WO2019209045A1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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이준우
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Mico Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system for generating electrical energy using hydrocarbon fuel and air.
  • 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.
  • high-temperature operating fuel cell systems such as solid oxide fuel cells (SOFC) or molten carbonate fuel cells (MCFC), etc.
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • MCFC molten carbonate fuel cells
  • a fuel cell system for solving the object of the present invention including a plurality of unit cells for generating electrical energy using the oxygen of the air and hydrogen of the reformed fuel gas; Combustion unit for combusting the unreacted fuel gas and air discharged from the fuel cell module, disposed in the upper portion of the combustion unit by heating the air through heat exchange with the flame and hot combustion gas generated from the combustion unit and the fuel cell
  • a first module including an air heating unit for supplying the module and a water vapor generating unit disposed below the air heating unit and adjacent to the combustion unit to convert water moving inside through heat exchange with the hot combustion gas into water vapor;
  • a fuel cell module disposed adjacent to the first module, mixing a fuel supplied from an external fuel source and steam supplied from the steam generator, performing a steam reforming reaction, and supplying the reformed fuel gas to the fuel cell module.
  • a second module for a fuel supplied from an external fuel source and steam supplied from the steam generator, performing a steam reforming reaction, and supplying the reformed fuel gas to the fuel
  • the air heating unit includes a first receiving container having a first inner space and a bottom portion formed with a first opening and a second opening spaced apart from each other to expose the first inner space; And a heat exchange pipe disposed in the first internal space, the heat exchange pipe having an inlet connected to an external air supply source and an outlet connected to the fuel cell module, wherein the combustion unit is opened upwardly and is opened through the first opening.
  • An outer case having a second inner space connected to the space and coupled to a bottom of the first storage container;
  • An inner case disposed in the second inner space and having a third inner space that increases in area toward an upper portion thereof and has a third inner space opened upwardly, and includes a sidewall portion having through holes connecting the second inner space and the third inner space;
  • An ignition device disposed in the inner case;
  • a fuel supply pipe coupled to the inner case and supplying the unreacted fuel gas discharged from the fuel cell module to the third internal space;
  • an air supply pipe coupled to the outer case and supplying the unreacted air discharged from the fuel cell module to the second inner space, wherein the steam generator generates the first inner space through the second opening.
  • a second accommodating container having a fourth inner space connected thereto and coupled to a bottom portion of the first accommodating container to be disposed adjacent to the outer case; And a vaporization pipe disposed in the fourth inner space and having an inlet connected to an external water supply source and an outlet connected to the second module.
  • the first receiving container may further include a fluid guide plate disposed to protrude from the bottom to a first height.
  • the first height may be smaller than the height of the first internal space, and the width of the fluid guide plate may be equal to the width of the first internal space.
  • the heat exchange pipe may include a plurality of straight pipe portions and a bent portion connecting the straight pipe portions, and at least some of the straight pipe portions may pass through the fluid guide plate.
  • the combustion device may further include a diffusion mesh network disposed on the outlet side of the fuel supply pipe to diffuse the unreacted fuel gas discharged from the fuel supply pipe.
  • an area of the second opening may be smaller than an area of the upper surface of the fourth internal space.
  • the second storage container may be arranged to contact the outer case.
  • the second receiving container may have a combustion gas outlet for discharging the combustion gas supplied from the first internal space to the outside through the second opening.
  • the second module comprises: a mixer for mixing fuel supplied from the external fuel supply and steam supplied from the steam generator; A first heat exchanger disposed above the mixer and configured to heat a mixed fuel gas of the fuel and water vapor supplied from the mixer through heat exchange with a high temperature unreacted fuel gas supplied from the fuel cell module; A reformer disposed above the first heat exchanger and configured to perform a steam reforming reaction on the fuel gas supplied from the first heat exchanger to generate a reformed fuel gas; And a second heat exchanger disposed above the reformer and configured to heat the reformed fuel gas supplied from the reformer through heat exchange with high temperature unreacted air supplied from the fuel cell module and then supply the reformed fuel gas to the fuel cell module. It may include.
  • the second module may further include a storage container for receiving one or more of the mixer, the first heat exchanger, the reformer and the second heat exchanger.
  • the mixer comprises: an outer housing having an inner space and an outlet for connecting the inner space with the first heat exchanger; A first pulsation preventing plate disposed inside the outer housing and dividing the inner space into a first space and a remaining space, and having first through holes formed therein; A second space disposed above the first pulsation preventing plate inside the outer housing and connecting the remaining space to the first heat exchanger through the outlet, and a third space located between the first space and the second space; A second pulsation preventing plate divided into and formed with second through holes; And an inner housing disposed above the second pulsation preventing plate inside the outer housing, forming a fourth space inside the second space, and having third through holes connecting the second space and the fourth space.
  • the water vapor is supplied to one of the first space and the fourth space, the fuel may be supplied to the other one.
  • the mixer may include: a steam supply pipe coupled to the outer housing to be connected to the first space and receiving the water vapor from the water vapor generating unit and supplying the water vapor to the first space; And a fuel supply pipe coupled to the outer housing and the inner housing so as to be connected to the fourth space and supplying the fuel supplied from the fuel supply source to the fourth space.
  • each of the first and second pulsation preventing plates includes a central region and a peripheral region surrounding the central region, wherein the first through hole is formed in the central region of the first pulsation preventing plate and The second through hole may be formed in the peripheral area of the second pulsation preventing plate.
  • the fourth space may be disposed above the central region of the second pulsation preventing plate.
  • an air heating unit, a combustion unit, and a steam generating unit are collected and first modularized, and a mixer, a first heat exchanger, a reformer, and a second heat exchanger are collected and second modularized to connect the pipes to connect them.
  • a mixer, a first heat exchanger, a reformer, and a second heat exchanger are collected and second modularized to connect the pipes to connect them.
  • the fuel cell is equipped with a first module for heating air and generating water vapor using a single combustion device that burns unreacted fuel gas and air, thereby providing a vaporizer capable of improving thermal efficiency and reducing pulsation.
  • the fuel gas can be supplied uniformly to the module.
  • the reforming efficiency and the electricity generation efficiency can be improved.
  • FIG. 1 is a view for explaining a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the first module shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view for describing an exemplary embodiment of the mixer illustrated in FIG. 1.
  • 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 view for explaining a fuel cell system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the first module shown in FIG.
  • a fuel cell system 1000 may include a fuel display module 1100, a first module 1200, and a second module 1300.
  • the fuel display module 1100, the first module 1200 and the second module 1300 may be disposed in a hot box (not shown) filled with a space therebetween by a heat insulating material. .
  • the fuel cell module 1100 may include a plurality of unit cells that generate electrical energy using oxygen of air and hydrogen of reformed fuel gas.
  • the unit cell may include an anode, a cathode, and an electrolyte positioned therebetween, and the fuel gas and oxygen (O 2 ) including hydrogen (H 2 ) in the anode and the cathode.
  • oxygen ions O 2 -reduced in the air electrode are moved to the fuel electrode via the electrolyte, and oxygen ions O 2- transferred to the fuel electrode are supplied to the fuel electrode H (H 2 ). 2 ) to react with water to generate water (H 2 O) and electrons (e ⁇ ), and the unit cell may generate electrical energy using the electrons generated through the reaction as described above.
  • the reaction of oxygen and hydrogen is an exothermic reaction, and the fuel cell module 1100 may release heat during a power generation mode that generates electrical energy.
  • the fuel cell module 1100 may include a solid oxide fuel cell (SOFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC) operating at a temperature of about 500 ° C. or more. Meanwhile, the fuel cell module 1110 may include a stack of planar unit cells, or may include a bundle of tubular or planar unit cells.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • the first module 1200 may heat air to supply the fuel cell module 1100, generate water vapor, and provide the vapor to the gas mixer 1310 of the second module 1300.
  • the first module 1200 may supply the heated air to the fuel cell module 1100 through a connection plate (not shown).
  • the connection plate may include the first pipe for supplying the hot air generated from the first module 1200 to the fuel cell module 1100 and the reformed fuel gas generated from the second module 1300. Passages for connecting a second pipe for supplying the fuel cell module 1100 to an air path and a fuel path inside the fuel cell module 1100 may be formed.
  • connection plate may be disposed under the fuel cell module 1100 to support the fuel cell module 1100.
  • the first and second modules 1100 and 1200 may be It may be arranged under the connecting plate.
  • connection plate may be disposed above the fuel cell module 1100, and in this case, the first and second modules 1100 and 1200 may be disposed above the connection plate.
  • first and second pipes may be directly connected to the fuel cell module 1100.
  • the first module 1200 may include an air heating unit 1210, a combustion unit 1220, and a steam generating unit 1230.
  • the air heating unit 1210 may heat the air supplied from the external air supply source 100 to supply the fuel cell module 1100.
  • the air heating unit 1210 may include a first receiving container 1211 and the heat exchange pipe 1212.
  • the first accommodating container 1211 may include an internal space, and the heat exchange pipe 1212 may be disposed in an internal space of the first accommodating container 1211.
  • the first opening 1211a and the first receiving container 1211 exposing the internal space of the first receiving container 1211 to the combustion unit 1220 on the bottom surface of the first receiving container 1211.
  • a second opening 1211b may be formed to expose the internal space of the vapor generating unit 1230.
  • the heat exchange pipe 1212 may have a meandering structure having a plurality of straight pipe portions and bent portions connecting them, and may have an inlet connected to an external air source 100 and an outlet connected to the fuel cell module 1100. have. In one embodiment, the inlet and outlet of the heat exchange pipe 1212 may be disposed outside the first receiving container 1211.
  • the heat exchange pipe 1212 may receive heat energy from the flame generated by the combustion unit 1220 and the hot combustion gas, and heat the air supplied from the external air supply source 100 using the heat energy.
  • the first receiving container 1211 is predetermined from the bottom to increase the residence time of the hot combustion gas supplied from the combustion unit 1220 in the first receiving container 1211.
  • the apparatus may further include a fluid guide plate 1213 disposed to protrude to a height.
  • the height of the fluid guide plate 1213 may be smaller than the height of the inner space of the first receiving container 1211, and the width of the fluid guide plate 1213 may be the same as the width of the inner space of the first receiving container 1211. have. In this case, a portion of the heat exchange pipe 1212 may be disposed to penetrate the fluid guide plate 1213.
  • the hot combustion gas supplied from the combustion unit 1220 is to stay in the first storage container 1211 for a relatively long time to further the heat exchange pipe 1212. It can supply a lot of heat energy.
  • the combustion unit 1220 may be disposed under the air heating unit 1210 and may burn unreacted fuel gas and air discharged from the fuel cell module 1100.
  • the combustion unit 1210 may include an outer case 1221, an inner case 1222, an ignition device 1223, a fuel supply pipe 1224, and an air supply pipe 1225.
  • the outer case 1221 may include an inner space that is open upward, and the inner space is inside the first storage container 1211 through the first opening 1211a of the first storage container 1211. It may be coupled to the bottom of the first receiving container 1211 to be connected to the space. In this case, the first opening 1211a of the first accommodating container 1211 may expose the entire inner space of the outer case 1221. If it has an inner space open to the top, and can be coupled to the bottom of the first storage container 1211, the structure of the outer case 1221 is not particularly limited. In an embodiment, the outer case 1221 may extend upwardly from an edge portion of the first bottom portion and the first bottom portion disposed to be spaced apart from the bottom portion of the first receiving container 1211, and the upper end portion of the outer case 1221 may be formed. 1 may include a first side wall portion coupled to the bottom of the receiving container 1211.
  • the inner case 1222 may be disposed inside the outer case 1221, and may have an inner space that increases in area toward an upper portion thereof and opens to an upper portion thereof.
  • the inner case 1221 may include a second bottom portion disposed on the first bottom portion, and a second sidewall extending inclined so that a cross-sectional area of the inner space increases from an edge portion of the second bottom portion to an upper portion thereof.
  • a through hole may be formed in the second sidewall part to allow outside air to flow into the inner space of the inner case 1221.
  • the ignition device 1223 may be disposed in the inner case 1221, and may ignite fuel and air supplied from the fuel supply pipe 1224 and the air supply pipe 1225.
  • a known ignition device may be applied without limitation.
  • the fuel supply pipe 1224 may be coupled to the inner case 1222, for example, the second bottom portion, and may receive unreacted fuel gas discharged from the fuel cell module 1100 in the inner case 1222. It can be supplied to the inner space of). In one embodiment, the high temperature unreacted fuel gas discharged from the fuel cell module 1100 is first supplied to the first heat exchanger 1320 of the second module 1300 to heat the mixed fuel gas through heat exchange. The fuel supply pipe 1224 may receive the unreacted fuel gas cooled through heat exchange from the first heat exchanger 1320 and supply it to the internal space of the inner case 1222.
  • the air supply pipe 1225 may be coupled to the outer case 1221, for example, the first side wall part, and receives unreacted air discharged from the fuel cell module 1100 from the outer case 1221.
  • the inner space of the inner case 1222 may be supplied to the outer space. Air supplied to the inner space of the outer case 1221 may be introduced into the inner space of the inner case 1222 through the through holes formed in the second side wall portion of the inner case 1222.
  • the high temperature unreacted air discharged from the fuel cell module 1100 is first supplied to the second heat exchanger 1340 of the second module 1300 to heat the reformed fuel gas through heat exchange.
  • the air supply pipe 1225 may receive unreacted air cooled through heat exchange from the second heat exchanger 1340, and supply the unreacted air to the inner space of the outer case 1221.
  • the combustion unit 1220 may further include a diffusion mesh network 1226 disposed at an outlet side of the fuel supply pipe 1224 to diffuse unreacted fuel gas supplied from the fuel supply pipe 1224. have.
  • the diffusion mesh network 1226 may be coupled to an upper surface of the second bottom portion of the inner case 1222.
  • the unreacted fuel gas includes a relatively low content of fuel.
  • the fuel When the fuel is diffused through the diffusion mesh network 1226, the fuel may be diffused to a larger area, and as a result, the combustion unit 1220. Can produce a larger area flame.
  • the inner space of the inner case 1222 forming the combustion space has a structure in which the cross-sectional area thereof increases toward the upper portion, and the diffusion mesh network 1226 is disposed on the outlet side of the fuel supply pipe 1224. Therefore, the combustion unit 1220 may generate a flame having a large area even when unreacted fuel gas having a relatively low fuel content and unreacted air having a relatively low oxygen content are supplied.
  • the flame generated from the combustion unit 1220 and the high temperature combustion gas reach the heat exchange pipe 1212 through the first opening 1211a of the first storage container 1211, and heat energy to the heat exchange pipe 1212. Can be supplied.
  • the area of the first opening 1211a may be equal to the area of the upper surface of the inner space of the outer case 1222.
  • the steam generating unit 1230 may be disposed adjacent to the combustion unit 1220 under the air heating unit 1210, and may be externally disposed through heat exchange with the hot combustion gas generated by the combustion unit 1220. Water supplied from the water source 300 may be converted into water vapor.
  • the steam generator 1230 may include a second storage container 1231 and a vaporization pipe 1232.
  • the second storage container 1231 has the first storage container 1211 such that an internal space is connected to an internal space of the first storage container 1211 through the second opening 1211b of the first storage container 1211. It may be coupled to the bottom of the).
  • the area of the second opening 1211b is inside the second storage container 1231 so that the hot combustion gas generated by the combustion unit 1220 can stay in the internal space of the first storage container 1211 for a long time. It may be smaller than the top surface area of the space.
  • an area of the second opening 1211b may be about 1/5 or more and 4/5 or less of an upper surface area of the inner space of the second storage container 1231.
  • the sidewall portion of the second storage container 1231 may contact the outer case 1221 of the combustion unit 1220.
  • the vaporization pipe 1232 may be disposed inside the second receiving container 1231, and may have an inlet connected to an external water supply source 300 and an outlet connected to the mixer 1310 of the second module 1300. Can be.
  • the vaporization pipe 1232 is generated by the combustion unit 1220 and supplies thermal energy from the hot combustion gas supplied into the second storage container 1231 via the inner space of the first storage container 1211. It can be used to convert the water moving inside to water vapor.
  • the steam generator 1230 may further include a central structure 1233 disposed in an inner space of the second storage container 1231 and wound around the vaporization pipe 1232 to reduce heat loss.
  • a combustion gas outlet 1231a may be formed in the second storage container 1231 to supply heat energy to the vaporization pipe 1232 and discharge the cooled combustion gas to the outside.
  • the second module 1300 mixes the fuel supplied from the external fuel supply source 200 and the steam supplied from the first module 1200, performs a steam reforming reaction, and converts the reformed fuel gas into the fuel cell module. 1100.
  • the fuel supplied from the fuel source 200 is methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H 10 ), natural gas (natural gas) And a hydrocarbon fuel chemically containing hydrogen, such as coal gas.
  • the second module 1300 may be disposed adjacent to the first module 1200 to minimize heat loss.
  • the second module 1300 may include a mixer 1310, a first heat exchanger 1320, a reformer 1330, and a second heat exchanger 1340.
  • the mixer 1310 is disposed adjacent to the combustion unit 1220 or the steam generating unit 1230 of the first module 1200, and the fuel is supplied from an external fuel supply source 200 and the steam generating unit 1230. And water vapor may be supplied to each of them, mixed with each other, and the mixed fuel gas may be provided to the first heat exchanger 1320.
  • the structure of the mixer 1310 will be described with reference to FIG. 3.
  • the first heat exchanger 1320 may be disposed above the mixer 1310.
  • the first heat exchanger 1320 may receive a fuel gas in which the fuel and water vapor are mixed from the mixer 1310, and heat the first heat exchanger 1320 to supply the reformer 1330. Can be.
  • the first heat exchanger 1320 may receive a high temperature unreacted fuel gas from the fuel cell module 1100 and exchange the fuel gas through heat exchange with the high temperature unreacted fuel gas. Can be heated.
  • the structure of the first heat exchanger 1320 is not particularly limited, and a known fuel cell heat exchanger structure may be applied without limitation.
  • the reformer 1330 is disposed above the first heat exchanger 1320, and may generate hydrogen from a portion of the fuel through steam reforming reaction as in Scheme 1 below, and converts the reformed fuel gas into the second heat exchanger. May be supplied to the unit 1340.
  • the structure of the reformer 1330 is not particularly limited, and a known steam reformer may be applied without limitation.
  • the second heat exchanger 1340 may be disposed above the reformer 1330, and heat the reformed fuel gas supplied from the reformer 1330 to supply the fuel cell module 1100.
  • the structure of the second heat exchanger 1340 is not particularly limited, and a known fuel cell heat exchanger may be applied without limitation.
  • the second heat exchanger 1340 may be supplied with the high temperature unreacted air from the fuel cell module 1100, and may receive the reformed fuel gas through heat exchange with the high temperature unreacted air. Can be heated.
  • the second module 1300 is one or more storage containers for each receiving at least one of the mixer 1310, the first heat exchanger 1320, the reformer 1330 and the second heat exchanger 1340, respectively. It may further include (not shown).
  • FIG. 3 is a cross-sectional view for describing an exemplary embodiment of the mixer illustrated in FIG. 1.
  • the mixer 1310 includes an outer housing 1311, a first pulsation preventing plate 1312a, a second pulsation preventing plate 1312b, an inner housing 1313, a steam supply pipe 1314, and a fuel. It may include a supply pipe 1315.
  • the outer housing 1311 may include an inner space, and may include an outlet 1311a for connecting the inner space with the first heat exchanger 1320.
  • the structure of the outer housing 1311 is not particularly limited, provided that an internal space for receiving fuel and water vapor from the external fuel source 200 and the vaporizer 1231 of the first module 1200 and mixing them may be provided. .
  • the first pulsation preventing plate 1312a and the second pulsation preventing plate 1312b are spaced apart and parallel to each other inside the outer housing 1311 so that the inner space is defined as the first space 10 and the second space. 20 and the third space 30 located therebetween.
  • the outlet 1311a of the outer housing 1311 may connect the second space 20 to the outside, and the first and second pulsation preventing plates 1312a and 1312b may have water vapor, fuel, or the like. Through-holes through which gas can pass may be formed.
  • the inner housing 1313 may be disposed above the second pulsation preventing plate 1312b and may form a fourth space 40 in the second space 20.
  • the inner housing 1313 includes a side wall portion extending upward from the second pulsation preventing plate 1312b and a cover portion covering an upper end of the side wall portion, and thus, the second pulsation preventing plate 1312b.
  • the fourth space 40 may be formed.
  • the cover part of the inner housing 1313 may have through holes through which gases such as water vapor and fuel may pass.
  • the steam supply pipe 1314 may be coupled to the outer housing 1311 so as to be connected to the first space 10, and from the vaporizer 1231 of the first module 1200. Received may be supplied to the first space 10.
  • the fuel supply pipe 1315 may be coupled to the outer housing 1311 and the inner housing 1313 so as to be connected to the fourth space 40, and the fuel supplied from the fuel supply source 200 may be connected to the fourth housing 40. Can be supplied to the fourth space 40.
  • the fuel supply pipe 1315 may be coupled to the outer housing 1311 so as to be connected to the first space 10, and the steam supply pipe 1314 may be connected to the fourth space. It may be coupled to the outer housing 1311 and the inner housing 1313 to be connected to the space 40.
  • the inner space of the outer housing 1311 is divided into a plurality of spaces using the pulsation preventing plates 1312a and 1312b having through holes formed therein, and when fuel and water vapor are supplied to different spaces, the supply pump or water vaporization. Fluctuations in the pressure generated in the process, that is, pulsation may reduce the irregular supply of fuel gas to the first heat exchanger 1320.
  • the through-holes have a central region C1 among the central region C1 and the peripheral region P1 surrounding the pulsation holes.
  • the through holes may be formed in the peripheral area P2 of the central area C2 and the surrounding area P2 surrounding the same.
  • the inner housing 1313 may be disposed above the center region C2 of the second pulsation preventing plate 1312b so that the fourth space 40 may not be directly connected to the third space 30.
  • an air heating unit, a combustion unit, and a steam generating unit are collected and first modularized, and a mixer, a first heat exchanger, a reformer, and a second heat exchanger are collected and second modularized to connect the pipes to connect them.
  • a mixer, a first heat exchanger, a reformer, and a second heat exchanger are collected and second modularized to connect the pipes to connect them.
  • the fuel cell is equipped with a first module for heating air and generating water vapor using a single combustion device that burns unreacted fuel gas and air, thereby providing a vaporizer capable of improving thermal efficiency and reducing pulsation.
  • the fuel gas can be supplied uniformly to the module.
  • the reforming efficiency and the electricity generation efficiency can be improved.

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Abstract

연료전지 시스템이 개시된다. 연료전지 시스템은 공기의 산소 및 개질된 연료가스의 수소를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 복수의 단전지를 포함하는 연료전지 모듈; 연료전지 모듈로부터 배출된 미반응 연료가스 및 공기를 연소시키는 연소부, 연소부로부터 생성된 화염 및 고온 연소가스와의 열교환을 통해 공기를 가열하여 이를 연료전지 모듈에 공급하는 공기 가열부 및 연소부로부터 생성된 고온 연소 가스와의 열교환을 통해 내부를 이동하는 물을 수증기로 변환시키는 수증기 생성부를 포함하는 제1 모듈; 및 외부 연료 공급원으로부터 공급된 연료 및 기화기로부터 공급된 수증기를 혼합한 후 수증기 개질 반응을 수행하고, 개질된 연료가스를 상기 연료전지 모듈에 공급하는 제2 모듈을 구비한다.

Description

연료전지 시스템
본 발명은 탄화수소 연료 및 공기를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 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.
한편, 고체산화물 연료전지(SOFC) 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC) 등과 같은 고온 작동 연료전지 시스템은 전기 생성 효율을 향상시키고 시스템을 안정적으로 작동시키기 위해, 연료 가스 및 공기를 일정한 온도 이상으로 가열하여 연료전지 모듈에 공급할 필요가 있다.
이러한 연료전지 시스템에 있어서, 개질된 연료가스를 연료전지 모듈에 안정적으로 균일하게 공급하고, 최소한의 연소장치를 이용하여 연료가스 및 공기를 가열하는 기술이 필요하다.
본 발명의 목적은 열효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 개질 효율 및 전기 생성 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 해결하기 위한 연료전지 시스템은, 공기의 산소 및 개질된 연료가스의 수소를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 복수의 단전지를 포함하는 연료전지 모듈; 상기 연료전지 모듈로부터 배출된 미반응 연료가스 및 공기를 연소시키는 연소부, 상기 연소부의 상부에 배치되고 상기 연소부로부터 생성된 화염 및 고온 연소가스와의 열교환을 통해 공기를 가열하여 이를 상기 연료전지 모듈에 공급하는 공기 가열부 및 상기 공기 가열부 하부에서 상기 연소부에 인접하게 배치되고 상기 고온 연소가스와의 열교환을 통해 내부를 이동하는 물을 수증기로 변환시키는 수증기 생성부를 포함하는 제1 모듈; 및 상기 제1 모듈에 인접하게 배치되고, 외부 연료 공급원으로부터 공급된 연료 및 상기 수증기 생성부로부터 공급된 수증기를 혼합한 후 수증기 개질 반응을 수행하고, 개질된 연료가스를 상기 연료전지 모듈에 공급하는 제2 모듈을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 공기 가열부는 제1 내부공간을 구비하고 상기 제1 내부공간을 노출시키고 서로 이격된 제1 개구부 및 제2 개구부가 형성된 바닥부를 포함하는 제1 수납용기; 및 상기 제1 내부공간에 배치되고, 외부 공기 공급원에 연결된 입구 및 상기 연료전지 모듈에 연결된 출구를 구비하는 열교환 배관을 포함하고, 상기 연소부는 상부로 개방되어 상기 제1 개구부를 통해 상기 제1 내부공간과 연결된 제2 내부공간을 구비하고 상기 제1 수납용기의 바닥부에 결합된 외부 케이스; 상기 제2 내부공간에 배치되고 상부로 갈수록 면적이 증가하고 상부로 개방된 제3 내부공간을 구비하고 상기 제2 내부공간과 상기 제3 내부공간을 연결하는 관통홀들이 형성된 측벽부를 포함하는 내부 케이스; 상기 내부 케이스 내부에 배치된 점화장치; 상기 내부 케이스에 결합되고 상기 연료전지 모듈로부터 배출된 상기 미반응 연료가스를 상기 제3 내부공간으로 공급하는 연료 공급 배관; 및 상기 외부 케이스에 결합되고, 상기 연료전지 모듈로부터 배출된 상기 미반응 공기를 상기 제2 내부공간으로 공급하는 공기 공급 배관을 포함하며, 상기 수증기 생성부는 상기 제2 개구부를 통해 상기 제1 내부공간과 연결된 제4 내부공간을 구비하고 상기 외부 케이스에 인접하게 배치되도록 상기 제1 수납용기의 바닥부에 결합된 제2 수납용기; 및 상기 제4 내부공간에 배치되고 외부 물 공급원과 연결된 입구 및 상기 제2 모듈과 연결된 출구를 구비하는 기화 배관을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 수납용기는 상기 바닥부로부터 제1 높이까지 돌출되도록 배치된 유체 가이드 플레이트를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 높이는 상기 제1 내부공간의 높이보다 작고, 상기 유체 가이드 플레이트의 폭은 상기 제1 내부공간의 폭과 동일할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열교환 배관은 복수의 직관부 및 상기 직관부들을 연결하는 굴곡부를 포함하고, 상기 직관부들 중 적어도 일부는 상기 유체 가이드 플레이트를 관통할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연소장치는 상기 연료 공급 배관의 출구 측에 배치되어 상기 연료 공급 배관으로부터 배출되는 상기 미반응 연료가스를 확산시키는 확산 메쉬망을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 개구부의 면적은 상기 제4 내부공간의 상부면 면적보다 작을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 수납용기는 상기 외부 케이스와 접촉하도록 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 수납용기는 상기 제2 개구부를 통해 상기 제1 내부공간으로부터 공급된 연소가스를 외부로 배출하는 연소가스 배출구를 구비할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 모듈은, 상기 외부 연료 공급원으로부터 공급된 연료 및 상기 수증기 생성부로부터 공급된 수증기를 혼합하는 혼합기; 상기 혼합기의 상부에 배치되고, 상기 연료전지 모듈로부터 공급된 고온의 미반응 연료가스와의 열교환을 통해 상기 혼합기로부터 공급된 상기 연료 및 수증기의 혼합 연료가스를 가열하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기 상부에 배치되고, 상기 제1 열교환기로부터 공급된 상기 연료가스에 대해 수증기 개질반응을 수행하여 개질 연료가스를 생성하는 개질기; 및 상기 개질기 상부에 배치되고, 상기 연료전지 모듈로부터 공급된 고온의 미반응 공기와의 열교환을 통해 상기 개질기로부터 공급된 상기 개질 연료가스를 가열한 후 이를 상기 연료전지 모듈에 공급하는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 모듈은 상기 혼합기, 상기 제1 열교환기, 상기 개질기 및 상기 제2 열교환기 중 하나 이상을 수용하는 수납용기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 혼합기는, 내부공간 및 상기 내부공간을 상기 제1 열교환기와 연결하기 위한 배출구를 구비하는 외부 하우징; 상기 외부 하우징 내부에 배치되어 상기 내부공간을 제1 공간 및 잔여공간으로 분할하고, 제1 관통홀들이 형성된 제1 맥동 방지 플레이트; 상기 외부 하우징 내부에서 상기 제1 맥동 방지 플레이트 상부에 배치되어 상기 잔여공간을 상기 배출구를 통해 상기 제1 열교환기와 연결되는 제2 공간 및 상기 제1 공간과 상기 제2 공간 사이에 위치하는 제3 공간으로 분할하고, 제2 관통홀들이 형성된 제2 맥동 방지 플레이트; 및 상기 외부 하우징 내부에서 상기 제2 맥동 방지 플레이트 상부에 배치되고, 상기 제2 공간 내부에 제4 공간을 형성하며, 상기 제2 공간과 상기 제4 공간을 연결하는 제3 관통홀들이 형성된 내부 하우징을 포함하고, 상기 제1 공간 및 상기 제4 공간 중 하나에 상기 수증기가 공급되고, 나머지 하나에 상기 연료가 공급될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 혼합기는, 상기 제1 공간에 연결되도록 상기 외부 하우징에 결합되고, 상기 수증기 생성부로부터 상기 수증기를 공급받아 이를 상기 제1 공간에 공급하는 수증기 공급 배관; 및 상기 제4 공간에 연결되도록 상기 외부 하우징 및 상기 내부 하우징에 결합되고, 상기 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 상기 제4 공간에 공급하는 연료 공급 배관을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 맥동 방지 플레이트 각각은 중심 영역 및 상기 중심영역을 둘러싸는 주변영역을 포함하고, 상기 제1 관통홀은 상기 제1 맥동 방지 플레이트의 상기 중심 영역에 형성되고, 상기 제2 관통홀은 상기 제2 맥동 방지 플레이트의 상기 주변 영역에 형성될 수 있다. 이때, 상기 제4 공간은 상기 제2 맥동 방지 플레이트의 상기 중심영역 상부에 배치될 수 있다.
본 발명이 연료전지 시스템에 따르면, 공기 가열부, 연소부 및 수증기 생성부를 집합하여 제1 모듈화 하고 혼합기, 제1 열교환기, 개질기 및 제2 열교환기를 집합하여 제2 모듈화함으로써 이들을 연결하는 배관의 길이를 최소화할 수 있고, 그 결과 차압의 발생 및 열손실을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 조립공정을 단순화할 수 있고, 유지보수가 용이하다.
그리고 미반응 연료가스 및 공기를 연소시키는 하나의 연소장치를 이용하여 공기를 가열하고 수증기를 생성하는 제1 모듈을 구비하므로 열효율을 향상시킬 수 있고, 맥동을 저감시킬 수 있는 기화기를 구비하므로 연료전지 모듈에 균일하게 연료가스를 공급할 수 있다. 또한, 열교환에 의해 가열된 혼합 연료가스를 개질기에 공급하고 개질된 연료가스를 다시 열교환을 통해 가열하여 연료전지 모듈에 공급하므로, 개질 효율 및 전기 생성 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 모듈의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 혼합기의 일 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 제1 모듈의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(1000)은 연료전시 모듈(1100), 제1 모듈(1200) 및 제2 모듈(1300)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 연료전시 모듈(1100), 제1 모듈(1200) 및 제2 모듈(1300)은 단열재에 의해 이들 사이의 공간이 충진된 핫박스(미도시) 내부에 배치될 수 있다.
상기 연료전지 모듈(1100)은 공기의 산소 및 개질된 연료가스의 수소를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 복수의 단전지를 포함할 수 있다. 상기 단전지는 연료극(anode), 공기극(cathode) 및 이들 사이에 위치하는 전해질을 포함할 수 있고, 상기 연료극 및 공기극에 수소(H2)를 포함하는 연료 가스 및 산소(O2)를 포함하는 공기가 각각 공급되면, 상기 공기극에서 환원된 산소 이온(O2-)이 상기 전해질을 경유하여 상기 연료극으로 이동하게 되고, 상기 연료극으로 이동된 산소 이온(O2-)이 상기 연료극에 제공된 수소(H2)와 반응하여 물(H2O)과 전자(e-)를 생성하게 되며, 상기 단전지는 상기와 같이 반응을 통해 생성된 전자를 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 상기 산소와 수소의 반응은 발열 반응으로써, 상기 연료전지 모듈(1100)은 전기 에너지를 생성하는 발전 모드 동안 열을 방출할 수 있다.
상기 연료전지 모듈(1100)은 약 500℃ 이상의 온도에서 작동하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 연료전지 모듈(1110)은 평판형 단전지들의 스택(stack)을 포함할 수도 있고, 관형 또는 평관형 단전지들의 번들(bundle)을 포함할 수도 있다.
상기 제1 모듈(1200)은 공기를 가열하여 상기 연료전지 모듈(1100)에 공급할 수 있고, 수증기를 발생시켜 상기 제2 모듈(1300)의 기체 혼합기(1310)에 제공할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 모듈(1200)은 연결 플레이트(미도시)를 통해 상기 연료전지 모듈(1100)에 상기 가열된 공기를 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 연결 플레이트는 상기 제1 모듈(1200)로부터 생성된 고온 공기를 상기 연료전지 모듈(1100)에 공급하기 위한 제1 배관 및 상기 제2 모듈(1300)로부터 생성된 개질 연료 가스를 상기 연료전지 모듈(1100)에 공급하기 위한 제2 배관을 상기 연료전지 모듈(1100) 내부의 공기 유로(cathode path) 및 연료 유로(anode path)에 연결시키기 위한 통로들이 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 연결 플레이트는 상기 연료전지 모듈(1100) 하부에 배치되어 상기 연료전지 모듈(1100)을 지지할 수도 있고, 이 경우, 상기 제1 및 제2 모듈(1100, 1200)은 상기 연결 플레이트 하부에 배치될 수도 있다.
다른 실시예로, 상기 연결 플레이트는 상기 연료전지 모듈(1100) 상부에 배치될 수 있고, 이 경우, 상기 제1 및 제2 모듈(1100, 1200)은 상기 연결 플레이트 상부에 배치될 수 있다.
한편, 다른 실시예로, 상기 제1 및 제2 배관은 상기 연료전지 모듈(1100)에 직접 연결될 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 모듈(1200)은 공기 가열부(1210), 연소부(1220) 및 수증기 생성부(1230)을 포함할 수 있다.
상기 공기 가열부(1210)는 외부 공기 공급원(100)으로부터 공급된 공기를 가열하여 상기 연료전지 모듈(1100)에 공급할 수 있다.
일 실시예로, 상기 공기 가열부(1210)는 제1 수납용기(1211) 및 열교환 배관(1212)을 포함할 수 있다.
상기 제1 수납용기(1211)는 내부공간을 구비할 수 있고, 상기 열교환 배관(1212)은 상기 제1 수납용기(1211)의 내부공간에 배치될 수 있다. 한편, 상기 제1 수납용기(1211)의 바닥면에는 상기 제1 수납용기(1211)의 내부공간을 상기 연소부(1220)에 노출시키는 제1 개구부(1211a) 및 상기 제1 수납용기(1211)의 내부공간을 상기 수증기 생성부(1230)에 노출시키는 제2 개구부(1211b)가 형성될 수 있다.
상기 열교환 배관(1212)은 복수의 직관부 및 이들을 연결하는 굴곡부들을 구비하는 사행 구조를 가질 수 있고, 외부 공기 공급원(100)에 연결된 입구 및 상기 연료전지 모듈(1100)에 연결된 출구를 구비할 수 있다. 일 실시예로, 상기 열교환 배관(1212)의 입구 및 출구는 상기 제1 수납용기(1211) 외부에 배치될 수 있다.
상기 열교환 배관(1212)은 상기 연소부(1220)에서 생성된 화염 및 고온 연소가스로부터 열에너지를 제공받을 수 있고, 이를 이용하여 상기 외부 공기 공급원(100)으로부터 공급된 공기를 가열할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 수납용기(1211)는 상기 연소부(1220)로부터 공급된 고온 연소가스의 상기 제1 수납용기(1211) 내부에서의 체류 시간을 증가시키기 위해, 바닥부로부터 소정 높이까지 돌출되도록 배치된 유체 가이드 플레이트(1213)를 더 포함할 수 있다.
상기 유체 가이드 플레이트(1213)의 높이는 상기 제1 수납용기(1211) 내부공간의 높이보다 작고, 상기 유체 가이드 플레이트(1213)의 폭은 상기 제1 수납용기(1211) 내부공간의 폭과 동일할 수 있다. 이 경우, 상기 열교환 배관(1212)의 일부는 상기 유체 가이드 플레이트(1213)를 관통하도록 배치될 수 있다.
이와 같은 유체 가이드 플레이트(1213)가 배치된 경우, 상기 연소부(1220)에서 공급된 고온 연소가스가 상기 제1 수납용기(1211) 내부에 상대적으로 장시간 체류하게 되어 상기 열교환 배관(1212)에 더 많은 열에너지를 공급할 수 있다.
상기 연소부(1220)는 상기 공기 가열부(1210) 하부에 배치될 수 있고, 상기 연료전지 모듈(1100)로부터 배출되는 미반응 연료 가스 및 공기를 연소시킬 수 있다.
일 실시예로, 상기 연소부(1210)는 외부 케이스(1221), 내부 케이스(1222), 점화장치(1223), 연료 공급 배관(1224) 및 공기 공급 배관(1225)을 포함할 수 있다.
상기 외부 케이스(1221)는 상부로 개방된 내부공간을 구비할 수 있고, 상기 내부공간이 상기 제1 수납용기(1211)의 제1 개구부(1211a)를 통해 상기 제1 수납용기(1211)의 내부공간과 연결되도록 상기 제1 수납용기(1211)의 바닥부에 결합될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 수납용기(1211)의 제1 개구부(1211a)는 상기 외부 케이스(1221)의 내부공간 전체 영역을 노출시킬 수 있다. 상부로 개방된 내부공간을 구비하고, 상기 제1 수납용기(1211)의 바닥부에 결합될 수 있다면, 상기 외부 케이스(1221)의 구조는 특별히 제한되지 않는다. 일 실시예로, 상기 외부 케이스(1221)는 상기 제1 수납용기(1211)의 바닥부와 이격되게 배치된 제1 바닥부 및 상기 제1 바닥부의 가장자리 부분으로부터 상부로 연장되고 상부 단부가 상기 제1 수납용기(1211)의 바닥부에 결합된 제1 측벽부를 포함할 수 있다.
상기 내부 케이스(1222)는 상기 외부 케이스(1221)의 내부에 배치되고, 상부로 갈수록 면적이 증가하고 상부로 개방된 내부공간을 구비할 수 있다. 일 실시예로, 상기 내부 케이스(1221)는 상기 제1 바닥부의 상부에 배치된 제2 바닥부, 상기 제2 바닥부의 가장자리 부분으로부터 상부로 갈수록 내부공간의 단면적이 증가하도록 경사지게 연장된 제2 측벽부를 포함할 수 있고, 상기 제2 측벽부에는 외부 공기가 상기 내부 케이스(1221)의 내부공간으로 유입될 수 있도록 관통홀들이 형성될 수 있다.
상기 점화장치(1223)는 상기 내부 케이스(1221) 내부에 배치될 수 있고, 상기 연료 공급 배관(1224) 및 상기 공기 공급 배관(1225)으로부터 공급되는 연료 및 공기를 점화시킬 수 있다. 상기 점화장치(1223)로는 공지의 점화장치가 제한 없이 적용될 수 있다.
상기 연료 공급 배관(1224)은 상기 내부 케이스(1222), 예를 들면, 상기 제2 바닥부에 결합될 수 있고, 상기 연료전지 모듈(1100)로부터 배출된 미반응 연료가스를 상기 내부 케이스(1222)의 내부공간으로 공급할 수 있다. 일 실시예로, 상기 연료전지 모듈(1100)로부터 배출된 고온의 미반응 연료가스는 상기 제2 모듈(1300)의 제1 열교환기(1320)에 먼저 공급되어 열교환을 통해 혼합 연료가스를 가열할 수 있고, 상기 연료 공급 배관(1224)은 상기 제1 열교환기(1320)로부터 열교환을 통해 냉각된 미반응 연료 가스를 제공받아 이를 상기 내부 케이스(1222)의 내부공간으로 공급할 수 있다.
상기 공기 공급 배관(1225)은 상기 외부 케이스(1221), 예를 들면, 상기 제1 측벽부에 결합될 수 있고, 상기 연료전지 모듈(1100)로부터 배출된 미반응 공기를 상기 외부 케이스(1221)의 내부공간 중 상기 내부 케이스(1222)의 외부 공간으로 공급할 수 있다. 상기 외부 케이스(1221)의 내부공간에 공급된 공기는 상기 내부 케이스(1222)의 제2 측벽부에 형성된 관통홀들을 통해 상기 내부 케이스(1222)의 내부 공간으로 유입될 수 있다. 일 실시예로, 상기 연료전지 모듈(1100)로부터 배출된 고온의 미반응 공기는 상기 제2 모듈(1300)의 제2 열교환기(1340)에 먼저 공급되어 열교환을 통해 개질된 연료가스를 가열할 수 있고, 상기 공기 공급 배관(1225)은 상기 제2 열교환기(1340)로부터 열교환을 통해 냉각된 미반응 공기를 제공받아 이를 상기 외부 케이스(1221)의 내부공간으로 공급할 수 있다.
한편, 상기 연소부(1220)는 상기 연료 공급 배관(1224)의 출구 측에 배치되어 상기 연료 공급 배관(1224)으로부터 공급되는 미반응 연료가스를 확산시키는 확산 메쉬망(1226)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 확산 메쉬망(1226)은 상기 내부 케이스(1222)의 제2 바닥부 상부면에 결합될 수 있다. 상기 미반응 연료가스는 상대적으로 낮은 함량의 연료를 포함하는데, 상기 확산 메쉬망(1226)을 통해 연료를 확산시키는 경우, 더 넓은 면적으로 연료를 확산시킬 수 있고, 그 결과 상기 연소부(1220)는 더 넓은 면적의 화염을 생성할 수 있다.
상기와 같이 연소공간을 형성하는 상기 내부 케이스(1222)의 내부공간이 상부로 갈수록 그 단면적이 증가하는 구조를 가지고, 상기 연료 공급 배관(1224)의 출구 측에 상기 확산 메쉬망(1226)이 배치되므로, 상기 연소부(1220)는 연료 함량이 상대적으로 낮은 미반응 연료가스 및 산소 함량이 상대적으로 낮은 미반응 공기를 공급받더라도 넓은 면적의 화염을 생성할 수 있다.
상기 연소부(1220)에서 생성된 화염 및 고온의 연소가스는 상기 제1 수납용기(1211)의 제1 개구부(1211a)를 통해 상기 열교환 배관(1212)에 도달하여 상기 열교환 배관(1212)에 열에너지를 공급할 수 있다. 이 때, 상기 열교환 배관(1212)에 보다 많은 열에너지를 공급하기 위해, 상기 제1 개구부(1211a)의 면적은 상기 외부 케이스(1222) 내부공간의 상부면 면적과 동일할 수 있다.
상기 수증기 생성부(1230)는 상기 공기 가열부(1210) 하부에서 상기 연소부(1220)에 인접하게 배치될 수 있고, 상기 연소부(1220)에 의해 생성된 고온 연소 가스와의 열교환을 통해 외부 물 공급원(300)에서 공급된 물을 수증기로 변환시킬 수 있다.
일 실시예로, 상기 수증기 생성부(1230)는 제2 수납용기(1231) 및 기화 배관(1232)을 포함할 수 있다.
상기 제2 수납용기(1231)는 상기 제1 수납용기(1211)의 제2 개구부(1211b)를 통해 내부공간이 상기 제1 수납용기(1211)의 내부공간과 연결되도록 상기 제1 수납용기(1211)의 바닥부에 결합될 수 있다. 상기 연소부(1220)에 의해 생성된 고온 연소가스가 상기 제1 수납용기(1211)의 내부공간에 장시간 체류할 수 있도록 상기 제2 개구부(1211b)의 면적은 상기 제2 수납용기(1231) 내부공간의 상부면 면적보다 작을 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 개구부(1211b)의 면적은 상기 제2 수납용기(1231) 내부공간의 상부면 면적의 약 1/5 이상 4/5 이하일 수 있다.
한편, 열손실을 최소화하기 위해, 상기 제2 수납용기(1231)의 측벽부는 상기 연소부(1220)의 외부 케이스(1221)와 접촉할 수 있다.
상기 기화 배관(1232)은 상기 제2 수납용기(1231) 내부에 배치될 수 있고, 외부 물 공급원(300)과 연결된 입구 및 상기 제2 모듈(1300)의 혼합기(1310)과 연결된 출구를 구비할 수 있다. 상기 기화 배관(1232)은 상기 연소부(1220)에 의해 생성된 후 상기 제1 수납용기(1211) 내부공간을 경유하여 상기 제2 수납용기(1231) 내부로 공급된 고온 연소가스로부터 열에너지를 공급받을 수 있고, 이를 이용하여 내부를 이동하는 물을 수증기로 변환시킬 수 있다.
상기 수증기 생성부(1230)는 열손실을 감소시키기 위해 상기 제2 수납용기(1231) 내부공간에 배치되고 상기 기화 배관(1232)이 권취되는 중심구조물(1233)을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 제2 수납용기(1231)에는 상기 기화 배관(1232)에 열에너지를 공급하고 냉각된 연소가스를 외부로 배출하는 연소가스 배출구(1231a)가 형성될 수 있다.
상기 제2 모듈(1300)은 외부 연료 공급원(200)으로부터 공급된 연료 및 상기 제1 모듈(1200)로부터 공급된 수증기를 혼합한 후 수증기 개질 반응을 수행하고, 개질된 연료가스를 상기 연료전지 모듈(1100)에 제공할 수 있다. 이 때, 상기 연료 공급원(200)으로부터 공급되는 연료는 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 천연가스(natural gas), 석탄가스(coal gas) 등 화학적으로 수소를 함유하는 탄화수소 연료일 수 있다. 상기 제2 모듈(1300)은 열 손실을 최소화하기 위해 상기 제1 모듈(1200)에 인접하게 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 모듈(1300)은 혼합기(1310), 제1 열교환기(1320), 개질기(1330) 및 제2 열교환기(1340)를 포함할 수 있다.
상기 혼합기(1310)는 상기 제1 모듈(1200) 중 상기 연소부(1220) 또는 상기 수증기 생성부(1230)에 인접하게 배치되고, 외부 연료 공급원(200) 및 상기 수증기 생성부(1230)로부터 연료 및 수증기를 각각 공급받아 이들을 혼합할 수 있고, 혼합된 연료가스를 상기 제1 열교환기(1320)로 제공할 수 있다.
상기 혼합기(1310)의 구조에 대해서는 도 3를 참조하여 설명한다.
상기 제1 열교환기(1320)는 상기 혼합기(1310) 상부에 배치될 수 있고, 상기 혼합기(1310)로부터 상기 연료 및 수증기가 혼합된 연료가스를 제공받은 후 이를 가열하여 상기 개질기(1330)로 공급할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 열교환기(1320)는 상기 연료전지 모듈(1100)로부터 고온의 미반응 연료가스를 공급받을 수 있고, 상기 고온의 미반응 연료가스와의 열교환을 통해 상기 연료가스를 가열할 수 있다. 상기 제1 열교환기(1320)의 구조는 특별히 제한되지 않으며, 공지의 연료전지용 열교환기 구조가 제한 없이 적용될 수 있다.
상기 개질기(1330)는 상기 제1 열교환기(1320) 상부에 배치되고, 하기 반응식 1과 같은 수증기 개질반응을 통해 상기 연료 중 일부로부터 수소를 생성할 수 있으며, 개질된 연료가스를 상기 제2 열교환기(1340)에 공급할 수 있다.
[반응식 1]
Figure PCTKR2019005006-appb-I000001
상기 개질기(1330)의 구조는 특별히 제한되지 않으며, 공지의 수증기 개질 장치가 제한 없이 적용될 수 있다.
상기 제2 열교환기(1340)는 상기 개질기(1330) 상부에 배치될 수 있고, 상기 개질기(1330)로부터 공급된 개질된 연료가스를 가열하여 상기 연료전지 모듈(1100)에 공급할 수 있다. 상기 제2 열교환기(1340)의 구조는 특별히 제한되지 않으며, 공지의 연료전지용 열교환기가 제한 없이 적용될 수 있다. 일 실시예로, 상기 제2 열교환기(1340)는 상기 연료전지 모듈(1100)로부터 고온의 미반응 공기를 공급받을 수 있고, 상기 고온의 미반응 공기와의 열교환을 통해 상기 개질된 연료가스를 가열할 수 있다.
한편, 상기 제2 모듈(1300)은 상기 혼합기(1310), 상기 제1 열교환기(1320), 상기 개질기(1330) 및 상기 제2 열교환기(1340) 중 하나 이상을 각각 수용하는 하나 이상의 수납용기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 혼합기의 일 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 혼합기(1310)는 외부 하우징(1311), 제1 맥동방지 플레이트(1312a), 제2 맥동 방지 플레이트(1312b), 내부 하우징(1313), 수증기 공급 배관(1314) 및 연료 공급 배관(1315)을 포함할 수 있다.
상기 외부 하우징(1311)은 내부공간을 구비하고, 상기 내부공간을 상기 제1 열교환기(1320)와 연결시키기 위한 배출구(1311a)를 포함할 수 있다. 외부 연료 공급원(200) 및 상기 제1 모듈(1200)의 기화기(1231)로부터 연료 및 수증기를 제공받아 이를 혼합할 수 있는 내부공간을 제공한다면, 상기 외부 하우징(1311)의 구조는 특별히 제한되지 않는다.
상기 제1 맥동 방지 플레이트(1312a) 및 상기 제2 맥동 방지 플레이트(1312b)는 상기 외부 하우징(1311)의 내부에 서로 이격되고 평행하게 배치되어 상기 내부공간을 제1 공간(10), 제2 공간(20) 및 이들 사이에 위치하는 제3 공간(30)으로 분할할 수 있다. 이 때, 상기 외부 하우징(1311)의 배출구(1311a)는 상기 제2 공간(20)을 외부와 연결시킬 수 있고, 상기 제1 및 제2 맥동 방지 플레이트(1312a, 1312b)에는 수증기, 연료 등과 같은 기체가 통과할 수 있는 관통홀들이 형성될 수 있다.
상기 내부 하우징(1313)은 상기 제2 맥동 방지 플레이트(1312b)의 상부에 배치되고, 상기 제2 공간(20) 내부에 제4 공간(40)을 형성할 수 있다. 일 실시예로, 상기 내부 하우징(1313)은 상기 제2 맥동 방지 플레이트(1312b)로부터 상부로 연장된 측벽부 및 상기 측벽부의 상부 단부를 덮는 덮개부를 포함하여, 상기 제2 맥동 방지 플레이트(1312b)와 함께 상기 제4 공간(40)을 형성할 수 있다. 상기 내부 하우징(1313)의 덮개부에는 수증기, 연료 등과 같은 기체가 통과할 수 있는 관통홀들이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수증기 공급 배관(1314)은 상기 제1 공간(10)에 연결되도록 상기 외부 하우징(1311)에 결합될 수 있고, 상기 제1 모듈(1200)의 기화기(1231)로부터 수증기를 공급받아 이를 상기 제1 공간(10)에 공급할 수 있다. 그리고 상기 연료 공급 배관(1315)은 상기 제4 공간(40)에 연결되도록 상기 외부 하우징(1311) 및 상기 내부 하우징(1313)에 결합될 수 있고, 상기 연료 공급원(200)으로부터 공급된 연료를 상기 제4 공간(40)에 공급할 수 있다.
이와 달리, 다른 실시예에 있어서, 상기 연료 공급 배관(1315)은 상기 제1 공간(10)에 연결되도록 상기 외부 하우징(1311)에 결합될 수 있고, 상기 수증기 공급 배관(1314)은 상기 제4 공간(40)에 연결되도록 상기 외부 하우징(1311) 및 상기 내부 하우징(1313)에 결합될 수 있다.
이와 같이 외부 하우징(1311)의 내부공간을 관통홀이 형성된 맥동 방지 플레이트(1312a, 1312b)를 이용하여 복수의 공간으로 분할하고, 서로 다른 공간에 연료 및 수증기를 공급하는 경우, 공급 펌프 또는 물의 기화 과정에서 생성되는 압력의 변동, 즉 맥동으로 인해 연료가스가 불규칙적으로 상기 제1 열교환기(1320)에 공급되는 것을 저감시킬 수 있다.
상기 맥동으로 인한 혼합 연료가스의 불규칙 공급을 보다 저감시키기 위해, 상기 제1 맥동 방지 플레이트(1312a)에서는 상기 관통홀들이 중심영역(C1)과 이를 둘러싸는 주변 영역(P1) 중 상기 중심 영역(C1)에 형성될 수 있고, 상기 제2 맥동 방지 플레이트(1312b)에서는 상기 관통홀들이 중심영역(C2)과 이를 둘러싸는 주변 영역(P2) 중 상기 주변 영역(P2)에 형성될 수 있다. 그리고 상기 내부 하우징(1313)은 상기 제2 맥동 방지 플레이트(1312b)의 중심영역(C2) 상부에 배치되어 상기 제4 공간(40)은 상기 제3 공간(30)과 직접 연결되지 않을 수 있다.
본 발명이 연료전지 시스템에 따르면, 공기 가열부, 연소부 및 수증기 생성부를 집합하여 제1 모듈화 하고 혼합기, 제1 열교환기, 개질기 및 제2 열교환기를 집합하여 제2 모듈화함으로써 이들을 연결하는 배관의 길이를 최소화할 수 있고, 그 결과 차압의 발생 및 열손실을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 조립공정을 단순화할 수 있고, 유지보수가 용이하다.
그리고 미반응 연료가스 및 공기를 연소시키는 하나의 연소장치를 이용하여 공기를 가열하고 수증기를 생성하는 제1 모듈을 구비하므로 열효율을 향상시킬 수 있고, 맥동을 저감시킬 수 있는 기화기를 구비하므로 연료전지 모듈에 균일하게 연료가스를 공급할 수 있다. 또한, 열교환에 의해 가열된 혼합 연료가스를 개질기에 공급하고 개질된 연료가스를 다시 열교환을 통해 가열하여 연료전지 모듈에 공급하므로, 개질 효율 및 전기 생성 효율을 향상시킬 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. 공기의 산소 및 개질된 연료가스의 수소를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 복수의 단전지를 포함하는 연료전지 모듈;
    상기 연료전지 모듈로부터 배출된 미반응 연료가스 및 공기를 연소시키는 연소부, 상기 연소부에 인접하게 배치되고 상기 연소부로부터 생성된 화염 및 고온 연소가스와의 열교환을 통해 공기를 가열하여 이를 상기 연료전지 모듈에 공급하는 공기 가열부 및 상기 연소부에 인접하게 배치되고 상기 고온 연소가스와의 열교환을 통해 내부를 이동하는 물을 수증기로 변환시키는 수증기 생성부를 포함하는 제1 모듈; 및
    상기 제1 모듈에 인접하게 배치되고, 외부 연료 공급원으로부터 공급된 연료 및 상기 수증기 생성부로부터 공급된 수증기를 혼합한 후 수증기 개질 반응을 수행하고, 개질된 연료가스를 상기 연료전지 모듈에 공급하는 제2 모듈을 포함하는, 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기 가열부는 제1 내부공간을 구비하고 상기 제1 내부공간을 노출시키고 서로 이격된 제1 개구부 및 제2 개구부가 형성된 바닥부를 포함하는 제1 수납용기; 및 상기 제1 내부공간에 배치되고, 외부 공기 공급원에 연결된 입구 및 상기 연료전지 모듈에 연결된 출구를 구비하는 열교환 배관을 포함하고,
    상기 연소부는 상부로 개방되어 상기 제1 개구부를 통해 상기 제1 내부공간과 연결된 제2 내부공간을 구비하고 상기 제1 수납용기의 바닥부에 결합된 외부 케이스; 상기 제2 내부공간에 배치되고 상부로 갈수록 면적이 증가하고 상부로 개방된 제3 내부공간을 구비하고 상기 제2 내부공간과 상기 제3 내부공간을 연결하는 관통홀들이 형성된 측벽부를 포함하는 내부 케이스; 상기 내부 케이스 내부에 배치된 점화장치; 상기 내부 케이스에 결합되고 상기 연료전지 모듈로부터 배출된 상기 미반응 연료가스를 상기 제3 내부공간으로 공급하는 연료 공급 배관; 및 상기 외부 케이스에 결합되고, 상기 연료전지 모듈로부터 배출된 상기 미반응 공기를 상기 제2 내부공간으로 공급하는 공기 공급 배관을 포함하며,
    상기 수증기 생성부는 상기 제2 개구부를 통해 상기 제1 내부공간과 연결된 제4 내부공간을 구비하고 상기 외부 케이스에 인접하게 배치되도록 상기 제1 수납용기의 바닥부에 결합된 제2 수납용기; 및 상기 제4 내부공간에 배치되고 외부 물 공급원과 연결된 입구 및 상기 제2 모듈과 연결된 출구를 구비하는 기화 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 수납용기는 상기 바닥부로부터 제1 높이까지 돌출되도록 배치된 유체 가이드 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 높이는 상기 제1 내부공간의 높이보다 작고, 상기 유체 가이드 플레이트의 폭은 상기 제1 내부공간의 폭과 동일한 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 열교환 배관은 복수의 직관부 및 상기 직관부들을 연결하는 굴곡부를 포함하고,
    상기 직관부들 중 적어도 일부는 상기 유체 가이드 플레이트를 관통하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 연소장치는 상기 연료 공급 배관의 출구 측에 배치되어 상기 연료 공급 배관으로부터 배출되는 상기 미반응 연료가스를 확산시키는 확산 메쉬망을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2 개구부의 면적은 상기 제4 내부공간의 상부면 면적보다 작은 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2 수납용기는 상기 외부 케이스와 접촉하도록 배치된 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제2 수납용기는 상기 제2 개구부를 통해 상기 제1 내부공간으로부터 공급된 연소가스를 외부로 배출하는 연소가스 배출구를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 모듈은,
    상기 외부 연료 공급원으로부터 공급된 연료 및 상기 수증기 생성부로부터 공급된 수증기를 혼합하는 혼합기;
    상기 혼합기의 상부에 배치되고, 상기 연료전지 모듈로부터 공급된 고온의 미반응 연료가스와의 열교환을 통해 상기 혼합기로부터 공급된 상기 연료 및 수증기의 혼합 연료가스를 가열하는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기 상부에 배치되고, 상기 제1 열교환기로부터 공급된 상기 연료가스에 대해 수증기 개질반응을 수행하여 개질 연료가스를 생성하는 개질기; 및
    상기 개질기 상부에 배치되고, 상기 연료전지 모듈로부터 공급된 고온의 미반응 공기와의 열교환을 통해 상기 개질기로부터 공급된 상기 개질 연료가스를 가열한 후 이를 상기 연료전지 모듈에 공급하는 제2 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 모듈은 상기 혼합기, 상기 제1 열교환기, 상기 개질기 및 상기 제2 열교환기 중 하나 이상을 수용하는 수납용기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 혼합기는,
    내부공간 및 상기 내부공간을 상기 제1 열교환기와 연결하기 위한 배출구를 구비하는 외부 하우징;
    상기 외부 하우징 내부에 배치되어 상기 내부공간을 제1 공간 및 잔여공간으로 분할하고, 제1 관통홀들이 형성된 제1 맥동 방지 플레이트;
    상기 외부 하우징 내부에서 상기 제1 맥동 방지 플레이트 상부에 배치되어 상기 잔여공간을 상기 배출구를 통해 상기 제1 열교환기와 연결되는 제2 공간 및 상기 제1 공간과 상기 제2 공간 사이에 위치하는 제3 공간으로 분할하고, 제2 관통홀들이 형성된 제2 맥동 방지 플레이트; 및
    상기 외부 하우징 내부에서 상기 제2 맥동 방지 플레이트 상부에 배치되고, 상기 제2 공간 내부에 제4 공간을 형성하며, 상기 제2 공간과 상기 제4 공간을 연결하는 제3 관통홀들이 형성된 내부 하우징을 포함하고,
    상기 제1 공간 및 상기 제4 공간 중 하나에 상기 수증기가 공급되고, 나머지 하나에 상기 연료가 공급되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 혼합기는,
    상기 제1 공간에 연결되도록 상기 외부 하우징에 결합되고, 상기 수증기 생성부로부터 상기 수증기를 공급받아 이를 상기 제1 공간에 공급하는 수증기 공급 배관; 및
    상기 제4 공간에 연결되도록 상기 외부 하우징 및 상기 내부 하우징에 결합되고, 상기 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 상기 제4 공간에 공급하는 연료 공급 배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 맥동 방지 플레이트 각각은 중심 영역 및 상기 중심영역을 둘러싸는 주변영역을 포함하고,
    상기 제1 관통홀은 상기 제1 맥동 방지 플레이트의 상기 중심 영역에 형성되고,
    상기 제2 관통홀은 상기 제2 맥동 방지 플레이트의 상기 주변 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제4 공간은 상기 제2 맥동 방지 플레이트의 상기 중심영역 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
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