KR20160016951A - 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이 - Google Patents

고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이 Download PDF

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Abstract

고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이에 관한 것으로서, 이 스택 어레이는 지지체(5) 및 스택그룹(2)을 포함하되; 지지체(5)는 한 층 또는 두 층 이상의 지지유닛(6)을 포함하는 층상 구조를 가지고; 각 층의 지지유닛(6) 위에는 복수개의 단위 스택(4)이 순차적으로 배열되어 스택그룹을 형성하며, 각 단위 스택(4)는 가로로 누운 형태로 설치된다. 이 스택 어레이는 간단하고 컴팩트한 동시에, 견고하여 시스템 통합에 유리하다.

Description

고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이{GALVANIC PILE ARRAY IN SOLID OXIDE FUEL CELL POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 고체산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 발전시스템에 관한 것으로, 구체적으로 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이에 관한 것이다.
고체산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 발전시스템은 화학에너지를 직접 전기에너지로 전환시키는 장치로서, 일반적으로 천연가스 등의 경질 탄화수소를 연료로 하여, 연료 중의 화학에너지를 효율적이고 청결하게 전기에너지로 전환시킨다. SOFC 발전시스템을 기반으로 건립한 분산형 발전소는 기존의 천연가스 네트워크를 통해 공급되는 천연가스를 편리하게 이용하여 발전할 수 있고, 국가 전력망에 전력을 수송할 수 있으므로, SOFC 발전시스템은 매우 유망한 발전 방식이다.
SOFC 발전시스템의 핵심 부품은 바로 스택 어레이로서, 스택 어레이는 복수 개의 스택으로 구성되고, 일정한 분포 패턴을 가지며, 발전 반응은 스택 어레이 내부에서 진행된다. 천연가스등의 경질 탄화수소 원료가 SOFC 발전시스템에 공급되면 우선 개질기에서 개질 반응을 하고, 개질 반응 후 배출 가스 연료가 스택 어레이에 공급되여 발전을 한다. 따라서, SOFC 발전시스템의 스택 어레이에서 바로 발전이 진행된다.
스택 어레이의 설계는 SOFC 발전시스템 설계의 중요한 기술 중 하나이다. 종래의 SOFC 시스템 설계안에 있어서, 예를 들어 미국특허 US 7659022B2 및 US 2012/0178003A1에서, 스택 어레이(1')의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수 열의 스택그룹(2')가 원주방향을 따라 배열되어 형성된 환형 어레이고, 각 열의 스택그룹(2')은 복수 개의 단위 스택(4')이 상하로 적층되어 이루어진 것이며, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 단위 스택(4')은 수직으로 안착된 형태로서, 즉 각 단위 스택(4')의 흡기구와 배기구로 구성되는 평면은 대체적으로 수평면과 평행된다.
본 발명은 SOFC 발전시스템의 신형 스택 어레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 SOFC 발전시스템의 신형 스택 어레이를 제공한다. 해당 스택 어레이는 지지체 및 스택그룹을 포함하되, 상기 지지체는 한 층 또는 두 층 이상의 지지유닛을 포함하는 층상 구조를 가지고; 상기 스택 어레이는 하나 또는 둘 이상의 스택그룹으로 구성되며; 각 층의 지지유닛은 적어도 하나의 스택그룹을 지지하고; 각 스택그룹은 복수개의 단위 스택으로 구성되며, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 단위 스택은 가로로 누운 형태로서, 즉 각 단위 스택의 흡기구와 배기구로 구성되는 평면은 대체적으로 수평면과 수직된다.
상술한 기술안에 있어서, 상기 각 스택그룹 중의 복수개의 단위 스택이 구성하는 형상은 제한하지 않는 바, 개방 루프 구조(즉 일단과 타단이 연결되지 않음), 예를 들어 복수개의 단위 스택이 직선을 따라 배열되는 것이 가능하며; 폐쇄 루프 구조(즉 일단과 타단이 연결됨), 예를 들어 복수개의 단위 스택이 원주방향을 따라 배열되는 것도 가능하다. 바람직하게는, 상기 스택그룹은 복수개의 단위 스택이 순차적으로 배열되어 폐쇄 루프 구조를 형성한다. 더욱 바람직하게는, 상기 스택그룹은 복수개의 단위 스택이 순차적으로 배열되어 원주 구조를 형성한다.
상술한 기술안에 있어서, 단위 스택 사이에는 수요에 따라 단위 스택이 지지유닛 위에 안정적으로 안착될 수 있도록 체결부재를 설치할 수 있으여,, 체결부재의 구조 및 위치에는 구체적인 제한이 없다. 상술한 기술안에 있어서, 스택 어레이에 기체를 공급하기 위한 개질기의 구조 및 위치에는 구체적인 제한이 없다. 개질기는 단관식 개질기, 다관식 개질기 및 칩식 개질기 중의 한 가지 또는 여러 가지를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 칩식 개질기를 적용한다. 개질기의 위치는 구체적인 제한이 없으며, 바람직하게는, 개질기 및 개질기와 스택 사이를 연결하는 가스통로를 체결부재의 내부에 설치하여, 개질기에서 생성되는 배출가스를 가스통로를 통해 스택에 공급한다. 이러한 바람직한 구조를 가진 스택 어레이에 있어서, 각 체결부재 내에 개질기 및 가스통로를 설치할 수 있으며, 바람직하게는 하기의 (a) 및 (b)에 따라 개질기 및 가스통로를 설치함으로써, 개질기의 수량을 감소시켜, 비용을 절감할 수도 있다.
(a) 스택그룹이 폐쇄 루프 구조를 가지고, 체결부재의 개수가 2N(N은 자연수)일 경우, 그중 임의의 체결부재를 시작점으로 하여, 적어도 제2n번째(n은 N보다 작거나 같은 모든 자연수) 체결부재 내에 개질기 및 가스통로를 설치한다.
(b) 스택그룹이가 폐쇄 루프 구조를 가지고, 환형으로 배열된 체결부재의 개수가 2N+1(N은 자연수)일 경우, 그중 임의의 체결부재를 시작점으로 하여, 적어도 제2n번째(n은 N보다 작거나 같은 모든 정수) 체결부재 내에 개질기 및 가스통로를 설치하고, 제1번째 또는 제2N+1번째 체결부재 내에 개질기 및 통기관로를 매설한다.
(c) 스택그룹이 개방 루프 구조를 가지고, 체결부재의 개수가 2N(N은 자연수)일 경우, 그중 일단에 설치된 첫번째 체결부재를 시작점으로 하여, 적어도 제2n-1번째 및 제2n번째(n은 N보다 작거나 같은 모든 자연수) 체결부재 내에 개질기 및 통기관로를 설치한다.
(d) 스택그룹이 개방 루프 구조를 가지고, 체결부재의 개수가 2N+1(N은 자연수)일 경우, 그중 일단에 설치된 첫번째 체결부재를 시작점으로 하여, 적어도 제2n-1번째(n은 N보다 작거나 같은 모든 정수) 체결부재 내에 개질기 및 통기관로를 설치한다.
상술한 기술안에 있어서, 상기 스택그룹 중의 단위 스택의 수량은 제한하지 않는 바, 수요에 따라 결정하며, 바람직하게는 3~12개/스택그룹이다.
상술한 기술안에 있어서, 상기 지지체 중의 지지유닛의 층수는 제한하지 않는 바, 수요에 따라 결정하며, 바람직하게는 2~10층이다.
상술한 기술안에 있어서, 상기 체결부재의 재질은 제한하지 않으며, 바람직하게는 세라믹 또는 스테인리스로 제조한다. 일 실시방식으로서, 체결용 나사 구멍을 적용하여 체결부재와 지지유닛을 체결한다.
상기의 가스통로를 체결부재의 내부에 설치함으로서, 개질기와 스택 사이의 기류 흐름을 구현하고, 외부에 노출된 외부접속 파이프 라인을 감소시켜, 스택 어레이가 보다 간단하고 컴팩트하게 된다.
즉, 본 발명은 SOFC 발전시스템의 신형 스택 어레이를 제공한다. 이 구조에 있어서, 단위 스택은 층상 구조를 가진 지지체 위에 가로로 안착되며; 각 층의 지지유닛 위에는, 복수개의 가로로 안착된 단위 스택이 순차적으로 배열되어 스택그룹을 구성하여, 지지유닛 위에 안정적으로 안착된다.
본 발명에 따른 신형 스택 어레이 구조는 하기와 같은 이점이 있다.
(1) 단위 스택의 배치를 개선하고, 동시에 층상 구조를 가진 지지체를 적용하여 지지함으로써, 스택 어레이를 보다 간단하고 견고하도록 하며; 층상 구조를 가진 지지체로 지지함으로서, 지지유닛의 수량 및 각 층의 지지유닛 위에 배치되는 단위 스택의 수량을 수요에 따라 조절할 수 있으므로, 보다 유연하게 제어할 수 있다.
(2) 스택 어레이의 안전성 및 견고성을 진일보 향상시키기 위하여, 단위 스택 사이에는 수요에 따라 체결부재를 설치할 수 있으며, 이 바람직한 구조에 있어서, 핫 존 구조체의 개질기 및 가스통로를 체결부재 내에 배치할 수도 있는데, 이로써 개질기 및 가스통로가 스택 어레이 내에 내장되도록 하여, 공간을 효과적이고 합리적으로 이용할 수 있을 뿐만아니라, 핫 존 중에 대량의 외부접속 파이프 라인을 배치하는 것을 회피하여, 핫 존 중의 각 기능부재 사이의 연결이 보다 컴팩트하도록 하므로, 종래의 기술에서 개질기가 환형의 스택 어레이 중간에 설치됨으로 인해 개질기와 각 스택의 흡배기공 사이를 연결하는 가스통로가 중심부터 방사형태로 연결되여, 가스통로의 연결이 복잡하고 외부에 노출되어, 시스템 통합에 불리한 문제점을 효과적으로 해결할 수 있다. 또한, 이 바람직한 구조에 있어서 개질기를 각 층의 지지유닛 위에 유연하게 설치할 수 있으며, 개질기를 각 체결부재의 내에 설치하여, 한 개질기에서 생성되는 배기가스를 가스통로를 통해 각각의 스택에 공급하여 발전 할수 있다. 환형으로 배열된 체결부재 내에 간격을 두고 개질기를 설치하여, 한 개질기에서 생성되는 배기가스를 가스통로를 통해 인접한 두 스택에 공급하여 발전하도록 함으로써, 개질기의 수량을 감소시켜, 비용 절감에 유리하고, 작업 효율을 향상시킬 수도 있다.
도1은 종래의 SOFC 발전시스템의 스택 어레이의 도면이다.
도2는 도1 에 도시한 수직으로 안착된 단위 스택의 도면이다.
도3은 본 발명에 따른 스택 어레이 중 가로로 안착된 단위 스택의 도면이다.
도4는 본 발명의 제1실시예에 따른 스택 어레이의 구조 도면이다.
도5는 본 발명의 제1실시예에 따른 스택 어레이 구조 중 각 지지유닛 위의 스택그룹 배치 도면 중의 어느 하나의 도면이다.
도6은 본 발명 제1실시예에 따른 스택 어레이 구조 중 각 지지유닛 위의 스택그룹 배치의 다른 도면이다.
도7은 본 발명의 제2실시예에 따른 스택 어레이 구조 중 각 지지유닛 위의 스택그룹 배치의 또 다른 도면이다.
도8은 본 발명의 제3실시예에 따른 스택 어레이의 구조 도면이다.
도9는 본 발명의 제3실시예에 따른 스택 어레이 구조 중 각 지지유닛 위의 스택그룹 배치 도면 중의 어느 하나의 도면이다.
도10은 본 발명의 제4실시예에 따른 스택 어레이의 도면이다.
이하에서는 도면 및 실시예를 결합하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 하기의 실시예들은 본 발명에 대한 이해의 편의를 위한 것으로, 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.
(제1실시예)
본 실시예에서, SOFC 발전시스템의 스택 어레이는 도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 지지체(5) 및 스택그룹(2)을 포함한다. 지지체(5)는 6층 지지유닛(6)을 포함하는 층상 구조를 가지며, 지지유닛(6)의 재질은 스테인리스이다.
도5에 도시된 바와 같이, 각 층의 지지유닛(6) 위에는, 원주방향을 따라 8개의 단위 스택(4)가 배열되어, 환형으로 배열되는 스택그룹(2)을 형성하며, 6층의 지지유닛(6) 위에 배치된 스택그룹(2) 즉 48개의 단위 스택(4)이 스택 어레이를 구성한다.
도3에 도시된 바와 같이, 각 단위 스택(4)는 가로로 누운 형태로서, 즉 각 단위 스택의 흡기구 및 배기구로 구성되는 평면은 대체적으로 수평면과 수직된다.
도5에 도시된 바와 같이, 인접한 두 단위 스택(4) 사이에는 체결부재(7)가 설치된다. 체결부재(7)는 스테인리스재질의 쐐기형부재 및 세라믹재질의 쐐기형부재 중의 한 가지 또는 두 가지로 형성될 수 있으며, 세라믹재질의 쐐기형부재는 절연 작용을 한다.
도5에 도시된 바와 같이, 이 스택 어레이에 기체를 공급하는 개질기(3)를 각 체결부재(7)의 내에 설치하고, 개질기(3)와 단위 스택(4) 사이를 연결하는 가스통로(8)도 체결부재(7)의 내에 설치하여, 각 개질기(3)에서 생성되는 배기가스를 가스통로(8)를 통해 단위 스택(4)에 공급하여 발전하도록 한다.
상술한 스택 어레이가 가동된 후, 안정적으로 작동 시 출력은 40kW에 달한다.
다른 실시방식으로서, 도6에 도시된 바와 같이, 이 경우 각 층의 지지유닛(6) 위에, 환형으로 배열된 체결부재(7)의 수량은 8개이며, 그중 임의의 체결부재(7)를 시작점 1로 하여, 개질기(3)를 제2, 4, 6, 8번째 체결부재 내에만 설치할 수 있고, 가스통로(8)도 제2, 4, 6, 8번째 체결부재 내에만 설치하여, 한 개질기(3)에서 생성되는 배기가스가 가스통로(8)을 통해 인접한 두 단위 스택(4)로 공급되어 발전하도록 함으로써, 개질기의 수량을 감소시켜, 비용 절감하고, 작업 효율을 향상시킨다.
(제2실시예)
본 실시예에서, SOFC 발전시스템의 스택 어레이는 도4 및 도5에 도시된 바와 비슷하게, 지지체(5) 및 스택그룹(2)을 포함한다. 지지체(5)는 5층의 지지유닛(6)을 포함하는 층상 구조를 가지며, 지지유닛(6)의 재질은 스테인리스이다.
도5에 도시된 바와 비슷하게, 각 층의 지지유닛(6) 위에는, 원주방향을 따라 7개의 단위 스택(4)가 배치되어, 환형으로 배열되는 스택그룹(2)을 형성하며, 5개층의 지지유닛(6) 위에 배치된 스택그룹(2) 즉 35개의 단위 스택(4)으로 스택 어레이를 구성한다.
도3에 도시된 바와 같이, 각 단위 스택(4)은 가로로 누운 형태로서, 즉 각 단위 스택의 흡기구 및 배기구로 구성되는 평면은 대체적으로 수평면과 수직된다.
도5에 도시된 바와 비슷하게, 인접한 두 단위 스택(4) 사이에는 체결부재(7)가 설치된다. 체결부재(7)는 스테인리스재질의 쐐기형부재 및 세라믹재질의 쐐기형부재 중의 한 가지 또는 두 가지로 형성될 수 있으며, 세라믹재질의 쐐기형부재는 절연 작용을 한다.
도5에 도시된 바와 비슷하게, 개질기(3)를 각 체결부재(7) 내에 설치하고, 개질기(3)와 단위 스택(4) 사이를 연결하는 가스통로(8)도 체결부재(7) 내에 설치하여, 각 개질기(3)에서 생성되는 배기가스가 가스통로(8)를 통해 단위 스택(4)에 공급되어 발전하도록 한다.
상술한 스택 어레이가 가동된 후, 안정적으로 작동 시 출력은 30kW에 달한다.
다른 실시방식으로서, 도7에 도시된 바와 같이, 각 층의 지지유닛(6) 위에 환형으로 배열된 체결부재(7)의 수량은 7개이며, 그중 임의의 체결부재(7)를 시작점 1로 하여, 개질기(3)를 제1, 2, 4, 6,번째 체결부재 내에만 설치하거나 제2, 4, 6, 7번째 체결부재 내에만 설치할 수 있고, 가스통로(8)도 제1, 2, 4, 6,번째 체결부재 내에만 설치하거나 제2, 4, 6, 7번째 체결부재 내에만 설치하여, 한 단일한 개질기(3)에서 생성되는 배기가스가 가스통로(8)를 통해 인접한 두 단위 스택(4)으로 공급되어 발전하도록 함으로써, 개질기의 수량을 감소시켜, 비용 절감하고 작업 효율을 향상시킨다.
(제3실시예)
본 실시예에서, SOFC 발전시스템의 스택 어레이(1)는 도8에 도시된 바와 같이, 지지체(5) 및 스택그룹(2)을 포함한다. 지지체(5)는 4층의 지지유닛(6)을 포함하는 층상 구조를 가지며, 지지유닛(6)의 재질은 스테인리스이다.
도9에 도시된 바와 같이, 각 층의 지지유닛(6) 위에는, 8개의 단위 스택(4)이 직선을 따라 배열되어, 직선으로 배열되는 스택그룹(2)을 형성하며, 4층의 지지유닛(6) 위에 배열된 스택그룹(2) 즉 32개의 단위 스택(4)이 스택 어레이를 구성한다.
도3에 도시된 바와 같이, 각 단위 스택(4)는 가로로 누운 형태로서, 즉 각 단위 스택의 흡기구 및 배기구로 구성되는 평면은 대체적으로 수평면과 수직된다.
도9에 도시된 바와 같이, 스택그룹 사이에는 체결부재(7)가 설치된다. 체결부재(7)는 스테인리스재질의 쐐기형부재 및 세라믹재질의 쐐기형부재 중의 한 가지 또는 두 가지로 형성될 수 있으며, 세라믹 쐐기형부재는 절연 작용을 한다.
도9에 도시된 바와 같이, 개질기(3)를 각 체결부재(7) 내에 설치하고, 개질기(3)와 단위 스택(4) 사이를 연결하는 가스통로(8)도 체결부재(7) 내에 설치하여, 각 개질기(3)에서 생성되는 배기가스가 가스통로(8)를 통해 단위 스택(4)에 공급되어 발전하도록 한다.
상술한 스택 어레이가 가동된 후, 안정적으로 작동 시 출력은 26kW에 달한다.
(제4실시예)
본 실시예에 있어서, SOFC 발전시스템의 스택 어레이(1)는 제3실시예와 기본적으로 동일하다. 구별되는 점으로는, 도10에 도시된 바와 같이, 개질기(3)가 각 체결부재(7) 에 설치되지 않고 스택그룹 옆에 설치되며, 개질기(3)와 단위 스택(4) 사이를 연결하는 가스통로(8)도 체결부재(7) 내에 설치되지 않으며, 스택그룹 옆에 설치된다.
이상 서술한 실시예는 본 발명의 기술안에 대해 상세하게 설명하였는데, 이상 내용은 본 발명의 특정 실시예일 뿐, 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 행해진 변경, 보충 또는 유사방식 대체등은 모두 본 발명의 보호범위 내에 포함된다.
1': 스택 어레이 2': 스택그룹
3': 개질기 4': 수직으로 안착된 단위 스택
1: 스택 어레이 2: 스택그룹
3: 개질기 4: 가로로 안착된 단위 스택
5: 지지체 6: 지지유닛
7: 체결부재 8: 가스통로

Claims (12)

  1. 지지체(5) 및 스택그룹(2)을 포함하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이에 있어서,
    상기 지지체(5)는 한 층 또는 두 층 이상의 지지유닛(6)을 포함하는 층상 구조를 가지고;
    각 층의 지지유닛(6)은 적어도 하나의 스택그룹(2)을 지지하며;
    상기 각각의 스택그룹(2)은 복수개의 단위 스택(4)으로 구성되고, 각 단위 스택(4)은 가로로 누운 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 스택(4) 사이에는 체결부재(7)가 설치되는 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 체결부재(7) 내에 개질기(3)가 설치되는 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 개질기(3)와 단위 스택(4) 사이를 연결하는 가스통로(8)가 체결부재(7) 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택그룹(2) 중의 복수개의 단위 스택(4)은 순차적으로 배열되어, 폐쇄 루프 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스택그룹(2) 중의 복수개의 단위 스택(4)은 원주방향를 따라 배열되어, 폐쇄 루프 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이.
  7. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택그룹(2) 중의 복수개의 단위 스택(4)은 일직선으로 배열되는 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 체결부재(7)는 세라믹 또는 스테인리스로 제조되는 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이.
  9. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 개질기(3)는 단관식 개질기, 다관식 개질기 또는 칩식 개질기인 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이.
  10. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택그룹(2) 중의 단위 스택(4)의 수량은 3~12개인 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이.
  11. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체(5)는 2~10층의 지지유닛(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템의 스택 어레이.
  12. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항의 스택 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지 발전시스템.
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