KR20040038739A - 열을 교환하는 촉매 연소기를 이용한 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응물을 수용하고 반응을 수행하여 전류를 생산하는 연료전지 스택(105), 연료전지 스택(105)을 미반응 상태로 통과하는 반응물을 연소하기 위한 촉매 연소기(107) 및 촉매 연소기(107)의 배출물로부터 연료전지 스택(105)에 의해 수용된 반응물로 열을 교환하기 위한 열교환기(104)를 바람직하게 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

Description

열을 교환하는 촉매 연소기를 이용한 연료전지{A FUEL CELL USING A CATALYTIC COMBUSTOR TO EXCHANGE HEAT}
본 발명은 연료전지 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 고체산화물 연료전지와 함께 사용되는 촉매 연소기에 관한 것이다.
과거 수세기 동안 에너지에 대한 수요는 기하급수적으로 증가하여 왔다. 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라, 많은 다양한 에너지원이 탐사되고 개발되어 왔다. 탄화수소의 연소는 기초적인 에너지원 중 하나였으며 장래에도 그럴 것이다. 그러나, 탄화수소의 연소는 종종 불완전하며, 스모그에 기여하는 불연소 물질 및 다른 오염물질을 다양한 양으로 방출한다.
탄화수소의 연소에 의해 생성되는 오염물질로 인해, 최근에는 청정 에너지원에 대한 요구가 증가하여 왔다. 청정 에너지원에 대한 관심이 증가함에 따라, 연료전지는 더욱 인기있고 더욱 정교해 지고 있다. 연료전지에 대한 연구 개발은 거대한 양의 도시전력을 생산하는 가스 터빈, 자동차 동력용 내연기관 및 다양한 크고 작은 전자제품을 작동시키는 배터리와 곧 경쟁할 것이라는 점에 맞추어져 왔다.
연료전지는 수소 및 산소를 전기 및 열로 전환시키는 전기화학적 에너지 전환을 이용한다. 연료전지는 배터리와 비슷하지만, 전력을 공급하면서도 "충전"될 수 있다. 많은 경우, 연료전지는 휴대용 전력 공급원으로서 1차 및 2차 배터리를 대체할 것으로 기대되고 있다.
연료전지는 모터, 라이트 또는 여러 전자 제품을 구동하는데 사용될 수 있는 직류(DC) 전압을 제공한다. 고체산화물 연료전지(SOFC)는 휴대용 제품에 매우 유용할 것으로 기대되는 연료전지의 한 종류이다. 고체산화물 연료전지의 상세한 설명은 아래와 같다.
불행히도, 고체산화물 연료전지는 효율적인 작동을 위해서 일반적으로 고온 환경을 요구한다. 고체산화물 연료전지에 대한 고온 요구는 연료전지를 시동할 때 심각한 지연을 발생시킨다. 고체산화물 연료전지가 기능성 면에서 배터리를 대체하기 위해서는, 고체산화물 연료전지가 상승된 작동온도에 신속하게 도달할 수 있어야 한다.
그 결과, 일부 연료전지는 연료전지가 효율적인 작동 온도에 더욱 신속하게 도달하도록 하기 위하여 연료전지 가열 수단을 포함한다. 그러나, 연료전지를 작동 온도로 가열하기 위한 대부분의 종래 장치들은 비효율적이고 느리다. 또한, 일부의종래 시스템들은 연료전지의 시동 주기에만 유용한 내부 또는 외부의 부가적인 하드웨어를 SOFC 스택에 부가함으로써 이미 복잡해진 연료전지 스택을 종종 더욱 복잡하고 거대하게 만들고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 다양한 가능한 실시태양 중 하나로서 연료전지를 제공한다. 본 발명의 연료전지는 반응물을 수용하고 반응을 수행하여 전류를 생산하는 연료전지 스택, 연료전지 스택을 미반응 상태로 통과하는 반응물을 연소하기 위한 촉매 연소기 및 촉매 연소기의 배출물로부터 연료전지 스택에 의해 수용된 반응물로 열을 교환하기 위한 열교환기를 바람직하게 포함한다.
첨부된 도면들은 본 발명의 다양한 실시태양을 예시하며 본 명세서의 일부이다. 도면들은 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원칙을 기술하고 설명한다. 예시된 실시태양들은 본 발명의 예이며 발명의 범위를 제한하지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 신속한 시동 SOFC 반응기의 제 1 실시태양을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 SOFC 열 패키지 소판형(platelet) 스택의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 소판형 촉매 연소기의 평면의 제 1 예시도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 소판형 촉매 연소기의 측면도이다.
도 3a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 소판형 촉매 연소기의 평면의 부가적인 예시도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 소판형 촉매 연소기의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 SOFC 열 패키지 소판형 스택의 부분도이다.
도 5a는 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 SOFC 열 패키지 소판형 스택의 평면의 일 예시도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 SOFC 열 패키지 소판형 스택의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 도 1의 시스템의 작동을 나타낸 흐름도이다.
도면 전체에 있어서, 동일한 참조번호는 유사하지만 반드시 동일하지는 않은 요소를 지시한다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서 표준 SOFC를 개괄적으로 설명한다. 연료전지는 종종 사용된 전해질의 종류에 의해 분류된다. 전해질은 이온만을 전도하고 전자는 전도하지 않는 특수처리된 조밀한 물질이다. SOFC는 경질의 세라믹 전해질을 사용하고 약 1,000℃(약 1,800℉) 이하의 온도에서 전형적으로 작동한다.
산화지르코늄 및 산화비트륨의 혼합물을 전형적으로 사용하여 고체 전해질로 되는 결정성 격자를 형성한다. 기타의 산화물 조합도 전해질로서 또한 사용되어 왔다. 고체 전해질은 양쪽면이 특수한 다공성 전극물질로 코팅된다. 특수한 다공성물질은 촉매로서 작용하여 수소 또는 기타 간단한 탄화수소와 같은 연료와 산소 사이의 에너지 생산 반응을 촉진한다.
애노드는 연료전지의 음극 포스트이다. 높은 작동 온도에서, 산소 이온(음전하를 가짐)은 전해질의 결정성 격자를 통해 이동한다. 수소를 함유한 연료 가스(일반적으로 프로판, 메탄 또는 부탄)가 애노드를 통과할 때, 음으로 충전된 산소 이온은 전해질을 가로질러 이동하여 연료를 산화시킨다. 연료가 산화됨에 따라, 애노드에 의해 전도된 전자는 외부 회로에서 사용될 수 있는 전류로서 자유화된다.
산소는 흔히 공기로부터 캐소드에 공급된다. 캐소드는 연료전지의 양극 포스트이고 유사하게 촉매의 표면에 산소(흔히 공기)를 균등하게 분배하도록 설계된다. 캐소드는 또한 전자를 외부 회로로부터 촉매로 전도한다.
애노드에서 생성된 전자는 외부 부하를 거쳐 캐소드로 이동하여, 회로를 완성하며 그 경로를 따라 전력을 공급한다. SOFC의 전력 생성 효율은 약 60%에 도달할 수 있다.
하나의 구성에 있어서, SOFC 하드웨어는 튜브의 배열로 구성된다. 다른 변형은 더욱 통상적인 셀의 평면 적층을 포함한다.
이제, 도면을 참조하면, 특히 도 1은 SOFC 반응기(10)의 일례를 나타내고 있다. 본 발명은 시동 중에 SOFC 스택을 최소 작동 온도(이하 "라이트-오프 온도"라 함)로 신속하게 가열하는데 특히 유용하다.
내부의 실선 화살표는 공기 라인을 나타낸다. 내부의 점선 화살표는 연료 라인을 나타낸다. 연료 용기(101)는 전형적으로 프로판 또는 부탄을 함유한다. 종종,연료 용기(101) 내에 보관된 연료 가스는 시스템 내를 통해 연료 유동을 공급하기 위하여 충분히 가압된다. 주어진 실시태양에서 가압 연료 용기(101)가 바람직하다.
SOFC 반응기(10)는 송풍기(102)를 포함할 수 있다. 송풍기(102)는 공기의 정상 스트림을 시스템의 다양한 요소에 공급함으로써 연료전지 반응을 촉진할 수 있다. 송풍기(102)는 그 공기 입구(102a)로 신선한 공기를 유입시킬 수 있다. 그 후, 주변 공기가 SOFC 반응기(10) 내로 압송된다. 연료 용기(101)로부터의 연료 및 송풍기(102)에 의해 공급되는 공기는 SOFC에서 주요 반응물이며, 모두 전형적으로 열교환기(104) 내를 통과한다.
열교환기(104)는 유입되는 반응물, 연료 및 공기를 가열하여 반응기 내에서 그 효용을 최적화하기 위해서 반응기(10)의 작동에 의해 생산되는 열을 이용한다. 열교환기(104)는 연료전지 반응기(10)로부터 배출된 가스가 유입된 미반응 공기 및 연료로 열에너지를 전달하도록 하는 임의의 요소 또는 공정일 수 있다. 상기와 같이, SOFC 반응기(10)의 발열반응은 시스템으로부터 이미 방출된 에너지가 SOFC 반응기(10)를 부가적인 하드웨어 없이 필요한 작동 온도로 더욱 신속하게 가열하는데 사용되도록 한다.
SOFC 반응기가 시동 온도에 도달되도록 하는 열교환기(104)의 역할은 아래에서 자세하게 설명된다. 유입되는 미반응 가스(공기 및 연료)가 열교환기(104)를 빠져나오면서 분리된 상태가 유지되도록 유의하는 것이 중요하다.
열교환기(104)로부터 방출된 공기 및 연료 가스가 애노드(105a) 또는캐소드(105b)로 각각 들어가기 전에 실질적으로 가열되는 것이 바람직하다. 도 1에서와 같이, 연료 가스는 애노드 매니폴드(manifold)(105a)에 유입되고 공기는 캐소드 매니폴드(105b)에 유입된다. 애노드(105a) 및 캐소드(105b)는 SOFC 반응기(10)의 전력 생성 하드웨어를 구성하며, 이하에서 결합되어 작동하는 애노드(105a) 및 캐소드(105b)의 전력 생성 기능을 언급하는 경우에는 SOFC 스택(105)으로 명명될 것이다.
시동 동안, 스택(105)이 라이트-오프 온도에 도달하기 전에, SOFC 스택(105)에 들어가는 공기 및 연료는 미반응인 채로 애노드(105a) 및 캐소드(105b)를 각각 통과한다. SOFC 스택(105)이 라이트-오프 온도에 도달하면, 유입 가스의 대부분은 SOFC 스택(105)의 전력 생성 반응에 소비된다.
상기와 같이, 애노드(105a)는 연료전지의 음극 포스트이다. SOFC 스택(105)이 라이트-오프 온도에 도달하면, 음으로 충전된 산소 이온은 결정 격자를 통해 이동할 수 있는 충분한 이동성을 가지며 연료 가스에 의해 산화될 수 있다. 연료 분자들이 산화됨에 따라, 자유 전자들은 SOFC 스택(105)에서 생산된 전류로서 전도될 수 있다. 애노드(105a)로부터의 전류는 외부 부하를 통과하며 그것을 위한 전력을 제공하는 것이 바람직하다.
산소는 일반적으로 캐소드(105b)에 유입되는 공기에 의해 공급된다. 캐소드(105b)는 양극 포스트이며 공기가 촉매의 표면에 접근하도록 하는 애노드(105a)와 유사하게 설계된다. 캐소드(105b)는 전자를 부하로부터 촉매로 전도할 수 있다. 일반적으로 애노드(105a) 및 캐소드(105b) 사이의 전류는 요즘의 배터리 제품 즉, 랩탑, 휴대폰, 파워툴 개인디지탈 보조기(PDA) 등의 전자 기기와 같은 부하를 구동하기에 충분하다.
작동 중에, 스택(105)은 수용된 공기 및 연료 가스의 100%를 항상 소비하는 것은 아니다. 촉매 연소기(107)는 연료전지 스택 반응으로부터의 임의의 미반응 가스를 반응시키기 위하여 사용되는 용기 또는 요소인 것이 바람직하다. 촉매 연소기(107)는 SOFC 스택(105)으로부터의 미반응 가스를 수용하기 위한 다른 입구를 포함할 수 있다. SOFC 스택(105)이 라이트-오프 온도에 도달하기 전에, 스택으로부터 촉매 연소기(107)로 가는 모든 가스는 촉매 연소기(107)로 들어갈 때 미반응인 상태이고 분리되어 있다.
촉매 연소기(107)의 내부는 촉매 요소로 채워진 연소 챔버를 내장하는 것이 바람직하다. 연소 챔버는 내산화성 물질로 형성되는 것이 바람직하고, 촉매 요소를 사용하여, 스택(105)으로부터 수용된 미반응 가스 사이의 반응을 강제한다. 촉매는 여러 형태를 취할 수 있으며, 하나의 실시태양에 있어서 촉매는 촉매로 뒤덮인 알루미나 펠렛(pellet)일 수 있다. 제 2 실시태양에서, 촉매는 촉매 요소로 형성된 또는 촉매 요소로 코팅된 스크린일 수 있다. 사용된 촉매의 형태는 유입되는 가스가 촉매 물질의 최대량에 노출되도록 하고, 동시에 연소 챔버에 요구되는 부피를 제한하고 촉매층에 의해 생성된 유동을 한정하도록 하는 것이 바람직하다. 촉매 연소기(107)는 미반응 가스가 촉매에 도달할 때 혼합하고 촉매 연소기 내에서 평형 반응을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
촉매 연소기 챔버는 또한 가열 요소를 포함한다. 촉매 반응이 일어나도록 하기 위해서는, 촉매 연소기(107) 내의 촉매의 일부가 최소 연소온도, 또는 촉매가 촉매 연소기(107)에 유입되는 가스와 반응하는 온도에 도달하여야 한다. 본 명세서와 특허청구범위에서, 촉매의 적어도 일부를 최소 연소온도로 가열되도록 하는 임의의 장치 또는 시스템은 저항 요소로 명명된다. 촉매의 일부가 연소 온도에 도달하면, 초기 반응이 촉매 연소 챔버의 나머지 부분을 연소 온도로 빠르게 가열한다.
저항 요소는 촉매 연소기(107)의 내부 또는 외부에 있을 수 있다. 어떤 실시태양에서는, 저항 요소는 촉매 물질을 포함한다. 저항 요소는 촉매 연소기(107)의 연소 챔버 내의 코일일 수 있다. 가열 요소는 촉매 연소기를 가열하기 위한 박막 저항기, 저항 선 또는 저항 스트립 중 하나 이상을 선택적으로 포함할 수 있다.
2종의 가스는 개별적인 입구를 통해 촉매 연소기(107)의 연소 챔버 내를 통과하여 촉매와 접촉할 수 있다. 가스를 촉매 연소기로 전달하기 위하여 사용된 연료 분배 요소는 본 발명의 하기 실시예에 더욱 상세하게 기재되어 있다. 저항 요소는 연소가 신속하고 효율적으로 시작되도록 연소 챔버 내의 촉매의 일부를 가열한다. 촉매 연소기(107) 내의 저항 요소는 전지(106)에 의해 구동되는 것이 바람직하다. 전지는 SOFC 시동 구간에서 촉매 연소 반응의 개시를 위하여 사용되고, SOFC 스택(105)이 라이트-오프 온도에 도달하면 비활성화되는 것이 바람직하다.
배터리(106)는 오프 피크(off-peak) 전력 구간동안 SOFC에 의해 생성되는 전력의 일부를 사용하여 자가-충전할 수 있는 부하 절감 기능을 가진 것이 바람직하다. 바람직하게는, SOFC 스택이 전력을 생산하기 시작함에 따라, 반응으로부터의 열에너지는 전지로부터 부가적인 에너지 투입없이 촉매 반응을 유지하는데 충분하다.
촉매 연소기(107) 내에서 연소가 일어남에 따라, 반응된 가스는 직렬의 출구 포트를 통해 방출될 수 있다. 이 때, 모든 가스는 연소 챔버 내에서 혼합된다. 잔여 반응 가스들은 배출 가스와 열교환기(104)를 바람직하게 연결시키는 출구 포트를 통과할 수 있으며, 상기에 기술된 바와 같이 열교환기에서 배출 가스들은 유입되는 미반응 가스를 가열할 수 있다.
열교환기(104)는 촉매 연소기(107)의 발열 연소반응으로부터 열교환기(104)를 통하여 가열된 배출 가스를 순환시켜 미반응 공기 및 연료로 열을 전달하는 것이 바람직하다. 유사하게, SOFC 스택(105)이 전력을 생산함에 따라, 촉매 연소기(107)로 방출된 가스들은 더욱더 가열되고, 촉매 반응이 일어난 후에 열교환기(104)에서 일어나는 열교환에 또한 기여한다.
이와 같이, 촉매 연소기(107)로부터 얻은 열 이득은 미반응 연료를 환경으로 배출시키기 전에 반응시키는데 사용될 뿐 아니라, 유입되는 공기 및 연료를 라이트-오프 온도로 가열하여, 스택(105) 내의 반응이 자가-유지 및 효율적이게 하면서도 연료전지가 작동 온도에 더욱 신속하게 도달할 수 있도록 한다.
열교환기(104)를 빠져나온 후에, 배출 가스는 송풍기(102)로부터의 부가적인 공기와 혼합되는 혼합기(103)를 통과하여 주위 환경으로 배출되기 전에 냉각된다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 SOFC 열패키지 소판형 스택(201)의 단면도이다. 명세서와 청구범위에서 기재된 바와 같이, 소판은 SOFC에 사용하기 위하여 개조된 비교적 얇은 물질의 층이다. 각 소판은 SOFC 구성요소를 적절하게수용하기 위하여 다르게 제조될 수 있다. 예를 들면, 소판의 바닥층은 스택(201) 및 스택(201) 내에 수용된 SOFC 구성요소를 위한 외부 하우징으로서 제조되는 것이 바람직하다. 내부 소판층은 유동 도관, 매니폴딩(manifolding), 열교환 형태를 형성하기 위하여, 또 SOFC 열패키지 소판 스택(201) 내에 SOFC 구성요소를 안전하게 장착하기 위하여 속이 빈 곳에 위치하는 것이 바람직하다.
도면에 나타난 요소들은 어떤 수치로 그 크기가 제한되지 않는다는 것을 유의하는 것이 중요하다. 소판형 스택(201) 내에 내장된 요소들은 특정한 응용에 가장 적합한 임의의 크기나 수치가 될 수 있다. 소판형 스택(201)은 도 1에 나타낸 많은 또는 모든 요소들을 포함할 수 있는 공간을 제공하기 위하여 에칭, 펀칭, 또는 표면 가공되는 것이 바람직하다.
도 2에 나타난 바와 같이, SOFC 스택(105), 열교환기(104) 및 촉매 연소기(107)는 소판형 스택(201) 내에 포함되는 것이 바람직하다. 이것은 소판형 스택(201) 내에서 반응을 구동하기 위해 필요한 가스 및 열을 밀봉한다.
또한, SOFC 열 패키지 소판형 스택(201)은 공기/연료 분배 요소(109)를 포함하는 것이 바람직하다. 공기/연료 분배 요소(109)는 촉매 연소기(107)로의 투입물이 될 수 있는 연료전지 스택(105)로부터의 배출 가스를 수용하는 것이 바람직하다. 공기/연료 분배 요소(109)는 촉매 연소기(107)로 가는 공기와 연료 사이에 격리를 유지하는 것이 바람직하다. 분배 요소(109)는 상기 각 가스가 촉매 연소기(107)로 유입되도록 하는 파이프 또는 연료 라인으로서 작용하는 홈(groove) 또는 에칭에 의해 소판형 스택(201) 내에 형성되는 것이 바람직하다. 사용가능한다양한 소판층은 공기(217) 및 연료 입구와 같은 복잡한 가스분배 채널의 사용을 용이하게 한다.
촉매 연소기(107)는 촉매 연소기에서 사용되는 공기가 연소기(107)와 접촉하는 부분에서 다중 공기 입구(217)를 포함한다. 촉매 연소기(107)의 배출가스 출구(218)도 도시되어 있다. 공기 입구(217) 및 배출가스 출구(218)는 유입 및 유출 가스가 촉매 연소기(107) 및/또는 연료전지 스택(105) 내에서 심각한 압력 강하 환경을 유발하지 않는 크기인 것이 바람직하다.
열교환기(104)는 촉매 연소기(107)에 인접한 것이 바람직하다. 또한, 열교환기(104)는 소판형 스택(201) 내의 연료전지 스택(105)에 상대적으로 근접하게 위치하여 촉매 연소기의 발열 반응에서 얻은 에너지를 효율적으로 재순환시킬 수 있다.
SOFC 스택으로부터 배출되어 공기/연료 분배 요소(109)로 그리고 촉매 연소기로 가는 연료는 SOFC 열패키지 소판형 스택(201)의 최저층(이하 연료층(205))을 통해 공급될 수 있다. 연료층(205)은 SOFC 스택(205)의 배출가스에 있는 미반응 연료 요소가 촉매 연소기(107)로 전파될 때 안전성을 개선하기 위하여 분리될 수 있다. 또한 SOFC 스택(105)에 대한 전기장치 및 센서 연결부는 필요에 따라 연료층(205) 또는 기타 소판형층에 매입될(embedded) 수 있다.
도 2a는 촉매 연소기(107)의 평면도이다. 촉매 연소기(107)는 내열성 하우징을 가지는 것이 바람직하다. 내열성 하우징은 본 명세서에서 연소 챔버(203)으로 명명된다. 연소 챔버(203)는 SOFC 작동 중에 챔버로 배출되는 가스를 함유하고 연소 반응에서 일반적인 고온을 견디는 것이 바람직하다.
촉매 연소기(107)는 실질적으로 촉매(211)로 충전되는 것이 바람직하다. 촉매의 구조(211)는 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 촉매는 촉매 코팅된 세라믹 비드, 세라믹 하니콤, 단순 평표면 촉매, 촉매-코팅 평표면의 미로형 또는 촉매-코팅 세라믹 울, 세라믹 패브릭, 박막 마이크로-채널 어레이 또는 스크린일 수 있다. 본 발명의 실시태양에서, 촉매(211)는 다양한 가스 입구 또는 출구(217, 218)를 통하여 연소 챔버(203)를 빠져 나올수 없는 크기의 촉매 물질로 덮혀있는 소직경 다공성 알루미나 비드의 형태인 것이 바람직하다.
도 2a는 코일 형태의 저항 요소(212)를 나타낸다. 바람직하게는, 저항요소는 촉매 요소(211)의 일부를 가열하여 연소 반응을 촉진할 수 있도록 위치한다. 하나의 실시태양에서, 촉매(211) 및 저항 요소(212)는 통합될(integrated) 수 있고, 저항 요소(212)가 촉매 또는 촉매-코팅 물질로 형성됨으로써 촉매가 연소 온도로 신속하게 가열되도록 한다.
저항 요소(212)의 한쪽 말단은 전류원(212c)에 연결된다. 전류원(212c)은 저항요소(212)가 가열되도록 하는 배터리인 것이 바람직하다. 상기와 같이, 저항 요소(212)에서의 열은 연소기(107)를 가열하여, 휴대용 SOFC 반응기의 촉매 연소반응이 추가의 하드웨어나 과도한 중량을 부가하지 않고 더욱 신속하고 효율적으로 시작될 수 있다. 온도 센서 및 산소 및 연료 센서와 같은 계기장치는 또한 촉매 연소기 피드백 루프에 포함될 수 있으며 라이트-오프 이벤트에 대한 제어를 촉진할 수 있다.
전류원(212c)에 대향하는 가열코일(212)의 말단은 그라운드(212a)에 연결될수 있다. 하나의 실시예에서, 그라운드(212a)는 접지된 연소 챔버(203) 벽에 용접된 지점일 수 있다. 또한, 그라운드(212a)는 저항 요소로(212)부터 임의의 접지된 요소로의 연결일 수 있다.
바람직하게는, 저항 요소(212), 전류원(212c) 및 그라운드(212a)는 전류가 저항요소(212)를 통해 흐르도록 한다. 저항 요소(212)의 높은 저항은 저항요소(212)가 실질적으로 가열되도록 한다.
저항 요소(212)는 촉매 연소기(107)에 대하여 상대적으로 이동하지 않도록 격납 챔버(203)에 장착될 수 있다. 연소 챔버(203)에 들어가는 저항 요소(212)의 상부는 절연(212b)되어 저항요소(212)가 연소 챔버(203) 벽과 단락되지 않는 것이 바람직하다.
촉매 연소기(107)는 공기 채널(213)을 통해 배출 공기를 수용한다. 공기는 공기 채널(213)로부터 공기 입구(217)를 통해 연소 챔버(107)로 유입된다. 유사하게, 연료가스는 연료 채널(미도시)로부터 공급되어 연료 입구(216)를 통해 촉매 연소 챔버(107)에 유입된다. 본 발명에서, 연료 입구(216)는 연소 챔버(203)의 바닥에 장착될 수 있고 연료는 연소 챔버(203)의 바닥으로부터 유입된다. 연료 채널(216) 및 공기 채널(213)에 대하여 생성되는 단면 형상은 촉매 연소기(107)를 만드는데 사용되는 다양한 수준의 소판을 통해 경로화된다.
SOFC 스택으로부터의 미반응 요소가 촉매 연소기에서 반응하면, 그들은 배출가스 출구(218)를 통해 방출된다. 촉매 연소기(107)의 내부가 과도 압력에 도달하지 않거나 또는 유동 가스에 대한 장애가 발생하기에 충분한 출구가 있는 것이 바람직하다. 배출 가스는 다중 배출 채널(214)에 의해 촉매 연소기(107)로부터 전달될 수 있다.
도 2b는 도 2a의 측면도이다. 도 2b, 3a 및 3b는 도 2 및 2a의 요소와 유사한 요소를 포함한다. 그러므로, 도 2 및 2a에 기재된 촉매 연소기(107) 요소의 반복적인 설명은 도 2b, 3a 및 3b를 설명하는데 있어서 생략될 것이다. 도 2b에 나타난 바와 같이, 연소 챔버(107) 내의 촉매 요소(211)는 느슨하게 충전되는 것이 바람직하다. 이것은 미반응 가스가 전체 연소 챔버(203)를 통과하여 촉매 요소(211) 표면적의 최대량에 도달하여 반응하게 한다. 또한, 비밀집 챔버는 가스가 과도한 압력의 증가없이 촉매 연소기(107)를 통해 유동하게 한다.
공기 채널(213)은 다른 층의 연소 챔버(203)에 유입된다. 촉매 연소기(107)가 임의의 수의 특수한 소판층에 제한되지 않는다는 것을 유의하는 것이 중요하다. 바닥층 소판은 연료 전송 소판(205)으로서 명명될 수 있다. 상기와 같이, 연료 채널(215)은 SOFC 스택으로부터 촉매 연소기(107)로 미반응 연료를 전달할 수 있다. 연료가 촉매 연소기(107)에 도달하면, 연료는 연료 입구(216)를 통해 연소 챔버(203)에 유입될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 촉매 연소기(107)의 제 2 실시태양의 평면도이다.
도 3a는 촉매 연소기(107) 및 연소 챔버(203)를 나타낸다. 연료 입구(216)는 공기 입구(217)와 같은 벽면에 있는 연소 챔버(203)에 들어가도록 위치할 수 있다. 이것은 가스가 촉매에 노출되고 연소가 일어남에 따라 더욱 효과적으로 혼합되게 한다. 수직 공급 구조(221)는 연료 전달을 위한 바닥 소판으로부터 다양한 수준의연료 투입(216)을 공급하기 위하여 필요할 수 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 가스를 수직으로 전달하기 위해 사용될 수 있는 임의의 요소는 수직 공급 구조(221)로 명명될 것이다. 또한, 각 수직 공급 구조(221)는 단일 연료 채널(215)이 다중 연료 투입(216)을 공급할 수 있도록 연결될 수 있다.
도 3b는 본 발명의 하나의 실시태양에 따른 도 3a의 측면도이다. 도 3a에 특유한 요소는 도 3b와 비교함으로써 더 잘 이해할 수 있다.
상기와 같이, 유입되는 연료 채널(215)은 연료 층(205) 내에서 공기 채널(213)에 평행하게 이동할 수 있다. 상기 구성은 촉매(211)와의 반응을 위하여 연료를 실질적으로 분리시키면서도 단일 연료 채널(215)이 촉매 연소기(107)에 연료를 공급하도록 할 수 있다. 다른 실시예에서, 연료 채널(215)은 공기 채널(213)에 수직일 수 있다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 소판형 연료전지 스택(241)의 부분도이다. 스택의 중심부분에 수직 공급 구조를 수용할 수 있도록 설계된 공간(221a)이 나타나 있다. 이것은 수직 공급 구조(미도시)가 연료 출구를 가질 수 있는 스택 내의 각 소판형과 접촉하면서 수직으로 서 있게 한다.
또한, 각 수준에 대한 공기 채널(213)은, 소판형 스택(241)을 통해 연장되고 공기 입구(217)를 통해 촉매 연소기와 연결됨에 따라 나타난다. 본 발명의 실시예에서, 연료 채널(215)은 도시된 공기 채널(213) 방향에 수직으로 향할 수 있다. 상기와 같이, 연료 전달 채널(215)은 소판형 연료전지 스택(241)의 연료층(205)에 위치하는 것이 바람직하다.
소판형 스택(241) 내의 가능한 다양한 층들은 공기 및 연료 채널이 복잡한 형상으로 분배되도록 한다. 단면 형상의 조합 및 다양한 소판형 층은 수직 공급 구조를 통과하는 반응 요소 및 촉매 연소기로 유입되는 다른 연료 공급물의 균등한 분배를 촉진시킨다.
도 5a는 SOFC 열패키지 소판형 스택(201)의 다른 실시예의 평면도이다. 도 5a에 도시된 SOFC 열패키지 소판형 스택(201)은 SOFC 스택을 수용하기 위한 SOFC 격납 구역(105c)을 포함할 수 있다. 유사하게, SOFC 열패키지 소판형 스택(201)은 촉매 연소기 격납 구역(107a)을 가질 수 있다. 상기 각각의 격납 구역은 발열 반응 및 필요한 반응물이 SOFC 열패키지 소판형 스택(201) 내에 밀봉되도록 한다. 열교환기(104a)는 통로(250)를 포함한다. 도 5b는 도 5a의 SOFC 소판형의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도 1에 도시된 시스템의 신속한 개시 작동을 나타내는 흐름도이다.
프로세스는 SOFC 반응기가 작동되면서(160) 시작된다. 상기와 같이, SOFC 스택은 전력 생산 반응이 시작되기 전에 상승된 온도에 도달하여야 한다. 많은 경우 연료 전지가 라이트-오프 온도에 도달하기 전에 400℃를 초과할 필요가 있다. 배터리및 저항 요소는 촉매 연소기 내의 촉매를 연소에 필요한 온도까지 가열하는 것이 바람직하다(161). 그 후, 연료가 공급되고, 그 때, SOFC가 라이트-오프 온도에 있지 않기 때문에 연료는 SOFC 스택을 미반응인 채로 통과한다(162).
촉매 연소기로 유입된 미반응 연료는 촉매 연소기의 가열(161)로 인해 반응하게 된다(163). 발열 연소 반응은 촉매 연소기로부터 배출된 가스를 실질적으로가열한다. 그 때, 촉매 연소기로부터의 배출가스는 열교환기를 통과하는 것이 바람직하며, 배출가스는 SOFC 스택으로 가는 미반응 가스를 가열하는데 사용될 수 있다(164). 이것은 SOFC 스택을 라이트-오프 온도까지 가열한다.
바람직하게는, SOFC 반응기의 각 요소는 전체 시스템에 피드백을 제공하는데 도움이 될 수 있는 온도, 연료 및 기타 센서를 갖는다. 예를 들면, 만약 온도 센서가 SOFC 스택이 라이트-오프 온도에 도달하지 않았다고 지시한다면(165), 연료는 계속해서 미반응인 채로 SOFC를 통과하고, 프로세스는 상기와 같이, 열교환기를 통해 재순환된 열이 충분하여 SOFC 스택이 라이트-오프 온도에 도달할 때까지 계속된다(165). 그 지점에서, SOFC는 전력을 생산하기 시작할 수 있으며 유입되는 연료를 반응시킬 수 있다(166). 촉매 연소기 및 SOFC 스택이 라이트-오프 온도로 가열됨에 따라, 피드백 루프가 상기 프로세스를 조절하기 위하여 실행될 수 있다.
SOFC 반응은 빠르게 열을 증가시켜 SOFC가 정상상태 작동 조건에 도달하게 할 수 있다. 그 때, 촉매 연소기의 저항 요소에 대한 배터리는 작동이 중단될 수 있다(167). 정상상태 작동 조건은 SOFC 프로세스가 진행되는 동안 최대량의 연료가 반응에 의해 소모되는 지점으로 가정된다. 다른 실시예에서, 스택에 유입된 연료의 15%만이 촉매 연소기를 미반응인 채로 통과함으로써 85%의 효율을 기대할 수 있다.
미반응 연료의 더 작은 부분이 촉매 연소기 내를 통과함에 따라, SOFC 반응을 위해 필요한 온도를 유지하고, 주위환경으로 배출되기 전에 연료를 반응시키기 위하여 연료는 계속해서 반응한다(168). SOFC 반응기가 최대 효율에 접근한 후에, 배터리는 전력을 절감하기 시작하여 다음에 SOFC 반응기가 시작될 때를 대비하여자가 충전한다(169). 전지는 완전히 충전될 때까지 SOFC 반응으로부터 전력을 절감하기만 하는 것이 바람직하다.
상기의 설명은 본 발명을 나타내고 설명하기 위한 것이다. 개시된 임의의 정교한 형태로 본 발명을 완전히 규명하거나 제한하기 위한 것이 아니다. 상기 기재된 내용의 관점으로부터 많은 개선 및 변형이 가능하다.
설명한 실시예들은 본 발명의 원칙 및 실질적인 응용을 가장 잘 나타내기 위하여 선택되고 기재된 것이다. 상기 기재사항은 당업자가 예상할 수 있는 특정 용도에 적합하도록 다양한 실시예 및 다양한 변형된 형태로 가장 잘 이용할 수 있도록 의도한 것이다. 본 발명의 범위는 하기 청구항에 의해 정의된다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 시동시에만 필요한 내부 또는 외부의 부가적인 하드웨어를 SOFC 스택에 부가시키지 않고 내장된 효율적인 시스템을 이용하여 신속하게 연료전지를 작동 온도에 도달하게 할 수 있다.

Claims (10)

  1. 반응물을 수용하고 반응을 수행하여 전류를 생산하는 연료전지 스택(105);
    상기 연료전지 스택(105)을 미반응 상태로 통과하는 반응물을 연소하기 위한 촉매 연소기(107); 및
    상기 촉매 연소기(107)의 배출물로부터 연료전지 스택(105)에 의해 수용된 반응물로 열을 교환하기 위한 열교환기(104)를 포함하는 연료전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응물이 연료전지 스택(105)에 의해 수용된 연료 및 공기인 연료전지
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매 연소기(107) 및 촉매 연소기(107) 내의 반응물을 가열하기 위한 가열 요소를 더 포함하는 연료전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지가 고체산화물 연료전지이고 연료전지 스택(105)이 고체산화물 연료전지 스택인 연료전지.
  5. 촉매 연소기 유닛(107) 내의 촉매를 가열하는 단계;
    연료전지 스택(105)을 떠나는 미반응 가스를 상기 촉매 연소기 유닛(107)에 의해 연소시키는 단계; 및
    상기 미반응 가스의 연소에 의해 발생된 열을 연료전지 스택(105)으로 유입되는 반응물로 교환하는 단계를 포함하는, 고체산화물 연료전지(SOFC)를 위한 신속한 시동 시스템을 제공하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 촉매의 가열 단계가 저항 요소(212)를 통해 전류를 흐르게 하는 것을 포함하는 방법.
  7. 연료전지의 작동 동안, 연료전지 스택(105)으로부터의 미반응물이 촉매 연소기(107)로 들어가도록, 촉매 연소기(107)를 연료전지 스택(105)과 직렬로 배치하는 단계;
    연료전지의 작동 동안 촉매 연소기(107)의 배출부로부터의 열이 연료전지 스택(105)의 유입부를 가열하도록, 촉매 연소기(107)의 배출부 및 연료전지 스택(105)의 유입부에 열교환기(104)를 연결하는 단계를 포함하는, 연료전지를 위한 신속한 시동 시스템을 형성하는 방법.
  8. 단열 챔버(chamber);
    상기 단열 챔버 내의 촉매; 및
    상기 챔버 및 촉매를 반응 온도로 가열하기 위한 가열 요소를 포함하는 촉매 연소기(107).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 촉매 연소기(107)가 연료전지 스택(105)의 통합된(integral) 구성부분인 촉매 연소기(107).
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 단열 챔버가 내산화성 물질을 포함하는 촉매 연소기(107).
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