KR20010071355A - 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트 및 그 작동방법 - Google Patents

매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트 및 그 작동방법 Download PDF

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풀러토마스에프
마르지오트폴알
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켈리 로버트 에이치
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Abstract

매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트(10)는 적어도 일 연료 셀(12)과 매스 및 열의 직접 전달 디바이스(12)를 구비하고, 상기 디바이스(12)는 셀을 이탈하는 캐소드 배기 스트림(40)과 매스 전달 상관 관계에 연료 셀의 상류로 옥시던트 유입 스트림(54)을 지나가, 캐소드 배기 스트림에 의해 픽업되는 수증기와 같은 매스(mass)가 매스와 열 전달 디바이스의 전달 매체를 직접적으로 통하여 셀에 유입되는 옥시던트 스트림 쪽으로 흘러가서, 셀에 유입되는 옥시던트 스트림에 가습 및 첨가된다. 전달 매체는 극성 및 비극성 분자로 이루어진 유체 물질을 구비하는 스트림 내에서 워터와 같은 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 흡착하는 다양한 재료로 포함한다. 전형적인 전달 매체는 폴리플르로설포닉 이오노모 막(polyflourosulfonic ionomer membrane)의 액체 워터 부분을 구비한다.

Description

매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트 및 그 작동 방법{DIRECT MASS AND HEAT TRANSFER FUEL CELL POWER PLANT}
연료 셀 파워 플랜트는 널리 공지된 것으로서, 장치 탑재 스페이스 차량과 같은 환원 및 산화 유체로부터 파워 전기장치로 전기 에너지를 생산하는데 일반적으로 사용되는 것이다. 상기 파워 플랜트에서는, 복수의 평면 연료 셀이 일반적으로 환원, 산화, 냉각 및 생산 유체의 흐름을 방향지게 하는 매니폴드를 형성하는 전기적 절연 프레임에 의해 둘러싸인 스택(stack)형태로 배치된다. 각각의 개별적 셀은 일반적으로 전해질에 의해 격리되는 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비한다. 수소와 같은 반응제 또는 환원 유체는 애노드 전극에 공급되고 그리고 산소 또는공기와 같은 옥시던트(oxidant)는 캐소드 전극에 공급된다. 전해질로서 양성자 교환 막(proton exchange membrane)을 활용하는 셀에서, 수소는 수소 이온과 전자를 발생하도록 애노드 촉매의 표면에서 전기화학적으로 반응한다. 전자는 외부 로드 회로에 전도되어 캐소드 전극으로 리턴하며, 반면에 수소 이온은 전해질을 통하여 캐소드 전극으로 전달되고, 여기서 이들은 산소와 전자가 반응하여 물과 방출 열 에너지를 생산한다.
상기 연료 셀의 애노드와 캐소드 전극은 연료 셀의 작업 환경의 운영 조건 및 제한에 종속하여 다른 타입의 전해질에 의해 격리된다. 상기 전해질의 하나로서 당 기술분야에서 널리 공지된 솔리드 폴리머로 구성된 PEM(proton exchange membrane) 전해질이 있다. 연료 셀에 사용되는 다른 일반적인 전해질은, 애노드와 캐소드 전극 사이에 다공성 비도전성 매트릭스(mtrix) 내에서 유지되는 인산 또는 수산화칼륨을 함유한다. PEM의 막이 다공성 매트릭스 내에 모세관 힘에 의해 유지되는 액체 전해질 보다 압력 차에 대한 내성이 더 많이 있는 환원 유체와 옥시던트 사이에 장벽을 제공하기 때문에, PEM 셀은 대체로 안정적으로 특정한 조작 매개변수에 액체 산(liquid acid) 또는 알칼리 전해질을 가진 셀 보다 우수한 이점을 가지는 것으로 알려져 있다. 또한, PEM 전해질은 고착되어 셀로 부터 액체가 스며나오지 않으며 그리고, 상기 막은 워터를 유지하기에 상당히 안정적인 수용력을 가지는 것이다. 그런데, 널리 공지된 바와 같이, PEM 셀은, PEM에, PEM을 통해서 그리고, PEM으로부터 원격지게 액체 워터를 운반하는 것에 관한 것과 그리고 PEM의 대향 면에 인접한 전극으로/전극으로부터 기체 환원 및 산화 유체를 동시적으로 운반하는 것에 관한 것으로, 특정하게 엄격한 제한을 받는 것이다. 현재 상기 제한 요소의 영향을 최소로 하고자 하는 많은 노력이 행해져 있다.
PEM을 이용하는 연료 셀의 운영에서는, 상기 막이 워터에 포화되고 그리고 막 근처에 애노드 전극은 습윤 상태로 남아야 한다. 전해질을 통하여 애노드 전극에서 생산된 수소 가스가 전달되어, 이들은 애노드로부터 캐소드로 하이드로늄 이온의 형태에 물분자를 인수(drag)한다. 워터는 또한 삼투압에 의해 캐소드로부터 애노드로 다시 전달된다. 캐소드 전극에 형성된 생성 물은 옥시던트의 순환 기체 스트림으로 증발(evaporation) 또는 반출(entrainment)에 의해 또는 캐소드에 인접한 다공성 유체 전달 층을 통해서 그 안으로 모세관 작용에 의해 제거된다. 다공성 워터 운반판은 냉각수 공급부로부터 애노드 전극으로 액체 워터를 공급하고, 냉각수 공급부로 다시 그것을 복귀하는 캐소드 전극으로부터 워터를 제거하고, 그리고 상기 평판은 전해질과 전극으로부터 열을 제거하는 역활도 한다.
PEM 연료 셀의 운영에서는, 워터 밸런스를, 캐소드 전극에서 생산되는 워터의 비율과 캐소드로부터 제거되는 워터와 애노드 전극으로 공급되는 액체 워터에 비율 사이에서 적절하게 유지하여야 하는 것은 중요한 사항이다. 연료 셀의 성능에 운영 제한은 셀의 능력에 의해 제한되어, 셀로부터 외부 로드 회로로 인출되는 전기적 전류의 변경으로 그리고 셀의 운영 환경을 변경하여 워터 밸런스를 유지한다. PEM 연료 셀용으로, 만일 불충분한 워터가 애노드 전극으로 귀환 되면, PEM 전해액의 인접 부분이 건조되어, 수소 이온이 PEM을 통해 전달될 수 있는 비율이 저하되고 또한, 과열 구역으로 유도되는 환원 유체와의 교차를 초래한다. 유사하게, 만일 불충분한 워터가 캐소드로부터 제거되면, 캐소드 전극은 캐소드로의 옥시던트 공급을 유효하게 제한하여 과도한 유체를 흐르게 하여, 전류 흐름을 감소시킨다. 또한, 만일 너무나 많은 워터가 옥시던트의 기체 스트림에 의해 캐소드로부터 제거되면, 캐소드가 건조되어 PEM을 통해 지나가는 수소 이온의 성질을 제한하여, 셀 성능을 저하 시킨다.
연료 셀이 자동차, 트럭, 버스 등과 같은 파워 운송 차량으로 개발된 파워 플랜트에 일체적으로 되어져, 파워 플랜트 내에 유효한 워터 밸런스를 유지하는 것은 다양한 요소로 인하여 상당히 도전적인 것이 되었다. 예를 들면, 고정식 연료 셀 파워 플랜트에서는, 플랜트로부터의 워터 상실이 오프-플랜트 소오스로부터 플랜트로 공급되는 워터에 의해 대체된다. 그런데, 운송 차량에서는, 연료 셀 파워 플랜트의 중량과 공간 소요를 최소로 하기 위해서, 플랜트가 워터의 자급자족을 실행할 수 있어야 한다. 워터에 자급자족은 충분한 워터가 반응물 유체의 스트림으로부터의 손실을 상쇄하여 플랜트를 유효하게 운영하도록 플랜트 내에 보유되어야 한다는 것을 의미한다. 예를 들면, 기체 옥시던트의 캐소드 배기 스트림을 통하여 또는 기체 환원 유체의 애노드 배기 스트림을 통하여 플랜트에서 배출되는 워터가, 플랜트 내에 보유되고 캐소드에서 전기화학적으로 생산되는 워터에 의해 평형되는 것이다.
운송 차량에 연료 셀 파워 플랜트용으로 워터 밸런스를 향상시키는 일 접근 방식으로, 고압 기체 스트림에 반응물 농도가 증가하도록 셀과 관련 성분을 가압하여서, 플랜트 배기 스트림을 통한 워터 손실을 감소시키는 것이 있다. 그런데, 상기 압축 연료 셀 파워 플랜트는, 적절한 압력 하우징과 컨트롤을 제공하는 추가적인 비용, 중량, 및 컨트롤 장치를 필요로 하며 그리고, 압축 플랜트는 압축작용 펌프, 밸브, 팬 등을 운영하는데 플랜트로부터 파생되는 추가 에너지를 필요로 하며, 포터블 파워 플랜트용으로는 적절하지 않은 것이다.
워터 밸런스를 향상하는 다른 일반적인 접근 방식으로는 파워 플랜트 배기 스트림의 열 교환기 다운스트림의 응축을 사용하는 것이 있으며, 여기서 배기 스트림은 액체가 파워 플랜트로 귀환할 수 있도록 배기 스트림 밖으로 액체가 응결되도록 이슬점에 또는 이슬점 밑에 온도로 냉각된다. 응측 열 교환기를 사용하는 PEM 연료 셀 파워 플랜트의 예로는, 반 디네(Van Dine et al.,)에게 1996년 11월 12일자 특허 허여되고 이건 출원인에게 양도된 미국 특허 제 5,573,866호에 기재된 것이 있으며, 상기 특허의 내용은 본원에 참고로 기재하였다. 1개 이상의 응축 열 교환기를 사용하는 많은 다른 연료 셀 파워 플랜트가 당 기술분야에서 널리 공지되어 있으며, 이들은 일반적으로 플랜트 배기 스트림을 냉각하도록 상기 응축 열 교환기를 통해 지나가는 냉각 유체로서 주위에 순환 공기 스트림(ambient air streams)을 사용하는 것이다. 반 디네의 특허에서는, 열 교환기가 캐소드 전극을 수용하는 캐소드 챔버를 빠져나가는 배기 스트림을 냉각하는데 사용된다. 캐소드 하우징에 유입되기에 앞서, 상기 스트림은 캐소드 전극용 옥시던트로서 공기를 제공하고, 그리고 챔버를 떠날 때에 상기 스트림은 PEM을 통하여 지나가 있는 환원 유체인 증발된 생산 워터와 일부 메타놀을 함유한다. 응축 열 교환기(condensing heat exchanger)는 냉각작용 순환 공기의 스트림과의 열 교환 관계(heat exchangerelationship)로 캐소드 배기 스트림을 지나가서, 배관 시스템을 우회하여 통하는 응축 메타놀과 워터가 셀의 애노드 측으로 향하게 한다.
응축 열 교환기가 향상된 워터 밸런스와 주변 에너지 효율 및 압축 연료 셀 파워 플랜트를 가지는 반면에, 열 교환기는 주변 온도의 증가로 워터 회복 효율이 감소하는 사실에 직면하게 된다. 파워 플랜트가 자동차와 같은 운송 차량에 파워를 부여하는 곳에서, 플랜트는 극한 광범위한 범위의 주변 온도에 노출된다. 예를 들면, 주변 공기 냉각 스트림이 열 교환기를 통하여 지나가는 장소에서, 교환기의 성능은, 주변 공기 온도의 증가로 파워 플랜트 배기 스트림 밖에 액체 응결 량을 감소하기 때문에 주변 순환 공기의 온도의 직접적 함수로서 변경 된다.
운송 차량에 사용하도록 설계된 공지된 연료 셀 파워 플랜트의 다른 곤란함에는 주변 공기 상태에 불안정성이 관련된다. 상기 플랜트의 연료 셀은 일반적으로 캐소드 전극으로 바로 향하는 옥시던트로서 주변 순환 공기를 활용한다. 고온 건조한 주변 공기는 캐소드 전극을 건조시킬 위험을 높이는 것이다. 결국, 다음을 포함하는 특히 PEM 연료 셀에 인접 전해질과 캐소드 전극 밖에 건조 작용을 방지하기 위한 많은 연구개발이 개시되어져 왔다. 즉, 셀에 유입되는 기체 반응물과 옥시던트 스트림이 습윤하도록 열 교환기로부터 액체 응축되도록 하고; 인접 셀을 통하는 냉각 워터의 이동용으로 전극과 유체 소통하게 다공성 지지 층과 워터 전달 평판을 더하고; 그리고 셀의 애노드 측에 압력 차를 발생하며, 여기서 기체 환원 유체가 환원 가스 분배 채널에 인접한 다공성 지지 층을 통하여 지나가는 냉각액 워터와 애노드 공급 워터 보다 약간 더 높은 압력에서 유지되어, 압력 차는 다공성지지 층과 셀을 통하는 워터 전달을 도와준다. 유효하게 워터 밸런스를 유지하려는 상기 노력은 부가적인 비용, 중량, 및 체적에 소요가 있고, 빈번하게 복잡한 컨트롤 장치를 필요로 한다.
공지된 연료 셀 파워 플랜트에 워터 밸런스를 유지하는 부가적인 문제는, 메탄, 천연가스, 가솔린, 또는 디젤 연료 등과 같은 탄화수소 연료를, 수소 리치 유체가 애노드 전극을 제공하는 적절한 환원 유체로 처리될 필요가 있는 성분과 관계된 것이다. 연료 셀 파워 플랜트의 상기 연료 처리 성분은, 스팀을 발생하는 보조 버너; 탄화수소 연료가 그 안으로 주입되는 스팀 덕트; 그리고 증기, 연료 혼합물, 및 소량의 공기를 수용하고, 연료 셀의 애노드에 배급용으로 적절한 농후한 수소 환원 유체로 혼합물을 변환하는 오토서멀 리포머(autothermal reformer)을 구비한다. 상기 연료 처리 성분은 또한 연료 셀 파워 플랜트의 전체 워터 밸런스와 에너지를 소비하는 파트가 있는 워터 및 에너지 소요부를 구비한다. 보조 버너의 스팀 발생기에 스팀으로 만들어지는 워터는 캐소드 배기 스트림과 관련 배관에 응축 열 교환기에 의해서와 같이 플랜트로부터 회복되는 워터에 의해 대체되어야 한다. 또한, 보조 버너와 오토서멀 리포머를 지원하는 프로세스 옥시던트 스트림이 상기 성분의 성능에 변화를 막도록 안정된 습윤 범위 내에서 유지되어야 한다. 연료 처리 성분용 옥시던트 프로세스 스트림이 주변 공기에 의해 공급되면, 상기 연료 처리 성분의 안정적 성능에 스트림을 습윤하게 하는 작용은 상기 연료 셀 파워 플랜트의 자급자족 워터 밸런스의 유지를 더욱 곤란하게 한다.
따라서, 캐소드 옥시던트로서 주변 공기를 이용하거나 또는 응축 열 교환기및/또는 연료 처리 성분을 위해 주변 공기를 이용하는 공지된 플랜트와 압축식 플랜트는, 그들의 상술된 특성 때문에 운영 에너지의 소비를 최소로 하고 유효한 워터 밸런스를 최대로 할 수 없는 것이다. 따라서, 플랜트 운영 에너지의 소비를 최소로 하고 전체 플랜트용으로 유효한 워터 밸런스를 달성하는 연료 셀 파워 플랜트를 생산하는 것을 강력하게 희망하여 왔다.
발명의 요약
본 발명은 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트에 관한 것이다. 파워 플랜트는 적어도 일 연료 셀과 직접 매스 열 전달 디바이스인 2개 주요 성분을 구비한다. 연료 셀은, 대향된 제 1 및 제 2 주(主) 표면과, 제 2 주 표면과 밀접하게 접촉하는 다공성 캐소드 지지 층에 의해 지지되는 캐소드 전극과, 제 1 주 표면과 밀접하게 접촉하는 다공성 애노드 지지 층에 의해 지지되는 애노드 전극을 가진 전해질; 애노드 전극과 접촉하는 애노드 지지 층을 통하여 주변 대기압에서 흐르는 수소 리치 환원 유체 스트림; 그리고 옥시던트 스트림에 애노드 전극 또는 습윤 워터에서 전해질을 통하여 운반되는 워터를 가지고 캐소드에 형성된 캐소드 배기 스트림 생산 워터 안으로 증발 및 반출에 의해 제거하고 캐소드 전극에 옥시던트를 제공하도록, 캐소드 전극과 접촉하는 캐소드 지지 층을 통하여 주위 대기압에서 흐르는 공기와 같은 옥시던트 스트림(oxidant stream)을 포함한다. 직접 매스 와 열 전달 디바이스는 셀의 캐소드 배기 스트림 다운스트림과 매스 전달 관계(mass transfer relationship)로 연료 셀의 옥시던트 업스트림의 스트림을 통과하여, 캐소드 배기 스트림에 의한 워터 픽업과 같은 매스가 셀에 유입하는 옥시던트 스트림 안으로 매스 및 열 전달 디바이스의 전달 매체를 직접 통해서 통과하여서, 습윤하여, 셀에 유입되는 옥시던트 스트림에 열을 더하는 것이다. 직접 매스 전달 디바이스는 캐소드 배기 스트림과 옥시던트 유입 스트림과 매스 전달 관계로 전달 매체를 지지하는 격리판 하우징(separator housing)을 구비하여, 스트림이 전달 매체와 접촉하고 격리판 하우징은 스트림의 벌크 혼합(bulk mixing)을 방지한다. 전달 매체는 극성 분자와 비극성 분자로 이루어진 유체 물질을 함유하는 유체 스트림으로부터 워터 분자와 같은 극성 분자로 구성된 유체 물질을 흡착하는 어느 정도 다양한 재료를 포함한다. 전형적인 전달 매체는 워터 포화된 폴리플르로설폰닉 이오노모 막의 액체 워터 부분을 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명의 파워 플랜트는 애노드에 연료를 제공하는 적절한 수소 리치 환원 유체로 탄화 수소 연료를 처리하는 성분을 포함한다. 연료 처리 성분은 당 기술분야에서 공지된 바와 같이, 스팀 발생기에 열을 제공하는 보조 버너와, 소량의 공기와 탄화수소 연료와 혼합되는 스팀을 수용하고 애노드 전극에 수소를 공급하는 적절한 수소 리치 스트림으로 변환하는 오토서멀 리포머(autothermal reformer)를 구비한다. 상기 실시예에서는, 매스 및 열의 직접 전달 디바이스도 오토서멀 리포머와 보조 버너에 유입하는 스트림으로 수증기와 같은 매스 와 열을 전달하도록 캐소드 배기 스트림과 매스 전달 관계로 보조 버너 및 오토서멀 리포머에 유입하는 프로세스 스트림을 통과한다. 부가의 양호한 실시예에서, 연료 셀의 전해질은 PEM(proton exchange membrane) 이다.
매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트의 사용에서는, 매스가 캐소드 배기 스트림으로부터 직접적으로 파워 플랜트에 유입하는 옥시던트 스트림 안으로 전달되기 때문에, 매스의 양수(揚水) 율과 그에 따른 옥시던트 스트림에 의한 열이 주변 공기 온도 또는 습도의 함수로만이 아니라, 플랜트를 나가는 캐소드 배기에 매스와 파워 플랜트에 유입하는 옥시던트 스트림에 매스와의 사이에 부분적 압력 차의 함수도 된다. 따라서, 본 발명은 주로 주변 온도의 함수인 워터 회복 비율을 가진 냉각진 응축 열 교환기가 주변 공기를 사용하는 플랜트가 가질 수 있는 것보다 더 큰 워터 회복을 허용하는 것이다. 본 발명으로, 만일 주변 공기 온도가 증가한다면, 최적한 플랜트 효율을 위해 캐소드 배기로부터 유입 옥시던트 스트림으로의 소요되는 열 전달은 감소하지만, 직접 전달 디바이스의 매스 전달 수용력은 일정성을 유지한다. 또한, 복잡하고, 중량이며 비용이 많이 소요되게 응축되는 열 교환 및/또는 셀 압축 장치가 필요하지 않아서, 중량, 용량 및 비용을 감소하면서도 플랜트의 에너지 효율 및 워터 밸런스가 증가한다.
따라서, 본 발명의 일반적 목적은 종래 기술의 연료 셀 파워 플랜트의 결함을 극복하는 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 특정한 목적은 광범위한 운영 상태 이상으로 자급자족 하는 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 응축 열 교환기를 활용하지 않고 플래트 내에 압압 유체 스트림이 없는 플랜트를 빠져나가는 열과 플랜트 워터로 귀환하는 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 스트림을 습윤 및 가열하도록 파워 플랜트의 연료 셀에 유입되는 옥시던트로 다시 파워 플랜트를 빠져나오는 매스와 열을 직접적으로 전달하는 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플랜트에 의해 활용되는 탄화 수소 연료를 처리하기 위한 성분에 대한 반응물로서 워터를 제공하도록 캐소드 배기 스트림에 플랜트를 나오는 워터를 회복시키는 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 내용과 그외에 목적 및 이점에 대하여 첨부 도면을 참고로 하여 설명되는 이하의 설명으로 본 발명이 보다 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 포터블 파워 플랜트로서 또는 고정식 파워 플랜트로서 운송 차량(transport vehicles)에 사용하기에 적합하며 주변 대기압으로 작동하는 연료 셀 파워 플랜트에 관한 것으로서, 특별하게는 플랜트의 워터 밸런스와 에너지 효율을 향상하도록 플랜트에서 배출되는 수증기와 같은 매스(mass) 및 열(heat)을 플랜트에 복귀 전달하는 연료 셀 파워 플랜트(fuel cell power plant)에 관한것이다.
도 1은 본 발명에 따라서 구조된 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 연료 셀용에 적합하게 연료 안으로 탄화 수소 연료를 처리하는 성분을 활용하는 도 1에 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트를 개략적으로 나타낸 도면.
본 발명의 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트를 도면번호 '10'으로 지시하여 상세하게 도시된 도면을 참고로 하여 이하에 설명한다. 도 1에 양호하게 나타낸 바와 같이, 파워 플랜트(10)는 1개 이상의 연료 셀(12)과 매스 및 열의 직접 전달 디바이스(14)를 구비한다. 연료 셀(12)은 제 1 주 표면(18)과 대향된 제 2 주 표면(20)을 가진 "PEM' 또는 산 또는 염기 전해질과 같은 전해질(16); 전해질(16)의 제 1 주 표면(18)과 밀접하게 접촉된 다공성 애노드 지지 층(24)에 의해 지지되는 애노드 전극(22); 및 전해질(16)의 제 2 주 표면(20)과 밀접하게 접촉된 다공성 캐소드 지지 층(28)에 의해 지지되는 캐소드 전극(26)을 구비한다. 애노드와 캐소드 다공성 지지 층(24, 28)은 다공성 또는 챈널 그라파이트(channeled graphite), 탄소 또는 금속 시트로 형성될 수 있다. 연료 셀(12)은 스택을 형성하도록 널리 공지된 방식으로 거의 동일한 다른 연료 셀과 화합될 수 있다. 당 기술에서 일반적인 것으로서, 연료 셀(12)은 셀의 안밖으로 환원 유체와 옥시던트의 직접 스트림용 매니폴드를 형성하는 구조체(30) 내에 둘러싸여지고 그리고, 구조체(30)는 표준 외부 로드 회로(34)를 통하는 것과 같이, 셀(12) 밖으로 연료 셀에 의해 발생되는 전기적 전류가 전기 사용 디바이스(32)로 흐르게 하는 도전 수단도 구비한다.
공기와 같은 옥시던트의 스트림은 다공성 캐소드 지지 층(28) 쪽으로 옥시던트의 스트림이 지나가는 주 옥시던트 통로(38)를 통하여 연료 셀(12) 안으로 옥시던트 원(原)(36)으로부터 흐르게 되어서, 옥시던트가 캐소드 전극(26)과 접촉하여 지나가, 옥시던트 스트림에 애노드 전극(22) 또는 어느 정도 습증기 워터로부터 전해질(16)을 통하여 운반되는 워터와 마찬가지로 캐소드 전극에 전기화학적 반응을 용이하게 하여 캐소드 전극(26)에 형성된 증발 및/또는 반출 워터(evaporationand/or entrainment water) 쪽으로 소산(sweeping)하는 전극(26)으로 옥시던트를 제공한다. 다음, 옥시던트 스트림은 캐소드 배기 통로(40) 내에 캐소드 배기 스트림으로 캐소드 지지 층(28) 밖으로 흐른다. 환원 유체 스트림은 환원 유체 공급원(42)으로부터 환원 유체 유입부(44)를 통하여 다공성 애노드 지지 층(24)으로 향하게되어, 수소와 같은 환원 유체가 애노드 전극(22)과 접촉하게 된다. 널리 공지된 방식으로, 환원 유체가 애노드 전극에서 전기화학적으로 반응하여 양성자와 전자를 생산하며, 여기서 전자는 운송 차량에 파워를 부여하는 전기 모터와 같은 전기적 디바이스(32)에 파워를 발생하도록 외부 로드 회로(34)를 통하여 흐르고 반면에, 양성자는 캐소드 전극(26)으로 전해질(16)을 통해 이동한다. 다음, 전자는 이들이 워터와 열을 형성하도록 옥시던트와 반응하는 캐소드 전극으로 회로(34)를 통해 이어진다.
매스 및 열의 직접 전달 디바이스(14)는 주 옥시던트 통로(38)와 캐소드 배기 통로(40) 양쪽과 유체 소통 상태로 고정된다. 매스 및 열의 직접 전달 디바이스(14)는, 수증기(water vapor) 및/또는 반출 액체 습기(entrained liquid moisture)(극성 분자로 이루어진 유체 물질) 및 공기(비극성 분자로 이루어진 유체 물질)을 구비하는 스트림과 같은, 극성과 비극성 분자로 이루어진 유체 물질을 함유하는 제 1 유체 스트림 내에 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 흡착(sorb)하는 그리고, 제 1 스트림에 비해 낮은 비율로 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 가진 제 2 스트림으로 흡착 유체를 탈착(desorb)하는, 전달 매체 수단(46)을 포함한다. 전형적인 전달 매체 수단은 미국 델라웨어 윌밍톤에 소재하는 E.I. DuPont 캄파니에서 상품명 "NAFION"으로 판매되는 워터 포화된 폴리플르로설포닉 이오노머 막(polyflourosulfonic ionomer membrane)과 같은 이온 교환 수지 또는 이오노머성 막(ionomeric membrane)의 액체 워터 부분 또는, 미국 뉴져지 톰스 리버에 소재하는 Perma Pure 인코포레이티드에서 상품명 "ME-SERIES MOISTURE EXCHANGERS"으로 판매되는 것과 상기 "NAFION" 막으로 만들어진 튜브의 액체 워터 부분을 포함한다. 부가적인 전달 매체는, 본원에 참고로서 기재된 벨딩 등(Belding et al.,)에게 1996년 8월 6일자 허여된 미국 특허 제 5,542,968호에 5칼럼 9라인 내지 6칼럼 17라인에 보다 상세하게 개재된, 활성 탄소, 실리카 겔(silica gel), 활성 알루미나 및 제올라이트(zeolites)를 함유하는 극미세한 분말 솔리드, 크리스탈린 알칼리 금속 또는 알칼리토 금속 화합물과 같은 기체 스트림에 습기(moisture)를 탈착할 수 있고 그리고 기체 스트림에서 습기를 흡착할 수 있는 건조성 재료(desiccant material)를 포함한다.
또한, 직접 매스 전달 디바이스(14)는 캐소드 배기 스트림과 옥시던트 유입 스트림과 매스 전달 관계로 전달 매체 수단(46)을 지지하는 격리판 하우징 수단(48)을 구비하여, 양쪽 스트림이 매스 전달 매체 수단과 접촉하고 그리고 격리판 하우징 수단은 캐소드 배기와 옥시던트 유입 스트림의 벌크 혼합(bulk mixing)을 방지한다. 전형적인 격리판 하우징 수단은 유입 챔버(50)와 배기 챔버(52)와의 사이에 전달 매체 수단(46)을 지지하는 엔크로저(도면번호 '48'로 도 1과 도 2에 개략적으로 도시)를 구비한다. 옥시던트 유입 스트림은 옥시던트 원(36)으로부터 유입 챔버(50) 내로 그를 통하여 옥시던트 공급 라인(54)을 통해 주 옥시던트통로(38) 안으로 흘러가고 반면에, 캐소드 배기 스트림은 캐소드 배기 통로(40)로부터 배기 챔버(52) 안으로 그를 통해서 흘러가서 배기 챔버(52)와 유체 소통하는 플랜트 배기부(56)를 통해 플랜트(10)를 벗어난다. 부가적인 격리판 하우징 수단(48)은, 공지된 유체 대 유체 열 교환 기술에서 일반적인 스트림의 벌크 혼합작용을 방지하면서 매스 전달 매체 수단에, 옥시던트 유입 및 캐소드 배기 스트림의 노출을 향상하는 구조로 이루어진 보다 복잡한 엔클로저를 구비할 수 있다. 격리판 하우징 수단(48)의 부가 및 협력 면에서, Perma Pure 인코포레이티드의 상품명 "ME-SERIES MOISTURE EXCHANGERS" 로 판매되는 상기 "NAFION"-베이스 튜브에 액체 워터를 지지하는 튜브 부분과 상기 "NAFION" 막 재료에 액체 워터 부분을 지지하는 막 부분을 구비하는 것이다. 상기 격리판 하우징 수단(48)에서, "NAFION"-베이스 매스 전달 매체 수단은, 극성 분자로 이루어진 유체 물질의 최대 농도를 가진 막의 측부로부터, 당 기술분야에서 공지된 방식으로 보다 덜한 농도를 가지는 측부로, 수증기 또는 반출된 액체 습기와 같은 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 선택적으로 전달한다.
부가적인 전형적 격리판 하우징 수단은, 상기 미국 특허 제 5,542,968호에 전반적으로 기재되어 있고 그리고 보다 상세하게는 4칼럼 35라인 내지 5칼럼 4라인에 기술된 바와 같이, 습기 함유 배기 스트림과 건조 유입 스트림 사이에서 순환식 증착으로 상기 건조성 매스 전달 매체 수단을 지지하는 엔탈피 휠을 포함한다. 상기 휠은 휠의 회전 축에 대해 대체로 평행하게 운영되는 복수 개방 단부진 통로를 구비하고, 여기서 통로는 일반적으로, 다층 매체가 휠을 지지하는 카세트의 외부하우징으로 연장하여 조립될 때까지 휠의 중앙 허브 둘레에 건조성 매스 전달 매체를 구비하는 주름진 페이퍼 보드의 평 시트(flat sheet)를 권취하여 형성된다. 상기 엔탈피 휠(enthalpy wheel)은 빌딩 공기 조절작용 기술에서는 널리 공지된 것으로서, 본원에 참고로서 개재된 베딩 등(Bedding et al.)에게 1997년 8월 26일자로 허여된 미국 특허 제 5,660,048호에 부가적으로 기재되어 있는 것이다. 격리판 하우징 수단으로, 엔탈피 휠은 유입 및 배기 챔버(50, 52)를 통하여 흐르는 흐름과 평행한 축을 중심으로 회전하도록 지지되어져, 캐소드 배기 스트림이 휠의 약 반(one-half)을 통하여 흐르고 반면에 동시적으로 옥시던트 유입 스트림은 휠의 나머지 반을 통하여 흘러간다. 배기 챔버(52) 내에 휠의 제 1부분에 건조성 전달 매체 수단은 캐소드 배기 스트림으로부터의 수증기 또는 반출된 액체 습기와 같은 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 흡착하며 그리고, 휠이 유입 챔버(50) 쪽으로 휠의 제 1부분이 위치하도록 회전할 시에, 유입 옥시던트 스트림 내에 극성 분자로 이루어진 유체 물질의 농도가 캐소드 배기 스트림 내에 유체 분자로 이루어진 유체 물질의 농도 보다 적다면, 건조성으로 유지되는 흡착된 극성 분자 유체 물질이 옥시던트 유입 스트림으로 탈착되어 옥시던트 스트림을 습윤하게 하여 열을 가한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 직접 매스 전달 연료 셀 파워 플랜트(10)는 또한, 옥시던트 공급 라인(54)에 위치한 송풍기(blower)(58)도 구비하여, 플랜트(10)로의 기체성 옥시던트의 흐름을 가변적으로 가속시킨다. 선택적으로, 송풍기(58)는 동일한 목적으로 주 옥시던트 통로(38)를 따라 배치시킬 수 있다. 그런데, 대기압에서부터 그 이상의 약 1.0 P.S.I.A.로의 범위 또는 약 14.7 P.S.I.A 에서 약 15.7P.S.I.A로의 범위에 옥시던트의 작용 압력만을 미세하게 증가시키는 용량을 가지는 송풍기에 변형력을 가하는 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 직접 매스 전달 연료 셀 파워 플랜트(10)는 또한, 연료 셀의 애노드 전극에 연료를 제공하는 적절한 환원 유체로 탄화수소 연료를 처리하는 연료 처리 성분 수단을 구비한다. 전형적으로, 플랜트(10)에 파워를 부여하는 탄화수소 연료는 가솔린, 디젤 연료, 부탄, 프로판, 천연가스, 메타놀, 에타놀, 등을 함유한다.
도 2에서, 플랜트(10)의 개략적인 상태를 나타내는 도 1에 있는 플랜트(10)의 성분에는 동일한 도면 번호를 부여하였다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 처리 성분 수단은: 셀 구조체(30)와 애노드 지지 층(24)으로부터 라인(62)을 통하여 버너(60)에 공급되는 수소와 같은 과환원 유체(excess reducing fluid)를 구비하는 연료를 연소하는 보조 버너(60)와; 공급 워터로부터 스트림을 발생하도록 열 도관에 버너로부터 직접적으로 열을 수용하는 스팀 발생기(64)(도 2에 라벨된 "STEAM"); 스팀 라인(70)을 통하여 탄화수소 연료와 혼합된 스팀 발생기(64)로부터 스팀을 수용하는 오토서멀 리포머(도 2에 라벨된 "A.T.R.")인 리포머(68); 연료 라인(74)을 통하는 스팀 라인에 연료를 공급하는 탄화수소 연료 공급원(72)(도 2에 라벨된 "FUEL"); 오토서멀 리포머(68)로부터 환원 유체 유입구(44)로 개질(改質) 연료를 향하게 하는 개질 연료 방출 라인(75)을 포함한다. 연료 처리 성분 수단은, 모두가 리포머(reformer)(68)를 구비하는, 널리 공지된 종래 스팀 리포밍, 다양한 화학 성분의 오토서멀 리포밍(autothemal reforming), 및 부분적 산화 리포밍으로 널리 공지된 성분을 구비한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 플랜트(10)는 연료 처리 성분을 구비하며, 캐소드 지지 층에 옥시던트 스트림을 공급하는 주 옥시던트 통로(38)를 격리하여, 오토서멀 리포머용 프로세스 옥시던트(process oxidant)가 되도록 스팀 라인(70)쪽으로와 마찬가지로 연료 처리 성분 수단 쪽으로, 옥시던트 유입 스트림의 일 부분이 흐르는 제 2옥시던트 통로(76)를 구비하여서, 매스 전달 디바이스(14)에 의해 옥시던트 스트림으로 캐소드 배기로부터 회복된 수증기와 같은 일부 매스와 열이 오토서멀 리포머에 유입하는 스팀과 연료 혼합물 쪽으로 향하게 한다. 이러한 방법에서는, 스팀 발생기(64)와 보조 버너(60)에 소요되는 전체 열 및 스팀이 작게 된다.
연료 처리 성분을 부가적으로 지원하기 위해서는, 주 옥시던트 통로(38)가 부가로 격리되어서, 버너(60)용 프로세스 옥시던트가 되도록 보조 버너(60) 쪽으로 일 부분의 옥시던트 유입 스트림을 향하게 하여 매스 전달 디바이스(14)에 의해 캐소드 배기 스트림에서 전달되는 수증기와 같은 일부 매스와 열을 버너(60)로 향하게 되어 버너(60)의 에너지 소요를 효과적으로 절감하고 그리고, 스팀 발생기(64) 내에 워터를 효율적으로 보충하도록 플랜트 캐소드 배기 스트림에서 회복된 워터가 플랜트(10)쪽으로 향하게 하고 그리고, 플랜트(10)의 워터 자급자족을 강화하는, 제 3차 옥시던트 통로(78)를 구비한다. 연료 처리 성분은 화학적 처리 기술에서 일반적으로 널리 공지된 종래 관련 설계로 이루어지고, 여기서는 공유 탄화수소원(common hydrocarbon sources)으로부터 수소 농후한 유체를 발생할 필요가 있다. 예를 들면, 상기 공정에서의 오토서멀 리포머는 일반적으로 연료-스팀혼합물에 수용되는 일부 연료를 연소하여 대략 1,700℉ 온도에 이른다. 또한 상기 리포밍 공정에서, 유입부(44)에 환원 유체 스트림이 극소량의 일산화 탄소로 수소와 인산화 탄소를 함유하도록, 워터 이동 반응기(water shift reactor)(79)를 통하고 다음, 선택성 산화제를 통하고 다음, 환원 유체 유입부(44) 안으로 오토 리포머 생산 가스를 지나가게 하는 것은 널리 공지된 기술이다.
직접 매스 전달 연료 셀 파워 플랜트(10)의 부가적 실시예에서는, 냉각제 워터 루프 수단이 플랜트 워터 자급자족을 더욱 향상시키도록 연료 셀(12)로부터 연료 처리 성분으로 회복되는 물을 재순환 하는 용도로 포함된다. 냉각제 워터 루프 수단은, 전해질을 통해 지나가는 캐소드 전극 및/또는 워터에 형성된 물을 흡착하는 캐소드 지지 층(28)에 인접한 미세공 워터 평판(80); 그리고 스팀 발생기의 워터 공급을 부가적으로 보충하도록 스팀 발생기(64) 쪽으로와 마찬가지로 연료 처리 성분 수단 쪽으로 다공성 워터 평판(80)에 워터를 향하게 하는 냉각제 워터 라인(82)을 구비한다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 일부 워터는 스팀 라인(70)을 통하여 오토서멀 리포머(68) 안으로, 그리고 애노드 지지 층(24)으로 귀한하는 개질(改質) 연료 방출 라인(75)과 환원 유체 유입부(44)를 통하여 그곳으로 부터 지나가고 그리고, 다음 전해질(16)을 통해 지나가 다공성 워터 평판(80)을 귀환하여 냉각제 워터 루프 수단의 "루프"를 완성한다. 냉각제 워터 루프 수단은 또한 애노드 지지 층(24) 근처에 미세공 워터 평판도 구비하며, 각각의 셀 간에 이러한 순차적인 스택에 대한 보다 상세한 설명은 본원의 출원인에게 특허 권리가 양도되어져 있으며 본원에 참고로서 그 내용이 기재된 메이어 등(Meyer et al.,)에게1996년 4월 26일자 허여된 미국 특허 제 5,505,944호에 기재되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같은 직접 매스 전달 연료 셀 파워 플랜트(10)의 성능의 설계 평가는 매스 전달 디바이스(14)를 이용하지 않는 연료 셀 파워 플랜트와 대비하여 상당한 이점을 나타내는 데이터를 발생한다. 설계 평가에는 캐소드 배기 스트림과 매스 전달 관계로 옥시던트 유입 스트림을 지나가는 격리판 하우징 내에 전달 매체로서 시간당 약 160파운드 워터의 워터 전달 비율을 가진 "NAFION"-베이스 막을 활용한다. 이러한 설계 평가의 목적에 적합한 연료 셀은 50킬로와트의 파워 용량을 가지는 것이다. 옥시던트 유입 스트림은 15.4PSIA, 190 CFM의 유량, 77℉ 온도, 및 32℉ 미만의 이슬점의 상태로 있는 것이다. 매스 전달 디바이스(14)를 나온 후에, 주 옥시던트 통로(38) 내에 옥시던트 스트림은 147℉ 에서 포화된다. 캐소드 배기 통로(40) 내에 캐소드 배기 스트림은 연료 셀(12)을 떠나서, 이슬점 152℉을 가진 190℉에서 매스 전달 디바이스(14)에 유입되고; 그리고 캐소드 스트림은 이슬점 95℉ 와 152℉의 온도와 216 CFM유량에서 플랜트 배기부에 매스 전달 디바이스(14)를 떠난다. 주 옥시던트 통로(38)와 송풍기(58) 사이에 옥시던트 스트림의 특성을 대조하여 나타내면, 직접 매스 전달 디바이스(14)는 대체로 플랜트(10)의 실질적인 에너지 지출이 없이 캐소드 지지 층(28)에 유입되는 옥시던트 스트림의 습도 및 열 내용물이 증가하며 그리고 액체 응축물이 캐소드 유입 스트림으로 귀환하는 방향을 향하게 하는 보조 배관 또는 컨트롤 장치가 없다. 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트(10)를 구성하는 성분은, 전달 매체 수단과 같은 본원에서 상세하게 기술한 재료를 제외하고는, 당 기술 분야에서 널리 공지된종래의 재료로 제조된다.
본 발명이 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트의 특정한 구조와 사용 방법의 면에서 기술 및 설명되었지만, 상술된 내용이 본 발명을 제한하거나 한정하는 것은 아님을 이해하여야 한다. 예를 들면, 참고물은 전해질로서 PEM을 사용하는 연료 셀의 워터가 소요되는 것으로 제조되어져 있지만, 플랜트에는 공지된 연료 셀과 공유하는 임의 전해질이 이용될 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술된 내용보다는 첨부 청구범위를 주로하여 정해진다.

Claims (21)

  1. 환원 유체와 옥시던트 유체로부터 전기적 에너지를 발생하는 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트에 있어서,
    a. 적어도 일 연료 셀과,
    b. 옥시던트의 공급으로부터 다공성 캐소드 지지 층으로 주변 대기압으로 옥시던트 유입 스트림이 지나가는 주 옥시던트 통로와,
    c. 다공성 캐소드 지지 층에서 캐소드 배기 스트림을 지나가는 캐소드 배기 통로와,
    d, 캐소드 배기 통로와 그리고 주 옥시던트 통로와 유체 소통하게 고정된 매스 및 열의 직접 전달 디바이스를 포함하며;
    a' 상기 연료 셀은;
    i)제 1 주 표면과 대향된 제 2 주 표면을 가진 전해질과;
    ii)다공성 애노드 지지 층이 애노드 전극과 접촉하는 환원 유체의 스트림을 지나가고 그리고 다공성 캐소드 지지 층이 캐소드 전극과 접촉하는 옥시던트의스트림을 지나가며, 전해질의 제 2 주 표면과 밀접하게 접촉하는 다공성 캐소드 지지 층에 의해 지지되는 캐소드 전극과 전해질의 제 1 주 표면과 밀접하게 접촉하는 다공성 애노드 지지 층에 의해 지지되는 애노드 전극을 구비하며,
    d' 상기 매스 및 열의 직접 전달 디바이스는;
    i)캐소드 배기 스트림 내에 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 흡착하고그리고 옥시던트 유입 스트림 안으로 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 탈착하는 전달 매체 수단과;
    ii)양쪽 스트림이 매스 전달 매체 수단과 접촉하도록 캐소드 배기 스트림과 옥시던트 유입 스트림과 매스 전달 상관 관계로 전달 매체 수단을 지지하고, 그리고 캐소드 배기와 옥시던트 유입 스트림의 벌크 혼합을 막는 격리판 하우징 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전달 매체 수단은 이오노모성 막(ionomeric membrane)의 액체 워터 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  3. 제 2 항에 있어서,
    격리판 하우징 수단은 이오노모성 막의 액체 워터를 지지하는 막 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전달 매체 수단은 이오노모성 막 튜브(ionomeric membrane tubes)의 액체 워터 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    격리판 하우징 수단은 이오노모성 막 튜브에 액체 워터를 지지하는 튜브 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    전달 매체 수단은 기체 스트림으로부터 습기를 흡착할 수 있고 기체 스트림 안으로 습기를 탈착할 수 있는 건조성 재료(desiccant material)를 함유하는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    격리판 하우징 수단은 엔탈피 휠의 회전축선에 대해 평행하게 이어지는 복수 통로에 건조성 재료를 지지하는 엔탈피 휠을 포함하고, 그리고 엔탈피 휠은, 휠이 배기 스트림에서 옥시던트 유입 스트림으로 흡착된 습기를 직접적으로 전달하도록 배기 챔버를 통한 캐소드 배기 스트림과 유입 챔버를 통한 옥시던트 유입 스트림의 흐름에 대해 평행한 축선을 중심으로 회전하게, 격리판 하우징의 유입 및 배기 챔버 내에서 회전적으로 지지되는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    전해질은 양성자 교환 막(proton exchange membrane)인 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  9. 환원 유체와 옥시던트 유체로부터 전기적 에너지를 발생하는 매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트에 있어서,
    a. 적어도 일 연료 셀과,
    b. 애노드 전극에 연료를 제공하기에 적절한 수소 리치 환원 유체로 탄화수소 연료를 처리하는 연료 처리 성분 수단과,
    c. 옥시던트의 공급으로부터 다공성 캐소드 지지 층으로 옥시던트 유입 스트림이 지나가는 주 옥시던트 통로와,
    d. 연료 처리 성분 수단용 프로세스 옥시던트로서 연료 처리 성분 수단 쪽으로 옥시던트 유입 스트림의 일부가 지나가는 제 2 옥시던트 통로와,
    f. 다공성 캐소드 지지 층에서 캐소드 배기 스트림을 지나가는 캐소드 배기 통로와,
    e, 캐소드 배기 통로와 주 및 제 2 옥시던트 통로와 유체 소통하게 고정된 매스 및 열의 직접 전달 디바이스를 포함하며;
    a' 상기 연료 셀은;
    i)제 1주 표면과 대향된 제 2 주 표면을 가진 전해질과;
    ii)다공성 애노드 지지 층이 애노드 전극과 접촉하는 환원 유체의 스트림을 지나가고 그리고 다공성 캐소드 지지 층이 캐소드 전극과 접촉하는 옥시던트의스트림을 지나가며, 전해질의 제 2 주 표면과 밀접하게 접촉하는 다공성 캐소드 지지 층에 의해 지지되는 캐소드 전극과 전해질의 제 1 주 표면과 밀접하게 접촉하는 다공성 애노드 지지 층에 의해 지지되는 애노드 전극을 구비하며,
    e' 상기 매스 및 열의 직접 전달 디바이스는;
    i)캐소드 배기 스트림 내에 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 흡착하고 그리고 옥시던트 유입 스트림 안으로 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 탈착하는 전달 매체 수단과;
    ii)양쪽 스트림이 매스 전달 매체 수단과 접촉하도록 캐소드 배기 스트림과 옥시던트 유입 스트림과 매스 전달 상관 관계로 전달 매체 수단을 지지하고, 그리고 캐소드 배기와 옥시던트 유입 스트림의 벌크 혼합을 막는 격리판 하우징 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  10. 제 9 항에 있어서,
    연료 처리 성분 수단은 스팀 발생기에 열을 제공하는 보조 버너, 스팀 발생기와 리포머(reformer) 사이에 스팀 라인을 통하여 탄화수소 연료와 혼합되는 스팀 발생기로부터의 스팀을 수용하는 리포머, 탄화수소 연료를 스팀 라인에 공급하는 탄화수소 연료의 공급원, 및 개질(改質) 연료(reformed fuel)를 애노드 지지 층으로 향하게 하는 개질 연료 방출 라인을 포함하며, 그리고 제 2 옥시던트 통로는 옥시던트 유입 스트림의 일 부분이 스팀 라인 쪽으로 향하는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    플랜트는, 옥시던트 유입 스트림의 일 부분이 보조 버너쪽으로 지나가는 매스 및 열의 직접 전달 디바이스와 유체 소통하는 제 3차 옥시던트 통로(tertiaryoxidant passge)를 구비하는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  12. 제 11 항에 있어서,
    전달 매체 수단은 이오노모성 막의 액체 워터 부분을 포함하고 그리고 격리판 하우징 수단은 이오노모성 막의 액체 워터를 지지하는 막 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  13. 제 11 항에 있어서,
    전달 매체 수단은 이오노모성 막 튜브의 액체 워터 부분을 포함하고 그리고 격리판 하우징 수단은 이오노모성 막 튜브의 액체 워터를 지지하는 튜브 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  14. 제 11 항에 있어서,
    전달 매체 수단은 기체 스트림으로부터 습기를 흡착할 수 있고 기체 스트림안으로 습기를 탈착할 수 있는 건조성 재료(desiccant material)를 함유하는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  15. 제 14 항에 있어서,
    격리판 하우징 수단은 엔탈피 휠의 회전축선에 대해 평행하게 이어지는 복수 통로에 건조성 재료를 지지하는 엔탈피 휠을 포함하고, 그리고 엔탈피 휠은, 휠이 배기 스트림에서 옥시던트 유입 스트림으로 흡착된 습기를 직접적으로 전달하도록 배기 챔버를 통한 캐소드 배기 스트림과 유입 챔버를 통한 옥시던트 유입 스트림의 흐름에 대해 평행한 축선을 중심으로 회전하게, 격리판 하우징의 유입 및 배기 챔버 내에서 회전적으로 지지되는 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  16. 제 9 항에 있어서,
    전해질은 양성자 교환 막(proton exchange membrane)인 것을 특징으로 하는
    매스 및 열의 직접 전달 연료 셀 파워 플랜트.
  17. 매스 및 열의 직접 전달용 연료 셀 파워 플랜트를 작동하는 방법에 있어서,:
    a. 적어도 일 연료 셀을 제공하는 단계와,
    b. 옥시던트의 공급으로부터 다공성 캐소드 지지 층으로 주변 대기압에서 주 옥시던트 통로를 통해 옥시던트 유입 스트림을 통과시키는 단계와,
    c. 다공성 캐소드 지지 층에서 캐소드 배기 통로를 통해서 캐소드 배기 스트림을 통과시키는 단계와,
    d, 양쪽 스트림이 매스 전달 매체와 접촉하고 그리고 양쪽 스트림이 함께 벌크 혼합되는 것을 방지하도록 격리판 하우징 내에 매스 전달 매체를 부가로 지지하여, 캐소드 배기 스트림 내에 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 흡착하고 그리고 옥시던트 유입 스트림 안으로 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 탈착하는 전달 매체와 접촉하는 옥시던트 유입 스트림과 캐소드 배기 스트림을 지나가 매스 및 열의 직접 전달 디바이스 내에서 매스 전달 상관 관계로 캐소드 배기 스트림과 옥시던트 유입 스트림을 향하게 하는 단계를 포함하며;
    a' 상기 연료 셀을 제공하는 단계는;
    i)제 1주 표면과 대향된 제 2 주 표면을 가진 전해질과;
    ii)다공성 애노드 지지 층이 애노드 전극과 접촉하는 환원 유체의 스트림을 지나가고 그리고 다공성 캐소드 지지 층이 캐소드 전극과 접촉하는 옥시던트의스트림을 지나가며, 전해질의 제 2 주 표면과 밀접하게 접촉하는 다공성 캐소드 지지 층에 의해 지지되는 캐소드 전극과 전해질의 제 1 주 표면과 밀접하게 접촉하는다공성 애노드 지지 층에 의해 지지되는 애노드 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는
    연료 셀 파워 플랜트 작동 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    연료 처리 성분용 프로세스 옥시던트로서 플랜트의 연료 처리 성분 안으로 제 2 옥시던트 통로를 통하여 옥시던트 유입 스트림의 일 부분이 지나가게 하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    연료 셀 파워 플랜트 작동 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    스팀과 탄화수소 연료를 플랜트의 리포머에 제공하는 스팀 라인으로 제 2 옥시던트 통로를 통하여 옥시던트 유입 스트림의 일 부분이 지나가게 하는 단계와, 플랜트의 스팀 발생기에 열을 제공하는 보조 버너로 제 3차 옥시던트 통로를 통하여 옥시던트 유입 스트림의 일 부분이 지나가게 하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    연료 셀 파워 플랜트 작동 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    이오노모성 막의 액체 워터 부분과 접촉하는 옥시던트 유입 스트림과 캐소드 배기 스트림을 통과하여 매스 전달 상관관계로 옥시던트 유입 스트림과 캐소드 배기 스트림이 방향을 향하게 하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    연료 셀 파워 플랜트 작동 방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    이오노모성 교환 튜브의 액체 워터 부분과 접촉하는 옥시던트 유입 스트림과 캐소드 배기 스트림을 통과하여 매스 전달 상관관계로 옥시던트 유입 스트림과 캐소드 배기 스트림이 방향을 향하게 하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    연료 셀 파워 플랜트 작동 방법.
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