KR101897500B1

KR101897500B1 - 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR101897500B1
Application number: KR1020160078428A
Authority: KR
Inventors: 손승길; 신석재; 박세진; 이용; 김진형
Original assignee: 주식회사 경동나비엔
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2018-09-12
Also published as: EP3477751A1; EP3477751A4; WO2017222253A1; US20200313205A1; KR20180000447A

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 내의 열교환형 개질기에서 배출되는 고온의 연료극 가스 또는 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 연료극 배가스를 이용하여 버너로 공급되는 연료 또는 공기를 예열함으로써 버너의 작동 효율을 향상시켜주는 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 공기 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 공기를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.

Description

연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM WITH HEAT EXCHAGER USING REFORMED GAS OR ANODE OFF GAS}

본 발명은 연료극 가스 또는 연료극 배가스 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용하여 버너로 공급되는 공기 또는 연료를 예열할 수 있도록 해주는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석연료로부터 얻고 있다. 그러나 이러한 화석연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율 또한 낮은 문제점이 있었다.

이러한 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 최근에 연료전지스템이 개발되고 있다. 연료전지는 통상의 2차 전지와는 다르게 음극에 연료인 수소가스나 탄화수소를 공급하고, 양극에는 산소를 공급하여 전기를 발생시키는 구조를 갖는다. 즉, 연료전지는 명칭은 전지이지만 실제로는 전기를 발생시키는 발전장치로 볼 수 있다. 기본적으로 연료전지는 연료를 연소시키지 않고 수소와 산소를 전기 화학적 반응을 일으키고, 그 반응 전후의 에너지 차이를 전기에너지로 변환하는 방법을 사용한다.

연료전지는 NOx와 SOx등 환경을 오염시키는 가스가 발생되지 않으며 소음과 진동이 없는 시스템으로서 열효율이 전기발전량과 열회수량을 합하여 80% 이상인 크린 발전 시스템이라 할 수 있다.

통상적으로 고체산화물 연료전지 시스템(SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM)은 화학반응을 통하여 전기를 생산하는 연료전지 스택(Stack), 스택에 수소/탄화수소 및 산소를 공급하는 연료처리 장치, 연료전지 스택에서 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 전환하는 인버터 장치, 연료전지 스택에서 발생하는 열을 회수하는 배열회수 장치 등을 포함한다.

상기 연료전지 장치는 천연가스와 같은 연료에서 수소를 발생시키는 열교환형 개질기(Reformer), 상기 연료전지 스택 및 열교환형 개질기에 필요한 열원을 공급하는 버너, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 연료 또는 공기를 예열하는 열교환기 등이 포함되며, 상기 열교환형 개질기, 연료전지 스택, 버너 및 열교환기는 고온에서 작동되기 때문에 단열이 되는 하나의 핫 박스(Hot box) 내에 설치된다.

상기 버너는 연료전지를 운전하기 위한 열원을 공급하는데, 버너로 공급되는 연료 및 공기의 온도 조건에 따라 시스템에 공급하는 열량이 변하게 된다. 버너가 공급하는 열량과 시스템이 필요로 하는 열량의 차이가 시스템 효율로 나타나게 되므로, 핫 박스에서 외부로 배출되는 열량을 가능한 많이 회수하여야 했다. 이를 위해 핫 박스 내에 열교환기를 추가로 설치하여 핫 박스의 외부로 배출되기 전에 최대한 많은 열을 재사용할 수 있도록 연료전지 시스템을 구성하여 왔다.

그 대표적인 예가 대한민국 공개특허 제2010-0083027호(발명의 명칭: 고체산화물 연료전지 시스템)(특허문헌 1)에 개시되어 있다. 이 고체산화물 연료전지 시스템은, 액상의 탄화수소계 원료를 공급받아 수소-리치(rich)한 개질 가스를 생성하는 개질기; 개질기 외벽에 부착되어 개질기를 초기 발화온도까지 승온시키는 가열기; 상기 개질기에서 배출된 개질 가스를 공급받아 황 성분을 제거하여 연료가스를 생성하는 탈황기; 공기 및 상기 탈황기에서 배출된 연료가스의 온도를 상승시키는 복합열교환기; 상기 복합열교환기에서 승온된 연료가스를 연료극가스 유입구로 공급받고, 상기 복합열교환기에서 승온된 공기를 공기극 가스 유입구로 공급받아 전기를 생성하는 고체산화물 연료전지 스택; 및 상기 고체산화물 연료전지 스택에서 배출된 공기극 및 연료극의 배출가스를 공급받아 연소시켜 연소 배가스를 생성하는 촉매연소기를 포함하여 구성되며, 상기 복합열교환기는 상기 연소 배가스와 상기 연료가스 및 공기의 열교환이 이루어지며, 상기 고체산화물 연료전지 스택, 개질기, 가열기, 탈황기, 촉매연소기 및 복합 열교환기는 하나의 핫 박스 내에 구비되어 있다.

즉, 버너 역할을 하는 상기 촉매연소기로부터 배출되는 고온의 연소 배가스가 복합열교환기 내에서 연료전지 스택으로 공급되는 연료가스와 공기와 열교환을 통해 이를 예열시키도록 하여 연료전지 시스템의 효율을 향상시켜준다.

그러나, 이 특허문헌 1에서와 같이 종래의 연료전지 시스템에 설치된 열교환기는 주로 연료전지 스택으로 공급되는 연료가스 또는 공기를 예열시키는 것에만 한정적으로 사용되고 있고, 여전히 높은 온도의 가스가 핫 박스 외부로 그대로 배출되고 있는 실정이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 핫 박스 내의 열원을 최대한 재활용하기 위해 열교환기를 최적의 위치에 설치한 새로운 배치 형태를 가진 연료전지 시스템의 개발이 필요하다.

대한민국 공개특허 제2010-0083027호(발명의 명칭: 고체산화물 연료전지 시스템), 2010. 07. 21. 공개

본 발명은 이러한 업계의 필요성을 충족시키기 위하여 개발된 것으로서, 연료전지 시스템 내의 열교환형 개질기에서 배출되는 고온의 연료극 가스 또는 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 연료극 배가스를 이용하여 버너로 공급되는 연료 또는 공기를 예열함으로써 버너의 작동 효율을 향상시켜주는 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 공기 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 공기를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 연료가스를 공급하는 버너용 연료가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 연료가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료가스를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 연료극 배가스를 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료극 배가스를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인 상에 설치되고, 상기 연료전지 스택에서 배출된 고온의 연료극 배가스를 이용하여 상기 버너용 공기 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 공기를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 공기를 공급하는 버너용 연료가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 연료전지 스택에서 배출된 고온의 연료극 배가스를 이용하여 상기 버너용 연료가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료가스를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 연료극 배가스를 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 연료전지 스택으로부터 배출된 고온의 연료극 배가스를 이용하여 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료극 배가스를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 연료극 가스 또는 연료 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 연료전지 시스템의 핫 박스 내에서 생성되는 고온의 연료극 가스 또는 연료극 배가스와 핫 박스 외부에서 내부에 설치된 버너로 공급되는 공기 또는 연료가스와의 열교환을 통해 상기 버너로 공급되는 공기 또는 연료가스의 열량을 증가시킴으로써, 연료전지 시스템 전체의 열 효율을 향상시켜준다.

또한, 고온의 연료극 가스와 저온의 공기 또는 연료가스의 열교환을 통해 상기 버너로 공급되는 공기 또는 연료가스의 열량을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 저온형 연료전지 스택에 적합한 온도로 연료극 가스의 온도를 조절할 수 있다.

또한, 상기 버너로 공급되는 공기의 열량을 증가시킴으로써 이와 함께 연소되는 연료가스의 공급량을 감소시킬 수 있어 운전 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제1-1 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따라 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제1-2 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명에 따라 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제2-1 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 4는 본 발명에 따라 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제2-2 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 5은 본 발명에 따라 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제3-1 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 6은 본 발명에 따라 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제3-2 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 7은 본 발명에 따라 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제1-1 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 8은 본 발명에 따라 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제1-2 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 9는 본 발명에 따라 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제2-1 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 10은 본 발명에 따라 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제2-2 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 11은 본 발명에 따라 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제3-1 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 12는 본 발명에 따라 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제3-2 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 온도 조절용 열교환 수단을 포함하는 연료전지를 보다 상세히 설명한다.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 참고로, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은 기본적으로 고체산화물 연료전지 시스템(SOFC)을 사용한다. 따라서, 이하에서는 고체산화물 연료전지 시스템을 기반으로 본 발명에 따른 여러 가지 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술사상은 이에 한정되지 아니하며, 버너와 열교환기를 사용하는 다양한 종류의 고온 연료전지 시스템에 적용 가능하다 할 것이다.

고체산화물 연료전지 시스템은 산소와 수소가 결합하여 물을 생성하는 화학 반응이 발열 반응인 관계로 통상적으로 500℃ 이상의 고온에서 운전된다. 따라서 전체 연료전지 시스템에 있어서 고온 상태에서 작동하는 여러 가지 장치 및 배관을 단열 재료로 된 핫 박스 내에 배치하여 외부로 열이 배출되는 것을 차단한다.

본 발명의 구체적인 설명에 앞서 도 1을 참조로 상기 핫 박스 내부에 설치되는 장치 및 배관을 간단히 설명하면 다음과 같다. 여기서 핫 박스라 함은 별도로 표시하지는 않았지만, 그 내부에 연료전지 스택(20), 버너(30) 및 각종 열교환 장치 등이 장착되고, 고온 상태에서 작동되며, 외부와는 단열 처리된 박스를 의미한다.

먼저, 전기를 생산하는 핵심 장치인 연료전지 스택(20)이 상기 핫 박스 내부에 배치된다. 이 연료전지 스택(20)은 공기극(21), 전해질(22) 및 연료극(23)으로 구성된 단위 셀이 여러 층으로 적층된 형태로 구성된다.

상기 공기극(21)은 핫 박스의 외부로부터 공기(산소)를 공급하는 스택용 공기 공급라인(25)이 연결되고, 이를 통해 화학 반응에 필요한 공기가 공급된다. 반응 효율을 높이기 위하여 상기 스택용 공기 공급라인(25)에 별도의 열교환기(미도시)가 설치되어 공급되는 공기의 열량을 증가시켜주도록 구성될 수 있다. 상기 전해질(22)은 지르코니아 계열과 같이 높은 이온전도도를 갖는 고체 산화물로 구성되고 상기 공기극(21)을 통해 공급된 산소 이온이 전해질(22)을 통해 이동하여 수소와 반응하게 된다. 상기 연료극(23)은 핫 박스의 외부로부터 연료가스(수소)가 공급된다. 이 연료가스는 일반 도시가스, 프로판 가스 등을 사용할 수 있는데, 스택 내에서의 반응 효율을 높이기 위하여 상기 연료가스를 고효율의 수소가스로 개질하여 공급하도록 구성된다.

한편, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너(30)가 상기 핫 박스 내에 배치된다. 이 버너(30)는 연소에 필요한 연료가스와 연료를 각각 2가지 경로를 통해 공급받는다.

먼저, 연료가스를 공급받기 위하여 상기 버너(30)에는 버너용 연료가스 공급라인(31)과 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)이 각각 연결 설치된다. 상기 버너용 연료가스 공급라인(31)을 통해 핫 박스의 외부로부터 일반 도시가스, 프로판 가스와 같은 상온의 연료가스가 공급된다. 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인(31)을 통해 상기 연료전지 스택(20)의 연료극(23)으로부터 배출되고 미반응된 수소가스를 포함하고 있는 연료극 배가스(AOG, Anode Off Gas)가 공급된다. 이 연료극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 배출되는 직후에는 700℃ 이상의 고온이나, 여러 가지 열교환 단계를 통과한 다음 통상 70℃의 온도로 상기 버너(30)로 공급된다.

공기를 공급받기 위하여 상기 버너(30)에는 버너용 공기 공급라인(33)과 버너용 공기극 배가스 공급라인(34)이 각각 연결 설치된다. 상기 버너용 공기 공급라인(33)을 통해 핫 박스의 외부로부터 상온의 공기가 공급된다. 상기 버너용 공기극 배가스 공급라인(34)을 통해 상기 연료전지 스택(20)의 공기극(21)으로부터 배출되고 미반응된 공기를 포함하고 있는 고온의 공기극 배가스(COG, Cathode Off Gas)가 공급된다. 이 공기극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 배출되는 직후에 약 650 ~ 700℃ 정도의 고온인 상태로 버너(30)로 직접 공급된다.

한편, 상기 핫 박스의 외부로부터 일반 도시가스, 프로판 가스와 같은 연료가스를 공급받아 고효율의 수소가스로 개질된 연료극 가스(Reformed Gas)를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택(20)의 연료극(23)으로 공급하는 열교환형 개질기(40)가 핫 박스 내부에 배치된다.

이를 위해 상기 열교환형 개질기(40)에는 핫 박스의 외부로부터 연료가스를 공급하는 열교환형 개질기용 연료가스 공급라인(41)이 연결 설치되고, 상기 열교환기 개질기(40)를 통해 생성된 연료극 가스는 연료전지 스택(20)의 연료극(23)으로 공급된다. 상기 열교환형 개질기(40)에는 개질에 필요한 높은 열원을 공급하기 위하여 별도의 고온 열교환가스 공급라인(46)을 통해 고온의 열교환 매체가 공급되고, 이 고온의 열교환 매체는 상기 열교환형 개질기(40)를 통과하는 과정에서 상기 열교환형 개질기용 연료가스 공급라인(41)을 통해 공급된 연료가스와 열교환이 이루어진 후에 개질기 통과가스 배출라인(47)을 통해 핫 박스 외부로 배출된다. 이는 후술하는 도 2 내지 도 12에서도 동일하다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 버너(30)는 각각 2가지 경로를 통해 연료가스 또는 공기를 공급받는다. 즉, 상기 버너(30)는 버너용 연료가스 공급라인(31) 및 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)을 통해 수소를 함유한 연료가스를 공급받고, 버너용 공기 공급라인(33) 및 버너용 공기극 배가스 공급라인(34)을 통해 산소를 함유한 공기를 공급받는다. 버너(30)로 공급되는 연료가스 또는 공기의 온도가 높으면 그 만큼 높은 열량의 연소 배가스를 생성할 수 있기 때문에 버너(30)로 공급되는 연료가스 또는 공기는 온도가 높을수록 유리하다.

그러나, 상기 버너용 연료가스 공급라인(31)을 통해 공급되는 연료가스는 일반 도시가스나 프로판 가스로서 상온 상태이고, 상기 버너용 공기 공급라인(33)을 통해 공급되는 공기도 상온 상태이다.

상기 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)을 통해 공급되는 연료극 배가스는 비록 연료전지 스택(20)의 연료극(23)에서 배출된 직후에는 높은 온도를 가지나, 핫 박스 외부에 배치된 열교환 장치를 통과하는 동안에 온도가 떨어져 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)을 통해 버너(30)로 공급되는 시점에는 약 70℃ 정도의 온도를 가진다.

다만, 상기 버너용 공기극 배가스 공급라인(34)을 통해 공급되는 공기극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 배출될 때 가지는 높은 온도를 그대로 유지한 채 버너(30)로 공급된다.

상술한 바와 같이, 핫 박스 내에 배치된 버너(30)로부터 공급되는 총 열량에 대하여 핫 박스의 내부에서 사용되는 열량의 차이가 전체 시스템의 효율을 결정하게 되므로, 핫 박스에서 외부로 배출되는 열량을 가능한 많이 회수하는 것이 필요하다. 본 발명자는 버너(30)로 공급되는 연료가스 또는 공기의 온도 분포를 분석한 결과를 토대로, 높은 온도의 공기가 공급되는 상기 버너용 공기극 배가스 공급라인(34)을 제외한 나머지 3 곳, 다시 말해 버너용 연료가스 공급라인(31), 버너용 연료극 배가스 공급라인(32) 및 버너용 공기 공급라인(33) 상에 상기 고온의 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 열교환할 수 있도록 해주는 열교환기(50)를 설치함으로써, 연료전지 시스템의 전체 열 효율을 최적화하였다.

도 1 내지 도 6은 이 중에서 연료극 가스를 이용한 열교환기가 설치된 실시예를 나타낸다.

도 1 및 도 2에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 열교환기(50)는 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 버너(30)로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인(33) 상에 설치되고, 고온의 연료극 가스를 이용하여 버너용 공기 공급라인(33)을 통해 버너(30)로 공급되는 상온의 공기를 예열시키도록 구성된다.

상기 고온의 연료극 가스는 상기 열교환형 개질기(40) 내에서 열교환형 개질기용 연료가스 공급라인(41)을 통해 공급된 연료가스가 상기 열교환 매체와 열교환되어 생성되는 것으로, 고효율의 수소가스를 다량 포함한다. 이 연료극 가스는 연료전지 스택(20)의 열 효율을 향상시키기 위하여 높은 온도인 상태로 연료전지 스택(20)에 공급된다. 본 실시예는 이 고온의 연료극 가스를 연료전지 스택(20)에 공급하기 전에 상기 열교환기(50)를 먼저 거치도록 중계하여 버너(30)에 공급되는 저온의 공기를 예열하는데 사용함으로써 연료전지 시스템의 전체 효율을 향상시킨 것이다.

본 실시예는 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에 더욱 유용하게 사용될 수 있다. 종래에 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에는 열교환형 개질기(40)에 배출된 고온의 연료극 가스를 그대로 사용하지 못하고 일정 온도만큼 감소시킨 후에 사용하여야 했다. 이를 위해 열교환형 개질기(40)의 열교환 과정을 제어하여 배출되는 연료극 가스의 온도를 낮추거나 별도의 냉각수단을 이용하여 배출된 연료극 가스의 온도를 낮춘 다음에 저온형 연료전지 스택(20)에 공급하여 왔다.

그러나, 본 실시예에서는, 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에도 열교환형 개질기(40)에서 높은 온도의 연료극 가스를 그대로 배출시킨 다음 이 열량을 상기 버너(30)에 공급되는 저온의 공기를 예열시키는 사용함으로써 스택의 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

이를 위해 상기 열교환형 개질기(40)에는 고온의 연료극 가스를 열교환기(50)로 공급하는 연료극 가스 중계라인(42)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(50)에는 고온의 연료극 가스를 열교환기(50) 내로 공급된 외부 공기와 열교환시킨 후 상기 연료전지 스택(50)의 연료극(23)으로 공급하는 연료극 가스 순환라인(43)이 연결 설치된다. 미 설명부호인 35는 연소 배가스가 핫 박스 외부로 배출되는 연소 배가스 배출라인을 나타낸다.

도 2는 기본적으로 열교환형 개질기(40)에서 배출되는 고온의 연료극 가스를 상기 버너용 공기 공급라인(33)에 설치된 열교환기(50)로 공급하여 핫 박스의 외부로부터 버너(30)로 공급되는 상온의 공기를 예열한다는 점에서 도 1의 실시예와 동일하다. 다만, 도 1에서는 상기 열교환기(50)가 하나만 설치되어 있는 반면에 도 2에서는 제1 열교환기(50a) 및 제2 열교환기(50b)의 2 개가 설치되고, 연료극 가스 제1 분기라인(42a) 및 연료극 가스 제2 분기라인(42b)을 통해 각각 고온의 연료극 가스가 공급되도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다.

열교환기 내에서 고온의 연료극 가스와 상온의 외부 공기 사이에 열교환이 일어나지만, 상대적으로 빠른 유체의 통과 속도로 인해 충분한 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예는 2 번의 열교환을 통해 이러한 문제점을 해결한 것이다. 비록 도 2에는 2 개의 열교환기(50a, 50b)가 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 3 개 이상의 열교환기가 설치된 형태도 당연히 포함한다 할 것이다.

도 3 및 도 4에 개시된 다른 실시예에 따르면, 상기 열교환기(50)는 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 버너(31)로 연료가스를 공급하는 버너용 연료가스 공급라인(31) 상에 설치되고, 고온의 연료극 가스를 이용하여 버너용 연료가스 공급라인(31)을 통해 버너(30)로 공급되는 상온의 연료가스를 예열시키도록 구성된다.

상기 고온의 연료극 가스는 상기 열교환형 개질기(40) 내에서 열교환형 개질기용 연료가스 공급라인(41)을 통해 공급된 연료가스가 상기 열교환 매체와 열교환되어 생성되는 것으로, 고효율의 수소가스를 다량 포함한다. 다만 스택의 조건에 따라 개질반응 없이 공급되기도 한다. 이 연료극 가스는 연료전지 스택(20)의 열 효율을 향상시키기 위하여 높은 온도인 상태로 연료전지 스택(20)에 공급된다. 본 실시예는 이 고온의 연료극 가스를 연료전지 스택(20)에 공급하기 전에 상기 열교환기(50)를 먼저 거치도록 중계하여 버너(30)에 공급되는 저온의 연료가스를 예열하는데 사용함으로써 연료전지 시스템의 전체 효율을 향상시킨 것이다.

그러나, 본 실시예에서는, 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에도 열교환형 개질기(40)에서 높은 온도의 연료극 가스를 그대로 배출시킨 다음 이 열량을 상기 버너(30)에 공급되는 저온의 연료가스를 예열시키는 사용함으로써 스택의 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

이를 위해 상기 열교환형 개질기(40)에는 고온의 연료극 가스를 열교환기(50)로 공급하는 연료극 가스 중계라인(42)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(50)에는 고온의 연료극 가스를 열교환기(50) 내로 공급된 연료가스와 열교환시킨 후 상기 연료전지 스택(50)의 연료극(23)으로 공급하는 연료극 가스 순환라인(43)이 연결 설치된다. 미 설명부호인 35는 연소 배가스가 핫 박스 외부로 배출되는 연소 배가스 배출라인을 나타낸다.

도 4는 기본적으로 열교환형 개질기(40)에서 배출되는 고온의 연료극 가스를 상기 버너용 연료가스 공급라인(31)에 설치된 열교환기(50)로 공급하여 핫 박스의 외부로부터 버너(30)로 공급되는 상온의 연료가스를 예열한다는 점에서 도 3의 실시예와 동일하다. 다만, 도 3에서는 상기 열교환기(50)가 하나만 설치되어 있는 반면에 도 4에서는 제1 열교환기(50a) 및 제2 열교환기(50b)의 2 개가 설치되고, 연료극 가스 제1 분기라인(42a) 및 연료극 가스 제2 분기라인(42b)을 통해 각각 고온의 연료극 가스가 공급되도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다.

열교환기 내에서 고온의 연료극 가스와 상온의 연료가스 사이에 열교환이 일어나지만, 상대적으로 빠른 유체의 통과 속도로 인해 충분한 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예는 2 번의 열교환을 통해 이러한 문제점을 해결한 것이다. 비록 도 4에는 2 개의 열교환기(50a, 50b)가 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 3 개 이상의 열교환기가 설치된 형태도 당연히 포함한다 할 것이다.

도 5 및 도 6에 개시된 또 다른 실시예에 따르면, 상기 열교환기(50)는 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 버너(31)로 연료극 배가스를 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인(32) 상에 설치되고, 고온의 연료극 가스를 이용하여 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)을 통해 버너(30)로 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열시키도록 구성된다. 상기 연료극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 배출된 직후에는 700℃ 이상의 높은 온도를 가지나, 핫 박스 내부 또는 외부에서 여러 번의 열교환 과정의 거치는 동안에 70℃ 정도로 낮아지게 되고, 이 상태에서 버너(30)로 공급된다는 사실은 이미 상기한 바와 같다.

상기 고온의 연료극 가스는 상기 열교환형 개질기(40) 내에서 열교환형 개질기용 연료가스 공급라인(41)을 통해 공급된 연료가스가 상기 열교환 매체와 열교환되어 생성되는 것으로, 고효율의 수소가스를 다량 포함한다. 이 연료극 가스는 연료전지 스택(20)의 열 효율을 향상시키기 위하여 높은 온도인 상태로 연료전지 스택(20)에 공급된다. 본 실시예는 이 고온의 연료극 가스를 연료전지 스택(20)에 공급하기 전에 상기 열교환기(50)를 먼저 거치도록 중계하여 버너(30)에 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열하는데 사용함으로써 연료전지 시스템의 전체 효율을 향상시킨 것이다.

그러나, 본 실시예에서는, 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에도 열교환형 개질기(40)에서 높은 온도의 연료극 가스를 그대로 배출시킨 다음 이 열량을 상기 버너(30)에 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열시키는 사용함으로써 스택의 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

이를 위해 상기 열교환형 개질기(40)에는 고온의 연료극 가스를 열교환기(50)로 공급하는 연료극 가스 중계라인(42)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(50)에는 고온의 연료극 가스를 열교환기(50) 내로 공급된 연료극 배가스와 열교환시킨 후 상기 연료전지 스택(50)의 연료극(23)으로 공급하는 연료극 가스 순환라인(43)이 연결 설치된다. 미 설명부호인 35는 연소 배가스가 핫 박스 외부로 배출되는 연소 배가스 배출라인을 나타낸다.

도 6은 기본적으로 열교환형 개질기(40)에서 배출되는 고온의 연료극 가스를 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)에 설치된 열교환기(50)로 공급하여 핫 박스의 외부로부터 버너(30)로 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열한다는 점에서 도 5의 실시예와 동일하다. 다만, 도 5에서는 상기 열교환기(50)가 하나만 설치되어 있는 반면에 도 6에서는 제1 열교환기(50a) 및 제2 열교환기(50b)의 2 개가 설치되고, 연료극 가스 제1 분기라인(42a) 및 연료극 가스 제2 분기라인(42b)을 통해 각각 고온의 연료극 가스가 공급되도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다.

열교환기 내에서 고온의 연료극 가스와 저온의 연료극 배가스 사이에 열교환이 일어나지만, 상대적으로 빠른 유체의 통과 속도로 인해 충분한 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예는 2 번의 열교환을 통해 이러한 문제점을 해결한 것이다. 비록 도 6에는 2 개의 열교환기(50a, 50b)가 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 3 개 이상의 열교환기가 설치된 형태도 당연히 포함한다 할 것이다.

다음으로, 도 7 내지 도 12를 참조로 연료극 배가스를 이용한 열교환기가 설치된 실시예를 설명한다.

도 7 및 도 8에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 열교환기(50)는 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 버너(30)로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인(33) 상에 설치되고, 고온의 연료극 배가스를 이용하여 버너용 공기 공급라인(33)을 통해 버너(30)로 공급되는 상온의 공기를 예열시키도록 구성된다.

상기 고온의 연료극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 수소와 산소가 결합하여 물을 생성하는 화학반응 후에 미반응된 수소가스를 포함한 채로 연료극(23)으로부터 배출된다. 연료전지 스택(20)에서 발생하는 화학반응이 발열반응인 관계로 연료전지 스택(20)은 통상적으로 700℃ 이상의 높은 온도에서 운전되므로, 연료극(23)으로부터 배출되는 연료극 배가스도 700℃ 이상이 고온 상태가 된다.

이 연료극 배가스는 고온의 열량뿐만 아니라 미반응된 수소가스를 포함하고 있기 때문에 연료전지 시스템 내에서 이 열량과 미반응 수소가스를 재활용하도록 구성된다. 보다 상세하게 설명하면, 연료극 배가스의 높은 열량을 이용하기 위해서 핫 박스 내부 또는 외부에서 여러 번의 열교환 과정을 거치게 된다. 대표적인 것이 핫 박스 외부에 설치된 축열조(미도시)에서 일어나는 온수와의 열교환 과정이다. 이 온수는 가정 내의 난방수 및 목욕 등을 위한 온수로 사용된다. 연료극 배가스에 포함된 미반응 수소가스를 이용하기 위하여 핫 박스의 외부로 배출된 연료극 배가스는 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)을 통해 버너(30)로 재공급되어 연소된다.

연료전지 시스템은 전기와 열을 동시에 생산한다는 점에서 매우 유용한 발전 설비이다. 생산된 전기는 가정 내에서 소비하고, 잉여의 전력이 남는 경우에는 이를 전기 계통을 통해 외부로 전송할 수 있고, 그 만큼 전기세를 절감받을 수 있다. 그러나, 생산된 열의 경우에는 비록 축열조(온수 탱크)와 같은 열 저장매체에 일시 저장될 수 있으나, 일정 시간 내에 사용하지 않으면 열이 발산하여 사용할 수 없게 된다. 즉, 잉여의 열은 잉여의 전력보다는 효용 가치가 낮기 때문에 가정 내 전기 및 열의 사용량을 엄밀히 예측하여 과잉의 열이 생산되지 않도록 하는 것이 에너지 효율 측면에서 중요하다.

따라서, 고온의 연료극 배가스는 핫 박스 외부로 배출되어 축열조를 통해 열을 생산하는 것에 사용하는 것도 중요하지만, 핫 박스(20) 내부에서 그 열량을 효율적으로 사용하여 연료전지 스택(20)의 효율을 향상시킴으로써 전기 생산에 기여할 수 있도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 본 발명자는 이러한 점을 감안하여 고온의 연료극 배가스가 핫 박스 외부로 배출되기 전에 버너(30)로 공급되는 저온의 공기를 예열시켜 전기 생산에 기여하는 핫 박스 내부의 열 효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

이를 위해, 상기 연료전지 스택(20)에는 연료극 배가스를 열교환기(50)로 공급하는 연료극 배가스 중계라인(45)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(50)에는 연료극 배가스를 열교환기(50) 내로 공급된 공기와 열교환시킨 후 버너(30)로 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)이 연결 설치된다. 미 설명부호인 35는 연소 배가스가 핫 박스 외부로 배출되는 연소 배가스 배출라인을 나타낸다.

도 8은 기본적으로 연료전지 스택(20)에서 배출되는 고온의 연료극 배가스를 상기 버너용 공기 공급라인(33)에 설치된 열교환기(50)로 공급하여 핫 박스의 외부로부터 버너(30)로 공급되는 상온의 공기를 예열한다는 점에서 도 7의 실시예와 동일하다. 다만, 도 7에서는 상기 열교환기(50)가 하나만 설치되어 있는 반면에 도 8에서는 제1 열교환기(50a) 및 제2 열교환기(50b)의 2 개가 설치되고, 연료극 배가스 제1 분기라인(45a) 및 연료극 배가스 제2 분기라인(45b)을 통해 각각 고온의 연료극 배가스가 공급되도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다.

열교환기 내에서 고온의 연료극 배가스가 상온의 외부 공기 사이에 열교환이 일어나지만, 상대적으로 빠른 유체의 통과 속도로 인해 충분한 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예는 2 번의 열교환을 통해 이러한 문제점을 해결한 것이다. 비록 도 8에는 2 개의 열교환기(50a, 50b)가 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 3 개 이상의 열교환기가 설치된 형태도 당연히 포함한다 할 것이다.

도 9 및 도 10에 개시된 다른 실시예에 따르면, 상기 열교환기(50)는 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 버너(30)로 연료가스를 공급하는 버너용 연료가스 공급라인(31) 상에 설치되고, 고온의 연료극 배가스를 이용하여 버너용 연료가스 공급라인(31)을 통해 버너(30)로 공급되는 상온의 연료가스를 예열시키도록 구성된다.

상기 연료극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 일어나는 발열반응으로 인해 연료극(23)으로부터 700℃ 이상의 높은 온도로 배출된다는 사실, 이 고온의 연료극 배가스는 핫 박스 외부로 배출되어 열 생산에 사용되기 전에 핫 박스 내부에 있는 버너(20)로 공급되는 저온의 유체를 예열하는데 사용되도록 하여 전기 생산에 기여하도록 하는 것이 바람직하다라는 사실 등은 도 7 및 도 8을 참조로 상세히 설명한 바 있으므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이를 위해, 상기 연료전지 스택(20)에는 연료극 배가스를 열교환기(50)로 공급하는 연료극 배가스 중계라인(45)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(50)에는 연료극 배가스를 열교환기(50) 내로 공급된 연료가스와 열교환시킨 후 버너(30)로 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)이 연결 설치된다. 미 설명부호인 35는 연소 배가스가 핫 박스 외부로 배출되는 연소 배가스 배출라인을 나타낸다.

도 10은 기본적으로 연료전지 스택(20)에서 배출되는 고온의 연료극 배가스를 상기 버너용 공기 공급라인(33)에 설치된 열교환기(50)로 공급하여 핫 박스의 외부로부터 버너(30)로 공급되는 상온의 연료가스를 예열한다는 점에서 도 9의 실시예와 동일하다. 다만, 도 9에서는 상기 열교환기(50)가 하나만 설치되어 있는 반면에 도 10에서는 제1 열교환기(50a) 및 제2 열교환기(50b)의 2 개가 설치되고, 연료극 배가스 제1 분기라인(45a) 및 연료극 배가스 제2 분기라인(45b)을 통해 각각 고온의 연료극 배가스가 공급되도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다.

열교환기 내에서 고온의 연료극 배가스가 상온의 연료가스 사이에 열교환이 일어나지만, 상대적으로 빠른 유체의 통과 속도로 인해 충분한 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예는 2 번의 열교환을 통해 이러한 문제점을 해결한 것이다. 비록 도 10에는 2 개의 열교환기(50a, 50b)가 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 3 개 이상의 열교환기가 설치된 형태도 당연히 포함한다 할 것이다.

도 11 및 도 12에 개시된 또 다른 실시예에 따르면, 상기 열교환기(50)는 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 버너(30)로 연료극 배가스를 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인(32) 상에 설치되고, 고온의 연료극 배가스를 이용하여 버너용 연료극 배가스 공급라인(31)을 통해 버너(30)로 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열시키도록 구성된다.

앞서 설명한 바와 같이, 연료전지 스택(20)으로부터 배출된 연료극 배가스는 핫 박스 내부에서는 고온의 상태를 유지하나, 핫 박스 외부로 배출된 후 상기 축열조(미도시) 또는 수분 제거를 위한 응축기(미도시)를 통과하는 과정에서 온도가 낮아져서 상기 버너용 배가스 공급라인(32)을 통해 핫 박스 내부로 재공급되는 때에는 70℃ 정도의 저온 상태가 된다.

본 실시예는 이러한 점에 착안하여 연료전지 스택(20)에서 배출되었으나 핫 박스 외부로는 배출되기 전인 고온의 연료극 배가스를 이용하여 핫 박스 외부로 배출되었다가 다시 핫 박스 내부로 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열할 수 있도록 함으로써, 핫 박스 내부에서의 열 효율을 더욱 향상시킨 것이다.

도 12는 기본적으로 연료전지 스택(20)에서 배출되는 고온의 연료극 배가스를 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)에 설치된 열교환기(50)로 공급하여 핫 박스의 외부로부터 버너(30)로 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열한다는 점에서 도 11의 실시예와 동일하다. 다만, 도 11에서는 상기 열교환기(50)가 하나만 설치되어 있는 반면에 도 12에서는 제1 열교환기(50a) 및 제2 열교환기(50b)의 2 개가 설치되고, 연료극 배가스 제1 분기라인(45a) 및 연료극 배가스 제2 분기라인(45b)을 통해 각각 고온의 연료극 배가스가 공급되도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다.

열교환기 내에서 고온의 연료극 배가스가 저온의 연료극 배가스 사이에 열교환이 일어나지만, 상대적으로 빠른 유체의 통과 속도로 인해 충분한 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예는 2 번의 열교환을 통해 이러한 문제점을 해결한 것이다. 비록 도 12에는 2 개의 열교환기(50a, 50b)가 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 3 개 이상의 열교환기가 설치된 형태도 당연히 포함한다 할 것이다.

마지막으로, 연료극 배가스 중계라인(45)을 통해 공급되는 연료극 배가스를 이용하여 버너(30)로 공급되는 유체를 예열함에 있어서, 도 7과 같이 버너용 공기 공급라인(33)을 통해 공급되는 외부 공기를 예열하는 것과, 도 9와 같이 버너용 연료가스 공급라인(31)을 통해 공급되는 연료가스 또는 도 11과 같이 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)을 통해 공급되는 연료극 배가스를 예열하는 것은 각각의 공급라인의 유량 차이로 인해 열교환 효율이 달라질 수 있다. 이를 이용하여 핫 박스 외부로 최종 배출되는 연료극 배가스의 활용을 다르게 설계할 수 있다. 통상적으로, 버너용 공기 공급라인(33)의 공급 유량이 가장 크고, 연료극 배가스 중계라인(45) 및 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)의 공급 유량이 다음으로 크며, 버너용 연료가스 공급라인(31)의 공급 유량이 상대적으로 가장 작다. 이 중에서 버너용 공기 공급라인(33)의 공급 유량과 연료극 배가스 중계라인(45)의 공급 유량의 차이가 연료극 배가스 중계라인(45)의 공급 유량과 버너용 연료가스 공급라인(31)의 공급 유량의 차이보다 훨씬 크다.

공급 유량의 차이가 크지 않은 연료극 배가스와 연료가스 사이에는 열교환이 충분히 일어나 최종적으로 배출되는 열교환기 통과가스의 온도가 낮아진다. 그 결과, 후속하는 축열조에서 열교환 효율이 상대적으로 감소한다. 반면에 공급 유량의 차이가 큰 연료극 배가스와 외부 공기 사이에는 열교환이 충분히 일어나지 않아 최종적으로 배출되는 열교환기 통과가스의 온도가 높아진다. 그 결과, 후속하는 축열조에서 열교환 효율이 상대적으로 증가한다. 연료전지 시스템은 전기와 열을 동시에 생성할 수 있는 시스템이므로, 축열조에서의 열의 회수 효율을 고려하여 본 발명의 여러 실시예 중에서 공기를 예열하는 것으로 할지 연료가스(또는 연료극 배가스)를 예열하는 것으로 할지를 선택할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

20: 연료전지 스택 21: 공기극
22: 전해질 23: 연료극
25: 스택용 공기 공급라인 30: 버너
31: 버너용 연료가스 공급라인 32: 버너용 연료극 배가스 공급라인
33: 버너용 공기 공급라인 34: 버너용 공기극 배가스 공급라인
35: 연소 배가스 배출라인 40: 열교환형 개질기
41: 열교환형 개질기용 연료가스 공급라인 42: 연료극 가스 중계라인
43: 연료극 가스 순환라인 45: 연료극 배가스 중계라인
50: 열교환기

Claims

단열 재료로 된 핫 박스;
상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택;
상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기;
상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및
상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 공기 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 공기를 예열시키는 열교환기;를 포함하고,
상기 열교환형 개질기에는 상기 연료극 가스를 상기 열교환기로 공급하는 연료극 가스 중계라인이 연결되고, 상기 열교환기에는 상기 연료극 가스를 상기 열교환기 내로 공급된 외부 공기와 열교환시킨 후 상기 연료전지 스택의 연료극으로 공급하는 연료극 가스 순환라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
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청구항 1에 있어서,
상기 열교환기는 상기 버너용 공기 공급라인 상에 하나 또는 둘 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
단열 재료로 된 핫 박스;
상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택;
상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기;
상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및
상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 연료가스를 공급하는 버너용 연료가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 연료가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료가스를 예열시키는 열교환기;를 포함하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 열교환형 개질기에는 상기 연료극 가스를 상기 열교환기로 공급하는 연료극 가스 중계라인이 연결되고, 상기 열교환기에는 상기 연료극 가스를 상기 열교환기 내로 공급된 연료가스와 열교환시킨 후 상기 연료전지 스택의 연료극으로 공급하는 연료극 가스 순환라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 열교환기는 상기 버너용 연료가스 공급라인 상에 하나 또는 둘 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
단열 재료로 된 핫 박스;
상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택;
상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기;
상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및
상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 연료극 배가스를 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료극 배가스를 예열시키는 열교환기;를 포함하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 열교환형 개질기에는 상기 연료극 가스를 상기 열교환기로 공급하는 연료극 가스 중계라인이 연결되고, 상기 열교환기에는 상기 연료극 가스를 상기 열교환기 내로 공급된 연료극 배가스와 열교환시킨 후 상기 연료전지 스택의 연료극으로 공급하는 연료극 가스 순환라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 열교환기는 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인 상에 하나 또는 둘 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
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단열 재료로 된 핫 박스;
상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택;
상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기;
상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및
상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 연료극 배가스를 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 연료전지 스택으로부터 배출된 고온의 연료극 배가스를 이용하여 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료극 배가스를 예열시키는 열교환기;를 포함하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
청구항 16에 있어서,
상기 연료전지 스택에는 상기 연료극 배가스를 상기 열교환기로 공급하는 연료극 배가스 중계라인이 연결되고, 상기 열교환기에는 상기 연료극 배가스를 상기 열교환기 내로 공급된 연료가스와 열교환시킨 후 상기 버너로 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
청구항 16 또는 청구항 17에 있어서,
상기 열교환기는 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인 상에 하나 또는 둘 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.