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KR101398584B1 - 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치 - Google Patents

열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치 Download PDF

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KR101398584B1
KR101398584B1 KR1020120058970A KR20120058970A KR101398584B1 KR 101398584 B1 KR101398584 B1 KR 101398584B1 KR 1020120058970 A KR1020120058970 A KR 1020120058970A KR 20120058970 A KR20120058970 A KR 20120058970A KR 101398584 B1 KR101398584 B1 KR 101398584B1
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heat
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윤현기
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충북대학교 산학협력단
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Abstract

외부로 배출되는 열을 회수하고 공기를 예열시키는 열교환장치를 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치가 개시되어 있다. 본 발명은, 외부 케이스를 구성하는 제 1열교환기; 상기 제 1열교환기의 내부에 설치되고 상기 제 1열교환기로부터 이송된 유체가 유입되어 열교환되는 제 2열교환기; 및 상기 제 2열교환기의 내부에 설치되어 고온의 열을 발생시키는 스택모듈을 포함하고, 상기 제 1열교환기는 외부 케이스 자체에 형성된 유로를 통해 열교환이 이루어지며, 상기 제 1열교환기와 제 2열교환기는 유체의 흐름이 순차적으로 이루어지도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치{HOT BOX APPARATUS OF FUEL CELL'S STACK WITH ABILITY FOR HEAT EXCHANGE}
본 발명은 연료전지 스택의 핫박스 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 연료전지 스택에서 배출되는 배기가스와 외부에서 유입되는 공기와의 직접 열교환을 통하여, 외부로 배출되는 열을 회수하고 공기를 예열시키는 열교환장치를 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료와 산소를 반응시켜 직접 전기를 생산하는 장비로서, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 등 여러 종류가 개발되어 사용되고 있으며, 대부분 고온에서 운전된다. 특히 SOFC는 보통 650∼1,000℃의 높은 고온에서 작동하며 반응을 안정되게 진행시키기 위해 연료 및 공기도 스택(stack)온도와 거의 근접하게 가열된 후 스택/셀(stack/cell)에 공급되어야 한다.
연료전지 스택의 온도를 안정되게 유지하고 연료전지에 필요한 공기를 적절한 온도까지 가열하여 공급하는 방법은 여러 형태가 있을 수 있으나, 많은 장치와 여러 단계의 열교환이 필요하다. 이때 열 손실을 최소화하는 것이 연료전지의 에너지 효율을 높이기 위한 중요한 방안이며, 또한 실용화를 위해서는 장치의 크기나 단계를 줄이는 소형화 및 저가격화가 중요한 설계요소가 된다.
일반적으로 스택의 온도유지에 사용되는 방법은, 외부에 가열로(furnace)가 설치되어 스택이 설치된 내부의 온도를 유지하는 간단한 방법이 사용되나, 이는 별도의 가열로가 필요하고 높은 온도로 유지되고 있는 가열로로부터 고온의 열이 그대로 외부 방출되기 쉬워 이를 억제하기 위해서는 두꺼운 단열 벽을 별도로 설치해야 하는 단점이 있다. 또한 유입되는 저온의 공기는 별도의 장치에서 고온의 방출가스와 열교환 하여 공급해야 하는 번거로움이 있다.
연료전지 셀(cell) 자체에서 공기가 예열되는 경우는 고체산화물 연료전지 중 원통형 cell에 대해서 특허 US6,689,499에 하나의 예시가 나타나 있다.
이에 따르면 외부에서 공급되는 공기는 연료전지 스택이 설치된 모듈 케이스와 용기(vessel)의 통로를 지나, 공기 공급튜브 각각을 통하여 원통형 연료전지 셀의 내부 하단부까지 도달하면서 가열된 후 다시 상승하면서, 연료전지 양극으로 확산되고 이와 함께 반응에 소요되는 형태를 보이고, 잔여 공기는 상단부로 배출되면서 외부에서 미반응 연료와 연소된다.
그러나 상기 형태에서는 공기가 셀 내부에 공급되기 위해서는 원통형 셀의 구멍 크기가 커야하고, 공기 공급관의 재질이 얇은 경우에는 고온에서 기계적 강도를 유지하기 어려운 면이 있다.
또한 압력용기 내부에 설치된 스택모듈과 개질기의 온도를 대략 700℃ 이상의 고온으로 유지한 채로 내부에 있는 공기가 많은 양으로 순환되어야 하는데, 이는 결과적으로 용기 온도가 적어도 700℃는 되며, 동시에 외부로의 열손실을 줄이기 위해서는 두꺼운 단열 벽이 필요한 단점이 있다.
또한 스택 모듈 외부에서 순환되는 공기와 스택/셀 내로 공급되는 공기의 온도는 개질기를 동시에 가열할 수 있는 약 700℃ 이상의 높은 온도로 유지되어야 하며, 반면에 스택/셀 내로 공급되는 공기가 셀 내에서 발생하는 열을 흡수하면서 열교환 특성이 발휘되기 위해서는 셀 내부온도는 적어도 800℃, 적정하게는 900℃ 정도의 고온에서 유지되어야 하므로, 스택 운전 온도를 낮추어 운전하는 데에는 한계가 있다.
일본 특개평 제2006-54175호 및 미국 공개특허 USP2004/0191593A1 에서도 고체산화물 연료전지 시스템에서 공기를 예열 투입하는 방법에 대해 설명하고 있다.
상기 특허의 설명에 따르면 스택을 둘러싸고 있는 하우징(housing)의 양 측면에 수평의 지그재그 형태로 몇 단계의 열교환 공간을 설치하고 여기에서 공기와 스택 배기가스가 열교환 되며, 예열된 공기는 다시 하우징의 상단부 공간에 모여진 뒤, 튜브 다발로 구성된 공기 공급관을 통하여 셀/스택 사이로 공기를 공급하는 것을 제시하고 있다.
그러나 이 방법에 있어서도 스택과 열교환기가 동일 공간에 설치되어 있어서 연료전지의 운전온도를 하향시켜 운전하는 데에 한계가 있으며, 많은 공기 공급관 튜브를 따로따로 설치해야 하는 번거로움이 있다.
또한 하우징에서 공기와 스택 가스가 접촉되는 열교환 면적이 하우징의 양 측면 면적보다 크지 못하고 공기 공급관의 전열 면적도 제한되어, 전체적으로 공기 예열을 많이 시키고 스택가스의 온도를 낮추는 기능에 한계가 발생하며, 특히 스택 용량이 커질수록 영향이 크게 나타나는 등의 제한이 있다.
일본 특허 특개평 제2009-76275호에서는 외부 단열벽 내에 내측 용기 격벽을 두고 이 안에 고온에서 작동하는 연료전지 시스템을 설치하고, 배기가스는 외부 단열벽과 내측 격벽 용기와의 사이를 통해 외부로 배출되는 구조를 제시하고 있다. 이에 따르면 연료전지 시스템의 온도 분포가 균일해지는 것으로 주장되고 있으나, 유입되는 공기가 내부에 설치된 가열장치에 의해 가열되는 구조를 가지며, 외부로 방출되는 가스의 온도가 높은 상태로 배출되는 구조를 가짐으로써 열 효율을 높이는데 제약이 발생하게 된다.
한편, 연료전지 스택은 고온에서 온도 분포가 일정하고 균일하게 유지되어야 하고 국부적인 온도상승이 없어야 하는데, 단순하게는 공기를 많이 공급하고 이를 높은 온도에서 계속 순환시키는 방법이 있을 수 있으나 이는 과잉의 공기공급을 위한 내부 전력 소모가 커지며, 내부 순환의 경우에도 장치가 많고 크기가 커지는 문제점이 발생하는 등 연료전지 전체 시스템의 열효율이 떨어지는 요인이 된다.
또한 공기를 과잉 사용하는 경우는 스택의 미반응 연료가 공기와 혼합되면서 가스의 농도는 낮아지고 전체 유량은 커지면서 촉매연소기의 크기도 커져야 하는 단점과, 공기 배기가스에 포함된 잠열의 배출이 많아 열손실이 증가하는 요인이 된다.
1. 미국특허등록 제6,689,499호 2. 일본 특개평 제2006-54175호 3. 일본 특개평 제2009-76275호
본 발명의 목적은 상기의 문제점들을 안출하기 위한 것으로, 연료전지의 운전에 있어서는 공기 공급량을 최소화하면서 스택의 온도 분포를 안정되고 균일하게 유지할 수 있도록 한 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 배기가스를 외부에서 유입되는 공기와 직접 열교환을 통하여 외부로 배출되는 열 에너지를 회수하면서 공기를 직접 예열시켜서 스택으로 공급할 수 있도록 하는 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치는, 외부 케이스를 구성하는 제 1열교환기; 상기 제 1열교환기의 내부에 설치되고 상기 제 1열교환기로부터 이송된 유체가 유입되어 열교환되는 제 2열교환기; 및 상기 제 2열교환기의 내부에 설치되어 고온의 열을 발생시키는 스택모듈을 포함하고,
상기 제 1열교환기는 외부 케이스 자체에 형성된 유로를 통해 열교환이 이루어지며, 상기 제 1열교환기와 제 2열교환기는 유체의 흐름이 순차적으로 이루어지도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1열교환기는, 외부의 공기가 유입되는 외기입구; 상기 외기입구로부터 유입된 공기가 이동하는 외기유로; 배기가스 공간으로부터 배기가스가 유입되는 배기가스 입구; 및 상기 배기가스입구로부터 유입된 배기가스가 이동하는 배기가스 유로를 포함하며,
상기 외기유로와 배기가스 유로는 다수의 격벽으로 분리되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2열교환기는, 상기 스택모듈이 내장되어 설치되는 스택케이스를 구비하고; 상기 스택케이스는, 그 상단에 상기 제 1열교환기에서 1차 예열된 공기를 수집하여 이송시키기 위해 설치되는 예열공기 수집부, 및 상기 다수의 스택들 사이에 위치하며 상기 예열공기 수집부로부터 하방으로 연장되어 설치되는 다수의 열교환패널을 포함하고; 상기 예열공기 수집부에는 1차 예열된 공기가 유입되는 다수의 공기유입구가 형성되어 있고, 배기가스를 배출하기 위하여 그 폭방향을 따라서 상기 스택들 각각의 위치와 형상에 맞도록 다수의 관통공간이 천공되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환패널은 내부가 중공이며, 그 상단의 패널입구는 상기 예열공기 수집부의 하부면과 연통하도록 형성되고, 그 하단의 패널출구도 예열공기가 통과할 수 있도록 관통되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 관통공간의 각각에는 스택의 상단을 덮기 위한 스택덮개가 설치되는데, 상기 스택덮개의 상부에는 연료배기가스를 배출하기 위한 연료가스 출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환패널은 그 내부 또는 외부에 다수의 전열핀을 부착하거나 주름판 형상으로 가공하는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환패널에는 유입되는 공기의 일부가 직접 스택으로 전달될 수 있도록 다수의 구멍이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1열교환기의 내벽에는 다수의 전열핀이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 외기유로와 상기 예열공기 수집부의 공기유입구는 유체가 이동하도록 연통되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지의 운전에 있어서는 공기 공급량을 최소화하면서 스택의 온도 분포를 안정되고 균일하게 유지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 배기가스를 외부에서 유입되는 공기와 직접 열교환을 통하여 외부로 배출되는 열 에너지를 회수하면서 공기를 직접 예열시켜서 스택으로 공급할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 배기가스와 공기 흐름을 다단계로 상하로 인접하여 흐르게 함으로써, 열교환 효과를 높일 수 있고, 그 장치의 제작 및 설치를 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면 열교환 패널에 열교환 촉진용 핀을 부착하거나 주름판 형상을 제공함으로써 열전달 면적을 증대시킬 수 있고 그로 인해 열전달을 촉진시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 핫박스 장치를 부분적으로 파단하여 도시한 부분 단면 사시도이다.
도 2는 도 1의 핫박스 장치에서 제 2열교환기와 스택모듈을 상세하게 도시한 분해사시도이다.
도 3은 도 2의 제 2열교환장치를 더 상세히 도시하고 공기의 흐름을 화살표로 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 2의 제 2열교환장치에 대한 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 핫박스 장치에서 공기 및 연료가스의 흐름을 도시한 도면이다.
도 6a 및 6b는 본 발명에서 배기가스의 배출 형태를 도시한 단면도이다.
본 발명에 있어서 열교환 예열장치는 2단계 이상으로 구성되어 있으며, 1 단계 열교환 박스는 다층 전열판으로 구성되어 있으며, 스택에서 배출되는 배기가스와 외부에서 공급되는 찬 공기를 열교환시켜 공기를 예열시키고 방출열을 회수하는 기능과 함께, 연료전지 스택을 고온의 반응온도로 유지하는 핫박스로서 작용하며 외부에 최소한의 단열층을 설치하여 연료전지 스택의 온도 보존을 높이는 기능을 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서 열교환 예열장치는 외부에서 공급되는 저온의 공기가 스택 배기가스로부터 고온 열을 회수하면서 예열된 후, 스택 모듈 내부에 설치된 넓은 열교환 장치에서 2차로 스택 공간 내부와 열교환 되면서 최대한 스택 운전 온도에 근접한 온도로 공급되게 함으로써 스택 운전을 안정되게 하는 기능을 제공한다.
연료전지에 있어서 공기 공급 유량은 연료 공급유량보다 매우 크며, 연료로서 수소를 사용하는 경우 공기 사용량은 대략 3배 정도, 보통은 5배 정도로 많은 양을 공급하게 되므로 스택에 공급하는 공기를 예열하거나 또는 스택으로부터 방출되는 공기 배기가스로부터 열을 회수하는 것은 연료전지의 에너지 효율을 높게 유지하는 데 필수적이다.
또한, 본 발명에 있어서 핫박스 내부에 연료전지 스택과 개질기를 같이 설치하되 열적으로는 분리되어 설치할 수 있으며, 이는 스택온도와 개질기 온도를 다르게 유지하는 기능을 제공함과 동시에, 고온으로 유지되는 개질기나 스택으로부터 열 방출을 최소화시킴으로써, 연료전지 시스템의 열효율을 높이는 기능을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 핫박스 장치를 부분적으로 파단하여 도시한 부분 단면 사시도이고, 도 2는 도 1의 핫박스 장치에서 제 2열교환기와 스택모듈을 상세하게 도시한 분해사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 핫박스 장치는, 고온에서 작동하는 연료전지 시스템의 온도를 안정적으로 유지하고, 스택에서 배출되는 고온의 배기가스와 외부에서 유입되는 공기를 열교환 시켜 유입 공기를 예열시키는 장치로서, 외부 케이스를 구성하는 제 1열교환기(10), 상기 제 1열교환기(10)의 내측 하부에 설치되고 상기 제 1열교환기(10)로부터 이송된 유체가 유입되어 열교환되는 제 2열교환기(20), 상기 제 2열교환기(20)의 내부에 설치되어 고온의 열을 발생시키는 스택모듈(40), 및 상기 스택모듈(40)과 연통되고 상기 제 1열교환기(10)의 내측 상부에 형성되는 배기가스 공간(S)을 포함한다.
상기 제 1열교환기(10)는 외부의 공기가 유입되는 외기입구(11), 상기 외기입구(11)로부터 유입된 공기가 이동하는 외기유로(13), 상기 배기가스 공간(S)으로부터 배기가스가 유입되는 배기가스 입구(17), 및 상기 배기가스입구(17)로부터 유입된 배기가스가 이동하는 배기가스 유로(15)를 포함한다.
이때, 상기 외기유로(13)와 배기가스 유로(15)는 다수의 격벽으로 분리되어 있으며, 그 격벽들에 의해 분리되어서 외기유로(13)로는 외부 유입공기만 이동하고, 배기가스 유로(15)로는 배기가스만 이동하게 된다.
따라서, 상기 외기유로(13)를 이동하는 저온의 유입공기와 상기 배기가스 유로(15)로 이동하는 고온의 배기가스가 다수의 격벽들을 사이에 두고 열교환을 진행하게 되고, 결국 유입공기가 배기가스의 열을 회수하여 1차 예열되는 것이다.
1차 예열된 공기는 제 2열교환기(20)로 유입되어 이송되면서 스택 내부의 열을 흡수하면서 스택 반응온도에 근접하도록 2차 예열되게 된다.
상기 제 2열교환기(20)는 스택모듈(40)이 내장되어 설치되는 스택케이스(21)를 구비한다. 상기 스택케이스(21)의 상단에는 상기 제 1열교환기(10)에서 1차 예열된 공기를 수집하여 이송시키기 위한 예열공기 수집부(30)가 설치되어 있고, 상기 다수의 스택(43)들 사이에 위치하며 상기 예열공기 유입구(23) 및 예열공기 수집부(30)로부터 하방으로 연장되어 다수의 열교환패널(27)들이 설치되어 있다.
상기 예열공기 수집부(30)에는 1차 예열된 공기가 유입되도록 상기 외기유로(13)와 연통되는 다수의 공기유입구(23)가 형성되어 있고, 배기가스를 배출하기 위하여 그 폭방향을 따라서 상기 스택(43)들 각각의 위치와 형상에 맞도록 다수의 관통공간(31)이 형성되어 있다.
상기 열교환패널(27)은 내부가 중공인 직육면체 박스 형상을 가지며, 그 상단의 패널입구(28)는 상기 예열공기 수집부(30)의 하부면과 연통하도록 형성되고, 그 하단의 패널출구(29)도 예열공기가 통과할 수 있도록 관통되어 형성된다.
또한, 상기 관통공간(31)의 각각에는 스택(43)의 상단을 덮기 위한 스택덮개(45)가 설치되는데, 상기 스택덮개(45)의 상부에는 연료배기가스를 배출하기 위한 연료가스 출구(47)가 형성되어 있다. 상기 연료가스 출구(47)는 배기가스의 배출을 용이하게 하기 위하여 폭이 좁고 길게 형성하는 것이 바람직하다.
도 3은 도 2의 제 2열교환장치를 더 상세히 도시하고 공기의 흐름을 화살표로 나타낸 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제 1열교환기(10)에서 1차 예열된 공기는 다수의 공기유입구(23)를 통해 유입되어 예열공기 수집부(30)에 수집된 후에, 상기 열교환패널(27)의 패널입구(28)를 통해 열교환패널(27)로 이송된다. 이송된 공기는 열교환패널(27)을 지나면서 상기 스택(43)에서 발생한 고온의 열과 열교환 반응을 하여 스택 반응온도에 근접하게 2차로 예열된 상태로 패널출구(29)를 통과하여 공급된다.
이러한 제 2열교환장치의 동작에 의해, 스택 주변에서의 과도한 온도 상승이 억제되고, 동시에 열교환패널(27)에 의해 열을 흡수한 공기가 2차로 예열되어 스택 운전 온도에 근접한 최적의 온도로 공급될 수 있는 것이다.
상기 패널출구(29)를 통과하여 스택모듈(40)로 공급된 2차 예열공기는 다수의 스택들 사이의 공간을 따라서 상부쪽으로 흐르면서 스택들의 전기화학반응에 사용되며, 스택에서 발생된 열로 인하여 고온으로 상승되어 스택모듈(40)의 배기가스 배출통로(31)를 통해 상부로 빠져 나가게 된다.
도 4는 도 2의 제 2열교환장치에 대한 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2열교환장치(20)의 열교환패널(27)의 내부 또는 외부에는 다수의 전열핀(53)을 부착하거나 주름판 형상으로 가공함으로써 전열면적을 증대시켜 열교환 성능을 향상시킬 수도 있다.
또한, 상기 열교환패널(27)에는 유입되는 공기의 일부가 직접 스택으로 전달될 수 있도록 다수의 구멍(55)이 형성될 수도 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 핫박스장치의 내벽에도 다수의 전열핀(51)이 일체로 설치되어 전열면적을 증대시킬 수 있다.
도 1에서 미설명된 도면부호 60은 배기가스 수집부로서, 상기 제 1열교환기(10)에서 배기가스 유로(15)를 지나면서 열을 빼앗긴 배기가스가 수집되는 곳이고, 도면부호 63은 배기가스 출구로서 수집된 배기가스를 외부로 배출하기 위한 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치의 동작에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 핫박스 장치에서 공기 및 연료가스의 흐름을 도시한 도면이다.
상기 제 1열교환기(10)의 외기입구(11)를 통해 유입된 외부 공기는 외기유로(13)를 통해 이송되고, 배기가스 입구(17)를 통해 유입된 배기가스는 배기가스 유로(15)를 통해 이송된다. 이때, 상기 외기유로(13)와 배기가스 유로(15)를 각각 이송하는 외기와 배기가스는 다수의 격벽들을 사이에 두고 열교환 반응을 하여 저온의 외기는 1차 예열되고, 고온의 배기가스는 온도가 떨어져서 배기가스 수집부(60)로 이송된다.
상기 제 1열교환기(10)에서 1차 예열된 공기는 다수의 공기유입구(23)를 통해 유입되어 예열공기 수집부(30)에 수집된 후에, 상기 열교환패널(27)의 패널입구(28)를 통해 열교환패널(27)로 이송된다. 이송된 공기는 열교환패널(27)을 지나면서 상기 스택(43)에서 발생한 고온의 열과 열교환 반응을 하여 스택 반응온도에 근접하게 2차로 예열된 상태로 패널출구(29)를 통과하여 공급된다.
상기 패널출구(29)를 통과하여 스택모듈(40)로 공급된 2차 예열공기는 다수의 스택들 사이의 공간을 따라서 상부쪽으로 흐르면서 스택들의 전기화학반응에 사용되며, 스택에서 발생된 열로 인하여 고온으로 상승되어 스택모듈(40)의 배기가스 배출통로(31)를 통해 상부로 빠져 나가게 된다.
이때, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 미반응 연료가스는 스택덮개(45)에 형성된 연료가스출구(47)를 통해 배출되고, 상기 공기 배기가스는 상기 배출통로(31)중에서 스택덮개(45)가 위치하지 않은 구역의 배출통로를 통해 배출된다.
상기 공기 배기가스와 스택덮개(45)를 통해 배출되는 미반응 연료가스는 함께 배기가스 공간(S)으로 이송된 후에, 1차 열교환을 위하여 배기가스 입구(17)를 통해 제 1열교환기(10)의 배기가스 유로(15)로 이송되는 것이다.
본 발명에 대하여 부연하여 설명하자면, 핫박스장치의 내부공간(S) 또는 배기가스 수집부(60)의 상단에는 미반응 연료가스를 연소시키는 연소기(미도시)나, 메탄 (CH4)등의 연료를 H2, CO등으로 전환 반응시키는 개질기(미도시)가 설치될 수 있다. 이때, 연소기는 연료의 농도가 낮은 것을 고려하여 촉매연소기를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 개질기에 필요한 반응열을 공급하기 위해서 스택덮개(45)로부터 배출되는 미반응 연료와 스택모듈(40)에서 배출되는 배기공기와의 혼합물을 사용하여 연소시키되, 제 1열교환 장치(10)를 통해 온도가 낮아진 상태로 공급시키는 경우 연소기 및 개질기에서 온도의 과잉 상승이 억제될 수 있다.
스택(43) 상부에서 배출되는 스택 배기가스는, 외부로 배기가스가 배출되거나 또는 연소기를 거쳐 개질기를 가열한 후에 배기가스가 배출될 수 있으며, 본 발명에서는 어느 경우나 고온의 열이 유입되는 공기와의 열교환을 통해 회수되면서 핫박스 장치를 통해 외부로 배출된다.
일반적으로 연료, 예를 들어 H2 를 사용하는 경우 보통 공기(산소+질소) 공급량은 수소 유량에 대비하여 3배 이상, 보통 5배 이상을 사용하기 때문에 연료전지 스택으로부터 배기되는 공기의 폐 잠열이 크고, 동시에 유입공기를 가열하는데 열량이 크게 소요되므로, 공기를 예열시키고 폐열을 회수하는 기능은 연료전지의 효율 증대를 위해서 매우 중요하다.
본 발명에서 핫박스 장치 중에서 고온 배기가스가 접하는 부분의 열교환 판은 내열강이 사용될 수도 있으나, 전열성이 우수한 SiC등의 내열성 소재가 사용될 수 있으며, 부분적으로는 다공성으로 사용되어도 좋다.
본 발명에서 핫박스 장치는 외부에 단열재로 감싸거나 케이스 내부에 설치될 수 있으며, 케이스에는 공기가 유입되는 배관이 부착될 수 있으며, 핫박스 장치의 한 면은 열교환 장치가 없이 스택모듈이 통과되는 공간으로 사용될 수도 있으며, 또는 탈착식으로 설치될 수도 있다. 또한 핫박스 장치의 하단은 열교환 장치가 없이 단열재 및 덮개판으로 설치될 수 있으며, 상단에서는 연소기(미도시) 및 개질기(미도시) 설치 공간 또는 추가적인 열회수(온수 생산) 등의 공간으로 확장되어 사용될 수도 있다.
10: 제 1열교환기 11: 외기입구
13: 외기유로 15: 배기가스 유로
17: 배기가스 입구 20: 제 2열교환기
21: 스택케이스 23: 예열공기 유입구
27: 열교환패널 28: 패널입구
29: 패널출구 30: 예열공기 수집부
31: 배출통로 40: 스택모듈
43: 스택 S: 배기가스공간

Claims (9)

  1. 외부 케이스를 구성하는 제 1열교환기; 상기 제 1열교환기의 내측 하부에 설치되고 상기 제 1열교환기로부터 이송된 유체가 유입되어 열교환되는 제 2열교환기; 상기 제 2열교환기의 내부에 설치되어 고온의 열을 발생시키는 스택모듈; 및 상기 스택모듈과 연통되고 상기 제 1열교환기의 내측 상부에 형성되는 배기가스 공간을 포함하고,
    상기 제 1열교환기는, 외부의 공기가 유입되는 외기입구; 상기 외기입구로부터 유입된 공기가 이동하는 외기유로; 상기 배기가스 공간으로부터 배기가스가 유입되는 배기가스 입구; 및 상기 배기가스입구로부터 유입된 배기가스가 이동하는 배기가스 유로를 포함하며, 상기 외기유로와 배기가스 유로는 다수의 격벽으로 분리되어 있으며,
    상기 제 2열교환기는, 상기 스택모듈이 내장되어 설치되는 스택케이스를 구비하고; 상기 스택케이스는, 그 상단에 상기 제 1열교환기에서 1차 예열된 공기를 수집하여 이송시키기 위해 설치되는 예열공기 수집부, 및 상기 다수의 스택들 사이에 위치하며 상기 예열공기 수집부로부터 하방으로 연장되어 설치되는 다수의 열교환패널을 포함하고;
    상기 예열공기 수집부에는 1차 예열된 공기가 유입되도록 상기 외기유로와 연통되는 다수의 공기유입구가 형성되어 있고, 배기가스를 배출하기 위하여 그 폭방향을 따라서 상기 스택들 각각의 위치와 형상에 맞도록 다수의 관통공간이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환패널은 내부가 중공이며, 그 상단의 패널입구는 상기 예열공기 수집부의 하부면과 연통하도록 형성되고, 그 하단의 패널출구도 예열공기가 통과할 수 있도록 관통되어 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 관통공간의 각각에는 스택의 상단을 덮기 위한 스택덮개가 설치되는데, 상기 스택덮개의 상부에는 연료배기가스를 배출하기 위한 연료가스 출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환패널은 그 내부 또는 외부에 다수의 전열핀을 부착하거나 주름판 형상으로 가공하는 것을 특징으로 하는 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환패널에는 유입되는 공기의 일부가 직접 스택으로 전달될 수 있도록 다수의 구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1열교환기의 내벽에는 다수의 전열핀이 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 외기유로와 상기 예열공기 수집부의 공기유입구는 유체가 이동하도록 연통되어 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 성능을 갖는 연료전지 스택의 핫박스 장치.
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