KR20050027018A - 발전용 집적 연료전지를 구비한 가열 시스템용 열교환기 - Google Patents

발전용 집적 연료전지를 구비한 가열 시스템용 열교환기 Download PDF

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KR20050027018A
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술저 헥시스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

발전용 집적 연료전지(Z) 및 추가 버너(B)를 구비하는 가열 시스템용 열교환기(1)가 제공된다. 전기에너지 및 열에너지(E, Q)는 상기 연료전지에 의해 기체 상태의 연료 또는 기체 형태로 된 연료로부터 상기 가열 시스템 내에서 생성될 수 있고/있거나 열에너지(Q)는 상기 추가 버너에 의해 생성될 수 있다. 고온 배기 가스의 형태로 존재하는 열에너지의 일부분은 액상의 열전달 매체, 특히 물이나 오일로 전달될 수 있다. 상기 열전달 매체는 난방 및/또는 공정수 가열을 위해 열량을 전달하도록 제공된다. 상기 열교환기는 열전도성이 양호한 소재로 만들어진 콤팩트한 장치를 형성한다. 상기 열교환기의 이중벽 재킷(10) 내부에는 2개의 개별 통로(12, 13)가 배치된다. 상기 재킷은 연통 용기를 형성하도록 구성된 내부 공간(11)을 가진다. 상기 구성에 의해 상기 열전달 매체가 상기 내부 공간의 적어도 대부분을 통과하여 유동된다.

Description

발전용 집적 연료전지를 구비한 가열 시스템용 열교환기 {A HEAT EXCHANGER FOR A HEATING SYSTEM WITH INTEGRATED FUEL CELLS FOR THE PRODUCTION OF ELECTRICITY}
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른, 발전용 집적 연료전지를 구비한 가열 시스템용 열교환기 및 이러한 종류의 열교환기를 구비한 시스템에 관한 것이다.
발전 및 열에너지용 집적 연료전지를 구비한 가열 시스템은 EP-A-0 818 840에 공지되어 있으며, 이러한 가열 시스템의 오퍼레이터, 즉 "로컬에너지(local energy) 사용자"는 그의 요구 중 적어도 일부분을 상기 형태의 에너지로 커버할 수 있다. 이러한 가열 시스템은 추가 버너를 포함한다. 기체 상태의 연료 형태로 얻어지는 일차 에너지로부터 어떻게 난방 및/또는 공정수 가열과 같은 가열 시스템에 열에너지의 최대량이 공급되는가에 관한 여러 가지 가능성이 기술되어 있다. 경제적인 이유로 인해, 여러 가지 방법이 제시되었고 일차 에너지의 이상적인 이용을 위해 노력함으로써 공지된 방법을 더욱 단순화하였다. EP-A-0 818 840에 공지된 방법에는 연료를 재생하기 위해 순수(pure water)가 필요하다. 이러한 방법의 단순화를 위한 하나의 방법은 액상으로 존재할 수도 있는 연료의 부분 산화에 의한 재생 공정에 의한 처리였다. 부분 산화는 재생 중의 추가 추출물로서 얻어지는 순수의 제조 비용 증가를 가져온다.
다른 방법은, a) 발전 및 열에너지 생산용 시스템과 로컬에너지 사용자 사이에 열 저장소를 배치하는 것과, b) 필요한 경우, 공중 전기에너지 공급원의 고압송전망에 송전되는 전기에너지를 초과 생산하는 것이다. 이러한 종류의 초과 생산에서, 열에너지의 초과분은 간혹 로컬에너지 사용자의 전류 필요량의 초과를 야기한다. 이러한 열에너지는 일시적으로 열 저장소에 저장될 수 있다. 전기에너지는 열 저장소가 완전히 채워질 때까지만 초과 생산된다. 열에너지의 초과분은 로컬에너지 사용자가 간혹 비교적 다량의 전기에너지를 필요로 하는 경우에도 생산될 수 있다. 이 경우, 초과 열의 저장 또한 바람직하다.
집적 연료전지를 구비한 가열 시스템으로부터 열 저장소로의 열전달은 적절한 열전달 매체를 이용하여 이루어져야 한다. 이러한 장치에서, 열전달은 2개의 배기 흐름, 즉 연료전지의 배기 흐름 및 추가 버너의 배기 흐름으로부터 열 저장소 및/또는 로컬에너지 사용자로 실행된다. 2개의 독립적인 변수는 각각이 0과 최댓값 사이의 범위에 있는 2개의 배기 흐름에 의해 얻어진다. 로컬에너지 사용자에게 열을 전달할 수 있는 열전달용 매체로는 액상의 열전달 매체, 특히 물이나 오일이 바람직하다.
본 발명의 목적은, 특히 가변적인 배기 흐름에 있어서 열전달이 경제적으로 실행될 수 있는 수단을 제공하기 위함이다. 상기 목적은 청구범위 제1항에 정의한 열교환기에 의해 충족된다. 이러한 장치에서, 본 발명에 따른 열교환기에 있어서의 경제적인 열전달은 특수하고 콤팩트한 설계에 기인된다.
상기 열교환기는 발전용 집적 연료전지 및 추가 버너를 구비한 가열 시스템에 제공된다. 이러한 시스템에서 전기에너지 및 열에너지는 연료전지 및/또는 추가 버너에 의해 기체 연료 또는 기체 형태로 된 연료로부터 생성될 수 있다. 고온 배기 가스의 형태로 존재하는 열에너지의 일부분은 열교환기 내에서 액상의 열전달 매체, 특히 물 또는 오일에 전달된다. 상기 열전달 매체는 난방 및/또는 공정수 가열(온수 제조)의 목적을 위한 열전달을 위해 제공된다. 열교환기의 형태는 콤팩트한 장치이며 열전도성이 양호한 소재로 만들어진 장치이다. 열교환기의 이중벽 재킷 내부에는 2개의 개별 통로가 배치된다. 상기 재킷은 연통 용기를 형성하도록 구성된 내부 공간을 갖는다. 상기 구성에 의해 열전달 매체의 흐름은 내부 공간의 적어도 대부분을 통과하게 된다.
종속청구항인 제2항 내지 제7항은 본 발명에 따른 열교환기의 바람직한 실시예에 관한 것이다. 제8항 내지 제10항은 이러한 열교환기를 구비한 시스템에 관한 것이다.
이하에서, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1에 나타낸 가열 시스템은 본 발명에 따른 열교환기(1), 예를 들어 적층형 장치(20)로 배열되는 연료전지(Z)를 구비하는 부분 시스템(2), 및 B로 표시한 추가 버너(3)를 포함한다. 신선한 공기는 참조부호 8로 표시한 대기로부터 덕트(28)를 통해 공급되고, 기체 또는 기화 연료(G)는 공급원(9)으로부터 라인(29)을 통해 연료전지(Z)로 공급된다(공급원(9)은 공중 메인 시스템을 통해 공급되는 천연가스일 수 있음). 신선한 공기(F)는 마찬가지로 공급 라인(38)을 통해 공급되고, 연료(G)는 공급 라인(39)을 통해 추가 버너(3)에 공급된다. 부분 장치(2) 및 추가 버너(3)에서 발생하는 배기 가스는 각각의 덕트(22, 32)를 경유하여 열교환기(1)에 공급된다. 연료전지(Z)에 의해서는 전기에너지 및 열에너지가 생성되고/생성되거나 추가 버너(3)에 의해서는 열에너지가 생성될 수 있다. 부분 장치(2)에서는 배기 가스 및 연료전지(Z)에서 완전히 사용되지 않은 연료에 의한 2차 연소가 일어난다.
연료전지(Z)에 의해 생성된 직류 전류는 변환기(21)에 의해 교류로 변환된다. 따라서, 생성된 전기에너지(E)는 라인(70a 또는 70b)을 경유하여 로컬 사용자(4)(부하 LE) 또는 외부 메인 시스템으로 전달된다. 고온 배기 가스의 형태로 존재하는 열에너지의 일부분은 열교환기 내에서 액상의 열전달 매체, 특히 물이나 오일에 전달된다. 가열을 위한 열량(Q)을 전달하는 열전달 매체는 순환 펌프(40, 50)를 이용하여 라인(51, 52, 43, 44)을 통해 이송된다. 이러한 배치에서, 열량(Q)(라인(52))은 한편으로는 완전히 또는 부분적으로 로컬 사용자(4)(부하 LQ)에게 전달되고, 다른 한편으로는 열량(Q)의 초과분(SQ)은 열 저장소(5)에 전달될 수 있다. 배기 가스는 흡기팬(80)에 의해 부분 시스템(2)(덕트(12a))으로부터, 추가 버너(3)의 배기 가스와 합쳐져 대기(8a)로 전체 배기 가스(A)가 통과하도록 제공되는 덕트(83)로 이송된다. 추가 버너(3)의 배기 가스는 팬(30)에 의해 생성되는 초과압력(overpressure)에 의해 이송된다. 부분 유닛(2) 또는 추가 버너(3)만이 작동되는 경우에는 역지 플랩(non-return flap)(32, 82)이 배기 가스의 역류를 방지한다.
본 발명에 따른 열교환기(1)는 열전도성이 양호한 재질로 만들어진 콤팩트한 장치를 형성한다. 연료전지(Z)의 배기 가스(부분 시스템(2)으로부터의 배기 가스) 및 추가 버너의 배기 가스를 위한 별도의 2개의 통로(12 및 13)는 열교환기의 이중벽 재킷(10) 내부에 배치된다. 도 1에 개략적으로 나타낸 열교환기(1)는 구체적인 실시예를 위해 도 2에 종단면도로서 보다 상세하게 나타내었다. 재킷(10)은 챔버를 구성하고 연통 용기를 형성하는 내부 공간(11)을 갖는다. 이러한 구조로 인해 열전달 매체는 내부 공간(11)(내부 공간(11)의 전체 또는 대부분)을 통해 유동하여 2개의 배기 가스 통로(12, 13)로부터 열량(Q)이 전달될 수 있도록 한다. 재킷(10)은 열전도성이 양호한 소재로 만들어졌기 때문에 열전달 매체는 2개 중 1개의 가스 유동에 문제가 발생하는 경우에도 재킷(10)의 모든 영역에서 열량을 흡수할 수 있다. 사용되는 소재는 알루미늄 합금이 바람직하며, 재킷(10)은 적어도 부분적으로 알루미늄 주조 공정에 의해 만들어지는 것이 바람직하다.
도 1의 시스템은 중앙 제어장치(6)(C로도 표시함)에 의해 제어 및 조정된다. 예를 들어, 제어 신호는 신호 라인(61, 62)을 경유하여 팬(30, 80)에 전송된다. 부분 시스템(2)은 신호 라인(62)을 통해 제어장치(6)와 연결되고, 추가 버너(3)는 신호 라인(63')을 통해 제어장치(6)와 연결된다. "가상 파워스테이션(virtual power station)(7)"과의 연결이 존재한다. 로컬 사용자(4) 및 열 저장소(5)와의 추가 연결은 각각의 신호 라인(64, 65)에 의해 이루어진다. 펌프(40, 50) 또한 도시하지 않은 라인을 통해 중앙 제어장치(6)와 연결된다. 예를 들어, 열 저장소(5)로부터의 열량(Q) 전달은 열교환기(1)의 소정 출구 온도에 따라 바람직하게 조정된다. 펌프(50)의 이송 능력의 변화는 이러한 조정에 영향을 준다.
도 2의 열교환기(1)에서, 2개의 배기 가스 통로(12, 13) 사이의 격벽(14)은 이중벽이다. 격벽(14)은 열전달 매체가 유동되도록 내부 공간을 구성하고 있다.
도 2의 실시예에서, 재킷(10)의 내부 공간(11)은 챔버, 즉 재킷 챔버(11')로 형성된 구조를 갖는다. 특히, 2개의 배기 통로(12, 13) 사이의 격벽(14) 또한 챔버로 구성된다(이웃하는 챔버(11') 사이의 개구는 도시하지 않음). 격벽(14)의 챔버(11")는 재킷 챔버(11') 사이에서 열전달 매체가 격벽(14)을 통과하여 유동할 수 있도록 연속적인 배열의 형태로 배열된다.
본 발명에 따른 열교환기(1)는 소수의 단일체 부품으로 만들어지거나 바람직하게 하나의 단일체 부품을 포함한다. 각각의 단일체 부품은 주조품이거나 최소한 개별 부품이 주조품인 것이 바람직하다.
2개의 배기 가스 통로(12, 13)는 열교환기의 상단부로부터 하단부로 연장된다. 열전달 매체용 입구 포인트는 도시하지는 않았지만 상기 하단부에 배치되고, 마찬가지로 도시하지 않은 출구 포인트는 상기 상단부에 배치된다.
일점쇄선(30)으로 표시한 추가 버너(3)는 도 2의 열교환기(1)의 버너 배기 가스용으로 제공되는 통로(13)의 입구 포인트에 직접 배치될 수 있다. 열교환기(1)는 바람직하게 연료전지(Z)를 포함하는 장치(20)의 배기 가스 출구 스터브(stub)에 부착될 수 있다.
변형예로서, 도 3은 도 1의 시스템을 약간 변형한 형태를 나타낸다. 열교환기(1), 연료전지(Z)를 구비한 부분 시스템(2), 및 추가 버너(3)가 블록(123) 내에 집합되어 있다. 대기(8)로부터 화살표 방향(F')으로 흡입된 신선한 공기(F)(도 1 참조)는 열교환기(1)에서 부분적으로 냉각된 배기 가스(A)(화살표 A')에 의해 대향류(counter-flow) 열교환기(18)에서 예열된다. 대향류 열교환기(18)는 굴뚝으로서 설계될 수 있으며, 이를 통해 배기 가스가 대기(8a)로 배출된다.
도 1과 구별하면, 도 3에서는 연료(G)가 공급원(9)으로부터 라인(39')을 거쳐 팬(30)으로 공급되어 연소성 혼합물이 발생한다. 이 혼합물은 공급 라인(38)을 통해 버너(3)의 입구로 공급된다. 팬(30)이 작동하고 있지 않은 경우에 역지 플랩(32)은 팬(80)을 통해 공급되는 배기 가스가 라인(13a)을 통해 열교환기(1)로 들어갈 수 없도록 보장해준다. 이와는 반대로, 역지 플랩(82)은 팬(80)이 작동하고 있지 않는 경우에 배기 가스가 열교환기(1)로 침투하는 것을 방지해준다.
도 4 및 도 5는 집적 연료전지를 구비한 가열 시스템에 대한 2개의 변형예를 나타낸다. 양 변형예에서는, 산소를 초과 함유한 연료전지(Z)의 배기 가스가 신선한 공기 대신에 추가 버너에 공급된다. 팬(30)은 더 이상 필요하지 않다. 필요하다면, 신선한 공기(F)가 추가의 라인(38a)을 통해 버너(3)의 공급 라인(38)에 공급될 수 있다(도 5 참조). 이러한 공급은 밸브(36)에 의해 제어된다. 연료(G)는 각각 라인(39")을 이용하여 공급 라인(38) 내에 혼합된다.
본 발명에 따라, 가변적인 배기 흐름에 있어서 열전달이 경제적으로 실행될 수 있는 열교환기가 제공된다.
도 1은 발전용 연료전지가 집적되고 추가 버너를 포함하는 가열 시스템의 개략적인 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열교환기의 종단면도이다.
도 3은 도1에 나타낸 시스템의 제2 예시도이다.
도 4는 도 3과 대응하는 변형 시스템의 예시도이다.
도 5는 또 다른 변형 시스템의 예시도이다.

Claims (10)

  1. 발전용 집적 연료전지 및 추가 버너를 구비하는 가열 시스템을 위한 것으로서, 전기에너지 및 열에너지(E, Q)는 상기 연료전지에 의해 기체 상태의 연료 또는 기체 형태로 된 연료로부터 상기 가열 시스템 내에서 생성 및/또는 열에너지(Q)는 상기 추가 버너에 의해 생성될 수 있고, 고온 배기 가스의 형태로 존재하는 열에너지의 일부분은 물이나 오일을 포함하는 액상의 열전달 매체로 전달될 수 있고, 상기 열전달 매체는 난방 및/또는 공정수 가열을 위한 열전달용으로 제공되는 열교환기(1)에 있어서,
    상기 열교환기는 열전도성이 양호한 소재로 만들어진 콤팩트한 장치를 형성하고,
    상기 열교환기의 이중벽 재킷(10) 내부에는 상기 연료전지의 배기 가스 및 상기 추가 버너의 배기 가스를 위한 2개의 개별 통로(12, 13)가 배치되고,
    상기 재킷은 연통 용기를 형성하는 내부 공간(11)을 가지며,
    상기 구성에 의해 상기 열전달 매체가 상기 내부 공간의 적어도 대부분을 통과하여 유동되는
    것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기 통로(12, 13) 사이의 격벽(14)은 이중벽이고 상기 열전달 매체가 또한 상기 격벽을 통과하여 유동될 수 있도록 구성된 내부 공간을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 재킷(10)의 내부 공간은 챔버, 즉 재킷 챔버(11')의 형태로 구성되고, 특히 상기 배기 통로(12, 13) 사이의 격벽(14) 또한 챔버로 구성되고 상기 격벽의 챔버(11')는 상기 재킷의 구조 내에서 연속적으로 배열되어 상기 열전달 매체가 상기 격벽을 통과하여 유동될 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기는 소수의 단일체 부품, 바람직하게는 하나의 단일체 부품으로 이루어지거나 조립되고, 각각의 단일체 부품 또는 상기 부품의 적어도 일부는 주조품인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 배기 통로는 상기 열교환기의 상단부로부터 하단부로 연장되고, 상기 열전달 매체용 입구 포인트는 상기 하단부에 배치되며 대응되는 출구 포인트는 상기 상단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가 버너(3)는 상기 버너 배기 가스용으로 제공되는 통로(13)의 입구 포인트에 직접 배치될 수 있고, 상기 연료전지(Z)를 포함하는 장치(20)의 배기 가스 출구 스터브(stub)에 부착될 수 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용되는 상기 소재는 알루미늄 합금이고, 상기 재킷은 적어도 일부분이 주조 알루미늄으로 제조되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    회로(50, 51, 52) 내에서 상기 열전달 매체에 의해 전달되는 열에너지(Q)는 열 저장소(5)로 전달될 수 있고, 이러한 열전달은 소정의 출구 온도에 따라 상기 열교환기에서 조정되며, 상기 열 저장소는 열전달을 위해 별도의 회로(40, 43, 44)를 통해 난방 및/또는 공정수 가열(LQ)용 가열 시스템에 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열교환기(1)의 출구에 있는 2개의 배기 가스 통로(12, 13)에는 별도의 덕트(12a, 13a)가 연결되고, 상기 연료전지(Z)의 배기 흐름을 위한 덕트(12a)에는 역지 플랩(non-return flap)(82) 및 흡기팬(80)이 배치되고, 특히 예열된 신선한 공기가 압력팬(pressure fan)(30)에 의해 역지 플랩(32)을 경유하여 상기 추가 버너(3)로 공급될 수 있으며, 상기 2개의 배기 덕트(12a, 13a)는 굴뚝(18)에 들어가기 전이나 들어가서 공통의 덕트(83)로 통합되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 열교환기(1)의 출구에서, 상기 연료전지 배기 가스의 유동을 위한 덕트(12a)는 분기없이 상기 추가 버너(3)의 인입 덕트(38)로 연결되며, 상기 추가 버너(3)의 흐름을 위한 덕트(13a)는 흡기팬(80)을 경유하여 굴뚝(18)으로 연결되고, 상기 추가 버너의 인입 덕트(38)에는 신선한 공기(F)를 위한 추가의 덕트(38a)가 부착될 수 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
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