KR102182267B1 - 연료 전지 시스템의 열 및 물 회수를 이용한 포화기 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템(200)은 애노드 및 캐소드를 갖는 연료 전지(102), 애노드로부터의 배기가스로부터 물을 재순환시키도록 구성된 물 회수 장치(114), 캐소드로부터의 배기가스 및 물 회수 장치(114)로부터의 물 사이에 열을 전달하도록 구성된 열 교환기(122), 및 연료 및 증기가 하부 섹션(209)으로부터 상부 섹션(210)으로 통과하도록 구성된 개구부(211a)를 한정하는 분배기(211)에 의해 분리된 상부 섹션(210) 및 하부 섹션(209)을 갖는 포화기(208)를 포함한다. 하부 섹션(209)은 연료 공급원(103)으로부터의 연료 및 물 회수 장치(114)로부터의 물을 수용하고, 상부 섹션(210)은 하부 섹션(209)으로부터의 연료 및 열 교환기(122)로부터의 물을 수용한다.

Description

연료 전지 시스템의 열 및 물 회수를 이용한 포화기
관련 출원에 대한 교차 참조
본원은 2016년 8월 31일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 15/252,338에 대한 우선권의 이점을 주장하며, 그것은 그 전문이 본 명세서에 참고로 편입되어 있다.
본원은 일반적으로 연료 전지 시스템 (예를 들어, 용융된 카보네이트 또는 다른 높은 작동 온도 연료 전지 시스템)에 관한 것이며, 더 구체적으로 그와 같은 연료 전지 시스템에서 사용하기 위한 열 회수 시스템 분야에 관한 것이다.
연료 전지에 공급된 반응물 가스, 및 특히, 그와 같은 연료 전지의 애노드에 공급된 반응물 연료 가스는 적절하고 효율적인 연료 전지 작동을 위해 연료에 바람직한 증기-대-탄소 비를 유지하고, 반응물 가스의 충분한 이온 전도성을 제공하고, 연료 전지에서 탄소 침착 (즉, 그을음 형성)을 방지하기 위해 충분히 가습되어야 한다 (즉, 충분한 물을 함유해야 한다). 가습에 사용된 물은 통상적으로 원하는 온도로 예열되며, 이는 에너지를 필요로 한다.
연료 전지에 유입되는 반응물 연료 가스의 가습을 위해 가열된 물을 보다 효율적으로 이용하는 향상된 연료 전지 시스템을 제공하는 것이 유리할 것이다. 또한, 연료 전지 시스템의 다양한 구성요소에 의해 생성된 폐열을 이용하는 것이 유리할 것이다. 본 개시내용을 검토하는 이들에 의해 인정되는 바와 같이, 이들 및 다른 이점은 본 명세서에 개시된 예시적인 구현예를 사용하여 얻어질 수 있다.
예시적인 구현예는 애노드 및 캐소드를 갖는 연료 전지, 애노드로부터의 배기가스로부터 물을 재순환시키도록 구성된 물 회수 장치, 캐소드로부터의 배기가스 및 물 회수 장치로부터의 물 사이에 열을 전달하도록 구성된 열 교환기, 연료 및 증기가 하부 섹션으로부터 상부 섹션으로 통과하도록 구성된 개구부를 한정하는 분배기(divider)에 의해 분리된 상부 섹션 및 하부 섹션을 갖는 포화기(saturator)를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 하부 섹션은 연료 공급원으로부터의 연료 및 물 회수 장치로부터의 물을 수용하고, 상부 섹션은 하부 섹션으로부터의 연료 및 열 교환기로부터의 물을 수용한다.
또 다른 예시적인 구현예는 상부 부분 및 하부 부분을 한정하는 하부 섹션을 포함하는 연료 전지 시스템용 포화기에 관한 것이며, 상기 하부 부분은 연료 공급원으로부터 연료를 수용하도록 구성되며, 상기 상부 부분은 물 회수 장치로부터 물을 수용하도록 구성된다. 포화기는 추가로, 상부 부분 및 하부 부분을 한정하는 상부 섹션을 포함하며, 상기 상부 부분은 열 교환기로부터 물을 수용하도록 구성되며, 상기 하부 부분은 하부 섹션으로부터 연료를 수용하도록 구성된다. 포화기는 추가로, 상부 섹션 및 하부 섹션을 분리하는 분배기를 포함하며, 상기 분배기는 연료 및 증기가 하부 섹션으로부터 상부 섹션으로 통과하도록 구성된 개구부를 한정한다.
또 다른 예시적인 구현예는 물 회수 장치로부터의 물의 제1 및 제2 부분을 제공하는 단계, 포화기의 하부 섹션에서 연료 및 물의 제1 부분을 수용하는 단계, 및 상기 하부 섹션으로부터 부분적으로-가습된 연료를 방출하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템용 연료를 포화시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 추가로, 배기가스 열 교환기에서 물의 제2 부분을 가열하는 단계, 상기 포화기의 상부 섹션에서 부분적으로-가습된 연료 및 물의 제2 부분을 수용하는 단계, 및 상기 상부 섹션으로부터 완전하게-가습된 연료를 방출하는 단계를 포함한다.
도 1은 단일-단계 포화기를 갖는 직접 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 2-단계 포화기를 갖는 향상된 직접 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 3은 예시적인 구현예에 따른 도 2의 직접 연료 전지 시스템의 간략화된 개략도를 도시한다.
상세한 설명
예시적인 구현예에 따르면, 직접 접촉 냉각탑 (direct contact cooling tower; "DCCT")으로부터 직접적으로 회수된 저수준의 열을 이용하는 연료 전지 시스템이 본 명세서에 개시된다. 연료 전지에 유입되는 반응물 가스의 가습을 위해 가열된 물을 제공하도록 구성된 포화기는 2개의 섹션으로 나누어질 수 있으며, 하부 섹션에서, 시스템으로의 연료는 DCCT로부터의 열을 사용하여 부분적으로 포화된다. DCCT의 하부로부터의 열수는 포화기의 하부 섹션으로 보내진다. 그 다음 포화기의 하부 섹션으로부터의 부분적으로-포화된 연료를 상부 섹션에서 원하는 수준으로 완전히 포화시킨다. 그 다음 시스템의 캐소드 배기가스로부터의 열을 사용하여 예열한 후 더 뜨거운 물을 상부 섹션에 공급한다. 포화기의 하부 섹션에서 가스를 미리 포화시킴으로써, 캐소드 배기가스-물 열 교환기에서 더 적은 열이 요구되어 열이 다른 목적을 위해 (예를 들어, 보충 연료 사용을 감소시키기 위해) 사용될 수 있게 된다.
이러한 배열은 연료 전지 시스템의 다른 구성요소에 의해 생성된 폐열이 다른 목적을 위해 사용될 수 있으므로 물 회수를 포함하는 모든 직접 연료 전지 ("DFC") 디자인에 적용할 수 있다. 예를 들어, 그것은 이중-스택 고효율 연료 전지 시스템 또는 시스템으로부터 수소, 합성가스, 또는 고압 증기를 방출하는 디자인에서 특히 유용하며, 이들 각각은 전형적으로, 애노드 배기가스의 대부분이 방출되어 애노드 가스 산화제 ("AGO")(118)에서 생성되는 열의 양을 감소시키므로 추가의 열을 가하는 것이 필요할 수 있다.
도 1은 제1 예시적인 구현예에 따른 연료 전지 시스템(100)을 도시하며, 도 2는 본원의 주제인 유리한 열 회수 시스템을 포함하는 향상된 연료 전지 시스템을 도시한다. 도 1은 전체 연료 전지 시스템의 배치형태 및 작동에 대한 설명을 제공하기 위해 아래에 설명될 것이며, 도 2에 도시된 향상된 버전에 대한 논의가 뒤따른다.
연료 전지 시스템(100)은 연료 공급원(103)으로부터 연료를 수용하고 애노드 배기가스를 방출하도록 구성된 애노드 측(104)을 포함하는 연료 전지 스택 (즉, 연료 전지)(102)을 포함한다. 연료 전지 스택(102)은 또한 산화제 가스를 수용하고 캐소드 배기가스를 방출하도록 구성된 캐소드 측(106)을 포함한다. 연료 전지 시스템(100)은 추가로, 연료 공급원(103)으로부터의 연료를 가열하고 물 회수 장치(114)로부터의 물로 가습시키기 위한 포화기(108)를 포함한다. 탄화수소-함유 연료 (예를 들어, 천연가스, 프로판, 등)는 연료 공급원(103)으로부터 공급된다. 연료는 연료에 존재하는 황-함유 화합물을 제거하기 위해 탈황기(desulfurizer)(112)에서 처리된다. 탈황기(112)는 연료가 흐르고 연료 내 임의의 황-함유 화합물을 흡착 또는 흡수하는 하나 이상의 황-흡착제 또는 황-흡수제 베드를 포함한다.
탈황기(112)를 통과시킨 후, 연료는 또한 물 회수 장치(114)로부터 물을 수용하도록 구성된 포화기(108)에 의해 수용된다. 예시적인 구현예에 따르면, 물은 연료 전지 스택(102)으로부터의 애노드 및/또는 캐소드 배기가스, 및/또는 외부 공급원 (예를 들어, 수돗물)으로부터 물 회수 장치(114)로 공급될 수 있다. 또 다른 예시적인 구현예에 따르면, 물은, 아래 더욱 상세하게 논의된 바와 같이, 스타트-업 물 폴리셔(start-up water polisher)(132)에 의해 제공될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 물 회수 장치(114)는 DCCT(116)를 포함한다. DCCT(116)는 애노드 배기가스를 수용하고, 애노드 배기가스 내 물의 적어도 일부를 응축시키도록 구성된다. 예시적인 구현예에 따르면, 애노드 배기가스는 DCCT(116)에서 수용되기 전에 제1 열 교환기(115)에 의해 냉각될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 애노드 배기가스는 제2 열 교환기(117)에 의해 냉각되어 열을 애노드 배기가스로부터 정제된 수소로 전달하여 가열된 수소 스트림을 생성할 수 있다. 그 다음 가열된 수소 스트림은 AGO(118)에서 수용되고 공기와 혼합 (즉, 연소)되고 캐소드(106)로 공급될 수 있다. 도 1을 참조하면, 애노드 배기가스는 연료 스택(102)의 애노드 측(104)에서 DCCT(116)의 한쪽 단부로 전달되는 반면, 냉각된 재순환된 물은 물 재순환 경로(123)로부터 DCCT(116)의 다른 단부로 전달되어 애노드 배기가스 및 냉각된 재순환된 물이 서로 반대 방향으로 흐른다. DCCT(116)에서, 애노드 배기가스는 재순환된 물과 직접적인 접촉에 의해 냉각되어 애노드 배기가스 내 물의 적어도 일부가 응축된다. 애노드 배기가스로부터 응축된 물은 DCCT(116)를 거쳐 이동하므로 재순환된 물과 혼합된다. 재순환된 물 및 애노드 배기가스로부터 응축된 물을 포함하는 고온 응축된 물은 DCCT(116)의 하부에서 수집된다.
도 1에 도시된 바와 같이, DCCT(116)의 하부에서 수집된 응축된 물의 제1 부분은 물 재순환 경로(123)로 전달되고, 여기서 그것은 DCCT(116)에서 재순환된 물로서 사용하기 위해 열 교환기(124) (예를 들어, 에어팬(airfan))를 사용하여 냉각되는 한편, 응축된 물의 제2 부분은 물 회수 장치(114)로부터 방출되고, 연료를 가습시키기 위해 포화기(108)로 보내질 (즉, 재순환될) 수 있다.
캐소드 배기가스는 연료 전지 스택(102)의 캐소드 측(106)으로부터, 가습된 연료를 과열시키기 위해 열을 캐소드 배기가스로부터 포화기(108)로부터 배출된 가습된 연료 (즉, 포화된 가스)로 전달하도록 구성된 제1 배기가스 열 교환기(120)를 거쳐 통과한다. 그 다음 가열된 가습된 연료는 연료 전지 스택(102)의 애노드 측(104)으로 공급된다. 애노드 측(104)에 도입된 연료는 수소 및 CO를 생산하도록 그 안에서 개질되고, 연료 전지 시스템 (100)이 전력을 생산할 때 캐소드 측(106)을 통과하는 산화제 가스와 전기화학적 반응을 일으켜 물 및 C02를 형성한다. 애노드 배기가스는 수소 및 CO를 포함하는 미반응된 연료, 수증기 및 C02를 포함하는 반응 생성물, 및 소량의 다른 화합물 또는 가스를 포함한다.
가습된 연료를 가열한 후, 캐소드 배기가스는 열을 캐소드 배기가스로부터 DCCT(116)로부터의 물로 전달하도록 구성된 제2 배기가스 열 교환기(122)를 통과한다. 따라서, 제2 배기가스 열 교환기(122)는 추가로 DCCT(116)로부터의 물을 미리 가열하고, 합해진 물이 포화기(108)로 공급되기 전에 포화기(108)로부터 물을 재순환시킨다. 예시적인 구현예에 따르면, 열수는 캐소드 배기가스로부터 열을 전달하는 제2 배기가스 열 교환기(122)에 의해 생성되며, 이는 전형적인 상황에서 약 240 ℉의 온도로 가열될 수 있다.
예시적인 구현예에 따르면, 물은 포화기(108)의 상단 부분(108a) 근처에 제공되며, 포화기(108)를 거쳐 하향 방향으로 흐르지만, 연료는 포화기(108)의 하단 부분(108b) 근처에 제공되고, 포화기(108)를 거쳐 상향 방향으로 흐른다. 포화기(108)에서, 연료는 물과 직접 접촉되고, 그 결과, 물의 제1 부분은 연료로 증발되어 연료를 수증기로 포화시키고 가습된 연료를 생산한다. 아직 연료로 증발되지 않은 포화기(108) 내 물의 제2 부분 (즉, 잔여 부분)은 포화기(108)로부터 배출되고, DCCT(116)로부터의 물과 배합된다. DCCT(116)로부터의 물 및 증발되지 않은 물의 배합은 제2 배기가스 열 교환기(122)를 통해 보내지며, 포화기(108)의 상부 부분(108a)으로 제공된다. 예시적인 구현예에 따르면, 물은 증발되어 가습된 연료를 형성하고 포화기(108)로부터 배출될 때 포화기(108) 내 물을 대체하기 위해 물 회수 장치(114)로부터 공급될 수 있다. 물 회수 장치(114)로부터의 과잉의 물은 물 블로다운(blowdown) 스트림(130)을 통해 블로다운 물로서 시스템으로부터 폐기될 수 있다. 예시적인 구현예에 따르면, 연료 전지 시스템 (100)은 회수된 물에서 실질적으로 모든 CO2를 제거 (즉, 스트립 아웃(strip out))하도록 구성된다. 이 과정은 회수된 물의 pH 수준을 증가시키며, 연료 전지 시스템(100)으로부터 과잉의 물을 제거하는 과정을 단순화한다 (예를 들어, 회수된 물은 추가의 처리 없이 환경에 도입하기에 적합한 pH 수준임).
이제 도 2 및 3을 참조하면, 2-단계 포화기(208)를 갖는 연료 전지 시스템(200)의 개략도가 도시된다. 예시적인 구현예에 따르면, 2-단계 포화기(208)는 가습된 연료가 통과할 수 있도록 구성된 분배기 (즉, 트랩 팬(trap pan))(211)에 의해 부분적으로 분리된 하부 (즉, 제1) 섹션(209) 및 상부 (즉, 제2) 섹션(210)을 한정하는 용기를 포함한다. 예시적인 구현예에 따르면, DCCT(116)의 하부에서 수집된 실질적으로 모든 물은 포화기(208)로 전달된다. 다른 예시적인 구현예에 따르면, 그와 같은 물의 일부만이 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 물의 제1 부분은 DCCT(116)로부터 포화기(208)의 하부 섹션(209)으로 전달된다. 물의 제2 부분은 DCCT(116)로부터 제2 배기가스 열 교환기(122)로 전달되어 캐소드 배기가스에 의해 예열된다. 그 다음 물의 제2 부분은 제2 배기가스 열 교환기(122)로부터 배출되고 포화기(210)의 상부 섹션(210)으로 보내진다.
예시적인 구현예에 따르면, DCCT(116)로부터 직접적으로 (즉, 먼저 제2 배기가스 열 교환기(122)를 통과하지 않고) 입수된 물은 포화기(208)의 하부 섹션(209)의 상단 부분(209a) 근처의 포화기(208)에 제공되며, 하부 섹션(209)을 거쳐 하향 방향으로 흐르지만, 연료는 포화기(208)의 하부 섹션(209)의 하단 (즉, 하부) 부분(209b) 근처에 제공되며, 하부 섹션(209)을 거쳐 상향 방향으로 흐른다. 포화기(208)의 하부 섹션(209)에서, 연료는 물과 직접 접촉되고, 그 결과, 하부 섹션(209) 내 물의 제1 부분은 연료로 증발되어 연료를 수증기로 포화시키고 부분적으로-가습된 연료를 생산한다. 아직 연료로 증발되지 않은 하부 섹션(209) 내 물의 제2 부분 (즉, 잔여 부분)은 하부 섹션(209)으로부터 배출되고, 물 재순환 경로(223)로 되돌아간다.
도 3에 도시된 바와 같이, 연료는 하부 섹션(209)에서 적어도 부분적으로 가습된 다음 연료가 (그러나 증발되지 않은 물은 아님) 통과할 수 있도록 구성된 분배기(211) 내 개구부(211a)를 통과한다. 예를 들어, 개구부(211a)는 직경 및 표면적을 한정하는 외주부를 갖는 분배기(211) 내의 홀일 수 있다. 다른 예시적인 구현예에 따르면, 개구부(211a)는 다른 형상을 한정할 수 있다. 중력은 하부 섹션(209) 내 증발되지 않은 물을 개구부(211a)로부터 떨어지도록 하향으로 가압하는 반면, 부분적으로-가습된 연료를 형성하는 연료 (예를 들어, 가스 형태) 및 증기는 개구부(211)를 통과하여 상향으로 이동한다. 부분적으로-가습된 연료는 유출구(212a)로부터 상부 섹션(210)으로 배출된다. 분배기(211)는 개구부(211a)의 외주부로부터 일반적으로 상향 연장되는 벽 또는 벽들(211b)을 한정한다. 커버(212)는 개구부(211a) 위에 배치되며, 그 사이의 유출구 또는 유출구들(212a)을 한정한다. 예를 들어, 유출구(212a)는 커버(212)와 벽(211b)의 최상단부 사이에 한정될 수 있다. 예시적인 구현예에 따르면, 커버(212)는 개구부(211a)의 외주부를 넘어 연장되며 (즉, 더 큰 직경 및/또는 더 큰 표면적을 가짐), 상부 섹션(210) 내 물이 개구부(211a)를 통과하는 것을 방지하도록 구성된다. 또 다른 예시적인 구현예에 따르면, 유출구(212a)는 커버(212)가 물이 유출구(212a)를 거쳐 상부 섹션(210)에서 하향으로 흐르는 것을 방지하도록 구성된 분배기(211) 위에 배치된다. 예를 들어, 물은 유출구(212a)에 도입되고 개구부(211a)를 거쳐 하부 섹션(209)으로 흐르기 전에 벽(211b)의 높이까지 분배기(211)의 상단에 쌓일 수 있다. 또 다른 예시적인 구현예에 따르면, 분배기(211)는 각각 상기 기재된 개구부(211a)와 동일하게 구성된 복수의 개구부(211a)를 포함한다. 또 다른 예시적인 구현예에 따르면, 하부 섹션(209) 및 상부 섹션(210)은 별개의 (즉, 각각 제1 및 제2) 용기에 위치할 수 있다. 이러한 배치형태에서, 부분적으로-가습된 연료는 하부 섹션(209)의 상단 부분(209a)으로부터 배출되고, 제1 및 제2 용기 사이에서 상부 섹션(210)의 하단 부분(210b)으로 보내진다.
다시 도 2 및 3을 참조하면, (먼저 포화기(208)를 통과하지 않고) 제2 배기가스 열 교환기(122)를 통해 공급된 DCCT(116)로부터의 물의 제2 부분은 포화기(208)의 상부 섹션(210)의 상단 (즉, 상부) 부분(210a) 근처의 포화기(208)에 제공되며, 상부 섹션(210)을 거쳐 하향 방향으로 흐르지만, 하부 섹션(209)으로부터의 가습된 연료는 분배기(211)를 통과한 후 포화기(208)의 상부 섹션(210)의 하단 (즉, 하부) 부분(210b) 근처에 제공되며, 상부 섹션(210)을 거쳐 상향 방향으로 흐른다. 포화기의 상부 섹션(210)의 상단 부분(210a)에서 입수된 물은 포화기(208)의 하부 섹션(209)의 상단 부분(109a)에서 입수된 물보다 더 고온일 수 있다. 예시적인 구현예에 따르면, DCCT(116)로부터의 물의 제2 부분은 포화기(208)의 상부 섹션(210)으로 직접 공급될 수 있다. 포화기(208)의 상부 섹션(210)에서, 가습된 연료는 제2 배기가스 열 교환기(122)로부터의 물과 직접 접촉되고, 그 결과, 상부 섹션(210) 내 물의 제2 부분의 적어도 일부는 연료로 증발되고, 추가로 연료를 수증기로 포화시켜 추가로-가습된 연료를 생산한다. 아직 가습된 연료로 증발되지 않은 상부 섹션(210)에 남아있는 임의의 증발되지 않은 물은 상부 섹션(210)으로부터 배출되고, DCCT(116)로부터의 열수와 배합될 수 있다. DCCT(116)로부터 직접적으로 배합된 증발되지 않은 물 및 물의 적어도 일부는 제2 배기가스 열 교환기(122)를 통해 다시 통과되고, 포화기(208)의 상부 섹션(209)의 상단 (즉, 상부) 부분(209a)으로 제공된다. 제2 배기가스 열 교환기(122)를 통해 전송되지 않은 임의의 물은 아래 더욱 상세하게 기재된 블로다운 스트림(230)을 통해 연료 전지 시스템(200)으로부터 제거될 수 있다.
DCCT(116)로부터 제2 배기가스 열 교환기(122)를 통해 물을 통과시키기 전에 포화기(208)의 하부 섹션(209)에서 연료를 미리 포화 (즉, 미리 가습)시킴으로써, 포화기(208)의 상부 섹션(210) 내 부분적으로-가습된 연료는 추가로 (즉, 완전하게) 가습시키는데 더 적은 물을 요구한다. 구체적으로, 이것은, 제2 배기가스 열 교환기(122)를 통과한 물이 연료를 추가로 (예를 들어, 완전하게) 가습시키는데 충분한 양의 증발된 물을 제공하기 위해 캐소드 배기가스로부터 물로 전달되는 열을 덜 필요로 한다는 것을 의미한다. 따라서, 캐소드 배기가스에 의해 생산된 열은 연료 전지 시스템(200) 내부 또는 외부의 다른 위치로 재위치될 수 있다.
예시적인 구현예에 따르면, 상부 섹션(210) 내 임의의 증발되지 않은 물은 분배기(211) 위와 유출구(212a) 아래의 위치에서 포화기(208)의 상부 섹션(210)으로부터 배출된다. 따라서, 분배기(211)는 포화기(208)의 상부 섹션(210)으로부터 하부 섹션(209)으로 증발되지 않은 물의 역류를 방지하도록 구성된다. 또 다른 예시적인 구현예에 따르면, 물은 증발되어 가습된 연료를 형성하고 포화기(208)로부터 배출될 때 포화기(208) 내 물을 대체하기 위해 물 회수 장치(114)로부터 공급될 수 있다.
예시적인 구현예에 따르면, 상부 섹션(209)으로부터 배출된 과잉의 증발되지 않은 물이 명시된 양을 초과하는 경우, 과잉의 물은 물 블로다운 스트림(230)을 통해 배출되어 연료 전지 시스템(200)으로부터 제거될 수 있다. 증발되지 않은 물은 포화기(208)로부터, 물을 제2 배기가스 열 교환기(122)로 재순환시키는 순환 펌프(228)로 통과된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 배기가스 열 교환기(122)로 넘어가기 전에, 물의 제2 부분은 임의의 비-휘발성 오염물질 또는 물에 용해된 용해고체의 축적을 방지하기 위해 물 블로다운 기술을 사용하여 처리될 수 있다. 예시적인 구현예에 따르면, 물 블로다운 스트림(230)으로 제거된 물의 양은 가습에 필요한 양을 초과하는 DCCT(116)에 응축된 과잉의 물에 해당한다. 예시적인 구현예에 따르면, 물 블로다운 스트림(230) 내 과잉의 물은 연료 전지 스택(102)에서 생산되고 물 회수 장치(214)에서 응축된 물이 연료 전지 시스템(200)에서 연료를 가습시키는데 불충분한 경우 연료 전지 시스템(200)의 스타트-업 중에 사용하기 위해 (예를 들어, 배수구(drain)를 통해) 오프 사이트(off site)로 전송되거나 (예를 들어, 탱크에) 저장될 수 있다. 또 다른 예시적인 구현예에 따르면, 외부 공급원으로부터의 보충수 (예를 들어, 수돗물)가 가습에 충분한 물의 양의 적어도 일부를 제공하기 위해 스타트-업 중에 사용될 수 있다.
가습된 연료가 연료 전지 스택(102)의 애노드(104)로 도입되기 위해서는 약 1.9의 증기-대-탄소 비가 바람직할 수 있다. 예시적인 구현예에 따르면, 1.9의 비를 달성하기 위해서는 2.00 내지 2.20 백만 BTU의 열, 전형적으로 2.05 내지 2.10 백만 BTU의 열이 필요하다. 단일-단계 포화기(108)를 갖는 연료 전지 시스템(100)에서, 필요한 열의 대부분 또는 모두는 제2 배기가스 열 교환기(122)를 통해 캐소드 배기가스로부터 공급되어야 한다. 2-단계 포화기(208)를 갖는 연료 전지 시스템(200)에서, DCCT(116)로부터의 물은 약 0.8 백만 BTU의 열을 포화기(208)의 하부 섹션(209)에 제공하여 포화기(208)의 상부 섹션(210)에 도입된 부분적으로-가습된 연료에 대해 증기-대-탄소 비가 약 0.8이 되도록 한다. 따라서, 부분적으로-가습된 연료는 1.9의 비를 달성하기 위해 포화 과정을 완료하기 위해 캐소드 배기가스로부터 상부 섹션(210)으로 전달되는 열을 더 적게 요구한다. 예시적인 구현예에 따르면, 캐소드 배기가스로부터 제공된 열은 단일-단계 포화기(108)를 갖는 연료 전지 시스템(100)에 비해 45% 이상 감소될 수 있다.
또한, 도 1에서, DCCT(116)로부터 배출된 물은 애노드 배기가스로부터 높은 열 수준을 갖는다. 물이 물 재순환 경로(123)를 통과함에 따라, 열 교환기(124)는 물이 DCCT(116)로 재도입되기 전에 물로부터 충분한 양의 열을 제거하기에 충분히 커야 한다. 이제 도 2를 참조하면, 열 교환기(224)는 열 교환기(124)와 유사한 방식으로 작동한다. 그러나, DCCT(116)로부터 배출된 물이 물 재순환 경로(223)를 통해 열 교환기(224)로 통과하기 전에, 2-단계 포화기(208)의 하부 섹션(209)을 통과한다. 하부 섹션(209)의 사전 포화 공정은 물로부터 연료로 열을 전달하여, 포화기(208)로부터 물 재순환 경로(223)로 되돌아오는 물은 약 80만 BTU의 열이 제거된 후에 더 냉각된다. 단일-단계 포화기(108)를 사용하는 것보다 2-단계 포화기(208)를 통해 더 많은 열이 물 밖으로 빠져나가기 때문에, 재순환된 물을 DCCT(116)로 다시 공급하기 전에 열 교환기(224)에 의해 더 적은 열이 제거되어야 한다. 따라서, 열 교환기(224) (예를 들어, 에어 팬(air fan))의 크기 및/또는 용량은 도 2에 도시된 구현예에서 감소될 수 있으며, 이는 또한 연료 전지 시스템(200)의 작동 및 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 물 회수 장치(114)는 추가로, 스타트-업 물 연마기(132, 232) 및 폐열 회수 열 교환기(134)를 포함할 수 있다. 연료 가습용 물은 우선 물 회수 장치(114, 214)에서 연료 전지 시스템(100, 200)으로 도입될 수 있다. 스타트-업 물 연마기(132, 232)는 전통적 수돗물 공급원 또는 임의의 다른 공급원으로부터 물을 수용하고 그로부터 오염물질 및 고체를 제거하도록 구성될 수 있다. 예시적인 구현예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 스타트-업 물은 DCCT(116)의 다운스트림 그러나 DCCT 물 순환 펌프(119)의 업스트림에 있는 물 회수 장치(114)에 도입되어, 먼저 물 재순환 경로(123)를 통과하지 않고, 물을 부분적으로 포화기(108)에 직접 제공하여 보충수가 DCCT 물 순환 펌프(119)의 유출구에서 요구되는 것보다 더 낮은 압력에서 도입될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스타트-업 물을 열 교환기(124) 및 DCCT(116)의 업스트림에 있는 물 회수 장치(214)에 도입하여 물이 포화기(208)로 도입되기 전에 열 교환기(124) 및 DCCT(116) 각각을 통해 물 재순환 경로(223)를 따라 통과하도록 한다. 다른 예시적인 구현예에 따르면, 스타트-업 물은 다른 위치에서 물 회수 장치(114, 214)로 도입될 수 있다. 스타트-업 물은 연료 전지 시스템(100, 200)의 작동 개시를 위해 단시간 동안 도입된 다음 중단될 수 있다. 또 다른 예시적인 구현예에 따르면, 스타트-업 물은 연료 전지 시스템(100, 200)에서 이용가능한 물의 양을 증가시키거나 블로다운 스트림(130, 230)에서 시스템으로부터 제거된 물을 대체하기 위해 연료 전지 시스템(100, 200)이 작동된 후에 물 회수 장치(114, 214)로 도입될 수 있다. 계속해서 도 1 및 2를 참조하면, 물 회수 장치(114)는 추가로, 폐열 회수 교환기(134)를 포함할 수 있다. 폐열 회수 교환기(134)는 물 재순환 경로(123, 223)를 따라 어디든지 배치될 수 있으며, 물 재순환 경로(123, 223) 내의 물로부터 연료 전지 시스템(100, 200)의 내부 또는 외부의 다른 위치로 과잉의 열을 전달하도록 구성된다. 또 다른 예시적인 구현예에 따르면, 스타트-업 물은 연료 전지 시스템(100, 200)의 정상 작동 중에 (예를 들어, 전력이 생산될 때) 생성된 블로다운 물로부터 채워진 물 탱크로부터 공급될 수 있다. 탱크로의 물의 블로다운은 소량의 블로다운 물을 연료 전지 시스템(100, 200)으로부터 (예를 들어, 하수도 또는 다른 위치로) 배출하기 전에 냉각시킬 수 있다. 예시적인 구현예에 따르면, 블로다운 물은 연료 전지 스택(102)으로부터의 전해질이 미량인, 실질적으로 순수한 상태일 수 있다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, 용어들 "대략", "약", "실질적으로" 및 유사한 용어들은 본 개시의 요지가 속하는 분야의 숙련가에게 통상적이고 허용되는 사용법과 조화를 이루는 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다. 본 개시 내용을 검토하는 당해 분야의 숙련가라면, 이들 용어들은 이들 특징의 범위를 제공된 정확한 수치 범위로 제한하지 않으면서 설명되고 청구된 특정 특징의 설명을 허용하기 위한 것임을 이해해야 한다. 따라서, 이들 용어들은 설명되고 청구된 요지의 대단찮은 또는 하찮은 변형 또는 변경이 첨부된 청구항들에서 인용된 바와 같은 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 간주된다는 것을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.
다양한 구현예를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "예시적인"은 가능한 구현예의 가능한 예, 표현, 예시임을 나타내기 위한 것임 (그리고 그와 같은 용어는 그와 같은 구현예가 반드시 특별하거나 최상의 예라는 것을 의미하는 것은 아님)을 유의해야 한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어들 "커플링된", "연결된" 및 기타 유사한 표현은 2개의 구성원이 서로 직접적으로 또는 간접적으로 연결되는 것을 의미한다. 그와 같은 연결은 정지되거나 (예를 들어, 영구적) 또는 이동가능 (예를 들어, 제거가능 또는 방출가능)할 수 있다. 그와 같은 연결은 2개의 구성원 또는 2개의 구성원과 임의의 추가 중간 구성원이 서로 하나의 단일체로서 완전하게 형성되거나 또는 2개의 구성원 또는 2개의 구성원과 임의의 추가 중간 구성원이 서로 부착되어 달성될 수 있다.
본 명세서에서, 요소의 위치 (예를 들어, "상단", "하단", "위", "아래" 등)에 대한 언급은 단지 도면에서 다양한 요소의 배향을 설명하기 위해 사용된다. 다양한 요소의 배향은 다른 예시적인 구현예에 따라 달라질 수 있으며, 그와 같은 변형은 본 개시내용에 포함되는 것으로 의도됨을 유의해야 한다.
본 발명이 그 바람직한 구현예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 다양한 다른 구현예 및 변형이 당해 분야의 숙련가에 의해 발생할 수 있으며, 그와 같은 다른 구현예 및 변형은 상응하는 청구항들에 의해 커버되는 것으로 의도된다는 것을 이해해야 한다. 당해 분야의 숙련가는 본 명세서에 기재된 요지의 신규한 교시 및 이점으로부터 실질적으로 벗어나지 않으면서 수많은 변형 (예를 들어, 다양한 요소의 크기, 구조, 형상 및 비율, 파라미터 값, 장착 배열, 재료의 사용, 배향, 공정 등의 변형)이 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 임의의 공정 또는 방법 단계의 순서 또는 배열은 대안적인 구현예에 따라 변경되거나 재배열될 수 있다. 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 예시적인 구현예의 디자인, 작동 조건 및 배열에서 다른 치환, 변형, 변화 및 생략이 또한 이루어질 수 있다.

Claims (14)

  1. 하기를 포함하는, 연료 전지 시스템:
    애노드 및 캐소드를 갖는 연료 전지;
    상기 애노드로부터의 배기가스로부터 물을 재순환시키도록 구성된 물 회수 장치;
    상기 캐소드로부터의 배기가스 및 상기 물 회수 장치로부터의 물 사이에 열을 전달하도록 구성된 열 교환기;
    연료 공급원; 및
    하기를 포함하는 포화기(saturator):
    상부 부분 및 하부 부분을 한정하는 하부 섹션으로, 상기 하부 부분은 상기 연료 공급원으로부터 연료를 수용하도록 구성되며, 상기 상부 부분은 상기 물 회수 장치로부터 물을 수용하도록 구성된, 하부 섹션;
    상부 부분 및 하부 부분을 한정하는 상부 섹션으로, 상기 상부 부분은 상기 열 교환기로부터 물을 수용하도록 구성되며, 상기 하부 부분은 하부 섹션으로부터 연료를 수용하도록 구성된, 상부 섹션;
    상기 상부 섹션 및 상기 하부 섹션을 분리하는 분배기(divider)로, 상기 분배기는 연료 및 증기가 상기 하부 섹션으로부터 상기 상부 섹션으로 통과하도록 구성된 개구부를 한정하는, 분배기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 포화기의 상기 분배기는 추가로,
    상기 개구부로부터 상향 연장되는 적어도 하나의 벽;
    상기 개구부 위에 배치된 커버; 및
    상기 커버 및 상기 적어도 하나의 벽 사이에 한정된 유출구
    를 포함하는 것인, 연료 전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 포화기의 상기 상부 섹션은 상기 상부 섹션의 하부 부분으로부터 증발되지 않은 물을 배출하도록 구성되며;
    상기 열 교환기는 상기 상부 섹션 및 상기 물 회수 장치 중 적어도 하나로부터 물을 수용하도록 구성되는 것인, 연료 전지 시스템.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포화기의 상기 하부 섹션은 상기 연료 공급원으로부터 연료를 적어도 부분적으로 가습시키도록 구성되는 것인, 연료 전지 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 포화기의 상기 분배기는 추가로,
    상기 개구부로부터 상향 연장되는 적어도 하나의 벽;
    상기 개구부 위에 배치된 커버; 및
    상기 커버 및 상기 적어도 하나의 벽 사이에 한정된 유출구
    를 포함하는 것인, 연료 전지 시스템.
  6. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물 회수 장치는 상기 애노드로부터의 배기가스로부터 물을 응축 및 분리하도록 구성된 직접 접촉 냉각탑(direct contact cooling tower)을 추가로 포함하고;
    상기 직접 접촉 냉각탑 내의 실질적으로 모든 물은 상기 포화기로 배출되는 것인, 연료 전지 시스템.
  7. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물 회수 장치는 상기 하부 섹션으로부터 증발되지 않은 물을 수용하도록 구성되는 것인, 연료 전지 시스템.
  8. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 교환기는 상기 캐소드로부터의 배기가스 및 상기 상부 섹션으로부터 배출된 증발되지 않은 물 사이에 열을 전달하도록 구성되는 것인, 연료 전지 시스템.
  9. 연료 전지 시스템을 위한 포화기(saturator)에서 연료를 포화시키는 방법으로,
    하기를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 단계:
    애노드 및 캐소드를 갖는 연료 전지;
    상기 애노드로부터의 배기가스로부터 물을 재순환시키도록 구성된 물 회수 장치;
    상기 캐소드로부터의 배기가스 및 상기 물 회수 장치로부터의 물 사이에 열을 전달하도록 구성된 열 교환기;
    연료 공급원; 및
    하기를 포함하는 포화기(saturator):
    상부 부분 및 하부 부분을 한정하는 하부 섹션으로, 상기 하부 부분은 상기 연료 공급원으로부터 연료를 수용하도록 구성되며, 상기 상부 부분은 상기 물 회수 장치로부터 물을 수용하도록 구성된, 하부 섹션;
    상부 부분 및 하부 부분을 한정하는 상부 섹션으로, 상기 상부 부분은 상기 열 교환기로부터 물을 수용하도록 구성되며, 상기 하부 부분은 하부 섹션으로부터 연료를 수용하도록 구성된, 상부 섹션;
    상기 상부 섹션 및 상기 하부 섹션을 분리하는 분배기(divider)로, 상기 분배기는 연료 및 증기가 상기 하부 섹션으로부터 상기 상부 섹션으로 통과하도록 구성된 개구부를 한정하는, 분배기;
    상기 물 회수 장치로부터 물의 제1 및 제2 부분을 제공하는 단계;
    상기 포화기의 하부 섹션에서 연료 및 물의 제1 부분을 수용하는 단계;
    상기 하부 섹션으로부터 부분적으로-가습된 연료를 배출하는 단계;
    상기 열 교환기에서 물의 제2 부분을 가열하는 단계;
    상기 포화기의 상부 섹션에서 부분적으로-가습된 연료 및 물의 제2 부분을 수용하는 단계; 및
    상기 상부 섹션으로부터 추가로 가습된 연료를 배출하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 하부 섹션의 하부 부분에 수용된 연료는 물의 제1 부분에 의해 가습되어 부분적으로-가습된 연료를 생성하는 것인, 방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 상부 섹션으로부터 증발되지 않은 물을 배출하는 단계; 및
    상기 열 교환기에서 상기 증발되지 않은 물을 가열하는 단계
    를 추가로 포함하는, 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 블로다운 스트림을 통해, 상기 상부 섹션으로부터 상기 증발되지 않은 물의 적어도 일부를 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  13. 청구항 9에 있어서, 상기 하부 섹션으로부터 증발되지 않은 물을 배출하는 단계; 및
    상기 물 회수 장치에서 상기 증발되지 않은 물을 수용하는 단계
    를 추가로 포함하는, 방법.
  14. 청구항 9에 있어서, 상기 물 회수 장치 내 실질적으로 모든 물은 상기 포화기에서 수용되는 것인, 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015222635A1 (de) * 2015-11-17 2017-05-18 Volkswagen Ag Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Zurückführen von Wasser in einem Brennstoffzellensystem
KR101838510B1 (ko) * 2016-03-11 2018-03-14 현대자동차주식회사 증발냉각식의 연료 전지 시스템과 그것을 위한 냉각 제어 방법
US10546724B2 (en) * 2017-05-10 2020-01-28 Mks Instruments, Inc. Pulsed, bidirectional radio frequency source/load
WO2020197120A1 (ko) * 2019-03-25 2020-10-01 한국기계연구원 양방향 수전해 시스템 및 이의 동작방법
CN114413503B (zh) * 2022-01-19 2022-10-25 西安交通大学 可再生能源驱动的零碳高效的分布式供能系统及运行方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3292998A (en) * 1960-01-11 1966-12-20 Chemical Construction Corp Method of producing hydrogen from a carbon monoxide-containing gas stream and heat recovery
GB2001336B (en) 1977-06-27 1982-02-10 Giammarco P Process for the production of hydrogen
US6694744B1 (en) 2000-11-09 2004-02-24 General Electric Company Fuel gas moisturization system level control
US7858256B2 (en) * 2005-05-09 2010-12-28 Bloom Energy Corporation High temperature fuel cell system with integrated heat exchanger network
US7862938B2 (en) 2007-02-05 2011-01-04 Fuelcell Energy, Inc. Integrated fuel cell and heat engine hybrid system for high efficiency power generation
US8367256B2 (en) * 2008-01-09 2013-02-05 Fuelcell Energy, Inc. Water recovery assembly for use in high temperature fuel cell systems
US8062799B2 (en) 2008-08-19 2011-11-22 Fuelcell Energy, Inc. High-efficiency dual-stack molten carbonate fuel cell system
US8445147B2 (en) * 2009-02-26 2013-05-21 Fuelcell Energy, Inc. Fuel humidifier assembly for use in high temperature fuel cell systems

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