KR20070094946A - 유압 밸브에 응답하여 내부에 포함된 매체를 따뜻하게유지하는 촉매 연소기 - Google Patents

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Abstract

연료 전기 축수기(10) 내의 물(9)은, 선택적으로 타이머 밸브(183)와 직렬로 용기(10) 또는 근처의 공기와 열전달 상태(26)에 있고 수소(28)에 연결된 기계적 온도조절 밸브(25)를 통해 수소가 공급되는 수소/산소 촉매 연소기(13)에 의해 결빙점 이상으로 유지된다. 연소기는 1차 입구(31)를 통해 수소를 구비하고 2차 입구(33)를 통해 공기를 유입하는 분사기(32), 또는 연소에 의해 생성된 물이 중력에 의해 촉매로부터 유동하도록 하는 테플론®을 포함하면서, 가열 표면(30)으로부터 이격된 촉매(38), 및 촉매에서의 낮은 산소 분압이 장치를 통한 확산을 유발하는 확산 제어 장치(40)를 포함하는 확산형 연소기를 구비한다. 연소 증기는 표면(146) 상에서 응축되고 친수성 직조 탄소 종이(126) 및 윅킹 재료(133)에 의해 디스크(140) 및 플러그(147)를 통해, 대기, 염류 통(190), 또는 부동액(206)과의 혼합을 위한 다공성 친수성 혼합기(200)로 유도된다.
연료 전지 축수기, 타이머 밸브, 기계적 온도조절 밸브, 촉매, 분사기

Description

유압 밸브에 응답하여 내부에 포함된 매체를 따뜻하게 유지하는 촉매 연소기 {Catalytic Combustors Keeping Contained Medium Warm in Response to Hydrostatic Valve}
본 발명은 용기의 온도에 따라 연소기로 수소를 전달하는 기계적 유압 밸브에 응답하여, 연료 전지 전력 플랜트(fuel cess power plant)의 축수기(accumulator) 내에서 물과 같은, 용기 내의 매체를 가열하기 위해, 분사형 수소/산소 연소기 및 확산형 수소/산소 연소기를 포함하는 촉매 연소기에 관한 것이다.
연료 전지 전력 플랜트는 각각의 전지가 인산과 같은 전해액 또는 양자 교환 폴리머 전해액 멤브레인을 둘러싸는 애노드 및 캐소드 촉매를 가지는 연료 전지 스택을 포함한다. 어느 경우에 있어서나, 프로세스의 한 산물은 물이고, 이것은 범람을 방지하기 위해 캐소드로부터 제거되어야만 한다. PEM 연료 전지에 있어서, 멤브레인의 애노드측이 건조해서, 전기 생성 프로세스를 방해하는 조건이 되지 않도록 유지할 필요가 있다. 따라서, 물 관리는 중요하다.
정적 적용예, 공간 적용예, 및 차량 적용예를 포함하는 많은 적용예에 있어서, 연료 전지 전력 플랜트는 동결 환경 즉, 온도가 0℃(32℉) 이하로 떨어지는 환경에서 사용될 수 있다. 연료 전지 전력 플랜트가 작동하고 있을 때, 시스템 내의 모든 물을 동결 온도 이상으로 유지하기에 충분한 열을 생산하지만, 연료 전지 전력 플랜트가 동결 온도 이하에서 충분한 시간 기간 동안 작동하지 않았다면, 물이 동결되어서 연료 전지 전력 플랜트가 시동이 요구될 때 초기에 작동하지 않을 수 있을 뿐만 아니라 물리적 손상의 가능성도 있다.
차량 적용예에 있어서, 바람직한 기준은 키의 돌림 또는 다른 스위치에 의해서와 같이 초기 시동의 표시에 후속하여 1분 이하(또는 심지어 40초 이하) 동안, 연료 전지 전력 플랜트에 의해 생성된 전기로 차량을 작동시키는 능력이다.
종래 기술에 있어서, 정지(shutdown)시 물 유동 시스템으로부터의 물의 전부 또는 일부를 축수기로 배수하여, 연료 전지 스택 및 그와 관련된 물 관리 시스템의 일부 또는 모든 구성요소들 내에서 얼음이 형성되는 결과로서의 기계적 손상을 예방하는 공정이 고안되었다. 그러나, 특히 -20℃(-70℉) 이하의 온도에서 시동시에, 연료 전지 전력 플랜트의 작동을 지속하기 전에 물 관리 및/또는 냉매를 상기 연료 전지 전력 플랜트에 제공하도록, (배수되지 않았다면) 축수기 및 관련 펌프, 도관 및 열교환기 내의 얼음을 녹일 필요가 있다.
미국 특허 제6,797,421호에서, 연료 전지 스택, 축수기, 물 펌프, 및 열교환기는 모두 수소/산소 촉매 연소기로 가열되는 절연된 인클로저 내에 배치되고, 상기 연소기는 인클로저 내에 또는 그 외부에 배치되며, 열은 인클로저의 하부에 있는 작은 입구 덕트 또는 후드를 통해 전달된다. 이러한 공지된 장치에서, 일 이상의 온도 센서는 인클로저 내의 다양한 중요한 위치에 배치되고, 그것의 온도 표시 신호(들)은 제어기로 공급되며, 상기 제어기는 다시 밸브를 통한 촉매 연소기로의 정적 또는 간헐적인 수소 유동을 제어한다. 연소기로 제공되는 공기량를 제어하는 개시예는 없다. 물론, 제어기에는 연료 전지 전력 플랜트가 동결 온도 이하에서 작동하지 않는 시간 전체에 걸쳐 전력이 제공되어야 하고, 상기 전력의 소스는 개시되어 있지 않다. 촉매 연소기 내부의 온도는 93℃(200℉)와 370℃(700℉) 사이에서 작동하도록 설정되어 있고, 이것은 연소기의 비효율적인 작동을 유발한다.
미국 출원 제2002/0068202호에는, (상기 출원에서 배터리로 불려진) 연료 전지 전력 플랜트가 연속적으로 또는 온도 센서에 응답하여 최소한의 로드로 작동될 수 있어서, 연료 전지의 전해액이 동결점 이상으로 유지되는 것이 제안되었다.
대상물, 용기 내의 매체 또는 공간의 적절한 온도를 유지하는 것이 요구되는 다름 아닌 연료 전지 전력 플랜트의 프레임워크 내에서의 상황이 있다.
본 발명의 목적은 용기 내의 매체의 온도를 전력을 사용하지 않고 원하는 온도 이상으로 유지하고; 동결 온도 이하에서 작동하지 않는 연료 전지 전력 플랜트 내의 물이 전기를 사용하지 않고도 동결하지 않도록 하며; 수소의 효율적인 촉매 연소; 자가 점화, 점화 지속 촉매 연소기; 수명이 긴 촉매 연소기; 150℃(302℉) 이하의 온도에서 작동하는 수소/산소 연소기; 임의의 전기 제어 없이 작동할 수 있는 촉매 연소기; 전기 없이 작동하는 연료 전지 스택의 축수기를 따듯하게 유지하는 히터; 높은 효율의 수소/산소 촉매 연소기이다.
본 발명은 다공성 금속 기판이 세라믹 기판에서보다 임의의 주어진 온도에서 더 많은 열을 제공(더 많은 H2 소비)하는 것을 인식하는 데 부분적으로 기초를 두고, 효율적인 촉매 가열은 연소에 의해 생선된 물이 혼입되는 것을 회피해야 하는 것을 인신하는 데 부분적으로 기초를 둔다.
본 발명에 따르면, 연료 전지의 축수기 내의 물과 같은 용기 내의 매체는, 용기와 열전달 상태에 있는 온도 반응 요소를 가지는 밸브를 통해, 용기의 온도에 응답하여 제공되는 공급부로부터의 수소를 연소시킴으로써, 결빙점 이상으로 유지된다. 밸브는 통상적으로 외부 전력의 필요 없이 작동하도록, 스프링 작용 등에 의해, 자동 온도조절식 및 유체 역학적으로 작동하는 기계적 밸브이다.
본 발명에 따르면, 수소/산소 촉매 연소기는 그것의 1차 입구에 제공된 수소와 그것의 2차 입구에 제공된 공기를 가지는 분사기를 포함하고, 상기 분사기 출구는 수소/산소 연소 촉매로 제공된다.
본 발명에 따르면, 연소기는 다공성 금속 기판 상에서 지지되는 연소 촉매를 포함함으로써, 최대 안전 촉매 온도 이하에서 더 많은 열을 생성한다.
또한, 본 발명에 따르면, 수소/산소 촉매 연소기는 제1 측부 상에서 가열 표면으로부터 분리되고 제2 측부 상에서 공기 중에 배치된 확산 제어 장치로부터 분리되는 수소/산소 연소 촉매를 포함하고, 수소는 촉매의 제1 측부로 전달된다. 확산 제어 장치는 대류성 산소가 버너로 유동하는 것을 최대로 가능한 실제 범위까지 방지한다. 이러한 제어 장치는 예컨대 비대류 유동을 제공하는 것을 돕는 금속의 천공판, 플라스틱 또는 다른 적절한 재료, 일련의 판, 긴 튜브, 이러한 요소 등의 조합체를 포함하는 다공체를 포함할 수 있다. 본 발명은 일 실시예로서 확산 제어 장치가 절연체의 주연부로 사실상 연장하는 상태로, 촉매를 둘러싸는 절연체와 상기 촉매의 상부 및 하부 공간을 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 촉매 연소기는 수소가 기판의 내부면으로 공급되고 산소 확산 제어 장치가 기판의 외부녕으로부터 이격되어 있는, 다공성, 원통형, 촉매 코팅된 기판을 포함한다.
촉매 상부의 공정 물 증기는 윅킹 재료로 연장하는 표면에 인접한 친수성 메시를 가지는 표면 상에서 응축되고, 상기 윅킹 재료는 메시의 공극보다 작은 공극을 가지며 응축된 공정 물을 주위 대기로 하향 전달한다. 또한 본 발명에 따르면, 대기로 전달되는 공정 물에 의해 고드름이 형성되는 것을 방지하기 위해, 물과의 수용액에서 충분히 낮은 결빙 온도를 가지는 용해성 물질의 박스는 상기 공정 물을 수용한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 물은 대기로 방출되기 전에 부동액과 혼합된다.
본 발명은 수소를 촉매로 분산시키는 것을 돕는 금속 스크린을 포함할 수 있다. 촉매는 수소 입구 도관을 구비한 다공성 실린더와 그 중심을 관통하는 윅킹 재료를 포함할 수 있다.
본 발명은 연료 전지 전력 플랜트의 축수기와 같은 관심의 대상 또는 함지와 접촉하거나, 관심의 대상 또는 함지를 둘러싸거나 공간에서의 주위 온도에 반응하는, 통상적으로 기계적 밸브인 밸브를 사용한다. 축수기 내의 물과 같은 관심 공간 또는 대상이 예컨대 연료 전지의 정지로부터 수일 안에는 확실히 결빙점 이상일 때, 주위 온도와 반응하면, 본 발명은 온도가 결빙점 이하이더라도 열이 발생하지 않도록 기계적 밸브와 직렬이 타이머 밸브를 포함할 수 있다.
또한, 촉매는 연소 중에 생성된 습기를 동반하지 않도록, 내부 표면이 테플론®과 백금, 팔라듐, 및 그들의 합금과 같은 귀금속의 혼합물로 워시코팅된 소수성 다공성 금속 기판을 포함한다.
본 발명의 다른 목적, 특징, 및 장점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 예시적 실시예의 후속하는 상세한 설명에 비추어 더욱 명백해질 것이다.
도1은 축수기의 온도를 감지하는 본 발명의 실시예의 양식화되고 간략화된 개략도이다.
도2는 본 발명에 따른 분사형 수소/산소 촉매 연소기를 채용하는 본 발명의 양식화되고 간략화된 도면이다.
도3는 본 발명에 따른 저온 확산형 수소/산소 촉매 연소기의 간단한 실시예의 양식화되고 간략화된 도면이다.
도4는 가열될 용기와 함께 확산 촉매의 부분 절결, 부분 절단, 부분 전개도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 촉매의 상부 부분의 절단된 전개도.
도6은 도5의 실시예에 따른 확산 촉매의 부분 절결된, 절단 측면도.
도7은 가능한 타이머 밸브를 채용하는 축수기에 인접한 온도를 감지하는 본 발명의 제2 실시예의 양식화되고 간략화된 개략도이다.
도8은 응축물의 냉동을 예방하기 위해 염류 박스를 사용하는, 본 발명의 부분적으로 절단된 부분 측면도이다.
도9는 대기 중에서 응축물의 냉동을 예방하기 위해 부동액을 상기 응축물과 혼합하는, 본 발명의 부분적으로 절단된 부분 측면도이다.
도10은 도8 및 도9의 실시예들과 함께 사용될 수 있는 수소 공급 튜브의 부분적으로 절단된 부분 측면도이다.
도11은 세라믹 및 금속 상에서 지지되는 촉매의 수소 소비를 도시하는 챠트.
도12는 본 발명의 원통형 확산 연소기의 전개되고, 부분 절단된 사시도.
도1을 참조하면, 연료 전지 전력 플랜트의 축수기(10)와 같은 용기 내의 매체(9)는 수소/산소 촉매 연소기(13)의 가열 표면(12)과 열전달 상태에 있는 가열성 표면(11)을 통해 가열된다. 축수기(10)는 사이가 진공(18)된 내벽 및 외벽(16, 17)을 가지는 듀어(Dewar)를 포함할 수 있다. 축수기는 종래의 물 입구(20) 및 출구(21), 공기 입구(22), 및 배수/환기구(23)를 가질 수 있다.
연소기(13)는, 용기(10)와 열전달 상태(26)에 있고 압력하의 수소를 공급(28)하는 도관(27)에 의해 연결된 기계적 온도조절 밸브(25)를 포함하는 소스로부터의 도관(24)을 통해 수소를 공급받는다. 수소 공급부(28)는 연료 전지 전력 플랜트를 위한 연료 반응 가스의 소스를 포함할 수 있다. 수소는 사실상 순물질이거나 또는 수소가 풍부한 리포메이트 또는 다른 가스 내에 포함될 수 있다.
밸브(25)는 축수기(10)가 제1 온도 아래로 떨어지면 개방되고, 상기 제1 온도보다 높은 (또는 적어도 낮지 않은) 제2 온도에 이를 때마다 폐쇄되도록 설정된다. 수소가 밸브(25)를 통과할 때마다, 상기 수소는 연소기(13) 내의 가용 산소와 자동적으로 반응할 것이고, 그에 따라 표면(11, 12)을 통해 축수기(10)로 열을 제공한다.
도2에서, 연소기(13a)는 분사형, 수소/산소 촉매 연소기를 포함한다. 도관(24)으로부터의 수소는 통로(29)를 통해 산소를 수용하는 2차 입구(33)를 가지는 분사기(32)의 1차 입구(31)로 연료 입구 밸브(25)을 통해 공급된다. 분사기의 출구는 백금, 팔라듐, 그들의 합금 또는 다른 적절한 귀금속 및 합금을 포함할 수 있는 수소/산소 촉매(34)로 공급된다. 촉매(34) 하류의 공간은 축수기(10)의 가열성 표면(11)과 열전달 상태에 있는 가열 표면(36)을 가지는 열교환기(35)를 포함한다. 가열성 표면과의 열전달은 히터와 가열성 표면 사이에 알루미늄과 같은 전도 재료를 부가하여 향상될 수 있다. 습기 및 임의의 소비되지 않은 가스는 배기구(37)을 통해 환기된다.
도3을 참조하면, 저온, 확산형 연소기(13b)는 개시된 실시예에서 공간(39)만큼 가열 표면(12)으로부터 분리된 다공성 실린더 산소/수소 촉매(38)와, 공간(41)만큼 촉매(38)의 제2 측부로부터 분리된 확산 제어 장치(40)를 포함한다. 확산 제어 장치(40)는 열이 연소기(13b)로부터 하향 유동하는 것을 저지하는 열손실 차단부로서도 역할을 한다.
수소는 파이프(43)에 의해 촉매 상부의 공간(39)으로 공급된다. 수소는 촉 매에서 임의의 산소와 함께 연소하여, 산소의 분압이 감소하도록 함으로써, 산소는 (전술한 바와 같이) 확산 제어 장치(40)를 통해 확산될 것이다. 따라서, 확산 제어 장치(40)때문에, 질소가 대부분인 공기가 상기 공간으로 유동하기 보다는, 사실상 산소만이 공간(41)으로 확산된다. 따라서, 이것은 확산 연소기로 불린다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 다공성 금속 기판을 사용하는 촉매 조립체는 유사한 세라믹 기판보다 저온의 열을 생성하는 것을 구현하는 것이다. 도11은 수소 소비율의 함수로서 (즉, 촉매 조립체 자체 내에서) 국부적 촉매 온도를 도시한다. 점선(220)으로 가리켜진 촉매의 최대 안전 온도(그 위로는 촉매에 심각한 손상이 발생함)에서, 수소 소비와 그에 따른 열 발생율의 상당한 증가가 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 저온, 긴 수명의 수소 촉매 연소를 증진한다.
본 명세서의 구체적인 실시예에서, 절연체(44)는 촉매를 둘러싸고, 확산 제어 장치(40)는 공간(41)을 지나 상기 절연체(44)의 실질적 부분을 가로질러 외향 연장하거나, 절연체(44)의 모두를 가로질러 연장할 수 있다. 산소와 수소를 촉매 연소하면 그 반응 산물은 열 및 물이다. 장치(40) 아래의 주위 온도는 빙점 이하라고 생각된다. 버너의 바닥 주위로 얼음 및 서리가 형성되는 것을 방지하기 위해, 촉매에서 형성된 일부 물은 확산 제어 장치(40)를 통해 새어 나온 공기와 혼합되어서 화살표(46)로 가리켜진 따뜻하고 습한 공기의 스트림을 형성할 수 있고, 이것은 산물인 물이 확산 제어 장치(40) 상에서 또는 그 아래에서 결빙되는 것을 방지한다. 스트림(46)에서 스트림의 분압은 낮고, 이것은 버너(13b) 주위로 서리가 형성되는 것을 최소화한다.
도3의 확산 히터의 구체적인 예는 도4 내지 도6에 도시되어 있다. 도4는 본 발명에 따른 확산 연소기의 예시적 실시예의 부분 절결된, 부분 전개된 이원적 사시도이다. 조립체(99)는 상부 부분(100)에서 둥글고, 상부에서 스테인리스 스틸 기계가공된 부품(102)과 조립되며, 그 안쪽으로 중공 중심을 가지는 볼트(103)가 나사(104)에 의해 고정된다. 볼트의 바닥은 너트(105)와 결합하는 나사(104a)를 가진다. 루버판(110)은 스테인리스 부품(102) 직경의 2배 이상의 직경을 가지고, 조립체(99)는 루버판(110)과 스테인리스 부품(102) 사이에서 볼트와 너트에 의해 함께 유지된다.
수소(H2) 공급 파이프(112)는 (도시되지 않은 다른 위치에 있는) 탱크로부터 볼트(103)의 구멍을 통한 개도의 약 3/4까지 연장하고, 그곳에는 볼트(103)의 내측으로 수소 공급 파이프(112)의 단부와 결합하기 위한 나사(114)가 있다.
도5를 참조하면, 부품(102)은 중심 보어(117)를 상부에서 가지고, 립부(120)를 남기는 매우 큰 카운터 보어(118)를 바닥에서 가진다. 6개의 구멍(122)이 보어(117)의 바닥을 통해 드릴링되고, 각각의 구멍에 대해 반경방향으로 연장하는 홈(123)이 있다. 그 다음 수소는 볼트를 통해 보어(117) 안쪽으로 들어가서 구멍(122)을 통해 하향 유동하여 홈(123)을 통해 외향으로 흐른 다음, 보어(118) 전체에 걸쳐 연장하는 스테인리스 스틸 스크린(124)으로 흐른다.
도5를 참조하면, 스크린(124) 아래로 2개의 친수성 탄소 종이(126, 127)가 있다. 그 아래로, 테플론® 스크린(128)이 있다. 테플론® 스크린(128)은 백금/팔 라듐이 리터 당 약 2.0그램이고, 테플론®이 리터 당 약 0.4그램으로서, 테플론® 및 백금 또는 팔라듐 중 어느 하나, 또는 그 중 어느 하나 또는 양쪽 모두의 합금의 혼합물을 가지는 다공성 스테인리스 스틸 기판(130) 바로 위에 있다. 이것은 촉매에서 형성된 임의의 습기가 동반되지 않고 중력에 의해 하향으로 지나서 범람을 예방하도록, 촉매(130)를 소수성이 되도록 한다.
탄소 종이(126)의 상부 시트는 그 밀도를 높이기 위해 볼트(103) 주위로 짧은 거리에 대해 키나(KYNAR)(플라스틱)가 매설되어 있다. 이것은 수소가 적접 하향 유동하는 것을 방지하고 수소를 외향 편향시키는 것(도5의 유동 화살표 참조)을 돕기 위한 것이다. 종이 타월과 유사한 섬유질 종이 재료와 같은 윅킹(wicking) 재료(133)는 상기 볼트(103)을 둘러싸고, 윅킹 재료(133)를 둘러싸는 플라스틱 파이프(134)는 그것을 지지하기 위한 것이다. 또한, 촉매(130)의 내부를 지지하는 플라스틱 파이프(137)가 있다.
도6을 참조하면, 윅킹 재료(133)는 루버판(110) 내의 제1 루버 링(142)을 지나 연장하는 윅킹 재료의 디스크(140) 내의 홈 안쪽으로 설정된다. 루버와 간섭하는 윅킹 디스크(140)의 위치는 종래 기술에서와 같이 간섭하지 않도록 제거되거나 상향으로 밀어낼 수 있다. 도4 및 도6에 있어서, 루버판(110)은 제1 루버 링(142) 외향으로 제2 루버 링(144)을 가지고, 관통 연장하는 위킹 재료의 플러그(147)를 가지는 2개의 직경방향으로 대향된 구멍(146)이 있다.
루버판(110)은 루버를 차단할 수도 있는 얼음이 형성되는 것을 방지하도록 따뜻한 습기(물 증기)의 유동을 증진하기 위해, 외부 슬리브(138) 상의 연장부(139)에 의해 약 4㎜ (0.16 인치) 정도만큼 구조물의 나머지 부분으로부터 분리된다.
도4를 참조하면, 장치(99)의 상부 부분(100)은 수소 차단부를 형성하도록 알루미늄 접착제와 같은 반사 필름(170, 171)으로 감싸진다. 장치의 상부 부분(100)은 얇은 벽부의 스테인리스 스틸(175)을 포함하는 축수기의 바닥과 독립된 것으로 도시된, 얇은 벽부의 스테인리스 스틸(174)로 형성된 환상면체(toroid)의 진공 절연부(176)의 사각 단면으로 둘러싸인다.
도4는 액화된 가스의 듀어(180), 즉 내부 및 외부의 얇은 스테인리스 벽부(182, 183) 및 그 사이에서 소거된 공간(184)으로 형성된 축수기를 개략적으로 도시한다. 그러나, 벽부(182, 183)는 열이 부품(102) 본 실시예에서 물을 함유하고 있는 축수기(180)의 내부(186)로 즉시 전달될 수 있도록 히터(99) 위로 수렵한다.
운전시, 수소가 파이프(112)로 공급되면, 상기 수소는 도5에서 화살표로 도시된 바와 같이 촉매(130) 안쪽으로 하향 유동한다. 공기 유동은 없지만, 루버판(110)(도4 참조) 아래의 대기 공기 내의 산소 분압은, 촉매(130) 내에서의 산소 소비때문에, 루버판(110)과 촉매(130)(도6 참조) 사이의 공간(150) 내측의 산소 분압보다 크다. 따라서, 산소는 촉매에서의 수소와 혼합되도록 루버(142, 144) 및 공간(150)을 통해 촉매로 확산된다.
공지된 바와 같이, 수소와 산소의 촉매 연소의 반응 산물은 열과 물이다. 본 장치에서, 열이 상향 유동하여 예컨대 연료 전지 전력 플랜트의 물 축수기 부분으로 들어가도록 다양한 방안이 취해지지만, 이것은 임의의 다른 장치일 수 있다. 도6에서, 루버판(110)의 상부면(152)은 크롬 또는 알루미늄과 같은 열 반사 재료로 코팅되어서, 열이 루버판(110) 아래의 대기로 하향 유동하는 것을 최소화한다.
물은 스테인리스 스틸 부품(102)의 바닥면(156)(도4, 도5) 상에서 응축된 다음, 스테인리스 스틸 스크린(124)을 통해 유동한다. 그 다음 응축된 물은 2개의 친수성 탄소 종이(126, 127) 시트를 통해 즉시 유동한다. 탄소 종이(126, 127)의 공극 크기가 윅킹 재료(133)의 공극 크기보다 크기 때문에, 물은 윅킹 재료(133) 안쪽으로 흡수되고, 그곳에서 중력은 물을 윅킹 재료의 디스크(140)로 하향 끌어 당긴다. 그 다음 물은 디스크(140)를 통해 윅킹 재료의 플러그(147)로 유동하고, 그곳에서 중력은 물이 주위 환경으로 낙하하는 액적(153)(도6)이 되도록 한다.
테플론® 스크린(128)은 촉매가 최대의 효율을 위해 약 80℃(175℉)인 최적의 온도를 얻는 것을 허용하도록 열 차단부를 제공한다. 열이 너무도 신속하게 (연료 전지 전력 플랜트의 축수기(180)와 같은) 장치(99)로 전달되도록 허용된다면, 촉매 내의 온도는 떨어지고 프로세스는 효율이 떨어질 것이다.
산소의 확산율은 루버의 개도(루버를 통한 유동 경로)와 루버판(110) 및 촉매(130) 사이의 거리에 의해 제어된다. 과도한 산소가 촉매에 이르게 되면, 촉매의 온도는 국부적으로 너무 높게(약 수백 ℃ 정도로 높게) 되어서, 장치의 바닥으로부터의 상당한 열손실로 인해 효율이 감소된다. 따라서, 열 유동을 하향이 아닌 상향으로 증진하고 촉매 내측에서의 온도 균형을 유지시키는 것은 도4 내지 도6에서 기술된 장치의 상세한 설계의 중요한 태양이다.
본 발명의 다른 밸브 실시예는 도7에 도시되어 있다. 열손실, 과도한 연료 소비 및 비용소모적이고 복잡한 구조를 회피하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 도7에 도시된 바와 같이, 축수기 절연부의 외부이지만 축수기에 인접한 주위 대기의 온도를 감지한다. 그 안에서, 온도 센서(26a)는 축수기(10)의 진공 절연부(18)의 외부에 인접한다. 따라서, 기계적 온도조절 밸브(25)는 주위 온도에 따라서 개폐된다. 절연된 축수기 내의 물(9)은 특히 축수기가 가열되다면 항상 주위보다 더 따뜻하기 때문에, 기계적 온도조절 밸브(25)가 개방되는 온도는 물이 결빙되지 않는다는 것을 보장하도록 예컨대 0℃로 설정될 수 있다. 그러나, 적절히 밀봉된 듀어형 축수기(10) 내의 온도가 수일동안 빙점 이상으로 남아있을 것을 알기 때문에, 자동 가열 축수기는 불필요한 연료(통상적으로 전기 자동차의 내장형 연료) 소비일 것이다.
본 발명의 제2 실시예는 밸브(25)와 직렬로 타이머 밸브(183)를 포함하고, 이것은 축수기로 열을 공급하는 것이 불필요하다고 생각되는 동안의 임의의 적절한 시간 기간에 대해 설정될 수 있다. 타이머는 배터리로 운전될 수 있거나, 또는 기계적으로 운전될 수 있다. 예컨대, 스프링으로 운전되는 장치는, 가용한 전력이 있지만 연료 전지를 정지시키는 프로세스 도중에, 전기 모터에 의해 스프링이 권취되도록 할 수 있다. 타이머 밸브(183) 상의 타이머의 본질은 통상적이거나 본 발명의 임의의 특정한 실시예에 맞도록 선택될 수 있다.
타이머 밸브(183) 및 기계적 온도조절 밸브(25)의 조합에 의해, 가스는 타이머 밸브(183)로부터의 시간에 따르는 시간 틀에서 주위 온도가 밸브(25)의 설정점 이하로 떨어지기 전까지는 연소기(13)로 제공되지 않을 것이다. 밸브(25, 183)의 위치는 역전될 수도 있다.
도6의 연소기 실시예에서, 윅킹 재료의 플러그(147)로부터 떨어지는 응축물의 액적(153)은, 특하 본 발명이 자동차에서 사용될 때 땅의 표면 또는 차가운 바닥에 떨어지기 쉽다. 표면 및 주위가 0℃ 이하라면, 응축물이 한방울씩 얼면서, 역전된 고드름이 형성되기 시작할 것이다. 고드름의 크기는 그것이 플러그(147)의 일부 또는 전부를 둘러싸서 마침내 응축물이 벗어날 경로를 막기 전까지 커질 수 있다. 연소기는 윅킹(133, 140)을 통해 아래로 흐르는 물을 계속해서 생산할 것이기 때문에, 마침내 공간(150)(도6)은 충전되고 물은 촉매(130)와 접촉할 것이다. 일단 촉매가 범람하면, 연소는 중단되어서, 축수기(10, 100) 내의 물(9)은 결빙될 것이다.
이것을 방지하기 위해, 도8에 도시된 본 발명의 실시예는 물과 혼합되어서 약 -50℃(-60℉) 이상에서 얼지 않는 수용액을 형성할 수 있는 과립형 염(CaCl2)과 같이 물질(192)을 가지는 통(190)을 포함한다. 본 발명의 실시예는 고체 중심 볼트(103a)를 사용하여 도4 내지 도6에 도시된 실시예로부터 변경될 수 있다. 볼트(103a), 윅킹(133), 및 플라스틱 윅킹 지지체(134) 모두는 루버판(110)을 통해서 통(190) 안쪽으로 지나간다. 도시된 실시예에서, 통(190)은 스테인리스 스틸 실린 더이지만, 본 발명의 범위 내에서 다른 구성을 가질 수 있다. 통(190) 내의 위킹(140)은 윅킹 플러그(147)을 내부에 수용하기 위한 구멍(196)을 가지는 와셔(195)에 대해 지지된다. 통(190)이 실린더라면, 와셔(195)는 상기 실린더의 만곡된 표면과 접촉하여서 나머지 장치를 지지하도록 사각형일 수 있다. 통은 본 발명의 임의의 구현예에서 적절하다면, 과충전 방지 배수 장치(198)을 가질 수 있다.
윅킹(133)을 통해 윅킹(140)으로 하향 통과하는 응축물은 윅킹 플러그(147)에 이르고 염류(192)로 적하되어서, 응축물의 결빙이 촉매의 범람을 유발할 가능성을 감소시킨다.
촉매의 결빙을 예방하는 본 발명의 또 다른 실시예는 도9에 도시되어 있다. 도9에서, 윅킹(133) 및 윅킹 지지체(134)는 도8과 동일한 방식으로 루버판(110)을 통과하고 다공성 소수성 혼합기(200)에 인접한다. 6개의 반경방향 구멍(202)을 포함할 수 있는 볼트(103b)에서의 복수개의 수평 구멍은 볼트(103b) 내로 드릴링된 축방향 모세관 유체 통로(204)와 다공성 소수성 혼합기(200) 사이를 모세관 유체 연통시킨다. 모세관 파이프(205)는 상기 구멍(204)으로 가압되고 (본 발명이 예컨대 연료 전지에 의해 전력 공급되는 전기 차량에서 사용되는 경우에 편리한) 앞유리 세척액 소스(206)와 같은 소스로부터 부동액을 유도하며 온도 센서(210)에 반응하는 온도조절 밸브(209)와 유체 연통되어 있다.
상기 본 발명의 실시예에 있어서, 소스로부터의 앞유리 세척액 또는 다른 부동액은 모세관 튜브(205)를 통해 구멍(204)으로 당겨진다. 부동액은 반경방향 구멍(202)을 통과해서 상기 부동액을 응축물과 혼합하는 다공성 소수성 혼합 기(200)로 흐르고, 그 후 혼합물은 축수기(153) 아래의 표면으로 적하된다.
도9의 실시예의 경우에, 구멍(204)이 모세관 튜브(205)를 수납하기 때문에, 수소 소스 튜브(112)(도6)는 다른 실시예에서와 같이 사용될 수 없다. 도10에는, 수소를 위한 다른 경로가 도시되어 있다. 여기서, 촉매 히터에 바로 인접한 절연부(44)(도3)는 (도4에 도시된 바와 같이) 소거된 공간(176)이 아니라, 다공성 우레탄 절연부(176a)이다. 수소를 밸브(25)로부터 중심 보어(117)로 공급하는 모세관 튜브(211)에 통로를 제공하도록 얇은 슬롯(209)이 절연부(176a) 안쪽으로 절삭된다. 도8의 실시예에서, (도4 내지 도6에서와 같이) 튜브(112)는 앞서 도4 내지 도6에서 설명된 바와 같이 밸브(25)로부터 염류 박스를 통해 중공 볼트(103) 안쪽으로 유도될 수 있지만, 원한다면 튜브(211)는 본 발명의 임의의 구현예에 맞도록 도10에 도시된 바와 같이 사용될 수도 있다.
도12를 참조하면, 본 발명의 또 다른 구성이 도시되어 있다. 이러한 경우에, (귀금속과 같은) 촉매 재료와 다공성 금속의 기판(38) 상에 적층된 (테플론®과 같은) 소수성 재료의 혼합물을 포함할 수 있는 촉매는 그 중심이 수소 공급 파이프(43)에 연결되어 있고 그 외부면이 복수개의 구멍(225)을 내부에 구비하는 실린더인 확산 제어판(40)과의 사이의 공간(41)으로 향하는 다공성 실린더이다. 도12의 장치의 운전은, 비록 적절하게 배열된 대상을 가열하도록 사용될 수도 있지만, 공간을 가열하기에 매우 적합하다.

Claims (27)

  1. 용기(10) 내의 매체(9)를 따뜻하게 유지하는 시스템이며,
    열이 용기 내의 매체(9)로 전달될 수 있는 가열성 표면(11)을 가지는 용기(10)와,
    수소 공급부(28)를 포함하고, 또한
    타이머로 작동되는 밸브가 개방되도록 가열된 후 상기 타이머의 시간 기간이 만료되지 않는다면 폐쇄되도록 작동 가능한 제1 밸브와,
    상기 용기와 인접하여 배치되고, (i) 용기의 온도 또는 (ii) 상기 용기를 둘러싸는 주위 온도와 반응하는 온도 반응성 부재(26)를 가지는 제2 밸브(25)와,
    (a) 분사기 연소기(13a) 및 (b) 확산 연소기(13b)로부터 선택되는 수소/산소 촉매 연소기(13)를 포함하고,
    상기 분사기 연소기(13a)는, 열을 이용하는 장치로 열이 전달되도록 하는 가열 표면(36)과; 출구와, 상기 수소 소스와 유체 연통된 1차 입구(31)와, 공기와 유체 연통된 2차 입구(33)을 구비한 분사기(32)와; 상기 분사기 출구와 상기 가열 표면 사이에 배치된 수소/산소 연소 촉매(34)를 포함하고,
    상기 확산 연소기(13b)는 제1 측부 및 제2 측부를 가지는 수소/산소 연소 촉매(38)와; 상기 촉매의 상기 제1 측부로부터 제1 공간(39)만큼 분리되어 있고, 열을 이용하는 장치로 열이 전달되도록 하는 가열 표면(12)과; 수소를 상기 소스로부터 상기 제1 공간으로 전달하는 수소 도관(43)과; 공기 중에 배치되고 상기 촉매의 상기 제2 측부로부터 제2 공간(41)만큼 분리되어 있는 확산 제어 장치(40)를 포함하고; 상기 가열성 표면은 상기 가열 표면 중 하나와 접촉함으로써, 상기 밸브를 통과하는 수소가 촉매 연소되어서 상기 용기 내의 매체를 가열하고,
    상기 제2 밸브는 상기 온도 반응성 부재가 제1 온도 이하인 것에 응답하여 개방되고 상기 온도 반응성 부재가 제2 온도 이상인 것에 응답하여 폐쇄되도록 작동 가능하고, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도 이상이고, 상기 밸브들은 상기 공급부에 직렬로 연결되어서 상기 밸브들이 모두 개방되었을 때 상기 가열성 표면을 가열하는 연소를 위한 수소의 소스(24)를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용기(10)는 연료 전지 전력 플랜트의 축수기인 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 밸브는 타이머로 작동되는 밸브인 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 밸브는 온도조절 밸브인 시스템.
  5. 시스템을 따뜻하게 유지하기 위한 온도 반응성 수소 소스이며,
    열이 상기 용기 내로 전달될 수 있도록 가열성 표면(12)을 가지는 용기(10)와,
    수소 공급부(28)를 포함하고, 또한
    상기 용기와 인접하고, (i) 용기의 온도 또는 (ii) 상기 용기를 둘러싸는 주위 온도와 반응하는 온도 반응성 부재(26)를 가지는 밸브(25)를 포함하고,
    상기 밸브는 상기 온도 반응성 부재가 제1 온도 이하인 것에 응답하여 개방되고 상기 온도 반응성 부재가 제2 온도 이상인 것에 응답하여 폐쇄되도록 작동 가능하고, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도 이상이고, 상기 밸브는 상기 공급부에 연결되어서 상기 밸브가 개방되었을 때 상기 가열성 표면을 가열하는 연소를 위한 수소의 소스(24)를 제공하는 것을 특징으로 하는 온도 반응성 수소 소스.
  6. 제5항에 따른 온도 반응성 수소 소스와,
    상기 가열성 표면(12)을 가열하기 위해 상기 소스(24)로부터의 수소를 연소시키는 수소/산소 촉매 연소기(13)를 포함하는 동결 방지 용기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 밸브(25)는 상기 용기(10)와 열 접촉(26) 상태에 있는, 동결 방지 용기.
  8. 제6항에 따른 동결 방지 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 전력 플랜트용 축수기.
  9. 열을 이용하는 장치(10)로 열이 전달되도록 하는 가열 표면(36)과,
    출구와, 상기 수소 소스(24)와 유체 연통된 1차 입구(31)와, 공기와 유체 연 통된 2차 입구(33)을 구비한 분사기(32)와,
    상기 분사기 출구와 상기 가열 표면 사이에 배치된 수소/산소 연소 촉매(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소/산소 촉매 연소기(13a).
  10. 제1 측부 및 제2 측부를 가지는 수소/산소 연소 촉매(38)와,
    수소를 소스(24)로부터 상기 제1 측부로 전달하는 수소 도관(43)과,
    공기 중에 배치되고 상기 촉매의 상기 제2 측부로부터 제2 공간(41)만큼 분리되어 있는 확산 제어 장치(40)를 포함하는 수소/산소 촉매 연소기(13b).
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 촉매는 다공성 금속 기판 상에 촉매 재료의 코팅부를 포함하는 연소기.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 촉매는 다공성 기판 상에 촉매 재료와 소수성 재료의 혼합물을 포함하는 연소기.
  13. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 촉매(38)는 내부 표면이 테플론® 및 귀금속 또는 그들의 합금의 혼합물로 워시코팅된 다공성 금속 기판(130)을 포함하는 연소기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 귀금속은 백금, 팔라듐, 및 백금 및/또는 팔라듐의 합금으로부터 선택되는 연소기.
  15. 제10항에 있어서, 상기 촉매, 상기 제1 공간, 및 상기 제2 공간을 둘러싸는 절연부(44)를 더 포함하고, 상기 확산 제어 장치(40)는 상기 제2 공간(41)을 넘어 사실상 상기 절연부의 외주연부로 연장하는 연소기.
  16. 제10항에 있어서, 상기 제1 공간(39)은 금속 스크린(124)을 포함하는 연소기.
  17. 제10항에 있어서, 제1 공간(39)은,
    상기 촉매(38)에서의 연소에 의해 생성된 습기가 응축하는 제2 표면(156)을 포함하고,
    상기 제2 표면 아래에 배치된 제1 크기의 공극을 가지는 친수성 메시(126, 127)와,
    상기 메시로부터 상기 확산 제어판(40, 110) 아래의 지점까지 연장하는, 상기 제1 크기보다 작은 제2 크기의 공극을 가지는 윅킹 재료(133, 140, 147)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 확산 제어판 아래에 배치되고 상기 응축물을 수용하 도록 구성된 챔버(190)를 더 포함하고, 상기 챔버는 상기 응축물과 함께 -50℃(-60℉) 아래의 동결 온도를 가지는 액체를 형성하는 물질(192)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
  19. 제18항에 있어서, 상기 물질은 CaCl2 염인 연소기.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 응축물을 수용하기 위해 상기 확산 제어 장치(40) 아래에 배치된 다공성 친수성 혼합기(200)와,
    물과 혼합 가능한 부동액의 소스(206)와,
    상기 부동액의 소스를 상기 다공성 친수성 혼합기와 상호연결하는 적어도 하나의 모세관 튜브(205)를 더 포함하고,
    그에 따라, 상기 응축물이 부동액과 혼합하고 부동액 혼합물은 상기 다공성 친수성 혼합기로부터 대기로 적하하는 것을 특징으로 하는 연소기.
  21. 제20항에 있어서, 상기 부동액은 앞유리 세척액인 연소기.
  22. 제17항에 있어서, 상기 응축물은 대기로 전달되는 연소기.
  23. 제10항에 있어서, 상기 촉매(38, 130)는 축이 수직으로 배치된 중심 보어를 가지는 다공성 실린더인 연소기.
  24. 제23항에 있어서, 수소 도관(112, 103)은 수소를 상기 제1 공간으로 제공하기 위해 상기 중심 보어를 통과하는 연소기.
  25. 제23항에 있어서, 상기 제1 공간(39)은,
    상기 촉매(38)에서의 연소에 의해 생성된 습기가 응축하는 제2 표면(156)을 포함하고,
    상기 제2 표면 아래에 배치된 제1 크기의 공극을 가지는 친수성 메시(126, 127)와,
    상기 메시로부터 상기 확산 제어 장치(40, 110) 아래의 지점까지 상기 중심 보어를 통해 연장하는, 상기 제1 크기보다 작은 제2 크기의 공극을 가지는 윅킹 재료(133, 140, 147)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
  26. 제10항에 있어서, 상기 확산 제어 장치(40)는 그것을 통해 확산되는 산소량을 제한하여, 상기 촉매의 온도를 제한하는 연소기.
  27. 제10항에 있어서,
    상기 촉매는 내부가 제1 측부를 포함하고 외부가 제2 측부를 포함하는 다공 성 실린더를 포함하고,
    상기 확산 제어 장치(40)는, 상기 촉매를 둘러싸고 그로부터 이격되어 있으며 산소 확산 구멍(225)을 내부에 가지는 실린더를 포함하는 연소기.
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