KR100842987B1 - Mixer/educator for high temperature fuel cells - Google Patents
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Abstract
연료전지 시스템은 아노드측과 캐소드측을 갖는 연료전지 스택과, 상기 아노드측 출구로부터 아노드 배기가스와 옥시던트 공급가스를 혼합하는 혼합기/에듀케이터를 포함하며; 상기 아노드측은 연료를 수용하는 입구와, 연료가스가 함유된 아노드 배기가스를 방출하는 출구를 가지며; 상기 캐소드측은 옥시던트 가스를 수용하는 입구와, 옥시던트 배기가스를 방출하는 출구를 갖는다. 상기 혼합기/에듀케이터는 혼합을 강화시키고 압력손실 감축을 촉진시키기 위하여 옥시던트 공급가스의 분기 제트 또는 스트림을 생성한다. 특히, 상기 혼합기/에듀케이터는 복합 옥시던트 가스 스트림을 설정하도록 작용하는 유이되는 옥시던트 공급가스의 경로에 대해 각도를 이루면서 배치된 소자를 포함한다. The fuel cell system includes a fuel cell stack having an anode side and a cathode side, and a mixer / educator for mixing anode exhaust gas and oxidant feed gas from the anode side outlet; The anode side has an inlet for receiving fuel and an outlet for exhausting anode exhaust gas containing fuel gas; The cathode side has an inlet for receiving oxidant gas and an outlet for releasing oxidant exhaust gas. The mixer / educator produces a branching jet or stream of oxidant feed gas to enhance mixing and promote pressure loss reduction. In particular, the mixer / educator includes elements disposed at an angle to the path of the oxidant feed gas that is unique to serve to establish a complex oxidant gas stream.
아노드, 캐소드, 배기가스, 노즐, 혼합 덕트, 배플, 에어 스피너, 블레이드 Anode, cathode, exhaust, nozzle, mixing duct, baffle, air spinner, blade
Description
본 발명은 아노드 또는 연료와 캐소드 또는 연료전지 스택의 산화측 사이의 압력편차의 제어에 관한 것으로서, 특히 스택 캐소드측에 공급하기 위해 아노드 출구 또는 배기가스를 입구 에어 또는 옥시던트(oxidant) 가스와 혼합할 때의 압력편차를 최소화하기 위한 것이다. 특히 본 발명은 연료전지 시스템을 보상하는 아노드 테일가스(tail gas) 및 편차압력에 관한 것이다. The present invention relates to the control of pressure deviations between the anode or fuel and the oxidation side of the cathode or fuel cell stack, in particular the anode outlet or exhaust gas for supplying the stack cathode side with the inlet air or oxidant gas. This is to minimize the pressure deviation when mixing. In particular, the present invention relates to anode tail gas and deviation pressure that compensates for a fuel cell system.
연료전지는 수소, 메탄, 또는 천연가스 등과 같은 수소함유 연료에 저장되어 있는 화학적 에너지를 전기화학적 반응에 의해 전기에너지로 직접 변환시키는 장치이다. 이것은 열을 생산하기 위해 먼저 연료를 연소시킨 후 그 열을 기계적 에너지로 변환하고 최종적으로는 전기로 변화시켜야만 하는, 전통적인 전력 발생방법과는 상이하다. 연료 전지에 의해 사용된 더욱 직접적인 변환 처리과정은 효율 증가 및 오염물 방출감소라는 점에서 전통적인 수단에 비해 상당한 장점을 내포하고 있다. A fuel cell is a device that directly converts chemical energy stored in a hydrogen-containing fuel such as hydrogen, methane, or natural gas into electrical energy by an electrochemical reaction. This is different from traditional power generation methods, where the fuel must first be burned to produce heat and then converted to mechanical energy and finally to electricity. The more direct conversion process used by fuel cells has significant advantages over traditional means in terms of increased efficiency and reduced pollutant emissions.
일반적으로, 배터리와 유사한 연료 전지는 전해질에 의해 분리되는 네거티브 전극 또는 아노드 전극과 포지티브 전극 또는 캐소드 전극을 포함하며, 상기 전해 질은 네거티브 전극과 포지티브 전극들 사이에서 전기적으로 충전된 이온을 도전시키는데 사용된다. 그러나, 배터리와는 달리 연료전지는 아노드 및 캐소드에 연료 및 옥시던트가 공급되는한 전력을 계속 생산할 것이다. 이를 달성하기 위하여, 아노드 및 캐소드 근처에 가스 유동장이 제공되며, 이를 통해 연료 및 옥시던트 가스가 공급된다. 유용한 전력 레벨을 생성하기 위해서는 각각의 전지와 그 인접부 사이에서 다수의 상이한 연료 전지가 도전성 격리판과 직렬로 적층되어야만 한다. In general, a fuel cell similar to a battery includes a negative electrode or an anode electrode and a positive electrode or a cathode electrode separated by an electrolyte, and the electrolytic material is used to conduct electrically charged ions between the negative electrode and the positive electrodes. Used. However, unlike batteries, fuel cells will continue to produce power as long as fuel and oxidant are supplied to the anode and cathode. To achieve this, a gas flow field is provided near the anode and cathode, through which fuel and oxidant gas are supplied. In order to generate useful power levels, a number of different fuel cells must be stacked in series with the conductive separator between each cell and its neighbors.
고온 연료전지 스택에 있어서, 옥시던트 또는 스택의 캐소드측에 제공된 신선한 에어는 주위 온도로부터 연료전지 스택의 온도로 가열될 필요가 있다. 이를 달성하는 한가지 방법은 유입되는 에어에서 아노드측 배기가스로부터 사용하지 않은 연료를 연소시키는 것이다. 이러한 "연소"는 가스상(gas-phase) 연소기나 촉매 반응기에서 실행되며, 고온 연료전지용으로는 상기 촉매 반응기가 일반적으로 사용된다. 연료의 완벽한 반응을 보장하기 위하여 또한 촉매에서 온도 구배를 최소화하기 위하여, 아노드측 배기가스는 에어와 완벽하게 혼합되어야만 한다. In a high temperature fuel cell stack, fresh air provided on the oxidant or cathode side of the stack needs to be heated from ambient temperature to the temperature of the fuel cell stack. One way to achieve this is to burn unused fuel from the anode side exhaust in the incoming air. This "combustion" is carried out in gas-phase combustors or catalytic reactors, which are generally used for high temperature fuel cells. In order to ensure a perfect reaction of the fuel and also to minimize the temperature gradient in the catalyst, the anode side exhaust gas must be perfectly mixed with air.
처리과정의 흐름에 있어서, 이러한 혼합 처리과정은 2개의 스트림의 접합지역에서 아노드측 가스압을 캐소드측 가스압과 결합시킨다. 아노드측 출구에서의 압력은 가스를 연소하는데 사용된 산화제 및 연결 배관과 연관된 압력손실을 극복하는데 필요한 양만큼, 캐소드측 입구에서의 압력 보다 높다. 압력편차는 아노드 가스가 캐소드 입구 공간내로 누설되려는 경향을 유발하며; 압력편차가 높을수록, 밀봉은 더욱 더 좋아져야만 한다. 연료전지 스택에서 아노드와 캐소드 사이의 밀봉은 전형적으로 두 표면들 사이의 기계적 힘에 의해 형성되며, 일부 경우에 있어 서 매니폴드 밀봉은 "허용가능한" 누설율을 허용하도록 설계된 다공성 가스켓 물질을 포함하기도 한다. 이러한 두 실시예에서의 누설율은 아노드-캐소드 압력편차의 함수가 된다. 따라서, 과도한 누설을 방지하기 위해 압력편차를 최소화하는 것이 매우 중요하다. 궁극적으로, 누설은 시스템 효율을 감소시키는 작용을 하며, 또한 오염 방출물을 증가시키고 스택의 내구수명을 단축시킨다. In the process flow, this mixing process combines the anode side gas pressure with the cathode side gas pressure at the junction of the two streams. The pressure at the anode side outlet is higher than the pressure at the cathode side inlet by the amount necessary to overcome the pressure loss associated with the oxidant and connecting piping used to combust the gas. Pressure deviations cause a tendency for the anode gas to leak into the cathode inlet space; The higher the pressure deviation, the better the seal should be. The seal between anode and cathode in a fuel cell stack is typically formed by mechanical forces between two surfaces, and in some cases the manifold seal includes a porous gasket material designed to allow for an "acceptable" leak rate. Sometimes. The leak rate in these two embodiments is a function of the anode-cathode pressure deviation. Therefore, it is very important to minimize the pressure deviation in order to prevent excessive leakage. Ultimately, leakage acts to reduce system efficiency, and also increases contamination emissions and shortens stack life.
종래 시스템에서 압력편차의 최소화는 스택의 아노드측 출구에서 배기 연료가스의 압력에 대해, 스택의 캐소드측 입구에서 옥시던트 가스의 압력을 평형화시키므로써 달성되었다. 이것은 압력을 동일하지 않게 하려는 경향을 갖는 기타 다른 작동 요구사항에도 불구하고 실현되어야만 한다. Minimization of the pressure deviation in conventional systems has been achieved by equilibrating the pressure of oxidant gas at the cathode side inlet of the stack relative to the pressure of the exhaust fuel gas at the anode side outlet of the stack. This must be realized in spite of other operating requirements which tend to make the pressures not equal.
현존의 연료전지 시스템은 혼합과 편차압력이라는 문제점을 해결하기 위해 다양한 접근방법을 갖고 있다. 혼합은 2개의 스트림을 촉매로 분배하기 전에 긴 파이프 길이를 따라 유동시키므로써 달성된다. 그러나, 적절한 혼합에 필요한 파이프의 길이는 통상의 시스템에서는 사용하기가 너무 길어서, 과도한 압력편차를 유발시킨다. 긴 파이프는 가스 스트림으로부터 불필요한 열손실을 생성할 수도 있다. 기타 다른 혼합 시스템은 상용으로 사용할 수 있는 "정적" 혼합판을 사용하며, 이러한 혼합판은 혼합물에서 고도의 유체 전단을 생성하여, 매우 균일한 조성물을 제공한다. 불행하게도, 이러한 정적 혼합기는 상당한 압력손실을 발생시키고, 이러한 압력손실은 연료전지 스택에서 아노드-캐소드 압력의 불균형을 증가시킨다. Existing fuel cell systems have a variety of approaches to solve the problems of mixing and deviation pressures. Mixing is accomplished by flowing the two streams along a long pipe length before distributing the catalyst. However, the length of pipe required for proper mixing is too long for use in conventional systems, causing excessive pressure deviations. Long pipes may generate unwanted heat losses from the gas stream. Other mixing systems use commercially available "static" mixing plates, which produce a high degree of fluid shear in the mixture, providing a very uniform composition. Unfortunately, such static mixers generate significant pressure losses, which increase the unbalance of anode-cathode pressure in the fuel cell stack.
압력평형에 관한 문제점을 해결하기 위하여, 시스템은 스택의 아노드측 출구 와 혼합지점 사이에 배치된 고온 부스터 취입기를 사용하여, 연결 배관과 혼합기와 산화제의 압력손실을 극복한다. 이것은 압력 평형을 독립적으로 제어할 수 있다는 장점을 갖게 되지만, 상용 시스템에 대해서는 상당한 비용과 신뢰성 면에서 문제점이 있다. 또 다른 시스템은 혼합장치 및 산화제를 통해 아노드 배기가스 및 신선한 에어 옥시던트 가스를 인출하기 위해 다운스트림 고온 재생 취입기를 사용한다. 이러한 시스템은 편차에 대한 약간의 제어에 의해, 캐소드측 입구에서의 가스 압력이 아노드측 출구에서의 가스 압력 보다 높아지는 것을 허용한다. 이러한 시스템에 대한 단점으로는 시스템 하드웨어가 전반적으로 복잡할 뿐만 아니라 재생 취입기의 비용 및 신뢰성을 들 수 있다. 압력편차를 해결하기 위한 또 다른 접근방법은 단순히 연료압력을 옥시던트 압력 보다 높게 하는 것이다. 이러한 경우에 대한 경험에 따르면, 불균일한 스택 온도와, 시스템 효율의 감소와, 배기 오염 방출물의 상승 등과 같이 작동시 여러 문제점이 발생된다. To solve the pressure balance problem, the system overcomes the pressure loss of the connecting piping and the mixer and oxidant by using a high temperature booster blower placed between the anode side outlet and the mixing point of the stack. This has the advantage of being able to control the pressure balance independently, but there is a significant cost and reliability problem for commercial systems. Another system uses a downstream hot regeneration blower to draw the anode exhaust and fresh air oxidant gas through the mixer and oxidant. This system allows, by some control over the deviation, the gas pressure at the cathode side inlet to be higher than the gas pressure at the anode side outlet. Disadvantages to such a system include the overall complexity of the system hardware as well as the cost and reliability of the regenerative blower. Another approach to solving the pressure deviation is simply to make the fuel pressure higher than the oxidant pressure. Experience in this case presents several problems in operation, such as uneven stack temperatures, reduced system efficiency, and increased emissions of exhaust pollutants.
본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허출원 제10/187.495호에는 혼합기/에듀케이터가 개시되어 있으며; 이러한 혼합기/에듀케이터는 신선한 옥시던트나 에어와 아노느 배기 가스의 양호한 혼합을 제공하고, 연료전지 스택의 캐소드측 입구에서의 가스와 스택의 아노드측 출구에서의 가스 사이에 감소된 압력편차를 제공한다. 상기 혼합기/에듀케이터는 혼합지점에서 아노드 스트림의 압력을 감소시키기 위하여, 유입되는 신선한 에어 스트림(신선한 에어 취입기에 의해 제공되는)으로부터 에너지를 사용한다. 특히, 상기 혼합기/에듀케이터는 속도를 증가시키고, 아노드 배출 흐름이 연결되어 옥시던트 가스 스트림과 혼합되는 옥시던트 공급가스의 압력을 감소시키도록 설계되었다. 그후, 고속의 혼합물은 혼합물의 속도를 낮추고 혼합물의 압력을 상승시키는 확산기 부분을 통과한다. 혼합된 가스의 압력 상승은 아노드측 출구에서의 가스 압력이 스택 캐소드측 입구에서의 가스 압력과 동일하도록 제어된다. US patent application Ser. No. 10 / 187.495, assigned to the assignee of the present invention, discloses a mixer / educator; This mixer / educator provides good mixing of fresh oxidant or air with ananoe exhaust gas and provides a reduced pressure deviation between the gas at the cathode side inlet of the fuel cell stack and the gas at the anode side outlet of the stack. . The mixer / educator uses energy from the incoming fresh air stream (provided by a fresh air blower) to reduce the pressure of the anode stream at the point of mixing. In particular, the mixer / educator is designed to increase the speed and to reduce the pressure of the oxidant feed gas to which the anode outlet stream is connected and mixed with the oxidant gas stream. The high speed mixture then passes through a diffuser portion that slows the mixture down and raises the pressure of the mixture. The pressure rise of the mixed gas is controlled such that the gas pressure at the anode side outlet is the same as the gas pressure at the stack cathode side inlet.
본 발명의 목적은 에듀케이터를 통한 옥시던트 가스의 압력손실이 더욱 감소될 수 있고; 상기 옥시던트 가스의 신선한 에어와 아노드 배기가스의 혼합 레벨이 최적화되며; 상술한 바와 같은 단점을 피할 수 있는 방식으로, 스택의 아노드측 출구에서의 가스와 캐소드측 입구에서의 가스 사이의 압력이 시스템의 전체 작동범위에 걸쳐 평형화될 수 있는 개선된 혼합기/에듀케이터를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention that the pressure loss of oxidant gas through the eductor can be further reduced; The mixing level of the fresh air of the oxidant gas and the anode exhaust is optimized; In a manner to avoid the disadvantages described above, there is provided an improved mixer / educator in which the pressure between the gas at the anode side outlet of the stack and the gas at the cathode side inlet can be balanced over the entire operating range of the system. It is.
본 발명의 원리에 따르면, 상술의 목적과 기타 다른 목적은 옥시던트 공급가스의 복합 제트를 생성할 수 있도록 적용된 상술한 바와 같은 형태의 혼합기/에듀케이터를 갖는 연료전지 시스템에서 실현될 수 있으며; 혼합기/에듀케이터에서 옥시던트 공급가스와 아노드 배기가스 사이에서 원하는 혼합이 실현될 수 있고, 시스템의 연료전지의 아노드측 출구에서의 아노드 배기가스와 캐소드측 입구에서의 옥시던트 가스 사이의 평형화가 더욱 양호하게 실현된다. 특히, 본 발명에 따르면, 혼합기/에듀케이터는 아노드 출구 가스와 상호작용하여 효과적으로 혼합되는 캐소드 가스의 분기 제트 세트를 생성하도록, 옥시던트 공급가스의 경로에 대해 각도를 이루면서 배치된 소자를 포함한다. 이러한 혼합기/에듀케이터의 형태는 설정의 시스템 디자인에서 공지의 작동범위에 대해 원하는 혼합 및 압력평형이 실현되게 한다. 또한, 배기 재생 취입기로부터의 옥시던트 배기가스 또는 옥시던트 가스의 흐름은 압력을 평형화시키는데 도움을 주도록 제어될 수 있다. According to the principles of the present invention, the above and other objects can be realized in a fuel cell system having a mixer / educator of the type described above adapted to produce a composite jet of oxidant feed gas; Desired mixing between the oxidant feed gas and the anode exhaust in the mixer / educator can be realized, and the equilibrium between the anode exhaust at the anode side outlet of the system's fuel cell and the oxidant gas at the cathode side inlet is further achieved. It is well realized. In particular, in accordance with the present invention, the mixer / educator includes elements arranged at an angle to the path of the oxidant feed gas to interact with the anode outlet gas to produce a branched jet set of cathode gas that is effectively mixed. This type of mixer / educator allows the desired mixing and pressure balance to be realized for a known operating range in the system design of the setup. In addition, the flow of oxidant exhaust gas or oxidant gas from the exhaust regeneration blower may be controlled to help balance the pressure.
본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. Other objects, features and advantages of the present invention will be more clearly understood by the following detailed description with reference to the accompanying drawings.
도1은 본 발명의 원리에 따른 혼합기/에듀케이터를 포함하는 연료전지 시스템을 도시한 블록도.1 is a block diagram illustrating a fuel cell system including a mixer / educator in accordance with the principles of the present invention;
도2A는 도1의 혼합기/에듀케이터의 제1실시예를 도시한 단면도.FIG. 2A is a sectional view of a first embodiment of the mixer / educator of FIG.
도2B는 도2A의 혼합기/에듀케이터의 일부를 도시한 사시도.FIG. 2B is a perspective view of a portion of the mixer / educator of FIG. 2A. FIG.
도2C는 가스 흐름 경로를 도시하기 위해, 도2B에 도시된 혼합기/에듀케이터의 일부를 도시한 단면도.FIG. 2C is a cross-sectional view of a portion of the mixer / educator shown in FIG. 2B to illustrate a gas flow path. FIG.
도3A는 도1의 혼합기/에듀케이터의 제2실시예를 도시한 단면도.3A is a sectional view of a second embodiment of the mixer / educator of FIG.
도3B는 도3A의 혼합기/에듀케이터의 일부를 도시한 사시도.FIG. 3B is a perspective view of a portion of the mixer / educator of FIG. 3A. FIG.
도3C는 가스 흐름 경로를 도시하기 위해, 도3B에 도시된 혼합기/에듀케이터의 일부를 도시한 단면도.FIG. 3C is a cross sectional view of a portion of the mixer / educator shown in FIG. 3B to illustrate a gas flow path; FIG.
도4A는 도1의 혼합기/에듀케이터의 제3실시예를 도시한 단면도.4A is a cross-sectional view of a third embodiment of the mixer / educator of FIG.
도4B는 도4A의 혼합기/에듀케이터의 일부를 도시한 사시도.4B is a perspective view of a portion of the mixer / educator of FIG. 4A.
도4C는 가스 흐름 경로를 도시하기 위해, 도4B에 도시된 혼합기/에듀케이터의 일부를 도시한 단면도.4C is a cross-sectional view of a portion of the mixer / educator shown in FIG. 4B to illustrate a gas flow path.
도5A는 도1의 혼합기/에듀케이터의 제4실시예를 도시한 단면도.FIG. 5A is a sectional view of a fourth embodiment of the mixer / educator of FIG.
도5B는 도5A의 혼합기/에듀케이터의 일부를 도시한 사시도.FIG. 5B is a perspective view of a portion of the mixer / educator of FIG. 5A. FIG.
도5C는 가스 흐름 경로를 도시하기 위해, 도5B에 도시된 혼합기/에듀케이터의 일부를 도시한 단면도.FIG. 5C is a cross-sectional view of a portion of the mixer / educator shown in FIG. 5B to illustrate a gas flow path. FIG.
도6A는 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터를 도시한 단면도.FIG. 6A is a cross-sectional view of the mixer / educator of US Patent Application No. 10 / 187.495. FIG.
도6B는 가스 흐름 경로를 도시하기 위해, 도6A에 도시된 혼합기/에듀케이터의 일부를 도시한 단면도.FIG. 6B is a cross-sectional view of a portion of the mixer / educator shown in FIG. 6A to illustrate a gas flow path. FIG.
도7은 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터와 본 발명의 혼합기/에듀케이터의 측정된 에어측 압력손실 개선을 비교한 그래프.FIG. 7 is a graph comparing measured air side pressure loss improvement of the mixer / educator of US patent application Ser. No. 10 / 187.495 and the mixer / educator of the present invention. FIG.
도8은 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터와 본 발명의 혼합기/에듀케이터의 측정된 아노드측 흡입 개선을 비교한 그래프.8 is a graph comparing measured anode side suction improvement of the mixer / educator of US patent application Ser. No. 10 / 187.495 and the mixer / educator of the present invention.
도9는 본 발명의 혼합기/에듀케이터를 사용하여 달성된, 측정된 혼합 균일성을 도시한 도면.9 shows measured mixing uniformity achieved using the mixer / educator of the present invention.
도10은 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터를 사용하여 달성된, 측정된 혼합 균일성을 도시한 도면.FIG. 10 shows measured mixing uniformity achieved using the mixer / educator of
도1은 연료전지 시스템(1)을 개략적으로 도시하고 있다. 상기 시스템(1)은 아노드 및 캐소드 부분(2A, 2B)을 각각 포함하는 연료전지(2)와, 산화제(3)와, 취입기(4)를 포함한다. 또한, 상기 연료전지 시스템(1)은 본 발명의 원리에 따른 혼합기/에듀케이터(5)를 포함한다. 1 schematically shows a fuel cell system 1. The system 1 comprises a fuel cell 2 comprising anode and
도시된 바와 같이, 캐소드측 부분(2B)으로부터 재생 취입기(4)에 의해 재생된 배기 옥시던트 가스 및 신선한 에어(6)는 옥시던트 공급가스(6A)를 생성하도록 조합된다. 상기 옥시던트 공급가스(6A)는 입구(5A)에서 혼합기/에듀케이터(5)에 공급된다. 혼합기/에듀케이터(5)를 통과할 때, 옥시던트 공급가스(6A)는 압력을 감압시키며, 입구(5B)에서 혼합기/에듀케이터(5)에 유입되는 아노드 배기가스를 포함하게 된다. 옥시던트 공급가스 및 아노드 배기가스의 혼합물은 출구(5C)에서 혼합기/에듀케이터(5)로부터 배출되며, 산화제(3)의 입구(3A)로 계속 진행된다. 산화제(3)에 있어서, 혼합된 가스의 아노드 배기가스에 남아있는 연료는 연소되어, 가스 스트림의 온도를 상승시킨다. 산화제로부터의 출구 스트림은 캐소드 부분(2B)의 캐소드 입구(8)로 분배된다. As shown, the exhaust oxidant gas and
옥시던트 배기가스는 캐소드 출구(9)로부터 출력되며, 상술한 바와 같이, 그 일부는 재생 취입기(4)에 의해 유입 에어로 재생된다. 연료 가스는 입구(11)에서 아노드 부분(2A)에 분배된다. The oxidant exhaust gas is output from the
일반적으로, 시스템(1)에서 혼합기/에듀케이터(5)의 한가지 목적은 아노드 부분(2A)의 출구(7)에서 아노드 배기가스와 캐소드 부분(2B)의 입구(8)에서 옥시던트 가스 사이에 압력편차를 감소시키거나 최소화하는 것이다. 혼합기/에듀케이터(5)의 또 다른 목적은 산화제(3)로의 공급을 위해 혼합기/에듀케이터의 입구(5B)에 수용된 아노드 배기가스와 혼합기/에듀케이터의 입구(5A)에 수용된 옥시던트 공급가스(6A)의 양호한 혼합을 달성하는 것이다. In general, one purpose of the mixer /
본 발명에 따르면, 혼합기/에듀케이터(5)는 아노드 배기가스 스트림이 옥시 던트 공급가스 스트림과 만나는 위치에서, 속도를 증가시키고 옥시던트 공급가스의 압력을 감소시킨다. 이것은 혼합기/에듀케이터의 입구(5B)에서 아노드 배기가스의 압력을 감소시키는 것이다. 아노드 배기가스는 혼합기/에듀케이터의 입구(5A)에 수용된 옥시던트 공급가스와 혼합된다. 혼합된 가스의 압력은 혼합기/에듀케이터(5)를 지나 산화제(3)를 통과함에 따라 증가된다. According to the invention, the mixer /
본 발명에 따르면, 혼합기/에듀케이터(5)는 옥시던트 공급가스(6A)의 축선 또는 경로에 대해 각도를 이루면서 배치된 여러개의 소자를 포함하며, 이러한 소자에서 옥시던트 공급가스를 위해 옥시던트 공급가스의 분기된 제트가 설정된다. 이러한 방식에 의해, 혼합된 가스의 압력 증가와 가스의 혼합은 양호하게 제어될 수 있으며, 이에 따라 혼합을 최적화시키고 캐소드 부분(2B)의 입구(8)에서 옥시던트 가스와 아노드 부분(2A)의 출구(7)에서 아노드 배기가스의 압력편차를 최소화시킨다. 본 발명의 혼합기/에듀케이터의 다양한 실시예가 하기에 서술될 것이다. According to the invention, the mixer /
제1실시예(도2A 내지 도2C): 5개의 노즐First Embodiment (FIGS. 2A-2C): Five Nozzles
도2A 내지 도2C는 본 발명의 혼합기/에듀케이터(100)의 제1실시예를 도시하고 있다. 도2B에서, 혼합기/에듀케이터(100)는 옥시던트 공급가스를 위한 옥시던트 공급가스 입구(120)와, 아노드 배기가스를 위한 아노드 배기가스 입구(121)를 포함하며; 이러한 입구들은 T형 혼합 조립체(122)를 형성한다. 점선으로 도시된 또 다른 실시예에 있어서, 상기 혼합 조립체(122)는 아노드 배기가스를 위한 제2입구(121A)를 제공하므로써 교차형 조립체를 형성하도록 변형될 수도 있다. 본 발명의 취지나 기능을 변경하지 않고, 또 다른 아노드 배기가스 입구가 부가될 수도 있 다. 도2A에 도시된 입구(120, 121)의 단면적(101, 102)은 입구에서 필요로 하는 전체적인 유동율을 기초로 하여 선택되는 것을 인식해야만 한다. 2A-2C show a first embodiment of the mixer /
입구(120)에 연결된 노즐장치(126)는 유입되는 옥시던트 공급가스의 경로에 대해 분기각도에서 소자를 포함하므로, 2개의 스트림의 혼합을 강화시키고 압력손실을 최소화하는데 도움을 주는 분기된 산화가스 제트를 생성할 수 있다. 특히 도2A 내지 도2C에 도시된 바와 같이 노즐장치에는 5개의 노즐 튜브(126A 내지 126E)가 배치되어 있으며; 5개의 노즐 튜브중 4개의 노즐 튜브(126B 내지 126E)는 유입되는 옥시던트의 경로(129)에 대해 각도를 이루면서 배치되고, 나머지 하나의 노즐 튜브(126A)는 이러한 경로를 따라 배치된다. 도시된 실시예에 있어서, 노즐 튜브(126A)는 수평으로 배치되며, 대향하는 제1튜브쌍(126B, 126C)은 튜브(126A)의 위아래에서 각도(제3각도 및 제4각도)를 이루고 있으며, 대향하는 제2튜브쌍(126D, 126E)(보이지 않음)은 튜브(126A)의 우측 및 좌측에 대해 각도(제5각도 및 제6각도)를 이루고 있다. 각각의 노즐 튜브(126A 내지 126E)는 완만한 필렛형 리드인(139)을 포함한다(도2B에 도시).The nozzle arrangement 126 connected to the
상기 노즐 튜브(126A 내지 126E)는 튜브(126A 내지 126C)의 속도 벡터(140, 141, 142)에 의해, 도2C에 도시된 바와 같이 옥시던트 공급가스를 고속으로 가속시킨다. 노즐 튜브(126A 내지 126E)의 갯수와 직경(106)(도2A에 도시)은 원하는 압력 레벨에 요구되는 필요한 속도를 제공하도록 선택된다. 이에 대해, 각각의 노즐 튜브(126A 내지 126E)는 특정한 용도에 따라 상이한 직경을 가질 수도 있다. 또한, 노즐 튜브(126A 내지 126E)의 방향은 도시된 바와 다를 수도 있다. 일반적으로, 튜브는 하나이상의 대칭축에 정렬되지만, 주어진 용도의 특정한 성능요구에 부 합하도록 의도적으로 비대칭으로 정렬될 수도 있다. 또한, 노즐 튜브의 길이(107)는 튜브 자체에서의 과도한 마찰 압력손실을 방지하면서 흐름이 원하는 각도(108)로 지향되는 것을 보장할 수 있도록 선택된다. The
옥시던트 공급가스가 노즐 튜브(126A 내지 126E)를 떠나갈 때, 혼합 조립체(122)에서는 아노드 배기가스와의 혼합이 시작된다. 이를 위하여, 유입되는 옥시던트 가스의 경로(129)에 대해 4개의 노즐 튜브(126B 내지 126E)가 지향되는 각도(108) 등과 같은, 노즐장치(126)의 형태는 아노드 배기가스[도2C에 벡터(150, 151)로 도시]의 포함과 혼합 조립체(122)에서 옥시던트 가스와 아노드 배기가스의 혼합을 최대로 하고, 각각의 제트가 단일의 대형 제트로 합체되는 것을 지연시킨다. 또한, 2개의 가스 스트림의 혼합이 최대로 되도록, 노즐 튜브(126B 내지 126E)의 회전 위치(128)(도2B)가 선택된다. 또한 원하는 압력 분포를 달성하도록, 입구(121)의 중심선(도2A)에 대한 노즐 튜브(126A 내지 126E)의 단부의 위치(109)가 선택된다. As the oxidant feed gas leaves the
옥시던트 가스의 높은 속도는 혼합 조립체(122)의 내부에 아노드 배기가스를 포함하며, 이러한 혼합물은 혼합 덕트(123)로 이동된다. 상기 혼합 덕트(123)는 마우스 개구(103)와, 길이(104)와, 불꽂 또는 분기각도(105)를 가지며; 이러한 모든 소자는 원하는 혼합을 촉진시키도록 선택된다. 따라서, 혼합 덕트에서 2개의 가스스트림(즉, 제1스트림 및 제2스트림) 사이의 혼합이 지속되며, 이러한 혼합은 혼합물에 난류 및 재순환을 생성하도록 작용하는 배플판(124)의 도움을 받는다. 도2A에 도시된 바와 같이, 배플판(124)의 길이(110)와 각도(111)와 위치(112)는 과도한 압력손실을 방지하면서 혼합을 최대화하도록 선택된다. 가스 혼합물은 혼합 덕트의 하방으로 계속 흘러서, 촉매 매니폴드(198)에 인입되고, 이러한 촉매 매니폴드에서 회전하고[화살표(159)로 도시], 촉매 베드(199)를 통과한다. The high velocity of oxidant gas includes the anode exhaust inside the mixing
도2A 내지 도2C의 혼합기/에듀케이터의 다양한 성분을 실현하는데 유용한 변수로는 0°내지 45°의 노즐 튜브 분기각도(108)와; 아노드 가스 파이프 직경(102)의 -1배 내지 +1배 사이의 노즐 튜브 위치(109)와; -90°내지 +90° 사이의 노즐 튜브 회전 클로킹(128)과; 노즐 튜브 직경(106)의 1배 내지 10배 사이의 노즐 튜브 길이(107)와; 0°내지 30°사이의 혼합 덕트 불꽂 각도(105)와; 0°내지 90°사이의 촉매 표면 지향각(159)과; 노즐 튜브(126)의 사용과; 배플판(124)의 사용을 포함한다. Parameters useful for realizing the various components of the mixer / educator of FIGS. 2A-2C include nozzle
제2실시예(도3A 내지 도3C): 4개의 노즐Second Embodiment (FIGS. 3A-3C): Four Nozzles
도3A 내지 도3C는 본 발명의 혼합기/에듀케이터(200)의 제2실시예를 도시하고 있다. 도3B에서, 혼합기/에듀케이터는 옥시던트 공급가스를 위한 옥시던트 공급가스 입구(220)와, 아노드 배기가스를 위한 아노드 배기가스 입구(221)를 포함하며; 이러한 입구들은 T형 혼합 조립체(222)를 형성한다. 다른 실시예에서 혼합기/에듀케이터의 제1실시예에 대해 상술한 바와 같이, 상기 혼합 조립체(222)는 아노드 배기가스를 위한 부가의 입구를 제공하므로써 교차형 조립체로서 형성될 수 있으며, 또는 다양한 각위치에서 또 다른 입구를 부가하므로써 형성될 수도 있다. 도3A에 도시된 입구(220, 221)의 단면적(201, 202)은 특정 용도에서 예견되는 전체적인 유동율을 기초로 하여 선택된다. 3A-3C show a second embodiment of the mixer /
입구(220)에 연결된 노즐장치(226)는 유입되는 옥시던트 공급가스의 경로에 대해 분기각도에서 소자를 포함하므로, 2개의 스트림의 혼합을 강화시키고 압력손실을 최소화하는 분기 제트를 생성할 수 있다. 특히 노즐장치에는 4개의 노즐 튜브(226A 내지 226D)가 배치되어 있으며; 유입되는 옥시던트의 경로(229)에 대해 각도를 이루면서 배치된다. 도3A 내지 도3C에는 입구(220)에서 종료되는 격벽의 우측에 연결되는, 수직으로 대향하는 노즐 튜브(226A 내지 226B)만 도시되어 있다. 격벽의 좌측에는 수직으로 대향하는 이와 유사한 쌍의 노즐 튜브(226C 내지 226D)가 연결된다. 각각의 노즐 튜브(226A 내지 226D)는 완만한 필렛형 리드인(239)을 포함한다(도3B에 도시).The
상기 노즐 튜브(226A 내지 226D)는 튜브(226A 내지 226B)의 속도 벡터(240, 241)에 의해, 도3C에 도시된 바와 같이 옥시던트 공급가스를 고속으로 가속시킨다. 노즐 튜브(226A 내지 226D)의 직경(206)(도3A에 도시)은 원하는 체적 레벨에 요구되는 필요한 속도를 제공하도록 선택된다. 각각의 노즐(226)은 특정한 용도에 따라 상이한 직경을 가질 수도 있다. 또한, 노즐 튜브(226A 내지 226D)는 일반적으로 하나이상의 대칭축에 정렬되지만, 용도의 혼합 요구사항 및 특정 체적에 부합하도록 비대칭으로 정렬될 수도 있다. 또한, 노즐 튜브(제1노즐 튜브 내지 제4노즐 튜브)(226A 내지 226D)의 길이(207)는 튜브 자체에서의 과도한 마찰 압력손실을 방지하면서 흐름이 원하는 각도들(제1각도 및 제2각도)(208)로 지향되는 것을 보장할 수 있도록 선택된다. The
옥시던트 공급가스가 노즐 튜브(226A 내지 226D)를 떠나갈 때, 혼합 조립체(222)에서는 아노드 배기가스와의 혼합이 시작된다. 노즐 튜브(226A 내지 226D)가 지향되는 각도들(208) 등과 같은, 노즐장치(226)의 형태는 아노드 배기가스[도3C에 벡터(250, 251)로 도시]의 포함과 혼합 조립체(222)에서 옥시던트 가스와 아노드 배기가스의 혼합을 최대로 하고, 각각의 가스 흐름 경로가 단일의 대형 경로로 합체되는 것을 지연시킨다. 또한, 2개의 가스 스트림의 혼합이 최대로 되도록, 노즐 튜브(226A 내지 226D)의 회전 위치(228)(도3B)가 선택된다. 또한 원하는 압력 분포를 달성하도록, 입구(221)의 중심선(도3A)에 대한 노즐 튜브의 단부의 위치(209)가 선택된다. As the oxidant feed gas leaves the
옥시던트 가스의 높은 속도는 혼합 조립체(222)의 내부에 아노드 배기가스를 포함하며, 이러한 혼합물은 혼합 덕트(223)로 이동된다. 상기 혼합 덕트(223)는 마우스 개구(203)와, 길이(204)와, 불꽂 또는 분기각도(205)를 가지며; 이러한 모든 소자는 원하는 혼합을 촉진시키도록 선택된다. 따라서, 혼합 덕트에서 2개의 스트림 사이의 혼합이 지속되며, 이러한 혼합은 혼합물에 난류 및 재순환을 생성하도록 작용하는 배플판(도시않음)의 도움을 받는다. 가스 혼합물은 혼합 덕트의 하방으로 계속 흘러서, 촉매 매니폴드(298)에 인입되고, 이러한 촉매 매니폴드에서 회전하여[화살표(259)로 도시], 촉매 베드(299)를 통과한다. The high velocity of oxidant gas includes the anode exhaust inside the mixing
도3A 내지 도3C의 혼합기/에듀케이터의 다양한 성분을 실현하는데 유용한 변수로는 0°내지 90°의 노즐 튜브 분기 각도들(208)과; 아노드 가스 파이프 직경(202)의 -1배 내지 +1배 사이의 노즐 튜브 위치(209)와; -45°내지 +45° 사이의 노즐 튜브 회전 클로킹(228)과; 노즐 튜브 직경(206)의 1배 내지 10배 사이의 노즐 튜브 길이(207)와; 0°내지 30°사이의 혼합 덕트 불꽂 각도(205)와; 0°내지 90°사이의 촉매 표면 지향각(259)과; 노즐 튜브(226)의 사용과; 배플판(124)의 사용을 포함한다. Parameters useful for realizing the various components of the mixer / educator of FIGS. 3A-3C include nozzle tube branch angles 208 of 0 ° to 90 °;
제3실시예(도4A 내지 도4C): 하나의 노즐과, 제1에어 스피너와, 혼합 원추체와 제2혼합 스피너Third Embodiment (Figs. 4A to 4C): One nozzle, first air spinner, mixed cone and second mixed spinner
도4A 내지 도4C는 본 발명의 혼합기/에듀케이터(300)의 제3실시예를 도시하고 있다. 도4C에서, 혼합기/에듀케이터(300)는 옥시던트 공급가스를 위한 옥시던트 공급가스 입구(320)와, 아노드 배기가스를 위한 아노드 배기가스 입구(321)를 포함하며; 이러한 입구들은 T형 혼합 조립체(322)를 형성한다. 다른 실시예에서(도4A 내지 도4C에는 도시되지 않음), 상기 혼합 조립체(322)는 아노드 배기가스를 위한 부가의 입구를 제공하므로써 교차형 조립체로서 형성될 수 있으며, 또는 다양한 각위치에서 또 다른 입구를 부가하므로써 형성될 수도 있다. 도4A에 도시된 입구(320, 321)의 단면적(301, 302)은 특정 용도에서 예견되는 전체적인 유동율을 기초로 하여 선택된다. 4A-4C show a third embodiment of the mixer /
입구(320)에 연결된 노즐장치(326)는 유입되는 옥시던트 공급가스의 경로에 대해 분기각도에서 소자를 포함하므로, 2개의 스트림의 혼합을 강화시키고 압력손실을 최소화하는 분기 흐름을 생성할 수 있다. 특히 도4B에 도시된 바와 같이, 혼합장치는 유입되는 옥시던트 공급가스의 경로(329)를 따라 배치되는 노즐(326A)과, 상기 노즐로의 입구에 있는 제1에어 스피너(330)를 포함한다. 상기 제1에어 스피너(330)는 공격각(338)을 형성하는 굴곡된 블레이드(330A)를 가지며, 유입되는 옥시던트 가스에 대해 시계방향 또는 반시계방향의 소용돌이를 유도한다. The
옥시던트 가스가 노즐(326A)을 통과하여 흐를 때는 수축되어, 직경(306)(도4A에 도시)을 갖는 개구를 통해 떠나가며, 상기 직경(306)은 옥시던트 가스가 노즐에 유입되는 개구의 직경 보다 작다. 노즐에 의한 가스 흐름의 수축은 속도 벡터(340, 341)에 의해 도4C에 도시된 바와 같이 입구 옥시던트 가스를 고속으로 가속시킨다. 노즐 개구의 직경(306)은 원하는 압력에 요구되는 필요한 속도를 제공하도록 선택된다. 또한, 노즐의 길이(307)는 과도한 마찰 압력손실을 방지할 수 있도록 선택된다.When the oxidant gas flows through the
속도가 증가된 옥시던트 가스 스트림이 노즐(326A)을 떠나갈 때, 도4C에 도시된 혼합 조립체(322)에서는 아노드 배기가스와의 혼합이 시작된다. 혼합장치(326)에는 혼합 원추체(327)가 포함되어 있으며; 이러한 혼합 원추체는 옥시던트 가스를 여러개의 독특한 스트림으로 분할시켜 가스 혼합을 개선하기 위해, 옥시던트 가스의 경로(329)에 대해 경사진 표면(327A)을 포함한다. 공격각(339)을 형성하는 굴곡된 블레이드(331A)를 갖는 제2혼합 스피너(331)는 상기 혼합 원추체(327)에 이어지는 슬리브(332)의 내부에 제공된다. 상기 스피너(332)는 혼합 원추체(327)로부터 별개의 경로에서 가스 혼합물에 시계방향 또는 반시계방향 소용돌이를 유도하므로써, 혼합을 강화시킨다. When the increased oxidant gas stream leaves the
혼합 원추체(327)의 칫수(310, 322) 등과 같은 혼합장치(326)의 형태는 아노드 배기가스[도4C에 벡터(350, 351)로 도시]의 포함과 혼합 조립체(322)에서 옥시던트 가스와 아노드 배기가스의 혼합을 최대로 하고, 각각의 흐름 스트림이 단일의 대형 스트림으로 합체되는 것을 방지한다. 따라서, 예를 들어 노즐(326A)의 단부 와 혼합 원추체(327)의 베이스 사이의 거리(319)는 2개의 가스 스트림의 혼합이 최대로 되도록 선택된다. 또한 원하는 압력 분포를 달성하도록, 입구(321)의 중심선(도4A)에 대한 노즐 튜브(326)의 단부의 위치(309)가 선택된다. The shape of the
옥시던트 가스의 높은 속도는 혼합 조립체(322)의 내부에 아노드 배기가스를 포함하며; 혼합 원추체(327) 및 제2혼합 스피너(331)를 통과한 후, 가스 혼합물은 혼합 덕트(323)로 이동된다. 상기 혼합 덕트(323)는 마우스 개구(303)와, 길이(304)와, 불꽂각(305)을 가지며; 이러한 모든 소자는 원하는 혼합을 촉진시키도록 선택된다. 이러한 실시예는 도2A에 도시된 배플판(124)과 같은 배플판을 포함한다. 가스 혼합물은 혼합 덕트(323)를 계속 흘러서, 촉매 매니폴드(398)에 인입되고, 이러한 촉매 매니폴드에서 회전하고[화살표(359)로 도시], 촉매 베드(399)를 통과한다. The high velocity of oxidant gas comprises anode exhaust inside the mixing
도4A 내지 도4C의 혼합기/에듀케이터의 다양한 성분을 실현하는데 유용한 변수로는 -60°내지 +60°사이의 제1에어 스피너(330)의 공격각(338)과; -60°내지 +60°사이의 제2혼합 스피너(331)의 공격각과; 아노드 가스 파이프 직경(302)의 -1배 내지 +1배 사이의 노즐 위치(309)와; 노즐 튜브 직경(306)의 1배 내지 10배 사이의 혼합 원추체 위치(319)와; 0°내지 30°사이의 혼합 덕트 불꽂 각도(305)와; 0°내지 90°사이의 촉매 표면 지향각(359)과; 배플판(124)의 사용을 포함한다. Parameters useful for realizing the various components of the mixer / educator of FIGS. 4A-4C include:
제4실시예(도5A 내지 도5C): 하나의 노즐과, 환형 간극과, 혼합 원추체4th Embodiment (FIGS. 5A-5C): One nozzle, annular gap, mixed cone
도5A 내지 도5C는 본 발명의 혼합기/에듀케이터의 제3실시예를 도시하고 있다. 도5B에서, 혼합기/에듀케이터(400)는 옥시던트 공급가스를 위한 옥시던트 공급가스 입구(420)와, 아노드 배기가스를 위한 아노드 배기가스 입구(421)를 포함한 다. 도5A에 도시된 입구(420, 421)의 단면적(401, 402)은 특정 용도에서 예견되는 전체적인 유동율을 기초로 하여 선택된다. 5A-5C illustrate a third embodiment of the mixer / educator of the present invention. In FIG. 5B, mixer /
입구(40)에 연결된 노즐장치(46)는 유입되는 옥시던트 공급가스의 경로에 대해 각도를 이루고 있는 소자를 포함하며, 이러한 소자는 옥시던트 가스 흐름을 아노드 배기 흐름 및 옥시던트 공급가스의 혼합을 강화시키고 압력손실을 최소화시키는 2개의 독특한 스트림으로 분할한다. 특히 도5A 내지 도5C에 도시된 바와 같이, 혼합장치(426)는 유입되는 옥시던트 공급가스의 경로(429)를 따라 배치되고 혼합 엘보우(431)내로 돌출되는 노즐(426A)을 포함한다. 상기 노즐(426A)은 직경(412)을 갖는 벨마우스와, 노즐 튜브 직경(406)과, 벨마우스 직경(412) 보다 작은 직경(413)을 가지며 상기 벨마우스와 대향하는 개구와, 노즐 튜브 직경(406)을 포함한다. 유입되는 옥시던트 공급가스는 벨마우스를 통해 노즐(426A)에 유입되어, 노즐 튜브를 통해 흐르며, 도5C에 도시된 바와 같이 개구를 통해 엘보우(431)내로 노즐을 떠나갈 때 수축된다. 노즐(426A)에 의한 에어 흐름의 수축은 속도 벡터(440, 442)(옥시던트 공급가스의 제1부분)에 의해 도5C에 도시된 바와 같이 옥시던트 공급가스를 고속으로 가속시킨다. The nozzle device 46 connected to the inlet 40 comprises an element angled with respect to the path of the incoming oxidant feed gas, which enhances the mixing of the oxidant gas flow with the anode exhaust stream and the oxidant feed gas. Split into two unique streams to minimize pressure loss. In particular, as shown in FIGS. 5A-5C, the
노즐(426A)의 벨마우스에 유입되지 않는 옥시던트 가스는 노즐 주위로 흐르며, 혼합 덕트(423)로의 입구에 형성된 환형 간극(424)에 의해 수축된다. 환형 간극(424)에 의한 옥시던트 가스의 이러한 수축은 속도 벡터(441, 443)(옥시던트 공급가스의 제2부분)에 의해 도5C에 도시된 바와 같이 간극을 통과하는 옥시던트 가스를 고속으로 가속시킨다. 노즐(426A)[노즐 개구의 직경(413)에 의해 측정된]과 환형부(424)의 조합된 흐름영역은 원하는 압력에 필요한 속도로 옥시던트 가스를 가속시키도록 선택된다. 또한, 노즐(426A)의 길이(407)는 노즐에서 과도한 마찰 압력손실을 방지할 수 있도록 선택된다. Oxidant gas that does not enter the bell mouse of the
도5B에 도시된 바와 같이, 아노드 배기가스 입구(421)는 아노드 배기가스를 수축 통로(430)로 인도하며, 이러한 수축 통로는 아노드 배기가스가 혼합 엘보우(431)내로 흐를 때 아노드 배기가스를 가속시키며, 노즐(426A)을 떠나가는 속도가 증가된 옥시던트 가스 스트림에 의해 포함된다. 속도가 증가된 옥시던트 가스 스트림이 노즐(426A)을 떠나갈 때는 혼합 엘보우(431)에 배치된 혼합 원추체(427)에 부딛친다. 상기 혼합 원추체(427)는 옥시던트 가스의 경로(429)에 대해 각도를 이루는 표면(427A)을 포함하고 있으므로, 옥시던트 가스는 여러개의 독특한 유동 스트림으로 분기된다. 이러한 다양한 가스 스트림의 상호작용은 도5C에 도시된 바와 같이 아노드 배기가스가 포함되었을 때, 옥시던트 배기가스 및 아노드 배기가스의 혼합을 개선시킨다. As shown in FIG. 5B, the anode
혼합 원추체(427)의 칫수(410, 411) 등과 같은, 혼합장치(426)의 형태는 아노드 배기가스[도5C에 벡터(450, 451)로 도시]의 포함과 혼합 엘보우(431)에서 옥시던트 가스와 아노드 배기가스의 혼합을 최대로 하고, 각각의 가스 스트림이 단일의 스트림으로 합체되는 것을 방지한다. 따라서, 예를 들어 노즐(426A)의 단부와 혼합 원추체(427)의 베이스 사이의 거리(419)는 2개의 가스 스트림의 혼합을 최대화하도록 선택된다. 또한 원하는 압력 분포를 달성하도록, 입구(421)의 중심선(도5A)에 대한 노즐 튜브(426A)의 단부의 위치(409)가 선택된다. The shape of the
옥시던트 가스의 높은 속도는 혼합 엘보우(431)의 내부에 아노드 배기가스를 포함하며, 이러한 혼합물은 혼합 원추체(427) 위로 혼합 덕트(423)내로 이동하여, 환형부(424)를 통과하는 옥시던트 가스가 유도된다. 상기 혼합 덕트(423)는 마우스 개구(403)와, 길이(404)와, 불꽂각(405)을 가지며; 이러한 모든 소자는 원하는 혼합을 촉진시키도록 선택된다. 이러한 실시예는 도2A에 도시된 배플판(124) 등과 같은 배플판을 포함한다. 가스 혼합물은 혼합 덕트(423)를 통해 계속 흘러서, 촉매 매니폴드(498)에 인입되고, 이러한 촉매 매니폴드에서 회전하고[화살표(459)로 도시], 촉매 베드(499)를 통과한다. The high velocity of the oxidant gas comprises the anode exhaust inside the mixing
도5A 내지 도5C의 혼합기/에듀케이터의 다양한 성분을 실현하는데 유용한 변수로는 아노드 가스 파이프 직경(402)의 -1배 내지 +1배 사이의 노즐 튜브 위치(409)와; 노즐 튜브 직경(406)의 1배 내지 10배 사이의 노즐 튜브 길이(407)와; 노즐 튜브 직경(406)의 1배 내지 10배 사이의 혼합 원추체 위치(419)와; 0°내지 30°사이의 혼합 덕트 불꽂 각도(405)와; 0°내지 90°사이의 촉매 표면 지향각(459)과; 하나이상의 배플판(124)의 가능한 사용을 포함한다. Parameters useful for realizing the various components of the mixer / educator of FIGS. 5A-5C include nozzle tube positions 409 between -1 and +1 times the anode
미국 특허출원 제10/187.495호: 도6A 및 도6BUS patent application Ser. No. 10 / 187.495: Figures 6A and 6B
도6A 및 도6B는 미국 특허출원 제10/187.495호에 개시된 형태의 혼합기/에듀케이터(500)를 도시하고 있다. 도6A에 있어서, 혼합기/에듀케이터는 옥시던트 가스를 위한 옥시던트 가스 입구(50)와, 아노드 배기가스를 위한 아노드 배기가스 입구(521)를 포함한다. 입구(520, 521)의 단면적(501, 502)은 특정 용도에서 예견되는 전체적인 유동율을 기초로 하여 선택된다. 6A and 6B show a mixer /
옥시던트 공급가스가 입구(520)을 통해 흐를 때는 입구(521)의 엘보우 부 분(521A)의 원형 개구와 혼합 덕트(523)로의 입구 사이의 환형 간극(524)을 통해, 수축되거나 "핀칭"된다. 혼합 덕트는 직경(503)과, 길이(504)와, 불꽂각(505)을 갖는다. 환형 간극(524)을 통과하는 에어 흐름의 수축 또는 "핀칭"은 도6B에서 속도 벡터(540, 541)에 의해 도시된 바와 같이, 혼합 덕트(523)에서 입구 옥시던트 가스를 고속으로 가속시킨다. 환형 간극(524)의 영역은 원하는 압력에 요구되는 필요한 속도를 제공하도록 선택된다. 또한, 혼합 덕트(523)의 길이(504)와 폭은 덕트에서 과도한 압력손실을 방지하도록 선택되어야 한다. When the oxidant feed gas flows through the inlet 520, it contracts or “pinches” through an
고속의 옥시던트 공급가스는 입구(521)의 엘보우 부분(521A)이 개구를 통해 혼합 덕트(523)내로 통과하는 아노드 배기가스를 포함한다. 혼합 덕트(523)로의 아노드 배기가스의 흐름은 도6B에 도시된 바와 같이 벡터(550)로 표시된다. 가스 혼합물은 혼합 덕트(523)를 통해 계속 흘러서, 촉매 매니폴드(598)에 인입되고, 이러한 촉매 매니폴드에서 회전하고[화살표(559)로 도시], 촉매 베드(599)를 통과한다. The high velocity oxidant feed gas comprises anode exhaust gas through which the
도7은 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터를 사용한 시스템과 비교하였을 때, 상술한 바와 같은 4개의 실시예에 대한 도1의 지점(6)으로부터 지점(8)까지의 캐소드측 압력손실을 도시한 그래프이다. 특히, 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터와 본 발명의 혼합기/에듀케이터의 실시예를 사용한 캐소드측 가스 입구에서의 상대압력은 옥시던트 공급가스 유동율의 여러 레벨에서 비교된다. 챠트상의 데이터 지점은 상술한 실시예와 미국 특허출원 제10/187.495호의 실시예에 대응하는 상이한 유동율에서의 옥시던트 가스 압력손실을 나타내고 있다. FIG. 7 shows the cathode-side pressure loss from
미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터에서 옥시던트 공급가스 압력손실과 연관되어 있는 데이터 지점과 본 발명의 제1실시예 내지 제3실시예에 대한 옥시던트 공급가스 압력손실과 연관되어 있는 데이터 지점 사이의 거리(710)는 약 40%의 옥시던트 가스 압력손실을 나타내고 있다. 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터에서 옥시던트 공급가스 압력손실과 연관되어 있는 데이터 지점과 본 발명의 제4실시예에 대한 옥시던트 가스 압력손실과 연관되어 있는 데이터 지점 사이의 거리(711)는 약 15%의 옥시던트 가스 압력손실을 나타내고 있다. Between the data point associated with the oxidant feed gas pressure loss in the mixer / educator of
도8은 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터와 본 발명의 4개의 실시예 각각에 대한 혼합기/에듀케이터의 아노드 배기가스에 유용한 흡입을 도시한 그래프이다. 혼합기/에듀케이터의 아노드 배기가스에 유용한 흡입은 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터와 본 발명의 4개의 실시예 각각에 대한 옥시던트 공급가스 유동율의 여러가지 레벨로 도시되어 있다. FIG. 8 is a graph showing the inhalation of the mixer / educator of US patent application Ser. No. 10 / 187.495 and the anode exhaust of the mixer / educator for each of the four embodiments of the present invention. Inhalations useful for the anode exhaust of the mixer / educator are shown at various levels of oxidant feed gas flow rates for the mixer / educator of
이러한 그래프의 y축선을 따른 네거티브 값이 클수록 주어진 유동율에서의 더 많은 흡입을 나타내며, 상호연결 배관 및 산화제에서의 더 많은 유동제한을 극복할 능력을 나타내고 있다. 이러한 그래프에서 인식할 수 있는 바와 같이, 데이터에 따르면 아노드 배기가스 흡입은 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터 및 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예의 혼합기/에듀케이터와 거의 동일하다. 이것은 화살표(810)로 도시되어 있으며, 이러한 실시예들에 의해 달성된 진공 과 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터에 의해 달성된 진공 사이의 편차는 무시할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 흡입 편차를 무시할 수 있을 때, 본 발명의 이러한 실시예들은 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터와 비교하였을 때 40%의 옥시던트 공급가스 압력손실을 제공할 수 있다는 장점을 발휘한다. 화살표(811)는 본 발명의 제4실시예에 의해 달성된 진공을 나타내고 있다. 화살표(810)로 도시된 바와 같이, 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터에 의해 달성된 진공에 대해, 이것은 본 발명의 제4실시예는 흡입에 있어서 500%의 개선을 제공한다는 것을 나타내고 있다. 이와 동시에, 상기 제4실시예는 미국 특허출원 제10/187.495호와 비교하였을 때 옥시던트 가스 압력손실에 대해 15% 의 개선을 제공한다. Larger negative values along the y-axis of these graphs indicate more suction at a given flow rate, and the ability to overcome more flow restrictions in interconnect piping and oxidant. As can be appreciated from this graph, the data indicate that the anode exhaust intake is almost identical to the mixer / educator of US patent application Ser. No. 10 / 187.495 and the mixer / educator of the first and second embodiments of the present invention. . This is shown by
도9 및 도10은 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터와 본 발명의 제1실시예의 혼합기/에듀케이터를 사용하는 촉매 베드의 표면에 대한 혼합 균일성을 도시하고 있다. 도9에 도시된 값은 산화제 표면에서의 농도를 측정하기 위해, 헬륨을 갖는 아노드 배기가스 스트림을 레이싱하므로써 또한 헬륨 검출기를 사용하므로써 실험실에서 이루어진 측정을 통해 얻어진 값이다. 이탈된 데이터는 평균 혼합값으로부터의 백분율 이탈값이다. 도9에 도시된 바와 같이, 제1실시예에서 혼합 균일성에 대한 이탈값은 ±2% 이다. 9 and 10 show the mixing uniformity on the surface of a catalyst bed using the mixer / educator of
도10에 도시된 값은 산화제의 작동온도 분포의 필드에서 이루어진 측정을 통해 얻어진 값이다. 온도 분포는 산화제에서의 방열 분포를 얻기 위하여, 측정된 산화제 출구 온도로부터 측정된 산화제 입구 온도를 차감하므로써 추정된 아노드- 출구 혼합물 분포로 변형된다. 상기 방열은 산화제를 통한 아노드 배기가스 분포에 비례한다. 도10에서의 이탈은 평균 혼합값으로부터 백분율 이탈로 표시되었다. 도10에 도시된 바와 같이, 혼합 균일성의 변화는 ±7% 내지 12% 이다. 따라서, 본 발명의 혼합기/에듀케이터는 미국 특허출원 제10/187.495호의 혼합기/에듀케이터에 비해 가스의 혼합을 상당히 개선시킨다. The values shown in FIG. 10 are values obtained through measurements made in the field of the operating temperature distribution of the oxidant. The temperature distribution is transformed into the estimated anode-outlet mixture distribution by subtracting the measured oxidant inlet temperature from the measured oxidant outlet temperature to obtain a heat release distribution in the oxidant. The heat dissipation is proportional to the anode exhaust distribution through the oxidant. Departures in FIG. 10 are expressed as percentage deviations from the average blend value. As shown in Fig. 10, the variation in mixing uniformity is ± 7% to 12%. Thus, the mixer / educator of the present invention significantly improves the mixing of gas compared to the mixer / educator of US patent application Ser. No. 10 / 187.495.
본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다. 따라서, 예를 들어 본 발명의 제1 및 제2실시예에서는 4개 또는 5개의 노즐이 사용되었지만, 이 보다 많거나 적은 갯수의 튜브가 사용될 수도 있다. 튜브의 갯수에 대한 범위는 2개 내지 16개 이다. The present invention has been described with reference to the preferred embodiments, and is not limited thereto, and one of ordinary skill in the art should recognize that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the appended claims. Thus, for example, four or five nozzles were used in the first and second embodiments of the present invention, although more or fewer tubes may be used. The number of tubes ranges from 2 to 16.
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