KR102555628B1 - 물 주입기를 포함하는 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템의 작동 방법은, 연료 전지 스택으로부터의 애노드 배기를 물 주입기에 제공하는 단계와, 상기 물 주입기에 물을 공급하는 단계와, 상기 물을 기화시키고 가습된 애노드 배기를 생성하기 위해, 상기 물 주입기로부터의 물을 상기 애노드 배기 내에 주입하는 단계를 포함한다.

Description

물 주입기를 포함하는 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법
본 발명의 양태는 연료 전지 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 특히 애노드 배기 재순환 스트림에 물을 주입하도록 구성된 물 주입기(water injector)를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지와 같은 연료 전지는, 연료에 저장된 에너지를 고효율로 전기 에너지로 변환할 수 있는 전기화학 장치다. 고온 연료 전지는, 고체 산화물 및 용융된 탄산염 연료 전지를 포함한다. 이러한 연료 전지는 수소 및/또는 탄화수소 연료를 사용하여 작동될 수 있다. 산화된 연료가, 전기 에너지를 입력으로 사용하여, 산화되지 않은 연료로 다시 환원될 수 있도록, 역의(reversed) 작동을 또한, 허용하는, 고체 산화물 재생 연료 전지와 같은 연료 전지의 유형이 존재한다.
다양한 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택과, 상기 스택으로부터 애노드 배기를 수용하도록 구성된 애노드 배기 도관(anode exhaust conduit)과, 애노드 배기 도관 내에서 상기 애노드 배기로 물을 주입하도록 구성된 물 주입기를 포함한다.
다양한 실시예에 따르면, 연료 전지의 작동 방법은, 연료 전지 스택으로부터 물 주입기로 애노드 배기의 적어도 일부를 제공하는 단계, 물 주입기로 물을 공급하는 단계, 및 물을 기화시키고 가습된 애노드 배기를 생성하도록, 물 주입기로부터의 물을 상기 애노드 배기의 적어도 일부에 주입하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는, 첨부되는 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하고, 앞서 제시된 일반론적인 설명과, 후술할 상세한 설명과 함께 본 발명의 특징들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 2a는, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 도 1의 시스템의 고온 박스의 컴포넌트를 도시하는 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 시스템의 확대된 부분을 도시하고, 도 2c는 도 2a의 시스템의 중심 칼럼에 대한 3차원 절단도이고, 도 2d는 도 2a의 시스템의 중심 칼럼 아래에 배치된 애노드 허브 구조의 사시도이다.
도 3a 내지 3c는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 도 2a의 시스템의 중심 칼럼을 통과하는 연료 및 공기 흐름을 도시하는 단면도이다.
도 4a는, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 도 2a의 시스템의 중심 칼럼에 배치된 물 주입기의 부분 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 물 주입기의 컴포넌트들의 상면도이며, 도 4c는 물 주입기의 사시도이다.
도 5는 도 1의 고온 박스의 컴포넌트들의 대안적 실시예를 도시하는 측단면도이다.
다양한 실시예들은 첨부 도면을 참조하여 자세히 설명될 것이다. 가능한 경우라면, 동일한 참조 번호는 도면 전반에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하도록 사용될 것이다. 특정 실시예 및 구현예에 대해 이루어지는 참조는 예시적인 목적을 위한 것이며, 본 발명 또는 청구항의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC) 시스템에서, 연료 개질 반응, 가령 증기 개질 및 물-가스 전환 반응(water-gas shift reaction)을 용이하게 하기 위해, 연료 유입 스트림이 가습될 수 있다. 추가로, 시스템 시작, 종료 및 전력 그리드 중단 이벤트 동안에, 물은, 가령 촉매와 같은 시스템 컴포넌트의 코킹(coking)을 방지하기 위해, 연료 유입 스트림에 추가될 수 있다. 종래에는, 이러한 가습은 주름진 튜브(corrugated tubing)을 포함하는 증기 발생기 내의 물을 기화시킴으로써 수행된다. 물은 주름진 튜브를 통해 유동하고, 상기 튜브의 외부 주위를 흐르는 캐소드 복열식 열교환기(cathode recuperator heat exchanger)에 의해 가열된다. 하지만, 상대적으로 저온의 캐소드 복열 배기 스트림을 이용하는 것은, 물을 기화시키기에 충분한 열을 흡수하기 위하여, 상당한 길이의 주름진 튜브를 일반적으로 필요로 한다. 또한, 증기 생성기는 상대적으로 대형이고 부피가 커서, 시스템 크기, 복잡성 및 제조 비용이 또한, 추가된다.
대조적으로, 본 개시내용의 실시예는 물을 증기로 기화시키거나, 및/또는 물을 애노드 배기 스트림 내에서 비말로 동반되기에 충분히 작은 액적(droplet)으로 에어로졸화하기 위하여 열을 제공하는 애노드 배기 재순환 스트림 내로 직접 물을 주입하도록 구성되는 물 주입기를 제공한다. 애노드 배기 재순환 스트림은 연료 전지 스택에 제공된 연료 유입 스트림으로 재순환되어서, 가습된 연료가 연료 전지 스택의 연료 전지에 제공되도록 한다. 따라서, 종래 기술의 증기 발생기는 시스템 크기, 복잡성 및 비용을 줄이기 위해 생략될 수 있다. 또한, 실시예의 시스템은 상대적으로 짧고, 주름이 없는 물 도관을 사용하여 작동할 수 있으며, 이 도관은 시스템 응답 시간을 개선하고, 시스템 크기 및 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, SOFC 시스템(10)의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 시스템(10)은 고온 박스(100) 및 그 안에 또는 그에 인접하여 배치된 다양한 컴포넌트를 포함한다. 고온 박스(100)는, 교번하는 연료 전지 및 상호접속부를 포함하는, 가령 고체 산화물 연료 전지 스택과 같은 연료 전지 스택(102)을 포함할 수 있다. 스택의 하나의 고체 산화물 연료 전지는, 가령 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia; YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia stabilized zirconia; SSZ), 스칸디아 및 세리아 안정화 지르코니아(scandia and ceria stabilized zirconia) 또는 스칸디아, 이트리아(yttria) 및 세리아 안정화 지르코니아(ceria stabilized zirconia)와 같은 세라믹 전해질, 가령, 니켈-YSZ, 니켈-SSZ 또는 니켈 도핑된 세리아 서멧(ceria cermet), 및 가령, 란탄 스트론튬 망가나이트(LSM)와 같은 캐소드 전극을 포함한다. 상호접속부는, 가령 크롬-철 합금 상호접속부와 같은 금속 합금 상호접속부일 수 있다. 스택(102)은 복수의 칼럼으로 서로 위에 배치될 수 있다.
고온 박스(100)는 또한, 애노드 복열식 열교환기(110), 캐소드 복열식 열교환기(120), 애노드 테일 가스 산화기(ATO)(130), 애노드 배기 냉각기 열교환기(140), 스플리터(510), 와류 생성기(vortex generator; 550), 및 물 주입기(160)를 포함할 수 있다. 시스템(10)은 또한, 촉매 부분 산화(CPOx) 반응기(200), 믹서(210), CPOx 송풍기(204)(예컨대, 공기 송풍기), 시스템 송풍기(208)(예컨대, 공기 송풍기), 고온 박스(100) 외부에 배치될 수 있는 애노드 재순환 송풍기(212)를 포함할 수 있다. 하지만, 본 개시내용은 고온 박스(100)에 대하여 컴포넌트들 각각에 대한 임의의 특정 위치로 제한되지 않는다.
CPOx 반응기(200)는 연료 도관(300A)을 통해 연료 유입구(300)로부터 연료 유입 스트림을 수용한다. 연료 유입구(300)는, CPOx 반응기(200)로 제공되는 연료의 양을 제어하기 위한 밸브를 포함하는 유틸리티 천연 가스 라인 또는 연료 탱크일 수 있다. CPOx 송풍기(204)는, 시스템 시작 동안에 CPOx 반응기(200)에 공기를 제공할 수 있다. 연료 및/또는 공기는 연료 도관(300B)에 의해 믹서(210)로 제공될 수 있다. 연료(예컨대, 도 4a 내지 4c와 관련하여 하기에 설명된 연료 유입 스트림(1721))는 연료 도관(300C)을 통해 믹서(210)로부터 애노드 복열기(110)로 유동한다. 연료는, 연료 배기의 일부에 의해 애노드 복열기(110) 내에서 가열되고, 연료는 이후 연료 도관(300D)을 통해 애노드 복열기(110)로부터 스택(102)으로 유동한다.
메인 공기 송풍기(208)는, 공기 도관(302A)을 통해 애노드 배기 냉각기(140)에 공기 스트림(예컨대, 공기 유입 스트림)을 제공하도록 구성될 수 있다. 공기는, 공기 도관(302B)을 통해 애노드 배기 냉각기(140)로부터 캐소드 복열기(120)로 유동한다. 공기는 캐소드 복열기(120) 내에 ATO 배기에 의해 가열된다. 공기는, 공기 도관(302c)을 통해 캐소드 복열기(120)로부터 스택(102)으로 유동한다.
스택(102)에서 생성된 애노드 배기 스트림(예컨대, 도 3a 내지 3c와 관련하여 하기에 설명된 연료 배기 스트림)은 애노드 배기 도관(308A)을 통해 애노드 복열기(110)로 제공된다. 애노드 배기는 반응되지 않은 연료를 포함할 수 있고, 또한, 본 명세서에서 연료 배기로 지칭될 수 있다. 애노드 배기는 애노드 배기 도관(308B)에 의해 애노드 복열기(110)로부터 스플리터(510)로 제공될 수 있다. 애노드 배기의 제1 부분은, 애노드 배기 도관(308C) 및 물 주입기(160)를 통해 스플리터(510)로부터 애노드 배기 냉각기(140)로 제공될 수 있다. 애노드 배기의 제2 부분은, 애노드 배기 도관(308D)을 통해 스플리터(510)로부터 ATO(130)로 제공된다. 애노드 배기의 제1 부분은, 애노드 배기 냉각기(140) 내의 공기 유입 스트림을 가열하고, 이후 애노드 배기 도관(308E)을 통해 애노드 배기 냉각기(140)로부터 믹서(210)로 제공될 수 있다. 애노드 재순환 송풍기(212)는, 후술되는 것처럼 애노드 배기 도관(308E)을 통해 애노드 배기를 이동시키도록 구성될 수 있다.
스택(102)에서 생성된 캐소드 배기는 배기 도관(304A)을 통해 ATO(130)로 흐른다. 와류 생성기(vortex generator; 550)는 배기 도관(304A)에 배치될 수 있고 캐소드 배기를 소용돌이(swirl)치게 하게끔 구성될 수 있다. 애노드 배기 도관(308D)은 와류 생성기(550) 또는 캐소드 배기 도관(304A) 또는 와류 발생기(550) 하류의 ATO(130)에 유체 연결될 수 있다. 소용돌이치는 캐소드 배기는, ATO(130)로 제공되기 전에 스플리터(510)에 의해 제공된 애노드 배기의 제2 부분과 혼합될 수 있다. 혼합물은 ATO(130)에서 산화되어 ATO 배기를 생성할 수 있다. ATO 배기는 ATO(130)로부터 배기 도관(304B)을 통해 캐소드 복열기(120)로 유동한다. 배기는 캐소드 복열기로부터 배기 도관(304C)을 통해 고온 박스(100) 밖으로 유동한다.
물은 가령, 물 탱크 또는 수도관과 같은 수원(water source; 206)으로부터 물 도관(306)을 통해 물 주입기(160)로 유동한다. 물 주입기(160)는 물을 도관(308C)에 제공된 애노드 배기의 제1 부분으로 직접 주입한다. 배기 도관(308C)에 제공된 애노드 배기(재순환된 애노드 배기 스트림이라고도 함)의 제1 부분으로부터의 열은, 물을 기화시켜 증기를 생성한다. 증기는 애노드 배기 가스와 혼합되고, 생성된 혼합물은 애노드 배기 냉각기(140)에 제공된다. 혼합물은 이후 애노드 배기 냉각기(140)로부터 애노드 배기 도관(308E)을 통해 믹서(210)로 제공된다. 믹서(210)는 증기 및 애노드 배기가스의 제1 부분을, 새로운 연료(즉, 연료 유입 스트림)와 혼합하도록 구성된다. 이 가습된 연료 혼합물은 이후, 스택(102)에 제공되기 전에 애노드 배기에 의해 애노드 복열기(110)에서 가열될 수 있다. 시스템(10)은 또한, 애노드 복열기(110)의 내부 및/또는 하류에 위치한 하나 이상의 연료 개질 촉매(112, 114, 116)를 포함할 수 있다. 개질 촉매(들)는, 스택(102)에 제공되기 전에 가습된 연료 혼합물을 개질한다.
시스템(10)은, 시스템(10)의 다양한 구성요소를 제어하도록 구성된 시스템 컨트롤러(225)를 더 포함할 수 있다. 컨트롤러(225)는 저장된 명령어를 실행하도록 구성된 중앙 처리 유닛을 포함할 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(225)는 연료 조성 데이터에 따라, 시스템(10)을 통해 연료 및/또는 공기 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다.
도 2a는 도 1의 시스템(10)의 고온 박스(100)의 컴포넌트를 도시하는 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 확대된 부분을 도시한다. 도 2c는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 시스템(10)의 중심 칼럼(400)의 3차원 절단도이며, 도 2d는 칼럼(400)이 배치될 수 있는 고온 박스 베이스(101) 내에 배치된 애노드 허브 구조(600)의 사시도이다.
도 2a 내지 2d를 참조하면, 연료 전지 스택(102)은 고온 박스(100) 내의 중심 칼럼(400) 주위에 배치될 수 있다. 예컨대, 스택(102)은, 중심 칼럼(40) 주위의 링 구성으로 배치될 수 있고, 고온 박스 베이스(101) 상에 배치될 수 있다. 칼럼(400)은 애노드 복열기(110), ATO(130) 및 애노드 배기 냉각기(140)를 포함할 수 있다. 특히, 애노드 복열기(110)는 ATO(130)의 방사상 내부방향으로 배치되며, 애노드 배기 냉각기(140)는 ATO(130) 및 애노드 복열기(110) 위에 장착된다. 일실시예로, 산화 촉매(112) 및/또는 수소화(hydrogenation) 촉매(114)는 애노드 복열기(110) 내에 위치할 수 있다. 개질 촉매(116)는 또한, 증기 메탄 개질(steam methane reformation; SMR) 인서트(insert)로서 애노드 복열기(110)의 하부에 위치할 수 있다.
ATO(130)는, 애노드 복열기(110)의 외벽/내부 ATO 단열재(130B) 주위에 위치된 외부 실린더(130A)를 포함한다. 선택적으로, 단열재(130B)는 내부 ATO 실린더(130C)에 의해 둘러싸일 수 있다. 따라서, 단열재(130B)는 애노드 복열기(110)와 ATO(130) 사이에 위치할 수 있다. ATO 산화 촉매는 외부 실린더(130A) 및 ATO 단열재(130B) 사이의 공간에 위치할 수 있다. 연료 유입 경로 벨로우즈(bellows)(854)는 애노드 배기 냉각기(140)와 내부 ATO 실린더(130C) 사이에 위치될 수 있다. ATO 열전대 피드 스루(ATO thermocouple feed through; 1601)는 애노드 배기 냉각기(140)를 통해 ATO(130)의 상부까지 연장된다. 따라서 ATO(130)의 온도는, 이 피드스루(1601)를 통해 하나 이상의 열전대(미도시)를 삽입함으로써 모니터링될 수 있다.
애노드 허브 구조(600)는, 애노드 복열기(110) 및 ATO(130) 아래에 그리고 고온 박스 베이스(101) 위에 위치될 수 있다. 애노드 허브 구조(600)는 ATO 스커트(1603)에 의해 덮인다. 와류 생성기(550) 및 연료 배기 스플리터(510)는, 애노드 복열기(110) 및 ATO(130) 위에 그리고 애노드 배기 냉각기(140) 아래에 위치한다. 시작 동안 ATO에서 스택 연료 배기의 산화를 개시하는 ATO 예열 플러그(1602)는 ATO(130)의 바닥 근처에 위치할 수 있다.
애노드 허브 구조(600)는 중앙 컬럼으로부터 중앙 컬럼(400) 주위에 배치된 연료 전지 스택(102)으로 연료를 고르게 분배하기 위해 사용된다. 애노드 흐름 허브 구조(600)는, 연료 유입 도관(300D) 및 방출 도관(308A)의 "스파이더" 허브 및 홈이 있는 주조 베이스(grooved cast base; 602)를 포함한다. 도관들(300D, 308A)의 각각의 쌍은 연료 전지 스택(102)으로 연결된다. 애노드측 실린더들(예컨대, 애노드 복열기(110) 내부 및 외부 실린더 및 ATO 외부 실린더(130A))은 이후 베이스(602)의 홈 내로 용접되거나 납땜되어서, 아래에 설명되는 흐름 분포를 위한 균일한 체적 단면을 생성한다.
리프트 베이스(1604)는 도 2c에 도시된 바와 같이 고온 박스 베이스(101) 아래에 위치된다. 일 실시예에서, 리프트 베이스(1604)는, 수리 또는 서비스를 위해 캐비닛(도시되지 않음)으로부터 시스템을 제거하는 것과 같이, 시스템을 들어 올리고 이동시키기 위해, 지게차의 포크가 삽입될 수 있는, 2개의 중공 암(hollow arm)을 포함한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 공기는 고온 박스(100)의 상부로 유입된 후 애노드 복열기(120)로 유입되어, ATO(130)로부터의 ATO 배기(미도시)에 의해 가열된다. 이후 가열된 공기는, 제1 벤트 또는 개구(121)를 통해 캐소드 복열기(120) 내에서 유동한다. 공기는 이후 스택(102)을 통해 흐르고, 애노드 허브 구조(600)로부터 제공된 연료(즉, 연료 유입 스트림)와 반응한다. 공기 배기는 제2 벤트 또는 개구(123)를 통해 스택(102)으로부터 유동한다. 공기 배기는 이후 와류 생성기(550)의 베인(vane)을 통과하고, ATO(130)에 들어가기 전에 소용돌이친다.
스플리터(510)는, 스플리터 내의 개구들(예컨대, 슬릿들(slits))을 통해 애노드 복열기(110)의 상부를 빠져나가는 연료 배기의 제2 부분을, (예컨대, 와류 생성기(550) 또는 ATO(130)나 도관(304A) 내의 와류 생성기의 하류의) 와류 공기 배기로 지향시킬 수 있다. 이와 같이 연료 및 공기 배기는 ATO(130)에 유입되기 전에 혼합될 수 있다.
도 3a 및 3b는 중심 칼럼(400)을 통과하는 흐름 분포를 도시하는 측단면도이고, 도 3c는 애노드 복열기(110)를 통해 취해진 상단면도이다. 도 2a, 2b, 3a 및 3c를 참조하면, 애노드 복열기(110)는 내부 실린더(110A), 주름진 플레이트(110B) 및 ATO 단열재(130B)로 코팅될 수 있는 외부 실린더(110C)를 포함한다. 연료 도관(300C)으로부터의 연료는 중심 칼럼(400)의 상부로 들어간다. 연료는 이후, 중공 코어를 통해 유동함으로써 애노드 배기 냉각기(140)를 우회하고, 이후 상기 외부 실린더(110C) 및 상기 주름진 플레이트(110B) 사이에서 애노드 복열기(110)를 통해 유동한다. 연료는 이후 도 3b에 도시된 애노드 허브 구조(600)의 도관(300D) 및 허브 베이스(602)를 통과하여 스택(102)으로 유동한다.
도 2a, 2b, 2c, 3a 및 3b를 참조하면, 연료 배기는, 스택(102)으로부터 도관(308A)을 통과하여 허브 베이스(602) 내로, 그리고 허브 베이스(602)로부터, 내부 실린더(110A) 및 주름진 플레이트(110B) 사이에서 애노드 복열기(110)를 통해, 그리고 도관(308B)을 통해 스플리터(510)로 유동한다. 연료 배기의 제1 부분은 스플리터(510)로부터 도관(308C)을 통해 애노드 배기 냉각기(140)로 유동하는 한편, 제2 부분은 도 1에 도시되는 바와 같이, 스플리터(510)로부터 도관(308D)을 통해 ATO(130)로 유동한다. 애노드 배기 냉각기 내부 코어 절연체(140A)는, 도 3a에 도시되는 바와 같이, 애노드 배기 냉각기(140) 및 와류 생성기(550) 사이에 위치한 벨로우즈(852)/지지 실린더(852A) 및 연료 도관(300C) 사이에 위치될 수 있다. 이러한 절연은 애노드 배기 냉각기(140)로 향하는 경로 상에서 도관(308C) 내 애노드 배기 스트림의 제1 부분으로부터의 열 전달 및 손실을 최소화한다. 절연체(140A)는 또한, 도관(300C) 내의 연료 배기 스트림 및 애노드 배기 냉각기(140) 내의 스트림 사이의 열 전달을 회피하기 위해 도관(300C) 및 애노드 배기 냉각기(140) 사이에 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 절연체(140A)는 실린더형 애노드 배기 냉각기(140)의 내부로부터 생략될 수 있다.
도 3b는 또한, 공기 도관(302A)으로부터 (애노드 배기의 제1 부분에 의해 공기가 가열되는) 애노드 배기 냉각기(140)로 그리고, 이후 애노드 배기 냉각기(140)로부터 도관(302B)을 통해 캐소드 복열기(120)로 유동하는 공기를 도시한다. 애노드 배기의 제1 부분은, 애노드 배기 냉각기(140)를 통해 유동하는 공기에 의해 애노드 배기 냉각기(140)에서 냉각된다. 애노드 배기의 냉각된 제1 부분은 이후, 애노드 배기 냉각기(140)로부터 도 1에 도시된 애노드 재순환 송풍기(212)로 제공된다.
도 2a 및 3b에 도시되고 하기에 더 상세히 설명될 바와 같이, 애노드 배기는 애노드 복열기(anode recuperator; 110)를 빠져나가서 도관(308B)을 통해 스플리터(510) 내에 제공된다. 스플리터(510)는 애노드 배기를 제1 및 제2 애노드 배기 부분들(즉, 스트림들)로 분할한다. 제1 스트림은 도관(308C)을 통해 애노드 배기 냉각기(140) 내에 제공된다. 제2 스트림은 도관(308D)을 통해 ATO(130)에 제공된다.
ATO(130) 및 애노드 배기 냉각기(140)에 제공된 애노드 배기의 상대적인 양은 애노드 재순환 송풍기(212)에 의해 제어된다. 송풍기(212)의 속도가 높을수록, 애노드 배기의 더 많은 부분이 도관(308C) 내에 제공되며, 애노드 배기의 더 적은 부분이 도관(308D)을 통해 ATO(130)로 제공되고, 그 역의 경우도 마찬가지이다.
ATO(130)에 제공된 애노드 배기는 애노드 배기 냉각기(140)에서 냉각되지 않는다. 이는, 애노드 배기가 애노드 배기 냉각기(140)를 통해 유동한 이후에 제공되는 경우보다, ATO(130) 내에 더 높은 온도의 애노드 배기가 제공되도록 한다. 예컨대, 스플리터(510)로부터 ATO(130) 내에 제공된 애노드 배기는 350°C를 초과하는 온도, 가령 약 350°C 내지 약 500°C, 예컨대, 약 375°C 내지 약 425°C 또는 약 390°C 내지 약 410°C의 온도를 가질 수 있다. 추가로, 더 적은 양의 애노드 배기가 애노드 배기 냉각기(140) 내에 제공되기 때문에(예컨대, 스플리터(510)에서의 애노드 배기의 분할로 인해 애노드 배기의 100%가 애노드 배기 냉각기로 제공되지는 않기 때문에) 애노드 배기 냉각기(140)의 열교환 영역이 감소될 수 있다. ATO(130)에 제공된 애노드 배기는 스택 캐소드(즉, 공기) 배기에 의해 산화되고, 도관(304B)을 통해 캐소드 복열기(120)에 제공될 수 있다.
도 4a는, 본 개시내용의 다양한 실시예들에 따른, 도 2a의 중심 칼럼 내의 물 주입기(160)를 도시하는 부분 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 배플(168) 및 분사기 링(162)을 도시하는 상면도이며, 도 4c는 물 주입기(160)의 사시도이다. 도 4a의 실시예에서, 스플리터(510)는 도 3a에 도시된 수평 슬릿(slit)이 아닌 애노드 배기 도관(308B)의 외벽을 통해 연장되는 튜브를 포함할 수 있다. 스플리터(510)의 튜브 또는 슬릿 타입 중 어느 하나가 본 실시예의 물 주입기(160)와 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 도 1, 4a, 4b 및 4c를 참조하면, 물 주입기(160)는 분사기 링(162), 구속 탭(restraint tab; 164), 덮개(shroud; 166), 및 배플(168)을 포함할 수 있다.
분사기 링(162)은, 애노드 배기 냉각기(140)와 애노드 복열기(110) 사이의 애노드 배기 도관(308C) 내부에 배치될 수 있고, 물 도관(306)에 유체 연결될 수 있다. 분사기 링(162)은 연료 도관(300C) 주위로 연장되는 튜브이다. 분사기 링(162)은, 스플리터(510) 및 애노드 복열기(110)로부터 도관(308C)으로 유동하는 애노드 배기의 제1 부분으로 직접 물을 주입하도록 구성된 주입 개구(injection aperture)(즉, 개구(opening))(162A)를 포함할 수 있다. 물은 애노드 배기의 고온의 제1 부분에 의해 기화될 수 있다. 주입 개구(162A)는, 물의 스트림 또는 액적을 생성하도록 구성될 수 있으며, 이 물의 스트림 또는 액적은 즉시 또는 주입기 링(162)으로부터 나타난 이후 몇 초 이내에 기화될 수 있다. 주입 개구(162A)는 주입기 링(162)의 임의의 하나 이상의 표면, 가령 주입기 링(162)의 상부 표면(도 4a에 도시됨), 주입기 링(162)의 내부 표면(도 4c에 도시됨), 주입기 링(162)의 하부 표면 및/또는 외부 표면 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 4a의 실시예에 도시된 바와 같이, 주입 개구(162A)는, 스플리터(510)로 하향하여 떨어지는 물의 양을 감소시키기 위해 애노드 배기 내로 균일한 물을 상향하여 제공하도록, 주입기 링(162)의 상부 표면 상에 균일하게 분포될 수 있다. 주입기 링(162)은 또한, 물의 실질적으로 균일한 원주방향으로의 흐름을 제공하고, 그에 의해 유동하는 애노드 배기 내의 압력 강하를 최소화하도록 크기가 설정될 수 있다.
구속 탭(restraint tab; 164)은 연료 도관(300C) 및/또는 덮개(166)에 부착될 수 있고, 주입기 링(162)을 지지하도록 구성될 수 있다. 특히, 구속 탭(164)은 주입기 링(162)의 배향을 정렬 및 제어하며, 고르지 않은 물의 분배 또는 그 위에 축적되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 구속 탭(164)은 주입기 링(162)을 수평으로 정렬하도록 구성될 수 있다. 구속 탭(164)은 또한, 물이 임의의 특정 위치에서 주입기 링(162) 상에 축적되는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 구속 탭(164)은 물이 주입기 링(162)의 외부 표면에 축적되고, 오로지 하나의 위치에서만 떨어지는 것을 방지하도록 구성될 수 있으며, 이는 주입기 링(162)이 완벽하게 수평이 아닌 경우 특히 중요할 수 있다.
덮개(166)는 주입기 링(162)을 둘러싸는 실린더일 수 있다. 덮개(166)는 스플리터(510)를 통해 ATO(130)로 흐르는 애노드 배기의 제2 부분으로부터 물을 분리하도록 구성될 수 있다. 특히, 덮개(166)의 외부로 유동하는 애노드 배기의 제2 부분은, 스플리터(510)에 의해 애노드 배기 도관(308D) 및 ATO(130)를 향하여 방사상 외측으로 지향될 수 있는 한편, 덮개(166)의 내부를 흐르는 애노드 배기의 제1 부분은 스플리터(510)에 의해 애노드 배기 도관(308C) 내의 주입기 링(162)을 향해 위쪽으로 지향된다. 따라서, 덮개(166)는, 주입된 물에 의해 가습된 애노드 배기의 제1 부분 및/또는 물의 양이 스플리터(510)에 의해 ATO(130) 내로 주입되는 것을 방지 또는 감소시키도록 구성될 수 있다. 즉, 덮개(166)는, 애노드 배기의 가습된 제1 부분 및 물의 실질적인 전부가 애노드 배기 냉각기(140)를 향해 지향되도록 구성된다.
배플(baffle; 168)은 주입기 링(162) 아래에 그리고 연료 도관(300C) 주위에서 애노드 배기 도관(308C) 내에 배치될 수 있다. 배플(168)은 배플 링(168A)과 그로부터 연장되는 배플 탭(168B)을 포함할 수 있다. 배플 탭(168B)은 연료 도관(300C) 및 덮개(166)와 접촉할 수 있고, 덮개(166) 및 배플 링(168A) 둘 다가 중심 칼럼(400) 내에서 연료 도관(300C) 주위에 정렬되게 유지하게끔 동작할 수 있다. 특히, 배플 링(168A)은, 도 4b에 도시되는 것처럼, 주입기 링(162)과 수직으로 중첩(예컨대, 동심원이 되도록) 정렬될 수 있다.
따라서, 배플(168)은, 주입기 링(162)으로부터 떨어지고 순간적으로 증기로 변환되지 않는 물 액적을 포착 및 기화시키는 표면으로 동작할 수 있다. 따라서, 배플(168)은 또한, 주입기 링(162) 아래에 위치한 애노드 복열기의 납땜된 조인트들을, 물 액적과의 접촉 및 대응되는 열 충격으로부터 보호한다.
다양한 실시예에서, 물 주입기(160)는 배플(168) 아래에 배치된 다공성 재료 또는 메쉬(169)를 선택적으로 포함할 수 있다. 메쉬(169)는, 주입기 링(162)으로부터 떨어지는 임의의 액적을 포착하고, 배플(168)을 우회하도록 구성될 수 있어서, 포착된 액적이 애노드 복열기(110) 및/또는 스플리터(510)에 도달하기 이전에 기화되도록 한다.
도 5는 연료 전지 시스템(10)의 고온 박스(100) 컴포넌트들의 대안적 구성을 도시한다. 도 5에 도시된 것처럼, 중심 칼럼(400)은 도 4a와 관련하여 위에서 논의된 튜브 타입의 스플리터(510) 대신에 도 3a와 관련에서 위에서 논의된 슬릿 타입의 스플리터(510)를 포함한다. 추가로, 도 5의 물 주입기(160)는, 주입기 링(162)의 내부 표면 상에 주입 개구(162A)를 포함한다. 마지막으로, 도 5의 촉매(112, 114, 116)는, 2016년 3월 15일에 발행되고 전체가 본 명세서에 참조로 통합되는 미국 특허 9,287,572 B2에 설명된 구성과 유사한, 애노드 복열기(110)에 의해 둘러싸인 내부 플레넘 내부에 위치한다. 도 5에 도시된 다른 컴포넌트들은 도 4a에 도시된 것과 동일하거나 유사하며, 중복을 피하기 위해 더 설명되지 않을 것이다. 도 5에 도시된 중심 칼럼으로부터의 임의의 하나 이상의 컴포넌트들은 도 4a에 도시된 중심 칼럼에서 사용될 수 있다.
추가로, 도 4a 내지 4c 및 5에 도시된 물 주입기(160)는 주입 개구(162A)를 갖는 주입기 링(162)을 포함하는 한편, 다른 물 주입기 구성들이 그 대신 사용될 수 있다. 예컨대, 물은 주입기 링(162)을 사용하지 않고 물 도관(306)으로부터 직접 애노드 배기의 제1 부분 내에 주입될 수 있다. 대안으로, 물은 배기 도관(308C) 내의 임의의 적절한 구성으로 배치된 복수의 튜브들로부터 주입될 수 있다. 튜브들은 물 도관(306)에 유체 연결될 수 있다. 추가로, 덮개(166), 배플(168) 및/또는 메쉬(169) 중의 하나 이상이 생략될 수 있다.
연료 전지 시스템(10)의 동작, 가령 시스템 시작 동안에, 물은, 스택(102)이 약 300°C 이상의 온도, 가령 약 300°C 내지 325°C 범위의 온도에 도달할 때까지 일반적으로 요구되지 않는다. 일단 스택(102)이 약 300°C에 접근하면, 물은, 수원(206)으로부터 중심 칼럼(400)의 상단에서의 물 도관(306)으로 제공된다. 물 도관(306)은, 애노드 배기 냉각기(140)로부터 연료 도관(300C)을 분리하고 이들 사이에 위치하는 단열재(140A)를 통과한다. 단열재는 애노드 배기 냉각기(140) 및 물 도관(306) 내 물 사이의 열교환의 양을 감소시킨다. 따라서, 물 도관(306)을 통과하는 동안에, 물은 환상형(toroidal) 애노드 냉각기(140) 내의 애노드 배기에 의해 주변 온도보다 다소 높게 가열될 수 있다. 하지만, 특정 이론에 결부되지 않기를 희망하며, 적어도 대부분의 물은 물 도관(306)에 있는 동안에 액체 상태로 남아있는 것으로 여겨진다.
물은 이후 물 도관(306)에 의해 물 주입기(160)로 제공된다. 예컨대, 물은 물 도관에 의해 주입기 링(162) 내로 제공된다. 물은, 주입기 링(162)의 원주방향으로 유동하고, 주입 개구(162A)를 통해 애노드 배기의 제1 부분으로 분출되기 전에 원주방향으로 분산된다. 일실시예로, 물의 적어도 일부는 애노드 배기 스트림의 제1 부분으로 액체 상태로 주입된다. 물은 이후 애노드 배기의 제1 부분에서 기화되어 가습된 애노드 배기를 형성한다. 가습된 애노드 배기는 이후, 전술한 바와 같이 애노드 복열기(110) 및 스택(102)으로 제공되기 전에 새로운 연료(즉, 연료 유입 스트림)과의 혼합을 위해 도관(308E)을 통해 믹서(210)로 제공된다.
전술한 모든 도면을 참조하면, 연료 전지 시스템(10)은 연료 전지 스택(102), 스택(102)으로부터 애노드 배기를 수용하도록 구성된 애노드 배기 도관(308C), 및 애노드 배기 도관(308C) 내 애노드 배기로 물을 주입하도록 구성된 물 주입기(160)를 포함한다.
일실시예로, 시스템(10)은 또한, 스택(102)으로부터 애노드 배기를 수용하고, 애노드 배기로부터의 열을 사용하여 스택(102)에 제공된 연료를 가열하고, 애노드 배기를 애노드 배기 도관(308C) 및 물 주입기(160)에 제공하도록 구성되며, 물 주입기(160) 아래에 위치한 애노드 복열기(110)를 포함한다. 시스템(10)은 또한, 물 주입기(160) 및 애노드 복열기(110) 위에 배치되고, 물 주입기 및 애노드 복열기로부터 제공된 애노드 배기를 사용하여 스택(102)에 제공된 공기를 가열하도록 구성된 애노드 배기 냉각기(140)를 포함한다.
일실시예로, 시스템(10)은 또한, 애노드 배기 냉각기(140)에 의해 둘러싸인 애노드 냉각기 단열재(140A)를 통해 연장되며, 물 주입기(160)에 물을 제공하도록 구성된 물 도관(306)을 포함한다. 일실시예로, 시스템(10)은 증기 생성기를 포함하지 않고, 물 주입기(160)는 애노드 배기 냉각기(140) 및 애노드 복열기(110) 사이에 배치된 주입기 링(162)을 포함한다. 주입기 링(162)은, 물 도관(306)에 유체 연결되며, 주입기 링(162)은, 애노드 복열기(110)로부터 애노드 배기 냉각기(140)를 향해 애노드 배기 도관(308C) 내에서 유동하는 애노드 배기 내에 물을 주입하도록 구성된다. 주입기 링(162)은, 그 표면 내에 애노드 배기 내에 물을 주입하도록 구성된 주입 개구(162A)를 포함한다.
일실시예로, 시스템(10)은 또한, 애노드 냉각기 단열재(140A) 및 애노드 배기 도관(308C)에 의해 둘러싸인 연료 도관(300C)을 포함한다. 연료 도관(300C)은 주입기 링(162)의 중앙을 통과하여 연장되고, 애노드 복열기(110)를 통해 스택(102)으로 연료를 제공하도록 구성된다.
일실시예로, 물 주입기(160)는, 주입기 링(162)을 둘러싸는 덮개(166)를 더 포함한다. 일실시예로, 물 주입기(160)는 연료 도관(300C) 및 덮개(166)에 연결된 구속 탭(164)을 더 포함한다. 구속 탭(164)은, 주입기 링(162)을 지지하도록 구성되어서, 주입기 링이 실질적으로 수평면에 배치되도록 한다. 일실시예로, 물 주입기(160)는, 주입기 링(162) 아래에 배치되며, 물이 애노드 복열기(110) 상에 떨어지는 것을 감소 또는 방지하도록 구성된 메쉬 또는 다공성 재료(169)를 더 포함한다.
일실시예로, 물 주입기(160)는 주입기 링(162) 아래에 배치된 배플(168)을 더 포함한다. 배플(168)은 연료 도관(300C) 주위에 배치되고, 주입기 링(162)과 수직으로 중첩되는 배플 링(168A)과, 배플 링(168A)으로부터 연장되고, 배플 링(168A)과 정렬되어서 배플 링이 주입기 링(162)과 수직으로 중첩되도록 구성되는 배플 탭(168B)을 포함한다.
일실시예로, 시스템(10)은 또한, 애노드 테일 가스 산화기(130)와, 물 주입기(160) 및 애노드 배기 도관(308C) 내로 애노드 복열기(110)로부터 제공된 애노드 배기의 제1 부분을 지향시키고, 애노드 복열기(110)로부터 제공된 애노드 배기의 제2 부분을 애노드 테일 가스 산화기(130) 내로 지향시키도록 구성된 스플리터(510)를 포함한다. 애노드 재순환 송풍기는, 애노드 배기의 제1 부분을 연료 도관(300C) 내로 재순환시키도록 구성된다. 덮개(166)는 물을 스플리터(510)로부터 멀리 지향시키도록 구성된다.
연료 전지 시스템의 작동 방법은, 연료 전지 스택(102)으로부터 애노드 배기의 적어도 일부를 물 주입기(160)로 제공하는 단계, 물 주입기(160)에 물을 공급하는 단계, 및 물을 기화시키고 가습된 애노드 배기를 생성하기 위해 애노드 배기의 적어도 일부분 내에 물 주입기(160)로부터의 물을 주입하는 단계를 포함한다.
일실시예로, 물 주입기에 물을 공급하는 단계는, 스택(102)이 약 300°C이상의 온도에 도달된 이후 물을 액체 상태로 물 주입기(160)에 공급하는 단계를 포함한다. 일실시예로, 방법은 또한, 스택(102)으로 유동하는 연료 유입 스트림을 가열하기 위해 스택(102)으로부터의 애노드 배기를 애노드 복열기(110)로 제공하는 단계와, 애노드 복열기로부터 제공된 애노드 배기를 애노드 배기의 제1 부분 및 애노드 배기의 제2 부분으로 분할하는 단계와, 애노드 배기의 제1 부분을 물 주입기(160) 내에 제공하는 단계를 포함한다. 물은, 완전히 또는 부분적으로 기화되고 애노드 배기 스트림의 제1 부분에 동반되어서, 가습된 애노드 배기를 형성하는 한편, 애노드 배기의 제2 부분은 애노드 테일 가스 산화기(130) 내로 제공된다. 방법은, 스택(102)으로 유동하는 공기를 가열하기 위해, 가습된 애노드 배기를 애노드 냉각기(140) 내에 제공하는 단계와, 애노드 냉각기(140)로부터의 가습된 애노드 배기를, 연료 도관(300C)을 통해 스택(102)으로 유동하는 연료 유입 스트림 내에 제공하는 단계를 더 포함한다.
전술한 바와 같이, 일실시예로, 물 주입기(160)는 애노드 배기 냉각기(140) 및 애노드 복열기(110) 사이에 배치된 주입기 링(162)을 포함한다. 물은, 물 도관(306)을 통해 주입기 링(162) 내로 유동하고, 물은 주입기 링(162)으로부터 주입기 링 내의 개구(162A)를 통해 애노드 배기 스트림의 제1 부분 내에 주입된다. 연료 유입 스트림은 애노드 냉각기 단열재(140A) 및 주입기 링(162)에 의해 둘러싸인 연료 도관(300C)을 통해 스택(102)으로 유동한다. 애노드 냉각기(140)는 애노드 냉각기 단열재(140A)를 둘러싸며, 물 도관(306)은 애노드 냉각기 단열재(140A)를 통해 연장된다.
일실시예로, 물 주입기(160)는 주입기 링(162)을 둘러싸는 덮개(166)를 더 포함한다. 덮개는 애노드 테일 가스 산화기(130) 안으로의 물의 흐름을 감소 또는 방지한다. 구속 탭(164)은 연료 도관(300C) 및 덮개(166)에 연결되고, 실질적으로 수평면에서 주입기 링(162)을 지지하도록 구성된다.
일실시예로, 물 주입기는 주입기 링(162) 아래에 배치된 다공성 재료(169) 또는 메쉬를 더 포함한다. 메쉬 또는 다공성 재료는 물이 애노드 복열기(110) 상에 떨어지는 것을 감소 또는 방지한다. 일실시예로, 물은, 도관(308C) 내 애노드 배기로 주입될 때까지 수원(206)으로부터 시스템(10) 내에 제공되는, 사이에 있는 증기 생성기를 통과하지 않는다.
따라서, 다양한 실시예들은 물이 기화되는 물 코일(water coil)을 포함하는 증기 생성기에 의존하는 종래의 설계에 비해 더 경제적인 물 주입기를 제공한다. 이와 같이, 실시예의 물 주입기는 또한, 이전의 시스템보다 더 컴팩트한 설계를 제공하여서, 시스템의 고온 박스 내의 향상된 공간 효율을 제공한다. 추가로, 실시예의 물 주입기는 또한, 종래의 시스템에 비해 더 짧은 도관 길이를 갖는 점으로 인하여 더 빠른 응답 시간을 제공한다. 더 빠른 응답 시간은, 전력 그리드의 중단 및/또는 플랜트 부하 균형의 급작스러운 변화에 대응하는 경우에 특히 유리할 수 있다.
개시된 양태들에 대한 상기의 설명은, 통상의 기술자가 본 발명을 제조 또는 사용할 수 있게 하도록 제공된다. 이러한 양태에 대한 다양한 수정사항이 통상의 기술자에게 자명할 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리는, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 양태에 대해 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 나타난 양태들로 제한되는 것으로 의도되지 않았으며, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일관되는 가장 넓은 범위와 일치하는 것이다.

Claims (21)

  1. 연료 전지 시스템으로서,
    연료 전지 스택;
    상기 스택으로부터 애노드 배기를 수용하도록 구성된 애노드 배기 도관;
    상기 애노드 배기 도관 내의 애노드 배기에 물을 주입하도록 구성된 물 주입기;
    상기 스택으로부터 애노드 배기를 수용하고, 상기 애노드 배기로부터의 열을 사용하여 상기 스택에 제공된 연료를 가열하고, 상기 애노드 배기 도관 및 상기 물 주입기에 상기 애노드 배기를 제공하도록 구성되며, 상기 물 주입기 아래에 위치한 애노드 복열기; 및
    상기 물 주입기 및 상기 애노드 복열기로부터 제공된 애노드 배기를 사용하여 상기 스택에 제공된 공기를 가열하도록 구성되고, 상기 물 주입기 및 상기 애노드 복열기 위에 배치된 애노드 배기 냉각기
    를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    애노드 냉각기를 통과하여 연장되고, 상기 물 주입기에 물을 제공하도록 구성된 물 도관을 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 증기 생성기를 포함하지 않고,
    상기 물 주입기는, 상기 애노드 배기 냉각기 및 상기 애노드 복열기 사이에 배치된 주입기 링을 포함하고,
    상기 주입기 링은 상기 물 도관에 유체 연결되며,
    상기 주입기 링은, 상기 애노드 복열기로부터 상기 애노드 배기 냉각기를 향해 상기 애노드 배기 도관 내에서 유동하는 애노드 배기에 물을 주입하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 주입기 링은, 상기 주입기 링의 표면에, 상기 애노드 배기에 물을 주입하도록 구성된 주입 개구(injection aperture)를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    애노드 냉각기 단열재 및 애노드 배기 도관에 의해 둘러싸인 연료 도관을 더 포함하고,
    상기 연료 도관은, 상기 주입기 링의 중앙을 통과하여 연장되며, 상기 애노드 복열기를 통해 상기 스택에 연료를 제공하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 물 주입기는 상기 주입기 링을 둘러싸는 덮개(shroud)를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 물 주입기는 상기 연료 도관과 상기 덮개에 연결된 구속 탭(restraint tab)을 더 포함하고,
    상기 구속 탭은, 상기 주입기 링이 실질적인 수평면에 배치되게끔 상기 주입기 링을 지지하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구속 탭은, 물이 상기 주입기 링의 외부 표면 상의 하나의 위치에 축적되는 것을 방지하도록 구성되고,
    상기 구속 탭의 최하단 지점(lowermost point)이 상기 주입기 링과 수직으로 중첩되는, 연료 전지 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 물 주입기는 상기 애노드 복열기 상에 물이 떨어지는 것을 감소시키거나 방지하도록 구성되고, 상기 주입기 링 아래에 배치되는 메쉬(mesh) 또는 다공성 재료, 및 상기 주입기 링 아래에 배치되는 배플(baffle)을 더 포함하고,
    상기 배플은,
    상기 연료 도관 주위에 배치되고 상기 주입기 링과 수직으로 중첩되는 배플 링(baffle ring); 및
    상기 배플 링이 상기 주입기 링과 수직으로 중첩되도록, 상기 배플 링과 정렬되게끔 구성되며, 상기 배플 링으로부터 연장되는 배플 탭(baffle tab)을 포함하는, 연료 전지 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    애노드 테일 가스 산화기(anode tail gas oxidizer);
    상기 애노드 복열기로부터 제공된 애노드 배기의 제1 부분을 상기 애노드 배기 도관 및 상기 물 주입기 내로 지향(direct)시키고, 상기 애노드 복열기로부터 제공된 애노드 배기의 제2 부분을 상기 애노드 테일 가스 산화기 내로 지향시키도록 구성된 스플리터 - 상기 덮개는 물을 상기 스플리터로부터 멀어지게 지향시키도록 구성됨 - ; 및
    상기 애노드 배기의 제1 부분을 상기 연료 도관으로 재순환시키도록 구성된 애노드 재순환 송풍기(anode recycle blower)
    를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  11. 연료 전지 시스템의 작동 방법으로서,
    연료 전지 스택으로부터의 애노드 배기의 적어도 일부를 물 주입기에 제공하는 단계;
    상기 물 주입기에 물을 공급하는 단계;
    상기 물을 기화하는 것 또는 상기 물을 에어로졸화하는 것 중의 하나를 하고, 가습된 애노드 배기를 생성하기 위해, 상기 물 주입기로부터 상기 애노드 배기의 적어도 일부 내에 물을 주입하는 단계;
    상기 스택으로 유동하는 연료 유입 스트림을 가열하기 위해, 상기 스택으로부터의 애노드 배기를 애노드 복열기에 제공하는 단계;
    상기 애노드 복열기로부터 제공된 애노드 배기를, 상기 애노드 배기의 제1 부분과 상기 애노드 배기의 제2 부분으로 분할(split)하는 단계;
    상기 물 주입기 내에 상기 애노드 배기의 제1 부분을 제공하는 단계 - 물이 상기 애노드 배기 스트림의 제1 부분에서 기화되어 가습된 애노드 배기를 형성함 - ; 및
    상기 애노드 배기의 제2 부분을 애노드 테일 가스 산화기 내에 제공하는 단계
    를 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스택으로 유동하는 공기를 가열하기 위해 상기 가습된 애노드 배기를 애노드 냉각기 내에 제공하는 단계; 및
    상기 애노드 냉각기로부터의 가습된 애노드 배기를, 상기 스택으로 유동하는 연료 유입 스트림 내에 제공하는 단계
    를 더 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 물 주입기는, 상기 애노드 배기 냉각기 및 상기 애노드 복열기 사이에 배치된 주입기 링을 포함하고,
    상기 물은, 물 도관을 통해 상기 주입기 링 내로 유동하며,
    상기 물은, 상기 주입기 링으로부터 상기 주입기 링 내의 개구를 통해 상기 애노드 배기 스트림의 제1 부분 내에 주입되는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연료 유입 스트림은, 애노드 냉각기 단열재 및 상기 주입기 링에 의해 둘러싸인 연료 도관을 통해 상기 스택으로 유동하고,
    상기 애노드 냉각기는 상기 애노드 냉각기 단열재를 둘러싸며,
    상기 물 도관은 상기 애노드 냉각기 단열재를 통해 연장되는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 물 주입기는, 상기 애노드 테일 가스 산화기 안으로의 물의 흐름을 방지하거나 감소시키는, 상기 주입기 링을 둘러싸는 덮개(shroud)를 더 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 물 주입기는, 상기 연료 도관과 상기 덮개에 연결되며, 실질적인 수평면에서 상기 주입기 링을 지지하도록 구성되는 구속 탭을 더 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 물 주입기는, 상기 주입기 링 아래에 배치된 메쉬 또는 다공성 재료를 더 포함하고,
    상기 메쉬 또는 다공성 재료는, 물이 상기 애노드 복열기 위에 떨어지는 것을 감소시키거나 방지하는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102555628B1 (ko) 2019-01-29 2023-07-14 블룸 에너지 코퍼레이션 물 주입기를 포함하는 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법
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US11784329B1 (en) 2022-11-14 2023-10-10 Bloom Energy Corporation Fuel cell system including air inlet baffle and method of operating thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002246047A (ja) * 2001-02-21 2002-08-30 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US20120196195A1 (en) * 2011-01-06 2012-08-02 Bloom Energy Corporation SOFC Hot Box Components

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6653004B1 (en) 1999-10-12 2003-11-25 Jeffrey Lewis Barber Process control for multiple air supplies
DE10110419A1 (de) * 2000-03-08 2003-10-23 Honda Motor Co Ltd Brennstoffzellensystem
JP4183892B2 (ja) 2000-08-02 2008-11-19 オリンパス株式会社 研磨工具およびこの研磨工具を用いた研磨装置
JP2003077517A (ja) 2001-09-03 2003-03-14 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
GB2409763B (en) 2003-12-31 2007-01-17 Intelligent Energy Ltd Water management in fuel cells
JP6520936B2 (ja) 2013-10-23 2019-05-29 ブルーム エネルギー コーポレイション 高級炭化水素の選択的改質のための予備改質器
US9461319B2 (en) * 2014-02-21 2016-10-04 Bloom Energy Corporation Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analyzer and method of using thereof
JP6472638B2 (ja) 2014-10-30 2019-02-20 三菱日立パワーシステムズ株式会社 複合発電システム、その制御装置及び方法並びにプログラム
US10461347B2 (en) * 2015-07-06 2019-10-29 Bloom Energy Corporation Real-time monitoring and automated intervention platform for long term operability of fuel cells
JP6869461B2 (ja) 2016-12-02 2021-05-12 アイシン精機株式会社 燃料電池システム
KR102555628B1 (ko) 2019-01-29 2023-07-14 블룸 에너지 코퍼레이션 물 주입기를 포함하는 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002246047A (ja) * 2001-02-21 2002-08-30 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US20120196195A1 (en) * 2011-01-06 2012-08-02 Bloom Energy Corporation SOFC Hot Box Components

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Publication number Publication date
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KR20210110888A (ko) 2021-09-09
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WO2020159696A3 (en) 2020-10-15

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