KR101095133B1 - 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

열 촉발 연료 처리 어셈블리(Thermally primed fuel processing assembly) 및 이를 포함하는 수소-생산 연료전지 시스템.열 촉발 연료 처리 어셈블리는 가열된 격납 구조(containment structure)의 내부 구획(internal compartment) 내에 수용된 적어도 하나의 수소-생산 영역을 포함한다. 어떤 구체예에서는, 가열된 격납 구조는 오븐이다. 어떤 구체예에서는, 격납 구조가 내부 구획을 임계온도(threshold temperature)로 또는 임계온도 이상으로, 또는 설정된 온도 범위 내로 가열 및 유지하도록 제작되며, 상기 온도는 어떤 구체예에서는 수소-생산 영역에 대한 적절한 수소-생산 온도 또는 온도 범위와 일치할 수 있다. 어떤 구체예에서는, 연료전지 시스템이 정격출력을 생산하지 않고/않거나 시스템에 대한 적용부하를 만족시키기 위한 정격출력을 생산하지 않는 기간 동안, 격납 구조가 상기 온도 또는 온도 범위로 유지되도록 제작된다. 어떤 구체예에서는, 연료전지 시스템이 적어도 하나의 에너지-소비 장치에 전력을 제공하도록 제작된 1차 전원에 백업(backup), 또는 보조 전력을 제공하도록 제작되고, 1차 전원이 격납 구조에 전력을 제공하도록 제작된다.
연료전지, 격납 구조, 내부 구획, 가열 어셈블리, 정격출력

Description

열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템{THERMALLY PRIMED HYDROGEN-PRODUCING FUEL CELL SYSTEM}
관련 출원
본 출원은 2005년 9월 16일 출원된, 유사한 명칭의 미국특허 출원 제11/229,365호의 우선권을 주장한다. 상기 언급한 특허 출원의 모든 개시사항은 모든 목적을 위해서 본원에 참고인용되어 있다.
기술분야
본 개시는 일반적으로는 수소-생산 연료전지 시스템에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 열 촉발 수소-생산 영역이 구비된 수소-생산 연료 처리 시스템(hydrogen-producing fuel processing system)에 관한 것이다.
본원에서, 연료 처리 어셈블리(assembly)는 1 이상의 공급원료를 함유하는 1 이상의 공급 스트림에서 수소 기체를 생산하는 장치 또는 장치의 조합이다. 연료 처리 어셈블리의 예에는, 공급 스트림이 물, 및 알콜 또는 탄화수소와 같은 탄소-함유 공급원료를 함유하는 스팀 개질기 및 자열 개질기(autothermal reformer)가 포함된다. 연료 처리기는 전형적으로 승온에서 작동한다. 연료 처리 어셈블리의 스팀 개질과 같은, 흡열성 연료 처리 반응에서 적어도 연료 처리 어셈블리의 수소-생 산 영역을 가열하고 상기 영역을 적절한 수소-생산 온도로 유지하는데 요구되는 열이 가열 어셈블리, 예컨대 버너, 전기히터 또는 이의 유사체에 의해 제공될 필요가 있다. 버너가 연료 처리기를 가열하는데 이용될 경우, 버너는 전형적으로 가연성의 연료 스트림, 예컨대 가연성 기체 또는 가연성 액체를 이용한다.
스팀 개질기 또는 스팀 개질 영역을 이용하는 수소-생산 연료 처리 어셈블리에서, 수소 기체는 탄소-함유 공급원료 및 물을 함유하는 공급 스트림에서 생산된다. 스팀 개질은 승온 및 승압에서 수행되고, 스팀 개질기는 전형적으로 스팀 개질 반응을 위한 열을 제공하는 가열 어셈블리를 포함한다. 예증적인 것이지 배타적인 것이 아닌 열의 용도에는 선택된 개질 온도 또는 온도 범위에서 촉매 베드를 개질하는 것을 유지하고, 액체 공급 스트림을 이용하기 전에 기화시켜 수소 기체를 생성하는 것을 포함한다. 일 유형의 가열 어셈블리는 버너인데, 버너의 가연성 연료 스트림은 공기와 함께 연소된다. 자열 개질기 또는 자열 개질 영역을 이용하는 수소-생산 연료 처리 어셈블리에서는, 수소 기체는 공기의 존재 하에 반응하는, 탄소-함유 공급원료 및 물을 함유하는 공급 스트림에서 생산된다. 스팀 개질기 및 자열 개질기는, 수소-생산 영역이 적절한 수소-생산 온도로 될 경우 또는 적절한 수소-생산 온도 범위 내에 속할 경우에, 상기 논의된 공급 스트림에서 수소 기체를 생성하기 위해 제작된 개질 촉매를 이용한다. 수소-생산 영역 유래의 생성된 수소 스트림은 필요할 경우 정제될 수 있고, 이후에 생성된 수소 스트림 및 산소와 같은 산화제에서 전류를 생산하는 연료전지 스택(stack)을 위한 연료 스트림으로서 이용될 수 있다. 연료전지 스택 유래의 이러한 전류 또는 정격출력(power output)은 에너 지-소비 장치의 에너지 수요를 만족시키는데 이용될 수 있다.
임의의 수소-생산 연료전지 시스템에 대하여 고려할 사항은 전류가 발생하기 시작할 필요가 있은 후 연료전지 시스템에 의해 생산된 수소 기체 유래의 전류 발생이 시작되는데 소요되는 시간이다. 어떤 용도에서는, 연료전지 시스템이 적용부하를 만족시키는 정격출력을 생산할 필요 또는 요망이 존재하나 상기 시스템이 정격출력을 생산하지 않는 시간을 보유하는 것이 허용될 수 있다. 다른 용도에서는, 시스템에 의해 상기 부하가 만족되는 경우에도 에너지-소비 장치 유래의 적용 부하가 연료전지 시스템에 의해 만족될 수 없는 기간을 보유하는 것이 허용되지 않는다. 예시적인 실시예로서, 몇몇 연료전지 시스템이 전기 그리드(electrical grid) 또는 기타 1차 전원(primary power source)에 백업(backup) 전력 또는 보조 전력을 공급하는데 이용된다. 1차 전원이 적용부하를 만족시킬 수 없는 경우에는, 에너지-소비 장치에 전력의 공급이 중단되지 않거나, 또는 감지할 수 없을 정도로 중단되도록 필수적인 순간적 전력을 공급할 수 있는 백업 연료전지 시스템이 종종 요구된다.
연료전지는 전형적으로 수소 기체 또는 다른 적절한 연료 및 산소와 같은 산화제가 연료전지에 전달된 후, 매우 짧은 시간 내에 전류를 발생하기 시작할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택은 수소 기체 및 공기의 흐름이 연료전지 스택 내의 연료전지에 전달된 후 1초 미만 내에 전류를 생산하도록 제작될 수 있다. 수소 기체 및 공기를 함유하는 공급원 유래의 상기 스트림의 운반을 개시하기 위해 요구되는 시간을 포함하여 전류를 생산하는데 요구되는 시간은 여전히 상대적으로 짧아야 하며, 예컨대 1분 미만이어야 한다. 그러나, 원하는 정격출력을 발생시키는데 이용되기 전에 최초에 생산된 및 때때로 정제된 수소 기체를 요구하는 수소-생산 연료전지 시스템은 상기 정격출력을 발생하기 위해서 보다 장시간이 소요된다. 연료 처리 어셈블리가 이미 적절한 수소-생산 온도에 도달했을 때에는, 연료전지 시스템은 수 분 또는 그 이하 내에 연료 처리 어셈블리에 의해 발생되는 수소 기체에서 유래한 원하는 정격출력을 생산할 수 있다. 그러나, 연료전지 시스템의 연료 처리 어셈블리의 수소-생산 연료 처리기(fuel processor)가 원하는 수소-생산 온도에 도달하지 않은 경우에는, 요구되는 시간이 더 길어지게 될 것이다. 예를 들어, 25℃의 상온에서 개시할 경우, 연료 처리 어셈블리를 적절하게 개시하고 연료 처리 어셈블리에 의해 생산되는 수소기체에서 유래한 원하는 전력을 생산하는 데에는 30분 이상이 소요될 수도 있다.
종래에는, 적절한 수소-생산 온도로 가열되고 이후에 적용부하를 만족시키는 정격출력을 생산하기 위해 요구되는 수소를 생산 및 선택적으로 정제하는데 이용되는, 비전원 상태 또는 비가열 및 비활성 작업 상태에서 관련된 수소-생산 연료 처리 어셈블리를 구동하는 동안 적용부하를 만족시킬 수 있는 수소-생산 연료전지 시스템을 제공하기 위해 몇몇 상이한 접근법이 사용되어 왔다. 그 중 하나의 접근법은 연료전지 시스템이 적용부하를 만족시키기에 충분한 정격출력을 생산할 수 있을 때까지 적용부하를 만족시키는데 이용될 수 있는 1 이상의 배터리 또는 기타 적절한 에너지 저장 장치를 포함시키는 것이다. 전형적으로, 이러한 접근법은 또한 연료전지가 연료전지 시스템의 작동 중에 배터리를 재충전하기에 적절한 충전기를 포 함할 것을 요구한다. 이러한 접근법은 배터리 또는 배터리들의 중량 및 크기의 요구 조건이 허용되기만 한다면, 특히 1kW 이하의 낮은 전력을 위해서는 효율적이다. 포터블(portable) 연료전지 시스템 및 10kW 이상과 같이 보다 큰 적용부하를 만족시키기 위해 설계된 연료전지 시스템에 있어서는, 연료 처리 어셈블리를 시동시키기 위해 요구되는 시간 동안 적용부하를 만족시키는 배터리를 이용하는 것은 현실적이지 않다. 또 다른 접근법은 연료 처리 어셈블리가 구동되는 동안, 연료 처리 어셈블리가 연료전지 스택을 공급하기 위한 충분한 양의 수소 기체를 저장하도록 규격화 및 배열된 수소 저장 장치를 포함하는 것이다. 전형적으로, 이러한 접근법은 또한 연료전지 시스템이 적절한 컴프레서(compressor) 및 저장 장치를 재충전하기 위한 제어 및 조절 장치를 포함할 것이 요구된다. 이러한 접근법도 효과적이기는 하지만, 저장 장치 및 관련된 부품을 포함하는 공간, 추가적인 설비 및 비용이 허용될 것이 요구된다.
어떤 용도에서는, 연료전지 처리 어셈블리가 비활성 또는 전원이 꺼진 작동 상태에서 구동되어 적절한 수소-생산 온도까지 가열되는 동안 적용부하를 만족시키는데 이용되는 저장된 수소 또는 저장된 전력을 요구하지 않고 수소-생산 연료전지 시스템의 연료 처리 어셈블리에 의해 생산되는 수소 기체로부터, 요구되는 정격출력을 생산하는 것이 바람직할 수 있다.
발명의 개요
본 발명은 열 촉발 연료 처리 어셈블리 및 상기 어셈블리를 포함하는 수소-생산 연료전지 시스템에 관한 것이다. 열 촉발 연료 처리 어셈블리는 적어도 하나의 수소-생산 영역, 예컨대 적절한 개질 촉매를 이용하는 스팀 개질법 또는 자열 개질법에 의해 수소 기체를 생산하도록 제작될 수 있는 수소-생산 영역을 포함한다. 적어도 수소-생산 영역은 가열된 격납 구조(containment structure)의 내부 구획(internal compartment) 내에 수용되어 있다. 어떤 구체예에서는, 상기 격납 구조는 가열 및 단열된 격납 구조일 수 있다. 어떤 구체예에서는, 가열된 격납 구조는 오븐이다. 어떤 구체예에서, 적어도 하나의 정제 영역 및/또는 가열 어셈블리가 수소-생산 영역을 보유한 내부 구획 내에 포함된다. 어떤 구체예에서는, 격납 구조가 내부 구획을 임계온도(threshold temperature)로 또는 임계온도 이상으로, 또는 설정된 온도 범위 내로 가열 및 유지하도록 제작되며, 상기 온도는 어떤 구체예에서는 수소-생산 영역에 대한 적절한 수소-생산 온도 또는 온도 범위와 일치할 수 있다. 어떤 구체예에서는, 연료전지 시스템이 정격출력을 생산하지 않고/않거나 시스템에 대한 적용부하를 만족시키기 위한 정격출력을 생산하지 않는 기간 동안, 격납 구조가 상기 온도 또는 온도 범위로 유지되도록 제작된다. 어떤 구체예에서는, 연료전지 시스템이 적어도 하나의 에너지-소비 장치에 전력을 제공하도록 제작된 1차 전원에 백업(backup), 또는 보조 전력을 제공하도록 제작되고, 어떤 구체예에서는, 1차 전원이 격납 구조에 전력을 제공하도록 제작된다.
도 1은 본 발명에 따른 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열 촉발 수소-생산 연료 처리 어셈블리의 개략도이 다.
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 열 촉발 수소-생산 연료 처리 어셈블리의 단편(fragmentary) 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 열 촉발 수소-생산 연료 처리 어셈블리의 단편 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 열 촉발 수소-생산 연료 처리 어셈블리의 일부분에 대한 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 또 다른 열 촉발 수소-생산 연료 처리 어셈블리의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템의 개략도뿐만 아니라, 에너지-소비 장치에 전력을 공급하도록 통상적으로 제작된 에너지-소비 장치 및 1차 전원의 개략도이다.
상세한 설명 및 발명의 최적 양태
열 촉발 연료 처리 어셈블리가 도 1에 나타나 있고, 광범위하게는 참고번호(10)으로 나타냈다. 열 촉발 연료 처리 어셈블리(10)는 1 이상의 공급 스트림(16) 유래의 수소 기체 및 바람직하게는 적어도 실질적으로 순수한 수소 기체를 함유하는 생성물 수소 스트림(14)을 생산하도록 제작된 열 촉발 연료 처리기(12)를 포함한다. 공급 스트림(16)은 적어도 하나의 탄소-함유 공급원료(18)를 함유하고, 물(17)을 함유할 수 있다. 연료 처리기(12)는 공급 스트림(들)(16)에서 수소 기체 를 생산하도록 제작된 임의의 적절한 장치, 또는 장치들의 조합이다. 따라서, 연료 처리기(12)는 임의의 적절한 수소-생산 메커니즘(들) 및/또는 방법(들)을 이용하여 수소 기체가 생산되는, 수소-생산 영역(19)을 포함한다. 생성물 수소 스트림은 수소 기체 및 공기와 같은 산화제에서 전류 또는 정격출력(41)을 생산하도록 제작된 연료전지 스택(40)으로 운반될 수 있다. 공기 스트림은 도 1에 참고번호 43번으로 나타냈고, 임의의 적절한 메커니즘 또는 방법을 통하여 스택 내의 연료전지로 운반될 수 있다. 적어도 하나의 연료전지 스택 및 적어도 하나의 연료전지 스택에 대하여 수소 기체를 생산하도록 제작된 적어도 하나의 열 촉발 연료 처리 어셈블리를 포함하는 본 발명에 따른 시스템을 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템이라 할 수 있다. 단일의 연료 처리기(12) 및/또는 단일의 연료전지 스택(40)이 도 1에 도시되어 있지만, 상기 구성요소 및/또는 이들의 하위 구성요소 중 하나 또는 모두가 1개 이상 이용될 수 있는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
열 촉발 연료 처리 어셈블리(10)는 가열된 격납 구조, 또는 가열된 격납 어셈블리(70) 내에 수용되어 있고, 임의의 적절한 수소-생산 메커니즘(들)을 이용하여 1 이상의 공급 스트림에서 수소 기체를 생산하도록 제작된 수소-생산 영역(19)을 포함한다. 본원에서 보다 자세히 언급될 것인 바와 같이, 격납 구조(70)는 연료 처리 어셈블리 중 적어도 수소-생산 영역이 위치하는 내부 구획(72)을 한정한다. 격납 구조는 내부 구획 및 내부 구획에 포함된 구조를 임계온도 또는 온도 범위로 가열 및 유지하도록 제작된 가열 어셈블리를 포함한다. 이러한 임계온도, 또는 온도 범위는 수소-생산 영역에서 수소 기체를 생산하는 연료 처리 어셈블리에 대한 적절한 수소-생산 온도, 또는 온도 범위와 일치할 수 있다. 격납 구조는 또한 연료 처리 어셈블리 중 적어도 수소-생산 영역을 포함하는 가열된 격납 구조 및/또는 실제적으로 가열된 열적 레저부아(thermal reservoir)로서 언급될 수도 있다.
공급 스트림(들)(16)은 임의의 적절한 메커니즘을 통하여 열 촉발 연료 처리기(12)의 수소-생산 영역으로 운반될 수 있다. 단일 공급 스트림(16)이 도 1에서 실선으로 도시되어 있지만, 1 이상의 스트림(16)이 이용될 수 있고 이러한 스트림이 동일 또는 상이한 공급원료를 함유할 수도 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 이는 도 1에 파선 내에 제2 공급 스트림(16)을 포함시킴으로써 개략적으로 나타냈다. 공급 스트림(16)이 탄소-함유 공급원료 및 물과 같이 2 이상의 성분을 함유할 경우, 상기 성분들은 동일 또는 상이한 공급 스트림으로 운반될 수 있다. 예를 들어, 연료 처리기가 탄소-함유 공급원료 및 물에서 수소 기체를 생산하도록 제작된 경우에, 상기 성분들은 전형적으로 별도의 스트림으로 운반되고, 경우에 따라서는(적어도 양 스트림이 기화된 것이거나 그렇지 않으면 기체일 때까지), 이들이 서로 섞일 수 없는 경우, 상이한 공급 스트림을 표시하는 참고번호 17 및 18에 의해 도 1에 도시된 것과 같을 수 있다. 탄소-함유 공급원료가 물과 섞일 수 있는 경우, 공급원료는 전형적으로 동일한 공급 스트림(16)을 표시하는 참고 번호 17 및 18에 의해 도 1에 도시된 바와 같이 공급 스트림(16)의 물 성분과 함께 운반될 수 있지만, 꼭 그럴 필요는 없다. 예를 들어, 연료 처리기가 물 및 메탄올과 같은 수용성 알콜을 함유하는 공급 스트림을 수취하는 경우에, 상기 성분들은 미리 혼합될 수 있거나, 단일 스트림으로 운반될 수 있다.
도 1에서는, 공급 스트림(16)이 공급원료 운반 시스템(22)에 의해 연료 처리기(12)로 운반되는 것을 도해하였는데, 상기 시스템은 공급 스트림을 연료 처리기에 선택적으로 운반하기 위한 임의의 적절한 메커니즘, 장치 또는 이들의 조합을 개략적으로 나타낸다. 예를 들어, 운반 시스템은 1 이상의 공급원으로부터 스트림(16)의 성분을 운반하도록 제작된 1 이상의 펌프를 포함할 수 있다. 추가적 또는 선택적으로, 공급원료 운반 시스템(22)은 가압된 공급원으로부터 성분의 흐름을 조절하도록 제작된 밸브 어셈블리를 포함할 수 있다. 공급원은 연료 처리 어셈블리의 외부에 위치할 수 있거나, 어셈블리 내에 포함되거나, 어셈블리에 인접하여 위치할 수 있다. 공급 스트림(16)이 1 이상의 스트림으로 연료 처리기에 운반될 경우에, 스트림은 동일 또는 별도의 공급원료 운반 시스템에 의해 운반될 수 있다.
수소-생산 영역(19)은 공급 스트림(들)(16)에서 수소를 생산하는 임의의 적절한 방법 또는 메커니즘을 이용할 수 있다. 수소-생산 영역 유래의 배출 스트림(20)은 주요 성분으로서 수소 기체를 함유한다. 배출 스트림(20)은 1 이상의 추가 기체 성분을 함유할 수 있고, 이로써 이의 주요 성분으로서 수소 기체를 함유하는 혼합 기체 스트림이라 칭할 수 있다. 논의한 바와 같이, 공급 스트림(들)(16)에서 수소 기체를 생산하는 적절한 메커니즘의 예에는 스팀 개질 및 자열 개질이 포함되는데, 상기 메커니즘에서는 개질 촉매가 이용되어 탄소-함유 공급원료(18) 및 물(17)을 함유하는 공급 스트림(16)에서 수소 기체를 생산하게 된다. 적절한 탄소-함유 공급원료(18)의 예에는 적어도 하나의 탄화수소 또는 알콜이 포함된다. 적절한 탄화수소의 예에는, 메탄, 프로판, 천연가스, 디젤, 케로신(kerosene), 가솔린 및 이들의 유사체가 포함된다. 적절한 알콜의 예에는 메탄올, 에탄올, 및 에틸렌 글리콜 및 프로필렌 글리콜과 같은 폴리올이 포함된다.
스팀 개질은 공급 스트림(16)이 물 및 탄소-함유 공급원료를 함유하는 수소-생산 영역(19)에 이용될 수 있는 수소-생산 메커니즘의 일 예이다. 스팀 개질 방법에 있어서, 수소-생산 영역(19)은 도 1에 파선으로 나타낸 바와 같이 적절한 스팀 개질 촉매(23)를 포함한다. 그러한 구체예에서, 연료 처리기는 스팀 개질기라 칭할 수 있으며, 수소-생산 영역(19)은 개질 영역이라 칭할 수 있고, 배출 기체 또는 혼합 기체 스트림(20)은 개질스트림(reformate stream)이라 칭할 수 있다. 본 명세서에서 사용하는 개질 영역(19)이란 스팀 개질 수소-생산 매커니즘을 이용하는 임의의 수소-생산 영역을 의미한다. 적절한 스팀 개질 촉매의 예에는 낮은 온도 변동 촉매의 구리-아연 배합물 및 쥐드-케미(Sud-Chemie)에서 KMA이란 상표명으로 판매되고 있는 크롬 배합물이 포함되며, 다른 것도 이용 가능하다. 개질 스트림 내에 존재할 수 있는 기타 기체에는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 스팀, 및/또는 반응되지 않은 탄소-함유 공급원료가 포함된다.
스팀 개질제는 전형적으로 200℃ 내지 900℃ 범위의 온도, 및 50 psi 내지 300 psi 범위의 압력에서 작동하는데, 상기 범위 밖의 온도 및 압력도 본 발명의 범주에 속한다. 탄소-함유 공급원료가 메탄올일 경우에, 수소-생산 스팀 개질 반응은 전형적으로 대략 200-500℃의 온도 범위에서 작동될 것이다. 이러한 범위의 예증적 하위범주에는 350-450℃, 375-425℃, 및 375-400℃가 포함될 수 있다. 탄소-함유 공급원료가 탄화수소, 에탄올, 또는 유사한 알콜일 경우에는, 스팀 개질 반응 을 위해서는 대략 400-900℃의 온도 범위가 전형적으로 이용될 것이다. 상기 범위의 예증적 하위범주에는 750-850℃, 725-825℃, 650-750℃, 700-800℃, 700-900℃, 500-800℃, 400-600℃, 및 600-800℃가 포함될 수 있다. 수소-생산 영역이 2 이상의 구역 또는 부분을 포함하는 것도 본 발명의 범주에 속하고, 각각의 부분은 동일 또는 상이한 온도에서 작동될 수 있다. 예를 들어, 수소-생산 유체에 탄화수소가 함유될 경우에, 어떤 구체예에서는 2개의 다른 수소-생산 부분을 포함하는 것이 바람직할 수 있는데, 이때 한 부분이 다른 부분보다 낮은 온도에서 작동되어 예비-개질 영역을 제공한다. 그러한 구체예에서, 연료 처리 시스템은 선택적으로 2 이상의 수소-생산 영역을 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 공급 스트림(16)은 전형적으로 설정된 압력, 예컨대 상기 제시된 예시적 압력 범위 내의 압력에서 연료 처리기(12)의 개질 영역(19)으로 운반된다. 따라서, 본 발명에 따른 열 촉발 연료 처리 어셈블리는 상기 제시된 예시적 온도 중 하나에 상응하는 임계온도 이상에서 및/또는 상기 제시된 예시적 온도 범위 중 하나에 상응하는 선택된 임계온도 범위 내에서 연료 처리기 중 적어도 수소-영역을 유지시키기 위하여 제작될 수 있다.
열 촉발 연료 처리기(12)의 수소-생산 영역(19)에서 수소 기체를 생산하는 또 다른 적절한 방법은 자열 개질인데, 자열 개질에서는 적절한 자열 개질 촉매가 이용되어 공기의 존재 하에 물 및 탄소-함유 공급원료에서 수소 기체가 생산된다. 자열 개질이 이용될 경우, 열 촉발 연료 처리기는, 도 1에 파선으로 표시된 바와 같이, 수소-생산 영역에 공기 스트림을 운반하도록 제작된 공기 운반 어셈블리(68)를 추가로 포함한다. 열 촉발 연료 처리 어셈블리는 수소-생산 스팀 개질 반응에 대하여 논의되었던 상기-제시된 예시적 온도 또는 온도 범위 중 하나에서, 자열 개질반응을 이용하는 수소-생산 영역을 유지하도록 제작될 수 있다. 자열 수소-생산 반응은 초기 수소-생산 반응의 개시시에 수소-생산 영역 내에 열을 발생시키는 발열성 부분적 산화 반응과 함께 이용되는 1차 발열반응을 이용한다. 따라서, 자열 수소-생산 반응이 발열 반응을 포함한다고 하더라도, 적어도 최소한의 적절한 수소-생산 온도로 수소-생산 영역을 초기에 가열해야 한다는 요구가 여전히 존재한다.
연료 처리 어셈블리에 의해 생산된 생성물 수소 스트림(14)은 연료전지 스택(40)으로 운반될 수 있다. 연료전지 스택은 수소 기체와 같은 양성자(proton)의 공급원, 및 산소 기체와 같은 산화제로부터 전위(electrical potential)를 생성하는 장치이다. 따라서, 연료전지 스택은 적어도 일부분의 생성물 수소 스트림(14) 및 산소(전형적으로 공기 스트림으로서 운반된)의 스트림을 수취하도록 제작될 수 있고, 이로부터 전류를 생산하도록 제작될 수 있다. 이는 도 1에 개략적으로 도해되어 있는데, 도 1에서 연료전지 스택은 참고번호 40으로 나타냈으며, 전류 또는 정격출력의 생산은 참고 번호 41로 나타냈다. 연료전지 스택(40)은 공기, 산소-풍부 공기, 또는 산소 기체와 같은 산화제 및 연료전지로 운반되는 생성물 수소 스트림(14)에서 전류를 생산하도록 제작된 적어도 하나의, 전형적으로는 다중의 연료전지(44)를 포함한다. 연료전지는 전형적으로, 유체 운반/제거 도관을 포함하는 커먼 엔드 플레이트(common end plate)(48) 사이에 함께 결합되는데, 그러나 이러한 구조가 모든 구체예에 요구되는 것은 아니다. 적절한 연료전지의 예에는 양성자 교환 멤브레인(PEM) 연료전지 및 알칼라인 연료전지가 포함된다. 다른 연료전지에는 고 체 산화물 연료전지, 인산 연료전지, 및 용융 카보네이트 연료전지가 포함된다.
스택(40)에 의해 생산된 전류 또는 정격출력(41)은 적어도 하나의 관련된 에너지-소비 장치(46)의 에너지 수요 또는 적용부하를 만족시키는데 이용될 수 있다. 장치(46)의 예시적인 예에는 공구, 전구 또는 발광 어셈블리, 전자제품(예컨대 가전제품 또는 기타 전자제품), 가옥 또는 기타 주거용 장치, 사무실 또는 기타 상업 기반용 장치, 컴퓨터, 신호 또는 의사소통 기구 등이 포함되나 이에 국한되는 것은 아니다. 유사하게도, 연료전지 스택(40)은 연료전지 시스템(42)의 요구전력(power requirement)을 만족시키는데 이용될 수 있으며, 이는 연료전지 시스템의 연료전지 주변장치(balance of plant)의 요구전력이라 칭할 수 있다. 장치(46)가 도 1내에 개략적으로 도해되어 있고, 연료전지 시스템에서 전류를 뽑아내거나 또는 연료전지 시스템에 부하를 적용하도록 제작된 1 이상의 장치 또는 장치의 집합을 나타내는 것을 의미한다는 것은 이해되어야 한다.
논의된 바와 같이, 가열된 격납 구조(70)는 열 촉발 연료 처리기 중 적어도 수소-생산 영역을 적절한 수소-생산 온도로, 예컨대 상기 논의된 예시적 온도 중 하나 및/또는 상기 예시한 온도의 ±25℃로 가열 및 유지시키도록 제작된다. 적절한 격납 구조(70)의 예시적 예는 도 2에 개략적으로 도해되어있다. 나타낸 바와 같이, 격납 구조는 연료 처리기(12) 중 적어도 수소-생산 영역을 수취 또는 수용하도록 규격화된 내부 구획(72)을 포함하는 인클로저(84)를 한정한다. 인클로저는, 내부 구획 주위에 완벽하지는 않더라도 적어도 실질적으로 폐쇄된 경계를 한정하는 내부 표면(88)을 바람직하게도 포함하는 벽(86)을 포함한다. 벽(86)이 동일 또는 상이한 두께, 크기, 형상 등을 보유할 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 인클로저가 직선 형태를 보유하도록 요구되는 것은 아니고, 도 2는 단지 예시적인 개략적 실시예를 제공하려고 의도한 것뿐이다.
벽 및/또는 인클로저(86)의 다른 부분은 바람직하게는, 설정된 온도로 내부 구획을 가열 및 유지하기 위한 열적 부하 또는 에너지 요구를 감소시키기 위해 단열되어있다. 반드시 요구되는 것은 아니지만, 벽(86)과 같은 인클로저가 충분히 단열되어 있어서, 내부 구획이 본 명세서에 논의된 적절한 임계 수소-생산 온도 중 하나로 유지되는 동안, 이의 외부 표면(90)이 임계 외부 온도 이하로 유지되는 것도 본 발명의 범주에 포함된다. 적절한 임계 외부 온도(threshold external temperature)의 예시적, 비-배타적 예에는 100℃ 이하의 온도, 75℃ 이하, 50℃ 이하, 및 25℃ 이하의 임계온도가 포함된다. 논의한 바와 같이, 이러한 임계온도가 반드시 요구되는 것은 아니며, 인클로저의 외부는 본 발명의 범주에서 벗어남이 없이 상기 예시된 온도를 초과하는 온도에서 존재할 수 있다.
인클로저(84)가 1 이상의 통풍공(vent) 또는 다른 공기-순환 통로를 포함할 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 내부 구획과 인클로저의 외부 사이의 단 하나의 유체 통로가, 공급 스트림(들)을 수소-생산 영역으로 운반하고, 수소-함유 스트림(들)을 인클로저에서 배출시키며/배출시키거나 공기를 내부 구획에 운반 및 인클로저에서 배출가스를 배기시키도록 한정된 유입 및 배출 도관 또는 포트(port)를 관통하는 것도 본 발명의 범주에 포함된다. 이는 도 2에 다소 개략적으로 도해되어 있고, 도 2에서는 공급 스트림 포트를 참고 번호 92번으로 나타냈고, 생성물 수소 포트는 참고 번호 94번으로, 공기 유입 포트는 92번으로 나타냈으며, 배기 포트는 98번으로 나타냈다. 1개 이상의 가능한 포트의 예증적 예들이 본 발명에 따른 임의의 격납 구조에 포함될 수 있다. 또한, 상기 격납 구조는 상기 기술된 1 이상의 예증적 포트 이외에도 또는 이들 대신에 1 이상의 포트를 포함할 수 있다.
내부 구획 내의 특정 구조에 전달되거나 또는 내부 구획 내의 특정 구조로부터 배출되는 유체 스트림의 경우에는, 내부 구획 대신에 일반적으로 포트가 내부 구획 내에 유체에 대한 상기 서술한 유동 흐름경로(flow path)를 한정하는 1 이상의 유체 도관(100)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 공급 포트(92)는 공급 스트림을 수소-생산 영역으로 운반하는 유체 도관을 포함한다. 상기 도관은 기화 영역(102)의 적어도 일부분을 한정 또는 형성할 수 있는데, 상기 기화 영역에서는 액체 스트림으로서 운반된 공급 스트림이 수소-생산 영역(19) 내에 개질 촉매와 접촉하기 위해 운반되기 이전에 기화된다. 어떤 구체예에서는, 기화 영역이 수소-생산 영역 내에 접촉될 수 있고, 공급 스트림은 개질 촉매와 접촉하도록 운반되기 이전에 기화된다. 어떤 구체예에서는, 공급 스트림은 내부 구획으로 주입되기 이전에 기화되어 구획 내의 기화 영역에서 기화될 필요가 없을 수도 있다. 도 2에 나타낸 예시적 실시예에는 수소-생산 영역 유래의 수소 기체가, 연료전지 스택과 유체를 교환하는 수소 포트(94)로 운반될 때 통과하는 도관(100)이 나타나 있다.
도 2는 또한 본 발명에 따른 가열된 격납 구조(70)가 수소-생산 영역이 수소 기체를 생산하지 않으나 촉발된 작업 상태로 수소-생산 영역이 유지되는 것이 바람직한 기간 동안 적절한 수소-생산 온도와 같이 적어도 임계온도까지 내부 구획을 가열하도록 제작된 가열 어셈블리(110)를 포함하거나, 또는 경우에 따라 상기 가열 어셈블리와 열적으로 연결되어 있다는 것을 도해하고 있다. 상기 논의한 바와 같이, 이렇게 촉발된, 또는 열적으로 촉발된 작업 상태는 적어도 수소-생산 영역이 적절한 수소-생산 온도 또는 온도의 범위에서 또는 상기 온도 또는 온도의 범위 내에서 유지되는 작업 상태일 수 있다. 수소-생산 영역이 수소 기체를 생산하지 않을 경우 가열 어셈블리(110)가 단지 내부 구획(및 이의 내용물)만을 가열하도록 배치될 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 그러나, 수소-생산 영역이 수소 기체를 생산하고/생산하거나 연료전지 스택이 연료전지 시스템에 적용부하를 만족시키기에 충분한 정격출력을 생산하기 시작할 때까지 가열 어셈블리가 내부 구획(및 이의 내용물)을 가열하도록 형성될 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속하는 것이다. 추가적인 예증적 실시예로서, 가열 어셈블리는 상기 논의된 상태가 일어난 후(또는 감지된 후)에 설정된 시간 동안 내부 구획 및 이의 내용물을 계속하여 가열하도록 배치될 수 있다. 또 다른 추가적 실시예에서, 가열 어셈블리는 수소-생산 영역이 수소 기체를 생산하고/생산하거나 연료전지 스택이 전류를 생산하는지 여부와 관계없이, 예컨대 내부 구획 또는 이의 설정된 영역이 임계 온도 이하로 내려가는 경우에(또는 설정된 온도 범위보다 낮은 온도로 내려갈 경우) 내부 구획(및 이의 내용물)에 열을 계속 제공하도록 제작될 수 있다.
도 2에 나타낸 개략적 실시예에서 예증된 바와 같이, 격납 구조는 격납 구조의 내부 구획(72)을 가열하고, 이에 따라 수소-생산 영역 및 내부 구획 내에 속하는 임의의 다른 구조를 설정된 임계 온도까지 가열하도록 제작된 가열 어셈블 리(110)를 포함한다. 도 2의 실선에서, 가열 어셈블리(110)는 인클로저(84) 및 격납 구조의 내부 구획(72)의 외부에 속하도록 위치되어 있는 것으로 도해되어 있다. 논의된 바와 같이, 상기 배치는 필수적인 것은 아니며, 가열 어셈블리가 도 2에서 파선으로 개략적으로 나타낸 바와 같이 인클로저(84)의 외부 및/또는 내부 구획(72) 내에 부분적으로 또는 전체적으로 위치될 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 포함된다.
가열 어셈블리(110)에 대한 적절한 구조는 배터리, 전력 그리드(electrical grid), 발전기 또는 히터에 전력을 제공하도록 제작된 임의의 적절한 전원과 같은 적절한 전원에 의해 구동되는 저항 히터와 같은 전기적으로 구동되는 히터(112)이다. 히터(112)는 히터가 가열 및 내부구획으로 운반된 공기 스트림(118)을 수취할 경우와 같이 내부 구획으로 운반되는 가열 유체 스트림(116)을 발생시킬 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 히터(112) 및/또는 임의의 다른 적절한 가열 어셈블리(110)는 1 이상의 가열 원소 또는 열원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가열 어셈블리는 내부 구획에 속하는 또는 적어도 부분적으로 확장되어 속하는 적어도 하나의 가열 원소를 포함할 수 있다. 추가적 또는 선택적으로, 가열 어셈블리는 격납 구조의 1 이상의 벽(86) 내에서 전체적으로 또는 적어도 부분적으로 확장된 1 이상의 구획을 포함할 수 있다.
추가적인 예증적, 비-배타적 실시예로서, 가열 어셈블리(110)는 구획 및 구획 내에 속하는 구조를 가열하기 위하여 내부 구획에 운반될 수 있는 연소 배기 스트림의 형태로 가열 유체 스트림(116)을 발생시키는 연소 영역(120)을 포함할 수 있다. 연소 영역은 내부 구획 내의 격납 구조 내에 존재할 수 있거나, 또는 격납 구조 외부에 존재할 수도 있다. 적어도 상기 후자의 실시예에서는, 예컨대 연소 배기 스트림을 내부 구획으로 운반하기 위해 적어도 1개의 격납구조의 벽을 통하여 확장될 수 있는 1 이상의 유체 도관을 통하여 연소 배기 스트림이 내부 구획으로 운반될 수 있다.
도 3은 전기적으로 구동되는 히터(112)를 포함하는 가열 어셈블리(110)을 포함하거나, 또는 상기 가열 어셈블리와 열적으로 연결된 상태로 존재하는 격납 구조(70)의 예를 도해한 것이다. 나타낸 바와 같이, 히터가 내부 구획을 설정된 임계온도로 가열하고, 가열 후에 상기 온도 및/또는 설정된 임계온도의 범위, 예컨대 상기 온도의 ±5℃, ±10℃ 또는 ±25℃로 내부 구획을 유지할 수 있도록 히터에 충분한 전력을 공급하도록 제작된 전원(130)과 히터가 전기적으로 연결되어 있다. 전기 히터의 가열 원소(들)(114)는 내부 구획에 대하여 임의의 적절한 위치로 확장될 수 있다. 인클로저의 1개 이상의 벽(86)을 따라 또는 벽 내부에 및/또는 내부 구획(72) 내부에 속하는 위치에 포함되는 것도 예시적, 비-배타적 예이다. 도 3에 파선으로 도해한 바와 같이, 공기 스트림(118)을 받아들이고, 히터가 상기 스트림을 가열하여 열 촉 발 연료 처리 어셈블리 중 적어도 수소-생산 영역을 가열하기 위해 내부 구획으로 운반되는 가열 유체 스트림을 생성한다.
도 4는 공기 스트림(118)과 같은 공기의 존재 하에 가연성 연료 스트림(122)을 수취 및 연소하여 연소 배기 스트림의 형태로 가열 유체 스트림(116)을 생산하도록 제작된 연소 영역(120)을 포함하는 가열 어셈블리(110)를 포함하거나 또는 상 기 가열 어셈블리와 열적으로 연결된 격납 구조(70)의 예를 도해한 것이다. 연료 스트림(122)은 임의의 적절한 가연성 연료를 포함할 수 있고, 예시적인 예에는 기체 및 액체 연료가 포함된다. 추가적인 예시적 예에는 공급 스트림(16), 탄소-함유 공급원료(18), 수소 또는 수소-생산 영역에서 생산된 기체, 프로판, 천연가스, 가솔린, 케로신, 디젤, 및 이와 유사한 것이 포함된다. 연소 영역은 특정 연료 또는 특정 유형의 연료를 수취 및 연소하도록 제작될 수 있다. 연소 영역은 연료 스트림의 연소를 개시하도록 제작된 점화기 또는 다른 적절한 점화원(ignition source)(124)을 포함할 수 있으며, 점화기를 선택적으로 작동시키도록 제작된 전원(130)과 점화기가 전기적으로 연결된 상태에 있는 것도 본 발명의 범주에 포함된다. 적절한 전원의 예로서 상기 논의된 실시예 이외에도, 점화기는 플라이휠(flywheel) 또는 울트라커패시터(ultracapacitor)에 의해 구동되도록 제작될 수 있다.
도 2에 관하여 상기 논의된 바와 같이, 가열 어셈블리는 격납 구조의 내부 구획을 한정하는 인클로저의 외부에, 안쪽에 및/또는 내부에 위치될 수 있다. 따라서, 도 3 및 도 4에 나타낸 전기 히터 및 연소 영역의 예증적 예는 완전하지는 않더라도, 인클로저의 외부, 인클로저의 내부, 또는 내부 구획의 내부에 적어도 부분적으로 구현될 수 있다. 또한 논의된 바와 같이, 적어도 가열 어셈블리가 인클로저의 외부에 위치된 경우에는, 가열 어셈블리는 가열 유체 스트림을 내부 구획으로 운반하거나 또는 내부 구획과 열적으로 연결된 적어도 하나의 유체 도관을 포함하여 구획 및 이의 내용물을 바람직하게 가열할 수 있다. 내부 구획이 1 이상의 하위 구획을 포함하고, 1 이상의 열변형 구조, 열 배플(baffle) 또는 장벽, 팬 또는 순환 요소, 및/또는 내부 구획 내에 보다 높고 낮은 온도의 영역을 선택적으로 한정하는 기타 온도-조절 구조를 포함할 수도 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 이러한 선택적 온도-조절 구조는 도 2 내에 참고 번호 134번으로 하여, 개별적으로 및 결합하여 개략적으로 도해되어 있다.
도 1 내지 4에서, 열 촉발 연료 처리 어셈블리(10)는 본 발명에 따라 가열된 격납 구조(70)의 내부 구획 내부에 위치된 적어도 하나의 수소-생산 영역(19)을 포함하는 것으로 설명되었다. 이러한 각각의 도면에서, 참고번호 136이 또한 파선으로 표시되어 있는데, 이는 연료 처리 어셈블리의 다른 구성요소들이 내부 구획 내에 위치될 수 있고, 이로써 가열 어셈블리(110)에 의해 설정된 임계 온도 및/또는 설정된 온도 범위 내로 가열 및 유지된다는 것을 나타낸다. 내부 구획 내부에 존재할 경우, 상기 연료 처리 어셈블리의 구성요소는 가열 어셈블리(110)에 의해 내부 구획 내부가 유지되는 온도를 견딜 수 있도록 배치되어야 한다. 존재한다면, 내부 구획(72) 내에 수용될 수 있는(그러나 반드시 그럴 필요는 없는) 열 촉발 연료 처리 어셈블리의 추가적인 구성요소의 예는 도 2에 참고 번호 102번으로 개략적으로 도해한 기화 영역이다. 존재할 경우 기화 영역(102)은 상기와는 다르게 배치될 수 있고, 어떤 구체예에서는, 내부 구획 내의 수소-생산 영역과 함께 공통 쉘(shell) 또는 하우징 내에 위치될 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 도 2에서, 내부 구획 내에 수소-생산 영역을 포함하는 쉘 또는 하우징은 참고번호 104번으로 표시했다.
내부 구획(72) 내에 존재할 수 있는 연료 처리 어셈블리(10)의 구성요소의 또 다른 예는 수소-생산 영역이 수소-생산 작업 상태에 있는 경우에 적어도 수소-생산 영역을 가열하도록 제작된 가열 어셈블리(140)이다. 그러한 가열 어셈블리의 예증적 실시예는 도 5에 개략적으로 표시되어 있다. 가열 어셈블리(140)는 제2, 또는 2차, 또는 활성 작업 상태 가열 어셈블리라 칭할 수 있다. 어셈블리(10)의 특정 구체예 내에 존재할 경우, 수소-생산 가열 어셈블리는 연료 스트림(142)을 연소하여 연소 스트림(144)을 발생시키고 적절한 수소-생산 온도 또는 온도들의 범위에서 연료 처리 어셈블리(10) 중 적어도 수소-생산 영역(19)을 유지시키도록 제작된다. 어떤 구체예에서, 상기 2차 가열 어셈블리는 버너(burner)일 수 있다. 어떤 구체예에서는, 2차 가열 어셈블리는 연료 처리 어셈블리의 다른 부분, 예컨대 멤브레인 모듈 또는 다른 정제 영역, 촉매 영역 등을 추가적 또는 선택적으로 가열하도록 제작될 수 있다. 가열 어셈블리(140)는 연소를 보조하기 위해 공기 스트림 공기 스트림(118)에 의해 운반되는 공기를 이용할 수 있고, 연소 영역(120)에 관하여 상기 논의된 바와 같이 점화기 또는 다른 적절한 점화원을 이용할 수 있다. 연료 스트림(142)은 임의의 적절한 연소 연료를 포함할 수 있다. 논의된 바와 같이, 예증적 실시예는 연료 처리 어셈블리, 탄소-함유 기체 공급원료와 같은 다양한 기체 연료, 탄소-함유 액체 공급원료, 및 임의의 상기 성분을 함유하는 연소 연료 스트림이 포함된다. 모든 구체예에 요구되는 것은 아니지만, 연료 스트림이 배출 스트림(20)의 적어도 일부분을 함유할 수도 있거나, 또는 배출 스트림의 적어도 일부분에서 완전하게 형성될 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 상기 기체 연료 스트림이 구획의 외부로부터 가열 어셈블리로, 예컨대 적절한 포트를 통해 운반되는 추가적인 연료로 보충될 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 추가적으로 포함된다.
수소-생산 영역이 본질적으로 연료전지 스택(40)을 위한 연료스트림으로서 이용하기 위해 충분히 순수한 수소 기체를 생산하는 방법을 이용할 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 포함된다. 배출 스트림이 연료전지 스택(40)을 위한 연료 스트림으로서 이용하기 위해 충분히 순수한 수소 기체 및/또는 충분히 낮은 농도의 1종 이상의 비-수소 성분을 함유할 경우에, 생성물 수소 스트림(14)은 배출 스트림(20)에서 직접 형성될 수 있다. 그러나, 다양한 수소-생산 방법에 있어서, 배출 스트림(20)은 다른 기체와 함께 주요 성분으로서 수소를 함유하는 혼합 기체 스트림이 될 것이다. 또한, 다양한 응용에 있어서, 배출 스트림(20)은 실질적으로 순수한 수소 기체이지만, 생성물 수소 스트림이 사용되리라고 의도되는 용도에 해롭거나 또는 바람직하지 않은 1 이상의 비-수소 성분을 일정 농도 함유한다.
예를 들어, 스트림(14)이 스택(40)과 같은 연료전지 스택을 위한 연료 스트림으로서 사용하려고 의도된 경우에, 일산화탄소 및 이산화탄소와 같이 연료전지 스택에 손상을 가할 수 있는 조성물은, 필요하다면 수소-풍부 스트림에서 제거될 수 있다. 양성자 교환 멤브레인(PEM) 및 알칼라인 연료전지 스택과 같은 다양한 연료전지 스택에 대하여, 일산화탄소의 농도는 바람직하게는 100ppm(백만분율) 이하이다. 바람직하게는, 일산화탄소의 농도는 5ppm 이하, 및 보다 바람직하게는 1ppm 이하이다. 이산화탄소의 농도는 일산화 탄소의 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 어떤 구체예에서는 25% 이하의 이산화탄소 농도가 허용가능할 수 있다. 바람직하게 는, 농도는 10% 이하이고, 보다 바람직하게는 1% 이하이다. 반드시 요구되는 것은 아니지만, 특히 바람직한 농도는 50ppm 이하이다. 본원에 제시된 허용 가능한 최소 농도는 예시적인 예이고, 본원에 제시된 농도 이외의 농도가 이용될 수 있으며 이 또한 본 발명의 범주에 속한다. 예를 들어, 특정 실시자 또는 제조자는 본원에서 밝힌 것과는 상이한 최소 또는 최대 농도 수준 또는 범위를 필요로 할 수 있다.
따라서, 열 촉발 연료 처리 어셈블리(10)는 추가적으로 정제 영역(24)을 포함 할 수 있는데(그러나, 반드시 필요한 것은 아니다), 정제 영역에서는 수소-풍부 스트림이 배출 스트림 또는 혼합 기체 스트림에서 생성되거나, 또는 수소-생산 영역(19) 유래의 스트림에서 생산된다. 수소-풍부 스트림(26)에는 배출 스트림(20)보다 높은 농도 이상의 수소가 함유되어 있고, 배출 스트림 내에 존재하는 1 이상의 다른 기체 또는 불순물의 농도는 감소되어 있다. 도 6에서는, 도 2에 나타낸 열 촉발 연료 처리 어셈블리의 예증적 실시예가 적어도 하나의 정제 영역(24)을 포함하여 나타냈다. 정제 영역(24)은 도 6에 개략적으로 도해되어 있는데, 정제 영역의 배출 스트림 또는 혼합 기체 스트림(20)이 선택적 정제 영역(24)으로 운반되는 것으로 나타냈다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 적어도 일부분의 수소-풍부 스트림(26)은 생성물 수소 스트림(14)을 형성한다. 따라서, 수소-풍부 스트림(26) 및 생성물 수소 스트림(14)은 동일한 스트림일 수 있고, 동일한 조성 및 동일한 유속을 보유할 수 있다. 그러나, 수소 풍부 스트림(26) 내에 정제된 수소 기체 중 일부가 적절한 수소 저장 어셈블리 등에서 후속 사용을 위해 저장될 수 있고/있거나 연료 처리 어셈블리에 의해 소비될 수도 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
정제 영역(24)은 적어도 하나의 부산물 스트림(23)을 생성할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 존재한다면, 부산물 스트림(28)은 배기될 수 있고, 버너 어셈블리 또는 다른 연소원(예컨대, 수소-생산 가열 어셈블리)으로 보내지거나, 가열된 유체 스트림으로서 이용되거나, 후속 사용을 위해 저장되거나 또는, 다르게 이용되거나 폐기될 수 있다. 배출 스트림(20)이 정제 영역으로 운반되는 것에 반응하여 부산물 스트림(28)이 연속적으로 정제 영역으로부터 배출되거나, 또는 회분식 공정에서처럼 또는 배출 스트림의 부산물 부분이 정제 영역에 적어도 일시적으로 체류할 경우와 같이 부산물 스트림이 간헐적으로 정제 영역으로부터 배출되는 것도 본 발명의 범주에 포함된다.
정제 영역(24)은 적어도 하나의 배출 스트림(20) 성분의 농도를 감소시키도록 제작된 임의의 적절한 장치, 또는 장치들의 조합을 포함할 수 있다. 대부분의 용도에 있어서, 수소-풍부 스트림(26)은 배출 스트림 또는 혼합 기체 스트림(20)보다 높은 수소 농도를 보유할 것이다. 그러나, 수소-풍부 스트림에서 배출 스트림(20) 내에 존재했던 1 이상의 비-수소 성분의 농도는 감소되어 있으나, 배출 스트림으로서 전체적 수소 농도가 동일 또는 심지어 감소된 것도 본 발명의 범주에 포함된다. 예를 들어, 생성물 수소 스트림이 이용될 수 있는 어떤 용도에 있어서, 특정 불순물, 또는 비-수소 성분은 다른 용도에서보다 더 해로울 수 있다. 특정 구체예로서, 종래의 연료전지 시스템에서, 일산화탄소는 소량의 백만분율만큼 존재하는 경우에도 연료전지 스택을 손상시킬 수 있으나, 스트림(20) 내에 존재하는 다른 비-수소 성분, 예컨대 물은 보다 높은 농도로 존재하는 경우에도 스택을 손상시키 지 않을 것이다. 따라서, 그러한 용도에 있어서는, 적절한 정제 영역이 전체 수소 농도를 증가시키지는 않지만, 생성물 수소 스트림에 대하여 원하는 용도에 대하여는 해로운, 또는 잠재적으로 해로운 비-수소 성분의 농도를 감소시킬 수 있을 것이다.
정제 영역(24)을 위한 적절한 장치의 예증적 예에는 1 이상의 수소-선택적 멤브레인(30), 화학적 일산화탄소(또는 기타 불순물) 제거 어셈블리(32), 및 압력순환흡착(pressure swing adsorption systems)(38)을 포함한다. 정제 영역(24)이 1유형 이상의 정제 장치를 포함할 수 있고, 상기 장치들이 동일 또는 상이한 구조를 갖고 있고/있거나 동일 또는 상이한 메커니즘으로 작동하는 것도 본 발명의 범주에 포함된다.
수소-선택적 멤브레인(30)은 수소 기체에 대하여는 투과성이지만, 배출 스트림(20)의 다른 성분에 대하여는 완벽하지는 않더라도 적어도 실질적으로 불투과성이다. 멤브레인(30)은 정제 영역(24)이 작동되는 작업 환경 및 파라미터(parameter)서 이용하기에 적절한 임의의 수소-투과성 물질로 형성될 수 있다. 멤브레인(30)에 대하여 적절한 물질의 예에는 팔라듐 및 팔라듐 합금 및 특히 그러한 금속 및 금속 합금의 박막이 포함된다. 팔라듐 합금, 특히 35중량% 내지 45중량%의 구리와 합금된 팔라듐이 특히 효율적인 것으로 밝혀졌다. 대략 40중량%의 구리를 함유하는 팔라듐-구리 합금이 특히 효율적인 것으로 밝혀졌지만, 본 발명의 범주 내에서는 다른 관련된 농도 및 성분이 이용될 수도 있다.
수소-선택적 멤브레인은 전형적으로 두께가 대략 0.001인치인 얇은 호일로 형성된다. 그러나, 멤브레인은 상기 논의된 금속 및 금속 합금 이외의 금속 및 금속 합금뿐만 아니라 비-금속성 물질 및 조성물을 포함하는 기타 수소-투과성 및/또는 수소-선택적 물질로 형성될 수 있고, 멤브레인의 두께가 상기 논의된 것보다 더 두껍거나 얇은 것도 본 발명의 범주에 포함된다. 예를 들어, 멤브레인은 수소 플럭스의 증가에 균형을 맞추도록 더 얇게 만들어질 수 있다. 멤브레인의 두께를 감소시키기 위한 적절한 메커니즘의 예에는 롤링, 스퍼터링(sputtering) 및 에칭이 포함된다. 적절한 에칭 방법은 미국 특허 제6,152,995호에 개시되어 있으며, 이는 본원에 모든 목적을 위하여 참고인용되어 있다. 다양한 멤브레인, 멤브레인 형태 및 이를 제조하는 방법의 예는 미국특허 제6,221,117호, 제6,319,306호, 및 제6,537,352호에 개시되어 있으며, 상기 특허들은 본원에 모든 목적을 위하여 참고인용되어있다.
일산화탄소의 화학적 제거 어셈블리(32)는, 배출 스트림(20)에 존재하는 경우 일산화탄소 및/또는 스트림(20)의 다른 불필요한 성분과 반응하여 잠재적으로 해롭지 않은 다른 조성물을 형성한다. 일산화탄소의 화학적 제거 어셈블리는 물-기체 전환 반응기 및 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키는 다른 장치, 및 일산화탄소 및 수소를 메탄 및 물로 전환시키는 메탄화 촉매 베드를 포함한다. 연료 처리 어셈블리(10)이 1유형 이상의 및/또는 다수의 화학적 제거 어셈블리(32)를 포함할 수 있는 것도 본 발명의 범주에 포함된다.
압력순환흡착(PSA)은 적절한 조건의 온도 및 압력 하에서 특정 기체가 다른 기체보다 흡착제 물질 상에 보다 강하게 흡착되는 원리를 기초로, 기체상의 불순물 을 배출 스트림(20)에서 제거하는 화학적 방법이다. 전형적으로, 배출 스트림(20)에서 흡착 및 제거되는 것은 불순물이다. 일반적인 불순물 기체(예컨대 CO, CO2, CH4를 포함하는 탄화수소, 및 N2)가 흡착제 물질에 상대적으로 강하게 흡착하므로 PSA를 이용한 수소 정제는 성공적이다. 수소는 매우 약하게 흡착되고, 따라서 수소는 흡착제 베드를 통과하며 반면에 불순물은 흡착제 물질에 잔존한다. NH3, H2S, 및 H2O와 같은 불순물 기체는 흡착제 물질에 매우 강하게 흡착하고, 다른 불순물과 함께 스트림(20)에서 제거된다. 흡착제 물질이 재생될 것이고, 상기 불순물이 스트림(20) 내에 존재한다면, 상기 불순물을 탈거하는 것이 보다 어렵기 때문에, 정제 영역(24)은 흡착제 물질에 스트림(20)을 이송시키기 이전에 상기 불순물을 제거하도록 제작된 적절한 장치를 포함할 수 있다.
불순물 기체의 흡착은 승압에서 일어난다. 압력이 감소되면, 불순물이 흡착제 물질에서 탈착되어 흡착제 물질을 다시 발생시킨다. 전형적으로, PSA는 순환적 방법이며, 연속식(회분식의 반대 개념) 작업을 위한 적어도 2개의 베드를 필요로한다. 흡착제 베드에 이용될 수 있는 적절한 흡착제 물질의 예는 활성 탄소 및 제올라이트, 특히 5Å(5 옹스트롬) 제올라이트이다. 흡착제 물질은 일반적으로 펠릿(pellet)의 형태로 존재하고, 종래의 패킹-베드 형태를 이용한 실린더형 압력 용기에 위치되어있다. 다른 적절한 흡착제 물질의 조성, 형태 및 배열이 이용될 수도 있다.
PSA 시스템(38)은 또한 부산물, 또는 제거된 성분이 배출 스트림의 정제와 동시에 기체 스트림으로서 정제 영역에서 직접 배기되지 않을 경우 정제 영역(24)에 이용하기 위한 장치의 예를 제공한다. 대신에, 상기 부산물 성분은 흡착제 물질이 재발생 또는 정제 영역에서 제거될 경우에 제거된다.
도 6에 나타낸 예시적, 비-배타적 구체예에서, 정제 영역(24)은 내부 구획(72) 내에 실선으로 나타냈으며, 수소-생산 영역(19)을 포함하는 하우징(104)과는 분리된 구조로서 나타냈다. 하우징(104)이 추가적 또는 선택적으로 수소-생산 영역(19) 이외에도 정제 영역(24)을 포함하고, 정제 영역(들)이 혼합 기체를 수취하거나, 수소-생산 영역에서 생성된 스트림을 개질하도록 제작된 것도 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 연료 처리 어셈블리가 도 6에서 쇄선으로 표시된 격납 구조의 인클로저의 외부에 존재하는 정제 영역(24)을 포함할 수 있는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 본 명세에 설명, 도해 및/또는 포함된 임의의 열 촉발 연료 처리 어셈블리에는 본 명세서에 설명, 도해 및/또는 포함된 1 이상의 정제 영역이 구비될 수 있지만, 반드시 구비될 필요가 있는 것은 아니다.
연료전지 스택을 위한 공급물 스트림, 또는 연료 스트림으로서 이용될 것인 생성물 수소 스트림을 생산하도록 제작된 연료 처리기 또는 연료 처리 어셈블리의 관점에서, 연료 처리기는 바람직하게는 실질적으로 순수한 수소 기체를 생성하도록 제작되고, 보다 바람직하게는 연료 기체는 순수한 수소 기체를 생산하도록 제작된다. 본 발명의 목적을 위해서, 실질적으로 순수한 수소 기체는 순도 90% 이상, 바람직하게는 순도 95% 이상, 보다 바람직하게는 순도 99% 이상, 보다 더 바람직하게는 순도 99.5% 이상이다. 적어도 실질적으로 순수한 수소 기체의 스트림을 생성하 기 위한 적절한 연료 처리기는 미국특허 제6,319,306호, 제6,221,117호, 제5,997,594호, 제5,861,137호, 2001년 3월 8일 출원되고 발명의 명칭이 "Fuel Processor and Systems and Devices Containing the Same"인 미국 동시계속출원 09/802,361호 및 2003년 4월 4일에 출원되고 발명의 명칭이 "Steam Reforming Fuel Processor"이며, 미국 가출원 번호 제60/372,258호의 우선권을 주장하는 미국출원 제10/407,500호에 개시되어 있다.
도 7은 본 발명에 따른 열 촉발 연료 처리 어셈블리(10)를 포함하는 연료전지 시스템(42)의 또 다른 예를 도해한 것이다. 도 7은 시스템(42) 및/또는 어셈블리(10) 내에 포함될 수도 있으나, 모든 구체예에서 반드시 포함될 필요는 없는 추가적 구성요소를 예증하려고 의도된 것이다. 다시 말해서, 열 촉발 연료 처리 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 시스템이 본 명세서에서 설명 및/또는 예증한 구성요소 이외에도 1개 이상의 적절한 조절기(controller), 흐름 조절 장치, 열교환기, 가열/냉각 어셈블리, 연료/공급물 공급기, 수소 저장 장치, 에너지 저장 장치, 레저부아(reservoir), 필터, 및 이들과 유사한 것과 같은 추가적인 구성요소를 포함할 수 있는 것도 본 발명의 범주에 포함된다.
연료전지 스택(40)은 모든 생성물 수소 스트림(14)을 수취할 수 있다. 스트림(14) 중 몇몇 또는 전부는 추가적 또는 선택적으로 또 다른 수소-소모 공정에 이용하기 위해 적절한 도관을 통하여 운반될 수 있거나, 연료 또는 열을 위해 연소될 수 있거나, 또는 후속적 사용을 위해 저장될 수 있다. 예시적인 실시예로서, 수소 저장 장치(50)가 도 7에 도시되어 있다. 장치(50)는 적어도 일부의 생성물 수소 스 트림(14)이 저장되도록 제작되어 있다. 예를 들어, 스택(40)이 요구하는 수소 기체가 연료 처리기(12)의 수소 배출량보다 적은 경우에는, 과량의 수소 기체가 장치(50) 내에 존재할 수 있다. 적절한 수소 저장 장치의 예증적 예는 하이브리드 베드 및 압축 탱크를 포함한다. 반드시 요구되지는 않더라도, 저장된 수소 기체의 공급을 포함하는 연료 처리 어셈블리(10) 또는 연료전지 시스템(42)의 이점은 상기 공급이 스택(40)의 수소 요구량을 만족시키는데 이용될 수 있거나 또는 열 촉발 연료 처리기(12)가 상기 수소 요구량을 만족시키지 못하는 경우에 스트림(14)이 이용되는 다른 용도를 만족시키는데 이용될 수 있다는 것이다. 이러한 상황의 예에는 연료 처리기가 유지 또는 정비를 위해 작업선상에서 벗어나 있을 경우, 및 연료전지 스택 또는 장치가 연료 처리기 유래의 최대 가능 생성물보다 높은 유속의 수소 기체를 요구할 경우가 포함된다. 추가적 또는 선택적으로, 저장된 수소는 연료 처리 어셈블리 또는 연료전지 시스템을 가열하기 위한 가연성 연료스트림으로서 이용될 수 있다. 연료전지 스택과 직접적으로 결합되지 않은 연료 처리 어셈블리는 여전히 적어도 하나의 수소 저장 장치를 포함할 수 있고, 이로써 연료 처리 어셈블리 유래의 생성물 수소 스트림이 후속의 사용을 위하여 저장될 수 있게 한다.
열 촉발 연료전지 시스템(42)은 또한, 스택(40)에 의해 생산된 전위 또는 정격출력을 저장하도록 제작되고 상기 저장된 전위를 이용하여 전원(예컨대 상기 논의된 전원(130) 중 1개 이상)을 제공하도록 제작된 배터리 또는 기타 적절한 에너지 저장 장치(52)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 장치(52)는 점화기, 펌프(공급물 스트림(16)을 공급하기 위한 펌프), 송풍기 또는 추진 장치(공기 스트림(118)을 운 반하기 위한 장치), 센서, 제어기, 흐름-조절 밸브, 및 이와 유사한 것 중 1 이상에 전력을 공급하도록 제작될 수 있다. 장치(52)는 충전가능 장치일 수 있고, 연료전지 시스템(42)은 장치를 재충전하도록 제작된 충전 어셈블리를 포함할 수 있다. 장치(52)가 시스템(42) 내에 존재할 수 있지만 시스템(42)에 의해 재충전되도록 제작되지 않은 것도 본 발명의 범주에 속한다. 과량의 수소 기체에 관련하여 상기 논의된 것과 유사하게, 연료전지 스택(40)은 연료전지 시스템(42)에 전력을 공급하는데 필요한 부하를 포함하여 장치(46)에 의해 가해진 또는 적용부하를 만족시키는데 필수적인 정격출력보다 더 많은 정격출력을 생산할 수 있다. 과량의 수소 기체에 대한 상기 논의된 것과 추가적으로 유사하게, 상기 과량의 정격출력은 연료전지 시스템의 외부에 다른 장치에 이용될 수 있고/있거나 연료전지 시스템에 의한 후속적 사용을 위해 저장될 수도 있다. 예를 들어, 배터리 또는 기타 저장 장치는 시스템이 전기 및/또는 수소 기체를 생성하지 않는 기간 동안에 시스템(42)이 사용하기 위한 전력을 제공할 수 있다.
연료전지(42)가 수소 저장 장치(50)를 포함하는 경우에, 수소 저장 장치는 연료전지 시스템이 가열되지 않는 작업 상태(즉, 열 촉발 연료 처리 어셈블리 없는 시스템이 구비된다면)에서 개시할 때 소요되는 시간과 동등한 시간 동안 연료전지 스택의 수소 요구량을 만족시킬 수 없도록 고안, 규격화 또는 제작된다. 이러한 반응 시간은, 적절한 수소-생산 온도까지 적어도 수소-생산 영역을 가열하는데 필요한 시간을 포함한다는 점에서 개시 반응 시간이라 할 수 있다. 이러한 개시 반응 시간은 적절한 수소-생산 온도에서 유지되어온 후, 이로부터 정격출력을 발생시키 는 열 촉발 연료 처리 어셈블리 유래의 수소 기체를 생성하는데 필요한 시간과 대비를 이룬다. 이러한 반응시간을 열 편향 반응 시간(thermally biased response time)이라 칭할 수 있다.
따라서, 반드시 요구되지는 않더라도, 연료전지 시스템은, 꺼진 상태, 또는 비가열된 작업 상태에서 연료전지 시스템을 개시시킬 때 필요한 시간과 동등한 기간의 시간 동안 적용부하를 만족시키기 위해 연료전지 스택에 의해 요구되는 수소 기체를 제공하기에 충분한 양의 수소 기체를 제공하기 위하여, 충분히 충전된 경우에도 불충분한 용량을 보유하는 수소 저장 장치를 포함할 수 있다. 추가적인 예증적 예로서, 최대 용량의 수소-저장 장치가 잠재적 수소 요구량의 75% 이하, 50% 이하, 또는 심지어 25% 이하가 되도록 선택될 수 있다. 약간 상이한 용어로 표현하면, 가열되지 않은 작업 상태(즉, 열 촉발 연료 처리 어셈블리가 존재하지 않거나 작업중이 아닌 경우)에서 연료전지 스택을 개시하는데 소요되는 시간과 일치하는 시간 동안, 연료전지 스택은 연료전지 스택에 적용부하를 만족시키기에 충분한 정격출력을 발생시키기 위한 부피의 수소 기체를 요구할 수 있고, 상기 부피는 수소 저장 장치의 용량을 초과할 수 있으며, 경우에 따라 수소 저장 장치의 용량은 그 용량의 25% 이상, 50% 이상, 75% 이상, 또는 심지어 100% 이상을 초과한다.
또한, 연료전지 시스템(42)이 에너지 저장 장치(52), 예컨대 배터리, 캐패시터 또는 울트라캐패시터, 플라이휠, 또는 이와 유사한 것을 포함하는 경우, 상기 장치는 가열되지 않은, 비작업 상태(즉, 열 촉발 연료 처리 어셈블리가 존재하지 않는다면)에서 연료전지 시스템을 개시하는데 요구되는 시간과 일치하는 기간 동안 연료전지 스택에 적용부하를 만족시키는데 요구되는 정격출력 이하의 최대 충전량을 보유할 수 있다. 상기 최대 충전량이 요구되는 정격출력의 25%, 50%, 75% 또는 그 이상보다 적을 수도 있는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 약간 상이한 용어로 표현한다면, 가열되지 않은(전원이 꺼진 및/또는 촉발되지 않은) 작업 상태(즉, 열 촉발 연료 처리 어셈블리가 존재하지 않는다면)로부터 연료전지 스택을 개시하는데 소요되는 시간과 일치하는 기간 동안, 에너지-소비 장치는 에너지-저장 장치의 최대(예, 완전 충전된) 용량을 초과하는 정격출력을 요구 또는 필요로 할 수 있다.
이러한 장치(50 및/또는 52)의 의도적인 소형화는 상기 구성요소과 모든 구체예에 요구되는 것이 아니기 때문에, 반드시 필요한 것은 아니다. 그러나, 상기 논의는 수소 저장 장치 및/또는 에너지 저장 자치를 포함하나 여전히 적절한 작업을 위해 시스템에 가열된 격납 어셈블리를 요구하는 것도 본 발명의 범주에 포함된다는 것을 예증하는 것이다. 이러한 구성요소들이 본 발명에 따른 가열된 격납구조를 포함하지 않는 연료전지시스템을 제공하기 위해 규격화된다면, 관련된 고려사항은 상기 구성요소에 대하여 요구되는 비용 및/또는 공간이다.
도 7에서는, 선택적인 흐름-조절 구조를 전체적으로 참고번호 54번으로 나타냈으며, 장치(50) 및 배터리(52)에 각각 수소 기체 및 연료전지 스택의 정격출력을 선택적으로 전달하고 상기 장치 및 배터리에 저장된 수소 및 저장된 정격출력을 뽑아내는 임의의 적절한 매니폴드(manifold), 밸브, 제어기, 스위치 및 이들의 유사체를 개략적으로 나타냈다. 또한, 도 7에 나타낸 것은 연료전지 스택 유래의 정격출력을 조절, 즉 정격출력을 여과 또는 정상화하고, 정격출력을 보다 높거나 낮은 전압으로 전환하거나, DC 정격출력 유래의 정격출력을 AC 정격출력으로 변환하는 등을 수행하도록 제작된 전력 관리 모듈(56)의 선택적인 예를 개략적으로 도해한 것이다.
열 촉발 연료 처리 어셈블리, 및 이와 병합된 연료전지 시스템은 또한 적절한 명령 신호를 전송함으로써 어셈블리/시스템의 작동을 선택적으로 제어하고/제어하거나 다양한 센서 유래의 입력값에 반응하는 어셈블리/시스템의 작동을 모니터하도록 제작된 제어기를 포함하거나 또는 상기 제어기가 연결된 상태일 수 있다. 제어기는 도 7 내에서 참고번호 58번으로 하여 쇄선으로 나타냈는데, 이는 제어기가 에너지-저장 장치에 의해 구동되도록 제작될 수 있다는 것을 나타내기 위해 에너지-저장 장치(52)(및/또는 전원(130))와 연결되어 있는 것으로 나타냈다. 제어기가 존재할 경우, 제어기가 또 다른 적절한 전원에 의해 구동되는 것도 본 발명의 범주에 포함된다. 제어기는 컴퓨터로 처리될 수 있거나, 컴퓨터가 구비된 제어기일 수 있고, 어떤 구체예에서는 소프트웨어 및 하드웨어 구성요소를 포함할 수 있다. 연료전지 시스템 또는 연료 처리 어셈블리의 작업을 모니터 및/또는 제어하는 것을 주목적으로 제작되었다는 점에서 제어기는 전용제어기(dedicated controller)일 수 있다. 제어기가 존재할 경우, 제어기가 다른 기능을 수행하도록 제작될 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 포함된다.
도 8에서는, 본 발명에 따른 열 촉발 연료전지 시스템(42)(즉, 열 촉발 연료 처리 어셈블리(10)를 포함하는 연료전지 시스템)이 1차 전원(200)에 의해 구동되도록 제작된 에너지-소비 장치(46)에 보조 전력을 제공하도록 제작된 것을 나타냈다. 다시 말해서, 1차 전원이 작동할 경우에는, 1차 전원이 에너지-소비 장치(46)에 의한 적용부하를 만족시킨다. 1차 전원(200)이 에너지-소비 장치(46) 유래의 적용부하를 만족시키기 위해 작동 및 이용되는 동안, 열 촉발 연료 처리 어셈블리(10)의 가열된 격납 구조가 작동되어, 본 명세서에 설명 및/또는 포함시킨 바와 같이 연료 처리기 중 적어도 수소-생산 영역(19)을 임계 수소-생산 온도 범위에서 및/또는 임계 수소-생산 온도 범위 내에서 유지시킨다. 그러한 배치에 있어서, 연료전지 시스템(42)은 1차 전원이 작동되지 않거나, 1차 전원이 에너지-소비 장치에서 적용부하를 만족시키는데 이용되지 않거나 이용될 수 없는 경우 등에, 에너지-소비 장치에 백업 전원 또는 보조 전원을 공급하도록 배치되어 있다. 도 8에서는, 단지 시스템(42)의 일부가 나타나 있으며, 시스템(42)이 본 명세서에 설명, 도해 및/또는 포함된 임의의 구성요소, 하위구성요소 및/또는 변형품을 포함하는 것도 본 발명의 범주에 포함된다.
백업 전력이 에너지-소비 장치(46)로 제공되는 배치일 경우에는, 시스템(42)은 임의의 적절한 메커니즘을 통하여 1차 전원의 작동 상태를 감지하도록 배치될 수 있고/있거나 에너지-소비 장치에서 연료전지 시스템으로 적용부하를 검출하는 것에 반응하여 수소기체의 생산을 개시하도록(그리고 이로인해 정격출력(41)의 발생을 개시하도록) 제작될 수 있다. 시스템(42)이 제어기를 포함하거나 또는 제어기와 연결되어 있을 경우에는, 제어기는 에너지-소비 장치에서 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템으로 부하가 적용되는지 여부 및/또는 1차 전원이 에너지-소비 장치에 약간의(또는 충분한) 전력을 제공하는지 여부를 검출하도록 제작된 적어도 하나 의 센서를 포함할 수 있다. 이러한 검출에 적어도 부분적으로 반응하면, 제어기는 공급원료 운반 시스템에 1 이상의 적절한 명령신호를 전달하여 연료 처리 어셈블리의 수소-생산 영역에 전달될 스트림(들)(16)을 유발함으로써 수소 기체의 생산을 개시할 수 있다. 제어기는 시스템이 에너지-소비 장치 유래의 적용부하를 만족시키기 위한 정격출력을 제공하는데에 필요하다는 검출에 반응하는 다양한 진단적 또는 시스템 보전 검색을 수행하도록 제작될 수 있다. 논의한 바와 같이 제어기는 컴퓨터로 처리되는 제어기이거나, 다양한 제어 및/또는 모니터링 기능을 수행하도록 제작된 컴퓨터-장착 제어기일 수 있는데, 제어기는 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소를 포함할 수 있고, 마이크로프로세서를 포함할 수 있으며, 디지털 또는 아날로그 회로를 포함할 수 있다. 제어기가 존재할 경우, 제어기는 또한 단순히, 정격출력을 생산하고 있는 시스템(42)에 대한 요구가 존재한다는 것을 검출한 것에 대한 반응으로 공급원료 운반 시스템(22)에 명령 신호를 보내도록 제작된 센서 또는 검출기를 포함할 수 있다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 가열된 격납 구조 중 적어도 가열 어셈블리(110) 또는 가열된 격납 구조와 연결된 가열 어셈블리(110)은 1차 전원이 에너지-소비 장치의 적용부하를 만족시키는데 이용가능한 경우에 1차 전원에 의해 구동되도록 제작될 수 있다. 따라서, 1차 전원이 작동중인 경우, 에너지 소비 장치의 적용부하를 만족시킴과 동시에, 또한 연료전지 시스템(42)의 열 촉발 연료 처리 시스템 중 적어도 가열 어셈블리에 전력을 제공하도록 배치될 수 있다. 그러한 배치에 있어서, 연료전지 시스템은 이의 "촉발된" 작동 상태로 유지될 수 있는데, 이때 연료전지 시스템 중 적어도 수소-생산 영역은 이 영역에 적절한 공급 스트림(들)의 운반에 반응하여 상기 영역 안에서 수소 기체를 생산하기 위한 적절한 온도로 유지된다. 그러나, 1차 전원이 작동되는 동안 연료전지 시스템의 전력 요구량이 1차 전원에 의해 만족되기 때문에 연료전지 시스템은 촉발된 작동 상태로 존재하는 동안 충분한 또는 심지어 어떠한 정격출력도 발생시킬 필요가 없다. 유사하게, 연료 처리 어셈블리가 수소 기체를 발생시키기 위한 적절한 온도에서 또는 적절한 온도 범위 내에서 유지된다고 할지라도, 연료 처리 어셈블리가 작동 상태에 있는 동안 어떠한 수소 기체도 발생하지 않을 수 있다.
1차 전원이 작동하지 않거나, 오프라인에 있거나, 또는 에너지-소비 장치의 적용부하를 만족시킬 수 없는 경우 및 그러한 상황이라면, 열 촉발 연료전지 시스템이 상기 적용부하를 만족시키기 위해 정격출력을 발생시킬 수 있다. 또한, 연료 처리 어셈블리가 수소 기체 발생을 위한 적절한 온도(또는 온도 범위)에서 유지되었기 때문에, 요구되는 정격출력을 발생시키기 시작하는데 요구되는 시간은 연료 처리 어셈블리가 가열되지 않은 작동 상태 또는 꺼진 작동 상태에서 유지되는 경우보다 상당히 짧다. 예를 들어, 열 촉발 연료전지 시스템은 시스템의 제어기에 의해 수행되는 임의의 진단 또는 기타 자가-점검 시간을 포함하여, 수 분 이하, 예컨대 3분 이하, 2분 이하, 1분 이하, 또는 심지어 45초 이하 내에 적용부하를 만족시킬 수도 있다. 약간 다른 용어로 표현하면, 열 편향 수소-생산 연료전지 시스템은 시스템에서 생산된 수소 기체에서 정격출력이 발생하기 시작하는 열 편향 반응 시간을 보유할 수 있는데, 이러한 반응 시간은 수 분 이하, 2분 이하, 1분 이하, 45초 이하 등일 수 있다. 상기 반응 시간은 수소-생산 연료전지 시스템이 열적으로 편향된 수소-생산 연료전지 시스템이 아니라면 상대적 개시 반응 시간보다 훨씬 짧을 것이다.
상기 논의된 바와 같이, 본 발명에 따른 열 촉발 연료전지 시스템은 본 발명에 따른 가열된 격납 구조를 포함하는 어셈블리와 같은 열 촉발 연료 처리 어셈블리를 포함하지 않는 연료전지 시스템에 대하여 소형의 수소-저장 장치 및/또는 에너지-저장 장치를 포함할 수 있다. 그러나, 수소 저장 장치 및/또는 에너지-저장 장치는 에너지-소비 장치(46)의 적용부하를 만족시키기에 충분한 정격출력을 발생시키기 시작하는 열 촉발 연료전지 시스템에 대하여 경과한 훨씬 짧은 시간 동안 요구되는 수소 기체 및/또는 정격출력을 제공하는 크기일 수 있다. 예를 들어, 수소 저장 장치 및/또는 에너지-저장 장치는 연료전지 시스템이 에너지-소비 장치에 대하여 무정전 백업 전원장치(UPS)를 제공할 수 있게 한다.
열 촉발 연료 처리 어셈블리 및 이를 포함하는 수소-생산 연료전지 시스템은 연료 처리, 연료전지 및 수소 기체가 생산되는 다른 산업분야, 및 연료전지 시스템의 경우에는 연료전지 스텍에 의해 소비된 수소 기체가 전류를 생산하는 기술분야에 이용될 수 있다.
상기 설명된 개시는 독립된 용도에 있어서 다중의 특징적인 발명을 포함하는 것으로 여겨져야 한다. 상기 각각의 발명이 바람직한 형태로 개시되었지만, 다양한 변형이 가능하므로 본 명세서에 개시 및 예증된 바와 같은 이들의 특정 구체예는 제한적인 의미로 여겨져서는 않된다. 본 발명의 주제에는 본 명세서에 개시된 다양한 요소, 특징, 기능 및/또는 특성의 모든 신규의 및 비-자명한 컴비네이션(combination) 및 서브컴비네이션(subcombination)이 포함된다. 또한, 청구의 범위가 "한" 또는 "w"의 요소 또는 이의 등가물을 인용할 경우에는, 그러한 청구의 범위는 그러한 요소를 1 이상 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 2 이상의 요소를 요구하거나 배제하는 것이 아니다.
하기의 청구의 범위는 개시된 발명 중 하나에 대하여 특정 컴비네이션 및 서브컴비네이션을 특별히 지적하는 것이고, 신규하며 비-자명한 것으로 여겨진다. 특징, 기능, 요소 및/또는 특성의 다른 컴비네이션 및 서브컴비네이션에 구체화된 발명은 상기 또는 관련 출원에 현재 청구의 범위의 보정 또는 새로운 청구범위의 제출을 통해 청구될 수도 있다. 그러한 보정된 또는 새로운 청구의 범위는 그것들이 상이한 발명에 관한 것이던 동일한 발명에 관한 것이던지, 원래의 청구범위의 범주에 대하여 상이하거나, 광범위하거나, 좁거나 또는 동일한지 여부와 상관없이 당해 개시의 발명의 사상 내에 속하는 것으로 간주된다.

Claims (40)

  1. 개질 촉매를 함유하는 수소-생산 영역으로서, 적어도 탄소-함유 공급원료 및 물을 함유하는 공급 스트림을 수취하도록 제작되고, 상기 수소-생산 영역이 수소-생산 온도 범위 내에 있을 때, 공급 스트림으로부터 수소 기체를 함유하는 개질 스트림(reforamte stream)을 생산하도록 제작된 수소-생산 영역을 포함하는 연료 처리 어셈블리(fuel processing assembly);
    산화제 및 상기 수소-생산 영역에서 생성된 수소 기체를 함유하는 연료 스트림을 수취하도록 제작되고, 나아가 상기 연료 스트림 및 산화제에서 연료전지 정격출력(power output)을 발생시켜, 적용부하(applied load)를 만족시키는 1차 전원이 적용부하를 만족시키는 정격출력을 제공하지 않을 시에 에너지-소비 장치 유래의 적용부하를 만족시키도록 제작된 연료전지 스택(fuel cell stack);
    상기 연료 처리 어셈블리 중 적어도 수소-생산 영역을 포함하는 내부 구획(internal compartment)을 한정하는 인클로저(enclosure)를 포함하는 격납 구조(containment structure);
    상기 연료전지 스택이 연료전지의 정격출력을 생산하지 않고 연료 처리 어셈블리가 개질 스트림을 생산하지 않으며 1차 전원이 적용부하를 만족시키는 정격출력을 제공하는 기간 동안 수소 생산 온도 범위 내의 임계온도(threshold temperature)로 또는 임계온도 이상으로 격납 구조 중 적어도 내부 구획을 가열 및 유지하도록 제작된 제1 가열 어셈블리(heating assembly)
    상기 연료 처리 어셈블리가 수소 기체를 생산하고 1차 전원이 적용부하를 만족시키는 정격출력을 제공하지 않을 때, 연료 처리 어셈블리의 적어도 수소-생산 영역에 열을 공급하도록 제작된 제2 가열 어셈블리
    를 포함하는, 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템으로서,
    상기 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템은, 연료전지 시스템이 연료전지의 정격출력을 발생하도록 요구시 연료 처리 어셈블리로 수소 기체를 생산하도록 열 편향 반응 시간(thermally biased response time)을 가지며,
    상기 열 편향 반응 시간은 제1 가열 어셈블리를 포함하지 않고 제2 가열 어셈블리를 포함하는 비교 수소-생산 연료전지의 개시 반응 시간보다 짧은,
    열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템.
  2. 개질 촉매를 함유하는 수소-생산 영역으로서, 적어도 탄소-함유 공급원료 및 물을 함유하는 공급 스트림을 수취하도록 제작되고, 상기 수소-생산 영역이 수소-생산 온도 범위 내에 있을 때, 공급 스트림으로부터 수소 기체를 함유하는 개질 스트림(reforamte stream)을 생산하도록 제작된 수소-생산 영역을 포함하는 연료 처리 어셈블리(fuel processing assembly);
    산화제 및 상기 수소-생산 영역에서 생성된 수소 기체를 함유하는 연료 스트림을 수취하도록 제작되고, 나아가 상기 연료 스트림 및 산화제에서 연료전지 정격출력(power output)을 발생시켜, 적용부하(applied load)를 만족시키는 1차 전원이 적용부하를 만족시키는 정격출력을 제공하지 않을 시에 에너지-소비 장치 유래의 적용부하를 만족시키도록 제작된 연료전지 스택(fuel cell stack);
    상기 연료 처리 어셈블리 중 적어도 수소-생산 영역을 포함하는 내부 구획(internal compartment)을 한정하는 인클로저(enclosure)를 포함하는 격납 구조(containment structure);
    상기 연료전지 스택이 연료전지 정격출력을 생산하지 않고 연료 처리 어셈블리가 개질 스트림을 생산하지 않으며 1차 전원이 적용부하를 만족시키는 정격출력을 제공하는 기간 동안 수소 생산 온도 범위 내의 임계온도(threshold temperature)로 또는 임계온도 이상으로 격납 구조 중 적어도 내부 구획을 가열 및 유지하도록 제작된 제1 가열 어셈블리(heating assembly)
    상기 연료 처리 어셈블리가 수소 기체를 생산하고 1차 전원이 적용부하를 만족시키는 정격출력을 제공하지 않을 때, 연료 처리 어셈블리의 적어도 수소-생산 영역에 열을 공급하도록 제작된 제2 가열 어셈블리
    를 포함하는, 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템으로서,
    상기 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템은
    연료전지 시스템이 연료전지의 정격출력을 발생하도록 요구시, 연료 처리 어셈블리와 함께 수소 기체를 생산하도록 열 편향 반응 시간을 갖도록 제작되며,
    상기 열 편향 반응 시간은, 비교 수소-생성 연료전지 시스템이 개별 연료전지 정격출력을 발생시키지 않는 기간동안 개별 수소-생성 온도 범위 내에서 개별 수소-생성 영역을 가열 및 유지하지 않는 비교 수소-생성 연료전지의 개시 반응 시간보다 짧은,
    열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1차 전원이 에너지-소비 장치 유래의 적용부하를 만족시키도록 배치될 경우, 상기 제1 가열 어셈블리가 1차 전원에 의해 구동되도록 제작된 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 처리 어셈블리가 수소 기체를 생산할 경우에 상기 제1 가열 어셈블리가 내부 구획의 가열을 중단하도록 제작된 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 가열 어셈블리는 인클로저 내부에 위치하고 가스 연료 스트림을 수취 및 연소시켜, 연료 처리 어셈블리가 수소 기체를 생산할 시에 연료 처리 어셈블리 중 적어도 수소-생산 영역에 열을 제공하도록 제작된 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수소-생산 영역이 임계 온도 이상으로 존재할 시에, 공급 스트림이 수소-생산 영역에 운반되면, 상기 수소-생산 영역이 공급 스트림에서 수소 기체를 생산하도록 제작된 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 인클로저가 내부 구획을 적어도 부분적으로 한정하는 내부 표면, 및 외부 표면을 보유한 단열된 인클로저이고, 추가적으로 임계온도가 350℃ 이상일 시에 상기 인클로저가 100℃ 이하의 온도로 외부 표면을 유지시키도록 제작된 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 임계온도가 350℃ 이상일 시에 상기 인클로저가 50℃ 이하의 온도로 외부 표면을 유지하도록 제작된 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  9. 개질 촉매를 함유하는 수소-생산 영역으로서, 적어도 탄소-함유 공급원료 및 물을 함유하는 공급 스트림을 수취하도록 제작되고, 상기 수소-생산 영역이 수소-생산 온도 범위 내에 있을 때, 공급 스트림으로부터 수소 기체를 함유하는 개질 스트림(reforamte stream)을 생산하도록 제작된 수소-생산 영역을 포함하는 연료 처리 어셈블리(fuel processing assembly);
    산화제 및 상기 수소-생산 영역에서 생성된 수소 기체를 함유하는 연료 스트림을 수취하도록 제작되고, 나아가 상기 연료 스트림 및 산화제에서 연료전지 정격출력(power output)을 발생시켜, 통상적으로는 적용부하(applied load)를 만족시키는 1차 전원이 적용부하를 만족시키는 정격출력을 제공하지 않을 시에 에너지-소비 장치 유래의 적용부하를 만족시키도록 제작된 연료전지 스택(fuel cell stack);
    상기 연료전지 스택이 연료전지의 정격출력을 생산하지 않고 연료 처리 어셈블리가 개질 스트림을 생산하지 않으며 1차 전원이 적용부하를 만족시키는 정격출력을 제공하는 기간 동안 수소 생산 온도 범위 내에서 수소-생성 영역을 가열 및 유지하는 수단
    을 포함하는, 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템으로서,
    상기 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템은, 연료전지 시스템이 연료전지의 정격출력을 발생하도록 요구시 연료 처리 어셈블리로 수소 기체를 생산하도록 열 편향 반응 시간(thermally biased response time)을 가지며,
    상기 열 편향 반응 시간은 제1 가열 어셈블리를 포함하지 않고 제2 가열 어셈블리를 포함하는 비교 수소-생산 연료전지의 개시 반응 시간보다 짧은,
    열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항 또는 제9항에 있어서, 상기 1차 전원에는 전기 그리드(electrical grid)가 포함되는 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  11. 제1항 또는 제2항 또는 제9항에 있어서, 상기 탄소-함유 공급원료가 메탄올이고, 임계온도는 350℃ 이상인 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  12. 제1항 또는 제2항 또는 제9항에 있어서, 상기 탄소-함유 공급원료가 탄화수소이고, 임계온도는 700℃ 이상인 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  13. 제1항 또는 제2항 또는 제9항에 있어서,
    상기 연료 처리 어셈블리는 하나 이상의 정제 영역(purification region)을 추가로 포함하며,
    상기 정제 영역은 전부 또는 일부의 개질 스트림을 수취하여, 개질 스트림에 존재하는 수소 기체보다 더 높은 농도의 수소 기체, 및 개질 스트림에 존재하는 다른 기체보다 더 낮은 농도의 다른 기체를 함유하는 생성물 수소 스트림을 생산하는,
    연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 연료 처리 어셈블리가 내부 구획 내에 적어도 하나의 정제 영역을 포함하는 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 연료 처리 어셈블리가 인클로저의 외부에 적어도 하나의 정제 영역을 포함하는 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  16. 제1항 또는 제2항 또는 제9항에 있어서, 상기 연료전지 시스템이 연료전지 시스템 및 에너지-소비 장치 중 적어도 하나로부터의 적용부하를 만족시키도록 제작된 에너지 저장 장치를 추가로 포함하는 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치가 최대 충전량을 보유하여 일정 기간동안 적용부하를 만족시키고, 추가적으로 상기 일정 기간이 열 편향 반응시간보다 장시간인 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 일정 기간이 비교 수소-생성 연료전지 시스템의 개시 반응 시간보다 단시간인 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  19. 제1항 또는 제2항 또는 제9항에 있어서, 열 편향 반응시간이 2분 미만인 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  20. 제1항 또는 제2항 또는 제9항에 있어서, 열 편향 반응시간이 1분 미만인 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  21. 제1항 또는 제2항 또는 제9항에 있어서, 열 편향 반응시간이 45초 미만인 것이 특징인, 연료전지 시스템.
  22. 에너지-소비 장치 유래의 적용부하를 만족시키도록 제작된 1차 전원을 보충하기 위해 적어도 수소-생산 연료 처리 어셈블리 및 연료전지 스택을 포함하는 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템을 이용하는 방법으로서,
    연료 처리 어셈블리 중 적어도 수소-생산 영역을 임계온도 이상의 온도로 가열하되, 상기 온도에서 수소-생산 영역은 공급 스트림에서 수소 기체를 함유하는 혼합 기체 스트림을 생산하도록 제작된 것인 가열 단계;
    상기 수소-생산 영역이 수소 기체를 생산하지 않고 적용부하를 만족시키기 위해 연료전지 시스템으로부터의 정격출력에 대한 요구가 존재하지 않는 기간 동안 수소-생산 영역을 임계온도 이상의 온도로 유지시키는 단계;
    적용부하를 만족시키기 위해 연료전지 시스템에서 정격출력에 대한 요구에 반응하여, 공급 스트림을 수소-생산 영역에 운반하는 단계;
    상기 수소-생산 영역에서 수소 기체를 생산하는 단계;
    연료전지 스택을 이용하여 산화제 및 상기 수소-생산 영역에서 생산된 수소 기체로 정격출력을 발생시키는 단계; 및
    정격출력을 에너지-소비 장치에 공급하여 적용부하의 적어도 일부를 만족시키는 단계
    를 포함하는, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 가열 및 유지 단계가 연료 처리 어셈블리 중 적어도 수소-생산 영역을 가열하도록 제작된 가열 어셈블리에 의해 수행되는 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 가열 및 유지 단계가 제1 가열 어셈블리에 의해 수행되고, 상기 수소 기체 생산 단계는 수소-생산 영역이 수소 기체를 생산하는 기간동안 수소-생산 영역을 제2 가열 어셈블리에 의해 가열 및 유지하는 단계를 포함하는 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 가열 어셈블리 및 제1 가열 어셈블리 중 하나가 1차 전원에 의해 구동되도록 제작된 전기적으로 구동되는 가열 어셈블리인 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  26. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 가열 어셈블리 및 제2 가열 어셈블리 중 하나가 연소 가열기(combustion heater)를 포함하는 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  27. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 방법이 상기 정격출력의 발생 단계 이전에 가열 어셈블리 및 제1 가열 어셈블리 중 하나에 의한 유지를 중지시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  28. 제22항 또는 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 방법이 상기 정격출력의 발생 단계 개시 이후에 유지를 중지시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  29. 제22항 또는 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 방법이 1차 전원이 에너지-소비 장치 유래의 적용부하를 만족시키지 못하는 시기를 검출하는 단계;
    부하가 에너지-소비 장치에 의해 열 촉발 수소-생산 연료전지 시스템에 적용되는 단계; 및
    상기 검출에 적어도 부분적으로 반응하여 운반 단계를 개시하는 단계
    중 하나 이상을 추가로 포함하는 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 검출 단계가 개시될 시에, 1분 미만에 운반, 생산, 및 정격출력 발생 단계를 개시하는 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  31. 제22항 또는 제23항 또는 제24항에 있어서, 공급 스트림이 적어도 물 및 탄소-함유 공급원료를 포함하고, 추가로 탄소-함유 공급원료는 메탄올을 함유하며, 임계온도는 200 내지 350℃인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  32. 제22항 또는 제23항 또는 제24항에 있어서, 공급 스트림이 적어도 물 및 탄소-함유 공급원료를 포함하고, 추가로 탄소-함유 공급원료는 메탄올을 함유하며, 임계온도는 350℃ 이상인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  33. 제22항 또는 제23항 또는 제24항에 있어서, 공급 스트림이 적어도 물 및 탄소-함유 공급원료를 포함하고, 추가로 탄소-함유 공급원료는 메탄올을 함유하며, 임계온도는 400 내지 700℃인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  34. 제22항 또는 제23항 또는 제24항에 있어서, 공급 스트림이 적어도 물 및 탄소-함유 공급원료를 포함하고, 추가로 탄소-함유 공급원료는 메탄올을 함유하며, 임계온도는 700℃ 이상인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  35. 공급 스트림을 수용하고, 수소-생산 온도 범위 내에 있을 때 공급 스트림으로부터 수소 기체를 함유하는 개질 스트림을 생산하는 수소-생산 영역을 구비한 연료 처리 어셈블리, 및
    1차 전원이 에너지-소비 장치 유래의 적용부하를 만족시키지 못할 때, 에너지-소비 장치에 전력을 공급하는 연료전지 스택
    을 포함하는 수소-생산 연료전지 시스템을 이용하는 방법으로서,
    연료 처리 어셈블리 중 적어도 수소-생산 영역을 전기 가열 어셈블리를 사용하는 주변 온도보다 높은 설정된 온도로 가열하는 단계;
    상기 수소-생산 영역이 수소 기체를 생산하지 않고 1차 전원이 적용부하를 만족시키는 기간 동안에는 수소-생산 영역을 상기 설정된 온도 이상의 온도로 유지시키는 단계;
    1차 전원이 적용부하를 만족시키지 못하는 것에 반응하여 수소-생산 영역이 개질 스트림을 생성할 수 있도록 수소-생산 영역의 온도를 임계 온도로 증가시키는 단계;
    공급 스트림을 수소-생산 영역으로 운반하는 단계;
    상기 수소-생산 영역에 의해 공급 스트림으로부터 개질 스트림을 생산하는 단계;
    연료전지 스택에 의해 산화제 및 개질 스트림의 수소 기체로 연료전지 정격출력을 발생시키는 단계; 및
    정격출력을 에너지-소비 장치에 공급하는 단계
    를 포함하는, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  36. 제35항에 있어서, 설정된 온도는 수소-생산 온도 범위내에 있고, 임계온도보다 낮은 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  37. 제35항에 있어서, 상기 방법이 1차 전원이 에너지-소비 장치 유래의 적용부하를 만족시키는 시기를 검출하는 단계를 추가로 포함하고,
    유지 단계는 1차 전원이 적용부하를 만족시킴을 검출함에 반응하여, 수소-생산 영역을 설정된 온도 이상으로 유지하는 단계를 포함하는 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  38. 제35항에 있어서, 상기 방법이 1차 전원이 에너지-소비 장치 유래의 적용부하를 만족시키지 못하는 시기를 검출하는 단계를 추가로 포함하고,
    증가시키는 단계는 1차 전원이 적용부하를 만족시키지 못함을 검출함에 반응하여 수소-생산 영역의 온도를 설정된 온도에서 임계온도로 증가시키는 단계를 포함하는 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  39. 제35항에 있어서, 상기 방법이 1차 전원이 에너지-소비 장치 유래의 적용부하를 만족시키지 못하는 시기를 검출하는 단계; 및
    1차 전원이 적용부하를 만족시키지 못함을 검출함에 반응하여 유지 단계를 중지하는 단계
    를 추가로 포함하는 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
  40. 제22항 또는 제35항에 있어서, 1차 전원이 전기 그리드를 포함하는 것이 특징인, 연료전지 시스템을 이용하는 방법.
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