KR20130042469A - 발전장치 - Google Patents

Abstract

연료가스가 공급되는 연료극(5)과 공기가 공급되는 공기극(6)을 갖는 연료전지(2)를 사용한 발전장치(1)로서, 상기 연료가스가 유통되는 연료가스관로(3)와, 그 연료가스관로(3)의 외측을 덮고, 상기 연료가스관로(3)의 둘레벽(8a)과의 사이에 상기 연료가스관로(3)를 따라서 뻗는 공기유로(4)를 형성하는 커버(9)와, 상기 커버(9)에 형성되어, 상기 공기유로(4)에 공기를 유입시키기 위한 공기 유입공(10)과, 상기 공기유로(4)에 노출된 상기 공기극보다도 하류측에 설치되어, 상기 연료가스관로(3)와 상기 공기유로(4)를 서로 연통시키는 공기 유출공(11)을 구비하였다.

Description

발전장치{Electricity-generation device}

본 발명은, 연료가스를 연료전지의 연료극에 공급해서 발전시키기 위한 발전장치에 관한 것이다.

연료전지는, 전해질을 매개로 한 연료극 및 공기극으로 되어 있다. 이것들에 연료가스 등을 공급해서 발전이 행해진다. 특히 고체 산화물형 연료전지(SOFC)는, 고체 산화물로 되는 전해질에 연료극(수소극)과 공기극(산소극)을 접합 등 한 것이다. 연료극에 연료가스를, 공기극에 공기 등을 각각 공급함으로써, 고출력의 전력을 발생시킬 수 있다. 또한, 고체 산화물형 연료전지는, 수소가스 뿐 아니라, 일산화탄소를 다량으로 포함하는 가스(예를 들면 자동차 등의 내연기관에 의해 구동하는 차량의 배기가스)도 연료가스로서 사용할 수 있다.

이러한 고체 산화물형 연료전지가 특허문헌 1에 기재되어 있다. 이 전지는, 연료극과 공기극이 다른 방에 노출되어 있고, 각각의 방에서 수소 및 산소를 공급받고 있다. 이러한 구조의 고체 산화물형 연료전지는 이실형(dual-chember type)으로 불린다. 이 이실형 SOFC를 배기가스가 유통되는 배기가스관에 설치한 경우, 연료극측에는 배기가스의 흐름을 이용해서 수소가 흡수되고, 공기극측의 실내에는 펌프 등을 사용해서 산소가 보내지고 있었다.

그러나, 공기극에 공기 중의 산소를 공급하기 위해 펌프 등을 사용하는 것은, 장치가 대형화되기 때문에 바람직하지 못하다. 이 펌프 등을 생략하기 위해, 공기극을 대기에 노출시켜도 되지만, 공기극의 보호 관점에서, 공기극은 실내에 배치하는 편이 바람직하다. 따라서, 공기극을 실내에 배치한 상태에서, 다른 공기 공급장치를 필요로 하지 않고 효율적으로 공기극에 공기 중의 산소를 공급하는 방법이 요망되고 있다.

일본국 특허공개 제2000-156239호 공보

본 발명은, 공기극을 실내에 배치한 상태에서, 다른 공기 공급장치를 필요로 하지 않고 효율적으로 공기극에 대해서 공기 중의 산소를 공급할 수 있는 발전장치를 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는, 연료가스가 공급되는 연료극과 공기가 공급되는 공기극을 갖는 연료전지를 사용한 발전장치로서, 상기 연료가스가 유통되는 연료가스관로와, 그 연료가스관로의 외측을 덮고, 상기 연료가스관로의 둘레벽과의 사이에 상기 연료가스관로를 따라서 뻗는 공기유로를 형성하는 커버와, 상기 커버에 형성되어, 상기 공기유로에 공기를 유입시키기 위한 공기 유입공과, 상기 공기유로에 노출된 상기 공기극보다도 하류측에 설치되어, 상기 연료가스관로와 상기 공기유로를 서로 연통시키는 공기 유출공을 구비한 것을 특징으로 하는 발전장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 연료극에서 내관을 형성하고, 상기 커버는 상기 내관과 함께 이중관 구조를 형성하는 외관을 형성하며, 그 외관은, 상기 내관과 연속해서, 상기 연료가스가 유통되는 연료가스관에 고정되어 있다.

바람직하게는, 상기 공기 유입공이 복수 개 형성되어 있다. 바람직하게는, 상기 연료가스는 차량의 배기가스이다.

본 발명에 의하면, 공기유로의 하류측에 연료가스관로와 연통하는 공기 유출공이 구비되기 때문에, 연료가스관로 내를 연료가스가 고속으로 유통되고 있는 경우, 공기 유출공을 매개로 해서 부압이 생겨, 공기유로의 공기가 연료가스관로에 유출된다. 이것에 의해, 공기유로에 일방향의 흐름이 생겨, 공기극에 효율적으로 공기를 공급할 수 있어, 발전효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이 공기의 흐름은 부압을 이용한 완만한 것이기 때문에, 공기에 의해서 연료가스가 식는 경우는 없어, 고온에서의 발전을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 더욱 발전효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 내관에 연료가스를 유통시키고, 외관에 공기를 유통시키는 이중관 구조로 하기 때문에, 장치 전체로서 콤팩트하게 할 수 있다. 또한, 외관이 연료가스의 유통방향에 있어서의 전후에 배치된 연료가스관에 고정되어 있기 때문에, 외관은 강도만을 고려한 재질로 형성하면 된다. 따라서, 외관의 재질을 적합한 것으로 함으로써, 사용에 의한 열화(劣化)를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 공기 유입공이 복수 개 형성되어 있기 때문에, 많은 공기를 공기유로에 도입할 수 있어, 공기극에 효율적으로 공기를 공급할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 연료가스를 차량의 배기가스로 함으로써, 배기가스 중의 탄화수소 등을 이용할 수 있다. 더 나아가서는 배기가스의 유속의 빠름을 이용해서, 공기 유출공을 매개로 한 부압에 의한 공기의 흐름도 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 발전장치의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 발전장치의 개략 단면도이다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 발전장치(1)는, 연료전지(2)와, 연료가스관로(3)와, 공기유로(4)를 구비하고 있다. 연료전지(2)는, 연료극(5)과 공기극(6), 및 이들 사이에 밀착되어 있는 전해질(7)을 가지고 있다. 연료극(5)은, 연료가스관로(3)에 노출되어 있다. 연료극(5)에는, 연료가스관로(3)를 화살표 B방향으로 흐르고 있는 연료가스가 공급된다. 공기극(6)은, 공기유로(4)에 노출되어 있다. 공기극(6)에는, 공기유로(4)를 화살표 A방향으로 흐르고 있는 공기가 공급된다. 이것에 의해, 공기극(6)은 공기 중의 산소를 환원하고, 환원된 산소이온이 전해질(7)을 통과해, 연료극(5)에서 연료가스 중의 수소와 반응하여 물을 생성한다. 이때, 연료극(5)에서 생성된 전자가 회로(미도시)를 이동해서, 공기극(6)에서 재차 산소를 이온화하는 동시에, 회로에 전류가 흘러서 발전된다. 전해질(7)은, 예를 들면 고체 산화물이다. 이러한 고체 산화물을 사용한 경우, 연료전지(2)는 고체 산화물형 연료전지(SOFC)가 된다. 특히, 연료가스로서 배기가스를 이용하는 경우는, 고온에 견딜 수 있고, 촉매가 불필요하며, 출력 밀도가 높은 것으로부터 소형화할 수 있기 때문에, SOFC를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 동일하게 연료가스로서 배기가스를 사용하는 경우, 연료가스관로(3)의 연료극(5)보다도 상류측에 연료 개질재(미도시)를 설치해 두는 것이 바람직하다. 이 연료 개질재는, 배기가스 중의 탄화수소나 물 등을 수소로 변환하기 위한 것으로, 수소농도를 향상시키는 것이다.

연료가스관로(3)는 중공(中空) 원통형상의 내관(8)으로 형성되어 있다. 공기유로(4)는 내관(8)의 둘레벽(8a)을 매개로 해서 연료가스관로(3)와 격리되어, 둘레벽(8a)의 일부를 덮는 커버(9)로 둘러싸여서 형성되어 있다. 즉, 공기유로(4)는 둘레벽(8a)과 커버(9)로 형성되어 있다. 커버(9)에는, 공기를 공기유로(4)에 도입시키기 위한 공기 유입공(10)이 설치되어 있다. 따라서, 공기유로(4)에 있어서는 공기 유입공(10)측이 상류단이 된다. 공기유로(4)에 노출되는 공기극(6)보다도 하류측(도면에서는 공기유로(4)의 하류단)에 있어서의 내관(8)에는, 공기유로(4)와 연료가스관로(3)를 연통시키기 위한 공기 유출공(11)이 설치되어 있다.

이와 같이, 공기유로(4)의 하류측에 연료가스관로(3)와 연통하는 공기 유출공(11)이 구비되기 때문에, 연료가스관로(3)를 연료가스가 고속으로 유통되고 있는 경우, 공기 유출공(11)을 매개로 해서 부압이 생겨, 공기유로(4)의 공기가 연료가스관로(3)에 유출된다. 이것에 의해, 공기유로(4)에 일방향의 흐름이 생겨, 공기극(6)에 효율적으로 공기를 공급할 수 있다. 따라서, 발전효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이 공기의 흐름은 부압을 이용한 완만한 것이기 때문에, 공기에 의해서 연료가스가 식는 경우는 없어, 고온에서의 발전을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 더욱 발전효율을 향상시킬 수 있다. 공기의 흐름이 완만하더라도, 공기 중에는 약 21%의 산소가 존재하고 있기 때문에, 공기극에 대한 산소의 공급량에 관해 문제는 없다. 또한, 연료가스로서 차량의 배기가스를 이용한 경우는, 배기가스의 유속의 빠름을 이용해서, 공기 유출공(11)을 매개로 한 부압에 의한 공기의 흐름도 용이하게 형성할 수 있다. 이 경우, 연료극(5)에는 배기가스 중의 탄화수소 등이 공급된다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 커버(9)를 내관(8)보다도 직경이 큰 중공 원통형상으로 하고, 내관(8)과 함께 이중관 구조로 하여, 소위 튜브형으로 해도 된다. 이 경우, 커버(9)는 내관(8)에 대해서 외관이 된다. 내관(8)과 외관(9) 사이에 공기유로(4)가 형성되고, 이 공기유로(4)의 양단면은 덮개(13)로 막혀 있다. 공기유로(4)에 있어서의 하류측의 덮개(13)에, 이 덮개(13)를 관(8), (9)의 길이방향으로 관통하는 공기 유출공(11)이 형성되어 있다. 이와 같이, 이중관 구조를 갖는 튜브형의 발전장치(1)는, 연료가스가 유통되는 연료가스관(12)의 도중에 배설(配設)된다. 즉, 연료가스관로(3)는, 내관(8)과, 이 내관(8)과 연속해서 양측으로 뻗어 있는 연료가스관(12)으로 형성되어 있다. 외관(9)은, 그 양단부에 있어서 연료가스관(12)에 고정되어 있다. 도면의 경우, 연료극(5)이 내관(8)을 겸비하고 있다. 즉, 연료극(5)은 중공 원통형상으로 형성되어, 연료가스관로(3)를 형성하고 있다. 또한, 관형상의 덮개(13)에 형성된 중심공(13a)도 내관(8)의 일부를 형성하고 있다.

이와 같이, 내관(8)에 연료가스를 유통시키고, 외관(9)에 공기를 유통시키는 이중관 구조로 하기 때문에, 장치 전체로서 콤팩트하게 할 수 있다. 또한, 외관(9)이 연료가스의 유통방향에 있어서의 전후에 배치된 연료가스관(12)에 고정되기 때문에, 외관(9)은 강도만을 고려한 재질로 형성하면 된다. 따라서, 외관의 재질을 적합한 것으로 함으로써, 사용에 의한 열화를 방지할 수 있다. 외관(9)의 재질로서는, 예를 들면, 금속이나 고강도의 세라믹 등을 이용할 수 있다. 또한, 외관(커버)(9)에 설치하는 공기 유입공(10)을 복수 개 설치해도 된다. 이것에 의해, 많은 공기를 공기유로(4)에 도입할 수 있어, 공기극(6)에 효율적으로 공기를 공급할 수 있다.

1 발전장치
2 연료전지
3 연료가스관로
4 공기유로
5 연료극
6 공기극
7 전해질
8 내관
8a 둘레벽
9 커버(외관)
10 공기 유입공
11 공기 유출공
12 연료가스관
13 덮개
13a 중심공

Claims (4)

1. 연료가스가 공급되는 연료극과 공기가 공급되는 공기극을 갖는 연료전지를 사용한 발전장치로서,
   상기 연료가스가 유통되는 연료가스관로와,
   그 연료가스관로의 외측을 덮고, 상기 연료가스관로의 둘레벽과의 사이에 상기 연료가스관로를 따라서 뻗는 공기유로를 형성하는 커버와,
   상기 커버에 형성되어, 상기 공기유로에 공기를 유입시키기 위한 공기 유입공과,
   상기 공기유로에 노출된 상기 공기극보다도 하류측에 설치되어, 상기 연료가스관로와 상기 공기유로를 서로 연통시키는 공기 유출공을 구비한 것을 특징으로 하는 발전장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연료극에서 내관을 형성하고,
   상기 커버는 상기 내관과 함께 이중관 구조를 형성하는 외관을 형성하며,
   그 외관은, 상기 내관과 연속해서, 상기 연료가스가 유통되는 연료가스관에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 발전장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 공기 유입공이 복수 개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발전장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 연료가스는 차량의 배기가스인 것을 특징으로 하는 발전장치.

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