KR102148553B1 - 고효율 연료 전지 - Google Patents

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데트레프 슐츠
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헬무트 슈미트 우니베르지테트, 우니베르지테트 데어 분데스베어 함부르크
함부르크 이노바치온 게엠베하
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Abstract

개선된 효율을 갖는 연료 전지 배열체에 관한 것이다. 상기 배열체는 하나 이상의 연료 전지 유닛(110) 및 메탄화 유닛(200) 및 제어 유닛(300)을 포함한다. 연료 전지 유닛은 물 유입구(111), 수소 유출구(112) 및 산소 유출구(113)를 포함한다. 메탄화 유닛은 촉매(222), 수소 유입구(213), 제1 제어가능 밸브(215) 및 메탄 유출구(216)를 포함하는 탄소 산화물 유입구(214)를 포함하고, 제1 연료 전지 유닛의 수소 유출구는 메탄화 유닛의 수소 유입구에 연결된다. 메탄화 유닛은 수소 및 탄소 산화물을 메탄으로 전환시키도록 적합화되고, 제어 유닛은 수소 및 탄소 산화물을 메탄으로 전환시키는 최적의 전환 프로세스가 얻어지도록 제1 제어가능 밸브를 제어하도록 적합화된다.

Description

고효율 연료 전지 {HIGH EFFICIENCY FUEL CELL}
본 발명은 고효율 연료 전지, 특히 메탄화 프로세스를 위한 탄소 산화물 피드백을 갖는 촉매 섹션을 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 연료 및 산소, 예를 들어, 수소 및 산소를 공급받을 때 전기를 생성하는데 사용될 수 있다. 그러나, 연료 전지는 반대되는 방식으로도 동작할 수 있다. 이 경우, 연료 전지는, 예를 들어, 물 또는 수증기로부터 산소 및 수소를 생성하기 위해, 전기분해 프로세스를 수행하기 위한 전기를 공급받을 수 있다. 이러한 동작 모드에서 연료 전지를 사용할 때, 연료 전지는 전기의 과다 생성을 활용하도록, 그리고 고품질 연료를 생산하도록 사용될 수 있다. 이러한 연료는 예를 들어 전기가 저장될 수 있는 방식보다 훨씬 용이한 방식으로 저장될 수 있다. 특히, 수소를 저장하는 것은, 등가의 전기 또는 전기 에너지를 저장하는 것보다 더 쉽다. 또한, 예를 들어, 가열 목적과 같은 다른 목적으로 고품질의 연료를 생성하는 것이 가능하다. 그러나, 저장 부피를 감소시키기 위해 수소를 압축하는 데에는 높은 압력이 필요하기 때문에 수소의 취급은 추가의 문제들을 발생시킬 수 있다. 또한, 수소는 특정 환경에서 폭발성이 매우 높기 때문에 수소를 연료로서 사용하는 것이 심각한 안전 문제를 초래할 수 있다. 따라서, 메탄화 프로세스를 통해 수소가 메탄으로 전환될 수 있다. 이러한 방법으로, 이 메탄이 공공 연료 또는 가스 그리드에 공급될 수 있도록 수소가 메탄으로 전환될 수 있다. 이러한 프로세스는, 예를 들어, 대한민국 특허 제10-0814156호 또는 대한민국 특허 제10-1093674호에 설명되어 있다. 미국 특허공개 제2004/0202914호는 메탄화 프로세스를 위한 촉매를 포함하는 반응관을 갖는 연료 전지 배열체를 설명하고 있다. 반응관은 연료 전지의 하류에 위치하며 도관에 의해 연결된다. 열 교환기는 연료 전지 및 반응관 사이에 배치된다. 독일 특허 제10 2011 088 613호는 연료 전지를 제어하기 위한 내부 액추에이터를 갖는 연료 전지를 설명하고 있다. 유럽 특허 제2 540 388호는 메탄화 반응기 및 메탄화 반응기를 동작시키는 방법을 설명하고 있다. 상술한 양태들에 기초하여, 선행 기술의 연료 전지 배열체보다 높은 효율을 갖는 연료 전지 배열체를 갖는 것이 유리할 수 있다.
본 발명은, 독립항들의 요지에 따라, 고효율 연료 전지 및 고효율 연료 전지를 동작시키기 위한 방법, 대응하는 프로그램 요소 및 컴퓨터 판독가능 매체를 제공한다. 추가의 실시양태들은 종속항들에 통합된다.
이하에 설명된 본 발명의 예시적 실시양태들은 장치, 고효율 연료 전지, 방법, 프로그램 요소 및 컴퓨터 판독가능 매체에도 적용된다는 점에 주목해야 한다.
예시적 실시양태에 따르면, 제1 연료 전지 유닛, 메탄화 유닛 및 제어 유닛을 포함하는 연료 전지 배열체가 제공되고, 제1 연료 전지 유닛은 물을 수소 및 산소로 전환시키는 활성부, 물 유입구, 수소 유출구 및 산소 유출구를 포함하며, 메탄화 유닛은 촉매, 수소 유입구, 제1 제어가능 밸브를 갖는 탄소 산화물 유입구 및 메탄 유출구를 포함하고, 제1 연료 전지 유닛의 수소 유출구는 메탄화 유닛의 수소 유입구에 연결되고, 메탄화 유닛은 수소 및 탄소 산화물을 메탄으로 전환시키도록 적합화되고, 제어 유닛은 수소 및 탄소 산화물을 메탄으로 전환시키는 최적의 전환 프로세스가 얻어지도록 제1 제어가능 밸브를 제어하도록 적합화된다.
따라서, 최적의 전환 프로세스가 얻어지도록 메탄화 유닛에 공급되는 탄소 산화물을 제어하는 것이 가능하다. 특히, 메탄화 유닛에 공급되는 탄소 산화물을 제어할 때, 연료 전지의 효율, 특히 메탄화 프로세스의 효율이 상당히 높아질 수 있다. 탄소 산화물은 일산화탄소 또는 이산화탄소이거나 이를 포함할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 또한, 물 유입구는, 연료 전지 유닛이 수증기와 같은 기체 형태의 물을 포함하는 물을 공급받을 수 있다는 것을 의미한다는 점에 주목해야 한다. 연료 전지 유닛은 캐소드, 애노드 및 캐소드와 애노드 사이의 멤브레인을 가질 수 있다. 메탄화 유닛의 수소 유입구에 연결되는 제1 연료 전지 유닛의 수소 유출구는 제1 연료 전지 유닛과 메탄화 유닛 사이의 공통 인터페이스에 의해 구현될 수 있다. 수소 유출구는 구현된 장치로서 배타적으로 이해되지 않아야 하고, 메탄화 유닛의 수소 유입구와 함께 기능적인 인터페이스가 될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 특히, 제1 연료 전지 유닛이 메탄화 유닛에 바로 인접하게 배치된 배열체를 제공할 때에는, 각각 연료 전지 유닛 및 메탄화 유닛의 수소 유출구 및 수소 유입구의 역할을 하는, 제1 연료 전지 유닛으로부터 메탄화 유닛으로의 직접적인 통로(transit)가 있을 수 있다. 제어 유닛은 예를 들어 연료 전지 또는 메탄화 유닛 내의 감지에 기초하여 제1 제어가능 밸브를 제어할 수 있다. 특히, 탄소 산화물을 공급하기 위해 제어가능 밸브를 제어하기 위한 기초를 갖도록, 수소 및/또는 메탄 및/또는 탄소 산화물의 농도가 감지될 수 있다. 밸브는 경험된 데이터베이스에 기초하여 제어될 수도 있다. 제어 유닛은, 유출구 및/또는 메탄화 유닛에서의, 예를 들어 일산화탄소 및/또는 이산화탄소 및/또는 메탄의 결정된 농도에 기초하여, 탄소 산화물, 예를 들어 일산화탄소 및/또는 이산화탄소의 유입구를 제어하도록, 유입구 밸브를 제어할 수 있다. 상술한 농도를 결정하기 위해 센서들이 제공될 수 있다. 제어는 모터 구동으로 수행될 수 있다. 제어 프로세스는, 예를 들어 탄소 산화물에서 메탄으로의 최대 전환율을 달성하도록 프로세스를 제어할 수 있다. 메탄화는 활성화 에너지를 요구하는 프로세스인 촉매 프로세스이기 때문에, 탄소 산화물, 예를 들어 일산화탄소 및/또는 이산화탄소의 최적의 농도는 압력 및 온도에 따라 달라질 수 있다. 예시적 실시양태에 따르면, 연료 전지 배열체의 메탄화 유닛은, 메탄화 유닛으로부터 연료 전지 유닛으로의 열 전달을 가능하게 하는 방식으로, 연료 전지 유닛 옆에 배치된다. 활성부는 연료 전지 애노드, 연료 전지 캐소드 및 그 사이의 멤브레인을 포함할 수 있다. 물 유입구, 수소 유출구 및 산소 유출구는 활성부를 포함하는 볼륨과 연통할 수 있다. 수소 유입구, 탄소 산화물 유입구 및 메탄 유출구는 촉매를 포함하는 볼륨과 연통할 수 있다.
따라서, 발열성 메탄화 프로세스에 기인한, 메탄화 유닛에서 생성된 열은 연료 전지 유닛을 가열하는데 사용될 수 있다.
예시적 실시양태에 따르면, 메탄화 유닛 및 연료 전지 유닛은 공통의 벽을 공유한다. 공통의 벽은 메탄화 유닛으로부터 연료 전지 유닛으로의 직접적인 열 전달을 가능하게 할 수 있다. 공통의 벽은 연료 전지 볼륨/공동(cavity)과 촉매 볼륨/공동 사이의 세퍼레이터일 수 있다. 공통의 벽은 연료 전지 공동으로부터 촉매 공동으로 수소를 전달하기 위한 구멍들을 가질 수 있다. 공통의 벽은 수소를 전달하기 위한 다공성 영역을 갖는 것으로 설계될 수 있다. 다공성 영역, 특히 다공성 영역의 공극률은 액추에이터, 예를 들어 피에조 액추에이터에 의해 제어될 수 있다. 액추에이터의 활성화는 제어 유닛에 의해 수행될 수 있다. 제어 프로세스는 제어 유닛에서 구현되는 룩업 테이블에 기초할 수 있다.
예시적 실시양태에 따르면, 연료 전지 배열체는 내부 메탄화 프로세스를 가능하게 하도록 연료 전지 유닛 및 메탄화 유닛을 포함한다. 이는 연료 전지 유닛을 메탄화 유닛 옆에 배치함으로써, 특히 연료 전지 유닛과 메탄화 유닛 사이의 열 전달을 가능하게 하는 벽을 공유할 때, 제공될 수 있다. 메탄화 유닛은 주된(primary) 내부 메탄화를 수행할 수 있다. 즉, 임의적인 추가의 부속(subsequent) 메탄화 유닛을 제공하는 것도 가능하며, 부속 메탄화 유닛은, 연료 전지 및 (주된) 메탄화 유닛을 포함하는 공통 하우징의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다.
예시적 실시양태에 따르면, 연료 전지 배열체는 복수의 연료 전지 유닛을 더 포함하며, 그 중 하나는 제1 연료 전지 유닛이고, 각각의 연료 전지 유닛은 물 유입구, 수소 유출구 및 산소 유출구를 포함하고, 메탄화 유닛은 각각 제어가능 밸브를 갖는 복수의 탄소 산화물 유입구를 포함하고, 복수의 연료 전지 유닛 각각의 수소 유출구는 메탄화 유닛의 수소 유입구에 연결되고, 제어 유닛은 수소 및 탄소 산화물을 메탄으로 전환시키는 최적의 전환 프로세스가 얻어지도록 복수의 제어가능 밸브를 제어하도록 적합화된다.
따라서, 메탄화 유닛에서의 메탄의 국부적으로 달라지는 농도를 고려하고, 메탄 및/또는 수소 및/또는 탄소 산화물의 국부 농도에 따라서, 탄소 산화물의 피드백 또는 피드포워드까지도 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 메탄화 유닛 내에서 탄소 산화물, 메탄 및/또는 수소의 농도의 적합화된 제어가 수행될 수 있도록, 메탄화 유닛의 복수의 탄소 산화물 유입구 중 각각의 하나로 적절한 양의 탄소 산화물이 피드백 또는 피드포워드 될 수 있다. 특히, 이미 상술된 바와 같이, 복수의 연료 전지 유닛의 복수의 수소 유출구는 메탄화 유닛의 수소 유입구 내로 직접 통할 수 있다. 메탄화 유닛의 수소 유입구는, 메탄화 유닛에 인접한 복수의 연료 전지 유닛의 연장부(extension)에 대응하는, 메탄화 유닛의 범위에 걸쳐 연장될 수 있다. 메탄화 유닛의 수소 유입구는, 연료 전지 유닛들과 메탄화 유닛 사이의 복수의 도관을 포함하는 배열체일 수 있으나, 연료 전지 유닛들의 복수의 수소 유출구를 수용하는 공통 레일 수소 유입구일 수도 있다는 점에 주목해야 한다.
예시적 실시양태에 따르면, 메탄화 유닛은 복수의 메탄화 서브섹션을 포함하며, 각각의 메탄화 서브섹션은 복수의 연료 전지 유닛 중 하나에 할당되고, 각각의 메탄화 서브섹션은 각각이 제어가능 밸브를 갖는 복수의 탄소 산화물 유입구 중 하나를 포함한다.
따라서, 연료 전지 배열체의 특정 섹션들에서, 연료 전지 유닛과 각각의 메탄화 서브섹션 간에 일대일 대응관계가 성립할 수 있으며, 이는 전체 메탄화 유닛에서의 메탄화 프로세스의 제어를 간소화하게 할 수 있다. 그러나, 둘 이상의 연료 전지 유닛을 하나의 메탄화 서브섹션에 할당하거나, 둘 이상의 메탄화 서브섹션을 하나의 연료 전지 유닛에 할당하는 것도 가능하다는 점에 주목해야 한다. 연료 전지 유닛들의 수와 메탄화 서브섹션들의 수의 대응관계를 가지지 않는 것도 가능하다는 점에 주목해야 한다.
예시적 실시양태에 따르면, 메탄화 유닛은 적어도 하나의 가열 요소를 포함한다.
메탄화 프로세스는 온도를 증가시킬 때 가속될 수 있다. 특히, 저온 유형의 연료 전지 유닛을 사용할 때, 연료 전지 유닛 또는 연료 전지 유닛들의 열 생성이 최적의 메탄화 프로세스를 얻기에 충분하지 않을 수 있다. 가열 요소는, 메탄화 프로세스를 최적화하도록, 메탄화 유닛에서 요구되는 온도를 제공할 수 있다. 메탄화 유닛에서의 동작 상태를 국부적으로 제어함으로써 메탄화 프로세스를 제어하도록, 복수의 가열 요소가 메탄화 유닛의 연장부를 따라 각각의 온도 프로파일을 제공하기 위해 사용될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 특히 고온 연료 전지 유닛을 사용할 때, 연료 전지 유닛의 온도가 최적의 메탄화 프로세스에 대하여 너무 높은 경우, 냉각 요소들도 메탄화 유닛에 적용될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 메탄화는 고온, 예를 들어, 300℃ 내지 700℃ 에서의 발열성 반응이다. 촉매, 예를 들어 니켈과 활성화 에너지의 추가가 반응을 촉진한다. 그 이유는 수소의 느린 반응이다. 분자 형태에서 수소는 반응에 느리다(불활성). 가열에 의해 수소가 분자 형태로부터 원자 형태로 전환된다. 후자는 반응에 더 빠르다. 활성화 에너지의 양은 압력에 따라 달라진다. 1 bar는 100 kJ/mol을 필요로 한다. 더 높은 압력에서, 활성화 에너지의 양은 작아진다. 예를 들어, 4 bar에서 활성화 에너지는 약 75 kJ/mol이다.
예시적 실시양태에 따르면, 메탄화 유닛 메탄화 유닛에서의 동작 파라미터를 감지하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함하며, 센서는 압력 센서, 메탄 센서, 수소 센서, 온도 센서 및 탄소 산화물 센서로 이루어진 군으로부터 선택되고, 제어 유닛은 센서의 감지에 기초하여 밸브를 제어하도록 적합화된다.
따라서, 탄소 산화물 공급 밸브의 제어 프로세스를 위한 기초를 제공하도록, 메탄화 유닛의 특정 동작 상태들이 감지될 수 있다. 특히 메탄 센서, 수소 센서 및/또는 탄소 산화물 센서는 각 매체의 농도를 감지할 수 있는 센서들일 수 있다는 점에 주목해야 한다. 복수의 탄소 산화물 공급 밸브를 제어하기 위한 적절한 기초를 제공하기 위해, 메탄화 유닛의 동작 상태들의 국부 분포를 검출하도록, 메탄화 유닛을 따라 각 유형의 복수의 센서가 제공될 수 있다는 점에 주목해야 한다.
예시적 실시양태에 따르면, 가열 요소는 메탄화 유닛에서의 감지된 동작 파라미터에 따라 제어가능하다.
이는 메탄화 유닛의 연장부를 따라 온도 프로파일을 제어하는 것을 가능하게 한다.
예시적 실시양태에 따르면, 메탄화 유닛은 적어도 하나의 압력 제어 밸브를 포함하며, 압력 제어 밸브는 메탄화 유닛에서의 감지된 동작 파라미터에 따라 제어가능하다.
따라서, 탄소 산화물을 메탄화 유닛으로 공급하는 양에 의하여 메탄화 프로세스를 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 메탄화 유닛 내의 압력을 제어함으로써 제어할 수 있다. 특히, 메탄화 유닛 내의 압력을 제어하는 것은 메탄화 프로세스를 미세조정하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 메탄화 유닛의 연장부를 따라 복수의 압력 제어 밸브가 제공될 수 있다는 점에 주목해야 한다.
예시적 실시양태에 따르면, 메탄화 유닛은 적어도 하나의 수소 잔류 가스 유출구를 더 포함한다.
따라서, 수소, 특히 메탄으로 전환되지 않은 잔류 수소를 메탄화 유닛 밖으로 꺼낼 수 있다. 잔류 수소는 메탄화 유닛으로 피드백될 수 있다. 특히, 수소는 메탄화 유닛의 섹션으로 피드백될 수 있으며, 수소의 속도(rate)는 낮을 것으로 예상되거나 검출된다.
예시적 실시양태에 따르면, 복수의 연료 전지 유닛 각각은 캐소드 및 애노드 및 캐소드와 애노드 사이의 연료 전지 멤브레인을 포함하고, 적어도 하나의 연료 전지 멤브레인은 제어가능 전극 배열체를 포함하며, 연료 전지 배열체는 전극 배열체 제어 유닛을 더 포함한다.
따라서, 연료 전지 전기분해 프로세스를 제어하고, 과열 상태에 빠르게 반응하는 것이 가능하다. 특히, 멤브레인을 직접 제어하고, 연료 전지 유닛의 핵심 요소에서 제어를 수행하는 것이 가능하다. 이는 연료 전지 유닛들의 제어 프로시저의 신속한 응답 및 빠른 피드백을 가능하게 한다.
전극 배열체는 복수의 전극 배열체, 예를 들어, 수직 그리드에 의해 교차된 수평 그리드를 갖는 그리드 또는 패턴이 될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 수평 그리드 및 수직 그리드는 서로 격리되도록 멀리 배치될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 전극 배열체는 멤브레인의 표면 상에 또는 멤브레인의 볼륨 내에 배치될 수 있다. 전극 배열체의 일 부분을 멤브레인의 일 표면측 상에, 그리고 전극 배열체의 다른 부분을 멤브레인의 다른 표면측 상에 제공하는 것도 가능하다. 또한, 대안적인 제어 파라미터들이 연료 전지 동작 프로세스, 즉, 전기분해를 제어하기 위해 사용될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 특히, 전기 충격에 대한 대안적인 충격, 예를 들어, 빛 충격, 압력 충격, 온도 충격, 또는 연료 전지 프로세스를 제어하기에 적절한 임의의 다른 충격이 제공될 수 있다.
예시적 실시양태에 따르면, 연료 전지 배열체는 적어도 하나의 di/dt 측정 유닛을 포함하고, 전극 배열체 제어 유닛은 측정되거나 감지된 di/dt에 기초하여 전극 배열체를 제어하도록 적합화된다.
따라서, 전극 배열체를 제어함으로써 연료 전지가 적절히 제어될 수 있도록, 전류 구배(gradient)를 측정하고, 측정 또는 검출 또는 감지된 전류 구배로부터 연료 전지의 상태를 결론짓는 것이 가능하다. 특히, 전류의 빠른 증가와 같은, 높은 전류 구배를 검출할 때, 연료 전지 배열체의 손상을 방지하도록, 제어 프로세스로 빠르게 반응할 필요가 있다.
예시적 실시양태에 따르면, 메탄화 유닛은 촉매제로 코팅된 활성 벽 표면 섹션을 포함한다.
따라서, 촉매의 쉬운 구성을 제공할 수 있다. 촉매제의 활성 표면이 커지도록 활성 벽 표면 섹션은 주름지거나 표면을 증가시키는 방식으로 형성될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 따라서, 메탄화 프로세스가 개선되고 효율이 높아질 수 있다.
예시적 실시양태에 따르면, 촉매제는 니켈, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 귀금속, 특히 백금 및 백금 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 고체 상 촉매 물질이다.
특히 고체 상 촉매들은 취급하기 쉬우며, 정기적으로 형상을 일정하게 유지한다. 특히, 촉매제의 주입(dosing) 문제가 회피될 수 있다.
예시적 실시양태에 따르면, 복수의 연료 전지 유닛은 적층된다.
따라서, 예를 들어 복수의 적층된 연료 전지 유닛 및 연료 전지 유닛들의 스택(stack)을 따라 연장되는 메탄화 유닛을 갖는, 연료 전지 배열체의 컴팩트한 디자인을 제공하는 것이 가능하다.
예시적 실시양태에 따르면, 연료 전지 배열체는 직사각형 하우징을 더 포함하며, 각각의 연료 전지 유닛은 적어도 하나의 컷오프 모서리를 갖는 직사각형 엔벨로프(envelope)를 갖고, 복수의 연료 전지 유닛 각각의 컷오프 모서리는 가스 덕트용 채널을 형성하도록 서로 대응된다.
따라서, 최적의 형상(geometry)을 제공하는 것이 가능하다. 채널이 대응 컷오프 모서리에 인접하게 위치하나 연료 전지 배열체의 직사각형 하우징 내에 위치할 수 있도록, 컷오프 모서리는 예를 들어 삼각형 단면을 갖는 채널을 유발할 수 있다.
예시적 실시양태에 따르면, 연료 전지 배열체는 직사각형 하우징을 더 포함하며, 각각의 연료 전지 유닛은 3개의 컷오프 모서리를 갖는 직사각형 엔벨로프를 갖고, 각각의 연료 전지 유닛의 3개의 컷오프 모서리는 적어도 3개의 가스 덕트용 채널을 형성하도록 서로 대응된다. 제1 채널은 수증기를 제공하는 역할을 하고, 제2 채널은 산소를 수집하는 역할을 하고, 제3 채널은 메탄화 유닛을 수용하는 역할을 하고, 복수의 연료 전지 유닛 각각의 수소 유출구는 메탄화 유닛의 수소 유입구들 중 적어도 하나에 연결된다.
따라서, 연료 전지 배열체의 직사각형 하우징 내에서, 연료 전지 유닛의 컷오프 모서리는 가스 덕트용 채널들을 제공하기 위한 공간을 제공한다. 특히, 직사각형 하우징의 각각의 길이방향 모서리에서 4개의 채널을 제공하는 것도 가능하며, 하나의 채널은 수증기용, 하나의 채널은 산소용, 하나의 채널은 메탄화 유닛용, 그리고 하나의 채널은 잔류 가스 덕트용이다.
예시적 실시양태에 따르면, 제1 연료 전지 유닛 및 메탄화 유닛을 갖는 연료 전지 배열체의 효율을 개선하는 방법이 제공되고, 제1 연료 전지 유닛은 물 유입구, 수소 유출구 및 산소 유출구를 포함하며, 메탄화 유닛은 수소 유입구, 탄소 산화물 유입구, 제1 제어가능 밸브 및 메탄 유출구를 포함하고, 제1 연료 전지 유닛의 수소 유출구는 메탄화 유닛의 수소 유입구에 연결되고, 메탄화 유닛은 수소 및 탄소 산화물을 메탄으로 전환시키도록 적합화되고, 이 방법은 수소 및 탄소 산화물을 메탄으로 전환시키는 최적의 전환 프로세스가 얻어지도록 메탄화 유닛으로의 탄소 산화물의 공급을 제어하기 위해 제1 제어가능 밸브를 제어하는 단계를 포함한다.
특히, 메탄화 유닛의 각 위치에서 최적화를 얻기 위해, 탄소 산화물 농도의 국부 분포가 제어될 수 있도록, 메탄화 유닛을 따라 복수의 제어가능 밸브가 제공될 수도 있다는 점에 주목해야 한다.
예시적 실시양태에 따르면, 프로세서에 의해 실행될 때, 상술한 방법을 수행하도록 적합화된 프로그램 요소가 제공된다.
예시적 실시양태에 따르면, 상술한 프로그램 요소를 저장한 컴퓨터 판독가능 매체가 제공된다.
본 발명의 이러한 및 다른 양태들은 후술될 실시양태들을 참조하여 설명되고 그로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 예시적 실시양태들은 이하의 도면들을 참조하여 후술될 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시양태에 따른, 전기 에너지를 메탄으로 전환시키는 프로세스에 대한 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적 실시양태에 따른, 제어된 탄소 산화물 공급을 갖는 연료 전지 배열체에 대한 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시적 실시양태에 따른, 메탄화 유닛 내의 메탄 유출구를 추가로 갖는 연료 전지 배열체를 도시한다.
도 4는 본 발명의 예시적 실시양태에 따른, 메탄화 유닛 내의 추가의 압력 제어 밸브를 갖는 연료 전지 배열체를 도시한다.
도 5는 본 발명의 예시적 실시양태에 따른, 메탄화 유닛 내의 추가의 가열 요소를 갖는 연료 전지 배열체를 도시한다.
도 6은 본 발명의 예시적 실시양태에 따른, 연료 전지 유닛, 메탄화 유닛 내의 가열 요소 및 탄소 산화물 제어 밸브의 구조를 갖는 연료 전지 배열체에 대한 개략도를 도시한다.
도 7은 연료 전지 유닛 및 메탄화 유닛 내의 추가의 압력 제어 밸브의 구조를 도시하는, 본 발명의 예시적 실시양태에 따른 연료 전지 배열체에 대한 개략도를 도시한다.
도 8은 멤브레인 내의 제어 전극 배열체를 갖는 연료 전지 유닛, 메탄화 유닛 내의 가열 요소 및 탄소 산화물 제어 밸브의 구조를 도시하는, 본 발명의 예시적 실시양태에 따른 연료 전지 배열체에 대한 개략도를 도시한다.
도 9는 전극 배열체를 갖는 연료 전지 유닛 및 메탄화 유닛 내의 추가의 압력 제어 밸브의 구조를 도시하는, 본 발명의 예시적 실시양태에 따른 연료 전지 배열체에 대한 개략도를 도시한다.
도 10은, 본 발명의 예시적 실시양태에 따른, 적층된 연료 전지 유닛들을 갖는 연료 전지 배열체의 일반적인 빌드업(build-up), 그리고 연료 전지 유닛 스택에 대한 메탄화 유닛의 입력과 출력의 상호 관계를 도시한다.
도 11은 본 발명의 예시적 실시양태에 따른, 메탄화 유닛 및 수소 및 탄소 산화물용 피드백 라인들이 구현된 연료 전지 배열체의 개략도를 도시한다.
도 12는 할당된 메탄화 서브섹션들을 갖는 적층된 연료 전지 유닛의 일반적 구조를 도시한다.
도 13은 밸브들, 제어 경로들, 및 펌프들 및 덕트들과 같은 부차적인 요소들을 포함하는 메탄화 유닛의 각각의 입력 및 출력의 개략도를 도시한다.
도 14의 a 내지 h는 연료 전지 유닛(110) 옆의 메탄화 유닛(200)의 다양한 형상들을 도시한다.
도 1은 전기분해를 통해 전기 에너지를 물로부터 산소 및 수소로 전환시키는 프로세스, 뿐만 아니라 전기분해의 수소 출력의 사용에 의한 다음의 메탄화 프로세스에 대한 개략도를 도시한다. 메탄화의 결과로서 메탄, CH4가 생성되며, 이는 메탄을 저장하는 목적으로 사용될 수 있다. 연료 전지 물 유입구 또는 수증기 유입구(111)를 통해 물이 연료 전지(110)로 공급된다. 물은 전기분해를 통해, 그리고 전기 에너지를 입력함으로써 산소와 수소로 분해된다. 연료 전지 산소 출구 또는 유출구(113)로 산소가 출력되고, 연료 전지 수소 유출구(112)를 통해 수소가 출력된다. 연료 전지는 전기 에너지를 가열 에너지 WE로 전환시키고, 가열 에너지는 메탄화 프로세스를 위한 프로세스 에너지로서 사용된다. 수소는, 수소 유출구(112)를 통해 전기분해/연료 전지 유닛(110)을 떠날 때, 메탄화 유닛 수소 유입구(212)를 통해 메탄화 유닛(200)으로 들어간다. 메탄화에 필요한 탄소는, 수소 및 탄소 산화물이 촉매에 의해 지원되어 메탄으로 전환되도록, 탄소 산화물 유입구(214)를 통해 제공된다. 도 1의 방식은 메탄뿐만 아니라, 보통 증기로서 물과 수소도 연료 전지 배열체를 떠나는 것을 도시한다. 일반적인 원리는 연료 전지 유닛의 열 에너지를 사용하여 메탄화 프로세스를 위한 가열 에너지를 제공하고, 탄소 산화물의 입력을 제어함으로써 메탄화 프로세스를 제어하는 것이다. 탄소 산화물은 이산화탄소뿐만 아니라 일산화탄소도 될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 연료 전지 배열체, 특히 연료 전지 유닛의 온도는 약 100℃ 내지 약 1000℃ 이상의 범위 내일 수 있다.
도 2는 연료 전지 유닛(110) 및 메탄화 유닛(200)을 갖는 연료 전지 배열체(1)의 빌드업을 도시한다. 연료 전지 배열체(1)는 수증기, 산소, 수소 등의 가스를 흘려보내기(ducting) 위해 사용되는 채널들 또는 덕트들을 가질 수 있다. 도 2의 좌측은 메탄화 유닛(200), 연료 전지 수증기 유입구(111) 및 산소 출구(113)를 갖는 연료 전지 유닛(110)을 포함하는 연료 전지 배열체(1)의 단면도를 도시한다. 연료 전지 유닛(110)뿐만 아니다, 메탄화 유닛(200), 덕트들 또는 채널들이 연료 전지 하우징(2) 내에 제공된다. 우측에는, 메탄화 유닛(200)이 확대된 도면으로 도시된다. 수소는 연료 전지 수소 유출구(112)를 통해 연료 전지 유닛(110)을 떠나서 수소 유입구(212)를 통해 메탄화 유닛(200)으로 들어간다. 수소 유출구(112) 및 수소 유입구(212)는 구현된 덕트의 구조를 의무적으로 요구하는 것은 아니며, 연료 전지 유닛(110)으로부터 메탄화 유닛(200)으로의 직접적인 통로로서 고려될 수도 있다는 점에 주목해야 한다. 수소는 메탄화 유닛(200)으로 들어가고, 메탄화 유닛(200)은, 전기분해 프로세스와 전기 에너지의 입력에 기인하는, 연료 전지 유닛의 열 에너지에 의해 가열된다. 또한, 메탄화 유닛(200)은 탄소 산화물 유입구(214)를 통해 탄소 산화물을 공급받는 한편, 탄소 산화물의 양은 탄소 산화물 유입구 밸브(215)에 의해 제어될 수 있다. 탄소 산화물 밸브(215)의 제어는 밸브(215)에 연결된 제어 유닛(300)에 의해 수행될 수 있다. 메탄화 유닛의 벽 표면 섹션들 상에 제공될 수 있는 촉매제뿐만 아니라, 메탄화 유닛 내의 열에 의해 탄소 산화물 및 수소가 메탄으로 전환되는 한편, 탄소 산화물의 잔류 산소와 함께 잔류 수소는 물로, 가능하면 증기의 형태로 전환된다. 메탄은 메탄 유출구(216)를 통해 메탄화 유닛을 나간다. 도 2는 연료 전지 유닛의 열이 메탄화 유닛(200)에서 메탄화 프로세스를 동작시키는데 충분하여, 더 이상 열이 필요하지 않은 실시양태를 도시한다.
연료 전지 배열체의 메탄화 유닛(200)은, 메탄화 유닛으로부터 연료 전지 유닛으로의 열 전달을 가능하게 하는 방식으로, 연료 전지 유닛(110) 옆에 배치된다. 발열성 메탄화 프로세스에 기인한, 메탄화 유닛(200)에서 생성된 열은 연료 전지 유닛(110)을 가열하는데 사용될 수 있다. 메탄화 유닛(200)과 연료 전지 유닛(110)은 공통의 벽(150)을 공유한다. 공통의 벽(150)은 메탄화 유닛으로부터 연료 전지 유닛으로의 직접적인 열 전달을 가능하게 할 수 있다. 공통의 벽(150)은 연료 전지 볼륨/공동(110)과 촉매 볼륨/공동(200) 사이의 세퍼레이터일 수 있다. 공통의 벽(150)은 연료 전지 공동으로부터 촉매 공동으로 수소를 전달하기 위한 구멍들을 가질 수 있다. 공통의 벽은 수소를 전달하기 위한 다공성 영역을 갖는 것으로 설계될 수 있다. 다공성 영역, 특히 다공성 영역의 공극률은 액추에이터, 예를 들어 피에조 액추에이터에 의해 제어될 수 있다. 액추에이터의 활성화는 제어 유닛에 의해 수행될 수 있다. 제어 프로세스는 제어 유닛에서 구현되는 룩업 테이블에 기초할 수 있다. 공통의 벽(150)은, 기본적인 양의 수소가 통과할 수 있게 하는, 영구적으로 다공성인 다공성 섹션을 가질 수 있으며, 동시에 추가의 양의 수소를 제어하기 위한, 밸브로 제어되는 도관을 가질 수 있다. 즉, 최소한의 양의 수소가 영구적으로 통과할 수 있으며, 추가의 양은 밸브를 통해 제어 유닛에 의해 제어될 수 있다. 연료 전지 배열체는, 연료 전지 배열체 내의 내부 메탄화 프로세스를 가능하게 하도록 연료 전지 유닛 및 메탄화 유닛을 포함할 수 있다. 이는 연료 전지 유닛을 메탄화 유닛 옆에 배치함으로써, 특히 연료 전지 유닛과 메탄화 유닛 사이의 열 전달을 가능하게 하는 벽을 공유할 때, 제공될 수 있다. 메탄화 유닛은 주된 내부 메탄화를 수행할 수 있다. 즉, 임의적인 추가의 부속 메탄화 유닛을 제공하는 것도 가능하며, 부속 메탄화 유닛은, 연료 전지 및 (주된) 메탄화 유닛을 포함하는 공통 하우징의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다.
도 3은 도 2의 배열체와 유사한 배열체를 도시한다. 대응하는 요소들은 대응하는 도면 부호로 표시되며 다시 더 상세히 설명하지 않는다. 도 3과 도 2의 차이는, 메탄화 유닛(200) 내에 제공될 수 있는, 가열 요소(217)의 제공이다. 연료 전지 유닛이 저온 연료 전지 유닛이고, 열 에너지가 메탄화 유닛(200)에서 메탄화 프로세스를 동작시키는데 충분하지 않는 경우, 가열 요소(217)에 의해 제공되는 추가의 열이 필요할 수 있다. 이러한 목적으로, 추가의 가열 요소(217)가 메탄화 유닛 내에 제공된다. 같은 방식으로, 수소 유입구(212)로 들어가는 수소는 공급된 탄소 산화물과 함께 메탄으로 전환될 것이고, 메탄은 메탄 유출구(216)를 통해 메탄화 유닛을 떠날 수 있다. 탄소 산화물은 탄소 산화물 유입구(214)를 통해 공급되어 밸브(215) 및 제어 유닛(300)에 의해 제어될 수 있다. 탄소 산화물은, 더 상세히 설명 및 도시되지 않은, 노즐 배열체를 통해 메탄화 유닛 내에서 분배될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 메탄화 유닛(200)은, 도 4와 관련하여 후술하는 바와 같이, 촉매제로 코팅될 수 있는 활성 촉매 벽 표면 섹션(222)을 가질 수 있다. 나머지 도면들과 관련하여 명시적으로 설명되지 않더라도, 도 2, 도 3등의 메탄화 유닛(200) 역시 촉매제로 코팅될 수 있는 활성 촉매 벽 표면 섹션이 제공될 수 있다는 점에 주목해야 한다.
도 4는 도 2 및 도 3의 실시양태와 유사한 다른 예시적 실시양태를 도시한다. 도 2의 구조 외에도, 도 4는 메탄화 유닛(200) 내의 압력을 제어하는 압력 제어 밸브(219)의 제공을 도시한다. 제어 유닛(300)이 압력 제어 밸브(219)뿐만 아니라 탄소 산화물 공급 밸브(215)를 제어할 수 있도록, 압력 제어 밸브도 제어 유닛(300)에 의해 제어될 수 있다. 도 2 및 도 3의 구조와 유사하게, 수소 유입구(212)로 들어가는 수소와 탄소 산화물 유입구(214)를 통해 제공되는 탄소 산화물은 메탄으로 전환될 것이고, 메탄은 메탄 유출구(216)를 통해 메탄화 유닛(200)을 떠날 수 있다. 수증기도 메탄 유출구(216)를 통해 메탄화 유닛을 떠날 수 있다는 점에 주목해야 한다. 그럼에도 불구하고, 수증기는 더 상세히 설명 및 도시되지 않은 별개의 유출구를 통해 메탄화 유닛(200)을 나갈 수 있다. 도 4는 고온 연료 전지 유닛에 관한 것으로, 가열 요소가 회피될 수 있다. 그러나 열이 충분하지 않은 경우, 고온 연료 전지 유닛에 대하여도, 하나 이상의 추가의 가열 요소가 제공될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 메탄화 유닛(200)은 활성 벽 표면 섹션(222)을 포함하고, 활성 벽 표면 섹션은 촉매제로 코팅될 수 있다. 활성 벽 표면은 메탄화 유닛을 형성하는 공동(cavity)의 내부 표면일 수 있다. 활성 벽 표면 섹션은 활성 벽 표면 섹션의 유효 표면이 확장되도록, 주름지게(corrugated) 될 수 있다. 특히 벽 표면 섹션을 촉매제를 위한 캐리어 또는 기판으로 사용할 때, 확장된 표면은 촉매 프로세스의 효율을 향상시킬 수 있다. 전형적인 촉매제들은 니켈, 산화지르코늄, 산화알루미늄, 또는 백금, 금 등과 같은 귀금속 및 귀금속 합금과 같은 고체 상 촉매들일 수 있다.
도 5는 위의 도 2 내지 도 4와 같은 유사한 구조를 도시한다. 동일한 요소들은 동일한 도면 부호로 표시되며 다시 더 상세히 설명하지 않는다. 도 5는 도 4 외에도 메탄화 유닛(200)을 가열하기 위한 가열 요소(217)를 포함한다. 통상적으로 도 5의 구조는, 메탄화 프로세스에 필요한 추가의 열이 가열 요소(217)에 의해 제공되도록, 저온 유형의 연료 전지 유닛을 포함한다. 그러나 온도가 충분히 높은 경우에는, 저온 연료 전지 유닛을 사용하는 경우에도, 가열 요소(217)가 생략될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 도 4에 대응하여, 메탄화 유닛은 압력 제어 밸브(219)가 제공되고, 탄소 산화물 공급 밸브(215)뿐만 아니라 압력 제어 밸브가 제어 유닛(300)에 의해 제어될 수 있다.
도 2 내지 도 5 및 도 13에 도시된 메탄화 유닛들 내에서 밸브들, 센서들, 펌프들, 제어 라인들 히터들 등이 복수 회 제공될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 즉, 각각의 도시된 밸브들, 센서들, 펌프들, 제어 라인들 히터들 등의 세트는 메탄화 유닛(200)에 인접하게 배치된 연료 전지 유닛들(110) 각각에 대하여 제공될 수 있다. 제어 유닛(300)은, 복수의 연료 전지 유닛(110) 각각의 상이한 상태들을 고려하도록, 각각의 밸브들 또는 밸브들의 각각의 그룹을 별도로 제어할 수 있다. 따라서, 각각의 연료 전지 유닛들은, 메탄화 유닛에서 탄소 산화물의 최적의 농도 및 메탄의 최대 이득(gain)을 달성하도록 제어될 수 있다.
도 6은 연료 전지 배열체의 개략도를 도시하며, 연료 전지 유닛이 그 일반적인 빌드업과 관련하여 더욱 상세하게 도시되어 있다. 도 6의 메탄화 유닛(200)은 도 3의 메탄화 유닛과 유사하다. 연료 전지 유닛은 연료 전지 캐소드(114), 연료 전지 멤브레인(115) 및 연료 전지 애노드(118)를 포함한다. 애노드, 멤브레인 및 캐소드는, 연료 전지의 동작 모드에 따라 물을 수소 및 산소로 전환시키거나 수소 및 산소를 물로 전환시키기 위한, 연료 전지의 활성부를 형성한다. 또한,(120)으로 표시된 가스 분배판들이 제공될 수 있다. 가스 분배판들은 공급 가스, 특히 수증기, 산소 또는 수소를 다소 동등하게 분배하는 역할을 한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 연료 전지 배열체는, 연료 전지 유닛의 동작 상태를 검출하도록 di/dt를 검출할 수 있는 전류 구배 측정 유닛(119)이 더 제공될 수 있다. (A)는 전류 센서를 표시하며,(V)는 전압 센서를 나타내고,(Z)는 부하를 나타낸다.
도 7은 도 6에 도시된 것과 유사한 구조를 도시하나, 추가의 압력 제어 밸브(219)를 가진다. 탄소 산화물 제어 밸브(215)뿐만 아니라 압력 제어 밸브(219)도 제어 유닛(300)에 의해 제어된다. 연료 전지 유닛(110)의 빌드업은 도 6의 구성과 유사하며, 따라서 다시 더 상세히 설명하지 않는다.
도 8 및 도 9는 도 6 및 도 7의 구조에 대응한다. 도 8의 메탄화 유닛은 도 6의 메탄화 유닛과 동일하고, 도 9의 메탄화 유닛은 도 7의 메탄화 유닛과 동일하다. 따라서, 도 8 및 도 9와 관련하여, 각각의 메탄화 유닛은 다시 더 상세히 설명하지 않는다. 도 8 및 도 9는 연료 전지 유닛(110)의 다른 변형예를 도시하며, 연료 전지 유닛은 연료 전지 멤브레인 제어 전극(116)을 가질 수 있다. 연료 전지 제어 전극(116)은 연료 전지 멤브레인 제어 전극 제어 유닛(117)에 의해 제어될 수 있다. 전극들(116)이 연료 전지의 핵심 요소, 즉 멤브레인 내에서 또는 그 위에서 직접 작용하므로, 전극들(116)은 연료 전지 유닛을 신속하고 빠르게 제어하는 역할을 할 수 있다. 전극들(116)이 멤브레인 내에 존재하는 것으로 도시되었으나, 전극들이 멤브레인의 표면 옆에, 또는 멤브레인의 표면 상에 제공될 수도 있다는 점이 이해되어야 한다. 전극들(116)은, 예를 들어 그리드 전극이거나, 예를 들어, 제어 유닛(117)에 의해 별도로 제어될 수 있는 별개의 수평 및 수직 전극들일 수 있다. 멤브레인이 국부적으로 제어되도록, 수직 또는 수평 그리드의 도체 스트라이프들(stripes) 또는 단일 수직 배선들이 별도로 제어될 수 있다. 제어 유닛(117)은 검출된 전류 구배 또는 검출된 온도에 기초하여 전극 배열체(116)를 제어할 수 있으며, 감지 정보는 구배 센서(119) 또는 온도 센서로부터 각각 올 수 있다. 제어 유닛(117)은, 메탄화 유닛의 제어뿐만 아니라 연료 전지 유닛의 동작을 의존적으로 제어하도록, 제어 유닛(300)과 기능적으로 연결될 수 있다는 점에 주목해야 한다.
도 10은 수증기 유입구(111) 및 산소 유출구(113)를 갖는 하우징(2) 내의 연료 전지 배열체(1)의 다른 예시적인 실시양태를 도시한다. 연료 전지 배열체(1)는 적층된 방식으로 배치될 수 있는 복수의 연료 전지 유닛(110)을 포함한다. 메탄화 유닛(200)은 하우징(2)의 코너에 제공될 수 있으며, 그 자유 공간은 연료 전지 유닛들(110)의 대응 컷오프 모서리에 기인할 수 있다. 메탄화 유닛(200)은, 예를 들어, 도 3 및 도 5와 관련하여 더 상세히 설명된 가열 요소(217)와 같은 복수의 추가 요소들이 도시되는, 우측의 확대된 도면에 도시된다. 메탄화 유닛(200)은 탄소 산화물 제어 밸브(215)에 의해 제어되는 탄소 산화물 공급 유입구를 더 포함할 수 있다. 또한, 압력은 메탄화 유닛 내에서 압력 제어 밸브(219)를 통해 제어될 수 있다. 압력 제어 밸브(219) 및 탄소 산화물 제어 밸브(215)는 제어 유닛(300)에 의해 제어될 수 있다. 메탄화 유닛은 탄소 산화물 유출구를 더 가질 수 있으며, 이 유출구를 통해 잔류 탄소 산화물이 메탄화 유닛(200)을 떠날 수 있다. 잔류 탄소 산화물은, 메탄화 유닛으로 재진입(re-enter)하도록, 탄소 산화물 유입구로 피드백 또는 피드포워드 될 수 있다. 재진입은 메탄화 유닛 내의 탄소 산화물의 농도에 따라 상이한 위치에서 일어날 수 있다는 점에 주목해야 한다. 메탄화 유닛은 잔류 수소를 위한 추가의 유출구(220)뿐만 아니라 메탄 유출구(216)를 더 가질 수 있다. 잔류 수소도 메탄화 유닛으로, 예를 들어 메탄화 유닛 내에서 더 낮은 수소 농도를 갖는 위치로, 피드백 또는 피드포워드 될 수 있다. 피드백 프로세스는 도 11과 관련하여 더 상세히 후술한다.
도 11은 가스 피드백의 원리를 도시한다. 연료 전지 배열체(1)의 일반적인 빌드업은 상술된 바와 유사하다. 메탄화 유닛(200)은 예를 들어 복수의 수소 유출구(220) 또는 탄소 산화물 유출구(221)를 가질 수 있다. 동일한 덕트로서 도시되었으나, 가스의 양이 별도로 제어될 수 있도록, 수소를 위한 유출구와 탄소 산화물을 위한 유출구가 상이한 것일 수도 있다는 점이 이해되어야 한다. 도 11은, 그러나, 수소 및 탄소 산화물을 별도로 제어하는 가능성에 대하여 더 상세히 도시하지는 않는다. 탄소 산화물 농도뿐만 아니라 수소 농도는 메탄화 유닛(200)의 중심부에서 낮아지며, 농도는 끝 부분 섹션들 쪽으로 증가한다. 따라서 통상적으로 잔류 수소 및 탄소 산화물을 위한 유출구들은 메탄화 유닛(200)의 끝 부분 섹션들에 있으며, 유입구들은 그 중간에 있다. 농도가 메탄화 유닛의 길이에 걸쳐 매우 정확하게 제어될 수 있도록, 복수의 잔류 수소 유출구들 및 탄소 산화물 유출구들이 상이하게 제어될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 따라서, 메탄화의 전체 프로세스가 매우 효율적으로 이루어질 수 있다.
도 11은 또한 직사각형 엔벨로프를 갖는 연료 전지 유닛들(110)의 컷오프 모서리들에 의해 형성된 채널들의 위치를 도시한다. 대응 컷오프 모서리들이 가스 덕트를 수용하기 위한 채널(3, 3a, 3b, 3c)을 형성한다. 연료 전지 유닛들의 대응 컷오프 모서리들(121a)은 가스 덕트용 채널(3a), 여기서는 연료 전지 수증기 유입구(111)를 형성한다. 컷오프 모서리들(121b)은 산소 유출구(113)를 수용하기 위한 채널(3b)을 형성하고, 컷오프 모서리들(121c)은 메탄화 유닛(200)을 수용하기 위한 채널(3c)을 형성한다. 물론, 다른 컷오프 모서리가 잔류 가스 덕트를 수용하기 위한 추가의 채널을 제공할 수 있다.
도 12는 하우징(2) 내의 연료 전지 배열체(1)의 구조를 도시하며, 각각의 연료 전지 유닛(110)은 메탄화 유닛(200)의 대응하는 서브섹션(210)에 할당된다. 그러나, 메탄화 서브섹션(210)과 각각의 연료 전지 유닛(110)으로부터 일대일 대응관계가 없는 경우에도 연료 전지 배열체가 작동할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 연료 전지 유닛들(110)은 공통 메탄화 유닛(200)에 할당될 수도 있다. 복수의 연료 전지 유닛들(110)은 연료 전지 유닛들(110)의 스택으로서 배치될 수 있다. 각각의 연료 전지 유닛들(110)은 메탄화 유닛(200)에 인접하게 배치될 수 있다. 복수의 연료 전지 유닛들(110) 각각은 메탄화 유닛과 공통의 벽을 공유할 수 있다. 메탄화 유닛(200)은 촉매 서브섹션(210)의 스택으로서 설계될 수 있다. 각각의 촉매 서브섹션들(210)은 도 2 내지 도 10 및 도 13 중 어느 하나와 관련하여 앞서 설명한 바와 같은 메탄화 유닛(200)과 같이 설계될 수 있다. 따라서, 전체 메탄화 유닛(200)은 복수의: 메탄화 유닛 수소 유입구들(212), 메탄화 유닛 수소 유입구들(213), 메탄화 유닛 탄소 산화물 유입구들(214). 탄소 산화물 유입구 밸브들(215), 메탄화 유닛 메탄 유출구들(216), 메탄화 유닛 가열 유닛들/요소들(217), 메탄화 유닛 센서들(218), 촉매 압력 제어 밸브들(219), 메탄화 유닛 잔류 수소 가스 유출구들(220), 메탄화 유닛 잔류 탄소 산화물 가스 유출구들(221), 메탄화 유닛 활성 벽 표면 섹션들 또는 촉매들(222), 메탄화 유닛 수소 잔류 가스 제어 밸브들(232), 메탄화 유닛 메탄 제어 밸브들(233), 수소 잔류 가스 펌핑 유닛들/압력 구배 생성기들(242), 메탄 펌핑 유닛들/압력 구배 생성기들(243), 압력 제어 펌핑 유닛들/압력 구배 생성기들(244), 탄소 산화물 공급 펌핑 유닛들/압력 구배 생성기들(245) 및 탄소 산화물 잔류 가스 펌핑 유닛들/압력 구배 생성기들(246)을 가질 수 있다. 앞서 언급한 밸브들, 유입구들, 유출구들, 펌프들 또는 생성기들 중 일부는 메탄화 유닛(200)에 대하여 일 회 또는 복수 회 제공될 수 있다는 점에 주목해야 한다.
도 10 내지 도 12의 배열체에서, 복수의 연료 전지 유닛들(110) 각각의 수소 유출구(112)는 메탄화 유닛(200)의 수소 유입구들(212) 중 적어도 하나에 연결된다.
나아가, 도 13은 메탄화 유닛의 요소들을 더 상세히 도시한다. 다시, 상술한 바와 같이, 동일한 기능을 갖는 요소들은 동일한 도면 부호들로 표시되며 상세히 설명하지 않는다. 수소 유입구(212) 및 가열 섹션(217) 외에도, 유입구들 및 유출구들은, 제어 밸브들 및, 예를 들어, 흐름을 제공하거나 압력을 증가시키기 위한 펌프들과 같은 장치가 제공될 수 있다. 특히, 탄소 산화물 유입구(214)는 탄소 산화물 제어 밸브(215)가 제공될 수 있고, 탄소 산화물은 탄소 산화물 펌프(245)에 의해 압력이 증가돨 수 있다. 또한 잔류 탄소 산화물 유출구(221)로부터의 잔류 탄소 산화물은 탄소 산화물 펌프(246)에 의해 피드백될 수 있다. 1 또는 2개의 펌프(245 및 246) 대신에, 또는 그 외에도, 공통 펌프가 탄소 산화물 제어 밸브(215)의 바로 앞에 또는 뒤에 제공될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 계획된 방식으로 탄소 산화물만이 메탄화 유닛(200)을 떠나는 것을 보장하도록, 잔류 탄소 산화물 유출구(221)는 탄소 산화물 필터(256)가 제공될 수 있다. 같은 방식으로, 수소만이 수소 유출구(220)를 통해 메탄화 유닛을 떠나는 것을 보장하도록, 잔류 수소 유출구(220)는 수소 필터(252)가 제공될 수 있다. 수소 제어 밸브(232)가 수소의 양을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 유출구는 수소 펌프(242)에 의해 지원될 수 있다. 또한, 메탄 유출구(216)는 메탄 필터(253)가 제공될 수 있고, 메탄의 배출량은 메탄 제어 밸브(233)에 의해 제어될 수 있다. 메탄의 유출구는 메탄 펌프(243)에 의해 지원될 수 있다. 또한, 압력 밸브(219)는 각각의 압력 구배를 제공하도록 압력 펌프(244)와 나란히 있을 수 있다. 메탄화 유닛(200) 내의 동작 상태를 감지할 수 있는 감지 장치(218)가 제공될 수도 있다는 점에 주목해야 한다. 감지 요소(218)는 예를 들어 수소의 농도, 메탄의 농도, 탄소 산화물의 농도 등을 감지할 수 있다. 감지 유닛은 또한 온도뿐만 아니라 메탄화 유닛 내의 압력 상태를 검출할 수 있다. 감지 요소(218)는 복수의 별개의 센서들을 포함할 수 있고, 센서들은 메탄화 유닛의 연장부에 걸쳐 분산될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 요구사항들에 따라, 메탄화 유닛의 여러 동작 파라미터들과 관련된 동작 상태들에 대한 전체 인상(impression)을 얻도록, 온도 센서들, 압력 센서들, 탄소 산화물 농도 센서들, 수소 농도 센서들 및 메탄 농도 센서들과 같은 여러 종류의 센서들이 메탄화 유닛의 연장부를 따라 분산될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 여러 밸브들, 예를 들어 밸브(215, 219, 232, 233)는 제어 유닛(300)에 의해 제어될 수 있다. 펌프들(242, 243, 244, 245, 246)도 제어 유닛(300)에 의해 제어될 수 있다. 탄소 산화물 농도는 각각의 센서에 의해 직접 감지되거나, 메탄화 유닛, 특히 촉매를 포함하는 불륨 내의 센서들의 센서 신호에 기초하여, 예를 들어 제어 유닛(300)에 의해 결정될 수 있다는 점에 주목해야 한다.
제어 유닛은, 유출구 및/또는 메탄화 유닛에서의, 예를 들어 일산화탄소 및/또는 이산화탄소 및/또는 메탄의 결정된 농도에 기초하여, 탄소 산화물, 예를 들어 일산화탄소 및/또는 이산화탄소의 유입구를 제어하도록, 유입구 밸브(215)를 제어할 수 있다. 상술한 농도를 결정하기 위해 센서들(218)이 제공될 수 있다. 제어는 모터 구동으로 수행될 수 있다. 제어 프로세스는, 탄소 산화물에서 메탄으로의 최대 전환율을 달성하도록 프로세스를 제어할 수 있다. 메탄화는 활성화 에너지를 요구하는 프로세스인 촉매 프로세스이기 때문에, 탄소 산화물, 예를 들어 일산화탄소 및/또는 이산화탄소의 최적의 농도는 압력 및 온도에 따라 달라질 수 있다. 제어 유닛(300)은 숫자 형식 또는 알고리즘 형식의 룩업 테이블을 포함할 수 있다. 룩업 테이블은 한쪽의 온도, 압력, 일산화탄소의 농도, 이산화탄소의 농도 중 적어도 하나와 다른 쪽의 센서 신호 사이의 관계를 포함할 수 있다. 탄소 산화물의 농도가 너무 낮은 경우, 제어 유닛은 추가의 탄소 산화물이 공급되도록 유입구 밸브(215)를 활성화시킬 수 있다. 농도가 너무 높은 경우, 제어 유닛(300)은 가스가 배출되도록 유출구 밸브(219)를 활성화시킬 수 있다.
도 14는 연료 전지 유닛(110) 옆의 메탄화 유닛(200)의 다양한 형상들을 도시한다. 도 14의 형상들 각각은, 각각의 연료 전지 유닛들(110)이 메탄화 유닛(200)과 공통의 벽 섹션을 공유하는, 적층된 방식으로 배치된 복수의 연료 전지 유닛들(110)에 의해 구현될 수도 있다는 점이 이해되어야 한다. 도 14에서는 하나의 연료 전지 유닛, 즉 제1 연료 전지 유닛만이 도시되어 있으며, 제1 연료 전지 유닛은 도 14에서 다른 연료 전지 유닛들을 가리고 있다. 도 14의 a는 메탄화 유닛(200)을 연료 전지 유닛(들)(110)의 한 쪽 옆에 배치한 실시양태를 도시한다. 도 14의 b는 연료 전지 유닛(들)(110)의 2개의 상이한 벽 섹션 옆에 2개의 메탄화 유닛(200)을 배치한 실시양태를 도시한다. 도 14의 c는 연료 전지 유닛(들)(110)의 컷오프 코너 또는 컷오프 모서리에 메탄화 유닛(200)을 배치한 실시양태를 도시한다. 연료 전지 유닛(110)과 메탄화 유닛(200) 사이의 공통의 벽은 연료 전지 쪽에서 볼 때 볼록하다. 도 14의 d는 도 14의 c의 실시양태와 유사하나, 연료 전지 쪽에서 볼 때 오목한 공통의 벽을 갖는 실시양태를 도시한다. 도 14의 e는 연료 전지 유닛(들) 내에 내장된 메탄화 유닛을 갖는 실시양태를 도시한다. 메탄화 유닛(200)은 연료 전지 유닛들(110)을 통해 채널을 형성한다. 연료 전지 유닛의 및 메탄화 유닛의 외부 단면 형상은 직사각형 또는 정사각형일 수 있다. 도 14의 f는 내장된 메탄화 유닛(200)의 타원형, 계란형 또는 원형 단면을 갖는 유사한 실시양태를 도시한다. 도 14의 g는 원형, 타원형, 직사각형 또는 다각형일 수 있는 메탄화 유닛이 내장된 연료 전지 유닛(110)의 타원형, 계란형 또는 원형 단면을 갖는 실시양태를 도시한다. 도 14의 h는 연료 전지 유닛(들)(110)의 다각형 단면을 갖는 실시양태를 도시한다. 다각형 단면은 팔각형 또는 육각형일 수 있다. 팔각형 단면은 공급 도관들을 위한 공간들을 그 사이에 갖는 빽빽한 패킹을 가능하게 한다. 육각형 단면은, 연료 전지 유닛(들) 내에 공급 도관들이 내장될 때, 벌집과 같은 빽빽한 패킹을 가능하게 하며, 이는 도 14의 h에 상세히 도시되지는 않았다.
가스의 피드백, 특히 탄소 산화물, 즉, 일산화탄소 및/또는 이산화탄소의 피드백, 수소의 피드백, 온도의 제어 등의 특정 제어는, 연료 전지 배열체의 전체 효율이 상당히 증가하도록, 메탄화 프로세스의 효율을 향상시킬 수 있다는 점에 주목해야 한다.
용어 "포함하는"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 단수를 나타내는 용어는 복수를 배제하지 않는다는 점에 주목해야 한다. 또한 상이한 실시양태들과 연관되어 설명된 요소들은 결합될 수 있다. 또한 청구범위에 있는 도면 부호들은 특허청구의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 점에 주목해야 한다.
1: 연료 전지 배열체
2: 연료 전지 배열체의 하우징
3, 3a, 3b, 3c: 가스 덕트용 채널
110: 연료 전지 유닛
111: 연료 전지 물(증기) 유입구
112: 연료 전지 수소 유출구
113: 연료 전지 산소 유출구
114: 연료 전지 캐소드
115: 연료 전지 멤브레인
116: 연료 전지 멤브레인 제어 전극
117: 멤브레인 제어 전극 제어 유닛
118: 연료 전지 애노드
119: di/dt 측정 유닛
120: 분배판들
121, 121a, 121b, 121c: 연료 전지 유닛 컷오프 모서리
150: 메탄화 유닛과 연료 전지 유닛 사이의 공통의 벽
200: 메탄화 유닛
210: 메탄화 서브섹션
212: 메탄화 유닛 수소 유입구
213: 메탄화 유닛 수소 유입구
214: 메탄화 유닛 탄소 산화물 유입구
215: 탄소 산화물 유입구 밸브
216: 메탄화 유닛 메탄 유출구
217: 메탄화 유닛 가열 유닛/요소
218: 메탄화 유닛 센서
219: 메탄화 유닛 압력 제어 밸브
220: 메탄화 유닛 잔류 수소 가스 유출구
221: 메탄화 유닛 잔류 탄소 산화물 가스 유출구
222: 메탄화 유닛 활성 벽 표면 섹션, 촉매
232: 메탄화 유닛 수소 잔류 가스 제어 밸브
233: 메탄화 유닛 메탄 제어 밸브
242: 수소 잔류 가스 펌핑 유닛/압력 구배 생성기
243: 메탄 펌핑 유닛/압력 구배 생성기
244: 압력 제어 펌핑 유닛/압력 구배 생성기
245: 탄소 산화물 공급 펌핑 유닛/압력 구배 생성기
246: 탄소 산화물 잔류 가스 펌핑 유닛/압력 구배 생성기
300: 제어 유닛

Claims (18)

  1. 연료 전지 배열체로서,
    제1 연료 전지 유닛(110),
    메탄화 유닛(200) 및
    제어 유닛(300)
    을 포함하며,
    상기 제1 연료 전지 유닛은,
    물을 수소 및 산소로 전환시키는 활성부(114, 115, 118),
    물 유입구(111),
    수소 유출구(112),
    산소 유출구(113)를 포함하고,
    상기 메탄화 유닛은,
    촉매(222),
    수소 유입구(212),
    제1 제어가능 밸브(215)를 갖는 탄소 산화물 유입구(214),
    메탄 유출구(216)를 포함하고,
    상기 제1 연료 전지 유닛의 상기 수소 유출구는 상기 메탄화 유닛의 상기 수소 유입구에 연결되고,
    상기 메탄화 유닛은 상기 촉매에 의해 수소 및 탄소 산화물을 메탄으로 전환시키도록 구성되고,
    상기 메탄화 유닛(200)은 상기 메탄화 유닛으로부터 상기 제1 연료 전지 유닛으로의 열 전달을 가능하게 하는 방식으로 상기 제1 연료 전지 유닛(110) 옆에 배치되고,
    상기 메탄화 유닛(200)과 상기 제1 연료 전지 유닛(110)이 공통의 벽(150)을 공유하며,
    상기 공통의 벽(150)이 상기 메탄화 유닛과 상기 제1 연료 전지 유닛 사이의 열 전달을 가능하게 하고,
    상기 제어 유닛은 수소 및 탄소 산화물을 메탄으로 전환시키는 최적의 전환 프로세스가 얻어지도록 상기 제1 제어가능 밸브를 제어하도록 구성되는, 연료 전지 배열체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    복수의 연료 전지 유닛(110)을 포함하며, 상기 복수의 연료 전지 유닛 중 하나가 상기 제1 연료 전지 유닛(110)이고, 상기 복수의 연료 전지 유닛 각각은,
    물을 수소 및 산소로 전환시키는 활성부(114, 115, 118),
    물 유입구(111),
    수소 유출구(112),
    산소 유출구(113)를 포함하고,
    상기 메탄화 유닛(200)이 상기 메탄화 유닛으로부터 상기 복수의 연료 전지 유닛 각각으로의 열 전달을 가능하게 하는 방식으로 상기 복수의 연료 전지 유닛(110) 각각의 옆에 배치되고,
    상기 메탄화 유닛(200)은, 복수의 탄소 산화물 유입구(214) - 상기 복수의 탄소 산화물 유입구 각각은 제어가능 밸브(215)를 가짐 - 를 더 포함하고,
    상기 복수의 연료 전지 유닛 각각의 상기 수소 유출구가 상기 메탄화 유닛의 상기 수소 유입구에 연결되고,
    상기 제어 유닛(300)이 수소 및 탄소 산화물을 메탄으로 전환시키는 최적의 전환 프로세스가 얻어지도록 상기 복수의 제어가능 밸브(215)를 제어하도록 구성되는, 연료 전지 배열체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 연료 전지 유닛(110) 각각은 상기 메탄화 유닛(200)과 공통의 벽(150)을 공유하며, 상기 공통의 벽이 상기 메탄화 유닛과 상기 복수의 연료 전지 유닛 각각 사이의 열 전달을 가능하게 하는, 연료 전지 배열체.
  5. 제3항에 있어서, 상기 메탄화 유닛(200)은 복수의 메탄화 서브섹션(210)을 포함하며, 상기 메탄화 서브섹션 각각은 복수의 연료 전지 유닛(110) 중 적어도 하나에 할당되고, 상기 메탄화 서브섹션 각각은 복수의 탄소 산화물 유입구(214) - 상기 복수의 탄소 산화물 유입구 각각은 제어가능 밸브(215)를 가짐 - 중 하나를 포함하는, 연료 전지 배열체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 메탄화 유닛(200)은 상기 메탄화 유닛에서의 동작 파라미터들을 감지하는 적어도 하나의 센서(218)를 포함하며, 상기 센서는 압력 센서, 메탄 센서, 수소 센서, 온도 센서, 탄소 산화물 센서로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 제어 유닛(300)은 결정된 탄소 산화물 농도에 기초하여 상기 제1 제어가능 밸브를 제어하도록 구성되는, 연료 전지 배열체.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제어 유닛(300)은 결정된 탄소 산화물 농도에 기초하여 상기 복수의 제어가능 밸브(215) 각각을 별도로 제어하도록 구성되는, 연료 전지 배열체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 메탄화 유닛(200)은 적어도 하나의 압력 제어 밸브(219)를 포함하며, 상기 압력 제어 밸브는 상기 메탄화 유닛에서의 감지된 동작 파라미터들에 따라 제어가능한, 연료 전지 배열체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 메탄화 유닛은 적어도 하나의 수소 잔류 가스 유출구(220)를 더 포함하는, 연료 전지 배열체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 메탄화 유닛은 적어도 하나의 탄소 산화물 잔류 가스 유출구(221)를 더 포함하는, 연료 전지 배열체.
  11. 제3항에 있어서, 상기 복수의 연료 전지 유닛(110) 각각은 캐소드(114) 및 애노드(118) 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이의 연료 전지 멤브레인(115)을 포함하고, 적어도 하나의 연료 전지 멤브레인은 제어 전극 배열체(116)를 포함하며, 상기 연료 전지 배열체는 전극 배열체 제어 유닛(117)을 더 포함하는, 연료 전지 배열체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 연료 전지 배열체는 적어도 하나의 di/dt 측정 유닛(119)을 포함하고, 상기 전극 배열체 제어 유닛(117)은 측정된 di/dt에 기초하여 상기 전극 배열체(116)를 제어하도록 구성되는, 연료 전지 배열체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 메탄화 유닛(200)은 촉매제로 코팅된 활성 벽 표면 섹션(222)을 포함하고, 상기 촉매제는 니켈, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 및 귀금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 고체 상 촉매 물질인, 연료 전지 배열체.
  14. 제4항에 있어서, 직사각형 단면을 갖는 하우징(2)을 더 포함하며, 상기 복수의 연료 전지 유닛(110)이 적층되고, 상기 연료 전지 유닛(110) 각각은 적어도 하나의 컷오프 모서리(cut-off edge)(121)를 갖는 직사각형 엔벨로프를 갖고, 상기 직사각형 하우징과 대응 컷오프 모서리들 사이의 공간이 가스 덕트용 채널(3)을 형성하도록 상기 연료 전지 유닛 각각의 상기 컷오프 모서리들이 서로 대응되는, 연료 전지 배열체.
  15. 제4항에 있어서, 직사각형 하우징(2)을 더 포함하며, 각각의 연료 전지 유닛(110)이 3개의 컷오프 모서리(121, 121a/b/c)를 갖는 직사각형 엔벨로프를 갖고, 상기 직사각형 하우징과 대응 컷오프 모서리들 사이의 공간이 적어도 3개의 가스 덕트용 채널(3a/b/c)을 형성하도록 각각의 연료 전지 유닛의 상기 3개의 컷오프 모서리가 서로 대응되고, 제1 채널(3a)이 수증기를 제공하는 역할을 하고, 제2 채널(3b)이 산소를 수집하는 역할을 하고, 제3 채널(3c)이 상기 메탄화 유닛(200)을 수용하는 역할을 하고, 상기 복수의 연료 전지 유닛 각각의 상기 수소 유출구(112)가 상기 메탄화 유닛(200)의 상기 수소 유입구(212) 중 적어도 하나에 연결되는, 연료 전지 배열체.
  16. 제13항에 있어서, 상기 귀금속은 백금 및 백금 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 연료 전지 배열체.
  17. 삭제
  18. 삭제
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