KR101921361B1 - 환원 가스 발생기 및 환원 가스의 발생 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 구현예는 독특한 환원 가스 발생기이다. 다른 구현예로는 독특한 환원 가스의 발생 방법이다. 다른 구현예로는 환원 가스를 발생하기 하기 위한 장치, 시스템, 기기, 하드웨어, 방법 및 이들의 조합을 포함한다. 본 발명의 추가 구현예, 형태, 특징, 태양, 이점 및 장점은 발명의 상세한 설명 및 도면으로부터 명확해질 것이다.

Description

환원 가스 발생기 및 환원 가스의 발생 방법{Reducing gas generators and method for generating a reducing gas}
본 출원은 2009년 9월 4일에 출원한 "연료 전지의 시동 및 정지에 사용할 수 있는 가스 발생 장치"를 명칭으로 하는 미국특허출원 제12/554,460호와 2009년 9월 4일에 출원한 "연료 전지의 시동 및 정지에 사용할 수 있는 가스 발생 방법"을 명칭으로 하는 미국특허출원 제12/554,039호의 일부계속출원으로서 이들 각각은 참고로 본 명세서에 기재되어 있다.
본 발명은 에너지성에 의해서 부여된 DE-FC26-08NT01911의 정부 지원으로 준비된 것이다. 정부는 본 발명에 대해 특별한 권리를 갖는다.
본 발명은 엔진에 관한 것으로, 특히 개질 연료가 공급되는 엔진, 및 그러한 엔진의 작동 방법에 관한 것이다.
개질 연료를 효과적으로 사용하는 엔진 시스템은 관심 영역에 속한다. 일부 존재하는 시스템은 특정 적용 분야와 관련해서 여러 가지 결점, 단점 및 불리한 점이 있다.
따라서, 이러한 기술 영역에서 추가적인 기여를 위한 필요성이 남아 있다.
본 발명의 한 구현예는 독특한 환원 가스 발생기이다. 다른 구현예로는 독특한 환원 가스의 발생 방법이다. 다른 구현예로는 환원 가스를 발생하기 하기 위한 장치, 시스템, 기기, 하드웨어, 방법 및 이들의 조합을 포함한다. 본 발명의 추가 구현예, 형태, 특징, 태양, 이점 및 장점은 발명의 상세한 설명 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
이하 본 발명은 첨부하는 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명하며, 여러 도면에서 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 환원 가스 발생기를 포함하는 도 1의 연료 전지 시스템을 더욱 상세하게 도시한 개략도이다.
도 3a-3d는 본 발명의 구현예에 따른 환원 가스발생기를 사용하는 연료 전지의 시동 및 정지 방법을 도시한 플로우 차트이다.
도 4는 본 발명의 구현예에 따른 환원 가스 발생기의 촉매 반응기에서 촉매 변환 파라미터를 도시한 플롯이다.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 구현예에 따른 산화 시스템의 비한정 실시예의 일부 태양을 개략적으로 예시한 것이다.
도 6은 일정한 메탄 변환에서의 산소 백분율에 대해 플롯된 개질 가스에서의 가연성 함량을 예시한 것이다.
본 발명의 원리의 이해를 돕기 위하여 도면에 예시한 구현예를 참조하여 기재할 것이며, 이러한 구현예를 설명하기 위해서 특정한 용어를 사용할 것이다. 그럼에도, 본 발명의 예시문과 구현예에 대한 설명에 의해서 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 더욱이 예시 및/또는 설명된 구현예를 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.
도면과 관련하여, 특히 도 1은 본 발명의 구현예에 따른 연료 전지 시스템(10)의 개략도를 도시한 것이다. 연료 전지 시스템(10)은 하나 이상의 연료 전지(12)를 포함하며, 그리고 환원 가스 발생기(14)를 포함한다. 연료 전지 시스템(10)은 예를 들면 전력선(18)을 통해서 전력 부하(16)로 전력을 제공하도록 구성되어 있다. 본 발명에서, 연료 전지(12)는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)이지만, 본 발명은 다른 타입의 연료 전지, 예를 들면 알칼리 연료 전지, 용융 탄산염 연료 전지(MCFC), 인산 연료 전지(PAFC), 양성자 교환막(PEM) 연료 전지와 같은 것을 채용할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 환원 가스 발생기(14)는 가연 성분(주로 수소-H2 및 일산화탄소-CO)을 가지는 환원 가스를 발생시키도록 구성되어 있으며, 여기서 가연 성분은 대략 3% 내지 약 45%의 조성 범위 내에서 변할 수 있다. 다른 구현예로서, 다른 조성 범위, 예를 들면 일부 구현예에서는 대략 2% 내지 50%의 범위의 가연 성분, 일부 구현예에서는 1% 내지 60%의 가연 성분을 채택할 수 있다. 아래에서 언급하는 바와 같이, 본 구현예의 환원 가스 발생기(14)는 출발 가스를 연료 전지(12)의 시동시, 예를 들면 발전 이전에 시스템을 가열하는 동안 산화로부터 연료 전지(12)의 양극을 보호하는 주된 기능을 하는 환원 가스의 형태로 산출할 수 있도록 재단되어 있다. 발전이 시작되면, 환원 가스는 오프로 전환된다.
도 1의 구현예에서, 본 발명의 구현예의 태양 간에 각종 특징들, 구성 요소들 및 상관 관계들이 설명되어 있다. 그러나 본 발명은 도 1의 특별한 구현예로 한정되는 것은 아니며, 이들 간의 구성 요소들, 특징들 및 상관 관계들이 도 1에 예시되어 있고, 여기서 기재하기로 한다. 예를 들어, 본 발명에 의해서 포함되는 다른 구현예들, 도면 및 상세한 설명을 통해서 여기서 명시적으로 그리고 함축적으로 기재하는 것에 의해 분명하게 되며, 청구범위의 설정은 그들 간의 구성 요소들, 특징들 및/또는 상관 관계들을 다수 또는 소수로 포함될 수 있으며, 및/또는 도 1에 예시 및 여기서 기재한 것과 비교해서 유사 및/또는 다른 기능을 수행하기 위해서 채택될 수 있는 동일 및/또는 다른 본성 및/또는 그들 간의 상관 관계를 가지는 다른 구성 요소 및/또는 특징들이 채택될 수 있다.
도 2에 연료 전지(12)와 환원 가스 발생기(14)에 관해 상세하게 기재되어 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 정지에 사용하는 가스를 발생시키기 위하여 구성되어 있는 것이다.
음극(20)은 전기 전력선(18)을 통해서 전기 부하(16)에 전기적으로 연결되어 있으며, 양극(24)은 다른 전기 전력선(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)과 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 태양으로, 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 메커니즘은 종종 온도에 의존하며, 전해질(22)을 통과하는 산소 투과성 또는 단락된 전류 흐름에 의해 유도된 산소 전이를 포함하고 있다. 또한, 물리적 누출 메커니즘은 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 압축 공기와의 혼합 가능성이 낮아지므로 연료 전지(12) 시동시 고온에서 환원 강도를 더 크게 할 수 있다. 추가로 이러한 혼합물은 많은 양의 혼합물이 생성된다기보다는 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 가연 성분을 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 가스가 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 정지하는 경우, 예를 들어 양극(20)을 보호하기 위해서 환원 가스 발생기(14)를 신속히 시동시킬 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)를 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 태양 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 것뿐이다. 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 제어기(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 제어기(44)와 연료 제어 밸브(46)는 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)은 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)는 공급원료 혼합물을 수용하고 촉매적으로 환원가스로 전환하도록 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 밴(swirler vanes)을 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 공급 원료 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)를 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)를 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 위치하고 있는 경우에 공급원료 혼합물의 가열은 필요 없게 된다.
연료 전지(12)의 갑작스럽게 시동하는 경우에 환원 가스를 빠르게 공급하기 위하여 가열 본체(76)는 연료 전지(12)의 정상 전력 공정 시 촉매(36)를 활성화 하기에 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 시동이 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 활성화하기 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 가연 성분 검출 센서(86)는 수소(H2) 센서 또는 H2 분석기의 형태로서, 하나 또는 그 이상의 가연 성분의 양을 예를 들어 %몰로 측정하도록 구성되어 있으며, 촉매 반응기(34)에서의 환원 가스 출력부에 위치하고 있다. 다른 구현예로서, 환원 가스 가연 성분 검출 센서(86)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 가연 성분 검출 센서(86)를 연통하고 있으며, 환원 가스 가연 성분 검출 센서(86)는 연료 유동 제어기(44)에 환원 가스의 가연 성분이 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 가연 성분 검출 센서(86)는 열 교환기(88)의 하류에 설치되어 있으며, 다른 형태로, 환원 가스 가연 성분 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 가연 성분 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 예를 들어, 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 가연 성분을 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 가연 성분 검출 센서(86)의 출력을 기반으로 하는 공급원료 혼합물의 산화제/연료비율을 변화시킨다.
연료 전지(12)의 시동 및 정지시에, 환원 가스를 안전한 (비가연성) 가스로 포함하고, 환원 강도가 다양한 환원 가스를 제공하고, 일부 구현예에서는 가연 성분 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 가연 성분을 달성하기 위해서 환원 가스의 환원 강도를 조절할 수 있다.
연료 전지(12) 시동 및 정지 공정에서 여러 단계에 적당한 환원 가스 화학 구성을 제공하기 위해서 가연 성분을 선택할 수 있다. 본 발명의 구현예에서, 제어 시스템(96)은 제어 온도, 예를 들어 촉매(36) 온도를 유지하고 가연 성분을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있다. 예를 들어서, 환원 강도는 안전 가스를 형성할 목적으로 약한 환원, 예를 들면 낮은 환원 강도에서 가연 성분이 보다 많은 높은 환원 강도로 변화시킬 수 있다. 가연 성분은 초기에 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 형태이다.
연료 전지(12)의 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 가연 성분을 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 가연 성분은 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 주 공기 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) 용기 내에 존재하도록 하는데 사용될 수 있다.
지금까지는 합류실(32)로 공급되는 산화제에서의 O2 함량을 변화시키기 위한 수단과 합류실(32)을 나오는 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율을 변화시키기 위한 수단을 포함해서, 촉매 반응기(34)에 의한 환원 가스 출력의 가연 성분을 변화시킴과 동시에 촉매 반응기(34)로부터 일정한 환원 가스 출력 온도를 유지하기 위한 전형적인 수단을 설명하였지만, 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 플로우 차트이다. 여기에서는 일련의 특정 사안에 대해 예시하고 기재하였지만, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니라는 것은 당연하며, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 보다 적은 수 또는 더욱 많은 수의 같거나 다른 실행, 같거나 다른 명령을 가지는 다른 순서를 채택할 수도 있다.
도 3a와 관련하여, 블록(B100)에서, 연료 전지(12)를 시동하기 위한 명령을 제어 시스템(96), 예를 들면 연료 전지(12)의 운영자를 통해서 수신한다.
블록(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 범위 내에서 공정 매개변수를 유지할 때까지 환원 가스 발생기의 출력이 배출된다. 이때 바이패스 시스템(98)은 배출 라인을 폐쇄하고 연료 전지(12)의 유로를 개방한다.
블록(B104)에서, 공기 압축기(50)의 작동을 시작하면서 공기를 예를 들어 공기 흡입구(48)를 통해서 환원 가스 발생기로 공급한다.
블록(B106)에서, 공기 압축기(50)는 공기 흡입구(48)로부터 들어온 공기를 압축한다. 일례로, 공기는 절대 압력으로 5 바아 내지 14 바아의 범위의 압력으로 압축한다. 다른 예로, 압축된 공기의 압력을 다른 범위, 예를 들면 절대 압력으로 2 바아 내지 25 바아의 범위로 할 수 있다. 또 다른 예로 절대 압력으로 1 바아 내지 30 바아로 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.
블록(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).
블록(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.
블록(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 가연 성분과 제어 온도를 달성할 수 있도록 미리 예측한 디폴트(default) 값으로 설정할 수 있으며, 그 후에 조정할 수 있을 것이다.
블록(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, 블록(B116)에서, 공급원료 혼합물의 촉매 활성화 온도 또는 그 이상의 온도에서 가열 장치가 작동을 하며, 가열 장치에서 출력된 열은 공급원료 혼합물로 공급된다. 일례로, 연료 전지(12)를 시동하기 위한 명령을 수신한 후에 바로, 예를 들면 블록(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)을 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.
블록(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.
블록(B120)에서, 공급원료 혼합물은 환원 가스 발생기(14)의 촉매 반응기(34)에서 촉매적으로 환원 가스로 전환된다.
블록(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 전환된다. 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 이더욱 많거나 적은 %의 가연 성분을 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 온도 값과 측정 위치를 이용할 수 있다.
블록(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, 블록(B126)이 예시되어 있다. 일례로, 블록(B126)은 바이패스이며, 공정 흐름을 블록(B128)으로 진행할 수 있다. 다른 구현예에서, 블록(B126)에서, 산화제 기류에서의 O2 함량과 공급원료 혼합물에서의 산화제/연료 비율을 조절하여 블록(B122)의 환원 가스의 선택 온도를 유지하면서 환원 가스의 가연 성분을 선택적으로 변화시켜서 환원 가스의 환원 강도를 선택적으로 변화시킬 수 있다. 블록(B122)과 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 유량을 유지할 수 있도록 산화제 기류에서의 O2 함량과 공급원료 혼합물의 산화제/연료 비율의 조절에 관하여 이하에서 기술하기로 한다.
환원 가스 발생기(14)는 O2 저 함량 산화제와 탄화수소 연료를 촉매적으로 전환시켜서 충분한 가연 성분을 가지며 연료 전지 시스템(10) 발전 장치의 시동과 정지 때 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 화학 양론 공기(104) 및 산소/탄소 비율(O2/C)(106) 등을 포함한다. 여기서, 백분율로 나타내는 화학 양론 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 시간당 그램(grams) 단위로 각각 % 화학 양론 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 더욱 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 가연 성분에서보다 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.
블록(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 모드으로의 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 상호 간에 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.
블록(B132)에서, 연료 전지(12)는 전력 생산 모드, 예를 들면 운전 모드에서 운전되어 전력을 전기 부하(16)에 공급하게 된다.
블록(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.
블록(B138)에서, 전력 생산 모드로부터 연료 전지(12) 정지를 위한 명령을 제어 시스템(96)에서 사람의 입력 또는 자동 공정에 의해 수신한다. 일부 구현예에서, 블록(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.
블록(B140)에서, 환원 가스 발생기(14)는 명령에 대한 반응으로, 예를 들어서, 블록(B102) 내지 블록(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 블록(B122)의 선택 온도를 유지하는 것을 포함하고 있다.
블록(B142)에서, 환원 가스 발생기(14)에서 발생한 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.
블록(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.
블록(B146)에서, 환원 가스 발생기(14)로 공급되는 공기 유동과 연료 유동이 종료되며, 환원 가스 발생기(14)에서 환원 가스의 생산이 끝나게 된다. 블록(B146)은 산화 적인 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 더욱 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 재킷이 요구된다. 이 냉각 재킷은 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 가연 성분 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 열전 쌍으로 감시할 수 있다. 열전 쌍은 공기 바이패스 밸브를 위한 제어 입력으로 작용할 수 있다. 만일 출구 온도가 설정 온도보다 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 포텐셜(Nernst potential)을 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 더욱더 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 설정 값을 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 가능한 한 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 바이패스 한다. 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 적어지게 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 촉매 쪽으로 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.
도 5a 및 5b와 관련하여, 본 발명의 구현예에 따른 환원 가스 발생기(214)의 비-제한적인 실시예의 일부 태양을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 5a 및 5b에 나타낸 구현예에서, 본 발명의 구현예의 태양의 상호 간에 다양한 특징, 구성 요소 및 상관관계 등을 나타내고 있다. 그러나 본 발명은 도 5a 및 도 5b의 특정 구현예에 한정되는 것은 아니며, 구성 요소, 특징 및 상관관계를 도 5a 및 5b에 예시한 것뿐이다. 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 구성 요소, 특징 및/또는 상관관계를 포함할 수 있으며, 또는 다른 구성 요소 및/또는 특징 및/또는 다른 성질 및/또는 상관관계를 사용할 수 있으며, 이들은 도 5a 및 도 5b에 예시한 것과 유사 및/또는 다른 기능을 수행하기 위하여 사용할 수도 있다.
상기에서 기재한 일부 구현예에 의해 제공한 것보다 개질 연료라고 말할 수 있는 환원 가스의 가연 성분(농축) 함량을 증가시키는 것이 바람직하다. 개질 가스 내의 가연 성분(가연성 물질로도 지칭함) 함량은 개질기에 탄화수소 연료를 공급하는 산화제 내에 존재하는 산소(O2) 함량(농축)에 따라 가변될 수 있다. 예를 들면, 상기에서 기재한 일부 구현예는 공기 조절 밸브(58)를 사용해서 질소 발생기(54)로부터 들어오는 질소 농축 가스에 공기를 가변적으로 추가하여 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 대략 5부피% 내지 대략 21부피%의 범위에서 가변하는 산소 함량을 가지는 산화제를 생성할 수 있게 된다. 이러한 구현예에서, 촉매 반응기(34)에 의해 배출되는 환원 가스인 개질 가스의 가연 성분 함량은 산화제 내에 제공되는 산소량에 따라 가변한다. 본 발명자는 산화제로서 공기보다 저 함량의 산소를 갖는 공기 또는 질소 농축 공기를 사용함으로써 달성되는 것보다 촉매 반응기(34)를 빠져나가는 개질 가스에서 높은 가연 성분 함량이 생성될 수 있도록 공기보다 고 함량의 산소를 갖는 산소 농축 산화제를 채용하기로 결정하였다.
따라서, 일부 구현예에서, 환원 가스 발생기(214)는 주변 대기의 공기의 산소 함량보다 고 함량의 산소를 가지는 산화제를 제공하도록 구성되어 있는 산화제 시스템(230)을 포함하고 있다. 한 형태로서, 산화제 시스템은 저장 산소, 예를 들면 병에 담긴 산소 또는 다른 형태의 압축 산소 또는 액화 산소를 사용하지 않고 산화제를 제공하도록 구성되어 있다. 환원 가스 발생기(214)는, 산화 시스템(230)에 의해 배출되는 산화제의 사용을 기반으로 하는 것으로, 환원 가스 발생기(14)에 의해 제공되는 환원 가스와 비해 가연 성분 함량의 확장된 범위를 가지는 환원 가스(215)를 제공 또는 배출하도록 구성되어 있다. 다양한 구현예로서, 환원 가스(215)는 피스톤 엔진, 가스 터빈 엔진, 연료 전지 시스템 및/또는 환원 가스를 채용하는 다른 시스템과 같은 다른 시스템에 공급될 수 있다. 일부 구현예로서, 산화제 시스템(230)은 공기의 산소 함량을 초과하는 최대값을 가지는 범위, 예를 들면 일부 구현예에서는 산소를 대략 21부피% 내지 40부피%, 및 다른 구현예에서는 산소를 대략 21부피% 내지 50부피% 또는 그 이상의 범위에서 선택한 값으로 산소 함량을 갖는 산화제를 제공하도록 구성되어 있다. 일부 구현예에 있어서, 산화제 시스템(230)은 공기의 산소 함량을 초과하는 최대값을 가지는 범위, 예를 들면 일부 구현예에서 산소를 대략 21부피% 내지 40부피%, 및 다른 구현예에서는 산소를 대략 21부피% 내지 50부피% 또는 그 이상의 범위로 산화제 중에서 가변하는 산소 함량을 제공하도록 구성되어 있다. 일부 구현예에서, 산화제 시스템(230)은 주변 대기의 공기의 산소 함량 이하에서 주변 대기의 공기의 산소 함량 이상의 범위, 예를 들면 일부 구현예에서 산소를 대략 5부피% 내지 40부피%, 다른 구현예에서 산소를 대략 5부피% 내지 50부피% 또는 그 이상 또는 또 다른 구현예에서 그 이하의 범위에서 산소 함량이 가변하도록 구성되어 있다. 일부 구현예에서, 환원 가스 발생기(14)보다 높은 가연 성분 함량을 갖는 환원 가스를 배출하도록 구성된 환원 가스 발생기(214)를 생산하기 위해 환원 가스 발생기(14)에 산화 시스템(30) 대신 산화제 시스템(230)을 사용한다. 산화제 시스템(230)은 산화제 시스템(30)에 대해서 상술한 동일한 구성 요소를 많이 갖고 있고, 산화제 시스템(30) 및 환원 가스 발생기(14)에 대해서 상술한 것과 동일하거나 유사한 기능을 수행한다.
한 가지 형태로, 산화제 시스템(30)이 산화제 시스템(230)을 대신하는 것을 제외하고는, 명확성을 위해 도 5에 대부분 도시되지 않은 환원 가스 발생기(14)와 관련해서는, 위에서 기재한 것과 동일 또는 유사한 기능을 수행하도록 동일한 구성 요소를 채용하고 있다. 다른 구현예로서, 환원 가스 발생기(214)는 환원 가스 발생기(14)와 관련해서 상기에서 기재한 구성 요소 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있고 및/또는 환원 가스 발생기(14)와 관련해서 상기에서 기재하지 않은 구성 요소를 포함할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 가스 발생기(14)와 관련해서 상기에서 기재한 것과 동일한 구성 요소 중 일부는 환원 가스 발생기(214)에서 동일 및/또는 다른 기능을 제공할 수 있다.
소재 번호 34로 표시된 부품이 "촉매 반응기"로 나타내고 하지만, 촉매 반응기(34)가 개질기의 한 형태라는 것은 이 기술분야에서 통상의 기술자에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 이런 이유로, 촉매 반응기(34)는 또한 "개질기(34)"로 언급될 수도 있다. 하나 이상의 개질기 타입은 본 발명의 일부 구현예에서 촉매 반응기에 추가 또는 대신에 하나 또는 그 이상의 다른 개질기 타입이 채용될 수 있다는 것은 이 기술분야의 통상의 기술자에 의해서 이해될 수 있을 것이다.
한가지 형태로, 산화제 시스템(230)은 공기 흡입구(48)(다양하게 가압되거나 가압되지 않으며, 예를 들어, 압축 공기가 제공되거나 제공하지 않을 수 있다); 압축기(50); 밸브(52), 예를 들면 압력 조절기; 질소 분리막(56), 밸브(58), 예를 들면 그리고 제한 없이, 가스 유동 조절 밸브를 갖는 질소 발생기 또는 분리기(54); 합류실(232); 제어기(60), 예를 들면 그리고 제한 없이, 가스 유동 제어기; 밸브(62), 예를 들면 그리고 제한 없이 산화제 유동 제어 밸브; 제어기(64), 예를 들면 제한 없이 산화제 유동 제어기; 및 산소 센서(66)를 포함한다. 산화제 시스템(230)의 출력은 합류실(32)로 배출된다. 한가지 형태로, 각각의 합류실(32), 공기 흡입구(48), 압축기(50), 밸브(52), 질소 분리막(56)을 가진 질소 발생기 또는 분리기(54), 제어기(60), 밸브(62), 제어기(64) 및 산소 센서(66)는 각각 동일하거나 유사하고, 산화제 시스템(30) 및 환원 가스 발생기(14)에 대해서 상기에서 설정한 바와 같이 동일하거나 유사한 기능을 수행하도록 구성되어 있기 때문에 동일한 참조 부호(소재 번호)로 기재하기로 한다. 다른 구현예에서, 산화제 시스템(230)은 산화제 시스템(30)에 대해 상기에서 기재한 하나 또는 그 이상의 구성 부품을 포함하고 및/또는 하나 또는 그 이상의 이러한 구성 부품은 다른 기능을 수행할 수 있고; 및/또는 산화제 시스템(230)은 산화제 시스템(30)에 대해 상기에서 기재하지 않은 구성 부품을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부 구현예에서 밸브(52, 62)와 제어기(64)는 압축기(50)의 속도를 제어하는 유동 센서로 대체할 수 있다. 일부 구현예에서, 다른 타입의 질소 추출 시스템이 질소 분리막(56)에 추가해서 또는 그 대신 채용될 수 있다. 본 발명의 다른 구현예에서 다른 타입의 밸브를 채용할 수 있지만 산화제 시스템(230)은 밸브(234), 예를 들면 그리고 제한 없이, 배압 조정 밸브를 포함한다.
압축기(50)는 공기 흡입구(48)와 유체 연통되어 있다. 밸브(52)는 질소 분리막(56)의 고압측(236)에 있는 압축기(50) 및 질소 분리기(54)와 유체 연통되어 있고(환원 가스 발생기(14)에서와 같이), 질소 분리기(54)로 전달되는 공기 유동을 제어하도록 구성된다. 질소 분리막(56)은 공급되는 공기로부터 질소를 추출하고, 주변 대기의 공기에 비해 고 함량의 산소를 가지는 산소 농축 가스로서 공급되는 공기의 잔부를 배출하도록 구성되고, 여기서 산소 농축 가스는 산화제 시스템(230)에 의해 배출되는 적어도 일부의 산화제를 형성한다. 이런 이유로, 질소 발생기(54)는 산소 농축 가스의 형태로 공기로부터 산소를 추출하고, 추출된 산소와 함께 산소 농축 가스를 배출해서 산화제의 적어도 일부를 형성하도록 구성되어 있다. 또한, 질소 발생기(54)는, 예를 들면 부피%의 항목으로 주변 대기의 공기의 질소 함량보다 고 함량의 질소를 갖는 질소 농축 가스를 배출하도록 구성되어 있다.
밸브(58)는 합류실(232)과 연결되어 있고, 이것은 합류실(32)에 대해서 상술한 것과 유사한 구조적인 특성을 갖는다. 또한, 합류실(232)은, 산소 농축 가스, 예를 들면 산소 농축 공기를 제공하는 질소 분리막(56)의 저압측(238)에서 질소 분리기(54)와 유체 연통되어 있다.
합류실(32)은 산화제 시스템(230)으로부터 배출된 탄화수소 연료 및 산화제를 수용하고, 탄화수소 연료 및 산화제 모두를 함유하는 공급류를 배출하도록 구성되어 있다. 제어기(60)는 밸브(58)와 작동 가능하게 연결되어 있고 밸브(58)를 작동시키도록 구성되어 있다. 밸브(62)는 합류실(32)과 유체 연통되어 있고 합류실(32)로 산화제(기류)를 배출하도록 구성되어 있다. 제어기(64)는 밸브(62)와 작동 가능하게 연결되어 있고 밸브(62)를 작동시키도록 구성되어 있다. 산소 센서(66)는 밸브(62)로부터 배출되는 산화제의 산소 함량을 감지하도록 요구되어 있다.
밸브(234)는 고압측(236)에서 질소 분리기(54) 및 밸브(58)와 유체 연통되어 있다. 과잉의 질소 농축 가스는, 예를 들면 대기 또는 질소 농축 가스를 필요로 하는 구성 부품 또는 시스템으로 방출된다. 밸브(234)는 과잉의 질소 농축 가스가 산화제 시스템(230)으로부터 방출되는 양을 결정한다. 한가지 형태로, 밸브(234)는 질소 분리기(54)의 고압측(236), 및 밸브(58)에 대하여 배압을 조정한다. 한가지 형태로, 방출되는 과잉의 질소 농축 가스의 양은 산화제 시스템(230)에 의해 배출되는 산화제 내에 산소 함량을 증가시킴에 따라 증가한다.밸브(234)에 의해 유지되는 배압은 적어도 부분적으로 산소 농축 가스가 질소 분리기(54)의 저압측(238)에 의해 어느 정도 배출되는지 결정한다.
밸브(58)는 합류실(232)로 공급되는 질소 분리기(54)로부터 질소 농축 가스의 양을 조절하도록 구성된다. 한가지 형태로, 질소 분리기(54)의 저압측(238)의 출력은 질소 분리기(54)의 고압측(236)에 의해 공급되는 질소 농축 가스와 질소 분리기(54)의 저압측(238)으로부터의 산소 농축 가스를 합쳐서 산화제(기류)를 생성하기 위해 합류실(232)에 직접 공급된다. 밸브(62) 및 제어기(64)는 산화제가 개질기(34)에 사용되는 천연가스 또는 압축된 천연 가스(CNG)와 같은 가스의 탄화수소 연료와 결합하는 합류실(32)에 공급되는 양을 제어하도록 구성된다. 개질기(34)는 합류실(32)과 유체 연통되어 있고, 합류실(32)로부터 공급류를 수용해서 환원 가스로의 공급 혼합물을 개질하여 환원 가스를 배출하도록 구성되어 있다.
질소 분리기(54)의 저압측(238)은, 예를 들면 그리고 제한 없이 일부 구현예에서 산소 함량을 40부피%까지, 다른 구현예에서 산소 함량을 50부피% 또는 그 이상까지 주변 대기의 공기보다 고 함량의 산소를 가진 산소 농축 가스를 배출하도록 구성되어 있다. 질소 농축 가스와 산소 농축 가스를 혼합함으로써, 산화제 시스템(230)에 의해 배출되는 산화제의 최종 산소 함량은, 예를 들면 최대값으로부터 감소될 수 있다. 이런 이유로, 산화제 시스템에서 산화제 시스템(230)에 의해 배출되는 산화제는 공기의 산소 함량보다 많은 산소 함량, 예를 들면 일부 구현예에서 산소 함량을 40부피%까지, 다른 구현예에서 산소 함량을 50부피% 또는 그 이상까지의 최대값을 가질 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 저 함량의 산소, 예를 들면 5부피% 이하로 낮은 산소 함량을 얻을 수 있다. 도 5b와 관련해서, 상술한 바와 같이, 일부 구현예에서 산화제 시스템(230)은 산화제 시스템(30)의 일부 추가적인 태양을 포함시켜서, 주변 대기의 공기의 산소 함량에 비해 저 함량, 예를 들면 5% 이하를 가지는 산화제를 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 일부 구현예에서 산화제 시스템(230)은 밸브(52)의 배출과 합류실(232) 간에 유체 연통을 하는, 여기서는 밸브(258) 및 제어기(260)로 표시되는, 밸브(58) 및 제어기(60)의 제 2의 일례를 포함할 수 있다. 제어기(260)는 산소 센서(66)와 연결되어 있고, 압축기(50) 및 밸브(52)로부터 합류실(232)로의 압축 공기의 유동을 제어하기 위해 밸브(258)를 작동시키도록 구성되어 있다. 또한, 이러한 구현예의 산화제 시스템(230)은 밸브(201), 예를 들면 그리고 제한 없이, 차단 밸브; 밸브(203), 예를 들면 그리고 제한 없이 바이패스 밸브; 및 밸브(205), 예를 들면 그리고 제한 없이 3방향 밸브를 포함할 수 있다. 약 21부피% 이하의 산소 함량을 갖는 산화제를 출력시키기 위해서, 밸브(201)는 질소 분리기(54)의 고압측(236)으로부터 질소 농축 가스가 배출되는 것을 방지하기 위해서 밀폐된다. 또한, 밸브(203)는 개방되고, 밸브(58)는 밀폐됨으로써 질소 분리기(54)(질소 농축 가스)의 고압측(236)의 출력이 합류실(232)로 직접적으로 전환한다. 또한, 밸브(205)는 질소 분리기(54)의 저압측(238)의 출력을, 예를 들면 대기로 또는 산소 농축 가스를 채용하는 적용 분야로 배출하도록 전환된다. 약 21부피% 이상의 산소 함량을 갖는 산화제를 출력시키기 위해서, 밸브(234)를 통해서 질소 분리기(54)의 고압측(236)으로부터 질소 농축 가스의 방출을 허용하기 위해서 밸브(201)가 개방된다. 또한, 밸브(203)는 밀폐하고, 밸브(58)를 개방함으로써 질소 분리기(54)의 고압측(236)의 출력이 밸브(58)를 통해서 합류실(232)로 안내된다(배출되는 것과는 다름). 또한, 밸브(205)의 전환으로 질소 분리기(54)의 저압측(238)의 출력이 합류실(232)로 공급된다.
일부 구현예에서, 하나 이상의 압축기(50) 및 밸브(52,234,58,62)들은 예를 들면 그리고 제한 없이, 일부 구현예에서는 산소를 약 21부피% 내지 50부피% 및 다른 구현예에서는 산소를 약 21부피% 내지 50부피% 이상의 범위로부터 선택가능한 산소 함량을 갖는 산화제를 제공하기 위해서, 수동 또는 자동으로 조정 또는 제어할 수 있다. 일부 구현예에, 하나 이상의 압축기(50) 및 밸브(52,234,58,62) 뿐만 아니라 밸브(201,203,205,258,260)들은, 예를 들면 그리고 제한 없이, 일부 구현예에서는 산소를 약 5부피% 내지 40부피% 및 다른 구현예에서는 산소를 5부피% 내지 50부피% 이상의 범위로부터 선택가능한 산소 함량을 갖는 산화제를 제공하기 위해서, 수동 또는 자동으로 조정 또는 제어될 수 있다. 다른 구현예에서, 하나 이상의 압축기(50) 및 밸브(52,234,58,62) 및 일부 구현예에서, 하나 이상의 밸브(201,203,205,258,260)도 마찬가지로 예를 들면 환원 가스 발생기(214)에 의해 배출되는 환원 가스의 원하는 가연 성분 함량과 같이 일부 요구를 충족하기 위해서, 산화제 시스템(230)에 의해 공급되는 산화제에서, 예를 들면 "상황에 따른" 범위 내에서 가변할 수 있는 산소 함량을 제공하도록 수동 또는 자동으로 조정 또는 제어될 수 있다. 다양한 구현예에서, 상기 범위는, 예를 들면 그리고 제한 없이, 일부 구현예에서 산소 약 21부피% 내지 40부피%, 다른 구현예에서 산소 약 21부피% 내지 50중량 %일 수 있고, 또는 일부 구현예에서 산소 5부피% 내지 40부피%, 다른 구현예에서 산소 약 5부피% 내지 50부피%일 수 있다. 다른 구현예에서는 다른 적당한 범위가 선택될 수 있다.
개질기(34)로부터 배출되는 환원 가스는 주로 수소(H2) 및 일산화탄 소(CO), 및 예를 들면 약 1%의 어떤 메탄 슬립, 및 에탄과 같은 미량의 고 탄화수소 슬립을 포함하는 가연 성분을 포함한다. 또한, 환원 가스는, 예를 들면 질소, 이산화탄소(CO2) 및 수증기(스팀)를 포함하는 다른 가스를 함유, 또는 포함한다.
도 6와 관련하여, 비한정적인 실시예로서, 일정한 메탄의 전환율, 예를 들어 개질기(34)에 의해서 배출되는 환원 가스 중 메탄의 일정한 백분율에서, 개질기, 예를 들면 개질기(34)에 의한 가연 성분 출력의 백분율에 대한 개질기로 공급되는 산화제에서의 산소 백분율을 플롯(106)으로 도시한 것이다. 도 6의 플롯은 열역학적 평형 공정 시뮬레이션 계산을 기초로 한 것이다. 도 6의 플롯으로부터, 환원 가스의 가연 성분 함량(가연 성분 백분율)은 개질기(34)에 제공되는 공급류의 일부로 공급되는 산화제에서의 산소를 증가시키는 것에 의해 증가하게 된다는 것을 알 수 있다. 도 6의 플롯에 의하면, 산소/탄소 비율은 약 0.6(예를 들면, 산소 50부피%에서) 내지 0.7(예를 들면, 산소 21부피%에서) 사이에서 가변한다. 도 6의 가연 성분 함량은 산화제 중의 산소 함량 약 21부피%에서 약 45부피%로부터, 산화제 중의 산소 함량 50부피%에서 약 80부피 %까지 가변한다.
주변 대기의 공기의 산소 함량에 비해 고 함량의 산소를 갖는 산화제를 제공함으로써, 개질기(34)에 의해 배출되는 환원 가스에서 가연 성분의 양은 공기의 산소 함량과 동등한 산소 함량을 사용하여 발생될 수 있는 산소 함량보다 많을 수 있다. 또한, 산소 함량을, 예를 들면 상술한 하나 이상의 범위로 변경시킴으로써, 환원 가스 발생기에 의해 배출되는 환원 가스(215)의 가연 성분 함량은 상당한 범위 이상으로 가변될 수 있다. 예를 들면 그리고 제한 없이, 일부 구현예에서 가연 성분 함량이 약 45부피% 내지 70부피%, 다른 구현예에서 가연 성분 함량이 약 45부피% 내지 80부피%; 또 다른 구현예에서, 가연 성분 함량이 약 0부피% 내지 70부피% 부근; 및 또 다른 구현예에 있어서, 가연 성분 함량이 약 0부피% 내지 80부피% 부근이다.
일부 구현예에서, 환원 가스는 주변 대기의 공기의 산소 함량에 비해 고 함량의 산소를 갖는 산화제 시스템(230)에서 산화제를 발생시키는 단계; 산화제 및 탄화 수소 연료로 공급류를 형성하는 단계; 및 예를 들면 개질기(34)에서, 예를 들면 공급류를 촉매(36)로 안내하는 것에 의해 공급류를 개질하는 단계; 및 공급류를 촉매적으로 환원 가스로 전환시키는 것에 의해서 발생하게 된다. 일부 구현예에서, 산화제의 산소 함량은, 예를 들면 상술한 바와 같은 범위 내에서 가변 또는 선택될 수 있다. 한가지 형태로, 산화제의 발생은 질소 분리막(56)으로 압축 공기를 공급하는 단계; 질소 분리막(56)을 사용하여 산소 농축 가스를 추출하는 단계; 산소 농축 가스를 사용하여 산화제를 적어도 일부 형성하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 산소를 약 21부피% 내지 40부피%, 다른 구현예에서 산소를 약 21부피% 내지 50부피% 이상의 범위로 선택가능한 산소 함량을 갖는 산화제를 제공할 수 있다. 일부 구현예에서, 산소를 약 5부피% 내지 40부피% 및 다른 구현예에서 산소를 약 5부피% 내지 50부피%의 범위에서 선택가능한 산소 함량을 갖는 산화제를 제공할 수 있다.
일부 구현예에서, 환원 가스는 선택가능한 산소 함량을 갖는 산화제를 발생시키기 위해 산화제 시스템(230)을 사용하는 것에 의해 발생될 수 있고, 여기서 산화제의 최대 산소 함량은, 환원 가스(215)의 생성을 위해 산화제로 탄화수소 연료를 개질하고; 개질기(34)로부터 환원 가스(215)를 배출하는 것을 사용하는 것에 의해 주변 대기의 공기의 산소 함량을 초과하게 된다. 일부 구현예에서, 산화제는 주변 대기의 산소 함량에 비해 저 함량의 산소를 갖도록 발생될 수 있다.
본 발명의 구현예는 환원 가스 발생기를 포함하며, 공기로부터 다양한 산소 함량을 가지는 산화제를 발생시키고, 주변 대기의 공기의 산소 함량으로부터 주변 대기의 공기의 산소 함량보다 높은 범위까지 중에서 선택한 값으로 산화제의 산소 함량을 제공하도록 구성되어 있는 산화제 시스템; 상기 산화제 시스템 및 탄화수소 연료 공급원과 유체 연통되어 있으며, 탄화 수소와 산화제를 수용할 수 있도록 구성되어 있고, 탄화수소 연료와 산화제 모두를 포함하는 공급류를 배출할 수 있도록 구성되어 있는 통합실; 및 상기 통합실과 유체 연통되어 있고, 상기 통합실로부터의 공급류를 수용하도록 구성되어 있으며, 상기 공급류를 환원 가스로 개질시키고 환원 가스를 배출하기 위한 개질기로 이루어져 있다.
그 개선점으로, 산화제 시스템은 여기로 공급되는 공기로부터 질소를 추출하고, 적어도 산화제의 일부를 형성하는 산소 농축가스로 공급된 공기의 잔부를 배출하도록 구성되어 있는 질소 분리막을 갖는 질소 분리기를 포함하고 있다.
다른 개선점으로, 산소 농축가스는 주변 대기의 공기보다 고 함량의 산소를 갖고 있다.
또 다른 개선점으로, 산소 농축가스는 대략 21부피% 내지 50부피% 범위의 산소 함량을 갖고 있다.
또 다른 한층 개선점으로, 질소 분리기는 또한 주변 대기의 공기보다 고 함량의 질소를 가지는 질소 농축가스를 배출하도록 구성되어 있다.
또 다른 한층 더 개선점으로, 환원 가스 발생기는 질소 농축가스와 산소 농축가스를 합쳐서 산화제를 형성하도록 구성되어 있는 적어도 하나의 밸브를 추가로 포함하고 있다.
추가 개선점으로, 환원 가스 발생기는 대략 0부피% 내지 80부피% 범위의 가연성 함량을 가지는 환원 가스를 발생하도록 구성되어 있다.
또 추가 개선점으로, 개질기는 촉매 반응기이다.
또 더 추가 개선점으로, 환원 가스 발생기는 대략 0부피% 내지 80부피% 범위의 가연성 함량을 가지는 환원 가스를 발생하도록 구성되어 있다.
본 발명의 구현예는 환원 가스 발생기를 포함하며, 산화제를 제공하고, 주변 대기의 공기의 산소 함량을 초과하는 값을 가지는 산화제의 산소 함량을 제공하도록 구성되어 있고, 저장 산소의 사용 없이 산화제를 제공하도록 구성되어 있는 산화제 시스템; 산화제 공급원으로부터 산화제를 수용하고, 탄화수소 연료를 수용하며, 산화제와 연료를 환원 가스로 개질하고, 환원 가스를 배출하도록 구성된 개질기로 이루어져 있다.
그 개선점으로, 산화제 시스템은 주변 대기의 공기로부터 산화제를 발생하도록 구성되어 있다.
다른 개선점으로, 산화제 시스템은 공기의 산소 함량을 초과하는 최대값을 가지는 범위에서 산화제에 다양한 산소 함량을 제공하도록 구성되어 있다.
또 다른 개선점으로, 산화제 시스템은 대략 21부피% 내지 50부피%의 범위에서 산화제의 선택 가능한 산소 함량을 제공하도록 구성되어 있다.
또 다른 한층 개선점으로, 산화제 시스템은 대략 5부피% 내지 50부피%의 범위에서 선택 가능한 산화제 함량을 제공하도록 구성되어 있다.
또 다른 한층 더 개선점으로, 산화제 시스템은 공기로부터 질소를 추출하기 위해 사용할 수 있는 질소 분리막을 가지며, 산화제의 적어도 일부를 형성하는 산소 농축가스로 여기에 공급된 공기의 잔부를 배출하도록 구성되어 있는 질소 발생기를 포함한다.
추가 개선점으로, 질소 발생기는 또한 주변 대기의 공기의 질소 함량에 비해 고 함량의 질소를 가지는 질소 농축가스를 배출하도록 구성되어 있다.
또한, 추가 개선점으로, 환원 가스 발생기는 산화제를 형성하기 위해서 산소 농축가스와 질소 농축가스를 혼합하도록 구성된 적어도 하나의 밸브를 추가로 포함하고 있다.
본 발명의 구현예는 환원 가스의 발생 방법을 포함하며, 저장 산소의 사용 없이 주변 대기의 공기의 산소 함량에 비해 고 함량의 산소를 가지는 산화제를 발생시키는 단계; 산화제와 탄화수소 연료로 된 공급류를 형성하는 단계; 및 상기 공급류를 개질시키는 단계로 이루어진다.
그 개선점으로, 상기 방법은 산화제의 산소 함량을 변화시키는 단계를 추가로 포함한다.
다른 개선점으로, 공급류의 개질은 공급류를 촉매로 안내하는 단계; 및 공급류를 촉매적으로 환원가스로 전환시키는 단계를 포함한다.
또 다른 개선점으로, 산화제의 발생은 압축 공기를 질소 분리막으로 공급하는 단계; 질소 분리막을 사용하여 산소 농축가스를 추출하는 단계; 및 산소 농축가스의 적어도 일부에서 산화제를 형성하는 단계를 포함한다.
또 다른 한층 개선점으로, 산화제의 발생은 대략 산소 21부피% 내지 50부피%의 범위에서 산화제의 선택 가능한 산소 함량을 제공하는 단계를 포함한다.
또 다른 한층 더 개선점으로, 산화제의 발생은 대략 5부피% 내지 50부피%의 산소의 범위에 있는 산화제의 산소 함량으로 산화제를 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 구현예들은 환원 가스를 발생시키는 방법을 포함하며, 선택 가능한 산소 함량을 가지는 산화제를 발생시키는 단계, 여기서 산화제의 최대 산소 함량이 주변 대기의 공기의 산소 함량을 초과하고, 저장 산소의 사용 없이 발생 단계를 수행하고; 환원 가스를 생산하기 위하여 산화제로 탄화수소 연료를 개질시키는 단계; 및 개질기로부터 환원 가스를 배출하는 단계로 이루어진다.
그 개선점으로, 산화제의 발생은 주변 대기의 공기의 산소 함량에 비해 저 함량의 산소를 갖는 산화제를 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 현재 가장 실제적이고 바람직한 구현예라고 생각되는 것과 관련해서 기재한 것이지만, 본 발명이 여기에 기재한 구현예로 한정되는 것은 아니라고 이해되어야 할 것이며, 이와는 반대로 첨부한 청구범위의 정신과 범위 내에 포함되는 다양한 개조 및 이에 상응하는 구조까지도 포함하는 것으로 생각할 수 있다. 여기서, 그 범위는 법률에서 허용하는 모든 개조 및 이에 상응하는 구조를 포함하도록 하는 광범위한 해석과도 일치하게 된다. 더욱이 상세한 설명에서 바람직한, 바람직하게 또는 선호하는 단어의 사용은 그러한 기재가 더욱 바람직한 것을 나타낸 것이며, 그럼에도, 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 단어의 사용은 청구항에 어떤 다른 반대적인 설명이 특정되어 있지 않을 경우 단지 한가지 주제로 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.
11: 연료전지시스템, 12: 연료 전지,
14: 환원 가스 발생기, 16: 전력 부하,
18: 전력선, 20: 음극,
22: 전해질, 24: 양극,
26:개질기, 28: 연료 시스템,
30: 산화제 시스템, 32: 합류실,
34: 촉매 반응기, 36: 촉매,
38: 연료 입력부, 40: 압력 조절기,
42: 유황 포획 용매, 44: 연료 유동 제어기,
46: 연료 제어 밸브, 48: 공기 흡입구,
50: 공기 압축기, 52: 압력 조절기,
54: 질소 발생기, 54A: 출력부,
56: 질소 분리막, 58: 공기 제어 밸브,
60: 공기 유동 제어기, 62: 제어 밸브,
64: 산화제 유동 제어기, 66: 산소 센서,
69: 시동 제어 밸브, 70,72: 밸브 부재,
74: 공급원료 혼합물 가열기, 76: 가열 본체,
78: 유동 코일, 80,82: 가열기,
84: 제어 온도 센서, 86: 가연 성분 검출 센서,
88: 열 교환기, 90: 배압 조절기,
92: 감지 라인, 94: 제어 라인,
96: 제어 시스템, 98: 바이패스 시스템,
100: 산화제 기류 질량 유량,
102: 탄화수소 연료류 질량 유량,
104: 화학양론 공기, 106: 산소/탄소 비율,
201,203,205: 밸브, 214: 환원 가스 발생기,
230: 산화제 시스템, 232: 합류실,
236: 고압측, 238: 저압측,
258: 밸브, 260: 제어기

Claims (25)

  1. 연료 전지의 시동 또는 정지 시에 환원 가스를 연료 전지의 음극, 양극, 전해질 또는 개질기에 공급하기 위한 환원 가스 발생기로서,
    공기로부터 다양한 산소 함량을 가지는 산화제를 발생하도록 구성되어 있고 주변 대기의 공기의 산소 함량에서 주변 대기의 공기의 산소 함량보다 높은 범위까지 중에서 선택한 값으로 산화제의 산소 함량을 제공하도록 구성된 산화제 시스템;
    상기 산화제 시스템 및 탄화수소 연료 공급원과 유체 연통되어 있으며, 탄화 수소와 산화제를 수용하도록 구성되어 있고, 탄화수소 연료와 산화제 모두를 포함하는 공급류를 배출하도록 구성되어 있는 통합실; 및
    상기 통합실과 유체 연통되어 있고, 상기 통합실로부터의 공급류를 수용하고, 상기 공급류를 가연 성분을 포함하는 환원 가스로 개질시키며, 가연 성분을 포함하는 환원 가스를 배출하도록 구성되어 있는 개질기로 이루어져 있고,
    상기 산화제 시스템은 공급되는 공기로부터 질소를 추출하고, 산소 농축가스로 공급된 공기의 잔부를 배출할 수 있도록 구성되어 있는 질소 분리막을 갖는 질소 분리기를 포함하되, 상기 산소 농축가스는 적어도 산화제의 일부를 형성하며, 주변 대기의 공기보다 고 함량의 산소를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산소 농축가스는 21부피% 내지 50부피% 범위의 산소 함량을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 질소 분리기는 또한 질소 농축가스를 배출하도록 구성되어 있되 상기 질소 농축가스는 주변 대기의 공기보다 고 함량의 질소를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 환원 가스 발생기는 질소 농축가스와 산소 농축가스를 합쳐서 산화제를 형성할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 환원 가스 발생기는 0부피% 초과 내지 80부피% 이하 범위의 가연성 함량을 가지는 환원 가스를 발생하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 개질기는 촉매 반응기인 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 환원 가스 발생기는 0부피% 초과 내지 80부피% 이하 범위의 가연성 함량을 가지는 환원 가스를 발생하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  10. 연료 전지의 시동 또는 정지 시에 환원 가스를 연료 전지의 음극, 양극, 전해질 또는 개질기에 공급하기 위한 환원 가스 발생기로서,
    산화제를 제공하고, 주변 대기의 공기의 산소 함량을 초과하는 값을 가지는 산화제의 산소 함량을 제공하도록 구성되어 있는 산화제 시스템, 여기서 상기 산화제 시스템은 저장 산소의 사용 없이 산화제를 제공하도록 구성되어 있고;
    상기 산화제 시스템으로부터 산화제를 수용하고, 탄화수소 연료를 수용하며, 산화제와 연료를 가연 성분을 포함하는 환원 가스로 개질하고, 가연 성분을 포함하는 환원 가스를 배출하도록 구성되어 있는 개질기로 이루어져 있고,
    상기 산화제 시스템은 공기로부터 질소를 추출하기 위해 사용할 수 있는 질소 분리막을 가지는 질소 발생기를 포함하며, 상기 질소 발생기는 산소 농축가스로서 여기에 공급된 공기의 잔부를 배출하도록 구성되어 있고, 상기 산소 농축가스는 산화제의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 산화제 시스템은 주변 대기의 공기로부터 산화제를 발생시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 산화제 시스템은 공기의 산소 함량을 초과하는 최대값을 가지는 범위에서 산화제에 다양한 산소 함량을 제공하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 산화제 시스템은 21부피% 내지 50부피%의 범위에서 산화제의 선택 가능한 산소 함량을 제공하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 산화제 시스템은 5부피% 내지 50부피%의 범위에서 선택 가능한 산화제 함량을 제공하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  15. 삭제
  16. 제10항에 있어서,
    상기 질소 발생기는 또한 질소 농축가스를 배출하도록 구성되어 있고, 상기 질소 농축가스는 주변 대기의 공기의 질소 함량에 비해 고 함량의 질소를 가지는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 환원 가스 발생기는 산화제를 형성하기 위해서 산소 농축가스와 질소 농축가스를 혼합하도록 구성되어 있는 적어도 하나의 밸브를 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 환원 가스 발생기.
  18. 연료 전지의 시동 또는 정지 시에 환원 가스를 연료 전지의 음극, 양극, 전해질 또는 개질기에 공급하기 위한 환원 가스를 발생시키는 방법으로서,
    저장 산소의 사용 없이 주변 대기의 공기의 산소 함량에 비해 고 함량의 산소를 가지는 산화제를 발생시키는 단계;
    산화제와 탄화수소 연료로 된 공급류를 형성하는 단계; 및
    상기 공급류를 가연 성분을 포함하는 환원 가스로 개질시키는 단계로 이루어지고,
    상기 산화제의 발생은 압축 공기를 질소 분리막으로 공급하는 단계; 질소 분리막을 사용하여 산소 농축가스를 추출하는 단계; 및 산소 농축가스의 적어도 일부에서 산화제를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원 가스의 발생 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 방법은 산화제의 산소 함량을 변화시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 환원 가스의 발생 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 공급류의 개질은 공급류를 촉매로 안내하는 단계; 및 공급류를 촉매적으로 환원가스로 전환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원 가스의 발생 방법.
  21. 삭제
  22. 제18항에 있어서,
    상기 산화제의 발생은 산소 21부피% 내지 50부피%의 범위에서 산화제의 선택 가능한 산소 함량을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원 가스의 발생 방법.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 산화제의 발생은 산소 5부피% 내지 50부피%의 범위의 산화제의 산소 함량으로 산화제를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원 가스의 발생 방법.
  24. 연료 전지의 시동 또는 정지 시에 환원 가스를 연료 전지의 음극, 양극, 전해질 또는 개질기에 공급하기 위한 환원 가스를 발생시키는 방법으로서,
    저장 산소의 사용 없이 주변 대기의 공기의 산소 함량에 비해 저 함량의 산소를 갖는 산화제를 발생시키는 단계;
    상기 산화제로 탄화수소 연료를 가연 성분을 포함하는 환원 가스로 개질시키는 단계; 및
    개질기로부터 가연 성분을 포함하는 환원 가스를 배출하는 단계로 이루어지고,
    공기로부터 질소를 추출하기 위한 질소 분리막을 이용하여 주변 대기의 공기의 질소 함량에 비해 고 함량의 질소를 갖는 질소 농축가스를 생성하고 질소 농축가스와 공기를 혼합하여 상기 주변 대기의 공기의 산소 함량에 비해 저 함량의 산소를 갖는 산화제를 발생시키는 것을 특징으로 하는 환원 가스의 발생 방법.
  25. 삭제
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