WO2013095025A1 - 연료전지용 가습 열교환기 - Google Patents

연료전지용 가습 열교환기 Download PDF

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WO2013095025A1
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fuel
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fuel cell
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서광덕
이재준
황정태
성후기
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포스코에너지 주식회사
주식회사 대흥쿨러
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Definitions

  • the present invention relates to a humidification heat exchanger for a fuel cell, and more particularly, to a humidification heat exchanger for a fuel cell that can improve heat exchange efficiency without easily causing breakage even if expansion of the tube due to overheating occurs.
  • a fuel cell is a device that directly converts chemical energy stored in hydrocarbon fuel into electrical energy by an electrochemical reaction. That is, a fuel cell is a device that converts chemical energy directly into electrical energy by hydrogen oxidation reaction in the anode and oxygen reduction reaction in the cathode.
  • the fuel cell system that generates electricity by this reaction is composed of a fuel cell stack, a mechanical balance of plant (MBOP), and an electrical balance of plant (EBOP).
  • the fuel cell stack is configured to produce electricity by electrochemical reaction
  • the MBOP is configured to supply hydrogen and oxygen to the fuel cell stack
  • the EBOP is to convert DC electricity produced from the fuel cell stack into alternating current and supply it to the required place. It is a constitution.
  • a high temperature fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC) reforms hydrocarbons in a fuel for fuel cell (eg, LNG) to hydrogen through a reformer.
  • a fuel for fuel cell eg, LNG
  • the reforming reaction occurring in the reformer is a reaction requiring water.
  • the reformer since liquid water can damage the reforming catalyst, the reformer must be supplied with gaseous water along with fuel for the fuel cell.
  • fuel and fuel for fuel cells are well mixed.
  • a high-temperature fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC) has a humidifying heat exchanger that evaporates water and mixes it with the fuel cell fuel to supply gaseous water.
  • a fixed tube sheet heat exchanger has been mainly used in a multi-tubular heat exchanger.
  • the fixed tube plate heat exchanger is provided with tube sheets 12 at both ends in the longitudinal direction as shown in FIG. 4, and has a structure in which the tubes 14 are fixed between the tube plates 12.
  • such a structure has a problem in that a conventional humidifying heat exchanger is easily broken at the coupling portion between the tube plate 12 and the tube 14.
  • an object of the present invention is to provide a humidification heat exchanger for fuel cells that can improve the heat exchange efficiency even if the tube does not easily break even if expansion due to overheating occurs. .
  • the body portion having a gas inlet and a gas outlet at one end portion and the other end portion in the longitudinal direction, the inside is provided in the body portion and is wound spirally along the longitudinal direction of the body portion 1 tube, a second tube provided inside the body portion and wrapped around the first tube on the outside of the first tube spirally along the longitudinal direction of the body portion, provided on the gas outlet side and the fuel and the first tube and the second tube A supply for supplying a mixture of water, and an outlet provided at the gas inlet side and for discharging the mixture from the first tube and the second tube.
  • the humidification heat exchanger for a fuel cell having a gas inlet and a gas outlet at one end portion and the other end portion in the longitudinal direction, which is provided inside the body portion and wound spirally along the longitudinal direction of the body portion A first tube, a flow diffusion portion penetrating the center of the first tube and extending in the longitudinal direction of the body portion, a supply portion provided at the gas outlet and supplying a mixture of fuel and water to the first tube, and a gas inlet side and the first An outlet through which the mixture is withdrawn from the tube.
  • Humidification heat exchanger for fuel cells because the inner tube is wound spirally along the longitudinal direction, even if the expansion of the tube due to overheating, the tube can easily accommodate such expansion, and not easily breakage, Since one tube surrounds the other tube, or because the hot gas diffuses outward due to the flow diffusion portion penetrating the center of the tube, the heat exchange area can be increased to improve the heat exchange efficiency.
  • FIG. 1 is a front view showing a humidification heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side cross-sectional view showing the humidification heat exchanger of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.
  • Figure 4 is a front view showing a humidifying heat exchanger according to the prior art
  • the humidification heat exchanger according to the present embodiment basically includes a body portion (110).
  • the body part 110 forms a shell of the humidification heat exchanger, and the gas inlet 112 and the gas are respectively provided at one end portion and the other end portion in the longitudinal direction (up and down direction based on FIG. 1 or 2).
  • the hot gas introduced into the gas inlet 112 heats the mixture in the first tube 120 to be described later (and the hot gas is mixed in the second tube when the second tube is further provided as described later). Heating too).
  • the hot gas flowing into the gas inlet 112 and exiting the gas outlet 114 exchanges heat with the mixture in the first tube 120.
  • the liquid water in the mixture is vaporized into gaseous water and the fuel in the mixture is heated to an appropriate temperature.
  • the hot gas for heating the mixture in the first tube 120 may be cathode exhaust gas exhausted from the cathode of the fuel cell stack.
  • the gas inlet 112 and the gas outlet 114 are preferably provided at both ends of the body portion 110, as shown in Figs. This is because the gas can flow in a straight form is advantageous to the smooth flow of the gas.
  • a gas inlet and a gas outlet may be provided at both ends of the body portion. In this case, the gas inlet and the gas outlet may be formed in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the body portion (left and right directions based on FIGS. 1 and 2).
  • the body 110 is provided with a first tube 120 through which a mixture of fuel and water flows.
  • the first tube 120 is spirally wound along the longitudinal direction of the body portion 110 as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the tube 120 according to the present exemplary embodiment has a spiral structure, and thus, the tube 120 does not easily break even when overheated.
  • the tube 120 according to the present embodiment has a kind of spring-like shape. Therefore, even if the tube expands due to overheating, the tube according to the present embodiment can easily accommodate such expansion in the longitudinal direction or a direction perpendicular thereto.
  • the tube 120 according to the present embodiment can easily accommodate deformation due to such pressure.
  • the tube 120 according to the present embodiment has a shape similar to a spring, that is, spirally wound along the longitudinal direction of the body portion 110, such expansion even if the tube 120 expands due to overheating. Can be easily accommodated, and as a result, there are few parts which suppress expansion, that is, there are few parts where stress is concentrated and are not easily broken.
  • the humidification heat exchanger according to the present embodiment further surrounds the first tube 120 on the outside of the first tube 120 and further includes a second tube 130 spirally wound along the longitudinal direction of the body part 110. It may include.
  • the body portion 110 constituting the fuselage of the humidification heat exchanger has a cylindrical shape. Accordingly, when the two tubes spirally wound in the cylindrical body portion 110 is installed, the heat transfer area is increased than when installing one tube, which is more advantageous for heat exchange. That is, the humidifying heat exchanger according to the present embodiment adopts a structure in which one tube 130 surrounds the other tube 120 to increase the heat transfer area and improve heat exchange efficiency.
  • the first tube 120 and the second tube 130 are wound in opposite directions.
  • the first tube 120 is wound in a counterclockwise direction
  • the second tube 130 is wound in a clockwise direction in terms of improving heat exchange efficiency.
  • the higher the temperature of the hot gas flowing into the gas inlet 112 the better the heat exchange. This is because an irregular flow of hot gas increases the possibility of contact between the hot gas and the tube. In other words, when hot gas flows regularly (eg, in a straight line or in laminar flow), there is a high probability that hot gas is discharged to the gas outlet 114 without contacting the tube.
  • a high temperature gas to flow in an irregular shape (for example, in turbulent flow) as possible in terms of improving heat exchange efficiency.
  • the first tube 120 and the second tube 130 are wound in opposite directions.
  • hot gases may flow more irregularly because the flow of gas is more disturbed than when the first tube 120 and the second tube 130 are wound in the same direction.
  • the gas introduced into the gas inlet 112 may flow more irregularly.
  • the hot gas may contact the tubes 120 and 130 in a larger area, and as a result, the heat exchange efficiency may be improved.
  • the humidification heat exchanger includes a supply unit 140 to supply a mixture of fuel and water to the first tube 120 and the second tube 130.
  • the supply unit 140 is a fuel supply port 142 is supplied with the fuel, a water supply port 144 is supplied with water, the fuel from the fuel supply port 142 and the water from the water supply port 144 is mixed
  • a mixing unit 146 to be used is sufficient to have an empty space therein so that fuel and water can be mixed. For example, even if a structure in which a pipe in which fuel flows is simply connected to a pipe in which fuel flows, a portion where the pipe in which fuel flows and the pipe in which water flows may be a kind of mixing part.
  • first tube 120 and the second tube 130 are connected to the mixing unit 146.
  • This connection may be made directly or indirectly through another conduit.
  • the fuel supplied from the fuel supply port 142 and the water supplied from the water supply port 144 are mixed in the mixing unit 146 and then the first tube 120 and the second tube 130. Can be supplied.
  • the discharge unit 150 includes a collection pipe 152 and the discharge pipe 154.
  • the collecting tube 152 is a tube in which the mixture from the first tube 120 and the mixture from the second tube 130 are collected, and the discharge tube 154 is connected to the collecting tube 152 to collect the mixture collected in the collecting tube 152.
  • the tube is discharged to the outside of the body portion (110).
  • the collection tube 152 is sufficient to have an empty space therein to accommodate the mixture from the first tube 120 and the second tube 130. For example, even if the first and second tubes are simply connected to the discharge pipe, the portion where the discharge pipe and the first and second tubes meet may be a kind of collection pipe.
  • the supply unit 140 and the discharge unit 150 are disposed opposite to the gas inlet 112 and the gas outlet 114 described above. That is, in this embodiment, as shown in FIG. 2, the supply unit 140 is provided at the gas outlet 114 side, and the discharge unit 150 is provided at the gas inlet 112 side.
  • the flow of the low temperature fluid (mixture of fuel and water) from the supply unit 140 to the discharge unit 150 and the flow of the high temperature fluid (hot gas) from the gas inlet 112 to the gas outlet 114 are It may be formed in opposite directions to each other.
  • the flows of the hot fluid (hot gas) and the cold fluid (mixture of fuel and water) are opposite to each other.
  • the first tube 120 and the second tube 130 are coupled to the body portion 110 at the supply portion 140 and to the collecting tube 152 at the discharge portion 150 side.
  • breakage due to overheating does not occur easily. More specifically on this, stress is concentrated at these joints because expansion due to overheating is generally suppressed at the joints of the tubes.
  • this engaging portion when this engaging portion is located at both ends in the longitudinal direction as in this embodiment, such expansion is already accommodated in the spring-shaped portion before expansion due to overheating is suppressed in the engaging portion. That is, since most of the expansion due to overheating is accommodated in the spring-shaped portions between the engaging portions, the stress applied to the engaging portions is very small. Accordingly, when the tube is coupled to the body portion 110 at the supply portion 140 side and the assembly tube 152 at the discharge portion 150 side, as shown in this embodiment, breakage due to overheating hardly occurs.
  • the humidification heat exchanger according to the present embodiment includes a flow diffusion portion 160 penetrating the center of the first tube 120 and extends along the longitudinal direction of the body portion (110).
  • the humidifying heat exchanger according to the present exemplary embodiment may further arrange the second tube 130 on the outside of the first tube 120 in order to sufficiently secure the heat transfer area.
  • the humidifying heat exchanger according to the present embodiment includes a flow diffusion part 160 in the center of the first tube 120.
  • the flow diffusion portion 160 is more preferably as small as possible. The heavier the weight, the harder it is to install or maintain.
  • the flow diffusion portion 160 may be formed in a hollow cylindrical shape.
  • the air inside the flow diffusion portion may expand due to the high temperature gas, and the flow diffusion portion 160 may be damaged by such expansion.
  • a discharge hole (not shown) may be formed in the flow diffusion part 160 according to the present embodiment. When the discharge hole is formed in this way, since the air inside may be discharged to the outside, breakage of the flow diffusion unit 160 due to expansion may be prevented.
  • this discharge hole is preferably formed at the end of the flow diffusion portion 160 toward the gas outlet 114 (top of the flow diffusion portion relative to Figure 2).
  • the internal air may be discharged to the outside of the flow diffusion unit 160 more naturally.
  • the problem that the diffusion of the flow is prevented due to the discharge hole may not occur. That is, when the discharge hole is formed in the lower portion of the flow diffusion unit 160 with reference to FIG. 2, a problem that hot gas does not diffuse properly may flow into the discharge hole.
  • the present invention relates to a humidification heat exchanger for a fuel cell that can improve heat exchange efficiency even when the tube is expanded due to overheating, but the breakage does not easily occur, and there is industrial applicability.

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지용 가습 열교환기는, 길이 방향으로 한쪽 끝 부분과 다른 쪽 끝 부분에 각각 가스 유입구와 가스 유출구를 가지는 몸체부, 몸체부의 내부에 구비되고 몸체부의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 제1 튜브, 몸체부의 내부에 구비되고 제1 튜브의 외측에서 제1 튜브를 감싸면서 몸체부의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 제2 튜브, 가스 유출구 쪽에 구비되고 제1 튜브와 제2 튜브로 연료와 물의 혼합물을 공급하는 공급부, 및 가스 유입구 쪽에 구비되고 제1 튜브와 제2 튜브로부터 혼합물을 배출하는 배출부를 포함한다.

Description

연료전지용 가습 열교환기
본 발명은 연료전지용 가습 열교환기에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 과열로 인한 튜브의 팽창이 일어난다 하더라도 파손이 쉽게 일어나지 않으면서도 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 가습 열교환기에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 즉, 연료전지는 연료극에서의 수소 산화반응과 공기극에서의 산소 환원반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 이러한 반응으로 전기를 생산하는 연료전지 시스템은 크게 연료전지 스택, MBOP(Mechanical Balance of Plant), EBOP(Electrical Balance of Plant)로 구성된다. 연료전지 스택은 전기화학반응으로 전기를 생산하는 구성이고, MBOP는 연료전지 스택으로 수소와 산소를 공급하는 구성이며, EBOP는 연료전지 스택에서 생산한 직류전기를 교류전기로 변환하여 필요한 곳으로 공급하는 구성이다.
그런데 전술한 연료극에서의 산화반응을 위해서는 연료전지 스택의 연료극에 수소를 공급하여야 한다. 이러한 수소의 공급을 위해 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 같은 고온형 연료전지는 개질기를 통해 연료전지용 연료(예를 들어, LNG) 중의 탄화수소를 수소로 개질한다. 그런데 개질기에서 일어나는 개질반응은 물을 필요로 하는 반응이다. 그러나 액상의 물은 개질 촉매에 손상을 줄 수 있기 때문에 개질기에는 연료전지용 연료와 함께 기상의 물이 공급되어야 한다. 그리고 물을 기상으로 공급하면 연료전지용 연료와 물이 잘 혼합된다는 장점도 있다. 이와 같이 기상의 물을 공급하기 위해 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 같은 고온형 연료전지는 물을 증발시켜 연료전지용 연료와 혼합하는 가습 열교환기를 구비한다.
한편, 이러한 가습 열교환기로는 종래에 다관식 열교환기(multi-tubular heat exchanger) 중에 고정관판식 열교환기(fixed tube sheet heat exchanger)가 주로 사용되었다. 고정관판식 열교환기는 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 길이 방향으로 양쪽 끝에 관판(12, tube sheet)이 구비되고, 이러한 관판(12) 사이에 튜브(14)가 고정되는 구조를 가지고 있다. 그러나 이러한 구조로 인해 종래의 가습 열교환기는 관판(12)과 튜브(14) 사이의 결합 부분에서 파손이 쉽게 일어난다는 문제가 있다.
보다 상술하면, 열교환 중에 일어나는 튜브(14)의 과열은 튜브(14)를 주로 축 방향(길이 방향)으로 팽창시킨다. 그러나 튜브(14)는 축 방향의 끝에서 관판(12)과 결합하고 있기 때문에, 이러한 팽창은 관판(12)에 의해 억제될 수밖에 없다. 이러한 팽창의 억제로 인해 관판(12)과 튜브(14) 사이의 결합 부분에는 응력이 집중된다. 이에 따라 종래의 고정관판식 열교환기는 관판(12)과 튜브(14) 사이의 결합 부분에서 파손(또는 변형)이 쉽게 일어난다는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 과열로 인한 튜브의 팽창이 일어난다 하더라도 파손이 쉽게 일어나지 않으면서도 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 가습 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습 열교환기는, 길이 방향으로 한쪽 끝 부분과 다른 쪽 끝 부분에 각각 가스 유입구와 가스 유출구를 가지는 몸체부, 몸체부의 내부에 구비되고 몸체부의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 제1 튜브, 몸체부의 내부에 구비되고 제1 튜브의 외측에서 제1 튜브를 감싸면서 몸체부의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 제2 튜브, 가스 유출구 쪽에 구비되고 제1 튜브와 제2 튜브로 연료와 물의 혼합물을 공급하는 공급부, 및 가스 유입구 쪽에 구비되고 제1 튜브와 제2 튜브로부터 혼합물을 배출하는 배출부를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 연료전지용 가습 열교환기는, 길이 방향으로 한쪽 끝 부분과 다른 쪽 끝 부분에 각각 가스 유입구와 가스 유출구를 가지는 몸체부, 몸체부의 내부에 구비되고 몸체부의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 제1 튜브, 제1 튜브의 중심을 관통하고 몸체부의 길이 방향을 따라 연장하는 유동 확산부, 가스 유출구 쪽에 구비되고 제1 튜브로 연료와 물의 혼합물을 공급하는 공급부, 및 가스 유입구 쪽에 구비되고 제1 튜브로부터 혼합물이 배출되는 배출부를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습 열교환기는 내부의 튜브가 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있기 때문에 과열로 인한 튜브의 팽창이 일어난다 하더라도 튜브가 이러한 팽창을 용이하게 수용할 수 있어 파손이 쉽게 일어나지 않을 뿐만 아니라, 하나의 튜브가 다른 하나의 튜브를 감싸고 있기 때문에, 또는 튜브의 중심을 관통하는 유동 확산부로 인해 고온의 가스가 외측으로 확산되기 때문에, 열교환 면적이 증가되어 열교환 효율이 향상될 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가습 열교환기를 도시하고 있는 정면도
도 2는 도 1의 가습 열교환기를 도시하고 있는 측단면도
도 3은 도 2의 A-A선에 따른 단면도
도 4는 종래기술에 따른 가습 열교환기를 도시하고 있는 정면도
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가습 열교환기를 도시하고 있는 정면도이고, 도 2는 도 1의 가습 열교환기를 도시하고 있는 측단면도이며, 도 3은 도 2의 A-A선에 따른 단면도이다. 도 1과 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 본 실시예에 따른 가습 열교환기는 기본적으로 몸체부(110)를 포함한다. 몸체부(110)는 가습 열교환기의 동체(shell)를 이루는 것으로서, 길이 방향(도 1이나 도 2를 기준으로 상하 방향)으로 한쪽 끝 부분과 다른 쪽 끝 부분에 각각 가스 유입구(112)와 가스 유출구(114)를 가진다.
이러한 가스 유입구(112)로 유입된 고온의 가스는 후술할 제1 튜브(120) 내의 혼합물을 가열한다(그리고 후술할 것과 같이 제2 튜브를 더 구비할 경우에는 고온의 가스가 제2 튜브 내의 혼합물도 가열한다). 다시 말해, 가스 유입구(112)로 유입되어 가스 유출구(114)로 유출되는 고온의 가스는 제1 튜브(120) 내의 혼합물과 열교환을 하며, 이러한 열교환으로 인해 제1 튜브(120) 내의 혼합물은 그 온도가 상승한다. 이러한 과정에서 혼합물 내의 액상의 물은 기상의 물로 기화하고, 혼합물 내의 연료는 적절한 온도로 가열된다. 이와 같이 제1 튜브(120) 내의 혼합물(또는 제1 튜브와 제2 튜브 내의 혼합물)을 가열하는 고온의 가스는 연료전지 스택의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스일 수 있다.
참고로, 가스 유입구(112)와 가스 유출구(114)는 도 1과 2에서 도시하고 있는 것과 같이 몸체부(110)의 양쪽 끝에 각각 구비되는 것이 바람직하다. 이와 같이 구비되면 가스가 일자 형태로 유동할 수 있어 가스의 원활한 유동에 유리하기 때문이다. 그러나 경우에 따라서는 가스 유입구와 가스 유출구가 몸체부의 양쪽 끝 부분쯤에 구비될 수도 있다. 이러한 경우에는 가스 유입구와 가스 유출구가 몸체부의 길이 방향과 수직한 방향(도 1과 2를 기준으로 좌우 방향)으로 형성될 수도 있다.
한편, 이러한 몸체부(110) 내에는 연료(fuel)와 물(water)의 혼합물이 흐르는 제1 튜브(120)가 구비된다. 제1 튜브(120)는 도 1과 2에서 도시하고 있는 것과 같이 몸체부(110)의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있다. 이와 같이 본 실시예에 따른 튜브(120)는 나선형의 구조를 가지고 있기 때문에 과열되더라도 쉽게 파손되지 않는다는 장점을 가진다. 이에 대해 보다 상술하면, 본 실시예에 따른 튜브(120)는 일종의 스프링과 같은 형상을 가진다. 따라서 과열로 인해 튜브가 팽창하더라도 본 실시예에 따른 튜브는 길이 방향 또는 그에 수직한 방향으로 이러한 팽창을 용이하게 수용할 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에 따른 튜브(120)를 안쪽으로 밀거나(즉, 도 2를 기준으로 위쪽 끝 또는 아래쪽 끝에서 안쪽으로 밀거나), 또는 바깥쪽으로 당기더라도(즉, 도 2를 기준으로 위쪽 끝 또는 아래쪽 끝에서 바깥쪽으로 당기더라도) 스프링과 유사한 형상으로 인해 본 실시예에 따른 튜브(120)는 그러한 가압으로 인한 변형을 용이하게 수용할 수 있다. 이와 같이 본 실시예에 따른 튜브(120)는 스프링과 유사한 형상을 가지고 있기 때문에, 즉 몸체부(110)의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있기 때문에, 과열로 인해 튜브(120)가 팽창하더라도 그러한 팽창을 용이하게 수용할 수 있고, 이의 결과로 팽창을 억제하는 부분이 거의 없어, 즉 응력이 집중되는 부분이 거의 없어 쉽게 파손되지 않는다.
그런데 이러한 튜브는 2개가 구비될 수도 있다. 즉, 본 실시예에 따른 가습 열교환기는 제1 튜브(120)의 외측에서 제1 튜브(120)를 감싸면서 몸체부(110)의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 제2 튜브(130)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 하나의 튜브(130)가 다른 하나의 튜브(120)를 감싸고 있으면 열교환에 보다 유리하다. 이에 대해 보다 상술하면, 가습 열교환기의 동체를 이루는 몸체부(110)는 통상 원기둥 형상을 가진다. 이에 따라 원기둥 형상의 몸체부(110) 내에 나선형으로 감겨 있는 2개의 튜브를 설치하면, 1개의 튜브를 설치할 때보다 열전달 면적이 증가하기 때문에 열교환에 보다 유리하다. 즉, 본 실시예에 따른 가습 열교환기는 열전달 면적을 넓혀 열교환 효율을 향상시키기 위해 하나의 튜브(130)가 다른 하나의 튜브(120)를 감싸고 있는 구조를 채택하고 있다.
이때 열교환 효율을 보다 향상시키기 위해서는 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 제1 튜브(120)와 제2 튜브(130)가 서로 반대 방향으로 감겨 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 튜브(120)가 반시계 방향으로 감겨 있다면, 제2 튜브(130)는 시계 방향으로 감겨 있는 것이 열교환 효율의 향상이라는 측면에서 보다 바람직하다. 이에 대해 보다 상술하면, 가스 유입구(112)로 유입된 고온의 가스가 불규칙하게 흐를수록 열교환에 유리하다. 왜냐하면 고온의 가스가 불규칙하게 흐르면 고온의 가스와 튜브 사이의 접촉 가능성이 높아지기 때문이다. 다시 말해, 고온의 가스가 규칙적으로(예를 들어, 일자 형태로, 또는 층류로) 흐르면 고온의 가스가 튜브와 접촉하지 않은 채로 가스 유출구(114)로 배출될 가능성이 높아진다.
따라서 고온의 가스가 가능한 불규칙한 형태로(예를 들어, 난류로) 흐르게 하는 것이 열교환 효율의 향상이라는 측면에서 바람직하다. 그리고 이와 같이 고온의 가스가 불규칙한 형태로 흐르기 위해서는 제1 튜브(120)와 제2 튜브(130)가 서로 반대 방향으로 감겨 있는 것이 바람직하다. 제1 튜브(120)와 제2 튜브(130)가 서로 반대 방향으로 감겨 있으면, 서로 같은 방향으로 감겨 있을 때보다 가스의 흐름이 보다 방해를 받기 때문에 고온의 가스가 보다 불규칙하게 흐를 수 있다.
결국, 본 실시예에 따른 가습 열교환기는 2개의 튜브(120, 130)가 서로 반대 방향으로 감겨 있기 때문에, 가스 유입구(112)로 유입된 가스가 보다 불규칙하게 유동할 수 있고, 이러한 불규칙한 유동으로 인해 고온의 가스가 보다 넓은 면적에서 튜브(120, 130)와 접촉할 수 있으며, 이의 결과로 열교환 효율이 향상될 수 있다.
한편, 제1 튜브(120)와 제2 튜브(130)로 연료와 물의 혼합물을 공급하기 위해 본 실시예에 따른 가습 열교환기는 공급부(140)를 포함한다. 이러한 공급부(140)는 연료가 공급되는 연료 공급구(142), 물이 공급되는 물 공급구(144), 및 연료 공급구(142)로부터의 연료와 물 공급구(144)로부터의 물이 혼합되는 혼합부(146)를 포함한다. 혼합부(146)는 연료와 물이 혼합될 수 있도록 내부에 빈 공간을 가지는 것으로 충분하다. 예를 들어, 연료가 흐르는 관에 단순히 물이 흐르는 관을 연결한 구조라고 하더라도 연료가 흐르는 관과 물이 흐르는 관이 만나는 부분은 일종의 혼합부가 될 수 있다.
그리고 이러한 혼합부(146)에는 제1 튜브(120)와 제2 튜브(130)가 연결된다. 이러한 연결은 직접적으로 이루어질 수도 있고, 다른 관을 통해 간접적으로 이루어질 수도 있다. 이러한 구성에 따라 연료 공급구(142)로부터 공급된 연료와 물 공급구(144)로부터 공급된 물은 혼합부(146)에서 혼합된 다음에 제1 튜브(120)와 제2 튜브(130)로 공급될 수 있다.
이와 같이 공급부(140)를 통해 튜브(120, 130)로 공급된 연료와 물의 혼합물은 몸체부(110)의 내부에서 고온의 가스와 열교환을 한 다음에 배출부(150)를 통해 몸체부(110)의 외부로 배출된다. 이러한 배출부(150)는 집합관(152)과 배출관(154)을 포함한다. 집합관(152)은 제1 튜브(120)로부터의 혼합물과 제2 튜브(130)로부터의 혼합물이 집합되는 관이고, 배출관(154)은 집합관(152)과 연결되어 집합관(152)에 모인 혼합물을 몸체부(110)의 외부로 배출하는 관이다. 그런데 집합관(152)도 전술한 혼합부(146)와 유사하게 제1 튜브(120)와 제2 튜브(130)로부터의 혼합물을 수용할 수 있도록 내부에 빈 공간을 가지는 것으로 충분하다. 예를 들어, 배출관에 단순히 제1, 2 튜브가 연결된 구조라고 하더라도 배출관과 제1, 2 튜브가 만나는 부분은 일종의 집합관이 될 수 있다.
이러한 공급부(140) 및 배출부(150)는 전술한 가스 유입구(112) 및 가스 유출구(114)와 서로 반대로 배치된다. 즉, 본 실시예에서는 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 공급부(140)가 가스 유출구(114) 쪽에 구비되고, 배출부(150)가 가스 유입구(112) 쪽에 구비된다. 이와 같이 배치하면, 공급부(140)로부터 배출부(150)까지의 저온 유체(연료와 물의 혼합물)의 흐름과 가스 유입구(112)로부터 가스 유출구(114)까지의 고온 유체(고온 가스)의 흐름이 서로 반대 방향으로 형성될 수 있다. 이와 같이 본 실시예에 따른 가습 열교환기에서는 고온 유체(고온의 가스)와 저온 유체(연료와 물의 혼합물)의 흐름이 서로 반대 방향이다.
한편, 제1 튜브(120)와 제2 튜브(130)는 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 공급부(140) 쪽에서 몸체부(110)와 결합되고 배출부(150) 쪽에서 집합관(152)과 결합된다. 이와 같이 결합되면 과열로 인한 파손이 잘 일어나지 않는다. 이에 대해 보다 상술하면, 과열로 인한 팽창은 일반적으로 튜브의 결합 부분에서 억제되기 때문에 이러한 결합 부분에 응력이 집중된다.
그런데 이러한 결합 부분이 본 실시예에서와 같이 길이 방향으로 양쪽 끝에 위치하면, 과열로 인한 팽창이 결합 부분에서 억제되기 전에 이미 스프링 형상의 부분에서 그러한 팽창을 수용해 버린다. 즉, 결합 부분 사이의 스프링 형상 부분에서 과열로 인한 팽창을 대부분을 수용해 버리기 때문에, 실제로 결합 부분에 가해지는 응력은 매우 미미하다. 이에 따라 본 실시예와 같이 튜브가 공급부(140) 쪽에서 몸체부(110)와 결합되고 배출부(150) 쪽에서 집합관(152)과 결합되면, 과열로 인한 파손이 거의 일어나지 않는다.
한편, 본 실시예에 따른 가습 열교환기는 제1 튜브(120)의 중심을 관통하고 몸체부(110)의 길이 방향을 따라 연장하는 유동 확산부(160)를 포함한다. 전술한 것과 같이 본 실시예에 따른 가습 열교환기는 열전달 면적을 충분히 확보하기 위해 제1 튜브(120)의 외측에 제2 튜브(130)를 더 배치할 수 있다. 그러나 이와 같이 제2 튜브(130)를 더 배치한다고 하더라도, 제1 튜브(120)의 중심을 그냥 지나쳐 가는 고온의 가스로 인해 열손실이 발생하는 것은 막기 어렵다. 이러한 열손실을 방지하기 위해 본 실시예에 따른 가습 열교환기는 제1 튜브(120)의 중심에 유동 확산부(160)를 구비한다. 이와 같이 유동 확산부(160)가 구비되면, 고온의 가스가 제1 튜브(120)의 중심을 지나갈 수 없기 때문에, 즉 고온의 가스가 유동 확산부(160)로 인해 외측으로 확산되기 때문에 고온의 가스가 더 많이 튜브(120, 130)와 접촉할 수 있다.
그런데 이러한 유동 확산부(160)는 가능한 그 무게가 작은 것이 보다 바람직하다. 무게가 무거우면 무거울수록 그 설치나 유지가 어렵기 때문이다. 본 실시예에서는 무게를 줄이기 위해 유동 확산부(160)를 내부가 빈 원기둥 형상으로 형성할 수 있다. 다만, 이와 같이 유동 확산부(160)를 형성하면, 고온의 가스로 인해 유동 확산부 내부의 공기가 팽창할 수 있으며, 이러한 팽창으로 유동 확산부(160)가 파손될 수도 있다. 이러한 파손을 방지하게 위해 본 실시예에 따른 유동 확산부(160)에는 배출 구멍(미도시)이 형성될 수 있다. 이와 같이 배출 구멍이 형성되면 내부의 공기가 외부로 배출될 수 있기 때문에, 팽창으로 인한 유동 확산부(160)의 파손이 방지될 수 있다.
그리고 이러한 배출 구멍은 가스 유출구(114)의 쪽으로 유동 확산부(160)의 끝 부분(도 2를 기준으로 유동 확산부의 상부)에 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 형성되면 내부의 공기가 보다 자연스럽게 유동 확산부(160)의 외부로 배출될 수 있다. 또한 이와 같이 형성되면 배출 구멍으로 인해 유동의 확산이 방해되는 문제가 발생하지 않을 수 있다. 즉, 배출 구멍이 도 2를 기준으로 유동 확산부(160)의 하부에 형성되면, 고온의 가스가 제대로 확산되지 않고 배출 구멍으로 유입되는 문제가 발생할 수도 있다.
본 발명은 과열로 인한 튜브의 팽창이 일어난다 하더라도 파손이 쉽게 일어나지 않으면서도 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 가습 열교환기에 관한 것으로서, 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (12)

  1. 길이 방향으로 한쪽 끝 부분과 다른 쪽 끝 부분에 각각 가스 유입구와 가스 유출구를 가지는 몸체부;
    상기 몸체부의 내부에 구비되고 상기 몸체부의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 제1 튜브;
    상기 몸체부의 내부에 구비되고 상기 제1 튜브의 외측에서 상기 제1 튜브를 감싸면서 상기 몸체부의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 제2 튜브;
    상기 가스 유출구 쪽에 구비되고 상기 제1 튜브와 상기 제2 튜브로 연료(fuel)와 물(water)의 혼합물을 공급하는 공급부; 및
    상기 가스 유입구 쪽에 구비되고 상기 제1 튜브와 상기 제2 튜브로부터 상기 혼합물을 배출하는 배출부를 포함하는 연료전지용 가습 열교환기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공급부는, 상기 연료가 공급되는 연료 공급구, 상기 물이 공급되는 물 공급구, 및 상기 연료 공급구로부터의 연료와 상기 물 공급구로부터의 물이 혼합되고 상기 제1 튜브와 제2 튜브가 연결되는 혼합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 열교환기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배출부는, 상기 제1 튜브로부터의 혼합물과 상기 제2 튜브로부터의 혼합물이 집합되는 집합관, 및 상기 집합관과 연결되어 상기 혼합물을 상기 몸체부의 외부로 배출하는 배출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 열교환기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 튜브와 상기 제2 튜브는 상기 공급부 쪽에서 상기 몸체부와 결합되고 상기 배출부 쪽에서 상기 집합관과 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 열교환기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 몸체부의 길이 방향을 따라 연장하고 상기 제1 튜브의 중심을 관통하는 원기둥 형상의 유동 확산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 열교환기.
  6. 길이 방향으로 한쪽 끝 부분과 다른 쪽 끝 부분에 각각 가스 유입구와 가스 유출구를 가지는 몸체부;
    상기 몸체부의 내부에 구비되고 상기 몸체부의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 제1 튜브;
    상기 제1 튜브의 중심을 관통하고 상기 몸체부의 길이 방향을 따라 연장하는 유동 확산부;
    상기 가스 유출구 쪽에 구비되고 상기 제1 튜브로 연료와 물의 혼합물을 공급하는 공급부; 및
    상기 가스 유입구 쪽에 구비되고 상기 제1 튜브로부터 상기 혼합물이 배출되는 배출부를 포함하는 연료전지용 가습 열교환기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 유동 확산부는 내부가 빈 원기둥 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 열교환기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 유동 확산부는 상기 가스 유출구 쪽의 끝 부분에 내부의 공기가 배출되는 배출 구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 열교환기.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 몸체부의 내부에 구비되고 상기 제1 튜브의 외측에서 상기 제1 튜브를 감싸면서 상기 몸체부의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 있는 제2 튜브를 더 포함하며, 상기 공급부는 상기 제1 튜브와 함께 상기 제2 튜브로 상기 혼합물을 공급하고, 상기 배출부는 상기 제1 튜브와 함께 상기 제2 튜브로부터 상기 혼합물을 배출하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 열교환기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 튜브는 상기 제1 튜브와 반대 방향으로 감겨 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 열교환기.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 공급부는, 상기 연료가 공급되는 연료 공급구, 상기 물이 공급되는 물 공급구, 및 상기 연료 공급구로부터의 연료와 상기 물 공급구로부터의 물이 혼합되고 상기 제1 튜브와 제2 튜브가 연결되는 혼합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 열교환기.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 배출부는, 상기 제1 튜브로부터의 혼합물과 상기 제2 튜브로부터의 혼합물이 집합되는 집합관, 및 상기 집합관과 연결되어 상기 혼합물을 상기 몸체부의 외부로 배출하는 배출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습 열교환기.
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