KR20130075493A - 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템 Download PDF

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Abstract

고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템은, 연료극과 공기극을 가지는 연료전지 스택, 및 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스 중의 적어도 일부를 코안다 효과에 의해 끌어당겨 연료극으로 공급될 연료가스로 토출하는 코안다 송풍기를 포함한다.

Description

고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템 {ANODE OFF-GAS RECIRCULATION SYSTEM FOR SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 고온 다습한 환경에서의 신뢰성을 향상시키면서도 재순환 시스템의 효율을 저하시키지 않는 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 즉, 연료전지는 연료극에서의 수소 산화반응과 공기극에서의 산소 환원반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 이러한 반응을 위해서는 연료전지 스택의 연료극에 연료(수소)를 공급하여야 하고, 연료전지 스택의 공기극에 공기(산소)를 공급하여야 한다. 그리고 이러한 반응으로 전기를 생산하는 연료전지 시스템은 크게 연료전지 스택, MBOP(Mechanical Balance of Plant), EBOP(Electrical Balance of Plant)로 구성된다. 연료전지 스택은 전기화학반응으로 전기를 생산하는 구성이고, MBOP는 연료전지 스택으로 수소와 산소를 공급하는 구성이며, EBOP는 연료전지 스택으로터의 직류전기를 교류전기로 변환하여 필요한 곳으로 공급하는 구성이다.
한편, 고체산화물 연료전지와 같은 고온형 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템에서는 시스템의 효율을 높이기 위한 다양한 방법들이 시도되고 있다. 그러한 방법들 중 최근에는 연료전지 스택의 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스 중의 적어도 일부를 재순환시켜 연료로 재사용하는 방법이 시도되고 있다. 즉, 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이 가습 열교환기(20)를 거친 연료극 배기가스 중의 적어도 일부를 재순환시켜 연료로 재사용하는 방법이 시도되고 있다. 이러한 재순환을 위해 종래에는 일반적인 송풍기(50, blower)를 사용하였다. 이와 같이 연료 재순환 송풍기(anode recycle blower)를 사용하면, 연료전지 시스템의 효율이 10% 정도 개선되는 것으로 알려져 있다.
그러나 종래의 연료 재순환 송풍기는 신뢰성이 낮을 뿐만 아니라 기생부하가 높다는 한계가 있다. 이에 대해 상술하면, 연료 재순환 송풍기는 고온 다습한 환경에서 작동하여야 한다. 그러나 종래의 송풍기는 팬의 회전을 위해 모터와 같은 기계적 구동부를 반드시 구비하여야 하고, 이러한 기계적 구동부는 습기에 의해 부식될 수 있기 때문에, 종래의 송풍기는 고온 다습한 환경에 매우 취약할 수밖에 없다. 이에 따라 종래의 송풍기는 그 수명이 길지 않아 신뢰성이 떨어진다는 문제가 있다. 또한 종래의 송풍기는 전술한 것과 같이 팬을 회전시키기 위해 모터와 같은 부하를 사용하여야 한다. 이에 따라 종래의 송풍기는 기생부하가 커서 연료전지 시스템의 효율을 개선시키는 효과가 제한적이라는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 고온 다습한 환경에서의 신뢰성을 향상시키면서도 재순환 시스템의 효율을 저하시키지 않는 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템은, 연료극과 공기극을 가지는 연료전지 스택, 및 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스 중의 적어도 일부를 코안다 효과에 의해 끌어당겨 연료극으로 공급될 연료가스로 토출하는 코안다 송풍기를 포함한다.
여기서 상기 코안다 송풍기는, 상기 연료극 배기가스 중의 적어도 일부가 유입되는 배기가스 유입구, 상기 배기가스 유입구로 유입된 연료극 배기가스가 유출되는 배기가스 유출구, 상기 연료극으로 공급될 연료가스 중의 적어도 일부가 유입되는 연료가스 유입구, 및 상기 연료가스 유입구로 유입된 연료가스가 상기 배기가스 유출구를 향해 유출되는 연료가스 유출구를 가지는 송풍기 몸체를 포함할 수 있다. 그리고 상기 송풍기 몸체는 상기 연료가스 유출구로부터 유출되는 연료가스가 코안다 효과에 의해 내면을 따라 상기 배기가스 유출구를 향해 흐르도록 유선형의 내면을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템은 연료극 배기가스의 재순환을 위해 모터와 같은 기계적 구동부를 사용하지 않기 때문에, 고온 다습한 환경에서도 부식 등이 염려가 없어 그 신뢰성이 높을 뿐만 아니라, 기생부하가 거의 없어 재순환 시스템의 효율도 낮추지 않는다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료극 배기가스 재순환 시스템을 도시하고 있는 블록도
도 2 내지 도 4는 코안다 효과에 의해 유체를 강제로 끌어당기는 현상을 설명하고 있는 도면
도 5는 종래기술에 따른 연료극 배기가스 재순환 시스템을 도시하고 있는 블록도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료극 배기가스 재순환 시스템을 도시하고 있는 블록도이다. 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 천연가스(natural gas)와 같은 연료가스는 일차적으로 탈황기(110)에서 탈황된다. 연료가스 중의 황은 개질기(130)의 개질 촉매에 영향을 미쳐 개질기(130)의 성능을 저하시키기 때문에 연료가스 중의 황은 제거될 필요가 있다. 그런 다음 연료가스는 가습 열교환기(120)를 거치면서 가습(加濕)된다. 개질기(130)에서 일어나는 개질반응은 물을 필요로 하는 반응이다. 그러나 액상의 물은 개질 촉매에 손상을 줄 수 있기 때문에 연료가스에는 기상의 물을 공급할 필요가 있다.
이를 위해 액상의 물을 고온의 연료극 배기가스와 열교환을 시켜 기화시키는 가습 열교환기(120)가 사용된다. 이러한 가습 열교환기(120)를 통해 가습된 연료가스는 전개질기(130)를 거치면서 수소로 개질된다. 이러한 수소는 연료전지 스택(140)의 연료극으로 공급되어 산화반응을 거친 다음 연료극 배기가스로서 연료극으로부터 배기된다. 이렇게 배기된 연료극 배기가스는 전술한 가습 열교환기(120)를 거치면서 연료가스를 가열하고 액상의 물을 기화시킨다.
이러한 과정 중에 가습 열교환기(120)를 거친 연료극 배기가스 중의 적어도 일부는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 연료가스와 혼합되어 다시 연료전지 스택(140)의 연료극으로 공급된다. 즉, 가습 열교환기(120)를 거친 연료극 배기가스 중의 적어도 일부는 가습 열교환기(120)로 공급될 연료가스와 혼합된 다음, 가습 열교환기(120)와 전개질기(130)를 거쳐 연료전지 스택(140)의 연료극으로 공급된다. 이와 같이 본 실시예에 따른 시스템은 연료극 배기가스를 재순환시켜 연료전지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 본 실시예에 따른 재순환 시스템은 고체산화물 연료전지를 이용하는 연료전지 시스템이다.
한편, 본 실시예에 따른 재순환 시스템은 위와 같이 연료극 배기가스를 재순환시키기 위해 코안다 효과(Coanda effect)를 이용하는 코안다 송풍기(150)를 사용한다. 코안다 효과에 대해 보다 상술하면, 코안다 효과라 함은 흐르는 유체에 휘어진 물체를 갖다 놓으면 유체도 휘어진 물체를 따라 휘면서 흐르는 현상을 말한다. 유체는 자기의 에너지가 가장 덜 소비되는 쪽으로 흐르려는 특성을 가지고 있기 때문에 이와 같은 현상이 나타난다. 이러한 코안다 효과를 이용하면 연료극 배기가스 중의 적어도 일부를 강제로 끌어당겨 연료가스로 토출시키는 것이 가능하다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 이에 대해 상술한다. 도 2 내지 도 4는 코안다 효과에 의해 유체를 강제로 끌어당기는 현상을 설명하고 있는 도면이다. 도 3(도 2의 고리부의 단면도)에서 도시하고 있는 것과 같이 고리부(210)의 내면이 비행기 날개의 외면과 유사하게 완만한 곡면(즉, 유선형)으로 형성되면, 유입구(212)를 통해 흡입되어 고리부(210)의 유출구(214)를 통해 배출되는 공기가 전술한 코안다 효과에 의해 고리부(210)의 내면(표면)을 따라 흐르게 된다. 이와 같이 공기가 고리부(210)의 내면을 따라 흐르면(도 3의 화살표 참조), 상대적으로 고리부(210)의 중심 쪽은 그 압력이 떨어지게 된다. 이러한 압력의 하강은 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이, 결과적으로 고리부(210) 후방(도 4를 기준으로 오른쪽)의 공기를 고리부(210) 전방(도 4를 기준으로 왼쪽)으로 끌어당기는 역할을 한다. 이와 같이 코안다 효과를 이용하면, 종래의 송풍기와 같이 팬의 회전으로 후방의 공기를 끌어당기는 것과는 다르게 팬의 회전 없이도 후방의 공기를 끌어당겨 전방으로 토출시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 재순환 시스템은 이와 같은 코안다 효과를 이용하여 연료극 배기가스를 재순환시키는 코안다 송풍기(150)를 구성한 점에 중요한 특징이 있다. 보다 상술하면, 본 실시예에 따른 코안다 송풍기(150)는, 연료극 배기가스 중의 적어도 일부가 유입되는 배기가스 유입구(미도시, 도 4의 고리부의 후방 개구 참조), 배기가스 유입구로 유입된 연료극 배기가스가 유출되는 배기가스 유출구(미도시, 도 4의 고리부의 전방 개구 참조), 연료극으로 공급될 연료가스 중의 적어도 일부가 유입되는 연료가스 유입구(미도시, 도 2의 유입구 참조), 및 연료가스 유입구로 유입된 연료가스가 배기가스 유출구를 향해 유출되는 연료가스 유출구(미도시, 도 2의 유출구 참조)를 가지는 송풍기 몸체(미도시)를 포함한다.
배기가스 유입구는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 가습 열교환기(120)와 버너(160) 사이의 도관에 연결된다. 즉, 본 실시예에 따른 재순환 시스템은 가습 열교환기(120)를 거친 연료극 배기가스 중의 적어도 일부를 재순환시킨다. 그리고 배기가스 유출구는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 탈황기(110)와 가습 열교환기(120) 사이의 도관에 연결된다. 즉, 본 실시예에 따른 재순환 시스템은 가습 열교환기(120)로 공급될 연료가스에 연료극 배기가스를 혼합시킨다. 또한 연료가스 유입구는 연료가스가 흐르는 도관에 연결되어 연료가스를 송풍기 몸체로 유입시킨다. 이와 같이 유입된 연료가스는 연료가스 유출구를 통해 배기가스 유출구를 향해 토출된다.
이때 코안다 송풍기(150)의 송풍기 몸체는 연료가스 유출구로부터 유출되는 연료가스가 코안다 효과에 의해 내면을 따라 배기가스 유출구를 향해 흐르도록 유선형의 내면(도 3 참조)을 가진다. 송풍기 몸체의 내면이 이와 같이 부드러운 곡면으로 형성되면, 연료가스 유출구로부터 유출된 연료가스는 코안다 효과에 의해 송풍기 몸체의 내면을 따라 흐르면서 송풍기 몸체의 내측(즉, 중심 쪽) 압력을 하강시킨다. 이와 같이 연료가스가 송풍기 몸체의 내면을 따라 배기가스 유출구를 향해 흐르면서 송풍기 몸체의 중심 쪽의 압력을 떨어뜨리면, 연료가스 흐름의 반대 방향 쪽(즉, 배기가스 유입구 쪽)의 유체는 연료가스 흐름의 방향 쪽(배기가스 유출구 쪽)으로 끌어당겨진다. 이에 따라 가습 열교환기(120)와 버너(160) 사이의 도관 내의 연료극 배기가스는 배기가스 유입구를 통해 송풍기 몸체의 내부로 끌어당겨져 배기가스 유출구를 통해 탈황기(110)와 가습 열교환기(120) 사이의 도관으로 토출될 수 있다.
이와 같이 연료가스의 공급을 위해 연료가스로 가해지는 압력을 이용하여 연료가스를 송풍기 몸체의 연료가스 유입구로 주입하면, 코안다 효과(다만, 송풍기 몸체의 내면이 전술한 것과 같이 코안다 효과를 일으킬 수 있도록 형성되는 것을 전제로 한다.)에 의해 연료가스가 송풍기 몸체의 내면을 따라 흐르면서 배기가스 유입구 쪽의 연료극 배기가스를 배기가스 유출구 쪽으로 끌어당길 수 있다. 본 실시예에 따른 연료극 배기가스 재순환 시스템은 이러한 원리를 이용한 코안다 송풍기(150)를 통해 연료극 배기가스를 재순환시킬 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 재순환 시스템은 모터와 같은 기계적 구동부를 필요로 하지 않으며, 이의 결과로 고온 다습한 환경에서도 부식 등이 염려가 없어 그 신뢰성이 높을 뿐만 아니라, 기생부하가 거의 없어 재순환 시스템의 효율도 낮추지 않는다는 장점(결과적으로 기존의 송풍기를 사용할 때보다 3~4% 정도의 효율 향상을 가져올 수 있다)이 있다. 참고로, 도 2 내지 도 4에서 도시하고 있는 예에서는 모터를 이용하여 공기를 유입구(212)로 흡입하나, 본 실시예에 따른 코안다 송풍기에서는 연료가스의 공급을 위해 연료가스로 가해지는 압력을 이용하여 연료가스를 연료가스 유입구로 주입한다.
그런데 연료가스가 연료가스 유출구로부터 빠르게 유출되면 유출될수록 압력 하강이 크게 나타나기 때문에, 배기가스 유입구로부터 끌어당겨지는 연료극 배기가스의 양도 많아진다. 이러한 효과를 위해 본 실시예에서는 연료가스 유출구가 연료가스 유입구보다 작은 단면적을 가지질 수 있다. 이와 같이 구성하면, 연료가스 유입구로 유입된 연료가스가 연료가스 유출구로 유출되면서 베르누이의 원리에 따라 가속될 수 있다. 이와 같이 연료가스 유출구가 연료가스 유입구에 비해 작은 단면적을 가지면, 연료가스에 가해지는 압력이 크지 않다고 하더라도 연료가스 유출구로 유출되는 연료가스는 필요한 정도의 연료극 배기가스를 송풍기 몸체로 끌어들일 수 있을 정도의 속도를 가질 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 연료극 배기가스 재순환 시스템은 전술한 연료가스 유입구로 유입되는 연료가스의 양을 조절하는 연료가스 조절기(도 1의 'A' 참조)를 더 포함할 수 있다. 이러한 조절기를 더 포함하면, 코안다 송풍기(150)로 유입되는 연료가스의 양을 조절함으로써 재순환되는 연료극 배기가스의 양(코안다 송풍기로 유입되는 연료가스의 양이 증가하면 끌어당겨지는 연료극 배기가스의 양도 증가할 것이다) 등을 조절할 수 있다. 그리고 본 실시예에 따른 연료극 배기가스 재순환 시스템은 전술한 코안다 송풍기(150)에 더해서 종래의 연료 재순환 송풍기, 즉 팬을 이용하여 연료극 배기가스 중의 적어도 일부를 끌어당기는 팬 송풍기를 더 포함할 수도 있다. 이러한 경우에는 선택적으로 코안다 송풍기(150)만을 사용하거나, 또는 코안다 송풍기(150)와 종래의 연료 재순환 송풍기를 병행하여 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 탈황기 120: 가습 열교환기
130: 전개질기 140: 연료전지 스택
150: 코안다 송풍기 160: 버너
210: 고리부 212: 유입구
214: 유출구

Claims (7)

  1. 연료극과 공기극을 가지는 연료전지 스택; 및
    상기 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스 중의 적어도 일부를 코안다 효과(Coanda effect)에 의해 끌어당겨 상기 연료극으로 공급될 연료가스로 토출하는 코안다 송풍기를 포함하는 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 코안다 송풍기는 상기 연료극 배기가스 중의 적어도 일부가 유입되는 배기가스 유입구, 상기 배기가스 유입구로 유입된 연료극 배기가스가 유출되는 배기가스 유출구, 상기 연료극으로 공급될 연료가스 중의 적어도 일부가 유입되는 연료가스 유입구, 및 상기 연료가스 유입구로 유입된 연료가스가 상기 배기가스 유출구를 향해 유출되는 연료가스 유출구를 가지는 송풍기 몸체를 포함하고,
    상기 송풍기 몸체는 상기 연료가스 유출구로부터 유출되는 연료가스가 코안다 효과에 의해 내면을 따라 상기 배기가스 유출구를 향해 흐르도록 유선형의 내면을 가지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료가스 유출구로부터 유출된 연료가스는 상기 송풍기 몸체의 내면을 따라 흐르면서 상기 송풍기 몸체의 내측 압력을 하강시켜 상기 연료극 배기가스를 상기 배기가스 유입구로 끌어당기는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료가스 유출구는 상기 연료가스 유입구보다 작은 단면적을 가지고 상기 연료가스 유입구로 유입된 연료가스는 상기 연료가스 유출구로 유출되면서 가속되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료극 배기가스를 이용하여 수증기를 발생시켜 상기 연료극으로 공급될 연료가스에 공급하는 가습 열교환기를 더 포함하고, 상기 코안다 송풍기는 상기 가습 열교환기를 거친 연료극 배기가스 중의 적어도 일부를 상기 배기가스 유입구로 끌어당기는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료가스 유입구로 유입되는 연료가스의 양을 조절하는 연료가스 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 코안다 송풍기와 함께 상기 연료극 배기가스 중의 적어도 일부를 팬의 회전에 의해 끌어당겨 상기 연료극으로 공급될 연료가스로 토출하는 팬 송풍기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템.
KR1020110143880A 2011-12-27 2011-12-27 고체산화물 연료전지용 연료극 배기가스 재순환 시스템 KR101352227B1 (ko)

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