KR20110130116A - 온도분리장치를 이용한 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐에너지의 회수 및 활용 효율이 높은 온도분리장치를 이용한 연료전지시스템에 관한 것이다.
본 발명의 온도분리장치를 이용한 연료전지시스템은, 복수의 단위전지들이 적층된 스택; 상기 스택측으로 수소를 공급하는 개질기; 상기 스택의 배출통로 상에 설치된 연소기; 및 상기 연소기의 배출통로 상에 설치된 온도분리장치;를 포함하고, 상기 스택의 입구측에는 공기공급통로 및 수소공급통로가 접속되며, 상기 개질기의 입구측에는 수증기가 주입되는 수증기 주입통로 및 연료가 주입되는 연료 주입통로가 접속되고, 상기 개질기의 출구측에는 상기 수소공급통로가 접속되며, 상기 온도분리장치는 케이싱, 제1배출튜브, 제2배출튜브를 가진 볼텍스 튜브로 구성되어 상기 연소기의 배출통로를 통해 공급받은 연소가스를 제1배출가스 및 제2배출가스로 분리하며, 상기 제1배출가스는 제1배출튜브를 통해 이송되고, 상기 제2배출가스는 제2배출튜브를 통해 이송되며, 상기 제1배출가스는 제2배출가스 및 연소가스 보다 높은 온도를 유지하고, 상기 제2배출가스는 상기 연소가스 보다 낮은 온도를 유지하며, 상기 온도분리장치의 제1배출튜브에는 제1배출가스 공급통로가 접속되고, 상기 제1배출가스 공급통로는 상기 개질기 측에 연결되며, 상기 온도분리장치의 제2배출튜브에는 제2배출가스 공급통로가 접속되는 것을 특징으로 한다.

Description

온도분리장치를 이용한 연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM USING TEMPERATURE SEPARATION UNIT}
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐에너지의 회수 및 활용 효율이 높은 온도분리장치를 이용한 연료전지시스템에 관한 것이다.
널리 주지된 바와 같이, 연료전지는 연료와 산화제를 투입시켜 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통해 전력을 발생시키는 발전장치의 일종으로, 산화 ·환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만, 닫힌 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어, 반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거되는 것으로, 가장 전형적인 것에 수소-산소 연료전지가 있다.
수소-산소 연료전지는 연료로서 화석연료에서 추출되는 수소를 주로 이용하고, 산화제로서 공기 중의 산소를 주로 이용한다. 한편, 수소는 대체로 알코올계 연료(메탄올, 에탄올 등), 탄화수소계 연료(메탄, 부탄, 프로판 등), 천연가스계 연료(액화천연가스 등) 등과 같이 수소함유연료가 개질기에 의해 개질됨으로써 얻어진다. 그외 연료로서 수소 대신에 메탄과 천연가스 등의 화석연료(化石燃料)를 사용하는 기체연료와, 메탄올(메틸알코올) 및 히드라진과 같은 액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지의 연료전지가 나왔으며 이 중에서 작동온도가 300 ℃ 정도 이하의 것을 저온발전형, 그 이상의 것을 고온발전형이라고 한다.
이러한 연료전지 중에서, 고온발전형 연료전지는 주로 수소를 연료로 이용하고, 그 작동온도(700 - 1000 ℃)가 고온이며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 개질기를 통한 연료 공급이 용이하다.
그리고, 고온발전형 연료전지는 스택의 배출구를 통해 대략 30~50%의 미반응연료가 배출되고, 미반응연료의 에너지를 회수하기 위해 촉매연소기를 설치되며, 이 촉매연소기에서 배출되는 배기가스(flue gas)의 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능한 장점이 있다.
또한, 연료전지 시스템의 개질기는 개질반응을 위하여 버너 등과 같은 외부 열원이 필요하고, 이러한 외부 열원을 적용할 경우에는 연료전지 시스템의 전체 효율이 감소하므로 촉매반응기에서 배출되는 배기가스(flue gas)를 활용하는 방안이 제시되고 있다.
그러나, 촉매반응기에서 배출되는 배기가스의 온도는 상대적으로 낮아 개질기의 개질반응에 적합하지 않으므로 고효율의 개질반응을 얻기 어려운 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 촉매반응기에서 배출되는 배기가스의 폐에너지를 전체적으로 효율적으로 회수 및 활용할 수 있는 온도분리장치를 이용한 연료전지시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 온도분리장치를 이용한 연료전지시스템은,
복수의 단위전지들이 적층된 스택;
상기 스택측으로 수소를 공급하는 개질기;
상기 스택의 배출통로 상에 설치된 연소기; 및
상기 연소기의 배출통로 상에 설치된 온도분리장치;를 포함하고,
상기 스택의 입구측에는 공기공급통로 및 수소공급통로가 접속되며, 상기 개질기의 입구측에는 수증기가 주입되는 수증기 주입통로 및 연료가 주입되는 연료 주입통로가 접속되고, 상기 개질기의 출구측에는 상기 수소공급통로가 접속되며,
상기 온도분리장치는 케이싱, 제1배출튜브, 제2배출튜브를 가진 볼텍스 튜브로 구성되어 상기 연소기의 배출통로를 통해 공급받은 연소가스를 제1배출가스 및 제2배출가스로 분리하며, 상기 제1배출가스는 제1배출튜브를 통해 이송되고, 상기 제2배출가스는 제2배출튜브를 통해 이송되며, 상기 제1배출가스는 제2배출가스 및 연소가스 보다 높은 온도를 유지하고, 상기 제2배출가스는 상기 연소가스 보다 낮은 온도를 유지하며,
상기 온도분리장치의 제1배출튜브에는 제1배출가스 공급통로가 접속되고, 상기 제1배출가스 공급통로는 상기 개질기 측에 연결되며, 상기 온도분리장치의 제2배출튜브에는 제2배출가스 공급통로가 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 케이싱은 그 내부에 중공부가 형성되고, 그 일측에는 입구가 형성되며, 상기 입구에는 상기 연소기의 배출통로가 접속되고, 상기 케이싱의 중공부에는 제너레이터가 회전가능하게 설치되며, 상기 제너레이터의 일단에는 연소가스가 통과하는 복수의 노즐이 형성되며, 상기 제너레이터의 중심부에는 디퓨저 형상의 중공부가 형성되고, 상기 중공부의 일단에는 볼텍스 챔버가 형성되며, 상기 제너레이터의 맞은편에는 슬리브가 배치되고, 상기 슬리브는 그 내부에 디퓨저 형상의 중공부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1배출튜브는 상기 케이싱의 일단에 설치되고, 상기 제1배출튜브의 일단은 상기 슬리브의 중공부 및 상기 제너레이터의 중공부에 소통되게 접속되며, 상기 제1배출튜브의 타단에는 상기 제1배출가스 공급통로가 접속되고,
상기 제2배출튜브는 상기 케이싱의 타단에 설치되며, 상기 제2배출튜브의 일단은 상기 제너레이터의 중공부와 소통되게 접속되고, 상기 제2배출튜브의 타단에는 상기 제2배출가스 공급통로가 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2배출가스 공급통로는 하나 이상의 열교환기를 관통하여 설치되고, 상기 열교환기는 제1 내지 제3 열교환기로 구성되며,
상기 제1열교환기에는 상기 제2배출가스 공급통로 및 연료가스공급통로가 관통하고, 상기 제2열교환기에는 상기 제2배출가스 공급통로 및 수증기공급통로가 관통하며, 상기 제3열교환기에는 상기 제2배출가스 공급통로 및 공기공급통로가 관통하는 것을 특징으로 한다.
상기 연소기의 공기주입통로에는 공기압축기가 설치되고, 상기 공기압축기에 의해 압축된 공기가 연소기 내로 주입되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 온도분리장치에 의해 분리된 제1배출가스가 제1배출가스 공급통로를 통해 개질기 내로 유입되고, 이렇게 유입된 제1배출가스는 개질기의 열원으로 활용됨에 따라, 개질기 측에 버너 등과 같은 별도의 외부 열원이 필요하지 않게 됨에 따라 연료전지 시스템의 전체 에너지 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 온도분리장치에 의해 제2배출가스가 스택으로 공급되는 공기, 개질기로 공급되는 연료, 개질기로 공급되는 수증기 등과 용이하게 열교환함으로써 그 폐에너지의 회수효율이 매우 높은 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 연료전지시스템의 온도분리장치를 도시한 상세도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템을 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지시스템은 스택(11), 스택(11)측으로 수소를 공급하는 개질기(12), 스택(11)의 배출통로(11c) 상에 설치된 연소기(13), 연소기(13)의 배출통로(13c) 상에 설치된 온도분리장치(20)를 포함한다.
스택(11)은 공기극 및 연료극을 가진 단위전지들이 복수개로 적층된 것으로, 스택(11)의 입구측에는 공기공급통로(11a) 및 수소공급통로(11b)가 접속되고, 공기공급배관(11)을 통해 스택(11) 내로 공기가 공급되며, 수소공급배관(11b)을 통해 스택(11) 내로 수소가 공급된다. 스택(11)의 출구측에는 배출통로(11c)가 접속되며, 이 배출통로(11c)는 연소기(13)측에 연결되어 있다.
개질기(12)는 그 내부에 개질촉매를 가지고, 알코올계 연료(메탄올, 에탄올 등), 탄화수소계 연료(메탄, 부탄, 프로판 등), 천연가스계 연료(액화천연가스 등) 등과 같은 수소함유연료를 개질함으로써 수소를 생성시킨 후에, 이러한 수소는 수송공급통로(11b)를 통해 스택(11) 내로 공급된다.
개질기(12)의 입구측에는 수증기가 주입되는 수증기 주입통로(12a) 및 연료가 주입되는 연료 주입통로(12b)가 접속되고, 개질기(12)의 출구측에는 수소공급통로(11b)가 접속되며, 이에 개질기(12)는 수소공급통로(11b)를 통해 개질된 수소를 스택(11) 측으로 공급한다.
연소기(13)는 스택(11)의 배출통로(11c) 상에 설치되고, 이에 연소기(13)의 입구는 스택(11)의 배출통로(11c)와 소통하도록 접속된다. 그리고, 연소기(13)로는 스택(11)의 배출통로(11c)를 통해 배출되는 배기가스(flue gas)를 촉매에 의한 화학반응을 통해 미반응연료를 연소시키도록 구성된 촉매연소기가 적용될 수 있다.
연소기(13)의 일측에는 공기주입통로(13a)가 접속되고, 공기주입통로(13a)에는 공기압축기(13b)가 설치되며, 공기압축기(13b)에 의해 압축된 공기가 연소기(13) 내로 주입된다. 한편, 공기압축기(13b)에 의해 공기의 압력이 조정됨에 따라 온도분리장치(20)의 공급압력이 용이하게 조절될 수 있다.
연소기(13)의 출구에는 배출통로(13c)가 접속되고, 이에 연소기(13)의 배출통로(13c)를 통해 대략 850℃정도의 연소가스가 배출되며, 연소기(13)의 배출통로(13c) 상에는 온도분리장치(20)가 설치된다.
온도분리장치(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 케이싱(21), 제1배출튜브(25), 제2배출튜브(29)를 가진 볼텍스 튜브로 구성되어 연소기(13)의 배출통로(13c)를 통해 공급받은 연소가스를 제1배출가스 및 제2배출가스로 분리한다. 제1배출가스는 제1배출튜브(25)를 통해 이송되고, 제2배출가스는 제2배출튜브(29)를 통해 이송되며, 제1배출가스는 제2배출가스 및 연소가스 보다 높은 온도를 유지하고, 제2배출가스는 연소가스 보다 낮은 온도를 유지한다.
케이싱(21)은 그 내부에 중공부가 형성되고, 그 일측에는 입구(27)가 형성되며, 입구(27)에는 연소기(13)의 배출통로(13c)가 접속되어 있다.
케이싱(21)의 중공부에는 제너레이터(23)가 회전가능하게 설치되고, 제너레이터(23)의 일단에는 연소가스가 통과하는 복수의 노즐(23a)이 형성되며, 제너레이터(23)의 중심부에는 디퓨저 형상의 중공부(23b)가 형성된다. 중공부(23b)의 일단에는 볼텍스 챔버(23c)가 형성된다. 제너레이터(23)의 맞은편에는 슬리브(22)가 배치되고, 이 슬리브(22)는 그 내부에 디퓨저 형상의 중공부(22b)가 형성된다.
제1배출튜브(25)는 케이싱(21)의 일단에 설치되고, 제1배출튜브(25)의 일단은 슬리브(22)의 중공부(22b) 및 제너레이터(23)의 중공부(23b)에 소통되게 접속된다. 제1배출튜브(25)의 타단에는 제1배출가스 공급통로(15)가 접속되고, 제1배출가스 공급통로(15)는 개질기(12) 측에 연결되며, 이에 제1배출가스 공급통로(15)를 통해 제1배출가스가 개질기(12) 내로 공급될 수 있다.
제1배출튜브(25)의 타단에는 스로틀밸브(26, throttle valve)가 설치되고, 스로틀밸브(26)는 고온챔버(26a) 내에 설치되며, 고온챔버(26a)는 제1배출튜브(23)의 타단에 설치된다. 액츄에이터(26b)에 의해 스로틀밸브(26)의 이동량이 조절되고, 고온챔버(26a)는 제1배출튜브(25)의 내경 보다 큰 직경을 가진다.
제2배출튜브(29)는 케이싱(21)의 타단에 설치되고, 제2배출튜브(29)의 일단은 제너레이터(23)의 중공부(23b)와 소통되게 접속되며, 제2배출튜브(29)의 타단에는 제2배출가스 공급통로(17)가 접속되어 있다.
이러한 구성에 의해 연소가스가 케이싱(21)의 입구(27)를 통해 유입되면, 연소가스는 제너레이터(23)의 노즐(23a)을 통과한 후에 볼텍스 챔버(23c) 내로 유입됨으로써 수백만 RPM의 초고속으로 회전하는 1차 볼텍스(HV)로 변환된다. 1차 볼텍스(HV)는 제1배출튜브(23)를 따라 이송되고, 그 일부는 제1배출가스 공급통로(15)측으로 공급되고, 나머지는 스로틀밸브(26)의 선단에 걸려 회송되면서 1차 볼텍스(HV) 보다 작은 내경의 2차 볼텍스(LV)로 변환되며, 2차 볼텍스(LV)는 제2배출튜브(25)를 따라 이송되어 제2배출가스 공급통로(17)측으로 공급된다.
이때, 1차 볼텍스(HV) 및 2차 볼텍스(LV)는 동일한 회전방향 및 동일한 각속도로 회전하고, 이에 직경이 큰 1차 볼텍스(HV)의 입자가 2차 볼텍스(LV)의 입자에 비해 더 빠른 속도로 운동함으로써 운동속도가 느린 2차 볼텍스(LV)의 입자가 가진 운동에너지는 열에너지로 변환된다. 이렇게 생성된 열에너지는 2차 볼텍스(LV)의 온도를 저하시키고, 1차 볼텍스(HV)의 온도를 상승시킨다. 이에, 1차 볼텍스(HV)에 따른 제1배출가스는 2차 볼텍스(LV)에 따른 제2배출가스 보다 상대적으로 고온 상태가 되어 배출된다. 예컨대, 대략 850℃의 연소가스가 케이싱(21) 내로 유입되면 제1배출가스는 대략 1000℃의 온도로 배출되고, 제2배출가스는 대략 500~600℃의 온도로 배출된다.
한편, 제2배출가스 공급통로(17)는 제1 내지 제3 열교환기(14, 16, 18)를 관통함으로써 제2배출가스가 제1 내지 제3 열교환기(14, 16, 18)를 통과하는 유체와 열교환하도록 구성된다. 특히, 제2배출가스는 제1배출가스에 비해 상대적으로 낮은 온도이지만, 그 온도가 500~600℃ 정도로 상온 보다 높은 온도이므로 제1 내지 제3 열교환기(14, 16, 18)를 통과하는 유체의 온도를 상승시킬 수 있다.
제1열교환기(14)에는 제2배출가스 공급통로(17) 및 연료가스공급통로(19a)가 관통하고, 이에 제2배출가스 공급통로(17)를 통과하는 제2배출가스가 연료가스공급통로(19a)를 통과하는 연료를 개질에 적합한 온도로 승온시키고, 이렇게 승온된 연료가스가 개질기(12) 내로 유입되어 개질기(12) 내에서의 개질작용을 용이하게 할 수도 있다.
제2열교환기(16)에는 제2배출가스 공급통로(17) 및 수증기공급통로(19b)가 관통하고, 이에 제2배출가스 공급통로(17)를 통과하는 제2배출가스가 수증기공급통로(19b)를 통과하는 물을 증발시켜 수증기를 생성하고, 이러한 수증기가 개질기(12) 내로 유입되어 개질기(12) 내에서의 개질작용을 용이하게 할 수도 있다.
제3열교환기(18)에는 제2배출가스 공급통로(17) 및 공기공급통로(11a)가 관통하고, 이에 제2배출가스 공급통로(17)를 통과하는 제2배출가스가 공기공급통로(11a)를 통과하는 공기를 승온시킴으로써 승온된 공기가 스택(11) 내로 유입되어 스택(11) 내에서 고온발전을 용이하게 할 수도 있다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 연료전지시스템은 온도분리장치(20)에 의해 분리된 제1배출가스가 제1배출가스 공급통로(15)를 통해 개질기(12) 내로 유입되고, 이렇게 유입된 제1배출가스는 개질기(12)의 열원으로 활용될 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 개질기(12) 측에 버너 등과 같은 별도의 외부 열원이 필요하지 않게 됨에 따라 연료전지 시스템의 전체 에너지 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 온도분리장치(20)에 의해 제2배출가스가 스택(11)으로 공급되는 공기, 개질기(12)로 공급되는 연료, 개질기(12)로 공급되는 수증기 등과 용이하게 열교환함으로써 그 폐에너지의 회수효율이 매우 높은 장점이 있다.
11: 스택 12: 개질기
13: 연소기 15: 제1배출가스 공급통로
17: 제2배출가스 공급통로 20: 온도분리장치

Claims (5)

  1. 복수의 단위전지들이 적층된 스택;
    상기 스택측으로 수소를 공급하는 개질기;
    상기 스택의 배출통로 상에 설치된 연소기; 및
    상기 연소기의 배출통로 상에 설치된 온도분리장치;를 포함하고,
    상기 스택의 입구측에는 공기공급통로 및 수소공급통로가 접속되며, 상기 개질기의 입구측에는 수증기가 주입되는 수증기 주입통로 및 연료가 주입되는 연료 주입통로가 접속되고, 상기 개질기의 출구측에는 상기 수소공급통로가 접속되며,
    상기 온도분리장치는 케이싱, 제1배출튜브, 제2배출튜브를 가진 볼텍스 튜브로 구성되어 상기 연소기의 배출통로를 통해 공급받은 연소가스를 제1배출가스 및 제2배출가스로 분리하며, 상기 제1배출가스는 제1배출튜브를 통해 이송되고, 상기 제2배출가스는 제2배출튜브를 통해 이송되며, 상기 제1배출가스는 제2배출가스 및 연소가스 보다 높은 온도를 유지하고, 상기 제2배출가스는 상기 연소가스 보다 낮은 온도를 유지하며,
    상기 온도분리장치의 제1배출튜브에는 제1배출가스 공급통로가 접속되고, 상기 제1배출가스 공급통로는 상기 개질기 측에 연결되며, 상기 온도분리장치의 제2배출튜브에는 제2배출가스 공급통로가 접속되는 것을 특징으로 하는 온도분리장치를 이용한 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이싱은 그 내부에 중공부가 형성되고, 그 일측에는 입구가 형성되며, 상기 입구에는 상기 연소기의 배출통로가 접속되고, 상기 케이싱의 중공부에는 제너레이터가 회전가능하게 설치되며, 상기 제너레이터의 일단에는 연소가스가 통과하는 복수의 노즐이 형성되며, 상기 제너레이터의 중심부에는 디퓨저 형상의 중공부가 형성되고, 상기 중공부의 일단에는 볼텍스 챔버가 형성되며, 상기 제너레이터의 맞은편에는 슬리브가 배치되고, 상기 슬리브는 그 내부에 디퓨저 형상의 중공부가 형성되는 것을 특징으로 하는 온도분리장치를 이용한 연료전지시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1배출튜브는 상기 케이싱의 일단에 설치되고, 상기 제1배출튜브의 일단은 상기 슬리브의 중공부 및 상기 제너레이터의 중공부에 소통되게 접속되며, 상기 제1배출튜브의 타단에는 상기 제1배출가스 공급통로가 접속되고,
    상기 제2배출튜브는 상기 케이싱의 타단에 설치되며, 상기 제2배출튜브의 일단은 상기 제너레이터의 중공부와 소통되게 접속되고, 상기 제2배출튜브의 타단에는 상기 제2배출가스 공급통로가 접속되는 것을 특징으로 하는 온도분리장치를 이용한 연료전지시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2배출가스 공급통로는 하나 이상의 열교환기를 관통하여 설치되고, 상기 열교환기는 제1 내지 제3 열교환기로 구성되며,
    상기 제1열교환기에는 상기 제2배출가스 공급통로 및 연료가스공급통로가 관통하고, 상기 제2열교환기에는 상기 제2배출가스 공급통로 및 수증기공급통로가 관통하며, 상기 제3열교환기에는 상기 제2배출가스 공급통로 및 공기공급통로가 관통하는 것을 특징으로 하는 온도분리장치를 이용한 연료전지시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연소기의 일측에는 공기주입통로가 접속되고, 상기 연소기의 공기주입통로에는 공기압축기가 설치되며, 상기 공기압축기에 의해 압축된 공기가 연소기 내로 주입되는 것을 특징으로 하는 온도분리장치를 이용한 연료전지시스템.
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