KR20160094666A - 연료전지 시스템의 연료 개질기용 열교환기 및 이를 구비하는 ａｔｏ 조립체 - Google Patents

연료전지 시스템의 연료 개질기용 열교환기 및 이를 구비하는 ａｔｏ 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 연료 개질기용 열교환기에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면, 외관 부재(110); 상기 외관 부재의 내부에 수용되어서 상기 외관 부재와 동일한 방향으로 배치는 내관 부재(120); 상기 내관 부재(120)를 나선 형태로 감싸는 권취부(151)를 구비하는 연료관 부재(150); 및 상기 내관 부재의 외주면으로부터 벽형태로 돌출된 배플 부재(140)를 포함하는 연료전지 시스템의 개질기용 열교환기가 제공된다.

Description

연료전지 시스템의 연료 개질기용 열교환기 및 이를 구비하는 ＡＴＯ 조립체 {HEAT EXCHANGER FOR FUEL REFORMER OF FUEL CELL SYSTEM AND ATO ASSEMBLY WITH THE SAME}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 연료 개질기용 열교환기 및 이를 구비하는 ATO 조립체에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소를 이용하여 전기를 생산하는 장치로서, 연료전지 시스템의 연료 개질기는 수소 함유 연료를 원료로 하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생산한다. 연료전지 시스템의 연료 개질기는 수소 함유 연료를 개질 촉매와 반응시켜서 개질 가스를 생산하게 되는데, 개질 효율을 향상을 위하여 열교환기를 이용하여 수소 함유 연료를 개질 반응에 적합한 온도로 상승시켜서 개질 촉매로 공급하게 된다. 연료 개질기용 열교환기의 종래기술 중 한 예로서, 대한민국 등록특허 등록번호 제10-1125724호에는 다수의 열교환 플레이트를 적층시켜서 개질연료채널과 배기가스채널이 교대로 배치시킨 구조가 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 열교환 효율이 향상된 연료전지 시스템의 연료 개질기용 열교환기 및 이를 구비하는 ATO 조립체를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,
외관 부재(110); 상기 외관 부재의 내부에 수용되어서 상기 외관 부재와 동일한 방향으로 배치는 내관 부재(120); 상기 내관 부재(120)를 나선 형태로 감싸는 권취부(151)를 구비하는 연료관 부재(150); 및 상기 내관 부재의 외주면으로부터 벽형태로 돌출된 배플 부재(140)를 포함하는 연료전지 시스템의 개질기용 열교환기가 제공된다.
상기 배플 부재는 상기 내관 부재의 둘레방향을 따라서 나선 형태를 갖도록 연장될 수 있다.
상기 배플 부재와 상기 권취부의 적어도 일부분은 이중 나선 구조를 가질 수 있다.
상기 배플 부재는 상기 내관 부재의 길이방향을 따라서 다수개 위치할 수 있다.
상기 연료전지 시스템의 개질기용 열교환기는 상기 내관 부재의 일단에 결합되는 저항판 부재(130)를 더 포함하며, 상기 저항판 부재는 상기 내관 부재의 개방된 일단을 폐쇄하는 폐쇄부(131)와, 상기 폐쇄부(131)로부터 바깥쪽으로 연장되어서 상기 외관 부재의 내주면에 고정되는 다리부(135)를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면,
공기와 연료전지의 테일 기체를 균일하게 혼합하는 혼합부(10); 상기 혼합부에서 혼합된 공기와 테일 기체의 혼합 기체를 연소 촉매를 이용하여 연소시켜서 고온의 연소 가스를 생성하는 연소부(20); 및 상기 연소부에서 생성된 고온의 연소 가스를 이용하여 개질기로 공급되는 수소 함유 연료의 온도를 상승시키는 열교환부(30)를 포함하며, 상기 열교환부는 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나의 청구항에 기재된 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 ATO 조립체가 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 연소가스가 통과하는 고리형 통로에 연료가 지나가는 연료관이 나선 형태로 권취되며, 고리형 통로에 연료관과 이중 나선 구조를 형성하도록 형성되는 배플 부재가 구비되므로 고리형 통로에서의 열교환 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료 개질기용 열교환기의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열교환기의 측면도로서, 내부가 보이도록 외관 부재을 절단하여 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 열교환기의 평면도이다.
도 4는 도 1에서 외관 부재와 저항판 부재를 제거한 후 나머지 부분을 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4에서 연결관을 제거한 후 나머지 부분을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 ATO 조립체의 개략적인 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 혼합부의 종단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예를 구성 중심으로 상세하게 설명한다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 연료 개질기용 열교환기(100)(이하, '열교환기'로 약칭함)는 외관 부재(110)와, 외관 부재(110)의 내부에 위치하는 내관 부재(120)와, 내관 부재(120)의 선단에 결합되는 저항판 부재(130)와, 내관 부재(120)의 외면에 형성된 다수의 배플(baffle) 부재(140)와, 외관 부재(110)와 내관 부재(130) 사이의 공간을 지나가는 연료관 부재(150)를 포함한다. 외관 부재(110)와 내관 부재(120) 사이에 형성된 공간을 통과하는 고온의 연소 가스와 연료관 부재(150)를 통과하는 연료 사이에 열교환이 이루어져서, 연료가 개질 반응에 적합한 온도로 상승하게 된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 외관 부재(110)는 대체로 원형의 파이프 형상으로서, 내부에 내관 부재(120)가 수용되는 공간을 제공한다. 외관 부재(110)의 양 단부(도면에서 상단부 및 하단부)는 개방되며, 개방된 양 단부 중 제1 단부(도면에서 상단부)는 연소 가스가 유입되는 유입구(111)가 되고, 제2 단부(도면에서 하단부)는 제1 단부를 통해 유입된 연소 가스가 배출되는 배출구(112)가 된다. 외관 부재(110)의 내주면(113)은 내관 부재(120)와 일정 간격을 두고 이격된다.
도1, 도 2, 도 4 및 도 5를 참조하면, 내관 부재(120)는 대체로 원형의 파이프 형상으로서, 외관 부재(110)보다 작은 크기를 가져서 외관 부재(110)의 내부 공간에 수용된다. 내관 부재(120)는 외관 부재(110)와 동축으로 배치되어서, 내관 부재(120)의 외주면(121)과 외관 부재(110)의 내주면(113) 사이에는 고리형 통로(101)가 형성된다. 유입구(111)를 통해 유입된 고온의 연소 가스는 고리형 통로(101)를 지나면서 연료관 부재(150)를 통과하는 연료와의 열교환을 통해 연료의 온도를 상승시키고 배출구(112)를 통해 배출된다. 내관 부재(120)의 개방된 양 단부 중 유입구(111)를 향한 단부(도면에서 상단부)는 저항판 부재(130)에 의해 폐쇄된다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 저항판 부재(130)는 편평한 판상의 부재로서, 내관 부재(120)의 일단(도면에서 상단)에 결합되어서 일체를 형성한다. 저항판 부재(130)는 폐쇄부(131)와, 폐쇄부(131)로부터 연장된 다수의 다리부(135)를 구비한다. 폐쇄부(131)는 원형으로서 내관 부재(120)의 외경과 동일한 직경을 갖는다. 폐쇄부(131)는 내관 부재(120)의 개방된 상단부를 폐쇄하며, 유입구(111)를 통해 유입된 고온의 연소 가스의 흐름 방향과 대체로 직각을 이룬다. 유입구(111)를 통해 유입된 고온의 연소 가스는 폐쇄부(131)에 부딪혀서 난류를 형성하며 고리형 통로(101)로 진입하여 열교환 효율을 향상시킨다. 다수의 다리부(135)는 폐쇄부(131)로부터 바깥쪽으로 방사상으로 연장되어서 형성된다. 본 실시예에서는 4개의 다리부(135)가 등간격으로 위치하는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 다수의 다리부(135) 각각의 끝단은 외관 부재(110)의 내주면(113)에 고정된다. 그에 따라, 저항판 부재(130)에 고정된 내관 부재(120)도 외관 부재(110)에 고정된다. 다수의 다리부(135) 각각도 유입되는 연료에 난류를 형성할 수 있으므로 열교환 효율 향상이 기여하게 된다.
다수의 배플 부재(140)는 내관 부재(120)의 외주면(121)으로부터 바깥으로 돌출된 벽 형태로서, 내관 부재(120)의 길이 방향(고리형 통로(101)의 진행방향)을 따라서 3개가 차례대로 배치된다. 배플 부재(140)의 수는 적절하게 변경될 수 있으며, 변경된 배플 부재(140)의 개수도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 배플 부재(140)의 바깥 끝단은 외관 부재(110)의 내주면(113)과 이격된다. 배플 부재(140)는 내관 부재(120)의 둘레방향을 따라서 연료관 부재(150)의 직경보다 큰 피치(P)를 갖는 나선형태로 연장된다. 배플 부재(140)는 내관 부재(120)의 둘레방향을 따라서 대체로 한바퀴(즉, 360도) 연장된다. 인접한 두 배플 부재(140) 사이에도 동일한 피치를 갖게 된다. 배플 부재(140)에 의하여 고리형 통로(101)에서의 열교환 효율이 향상된다.
연료관 부재(150)는 고리형 통로(101)에서 내관 부재(120)를 감싸는 권취부(151)와, 권취부(151)의 길이방향 양단에 각각 결합되는 두 연장부(155, 156)를 구비한다. 연료관 부재(150)으로는 연료전지에서 사용되는 수소 함유 연료(메탄, 부탄, 프로판, 메탄올, 에탄올 등)가 지나간다.
권취부(151)는 고리형 통로(101)에서 내관 부재(120)를 나선형태로 감싼다. 권취부(151)와 배플 부재(140)와 이중 나선 구조를 형성하게 된다. 본 실시예에서 권취부(151)는 열교환 효율이 높고 권취가 용이한 주름관인 것으로 설명한다.
두 연장부(155, 156)는 연료가 유입되는 제1 연장부(155)와, 연료가 배출되는 제2 연장부(156)를 구비한다.
제1 연장부(155)는 권취부(151)의 제1 단부로부터 연장되고, 외관 부재(110)를 관통하면서 외관 부재(110)에 고정된다. 제1 연장부(155)를 통해 연료가 유입된다.
제2 연장부(156)는 권취부(151)의 제2 단부로부터 연장되고, 외관 부재(110)를 관통하면서 외관 부재(110)에 고정된다. 제2 연장부(156)를 통해 연료가 배출된다.
이제, 위에서 구성 중심으로 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 작용 중심으로 상세하게 설명한다.
연료는 제1 연결부(155)를 통해 유입되고, 제1 연결부(155)를 통해 유입된 연료는 고리형 통로(101)에서 나선 형태로 감겨서 연장되는 권취부(151)를 지난 후, 제2 연결부(156)를 통해 배출된다. 고온의 연소 가스는 외관 부재(110)의 개방된 상단에 형성된 유입구(111)를 통해 유입된 후, 고리형 통로(101)을 지나서 외관 부재(110)의 개방된 하단에 형성된 배출구(112)를 통해 배출된다. 연소가스가 지나가고 권취부(151)가 통과하는 고리형 통로(101)에서 연소가스와 연료 사이에 열교환이 이루어져서 연료의 온도가 상승하게 된다. 권취부(151)와 이중 나선 구조를 형성하는 다수의 배플 부재(140)에 의해 열교환 효율이 향상되며, 선단부에 위치하여 유입되는 연소 가스의 난류 형성을 유도하는 저항판 부재(150)에 의해서도 열교환 효율이 향상된다. 온도가 상승한 연료는 제2 연결부(156)를 통해 개질 촉매를 구비하는 개질부로 공급된다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 ATO 조립체의 개략적인 구조가 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 ATO 조립체(1)는 혼합부(10)와, 혼합부(10)와 연결되는 연소부(20)와, 연소부(20)와 연결되는 열교환부(30)를 포함한다. ATO 조립체(1)는 연료전지 시스템에서 배출되는 테일 기체(tail gas)를 이용하여 고온의 연소 가스를 발생시키고, 고온의 연소 연소 가스를 이용하여 개질기로 공급되는 수소 함유 연료를 개질 반응에 적합한 온도로 상승시킨다.
혼합부(10)는 공기(A)와 테일 기체(T)(본 실시예에서는 애노드 테일 기체가 사용된다)를 균일하게 혼합시킨다. 도 7에는 도 6에 도시된 혼합부(10)가 종단면도로서 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 혼합부(10)는 혼합 챔버(11)와, 혼합 챔버(11)의 외부를 감싸는 재킷(12)을 구비한다. 혼합 챔버(11)는 내부에 공기(A)와 테일 기체(T)가 혼합되는 혼합 공간(10a)을 제공한다. 혼합 챔버(11)의 상단에는 공기(A)가 유입되는 공기 유입관(13)이 연결되며, 측면에는 테일 기체(T)가 유입되는 다수의 유입구(11a)가 형성된다. 재킷(12)은 다수의 유입구(11a)가 위치하는 혼합 챔버(11)의 측면을 둘러싸며 내부에 다수의 유입구(11a)와 통하는 내부 공간(12a)을 형성한다. 재킷(12)에는 테일 기체(T)를 내부 공간(12a)으로 유입시키는 테일 기체 유입관(14)이 연결된다. 테일 기체 유입관(14)을 통해 내부 공간(12a)으로 유입된 테일 기체(T)는 혼합 챔버(11)에 형성된 다수의 유입구(11a)를 통해 혼합 공간(10a)으로 유입되어서, 공기 유입관(13)을 통해 혼합 공간(10a)으로 유입된 공기와 균일하게 혼합된다. 혼합부(10)에 의해 균일하게 혼합된 공기와 테일 기체는 연소부(20)로 공급된다.
연소부(20)는 혼합부(10)로부터 공급된 공기와 테일 기체의 혼합 기체를 연소시키는 연소 촉매를 구비한다. 연소부(20)는 고온의 연소 가스를 생성하여 열교환부(30)로 제공한다.
열교환부(30)는 연소부(20)로부터 공급되는 고온의 연소 가스를 이용하여 개질기로 공급되는 수소 함유 연료를 개질 반응에 적합한 온도로 상승시킨다. 열교환부(30)는 도 1 내지 도 5를 통해 설명된 열교환기(100)를 구비하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100 : 연료전지 시스템의 개질기용 열교환기
110 : 외관 부재 120 : 내관 부재
130 : 저항판 131 : 폐쇄부
135 : 다리부 140 : 배플
150 : 연결료관 부재 151 : 권취부
155 : 제1 연장부 156 : 제2 연장부

Claims (6)

  1. 외관 부재(110);
    상기 외관 부재의 내부에 수용되어서 상기 외관 부재와 동일한 방향으로 배치는 내관 부재(120);
    상기 내관 부재(120)를 나선 형태로 감싸는 권취부(151)를 구비하는 연료관 부재(150); 및
    상기 내관 부재의 외주면으로부터 벽형태로 돌출된 배플 부재(140)를 포함하는 연료전지 시스템의 개질기용 열교환기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배플 부재는 상기 내관 부재의 둘레방향을 따라서 나선 형태를 갖도록 연장되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 개질기용 열교환기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 배플 부재와 상기 권취부의 적어도 일부분은 이중 나선 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 개질기용 열교환기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 배플 부재는 상기 내관 부재의 길이방향을 따라서 다수개 위치하는 것을 특징으로 연료전지 시스템의 개질기용 열교환기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 내관 부재의 일단에 결합되는 저항판 부재(130)를 더 포함하며,
    상기 저항판 부재는 상기 내관 부재의 개방된 일단을 폐쇄하는 폐쇄부(131)와, 상기 폐쇄부(131)로부터 바깥쪽으로 연장되어서 상기 외관 부재의 내주면에 고정되는 다리부(135)를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 개질기용 열교환기.
  6. 공기와 연료전지의 테일 기체를 균일하게 혼합하는 혼합부(10);
    상기 혼합부에서 혼합된 공기와 테일 기체의 혼합 기체를 연소 촉매를 이용하여 연소시켜서 고온의 연소 가스를 생성하는 연소부(20); 및
    상기 연소부에서 생성된 고온의 연소 가스를 이용하여 개질기로 공급되는 수소 함유 연료의 온도를 상승시키는 열교환부(30)를 포함하며,
    상기 열교환부는 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나의 청구항에 기재된 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 ATO 조립체.


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AT525583A1 (de) * 2022-06-23 2023-03-15 Avl List Gmbh Brennstoffzellensystem mit Heizeinheit

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