KR20070061574A - 다공체를 갖는 버너 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 부분적으로 다공체(28)로 채워진 연소 챔버(26); 연료 라인(16)을 통해 공급되는 액체 연료를 증발시키기 위한, 연소 챔버(26) 이전에 배치된 증발 구역(12); 연소 공기 라인(18)을 통해 증발 구역(12)으로 공급되는, 증발된 액체 연료와 연소 공기의 연소 혼합물을 점화시키기 위한 점화 장치(30); 및 연소 챔버(26) 이후에 배열된 배출 가스 유출부(38)을 포함하는 버너 장치에 관한 것이다. 본 발명은 혼합 구역(20)이 증발 구역(14)과 연소 챔버(26) 사이에 배열되고, 연료 가스 라인(22, 24)을 통해 혼합 구역(20)에 공급된 연료 가스가 연소 공기 및/또는 연소 혼합물과 혼합될 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 연료 전지 배열 내에서 애프터버너로서 버너 장치의 용도 및 상응하는 연료 전지 배열에 관한 것이다.

Description

다공체를 갖는 버너 장치{BURNER DEVICE WITH A POROUS BODY}
본 발명은 적어도 부분적으로 다공체로 채워진 버너 챔버; 연료 주입 라인을 통해 공급되는 액체 연료를 증발시키기 위한, 버너 챔버의 상류에 위치하는 증발 구역; 연소 공기 주입 라인을 통해 증발 구역으로 공급되는, 증발된 액체 연료와 연소 공기의 연소 혼합물을 점화시키기 위한 점화기; 및 연소 챔버의 하류에 위치하는 배출 유출부를 포함하는 버너 장치에 관한 것이다.
다공성 버너로도 불리는 이러한 버너 장치들 중 하나는 독일특허 DE 101 60 837 A1에 공지되어 있다. 전형적인 다공성 버너는 이의 다공체, 즉, 적어도 부분적으로 버너 챔버를 채우고 있는 다공성 물체이다. 이러한 다공체에 포함된 다공성 물질에는, 특히 비산화 물질, 예를 들어, SiC, SiN 또는 고온 산화물, 예를 들어, Al2O3 또는 ZrO2가 있다. 다공체는 종종 버너 장치의 발산 품질을 개선시키는데 사용된다. 다공체 내에서 넓은 표면적에 걸쳐 연소가 일어나긴 때문에, 다공체의 사용은 버너가 저온에서도 작동하여 배출 가스 중 Nox 농도를 감소시키도록 안정한 전체적인 연소를 달성시켜준다. 또한, 예를 들어 전술한 특허에서 공개된 다공체의 일부는 주입 라인 또는 증발 구역으로의 플래쉬백을 방지하기 위한 화염 트랩으로 사용된다. 이는 주입 라인이나 증발 구역과 인접하는 다공체의 일부분에서 매우 작은 공극 크기가 제공되므로 화염이 형성될 수 없게 되어 달성된다. 이렇게 작은 공극 구역을 연결시킴으로써, 안정한 화염 형성을 위해 더 큰 공극을 다공체 내에 제공하며, 전술한 안정화된 화염 형성의 결과 화염 트랩이 달성된다. 그러나, 다공체의 작은 공극 구역은 상당한 압력 손실을 초래한다. 이러한 이유로 인해, 화염 트랩에도 불구하고, 높은 배출 발산을 초래하는 특히 버너의 비고정적인 작동 지점에서는 물론 버너나 버너의 일부분에서도 플래쉬백이 발생할 수 있으며, 결과적으로 파괴될 수 있다.
가스 연료나 연료 가스의 연소를 위한 다공성 버너 또한 공지되어 있다. 실제, 대부분의 다공성 버너는 가스 버너로 고안된다. 이러한 가스 다공성 버너의 예는 독일특허 DE 199 60 093 A1에 공개되어 있다. 상기 가스 다공성 버너는 포트형(pot-type) 다공체를 포함하며, 포트의 내부는 혼합 구역으로 제공되고, 혼합 구역에서는 가연성 가스가 연료 가스 주입 라인을 통해 도입되어 연소 공기와 혼합되며, 마찬가지로 포트의 내부로도 도입된다. 포트 내부의 바깥 부분도 반응 구역, 즉 연소 구역으로 제공되며, 이의 두께는 주입 가스의 유량 및 압력에 의해 조절될 수 있다. 반응 구역 내에서의 화염의 안정화는 다공체 내에서 수행된다. 이러한 장치는 플래쉬백에 매우 민감하므로, 버너의 연료 가스 주입 라인은 상응하는 보호 장치를 포함할 것이 요구된다.
한편, 액체 연료용 다공성 버너와 연료 가스용 다공성 버너는 상기 언급한 특허에서 설명하고 있는 바와 같이, 서로 완전히 상이한 구조를 특징으로 한다.
본 발명의 목적은 액체 연료와 연료 가스가 선택의적으로 또는 조합되어 연소될 수 있도록 일반적인 다공체를 정교하게 조작하는 것이다.
이러한 목적은 이하 청구항 1에 기재된 특징에 의해 달성된다. 바람직한 양태 및 추가적인 구체예는 종속항들에 기재되어 있다.
본 발명에 따른 버너 장치는 증발 구역과 연소 챔버 사이에, 연료 가스 주입 라인을 통해 주입된 연료 가스가 연소 공기 및/또는 연소 혼합물과 혼합되는 혼합 구역이 배치되어 있는 일반적인 선행기술에 기초한 것이다. 이러한 배치에 있어 중요한 것은 제1 구역, 즉, 증발 구역 내에서, 바람직하게는 액체 연료와 연소 공기의 점화성 연소 혼합물이 생성된다는 것이며, 이는 필요에 따라 연료 가스를 갖는 연결된 혼합 구역 내에도 풍부하게 존재하게 된다. 이렇게 얻어진 풍부한 연소 혼합물은 점화되어 다공체 내에 기정되고 안정화된 화염을 형성시킨다. 본 명세서의 범위 이내에서 사용된 용어 "연소 공기"는 광범위한 의미로 이해되어야 하며, 대기중의 공기 혼합물만을 의미하는 것이 아니라, 증발된 액체 연료나 연료 가스를 갖는 혼합물, 즉, 점화성 혼합물에 의해 형성될 수 있는 산소를 함유하는 임의의 종류의 가스를 의미하는 것이다.
증발 구역은 적어도 부분적으로 다공성 증발재 요소로 채워지는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 특히 바람직한 것은 다공성 증발재 요소로 금속 폼을 사용하는 것이나, 세라믹 폼이나 다공성 고체도 사용할 수 있다. 다공성 증발재 요소의 넓은 표면적은 액체 연료의 증발을 강화시킨다. 또한, 증발재 요소를 예비가열시키거나 이의 촉매적 코팅을 통해 증발은 더 강화될 수 있다. 분무기 챔버로 증발 구역을 형성하는 것도 가능하나, 더 간단하여 기술적으로 용이한 증발재 요소를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 액체 연료를 노즐을 통해, 즉, 폼을 채우지 않고 제공하는 것도 가능하다.
본 발명의 다른 바람직한 양태에서, 연료 가스 주입 라인은 혼합 구역 내에 튜브 벽 내에 방사 천공을 갖으며 바람직하게 끝이 막힌 튜브로 형성되어 있다. 이러한 튜브는 증발 구역으로부터 혼합 구역으로 흐르는 연소 혼합물의 유량으로 덮이며, 농축을 위한 연료 가스와 연소 혼합물의 특히 충분한 혼합이 달성되게 된다.
대안적으로, 연료 가스 주입 라인을 혼합 구역 내에 다공성 세라믹체로 형성하면, 연료 가스와 연소 혼합물을 더 잘 혼합시킬 수 있는데, 이는 천공된 튜브 벽을 갖는 튜브에 비해 이러한 세라믹체가 더 넒은 표면적을 갖기 때문이다.
연소 혼합물(농축될 수 있음)을 점화하기 위한 점화기가 연소 챔버 내에 위치하는 것이 바람직하며, 점화기가 다공체로 돌출되는 것이 특히 바람직하다. 화염이 먼저 다공체 내에서 형성되어 특별한 화염 트랩없이도 플래쉬백이 방지되도록, 다공체로 들어간 (농축) 연소 혼합물 내에서 점화가 먼저 발생해야 한다.
전술한 본 발명에 따른 버너를 조합 작동에 사용하는 경우, 화염이 연료 가스 연소를 위한 파일럿 화염으로 액체 연료 연소를 제공할 수 있으며, 또한 직쇄형 가스 버너에서 비가연성인 연료 가스의 연소도 가능케 할 수 있다. 그러나, 가스나 액체 연료 버너로, 직쇄형 방식인 고품질 연료 가스 또는 액체 연료를 갖는 본 발명의 따른 버너를 사용하는 것도 가능하다.
연료 가스, 액체 연료 및 연소 공기의 주입 흐름을 조절하기 위해 조절기가 제공되는 것이 바람직하며, 각각 트위킹(tweaking)되어 서로 배합된다. 이러한 조절기는 공급 및 품질 조건이 상이하더라도 변함없는 최적 연소를 달성시켜준다.
전술한 개별적인 연소 성분들은 이들의 화학적 성질로 인해 스니프 테스트(sniff test)를 수행하고 이에 따른 변수를 조절하는 것이 매우 복잡하기 때문에, 본 발명의 한 양태에서 트위킹은 폐쇄-루프형으로(closed-loop) 조절된다. 즉, 배출 유출부 영역 및/또는 연소 챔버 내에서 센서의 의해 인지되는 변수의 함수로 트위킹을 조절한다. 이러한 목적을 위해, 소위 람다 센서가 배출 유출부 영역 내에 제공될 수 있으며/있거나, 배출 유출부 영역 또는 연소 챔버 영역 내에 온도 센서가 제공될 수도 있다. 이는 연소 자체의 모니터링을 가능케 하며, 감지된 변수가 미리 설정된 셋포인트 값에서 벗어나는 경우, 개별적인 연소 성분의 배합이 트위킹되어 최적의 연소가 달성될 수 있다.
이러한 결과 배향된 폐쇄 루프형으로 조절된 시스템은 이용가능한 유량 및/또는 개별적인 연소 성분의 품질에 심한 변동이 예상되는 경우에 특히 유리하며, 예를 들어, 본 발명의 특히 바람직한 구체예에서, 본 발명에 따른 버너가 연료 전지 스택(fuel cell stack)에서 애프터버너로 사용되는 경우(애노드 배출 흐름이 연료 가스로 버너 장치의 연료 전지 스택으로 공급됨) 유리하다.
연료 전지는 실질적으로 수소화된 애노드 가스와 산화된 캐소드 가스가 연료 전지 모듈 내에서 전기 에너지의 촉매적 생산으로 인해 물로 전환되는, 전기 에너지를 수득하는 공지된 장치이다. 이러한 연료 전지 배열은 일반적으로 복수개의 상호연결된 연료 전지 모듈을 포함한다. 이러한 배열을 연료 전지 스택이란 용어로 칭한다. 이러한 연료 전지 스택의 문제점 중 하나는 수소화된 애노드 가스가 불완전하게 전환된다는 것이다. 이것이 (불완전한) 애노드 배출 흐름이 종종 애프터버너 내에서 연소되는 이유이며, 이 결과 생성된 열이 열 교환기에 의해 배출되어 사용되게 된다. 그러나, 연료 전지 내 촉매적 전환 정도는 실제 작동 지점에 의존하기 때문에, 애프터버너에 공급되는 연료 가스의 "품질"은 상당히 변동적이므로 버너에 장애를 초래하거나 적어도 최적 연소 품질보다는 낮게 된다. 이러한 문제점은 이제 본 발명에 따른 버너 장치를 연료 전지 스택용 애프터버너로 이용함으로써 제거된다.
연소에서 초래되는 열을 효과적으로 이용하기 위해, 연소 챔버를 열 교환기 요소와 열 접촉되게 하는 것이 바람직하다.
이제 본 발명의 한가지 바람직한 구체예를 도면을 참고하여 예시적으로 상세히 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 버너 장치를 포함하는 본 발명에 따른 연료 전지 스 택의 한 구체예에 대한 도식적인 단면도이다.
도면부호 목록
10 버너 장치
12 증발 구역
14 증발재 요소
16 연료 주입 라인
18 연소 공기 주입 라인
20 혼합 구역
22 연료 가스 주입 라인
24 연료 가스 분배기
26 연소 챔버
28 다공체
30 점화기
32 열 교환기
34 열 유체 주입 라인
36 열 유체 방출 라인
38 배출 유출부
40 람다 센서
42 연료 전지 모듈
44 조절기
도 1은 본 발명에 따른 버너 장치(10)가 애프터버너로 할당된, 연료 전지 모듈(42)을 포함하는 연료 전지 스택의 도식적인 단면도이다. 액체 연료와 연소 공기는 각각 연료 주입 라인(16)과 연소 공기 주입 라인(18)을 통해 버너 장치(10)로 공급되며, 금속 증발재 요소(14), 특히 금속 폼으로 형성되는 것이 바람직하다. 촉매적으로 코팅될 수 있는 증발재 요소(14)의 표면적에 걸쳐, 공급된 액체 연료는 증발되어 연소 공기와 혼합된다.
증발 구역으로부터, 결과 연소 혼합물은 혼합물 구역(20)으로 흘러가며, 여기서 연료 가스가 연료 가스 주입 라인(22)을 통해 주입되합물 구역(20)으로 흘러가며, 이 경우 연료 전지 모듈(42)의 애노드 배출에 해당한다. 혼합물 구역(20) 내에서, 연료 가스 주입 라인(22)은 천공된 튜브 또는 다공체 형태, 특히 다공성 세라믹체의 형태를 가지는 것이 바람직하다. 연료 가스 주입 라인(22)의 끝 부분은 다음에 오는 연료 가스 분배기(24)에 연결된다. 연료 가스 분배기(24)는 증발 구역 유래의 연소 혼합물의 흐름 내에 둘러싸여, 연료 가스와 연소 혼합물의 균질한 배합물, 즉, 연소 혼합물의 농축화를 초래한다. (농축된) 연소 혼합물은 이후 연소 챔버(26)로 흘러가며, 보여준 구체예의 경우 연소 챔버(26)는 다공체(28)로 완전히 채워져 있다. 점화기(30)는 다공체(28)로 돌출되도록 형성될 수 있으며, 예를 들어, 전기 글로 핀(glow pin)으로 형성될 수 있다. 점화기(30)는 다공체(28)로 도입된 (농축된) 연소 혼합물을 점화시켜, 안정화된 화염의 형성 및 연소 혼합물의 거의 총 연소를 초래한다. 연소 챔버의 후방부에는 예를 들어, 열 유체 주입 라 인(34)과 열 유체 방출 라인(36)에 연결되는 나선형 튜브를 포함하는 열 교환기(32)가 배열된다. 이 경우 사용되는 열 유체는 물, 글리세롤, 열 오일 등과 같은 공지된 임의의 유체일 수 있으며, 필요한 경우, 공기와 같은 가스 성분은 열 전달 매질로 제공될 수 있다.
연소 챔버(26)의 후방부에는 배출 유출부(38)가 연결되며, 연소시 배출 가스가 외부로 유출된다.
나타낸 구체예에서, 배출 유출부 영역 내에, 특정 배출 변수를 감지하여 연소 품질을 측정하는데 도움을 주는 람다 센서(40)가 제공된다. 람다 센서(40)에 의해 인지된 변수는, 연소 성분들인 액체 연료, 연소 공기 및 연료 가스의 트위킹된 배합이 연소 챔버(26) 내에서 연소를 최적화시키도록 조절기(44)로 공급될 수 있다.
물론, 도면에 나타낸 특정 설명과 예시적인 구체예는 본 발명의 구체예를 설명하기 위한 것일 뿐 제한적으로 해석되어서는 안된다. 본 기술 분야의 당업자에 의해 변화 및 변경이 가해질 수 있다. 따라서, 예를 들어, 나타낸 람다 센서(40)가 아닌 센서나 부가적인 센서를 사용할 수도 있으며, 또는 센서를 전혀 사용하지 않을 수도 있다. 또한, 버너의 개별적인 부분의 특정 형태학적 배열이 도 1에 나타낸 바와 동일할 필요는 없다. 배출 가스의 냉각 또는 연료 가스, 액체 연료 및/또는 연소 공기의 예비가열을 위해, 배출 가스 또는 이의 성분을 되돌려보내, 대응되는 주입 라인(16, 18, 22)을 둘러싸도록 할 수 있으며, 또한 열 교환기로 되돌려보내 이의 효율을 개선시킬 수도 있다.
상기 본원 명세서와 도면 및 청구항에 기재된 본 발명의 특징들은 단독으로 그리고 임의의 조합으로 본 발명을 달성하는데 필수적일 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (11)

  1. 적어도 부분적으로 다공체(28)로 채워진 버너 챔버(26); 연료 주입 라인(16)을 통해 공급되는 액체 연료를 증발시키기 위한, 버너 챔버(26)의 상류에 위치하는 증발 구역(12); 연소 공기 주입 라인(18)을 통해 증발 구역(12)으로 공급되는, 증발된 액체 연료와 연소 공기의 연소 혼합물을 점화시키기 위한 점화기(30); 및 연소 챔버(26)의 하류에 위치하는 배출 유출부를 포함하는 버너 장치(10)로서, 증발 구역(12)과 연소 챔버(26) 사이에, 연료 가스 주입 라인(22, 24)을 통해 도입된 연료 가스가 연소 공기 및/또는 연소 혼합물과 혼합되는 혼합 구역(20)이 위치하는 것을 특징으로 하는 버너 장치(10).
  2. 제1항에 있어서, 증발 구역(12)이 적어도 부분적으로 다공성 증발재 요소(14)로 채워지는 것을 특징으로 하는 버너 장치(10).
  3. 제2항에 있어서, 다공성 증발재 요소(14)가 금속 폼인 것을 특징으로 하는 버너 장치(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 연료 가스 주입 라인(22, 24)이 튜브 벽 내에 방사 천공을 갖는 튜브로 혼합 구역(20) 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 버너 장치(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 연료 가스 주입 라인(22, 24)이 다공성 세라믹체(24)로 혼합 구역(20) 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 버너 장치(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 연소 혼합물을 점화시키기 위한 점화기(30)가 바람직하게는 연소 챔버(26) 내에 위치하며, 다공체(28)로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 버너 장치(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 연료 가스, 액체 연료 및 연소 공기 주입 흐름을 조절하기 위해 조절기(44)가 제공되며, 각각 트위킹(tweaking)되어 서로 배합되는 것을 특징으로 하는 버너 장치(10).
  8. 제7항에 있어서, 조절기(44)가 배출 유출부(38) 영역 내에서 및/또는 연소 챔버(26) 내에서 센서에 의해 인지되는 변수의 함수로, 트위킹된 배합을 조절하기에 적합한 것을 특징으로 하는 버너 장치(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 연소 챔버(26)가 열 교환기 요소(32)와 열 접촉되는 것을 특징으로 하는 버너 장치(10).
  10. 연료 전지 스택 내에서 애프터버너로서 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 따른 버너 장치(10)의 용도로서, 애노드 배출 흐름이 연료 가스로 버너 장치(10)의 연료 전지 스택에 공급되는 것을 특징으로 하는 용도.
  11. 적어도 1종의 연료 전지 모듈(42)에 의한, 수소화된 애노드 가스와 산화된 캐소드 가스의 촉매적 전환에 의해 전기 에너지를 제조하기 위한 연료 전지 스택으로서, 애노드 배출 흐름을 추가적인 연소를 위해 애프터버너에 공급가능하며, 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 따른 버너 장치(10)가 애프터버너로 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
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