KR20010071571A - 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템, 및연료 전지 파워 플랜트의 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 파워 플랜트(10)용 매스 및 열 회복 시스템은, 전기 에너지를 발생하는 적어도 일 연료 전지(12)와, 연료 전지용 수소 리치 환원 유체를 생산하는 탄화수소 연료 처리 콤포넌트 및, 플랜트를 나가는 매스와 열을 회복시키는 직접 매스 및 열 전달 디바이스(14)를 구비한다. 연료 처리 콤포넌트는 애노드 전극에 수소를 공급하는 리포머(54)와 증기를 발생하도록 열을 제공하는 보조 버너(46)를 구비한다. 직접 매스 및 열 전달 디바이스는 플랜트 배기 스트림과 매스 전달 관계로 플래트의 상류에 프로세스 산화제 스트림을 지나가며, 여기서 애노드 배기 스트림은 보조 버너에서 먼저 연소되어져, 플랜트 배기 스트림에 매스 및 열이 플랜트에 유입되는 프로세스 산화제 스트림으로 디바이스의 매스 전달 매체를 바로 통해서 전달된다. 디바이스는 분할기 하우징(74)을 구비한다.

Description

연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템, 및 연료 전지 파워 플랜트의 동작 방법{MASS AND HEAT RECOVERY SYSTEM FOR A FUEL CELL POWER PLANT}
연료 전지 파워 플랜트는 널리 공지된 것으로서, 유체를 산화 및 환원하여 전기 에너지를 발전하여 장치 탑재 스페이스 차량과 같은 전기적 장치에 파워를 부여하는데 일반적으로 사용되는 것이다. 상기 파워 플랜트에서, 복수의 평면 연료 전지는 일반적으로 환원, 산화, 냉각 및 생산 유체가 흐르는 방향을 정하는 매니폴드를 형성하는 전기적 절연 프레임 구조로 둘러싸인 적층체로 배열된다. 일반적으로, 각각의 개별적인 전지는 전해액에 의해 분리되는 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비한다. 수소와 같은 반응제 또는 환원 유체가 애노드 전극에 공급되고 그리고산소 또는 공기와 같은 산화제가 캐소드 전극에 공급된다. 전해액으로서 양성자 교환 막(PEM)을 활용하는 전지에서는, 수소가 전기화학적으로 애노드 전극의 표면에서 반응하여 수소 이온과 전자를 생성한다. 전자는 외부 로드 회로로 전도되어 캐소드 전극으로 복귀되는 반면에, 수소 이온은 캐소드 전극으로 전해액을 통하여 전달되며, 여기서 이들은 산화제와 전자가 반응하여 워터를 생성하고 열 에너지를 방출한다.
상기 연료 전지의 애노드와 캐소드 전극은 연료 전지의 작업 환경에 필요한 동작과 제한 동작에 따라 다른 타입의 전해액으로 분리된다. 그러한 일 전해액에는 당 기술분야에서 널리 공지된 고형 중합체로 이루어진 PEM(proton exchange membrane) 전해액이 있다. 연료 전지에 사용되는 다른 일반적인 전해액은 애노드와 캐소드 전극 사이에 다공성 비-도전성 매트릭스 내에서 유지되는 인산 또는 수산화칼륨을 함유한다. PEM의 막이 다공성 매트릭스 내에 모세관 힘에 의해 유지되는 액체 전해액 보다 압력차에 대한 내성이 더 많이 있는 환원 유체와 산화제와의 사이에 배리어를 제공하기 때문에, PEM 전지는 안정적으로 지정된 운영 매개변수에서 액체 산 또는 알칼리 전해액을 가진 전지를 능가하는 이점을 가지는 것으로 알려져 있다. 또한, PEM전해액은 응고되어 전지로부터 여과될 수 없으며, 그리고 상기 막(membrane)은 워터를 보유하기 위한 상당히 안정된 용량을 가진다. 그런데, 널리 알려진 바와 같이, PEM전지는 특정하게, PEM을 통해 그로부터 이격지게 액체 워터를 운반하는 것과 관련하여 그리고 PEM의 전극 인접 대향 면으로 그로부터 기화성 환원 및 산화 유체를 동시적으로 운반하는 것과 관련하여 상당한 제한을 받는것이다. 종래 기술은 많은 노력을 기울여 상기 제한에 따른 영향을 최소로 한 것이다.
PEM을 이용하는 연료 전지의 운영에서, 상기 막은 워터로 포화되고 그리고 막에 인접한 애노드 전극은 습윤 상태로 있어야 한다. 전해액을 통한 애노드 전극에서 생산된 수소 이온의 전달로서, 애노드로부터 캐소드로 이들이 가진 하이드로늄 이온 형태에 물분자를 당긴다(drag). 물은 삼투성에 의해 캐소드로부터 애노드로 다시 전달된다. 캐소드 전극에 형성된 생성 물은, 증발(evaporation) 또는 반출(entrainment)에 의해 산화제의 순환 기체 스트림으로 제거되거나 또는 모세관 작용으로 캐소드에 인접한 다공성 유체 전달층으로 그를 통해 제거된다. 다공성 워터 전달 평판은 냉각수의 공급부로부터 애노드 전극으로 액체 워터를 공급하고 그리고 그것이 냉각수 공급부로 다시 복귀하는 캐소드 전극으로부터의 물을 제거하며, 그리고 상기 평판은 전해액과 전극으로부터 열을 제거하는 역활도 한다.
PEM연료 전지의 운영에서, 적절한 워터 밸런스는, 워터가 캐소드 전극에서 생산되는 비율과 워터가 캐소드로부터 제거되고 그리고 워터가 애노드 전극에 공급되는 비율과의 사이에서 유지되는 것은 주요한 사실이다. 연료 전지의 성능에 운영 제한은 전지 능력에 의해 한정되어, 외부 로드 회로로 전지로부터 인출되는 전기 전류를 변경하여 그리고 전지의 운영 환경을 변경하여 워터 밸런스를 유지한다. PEM연료 전지를 위해서, 만일 불충분한 물이 애노드 전극으로 복귀하게 되면, PEM전해액의 인접 부분이 건조되어 PEM을 통해 수소 이온이 전달될 수 있는 비율을 감소하고 그리고 국부 과열로 유도하는 환원 유체의 교차를 초래한다. 유사하게, 만일 불충분한 물이 캐소드로부터 제거되면, 캐소드 전극은 캐소드로 공급되는 산화제를 효과적으로 제한하여 전류 흐름을 저하하게 한다. 또한, 만일 너무도 많은 물이 산화제의 기체 스트림으로 캐소드로부터 제거된다면, 캐소드가 건조되어 PEM을 통하여 지나가는 수소 이온의 성질을 제한하고, 전지 성능은 감소된다.
연료 전지가 자동차, 트럭, 버스 등과 같은 운송 차량에 파워를 부여하도록 개발된 파워 플랜트에 통합되어져 있으므로, 파워 플랜트 내에서 유효한 워터 밸런스를 유지하는 것은 다양한 요소로 인하여 상당한 도전을 받게 된다. 예를 들면, 고정식 연료 전지 파워 플랜트에서는, 플랜트로부터의 워터 손실이 오프-플랜트원(off-plant sources)에서 플랜트로 공급되는 워터로 대체될 수 있다. 그런데, 운송 차량에서는 연료 전지 파워 플랜트의 중량과 공간 소요를 최소로 하기 위해서, 플랜트는 운전할 수 있는 물을 자급자족 하여야 한다. 물을 자급자족한다는 것은, 플랜트의 효율적인 작동을 위해서, 충분한 물이 플랜트 내에서 유지되어져 플랜트를 통해 지나가는 산화제 유체와 반응제의 기체 스트림으로부터의 워터 손실을 상쇄하여야 한다는 것을 의미한다. 예를 들면, 기체 환원 유체의 애노드 배기 스트림을 통하여 또는 기체 산화제의 캐소드 배기 스트림 통하여 플랜트를 빠져나가는 워터는, 캐소드에서 전기화학적으로 생산되고 그리고 플랜트 내에서 유지되는 워터에 의해 평형으로 되어야 한다.
워터 밸런스를 향상시키는 일반적인 접근방식은 파워 플랜트 배기 스트림의 하류에 응축 열 교환기를 사용하는 것이고, 여기서 배기 스트림은 액체가 파워 플랜트로 귀환하도록 배기 스트림을 나가는 액체가 응결되게 그 이슬점(dew points)에 온도 또는 그 보다 낮은 온도로 냉각된다. 응축 열 교환기를 사용하는 PEM 연료 전지 파워 플랜트의 예는 본원에 참고로 기재되고 이건 출원인에게 양도된 반 디네 등(Van Dine et al.,)에게 1996년 11월 12일자 허여된 미국 특허 제 5,573,866 호에 기재된 것이 있다. 1개 이상의 응축 열 교환기를 사용하는 많은 다른 연료 전지 파워 플랜트는 당 기술 분야에서 널리 공지된 것이고, 이들은 일반적으로 열 교환기를 통해 지나가는 냉각 유체로서 주변 공기 스트림을 사용하여 플랜트 배기 스트림을 냉각하는 것이다. 반 디네의 특허에서는, 열 교환기가 캐소드 전극을 수용하는 캐소드 챔버를 나가는 배기 스트림을 냉각하는데 사용된다. 캐소드 하우징에 유입하기에 앞서, 상기 스트림은 캐소드 전극용 산화제로서 공기를 제공하고, 그리고 챔버를 떠날 때에, 스트림은 PEM을 관통하여 지나가 있는 환원 유체인 기화된 생성 워터와 일부 메타놀을 함유한다. 응축 열 교환기는 냉각작용 주변 공기의 스트림과 열 교환 관계로 캐소드 배기 스트림을 지나가고 그리고 다음, 전지의 애노드 측으로 다시 배관 시스템을 간접적으로 통하여 응축된 메타놀과 워터가 향하게 한다.
응축작용 열 교환기가 연료 전지 파워 플랜트의 향상된 워터 밸런스 및 에너지 효율을 가지는 반면에, 상기 열 교환기는 주변 온도의 증가로서 워터 회복 효율이 저하하는 문제에 직면한다. 파워 플랜트가 자동차와 같은 운송 차량에 파워를 부여하는 곳에서는, 플랜트가 극단적인 광범위한 주위 온도에 노출될 것이다. 예를 들면, 주변 공기 냉각제 스트림이 열 교환기를 통하여 지나가는 곳에서는, 교환기의 성능이, 주변 공기 온도의 증가로서 파워 플랜트 배기 스트림을 나가는 액체응결 량의 감소로 인하여 주위 공기의 온도의 직접적인 함수로서 변하게 된다.
운송 차량에 사용하도록 설계된 공지된 연료 전지 파워 플랜트의 부가적인 곤란함은 불안정한 주변 공기 상태와도 관련된다. 일반적으로, 상기 플랜트의 연료 전지는 캐소드 전극으로 향하는 산화제로서 주위 공기를 활용하게 된다. 고온건조한 주변 공기는 캐소드 전극이 완전하게 건조되는 위험을 증가시키게 된다. 이러한 결과는, 특히 다음을 포함하는 PEM 연료 전지에 캐소드 전극과 인접 전해액의 완전 건조를 방지하려는 수많은 노력을 실행하게 하였다. 즉, 액체 응축물이 열 교환기로부터 전지에 유입되는 습윤한 기체 반응제 및 산화제 스트림으로 향하게 하고; 인접 셀을 통하는 냉각제 워터 이동을 위한 전극과 유체 소통하는 다공성 지지 층과 워터 운반 평판을 더하고; 그리고 셀의 애노드 측에 압력차를 발생하는 동작을 구비하며: 압력차가 다공성 지지 층과 전지를 통하는 워터 전달을 도와주도록, 환원 가스 배분 채널에 인접한 다공성 지지 층을 통하여 지나가는 냉각제 워터와 애노드 공급 워터 보다 약간 더 높은 압력에서 기체 환원 유체를 유지하는 것이다. 유용한 워터 밸런스를 유지하려는 상기 노력에는 부가적인 비용, 중량 및 체적이 포함되며, 그리고 빈번하게 복잡한 컨트롤 장치를 필요로 하게 된다.
공지된 연료 전지 파워 플랜트에 워터 밸런스를 유지하는 부가적인 문제는, 수소 리치 유체를 애노드 전극에 제공하는 적절한 환원 유체로, 메탄, 천연가스, 가솔린, 디젤 연료 등과 같은 탄화 수소 연료를 처리하는데 소요되는 성분과 상관되는 것이다. 상기 연료 전지 파워 플랜트의 연료 처리 콤포넌트는, 증기를 발생하는 보조 버너; 탄화수소 연료가 분사되는 증기 덕트; 및 공기와 같은 소량의 프로세스 산화제와 함께하는 증기와 연료 혼합물을 수용하고 연료 전지의 애노드 전극에 배급용으로 적절한 수소-농후 환원 유체로 상기 혼합물을 변형하는 리포머를 구비한다. 상기 연료 처리 콤포넌트는 또한 연료 전지 파워 플랜트의 에너지 수요와 전체 워터 밸런스의 부분인 워터와 에너지 소요를 포함하게 된다. 보조 버너의 증기 발생기에서 증기로 만들어진 워터는 캐소드 배기 스트림과 상관 배관에서 응축작용 열 교환기에 의해서와 같이 플랜트로부터 회복되는 워터로 대체되어져야 한다. 또한, 보조 버너와 리포머를 지지하는 프로세스 산화제 스트림은 상기 성분의 성능에 변화를 방지하도록 안정적인 습도 범위 내에서 유지되어야 한다. 연료 처리 콤포넌트용 프로세스 산화제 스트림이 주위 공기에 의해 공급되면, 상기 연료 처리 콤포넌트의 안정된 성능에 대한 스트림의 습윤 작용은 연료 전지 파워 플랜트의 자급자족 워터 밸런스의 유지를 더욱 곤란하게 하는 것이다.
따라서, 공지된 응축동작 열 교환기 및/또는 연료 처리 콤포넌트용으로 주변 공기를 이용하거나 또는 캐소드 산화제로서 주위 공기를 이용하는 공지된 연료 전지 파워 플랜트는 상술된 특징 때문에 작동 에너지 소요를 최소로 하고 그리고 유효한 워터 밸런스를 최대로할 수 없는 것이다. 따라서, 플랜트 운영 에너지 소비를 최소로 하고 그리고 전체 플랜트용으로 유효한 워터 밸런스를 달성하는 연료 전지 파워 플랜트를 생산하기를 갈망하게 되었다.
발명의 요약
본 발명은 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템에 관한 것이다.상기 시스템은, 플랜트를 떠나고 플랜트에 다시 회복된 매스와 열을 전달하는 수증기와 같은 매스 및 열을 회복하기 위한 직접 매스 및 열 전달 디바이스(direct mass and heat trans device)와, 연료 전지용 수소 리치 환원 유체를 생성하기 위한 탄화수소 연료 처리 콤포넌트 및, 적어도 일 연료 전지를 포함한다. 연료 전지는 대향된 제 1 및 제 2 주표면을 가지는 전해액, 제 1 주표면과 초기 접촉하는 다공성 애노드 지지 층에 의해 지지되는 애노드 전극 및, 제 2주표면과 초기 접촉하는 다공성 캐소드 지지 층에 의해 지지되는 캐소드 전극을 포함하는 것이다. 다공성 애노드 지지 층은 애노드 전극과 접촉하는 수소 리치 환원 유체 스트림을 지나가고, 그리고 다공성 캐소드 지지 층은 캐소드 전극과 접촉하는 공기와 같은 프로세스 산화제 스트림(process oxidant stream)을 지나가서, 산화제 스트림에 어느 정도 습윤한 워터 또는 애노드 전극으로부터 전해액을 통해 운반되는 워터와 함께 캐소드에 형성된 캐소드 배기 스트림 생성 워터로 증발 및 반출에 의해 소산되고 그리고 캐소드 전극에 산화제를 제공한다. 연료 처리 콤포넌트는, 증기를 발생하도록 열을 제공하는 보조 버너와, 소량의 공기와 함께 탄화수소 연료와 혼합되는 증기를 수용하여 애노드 전극에 수소를 공급하기에 적절한 수소 리치 스트림으로 상기 혼합물을 전환하는 리포머(reformer)를 구비한다.
직접 매스 및 열 전달 디바이스는 캐소드 배기 스트림과 애노드 배기 스트림 모두를 구비하는 플랜트 배기 스트림과 매스 전달 상관관계로 있는 플랜트의 상류에 프로세스 산화제 스트림을 지나가며, 여기서 애노드 배기 스트림은 보조 버너를 통하는 방향으로 향해져 있어서, 플랜트 배기 스트림에 수증기와 같은 매스과 열이플랜트에 유입되는 프로세스 산화제 스트림으로 매스 전달 디바이스의 매스 전달 매체를 통하여 직접 전달된다. 직접 매스 및 열 전달 디바이스는 프로세스 산화제 스트림과 파워 플랜트 배기 스트림과 매스 전달 상관 관계로 있는 전달 매체를 지지하기 위한 분할 하우징을 구비하여서, 스트림은 전달 매체와 접촉하고 그리고 분할 하우징은 스트림의 벌크 혼합(bulk mixing)을 방지한다. 전달 매체는 극성 및 비극성 분자(polar and non-polar molecules)로 이루어진 유체 물질 함유 스트림에서 워터 분자와 같은 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 흡착하기 위한 어느 정도 다양한 재료를 포함한다. 일 예의 전달 매체는 워터 포화된 폴리플오로슬폰 이오노머 막(polyflourosulfonic ionomer membrane)의 액체 워터 부분을 포함한다. 양호한 실시예에서, 직접 매스 및 열 전달 디바이스는 캐소드 및 애노드 배기 스트림으로부터 매스 및 열을 회복하고 그리고 연료 처리 콤포넌트용과 캐소드 전극용으로 프로세스 산화제 스트림 안으로 매스와 열을 전달한다. 부가적인 양호한 실시예에서, 연료 전지의 전해액은 PEM(proton exchange membrane)이다.
연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템의 사용에서는, 상기 매스가 캐소드와 애노드 배기 스트림으로부터 파워 플랜트에 유입되는 프로세스 산화제 스트림으로 직접 전달되기 때문에, 매스 흡입율과 그에 따른 산화제 스트림에 의한 열이 주변 공기 온도 또는 습도의 함수만이 아니고, 플랜트에서 유출되는 플랜트 배기 스트림에 매스와 파워 플랜트에 유입하는 산화제 스트림에 매스 사이에 부분 압력차의 함수이기도 하다. 따라서, 본 발명은 주로 주변 온도의 함수로 있는 워터 회복 비율을 가지는 응축 열 교환기를 냉각하는 주변 공기를 사용하는 플랜트가가능한 것보다 더 많은 워터 회복이 이루어지는 것이다. 본 발명에서는, 만일 주위 공기 온도가 상승하면, 최상의 플랜트 효율을 위한 캐소드와 애노드 배기 스트림으로부터 유입되는 산화제 스트림으로 소용되는 열 전달은 감소하지만, 직접 전달 디바이스의 매스 전달 용량은 일정하게 유지하는 것이다. 또한, 복합적이고, 중량이며 그리고 비용이 소용되는 응축 열 교환 콤포넌트와 관련 컨트롤 장치가 필요하지 않게 되어서, 중량, 체적 및 비용이 절감되면서도 플랜트의 워터 밸런스 및 에너지 효율이 증가한 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 연료 전지 파워 플랜트의 결함을 극복하는 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광범위한 작동 상태에 걸쳐 워터를 자급자족하는 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 응축 열 교환기를 활용하지 않고, 플랜트로부터 유출되는 플랜트 워터와 열로 귀환하는 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 산화제 스트림을 습윤하게 하고 가열하도록 플랜트 프로세스 산화제 스트림으로 다시 파워 플랜트에서 유출되는 매스 및 열을 직접 전달하는 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플랜트에 의해 활용되는 탄화수소 연료를 처리하는 콤포넌트에 워터를 제공하도록 캐소드 및 애노드 배기 스트림에 플랜트에서 유출되는 워터를 회복시키는 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적 및 그외 다른 목적과 이점이 첨부 도면과 관련하여 이하에 기재되는 설명으로 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 차량, 포터블 파워 플랜트 또는 고정식 파워 플랜트에 사용하기에 적합한 연료 전지 파워 플랜트에 관한 것으로서, 특히 본 발명은 플랜트의 워터 밸런스 및 에너지 효율이 향상하도록 수증기와 같이 플랜트를 빠져나가는 매스(mass) 및 열(heat)을 회복시키고 플랜트로 다시 매스 및 열을 전달하는 연료 전지 파워 플랜트에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
본 발명의 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템을 도면 번호 '10'으로 나타낸 첨부 도면을 참고로 본 발명을 이하에 보다 상세하게 설명한다. 상기 시스템(10)은 적어도 일 연료 전지(12)와 직접 매스 및 열 전달 디바이스(14)를 구비한다. 연료 전지(12)는, 제 1 주표면(18)과 대향된 제 2 주표면(20)을 가진 산 또는 염기 전해질 또는 "PEM(proton exchange membrane)"과 같은 전해질(16)과; 전해질(16)의 제 1 주표면(18)과 초기 접촉하는 다공성 애노드 지지 층(24)에 의해 지지되는 애노드 전극(22); 및 전해질(16)의 제 2 주표면(20)과 초기 접촉하는 다공성 캐소드 지지 층(28)에 의해 지지되는 캐소드 전극(26)을 구비한다. 애노드와 캐소드 다공성 지지 층(24, 28)은 다공성 또는 채널형 그라파이트, 탄소 또는 금속판으로 형성된다. 연료 전지(12)는 공지된 방식으로 다른 실질적으로 동일한 연료 전지와 결합되어 적층형태를 취한다. 당 기술 분야에서 일반적인 내용으로서, 연료 전지(12)는 전지의 안밖으로 환원 유체와 산화제의 스트림의 방향을 지정하는 매니폴드를 형성하는 프레임 또는 구조체(30) 내에 둘러싸이고 그리고, 상기 구조체(30)는 표준 외부 로드 회로(34)를 통하여 전기 사용 디바이스(32)로 전지(12) 밖으로 나가는 연료 전지에 의해 발생되는 전기 전류의 방향을 지정해주는 전기 도전 수단도 구비한다.
공기와 같은 프로세스 산화제 또는 산화제 유입 스트림이 다공성 캐소드 지지 층(28) 쪽으로 산화제의 스트림을 통과하는 주 산화제 통로(38)를 통하여 연료 전지(12) 쪽으로 산화제 소스(36)로부터 방향이 향해져서, 산화제가 캐소드 전극(26)과 접촉하여 지나가, 캐소드 전극에 전기화학 반응을 촉진하고, 산화제 스트림에 습윤한 워터 또는 애노드 전극(22)에서 전해액(16)을 통해 운반되는 워터와 같이 캐소드 전극(26)에 형성된 증발 및/또는 반출 워터(evaporation and/or entrainment water)에 의해 산화제 스트림에 소산되는, 전극(26)에 산화제를 제공한다. 프로세스 산화제 스트림은 캐소드 배기 통로(40) 내에 캐소드 배기 스트림으로 캐소드 지지 층(28) 밖으로 지나가서, 캐소드 배기 통로로부터 플랜트 배기 통로(42)로 방향을 향하게 된다. 환원 유체 스트림은 다공성 애노드 지지 층(24)으로 환원 유체 유입구(44)를 통하여 향해져서, 수소와 같은 환원 유체가 애노드 전극(22)과 접촉하게 된다. 공지된 방식으로, 환원 유체는 양자와 전자를 생성하도록 애노드 전극에서 전기화학적으로 반응하고, 여기서, 전자는 운송 차량에 파워를 부여하는 전기 모터와 같은 전기 디바이스(32)에 파워를 부여하도록 외부 로드 회로(34)를 통하여 흐르고, 반면에 양자는 캐소드 전극(26)으로 전해액(16)을 통해이동한다. 다음, 전자는 이들이 워터와 열을 형성하도록 산화제와 반응하는 캐소드 전극으로 회로(34)를 통해 연속된다.
연료 전지 파워 플랜트(10)용 매스 및 열 회복 시스템은 연료 전지의 애노드 전극에 연료를 제공하는 적합한 환원 유체로 탄화수소 연료를 처리하는 연료 처리 콤포넌트 수단을 구비한다. 플랜트(10)에 파워를 부여하는 일 예의 탄화수소 연료에는 가솔린, 디젤 연료, 부탄, 프로판, 천연가스, 메타놀, 에타놀 등이 포함된다. 연료 처리 콤포넌트 수단은: 애노드 지지 층(24)으로부터 애노드 배기 통로(48)를 통하는 애노드 배기 스트림과 같이 버너(46)에 공급되는 수소와 같은 과환원 유체를 함유하는 연료를 연소하는 보조 버너(46)(편리를 위해 도 1에 "AUX.BURNER"로 명기); 워터 공급부로부터 증기를 발생하도록 열 도관(52)에 버너(46)로부터 직접적으로 열을 수용하는 증기 발생기(50)(도 1에 "STEAM"으로 명기); 증기 라인(56)을 통하여 탄화수소 연료와 혼합되는 증기 발생기(50)로부터 증기를 수용하는 오토서멀 리포머(autothermal reformer)(도 1에서 "A.T.R."로 명기)로 있는 리포머(54); 연료 라인(60)을 통하여 증기 라인에 연료를 공급하는 탄화수소 연료 공급원(58)(도 1에서 "FUEL"로 명기); 환원 유체 유입구(44) 안으로 리포머(54)로부터 리폼 연료(reformed fuel)의 방향을 지정하는 리폼 연료 방출 라인(62); 및 플랜트 배기 통로(42)로 보조 버너(46)로부터 애노드 배기 스트림의 방향을 지정하는 버너 배기 통로(64)를 구비하는 것이다.
애노드 배기 스트림에 비사용된 수소 리치 환원 유체는 보조 버너(46)에서 점화되어 보조 버너(46)에 의해 발생되는 열을 증가시키어, 워터 발생을 최대로 하는 것과 같이 비-인화성 버너와 플랜트 배기 통로(64, 42) 내에 버너(46)를 이탈하는 애노드 배기 스트림이게 한다. 점화 애노드 배기 스트림은 플랜트 배기 통로(42)에 캐소드 배기 스트림과 결합되어 플랜트 배기 스트림이 된다. 연료 처리 콤포넌트 수단도, 모두 리포머 콤포넌트를 구비하는, 종래 증기 리포밍(steam reforming), 다양한 화학 화합물의 오토서멀 리포밍(autothermal reforming), 및 부분 산화 리포밍으로 공지된 콤포넌트를 포함한다. 연료 처리 콤포넌트는 화학 처리 기술에서 일반적으로 널리 공지된 종래 설계로 이루어지며, 여기에는 일반적인 탄화수소원(hydrocarbon sources)에서 수소 농후한 유체(hydrogen enriched fluid)를 발생할 필요가 있는 것이다. 예를 들면, 상기 공정에 오토서멀 리포머는 일반적으로 연료-증기 혼합물에 수용되는 연료의 일 부분을 연소시키어서 대략 1,700℉의 온도에 이른다. 부가 연료 처리 콤포넌트 수단은 선택된 산화제(68)에 라인(67)에의해 접속된 워터 시프트 리액터(66)를 구비하며, 그 양쪽은 당 기술분야에서 널리 공지된 바와 같이 애노드 지지 층(24)에 유입되는 환원 유체 스트림에 일산화탄소 수준을 최소로 하도록 환원 유체 유입구(44)와 리폼 유체 방출 라인(62)과의 사이에 유체 소통 상태로 고정된다.
직접 매스 및 열 전달 디바이스(14)는 주 산화제 통로(38)와 플랜트 배기 통로(42) 모두와 유체 소통 상태로 고정된다. 직접 매스 및 열 전달 디바이스(14)는, 수증기 및/또는 반출된 액체 습기(극성 분자로 이루어진 유체 물질)와 공기(비-극성 분자로 이루어진 유체 물질)를 함유하는 스트림과 같은, 극성과 비-극성 분자로 이루어진 유체 물질을 함유한 제 1 유체 스트림 내에 극성 분자로 구성된 유체 물질을 흡착(吸着)하고, 그리고 제 1 스트림보다 더 낮은 비율로 극성 분자로 구성된 유체 물질을 함유하는 제 2 스트림에 흡착된 유체를 탈착(脫着)하는, 전달 매체 수단(72)을 포함한다. 일 예의 전달 매체 수단은, 미국 델라웨어 윌밍톤 소재의 이.아이.듀퐁 회사(E.I. DuPont company)에서 상표명 "나피온(NAFION)"으로 시판되는 워터 포화된 폴리플오로슬폰 이오노머(polyflourosulfonic ionomer)막과 같은 이오노모성 막(ionomeric membrane) 또는 이온 교환 수지의 액체 워터 부분 또는, 미국 뉴져지 톰스 리버에 소재하는 팔마 푸어 회사(Perma Pure, Inc, company)에서 상표명 "미-시리즈 모이스쳐 익스체인저(ME-SERIES MOISTURE EXCHANGERS)"로 시판되는 것과 상술된 "나피온"막으로 만들어진 튜브의 액체 워터 부분을 포함한다. 부가적 전달 매체는 기체 스트림으로부터 습기를 흡착할 수 있고 그리고 기체 스트림으로의 습기를 탈착할 수 있는 건조재(desiccant material)를 포함하며, 상기 건조재에는, 본원에 참고로 그 내용이 기재된 벨딩 등(Belding et al.)에게 1996년 8월 6일자 허여된 미국 특허 제 5,542,968 호에 5칼럼의 9라인부터 6칼럼의 17라인까지 보다 상세하게 기재된 바와 같이, 미세 분말체, 결정체 알칼리 금속, 또는 활성 탄소, 실리카 겔(silica gel), 피활성 알루미나(activated aluminas) 및 비석(沸石)을 함유하는 알칼리토 금속 화합물이 있다.
직접 매스 전달 디바이스(14)는 또한 프로세스 산화제 스트림과 플랜트 배기 스트림이 매스 전달 관계로 전달 매체 수단(72)을 지지하는 분할 하우징 수단(74)을 구비하여서, 양쪽 스트림이 매스 전달 매체 수단과 접촉하고 그리고 분할 하우징 수단이 플랜트 배기 및 프로세스 산화제 스트림이 벌크 혼합(bulk mixing)되는 것을 방지한다. 일 예의 분할 하우징 수단은 배기 챔버(78)와 유입 챔버(76) 사이에서 전달 매체 수단(72)을 지지하는 엔클로저(74)(도 1에 참고로 개략 도시)를 구비한다. 프로세스 산화제 스트림은 산화제 공급 라인(80)을 통하여 산화제 소스(36)로부터 유입구 챔버(76)를 통해 그 안으로 주 산화제 통로(38)쪽으로 지나가고, 반면에 플랜트 배기 스트림은 배기 챔버(78)쪽으로 그를 통해 플랜트 배기 통로(42)로부터 통과하여서 배기 챔버(78)와 유체 소통하는 플랜트 방출 통기구(vent)(82)를 통하여 플랜트(10)를 빠져 나간다. 부가적 분할 하우징 수단(74)은, 공지된 유체 대 유체(fluid to fluid) 열 교환기 기술에서 일반적인 엔클로저(enclosures)와 같은 스트림의 벌크 혼합을 방지하면서 매스 전달 매체 수단으로의 프로세스 산화제 및 플랜트 배기 스트림의 노출을 증대하도록 구조된 보다 복잡한 엔클로저를 구비한다. 분할기 하우징 수단(74)의 부가적 협력동작 측면은 상술된 "나피온" 막 재료의 액체 워터 부분을 지지하는 막 부분(membrane portion)과 팔마 푸어 회사(Perma Pure, Inc)에 상표명 "미-시리즈 모이스쳐 익스체인저"로 시판되는 상술된 "나피온"-기본 튜브에 액체 워터를 지지하는 튜브 부분을 구비하는 것이다. 상기 분할기 하우징 수단(74)에서, "나피온"-기본 매스 전달 매체 수단은, 당 기술분야에서 널리 공지된 방식으로 극성 분자로 이루어진 유체 물질의 최대 농도를 가지는 막의 측부로부터 보다 덜한 농도를 가지는 측부로, 수증기 또는 반출된 액체 습기와 같은 극성 분자로 구성된 유체 물질을 선택적으로 전달한다.
부가적인 상기 예의 분할기 하우징 수단은 미국 특허 제 5,542,968 호에 4칼럼의 35라인부터 5칼럼의 4라인 까지 보다 상세하게 기재된 바와 같이, 습기 부담 플랜트 배기 스트림(moisture laden plant exhaust stream)과 드라이 프로세스 산화제 스트림(dry process oxidant stream)과의 사이에 회전성질로 상술된 건조성 전달 매체 수단(desiccant transfer medium means)을 지지하는 엔탈피 휠(enthalpy wheel)을 구비한다. 상기 휠은 휠의 회전축에 대해 대체로 평행하게 이어지는 복수 개방 단부진 통로를 구비하고, 여기서 상기 통로는 일반적으로 다층 매체가 휠을 지지하는 카세트의 외부 하우징으로 연장되어 보강될 때까지 휠의 중앙 허브 둘레에 매스 전달 매체 건조제를 구비하는 주름진 페이퍼 보드의 평 시트(flat sheet)를 권취하여 형성된다. 상기 엔탈피 휠은 본원에 참고로 그 내용이 본원에 기재된 벨딩 등(Belding et al.)에게 1997년 8월 26일자 허여된 미국 특허 제 5,660,048 호에 부가로 기술되어져 있는 바와 같이 널리 공지된 빌딩 공기-조절 기술이다. 분리기 하우징 수단으로서, 엔탈피 휠이 유입 및 배기 챔버(76, 78)를 통하는 흐름에 평행한 축선을 중심으로 회전하도록 지지되어져, 플랜트 배기 스트림은 휠의 다른 반부(半部)를 통하여 프로세스 산화제 스트림이 동시적으로 통과하는 동안에 휠의 반부를 통해 통과한다. 배기 챔버(78) 내에 휠의 제 1 부분에 건조성의 전달 매체 수단은, 플랜트 배기 스트림으로부터의 수증기 또는 반출된 액체 습기와 같은 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 흡착하며 그리고, 휠이 유입 챔버(76) 쪽으로 휠의 제 1 부분을 위치하도록 회전하면, 만일 유입 산화제 스트림 내에 극성 분자로 이루어진 유체 물질의 농도가 플랜트 배기 스트림 내에 유체 분자를 구성하는 유체 물질의 농도보다 작으면, 건조제에 의해 유지되는 흡착된 극성 분자 유체 물질이 프로세스 산화제 스트림에 탈착되어 산화제 스트림을 습(濕)하게 가열한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 직접 매스 전달 연료 전지 파워 플랜트(10)도 산화제 공급 라인(80)에 위치한 송풍기(84)를 구비하여 플랜트(10)로의 기체 산화제의 흐름을 가변적으로 가속한다. 선택적으로, 송풍기(84)는 동일 목적을 위해 주 산화제 통로(38)를 따라서 배치된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 플랜트(10)가 상술된 연료 처리 콤포넌트를 구비하는 곳에서는, 캐소드 지지 층에 산화제 스트림를 공급하는 주 산화제 통로(38)는 오토서멀 리포머(54)용 프로세스 산화제가 되도록 스트림 라인(56)으로와 같이 연료 처리 콤포넌트 수단 쪽으로 일부 프로세스 산화제 스트림의 방향을 지정하는 제 2 산화제 통로(86)를 구비하도록 분할되어서, 매스 전달 디바이스(14)에 의해 플랜트 배기로부터 산화제 스트림으로 회복되는 수증기와 같은 매스 및 열의 일 부분이 오토서멀 리포머에 유입되는 증기와 연료 혼합물쪽으로 향하게 된다. 이러한 방식에서는, 보조 버너(46)와 증기 발생기(50)의 전체 열 및 증기 소요가 적어지게 된다.
연료 처리 콤포넌트를 부가로 지지하기 위해서, 주 산화제 통로(38)가 부가로 분할되어 제 3 산화제 통로(88)를 구비하는 것이다. 상기 제 3 산화제 통로는, 버너(46)용 프로세스 산화제가 되도록 보조 버너(46)쪽으로 프로세스 산화제 스트림의 일부를 향하게 하여, 매스 및 열 전달 디바이스의 효율이 향상되게 버너(46)쪽으로 매스 전달 디바이스(14)에 의해 플랜트 배기 스트림으로부터 전달되는 수증기와 같은 일부 매스 및 열이 향하게 하며, 그리고 플랜트(10)쪽으로 다시 플랜트 배기 스트림으로부터 회복되는 워터가 방향을 향하게 하여 증기 발생기(50) 내에 워터를 효율적으로 보충하여서, 플랜트(10)의 워터 자급자족을 향상시키는 것이다.
연료 전지 파워 플랜트(10)용 매스와 열 회복 시스템은 또한 연료 전지(12)로부터 연료 처리 콤포넌트로 회복되는 워터를 재순환시키는 냉각제 워터 루프 수단(coolant water loop means)을 구비하여, 플랜트 워터의 자급자족을 더욱 향상시키는 것이다. 냉각제 워터 루프 수단은, 전해액(16)을 통해 지나가는 워터와 캐소드 전극에 형성된 워터를 흡착하는 캐소드 지지 층(28)에 인접한 미세 기공 워터 평판(90)과; 증기 발생기의 워터 공급을 부가적으로 보충하도록 증기 발생기(50)쪽으로와 같이 연료 처리 콤포넌트 수단 쪽으로 미세 기공 워터 평판(90)에 워터를 향하게 하는 냉각제 워터 라인(92)을 구비한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 다음에 일부 워터는 증기 라인(56)을 통하여 오토서멀 리포머(54)쪽으로 지나가서, 그로부터 리폼 연료 방출 라인(62)과 환원 유체 유입구(44)를 통하여 다시 애노드 지지 층(24)으로 지나가고 그리고, 다시 전해질(16)을 관통하여 지나가, 미세 기공 워터 평판(90)으로 복귀하여 냉각제 워터 루프 수단의 "루프(loop)"를 완성한다. 냉각제 워터 루프 수단은 또한 애노드 지지 층(24)에 인접한 미세 기공 워터 평판도 구비하며, 그리고 각각의 전지 사이에서 순차적으로 적층되는데, 이러한 사실에 관한 보다 상세한 내용은 본원에 참고로 기술되고, 이건 출원인에게 양도된 메이어(Meyer et al.)에게 1996년 4월 26일자로 허여된 미국 특허 제 5,505,944 호에 보다 상세하게 기재된 내용을 참고한다. 연료 전지 파워 플랜트(10)용 매스 및 열 회복 시스템은 또한, 버너 배기 통로(64)와 열 교환 관계로 애노드 배기 통로(48)를 향하도록 배치된 열 교환기(94)도 구비하여, 버너 배기 통로(64)를 통해 지나가는 애노드 배기 스트림에서부터 애노드 배기 통로(48)를 통해 지나가는 애노드 배기 스트림 쪽으로 열이 통과하고, 따라서 플랜트(10)로부터의 열 손실이 최소로 된다. 부가적인 열 교환기는 플랜트로부터 열 손실을 최소로 하도록 당 기술분야에서 널리 공지된 방식으로 플랜트에서 활용될 수 있는 것이다.
본 발명의 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템의 성능의 설계 평가서는 본 발명의 시스템을 이용하지 않은 대비 가능한 연료 전지 파워 플랜트를 능가하는 이점을 나타내는 데이터를 내보였다. 설계 평가서는 엔탈피 휠에 고정되는 상술된 건조성 전달 매체를 가진 분할기 하우징으로 엔탈피 휠을 직접 매스 및 열 전달 디바이스로서 활용한 것이다. 엔탈피 휠이 고정되어, 플랜트 배기 스트림은 휠의 반부를 통하여 지나가, 휠을 통하여 플랜트 배기 스트림을 향하는 배기 챔버와 휠을 통하여 프로세스 산화제 스트림을 향하는 유입 챔버와의 사이에서 휠이 회전하여 휠의 다른 반부를 통해 지나가는 프로세스 산화제 스트림과 매스 전달 관계로 있다. 엔탈피 휠은 시간 당 워터를 160파운드 전달하는 치수로 형성된다. 프로세스 산화제 스트림은 대략 77℉로 직접 매스 및 열 전달 디바이스(14)의 유입 챔버(76)에 유입되고 다음, 약 1,050파운드/hr의 흐름율과 대략 147℉로 디바이스를 이탈한다. 버너 배기 통로(64) 내에 버너 배기 스트림은 약 515℉이고 플랜트 배기 통로(42) 내에 약 194℉로 냉각되며, 여기서 캐소드 배기 스트림과 혼합하여시간 당 약 1,260파운드의 흐름율에 플랜트 배기 스트림이 된다. 다음, 직접 매스 및 열 전달 디바이스(14)의 배기 챔버에 유입되어 프로세스 산화제 스트림과 매스 전달 관계로 통과하여, 대략 151℉로 디바이스(14)를 떠나서 플랜트 방출 통기구(82)를 통해 플랜트를 이탈한다. 이러한 설계 평가서는 매스 및 열을 회복하도록 응축 열 교환기를 사용하는 플랜트 또는 회복 시스템을 사용하지 않는 공지된 플랜트와 대비되는 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템의 향상된 성능을 나타내었다.
본 발명이 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템의 사용 방법 및 특정한 구조에 대하여 설명되었지만, 기술된 실시예에 본 발명이 한정되는 것은 아님을 당 분야의 기술인은 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 전해액으로 PEM을 가진 연료 전지로 본원은 기술하였지만, 연료 전지 내에서 사용될 수 있는 전해액은 본 발명의 연료 전지 파워 플랜트에 이용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 상술된 내용과 본원의 첨부 청구범위에 기재된 내용 범위내에서 정해져야 하는 것이다.

Claims (20)

  1. 환원 유체와 산화제 유체로부터 전기적 에너지를 발생하는 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템에 있어서,
    a. 환원 및 산화제 유체로부터 전기 에너지를 생산하는 적어도 일 연료 전지 수단;
    b. 연료 전지로부터 애노드 배기 스트림을 수용 연소하여 플랜트 배기 통로쪽으로 애노드 배기 스트림을 향하게 하는 보조 버너를 구비하는 환원 유체로 탄화수소를 처리하는 연료 처리 콤포넌트 수단;
    c. 연료 전지 수단 쪽으로 산화제 공급부로부터 프로세스 산화제 스트림을 지나가는 주 산화제 통로;
    d. 캐소드 배기 스트림이 플랜트 배기 스트림으로 연소된 애노드 배기 스트림과 혼합하는, 플랜트 배기 통로 쪽으로 그리고 연료 전지 수단 밖으로 캐소드 배기 스트림이 통과하는 캐소드 배기 통로; 및
    e. 주 산화제 통로와 플랜트 배기 통로와 유체 소통상태로 고정되는 직접 매스 및 열 전달 디바이스를 포함하며;
    상기 디바이스는:
    i) 플랜트 배기 스트림 내에 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 흡착하고 그리고 프로세스 산화제 스트림에 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 탈착하는 전달 매체 수단; 및
    ii) 양쪽 스트림이 매스 전달 매체 수단과 접촉하도록 프로세스 산화제 스트림과 플랜트 배기 스트림과 매스 전달 관계로 전달 매체 수단을 지지하고 그리고 플랜트 배기 및 프로세스 산화제 스트림의 벌크 혼합을 방지하는 분할기 하우징 수단을 구비하는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전달 매체 수단은 이오노머성 막의 액체 워터 부분을 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분리기 하우징 수단은 이오노머성 막의 액체 워터를 지지하는 막 부분을 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전달 매체 수단은 이오노머성 막의 액체 워터 부분을 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 분리기 하우징 수단은 이오노머성 막의 액체 워터를 지지하는 튜브 부분을 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전달 매체 수단은 기체 스트림으로부터 습기를 흡착하고 그리고 기체 스트림으로 습기를 탈착하는 건조재를 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 배기 스트림으로부터 프로세스 산화제 스트림으로 흡착된 습기를 직접 전달하도록 배기 챔버를 통하는 플랜트 배기 스트림과 유입 챔버를 통하는 프로세스 산화제 스트림의 흐름에 대해 평행한 축선을 중심으로 휠이 회전하도록, 분리기 하우징 수단은 엔탈피 휠의 회전 축선에 대해 평행하게 이어지는 복수 통로에 건조재를 지지하는 엔탈피 휠을 포함하고, 그리고 엔탈피 휠은 분할기 하우징의 유입 및 배기 챔버 내에서 회전가능하게 지지되는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    전해액은 PEM(proton exchange membrane)인
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  9. 환원 유체와 산화제 유체로부터 전기적 에너지를 발생하는 연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템에 있어서,
    a. 제 1 주표면과 대향된 제 2 주표면을 가지는 전해액과;
    다공성 애노드 지지 층이 애노드 전극과 접촉하는 환원 유체의 스트림을 지나가고 그리고 다공성 캐소드 지지 층이 캐소드 전극과 접촉하는 산화제 유체의 스트림을 지나가며, 전해액의 제 2 주표면과 초기 접촉하는 다공성 캐소드 지지 층에 의해 지지되는 캐소드 전극 그리고, 전해액의 제 1 주표면과 초기 접촉하는 다공성 애노드 지지 층에 의해 지지되는 애노드 전극을; 구비하는 적어도 일 연료 전지;
    b. 연료 전지로부터 애노드 배기 스트림을 수용 연소하여 플랜트 배기 통로쪽으로 피연소 애노드 배기 스트림을 향하게 하는 보조 버너를 구비하는 환원 유체로 탄화수소 연료를 처리하는 연료 처리 콤포넌트 수단;
    c. 연료 처리 콤포넌트 수단용 프로세스 산화제로서 연료 처리 콤포넌트 수단 쪽으로 프로세스 산화제 스트림의 일부가 지나가는 제 2 산화제 통로와 다공성 캐소드 지지 층 쪽으로 공급 산화제로부터 프로세스 산화제 스트림을 지나가는 주 산화제 통로;
    d. 캐소드 배기 스트림이 플랜트 배기 스트림으로 피연소 애노드 배기 스트림과 혼합하는, 플랜트 배기 통로 쪽으로 그리고 다공성 캐소드 지지 층 밖으로 캐소드 배기 스트림을 통과하는 캐소드 배기 통로; 및
    e. 주 산화제 통로와 플랜트 배기 통로와 유체 소통상태로 고정되는 직접 매스 및 열 전달 디바이스를 포함하며;
    상기 디바이스는:
    i) 플랜트 배기 스트림 내에 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 흡착하고 그리고 프로세스 산화제 스트림에 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 탈착하는 전달 매체 수단; 및
    ii) 양쪽 스트림이 매스 전달 매체 수단과 접촉하도록 프로세스 산화제 스트림과 플랜트 배기 스트림과 매스 전달 관계로 전달 매체 수단을 지지하고 그리고 플랜트 배기 및 프로세스 산화제 스트림의 벌크 혼합을 방지하는 분할기 하우징 수단을 구비하는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 처리 콤포넌트 수단은 부가로, 보조 버너로부터 증기를 발생하도록 열을 수용하는 증기 발생기, 증기 발생기와 리포머 사이에 증기 라인을 통해서 탄화수소 연료와 혼합되는 증기 발생기로부터의 증기를 수용하는 리포머, 증기 라인으로 탄화수소 연료를 공급하는 탄화수소 연료 공급원, 및 애노드 지지 층으로 리폼 연료를 향하게 하는 리폼 연료 방출 라인을 포함하고, 그리고 제 2 산화제 통로는 증기 라인으로 프로세스 산화제 스트림의 일 부분이 향하게 하는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 플랜트는 보조 버너 쪽으로 프로세스 산화제 스트림의 일 부분을 지나가는 직접 매스 및 열 전달 디바이스와 유체 소통하는 제 3 산화제 통로를 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전달 매체 수단은 이오노머성 막의 액체 워터 부분을 포함하고 그리고분리기 하우징 수단은 이오노머성 막의 액체 워터를 지지하는 막 부분(membrane portions)을 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 전달 매체 수단은 이오노머성 막 튜브의 액체 워터 부분을 포함하고 그리고 분리기 하우징 수단은 이오노머성 막 튜브의 액체 워터를 지지하는 튜브 부분(tube portions)을 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 전달 매체 수단은 기체 스트림으로부터 습기를 흡착하고 그리고 기체 스트림으로 습기를 탈착하는 건조재(desiccant materal)를 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 플랜트 배기 스트림으로부터 프로세스 산화제 스트림으로 흡착된 습기를 직접 전달하도록 배기 챔버를 통하는 플랜트 배기 스트림과 유입 챔버를 통하는 프로세스 산화제 스트림의 흐름에 대해 평행한 축선을 중심으로 휠이 회전하도록, 분리기 하우징 수단은 엔탈피 휠의 회전 축선에 대해 평행하게 이어지는 복수 통로에 건조재를 지지하는 엔탈피 휠을 포함하고, 그리고 엔탈피 휠은 분할기 하우징의 유입 및 배기 챔버 내에서 회전가능하게 지지되는
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 전해액은 PEM(proton exchange membrane)인
    연료 전지 파워 플랜트용 매스 및 열 회복 시스템.
  17. 플랜트에서 유출되는 매스 및 열 회복용 연료 전지 파워 플랜트 동작 방법에 있어서,
    a. 제 1 주표면과 대향된 제 2 주표면을 가지는 전해액과; 다공성 애노드 지지 층이 애노드 전극과 접촉하는 환원 유체의 스트림을 지나가고 그리고 다공성 캐소드 지지 층이 캐소드 전극과 접촉하는 산화제 유체의 스트림을 지나가며, 전해액의 제 2 주표면과 초기 접촉하는 다공성 캐소드 지지 층에 의해 지지되는 캐소드 전극 그리고, 전해액의 제 1 주표면과 초기 접촉하는 다공성 애노드 지지 층에 의해 지지되는 애노드 전극을; 구비하는 적어도 일 연료 전지를 제공하는 단계;
    b. 다공성 캐소드 지지 층 쪽으로 공급 산화제로부터 주 산화제 통로를 통해 프로세스 산화제 스트림을 통과하는 단계;
    c. 보조 버너 연료 처리 콤포넌트를 통해 애노드 지지 층으로부터 애노드 배기 스트림을 지나가, 애노드 배기 스트림을 연소하여, 플랜트 배기 통로쪽으로 피연소 애노드 배기 스트림을 향하게 하는 단계;
    d. 플랜트 배기 통로 쪽으로 다공성 캐소드 지지 층 밖으로 캐소드 배기 스트림이 캐소드 배기 통로를 지나가고, 그리고 캐소드 배기 스트림이 플랜트 배기 스트림으로 피연소 애노드 배기 스트림과 혼합하는 단계; 및
    e. 양쪽 스트림이 매스 전달 매체 수단과 접촉하여, 양쪽 스트림이 벌크 혼합을 방지하도록 분할기 하우징 내에 매스 전달 매체를 부가로 지지하여 프로세스 산화제 스트림에 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 착탈하고 그리고 플랜트 배기 스트림 내에 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 흡착하는, 전달 매체와 접촉하는 플랜트 배기 스트림과 프로세스 산화제 스트림을 지나가서 직접 매스 및 열 전달 디바이스 내에서 매스 전달 관계로 플랜트 배기 스트림과 프로세스 산화제 스트림에 방향을 향하게 하는 단계를 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트의 동작 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    연료 처리 콤포넌트용 프로세스 산화제로서 플랜트의 연료 처리 콤포넌트 쪽으로 제 2 산화제 통로를 통해 프로세스 산화제 스트림의 일 부분을 지나가는 단계를 부가로 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트의 동작 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    플랜트의 연료 처리 리포머에 증기와 탄화수소 연료를 제공하는 증기 라인 쪽으로 제 2 산화제 통로를 통해 프로세스 산화제 스트림의 일 부분을 지나가고 그리고 플랜트의 증기 발생기에 열을 제공하는 보조 버너에 제 3 산화제 통로를 통해서 프로세스 산화제 스트림의 일 부분을 지나가는 단계를 부가로 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트의 동작 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    이오노머성 막의 액체 워터 부분과 접촉하는 프로세스 산화제 스트림과 플랜트 배기 스트림에 의해 매스 전달 관계로 프로세스 산화제 스트림과 플랜트 배기 스트림의 방향을 지정하는 단계를 부가로 포함하는
    연료 전지 파워 플랜트의 동작 방법.
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