WO2015102138A1 - 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈 - Google Patents

고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈 Download PDF

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우성제
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Definitions

  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly, to an integrated preheating module of a solid oxide fuel cell system in which a catalytic burner and a preheater are integrally configured to minimize heat loss.
  • a fuel cell is a kind of power generation device that directly converts chemical energy generated by oxidation of fuel into electrical energy.
  • oxidation and reduction it is no different from ordinary chemical cells, but unlike chemical cells in which cells are reacted in a closed system, reactants are continuously supplied from the outside and reaction products are continuously removed out of the system. That is the difference between the two.
  • the most representative of such fuel cells is a hydrogen-oxygen fuel cell, which uses an aqueous alkali solution as an electrolyte and uses pure hydrogen and oxygen as reactants.
  • a hydrogen-oxygen fuel cell which uses an aqueous alkali solution as an electrolyte and uses pure hydrogen and oxygen as reactants.
  • fuel cells including gaseous fuels using fossil fuels such as methane and natural gas and liquid fuels such as methanol (methyl alcohol) hydrazine. More than that, it is called high temperature type.
  • the fuel cell considering the improvement of power generation efficiency and the solid oxide electrolyte fuel cell which generate the high-temperature molten carbonate fuel cell without using the noble metal catalyst at the second generation and higher efficiency are the third generation fuel. It is called a battery.
  • anode and a cathode are positioned at both ends, and an electrolyte is provided between the anode and the cathode, and an electrochemical reaction by hydrogen and oxygen supplied to the anode and the cathode is respectively performed.
  • the solid oxide fuel cell system having the above configuration provides a preheater for preheating fuel and air supplied to the reformer and the cathode by using a catalytic combustor for combusting waste gas and waste air via a stack, and the waste heat of the catalytic combustor.
  • a catalytic combustor for combusting waste gas and waste air via a stack
  • the waste heat of the catalytic combustor During start-up operation, fuel and air are heated and supplied through the initial heating means, and when normal operation is performed, the fuel and air flow is switched through the flow path switching valve to convert the heated fuel and air through the catalytic combustor and preheater.
  • a configuration is described in which a solid oxide fuel cell system is operated by utilizing waste heat to the maximum by allowing supply to the cathode.
  • the solid oxide fuel cell system having the above configuration has a structure in which a stack, a catalytic combustor, and a preheater are separately configured and connected to pipes exposed to the outside, so that heat loss occurs according to the pipe length and the volume thereof becomes large. Because of this, it is difficult to build a compact fuel cell system.
  • the present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention, a preheater for heating fuel and air by using the catalytic heat for burning the waste gas and waste air via the stack and the waste heat of the catalytic burner
  • the present invention provides an integrated preheating module of a solid oxide fuel cell system having a low heat loss and a compact size.
  • the integrated preheating module of the present invention includes a stack for generating electricity by reformed gas and oxygen, and a reformer for converting fuel into reformed gas to supply reformed gas to the stack, wherein the stack includes: Combustor for generating waste heat by burning the catalyst gas consisting of waste air and waste gas discharged from the; An air preheater for heating air through the waste heat of the combustor and supplying the air to the stack; And a fuel preheater that heats fuel through waste heat of the combustor and supplies the fuel to the reformer.
  • the combustor, the air preheater and the fuel preheater are integrally formed, the combustor is disposed adjacent to the stack, the air preheater is disposed adjacent to the combustor, and the fuel preheater is connected to the air preheater. Are placed next to each other.
  • the combustor may include a catalyst combustion chamber, a catalyst gas inlet through which the catalyst gas flows into the catalyst combustion chamber, and an exhaust gas discharge part through which the catalyst gas is exhausted from the catalyst combustion chamber.
  • the combustion chamber includes a fuel distributor which receives the catalyst gas from the catalyst gas inlet and uniformly supplies the catalyst gas to a downstream end, a combustion catalyst for burning the catalyst gas, and heat of gas through catalytic combustion of the combustion catalyst. And a heat transfer portion configured to transmit via radiation, convection conduction to an air preheater.
  • the combustion catalyst may be exchanged, has a plate shape so as to easily change size, and is provided to be detachable from the catalyst combustion chamber.
  • the air preheater may include an air preheating chamber, an air inlet for introducing air into the air preheating chamber, and a heating air discharge part for supplying air heated from the air preheating chamber to the cathode.
  • the chamber is disposed adjacent to the catalytic combustion chamber so as to heat air through the heat of the catalytic combustion chamber and the exhaust gas discharge portion, and the first upstream end of the exhaust gas discharge portion via the first heat exchange chamber.
  • An exhaust gas through line passing through the heat exchange chamber is formed, and a downstream end of the exhaust gas discharge part is exposed to the outside of the preheating module.
  • the fuel preheater may include a fuel preheating chamber, a waste gas flow chamber provided through the fuel preheating chamber so that the waste gas flows through the waste gas from the anode, and the waste gas is not lost.
  • the integrated preheating module of the solid oxide fuel cell system of the present invention by the above configuration is configured to integrate the catalytic burner and preheater integrally to minimize the pipe connection exposed to the outside for the connection of each component to reduce heat loss This is excellent, the size is small, there is an effect of easy space utilization.
  • FIG. 1 is a perspective view of a preheating module of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1.
  • waste fuel supply line 320 exhaust gas through line
  • 502 waste gas flow chamber 503: fuel inlet
  • heating fuel outlet 510 fuel supply line
  • waste gas supply line 550 waste gas discharge line
  • the solid oxide fuel cell includes a stack and a reformer.
  • the stack includes an anode, a cathode, and an electrolyte, and generates electricity through an electrochemical reaction by hydrogen and oxygen supplied to the anode and the cathode, respectively.
  • the reformer is configured to supply a reformed gas composed of hydrogen, methane, carbon monoxide, carbon dioxide, steam, and the like to the fuel electrode of the stack, and a configuration for converting the fuel gas into a reformed gas may be applied.
  • the preheating module according to an embodiment of the present invention applied to the solid oxide fuel cell system having the above-described configuration may generate catalyst combustion by receiving catalytic combustion by injecting waste fuel and waste air discharged from the anode and the cathode into a combustor.
  • the waste heat is used to heat the air supplied to the air preheater and the waste heat of the air preheater and the waste gas to heat the fuel supplied to the fuel preheater. Therefore, the preheating module according to an embodiment of the present invention includes a combustor for combusting waste gas and waste air via the stack, an air preheater for heating air by using waste heat of the combustor, and a fuel preheater for heating fuel. It has a low heat loss and a compact size.
  • FIG. 1 is a perspective view of a preheating module 300, 400, 500 according to an embodiment of the present invention.
  • the preheating module 300, 400, 500 may be sequentially disposed with the combustor 300, the air preheater 400, and the fuel preheater 500, and may be partitioned through the partition wall.
  • Combustor 300 may be disposed adjacent to stack 100.
  • the combustor 300 is connected to the waste air supply line 310 to receive the waste air and the waste gas in order to generate waste heat by catalytic combustion by receiving the waste gas and the waste air, and the air preheating chamber 401 to be described below (FIG. 2).
  • the air preheater 400 is configured to heat the air by using the waste heat of the combustor 300, is connected to the air supply line 410 to receive the air, and supplies the heated air to the heating air supply line 420. .
  • the fuel preheater 500 is configured to heat the fuel using the air preheater 400 and the waste heat of the waste gas.
  • the fuel preheater 500 is connected to the fuel supply line 510 to receive fuel and heat the fuel, and to the heated fuel supply line 530. The connected and heated fuel is supplied to the reformer described above.
  • the fuel preheater 500 receives waste gas through the waste gas supply line 540 to generate waste heat, and discharges waste gas through the waste gas discharge line 550.
  • it is initially connected to the steam supply line 520 is supplied with steam.
  • the combustor 300 includes a catalytic combustion chamber 301, a catalyst gas inlet 302, and an exhaust gas outlet 303.
  • the catalyst combustion chamber 301 burns the fuel distributor 301a for uniformly supplying the catalyst gas supplied from the catalyst gas inlet 302 with the waste gas and the waste air to the combustion catalyst 301b, and the supplied catalyst gas.
  • Combustion catalyst 301b and heat transfer gas 301c configured to transfer the high temperature gas heat through catalytic combustion to the air preheater 400 through the convection conduction, and generates waste heat through catalytic combustion It is configured to.
  • the combustion catalyst 301b has a plate shape and is formed in a removable structure in the catalytic combustion chamber 301, so that the catalyst can be easily replaced and the size of the catalyst can be easily changed.
  • the catalytically combusted exhaust gas is discharged through the exhaust gas discharge unit 303.
  • the catalyst gas inlet 302 is in communication with the waste air supply line 310 (see FIG. 1), and the exhaust gas outlet 303 is in communication with the exhaust gas discharge line 330 (see FIG. 1).
  • the exhaust gas through line 320 formed at an upstream end of the exhaust gas discharge part 303 may pass through the air preheating chamber 401 to be described later in order to suppress heat loss and increase heat exchange efficiency with the air preheater 400. It is composed.
  • the heat loss suppression effect is doubled by minimizing the configuration of the pipe formed outside the preheating module through the exhaust gas through line 320.
  • the catalyst combustion chamber 301 has an exhaust gas discharge portion 303 on one side of the air preheat chamber 401 so that the air preheating chamber 401 is wrapped between the catalyst combustion chamber 301 and the exhaust gas discharge portion 303. ) May be disposed at the other side of the air preheating chamber 401.
  • the air preheater 400 is composed of an air preheating chamber 401, an air inlet 402, and an air outlet 403.
  • the air preheating chamber 401 is configured to receive air from the air inlet 402 and heat it using waste heat of the combustor 300, that is, convection and conduction heat transfer by radiation and exhaust gas by the flame.
  • a partition wall 401a may be installed to lengthen the flow path of air.
  • the air heated through the air preheating chamber 401 is supplied to the stack through the air outlet 403.
  • the air inlet 402 is in communication with the air supply line 410
  • the air outlet 403 is in communication with the heated air supply line 420.
  • the fuel preheater 500 includes a fuel preheating chamber 501, a waste gas flow chamber 502, a fuel inlet 503, and a fuel outlet 504.
  • the fuel preheating chamber 501 may be configured to discharge the fuel through the fuel discharge unit 504 after preheating the fuel supplied from the fuel inlet unit 503. Therefore, the fuel preheating chamber 501 is configured to be adjacent to the air preheater 400 in order to use the waste heat of the air preheater 400 and the waste gas flow chamber 502, and the waste gas flow chamber 502 is configured to penetrate.
  • the fuel preheater 500 is configured to communicate with the steam supply line 520 to receive steam from the steam supply line 520 at initial startup.
  • the waste gas flow chamber 502 is configured to penetrate the fuel preheating chamber 501, and the upstream end is connected to the waste gas supply line 540 to receive waste gas, and the downstream end is connected to the waste gas discharge line 550 to exchange heat. Emission of waste gas.
  • the waste gas flow chamber 502 is configured to increase the temperature of the fuel preheating chamber 501 by using waste heat of waste gas flowing therein.
  • the fuel inlet 503 communicates with the fuel supply line 510 to receive the fuel into the fuel preheating chamber 501, and the fuel heated through the fuel preheating chamber 501 may be a fuel outlet 504 and a fuel outlet. The heated fuel is supplied to the reformer through the heated fuel supply line 530 in communication with 504.
  • the fuel preheating chamber 500 has a low temperature of the waste gas discharged from the stack during the initial operation of the solid oxide fuel system, and thus does not sufficiently heat the temperature of the fuel to reach the stack and the reformer operating temperature. There is an effect of heating the fuel flowing in the fuel preheat chamber 501 through the heat of the 400 and the waste gas flow chamber 502 to a stack and reformer operational temperature.

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Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매연소기와, 예열기를 일체로 구성하여 열 손실을 최소화한 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈에 관한 것이다.

Description

고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈
본 발명은 고체 산화물 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매연소기와, 예열기를 일체로 구성하여 열 손실을 최소화한 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지라 함은 연료의 산화로 인해 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치라고 할 수 있다. 산화, 환원반응을 이용하는 점에서는 보통의 화학전지와 차이가 없지만 닫힌 계내(系)에서 전지반응을 하는 화학전지와는 달리, 반응물이 연속적으로 외부로부터 공급되는 동시에 반응생성물은 연속적으로 계외로 제거되는 것이 양자 간이 차이점이라 할 수 있다.
이러한 연료전지의 가장 대표적인 것으로서 수소-산소 연료전지가 있는데, 이는 알칼리 수용액을 전해질로 사용하고 순수한 수소와 산소를 반응물로 사용한다. 그리고 수소 외에도 메탄이나 천연가스 등의 화석연료를 사용하는 기체연료와 메탄올(메틸알코올) 히드라진 같은 액체연료를 사용하는 것 등 많은 연료전지가 있으며, 이들 중 작동온도가 300℃ 이하인 것을 저온형이라하고, 그 이상인 것을 고온형이라 한다.
또한, 발전효율의 향상을 고려한 연료전지와 귀금속 촉매를 사용하지 않은 고온형의 용융탄산염 연료전지를 제2 세대, 그리고 보다 높은 효율로 발전(電)하는 고체산화물 전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라 한다.
일례로 이러한 종래 기술의 콤팩트 고체산화물 연료전지 시스템에 대해 개략적으로 살펴보면, 양단부에 연료극과 공기극이 위치되고 이들 사이에 전해질이 마련되며 이들 연료극과 공기극으로 각각 공급된 수소와 산소에 의한 전기화학반응을 통해 전기를 생성시키는 스택과, 이 스택의 연료극으로 수소를 공급하기 위해 연료가스를 수소로 전환시키는 개질기와, 이 개질기로 개질공기를 공급하는 동시에 상기 스택의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 연소기 및 상기 개질기로 스팀을 공급하기 위한 스팀발생기 등을 포함하여 구성된다.
위와 같은 구성의 고체산화물 연료전지 시스템은 스택을 경유한 폐가스와 폐공기를 연소시키기 위한 촉매연소기 및 이 촉매연소기의 폐열을 이용하여 개질기와 공기극에 공급되는 연료와 공기를 예열하는 예열기를 마련하여, 기동 운전 시에는 초기 가열수단을 통해 연료와 공기를 가열하여 공급하고, 정상 운전 상태가 되면 유로전환밸브를 통해 연료와 공기의 유로를 전환시켜 촉매연소기와 예열기를 통해 가열된 연료와 공기를 개질기와 공기극으로 공급할 수 있도록 함으로써, 폐열을 최대한 이용하여 고체산화물 연료전지 시스템을 가동시키는 구성이 기재되어 있다.
상기와 같은 구성의 고체산화물 연료전지 시스템은, 스택, 촉매연소기 및 예열기가 각각 별도로 구성되고 이를 외부에 노출되는 파이프로 연결하는 구조로 되어 있어 파이프 길이에 따른 열 손실이 발생하고, 그 부피가 커지기 때문에 콤팩트한 연료전지 시스템 구축이 어려운 문제점이 있다.
따라서 파이프 연결부위를 최소화하여 열 손실을 줄이고, 시스템의 부피를 줄여 콤팩트한 사이즈를 갖는 고체산화물 연료전지 시스템의 기술 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 스택을 경유한 폐가스와 폐공기를 연소시키기 위한 촉매연소기와 상기 촉매연소기의 폐열을 이용하여 연료 및 공기를 가열하는 예열기를 일체로 구성하여 열 손실이 적고 콤팩트한 크기를 갖는 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 일체형 예열 모듈은, 개질가스와 산소에 의해 전기를 생성하는 스택과, 상기 스택에 개질가스를 공급하도록 연료를 개질가스로 전환하는 개질기를 포함하는 고체 산화물 연료전지 시스템에 있어서, 상기 스택에서 배출되는 폐공기 및 폐가스로 구성되는 촉매가스를 연소시켜 폐열을 생성하는 연소기; 상기 연소기의 폐열을 통해 공기를 가열하여 상기 스택으로 공급하는 공기 예열기; 및 상기 연소기의 폐열을 통해 연료를 가열하여 상기 개질기에 공급하는 연료 예열기; 를 포함하되, 상기 연소기, 상기 공기예열기 및 상기 연료예열기는 일체로 형성되고, 상기 연소기는 상기 스택에 인접 배치되며, 상기 공기예열기는 상기 연소기에 이웃하여 배치되고, 상기 연료예열기는 상기 공기예열기에 이웃하여 배치된다.
또한, 상기 연소기는, 촉매연소챔버와, 상기 촉매연소챔버로 상기 촉매가스가 유입되는 촉매가스 유입부와, 상기 촉매연소챔버에서 촉매 연소된 배기가스를 배출시키는 배기가스 배출부로 구성되며, 상기 촉매연소챔버는, 상기 촉매가스 유입부로부터 상기 촉매가스를 유입 받아 하류단으로 균일하게 공급하는 연료분배기와, 상기 촉매가스를 연소시키는 연소 촉매와, 상기 연소 촉매의 촉매 연소를 통한 가스의 열을 상기 공기 예열기로 복사, 대류 전도를 통해 전달하도록 구성되는 열 전달부를 포함한다.
또한, 상기 연소 촉매는, 교환이 가능하고, 사이즈 변경이 용이하도록 판상으로 되며, 상기 촉매연소챔버에 착탈 가능하도록 구비된다.
또한, 상기 공기 예열기는, 공기예열챔버와, 상기 공기예열챔버로 공기가 유입되는 공기 유입부와, 상기 공기예열챔버로부터 상기 공기극으로 가열된 공기를 공급하는 가열공기 배출부로 구성되되, 상기 공기예열챔버는, 상기 촉매연소챔버 및 상기 배기가스 배출부의 열을 통해 공기를 가열하도록, 상기 촉매연소챔버에 인접 배치되며, 상기 배기가스 배출부의 상류단에는, 상기 제1 열교환챔버를 경유하도록 상기 제1 열교환챔버를 관통하는 배기가스 관통라인이 형성되고, 상기 배기가스 배출부의 하류단은, 상기 예열 모듈의 외부에 노출된다.
아울러, 상기 연료 예열기는, 연료예열챔버와, 상기 연료극으로부터 폐가스를 유입 받아 상기 폐가스가 유동되며, 상기 폐가스의 열 손실이 없도록 상기 연료예열챔버를 관통하여 구비되는 폐가스유동챔버와, 상기 연료예열챔버로 연료를 유입시키는 연료 유입부와, 상기 연료예열챔버로부터 상기 개질기로 가열된 연료를 공급하는 가열연료 배출부로 구성되되, 상기 연료예열챔버는, 상기 공기예열챔버와 맞닿도록 배치되어 상기 공기예열챔버 및 상기 폐가스유동챔버의 열을 통해 연료를 가열한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈은 촉매연소기와 예열기를 일체로 구성하여 각 구성요소의 연결을 위해 외부로 노출되는 파이프 연결부를 최소화하여 열손실을 줄이기 때문에 열효율이 우수하고, 크기가 작아 공간 활용이 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 예열 모듈 투영사시도
도 2는 도 1의 AA' 단면도
<부호의 설명>
300 : 연소기 301 : 촉매연소챔버
301a : 연료분배기 302b : 연소촉매
301c : 열 전달부
302 : 촉매가스 유입부 303 : 배기가스 배출부
310 : 폐연료 공급라인 320 : 배기가스 관통라인
330 : 배기가스 배출라인
400 : 공기 예열기 401 : 공기예열챔버
402 : 공기 유입부 403 : 가열공기 배출부
410 : 공기 공급라인 420 : 가열공기 공급라인
500 : 연료 예열기 501 : 연료예열챔버
502 : 폐가스유동챔버 503 : 연료 유입부
504 : 가열연료 배출부 510 : 연료 공급라인
520 : 증기 공급라인 530 : 가열연료 공급라인
540 : 폐가스 공급라인 550 : 폐가스 배출라인
본 발명의 예열 모듈을 설명하기에 앞서 본 발명의 예열 모듈이 적용되는 고체 산화물 연료전지 시스템의 구성에 대해 간단히 언급하기로 한다.
고체 산화물 연료전지는, 스택과, 개질기를 포함하여 구성된다. 스택은, 연료극, 공기극 및 전해질을 포함하며, 연료극과 공기극으로 각각 공급된 수소와 산소에 의한 전기화학반응을 통해 전기를 생성한다. 개질기는, 스택의 연료극에 수소, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 스팀 등으로 구성된 개질 가스를 공급하기 위한 구성으로, 연료가스를 유입 받아 개질 가스로 전환하는 구성이 적용될 수 있다.
상기와 같은 구성의 고체 산화물 연료전지 시스템에 적용되는 본 발명의 일실시 예에 따른 예열 모듈은, 상기 연료극과, 공기극에서 배출되는 폐가스와 폐공기를 연소기로 유입 받아 촉매 연소시켜 촉매연소 시 발생하는 폐열을 이용해 공기 예열기로 공급되는 공기를 가열시키고, 공기 예열기 및 폐가스의 폐열을 이용해 연료 예열기로 공급되는 연료를 가열시키도록 구성된다. 따라서 본 발명의 일실시 예에 따른 예열 모듈은, 상기 스택을 경유한 폐가스와 폐공기를 연소시키기 위한 연소기와, 연소기의 폐열을 이용하여 공기를 가열하는 공기 예열기 및 연료를 가열하는 연료 예열기를 일체로 구성하여 열 손실이 적고 콤팩트(compact)한 크기를 갖는다.
이하 상기와 같은 구성을 구현하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지의 예열 모듈에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 예열 모듈(300, 400, 500)의 투영사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 예열 모듈(300, 400, 500)은 연소기(300), 공기 예열기(400) 및 연료 예열기(500)가 순차적으로 배치되며, 격벽을 통해 구획될 수 있다. 연소기(300)는 스택(100)에 인접하여 배치될 수 있다. 연소기(300)는 폐가스 및 폐공기를 유입 받아 촉매 연소시켜 폐열을 발생시키기 위한 구성으로 폐공기 공급라인(310)에 연결되어 폐공기 및 폐가스를 유입 받고, 후술되는 공기예열챔버(401, 도 2 참조)를 관통하는 배기가스 관통라인(320) 및 배기가스 배출라인(330)에 연결되어 촉매 연소된 배기가스를 외부로 배출한다. 공기 예열기(400)는 연소기(300)의 폐열을 이용해 공기를 가열하기 위한 구성으로, 공기 공급라인(410)에 연결되어 공기를 유입 받고, 가열공기 공급라인(420)으로 가열된 공기를 공급한다. 연료 예열기(500)는 공기 예열기(400) 및 폐가스의 폐열을 이용하여 연료를 가열하기 위한 구성으로, 연료 공급라인(510)에 연결되어 연료를 공급받아 가열하고, 가열연료 공급라인(530)에 연결되어 가열된 연료를 상술된 개질기에 공급한다. 또한 연료 예열기(500)는 폐가스 공급라인(540)을 통해 폐가스를 공급받아 폐열을 발생하며, 폐가스 배출라인(550)을 통해 폐가스를 배출한다. 아울러 초기에는 증기공급라인(520)에 연결되어 증기를 공급받는다.
이하 본 발명의 일실시 예에 따른 예열 모듈(300, 400, 500)의 보다 상세한 구성에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 예열 모듈(300, 400, 500)의 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 연소기(300)는, 촉매연소챔버(301), 촉매가스 유입부(302)와, 배기가스 배출부(303)로 구성된다. 촉매연소챔버(301)는 촉매가스 유입부(302)로부터 폐가스 및 폐공기를 유입 받아 공급되는 촉매 가스를 연소 촉매(301b)에 균일하게 공급하는 연료분배기(301a)와, 공급된 촉매 가스를 연소시키는 연소 촉매(301b)와, 촉매 연소를 통한 고온의 가스 열이 공기 예열기(400)로 복사, 대류 전도를 통해 전달하도록 구성되는 열 전달부(301c)로 구성되며, 촉매연소를 통해 폐열을 발생하도록 구성된다. 연소 촉매(301b)는 판상으로 되며, 촉매연소챔버(301) 내에 착탈 가능한 구조로 형성되어 촉매 교체가 용이하고 촉매의 사이즈 변경을 용이하게 하는 장점이 있다.
촉매 연소된 배기가스는 배기가스 배출부(303)를 통해 배출된다. 촉매가스 유입부(302)는 폐공기 공급라인(310, 도 1 참조)에 연통되며, 배기가스 배출부(303)는 배기가스 배출라인(330, 도 1 참조)에 연통된다. 이때 배기가스 배출부(303)의 상류단에 형성되는 배기가스 관통라인(320)은 열 손실을 억제하고, 공기 예열기(400)와의 열교환 효율을 높이기 위해 후술되는 공기예열챔버(401)를 관통하도록 구성된다. 특히 배기가스 관통라인(320)을 통해 예열모듈 외부에 형성되는 파이프의 구성을 최소화 하여 열 손실 억제 효과가 배가된다.
또한, 공기예열챔버(401)가 촉매연소챔버(301)와, 배기가스 배출부(303) 사이에 감싸지도록 촉매연소챔버(301)는 공기예열챔버(401)의 일측에 배기가스 배출부(303)는 공기예열챔버(401)의 타측에 배치될 수 있다.
공기 예열기(400)는, 공기예열챔버(401), 공기 유입부(402)와, 공기 배출부(403)로 구성된다. 공기예열챔버(401)는 공기 유입부(402)로부터 공기를 유입 받아 연소기(300)의 폐열 즉, 화염에 의한 복사 및 배기가스에 의한 대류 및 전도 열 전달을 이용해 가열하도록 구성된다. 공기예열챔버(401)에는 공기의 유동경로를 길게 하기 위해 구획벽(401a)이 설치될 수 있다. 공기예열챔버(401)를 통해 가열된 공기는 공기 배출부(403)를 통해 스택에 공급되도록 한다. 공기 유입부(402)는 공기공급라인(410)에 연통되며, 공기 배출부(403)는 가열공기 공급라인(420)에 연통된다.
연료 예열기(500)는, 연료예열챔버(501), 폐가스유동챔버(502), 연료 유입부(503) 및 연료 배출부(504)로 구성된다. 연료예열챔버(501)는 연료 유입부(503)로부터 유입되는 연료를 공급받아 예열시킨 후 연료 배출부(504)를 통해 배출하도록 구성될 수 있다. 따라서 연료예열챔버(501)는 공기 예열기(400)와 폐가스유동챔버(502)의 폐열을 이용하기 위해 공기 예열기(400)에 인접 구성되며, 폐가스유동챔버(502)가 관통하도록 구성된다. 연료 예열기(500)는 증기 공급라인(520)에 연통되어 초기 기동 시 증기 공급라인(520)으로부터 증기를 공급받도록 구성된다. 폐가스유동챔버(502)는 연료예열챔버(501)를 관통하도록 구성되며, 상류단이 폐가스 공급라인(540)에 연결되어 폐가스를 공급받고, 하류단이 폐가스 배출라인(550)에 연결되어 열교환된 폐가스를 배출한다. 폐가스유동챔버(502)는 내부에 유동되는 폐가스의 폐열을 이용해 연료예열챔버(501)의 온도를 높이도록 구성된다. 연료 유입부(503)는 연료 공급라인(510)에 연통되어 연료예열챔버(501)로 연료를 유입 받고, 연료예열챔버(501)를 통해 가열된 연료는 연료 배출부(504) 및 연료 배출부(504)에 연통되는 가열연료 공급라인(530)을 통해 가열된 연료를 개질기에 공급되도록 한다.
상기와 같이 연료예열챔버(500)는 고체 산화물 연료 시스템의 초기 가동 시 스택에서 배출되는 폐가스의 온도가 낮아 연료의 온도를 충분히 가열하지 못해 스택 및 개질기 가동 가능 온도에 도달하지 못하기 때문에 공기예열챔버(400) 및 폐가스유동챔버 (502)의 열을 통해 연료예열챔버(501) 내를 유동하는 연료를 스택 및 개질기 가동 가능 온도까지 가열하는 효과가 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

Claims (5)

  1. 개질가스와 산소에 의해 전기를 생성하는 스택과, 상기 스택에 개질가스를 공급하도록 연료를 개질가스로 전환하는 개질기를 포함하는 고체 산화물 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 스택에서 배출되는 폐공기 및 폐가스로 구성되는 촉매가스를 연소시켜 폐열을 생성하는 연소기;
    상기 연소기의 폐열을 통해 공기를 가열하여 상기 스택으로 공급하는 공기 예열기; 및
    상기 연소기의 폐열을 통해 연료를 가열하여 상기 개질기에 공급하는 연료 예열기; 를 포함하되,
    상기 연소기, 상기 공기예열기 및 상기 연료예열기는 일체로 형성되고,
    상기 연소기는 상기 스택에 인접 배치되며, 상기 공기예열기는 상기 연소기에 이웃하여 배치되고, 상기 연료예열기는 상기 공기예열기에 이웃하여 배치되는, 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연소기는,
    촉매연소챔버와, 상기 촉매연소챔버로 상기 촉매가스가 유입되는 촉매가스 유입부와, 상기 촉매연소챔버에서 촉매 연소된 배기가스를 배출시키는 배기가스 배출부로 구성되며,
    상기 촉매연소챔버는, 상기 촉매가스 유입부로부터 상기 촉매가스를 유입 받아 하류단으로 균일하게 공급하는 연료분배기와, 상기 촉매가스를 연소시키는 연소 촉매와, 상기 연소 촉매의 촉매 연소를 통한 가스의 열을 상기 공기 예열기로 복사, 대류 전도를 통해 전달하도록 구성되는 열 전달부를 포함하는, 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 연소 촉매는,
    교환이 가능하고, 사이즈 변경이 용이하도록 판상으로 되며, 상기 촉매연소챔버에 착탈 가능하도록 구비되는, 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 공기 예열기는,
    공기예열챔버와, 상기 공기예열챔버로 공기가 유입되는 공기 유입부와, 상기 공기예열챔버로부터 상기 공기극으로 가열된 공기를 공급하는 가열공기 배출부로 구성되되,
    상기 공기예열챔버는, 상기 촉매연소챔버 및 상기 배기가스 배출부의 열을 통해 공기를 가열하도록, 상기 촉매연소챔버에 인접 배치되고,
    상기 배기가스 배출부의 상류단에는, 상기 제1 열교환챔버를 경유하도록 상기 제1 열교환챔버를 관통하는 배기가스 관통라인이 형성되며, 상기 배기가스 배출부의 하류단은 상기 예열 모듈의 외부에 노출되는, 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 연료 예열기는,
    연료예열챔버와, 상기 연료극으로부터 폐가스를 유입 받아 상기 폐가스가 유동되며, 상기 폐가스의 열 손실이 없도록 상기 연료예열챔버를 관통하여 구비되는 폐가스유동챔버와, 상기 연료예열챔버로 연료를 유입시키는 연료 유입부와, 상기 연료예열챔버로부터 상기 개질기로 가열된 연료를 공급하는 가열연료 배출부로 구성되되,
    상기 연료예열챔버는, 상기 공기예열챔버와 맞닿도록 배치되어 상기 공기예열챔버 및 상기 폐가스유동챔버의 열을 통해 연료를 가열하는, 고체 산화물 연료전지 시스템의 일체형 예열 모듈.
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