KR20140081097A

KR20140081097A - 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈

Info

Publication number: KR20140081097A
Application number: KR1020120150466A
Authority: KR
Inventors: 김영대; 우성제; 이정표; 양진식
Original assignee: 에스케이에너지 주식회사; 에스케이이노베이션 주식회사
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-07-01
Also published as: KR101977597B1

Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매연소기와, 예열기를 일체로 구성하여 열 손실을 최소화한 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈에 관한 것이다.

Description

고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈{Unification-type Preheating Module for Solid Oxide Fuel Cell System }

일반적으로 연료전지라 함은 연료의 산화로 인해 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치라고 할 수 있다. 산화, 환원반응을 이용하는 점에서는 보통의 화학전지와 차이가 없지만 닫힌 계내(系內)에서 전지반응을 하는 화학전지와는 달리, 반응물이 연속적으로 외부로부터 공급되는 동시에 반응생성물은 연속적으로 계외로 제거되는 것이 양자 간이 차이점이라 할 수 있다.

이러한 연료전지의 가장 대표적인 것으로서 수소-산소 연료전지가 있는데, 이는 알칼리 수용액을 전해질로 사용하고 순수한 수소와 산소를 반응물로 사용한다. 그리고 수소 외에도 메탄이나 천연가스 등의 화석연료를 사용하는 기체연료와 메탄올(메틸알코올) 히드라진 같은 액체연료를 사용하는 것 등 많은 연료전지가 있으며, 이들 중 작동온도가 300℃ 이하인 것을 저온형이라하고, 그 이상인 것을 고온형이라 한다.

또한, 발전효율의 향상을 고려한 연료전지와 귀금속 촉매를 사용하지 않은 고온형의 용융탄산염 연료전지를 제2 세대, 그리고 보다 높은 효율로 발전(發電)하는 고체산화물 전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라 한다.

일례로 이러한 종래 기술의 콤팩트 고체산화물 연료전지 시스템에 대해 개략적으로 살펴보면, 양단부에 연료극과 공기극이 위치되고 이들 사이에 전해질이 마련되며 이들 연료극과 공기극으로 각각 공급된 수소와 산소에 의한 전기화학반응을 통해 전기를 생성시키는 스택과, 이 스택의 연료극으로 수소를 공급하기 위해 연료가스를 수소로 전환시키는 개질기와, 이 개질기로 개질공기를 공급하는 동시에 상기 스택의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 연소기 및 상기 개질기로 스팀을 공급하기 위한 스팀발생기 등을 포함하여 구성된다.

위와 같은 구성의 고체산화물 연료전지 시스템은 스택을 경유한 폐가스와 폐공기를 연소시키기 위한 촉매연소기 및 이 촉매연소기의 폐열을 이용하여 개질기와 공기극에 공급되는 연료와 공기를 예열하는 예열기를 마련하여, 기동 운전 시에는 초기 가열수단을 통해 연료와 공기를 가열하여 공급하고, 정상 운전 상태가 되면 유로전환밸브를 통해 연료와 공기의 유로를 전환시켜 촉매연소기와 예열기를 통해 가열된 연료와 공기를 개질기와 공기극으로 공급할 수 있도록 함으로써, 폐열을 최대한 이용하여 고체산화물 연료전지 시스템을 가동시키는 구성이 기재되어 있다.

상기와 같은 구성의 고체산화물 연료전지 시스템은, 스택, 촉매연소기 및 예열기가 각각 별도로 구성되고 이를 외부에 노출되는 파이프로 연결하는 구조로 되어 있어 파이프 길이에 따른 열 손실이 발생하고, 그 부피가 커지기 때문에 콤팩트한 연료전지 시스템 구축이 어려운 문제점이 있다.

따라서 파이프 연결부위를 최소화하여 열 손실을 줄이고, 시스템의 부피를 줄여 콤팩트한 사이즈를 갖는 고체산화물 연료전지 시스템의 기술 개발이 요구된다.

한국공개특허 제2011-0005045호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 스택을 경유한 폐가스와 폐공기를 연소시키기 위한 촉매연소기와 상기 촉매연소기의 폐열을 이용하여 연료 및 공기를 가열하는 예열기를 일체로 구성하여 열 손실이 적고 콤팩트한 크기를 갖는 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈을 제공함에 있다.

본 발명의 일체형 예열 모듈은, 개질가스와 산소에 의해 전기를 생성하는 스택과, 상기 스택에 개질가스를 공급하도록 연료를 개질가스로 전환하는 개질기를 포함하는 고체 산화물 연료전지 시스템에 있어서, 상기 스택에서 배출되는 폐공기 및 폐가스로 구성되는 촉매가스를 연소시켜 폐열을 생성하는 연소기; 상기 연소기의 폐열을 통해 공기를 가열하여 상기 스택으로 공급하는 공기 예열기; 및 상기 연소기의 폐열을 통해 연료를 가열하여 상기 개질기에 공급하는 연료 예열기; 를 포함하되, 상기 연소기, 상기 공기예열기 및 상기 연료예열기는 일체로 형성되고, 상기 연소기는 상기 스택에 인접 배치되며, 상기 공기예열기는 상기 연소기에 이웃하여 배치되고, 상기 연료예열기는 상기 공기예열기에 이웃하여 배치된다.

또한, 상기 연소기는, 촉매연소챔버와, 상기 촉매연소챔버로 상기 촉매가스가 유입되는 촉매가스 유입부와, 상기 촉매연소챔버에서 촉매 연소된 배기가스를 배출시키는 배기가스 배출부로 구성되며, 상기 촉매연소챔버는, 상기 촉매가스 유입부로부터 상기 촉매가스를 유입 받아 하류단으로 균일하게 공급하는 연료분배기와, 상기 촉매가스를 연소시키는 연소 촉매와, 상기 연소 촉매의 촉매 연소를 통한 가스의 열을 상기 공기 예열기로 복사, 대류 전도를 통해 전달하도록 구성되는 열 전달부를 포함한다.

또한, 상기 연소 촉매는, 교환이 가능하고, 사이즈 변경이 용이하도록 판상으로 되며, 상기 촉매연소챔버에 착탈 가능하도록 구비된다.

또한, 상기 공기 예열기는, 공기예열챔버와, 상기 공기예열챔버로 공기가 유입되는 공기 유입부와, 상기 공기예열챔버로부터 상기 공기극으로 가열된 공기를 공급하는 가열공기 배출부로 구성되되, 상기 공기예열챔버는, 상기 촉매연소챔버 및 상기 배기가스 배출부의 열을 통해 공기를 가열하도록, 상기 촉매연소챔버에 인접 배치되며, 상기 배기가스 배출부의 상류단에는, 상기 제1 열교환챔버를 경유하도록 상기 제1 열교환챔버를 관통하는 배기가스 관통라인이 형성되고, 상기 배기가스 배출부의 하류단은, 상기 예열 모듈의 외부에 노출된다.

아울러, 상기 연료 예열기는, 연료예열챔버와, 상기 연료극으로부터 폐가스를 유입 받아 상기 폐가스가 유동되며, 상기 폐가스의 열 손실이 없도록 상기 연료예열챔버를 관통하여 구비되는 폐가스유동챔버와, 상기 연료예열챔버로 연료를 유입시키는 연료 유입부와, 상기 연료예열챔버로부터 상기 개질기로 가열된 연료를 공급하는 가열연료 배출부로 구성되되, 상기 연료예열챔버는, 상기 공기예열챔버와 맞닿도록 배치되어 상기 공기예열챔버 및 상기 폐가스유동챔버의 열을 통해 연료를 가열한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈은촉매연소기와예열기를일체로구성하여각구성요소의연결을위해외부로노출되는파이프연결부를최소화하여열손실을줄이기때문에열효율이 우수하고, 크기가 작아 공간 활용이 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 예열 모듈 투영사시도
도 2는 도 1의 AA' 단면도

본 발명의 예열 모듈을 설명하기에 앞서 본 발명의 예열 모듈이 적용되는 고체 산화물 연료전지 시스템의 구성에 대해 간단히 언급하기로 한다.

고체 산화물 연료전지는, 스택과, 개질기를 포함하여 구성된다. 스택은, 연료극, 공기극 및 전해질을 포함하며, 연료극과 공기극으로 각각 공급된 수소와 산소에 의한 전기화학반응을 통해 전기를 생성한다. 개질기는, 스택의 연료극에 수소, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 스팀 등으로 구성된 개질 가스를 공급하기 위한 구성으로, 연료가스를 유입 받아 개질 가스로 전환하는 구성이 적용될 수 있다.

상기와 같은 구성의 고체 산화물 연료전지 시스템에 적용되는 본 발명의 일실시 예에 따른 예열 모듈은, 상기 연료극과, 공기극에서 배출되는 폐가스와 폐공기를 연소기로 유입 받아 촉매 연소시켜 촉매연소 시 발생하는 폐열을 이용해 공기 예열기로 공급되는 공기를 가열시키고, 공기 예열기 및 폐가스의 폐열을 이용해 연료 예열기로 공급되는 연료를 가열시키도록 구성된다. 따라서 본 발명의 일실시 예에 따른 예열 모듈은, 상기 스택을 경유한 폐가스와 폐공기를 연소시키기 위한 연소기와, 연소기의 폐열을 이용하여 공기를 가열하는 공기 예열기 및 연료를 가열하는 연료 예열기를 일체로 구성하여 열 손실이 적고 콤팩트(compact)한 크기를 갖는다.

이하 상기와 같은 구성을 구현하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지의 예열 모듈에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 예열 모듈(300, 400, 500)의 투영사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 예열 모듈(300, 400, 500)은 연소기(300), 공기 예열기(400) 및 연료 예열기(500)가 순차적으로 배치되며, 격벽을 통해 구획될 수 있다. 연소기(300)는 스택(100)에 인접하여 배치될 수 있다. 연소기(300)는 폐가스 및 폐공기를 유입 받아 촉매 연소시켜 폐열을 발생시키기 위한 구성으로 폐공기 공급라인(310)에 연결되어 폐공기 및 폐가스를 유입 받고, 후술되는 공기예열챔버(401, 도 2 참조)를 관통하는 배기가스 관통라인(320) 및 배기가스 배출라인(330)에 연결되어 촉매 연소된 배기가스를 외부로 배출한다. 공기 예열기(400)는 연소기(300)의 폐열을 이용해 공기를 가열하기 위한 구성으로, 공기 공급라인(410)에 연결되어 공기를 유입 받고, 가열공기 공급라인(420)으로 가열된 공기를 공급한다. 연료 예열기(500)는 공기 예열기(400) 및 폐가스의 폐열을 이용하여 연료를 가열하기 위한 구성으로, 연료 공급라인(510)에 연결되어 연료를 공급받아 가열하고, 가열연료 공급라인(530)에 연결되어 가열된 연료를 상술된 개질기에 공급한다. 또한 연료 예열기(500)는 폐가스 공급라인(540)을 통해 폐가스를 공급받아 폐열을 발생하며, 폐가스 배출라인(550)을 통해 폐가스를 배출한다. 아울러 초기에는 증기공급라인(520)에 연결되어 증기를 공급받는다.

이하 본 발명의 일실시 예에 따른 예열 모듈(300, 400, 500)의 보다 상세한 구성에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 예열 모듈(300, 400, 500)의 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 연소기(300)는, 촉매연소챔버(301), 촉매가스 유입부(302)와, 배기가스 배출부(303)로 구성된다. 촉매연소챔버(301)는 촉매가스 유입부(302)로부터 폐가스 및 폐공기를 유입 받아 공급되는 촉매 가스를 연소 촉매(301b)에 균일하게 공급하는 연료분배기(301a)와, 공급된 촉매 가스를 연소시키는 연소 촉매(301b)와, 촉매 연소를 통한 고온의 가스 열이 공기 예열기(400)로 복사, 대류 전도를 통해 전달하도록 구성되는 열 전달부(301c)로 구성되며, 촉매연소를 통해 폐열을 발생하도록 구성된다. 연소 촉매(301b)는 판상으로 되며, 촉매연소챔버(301) 내에 착탈 가능한 구조로 형성되어 촉매 교체가 용이하고 촉매의 사이즈 변경을 용이하게 하는 장점이 있다.

촉매 연소된 배기가스는 배기가스 배출부(303)를 통해 배출된다. 촉매가스 유입부(302)는 폐공기 공급라인(310, 도 1 참조)에 연통되며, 배기가스 배출부(303)는 배기가스 배출라인(330, 도 1 참조)에 연통된다. 이때 배기가스 배출부(303)의 상류단에 형성되는 배기가스 관통라인(320)은 열 손실을 억제하고, 공기 예열기(400)와의 열교환 효율을 높이기 위해 후술되는 공기예열챔버(401)를 관통하도록 구성된다. 특히 배기가스 관통라인(320)을 통해 예열모듈 외부에 형성되는 파이프의 구성을 최소화 하여 열 손실 억제 효과가 배가된다.

또한, 공기예열챔버(401)가 촉매연소챔버(301)와, 배기가스 배출부(303) 사이에 감싸지도록 촉매연소챔버(301)는 공기예열챔버(401)의 일측에 배기가스 배출부(303)는 공기예열챔버(401)의 타측에 배치될 수 있다.

공기 예열기(400)는, 공기예열챔버(401), 공기 유입부(402)와, 공기 배출부(403)로 구성된다. 공기예열챔버(401)는 공기 유입부(402)로부터 공기를 유입 받아 연소기(300)의 폐열 즉, 화염에 의한 복사 및 배기가스에 의한 대류 및 전도 열 전달을 이용해 가열하도록 구성된다. 공기예열챔버(401)에는 공기의 유동경로를 길게 하기 위해 구획벽(401a)이 설치될 수 있다. 공기예열챔버(401)를 통해 가열된 공기는 공기 배출부(403)를 통해 스택에 공급되도록 한다. 공기 유입부(402)는 공기공급라인(410)에 연통되며, 공기 배출부(403)는 가열공기 공급라인(420)에 연통된다.

연료 예열기(500)는, 연료예열챔버(501), 폐가스유동챔버(502), 연료 유입부(503) 및 연료 배출부(504)로 구성된다. 연료예열챔버(501)는 연료 유입부(503)로부터 유입되는 연료를 공급받아 예열시킨 후 연료 배출부(504)를 통해 배출하도록 구성될 수 있다. 따라서 연료예열챔버(501)는 공기 예열기(400)와 폐가스유동챔버(502)의 폐열을 이용하기 위해 공기 예열기(400)에 인접 구성되며, 폐가스유동챔버(502)가 관통하도록 구성된다. 연료 예열기(500)는 증기 공급라인(520)에 연통되어 초기 기동 시 증기 공급라인(520)으로부터 증기를 공급받도록 구성된다. 폐가스유동챔버(502)는 연료예열챔버(501)를 관통하도록 구성되며, 상류단이 폐가스 공급라인(540)에 연결되어 폐가스를 공급받고, 하류단이 폐가스 배출라인(550)에 연결되어 열교환된 폐가스를 배출한다. 폐가스유동챔버(502)는 내부에 유동되는 폐가스의 폐열을 이용해 연료예열챔버(501)의 온도를 높이도록 구성된다. 연료 유입부(503)는 연료 공급라인(510)에 연통되어 연료예열챔버(501)로 연료를 유입 받고, 연료예열챔버(501)를 통해 가열된 연료는 연료 배출부(504) 및 연료 배출부(504)에 연통되는 가열연료 공급라인(530)을 통해 가열된 연료를 개질기에 공급되도록 한다.

상기와 같이 연료예열챔버(500)는 고체 산화물 연료 시스템의 초기 가동 시 스택에서 배출되는 폐가스의 온도가 낮아 연료의 온도를 충분히 가열하지 못해 스택 및 개질기 가동 가능 온도에 도달하지 못하기 때문에 공기예열챔버(400) 및 폐가스유동챔버 (502)의 열을 통해 연료예열챔버(501) 내를 유동하는 연료를 스택 및 개질기 가동 가능 온도까지 가열하는 효과가 있다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

300 : 연소기 301 : 촉매연소챔버
301a : 연료분배기 302b : 연소촉매
301c : 열 전달부
302 : 촉매가스 유입부 303 : 배기가스 배출부
310 : 폐연료 공급라인 320 : 배기가스 관통라인
330 : 배기가스 배출라인
400 : 공기 예열기 401 : 공기예열챔버
402 : 공기 유입부 403 : 가열공기 배출부
410 : 공기 공급라인 420 : 가열공기 공급라인
500 : 연료 예열기 501 : 연료예열챔버
502 : 폐가스유동챔버 503 : 연료 유입부
504 : 가열연료 배출부 510 : 연료 공급라인
520 : 증기 공급라인 530 : 가열연료 공급라인
540 : 폐가스 공급라인 550 : 폐가스 배출라인

Claims

개질가스와 산소에 의해 전기를 생성하는 스택과, 상기 스택에 개질가스를 공급하도록 연료를 개질가스로 전환하는 개질기를 포함하는 고체 산화물 연료전지 시스템에 있어서,
상기 스택에서 배출되는 폐공기 및 폐가스로 구성되는 촉매가스를 연소시켜 폐열을 생성하는 연소기;
상기 연소기의 폐열을 통해 공기를 가열하여 상기 스택으로 공급하는 공기 예열기; 및
상기 연소기의 폐열을 통해 연료를 가열하여 상기 개질기에 공급하는 연료 예열기; 를 포함하되,
상기 연소기, 상기 공기예열기 및 상기 연료예열기는 일체로 형성되고,
상기 연소기는 상기 스택에 인접 배치되며, 상기 공기예열기는 상기 연소기에 이웃하여 배치되고, 상기 연료예열기는 상기 공기예열기에 이웃하여 배치되는, 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈.
제 1항에 있어서,
상기 연소기는,
촉매연소챔버와, 상기 촉매연소챔버로 상기 촉매가스가 유입되는 촉매가스 유입부와, 상기 촉매연소챔버에서 촉매 연소된 배기가스를 배출시키는 배기가스 배출부로 구성되며,
상기 촉매연소챔버는, 상기 촉매가스 유입부로부터 상기 촉매가스를 유입 받아 하류단으로 균일하게 공급하는 연료분배기와, 상기 촉매가스를 연소시키는 연소 촉매와, 상기 연소 촉매의 촉매 연소를 통한 가스의 열을 상기 공기 예열기로 복사, 대류 전도를 통해 전달하도록 구성되는 열 전달부를 포함하는, 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈.
제 2항에 있어서,
상기 연소 촉매는,
교환이 가능하고, 사이즈 변경이 용이하도록 판상으로 되며, 상기 촉매연소챔버에 착탈 가능하도록 구비되는, 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈.
제 2항에 있어서,
상기 공기 예열기는,
공기예열챔버와, 상기 공기예열챔버로 공기가 유입되는 공기 유입부와, 상기 공기예열챔버로부터 상기 공기극으로 가열된 공기를 공급하는 가열공기 배출부로 구성되되,
상기 공기예열챔버는, 상기 촉매연소챔버 및 상기 배기가스 배출부의 열을 통해 공기를 가열하도록, 상기 촉매연소챔버에 인접 배치되고,
상기 배기가스 배출부의 상류단에는, 상기 제1 열교환챔버를 경유하도록 상기 제1 열교환챔버를 관통하는 배기가스 관통라인이 형성되며, 상기 배기가스 배출부의 하류단은 상기 예열 모듈의 외부에 노출되는, 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈.
제 2항에 있어서,
상기 연료 예열기는,
연료예열챔버와, 상기 연료극으로부터 폐가스를 유입 받아 상기 폐가스가 유동되며, 상기 폐가스의 열 손실이 없도록 상기 연료예열챔버를 관통하여 구비되는 폐가스유동챔버와, 상기 연료예열챔버로 연료를 유입시키는 연료 유입부와, 상기 연료예열챔버로부터 상기 개질기로 가열된 연료를 공급하는 가열연료 배출부로 구성되되,
상기 연료예열챔버는, 상기 공기예열챔버와 맞닿도록 배치되어 상기 공기예열챔버 및 상기 폐가스유동챔버의 열을 통해 연료를 가열하는, 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈.