중단발산부(730)는 상부로 갈수록 기울어지도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 중단경사부(337)는 중단확산부(530)의 하방으로 형성되어 유체가 중단확산부(530)의 하부면에 부딪히면서 유체의 선속도를 저감시켜 효과적으로 중단확산부(530)로 확산될 수 있다.
또한, 중단확산부(530)로 확산된 유체는 다시 상방으로 소정의 각도가 기울어진 중단발산부(730)를 통해, 외부로 배출됨으로써, 중단확산부(530)로 유입된 유체가 외부로 배출되는 거리를 증가시켜 중부하우징(130) 외부로 균일하게 유체가 확산될 수 있다.
상술한 바와 같이, 연료전지 개질 시스템용 버너(1)는 서로 다른 길이를 갖는 복수 개의 유체관(300)이 복수 개로 적층된 하우징(100)에 각각 유체를 유입시킬 수 있다.
또한, 유체가 유입될 때, 선속도가 빠른 유체들의 선속도를 저감시킬 수 있어, 유체가 하우징(100)의 내측으로 균일하게 유입될 수 있고, 유입된 유체가 서로 다른 방향으로 경사진 유체관(300)과 발산부(700)를 통해, 선속도를 여러 차례 저감시킴으로써, 하우징(100) 내측으로 유입된 유체가 하우징(100)을 지나 외부로 배출될 때, 균일하게 발산될 수 있다.
이를 통해, 하우징(100) 주변으로 연료가 균일하게 발산되고, 하우징(100)이 적층되어 이미 화염이 발생되면, 일부 유체관(300)으로만 유체를 유입시켜 화염을 유지할 수 있어, 연료 효율을 향상시킬 수 있다.
이상의 본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해여야 할 것이다.
1: 연료전지 개질 시스템용 버너
100: 하우징 101: 중심홀
110: 상부하우징 110a: 상부내벽
110b: 상부외벽 111: 상부발산홀
130: 중부하우징 130a: 중부내벽
130b: 중부외벽 131: 중부발산홀
150: 하부하우징 150a: 하부내벽
150b: 하부외벽 151: 하부발산홀
200: 간격유지부 210: 제1 간격유지부재
230: 제2 간격유지부재
300: 유체관 310: 상부관
311: 상단관체 313: 상단절곡부
315: 상단연장부 317: 상단경사부
330: 중부관 331: 중단관체
333: 중단절곡부 335: 중단연장부
337: 중단경사부 350: 하부관
351: 하부관체 353: 하단절곡부
355: 하단연장부 357: 하단경사부
500: 확산부
510: 상단확산부 530: 중단확산부
550: 하단확산부 700: 발산부
710: 상단발산부 730: 중단발산부
750: 하단발산부

Claims (7)

  1. 중심홀이 형성되고, 내부에 원주 방향으로 확산부가 형성되며, 상기 확산부에 외측 방향으로 복수 개의 발산부가 연장 형성되는 복수 개의 적층 가능한 하우징; 및
    상기 중심홀을 통과하여 각각의 상기 확산부에 연결되어, 유체를 상기 확산부로 유도하는 다수의 유체관을 포함하고,
    상기 유체관은,
    복수 개의 상기 하우징의 적층 방향으로 연장되어 외부에서 상기 유체를 유입시키는 관체;
    상기 관체의 단부에 형성되어 상기 하우징을 향하는 방향으로 절곡된 절곡부 및
    상기 절곡부의 단부에 연결되고, 상단부가 하단부보다 상기 하우징의 내측으로 갈수록 돌출되는 연장부를 포함하는 연료전지 개질 시스템용 버너.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 하우징이 서로 일정 간격을 가지고 적층되도록 상기 하우징 사이에 설치되어 상기 유체관에서 발산되는 상기 유체 간에 간섭을 최소화하는 간격유지부를 더 포함하는 연료전지 개질 시스템용 버너.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 유체관은,
    적층된 상기 하우징의 상부에 위치하는 상부하우징에 연결되는 상부관;
    적층된 상기 하우징의 하부에 위치하는 하부하우징에 연결되고, 상기 상부관보다 길이가 짧게 형성되는 하부관; 및
    상기 상부관과 상기 하부관 사이에 위치하여 상기 상부하우징과 상기 하부하우징 사이에 적층되는 중부하우징 연결되는 중부관을 포함하는 연료전지 개질 시스템용 버너.
  4. 삭제
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 연장부의 단부에 연장되어 상기 하우징 내측에서 일정 방향으로 기울어지도록 연장되어 상기 확산부와 연결되는 경사부를 더 포함하는 연료전지 개질 시스템용 버너.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 하우징은,
    내측면에 상기 확산부의 외측면에 연장되고, 상기 경사부가 기울어진 방향과 반대되는 방향으로 소정의 각도를 가지며 상기 발산부가 연장 형성되는 연료전지 개질 시스템용 버너.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 유체가 외측 방향으로 발산이 일정하도록 상기 유체관은 상기 확산부보다 직경이 크게 형성되고, 상기 확산부는 상기 발산부보다 직경이 크게 형성되는 연료전지 개질 시스템용 버너.
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