WO2016167461A1 - 수증기 발생 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

수증기 발생 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a steam generator for stably supplying steam to a fuel reformer for reforming a hydrocarbon fuel, and a fuel cell system including the same.
  • Fuel cells generate electricity using the reaction of hydrogen and oxygen. Such fuel cells are most efficient when hydrogen is used directly, but for this purpose, installing a hydrogen storage tank directly where the fuel cell is installed causes a lot of safety problems. Therefore, at present, hydrocarbon fuel is reformed to produce hydrogen and used as fuel of fuel cell.
  • a steam reforming method of reacting steam with a hydrocarbon fuel to generate hydrogen is mainly used.
  • hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, etc. are mainly generated by the reaction of steam and hydrocarbon fuel, and these are supplied as fuel gas to the fuel cell.
  • One object of the present invention is to provide a steam generating apparatus capable of stably and uniformly providing steam to a fuel reforming apparatus.
  • Another object of the present invention is to provide a fuel cell system including the steam generator.
  • Steam generator comprises a chamber having an internal space; A space partition member disposed inside the chamber and dividing the internal space into a vapor discharge space and a heating space; A tube tube having a first end connected to an external water supply device and a second end positioned in the steam discharge space and passing through the heating space; And a heating device for supplying thermal energy to the heating space.
  • the chamber may have a steam outlet for connecting the steam discharge space to a fuel reformer.
  • the heating device may include a hot gas supply device for supplying a hot gas to the heating space, in which case the chamber is a gas inlet through which the hot gas is injected from the heating space and the hot gas supply device and the heating A gas outlet through which the hot gas is discharged from the space may be provided.
  • the heating device may include an electrothermal heater installed on the side wall of the chamber forming the heating space.
  • the steam generator may further comprise a heat retention medium disposed within the steam discharge space and comprising a material having a specific heat greater than the chamber and the space partition member.
  • the heat-retaining medium may include a plurality of beads or may have a foam or mesh structure.
  • the water vapor discharge space may include a first space connected to the water vapor outlet and a second space located below the first space and the heat retention medium is disposed, in this case, the second space
  • the space may be formed such that an upper side is connected to the first space and a side or bottom is surrounded by the heating space.
  • the space constituting member has an opening formed in the center portion, is coupled to the side wall of the chamber, the first partition between the first space and the heating space; And a second partition extending downward from the opening to form the second space and positioned between the second space and the heating space.
  • the upper surface of the first compartment may be inclined in the second space direction so that liquid water dropped on the upper surface of the first compartment by gravity moves to the second space.
  • the water vapor generating apparatus may further include a water detector disposed in the second space for detecting the liquid water present in the second space.
  • the water detector may include a temperature meter or a liquid detector disposed in the second space.
  • the portion of the tube tube located inside the heating space may be disposed in the form of a coil surrounding the second space.
  • a fuel cell system includes a steam generator for converting liquid water provided from a water supply device into steam; A fuel reformer for generating a fuel gas including hydrogen by reacting the steam and the hydrocarbon fuel provided from the steam generator; And a fuel cell stack that generates electricity using the fuel gas provided from the fuel reformer and the air provided from an external air supply.
  • the steam generator includes a chamber having an inner space; A space partition member disposed inside the chamber and dividing the internal space into a vapor discharge space and a heating space; A tube tube having a first end connected to the water supply device and a second end positioned in the water vapor discharge space and passing through the heating space; And a heating device for supplying thermal energy to the heating space, wherein the chamber has a steam discharge port connecting the steam discharge space to the fuel reforming device.
  • the liquid water supplied to the vapor discharge space may be converted into water vapor using the thermal energy stored in the heat retention medium. Can be.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a steam generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a steam generator according to an embodiment of the present invention.
  • the steam generator 100 is methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H 10 ), Water vapor may be provided to a fuel reforming apparatus (1200 of FIG. 2) that generates hydrogen required for the reaction of a fuel cell from a hydrocarbon fuel containing chemically hydrogen such as natural gas and coal gas.
  • a fuel reforming apparatus (1200 of FIG. 2) that generates hydrogen required for the reaction of a fuel cell from a hydrocarbon fuel containing chemically hydrogen such as natural gas and coal gas.
  • methane (CH 4 ) is supplied as the hydrocarbon fuel
  • the fuel reformer reacts with the methane and the steam supplied from the steam generator 100 and 1100 of FIG. 2 according to Scheme 1 below. To generate the hydrogen.
  • a side reaction that generates carbon (C), as shown in Scheme 2 may occur according to the reaction temperature and the ratio of water vapor and carbon components in the fuel reforming apparatus, and the carbon produced as described above may be used as When supplied to 1300 of FIG. 2, the fuel electrode of the fuel cell may be damaged to drastically reduce the performance of the fuel cell. Therefore, in order to suppress such carbon-generation side reactions, it is necessary to stably supply steam to the fuel reformer.
  • the steam generator 100 may include a chamber 110, a space partition member 120, a tube tube 130, and a heating device (not shown).
  • the chamber 110 may include internal spaces 10 and 20, and the space partition member 120 may be disposed inside the chamber 110 to define the internal spaces 10 and 20 of the chamber 110. It can be divided into two spaces, that is, the steam discharge space 10 and the heating space 20.
  • a steam outlet 111 may be formed at a portion of the chamber 110 that forms the steam discharge space 10, and the steam outlet 111 may include the fuel reforming apparatus 1200 in FIG. 2. ) Can be connected.
  • the chamber 110 and the space partition member 120 may be formed of a material that is stable at high temperature.
  • the chamber 110 and the space partition member 120 may be formed of a material such as a metal, an alloy, a ceramic, a metal composite, a composite of a metal and a ceramic, which are independently stable at a high temperature.
  • the chamber 110 and the space partition member 120 may be formed of the same material or may be formed of different materials.
  • the tube tube 130 has a first end connected to an external water supply device (not shown) outside the chamber 110 and a second end located in the steam discharge space 10, and the heating space It may be arranged to extend to the steam discharge space 10 via the (20).
  • an external water supply device not shown
  • water supplied to the tube tube 130 from the external water supply device is converted into water vapor while moving the heating space 20, and the converted water vapor is It may be discharged in the water vapor discharge space (10).
  • the steam discharged from the tube tube 130 into the steam discharge space 10 may be supplied to the fuel reforming apparatus (1200 of FIG. 2) through the steam discharge port 111.
  • the heating device may supply thermal energy to the heating space 20 to convert the water moving the tube tube 130 into water vapor.
  • the heating device may include a hot gas supply device (see 1400 of FIG. 2) that the hot gas is supplied to the heating space.
  • a portion of the chamber 110 that forms the heating space 20 may include a gas supply port 112a through which hot gas is injected from the hot gas supply device and hot gas is discharged from the heating space 20.
  • the gas outlet 112b may be formed.
  • the hot gas is not particularly limited.
  • the gas discharged from the fuel cell stack 1300 of FIG. 2 may be used as the hot gas. That is, the heating device may burn the gas discharged from the fuel cell stack by using a combustor (1400 in FIG. 2), and then supply the hot gas, which is combusted through a blower, to the heating space 20.
  • the heating device may include an electrothermal heater or the like installed on the side wall of the chamber 110 forming the heating space 20.
  • the tube tube 130 is connected to the fuel reformer (1200 of FIG. 2) through the steam discharge space 10 of the chamber 110 without directly connecting to the fuel reformer (1200 of FIG. 2).
  • the water vapor can be uniformly provided to the fuel reformer (1200 of FIG. 2), but also the liquid water which is not converted into water vapor due to an abnormal situation such as a decrease in temperature of the hot gas or a failure of the heating device is Supply to the fuel reformer (1200 in FIG. 2) can be prevented.
  • an external water supply device (not shown) supplies water to the tube tube 130 by using a pump device, so that the tube tube 130 is directly connected to the fuel reforming device 1200 in FIG. 2.
  • water vapor supplied to the fuel reformer (1200 of FIG. 2) by the pulsation of the pump device is also unevenly supplied according to the pulsation of the pump device.
  • the tube tube 130 is connected to the fuel reforming apparatus (1200 of FIG. 2) through the steam discharge space 10 of the chamber 110 as in the present invention, the steam discharge space 10 Since the pump device functions to alleviate the pulsation of the pump device, it is possible to more uniformly supply steam to the fuel reformer (1200 in FIG. 2).
  • the steam generator 100 is disposed in the steam discharge space 10, the material having a specific heat greater than the chamber 110 or the space partition member 120
  • the heat retention medium 140 may further include.
  • the heat-retaining medium 140 may absorb and store the heat energy supplied to the heating space 20 of the chamber 110, and may cause abnormality such as a decrease in temperature of the hot gas or a failure of a heating device.
  • the liquid water supplied to the steam discharge space 10 may be converted into steam by using the thermal energy stored in the heat retention medium 140.
  • the heat-retaining medium 140 may be formed of a ceramic, metal, high temperature resistant polymer, etc. having a relatively high specific heat, a plurality of beads (bead) so that the contact area with the liquid water is large ) May be configured to have a foam or a mesh (mesh) structure.
  • the steam discharge space 10 is directly connected to the steam discharge port 111 and the first space 10a and the first space.
  • the second space 10b may be disposed below the space 10a and the heat storage medium 140 may be disposed.
  • the second space 10b has an upper side at the first space 10a. And side and / or bottom portions may be formed to be surrounded by the heating space 20.
  • the shape of the second space 10b is not particularly limited as long as the heat storage medium 140 can be accommodated and heat energy can be effectively provided from the heating space 20.
  • the second space 10b may have a shape of a cylinder, a square pillar, a cone, a square pyramid, etc. surrounded by side and bottom portions by the heating space 20, or may have various irregular shapes.
  • the space partition member 120 includes a first compartment 121 and a second compartment 122. can do.
  • the first partition part 121 has an opening having a predetermined shape formed at a central portion thereof, is coupled to a side wall of the chamber 110, and may partition the first space 10a and the heating space 20. have.
  • the second compartment 122 forms the second space 10b extending downward from the opening of the first compartment 121, and forms the second space 10b and the heating space 20.
  • the upper surface of the first compartment (121) is the first 2 may be inclined to be inclined in the direction of the space (10b).
  • the steam generator 100 further includes a water detector 150 disposed in the second space 10b and capable of detecting liquid water present in the second space 10b. It may include.
  • a water detector 150 disposed in the second space 10b and capable of detecting liquid water present in the second space 10b. It may include.
  • the abnormal state is stored in the heat holding medium 140 at the beginning of the abnormal situation.
  • Steam generated by using thermal energy is supplied to the fuel reformer (1200 of FIG. 2), but after a predetermined time, the heat-retaining medium 140 is also cooled to provide steam to the fuel reformer (1200 of FIG. 2). Problems that are not supplied can occur. As described above, when water vapor is not supplied to the fuel reformer (1200 of FIG.
  • the water detector 150 may notify the occurrence of such an abnormal condition early by detecting the liquid water present in the second space 10b, thereby significantly improving the stability of the fuel cell system.
  • the configuration of the water detector 150 is not particularly limited.
  • the water detector 150 may include a temperature detector capable of measuring the temperature of the second space 10b, a liquid detector capable of detecting a liquid present in the second space 10b, and the like. Can be.
  • the structure of the tube tube 130 disposed inside the heating space 20 is not particularly limited.
  • the water vapor discharge space 10 includes the first space 10a and the second space 10b as described above, a portion of the tube tube 130 disposed inside the heating space 20
  • the silver may be disposed in the form of a coil surrounding the second space 10b to increase the heat exchange area.
  • FIG. 2 is a view for explaining a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • a fuel cell system 1000 may include a steam generator 1100, a fuel reformer 1200, and a fuel cell stack 1300.
  • the steam generator 1100 receives liquid water from an external water supply device (not shown), converts it into steam, and then supplies the water to the fuel reformer 1200.
  • an external water supply device not shown
  • the steam generator 100 described with reference to FIG. 1 may be applied, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the fuel reforming apparatus 1200 may generate a fuel gas including hydrogen by reacting a hydrocarbon fuel supplied from an external fuel supply device (not shown) and steam supplied from the steam generator 1100.
  • a known or future fuel reformer may be applied without limitation, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the fuel cell stack 1300 may generate electricity using hydrogen of fuel gas provided from the fuel reformer 1200 and oxygen of air provided from an external air supply device (not shown).
  • a solid oxide fuel cell stack a solid polymer fuel cell stack, a phosphate fuel cell stack, a molten carbonate fuel cell stack, or the like may be applied without limitation.
  • the heating device of the steam generator 1100 may include a combustor 1400 as shown in FIG.
  • the combustor 1400 may burn the gas discharged from the fuel cell stack 1300 and supply it to the heating space 20 of the steam generator 1100 as a hot gas.
  • the combustor 1400 may supply thermal energy necessary for the reaction of the hydrocarbon fuel and the steam to the fuel reformer 1200.
  • a known combustion device may be applied without limitation.
  • the liquid water supplied to the vapor discharge space may be converted into water vapor using the thermal energy stored in the heat retention medium. Can be.

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Abstract

탄화수소 연료의 개질을 위한 수증기 발생 장치가 개시된다. 수증기 발생 장치는 챔버, 챔버 내부의 공간을 수증기 배출 공간 및 가열 공간으로 분할하는 공간 구획 부재, 외부 물 공급 장치가 이동하고 수증기 배출 공간에 위치하는 단부를 구비하며 가열 공간을 경유하는 튜브관 및 가열 공간에 열에너지를 공급하는 가열장치를 구비한다. 이러한 수증기 발생 장치는 연료 개질 장치에 안정적으로 균일하게 수증기를 공급할 수 있다.

Description

수증기 발생 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
본 발명은 탄화수소 연료를 개질하는 연료 개질 장치에 안정적으로 수증기를 공급하는 수증기 발생 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소의 반응을 이용하여 전기를 생성한다. 이러한 연료전지는 수소를 직접 사용하는 경우에 가장 효율이 높으나 이를 위해 수소저장탱크를 연료전지가 설치되는 곳에 직접 설치하는 것은 안전성에 많은 문제를 초래한다. 따라서 현재에는 탄화수소 연료를 개질하여 수소를 생성하고 이를 연료전지의 연료로 사용한다.
이러한 탄화수소 연료를 개질하는 방법으로 수증기와 탄화수소 연료를 반응시켜 수소를 생성하는 수증기 개질 방법이 주로 사용되고 있다. 이러한 수증기 개질 방법에서는 수증기와 탄화수소 연료의 반응에 의해 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등이 주로 생성되고 이들이 연료전지에 연료가스로 공급된다.
하지만, 이러한 수증기 개질 방법에 있어서, 수증기의 양이 탄화수소 연료 양에 비해 적거나 반응 온도가 낮아지는 경우 이들의 반응에 의해 연료전지의 전극을 급격하게 훼손할 수 있는 탄소(C)가 생성되는 문제점이 있다. 따라서 이러한 탄소(C)의 생성을 방지하기 위해서는, 탄화수소 연료와 수증기의 반응이 일어나는 연료 개질 장치에 수증기를 안정적이고 균일하게 제공하여야 한다.
본 발명의 일 목적은 연료 개질 장치에 수증기를 안정적으로 균일하게 제공할 수 있는 수증기 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 수증기 발생 장치를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 수증기 발생 장치는 내부 공간을 구비하는 챔버; 상기 챔버의 내부에 배치되고, 상기 내부 공간을 수증기 배출 공간 및 가열 공간으로 분할하는 공간 구획 부재; 외부 물 공급 장치에 연결된 제1 단부 및 상기 수증기 배출 공간에 위치하는 제2 단부를 구비하고, 상기 가열 공간을 경유하는 튜브관; 및 상기 가열 공간에 열에너지를 공급하는 가열장치를 포함한다. 이 경우, 상기 챔버는 상기 수증기 배출 공간을 연료 개질 장치에 연결하는 수증기 배출구를 구비할 수 있다.
상기 가열장치는 상기 가열 공간에 고온 가스를 공급하는 고온가스 공급장치를 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 챔버는 상기 가열 공간과 상기 고온가스 공급장치로부터 상기 고온 가스가 주입되는 가스 주입구 및 상기 가열 공간으로부터 상기 고온 가스가 배출되는 가스 배출구를 구비할 수 있다. 이와 달리, 상기 가열장치는 상기 가열 공간을 형성하는 상기 챔버의 측벽에 설치된 전열 히터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수증기 발생 장치는 상기 수증기 배출 공간 내에 배치되고, 상기 챔버 및 상기 공간 구획 부재보다 큰 비열(specific heat)을 갖는 물질을 포함하는 열보유 매체를 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 열보유 매체는 복수의 비드들을 포함하거나 발포체 또는 메쉬 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수증기 배출 공간은 상기 수증기 배출구와 연결된 제1 공간 및 상기 제1 공간의 하부에 위치하고 상기 열보유 매체가 배치되는 제2 공간을 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 제2 공간은 상부측이 상기 제1 공간과 연결되고 측부 또는 바닥부가 상기 가열 공간에 의해 둘러싸이도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 공간 구회 부재는 가운데 부분에 형성된 개구부를 구비하고, 상기 챔버의 측벽에 결합되며, 상기 제1 공간과 상기 가열 공간을 사이에 위치하는 제1 구획부; 및 상기 개구부로부터 하부로 연장되어 상기 제2 공간을 형성하고, 상기 제2 공간과 상기 가열 공간 사이에 위치하는 제2 구획부를 포함할 수 있다. 이 경우, 중력에 의해 상기 제1 구획부의 상부면에 떨어진 액체 물이 상기 제2 공간으로 이동하도록 상기 제1 구획부의 상부면은 상기 제2 공간 방향으로 기울어지도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수증기 발생 장치는 상기 제2 공간 내에 배치되어 상기 제2 공간에 존재하는 액체 물을 감지하는 물 감지기를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 물 감지기는 상기 제2 공간 내에 배치된 온도 측정기 또는 액체 감지기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 튜브관 중 상기 가열 공간 내부에 위치하는 부분은 상기 제2 공간을 둘러싸는 코일 형태로 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 물 공급 장치로부터 제공된 액체 물을 수증기로 변환하는 수증기 발생 장치; 상기 수증기 발생 장치로부터 제공받은 수증기 및 탄화수소 연료를 반응시켜 수소를 포함하는 연료 가스를 생성하는 연료 개질 장치; 및 상기 연료 개질 장치로부터 제공된 상기 연료 가스 및 외부 공기 공급 장치로부터 제공된 공기를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지 스택을 포함한다. 그리고 상기 수증기 발생 장치는 내부 공간을 구비하는 챔버; 상기 챔버의 내부에 배치되고, 상기 내부 공간을 수증기 배출 공간 및 가열 공간으로 분할하는 공간 구획 부재; 상기 물 공급 장치에 연결된 제1 단부 및 상기 수증기 배출 공간에 위치하는 제2 단부를 구비하고, 상기 가열 공간을 경유하는 튜브관; 및 상기 가열 공간에 열에너지를 공급하는 가열장치를 포함하고, 상기 챔버는 상기 수증기 배출 공간을 상기 연료 개질 장치에 연결하는 수증기 배출구를 구비한다.
상기에서 설명한 수증기 발생 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 따르면, 연료전지 시스템의 안정성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 수증기 발생 장치의 튜브관을 연료 개질 장치에 직접 연결하지 않고 챔버의 수증기 배출 공간을 통하여 연결함으로써, 연료 개질 장치에 수증기를 균일하게 제공할 수 있을 뿐만 아니라 고온 가스의 온도 감소나 가열장치의 고장 등에 이상 상황 발생에 의해 튜브관에서 액체 물이 수증기로 변환되지 않은 경우에도 액체 물이 연료 개질 장치에 공급되는 것을 방지할 수 있다.
그리고 상기 챔버의 수증기 배출 공간에 열보유 매체를 배치시킴으로써 상기와 같은 이상 상황이 발생된 경우에도 상기 열보유 매체가 저장하고 있는 열에너지를 이용하여 상기 수증기 배출 공간에 공급된 액체 물을 수증기로 변환할 수 있다.
또한 상기 챔버의 수증기 배출 공간에 물 감지기를 설치함으로써 상기와 같은 이상 상황의 발생을 조기에 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수증기 발생장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
<수증기 발생장치(Steam Generator)>
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수증기 발생장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수증기 발생장치(100)는 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 천연가스(natural gas), 석탄가스(coal gas) 등 화학적으로 수소를 함유하는 탄화수소 연료로부터 연료 전지의 반응에 필요한 수소를 생성하는 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 수증기를 제공할 수 있다. 일 실시예로, 상기 탄화수소 연료로서 메탄(CH4)이 공급되는 경우, 상기 연료 개질 장치는 하기 반응식 1에 따라 상기 메탄과 상기 수증기 발생장치(100 및 도 2의 1100)로부터 공급된 수증기를 반응시켜 상기 수소를 생성할 수 있다.
[반응식 1]
Figure PCTKR2016001572-appb-I000001
이러한 반응과 함께 상기 연료 개질 장치 내부에서의 반응 온도 및 수증기와 탄소 성분의 비에 따라 하기 반응식 2와 같은 탄소(C)를 생성하는 부반응이 일어날 수 있고, 이와 같이 생성된 탄소가 연료전지 스택(도 2의 1300)에 공급되는 경우 연료전지의 연료극을 훼손하여 연료전지의 성능을 급격하게 저하시킬 수 있다. 따라서 이러한 탄소 생성 부반응을 억제하기 위해서는 상기 연료 개질 장치에 수증기를 안정적으로 공급하여야 한다.
[반응식 2]
Figure PCTKR2016001572-appb-I000002
본 발명의 실시예에 따른 상기 수증기 발생장치(100)는 챔버(110), 공간 구획 부재(120), 튜브관(130) 및 가열 장치(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 챔버(110)는 내부 공간(10, 20)을 구비할 수 있고, 상기 공간 구획 부재(120)는 상기 챔버(110) 내부에 배치되어 상기 챔버(110)의 내부 공간(10, 20)을 2개의 공간, 즉, 수증기 배출 공간(10)과 가열 공간(20)으로 분할할 수 있다. 그리고 상기 챔버(110) 중 상기 수증기 배출 공간(10)을 형성하는 부분에는 수증기가 배출되는 수증기 배출구(111)가 형성될 수 있고, 이러한 수증기 배출구(111)는 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 연결될 수 있다.
상기 챔버(110)와 상기 공간 구획 부재(120)는 고온에서 안정한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 챔버(110) 및 상기 공간 구획 부재(120)는 서로 독립적으로 고온에서 안정한 금속, 합금, 세라믹, 금속 복합체, 금속과 세라믹의 복합체 등의 재질로 형성될 수 있다. 한편, 상기 챔버(110)와 상기 공간 구획 부재(120)는 서로 동일한 재질로 형성될 수도 있고 서로 다른 재질로 형성될 수도 있다.
상기 튜브관(130)은 상기 챔버(110) 외부에서 외부의 물 공급 장치(미도시)에 연결되는 제1 단부 및 상기 수증기 배출 공간(10) 내에 위치하는 제2 단부를 구비하고, 상기 가열 공간(20)을 경유하여 상기 수증기 배출 공간(10)까지 연장되도록 배치될 수 있다. 상기 튜브관(130)을 상기와 같이 설치하는 경우, 상기 외부의 물 공급 장치로부터 상기 튜브관(130)에 공급된 물은 상기 가열 공간(20)을 이동하면서 수증기로 변환되고, 변환된 수증기는 상기 수증기 배출 공간(10) 내에 배출될 수 있다. 그리고 상기 튜브관(130)으로부터 상기 수증기 배출 공간(10) 내에 배출된 수증기는 상기 수증기 배출구(111)를 통해 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)로 공급될 수 있다.
상기 가열장치(미도시)는 상기 튜브관(130)을 이동하는 물을 수증기로 변환하기 위하여 상기 가열 공간(20)에 열에너지를 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가열장치는 상기 가열 공간에 고온 가스가 공급하는 고온가스 공급장치(도 2의 1400 참조)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 챔버(110) 중 상기 가열 공간(20)을 형성하는 부분에는 상기 고온가스 공급장치로부터 고온 가스가 주입되는 가스 공급구(112a) 및 상기 가열 공간(20)으로부터 고온 가스가 배출되는 가스 배출구(112b)가 형성될 수 있다. 상기 가열 공간(20)의 온도를 상승시킬 수 있다면, 상기 고온 가스는 특별히 제한되지 않는다. 일 예로, 상기 고온 가스로는 연료전지 스택(도 2의 1300)에서 배출된 가스를 사용할 수 있다. 즉, 상기 가열장치는 상기 연료전지 스택에서 배출된 가스를 연소기(도 2의 1400) 등을 이용하여 연소시킨 후 송풍기 등을 통해 연소된 고온 가스를 상기 가열 공간(20)에 공급할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 가열장치는 상기 가열 공간(20)을 형성하는 상기 챔버(110)의 측벽에 설치된 전열 히터 등을 포함할 수 있다.
이와 같이 상기 튜브관(130)을 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 직접 연결하지 않고 상기 챔버(110)의 수증기 배출 공간(10)을 통하여 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 연결하는 경우, 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 수증기를 균일하게 제공할 수 있을 뿐만 아니라 고온 가스의 온도 감소나 가열장치의 고장 등과 같은 이상 상황 발생에 의해 수증기로 변환되지 않은 액체 물이 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 공급되는 것을 방지할 수 있다.
일반적으로 외부의 물 공급 장치(미도시)는 펌프 장치를 이용하여 물을 상기 튜브관(130)에 공급하므로, 상기 튜브관(130)을 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 직접 연결하는 경우 상기 펌프 장치의 맥동에 의해 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 공급되는 수증기 또한 상기 펌프 장치의 맥동에 따라 불균일하게 공급된다. 하지만, 본 발명에서와 같이 상기 튜브관(130)을 상기 챔버(110)의 수증기 배출 공간(10)을 통하여 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 연결하는 경우, 상기 수증기 배출 공간(10)이 상기 펌프 장치의 맥동을 완화시키는 기능을 하므로, 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 보다 균일하게 수증기를 공급할 수 있다.
그리고 상기 튜브관(130)을 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 직접 연결하는 경우, 고온 가스의 온도 감소나 가열 장치의 고장 등과 같은 이상 상황의 발생으로 액체 물이 직접 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 공급될 수 있고, 이 경우, 탄화수소 연료와 반응할 수 있는 수증기의 양이 감소할 뿐만 아니라 탄화수소 연료와 수증기의 반응 온도가 낮아지므로 반응식 2와 같이 연료전지 전극을 훼손할 수 있는 탄소가 과량으로 생성될 수 있다. 하지만, 본 발명에서와 같이 상기 튜브관(130)을 상기 챔버(110)의 수증기 배출 공간(10)을 통하여 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 연결하는 경우, 상기 챔버(110)의 수증기 배출 공간(10)에 상기 액체 물이 저장되고 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 액체 물이 공급되지 않으므로 상기와 같은 탄소의 생성을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 수증기 발생장치(100)는 상기 수증기 배출 공간(10) 내에 배치되고, 상기 챔버(110)나 상기 공간 구획 부재(120)보다 큰 비열(specific heat)을 갖는 물질로 이루어진 열보유 매체(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 열보유 매체(140)는 상기 챔버(110)의 가열 공간(20)에 공급된 열에너지를 흡수하여 저장할 수 있고, 상기 고온 가스의 온도 감소나 가열장치의 고장 등과 같은 이상 상황 발생으로 상기 튜브관(130)에서 액체 물이 수증기로 변환되지 않는 경우, 상기 열보유 매체(140)가 저장하고 있는 열에너지를 이용하여 상기 수증기 배출 공간(10)에 공급된 액체 물을 수증기로 변환할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 열보유 매체(140)는 상대적으로 높은 비열을 갖는 세라믹, 금속, 고온내성의 폴리머 등으로 형성될 수 있고, 상기 액체 물과의 접촉 면적이 크도록 복수의 비드(bead)를 포함도록 구성되거나 발포체(foam) 또는 메쉬(mesh) 구조를 가지도록 구성 수 있다.
이와 같이 상기 열보유 매체(140)가 상기 수증기 배출 공간(10) 내에 배치될 경우, 상기 수증기 배출 공간(10)은 상기 수증기 배출구(111)와 직접 연결되는 제1 공간(10a) 및 상기 제1 공간(10a)의 하부에 위치하고 상기 열보유 매체(140)가 배치되는 제2 공간(10b)을 포함할 수 있다. 상기 제2 공간(10b)에 배치된 상기 열보유 매체(140)에 상기 가열 공간(20)에 제공된 열을 효과적으로 공급하기 위하여, 상기 제2 공간(10b)은 상부측이 상기 제1 공간(10a)과 연결되고 측부 및/또는 바닥부가 상기 가열 공간(20)에 의해 둘러싸이도록 형성될 수 있다. 이와 같이, 상기 열보유 매체(140)를 수용할 수 있고 상기 가열 공간(20)으로부터 열에너지를 효과적으로 제공받을 수 있다면 상기 제2 공간(10b)의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 제2 공간(10b)은 상기 가열 공간(20)에 의해 측부 및 바닥부가 둘러싸인 원기둥, 사각기둥, 원뿔, 사각뿔 등의 형상을 가지거나 기타 다양한 부정형의 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 공간(10) 및 제2 공간(20)을 형성하기 위하여, 상기 공간 구획 부재(120)는 제1 구획부(121) 및 제2 구획부(122)를 포함할 수 있다. 상기 제1 구획부(121)는 가운데 부분에 형성된 소정 형상의 개구부를 구비하고, 상기 챔버(110)의 측벽에 결합되며, 상기 제1 공간(10a)과 상기 가열 공간(20)을 구획할 수 있다. 상기 제2 구획부(122)는 상기 제1 구획부(121)의 개구부로부터 하부로 연장된 상기 제2 공간(10b)을 형성하고, 상기 제2 공간(10b)과 상기 가열 공간(20)을 구획할 수 있다. 일 실시예로, 중력에 의해 상기 제1 구획부(121)의 상부면에 떨어진 액체 물을 상기 제2 공간(10b)으로 이동시키기 위하여, 상기 제1 구획부(121)의 상부면은 상기 제2 공간(10b) 방향으로 기울어지도록 경사지게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 수증기 발생장치(100)는 상기 제2 공간(10b) 내에 배치되어 상기 제2 공간(10b)에 존재하는 액체 물을 감지할 수 있는 물 감지기(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 고온 가스의 온도 감소나 가열장치의 고장 등과 같은 이상 상황의 발생으로 상기 튜브관(130)에서 액체 물이 수증기로 변환되지 않는 경우, 상기 이상 상황 발생 초기에는 상기 열보유 매체(140)에 저장된 열에너지를 이용하여 생성된 수증기가 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 공급되나, 일정 시간이 경과하면 상기 열보유 매체(140)도 냉각되어 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 수증기가 공급되지 않는 문제점이 발생할 수 있다. 이와 같이 상기 연료 개질 장치(도 2의 1200)에 수증기가 공급되지 않는 경우, 앞에서 설명한 바와 같이 연료전지의 연료극을 훼손시키는 탄소가 다량으로 생성될 수 있다. 상기 물 감지기(150)는 상기 제2 공간(10b)에 존재하는 액체 물을 감지함으로써 상기와 같은 이상 상황의 발생을 조기에 알려줄 수 있으므로, 연료전지 시스템의 안정성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
상기 제2 공간(10b)에 존재하는 액체 물을 감지할 수 있다면, 상기 물 감지기(150)의 구성은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 물 감지기(150)는 상기 제2 공간(10b)의 온도를 측정할 수 있는 온도 측정기, 상기 제2 공간(10b)에 존재하는 액체를 감지할 수 있는 액체 감지기 등을 포함할 수 있다.
한편, 상기 가열 공간(20)에 공급된 열에너지를 이용하여 액체 물을 수증기로 변환할 수 있다면, 상기 가열 공간(20) 내부에 배치된 튜브관(130)의 구조는 특별히 제한되지 않는다. 일 실시예로, 상기 수증기 배출 공간(10)이 상기와 같이 제1 공간(10a) 및 제2 공간(10b)을 포함하는 경우, 상기 가열 공간(20) 내부에 배치된 튜브관(130) 부분은 열교환 면적을 증가시키기 위하여 상기 제2 공간(10b)을 둘러싸는 코일 형태로 배치될 수 있다.
<연료전지 시스템(Fuel Cell System)>
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(1000)은 수증기 발생장치(1100), 연료 개질 장치(1200) 및 연료전지 스택(1300)을 포함할 수 있다.
상기 수증기 발생장치(1100)는 외부 물 공급 장치(미도시)로 부터 액체 물을 공급받아 이를 수증기로 변환 후 상기 연료 개질 장치(1200)로 공급한다. 상기 수증기 발생장치(1100)로는 도 1을 참조하여 설명한 수증기 발생장치(100)가 적용될 수 있으므로 이에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
상기 연료 개질 장치(1200)는 외부 연료 공급 장치(미도시)로부터 공급된 탄화수소 연료 및 상기 수증기 발생장치(1100)로부터 공급된 수증기를 반응시켜 수소를 포함하는 연료 가스를 생성할 수 있다. 이러한 연료 개질 장치(1200)로는 공지의 또는 앞으로 개발될 연료 개질 장치가 제한 없이 적용될 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 연료전지 스택(1300)은 상기 연료 개질 장치(1200)로부터 제공된 연료가스의 수소 및 외부 공기 공급 장치(미도시)로부터 제공된 공기의 산소를 이용하여 전기를 생성할 수 있다. 이러한 연료전지 스택(1300)으로는 고체산화물형 연료전지 스택, 고체 고분자형 연료전지 스택, 인산형 연료전지 스택, 용융탄산염형 연료전지 스택 등이 제한 없이 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(1000)에 있어서, 상기 수증기 발생 장치(1100)의 가열장치는 도 2에 도시된 바와 같은 연소기(1400)를 포함할 수 있다.
상기 연소기(1400)는 상기 연료전지 스택(1300)에서 배출된 가스를 연소시켜 이를 상기 수증기 발생 장치(1100)의 가열 공간(20)에 고온 가스로 공급할 수 있다. 또한, 상기 연소기(1400)는 상기 연료 개질 장치(1200)에 상기 탄화수소 연료와 상기 수증기의 반응에 필요한 열에너지를 공급할 수 있다. 이러한 연소기(1400)로는 공지의 연소 장치가 제한 없이 적용될 수 있다.
상기에서 설명한 수증기 발생 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 따르면, 연료전지 시스템의 안정성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 수증기 발생 장치의 튜브관을 연료 개질 장치에 직접 연결하지 않고 챔버의 수증기 배출 공간을 통하여 연결함으로써, 연료 개질 장치에 수증기를 균일하게 제공할 수 있을 뿐만 아니라 고온 가스의 온도 감소나 가열장치의 고장 등에 이상 상황 발생에 의해 튜브관에서 액체 물이 수증기로 변환되지 않은 경우에도 액체 물이 연료 개질 장치에 공급되는 것을 방지할 수 있다.
그리고 상기 챔버의 수증기 배출 공간에 열보유 매체를 배치시킴으로써 상기와 같은 이상 상황이 발생된 경우에도 상기 열보유 매체가 저장하고 있는 열에너지를 이용하여 상기 수증기 배출 공간에 공급된 액체 물을 수증기로 변환할 수 있다.
또한 상기 챔버의 수증기 배출 공간에 물 감지기를 설치함으로써 상기와 같은 이상 상황의 발생을 조기에 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 내부 공간을 구비하는 챔버;
    상기 챔버의 내부에 배치되고, 상기 내부 공간을 수증기 배출 공간 및 가열 공간으로 분할하는 공간 구획 부재;
    외부 물 공급 장치에 연결된 제1 단부 및 상기 수증기 배출 공간에 위치하는 제2 단부를 구비하고, 상기 가열 공간을 경유하는 튜브관; 및
    상기 가열 공간에 열에너지를 공급하는 가열장치를 포함하고,
    상기 챔버는 상기 수증기 배출 공간을 연료 개질 장치에 연결하는 수증기 배출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 수증기 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열장치는 상기 가열 공간에 고온 가스를 공급하는 고온가스 공급장치를 포함하고,
    상기 챔버는 상기 가열 공간과 상기 고온가스 공급장치로부터 상기 고온 가스가 주입되는 가스 주입구 및 상기 가열 공간으로부터 상기 고온 가스가 배출되는 가스 배출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 수증기 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열장치는 상기 가열 공간을 형성하는 상기 챔버의 측벽에 설치된 전열 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수증기 배출 공간 내에 배치되고, 상기 챔버 및 상기 공간 구획 부재보다 큰 비열(specific heat)을 갖는 물질을 포함하는 열보유 매체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 발생 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열보유 매체는 복수의 비드들을 포함하거나 발포체 또는 메쉬 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수증기 발생 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 수증기 배출 공간은 상기 수증기 배출구와 연결된 제1 공간 및 상기 제1 공간의 하부에 위치하고 상기 열보유 매체가 배치되는 제2 공간을 포함하고,
    상기 제2 공간은 상부측이 상기 제1 공간과 연결되고 측부 또는 바닥부가 상기 가열 공간에 의해 둘러싸이도록 형성된 것을 특징으로 하는 수증기 발생 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공간 구회 부재는,
    가운데 부분에 형성된 개구부를 구비하고, 상기 챔버의 측벽에 결합되며, 상기 제1 공간과 상기 가열 공간을 사이에 위치하는 제1 구획부; 및
    상기 개구부로부터 하부로 연장되어 상기 제2 공간을 형성하고, 상기 제2 공간과 상기 가열 공간 사이에 위치하는 제2 구획부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 발생 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    중력에 의해 상기 제1 구획부의 상부면에 떨어진 액체 물이 상기 제2 공간으로 이동하도록 상기 제1 구획부의 상부면은 상기 제2 공간 방향으로 기울어진 것을 특징으로 하는 수증기 발생 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2 공간 내에 배치되어 상기 제2 공간에 존재하는 액체 물을 감지하는 물 감지기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 발생 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 물 감지기는 상기 제2 공간 내에 배치된 온도 측정기 또는 액체 감지기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 발생 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 튜브관 중 상기 가열 공간 내부에 위치하는 부분은 상기 제2 공간을 둘러싸는 코일 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 수증기 발생 장치.
  12. 물 공급 장치로부터 제공된 액체 물을 수증기로 변환하는 수증기 발생 장치;
    상기 수증기 발생 장치로부터 제공받은 수증기 및 탄화수소 연료를 반응시켜 수소를 포함하는 연료 가스를 생성하는 연료 개질 장치; 및
    상기 연료 개질 장치로부터 제공된 상기 연료 가스 및 외부 공기 공급 장치로부터 제공된 공기를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지 스택을 포함하고,
    상기 수증기 발생 장치는,
    내부 공간을 구비하는 챔버;
    상기 챔버의 내부에 배치되고, 상기 내부 공간을 수증기 배출 공간 및 가열 공간으로 분할하는 공간 구획 부재;
    상기 물 공급 장치에 연결된 제1 단부 및 상기 수증기 배출 공간에 위치하는 제2 단부를 구비하고, 상기 가열 공간을 경유하는 튜브관; 및
    상기 가열 공간에 열에너지를 공급하는 가열장치를 포함하며,
    상기 챔버는 상기 수증기 배출 공간을 상기 연료 개질 장치에 연결하는 수증기 배출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가열장치는 상기 연료전지 스택에서 배출된 가스를 연소시켜 이를 상기 가열 공간에 공급하는 연소기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 수증기 발생 장치는 상기 수증기 배출 공간 내에 배치되고, 상기 챔버 및 상기 공간 구획 부재보다 큰 비열(specific heat)을 갖는 물질을 포함하는 열보유 매체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 수증기 발생 장치는 상기 수증기 배출 공간 내에 배치되어 상기 수증기 배출 공간에 존재하는 액체 물을 감지하는 물 감지기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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