KR101795082B1 - 연료 전지의 시동과 정지에 사용 가능한 가스 발생 장치 - Google Patents

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마크 빈센트 스코토
다니엘 피. 버밍햄
크리스핀 엘. 데벨리스
마크 안토니 페르나
그레고리 씨. 러쉬
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엘지 퓨얼 셀 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 연료 전지의 시동과 정지에 사용할 수 있는 가스 발생기를 제공하기 위한 것이다. 한가지 구현예로서, 여기에 한정하는 것은 아니지만, 상기 가스 발생기는 공기를 수용하고, 공기로부터 산소(O2)는 추출하며, 나머지는 질소 농축 가스로 배출할 수 있는 구조로 된 질소 발생기, 탄화수소 연료, 상기 질소 농축 가스를 수용하고, 이 두 가지를 모두 포함하는 공급원료 혼합물을 배출할 수 있는 구조로 된 합류실, 상기 공급원료 혼합물을 수용하고 이것을 환원 가스로 촉매적으로 전화할 수 있는 구조로 된 촉매 반응기를 포함한다.

Description

연료 전지의 시동과 정지에 사용 가능한 가스 발생 장치{Apparatus for generating a gas which may be used for startup and shutdown of a fuel cell}
본 발명은 2009년 9월 4일에 출원한 미국특허출원 제12/554,039호, "연료전지의 시동과 정지에 사용 가능한 가스 발생 방법"과 관련이 있는 발명이다.
본 발명은 DOE에서 수여하는 DE-FC26-06NT42809의 정부 지원으로 완성된 것이며, 정부는 이 발명에 대해 특정 권리를 갖는다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 연료 전지의 시동과 정지에 대해 사용할 수 있는 가스 발생 장치에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 연료 전지를 기반으로 하는 전력 장치, 모바일 연료 전지를 기반으로 하는 전력 발생 장치로서, 전기 화학적 반응을 통해서 전력을 발생하고 있으며, 배출 부산물이 전통적인 전력 장치에 비해 전형적으로 깨끗하기 때문이고 그리고 연료 전지는 전통적인 전력 장치에 비해 전기적으로 더 효율적일 수 있기 때문에 점점 널리 사용되고 있다. 연료 전지 시스템은 종종 개개의 연료 전지를 스택 형태로 이용하며, 각각의 연료 전지는 전형적으로 음극, 양극 그리고 음극과 양극 사이에 위치하는 전해질을 포함하고 있다. 전기 부하는 음극과 양극에 연결되어 있다. 음극과 양극은 전기적으로 전도성이며 각각 수소와 산소와 같은 필수적인 가스에 대해 투과성이 있다.고체 산화물 연료 전지(SOFC)에서, 전해질은 산소 이온이 통과할 수 있는 구조로 되어 있으며, 양극에서 음극으로 자유 전자의 이동을 방지하기 위해 전기적인 전도성이 적거나 없다. 전기 화학 반응을 효율적으로 실시하기 위하여 일부 연료 전지는 온도를 올려서 작동을 시키고 있다. 예를 들어서, SOFC의 경우 음극, 양극 및 전해질 온도를 700℃ 내지 1000℃의 부근 또는 ㄱ그 이상으로 올리고 있다.
정상 운전 중에, 합성 가스는 음극으로 공급하고, 공기와 같은 산화제는 양극으로 공급한다. 일부 연료 전지 시스템은 내부 개질기를 포함하고 있으며, 여기서 산화제를 사용해서 연료를 합성 가스로 개질하고 있다. 연료는 천연 가스, 가솔린, 디젤 연료와 같은 통상적인 연료이거나 바이오 가스와 같은 다른 연료를 사용하고 있다. 합성 가스는 전형적으로 수소(H2)를 포함하고 있으며, 이 가스는 많은 형태의 연료 전지에 빈번하게 사용되고 있는 가스이다. 합성 가스는 연료로서 적합할 수 있는 다른 가스, 예를 들면 일산화탄소(CO)를 포함할 수 있으며, PEM(양성자 교환 멤브레인)과 같은 다른 연료 전지에 대해서는 해로울 수 있지만, SOFC 연료 전지와 같은 일부 연료 전지에 대해서는 반응물로서 유용하다. 추가로, 합성가스는 다른 개질기 부산물, 예를 들면 수증기와 다른 가스, 즉 질소와 이산화탄소(CO2), 메탄(전형적으로 1%)을 포함한다. 그 외에 미량의 에탄과 같은 고탄화수소 슬립도 포함한다.
어떤 경우에, 합성 가스는 음극에서의 전기 화학 반응중에 전해질을 통해서 양극에서 온 산소 이온에 의해 산화되어진다. 상기 반응은 음극에서 수증기와 자유 전자 형태로 전기를 만들어내며 이것은 전기 부하를 위한 전력으로 사용된다. 그리고 전기 부하로부터 양극으로 돌아오는 전자를 사용해서 양극 산화제의 환원을 통해 산소 이온이 만들어진다.
연료 전지가 시동을 시작하면, 내부 공정은 시동에 필요한 온도를 유지하게 된다. 그러나, 연료 전지를 시동하기 위해서는 초기 연료 전지 시스템 구성요소들은 가열되어야 하며, 일부 연료 전지 시스템 구성요소들은 시동할 때 손상을 받지 않아야 한다. 예를 들어, 음극은 합성 가스가 없는 상태에서 정상 운전 온도 이하에서는 산소가 없을 때 산화 손상을 받을 수 있다. 또한, 개질기는 합성 가스가 발생하는 촉매 반응을 시작하기 위해서는 열 외에 특정한 화학적 성질을 필요로 할 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템의 시동은 예를 들면 시동 공정시 가연성 혼합물이 형성되는 것을 방지하는 것과 같이 안전한 방식으로 이루어져야 한다. 추가로 시동의 초기 단계 중에 폭발하지 않고 산화되는 가스가 없도록 연료 전지를 정화하는 것이 바람직하다.
종래기술에서 연료 전지의 시동과 정지하기 위해 개선된 장치와 방법이 필요하게 되었다.
본 발명은 연료 전지의 시동과 정지에 사용할 수 있는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. 예를 들면, 본 발명의 구현예는 예를 들어 질소 분리막을 사용하는 질소 농축 기류를 발생시키기 위한 질소 발생기를 이용할 수 있으며, 연료 전지 발전 장치 중에서 하나 또는 그 이상의 보조적인 하부시스템 구성 요소 또는 다른 구성 요소를 정화하는데 사용할 수 있다.
추가로, 본 발명의 동일 및/또는 다른 구현예로서, 산소 저함량 산화제를 발생시키고, 상기 산화제와 연료를 통합하여 공급원료 혼합물을 수득하고, 상기 공급 혼합물을 촉매적으로 환원 가스로 전화하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 동일 및/또는 다른 구현예로서, 상기 환원 가스를 원하는 온도, 예를 들면 반응기의 반응 온도 또는 온도 다운스트림에서 유지하기 위하여 상기 산화제에서 산소 함량을 변화시키고, 또 상기 공급원료 혼합물 중에서 산화제/연료 비율을 변화시키는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 동일 및/또는 다른 구현예로서, 원하는 촉매 출구 온도를 유지하고 동시에 상기 환원 가스에 대해 원하는 환원 강도를 제공하기 위해, 예를 들면 상기 환원 가스의 가연 성분을 변화시키고 동시에 상기 환원 가스의 원하는 유량을 변화시켜서 산화제의 산소 함량을 조절하고 또 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율을 조절하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 동일 및/또는 다른 구현예로서, 원하는 촉매 출구 온도를 유지하고 동시에 상기 환원 가스의 원하는 환원 강도를 위해, 예를 들면 환원 가스의 가연 함량을 변화시키고 동시에 환원 가스 유동을 변화시켜서 산화제의 산소 함량을 조절하고 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율을 조절하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 동일 및/또는 다른 구현예로서, 원하는 환원 가스 촉매 출구 온도를 유지하고 동시에 상기 환원 가스의 환원 강도를 변경, 예를 들면 환원 가스의 가연 함량을 변화시켜서 산화제의 산소 함량을 조절하고 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율을 조절하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 동일 및/또는 다른 구현예로서, 환원 가스를 생성하기 시작하도록 필요한 시간을 줄이기 위해서 공급원료 혼합물의 촉매 활성화 온도 또는 그 이상에서 예를 들면, 가열 장치의 온도 유지를 포함할 수 있다.
이하 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 하며, 각각의 도면에서 동일한 부품에 대해서는 동일한 부호를 적용하기로 한다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 환원 가스 발생기를 포함하는 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것으로 도 1 보다는 상세한 도면이다.
도 3a~3d는 본 발명에 따른 구현예에 따른 환원 가스 발생기를 사용하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 방법을 표시한 플로우 차트이다.
도 4는 본 발명의 구현예에 따른 환원 가스 발생기의 촉매 반응기에서의 촉매 전환 매개변수를 나타낸 플롯이다.
본 발명의 원리의 이해를 도울 목적으로, 도면에 예시한 구현예를 참조하여 기재한 것이며, 이러한 구현예를 설명하기 위해서 구체적인 용어를 사용할 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 예시문과 구현예에 대한 설명에 의해서 본 발명의 범위가 한정되지 않는다. 더욱이 예시 및/또는 설명된 구현예(들)을 변경 및/또는 개조하는 것도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 보아야 한다. 또한, 여기에 예시하거나 기재된 것은 물론 본 발명과 관련 분야의 통상의 기술자에 의해 행해지는 발명의 원리의 어떤 다른 응용도 본 발명의 범위 내에 있다고 보아야 할 것이다.
도면을 참조하면, 특히 도 1은 본 발명의 구현예에 따른 연료 전지 시스템(10)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 연료 전지 시스템(10)은 하나 이상의 연료 전지(12)와 환원 가스 발생기(14)를 포함하고 있다. 연료 전지 시스템(10)은 예를 들어 전기 전선(18)을 통해서 전기 부하(16)에 전원을 제공할 수 있도록 구성되어 있다. 본 발명의 구현예에서, 연료 전지(12)는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)이지만, 본 발명을 알칼리 연료 전지, 용융-탄산염 연료 전지(MCFC), 인산형 연료 전지(PAFC) 및 양성자 교환 멤브레인(PEM) 연료 전지와 같이 다른 유형의 연료 전지에도 동일하게 적용할 수 있다. 본 발명의 구현예에서, 연료 전지 시스템(10)이 적합하지만, 이에 국한하는 것은 아니며, 고압 공급 기류를 이용하는 연료 전지 터빈 하이브리드 시스템에도 적용할 수 있다.
본 발명의 구현예의 환원 가스 발생기(14)는 3% 내지 45%의 조성 범위에서 변화를 줄 수 있는 가연 성분(기본적으로 수소-H2와 일산화탄소-CO)을 함유하는 환원 가스를 발생하도록 구성되어 있다. 다른 구현예로서, 서로 다른 조성 범위를 이용할 수 있으며, 예를 들어 다른 구현예에서는 가연 성분을 약 2% 내지 50%의 조성 범위로 할 수 있다. 또 다른 구현예에서는 가연 성분을 약 1% 내지 60%의 범위로 할 수 있다. 아래에서와 같이, 본 발명의 구현예에 따른 환원 가스 발생기(14)는 연료 전지(12)의 시동시, 예를 들면 전력을 생산하기 전 시스템에 열을 가할 때 출발 가스를, 연료 전지(12)의 음극(anode)을 산화로부터 보호하는 초기 기능을 가지는 환원 가스 형태로 수득할 수 있도록 맞추어져 있다. 전력 생산이 시동될 때, 환원 가스는 전이된다.
도 1의 구현예에서, 본 발명의 구현예의 여러가지 특징, 구성 요소 및 상호간의 관계에 대해 기술되어 있지만, 본 발명은 도 1의 특정 구현예에 한정하는 것은 아니며, 구성 요소, 특징 및 상호간의 관계는 도 1에 예시한 바와 같으며, 이하에서 기술하기로 한다. 예를 들어, 본 발명에 포함되는 다른 구현예, 도면과 상세한 설명 및 설정한 청구범위에 명백하게 그리고 절대적으로 기재된 원리에 의해서 입증될 수 있으며, 보다 많은 수 또는 보다 적은 수의 구성 요소, 특징 및/또는 상호간의 관계를 포함할 수 있고, 동일 및/또는 다른 성질 및/또는 상호 간의 관계를 가지는 다른 구성 요소 및/또는 특징을 채용할 수도 있다. 도 1에 예시한 것에 대해 유사하거나 다른 기능을 수행할 수 있는 것을 채택할 수 있다.
도 2에 연료 전지(12)와 환원 가스 발생기(14)에 관해 상세하게 표시되어 있으며, 연료 전지(12)는 적어도 하나의 음극(20), 전해질(22), 양극(24) 및 개질기(26)로 구성되어 있다. 음극(20), 전해질(22) 및 양극(24)은 연료 전지의 부품이며, 개질기(26)는 내부 스팀 개질기로서, 순환하는 연료 전지 생성 가스 기류의 구성성분으로서 스팀과 연료 전지(12)의 전기 화학 반응을 작동시키기 위해 열을 수용하게 된다. 환원 가스 발생기(14)는 연료 전지의 부품이 아니지만, 연료 전지(12)의 시동과 시동에 사용하는 가스를 발생시키기 위하여 구성되어 있는 것이다.
음극(20)은 전기 전선(18)을 통해서 전기 부하(16)에 전기적으로 연결되어 있으며, 양극(24)은 다른 전기 전선(18)을 통해서 전기 부하(16)에 전기적으로 연결되어 있다. 전해질(22)은 음극(20)과 양극(24) 사이에 배치되어 있으며, 음극(20)과 양극(24)은 전기적으로 전도성으로서, 산소, 예를 들면 산소 이온 등을 투과시킬 수 있는 성질을 갖는 반면에 전해질(22)은 산소는 통과시키지만, 양극(24)에서 음극(20)으로의 자유 전자는 통과시키지 않는다.
개질기(26)는 음극(20)에 연결되어 있으며, 연료와 산화제를 수용하고, 연료/산화제 혼합물을 수소(H2), 일산화탄소(CO)는 물론 스팀형태의 수증기와 같은 다른 개질기 부산물, 그리고 다른 가스, 예를 들면 질소와 이산화탄소(CO2), 메탄 슬립(CH4)은 물론 미량의 탄화수소 슬립으로 이루어지는 합성 가스로 개질시킬 수 있도록 설계되어 있다. 본 발명의 구현예에 의하면, 전기 부하(16)에 전력을 공급할 수 있는 전력 생산 모드에서 정상 운전시 연료 전지(12)에 도입된 산화제는 공기이며, 연료는 천연 가스이지만, 다른 산화제 및/또는 연료가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 도입될 수 있음은 당연하다.
합성 가스는 음극(20)에서 전기 화학 반응시 양극(24)으로부터 전해질(22)을 경유해서 도입된 산소 이온에 의해 산화되며, 이러한 전기 화학 반응은 수증기와 음극에서 자유 전자 형태로 전기를 만들어내고, 이 전기는 전력 전기 부하(16)에 사용되며, 전기 부하(16)에서 양극(24)으로 돌아가는 전자를 이용하여 양극 산화제의 환원에 의해서 산소 이온이 생성된다.
연료 전지(12)가 시동하면, 내부 공정은 정상 전력 발생 동작에 필요한 온도를 유지하게 되지만, 연료 전지의 시동을 위해서, 음극(20), 전해질(22), 양극(24) 및 개질기(26)를 포함해서 주요 연료 전지 구성 요소들은 가열되어야 한다.
추가로, 일부 연료 전지(12) 구성 요소들은 산화 때문에 시동시 손상되지 않을 수 있다. 예를 들면, 음극(20)은 산소가 존재할 때 상기 주변 온도, 하지만 합성 가스가 없을 경우에는 연료 전지(12)의 정상 작동 온도 이하에서 산화적으로 손상될 수 있다. 또한, 개질기(26)는 합성 가스를 발생시키는 촉매 반응을 시작하기 위해서 연료 전지(12)의 시동시 제공되는 열에 추가로 특정한 화학성분, 예를 들면 스팀 형태의 H2O가 필요할 수 있다. 또한, 연료 전지(12)는 예를 들면 시동 공정 중에 가연성 혼합물이 형성되는 것을 방지할 수 있도록 안전한 방식으로 시동하는 것이 바람직하다. 따라서, 음극(20)의 온도가 증가함으로써 초기 시동시 난연성 환원 가스로 음극(20)을 정화하는 것이 바람직하다. 한 가지 특징으로, 환원 가스 발생기(14)의 특징은 연소시에 환원 가스를 충분하게 희석시켜 공기와 혼합될 때 잠재적으로 가연성(잠재적으로 폭발성) 혼합물의 형성을 방지할 수 있다는 것이다. 이것은 공기와의 연소가능한 혼합이 자동 점화 온도 이하인 연료 전지(12)의 저온 부위가 열을 받을 때 바람직할 수 있으며, 따라서, 연료 전지(12)를 포함하고 있는 용기 내에 잠재적으로 가압 상태의 가연성 가스의 위험 수량을 형성할 수 있도록 잠재적으로 구축할 수 있을 것이다.
연료 전지(12)의 음극(20)을 산소의 이동으로부터 보호하기 위한 환원 가스 강도는 본 구현예에서 연소 함량이 예를 들어 45% 이상, 다른 구현예에서는 50% 이상, 또 다른 구현예에서 60% 이상으로 아주 높을 수 있다. 전해질(22)을 통해서 연료 전지(12)의 한쪽에 있는 음극(20)으로 산소의 이동을 일으키는 메카니즘은 종종 온도에 의존하며, 전해질(22)을 통과하는 산소 투과성 또는 단락된 전류 흐름에 의해 유도된 산소 전이를 포함하고 있다. 또한, 물리적 누출 메카니즘은 차등적으로 확장되는 재료와 같이 온도에 의해 더 나빠지게 될 것이다. 따라서, 시동시 높은 연료 전지(12) 온도에서 가연 성분이 증가하도록 환원 가스 발생기(14)가 산화 손상으로부터 음극(20)을 보호하는데 특히 유용할 수 있다.
안전한 관점에서, 환원 가스가 공기와의 혼합시 바로 연소되는 경향이 있기 때문에 환원 가스가 자동 점화 온도 이상이 되면, 연료 가스 내 또는 부근에서 가연 성분을 형성하게 되는 환원 가스와 가압된 공기와의 혼합 가능성이 낮아지므로 연료 전지(12) 시동시 고온에서 환원 강도를 더 크게 할 수 있다. 추가로 이러한 혼합물은 많은 양의 혼합물이 생성된다기 보다는 자동 점화 온도 이상이 될 때 갑작스럽게 타버리는 경향이 있으므로 갑작스럽게 점화원과 접촉할 경우 연소될 수 있는 잠재성을 갖는 가연 성분의 생성을 방지할 수 있다.
따라서, 일부 구현예에서, 환원 가스를 처음에 약하게 환원하고 가연성의 한계를 현재의 구현예에서는 예를 들어 가연성분을 3% 이하로 하는 방식으로 환원 가스 발생기(14)를 운전하는 것이 바람직할 수 있으며, 다른 구현예에서는 가연 성분 함량을 2%, 또 다른 구현예에서는 가연 성분 함량을 1% 또는 그 이하로 할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 가연 성분 함량을 3% 보다 크게 할 수 있다. 가연 성분 함량은 연료 전지(12), 예를 들면 음극(20)에서의 온도 조건이 환원 가스가 낮은 가연성 한계 이상이 되도록 충분히 높을 때 환원(예를 들면 많은 가연 성분) 조건(예를 들면 높은 환원 강도)이 강하게 일어나도록 지속적으로 변경시킬 수 있다. 예를 들어 강력한 환원 조건은, 연료 전지(12)의 조건에 맞추어 본 구현예에서는 가연 성분을 45% 까지, 다른 구현예에서는 가연 성분을 50%까지, 또 다른 구현예에서는 가연 성분을 60% 또는 그 이상으로 할 수 있다. 시스템에 보다 강한 환원 가스를 입력하여 증가된 에너지는 연료 전지 발전소에 장착되어 있는 오프-가스 버너에 대한 연료 흐름을 감소시키는 것으로 보상받을 수 있다.
따라서, 본 발명의 구현예에서는 산화제, 특히 양극(24)의 연료 전지(12)를 정화할 수 있는 정화 가스는 물론 안전 가스, 즉, 비교적 가연성이 낮은 환원 가스를 발생할 수 있는 환원 가스 발생기(14)를 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 구현예에서는 환원 강도의 조절이 가능한 환원 가스를 생성할 수 있는 환원 가스 발생기(14)를 이용할 수도 있다. 환원 가스 발생기(14)에서 제공하는 환원 가스 조성물은 정상적인 연료 전지(12)의 연료 기류 유동 예를 들어 천연 가스이 시작됨으로써 내부 개질기(26)의 운전을 개시할 수 있게 적당한 스팀을 포함하도록 구성할 수 있다. 따라서, 환원 가스 발생기(14)로부터 연료 전지(12)에 공급된 환원 가스는 연료 전지(12)에 의한 전력 생산에서의 전이 가스라고 생각할 수 있다. 추가로 본 구현예에서, 예를 들어 환원 가스를 생산하는 촉매 반응의 초기 속도를 올리기 위해 환원 가스 발생기(14)의 일부 요소를 증가된 온도로 유지하여 연료 전지(12)를 긴급히 시동한 경우, 예를 들어 양극(20)을 보호하기 위해서 환원 가스 발생기(14)를 신속히 시동할 수 있다.
본 발명의 구현예에서, 도 2에 예시한 바와 같이, 환원 가스 발생기(14)는 연료 시스템(28), 산화제 시스템(30), 합류실(32) 및 촉매(36)가 있는 촉매 반응기(34)를 포함하고 있다. 본 구현예에서, 연료 시스템(28)과 산화제 시스템(30)의 출력은 합류실(32)에서 만나고 촉매 반응기(34)을 경유해서 연료 전지(12)로 향해서 음극(20)과 개질기(26)에 선택적으로 정화 가스, 안전 가스 및 강도 가변성 환원 가스를 선택적으로 제공하게 된다.
도 2에 도시된 구현예는, 본 발명의 구현예의 태양의 상호 간에 다양한 특징, 구성 요소 및 상관관계 등을 나타내고 있다. 그러나, 본 발명은 도 2와 같은 특정 구현예에 한정하는 것은 아니며, 구성 요소, 특징 및 상관관계를 도 2에 예시한 것 뿐이다. 예를 들어, 본 발명에 포함되는 다른 구현예로서, 본 발명의 도면, 발명의 상세한 설명 및 청구항에 기재된 명시적 그리고 절대적인 원리에 의해서 명백할 수 있는 본 발명은 보다 많거나 적은 수의 구성요소, 특징 및/또는 상관관계를 포함할 수 있으며, 또는 다른 구성 요소 및/또는 특징 및/또는 다른 성질 및/또는 상관관계를 채택할 수 있으며, 이들은 도 2에 예시한 것과 유사 및/또는 다른 기능을 수행하기 위하여 채택할 수도 있다.
도 2의 구현예에서, 연료 시스템(28)은 연료 입력부(38), 압력 조절기(40), 유황 포획 용매(42), 연료 유동 조절기(44) 및 위치/출력이 가변하는 연료 제어 밸브(46)로 구성되어 있다. 연료 입력부(38)는 탄화수소 연료, 예를 들면, 천연 가스를 수용하고, 환원 가스 발생기(14)에 사용되는 탄화수소 연료 공급원으로서의 역할을 하도록 구성되어 있다. 압력 조절기(40)는 연료 입력부(38)에 유동적으로 연결되어 있으며, 탄화수소 연료의 압력을 조절하게 된다. 유황 포획 용매(42)는 압력 조절기(40)에 유동적으로 연결되어 있으며, 압력 조절기(40)를 통해서 들어오는 연료에서 유황을 포획하도록 구성되어 있다. 연료 유동 조절기(44)와 연료 제어 밸브(46)은 유황 포획 용매(42)의 출력에 연결되어 있으며, 합류실(32)로 연료의 양을 제어하도록 구성되어 있다.
산화제 시스템(30)은 환원 가스 발생기(14)를 위한 산화제 공급원으로 작용하며, 공기 흡입구(48), 압축공기 공급원으로서의 공기 압축기(50), 압력 조절기(52), 질소 분리막(56)이 있는 질소 발생기(54), 위치/출력을 가변하는 공기 제어 밸브(58), 공기 유동 제어기(60), 위치/출력을 가변하는 산화제 제어밸브(62), 산화제 유동 제어기(64) 및 산소 센서(66)를 포함하고 있다.
공기 흡입구(48)는 공기가 제공될 수 있도록 적합한 구조 또는 개구부를 가지며, 이것은 대기로부터 도입되는 주변 공기를 압축하게 되는 공기 압축기(50)에 유동적으로 연결되어 있다. 압력 조절기(52)는 공기 압축기(50)에 유동적으로 연결되어 있으며, 환원 가스 발생기(14)로 전달되는 공기 압력을 조절하게 된다. 공기 제어 밸브(58)는 공기 부하 시스템의 일부를 구성하며, 질소 발생기(54)로부터 들어오는 질소 농축 가스에 공기를 추가하여 가변하는 O2 함량을 갖는 산화제를 생성할 수 있게 한다.
O2 함량은 산소 센서(66)에 의해서 감지될 수 있으며, 환원 가스 발생기(14)의 제어 시스템에 의해서 합류실(32)에 공급되는 산화제의 O2 함량을 변화시키는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 정상 작동 조건하에서, O2 함량은 제어 온도, 예를 들면 본 구현예에서는 촉매(36)의 온도에 따라 제어되지만, 다른 구현예에서는 다른 온도, 예를 들면, 환원 가스 발생기(14)에 의해서 출력되는 환원 가스의 온도가 사용될 수 있다. 그러나, 환원 가스 발생기(14)의 시동시, 산소 센서(66)는 온도가 피드백으로 이용될 수 있을 때까지 피드백을 제공하는데 사용될 수 있다. 가변하는 O2 함량을 갖는 산화제의 유량은 산화제 제어 밸브(62)와 산화제 유동 제어기(64)에 의해서 제어된다.
질소 발생기(54)는 질소 농축 기류를 발생시키기 위해서 구성되어 있으며, 여기서 질소 농축 기류는 정화 가스로 사용될 수 있고, 공기와 혼합되어 산소(O2)의 함량이 낮은 산화제 기류, 예를 들면 질소가 희석된 공기류를 형성하게 된다. 이것은 환원 가스 발생기(14)에서 환원 가스를 형성하는데 사용된다. 질소 농축 기류의 순도는 특별한 적용에 따라 변화될 수 있으며, 본질적으로 질소로만 이루어질 수 있다. 다른 구현예로서, 정화 가스로 사용하거나 O2 함량이 낮은 산화제 기류의 구성 성분으로 사용하기 위해 공기의 희석제로서, 아르곤이나 헬륨과 같은 다른 가스들을 질소 대신 이용하거나 질소에 추가하여 사용할 수 있다. 여기서, "O2 함량이 낮은 산화제"의 의미는 산화제 기류의 산소 함량이 동일한 압력과 온도 조건하에서 대기의 산소 함량에 비해 낮다는 것을 말한다.
질소 발생기(54)와 공기 제어 밸브(58)는 압력 조절기(52)에 나란하게 유동적으로 연결되어 있으며, 공기 압축기(50)로부터 압축 공기를 수용하여 환원 가스 발생기(14)를 작동시키는데 사용하게 된다. 질소 발생기(54)는 그로부터의 생성물을 배출하기 위한 개구부 또는 통로에 해당하는 출력부(54A)를 갖고 있다. 질소 발생기(54)는 공기 흡입구(48)로부터 공기, 공기로부터 추출된 산소(O2)를 수용하고 나머지는 출구로 질소 농축 가스의 형태로 배출하도록 구성되어 있다. 본 구현예에서, 추출 산소(O2)는 질소 발생기(54)에서 대기로 배출하도록 구성되어 있으며, 다른 구현예에서 추출 산소(O2)는 산화제 기류의 일부로서 연료 전지(12) 및/또는 환원 가스 발생기(14)와 관련이 있는 다른 목적으로 사용할 수 있다.
질소 발생기(54)의 질소 분리막(56)은 공기 흡입구(48)를 통해서 들어오는 공기 중에서 산소를 분리해내기 위한 것이며, 질소 농축 기류를 제공하게 되고, 이것은 공기 제어 밸브(58)에 의해서 공급되는 공기와 혼합하여 산소(O2) 함량이 낮은 산화제를 제공하게 된다. 그리고 산소 함량이 낮은 산화제는 산화제 제어 밸브(62)로 전달되게 된다. 산화제 제어 밸브(62)는 질소 발생기(54)와 공기 제어 밸브(58)의 출력부에 유동적으로 연결되어 있다. 산소 센서(66)는 O2 분석기의 일종으로, 산화제 제어 밸브(62)에 유동적으로 연결되어 있으며, 제어 라인(68)을 통해서 제어 신호를 제공하게 된다. 이로써 산소 센서(66)와 공기 유동 제어기(60)가 연통되어 있다. 공기 유동 제어기(60)는 제어 신호를 공기 제어 밸브(58)에 제공하여 산소 센서(66)로부터의 제어 입력을 기초로 질소 농축 기류에 첨가되는 공기의 양을 제어하게 된다.
합류실(32)는 질소 발생기(54)와 연료 입력부(38)의 출력과 유체 연통되어 있으며, 탄화수소 연료와 질소 농축 가스를 수용 및 혼합하고, 연료와 질소 농축 가스를 함유하는 산화제 둘 모두를 갖는 공급원료 혼합물을 촉매 반응기(34)로 내보내도록 구성되어 있다. 촉매 반응기(34)은 공급원료 혼합물을 수용하고 촉매적으로 환원가스로 전환시키도록 구성되어 있다. 본 구현예에서의 합류실(32)의 형태는 산화제 기류와 연료 기류를 서로 만나게 해줄 수 있는 간단한 배관 연결 구조이지만, 산화제 기류와 연료 기류가 혼합될 수 있다면 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다면 어떤 구조를 채택해도 무방하다. 예를 들어 트윌러 밴을 갖는 전용 믹싱 챔버도 채택할 수 있다.
환원 가스 발생기(14)는 밸브 부재(70)와 밸브 부재(72)를 갖는 시동 제어 밸브(69)와 공급원료 혼합물 가열기(74)를 포함하고 있다. 여기서 공급원료 혼합물 가열기(74)는 환원 가스의 발생 공정을 시작하는데 사용된다. 한가지 형태로, 밸브 부재(70,72)는 복합 밸브 부재의 한 부품이다. 밸브 부재(70,72)의 입구는 합류실(32)의 하류 방향에 유동적으로 연결되어 있다. 밸브 부재(70)의 출구는 촉매 반응기(34)에 유동적으로 연결되어 있으며, 공급원료 혼합물을 촉매 반응기(34)의 촉매(36)에 제공하게 된다. 밸브 부재(72)의 출구는 공급원료 혼합물 가열기(74)의 입구에 유동적으로 연결되어 있다. 한가지 형태로, 시동 제어 밸브(69)는 3방향 밸브이며, 밸브 부재(70)와 밸브 부재(72)가 밸브(69)로 들어오는 기류를 촉매 반응기(34)로 직접 보내거나 공급원료 혼합물 가열기(74)을 경유해서 보내게 된다. 별도로 밸브 배치를 다르게 할 수 있으며, 밸브 부재(70, 72)를 갖는 시동 제어 밸브(69) 대신에 별개의 시동 제어 밸브 한 쌍을 채용할 수 있다.
공급원료 혼합물 가열기(74)는 가열 본체(76)와 해당 가열 본체(76)에 인접해서 배치되어 있는 유동 코일(78)을 포함하고 있다. 공급원료 혼합물 가열기(74)의 출구는 가열된 공급원료 혼합물을 촉매 반응기(34)의 촉매(36)에 제공할 수 있도록 촉매 반응기(34)에 유동적으로 연결되어 있다. 정상 작동 모드에서, 밸브 부재(70, 72)는 모든 공급원료 혼합물을 직접 촉매 반응기(34)로 보내게 된다. 시동 모드에서, 공급원료 혼합물 가열기(74)을 통해서 공급원료 혼합물이 보내게 된다. 한가지 형태로서, 다른 구현예에서 적은 양이 가열될 수 있다고 할지라도 모든 공급원료 혼합물을 공급원료 혼합물 가열기(74)를 통해서 보낼 수 있다.
공급원료 혼합물 가열기(74)는 촉매 반응기(34)로 공급되는 공급원료 혼합물을 가열시킴으로써 촉매 반응기(34)의 촉매(36)를 "활성화"하도록 구성되어 있다(연료와 산화제의 촉매 반응이 시작됨). 한가지 형태로, 공급원료 혼합물은 공급원료 혼합물 가열기(74)에 의해서 가열되어 공급원료 혼합물의 촉매 활성화(light-off) 온도 이상의 온도로 예열된다(촉매 활성화 온도는 반응이 촉매(36)에 의해 시작하는 시점의 온도이다). 촉매(36)가 활성화되면, 촉매에서 일어나는 발열 반응은 촉매 반응기(34)의 온도를 아래에서 설정한 바와 같이 조절 수위로 유지되게 된다. 또한, 촉매(36)가 활성화되면, 밸브 부재(70, 72)가 공급원료 혼합물 가열기(74)를 우회해서 촉매 반응기(34)로 모든 공급원료 혼합물을 직접 보내도록 자리잡고 있는 경우에 공급원료 혼합물의 가열은 필요없게 된다.
연료 전지(12)의 갑작스럽게 시동하는 경우에 환원 가스를 빠르게 공급하기 위하여 가열 본체(76)는 연료 전지(12)의 정상 전력 공정시 촉매(36)를 활성화하기에 충분한 온도를 지속적으로 유지할 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 연료 전지의 정상 작동 모드라고 할 수 있는, 연료 전지(12)가 전기 부하(16)에 전력을 공급하기 위해서 전력 생산 모드에서 작동을 하고 있는 동안에도 가열 본체(76)는 공급원료 혼합물을 가열하기에 충분한 예열 온도를 유지하고 있게 된다. 이것은 환원 가스 발생기(14)의 시동을 위해 촉매를 신속하게 활성화할 수 있도록 하기 위한 것이며, 시동시에도 연료 전지에 환원 가스가 공급될 수 있도록 하기 위한 것이다.
추가로, 하나 또는 그 이상의 촉매 가열기(80)가 촉매 반응기(34)에 인접해서 배치되어 있으며, 촉매(36)를 가열하도록 구성되어 있고, 공급원료 혼합물을 촉매 반응기(34)에 공급할 수 있도록 촉매 활성화 온도나 그 이상의 예열 온도로 촉매(36)를 유지시켜 준다. 환원 가스가 갑작스럽게 필요한 경우, 즉 연료 전지(12)의 시동가 필요한 경우에 전력 생산 모드에서 연료 전지(12)가 정상으로 작동하고 있을 때 예열 온도가 유지되고 있다.
다른 구현예로서, 가열기(74, 80) 대신에 또는 추가해서 또 다른 가열기(82)가 사용될 수 있으며, 가열기(82)는 촉매 반응기(34)에 인접해서 상류에 설치할 수 있다. 이러한 배치는 촉매 반응기(34)의 상류 부위에서 공급원료 혼합물의 촉매 반응을 시작하기 위해서 촉매(36)에 직접적으로 열을 공급할 때 채용할 수 있다.
본 구현예에서, 가열기(74, 80 및 82)는 전기 가열기이다. 그러나, 다른 구현예에서 전기 가열기 대신에 또는 추가해서 간접 연소 가열기를 채택할 수 있다. 또한, 본 구현예에서, 공급원료 혼합물을 촉매에 신속하게 활성화시키기 위해서 공급원료 혼합물 가열기(74)와 가열기(80)를 모두 이용한다고 할지라도, 다른 구현예에서는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 그러한 가열기 중에서 한 개만 채택할 수도 있다.
촉매 반응기(34)의 촉매(36)와 인접한 곳에 제어 온도 센서(84)가 설치되어 있으며, 촉매(36)의 온도를 측정할 수 있도록 구성되어 있다. 한가지 형태로, 제어 온도 센서(84)는 공기 유동 제어기(60)와 감지 라인(92)을 통해서 연통되어 있어 촉매(36) 부위의 온도를 나타내는 신호를 제공하도록 구성되어 있다. 제어 온도란 환원 가스 발생기(14)의 출력 조절시 제어 시스템(96)에 의해서 이용되는 온도이다. 공기 유동 제어기(60)는 제어 온도 센서(84)로부터 수신된 신호와 더불어 산소 센서(66)로부터 수신된 신호에 따라 공기 제어 밸브(58)의 동작을 지휘하도록 설계되어 있다. 다른 형태로, 환원 가스 발생기(14)를 조절할 목적으로 다른 온도를 감지할 수 있다. 예를 들어, 이러한 구현예에서, 촉매 반응기(34)에 의한 출력으로서, 환원 가스 발생기(14)에서 생긴 환원 가스의 온도를 측정하여 공기 제어 밸브(58)의 작동을 지휘하게 되는 제어 온도로 사용될 수 있다.
본 구현예에서, 환원 가스 가연성분 검출 센서(86)는 수소(H2) 센서 또는 H2 분석기의 형태로서, 하나 또는 그 이상의 가연성분의 양을 예를 들어 %몰로 측정하도록 구성되어 있으며, 촉매 반응기(34)에서의 환원 가스 출력부에 위치하고 있다. 다른 구현예로서, 환원 가스 가연성분 검출 센서(85)는 H2 센서/분석기 대신에 일산화탄소(CO) 센서 또는 분석기의 형태일 수 있다. 어느 경우에서는, 제어 라인(94)이 연료 유동 제어기(44)와 환원 가스 가연성분 검출 센서(86)를 연통하고 있으며, 환원 가스 가연성분 검출 센서(86)는 연료 유동 제어기(44)에 환원 가스의 가연성분이 반영된 신호를 공급하도록 구성되어 있다. 연료 유동 제어기(44)는 합류실(32)에 전달하는 연료의 양을 제어하도록 구성되어 있다.
촉매 반응기(34)에서 출력하는 환원 가스는 열 교환기(88)에서 냉각된다. 한가지 형태로, 열 교환기(88)는 간접 열 교환기 방식이다. 다른 구현예에서는 다른 타입의 열 교환기를 채택할 수 있다. 환원 가스 가연성분 검출 센서(86)는 열 교환기(88)의 하류에 설치되어 있으며, 다른 형태로, 환원 가스 가연성분 검출 센서(86)는 다른 장소, 예를 들면 열 교환기(88)의 상류 또는 열 교환기(88) 상에 또는 그의 내부에 설치할 수 있다.
촉매 반응기(34)에서 출력되는 압력은 열 교환기(88)의 하류에 위치하는 배압 조절기(90)에 의해서 유지된다. 열 교환기(88)는 배압 조절기(90)에 대한 손상을 방지하기 위해서 촉매 반응기(34)의 하류에서의 환원 가스의 온도를 적당한 수준으로 유지시켜 준다. 한가지 형태로 환원 가스는 냉각공기에 의해서 100℃와 150℃ 사이로 냉각된다. 다른 구현예로서, 다른 적당한 유체를 흡방열재로 사용할 수 있으며, 다른 온도를 적용할 수도 있다. 한 가지 형태로, 냉각 공기나 다른 냉각 유체의 유량을 변화시켜서 열 교환기로부터 나오는 환원 가스의 온도를 제어하기 위해서 제어 루프(도시하지 않음)를 사용할 수 있다.
환원 가스 발생기(14)는 촉매 반응기(34)에 유동적으로 연결되어 있으며, 음극(20)과, 예를 들어 직접적으로 또는 개질기(26)를 통해서 유동체 전달이 이루어진다. 배압 조절기(90)의 출력은 본 발명의 구현예에서 환원 가스로서 작용을 하며, 음극(20)과 개질기(26)로 환원 가스를 보내도록 작동을 한다. "환원 가스 출력"은 환원 가스 발생기(14)의 생성물이 연료 전지(12)로 방출되는 환원 가스 발생기(14)의 출력을 말하며, 거기에는 환원 가스 발생기(14)의 생성물을 방출하도록 하나 또는 그 이상의 어떤 개구부 또는 통로가 있을 수 있다.
연료 유동 제어기(44), 공기 유동 제어기(60) 및 산화제 유동 제어기(64)들은 제어 시스템(96)을 형성하며, 이 제어 시스템(96)은 산소 센서(66)의 출력 신호(본 구현예에서와 같이 시동시), 제어 온도 센서(84) 및 환원 가스 가연성분 검출 센서(86)에서의 출력 신호를 기반으로 하여 촉매 반응기(34)로부터 공급되는 생성물의 온도와 화학 구성을 제어하도록 구성되어 있다. 특히 공기 제어 밸브(58)는 공기 유동 제어기(60)에 의해서 합류실(32)로 공급되는 산화제 기류에서의 O2 함량, 예를 들면 산화제 기류 중에서 O2의 몰%로 표시되는 O2의 양을 조절하게 된다. 산화제 제어 밸브(62)는 산화제 유동 제어기(64)에 의해서 합류실(32)로 공급되는 질소 농축 가스와 공기로 형성된 산화제 기류의 유량을 조절하게 된다. 연료 제어 밸브(46)는 연료 유동 제어기(44)에 의해서 합류실(32)로 공급되는 탄화수소 연료의 양을 조절하게 된다.
따라서, 본 구현예에서, 제어 시스템(96)은 산화제 기류의 산소(O2) 함량을 제어하도록 구성되어 있으며, 공급원료 혼합물의 산화제/연료의 비율도 제어한다. 여기서, 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율은 연료 혼합물에서의 탄화수소 연료의 양에 대한 공급원료 혼합물에서의 산화제의 양의 비율로서, 예를 들어, 산화제 기류의 총 유량에 대한 탄화수소 연료 기류의 총 유량을 말한다. 특히 합류실(32)로 공급되는 산화제 기류의 O2 함량은 산소 센서(66)로부터 들어오는 신호에 따라 공기 유동 제어기(60)의 출력을 통해서 공기 제어 밸브(58)에 의해 제어된다. 추가로, 촉매반응기(34)로 공급되는 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율은 연료 유동 제어기(44)와 산화제 유동 제어기(64)의 관리하에 연료 제어 밸브(46)와 산화제 제어 밸브(62)에 의해서 제어된다. 한가지 형태로, 환원 가스 발생기(14)로부터의 환원 가스 출력의 유량은 예를들어, 공급원료 혼합물에서의 연료의 양에 대한 상쇄 또는 어떤 보상을 포함해서 산화제 제어 밸브(62)에 의해서 제어된다. 반면에 산화제/연료 비율은 연료 제어 밸브(46)를 사용하여 제어할 수 있다. 다른 구현예에서는, 다른 제어 계획을 채택할 수도 있다.
본 구현예에서, 각각의 연료 유동 제어기(44), 공기 유동 제어기(60) 및 산화제 유동 제어기(64)는 마이크로프로세서를 기반으로 하며, 이하에서 설명하는 활동을 수행하도록 하기 위하여 소프트웨어 형태로 프로그램 지시를 수행한다. 그러나, 다른 한편으로 이러한 각각의 제어기와 그에 상응하는 프로그램 지시는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어와의 어떤 조합한 형태일 수 있으며, 소자 및/또는 집적 회로의 출력을 반영할 수 있다. 여기서 이들 소자 및/또는 집적 회로는 특정한 위치에 함께 두거나 여러 위치로 분산시킬 수 있으며, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 소프트웨어 또는 펌웨어 기반의 지시를 수행하는 프로세서 기반의 제어기와 같이 동일 또는 유사한 결과를 달성할 수 있도록 설계된 임의의 디지털 및/또는 아날로그 장치를 포함할 수 있다. 또한, 연료 유동 제어기(44), 공기 유동 제어기(60) 및 산화제 유동 제어기(64) 각각은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다면, 예를 들어 마이크로컴퓨터와 같은 단일 집적 제어 시스템의 한 부품일 수 있다.
어느 경우에, 제어 시스템(96)은 산화제 기류에서의 O2 함량과 공급원료 혼합물에서의 산화제/연료 비율을 변경하는 프로그램 지시를 실행하도록 구성되어 있으며, 동시에 선택된 환원 가스의 온도를 유지하여 원하는 유량에서 선택된 가연성분을 달성할 수 있도록 되어 있다. 유량은 예를 들어, 특별한 적용이나 운영 상황에 따라 변화될 수 있다. 제어 시스템(96)은 산화제 기류에서의 O2 함량과 제어 온도 센서(84), 산소 센서(66), 환원 가스 가연성분 검출 센서(86)의 출력을 기반으로 하는 공급원료 혼합물의 산화제/연료비율을 변화시킨다.
연료 전지(12)의 시동 및 시동시에, 환원 가스를 안전한 (비가연성)가스로 포함하고, 환원 강도가 다양한 환원 가스를 제공하고, 일부 구현예에서는 가연성분 없이 정화 가스를 제공하도록 환원 가스 발생기(14)가 이용될 수 있다.
질소 농축 기류와 공기 제어 밸브(58)를 통해서 공급된 공기와의 통합에 의하여 환원 가스가 발생되고 산화제 기류를 형성한다. 이 산화제 기류는 산화제 제어 밸브(62)에 의해 조절되고, 연료 제어 밸브(46)를 통해서 공급되는 탄화수소 연료와 통합하여 공급물을 형성하고 이것은 촉매 반응기(34)에서 촉매적으로 환원 가스로 전환된다. 여기서 설명하는 바와 같이, 산화제 기류에서의 O2 함량과 공급원료 혼합물에서의 산화제 연료 비율은 예를 들면 촉매 반응기(34)에서 제어 온도를 조절하기 위해서 모두 제어 시스템(96)에 의해서 변하게 되며, 동시에 원하는 유량에서 선택된 가연성분을 달성하기 위해서 환원 가스의 환원 강도를 조절할 수 있다.
연료 전지(12) 시동 및 시동 공정에서 여러가지 단계에 적당한 환원 가스 화학 구성을 제공하기 위해서 가연성분을 선택할 수 있다. 본 발명의 구현예에서, 제어 시스템(96)은 제어 온도, 예를 들어 촉매(36) 온도를 유지하고 가연성분을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있다. 예를 들어서, 환원 강도는 안전 가스를 형성할 목적으로 약한 환원, 예를 들면 낮은 환원 강도에서 가연성분이 보다 많은 높은 환원 강도로 변화시킬 수 있다. 가연성분은 초기에 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 형태이다.
연료 전지(12) 작동 온도를 올릴 때 연료 전지(12)에 안전 가스를 공급할 수 있다. 한 가지 형태로, 개질기(26)에서 변이에 이용하도록 연료 전지에 환원 가스를 안전 가스 형태로 공급할 수 있다. 다른 형태로, 연료 전지의 작동 온도, 예컨대 음극(20)과 개질기(26)의 온도가 증가할 때, 환원 가스의 가연성분을 증가시켜서 환원 가스의 강도를 증가시킬 수 있으며, 그로 인해 예를 들어 전해질(22)을 통해서 산소의 이동 또는 다른 누출 때문에 심각할 정도의 산화적인 손상이 발생할 수 있는 고온에서 음극(20)을 보호할 수 있다. 추가로 음극(20)(및/또는 개질기(26), 일부 구현예에서)은 정상 작동 온도에 접근함으로써, 환원 가스의 가연성분은 합성 가스의 함량과 유사한 수준이 달성될 수 있도록 증가시킬 수 있다. 상기 합성 가스는 연료 전지(12)의 정상 전력 발생 동작시 개질기(26)에 의해서 생성되며, 음극(20)의 정상 전력 발생 반응을 시작하는데 도움을 주게 된다. 개질기(26)에 공급되는 구현예에서, 이것은 개질기(26)의 정상 작동 촉매 반응을 시작하는데 도움을 줄 수 있다.
정화 가스와 관련하여, 일부 구현예에서, 질소 발생기(54)에 의해서 비가연성 정화 가스가 본래는 질소로 이루어진 질소 농축 기류 형태로 발생하게 되며, 이 질소 농축 기류는 배압 조절기(90)를 경유해서 연료 전지(12)로 공급될 수 있으며, 질소 발생기(54)의 출력이 연료 전지(12)로 향하도록 다른 배관 계획을 이용할 수도 있다. 한가지 형태로, 연료 전지(12)의 냉각 시작을 원할 경우에, 정화 가스를 연료 전지(12), 예를 들면 하나 또는 그 이상의 양극(24) 및/또는 다른 연료 전지(12) 구성부품을 정화시키기 위해서 공급할 수 있다. 다른 형태로, 연료 전지(12)를 유지하기 전에 정화하기 위해서 정화 가스를 연료 전지(12)에 공급할 수 있다. 또 다른 형태로서, 질소 발생기(54) 및/또는 제2 질소 발생기를 정화 가스를 만드는데 이용할 수 있다. 예를 들어, 긴급 정지시 발전소의 주공기 공급 손실이 있는 경우에 질소 발생기(54) 및/또는 제2 질소 발생기를 이용하여 질소 농축 양극 정화가 양극(24)에 공급될 수 있다. 그리고 한편으로 질소 발생기(54)가 음극(20) 고리에 공급되는 환원 가스를 발생시키는데 사용된다. 이러한 구현예들이 "안전" 비가연성 혼합물을 연료 전지(12) 용기내에 존재하도록 하는데 사용될 수 있다.
지금까지는 합류실(32)로 공급되는 산화제에서의 O2 함량을 변화시키기 위한 수단과 합류실(32)를 나오는 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율을 변화시키기 위한 수단을 포함해서, 촉매 반응기(34)에 의한 환원 가스 출력의 가연성분을 변화시킴과 동시에 촉매 반응기(34)로부터 일정한 환원 가스 출력 온도를 유지하기 위한 전형적인 수단을 살명하였지만, 이하에서는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 정화 가스와 환원 가스의 발생 방법에 대한 전형적인 구현예를 설명하도록 한다. 이러한 전형적인 구현예를 도 3a 내지 3d를 참조하여 설명하겠으며, 도 3a 내지 도 3d는 연료 전지의 시동과 정지 방법을 제어 블럭 B100 ~ B146으로 나타낸 플로우차트이다. 여기에서는 일련의 특정 사안에 대해 예시하고 기재하였지만, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니라는 것은 당연하며, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 보다 적은 수 또는 보다 많은 수의 같거나 다른 실행, 같거나 다른 명령을 가지는 다른 순서를 채택할 수도 있다.
도 3a와 관련하여, 블럭(B100)에서, 연료 전지(12)를 시동하기 위한 명령을 제어 시스템(96), 예를 들면 연료 전지(12)의 운영자를 통해서 수신한다.
블럭(B102)에서, 바이패스 시스템(98)을 채용하는데 환원 가스 발생기(14)의 출력을 배출할 수 있도록 바이패스 시스템(98)은 배출 라인을 개방하고, 연료 전지(12)에 대한 유로는 폐쇄한다. 제어 루프, 예를 들면 제어 시스템(96)이 예정된 범위내에서 공정 매개변수를 유지할 때까지 환원 가스 발생기의 출력이 배출된다. 이때 바이패스 시스템(98)은 배출 라인을 폐쇄하고 연료 전지(12)의 유로를 개방한다.
블럭(B104)에서, 공기 압축기(50)의 작동을 시작하면서 공기를 예를 들어 공기 흡입구(48)를 통해서 환원 가스 발생기로 공급한다.
블럭(B106)에서, 공기 압축기(50)는 공기 흡입구(48)로부터 들어온 공기를 압축한다. 일례로, 공기는 절대 압력으로 5 바(bar) 내지 14 바의 범위의 압력으로 압축한다. 다른 예로, 압축된 공기의 압력을 다른 범위, 예를 들면 절대 압력으로 2 바 내지 25 바의 범위로 할 수 있다. 또 다른 예로 절대 압력으로 1 바 내지 30 바로 설정할 수 있다. 공기 압축기(50)에 의해서 공급된 압력은 변할 수 있다. 예를 들어 질소 분리막(56)과 질소 발생기(54)의 특성에 따라 달라질 수 있다.
블럭(B108)에서, 압축된 공기가 질소 분리막(56)으로 공급됨에 따라 환원 가스 발생기(14)의 질소 발생기(54)에서 질소 농축 가스 기류가 발생하게 되며, 질소 분리막(56)에 의해서 공기로부터 제거된 O2는 질소 발생 공정의 부산물로서, 예를 들어 다른 곳에 사용하기 위해서 장외로 관리하거나 단순하게 배출한다. 반면에 질소 농축 기류는 산화제 제어 밸브(62) 쪽으로 향하게 된다. 본 발명의 구현예에서, 질소 농축 기류는 주변의 공기에 비해 낮은 수준이지만 산소를 포함하고 있다. 다른 구현예로서, 질소 기류는 본래 질소로 이루어져 있다(예를 들어 < 1% O2).
블럭(B110)에서, 공기 조절 밸브(58)에 의해서 통제된 방식으로 공기 유동 제어기(60)가 있는 방향으로 질소 농축 기류에 압축 공기가 추가되어 산소(O2) 함량이 낮은 산화제 기류를 형성한다. 예를 들어 산화제 기류는 주변의 대기에 비해 O2의 함량이 낮다.
블럭(B112)에서, 환원 가스 발생기(14)에 대한 탄화수소 연료의 흐름은 연료 제어 밸브(46)에 의해서 연료 유동 제어기(44)가 있는 방향에서 시작이 된다. 연료 흐름은 초기에 환원 가스의 원하는 가연성분과 제어 온도를 달성할 수 있도록 미리 예측한 디폴트(default) 값으로 설정할 수 있으며, 그 후에 조정할 수 있을 것이다.
블럭(B114)에서, 산화제 기류는 합류실(32)에서 탄화수소 연료 기류와 통합하여 산화제/연료 비율을 가지는 공급원료 혼합물을 형성한다. 여기서, 산화제/연료 비율은 공급원료 혼합물에서 탄화수소 연료 기류의 총 유량에 대한 공급원료 혼합물에서 산화제 기류의 총 유량의 비율을 가지는 공급원료 혼합물을 말한다.
도 3b와 관련하여, 블럭(B116)에서, 공급원료 혼합물의 촉매 활성화 온도 또는 그 이상의 온도에서 가열 장치가 작동을 하며, 가열 장치에서 출력된 열은 공급원료 혼합물로 공급되어진다. 일례로, 연료 전지(12)를 시동하기 위한 명령을 수신한 후에 지체없이, 예를 들면 블럭(B100) 다음에 바로 가열 장치를 능동 상태로 한다. 다른 예로, 가열기가 원하는 온도에 도달하는데 시간이 얼마나 걸리는지에 따라 가열 장치를 적용하기에 적당한 다른 시간에 능동 상태로 할 수 있다. 본 발명의 구현예에서, 가열 장치는 공급원료 혼합물 가열기(74)와 가열기(80)이며, 비록 다른 구현예에서, 공급원료 혼합물 가열기(74)와 가열기(80) 하나 또는 둘 모두 대신에 또는 추가해서 하나의 가열기를 이용하거나 복수의 가열기를 이용할 수 있다. 다른 구현예에서 사용하는 가열기 타입 또는 형태를 적용성의 욕구에 따라 변화시킬 수 있다.
공급원료 혼합물의 촉매 활성화 온도 또는 그 이상에서 가열 본체(76)와 유동 코일(78)을 유지시킨다. 가열 본체(76)와 유동 코일(78)로부터의 열을 공급원료 혼합물 가열기(74), 특히 유동 코일(78)를 통해서 공급원료 혼합물의 방향을 전환시켜서 혼합물에 공급한다. 일례로, 모든 공급원료 혼합물은 공급원료 혼합물 가열기(74)를 통해서 방향이 전환된다. 다른 예로, 공급원료 혼합물의 일부는 공급원료 혼합물 가열기(74)를 통해서 방향이 전환된다. 공급원료 혼합물은 시동 제어 밸브(69)의 출력을 조절하여 밸브 부재(70, 72)를 작동시켜서 유동 코일(78)로 방향이 전환된다. 최종 가열된 공급원료 혼합물은 촉매 반응기(34)의 촉매(36)로 안내되어 환원 가스를 수득하는 촉매 반응을 개시하는데 도움을 주게 된다. 촉매 반응기(34)에서 촉매 반응이 시작되면, 3방향 시동 제어 밸브(69)가 모든 공급원료 혼합물이 공급원료 혼합물 가열기(74)를 우회하여 직접적으로 촉매 반응기(34)로 안내되도록 재배열된다. 본 적용에서는 가열 본체(76)와 유동 코일(78)과 함께 공급원료 혼합물 가열기(74)를 사용하는 것을 예시하고 있지만, 유동 혼합물 가열기를 이용하는 구현예에서 다른 형태의 가열기를 이용할 수 있음은 당연하다.
본 구현예에서의 가열기(80)는 전기 밴드 가열기 형태이고, 공급원료 혼합물의 촉매 활성화 온도 또는 그 이상에서 촉매(36)를 유지시키므로 촉매(36)의 신속한 활성(이하에서는 재활성)을 촉진시키게 된다. 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 형태의 가열기를 이용할 수 있음은 당연하다.
다른 구현예에서, 가열기(82)는 촉매 반응을 개시하기 위해서 촉매에 공급원료 혼합물이 공급되는 위치 또는 가까이에서 촉매를 가열하는데 이용될 수 있다. 다양한 다른 구현예에서 가열기(74, 80) 대신에 또는 추가로 하나 또는 그 이상의 가열기(82)가 사용될 수 있다.
블럭(B118)에서, 가열된 공급원료 혼합물은 촉매(36)로 안내된다. 여기서 촉매 반응이 개시된다. 일례로, 촉매 반응은 공급원료 혼합물 가열기(74)로부터 받은 열을 기반으로 개시될 수 있다. 다른 예로, 상기 반응은 공급원료 혼합물 가열기(74) 및/또는 가열기(80) 및/또는 가열기(82)로부터 받은 열을 기반으로 개시될 수 있다.
블럭(B120)에서, 공급원료 혼합물은 환원 가스 발생기(14)의 촉매 반응기(34)에서 촉매적으로 환원 가스로 전환된다.
블럭(B122)에서, 산화제 기류의 O2 함량과 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율은 각각 제어 시스템(96)에 의해서 조절되며, 환원 가스의 선택된 조절 온도를 유지하고, 환원 가스를 안전 가스 형태로 수득하게 된다. 일례로, 산화제 기류의 O2 함량을 공기 에어 밸브(58)의 작동을 지휘하는 공기 유동 제어기(60)에 의해서 조절할 수 있지만, 다른 구현예에서는 산화제 기류의 O2 함량을 다르게 조절할 수 있다. 또한, 일례로, 산화제/연료 비율은 연료 제어 밸브(46)의 작동을 지휘하는 연료 유동 제어기에 의해서 조절할 수 있지만, 다른 구현예에서는 산화제/연료 비율을 다르게 조절할 수 있다. 제어 온도에 도달하기 전에 O2 함량의 조절은 산소 센서(66)의 출력을 기초로 할 수 있다. 촉매적인 연소를 나타내는 온도가 달성되면, 제어 온도 센서(84)를 기초로 해서 제어 알고리즘이 피드백으로 스위치되어진다. 어떤 구현예에서의 제어 온도는 예를 들어 환원 가스 유량(촉매 부하), 서비스 시간, 어떤 다른 작동 파라미터의 함수일 수 있다. 다른 구현예에서, 산소 센서(66)와 제어 온도 센서(84) 중 어느 하나 또는 둘 모두를 시스템의 시동 및/또는 정상 작동시에 이용할 수 있다.
공급원료 혼합물의 유량은 처음에 산화제 제어 밸브(62)의 작동을 지휘하는 산화제 유동 제어기(64)에 의해서 조절된다. 안전 가스, 예를 들어 약한 환원 가스 혼합물의 형태에서, 환원 가스는 가연성분(예를 들어, 대부분 CO + H2)을 대략 4.5%를 가진다. 다른 환원 가스는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 이 보다 많거나 적은 %의 가연성분을 가질 수 있다.
공급원료 혼합물의 질량 유량은 주로 산화제 유동 기류의 유량, 공급원료 혼합물의 총 유량에 기반을 두고 있기 때문에, 환원 가스 발생기(14)에 의한 환원 가스 출력은 처음에 산화제 유동 제어기(64)에 의해서 통제되는 산화제 제어 유동 기류의 유량에 따르게 된다. 본 구현예에서 선택된 제어 온도는 800℃이다. 이 온도는 측정된 것이다. 촉매(36)에서 고열 지점 중 하나에서 측정된 것이며, 본 구현예에서 770℃의 벌크 평균 온도를 산출한다. 본 구현예에서 선택된 온도는 환원 가스 발생기(14)와 연료 전지(12)의 구성 요소는 물론 촉매 전환 효율을 고려한 것이다. 다른 구현예에서는 다른 온도값과 측정 위치를 이용할 수 있다.
블럭(B124)에서, 바이패스 시스템(98)은 바이패스 모드와 떨어져 있으며, 안전 가스 형태인 환원 가스는 환원 가스 발생기(14)로부터 연료 전지의 음극(20)으로 안내된다. 다른 구현예에서 안전 가스는 개질기(26)에 안내될 수 있다.
도 3c와 관련하여, 블럭(B126)이 예시되어 있다. 일례로, 블럭(B126)은 바이패스이며, 공정 흐름을 블럭(B128)로 진행할 수 있다. 다른 구현예에서, 블럭(B126)에서, 산화제 기류에서의 O2 함량과 공급원료 혼합물에서의 산화제/연료 비율을 조절하여 블럭(B122)의 환원 가스의 선택 온도를 유지하면서 환원 가스의 가연성분 선택적으로 변화시켜서 환원 가스의 환원 강도를 선택적으로 변화시킬 수 있다. 블럭(B122)와 관련하여 상기한 바와 같이 설정함으로써, 일례로, 산화제 기류에서의 O2 함량은 공기 제어 밸브(58)의 작동을 지휘하는 공기 유동 제어기(60)에 의해서 조절되어 진다. 다른 예로, 산화제 기류에서의 O2 함량은 다르게 조절할 수도 있다. 일례로, 산화제/연료 비율은 처음에 연료 유동 제어기(44)에 의해서 조절되며, 환원 가스는 처음에 산화제 제어 밸브(62)의 작동을 지휘하는 산화제 유동 제어기(64)에 의해서 조절되어진다. 다른 예로, 산화제/연료 비율과 환원 가스 유량은 다르게 조절할 수도 있다.
본 구현예에서, 환원 가스의 환원 강도를 선택적으로 변화시키면서 선택된 온도와 촉매 반응기(34)에 의한 환원 가스 출력의 유량를 유지할 수 있도록 산화제 기류에서의 O2 함량과 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율의 조절에 관하여 이하에서 기술하기로 한다.
환원 가스 발생기(14)는 O2 저함량 산화제와 탄화수소 연료를 촉매적으로 전환시켜서 충분한 가연성분을 가지며 연료 전지 시스템(10) 발전 장치의 시동과 정지때 연료 전지(12)의 음극(20)을 보호하는 환원 가스를 형성한다. 산화제 가스의 O2 함량과 산화제/연료 비율을 함께 조정함으로써 환원 가스의 강도를 변경시킬 수 있는 반면에 촉매 작동 온도를 예를 들어 이상 전환 온도에서 일정하게 유지할 수 있다. 이 온도는 제어 온도 센서(84)에 의해서 감지되고, 제어 시스템(96)의 입력으로 사용되며 선택 온도에서 촉매 반응기(34)의 출력 온도를 유지하는데 사용된다.
도 4와 관련하여, 촉매 반응기(34) 매개변수의 예를 기재한 것이다. 여기에 예시한 매개변수는 산화제 기류 질량 유량(100); 탄화수소 연료류 질량 유량(102); 백분율(%)의 화학양론 공기(104) 및 산소/탄소 비율(O2/C)(106) 등을 포함한다. 여기서, 백분율로 나타내는 화학양론 공기는 탄화수소 연료류의 완전 연소시에 요구되는 공기의 양에 대해 산화제 기류에서의 공기 양을 백분율로 나타낸 것이다.
도 4의 플롯에서, 가로 좌표는 환원 가스에서의 H2 함량이고, 좌측 좌표는 백분율(%)과 시간 당 그램(grams) 단위로 각각 % 화학양론 공기(104)와 산화제 기류 질량 유량(100)을 플롯한 것이다. 우측 좌표는 몰 분율과 g/s 단위로 각각 O2/C(106)과 탄화수소 연료류 질량 유량(102)을 플롯한 것이다.
도 4에 의하면, 환원 가스의 조성 범위가 2% 내지 20% H2와 1% 내지 10% CO(3% 내지 30% CO + H2)인 촉매 반응기(34) 작동 파라미터를 예시한 것이다. 가연 성분(CO + H2)을 보다 많이 생산하기 위해서 산화제의 O2 함량을 상승시킨다. 연료 혼합물의 산화제/연료 비율, 연료에 대한 공기의 비율을 일정하게 할 때, 산화제에서의 O2 함량을 상승시키면 가연 성분은 감소하고, 작동 온도는 증가한다. 그러나, 본 구현예에서, 산화제 기류에서의 O2 함량을 증가시기면, 동일한 작동 온도에서 가연 성분을 높이기 위해서 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율은 동시에 감소하게 된다. 즉 연료가 농축된다.
산화제 기류에서의 O2 함량과 공급원료 혼합물에서의 산화제/연료 비율을 변화시킴으로써 본 구현예에서와 같이 선택된 촉매 운전 온도, 예를 들면 770℃에서 환원 가스 강도를 광범위하게 할 수 있다. 예를 들어, 일례로 그 범위가 개질기(26)(~45% CO + H2)에 대한 정상 운전 조건을 나타내는 환원 가스 강도에서 약한 환원 조건(~3% CO + H2)까지 걸쳐 있게 된다. 다른 예로, 여기서 설정한 것과 다른 범위를 이용할 수도 있다.
환원 가스에서의 H2 함량을 20%에 근접되게 함으로써, 촉매 반응기(34)에서의 조건들은 전력 생산 모드 하에 개질기(26)에서 정상적으로 발생하게 되며, 산화제는 O2 함량(%)과 관련하여 공기에 가깝고 C 에 대한 O2의 몰 비율이 0.65에 이르게 된다. 환원 가스가 가연성분에서 보다 농축됨으로써 연료 유동은 약한 환원 조건에 대해 20% H2에서 약 4의 인자로 증가하게 될 것이다. 연소된 연료의 백분율은 개질기(26)에서 백분율에 가까운 조건으로 심각하게 감소하게 될 것이다. 이 온도가 유지될 수 있기 때문에 산화제에서의 N2 희석을 보다 낮춤으로써 연료 유량의 증가와 열 소실의 감소가 조화를 이루어 산소의 연소 백분율이 낮아지는 것이 상쇄된다. 따라서, 환원 강도를 증가시키기 위해서 산화제에서의 O2의 농도를 증가시킨다고 할지라도 연료를 완전하게 소모시키기 위해서 요구되는 산소의 백분율과 같이 산소 수위는 감소하게 된다. 본 구현예에서 CO 함량(%)은 원하는 운전 온도에서 H2 함량(%)의 약 1/2이 된다. 환원 가스의 가연 성분은 환원 가스에서의 H2 함량(%)의 대략 1.5배이다. 본 발명에서 기재하고 있는 내용은 연료 전지에 대한 것이다. 그러나, 환원 가스 발생기(14)를 다른 목적으로 환원 가스를 발생시키기 위한 시스템과 같이 다른 시스템에 동일하게 적용할 수 있음은 당연하다.
도 3c로 돌아와서, 블록(B128)에서, 개질기(26)와 음극(20), 예를 들면 개질기(26)를 경유해서 환원 가스를 공급한다.
블럭(B130)에서, 연료 전지(12)의 전력 생산 모드로의 전환이 개시되며, 이것은 전력 생산 모드에서의 운전을 위해 연료 전지(12)에 정상적으로 제공되는 초기 연료 및 산화제의 유동을 연료 전지에 공급하는 것을 포함하게 되며, 반대로 산화제와 탄화수소 연료는 환원 가스 발생기(14)에 제공되어 연료 전지의 시동과 정지 때 사용하기 위한 환원 가스를 발생시키게 된다. 전력 생산 모드로의 전환은 또한 음극(20)과 개질기(26)를 포함하는 연료 전지(12)의 가열 부위를 포함하고 있는데, 이것은 제어된 패턴으로 정상 운전 온도를 위한 것으로 상기 구성요소 내 및 상호간에 열적 성분으로 인한 물리적인 응력의 발생을 감소시키기 위한 것이다. 연료 전지(12)의 가열은 연료 전지(12)에 환원 가스를 공급하기 전, 공급시 또는 공급한 후에 수행할 수 있으며, 그러한 부위, 예를 들면 음극(20) 및 개질기(26)에서, 만족할만한 운전 온도에 이를 때까지 수행할 수 있다. 전력 생산 모드로의 전환시 바이패스 시스템(98)은 바이패스 모드로 전환시킬 수 있다.
블럭(B132)에서, 연료 전지(12)는 전력 생산 모드, 예를 들면 운전 모드에서 운전되어 전력을 전기 부하(16)에 공급하게 된다.
블럭(B134)에서, 환원 가스 발생기(14)에 공급되는 공기 유동과 연료 유동이 종료되어 환원 가스 발생기(14)에 의한 환원 가스의 생산이 끝나게 된다.
도 3d와 관련하여, 가열 장치의 온도를 촉매(36)에서 공급원료 혼합물의 촉매 반응의 시작에 필요한 온도 또는 그 이상으로 유지한다. 이 온도는 연료 전지(12)의 정지가 필요한 경우에 환원 가스 발생기(14)의 신속한 재시작을 포함해서, 촉매(36)의 신속한 재시작을 위해서 전력 생산 모드에서 연료 전지의 운전시 유지되게 된다.
블럭(B138)에서, 전력 생산 모드로부터 연료 전지(12) 정지를 위한 명령을 제어 시스템(96)에서 사람의 입력 또는 자동 공정에 의해 수신한다. 일부 구현예에서, 블럭(B136)이 연료 전지(12)의 정지에 관한 명령을 수신한 후에 수행될 수도 있다. 예를 들어, 다른 구현예에서는 연료 전지(12)의 정지에 관한 명령을 수신할 때까지 가열 장치가 촉매 활성화 온도 또는 그 이상의 온도로 가열되지 않을 수 있다.
블럭(B140)에서, 환원 가스 발생기(14)는 명령에 대한 반응으로, 예를 들어서, 블럭(B102) 내지 블럭(B128)에 표시한 동작 일부 또는 전부를 수행하는 것에 의해서 환원 가스를 발생한다. 여기에는 산화제 기류의 O2 함량과 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율을 조절하여 환원 가스를 원하는 수준으로 가연 성분을 선택적으로 변화시켜서 환원 가스의 환원 강도를 선택적으로 변화시키는 것을 포함하고 있으며, 선택 온도, 예를 들어 블럭(B122)의 선택 온도를 유지하는 것을 포함하고 있다.
블럭(B142)에서, 환원 가스 발생기(14)에서 발생된 환원 가스는 바이패스 시스템(98)을 바이패스 모드와 떨어지게 함으로써 연료 전지(12)의 음극(20)에 공급된다. 이것은 연료 전지(12)의 정지시 음극(20)에 대한 산화적인 손상을 방지할 수 있다. 처음에 환원 가스는 높은 환원 강도를 가질 수 있으며, 연료 전지(12)의 온도를 감소시키게 되면 감소하게 된다.
블럭(B144)에서, 연료 전지(12)의 전환은 전력 생산 모드를 벗어나서 개시된다. 이것은 전력 생산 모드에서의 운전시 정상적으로 제공되는 초기 연료의 음극(20)으로의 유동이 점진적으로 감소하는 것을 포함한다.
블럭(B146)에서, 환원 가스 발생기(14)로 공급되는 공기 유동과 연료 유동이 종료되며, 환원 가스 발생기(14)에서 환원 가스의 생산이 끝나게 된다. 블럭(B146)은 산화적인 손상에 걱정이 없고 음극(20)을 제작하는데 사용할 수 있는 재료로 변경할 수 있는 온도로 음극(20)이 충분하게 냉각된 후에 실시할 수 있다.
본 발명의 어떤 구현예에 따른 환원 가스 발생기는 폴리머 질소-분리막을 공급되는 압축 공기 공급을 포함하고 있다. 여기서 상기 질소-분리막은 고압을 이용해서 폴리머 섬유에 의해 질소로부터 산소를 분리한다. 이러한 구현예는 병에 든 질소를 배제할 수 있다. 다른 구현예에서, 다른 질소원을 이용할 수 있다. 생성 가스는 질소 농축 기류이며, 산소가 고갈되어 있다. 위치가 변할 수 있는 바이패스 밸브는 질소 농축 기류와의 배합을 위해서 질소 발생기 주변의 비교적 작은 기류의 공급 공기는 우회시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 바이패스 공기 유동은 배합된 기류의 최종 산소 함량과 직접적으로 비례한다. 질소 농축 생성 가스와 바이패스 공기의 배합 기류는 산화제 기류라고 할 수 있으며, 이것은 공정에 산화제 유동을 설정하는 유동 제어 장치를 통과하게 된다. 바이패스 밸브는 바이패스 공기와 질소 농축 가스의 비율을 조절하여 산화제 기류에서 원하는 산소 함량을 달성하게 한다.
비교적 적은 량의 탄화 수소 연료는 유동 제어 장치를 통해서 산화제 기류에 계량될 수 있다. 정상 유동 모드에서, 미리 배합된 산화제와 연료 배합물은 공급원료 혼합물을 환원가스로 전환시키는 촉매 반응기로 직접 공급된다. 공기 중에서 보통의 연소와 비교해서, 감소한 산소 함량 산화제 기류라는 것은 환원 가스에서 수득한 가연 성분 단위당 연료가 보다 적은 것으로 해석할 수 있다. 따라서, 가연성분(예를 들어 H2와 CO)의 단위 생산 당 원하는 화학 에너지 입력(예를 들면 연료의 입력으로 인한 열적 부하)은 감소할 수 있으며, 그러므로 원하는 온도에서 생성 기류를 냉각시키기 위하여 공정 가스로부터 추출하는데 보다 낮은 온도가 필요할 수 있다. 산화제 기류에서의 질소 희석은 반응 온도를 촉매에 대해서 바람직한 범위로 감소시킬 수 있으며, 열 교환기 하류에서 재료 한정을 초과하지 않을 것이다. 본 발명의 구현예와 대조해서, 원하는 규모에서 정상 공기와 연소시키기 위해서 설계된 반응기(본 발명의 구현예에서 이용하는 질소-농축 산화제에 대조해서)는 복합적이고, 냉각 자켓이 요구된다. 이 냉각 자켓은 액체 냉매가 요구되며, 다른 한편으로는 매우 높은 체적 흐름의 냉매 가스가 요구되며, 과도한 온도로부터 반응기 재료를 보호하기 위해서 비교적 높은 온도를 가지고 있다. 반대로 본 발명의 일부 구현예의 촉매 반응기는 외부에서 냉각할 필요없이 저온에서 운전되도록 지정되어 있다.
산소가 고갈된 산화제로의 연료 산화는 가연성분 농도(또는 몰랄 유동)를 주어진 범위로 산출한다. 통상의 공기와의 연소에 비해 연료에 대한 공기의 비의 범위가 굉장히 넓다. 이것은 가연 성분의 제어를 상당히 수월하게 달성될 수 있다.
촉매 출구에서 출구 온도를 열전쌍으로 감시할 수 있다. 열전쌍은 공기 바이패스 밸브를 위한 제어 입력으로 작용할 수 있다. 만일 출구 온도가 설정 온도 보다 너무 많이 떨어질 경우 O2의 비율이 높은 산화제 기류가 출구 온도(많은 연료를 산화시킴으로써)를 상승시키고 그 반대의 경우도 마찬가지이므로 미량에 의해 제어신호가 바이패스를 개방시킨다. 가연성 공급원료 혼합물이 완전하게 전환되도록 설정 온도를 높게 설정하여 가스 조성물의 균형을 맞춘다. 그러나, 그렇게 높지 않으면, 촉매나 하류 열 교환기 중 어느 하나에 대해 운전 가능한 재료 한계 온도를 달성하게 된다.
산소 센서(66)는 바이패스 공기와 질소 발생기에서 나오는 질소 농축 기류의 혼합 지점의 하류에서 산화제 기류를 부피 단위로 산소 함량을 측정할 수 있다. 다른 구현예로서 출구 온도가 설정 지점 값으로 유지되도록 출구 온도보다는 공기 바이패스 제어 밸브 지점에서 측정된 산소 농도를 채택할 수 있다. 이것은 전형적인 정상 상태 반응기 출구 온도를 바이패스 밸브 위치를 설정하는데 이용하기 전에 시동할 때 바람직할 수 있다.
산소 센서는 고온, 예를 들면 600℃ 주변에서 유지되는 소형의 지르코니아 센서일 수 있으며, 이것은 산소에 노출되었을 때 가스의 산소 함량과 관련이 있는 네른스트 포텐셜를 나타낸다. 상기 센서는 제 위치에 설치할 수 있다. 그러나, 센서를 다른 한편으로 임계적인 오리피스 흐름을 통해서 주 공정 라인을 떨어지게 송풍하는 제어된 작은 반류에 매립시킬 수 있다. 목표치와 측정한 산소 함량의 편차 간의 관계를 제어된 소프트웨어가 통제할 수 있다. 그 결과로 바이패스 밸브가 조금 개방되게 된다. 상기 센서는 처리 가스의 산소 함량의 변화에 대해 신속하게 반응할 수 있으며, 이에 따라 공기 바이패스 밸브 제어 루프 상에서의 최적화된 매개변수 설정은 보다 광범위한 조건에 걸쳐서 보다 더 신뢰할 수 있는 제어를 제공하게 된다.
하류 열 교환기는 하류 공정으로 환원 가스를 도입할 때 요구되는 온도로 환원 가스를 냉각시킨다. 온도 제어 루프는 출구 가스의 설정 온도로부터 촉매 출구 온도의 편차를 기반으로 하는 열 교환기에 대해 냉각 공기의 유동이나 다른 냉각 매체를 변화시킬 수 있다. 열 교환기는 촉매에서 나오는 가스의 온도에 잘 견디도록 치밀한 합금강이나 세라믹으로 설계할 수 있다.
수소 또는 가연성 센서는 환원 가스의 구성 성분인 수소나 가연 성분을 부피%로 측정할 수 있도록 열 교환기의 처리 가스 하류의 반류를 이끌어 낼 수 있다. 상기 제어 소프트웨어는 측정한 %H2와 설정값을 비교할 수 있고 그 편차를 기본으로 하여 제어 신호를 연료 제어 밸브로 보낼 수 있다. 만일 측정한 %H2이 설정치 보다 훨씬 낮으면, 연료 공급을 증가시키고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 상기 제어 소프트웨어는 측정한 %H2와 목표치 %H2와의 편차 관계를 통제할 수 있으며, 연료 밸브가 조금 개방되거나 폐쇄되게 된다.
수소를 지속적으로 측정하기 위해서는 환원 가스에 대한 수소 함량의 허용 범위 이상으로 보정된 열 전도성 수소센서를 사용한다. 산소 센서와 유사하게, 상기 센서에 대한 정확한 시료 가스 유동에서 매우 작은 환원 가스의 반류를 계량하기 위해 비교적 저렴하고 간단한 방법으로 임계 유동 오리피스를 사용할 수 있다.
연료 전지 시스템 내에서 예기치 않은 일에 대해 가능한한 빠르게 환원 가스 발생기를 온라인으로 돌려서 대기 조건에서 촉매의 신속한 재시동 방법에는 본 발명의 구현예에 의해서 제공될 수 있는 안전한 환원 가스의 즉각적인 공급이 요구될 것이다. 신속한 재시동 능력은 가스가 요구되는 시간과 환원 가스 발생기를 온라인으로 되돌리는데 걸리는 시간 사이의 갭을 연결하는데 병에 저장된 환원 가스의 필요성을 피할 수 있을 것이다. 신속한 재시동 방법으로는 높은 열량을 갖는 가열기를 촉매 반응기의 상류에 바로 위치하게 할 수 있으며, 예를 들어 가열기를 통해서 공급원료 혼합물을 벗어나게 하기 위한 한 쌍의 밸브 또는 3방향 밸브일 수 있다. 정상 운전시에 상기 밸브는 상기 혼합물을 직접 촉매 반응기로 안내를 하고, 가열기는 바이패스한다. 시동할 때, 유동은 가열기를 통해 이탈할 것이다. 흐름이 없을 때, 예를 들어 환원 가스 발생기의 휴식 상태하에서 원하는 예열 온도로 금속을 유지하기 위해 가열기는 충분한 전력을 공급받는다. 반면에 비교적 적은 량의 열이 소실될 것이며, 전원 요구량은 작아지게 될 것이다. 가열 중에, 유동 코일은 금속성 본체에 휩쓸리게 된다. 가열기는 충분한 열량을 포함할 수 있다. 그래서 재시동 시도시 유동이 개시될 때, 공정 기류는 즉각적으로 목표로 삼는 점화 온도를 달성한다.
이러한 설계는 비교적 안전하다. 왜냐하면, 가연성 혼합물과 금속성 본체에 작용하는 전원 공급 장치 간에 우수한 전기적 절연을 달성할 수 있기 때문이다. 재시동 전에, 유동이 도입되기 전에 내부 금속을 요구하는 온도가 되도록 가열기는 전원을 조절한다. 그리고 이러한 조건하에서 주변의 절연체를 통해서 열 손실을 보상받도록 전원을 유지해야 한다.
시동을 시도할 때, 촉매 공급원료 혼합물의 반응에 도달할 때까지 설정한 예열 온도를 유지하거나 상승하도록 전원은 즉각 켜지게 될 것이다. 이 과정에 도달하면, 예를 들어 촉매 출구에서 충분하게 온도가 상승하면, 상기 유동은 촉매가 과열되는 것을 방지하기 위해 점화 가열기 주변에서 촉매쪽으로 바로 방향을 전환할 것이다(정상 작동 유동 모드).
신속한 재시동을 촉진시키기 위해, 밴드 가열기를 추가로 열 공급원으로 제공할 수 있다. 시동시 유동이 개시되기 전에 밴드 가열기는 촉매 활성화 온도 또는 그 이상에서 촉매를 잡고 있도록 촉매 반응기를 감싸게 된다. 시동하기 전에 밴드 가열기는 그 주변을 감싸고 있는 절연체를 통해서 열 손실을 보상할 수 있도록 에너지를 제공하는 것이 바람직하다.
촉매가 활성화되면, 표면 온도가 가열기의 설정 온도 이상으로 올라게 되므로 밴드 가열기는 꺼지게 될 것이다. 가열기에 대한 전원은 다음번 재시동을 위해서 설정 온도에서 가열기의 열량을 유지하도록 꺼지거나 줄일 수 있다.
다른 구현예로서, 촉매 입구에 친밀하게 연결되어 있는 가열기를 채용하는 것에 의해 가열 계획을 단순하게 할 수 있다. 이러한 접근 방식은 열적 커플링을 가깝게 함으로써 촉매의 앞쪽 가까이에서 국부적으로 반응을 개시할 수 있는 열량이 낮은 가열기를 사용할 수 있다. 이러한 구현예에 의하면 잠정적으로 환원 가스 발생기의 부품과 비용을 절감할 수 있다.
추가적인 구현예로서, 연료 전지 시스템에서 전력 생산에 적합한 환원 가스를 생성할 수 있는 구조로 되어 있는 환원 가스 발생기에 관한 구현예에서 환원 가스 발생기는 연료 전지 시스템을 위한 내부 개질기를 대신할 수 있다. 이러한 구현예에서, 환원 가스 발생기는 연료 전지 시스템의 시동과 정지를 위해 한가지 성분인 환원 가스를 생성하고, 연료 전지 시스템의 정상 작동을 위한 다른 성분의 환원 가스를 생성하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 구현예는 산소 (O2) 저함량 산화제를 공급할 수 있는 구조로 된 산화제 공급원을 포함하는 연료 전지의 시동과 정지를 위한 환원 가스 발생기를 포함한다. 상기 O2 저함량 산화제는 대기 공기 중의 O2 함량 보다 낮은 O2 함량을 갖는다. 상기 환원 가스 발생기는 또한 탄화수소 연료를 수용할 수 있는 구조로 된 연료 입력부, 상기 산화제 공급원과 유체 연통하고 상기 연료 입력부와 유체 연통되어 있는 합류실을 포함하고 있다. 상기 합류실은 상기 탄화수소 연료와 상기 산소(O2) 저함량 산화제를 수용하고, 상기 탄화수소 연료와 상기 산소(O2) 저함량 산화제 모두를 포함하는 공급원료 혼합물을 배출할 수 있는 구조로 되어 있다. 상기 환원 가스 발생기는 상기 합류실와 유체 연통되어 있는 촉매 반응기을 포함하고 있다. 상기 촉매 반응기은 상기 공급원료 혼합물을 수용하고 상기 공급원료 혼합물을 촉매적으로 환원 가스로 전환시킬 수 있는 구조로 되어 있다. 상기 환원 가스 발생기는 또한 상기 촉매 반응기와 유동적으로 연결되어 있고 연료 전지의 음극과 개질기 중 적어도 하나와 유체 연통이 되어 있는 환원 가스 출력부를 포함하고 있다. 그리고 상기 환원 가스 출력부는 상기 연료 전지의 음극과 개질기 중 적어도 하나에 환원 가스를 안내하도록 작동할 수 있다.
상기 구현예에서의 한가지 개선점은, 산소(O2)를 공기로부터 추출하고 나머지를 질소 농축 가스 형태로 배출하며 상기 질소 농축 가스가 상기 산소(O2) 저함량 산화제의 적어도 일부를 형성하도록 작동할 수 있는 질소 발생기를 포함하는 것이다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 상기 질소 발생기 출력부에 연결되어 있는 ㄱ공기 부하 시스템을 포함하는 것이다. 상기 공기 부하 시스템은 상기 O2 저함량 산화제 중에서 O2 함량을 변화시기 위해 상기 질소 농축 가스에 공기를 가변적으로 추가할 수 있는 구조로 되어 있다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 상기 질소 농축 가스와 상기 공급원료 혼합물 중 하나에 공기의 양을 조절하여 추가할 수 있는 구조로 된 밸브를 포함하는 것이다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 공기 중에서 질소를 분리할 수 있는 구조로 된 질소 분리막을 포함하는 질소 발생기를 포함하는 것이다.
상기 구현예의 다른 개선점은, O2 저함량 산화제 중에서 O2 함량과 공급원료 혼합물 중에서 산화제/연료 비율 모두를 변화시켜서 제어 온도를 조절할 수 있는 프로그램 명령을 수행할 수 있는 구조로 된 제어 시스템을 포함하는 것이다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 상기 제어 시스템에 연통되어 있는 제어 온도 센서와 O2 센서를 포함하는 것이다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 상기 제어 시스템에 연통되어 있는 산화제 ㅈ제어 밸브를 포함하는 것이다. 상기 산화제 제어 밸브는 상기 제어 시스템에 의해 관리되는 산화제 유동을 조절할 수 있는 구조로 되어 있고, 상기 제어 시스템에 연통되어 있는 연료 제어 밸브를 포함하는 것이다. 상기 연료 제어 밸브는 상기 제어 시스템에 의해 관리되는 탄화수소 연료의 유동을 조절할 수 있는 구조로 되어 있으며, 여기서, 상기 제어 시스템은 상기 연료 제어 밸브와 상기 산화제 제어 밸브 중 적어도 하나의 출력을 조절하여 산화제/연료 비율을 변하게 하는 프로그램 명령을 수행할 수 있는 구조로 되어 있다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 산화제의 O2 함량과 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율 모두를 변화시켜서 상기 환원 가스의 선택된 온도를 유지하면서 상기 환원 가스 중에서 가연 성분을 선택적으로 변화시키는 프로그램 명령을 수행할 수 있는 구조로 된 제어 시스템을 포함하는 것이다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 상기 제어 시스템에 연통되어 있는 제어 온도센서, 산소 센서 및 환원 가스 가연 성분 검출 센서 중에서 적어도 2개를 포함하는 것이다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 상기 촉매 반응기의 하류에 유동적으로 연결되어 있는 열 교환기를 포함하며, 상기 열 교환기는 상기 환원 가스의 온도를 제어할 수 있는 구조로 되어 있다는 것이다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 상기 촉매 반응기의 상류에 가열기가 포함될 수 있으며, 상기 가열기는 상기 공급원료 혼합물의 적어도 한 부위를 가열하고 가열된 혼합물을 촉매 반응기로 공급하는 것에 의해 상기 촉매 반응기의 촉매에서 촉매 반응을 개시할 수 있는 구조로 되어 있다.
상기 구현예의 또 다른 개선점은, 상기 가열기는 연료 전지의 정상 운전시 상기 공급원료 혼합물의 촉매 활성화 온도 및 그 이상의 온도를 지속해서 유지할 수 있는 구조로 된 본체를 포함하는 것이다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 상기 연료 전지의 정상 운전시 상기 공급원료 혼합물의 촉매 활성화 온도 및 그 이상의 온도에서 상기 촉매 반응기의 촉매를 유지하도록 구성되어 있는 촉매 가열기 또는 상기 촉매 반응기의 입구에 인접해서 배치되어 있고, 상기 촉매 반응기의 상류 부위에 공급원료 혼합물의 촉매적인 반응을 개시할 수 있는 구조로 된 다른 가열기를 적어도 하나를 포함하는 것이다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 일정한 제어 온도를 유지하면서 상기 환원 가스의 가연 성분을 변화시킬 수 있는 수단을 포함하는 것이다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 상기 공급원료 혼합물이 O2 함량을 가지는 산화제를 포함하는 것이다. 상기 변화를 위한 수단은, 산화제에서 O2 함량을 변화시키기 위한 수단과 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율을 변화시키기 위한 수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 음극, 양극, 상기 음극과 상기 양극에 연결되어 있는 전해질 및 개질기를 포함하는 연료 전지의 연료 전지 시스템인 것이다. 상기 연료 전지 시스템은 또한 상기 연료 전지의 시동과 정지를 위한 환원 가스 발생기를 포함할 수 있다. 상기 환원 가스 발생기는, 산소(O2) 저함량 산화제 기류를 공급할 수 있는 구조로 된 산화제 공급원을 포함하며, O2 저함량 산화제 스트림은 대기 공기 보다 낮은 O2 함량을 갖고 있다. 상기 환원 가스 발생기는 또한, 탄화수소 연료를 수용할 수 있는 구조로 된 연료 입력부를 포함할 수 있다. 상기 환원 가스 발생기는 또한 상기 산화제 공급원과 유체 연통되어 있고, 상기 연료 입력부와 유체 연통되어 있는 합류실을 포함할 수 있다. 상기 합류실은 상기 탄화수소 연료와 O2 저함량 산화제 기류를 수용하고, 상기 탄화수소 연료와 O2 저함량 산화제 기류 모두를 함유하는 공급원료 혼합물을 배출할 수 있는 구조로 되어 있다. 상기 황원 가스 발생기는 또한 상기 합류실과 유체 연통되어 있는 촉매 반응기를 포함하고 있다. 상기 촉매 반응기는 상기 공급원료 혼합물을 수용하고 상기 공급원료 혼합물을 환원 가스로 촉매적으로 전환시킬 수 있는 구조로 되어 있다. 상기 환원 가스 발생기는 또한 상기 촉매 반응기에 유동적으로 연결되어 있고, 음극과 개질기의 적어도 하나와 유체 연통되어 있는 환원 가스 출력부를 포함하고 있다. 상기 환원 가스 출려부는 상기 환원 가스를 상기 음극과 상기 개질기의 적어도 하나로 안내하도록 작용하게 된다.
상기 구현예의 한가지 개선점은, 공기 흡입구 또는 상기 공기 흡입구와 유체 연통되어 있는 질소 발생기를 포함하고 있다. 상기 질소 발생기는 질소 발생기 출력부를 가지며, 상기 공기 흡입구로부터 공기를 수용하고, 상기 공기 흡입구로 수용된 공기로부터 O2를 추출하고, 나머지는 질소 농축 가스 형태로 상기 질소 발생기 출력부로 부터 배출할 수 있는 구조로 되어 있다. 상기 질소 농축 가스는 O2 저함량 산화제 기류의 적어도 일부를 형성한다.
본 발명의 다른 구현예는 산소(O2) 저함량 산화제 기류를 공급할 수 있는 구조로 된 산화제 공급원을 포함하는 환원 가스 발생기이다. 상기 O2 저함량 산화제 기류는 대기 공기의 산소 함량에 비해 낮은 산소 함량을 갖는다. 상기 O2 산화제 기류는 상기 산화제 공급원에 유동적으로 연결되어 있으며 탄화수소 연료를 공급할 수 있는 구조로 된 연료 공급원을 포함할 수 있다. 상기 환원 가스 발생기는 상기 연료 공급원 및 산화제 공급원에 유동적으로 연결되어 있는 합류실을 포함할 수 ㅇ있다. 상기 합류실은 상기 산화제와 상기 탄화수소 연료를 공급원료 혼합물로 통합할 수 있는 구조로 되어 있다. 상기 공급원료 혼합물은 탄화수소 연료의 양에 대한 산화제의 양의 비율로 정의한 산화제/연료 비율을 가질 수 있다. 상기 환원 가스 발생기는 또한 상기 합류실와 유동적으로 연결되어 있고 환원 가스가 발생하도록 공급원료 혼합물을 촉매적으로 전환할 수 있는 구조로 된 촉매 반응기를 포함할 수 있다. 상기 환원 가스 발생기는 상기 촉매 반응기에서 출력되는 환원 가스 중에서 가연 성분을 변화시키면서 미리 정해진 제어 온도를 유지하기 위하여 상기 공급원료 혼합물의 유량, 상기 산화제 기류에서의 O2 함량 및 상기 공급원료 혼합물에서의 산화제/연료 비율을 제어하기 위한 프로그램 명령을 수행할 수 있는 구조로 되어 있는 제어 시스템을 포함할 수 있다.
상기 구현예의 한가지 개선점은, 상기 산화제 공급원은 질소 농축 가스를 공급하기 위해 질소 발생기를 이용한다.
상기 구현예의 다른 구현예에서, 상기 질소 발생기는 질소 분리 폴리머를 포함한다.
상기 구현예의 다른 개선점은, 상기 환원 가스 발생기는 음극과 개질기 중 적어도 하나를 가지는 연료 전지에 상기 환원 가스를 공급할 수 있는 구조일 수 있다. 상기 환원 가스 발생기는 또한 상기 촉매 반응기에 유동적으로 연결되어 있고 음극과 개질기 중 적어도 하나와 유체 연통되어 있는 환원 가스 출력부를 포함할 수 있다. 상기 환원 가스 출력부는 상기 음극과 상기 개질기 중 적어도 하나에 환원 가스의 안내를 위해 작동하도록 구성되어 있다.
본 발명의 다른 구현예는 산화제 기류를 제공하기 위한 수단, 탄화수소 연료를 공급하기 위한 수단 그리고 상기 산화제와 상기 탄화수소 연료를 공급원료 혼합물로 통합시키기 위한 수단을 포함하는 환원 가스 발생기이다. 상기 공급원료 혼합물은 상기 탄화수소 연료의 양에 대해 상기 산화제의 양의 비율로 정의된 산화제/연료 비율을 갖는다. 상기 환원 가스 발생기는 또한 상기 공급원료 혼합물을 환원 가스로 촉매적으로 전환시키기 위한 수단을 포함할 수 있다. 상기 환원 가스 발생기는 또한 선택된 제어 온도를 유지하면서 환원 가스의 가연 성분을 선택적으로 변화시킬 수 있도록 산화제 기류 중에서 O2 함량과 상기 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율을 조절하는 수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 대기 공기를 수용할 수 있는 구조로 된 공기 흡입구를 포함하는 연료 전지의 정화 시스템인 것이다.상기 연료 전지의 정화 시스템은 상기 공기 흡입구에 유동적으로 연결되어 있는 압축기를 포함할 수 있다. 상기 압축기는 상기 공기 흡입구를 통해서 수용된 대기 공기를 상기 주변 대기압 이상의 압력으로 압축할 수 있는 구조일 수 있다. 연료 전지의 정화 시스템은 상기 압축기에 유동적으로 연결되어 있고, 상기 연료 전지에 유동적으로 연결되어 있는 질소 발생기를 포함할 수 있다. 상기 질소 발생기는 상기 압축된 공기로부터 질소 농축 기류를 발생하고 상기 연료 전지와 연계되어 있는 적어도 하나의 구성 요소를 정화하도록 질소 농축 기류를 제공할 수 있는 구조로 되어 있다.
상기 구현예의 한가지 개선점에 의하면, 상기 질소 발생기는 상기 압축 공기의 압력을 사용해서 상기 압축 공기로부터 산소를 분리하고 질소 농축 기류를 공급할 수 있는 구조로 된 질소 분리막을 포함하는 것이다.
상기 구현예의 또 다른 개선점은 상기 압축기와 상기 질소 발생기 사이에 유동적으로 연결되어 있는 압력 조절기를 포함하는 것이다. 상기 압력 조절기는 상기 압축 공기의 압력을 자동으로 조절할 수 있는 구조로 되어 있다는 것이다.
본 발명의 다른 구현예는 연료 전지와 상기 연료 전지에 연결되어 있는 정화 시스템을 포함하는 연료 전지 시스템인 것이다. 여기서, 정화 시스템은, 대기 공기를 수용할 수 있는 구조로 된 공기 흡입구를 포함할 수 있다. 또한, 정화 시스템은 공기 흡입구에 유동적으로 연결되어 있는 압축기를 포함할 수 있다. 이 압축기는 공기 흡입구로 수용된 대기 공기를 주변 대기압 이상의 압력으로 압축할 수 있는 구조로 되어 있다. 또한, 정화 시스템은 압축기와 상기 연료 전지 사이에 유동적으로 배치되어 있는 질소 발생기를 포함할 수 있다. 상기 질소 발생기는 압축 공기로부터 질소 농축 기류를 발생하고 연료 전지와 연계되어 있는 적어도 하나의 구성 요소를 정화할 수 있도록 질소 농축 기류를 제공할 수 있는 구조로 되어 있다.
본 발명의 또 다른 구현예는 촉매 반응기 중 하나에서 미리 정해진 제어 온도와 촉매 반응기에 의해 출력되는 환원 가스를 유지하도록 공급원료 혼합물의 유량과, 산화제 기류 중에서의 O2 함량과 공급원료 혼합물 중에서의 산화제/연료 비율을 모두 제어하는 프로그램 명령을 수행할 수 있는 구조로 된 제어 시스템인 것이다.
본 구현예에서 한가지 개선점은, 제어 시스템이 촉매 반응기에 의해 출력되는 환원 가스의 가연 성분을 변화시키면서 미리 정해진 제어 온도를 유지하는 프로그램 명령을 수행할 수 있는 구조로 되어 있다는 것이다.
본 구현예에서 다른 개선점은, 제어 시스템이 연료 전지의 음극과 개질지 중 하나 또는 모두에 환원 가스를 선택적으로 배출하는 프로그램 명령을 수행할 수 있는 구조로 되어 있다는 것이다.
본 구현예에서 또 다른 개선점은, 음극과 개질기로 배출하는 환원 가스의 양을 촉매 반응기로부터 배출되는 전체의 양에 대해 0% 에서 100%로 변화를 줄 수 있다는 것이다.
본 발명에서는 현실적으로 가장 실용적이고 바람직한 구현예라고 생각되어지는 것과 관련한 것을 기재한 것이지만, 본 발명이 여기에 기재한 구현예에 한정되는 것은 아니라고 이해되어야 할 것이며, 이와는 반대로, 첨부한 청구범위의 정신과 범위내 포함되는 다양한 개조 및 이에 상당하는 설비까지도 미치는 것으로 생각할 수 있다. 여기서, 범위는 법률에서 허용하는 모든 개조 및 이에 상당하는 구조를 포함하도록 하는 넓은 해석과도 일치하게 된다. 더욱이 상세한 설명에서 바람직한, 바람직하게 또는 선호하는의 단어의 사용은 그러한 기재가 더욱 바람직한 것을 나타낸 것이며, 그럼에도 불구하고, 필요로 하지 않거나 이러한 것이 부족한 구현예들은 본 발명의 범위 내에 있는 것인지 신중해야 할 것이다. 청구항에 정의한 범위는 다음과 같다. 청구항과 관련하여, "적어도 하나" 그리고 "적어도 일부"의 단어를 사용은 청구항에 어떤 다른 반대적인 설명이 특정되어 있지 않을 경우 단지 한가지 주제에 청구항의 범위를 한정하는 것으로 해석되지는 않는다. 또한, "적어도 일부" 및/또는 "일부"의 언어는 반대되는 특별한 언급이 없는 이상 일부 및/또는 전체를 포함하는 주제로 사용한다고 할 수 있다.
12 : 연료 전지
14 : 환원 가스 발생기
16 : 전기 부하
18 : 전선
20 : 음극
22 : 전해질
24 : 양극
26 : 개질기
28 : 연료 전지 시스템
32 : 합류실
34 : 촉매 반응기
36 : 촉매
38 : 연료 입력부
40 : 압력 조절기
42 : 유황 포획 용매
44 : 연료 유동 조절기
46 : 연료 제어 밸브
48 : 공기 흡입구
50 : 공기 압축기
52 : 압력 조절기
54 : 질소 발생기
56 : 질소 분리막
58 : 공지 제어 밸브
60 : 공기 유동 제어기
62 : 산화제 제어밸브
64 : 산화제 유동 제어기
66 : 산소 센서
70, 72 : 밸브 부재
74 : 공급원료 혼합물 가열기
76 : 가열 본체
78 : 유동 코일
80,82 : 가열기
84 : 온도 센서
86 : 검출 센서
88 : 열 교환기
90 : 배압 조절기
92 : 감지 라인
94 : 제어 라인
96 : 제어 시스템
100 : 산화제 기류 질량 유량
102 : 탄화수소 연료류 질량 유량
104 : 화학양론 공기
106 : 산소/탄소 비율(O2/C)

Claims (30)

  1. 공기 흡입구;
    상기 공기 흡입구로부터 수용된 공기를 사용하는 산소(O2) 저함량 산화제를 발생시키고, O2 저함량 산화제의 O2 함량을 변화시키는 구조되어 있되 상기 O2 저함량의 산화제는 대기 공기의 산소 함량에 비해 낮은 O2 함량을 갖는 산화제 공급원;
    탄화수소 연료를 수용할 수 있는 구조로 된 연료 입력부;
    상기 산화제 공급원과 유체 연통하고 상기 연료 입력부와 유체 연통되어 있되 상기 탄화수소 연료와 상기 산소(O2) 저함량 산화제를 수용하고, 상기 탄화수소 연료와 상기 산소(O2) 저함량 산화제 모두를 포함하는 공급원료 혼합물을 배출할 수 있는 구조로 된 합류실;
    상기 합류실과 유체 연통되어 있되 상기 공급원료 혼합물을 수용하고 상기 공급원료 혼합물을 촉매적으로 환원 가스로 전환시킬 수 있는 구조로 된 촉매 반응기;
    상기 촉매 반응기와 유동적으로 연결되어 있고 연료 전지의 음극과 개질기 중 적어도 하나와 유체 연통이 되어 있되 상기 연료 전지의 음극과 개질기 중 적어도 하나에 환원 가스를 안내하도록 작동하는 환원 가스 출력부; 및
    미리 정해진 제어 온도를 유지하면서 상기 촉매 반응기에서 출력되는 환원 가스 중에서 가연성 성분을 변화시키기 위해, 공급원료 혼합물의 유량을 제어하고, O2 저함량 산화제의 O2 함량과 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율을 모두 변화시키기 위해 프로그램화된 제어 시스템으로 이루어진 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  2. 제1항에 있어서, 산소(O2)를 공기로부터 추출하고 나머지를 질소 농축 가스 형태로 배출하며 상기 질소 농축 가스가 상기 O2 저함량 산화제의 적어도 일부를 형성하도록 작동하게 되는 질소 발생기를 추가로 구성하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 질소 발생기 출력부에 연결되어 있되, 상기 O2 저함량 산화제 중에서 O2 함량을 변화시기 위해 상기 질소 농축 가스에 공기를 가변적으로 추가할 수 있는 구조로 된 공기 부하 시스템을 추가로 구성하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 질소 농축 가스와 상기 공급원료 혼합물 중 하나에 공기의 양을 조절하여 추가할 수 있는 구조로 된 밸브를 추가로 포함하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 질소 발생기는 공기 중에서 질소를 분리할 수 있는 구조로 된 질소 분리막을 포함하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  6. 제1항에 있어서, O2 저함량 산화제 중에서 O2 함량과 공급원료 혼합물 중에서 산화제/연료 비율 모두를 변화시켜서 제어 온도를 조절할 수 있는 프로그램 명령을 수행할 수 있는 구조로 된 제어 시스템이 추가로 구성되어 있는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어 시스템에 연통되어 있는 제어 온도 센서와 O2 센서를 추가로 구성하고 있는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어 시스템에 연통되어 있되, 상기 제어 시스템에 의해 관리되는 산화제 유동을 조절할 수 있는 구조로 된 산화제 제어 밸브; 및
    상기 제어 시스템에 연통되어 있되, 상기 제어 시스템에 의해 관리되는 탄화수소 연료의 유동을 조절할 수 있는 구조로 된 연료 제어 밸브가 추가로 구성되어 있고,
    상기 제어 시스템은 상기 연료 제어 밸브와 상기 산화제 제어 밸브 중 적어도 하나의 출력을 조절하여 산화제/연료 비율을 변하게 하는 프로그램 명령을 수행할 수 있는 구조로 된 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  9. 제1항에 있어서, 산화제의 O2 함량과 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율 모두를 변화시켜서 상기 환원 가스의 선택된 온도를 유지하면서 상기 환원 가스 중에서 가연 성분을 선택적으로 변화시키는 프로그램 명령을 수행할 수 있는 구조로 된 제어 시스템을 추가로 포함하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어 시스템에 연통되어 있는 제어 온도센서, 산소 센서 및 환원 가스 가연 성분 검출 센서 중에서 적어도 2개를 추가로 포함하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 촉매 반응기의 하류에 유동적으로 연결되어 있고, 상기 환원 가스의 온도를 제어할 수 있는 구조로 된 열 교환기를 추가로 포함하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 촉매 반응기의 상류에 위치하되, 상기 공급원료 혼합물의 적어도 한 부위를 가열하고 가열된 혼합물을 촉매 반응기로 공급하는 것에 의해 상기 촉매 반응기의 촉매에서 촉매 반응을 개시할 수 있는 구조로 된 가열기를 추가로 포함하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 가열기는 연료 전지의 정상 운전시 상기 공급원료 혼합물의 촉매 활성화 온도 및 그 이상의 온도를 지속해서 유지할 수 있는 구조로 된 본체를 포함하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 환원 가스 발생기는,
    상기 연료 전지의 정상 운전시 상기 공급원료 혼합물의 촉매 활성화 온도 및 그 이상의 온도에서 상기 촉매 반응기의 촉매를 유지하도록 구성되어 있는 촉매 가열기; 및
    상기 촉매 반응기의 입구에 인접해서 배치되어 있고, 상기 촉매 반응기의 상류 부위에 공급원료 혼합물의 촉매적인 반응을 개시할 수 있는 구조로 된 다른 가열기 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  15. 제1항에 있어서, 환원 가스의 제어 온도를 일정하게 유지하면서 상기 환원 가스의 가연 성분을 변화시킬 수 있는 수단을 추가로 포함하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 공급원료 혼합물은 O2 함량을 가지는 산화제를 포함하며, 상기 변화를 위한 수단은, 산화제에서 O2 함량을 변화시키기 위한 수단과 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율을 변화시키기 위한 수단을 포함하는 연료 전지의 시동 및 정지를 위한 환원 가스 발생기.
  17. 음극, 양극, 상기 음극과 상기 양극에 연결되어 있는 전해질 및 개질기를 포함하는 연료 전지; 및
    상기 연료 전지의 시동과 정지를 위한 환원 가스 발생기로 이루어져 있되
    상기 환원 가스 발생기는,
    공기 흡입구;
    상기 공기 흡입구로부터 수용된 공기를 사용하여 산소(O2) 저함량 산화제를 발생시키는 구조로 되어 있되, 상기 O2 저함량 산화제 기류는 가변하는 O2 함량을 가지며 상기 O2 저함량의 산화제는 대기 공기의 산소 함량에 비해 낮은 O2 함량을 갖는 산화제 공급원;
    탄화수소 연료를 수용할 수 있는 구조로 된 연료 입력부;
    상기 산화제 공급원과 유체 연통되어 있고, 상기 연료 입력부와 유체 연통되어 있되, 상기 탄화수소 연료와 O2 저함량 산화제 기류를 수용하고, 상기 탄화수소 연료와 O2 저함량 산화제 기류 모두를 함유하는 공급원료 혼합물을 배출할 수 있는 구조로 된 합류실;
    상기 합류실와 유체 연통되어 있고, 상기 공급원료 혼합물을 수용하고 상기 공급원료 혼합물을 환원 가스로 촉매적으로 전환시킬 수 있는 구조로 되어 있되 상기 산화제 공급원은 환원 가스 강도의 선택된 범위 내에서 환원 가스의 강도를 변화시켜 상기 범위 내로 원하는 환원 가스 강도가 달성될 수 있도록 O2 저함량 산화제 기류의 O2 함량을 선택적으로 변화시키는 구조로 되어 있는 촉매 반응기;
    상기 촉매 반응기에 유동적으로 연결되어 있으며, 음극과 개질기의 적어도 하나와 유체 연통되어 있되, 상기 환원 가스를 상기 음극과 상기 개질기의 적어도 하나로 안내하도록 작용하게 되는 환원 가스 출력부; 및
    상기 촉매 반응기에서 출력되는 환원 가스 중에서 가연 성분을 변화시키면서 미리 정해진 제어 온도를 유지하기 위하여 상기 공급원료 혼합물의 유량을 제어하고, O2 저함량 산화제의 O2 함량과 상기 공급원료 혼합물에서의 산화제/연료 비율을 모두 변화시키도록 프로그램화된 제어 시스템을 포함하는 연료 전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 공기 흡입구와 유체 연통되어 있는 질소 발생기를 추가로 포함하되 상기 질소 발생기는 질소 발생기 출력부를 가지며, 상기 공기 흡입구로부터 공기를 수용하고, 상기 공기 흡입구로 수용된 공기로부터 O2를 추출하고, 나머지는 O2 저함량 산화제 기류의 적어도 일부를 형성하는 질소 농축 가스 형태로 상기 질소 발생기 출력부로 부터 배출할 수 있는 구조로 된 연료 전지 시스템.
  19. 공기 흡입구;
    상기 공기 흡입구에 유동적으로 연결되어 있고 산소(O2) 저함량 산화제 기류를 공급할 수 있는 구조로 되어 있되 O2 저함량 기류는 대기 공기의 O2 함량에 비해 낮은 O2 함량을 갖는 산화제 공급원;
    상기 산화제 공급원에 유동적으로 연결되어 있으며 탄화수소 연료를 공급할 수 있는 구조로 된 연료 공급원;
    상기 연료 공급원 및 산화제 공급원에 유동적으로 연결되어 있되, 상기 산화제와 상기 탄화수소 연료를 공급원료 혼합물로 통합할 수 있는 구조로 되어 있고, 상기 공급원료 혼합물은 탄화수소 연료의 양에 대한 산화제의 양의 비율로 정의한 산화제/연료 비율을 가지게 하는 합류실;
    상기 합류실와 유동적으로 연결되어 있고 환원 가스가 발생하도록 공급원료 혼합물을 촉매적으로 전환할 수 있는 구조로 된 촉매 반응기; 및
    상기 촉매 반응기에서 출력되는 환원 가스 중에서 가연 성분을 변화시키면서 미리 정해진 제어 온도를 유지하기 위하여 상기 공급원료 혼합물의 유량, 상기 산화제 기류에서의 O2 함량 및 상기 공급원료 혼합물에서의 산화제/연료 비율을 제어하기 위한 프로그램화 된 제어 시스템으로 이루어진 환원 가스 발생기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 산화제 공급원은 질소 농축 가스를 제공하기 위해 질소 발생기를 이용하는 환원 가스 발생기.
  21. 제20항에 있어서, 상기 질소 발생기는 질소 분리 폴리머를 포함하는 환원 가스 발생기.
  22. 제19항에 있어서, 상기 환원 가스 발생기는 음극과 개질기 중 적어도 하나를 가지는 연료 전지에 상기 환원 가스를 공급할 수 있는 구조로 되어 있고, 추가로 상기 촉매 반응기에 유동적으로 연결되어 있으며, 음극과 개질기 중 적어도 하나와 유체 연통되어 있는 환원 가스 출력부를 포함하고 있되 상기 환원 가스 출력부는 상기 음극과 상기 개질기 중 적어도 하나에 환원 가스의 안내를 위해 작동하도록 구성되어 있는 환원 가스 발생기.
  23. 공기 흡입구;
    탄화수소 연료 흐름을 수용하기 위한 구조로 된 연료 입력부;
    상기 공기 흡입구에 유동적으로 결합되어 있고, 산소(O2) 저함량 산화제 흐름을 발생시킬 수 있는 구조로 된 산화제 공급원;
    상기 연료 입력부와 산화제 공급원에 유동적으로 결합되어 있는 합류실, 상기 합류실은 산소(O2) 저함량 산화제 흐름과 탄화수소 연료 흐름을 결합하여 산화제/연료 혼합물을 형성할 수 있는 구조로 되어 있으며, 상기 산화제 공급원은 탄화수소 연료 흐름 또는 O2 저함량 산화제 흐름에서의 변화가 요구됨이 없이 산화제/연료 혼합물의 화학 양론을 변화시킬 수 있는 구조로 되어 있고; 및
    상기 O2 저함량 산화제는 대기 공기 보다 낮은 O2 함량을 가지며; 촉매 반응기는 산화제/연료 혼합물을 수용하고 산화제/연료 혼합물을 환원 가스로 촉매적으로 전환시킬 수 있는 구조로 되어 있으며, 상기 산화제 공급원은 원하는 환원 가스 강도를 달성할 수 있도록 산화제/연료 혼합물의 화학 양론을 선택적으로 변화시킬 수 있는 구조로 되어 있고; 및
    산화제/연료 혼합물의 유량을 제어하고 O2 저함량 산화제 흐름의 O2 함량과 산화제/연료 혼합물의 산화제/연료 비율 모두를 변화시켜 산화제/연료 혼합물의 원하는 화학양론과 상기 촉매 반응기에 의한 출력하는 환원 가스의 원하는 가연성 함량을 달성할 수 있도록 프로그램화되어 있는 제어 시스템, 여기서, 상기 촉매 반응기는 환원 가스를 연료 전지의 음극과 개질기에 공급하기 위해서 연료 전지의 음극과 개질기 중 적어도 하나와 유체 연통되어서 이루어진 연료 전지의 시동과 정지를 위한 환원 가스 발생기.
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