WO2012081791A1 - 연료전지용 개질기 버너 - Google Patents

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WO2012081791A1
WO2012081791A1 PCT/KR2011/005524 KR2011005524W WO2012081791A1 WO 2012081791 A1 WO2012081791 A1 WO 2012081791A1 KR 2011005524 W KR2011005524 W KR 2011005524W WO 2012081791 A1 WO2012081791 A1 WO 2012081791A1
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burner
unit
fuel
mixing
supply
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PCT/KR2011/005524
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양시원
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주식회사 효성
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a reformer burner for a fuel cell, and more particularly, in heating a reformer to promote a chemical catalyst reaction of a reformer for converting a general fuel such as methanol of a fuel cell into hydrogen gas required by the fuel cell,
  • the present invention relates to a reformer burner for a fuel cell that enables a more efficient mixing of fuel and air for heating.
  • a fuel cell is a battery that directly converts chemical energy generated by oxidation of a fuel into electrical energy.
  • the fuel cell may be a chemical cell that generates electricity by using a redox reaction at an electrode. It is distinguished from general chemical cells in that it is continuously supplied, and a typical example is a hydrogen-oxygen fuel cell.
  • PEMFC a polymer electrolyte membrane fuel cell widely used in recent years, uses a polymer membrane capable of permeating hydrogen ions as an electrolyte, and has a higher current density, higher power, and does not directly use hydrogen than other fuel cells.
  • Methanol, natural gas and the like can be used as a fuel, which is suitable as a power source for automobiles.
  • the polymer electrolyte membrane fuel cell includes a fuel processing device 103 and a fuel cell stack 105, and the fuel processing device 103 chemically contains hydrogen.
  • 109 a burner 111 for heating the fuel reformer 170 to promote a chemical catalyst reaction in the fuel reformer 107, a steam supply unit 113 for supplying steam for oxygen supply, and a burner 111. It is configured to include a fuel supply unit 115 for supplying fuel to the.
  • the reformer burner 111 uses an anode off gas containing hydrogen gas as fuel as well as fuel gas such as hydrocarbons to improve the efficiency of the entire system.
  • fuel gas such as hydrocarbons
  • the fuel and the air are supplied into the burner through a conduit-type pipeline, so that combustion occurs evenly.
  • the entire burner portion does not maintain a uniform temperature distribution, and as a result, there is a problem in that the exhaust gas is higher than the regulation value.
  • the incomplete combustion as described above also had a problem of reducing the performance and thermal efficiency of the entire reformer.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, the combustion of the burner through the complete combustion of the fuel by mixing the fuel and anode off-gas and air supplied to the reformer burner in a swirl, that is, vortex evenly
  • the purpose is to improve the performance of the entire fuel cell system.
  • the present invention provides a fuel supply pipe for supplying a fuel, an anode off gas supply pipe for supplying an anode off gas, and a tubular supply connected to an air supply pipe for supplying combustion air;
  • a tubular mixing unit formed to communicate with the supply unit and mixing the fuel supplied from the fuel supply pipe, the anode off gas supplied from the anode off gas supply pipe, and the air supplied from the air supply pipe;
  • a burner unit which is formed to communicate with the upper side of the mixing unit and burns the mixed gas mixed in the mixing unit to heat a reformer;
  • an ignition unit mounted at a lower end of the burner unit and having an ignition tube extending through the supply unit and the mixing unit to ignite the mixed gas of the burner unit to the burner unit.
  • a swirler is interposed at a boundary of the fuel cell, and the swirler provides a reformer burner for a fuel cell in which a plurality of spiral through passages are arranged in a circumferential direction with respect to the ignition tube and connected through the supply unit and the mixing unit. do.
  • the mixing portion further includes a swirler interposed at a boundary with the burner portion.
  • the swirler is preferably inserted into the mixing portion and a plurality of spiral through grooves are formed on an outer circumferential surface, so as to form the plurality of spiral through passages between the mixing portion and the inner circumferential surface.
  • each of the spiral through passages has a spiral angle of 30 ° to 60 °.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing a conventional polymer electrolyte membrane fuel cell.
  • FIG. 2 is a schematic front sectional view of a reformer burner for a fuel cell according to the present invention
  • FIG. 3 is a front view of the swirler shown in FIG.
  • FIG. 4 is a plan view of FIG.
  • FIGS. 5 is a schematic view showing the flow structure of the vortex flow generated in the mixing section or the burner section by the swirler shown in FIGS.
  • FIG. 6 is a flow simulation of FIG.
  • the reformer burner of the present invention is largely composed of a supply part 3, a mixing part 5, a burner part 7, and an ignition part 9, as schematically shown by reference numeral 1 in FIG. 2.
  • the supply part 3 is a tubular part in which fuel and air are supplied, which are necessary elements for making a flame that heats the reformer, as shown in FIG. 2, which is disposed under the burner 1.
  • the fuel supply pipe 13 for supplying a hydrocarbon-based fuel such as natural gas, methanol, ethanol, and the anode off gas containing the unreacted hydrogen gas recovered through the recovery hole from the anode electrode of the fuel cell stack An anode off gas supply pipe 15 for supplying to the supply section 3 and an air supply pipe 17 for supplying external air for combustion are preferably connected to the side walls at intervals of 120 °, respectively.
  • the mixing part 5 is a tube body disposed between the supply part 3 and the burner part 7 so as to connect the supply part 3 and the burner part 7, and as shown in FIG. 2, the fuel supply pipe 13 is provided.
  • the fuel supplied from the anode and the anode off gas supplied from the anode off-gas supply pipe 15 are mixed with the air supplied from the supply pipe 17.
  • the mixing part 5 is provided with a swirler 11 at the boundary between the supply part 3 and the burner part 7 in order to increase the mixing efficiency of the fuel gas, the anode off gas and the air, and the supply part 3
  • the lower swirler 11 disposed between and is inserted into the mixing part 5 as shown, and a plurality of spiral through grooves are formed on the outer circumferential surface as shown in FIGS. 5)
  • a plurality of spiral through passages 23 are formed between the inner circumferential surfaces.
  • the plurality of helical through passages 23 are arranged in the circumferential direction around the ignition tube 21 to connect the supply part 3 and the mixing part 5 to connect the mixing part 5 in the supply part 3.
  • Swirl-shaped turbulence is generated in the mixing section 5 by the high-pressure fuel gas and the anode off-gas and air injected into the gas mixture, thereby promoting the premixing ratio of these mixed gases.
  • 3 is not limited to the shape shown in FIG. 4 and FIG. 4.
  • the shape may be formed in various forms such as to penetrate the inside of the swirler 11.
  • each spiral through passage 23 is 30 ° to 60 °, and it is optimal when the spiral angle is 45 °. If the spiral angle does not reach 30 °, the flow through the spiral through passage is Vortex flow cannot be generated even by the swirler 11 biased in the lateral direction, on the contrary, when the spiral angle exceeds 60 °, the flow injected from the swirler 11 ends the flow before forming the vortex so that the vortex flow is similar. Turbulent effect of will not be obtained.
  • the upper swirler 11 disposed between the burner portion 7 may be disposed on the mixing portion 5 as shown in FIG. 2, in which case a separate fixing ring member 25 as shown in FIG.
  • the swirler 11 is similarly formed with a plurality of spiral grooves on the outer circumferential surface to form the spiral through passage 23 together with the inner circumferential surface of the ring member 25, and thus, within the mixing portion 5.
  • the mixed gas is sufficiently injected into the vortex once again into the burner part (7) connected to the upper side and jetted.
  • the burner part 7 is a portion arranged at the upper end of the burner 1 so as to combust the mixed gas of fuel gas and anode off gas and air sufficiently mixed in the mixing part 5 and heats the reformer. 5)
  • the reformer for fuel cell is heated with high efficiency by combusting the mixed gas which is formed to communicate with the upper side and is turbulent by the swirler 11 in the mixing section 5 to be injected into near combustion.
  • the ignition part 9 is a part for igniting the mixed gas of the burner part 7, and is mounted at the lower end of the burner part 7 to penetrate the supply part 3 and the mixing part 5 to the burner part 7. It serves to ignite the mixed gas injected in a vortex form through the swirler 11 on the top of the mixing section 5 through the elongated ignition tube 21.
  • a hydrocarbon-based fuel gas such as natural gas, methanol, ethanol, or the like is injected into a supply unit 3 from a fuel pump through a fuel supply pipe 13.
  • An anode off gas containing unreacted hydrogen gas at the anode electrode is supplied through the anode off gas supply pipe 15 and also to the supply unit 3, and new air necessary for combustion of these fuels is supplied from the outside through the supply pipe 17. Supplied.
  • the gas introduced into the supply part 3 passes through the swirler 11 at the bottom of the mixing part 5 at a high pressure.
  • each gas flows through the spiral through passage 23 of the swirler 11.
  • the through passage 23 has a swirling flow pattern.
  • the respective gases are already turbulent in a vortex form when introduced into the mixing section 5, exhibiting a flow structure as shown in FIGS. 5 and 6 and thus mixing at a high premix rate, FIGS.
  • a corner recirculation zone A is created in the lower corner in the mixing section 5, and a central recirculation zone B is formed in the central portion to form a strong turbulence, thereby mixing gas.
  • the mixed gas thus mixed is subsequently injected through the swirler 11 mounted on the upper portion of the mixing section 5 to the burner section 7, in which case the spiral through passage 23 of the swirler 11 is similar. While passing through the helical flow pattern once again, it becomes turbulent in a vortex form, and thus shows a flow structure as shown in FIGS. 5 and 6 even when injected into the burner part 7.
  • the corner recirculation zone A is generated at the corner of the combustion chamber due to the expanded combustion chamber shape above the burner part 7, and the central recirculation zone B is generated at the center of the combustion chamber.
  • the premixing ratio of the mixed gas is maximized.
  • the fuel and the anode-off gas and the air supplied to the reformer burner are passed through a swirler to vortex to form a turbulence, so that the mixing ratio of the fuel and air is mixed evenly. Can be maximized.
  • the mixed gas injected from the upper part of the mixing part to the burner part is also turbulent once again by the swirler, which makes it possible to completely burn the fuel, thereby improving the combustion efficiency of the burner and furthermore, the fuel.
  • the performance of the entire battery can be improved.
  • the burner having the swirler of the present invention can greatly improve the combustion efficiency through the swirler as described above, it is possible to expect excellent combustion performance improvement even when applied to the burner of an industrial or domestic boiler.

Abstract

본 발명은 연료전지용 개질기 버너에 관한 것으로, 연료공급관(13), 애노드오프 가스공급관(15), 및 급기관(17)이 측벽에 연결된 관형의 공급부(3); 상기 공급부(3) 상측에 연통하도록 형성되어 상기 연료공급관(13)에서 공급된 연료, 상기 애노드오프 가스공급관(15)에서 공급된 애노드오프 가스, 및 상기 급기관(17)에서 공급된 공기를 혼합하는 관형의 혼합부(5); 상기 혼합부(5) 상측에 연통하도록 형성되어 상기 혼합부(5)에서 혼합된 혼합가스를 연소하여 개질기를 가열하는 버너부(7); 및 상기 버너부(7)의 하단에 장착되어 상기 버너부(7)의 혼합가스를 점화시키도록 상기 공급부(3)와 상기 혼합부(5)를 관통하여 상기 버너부(7)로 연장된 점화관(21)을 구비한 점화부(9);를 포함하여 구성되되, 상기 혼합부(5)는 상기 공급부(3)와의 경계부분에 스월러(11)가 개재되어 있으며, 상기 스월러(11)는 복수의 나선형 관통로(23)가 상기 점화관(21)을 중심으로 원주방향으로 배열되어 상기 공급부(3)와 상기 혼합부(5)를 관통하여 연결하도록 되어 있는 것을 특징으로 하며, 따라서 개질기 버너로 공급되는 연료와 애노드오프 가스 및 공기를 스월러로 통과시켜 소용돌이 형태로 난류화시킴으로써, 고르게 혼합되도록 하여 연료와 공기의 혼합률을 극대화시킬 수 있게 된다.

Description

연료전지용 개질기 버너
본 발명은 연료전지용 개질기 버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 메탄올 등과 같은 일반 연료를 연료전지가 필요로하는 수소가스로 변환시키는 개질기의 화학촉매 반응을 촉진하기 위해 개질기를 가열함에 있어, 가열에 필요한 연료와 공기의 혼합을 보다 효율적으로 할 수 있도록 한 연료전지용 개질기 버너에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지란 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 전지로서, 전극에서의 산화환원 반응을 이용하여 전기를 발생시키는 화학전지라 할 수 있으나, 반응이 일어나는 계내로 반응물이 연속해서 공급되는 점에 있어 일반적인 화학전지와 구분되며, 전형적인 예로 수소-산소 연료전지를 들 수 있다. 그 중에서도 최근 널리 활용되고 있는 고분자 전해질막 연료전지 즉, PEMFC는 수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 바, 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 크고, 고출력이며, 수소 직접 사용하지 않고 메탄올이나 천연가스 등을 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합하다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 도 1에 도면부호 101로 개략 도시된 바와 같이, 연료처리장치(103)와 연료전지스택(105)으로 이루어지는 바, 연료처리장치(103)는 다시 화학적으로 수소를 함유하는 LPG, LNG, 메탄, 석탄가스 메탄올 등과 같은 일반 연료를 연료 전지가 요구하는 수소를 다량 포함한 가스로 변환하는 연료개질기(107), 가동 초기에 수소와 함께 다량으로 발생하는 일산화탄소를 제거하는 CO제거기(109), 연료개질기(107)에서의 화학촉매 반응을 촉진하기 위해 연료개질기(170)를 가열하는 버너(111), 산소 공급을 위한 수증기를 공급하는 수증기공급부(113), 그리고 버너(111)에 연료를 공급하는 연료공급부(115) 등을 포함하여 구성된다.
그런데, 이와 같이 구성되는 연료전지(101)에 있어서, 개질기 버너(111)는 시스템 전체의 효율을 향상시키기 위해, 탄화수소등의 연료가스 만이 아니라 수소가스를 포함하는 애노드오프 가스를 연료로 사용하는 바, 이 두가지 연료와 연소용 공기를 혼합하여 연소시킴에 있어 연료와 공기가 합류관 형태의 파이프라인을 통해 버너부 안으로 공급되므로, 고르게 혼합되지 않은 상태로 연소가 일어나는 문제점이 있었다. 또한, 위와 같은 연료와 공기의 불완전한 연소로 인하여 버너부 전체가 균일한 온도 분포를 유지하지 못하므로, 결과적으로 규제치 이상의 높은 배기가스를 배출하게 되는 문제점도 있었다. 더욱이, 위와 같은 불완전연소는 전체 개질기의 성능 및 열효율 저하를 가져오는 문제점도 있었다.
본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 개질기 버너로 공급되는 연료와 애노드오프 가스 및 공기를 소용돌이(swirl) 즉, 와류 형태로 고르게 혼합하여 연료의 완전연소를 통해 버너의 연소효율을 향상시키는 것은 물론, 연료전지 시스템 전체의 성능을 향상시키고자 하는 데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 연료를 공급하는 연료공급관, 애노드오프 가스를 공급하는 애노드오프 가스공급관, 및 연소용 공기를 공급하는 급기관이 측벽에 연결된 관형의 공급부; 상기 공급부 상측에 연통하도록 형성되어 상기 연료공급관에서 공급된 연료, 상기 애노드오프 가스공급관에서 공급된 애노드오프 가스, 및 상기 급기관에서 공급된 공기를 혼합하는 관형의 혼합부; 상기 혼합부 상측에 연통하도록 형성되어 상기 혼합부에서 혼합된 혼합가스를 연소하여 개질기를 가열하는 버너부; 및 상기 버너부의 하단에 장착되어 상기 버너부의 혼합가스를 점화시키도록 상기 공급부와 상기 혼합부를 관통하여 상기 버너부로 연장된 점화관을 구비한 점화부;를 포함하여 구성되되, 상기 혼합부는 상기 공급부와의 경계부분에 스월러가 개재되어 있으며, 상기 스월러는 복수의 나선형 관통로가 상기 점화관을 중심으로 원주방향으로 배열되어 상기 공급부와 상기 혼합부를 관통하여 연결하도록 되어 있는 연료전지용 개질기 버너를 제공한다.
또한, 상기 혼합부는 상기 버너부와의 경계부분에 개재된 스월러를 더 포함하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스월러는 상기 혼합부 내부에 삽입되며 외주면에 복수의 나선형 관통홈이 형성되어, 상기 혼합부 내주면과의 사이에 상기 복수의 나선형 관통로를 형성하도록 되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 각각의 나선형 관통로는 나선각이 30°내지 60°인 것이 바람직하다.
도 1은 종래의 고분자 전해질막 연료전지를 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 개질기 버너의 개략 정단면도.
도 3은 도 2에 도시된 스월러를 도시한 정면도.
도 4는 도 3의 평면도.
도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 스월러에 의해 혼합부 또는 버너부에서 생성되는 소용돌이 유동의 유동구조를 보인 개략도.
도 6은 도 5의 유동시뮬레이션.
* 부호의 설명 *
1 : 연료전지용 개질기 버너 3 : 공급부
5 : 혼합부 7 : 버너부
9 : 점화부 11 : 스월러
13 : 연료공급관 15 : 애노드오프 가스공급관
17 : 급기관 21 : 점화관
23 : 나선형 관통로 25 : 고정용 링부재
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 개질기 버너를 첨부도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 개질기 버너는 도 2에 도면부호 1로 개략 도시된 바와 같이, 크게 공급부(3), 혼합부(5), 버너부(7), 및 점화부(9)로 이루어진다.
여기에서, 상기 공급부(3)는 개질기를 가열하는 화염을 만들기 위해 필요한 요소들 즉, 연료와 공기가 공급되는 관형상 부분으로서, 도 2에 도시된 것처럼, 버너(1)의 하부에 배치되는 바, 연료펌프로부터 천연가스, 메탄올, 에탄올과 같은 탄화수소 계열의 연료를 공급하는 연료공급관(13), 연료전지 스택의 애노드 전극에서 회수홀을 통해 회수되는 미반응 수소가스를 포함하는 애노드오프 가스를 뽑아 공급부(3)로 공급하는 애노드오프 가스공급관(15), 그리고 연소에 필요한 외기를 공급하는 급기관(17)이 바람직하게는 120° 간격으로 측벽에 각각 연결되어 있다.
상기 혼합부(5)는 공급부(3)와 버너부(7)를 연결하도록 공급부(3)와 버너부(7) 사이에 배치되는 관체로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료공급관(13)에서 공급되는 연료 및 애노드오프 가스공급관(15)에서 공급되는 애노드오프 가스를 급기관(17)에서 공급된 공기와 함께 혼합한다.
이때, 혼합부(5)는 연료가스 및 애노드오프 가스와 공기의 혼합 효율을 높이기 위해 공급부(3) 및 버너부(7)와의 경계부분에 스월러(11)를 개재하고 있는 바, 공급부(3)와의 사이에 배치되는 아래쪽의 스월러(11)는 도시된 것처럼 혼합부(5) 내부에 삽입되며, 도 3 및 도 4에 도시된 것처럼 외주면에 복수의 나선형 관통홈이 형성되어, 혼합부(5) 내주면과의 사이에 복수의 나선형 관통로(23)를 형성하도록 되어 있다.
이에 따라, 복수의 나선형 관통로(23)는 점화관(21)을 중심으로 원주방향으로 배열되어 공급부(3)와 혼합부(5)를 관통하여 연결함으로써 공급부(3)에서 혼합부(5)로 주입되는 고압의 연료가스 및 애노드오프 가스 및 공기에 의해 혼합부(5) 내에 소용돌이 형태의 난기류를 생성하는 바, 이들 혼합가스의 예혼합률을 촉진시키게 되는데, 이때, 나선형 관통로(23)의 형태는 도 3 및 도 4에 도시된 형태로 한정되지 않으며, 예컨대 도시되어 있지 않지만 스월러(11)의 내부에 관통하여 형성하는 등 다양한 형태로 제작할 수도 있다.
또한, 각각의 나선형 관통로(23)가 형성하는 나선각은 30°내지 60°인 것이 바람직하며, 45°인 때가 최적인데, 나선각이 30°에 미치지 못하면, 나선형 관통로를 통과한 유동이 횡방향으로 치우쳐 스월러(11)에 의해서도 와류형 유동이 생성되지 못하며, 반대로, 나선각이 60°를 넘으면 스월러(11)에서 분사된 유동은 미쳐 소용돌이를 만들기 전에 유동을 마치게 되므로 마찬가지로 소용돌이 형태의 난류 효과를 얻을 수 없게 된다.
한편, 버너부(7)와의 사이에 배치되는 위쪽의 스월러(11)는 도 2에 도시된 것처럼 혼합부(5) 위에 배치될 수 있는데, 이때에는 도시된 것처럼 별도의 고정용 링부재(25)를 사용해 장착하게 되나, 스월러(11)는 마찬가지로 외주면에 복수의 나선형 홈이 형성되어 링부재(25)의 내주면과 함께 나선형 관통로(23)를 형성하게 되며, 따라서 혼합부(5) 내에서 소용돌이 형태로 충분히 혼합된 혼합가스를 위쪽에 연결된 버너부(7) 안으로 다시 한 번 소용돌이 형태로 난류화시켜 분사한다.
상기 버너부(7)는 혼합부(5)에서 충분히 혼합된 연료가스 및 애노드오프 가스와 공기의 혼합가스를 연소시키도록 버너(1)의 상단에 배치되어 개질기를 가열하는 부분으로서, 혼합부(5) 상측에 연통하도록 형성되어 혼합부(5)에서 스월러(11)에 의해 소용돌이 형태로 난류화되어 분사되는 혼합가스를 완전연소에 가깝게 연소시킴으로써 고효율로 연료전지용 개질기를 가열하게 된다.
상기 점화부(9)는 버너부(7)의 혼합가스를 점화시키는 부분으로서, 버너부(7)의 하단에 장착되어 공급부(3)와 혼합부(5)를 관통하여 버너부(7)까지 길게 연장된 점화관(21)을 통해 혼합부(5) 상단의 스월러(11)를 통해 소용돌이 형태로 분사되는 혼합가스를 점화시키는 역할을 한다.
이제, 위와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료전지용 개질기 버너의 작용을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 연료전지용 개질기 버너(1)에 의하면, 먼저 연료펌프로부터 연료공급관(13)을 통해 공급부(3) 안으로 천연가스, 메탄올, 에탄올과 같은 탄화수소 계열의 연료가스가 주입되고, 연료전지 스택의 애노드 전극에서 미반응 수소가스를 포함하는 애노드오프 가스가 애노드오프 가스공급관(15)을 통해 또한 공급부(3)로 공급되며, 이들 연료의 연소를 위해 필요한 신기가 급기관(17)을 통해 외부에서 공급된다.
이렇게 공급부(3) 안으로 유입된 가스들은 고압으로 혼합부(5) 하단의 스월러(11)를 통과하게 되는데, 이 과정에서 각각의 가스들은 스월러(11)의 나선형 관통로(23)를 흐르면서 관통로(23)의 형상 데로 소용돌이 형태의 유동패턴을 갖게 된다. 따라서, 각각의 가스들은 혼합부(5) 내부로 유입된 때 이미 소용돌이 형태로 난류화되며, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 유동구조를 나타내며, 따라서 높은 예혼합율로 혼합되는데, 도 5 및 도 6에 도시된 유동구조와 유사하게, 혼합부(5) 내에서 아래쪽 구석 쪽에 코너 재순환구역(A)이 생성되고, 중앙 부분에 중앙 재순환구역(B)이 생성되어 강한 난기류를 형성함으로써 혼합가스의 예혼합률을 극대화시키게 된다.
이와 같이 혼합된 혼합가스는 뒤이어 혼합부(5) 상단에 장착된 스월러(11)를 통과하여 버너부(7)로 분사되는 바, 이때에도 마찬가지로 스월러(11)의 나선형 관통로(23)를 통과하면서 다시 한 번 나선형의 유동패턴을 갖게 되어 소용돌이 형태로 난류화되며, 따라서 버너부(7)로 분사될 때도 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 유동구조를 나타내게 된다.
따라서, 혼합부(5) 내부에서와 같이 버너부(7) 위쪽의 확관된 연소실 형태로 인하여 연소실 구석 쪽에 코너 재순환구역(A)이 생성되고, 연소실 중앙 부분에 중앙 재순환구역(B)이 생성되어 강한 난기류를 형성함으로써 혼합가스의 예혼합률을 극대화시키게 되며, 점화부(9)의 점화관(21)에 의해 혼합가스가 점화되면 높은 연소효율로 연소가 이루어져 개질기를 가열하게 된다.
따라서, 본 발명의 연료전지용 개질기 버너에 의하면, 개질기 버너로 공급되는 연료와 애노드오프 가스 및 공기를 스월러(swirler)로 통과시켜 소용돌이 형태로 난류화시킴으로써, 고르게 혼합되도록 하여 연료와 공기의 혼합률을 극대화시킬 수 있게 된다.
더욱이, 혼합부 위쪽에서 버너부로 분사되는 혼합가스도 또한 스월러에 의해 다시 한 번 소용돌이 형태로 난류화되도록 함으로써, 연료의 완전연소가 가능하게 되어 버너의 연소효율이 향상될 뿐 아니라, 더 나아가 연료전지 전체의 성능 향상을 도모할 수 있게 된다.
뿐만 아니라, 본 발명의 스월러를 구비한 버너는 위와 같이 스월러를 통해 연소효율을 크게 향상시킬 수 있으므로, 산업용 또는 가정용 보일러의 버너에 적용하여도 탁월한 연소성능 향상을 기대할 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 연료를 공급하는 연료공급관(13), 애노드오프 가스를 공급하는 애노드오프 가스공급관(15), 및 연소용 공기를 공급하는 급기관(17)이 측벽에 연결된 관형의 공급부(3);
    상기 공급부(3) 상측에 연통하도록 형성되어 상기 연료공급관(13)에서 공급된 연료, 상기 애노드오프 가스공급관(15)에서 공급된 애노드오프 가스, 및 상기 급기관(17)에서 공급된 공기를 혼합하는 관형의 혼합부(5);
    상기 혼합부(5) 상측에 연통하도록 형성되어 상기 혼합부(5)에서 혼합된 혼합가스를 연소하여 개질기를 가열하는 버너부(7); 및
    상기 버너부(7)의 하단에 장착되어 상기 버너부(7)의 혼합가스를 점화시키도록 상기 공급부(3)와 상기 혼합부(5)를 관통하여 상기 버너부(7)로 연장된 점화관(21)을 구비한 점화부(9);를 포함하여 구성되되,
    상기 혼합부(5)는 상기 공급부(3)와의 경계부분에 스월러(11)가 개재되어 있으며, 상기 스월러(11)는 복수의 나선형 관통로(23)가 상기 점화관(21)을 중심으로 원주방향으로 배열되어 상기 공급부(3)와 상기 혼합부(5)를 관통하여 연결하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기 버너.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 혼합부(5)는 상기 버너부(7)와의 경계부분에 개재된 스월러(11)를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기 버너.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 스월러(11)는 상기 혼합부(5) 내부에 삽입되며 외주면에 복수의 나선형 관통홈이 형성되어, 상기 혼합부(5) 내주면과의 사이에 상기 복수의 나선형 관통로(23)를 형성하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기 버너.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 각각의 나선형 관통로(23)는 나선각이 30°내지 60°인 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기 버너.
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