KR20160062961A - 연료전지용 연소기 통합형 u자형 개질기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에서 수소를 얻기 위하여 사용되며, 연소기를 이용하여 개질기를 가열함과 아울러 제한된 공간 내에서도 충분한 전열면적을 확보할 수 있도록 U자 형상으로 형성된 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기에 관한 것으로서,
수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 복수의 연료전지 셀로 이루어진 연료전지 스택과, 탄화수소 계열의 가스와 수증기로 이루어진 반응물을 개질하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 개질기와, 연료전지 시스템 내에 배치되며 연소가스를 이용하여 상기 개질기의 온도를 높여주는 연소기를 구비한 연료전지 시스템에 적용되는 것으로, 내부가 비어 있는 관체로 이루어지는 U자 형태의 개질기 본체(10)와; 연소가스와의 접촉면적이 증가하도록 상기 개질기 본체(10)의 저면에 길이 방향을 따라 형성되는 복수의 가열핀(11)과, 반응물과의 접촉면적이 증가하도록 상기 개질기 본체(10)의 내측 바닥에 길이 방향을 따라 형성되는 복수의 방열핀(12)을 포함하고, 상기 개질기 본체(10)의 폭 방향 중간 부분에 길이 방향을 따라 상기 개질기 본체(10)를 상하로 관통하는 관통공(15)이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기{U Shaped Reformer Integrated Combustor for Fuel Cell}

본 발명은 연료전지 시스템에서 수소를 얻기 위하여 사용되는 개질기에 관한 것으로서, 특히 연소기를 이용하여 개질기를 가열함과 아울러 제한된 공간 내에서도 충분한 전열면적을 확보할 수 있도록 U자 형상으로 형성된 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 공기 중의 산소와 수소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 장치로서, 수소와 산소를 결합시켜 물을 만드는 과정에서 발생하는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키게 된다. 이러한 연료전지는 산소를 포함하고 있는 공기와 함께, 메탄올이나 에탄올 또는 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소를 연료로 사용하고 있다.

통상적으로 연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라, 150 ~ 200℃ 부근에서 동작하는 인산형 연료전지, 600 ~ 700℃의 고온에서 동작하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 연료전지 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되고 있다. 그리고, 이들 각각의 연료전지는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질 등이 서로 다르지만, 근본적으로는 같은 원리에서 작동한다.

이러한 연료전지 시스템에서는 연료공급부에서 탄화수소 계열의 연료를 공급하고, 공급된 연료가 개질기에서 수소가 많이 함유된 기체로 변환되도록 하고 있다. 그리고, 개질기에서 나온 기체와 산소가 포함된 공기를 연료전지 스택에 제공하여, 연료전지 스택에서 일어나는 수소와 산소의 결합반응을 통해 직류 전원이 출력되도록 하고 있다.

한편, 연료전지 단위 셀의 전압은 실제 응용에 필요한 전압보다 크게 낮기 때문에 다수의 단위 셀을 적층시킨 연료전지 스택이 주로 이용되고 있으며, 이 연료전지 스택에서부터 출력된 전원이 직접 또는 원하는 종류의 전원으로 변환시키는 전력변환기를 거쳐 배터리나 모터 등에 공급될 수 있다.

그런데, 연료전지의 동작에 있어서는 연료전지 스택을 정상적으로 동작되는 온도로 승온시키고 이를 유지할 필요가 있다. 이에 따라 연료전지 스택의 승온을 위하여 전기식 가열판과 같은 열교환기를 사용하기도 하였으나, 이 방법은 발전시스템의 용량이 커질수록 연료전지 스택의 가열 비용이 커진다는 문제가 있었다

이와 관련하여 대한민국 특허 등록번호 10-0356681에서는 가연성 연료를 연소시켜 그 반응열을 이용하여 연료전지를 정상동작으로 승온시키기 위한 승온장치가 제안되기도 하였다.

하지만, 연료전지 스택과 개질기의 온도를 높이기 위하여 열교환기나 연소기와 같은 승온 장치를 각각 개별적으로 설치할 경우, 각각의 장치간 반응물의 이동 유로가 복잡하게 추가되어야 하였으므로 시스템구조가 복잡해지고 커질 뿐만 아니라 비용이 상승하며 부수물의 처리에도 어려움이 있었다.

이에 본 출원인은 연소기와 개질기가 일체화된 '연료전지용 통합형 연소기-개질기에 사용되는 Ｕ자형 개질기'를 출원한 바 있으며, 이는 공개특허 제10-2011-0085154호로 개시된 바 있다.

상기한 선출원특허는 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택으로 반응물을 공급하기 위한 개질기와, 이 개질기의 온도를 높이기 위한 연소기를 구비하는 연료전지 시스템에 적용되는 개질기에 관한 것으로, 개질기가 연소기 내를 통과하는 U자형 형상의 본체와, 연료전지 스택의 일측으로부터 타측으로 관통하여 개질기에 반응물이 공급되도록 본체의 일단에 형성된 유입구와, 본체를 통과한 반응물이 연료전지 스택으로 다시 되돌아가 공급되도록 본체의 타단에 형성된 유출구로 이루어진 것을 특징으로 하고 있다.

상기한 선출원특허에 따르면, 500 ~ 1000 ℃ 정도의 높은 온도로 반응물을 연료전지에 공급하기 위한 개질기의 구조가 승온을 위한 연소기와 용이하게 통합될 수 있고, 개질기가 U자형 형상을 가지게 되어 전체 시스템의 크기가 소형화될 수 있을 뿐만 아니라 열효율이 높아 결과적으로 연료전지 시스템의 발전 효율이 높아지는 장점이 있다.

한편, 개질기의 열효율을 높이기 위하여, 도 2와 같이 U자 형상의 개질기 본체(50)의 저면에 유로 방향을 따라 복수의 가열핀(51)이 부착되고, 상기 개질기 본체(50)의 내측 바닥면에도 상기 가열핀(51)에 대응되는 방열핀(52)이 부착되기도 한다.

이에 따라 연소기에 의해 발생하는 연소가스가 상측에 위치한 개질기의 외면을 따라 유동하면서 개질기를 가열할 때, 연소가스가 개질기 본체(50)의 저면에 형성된 가열핀(51)과 중앙 통로(53)의 양측 벽면 및 개질기 본체(50)의 좌우 측면에 열을 전달하게 된다. 이때, 상기 가열핀(51)으로 인해 연소가스와 개질기의 전열면적이 증가하고 상기 방열핀(52)으로 인해 개질기와 반응물 사이의 전열면적이 증가하여 개질기의 효율이 향상된다.

이와 같이 개질기의 효율을 높이기 위하여 전열면적을 증가시키기 위한 최선의 방법은, 개질기 본체의 폭을 넓게 하고 가열핀 및 방열핀의 수를 늘리는 것이지만, 시스템의 제한된 공간으로 인해 개질기 본체의 폭을 넓게 하거나 가열핀의 수를 증가시키는 것에는 한계가 있을 수밖에 없다.

KR 10-0356681 B1 KR 10-2006-0001618 A KR 10-2011-0085154 A

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 개질기 본체의 크기를 키우거나 개질기 본체에 형성되는 핀의 수를 증가시키지 않고도 충분한 전열면적을 확보하여 개질 효율을 높일 수 있도록 한 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 복수의 연료전지 셀로 이루어진 연료전지 스택과, 탄화수소 계열의 가스와 수증기로 이루어진 반응물을 개질하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 개질기와, 연료전지 시스템 내에 배치되며 연소가스를 이용하여 상기 개질기의 온도를 높여주는 연소기를 구비한 연료전지 시스템에 적용되는 것으로,

내부가 비어 있는 관체로 이루어지는 U자 형태의 개질기 본체와; 연소가스와이 접촉면적이 증가하도록 상기 개질기 본체의 저면에 길이 방향을 따라 형성되는 복수의 가열핀과, 반응물과의 접촉면적이 증가하도록 상기 개질기 본체의 내측 바닥에 길이 방향을 따라 형성되는 복수의 방열핀을 포함하고,

상기 개질기 본체의 폭 방향 중간 부분에 길이 방향을 따라 상기 개질기 본체를 상하로 관통하는 관통공이 형성된 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 연료전지용 연소기 통합형 개질기에 따르면, 상기 관통공의 내부를 유동하는 연소가스가 개질기 본체의 내부를 유동하는 반응물이 혼합되지 않도록 상기 개질기 본체에 가스 차단벽이 형성되고, 상기 가스 차단벽은 개질기 본체의 내측에 형성된 방열핀이 상측으로 연장됨과 아울러 양단이 막혀 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 연료전지용 연소기 통합형 개질기에 따르면, 상기 관통공은 개질기 본체에 비해 10~20%의 폭을 갖는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 연료전지용 연소기 통합형 개질기에 따르면, 상기 방열핀은 개질기 본체의 1/3~1/2 높이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기는 그 하부로부터 유입되는 연소가스가 개질기 본체의 중앙 통로와 좌우 측면은 물론 개질기 본체에 길이 방향을 따라 형성된 관통공을 통해서도 유동하게 되므로 연소가스와 개질기 사이의 열교환 면적이 증가하게 되고 그로 인해 개질 효율이 향상되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기에 따르면, 관통공을 형성하는 가스 차단벽이 연소가스와 반응물이 혼합되지 않도록 차단하면서 연소가스와 반응물 사이에서 열전달이 이루어지도록 하므로 반응물의 온도가 빠르게 상승하여 개질 효율이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 연소기 통합형 개질기가 구비된 연료전지 시스템이 도시된 참고도.
도 2는 종래의 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기가 도시된 일부 절개 사시도.
도 3은 종래의 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기에서 연소가스의 유동 상태를 나타낸 참고도.
도 4는 본 발명에 의한 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기가 도시된 사시도 및 저면 사시도.
도 5는 본 발명의 U자형 개질기의 내부를 나타낸 참고도.
도 6은 본 발명의 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기에서 연소가스의 유동 상태를 나타낸 참고도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 복수의 연료전지 셀로 이루어진 연료전지 스택과, 탄화수소 계열의 가스와 수증기로 이루어진 반응물을 개질하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 개질기와, 연료전지 시스템 내에 배치되며 연소가스를 이용하여 상기 개질기의 온도를 높여주는 연소기를 구비한 연료전지 시스템에 적용된다.

이러한 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기는 도 4 내지 6에 도시된 바와 같이, 내부가 비어 있는 관체로 이루어지는 U자 형태의 개질기 본체(10)와; 연소가스와의 접촉면적이 증가하도록 상기 개질기 본체(10)의 저면에 길이 방향을 따라 형성되는 복수의 가열핀(11)과, 반응물과의 접촉면적이 증가하도록 상기 개질기 본체(10)의 내측 바닥에 길이 방향을 따라 형성되는 복수의 방열핀(12)을 포함하고, 상기 개질기 본체(10)의 폭 방향 중간 부분에 길이 방향을 따라 상기 개질기 본체(10)를 상하로 관통하는 관통공(15)이 형성된 구조로 이루어진다.

여기서, 상기 관통공(15)의 내부를 유동하는 연소가스가 개질기 본체(10)의 내부를 유동하는 반응물이 혼합되지 않도록 상기 개질기 본체(10)에 가스 차단벽(14)이 형성되고, 상기 가스 차단벽(14)은 개질기 본체(10)의 내측에 형성된 방열핀(12)이 상측으로 연장됨과 아울러 양단이 막혀 이루어진다.

그리고, 상기 관통공(15)은 개질기 본체(10)에 비해 10~20%의 폭을 갖는 것이 바람직하다. 이는 상기 관통공(15)이 개질기 본체(10)의 10% 미만의 폭을 가지면 연소가스가 원활하게 유동할 수 없고 개질기 본체(10)의 20% 폭을 초과하게 되면 개질기 본체(10)의 내부를 유동하는 반응물의 양이 감소하여 전열면적 확대 효과가 저하될 수 있기 때문이다.

또, 상기 개질기 본체(10)의 내부에 형성되는 상기 방열핀(12)은 개질기 본체(10)의 1/3~1/2 높이로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 방열핀(12)의 높이를 제한하는 것은, 상기 방열핀(12)의 높이가 너무 낮으면 전열효과가 저하되고 방열핀(12)의 높이가 너무 높으면 반응물의 원활한 유동을 저해할 수 있기 때문이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지용 연소기 통합형 U자형 개질기는 연소가스와의 전열면적이 확대되도록 함으로써 개질기 내부를 유동하는 반응물의 개질 효율을 높이게 된다.

개질기의 하부로부터 공급되는 연소가스는 U자 형상의 개질기 본체(10)의 중앙 통로(13)와 개질기 본체(10)의 좌우 측면 및 개질기 본체(10)에 길이 방향을 따라 형성된 관통공(15)을 통해 상측으로 유동하게 되고, 그로 인해 개질기 본체(10)의 전열면적이 증가하고 개질 효율이 높아지게 된다.

통상적으로 두 물체 사이의 열전달량(Q)은 다음과 같이 정의된다.

Q= α·S·ΔT

여기서, α는 상수인 열전달계수(㎉/㎟s℃), S는 변수인 전열면적(㎟), ΔT는 변수인 두 물체 사이의 온도차(℃)을 의미하므로, 열전달량은 전열면적에 비례하고, 두 물체 사이의 온도차에도 비례한다.

이에 따라 상기 개질기 본체(10)에 관통공(15)이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 전열면적을 확인한 결과, 개질기 본체(10)에 관통공이 없는 경우의 전열면적은 약 134,720㎟인 반면, 본 발명과 같이 개질기 본체(10)에 관통공(15)이 있는 경우의 전열면적은 약 155,656㎟로 확인되었다. 즉, 개질기 본체(10)에 관통공(15)이 형성될 경우 전열면적이 대략 15% 정도 증가한 것이다.

따라서, 상기 개질기 본체(10)에 관통공(15)이 형성될 경우 열전달량이 증가하고 연소가스의 열을 이용하는 개질 과정에서의 개질 효율이 높아짐을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 몇 가지 실시예들과 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10...개질기 본체
11...가열핀
12...방열핀
13...중앙 통로
14...가스 차단벽
15...관통공

Claims (4)

1. 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 복수의 연료전지 셀로 이루어진 연료전지 스택과, 탄화수소 계열의 가스와 수증기로 이루어진 반응물을 개질하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 개질기와, 연료전지 시스템 내에 배치되며 연소가스를 이용하여 상기 개질기의 온도를 높여주는 연소기를 구비한 연료전지 시스템에 적용되는 것으로,
   내부가 비어 있는 관체로 이루어지는 U자 형태의 개질기 본체(10)와; 연소가스와의 접촉면적이 증가하도록 상기 개질기 본체(10)의 저면에 길이 방향을 따라 형성되는 복수의 가열핀(11)과, 반응물과의 접촉면적이 증가하도록 상기 개질기 본체(10)의 내측 바닥에 길이 방향을 따라 형성되는 복수의 방열핀(12)을 포함하고,
   상기 개질기 본체(10)의 폭 방향 중간 부분에 길이 방향을 따라 상기 개질기 본체(10)를 상하로 관통하는 관통공(15)이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 연소기 통합형 개질기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 관통공(15)의 내부를 유동하는 연소가스가 개질기 본체(10)의 내부를 유동하는 반응물이 혼합되지 않도록 상기 개질기 본체(10)에 가스 차단벽(14)이 형성되고,
   상기 가스 차단벽(15)은 개질기 본체(10)의 내측에 형성된 방열핀(12)이 상측으로 연장됨과 아울러 양단이 막혀 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연소기 통합형 개질기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 관통공(15)은 개질기 본체(10)에 비해 10~20%의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연소기 통합형 개질기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 방열핀(12)은 개질기 본체(10)의 1/3~1/2 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연소기 통합형 개질기.

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