KR101543824B1 - 연료전지 발전장치 방출물 감소 시스템 및 방법 - Google Patents

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존 엘. 프레스톤
피터 에프. 폴리
폴 알. 한라한
조슈아 디. 이솜
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두산 퓨얼 셀 아메리카, 인크.
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Abstract

연료전지 발전장치(10) 시스템 및 그 작동 방법은 연료전지 적층체(28) 및 리포머(24)와 같은 연료 보유 요소를 모터 격실(14) 내의 구동 요소로부터 격리된 연료 격실(12) 내에 수용하는 것과, 전지 적층체(28) 및/또는 버너(26)와 같은 연료 보유 요소를 사용하여 연료 격실(12) 내에 누출된 연료를 소모하는 것을 포함함으로써 발전장치로부터의 연료 방출물이 감소한다.

Description

연료전지 발전장치 방출물 감소 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR REDUCING FUEL CELL POWER PLANT EMISSIONS}
본 발명은 일반적으로 연료전지 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방출물을 감소시키기 위한 연료전지 발전장치 시스템 및 이의 작동 방법에 관한 것이다.
연료전지 발전장치는 정지식 발전장치를 포함하는 다양한 용례에 대하여 대중화되고 있다. 연료전지 발전장치는 탄화수소 연료 소스를 기체상태의 수소 농후 연료로 전환하기 위해 리포머(reformer)를 활용할 수 있는데, 기체상태의 수소 농후 연료는 전기화학반응을 통해 가용 전기와 열을 생성하기 위해 공기와 같은 산화제와 함께 연료전지에 공급된다. 다중 연료전지는 통상적으로 발전장치의 전체적인 에너지 출력을 증가시키기 위해 전지 적층 조립체("CSA")를 형성하도록 반복적인 방식으로 함께 적층된다. 이러한 적층 배열체는 CSA를 통해 연료를 유도하고 수용하도록 밀봉된 많은 매니폴드와 연결부 및 다른 연료 보유(bearing) 요소를 요구한다. 불행하게도, 이러한 밀봉체는 시간이 지남에 따라 열화하는 경향이 있어 연료전지 발전장치의 주위 환경으로의 연료의 누출을 초래할 수 있다. 연료의 몇몇 구성성분은 과도한 수준에 도달되는 경우 환경에 유해할 수 있는 물질 및/또는 온실가스이기 때문에, 환경 보호를 위해 이러한 방출물을 최소화하고 발전장치의 총 수명에 걸쳐 정부 표준을 충족시킬 필요가 있다.
본 발명은 연료 보유 요소가 연료를 누출할 수 있는 격실에 발전장치의 연료 보유 요소를 수용하고, 누출된 연료의 소모를 위해 누출된 연료가 연료 보유 요소로 재차 공급되도록 상기 격실 내에 유로를 형성함으로써 연료전지 발전장치를 작동시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료전지 발전장치에 대한 본 발명의 실시예를 포함하는 개략도가 도시된다.
방출물을 감소시키기 위해 연료전지 발전장치를 작동시키는 시스템 및 방법은 연료전지 적층 조립체 또는 버너와 같은 연료 보유 요소를, 예컨대 연료가 누출될 수 있는 격실 내에 수용하는 것과, 누출된 연료의 소모를 위해 누출된 연료가 연료 보유 요소로 재차 공급되도록 격실 내에 유로를 형성하는 것을 포함한다. 예를 들어, 누출된 연료를 캐소드 및/또는 버너로 공급하기 위해 송풍기가 사용될 수 있으며, 수소, 일산화탄소, 및 메탄을 포함하는 누출된 연료의 잠재적으로 유해한 구성성분은 캐소드 및/또는 버너에서 대부분 소모될 것이며, 이로 인해 발전장치의 방출물은 상당히 감소하고 이하 상세하게 설명하는 바와 같이 작동 효율은 증가할 것이다.
연료 격실(12), 모터 격실(14), 격벽(16), 격벽(18), 주위 공기(20), 연료 소스(22), 리포머(24), 버너(26), 연료전지 적층체(28), 애노드(30), 캐소드(32), 버너 송풍기(34), 버너 송풍기 입구(36), 캐소드 송풍기(38), 캐소드 송풍기 입구(40), 연료 격실 팬(42), 모터(44, 46, 48 및 50), 팬(52), 연료 격실 공기 입구(54), 모터 격실 공기 입구(56)를 포함하는 연료전지 발전장치(10)가 개략적으로 도시된다. 큰 화살표는 연료 격실(12)과 모터 격실(14)을 통과하는 주위 공기(20)로의 그리고 주위 공기로부터의 공기의 일반적인 흐름(general flow)을 도시하며, 작은 화살표는 반응물과 배기를 나르기 위해 F1, F2, A1, A2, A3, A4 및 A5를 포함하는 둘러싸인 유동 필드(enclosed flow field)를 나타낸다.
연료전지 발전장치(10)는 연료 보유 요소를 수용하는 연료 격실(12), 및 모터 요소와 전기 요소를 수용하는 모터 격실(14)을 포함한다. 연료전지 발전장치(10)는 격벽(16)으로 둘러싸이며, 격벽(18)에 의해 연료 격실(12)이 모터 격실(14)로부터 격리된다. 격벽(16)은 모터 격실(14)과 연료 격실(12)의 둘러싸인 공간을 발전장치(10) 외부의 주위 공기(20)로부터 분리하는 역할을 한다. 연료 소스(22)는 연료 격실(12) 내의 연료 보유 요소에 탄화수소 연료를 공급하기 위해 발전장치(10)에 연결된다. 연료 보유 요소는 리포머(24) 및 [리포머(24)와 함께 통합되어 도시된] 버너(26)와, 각각 애노드(30)와 캐소드(32)를 포함하는 다중 연료전지[편의상 단일의 애노드(30)와 캐소드(32)만을 도시함]를 포함하는 연료전지 적층체(28)와, 전지 적층 조립체(28)로부터 그리고 전지 적층 조립체로 연료를 나르기 위한 유동 필드와 관련된 임의의 배관 또는 다른 물리적 요소를 비제한적으로 포함할 수 있다.
개략도에 도시된 바와 같이, 연료 소스(22)로부터의 연료는 리포머(24)로 공급되는데, 리포머에서 연료는 유동 필드(F1)를 통해 애노드(30)로 공급되는 수소 농후 반응물 연료 스트림으로 처리된다. 이 수소 농후 연료 스트림은 연료전지가 활용되는 유형에 따라 천연가스, 디젤, 제트 연료, 또는 기타 탄화수소 연료를 포함할 수 있는 연료의 처리로부터 발생되는 일산화탄소, 메탄, 및 기타 미량 원소도 포함할 것이다. 반응제 수소(reactant hydrogen)의 대부분은 전지 적층제(28)의 연료전지의 전기화학반응에 의해 소모되지만, 소모되지 않은 잔류 수소는 메탄, 일산화탄소, 및 기타 소모되지 않은 연료 성분들과 함께 유동 필드(F2)를 통해 버너(26)로 공급되기 위해 애노드(30)를 빠져나갈 것이다. 이러한 소모되지 않은 연료 성분들의 연소를 돕기 위해, 버너 송풍기 입구(36)를 갖는 버너 송풍기(34)에 의해 공급되는 공기가 유동 필드(A1)를 통해 버너(26)로 공급된다.
연료는 전지 적층체(28)의 애노드(30)로 공급되지만, 반응제 산소를 포함하는 공기는 캐소드 송풍기 입구(40)를 갖는 캐소드 송풍기(38)에 의해 유동 필드(A2)를 통해 캐소드(32)로 공급된다. 공기 중의 반응제 산소는 전지 적층체(28)의 연료전지의 전기화학반응에 의해 소모되며, 임의의 소모되지 않은 잔류 산소는 일산화탄소, 질소 및 수증기와 함께 유동 필드(A3)를 통해 캐소드(32)로부터 배기된다. 유동 필드(A3)의 배기와 함께, 수소와 같은 반응물이 거의 없거나, 또는 유해한 미량의 일산화탄소나 메탄을 포함하는 유동 필드(A4)의 버너(26)로부터의 배기는 유동 필드(A3)와 합쳐져 유동 필드(A5) 및 팬(42)의 작용을 통해 연료 격실(12) 및 연료전지 발전장치(10)로부터 방출될 수 있다. 유동 필드(A5)는 예컨대 내부에 팬(42)이 배치되는 도관일 수 있다.
연료전지 발전장치(10)의 작동 도중, 수소, 일산화탄소 및 메탄을 포함하는 연료는 연료 보유 요소, 특히 시간이 지남에 따라 열화되는 경향이 있는 많은 밀봉부와 연결부를 구비한 전지 적층체(28)로부터 누출될 수 있다. 연료와 산소의 잠재적으로 연소가능한 혼합물이 형성되는 것을 방지하기 위해, 연료 격실(12) 내부의 공기는 예컨대 팬(42)을 통해 주위 공기(20)로 방출될 수 있다. 팬(42)은 주위 공기(20)에 대해 연료 격실(12) 내부에 부압을 형성하도록 또한 작용하며, 주위 공기(20)로부터 공기 입구(54)를 통한 격실(12) 공간 안으로의 공기 유동(큰 화살표로 도시됨)을 촉진하는 것을 보조함으로써 누출된 연료와 공기의 잠재적 가연성 혼합물을 희석시킨다.
팬(42)을 통해 연료 격실(12)로부터 공기를 배출하는 것은 연료 격실(12) 내에서 연소가능한 수소의 혼합물이 형성되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있지만, 수소와 함께 배기될 누출된 연료 중의 특정 레벨의 일산화탄소, 메탄, 및 기타 잠재적으로 유해한 성분들은 환경에 유해할 수 있다. 이러한 문제를 완화하기 위해, 캐소드 송풍기(38)와 버너 송풍기(34)가 연료 격실(12) 내부에 배치됨으로써 송풍기 입구(40)와 송풍기 입구(36)가 전지 적층체(28)의 부근에 있게 된다. 이러한 배치는 많은 이점을 갖는다.
예를 들어, 전지 적층체(28) 및 다른 연료 보유 요소로부터 연료 격실(12) 내에 포함된 공기로 누출된 연료의 일부는 송풍기 입구(40)를 통해 캐소드 송풍기(38)에 의해 캐소드(32)로 공급되도록 견인될 것이며, 수소와 일산화탄소를 포함하는 누출된 연료 성분은 캐소드에서 전지 적층체(28)의 연료전지의 전기화학반응에 의해 소모될 것이다. 누출된 수소의 레벨은 통상적으로 연료전지에 걸리는 역 전위(reverse potentials)의 가능성과 같은 전지 적층체(28)에 대한 임의의 잠재적 손상이 감지되지 않을 정도로 충분히 작을 것이다. 추가적으로, 누출된 연료의 일부는 버너 송풍기(34)에 의해 버너(26)로 공급되도록 송풍기 입구(36)를 통해 견인될 것이며, 수소, 일산화탄소, 및 메탄을 포함하는 누출된 연료 성분은 버너에서 연소에 의해 소모될 것이다. 결과적으로, 유동 필드(A5)를 통해 연료 격실(12)을 빠져나가는 배기는 단지 캐소드(32)에 의해 반응하지 않은 미량의 메탄을 포함하고, 캐소드(32)와 버너(26) 모두에 의한 소모로 인해 더 적은 양의 일산화탄소와 수소를 포함할 것이다.
추가적으로, 송풍기 입구(40)와 송풍기 입구(36)가 전지 적층체(28)의 주위에 있도록 캐소드 송풍기(38)와 버너 송풍기(34)를 배치함으로써, 전지 적층체(28)와 다른 요소들, 예컨대 리포머(24)와 버너(26)를 지나는 냉각 공기 유로를 형성하는 부압의 국부적인 부압 영역이 연료 격실(12) 내에 형성된다. 공기 유로의 일반적인 방향은 격벽(16)의 공기 입구(54)의 위치, 및 송풍기 입구(40) 및 송풍기 입구(36)와 같은 연료 격실(12) 내의 다른 입구들의 상대적 위치를 변경함으로써 특정한 구성 및 임의의 연료전지 발전장치(10)의 요구에 적합하게 개조될 수 있다. 또한, 캐소드 송풍기(38)와 버너 송풍기(34)는 연료전지 발전장치(10)로부터 유해한 방출물을 감소시키고 냉각 공기 유로를 형성하기 위해 단독으로 또는 조합되어 사용될 수 있으며, 재소모를 위해 누출된 연료를 연료 격실(12) 내의 공간으로부터 캐소드(32) 및/또는 버너(26) 안으로 재차 공급하도록 팬, 송풍기, 펌프, 또는 다른 장치 및 방법이 사용될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
연료 격실(12) 내에 냉각 공기 유로를 형성하기 위해 캐소드 송풍기(38)와 버너 송풍기(36) 중 하나 또는 모두를 사용하는 추가적인 이점은 송풍기 입구(40)와 송풍기 입구(36)에 도달하는 공기가 예열 됨으로써 고객의 사용을 위한 발전장치(10)로부터의 가용한 열, 예컨대 전지 적층체(28)와 같은 고온의 요소에 유체 연결된 열교환기에 의해 제공되는 열이 증가할 것이다. 또한, 가열된 공기를 캐소드(32)에 공급함으로써 열 효율이 증가하는데, 이는 전기화학반응이 작동을 위해 특정한 정도의 열을 필요로하며, 버너(26)에서의 연소를 위해 누출된 연료를 재포획하는 것이 더 많은 가용 열을 생성할 것이기 때문이다.
캐소드 송풍기(38) 및/또는 버너 송풍기(36)가 충분히 강력하다면, 송풍기는 누출된 연료를 희석하기 위한 격실(12) 안으로의 신선 공기의 유동을 유지하기에 충분한 부압을 연료 격실(12) 내부에 제공할 것이고 또한 캐소드(32) 및/또는 버너(26)에 의해 이미 대부분 소모된 누출된 연료를 격실(12)로부터 주위 공기(20)로 배기하기에 충분한 정압을 생성할 것이기 때문에, 팬(42)의 필요성이 제거될 수도 있는 것으로 이해될 수 있다. 팬(42)의 필요성을 제거함으로써, 재료 비용, 중량, 및 기생 전력 소비(power draw)가 감소할 것이다. 팬(42)이 캐소드 송풍기(38) 및/또는 버너 송풍기(36)와 함께 사용된다면, 팬(42)에 대한 전력 요구는 감소할 것이고 발전장치(10)의 효율은 증가할 것이다.
가연성 혼합물의 연소 가능성을 또한 방지하기 위해, 연료 격실(12)은 격벽(18)에 의해 모터 격실(14)로부터 격리되는데, 모터 격실은 캐소드 송풍기(38) 구동용 모터(44), 버너 송풍기(34) 구동용 모터(46), 팬(42) 구동용 모터(48), 및 팬(52) 구동용 모터(50)를 비제한적으로 포함하는 스파크를 유발할 수 있는 절연되지 않은 전기 요소를 수용한다. 팬(52)은 주위 공기(20)로부터 공기 입구(56)를 통해 모터 격실(14) 안으로 공기를 견인하도록 작용하여, 모터 요소의 냉각을 유지하기 위한 (큰 화살표로 도시된) 공기 유로를 형성하고, 격실(14) 내의 압력을 주위보다 약간 높게 그리고 연료 격실(12) 내의 압력보다 높게 상승시킴으로써, 격벽(18)을 가로지르는 격실(14) 안으로의 누출된 연료의 잠재적 침투를 방지한다.
개략도에 도시된 바와 같이, 캐소드 송풍기(38), 버너 송풍기(34), 및 팬(42)은 연료 격실(12) 내에 배치되어 있으며, 모터(44), 모터(46), 및 모터(48)는 안전상의 이유로 격벽(18)의 타측인 모터 격실(14) 내에 배치된다. 이러한 배치에서, 캐소드 송풍기(38), 버너 송풍기(34), 및 팬(42)은 예컨대 알루미늄 요소와 같은 스파크를 일으키지 않는 요소를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 구동축 또는 자석 커플링과 같은 다른 동력전달장치는 각각의 모터로부터 각각의 송풍기와 팬으로 동력을 전달하는데 사용될 수 있다. 모터를 연료 격실(12)이 아니라 모터 격실(14)에 배치함으로써, 모터는 잠재적 가연성 환경에서 안전하게 작동하도록 제작될 필요가 없으며, 이로써 모터의 비용이 절감된다.
또한, 모터 격실(14)과 연료 격실(12) 모두에 수용된 연료전지 발전장치(10)의 요소들에 주위 공기(20)로부터의 먼지 및 다른 잔해물과 같은 미립자가 축적되는 것을 방지하기 위해, 거친(coarse) 공기 필터와 같은 필터가 공기 입구(56) 및/또는 공기 입구(54)에 사용될 수 있다. 캐소드 송풍기(38)와 버너 송풍기(34)는 통상적으로 송풍기 입구(40)와 송풍기 입구(36)에 사용되기 위해 값비싼 공기 마이크로필터를 필요로 한다. 공기 입구(54)에 거친 공기 필터를 사용함으로써, 마이크로필터를 교체해야 하는 빈도가 줄어들게 되고, 이로써 비용이 절감된다. 거친 공기 필터는 예컨대 시판되는 표준형 퍼니스 필터(furnace filter)가 될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조로 설명되었으나, 본 기술분야의 기술자는 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 세부사항 및 형태가 변경될 수 있음을 인지할 것이다.

Claims (20)

  1. 연료전지 발전장치 시스템이며,
    전지 적층 조립체, 버너, 및 연료가 누출될 수 있는 공기를 수용하는 제1 격실과,
    소모를 위해 공기 및 누출된 연료를 버너 내로 공급하는 제1 격실 내의 제1 유로를 형성하기 위한 제1 송풍기와,
    적어도 공기를 전지 적층 조립체(28) 내로 공급하는 제1 격실 내의 제2 유로를 형성하기 위한 제2 송풍기(38)를 포함하고,
    제1 송풍기 및 제2 송풍기는 전지 적층 조립체를 지나는 냉각 공기 유로를 생성하기 위해 전지 적층 조립체의 근처에서 제1 격실 내측에 위치 설정되는 입구를 각각 갖는
    연료전지 발전장치 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    전지 적층 조립체는 캐소드를 포함하며,
    제2 유로로부터의 공기는 캐소드에서 소모되는
    연료전지 발전장치 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    연료는 수소, 일산화탄소 및 메탄을 포함하는
    연료전지 발전장치 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    제2 격실을 더 포함하고,
    제1 송풍기 및 제2 송풍기는 제1 격실 내의 송풍기부 및 제2 격실 내의 모터부를 각각 포함하는
    연료전지 발전장치 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    각각의 송풍기는 스파크 저항성 재료를 포함하는
    연료전지 발전장치 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    제1 송풍기 및 제2 송풍기는 누출된 연료가 제1 격실의 외부로 이동하는 것을 방지하기 위해 제1 격실 외부의 주위 공기에 대해 제1 격실 내에 부압을 형성하는
    연료전지 발전장치 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 격실은 공기 입구를 갖는 격벽을 포함하며,
    공기 입구는 제1 격실로 미립자가 유입되는 것을 방지하는 필터를 포함하는
    연료전지 발전장치 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 격실로부터의 공기 및 버너로부터의 배기를 제1 격실 외부로 방출하기 위한 팬을 더 포함하는
    연료전지 발전장치 시스템.
  9. 연료전지 발전장치를 작동시키는 방법이며,
    연료가 누출될 수 있는 격실 내에 수용된 전지 적층 조립체에 연료를 공급하는 단계와,
    소모를 위해 공기 및 누출된 연료를 전지 적층 조립체 내로 재차 공급하도록 격실 내의 제1 유로를 형성하기 위해 제1 송풍기를 이용하는 단계와,
    공기 및 누출된 연료를 격실 내에 수용된 버너 내로 공급하도록 격실 내의 제2 유로를 형성하기 위해 제2 송풍기를 이용하는 단계와,
    전지 적층 조립체를 지나는 냉각 공기 유로를 생성하기 위해 전지 적층 조립체의 근처에 제1 송풍기 및 제2 송풍기를 위치 설정하는 단계를 포함하는
    연료전지 발전장치를 작동시키는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    전지 적층 조립체는 캐소드를 포함하고,
    누출된 연료는 캐소드에서 소모되는
    연료전지 발전장치를 작동시키는 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    연료는 수소, 일산화탄소 및 메탄을 포함하는
    연료전지 발전장치를 작동시키는 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    각각의 송풍기는 스파크 저항성 재료를 포함하는
    연료전지 발전장치를 작동시키는 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    누출된 연료가 격실의 외부로 이동하는 것을 방지하기 위해 격실 외부의 주위 공기에 대해 격실 내에 부압을 형성하는 단계를 더 포함하는
    연료전지 발전장치를 작동시키는 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    격실 외부의 주위 공기에 대한 격실 내의 부압에 의해 격실로 유입되는 공기를 여과하는 단계를 더 포함하는
    연료전지 발전장치를 작동시키는 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    격실로부터의 공기 그리고 버너로부터의 배기를 격실 외부로 방출하기 위해 팬을 사용하는 단계를 더 포함하는
    연료전지 발전장치를 작동시키는 방법.
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