KR20100052888A - 고체 산화물 연료전지 발전시스템용 일체형 열교환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매연소기 및 다수의 평판형 열교환기로 이루어진 소형 고체산화물 연료전지 (solid oxide fuel cell, SOFC) 발전시스템용 일체형 열교환 장치를 제공하기 위한 것으로, SOFC 스택에서 배출되는 가스를 이용해서 스택에 공급되는 공기 및 연료를 예열하고 스팀을 생산하기 위하여, SOFC 스택의 아래 부분에 장착되며, 일체형 열교환 장치 내에서 SOFC 스택으로부터 배출되는 가스는 유체흐름상의 단면적 변화가 없이 흐르는 것을 특징으로 한다.

SOFC, 스택, 열교환, 촉매연소기, 평판형, 배출가스, 예열, 발전시스템

Description

고체 산화물 연료전지 발전시스템용 일체형 열교환 장치{Heat exchanger array for solid fuel cell power generation system}

본 발명은 고체 산화물 연료전지 발전시스템용 일체형 열교환 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 촉매연소기 및 다수의 평판형 열교환기로 이루어진 소형 고체산화물 연료전지 발전시스템용 일체형 열교환 장치에 관한 것이다.

일반적으로 700℃ 이상의 고온에서 작동되는 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, 이하, "SOFC"라 칭함) 발전시스템의 경우 도 1에 예시한 바와 같이, 고온의 폐열이 배출되어, 이를 이용하여 연료와 공기를 예열하는 열교환 시스템이 필요하며, 배출되는 미반응 연료를 효과적으로 이용하여 연료개질반응 등에 필요한 열과 스팀을 생산하는 장치가 필요하다.

SOFC 발전 시스템에서 연료 및 공기의 예열과 스팀 생산을 위한 열교환 장치에 대해 그동안 많은 특허가 제시되었으며, 이들은 스택 바로 주위에 배치되어 열교환 효율을 높이거나 스택 주변 온도를 조절하는 방식 (미국공개특허제20070003806호, 미국특허제6,551,734호, 동 제5,340,664호)과, 스택과는 별도로 배치되어 연료 및 공기의 예열과 스팀 생산을 담당하는 방식 (미국특허제7,255,157호, 동 제7,108,053호, 제6,967,064, 동 제6,739,385호, 동 6,635,375호)으로 나뉜다.

그러나, 이와 같은 종래의 SOFC 발전시스템용 열교환 장치는 구조가 매우 복잡하여 스택으로부터 배출되는 가스가 보다 용이하게 배출되기 어렵거나, 공기와 연료의 예열 및 스팀 발생을 각각 별도의 서로 분리된 열교환기에서 수행하여 시스템 구성이 복잡해지고, 따라서 시스템의 제어가 어려운 단점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 SOFC 스택으로부터 배출되는 가스가 보다 용이하게 배출되고, 공기와 연료의 예열 및 스팀 발생이 일체로 되어 조절할 수 있는 SOFC 발전 시스템용 일체형 열교환 장치를 제공하는 것이다.

또한, SOFC 스택의 아래 부분에 장착되는 촉매연소기 및 다수의 평판형 열교환기로 이루어진 SOFC 발전시스템용 일체형 열교환 장치를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로, 본 발명의 SOFC 발전 시스템용 일체형 열교환 장치는, SOFC 스택에서 배출되는 가스를 보다 용이하게 배출하고, 공기와 연료의 예열 및 스팀 발생을 일체로 하여 조절하기 위하여, SOFC 스택으로부터 배출되는 미반응 공기와 미반응 연료가 만나서 연소반응을 일으키는 촉매 연소 수단, 상기 연소반응에 의해 더욱 가열된 SOFC 스택으로부터의 배출 가스가, SOFC 스택으로 유입되는 공기와 연료를 예열하고, 연료 개질반응에 필요한 스팀을 물로부터 생산하는 열교환 수단이 일체로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 SOFC 발전시스템용 일체형 열교환 장치는 SOFC 스택에서 배출되는 고온의 가스가 쉽게 배출되어 SOFC 스택의 운전을 용이하게 하며, SOFC 스택으로부터의 배출 가스를 이용하여 SOFC 스택에 공급되는 공기 및 연료의 예열과 스팀 발생을 일체로 하여 조절할 수 있어 발전시스템의 제어가 용이하다는 효과를 달성할 수 있다.

이하 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 SOFC 발전시스템용 일체형 열교환 장치는, SOFC 스택으로부터 배출 가스가 유체흐름상의 단면적 변화가 없이 흐르도록 함으로써 스택 운전을 용이하게 하고, 촉매연소 수단과 열교환 수단을 일체형으로 제작하여 시스템 운전을 용이하게 할 수 있음을 그 기술적 사상의 바탕으로 한다. 이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 일체형 열교환 장치 및 적용 예를 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 중 도 2는 본 발명에 따른 SOFC 발전시스템용 일체형 열교환 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 상기 일체형 열교환기 장치 내의 개별 열교환기를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 일체형 열교환 장치를 채택한 SOFC 발전시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.

먼저, 본 발명에 따른 SOFC 발전시스템용 일체형 열교환 장치는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 크게 분류해서, SOFC 스택으로부터 배출되는 미반응 공기와 미반응 연료가 만나서 연소반응을 일으키는 촉매 연소 수단, 연소반응에 의해 더욱 가열된 SOFC 스택으로부터의 배출 가스가, SOFC 스택으로 유입되는 공기와 연료를 예열하고, 연료 개질반응에 필요한 스팀을 물로부터 생산하는 열교환 수단으로 나뉜다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 SOFC 발전시스템용 일체형 열교환 장치는 SOFC 스택으로부터 배출되는 미반응된 공기와 미반응된 연료가 만나서 연소반응에 의해 더욱 고온의 가스를 생산하는 촉매연소기가 맨 위에 장착되어 있는 것을 특징으로 한다. 고온의 가스는 촉매연소기 아래 장착되는 여러 개의 열교환기를 따라 아래로 흐르면서 열교환이 이루어지는데, 이 때 여러 개의 열교환기로 이루어지는 일체형 열교환 장치를 따라 유체흐름상의 단면적의 변화 없이 흐르도록 함으로써 가스가 용이하게 배출되도록 하는 것이 또 하나의 특징이다.

본 발명에 따른 일체형 열교환 장치의 열교환 수단은 여러 개의 열교환기가 결합되어 이루어지는데 개별 열교환기는 도 3에서와 같이 평판형으로서 직교류형으로 윤용되어 고온 배출 가스가 흐르는 방향과 수직으로 공기, 연료, 및 물이 공급되어 가열될 수 있는 구조로 이루어져 있다. 추가로 배출 가스를 가열할 필요가 있을 경우에는 고온의 가스를 배출가스와 수직 방향으로 공급하여 배출가스를 가열할 수 있다.

상기의 평판형 열교환기는 가스유로가 금속 박판을 여러 장 적층함으로써 이루어지는데, 그 제작에는 통상적인 결합방법인 브레이징, 디퓨전 본딩 등의 방법을 사용할 수 있다.

개별 열교환기의 열교환 면적은 가열되는 유체의 특성과 유속 및 온도차에 의해 결정되는데, 고온의 배출 가스가 흐르는 가스 유로 부분의 단면적은 모든 열교환기에서 일정하다. 따라서 열교환 면적이 큰 열교환기의 경우에는 높이 방향으로 길이가 증가한다.

본 발명에서 일체형 열교환 장치 내에서 개별 열교환기의 배열은 도 2와 같이 SOFC 스택에서 배출되는 가스의 흐름 방향으로 위로부터 촉매 연소기, 스팀 발생기, 공기 예열기, 연료 예열기, 온수 제조기로 구성되어 있으며, 보다 구체적으로는, 촉매연소기, 2차 공기 예열기, 가열기, 스팀 제조기, 1차 공기 예열기, 연료 예열기, 온수 제조기의 순으로 배열되게 구성되어 있다. 상기 촉매 연소기는 SOFC 스택으로부터 배출되는 미반응 공기와 미반응 연료를 만나게 하여 연소반응을 일으키는 역할을 하며, 그 하단에 위치하는 2차 공기 예열기는 외부로부터 들어오는 찬 공기를 1차로 예열시키는 1차 예열기를 통과한 공기를 추가로 가열하게 되며, 각각의 스팀제조기, 1차 공기예열기, 연료 예열기, 온수 제조기들은 각각 SOFC로 유입되는 물, 공기, 연료 및 냉수 등을 SOFC 스택으로부터 도입되는 배출 가스를 이용하여 각각 스팀, 예열, 가열된 연료 및 온수를 생산하는 역할을 담당하게 된다.

여기서 중간 부분의 가열기는 도 3에 나타낸 바와 같은, 직교류형 열교환기의 형태이며, 추가로 배출 가스를 가열할 필요가 있을 경우 고온의 가스를 배출가스와 수직 방향으로 공급하여 배출 가스를 가열할 수 있다. 이 때 소요되는 고온의 가스는 미반응 연료의 일부를 활용하여 제조가 가능하다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 SOFC 발전시스템을 나타내는 개략도이다. 10 X 10 cm² 면적의 셀이 48장 적층된 1kW SOFC 스택의 아래 부분에 본 발명에 따른 일체형 열교환 장치가 설치되고, SOFC 스택 옆에는 천연가스(NG)의 일부를 합성가스로 변환시키는 pre-reformer가 설치되어 있다. 공기를 100 L/min (25℃, 1기압 기준), NG를 4.8 L/min (25℃, 1기압 기준), 물을 13 g/min 공급하였을 때, SOFC의 성능은 전류 35 A에서 40 V 를 나타내었으며, 미반응 연료 및 공기를 이용하여 시스템의 자열(auto-thermal) 운전이 가능하였다. 이 때 스택으로부처 배출되는 가스는 고온의 박스 내 압력이 200 mm H₂O 이하로 유지될 수 있도록 원활히 배출되었으며, 촉매연소기에 공급되는 미반응 연료의 양을 조절함으로써 공기 및 연료의 예열과 스팀 생산이 용이하게 이루어 졌다.

이와 같은 본 발명에 의한 일체형 열교환 장치는 SOFC 스택의 운전 및 SOFC 발전시스템의 제어를 용이하게 하여 보다 안정한 SOFC 발전시스템을 구성하는데 효과적으로 사용할 수 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다

도 1은 SOFC 발전 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 SOFC 발전시스템용 일체형 열교환 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 상기 일체형 열교환기 장치 내의 개별 열교환기를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 일체형 열교환 장치를 채택한 SOFC 발전시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.

Claims (5)

1. SOFC 스택으로부터 배출되는 미반응 공기와 미반응 연료가 만나서 연소반응을 일으키는 촉매 연소 수단, 상기 연소반응에 의해 더욱 가열된 SOFC 스택으로부터의 배출 가스가, SOFC 스택으로 유입되는 공기와 연료를 예열하고, 연료 개질반응에 필요한 스팀을 물로부터 생산하는 열교환 수단이 일체로 되어 있는 것을 특징으로 하는 SOFC 스택에서 배출되는 가스를 보다 용이하게 배출하고, 공기와 연료의 예열 및 스팀 발생을 일체로 하여 조절하는 SOFC 발전 시스템용 일체형 열교환 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 일체형 열교환 장치는, SOFC 스택에서 배출되는 가스의 흐름 방향으로 촉매 연소기, 스팀 발생기, 공기 예열기, 연료 예열기, 온수 제조기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 SOFC 발전 시스템용 일체형 열교환 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 일체형 열교환 장치는, 촉매 연소기, 2차 공기 예열기, 가열기, 스팀제조기, 1차 공기 예열기, 연료 예열기, 온수 제조기 순으로 배열된 것을 특징으로 하는 SOFC 발전 시스템용 일체형 열교환 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 일체형 열교환 장치는, SOFC 스택 하단에 위치해 있 으며, 개별 열교환기의 열교환 면적은 가열되는 유체의 특성과 유속 및 온도차에 의해 결정되는데, 이때 스택의 가스 배출을 용이하게 하기 위해 유체 흐름상의 단면은 모든 열교환기에서 일정하도록 제작된 것을 특징으로 하는 SOFC 발전 시스템용 일체형 열교환 장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 개별 열교환기는 고온 배출가스가 흐르는 방향과 수직으로 공기, 연료 및 물이 공급되어 가열되어지는 직교류형이며, 추가로 배출가스를 가열할 필요가 있을 경우에는 고온의 가스를 배출가스와 수직방향으로 공급하여 배출가스를 가열하는 평판형 열교환기인 것을 특징으로 하는 SOFC 발전 시스템용 일체형 열교환 장치.

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