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KR101095665B1 - 연료전지 발전 시스템 - Google Patents

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KR101095665B1
KR101095665B1 KR1020090065485A KR20090065485A KR101095665B1 KR 101095665 B1 KR101095665 B1 KR 101095665B1 KR 1020090065485 A KR1020090065485 A KR 1020090065485A KR 20090065485 A KR20090065485 A KR 20090065485A KR 101095665 B1 KR101095665 B1 KR 101095665B1
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홍병선
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(주)퓨얼셀 파워
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 개질기에서 생성한 개질 가스를 사용하며 시스템 내의 압력변화 요인을 최소화 하여 안정된 운전을 가능하게 하는 연료전지 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템은, 탄화수소계열의 발전 원료를 수소로 전환하는 개질기, 개질 가스를 유동시키는 상기 개질기의 개질 가스 라인에 구비되는 제1 일체형 열교환기, 오프 가스를 유동시키는 연료전지 스택의 오프 가스 라인에 구비되는 제2 일체형 열교환기, 공기를 배출하는 상기 연료전지 스택의 공기 출구 라인에 구비되는 제3 일체형 열교환기, 및 연소 배출 가스를 배출하는 상기 개질기의 연소 배출 가스 라인에 구비되는 버너 배기 열교환기를 포함하며, 상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 상기 제3 일체형 열교환기 및 상기 버너 배기 열교환기는 통합된 모듈로 형성된다.
열교환기, 일체형, 플로우트식 기수분리기, 배관, 충전물

Description

연료전지 발전 시스템 {FUEL CULL POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 연료전지 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개질기에서 생성한 개질 가스를 사용하는 연료전지 발전 시스템에 관한 것이다.
연료전지 발전 시스템의 일례로써, 고분자 전해질형 연료전지 발전 시스템을 들 수 있다. 연료전지 발전 시스템은 개질기에서 생성한 수소와 공기 중의 산소를 연료전지 스택에서 전기화학으로 반응시켜, 직류전력을 생성하고, 인버터를 통하여 직류전력을 교류전력으로 변환시킨다.
도9는 종래기술에 따른 연료전지 발전 시스템의 구성도이다. 도9를 참조하면, 연료전지 발전 시스템에서, 개질기(1)는 탈황 촉매부(2), 개질 촉매부(3), 시프트 촉매부(4), CO 선택 산화 촉매부(5), 및 버너부(6)를 포함한다. 개질기(1)가 개질 반응(steam reforming)을 위하여, 개질기(1)에는 연료와 물(pure water)이 공급된다. 물은 시프트 촉매부(4)와 CO 선택 산화 촉매부(5) 사이에 위치한 예열 열교환기(Pre-heater)(7)를 경유하여 개질기(1)로 공급된다.
개질 촉매부(3)에서 개질 반응한 개질 가스는 시프트 촉매부(4)를 지나 예열교환기(7)와 안정화 열교환기(stabilizer)(8)를 거처 CO 선택 산화 촉매부(5)로 공 급된다. 예열교환기(7) 및 안정화 열교환기(8)에서 생성된 응축수를 분리하기 위하여 싸이클론식 기수분리기(9a)가 사용된다.
즉 기수분리기(9a)에서 분리된 개질 가스는 CO 선택 산화 촉매부(5)로 들어가고, 분리된 물은 배관에 모였다가 일정 수위를 감지하는 수위 센서(11a)에 감지되어 솔레노이드 밸브(12a)의 개방 작동에 의하여 외부로 배출된다. 물 배출 방법은 배출된 물의 부피만큼 개질 가스에 압력 변화를 주게 되는 데, 이는 연료전지 발전 시스템의 운전에 있어서 불안 요소로 작용한다. 개질기(1)의 촉매들(2, 3, 4, 5)은 일정한 압력하에서 온도에 의존하여 반응하므로 일정한 압력으로 유지되는 것이 개질 가스를 생성하는데 있어서 유리하다.
개질기(1)에서 생성된 풍부한 수소 가스와 공기 중의 산소는 연료전지 스택(13)에서 전기화학 반응되고, 전기화학반응 이외의 나머지 수소 가스인 오프 가스(off gas)는 개질기(1)의 버너부(6)에서 연소된 후 버너 배기 열교환기(19)를 통하여 배출된다.
오프 가스(off gas)에 수분이 많으면 개질기(1) 버너부(6)에서 수분을 연소하는데 더 많은 에너지가 필요하게 된다. 따라서 오프 가스 수분의 영향으로 인하여, 일정한 반응기 온도를 유지하도록 버너부(6)로 공급되는 도시가스가 더 많아져 연료전지 발전 시스템의 효율이 떨어진다. 버너부(6)로 공급되는 도시가스 공급이 불안정해지면 개질기(steam reforming)(1)의 온도에 영향을 주어 전체적으로 연료전지 발전 시스템이 불안해진다. 따라서 오프 가스의 수분을 줄이기 위하여, 오프 가스 열교환기(15)와 응축된 물을 분리하는 기수분리기(9b)가 구비된다.
즉 기수분리기(9b)에서 분리된 오프 가스는 개질기(1)의 버너부(6)로 공급되어 연소되고, 분리된 응축 물은 배관에 모였다가 일정 수위를 감지하는 수위 센서(11b)에 감지되어 솔레노이드 밸브(12b)의 개방 작동에 의하여 외부로 배출된다. 물 배출 방법은 배출된 물의 부피만큼 연료전지 스택(13)과 개질 가스에 압력 변화를 줌으로써, 연료전지 발전 시스템의 운전에 불안 요소가 된다.
또한, 연료전지 스택(13)은 공기 중 산소를 사용하는데, 연료전지 스택(13)의 공기극에서 반응 후 생성된 물과 잉여 공기는 막가습기(17)를 통하여 연료전지 스택(13)의 공기 입구로 공급되는 건조공기를 가습하고, 그 나머지 공기와 수분은 열회수율 향상을 위하여 열교환기(16)를 거처 기수분리기(9c)를 통과한다.
즉 기수분리기(9c)에서 분리된 공기는 연통을 통하여 외부로 배출되며, 분리된 물은 배관에 모였다가 일정 수위를 감지하는 수위 센서(11c)에 감지되어 솔레노이드 밸브(12c)의 개방 작동에 의하여 연료전지 발전 시스템 내부의 물탱크로 회수되어, 연료전지 스택(13)의 냉각수로 사용된다. 물 배출 방법은 배출된 물의 부피만큼 연료전지 스택(13)과 공기에 압력 변화를 일으켜 유량 변동이 발생하게 되므로 연료전지 발전 시스템의 운전에 불안 요소가 된다.
연료전지 발전 시스템에서, 열교환기들(7, 8, 15, 16) 및 기수분리기들(9a, 9b, 9c)은 시스템 내에서 압력변화의 원인이 되어, 연료 공급 및 공기 공급에 있어서 유량 변동을 발생시켜, 운전시 불안한 요인으로 작용한다. 또한 수위 센서들(11a, 11b, 11c)의 오동작으로 인하여 솔레노이드 밸브들(12a, 12b, 12c)이 불필요하게 개방되면 개질 가스가 버려지게 되므로 개질기(1)와 연료전지 스택(13)의 온도 밸런스가 무너져 연료전지 발전 시스템이 불안해진다.
또한, 복수의 열교환기들(7, 8, 15, 16)과 기수분리기들(9a, 9b, 9c)이 배관에 분산 배치되므로 배관이 길어지고 연료전지 발전 시스템의 구성이 복잡해진다. 따라서 열 손실이 커져 열 회수 효율이 감소하는 문제가 있고, 복잡한 배관 구성으로 인하여 연료전지 발전 시스템의 제조를 어렵게 하고, 이로 인하여 생산 수율이 저하된다.
본 발명은 개질기에서 생성한 개질 가스를 사용하며 시스템 내의 압력변화 요인을 최소화 하여 안정된 운전을 가능하게 하는 연료전지 발전 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 각 열교환기와 이에 대응하는 기수분리기를 일체화하여 열 회수 효율을 높이고 생산성을 향상시키는 연료전지 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템은, 탄화수소계열의 발전 원료를 수소로 전환하는 개질기, 개질 가스를 유동시키는 상기 개질기의 개질 가스 라인에 구비되는 제1 일체형 열교환기, 오프 가스를 유동시키는 연료전지 스택의 오프 가스 라인에 구비되는 제2 일체형 열교환기, 공기를 배출하는 상기 연료전지 스택의 공기 출구 라인에 구비되는 제3 일체형 열교환기, 및 연소 배출 가스를 배출하는 상기 개질기의 연소 배출 가스 라인에 구비되는 버너 배기 열교환기를 포함 하며, 상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 상기 제3 일체형 열교환기 및 상기 버너 배기 열교환기는 통합된 모듈로 형성된다.
상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 상기 제3 일체형 열교환기는, 각각 상기 개질 가스, 상기 오프 가스 및 상기 공기 중 하나와 냉각수를 순환시켜 열교환하는 열교환기와, 상기 열교환기에 연결되어 응축되는 냉각수의 배출을 단속하는 플로우트식 기수분리기를 포함하고, 상기 열교환기와 상기 플로우트식 기수분리기는, 일체로 형성되어, 수직 상태로 설치될 수 있다.
상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 상기 제3 일체형 열교환기는, 상기 열교환기에 연결되는 배관, 상기 배관의 내부에 채워지는 충전물, 및 상기 배관의 일측에 연결되는 플로우트식 기수분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 모듈은, 상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 제3 일체형 열교환기, 및 상기 버너 배기 열교환기를 축열탱크에 연결하는 제1 냉각수 라인을 포함하며, 상기 제1 냉각수 라인은, 축열탱크에서 상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 제3 일체형 열교환기, 및 상기 버너 배기 열교환기의 순서로 연결하여, 제1 냉각수를 순환시킬 수 있다.
상기 모듈은, 상기 축열탱크에 연결되는 제2 냉각수 라인과, 상기 제2 냉각수 라인 및 상기 제1 냉각수 라인을 서로 연결하여 폐열 회수용 열교환기 및 상기 축열탱크에 연결하는 혼합 냉각수 라인을 더 포함할 수 있다.
상기 열교환기들은, 각각 내부에 제1 냉각수를 유동시키는 주름관, 상기 주름관 주위에 형성되는 원통형 배관을 포함하며, 상기 배관에 상기 플로우트식 기수 분리기가 일체로 연결될 수 있다.
상기 제1 일체형 열교환기는, 상기 개질기의 시프트 촉매부와 CO 선택 산화 촉매부 사이에 위치하며, 개질 반응을 위한 물을 예열하는 예열교환기, 상기 개질 가스의 온도는 낮추는 안정화 열교환기, 및 상기 예열교환기 및 상기 안정화 열교환기에서 응축된 물과 상기 개질 가스를 분리하는 플로우트식 기수분리기를 포함하여 일체로 형성할 수 있다.
상기 제1 일체형 열교환기는, 상기 예열교환기 및 상기 안정화 열교환기에 연결되어 상기 개질 가스의 유속을 충분히 감소시기는 배관, 상기 배관의 내부에 채워지는 충전물 및 상기 배관의 일측에 연결되는 플로우트식 기수분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 일체형 열환기는, 상기 연료전지 스택의 상기 오프 가스 라인과 상기 개질기의 버너부 사이에 위치하며, 상기 오프 가스를 냉각시켜 수분을 제거하는 공랭식 열교환기와 수냉식 열교환기, 및 상기 공랭식 열교환기와 상기 수냉식 열교환기에서 응축된 물과 상기 오프 가스를 분리하는 플로우트식 기수분리기를 포함하여 일체로 형성할 수 있다.
상기 제2 일체형 열교환기는, 상기 수냉식 교환기에 연결되어 상기 오프 가스의 유속을 충분히 감소시키는 배관, 상기 배관의 내부에 채워지는 충전물 및 상기 배관의 일측에 연결되는 플로우트식 기수분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 일체형 열환기는, 상기 연료전지 스택의 상기 공기 출구 라인에 위치하며, 상기 연료전지 스택에서 전기화학반응 후 생성된 수분을 응축하는 열교환 기, 상기 열교환기에서 응축된 물과 상기 공기를 분리하는 플로우트식 기수분리기를 포함할 수 있다.
상기 제2 일체형 열교환기는, 상기 열교환기에 연결되어 상기 공기의 유속을 충분히 감소시키는 배관, 상기 배관의 내부에 채워지는 충전물 및 상기 배관의 일측에 연결되는 플로우트식 기수분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 플로우트식 기수분리기는, 유입되는 응축수를 내장하는 하우징, 상기 하우징에 내장되어 유입되면 물의 부력에 의하여 승강하는 플로우터, 및 상기 플로우터의 승강 작동으로 물의 배출을 단속하도록 상기 하우징의 하측에 형성되는 물 배출구를 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 개질 가스 라인, 오프 가스 라인, 및 공기 출구 라인에 구비되는 각각 제1, 제2, 제3 일체형 열교환기에 응축수를 분리하는 기수분리기를 구비하므로 연료 공급 및 공기 공급에서 압력 변동을 최소화하는 효과가 있다. 따라서 개질기와 연료전지 스택에서 전기화학 반응이 안정적으로 유지된다. 제1, 제2, 제3 일체형 열교환기를 하나의 모듈로 구성하므로 연료전지 발전 시스템의 안정적인 운전이 가능하고, 발생된 열의 회수율이 높아지며, 제조시 조립 공정이 단순해지고, 생산성이 향상된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한 다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템의 구성이다. 도1을 참조하면, 연료전지 발전 시스템은 개질기(1)와 연료전지 스택(13) 및 복합 열교환기 모듈(100)(도2 및 도3 참조)을 포함한다.
개질기(1)는 탄화수소계열의 발전 원료를 수소로 전환하도록 탈황 촉매부(2), 개질 촉매부(3), 시프트 촉매부(4), CO 선택 산화 촉매부(5), 및 버너부(6)를 포함한다.
도2는 도1에 적용되는 제1 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈(100)의 정면측 사시도이고, 도3은 도2의 배면측 사시도이다. 도2 및 도3을 참조하면, 복합 열교환기 모듈(100)은 연료전지 발전 시스템의 한 부품으로서 일체형 열교환 장치를 구성한다.
복합 열교환 모듈(100)은 제1 일체형 열교환기(101), 제2 일체형 열교환기(102), 제3 일체형 열교환기(103) 및 버너 배기 열교환기(19)를 포함하여, 일체형 모듈을 형성된다. 제1, 제2, 제3 일체형 열교환기(101, 102, 103)는 각각에서 열교환기와 기수분리기를 하나의 부품처럼 일체로 하여 구성된다.
제1 일체형 열교환기(101)는 개질기(1)의 개질 가스 라인에 설치되어, 시프트 촉매부(4)에서 나온 개질 가스를 CO 선택 산화 촉매부(5)에 공급한다. 제1 일체 형 열교환기(101)는 예열교환기(7)와 안정화 열교환기(8) 및 플로우트식 기수분리기(10a)를 일체화하여 구성된다. 제1 일체형 열교환기(101)는 연료전지 스택(13) 및 개질 가스 라인에서 압력 변동 없이 안정적으로 개질 가스와 응축수를 분리한다. 분리된 개질 가스는 공기와 함께 CO 산화 촉매부(5)로 공급되고, 응축수는 물탱크(미도시)로 회수된다.
제2 일체형 열교환기(102)는 연료전지 스택(13)의 오프 가스 라인에 설치되어, 연료전지 스택(13)에서 전력 생산에 이용되고 남은 오프 가스를 개질기(1)의 버너부(6)로 공급한다. 제2 일체형 열교환기(102)는 공랭식 열교환기(14)와 수냉식 열교환기(15), 및 플로우트식 기수분리기(10b)를 일체화하여 구성된다. 제2 일체형 열교환기(102)는 연료전지 스택(13) 및 오프 가스 라인에서 압력 변동 없이 안정적으로 오프 가스와 응축수를 분리한다. 분리된 오프 가스는 개질기(1)의 버너부(6)에서 연소되고, 응축수는 물탱크로 회수된다.
제3 일체형 열교환기(103)는 연료전지 스택(13)의 공기 배출 라인에 설치되어, 많은 양의 응축된 물을 연료전지 발전 시스템의 내부 물탱크(미도시)로 회수한다. 제3 일체형 열교환기(103)는 열교환기(16)와 및 플로우트식 기수분리기(10c)를 일체화하여 구성된다. 제3 일체형 열교환기(103)는 연료전지 스택(13) 및 공기 배출 라인에서 압력 변동 없이 안정적으로 공기와 응축수를 분리한다. 분리된 기체는 외부로 배출되고, 응축수는 물탱크로 회수된다.
도4는 도2의 복합 열교환기 모듈에서 냉각수 흐름을 나타내는 구성도이다. 도4를 참조하면, 연료전지 발전 시스템에서 발생된 열은, 제1 냉각수 라인(20)을 통하여 축열탱크(23)에서 복합 열교환 모듈(100) 내의 제1 일체형 열교환기(101), 제2 일체형 열교환기(102), 제3 일체형 열교환기(103) 및 버너 배기 열교환기(19)를 순환하는 제1 냉각수와, 제2 냉각수 라인(21)을 통하여 축열탱크(23)에서 폐열 회수용 열교환기(18)로 들어가는 제2 냉각수에 의하여, 혼합 냉각수 라인(22)을 경유하는 혼합된 냉각수를 통하여, 폐열 회수용 열교환기(18)에서 연료전지 스택(13)의 스택 냉각수와 열교환 된다. 그리고 폐열 회수용 열교환기(18)에서 열을 회수한 제2 냉각수는 축열탱크(23)에 다시 저장된다.
제1 일체형 열교환기(101)는 연료전지 발전 시스템에서 고온의 열을 발생시킨다. 즉 개질 가스가 시프트 촉매부(4)를 지나 CO 선택 산화 촉매부(5)로 들어갈 때, 제1 일체형 열교환기(101)를 지나게 된다. 이때, 개질 가스의 온도가 150도씨 이상이기 때문에, 제1 일체형 열교환기(101)는 냉각수를 이용하여 가스의 온도를 냉각시킨다.
CO 선택 산화 촉매부(5)는 약 100도씨에서 촉매 반응하기 때문에 고온의 개질 가스가 공급되면 촉매 열화가 발생된다. 따라서 제1 일체형 열교환기(101)에서 고온의 개질 가스로부터 열을 회수하고 나온 출열용 냉각수인 제1 냉각수는 제1 냉각수 라인(20)을 통하여 제2 일체형 열교환기(102)의 수냉식 열교환기(15)를 통과한다.
제2 일체형 열교환기(102)는 수냉식 열교환기(15)에 제1 냉각수 라인(20)의제1 냉각수를 순환시켜 공랭식 열교환기(14)와 함께 60도씨 이상의 오프 가스를 냉각하여 수분을 제거한다. 수분이 제거된 오프 가스는 개질기(1)의 버너부(6)에 공 급되어 안정적인 연소를 가능하게 한다.
제2 일체형 열교환기(102)를 통과한 제1 냉각수 라인(20)의 제1 냉각수는 연료전지 스택(13)의 공기 배출부에 있는 제3 일체형 열교환기(103)로 공급된다. 연료전지 스택(13)에서 배출되는 공기는 60도씨 이상이고 전기화학 반응에 의한 생성물로서 과량의 수분을 함유한 상태이다. 따라서 제2 일체형 열교환기(102)를 통과한 제1 냉각수 라인(20)의 제1 냉각수를 이용하여 제3 일체형 열교환기(103)는 수분을 함유한 공기를 냉각시킨다.
제3 일체형 열교환기(103)에서 응축된 물은 플로우트식 기수분리기(10c)에 의하여 회수되어 연료전지 발전 시스템의 내부 물탱크(미도시)에 공급하여 재활용된다. 제3 일체형 열교환기(103)에서 수분이 제거된 공기는 배기 연통부를 통하여 외부로 배출된다.
제3 일체형 열교환기(103)를 순환하고 나온 제1 냉각수 라인(20)의 제1 냉각수는 개질기(1) 버너부(6)의 연소 가스 배출 라인에 연결된 버너 배기 열교환기(19)를 통과하여 60도씨 이상의 개질기(1) 연소 배기가스의 열을 회수한다.
즉, 제1 냉각수 라인(20)을 통하여 제1, 제2, 제3 일체형 열교환기(101, 102, 103) 및 버너 배기 열교환기(19)를 순환한 제1 냉각수는 폐열 회수용 열교환기(18)에서 연료전지 스택(13)의 스택 냉각수와 열교환 된다.
다시 도1을 참조하면, 제1 일체형 열교환기(101)는 예열교환기(7), 안정화 열교환기(8) 및 플로우트식 기수분리기(10a)로 구성된다. 그리고 제1 일체형 열교환기(101)는 종래기술에서 예열교환기(7), 안정화 열교환기(8), 싸이클론식 기수분 리기들(9a, 9b, 9c), 수위 센서들(11a, 11b, 11c) 및 솔레노이드 밸브들(12a, 12b, 12c)에 의하여 이루어지던, 개질 가스 중 수분을 제거하는 역할과 개질기(1)의 열 밸런스를 유지하는 역할을 한다.
플로우트식 기수분리기(10a)는 내부에 플로우터(floater)가 구비되므로, 응축수에 의하여 일정 수위가 되면 자동으로 물을 배출하므로, 종래기술의 수위 센서들(11a, 11b, 11c)과 솔레노이드 밸브들(12a, 12b, 12c)의 제어 동작과 같이 물을 배출한다. 제1 일체형 열교환기(101)는 수직으로 설치되어 고온의 가스가 위에서 아래 방향으로 흐르는 것을 유지할 수 있게 한다.
제1 일체형 열교환기(101)는 개질 반응을 위한 물(pure water)을 예열하는 기능이 포함된 예열교환기(Pre-heater)(7), CO 선택 산화 촉매부(5)로 들어가는 개질 가스의 온도를 안정된 온도까지 낮춰주는 역할을 하는 안정화 열교환기(stabilizer)(8), 및 플로우트식 기수분리기(10a)를 일체로 구성한다.
따라서 예열교환기(7)와 안정화 열교환기(8)를 지나면서 수분을 함유한 개질 가스가 냉각되면서 생성된 응축수가 가스 흐름 속도를 감소시켜 중력 방향으로 떨어지면 프로우트식 기수분리기(10a)에서 물과 개질 가스를 분리한다. 응축수가 분리된 개질 가스는 CO 선택 산화 촉매부(5)로 들어가고, 응축수는 플로우트식 기수분리기(10a)에 의하여 물탱크로 배출된다.
플로우트식 기수분리기(10a)는 도5에 도시된 바와 같이, 유입되는 응축수를 내장하는 하우징(31), 하우징(31)에 내장되어 유입되면 물의 부력에 의하여 승강하는 플로우터(32), 및 플로우터(32)의 승강 작동으로 물의 배출을 단속하도록 상기 하우징(31)의 하측에 형성되는 물 배출구(33)를 포함한다.
즉, 응축수가 하우징(31)으로 유입되면 물의 부력에 의하여 내부 플로우터(32)가 뜨면서 물 배출구(33)를 개방하여, 물이 하우징(31) 밖으로 자동 배출된다. 플로우트식 기수분리기(10a) 내부에 응축된 물이 없으면 플로우터(32)는 자중에 의하여 물 배출구(33)를 막게 되어 개질 가스가 새는 것을 방지한다.
따라서 제1 실시예의 플로우트식 기수분리기(10a)는 수위 센서들(11a, 11b, 11c)를 통해 물을 감지하고 솔레노이드 밸브들(12a, 12b, 12c)를 제어하는 종래의 기술의 제어동작을 제거할 수 있게 한다.
또한, 플로우트식 기수분리기(10a)는 유입된 응축수를 연속적으로 배출함으로써 개질 가스의 압력 변동을 최소화하여 물을 안정적으로 배출하기 때문에 개질 반응을 안정적으로 유지하면서 재질 가스의 흐름을 일정하게 유지 할 수 있게 한다.
제1 일체형 열교환기(101)에서, 예열교환기(7)와 안정화 열교환기(8)는 각각 내부 제1 냉각수가 순환되는 제1 냉각수 라인(20)의 유로를 형성하는 주름관(71)과 주름관(71) 주위에 형성되는 원통형 배관(81)을 포함한다. 제1 일체형 열교환기(101)는 배관(81)에 플로우트식 기수분리기(10a)를 일체로 연결하여 형성된다.
제2 일체형 열교환기(102)는 연료전지 스택(13)의 오프 가스를 일체화된 공랭식 열교환기(14), 수냉식 열교환기(15) 및 플로우트식 기수 분리장치(10b)를 경유하여 개질기(1)의 버너부(6)에서 연소시킨다.
제2 일체형 열교환기(102)는 수직으로 설치될 수 있다. 오프 가스는 공랭식 열교환기(14)를 통하여 냉각되어 응축수를 발생시키고, 수냉식 열교환기(15)를 통과하면서 더 냉각되어 생성된다. 응축수는 플로우트식 기수분리기(10b)를 통하여 제거된다. 물이 제거된 오프 가스는 버너부(6)에서 연소되어 개질기(1)의 안정적인 온도 밸런스를 유지시킨다.
공랭식 열교환기(14)는 연료전지 스택(13)의 산화제인 공기를 이용하여 오프가스를 냉각시키고, 이로 인하여 회수한 열을 이용하여 막가습기(17)에 연료전지 스택(13)의 공기측 가습 효과를 상승시킨다.
플로우트식 기수분리기(10b)는 제1 일체형 열교환기(101)의 플로우트식 기수분리기(10a)와 동일하게 작동되므로 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
제3 일체형 열교환기(103)는 막가습기(17)에서 가습을 하고 남은 공기를 외부로 배출한다. 외부의 공기는 공랭식 열교환기(14) 및 막가습기(17)를 지나면서 가습되어 연료전지 스택(13)의 공기극으로 공급된다. 막가습기(17)는 연료전기 스택(13)에서 전기화학 반응 후 배출되는 공기는 풍부한 수분을 가지고 있으며, 출구의 풍부한 수분을 이용하여 입구측 공기를 가습하는 역할을 한다.
제3 일체형 열교환기(103)는 수직으로 설치될 수 있다. 제3 일체형 열교환기(103)는 수냉식 열교환 방식으로써 수분이 함유된 공기를 응축시켜 수분이 최소인 상태에서 외부로 배출된다. 응축된 물은 플로우트식 기수분리기(10c)를 통하여 연료전지 발전 시스템 내의 물탱크로 회수되어 스택 냉각수와 개질 반응을 위한 물(pure water)로 재활용된다.
플로우트식 기수분리기(10c)는 제1 일체형 열교환기(101)의 플로우트식 기수 분리기(10a)와 동일하게 작동되므로 이에 대한 구체적인 설명을 또한 생략한다.
도9의 종래기술과 비교할 때, 본 발명의 제1 실시예는 열교환기들(7, 8, 14, 15, 17, 19)과 플로우트식 기수분리기들(10a, 10b, 10c)의 각 연결 배관 길이를 최소화하기 때문에, 배관에서 열손실이 적고, 즉 열 회수율이 높은 장점을 가진다.
복합 열교환 모듈(100)은 열회수율 향상을 위하여, 개질 가스의 온도가 높은 제1 일체형 열교환기(101), 제2 일체형 열교환기(102), 제3 일체형 열교환기(103), 및 버너 배기 열교환기(19)의 순서로 제1 냉각수를 순환시키도록 제1 냉각수 라인(20)을 형성한다(도4 참조).
제1 일체형 열교환기(101), 제2 일체형 열교환기(102), 제3 일체형 열교환기(103)는 각각 제1 냉각수에 의하여 응축된 물과 기체를 분리할 수 있도록 플로우트식 기수분리기(10a, 10b, 10c)와 일체형으로 구성된다.
따라서 연료전지 발전 시스템을 구성함에 있어서, 복합 열교환 모듈(100)은 제조시, 조립 공정을 간단하게 한다. 복합 열교환 모듈(100)은 도9의 종래기술의 연료전지 발전 시스템 내에 분산 배치된 여러 개의 열교환기들(7, 8, 15, 16)과 기수분리기들(9a, 9b, 9c)의 연결 배관의 부품들을 하나의 모듈로 통합하므로 부품수를 감소하고, 수위 센서들(11a, 11b, 11c) 및 솔레노이드들(12a, 12b, 12c)과 같은 부품을 불필요하게 한다. 따라서 일 실시예의 연료전지 발전 시스템에서, 구성이 간단해지고, 소비 전력이 저감되며, 생산성이 향상된다.
제1 실시예와 비교하여, 이하에서 본 발명의 다양한 실시예들을 설명한다. 편의상, 제1 실시예와 유사 내지 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다.
도6은 도1에 적용되는 제2 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈에서, 제1 일체형 열교환기의 구성도이다. 제2 실시예에서 제1 일체형 열교환기(101')는 제1 실시예의 제1 일체형 열교환기(101)의 구성에, 유속을 충분히 감소시킬 수 있는 배관(24), 배관(24)의 내부에 채워지는 충전물(25) 및 배관(24)의 일측에 구비되는 플로우트식 기수분리기(10a')를 더 포함한다. 충전물(25)으로 메시부재로 형성될 수 있다.
배관(24), 충전물(25) 및 플로우트식 기수분리기(10a')는 응축된 물이 CO 선택 산화 촉매부(5)로 공급되는 것을 더욱 차단할 수 있고, 응축된 물은 플로우트식 기수분리기(10a')에서 물탱크로 배출된다.
도7은 도1에 적용되는 제3 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈에서, 제2 일체형 열교환기의 구성도이다. 제3 실시예에서 제2 일체형 열교환기(102')는 제1 실시예의 제2 일체형 열교환기(102)의 구성에, 유속을 충분히 감소시킬 수 있는 배관(24), 배관(24)의 내부에 채워지는 충전물(25) 및 배관(24)의 일측에 구비되는 플로우트식 기수분리기(10b')를 더 포함한다. 충전물(25)으로 메시부재로 형성될 수 있다.
배관(24), 충전물(25) 및 플로우트식 기수분리기(10b')는 응축된 물이 개질기(1)의 버너부(6)로 공급되는 것을 더욱 차단할 수 있고, 응축된 물은 플로우트식 기수분리기(10b')에서 배출된다.
도8은 도1에 적용되는 제4 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈에서, 제3 일체형 열교환기의 구성도이다. 제4 실시예에서 제3 일체형 열교환기(103')는 제1 실시 예의 제3 일체형 열교환기(103)의 구성에, 유속을 충분히 감소시킬 수 있는 배관(24), 배관(24)의 내부에 채워지는 충전물(25) 및 배관(24)의 일측에 구비되는 플로우트식 기수분리기(10c')를 더 포함한다. 충전물(25)으로 메시부재로 형성될 수 있다.
배관(24), 충전물(25) 및 플로우트식 기수분리기(10c')는 응축된 물이 외부로 배출되는 것을 최대한 차단할 수 있고, 응축된 물은 플로우트식 기수분리기(10c')에서 연료전지 발전 시스템의 내부 냉각수용 물탱크로 회수된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템의 구성이다.
도2는 도1에 적용되는 제1 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈의 정면측 사시도이다.
도3은 도2의 배면측 사시도이다.
도4는 도2의 복합 열교환기 모듈에서 제1, 제2 및 혼합 냉각수의 흐름을 나타내는 구성도이다.
도5는 도1의 플로우트식 기수분리기의 구성도이다.
도6은 도1에 적용되는 제2 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈에서, 제1 일체형 열교환기의 구성도이다.
도7은 도1에 적용되는 제3 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈에서, 제2 일체형 열교환기의 구성도이다.
도8은 도1에 적용되는 제4 실시예에 따른 복합 열교환기 모듈에서, 제3 일체형 열교환기의 구성도이다.
도9는 종래기술에 따른 연료전지 발전 시스템의 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 복합 열교환기 모듈 1 : 개질기
2 : 탈황 촉매부 3 : 개질 촉매부
4 : 시프트 촉매부 5 : CO 선택 산화 촉매부
6 : 버너부 7 : 예열교환기
8 : 안정화 열교환기 101, 101' : 제1 일체형 열교환기
102, 102' : 제2 일체형 열교환기 103, 103' : 제3 일체형 열교환기
10a, 10b, 10c, 10a', 10b', 10c' : 플로우트식 기수분리기
19 : 버너 배기 열교환기 11b : 플로우트식 기수분리기
13 : 연료전지 스택 14 : 공랭식 열교환기
15 : 수냉식 열교환기 20, 21 : 제1, 제2 냉각수 라인
22 : 혼합 냉각수 라인 23 : 축열탱크
24 : 배관 25 : 충전물

Claims (13)

  1. 탄화수소계열의 발전 원료를 수소로 전환하는 개질기;
    개질 가스를 유동시키는 상기 개질기의 개질 가스 라인에 구비되는 제1 일체형 열교환기;
    오프 가스를 유동시키는 연료전지 스택의 오프 가스 라인에 구비되는 제2 일체형 열교환기;
    공기를 배출하는 상기 연료전지 스택의 공기 출구 라인에 구비되는 제3 일체형 열교환기; 및
    연소 배출 가스를 배출하는 상기 개질기의 연소 배출 가스 라인에 구비되는 버너 배기 열교환기를 포함하며,
    상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 상기 제3 일체형 열교환기 및 상기 버너 배기 열교환기는,
    제1 냉각수 라인에 의하여 순차적으로 연결되어 통합된 모듈로 형성되는 연료전지 발전 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 상기 제3 일체형 열교환기는, 각각
    상기 개질가스, 상기 오프 가스 및 상기 공기 중 하나와 냉각수를 순환시켜 열교환하는 열교환기와,
    상기 열교환기에 연결되어 응축되는 냉각수의 배출을 단속하는 플로우트식 기수분리기를 포함하고,
    상기 열교환기와 상기 플로우트식 기수분리기는,
    일체로 형성되어, 수직 상태로 설치되는 연료전지 발전 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 상기 제3 일체형 열교환기는,
    상기 열교환기에 연결되는 배관,
    상기 배관의 내부에 채워지는 충전물, 및
    상기 배관의 일측에 연결되는 플로우트식 기수분리기를 더 포함하는 연료전지 발전 시스템.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 냉각수 라인은,
    축열탱크에서 상기 제1 일체형 열교환기, 상기 제2 일체형 열교환기, 제3 일체형 열교환기, 및 상기 버너 배기 열교환기의 순서로 연결하여, 제1 냉각수를 순환시키는 연료전지 발전 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 모듈은,
    상기 축열탱크에 연결되는 제2 냉각수 라인, 및
    상기 제2 냉각수 라인 및 상기 제1 냉각수 라인을 서로 연결하여 폐열 회수용 열교환기 및 상기 축열탱크에 연결하는 혼합 냉각수 라인을 더 포함하는 연료전지 발전 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 열교환기들은,
    각각 내부에 제1 냉각수를 유동시키는 주름관,
    상기 주름관 주위에 형성되는 원통형 배관을 포함하며,
    상기 배관에 상기 플로우트식 기수분리기가 일체로 연결되는 연료전지 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 일체형 열교환기는,
    상기 개질기의 시프트 촉매부와 CO 선택 산화 촉매부 사이에 위치하며,
    개질 반응을 위한 물을 예열하는 예열교환기, 상기 개질 가스의 온도는 낮추는 안정화 열교환기, 및 상기 예열교환기 및 상기 안정화 열교환기에서 응축된 물과 상기 개질 가스를 분리하는 플로우트식 기수분리기를 포함하여 일체로 형성하는 연료전지 발전 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 일체형 열교환기는,
    상기 예열교환기 및 상기 안정화 열교환기에 연결되어 상기 개질 가스의 유속을 충분히 감소시기는 배관,
    상기 배관의 내부에 채워지는 충전물 및
    상기 배관의 일측에 연결되는 플로우트식 기수분리기를 더 포함하는 연료전지발전 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 일체형 열환기는,
    상기 연료전지 스택의 상기 오프 가스 라인과 상기 개질기의 버너부 사이에 위치하며,
    상기 오프 가스를 냉각시켜 수분을 제거하는 공랭식 열교환기와 수냉식 열교환기, 및 상기 공랭식 열교환기와 상기 수냉식 열교환기에서 응축된 물과 상기 오프 가스를 분리하는 플로우트식 기수분리기를 포함하여 일체로 형성하는 연료전지 발전 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 일체형 열교환기는,
    상기 수냉식 교환기에 연결되어 상기 오프 가스의 유속을 충분히 감소시키는 배관,
    상기 배관의 내부에 채워지는 충전물 및
    상기 배관의 일측에 연결되는 플로우트식 기수분리기를 더 포함하는 연료전지발전 시스템.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 일체형 열환기는,
    상기 연료전지 스택의 상기 공기 출구 라인에 위치하며,
    상기 연료전지 스택에서 전기화학반응 후 생성된 수분을 응축하는 열교환기,
    상기 열교환기에서 응축된 물과 상기 공기를 분리하는 플로우트식 기수분리기를 포함하는 연료전지 발전 시스템.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 일체형 열교환기는,
    상기 열교환기에 연결되어 상기 공기의 유속을 충분히 감소시키는 배관,
    상기 배관의 내부에 채워지는 충전물 및
    상기 배관의 일측에 연결되는 플로우트식 기수분리기를 더 포함하는 연료전지발전 시스템.
  13. 제2 항에 있어서,
    상기 플로우트식 기수분리기는,
    유입되는 응축수를 내장하는 하우징,
    상기 하우징에 내장되어 유입되면 물의 부력에 의하여 승강하는 플로우터, 및
    상기 플로우터의 승강 작동으로 물의 배출을 단속하도록 상기 하우징의 하측에 형성되는 물 배출구를 포함하는 연료전지 발전 시스템.
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