KR102554529B1 - 열 발생, 열 방사 장치를 위한 단열 하우징 - Google Patents

열 발생, 열 방사 장치를 위한 단열 하우징 Download PDF

Info

Publication number
KR102554529B1
KR102554529B1 KR1020217005699A KR20217005699A KR102554529B1 KR 102554529 B1 KR102554529 B1 KR 102554529B1 KR 1020217005699 A KR1020217005699 A KR 1020217005699A KR 20217005699 A KR20217005699 A KR 20217005699A KR 102554529 B1 KR102554529 B1 KR 102554529B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heat
housing
heat generating
insulating
fire
Prior art date
Application number
KR1020217005699A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210035270A (ko
Inventor
케인 엠. 피너티
폴 드월드
매튜 이젠버그
Original Assignee
와트 퓨얼 셀 코퍼레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 와트 퓨얼 셀 코퍼레이션 filed Critical 와트 퓨얼 셀 코퍼레이션
Publication of KR20210035270A publication Critical patent/KR20210035270A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102554529B1 publication Critical patent/KR102554529B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04052—Storage of heat in the fuel cell system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/386—Catalytic partial combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631—Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2455—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with liquid, solid or electrolyte-charged reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/025—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step
    • C01B2203/0261—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step containing a catalytic partial oxidation step [CPO]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C01B2203/0827—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel at least part of the fuel being a recycle stream
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1247—Higher hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

통합 CPOX 개질기 및 SOFC 스택과 같은 열 발생, 열 방사 장치를 위한 단열 하우징이, IR 벡터의 하우징 벽에 대한 흐름을 방해하는 간접적 또는 구불구불한 경로를 제공하는 단열 섹션의 어셈블리를 포함한다.

Description

열 발생, 열 방사 장치를 위한 단열 하우징
본 발명은, 열 발생, 열 방사 장치(heat-producing, heat-radiating devices), 구체적으로 수소풍부 개질제(hydrogen-rich reformate)의 생산을 위한 촉매 부분 산화(CPOX) 개질기 및 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 스택 및 그러한 개질제를 전기 및 부산물 수증기(스팀)로 전기 화학적 변환하기 위한 결합(combined) 애프터버너 장치의 통합 시스템을 위한 단열(thermally insulated) 하우징 또는 외함(enclosures)에 관한 것이며, 위의 연료 전지는 다른 유형의 열 발생, 열 방사 장치이다.
기체 또는 액체 개질 가능한 연료를 수소풍부 일산화탄소-함유 기체 혼합물, 일반적으로 "합성 가스("synthesis gas") 또는 신가스("syngas")"라고 하는 생성물로 변환하는 것은, 그러한 통상적인 방법 또는 증기 개질, 건식 개질, 자열 개질 및 촉매 부분 산화(CPOX) 개질과 같이 달리 알려진 연료 개질 작업의 임의의 것에 따라 수행될 수 있다. 그러한 각 연료 개질 공정은 고유한 화학적 성질 및 요구 사항을 가지며, 그 각각은 다른 것에 비해 특징적인 장점과 단점이 있다.
개선된 연료 개질기, 연료 개질기 부품 및 개질 공정의 개발은, 연료 전지의 잠재력, 즉 수소, 수소와 일산화탄소 및 그 유사물과 같은 전기 화학적으로 산화 가능한 연료를 전기로 화학적 변환시키기 위한 장치의 잠재력으로 인해, 주전원 유닛(Main Power Unit; MPU) 및 보조 전원 유닛(Auxiliary Power Unit; APU)을 포함하는 일반 응용 분야에서 크게 확장된 역할을 하기 위해, 계속적으로 상당한 연구의 초점이 되고 있다. 연료 전지는 또한, 예를 들어 전기 자동차용 차내(on-board) 전기 발전 장치, 주거용 백업 전원, 레저용 주 전원, 전기 미공급 지역의 야외와 그 외의 전력 소비 장치 및 경량, 고 전력 밀도, 주변 온도 무관 휴대용 배터리 팩의 교체와 같은 특수 응용 분야에도 사용할 수 있다.
수소의 대규모 경제적인 생산, 그 유통에 필요한 인프라, 저장을 위한 실질적인 수단(특히 수송 연료)이 아직 요원한 것으로 널리 믿어지고 있기 때문에, 현재의 많은 연구와 개발이, 전기 화학적으로 산화 가능한 연료, 특히 수소와 일산화탄소의 혼합물의 공급원으로서의 연료 개질기 및 일반적으로 그러한 연료를 전기로 변환하는 연료 전지 "스택"이라고 하는 연료 전지 어셈블리의 두 가지의 개선, 그리고 전기 에너지의 생산을 위한 연료 개질기와 연료 전지의 보다 작고 안정적이며 효율적인 장치로의 통합을 지향해 왔다.
CPOX 개질, 또는 간단히 CPOX는, 예를 들어, 공칭 전력 등급이 100 와트에서 100 킬로와트인 것 및 그 중간 쯤의 모든 전력 등급인, 연료 전지 스택에 수소풍부 개질제를 공급하는 방법으로서 특히 주목을 끌었다. CPOX 개질의 장점 중 하나는, 외부 열원을 필요로하는 흡열 반응인 증기 개질 및 건식 개질과는 달리 반응이 발열식이라는 것이다.
더욱이, CPOX 반응은 일반적으로 다른 개질 반응보다 빠르며, 이는 빠른 시동 및 부하 변화에 대한 빠른 반응이 가능한 비교적 작은 개질기의 구성을 가능하게 한다. CPOX 개질기는 또한, 물과 증기를 처리해야 하는 개질기, 예를 들어 물 저장 장치, 증기 생산용 가열 장치, 흡열 개질 반응을 일으키기 위한 열 공급용 버너 또는 연소 장치 등, 그리고 관련 유체 이동(fluid routing) 및 작동 모니터링 과 제어용 장치를 필요로 하는 스팀 개질기 및 자체 발열 개질기보다 설계가 더 간단한 경향이 있다.
산화를 돕기 위해 산소 함유 기체(일반적으로 주위 온도 및 대기압하의 대기로 제공됨)를 예열하는 것, 적절하게 예열된 기체상(gaseous) 공기 및 기체상 CPOX 반응 혼합물을 제공하기 위해 디젤과 같은 액체 연료를 기화시키는 것, 및 가정용 온수 수요를 충족시키는 것을 돕는데 사용하기 위해, 연료 전지가 부착된 연료 전지 스택의 애프터버너 장치에서 폐열을 회수하는 것과 같은 개질기 작동에 사용하기 위해 폐열을 보존하고 회수하기 위해, 열을 발생하고 방사하는 부품이 효과적인 단열(thermal insulation)과 함께 제공되는 것이, 공지된, 통상의 개질기의 필수적인 요건이다. 물론, 실제적인 문제로서, 그 전체 내용이 본 명세서에 참고 문헌으로 통합되는, 공동 소유의 미국 특허 9,624,104호; 9,627,700호; 9,627,699호 및 9,627,701호에 기술된 것과 같은, 개질기, 연료 전지 및 개질기와 연료 전지 통합 스템에 대한 단열을 제공하는 것이 필요하며, 이는, 그렇게 하지 않으면, 그러한 장치의 열 작동 효율을 현저하게 감소시킬 그러한 열 손실을 방지하기 위한 것이다.
개질기, 그 부수 연료 전지 및 애프터버너 장치는 다른 열 발생 및 방사 장치와 함께 외함 또는 하우징 내에 설치되는 것이 일반적이다. 그러한 외함 또는 하우징의 필수 요구 사항은, 단열재를 제공하여 하우징의 외부 표면이 만져도 상대적으로 차갑도록 하는 것이다.
본 발명에 의해, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징이 제공되며, 그 단열 하우징은, 대향하는 내부 측부 및 노출된 외부 측부(opposed internal and exposed external sides)를 가지며, 열-발생, 열 방사 장치를 완전히 둘러싸는(enclose) 치수와 구조로 된, 결합된(conjoined) 측부, 상부 및 저부 패널을 구비한 단열 제1 하우징을 포함하여 구성되고, 제1 하우징 패널의 내부 측부는, 그에 점착하여 부착된 적어도 하나의 내화 단열 어셈블리 또는 복수의 그러한 어셈블리의 조합체를 가지며, 각각의 그러한 단열 어셈블리 또는 그러한 단열 어셈블리의 조합체는, 각 단열 어셈블리 또는 그 복수의 단열 어셈블리의 조합체의 주된 측부가 각각의 제1 하우징 측부 패널의 내부 표면에 점착하여 부착되고, 각 단열 어셈블리 또는 그 복수의 단열 어셈블리의 조합체의 주된 측부가, 밀폐된 열발생, 열 방사 장치를 향해 마주 보고 그로부터 공간적으로 분리되어 있음과 함께, 미리 정해진 칫수를 가지며(pre-dimensioned) 사전 구성된(preconfigured) 내화(refractory) 단열(thermal insulation) 섹션들의 중첩된 층으로 만들어진 적어도 하나의 구조체(structure)를 구획하며, 각 단열 어셈블리 또는 그 복수의 단열 어셈블리의 조합의 칫수, 구조 및 최대 사용 온도(service temperature)는 제1 하우징의 측부 패널의 내부 표면을 실질적으로 완전히 그리고 계속적으로 라이닝하는(line) 그러한 것이고, 그에 따라 그 단열부 또는 그 단열부 조합체는, 열 발생, 열 방사 장치로부터의 열 손실을 미리 정해진 정도까지 억제하며, 각각의 단열 어셈블리 또는 그 조합체는 열 발생, 열 방사 장치로부터의 IR 방사선(IR radiation)의 흐름을 위한 직통 통로(direct path)를 폐쇄하고 그에 따라, 각각의 제1 하우징 패널의 외부 표면에 최대의 미리 정해진 표면 온도를 유지하면서, 열 발생, 열 방사 장치로부터의 열 손실을 미리 정해진 정도까지 억제한다.
전술한 제1 하우징의 절연 어셈블리는, 공지된 절연 하우징이 겪을 수 있는 몇 가지 기술적 문제, 즉 그들의 절연 구조로 인한 그들의 밀폐된 열 발생, 열 방사 장치의 열이 상대적으로 빠르게 손실되는 문제를 효과적으로 해결하여, IR 방사선 벡터의 직접적이고 방해받지 않는 흐름을 허용하는 하나 이상의 직통 경로를 제공한다. 여기에서, 단열 어셈블리에 특유한, 단열 어셈블리의 고유한 배열에 의해 효과적으로 해결되는 두 번째 기술적 문제는, 임의선택적인 두 번째 또는 외부 하우징의 모든 외부 표면상의 상대적으로 촉감이 차가운 상태를 유지하는 그들의 능력에 있으며, 그와 같이, 예를 들어 현장 운송(물론, 밀폐된 열 발생, 열 방사 장치의 휴대성을 가정함)을 포함한, 안전한 취급을 허용한다. 여기에서 제1 하우징을 라이닝하는 단열 어셈블리 및 그러한 어셈블리들의 조합은, 제1, 단열 하우징 및 밀폐된 열 발생, 열 방사, 즉 IR-방사 장치의 주어진 조합에 대해 미리 결정된 규격을 충족하는 절연 용량을 제공하는 데 필요한 단열 재료의 정확한 양만을 사용할 수 있도록 하므로, 그들 단열 어셈블리는 유리하게 비용 효율적인 방식으로 생산될 수 있다.
단열 어셈블리 내의 개별 단열 단편의 고유한 인터록킹식 설계(interlocking design)는, 단열 어셈블리를 자체 및 제1 하우징의 내부 패널 모두에 지지(retention)하기 위해 추가적인 기계적 고정을 필요로 하는 문제를 해결한다. 자체 지지 구조를 가지며 기계적 고정 요건을 제거하는 것은, 전체 무게와 추가 비용을 줄이면서 장치의 휴대성을 향상시킨다.
열 발생, 열 방사 장치가 통합된 다중 관형 기체 연료 부분 산화(CPOX) 개질기 및 다중 관형 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 및 애프터버너 시스템("단열 시스템")인, 본 발명의 단열 하우징의 실시예에서, 그러한 시스템은, 다음에 설명하는 바와 같이, 배기 가스 카울 하우징(exhaust gas cowl housing)이 없는 단열 시스템 내부에서 발생하는 내부 가스 흐름 바이아스로 인해 달리 발생하게 되는 베르누이 효과를 줄이거나 완화하는 방식으로 고온 애프터버너 배기 가스를 방향 전환하기(redirecting) 위한 배기 가스 카울 하우징을 포함한다.
아래에 설명된 도면은 단지 설명을 위한 것임을 이해해야 한다. 도면은, 반드시 축척에 따른 것은 아니며, 일반적으로 본 발명의 가르침의 원리를 설명하는 데 중점을 둔다. 도면은 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 동일한 숫자는 일반적으로 동일한 부분을 나타낸다.
도 1A는, 본 발명에 따른 단열된 제1 하우징 및 임의선택적인 제2 하우징의 하나의 실시예의 종 방향 사시도로서, 실질적으로 완전히 밀폐되고(enclosed) 단열된 제1 하우징 및 그 실질적으로 완전히 밀폐된 열 발생, 열 방사 장치, 구체적으로는 도 7A 내지 도 7D의 다중 관형 기체 연료 부분 산화(CPOX) 개질기 - 다중 관형 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 및 애프터버너 통합 시스템(400)을 보여주기 위해, 제2 하우징의 상부, 저부 및 측부 패널이 제거되어 있다.
도 1B는, 단열된 제1 하우징에 밀폐된, 도 2에 도시된 유형(200-1 내지 200-4)의 단열 어셈블리의 배치를 보여주는, 도 7A-7D의 단열된 CPOX 개질기-SOFC 및 애프터버너 통합 시스템(400)의 일부를 반 단면(half section) 입면도로 도시한다.
도 1C는, 도 1A의 CPOX-개질기 - 애프터버너 통합 시스템(400) 및 배기 가스 카울(exhaust gas cowl)(500)의 내부 세부 구조를 반 단면(half section) 입면도로 도시한다.
도 1D는 고온 애프터버너 배기 가스의 경로를 변경하기 위해 협력하는 요소의 내부 세부 구조를 나타내기 위해, 상부 측부가 제거된 배기 가스 카울(500)(도 1A 및 도 1C에 도시됨)의 내부 구조를 평면도로 도시한다.
도 1E는 고온 애프터버너 배기 가스 흐름의 경로를 재지정하기(redirecting) 위한 외부 구조 요소를 평면도로 도시한다.
도 2는, 단열된 본 발명의 제1 하우징의 내부 벽을 라이닝하는(lining) 내화 단열 어셈블리의 구성에 사용하기 위해, 무엇보다도 개별적으로 그리고/또는 조합으로 적합한, 도착기준(as-received) 상용 내화 단열 보드의 평면도에서 400x 배율로 주사 전자 현미경으로 촬영한 현미경 사진을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 것들 중 임의의 것과 같은 이 재료의 보드로부터 절취한, 정밀 치수 및 구조의 내화 단열 섹션의 여러 실시예를 도시한다.
도 4A-F는 단열된 제1 하우징(100)의 인접한 벽 패널들의 내부 표면에 점착식으로 부착된 적층형 또는 라미네이트 형 내화 단열 라이닝 어셈블리의 구축 방법에 사용되는 일련의 단계의 하나의 실시예를 사시도로 도시한다.
도 5A 및 B는 각각, 도 4E 및 F에 도시된 단열 어셈블리의 부분 단면 끝면도 (end view, 端面圖) 및 상면도를 도시한다.
도 5C는 단열된 제1 하우징 및 SOFC 유닛의 한쪽 끝의 전체 단면도를 도시한다.
도 6A는, 내화 단열 라이닝의 구성을 사시도로 도시하며, 그 구성에서, 도 3 A 내지 C에 도시된 방식으로 치수를 갖고 그리고 구성되는, 내화 단열 섹션의 보드는, 도시된 방식대로 간단한 랩 조인트(lap joints)에 의해 결합되고, 그에 따라, 구불구불한 경로에 비해, IR 방사선의 흐름, 및 도 7A-7D의 CPOX-SOFC 통합 시스템으로부터 배출되는(escaping) 열에 의해 생성되는, 임의선택적인 제2 하우징(200)으로부터의 열 손실, 및/또는 그 외부 표면의 과도한 고온의 흐름을 촉진하는 직통 경로(direct pathways)로 제공한다.
도 6B는, 본 발명에 따른 단열 제1 하우징의 하나의 실시예를 평면도로 도시한 것으로서, 도면에서, 하우징 패널의 내부 표면이 도 2에 도시된 것과 같은, 내화 단열 재료의 중첩된 층(overlapping, superimposed layers)으로 라이닝되며, 그에 따라, IR 방사선의 직통 흐름을 위한 경로가 제외되고, 그에 따라, 밀폐된 열 발생, 열 방사 장치에 의해 발생된 열을 더 잘 보존하고, 그리고 임의선택적인 제2 하우징 패널의 외부 표면이, 알맞지 않고(uncomfortable) 잠재적으로 해로운 온도 레벨에 도달하는 것을 막는다.
도 7A는 열 발생, 열 방사 장치의 하나의 실시예, 특히, 본 발명에 의한 단열 기체 연료 다중-관형 CPOX 개질기-다중 관형 고체 산화 연료 전지 및 결합 애프터버너 통합 시스템의 공지의 실시예[그 전체 내용이 본 명세서에 참고문헌으로 통합되는, 공동으로 양도된(per commonly assigned) 미국 특허 9,627,699호]의 종단면도이다.
도 7B는 도 7A에 도시된 기체 연료 CPOX 개질 장치-연료 전지 통합 시스템의 기체 연료 CPOX 개질기 섹션의 측면(lateral)(세로 축에 수직) 횡단면도이다.
도 7C는 도 7A에 도시된 액체 연료 CPOX 개질 장치-연료 전지 통합 시스템의 기체 연료 CPOX 개질기 섹션의 일부의 평단면도이다.
도 7D는 도 7A에 도시된 기체 연료 CPOX 개질기-SOFC 통합 시스템의 관형 CPOX 반응기 튜브의 단열된, 발열성 보온(heat-retention) 챔버, 점화기 및 CPOX 반응 구역의 확대 사시, 분해도이다.
본 명세서에서 "포함한다(include)", "포함하는(including)", "가진다(have)", "가지는(having)", "포함한다(contain)" 또는 "포함하는(containing)"이라는 용어 및 그 문법적 동의어의 사용으로 본 발명이 제한되지 않는 것으로 이해되어야 하고, 달리 구체적으로 언급되지 않거나 문맥으로부터 이해되지 않는 한, 예를 들어, 설명되지 않은 추가 요소 또는 단계를 배제하지 않는, 개방적이고 비한정적인 것으로 일반적으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 단수, 예를 들어, "하나(a 및 the)"는 특별히 달리 언급되지 않는 한 복수를 포함한다 (반대의 경우도 마찬가지임).
용어 "약(about)"이 정량적 값의 앞에 사용되는 경우, 본 발명은 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 특정 정량적 값 자체도 포함한다. 본 명세서에 사용된 용어 "약"은 달리 표시되거나 암시되지 않는 한, 공칭 값으로부터 ±10 % 차이를 의미한다. 단계의 순서 또는 특정 동작을 수행하는 순서는, 본 발명이 작동 가능한 상태로 유지되는 한 중요하지 않다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 방법은 본 명세서에 달리 표시되거나 문맥에 의해 명백하게 모순되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 또한, 두 개 또는 그 이상의 단계 또는 작업을 동시에 수행 할 수 있다.
본 명세서의 다양한 곳에서, 값은 그룹 또는 범위로 개시된다. 본 명세서에 개시된 값의 범위는, 특히 그 범위 및 임의의 하위 범위 내의 각각 및 모든 값을 포함하는 것으로 의도된다. 예를 들어 0 ~ 40 범위의 수치는, 구체적으로 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 및 40 및 그의 임의의 하위 범위, 예를 들어 0 내지 20, 10 내지 30, 20 내지 40 등을 개별적으로 개시하기 위한 것이다.
예를 들어, "-와 같이" 처럼, 본 명세서에 제공된 모든 그리고 임의의 예 또는 예시적인 언어의 사용은, 단지 본 발명을 더 잘 설명하기 위한 것이며, 특허청구되지 않는 한, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서의 어떤 언어도, 특허청구되지 않은 요소를 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.
"위의", "아래의", "상부", "저부", "수평의", "수직의" 등과 같은 공간적 배향 또는 자세를 나타내는 용어 및 표현은 문맥상 다르게 표시하지 않는 한, 본 명세서에서 구조적, 기능적 또는 작동적 중요성을 갖지 않고, 첨부된 도면 중 특정 도면에 도시된 본 발명의 기체 연료 CPOX 개질기의 다양한 도시의 임의로 선택된 배향을 단지 반영하는 것으로 이해되어야 한다.
용어 "세라믹"은, 당 업계에서 인정된 의미에 추가하여, 본 명세서에서 유리, 유리-세라믹 및 서멧(cermets)(즉, 세라믹-금속 복합재)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서는 "단열 시트" 및 "단열 보드"라는 표현이 혼용된다.
본 명세서에서 사용되는 표현 "열 발생"은 본질적으로 "IR 발생"과 동의어로 이해되어야 하며, 그와 유사하게, 표현 "열 방사"는 본 명세서에서 본질적으로 "IR 방사"와 동의어로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 CPOX 반응기 유닛의 벽에 적용되는 "기체 투과성"이라는 표현은, 기체 CPOX 반응 혼합물의 기체 개질 가능한 연료 성분 및 생성물 개질제의 수소 성분을 제한없이 포함하는, 기체 CPOX 반응 혼합물 및 기체 산물 개질제에 대해 투과성인 벽 구조를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
"기체 개질 가능한 연료"라는 표현은, 개질될 때 수소풍부 개질제로 전환되는, STP 조건에서 기체인 개질 가능한 탄소- 및 수소-함유 연료, 예를 들어 천연 가스와 같은, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 이소부틸렌, 디메틸 에테르, 그들의 혼합물을 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 위 혼합물의 예는 천연가스, 액화천연가스(LNG), 석유가스, 액화석유가스(LPG) 등이 있고, 천연가스 및 액화천연가스(LNG)는 주성분이 메탄이고, 석유가스 및 액화석유가스(LPG)는 주성분이 프로판 또는 부탄이나, 기본적으로 프로판과 부탄으로 이루어진 모든 혼합물을 포함한다.
"액체 개질 가능한 연료"라는 표현은, 개질될 때 수소풍부 개질제로 전환되는, 표준 온도 및 압력(standard temperature and pressure,STP) 조건에서 액체인 개질 가능한 탄소- 및 수소-함유 연료, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 나프타, 증류액, 가솔린, 등유, 제트 연료, 디젤, 바이오 디젤 등을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. "액체 개질 가능 연료"라는 표현은 또한 액체 상태에 있거나 기체 상태 (즉, 증기)에 있는, 그러한 연료를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
표현 "CPOX 반응"은, 촉매 부분 산화 개질하는 동안 또는 개질 가능한 연료를 수소풍부 개질제로 전환하는 동안 발생하는 반응(들)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
표현 "기체 CPOX 반응 혼합물"은 기체 개질가능 연료 및 산소 함유 기체, 예를 들어 공기를 포함하는 혼합물을 지칭한다. 본 명세서에 사용된 기체 CPOX 반응 혼합물은, 기체 개질가능 연료 및 산소 함유 기체(예를 들어, 공기)를 포함하여 구성되거나, 본질적으로 기체 개질가능 연료 및 산소 함유 기체로 구성되거나, 기체 개질가능 연료 및 산소 함유 기체안으로 구성될 수 있다. 본 발명의 CPOX 반응 혼합물은, 증기 상태의 액체 개질 가능 연료, 예를 들어 기화 디젤 또는 기체상의(gaseous) 액체 개질가능 연료, 다시 예를 들어 기화 디젤을 포함한다.
"개방형(open) 기체 흐름 통로"라는 표현은, 가스의 통과를 위한 도관 또는 채널, 다공성 고체 또는 물질을 포함하는, 고체가 그 횡단면(cross-sectional plane) 전체에 걸쳐 존재하지 않는 도관 또는 채널, 즉, 다공성 고체를 포함하는 고체가 없는 도관 또는 채널을 지칭한다. 예를 들어, CPOX 반응기 유닛의 경우, 모노리스(monolith)와 같은 다공성 촉매를 포함하는 CPOX 촉매는, 관형 CPOX 반응기 유닛의 종축에 수직인 전체 내부 횡단면에 걸쳐 존재할 수 없다. 그러한 구조는 다공성 촉매로 채워진 통로와는 완전히 다르다. 개방형 기체 흐름 통로는 또한, CPOX 반응기 유닛에 존재할 수 있으며, 이는 중공 보어(hollow bore)를 구획하는 튜브 또는 그 종축을 따라 관통하는 중공 보어를 구획하는 원통형 기판으로 정의될 수 있다. 그러한 예시적인 설명에서, 중공 보어는 개방형 기체 흐름 통로로 간주될 수 있다. 개방형 기체 흐름 통로는 일반적으로 CPOX 반응기 유닛의 세로 축을 따라 연장 할 수 있지만, 구불구불한 도관 또는 채널도 또한 본 발명의 고려 대상이고, 그리고 CPOX 반응기 유닛의 절단면에 고형물이 없다는 전제하에, 개방형 기체 흐름 통로를 가질 수 있다. 개방형 기체 흐름 통로의 단면 치수(들)는 길이 방향 축을 따라 또는 구불구불한 도관 또는 채널을 따라 변할 수 있음을 또한 이해해야 한다.
연료는, 그 압력을 개질기에 도입되기에 압력으로 낮추기 위해, 예를 들어, 조절기 또는 다른 유형의 가스 계량 장치를 구비한 압력 탱크에 상승된 압력으로 저장된다. 기체 연료가 대기압 또는 소폭으로(modestly) 상승된 압력에서 저장되는 경우, 기체 연료의 압력을 개질기의 작동에 적합한 수준으로 높이기 위해 임펠러 펌프 또는 다른 가스 구동 장치를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 단열 기체 연료 CPOX 개질기는, 하나 또는 그 이상의 개질기 작동을 모니터링하고 제어하기 위한 하나 이상의 센서 어셈블리를 포함할 수 있다. 센서 어셈블리의 예로는 유량계, 열전대, 서미스터 및 저항 온도 감지기가 있다. 본 발명의 가스 연료 CPOX 개질기는 또한, 시동, 정상 상태(steady-state) 및/또는 셧다운 모드에서 개질기의 작동을 자동화하기 위한 제어 시스템을 포함 할 수 있다. 제어 시스템은, 컨트롤러와 통신하는 복수의 센서 어셈블리를 포함할 수 있다. 본 발명의 밀폐된 열 발생, 열 방사 장치는, 수소-함유 개질제를 받아들이는 연료 전지의 단부에 연결된 개질제 배출 단부를 갖는 개질기일 수 있고, 상기 개질기는 연료 전지로부터의 사용된 가스가 애프터버너 섹션과 가스 흐름 연통하며, 상기 사용된 가스가 상기 애프터버너 섹션 내부에서 연소되어 발생된 고온 연소 가스가 상기 애프터 버너 섹션으로부터 배출된다.
"고온 애프터버너 연소 가스(들)" 및 "고온 애프터버너 배기 가스(들)"라는 표현 및 유사한 의미(import)의 표현은 본질적으로 동의어로 간주되어야 한다.
이제 도 1A를 참조하면, 예를 들어 판금(sheet metal)으로 구성된 단열 제1 하우징(110)은, 예를 들어 단열 CPOX 개질기-SOFC 통합 시스템(400)[시스템의 애프터버너 유닛(400c)포함)(도 7A에 상세히 도시되고, 그 확대된 부분이 도 7B에 도시됨)에 의해 대표되는. 열 발생, 열 방사 장치를 실질적으로 완전히 둘러싸서 밀폐한다. 앞서 언급 한 바와 같이, 본 발명의 원리에 따라 유용하게 단열될 수 있는 다른 열 발생, 열 방사 장치는 내연 기관, 보일러, 오븐, 가마(kilns) 및 용광로 등을 포함한다. 도 1A는 또한, 완전히 밀폐된 CPOX 개질기 및 SOFC 시스템(400)을 가지는, 단열된 제1 하우징(100)을 완전히 밀폐하는 제2의, 보통 단열 안된(ordinarily non-thermally insulated) 제2 하우징(200)을 도시한다. 제1 단열 하우징(100)에서와 같이 단열 라이닝을 갖는 임의선택적인 제2 하우징(200)을 포함하여 구성되는 패널의 내부 표면을 제공함으로써 얻을 수 있는 중요한 이점이 없는 것이 일반적이지만, 특정한 경우에 IR 방사의 직접적인 흐름을 막는 하나 또는 그 이상의 단열 어셈블리로 구성되는 그러한 단열부가 포함될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 1A에 도시된 제2 하우징(200)의 실시예에서. 제2 하우징은, 시스템 희석 공기 팬(system dilution air fan)(240)에 의해 분리된 저온 구역(230)과 고온 구역(220)으로 나뉘고, 고온 구역(220)은 주변 기기[balance of plant;BOP) 격실을 구획하는 판금 방화벽(250)으로부터 분리된다. 고온 구역(220)은, 송풍기 유닛(240) 및 통합된 CPOX 개질기/SOFC 스택을 도 1B 및 도 7A-7D의 후자의 애프터버너 유닛(400)으로 둘러싸기에 적어도 충분한 부피를 갖는다.
밀폐된 CPOX 개질기 및 SOFC 통합 시스템(400)을 갖는 단열 제1 하우징(100)은, 방화벽(250)에 연결된 지지 다리(260)에 의해 방화벽(250) 위로 상승되는 장점이 있다.
내화성 단열부 이외에도, 단열된 제1 하우징(100) 및 임의선택적으로 제2 하우징(200)의 구성 재료는 중요하지 않으며, 기계, 전자 장치 등을 위한 하우징의 구성에 사용되는 임의의 종래 또는 다른 공지된 재료로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, 강철, 티타늄, 알루미늄, 그들의 합금, 다른 금속의 합금 등의 판금이, 제1 하우징 및 임의선택적인 제2 하우징의 구성 재료로 사용되는 것이 유리하다. 고분자 재료는, 중간 정도의 고온에 장기간 노출된 후에도 치수 및 기계적 안정성을 유지할 수 있다. 두 하우징 모두, 구체적으로 치수가 지정되고 단열된, 열 발생, 열 방출 장치를 실질적으로 완전히 둘러싸서 밀폐하기에 충분한 내부 체적을 가지고 있는 것을 전제로. 다양한 기하학적 구성, 예를 들어, 평면도로 볼 때 정사각형 또는 직사각형(도시 참조)과 같은 정다각형, 또는 곡선, 예를 들어, 원형 또는 계란형 베이스(ovate base)로 만들어질 수 있다. 일반적으로 하우징은 영구적으로 밀봉되지 않는 것이 바람직한다. 따라서, 제1 및/또는 제2 하우징의 적어도 하나의 패널이 제거 가능하거나 힌지 연결되어 밀폐된 열 발생, 열 방사 장치에 편리하게 접근할 수 있도록 하여 임의의 필요하거나 바람직한 장치의 검사 또는 서비스가 더 쉽게 가능하도록 하는 것이 유리하다.
도 1A, 도 1C, 도 !D 및 도 1E에 도시된 바와 같이, 고온 애프터버너 고온 배기 가스 카울(hot afterburner hot exhaust gas cowl)(500)은, 각각 전면 및 후면 측부(503 및 504), 각각 측면 측부(505 및 506) 및 베이스 플레이트(507b)에 대향하는 상부 측부(507a)를 포함한다. 예를 들어 판금으로 제조된 가스 흐름 편향 플레이트(501 및 502)는 각각, 도 1D 및 도 1E에 도시된 애프터버너 배기 가스 흐름 통로(516 및 517)를 제공하는 스페이서 요소(514)를 포함하는 패스너(513)에 의해 배기 가스 카울(500)의 측부(505 및 506)에 고정된다. 배기 가스 카울(500)은, 베이스 플레이트(507b)로부터 연장되는, 패스너 예를 들어 각각의 연장 부재(510a 및 510b)에 위치된 리벳 또는 용접부(welds)에 의해 제1 하우징(100)에 부착된다.
도 1D 및 도 1E에 도시된 바와 같이. 배기 카울(500)의 상부 측부(507a)는, 베이스 플레이트(507b)에 형성된 고온 애프터버너 배기 가스 슬롯(508), 다중 유사 구조 루버 형 배기 가스 구멍(multiple similarly configured louvered afterburner exhaust gas vents)(522b)을 특징으로 하는, 그 측면 측부(505 및 506)를 가지는 배기 카울(500)의 상부 측부(507a)에 배치된 루버 형 애프터버너 배기 가스 구멍(523)을 포함한다. 예를 들어, 리벳 또는 용접부에 의해 베이스 플레이트(507b)에 부착된 각진 편향 배플(baffles)(519)은, 배기 가스 슬롯(508)을 통해 배출되는 고온 애프터버너 배기 가스 흐름을 편향시킨다. 애프터버너 배기 가스 슬롯(508) 및 루버 형 배기 가스 구멍(523) 통해 방출되는, 편향된 애프터버너 배기 가스의 흐름 경로는, 점선과 화살표로 도 1D 및 도 1E에 도시된 바와 같이 애프터버너 배기 가스 배플(519)에 의해 편향된다.
원하지 않는 베르누이 효과를 통해 시스템 희석 팬(211)에 의해 발생하는 경향이 있는, 내부 가스 흐름 바이어스(biases)를 최소화하기 위해, 애프터버너 배기 가스 슬롯(508), 루버형 구멍(vents)(523), 배플(522) 및 가스 편향 플레이트(501 및 502)의 전술한 배열을 갖는, 고온 애프터버너 배기 가스 카울(500)이 있는 단열 개질-SOFC 스택 통합 시스템(400)이 제공된다. 베르누이 효과는, 더 높은 속도의 희석 공기가 SOFC 고온 애프터버너 루버 구멍(522a, 522b, 523)를 가로 질러 수직으로 통과할 때 발생한다. 이것은 시스템(400)의 내부 압력을 감소시켜서, 개질기-SOFC 통합 시스템(400) 및 애프터버너(400c)내에서 반응물질 흐름 속도의 증가를 가져온다. 전술한 내부 가스 흐름 바이어스는, 시스템 희석 팬(211)에 의해 구동되는 시스템 희석 공기의 피치로 인해 시스템(400) 내에 유도되며, 그 시스템 희석 공기는 시스템(400)을 가로 질러 일부 불-특정 각도(non-specific angle)로 흐른다. 이러한 각진 흐름은, 다른 측면에 비해 시스템(400)의 한 측면에 더 낮은 압력 및/또는 더 높은 반응 속도를 초래한다. 내부 가스 흐름 바이어스는, 반응 물질 흐름의 체류 시간이 더 낮은 압력을 갖는 SOFC 섹션의 그 부분에서 더 짧기 때문에 시스템(400)이 바람직하지 않은 조건하에서 작동하게 할 수 있다. 그러한 가스 흐름 바이어스는, 전체 SOFC 섹션 내에서 개별 SOFC 반응기 유닛의 과잉 사용으로 인해 시스템(400)에 비가역적 손상을 초래할 수 있다. 개별 SOFC 반응기 유닛의 그러한 과도 사용은 공지의 열화 (degradation) 작동 모드로서, SOFC 본체의 잠재적인 구조적 고장을 초래한다.
배기 가스 카울(500)은 시스템 희석 공기와 혼합되기 전에 고온 애프터버너 배기 가스가 냉각 및 수축할 수 있도록 애프터버너 유닛(400c) 외부에 개방 챔버(511)를 만듦으로써 그러한 가스 흐름 편향을 완화하기 위해 많은 일을 한다. 그러한 개방 챔버(511)는, 고온 애프터버너 배기 가스 흐름 경로의 길이를 증가시켜, 완충 구역(512)을 만들어내는 기능을 한다. 완충 구역(512)은, 역압력 컴뮤니케이션(backward pressure communication)을 제한하는 기능을 하여, 시스템(400) 전체에 걸쳐 균일한 반응물질 흐름 및/또는 작동 압력을 유지하는 것을 돕고, 그에 따라 과잉 사용(over-utilization) 작동 조건을 만들 가능성이 방지되거나 줄어든다. 배기 카울(500) 내의 베이스 플레이트(507b) 상에 배치된 각진 배플(angled baffles) (522)은 내부에 고온 애프터버너 배기 가스를 확산시킨다. 고온 애프터버너 배기 가스의 그러한 편향은 배기 카울 본체를 통해 그러한 배기 가스로부터 주변 시스템 냉각 희석 공기로의 열 전달을 달성하는 데 도움이 된다. 그러한 냉각 중에 발생하는 체적 변화 때문에 배기 가스가 시스템 희석 공기와 혼합되기 전에 가능한 한 많이 냉각되는 것이 중요하다. 배기 가스가 애프터버너(400c)로부터의 출구 온도에서 시스템 희석 공기(대략 실내 온도임)와 혼합되면, 그 결과로 발생하는 급속 냉각은 배기 가스의 급격한 부피 변화를 초래할 수 있고, 그것은 시스템(400)에서도 급격한 압력 변화를 일으킨다. 시스템 희석 공기와 혼합하기 전에 배기 가스 카울(500)을 통해 배기 가스를 냉각시키면, 급격한 압력 변화를 완화시킨다. 배기 가스 카울은 또한, 배기 카울(500)의 상부 표면 안팎으로(in and across the top surface) 시스템 희석 공기를 유입시키는데(in funneling) 도움이되는 2 개의 가스 흐름 편향 플레이트(501 및 502)를 갖도록 구성된다. 편향 플레이트(501 및 502)는 또한, 배기 카울(500), 그리고 그에 따라 그 안에 존재하는 애프터버너 배기 가스를 더 효율적으로 냉각하시키기 위한 열 전달 핀(fins)으로 기능한다. 그렇게 냉각된 배기 가스는, 유사한 온도의 시스템 희석 공기와 혼합되는, 배기 카울(500)의 외부 표면(505 및 506)에 배치된 다중 루버 구멍(522a 및 522b)을 통해 배기 카울(500)을 빠져 나간다.
도 2A-2D는, 본 발명에서 특히 단열 어셈블리를 구성하는데 유용한, 4 가지 특정 유형의 내화 단열 시트 또는 보드의 특징인, 내화 섬유와 내화 입자의 인터록킹 결합(interlocked engagement)을 보여주는 현미경 사진을 나타낸다.
이들 4 가지 특정 유형의 내화 단열재의 세부 사항은 다음과 같다.
단열 시트 유형:
단열 유형 1 Thinsheet 1000R ((상품명, 공급 업체 Promat Inc.)(도 2A의 270a): 고순도, 고온-등급의(high temperature-rated)[피크 온도 정격(peak temperature rating) 1000oC) 미세 다공성 절연 보드; 두께가 3mm +/- 0.5mm이고, "최종 용도에 따라 달라지는" 길이와 너비를 가지는 필라멘트-강화 발열성 실리카의 블렌드.
단열 유형 2 Thinsheet 1200A (상품명, 공급 업체 Promat Inc.)(도 2B의 270b): 97 % 고순도 알루미나 절연 보드, 1200oC의 피크 작동 온도[두께 3mm +/- 0.5mm(98 wt.% 보다 많은 알루미나와 2wt.% 보다 적은 실리카)와 "최종 용도에 따라 달라지는" 길이와 너비를 가짐.
단열 유형 3 T-Cast AA45 ((상품명, 공급업체 Unifrax) (도 2C의 270c): 피크 사용량 1650C, 두께 5mm ± 0.5mm, 최종 용도에 따라 달라지는 길이와 너비를 가지는 고순도 알루미나 단열 보드(98 wt.% 보다 많은 알루미나와 2 wt.% 보다 적은 실리카)
단열 유형 4 RS-3000 Felt ((상품명, 공급 업체 ZIRCAR Refractory Composites,, Inc.)(도 2D의 270d): 1 wt.% 미만의 미량 원소를 갖는 97 wt.% 고순도 알루미나 섬유(3 wt.% 보다 적은 실리카). 이러한 세라믹 펠트는, 유기 바인더로 결합된 섬유, 강하고 유연한 소재, 1650oC의 온도 등급, 3mm(1/8 인치) 및 1mm(1/32 인치)의 도착기준(as-received) 두께를 갖는 강하고 유연한 소재이다.
이제 도 3A 내지 3H를 참조하면, 도 2A 내지 2D에 설명된 4 개의 단열재 유형(270a-270d) 중 하나 또는 그 이상의 보드로부터 특정 치수 및 구성의 개별 단열 섹션의 절취(cutting out)를 얕은 사시도로 개략적으로 도시되어 있다. 이들 정밀하게 절단되고, 구성된 섹션을 만들기 위해 임의의 종래의 또는 달리 공지된 커팅 장치가 사용될 수 있다. 예를 들어, 커팅은 다이 커팅 또는 워터 제트 커팅 장치를 사용하여 성취될 수 있다. 그러나, Trotec Speedy 300 이산화탄소 레이저 또는 유사한 성능의 다른 레이저 커팅 장치와 같은 레이저 커팅 장치에 의해 단열 보드로부터 단열 섹션을 커팅하는 것이 바람직하다. 레이저 커팅은 매우 잘 구획된 절단 선 그리고 아마도 더 중요하게, 얻어지는 매우 깨끗한 절단 모서리(clean-cut edge)를 따라 섬유와 입자의 히트 실링(heat-sealing) 또는 융합(melt fusion)을 만들어낼 수 있는 장점이 있다. 이것은 결국, 원하는 단열 어셈블리 구성을 형성하기 위하여, 개별적으로 커팅된 단열 섹션을 매우 정확하고 정밀하게 배치하고 조립하게 해준다. 탭(tabs)과 슬롯(slots)의 기능은, 도 4A 내지 도 4F에 개략적으로 도시된 내화 단열 어셈블리 단계들의 설명과 관련하여 아래에 설명되어 있다.
이제 본 발명의 가르침에 따라 단열된 제1 하우징을 제공하기 위해 내화 단열 라이닝의 하나의 실시예를 조립하기 위한, 도 4A 내지 도 4F에 개략적으로 도시된 일련의 단계를 참조하면, 내화 단열 섹션이, 도 1의 단열 제1 하우징의 측부(side)를 포함하여 구성되는, 4 개의 패널 중 하나의 내부 표면에 임의의 적합한 내화 접착제 또는 시멘트를 사용하여 접착식으로 부착되며(applied), 이러한 접착제 또는 시멘트의 다양한 종류가 그러한 목적을 위하여 공지되고, 상업적으로 구입 가능하며, 그 예를 들면, Resbond 940(상품명, 공급업체 : Cotronics)이 있다. 퍼짐성(spreadable) 내화 접착제 페이스트를 만들기 위해, 도 3A 내지 도 3H에 도시된 단열 섹션의 커팅 상태로부터 남겨진 스크랩(scraps)으로부터, 그 스크랩을 분쇄하고 그에 따라 발생된 분말을, 예를 들어 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리비닐 알코올(PVA), 글리세롤과 같은 바인더, 및 예를 들어 에탄올, 이소프로필 알코올 또는 아세톤과 같은 분산매(fluid carrier)와 조합하여 내화 접착제 또는 시멘트를 제조하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다. 이 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식된 바와 같이, 내화성 분말, 선택된 바인더 및 선택된 분산매의 중량 비율(weight proportions)은, 일상적인 실험 테스트에 의해 쉽게 결정되는 최적의 양으로 상당히 다양할 수 있다 [예: 1:3 중량비의 PEG:(분쇄된)1000R]. 제1 하우징 또는 임의선택적으로 제2 하우징 패널의 내부 표면에 대한 단열 섹션의 견고한 접착을 얻기 위하여 이용될 열 접착 페이스트의 최적 중량(weight amount) (예를 들어 1 내지 5 그램), 또는 그 하부(underlying) 단열 섹션에 대한 단열 섹션의 견고한 접착을 얻기 위하여 이용될 열 접착 페이스트의 최적 중량 (예를 들어, 1 내지 5 그램)은, 일상적인 실험 테스트를 사용하여, 특정 단열 어셈블리에 대해 이 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 쉽게 결정될 수 있다.
이제 도 4A를 참조하면, 단열 섹션은 단열될 제1 하우징의 4 개의 측부 패널 중 하나의 내부 표면에 점착적으로 고정된다. 섹션이 일단 제자리에 단단히 고정되면, 단열 섹션은 제1 하우징의 인접한 내벽의 표면에 점착식으로 부착되며, 그 섹션의 탭은 섹션의 슬롯에 정확하게 끼워지며, 그 결과는 도 4B에 도시되어 있고, 그에 따라, 별도의 기계적 패스너를 필요로 하지 않고 2 개의 단열 섹션의 기계적 결합(mechanical union)을 확보한다. 도 4C에 도시된 바와 같이, 도 7B 및 도 7C에 도시된 조립 단계는, 도 4D에 도시된 단열 섹션의 계단식(끝에서 볼 때) 배열을 제공하기 위해, 단열 섹션을 접착하여 설치함으로써 실질적으로 반복된다. 이들 조립 단계에 이어 그리고 도 4E에 도시된 바와 같이, 단열 섹션은 도시된 배열을 가져오도록 점착식으로 설치되고, 그 단열 어셈블리의 단면 끝면도(cross-section end) 및 상면도가 도 5A 및 도 5B에 각각 도시되어 있고, 그 하우징의 전체 단열 라이닝이 도 5C에 나타낸 평면도로 도시되어 있다. 임의선택적인 제2 하우징(200)에 단열 라이닝을 설치하는 것이 바람직하다면, 그러한 라이닝을 단열된 제1 하우징과 동일한 방식으로 그리고 도 4A 내지 도 4F에 개략적으로 도시된 바와 같이 구성하는 것이 바람직 할 수 있다. 그러나, 그러한 임의선택적 단열 라이닝에 대해 제1 단열 하우징(100)의 경우에서와 같이 구불구불한 경로 구성을 달성하는 것이 일반적으로 필수적인 고려 사항이 아니기 때문에, 더 간단한 구성 방법을 이용하는 것이 바람직 할 수도 있다.
추가 열 반사층이, 절연 어셈블리의 표면에 추가될 수 있거나, 또는 열 발생, 열 방사 장치를 향하는 그러한 어셈블리의 조합이, 알루미늄 또는 마일라(mylar)와 같은, 적어도 하나의 열 반사 코팅 필름 또는 층을 갖는 것이 또한 고려된다.
도 6은 공지된 유형의 단열 하우징 및 그 밀폐된 열 발생, 열 방사 유닛을 평면도로 도시한다. 단열 라이닝은, 개별 단열 섹션을 연결하기 위한, 간단한 랩 조인트(lap joints)를 사용하여, 그러나 탭 및 도 6B에 평면도로 도시된 단열 하우징 라이닝의 구성에 이용된 단열 섹션의 상응 슬롯이 없이, 도 2에 도시된 것들의 임의의 하나의 단열 보드로부터 조립된다. 그러한 탭과 그것이 들어가는 슬롯은 몇 가지 중요하고 유리한 기능을 제공한다. 그 하나는, 길이 방향 모서리를 따라 함께 결합되는 단열 섹션의 정확한 배치와 정확한 정렬을 용이하게 한다. 다른 하나는, 탭이 그 대응하는 슬롯에 장착될 때, 인접한 단열 섹션들 사이의 조인트(joints)가, CPOX-SOFC 통합시스템(400)과 같은, 밀폐된 열 발생, 열 방사 장치의 잠재적으로 빠른 온-오프 사이클링을 반영하는 온도 변화 특성(throughout changing temperature regimes)을 통해 더 강하고 그리고 더 기계적으로 더 안정된 구조를 형성한다.
도 6에 도시된 바와 같이. 복사 IR 벡터(radiant IR vectors)는 하우징의 단열 라이닝을 포함하여 구성되는 단열 섹션의 인접 단부들(abutting ends)로부터 형성된 코너로 향한다. 이들 IR 벡터는, 단열 어셈블리의 인접 단부에 의해 형성된 직통 경로를 따라 이동하여 하우징의 벽면 패널에 충돌하고 통과하는 것으로 나타나 있다. 단열 라이닝을 통한 이들 직통 경로로 인해, 열 발생, 열 방사 유닛으로부터의 복사열이, 도 6A의 단열 라이닝의 구조와 달리 복사 IR 벡터가 하우징을 빠져나갈 수 있기 전에 구불구불한 경로를 따라가야 하고 그 결과 열 발생, 열 방사 장치에서 발생하는 열 손실이 훨씬 줄어드는 도 6B에 도시된 조립된 단열 섹션의 인접 단부 보다 더 빠르고 쉽게 손실된다.
본 발명에서 밀폐된 열 발생, 열 방사 장치의 대표적인 것은, 도 7A의 단열된 가스 연료 CPOX 개질기 및 SOFC 스택의 통합 장치(400)이다. 도 7A에 도시된 바와 같이. 산소 함유 가스로서의 공기는, 일반적으로 주위 온도에서 원심 송풍기 시스템(402)을 통해 도관(404)의 입구(403)를 통해 미리 설정된 질량 유량(mass flow rate)으로 도입된다. 프로판 가스는 연료 라인(441) 및 연료 유입구(442)를 통해 도관(404)으로 도입된다. 프로판과 공기는 기체 CPOX 반응 혼합물을 제공하기 위해 도관(404)의 혼합 구역(420)에서 결합하기 시작한다. 임의의 적합한 종류의 혼합기, 예를 들어, 혼합 구역(420) 내에 배치된 정적 혼합기(static mixer) 및/또는 도관(404)의 나선형 홈이 있는 내부 벽면이, 다른 방식으로 혼합 구역(420)내에 형성하는 것보다 더 큰 조성 균일도의 기체 CPOX 반응 혼합물을 제공하기 위해 포함될 수 있다.
기체 CPOX 반응 혼합물은, 임의선택적 정적 혼합기 통과 및/또는 혼합 구역(420) 내에 배치된 나선형 홈과의 접촉의 다음에, 유출구(425)를 통해 도관(404)을 빠져나가, 그 반응 혼합물의 더 균일한 분배를 관형 CPOX 반응기 유닛(408)에 그리고 그 내부에 제공하도록 구성된 매니폴드(426)의 기체 분배기(427)로 들어간다. 본 발명에 있어서의 그러한 배열 또는 다른 배열은, 임의의 두 CPOX 반응기 유닛 내의 기체 CPOX 반응 혼합물의 유량의 차이가 약 20 퍼센트보다 크지 않은, 예를 들어, 약 10 % 이하 또는 약 5 % 이하인, 기체 CPOX 반응 혼합물의 분포를 제공할 수 있다.
도 7A로 돌아가서, 관련된 관형 CPOX 반응기 유닛(408)과 함께 매니폴드(426)는, 기체 CPOX 반응 혼합물(기체) 분배기(427)가 도관(404)의 출구(425)에 연결되는, 매니폴드 챔버(429)를 구획하는 매니폴드 하우징 또는 외함(428)을 포함한다. 유출구(425)를 통해 도관(404)을 나가는 기체 CPOX 반응 혼합물은, 기체 분배기(427)로 들어가고, 그 후 기체 분배기의 저부 또는 하부에 위치한 개구(예를 들어, 구멍 또는 슬롯)(430)를 통해 외부로 나아가며, 그 기체는 다음에 분배기의 외부 표면 주위를 돌아 상부로 흐르고, 그 부분으로부터 관형 CPOX 반응기 유닛(408)의 유입구(431)로 들어간다. 기체 CPOX 반응 혼합물이 개구(430)를 통과하여 유입구(431)로 들어갈 때의 경로가 도 7B에 도시되어 있다.
CPOX 반응기 유닛에 기체 CPOX 반응 혼합물의 보다 균일한 분포를 성취하도록 하는 기능을 달성하기 위한 매니폴드(426)의 설계의 최적화에 관련될 수 있는 몇 가지 구체적 인자는, 하우징(428)의 구성, 챔버(429)의 부피, 및 그 개구(430)의 수, 디자인 및 배치를 포함하는 기체 분배기(427)의 치수를 포함한다. 그러한 인자는, 다시 개질기 설계 및 작동 인자, 즉 도관내의 기체 CPOX 반응 혼합물의 목표 유량, CPOX 반응기 유닛(408)의 개수 및 배열, CPOX 반응기 유닛(408)의 유입구(431)의 형상과 치수, 및 유사한 고려 사항을 포함한다. 본 발명에 따른 특정 기체 연료 CPOX 개질기에 대한 최적의 연료-공기 분배 성능의 매니폴드는, 일상적인 시험 방법을 사용하는, 이 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 구성될 수 있다.
CPOX 반응기 유닛의 CPOX 반응 구역이 반응기 유닛의 길이와 실질적으로 동일한 영역인(coextensive) 경우, 매니폴드 하우징(428)은 CPOX 개질을 대표하는 고온에서 열적 및 기계적으로 안정된 재료로 제조될 수 있다. 이들 실시예에서, 탄소 섬유 및/또는 유리 섬유 강화 세라믹과 같은 내화 복합재를 포함하는 다양한 종류의 내화 재료가 매니폴드 하우징을 제조하는데 적합하다. 구성에 적합한 재료는, 알려진 다양한 유형의 알루미나, 재결정화 알루미나, 알루미노-실리케이트, 질화 붕소, 유리-세라믹, 산화 마그네슘, 인산 지르코늄 등과 같은 고밀도 세라믹; 니켈-크롬 기반 초합금과 같은 금속, 하스텔로이 초합금 등을 포함한다. 그러나, 이들 및 다른 내화 재료는 상대적으로 비용이 높은 경향이 있으며, 특히 상대적으로 복잡한 구성을 가진 제품을 제조하는 경우 작업하기가 어려울 수 있다.
도 7D에 도시된 CPOX 반응기 유닛(408) 예시적인 종단면 확대도에 도시된 바와 같이. CPOX 반응기 유닛(408)의 기체 투과성 벽(451)은, 그 길이를 따라, CPOX 촉매가 실질적으로 없는 연료-공기 혼합물 유입구(431)에서 시작하는 제1 또는 상류 영역(452)과, 제1 영역I452)의 끝에서 시작하여. 촉매 유효량의 CPOX 촉매(464)를 함유하는 반응기 유닛의 개질 생성물 방출 유출구(product reformate effluent outlet)(454)에서 또는 그 근처에서 끝나는 제2 또는 하류 영역(453)으로 나뉠 수 있다. 도 7A의 CPOX 개질기(400)의 정상 상태 작동 동안, CPOX 반응기 유닛(408)의 이 실시예는, 고온 CPOX 반응 구역(409)을 그들의 제2 영역(453)에 크게 한정하여, 본질적으로 CPOX 촉매가 없는 제1 영역(452)을 상당히 더 낮은 온도, 예를 들어, 구체적으로 CPOX 반을기 유닛(408)의 연료-공기 혼합물 유입구(431)와 매니폴드 하우징(428)의 연결부에서 주위 온도로부터 약 350 oC의 범위에 머물게 한다.
많은 열가소성 수지의 용융 온도보다 낮고 많은 열경화성 수지의 열 분해 온도보다 낮은, CPOX 촉매 없는 벽 섹션 구역의 더 낮은 온도는, 매니폴드 하우징(428)의 제조를 위한 열가소성 및 열경화성 수지의 여러 제품군 중 하나를 활용하는 것이 실용적이고 유리하게 한다. 매니폴드 하우징의 제조에 사용할 수있는 열가소성 및 열경화성 수지의 구체적인 유형은 폴리에테르 이미드(PEI), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)과 같은 폴리아릴에테르 케톤(PAEK), 페놀-포름 알데히드 수지 등을 포함한다. 이들 및 다른 열적으로 안정한 수지는, 그들의 상대적으로 낮은 재료 비용 외에도, 저렴한 제조 절차를 사용하여 복잡한 형상으로 쉽게 성형할 수 있다는 추가 이점을 가지고 있다.
도 7A로 돌아가서, 기체 CPOX 반응 혼합물은, 매니폴드(426)로부터, CPOX 반응기 유닛(408)의 유입구(431) 및 CPOX 반응 구역(409)으로 들어가며, 거기서 반응 혼합물은 기체상 CPOX 반응을 거쳐, 수소풍부, 일산화탄소 함유 개질제를 생성한다. 시동 모드에서, 하나 이상의 점화기(435)가 CPOX를 개시한다. CPOX가 자동으로 계속되는 상태가 된 후, 예를 들어, 반응 구역의 온도가 약 250 oC에서 약 1100 oC에 도달한 때, 이제 자립적 CPOX 반응을 유지하기 위해 더 이상 외부 점화가 필요하지 않으므로 점화기를 끌 수 있다. 예를 들어, 미세 다공성 또는 알루미나 기반 내화재 유형의 단열재(410)가, CPOX 개질기의 해당 부분을 둘러싸서, 이들 부품으로부터의 열 손실을 감소시킨다.
도 7A-7D는, 개질기(400) 작동의 시작 모드 동안, 챔버(436)의 CPOX 반응기 유닛(408)의 CPOX 반응 구역(409)내에서 CPOX 반응을 개시하기 위해, 2 개의 점화기(435)(각 어레이에 대해 하나)가 사용되는 본 발명의 실시예를 도시한다. 도 7C 및 도 7D에 도시된 바와 같이, CPOX 반응기 유닛(408)은, 챔버(436)내에 배치되는 각각의 어레이와 함께 2 개의 분리된 2x7 평행 어레이로 배열되며, 그러한 어레이 하나는 도관(404)의 일측 측면에 배치되고, 다른 어레이는 도관(404)의 타측 측면에 배치된다. 어레이의 둘레(perimeter)는, 챔버(436)의 개방 공간(438)과 단열재(410) 사이의 경계를 표시한다. CPOX 반응 구역(409)의 적어도 일부에 대응하는 CPOX 반응기 유닛(408)의 벽의 외부 표면(437)은 개방 공간(438) 내에 노출된다. 수소 장벽이 있는 경우, 그 수소 장벽은 CPOX 반응기 장치의 노출된 외부 표면일 수 있다. 예를 들어, 10 ~ 80 와트 또는 그 이상의 정격인 전기 저항 유형의 점화기들(435)은, 복사열 발생 요소(439)가 CPOX 반응기 유닛(408)의 외부 표면에 근접하지만 물리적으로 격리되게 위치되어 있는, 챔버(436)의 마주보는 단부에 배치된다. CPOX 반응 구역(409)의 온도를 모니터링하고, 도 3A에 도시된 제어 시스템(300)과 관련하여 설명된 바와 같이 개질기 제어 입력을 제공하기 위해, 점화기(435) 반대편의 챔버(436)의 단부에 열전대(440)가 배치된다. 점화기의 작동은, 복사열이 하나 또는 그 이상의 인접한 CPOX 반응기 유닛의 벽으로 전달되고, 이를 통해 CPOX가 그러한 반응기 유닛(들)의 CPOX 반응 구역 내에서 시작되도록 한다. 이들 인근 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 반응 구역(들)으로부터 방출된 열 복사는 그 다음에, 도 7C에 물결 모양의 화살표로 도시된 바와 같이 어레이 내의 나머지 CPOX 반응기 유닛의 반응 구역 내에서 CPOX를 개시할 수 있다.
CPOX 반응기 유닛(408)과의 직접 접촉을 피하는 단일 또는 최대 두서너 개의 점화기(들)의 제공은, 각 CPOX 반응기 유닛이 물리적으로 부착되거나 통합된 자체 점화기를 갖는 CPOX 점화기 시스템에 비해 몇 가지 이점을 제공한다. 후자의 점화 시스템의 사용이 본 발명에 의해 고려되지만, 비작동 점화기의 식별(identification)은 문제가 될 수 있으며, 점화기가 그 일부인 CPOX 반응기 유닛의 손상 및/또는 어레이내의 다른 반응기 유닛에 대한 방해없이 그 점화기의 제거 및 교체가 어려울 수 있다. 따라서, 어레이 또는 복수의 CPOX 반응기 유닛 내에 적절하게 위치한 단일 또는 두서너 개뿐의 점화기는, CPOX 개질기(400)로부터의 고장 또는 결함이 있는 점화기의 쉽고 간단한 식별 및 추출, 그리고 작동 가능 점화기로의 교체를 허용할 수 있다.
CPOX 반응기 유닛(408)의 CPOX 반응 구역(409) 내에서 CPOX 반응을 개시하기 위해 2 개의 점화기가 사용되는 도 7C 및 도 7D에 도시된 바와 같이, 챔버의 타측의 점화기(435) 및 열전대(440)의 위치에 대한, 챔버(436)의 일측의 점화기(435) 및 열전대(440)의 위치를 반전시키는 것이 유리할 수 있고, 특히 두 챔버 사이에 상당한 열적 연통 관계(significant thermal communication)가 있을 수 있는 경우에 그러하다. 그러한 배열은, 각각의 개별 어레이의 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 반응 구역 내에서 CPOX의 보다 빠른 개시를 가져오는 것으로 관찰되었다. 그러나, 챔버 내에 적절하게 치수가 지정되고 배치된 CPOX 반응기 유닛을 사용하면, 단일 점화기를 사용하여 챔버 내 CPOX 반응기 유닛의 CPOX 반응 구역 내에서 CPOX를 개시할 수 있음을 이해해야 한다.
본 명세서에 기술된 액체 연료 CPOX 개질기-연료 전지 통합 시스템의 다양한 실시예 및 그 작동 원리를 고려하는, 이 분야에 통상의 지식을 가진 자는, 일상적인 실험 절차를 사용하여, 본 발명에 따라 원하는 액체 개질 가능 연료 변환 및 전력 출력 용량, 구조적 특성 및 기계적 특성을 가진. 구체적인 CPOX 개질기-연료 전지 통합 시스템의 설계를 쉽게 최적화 할 수 있다.
본 발명는 그 정신 또는 본질적인 특성에서 벗어남이 없는, 다른 특정 형태의 실시예를 망라한다. 따라서, 전술한 실시예는 본 명세서에 설명된 본 발명를 제한하기보다는 모든 측면에서 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는, 전술한 설명보다는 첨부된 청구 범위에 의해 표시되며, 청구 범위와 동등한 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된 것이다.

Claims (19)

  1. 열 발생, 열 방사 장치를 둘러싸서 밀폐하는 단열 하우징으로서,
    상기 단열 하우징이, 상기 열 발생, 열 방사 장치를 둘러싸서 밀폐하기 위한 치수와 구조로 되고, 대향된 내부 측부 및 외부 측부를 각각 가지고, 상기 외부 측부가 각각 노출된, 측부 패널, 상부 패널 및 저부 패널의 결합 패널(conjoined side, top and bottom panels such panels having opposed internal and exposed external sides)을 구비한 제1 하우징을 포함하여 구성되고,
    상기 제1 하우징의 상기 결합 패널의 상기 측부 패널, 상부 패널 및 저부 패널의 각각의 패널들의 내부 측부가, 그에 점착하여 부착된 적어도 하나의 내화 단열 어셈블리 또는 상기 내화 단열 어셈블리들의 조합체를 가져서 단열 패널로 되고,
    각각의 상기 내화 단열 어셈블리 또는 상기 내화 단열 어셈블리들의 조합체가, 미리 정해진 칫수를 가지며 사전 구성된 내화 단열 섹션들의 중첩된 층들로 만들어진 적어도 하나의 구조를 구획하고,
    하나의 내화 단열 어셈블리 또는 상기 내화 단열 어셈블리들의 조합체의 하나의 측부가 각각의 제1 하우징 패널의 내부 표면에 점착하여 부착되고, 다른 측부가 상기 열 발생, 열 방사 장치를 향해 마주 보며,
    상기 내화 단열 어셈블리의 각각 또는 상기 내화 단열 어셈블리들의 조합체의 칫수, 구조 및 최대 사용 온도는 상기 제1 하우징의 패널 전부의 내부 표면을 완전하고 연속적으로 라이닝하는 것에 의해 상기 밀폐된 열 발생, 열 방사 장치로부터의 열 손실을 미리 정해진 정도까지 억제하며,
    각각의 단열 어셈블리는 상기 열 발생, 열 방사 장치로부터의 IR 방사의 흐름을 위한 직접 통로를 폐쇄하는 한편, 각각의 상기 제1 하우징 패널의 외부 표면에서 최대의 미리 정해진 표면 온도를 유지하는, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내화 단열 섹션들 중 한 내화 단열 섹션이 길이 방향 에지를 따라 간격을 두고 배치된 하나 또는 그 이상의 탭을 가지고, 다른 내화 단열 섹션이 상기 탭과의 체결 결합을 위해 길이 방향 에지를 따라 배치된 대응하는 슬롯을 갖는, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  3. 제1항에 있어서, 결합된 상기 단열 패널의 단부들이 서로에 대해 계단식 관계를 나타내는, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  4. 제1항에 있어서, 각각의 상기 단열 섹션이, 단열 보드 유형 번호 1 내지 4 중 적어도 하나로부터 레이저 절단되는, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단열 하우징, 상기 내화 단열 어셈블리 또는 상기 내화 단열 어셈블리의 조합체의 단열부가, 중첩된 내화 단열 섹션들의 연속 라이닝인, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단열 하우징, 상기 내화 단열 어셈블리 또는 상기 내화 단열 어셈블리의 조합체의 단열부가, 서로에 대해 끝과 끝이 인접하는 관계인 복수의 단열 어셈블리를 포함하여 구성되는 라이닝인, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  7. 제1항에 있어서, 상기 밀폐된 열 발생, 열 방사 장치가, 연료 전지의 수소-함유 개질제를 받아들이는 단부에 연결된 개질제 배출 단부를 갖는 개질기이고, 상기연료 전지로부터의 사용된 가스가 애프터버너 섹션과 가스 흐름 연통하며, 상기 사용된 가스가 상기 애프터버너 섹션 내부에서 연소되어 발생된 고온 연소 가스가 상기 애프터버너 섹션으로부터 배출되는, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 애프터버너 섹션의 고온 연소 가스의 흐름이, 가스 흐름 방향 전환 요소(gas flow redirecting elements)와의 접촉에 의해 수정되는, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 가스 흐름 방향 전환 요소가 배기 가스 카울을 포함하여 구성되고; 상기 배기 가스 카울은, 고온 애프터버너 연소 가스가 배기 가스 카울과 가스 흐름 연통하는 하나 또는 그 이상의 애프터버너 연소 가스 슬롯을 통해 상기 애프터버너로부터 배출될 때, 상기 고온 애프터버너 연소 가스의 흐름을 둘러싸고 그 방향을 전환하기 위한 것인, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 가스 흐름 방향 전환 요소가, 상기 배기 가스 카울의 상부 측부 및 측면 측부에 형성된 루버 형 배기 가스 구멍을 포함하여 구성되는 . 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  11. 제10항에 있어서, 상기 배기 가스 카울의 측면에 배치된 상기 루버 형 배기 가스 구멍을 통해 배출되는 가스 흐름이, 상기 배기 가스 카울의 측면 측부에 고정된 배기 가스 흐름 방향 전환 플레이트에 의해 구획된 가스 흐름 통로로 방향 전환되는, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 밀폐된 열 발생, 열 방사 장치가, 다중 관형 SOFC의 개질제를 받아들이는 단부에 연결된 개질제 배출 단부를 가지는 증기, 자열 또는 다중 관형 CPOX 개질기인, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 하우징이 제2 하우징 내에 완전히 둘러싸여 밀폐된, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 하우징이, 대향된 내부 측면 및 노출된 외부 측면을 갖는 결합된 측부 패널, 상부 패널 및 하부 패널을 포함하여 구성되고, 방화벽에 의해 내부적으로 고온 영역 및 저온 영역으로 분리되며, 상기 고온 영역이 상기 제1 하우징을 완전히 둘러싸서 밀폐하기에 충분한 체적으로 된, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1 하우징이, 단열된 제2 하우징 내에 밀폐된, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  16. 삭제
  17. 제1항에 있어서, 상기 내화 단열 어셈블리를 포함하여 구성되는 각각의 단열 시트가, 미리 결정된 길이 및 폭 치수로 레이저 절단되는, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  18. 제1항에 있어서, 미리 정해진 칫수를 가지며 사전 구성된 내화 단열 층들의 중첩된 층들로 구성된 단열 어셈블리에서, 상기 단열 패널들의 하나의 단열 패널의 에지가, 그에 접하는 다른 하나의 단열 패널 위에 또는 내부에 구획된 대응 슬롯에 꼭 들어맞게 정렬되고 정합되는 적어도 하나의 탭을 갖는, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
  19. 제1항에 있어서, 상기 열 발생, 열 방사 장치를 향해 마주보는 상기 내화 단열 어셈블리 또는 상기 내화 단열 어셈블리들의 조합체의 측면은 여기에 부착된, 알루미늄과 마일라로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 열 반사 코팅, 필름 또는 층을 가지는, 열 발생, 열 방사 장치용 단열 하우징.
KR1020217005699A 2018-08-29 2019-08-28 열 발생, 열 방사 장치를 위한 단열 하우징 KR102554529B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862724287P 2018-08-29 2018-08-29
US62/724,287 2018-08-29
PCT/US2019/048469 WO2020047036A1 (en) 2018-08-29 2019-08-28 Thermally insulated housing for a heat-producing, heat-radiating device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210035270A KR20210035270A (ko) 2021-03-31
KR102554529B1 true KR102554529B1 (ko) 2023-07-12

Family

ID=69643312

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217005699A KR102554529B1 (ko) 2018-08-29 2019-08-28 열 발생, 열 방사 장치를 위한 단열 하우징

Country Status (9)

Country Link
US (1) US11462751B2 (ko)
EP (1) EP3844835B1 (ko)
JP (1) JP7152811B2 (ko)
KR (1) KR102554529B1 (ko)
CN (1) CN112640176B (ko)
AU (2) AU2019332965B2 (ko)
CA (1) CA3110688C (ko)
MX (1) MX2021001541A (ko)
WO (1) WO2020047036A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2591039B (en) 2020-10-23 2021-11-24 Thermal Ceramics Uk Ltd Thermal insulation

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017063007A (ja) 2015-09-26 2017-03-30 Toto株式会社 固体酸化物形燃料電池モジュール
JP2017528882A (ja) 2014-09-19 2017-09-28 ワット フュエル セル コーポレーション 燃料電池ユニットおよびシステムの熱管理
JP2018515734A (ja) 2015-03-05 2018-06-14 ワット フュエル セル コーポレーション 製造方法及び動作方法を含むアフターバーナ

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4640875A (en) * 1985-02-07 1987-02-03 Westinghouse Electric Corp. Fuel cell generator containing a gas sealing means
US20060261304A1 (en) 2004-11-05 2006-11-23 Aspen Aerogels, Inc. Thermal management of electronic devices
US7700210B2 (en) * 2005-05-10 2010-04-20 Bloom Energy Corporation Increasing thermal dissipation of fuel cell stacks under partial electrical load
US7897292B2 (en) * 2005-05-18 2011-03-01 Lilliputian Systems, Inc. Fuel cell apparatus and methods
US20120248286A1 (en) * 2011-03-31 2012-10-04 Memc Singapore Pte. Ltd. (Uen200614794D) Systems For Insulating Directional Solidification Furnaces
KR101796509B1 (ko) 2013-11-06 2017-12-01 와트 퓨얼 셀 코퍼레이션 액체 연료 촉매 부분산화 개질 장치 및 촉매 부분산화 개질 방법
CA2929721C (en) * 2013-11-06 2019-08-20 WATT Fuel Cell Corp Liquid fuel cpox reformer and fuel cell systems, and methods of producing electricity
AU2014346747B2 (en) 2013-11-06 2017-02-09 WATT Fuel Cell Corp Integrated gaseous fuel CPOX reformer and fuel cell systems, and methods of producing electricity
US9627699B2 (en) 2013-11-06 2017-04-18 Watt Fuel Cell Corp. Gaseous fuel CPOX reformers and methods of CPOX reforming
US10756371B2 (en) * 2016-08-17 2020-08-25 Honeywell International Inc. Hybrid fuel cell
US10401088B2 (en) * 2016-09-16 2019-09-03 William R. Jones High temperature vacuum furnace hot zone with improved thermal efficiency

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017528882A (ja) 2014-09-19 2017-09-28 ワット フュエル セル コーポレーション 燃料電池ユニットおよびシステムの熱管理
JP2018515734A (ja) 2015-03-05 2018-06-14 ワット フュエル セル コーポレーション 製造方法及び動作方法を含むアフターバーナ
JP2017063007A (ja) 2015-09-26 2017-03-30 Toto株式会社 固体酸化物形燃料電池モジュール

Also Published As

Publication number Publication date
CA3110688A1 (en) 2020-03-05
EP3844835B1 (en) 2024-01-10
KR20210035270A (ko) 2021-03-31
EP3844835A1 (en) 2021-07-07
US20210313597A1 (en) 2021-10-07
CN112640176A (zh) 2021-04-09
WO2020047036A1 (en) 2020-03-05
MX2021001541A (es) 2021-04-13
JP2021535886A (ja) 2021-12-23
AU2021273527B2 (en) 2023-02-09
US11462751B2 (en) 2022-10-04
JP7152811B2 (ja) 2022-10-13
AU2021273527A1 (en) 2022-01-06
CA3110688C (en) 2023-09-26
AU2019332965B2 (en) 2021-12-09
EP3844835A4 (en) 2022-06-29
CN112640176B (zh) 2023-11-28
AU2019332965A1 (en) 2021-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11784331B2 (en) SOFC-conduction
CN105705227B (zh) 液体燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及产生电力的方法
CA2617308C (en) Reformer fuel cell system with external burner
US20220285716A1 (en) Sofc-conduction
KR102554529B1 (ko) 열 발생, 열 방사 장치를 위한 단열 하우징
JP2007070182A (ja) 反応装置
JP2022104497A (ja) 燃料電池モジュール及び燃料電池装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right