KR20240069403A - 일체형 고체산화물 연료전지 - Google Patents

일체형 고체산화물 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유입되는 수증기와 천연가스를 개질시켜 수소가 함유된 제1 가스를 생성하는 개질부와, 개질부에서 공급되는 제1 가스와 반응하여 전기를 생성하는 고체 산화물이 수용된 연료전지부와, 연료전지부에서 배출되는 제2 가스와 개질부에서 공급된 공기를 연소시켜 가열된 제3 가스를 발생시키는 연소부와, 연소부에서 배출되는 제3 가스와 외부에서 유입되는 공기의 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함하고, 개질부, 연료전지부, 연소부 및 열교환부가 적층 결합된 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.

Description

일체형 고체산화물 연료전지{All-in-one type solid oxide fuel cell}
본 발명은 개질기, 연소기, 열교환기 및 연료전지가 일체로 결합되어 안전성 및 열효율이 한층 향상된 일체형 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지는 고온에서 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생시키는 장치로, 고체 세라믹을 전해질로 가지고 있으며, 약 700~1,000℃에서 작동된다.
고체산화물 연료전지는 연료전지 중 발전효율이 가장 높고 백금과 같은 귀금속을 촉매로 사용할 필요가 없는 장점이 있다.
고체산화물 연료전지를 이용한 발전 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 수소를 연료로 사용하기 위해서 천연가스(Natural Gas, 메탄)를 개질기(10)에서 개질하여 수소를 고체산화물 연료전지(20) 스택에 공급하는 형태로 작동되고, 발전효율을 높이기 위해서 열교환기(30) 및 연소기(40)가 결합 사용될 뿐만 아니라, 외부로의 열 방출을 최소화하기 위해 핫 박스(50)가 장치 전체를 감싸는 형태로 만들어진다.
이때 이러한 위에서 설명한 개질기(10), 연료전지(20), 열교환기(30) 및 연소기(40)의 각 구성이 파이프로 연결될 경우 열교환 효율이 낮아지고, 안정성이 떨어질 뿐만 아니라, 부피가 커지는 문제점이 있다.
특허문헌 1) 한국공개특허공보 제10-2012-0113182호. 나노 구조 복합체 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법. 특허문헌 2) 한국공개특허공보 제10-2012-0031036호, 금속품 지지체를 사용하는 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지 시스템을 구성하는 각 구성요소들이 고체산화물 연료전지에 일체화되어 열효율 및 안전성을 높이고, 부피를 최소화 가능한 일체형 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지는,
유입되는 수증기와 천연가스를 개질시켜 수소가 함유된 제1 가스(G1)를 생성하는 개질부(100);
상기 개질부(100)에서 공급되는 제1 가스(G1)와 반응하여 전기를 생성하는 고체산화물이 수용된 연료전지부(200);
상기 연료전지부(200)에서 배출되는 제2 가스(G2)와 상기 개질부(100)에서 공급된 공기를 연소시켜 가열된 제3 가스(G3)를 발생시키는 연소부(300); 및
상기 연소부(300)에서 배출되는 제3 가스(G3)와 외부에서 유입되는 공기의 열교환이 이루어지는 열교환부(400);를 포함하고,
개질부(100), 연료전지부(200), 연소부(300) 및 열교환부(400)가 적층 결합된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 개질부(100)는 수증기와 천연가스를 수소가 함유된 제1 가스(G1)로 변환하는 개질부 몸체(110)와,
상기 개질부 몸체(110)로 수증기와 천연가스가 유입되는 통로를 형성하는 연료 유입통로 형성부(120);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 개질부(100)는 외부에서 공기가 유입되는 통로를 형성하는 제1 공기 유입통로 형성부(130)와,
상기 제1 가스(G1)를 생성하고 남은 제1 공기(A1)가 상기 연소부(300)로 이동하는 통로를 형성하는 제1 공기 이동통로 형성부(140);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연소부(300)는 유입되는 가스가 위치되는 공간을 형성하는 연소부 몸체(310)와,
상기 연소부 몸체(310) 내부에 구비되어 가스를 점화시키는 점화기(320);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열교환부(400)는 내부에 열교환공간이 형성되는 열교환부 몸체(410)와,
상기 연소부(300)에서 연소 과정을 거친 제3 가스(G3)가 배출되는 통로를 형성하는 연소가스 배출통로 형성부(420);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열교환부(400)는 외부에서 유입되는 제2 공기(A2)가 상기 제3 가스(G3)와 열교환 후 상기 연료전지부(200)로 공급되는 통로를 형성하는 제2 공기 이동통로 형성부(430);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지는, 개질부, 연료전지부, 연소부 및 열교환부가 일체로 형성되므로, 각 구성을 연결하는 파이프 또는 배관이 최소화되어 장치 부피 및 제조단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
또한, 기체의 이동경로가 최소화되므로 발전 과정에서 발생하는 열손실을 최소화 가능한 장점이 있다.
아울러 파이프 및 배관이 최소화되므로 파이프 및 배관에서 발생할 수 있는 가스 누출사고 또한 감소되는 장점이 있다.
도 1은 종래의 고체산화물 연료전지를 이용한 발전 시스템을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지를 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지에서 나타나는 가스의 이동을 설명하기 위한 개념도.
도 5는 본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지에서 나타나는 공기의 이동을 설명하기 위한 개념도.
도 6은 본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지의 연소부 및 열교환부를 설명하기 위한 투시도.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일체형 고체산화물 연료전지(1000)에 관하여 설명하도록 한다.
도 1은 종래의 고체산화물 연료전지를 이용한 발전 시스템을 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지를 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지에서 나타나는 가스의 이동을 설명하기 위한 개념도이고, 도 5는 본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지에서 나타나는 공기의 이동을 설명하기 위한 개념도이고, 도 6은 본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지의 연소부 및 열교환부를 설명하기 위한 투시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명인 일체형 고체산화물 연료전지(1000)는 유입되는 수증기와 천연가스를 개질시켜 수소가 함유된 제1 가스(G1)를 생성하는 개질부(100)와,
상기 개질부(100)에서 공급되는 제1 가스(G1)와 반응하여 전기를 생성하는 고체 산화물이 수용된 연료전지부(200)와,
상기 연료전지부(200)에서 배출되는 제2 가스(G2)와 상기 개질부(100)에서 공급된 공기를 연소시켜 가열된 제3 가스(G3)를 발생시키는 연소부(300)와,
상기 연소부(300)에서 배출되는 제3 가스(G3)와 외부에서 유입되는 공기의 열교환이 이루어지는 열교환부(400)를 포함할 수 있다.
상세히 설명하면, 상기 개질부(100)에서 유입되는 수증기와 천연가스를 개질시켜 수소가 다량 함유된 제1 가스(G1)를 생성하여 상기 연료전지부(200)로 공급하면, 제1 가스(G1)가 연료전지부(200) 상의 고체 산화물과 반응하여 연료전지부(200)에서 전기가 생성되고, 화학반응을 통해 전기 생성에 사용된 제1 가스(G1)는 제2 가스(G2)로 변환되어 연소부(300)로 이동한다.
상기 연소부(300)는 생성된 제2 가스(G2)를 연소시켜 가열된 제3 가스(G3)를 만들고, 이렇게 만들어진 제3 가스(G3)는 상기 열교환부(400)에서 외부에서 유입된 공기를 가열하는데 사용되는 것이다.
이하에서는, 도면을 참조하여 위에서 설명한 개질부(100), 연료전지부(200), 연소부(300) 및 열교환부(400)의 세부 구성과, 연료전지 작동효율을 높이기 위한 가스 및 공기 이동에 관하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 개질부(100)는 수증기와 천연가스를 수소가 함유된 제1 가스(G1)로 변환하는 개질부 몸체(110)와,
상기 개질부 몸체(110)로 수증기와 천연가스가 유입되는 통로를 형성하는 연료 유입통로 형성부(120)와,
외부에서 공기가 유입되는 통로를 형성하는 제1 공기 유입통로 형성부(130)와,
상기 제1 가스(G1)를 생성하고 남은 제1 공기(A1)가 상기 연소부(300)로 이동하는 통로를 형성하는 제1 공기 이동통로 형성부(140)를 포함할 수 있다.
상세히 설명하면, 수소를 다량 포함하는 제1 가스(G1)의 생성을 위해서는 천연가스(NG)와 수증기(H2O)를 화학반응 시켜야 하므로, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 연료 유입통로 형성부(120)를 통해 천연가스와 수증기를 개질부 몸체(110)로 주입하여 준 것이다.
또한 이러한 화학반응을 촉진시키고자 상기 제1 공기 유입통로 형성부(130)를 통해 개질부 몸체(110)로 공기를 공급하되, 공급되는 공기 중 사용되고 남은 공기는 상기 제1 공기 이동통로 형성부(140)를 통해 상기 연소부(300)에 공급되어, 연소반응이 원활하게 이루어질 수 있도록 한 것이다.
이때, 상기 제1 공기 이동통로 형성부(140)를 통해 공급되는 공기라 함은 단순히 공기 외에도 화학반응을 통해 생성된 가스를 포함할 수 있음은 물론이다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 상기 연소부(300)는 유입되는 가스가 위치되는 공간을 형성하는 연소부 몸체(310)와,
상기 연소부 몸체(310) 내부에 구비되어 가스를 점화시키는 점화기(320)를 포함할 수 있다.
상세히 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 연료전지부(200)를 통해 연소부 몸체(310)로 제2 가스(G2)가 유입되고, 상기 제1 공기 이동통로 형성부(140)를 통해 제1 공기(A1)가 유입되면, 상기 점화기(320)에서 스파크를 일으켜 연소반응을 일으키는 것이다.
이때, 연소반응에 의해 고온의 제3 가스(G3)가 만들어지고, 연소반응에 의해 만들어지는 화염 기류는 상기 열교환부(400)로 유입되는 공기를 가열시키는 용도로 사용될 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 열교환부(400)는 내부에 열교환공간이 형성되는 열교환부 몸체(410)와,
상기 연소부(300)에서 연소 과정을 거친 제3 가스(G3)가 배출되는 통로를 형성하는 연소가스 배출통로 형성부(420)와,
외부에서 유입되는 제2 공기(A2)가 상기 제3 가스(G3)와 열교환 후 상기 연료전지부(200)로 공급되는 통로를 형성하는 제2 공기 이동통로 형성부(430)를 포함할 수 있다.
상세히 설명하면, 상기 연료전지부(200)에 수용된 고체산화물의 경우 고체상으로 발전을 위해 약 700~1,000도의 온도를 유지하여야 한다.
따라서 외부의 차가운 공기를 직접 공급할 경우 연료전지부(200)의 온도가 낮아져 발전 효율이 저하되는 문제가 발생하므로, 상기 열교환부(400)에서 유입되는 공기를 열교환을 통해 일정 온도까지 상승시킨 후 도 5에 도시된 바와 같이 연료전지부(200)로 공급될 수 있도록 한 것이다.
상기 열교환부(400)는 도 6에 도시된 바와 같이 제3 가스(G3)와 외부에서 유입되는 공기의 열교환이 효과적으로 이루어지도록 하는 열교환 챔버(440)를 포함할 수 있고, 상기 열교환 챔버(440)는 챔버 몸체와, 상기 챔버 몸체에 결합되어 외부에서 유입되는 공기가 이동하는 통로를 형성하는 복수개의 튜브와, 상기 튜브 사이에 배치되는 복수개의 열교환 핀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환부(400)는 상기 연소부(300)와의 경계에 형성되는 제3 가스(G3) 유입방향 가이드 플레이트(450)를 더 포함할 수 있다.
아울러 상기 제3 가스(G3) 유입방향 가이드 플레이트(450)에 형성되는 기류 유입공(451)은 상기 열교환 챔버(440)를 사이에 두고 상기 연소가스 배출통로 형성부(420)와 이격 배치되는 것을 권장한다.
상세히 설명하면, 제3 가스(G3)가 외부에서 유입되는 공기가 이동하는 튜브 및 열교환 핀과 접촉하는 시간 및 면적에 따라 열교환 효율이 결정되므로, 본 발명에서는 상기 유입방향 가이드 플레이트(450)가 고온의 제3 가스(G3)가 유입되는 방향을 연소가스 배출통로 형성부(420) 반대측으로 가이드하여, 제3 가스(G3)가 공기가 통과하는 열교환 챔버(440)와 충분한 열교환 시간 및 면적을 가질 수 있도록 한 것이다.
아울러, 도면상에는 도시되지 않았지만 상기 제2 공기 이동통로 형성부(430)의 경우 외면이 단열재로 감싸여 제2 공기(A2)가 이동과정에서 발생하는 열손실을 최소화 하는 것을 권장한다.
또한 상기 개질부(100), 연료전지부(200), 연소부(300) 및 열교환부(400)의 결합부는 밀폐수단으로 실링될 수 있고, 이러한 밀폐수단의 경우 단열물질 및 내열물질로 2중 코팅되는 것을 권장한다.
100 : 개질부 110 : 개질부 몸체
120 : 연료 유입통로 형성부 130 : 제1 공기 유입통로 형성부
140 : 제1 공기 이동통로 형성부
200 : 연료전지부
300 : 연소부 310 : 연소부 몸체
320 : 점화기
400 : 열교환부 410 : 열교환부 몸체
420 : 배출통로 형성부 430 : 제2 공기 이동통로 형성부
440 : 열교환 챔버
450 : 제3 가스(G3) 유입방향 가이드 플레이트
451 : 기류 유입공
G1 : 제1 가스 G2 : 제2 가스
G3 : 제3 가스
A1 : 제1 공기 A2 : 제2 공기

Claims (7)

  1. 유입되는 수증기와 천연가스를 개질시켜 수소가 함유된 제1 가스(G1)를 생성하는 개질부(100);
    상기 개질부(100)에서 공급되는 제1 가스(G1)와 반응하여 전기를 생성하는 고체 산화물이 수용된 연료전지부(200);
    상기 연료전지부(200)에서 배출되는 제2 가스(G2)와 상기 개질부(100)에서 공급된 공기를 연소시켜 가열된 제3 가스(G3)를 발생시키는 연소부(300); 및
    상기 연소부(300)에서 배출되는 제3 가스(G3)와 외부에서 유입되는 공기의 열교환이 이루어지는 열교환부(400);를 포함하고,
    상기 개질부(100), 연료전지부(200), 연소부(300) 및 열교환부(400)가 적층 결합된 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개질부(100)는 수증기와 천연가스를 수소가 함유된 제1 가스(G1)로 변환하는 개질부 몸체(110); 및
    상기 개질부 몸체(110)로 수증기와 천연가스가 유입되는 통로를 형성하는 연료 유입통로 형성부(120);를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 개질부(100)는 외부에서 공기가 유입되는 통로를 형성하는 제1 공기 유입통로 형성부(130); 및
    상기 제1 가스(G1)를 생성하고 남은 제1 공기(A1)가 상기 연소부(300)로 이동하는 통로를 형성하는 제1 공기 이동통로 형성부(140);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물 연료전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연소부(300)는 유입되는 가스가 위치되는 공간을 형성하는 연소부 몸체(310); 및
    상기 연소부 몸체(310) 내부에 구비되어 가스를 점화시키는 점화기(320);를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물 연료전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열교환부(400)는 내부에 열교환공간이 형성되는 열교환부 몸체(410); 및
    상기 연소부(300)에서 연소 과정을 거친 제3 가스(G3)가 배출되는 통로를 형성하는 연소가스 배출통로 형성부(420);를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물 연료전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열교환부(400)는 외부에서 유입되는 제2 공기(A2)가 상기 제3 가스(G3)와 열교환 후 상기 연료전지부(200)로 공급되는 통로를 형성하는 제2 공기 이동통로 형성부(430)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물 연료전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열교환부(400)는 제3 가스(G3)와 외부에서 유입되는 공기의 열교환이 이루어지도록 하는 열교환 챔버(440)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물 연료전지.
KR1020220150873A 2022-11-11 일체형 고체산화물 연료전지 KR20240069403A (ko)

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