KR101268229B1

KR101268229B1 - 가스 산화기로부터의 전해질 제거

Info

Publication number: KR101268229B1
Application number: KR1020077017366A
Authority: KR
Inventors: 사이 피. 카티카네니; 모하매드 파로큐; 글렌 엘. 칼슨; 마크 베네딕트
Original assignee: 퓨얼 셀 에너지, 인크
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2013-05-31
Also published as: EP1844511A4; US7381487B2; KR20070094813A; CN101091274A; WO2006071361A2; US20060140823A1; JP2008525964A; EP1844511A2; WO2006071361A3

Abstract

산화기 조립체가 전해질 입자를 함유한 아노드 배기가스를 산화하기 위한 산화 유니트를 갖는, 연료전지 시스템의 산화기 조립체를 사용하기 위한 장치 및 방법은 조립체로부터 제거될 수 있고 또한 조립체로부터 제거되는 전해질 입자를 포획할 수 있도록 조정되며, 상기 조정단계 및 제거단계는 산화기 조립체에 내장된 산화 유니트에서 실행된다. 연료전지 시스템은 이러한 조정단계 및 제거단계가 연료전지 시스템에 내장된 산화 조립체에서 실행되도록 적용된다.

아노드, 캐소드, 입자, 필터, 솔벤트, 스프링클러, 혼합기

Description

가스 산화기로부터의 전해질 제거{IN-SITU REMOVAL OF ELECTROLYTE FROM GAS OXIDIZER}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 이러한 시스템에 사용된 가스 산화기로부터의 전해질 제거에 관한 것이다.

연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로, 연료전지는 전기적으로 하전된 이온을 도전시키는 전해질에 의해 분리되는 아노드 및 캐소드를 포함한다. 연료전지는 산화 가스를 캐소드를 통과시킬 동안, 반응물 연료가스를 아노드를 통과시키므로써 작동된다. 유용한 전력 레벨을 생성하기 위하여, 각각의 셀 사이에서 다수의 연료전지가 도전성 분리기에 직렬로 적층된다.

용융된 탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell: MCFC)는 산화 가스의 반응 산소와 캐소드에서의 자유전자에 의해 작동되어 탄산염 이온을 형성하며, 이러한 이온은 용융된 탄산염 전해질을 횡단하여 전해질로 이동하여 수소와 반응하므로써 물과 이산화탄소와 전력을 생성한다. MCFC에서의 전해질은 용융된 탄산염 염 혼합물을 포함하며; 이러한 혼합물은 통상적으로 리튬 탄산염과, 포타슘 탄산염, 또는 리듐 및 포타슘 탄산염의 조합물을 포함한다. MCFC의 작동 온도가 약 550- 650℃ 이기 때문에, 전해질은 MCFC 작동시에는 액체 상태로 존재한다.

전형적으로, MCFC 시스템은 연료전지 아노드로부터 하방에 배치된 아노드 배기가스 산화기 유니트를 포함하며; 이러한 유니트는 연료전지 캐소드로 공급되는 에어 또는 산화 가스를 부가하기에 적합한 산화 가스를 생성하기 위해, 아노드 배기가스에서 수소와 이산화탄소 및 반응하지 않은 탄화수소를 산화하기 위한 산화 촉매를 포함한다. 일부 경우에 있어서, 산화기 유니트는 배기가스 산화기 조립체에 내장되며, 이러한 조립체는 산화기 유니트에 선행하는 혼합기를 포함한다. 상기 조립체에서, 아노드 배기가스 스트림 및 캐소드 공급에어 또는 옥시던트는 먼저 혼합기에서 혼합되며, 그후 혼합된 가스는 유니트에서 산화 촉매에 노출됨에 따라 배기가스를 산화하기 위해, 산화 유니트로 공급된다. 그후, 옥시던트와 이산화탄소가 풍부한 최종적인 가스는 연료전지의 캐소드에 공급된다.

본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허출원 제10/187.495호에는 아노드 배기가스 산화기 조립체의 실시예가 개시되어 있으며; 이러한 아노드 배기가스 산화기 조립체는 혼합기/석출기와, 산화기 유니트의 가스 산화기 촉매 블럭이 상기 혼합기/석출기의 출구와 인터페이스되는 산화기 유니트를 포함하고 있다. 이러한 산화기 조립체에서, 아노드 배기가스 및 에어의 가스 혼합물은 혼합기의 출구에 결합된 촉매 블럭의 입구면을 통해, 산화기 촉매 블럭에 유입된다. 산화기 블럭에서, 가스 혼합물은 혼합물에 존재하는 수소와 일산화탄소 및 탄화수소를 산화시키는 연소반응을 거친다.

연료전지 스택의 작동중, 일부 전해질 입자는 가스상 형태를 취하며, 연료전지의 전해질층으로부터 아노드 배기가스 스트림으로 방출된다. 고온의 배기가스 스트림이 혼합기내의 차가운 에어와 혼합된 후, 최종적인 가스 혼합물의 온도는 약 300℃ 내지 400℃가 된다. 아노드 배기가스의 냉각으로 인해, 배기가스 스트림의 가스 상태인 전해질 입자는 기체형 입자로부터 단단한 전해질 입자로 변형된다. 이러한 입자들은 산화기 촉매 블럭의 입구면에서 혼합기의 벽에 침착된다. 산화기 촉매 블럭의 입구면에서의 전해질 입자 침착은 산화기 촉매로의 흐름 및 이러한 촉매를 통한 가스 혼합물의 흐름 경로에 부분적인 방해를 형성하게 되어, 촉매 블럭을 횡단하는 증가된 압력강하를 초래하므로써, 아노드 배기가스 스트림과 캐소드 입구 스트림 사이의 압력편차를 증가시킨다. 또한, 전해질 침착에 의한 차단은 촉매 블럭을 통한 흐름 분배를 변화시켜, 촉매 블럭의 한쪽 단부로부터 다른쪽 단부까지 온도 분포에 대한 상당한 편차로 나타난다.

연료전지 스택의 성능 및 효율은 연료전지 조립체의 압력변화에 민감하다. 특히, 산화기 촉매상의 전해질 입자 축적물의 축적으로 인해, 아노드와 캐소드 스트림 사이의 압력편차의 증가는 연료전지 스택의 열 프로필 및 전압 변화에 영향을 끼친다. 더구나, 전해질 입자 축적은 산화기 촉매를 비활성시켜, 탄화수소 연소효율에 영향을 끼친다.

따라서, 아노드 출구와 캐소드 입구 스트림 사이의 압력편차를 일정하게 유지하기 위하여, 아노드 가스 산화기 촉매의 입구면으로부터 전해질 입자 축적물을 제거할 필요가 있다. 또한, 전해질 입자를 제거하면 산화기 촉매의 비활성화를 감소시키고, 연료전지 성능을 개선시킨다.

통상적으로, 전해질 입자는 산화기 촉매를 알칼리 탄산염 화합물의 제거에 적합한 솔벤트로 세척하므로써, 아노드 가스 산화기 촉매로부터 제거된다. 그러나, 이러한 방법은 연료전지 플랜트의 정지를 필요로 하며, 세척을 위해 촉매 블럭을 제거하기 위해서는 산화 조립체가 분리되어야 한다. 그 결과, 연료전지 발전소의 효율이 떨어지며, 연료전지 발전소의 작동 유지경비가 상당히 증가하게 된다. 따라서, 이러한 단점을 피하기 위한 전해질 입자의 제거방법이 필요하다.

본 발명의 목적은 산화기 조립체로부터 산화기 유니트의 제거를 필요로 하지 않는, 연료전지 시스템의 산화기 유니트가 구비된 산화기 조립체로부터 전해질 입자를 제거하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 연료전지 시스템의 성능에 영향을 심각하게 끼치지 않는 방식으로, 상술한 전해질 입자를 제거하는 것이다.

본 발명의 원리에 따르면, 상술한 목적 및 기타 다른 목적은 연료전지 시스템의 산화기 조립체를 사용하는 장치 및 방법에 의해 실현되며; 상기 연료전지 시스템에서 산화기 조립체는 전해질 입자에 함유된 아노드 배기가스를 산화하기 위한 산화 유니트를 포함하고, 전해질 입자가 조립체로부터 제거될 수 있도록 또한 조립체로부터 제거되도록 조정되며; 상기 조정단계 및 제거단계는 산화 조립체에 내장된 산화 유니트에서 실행된다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 상기 조정단계 및 제거단계가 연료전지 시스템에 내장된 산화 조립체에서 실행되도록 조정된다.

하기에 서술되는 본 발명의 실시예에서, 산화기 조립체는 솔벤트를 수용하도록 조정되므로써, 상기 솔벤트는 미립형 전해질을 용해하거나 제거하기 위해 산화기 유니트와 접촉될 수 있으며, 또한 상기 솔벤트와 그 내포된 미립형 전해질은 조립체로부터 배출된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 산화기 조립체는 가열되도록 적용되거나 조정되므로써, 미립형 전해질은 플레이크되어 증발에 의해 조립체로부터 제거될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 산화기 조립체는 전해질 입자를 포획하고 이렇게 포획된 입자를 배출하도록 조정된다. 이러한 실시예에서, 전해질 입자의 제거는 제거를 촉진 및 허용하는 상태나 모드에서 산화 조립체에 내장된 산화 유니트 및 연료전지 시스템에서 실행된다.

솔벤트를 이용하는 본 발명의 실시예에서, 액체 또는 기체 형태의 솔벤트는 조립체의 혼합기 유니트나 산화 유니트를 통해 산화기 조립체내로 도입되며, 전해질 입자를 용해하거나 제거하기 위해 충분한 시간동안 조립체에 지지되며, 그후 혼합기 유니트를 통해 조립체로부터 배출된다. 산화기 조립체가 가열되는 본 발명의 실시예에서, 가열은 전해질 입자의 플레이킹과 이렇게 플레이크된 입자가 혼합기 유니트와 접촉하였을 때, 플레이크된 입자의 일련의 기화를 유발시킬 수 있도록 충분한 시간동안 실행된다. 마지막으로, 전해질 입자가 포획되는 본 발명의 실시예에서, 산화 조립체는 산화 유니트에 유입되기 전에, 가스흐름으로부터 전해질 입자를 여과하기 위하여 산화 유니트에 선행하는 필터를 갖는다. 상기 필터는 혼합기 유니트에 배치되는 것이 바람직하며, 베인 필터의 형태를 취한다.

본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도1은 본 발명의 원리에 따라 전해질 제거를 채택하는 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면.

도2는 본 발명의 원리에 따라 전해질 입자의 제거를 실행하도록 적용된 아노드 배기가스 산화기 조립체를 도시한 도면.

도3은 물 솔벤트를 사용하여 전해질 입자를 제거하도록 적용된 도2의 조립체의 제1실시예를 도시한 도면.

도4는 도3의 조립체의 변형된 형태를 도시한 도면.

도5는 축축한 가스를 솔벤트로 사용하여 전해질 입자의 제거를 실행하도록 적용된 도2의 조립체의 제2실시예를 도시한 도면.

도6은 연소에 의해 전해질 입자를 제거하도록 적용된 도2의 산화기 조립체의 제3실시예를 사용하여, 전해질 입자의 제거 전후에 대한 연료전지 시스템의 성능을 도시한 그래프.

도7은 필터를 사용하여, 전해질 입자를 제거하도록 적용된 도2의 산화기 조립체의 제4실시예를 도시한 도면.

도8은 도7의 산화기 조립체의 베인 필터의 단면도.

도1은 본 발명의 원리에 따라 전해질 입자의 제거를 실행하도록 적용된 연료전지 시스템(100)의 개략적인 도면이다. 연료전지 시스템은 아노드(104) 및 캐소 드(106)를 갖는 연료전지(102)를 포함한다. 천연가스 등의 연료가스가 연료 공급부(108)로부터 상기 시스템(100)에 공급된다. 아노드(104)로 이송되기 전에, 연료는 연료 세척 스테이지(110)에서 연료 세척과정을 받은 후, 물과 혼합되어, 열교환기(112)에서 가열된다. 처리되어 가열된 연료는 아노드 입구(104a)를 통해 아노드로 유입되어, 전기화학 반응을 받는다. 소모된 연료는 아노드 배기가스로서, 아노드 출구(104b)를 통해 아노드를 떠난다.

아노드(104)의 출구(104b)는 아노드 배기가스 산화기 조립체(114)의 입구(114a)에 결합된다. 산화기 조립체(114)에서, 아노드 배기가스는 이산화탄소와 에어의 혼합물을 생성하기 위해 아노드 배기가스에서 수소와 탄화수소 및 일산화탄소를 포함하는 미반응된 성분과 에어 등의 산화 가스와 혼합된다. 산화기 조립체(114)에서 생성된 이산화탄소 및 에어의 혼합물은 연료전지 캐소드(106)에서 산화 가스로서 사용하기에 적합하다. 이산화탄소 및 에어의 이러한 혼합물은 캐소드 입구(106a)를 통해 캐소드(106)에 유입된다. 캐소드(106)를 통과한 후, 소모된 산화 가스는 캐소드(106)를 떠나며, 열교환기(112)로 이송되어 연료전지 시스템(100)으로부터 배출되기 전에 연료 및 물을 가열한다.

도2는 조립체(114)로서 사용될 수 있는 아노드 배기가스 산화기 조립체의 예시적인 실시예를 상세히 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 산화기 조립체(114)는 혼합기 유니트(116)와, 산화기 유니트(118)를 갖는다. 산화 촉매를 포함하는 산화기 유니트(118)는 혼합기 유니트(116)의 출구(116b)에 결합된다. 도2에 도시된 예시적인 실시예에서, 산화기 유니트(118)는 혼합기(116)의 출구(116b) 위에 커버를 형성하기 위하여, 설정의 크기를 갖는 촉매 블럭을 포함한다.

상기 혼합기(116)는 아노드 출구(104b)와 에어 공급부(121)에 결합되는 입구 조립체(120)를 포함한다. 상기 입구 조립체(120)는 연료전지 아노드(104)로부터 아노드 배기가스를 수용하기 위하여 또한 에어 공급부(121)로부터 에어를 수용하기 위하여, 아노드 출구(104b)에 결합된 아노드 배기가스 입구(114a)를 포함한다. 아노드 배기가스 및 에어는 혼합기(116)의 입구 조립체(120)와 조합되어, 혼합기(116)의 혼합 영역(116a)으로 이송되어 계속적으로 혼합된다.

상술한 바와 같이, 산화기 조립체(114)에 유입되는 아노드 배기가스의 온도는 약 550-700℃ 이다. 고온의 아노드 배기가스가 입구 조립체(120)에서 차가운 에어와 조합되어 혼합기(116)의 혼합 영역에서 계속 혼합된 후, 혼합물의 온도는 약 300-400℃ 가 된다. 아노드 배기가스에 존재하는 전해질 입자는 아노드 배기가스 및 에어 혼합물의 온도가 하강함에 따라 응고된다. 아노드 배기가스 및 에어 혼합물이 산화기 유니트(118)를 통과할 동안, 단단한 전해질 입자는 산화기 유니트(118)를 통과할 수 없어서, 산화기(118)의 표면(118a)상에 침착된다. 산화기 조립체의 지속적인 작동에 의해, 전해질 입자는 산화기 유니트(118)의 표면(118a)에 축적되어, 산화기 유니트(118)로의 가스 혼합물의 통로에 부분적인 장벽을 형성한다. 산화기 유니트 표면(118a)에서의 이러한 부분적인 차단은 혼합기(116)에서의 가스 압력을 증가시킨다. 이와 동시에, 산화 조립체(114)를 떠나는 산화 가스의 압력이 강하되어, 산화기 유니트(118)를 횡단하는 압력편차를 증가시킨다.

본 발명의 원리에 따르면, 산화기 조립체(114) 및 연료전지 시스템(100)은 산화기 유니트(118)로부터 전해질 입자의 제거를 실행한다. 산화기 조립체 및 시스템(100)의 다양한 실시예가 하기에 서술될 것이다.

물을 이용한 전해질 침착물의 제거

본 발명의 제1실시예에 따르면, 전해질 입자 침착물은 산화기 조립체(114) 및 연료전지 시스템(100)의 적용에 의해 산화기 유니트(118)로부터 제거되므로써, 산화기 유니트(118)는 조립체(114)로부터 산화기 유니트(118)를 제거하지 않고서도 또한 연료전지 시스템(100)으로부터 조립체(114)를 제거하지 않고서도, 물 솔벤트에 노출될 수 있다. 특히, 조립체(114) 및 시스템(100)은 산화기 조립체(114)가 공급되어, 접촉할 충분한 양의 물을 수용하고 설정된 시간주기동안 산화기 유니트(118)의 표면(118a)을 담글 수 있도록 조정된다. 시스템(100)은 물처리중 깊은 시어모사이클(thermocycle) 스테이지 또는 상태에 있도록 조정되며, 이러한 상태에서 온도는 대기 온도로 하강되므로 시스템에 전력이 생성되지 않는다.

특히, 도3은 도2의 조립체(114)와 조정된 시스템(100)을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 입구/출구 개구(122)는 혼합기(116)의 혼합 영역(116a)에 제공되며, 이러한 입구/출구 개구(122)는 시스템(100)에 제공된 물 공급부(124) 및 배출부(126)에 결합된다. 3방 밸브 등과 같은 밸브(123)가 시스템(100)에 부가되어, 입구/출구 개구(122)를 통해 혼합기(116)로부터의 또는 혼합기를 향한 물 흐름을 제어하여, 연료전지 시스템(100)의 작동중에는 입구/출구 개구(122)를 폐쇄 상태로 유지시킨다.

연료전지 시스템이 깊은 시어모사이클 상태에 있고 전해질의 제거가 시작되었을 때, 밸브(123)의 입구부(123a) 및 부분(123b)은 밸브(123)의 출구부(123c)가 폐쇄된 상태로 유지될동안 물 공급부(124)로부터의 물이 입구/출구 개구(122)를 통해 혼합기(116)의 혼합 영역(116a)으로 흐르게 한다. 물은 혼합기(116)의 내부로 흘러, 산화기 유니트(118)가 물에 노출될 때까지, 특히 적어도 유니트(118)의 표면(118a)이 물에 잠길 때까지, 혼합 영역(116a)을 충진시킨다.

혼합기(116)에서의 물의 양이 설정의 수위에 도달하였을 때, 밸브부(123a, 123b)는 폐쇄된다. 산화기 유니트(118)의 표면(118a)은 설정된 시간주기동안, 즉 약 30분 내지 2시간동안 물에 잠긴 상태로 유지된다. 설정된 시간이 경과된 후, 표면으로부터 용해된 전해진 입자 침착물과 물은 혼합기(116)로부터 제거되며, 밸브부(123b, 123c)를 개방하므로써 입구/출구 개구(122)를 통해 배출부(126)를 통과한다. 물 및 용해된 전해질 침착물이 혼합 영역(116a)으로부터 제거될동안, 밸브부(123a)는 폐쇄된 상태로 존재한다. 또한, 혼합 영역(116a)으로부터 물 및 용해된 전해질의 제거를 도와주기 위해, 입구/출구 개구(122)에 결합된 노즐이 제공된다.

도3의 예시적인 실시예에서, 산화기 조립체(118)는 개구(122)가 혼합 영역(116b)의 하부에 제공되고, 상기 개구(122)가 물을 혼합기(116)에 제공하고 또한 혼합기(116)로부터 물을 제거하기 위해 사용될 수 있도록 형성된다. 인식할 수 있는 바와 같이, 산화기 유니트의 표면(118a)을 잠기게 하고 혼합기 유니트로부터 물 및 용해된 전해질 입자를 배출하기 위해, 산화기 조립체는 물 공급부(124)로부터 혼합기 유니트(116)로 물을 이송하기 위해 다른 방식으로 형성될 수도 있다.

예를 들어, 도4에 도시된 바와 같이, 산화기 조립체(114)는 스프링클러 등과 같은 하나이상의 물 분배 유니트(128)를 산화기 유니트(118)의 출구면(118b) 근처에 포함하도록 변형된다. 이러한 예시적인 배치에 있어서, 물은 물 공급부(124)로부터 각각의 물 분배 유니트(128)에 공급되어, 분배 유니트(128)로부터 산화기 유니트(118)의 구멍 또는 채널을 통해 혼합기(116)의 혼합 영역(116a)으로 흐르게 된다. 밸브(124a)는 물 공급부(124)와 물 분배 유니트(128) 사이에 제공되어, 유니트로의 물 공급을 제어한다. 시스템(10)의 깊은 시어모사이클 스테이지 또는 모드중에, 밸브(124a)가 개방되어 물이 물 공급부(124)로부터 분배 유니트(128)로 이송되게 하므로써 전해질 입자 침착물 제거를 시작한다.

도3에 도시된 예시적인 배치에 있어서, 물은 혼합기(116)의 혼합 영역(116a)을 충진하며, 산화기 유니트(118)의 표면(118a)을 적어도 잠기게 한다. 설정된 양의 물이 혼합 영역(116a)에 공급되었을 때, 밸브(124a)는 폐쇄되고, 전해질 제거의 차후 개시때까지 폐쇄된 상태로 유지된다. 산화기 유니트(118)의 표면(118a)은 표면상의 전해질 입자 침착물을 용해하기에 충분한 설정의 시간주기동안 물에 잠긴다. 이러한 예시적인 실시예에서, 설정의 시간주기는 약 30분 내지 2시간이다.

설정의 시간주기가 경과된 후, 전해질 입자 침착물의 전부 또는 대부분은 물에 용해되므로써 산화기 유니트(118)로부터 제거된다. 그후, 물 및 전해질의 혼합물은 혼합 영역(116a)에 제공된 개구(122)를 통해 혼합 영역(116)으로부터 제거된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 개구(122)는 혼합기(116)의 혼합 영역(116a)의 바닥부에 제공되어, 배출부(126)에 결합된다. 또한, 노즐(도시않음)은 혼합기(116)로부터의 물 제거를 계속 도와주기 위해, 배출부 개구(122)에 결합된다. 밸브(125)는 혼합기(116)로부터 물 제거를 제어하기 위해 개구(122)와 배출부(126) 사이에 제공된다. 특히, 밸브(125)는 설정의 시간주기가 경과된 후 개방되어, 물이 혼합 영역(116a)으로부터 개구(122)를 통해 배출부(126)로 흐르게 한다. 인식할 수 있는 바와 같이, 밸브(124a)가 개방되었을 때, 밸브(125)는 연료전지 시스템의 작동중 폐쇄되고; 촉매가 물에 잠겼을 때, 물은 설정의 시간주기중 분배 유니트(128)로부터 혼합 영역(116a)으로 공급된다.

물을 이용하여 산화기 촉매의 표면으로부터 포타슘 탄산염 전해질 입자의 제거는 포타슘 탄산염 용액에 노출된 산화 촉매의 시료상에서 검사된다. 이러한 검사를 위해 준비된 촉매 시료에 있어서, 산화 촉매의 시료는 각각의 시료에 충분한 포타슘 탄산염을 코팅하기 위해, 20중량% 포타슘 탄산염을 함유한 용액에 잠긴다. 각각의 시료는 약 1-4중량%의 포타슘 탄산염을 포함한다. 그후, 시료는 100℃에서 밤새도록 건조된다. 코팅된 시료는 약 30분간 물에 잠긴다. 각각의 시료에 사용된 물의 체적은 시료 각각의 체적 보다 약 5배 이다. 세척된 시료의 일련의 검사에 따르면, 모든 표면 전해질 코팅이 제거되었음을 나타내고 있다. 그 결과, 시료를 횡단하는 압력강하가 감소되고, 촉매의 활동성이 회복된다.

산화기 유니트(118)로부터 전해질 입자 침착물을 제거하기 위해 솔벤트로서 물이 사용되는 본 발명의 제2실시예에 있어서, 산화기 유니트(118) 및 시스템(100)은 설정의 온도에서 습한 가스를 유니트(118)를 통과시키도록 조정된다. 에어와 수증기를 포함하는 가스는 상기 습한 가스로 사용하기에 적합하다. 이 경우, 연료전지 시스템(100)은 전해질 침착물의 제거중 전력 생성모드가 아닌 저온(약 500℉)에 있거나 또는 고온 준비상태이도록 조정된다.

특히, 도5는 습한 가스 공급부(132)에 결합된 혼합기(116)에서 입구 개구(130)를 제공하도록 변형된 도2의 산화기 조립체(114)를 도시하고 있다. 이 경우, 시스템(100)이 정지되며; 상기 습한 가스는 조립체(114)로의 습한 가스의 분배를 제거하는 밸브(130a)를 개방하므로써, 습한 가스 공급부(132)로부터 개구(130)를 통해 혼합기(116)로 공급된다. 특히, 밸브(130a)는 전해질 침착물의 제거가 시작되었을 때 또한 습한 가스가 혼합 영역(116a)을 통과하는 것이 허용되었을 때 개방된다. 상기 습한 가스는 혼합 영역(116a)으로부터 산화기 유니트(118)를 통해 설정의 시간주기동안 흐른다. 상기 설정의 시간주기는 30분 내지 4시간이다.

혼합 영역(116a)에 공급된 습한 가스의 온도는 산화기 유니트(118)에서의 촉매 블럭의 온도 보다 낮도록 제어된다. 특히, 습한 가스의 온도는 약 55℃이며, 산화기 유니트(118)의 온도는 약 90℃로 유지된다. 산화기 유니트(118)의 온도가 습한 가스의 온도 보다 높기 때문에, 가스가 이를 통과할 때 유니트의 표면(118a)의 표면상에 물 낙하가 형성되어, 전해질 입자 침착물을 적신다. 그 결과, 전해질은 이러한 물 낙하에서 용해된다.

용해된 전해질은 혼합기(116)의 혼합 영역(116a)에 낙하된다. 도5에 있어서, 출구 개구(122)는 혼합 영역(116a)의 바닥부에 제공되며, 상기 개구(122)는 배출부(126)에 결합된다. 밸브(127)는 혼합 영역(116a)으로부터의 물 및 전해질 혼합물의 제거를 제어하기 위해 제공된다. 밸브(127)는 설정의 시간주기후에 개방되 며, 물에 용해된 전해질 침착물은 제거된다. 인식할 수 있는 바와 같이, 밸브(128)는 기타 다른 모든 시간중에는 폐쇄된다.

도5의 실시예의 변형예에 있어서, 혼합기 유니트(116)에 습한 가스를 공급하는 대신에, 습한 가스 공급부는 산화기 유니트(118)에 결합되고, 이를 통해 공급부를 거쳐 유니트의 출구에 결합된다. 이러한 배치에 있어서, 습한 가스는 산화기 유니트를 통해 혼합 영역을 통과한다. 상술한 바와 같이, 이것은 전해질 입자를 용해하는 산화 유니트(118)의 표면(118a)에 형성되는 물방울로 나타난다. 그후, 최종적인 용해된 전해질은 배출부(126)를 통한 제거를 위하여, 밸브(127)의 혼합 영역으로부터 개구를 거쳐 제거된다.

상술한 바와 같은 도5의 배치를 이용하여 산화 촉매의 전해질 코팅된 시료의 테스트에 따르면, 전해질의 90% 이상이 산화기 유니트(118)의 표면으로부터 제거될 수 있는 것으로 나타났다. 상술한 바와 같이, 이러한 제거는 아노드 배기가스와 캐소드 입구 가스 사이의 압력편차를 상당히 감소시켜, 촉매의 성능을 개선시킨다.

전해질 침착물의 연소

본 발명의 제3실시예에 따르면, 시스템(100) 및 산화기 조립체(114)는 산화기 유니트(118)의 표면(118a)으로부터 전해질 입자 축적물의 제거가 연소 또는 가열에 의해 실현되도록 적용된다. 이 경우, 연료전지 시스템(100)은 고온의 준비상태 예비점화 모드 또는 상태에 놓이며, 시스템에 의해서는 전력이 생성되지 않는다.

특히, 시스템(100)은 고온의 준비상태 예비점화 모드에서 작동되어, 산화기 조립체(114)내의 온도를 상승시키므로써, 산화기 촉매의 성능에 영향을 끼치지 않고 산화기 유니트(118)상의 전해질 입자 침착물의 플레이킹 및 기화를 유발시킨다. 특히, 온도는 약 790 내지 840℃로 증가된다. 연소에 적합한 에어 및 연료 비율을 조정하므로써 원하는 온도 목표가 달성될 것이며, 이에 의해 촉매 표면에서 더 높은 온도로 나타난다. 이 경우, 고온의 준비상태 예비점화중 최대 희망온도는 산화 촉매의 작동정지를 방지하기 위해 800℃ 이다. 조립체(114)의 온도가 약 790℃에 도달되었을 때, 산화기 유니트(118)의 표면상에 있는 전해질 입자 침착물은 표면(118a)으로부터 플레이크되기 시작한다. 이것은 조립체(114)의 냉각중 열팽창의 부정합에 의해서 뿐만 아니라, 상승한 온도에서 전해질 입자의 접착제 특성의 손실에 의한 것으로 여겨진다. 플레이크는 혼합 영역(116a)에 낙하되어, 혼합기(116)의 표면에 충돌한다.

이러한 제거 형태를 시뮬레이트하기 위한 검사에서는 전해질 침착물을 갖는 산화기 촉매 시료가 사용되었다. 이러한 검사를 위해 상술한 바와 동일한 처리과정을 사용하여 코팅된 시료가 준비되었다. 각각의 시료는, 전해질 코팅된 표면이 도2의 조립체(100)의 산화기 유니트(118)에서 촉매 블럭의 위치와 유사한 시료 표면을 형성하도록 역전된다. 시료는 약 2시간 내지 4시간 동안 790℃ 또는 840℃로 가열된다. 약 60%의 전해질 침착물이 790℃로 가열된 시료로부터 플레이크되었으며, 89%의 전해질 침착물이 840℃로 가열된 시료로부터 플레이크되었다.

도6은 연소 또는 가열에 의한 제거가 적용되도록 연료전지 시스템(100) 및 산화기 조립체(114)로 전해질 입자 침착물의 제거 전후의 연료전지 시스템의 성능 그래프를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, X축은 연료전지 시스템의 작동시간을 나타내며, Y축은 혼합기 유니트(116)의 혼합영역(116a)에서의 압력과 캐소드 입구에서의 산화 가스의 압력 사이의 압력편차를 나타낸다. 인식할 수 있는 바와 같이, 연료전지의 작동시간이 증가함에 따라, 압력편차도 증가한다. 압력편차의 증가는 혼합 영역에서 가스 압력의 증가와, 캐소드 입구에서 가스 압력의 동시 감소로 인한 것이다. 특히, 산화 촉매를 통과하는 가스의 양은 촉매 입구면상에 전해질 침착물의 축적으로 인해 감소된다.

도6에 도시된 바와 같이, 시스템 및 산화기 조립체의 연소 작용을 사용하여 전해질 입자가 09/05/03에서 산화기 촉매의 표면으로부터 제거된 후, 압력편차가 급격하게 감소된다. 따라서, 본 발명은 아노드 배기가스와 캐소드 입구 사이의 압력 분포를 회복시키며, 연료전지 시스템의 작동에 대한 안정성을 유지시킨다.

전해질 침착물의 여과

본 발명의 제4실시예에 따르면, 시스템(100) 및 산화기 조립체(114)는 전해질 입자를 포획하므로써 아노드 배기가스 및 에어 혼합물에서 전해질 입자를 제거하도록 조정된다. 특히, 도7에 도시된 바와 같이, 베인 필터(134)로 도시된 필터는 조립체(114)의 혼합기 유니트(116)의 혼합 영역(116a)내에 배치되어, 이를 통과하는 가스 혼합물의 전해질 입자를 제거한다. 따라서, 필터(134)는 전해질 입자를 연속적으로 제거하며, 시스템(10)은 조립체(114)에 내장된 산화기 유니트와 시스템(100)에 내장된 조립체(100)로 작동된다.

도7에 도시된 바와 같이, 베인 필터(134)는 혼합 영역(116a)에 배치되므로, 가스 혼합물은 산화기 유니트(118)에 도달하기 전에 필터(134)를 통과할 것이 요구된다. 이 경우, 베인 필터(134)는 가스의 흐름방향에 수직하므로, 필터 표면상에 전해질 입자의 직접적인 충돌을 허용하게 된다. 전해질 입자는 필터(134)의 표면상에 침착되므로써 가스 혼합물로부터 제거되며, 가스 혼합물의 나머지는 필터를 통해 산화기 유니트(118)를 통과한다.

도시된 경우에 있어서, 필터(134)의 하부는 혼합기의 혼합 영역(116a)의 가장 낮은 지점과 정렬된다. 그러나, 혼합 영역(116a)내에서 필터(134)의 위치는 산화기 유니트(118)에 도달하기 전에 영역(116a)을 통과하는 가스가 필터(134)를 통해 이송되는한 변화될 수 있음을 인식해야 한다.

도7에 도시된 배치에 있어서, 필터 표면에 침착된 전해질 입자는 중력으로 인해 필터의 하부에 낙하된다. 이러한 입자들은 제거될 때까지, 필터(134)의 하부에 축적된다. 축적된 입자는 주기적으로 제거될 수 있다. 이러한 예시적인 배치에 있어서, 배출부(126)에 결합된 개구(122)는 필터(134)의 아래에서 혼합 영역(116a)에 직접 제공된다. 밸브(127)는 개구(122)를 개폐하므로써 축적되어 있는 전해질 입자의 제거를 제어한다. 특히, 축적된 전해질 입자가 필터(134)에서 제거될 필요가 있을 때, 밸브(127)는 개방되며, 입자는 중력에 의해 개구(122)를 통해 배출부(134)로 낙하된다. 개구(122)를 통한 입자의 제거는 유지보수 일정중 주기적으로 실행되며, 이러한 작동중에는 조립체(100)는 대기 온도로 냉각된다.

도8은 베인 필터(134)의 단면도를 상세히 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 베인 필터는 다수의 플레이트(134a)를 포함하며; 이러한 플레이트는 서로 평행 하며, 가스 혼합물을 안내하는 다수의 통로(134b)를 형성한다. 상기 플레이트(134a)는 가스 혼합물과 플레이트 표면 사이에서 최대 접촉을 달성하도록 미리 선택된 형태를 취한다. 이것은 필터 플레이트상에 침착된 전해질 입자의 양을 증가시키는 필터 표면에 상당량의 가스 혼합물을 노출시킨다.

도8에 도시된 배치에 있어서, 베인 필터(134)는 다수의 이격된 주름잡힌 플레이트(1345a)를 포함하므로, 필터를 흐르는 가스 혼합물은 플레이트들 사이의 공간을 통해 흐르도록 지향된다. 이러한 배치를 사용하므로써, 필터의 통로(134b)를 따라 흐르는 가스의 방향은 여러번 변화되어, 필터 통로에서 가스의 상당한 혼합으로 귀결되며, 또한 가스 혼합물과 플레이트 표면사이에 최적의 접촉으로 귀결된다.

필터(134)의 칫수는 혼합기(116)의 크기와, 산화기 조립체(114)를 통과하는 가스의 양과, 가스 혼합물에서의 전해질 입자 농도와, 혼합기(116)를 통과하는 가스 혼합물의 속도 및 기타 다른 요소에 따라 변화될 수 있다. 도시된 경우에 있어서, 가스 혼합물의 속도는 약 10 내지 20 feet/sec(변화된 전력 생성조건에서)이며, 효과적인 전해질 입자 제거를 위하여 필터(134)가 적어도 4인치의 두께일 것이 요망된다. 또한, 필터(134)의 평행한 플레이트(134a)에 의해 형성된 통로(134b)의 폭은 혼합 영역의 압력에 영향을 끼치지 않고 효과적인 입자 제거를 허용할 수 있도록 충분해야만 한다. 특히, 이 경우, 통로(134b)는 약 0.25-0.5 인치 폭을 갖는다.

인식할 수 있는 바와 같이, 필터(134)의 내부에서 필터(134)와 필터 플레이트(134a)의 배치는 필터를 통한 가스 혼합물의 흐름을 최적화하고 필터 표면상에서 의 전해질 입자의 침착율을 최적하도록 변화된다.

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.

Claims

산화기 조립체에서 전해질 입자를 함유한 아노드 배기가스를 산화시키기 위한 산화기 유니트를 갖는 연료전지 시스템의 산화기 조립체를 사용하기 위한 방법에 있어서,

산화기 조립체로부터 전해질 입자가 제거될 수 있도록 산화기 조립체를 조정하는 단계와,

전해질 입자를 제거하는 단계를 포함하며,

상기 조정단계 및 제거단계는 산화기 조립체에 내장된 산화 유니트에서 발생되는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제1항에 있어서, 상기 조정단계 및 제거단계가 연료전지 시스템에 내장된 산화기 조립체에서 실행될 수 있도록 연료전지 시스템을 적용하는 단계를 부가로 포함하며, 상기 조정단계 및 제거단계는 연료전지 시스템에 내장된 산화기 조립체에서 실행되는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제2항에 있어서, 상기 조정단계는 전해질 입자가 제거될 수 있도록 산화기 유니트와 접촉하는 솔벤트를 수용하는 산화기 조립체를 포함하며, 상기 제거단계는 솔벤트 및 제거된 전해질 입자를 산화기 조립체로부터 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제3항에 있어서, 상기 솔벤트는 액체 및 증기 형태중 한가지로 유입되는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제4항에 있어서, 상기 산화기 조립체는 산화기 유니트의 입력을 공급하며 이에 연결된 혼합기 유니트를 포함하며, 상기 혼합기 유니트는 산화 가스 및 아노드 배기가스를 수용하여 이를 혼합한 후 그 혼합된 가스를 산화기 유니트의 입력부에 공급하며; 상기 솔벤트의 수용은 혼합기 유니트의 개구와 산화기 유니트의 출력부중 하나를 통해 이루어지고, 상기 배출단계는 혼합기 유니트의 개구를 통해 이루어지며, 상기 연료전지 시스템의 적용단계는 상기 수용단계 및 배출단계를 실행할 수 있도록 솔벤트 공급부와 밸브 조립체 및 배출부를 제공 및 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제5항에 있어서, 상기 수용단계는 산화기 유니트의 출력부를 통해 이루어지고, 상기 연료전지 시스템의 적용단계는 상기 수용단계가 가능하도록 솔벤트 공급부에 부착된 스프링클러를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제5항에 있어서, 전해질 입자는 탄산염을 포함하고, 상기 솔벤트는 액상의 물을 포함하며, 상기 접촉은 20분 내지 120분 범위의 시간주기동안 발생되며, 상기 연료전지 시스템의 적용단계는 연료전지 시스템을 깊은 시어모사이클 모드로 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제5항에 있어서, 전해질 입자는 탄산염을 포함하고, 상기 솔벤트는 에어 및 기화된 물을 포함하며, 상기 접촉은 30분 내지 240분 범위의 시간주기동안 발생되며, 상기 연료전지 시스템의 적용단계는 연료전지 시스템을 저온에서 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제8항에 있어서, 상기 기화된 물의 온도는 약 55℃ 이고, 상기 산화기 조립체의 온도는 약 90℃ 인 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제2항에 있어서, 상기 산화기 조립체의 적용단계는 산화기 조립체가 전해질 입자를 포획할 수 있게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제10항에 있어서, 산화기 조립체는 산화기 유니트의 입력을 공급하며 이에 연결된 혼합기 유니트를 포함하며, 상기 혼합기 유니트는 산화 가스 및 아노드 배기가스를 수용하여 이를 혼합한 후 그 혼합된 가스를 산화기 유니트의 입력부에 공급하며; 상기 산화기 조립체가 전해질 입자를 포획할 수 있게 하는 단계는 혼합 가스의 경로에서 혼합기 유니트에 필터를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제11항에 있어서, 상기 전해질 입자의 제거단계는 여과된 전해질 입자를 필터로부터 혼합기 유니트의 개구를 통해 배출하는 단계를 포함하며, 상기 연료전지 시스템의 적용단계는 여과된 전해질의 배출을 실행할 수 있도록 배출부 및 밸브 조립체를 제공하여 이를 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제2항에 있어서, 상기 산화기 조립체의 조정단계는 전해질 입자의 플레이킹이 가능하도록 산화기 조립체를 가열하는 단계를 포함하며, 상기 제거단계는 플레이크된 전해질 입자를 기화시키도록 산화기 조립체를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제13항에 있어서, 전해질 입자는 탄산염을 포함하고, 상기 가열단계는 790℃ 내지 840℃ 범위의 온도에서 실행되며, 상기 연료전지 시스템의 적용단계는 연료전지 시스템을 예비점화 고온 준비상태 모드로 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화기 조립체 사용 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위해 산화기 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
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제11항의 방법을 실시하기 위한 산화기 조립체를 포함하는 조립체에 있어서,

상기 필터는 다수의 이격된 주름잡힌 플레이트를 포함하는 베인 필터인 것을 특징으로 하는 조립체.
제11항의 방법을 실시하기 위한 산화기 조립체를 포함하는 조립체에 있어서,

상기 혼합기는 포획된 전해질 입자를 필터로부터 통과시키기 위해 상기 필터와 연결되는 출구를 갖는 것을 특징으로 하는 조립체.
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