KR101750636B1 - 고온 연료전지를 위한 화염 안정된 혼합기-이덕터-산화기 - Google Patents

고온 연료전지를 위한 화염 안정된 혼합기-이덕터-산화기 Download PDF

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퓨얼 셀 에너지, 인크
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Abstract

애노드측 및 캐소드측을 갖는 연료전지 스택에 사용하기 위한 혼합기/이덕터 조립체에서, 상기 혼합기/이덕터 조립체는 애노드측으로부터 출력된 애노드 배기 가스와 옥시던트 공급 가스를 혼합하고 또한 이들을 적어도 부분적으로 연소시키는, 혼합기/이덕터 조립체로서, 제1 혼합물을 형성하기 위해 애노드 배기 가스의 제1 부분 및 옥시던트 공급 가스의 제1 부분을 수용 및 혼합하는 제1 영역, 및 상기 제1 영역에 결합되고, 제2 혼합물을 형성하기 위해 애노드 배기 가스의 제2 부분 및 옥시던트 공급 가스의 제2 부분을 수용 및 혼합하는 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 영역은 제1 혼합물의 연소 반응을 시작하도록 구성되며, 상기 제1 혼합물은 제2 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율 보다 더 작은, 미리 결정된 연료에 대한 옥시던트 비율을 가지며, 상기 제1 영역은 제2 영역에서 제2 혼합물의 연속적인 연소를 촉진시키기 위해 점화 소스를 제공한다.

Description

고온 연료전지를 위한 화염 안정된 혼합기-이덕터-산화기{FLAME STABILIZED MIXER-EDUCTOR-OXIDIZER FOR HIGH TEMPERATURE FUEL CELLS}
본 발명은 고온 연료전지 발전소의 성능을 개선시키는 것에 관한 것으로서, 특히 스택 캐소드측으로의 공급을 위해 애노드-출구 또는 배기 가스를 입구 공기 또는 옥시던트(oxidant) 가스와 혼합할 때, 혼합기/이덕터/산화기 시스템의 연소 반응의 안정성을 강화시키기 위한 것에 관한 것이다
연료전지는 수소, 메탄, 또는 천연가스와 같은 연료를 포함하는 임의의 수소 또는 탄화수소에 저장된 화학 에너지를 전기화학 반응에 의해 전기 에너지로 직접적으로 변환하는 장치이다. 이것은 열을 생산하기 위해 먼저 연료를 연소시키고, 그 후 상기 열을 기계적 에너지로, 그리고 마지막으로 전기로 변환해야만 하는 전형적인 전력 발생 방법과는 상이하다. 연료전지에 의해 사용되는 더욱 직접적인 변환 공정은 증가된 효율 및 감소된 오염물 방출에 있어서 전형적인 공정에 대해 상당한 장점을 갖는다.
일반적으로, 배터리와 유사한 연료전지는 전기적으로 충전된 이온을 이들 사이로 전도하는 전해질에 의해 분리되는 네거티브 전극 또는 애노드 전극 및 포지티브 전극 또는 캐소드 전극을 포함한다. 그러나 배터리와는 달리, 연료전지는 연료 및 옥시던트가 애노드 및 캐소드에 각각 공급되는 한 전력을 계속 생산할 것이다. 이를 달성하기 위해, 애노드 및 캐소드에 인접하여 가스 유동장(flow field)이 제공되며, 이를 통해 연료 및 옥시던트 가스가 공급된다. 유용한 전력 레벨을 생산하기 위해, 많은 개별적인 연료전지가 각각의 전지와 그 인접부 사이에서 전기적으로 도전성인 분리기판(separator plate)과 직렬로 적층된다.
고온 연료전지 스택(stack)에 있어서, 신선한 공기는 일반적으로 옥시던트로서 작용하며, 또한 스택의 캐소드측의 입구에 제공된다. 이 신선한 공기는 전형적으로 대기 온도로 있으며, 또한 스택의 작동 온도로 가열되어야만 한다. 통상적으로, 스택의 애노드측으로부터 빠져나가는 배기 가스의 미사용 연료와 유입되는 신선한 공기는, 공기를 가열하기 위해 연소된다. 연료의 완전한 반응을 보장하고 또한 온도 구배를 최소화하기 위해 애노드-배기는 공기와 완전히 혼합되어야만 한다.
또한, 연료와 옥시던트를 서로 격리시키는 밀봉부를 제공 및 유지하기 위해, 스택의 애노드측 및 캐소드측을 통과하는 가스의 압력 차이를 최소화하는 것도 바람직하다. 요구되는 밀봉을 형성하기 위해, 일부 경우에 있어서 가스켓을 협지하는 표면들은 "허용 가능한" 누설율을 실현하기 위해 함께 기계적으로 강제된다. 이 누설율은 압력 차이의 함수이다. 따라서 과잉 누설을 방지하기 위해, 압력 차이를 최소화하는 것이 중요하다.
2개의 가스 스트림의 결합에서 연료전지 스택의 작동 중, 스택의 애노드측의 출구의 가스 압력은 스택의 캐소드측의 입구의 가스 압력과 결합된다. 전형적으로, 애노드측의 출구의 압력은 임의의 연결 배관과 관련된, 또한 애노드 배기 및 유입하는 옥시던트 가스를 연소하는데 사용되는 산화기와 관련된, 압력 손실을 극복하는데 요구되는 양만큼, 캐소드측의 입구의 압력 보다 필연적으로 높다.
가스 혼합과 압력 차이 문제 모두에 접근하기 위해, 혼합기/이덕터/산화기(MEO) 시스템이 용융 탄산염 연료전지 내로 도입되었다. MEO 시스템은 변환되지 않은 애노드 연료를 산화하고, 입구 공기를 예열하고, 이산화탄소(CO2)를 캐소드로 재순환시키고, 애노드와 캐소드 가스 스트림 사이의 압력 차이를 감소시킨다. 그러나 변환되지 않은 애노드 연료 BTU 레벨은 연료전지 스택의 다양한 작동 전력 레벨로 변화된다. 캐소드측 작동 요구사항을 수용하기 위해 요구되는 출구 온도 및 산화기 베드 촉매 온도를 유지하는 것은, 연료전지로 공급될 추가적인 공기의 양을 조정할 것을 요구한다. 주위 온도의 변화 및 블로어(blower) 용량 제한은 원하는 연료전지 스택 작동에 요구되는 많은 매개변수의 미세한 평형에 영향을 끼친다.
본 출원인은, 혼합할 동안 촉매화된 산화기 베드를 혼합물이 통과하기 전에 애노드 배기 및 유입 공기를 점화 및 연소시키는 것은, 연료전지 시스템 성능을 개선시키는 것을 발견하였다. 그러나 연료전지 스택의 모든 작동 조건을 위해 통상적인 혼합기/이덕터/산화기에서 이 "예비-점화" 상태를 유지하는 것이 어렵다. 특히, 일단 연료 시스템이 설계 및 구축되었다면, 시스템의 작동 변화는 이덕터에 예비-점화를 설정 및 유지하기 위한 주요 수단이 된다. 예비-점화의 안정성을 강화시키기 위해, 이하의 작동 조정이 이루어질 수 있다. 즉, (ⅰ) 소비되지 않은 연료의 BTU 함량을 증가시키기 위해 연료 사용을 감소, (ⅱ) 연소를 덜 희박하게 하고 또한 공기 입구 속도를 감소시키기 위해 공기흐름을 감소, 및/또는 (ⅲ) 반응성을 개선시키기 위해 전체적인 온도 상승. 그러나 이 모든 작동 상의 해결책은 연료전지 스택의 전체적인 작동에 해로운 결과를 갖는다.
특히, 연료 사용의 감소는 전체적인 시스템 효율(생산된 전력/소비된 연료)에 악영향을 끼치며, 또한 요구되는 냉각 공기의 양 및 전체적인 연료전지 스택 온도에 추가적으로 영향을 끼친다. 공기흐름의 감소는 일반적으로 블로어에 의한 전력 소비를 증가시킨다. 이것은, 전체적인 온도를 유지하기 위해 연료전지 스택이 동일한 양의 공기를 계속 요구하고 또한 공기흐름의 일부를 이덕터로부터 멀리 전화시키는 것이, 연료전지 시스템의 다른 부분에 공기를 분사하기 위해 더 큰 압력 강하 경로로 나타나기 때문이다. 블로어에 의한 전력 소비의 증가는 연료전지 스택에 의해 생산된 전체 전력을 감소시킨다. 연료전지 작동 온도를 상승시키는 것은, 연료전지 스택 성능 및 그 작동수명에 영향을 끼치며, 또한 연료전지 모듈로부터 열손실을 증가시킨다.
통상적인 설비 디자인을 사용하여 "예비-점화" 상태 문제에 접근하는 것이 실용적이지 않을 수도 있다. 이것은 전형적인 연료전지 시스템의 MEO 가 연료를 매우 희박하게 작동시키기 때문이다. MEO 의 전형적인 작동 범위는 화학량론적인 비율의 500 % 내지 700 % 에서, 연료에 대한 공기/옥시던트 비율을 가지며, 이것은 매우 낮은 온도 및 불안정한 화염으로 나타난다. 예를 들어, 그 동일한 양수인에게 양도된 미국 특허 제6,902,840호는 고온 연료전지를 위한 기본적인 혼합기/이덕터 시스템을 개시하고 있으며, 이것은 옥시던트 가스 또는 공기와 애노드 배기 가스의 원하는 혼합과 연료전지 스택의 캐소드측 입구의 가스와 애노드측 출구의 가스 사이의 압력 차이 모두를 제공하도록 적응된다. 그 동일한 양수인에게 양도된 국제 특허출원 PCT/US2004/037889호는 개선된 혼합기/이덕터를 개시하고 있으며, 정교한 이덕트 노즐 구성에 의해 그 성능이 개선되고 있다. 상기 미국 특허 제6,902,840호가 혼합기/이덕터에서 예비-점화 상태를 달성한다는 이익을 강조하고 있더라도, 미국 특허 제6,902,840호 및 PCT/US2004/037889 출원의 혼합기/이덕터 구성을 사용하여, 안정된 그리고 연속적인 예비-점화 상태를 달성하기가 어렵다.
따라서 본 발명의 목적은 그 수명을 통해 최고의 작동 효율을 달성할 수 있는, 더욱 신뢰성 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 MEO 시스템의 혼합기/이덕터의 연소 반응의 안정성을 강화시키고 또한 연료전지 시스템의 보다 넓은 작동 범위에 대해 MEO 시스템의 완전 실현을 허용하는 것이다.
본 발명의 원리에 따라, 전술한 그리고 다른 목적은 애노드측 및 캐소드측을 갖는 연료전지 스택에 사용하기 위한 혼합기/이덕터 조립체로 실현되며, 상기 혼합기/이덕터 조립체는 애노드측으로부터 출력된 애노드 배기 가스와 옥시던트 공급 가스를 혼합하고 또한 이들을 적어도 부분적으로 연소시키며, 상기 혼합기/이덕터 조립체는 제1 혼합물을 형성하기 위해 애노드 배기 가스의 제1 부분 및 옥시던트 공급 가스의 제1 부분을 수용 및 혼합하는 제1 영역, 및 상기 제1 영역에 결합되고 제2 혼합물을 형성하기 위해, 애노드 배기 가스의 제2 부분 및 옥시던트 공급 가스의 제2 부분을 수용 및 혼합하는 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 영역은 제1 혼합물의 연소 반응을 시작하도록 구성되며, 상기 제1 혼합물은 제2 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율 보다 더 작은 미리 결정된, 연료에 대한 옥시던트 비율을 가지며, 상기 제1 영역은 제2 영역에서 제2 혼합물의 연속적인 연소를 촉진시키기 위해 점화 소스를 제공한다.
혼합기/이덕터 조립체의 제1 영역은 제2 영역 보다 더 작으며, 또한 제2 영역 내에 배치된다. 제1 영역에서 혼합되는 옥시던트 공급 가스의 제1 부분은 전형적으로 옥시던트 공급 가스의 0.5 % 내지 10 % 이다. 혼합기/이덕터 조립체의 작동 중 제1 영역의 온도는, 제2 영역의 온도 보다 높다. 어떤 실시예에 있어서, 제1 영역에서 제1 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율은 화학량론적인 비율의 50 % 내지 200 % 이며, 제2 영역에서 제2 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율은 전체 전력으로 작동 중 화학량론적 비율의 500 % 내지 700 % 이며, 또한 상시 대기(hot standby) 작동 중에는 화학량론적 비율의 500 % 내지 2200 % 이다. 보다 구체적으로, 제1 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율은, 연료전지 시스템이 제로 전력 레벨인 상시 대기 전력 레벨일 때, 화학량론적인 비율의 약 100 % 이하이며, 또한 제1 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율은, 연료전지 시스템이 전체 전력 작동일 때, 화학량론적인 비율의 200 % 보다 크지 않다.
설명된 예시적인 실시예에서, 혼합기/이덕터 조립체의 제1 영역은 옥시던트 공급 가스의 제1 부분을 수용하여 하나 또는 그 이상의 제1 옥시던트 스트림을 형성하도록 적응된 하나 또는 그 이상의 제1 공기 노즐을 포함하며, 제2 영역은 옥시던트 공급 가스의 제2 부분을 수용하여 하나 또는 그 이상의 제2 옥시던트 스트림을 형성하도록 적응된 하나 또는 그 이상의 제2 공기 노즐을 포함한다. 제1 공기 노즐은 제2 공기 노즐에 의해 형성된 하나 또는 그 이상의 제2 옥시던트 스트림과 관련하여 상류에 제1 옥시던트 스트림을 형성하도록 구성된다. 더욱이, 제1 영역은 제1 공기 노즐을 둘러싸고 또한 하나 또는 그 이상의 애노드 배기 입구를 형성하는 하우징을 포함하며, 하나 또는 그 이상의 제1 공기 노즐에 의해 형성된 상기 하나 또는 그 이상의 옥시던트 스트림은 하나 또는 그 이상의 애노드 배기 입구를 통한 애노드 배기 가스의 제1 부분을 포함한다. 어떤 실시예에 있어서, 제1 영역은 화염의 안정성을 강화시키기 위해 제1 영역에서 가스 흐름의 경로 내로 연장하는 하나 또는 그 이상의 화염 유지 부재를 추가로 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 하나 또는 그 이상의 애노드 배기 입구는 미리 결정된 위치에 배치되며, 또한 제1 영역에서 연료에 대한 원하는 옥시던트 비율을 달성하기 위해 미리 결정된 크기를 갖는다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 하나 또는 그 이상의 제1 공기 노즐은 규칙적인 간격으로 하우징 내에 배치되며, 또한 하나 또는 그 이상의 제2 공기 노즐은 제2 영역에서 하우징의 둘레로 규칙적인 간격으로 배치된다.
애노드 배기 가스의 제1 및 제2 부분은 공통의 배기 공급라인 및/또는 공통의 플레넘(plenum)으로부터, 또는 분리된 배기 공급라인으로부터, 제1 및 제2 영역에 제공된다. 유사하게, 옥시던트 공급 가스의 제1 및 제2 부분은 공통의 옥시던트 공급라인으로부터 또는 분리된 옥시던트 공급라인으로부터 제1 및 제2 영역에 각각 제공된다. 일부 실시예에 있어서, 혼합기/이덕터 조립체는 이하의 (1) 과 (2) 중 적어도 하나, 즉 (1) 혼합기/이덕터 조립체에 제공된 옥시던트 공급 가스 흐름, (2) 각각의 제1 및 제2 영역에 제공된 옥시던트 공급 가스의 제1 및 제2 부분의 흐름 중 적어도 하나를 포함하므로, 제1 혼합물은 제1 영역에서 미리 결정된 연료에 대한 옥시던트 비율을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 제어 조립체는 하기 중 적어도 하나, 즉 혼합기/이덕터 조립체에 제공된 애노드 배기 가스 흐름, 및 각각의 제1 및 제2 영역에 제공된 애노드 배기 가스의 제1 및 제2 부분의 흐름 중 적어도 하나를 제어한다.
전술한 특징을 갖는 혼합기/이덕터 조립체를 구비한 연료전지 시스템도 설명된다. 또한, 연료전지 시스템은 혼합기/이덕터 조립체를 따르며 또한 상기 혼합기/이덕터 조립체로부터 출력된 연소된 가스 혼합물을 수용하는 산화기 조립체를 포함할 수 있다. 산화기 조립체는 부분적으로 연소된 가스 혼합물을 산화시키며, 그리고 옥시던트 가스를 연료전지 시스템의 캐소드측으로 출력한다.
2개 또는 그 이상의 연료전지 스택을 포함하며 전술한 특징을 갖는 혼합기/이덕터 조립체를 구비한 연료전지 모듈도 설명된다. 연료전지 모듈에 있어서, 혼합기/이덕터 조립체는 복수의 연료전지 스택으로부터 출력된 가스를 처리하며, 또한 모듈의 복수의 연료전지 스택의 캐소드측에 사용하기 위해 옥시던트 가스를 제공한다. 어떤 실시예에 있어서, 모듈에 포함된 연료전지 스택의 개수 및 모듈의 요구사항에 따라, 복수의 혼합기/이덕터 조립체가 연료전지 모듈에 사용될 수 있다.
애노드측 및 캐소드측을 갖는 연료전지 시스템에 사용하기 위해, 또한 애노드측으로부터 출력된 적어도 부분적으로 연소된 애노드 배기 가스와 옥시던트 공급 가스를 혼합하기 위한 혼합/배출 방법도 설명된다.
본 발명의 전술한 특징 및 다른 특징이 첨부한 도면과 함께 이하의 상세한 설명의 판독에 따라 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 혼합기/이덕터/산화기(MEO) 시스템을 포함하는 연료전지 시스템을 도시한 블록도이며;
도 2는 본 발명의 원리에 따른 MEO 시스템을 도시하고 있으며;
도 3은 도 2에 도시된 MEO 시스템의 횡단면도이고;
도 4는 도 2에 도시된 MEO 시스템의 제1 영역의 횡단면도이며;
도 5는 도 4의 제1 영역의 등각 단면도이고;
도 6a 및 6b는 MEO 시스템의 제1 영역의 하우징 단부의 예시적인 구성을 도시하고 있으며; 및
도 7은 연료에 대한 옥시던트 비율의 범위에 대해 상시 대기 작동 레벨 및 전체 전력 작동 레벨에서 연료전지 애노드 배기 조성물을 위한 계산된 단열 화염을 도시한 그래프이다.
도 1은 본 발명의 혼합기/이덕터/산화기 시스템을 사용하는 연료전지 시스템(100)을 개략적으로 도시한 블록도이다. 시스템(100)은 애노드 및 캐소드 섹션(14, 12)을 각각 갖는 연료전지(10), 및 재순환 블로어(30)를 포함한다. 재순환 블로어(30)는 선택적이며, 또한 일부 시스템에서는 생략될 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이 연료전지(10)는, 연료 및 산화 가스/공기가 애노드 섹션과 캐소드 섹션 각각으로 공급되도록, 전형적으로 적층된 다수의 개별적인 연료전지를 포함하는 스택의 형태이다. 또한, 연료전지 시스템(100)은 본 발명의 원리에 따른 혼합기/이덕터/산화기(MEO) 시스템(20)을 포함한다.
연료전지 시스템의 일부 실시예에 있어서, 시스템(100)은 전형적으로 격납고(containment) 또는 하우징 유닛 내에 배치되는, 다수의 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 모듈이다. 또한, 모듈은 모듈의 하나 또는 그 이상의 연료전지 스택으로부터의 가스를 처리하는 본 발명의 적어도 하나의 혼합기/이덕터/산화기(MEO) 시스템을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 모듈은 다수의 연료전지 스택으로부터의 가스를 처리하고 또한 옥시던트 가스를 연료전지 스택의 캐소드측으로 전달하기 위해 하나의 MEO 시스템을 포함한다. 이런 실시예의 MEO 시스템은, 연료전지 스택으로부터 MEO 시스템으로 애노드 배기의 흐름 및 MEO 시스템으로부터 연료전지 스택 캐소드로의 옥시던트 흐름을 최적화하기 위해, 연료전지 스택에 대해 중심에 배치되거나 또는 연료전지 스택에 대해 임의의 다른 미리 결정된 위치에 배치된다. 다른 실시예에 있어서, 모듈은 복수의 MEO 시스템을 포함하며, 그 각각은 하나 또는 그 이상의 연료전지 스택으로부터의 가스를 처리하며 그리고 옥시던트 가스를 하나 또는 그 이상의 연료전지 스택의 캐소드측으로 전달한다. 모듈에서 MEO 시스템의 개수는 모듈에 포함된 스택의 개수와 가스 흐름 및 다른 요구사항에 따른다.
도시된 바와 같이, 캐소드측 섹션(12)의 출구(12B)로부터 출력된 옥시던트 배기 가스(50)의 전부 또는 일부는, 재순환 블로어(30)에 의해 재순환되며, 또한 일부 실시예에서는 옥시던트 공급 가스(42)를 생산하기 위해 신선한 공기(40)와 조합된다. 옥시던트 공급 가스(42)는 MEO 시스템(20)의 혼합기/이덕터(22)의 옥시던트 입구(22A)로 공급된다. 재순환 블로어(30)에 의해 MEO 로 재순환되는 옥시던트 배기 가스(50)의 양 및 옥시던트 배기 가스(50)와 혼합되는 옥시던트 가스(50)의 양은, MEO 및 스택에 원하는 열 상태를 달성하기 위해, 제어 조립체(450)의 일부이거나 또는 (도시되지 않은) 별도의 제어기일 수 있는 제어기에 의해 제어된다. 예를 들어, MEO 및/또는 연료전지 스택에 추가적인 냉각이 요구될 때, 더 많은 신선한 공기(40)가 옥시던트 배기(50)와 혼합되거나, 또는 MEO 를 위해 오직 신선한 공기(40)만 옥시던트 공급 가스(42)로서 사용될 수 있다. 대안적으로, MEO 및/또는 연료전지 스택에 추가적인 가열이 요구된다면, 옥시던트 공급 가스(42)를 생산하기 위해 더 많은 옥시던트 가스(50)가 재순환되고, 또한 옥시던트 공급 가스를 위해 더 적은 신선한 공기가 공급되거나 또는 신선한 공기가 공급되지 않는다.
하기에 상세히 설명되는 바와 같이, 혼합기/이덕터(22)를 통과할 때, 옥시던트 공급 가스(42)는 연료 입구(22C)를 통해 혼합기/이덕터(22)에 들어가는 애노드 배기 가스(16)를 포함하며, 가스 압력이 감소되고 또한 온도가 증가된다. 혼합기/이덕터(22)로부터의 혼합된 가스는 산화기(24)에 들어가며, 거기에서 혼합된 가스의 애노드 배기 가스에서 소비되지 않은 연료가 연소되거나 산화되며, 그에 따라 가스 스트림의 온도를 상승시킨다. MEO 시스템(20)으로부터의 출구 가스 스트림(28)이 캐소드 섹션(12)의 캐소드 입구(12A)로 전달되고, 연료 가스는 애노드 섹션(14)의 애노드 입구(14A)로 전달된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에 있어서, 출구 가스 스트림(28)은, 캐소드 입구(12A)로 공급되기 전에, 미리 결정된 신선한 공기(40)의 양과 혼합될 수 있다. 출구 가스 스트림(28)과 혼합하도록 제공되는 신선한 공기(40)의 양은, 캐소드 입구(12A)로 공급된 옥시던트 가스의 온도를 제어하도록 제어된다.
일반적으로, MEO 시스템(20)의 목적은 애노드 섹션(14)으로부터 출력된 애노드 배기 가스에 존재하는 소비되지 않은 연료(16)를 산화시키고, 캐소드 입구 가스(28)를 예열하고, 및 애노드 섹션(14)의 출구(14B)의 애노드 배기 가스와 캐소드 섹션(12)의 입구(12A)의 캐소드 입구 가구 사이의 압력 차이를 감소시키는 것이다. 보다 구체적으로, 전술한 발명에 따라, 혼합물을 산화기(24)를 통해 이송하기 전에, 혼합기/이덕터(22)가 점화되어, 소비되지 않은 연료 및 공기/옥시던트 공급 가스를 점화 및 연소하기 시작한다. 이것은 산화기(24)의 촉매 베드 상의 증기의 응축을 감소시킴으로써, 또한 연료전지 시스템 또는 모듈의 온도 구배를 개선시킴으로써, MEO 시스템(20)의 전체적인 성능을 개선시킨다.
또한, 본 발명의 혼합기/이덕터(22)는 혼합기/이덕터(22)에서 연소 반응의 안정성을 강화시킨다. 특히, 혼합기/이덕터(22)에서의 연소 처리는 2개의 영역으로, 즉 제1의 작은 고온 영역 및 제2의 큰 저온 영역으로 분리된다. 제1의 작은 영역은 광범위한 연료전지 작동 조건에 대해 안정적이며, 또한 안정한 버너 영역으로서 작용한다. 특히, 제1의 작은 영역은 제2의 큰 영역에서 연속적인 연소 반응을 촉진시키는 고온 점화 소스를 제공하며, 이것은 일부 작동 조건에서는 덜 안정적이며 또한 애노드-출구 또는 배기 가스를 옥시던트 공급 가스와 혼합하기 위한 주 영역으로서 작용한다. MEO 시스템(20), 혼합기/이덕터(22), 및 안정한/주 버너 구성의 다양한 특징이 하기에 더욱 상세히 설명된다.
도 2 및 3은 MEO 시스템(20)의 예시적인 실시예를 도시하고 있으며, 이것은 일반적으로 혼합기/이덕터(220), 상기 혼합기/이덕터(220)에 결합되며 또한 혼합기/이덕터(220)로부터 출력된 부분적으로 연소된 가스 혼합물을 수용하는 산화기(240)를 포함한다. 혼합기/이덕터(220)는 2개의 입구, 즉 공기 및/또는 재순환된 옥시던트 배기 가스를 포함하는 옥시던트 공급 가스를 수용하기 위한 주 옥시던트 입구(222A), 및 애노드 섹션으로부터의 소비되지 않은 연료를 포함하는 애노드 배기 가스를 수용하기 위한 애노드 가스 입구(222C)를 포함한다. 산화기(240)는, 캐소드 섹션의 캐소드 입구로 공급되는 가열된 옥시던트 가스를 생산하기 위해, 혼합기/이덕터(220)로부터 수용된 혼합된 가스 스트림의 소비되지 않은 연료를 연소 또는 산화시키기 위한 산화 촉매 베드(340)를 포함한다.
혼합기/이덕터(220) 내의 연소 반응의 안정성을 강화하기 위해, 혼합기/이덕터(220)는 2개의 영역, 즉 제1의 작은 고온 영역[제1 영역(310)], 및 제2의 저온 영역[제2 영역(320)]으로 분리된다. 제1 영역(310)은 광범위한 연료전지 작동 조건에 대해 안정적인 버너 영역이다. 제1 영역(310)은 고온 점화 소소로서 작용하므로, 결과적으로 일부 작동 조건에서 덜 안정적인 제2 영역(320)에서 연속적인 연소를 촉진시킨다. 일반적으로, 제1 영역(310)이 입구(222A)로부터 옥시던트 공급 가스의 제1 부분을 수용하지만, 제2 영역(320)은 옥시던트 공급 가스의 제2 부분을 수용한다. 옥시던트 공급 가스의 제1 부분은 더 작은 용적을 가지며, 또한 옥시던트 공급 가스의 제2 부분 보다 더 낮은 흐름율로 공급되며, 또한 제1 부분은 연료전지의 애노드 섹션으로부터 수용된 소비되지 않은 연료(16)의 큰 부분을 포함한다. 옥시던트 공급 가스의 수용된 제1 부분과 소비되지 않은 연료의 비율은, 수용된 옥시던트 공급 가스 및 소비되지 않은 연료가 혼합된 후, 제1 영역에서 혼합물의 전체적인 화학량론이 화학량론적 비율의 100 % 의 가깝도록, 바람직하기로는 화학량론적 비율의 200 % 보다 크지 않도록 형성된다. 연료전지 시스템 또는 모듈의 전체 전력 작동에서 100 % 화학량론적 작동을 달성하기 위해, 연료에 대한 옥시던트 비율은 애노드 배기 가스의 용적 당 0.423 용적 옥시던트이거나, 또는 애노드 배기 가스의 질량 당 0.435 질량이다. 추가적으로, 제1 영역(310)은 제2 영역(320) 보다 저온 옥시던트 공급 가스에 대해 고온의 소비되지 않은 연료의 더 큰 비율을 가지며, 따라서 제1 영역(310) 내의 가스 스트림의 평균 온도는 제2 영역(320) 보다 더 높다.
혼합된 가스 스트림의 속도를 최소화하고 또한 옥시던트 공급 가스 또는 소비되지 않은 연료에 의한 스트림의 희석을 방지하기 위해, 스트림이 제1 영역(310) 내에서 전방으로 진행함에 따라, 제1 영역(310)의 가스 스트림이 제2 영역(320)의 가스 스트림으로부터 격리된다. 하기에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 일부 실시예에 있어서, 제1 영역(310)은, 제1 영역(310) 내에서 적절한 양의 혼합이 발생되고 또한 연소 반응을 없앨 정도로 가스 속도가 충분히 낮은 것을 보장하기 위해, 적절한 크기의 튜브 또는 슈라우드(shroud)와 같은 하우징으로 둘러싸인다.
제2 영역은 제1 영역(310)을 둘러싸고 그리고 이를 부분적으로 또는 전체적으로 에워싸며, 그에 따라 두 영역 사이의 밀착 결합을 제공한다. 제2 영역(320)은 입구(222A)로부터 다수의 제2 노즐(326)을 통해 옥시던트 공급 가스의 제2 부분을 수용하며, 또한 연료전지의 애노드 섹션으로부터 출력된 애노드 배기(16)의 나머지 부분을 포함하기 위해 제2 노즐(326)에 의해 형성된 제트 스트림을 사용한다. 이것은 제2 영역(320)에서 (화학량론적 비율의 500-700 % 의 연료에 대한 옥시던트 비율을 갖는) 희박한 가스 혼합물로 나타난다. 예를 들어, 연료에 대한 옥시던트 비율이 화학량론적 비율의 500-700 % 인 희박한 혼합물은 연료의 용적 당 2.115 옥시던트의 용적 또는 연료의 질량 당 2.175 옥시던트의 질량을 갖는다. 도 2-3에 도시된 바와 같이, 연소 반응을 받은 제1 영역(310)의 제1 가스 혼합물은 제1 영역으로부터 제2 영역(320) 내로 출력된다. 이 방법으로, 제1 영역(310)의 연소 반응 및 제1 영역(310)으로부터 방출된 에너지는 연소 반응을 제2 영역(320)으로 전파하고, 전체 연소 공정을 안정적이게 한다. 제1 영역(310)에서의 연소 반응은 가열 및 상시 대기 상태 중 가능한 고온 연료 및 옥시던트로 인해 동시 점화로부터 나타난다.
도 4는 제1 영역(310)과 그리고 제2 영역(320)의 일부의 횡단면도를 도시하고 있으며, 도 5는 제2 영역(320)에 의해 둘러싸인 제1 영역(310)의 등각 단면도를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 제1 영역(310)은 제2 영역(320)에 의해 둘러싸이고, 또한 튜브형 하우징(411)에 의해 둘러싸인다. 제1 영역(310)은 하우징(411)에 의해 형성된 공동에 위치되는 다수의 제1 노즐(416)을 포함한다. 제1 노즐(416)은 입구(222A)로부터 옥시던트 공급 가스(42)의 제1 부분을 수용하고, 그리고 각각의 옥시던트 제트 스트림을 형성한다. 하우징(411)은 제1 노즐(416)에 의해 형성된 제트에 의해 입구(5222C)를 통해 공급된 애노드 배기 가스(소비되지 않은 연료)의 일부(16A)를 포함하기 위해 입구(413)를 추가로 형성한다.
애노드 배기 가스(소비되지 않은 연료)(16A, 16B)는, 제1 영역(310)을 둘러싸고 또한 제2 노즐(326)을 포함하는 제2 영역(320)에 의해 형성되는 공동(421) 내로 도입된다. 제1 및 제2 영역(3210, 320)의 제1 및 제2 노즐(416, 326)을 통과하는, 블로어로부터의 옥시던트 공급 가스는 애노드 배기 가스(소비되지 않은 연료)를 포함하고 그리고 이를 펌핑하는 옥시던트 제트를 각각 형성하며, 그에 따라 MEO 시스템(20)에서 원하는 배출 효과를 생산한다. 일반적으로, 제1 및 제2 영역(310, 320)은 애노드 배기 가스의 동일한 용적을 위해 다툰다. 일부 실시예에 있어서, 제1 영역(310)이 미리 결정된 양의 애노드 배기 가스를 갖는 것을 보장하기 위해, 제1 노즐(416)은, 제2 영역(320)에 의해 형성된 제트 스트림에 대해 상류에 제1 영역(310)에 옥시던트 제트 스트림을 형성하기 위해, 제2 노즐(326)에 대해 위치된다.
전술한 바와 같이, 혼합기/이덕터(220)의 제1 영역(310)은 공통의 플레넘 챔버로부터 입구(222A)를 통해 MEO 시스템(200)으로 이송된 전체 옥시던트 공급 가스의 제2 영역(320)(제2 부분) 보다 더 작은 부분(제1 부분)을 사용한다. 다른 실시예에 있어서, 공기 또는 옥시던트 공급 가스는, 하나의 입구 파이프가 옥시던트 가스의 제1 부분을 제1 영역(310)에 공급하고 또한 다른 입구 파이프가 옥시던트 가스의 제2 부분을 제2 영역(320)에 공급하도록, 상이한 밸브 또는 블로어에 연결되는 2개의 상이한 입구 파이프로부터 MEO 시스템에 공급된다. 어떤 예시적인 실시예에 있어서, 제1 영역(310)에 공급된 전체 옥시던트 공급 가스의 제1 부분은 전체 옥시던트 공급 가스의 0.5 % 내지 10 % 이다. 도 4에 도시된 예시적인 실시예에서, 제1 및 제2 영역(310, 320)이 공통의 공급라인 또는 플레넘 챔버로부터 옥시던트 공급 가스를 수용하더라도, 다른 실시예에서는 제1 및 제2 영역에 옥시던트 공급 가스의 각각의 제1 및 제2 부분을 제공하기 위해, 분리된 공급라인 또는 플레넘 챔버가 사용될 수 있다.
제1 영역(310)에 옥시던트 공급 가스를 공급하는 제1 노즐(416)의, 그리고 제2 영역(320)에 옥시던트 공급 가스를 공급하는 제2 노즐(326)의, 상대적인 횡단면적 및 각각의 영역에 사용되는 노즐의 개수는, 제1 영역(310)으로 이송된 옥시던트 공급 가스의 제1 부분과 제2 영역(320)으로 이송된 옥시던트 공급 가스의 제2 부분의 비율을 결정하며, 또한 그에 따라 개수가 선택된다. 특히, 제1 및 제2노즐(416, 326)의 개수를 적절히 선택함으로써, 그 각각의 횡단면적이나 직경, 형상, 길이, 및/또는 그 배치, 애노드 배기 가스가 제1 영역(310) 내에 그리고 제2 영역(320) 내에 포함되는 비율이 조작될 수 있다. 도 4 및 5의 도시된 실시예에서는 4개의 제1 노즐(416) 및 4개의 제2 노즐(326)이 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)에 각각 사용되었더라도, 각각의 영역에는 더 많거나 또는 더 적은 노즐이 사용될 수 있다. MEO 시스템의 유효성, 특히 제1 및 제2 영역의 국부적인 화학량론은 노즐의 선택에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 다수의 더 작은 직경의 노즐을 사용하는 것은 애노드 배기 가스를 더욱 신속히 포함할 것이고 그리고 국부적인 화학량론적 비율을 감소시키는 반면에, 단일의 큰 노즐로 이동하는 것은 국부적인 화학량론을 감소시킬 것이다. 제1 및 제2 노즐의 크기, 이격거리, 및 개수를 적절히 선택함으로써, 각각의 영역에서 국부적인 화학량론이 원하는 레벨로 조작될 수 있다. 공간 제한사항 때문에, 6개까지의 제1 노즐로 구성된 시스템이 평가되었더라도, 4개의 제1 노즐 및 4개의 제2 노즐의 예시적인 구성이 선택되었다. 또한, 축방향 위치로부터 노즐의 앵글링(angling)이 혼합에 영향을 끼칠 수 있지만, 그러나 MEO 시스템에서 다양한 영역의 한정된 용적은 노즐의 앵글링을 배제하거나 또는 제한할 수 있다. 결과에 영향을 끼치는 다른 매개변수, 특히 애노드 배기 가스 및 국부적인 화학량론은 다양한 입구 및 노즐의 클로킹(clocking)이다. 예를 들어, 대칭을 유지하거나 또는 애노드 가스를 위한 조망(sight) 흐름 경로의 라인을 허용하기 위해, 애노드 가스 입구 포트(222C), 제1 영역 하우징(413)의 개구(들), 및 제2 노즐(326)을 위치시킴으로써, 상이한 레벨의 혼합이 달성될 수 있다.
일단 소비되지 않은 연료를 포함하는 원하는 용적의 배기 가스가 제1 영역(310) 내에 포함되었다면, 제1 영역(310)을 둘러싸는 하우징(411)은 추가적인 애노드 배기 가스의 포함을 방지한다. 하우징에 제공된 개구(413)는 제1 영역(310)에 형성된 옥시던트 가스 제트와 혼합될 수 있는 애노드 배기 가스의 양을 제한한다. 현재 도시되어 있는 실시예에 있어서, 개구(413)는 하우징의 하부 부분에 180°이격되고 3/4 인치 직경의 2개의 구멍으로 제공된다. 그러나 다른 실시예에 있어서, 개구(413)의 개수, 포지셔닝, 및 크기는 애노드 배기 가스의 원하는 흐름 및 하우징의 구성에 따라 변할 수 있다. 이들 개구의 개수, 크기, 및 위치를 적절히 선택함으로써, 제1 영역에서 달성되는 연료에 대한 옥시던트 비율이 제어될 수 있다. 또한, 개구(들) 위에 위치된 셔터(shutter)(들)는 개구에 가변형 면적을 제공하기 위해 사용될 수 있으며, 또한 셔터(들)의 개방 또는 폐쇄 정도는 외부 제어 시스템에 연결될 수 있다.
제1 영역(310)으로부터 제2 영역(320) 내로 빠져나가는 스트림의 가스 속도가 혼합물의 화염 전파 속도를 초과한다면, 화염은 파일럿 버너 팁을 들어올리고, 그에 따라 제2 영역의 연소를 덜 안정적으로 할 수 있는데, 그 이유는 화염 전방이 고형 표면[즉, 하우징(411)의 팁]에 정착되지 않기 때문이다. 특히, 화염 반응이 제1 영역(310)을 통해 제1 영역(310)의 하우징의 단부 또는 팁을 향해 전파함에 따라, 노즐(416)을 통한 가스의 흐름은 화염을 노즐로부터 멀리 가압한다. 가스 속도가 화염 속도를 초과한다면, 화염은 혼합으로 인해 노즐로부터 또한 하우징의 팁으로부터 가스 속도가 느려지고 그리고 화염 속도와 동일해지는 지점까지 멀리 이동한다. 화염이 공중에 현수되어 있을 때, 가스 흐름율이 변화됨에 따라, 하우징 팁으로부터의 그 거리가 변할 것이다. 그 결과, 이 상태는 화염 전방이 정지된 물체에 부착될 때 보다 덜 안정적인데, 그 이유는 흐름 시스템의 임의의 혼란(perturbation)이 화염을 하우징 팁으로부터 멀리 신속히 이동시켜 꺼질 수 있게 하기 때문이다. 제2 영역(320)에서의 연소 상태의 안정성을 보장하기 위해, 제1 영역(310)을 둘러싸는 하우징(411)의 직경 및 길이는 애노드 배기 가스의 소비되지 않은 연료와 제1 영역(310)의 옥시던트 공급 가스의 적절한 혼합을 제공하도록, 또한 하우징(411)으로부터 출구에서 제1 영역(310)의 혼합물의 감소된 속도를 보장하여 그 부착된 화염을 하우징 출구에 유지하도록, 선택된다. 특히, 제1 영역에서 옥시던트 공급 가스와 애노드 배기를 적절히 혼합함으로써, 느려진 옥시던트 제트 및 포함된 애노드 배기 가스는 감소된 평균 속도로 나타나도록 속도가 올라간다.
또한, 일부 실시예에 있어서, 연소 반응을 추가적으로 안정시키기 위해 또한 파일럿 버너 팁에 부착된 화염을 유지하기 위해, 하나 또는 그 이상의 화염 유지 로드(rod)가 제1 영역(310)의 가스 스트림에 위치된다. 예를 들어, 도 4 및 5의 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 화염의 끈기(tenacity)를 강화시키기 위해 또한 화염의 파일럿 버너에의 부착을 타협할 수도 있는 주변 드래프트(draft) 또는 다른 상태의 영향을 최소화하기 위해, 스트림과 교차하는 2개의 와이어(412)가 제1 영역(310)에 배치되거나 또는 하우징(411)의 출구 가까이에 배치될 수 있다. 대안적인 실시예에 있어서, (도시되지 않은) 약 1/4 인치의 2쌍 내지 4쌍의 노치가 하우징(411)의 측벽(들) 내로 절단되며, 각각의 쌍 사이의 측벽은 하우징을 빠져나가는 흐름을 방해하고 그리고 둔한 물체(bluff body) 효과를 제공하기 위해 내향으로 굴곡된다. 하우징의 측벽에 제공된 노치의 크기 및 개수는 하우징 내의 흐름 요구사항에 따라 변할 수 있다. 하우징 측벽의 단부를 슬로팅(slotting)하거나 절단하고 또한 측벽 부분을 절단부 또는 슬롯 사이로 내향하여 굴곡시킴으로써 형성된 태브(tab)(411A)를 갖는 하우징의 예시적인 구성이 도 6a 및 6b에 도시되어 있다. 태브(411A)는 가스의 흐름을 방해하며, 또한 화염이 부착될 수 있는 지점으로서 작용한다.
본 발명에 따라, 노즐 크기, 개구, 등과 같은 MEO 시스템 부품의 형상은 옥시던트 공급 가스의 공급과 속도, 및 혼합기/이덕터의 제1 및 제2 영역 내로 애노드 배기 가스의 포함을 제어한다. 그러나 어떤 실시예에 있어서, 도 1-4에 도시된 바와 같이, MEO 시스템은 옥시던트 공급 가스의 혼합기/이덕터 및/또는 혼합기/이덕터의 제1 및 제2 영역(310, 320)으로의 적어도 공급을 제어하기 위해 제어 조립체(450)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 제어 조립체(450)는 애노드 배기의 혼합기/이덕터(22)로의 및/또는 제1 및 제2 영역(310, 320)으로의 공급도 제어한다. 특히, 제어 조립체(450)는 혼합기/이덕터에 옥시던트 공급 가스를 제공하는 공통의 플레넘 챔버로 이송된 옥시던트 공급 가스의 양 또는 흐름율을 제어하며, 또한 일부 실시예에서는 제1 영역(310)에 연료에 대해 원하는 옥시던트 비율 및 가스 흐름을 달성하기 위해, 제어 조립체(450)는 제1 영역(310)의 제1 노즐(416)로 이송된 옥시던트 공급 가스의 양 및/또는 흐름율도 제어한다. 일부 실시예에 있어서, 제어 조립체(450)는 제2 영역(320)의 제2 노즐(326)로 이송된 옥시던트 공급 가스의 양 및/또는 흐름율을 제어할 수도 있다. 더욱이, 일부 실시예에 있어서, 제1 영역(310)에 연료에 대해 원하는 옥시던트 비율 및 가스 흐름을 달성하기 위해, 제어 조립체(450)는 입구(222C)를 통해 혼합기/이덕터로 이송된 애노드 배기의 양 및/또는 흐름율을 제어하며, 또한 제1 영역(310) 및/또는 제2 영역(320)으로 이송된 옥시던트 공급 가스의 양 및/또는 흐름율도 제어할 수 있다. 제어 조립체(450)는 옥시던트 공급 가스 및/또는 애노드 배기의 혼합기/이덕터로의 및/또는 상기 혼합기/이덕터의 제1 및 제2 영역으로의 흐름을 제어하기 위해, 밸브 등과 같은 (도시되지 않은) 하나 또는 그 이상의 흐름 제어 부재를 포함한다. 제어 조립체(450)는, 제1 영역(310)의 가스 혼합물이 연료에 대해 원하는 옥시던트 비율을 갖도록, 또한 제1 및 제2 영역(310, 320)을 통해 흐르는 가스가 원하는 가스 속도를 갖도록, 흐름 제어 부재(들)를 제어하기 위해 (도시되지 않은) 제어기를 추가로 포함한다.
일반적으로, 연료전지 시스템이 가열되고 그리고 전력을 생산할 준비가 된 후, 연소 상태가 극적으로 변한다. 상시 대기 전력 레벨에서, 연료전지 온도는 고온으로 유지되지만, 그러나 연료전지는 전력을 생산하지 않는, 즉, 제로 전력 작동이다. 캐소드측으로 제공된, 공급된 공기 또는 옥시던트 가스는 900 ℉로 가열되며, 연료전지 애노드 배기는 높은 BTU 함량(∼ 176 Btu/ft3) 및 1050 ℉ 근처의 높은 온도를 갖는다. 이 상태에서, 연료 흐름은 산화 가스가 연료전지의 애노드측 내로 누설되어, 유입되는 공기 또는 옥시던트 공급 가스를 연료전지의 작동 온도로 마무리 가열하는 것을 방지하기에 충분히 높은 레벨로 감소시킨다. 추가적으로, 캐소드 재순환 루프(loop) 또는 직화식(fired) 공기 히터가 사용된다면, 유입되는 공기의 산소 함량도 감소된다. MEO 의 연료 함량이 상기 대기 작동 중에는 희박하더라도, 전체적인 점화 상태는 상당히 안정적이며, 또한 연료 스트림의 주로 높은 반응 온도 및 낮은 속도로 인해 이미 꺼진 화염이 재점화될 수 있다.
그러나 연료전지 시스템이 전력 생산을 증가시킴에 따라, 연료 흐름도 증가한다. 연료의 더 큰 부분이 연료전지 스택에서 전기로 직접적으로 변환됨에 따라, 애노드 배기의 가열값(heating value)이 감소된다(∼50 Btu/ft3). 결과적으로, MEO 의 애노드 배기 및 옥시던트 공급 가스의 전체적인 혼합은 열을 덜 방출하여, 혼합물의 소비되지 않은 연료를 연소시키는 것을 더욱 어렵게 한다. 또한, 연료전지 스택은 연료전지 반응의 부산물로서 열을 생산하며, 따라서 이제 산화기 출구 가스는 이것을 가열하기 보다는 캐소드를 통해 이송될 때, 연료전지 스택을 냉각시키는 것을 도울 수 있다. 이것을 달성하기 위해, 이덕터 입구 공기 온도는 고온 캐소드 배기 가스로 더 이상 가열되거나 블렌딩되지 않으며, 즉 캐소드 배기의 작은 부분 또는 캐소드 배기가 MEO 로 재순환되지 않아, 산소 농도의 증가 및 MEO 에 공급된 옥시던트 공급 가스의 온도 강하를 유발시킨다. 더 높은 애노드 가스 속도, 소비되지 않은 연료의 더 낮은 가열값, 및 옥시던트 공급 가스의 더 낮은 온도의 조합은, MEO 의 연소 안정성을 상당히 감소시킨다. 즉, 전체 전력 고온 작동 중, 전력을 생산하기 위한 가장 유리한 상태는 MEO 의 연소 안정성을 유지하는데 가장 어려운 상태가 된다.
따라서 연료전지 시스템의 더 좋은 전체적인 성능을 보장하기 위해, 연료전지 성능은 전체 전력 작동 모드/레벨로 최적화될 필요가 있다. 상시 대기 및 다른 전력 레벨은 단순히 연료전지 시스템이 전체 전력 작동 레벨로의 천이 지점이다. 전술한 원리에 따라 설계된 MEO 시스템은 광범위한 연료전지 작동 상태에 대해 안정적인 점화를 제공하며, 또한 전체 전력 레벨에서 연료전지 성능을 최적화시키며, 그에 따라 연료전지 시스템의 전체 성능을 최적화시킨다.
애노드 배기 가스의 연료 조성물은 연료전지 시스템의 전력 레벨을 한정하는데 사용될 수 있는 기준 지점을 제공한다. 애노드 배기의 연료 조성물에 대해 연료 시스템의 전력 레벨을 한정함으로써, 전체 공정의 이익을 달성하기 위해, 연소의 용이성 및 요구되는 공기의 양이 결정될 수 있다. 연료 조성물은 상시 대기 상태 중에는 높은 칼로리 또는 가열값으로 시작하며, 또한 연료전지 시스템의 전력 레벨이 증가함에 따라 낮은 칼로리 또는 가열값으로 악화된다. 이 방법으로, 옥시던트 공급 가스에 사용하기 위한 공기 및 캐소드 배기의 흐름율이 제어되며, 또한 애노드 배기 및 옥시던트 공급 가스의 MEO 및/또는 MEO 의 제1 및/또는 제2 영역으로의 흐름율이 연료전지 시스템의 전력 레벨에 기초하여 제어된다.
도 7은 화학량론적 비율에 대한 연료에 대한 옥시던트 비율의 범위에 대해 상시 대기 작동 레벨(610) 및 전체 전력 작동 레벨(620)에서 애노드 배기의 연료 조성물을 위한 계산된 단열 화염 온도의 그래프를 도시하고 있다. 피크(peak) 온도(612, 622) 및 그에 따른 더 안정한 연소 상태는 화학량론적 비율의 100 % 에서 연료에 대한 옥시던트 비율에 가깝게 발생한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 혼합기/이덕터 작동의 정상적인 "잘 혼합된" 화학량론은 이들 값을, 화학량론적 비율의 500 % 및 2200 % 에서 우측으로 멀리 놓는다. 상시 대기 작동 중 낮은 연료 흐름 및 높은 옥시던트 흐름으로 인해, 상시 대기 작동 레벨의 정상적인 화학량론은 혼합물의 가연 한계(flammable limit)의 외측에 있다. 그러나 높은 반응 온도 및 빈약한 혼합은 이들 반응물이 정상 작동 중 연소되는 것을 허용한다.
연료전지의 성능을 최적화하고 또한 모든 작동 레벨에 대해 연소 상태의 안정성을 보정하기 위해, 전체 MEO 시스템 옥시던트 공급 가스의 작은 부분(예를 들어, 0.5 내지 10 %)이 제1 영역(310)으로 전달되고, 거기에서 이것은 소비되지 않은 연료를 포함하는 애노드 배기의 큰 부분과 혼합된다. 이것은 MEO 시스템이 제1 영역(310) 내에서 화학량론적 비율에 더 가까운 상태(화학량론적 비율의 20 % 내지 200 %)를 달성할 수 있게 한다. 또한, 이것은 제2 영역(320)에 공급된 나머지 가스가 화학량론적 비율의 약 500 % 내지 700 % 의 더 높은 연료에 대한 옥시던트 비율을 갖는, 희박한 혼합물을 형성하도록 유발시킨다. 제1 영역의 온도의 증가는 제2 영역(320)을 열적으로 촉매화시키며, 또한 MEO 시스템이 오직 하나의 전체 연소 영역을 사용하는 것 보다 연소가 더욱 신뢰성 있게 발생하는 것을 보장한다.
MEO 시스템의 설명된 구성에 있어서, 연료전지 시스템이 상시 대기 작동 레벨로부터 전체 전력 작동 레벨로 진행함에 따라, 제1 영역(310)의 화학량론이 바뀐다. 상시 대기 작동 레벨에서, 작은 제1 영역(310)의 혼합물은 100 % 화학량론적 비율 또는 연료 풍부(< 100 %)에 가깝다. 연료전지 시스템이 전체 전력 작동 레벨로 진행함에 따라, 제1 영역의 연료에 대한 옥시던트 비율이 증가한다. 그러나 이 증가는 화학량론적 비율의 200 % 보다 크지 않도록 목표된 것이며, 따라서 제1 영역(310)의 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율은 제2 영역(320)의 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율 및 연료에 대한 전체 옥시던트 비율 보다 아직 상당히 낮다. 혼합기/이덕터의 노즐의 크기가 설계에 의해 고정되고 또한 전체 전력 작동 중 혼합물이 상시 대기 작동 시 보다 더 희박해질 것으로 예상되기 때문에, 혼합기/이덕터는 가장 안정된 작동을 보장하기 위해 제1 영역(310)의 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율이 100 % 화학량론에 가깝거나 또는 100 % 를 미세하게 넘는다. 이 방식으로 제1 영역(310)은 제2 영역(320)을 위한 점화 소스로서 계속 작용하며, 그에 따라 연료전지의 전체 전력 작동 레벨에서 연소 반응의 안정성을 보장한다.
예
혼합기/이덕터를 위한 하우징 및 노즐의 구성은 연료전지 시스템 또는 모듈의 크기와 요구사항에 따라 변할 수 있다. 100 kW 용융 탄산염 연료전지 스택을 위해 설계된 예시적인 혼합기/이덕터는 하우징에 의해 둘러싸인 제1 영역에 4개의 제1 노즐, 및 제2 영역에 4개의 제2 노즐을 포함한다. 제1 영역에서, 4개의 제1 노즐의 각각은 0.049 in2 의 흐름 횡단면적으로 나타나는 0.125 인치의 직경을 가지며, 또한 노즐들은 3.4 노즐 직경으로 분리된다. 노즐들 사이의 이 이격은 인접한 노즐의 중심 사이에서 측정된 거리로서 한정된다. 제2 영역에서, 4개의 제2 노즐의 각각은 5.98 in2 의 흐름 횡단면적으로 나타나는 1.38 인치의 직경을 가지며, 또한 노즐들은 2.1 노즐 직경으로 분리된다. 제1 노즐을 둘러싸는 하우징은 1.049 인치의 직경을 가지며, 또한 제2 공기 노즐 출구로부터 1/2 인치 오목하게 되어 있다. 하우징은 하우징의 입구 단부에 가깝게 180°로 떨어진 2개의 개구를 포함한다. 2개의 개구의 각각은 0.75 인치의 직경을 갖는다.
이 예시적인 구성에 있어서, 제1 및 제2 옥시던트 노즐 직경은 제1 및 제2 영역으로의 옥시던트 가스 흐름의 분기(split)를 한정한다. 제1 및 제2 영역 내로의 포함에 의한 애노드 배기 가스의 분기는 노즐 직경, 하우징의 개구의 크기, 및 다른 요소에 따른다.
모든 경우에 있어서, 전술한 장치는 본 발명의 적용을 나타내는 단지 많은 가능한 특정한 실시예의 예시적인 것에 불과한 것임을 인식해야 한다. 본 발명의 정신 및 범위로부터의 일탈 없이, 본 발명의 원리에 따라 많은 그리고 변화된 다른 장치가 용이하게 고안될 수 있다.

Claims (29)

  1. 애노드측 및 캐소드측을 갖는 연료전지 시스템에 사용하기 위한 혼합기/이덕터 조립체에서, 상기 혼합기/이덕터 조립체는 애노드측으로부터 출력된 애노드 배기 가스와 옥시던트 공급 가스를 혼합하고 또한 이들을 적어도 부분적으로 연소시키는, 혼합기/이덕터 조립체로서:
    제1 혼합물을 형성하기 위해 애노드 배기 가스의 제1 부분 및 옥시던트 공급 가스의 제1 부분을 수용 및 혼합하는 제1 영역; 및
    상기 제1 영역에 결합되고, 제2 혼합물을 형성하기 위해 애노드 배기 가스의 제2 부분 및 옥시던트 공급 가스의 제2 부분을 수용 및 혼합하는 제2 영역을 포함하며,
    상기 제1 영역은 제1 혼합물의 연소 반응을 시작하도록 구성되며,
    상기 제1 혼합물은 제2 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율 보다 더 작은 미리 결정된, 연료에 대한 옥시던트 비율을 가지며,
    상기 제1 영역은 제2 영역에서 제2 혼합물의 연속적인 연소를 촉진시키기 위해 점화 소스를 제공하는 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  2. 제1 항에 있어서,
    제1 영역은 제2 영역 보다 더 작으며, 또한 제1 영역은 제2 영역 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  3. 제1 항에 있어서,
    제1 영역에서 혼합된 옥시던트 공급 가스의 제1 부분은 옥시던트 공급 가스의 0.5 % 내지 10 % 인 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  4. 제1 항에 있어서,
    혼합기/이덕터 조립체의 작동 중 제1 영역의 온도는 제2 영역의 온도 보다 더 높은 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  5. 제1 항에 있어서,
    제1 영역의 제1 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율은 화학량론적 비율의 50 % 내지 200 % 이며, 제2 영역의 제2 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율은 화학량론적 비율의 500 % 내지 2200 % 인 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  6. 제5 항에 있어서,
    제1 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율은 연료전지 시스템이 상시 대기 전력 레벨일 때 화학량론적 비율의 약 100 % 이며, 또한 제1 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율은 연료전지 시스템이 전체 전력 작동일 때 화학량론적 비율의 200 % 보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  7. 제1 항에 있어서,
    제1 영역은, 옥시던트 공급 가스의 제1 부분을 수용하고 또한 하나 또는 그 이상의 제1 옥시던트 스트림을 형성하도록 적응된, 하나 또는 그 이상의 제1 공기 노즐을 포함하며,
    제2 영역은, 옥시던트 공급 가스의 제2 부분을 수용하고 또한 하나 또는 그 이상의 제2 옥시던트 스트림을 형성하도록 적응된, 하나 또는 그 이상의 제2 공기 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  8. 제7 항에 있어서,
    제1 공기 노즐은 제2 공기 노즐에 의해 형성된 하나 또는 그 이상의 제2 옥시던트 스트림에 대해 상류에 제1 옥시던트 스트림을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  9. 제7 항에 있어서,
    제1 영역은 제1 공기 노즐을 둘러싸고 또한 하나 또는 그 이상의 애노드 배기 입구를 형성하는 하우징을 포함하며, 상기 하나 또는 그 이상의 제1 공기 노즐에 의해 형성된 하나 또는 그 이상의 제1 옥시던트 스트림은 하나 또는 그 이상의 애노드 배기 입구를 통해 애노드 배기 가스의 제1 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  10. 제9 항에 있어서,
    제1 영역은 화염의 안정성을 강화하기 위해 제1 영역의 가스 흐름의 경로 내로 연장하는 하나 또는 그 이상의 화염 유지 부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 애노드 배기 입구는 하우징의 미리 결정된 위치에 배치되며, 또한 제1 영역에서 연료에 대해 원하는 옥시던트 비율을 달성하기 위해 미리 결정된 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  12. 제9 항에 있어서,
    하나 또는 그 이상의 제1 공기 노즐은 하우징 내에서 규칙적인 간격으로 배치되고, 하나 또는 그 이상의 제2 공기 노즐은 제2 영역에서 하우징의 둘레로 규칙적인 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  13. 제1 항에 있어서,
    애노드 배기 가스의 제1 및 제2 부분은 공통의 배기 공급라인 및 별도의 배기 공급라인으로부터 제1 및 제2 영역에 각각 제공되며, 옥시던트 공급 가스의 제1 및 제2 부분은 공통의 옥시던트 공급라인 및 별도의 옥시던트 공급라인 중 하나로부터 제1 및 제2 영역에 각각 제공되는 것을 특징으로 하는 혼합기/이덕터 조립체.
  14. 연료전지 시스템으로서:
    애노드측 및 캐소드측을 갖는 연료전지 스택; 및
    애노드측으로부터 출력된 애노드 배기 가스와 옥시던트 공급 가스를 혼합하기 위한 제1항 내지 제3항, 제5항, 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 혼합기/이덕터 조립체를 포함하며,
    상기 애노드측은 연료를 수용하고 그리고 배기 가스를 출력하며, 상기 캐소드측은 옥시던트 가스를 수용하고 그리고 옥시던트 배기 가스를 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 삭제
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  17. 삭제
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  19. 삭제
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  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제14 항에 있어서,
    혼합기/이덕터 조립체는 부분적으로 연소된 가스 혼합물을 출력하고, 연료전지 시스템은 혼합기/이덕터 조립체로부터 출력된 상기 부분적으로 연소된 가스 혼합물을 수용하고, 상기 부분적으로 연소된 가스 혼합물을 산화시키고, 및 연료전지의 캐소드측에 사용하기 위해 옥시던트 가스를 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  24. 애노드측으로부터 출력된 애노드 배기 가스와 옥시던트 공급 가스를 제1항, 제3항, 제5항 및 제9항중 어느 한 항에 따라 혼합하고 그리고 적어도 부분적으로 연소시키기 위해 애노드측 및 캐소드측을 갖고 추가로 혼합기/이덕터 조립체를 갖는 연료전지 시스템에 사용하기 위한 혼합/배출 방법으로서:
    제1 영역에 제1 혼합물을 형성하고 그리고 제1 혼합물의 연소 반응을 시작하기 위해, 애노드 배기 가스의 제1 부분과 옥시던트 공급 가스의 제1 부분을 수용 및 혼합하는 단계;
    제1 영역에 결합된 제2 영역에 제2 혼합물을 형성하기 위해, 애노드 배기 가스의 제2 부분과 옥시던트 공급 가스의 제2 부분을 수용 및 혼합하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 혼합물은 제2 혼합물의 연료에 대한 옥시던트 비율 보다 더 작은 미리 결정된, 연료에 대한 옥시던트 비율을 가지며,
    제1 영역은 제2 영역의 제2 혼합물의 연속적인 연소를 촉진시키기 위해, 점화 소스를 제공하는 것을 특징으로 하는 혼합/배출 방법.
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 제24 항에 있어서,
    제1 혼합물이 제1 영역에서 미리 결정된, 연료에 대한 옥시던트 비율을 갖도록, 혼합기/이덕터 조립체로의 옥시던트 공급 가스 흐름, 및 각각의 제1 및 제2 영역에 제공된 옥시던트 공급 가스의 제1 및 제2 부분의 흐름 중 적어도 하나를 제어하는 제어 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합/배출 방법.
  29. 제28 항에 있어서,
    상기 제어 단계는 혼합기/이덕터 조립체에 제공된 애노드 배기 가스 흐름, 및 각각의 제1 및 제2 영역에 제공된 애노드 배기 가스의 제1 및 제2 부분의 흐름 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합/배출 방법.
KR1020157010552A 2012-09-28 2013-09-27 고온 연료전지를 위한 화염 안정된 혼합기-이덕터-산화기 KR101750636B1 (ko)

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