(57)【要約】  本発明による燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器は、投入された水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生器（１００）と、前記蒸気発生器（１００）と連結され、前記蒸気を昇温させるために蒸気に過熱を供給する蒸気過熱器（２００）、及び燃料極ガスを昇温させるために燃料極ガスに熱を供給する燃料極ガス加熱器（３００）が一体に構成され、前記蒸気発生器（１００）、蒸気過熱器（２００）、及び燃料極ガス加熱器（３００）は、空気極排出ガスが通過する空気極排出ガス流路を連結され、熱交換を介して熱を供給されることを特徴とする。
2012515415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投入された水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生器（１００）、
前記蒸気を昇温させるために蒸気に過熱を供給する蒸気過熱器（２００）、及び
燃料極ガスを昇温させるために燃料極ガスに熱を供給する燃料極ガス加熱器（３００）が一体に構成されることを特徴とする熱燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器。
【請求項２】
前記蒸気発生器（１００）は、蒸気発生器チャンバー（１１０）及び蒸気発生器チューブシート（１２０）を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器。
【請求項３】
前記蒸気過熱器（２００）は、蒸気過熱器チャンバー（２１０）、蒸気過熱器チューブシート（２２０）、及び蒸気過熱器入出口分離板（２３０）を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器。
【請求項４】
前記燃料極ガス加熱器（３００）は、燃料極ガス加熱器チャンバー（３１０）、燃料極ガス加熱器チューブシート（３２０）、及び燃料極ガス加熱器入出口分離板（３３０）を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器。
【請求項５】
前記蒸気過熱器（２００）は、圧力制御のための圧力点検連結部（２４０）をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の熱燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器。
【請求項６】
前記蒸気発生器（１００）及び前記蒸気過熱器（２００）は、収縮膨張チューブ（１３０）で連結されることを特徴とする請求項１に記載の熱燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器。
【請求項７】
前記蒸気発生器（１００）は、コイル加熱部（４００）をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の熱燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器。
【請求項８】
前記チューブシートは、Ｕ字型チューブシートであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の熱燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器。
【請求項９】
前記燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器は、小型熱交換器をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器に関し、より詳細には、蒸気発生器、蒸気過熱器、燃料極ガス加熱器を一体化し、空気極排出ガスから熱を供給されることができ、それによって燃料電池システムを小型化することができ、液滴を精密に制御できる燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
内部改質型溶融炭酸塩燃料電池とは、燃料電池スタックの内部にメタン−水蒸気の改質触媒が充填され、ここで生成された水素が直接燃料として使用される溶融炭酸塩燃料電池であって、製作コストが少しかかり、電極反応で生成された熱を改質反応の吸熱に用いることができ、電極の隣接部分で生成された水素が直接反応に続けて供給されるので、燃料の高い転換率を期待できるという利点を有する。
【０００３】
改質反応は、メタン改質反応と水性化改質反応に区分することができ、いずれも水を供給しなければならないという特徴がある。しかし、水は触媒に大きい損傷を与えるだけでなく、供給される燃料ガスと均一に混合されてこそ均一な反応を起こすことができるので、蒸気への変換及び供給される燃料ガスとの混合がよく成り立たなければならない。また、蒸気の場合、流量を測定するのが非常に難しいので、供給された水が１００％蒸気に変換されなければならないという問題点を有する。
【０００４】
米国特許第７，２６４，２３４号及び米国特許公開第２００６／００９７４１２Ａ１は、従来の内部改質型溶融炭酸塩燃料電池システムに用いられたガス混合型蒸気発生器を開示している。前記のガス混合型蒸気発生器は、プレート−フィンタイプ（Plate-Fin type）を用いて水を供給し、空気極排出ガス（air electrode exhaust gas）を用いて蒸気を生成することができるように熱交換器形態で構成し、サイズを大きく減少させたという利点があるが、水供給部が一つのヘッダー（header）から複数の注入管に挿入され、溶接によって結合される形態で製作され、製作原価が高く、蒸気の方向が重力方向であるので、水滴が後端に流入される可能性が大きく、水の１００％蒸気化が成り立たなくて液滴（steam/carbon ratio：S/C ratio）を精密に制御し難いという問題点があった。
【０００５】
これに、本発明者らは、前記従来技術の問題点を解決するために、燃料極ガス（fuel electrode gas）加熱部、蒸気発生器及び蒸気過熱器を一体化させた構造を提供して連結配管を大きく減少させ、燃料電池システムを小型化することができ、空気極排出ガスを熱源にして追加的な熱エネルギーの供給なしに熱交換を用いることができ、蒸気の方向を反重力方向にする蒸気発生器及び蒸気過熱器を提供することによって、液滴の滞留時間増加及び熱源供給を介して完全な蒸気化をすることができて液滴を精密に制御することができ、燃料極ガスを高温に昇温させることができ、製作が容易であり、コストの節減が可能な燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器を開発するに至った。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述された問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、蒸気発生器、蒸気過熱器及び燃料極ガス加熱部を一体化させた構造を提供して連結配管を大きく減少させ、燃料電池システムを小型化することができる燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器を提供することである。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、空気極排出ガスを熱源にして追加的な熱エネルギーの供給なしに熱交換を介して蒸気発生器、蒸気過熱器及び燃料極ガス加熱部に熱を供給できる燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器を提供することである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、蒸気の方向を反重力方向に設定した蒸気発生器及び蒸気過熱器を提供することによって、液滴の滞留時間を増加させることができ、熱源供給を介して完全な蒸気化をすることができ、液滴を精密に制御できる燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器を提供することである。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、空気極排出ガスの熱交換を介して燃料極ガスを高温に昇温させることができる燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器を提供することである。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、製作が容易であり、生産及び製造コストの節減が可能な燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による熱燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器は、投入された水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生器１００と、前記蒸気を昇温させるために蒸気に過熱を供給する蒸気過熱器２００と、燃料極ガスを昇温させるために燃料極ガスに熱を供給する燃料極ガス加熱器３００と、が一体に構成されることを特徴とする。
【００１２】
本発明による熱燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器は、投入された水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生器１００と、前記蒸気発生器１００と連結され、前記蒸気を昇温させるために蒸気に過熱を供給する蒸気過熱器２００と、燃料極ガスを昇温させるために燃料極ガスに熱を供給する燃料極ガス加熱器３００と、が一体に構成され、前記蒸気発生器１００、蒸気過熱器２００、及び燃料極ガス加熱器３００は、空気極排出ガスが通過する空気極排出ガス流路が連結され、熱交換を介して熱を供給されることを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、前記蒸気発生器１００は、蒸気発生器チャンバー１１０、及び蒸気発生器チューブシート１２０を含むことを特徴とする。
【００１４】
好ましくは、前記蒸気発生器１００には、精製水入口が形成されて高圧の精製された水が流入され、流入された水は、熱交換用チューブシート１２０を媒介に空気極排出ガス流路の空気極排出ガスと熱交換されて蒸気へと気化することを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記蒸気過熱器２００は、蒸気過熱器チャンバー２１０と、蒸気過熱器チューブシート２２０、及び蒸気過熱器入出口分離板２３０を含むことを特徴とする。
【００１６】
好ましくは、前記蒸気過熱器２００には、前記蒸気発生器１００から発生する蒸気が流入する流入口が形成されて蒸気が流入され、流入された蒸気は、Ｕ字型蒸気過熱器チューブシート２２０を媒介に空気極排出ガス流路の空気極排出ガスと熱交換されて過熱され、蒸気排出口を介して外部へ排出されることを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、前記燃料極ガス加熱器３００は、燃料極ガス加熱器チャンバー３１０と、燃料極ガス加熱器チューブシート３２０、及び燃料極ガス加熱器入出口分離板３３０を含むことを特徴とする。
【００１８】
好ましくは、前記燃料極ガス加熱器３００には、燃料極ガスが流入される燃料極ガス入口が形成されて燃料極ガスが流入され、流入された燃料極ガスは、Ｕ字型燃料極ガス加熱器チューブシート３２０を媒介に空気極排出ガス流路の空気極排出ガスと熱交換されて昇温され、燃料極ガス出口を介して外部へ排出されることを特徴とする。
【００１９】
好ましくは、前記蒸気過熱器２００は、圧力制御のための圧力点検連結部２４０をさらに含むことを特徴とする。また、好ましくは、前記圧力点検連結部２４０は、前記蒸気過熱器２００の蒸気排出口Ｆ上に形成されることを特徴とする。
【００２０】
好ましくは、前記蒸気発生器１００及び蒸気過熱器２００は、収縮膨張チューブ１３０で連結されることを特徴とする。
【００２１】
好ましくは、前記蒸気発生器１００は、コイル加熱部４００をさらに含むことを特徴とする。
【００２２】
好ましくは、前記チューブシートは、Ｕ字型チューブシートであることを特徴とする。
【００２３】
好ましくは、前記燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器は、小型熱交換器をさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、蒸気発生器、蒸気過熱器及び燃料極ガス加熱部を一体化させた構造を提供して連結配管を大きく減少させ、燃料電池システムを小型化することができるという効果がある。
【００２５】
また、本発明によれば、追加的な熱エネルギーの供給なしに空気極排出ガスとの熱交換を介して蒸気発生器、蒸気過熱器及び燃料極ガス加熱部に熱を供給することができるという効果がある。
【００２６】
また、本発明によれば、蒸気の方向を反重力方向に設定した蒸気発生器及び蒸気過熱器を提供することによって、液滴の滞留時間を増加させることができ、熱源供給を介して完全な蒸気化をすることができ、液滴を精密に制御することができるという効果がある。
【００２７】
また、本発明によれば、空気極排出ガスの熱交換を介して燃料極ガスを高温に昇温させることができるという効果がある。
【００２８】
さらに、本発明によれば、製作が容易であり、生産及び製造コストの節減が可能な燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器の概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付された図面を参照して本発明による燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器に対して詳細に説明するが、本発明が後述する内容に制限されるのではなく、該当分野における通常の知識を有する者ならば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で本発明を様々な他の形態で具現することができるだろう。
【実施例】
【００３１】
図１は、本発明による燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器の概略的な断面図である。
【００３２】
図１に示されたように、本発明による燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器は、一体に構成される蒸気発生器１００と、蒸気過熱器２００、及び燃料極ガス加熱器３００を含むことができる。このような蒸気発生器１００と、蒸気過熱器２００、及び燃料極ガス加熱器３００は、高温の空気極排出ガスが通過する空気極排出ガス流路と手順で連結されて熱交換を介して熱を供給されることができる。
【００３３】
蒸気発生器１００は、空気極廃熱の移動及び構造物構成のための蒸気発生器チャンバー１１０と、蒸気発生のための熱交換用チューブシート１２０とを含む。一方、蒸気発生器チャンバー１１０は、内部に熱交換用チューブシート１２０を受け入れることができ、空気極排出ガスと熱交換を行うことができる限り、その構成は、特に制限されないことに留意する。
【００３４】
蒸気発生器１００の作動原理に対してより具体的に探ると、先ず、高圧の精製された水は、本発明の蒸気発生器１００の蒸気発生器チャンバー１１０内に精製水入口Ｅを介して流入され、チューブ前端のマニホールドで均一に分散するようになる。その次に、分散した水は、熱交換用チューブシート１２０を媒介に空気極排出ガス流路の空気極廃熱と熱交換されて蒸気へと気化するようになる。この時、蒸発した水は、収縮膨張チューブ１３０を介して蒸気過熱器２００に供給される。
【００３５】
蒸気過熱器２００は、蒸気過熱器チャンバー２１０と、蒸気過熱器チューブシート２２０、及び蒸気過熱器入出口分離板２３０を含む。蒸気過熱器チャンバー２１０は、空気極廃熱の移動及び構造物構成のための機能をし、蒸気過熱器チューブシート２２０は、蒸気発生器を介して発生した蒸気を過熱させるための構成要素であり、蒸気過熱器入出口分離板２３０は、蒸気過熱器チューブシート２２０の上端に位置して入出口を区分するための構成要素である。一方、蒸気過熱器２００は、内部に蒸気過熱器チューブシート２２０を受け入れることができ、空気極排出ガスと熱交換を行うことができる限り、その構成は、特に制限されないことに留意する。
【００３６】
蒸気過熱器２００の作動原理に対してより具体的に探ると、蒸気過熱器２００には、蒸気発生器１００から発生する蒸気が流入される流入口が形成されて蒸気が流入され、流入された蒸気は、Ｕ字型蒸気過熱器チューブシート２２０を媒介に空気極排出ガス流路の空気極排出ガスと熱交換されて過熱され、蒸気排出口を介して外部へ排出されるようになる。
【００３７】
この時、Ｕ字型蒸気過熱器チューブシート２２０を使用することによって、蒸気の出口が反重力方向になるようにし、微細液滴及び蒸気の滞空時間を増やすことができるという効果がある。一方、蒸気過熱器チューブシート２２０の上端は、蒸気過熱器入出口分離板２３０を介して入出口部が区分される。
【００３８】
また、蒸気過熱器２００は、システムの圧力を制御するための圧力点検連結部２４０をさらに含むことができる。前記の圧力点検連結部２４０は、蒸気排出口上に形成され得る。前記の圧力点検連結部２４０は、破裂板（Rupture disk）などを使用して連結することによって、蒸気の出口圧力が過多に上昇することを防いでくれる。
【００３９】
更に、液滴の精密な制御のために蒸気発生器１００の精製水入口Ｅの前端で水を分岐させた後、コイル加熱部４００を経て制御用迂回水コイル加熱部Ｇから出る廃熱を用いて小型熱交換器を介して蒸気化させた後、蒸気過熱器２００の蒸気排出口Ｆの後端に供給できる制御プロセス（図示せず）を含むこともできる。
【００４０】
燃料極ガス加熱器３００は、燃料極ガス加熱器チャンバー３１０と、燃料極ガス加熱器チューブシート３２０、及び燃料極ガス加熱器入出口分離板３３０を含む。燃料極ガス加熱器チャンバー３１０は、空気極廃熱の移動及び構造物構成のための機能をし、燃料極ガス加熱器チューブシート３２０は、燃料極ガスの昇温のための構成要素であり、燃料極ガス加熱器入出口分離板３３０は、燃料極ガス加熱器チューブシート３２０の上端に位置して入出口を区分するための構成要素である。一方、燃料極ガス加熱器３００は、内部に燃料極ガス加熱器チューブシート３２０を受け入れることができ、空気極排出ガスと熱交換を行うことができる限り、その構成は、特に制限されないことに留意する。
【００４１】
燃料極ガス加熱器３００の作動原理に対してより具体的に探ると、燃料極ガス加熱器３００には、燃料極ガスが流入される燃料極ガス入口Ｃが形成されて燃料極ガスが流入され、流入された燃料極ガスは、Ｕ字型燃料極ガス加熱器チューブシート３２０を媒介に空気極排出ガス流路の空気極排出ガスと熱交換されて昇温され、燃料極ガス出口Ｄを介して外部へ排出されることを特徴とする。
【００４２】
一方、空気極排出ガスは、空気極排出ガス流路の空気極廃熱入口Ａを介して流入され、燃料極ガス加熱器３００、蒸気過熱器２００、及び蒸気発生器１００とそれぞれ熱交換を行い、空気極排出ガス流路の空気極廃熱出口Ｂを介して排出されるようになる。
【００４３】
本発明による燃料極ガス加熱兼用燃料電池用蒸気発生器は、全体的に６００℃以上の昇温を要求する燃料極ガス加熱器３００、発生した蒸気の微細液滴まで蒸発させるための蒸気過熱器２００、精製された水を蒸気化する蒸気発生器１００の手順で空気極排出ガスの廃熱を活用することによって、廃熱利用効率を極大化することができ、高温用燃料電池に追加される別の昇温に必要なシステムを除去することによって、システム及び配管のサイズを減らすことができるという長所がある。
【００４４】
以上、ここでは本発明を特定実施例に係って図示して説明したが、本発明がそれに限定されるのではなく、以下の特許請求の範囲は、本発明の精神と分野を逸脱しない限度内で本発明が様々に改造及び変形されることができるということを当業界における通常の知識を有する者は容易に分かる。
【符号の説明】
【００４５】
１００  蒸気発生器
１１０  蒸気発生器チャンバー
１２０  蒸気発生器チューブシート
１３０  収縮膨張チューブ
２００  蒸気過熱器
２１０  蒸気過熱器チャンバー
２２０  蒸気過熱器チューブシート
２３０  蒸気過熱器入出口分離板
２４０  圧力点検連結部
３００  燃料極ガス加熱器
３１０  燃料極ガス加熱器チャンバー
３２０  燃料極ガス加熱器チューブシート
３３０  燃料極ガス加熱器入出口分離板
４００  コイル加熱部
【図１】
2012515415.tif 000003
【国際調査報告】
2012515415.tif 000004
2012515415.tif 000005
2012515415.tif 000006
2012515415.tif 000007