KR20110117262A - 산 연료 전지 응축 열 교환기 - Google Patents

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조슈아 디. 이솜
카즈오 사이토
존 더블유 코왈스키
브라이언 에프. 더프너
시타람 라마스워미
리카르도 오. 브라운
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유티씨 파워 코포레이션
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Abstract

본 발명의 연료 전지용 열 교환기는 유체 유동 통로를 제공하는 제1 및 제2 열 교환기 부분을 포함한다. 제2 열 교환기 부분은 제1 열 교환기 부분으로부터 하류에 배치된다. 제1 및 제2 열 교환기 부분은 일 예시에서 튜브에 의해 제공되는 냉각제 유동 통로를 포함한다. 제1 및 제2 열 교환기 부분은 유체 유동 통로와 냉각제 유동 통로 사이에서 열을 전달하도록 구성된다. 제1 열 교환기 부분은 제1 열전달율량을 제공하도록 구성된다. 제2 열 교환기 부분은 제1 열전달율량보다 큰 제2 열전달율량을 포함한다. 일 예시에서, 제1 열 교환기 부분은 튜브를 포함하고 어떠한 핀도 포함하지 않으며, 제2 열 교환기는 튜브를 지지하는 이격된 핀들을 포함한다.

Description

산 연료 전지 응축 열 교환기{ACID FUEL CELL CONDENSING HEAT EXCHANGER}
본 발명은 인산 전해질 연료 전지와 같은 산(acid) 연료 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 산 연료 전지에서 사용되는 응축 열 교환기에 관한 것이다.
산 연료 전지의 일 유형은 인산 전해질을 사용한다. 통상적으로, 응축기는 인산 연료 전지와 함께 사용되어 애노드(anode) 또는 캐소드(cathode) 배출물과 같은 가스 스트림으로부터 물을 응축 및 제거한다. 응축기 열 교환기의 일 유형은 다수의 핀들 내에서 지지되는 다수의 튜브들을 사용한다. 냉각제는 튜브들을 통해 유동하여 핀들 사이를 유동하는 가스 스트림으로부터 물을 응축시킨다. 가스 스트림 내의 수증기는 소량의 인산을 포함한다. 응축기 열 교환기의 상류 부분의 열전달 핀(fin)들은, 핀들 상에서의 산 응축으로 인해 눈에 띌 정도로 부식된다. 핀 에지 온도는 핀을 통한 열 저항으로 인해 냉각제의 온도보다 훨씬 높다. 그 결과, 핀 에지 온도는 통상적으로 물의 이슬점보다 높으나 산의 이슬점보다는 낮아서, 핀상에 부식을 증가시키게 하는 강한 산 응축을 야기한다.
핀들이 막히는 것을 방지하도록, 가스 스트림이 응축 열 교환기를 통해 유동하지 못하게 할 수 있는 부식 생성물들은 보수 절차 동안 반드시 제거되어야한다. 스테인리스 스틸 및 하스텔로이(HASTELLOY)와 같은 내식성 금속들이 핀들과 튜브들에 사용되어 왔다. 내식성 금속들의 사용은, 응축 열 교환기로부터 부식 생성물들을 제거하는 보수 간격을 10년 또는 그 이상의 소정의 지속 기간까지 연장할 수 없었다.
연료 전지용 열 교환기는 유체 유동 통로를 제공하는 제1 및 제2 열 교환기 부분을 포함한다. 제2 열 교환기 부분은 제1 열 교환기 부분으로부터 하류에 배치된다. 제1 및 제2 열 교환기 부분은 일 예시에서 튜브에 의해 제공되는 냉각제 유동 통로를 포함한다. 제1 및 제2 열 교환기 부분은 유체 유동 통로와 냉각제 유동 통로 사이에서 열을 전달하도록 구성된다. 제1 열 교환기 부분은 제1 열전달율량을 제공하도록 구성된다. 제2 열 교환기 부분은 제1 열전달율량보다 큰 제2 열전달율량을 포함한다. 일 예시에서, 제1 열 교환기 부분은 튜브를 포함하고, 어떠한 핀도 포함하지 않으며, 제2 열 교환기는 튜브를 지지하는 이격된 핀들을 포함한다. 다른 예시에서, 제1 및 제2 열 교환기 부분은 각각의 부분에, 튜브 및/또는 핀의 외부에 상이한 개방부 체적을 제공함으로써 상이한 열전달율량을 제공한다.
본 발명의 이러한 특성들 및 다른 특성들은 이하에서 간단히 설명되는, 이하의 명세서 및 도면들로부터 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 응축 열 교환기를 갖는 산 연료 전지의 일 부분의 매우 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1에 도시된 응축 열 교환기의 다른 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 일 예시적인 응축 열 교환기의 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 예시적인 응축 열 교환기의 개략적인 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 또 다른 예시적인 응축 열 교환기의 개략적인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 또 다른 예시적인 응축 열 교환기의 개략적인 평면도이다.
연료 전지(10)는 도 1에서 매우 개략적인 방식으로 도시된다. 연료 전지(10)는 애노드(14)와 캐소드(16)를 갖는 전지 적층 조립체(12)를 포함한다. 일 예시에서, 인산 전해질(18)은 애노드(14)와 캐소드(16) 사이에 배치된다. 전지 적층 조립체(12)는 화학 반응에 응답하여 부하(20)에 동력을 공급할 전기를 생성한다. 연료 소스(22)는 애노드(14)에 의해 제공된 연료 유동장에 수소를 공급한다. 일 예시에서, 연료 소스는 천연 가스이다. 탈황기, 개질기(reformer), 및 포화기(saturator)와 같은 구성요소들이 깨끗한 수소 소스를 제공하도록 연료 소스(22)와 애노드(14) 사이에서 배치될 수 있다. 공기와 같은 산화제 소스(24)는 송풍기(26)를 사용하여 캐소드(16)에 의해 제공되는 산화제 유동장으로 공급된다.
일 예시에서, 전지 적층 조립체(12)는 전지 적층 조립체(12)를 소정의 온도로 냉각시키기 위한 냉각제 플레이트(28)를 포함한다. 냉각제 루프(30)는 냉각제 플레이트(28) 및 응축 열 교환기(32)와 유체 연통한다. 열 교환기(31)는 냉각제 루프(30) 내에 배치되어 연료 전지(10)로부터의 열을 대기(65)로 방출한다. 수증기를 함유하는 가스 스트림은 응축 열 교환기(32)를 통해 유동한다. 일 예시에서, 가스 스트림은 애노드(14)로부터의 애노드 배출물에 의해 제공된다. 그러나 응축 열 교환기는 또한 캐소드(16)와 연결되어 사용될 수도 있음을 이해해야 한다.
응축 열 교환기(32)는 가스 스트림을 수용하는 유체 입구를 제공하는 입구 매니폴드(34)를 포함한다. 가스 스트림은 공통 하우징(36)을 통해서 출구 매니폴드(38) 내의 유체 출구로 유동한다. 제1 및 제2 열 교환기 부분(44, 46)은 하우징(36) 내에 배치된다. 제1 및 제2 열 교환기 부분(44, 46)은 가스 스트림을 수용하는 유체 유동 통로(33)를 제공한다. 일 예시에서, 제1 및 제2 열 교환기 부분(44, 46)은 튜브-인-핀(tube-in-fin) 형태의 배치로 제공된다. 도 1에 도시된 예시에서, 제1 열 교환기 부분(44)은 부식을 회피하기 위해 어떠한 핀도 포함하지 않는다. 보다 구체적으로, 제1 및 제2 열 교환기 부분(44, 46) 중 적어도 하나는 튜브(42)를 지지하는 핀(40)을 포함한다.
일 예시에서, 튜브(42)는 수평 배향으로 도시된다. 핀(40)은 튜브(42)가 핀(40)에 수직하도록 수직 배향으로 도시된다. 핀(40)들은 서로에 대해 평행하게 배치되며, 핀(40)을 관통하는 튜브(42)의 통로를 수용하기 위한 구멍을 포함한다. 도 2 내지 도 5에 도시된 튜브-인-핀 배치는 도 1과 유사하게 구성되지만, 이러한 도면들은 도 1보다 더 개략적인 평면도들이다. 튜브(42)는 냉각제 입구(52)와 냉각제 출구(54) 사이에서 연장하는 냉각제 유동 통로(43)를 제공하며, 냉각제 입구(52)와 냉각제 출구(54)는 냉각제 루프(30) 내부에 배치된다. 냉각제 입구 및 출구 매니폴드들은 명확성을 위해 도시되지 않았다. 핀(40)들은 서로로부터 이격되며 서로에 대해 평행하여 가스 입구(48)와 가스 출구(50) 사이에서 연장하는 유체 유동 통로(33)를 제공한다. 튜브(42) 및 핀(40)은 본원 청구범위에 도시된 것과 상이하게 배향될 수 있으며 이는 여전히 본원 청구범위에 포함된다.
수증기를 함유하는 것에 더하여, 유체 유동 통로(33)에 유입되는 가스 스트림은 또한 소량의 인산을 함유한다. 응축 열 교환기(32) 내부에서 수증기는 대략 65℃의 이슬점을 가지며, 인산은 대략 160℃의 이슬점을 가진다. 냉각제 유동 통로(43) 내부의 냉각제는 제1 온도를 포함하며, 애노드 배출물일 수 있는, 유체 유동 통로(33) 내부의 유체는 제1 온도보다 더 높은 제2 온도를 포함한다. 냉각제 유동 통로(43)를 통하는 냉각제 유동은 유체 유동 통로(33) 내부의 인산 및 수증기를 튜브(42)들의 외부상에 응축시킨다.
도 2를 참조하여, 제1 부분(44) 아래의 산 드립 트레이(acid drip tray; 56)는 응축된 인산을 수집하고 응축된 인산을 산 복귀 라인(66)으로 공급한다. 일 예시에서, 제2 열 교환기 부분(46)으로부터의 물은 물 복귀 통로(60)로 공급될 수 있다. 출구 매니폴드(38)는, 예를 들어 회수된 물을 개질기(63)로 공급하는 물 복귀 통로(60)에 유체 연결되는 배수구(61)를 포함한다. 출구 매니폴드(38)로부터의 배기 가스는 가스 출구(50)(도 1 참조)를 통해 대기(65)로 배기된다. 펌프(68)는 산 복귀 라인(66)으로부터 분무기(70)로 산을 공급한다. 분무기(70)는, 가스 입구(76)로부터 전지 적층 조립체(12) 내의 가스 유동장(72)으로 상류로 배치된 가스 스트림(74)으로 산을 분무한다. 일 예시에서, 가스 유동장(72)은 애노드(14)에 의해 제공된 애노드 유동장이다.
인산은, 인산과 물 사이의 이슬점들의 차이에 의하여 수증기가 응축되는 곳으로부터 상류로 응축되는 경향이 있다. 약간의 수증기가 산과 함께 응축되어 희석된 인산을 생성할 수 있다. 제1 열 교환기 부분(44)은 대부분의 인산의 양이 응축되는 범위 내의 길이로 연장하도록 설계된다.
제1 열 교환기 부분(44)은 제1 열전달율량(heat transfer rate capacity)을 제공한다. 제2 열 교환기 부분(46)은 제1 열전달율량보다 큰 제2 열전달율량을 포함한다. 이러한 방식으로, 제1 열 교환기 부분(44)에 산 응축 구역이 제공된다. 도 1에 도시된 예시에서, 제1 열 교환기 부분(44)에 큰 개방부 영역 및 체적을 형성하기 위해 제1 열 교환기 부분(44)에는 핀(40)이 제공되지 않는데, 이는, 양호하게, 튜브(42)상에 임의의 부식이 형성돼도 유체 유동 통로(33)가 방해받지 않도록 보장한다. 보다 일반적으로, 제1 열 교환기 부분(44)은 튜브(42)의 외부에 배치된 제1 개방부 체적을 제공하고, 선택적으로, 제1 열 교환기 부분(44)에 핀(40)을 제공한다. 제2 열 교환기 부분(46) 내의 튜브(42) 및 핀(40)은 이러한 튜브 및 핀의 외부에 배치된 제2 개방부 체적을 제공하고, 제2 개방부 체적은 제1 개방부 체적보다 작다. 도 3에 도시된 일 예시에서, 응축 열 교환기(132)의 제1 열 교환기 부분(144)은 수 개의 튜브(42)를 포함하지만, 튜브(42)의 수는 제2 열 교환기 부분(146) 내의 튜브의 수보다는 적다. 도 4에 도시된 다른 예시에서, 응축 열 교환기(232)의 제1 교환기 부분(244)은 제2 열 교환기 부분(246)의 핀의 수보다 적은 수의 핀(40)을 포함한다.
제1 및 제2 열전달율량은 예를 들어 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 명세서에 따른 다양한 방법으로 성취될 수 있다. 응축 열 교환기(332)는 각각 제1 및 제2 열전달율량을 제공하는 제1 및 제2 열 교환기 부분(344, 346)을 포함한다. 예를 들어, 제1 열전달율량은 제1 열 전도도를 갖는 제1 재료로 제공될 수 있고, 제2 열전달율량은 제1 열 전도도보다 큰 제2 열 전도도를 갖는 제2 재료로 제공될 수 있다. 예를 들어, 제1 열 교환기 부분(44)은 스테인리스 스틸로 구성될 수 있고, 제2 열 교환기 부분(46)은 연강 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 인산은 제1 열 교환기 부분(44)에 의해 제공된 산 응축 구역에 응축되기 때문에, 제2 재료의 부식은 종래의 배치에서보다 상당히 적은 문제를 나타낸다. 다른 예시에서, 제1 열 교환기 부분(44) 내의 튜브 및/또는 핀 중 적어도 하나는 제2 열 교환기 부분(46) 내의 튜브 및/또는 핀과 상이한 구조를 포함한다. 예를 들어, 튜브 및/또는 핀은 상이한 열전달율량을 성취하기 위해 상이한 두께 및/또는 형상을 가질 수 있다.
도 6은 제1 및 제2 열 교환기 부분(444, 446)에 어떠한 핀도 포함되지 않은 응축 열 교환기(432)를 포함한다. 유체 유동 통로(33)를 통해 냉각제 유동을 운반하는 튜브(42)는, 일부 어플리케이션에 있어서 수증기 또는 응축된 물이 낮은 온도로 배출되는 경우에 표면상에서 산 농도가 충분히 낮을 수 있음에 기인해 튜브 표면상에서 산 부식이 발생하지 않을 수 있기 때문에, 베어(bare) 상태일 수 있다.
비록 예시적인 실시예들이 개시되었으나, 당업자는 특정 수정들이 청구범위 내에서 이뤄질 수 있음을 인지할 것이다. 이러한 이유로, 하기의 청구항들은 그들의 실재 범위 및 내용으로 결정되도록 고려되어야 한다.

Claims (20)

  1. 연료 전지용 열 교환기이며,
    제1 열 교환기 부분 및 제1 열 교환기 부분으로부터 하류에 배치된 제2 열 교환기 부분을 포함하며, 상기 제1 열 교환기 부분 및 제2 열 교환기 부분은 유체 유동 통로를 제공하며, 제1 열 교환기 부분 및 제2 열 교환기 부분은 냉각제 유동 통로를 포함하고 유체 유동 통로와 냉각제 유동 통로 사이에서 열을 전달하도록 구성되며, 제1 열 교환기 부분은 제1 열전달율량을 제공하도록 구성되며, 제2 열 교환기 부분은 제1 열전달율량보다 큰 제2 열전달율량을 포함하는
    연료 전지용 열 교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 열전달율량은 제1 열 전도도를 갖는 제1 재료에 의해 제공되고, 제2 열전달율량은 제1 열 전도도보다 큰 제2 열 전도도를 갖는 제2 재료에 의해 제공되는
    연료 전지용 열 교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 열 교환기 부분 및 제2 열 교환기 부분 중 적어도 하나는 튜브-인-핀 배치로 제공되고, 유체 유동 통로는 핀들 사이에 제공되고 냉각제 유동 통로는 튜브에 의해 제공되는
    연료 전지용 열 교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    유체 유동 통로는 물에 희석된 산을 수용하도록 구성되며, 산은 제1 이슬점 을 갖고, 물은 제1 이슬점보다 낮은 제2 이슬점을 갖는
    연료 전지용 열 교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    산은 인산인
    연료 전지용 열 교환기.
  6. 제4항에 있어서,
    제1 열 교환기 부분은 제2 열 교환기 부분에 도달하기 전에 산이 응축되는 산 응축 구역을 제공하도록 구성되는
    연료 전지용 열 교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    제1 열 교환기 부분 아래에 배치되고 산 응축 구역으로부터 응축된 산을 수집하도록 구성되는 산 드립 트레이를 포함하는
    연료 전지용 열 교환기.
  8. 제4항에 있어서,
    냉각제 유동 통로는 제1 온도를 갖는 냉각제를 수용하도록 구성되며, 유체 유동 통로는 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 물에 희석된 산을 수용하도록 구성되는
    연료 전지용 열 교환기.
  9. 제3항에 있어서,
    제1 열 교환기 부분 내의 튜브 및 핀은 제1 열 교환기 부분 내에 배치된 튜브 및 핀의 외부에 제1 개방부 체적을 제공하고, 제2 열 교환기 부분 내의 튜브 및 핀은 제2 열 교환기 부분 내에 배치된 튜브 및 핀의 외부에 제2 개방부 체적을 제공하며, 제2 개방부 체적은 제1 개방부 체적보다 작은
    연료 전지용 열 교환기.
  10. 제9항에 있어서,
    제1 열 교환기 부분은 제2 열 교환기 부분보다 적은 수의 튜브를 갖는
    연료 전지용 열 교환기.
  11. 제9항에 있어서,
    제1 열 교환기 부분은 제2 열 교환기 부분보다 적은 수의 핀을 갖는
    연료 전지용 열 교환기.
  12. 제11항에 있어서,
    제1 열 교환기 부분은 핀을 갖지 않는
    연료 전지용 열 교환기.
  13. 제3항에 있어서,
    제1 열 교환기 부분 내의 튜브 및 핀 중 적어도 하나는 각각 제2 열 교환기 부분 내의 튜브 및 핀과 상이한 형상을 갖는
    연료 전지용 열 교환기.
  14. 제1항에 있어서,
    제1 열 교환기 부분 및 제2 열 교환기 부분은 서로 인접하며, 공통 하우징 내에 배치되는
    연료 전지용 열 교환기.
  15. 제14항에 있어서,
    공통 하우징은 사이에 유체 유동 통로가 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 제공하고, 공통 하우징은 사이에 냉각제 유동 통로가 배치된 냉각제 입구 및 냉각제 출구를 제공하는
    연료 전지용 열 교환기.
  16. 연료 전지이며,
    각각 연료 및 산화제 유동장을 제공하는 애노드 및 캐소드를 포함하는 전지 적층 조립체와,
    냉각제를 운반하도록 구성된 냉각제 루프와,
    연료 및 산화제 유동장 중 하나와 유체 연통하는 열 교환기를 포함하며,
    열 교환기는, 유동장들 중 하나로부터 산을 갖는 유체를 수용하도록 구성된 유체 유동 통로를 제공하는 제1 열 교환기 부분 및 제2 열 교환기 부분을 포함하고, 제2 열 교환기 부분은 제1 열 교환기 부분으로부터 하류에 배치되고, 제1 열 교환기 부분 및 제2 열 교환기 부분은, 냉각제 루프와 유체 연통하는 냉각제 유동 통로를 포함하고 유체 유동 통로와 냉각제 유동 통로 사이에서 열을 전달하도록 구성되며, 제1 열 교환기 부분은 제1 열전달율량을 제공하도록 구성되고, 제2 열 교환기 부분은 제1 열전달율량보다 큰 제2 열전달율량을 포함하는
    연료 전지.
  17. 제16항에 있어서,
    유체 유동 통로는 물에 희석된 산을 수용하도록 구성되고, 산은 제1 이슬점 을 갖고, 물은 제1 이슬점보다 낮은 제2 이슬점을 갖고, 제1 열 교환기 부분은 제2 열 교환기 부분에 도달하기 전에 산이 응축되는 산 응축 구역을 제공하도록 구성되는
    연료 전지.
  18. 제16항에 있어서,
    제1 열 교환기 부분 및 제2 열 교환기 부분은 튜브-인-핀 배치로 제공되는데, 유체 유동 통로는 핀들 사이에 제공되고 냉각제 유동 통로는 튜브에 의해 제공되며, 제1 열 교환기 부분은 제2 열 교환기 부분보다 적은 수의 핀을 갖는
    연료 전지.
  19. 제16항에 있어서,
    제1 열 교환기 부분 및 제2 열 교환기 부분은 튜브-인-핀 배치로 제공되는데, 유체 유동 통로는 핀들 사이에 제공되고 냉각제 유동 통로는 튜브에 의해 제공되며, 제1 열 교환기 부분 내의 튜브 및 핀은 제1 열 교환기 부분 내의 튜브 및 핀의 외부에 제1 개방부 체적을 제공하고, 제2 열 교환기 부분 내의 튜브 및 핀은 제2 열 교환기 부분 내의 튜브 및 핀의 외부에, 제1 개방부 체적보다 작은 제2 개방부 체적을 제공하는
    연료 전지.
  20. 연료 전지용 열 교환기이며,
    제1 열 교환기 부분 및 제1 열 교환기 부분으로부터 하류에 배치된 제2 열 교환기 부분을 포함하며, 상기 제1 열 교환기 부분 및 제2 열 교환기 부분은 유체 유동 통로를 제공하며, 제1 열 교환기 부분 및 제2 열 교환기 부분은 냉각제 유동 통로를 포함하고 유체 유동 통로와 냉각제 유동 통로 사이에서 열을 전달하도록 구성되며, 제1 열 교환기 부분 및 제2 열 교환기 부분은 튜브-인-핀 배치로 제공되고, 제1 열 교환기 부분 내의 튜브 및 핀은 제1 열 교환기 부분 내의 튜브 및 핀의 외부에 제1 개방부 체적을 제공하고, 제2 열 교환기 부분 내의 튜브 및 핀은 제2 열 교환기 부분 내의 튜브 및 핀의 외부에, 제1 개방부 체적보다 작은 제2 개방부 체적을 제공하는
    연료 전지용 열 교환기.
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