KR101578958B1 - 연료전지 캐소드 배기로부터 물을 전달하기 위한 물 회수 조립체 - Google Patents

Abstract

아노드 및 캐소드를 가지며 상기 아노드는 연료를 수용하고 아노드 배기를 출력하며 상기 캐소드는 산화제 가스를 수용하고 캐소드 배기를 출력하는 연료전지 시스템에 사용하기 위한 물 전달 조립체는 캐소드 배기로부터 비휘발성 오염물을 포함하고 있는 제1물 부분을 회수하고 세척된 캐소드 배기 및 제1물 부분을 출력하기 위해, 캐소드 배기를 수용하여 캐소드 배기를 켄칭냉각하는 제1냉각 조립체와; 상기 세척된 캐소드 배기를 수용하며 상기 세척된 캐소드 배기로부터 상기 아노드에 공급된 연료를 가습하기에 적절한 세척된 캐소드 배기로부터 제2물 부분을 회수하도록 형성된 제2냉각 조립체를 포함한다.

Description

연료전지 캐소드 배기로부터 물을 전달하기 위한 물 회수 조립체{WATER RECOVERY ASSEMBLY FOR TRANSFERRING WATER FROM FUEL CELL CATHODE EXHAUST}

본 발명은 물 회수에 관한 것으로서, 특히 고온 연료전지 시스템에 사용하기 위한 물 회수에 관한 것이다.

연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학 반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로, 연료전지는 전기적으로 충전된 이온을 전도하는 전해질에 의해 분리되는 아노드 전극 및 캐소드 전극을 포함한다. 용융 탄산염 연료전지 등과 같은 고온 연료전지는 이산화탄소 및 산소를 포함하는 산화제 가스가 캐소드를 통과할 동안 반응물 연료 가스를 아노드를 통과시킴으로써 작동된다.

연료전지에 공급된 반응물 가스, 특히 아노드에 공급된 반응물 연료 가스는 반응물 가스의 충분한 이온 전도성을 제공하고 또한 연료전지에 탄소 침착(deposition)을 방지하기 위해, 적절한 또한 충분한 연료전지 작동을 위해 연료에 원하는 탄소-스팀 비율을 유지하도록 충분히 가습되어야만 한다. 반응물 가스를 가습하기 위해 연료전지 시스템에 의해 소비된 물의 양은 일반적으로 매우 중요하며, 연료전지 시스템에 지속적인 물 공급을 필요로 한다.

반응물 가스와 산화제 가스 사이의 전기화학 반응은 가열된 캐소드 배기 가스 및 가열된 아노드 배기를 포함하는 가열된 연료전지 배기 가스의 일부로서 출력되는 수증기를 생산한다. 외부 소스로부터 연료전지 시스템에 공급된 물을 제한하거나 제거하기 위해, 연료전지 배기 가스의 수증기를 다른 배기 성분들로부터 분리시키고 분리된 물을 재순환시켜 반응물 가스를 가습하는 것이 바람직하다. 물 재순환 시스템의 실시예는 아노드 배기 스트림으로부터 물을 분리하기 위해 쿨러 및 응축기를 사용하는 단계와 그후 분리된 물을 보일러 및 히터를 통과시키는 단계와 상기 물을 아노드 격실(compartment)의 입구로 공급하는 단계를 교시하는 미국 특허 제5,068,159호 및 제4,039,579호에 개시되어 있다.

동일 양수인에게 양도된 미국 특허 제7,060,382호에는 부분압력 선회 물 전달 휘일 형태의 물 전달 조립체가 아노드 배기의 수증기를 연료 공급부로의 물로 분리 및 전달하는데 사용되는 시스템이 개시되어 있다. 상기 미국 특허에는 상기 전달이 아노드 배기가 산화제 공급 가스, 물 재순환 기화 및/또는 냉각수 또는 공기팬에 의해 냉각되는 열교환기를 사용함으로써 실행되는 시스템도 개시되어 있다. 냉각된 후, 상기 스트림은 전해질 오염된 물이 제거되는 스크러빙 및 블로우다운(blowdown) 조립체로 공급된다. 그후, 최종적인 스트림은 열교환기에서 공기팬 또는 냉각수에 의해 계속 냉각된 후, 스트림은 응축 유니트로 공급된다. 상기 유니트에서, 스트림이 이산화탄소 전달 조립체로 계속 공급될 동안, 물은 제거되어 연료 공급부로 공급된다.

연료전지 배기의 물을 분리하기 위한 종래의 많은 시스템은 배기로부터 충분한 양의 물을 응축하기 위해 연료전지를 떠나가는 고온의 아노드 배기 가스를 냉각하는 복잡하면서도 값비싼 냉각 시스템을 사용한다. 종래 시스템에서 아노드 배기의 이런 냉각은 파워 소비로 나타나서, 시스템의 작동 비용을 증가시키고, 아노드와 캐소드 사이의 압력 평형을 곤란하게 한다. 전형적으로, 아노드 배기는 연료전지 격실로부터 분리되어 제거되지 않으며, 이에 따라 아노드 배기 냉각의 실행은 현존의 시스템에 쉽게 부가할 수 없는 특수한 배관을 필요로 한다. 캐소드 배기는 통상적으로 대기로 통기(vent)되며, 캐소드 배기 스트림으로부터의 물 회수는 연료전지의 전형적인 작동에 충격을 주지 않고 달성되며, 현존의 유니트에서 용이하게 개조될 수 있다. 또한 열 회수는 배기의 냉각을 돕기 때문에 캐소드 배기로부터 열을 회수하는 유니트에서 양호하게 작동된다. 일부 시스템은 캐소드 배기의 소모된 산화제 가스의 존재로 인해 충분한 양의 물을 전달하기 위해 캐소드 배기 가스가 아노드 배기 보다 더 큰 냉각을 요구하기 때문에, 아노드 배기로부터 물을 전달한다. 특히, 아노드 배기는 캐소드 배기가 약 115℉ 로 냉각되어야만 하는 반면에, 충분한 양의 물을 응축하기 위해 전형적으로 약 140℉ 로 냉각되어야만 한다. 그러나, 설치의 용이함으로 인해, 특히 캐소드 배기가 폐열 회수를 갖는 물 회수 시스템에 사용될 때, 물 캐소드 배기 물 회수 시스템이 자주 선호된다.

따라서, 본 발명의 목적은 작동에 상당한 파워를 필요로 하지 않으며 또한 연료전지 시스템과 일체화된 복잡한 냉각 설비를 필요로 하지 않고 캐소드 배기로부터 물을 분리 및 전달할 수 있는 개선된 물 전달 조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전해질 오염이 없는 물을 생산하며 이에 따라 물 처리 시스템에 대한 필요성을 제거하는 물 전달 조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 연료전지 시스템의 제조 및 작동 효율이 양호하게 나타나는 물 전달 조립체를 제공하는 것이다.

상술한 목적 및 기타 다른 목적들은 연료를 수용하여 아노드 배기를 출력하는 아노드와 산화제 가스를 수용하여 캐소드 배기를 출력하는 캐소드를 갖는 연료전지 시스템에 사용하기 위한 물 전달 조립체에서 실현된다. 상기 물 전달 조립체는 제1냉각 조립체 및 제2냉각 조립체를 포함하며; 상기 제1냉각 조립체는 캐소드 배기를 수용하여 캐소드 배기를 켄칭냉각함으로써, 캐소드 배기로부터 비휘발성 오염물을 포함하고 있는 제1물 부분을 회수하여 세척된 캐소드 배기 및 제1물 부분을 출력하며; 상기 제2냉각 조립체는 세척된 캐소드 배기를 수용하여, 아노드에 공급된 연료를 가습하기에 적절한 세척된 캐소드 배기로부터 제2물 부분을 회수한다.

이러한 실시예에서, 제1냉각 조립체는 캐소드 배기를 통과시키고 상기 캐소드 배기를 냉각하여 제1물 부분을 생산하기 위한 스프레이 물을 수용하는 냉각 통로를 포함한다. 제1냉각 조립체는 캐소드 배기로부터 제1물 부분을 분리하고 상기 제1물 부분 및 세척된 캐소드 배기를 출력하기 위한 제1분리 부재도 포함한다. 일부 실시예에서, 제1냉각 조립체는 제1분리 부재에 의해 출력된 제1물 부분으로부터 전해질을 포함하는 비휘발성 오염물을 제거하고 그후 제1물 부분을 스프레이 물로서 냉각 통로로 출력하기 위한 블로우다운 조립체를 부가로 포함한다. 일부 실시예에서, 제1분리 부재는 캐소드 배기를 켄칭 및 세척하기 위해 외부 물 공급부로부터 제2물 부분 및/또는 보충 물의 일부를 수용한다. 보충 물은 전형적으로 물 회수를 위해 캐소드 배기를 원하는 온도로 냉각하는 것이 불가능할 때 고온의 날씨에만 필요하다. 보충 물은 제2냉각 조립체의 물이 오염되는 것을 피하기 위해 보충물을 제1분리 부재에 통과시키기 전에 염소 및 휘발성 오염물을 제거하는 필터를 사용함으로써 처리된다.

상기 제2냉각 조립체는 세척된 캐소드 배기를 냉각하고 상기 세척된 캐소드 배기로부터의 제2물 부분을 응축하는 냉각 부재와, 상기 세척된 캐소드 배기로부터 제2물 부분을 분리하기 위한 제2분리 부재를 포함한다. 이러한 실시예에서, 냉각 부재는 공기팬을 포함하며, 각각의 제1 및 제2분리 부재는 녹아웃 포트(knock out pot)를 포함한다.

캐소드 배기로부터 물을 전달하고 또한 캐소드에 공급된 연료를 가습하기 위해 제2물 부분의 적어도 일부를 사용하기 위한 물 전달 조립체를 포함하는 연료전지 시스템도 설명된다.

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

도1은 캐소드 배기로부터 물을 전달하기 위해 물 전달 조립체를 사용하는 연료전지 시스템의 블록도.
도2는 도1의 물 전달 조립체의 상세도.

도1은 연료전지 시스템(100)을 도시하고 있으며; 상기 연료전지 시스템은 연료 공급 통로(103)로부터 연료를 수용하고 아노드 배기를 출력하도록 적용된 아노드측(104)과, 산화제 가스를 수용하고 캐소드 배기를 출력하도록 적용된 캐소드측(106)과, 연료 공급 통로(103)의 연료를 가습하기 위해 캐소드 배기의 물을 전달하고 물분리된 캐소드 배기를 출력하기 위한 물 전달 조립체(109)를 포함한다. 특히, 시스템(100)의 연료전지 스택(102)은 아노드측 또는 격실(104)과 전해질 매트릭스(105)에 의해 분리된 캐소드측 또는 격실(106)을 갖는 적어도 하나의 연료전지를 포함한다. 탄화수소를 함유한 연료는 연료 공급부(110)로부터 연료에 존재하는 황함유 성분을 제거하기 위해 연료를 탈황기(112)를 통해 이송하는 연료 공급 통로(103)에 공급된다. 상기 탈황기(112)는 연료가 흐르고 또한 연료의 황함유 성분들을 흡착 또는 흡수하는 하나이상의 황흡착성 또는 황흡수성 물질을 포함한다.

탈황기(112)를 통과한 후, 공급 라인(103)의 연료는 물 공급 라인(114)을 통해 물 전달 조립체(109)로부터 물을 수용하는 가습기/열교환기 조립체(116)로 이송된다. 가습기/열교환기 조립체(116)에서, 연료는 가습된 연료를 생산하기 위해 물과 혼합되며, 고온 캐소드 배기를 사용하여 설정 온도로 예열된다. 그후, 예열된 가습된 연료는 탈산기(deoxidizer)/프리컨버터(preconverter) 또는 예비리포머(prereformer) 조립체(118)를 통과하게 되며, 연료로부터 미량(trace) 산소 및 중탄화수소 오염물을 제거한다. 도1에 도시되지는 않았지만, 탈산기/프리컨버터 또는 예비리포머 유니트(118)를 통과한 후, 연료는 캐소드 배기 또는 아노드 배기에 의해 더욱 가열된다. 그후, 예열된 그리고 탈산된 및 가습된 연료는 입구(104a)를 통해 연료전지의 아노드측(104)으로 공급된다.

아노드측(104)에 유입되는 연료는 수소 및 일산화탄소를 생산하기 위해 리포밍되며, 전력 및 물을 생산하기 위해 캐소드측(106)을 통과하는 산화제 가스와 전기화학 반응을 실행한다. 아노드(104)에서 생산된 아노드 배기는 아노드 출구(104b)를 통해 아노드 배기 통로(120)로 연료전지(102)를 떠난다. 배기 통로(120)의 아노드 배기는 수소 및 일산화탄소를 포함하는 미반응 연료, 수증기, 이산화탄소, 전해질 증기, 및 기타 다른 가스들의 미량을 포함한다. 아노드 배기는 배기 통로(120)에 의해 공기 공급부(124)로부터 공기의 형태로 산화제 가스도 수용하는 산화기(122)로 이송된다. 도1에 도시되지는 않았지만, 아노드 배기는 산화기(122)로 이송되기 전에 연료전지 시스템(100)에 공급된 연료, 물 및/또는 산화제 가스를 예열하기 위해 열교환기를 통과한다.

산화기(122)에서, 산화제 가스는 아노드 배기와 혼합되며; 산소, 질소, 수증기, 이산화탄소를 포함하는 가열된 산화제 가스를 생산하기 위해 연소된다. 산화기(122)를 떠나가는 가열된 산화제 가스는 그후 캐소드 입구(106a)를 통해 캐소드측(106)으로 이송된다.

아노드의 연료와 전기화학 반응을 거친 후, 캐소드측(104)은 캐소드 입구 가스와 동일한 구성요소, 즉 산소, 질소, 수증기, 이산화탄소를 포함하는 캐소드 배기(그러나 산소 및 이산화탄소의 농도는 고갈되며, 전해질 오염물도 포함한다)를 출력한다. 캐소드 배기 가스는 캐소드 출구(106b)를 통해 캐소드(106)를 빠져나오며, 그후 연료 및 물 혼합물을 예열하기 위해 가습기/열교환기 조립체(116)를 통과한다. 그후, 캐소드 배기는 가습기/열교환기 조립체(116)로부터 캐소드 배기 가스가 냉각되고 물이 캐소드 배기의 다른 성분으로부터 분리되는 물 전달 조립체(109)를 통과한다. 하기에 서술되는 바와 같이, 물 전달 조립체는 2개의 단계에서 캐소드 배기 가스의 물을 응축하므로, 전해질로 오염된 물의 제1부분은 제1단계에서 생산되고, 깨끗한 물은 제2단계에서 캐소드 배기로부터 응축된다.

물 전달 조립체의 구성은 도2에 도시되어 있으며, 하기에 상세히 서술될 것이다. 물 전달 조립체에서 캐소드 배기로부터 분리된 깨끗한 물은 물 공급 통로(114)를 통과한 후, 연료를 가습하기 위해 가습기/열교환기(116)를 통과한다. 분리된 캐소드 배기는 물 전달 조립체(109)에 의해 출력되며, 통기부(142)를 통해 시스템(100)으로부터 배출된다.

도2는 도1의 물 전달 조립체(109)를 더욱 상세히 도시하고 있다. 물 전달 조립체(109)는 2개의 단계에서 캐소드 배기에 존재하는 수증기를 응축하며, 제1단계에서는 전해질 오염된 물을 제거하고 제2단계에서는 캐소드 배기로부터 전해질이 거의 없는 물을 회수한다. 도시된 바와 같이, 물 전달 조립체(109)는 캐소드 배기를 켄칭냉각하고 제1단계에서 캐소드 배기로부터 물 전해질 오염물을 회수 및 제거하기 위한 또한 전해질 오염물이 거의 없는 세척된 캐소드 배기를 출력하기 위한 제1냉각 조립체(109a)와, 세척된 캐소드 배기를 수용하고 상기 세척된 캐소드 배기로부터 전해질 오염물이 거의 없는 물을 회수 및 제거하기 위한 제2냉각 조립체(109b)를 포함한다.

도2에 도시된 바와 같이, 제1냉각 조립체(109a)는 냉각 통로(130)와, 제1분리 부재(132)를 포함한다. 상기 냉각 통로(130)는 캐소드 배기를 가습기/열교환기 조립체로부터 제1분리 부재(132)로 이송하는 동안 캐소드 배기를 켄칭냉각한다. 도시된 바와 같이, 냉각 통로(130)는 캐소드 배기로부터 기타 비휘발성 오염물 및 염(salt) 뿐만 아니라 전해질 오염물을 보유하고 있는 제1물 부분을 회수하기에 충분한, 분사된 스프레이 물의 형태로 설정량의 물을 수용한다. 상기 설정된 양의 스프레이 물은 설정된 위치에서 분사기(131)를 거쳐 냉각 통로(130)를 통해 흐르는 고온의 캐소드 배기에 분사된다.

냉각 통로(130)에 분사된 스프레이 물은 부분적으로 기화되며, 그 기화열은 캐소드 배기를 냉각시킨다. 캐소드 배기의 온도는 연료전지의 작동과 캐소드 물 회수 시스템의 상류의 열 회수에 따라, 1000℉ 내지 200℉ 로 변한다. 냉각 통로(130)에서 스프레이 물에 의해 켄칭된 후, 캐소드 배기는 냉각 통로(130)에서 200℉ 이하의 온도로 냉각되며, 양호하기로는 150-180℉ 범위의 온도로 냉각된다. 또한, 물 스프레이의 양은 일부가 휘발되지 않은 상태로 존재하고 제1물 부분을 형성하기 위해 캐소드 배기의 전해질 및 기타 다른 오염물이 걸리도록(entrap) 형성된다.

캐소드 배기 및 제1물 부분은 제1분리 부재(132)에서 분리된다. 도2에 도시된 실시예에서, 제1분리 부재는 녹아웃 포트를 포함하며, 이러한 예시적인 실시예에서 상기 녹아웃 포트는 중력이 혼합된 상(phase) 스트림의 물 상이 가스를 분리시킬 수 있도록 캐소드 배기의 가스 속도를 충분히 감속시킬 수 있는 큰 용기를 포함한다. 그러나, 기타 다른 물 분리 장치도 캐소드 배기로부터 제1물 부분을 분리시키는 제1분리 부재로서 사용하기에 적절한 것임을 인식해야 한다.

도2에 도시된 실시예에서, 제1분리 부재(132)는 제1분리 부재(132)에서 켄칭냉각중 기화된 또한 통로(137)에 증기로서 이송된 물을 교체하기 위해 또한 캐소드 배기를 계속 냉각하기 위해 켄칭 물 공급 통로(133)로부터 켄칭 물도 수용한다.

이러한 실시예에서, 제1분리 부재(132)는 제1분리 부재(132)에서 켄칭냉각중 기화된 또한 통로(137)에 증기로서 이송된 물을 교체하기 위해 또한 캐소드 배기를 계속 냉각하기 위해 보충 물 공급 통로(134)로부터 보충 물도 수용한다. 특히, 보충 물은 캐소드 배기를 원하는 온도로 냉각하는 것을 달성하기 어려울 때 고온의 날씨에 작동중 필요하다. 또한, 보충 물은 연료전지에서 적은 물이 생산되고 캐소드 배기가 제2단계에서 충분한 물을 회수하기 위해 낮은 온도로 냉각되어야만 하는, 연료전지 시스템의 파워가 없거나 낮은 파워 시에 필요하다. 예를 들어, 연료전지 시스템의 고온의 대기 작동중에는 스택 당 약 4.4 갤론/시간의 비율로 제1분리 부재에 보충 물이 제공된다. 도2에 도시된 바와 같이, 제1분리 부재(132)에 공급되기 전에, 상기 보충 물은 보충 물에 존재하는 염소 및 기타 휘발성 오염물을 제거하기 위해 필터(134a)를 통과한다. 필터(134a)로서 사용하기에는 탄소 필터가 적당하다. 선택적으로, 상기 필터(134a)는 통로(141)를 통한 통기 가스로 일부 불순물의 제거로 인해 휘발성 불순물의 양이 낮아지는 통로(114)에 배치될 수도 있다.

일부 실시예에서, 상기 보충 물은 비휘발성 오염물을 제거하기 위해 다른 여과 장치를 통과한다. 그러나, 이러한 여과 장치는 도2의 물 전달 조립체(109)에 필요하지 않은데, 그 이유는 제1분리 부재(132)에 부가된 보충 물의 일부 또는 전부를 포함하는 캐소드 배기로부터의 회수된 제2물 부분이 냉각 부재(138) 및 제2분리 부재(140)에서 응축되기 전에 또한 통로(114)를 통해 가습기/열교환기 조립체에 공급되기 전에 통로(137)에서 기화되기 때문이다. 제1냉각 단계에서 제1분리 부재(132)에 보충 물을 부가함으로써, 보충 물 또는 보충 물의 일부는 제1분리 부재(132)에서 켄칭냉각중에 기화되며, 제2냉각 단계에서 제2분리 부재(140)에 비휘발성 오염물없이 회수될 수 있다. 이것은 시스템으로 하여금 보충수에 비휘발성 염을 제거할 필요없이 모든 작동 모드중에 필요한 물을 회수할 수 있게 한다.

제1분리 부재(132)에서 분리된 제1물 부분은 재순환 통로(135)로 출력된다. 대부분의 실시예에서, 재순환 통로(135)는 재순환 통로(135)를 통해 제1물 부분을 이송하는 펌프(135a)를 포함한다. 도2에 도시된 실시예에서, 전해질 및 기타 다른 오염물로 오염된 제1물 부분은 시스템으로부터 오염물을 제거하고 오염물의 축적을 방지하기 위해 물 블로우다운 기술(136)을 이용하여 세척된다. 그후, 물은 분사기(131)에 의해 고온의 캐소드 배기에 분사된 스프레이 물을 형성하기 위해, 냉각 통로(130)에 재순환된다.

도2에 도시된 바와 같이, 제1물 부분이 캐소드 배기로부터 분리된 후, 세척된 캐소드 배기는 연결 라인(137)을 통해 제2냉각 조립체(109b)로 출력된다. 특히, 연결 라인(137)은 세척된 캐소드 배기를, 세척된 캐소드 배기를 설정의 온도로 냉각시키고 세척된 캐소드 배기로부터 대부분의 물을 응축시키는 냉각 조립체(138)로 이송한다. 세척된 캐소드 배기가 냉각되는 상기 설정된 온도는 세척된 캐소드 배기의 충분한 양의 물이 제2물 부분으로서 응축되도록 형성된다. 도시된 실시예에서, 냉각 부재(138)는 시스템의 고 파워 작동중 세척된 캐소드 배기를 약 110 내지 120℉의 온도로 냉각하는 공기팬 쿨러의 형태를 취한다. 그러나, 시스템의 고온의 대기 작동 등과 같은 시스템의 제로 파워 또는 저 파워 작동중, 세척된 캐소드 배기는 시스템 요구사항에 충분한 물을 회수하기 위해 약 88℉ 로 냉각된다. 만일 이런 온도로의 냉각이 비현실적이라면, 세척된 캐소드 배기가 충분한 양의 물을 회수하도록 냉각되어야만 하는 온도를 증가시키기 위해, 제1냉각 단계에서 보충 물이 제1분리 부재(132)에 가해진다.

냉각 부재(138)에 의해 냉각된 후, 냉각된 세척된 캐소드 배기는 연결 통로(139)를 통해 제2분리 부재(140)를 통과한다. 이러한 예시적인 실시예에서 제2분리 부재(140)는 냉각된 세척된 캐소드 배기로부터 제2물 부분을 분리시킬 수 있는 녹아웃 포트를 포함한다. 그러나, 기타 다른 물 전달 장치도 제2분리 부재로서 사용하기에 적합하다. 제2분리 부재(140)는 캐소드 배기를 연료전지 시스템으로부터 통기부(142)로 이송하는 배출 통로(141)로 분리시킨다.

세척된 캐소드 배기로부터 제2분리 부재에 의해 분리된 제2물 부분은 분리된 물 연결 통로(143)로 출력된다. 제2물 부분을 연결 통로(143)를 통해 원하는 흐름률로 이송하기 위해 펌프(144) 또는 이와 유사한 장치가 분리된 물 연결 통로(142)에 사용된다. 도2에 도시되지는 않았지만, 제2물 부분으로부터 휘발성 오염물을 제거하기 위해 또한 통로(134)에 필터(134a)에 대한 필요성을 제거하기 위해, 탄소 필터 등과 같은 필터가 연결 통로(143 또는 114)에 사용된다. 연결 통로(143)로부터, 제2물 부분의 전부 또는 일부가 물을 가습기/열교환기 조립체에 공급하는 물 공급 통로(114)에 이송된다.

도2에 도시된 예시적인 실시예에서, 제2물 부분의 설정된 부분은 제1분리 부재(132)의 켄칭 물로서 사용하기 위해 연결 통로(143)로부터 켄칭 물 공급 통로(133)를 통과한다. 제2물 부분의 나머지 부분은 연결 통로(143)로부터 물 공급 통로(114)를 통과한다. 도2에 도시되지는 않았지만, 캐소드 배기로부터 분리된 과도한 물은 필요시 미래에 사용하거나 시스템으로부터 배출하기 위해 보충 물로서 저장된다. 이 경우, 제1 또는 제2분리 부재(132 또는 140)는 미래에 사용하기 위한 과잉 물을 저장하는데 사용된다.

도2의 물 전달 조립체(109)는 연료전지 시스템의 물 독립형 작동 또는 실질적인 물 독립형 작동을 허용하기 위해, 캐소드 배기로부터 충분한 양의 물을 응축하도록 캐소드 배기를 효과적으로 냉각한다. 물 전달 조립체(109)의 형태는 작동 비용 및 제조 비용의 절감으로 나타난다. 특히, 캐소드 배기는 냉각 부재로서 사용되는 공기팬을 통과하기 전에 200℉ 이하의 온도로 냉각된다. 그 결과, 공기팬에 공급된 배기의 최대 온도는 제한되며, 공기팬의 비용 및 그 작동비용이 절감된다. 또한, 열 응력으로 인한 공기팬의 손상은 공기팬에 제공된 배기의 최대 온도를 제한함으로써 감소된다.

또한, 도2의 물 전달 조립체는 제1냉각 조립체(109a)에서 전해질 오염된 물을 제거함으로써 전해질 오염이 없거나 거의 없는 물을 제공할 수 있다. 그 결과, 물로부터 전해질 오염물을 제거하기 위해 종래 시스템에서 분리된 물을 처리하는데 사용된 고가의 복잡한 설비가 제거되어, 연료전지 시스템의 양호한 신뢰성 및 효율로 귀결된다.

도1에 도시되지는 않았지만, 시스템의 전체적인 효율을 증가시키기 위해 연료전지 시스템으로부터 폐열을 회수할 수 있다. 이러한 폐열 회수는 캐소드 물 회수와 통합된다. 특히, 높은 레벨의 열이 캐소드 통로(130)의 배기 가스로부터 회수되며, 시스템에서 입구 연료 등과 같은 기타 다른 가스들을 예열하는데 사용된다. 이러한 열 회수는 물 회수 조립체(109)에 제공된 캐소드 배기 가스의 온도를 낮은 온도 범위로 낮춘다. 그 결과, 쿨러(138)의 크기가 감소된다. 그러나, 열 회수는 물 회수 시스템 작동에 달리 충격을 주지 않는다. 이와 마찬가지로, 열 회수는 만일 쿨러(138)가 열 교환기로서 작용되도록 저온의 열 회수가 필요할 경우에는 쿨러(138)에 통합될 수 있다. 열 회수를 위한 다른 선택사항은 예를 들어 열교환기를 사용하여 통로(135)의 켄칭 물을 냉각하는 것이다. 재순환 켄칭 물로부터의 열 회수는 저온 열 회수만 허용하지만, 이러한 열 회수는 저비용과 편리하게 위치하는 열 회수를 허용하기 위해 펌프(135a)의 하류의 물 스트림으로부터 열 회수를 허용한다.

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.

100: 연료전지 시스템 102: 스택
112: 탈황기 116: 가습기/열교환기 조립체
131: 분사기

Claims (38)

1. 아노드 및 캐소드를 가지며, 상기 아노드는 연료를 수용하고 아노드 배기를 출력하며, 상기 캐소드는 산화제 가스를 수용하고 캐소드 배기를 출력하는 연료전지 시스템에 사용하기 위한 물 전달 조립체에 있어서,
   상기 캐소드 배기 및 스프레이 물을 수용하고, 상기 캐소드 배기로부터 비휘발성 오염물을 포함하는 제1물 부분을 회수하고 또한 세척된 캐소드 배기 및 상기 제1물 부분을 출력하기 위해, 상기 스프레이 물을 사용하여 캐소드 배기를 켄칭냉각하고, 제1물 부분으로부터 비휘발성 오염물을 제거하기 위해 제1물 부분을 처리하고, 및 스프레이 물로서 사용하기 위해 상기 처리된 제1물 부분을 재순환시키는 제1냉각 조립체와,
   상기 세척된 캐소드 배기를 수용하며, 또한 상기 세척된 캐소드 배기로부터 상기 아노드에 공급된 연료를 가습하기에 적절한 세척된 제2물 부분을 회수하도록 형성된 제2냉각 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1냉각 조립체는 상기 캐소드 배기를 통과시키며 상기 캐소드 배기를 냉각하고 그리고 제1물 부분을 생산하기 위해 상기 스프레이 물을 수용하도록 형성되는 냉각 통로와, 상기 캐소드 배기로부터 제1물 부분을 분리하고 또한 상기 제1물 부분 및 상기 세척된 캐소드 배기를 출력하는 제1분리 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1냉각 조립체는 제1분리 부재에 의해 출력된 상기 제1물 부분으로부터 비휘발성 오염물을 제거하고 상기 제1물 부분을 상기 냉각 통로에 스프레이 물로서 출력하는 블로우다운 조립체를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1분리 부재는 상기 캐소드 배기를 켄칭 및 세척하여 상기 세척된 캐소드 배기를 생산하기 위해, 상기 제2물 부분의 일부와 보충 물 중 적어도 하나를 수용하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
5. 제3항에 있어서, 상기 제1냉각 조립체는 스프레이 물을 캐소드 배기에 부가하기 전에, 상기 스프레이 물을 냉각하기 위한 열교환기를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
6. 제4항에 있어서, 상기 보충 물로부터 염소 및 휘발성 오염물을 제거하기 위한 필터를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
7. 제2항에 있어서, 상기 제2냉각 조립체는 상기 세척된 캐소드 배기를 냉각하고 상기 세척된 캐소드 배기로부터 상기 제2물 부분을 응축하기 위한 냉각 부재와, 상기 세척된 캐소드 배기로부터 제2물 부분을 분리하기 위한 제2분리 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
8. 제7항에 있어서, 상기 냉각 부재는 공기팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
9. 제7항에 있어서, 상기 냉각 부재는 상기 세척된 캐소드 배기로부터 폐열 회수를 위해 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
10. 제8항에 있어서, 상기 제1분리 부재 및 제2분리 부재의 각각은 녹아웃 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
11. 제7항에 있어서, 상기 제2분리 부재에 의해 분리된 제2물 부분의 제1부분은 상기 세척된 캐소드 배기를 켄칭하기 위해 제1분리 부재에 제공되며, 상기 제2물 부분의 제2부분은 아노드를 위해 상기 연료를 가습하기 위한 가습기에 제공되는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
12. 제1항에 있어서, 상기 아노드에 공급된 연료를 가습하기 위해 사용된 상기 제2물 부분으로부터 염소 및 휘발성 오염물을 제거하기 위한 필터를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
13. 제1항에 있어서, 상기 비휘발성 오염물은 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전달 조립체.
14. 연료를 수용하고 아노드 배기를 출력하기 위한 아노드와 산화제 가스를 수용하고 캐소드 배기를 출력하기 위한 캐소드를 포함하는 적어도 하나의 연료전지와,
    상기 아노드에 공급된 연료를 가습하기 위한 가습기 조립체와,
    제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 물 전달 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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27. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 물 전달 조립체를 사용하는 연료전지의 캐소드에 의해 출력된 캐소드 배기로부터 물을 전달하는 방법에 있어서,
    제1냉각 조립체에서 상기 캐소드로부터 캐소드 배기 및 스프레이 물을 수용하는 단계와,
    스프레이 물을 사용하여 캐소드 배기를 켄칭냉각하고, 상기 제1냉각 조립체에서 상기 캐소드 배기로부터 비휘발성 오염물을 포함하는 물의 제1부분을 회수하며, 또한 켄칭된 캐소드 배기 및 상기 물의 제1부분을 출력하는 단계와,
    물의 제1 부분으로부터 비휘발성 오염물을 제거하기 위해 물의 제1 부분을 처리하고, 그리고 스프레이 물로서 사용하기 위해 상기 처리된 제1물 부분을 재순환시키는 단계와,
    제2냉각 조립체에서 상기 켄칭된 캐소드 배기를 수용하는 단계와,
    상기 제2냉각 조립체에서 상기 켄칭된 캐소드 배기로부터 물의 제2부분을 회수하는 단계를 포함하며,
    상기 물의 제2부분은 연료전지의 아노드에 공급된 연료를 가습하기에 적절한 것을 특징으로 하는 물 전달 방법.
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