KR20130109339A - 고체산화물 연료전지용 하우징 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 보온 기능 뿐 아니라 열교환 방식을 이용한 외부공기의 온도 상승을 통해 내부 스택의 열효율을 극대화할 수 있고, 열교환 과정에서 개질에 필요한 열원을 동시에 공급할 수 있는 구조로 안정적인 반응열 공급이 가능하며, 초기 낮은 온도의 스택을 반응온도까지 단시간에 상승시킬 수 있고, 하우징 장치 내부에 촉매 연소기 및 열교환기가 콤팩트하게 내장되어 있으며, 외부와의 효과적인 열 차단을 위해 하우징 장치 외벽에 단열재를 구비하여, 단열 기능 뿐 아니라 가열 및 열교환까지 다양한 기능을 수행할 수 있도록 일체형 구조로 형성된 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템의 일측면에 따르면, 외부의 개질기로부터 공급된 원료가스와 공기 중의 산소를 이용하여 발전시키는 고체산화물 연료전지 스택을 내부공간에 수용하는 하우징 시스템에 있어서, 지그재그 형상의 외부공기 유로와 원료 배가스 유로가 케이스 내부에 독립적으로 교차 배열되어, 외부공기 및 상기 스택에서 화학반응 후 배출된 원료 배가스가 각각의 유로에 주입되어 서로 교차하는 방향으로 유동하는 열교환기; 상기 열교환기의 케이스 상면에 설치된 촉매 연소기; 및 일측에는 연료 주입구 및 공기 주입구가 구비되고, 타측에는 내부로 주입된 연료 및 공기가 상기 촉매 연소기를 통해 연소된 후 상기 스택이 수용된 공간으로 배기되는 연소 배가스 출구가 구비되며, 상기 열교환기와 상기 촉매 연소기를 모두 수용하는 단열 케이스를 포함하며, 복수 개의 상기 단열 케이스를 외벽으로 구비하여 내부에 공간을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 촉매 연소기는 연소 촉매가 코팅된 금속 와이어 메쉬 구조체이며, 상기 단열 케이스의 상기 공기 주입구 선단 측에는 카트리지 히터를 구비하여, 250 내지 450℃ 이상으로 가온한 공기가 상기 단열 케이스 내부로 주입되고, 상기 단열 케이스 내부에는 상기 연료 주입구 및 공기 주입구의 하단부에 다공상 구조의 분산판이 형성되어, 상기 주입된 연료 및 공기가 균일하게 분산되도록 유도하는 것을 특징으로 한다.
최초 상기 연료전지의 구동시에는, 상기 단열 케이스의 내부로 상기 연료 주입구를 통해 연료가스가 주입되며, 상기 열교환기에 주입된 원료 배가스가 열교환 과정을 완료하고 배출된 후에는, 상기 연료가스의 주입은 중단되고 상기 원료 배가스가 주입되어 상기 촉매 연소기의 열원으로 재활용되는 것이 가능하다. 또한 상기 열교환기에 주입된 외부공기는 열교환 과정을 통해 온도가 상승된 후에 상기 스택에 주입되어 화학반응에 이용되고, 상기 스택에서 배출된 미반응 공기는 상기 단열 케이스 내부로 상기 공기 주입구를 통해 주입되어 상기 촉매 연소기의 열원으로 재활용되는 것도 가능하다.

Description

고체산화물 연료전지용 하우징 시스템 {Solid Oxide Fuel Cell Housing System}

본 발명은 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 보온 기능 뿐 아니라 열교환 방식을 이용한 외부공기의 온도 상승을 통해 내부 스택의 열효율을 극대화할 수 있고, 열교환 과정에서 개질에 필요한 열원을 동시에 공급할 수 있는 구조로 안정적인 반응열 공급이 가능하며, 초기 낮은 온도의 스택을 반응온도까지 단시간에 상승시킬 수 있고, 하우징 장치 내부에 촉매 연소기 및 열교환기가 콤팩트하게 내장되어 있으며, 외부와의 효과적인 열 차단을 위해 하우징 장치 외벽에 단열재를 구비하여, 단열 기능 뿐 아니라 가열 및 열교환까지 다양한 기능을 수행할 수 있도록 일체형 구조로 형성된 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템에 관한 것이다.

3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(600~1000℃)에서 작동한다. 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 또한 수소 뿐만 아니라 일산화탄소를 함께 활용하기 때문에 기존의 화석 연료인 석탄가스, 디젤 개질가스, 바이오가스, 메탄가스 등을 원료로 사용할 수 있다.

일반적인 고체산화물 연료전지는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(cathode, 양극) 및 연료극(anode, 음극)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이 때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리이다. 이러한 고체산화물 연료전지는 고온에서 발전효율이 높기 때문에 고온인 600℃ 이상의 반응온도까지 상승시키는 것과 유지하는 것이 매우 중요한 부분이다. 이러한 반응온도 상승 및 유지를 위해서는 내부에서 발생되는 열을 외부와 차단할 수 있는 단열 시스템이 필요한데, 이를 위해 연료전지 스택의 외부에 하우징을 구비하여 스택 내부의 반응온도를 유지하고 있다.

기존의 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템은, 스택을 가열할 수 있는 pilot burner를 통해 스택의 온도를 상승시키고, 여기서 발생되는 열을 외부와 차단할 수 있는 단열재를 통해 보온을 유지함으로써 스택이 600℃ 이상의 반응 온도까지 도달할 수 있도록 단열하는 기능을 한다. 그러나 스택까지의 열원 공급을 원활하게 하는 것이 힘들고 반응 초기에 스택의 반응온도 상승까지의 시간 동안에는 그 효용성이 매우 떨어지는 단점이 있었다. 또한 스택 내부의 온도를 유지하기 위해서는 반응물로 사용되는 외부공기 및 원료가스의 온도가 스택 반응온도에 가까운 온도로 주입되어야 하는데, 원료가스의 경우는 개질기 자체의 반응온도가 700~800℃이기 때문에 직접 가열은 필요없으나, 외부공기는 온도가 충분하지 않은 채로 스택 내부에 유입될 경우에 스택의 반응효율 및 열효율을 크게 감소시키기 때문에 외부에서 공기를 반응온도에 가깝게 예열하여 주입해야 하는 장치가 별도로 구비되어야 하는 불편함이 있었고, 열효율 증가를 위한 열교환의 구현과 스택에 공급하는 유체의 유동을 균일하게 하기 위한 기술도 연료전지용 하우징 시스템에 접목되어야 할 필요가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 보온 기능 뿐 아니라 열교환 방식을 이용한 외부공기의 온도 상승을 통해 내부 스택의 열효율을 극대화할 수 있고, 열교환 과정에서 개질에 필요한 열원을 동시에 공급할 수 있는 구조로 안정적인 반응열 공급이 가능하며, 초기 낮은 온도의 스택을 반응온도까지 단시간에 상승시킬 수 있는 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 하우징 장치 내부에 촉매 연소기 및 열교환기가 콤팩트하게 내장되어 있고, 외부와의 효과적인 열 차단을 위해 하우징 장치 외벽에 단열재를 구비하여, 단열 기능 뿐 아니라 가열 및 열교환까지 다양한 기능을 수행할 수 있도록 일체형 구조로 형성된 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템의 일측면에 따르면, 외부의 개질기로부터 공급된 원료가스와 공기 중의 산소를 이용하여 발전시키는 고체산화물 연료전지 스택을 내부공간에 수용하는 하우징 시스템에 있어서, 지그재그 형상의 외부공기 유로와 원료 배가스 유로가 케이스 내부에 독립적으로 교차 배열되어, 외부공기 및 상기 스택에서 화학반응 후 배출된 원료 배가스가 각각의 유로에 주입되어 서로 교차하는 방향으로 유동하는 열교환기; 상기 열교환기의 케이스 상면에 설치된 촉매 연소기; 및 일측에는 연료 주입구 및 공기 주입구가 구비되고, 타측에는 내부로 주입된 연료 및 공기가 상기 촉매 연소기를 통해 연소된 후 상기 스택이 수용된 공간으로 배기되는 연소 배가스 출구가 구비되며, 상기 열교환기와 상기 촉매 연소기를 모두 수용하는 단열 케이스를 포함하며, 복수 개의 상기 단열 케이스를 외벽으로 구비하여 내부에 공간을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 촉매 연소기는 연소 촉매가 코팅된 금속 와이어 메쉬 구조체이며, 상기 단열 케이스의 상기 공기 주입구 선단 측에는 카트리지 히터를 구비하여, 250 내지 450℃ 이상으로 가온한 공기가 상기 단열 케이스 내부로 주입되고, 상기 단열 케이스 내부에는 상기 연료 주입구 및 공기 주입구의 하단부에 다공상 구조의 분산판이 형성되어, 상기 주입된 연료 및 공기가 균일하게 분산되도록 유도하는 것을 특징으로 한다.

최초 상기 연료전지의 구동시에는, 상기 단열 케이스의 내부로 상기 연료 주입구를 통해 연료가스가 주입되며, 상기 열교환기에 주입된 원료 배가스가 열교환 과정을 완료하고 배출된 후에는, 상기 연료가스의 주입은 중단되고 상기 원료 배가스가 주입되어 상기 촉매 연소기의 열원으로 재활용되는 것이 가능하다. 또한 상기 열교환기에 주입된 외부공기는 열교환 과정을 통해 온도가 상승된 후에 상기 스택에 주입되어 화학반응에 이용되고, 상기 스택에서 배출된 미반응 공기는 상기 단열 케이스 내부로 상기 공기 주입구를 통해 주입되어 상기 촉매 연소기의 열원으로 재활용되는 것도 가능하다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 연료전지 스택에서 발생되는 고온가스를 열교환하여 스택으로의 반응가스로 주입되는 낮은 온도의 외부공기를 반응온도까지 상승 시키며, 스택의 열효율을 증가시키기 위해 외부로의 열 유출을 차단하는 고온 단열재를 이용할 뿐만 아니라, 지속적인 열 공급 및 반응온도의 유지를 통해 고효율의 스택 효율을 보장할 수 있는 효과가 있다. 또한 판형 열교환기의 형태로 구성되어 있어 유체가 지그재그 형상의 유로를 통과하는 동안 유동의 안정화를 가져올 수 있으며, 촉매 연소기가 열교환 및 단열 하우징 장치와 일체화되어 스택 본체 내부에 균일한 열을 전달하도록 하고 스택의 온도를 상승시키기 위해 필요한 연료의 소모를 최소화하고, 장치 전체의 부피를 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템의 전체 구조도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 하우징 장치의 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 하우징 내부 열교환기의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템의 전체적인 유체의 흐름을 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템의 전체 구조도이다.

도 1을 참조하면, 외부의 개질기(530)로부터 공급된 원료가스와 공기 중의 산소를 이용하여 발전시키는 고체산화물 연료전지 스택(400)을 내부공간에 수용하는 하우징 시스템에 있어서, 본 발명에 따른 하우징 장치는 단열 케이스(300)를 구비하고 내부에는 열교환기(100) 및 촉매 연소기(200)를 수용하는 형태로 형성된다. 본 발명은 이러한 복수 개의 단열 케이스(300)를 외벽으로 구성하여 내부에 공간을 형성하는 것을 특징으로 하며, 구조적으로는 도 1에 도시한 바와 같이 4개의 단열 케이스(300)가 연료전지 스택(400)의 4면을 감싸도록 배열하는 것이 바람직하다.

고체산화물 연료전지의 초기 스타팅 단계에서 공기와 연료가스가 단열 케이스(300)에 주입된 후, 내부의 촉매 연소기(200)를 통해 연소 반응 후 고온의 연소 배가스 형태로 연료전지 스택(400)의 온도를 가열시키게 된다. 반응온도까지 온도가 상승된 스택은 자연스럽게 화학반응에 적합한 상태가 되며, 원료가스와 외부공기를 스택에 주입시킴으로써 반응을 일으킬 수 있다. 이때 외부공기 또한 스택 반응온도에 가까운 온도로 주입되어야 하기 때문에 가열작업이 필요한데, 본 발명에 따른 하우징 시스템에서는 열교환기(100)를 통해 이를 해결할 수 있다. 하우징 장치의 각 단열 케이스(300)마다 내부에 장착된 열교환기(100)에 차가운 외부공기와 함께 스택(400)에서 화학반응 후 배출된 고온의 원료 배가스를 함께 주입하여 열교환 과정을 통해 외부공기가 충분히 예열되도록 하는 것이다. 각 구성요소의 구체적인 구조와 동작 원리에 대해서는 도 2 및 도 3에서 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 하우징 장치의 구조도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 하우징 장치 열교환기(100)의 케이스 상면에는 촉매 연소기(200)가 일체화로 설치되며, 열교환기(100)와 촉매 연소기(200)를 내부에 수용하는 단열 케이스(300)는 일측에는 연료 주입구(310) 및 공기 주입구(320)가 구비되고, 타측에는 내부로 주입된 연료 및 공기가 상기 촉매 연소기(200)를 통해 연소된 후 상기 스택(400)이 수용된 공간으로 배기되는 연소 배가스 출구(340)가 구비되는 구조를 취한다. 촉매 연소기(200)는 연소 촉매를 이용하여 발열하면서 상기 단열 케이스(300) 내부로 주입되는 기체를 가온시키는 역할을 수행한다. 이때 촉매 연소기(200)는 연소 촉매가 코팅된 금속 와이어 메쉬 구조체를 사용하는 것이 가능하다. 메쉬 구조체로 형성하게 되면 상기 촉매 연소기(200)를 기체가 통과할 때 균일한 열의 전달이 가능하고, 장치 전체의 부피도 최소화할 수 있는 이점이 있다.

단열 케이스(300)의 일측에 구비된 연료 주입구(310)로는 최초에 LNG 혹은 LPG 등의 연료가스가 주입되고, 동시에 공기 주입구(320)로는 외부의 공기가 주입되어 단열 케이스(300) 내부에서 분산된다. 단열 케이스(300) 내부에는 상기 연료 주입구(310) 및 공기 주입구(320)의 하단부에 다공상 구조의 분산판(330)을 설치하여, 내부로 주입된 연료 및 공기가 균일하게 분산되도록 유도하는 것이 바람직하다. 상기 분산판(330)을 통과하면서 고루 분산된 연료가스와 공기는 상기 촉매 연소기(200)의 연소 촉매와 반응하여 연소 반응을 일으키게 되고 이 과정에서 발열을 시작한다. 발열 과정을 통해 온도가 상승한 고온의 연소 배가스는 연소 배가스 출구(340)를 통해 연료전지 스택(400)이 수용된 내부 공간으로 배출이 이루어진다. 고체산화물 연료전지는 고온에서 발전효율이 높기 때문에 고온인 600℃ 이상의 반응온도까지 상승시키는 것과 유지하는 것이 매우 중요한 부분인데, 상기 연소 배가스를 통해 자연스럽게 스택(400)의 온도를 상승시킴으로써, 기존의 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템이 구비하던 pilot burner가 필요하지 않게 되며, 상승된 스택(400)의 열이 외부로 유출되지 않도록 단열 재질의 단열 케이스(300)로 하우징 외벽을 구성하게 된다. 또한 연소 배가스의 온도효율을 높이기 위해, 상기 단열 케이스(300)의 공기 주입구(320) 선단 측에는 카트리지 히터(321)를 별도로 구비하여, 250 내지 450℃ 이상으로 1차적으로 가온한 공기가 상기 단열 케이스(300) 내부로 주입되도록 하는 것도 가능하다.

도 3은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 하우징 내부 열교환기의 사시도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 단열 케이스(300) 내부의 열교환기(100)는 지그재그 형상의 외부공기 유로(110)와 원료 배가스 유로(120)가 케이스 내부에 형성되어, 외부공기 및 상기 스택(400)에서 화학반응 후 배출된 원료 배가스가 각각의 유로에 주입되어 서로 교차하는 방향으로 유동하게 된다. 즉, 열교환기(100)에는 외부공기 주입구(111)로 차가운 외부공기가 주입되어 외부공기 출구(112)로 다시 배출되는 경로인 외부공기 유로(110)와, 연료전지 스택(400)에서 화학반응 후에 배출된 고온의 원료 배가스가 원료 배가스 주입구(121)로 주입되고 원료 배가스 출구(122)로 다시 배출되는 경로인 원료 배가스 유로(120)가 구비된다. 두 유로는 각각 지그재그 형상으로 형성되어, 열교환기(100) 케이스 내부에서 독립적으로 교차 배열된다. 이때 상기 두 유로를 통과하는 외부공기 및 원료 배가스는 서로 반대되는 방향으로 주입구와 출구가 형성되어, 결과적으로 도 3에서 도시한 화살표와 같이 서로 교차하는 방향으로 유동이 이루어지게 된다. 독립적으로 구성된 유로를 통과하는 것이기 때문에 외부공기와 원료 배가스가 혼합되는 것은 아니지만, 맞물리는 형태의 유로를 각각 통과하기 때문에 유동 과정에서 열교환이 진행된다.

열교환 과정을 거치면서 차가운 외부공기가 고온의 원료 배가스로부터 열을 전달받아, 반응온도까지 가온이 이루어진 후 외부공기 출구(112)로 배출되어 스택(400)의 화학반응에 이용되는 것이다. 특히 두 유로를 지그재그 형상으로 구비함으로써 열교환의 효율을 극대화시킬 수 있다. 외부공기는 온도가 충분하지 않은 채로 스택(400) 내부에 유입될 경우에 스택(400)의 반응효율 및 열효율을 크게 감소시키기 때문에, 기존의 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템에서는 외부에서 공기를 반응온도에 가깝게 예열하여 주입해야 하는 장치가 별도로 구비되어야 하는데, 본 발명의 하우징 시스템에서는 스택(400)에서 배출된 원료 배가스의 열원을 그대로 활용하여 지속적으로 외부공기가 고온으로 스택(400)에 유입될 수 있도록 하는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템의 전체적인 유체의 흐름을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템에서 각 유체의 흐름을 화살표를 통해 파악할 수 있다. 본 하우징 장치는 복수 개의 단열 케이스(300)를 외벽으로 구비하여 내부에 공간을 형성하는 것을 특징으로 하며, 전술한 바와 같이 구조적으로는 4개의 단열 케이스(300)가 연료전지 스택(400)의 4면을 감싸도록 배열하는 것이 바람직하다. 이런 경우 각 단열 케이스(300)의 열교환기(100)는 서로 연통되도록 형성하여, 4곳의 열교환기(100)가 합쳐진 긴 유로를 통과하면서 외부공기와 원료 배가스의 열교환율을 보다 높일 수 있다.

도면에서 도시한 바와 같이, 초기 연료전지 스택(400)의 구동을 위해 스택(400) 온도 상승을 목적으로, 연료 블로어(510)에서 LNG 및 LPG 등의 연료가스를 각 단열 케이스(300)의 연료 주입구(310)를 통해 주입하는 동시에, 공기 블로어(520)에서 외부의 공기를 각 공기 주입구(320)를 통해 주입한다. 주입된 연료가스와 공기는 촉매 연소기(200)와의 반응을 통해 온도가 상승하며, 고온의 연소 배가스는 스택(400)이 수용된 내부 공간으로 배출되면서 스택(400)의 온도를 상승시킨다. 이 후 스택(400)의 온도를 충분히 상승시키고 난 연소 배가스는 하우징 장치 내부의 가스 배출구(540)를 통해 배기되면서 아직 남아있는 열원을 개질기(530) 및 기타 보일러 시스템의 열원으로 재활용할 수 있다.

먼저 스택(400)의 반응 원료의 하나인 원료가스의 흐름을 살펴보면, 연소 배가스를 통해 스택(400)의 반응온도가 어느정도 상승된 시점에서 외부 개질기(530)에서는 H₂, CO 등의 반응 원료가스가 스택 원료 주입구(411)를 통해 주입되게 되고, 스택(400)에 의한 화학반응 과정에서 고온의 발열이 발생되면서 고온의 원료 배가스가 스택 원료 배출구(412)로 배출되게 된다. 배출된 원료 배가스는 상기 열교환기(100) 장치의 원료 배가스 주입구(121)로 주입되고, 열교환기(100)에서 열교환 과정을 거친 후 외부로 배기되면서 원료 스위칭 밸브(511)로 주입된다. 원료 스위칭 밸브(511)에 고온의 미반응 원료 배가스가 충분히 집적되면, 기존 LNG 및 LPG 등의 연료가스 주입은 중단되고, 상기 미반응 원료 배가스가 대신 주입되어 촉매 연소기(200)의 열원으로 재활용되게 된다.

또한 스택(400)의 또다른 반응 원료인 공기의 흐름을 살펴보면, 외부공기는 공기 블로어(520)를 통해 열교환기(100)의 외부공기 주입구(111)로 주입되고, 스택(400)에서 배출된 고온의 원료 배가스와 열교환 되면서 스택(400)의 반응온도와 가까운 온도를 가지고 스택 공기 주입구(421)로 주입된다. 스택(400)에서 화학반응 후 스택 공기 배출구(422)로 배출된 공기는 하우징 장치 내부의 공기 배출구(550)를 통해 배기된다. 이렇게 배기된 고온의 미반응 공기는 다시 촉매 연소기(200)의 공기 주입구(320)를 통해 주입되어 지속적으로 촉매 연소기(200)가 고온의 열원을 가질 수 있도록 재활용된다.

정리해보면, 최초 상기 연료전지의 구동시에는, 단열 케이스(300)의 내부로 연료 주입구(310)를 통해 연료가스가 주입되며, 상기 열교환기(100)에 주입된 원료 배가스가 열교환 과정을 완료하고 배출된 후에는, 상기 연료가스의 주입은 중단되고 상기 원료 배가스가 주입되어 촉매 연소기(200)의 열원으로 재활용되는 것이다. 또한 상기 열교환기(100)에 주입된 외부공기는 열교환 과정을 통해 온도가 상승된 후에 스택(400)에 주입되어 화학반응에 이용되고, 상기 스택(400)에서 배출된 미반응 공기는 단열 케이스(300) 내부로 공기 주입구(320)를 통해 주입되어 촉매 연소기(200)의 열원으로 재활용된다. 따라서 본 발명의 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템에서는, 지속적으로 재활용되는 열원을 통해 안정적인 열 공급이 가능한 시스템의 구축으로, 최소한의 연료 소모를 통한 에너지 비용의 절감 등이 가능한 장점이 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허등록청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

100 : 열교환기 110 : 외부공기 유로
111 : 외부공기 주입구 112 : 외부공기 출구
120 : 원료 배가스 유로 121 : 원료 배가스 주입구
122 : 원료 배가스 출구 200 : 촉매 연소기
300 : 단열 케이스 310 : 연료 주입구
320 : 공기 주입구 321 : 카트리지 히터
330 : 분산판 340 : 연소 배가스 출구
400 : 스택 411 : 스택 원료 주입구
412 : 스택 원료 배출구 421 : 스택 공기 주입구
422 : 스택 공기 배출구 510 : 연료 블로어
511 : 원료 스위칭 밸브 520 : 공기 블로어
530 : 개질기 540 : 가스 배출구
550 : 공기 배출구

Claims (6)

1. 외부의 개질기로부터 공급된 원료가스와 공기 중의 산소를 이용하여 발전시키는 고체산화물 연료전지 스택을 내부공간에 수용하는 하우징 시스템에 있어서,
   지그재그 형상의 외부공기 유로와 원료 배가스 유로가 케이스 내부에 독립적으로 교차 배열되어, 외부공기 및 상기 스택에서 화학반응 후 배출된 원료 배가스가 각각의 유로에 주입되어 서로 교차하는 방향으로 유동하는 열교환기;
   상기 열교환기의 케이스 상면에 설치된 촉매 연소기; 및
   일측에는 연료 주입구 및 공기 주입구가 구비되고, 타측에는 내부로 주입된 연료 및 공기가 상기 촉매 연소기를 통해 연소된 후 상기 스택이 수용된 공간으로 배기되는 연소 배가스 출구가 구비되며, 상기 열교환기와 상기 촉매 연소기를 모두 수용하는 단열 케이스를 포함하며,
   복수 개의 상기 단열 케이스를 외벽으로 구비하여 내부에 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 촉매 연소기는 연소 촉매가 코팅된 금속 와이어 메쉬 구조체인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 단열 케이스의 상기 공기 주입구 선단 측에는 카트리지 히터를 구비하여, 250 내지 450℃ 이상으로 가온한 공기가 상기 단열 케이스 내부로 주입되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 단열 케이스 내부에는 상기 연료 주입구 및 공기 주입구의 하단부에 다공상 구조의 분산판이 형성되어, 상기 주입된 연료 및 공기가 균일하게 분산되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템
   
5. 제 1항에 있어서,
   최초 상기 연료전지의 구동시에는, 상기 단열 케이스의 내부로 상기 연료 주입구를 통해 연료가스가 주입되며,
   상기 열교환기에 주입된 원료 배가스가 열교환 과정을 완료하고 배출된 후에는, 상기 연료가스의 주입은 중단되고 상기 원료 배가스가 주입되어 상기 촉매 연소기의 열원으로 재활용되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 열교환기에 주입된 외부공기는 열교환 과정을 통해 온도가 상승된 후에 상기 스택에 주입되어 화학반응에 이용되고,
   상기 스택에서 배출된 미반응 공기는 상기 단열 케이스 내부로 상기 공기 주입구를 통해 주입되어 상기 촉매 연소기의 열원으로 재활용되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 하우징 시스템
   

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