KR20200098099A - 열교환기 및 이를 이용한 연료전지 시스템 - Google Patents

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우형석
양동근
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 일체형 다중 열교환기 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 일체형 다중 열교환기에는 연료전지 시스템 내에 존재하는 상이한 온도를 갖는 복수의 가스들에 함유된 열을 순차적으로 회수하기 위한 복수의 열교환부가 포함된다. 복수의 열교환부는 서로 격리되며, 복수의 열교환부 사이에는 다공성 분리판이 배치되어 응축수가 최하부 열교환부에 수집된다. 냉각수 라인은 분리판을 관통하여 복수의 열교환부를 모두 경유한다.

Description

열교환기 및 이를 이용한 연료전지 시스템 {HEAT EXCHANGER AND FUEL CELL SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 연료전지 시스템용 열교환기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 시스템이다. 연료전지 시스템은 연료 개질 장치 및 전지 스택을 포함한다. 연료 개질 장치는 전지 스택에 수소를 공급하기 위해 탄화수소계 연료를 수소로 개질하는 장치이다. 전지 스택은 연료 개질 장치로부터 공급받은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생산한다.
연료 개질 장치 및 전지 스택의 효율 저하 방지를 위해 연료 개질 장치 및 전지 스택에서 배출되는 각종 가스들에 함유된 수분을 제거할 필요가 있다. 또한, 각종 가스들에 함유된 수분이 제거되는 과정에서 응축수가 발생하는데, 이 응축수를 관리할 필요가 있다. 응축수를 관리하지 않으면 연료 개질 장치 및 전지 스택의 효율 저하가 발생하거나 결빙에 의해 연료 개질 장치 및 전지 스택의 오작동이나 고장이 발생할 수 있다.
도 1은 종래의 연료전지 시스템용 열교환기를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 열교환기(130)는 제1 기액분리부(131), 제2 기액분리부(132) 및 응축수 저장부(133)를 포함한다. 제1 기액분리부(131)는 전지 스택의 애노드 배출 가스(Anode Off Gas; AOG)에 함유된 수분을 응축시켜 분리한다. 이를 위해, 제1 기액분리부(131)에는 애노드 배출 가스 공급 라인(152)을 통해 애노드 배출 가스가 유입 및 배출되고, 냉각수 공급 라인(161)을 통해 냉각수가 유입 및 배출된다. 제2 기액분리부(132)는 연료 개질 장치의 산물인 개질 가스에 함유된 수분을 응축시켜 분리한다. 이를 위해, 제2 기액분리부(132)에는 개질 가스 공급 라인(151)을 통해 개질 가스가 유입 및 배출되고, 냉각수 공급 라인(162)을 통해 냉각수가 유입 및 배출된다. 응축수 저장부(133)는 제1 기액분리부(131)와 제2 기액분리부(132)에 직접 연통하도록 일체로 형성되고 그 내부 공간에 제1 기액분리부(131) 및 제2 기액분리부(132)에서 생성된 응축수를 저장한다. 응축수 저장부(133)에 저장된 응축수는 응축수 배출 라인(172)에 구비된 밸브(173)의 개방에 의해 외부로 배출된다.
도 1에 도시된 종래의 열교환기의 경우, 제1 기액분리부(131)와 제2 기액분리부(132)가 서로 연통되도록 배치되는 구조를 갖는다. 이는 제1 기액분리부(131)와 제2 기액분리부(132) 각각에서의 열교환 대상 가스가 동일한 종류의 가스일 것을 요구한다. 이에 도 1에 도시된 종래의 열교환기에 공급되는 가스는 전지 스택의 애노드로부터 공급되는 수소 가스와 연료 개질 장치로부터 공급되는 수소 가스로 동일한 종류의 가스이다. 기액분리부(131)와 제2 기액분리부(132) 각각에서의 열교환 대상 가스가 상이한 경우, 가스 혼합에 의해 개질 가스에 수소 이외의 가스가 포함되어 전지 스택에서의 효율을 저하시킬 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 종래의 열교환기의 경우, 냉각수가 제1 기액분리부(131)에서 배출된 후 외부의 라인을 거친 후 제2 기액분리부(132)에 공급되도록 되어 있다. 이는 제1 기액분리부(131)와 제2 기액분리부(132)가 일정 거리를 두고 이격되어 있기 때문이다. 이러한 제1 기액분리부(131)와 제2 기액분리부(132)의 배치 구조, 냉각수 공급 라인(161, 162)의 형태는 연료전지 시스템의 부피를 증대시키는 요인이 된다.
등록특허공보 제10-0664086호 (2007.01.03. 공고)
본 발명의 과제는 온도가 상이한 복수의 가스들에 함유된 열을 효율적으로 회수할 수 있는 일체형 구조의 다중 열교환기를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 과제는 서로 분리된 복수의 열교환부에서 발생하는 응축수를 하나의 배출부에서 배출할 수 있는 열교환기를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 과제는 다중 열교환기를 이용하여 기생전력을 저감할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 과제 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 과제 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 연료전지 시스템 내에 존재하는 상이한 온도를 갖는 복수의 가스들에 함유된 열을 회수하기 위한 복수의 열교환부가 하나의 모듈에 형성된 다중 열교환기를 제공한다.
연료전지 시스템 내에는 캐소드 배기 가스, 개질 가스, 버너 배기 가스 등 다양한 가스들이 존재한다. 이들 가스들의 온도는 일반적으로 수십 ℃ 이상이며, 100℃를 넘을 수도 있다. 따라서, 이들 가스들에 함유된 열을 회수할 필요가 있다. 회수된 열은 연료전지 시스템 내에서 다시 사용되거나 온수 탱크에 저장된 물을 승온하기 위해 사용될 수 있다. 연료전지 시스템 내에 존재하는 각종 가스들이 각각 별개로 열교환되는 경우 열교환기도 많이 필요하고, 이는 연료전지 시스템의 부피 증대로 이어진다. 그러나, 하나의 모듈에 복수의 열교환부가 일체형으로 형성되면 연료전지 시스템을 컴팩트하게 할 수 있다. 또한, 하나의 모듈에 복수의 열교환부가 일체형으로 형성되면, 냉각수 라인의 길이도 짧게 할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 열교환기는 하부 열교환부, 상부 열교환부 및 냉각수 라인을 포함하며, 하부 열교환부와 상부 열교환부는 분리판에 의해 분리된다. 하부 열교환부와 상부 열교환부 사이에 추가의 열교환부가 배치될 수 있다.
상부 열교환부는 예를 들어 개질기로부터 배출되는 개질 가스와 같이 상대적으로 높은 온도를 갖는 제1 가스에 함유된 열을 회수한다. 반면, 하부 열교환부는 예를 들어 캐소드로부터 배출되는 배기 가스와 같이 상대적으로 낮은 온도를 갖는 제2 가스에 함유된 열을 회수한다.
냉각수 라인은 하부 열교환부 및 상부 열교환부를 모두 경유하도록 형성되어 냉각수 라인 내의 냉각수가 제1 가스 및 제2 가스와 각각 열교환되도록 한다. 냉각수 라인은 하부 열교환부 및 상부 열교환부를 모두 경유하도록 하기 위해, 냉각수 라인은 분리판을 관통한다.
냉각수 라인의 입구는 하부 열교환부에 위치하고, 냉각수 라인의 출구는 상부 열교환부에 위치할 수 있다. 이에 의해 냉각수는 제2 가스 및 제1 가스와 순차적으로 열교환할 수 있다. 예를 들어, 냉각수는 먼저 하부 열교환부에서 상대적으로 낮은 온도를 갖는 제2 가스와 1차 열교환한다. 1차 열교환에 의해 냉각수의 온도가 상승하게 된다. 이후, 냉각수는 제2 열교환부에서 상대적으로 높은 온도를 갖는 제1 가스와 2차 열교환한다. 2차 열교환에 의해 냉각수의 온도가 더욱 상승하게 된다.
냉각수와 제1 가스의 열교환 및 냉각수와 제2 가스의 열교환에 의해, 상부 열교환부 및 하부 열교환부에는 응축수가 발생할 수 있다. 이러한 응축수의 회수를 위하여, 상부 열교환부 바닥 및 하부 열교환부 바닥 각각에는 응축수 저장 용기가 배치될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 연료전지 시스템 내에 존재하는 상이한 온도를 갖는 복수의 가스들에 함유된 열을 일괄 회수할 수 있도록 복수의 열교환부를 포함하며, 또한 하나의 열교환부에서 발생된 응축수가 다른 열교환부로 배출될 수 있도록 하는 응축수 배출용 구멍을 갖는 분리판을 포함하는 일체형 다중 열교환기를 제공한다.
연료전지 시스템 내에 존재하는 각종 가스들이 각각 별개로 열교환되는 경우 열교환기마다 응축수 회수 라인이 요구되며, 응축수 회수 라인에는 밸브가 포함된다. 밸브의 온-오프 작동을 위해서는 전기 에너지가 필요하고, 이러한 전기 에너지는 연료전지 시스템에서 생성된 전기가 주로 이용된다. 응축수 회수 라인이 증가하면 밸브의 개수도 증가하게 되고, 이에 따라 밸브의 온-오프 작동을 위해 필요한 전기 에너지의 양도 많아진다. 따라서, 여러 열교환부에서 발생된 응축수가 하나의 열교환부에 수집될 필요가 있다. 이에 본 발명의 실시예에 따른 일체형 다중 열교환기는 응축수 통과가 가능한 응축수 배출용 구멍을 갖는 분리판을 포함한다. 예를 들어, 상부 열교환부에서 생성된 응축수는 분리판의 응축수 배출용 구멍을 통과하여 하부 열교환부로 배출될 수 있다. 그리고 하부 열교환부에는 밸브를 포함한 응축수 배출 라인이 연결될 수 있다. 이에 따라 복수의 열교환부에서 생성된 응축수가 하나의 응축수 배출 라인을 통해 열교환기 외부로 배출될 수 있다. 바람직하게는, 분리판은 다공성 분리판일 수 있다.
한편 상부 열교환부 바닥에는 응축수 저장 용기가 추가로 배치될 수 있다. 상부 열교환부 바닥에 배치되는 응축수 저장 용기는 저장부와 가이드부를 포함한다. 가이드부는 제2 열교환부에서 발생하는 응축수를 저장부로 가이드하는 역할을 하며, 이를 위해 예를 들어 상부로 향할수록 폭이 넓어지는 단면을 가질 수 있다.
한편, 상부 열교환부는 하부 열교환부로부터 격리될 필요가 있다. 특히 상부 열교환부에 유입되는 가스 또는 하부 열교환부에 유입되는 가스가 개질 가스인 경우 개질 가스에 다른 종류의 가스가 혼합이 억제되어야 하며, 그렇지 않다면 전지 스택에서의 반응 효율이 저하될 수 있다. 상부 열교환부와 하부 열교환부 간의 격리를 위해, 상부 열교환부 바닥에 배치되는 응축수 저장 용기의 가장자리 부분은 용접 등에 의해 상부 열교환부의 내벽과 결합될 수 있다.
또한, 상부 열교환부 바닥에 배치되는 응축수 저장 용기의 중앙 부분은 봉수(water sealing) 방식이 적용될 수 있다. 예를 들어, 상부 열교환부 바닥에 배치되는 응축수 저장 용기의 저장부에는 봉수용 물이 저장되어 상부 열교환부의 중앙 부분이 봉수될 수 있다. 이에 따라 하부 열교환기에 공급된 가스가 분리판의 응축수 배출용 구멍을 통과하더라도 상부 열교환부의 응축수 저장 용기의 가이드부에 의해 그리고 저장부에 저장된 봉수용 물에 의해 상부 열교환부로 유입되는 것이 억제될 수 있다. 한편, 상부 열교환부에서 발생하는 응축수의 양이 증가하여 응축수 저장 용기에서 오버플로우가 발생하면, 오버플로우되는 응축수만이 분리판의 응축수 배출용 구멍을 통하여 하부 열교환부로 배출될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 전술한 일체형 다중 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다. 일체형 다중 열교환기의 복수의 열교환부 각각에는 개질기 및 전지 스택에서 배출되는 상이한 온도를 갖는 가스들이 공급될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 개질기, 전지 스택 및 다중 열교환기를 포함한다.
개질기는 버너 연소열에 의한 고온 환경에서 수증기를 이용하여 탄화수소 가스를 수소 가스로 개질한다. 개질기에서는 개질 가스와 버너 연소 가스가 분리 배출된다. 전지 스택은 개질기로부터 개질 가스를 공급받는 애노드와, 공기를 공급받는 캐소드와, 상기 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함한다.
다중 열교환기는 복수의 열교환부와, 복수의 열교환부 간의 경계면을 형성하는 분리판(들)과, 복수의 열교환부를 모두 경유하도록 상기 분리판(들)을 을 관통하는 냉각수 라인을 포함한다.
일 예로, 상기 다중 열교환기에는 3개의 열교환부가 포함될 수 있고, 하부 열교환부에는 캐소드로부터 배출되는 약 65℃의 배기 가스가 공급되고, 하부 열교환부의 상부에 배치되는 중간 열교환부에는 개질기로부터 배출되는 약 100℃의 개질 가스가 공급되고, 중간 열교환부의 상부에 배치되는 상부 열교환부에는 개질기로부터 배출되는 약 150℃의 버너 연소 가스가 공급될 수 있다.
상기 상부 분리판 및 중간 분리판은 각각 응축수 배출용 구멍을 가져 상부 열교환부 및 중간 열교환부에서 생성된 응축수가 하부 열교환부로 배출될 수 있다. 그리고, 하부 열교환부에는 밸브를 포함한 응축수 배출 라인에 연결되는 응축수 배출구가 배치될 수 있다.
또한, 중간 열교환부 바닥 및 상부 열교환부 바닥에는 응축수 저장 용기들이 각각 배치될 수 있다. 각각의 응축수 저장 용기들은 상부 열교환부, 중간 열교환부 및 하부 열교환부를 서로 격리시키는 역할을 할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템용 열교환기는 연료전지 시스템 내에 존재하는 상이한 온도를 갖는 복수의 가스들에 함유된 열을 회수하기 위한 복수의 열교환부가 하나의 모듈에 형성되어 있다. 이에 따라, 연료전지 시스템 내에 존재하는 상이한 온도를 갖는 복수의 가스들에 함유된 열을 일괄적으로 회수할 수 있으며 그 결과 연료전지 시스템을 컴팩트하게 할 수 있다.
또한 본 발명의 일부 실시예에 따른 따른 연료전지 시스템용 열교환기는 하나의 열교환부에서 발생된 응축수가 다른 열교환부로 배출될 수 있도록 하는 응축수 배출용 구멍을 갖는 분리판을 포함한다. 이에 따라, 복수의 열교환부에서 생성된 응축수가 하나의 응축수 배출 라인을 통해 열교환기 외부로 배출될 수 있다. 그 결과 응축수 배출 제어를 위한 밸브 개수가 감소될 수 있어, 기생 전력을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시예에 따른 따른 연료전지 시스템용 열교환기는 봉수 방식을 이용한 응축수 저장 용기를 포함함으로써 열교환부들 간의 상호 격리가 가능하다.
도 1은 종래의 연료전지 시스템용 열교환기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 열교환기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 열교환기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 도 3의 연료전지 시스템용 열교환기의 절단도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 열교환기에 적용될 수 있는 응축수 저장 용기의 예를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 열교환기에 적용될 수 있는 분리판의 예를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 열교환기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 열교환기는 제1 열교환부(210) 및 제2 열교환부(220)를 포함한다. 제2 열교환부(220)는 제1 열교환부(210) 하부에 있다. 이들 제1 열교환부(210) 및 제2 열교환부(220)는 하나의 하우징(201) 내에 구현된다. 하우징(201)은 원통, 사각통과 같은 통 형상으로 되어 있을 수 있다. 본 명세서에서 제1 열교환부(210)는 상부 열교환부로도 언급되고, 제2 열교환부(220)는 하부 열교환부로도 언급된다.
연료전지 시스템 내에는 캐소드 배기 가스, 개질 가스, 버너 배기 가스 등 다양한 가스들이 존재한다. 이들 가스들의 온도는 일반적으로 수십 ℃ 이상이며, 100℃를 넘을 수도 있다. 따라서, 이들 가스들에 함유된 열을 회수할 필요가 있다. 회수된 열은 연료전지 시스템 내에서 다시 사용되거나 온수 탱크에 저장된 물을 승온하기 위해 사용될 수 있다.
제1 열교환부(210)는 연료전지 시스템 내에 존재하는 제1 가스에 함유된 열을 회수한다. 이를 위해, 제1 열교환부(210)는 제1 가스가 유입되는 제1 가스 입구(211)와 제1 가스가 배출되는 제1 가스 출구(212)를 포함한다.
제2 열교환부(220)는 연료전지 시스템 내에 존재하는 제2 가스에 함유된 열을 회수한다. 제2 가스의 온도는 제1 가스의 온도와 상이하다. 이를 위해, 제2 열교환부(220)는 제1 가스가 유입되는 제1 가스 입구(221)와 제1 가스가 배출되는 제1 가스 출구(222)를 포함한다.
분리판(250a)은 제1 열교환부(210)와 제2 열교환부(220) 간의 경계면을 형성한다. 도 2에서 하우징(201) 내의 분리판(250a)의 상부 영역이 제1 열교환부(210)가 되고, 하우징(201) 내의 분리판(250a)의 하부 영역이 제2 열교환부(220)가 된다.
제1 열교환부(210) 및 제2 열교환부(220)에서 제1 가스 및 제2 가스는 냉각수 라인(240)에서 흐르는 냉각수와 열교환된다. 냉각수 라인(240)은 제1 열교환부(210) 및 제2 열교환부(220)를 모두 경유한다. 이는 냉각수 라인(240)이 분리판(250a)을 관통함으로써 달성될 수 있다. 분리판(250)에 냉각수 라인 통과용 구멍(도 6의 215c)이 형성되어 있으면, 냉각수 라인(240)이 분리판(250a)을 관통할 수 있다. 분리판의 냉각수 라인 통과용 구멍은 냉각수 라인(240) 통과 후, 예를 들어 용접에 의해 밀봉될 수 있다.
제1 열교환부(210)에 유입되는 제1 가스의 온도보다 상기 제2 열교환부에 유입되는 제2 가스의 온도가 더 낮을 수 있다. 이 경우, 냉각수 라인 입구(241)는 제2 열교환부(220)에 위치하고, 냉각수 라인 출구(242)는 제1 열교환부(242)에 위치할 수 있다. 반대로, 제1 열교환부(210)에 유입되는 제1 가스의 온도보다 상기 제2 열교환부에 유입되는 제2 가스의 온도가 더 높을 수 있다. 이 경우, 냉각수 라인 입구는 제1 열교환부에 위치하고, 냉각수 라인 출구는 제2 열교환부에 위치할 수 있다.
냉각수는 상대적으로 낮은 온도의 가스와 먼저 열교환한 후 상대적으로 높은 온도의 가스와 열교환하는 것이 효율적이다. 만약 냉각수가 상대적으로 높은 온도의 가스와 먼저 열교환하는 경우, 냉각수의 온도가 상대적으로 더 높게 상승하기 때문에, 이후의 상대적으로 낮은 온도의 가스와 열교환 효율이 저하될 수 있다.
또한 도 2를 참조하면, 제1 열교환부(210) 바닥에는 제1 응축수 저장 용기(213, 214)가 배치되고, 제2 열교환부(220) 바닥에는 제2 응축수 저장 용기(233)가 배치될 수 있다. 제1 열교환부(210)에서 발생된 응축수는 제1 응축수 저장 용기(213, 214)에 수집된다. 제2 열교환부(220)에서 발생된 응축수는 제2 응축수 저장 용기(233)에 수집된다.
각각의 열교환부에서 회수된 응축수를 회수하기 위해 제1 응축수 저장 용기 및 제2 응축수 저장 용기 각각에, 응축수 배출 라인이 연결되는 응축수 배출구가 형성될 수 있다. 다만, 이 경우, 응축수 배출을 제어하기 위해 응축수 배출라인에 배치되는 밸브 역시 별도로 구비되어야 하는 바, 밸브의 온오프 작동을 위해 요구되는 전력도 증가한다.
이에 본 발명의 일부 실시예에서는 제2 응축수 저장 용기(233)에만 응축수 배출구(260)가 배치될 수 있다. 제2 응축수 저장 용기에는 제2 열교환부(220)에서 발생한 응축수 뿐만 아니라 제1 열교환부(210)에서 발생한 응축수도 함께 저장된다. 제1 열교환부(210)에서 발생한 응축수를 제2 열교환부(220)로 배출하기 위해, 분리판(250a)은 응축수 배출용 구멍(도 6의 215b)을 포함한다. 예를 들어, 분리판(250a)은 다공성 분리판이 될 수 있다. 분리판(250a)에 구비되는 응축수 배출용 구멍은 재료 자체의 특성에 기인한 기공의 형태가 될 수 있고, 또한 인위적으로 형성한 홀의 형태가 될 수 있다. 제1 열교환부(210)에서 발생한 응축수는 분리판(250a)의 응축수 배출용 구멍을 통해 제2 열교환부(220)의 제2 응축수 저장 용기에 저장될 수 있다.
한편, 제1 응축수 저장 용기는 가이드부(213)와 저장부(214)를 포함할 수 있다. 가이드부(213)은 제1 열교환부(210)에서 발생하는 응축수를 저장부(220)로 가이드하는 역할을 한다. 보다 구체적으로, 가이드부(213)는 하부를 향할수록 폭이 좁아지는 테이퍼 형상의 단면을 가질 수 있다. 분리판(250a) 하부의 제2 열교환부(220)에 유입된 제2 가스가 분리판(250a)에 형성된 응축수 배출용 구멍을 통해 분리판(250a) 상부의 제1 열교환부(210)의 제1 가스와 혼합될 가능성이 있다.
이를 방지하기 위해 본 발명의 일부 실시예에서는 제2 응축수 저장 용기의 가이드부(213)가 용접 등에 의해 제1 열교환부의 내벽에 결합되어 제2 응축수 저장 용기의 가장자리 부분을 밀폐하고, 또한 봉수(water sealing) 방식을 이용하여 제1 응축수 저장 용기의 중앙 부분을 밀폐한다.
봉수 방식의 적용을 위해 제2 응축수 저장 용기의 저장부(214)에는 봉수용 물이 저장되어 있다. 봉수 방식의 보다 완전한 적용을 위해 봉수용 물의 높이는 가이드부의 하단의 높이보다 높을 수 있다. 또한 저장부(214)의 직경은 가이드부(213)의 상부 직경보다 작고 가이드부(213)의 하부 직경보다 클 수 있다. 즉, 가이드부(213)의 일부분(하단 부분)이 저장부(214)에 저장된 봉수용 물에 침지된 상태일 수 있다. 봉수용 물은 외부에서 공급될 수 있으며, 또한 저장부에 저장된 응축수가 봉수용 물이 될 수 있다.
제1 열교환부(210)에서 열교환이 진행됨에 따라 응축수의 발생량이 증가하게 되고 응축수의 발생량이 저장부(214)의 최대 저장 용량을 초과하면 저장부(214)에서 오버 플로우(overflow)가 발생한다. 제2 응축수 저장 용기의 저장부(214)에서 오버플로우되는 응축수는 분리판(250a)을 통하여 제2 열교환부(220)로 배출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 열교환기를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 4는 도 3의 연료전지 시스템용 열교환기의 절단도를 나타낸 것이다.
도 2에서는 하나의 열교환기에 2개의 열교환부가 포함된 예를 나타내었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 열교환기에 3개의 열교환부가 포함될 수 있고, 나아가 하나의 열교환기에 더 많은 열교환부가 포함될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 도시된 열교환기는 상부의 제1 열교환기(210), 제1 열교환기 하부의 제2 열교환기(220) 및 제2 열교환기 하부의 제3 열교환기(230)를 포함한다. 제1 열교환기의 일측에는 제1 가스 입구(211)가 배치되고 제1 열교환기의 타측에는 제1 가스 출구(212)가 배치된다. 제2 열교환기의 일측에는 제2 가스 입구(221)가 배치되고 제2 열교환기의 타측에는 제2 가스 출구(222)가 배치된다. 제3 열교환기의 일측에는 제3 가스 입구(231)가 배치되고 제3 열교환기의 타측에는 제3 가스 출구(232)가 배치된다. 제1 열교환부, 제2 열교환부 및 제3 열교환부 각각에는 연료전지 시스템에 존재하는 상이한 온도를 갖는 가스들, 보다 구체적으로는 개질기 및 전지 스택에서 배출되는 상이한 온도를 갖는 가스들이 공급된다.
또한, 도 3에 도시된 열교환기는 제1 분리판(250a) 및 제2 분리판(250b)을 포함한다. 제1 분리판(250a)은 제1 열교환부(210)와 제2 열교환부(220) 간의 경계면을 형성한다. 제2 분리판(250b)은 제2 열교환부(220)와 제3 열교환부(230) 간의 경계면을 형성한다. 제1 열교환부(210), 제2 열교환부(220) 및 제3 열교환부(230)는 하우징(201)과 분리판들(250a, 250b)에 의해 정의될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 열교환기는 냉각수 라인(240)을 포함한다. 냉각수 라인(240)은 제1 열교환부(210), 제2 열교환부(220) 및 제3 열교환부(230)를 모두 경유하도록 제1 분리판(250a) 및 제2 분리판(250b)을 관통한다.
제1 열교환부(210)에 유입되는 제1 가스의 온도보다 제2 열교환부(220)에 유입되는 제2 가스의 온도가 더 낮으며, 제2 열교환부(220)에 유입되는 제2 가스의 온도보다 제3 열교환부(230)에 유입되는 제3 가스의 온도가 더 낮을 수 있다. 예를 들어, 제1 열교환부에는 개질기로부터 배출되는 약 150℃의 버너 연소 가스가 공급되고, 제2 열교환부에는 개질기로부터 배출되는 약 100℃의 개질 가스가 공급되고, 제3 열교환부에는 캐소드로부터 배출되는 약 65℃의 배기 가스가 공급될 수 있다. 이 경우, 상대적으로 낮은 온도의 가스부터 열교환이 이루어지도록 냉각수 라인(240)의 입구(241)는 제3 열교환부(230)에 위치하고, 냉각수 라인(240)의 출구(242)는 제1 열교환부(210)에 위치할 수 있다.
응축수 배출 제어를 위한 밸브 개수를 감소시키기 위해, 제1 분리판(250a) 및 제2 분리판(250b)은 각각 응축수 배출용 구멍을 포함할 수 있다. 제3 열교환부(230)에는 밸브를 포함한 응축수 배출 라인에 연결되는 응축수 배출구(260)가 배치될 수 있다. 또한, 도면에 도시하지는 않았지만, 응축수 배출 라인의 밸브의 자동 작동을 위해 제3 열교환부(230)에는 응축수 수위 센서가 배치될 수 있다. 예를 들어 응축수 배출 라인의 밸브는 응축수 수위 센서의 신호에 응답하여 일정 시간동안 개방될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 예와 같이, 제1 열교환부(210) 바닥 및 제2 열교환부(220) 바닥에는 응축수 저장 용기(213, 214; 223, 224)가 각각 배치될 수 있다. 제1 열교환부(210) 바닥 및 제2 열교환부(220) 바닥에 배치되는 각각의 응축수 저장 용기는 도 2에서 설명한 바와 같이 가이드부(213, 223)와 저장부(214, 224)를 포함할 수 있다. 제1 열교환부(210) 바닥에 배치되는 응축수 저장 용기(213, 214)에 의해 제2 열교환부(220)로부터 제1 열교환부(210)가 격리될 수 있다. 또한, 제2 열교환부(220) 바닥에 배치되는 응축수 저장 용기(223, 224)에 의해 제3 열교환부(230)로부터 제2 열교환부(220)가 격리될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 열교환기에 적용될 수 있는 응축수 저장 용기의 예를 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 응축수 저장 용기는 가이드부(213)와 저장부(214)를 포함할 수 있다. 가이드부(213)은 예를 들어 제1 열교환부(210)에서 발생하는 응축수를 저장부(220)로 가이드하는 역할을 한다. 보다 구체적으로, 가이드부(213)는 하부를 향할수록 폭이 좁아지는 테이퍼 형상의 단면을 가질 수 있다. 응축수 저장 용기의 저장부(214)에는 봉수용 물(402)이 저장되어 있다. 또한 저장부(214)에는 냉각수 라인이 관통할 수 있는 냉각수 라인 관통용 구멍(214c)이 형성되어 있다. 봉수 방식의 보다 완전한 적용을 위해 봉수용 물(402)의 높이는 가이드부의 하단의 위치보다 높을 수 있다. 또한 저장부(214)의 직경은 가이드부(213)의 상부 직경보다 작고 가이드부(213)의 하부 직경보다 클 수 있다. 즉, 가이드부(213)의 하단 부분이 저장부(214)에 저장된 봉수용 물에 침지된 상태일 수 있다. 열교환이 계속됨에 따라 응축수의 발생량이 저장부(214)의 최대 저장 용량을 초과하면 저장부(214) 외측으로 오버 플로우가 발생하고, 저장부 외측으로 오버플로우되는 응축수는 분리판의 응축수 배출용 구멍을 통하여 하부의 열교환부로 배출될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 열교환기에 적용될 수 있는 분리판의 예를 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 분리판(215)은 응축수가 통과할 수 있도록 하는 구조로 되어 있다. 보다 구체적으로, 분리판(215)은 분리판 몸체(215a)와, 응축수 배출용 구멍(215b) 및 냉각수 라인 관통용 구멍(215c)를 포함한다.
분리판 몸체(215a)는 금속, 세라믹, 고분자 등의 재질로 형성될 수 있다. 응축수 배출용 구멍(215b)은 예를 들어 분리판 몸체가 다공성 세라믹으로 형성되는 것과 같이 분리판 몸체(215a)의 특징에 기인한 기공이 될 수 있다. 다른 예로, 응축수 배출용 구멍(215b)은 분리판 몸체에 드릴링 공정을 통하여 형성된 홀이 될 수 있다. 냉각수 라인 관통용 구멍(215c)은 냉각수 라인이 관통할 수 있도록 형성된 구멍이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 도시된 연료전지 시스템은 개질기(610), 전지 스택(620) 및 열교환기(630)를 포함한다.
개질기(610)는 탄화수소 연료(예를 들어, LNG)를 수소로 변환하여 전지 스택(620)에 수소를 공급한다. 도면에 도시하지는 않았으나, 개질기(610)는 개질부와 버너부를 포함한다. 개질기의 개질부에는 물 저장부(640)로부터 개질용 물 공급 라인(641)을 통해 물이 공급되고 연료 저장부(660)로부터 개질용 연료 공급 라인(662)을 통해 탄화수소계 연료가 공급된다. 개질기의 버너부에는 연료 저장부(660)로부터 연소용 연료 공급 라인(661)을 통해 탄화수소계 연료가 공급되고 탄화수소계 연료의 연소를 위해 공기 저장부(650)로부터 연소용 공기 공급 라인(652)을 통해 공기가 공급된다. 개질기 내에서의 연소 반응 및 개질 반응에 의해, 개질기(610)에서는 개질 가스 배출 라인(611) 및 연소 가스 배출 라인(631)을 통해 개질 가스와 연소 가스가 분리 배출된다.
전지 스택(620)은 개질 가스 배출 라인(611)을 통해 개질기(610)로부터 개질 가스를 공급받는 애노드와, 캐소드용 공기 공급 라인(651)을 통해 공기 저장부(650)로부터 공기를 공급받는 캐소드와, 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함한다. 공기 공급 라인(651, 652)에는 블로워(701, 702)가 배치될 수 있고, 공기 공급 라인, 연료 공급 라인 등에는 유량조절기(예를 들어 703, 704)가 배치될 수 있다. 또한, 전지 스택(620)에는 냉각수가 순환한다. 냉각수 순환 및 온도 조절을 위하여 냉각수 순환 라인(642)에 유량 조절기(625)나 라디에이터(626) 등이 추가로 배치될 수 있다.
또한, 전지 스택의 애노드에서 미반응한 가스(Anode Off Gas; AOG)는 외부로 배출되거나 개질기의 버너부로 공급될 수 있다.
물 저장부(640)에서 저장된 물의 양이 증가하는 등 필요에 따라서는 물 배출 라인(643)을 통하여 물이 배출될 수 있다.
개질기(610) 및 전지 스택(620)의 구조 및 작동은 이미 많은 문헌에 제시되어 있고, 얼마든지 변형이 가능하다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템에는 공지된 어떠한 개질기 및 스택 구조나 작동도 채택될 수 있다.
열교환기(630)는 도 3에 도시된 예와 같은 3개의 열교환부(630a, 630b, 630c)가 포함되어 있다. 물론 열교환기(630)는 2개의 열교환부를 포함하거나 4개 이상의 열교환부를 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 예에서는 제1 열교환부(630a의 입구가 연소 가스 배출 라인(631)에 연결되고, 제2 열교환부(630b)의 입구가 개질 가스 배출 라인(611)에 연결되고, 제3 열교환부(630c)의 입구가 캐소드 가스 배출 라인(632)에 연결된다.
제3 열교환부(630c)의 응축수 배출구를 통하여 배출되는 응축수는 물 저장부(640)로 공급될 수 있다. 다른 예로, 응축수는 연료전지 시스템 외부로 배출될 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
201 : 하우징 210 : 제1 열교환부
213 : 가이드부 214 : 저장부
220 : 제2 열교환부 240 : 냉각수 라인
250a, 250b : 분리판 260 : 응축수 배출구
610 : 개질기 620 : 전지 스택
630 : 열교환기 640 : 물 저장부
650 : 공기 저장부 650 : 연료 저장부

Claims (13)

  1. 연료전지 시스템 내에 존재하는 제1 가스에 함유된 열을 회수하는 제1 열교환부;
    상기 제1 열교환부 하부에 배치되며, 상기 연료전지 시스템 내에 존재하는 상기 제1 가스와 상이한 온도를 갖는 제2 가스에 함유된 열을 회수하는 제2 열교환부;
    상기 제1 열교환부와 제2 열교환부 간의 경계면을 형성하는 분리판; 및
    상기 제1 열교환부 및 제2 열교환부를 모두 경유하도록 상기 분리판을 관통하는 냉각수 라인을 포함하는, 연료전지 시스템용 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환부에 유입되는 제1 가스의 온도보다 상기 제2 열교환부에 유입되는 제2 가스의 온도가 더 낮으며,
    상기 냉각수 라인의 입구는 제2 열교환부에 위치하고, 상기 냉각수 라인의 출구는 상기 제1 열교환부에 위치하는, 연료전지 시스템용 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환부 바닥 및 제2 열교환부 바닥에 각각에는 응축수 저장 용기가 배치되는, 연료전지 시스템용 열교환기.
  4. 연료전지 시스템 내에 존재하는 제1 가스에 함유된 열을 회수하는 제1 열교환부;
    상기 제1 열교환부 하부에 배치되며, 상기 연료전지 시스템 내에 존재하는 상기 제1 가스와 상이한 온도를 갖는 제2 가스에 함유된 열을 회수하는 제2 열교환부;
    상기 제1 열교환부와 제2 열교환부 간의 경계면을 형성하는 분리판;
    상기 제1 열교환부 및 제2 열교환부를 모두 경유하도록 상기 분리판을 관통하는 냉각수 라인;
    상기 제1 열교환부 바닥에 배치되는 제1 응축수 저장 용기; 및
    상기 제2 열교환부 바닥에 배치되는 제2 응축수 저장 용기를 포함하고,
    상기 분리판은 상기 제1 열교환부에서 발생하는 응축수가 상기 제2 열교환부로 배출되도록 하는 응축수 배출용 구멍을 포함하며,
    상기 제2 응축수 저장 용기에는 응축수 배출구가 배치되는, 연료전지 시스템용 열교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 응축수 저장 용기는 저장부와, 상기 제1 열교환부에서 발생하는 응축수를 상기 저장부로 가이드하는 가이드부를 갖는, 연료전지 시스템용 열교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 응축수 저장 용기의 상기 가이드부는 상기 제1 열교환부의 내벽에 결합되는, 연료전지 시스템용 열교환기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 응축수 저장 용기의 저장부에는 봉수용 물이 저장되어 있고,
    상기 제1 응축수 저장 용기의 저장부에서 오버플로우되는 응축수가 상기 분리판을 통하여 상기 제2 열교환부로 배출되는, 연료전지 시스템용 열교환기.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 분리판은 다공성 구조인, 연료전지 시스템용 열교환기.
  9. 개질 가스와 연소 가스를 분리 배출하는 개질기;
    상기 개질기로부터 개질 가스를 공급받는 애노드와, 공기를 공급받는 캐소드와, 상기 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는 전지 스택; 및
    제1 가스 입구와 제1 가스 출구를 포함하는 제1 열교환부와, 상기 제1 열교환부 하부에 배치되며 제2 가스 입구와 제2 가스 출구를 포함하는 제2 열교환부와, 상기 제2 열교환부 하부에 배치되며 제3 가스 입구와 제3 가스 출구를 포함하는 제3 열교환부와, 상기 제1 열교환부와 제2 열교환부 간의 경계면을 형성하는 제1 분리판과, 상기 제2 열교환부와 제3 열교환부 간의 경계면을 형성하는 제2 분리판과, 상기 제1 열교환부, 제2 열교환부 및 제3 열교환부를 모두 경유하도록 상기 제1 분리판 및 제2 분리판을 관통하는 냉각수 라인을 포함하는, 다중 열교환기를 포함하고,
    상기 다중 열교환기의 제1 열교환부, 제2 열교환부 및 제3 열교환부 각각에는 상기 개질기 및 상기 전지 스택에서 배출되는 상이한 온도를 갖는 가스들이 공급되는, 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 열교환부에 유입되는 제1 가스의 온도보다 상기 제2 열교환부에 유입되는 제2 가스의 온도가 더 낮으며, 상기 제2 열교환부에 유입되는 제2 가스의 온도보다 상기 제3 열교환부에 유입되는 제3 가스의 온도가 더 낮으며,
    상기 냉각수 라인의 입구는 제3 열교환부에 위치하고, 상기 냉각수 라인의 출구는 상기 제1 열교환부에 위치하는, 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 열교환부에는 상기 개질기로부터 배출되는 버너 연소 가스가 공급되고, 상기 제2 열교환부에는 상기 개질기로부터 배출되는 개질 가스가 공급되고, 상기 제3 열교환부에는 상기 캐소드로부터 배출되는 배기 가스가 공급되는, 연료전지 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 분리판 및 제2 분리판은 각각 응축수 배출용 구멍을 포함하며,
    상기 제3 열교환부에는 응축수 배출구가 배치되는, 연료전지 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 열교환부 바닥 및 상기 제2 열교환부 바닥에 각각 배치되는 응축수 저장 용기들을 추가로 포함하고,
    상기 제1 열교환부 바닥에 배치되는 응축수 저장 용기는 상기 제2 열교환부로부터 상기 제1 열교환부를 격리시키며, 상기 제2 열교환부 바닥에 배치되는 응축수 저장 용기는 상기 제3 열교환부로부터 상기 제2 열교환부를 격리시키는, 연료전지 시스템.
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