KR101891544B1 - 일체화된 기체 연료 촉매부분산화 개질장치 및 연료전지 시스템, 및 전기 생산 방법 - Google Patents

일체화된 기체 연료 촉매부분산화 개질장치 및 연료전지 시스템, 및 전기 생산 방법 Download PDF

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Abstract

기체 연료 촉매부분산화 (CPOX) 개질장치와 연료전지가 일체화된 시스템은, 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이의 하나 또는 복수개를 포함할 수 있으며, 각 반응기 유닛은 내부표면과 외부 표면이 있는 기체-투과성 벽을 가지는 세장관을 포함하고, 상기 벽은 개구형 기체 플로우 통로를 둘러싸고, 상기 벽의 적어도 하나의 부분은 그 내부에 배치된 및/또는 그 구조를 포함하여 구성되는 CPOX 촉매를 갖는다. 상기 촉매-포함 벽 구조와 이에 의해 둘러싸인 개구형 기체 플로우 통로는 기상 CPOX 반응 구역을 구획하고, 상기 촉매-포함 벽 섹션은 기체 CPOX 반응혼합물을 그 내부에서 확산하고 생성 수소-풍부 리포메이트를 그 외부로 확산하는 것을 허용하는 기체-투과성이다. 상기 기체 연료 CPOX 개질장치는 또한 하나 이상의 점화기, 및 기체 개질가능 연료의 공급원을 포함할 수 있다. 상기 수소-부 리포메이트는 기체 연료 CPOX 개질장치와 일체화된 연료전지 유닛 내에서 전기로 전환될 수 있다.

Description

일체화된 기체 연료 촉매부분산화 개질장치 및 연료전지 시스템, 및 전기 생산 방법{INTEGRATED GASEOUS FUEL CPOX REFORMER AND FUEL CELL SYSTEMS, AND METHODS OF PRODUCING ELECTRICITY}
본 출원은 2013년 11월 6일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/900,552호의 출원일의 이익과, 그에 대한 우선권을 주장하며, 상기 미국 출원의 전체 내용은 본 출원에 참조문헌으로 통합된다.
본 발명은 일체화된 기체 연료 촉매부분산화 개질장치 및 연료전지 시스템, 및 연료전지 유닛에서 전기로 전환될 수 있는 수소-풍부(hydrogen-rich) 리포메이트들을 생산하기 위한 기체 개질가능 연료들의 촉매부분산화 개질방법에 관한 것이다.
기체 또는 액체 개질가능(reformable) 연료의 수소-풍부 일산화탄소-함유 기체 혼합물, 통상적으로 "합성 가스(synthesis gas)" 또는 "신가스(syngas)"라 칭해지는 제품으로 전환(conversion)은 스팀 개질(steam reforming), 건식 개질(dry reforming), 자기열 개질(autothermal reforming), 및 촉매부분산화(CPOX) 개질과 같은 공지의 연료 개질 조작들에 따라 수행될 수 있다. 이러한 연료 개질 조작들의 각각은 그 특유의 화학작용 및 요건들을 가지며, 각 조작은 다른 조작과 비교되는 장점 및 단점이 있다.
향상된 연료 개질장치들, 연료 개질장치 구성요소들, 및 개질 프로세스들의 개발이, 연료 전지들, 즉 수소, 수소와 일산화탄소의 혼합물, 및 그 유사물과 같은 화학적으로 산화가능한 연료들을 전기로 전기화학적 전환하기 위한 디바이스들의, 주전력 유닛들((MPUs) 및 보조전력 유닛들(APUs)을 포함하는 일반 용도로 크게 확장된 역할을 할 잠재성으로 인해, 상당한 연구의 초점이 계속되고 있다. 또한, 연료 전지들은 전문 용도, 예를 들어 전기 차량용 온-보드(on-board) 전기발생 디바이스들, 가정용 디바이스들을 위한 비상 전력 공급원, 레저용 주전력 공급원, 아웃-오브-그리드 위치에서 옥외 및 다른 전력소비 디바이스들, 및 휴대용 배터리 팩들을 위한 경량, 고전력 밀도, 주위온도-비의존(ambient temperature-independent) 대체물들에 사용될 수 있다.
수소의 대규모의 경제적인 생산, 그 분배에 필요한 인트라스트럭쳐(intrastructure), 및 (특히 수송 연료로서) 그 저장을 위한 실용적인 수단은 멀리 있다고 생각되기 때문에, 최근의 연구 개발은, 전기화학적으로 산화가능한 연료의 공급원, 특히 수소와 일산화탄소의 혼합물의 공급원으로서 연료 개질장치와; 이러한 연료의 전력으로의 전환기(convertor)로서, 통상적으로 연료 전지 "스택(stack)"이라 칭해지는, 연료 전지 어셈블리를 모두 향상시키는 것과, 보다 컴팩트하고, 신뢰성있으며, 효율적인 전기 에너지 생산 디바이스로 연료 개질장치와 연료전지의 일체화(integration)을 지향하고 있다.
연료 개질장치의 경우처럼, 공지 및 통상의 연료전지들이 다양한 유형 및 형태를 가지고 있으며, 그 예는 인산 연료전지들(PAFCs), 알칼리 연료전지들(AFCs), 폴리머 전해질 멤브레인(또는 프로톤 교환 멤브레인) 연료전지들(PEMFCs), 및 고체 산화물 연료전지들(SOFCs)을 포함한다. 또한, 이러한 유형들의 연료전지들에 수 많은 변형들이 존재한다. 예를 들어, SOFCs는 세 가지의 주요 아류형(sub-type), 즉 관형(tubular), 평면형(planar) 및 모노리쓰형(monolithic) 중 하나에 속하는 것으로 분류될 수 있으며, 당 분야에 각 아류형을 대표하는 것들이 많이 공지되어 있다. 연료 개질 장치들과 마찬가지로, 연료 개질 장치의 다양한 유형 및 아류형 각각은 다른 것들과 비교되는 장점들 및 단점들이 있다.
CPOX 개질, 또는 간단히 말해서 CPOX는, 예를 들어 100와트 내지 100킬로와트 범위 중의 임의의 명목 전력 정격(nominal power rating), 및 이들 사이의 모든 명목 전력 정격을 가지는 연료 전지 스택으로 수소-풍부 리포메이트를 공급하는 방법에 특별히 주목하고 있다. CPOX 개질의 장점들 중의 하나는, 외부 열원을 필요로 하는 흡열 반응인 스팀 개질 및 건식 개질과 달리, 반응이 발열성이라는 것이다.
더욱이, CPOX 반응들은 다른 개질 반응들보다 일반적으로 빠르며, 부하의 변화에 신속한 스타트-업 및 신속한 응답을 할 수 있는, 상대적으로 소형인 개질장치의 구성을 허용한다. 또한, CPOX 개질장치들은 물 저장 유닛, 스팀 생산용 가열 유닛, 흡열 개질 반응을 구동하기 위한 버너 또는 연소 유닛, 및 그 유사 유닛과, 이들과 연관된 유체 전송 및 조작-모니터링 및 제어 디바이스들을 필요로 하는 스팀 개질장치 및 자기열 개질장치와 같이 물과 스팀의 취급이 필요한 개질장치들에 비해 설계가 훨씬 간단하다.
그러나 알려진 바와 같이(참조: 예를 들어 미국특허 제6,790,431호 및 제7,578,861호), CPOX 반응 중에 발생한 전형적으로 높은 수준의 열은 개질장치 및/또는 그 구성요소들(예를 들어, CPOX 촉매, 촉매 지지체, 및 다른 구조 요소들)의 손상을 포함하는, 바람직하지 않은 결과를 초래할 수 있다. 이것이 수많은 최신 CPOX 개질장치의 주된 단점이며, 이에 대한 효과적인 해결책이 필요하다.
CPOX 개질장치의 하나의 알려진 형태는, 통상적으로 CPOX 촉매 또는 촉매 시스템이 부착된, "촉매 모노리쓰(catalyst monolith)", "모노리쓰 촉매 지지체(monolith catalyst support)", "모노리쓰 기재(monolith substrate)", 또는 단순히 "모노리쓰(monolith)"라 칭해지는, 촉매 지지 요소를 구비한다.
모노리쓰는 두 가지의 일반적인 형태(configuration)에 기초하여 분류될 수 있다: 제1 형태는 기본적으로 선형인 기체 통과 유로(essentially linear gaseous flow path therethrough)를 제공하는 허니컴형(honeycomb-like), 채널형(channeled), 금속 거즈(metallic gauze) 또는 나권 파형 시이트 구조(spiral-wound corrugated sheet structure)의 금속 또는 세라믹 바디(body)를 특징으로 ?하고; 제2 형태는 구불구불한 기체 통과 유로를 제공하는 망상(reticulated) 또는 개구형(open), 기공 구조의 금속 또는 세라믹 발포체(foam) 바디를 특징으로 한다. 어느 한 일반 형태의 대표적인 모노리쓰가 예를 들어, 미국특허 5,527,631; 6,402,989; 6,458,334; 6,692,707; 6,770,106; 6,887,456; 6,984,371; 7,090,826; 7,118,717; 7,232,352; 7,909,826; 7,976,787; 및 8,323,365호, 미국특허출원 공개 2013/0028815호에 개시되어 있다.
도 1A에 나타낸 바와 같이, 종단면으로 도시된, 통상적인 선행기술 형태의 모노리쓰(100)는, CPOX 촉매가 함침된(impregnated) 또는 워시-코팅된(wash-coated) 수많은 채널(102)들이 구성되어 있는 허니컴형 세라믹 바디(101), 기체 CPOX 반응혼합물, 즉 기체 산화제(전형적으로 공기) 및 개질가능 연료(예를 들어 메탄, 천연가스, 프로판 또는 부탄과 같은 기체 연료; 또는 휘발유, 등유, 제트 연료 또는 디젤과 같은 기화된 기체 연료)의 혼합물을 도입하기 위한 유입구 말단(inlet end: 103), 수소-풍부(hydrogen-rich), 일산화탄소-함유 리포메이트 생성물(syngas)을 방출하기 위한 유출구 말단(outlet end: 104), 전체 모노리쓰와 본질적으로 동일한 공간을 차지하는 CPOX 반응구역(reaction zone: 105)을 포함한다.
CPOX 반응구역(105)은 외측, 또는 주변, 부위(107)으로 포위된 내측, 또는 중앙, 부위(region)(106)을 가지며, 상기 내측, 또는 중앙, 부위(106)을 주로 통과하는 기체 CPOX 반응 혼합물 스트림의 대응하는 내측, 또는 중앙, 부분(portion)은 본질상 상대적으로 높은 범위의 속도(V1)로 흐르고, 상기 외측, 또는 주변, 부위(107)을 통과하는 기체 CPOX 반응 혼합물 스트림의 대응하는 외측, 또는 주변, 부분은 본질상 상대적으로 낮은 범위의 속도(V2)로 흐르는 것을 예상할 수 있다.
전형적으로 모노리쓰들은 상당히 높은, 예를 들어 600℃ 내지 1,100℃ 범위의, CPOX 반응 온도를 겪게 된다. 허니컴형 모노리쓰(100)의 경우에, 이러한 고온들은 내측 및 외측 부위들(106, 107)을 흐르는 CPOX 반응 혼합물 스트림의 본질적인 유속들(V1 및 V2)의 차이와 결합되어, 모노리쓰(100) 및 기본적으로 유로가 선형인 다른 CPOX 개질관련 모노리쓰들의 관찰된 조작 결함들을 발생시키기 쉽다.
600 ~ 1,100 ℃의 CPOX 반응 온도에서, 모노리쓰(100)는 그 유입구 말단(103)에서 다량의 열을 방사한다. CPOX 반응 조건들을 주의 깊게 모니터링 및 제어하더라도, CPOX 기체 반응 혼합물 스트림이 유입구 말단(103)에 접근할 때, 방사열 구역(radiant heat zone: 108) 내에서 "플래싱(flashing)" 현상, 즉 CPOX 기체 반응 혼합물 스트림의 때이른 연소를 방지 또는 억제하기 어렵다. 유입구 말단(103) 직전의 초기 CPOX 반응구역(109) 내에서 발생하는 CPOX 반응의 발열반응열은 거기서 방사열 구역(108)으로 외향 방사한다. 이 방사열은 진입하는 CPOX 반응 혼합물 스트림(화살표로 표시됨)의 온도를 그 플래싱점(flash point)으로 상승시키기에 충분한 세기를 가질 수 있다. 방사열 구역(108) 내에서 CPOX 반응 혼합물의 플래싱은, 온도를 촉매가 증기화 또는 비활성화될 수 있는 포인트로 상승시키거나, 또는 개질장치 구조가 손상 또는 작동불능상태가 되거나, 또는 이들 모두가 발생하는, 원하지않은 열적 문제(thermal events)를 일으킨다. 이러한 열적 문제는, 이 구역 내에서 연료의 크래킹(cracking)을 일으키고, 결국에는 CPOX 촉매 성능을 열화시키는 코크스(탄소 입자) 형성 증가를 가져온다. 수소-풍부 개질 유출물(effluent)이 연료 전지 스택용 연료로 이용되는 경우, 그 안에 함유된 코크스 및 미개질 고급 탄화수소 부분들은 연료전지들의 양극 표면들에 침착하여, 생성물인 리포메이트의 전기 전환을 감소시킬 것이다.
도 1A에 더 나타낸 바와 같이, 위에서 언급한, CPOX 반응구역(105)의 내측 및 외측 부위(106 및 107) 각각에서 CPOX 반응 혼합물 스트림의 유속들(V1 및 V2)의 차이는 또한 상기 부위들에서 CPOX 반응 온도 범위들(T1 및 T2)의 차이에 주된 책임이 있다. 즉, 내측 부위(106) 내의 CPOX 반응 혼합물 스트림의 상대적으로 높은 유속(V1)은 거기서 상대적으로 높은 CPOX 반응 속도를 초래하고, 이에 수반하여 상대적으로 높은 반응온도(T1)를 초래하는 반면에, 외측 부위(107) 내의 CPOX 반응 혼합물 스트림의 상대적으로 낮은 유속(V2)은 거기서 상대적으로 낮은 CPOX 반응 속도를 초래하고, 이에 수반하여 상대적으로 낮은 반응온도(T2)를 초래한다. 내측 및 외측 부위(106 및 107) 전역에서 온도 프로파일(profile)은 온도 곡선(110)으로 표시될 수 있다. CPOX 반응 온도 T1에서 가파른 상승은, 충분히 높은 경우, 모노리쓰(100)에 손상을 입히고, 심지어는 모노리쓰의 파괴를 초래한다.
도 1B에 나타낸 바와 같이, 종단면도로 도시된, 선행기술 형태의 발포체 모노리쓰(150)는, 통상의 또는 공지된 방법들, 예를 들어 함침 또는 워시 코팅에 의해, 그 위에 부착된 CPOX 촉매 또는 촉매 시스템을 지지하는 상호연결된 기공들 및 기공 채널들(152)의 망상, 또는 개구형, 네트워크를 특징으로 하는 세라믹 발포체 바디(151)를 구비한다.
모든 유형의 발포체 모노리쓰들의 하나의 단점은, 도 1A의 허니컴형 모노리쓰(100)와 같은 선형 플로우(linear-flow) 모노리쓰에 비해 상대적으로 높은 흐름 저항으로 인한 상대적으로 높은 압력 강하이다. 높은 압력 강하는, 목표 플로우들에 부합하기 위하여, 높은 작동 압력과, 이에 따른 높은 에너지 소비를 필요로 한다. 발포체 모노리쓰들의 또 하나의 고유 단점은, (화살표로 표시된 바와 같은) 내부의 기체 반응물 유로 및 반응생성물 유로의 성질에 있다. 이러한 유로들의 특성인 무작위성(randomness)은, 핫 스팟들(hot spots)로 인한 열 쇼크(thermal shock) 및/또는 콜드 스팟들(cold spots)로 인한 CPOX 전환율 감소의 위험을 증가시키는, 모노리쓰 내의 (예를 들어 온도 곡선 153으로 표시된 바와 같은) 매우 불균일한 온도 프로파일들(temperature profiles)을 초래한다.
또한, 모든 유형의 발포체 모노리쓰들은, 위에서 검토한 바와 같은 선형 유로 모니리쓰의 경우만큼이나 플래싱하기 쉽다. 게다가, 발포체 모노리쓰들은 이러한 형태의 특징적인 다른 결함들을 갖기 쉽다. 공지 및 통상의 발포체 모노리쓰들은, 제조되는 방법에 의존하여, 특히 그 중앙 부위에 상대적으로 부서지기 쉬운 기공 네트워크를 가질 수도 있고, 또는 전체에 걸쳐 상대적으로 단단한 기공 구조를 가질 수도 있다. 발포체 모노리쓰의 이러한 형태들 모두는 단점이 될 수 있다.
상대적으로 부서지기 쉬운 코어 부위를 가지는 발포체 모노리쓰의 경우에, CPOX 개질장치(전형적으로 수소-풍부 리포메이트를 연료 전지 어셈블리로 공급하는 CPOX 개질장치)의 빠른 열 사이클링(thermal cycling)의 원인이 되는 열 쇼크는, 거의 모두 CPOX 반응이 매우 비효율적으로 진행하는 포인트로 그 구조를 경시적으로 열화시킬 수 있다.
단단한 기공 구조를 가지는 발포체 모노리쓰들의 경우에, 이러한 구조는 이를 통한 기체 유로의 무작위도를 확대시키기 쉽다. 핫 스팟들로 인한 기공 구조의 손상은 무시할 정도이거나 또는 존재하지 않을 수 있지만, 흩어져 있는 잠시 동안의 콜드 스팟들이 CPOX 반응의 생산성에 부의 영향을 미치는 문제는, 이러한 유형의 발포체 모노리쓰의 단점으로 남아있다.
또한, 명확하고, 정밀하게 제어된 프로세스로 제조된 경우라도, 동일한 프로세스로 제조된 발포체 모노리쓰들이 서로 다른 기공 구조들을 나타내고, 이에 따라 기체 플로우 특성들이 서로 다르게 된다는 것을 주목하여야 한다. 이와 같이 불가피한 미세구조 차이로 인해, 동일한 제조 프로세스로 생산된 개별 발포체 모노리쓰들은 실험에 의해서만 결정될 수 있는 각기 특유의 작동 특성을 나타내기 쉽다. 실제적인 문제로서, 그 성능의 예측불가능한 변화들을 감안하여, 동일한 방법으로 제조된 발포체 모노리쓰들이 포함된 개질장치들에 보다 넓은 범위의 성능 및 신뢰성 파라미터 또는 사양이 할당되어야 할 것이다.
게다가, CPOX 개질장치와 연료전지의 일체화는 전기가 필요한 특정 용도로 적절한 일체화된 개질장치-연료전지 시스템을 제공하는데 효율적이고 효과적이어야 한다.
따라서, 산업계는 선행기술의 단점들 중 특정 단점을 해결할 수 있는, 새로운 설계의 일체화된 CPOX 개질장치-연료전지 시스템뿐만 아니라, 전기를 생산하기 위하여 연료전지 시스템들과 일체화된 새로운 CPOX 개질 방법을 갈망하고 있다.
위와 같은 배경기술의 상태를 감안하여, 본 발명은 종래 기술의 결함 및/또는 단점들 중 하나 이상을 해결할 수 있는, 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치 및 연료전지 시스템(이후로는, "개질장치-연료전지 시스템" 으로 지칭하거나, 그 순서를 바꾼 표현으로 지칭하기도 함), 및 수소-풍부 리포메이트를 생산하기 위한 기체 개질가능 연료들의 CPOX 개질 및 수소-풍부 리포메이트의 전기로의 전환을 위한 방법을 제공한다. 예를 들어, 본 발명의 일체화된 개질장치-연료전지 시스템들 및 방법들은 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션에서 또는 그 CPOX 개질 작동에서 플래싱 또는 열적 문제의 "폭주(run-away)"가 발생할 기회 또는 경향이 거의 없거나 전혀 없고, 기체 연료 CPOX 반응기 또는 CPOX 개질에서 과도하게 높은 CPOX 반응 온도가 전혀 없으며, 기체 연료 CPOX 개질장치 및 일체화된 개질장치-연료전지 시스템 전체의 기체 스트림-전송(gaseous stream-routing) 및 기체 플로우 성분들 및 통로들(gaseous flow components and passageways) 모두에 걸쳐 배압들(back pressures)이 낮다.
게다가, 본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션 및 연료전지 섹션의 설계는, 일체화된 개질장치-연료전지 시스템으로 효율적이고 효과적인 결합을 허용할 수 있다. 예를 들어, CPOX 반응기 유닛들의 유출구들의 횡단면들은 연료전지 유닛들의 유입구들의 횡단면들과 부합할 수 있고, 이에 의해 상기 유닛들의 직접 결합을 허용할 수 있다. 이러한 시스템 유연성은 콤팩트한 점유공간(footprint) 및/또는 설계를 포함하는 다양한 용도들 및 조건들을 위하여 변형될 수 있고, 적응될 수 있다.
하나의 측면에서, 본 발명은 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치 및 연료전지 시스템에 관한 것이며, 상기 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템은 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션과 연료전지 섹션을 포함한다.
상기 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션은 본 명세서에서 설명되는 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이와 점화기를 가지는 기체 연료 CPOX 개질장치를 포함할 수 있으며, 상기 점화기는 기체 연료 CPOX 개질장치의 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 촉매와, 예를 들어 CPOX 촉매-포함 벽 섹션과 열 연통한다.
일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 CPOX 반응기 유닛은 전형적으로 내부 표면과 외부 표면이 있는 벽을 가지는 세장관을 포함한다. 따라서, "기체 연료 CPOX 개질장치"는 "기체 연료 다중-관형 CPOX 개질장치"로 간주될 수 있으며, 상기한 표현들 및 그 순서를 바꾼 표현들은 문맥상 다르게 이해되지 않는 한 호환하여 사용된다. 상기 CPOX 반응기 유닛의 벽은 개구형 기체 플로우 통로(open gaseous flow passageway)를 둘러싸고, 한 단부에서 유체 플로우(fluid flow)를 받아들이기 위한 유입구를 구획하고, 대향 단부에서 유체 플로우를 방출하기 위한 유출구를 구획한다. CPOX 반응기 유닛은 상기 어레이 내의 적어도 인접하는 CPOX 반응기 유닛(들)과 열 연통할 수 있다. 상기 CPOX 반응기 유닛은 내부 표면을 포함하는 그 벽의 적어도 한 섹션을 가질 수 있으며, CPOX 촉매를 포함한다. 상기 CPOX 촉매-포함 벽 섹션은, 전형적으로 기체 CPOX 반응 혼합물을 그 내부에서 확산하는 것과 생성 수소-풍부 리포메이트를 그 외부로 확산하는 것을 허용하는 기체-투과성이며, CPOX 반응 조건들하에 구조적으로 안정을 유지할 수 있다.
일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 상기 기체 연료 CPOX 개질장치는, 적어도 상기 CPOX 촉매-포함 벽 섹션의 외부 표면과 결합된, 예를 들어 부착 또는 접착된, 수소 배리어(hydrogen barrier)를 포함할 수 있다. 상기 수소 배리어는, CPOX 반응기 유닛의 벽의 외부 표면의 대부분, 실질적으로 전부, 또는 전체와 결합될 수 있다. 예를 들어, 가압 기체와 같은 가압 유체가, 예를 들어 CPOX 촉매-포함 벽 섹션의 적어도 상기 외부 표면과 결합된 수소 배리어일 수 있다.
상기 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이 및 CPOX 반응기 유닛들의 열 연통에 대해서, 일반적으로 상기 CPOX 반응기 유닛들은 하나의 CPOX 반응기 유닛에서의 CPOX 반응열이 하나 이상의 인접하는 CPOX 반응기 유닛들에서의 CPOX 반응을 개시하기에 충분히 가까운 간격으로 이격된다. 하지만, 일반적으로 상기 CPOX 반응기 유닛들은, 특히 상기 CPOX 반응기 유닛들의 유출구들에서, 상기 CPOX 반응기 유닛들의 온도 제어를 허용하기에 충분히 먼 간격으로 이격된다. 말하자면, 상기 CPOX 반응기 유닛들은, CPOX 반응기 유닛에 대한 손상, 그리고 존재하는 경우 CPOX 반응기 유닛(들)의 유출구(들)와 유체 및 열 연통할 수 있는 연료 전지 스택에 대한 손상을 방지하기 위하여, 열손실(heat loss)이 CPOX 반응기 유닛으로부터 발생할 수 있도록 이격된다. 이와 같이 배치구성되면, 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이는 상기 어레이 사이에서 적절한 열적 발란스(thermal balance)를 제공할 수 있고, 상기 어레이 전역에서 열 균일(thermal uniformity)을 용이하게 할 수 있다.
예를 들어, 인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최대 간격은, 이 간격을 상회하면 하나의 CPOX 반응기 유닛에서의 CPOX 반응 열이 인접하는 CPOX 반응기 유닛에서 CPOX 반응을 개시하지 못하게 되는 간격일 수 있다. 바꿔말하면, 어레이중 하나의(단일) CPOX 반응기 유닛에서 CPOX 반응을 개시하는 것이, 상기 CPOX 반응기 유닛들의 어레이의 CPOX 반응기 유닛들 각각에서 CPOX 반응을 개시하는데 필요한 열을 발생시킬 수 있다. 상기 최대 간격은, 이 간격을 상회하면 정상상태 작동 모드 중에 CPOX 반응기 유닛들의 어레이의 온도가 미리결정된 최소 어레이 온도(예를 들어 약 600℃ 또는 약 650 ℃)를 하회하는 간격일 수 있다.
인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최소 간격은, 이 간격을 하회하면 CPOX 반응기 유닛의 유출구에서 온도가 미리결정된 최대 온도보다 높게 되는 간격일 수 있다. 상기 미리결정된 최대 온도는, CPOX 반응기 유닛의 유출구에서 열 및 유체 연통하는 연료 전지 스택의 유입구에서 허용가능한 온도일 수 있으며, 예를 들어 약 875 ℃ 또는 900 ℃이다.
일체화된 시스템의 상기 기체 연료 CPOX 개질장치는, 단 하나의 점화기를 포함할 수도 있고, 하나보다 많은 점화기, 예를 들어 둘의 점화기, 셋의 점화기 또는 그보다 많은 점화기를 포함할 수 있으며, 후자의 경우 추가 점화기는 다른 CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 촉매-포함 벽 섹션들과 열 연통관계로 배치될 수 있다.
일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 상기 기체 연료 CPOX 개질장치는 또한 CPOX 반응기 유닛들의 유입구들과 유체 연통하는 기체 개질가능 연료 공급원을 구비할 수 있다.
상기 CPOX 촉매-포함 벽 섹션은 세라믹을 포함할 수 있고 또는 세라믹일 수 있다. 상기 CPOX 촉매-포함 벽 섹션은, 다공성 기재(porous substrate), 예를 들어 세라믹 또는 다공성 세라믹을 포함하는 다공성 기재일 수 있다. 적어도 CPOX 촉매를 포함하는 상기 벽 섹션은 페로브스카이트(perovskite)일 수 있고, 또는 페로브스카이트를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 이러한 벽 섹션의 약 20중량% 이상 또는 약 50중량% 이상이 페로브스카이트일 수 있다. CPOX 촉매는 상기 벽 내에 및/또는 상기 벽의 내부 표면상에 배치될 수 있다. 예를 들어, CPOX 촉매 또는 CPOX 촉매 시스템은, 벽에 및/또는 벽의 내부 표면과 같은 표면에, 예를 들어 함침, 워시 코팅 또는 동등한 방법에 의해 부착될 수 있다. 또한, CPOX 촉매는 부분적으로 또는 전체적으로 상기 벽을 형성할 수 있다. 즉 상기 벽의 구조일 수 있다. 특정 구체예들에서, CPOX 반응기 유닛의 촉매-포함 벽 섹션에서 CPOX 촉매의 양은, 상기 벽 섹션의 길이를 따라, 예를 들어 상기 CPOX 반응기 유닛의 유입구 말단에서 유출구 말단 방향으로 증가할 수 있고, 그리고/또는 상기 벽의 내부 표면에서 외부 표면 방향으로 감소할 수 있다. CPOX 촉매들의 이러한 구배들(gradients)은 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 반응구역에 존재할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 특징은 기체 CPOX 반응 혼합물을 CPOX 반응기 유닛들의 유입구들로 분배하기 위한 매니폴드(manifold)이며, 상기 매니폴드(또는 매니폴드 챔버)는 상기 CPOX 반응기 유닛들의 유입구들과 유체 연통할 수 있다. 상기 매니폴드는 매니폴드 하우징을 포함하며, 상기 매니폴드 하우징은 매니폴드 챔버를 구획한다. 상기 매니폴드는, 상기 매니폴드 챔버내에 배치되고, 적어도 상기 매니폴드 챔버 길이의 대부분에 대해 연장하는 기체 CPOX 반응 혼합물 분배기(distributor)를 포함한다. 상기 기체 CPOX 반응 혼합물 분배기는 기체 CPOX 반응 혼합물을 아웃풋(output)하는 도관(conduit)과 유체 연통할 수 있다.
상기 기체 CPOX 반응 혼합물 분배기는 상기 CPOX 반응기 유닛들의 유입구들에 대향하여 위치한 하나 이상의 유출구들을 포함할 수 있다. 상기 매니폴드는 상기 매니폴드 챔버와 열 연통하는 히터 및/또는 패시브 가열 소자들(passive heating elements)를 포함할 수 있다. 상기 매니폴드는 공동(cavity)을 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 매니폴드 하우징이 상기 공동을 구획한다. 시일(seal)이 상기 공동 내에 또는 상기 공동에 인접하게 배치될 수 있다. 전형적으로 상기 매니폴드 하우징은 복수의 공동을 포함하며, 상기 공동들의 수 및 배열은 상기 CPOX 반응기 유닛들의 유입구들의 수 및 배열과 일치한다. 상기 시일은 상기 CPOX 반응기 유닛의 유출구와 결합하여 상기 매니폴드 하우징과 상기 유입구 사이에 기밀 시일을 제공한다.
상기 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 연료전지 섹션은 양극, 음극, 및 이들 사이에 배치된 전해질을 가지는 연료전지 (또는 연료전지 유닛)을 포함할 수 있다. 연료전지 유닛의 양극은 CPOX 반응기 유닛의 유출구와 유체 연통할 수 있다. 연료전지 유닛의 음극은 산소-함유 기체(의 공급원)와 유체 연통할 수 있다. 상기 연료전지 섹션은 연료전지 유닛의 양극 및 음극에 전기적으로 결합된 집전기(current collector)를 포함할 수 있다.
상기 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 연료전지 유닛은 고체 산화물 연료전지 또는 폴리머 전해질 멤브레인( 프로톤 교환 멤브레인) 연료전지일 수 있다. 상기 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 연료전지 유닛은 관형 고체 산화물 연료전지, 예를 들어, 다중-관형 고체 산화물 연료전지를 포함할 수 있다.
상기 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 연료전지 유닛의 양극은 도관을 통해, 예를 들어 수소-풍부 리포메이트가 통과하는 도관을 통해 CPOX 반응기 유닛의 유출구와 유체 연통할 수 있다. 상기 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 연료전지 유닛의 음극은 또 다른 도관, 예를 들어 공기 도관을 통해 산소-함유 기체(의 공급원)와 유체 연통할 수 있다. 특정 구체예들에서, CPOX 반응기 유닛의 유출구는 연료전지 유닛의 유입구에 직접 연결될 수 있으며, 이 경우 연료전지 유닛의 유입구는 연료전지 유닛의 양극과 유체연통한다.
상기 일체화된 시스템의 연료전지 섹션은 또한 연료전지 유닛의 유출구와 유체연통하는 애프터버너(afterburner)를 포함할 수 있다.
또 하나의 측면에서, 본 발명은 기체 연료 CPOX 개질 및 생성 수소-풍부 리포메이트의 전기화학적인 전기 전환 방법들을 제공한다. 일반적으로 본 발명의 방법들은, 기체 개질가능 연료 및 산소-함유 기체를 포함하는(including), 예를 들어 포함하여 구성되는(comprising), 주 구성되는(consisting essentially of), 또는 구성되는(consisting of) 기체 CPOX 반응 혼합물을 본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치의 CPOX 반응기 유닛들의 유입구들로 도입하는 단계; 수소-풍부 리포메이트의 생산을 시작하기 위하여 상기 기체 CPOX 반응 혼합물의 촉매부분산화를 개시하는 단계; 상기 기체 CPOX 반응 혼합물의 촉매부분산화를 유지하는 단계(maintaining); 및 연료전지 유닛 내에서 상기 수소-풍부 리포메이트를 전기로 전환하는 단계를 포함한다.
다양한 구체예들에서, 기체 CPOX 반응 혼합물 도입 단계는, 기체 개질가능 연료를 포함하는 기체 CPOX 반응 혼합물을 CPOX 반응기 유닛들의 유입구들로 도입하는 것을 포함한다. 상기 CPOX 반응기 유닛들은 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이를 형성하며, 각 CPOX 반응기 유닛은 내부 표면과 외부 표면이 있는 벽을 가지는 세장관을 포함하여 구성되고, 상기 벽은 개구형 기체 플로우 통로를 둘러싸고, 상기 CPOX 반응기 유닛의 유입구 및 유출구를 구획한다. 상기 CPOX 반응기 유닛은 상기 어레이에서 적어도 인접하는 CPOX 반응기 유닛(들)과 열 연통할 수 있다. 상기 벽의 적어도 하나의 섹션은 CPOX 촉매를 포함할 수 있다. 상기 CPOX 촉매-포함 벽 섹션은, 기체 CPOX 반응 혼합물을 그 내부에서 확산하고, 생성 (수소-풍부) 리포메이트를 그 외부로 확산하는 것을 허용하는 기체-투과성일 수 있다. 상기 CPOX 촉매-포함 벽 섹션은 CPOX 반응 조건들하에 구조적으로 안정을 유지할 수 있다. 상기 어레이에서 인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 간격은 본 명세서에서 설명된 바와 같을 수 있다.
촉매부분산화(CPOX) 개시단계는, 단 하나의 점화기가 하나의 CPOX 반응기 유닛 내에서 CPOX 반응을 시작하도록 개시하는 것을 포함할 수 있으며, 상기 CPOX 반응은 다시 상기 기체 연료 CPOX 개질장치의 다른 CPOX 반응기 유닛들에서 CPOX 반응을 개시할 수 있다. 예를 들어, 촉매부분산화 개시 단계는 하나의 CPOX 반응기 유닛에서 CPOX 반응을 개시하는 단계; 상기 CPOX 반응 열을 인접하는 CPOX 반응기 유닛에 전달하여 거기서 CPOX 반응을 개시하는 단계; 및 상기 열 전달을 반복하여 상기 어레이의 CPOX 반응기들의 각각에서 CPOX 반응을 개시하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 촉매부분산화 개시 단계는, 하나보다 많은 점화기, 예를 들어 둘, 셋, 넷, 다섯, 또는 그보다 많은 점화기로 개시하여, 상기 기체 연료 CPOX 개질장치의 CPOX 반응기 유닛들 내에서 CPOX 반응(들)을 시작하도록 하는 것을 포함할 수 있다.
다양한 구체예들에서, 기체 CPOX 반응 혼합물의 촉매부분산화를 유지하는 단계는, 상기 어레이 내의 상기 CPOX 반응기 유닛들 사이에서 열을 전달하는 단계를 포함하여서, 다른 방법에서 수소-풍부 리포메이트의 동일한 아웃풋에 요구되는 것보다 적은 외부 가열을 사용한다. 상기 어레이의 CPOX 반응기 유닛들 사이에서 열전달은, 미리결정된 최소 어레이 온도, 예를 들어 약 600℃ 또는 650℃를 유지할 수 있다. 상기 미리결정된 최소 어레이 온도는, 상기 CPOX 반응기 유닛들의 어레이의 전역에서 실질적으로 균일할 수 있다.
특정 구체예들에서, 기체 연료 CPOX 개질 및 연료전지 유닛 내에서 수소-풍부 리포메이트의 전기 전환 방법은, 진행중인(ongoing) CPOX 반응의 발열 열, 및/또는 CPOX 개질할 기체 CPOX 반응 혼합물의 산소-함유 기체 성분 및/또는 기체 개질가능 연료를 가열하기 위한 몇몇 다른 공급원으로부터의 열을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 상기 방법들은 상기 발열 열을 연료전지 유닛에 사용하는, 예를 들어 상기 유닛에 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 구체예들에서, 기체 연료 CPOX 개질 방법들은, 실질적으로 균일한 조성의 기체 개질가능 연료를 포함하는 기체 CPOX 반응 혼합물을 실질적으로 균일한 속도 및/또는 실질적으로 균일한 온도로 여러 CPOX 반응기 유닛들 중 하나 이상의 유입구들에 분배하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 구체예들에서, 연료전지 유닛 내에서 수소-풍부 리포메이트를 전기로 전환하는 방법은, 수소-풍부 리포메이트를 연료전지 유닛의 양극과 접촉시키는 단계; 및 공기와 같은 산소-함유 기체를 연료전지 유닛의 음극과 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라, 방법들이 수소-풍부 리포메이트를 생산하기 위하여 시동 모드에서 또는 정상-상태 모드에서 기체 개질가능 연료의 CPOX 개질을 위하여, 그리고 연료 전지 내에서 상기 리포메이트의 전기 전환을 위하여 제공되며, 여기서 상기 방법들은 일반적으로,
a) 시동 모드에서:
(i) 산소-함유 기체 및 기체 개질가능 연료를 포함하여 구성되는 기체 CPOX 반응 혼합물을 복수의 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 각각의 유입구로 도입하는 단계, 여기서 각 반응기 유닛은 기체 CPOX 반응 혼합물용 유입구, 수소-풍부 리포메이트용 유출구, 내부 표면과 외부 표면이 있는 벽을 가지는 세장관을 포함하여 구성되고, 상기 벽은 개구형 기체 플로우 통로를 둘러싸고, 상기 벽의 적어도 한 섹션은 상기 섹션 내에 배치되거나 및/또는 상기 섹션의 구조를 포함하여 구성되는 촉매를 가지고, 상기한 촉매-포함 벽 섹션 및 이에 의해 둘러싸인 개구형 기체 플로우 통로는 기체-상(phase) CPOX 반응구역을 구획하고, 상기 촉매-포함 벽 섹션은 기체 CPOX 반응 혼합물을 그 내부에서 확산하고 생성 수소-풍부 리포메이트를 그 외부로 확산하는 것을 허용하는 기체투과성이고, CPOX 반응 조건들하에 안정을 유지함,
(ii) 상기 CPOX 반응기 유닛들의 상기 CPOX 반응구역들 내에서 기체 CPOX 반응 혼합물의 CPOX를 개시하여서 수소-풍부 리포메이트의 생산을 시작하는 단계;
(iii) 단계(ii)에서 생산된 수소-풍부 리포메이트를 적어도 하나의 연료전지 유닛을 포함하여 구성되는 연료전지로 운반하여, 리포메이트를 연료전지 유닛의 양극 구성요소와 접촉시키고, 이와 동시에 산소-함유 기체를 상기 연료 전지로 운반하여 산소-함유 기체를 연료전지 유닛의 음극 구성요소와 접촉시켜서, 연료전지 유닛 내에서 전기를 생산하기 위한 상기 리포메이트의 전환을 수행하는 단계; 및
b) 정상상태 모드에서:
(iv) 기체 CPOX 반응 혼합물을 CPOX 반응기 유닛들의 상기 유입구들로 도입하는 단계,
(v) 단계(iv) 전에, 중에 또는 후에 CPOX 개시 단계(ii)를 중단하고, 그동안에 CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응구역들 내에서 CPOX 반응을 유지하여서, 수소-풍부 리포메이트의 생산을 계속하는 단계, 및
(vi) 단계(v)에서 생산된 수소-풍부 리포메이트를 상기 적어도 하나의 연료전지 유닛의 양극 구성요소로 운반하는 한편, 산소-함유 기체를 상기 적어도 하나의 연료전지 유닛의 음극 구성요소로 운반하여, 연료전지 유닛 내에서 전기를 생산하기 위한 상기 리포메이트의 전환을 계속하는 단계,를 포함할 수 있다.
일부 구체예들에서, 본 발명의 방법들은, 예를 들어 상기한 단계(i)에서 상기 기체 CPOX 반응 혼합물의 산소 대 탄소 몰비를 연료-부족(lean) CPOX 반응 혼합물의 산소 대 탄소 몰비에 대응하도록 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 특정 구체예들에서, 본 발명의 방법들은, 예를 들어 상기 단계(iv)에서, 상기 기체 CPOX 반응 혼합물의 산소 대 탄소 몰비를 연료-풍부 CPOX 반응 혼합물의 산소 대 탄소 몰비에 대응하도록 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 구체예들에서, 상기 방법들은 블로워 또는 블로워 시스템, 예를 들어 블로워 유닛들의 시리즈를 사용하여 기체와 같은 유체를 유동시키는 단계를 포함한다. 상기 시리즈의 각 블로워 유닛은 축방향 유입구와 반경방향 유출구를 가지는 케이싱, 상기 유입구에서 제1 압력으로 산소-함유 기체를 흡인하고, 더 높은 압력에서 산소-함유 기체를 상기 유출구를 통해 배출하기 위하여 상기 케이싱 내에 배치되는 임펠러, 상기 임펠러를 구동하기 위한 모터, 및 상기 시리즈의 적어도 하나의 블로워 유닛의 유출구를 상기 시리즈의 적어도 하나의 다른 블로워 유닛의 유입구 내에서 수용하는 덕트를 포함할 수 있다. 특정 구체예들에서, 상기 블로워 유닛들의 시리즈에서 상기 적어도 하나의 블로워 유닛은 상기 블로워 시스템의 목표 기체 플로우의 60 % 내지 90 %를 제공할 수 있다. 이러한 구체예들에서, 상기 블로워 유닛들의 시리즈에서 상기 적어도 하나의 다른 블로워 유닛은 상기 블로워 시스템의 목표 기체 플로우의 나머지를 제공할 수 있다.
일부 구체예들에서, 상기 방법들은, 예를 들어 상기한 단계(iii) 및 단계 (vi) 에서, 적어도 하나의 관형 SOFC 연료전지 유닛의 양극 구성요소의 적어도 하나의 부분을 개질촉매, 워터 가스 시프트 반응(water gas shift reaction )을 위한 촉매, 및 개질 및 워터 가스 시프트 반응 모두에 대하여 촉매활성이 있는 촉매 중의 적어도 하나와 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같이, 상기 방법들은 상기 리포메이트에 존재하는 미개질의 기화된 기체 연료, 크래킹된 연료, 및/또는 일산화탄소를 상기한 촉매(들)의 존재 하에 개질 및/또 는워터 가스 시프트 반응을 수행하는 단계를 포함할 수 있으며, 이는 전기화학적 전기 전환을 위한 추가의 산소를 생산할 수 있다.
본 발명의 방법들의 다양한 구체예들에서, 수소-풍부 리포메이트를 생산하기 위한 기체 개질가능 연료의 CPOX 개질 및 연료전지 내에서 수소-풍부 리포메이트의 전기화학적 전기 전환의 방법은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 기체 연료 다중-관형 CPOX 개질장치 내에서 CPOX 반응을 실행하는 단계와, 본 명세서 및 선행기술에서 설명된 바와 같은 연료전지 (섹션)에서 전기화학적 전환을 실행하는 단계를 포함할 수 있다. 바꿔말하면, 본 발명의 방법들은 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 일체화된 기체 연료 (다중-관형) CPOX 개질장치 및 연료 전지 시스템을 사용할 수 있지만, 본 발명은 적절하게 설계된 또는 구성된 다른 개질장치 섹션 및 연료전지 섹션도 고려한 것이다.
본 발명의 상기한 특징들 및 장점들뿐만 아니라 다른 특징들 및 장점들이, 다음의 도면들, 상세한 설명, 상세한 예시적인 구체예들, 및 청구범위로부터 더욱 잘 이해될 것이다.
아래에 설명되는 첨부 도면들은 단지 예시의 목적으로 제시되는 것으로 이해하여야 한다. 상기 도면들은 반드시 축척에 따라 도시된 것은 아니며, 일반적으로 본 발명의 원리를 설명하는데 중점을 두고 도시한 것이다. 상기 도면들은 본 발명의 범위를 어떤 식으로든 제한하고자 하는 것이 아니다. 같은 도면 부호는 일반적으로 같은 부분을 가리킨다.
도 1A 및 1B는 촉매 모노리쓰의 두 가지 선행기술 형태, 구체적으로 허니컴형 촉매 모노리쓰 및 발포체 촉매 모노리쓰 각각의 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 구체예에 따르는 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 3A는 도2의 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템의 작동들을 관리하기 위한 예시적인 제어 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 3B는 도 3A에 도시된 제어 시스템과 같은 제어기에 의해 실행되는 예시적인 제어 루틴(control routine)의 플루우챠트(flowchart)이다.
도 4A는 본 발명의 하나의 구체예에 따르는 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템의 종단면도이며, 여기서 연료전지 섹션은 관형 고체 산화물 연료전지 스택을 포함한다.
도 4B는 도 4A에 도시된 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템의 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션의 횡방향(종방향 축에 수직인 방향) 단면도이다.
도 4C는 도 4A에 도시된 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템의 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션의 평단면도이다.
도 4D는 도4A-4C에 도시된 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템의 개질장치 섹션의 점화기 구성요소의 확대 사시도이다.
도 4E는 도4A-4C에 도시된 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템의 개질장치 섹션의 매니폴드 및 관련된 관형 CPOX 반응기 유닛들의 부분의 확대 종단면도이다.
도4F 및 4G는 각각 도4E에 도시된 관형 CPOX 반응기 유닛들 중 하나의 확대 종단면도 및 확대 횡단면도이다.
도 4H 및 4I는 본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치의 관형 CPOX 반응기 유닛의 두가지의 다른 구체예들의 단면도들이다.
도 4J는 양극, 전해질 및 음극 구성요소들을 더 잘 도시하기 위하여 부분적으로 절취된 부분을 갖는 대체로 원통형인 고체 산화물 연료전지 유닛의 등각도(isometric view)이다.
도 4K는 관형 SOFC 유닛의 하나의 구체예의 횡단면도이며, 상기 횡단면은 도 4H에 나타낸 관형 CPOX 반응기 유닛의 횡단면에 대응한다.
도 4L 및 4M은 각각 도 4A 및 5A-D에 도시된 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치들-연료전지 시스템들의 블로워 시스템 구성요소들의 사시도 및 평면도이다.
도 5A는, 연료전지 섹션이 평면형 연료전지를 포함하는, 본 발명의 또 하나의 구체예에 따르는 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 종단면도이다.
도 5B는, 개질장치 섹션과 관형 SOFC부가 특히 콤팩트한 구조로 배열되어 있는, 본 발명의 또 하나의 구체예에 따르는 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 종단면도이다.
도 5C는, 연료전지 섹션이 모노리쓰형 연료전지를 포함하는, 본 발명의 또 하나의 구체예에 따르는 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 종단면도이다.
도 5D는, 연료전지 섹션이 폴리머 전해질 멤브레인 연료전지를 포함하는, 본 발명의 또 하나의 구체예에 따르는 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 종단면도이다.
도 6A는 본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치가 정상상태 모드에서 작동하고 있을 때 최대 연료(프로판) 전환 용량의 변화하는 백분율에서, 상기 개질장치내에서 CPOX 반응 온도에 관한 CPOX 반응 혼합물의 산소 대 탄소 몰비 사이의 관계를 보여주는 데이터 그래프이다.
도 6B는 본 발명에 따르는 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템의 연료전지 섹션의 전류 아웃풋과 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션으로의 연료(프로판) 유량 간의 관계를 보여주는 데이터 그래프이다.
일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템을 제공하기 위하여, 기체 연료 CPOX 반응기 섹션이 연료전지 섹션과 효율적이면서 효과적으로 일체화될 수 있다는 사실을 발견하였다. 구체적으로, 개질장치 섹션의 설계의 특징은 CPOX 반응기 유닛들의 다중-관형 어레이이고, 상기 관형 CPOX 반응기 유닛들은 다중-관형 연료전지 섹션의 유입구들의 횡단면과 부합할 수 있는 횡단면을 가질 수 있다. 그 결과, 일체화된 개질장치-연료전지 시스템을 제공하기 위한 효율적이면서 효과적인 합체를 위하여, 개질장치 유닛들의 유출구들이 다중-관형 연료전지의 유입구들과 직접 유체 연통관계로, 예를 들어 직접 결합되는 관계로 위치될 수 있다. 더욱이, 이러한 개질장치들 및 연료전지들의 설계 적합성(compatibility)은, 상기 일체화된 개질장치-연료전지 시스템을 작동시키기 위하여, 다양한 적용, 예를 들어 다양한 기체 개질가능 연료에 대한 다양한 촉매 충전(catalyst loading)에 대처하기 위한 개질장치들과 연료전지들의 호환성을 허용할 수 있다.
게다가, 개질장치 섹션은 더 효율적인 개질 프로세스를 제공하는 발열성 CPOX 반응의 장점을 취할 수 있는 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이를 포함할 수 있다. 플래싱(flashing), 국부적인 핫 스팟들 및 콜드 스팟들의 형성, 급격한 코크스-증가(coke-buildup), 및/또는 CPOX 반응 온도의 과도하게 높은 급등(high-spiking)이 발생하기 쉬운 촉매 모노리쓰들을 사용하는 공지 및 통상의 CPOX 개질장치와 다르게, 본 발명의 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이는 이러한 결함들 중의 하나 이상을 완화 또는 제거할 수 있다.
예를 들어, CPOX 개질장치 섹션에 관하여, 어레이의 이격된 CPOX 반응기 유닛들 사이에서 전체 CPOX 개질 또는 CPOX 전환 부하의 분배는, 전반적인 CPOX 개질의 효율적인 열적 발란스 및 제어의 메인터넌스(maintenance)를 단순화하면서 용이하게 할 수 있다. 이러한 설계는, 주어진 에너지 인풋에서 작동 온도를 낮추는 것에 의해, 주어진 CPOX 촉매 충전량(catalyst loading)에서 더 많은 기체 개질가능 연료가 프로세스되는 것을 허용할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 기체 연료 CPOX 개질장치의 개선된 열관리(thermal management)는, 또한 CPOX 반응기 유닛들 각각에서 발생하는 CPOX 반응의 온도의 안정화에 기여할 수 있다. 결과적으로, 이와 같이 개선된 열관리는 일체화된 개질장치-연료전지 시스템 의 기체 연료 CPOX 개질장치의 CPOX 반응기 유닛들 사이에서 균일한 CPOX 전환 성능을 안정적으로 유지할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 CPOX 개질장치의 설계는 발열성 CPOX 반응의 장점을 취할 수 있고, 최소수의 점화기로, 예를 들어 단 하나의 점화기로, 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이를 점화하는 것을 허용할 수 있어서, CPOX 반응기 유닛들 중의 하나에서 CPOX 반응의 개시가, 인접하는 CPOX 반응기 유닛(들)에 CPOX 개질을 시작하기에 충분한 열을 제공할 수 있고, 궁극적으로는 기체 연료 CPOX 개질장치의 CPOX 반응기 유닛들의 각각에 CPOX 개질을 시작하기에 충분한 열을 제공할 수 있다. 단 하나의 점화기가 기체 연료 CPOX 개질장치에 유리할 수 있지만, 상기 어레이 및 CPOX 반응기 유닛들의 구체적인 크기, CPOX 반응기 유닛들 및 점화기들의 배치, 및 다른 인자들이 CPOX 개질에 대한 전반적인 효율적 개시 또는 시동 프로세스에 기여할 수 있기 때문에, 본 발명은 기체 연료 CPOX 개질장치내에 단일 또는 하나의 점화기보다 많은 수의 점화기를 사용하는 것을 배제하지 않는다. 그렇지만, 대등한 연료 전환 용량의 단일 CPOX 반응기와 비교할 때 복수의 CPOX 반응기 유닛들 사이에 전체 CPOX 전환 부하를 분배하는 것의 장점은 시동 시간이 단일의 대형 개질장치에서 전형적인 것보다 단축된다는 것이다. 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 개질장치 섹션에 대한 시동 시간이 단축될수록 거기에 결합된 연료전지 섹션의 시동 시간이 단축된다.
또한, 복수의 CPOX 반응기 유닛들의 이격된 배치구성은 관련된 기체 연료 CPOX 개질장치들의 시리즈 또는 라인의 설계 및 제조를 단순화할 수 있다. 여기서 개별 기체 연료 CPOX 개질장치들은 연료-개질 용량을 다르게 할 수 있다. 예를 들어, 증대된 연료-개질 용량이 필요한 새로운 기체 연료 CPOX 개질장치 설계는, 다른 유의적인 수정들이 거의 없이, 기존 설계에 표준화된 사양의 추가적인 기체 연료 CPOX 반응기 유닛들을 추가하는 것에 의해 용이하게 구성될 수 있다. 유사하게 설계된 다중-관형 연료전지 유닛과 일체화될 때, 상기한 기체 연료 CPOX 개질장치와 연료전지 유닛은 일체화된 개질장치-연료전지 시스템을 유연하게 구성 및 수정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르는 기체 연료 CPOX 개질장치 및/또는 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 다양한 형태들에서 그리고 작동에서, 개질장치 섹션 및/또는 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 유체 전송 성분들 및 통로들 전역에서 배압들은 감소 또는 최소화될 수 있다. 예를 들어, 약 3인치 물(0.0075 bar) 이하, 예를 들어 약 2인치 물 이하, 또는 약 1인치 물 이하의 배압들을 달성할 수 있다.
본 발명은 여기서 설명된 구체적인 절차들, 물질들, 및 수정들에 제한되는 것이 아니며, 상황에 따라 달라질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 용어들은 특정 구체예들을 설명할 목적으로 사용되는 것일 뿐이며, 수반되는 특허청구범위에 의해서만 한정될, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
본 출원 전체에 걸쳐, 조성은 특정 구성성분들을 가지는 것(having), 포함하는 것(including), 또는 포함하여 구성되는 것(comprising)으로 기술되고, 또한 여기서 프로세스들은 특정 프로세스 단계들을 가지는 것, 포함하는 것, 또는 포함하여 구성되는 것으로 기술되며, 또한 본 발명의 조성은 언급된 성분들로 주 구성되는(consist essentially of), 또는 구성되는(consist of) 것으로 고려되며, 본 발명의 프로세스들은 언급된 프로세스 단계들로 주 구성되는, 또는 구성되는 것으로 고려된다.
본 출원에서, 구성 요소 또는 구성 성분은 기재된 구성요소들 또는 구성성분들의 목록에 포함되는 것, 및/또는 상기 목록에서 선택되는 것이라고 기술하는 경우, 상기 구성요소 또는 구성 성분은 상기 기재된 구성요소들 또는 구성성분들 중의 어느 하나 일 수도 있고, 상기 기재된 구성요소들 또는 구성성분들의 둘 이상으로 구성되는 군에서 선택된 것일 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 조성, 장치, 또는 방법의 구성요소들 및/또는 특징들은, 명시적이든 암시적이든, 본 발명의 초점 및 영역에서 벗어남이 없이 다양한 방식으로 결합될 수 있는 것임을 이해하여야 한다. 예를 들어, 특정 구조가 언급되는 경우, 그 구조는 본 발명의 장치 및/또는 본 발명의 방법의 다양한 구체예들에서 사용될 수 있다.
사용된 용어 "포함하는(include, includes, including)", "가지는(have, has, having)", "함유하는(contain, contains, containing)" 및 그 문법적 등가의 표현은, 달리 명시되거나 또는 문맥상 다르게 이해되는 것이 아닌 한, 일반적으로 개방형이고 비제한적인 것으로, 예를 들어, 추가의 기재안된 구성요소들 또는 단계들을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용된 단수형, 예를 들어 "하나의" 및 "상기"는 달리 명시하지 않는 한, 복수형을 포함하며, 그 역도 성립한다.
정량 값 앞에 용어 "약"이 사용되는 경우, 달리 명시되는 않는 한, 본 발명은 그 특정 정량값 자체도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는, 용어 "약"은, 달리 표시되거나 또는 추론되지 않는 한, 그 명목 값(nominal value)의 ±10% 차이를 가리킨다.
단계들의 순서 또는 특정 작용들을 수행하기 위한 순서는, 본 발명이 작동할 수 있는 상태를 유지하는 한, 중요하지 않음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 방법들은, 본 명세서에 달리 표시되지 않는 한 또는 문맥에 의해 명백하게 부정되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 또한, 둘 또는 그 이상의 단계들 또는 작용들이 동시에 수행될 수도 있다.
본 명세서의 전체에 걸쳐, 값들은 군들로 또는 범위들로 개시된다. 구체적으로 상기 표현은 이러한 군들 및 범위들의 구성원들의 각각 및 모든 개별 하위조합들을 포함하며, 이러한 군들 및 범위들의 다양한 한계치(상한 및 하한)들의 임의 조합을 포함하는 것으로 의도된 것이다. 구체적인 예를 들어, 0 내지 40 범위의 정수는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 및 40을 개별적으로 개시하는 것으로 의도된 것이며, 1 내지 20 범위의 정수는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 및 20을 개별적으로 개시하는 것으로 의도된 것이다.
본 명세서에서 제공되는 임의의 및 모든 예들, 또는 예시어들(예를 들어 "과 같은")의 사용은 단지 본 발명을 더 잘 이해할 수 있도록 의도된 것이며, 청구되지 않으면 본 발명의 범위에 제한을 가하기 위한 것은 아니다. 본 명세서의 표현들은, 비-청구 요소를 본 발명의 실시에 필수적인 구성요소로 나타내는 것으로 해석되지 않아야 한다.
"상부(upper)", "하부(lower)", "최상부(top)", "저부(bottom)", "수평의(horizontal)", "수직의(horizontal)" 등과 같은 공간적인 방향 또는 고도를 나타내는 용어들 및 표현들은, 문맥상 달리 명시하지 않는 한, 구조적, 기능적 또는 작동적 의미를 가지지 않는 것이며, 단지 첨부 도면들의 특정 도면에 도시된 본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치의 다양한 시점들(views)의 임의로 선택된 방향들을 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 용어 "세라믹"은 그 분야에서 알고 있는 의미에 더하여, 글라스들(glasses), 글라스-세라믹들(glass-ceramics), 서밋들(cermets)(즉, 세라믹-금속 복합체들)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 CPOX 반응기 유닛의 벽에 적용하고 있는 표현 "기체 투과성(gas permeable)"은, 기체 CPOX 반응 혼합물들 및 생성 기체 리포메이트 (비한정적인 예를 들어 기체 CPOX 반응 혼합물의 기체 개질가능 연료 성분, 및 생성 리포메이트의 수소 성분을 포함함)에 투과성인 벽 구조를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
표현 "액체 개질가능 연료"는 표준 온도 및 압력(standard temperature and pressuer: STP) 조건에서 액체인 개질가능 탄소- 및 수소-함유 연료를 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 그 예로는 개질을 받게 되면 수소-풍부 리포메이트로 전환되는 메탄올, 에탄올, 나프타, 증류액(distillate), 가솔린, 등유, 제트 연료, 디젤, 바이오디젤 등이 있다. 또한, 상기 표현 "액체 개질가능 연료"는 이러한 연료가 액체 상태로 있거나 또는 기체 상태(즉, 증기)로 있더라도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
표현 "기체 개질가능 연료"는 STP 조건에서 기체이고, 개질하면 수소-풍부 리포메이트로 전환하는 개질가능 탄소- 및 수소-함유 연료를 포함하는 것으로 이해하여야 하며, 그 예를 들면, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 이소부틸렌, 디메틸 에테르, 이들의 혼합물들, 예컨데 천연 가스 및 액화 천연 가스(LNG) (주성분은 메탄임); 석유가스 및 액화 석유 가스(LPG) (주성분은 프로판 또는 부탄이나, 주로 프로판과 부탄으로 만들어진 모든 혼합물을 포함함), 및 그 유사물들이 있다. 또한, 기체 개질가능 연료는, 액체로 저장될 수 있는, 암모니아와 같은 다른 기체 개질가능 연료들을 포함한다.
상기 표현 "CPOX 반응"은 개질가능 연료의 촉매부분산화 개질 또는 수소-풍부 리포메이트로의 전환 중에 일어나는 반응(들)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
상기 표현 "기체 CPOX 반응 혼합물"은 기체 개질가능 연료와, 예를 들어 공기와 같은 산소-함유 기체를 포함하는 혼합물을 지칭한다. 본 출원에서 사용되는 기체 CPOX 반응 혼합물은, 기체 개질가능 연료와 산소-함유 기체를 포함하여 구성, 주 구성, 또는 구성될 수 있다. 본 발명의 CPOX 반응 혼합물은 액체 개질가능 연료, 예를 들어 기화된 액체 개질가능 연료 또는 기체상 액체 개질가능 연료를 포함하지 않는다.
상기 표현 "개구형 기체 플로우 통로" 는 기체가 통과하는 통로를 위한 도관 또는 채널을 지칭하며, 상기 도관 또는 채널은 도관 또는 채널의 전체 단면(entire cross-sectional plane)의 전역에 고체(다공성 고체 또는 물질을 포함함)가 존재하지 않는, 즉 다공성 고체들을 포함하는 고체들이 없는 도관 또는 채널이다. 예를 들어, CPOX 반응기 유닛의 경우에, 모노리쓰와 같은 다공성 촉매를 포함하는 CPOX 촉매가, 관형 CPOX 반응기 유닛의 종방향 축에 수직인 전체 내부 단면(entire internal cross-sectional plane)의 전역에 존재할 수 없다. 이러한 구조는 다공성 촉매로 채워진(packed) 통로, 예를 들어 전술한 바와 같은 모노리쓰와 구별된다. 또한, 개구형 기체 플로우 통로는, 중공 보어(hollow bore)를 구획하는 관, 또는 그 종방향 축을 따라 관통하는 중공 보어를 구획하는 원통형 기재(substrate)로 한정될 수 있는 CPOX 반응기 유닛에 제공될 수 있다. 이러한 예시적인 설명에서, 중공 보어는 개구형 기체 플로우 통로로 간주될 수 있다. 보통, 개구형 기체 플로우 통로는 CPOX 반응기 유닛의 종방향 축을 따라 연장하지만, 구불구불한 도관 또는 채널이 또한 본 발명에 의해 예상되며, CPOX 반응기 유닛의 단면 전역에 고체들이 없다는 것을 전제로 개구형 기체 플로우 통로를 가지는 것이라 할 수 있다. 또한, 개구형 기체 플로우 통로의 단면 치수(들)은 그 종방향 축을 따라 또는 상기 구불구불한 도관 또는 채널을 따라 변화 가능함을 이해하여야 한다.
본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치의 중요한 특징은 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이이다. CPOX 반응기 유닛들의 어레이는 하나의 CPOX 반응기 유닛의 다른 CPOX 반응기 유닛(들)에 대한 질서있는 배열(orderly arrangement) 또는 규칙적인 배치(regular placement)를 가리킬 수 있다. 바꿔말하면, 전형적으로 상기 CPOX 반응기 유닛들은 무질서하게 위치 또는 배치되지 않는다. 직선형, 정사각형 및 직사각형 배열 형태가 통상적으로 사용되지만, 육각형 및 팔각형과 같은 다른 배열 형태도 본 발명에 의해 예상된다.
상기 CPOX 반응기 유닛들의 배열 또는 배치, 예를 들어 인접하는 CPOX 반응기 유닛들에 대한 간격 및 위치(location)는 다양한 인자들에 의해 결정될 수 있으며, 예를 들어 이러한 인자들 중에 복수의 CPOX 반응기 유닛들의 포지셔닝(positioning) 및 형태(configuration), 그 벽 및 CPOX 촉매와 같은 CPOX 반응기 유닛들의 구성 재료, 기체 개질가능 연료, CPOX 반응기 유닛들의 작동 온도, 생성 수소-풍부 리포메이트의 목표 용도 및 아웃풋 (예를 들면, CPOX 개질장치가 연결 또는 결합 등으로 일체화될 연료전지 유닛 또는 시스템의 구성 재료)가 포함된다. (인접하는) CPOX 반응기 유닛들 사이의 간격이 너무 크면, CPOX 반응기 유닛들이 열적으로 연결되지 않거나, 또는 예를 들어 인접하는 CPOX 반응기 유닛에서 CPOX 반응을 개시하는데, 및/또는 복수의 CPOX 반응기 유닛들을 대체로 둘러싸는 열 전달 구역을 유지하는데 불충분한 열 연통관계를 가질 것이다. 반대로, (인접하는) CPOX 반응기 유닛들 사이의 간격이 너무 작으면, CPOX 반응기 유닛들이 과열 및 열화될 수 있고, 결국에는 기체 연료 CPOX 개질장치의 고장을 초래할 수 있다.
더 구체적으로, 인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최대 간격은, 이 간격을 상회하면 1차-점화된 CPOX 반응기 유닛에서의 초기 CPOX 반응(예를 들어, 점화기에 의해 개시된 초기 CPOX 반응)으로부터 발생된 열 또는 작동하는 CPOX 반응기 유닛에서의 CPOX 반응으로부터 발생된 열에 의해, 인접하는 CPOX 반응기 유닛 내에서 CPOX 반응이 개시되지 못하는, 간격이다. 상기 최대 간격은, 이 간격을 상회하면, 정상-상태 작동 모드 중에, 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이의 온도가 미리결정된 최소 어레이 온도를 하회하는, 간격일 수 있다. 본 명세서에서 검토한 것들을 포함하는 다양한 인자들에 의존하여, 정상-상태 작동 모드 중에, 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이의 상기 미리결정된 최소 어레이 온도는 약 550℃, 약 575℃, 약 600℃, 약 625℃, 약 650℃, 약 675℃, 약 700℃, 약 725℃, 약 750℃, 약 775℃, 약 800℃, 약 825℃, 또는 약 850℃일 수 있다.
인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최소 간격은, 이 간격을 하회하면, CPOX 반응기 유닛의 유출구에서의 온도가 미리결정된 최대 온도 보다 높게 되는, 간격일 수 있다. 상기 미리결정된 최대 온도는 CPOX 반응기 유닛의 유출구와 열 및 유체 연통하는 연료 전지 스택의 유입구에 의해 허용가능한(tolerable) 온도, 예를 들어 연료 전지 스택의 유입구의 시일이 열화하지 않고 기능을 유지하는 온도일 수 있다. 본 명세서에서 검토한 것들을 포함하는 다양한 인자들에 의존하여, CPOX 반응기 유닛의 상기 미리결정된 최대 온도는 약 775 ℃, 약 800 ℃, 약 825 ℃, 약 850 ℃, 약 875 ℃, 약 900 ℃, 약 925 ℃, 약 950 ℃, 약 975 ℃, 또는 약 1000 ℃일 수 있다.
일부 구체예들에서, 수소 배리어가 관형 CPOX 반응기 유닛의 적어도 촉매-포함 벽 섹션의 외부 표면에 결합, 예를 들어 부착될 수 있으며, 전형적으로 상기 촉매-포함 벽 섹션은 CPOX 반응구역을 구획한다. 상기 수소 배리어는 CPOX 반응기 유닛의 벽의 외부 표면의 대부분, 실질적으로 모두, 또는 전부에 부착될 수 있다. 상기 수소 배리어는 CPOX 반응기 유닛으로부터 수소의 상실(loss)을 방지 또는 억제할 수 있다. 이러한 배리어의 부재시에, 수소는, CPOX 반응기 유닛의 유출구로 나가기보다는, CPOX 반응기 유닛의 촉매-포함 벽 섹션을 통과하여 외부로 확산할 수도 있다.
본 발명의 CPOX 개질장치들의 또 하나의 특징은 CPOX 반응기 유닛들 내에서, 예를 들어 CPOX 반응기 유닛들의 어레이 내에서, CPOX 반응을 개시하기 위한 점화기이다. 다양한 구체예들에서, 단 하나의 점화기가 기체 연료 CPOX 개질장치의 CPOX 반응기 유닛들의 각각 내에서 CPOX 반응을 개시하는데 사용될 수 있다. 다른 구체예들에서, 하나보다 많은 점화기, 예를 들어 둘의 점화기, 셋의 점화기, 또는 셋 보다 많은 점화기가 CPOX 반응기 유닛들 내에서 CPOX 반응을 개시 또는 시작하는데 사용될 수 있다. 점화기(들)의 수 및 배치는 다양한 파라미터들에 의해 결정될 수 있으며, 이러한 파라미터들의 예는 CPOX 반응기 유닛들의 설계, 구조, 및 배치와, 기체 연료 CPOX 개질의 원하는 효율 및 시동 신속성을 포함한다.
점화기는 CPOX 반응기 유닛의 내부 표면에 근접하게, 하지만 상기 내부 표면과 물리적으로 격리되어 위치한 방사열-방출 소자(radiant heat-producing element)를 포함할 수 있으며, 이 또한 챔버 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 점화기는, CPOX 반응을 개시하기 위하여 가장 가까이에 있는 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛의 노출된 내부 표면 및/또는 CPOX 촉매로 방사열을 전파할 수 있다. 이어서, 상기 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 반응구역 내에서 발생하는 CPOX 반응에 의해 산출된 방사열은 다시, 전형적으로 또한 챔버 내에 있는, 적어도 하나의 다른 CPOX 반응기 유닛 내에서 CPOX 반응을 개시할 수 있으며, 이러한 방식으로 CPOX 반응은 기체 연료 CPOX 개질장치의 CPOX 반응기 유닛들 모두에서 개시될 때까지 계속된다.
특정 구체예들에서, 기체 연료 CPOX 개질장치는 기체 개질가능 연료의 공급원을 포함할 수 있다. 기체 개질가능 연료의 공급원은 기체 개질가능 연료의 저장 및/또는 기체 연료 CPOX 개질장치로, 예를 들어 CPOX 반응기 유닛들의 유입구로 송출을 위한 탱크 또는 다른 컨테이너를 포함할 수 있다.
따라서, 다양한 구체예들에서, 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템은, 본 명세서에서 설명된 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이; 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 촉매와 열 연통하는 점화기; CPOX 반응기 유닛들의 유입구와 유체 연통하는 기체 개질가능 연료의 공급원; 및 본 명세서에서 설명된 바와 같이 양극이 CPOX 반응기 유닛의 유출구와 유체 연통하고, 음극이 산소-함유 기체와 유체 연통하는 연료전지 유닛; 및 연료전지 유닛의 음극 및 양극에 전기적으로 결합된 집전기를 포함할 수 있다.
상기 CPOX 반응기 유닛들은 내부 표면과 외부 표면이 있는 기체-투과성 세라믹 벽을 가지는 세장관, 예를 들어 중공 보어를 구획하는 실린더를 포함할 수 있으며; 상기 기체-투과성 세라믹 벽의 적어도 하나의 섹션은 CPOX 촉매를 포함하여 구성된다. 상기 기체-투과성 세라믹 벽은 개구형 기체 플로우 통로를 둘러싸고, CPOX 반응기 유닛의 유입구 및 유출구를 구획할 수 있다. 어레이에서, 하나의 CPOX 반응기 유닛은 보통 상기 어레이의 적어도 인접하는 CPOX 반응기 유닛(들)과 열 연통한다.
특정 구체예들에서, 일체화된 기체 연료 다중-관형 CPOX 개질장치-연료전지 시스템은 복수의 이격된 CPOX 반응기 유닛들을 포함하는 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션을 가지며, 각 CPOX 반응기 유닛은 기체 CPOX 반응 혼합물용 유입구, 수소-풍부 리포메이트용 유출구, 내부 표면과 외부 표면이 있는 벽을 가지는 세장관을 포함하여 구성되고, 상기 벽은 개구형 기체 플로우 통로를 둘러싸고, 상기 벽의 적어도 하나의 섹션은 그 안에 배치된, 그 구조를 포함하여 구성되는, 또는 이들의 조합으로 되는 CPOX 촉매를 가지며, 이러한 촉매-포함 벽 섹션 및 이에 의해 둘러싸인 개구형 기체 플로우 통로는 기상 CPOX 반응구역을 구획하고, 상기 촉매-포함 벽 섹션은 기체 CPOX 반응 혼합물을 그 내부에서 확산하고 생성 수소-풍부 리포메이트를 그 외부로 확산하는 것을 허용하는 기체투과성이고, CPOX 반응 조건들하에 안정을 유지한다.
특정 구체예들에서, 일체화된 기체 연료 다중-관형 CPOX 개질장치-연료전지 시스템은 그 관형 CPOX 반응기 유닛들의 벽들을 가질 수 있고, 상기 벽들은 실질적으로 CPOX 촉매가 없고, 상대적으로 낮은 작동 온도의 CPOX 반응-없는 구역을 주로 둘러싸는 제1, 또는 상류, 부위와; CPOX 촉매를 함유하고, 상대적으로 높은 작동 온도의 CPOX 반응구역을 둘러싸는 제2. 또는 하류, 부위를 포함하는, 적어도 두 부위를 포함할 수 있다.
일부 구체예들에서, 일체화된 기체 연료 다중-관형 CPOX 개질장치-연료전지 시스템은, 관형, 평면형 또는 모노리쓰형 고체 산화물 연료전지 섹션에 결합될 수 있는 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션을 포함할 수 있다.
특정 구체예들에서, 일체화된 기체 연료 다중-관형 CPOX 개질장치-연료전지 시스템은, 일산화탄소 감량장치 또는 감량부를 통해 폴리머 전해질 멤브레인 연료전지 섹션에 결합될 수 있는 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션을 포함할 수 있으며, 상기 일산화탄소 감량장치 또는 감량부에서 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션에서 생산된 수소-풍부 리포메이트 중의 일산화탄소 성분의 레벨이 수소-풍부 리포메이트의 폴리머 전해질 멤브레인 연료전지 섹션으로의 도입 전에 감소될 수 있다. 이러한 일산화탄소 감량장치 또는 감량부는 다른 형태의 연료전지, 예를 들어 고체 산화물 연료전지 (부)를 위하여 존재할 수도 있다.
특정 구체예들에서, 일체화된 기체 연료 다중-관형 CPOX 개질장치-연료전지 시스템은 대응하는 관형 고체 산화물 연료전지 유닛의 유입구에 직접 연결된 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션의 각 CPOX 반응기 유닛의 유출구를 가질 수 있다. 다양한 구체예들에서, 일체화된 기체 연료 다중-관형 CPOX 반응기-관형 고체 산화물 연료전지 시스템은 대응하는 관형 고체 산화물 연료전지 유닛의 축방향 연료 플로우 통로 내에 배치된 관형 CPOX 반응기 유닛의 적어도 하나의 부분을 포함할 수 있다. 일부 구체예들에서, CPOX 반응기 유닛들의 유출구들은, 다중 CPOX 반응기 유닛 유출구들로부터의 유출물 스트림을 합치고, 이와 같이 합친 유출물을 동일하거나, 더 많거나 또는 더 적은 수의 연료전지 섹션의 유입구, 예를 들어 연료전지 유닛의 양극으로 분배하는, 매니폴드 또는 유사 구성요소와 유체연통한다.
일부 구체예들에서, 일체화된 기체 연료 다중-관형 CPOX 개질장치-연료전지 시스템은, 개질 촉매, 워터 가스 시프트 반응 촉매, 및 개질 반응과 워터 가스 시프트 반응 모두에 대해 촉매적으로 활성인 촉매 중의 적어도 하나와 접촉 또는 결합하는 고체 산화물 연료전지 유닛의 양극 구성요소의 적어도 하나의 부분을 포함할 수 있다.
일부 구체예들에서, 일체화된 기체 연료 다중-관형 CPOX 개질장치-연료전지 시스템은 CPOX 반응기 유닛들의 유입구 쪽으로 기체를 전송하기 위한 하나 이상의 도관을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 도관에는 산소-함유 기체용 유입구, 기체 개질가능 연료용 유입구, 산소-함유 기체와 기체 개질가능 연료가 합쳐져 기체 CPOX 반응혼합물을 제공하는 혼합구역, 및 기체 CPOX 반응혼합물용 유입구가 제공되어 포함될 수 있다. 상기 도관은 대체로 U-자형일 수 있다.
일부 구체예들에서, 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션 내에서 발생하는 CPOX 반응의 발열 열 및/또는 연료전지 섹션으로부터 회수된 열이, 기체 CPOX 반응혼합물의 형성 전에 산소-함유 기체 및/또는 기체 개질가능 연료를 가열하는데, 그리고/또는 상기 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 다른 곳에서 가열 및/또는 열적 환경을 유지하는 데 활용될 수 있다.
다양한 구체예들에서, 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션은, CPOX 반응기 유닛들의 유입구들과 유체 연통하는 매니폴드 또는 플리넘(plenum)을 포함할 수 있다. 매니폴드는, CPOX 반응기 유닛들의 유입구로, 기체 CPOX 반응 혼합물을 예를 들어 실질적으로 균일한 조성으로, 실질적으로 균일한 온도로, 및/또는 실질적으로 균일한 유량(rate)으로, 균일한 분배를 제공하도록 구성될 수 있다.
특정 구체예들에서, 매니폴드는 매니폴드 챔버를 구획하는 하우징 또는 인클로져(enclosure)를 가질 수 있다. 매니폴드 또는 매니폴드 챔버는 기체 분배기, 예를 들어 매니폴드 챔버 내의 기체 분배기를 포함할 수 있다. 특별한 구체예들에서, 상기 기체 분배기는 기체 연료 CPOX 반응 혼합물 분배기로 간주될 수 있다. 상기 하우징 또는 인클로져는 비교적 저가이고, 성형이 용이한 열가소성 또는 열경화성 수지로 제작될 수 있다. 특별한 구체예들에서 상기 매니폴드는 그 유출구와 CPOX 반응기 유닛의 유입구 사이에 "콜드 시일(cold seal)" 연결부들을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 매니폴드는 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛의 유입구와 유체연통할 수 있으며, 상기 매니폴드는 매니폴드 하우징을 포함한다. 상기 매니폴드 하우징은 매니폴드 챔버를 구획할 수 있다. 상기 매니폴드는, 기체 CPOX 반응 혼합물 분배기, 가열기, 그리고 시일을 포함하는 공동과 같은, 하나 이상의 추가 구성요소를 포함할 수 있다.
상기 기체 CPOX 반응 혼합물 분배기는, 기체 반응물 도관과 유체 연통하는 매니폴드 챔버의 내부에 배치되어, 매니폴드 챔버의 적어도 대부분의 길이만큼 연장할 수 있으며, 상기 기체 CPOX 반응 혼합물 분배기는 CPOX 반응기 유닛의 유입구에 대향하여 위치하는 하나 이상의 유출구를 포함한다. 말하자면, 기체 CPOX 반응 혼합물 분배기는, 전형적으로 폭 및 깊이보다 긴 길이를 가지는, 챔버를 구획하는 하우징을 포함할 수 있으며, 그 예를 들면 단부폐쇄형 중공관(closed-ended hollow tube) 또는 다른 구조가 있다. 상기 하우징은 하우징 또는 챔버의 내부와 하우징의 외부 사이에 유체 연통을 제공하는 하나 이상의 유출구를 구획할 수 있다. 상기 하나 이상의 유출구는 기체 CPOX 반응 혼합물 분배기의 하나의 측부(one side)를 따라 존재할 수도 있고, 또는 예를 들어 관형 기체 CPOX 반응 혼합물 분배기의 경우에 그 종방향 축을 따라 라인(line) 또는 종방향 어레이를 형성할 수 있다. 매니폴드 챔버 내에 위치하는 경우, 상기 기체 CPOX 반응 혼합물 분배기의 상기 하나 이상의 유출구는 보통 상기 CPOX 반응기 유닛들의 유입구에 대향하여 위치한다. 이러한 설계에서, 상기 CPOX 반응 혼합물은, 처음에는 CPOX 반응기 유닛들의 유입구들에서 멀어지는 방향으로, 예를 들어 매니폴드 챔버의 저부를 향해 하향으로 매니포울들 챔버 내로 도입되고, 그 다음에는 CPOX 반응기 유닛들의 유입구들를 향하여, 예를 들어 상기 유입구들로 상향 유동한다.
가열기가 매니폴드 챔버와 열 연통할 수 있다. 상기 가열기는 전기저항식 가열기일 수 있다. 상기 가열기는 매니폴드 챔버 내에 배치될 수 있다. 또한, 상기 가열기는 상기 매니폴드 및 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 반응구역과 열 연통하는 적어도 하나의 열전도성 소자와 같은 패시브 가열 소자를 포함하여서, 상기 CPOX 반응구역 및/또는 CPOX 반응기로부터의 발열 열을 상기 매니폴드로 전달할 수 있다.
상기 매니폴드 하우징은 하나 이상의 공동을 구획할 수 있다. 시일이 상기 공동 내에 또는 상기 공동에 인접하게 배치되고, 상기 CPOX 반응기 유닛의 유입구와 결합하여서, 상기 매니폴드 하우징과 상기 유입구 사이에 기밀 시일을 제공할 수 있다. 하나보다 많은 CPOX 반응기 유닛이 존재하는 경우, 상기 매니폴드 하우징은 CPOX 반응기 유닛들과 동일한 수의 공동을 포함할 수 있으며, 이에 따라 각 CPOX 반응기 유닛은 상기 매니폴드 챔버와 유체 연통할 수 있고, 각 공동은 각 CPOX 반응기 유닛을 고정하는 시일을 포함할 수 있다. 상기 매니폴드 하우징의 공동들은, 각 공동을 하나의 유입구에 꼭 맞도록 하기 위하여, 상기 CPOX 반응기의 유입구들과 동일한 형태로 배열되고 동일한 크기를 가질 수 있다. 상기 시일은 개스킷일 수 있다. 상기 매니폴드 하우징은 CPOX 반응기 유닛들의 작동 온도에서 열적 및 기계적 안정을 유지하는 물질로 제작되거나 또는 상기 물질을 포함할 수 있다.
다양한 구체예들에서, 관형 CPOX 반응기 유닛들의 어레이 내에서, 예를 들어 기체 연료 CPOX 개질장치의 작동의 시동 모드 중에, CPOX 반응을 개시하기 위한 점화기는, CPOX 촉매와, 예를 들어 CPOX 반응 구역에서 CPOX 촉매와 열 연통한다. 상기 점화기는 이에 근접한 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛에서 CPOX 반응을 개시할 수 있고, 상기 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛 내에서 발열 열은 다시 상기 어레이의 적어도 하나의 다른 CPOX 반응기 유닛들 내에서 CPOX 반응을 개시할 수 있다.
다양한 구체예들에서, 본 발명의 일체화된 개질장치-연료전지 시스템은 블로워 시스템을 포함할 수 있고, 상기 블로워 시스템은 상호 연결된 개별 원심 블로워 유닛들의 시리즈(series)를 포함할 수 있다. 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션을 위한 블로워 시스템은 산소-함유 기체의 플로우를 CPOX 개질장치로 도입할 수 있다. 연료전지 섹션을 위한 블로워 시스템은 산소-함유 기체를 연료전지 섹션, 예를 들어 연료전지 유닛의 음극으로 도입할 수 있다. 상기 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 블로워 시스템은, 또한 상기 CPOX 개질장치 및/또는 상기 연료전지 섹션 내에서 기체 플로우를, 예를 들어 열전달을 위하여 구동할 수 있으며, 상기 열전달은 구조(들) 및 열 구역(들)의 가열 및/또는 냉각을 포함할 수 있다.
일부 구체예들에서, 상기 일체화된 개질장치-연료전지 시스템은, 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 시동 모드, 정상상태 모드, 및/또는 정지 모드에서 일체화된 개질장치-연료전지 시스템, 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션 및 연료전지 섹션의 작동들을 제어하도록 구성될 수 있는 제어 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치는 산소-함유 기체와 기체 개질가능 연료를 혼합하기 위한 믹서를 포함할 수 있다. 상기 믹서는 정적 믹서 또는 동적 믹서일 수 있으며, 그 예를 들면, 함께 계류중이고 공유이며, 발명의 명칭이 "개질가능 연료와 산소-함유 기체 및/또는 스팀의 혼합"인, 미국특허출원 제14/335,463호에 기술된 것과 같은 유체 혼합 디바이스가 있다. 상기 미국 출원은, 본 발명에 적용가능한 CPOX 반응 혼합물을 제공하기 위한, 유체 혼합 디바이스 및 그 작동 방법에 관한 가르침을 포함하는, 모든 목적을 위하여 본 출원에 참조문헌으로 통합된다.
본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치는, CPOX 리포메이트 프로세싱 유닛 또는 디바이스를 포함할 수 있으며, 그 예를 들면 생성 리포메이트 중의 일산화탄소 함량을 줄이기 위한 일산화탄소 제거 디바이스가 있다. CPOX 리포메이트 프로세싱 유닛 또는 디바이스는, 워터 가스 시프트 컨버터(water gas shift converter), 선택 산화 반응기(preferential oxidation reactor), 및/또는 리포메이트를 수소 스트림과 일산화탄소-함유 스트림으로 분리하기 위한 수소-선택성 멤브레인을 포함할 수 있다.
본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치는 관형 CPOX 반응기 유닛들 및 상기 개질장치의 다른 열방사 구성요소들로부터 열 손실을 줄이기 위한 단열부를 포함할 수 있다.
본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치는, 상기 CPOX 개질장치 내에서 그리고 통해서 기체 플로우를 구동하기(driving) 위한 기체 스트림 구동기를 포함할 수 있다. 기체 스트림 구동기는 블로워 또는 블로워 시스템일 수 있다. 본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치는 연료 펌프를 포함할 수 있다. 연료 펌프와 같은 펌프의 예는 계량 펌프(metering pump), 로타리 펌프(rotary pump), 임펠러 펌프, 격막 펌프(diaphragm pump), 연동 펌프(peristaltic pump), 양변위 펌프(positive displacement pump), 기어 펌프, 압전 펌프(piezoelectric pump), 동전기 펌프(electrokinetic pump), 전기삼투 펌프(electroosmotic pump) 및 모세관 펌프(capillary pump)를 포함한다.
본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치는 하나 이상의 개질장치 작동을 모니터링 및 제어하기 위한 하나 이상의 센서 어셈블리를 포함할 수 있다. 센서 어셈블리의 예는 유량계들, 열전대들(thermocouples), 써미스터들(thermistors), 및 저항 온도 검출기들(resistance temperature detectors)을 포함한다. 또한, 본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치는 시동 모드, 정상상태 모드 및/또는 정지 모드에서 상기 개질장치의 작동들을 자동화하기 위한 제어 시스템을 포함할 수 있다. 상기 제어 시스템은 제어기와 연통하는 복수의 센서 어셈블리를 포함할 수 있다.
본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치는, CPOX 반응기 유닛들과 열 연통하는 열전달 수단을 포함할 수 있다. 상기 열전달 수단은, 예를 들어 CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응구역 내의 온도를 사전설정된 범위 내로 유지하기 위하여, 상기 기체 연료 CPOX 개질장치의 작동의 정상상태 모드 중에 CPOX 반응기 유닛들로부터의 열을 전달할 수 있다. 열전달 수단은, 예를 들어 냉각제(coolant) 스트림을 CPOX 반응기 유닛들의 노출된 외부 표면을 향하게, 및/또는 CPOX 반응기 유닛들의 노출된 표면들과 열 연통하는 열 전도 어셈블리의 열방사 부재를 향하게 하는 블로워를 포함할 수 있다. 본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치는 또한 다른 목적들을 위한 블로워를 포함할 수 있다. 예를 들어, 블로워는 산소-함유 기체를 도관으로 도입하거나, 및/또는 CPOX 반응기 유닛 내에서 기체 플로우를 구동할 수 있다.
블로워는 블로워 유닛들의 시리즈를 포함할 수 있다. 하나의 시리즈 내의 하나의 블로워 또는 블로워 유닛은, 축방향 유입구와 반경방향 유출구를 가지는 케이싱, 상기 축방향 유입구에서 기체, 예를 들어 공기와 같은 산소-함유 기체를 흡인하고, 상기 반경방향 유출구를 통해 상기 기체를 배출하기 위하여 상기 케이싱 내에 배치되는 임펠러, 및 상기 임펠러를 구동하기 위한 모터를 포함할 수 있다. 특정 구체예들에서, 상기 블로워는 기체를 제1 압력에서 흡인하고, 상기 기체를 제2 압력, 예를 들어 더 높은 압력에서 배출할 수 있다. 블로워는 또한 상기 시리즈의 적어도 하나의 블로워 유닛의 유출구를 상기 시리즈의 적어도 하나의 다른 블로워 유닛의 유입구에 수용하기 위한 덕트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 블로워들의 시리즈는 공유인 미국특허출원 공개 제2012/0328969호(발명의 명칭: 원심 블로워 시스템 및 이를 통합한 연료 전지)에 기술된 블로워 시스템을 포함할 수 있으며, 상기 특허문헌은 본 발명에 적용가능한 블로워 시스템 및 그 작동 방법에 관한 그 가르침을 포함하는 모든 목적을 위하여 본 출원에 참조문헌으로 통합된다.
본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치는, 예를 들어 일체화된 시스템의 작동의 시동 모드 중에, 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션 및/또는 연료전지 섹션의 전기에너지-소비 구성요소들, 예를 들어 보조 CPOX 개질장치 구성요소들에 동력을 공급하기 위한 전류 공급원을 포함할 수 있다. 상기 전류 공급원은 재충전가능한 배터리(rechargeable battery) 및 배터리 재충전기(battery recharger)를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 상기한 구체예들 및 다른 구체예들의 개질장치 섹션들은 관형 SOFC 스택에 결합될 수 있다는 장점이 있다. 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 일부 구체예들에서, 개질 촉매, 워터 가스 시프트 (WGS) 반응 촉매 및 상기 두 목적에 활성이 있는 촉매 중의 적어도 하나가 수소-풍부 리포메이트와 접촉시키는 관형 SOFC 유닛의 섹션내에 배치될 수 있고, 그리고/또는 관형 SOFC 유닛의 섹션에 결합될 수 있다. 이러한 촉매(들)의 존재는 상기 리포메이트에 존재하는 소모되지 않은 개질가능 연료의 개질을 촉진할 수 있고, 그리고/또는 워터 가스 시프트 반응을 촉진할 수 있으며, 이에 의해 상기 리포메이트에 존재하는 일산화탄소는 전기로 전기화학적 전환을 위한 추가의 수소로 전환된다. 이러한 관형 SOFC 유닛의 하나가 도 4J 및 4K에 도시된다.
적어도 하나의 연료전지 유닛 및 집전기에 더하여, 본 발명의 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 연료전지 섹션은 다음의 선택적 구성요소들 중 특정의 것을 포함할 수 있다: 개질 촉매, 워터 가스 시프트 반응용 촉매, 및 개질 및 워터 가스 시프트 반응 모두에 촉매활성이 있는 촉매 중의 적어도 하나 (여기서, 상기한 촉매 또는 촉매들의 조합은 연료전지 유닛의 양극 구성요소의 적어도 하나의 부분과 접촉할 수 있음); 연료전지 섹션으로 열손실을 줄이기 위한 단열부; 산소-함유 기체가 적어도 하나의 연료전지 유닛의 음극 구성요소와 접촉하도록, 산소-함유 기체를 연료전지로 도입하기 위한 기체 스트림 구동기; 테일 가스(tail gas)의 연소가능 성분들의 연소를 위한 애프터버너(afterburner); 연료전지 섹션 및/또는 그 애프터버너 구성요소로부터의 열을 회수하고, 회수된 열을, 개질장치 섹션으로 산소-함유 기체 및/또는 기체 개질가능 연료의 도입 전에 또는 후에, 상기 기체/연료를 가열하는데 이용하기 위한 열교환 어셈블리; 하나 이상의 연료전지 작동을 모니터링 및 제어하기 위한 하나 이상의 센서 어셈블리들; 및 시동 모드, 정상상태 모드 및 정지 모드에서 연료전지 섹션의 작동들을 자동화하기 위한 제어 시스템.
본 발명의 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 연료전지 섹션은 공지 및 통상의 임의의 연료전지들 중에서 선택될 수 있으며, 그 예를 들면 위에서 언급한 바와 있는 유형의 연료전지들이 있다. 연료전지 섹션의 바람직한 유형은 관형 고체 산화물 연료전지 (SOFC)이며, 이러한 연료전지의 다수의 변형들이 비특허문헌 및 특허문헌에 기술되어 있다. 이러한 유형의 연료 전지의 장점들은, 고효율, 장기 저장안정성, 연료 유연성(fuel flexibility) 및 낮은 에미션(low emissions)과, 본 발명에 따르는 개질장치 섹션의 위에서 설명한 장점들과 아주 잘 들어맞는 장점들을 포함한다.
다중-관형 SOFC 스택의 구조형태는 본 명세서에서 설명한 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 적절한 구조형태의 다중-관형 CPOX 개질장치 섹션에 용이하게 결합될 수 있다. 즉, 예를 들어, 개질장치 섹션의 관형 CPOX 반응기 유닛들의 유출구들은 대응하는 관형 SOFC 유닛들의 유입구들과 정렬되어 직접 연결될 수 있어서, 수소-풍부 리포메이트가 상기 유출구로부터 상기 유입구로 직접 통과하고, 이에 의해 상기 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 전역에서 낮은 배압을 유지한다. 더욱이, 이러한 구체예들에서, 함께 계류중이고 발명자들(Finnerty et al.)이 공동으로 본 출원인에게 양도한 미국특허출원 공개 제 2013/0056911호 또는 함께 계류중이고 발명자들(Finnerty et al.)이 공동으로 본 출원인에게 양도한 미국특허출원 공개 제2013/0059223호에 설명된 프로세스들을 이용하여, 관형 CPOX 반응기 유닛과 대응하는 관형 SOFC 유닛을 하나의 이음새없이 일체화된 연속 구조로 제조하는 것이 실용적이면서 경제적일 수 있다. 상기 두 특허문헌은 그 전체 내용이 모든 목적을 위하여 본 출원에 참조문헌으로 통합된다.
따라서, 다양한 구체예들에서, 제공되는 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치- 연료전지 시스템은 다음을 포함할 수 있다:
a) 기체 개질가능 연료를 이용하여 수소-풍부 리포메이트를 생산하기 위한 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션 (상기 개질장치 섹션은 복수의 이격된 CPOX 반응기 유닛들을 포함하여 구성되고, 각 반응기 유닛은 기체 CPOX 반응혼합물용 유입구, 수소-풍부 리포메이트용 출구, 내부 표면과 외부표면이 있는 벽을 포함하여 구성되고, 상기 벽은 개구형 기체 플로우 통로를 둘러싸고, 상기 벽의 적어도 하나의 섹션은 그 내부에 배치되는 및/또는 그 구조를 포함하여 구성하는 CPOX 촉매를 가지며, 이러한 촉매-포함 벽 섹션 및 이에 의해 둘러싸인 개구형 기체 플로우 통로는 기체 상(phase) CPOX 반응 구역을 구획하고, 상기 촉매-포함 벽 섹션은 기체 CPOX 반응혼합물을 그 내부에서 확산하고 생성 수소-풍부 리포메이트를 그 외부로 확산하는 것을 허용하는 기체-투과성이며 CPOX 반응 조건들하에 안정을 유지함), 및
b) 개질장치 섹션 (a)에서 생산된 수소-풍부 리포메이트를 전기화학적으로 전기 전환하기 위한 연료전지 섹션 (상기 연료전지 섹션은 적어도 하나의 연료전지 유닛과 적어도 하나의 집전기를 포함하여 구성되고, 상기 연료전지 유닛은 양극 구성요소, 음극 구성요소, 양극 구성요소와 음극 구성요소 사이에 배치되는 전해질 구성요소, 개질장치 섹션 (a)에서 생산된 수소-풍부 리포메이트를 상기 연료전지 유닛의 상기 양극 구성요소로 전달하도록 구성된 상기 리포메이트를 위한 유입구 및 통로, 산소-함유 기체를 상기 연료전지 유닛의 상기 음극 구성요소로 전달하도록 구성된 산소-함유 기체를 위한 유입구 및 통로, 및 테일 가스용 유출구를 포함하여 구성되고, 상기 집전기는 상기 적어도 하나의 연료전지 유닛의 양극 및 음극 구성요소와 전기적으로 결합됨).
또 하나의 측면에서, 전기 생산 방법이 제공된다. 본 발명은 기체 연료 CPOX 개질 및 생성 수소-풍부 리포메이트의 전기화학적 전기 전환을 위한 방법들을 제공한다. 일반적으로, 본 발명의 방법들은 기체 개질가능 연료를 포함하는 기체 CPOX 반응혼합물을 본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장의치CPOX 반응기 유닛들의 유입구들로 도입하는 단계; 수소-풍부 리포메이트의 생산을 시작하기 위하여 상기 기체 CPOX 반응혼합물의 촉매부분산화를 개시하는 단계; 상기 기체 CPOX 반응혼합물의 촉매부분산화를 유지하는 단계; 및 연료전지 유닛 내에서 상기 수소-풍부 리포메이트를 전기전환하는 단계를 포함한다.
일부 구체예들에서, 수소-풍부 리포메이트를 생산하기 위하여 기체 개질가능 연료를 CPOX 개질하고 연료전지 내에서 상기 리포메이트를 전기화학적으로 전기 전환하는 방법은, 관형 반응기 유닛의 촉매-포함 벽 섹션의 외부 표면에 수소 배리어를 부착하는 단계를 포함한다. 상기 수소 배리어는 상기 배리어가 부재하는 경우보다 상기 반응기 유닛으로부터 수소의 상실을 방지 또는 억제할 수 있으며, 상기 배리어가 부재하는 경우는 촉매-포함 벽 섹션을 통과하는 수소의 확산을 초래한다.
특정 구체예들에서, 수소-풍부 리포메이트를 생산하기 위하여 기체 개질가능 연료를 CPOX 개질하고 연료전지 내에서 상기 리포메이트를 전기화학적으로 전기 전환하는 방법은, CPOX의 발열로부터 회수된 열, 및/또는 하나 이상의 외부 열원[예를 들어 상기 연료 전지(섹션)]으로부터 회수된 열을, 산소-함유 기체를 가열하기 위한, 및/또는 기체 CPOX 반응혼합물의 형성 전에 기체 개질가능 연료를 가열하기 위한, 및/또는 상기 일체화된 개질장치-연료전지 시스템 내의 다른 곳에서 열환경(thermal environment)을 가열 및/또는 유지하기 위한 작동 중에 이용하는 것을 포함한다.
일부 구체예들에서, 수소-풍부 리포메이트를 생산하기 위하여 기체 개질가능 연료를 CPOX 개질하고 연료전지 내에서 상기 리포메이트를 전기화학적으로 전기 전환하는 방법은, 여러 관형 CPOX 반응기 유닛들의 각각에 실질적으로 균일한 조성, 실질적으로 균일한 유량 및/또는 실질적으로 균일한 온도로 기체 CPOX 반응혼합물을 분배하는 단계를 포함한다.
특별한 구체예들에서, 수소-풍부 리포메이트를 생산하기 위하여 기체 개질가능 연료를 CPOX 개질하고 연료전지 내에서 상기 리포메이트를 전기화학적으로 전기 전환하는 방법은, 관형 CPOX 반응기 유닛내에서, 예를 들어 CPOX 반응기 유닛 외부에 배치된 방사열 공급원을 사용하여 CPOX를 개시하는 단계를 포함하며, 상기 방사열은 상기 반응기 유닛의 벽을 통해 전도되어 그 CPOX 반응 구역 내에서 CPOX를 개시한다.
특정 구체예들에서, 수소-풍부 리포메이트를 생산하기 위하여 기체 개질가능 연료를 CPOX 개질하고 관형 SOFC 유닛 내에서 상기 리포메이트를 전기화학적으로 전기 전환하는 방법은, 상기 리포메이트에 존재하는 미개질 기체 개질가능 연료, 크래킹된 연료, 및/또는 일산화탄소가 SOFC 유닛의 적어도 하나의 부분에서 개질 및/또는 워터 가스 시프트 반응하도록 하는 단계를 포함하며, 이에 의하면 전기화학적 전기 전환을 위한 수소가 추가로 생산된다.
본 발명의 다양한 구체예들에서, 수소-풍부 리포메이트를 생산하기 위하여 기체 개질가능 연료를 CPOX 개질하고 연료전지 내에서 상기 리포메이트를 전기화학적으로 전기 전환하는 방법은, 일반적으로 다음의 단계들을 포함할 수 있다:
a) 시동 모드에서:
(i) 복수의 CPOX 반응기 유닛들의 각각의 유입구 쪽으로 기체를 전송하기 위한 도관으로 산소-함유 기체를 도입하는 단계 (여기서, 상기 도관은 상기 CPOX 반응기 유닛들의 상기 유입구들과 기체 플로우 연통하는 산소-함유 기체용 유입구, 기체 개질가능 연료용 유입구, 및 기체 CPOX 반응 혼합물용 유출구를 포함하여 구성되고; 각 CPOX 반응기 유닛은 기체 CPOX 반응 혼합물용 유입구와 수소-풍부 리포메이트용 유출구, 내부 표면과 외부 표면이 있는 벽을 가지는 세장관을 포함하여 구성되고; 상기 벽은 개구형 기체 플로우 통로를 둘러싸고, 상기 벽의 적어도 하나의 섹션은 그 안에 배치된, 및/또는 그 구조를 포함하여 구성되는 CPOX 촉매를 가지며, 이러한 촉매-포함 벽 섹션과 이에 의해 둘러싸인 개구형 기체 플로우 통로는 기체 상 CPOX 반응구역을 구획하고, 상기 촉매-포함 벽 섹션은 기체 CPOX 반응 혼합물을 그 내부에서 확산하고 수소-풍부 리포메이트를 그 외부로 확산하는 것을 허용하는 기체 투과성이면서, CPOX 반응 조건들하에서 구조적으로 안정을 유지함),
(ii) 기체 개질가능 연료를 상기 도관으로 도입하고, 산소-함유 기체와 기체 개질가능 연료를 합쳐서 기체 CPOX 반응 혼합물을 제공하는 단계,
(iii) 단계(ii)로부터의 기체 CPOX 반응 혼합물을 상기 CPOX 반응기 유닛들의 유입구로 도입하는 단계,
(iv) 상기 CPOX 반응기 유닛들의 상기 CPOX 반응구역 내에서 상기 기체 CPOX 반응 혼합물의 CPOX를 개시하여 수소-풍부 리포메이트의 생산을 시작하는 단계, 및
(v) 단계(iv)에서 생산된 수소-풍부 리포메이트를 적어도 하나의 연료전지 유닛을 포함하여 구성되는 연료전지로 전달하여 리포메이트를 상기 연료전지 유닛의 양극 구성요소와 접촉시키고, 이와 동시에 산소-함유 기체를 상기 연료전지로 전달하여 산소-함유 기체를 상기 연료전지 유닛의 음극 구성요소와 접촉시켜서, 상기 리포메이트를 상기 연료전지 유닛 내에서 전환하여 전기를 생산하는 단계; 그리고
b) 정상-상태 모드에서:
(vi) 산소-함유 기체를 상기 도관으로 도입하는 단계,
(vii) 기체 개질가능 연료를 상기 도관으로 도입하고, 산소-함유 기체와 기체 개질가능 연료를 합쳐서 기체 CPOX 반응혼합물을 형성하는 단계,
(viii) 단계 (vii)로부터의 기체 CPOX 반응혼합물을 상기 CPOX 반응기 유닛들의 유입구로 도입하는 단계,
(ix) 단계(xi) 전에, 중에, 또는 후에, CPOX 개시 단계(iv)를 중지하고, 그 동안에 상기 CPOX 반응기 유닛들의 상기 CPOX 반응구역들 내에서 상기 CPOX 반응을 유지하여서, 수소-풍부 리포메이트의 생산을 계속하는 단계, 및
(x) 단계 (ix)에서 생산된 수소-풍부 리포메이트를 적어도 하나의 연료전지 유닛의 양극 구성요소로 전달하고, 이와 동시에 산소-함유 기체를 적어도 하나의 연료전지 유닛의 음극 구성요소로 전달하여, 상기 리포메이트를 연료전지 유닛 내에서 계속 전환하여 전기를 생산하는 단계.
일부 구체예들에서, 본 발명의 방법들은, 예를 들어 단계 (viii)에서 산소-함유 기체를 도관으로 도입하기 전에 외부 열원으로부터의 열을 사용하여 주위 온도로 또는 하나의 주위 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 특별한 구체예들에서, 본 발명의 방법들은, 상기 산소-함유 기체를, 예를 들어 상기 CPOX 반응기 유닛들의 상기 CPOX 반응구역들 내에서 발생하는 CPOX 반응으로부터 회수된 발열 열을 이용하여, 제1 온도로부터 제2 승온 온도로 추가 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 특별한 구체예들에서, 본 발명의 방법들은 도관으로 도입하기 전에 기체 개질가능 연료를 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 구체예들에서, 본 발명의 방법들은 예를 들어 단계 (iv) 및 단계 (ix) 중의 어느 하나 또는 모두로부터의 상기 기체 CPOX 혼합물을, 예를 들어 단계 (v) 및 단계 (x) 중의 어느 하나 또는 모두에서 상기 CPOX 반응기 유닛들의 유입구로 도입하기 전에, 보다 균일한 조성으로 만드는 단계를 포함할 수 있다.
특별한 구체예들에서, 본 발명의 방법들은, 임의의 두 CPOX 반응기 유닛들 내에서 CPOX 반응 혼합물의 유량 차이가 약 20%보다 크지 않고, 및/또는 임의의 두 CPOX 반응기 유닛들의 유입구들로 들어가는 CPOX 반응 혼합물의 온도 차이가 약 10%보다 크지 않도록, CPOX 반응기 유닛들의 유입구로 기체 CPOX 반응 혼합물을 분배하는 단계를 포함한다.
일부 구체예들에서, 본 발명의 방법들은, 예를 들어 단계 (vi)에서, 점화기를 작동하는 것에 의해 CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응구역들 내에서 기체 CPOX 반응 혼합물의 CPOX를 개시하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 점화기로부터의 방사열 아웃풋은 근접한 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛의 노출된 섹션에 전파되어, 거기서 CPOX 반응을 개시할 수 있다. 상기 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 반응구역 내에서 발생하는 상기 CPOX 반응에 의해 산출된 방사열은 다시 챔버 내의 적어도 하나의 다른 CPOX 반응기 유닛 내에서 CPOX 반응을 개시하며, 이러한 방식으로 CPOX 반응이 챔버 내의 CPOX 반응기 유닛들 모두에서 개시된다.
다양한 구체예들에서, 본 발명의 방법들은, 예를 들어 단계 (v)에서, 기체 CPOX 반응 혼합물의 산소 대 탄소 몰비를, 연료-부족(fuel-lean) CPOX 반응 혼합물의 산소 대 탄소 몰비에 대응하도록 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 특정 구체예들에서, 본 발명의 방법들은, 예를 들어 단계 (xi)에서, 기체 CPOX 반응 혼합물의 산소 대 탄소 몰비를, 연료-풍부(fuel-rich) CPOX 반응 혼합물의 산소 대 탄소 몰비에 대응하도록 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 구체예들에서, 본 발명의 방법들은, 상기 산소-함유 기체와 상기 기체 CPOX 반응혼합물을 합치기 전에, 상기 기체 CPOX 반응혼합물을 보다 균일한 조성이 되게 만드는 또는 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 특별한 구체예들에서, 상기 산소-함유 기체와 상기 기체 CPOX 반응혼합물의 합침 이후에, 본 발명의 방법들은 합쳐진 기체를 보다 균일한 조성이 되게 만드는 또는 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 구체예들에서, 본 발명의 방법들은, 산소-함유 기체와 기체 연료를 포함하여 구성되는 CPOX 반응혼합물을 도관 내에서 CPOX 반응시켜서 수소-풍부 리포메이트를 생산하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 구체예들에서, 본 발명의 방법들은, 정지 모드에서, 상기 연료 유량을 예를 들어 단계(xi)에서 감소시키는 한편, 산소 대 탄소 몰비를 실질적으로 일정하게 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 특정 구체예들에서, 본 발명의 방법들은, CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응 구역들 내에서의 온도가 코크스 형성을 초래하는 레벨에 도달하거나 또는 하회하는 경우, 산소 대 탄소 몰비를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 몰비 증가는 CPOX 촉매의 비활성화 원인이 되는 코크스 형성을 방지 또는 억제할 수 있다.
본 발명에 따르는 기체 연료 CPOX 개질장치들, 연료전지들, 일체화된 개질장치-연료전지 시스템들, 그리고 CPOX 개질 및 전기 생산 방법들이 위에서 그리고 본 명세서의 다른 곳에서 개괄적으로 설명되어 있다. 첨부도면들을 참조한 다음의 설명은, 본 발명의 기체 연료 CPOX 개질장치들, 연료전지들, 일체화된 개질장치-연료전지 시스템들, 그리고 CPOX 개질 및 전기 생산 프로세스들의 상기한 특징들 및 다른 특징들을 명확하게 하기 위하여 제시되는 것으로, 본 발명의 본질을 제한하지 않으며, 앞에서 검토한 것에 응용될 수 있는, 다양한 구체예들을 설명하는 것임을 이해하여야 한다.
이제 첨부 도면들을 참조하여 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 하나의 구체예에 따르는 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템을 도시한 것이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템 (200)은 연료전지 섹션 (228)에 결합된 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션 (201)을 포함한다. 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션 (201)은 산소-함유 기체(이 구체예에서, 그리고 본 발명의 다른 구체예들에서 공기로 예시됨)를 도관(203)으로 도입하고, 이 스트림 및 다른 기체 스트림 {기체 연료-공기 혼합물(들)과 수소-풍부 리포메이트를 포괄함}을 상기 개질장치 섹션 및 연료전지 섹션의 개구형 기체 플로우 통로들을 포함하는 다양한 통로들을 통해 구동하기 위한, 원심 블로워(202)를 포함한다. 도관(203)은 유량계(204) 및 열전대(thermocouple: 205)를 포함할 수 있다. 이러한 디바이스들 및 유사한 디바이스들이 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션 및 연료전지 섹션의 작동을 측정, 모니터링 및 제어하기 위하여 기체 연료 CPOX 개질장치 내의 다양한 위치에 배치될 수 있다. 이는 도 3A에 도시된 제어 시스템과 관련지어 상세하게 설명하기로 한다.
예시적인 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템 (200)의 작동의 시동 모드에서, 블로워(202)에 의해 도관(203)으로 도입된 주위 온도의 기체는, 임의선택적인 열전대(215), 유량계(216), 및 유량조절밸브(flow control valve: 217)가 장치된 연료 라인(214)을 통해 기체 연료 저장탱크(213)로부터 상대적으로 낮은 압력으로 도관(203)으로 도입된 기체 개질가능 연료(이 구체예에서, 그리고 본 발명의 다른 구체예들에서 프로판으로 예시됨)와 합쳐진다. 상기 공기 및 프로판은 도관(203)의 혼합 구역(218)에서 합쳐진다. 믹서, 예를 들어 인-라인(in-line) 믹서와 같은 정적 믹서(219), 및/또는 도관 (203)의 내부표면에 형성된 와류생성(vortex-creating) 나선형 홈들, 또는 외부동력을 이용하는 믹서(도시되지 않음)가, 도관(203)의 혼합 구역(218) 내에 배치되어, 배치되지 않은 경우보다 더 균일한 프로판-공기 기체 CPOX 반응 혼합물을 제공한다.
프로판-공기 혼합물(즉, 기체 CPOX 반응 혼합물)은 매니폴드(또는 플리넘)(220)로 들어간다. 상기 매니폴드는 상기 반응 혼합물을 관형 CPOX 반응기 유닛들(209)로 보다 균등하게 분배하는 기능을 한다. 이에 관한 하나의 구체예의 상세한 설명은 도 4E에 도시된 매니폴드 부분(450)의 관형 CPOX 반응기 유닛들(408)과 연관지어 제시된다. CPOX 개질장치 섹션(201)의 시동 모드에서, 점화기(223)가 관형 CPOX 반응기 유닛들(209)의 CPOX 반응구역들(210) 내에서 기체 CPOX 반응 혼합물의 기상 CPOX 반응을 개시하여, 수소-풍부 리포메이트의 생산을 시작한다. 일단 정상-상태 CPOX 반응 온도에 도달되면(예를 들어, 250℃ 내지 1,100℃), 상기 반응은 자기지속(self-sustaining)되고, 점화기의 작동이 중단될 수 있다. 열전대(225)는 CPOX 반응기 유닛들(209) 내에서 발생하는 CPOX 반응의 온도를 모니터링하기 위하여 하나 이상의 CPOX 반응구역(210)에 근접하게 위치한다. 온도 측정치는 모니터링된 파라미터로서 개질장치 제어 시스템(226)으로 릴레이된다.
또한, 개질장치 섹션(201)은, 예를 들어 일체화된 개질장치-연료전지 시스템 (200)의 작동의 시동 모드 중에, 블로워(202), 유량계(204 및 216), 유량조절밸브(217), 및 점화기(223)와 같은 전기 구동식 구성요소들에 전력을 제공하기 위하여, 그리고 필요한 경우 추후 사용을 위하여 예를 들어 정상-상태 작동 중에 연료전지 섹션 (228)에 의해 생산된 여분의 전기를 저장하기 위하여, 예를 들어 재충전가능한 리튬이온 배터리 시스템과 같은 전류 공급원(227)을 포함할 수 있다.
필요한 경우, 기체 CPOX 개질장치 섹션으로부터의 생성 유출물 또는 수소-풍부 리포메이트가, 예를 들어 일산화탄소( CO)에 의한 오염에 특히 민감한 촉매를 사용하는 연료전지 섹션 또는 연료 전지 스택 (예를 들어, 도 5D에 도시된 일체화된 개질장치-연료전지 시스템(560)의 PEM 연료전지 섹션(561))에 연료로서 도입되는 경우, 상기 생성 유출물은 그 일산화탄소(CO) 함량을 줄이기 위하여 하나 이상의 통상 또는 공지의 일산화탄소 제거 디바이스에 도입될 수 있다. 예를 들어, 상기 생성 유출물은 일산화탄소(CO )가 이산화탄소(CO2)로 전환되고, 이와 동시에 추가의 수소를 산출하는 워터 가스 시프트 (WGS) 전환기로 도입될 수 있고, 또는 상기 생성 유출물은 CO가 CO2로 선택산화(preferential oxidation: PROX)하도록 만들어진 반응기로 도입될 수 있다. CO 감량은 이러한 프로세스들의 조합을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어 WGS에 이어서 PROX, 또는 PROX에 이어서 WGS로 수행될 수 있다.
또한, 생성 리포메이트를 수소 스트림과 CO-함유 부산물 스트림으로 분리를 제공하는 수소-선택성 멤브레인이 장치된 공지의 또는 통상의 클린업(clean-up) 유닛 또는 디바이스를 통한 생성 리포메이트의 통과에 의해, 생성 리포메이트 내의 CO 레벨을 줄이는 것도 본 발명의 범위내에 있다. 이러한 종류의 유닛들/디바이스들은, 또한 위에서 설명한 WGS 컨버터 및/또는 PROX 반응기와 같은 하나 이상의 다른 CO-감량 유닛들과 조합될 수 있다.
연료전지 섹션 (228)은 연료전지 스택 (229), 애프터버너 또는 테일 가스 버너( 232), 매니폴드(231)에 의해 균일하게 분배된 공기를 연료의 전기화학적 전기 전환을 지원하기 위하여 연료전지 스택 (229)의 음극 측(side)으로 도입하고 테일 가스의 연소를 지원하기 위하여 애프터버너 (232)로 도입하기 위한 블로워 (230), 및 제어 시스템(226)에 온도 및 압력 측정 입력들을 제공하기 위한 임의 선택적인 열전대(233) 및 유량계(234)를 포함한다. 기체 CPOX 개질장치 섹션 (201)에서 생산된 수소-풍부 리포메이트는 연료 전지 스택(229)으로 들어가서, 전기화학적으로 전기 전환하고, 부산물인 물(스트림)과 기체로서 이산화탄소가 유출한다. 연료전지 스택 (229) 으로부터의 이러한 기체 유출물 또는 테일 가스는 연소가능 기체(들), 예를 들어 탄화수소(들), 소비안된 수소, 및/또는 일산화탄소와 같은 산화가능 기체(들)을 함유할 수 있으며, 후에 애프터버너 (232)로 유입되면, 블로워 230에 의해 공급된 공기를 이용하는 것에 의해 물(스트림) 및 이산화탄소로의 연소가 일어난다. 필요한 경우, 애프터버너 (232)에서 배출된 고온 가스(hot gas)에 함유된 열은 회수되어, 현재 및/또는 미래의 수요를 위해 적절하게 단열된 저장 유닛에 저장될 수 있는 하나 이상의 유체 스트림, 예를 들어 물을 가열하는데 이용될 수 있다.
도 3A에 도시된 제어 시스템(300)은 본 발명에 따르는 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템의 작동들을 제어할 수 있다. 도 3A에 나타낸 바와 같이, 제어 시스템(300)은 기체 연료 CPOX 개질장치를 그 작동의 시동 모드, 정상-상태 모드 및 정지 모드에서 관리하기 위한 제어기(controller: 301)를 포함한다. 상기 제어기는 프로세서상에서 작동하는 소프트웨어일 수 있다. 하지만, 하나 이상의 디지털 또는 아날로그 회로, 또는 이들의 조합으로 구현되는 제어기를 사용하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다.
제어 시스템(300)은 제어기(301)와 연통하며, 개질장치 섹션 (302) 및 연료전지 섹션 (315)의 선택된 작동 파라미터들을 모니터링하도록 구성된, 복수의 센서 어셈블리들, 예를 들어 열전대 및 이와 결합된 기체 연료 압력계(pressure meter: 304), 열전대 및 이와 결합된 CPOX/양극 공기압력계(309), 및 개질장치 구역 열전대(314), 열전대 및 이와 결합된 음극 공기압력계(318), 연료전지 스택 열전대 (319), 및 애프터버너 열전대 (320)를 더 포함할 수 있다.
상기 센서 어셈블리들로부터의 입력 신호들에 응답하여, 사용자는 사용자-입력 디바이스 및/또는 프로그램된 서브루틴들 및 명령 시퀀스들을 명령할 수 있으며, 제어기는 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템의 작동들을 관리할 수 있다. 보다 구체적으로, 도시된 바와 같이, 제어기는 특정 작용을 지시하는 명령 신호를 보내는 것에 의해 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템(316)의 원하는 섹션 또는 구성요소의 제어 신호-수신부와 통신한다. 예를 들어, 열전대 및 이와 결합된 압력계(304, 309 및 318)로부터의 유량 입력 신호들, 및 열전대(314, 319 및 320)로부터의 온도 입력 신호들에 응답하여, 제어기(301)는, 예를 들어 기체 연료 저장탱크(303)로부터 연료 라인(306)을 통한 도관(307)으로의 연료의 플로우를 제어하기 위하여 연료 플로우 제어 밸브(305)로; 도관(307)로 공기의 플로우를 제어하고, CPOX 개질장치 섹션(302) 내의 그리고 그것을 통한 가열된 기체 CPOX 반응 혼합물 및 연료전지 섹션 315의 양극 측(side) 내의 그리고 그것을 통한 수소-풍부 리포메이트의 플로우를 온-오프 상태로 구동하기 위하여 원심 블로워(308)로; 그리고 그 기능들을 관리하기 위하여 배터리/배터리 재충전기 시스템으로 제어 신호들을 보낼 수 있다. 이와 유사하게, 각종 센서 어셈블리들로부터의 입력 신호들에 응합하여, 제어기(301)는 연료전지 섹션 (315)의 음극 측 내의 그리고 그것을 통한 공기의 플로우를 제어하기 위하여 원심 블로원 (322)로; 상기 공기가 테일 가스의 연소가능 성분(들)의 연소를 지원하는 애프터버너로 제어 신호들을 보낼 수 있다.
본 발명에서, 센서 어셈블리들, 제어 신호-수신 디바이스들 및 통신경로들(communication pathways)은 임의의 적합한 구성을 가질 수 있고, 당 분야에 알려진 것일 수 있다. 상기 센서 어셈블리들은 모니터링되는 작동 파라미터들을 위한 임의의 적합한 센서 디바이스들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 연료 유량은 임의의 적합한 유량계로 모니터링될 수 있고, 압력은 임의의 적합한 압력-감지 또는 압력-조절 디바이스 등으로 모니터링될 수 있다. 또한, 상기 센서 어셈블리들은, 필수적인 것은 아니지만, 제어기와 통신하는 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 상기 통신경로들은 보통 유선 전기 신호들이나, 임의의 다른 적당한 형태의 통신 경로들도 사용될 수 있다.
도 3A에 있어서, 통신경로들이 일방향 화살표 또는 양방향 화살표로 개략적으로 도시된다. 제어기(301)에서 끝나는 화살표는 측정된 유량 또는 측정된 온도의 값과 같은 입력 신호를 개략적으로 나타낸다. 제어기(301)로부터 연장하는 화살표는 화살표가 끝나는 구성요소로부터의 응답 동작을 지시하기 위하여 보낸 제어 신호를 개략적으로 나타낸다. 양방향 경로들은, 제어기(301)가 결정된 응답 동작을 제공하도록 일체화된 개질장치-연료전지 시스템 (316)의 대응하는 구성요소들로 명령 신호들을 송신하는 것뿐만 아니라; 개질장치 섹션(302), 연료전지 섹션 (315), 그리고 연료 조절 밸브(305) 및 블로워(308 및 322)와 같은 기계적 유닛들로부터 작동 입력들과, 열전대/압력계(304, 309 및 318) 및 열전대(314, 319 및 320)와 같은 센서 어셈블리들로부터 측정 입력들을 수신하는 것을 개략적으로 나타낸다.
도 3B는 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템, 예를 들어 일체화된 개질장치-연료전지 시스템 (316)의 작동을 자동화하기 위하여 제어 시스템, 의 제어기에 의해 실행될 수 있는 예시적 제어루틴의 플로우챠트를 제시한다. 상기 플로우챠트는 제어기에 의해 고정된 인터벌로, 예를 들어 매 0.01 초(10 milliseconds) 등과 같은 고정된 인터벌로 실행될 수 있다. 도 3B에 도시된 제어 논리(control logic)는, 일체화된 개질장치-연료전지 시스템 작동의 시동 모드 및 정상상태 모드에서 기체 플로우들 및 CPOX 반응 온도들의 관리, 및 정지 모드를 위한 절차의 관리를 포함하는 여러 가지 기능들을 수행한다.
도 4A-4M에 도시된, 본 발명의 또 다른 구체예들을 대표하는, 예시적인 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템 (400) 및 그 구성요소들의 여러 가지 도면들에 나타낸 바와 같이, 산소-함유 기체로서 주위 온도의 공기는, 도 4L 및 4M에 더 상세하게 나타낸 원심 블로워 시스템(402)을 경유하여 사전에 설정된 질량유량(preset mass flow rate)으로 개질장치 섹션 (401)의 도관(404)의 유입구(403)를 통해 도입된다. 프로판은 연료 라인(441) 및 연료 유입구(442)를 경유하여 도관(404)으로 도입된다. 프로판과 공기는 도관(404)의 혼합 구역(420)에서 합쳐지기 시작하여, 기체 CPOX 반응 혼합물을 제공한다. 임의의 적당한 종류의 믹서, 예를 들어 혼합 구역(420) 내에 배치된 정적 믹서(static mixer) 및/또는 혼합 구역(420)을 둘러싸는 도관(404)의 나선형-홈이 형성된 내부 벽면이, 그렇지 않은 경우보다 혼합 구역(420)에서 더 조성 균일성을 갖는 기체 CPOX 반응 혼합물을 제공하도록 포함될 수 있다.
상기 임의선택적 정적 믹서를 통과한 후 그리고/또는 혼합 구역(420) 내에 배치된 나선형 홈과의 접촉 후에, 기체 CPOX 반응 혼합물이 유출구(425)를 통해 도관(404)을 빠져나가고, 관형 CPOX 반응기 유닛들(408) 쪽으로 그리고 그 내부에서 반응 혼합물의 더 균일한 분배를 제공하도록 구성된 매니폴드(426)의 기체 분배기(427)로 들어간다. 본 발명 내에서의 이러한 장치 구조 또는 다른 장치 구조가 기체 CPOX 반응 혼합물의 분배를 제공할 수 있으며, 여기서 임의의 두 CPOX 반응기 유닛 내에서 기체 CPOX 반응 혼합물의 유량 차이는 약 20퍼센트보다 크지 않고, 예를 들어 약 10퍼센트보다 크지 않고, 또는 약 5퍼센트보다 크지 않다.
도 4A로 돌아와서, 매니폴드 (426) {그 일부분의 종방향 확대단면도가 관형 CPOX 반응기 유닛들 (408)과 결합되어 도 4E에 도시됨}는 매니폴드 챔버(429)를 구획하는 매니폴드 하우징 또는 인클로져(428)를 포함하며, 상기 챔버 안에서 기체 CPOX 반응 혼합물 (기체) 분배기(427)가 도관(404)의 유출구(425)에 연결된다. 유출구(425)를 통해 도관(404)을 나가는 기체 CPOX 반응 혼합물은 기체 분배기(427)로 들어간 후에. 기체 분배기의 저부 또는 하부에 위치한 개구들(예를 들어 홀들 또는 슬롯들)(430)을 통해 외부로 나가고, 그 다음 상기 기체는 상기 분배기의 외부 표면 둘레에서 그 최상부 또는 상부로 흐르고, 거기서 관형 CPOX 반응기 유닛들(408)의 유입구들(431)로 유동한다. 개구들 또는 오리피스들(430)을 통과하여 유입구들(431)로 가는 기체 CPOX 반응 혼합물의 상기 경로가 도 4B에 도시되어 있다.
CPOX 반응기 유닛들로 기체 CPOX 반응 혼합물의 더 균일한 분배를 촉진하는 기능을 달성하기 위한 매니폴드의 설계 최적화와 연관될 수 있는 일부 인자들은, 그 하우징의 형태, 그 챔버의 용량, 그리고 오리피스들의 수, 형태 및 배치를 포함하는 기체 분배기의 치수들(dimensions)을 포함한다. 이러한 인자들은 다시 도관 내에서 기체 CPOX 반응 혼합물의 목표 유량, CPOX 반응기 유닛들의 수 및 배열, CPOX 반응기 유닛들의 유입구들의 형상 및 치수들, 및 유사 고려사항들과 같은 개질장치 설계 및 작동 인자들에 의존한다. 본 발명에 따르는 특정 기체 연료 CPOX 개질장치를 위한 최적의 연료-공기 분배 성능의 매니폴드는 당 분야의 기술자가 루틴한 테스트 방법을 사용하는 것에 의해 용이하게 구성될 수 있다.
CPOX 반응기 유닛의 CPOX 반응구역이 상기 반응기 유닛의 길이와 실질적으로 같은 공간에 걸쳐있는 경우, 매니폴드 하우징은 CPOX 개질에 전형적인 고온에서 열적 및 기계적으로 안정을 유지하는 재료로 제작될 수 있다. 이러한 구체예들에서, 카본화이버- 및/또는 글라스화이버-강화 세라믹과 같은 복합 내화재를 포함하는 다양한 종류의 내화재가, 매니폴드 하우징를 제작하는데 적합하다. 적합한 구성 물질은 다양한 공지 형태의 알루미나, 재결정 알루니마, 알루미노-실리케이트, 질화붕소, 글라스-세라믹, 산화마그네슘, 인산지르코늄, 및 그 유사물과 같은 치밀질 세라믹(dense ceramic); 니켈-크롬-기반 초내열합금, 하스텔로이 초내열합금(Hastelloy super alloys) 및 그 유사물과 같은 금속을 포함한다. 그러나 이러한 내화재 및 다른 내화재는 비교적 고가이기 쉽고, 또한 특히 비교적 복잡한 형태를 갖는 물품들을 제조하는 경우에 가공이 어려울 수 있다.
도 4F에 도시된, 예시적인 CPOX 반응기 유닛(408)의 종방향 확대 단면도에 나타낸 바와 같이, CPOX 반응기 유닛들(408)의 기체-투과성 벽(451)은, 그 길이를 따라, 연료-공기혼합물 유입구(431)에서 시작하며, CPOX 촉매가 실질적으로 없는 제1, 또는 상류, 부위(452)와; 상기 제1부위(452)의 끝에서 시작하고 상기 반응기 유닛의 생성 리포메이트 유출물 출구(454)에서 또는 근접해서 끝나며, 촉매유효량의 CPOX 촉매(464)를 함유하는 제2, 또는 하류, 부위(453)로 나눌 수 있다. 도 4A의 일체화된 개질장치-연료전지 시스템 (400)의 정상 상태 작동 중에, 이 구체예의 CPOX 반응기 유닛은 고온 CPOX 반응 구역(409)을 그 제2 부위(453)로 한정하여, 그 필수적으로 CPOX 촉매 없는 제1 부위(452)로 하여금 크게 낮은 온도로, 예를 들어, 주위 온도 내지 약 350℃로, 남아 있도록 하는데, 특히 CPOX 반응기 유닛(408)의 연료-공기 혼합물 유입구(431)와 매니폴드 하우징(428)의 연결부(juncture)에서 그러하다.
CPOX 촉매-없는 벽 섹션 구역의 낮은 온도(이 온도는 대다수의 열가소성 수지의 융점보다 낮고, 대다수의 열경화성 수지의 열분해 온도 미만임)는 매니폴드 하우징의 제조에 임의의 여러 계통의 열가소성 수지 및 열경화성 수지를 이용하는 것을 가능하게 하므로 실용적이고 장점이 있다. 매니폴드 하우징의 제작에 사용될 수 있는 열가소성 수지 및 열경화성 수지의 구체적인 종류는, 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)와 같은 폴리아릴에테르케톤들(PAEKs), 페놀-포름알데히트 수지, 및 그 유사물을 포함한다. 열적으로 안정하고, 비교적 저가인, 상기한 수지들 및 다른 수지들은, 압출성형, 진공성형, 주입성형, 반응주입성형, 회전성형 등과 같은 저비용 제조 절차들을 이용하여 복잡한 형상들을 용이하게 형성할 수 있는 장점을 더 가지므로, 비교적 복잡한 기하학적 구조를 갖는 매니폴드 하우징들을 만드는데 매우 적합하다.
다시 도 4A로 돌아가서, 매니폴드(426)로부터, 기체 CPOX 반응 혼합물이 CPOX 반응기 유닛들(408)의 유입구들(431)로 들어가 CPOX 반응구역들(409)로 흐르고, 여기서 상기 반응 혼합물이 기체 상 CPOX 반응하여 수소-풍부, 일산화탄소-함유 리포메이트를 생성한다. 시동 모드에서, 하나 이상의 점화기(들)(435)가 CPOX를 개시한다. CPOX가, 예를 들어 반응구역의 온도가 약 250℃ 내지 약 1100℃에 도달할 때, 자기지속이 된 이후에는, 이제 자기지속인 CPOX 반응을 유지하는데 더 이상의 외부 점화가 필요하지 않게 되므로, 상기 점화기(들)를 정지할 수 있다. 예를 들어 미세다공질 또는 알루미나-기반 내화 물질 유형의 같은 단열부(410)가 CPOX 개질장치의 부분들을 에워싸서, 이 부분들로부터 열이 손실되는 것을 줄인다.
도 4A-4D는 개질장치(401) 작동의 시동 모드 중에 하나의 챔버 내에서, 두 대의 점화기(435)(각 어레이마다 한 대)가 CPOX 반응기 유닛들(408)의 CPOX 반응구역들(409) 내에서 CPOX 반응을 개시하는데 이용되는 본 발명의 하나의 구체예를 도시한다. 도 4C 및 4D에 나타낸 바와 같이, CPOX 반응기 유닛들(408)은, 각각 챔버(436) 내에 배치된, 두 개의 분리된 2x7 어레이로 배열된다. 어레이의 둘레(perimeter)는 챔버 (436)의 개방 공간(438)과 단열부(410) 사이의 경계(boundary)를 표시한다. CPOX 반응기 유닛들(408)의 CPOX 반응구역들(409)의 적어도 일부분에 대응하는 CPOX 반응기 유닛들(408)의 벽들의 외부 표면들(437)은 개방 공간(438) 내에서 노출된다. 수소 배리어가 존재하는 경우, 상기 수소 배리어는 CPOX 반응기 유닛의 상기 노출된 외부 표면일 수 있다. 예를 들어 10 내지 80 와트, 또는 이보다 큰 등급의, 전기저항식 점화기(435)가 챔버(436)의 대향 단부들에 배치되고, 거기서 방사열-산출 소자들(439)이 CPOX 반응기 유닛들(408)의 외부 표면들(437)에 근접하게 그러나 물리적으로 격리되어 위치한다. 열전대들(440)은 점화기들(435)에 대향하는 챔버(436) 의 단부들에 배치되어, CPOX 반응구역들(409)의 온도를 모니터링하고, 도 3A에 도시된 제어시스템과 연관지어 설명된 바와 같이 개질장치 제어 입력을 제공한다. 점화기의 작동은 방사열을 일으키고, 이 방사열은 하나 이상의 인접한 CPOX 반응기 유닛들의 벽들에, 그리고 상기 벽들을 통해서 전달되어서, CPOX가 상기 반응기 유닛(들)의 CPOX 반응구역 내에서 개시된다. 다음, 도 4C에 파형 화살표로 도시된 바와 같이, 상기 인접한 CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응구역(들)에서 방출된 방사열은 상기 어레이 내의 나머지 CPOX 반응기 유닛들의 반응구역 내에서 CPOX를 개시할 수 있다.
CPOX 반응기 유닛들과 직접 접촉하는 것을 피한 점화기(들)를 하나, 또는 둘, 또는 많아야 몇 개를 제공하는 것은, CPOX 반응기 유닛마다 그 자체에 물리적으로 부착된 또는 일체로 된 점화기를 가지는 CPOX 점화기 시스템에 비해 여러 가지 장점을 제공한다. 후자의 점화기 시스템의 사용이 본 발명에 의해 고려되지만, 작동불능(inoperative) 점화기의 확인이 문제가 될 수 있으며, 하나의 부품인 CPOX 반응기 유닛을 손상시킴이 없이 및/또는 어레이 내의 다른 반응기들에 피해를 줌이 없이 비작동 점화기를 제거 및 교체하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 어레이 또는 복수의 CPOX 반응기 유닛들 내에 적절하게 위치한 하나의 (또는 몇 개의) 점화기(들)는, CPOX 개질장치로부터 고장난 또는 결함있는 점화기를 쉽고 간단하게 확인하고 취출하는 것을 허용할 수 있고, 작동가능(operative) 점화기로 쉽고 간단하게 교체하는 것을 허용할 수 있다.
도 4C 및 4D에 나타낸 바와 같이, 두 대의 점화기가 사용되고 각 점화기가 CPOX 반응기 유닛들의 2x7 어레이를 점화하는 경우, 챔버 (436)의 일측 상의 점화기(435) 및 열전대 (440)의 위치를 상기 챔버의 타측 상의 점화기(435) 및 열전대(440)의 위치에 상대하여 뒤바꾸는 것이 유리할 수 있는데, 특히 두 챔버 사이에서 유의적으로 열 연통할 수 있는 경우에 그러하다. 이러한 장치구조는 각각 분리된 어레이의 CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응구역 내에서 CPOX의 더 신속한 점화를 가져오는 것으로 관찰되었다. 하지만, 챔버 내에서 CPOX 반응기 유닛들이 적절한 치수 및 위치를 가지면, 상기 챔버 내의 CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응구역 내에서 CPOX를 개시하는데 단 하나의 점화기가 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4A, 4C 및 4D에 나타낸 챔버(436) (도 4B 존재하지만 표시되지 않음)는, 본 명세서에서 검토된 바와 같은 수소 배리어로 작용할 수 있는 가압 기체와 같은 가압 유체를 수용할 수 있다. 챔버(436)는 기밀 챔버일 수 있다. 도시된 바와 같이, 챔버(436)는, 일반적으로 상기 챔버 내에 CPOX 반응기 유닛들(408) 각각의 CPOX 반응구역 (예를 들어, CPOX 촉매를 포함하는 기체 투과성 벽의 섹션)을 포함하고, 점화기(435) 및 열전대(440)도 포함하도록 설치된다. 나타낸 바와 같이, 상기 챔버는 CPOX 반응구역 중의 일부를 포함하지만, 상기 챔버의 하나 이상의 벽은, CPOX 반응기 유닛들이, 예를 들어 도시된 바와 같이 상기 챔버의 내부 위 및 아래로, 상기 벽을 통해 횡단 또는 연장하는 경우에, 수소 배리어로 작용할 수 있다. 가압 기체 도관과 같은 가압 유체 도관(도시되지 않음)은, 상기 챔버의 내부와 압축 공기와 같은 가압된 또는 압축된 유체의 공급원과의 사이에서 조작가능한(operable) 유체 연통을 제공할 수 있다. 상기 챔버의 가압은 적절한 밸브 및 압력 센서 어셈블리들을 사용하여 적합한 수소 배리어에 충분한 유체 압력을 제공하도록 제어될 수 있다.
다시 도 4E로 돌아가서, 도 4A 및 4B에 도시된 개질장치 섹션(401)의 매니폴드(426)의 확대된 매니폴드 부분(450)은, 관형 CPOX 반응기 유닛들(408)의 유입구들(431)과 유체 연통, 예를 들어 기체 플로우 연통하는, 상부 하우징 구조(455), 하부 하우징 구조(456), 매니폴드 챔버(429), 기체 CPOX 반응 혼합물 (기체) 분배기(427) 및 기체 분배기 유출구들(430)을 포함한다. 관형 CPOX 반응기 유닛들(408)의 유입구 말단들(457)은 상부 하우징 구조(455) 내에 형성된 공동들(458) 내에 견고하게 장착되고, O-링 개스킷들(459)에 의해 기밀 관계로 결합된다. 기체 CPOX 반응 혼합물은 기체 분배기(427)의 유출구들(430)을 통해, CPOX 반응기 유닛들(408)의 유입구들(431)을 통해, 그리고 CPOX 반응구역들(409)로 흘러, CPOX 반응구역들에서 기체 CPOX 반응 혼합물이 수소-풍부, 일산화탄소-함유 유출 리포메이트로 기상 CPOX 전환되어, 상기 리포메이트는 반응기 유닛들의 유출구 말단들(460)에서 관련된 유출구들(454)을 통해 반응기 유닛들을 빠져나간 후에, 예를 들어 여기서 상세하게 설명되는 연료전지 섹션의 연료전지 스택을 구성하는 관형 SOFC 유닛들로 들어간다. 나타낸 바와 같이, CPOX 반응기 유닛들 (408)이, 기체 분배기로부터 CPOX 반응기 유닛들의 유입구들로 안내하는 오리피스들을 포함하는 오리피스 판(orifice plate)일 수 있는, 열전도성 소자(434) 위에 장착된다. 상기 오리피스 판은 매니폴드 하우징과 물리적으로 동일한 구조일 수도 있고, 또는 도시된 바와 같이 매니폴드 하우징에 부착 또는 밀착된 별도의 구조일 수도 있다.
또한, 도 4F 및 4G에 도시된 바와 같이, 각 관형 CPOX 반응기 유닛(408)의 기체 투과성 벽(451)은, 내부 표면(461), 외부 표면(462), 상기 기체-투과성 벽(451)으로 둘러싸인 개구형 기체 플로우 통로(463), CPOX 반응구역(409)을 구성하는 부분, 제2 부위(453) 및 CPOX 반응구역(409)에 대응하는 상기 기체-투과성 벽(451)의 적어도 하나의 섹션의 구조 내에 지지된 및/또는 상기 섹션 구조를 포함하여 구성되는 촉매적 유효량의 CPOX 촉매(464)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 기체-투과성 벽(451)을 통한 생성 수소 기체의 상실을 방지 또는 억제하기 위하여, 수소 배리어(465)가 기체-투과성 벽(451)의 외부 표(462)면에 부착된다.
개구형 기체 플로우 통로는, 기체 CPOX 반응 혼합물 및 수소-함유 리포메이트의 실질적으로 방해받지 않는 흐름(substantially unimpeded flow)을 허용할 수 있으며, 이는 본 발명 기체 연료 CPOX 개질장치의 작동 특성인 낮은 배압에 기여하는 본 발명 CPOX 반응기 유닛들의 구조적 특징이다. 본 발명에 따르는 기체 연료 CPOX 개질장치 및/또는 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 작동에서, 약 3인치 물(0.0075 bar) 이하, 예를 들어 약 2인치 물 이하, 또는 약 1인치 물 이하의 배압을 용이하게 달성할 수 있다
전술한 바와 같이, CPOX 반응기 유닛을 형성하는 기체-투과성 벽을 통과하여 확산하는 것에 의한 수소의 상실을 방지 또는 억제하기 위하여, CPOX 반응기 유닛들의 일부 구체예들에서, 수소 배리어는, CPOX 반응구역에 대응하는 적어도 CPOX 반응기 유닛의 길이의 부분에 대한 기체-투과성 벽의 외부 표면에 결합, 예를 들어 부착 또는 접착된다. 효과적인 수소 배리어로 기능할 수 있는 물질들은 CPOX 반응에 전형적인 높은 온도에서 열적으로 안정하여야 하고, 리포메이트 기체들, 특히 수소가 이를 통한 침투 또는 확산을 방지 또는 차단하기에 충분할 정도로 치밀하여야 한다.
이러한 요건에 부합하는 다양한 세라믹 물질들(글라스들 및 글라스-세라믹들을 포괄함) 및 금속들이 알려져 있으며, 수소 배리어를 제공하는데 적합하다. 수소 배리어용 구체적인 물질들은, 예를 들어 알루미늄, 니켈, 몰리브덴, 주석, 크롬, 알루미나, 재결정 알루미나, 알루미나이드, 알루미노실리케이트, 산화티타늄, 탄화티타늄, 질화티타늄, 질화붕소, 산화마그네슘, 산화크롬, 인산지르코늄, 산화세륨, 산화지르코늄, 뮬라이트(mulite), 및 그 유사물, 그 부가혼합물, 및 이들의 적층조합들을 포함한다.
수소 배리어를 구성하는 물질의 특성이 가능하게 하는 경우, 상기 수소 배리어는, 사전에 형성된 층, 호일, 필름 또는 멤브레인으로서, CPOX 반응구역에 대응하는 적어도 CPOX 반응기 유닛 벽의 외부 표면 부분에 부착될 수 있다. 상기 수소 배리어는 상기 벽에 내화성 접착제에 의해 결합될 수 있다. 대안적으로, 수소 배리어는, 예를 들어 분무 코팅, 분체 코팅, 브러시 코팅, 침지, 캐스팅, 공압출, 메탈라이징, 등과 같은 통상 또는 공지의 세라믹-코팅 및 금속-코팅 기법, 및 이를 개조한 수많은 모든 기법들을 포함하는 적합한 부착법을 이용하는 것에 의해 외부 표면에 형성될 수 있다. 수소 배리어에 적합한 두께 범위는, 선택된 배리어 물질의 수소투과성 및 CPOX 반응구역을 둘러싸는 벽의 기체투과성에 주로 의존하며, 이러한 두께는 당 분야의 기술자라면 알아낼 수 있다. 많은 배리어 물질들 및 반응기 벽 구조들에 대하여, 수소 배리어의 두께는 약 2 마이크로미터 내지 약 15 마이크로미터의 범위, 예를 들어 약 5 마이크로미터 내지 약 12 마이크로미터의 범위일 수 있다.
또한, 수소 배리어는, CPOX 반응기 유닛의 기체-투과성 벽의 외부 표면, 예를 들어 적어도 CPOX 촉매-포함 벽 섹션의 외부 표면과 결합된 가압 기체와 같은 가압 유체일 수 있다. 압력이 충분하면, CPOX 반응기 유닛 외부의 가압 유체는, CPOX 반응기 유닛을 형성하는 기체-투과성 벽을 통한 수소의 상실을 방지하는 배리어를 만들어낼 수 있다. 가압 유체는 전형적으로 가압된 기체, 예를 들어 불활성 기체(예를 들어, 질소) 및/또는 공기이다. 수소 배리어로서 가압 공기의 사용은 CPOX 반응기 유닛의 외부로부터 내부로 확산하는 산소가 추가의 장점을 제공한다. 구체적으로, 이러한 수소 배리어가 사용되어 CPOX 반응 구역 둘레에 존재하는 경우, 확산된 산소가 개질될 및/또는 개질중인 기체 CPOX 반응 혼합물의 O:C 비율을 조절할 수 있는 장점이 있다.
특정 구체예들에서, CPOX 반응기 유닛들이 그 유입구 및 유출구를 제외하고는 기밀 챔버 내에 설치될 수 있으며, 이와 같이 하면 CPOX 반응기 유닛들의 유입구들 및 유출구들은 CPOX 반응기 유닛들의 외부 환경의 기체와 같은 유체의 가압을 허용하고, 가압 기체는 CPOX 반응기 유닛들의 외부 표면과 결합된 수소 배리어를 창출할 수 있다. 특별한 구체예들에서, CPOX 반응구역에 도달할 때까지는 CPOX 반응기 유닛에서 수소가 생성되지 않기 때문에, CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응구역들 만이 공기와 같은 유체로 가압되는 기밀 챔버에 둘러싸인다. CPOX 반응구역이 CPOX 반응기 유닛들의 유출구로 연장하지 않는 구체예들에서, CPOX 반응구역의 시작점에서 상기 유출구 전까지 기밀 챔버에 둘러싸여, 가압 기체가 수소 배리어로 이용되는 것을 허용한다. 몇몇 설계들에서, 여기서 설명된 챔버가 CPOX 반응구역의 일부를 에워싸고 있는 한편, 또 다른 형태의 수소 배리어가 상기 CPOX 반응구역의 나머지를 에워싸고 있을 수 있다.
챔버, 예를 들어 기밀 챔버가 사용되는 구체예들에서, 상기 챔버의 내부와 유체 연통하는 도관이 유체로 상기 챔버를 가압하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 가압 유체 또는 기체 도관이, 압축 공기와 같은 압축 기체의 용기와 같은 가압 또는 압축 유체 공급원과 (기밀)챔버 내부 사이에서 조작가능한(operable) 유체 연통을 제공할 수 있다.
당 분야의 기술자라면 기꺼이 인정하고 이해하는 바와 같이, CPOX 반응기 유닛들의 단면 형태, 수 및 치수와, 그 기하학적 구조 중심 또는 무게중심에서 측정된 상호 간의 이격된 간격은, 구체적인 기체 연료 CPOX 반응기의 작동 및 기계 성능 사양들에 좌우될 것이다. 실질적으로 균일한 원형 단면의 CPOX 반응기 유닛, 예를 들어 도 4C, 4F 및 4G에 도시된 CPOX 반응기 유닛(408)의 경우에, 이러한 반응기 유닛들의 수, 길이, 내경 및 외경(기체투과성 벽의 두께를 한정함)과, 기체-투과성 벽의 외부 표면에 부착된 수소 배리어의 위치, 길이 및 두께는, 여러 인자에 의해 결정될 수 있으며, 예를 들어, 형태 및 양(기체-투과성 벽들 내에 CPOX 촉매의 충전량 및 분포)을 포함하는 몇몇 인자들의 함수인 CPOX 개질장치의 수소-생산 능력; 기공용적(기공크기의 함수), 기공의 주된 형태(주로 개구형, 예를 들어 그물형, 또는 주로 폐쇄형, 예를 들어 비-그물형), 및 기공 형상(구 형상 또는 불규칙 형상)과 같은, 상기 벽의 기체투과성에 영향을 주는 (따라서 CPOX 반응에 영향을 미치는) 특성들; CPOX 반응 혼합물의 유량, CPOX 온도, 배압 등이다.
특정 기체 연료 CPOX 개질장치의 소망하는 기계적 성능 특성들은, CPOX 반응기 유닛들의 구성에 사용된 물질의 열적 및 기계적 특성들, CPOX 반응기 유닛들의 벽들의 기체투과성 구조의 기공들의 용적 및 모폴로지, 반응기 유닛들의 치수들, 특히 벽 두께, 및 관련 인자들과 같은 인자들에 상당한 정도로 좌우될 것이다.
적절하게 기능하는 기체 연료 CPOX 개질장치를 위하여, 기상 CPOX 반응구역을 둘러싸는 관형 CPOX 반응기 유닛의 촉매활성 벽 구조의 기체투과특성은, 기체 개질가능 연료가 상기 벽 구조를 통해 자유롭게 들어가서 확산하는 것을 허용하여, 표면 CPOX 촉매뿐만 아니라 존재하는 경우 내부 CPOX 촉매와도 효율적으로 접촉하게 하는 정도이어야 한다. 기화된 개질가능 연료를 위한 제한된 기체 투과성을 가지는 CPOX 반응기 유닛 벽 구조는, 기체 개질가능 연료의 수소-풍부 리포메이트로의 유의적인 CPOX 전환을 지연시키도록 제한된 물질 이동(mass transport)일 수 있음을 주목하여야 한다. 대조적으로, 적합한 기체 투과성을 가지는 촉매활성 반응기 벽 구조는 기체 개질가능 연료의 CPOX 전환 및 원하는 조성의 수소-풍부 리포메이트들에 대한 선택성(selectivity)을 촉진한다.
본 발명에 의해 가르침을 받은 당 분야의 기술자는 공지 및 통상의 테스트 절차들을 사용하여 프로세스될 특정 기체 개질가능 연료를 위한 최적의 기체 투과 특성을 나타내는 촉매활성 벽 구조를 가지는 CPOX 반응기 유닛들을 용이하게 구성할 수 있다.
관형 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 반응구역의 촉매활성 벽 구조가 제작될 수 있는 재료는, 이러한 벽 구조가 CPOX 반응들의 특성인 고온 및 산화환경에서 안정을 유지할 수 있게 하는 재료이다. 통상 및 공지의 내화 금속들, 내화 세라믹들, 및 이들의 조합들이 CPOX 반응구역의 촉매활성 벽 구조를 구성하는데 이용될 수 있다. 이러한 재료들 중 일부, 예를 들어 페로브스카이트들은 부분산화를 위한 촉매 활성을 보유할 수 있으므로, CPOX 반응구역의 촉매활성 벽 구조의 제작에 유용할 뿐만 아니라, 이러한 구조를 위한 CPOX 촉매의 일부 또는 심지어 전부를 제공할 수 있다.
일부 구체예들에서, CPOX 반응구역, 또는 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 촉매를 포함하는 CPOX 반응구역의 벽의 적어도 하나의 섹션은, 페로브스카이트로 만들어 질 수 있고, 또는 페로브스카이트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 벽 섹션의 약 20중량% 이상, 약 30중량% 이상, 약 40중량% 이상, 약 50중량% 이상, 약 60중량% 이상, 약 70중량%이상, 약 80중량% 이상, 또는 약 90중량% 이상이 페로브스카이트일 수 있다. 이러한 벽 섹션은 전부 페로브스카이트로 만들어질 수 있고, 또는 CPOX 반응기 유닛의 전체 벽이 페로브스카이트로 만들어질 수 있고, 또는 위에 설명한 퍼센트의 페로브스카이트를 포함할 수 있다. CPOX 반응구역에 대응하는 상기 벽 섹션 재료의 나머지는 페로브스카이트 이외의 금속들, 세라믹들, 내화 바인더들, 및 CPOX 촉매로부터 선택된 적어도 한 성분을 포함할 수 있다.
상기 페로브스카이트는 LaNiO3, LaCoO3, LaCrO3, LaFeO3 및 LaMnO3로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 페로브스카이트들은 란타늄 스트론튬 망가나이트, 란타늄 스트론튬 페라이트, 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트, 란타늄 칼슘 망가나이트, 란타늄 스트론튬 크로마이트, 란타늄 스트론튬 갈레이트 마그네사이드, 및 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 촉매로서 존재할 경우, 상기 페로브스카이트는 La1 -xCexFe2O3, LaCr1 - yRuyO3, La1 - xSrxAl1 - yRuyO3 및 La1 - xSrxFe2O3일 수 있고, 이들의 조합들을 포함하며, 여기서 x 및 y는 0.01 내지 0.5의 수이다. 또한, 다른 적절한 전이금속-도핑된 페로브스카이트들이 본 발명을 실시하는데 사용될 수 있다.
유용한 내화 금속들 중에는 티타늄, 바나듐, 크롬, 지르코늄, 몰리브덴, 로듐, 텅스텐, 니켈, 철, 및 그 유사물, 이들 상호 간의, 및/또는 다른 금속들과의, 및/또는 금속 합금들과의 조합들 등이 있다. 내화 세라믹은, 수많은 내화 금속 및 금속 합금에 비해 상대적으로 저가이기 때문에, 촉매활성 벽 구조의 구성에 유용한 물질이다. 이러한 세라믹들은 공지 및 통상의 기공-형성 방법을 이용하여 관형 기체-투과성 구조에 상당히 높은 재현성의 기공 형태를 비교적 용이하게 형성할 수 있으며, 세라믹들은 일반적으로 매우 만족스러운 구조적/기계적 특성(열팽창계수 및 열충격성능을 포함함) 및 화학적인 열화에 대한 저항성이 있어 매우 매력적인 물질이다. CPOX 반응구역(앞서 언급한 바와 같이, CPOX 반응기 유닛의 전제 벽 구조를 포함할 수 있음)의 구성에 적합한 내화 세라믹의 예는, 페로브스카이트, 스피넬, 산화마그네슘, 산화세륨, 안정화 산화세륨, 실리카, 산화티타늄, 산화지르코늄; 알루니마-안정화 산화지르코늄, 산화칼슘-안정화 산화지르코늄, 산화세륨-안정화 산화지르코늄, 산화마그네슘-안정화 산화지르코늄, 산화란탄-안정화 산화지르코늄 및 산화이트륨-안정화 산화지르코늄과 같은 안정화 산화지르코늄; 산화지르코늄 안정화 알루미나, 피로클로르, 브라운밀레라이트, 인산 지르코늄, 탄화규소, 이트륨 알루미늄 가넷, 알루미나, 알파-알루미나, 감마-알루미나, 베타-알루미나, 알루미늄 실리케이트, 코리더라이트, MgAl2O4, 및 그 유사물; 전체 내용이 본 출원에 참조문헌으로 통합되는 미국 특허 제6,402,989호 및 제7,070,752호에 개시된 다양한 세라믹들; 및 전체 내용이 본 출원에 참조문헌으로 통합되는 미국 특허 제7,001,867호 및 제7,888,278호에 개시된 다양한 세라믹들, 희토류 알루미네이트 및 희토류 갈레이트를 포함한다.
일반적으로, 주어진 설계의 CPOX 개질장치의 전체 또는 전반적인 연료 전환 용량(conversion capacity)은, 그 개별 CPOX 반응기 유닛들의 연료 전환 능력들의 합계일 것이다. 인접하는 CPOX 반응기 유닛들의 최소 간격은, 개질장치의 작동의 정상-상태 모드에서 반응기 유닛들의 온도가 미리결정된, 또는 미리설정된 최대값을 상회하지 않도록 설정되고; 인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최대 간격은, 이 간격을 상회하면, 기체 연료 CPOX 개질장치의 작동의 시동 모드중에 하나 이상의 반응기 유닛들 내에서 CPOX 반응이 개시되지 못하게 되는 간격, 또는 하나 이상의 CPOX 반응기 유닛들 내에서 온도가 개질장치의 작동의 정상-상태 모드에 의도된 사전결정된, 또는 사전설정된 최소값을 하회하는 간격이다. 인접하는 CPOX 반응기 유닛들의 상기한 최대 간격 및 최소 간격은 루틴한 테스트 방법을 이용하여 주어진 개질장치 섹션 설계에 대하여 용이하게 알아낼 수 있다.
본 발명은 공지 및 통상의 CPOX 촉매들(촉매 시스템 포함)의 사용, 다공성 기재 또는 지지체 내에, 구체적으로 CPOX 반응기 유닛의 기체-투과성 벽 내에 촉매를 합체하는 방법들, 및 촉매 분포 패턴들을 고려한다. 촉매 분포 패턴들의 비한정적인 예는, 벽의 특정 섹션에 국한시킨 촉매, 반응기 유닛의 길이를 따라 증가된 및/또는 벽의 내부 표면에서 외부 표면으로 감소된 촉매 충전량, 반응기 유닛의 길이를 따른 CPOX 촉매의 조성 변화, 및 유사 변형들(similar variants)을 포함한다. 예를 들어, CPOX 반응구역의 출발점으로부터 종점으로 또는 종점 근처로 CPOX 반응기 유닛의 벽 내의 촉매 충전량을 증가시키는 것은, 이 구역에서 일정한 CPOX 반응 온도를 유지하는데 도움이 될 수 있다.
본 발명에 이용될 수 있는 수많은 공지 및 통상의 CPOX 촉매들 중에는, 금속, 금속 합금, 금속 산화물, 페로브스카이트, 피로클로르, 이들의 혼합물들 및 조합들이 있으며, 그 예는 미국특허 5,149,156; 5,447,705; 6,379,586; 6,402,989; 6,458,334; 6,488,907; 6,702,960; 6,726,853; 6,878,667; 7,070,752; 7,090,826; 7,328,691; 7,585,810; 7,888,278; 8,062,800; 및 8,241,600호에 개시된 다양한 것들을 포함하며, 상기 특허문헌들의 전체 내용은 본 출원에 참조문헌으로 통합된다.
다수의 고활성 귀금속-함유 CPOX 촉매들이 알려져 있고, 이러한 촉매들은 본 발명에 이용할 수 있다. 하지만, 이러한 촉매들은 고가이고, 고온에서 소결하여 촉매 활성이 저하하는 경향이 있으며, 황에 오염되는 경향이 있기 때문에, 일반적으로 다른 종류의 공지된 CPOX 촉매들보다 덜 사용된다.
페로브스카이트 촉매는, CPOX 반응기 유닛의 촉매활성 벽 구조의 구성에도 적합하기 때문에, 본 발명에 유용한 CPOX 촉매류이다. 페로브스카이트 촉매들은 구조 ABX3를 특징으로 하며, 여기서 "A" 및 "B"는 크기가 매우 다른 양이온들이고, "X"는 상기 두 양이온 모두에 결합하는 음이온(일반적으로 산소)이다. 적합한 페로브스카이트 CPOX 촉매의 예는 LaNiO3, LaCoO3, LaCrO3, LaFeO3 및 LaMnO3를 포함한다.
상기 페로브스카이트의 A-사이트 변성(A-site modification)은 일반적으로 열안정성에 영향을 미치는 한편, B-사이트 변성은 일반적으로 촉매 활성에 영향을 미친다. 페로브스카이트는, A 및/또는 B 사이트에서의 도핑(doping)에 의해 특정 CPOX 반응 조건에 맞게 변성될 수 있다. 도핑은 페로브스카이트 격자(lattice) 내에서 활성 도판트의 원자수준 분산을 유발하여, 페로브스카이트의 촉매 성능 열화를 억제한다. 페로브스카이트는 또한 CPOX 개질의 특성인 고온에서 황에 대한 우수한 저항성을 발현할 수 있다. CPOX 촉매로 유용한 도핑된 페로브스카이트의 예는, La1-xCexFeO3, LaCr1 - yRuyO3, La1 - xSrxAl1 - yRuyO3 및 La1 - xSrxFeO3 를 포함하며, 여기서 x 및 y는, 도판트의 용해한도(solubility limit) 및 코스트에 의존하며, 0.05 내지 0.5, 예를 들어 0.05 내지 0.2의 수이다.
도 4F와 관련지어 전술한 바와 같이, CPOX 반응기 유닛은 실질적으로 CPOX 촉매가 없는 제1, 상류, 부위를 포함할 수 있고, 그 유입구 말단으로부터 CPOX 촉매를 함유하는 제2, 하류, 부위로 연장할 수 있다. 상기 제2, 하류, 부위는 전형적으로 상기 제1 부위의 끝에서 리포메이트 유출물 유출구로 연장하고, 상기 유출구 근처에서 촉매의 양이 감소할 수는 있다. CPOX 반응기 유닛의 전체 길이에 대한 상기 부위들의 길이는 상당히 변화될 수 있다. 예를 들어, 제1 부위는 CPOX 반응기 유닛의 길이의 약 20% 내지 약 60%, 예를 들어, 약 30% 내지 약 40% 또는 약 50%로 연장할 수 있으며, 제2 부위는 상기 CPOX 반응기 유닛 길이의 나머지로 연장할 수 있다. 도 4A의 CPOX 개질장치(401)의 설명과 관련하여 설명한 바와 같이, CPOX 반응기 유닛의 정상-상태 작동중에, 제1 부위(452)은 {CPOX 반응구역(409)에 대응하는}제2 부위(453)보다 상당히 낮은 온도를 유지하므로, 도 4A의 매니폴드(426)의 매니폴드 하우징(428)을 수많은 종류의, 저가이고 성형용이한 임의의 열가소성 또는 열경화성 수지로 제작하는 것을 가능하게 한다.
CPOX 반응기 유닛(408)은, 도 4G에 도시된 원형 단면 이외에도, 도 4H 및 4I에 도시된 것과 같이 다른 단면형태를 가질 수 있다. 도 4H는 볼록-오목 교호형(alternating concave-convex) 혹은 땅콩형(bilobate) 단면을 가지는 CPOX 반응기 유닛을 도시한 것이다. 이러한 단면 형태를 가지는 CPOX 반응기 유닛들은, 특히 그 유출구 부위들이 유사한 형태의 관형 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 유닛들과 접합 또는 결합되는 경우에 유리할 수 있다. 이러한 형태의 전지 유닛은, 함께 계류중이며, 발명자들(Finnerty et al.)이 공동으로 본 출원인에게 양도한 미국특허출원 공개 제2013/0230787호에 개시된 SOFC 연료전지 어셈블리 및 연료전지 디바이스에 있으며, 상기 특허문헌의 전체 내용은 모든 목적을 위해 본 출원에 참조문헌으로 통합된다.
대안적으로, 또는 관형연료 전지 유닛에 CPOX 반응기 유닛의 직접 연결된 조합에서, 다중관형 CPOX 개질장치의 둘 이상의 CPOX 반응기 유닛들의 유출구들은, 상호 간에 (그리고 CPOX 반응기 유닛들의 추가 유출구들과) 서로 유체 연통할 수 있고, 상기 유출구들로부터의 수소-풍부 리포메이트는 연료 전지로 도입 전에 합쳐질 수 있다. 예를 들어, 둘 이상의 CPOX 반응기 유닛들로부터의 수소-풍부 리포메이트 유출물은 매니폴드 또는 유사 디바이스 및/또는 하나 이상의 도관에서 합쳐진 다음, 다중관형연료 전지 또는 단일 연료 전지 유닛일 수 있는 연료전지로 도입될 수 있다. 따라서, 본 발명의 CPOX 개질장치는 그 최종 용도에 따라, 예를 들어 수소-풍부 리포메이트를 단일 또는 다중 관형 연료 전지 유닛에 공급하는, 다양한 용도들에 적응될 수 있다.
도 4A의 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템 (400)은 개별 관형 SOFC 유닛들 (469) {그 중 두 구체예 ( 470 및 471)가 도 4J 및 도 4K에 각각 확대도로 상세하게 도시됨}로 구성된 SOFC 스택(468)을 특징으로 하는 연료전지 섹션(467)을 포함한다. 필요한 경우, 상기 관형 SOFC 유닛들은, 이들이 (도시되는 바와 같이) 직접 연결될 수도 있는, 개질장치 섹션(401)의 CPOX 개질장치 유닛들 (408)의 수 및 단면 형태에 대응하도록 만들어질 수 있다. 또한 상기 도시된 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템은, SOFC 스택 (468)을 나가는 스펜트 가스(spent gas) 또는 테일 가스의 연소를 위한 촉매 애프터버너 (472); 공기 플로우를 매니폴드 (474) 및 통로 (475)를 경유하여 SOFC 유닛들 (469)의 음극 측으로, 그리고 연소를 지원하기 위하여 애프터버너 (472) 로 구동하기 위한 윈심 블로워 시스템 473 {개질장치 섹션(401)의 원심 블로워 시스템 (402)의 구조와 동일하거나 유사하나 크기 및/또는 용량은 그렇지 않음}; SOFC 스택 (468) 과 애프터버너 (472)의 온도를 각각 모니터링하기 위한 열전대들(476 및 477); 애프터버너 가스 점화기 (478); 연소배기구 (481); 및 관형 SOFC 유닛들 (469)의 음극 및 양극 구성요소와 전기 접속관계의 집전기(479)를 포함한다.
도 4J에 나타낸 바와 같이, 관형 SOFC 유닛 (470)은 대체로 세장 원통형 구조형태를 갖는다. SOFC 유닛 (470)의 절결부는, 그 벽 구조가 전자들을 발생하는 내부 양극층(482), 전자들을 소비하는 외부 음극층(483), 이온들은 전도하나 전자들이 통과하는 것을 방지하는 중간 전해질 층(484)으로 구성되어 있음을 드러내 보여준다.
작동에 있어서, 개질장치 섹션으로부터 SOFC 스택으로 들어가는 리포메이트 중의 수소 및 임의의 다른 전기화학적 산화가능 성분(들)은 관형 SOFC 유닛의 양극층 내에서 산소 음이온들과 반응하여 물 및/또는 이산화탄소와 전자들을 산출한다. 상기 양극층에서 발생된 전자들은 외부 부하(external load)를 통해 이동하여 음극층으로 가고, 음극층에서 산소가 상기 전자들과 반응하여 전해질층과 양극층을 통해 선택적으로 통과하는 산소 음이온을 제공한다. SOFC 연료전지 스택의 관형 SOFC 유닛 내에서 발생하는 상기한 전기화학 프로세스들은 기본적으로 다른 종류/구조형태의 연료전지들, 구체적으로 도 5A-5D에 도시된 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템 구체예들의 연료전지 섹션들에서 발생하는 것과 동일하다.
도 4J 및 4K에 도시된 바와 같이, 관형 SOFC 유닛 470의 양극층 (482)의 적어도 하나의 부분은, 개질(예를 들어, CPOX 개질, 스팀 개질 및/또는 자기열 개질)을 위한, 워터 가스 시프트 반응을 위한, 또는 개질 및 워터 가스 시프트 반응 모두를 촉진하가 위한, 촉매 활성이 있는, 하나 이상의 촉매(485)를 포함할 수도 있고, 또는 상기 촉매와 접촉할 수도 있다. 촉매(들)의 제공은 개질장치 섹션으로부터의 리포메이트에 존재할 수도 있는 소비안된 기체 연료, 크래킹된 연료 및/또는 일산화탄소의 활용을 허용하여, 관형 SOFC 유닛 내에서 전기 전환을 위한 추가적인 수소를 제공한다. 적합한 촉매는 위에서 열거한 CPOX 촉매를 포함한다. 이러한 촉매들 중 다수는 또한 스팀 개질, 자기열 개질 및 워터 가스 시프트 반응에 촉매활성이다. 상기한 촉매의 CPOX 중에 맞닥뜨리는 전체 반응온도 범위(예를 들어, 250℃ 내지 900℃)에 걸친 열안정성, 그러므로 기체 연료 CPOX 리포메이트들이 관형 SOFC 유닛들의 양극 구성요소들과 접착하면서 전형적으로 발생하는 고온에서 열안정성은, 촉매로 기능하는데 매우 적합하게 하는 특성이다. 물(스팀)이 관형 SOFC 유닛들에 들어가는 리포메이트에 존재하고, 또한 SOFC 유닛들 내에서 발생하는 전기화학 반응의 부산물로 산출되기 때문에, 개질 반응들 및 워터 가스 시프트 반응 모두에 활성이 있는 촉매를 사용하는 것이 특히 유리하다.
선택된 촉매들은 함침, 코팅, 적층 등과 같은 공지 및 통상의 임의의 적합한 기법을 이용하여 관형 SOFC 유닛들의 양극 구성요소의 표면 내에 및/또는 상기 표면 위에 합체(예를 들어, 함침)될 수 있다. 일반적으로, 양극 구성 요소의 길의의 약 80% 이하가 양극 구성요소의 중량 기준으로 1-10 중량퍼센트의 금속 충전량을 갖는 하나 이상의 촉매를 함유 또는 포함하는 것이 적당하다.
CPOX 반응기 유닛과 관형 SOFC 유닛을 단일의 연속하는 관형 몸체(body)로서 제공하는 것은 본 발명의 범위 내에 있으며, 상기 몸체의 구성요소들, 구조 및 치수 특성들은 구별되는 개질장치 섹션 및 연료전지 섹션을 제공하기 위한 필요에 따라 마련된다. 이러한 관형 개질장치-연료전지 몸체를 제조하는데 특히 유리한 프로세스들이 함께 계류중이고 발명자들(Finnerty et al.)이 공동으로 본 출원인에게 양도한 미국특허출원 공개 제2013/0056911호, 및 함께 계류중이고 발명자들(Finnerty et al.)이 공동으로 본 출원인에게 양도한 미국특허출원 공개 제2013/0059223호에 개시되어 있으며, 상기한 특허문헌들의 전제 내용은 모든 목적을 위하여 본 출원에 참조문헌으로 통합된다.
또한, 예를 들어 전체 내용이 모든 목적을 위하여 본 출원에 참조문헌으로 통합되는, 함께 계류중이고 발명자들(Finnerty et al.)이 공동으로 본 출원인에게 양도한, 미국 특허출원 공개 제2013/0230787호의 가르침에 따르는, 관형 SOFC 스택에 대하여 집전기 구성요소들을 제공하는 것은 본 발명의 범위 내에 있다. 상기 문헌에서 설명된 바와 같이, 집전기 구성요소들과, 상기 집전기 구성요소들이 전기적으로 접속되는 관형 SOFC 스택은, 상기 스택의 작동 중에 상기 집전기 구성요소들이 결합된 전극들로부터 결국에는 떼어지거나 또는 분리되는 성향 (이러한 일이 발생하면 시간이 경과하면서 유의적인 저항손실들을 초래하기 쉬움)을 억제하는 방식으로 설계되어 구성된다.
미국특허출원 공개 제2013/0230787호에 설명된 집전기/연료전지 스택 어셈블리에 사용되는 관형 SOFC 유닛의 하나의 구체예는, 이들의 적어도 하나의 부분에 대하여, 도 4K의 SOFC 유닛 (471)에 나타낸 바와 같은 대체로 땅콩형인 단면을 갖는다. 본 발명의 연료전지 섹션을 설계할 때, 도 4K에 나타낸 단면을 가지는 관형 SOFC 유닛과, 도 4H에 도시된 바와 같이 이에 대응하는 형태를 갖는 CPOX 반응기 유닛들을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 두 종류의 유닛을 결합하는 것은 단순화될 수 있고, 관형 CPOX 반응기 유닛으로부터 SOFC 유닛에 이르는 또는 SOFC 유닛을 통과하는 기체 플로우 패턴의 붕괴(disruption)가 최소화되거나 또는 줄어들 수 있다,
기체 CPOX 개질장치(401)의 원심 블로워 시스템(402) 및 연료전지 섹션 (467)의 원심 블로워 시스템 (473)은, 도 4 L 및 4M에 상세하게 도시되고, 함께 계류중이고 발명자들(DeWald et al.)이 공동으로 본 출원인에게 양도한 미국특허출원 공개 제2012/0328969호에 개시되어 있다. 상기 특허문헌은 그 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 출원에 참조문헌으로 통합된다. 그 장점들 중에, 원심 블로워 시스템이 생성 수소-풍부 리포메이트의 요구량 변화에 응답하여 도관으로 도입된 공기의 용량, 및/또는 개질장치 섹션 및 연료전지 섹션 각각에서 구동되는 기체들의 유량을 신속하게 조절하는 능력을 보유할 수 있는 장점이 있다. 대등한 공기 유량의 단일 원심 블로워는, 상대적으로 많은 전력을 소모하는 블로워에 의존하지 않고는 위에서 설명한 바와 같은 능력을 제공하는 것이 불가능하다.
공지 및 통상의 개질장치 작동을 위하여 기체 플로우들을 제공하는데 이용되는 것과 같은 단일 원심 블로워는, 변동하는 기체 플로우 요구량에 부합하기 위하여 모터의 분당 회전수(rpm) 전체 범위의 적합한 제어를 필요로 한다. CPOX 개질장치 또는 일체화된 개질장치-연료전지 시스템의 특정 작동 모드를 위한 목표 기체 플로우 요건에 의존하여, 이 요건에 부합하기 위한 단일 블로워의 최적 성능은, 상대적으로 높은 rpm (예를 들어 약 20,000 rpm 이상)에서 구동되는 상대적으로 작은 크기의 임펠러를 가지는 블로워를 사용하는 것, 또는 상대적으로 낮은 rpm(예를 들어, 약 20,000 rpm, 보통은 약 10,000 rpm 이하)에서 구동되는 상대적으로 큰 크기의 임펠러를 가지는 블로워를 사용하는 것을 수반할 수 있다. 위의 제1 장치구조, 즉 상대적으로 높은 rpm으로 구동되는 상대적으로 작은 임펠러를 가지는 단일 블로워는, 이에 상당하는 작동을 위하여 보다 많은 전력 소비를 요하는, 보다 강력하고 특수화된 모터를 필요로 한다. 위의 제2 장치구조, 즉 상대적으로 낮은 rpm으로 구동되는 상대적으로 큰 임펠러를 가지는 단일 블로워는, 대형 임펠러의 더 큰 관성(inertia)으로 인해 블로워 출력의 제어 및 미세조정을 더 어렵게 할 수 있다.
개질장치 섹션 및 연료전지 섹션을 위한 목표 압력 요건 및 기체 플로우 요건의 오버슈팅(overshooting)을 방지하기 위하여, 상대적으로 높은 관성의 임펠러를 가지는 단일 블로워는, 예측된 범위의 기체 압력 및 유량을 위하여 블로워를 조절할 때 오버댐핑(overdamping) 되어야만 한다. 임펠러의 상대적으로 높은 관성을 보상하기 위한 오버댐핑의 결과는, 기체 플로우 요건들을 변화시키는 것, 경우에 따라 신속히 변화시키는 것에 블로워가 느리게 반응하는 것을 초래할 수 있다. 상대적으로 높은 관성의 임펠러를 가지는 단일 원심 블로워의 특징인, 이와 같은 느린 반응은 기체 플로우 요구량의 변화에 만족할만하게 반응하기 위하여 더 복잡한 제어시스템을 필요로 할 수 있다.
일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템에서 기체 플로우들을 구동하는데 원심 블로워 시스템을 이용하는 것이, 그 시스템으로 하여금 목표 기체 플로우 요건 및 기체 압력 요건에 신속하게 부합하는 데 있어서의 낮은 구동모터 rpm 및 전력 소비(power draw) 뿐 아니라 제어용 임펠러의 낮은 관성의 혜택을 받도록 해준다. 목표 기체 압력 및 기체 플로우의 주요 부분, 예를 들어 목표 기체 압력 및 기체 플로우의 약 60% 내지 약 90%를 제공하도록 원심 블로워 시스템과 같은 상호연결된 블로워들의 시리즈에서 하나 이상의 블로워 유닛을 제어하는 것은, 목표 기체 압력 및 기체 플로우의 나머지가 상기 시스템의 하나 이상의 다른 블로워 유닛에 의해 제공될 수 있게 한다. 이중 원심 블로워 시스템(402 및 473)으로 예시되는 바와 같이, 적어도 둘의 통합된, 즉 상호연결된, 원심 블로워들 사이의 일체화된 CPOX 개질장치-연료전지 시스템에 목표 기체 플로우 및 압력을 공급하는 임무의 분할 결과는, 이러한 플로우와 압력을 단일 원심 블로워 유닛으로 가능한 것보다 더 짧은 시간에 더 정확하게 도달하게 하는 결과를 가져온다. 이에 더하여, 상기 블로워 임펠러들이 그 작동에 높은 rpm을 필요로 하지 않기 때문에, 원심 블로워 시스템에서 전력 소비와 노이즈 레벨을 낮출 수 있다.
도 4L 및 4M에 나타낸 바와 같이, 원심 블로워 시스템(402) {이에 대한 설명은 원심 블로워 시스템 (473)에 적용됨}은, 덕트(488)를 통해 제2 원심 블로워 유닛(487)에 연결된 제1 원심 블로워 유닛(486)을 포함한다. 제1 블로워 유닛(486)은, 축방향 유입구(490)와 반경방향 유출구(491)를 갖는 케이싱(489), 주위 공기를 제1 압력에서 축방향 유입구(490)로 흡인하고 이보다 높은 제2 압력에서 반경방향 유출구(491)를 통해 배출하기 위하여 상기 케이싱(489)내에 배치되는 임펠러(492), 및 임펠러(492)를 구동하기 위한 전기 모터(493)를 포함한다. 제2 블로워 유닛(487)은, 케이싱(494)[도 4J에서 덕트 (488)의 절결부에 의해 보여짐), 케이싱(494) 내에 배치되며 전기 모터(496)에 의해 구동되는 임펠러(495), 및 제1 블로워 유닛(486)의 유출구(491)로부터 배출되는 기체를 받아들이기 위한 축방향 유입구(497)를 포함한다. 제2 블로워 유닛(487)은 반경방향 유출구(498) 및 유출구 기체 스트림 하우징(499)을 더 포함하며, 후자의 배출단(discharge end)은 도관, 예를 들어 점선으로 나타낸 바와 같이 도 4A의 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션(401)의 도관(404)의 일단에 연결될 수 있다.
도 4L 및 4M에서 화살표들은, 원심 블로워 시스템(402)을 구성하는 블로워들의 시리즈에서 각 블로워 유닛의 반경방향 유출구를 통한 주위 공기의 기본 방향(general direction)을 가리킨다. 예를 들어 도 4L에 도시된 바와 같이, 제1 블로워 유닛(486)의 유출구(491)를 통해 배출된 주위 공기스트림의 궤적과, 제2 블로워 유닛(487)의 유출구(498)를 통해 배출된 주위 공기스트림의 궤적은 각각의 유출구들에 대해 평행하지 않고, 약간의 각도를 이룬다. 유출구(491)를 통해 배출된 주위 공기스트림을 받아들이기 위한 덕트(488)의 기하학적 구조를, 상기 덕트의 내부 벽들에 대해 상기 스트림이 대체로 평행을 유지하는 방식으로 구성하는 것에 의해, 그렇지 않은 경우에 발생하여 상기 스트림이 상기 벽들에 악영향을 미치게 하는 난류(turbulence)를 방지 또는 감소시키는 것이 가능하게 될 수 있다. 난류는 원심 블로워 시스템의 배압의 근원이기 때문에 줄이거나 제거하기 위해서 난류를 최소화하거나 방지하는 것이 유리할 수 있다. 이와 같은 이유로, 기체 스트림 하우징(499)의 각도를 그 내측 벽이 제2 블로워 유닛(487)의 유출구(498)를 통해 배출되는 주위 공기의 궤적과 대체로 평행하게 되도록 구성하는 것이 유리할 수 있다. 그 기체 스트림에 대한 덕트의 내벽의 최적의 기하학적 구조 및 기체 스트림 하우징의 최적의 오프셋 각도(angle of offset)는 주어진 원심 블로워 시스템 대하여 루틴한 실험을 이용하여 쉽게 알아낼 수 있다. 원심 블로워 시스템(402)에서, 덕트(488)의 내부, 또는 안내, 표면들과, 기체 스트림 하우징 (499 및 491)의 내부, 또는 안내, 표면은 약 12도 내지 약 20도, 예를 들어 약 14도 내지 약 18도의 각도(α)를 이룰 수 있다.
본 발명의 추가 구체예들로서, 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템들(도 5A의 500, 도 5B의 520, 도 5C의 540 및 도 5D의 560)은, 도 4A-4D의 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템 (400)의 대부분의 구성요소들 및 특징들을 포함하고, 시스템 (400)과 본질적으로 같은 방식으로 작동하므로, 이들의 차이점에 대해서만 후술하기로 한다.
도 5A에 도시된 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템 (500)에서, 평면형 연료전지 섹션 (501)은, 공기를 연료전지의 음극 측으로, 그리고 스펜트 가스들의 연소를 지원하기 위하여 애프터버너 (503)로 도입하는 원심 블로워 시스템 (502)을 포함한다. 원심 블로워 시스템 (504)은 기체 연료 CPOX 개질장치 섹션(506)의 도관( 505)으로 공기를 도입하고, 상기 공기는 하류에서 프로판과 같은 기체 개질가능 연료와 합쳐져 기체 CPOX 반응혼합물을 제공한다. 다음, 상기 기체 CPOX 반응혼합물은 CPOX 반응기 유닛들 (507) 내에서 수소-풍부 리포메이트로 전환되고, 이어서 상기 수소-풍부 리포메이트는 연료전지들의 양극 (연료) 측으로 유동한다. 그 구조 및 그 작동 모드들의 다른 측면에서, 일체화된 개질장치-연료전지 시스템 (500)은 도 4A의 일체화된 개질장치-연료전지 시스템 (400)과 거의 같다.
도 5B에 도시된 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템 (520)은, 단부 폐쇄형 관형 SOFC 유닛 (524) 내의 각 관형 CPOX 반응기 유닛 (523)의 길이의 일부의 배치로 인하여 특히 콤팩트한 구조형태의 개질장치 섹션( 521)과 연료전지 섹션 (522)을 가지며, 이러한 장치구조는 CPOX 반응기 유닛의 외부 표면과 SOFC 유닛의 내부, 또는 양극, 표면과의 사이에 기체 플로우 통로( 525)를 제공한다. CPOX 반응기 유닛으로부터의 수소-풍부 리포메이트 플로우는 통로(525)로 들어가, 거기서 관형 SOFC 유닛의 양극 표면과 접촉한다. 다른 측면들에서, 일체화된 개질장치-연료전지 시스템 (520)의 구조 및 작동은 도 5A의 시스템(500)과 유사하다.
도 5C에 도시된 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템 (540)은, 도 4A의 시스템 (400)의 것과 유사한 개질장치 섹션 (542)에 결합된 모노리쓰형 연료전지 섹션(541)을 포함한다. 일체화된 개질장치-연료전지 시스템(540) 의 작동은 도 5A의 시스템 (500)과 유사하다.
도 5D에 도시된 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템 (560)은, PEM 유형의 연료전지 섹션 (561) 및 개질장치 섹션 (562)을 포함하며, 여기서 개질장치 섹션에서 생산된 수소-풍부 리포메이트의 일산화탄소 함량은 일산화탄소 감량 또는 유사 디바이스(563)에 의해 연료전지의 신뢰할수 있는 작동에 도움이 되는 레벨, 예를 들어 PEM 촉매의 어떠한 눈에 띄는 오염도 방지하기에 충분히 낮은 레벨로 감소된다. 다른 측면들에서, 일체화된 개질장치-연료전지 시스템 (560)의 작동은 도 4A의 시스템 (400)과 유사하다.
도 6A는 프로판-공기CPOX 반응 혼합물들의 산소(O) 대 탄소(C) 몰비와 CPOX 반응 온도 사이의 관계를 보여주는 데이터 그래프를 제시한다. 상기 데이터가 보여주는 바와 같이, CPOX 반응 혼합물들의 산소(O) 대 탄소(C) 몰비가 점차 감소함에 따라, 즉 상기 반응 혼합물이 상대적인 탄소-부족 반응혼합물로부터 상대적인 탄소-풍부 반응혼합물로 조절됨에 따라, CPOX 반응 온도는 감소한다. 이러한 데이터는 본 발명에 따르는 기체 연료 CPOX 개질장치의 최적화된 작동을 위한 여러가지 의미를 내포하고 있다.
CPOX 촉매의 신속한 가열을 촉진하기 위하여, 결과적으로, 기상 CPOX 반응의 시작을 촉진하기 위하여, 높은 O 대 C 몰비를 가지는 기체 CPOX 반응 혼합물(즉, 연료-부족 반응혼합물)이 본 개질장치의 작동의 시동 모드 중에 이용될 수 있다. 연료-부족 반응혼합물과 연관된 더 높은 작동 온도는, CPOX 촉매 온도의 더 신속한 증가와, 정상-상태 작동에 대한 더 단축된 시간을 가능하게 할 수 있다. 이에 더하여, 연료-부족 비는, CPOX 촉매가 최적의 온도를 이루어 완전히 활성화되기 전에, 코크스 형성을 억제하는데 도움을 준다. 일단, CPOX 촉매가 약 650℃ 이상의 온도에 도달하면, O 대 C 몰비는 연료 플로우가 증가됨에 따라 감소될 수 있다. O 대 C 몰비를 감소시키는 것은 촉매 온도를 낮추고, CPOX 반응기 유닛들의 열적 제어를 상실함이 없이 더 많은 연료가 처리되는 것을 가능하게 한다. 그 반대 작용이 정지 작동을 위해 취해 질 수 있다. 즉, 유지된(maintained) O 대 C 몰비에서 연료 플로우가 줄어든다. CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응구역들의 온도가 코크스 형성을 초래하는 온도 아래로, 예를 들어 약 650℃ 아래로 접근 또는 하회하기 시작함에 따라, 상기 O 대 C 몰비는 증가되어, CPOX 촉매가 비활성화되는 원인이 되는 코크스형성을 방지 또는 최소화할 수 있다. 전형적으로, CPOX 개질장치는, CPOX 반응 혼합물의 온도가 약 500℃를 하회할 때, 정지될 수 있다. 산소-함유 기체의 플로우는, 연료 플로우가 중지된 후에 약 15 내지 20초 정도까지 계속될 수 있다. 이러한 정지 절차는, 제어 밸브와 도관내로 연료의 도입 장소 사이의 도관 또는 연료 라인의 한 부위 내에 들어있을 수 있는, 개질장치로부터의 연료의 제거를 허용한다. 이러한 제어 특성은, 구체적인 개질장치 설계에 활용되는 특정 제어기 유닛 구성요소들을 포함하는 다양한 개질장치 구성요소들에 의해 영향을 받을 수 있다.
연료-공기 CPOX 반응 혼합물의 O 대 C 몰비는 작동중에 그 아웃풋 열적 조건들에 맞추도록 조절될 수 있고, O 대 C 몰비의 변화는 리포메이트의 품질 및/또는 조성의 변화를 유발할 수 있음을 이해하여야 한다. CPOX 온도가 약 650℃ 위로 증가함에 따라 연료-부족에서 연료-풍부로 시프트하는 O 대 C 몰비의 범위가 있다. 상이한 CPOX 촉매들은 조작상의 윈도우들(operational windows) 및 CPOX 온도들에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 상이한 연료들은 개질반응들의 효율에 의존하여 CPOX 온도들을 변경시킬 수 있다.
도 6B는 본 발명의 일체화된 CPOX 개질장치-연료전지 시스템의 개질장치 섹션에 대한 프로판 연료 유량(mL/min)과, 상기 일체화된 시스템의 연료전지 섹션으로부터의 전류 출력(암페어)과의 관계를 보여주는 데이터 그레프를 제시한다.
당 분야의 기술자는, 본 명세서에서 설명된 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치-연료전지 시스템들의 다양한 구체예들과 그 작동 원리를 참작하고, 루틴한 실험 절차들을 이용하는 것에 의해서, 본 발명에 따르는 소망하는 기체 개질가능 연료 전환 능력 및 전력 아웃풋 능력, 구조적 특징들, 및 기계적 특성들을 갖는 특정한 일체화된 CPOX 개질장치-연료전지 시스템의 설계를 용이하게 최적화할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 또는 본질적인 특징에서 벗어나지 않는 다른 특정 형태들의 구체예들을 망라한다. 그러므로 전술한 구체예들은 모두 예시적인 관점에서 고려된 것이며 여기서 설명된 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 본 발명의 범위는 전술한 설명에 의한 것보다는 첨부하는 청구범위에 의해 표시되며, 본 청구범위와 등가의 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경들은 청구범위 안에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. 이격된 촉매 부분 산화(CPOX) 반응기 유닛들의 어레이, 점화기, 연료전지 유닛, 및 집전기(current collector)를 포함하여 구성되고,
    각각의 CPOX 반응기 유닛은, 내부 표면과 외부 표면이 있는 기체-투과성 벽을 가지는 세장관(elongate tube)을 포함하여 구성되고, 상기 기체-투과성 벽은 개구형 기체 플로우 통로를 둘러싸고 상기 CPOX 반응기 유닛의 유입구 및 유출구를 구획하며, 상기 개구형 기체 플로우 통로는 CPOX 반응기 유닛의 유입구로부터 유출구로 연장하는 중공 보어이고,
    하나의 CPOX 반응기 유닛이 적어도 상기 어레이의 인접하는 CPOX 반응기 유닛(들)과 열 연통하고,
    CPOX 촉매가 상기 기체-투과성 벽의 적어도 하나의 섹션에 포함되며;
    상기 점화기는, 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛의 상기 CPOX 촉매와 열 연통하고;
    상기 연료전지는, 양극과 음극, 그리고 이들 사이에 배치되는 전해질을 포함하여 구성되고, 상기 양극은 상기 CPOX 반응기 유닛의 유출구와 유체 연통하고, 상기 음극은 산소-함유 기체와 유체 연통하며;
    상기 집전기는, 상기 연료전지 유닛의 양극 및 음극에 전기적으로 결합되는,
    일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치 및 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 수소 배리어가, CPOX 반응기 유닛의 적어도 상기 CPOX 촉매-포함 벽 섹션의 외부 표면과 결합되는, 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치 및 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최대 간격은, 이 간격을 상회하면, 미리결정된 최소온도에서 작동하는 가동중의 CPOX 반응기 유닛으로부터의 열이 인접하는 CPOX 반응기 유닛에서 CPOX 반응을 개시하지 못하고, 그리고/또는 정상상태 작동 모드 중에 상기 이격된 CPOX 반응기 유닛들의 어레이의 온도가 미리결정된 최소 어레이 온도를 하회하는 간격이며; 인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최소 간격은, 이 간격을 하회하면, CPOX 반응기 유닛의 유출구에서의 온도가 미리결정된 최대 온도를 상회하는 간격인, 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치 및 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 미리결정된 최대 온도가, CPOX 반응기 유닛의 유출구와 열 및 유체 연통하는 연료 전지 스택의 유입구에 의해 허용되는 온도인, 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치 및 연료전지 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 수소 배리어가 가압 유체를 포함하여 구성되는, 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치 및 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 하나보다 많은 점화기를 포함하여 구성되며, 각 점화기가 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 촉매와 열 연통관계로 위치되는, 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치 및 연료전지 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 연료전지가 관형 고체 산화물 연료전지 유닛들의 어레이를 포함하여 구성되고, 상기 CPOX 반응기 유닛의 유출구가 연료전지 유닛의 유입구에 직접 연결되며, 상기 연료전지 유닛의 유입구가 상기 연료전지 유닛의 양극과 유체 연통하는, 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치 및 연료전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연료전지 유닛의 유출구와 유체 연통하는 애프터버너(afterburner)를 포함하여 구성되는, 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치 및 연료전지 시스템.
  10. 제1항의 일체화된 기체 연료 CPOX 개질장치 및 연료전지 시스템을 사용하여 기체 개질가능 연료의 수소-풍부 리포메이트로의 CPOX 개질 및 수소-풍부 리포메이트의 전기로의 전기화학적 전환을 위한 방법으로서,
    기체 개질가능 연료를 포함하여 구성되는 기체 CPOX 반응 혼합물을 CPOX 반응기 유닛들의 유입구로 도입하는 단계;
    점화기에 의해 상기 기체 CPOX 반응 혼합물의 촉매 부분 산화를 개시하여 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛에서 수소-풍부 리포메이트의 생산을 시작하는 단계;
    상기 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛에서 상기 기체 CPOX 반응 혼합물의 촉매 부분 산화를 유지하는 단계; 및
    상기 수소-풍부 리포메이트를 연료전지 유닛 내에서 전기로 전환하는 단계를 포함하여 구성되며;
    상기 적어도 하나의 CPOX 반응기 유닛의 기체-투과성 CPOX 촉매-포함 벽 섹션은 기체 CPOX 반응 혼합물을 그 안에서 확산하는 것과, 생성 수소-풍부 리포메이트를 그로부터 확산하는 것을 허용하는,
    기체 개질가능 연료의 수소-풍부 리포메이트로의 CPOX 개질 및 수소-풍부 리포메이트의 전기로의 전기화학적 전환을 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서, 수소 배리어가 CPOX 반응기 유닛의 적어도 CPOX 촉매-포함 벽 섹션의 외부 표면에 결합되는, 기체 개질가능 연료의 수소-풍부 리포메이트로의 CPOX 개질 및 수소-풍부 리포메이트의 전기로의 전기화학적 전환을 위한 방법.
  12. 제10항에 있어서, 인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최대 간격은, 이 간격을 상회하면, 미리결정된 최소 온도에서 작동하는 가동중의 CPOX 반응기 유닛으로부터의 열이 인접하는 CPOX 반응기 유닛에서 CPOX 반응을 개시하지 못하고, 그리고/또는 정상상태 작동 모드 중에 CPOX 반응기 유닛의 온도가 미리결정된 최소 어레이 온도를 하회하는 간격이며; 인접하는 CPOX 반응기 유닛들 사이의 최소 간격은, 이 간격을 하회하면, CPOX 반응기 유닛의 유출구에서의 온도가 미리결정된 최대 온도를 상회하는 간격인, 기체 개질가능 연료의 수소-풍부 리포메이트로의 CPOX 개질 및 수소-풍부 리포메이트의 전기로의 전기화학적 전환을 위한 방법.
  13. 제10항에 있어서, CPOX 개시 단계가, 하나의 CPOX 반응기 유닛에서 CPOX 반응을 개시하는 단계; 및 상기 CPOX 반응으로부터의 열을 인접하는 CPOX 반응기 유닛에 전달하여, 거기서 CPOX 반응을 개시하는 단계;를 포함하여 구성되는, 기체 개질가능 연료의 수소-풍부 리포메이트로의 CPOX 개질 및 수소-풍부 리포메이트의 전기로의 전기화학적 전환을 위한 방법.
  14. 제10항에 있어서, CPOX 개시 단계가, 하나보다 많은 점화기를 시동하여 상기 CPOX 반응기 유닛들의 각각에서 상기 기체 CPOX 반응 혼합물의 CPOX를 개시하는 단계를 포함하여 구성되며, 상기 점화기들의 수가 상기 CPOX 반응기 유닛들의 수보다 적은, 기체 개질가능 연료의 수소-풍부 리포메이트로의 CPOX 개질 및 수소-풍부 리포메이트의 전기로의 전기화학적 전환을 위한 방법.
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