KR20100083005A - 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기 - Google Patents

연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투입된 물을 가열하여 증기를 발생시키는 증기 발생기(100), 상기 증기를 승온시키기 위해 증기에 과열을 공급하는 증기 과열기(200) 및 연료극 가스를 승온시키기 위해 연료극 가스에 열을 공급하는 연료극 가스 가열기(300)가 일체로 구성되는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기를 제공한다.
연료전지, 통합형, 증기 발생기, 증기 과열기, 가스 가열기

Description

연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기{Integrated Vaporizer and Superheater for Fuel Cell}
본 발명은 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 시스템을 소형화할 수 있고, 액적을 정밀하게 제어할 수 있는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기에 관한 것이다.
내부 개질형 용융탄산염 연료전지라 함은 연료전지 스택 내부에 메탄-수증기의 개질 촉매가 충진되어 여기에서 생성된 수소가 직접 연료로 사용되는 용융탄산염 연료전지로, 제작비가 적게 들고 전극반응에서 생성된 열을 개질 반응의 흡열에 이용할 수 있으며, 전극 인접 부분에서 생성된 수소가 직접 반응에 계속하여 공급되므로 연료의 높은 전환율을 기대할 수 있다는 이점을 가진다.
개질 반응은 메탄 개질 반응과 수성화 개질 반응으로 구분할 수 있고, 모두 물을 공급해야 한다는 특징이 있다. 그러나 물은 촉매에 큰 손상을 줄 뿐만 아니라 공급되는 연료 가스와 균일하게 혼합되어야 균일한 반응을 일으킬 수 있으므로 증 기로의 변환 및 공급되는 연료가스와의 혼합이 잘 이루어져야 한다. 또한, 증기의 경우 유량을 측정하기가 매우 까다롭기 때문에 공급된 물이 100% 증기로 변환되어야 한다는 문제점을 가진다.
미국 특허 제 7,264,234호 및 미국 특허 공개 제 2006/0097412 A1은 종래의 내부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템에 이용된 가스 혼합형 증기 발생기를 개시하고 있다. 상기 가스 혼합형 증기 발생기는 플레이트-핀 타입(Plate-Fin type)을 이용하여 물을 공급하고 공기극 배출가스를 이용하여 증기를 생성할 수 있도록 열교환기 형태로 구성하여 크기를 크게 감소시켰다는 이점이 있으나, 물 공급부가 하나의 헤더(header)로부터 여러 개의 주입관으로 삽입되고, 용접에 의하여 결합되는 형태로 제작되어 제작 원가가 높고, 증기의 방향이 중력 방향이기 때문에 수적(水滴)이 후단으로 유입될 가능성이 크며, 물의 100% 증기화가 이루어지지 않아 액적(液滴),(steam/carbon ratio: S/C ratio)을 정밀하게 제어하기 어렵다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자들은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 연료극 가스 가열부, 증기발생기 및 증기 과열기를 일체화시킨 구조를 제공하여 연결 배관을 크게 감소시켜 연료전지 시스템을 소형화할 수 있고, 공기극 배출가스를 열원으로 하여 추가적인 열 에너지 공급없이 열교환을 이용할 수 있으며, 증기의 방향을 반중력 방향으로 하는 증기발생기 및 증기 과열기를 제공함으로써 액적의 체류시간 증가 및 열원 공급을 통해 완전 증기화를 이룰 수 있어 액적을 정밀하게 제어할 수 있고, 연료극 가스를 고온으로 승온시킬 수 있으며, 제작이 쉽고 비용의 절감이 가 능한 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기를 개발하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 연료극 가스 가열부, 증기발생기 및 증기 과열기를 일체화시킨 구조를 제공하여 연결 배관을 크게 감소시켜 연료전지 시스템을 소형화할 수 있는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공기극 배출가스를 열원으로 하여 추가적인 열 에너지 공급없이 열교환을 이용할 수 있는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 증기의 방향을 반중력 방향으로 하는 증기발생기 및 증기 과열기를 제공함으로써 액적의 체류시간 증가 및 열원 공급을 통해 완전 증기화를 이룰 수 있어 액적을 정밀하게 제어할 수 있는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료극 가스를 고온으로 승온시킬 수 있는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제작이 쉽고 비용의 절감이 가능한 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기는 투입된 물을 가열하여 증기를 발생시키는 증기 발생기(100), 상기 증기를 승온시키기 위해 증기에 과열을 공급하는 증기 과열기(200) 및 연료극 가스를 승온시키기 위해 연료극 가스에 열을 공급하는 연료극 가스 가열기(300)가 일체로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서,
상기 증기 발생기(100)는 증기 발생기 챔버(110) 및 증기 발생기 튜브 시트(120)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 증기 과열기(200)는 증기 과열기 챔버(210), 증기 과열기 튜브 시트(220) 및 증기 과열기 입출구 분리판(230)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료극 가스 가열기(300)는 연료극 가스 가열기 챔버(310), 연료극 가스 가열기 튜브 시트(320) 및 연료극 가스 가열기 입출구 분리판(330)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 증기 과열기(200)는 압력 제어를 위한 압력 점검 연결부(240)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 증기 발생기(100) 및 증기 과열기(200)는 수축 팽창 튜브(130)로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 증기 발생기(100)는 선 가열부(400)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 튜브 시트는 U자형 튜브 시트인 것을 특징으로 한다.
상기 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기는 소형 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 연료극 가스 가열부, 증기발생기 및 증기 과열기를 일체화시켜 연료전지 시스템을 소형화할 수 있고, 공기극 배출가스를 열원으로 하여 추가적인 열 에너지 공급없이 열교환을 이용할 수 있으며, 증기의 방향을 반중력 방향으로 하는 증기발생기 및 증기 과열기를 제공함으로써 액적을 정밀하게 제어할 수 있고, 연료극 가스를 고온으로 승온시킬 수 있으며, 제작이 쉽고 비용의 절감이 가능한 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기를 제공하는 발명의 효과를 가진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 후술하는 내용에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기의 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기는 증기 발생기(100), 증기과열기(200) 및 연료극 가스 가열기(300)로 이루어진다.
증기 발생기(100)는 공기극 폐열의 이동 및 구조물 구성을 위한 증기발생기 챔버(110)와 증기 발생을 위한 열교환용 튜브시트(120)를 포함한다. 먼저 고압의 정제된 물은 본 발명의 증기발생기(100)의 증기발생기 챔버(110) 내로 "E"를 통하여 공급되고, 튜브 전단의 매니폴드에서 균일하게 분산되어 공기극 폐열과 열교환되는 열교환용 튜브시트(120)를 통하여 물이 증발된다. 증발된 물은 수축 팽창 튜브(130)를 통해 증기 과열기(200)로 공급된다.
증기 과열기(200)는 증기 과열기 챔버(210), 증기 과열기 튜브 시트(220) 및 증기 과열기 입출구 분리판(230)을 포함한다. 또한, 증기 과열기(200)는 시스템의 압력을 제어하기 위한 압력 점검 연결부(240)를 더 포함할 수 있다. 증기 과열기 챔버(210)는 공기극 폐열의 이동 및 구조물 구성을 위한 부분이고, 증기 과열기 튜브 시트(220)는 증기 발생기를 통해 증기가 과열되는 부분이다. 상기 증기 과열기 튜브 시트(220)를 사용함으로써 증기의 출구가 반중력 방향이 되도록 하고 미세 액적 및 증기의 체공시간을 늘려준다. 튜브 시트(220) 상단은 증기과열기 입출구 분리판(230)을 통해 입출구 부가 구분된다. 증기과열기 출구부는 압력 점검 연결부(240)를 포함하고, 상기 압력 점검 연결부(240)는 파열판(Rupture disk) 등을 사용하여 연결하는 것을 통해 증기의 출구압력이 과다하게 상승하는 것을 막아준다. 추가적으로 액적의 정밀한 제어를 위해 증기발생기(100)의 정제 물 입구인 "E" 전 단에서 물을 분기한 후 선가열부(400)를 거쳐 제어용 우회 물 선가열부 "G"에서 나오는 폐열을 이용하여 소형 열교환기를 통해 증기화한 후, 증기과열기(200)의 증기 출구인 "F" 후단에 공급할 수 있는 제어 프로세스(도면 미표시)를 포함할 수 있다.
연료극 가스 가열기(300)는 연료극 가스 가열기 챔버(310), 연료극 가스 가열기 튜브 시트(320) 및 연료극 가스 가열기 입출구 분리판(330)을 포함한다. 연료극 가스 가열기 챔버(310)는 공기극 폐열의 이동 및 구조물 구성을 위한 기능을 하고, 연료극 가스 가열기 튜브 시트(320)는 연료극 가스의 승온을 위한 구성 요소이며, 연료극 가스 가열기 입출구 분리판(330)은 연료극 가스 가열기 튜브 시트(320) 상단에 위치하여 입출구를 구분하기 위한 것이다. 연료극 가스는 연료극 가스 입구 "C"를 통하여 투입되고, 연료극 가스 출구 "D"를 통하여 배출된다. 또한, 공기극 폐열은 공기극 폐열 입구 "A"를 통하여 투입되고, 공기극 폐열 출구 "B"를 통하여 배출된다.
본 발명에 따른 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기는 전체적으로 600℃ 이상의 승온을 요구하는 연료극 가스 가열기(300), 발생된 증기의 미세 액적까지 증발시키기 위한 증기 과열기(200), 정제된 물을 증기화하는 증기 발생기(100)의 순서로 폐열을 활용함으로써 폐열 이용 효율을 극대화하고, 고온용 연료전지에 추가되는 별도의 승온에 필요한 시스템을 제거함으로써 시스템 및 배관의 크기를 줄일 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기의 개략적인 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100: 증기 발생기 110: 증기 발생기 챔버
120: 증기 발생기 튜브시트 130: 수축 팽창 튜브
200: 증기 과열기 210: 증기 과열기 챔버
220: 증기 과열기 튜브시트 230: 증기 과열기 입출구 분리판
240: 압력 점검 연결부 300: 연료극 가스 가열기
310: 연료극 가스 가열기 챔버 320: 연료극 가스 가열기 튜브 시트
330: 연료극 가스 가열기 입출구 분리판
400: 선 가열부

Claims (9)

  1. 투입된 물을 가열하여 증기를 발생시키는 증기 발생기(100);
    상기 증기를 승온시키기 위해 증기에 과열을 공급하는 증기 과열기(200); 및
    연료극 가스를 승온시키기 위해 연료극 가스에 열을 공급하는 연료극 가스 가열기(300);
    가 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증기 발생기(100)는 증기 발생기 챔버(110) 및 증기 발생기 튜브 시트(120)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 증기 과열기(200)는 증기 과열기 챔버(210), 증기 과열기 튜브 시트(220) 및 증기 과열기 입출구 분리판(230)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료극 가스 가열기(300)는 연료극 가스 가열기 챔버(310), 연료극 가스 가열기 튜브 시트(320) 및 연료극 가스 가열기 입출구 분리판(330)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 증기 과열기(200)는 압력 제어를 위한 압력 점검 연결부(240)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증기 발생기(100) 및 증기 과열기(200)는 수축 팽창 튜브(130)로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 증기 발생기(100)는 선 가열부(400)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기.
  8. 제2항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 튜브 시트는 U자형 튜브 시트인 것을 특징으로 하는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기는 소형 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기.
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