KR20220115119A - 역화가 방지되는 연료개질기용 버너 - Google Patents

역화가 방지되는 연료개질기용 버너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LNG 또는 LPG 가스와 같은 연료 가스와 연료전지 시스템의 연료전지 스택(stack)에서 사용되지 않고 스택을 통과한 애노드 오프 가스(anode off gas)를 모두 연소시킴과 아울러 버너 내측에 발생될 수 있는 역화를 확실하게 방지할 수 있다.
이를 위해, 본 발명에 따른 역화가 방지되는 연료개질기용 버너는 외측관체(30)의 내부에서 역화가 발생하지 않도록 외측관체(30) 내측이면서 지지바(21) 상에 플레임스크린(60)이 배치됨과 아울러 제2가스유입구(31)의 내부에서 역화가 발생하지 않도록 제2가스유입구(31)의 내측에 써스울 부재(61)가 배치되고, 공기 유입구(11)측에 체크 밸브(11A)가 설치된다.

Description

역화가 방지되는 연료개질기용 버너{Fuel reformer burner of fuel cell system}
본 발명은 역화가 방지되는 연료개질기용 버너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LNG 또는 LPG 가스와 같은 연료 가스와 연료전지 시스템의 연료전지 스택(stack)에서 사용되지 않고 스택을 통과한 애노드 오프 가스(anode off gas)를 모두 연소시키면서 버너 내측에서 발생될 수 있는 역화(逆火)를 확실하게 방지할 수 있음과 아울러 안정성과 내구성을 향상시킨 연료개질기용 버너에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소를 이용하며, 산화제로는 산소(공기)가 사용되는 것으로, 산소와의 화학반응을 통하여 화학에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 발전 시스템이다.
상기 연료전지 시스템은 연료전지 스택(stack)과 연료 처리장치를 주요부로 구비하고, 연료탱크, 연료펌프 등을 부수적으로 구비한다. 여기서, 상기 스택은 화학반응을 일으켜서 전기를 발생시킨다. 이때, 화학반응이 끝나고 나오는 가스를 애노드 오프 개스(anode off gas)라고 한다.
수소는 통상 LNG 가스 혹은 LPG 가스와 수증기를 촉매로 이용하여 고온에서 개질(reforming)시켜 얻는다. 이러한 개질 내부에는 촉매를 가열시키기 위해 버너가 필요하며 초기 기동시에는 LNG 가스 또는 LPG 가스로 버너가 동작하지만, 정상적인 운전이 될 경우 반응 후 가스인 애노드 오프 가스와 연료가스가 동시에 투입되어 운전된다.
연료전지 시스템의 효율 향상을 위하여는 단순히 탄화수소등의 연료가스의 연소뿐만이 아니라 수소가스의 연소가 가능하여야 한다. 다시 말하면, 스택에서 미반응되어 배출되는 애노드 오프 개스(AOG)에 포함된 수소가스를 연소하는 수단이 필수적으로 갖추어져 있어야 한다. 따라서, 연료전지 시스템의 효율 향상을 위해서는 탄화수소 등의 연료 가스 뿐만이 아니라 애노드 오프 개스 등에 포함된 수소가스를 연소시켜 연료처리장치에 필요한 열원으로 사용이 가능케 하는 버너가 필요하다.
이러한 연료전지 시스템의 개질기 버너는 한국특허 공개번호 제10-2009-0010402호 등 다수가 개시되어 있다. 그러나, 종래의 개질기 버너의 경우에는 완전 예혼합 연소방식으로 구성되어 있어 연소속도의 차이가 큰 도시가스와 애노드 오프 가스를 하나의 노즐에서 사용할 경우 역화의 가능성이 매우 높다. 즉, 수소는 연소시 화염 속도가 연료개스의 화염속도에 비하여 매우 빨라서(메탄의 10배) 연소시에 화염이 연료흐름방향의 상류로 거꾸로 타들어갈 수 있어 폭발을 일으킬 수 있다.
따라서, 버너의 안정성이 확실하게 확보되면서 내구성 및 내열성도 우수한 연료개질기용 버너의 개발이 요구되는 실정이다.
한국특허 공개번호 10-2009-0010402호
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 LNG 또는 LPG 가스와 같은 연료 가스와 연료전지 시스템의 연료전지 스택(stack)에서 사용되지 않고 스택을 통과한 애노드 오프 가스(anode off gas)의 연소가 모두 가능함과 아울러 버너 내측에서 발생될 수 있는 역화를 확실하게 방지하고 안정성, 내구성, 내열성 또는 고온 특성 등을 향상시킨 연료개질기용 버너를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 연료개질기용 버너는 일측에 공기유입구와 연통된 제1가스유입구가 구비되고, 상면에 상기 공기유입구에서 유입되는 공기와 상기 제1가스유입구에서 유입되는 제1가스가 혼합된 제1혼합가스가 배출되는 배출구가 형성되는 바디부와; 상기 바디부의 상측에 배치되면서 상기 바디부의 배출구와 연통되게 설치되어 상기 배출구에서 배출되는 제1혼합가스를 상부로 안내하는 내측관체와; 상기 바디부의 상측에 배치되면서 상기 내측관체를 감싸도록 설치되고, 외측에 제2가스유입구가 구비되며, 상기 제2가스유입구에서 유입되는 제2가스를 상부로 안내하는 외측관체와; 상기 외측관체의 내부에 설치되고, 분사홀을 통해 상기 제1혼합가스와 제2가스가 혼합된 제2혼합가스를 분사하는 노즐과; 상기 바디부의 하부에 설치되고, 일단에 상기 내측 관체의 내부를 관통하면서 상기 노즐 상측까지 연장되어 불꽃을 일으키는 점화봉을 구비하는 스파크플러그를 포함한다.
바람직한 실시예로서, 상기 노즐은 핀(pin)을 통해 상기 외측관체와 결합되고, 상기 내측관체는 상기 외측관체의 길이 보다 상대적으로 짧게 형성되고 외면에 복수개의 지지바가 돌출 형성된다.
또한, 상기 외측관체의 내부에서 역화가 발생하지 않도록 상기 외측관체 내측이면서 상기 지지바 상에 플레임스크린이 배치됨과 아울러 상기 제2가스유입구의 내부에서 역화가 발생하지 않도록 상기 제2가스유입구의 내측에 써스울 부재가 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 공기유입구 상에 체크 밸브가 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 연료개질기용 버너는 플레임스크린(flame screen)과 SUS wool 형태의 써스울 부재에 의해 노즐 하부의 외측관체 내부에서 혼합가스가 역화되거나 수소를 포함한 애노드 오프 가스가 유입되는 제2가스유입구 내측에서 발화가 되는 일이 없어 버너 사용시 안정성을 확실하게 신뢰할 수 있다.
또한, 노즐이 핀 결합되어 확실히 고정됨으로써 버너를 장시간 사용하더라도 노즐이 이동되지않고 내구성을 확보할 수 있다.
또한, 공기 유입구 측에 체크 밸브가 설치되어 가스가 공기 유입구 측으로 역화되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 버너의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 연료개질기용 버너의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하며 상세히 설명한다.
본 발명의 바디부(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 공기유입구(11), 제1가스유입구(12), 및 배출구(13)를 구비한다.
즉, 상기 바디부(10)는 일측에 공기유입구(11)와 연통된 제1가스유입구(12)가 구비되고, 상면에 상기 공기유입구(11)에서 유입되는 공기(G0)와 상기 제1가스유입구(12)에서 유입되는 제1가스(G1)가 혼합된 제1혼합가스(F1)가 배출되는 배출구(13)가 형성된다.
상기 바디부(10)는 상기 공기유입구(11)와 제1가스유입구(12)를 통해 공기 또는 산소와 제1가스를 공급받아 공기(G0)와 제1가스(G1)를 혼합시켜 내측에서 제1혼합가스(F1)를 생성한다.
상기 바디부(10)의 제1가스유입구(12)로 공급되는 제1가스(G1)는 초기 화염 발화를 용이하게 하는 LNG 가스 또는 LPG 가스가 바람직하다.
상기 바디부(10)의 내측에서 생성된 제1혼합가스(F1)는 상기 배출구(13)를 통해 상부로 배출된다.
상기 내측관체(20)는 상기 바디부(10)의 상측에 배치되면서 상기 바디부(10)의 배출구(13)와 연통되게 설치되어 상기 배출구(13)에서 배출되는 제1혼합가스(F1)를 상부로 안내하는 파이프 형태를 가진다.
상기 내측관체(20)는 상기 외측관체(30)의 길이 보다 상대적으로 짧게 형성되어 상기 외측관체(30)를 통해 상부로 이동된 제2가스(G2)와 제1혼합가스(F1)가 외측관체(30)에서 혼합되어 제2혼합가스(F2)가 생성되도록 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 내측관체(20)는 도 1에 도시된 바와 같이 외면에 복수개(일 실시예로서, 4개)의 지지바(21)가 돌출 형성된다.
상기 지지바(21)는 상기 외측관체(30) 내주면에 밀착 고정되어 상기 내측관체(20)가 일 방향으로 기울어지거나 유동되는 것을 방지함과 아울러 후술하는 플레임스크린(60)이 도 1에 도시된 바와 같이 외측관체(30) 내부에 배치되도록 걸림턱 역할을 한다.
상기 외측관체(30)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 바디부(10)의 상측에 배치되면서 상기 내측관체(20)를 감싸도록 설치되고, 외측에 제2가스유입구(31)가 구비되며, 상기 제2가스유입구(31)에서 유입되는 제2가스(G2)를 상부로 안내하는 파이프 형태를 가진다.
상기 외측관체(30)의 제2가스유입구(31)로 공급되는 제2가스(G2)는 상술한 애노드 오프 가스(anode off gas)이고, 이 가스는 연료전지 시스템에서 화학반응이 끝나고 나오는 가스이다.
상기 노즐(40)은 상기 외측관체(30)의 내부에 설치되어 상기 제1혼합가스(F1)와 제2가스(G2)가 혼합된 제2혼합가스(F2)를 도 1에 도시된 바와 같이 분사홀(41)을 통해 상측으로 분사하는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 외면이 상기 외측관체(30) 내주면에 밀착 지지되면서 핀(pin)(70)을 통해 외측관체(30)에 결합되어 고정된다. 또한, 상기 노즐(40)은 스파크(spark)를 일으키는 점화봉(51)의 말단 보다 상대적으로 낮은 위치에 설치되고 제2혼합가스(F2)가 통과되는 분사홀(41)이 방사상으로 다수개 형성된다.
상기 스파크플러그(50)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 바디부(10)의 하부에 설치되고, 일단 또는 상단에 상기 내측관체(20)의 내부를 관통하면서 상기 노즐(40)의 상측까지 연장되어 불꽃(스파크)을 일으키는 점화봉(51)을 구비하는 것으로서, 외부의 고전압을 공급받아 상기 점화봉(51)에 스파크가 일어나도록 함으로써 상기 노즐(40)에서 분사되는 제2혼합가스(F2)가 상기 점화봉(51)에서 일어나는 스파크에 의해 점화되어 화염이 생성되도록 한다.
상기 점화봉(51)은 상기 노즐(40) 중앙을 관통하기 때문에 노즐(40)부위의 점화봉(51) 상에는 절연 기능을 가진 공지의 소재로 이루어진 절연재(42)가 구비된다.
본 발명의 주요 특징 중의 하나으로서, 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 외측관체(30)의 내부에서 역화가 발생하지 않도록 상기 외측관체(30) 내측이면서 지지바(21) 상에 플레임스크린(60)이 배치된다.
상기 플레임스크린(60)은 메쉬 형태를 가지면서 금속 재질로 이루어진 공지의 플레임스크린(flame screen)이 여러 겹으로 권취된 형태를 가짐으로써 화염의 역화를 방지하는 것이다.
또한, 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제2가스유입구(31)의 내부에서 역화 또는 발화가 발생하지 않도록 상기 제2가스유입구(31)의 내측에 써스울 부재(61)가 배치된다. 상기 써스울 부재(61)는 공지의 스테인레스 스틸 울(stainless steel wool) 형태로 이루어진 것이다.
이와 같이, 본 발명에서는 상기 플레임스크린(60)과 써스울 부재(61)가 각각 배치됨으로써, 화염이 상기 플레임스크린(60)에 의해 1차적으로 차단됨과 동시에 제1가스(G1) 보다 연소 속도가 훨씬 빠른 제2가스(G2)가 외측관체(30) 나아가 제2가스유입구(31) 내부에서 발화되어 화염이 역류하는 현상이 이중으로 차단될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 공기 유입구(11)측에 체크 밸브(11A)가 설치되어 점화시 가스가 공기 유입구(11)로 역류되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 버너 연소시에 안정성이 확실하게 확보될 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 그 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다. 따라서, 상기 내용은 하기 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
10: 바디부, 11: 공기유입구, 12: 제1가스유입구,
13: 배출구, 20: 내측관체, 21: 지지바,
30: 외측관체, 31: 제2가스유입구, 40: 노즐,
41: 분사홀, 42: 절연재 50: 스파크플러그,
51: 점화봉, 60: 플레임스크린, 61: 써스울 부재,
70: 핀, 80: 플랜지부, 81: 결합공.
11A: 체크 밸브.

Claims (1)

  1. 연료개질기용 버너에 있어서,
    일측에 공기유입구(11)와 연통된 제1가스유입구(12)가 구비되고, 상면에 상기 공기유입구(11)에서 유입되는 공기(G0)와 상기 제1가스유입구(12)에서 유입되는 제1가스(G1)가 혼합된 제1혼합가스(F1)가 배출되는 배출구(13)가 형성되는 바디부(10)와;
    상기 바디부(10)의 상측에 배치되면서 상기 바디부(10)의 배출구(13)와 연통되게 설치되어 상기 배출구(13)에서 배출되는 제1혼합가스(F1)를 상부로 안내하는 내측관체(20)와;
    상기 바디부(10)의 상측에 배치되면서 상기 내측관체(20)를 감싸도록 설치되고, 외측에 제2가스유입구(31)가 구비되며, 상기 제2가스유입구(31)에서 유입되는 제2가스(G2)를 상부로 안내하는 외측관체(30)와;
    상기 외측관체(30)의 내부에 설치되고, 분사홀(41)을 통해 상기 제1혼합가스(F1)와 제2가스(G2)가 혼합된 제2혼합가스(F2)를 분사하는 노즐(40)과;
    상기 바디부(10)의 하부에 설치되고, 일단에 상기 내측관체(20)의 내부를 관통하면서 상기 노즐(40) 상측까지 연장되어 불꽃을 일으키는 점화봉(51)을 구비하는 스파크플러그(50)를 포함하되,
    상기 노즐(40)은 핀(pin)(70)을 통해 상기 외측관체(30)와 결합되고,
    상기 내측관체(20)는 상기 외측관체(30)의 길이 보다 상대적으로 짧게 형성되고 외면에 복수개의 지지바(21)가 돌출 형성되며,
    상기 외측관체(30)의 내부에서 역화가 발생하지 않도록 상기 외측관체(30) 내측이면서 상기 지지바(21) 상에 플레임스크린(60)이 배치됨과 아울러 상기 제2가스유입구(31)의 내부에서 역화가 발생하지 않도록 상기 제2가스유입구(31)의 내측에 써스울 부재(61)가 배치되고,
    상기 플레임스크린(60)은 메쉬 형태를 가지면서 금속 재질로 이루어지되 권취된 형태를 가지고,
    상기 써스울 부재(61)는 스테인레스 스틸 울(stainless steel wool) 형태로 이루어지며,
    상기 공기유입구(11) 상에 체크 밸브(11A)가 설치되는 것을 특징으로 하는 역화가 방지되는 연료개질기용 버너.
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