KR20110085154A - 연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 ｕ자형 개질기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 Ｕ자형 개질기에 관한 것이다. 이는 연료전지 스택(24)에 공급하는 반응물을 공급하기 위한 개질기(22)와 이 개질기(22)의 온도를 높이기 위한 연소기(23)를 구비하는 연료전지 시스템(20)에서, 상기 개질기(22)는, 상기 연료전지 스택(24)의 일측으로부터 타측으로 관통하여 상기 개질기(22)에 반응물이 공급되도록 설치되는 유입구(222)와; 상기 유입구(222)측에서 상기 연료전지 스택(24)에 인접하여 설치된 상기 연소기(23) 내를 통과하는 U자형 형상의 본체(224)와; 상기 본체(224)를 통과한 반응물이 상기 연료전지 스택(24)으로 다시 되돌아가 공급되도록 유출시키는 유출구(226)를 포함한다. 이에 따라 예컨대 500 ~ 1000 ℃ 정도의 높은 온도로 반응물을 연료전지에 공급하기 위한 개질기의 구조가 승온을 위한 연소기와 용이하게 통합될 수 있고 전체 시스템의 크기가 소형화될 수 있을 뿐만 아니라 열효율이 높아 결과적으로 발전 효율이 높은 연료전지 시스템을 제공할 수 있는 등의 효과를 제공한다.

Description

연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 Ｕ자형 개질기{U-shaped Reformer For Using With Integrated Combustor-Reformer of Fuel Cell}

본 발명은 일반적으로 연료전지의 개질기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 예컨대 500 ~ 1000 ℃ 정도의 높은 온도로 반응물을 연료전지에 공급하여야 할 필요가 있는 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지 스택 및 개질기의 정상 동작을 위한 승온 구조의 열효율을 높일 수 있도록 U자형 형상의 개질기를 구비한 새로운 연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 U자형 개질기에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 전기화학 반응에 의해 수소와 산소의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서, 통상 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소, 그리고 산소를 포함하고 있는 공기를 연료로 사용한다.

이러한 연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라, 150 ~ 200℃ 부근에서 동작하는 인산형 연료전지, 600 ~ 700℃의 고온에서 동작하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질 등이 서로 다르지만, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 근본적으로 같은 원리에서 작동한다.

즉 도시된 바와 같이 통상적으로 연료전지 시스템(10)은 탄화수소 계열의 연료를 공급하는 연료부(11)에서부터 공급된 연료를 개질기(12)에서 수소가 많이 함유된 기체와 산소가 포함된 공기(13)를 연료전지 스택(14)에 제공하면, 연료전지 스택(14)에서는 수소와 산소를 반응시켜 이에서 나오는 직류 전원을 출력할 수 있다. 일반적으로 연료전지 단위 셀의 전압은 실제 응용에 필요한 전압보다 크게 낮기 때문에 다수의 단위 셀을 적층시킨 연료전지 스택(14)이 이용되며, 이 스택(14)에서부터 출력된 전원은 직접 또는 원하는 종류의 전원으로 변환시키는 전력변환기(15)를 거쳐 배터리나 모터 등에 공급될 수 있다.

그런데, 연료전지의 동작에 있어서는 정상적으로 동작되는 온도로 승온시키고 이를 유지하여야 한다. 종래 연료전지 스택의 승온은 전기식 가열판과 같은 열교환기를 통하여 이루어지는데, 발전시스템의 용량이 커질수록 연료전지 스택의 가열 비용이 커진다는 문제가 있었다.

이런 문제를 해결하기 위하여, 예컨대 대한민국 특허 등록번호 10-0356681에서는 가연성 연료를 연소시켜 그 반응열을 이용하여 연료전지를 정상동작으로 승온시키기 위한 승온장치가 제안되기도 하였다.

그런데 종래 기술에 따르면, 연료전지 스택과 개질기의 온도를 높이기 위한 열교환기나 연소기와 같은 승온 장치가 각각 개별적으로 설치되므로 각각의 장치간 반응물의 이동 유로가 복잡하게 추가되어야 하였으므로 시스템 구조가 복잡해지고 커질 뿐만 아니라 비용이 상승하며 부수물의 처리에도 어려움이 있었다.

그러므로 상대적으로 높은 온도의 동작 온도가 필요로 되는 연료전지 시스템에 있어서 연료전지 스택의 정상 동작 온도를 유지하면서도 전체 시스템의 크기가 소형화될 수 있고 열효율이 높도록 하는 구조에 대한 절실한 요구가 여전히 존재한다.

특허등록번호10-0356681 특허공개번호10-2006-0001618

본 발명은 상술한 종래 연료전지의 개질기의 구조를 개선하고 다양한 추가 장점을 제공하기 위하여 발명된 것이다. 본 발명은 예컨대 500 ~ 1000 ℃ 정도의 높은 온도로 반응물을 연료전지에 공급하기 위한 개질기의 구조가 승온을 위한 연소기와 용이하게 통합될 수 있고 U자형 형상을 가지기 때문에 전체 시스템의 크기가 소형화될 수 있을 뿐만 아니라 열효율이 높아 결과적으로 연료전지 시스템의 발전 효율이 높도록 구성한 새로운 연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 U자형 개질기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 U자형 개질기에 의하여 달성된다.

본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 U자형 개질기는, 연료전지 스택에 공급하는 반응물을 공급하기 위한 개질기와 이 개질기의 온도를 높이기 위한 연소기를 구비하는 연료전지 시스템에서, 상기 개질기는, 상기 연료전지 스택의 일측으로부터 타측으로 관통하여 상기 개질기에 반응물이 공급되도록 설치되는 유입구와; 상기 유입구측에서 상기 연료전지 스택에 인접하여 설치된 상기 연소기 내를 통과하는 U자형 형상을 가지는 본체와; 상기 본체를 통과한 반응물이 상기 연료전지 스택으로 다시 되돌아가 공급되도록 유출시키는 유출구를 포함한다.

또한 일 실시예에 있어서, 상기 개질기의 유입구 상류에는 통과하는 반응물질의 온도를 높이기 위한 열교환기가 더 구비된다.

상술한 구성을 가지는 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 예컨대 500 ~ 1000 ℃ 정도의 높은 온도로 반응물을 연료전지에 공급하기 위한 개질기의 구조가 승온을 위한 연소기와 용이하게 통합될 수 있고 U자형 형상을 가지기 때문에 전체 시스템의 크기가 소형화될 수 있을 뿐만 아니라 열효율이 높아 결과적으로 연료전지 시스템의 발전 효율이 높다는 등의 현저한 효과가 제공된다.

도 1은 일반적인 연료전지 시스템의 구성을 보여주는 개략적인 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 U자형 개질기의 구조를 보여주는 개략적인 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 U자형 개질기의 구조를 보여주는 개략적인 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 연료전지 시스템(20)은, 개질기(22)에서 탄화수소계열 물질로부터 수소를 생산하여 연료전지 스택(24)에 공급하는 시스템이다. 이를 위하여 개질기(22)에 공급되는 탄화수소계열 물질은 먼저 적절한 고온으로 승온된 후 개질기(22)에 공급되어야 하며, 마찬가지로 연료전지 스택(24)에 공급되는 물질도 역시 고온으로 승온된 상태로 공급되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 U자형 개질기가 적용되는 연료전지 시스템(20)은, 개질기(22)의 위치가 연료전지 스택(24)에 통합되어 있을 뿐만 아니라 더 나아가 연소기(23)와도 통합되어 있으며, 특히 개질기(22)의 형상이 U자형 형상을 가진다는 현저한 특징을 가진다.

개질기(22)는 탄화수소계열의 원료인 반응물이 주입되어 내부에 장치된 촉매 등을 통과하면서 수소가 생성되도록 하는 긴 관 형태의 구조를 가지며, 이에 따라 반응물이 주입되는 유입구(222)와 반응이 일어나는 본체(224) 및 반응후 물질이 유출되어 연료전지 스택(24)으로 공급되도록 하는 유출구(226)를 가진다.

이때 본 연료전지 시스템(20)에 있어서, 개질기(22)의 유입구(222)는, 연료전지 스택(24)의 일측으로부터 타측으로 관통하여 설치된다. 이에 따라 유입구(222)를 통과하는 반응물은 연료전지 스택(24)에서부터 발생되는 열에 의하여 예열될 수 있다는 장점이 제공될 수 있다.

그리고 유입구(222)와 연결되어 실제 개질 반응이 일어나는 본체(224)는 연소기(23)에 내장된다. 연소기(23)에서는 가연성 연료를 태우거나 전기적인 가열 방식으로 개질기(22)의 본체(224)를 가열함으로써 개질 반응이 정상적으로 일어날 수 있도록 한다. 연소기(23)는 개질기(22)의 유입구(222)가 끝나는 지점에서 연료전지 스택(24)에 인접하여 설치되는 것이 바람직하다.

개질기(22) 본체(224)를 통과한 반응물, 즉 개질 반응이 이루어진 이후의 물질은 연료전지 스택(24)으로 다시 되돌아가 공급되도록 유출시키는 유출구(226)를 통해 배출된다.

이와 같은 구성을 가진 개질기(22)의 구조는 도 2에서 예시하고 있는 바와 같이 대체로 U자형이다. 따라서 U자형 형상의 본체(224)는 자연스럽게 연소기(23) 내부를 ㄷ자 형태로 횡단하면서 연소기(23)로부터 열을 충분히 전달받을 수 있다. 또한 U자형 형상의 본체(224) 양단이 각각 유입구(222)와 유출구(226)로 이루어질 수 있으므로, 유입구(222)와 유출구(226)의 위치가 연료전지 스택(24)과 자연스럽게 인접되도록 설치될 수 있다는 장점이 제공될 수 있다.

한편, 초기 동작시 연료전지 시스템(20)이 개시(start up)되는 시점에서는 연료전지 스택(24)이 고온이 아니기 때문에, 연료전지 스택(24)에 의한 반응물의 예열이 이루어지지 않을 수 있다. 이 경우에 개질기(22)의 유입구(222)로 유입되는 반응물의 온도는, 개질기(22)의 유입구(222) 상류에는 통과하는 반응물질의 온도를 높이기 위한 열교환기(21)에 의하여 이루어질 수 있다. 열교환기(21)의 동작은 별도의 배터리와 같은 전기 공급수단에 의하여 이루어질 수 있다.

상술한 구조의 연료전지 시스템(20)에 의하면, 도 2에서 F로 지칭되어 있는 개질기 반응물의 이동경로로 표시되어 있는 바와 같이, 탄화수소 계열의 연료는 먼저 열교환기(21)를 통과하고 연료전지 스택(24)을 통과하여, 둘 중 어느 하나에 의해서 예열될 수 있다. 예열된 연료는 유입구(222)를 통해 본체(224)로 유입되고, 본체(224)를 가열하는 연소기(23)에 의하여 승온되어 있는 개질기(22)의 동작에 따라 개질 반응이 일어날 수 있다. 개질된 반응물은 유자형 개질기 본체를 지나 유출구(226)를 통해 다시 연료전지 스택(24)으로 공급될 수 있다.

이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 명세서에서 설명된 여러 가지 특징을 참조하고 조합하여 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위가 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 함을 지적해둔다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 U자형 개질기는, 반응물을 연료전지에 공급하기 위한 개질기를 갖춘 연료전지 시스템 분야에서 널리 이용가능하다.

20 : 연료전지 시스템
21 : 열교환기
22 : 개질기
222 : 유입구
224 : 본체
226 : 유출구
23 : 연소기
24 : 연료전지 스택
F : 개질기 반응물의 이동경로

Claims (2)

1. 연료전지 스택(24)에 공급하는 반응물을 공급하기 위한 개질기(22)와 이 개질기(22)의 온도를 높이기 위한 연소기(23)를 구비하는 연료전지 시스템(20)에서, 상기 개질기(22)는,
   상기 연료전지 스택(24)의 일측으로부터 타측으로 관통하여 상기 개질기(22)에 반응물이 공급되도록 설치되는 유입구(222)와;
   상기 유입구(222)측에서 상기 연료전지 스택(24)에 인접하여 설치된 상기 연소기(23) 내를 통과하는 U자형 형상의 본체(224)와;
   상기 본체(224)를 통과한 반응물이 상기 연료전지 스택(24)으로 다시 되돌아가 공급되도록 유출시키는 유출구(226)를
   포함하는 것을 특징으로 연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 U자형 개질기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 개질기(22)의 유입구(222) 상류에는 통과하는 반응물질의 온도를 높이기 위한 열교환기(21)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 U자형 개질기.

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