KR20160030281A - 개량된 연료 전지 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

개량된 연료 전지 시스템 및 방법에 관한 것이다. 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 (intermediate-temperature solid oxide fuel cell; IT-SOFC) 시스템은 (ⅰ) 적어도 하나의 중간 온도 고체 산화물 연료 전지를 포함하며, 애노드 입구, 캐소드 입구, 애노드 오프-가스 배출구, 및 캐소드 오프-가스 배출구를 구비하고, 애노드 입구 가스, 캐소드 입구 가스, 애노드 오프-가스 및 캐소드 오프-가스의 플로우를 위한 개별 유로들을 한정하는 적어도 하나의 연료 전지 스택; 및 (ⅱ) 애노드 입구 가스를 위한 리포머 입구, 애노드 입구 가스를 배출하는 리포머 배출구, 및 리포머 열 교환기를 구비하며, 탄화수소 연료를 리포메이트로 리포밍하기 위한 증기 리포머를 포함한다. (a) 연료 원으로부터 상기 증기 리포머 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구로의 애노드 유입 가스 유체 유로; (b) 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구로부터 연료 전지 시스템 배기로의 애노드 오프-가스 유체 유로; (c) 적어도 하나의 산화제 주입구로부터 상기 리포머 열 교환기 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구로의 캐소드 유입 가스 유체 유로; 및 (d) 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 배출구로부터 상기 연료 전지 시스템 배기로의 캐소드 오프-가스 유체 유로가 정의된다. 상기 리포머 열 교환기는 (i) 상기 적어도 하나의 산화제 주입구 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구, 및 (ii) 상기 연료 원 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구와 유체 유동 연통하는 병렬-유동 열 교환기이며, 상기 캐소드 입구 가스 및 상기 애노드 입구 가스 사이의 열 교환을 하도록 배치된다.

Description

개량된 연료 전지 시스템 및 방법{IMPROVED FUEL CELL SYSTEMS AND METHODS}
본 발명은 개량된 연료 전지 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료 전지, 연료 전지 스택, 연료 전지 스택 조립체 및 열교환 시스템, 배열들 및 방법과 관련하여 WO02/35628, WO03/07582, WO2004/089848, WO2005/078843, WO2006/079800, WO 2006/106334, WO 2007/085863, WO 2007/110587, WO 2008/001119, WO 2008/003976, WO2008/015461, WO2008/053213, WO2008/104760, WO2008/132493, WO2009/090419, WO2010/020797, 및 WO2010/061190에 개시된바 있으며, 상기 문서들은 본원에 참고로 인용될 수 있다. 본원에 사용되는 용어의 정의는 상기 공보 내에서 참조될 수 있다. 특히, 본 발명은 WO2008/053213 호에 개시된 시스템 및 방법을 개선하고자 한다.
연료 전지 스택이 450-650℃의 범위에서, 보다 구체적으로 520-620℃의 온도 범위, 동작하는(중간 온도 고체 산화물 연료 전지, intermediate-temperature solid oxide fuel cell; IT-SOFC) 탄화수소 연료 SOFC(solid oxide fuel cell; 고체 산화물 연료 전지) 시스템을 운영하는 것은 일반적으로 >720℃ 온도에서 작동하는 YSZ(yttria-stabilised zirconia; 이트리아-안정화 지르코니아) 기반의 기술과 같은 고온 SOFC 기술에 비해 다른 기술적 문제들에 직면하게 되고 다른 접근 방식을 필요로 한다.
낮은 연료 전지 스택 동작 온도는 연료의 높은 수준의 내부 리포밍에 적합하지 않으며 이러한 시스템은 일반적으로 연료가 연료 전지 스택에 도달하기 전에 높은 수준의 리포밍이 요구된다.
이러한 시스템에서, 증기 리포밍(steam reforming)은 탄화수소 연료 스트림(hydrocarbon fuel stream)을 연료 전지 스택 애노드 입구(fuel cell stack anode inlet)에 공급되는 수소-풍부 리포메이트 스트림(hydrogen-rich reformate stream)으로 변환하기 위해 사용된다. (천연 가스와 같이) 탄화수소의 80 % 이상의 리포밍(reforming)이 허용되도록, 출력 리포메이트(output reformate)가 500-750℃의 온도범위가 되도록 리포머(reformer)는 전형적으로 620- 750℃ 의 온도 범위에서 작동된다. 리포메이트 스트림(reformate stream)은 약 450℃에서 연료 전지 스택에 진입하고 약 350-550℃로 냉각된다. 리포머(reformer)는 일반적으로 연료 전지 스택 오프-가스(fuel cell stack off-gases)를 연소하는 테일-가스 버너(tail-gas burner)의 출력에 의해 가열된다.
IT-SOFC 스택 냉각은 주로 연료 전지 스택의 캐소드 측 위에 산화제 흐름의 제어를 통해 이루어진다 (즉, 냉각 효과를 높이기 위하여, 더 많은 공기를 연료 전지 스택의 캐소드 측에 불어준다). 이것은 높은 수준의 내부 리포밍이 발생하고 내부 리포밍 반응의 흡열 효과로 동작 연료 전지로부터 방출된 열 에너지를 흡수하는 작용을 하는 다른 SOFC 기술들과 구별된다.
상기 높은 리포머 온도를 달성하기 위하여, 리포머(reformer)는 일반적으로 (핫 캐소드 오프-가스와 함께 연소함으로써, 산화제의 애노드 오프-가스 내의 잔여 연료를 연소하는)연료 전지 스택 테일-가스 버너(fuel cell stack tail-gas burner)와 밀접한 열적 결합을 이루고 있다. 이러한 구성에서, 테일-가스 버너 및 그것의 뜨거운 배출 가스는 열 교환 표면과 같은 열 교환기를 경유하여 리포머(reformer)와 밀접한 열적 결합을 이루고 있다. 일반적으로, 가능한 많은 열이 테일-가스 버너로부터 리포머(reformer)로 전달되게 하기 위하여 리포머(reformer)는 테일-가스 버너의 바로 옆에 또는 접촉하도록 배치된다.
본 발명자들은 현재의 IT-SOFC 연료 전지 스택 배치에 영향을 주는 다수의 기술적 한계들을 확인 하였다:
1. IT-SOFC 열화는 연료 셀 스택 효율의 상당한 비-선형 손실로 연결된다.
연료 전지를 사용하는 동안, 연료 전지의 열화는 전기 효율의 감소, 및 관련하여 소정의 전력 출력에 대한 발열 증가를 유발한다. 연료 전지 스택의 작동 온도를 조절하는 것은 연료 전지 스택의 작동 성능에 중요하다. 연료 전지 시스템에 있어서, (특히 연료 전지의 캐소드 측에 펌프들/송풍기들에 의한) 연료 전지 스택 냉각의 공급은 실질적인 시스템 기생 부하(일반적으로, 큰 시스템 기생 부하) 이다. 연료 전지의 성능저하에 있어서, 효율 손실 및 증가된 기생 부하의 조합은 시스템 레벨에서 불균형적인(즉, 선형보다 큰, 또한 본 명세서에서 비-선형으로 지칭) 효율 감소를 제공한다.
또한, 연료 전지 스택은 연료 전지 스택 냉각을 제공하기 위해 전력을 제공하기 때문에, 포지티브 피드백 메커니즘(즉, 악순환)은 연료 전지 효율의 손실에 의해 시작된다, 즉, 연료 전지 스택이 비효율적이며 지정된 전기 출력을 위한 더 많은 열을 발생하게 되고, 따라서 전력 수요 증가를 초래하여 더 많은 냉각이 필요하게 되며, 더 많은 전력 생성이 요구되고, 결과적으로 추가적인 냉각 증가가 요구되는 열 발생이 더욱 증가하게 된다.
2. 테일-가스 버너에 대한 리포머(reformer)의 밀접한 열적 커플링은 연료 전지 스택 냉각 부하 증가를 초래한다.
테일-가스 버너(TGB)에 대한 (흡열) 연료 리포머의 밀접한 열적 커플링은 연료 리포머를 떠나는 연료 흐름의 엔탈피(enthalpy )가 연료 전지 스택에 대한 전체 공기 흐름의 함수임을 의미한다. IT-SOFC 열화로, 늘어난 전기 저항 및 이에 따른 연료 전지 발열 증가는 리포머 온도 상승 및 이에 따른 개질 연료의 수소 함량 증가를 초래하고, 결과적으로 연료 전지 스택 운전 중에 연료 전지 스택 냉각 부하가 증가된다.
리포머 배출구 및 연료 전지 스택 애노드 입구 사이의 애노드 입구 가스에 대한 추가적인 열 회복이 없을 경우, 이러한 상승된 열 에너지는 추가적인 냉각 부하로서 연료 전지 스택에 전송된다, 이는 총 전력 요구 사항을 더욱 증가시키고 연료 전지 시스템 효율을 더욱 감소시키는 결과를 초래한다.
3. 개질의 결과로 생성된 일산화탄소는 탄소 드롭-아웃(drop-out) 및 금속 먼지를 유발하고, 연료 전지 스택 애노드 측에 열화를 초래한다.
개질 연료로부터 탄소 드롭-아웃은, 특히 장시간 사용시, 연료 전지 스택 성능에 상당히 부정적인 영향을 미친다. 일산화탄소를 함유하는 리포메이트(reformate )가 리포머(reformer)를 나와서 IT-SOFC 스택 애노드 입구로 통과함에 따라, 높은 수준의 개질을 위하여 리포머(reformer)는 통상 고온에서 가동된다는 사실 때문에 그것은 일반적으로 현저한 온도 감소를 겪는다. 온도 감소의 결과로서, 일산화탄소 및 이산화탄소의 평형은 이산화탄소 쪽으로 기울어진다 - 바우다드 반응(Boudouard Reaction)이 일어난다, 일산화탄소가 이산화탄소로 산화되며, 탄소가 석출되고, 즉, 탄소 드롭-아웃이 발생합니다. 이 탄소 드롭-아웃은 (i) 및 (ii) 의 형태이다. (i) 표면을 덮을 수 있으며 유체 유동 경로들을 막고/제한 할 수 있는 입자상 탄소. (ii) 탄소가 부품의 노출 된 금속 표면의 표면에 형성되고, 부품 사양에 대응하는 부정적인 영향으로 시간이 지남에 따라 부품의 몸체에서 제거되어야 할 금속을 초래하는 금속 먼지 ("Corrosion by Carbon and Nitrogen: Metal Dusting, Carburisation and Nitridation", edited by H.J. Grabke and M. Schu?ze, 2007, ISBN 9781845692322).
내부 리포밍의 등급이 송풍기 기생 부하 감소에 효과적이고 실로 바람직하며, 외부 리포메이트(reformate)는 필연적으로 연료 전지 스택 작동 온도에 충분히 가깝고, 따라서 바우다드 반응 온도 범위를 통한 냉각이 요구되지 않기 때문에, 더 높은 온도의 연료 전지 시스템에서는 통상적으로 이러한 제한들이 나타나지 않는다.
본 발명은 종래 기술의 문제점들 중 적어도 하나를 해결, 극복 또는 완화하기 위함이다.
본 발명에 따르면, 중간 온도 고체 산화물 연료 전지(intermediate-temperature solid oxide fuel cell; IT-SOFC) 시스템 및 첨부 된 독립 청구항들에 정의된 IT-SOFC 운전 방법이 제공된다. 더 바람직한 특징들은 첨부된 종속항에서 정의된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 (intermediate-temperature solid oxide fuel cell; IT-SOFC) 시스템은 (ⅰ) 적어도 하나의 중간 온도 고체 산화물 연료 전지(intermediate-temperature solid oxide fuel cell)를 포함하며, 애노드 입구(anode inlet), 캐소드 입구(cathode inlet), 애노드 오프-가스 배출구(anode off-gas outlet), 및 캐소드 오프-가스 배출구(cathode off-gas outlet)를 구비하고, 애노드 입구 가스(anode inlet gas), 캐소드 입구 가스(cathode inlet gas), 애노드 오프-가스(anode off-gas), 및 캐소드 오프-가스(cathode off-gas)의 플로우를 위한 개별 유로들을 한정하는 적어도 하나의 연료 전지 스택(fuel cell stack); 및 (ⅱ) 애노드 입구 가스(anode inlet gas)를 위한 리포머 입구(reformer inlet), 애노드 입구 가스를 배출하는 리포머 배출구(reformer outlet), 및 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger)를 구비하며, 탄화수소 연료(hydrocarbon fuel)를 리포메이트(reformate)로 리포밍(reforming)하기 위한 증기 리포머(steam reformer)를 포함한다. (a) 연료 원(fuel source)으로부터 상기 증기 리포머(steam reformer) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구(fuel cell stack anode inlet)로의 애노드 유입 가스 유체 유로(anode inlet gas fluid flow path); (b) 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구(fuel cell stack anode off-gas outlet)로부터 연료 전지 시스템 배기(fuel cell system exhaust)로의 애노드 오프-가스 유체 유로(anode off-gas fluid flow path); (c) 적어도 하나의 산화제 주입구(oxidant inlet)로부터 상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet)로의 캐소드 유입 가스 유체 유로(cathode inlet gas fluid flow path); 및 (d) 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 배출구(fuel cell stack cathode off-gas outlet)로부터 상기 연료 전지 시스템 배기(fuel cell system exhaust)로의 캐소드 오프-가스 유체 유로(cathode off-gas fluid flow path)가 정의된다. 상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger)는 (i) 상기 적어도 하나의 산화제 주입구(oxidant inlet) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet), 및 (ii) 상기 연료 원(fuel source) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구(fuel cell stack anode inlet)와 유체 유동 연통하는 병렬-유동 열 교환기(parallel-flow heat exchanger)이며, 상기 캐소드 입구 가스(cathode inlet gas) 및 상기 애노드 입구 가스(anode inlet gas) 사이의 열 교환을 하도록 배치된다.
방법 단계들에 대한 참조는 방법 단계를 수행하도록 구성된 본 발명의 시스템을 참조한다.
의심의 소지를 없애기 위해, 본원에 참조된 병렬 유동 열 교환기(parallel flow heat exchangers)는 공동-유동 열 교환기(co-flow heat exchangers)이다.
바람직하게는, 적어도 하나의 연료 전지 스택은 US6794075에 개시된 바와 같이 금속-지지 IT-SOFC 스택 이다. 바람직하게는, IT-SOFC는 400℃-650℃, 보다 바람직하게는 450℃-650℃, 보다 바람직하게는 520-620℃의 안정 상태 동작 온도(steady state operating temperature)를 갖는다.
바람직하게는, 각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택은 적어도 하나의 연료 전지 스택 층을 포함하고, 각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택 층은 적어도 하나의 연료 전지, 연료 및 산화제 입구/출구 연결, 그리고 연료 및 산화제 스트림(oxidant stream) 또는 스트림들(streams)을 위하고 사용된 연료 및 산화제 스트림(oxidant stream) 또는 스트림들(streams)을 위한 플로우 패스(flow paths), 연료 전지 스택 베이스 플레이트(base plate), 및 연료 전지 스택 엔드플레이트(endplate)를 포함한다. 바람직하게는, 각각의 연료 전지 스택은 연료 전지 스택 엔드플레이트들(endplates) 및 연료 전지 스택 압축 수단을 더 포함한다. 바람직하게는, 각각의 연료 전지 스택은 스택 연결기(stack interconnects)를 더 포함한다. 바람직하게는, 연료 전지 스택 연결기(fuel cell stack interconnects)는 전기 전도성 가스 불 투과성 금속 상호접속 판(electrically conducting gas impermeable metal interconnect plates) 이다.
리포머 열 교환기는 병렬 유동 열 교환기 이며 그리고 상기 적어도 하나의 연료 전지에 진입하기 전에 캐소드와 애노드 입구 가스 사이의 열 교환을 위해 배치된다는 것은 리포머 및 리포머 열 교환기에서 캐소드와 애노드 입구 가스의 출구 온도는, 따라서 적어도 하나의 연료 전지 스택의 캐소드와 애노드 측으로의 입구 온도는, 서로 매우 근접하다 는 것을 의미한다.
적어도 하나의 연료 전지에 대한 애노드 및 캐소드 유입 가스의 온도 차는 주로 리포머 열 교환기의 성능에 의해 결정된다. 예를 들면, 안정-상태 동작에서, 적어도 하나의 연료 전지 스택에 대한 애노드 및 캐소드 유입 가스의 온도 차는 20℃ 이내, 더욱 전형적으로 15℃ 이내, 일 수 있다.
이 병렬 -유동 구성은 상당한 이점을 나타낸다. 특히, 적어도 하나의 연료 전지의 전해질 층에 걸쳐 열 응력이 종래 연료 전지 시스템과 비교하여 현저히 감소되는 것을 의미한다. 열 응력을 감소시킴으로써, 시간의 경과에 따른 전해액의 분해 속도가 감소 될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 특히 그 전체 수명에 걸쳐, 탄소 탈락(carbon drop-out)은 연료 전지에서 중요한 문제이다. 탄소 탈락의 양을 줄이거나, 또는 적어도 하나 이상의 연료 전지 그리고 리포머 및 적어도 하나의 연료 전지 스택/적어도 하나의 연료 전지 사이의 배관에서 발생하는 탄소 탈락의 양을 최소화하는 것이 매우 바람직하다. 이러한 구성 요소는 최종 제품에서 액세스하기는 전형적으로 어렵고, 편리한 유지 보수를 위해 일반적으로 적합하지 않습니다, 특히 국내 제품에 있어서.
리포머로부터의 애노드 유입 가스의 출구 온도 근접성은, 따라서 적어도 하나의 연료 전지 스택의 애노드 측의 유입 온도, 상기 리포머 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 사이에 탄소 탈락의 우려가 현저하게 감소되는 것을 의미한다.
IT-SOFC 시스템은 리포머로부터의 애노드 유입 가스의 출구 온도가 적어도 하나의 연료 전지 스택의 작동 온도에 가깝도록 하는데 적합하고, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 탄소 탈락의 위험은 더욱 감소된다.
바람직하게는, IT-SOFC 시스템은 상기 산화제 주입구 및 상기 리포머 열 교환기 사이의 상기 캐소드 유입 가스 유체 유로에 위치한 적어도 하나의 산화제 히터, 적어도 하나의 산화제 송풍기, 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서, 연료 전지 스택 캐소드 오프 가스온도 센서, 및 제어 수단을 더 포함하고, 상기 제어 수단은 상기 산화제 송풍기 및 상기 캐소드 유입 가스 온도 센서가 설정된 온도를 유지하도록 하고 상기 캐소드 오프-가스 온도 센서가 설정된 온도를 유지하도록 상기 산화제 히터에 의한 유입 산화제 가열을 제어하는데 적합하다. 본 명세서 문맥에서 "유지(maintain)"는 제어 수단이 산화제 송풍기 및 상기 산화제 히터에 의한 유입 산화제 가열을 제어하기 전에, 캐소드 유입 가스 온도 센서가 설정된 온도가 아닌 경우 경우를 포함한다. 유사하게, 본 명세서 문맥에서 "유지(maintain)"는 제어 수단이 산화제 송풍기 및 상기 산화제 히터에 의한 유입 산화제 가열을 제어하기 전에, 캐소드 오프-가스 온도 센서가 설정된 온도가 아닌 경우 경우를 포함한다.
바람직하게는, 캐소드 유입 가스 온도 센서가 설정된 온도 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50℃ 에서 유지된다, 가장 바람직하게는 설정된 온도 5 ℃ 이내.
바람직하게는, 캐소드 오프-가스 온도 센서가 설정된 온도 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50℃ 에서 유지될 수 있다, 가장 바람직하게는 설정된 온도 5 ℃ 이내.
바람직하게는, 주 캐소드 유입 가스 유동 경로 (또한 "유입 산화제 메인 패스"라한다)는 산화제 주입구로부터 리포머 열 교환기 산화제 주입구로 흐른다.
바람직하게는, 공기 바이패스 유입 가스 유로(또한 "유입 산화제 바이패스"이라한다)는 산화제 주입구로부터 리포머 열 교환기 산화제 주입구로 흐른다.
바람직하게는, 2차 공기 바이패스 유입 가스 유로는 산화제 주입구로부터 리포머 캐소드 오프-가스의 유체 유로로 전달한다, 즉 리포머 열 교환기 산화제 배출구 및 연료 전지 스택 캐소드 입구 사이, 보다 바람직하게 리포머 열교환 산화제 배출구 및 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서 사이.
바람직하게는, IT-SOFC 시스템은 상기 산화제 주입구 및 상기 리포머 열 교환기 사이의 상기 캐소드 유입 가스 유체 유로에 위치하는 적어도 하나의 산화제 히터를 더 포함한다.
바람직하게는, IT-SOFC 시스템은 상기 적어도 하나의 산화제 주입구로부터 상기 리포머 열 교환기 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구로의 유입 산화제 메인 패스, 그리고 상기 적어도 하나의 산화제 주입구로부터 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구로, 및/또는 상기 적어도 하나의 산화제 주입구로부터 상기 리포머 열 교환기 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구로의 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 산화제 히터는 상기 유입 산화제 메인 패스에 위치한다.
그러므로, 적어도 하나의 열원은 제어 할 필요가 없다(열 요구량을 공급할 능력이 있는 한), 그리고 메인 패스 및 바이패스를 통한 산화제의 플로우 대신 필요한 캐소드 유입 가스 온도를 달성하기 위해 변화된다.
이러한 구성에 따르면, 적어도 하나의 산화제 히터는 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스에 위치하지 않는다.
상기 적어도 하나의 산화제 주입구로부터 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구로의 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스는 리포머 열 교환기를 통과하지 않는다. 이러한 바이패스는 리포머 열 교환기를 떠난 후 캐소드 유입 가스 온도의 독립적 제어 등급을 허용한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스는 적어도 두 개의 유입 산화제 바이패스를 포함하고, 하나는 상기 적어도 하나의 산화제 주입구로부터 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구까지이고, 다른 하나는 상기 적어도 하나의 산화제 주입구로부터 상기 리포머 열 교환기 입구 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구까지 이다.
바람직하게는, IT-SOFC 시스템은 적어도 하나의 산화제 송풍기를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 산화제 송풍기는 상기 유입 산화제 메인 패스 및/또는 상기 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스에 위치한다. 상기 적어도 하나의 송풍기는 단일 송풍기 일 수 있다. 상기 단일 송풍기는 상기 유입 산화제 메인 패스 및 상기 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스에 위치할 수 있다.
상기 적어도 하나의 송풍기는 두 개의 송풍기일 수 있다. 상기 두 개의 송풍기는 상기 유입 산화제 메인 패스 및 상기 유입 산화제 바이패스에 각각 위치할 수 있다. 상기 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스는 단일 유입 산화제 바이패스일 수 있다.
상기 적어도 하나의 송풍기는 세 개의 송풍기일 수 있다. 상기 적어도 두 개의 유입 산화제 바이패스는 두 개의 유입 산화제 바이패스일 수 있다. 상기 세 개의 송풍기는 상기 유입 산화제 메인 패스와 상기 두 개의 유입 산화제 바이패스에 각각 위치할 수 있다.
바람직하게는, IT-SOFC 시스템은, 상기 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스 및 상기 유입 산화제 메인 패스 사이의 유입 산화제 플로우를 제어하는, 적어도 하나의 조정 가능한 유입 산화제 플로우 스플리터를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, IT-SOFC 시스템은, 상기 하나의 유입 산화제 바이패스 및 상기 다른 유입 산화제 바이패스 사이의 유입 산화제 플로우를 제어하는, 조정 가능한 유입 산화제 플로우 스플리터를 더 포함할 수 있다. 이것은 상기 리포머 열 교환기 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구 모두에 대한 산화제의 플로우 레이트를 하나의 소스로부터 제어 될 수 있도록 한다.
바람직하게는, 제어 수단은 상기 적어도 하나의 송풍기 및/또는 상기 적어도 하나의 조정 가능한 유입 산화제 플로우 스플리터를 제어하고, 상기 캐소드 유입 가스 온도 센서가 설정된 온도를 유지하고, 그리고 상기 캐소드 오프 - 가스 온도 센서가 설정된 온도를 유지하도록 구성되어 제공된다.
바람직하게는, 추가적인 온도 센서가 제공된다. 상기 추가적인 온도 센서는 바람직하게 연료 전지 스택 애노드 유입 가스 온도 센서 이다. 다른 추가적인 센서가 제공 될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제어 수단은, 상기 캐소드 유입 가스 온도 센서 및/또는 상기 캐소드 오프-가스 온도 센서 및/또는 상기 연료 전지 스택 애노드 유입 가스 온도 센서가 설정된 온도를 유지하도록, 상기 적어도 하나의 산화제 송풍기 또는 상기 적어도 하나의 조정 가능한 유입 산화제 플로우 스플리터를 제어하도록 구성된다.
바람직하게는, 유입 산화제 바이패스는 상기 리포머 열 교환기 및 상기 캐소드 입구 사이의, 보다 바람직하게는 상기 리포머 열 교환기 산화제 배출구 및 상기 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서 사이의, 캐소드 유입 가스 플로우 패스에서 합류한다. 바람직하게는, 산화제 송풍기 또는 조절 가능한 유입 산화제 플로우 스플리터는 상기 유입 산화제 바이 패스에 위치할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제어 수단은, 상기 캐소드 유입 가스 온도 센서 및/또는 상기 캐소드 오프-가스 온도 센서 및/또는 상기 연료 전지 스택 애노드 유입 가스 온도 센서가 설정된 온도를 유지하도록, 상기 산화제 송풍기 또는 상기 조정 가능한 유입 산화제 플로우 스플리터를 제어하도록 구성된다.
바람직하게는, 유입 산화제 바이패스는 캐소드 유입 가스 유로의 산화제 입구 및 리포머 열 교환기 사이의, 보다 바람직하게는 상기 적어도 하나의 산화제 히터 및 상기 리포머 열 교환기 사이, 캐소드 유입 가스 유로에서 합류한다. 바람직하게는, 산화제 송풍기 또는 조정 가능한 유입 산화제 플로우 스플리터는 상기 유입 산화제 바이패스에 위치한다. 바람직하게는, 상기 제어 수단은, 상기 캐소드 유입 가스 온도 센서 및/또는 상기 캐소드 오프-가스 온도 센서 및/또는 상기 연료 전지 스택 애노드 유입 가스 온도 센서가 설정된 온도를 유지하도록, 상기 산화제 송풍기 또는 상기 조정 가능한 유입 산화제 플로우 스플리터를 제어하도록 구성된다.
설정된 온도는 바람직한 온도 테이블을 참조하여 결정될 수 있다, 예를 들면 주어진 출력 또는 연료 유동의 주어진 비율을 참조. 이 설정된 온도는 동작 설정치, 또는 필요한 동작 설정 값으로 지칭 될 수 있다. 1 kW 전력 출력 연료 전지 스택을 위하여, 연료 전지 스택 캐소드 입구 가스 온도 센서를 위한 설정된 온도는 약 540 ℃ 일 수 있다. 바람직하게는, 연료 전지 스택 캐소드 입구 가스 온도 센서를 위한 설정된 온도는 530-570℃ 범위 일 수 있다. 1 kW 전력 출력 연료 전지 스택을 위하여, 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서를 위한 설정된 온도는 약 610℃ 일 수 있다. 바람직하게는, 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서를 위한 설정된 온도는 580-620℃ 범위 일 수 있다.
본원에서 참조된 연료 전지 스택 전력 출력은 연료 전지 시스템 전력 출력과 구별된다, 그리고 연료 전지 시스템 그 자체에 의해 소모되는 전력을 포함하지 않는다, 예를 들면 제어 수단 및 송풍기 등을 위한.
바람직하게는, 상기 제어 수단은 연료 전지 시스템이 안정 상태 운전(steady state operation) 일 때 캐소드 유입 가스 온도 센서와 캐소드 오프-가스 온도 센서가 설정된 온도를 유지하도록 구성된다.
보다 바람직하게는, 상기 제어 수단은 캐소드 유입 가스 온도 센서가 약520-600℃를 온도를 유지하도록 구성된다, 보다 바람직하게는 약530-570℃, 보다 바람직하게는 약 540℃, 그리고 캐소드 오프-가스 온도 센서가 약550-650 ℃를 온도를 유지하도록 구성된다, 보다 바람직하게는 약580-620 ℃, 보다 바람직하게는약 610℃.
바람직하게는, 상기 제어 수단은 연료 전지 스택 애노드 유입 가스 온도가 약520-600℃를 온도를 유지하도록 구성된다, 보다 바람직하게는 약530-570℃. 바람직하게는, 상기 제어 수단은 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 온도가 약550-650 ℃를 온도를 유지하도록 구성된다, 보다 바람직하게는 약580-620 ℃.
바람직하게는, 상기 제어 수단은 연료 원 및 급수로부터 연료 전지 시스템에 연료 및 물 유동을 제어하도록 부가적으로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어 수단은 전기 부하에 대한 연료 전지 시스템으로부터 공급되는 전력을 제어, 보다 바람직하게 모니터 및 제어, 하도록 구성된다.
산화제 유동 경로 내의 두 이산 지점에서 온도 제어는 조합에 의해 알맞게 달성된다:
(i) 캐소드 유입 가스의 가열 제어, 및
(ii) 캐소드 유입 가스의 매스 플로우 레이트 제어.
따라서, 두 개의 독립 제어 루프가 동작한다.
제 1 제어 루프는 적어도 하나의 연료 전지 스택에 대한 캐소드 유입 가스 온도의 제어이다. 상기 제어 수단은, 캐소드 유입 가스 온도 센서에 의해 측정된 캐소드 유입 가스의 온도가 설정된 온도 이하인 경우, 적어도 하나의 산화제 히터에 의해 유입 산화제 가열이 증가하도록 구성된다, 그리고 이와 반대로도 구성.
따라서, 적어도 하나의 연료 전지 스택에 대한 캐소드 유입 가스의 온도가 제어된다.
순차적으로 이것은 적어도 하나의 연료 전지 스택에 대한 애노드 입구 가스의 온도가 유지됨을 의미한다, 그리고 그것은 유입 산화제 및 연료의 매스 플로우의(따라서 열 요구에 의해 가해지는) 변화, 및 IT-SOFC 시스템에 대한 산화제 및 연료의 유입 온도의 변화에 관계없이 유지되는 것을 의미한다.
제 2 제어 루프는 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스의 온도를 제어한다. 적어도 하나의 연료 전지 스택에 대한 캐소드 유입 가스 온도가 개별적으로 제어되기 때문에, 캐소드 오프-가스 온도는 적어도 하나의 연료 전지 스택을 통과하는 산화제 매스 플로우를 변화시킴으로써 제어된다.
따라서, 상기 제어 수단은, 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서에 의해 측정되는 캐소드 오프-가스 온도가 설정된 온도 이상이면, 캐소드 유입 가스 매스 플로우 레이트를 증가시키도록 구성된다, 그리고 이와 반대로 구성.
이것은 제어된 범위 내에서 (그리고 연료 전지 스택에 대한 DT) 연료 전지 스택 캐소드 입구 및 출력 온도를 유지하는 간단하고 편리한 자동 조정 제어 시스템의 중요한 이점을 제공한다.
바람직하게는, IT-SOFC 시스템은 추가적으로 포함한다:
조정 가능한 유입 산화제 흐름 분배기(adjustable inlet oxidant flow splitter);
유입 산화제 바이 패스; 및
유입 산화제 메인 패스.
상기 제어 수단은 상기 조정 가능한 유입 산화제 플로우 스플리터를 제어하여 상기 유입 산화제 바이패스 및 상기 유입 산화제 메인 패스, 상기 유입 산화제 메인 패스에 위치한 상기 적어도 하나의 산화제 히터 사이의 유입 산화제 흐름을 제어하도록 구성된다.
따라서, 상기 유입 산화제 바이패스는 상기 적어도 하나의 산화제 히터를 바이패스 하는 역할을 한다. 다른 실시 예에서, 상기 유입 산화제 바이패스는 상기 리포머/리포머 열 교환기를 바이패스 하는 역할을 한다.
따라서, 상기 적어도 하나의 열원은 제어 할 필요가 없다(그것이 열 필요량을 공급할 수 있는 한), 그리고 메인 패스 및 바이 패스를 통한 산화제의 플로우 대신 필요한 캐소드 유입 가스 온도를 달성하기 위해 변화된다.
바람직하게는, 상기 조정 가능한 유입 산화제 플로우 스플리터, 유입 산화제 바이패스, 및 유입 산화제 메인 패스는 상기 적어도 하나의 산화제 송풍기와 상기 리포머 열 교환기 사이에 위치한다.
다른 구성은 당업자에게 명백 할 것이다. 예를 들면, IT-SOFC 시스템에 다중 산화제 입구가 제공될 수 있다, 예를 들면 가열된 산화제 주입구 및 가열되지 않은 산화제 주입구, 이러한 유입구들을 통하는 유동을 제어하는 밸브 및/또는 송풍 장치와 함께.
바람직하게는, IT-SOFC는 추가적으로 포함한다:
산화제 주입구로부터 상기 리포머 열 교환기로의 유입 산화제 바이패스,
및 제1 송풍기, 그리고
산화제 주입구로부터 상기 리포머로의 유입 산화제 메인 패스,
및 제2 송풍기,
상기 제어 수단은 상기 제 1 및 제 2 송풍기를 제어하여 상기 유입 산화제 바이패스 및 상기 유입 산화제 메인 패스, 상기 유입 산화제 메인 패스에 위치한 상기 적어도 하나의 산화제 히터 사이의 유입 산화제 흐름을 제어하도록 구성된다.
상기 리포머 병렬-유동 열 교환기 구성은, 리포메이트 품질(즉, 유입 연료의 리포밍 정도)은 유체 플로우 레이트에 의해 심각한 영향을 받지는 않으며, 그리고 (리포머 온도의 함수로서) 연료 전지 스택 캐소드 입구(산화제) 온도에 직접 연결되어 있다는 것을 의미한다. 연료 전지 스택에 대한 산화제 온도는 상기 유입 산화제 메인 패스 및 상기 유입 산화제 바이패스를 통한 입력 유입 산화제의 비율을 변화시킴으로써 제어된다. 따라서, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구에 전달되는 상기 유입 산화제는 연료 전지 스택 열화가 발생하는 동안 일반적으로 일정한 온도로 유지될 수 있다.
연료 전지 스택이 열화됨에 따라, 상기 리포머 열 교환기(및 상기 연료 전지 스택)로의 유입 산화제의 플로우 레이트는 원하는 온도를 유지하거나 또는 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서에 설정된 온도를 달성하도록 증가될 수 있다, 따라서 전체 스트림 엔탈피가 증가한다. 그러나, 상기 열 교환기 리포머의 공동-유동 특성은 리포메이트 배출구 온도의 결과적 증가는 유입 산화제 유량은 증가되지 않은 대신에 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서의 온도가 증가한 경우보다 훨씬 작다는 것을 의미한다. 따라서, 리포메이트 품질은 시스템의 수명 전반에 걸쳐 유지된다, 그리고 내부 리포밍의 수준은 종래의 연료 전지 스택 구성에서 나타나는 것처럼 감소하지는 않는다.
본 발명에 있어서, 연료 전지 스택 캐소드 및 애노드 입구 온도에 대한 리포머 온도 커플링은 리포머에서(즉 리포메이트) 연료 전지 스택 애노드 입구로 전달되는 애노드 입구 흐름에 대한 온도 변화가 비교적 작은 것을 의미한다, 또한 탄소 탈락(carbon drop-out)의 위험성이 종래 기술의 장치에 비해 현저히 감소되는 것을 의미한다.
연료 전지 스택 열화 및 전기 효율이 감소하면, 연료 전지 스택에 의해 방출된 열은 증가하고, 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도를 유지하기 위해 캐소드 산화제 플로우 레이트의 증가를 필요로 한다.
따라서, 증가된 송풍기 전력 소모로 인하여 연료 전지 스택에 대한 산화제 주입구 유동이 증가하지만, 본 발명은 산화제 주입구 유동 증가가 리포메이트 품질을 변경하지 않는 것을 의미한다, 또한 연료 전지 스택의 흡열성 내부 리포밍의 양이 유지된다는 것을 의미한다, 또한 추가적인 연료 전지 스택 냉각이 필요하지 않다는 것을 의미한다.
리포머 열 교환기의 병렬 유동 구성 및 그 결과로 얻어진 상기 연료 전지 스택의 캐소드와 애노드 측의 입구 온도의 근접 커플링은 (세라믹)연료 전지 전해질 층을 통한 열 응력을 감소시킨다, 따라서 연료 전지 전해질 작동 수명이 증가된다.
바람직하게는, 리포머 배출구로부터의 상기 리포메이트 유동은 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구와 직접 유체 유동 연통한다. 바람직하게는, 리포머 열 교환기로부터의 캐소드 배출구는 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구에 직접 유체 유동 연통한다.
바람직하게는, 산화제 히터는 적어도 하나의 열 교환기를 포함한다.
보다 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 산화제 히터는 상기 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구 및 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 배출구들 중 적어도 하나와 유체 유동 연통하는 산화제 예열기 열 교환기를 포함하며, 그리고 (a) 상기 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구 및 상기 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 배출구의 적어도 하나로부터의 가스 유동, 및 (b) 상기 유입 산화제 사이의 열 교환을 하도록 배치된다.
따라서, 적어도 하나의 연료 전지 스택를 빠져나가는 고온 애노드 및/또는 캐소드 가스 유동은 리포머 열 교환기로의 유입 산화제 유동을 가열하는데 이용된다.
더욱 더 바람직하게는, 연료 전지 시스템은, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 및 캐소드 오프-가스 배출구와 유체 유동 연통되고, 테일- 가스 버너 배기를 가지며, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 및 캐소드 오프-가스 출구로부터 상기 테일- 가스 버너 배기, 상기 산화제 예열기 열 교환기, 및 상기 연료 전지 시스템 배기 로의 유체 유동 경로를 정의하는, 테일-가스 버너를 더 포함한다.
따라서, 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 오프-가스에 남은 연료는 연소되고 발생 된 열은 유입 산화제를 가열하는데 사용된다. 최소 테일 가스 버너 배기 온도는 가스 배출 요구 사항을 준수해야 한다. 테일 가스 버너 배기 온도가 최소값 이하로 저하되면, 테일 가스 버너 배기 온도를 증가시키기 위하여 추가적인 미 개질 연료가 연료 원으로부터 테일 가스 버너에 직접 공급되어야 한다.
바람직하게는, 테일-가스 버너는 테일-가스 버너 연료 입구를 더 포함한다. 바람직하게는, 연료 전지 시스템은 테일-가스 버너 배기 온도 센서를 더 포함한다, 상기 제어 수단은 테일-가스 버너 배기 온도 센서에 의해 검출된 온도가 설정된 온도 이하일 때 테일-가스 버너 연료 주입구를 통한 테일- 가스 버너로 추가 연료를 공급하도록 구성된다. 바람직하게는, 테일-가스 버너 연료 주입구는 테일-가스 버너로 미개질 연료를 제공하도록 구성된다, 즉, 연료 원에 직접적으로 연결된다(직접적인 유체 유동 연통이다), 더욱 바람직하게는 미개질 연료 원.
바람직하게는, 상기 산화제 히터는 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구와 유체 유동 연통하는 애노드 오프-가스 열 교환기를 포함한다, 그리고 (a) 상기 애노드 오프-가스 배출구로부터 가스 유동 및 (b) 상기 유입 산화제 사이의 열 교환 배치된다.
바람직하게는, IT-SOFC 시스템은 상기 애노드 오프-가스 열 교환기 및 상기 테일-가스 버너 사이의 상기 애노드 오프-가스 유체 유로에 위치하는 응축기 열 교환기를 포함한다, 상기 응축기 열 교환기는 상기 애노드 오프-가스 및 냉각 유체 사이의 열 교환 배치된다. 보다 바람직하게는, 상기 응축기 열 교환기는 애노드 오프-가스의 온도가 물 이슬점 이하로 될 수 있도록 구성된다.
바람직하게는, 냉각 액은 냉각 유체 시스템의 일부분 이다. 바람직하게는, 냉각 유체 시스템은 열병합 발전(CHP) 유닛의 일부이다, 냉각 시스템은 뜨거운 물이나 열 저장소를 가열하는 것과 같은 상기 CHP유닛에 의한 사용을 위하여 애노드 오프-가스로부터 열을 전달하기 위해 제어 가능하게 이용된다. 다른 냉각 유체 시스템은 본 기술 분야의 당업자에게 명백 할 것이다. 실시 예들은 라디에이터 시스템을 포함한다, 상기 애노드 오프-가스의 열 에너지는 상기 냉각 액을 통하여 라디에이터로 전달된다, 이것은 다시 다른 유체에 열 에너지를 전달한다, 그에 따라 상기 냉각 액은 냉각된다.
바람직하게는, 상기 냉각 액은 물 이슬점 아래 레벨로 상기 애노드 오프-가스의 온도를 감소 시키도록 상기 애노드 오프-가스로부터 충분한 열 에너지를 제거하는데 사용된다, 따라서 물은 상기 애노드 오프-가스로부터 응축되게 된다.
보다 바람직하게는, IT-SOFC 시스템은 상기 응축기 열 교환기 및 상기 테일- 가스 버너 사이의 애노드 오프-가스 유체 유로에 위치한 분리기를 더 포함한다, 상기 분리기는 상기 애노드 오프-가스에서 응축액을 분리하도록 구성된다. 더욱 더 바람직하게는, 상기 분리기는 분리기 응축액 배출구를 더 포함하고, 상기 응축액 배출구를 통해 상기 응축액을 배출하도록 배치된다.
상기 응축액은 물일 수 있다, 따라서 상기 분리기는 스팀 발생기 및/또는 증기 리포머에 대한 급수(water supply)로서 사용될 수 있다.
바람직하게는, IT-SOFC 시스템은 산화제 예열기 열 교환기 및 애노드 오프-가스 열 교환기를 모두 포함한다, 그리고 캐소드 유입 가스 유체 유로는 상기 산화제 주입구로부터 상기 애노드 오프-가스 열 교환기, 상기 산화제 예열기 열 교환기, 및 상기 리포머 열 교환기로 통한다. 상술한 바와 같이, 특정 실시 예에서 다중 유입 산화제 유동 경로가 있다, 특히 유입 산화제 메인 플로우 패스 및 유입 산화제 바이패스 플로우 패스. 이러한 경우, 상기 산화제 주입구로부터 상기 애노드 오프-가스 열 교환기, 상기 산화제 예열기 열 교환기, 및 상기 리포머 열 교환기로 통하는 캐소드 유입 가스 유체 유동 경로는 상기 유입 산화제 메인 플로우 패스(유입 산화제 주 유동 경로) 이다.
본 발명의 상기 시스템은, 연료 전지 스택 입구 및 출구 온도를 제어한다.
바람직하게는, IT-SOFC 시스템은 더 포함한다:
상기 연료 원과 유체 유동 연통되는 연료 주입구를 갖는 증발기, 수원과 유체 유동 연통되는 물 주입구, 및 증발기 배기, 상기 증발기는 상기연료 원과 상기 증기 리포머 사이의 애노드 입구 가스 유체 유동 경로에 위치한다,
그리고 (a) 상기 애노드 오프-가스 배출구 및 캐소드 오프-가스 배출구의 적어도 하나, 및 (b) 상기 연료 전지 시스템 배기 사이의 상기 유체 유동 경로에 위치한 증발기 열 교환기,
상기 증발기 열 교환기는, (a) 상기 애노드 오프-가스 배출구 및 상기 캐소드 오프-가스 배출구의 상기 적어도 하나로 부터 가스 플로우, 및 (b) 상기 애노드 유입 가스 및 상기 물의 적어도 하나 사이의 열 교환 배치된다.
바람직하게는, 분리기로부터 상기 응축 액(물)은 증발기 및/또는 증기 리포머 용 수원으로 사용된다.
또한, 본 발명은 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템의 작동 방법을 제공한다, 이 방법은 다음 단계들을 포함한다:
(i) 연료 원으로부터 상기 스팀 리포머로 연료를 전달하고;
(ii) 상기 산화제 주입구(oxidant inlet)로부터 상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger)로 가열 유입 산화제를 전달하되, 열은 상기 가열 유입 산화제 및 상기 연료 사이에 교환되고;
(iii) 상기 증기 리포머(steam reformer)로부터 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구(fuel cell stack anode inlet)로 애노드 유입 가스를 전달하고, 그리고 상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger)로부터 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet)로 유입 산화제를 전달하고; 및
(iv) 적어도 중간-온도 고체 산화물 연료 전지 스택(intermediate-temperature solid oxide fuel cell stack)을 운전한다.
본 발명의 제 2 실시 예에 있어서, 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 (IT-SOFC) 시스템을 제공한다:
(i) 적어도 하나의 중간 온도 고체 산화물 연료 전지를 포함하고, 애노드 입구, 캐소드 입구, 애노드 오프-가스 배출구, 및 캐소드 오프-가스 배출구를 가지며, 그리고 애노드 유입 가스, 캐소드 유입 가스, 애노드 오프-가스, 및 캐소드 오프-가스의 유동을 위한 개별 유동 경로를 한정하는 적어도 하나의 연료 전지 스택; 및
(ii) 리포메이트에 탄화수소 연료를 리포밍하고, 애노드 유입 가스용 리포머 입구, 애노드 유입 가스를 배출하는 리포머 배출구, 및 리포머 열 교환기를 구비하는 증기 리포머;
그리고 한정:
(a) 연료 원으로부터 상기 증기 리포머 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구로의 애노드 유입 가스 유체 유동 경로;
(b) 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구로부터 연료 전지 시스템 배기로의 애노드 오프-가스 유체 유동 경로;
(c) 적어도 하나의 산화제 입구로부터 상기 리포머 열 교환기 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구로의 캐소드 유입 가스 유체 유동 경로; 및
(d) 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 배출구로부터 상기 연료 전지 시스템 배기로의 캐소드 오프-가스 유체 유동 경로;
상기 리포머 열 교환기는, (i) 상기 적어도 하나의 산화제 주입구 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구, 그리고 (ii) 상기 연료 원 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구와, 유체 유동 연통되는 병렬-유동 열 교환기이며, 상기 캐소드 유입 가스 및 상기 애노드 유입 가스 사이의 열 교환 배치되고, 상기 시스템은 더 포함한다:
상기 적어도 하나의 산화제 주입구로부터 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구로의 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스;
상기 적어도 하나의 산화제 주입구로부터 상기 리포머 열 교환기 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구로의 유입 산화제 메인 패스; 및
상기 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스 및 상기 유입 산화제 메인 패스에 위치하고, 상기 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스 및 상기 유입 산화제 메인 패스 사이의 유입 산화제 유동을 제어하는, 조정 가능한 유입 산화제 플로우 스플리터.
제2 실시 예의 구성은 상기 리포머 열 교환기 및 상기 연료 전지 스택 캐소드 입구 모두의 산화제의 플로우 레이트는 하나의 소스로부터 제어 될 수 있도록 한다.
본 발명의 제 1 실시 예의 바람직한 특징들은 모두 본 발명의 제 2 실시 예에 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 각 송풍기 및/또는 밸브/분리기는 연통되고 구동/또는 제어되거나 제어 수단에 응답한다.
본 발명에 따르면, 하나 또는 그 이상의 송풍기 또는 밸브/ 분리기는 하나 또는 그 이상의 메인 캐소드 유입 가스 유로 및 공기 바이패스 유입 가스 유동 경로에 제공될 수 있다. 예를 들면, 하나의 송풍기가 제공되면, 제로, 하나 또는 두 개의 밸브/분리기가 제공될 수 있다, 또는 두 개의 송풍기가 제공되면, 제로 또는 하나의 밸브/분리기가 제공 될 수 있다, 또는 세 개의 송풍기가 제공되면, 제로 밸브/분리기가 제공될 수 있다.
달리 언급하지 않는 한, IT-SOFC 시스템에 관하여 논의된 위의 구성은 상기 방법에 동일하게 적용된다.
본 명세서에 사용되는 용어 "테일-가스 버너(tail-gas burner)"는 애노드 및 캐소드 오프-가스 연소용 버너를 의미한다. 어떤 상황에서는 개별적으로 수행될 수 있지만, 테일-가스 버너는 일반적으로 애노드 및 캐소드 오프-가스를 혼합한다.
용어 "유체 유동 경로(유체 유로; 유체 플로우 패스; fluid flow path)"는 다양한 구성 요소 사이의 유체 유동 경로를 정의하는 데 사용되며, 따라서 이러한 구성 요소가 서로 유체 유동 연통하는 것으로 이해되어야 한다.
문맥이 달리 지시하지 않는 한, 용어 "유체(fluid)"는 액체와 가스 모두를 포함한다.
문맥이 달리 지시하지 않는 한, 용어 "작동 온도(operating temperature)"는 안정-상태(steady-state) 작동 온도를 의미한다, 즉, 시동 및 정지(start-up and shut-down) 온도를 포함하지 않는다.
달리 나타내지 않는 한, 모든 온도 값은 섭씨 온도(DegC) 이다.
명세서에 참조된, 제 1 및 제 2 열 교환 유체 사이의(예를 들면 애노드 유입 가스 및 캐소드 유입 가스 사이) 열을 교환하도록 구성된 열 교환기(열 교환기들)는 열 교환기의 제1 및 제 2 측부 그리고 해당 유체 유동 경로들 사이의 열을 교환하도록 구성된 열 교환기에도 참조될 수 있다, 예를 들면 열 교환 물질 또는 열 교환 표면의 제 1 및 제 2면 사이, 예를 들면 열 교환기의 애노드 입구 측 및 캐소드 입구 측 사이, 예를 들면 애노드 유입 유체 유로 및 캐소드 유입 유체 유로 사이, 그리고 문맥에 따라 달리 지시하지 않는 한 그러한 용어는 상호 교환 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개략도 이다.
도 2는 표 1에 표기된 데이터 - 첫 번째 및 매 다섯 번째 데이터(즉, 0, 1110, 2110, 3110, 4110 초 등) - 의 분산도 이다.
도 3은 본 발명에 따른 다른 연료 전지 시스템의 개략도 이다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 연료 전지 시스템의 개략도 이다.
도 5는 본 발명에 따른 다른 연료 전지 시스템의 개략도 이다.
도 6은 본 발명에 따른 다른 연료 전지 시스템의 개략도 이다.
본원에 사용 된 참조 부호의 목록은 특정 실시 예 끝에 제공된다.
예시적인 목적으로만, 도면들은 오직 하나의 연료 전지를 나타낸다. 다양한 실시 예에서, 멀티플 연료 전지들이 제공된다. 다른 실시 예에서 멀티플 연료 전지 스택들(미도시)이 제공된다, 그리고 또 다른 실시 예에서 멀티플 연료 전지들을 포함하는 각각의 멀티플 연료 전지 스택들이 제공된다. 애노드 및 캐소드 입구들, 배출구들 (오프-가스), 덕트, 매니폴드, 및 온도 센서들 및 그 구성은 이러한 실시 예에 따라 적절하게 수정될 수 있는 것으로 이해될 것이며, 당업자에게 명백할 것이다.
이하의 실시 예에서, 공기가 산화제로서 이용된다. 이하의 실시 예에서 "산화제(oxidant)"는 "공기(air)"로, 그리고 이와 반대로, 해석 될 수 있다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템(10)은 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 (intermediate-temperature solid oxide fuel cell; IT-SOFC) 시스템이다. US6794075에 교시된 바와 같이, 연료 전지 스택(20)은 금속-지지 IT-SOFC 연료 전지 스택이다. 연료 전지 시스템(10)은 연료 전지 스택(20)으로부터 정상 상태 1kW의 전기 출력을 가지며, 121금속-지지 IT-SOFC 연료 전지(30)를 포함한다(and comprises 121 metal-supported IT-SOFC fuel cells 30). 각각의 연료 전지(30)는 애노드 측(40), 전해질 층(50)과 캐소드 측(60)을 갖는다. 연료 전지 스택의 각 연료 전지 층은 도전성 가스 불 투과성 금속 상호 접속 판 (인터 커넥터; interconnector)에 의해 분리되어있다(도시 생략). 연료 전지 스택의 단부 판 및 압축 수단 (도시되지 않음)도 제공된다.
연료 전지(30)에 대한 본원 참조는 121 연료 전지(30)의 풀 세트 이다(Reference herein to fuel cell 30 is to the full set of 121 fuel cells 30.).
전기적 부하 (L)는 연료 전지 (30)에 걸쳐 인가된다.
연료 전지 스택 애노드 입구(41)는 연료 전지(30)의 애노드 측(40)에 애노드 입구 가스의 흐름을 위한 연료 전지 애노드 입구(41A)와 유체 유동 연통한다. 연료 전지 애노드 배출구(42A)는 애노드 오프-가스의 유동을 위한 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구(42)와 유체 유동 연통한다.
연료 전지 스택 캐소드 입구(61)는 연료 전지(30)의 캐소드 측(60)에 캐소드 입구 가스의 유동을 위한 연료 전지 캐소드 입구(61A)와 유체 유동 연통한다. 연료 전지 캐소드 배출구(62A)는 캐소드 오프-가스의 유동을 위한 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 배출구(62)와 유체 유동 연통한다.
증기 리포머(70)는 애노드 입구 가스를 위한 리포머 입구(71) 및 애노드 입구 가스를 배출하는 리포머 배출구 (72)를 포함한다.
테일-가스 버너(80)는 연료 전지 스택 애노드 및 캐소드 오프-가스 배출구(42, 62)와 유체 유동 연통하고, 테일-가스 버너 배기(81), 애노드 오프-가스 입구(82), 및 캐소드 오프-가스 입구(83)를 갖는다.
테일-가스 버너(80)는 연료 전지 스택 애노드 및 캐소드 오프-가스 배출구(42, 62)에서 테일-가스 버너 배기(81)로 유체 유동 경로를 한정하며, 애노드 및 캐소드 오프-가스를 연소하고 테일-가스 버너 오프-가스를 생성하도록 구성된다.
애노드 유입 가스 유체 유로(A)는 연료 원(90)에서 증발기(100), 증기 리포머(70), 연료 전지 스택 애노드 입구 (41), 및 연료 전지 애노드 입구 (41A)로 정의된다, 즉, 상기 구성 요소들은 서로 유체 유동 연통한다.
애노드 오프-가스 유체 흐름 경로(B)는 연료 전지 애노드 배출구(42A)에서 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구(42), 애노드 오프-가스 열 교환기(HX-AOG; 110), 응축기 열 교환기(120), 분리기(130), 및 테일-가스 버너(80)의 애노드 오프-가스 입구(82)로 정의된다.
주 캐소드 유입 가스 유로(230) 및 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)는 다수의 공통 구성요소들을 가지며 여러 곳에서 공통 유로를 공유하고, 캐소드 유입 가스 유체 유로(C)로 표시하며 아래에 자세히 설명한다.
주 캐소드 유입 가스 유로(230)는 산화제 주입구(140)에서 송풍기(210), 밸브/분리기(220), 애노드 오프-가스 열 교환기(110),　공기 예열 기 열 교환기 (HX-APH; 150),　리포머 열 교환기(HX-REF; 160),　연료 전지 스택 캐소드 입구(61), 및　연료 전지 캐소드 입구(61A)로 정의된다.
공기 바이패스 유입 가스 유로(240)는 산화제 주입구(140)에서 송풍기(210), 밸브/분리기(220), 공기 바이패스 입구(190), 리포머 열 교환기(160), 연료 전지 스택 캐소드 입구(61), 및 연료 전지 캐소드 입구(61A)로 정의된다.
아래에 자세히 설명된 바와 같이, 밸브/분리기(220)는 주 캐소드 유입 가스 유로(230) 및 공기 바이패스 유입 가스 유로(240) 사이의 유입 공기의 흐름을 분리 시키도록 제어 수단(200)에 의해 제어된다.
따라서, 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)는 애노드 오프-가스 열 교환기(110) 및 공기 예열 기 열 교환기(150)를 우회한다.
이 실시 예에서, 가스 유동 경로들(230, 240)(캐소드 유입 가스 유체 유로(C))의 공통 부는 (a) 산화제 주입구(140), 송풍기(210), 및 밸브/분리기(220), 그리고 (b) 리포머 열 교환기(160), 연료 전지 스택 캐소드 입구(61), 및 연료 전지 캐소드 입구(61A) 이다.
캐소드 오프-가스 유체 유로(D)는 연료 전지 캐소드 배출구(62A)에서 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 배출구(62) 및 테일-가스 버너 (80)의 캐소드 오프-가스 입구(83)로 정의된다.
테일-가스 버너 오프-가스 유체 유로(E)는 테일-가스 버너 배기(81)에서 공기 예열기 열 교환기(150), 증발기 열 교환기(HX-EVAP; 170), 및 연료 전지 시스템 배기(180)로 정의된다.
애노드 오프-가스 열 교환기(110)는 (ⅰ) 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구(42) (즉, 연료 전지 애노드 배출구(42A)와 함께) 와 테일- 가스 버너 애노드 오프- 가스 입구(82), 그리고 (ⅱ) 산화제 주입구(140)와 연료 전지 스택 캐소드 입구(61) (즉, 연료 전지 캐소드 입구(61A)와 함께)와 유체 유동 연통된다, 그리고 연료 전지 스택 (20)으로부터 나오는 애노드 오프-가스 및 연료 전지 스택 (20)으로 들어가는 캐소드 입구 가스 사이의 열 교환을 하도록 배치된다.
공기 예열기 열 교환기(150)는 (i) 테일-가스 버너 배기(81) 및 연료 전지 시스템 배기(180), 및 (ⅱ) 산화제 주입구(140)와 연료 전지 스택 캐소드 입구(61) (즉, 연료 전지 캐소드 입구(61A)와 함께)와 유체 유동 연통된다, 그리고 테일- 가스 버너(81) 배출 가스(tail-gas burner 81 off-gas) 및 연료 전지 스택 (20)으로 들어가는 캐소드 입구 가스 사이의 열 교환을 하도록 배치된다.
리포머 열 교환기(160)는 병렬-유동 열 교환기 이며 (i) 산화제 주입구(140)와 연료 전지 스택 캐소드 입구(61) (즉, 연료 전지 캐소드 입구 (61A)와 함께), 및 (ⅱ) 연료 원(90) 및 연료 전지 스택 애노드 입구(41) (즉, 연료 전지 애노드 입구(41A)와 함께)와 유체 유동 연통된다, 그리고 캐소드 입구 가스 및 애노드 입구 가스 사이의 열 교환을 하도록 배치된다.
증발기(100)는 연료를 연료 원(90)에서 애노드 유입 가스를 위한 연료 유입구(101), 급수(103)에서 물을 위한 물 주입구(102), 그리고 증발기(100)에서 애노드 입구 가스를 배출하는 증발기 배기(104)를 갖는다, 그리고 연료 원(90) 및 증기 리포머(70) 사이의 애노드 입구 가스 유체 유로에 위치하고 있다. 증발기(100)는 공기 예열기 열 교환기(150) 및 연료 전지 시스템 배기(180) 사이의 테일-가스 버너 오프-가스 유체 유로(E)에 있는 증발기 열 교환기(170)를 추가적으로 포함한다.
증발기 열 교환기(170)는 (i) 테일-가스 버너 배기(81) 및 연료 전지 시스템 배기(180), 및 (ii) 연료 원(90), 급수(103) 및 연료 전지 스택 애노드 입구(41) (즉, 연료 전지 애노드 입구(41A)와 함께) 와 유체 유동 연통된다, 그리고 증기 리포머(70)에 애노드 입구 가스를 위한 증기 연료 혼합물을 발생하는 테일-가스 버너 오프-가스(tail-gas burner off-gas)와 애노드 입구 가스, 및 물 사이의 열 교환을 하도록 배치된다.
응축 열 교환기(120)는 (i) 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구(42) (연료 전지 애노드 배출구(42A)와 함께) 및 테일-가스 버너 애노드 오프-가스 입구(tail-gas burner anode off-gas inlet; 82), 및 (ii) 냉각 회로(121)와 유체 유동 연통된다, 그리고 연료 전지 스택(20)으로부터 애노드 오프-가스 및 냉각 회로(121)내의 냉각 유체 사이의 열 교환을 하도록 배치된다.
분리기 (130)는 콘덴서 열 교환기(120)와 테일-가스 버너(80) 사이의 애노드 오프-가스 유체 유로에 위치하고, 분리기 응축액 배출구(131)를 가지며, 애노드 오프-가스의 유체 흐름 경로에서 응축액을 분리하도록 구성되고, 응축액 배출구(condensate outlet; 131)를 통해 응축액을 배출한다.
제어 수단(200)은 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서(T1), 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서(T2), 송풍기(210) 및 밸브/분리기(220) 에 접속된다. 제어 수단(200)은 연료 전지 시스템의 안정-상태 동작 동안 원하는 온도에 대해 온도 센서 T1 및 T2에 의해 판정되는 온도를 유지하도록 구성된다.
제어 수단(200)은 캐소드 유입 가스 유체 유로(C)에 캐소드 유입 가스가 통과시 동작하는 두 개의 독립 제어 루프를 작동하도록 구성된다.
제 1 제어 루프에서, 캐소드 유입 가스의 가열이 제어된다. 제 2 제어 루프에서, 캐소드 유입 가스의 매스 플로우 레이트(mass flow rate)가 제어된다.
제 1 제어 루프에서, 제어 수단(200)은 유체 유동 경로 (230) 및 (240) 사이에 유입 된 산화제 흐름의 분할을 변화 시키도록 밸브/분리기(220)를 제어한다. 예를 들면, 제어 수단(200)은, 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서(T1)에 의해 결정된 온도가 1kW 급의 연료 전지 스택 전력 출력을 위한 542 ℃ 이하에 있는 경우, 주 캐소드 유입 가스 유체 유로(main cathode inlet gas fluid flow path; 230)를 통하여 애노드 오프-가스 열 교환기(110) 및 공기 예열기 열 교환기(150)로 흐르는 유입 산화제의 비율을 증가시키도록 밸브/분리기(220)를 조정하도록, 구성된다. 따라서, 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)를 통과하는 유입 산화제의 비율은 상응하게 감소되고, 유입 산화제의 가열은 증가된다.
이와 반대로, 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서(T1)에 의해 결정된 온도가 1kW 급의 연료 전지 스택 전력 출력을 위한 542 ℃ 이상에 있는 경우, 제어 수단(200)은 주 캐소드 유입 가스 유체 유로(main cathode inlet gas fluid flow path; 230)를 통하여 애노드 오프-가스 열 교환기(110) 및 공기 예열기 열 교환기(150)로 흐르는 유입 산화제의 비율을 감소시키도록 밸브/분리기(220)를 조정한다. 따라서, 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)를 통과하는 유입 산화제의 비율은 상응하게 증가되고, 유입 산화제의 가열은 감소된다.
그러므로, (연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서(T1)에 의해 결정된) 적어도 하나의 연료 전지 스택에 대한 캐소드 유입 가스의 온도는 제어된다.
따라서, 리포머 열 교환기 산화제 배출구(162)에서 리포머 열 교환기(160)를 빠져나가는 산화제의 온도도 제어된다. 리포머 열 교환기(160)는 병렬-유동 열 교환기이기 때문에, 이것은 리포머 배출구(72)에서 증기 리포머(70)를 빠져나가는 리포메이트(reformate)(애노드 유입 가스)의 온도도 제어된다는 것을 의미하며, 차례로 리포메이트의 품질도(즉, 유입 연료의 개질의 정도) 제어된다는 것을 의미한다. 아래에 상세히 설명된 바와 같이, 제 2 제어 루프는 리포머 배출구 (72)에서 증기 리포머 (70)를 빠져나가는 연료의 온도에 경미한 변화를 일으킬 수 있으나, 그러나 이것은 리포메이트의 품질 및 연료 전지 스택 (20)의 성능에 상당한 영향을 주지는 않는다. 중요한 것은, 리포머 열 교환기(160)의 병렬-유동 특성은 증기 리포머(70)를 빠져나가는 연료의 온도는 증기 리포머(70)를 빠져나가는 산화제의 온도보다 더 클 수 없다는 것을 의미한다.
따라서, 적어도 하나의 연료 전지 스택에 대한 애노드 유입 가스의 온도는(즉, 리포메이트의 품질) 제어되고, 이러한 제어는 유입 산화제 및 연료의 매스 플로우(mass flow)의 변화(그에 따른 열 요구에 의해 가해지는), 그리고 연료 전지 시스템(10)에 대한 산화제 및 연료의 유입 온도 편차와 관계없이 이루어진다.
제 2 제어 루프에서, 제어 수단(200)은 송풍기 (200)에 의해 구동되는 유입 산화제의 매스 플로우 레이트(mass flow rate)를 제어한다. 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서(T1) 에 의해 결정된 온도를(그에 따른 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)의 온도) 제어하기 때문에, 연료 전지 스택(20)의 냉각은 연료 전지 스택(20)을 향한 산화제의 매스 플로우 레이트를 제어함으로써 달성된다.
제어 수단(200)은 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서(T2)에 의해 결정된 온도가 1kW 급의 연료 전지 스택 전력 출력을 위한 610 ℃ 이상에 있는 경우, 유입 산화제의 매스 플로우 레이트를 증가시키는 송풍기 (210)를 조정하도록 구성된다. 따라서, 연료 전지(30)의 캐소드 측(60)으로의 유입 산화제의 매스 플로우 레이트는 증가하고, 냉각의 양은 상응하게 증가된다.
이와 반대로, 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서(T2)에 의해 결정된 온도가 1kW 급의 연료 전지 스택 전력 출력을 위한 610 ℃ 이하에 있는 경우, 제어 수단(200)은 송풍기 (210)는 유입 산화제의 매스 플로우 레이트를 감소시키도록 송풍기 (210)를 조정한다. 따라서, 연료 전지(30)의 캐소드 측(60)으로의 유입 산화제의 매스 플로우 레이트는 감소되고, 냉각의 양은 상응하게 감소된다.
따라서, 제어 수단(200)은 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서(T2)에 의해 결정된 캐소드 오프-가스 온도가 설정 온도 이하일 경우 캐소드 유입 가스 매스 플로우 레이트가 증가하도록 구성되거나, 그 반대일 경우로 구성된다.
사용에 있어서, 연료 전지 시스템(10)은 세 단계를 통해 진행한다: 시동(start-up), 안정 상태(steady state), 및 정지(shutdown).
시동(start-up):
이 동작 단계에서는, 연료 전지 스택(20)은 식은 상태(또는 적어도 그것의 정상 동작 온도 이하) 이다, 따라서 동작 상태가 되기 위해 가열되어야 한다.
식은 상태(예를 들면, 상온)에서 시동은, 송풍기(210)는 연료 전지 스택(20)의 캐소드 측으로 공기를 불어넣도록 동작하고, 연료는 연료 원(250)로부터 테일-가스 버너(80)에 직접 전달되고 송풍기(210)로부터의 공기 흐름으로 연소된다. 배출 가스는 테일-가스 버너 배기(81)를 나와서 유입 공기를 가열하는 공기 예열기 열 교환기(150)를 통과하고, 리포머 열 교환기 (160)와 연료 전지 스택 (20)의 캐소드 측(60)의 가열에 차례로 영향을 준다. 열은 연료 전지 스택(20)의 애노드 측(40) 또한 가열되도록 연료 전지(30)에 가해진다. 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서(T1)가 낮은 온도를 감지하므로, 밸브/분리기(220)는 유입된 공기는 모두 주 캐소드 유입 가스 유로(230)를 통과하고 공기 예열기 열 교환기(150)를 가로지르도록 조정된다.
연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서(T1)에서 검출된 온도가 300℃이상의 온도로 증가함에 따라, 연료는 연료 원(90)으로부터 공급된다. 연료 원(90)으로부터의 연료는 증발기(100)를 통과하고, 급수(103)로부터 증발기(100) 내에서 생성 된 증기와 혼합된다. 얻어진 연료 증기 혼합물은 애노드 유입 가스 유체 유로(A)를 따라 전달되고, 리포머 열 교환기(160)에 의해 더욱 가열되며 리포머(70)에 의해 부분적으로 개질되고, 연료 전지 애노드 입구(41)를 통하여 연료 전지(30)의 애노드 측(40)에 전달되며, 이상 산화로부터 보호된다. 그런 다음 연료 전지 스택 애노드 배출구(fuel cell stack anode outlet; 42)에서 배출되어 애노드 오프-가스 유체 유로 B를 따라 그것이 연소되는 테일-가스 버너(80)에 전달된다.
계속하여, 연료 원(90)으로부터 연료의 리포밍(reforming) 시작과 함께 연료 전지 스택(20)은 전기 생성 온도에 도달한다.
연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서(T2)가 온도 상승을 검출함에 따라, 연료 원(250)에서 테일-가스 버너(80)에 공급되는 연료의 양은 연료 전지 스택(20)이 자기-유지되는 온도에 도달할 때까지 감소되고, 연료 원(250)에서 테일-가스 버너(80)로 연료 공급은 정지된다.
유입 공기 매스 플로우 레이트를 가변하며 유로들(230, 240) 사이의 공기의 분리에 상응하는 제어 루프와 함께, 연료 전지 스택(20)의 작동은 계속되고, 연료 전지 스택(20)으로부터 전력 출력은 증가하며, 온도 센서들(T1, T2)에 의하여 검출된 온도는 올라간다.
온도 센서들(T1, T2)이 소정 연료 전지 스택 전력 출력을 위한 동작 설정-포인트에 도달한 때 안정 상태(steady state)에 도달한다. 1kW 급 연료 전지 스택 전력 출력의 경우, 온도 센서(T1)은 542 ℃의 온도, 그리고 온도 센서(T2)는 610 ℃의 온도이다.
안정 상태(steady state):
이 동작 단계에서는, 연료 전지 스택 (20)은 센서들(T1, T2)에 의해 측정되는 동작 온도에서 유지된다. 전기를 생성하여 연료 전지(30)에 걸리는 부하(L)에 의해 사용된다. 온도 센서들(T1, T2)에 의해 검출된 온도들은 다양할 수 있다, 제어 수단(200)은 유입 공기 매스 플로우 레이트 및 유로들(230, 240) 사이의 공기의 분리를 상황에 맞추어 바꾼다.
이 동작 모드에서는, 연료 전지 스택(20)에 의해 생성된 전력은 제로와 연료 전지 스택 정격 전력 사이에 변할 수 있다. 생성된 전력의 양은 연료 전지 스택 정격 전력까지의 전기 부하(L)에 응답하도록 제어 수단(200)에 의해 조정된다.
정지(shutdown):
이 동작 단계에서는, 전력이 더 이상 연료 전지 시스템(10)에서 요구되지 않으며, 제어 정지 시퀀스가 시작된다. 연료 전지 스택(20)으로부터 전력 수요는 제로로 감소되고, 연료 전지 스택 공기 입구(fuel cell stack air inlet; T1)에 대한 온도 세트 포인트가 감소하며, 반면 송풍기(210)로부터의 공기 유량은 증가된다. 소량의 연료는 연료 원(90)에서 리포머(70)로, 그리고 그에 따라 연료 전지 스택(20) 및 테일-가스 버너(80)로, 공급이 계속된다. 리포메이트(reformate)의 지속적인 흐름은 정지의 첫 번째 단계 동안 연료 전지 (30)의 애노드 측 (40)에 환원 분위기를 유지한다. 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서(T2)에 의해 결정된(그에 따른 연료 전지 스택(20)의) 온도가 애노드 산화 활성 온도(약 450 ℃) 이하로 되면, 연료 원(90)으로부터 스팀 리포머(70)로의 연료 공급은 정지된다. 송풍기(210)로부터의 공기 흐름은 중지되고, 연료 전지 시스템(10), 및 그에 따른 연료 전지 스택(20)은, 자연 냉각에 맡길 수 있다.
본 발명에 따른 121연료 전지들을 구비한 연료 전지 스택으로 구성된 연료 전지 시스템(10)의 시동(start-up) 및 안정 상태(steady state)에서 데이터가 표 1 및 도 2에 도시된다. 표에서 보여지는 데이터는 30110초의, 즉 8시간 이상의, 운전 기간이다.
표 1 및 도 2에서, 약어는 다음의 의미를 갖는다:
TGB Exhaust (DegC) - 테일- 가스 버너 배기(81)의 온도
Reformer Air inlet (DegC) - 리포머 열 교환기 산화제 주입구 (161)의 온도
Reformer Air outlet (DegC) - 리포머 열 교환기 산화제 배출구(162)의 온도
Stack Air inlet (DegC) - 온도 센서(T1)에 의해 검출되는, 연료 전지 스택 산화제 입구(61) (fuel cell stack oxidant inlet 61)의 온도
Stack Air Outlet (DegC) - 온도 센서(T2)에 의해 검출되는, 연료 전지 스택 산화제 배출구(62)(fuel cell stack oxidant outlet 62)의 온도
Stack Electrical Power Output (W) - 부하(L)를 갖는 전기 회로에 의해 결정되는 전력 출력
도 3에 도시된, 제2 실시 예는, 밸브/분리기(220) 및 이전의 캐소드 입구 가스 유로(C)의 공통부분이 생략된다.
주 캐소드 유입 가스 유로(230)는 산화제 주입구(140)에서 송풍기(210), 애노드 오프-가스 열 교환기(110), 공기 예열기 열 교환기(150), 리포머 열 교환기(160), 연료 전지 스택 캐소드 입구(61), 및 연료 전지 캐소드 입구(61A) 까지로 정의된다.
공기 바이 패스 유입 가스 유로(240)는 산화제 주입구(140')에서 송풍기(210"), 공기 바이 패스 입구(190), 리포머 열 교환기(160), 연료 전지 스택 캐소드 입구(61), 및 연료 전지 캐소드 입구(61A) 까지로 정의된다.
제어 수단(200)은 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서(T1), 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서(T2), 및 송풍기들(210, 210')에 접속된다. 제어 수단(200)은 연료 전지 시스템의 안정-상태 동작 동안 원하는 온도에 대해 온도 센서들(T1, T2)에 의해 판정되는 온도를 유지하도록 구성된다.
이전의 실시 예와 같이, 제 1 제어 루프에서, 캐소드 유입 가스의 가열이 제어된다. 제 2 제어 루프에서, 캐소드 유입 가스의 매스 플로우 레이트(mass flow rate)가 제어된다. 캐소드 유입 가스의 가열은 주 캐소드 유입 가스 유로(230) 및 공기 바이 패스 유입 가스 유로(240) 사이의 캐소드 유입 가스 매스 플로우의 비율을 변화시킴으로써 제어된다. 이것은 송풍기들(210, 210')의 상대 속도를, 그에 따라 공급되는 매스 플로우를, 변화시킴으로써 달성된다. 온도 센서(T1)에서 측정 된 캐소드 유입 가스 온도가 너무 낮으면, 주 캐소드 유입 가스 유로(230)를 통과하는 캐소드 유입 가스 대비 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)를 통과하는 캐소드 유입 가스의 비율은 감소되고, 그리고 이와 반대로도 동작한다.
제 2 제어 루프에서, 캐소드 유입 가스의 매스 플로우 레이트가 제어된다. 연료 전지 스택 내의 캐소드 유입 가스의 매스 플로우 레이트는 송풍기들(210, 210')로부터 총 캐소드 유입 가스 매스 플로우 레이트 이다. 온도 센서(T2)에서 측정 된 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스의 온도가 너무 높으면, 송풍기들(210, 210')에 의해 공급되는 캐소드 유입 가스의 총 매스 플로우는 증가되고, 그리고 이와 반대로도 동작한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제3 실시 예는 제2 실시 예와 유사하며 차이점만 설명하기로 한다. 추가적인 산화제 주입구(140') 와 송풍기(210")가 추가적인 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)를 제공하기 위해 제공된다. 추가적인 온도 센서(T3)가 제공되며, 이는 연료 전지 스택 애노드 유입 가스 온도 센서(T3)이다. 이러한 추가적인 특징들은 캐소드 유입 가스 유체 유로(C)에 추가적인 공기 입구를 제공한다.
공기 바이 패스 유입 가스 유로(260)는 산화제 주입구(140")에서 송풍기(210"), 공기 바이패스 입구(190'), 연료 전지 스택 캐소드 입구(61), 및 연료 전지 캐소드 입구(61A)까지로 정의된다. 따라서 공기 바이 패스 유입 가스 유로(260)는, 리포머 열 교환기(160) (및 하류) 및 연료 전지 스택 캐소드 입구(61) 사이의, 보다 구체적으로 리포머 열 교환기 산화제 배출구(162) 및 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서(T1) 사이의, 공기 바이패스 입구(190')에서 캐소드 유입 가스 유체 유로(C)를 만난다.
이 실시 예에서, 제어 수단(200)은 전지 스택 애노드 유입 가스 온도 센서(T3) 및 송풍기(210")에 추가적으로 접속된다. 제어 수단(200)은 연료 전지 시스템의 안정-상태 동작 동안 원하는 온도에 대해 온도 센서들(T1, T2, T3)에 의해 판정되는 온도를 유지하도록 구성된다. 추가적인 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)를 통하는 공기 유량은 주 캐소드 유입 가스 유로(230) 및 공기 바이패스 유입 가스 유로(240) 양쪽 모두에서 공기 유량을 독립적으로 제어한다.
본 실시 예의 추가적인 장점은 리포머 열 교환기(160)에서 리포메이트 배출구 증기 온도를 독립적으로 제어하는 등급을 제공하는데 있다. 리포머 배출구(72) 상의 온도 제어는 연료 전지 캐소드 입구(61A)의 온도에 비해 애노드 유입 가스 유체 유로(A)의 온도를 증가시키는 능력을 제공한다. 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)는 리포머 열 교환기(160)를 떠나는 공기보다 차가운 공기를 제공하므로, 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)에 의해 공급된 공기는 리포머 열 교환기(160)를 떠나는 공기를 냉각 할 수 있으나, 데울 수는 없다. 따라서, 본 실시 예에 따른 냉기를 제공하는 추가적인 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)는 애노드 입구 온도가 캐소드 입구 온도보다 높아지도록 할 수 있으나, 애노드 입구 온도가 캐소드 입구 온도보다 낮아지도록 할 수는 없다.
리포머 배출구(72)에서 애노드 입구 가스 온도 상승은 또한 리포머 열 교환기(160) 내에 도달하는 개질 반응의 평형 온도를 상승시키고, 이에 따라 연료 전지 스택 애노드 입구(41)에서 애노드 입구 가스 내의 수소 농도를 증가시킨다. 애노드 입구 가스 내의 수소 농도 증가는 연료 전지(30)의 스트레스를 감소시키고 연료 전지(30)에 요구되는 내부 리포밍의 양을 감소시킨다.
추가적인 온도 센서(T3)는(이는 연료 전지 스택 애노드 유입 가스 온도 센서(T3) 이다) 연료 전지 스택 애노드 입구(41)에 애노드 가스의 온도를 측정하기 위해 제공된다. 또한, 추가적인 제어 루프는 상기 연료 전지 스택 애노드 입구(41)의 애노드 입구 가스의 온도를 설정된 온도로 유지하기 위하여 공기 바이패스 유입 가스 유로(240) 내의 공기의 유량을 제어하도록 제공된다. 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)의 산화제 유량 증가는 리포머 열 교환기 산화제 주입구(161)로 들어가는 산화제의 온도를 감소시킨다. 산화제 온도 감소는 리포머 배출구(72)에서 애노드 입구 가스의 온도를 감소시키고 또한 개질 반응의 평형 온도를 감소시킬 것이다. 한편, 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)의 산화제 유량을 낮추면 리포머 열 교환기 산화제 주입구(161)로 들어가는 산화제의 온도는 증가된다. 산화제 온도 증가는 리포머 배출구(72)에서의 애노드 입구 가스의 온도를 증가시키고, 또한 개질 반응의 평형 온도를 증가시킨다. 본 실시 예에서 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)를 통과하는 산화제의 유량은 연료 전지 캐소드 입구(61A)의 온도를 제어하고 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)를 통과하는 산화제 유량은 리포머 배출구(72)로부터 리포메이트 플로우(reformate flow)의 온도를 제어한다.
추가적인 공기 바이 패스 유입 가스 유로(260)의 산화제 플로우 레이트 증가는 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)에서 산화제 스트림의 온도를 감소시킨다. 반대로, 추가적인 공기 바이 패스 유입 가스 유로(260)의 산화제 플로우 레이트 감소는 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)에서 산화제 스트림의 온도를 증가시킨다.
공기 바이패스 유입 가스 유로(240)의 산화제 플로우 레이트 증가는 리포머 배출구(72)에서 애노드 입구 가스 및 리포머 열 교환기 산화제 배출구(162)에서 캐소드 입구 가스 두 가지 모두의 온도를 감소시킨다. 반대로, 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)의 산화제 플로우 레이트 감소는 리포머 배출구(72)에서 애노드 입구 가스 및 리포머 열 교환기 산화제 배출구(162)에서 캐소드 입구 가스 두 가지 모두의 온도를 증가시킨다. 예를 들어, 제어 수단(200)이 연료 전지 스택 애노드 입구 가스 온도 센서(T3)가 높거나 낮은 온도로 유지되도록 결정하면, 공기 바이 패스 유입 가스 유로(240)의 산화제 플로우 레이트는 각각의 조건에 대응하는 송풍기(140') 제어에 의해 증가 또는 감소될 수 있다. 한편, 상기 제어 수단(200)이 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서(T1)가 높거나 낮은 온도로 유지되도록 결정하면, 공기 바이 패스 유입 가스 유로(240) 및/또는 추가적인 공기 바이 패스 유입 가스 유로(260)의 산화제 플로우 레이트는 각각의 조건에 대응하는 공기 바이 패스 유입 가스 유로(240)의 산화제 플로우 레이트를 위한 송풍기(140') 제어 또는 추가적인 공기 바이 패스 유입 가스 유로(260)의 산화제 플로우 레이트를 위한 송풍기(140") 제어에 의해 증가 또는 감소될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제4 실시 예는 단일 산화제 바이패스 흐름을 제공하며, 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)는 리포머 열 교환기 산화제 배출구(162)와 연료 전지 스택 캐소드 입구(61) 사이의 주 캐소드 유입 가스 유로(230)와 병합하도록 구성된다. 이러한 배치에 있어서 리포머 열 교환기(160) 및 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)의 레이아웃은 연료 전지 스택(20)의 경계에서 애노드 유입 가스 유체 온도가 캐소드 유입 가스 유체 온도보다 높은 것을 의미한다. 리포머 배출구(72)에서 애노드 유입 가스의 온도 증가는 리포머 열 교환기(160) 내에 도달하는 개질 반응의 평형 온도 또한 상승시키고 따라서 연료 전지 스택 애노드 입구(41)에서 애노드 유입 가스 내의 수소 농도를 증가시킨다. 애노드 유입 가스 내의 수소 농도의 증가는 연료 전지(30)의 스트레스를 감소시키고 필요한 내부 리포밍(internal reforming)의 양을 감소시킨다.
제 4 실시 예의 연료 전지 시스템(10)을 제어하는데 필요한 제어 루프는 도 1의 실시 예와 동일하다, 그러나 제 4 실시 예에서의 제어 루프는, 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)보다는 오히려, 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서(T1)에서의 온도 측정에 기초하여, 추가적인 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)의 산화제 플로우 레이트를 조절한다.
제 4 실시 예에서는, 제 3 실시 예에서와 같이, 추가적인 온도 센서(T3)가 제공되며, 이는 연료 전지 스택 애노드 유입 가스 온도 센서(T3) 이다. 추가적인 온도 센서(T3)는 추가적인 온도 데이터를 제공하지만 제4 실시예의 동작을 위한 제어 루프 및 제어 수단 (200)에 필수적이 것은 아니다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제5 실시 예는 제 1 실시 예와 유사하며, 차이점 만 설명하기로 한다. 추가적인 밸브/분리기(220') 또는 스플리터(splitter)가 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)에 제공된다. 추가적인 밸브/분리기(220')는 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)를 추가적인 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)와 연결한다. 추가적인 밸브/분리기(220')는 공기 바이패스 유입 가스 유로(240)와 추가적인 공기 바이패스 유입 가스 유로(260) 사이의 유입 공기의 흐름을 분할 할 수 있도록 제어 수단(200)에 의해 제어된다.
제 5 실시 예에서, 제 3 및 제 4 실시 예에서와 같이 추가적인 온도 센서(T3)가 설치되며, 이는 연료 전지 스택 애노드 유입 가스 온도 센서(T3)이다. 제 5 실시 예의 제어 수단(200)은, 추가적인 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)에 유입 공기의 흐름을 제어하는 송풍기(210") 대신에 추가적인 밸브/분리기(220')가 제어 수단(200)에 의해 제어되는 것을 제외하면, 제3 실시 예와 유사한 방식으로 작동된다.
추가적인 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)은 산화제 주입구(140)로부터 송풍기(210), 밸브/분리기(220), 밸브/분리기(220'), 공기 바이패스 입구(190'), 연료 전지 스택 캐소드 입구(61), 및 연료 전지 캐소드 입구(61A)까지로 정의된다. 따라서, 공기 바이패스 유입 가스 유로(260)는 리포머 열 교환기(160)(및 하류)와 연료 전지 스택 캐소드 입구(61) 사이의 공기 바이패스 입구(190')에서 캐소드 입구 가스 유체 유로(C)를 만난다. 본 실시 예의 구성은 리포머 열 교환기(160) 및 연료 전지 스택 캐소드 입구(61) 모두의 산화제 플로우 레이트가 단일 소스로부터 제어 될 수 있도록 한다.
참조 부호들은 이해를 쉽게 하기 위한 목적으로 청구항에 포함되고, 특허 청구의 범위를 제한하지 않는다.
본 발명은 상기 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 다른 실시 예들은 첨부 된 청구항의 범위 내에서 당업자에게 명백 할 것이다.
Time (S) TGB Exhaust ( DegC ) Reformer Air inlet ( DegC ) Reformer Air outlet (DegC) Stack Air inlet ( DegC ) Stack Air Outlet ( DegC ) Stack Electrical Power Output (W)
0 168 177 162 161 160 0
100 166 175 162 161 159 0
510 657 368 188 185 159 0
710 655 445 304 297 165 0
910 658 442 373 366 182 0
1110 659 441 408 401 206 2
1310 662 438 428 422 231 2
1510 662 434 439 433 256 2
1710 660 428 446 440 278 2
1910 658 424 449 443 298 2
2110 660 422 450 445 315 3
2310 660 418 451 446 330 3
2510 661 415 451 447 344 3
2710 665 520 481 475 355 6
2910 693 468 495 490 372 8
3110 711 469 497 492 388 9
3310 729 568 540 533 403 8
3510 750 578 556 549 421 8
3710 771 578 568 561 438 8
3910 790 574 575 569 454 8
4110 810 566 580 574 469 8
4310 819 555 582 577 482 8
4510 820 552 583 577 493 8
4710 822 533 580 575 503 269
4910 813 566 575 570 512 372
5110 811 564 576 571 520 435
5310 806 564 576 571 527 508
5510 803 564 576 572 535 571
5710 798 556 575 572 542 667
5910 789 550 572 569 550 760
6110 823 578 570 568 557 865
6310 865 564 574 571 566 1004
6510 850 533 575 573 577 1027
6710 828 530 567 566 585 1042
6910 809 521 570 570 593 1051
7110 794 526 568 568 598 1056
7310 781 527 567 567 603 1060
7510 776 512 558 559 606 1062
7710 773 505 551 552 607 1063
7910 774 511 548 549 607 1063
8110 777 516 548 549 606 1061
8310 780 520 550 550 606 1061
8510 783 520 550 551 606 1061
8710 785 520 551 552 606 1061
8910 788 520 551 552 606 1061
9110 790 519 551 552 606 1061
9310 791 514 550 551 606 1062
9510 793 512 549 550 606 1062
9710 795 514 548 549 607 1063
9910 797 511 548 549 607 1063
10110 799 511 547 548 607 1063
10310 801 508 547 548 607 1063
10510 803 508 546 547 607 1064
10710 805 506 546 547 607 1064
10910 806 503 545 547 607 1064
11110 808 504 545 546 607 1063
11310 810 503 545 546 607 1062
11510 811 501 545 546 607 1063
11710 813 502 544 546 608 1063
11910 812 500 544 545 608 1063
12110 814 499 544 545 608 1063
12310 814 499 543 545 608 1063
12510 817 498 543 545 608 1064
12710 818 500 543 545 608 1064
12910 820 499 543 544 608 1064
13110 820 497 542 544 608 1064
13310 821 498 542 543 608 1064
13510 822 496 542 543 609 1064
13710 823 498 542 543 609 1064
13910 823 496 541 543 609 1065
14110 825 499 541 543 609 1065
14310 825 497 541 543 609 1065
14510 825 498 541 543 609 1065
14710 827 498 541 543 609 1065
14910 827 497 541 542 609 1066
15110 828 498 540 542 609 1066
15310 828 498 540 542 609 1066
15510 828 497 540 542 609 1066
15710 828 498 540 542 609 1066
15910 829 497 540 542 609 1066
16110 829 497 540 542 609 1066
16310 830 498 540 542 609 1066
16510 831 498 540 542 609 1067
16710 828 498 540 542 610 1067
16910 829 498 540 542 610 1067
17110 830 498 540 542 610 1067
17310 830 498 540 542 610 1067
17510 831 498 540 542 610 1067
17710 831 498 540 542 610 1067
17910 832 499 540 542 610 1067
18110 831 498 540 542 610 1067
18310 831 498 540 542 610 1067
18510 831 498 540 542 610 1067
18710 832 498 540 542 610 1067
18910 832 498 540 542 610 1067
19110 832 498 540 542 610 1067
19310 831 498 540 542 610 1067
19510 831 498 540 542 610 1067
19710 830 497 540 542 610 1067
19910 830 497 540 542 610 1068
20110 830 498 540 542 610 1067
20310 831 498 540 542 610 1067
20510 830 498 540 542 610 1068
20710 831 499 540 542 610 1068
20910 831 497 540 542 610 1068
21110 831 498 540 542 610 1068
21310 831 499 540 542 610 1068
21510 830 498 540 542 610 1067
21710 831 498 540 542 610 1068
21910 831 498 540 542 610 1068
22110 832 498 540 542 610 1067
22310 831 498 540 542 610 1068
22510 830 497 540 542 610 1068
22710 829 497 540 542 610 1067
22910 830 498 540 542 610 1068
23110 830 497 540 542 610 1068
23310 831 498 540 542 610 1068
23510 831 498 540 542 610 1068
23710 831 498 540 542 610 1068
23910 830 498 540 542 610 1068
24110 831 498 540 542 610 1069
24310 831 497 540 542 610 1068
24510 832 499 540 542 610 1069
24710 832 498 540 542 610 1069
24910 831 498 540 542 610 1069
25110 831 498 540 542 610 1069
25310 831 497 540 542 610 1069
25510 832 498 540 542 610 1069
25710 831 498 540 542 610 1068
25910 833 498 540 542 610 1069
26110 833 497 540 542 610 1069
26310 832 497 540 542 610 1069
26510 831 497 540 542 610 1069
26710 830 498 540 542 610 1069
26910 831 497 540 542 610 1069
27110 831 497 540 542 610 1069
27310 831 499 540 542 610 1069
27510 831 498 540 542 610 1069
27710 831 497 540 542 610 1069
27910 831 496 540 542 610 1069
28110 832 498 540 542 610 1069
28310 832 498 540 542 610 1069
28510 834 500 540 542 610 1069
28710 833 498 540 542 610 1069
28910 834 499 540 542 610 1069
29110 834 498 540 542 610 1069
29310 834 497 540 542 610 1069
29510 833 499 540 542 610 1069
29710 834 498 540 542 610 1069
29910 833 498 540 542 610 1070
30110 833 497 540 542 610 1069
10: 연료 전지 시스템 (fuel cell system)
20: 연료 전지 스택 (fuel cell stack)
30: 연료 전지 (fuel cell)
40: 애노드 측 (anode side)
41: 연료 전지 스택 애노드 입구 (fuel cell stack anode inlet)
41A: 연료 전지 애노드 입구 (fuel cell anode inlet)
42: 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구 (fuel cell stack anode off-gas outlet)
42A: 연료 전지 애노드 배출구 (fuel cell anode outlet)
50: 전해질 층 (electrolyte layer)
60: 캐소드 측 (cathode side)
61: 연료 전지 스택 캐소드 입구 (fuel cell stack cathode inlet)
61A: 연료 전지 캐소드 입구 (fuel cell cathode inlet)
62: 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 배출구 (fuel cell stack cathode off-gas outlet)
62A: 연료 전지 캐소드 배출구 (fuel cell cathode outlet)
70: 증기 리포머 (steam reformer)
71: 리포머 입구 (reformer inlet)
72: 리포머 배출구 (reformer outlet)
80: 테일-가스 버너(tail-gas burner)
81: 테일-가스 버너 배기 (tail-gas burner exhaust)
82: 애노드 오프-가스 입구 (anode off-gas inlet)
83: 캐소드 오프-가스 입구 (cathode off-gas inlet)
90: 연료 원 (fuel source)
100: 증발기 (evaporator)
101: 연료 유입구 (fuel inlet)
102: 물 주입구 (water inlet)
103: 급수 (water supply)
104: 증발기 배기 (evaporator exhaust)
110: 애노드 오프-가스 열 교환기 (anode off-gas heat exchanger)
120: 응축기 열 교환기 (condenser heat exchanger)
121: 냉각 회로 (cooling circuit)
130: 분리기 (separator)
131: 분리기 응축액 배출구 (separator condensate outlet)
140: 산화제 주입구 (oxidant inlet)
140': 산화제 주입구 (oxidant inlet)
140'': 산화제 주입구 (oxidant inlet)
150: 공기 예열기 열 교환기 (air pre-heater heat exchanger)
160: 리포머 열 교환기 (reformer heat exchanger)
161: 리포머 열 교환기 산화제 주입구 (reformer heat exchanger oxidant inlet)
162: 리포머 열 교환기 산화제 배출구 (reformer heat exchanger oxidant outlet)
170: 증발기 열 교환기 (evaporator heat exchanger)
180: 연료 전지 시스템 배기 (fuel cell system exhaust)
190: 공기 바이패스 입구 (air bypass inlet)
190': 공기 바이패스 입구 (air bypass inlet)
200: 제어 수단 (control means)
210: 송풍기 (blower)
210': 송풍기 (blower
210": 송풍기 (blower)
220: 밸브/분리기 (valve/separator)
220': 밸브/분리기 (valve/separator)
230: 주 캐소드 유입 가스 유로 (main cathode inlet gas flow path)
240: 공기 바이패스 유입 가스 유로 (air bypass inlet gas flow path)
250: 연료 원 (fuel source)
260: 공기 바이패스 유입 가스 유로 (air bypass inlet gas flow path)
A: 애노드 유입 가스 유체 유로 (anode inlet gas fluid flow path)
B: 애노드 오프-가스 유체 유로 (anode off-gas fluid flow path)
C: 캐소드 유입 가스 유체 유로 (cathode inlet gas fluid flow path)
D: 캐소드 오프-가스 유체 유로 (cathode off-gas fluid flow path)
E: 테일-가스 버너 오프-가스 유체 유로 (tail-gas burner off-gas fluid flow path)
G: 리포머 캐소드 오프-가스 유체 유로 (reformer cathode off-gas fluid flow path)
L: 전기 부하 (electrical load)
T1: 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서 (fuel cell stack cathode inlet gas temperature sensor)
T2: 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서 (fuel cell stack cathode off-gas temperature sensor)
T3: 연료 전지 스택 애노드 유입 가스 온도 센서 (fuel cell stack anode inlet gas temperature sensor)

Claims (19)

  1. (ⅰ) 적어도 하나의 중간 온도 고체 산화물 연료 전지(intermediate-temperature solid oxide fuel cell)를 포함하며, 애노드 입구(anode inlet), 캐소드 입구(cathode inlet), 애노드 오프-가스 배출구(anode off-gas outlet), 및 캐소드 오프-가스 배출구(cathode off-gas outlet)를 구비하고, 애노드 입구 가스(anode inlet gas), 캐소드 입구 가스(cathode inlet gas), 애노드 오프-가스(anode off-gas), 및 캐소드 오프-가스(cathode off-gas)의 플로우를 위한 개별 유로들을 한정하는 적어도 하나의 연료 전지 스택(fuel cell stack); 및
    (ⅱ) 애노드 입구 가스(anode inlet gas)를 위한 리포머 입구(reformer inlet), 애노드 입구 가스를 배출하는 리포머 배출구(reformer outlet), 및 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger)를 구비하며, 탄화수소 연료(hydrocarbon fuel)를 리포메이트(reformate)로 리포밍(reforming)하기 위한 증기 리포머(steam reformer)를 포함하되,
    (a) 연료 원(fuel source)으로부터 상기 증기 리포머(steam reformer) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구(fuel cell stack anode inlet)로의 애노드 유입 가스 유체 유로(anode inlet gas fluid flow path);
    (b) 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구(fuel cell stack anode off-gas outlet)로부터 연료 전지 시스템 배기(fuel cell system exhaust)로의 애노드 오프-가스 유체 유로(anode off-gas fluid flow path);
    (c) 적어도 하나의 산화제 주입구(oxidant inlet)로부터 상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet)로의 캐소드 유입 가스 유체 유로(cathode inlet gas fluid flow path); 및
    (d) 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 배출구(fuel cell stack cathode off-gas outlet)로부터 상기 연료 전지 시스템 배기(fuel cell system exhaust)로의 캐소드 오프-가스 유체 유로(cathode off-gas fluid flow path)를 정의하며,
    상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger)는 (i) 상기 적어도 하나의 산화제 주입구(oxidant inlet) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet), 및 (ii) 상기 연료 원(fuel source) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구(fuel cell stack anode inlet)와 유체 유동 연통하는 병렬-유동 열 교환기(parallel-flow heat exchanger)이며, 상기 캐소드 입구 가스(cathode inlet gas) 및 상기 애노드 입구 가스(anode inlet gas) 사이의 열 교환을 하도록 배치된 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 (intermediate-temperature solid oxide fuel cell; IT-SOFC) 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 산화제 주입구(oxidant inlet) 및 상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger) 사이의 상기 캐소드 유입 가스 유체 유로(cathode inlet gas fluid flow path) 내에 위치한 적어도 하나의 산화제 히터(oxidant heater), 적어도 하나의 산화제 송풍기(oxidant blower), 연료 전지 스택 캐소드 유입 가스 온도 센서(fuel cell stack cathode inlet gas temperature sensor), 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서(fuel cell stack cathode off-gas temperature sensor), 및 제어 수단(control means)을 더 포함하되,
    상기 제어 수단(control means)은 상기 적어도 하나의 산화제 송풍기(oxidant blower)를 제어하고 상기 적어도 하나의 산화제 히터(oxidant heater)에 의해 유입 산화제의 가열을 제어하여 상기 캐소드 유입 가스 온도 센서 (cathode inlet gas temperature sensor)가 설정된 온도를 유지하도록 하고, 상기 캐소드 오프-가스 온도 센서(cathode off-gas temperature sensor)가 설정된 온도를 유지하도록 하는 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 산화제 주입구(oxidant inlet)로부터 상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet)로의 유입 산화제 메인 패스(inlet oxidant main path); 및
    상기 적어도 하나의 산화제 주입구(oxidant inlet)로부터 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet)로의, 및/또는 상기 적어도 하나의 산화제 주입구(oxidant inlet)로부터 상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet)로의, 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스(inlet oxidant bypass)를 더 포함하는 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  4. 제2 항을 참조하는 제3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 산화제 히터(oxidant heater)는 상기 유입 산화제 메인 패스(inlet oxidant main path)에 위치하는 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  5. 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스(inlet oxidant bypass)는 적어도 두 개의 유입 산화제 바이패스를 포함하되,
    하나는 상기 적어도 하나의 산화제 주입구(oxidant inlet)로부터 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet)로, 그리고 다른 하나는 상기 적어도 하나의 산화제 주입구(oxidant inlet)로부터 상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet)까지 인 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  6. 제3 항, 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    적어도 하나의 산화제 송풍기(oxidant blower)를 더 포함하되,
    상기 적어도 하나의 송풍기(blower)는 상기 유입 산화제 메인 패스(inlet oxidant main path) 및/또는 상기 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스(inlet oxidant bypass)에 위치하는 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  7. 제3 항 내지 제6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스(inlet oxidant bypass) 및 상기 유입 산화제 메인 패스(inlet oxidant main path) 사이의 유입 산화제 흐름을 제어하는, 적어도 하나의 조정 가능한 유입 산화제 유동 분배기(adjustable inlet oxidant flow splitter)를 더 포함하는 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  8. 제5 항, 또는 제5 항을 참조하는 제6 항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 하나의 유입 산화제 바이패스(one inlet oxidant bypass) 및 상기 다른 하나의 유입 산화제 바이패스(another inlet oxidant bypass) 사이의 유입 산화제 흐름을 제어하는, 조정 가능한 유입 산화제 유동 분배기(adjustable inlet oxidant flow splitter)를 더 포함하는 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  9. 제2 항에 있어서,
    조정 가능한 유입 산화제 유동 분배기(adjustable inlet oxidant flow splitter);
    유입 산화제 바이패스(inlet oxidant bypass); 및
    유입 산화제 메인 패스(inlet oxidant main path)를 더 포함하되,
    상기 제어 수단은 상기 조정 가능한 유입 산화제 유동 분배기(adjustable inlet oxidant flow splitter)를 제어하고, 상기 유입 산화제 바이패스(inlet oxidant bypass) 및 상기 유입 산화제 메인 패스(inlet oxidant main path), 상기 유입 산화제 메인 패스(inlet oxidant main path)에 위치하는 상기 적어도 하나의 산화제 히터(oxidant heater) 사이의 유입 산화제 유동을 제어하도록 구성된 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  10. 제2 항 내지 제9 항에 있어서,
    상기 산화제 히터(oxidant heater)는 적어도 하나의 열 교환기를 포함하는 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 산화제 히터(oxidant heater)는 상기 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구(fuel cell stack anode off-gas outlet) 및 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 배출구(fuel cell stack cathode off-gas outlet)의 적어도 하나와 유체 유동 연통되는 산화제 예열기 열 교환기(oxidant pre-heater heat exchanger)를 포함하되,
    (a) 상기 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구(fuel cell stack anode off-gas outlet) 및 상기 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 배출구(fuel cell stack cathode off-gas outlet)의 적어도 하나로부터의 가스 플로우, 및 (b) 상기 유입 산화제(inlet oxidant) 사이의 열 교환을 하도록 배치된 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 및 캐소드 오프-가스 배출구(fuel cell stack anode and cathode off-gas outlets)와 유체 유동 연통되며,
    테일-가스 버너 배기(tail-gas burner exhaust)를 구비하고,
    상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 및 캐소드 오프-가스 배출구(fuel cell stack anode and cathode off-gas outlets)으로부터 상기 테일-가스 버너 배기(tail-gas burner exhaust), 상기 산화제 예열기 열 교환기(oxidant pre-heater heat exchanger), 및 상기 연료 전지 시스템 배기(fuel cell system exhaust)로의 유체 유동 경로를 한정하는,
    테일-가스 버너(tail-gas burner)를 더 포함하는 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  13. 제10 항 내지 제12 항에 있어서,
    상기 산화제 히터(oxidant heater)는 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 배출구(fuel cell stack anode off-gas outlet)와 유체 유동 연통되는 애노드 오프-가스 열 교환기(anode off-gas heat exchanger)를 포함하며,
    (a) 상기 애노드 오프-가스 배출구(anode off-gas outlet)로부터의 가스 플로우 및 (b) 상기 유입 산화제(inlet oxidant) 사이의 열 교환을 하도록 배치된 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  14. 제12 항을 참조하는 제13 항에 있어서,
    상기 애노드 오프-가스 열 교환기(anode off-gas heat exchanger) 및 상기 테일-가스 버너(tail-gas burner) 사이의 애노드 오프-가스 유체 유로(anode off-gas fluid flow path)에 위치한 응축기 열 교환기(condenser heat exchanger)를 더 포함하되,
    상기 응축기 열 교환기(condenser heat exchanger)는 상기 애노드 오프-가스(anode off-gas) 및 냉각 유체 사이의 열 교환을 하도록 배치된 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 응축기 열 교환기(condenser heat exchanger) 및 상기 테일-가스 버너(tail-gas burner) 사이의 상기 애노드 오프-가스 유체 유로(anode off-gas fluid flow path)에 위치한 분리기(separator)를 더 포함하되,
    상기 분리기(separator)는 상기 애노드 오프-가스(anode off-gas)로부터 응축액을 분리하도록 배치된 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 분리기(separator)는 분리기 응축액 배출구(separator condensate outlet)를 더 포함하며,
    상기 응축액 배출구(condensate outlet)를 통해 상기 응축액 (condensate)을 배출하도록 배치된 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  17. 이전의 모든 항에 있어서(according to any of the preceding claims),
    상기 연료 원(fuel source)과 유체 유동 연통되는 연료 주입구(fuel inlet), 수원(water source)과 유체 유동 연통되는 물 주입구(water inlet), 및 증발기 배기(evaporator exhaust)를 가지며, 상기 연료 원(fuel source) 및 상기 증기 리포머(steam reformer) 사이의 상기 애노드 유입 가스 유체 유로(anode inlet gas fluid flow path)에 위치하는 증발기(evaporator),
    그리고
    (a) 적어도 하나의 상기 애노드 오프-가스 배출구 및 캐소드 오프-가스 배출구(anode off-gas outlet and cathode off-gas outlet), 및 (b) 상기 연료 전지 시스템 배기(fuel cell system exhaust) 사이의 상기 유체 유로에 위치하는 증발기 열 교환기(evaporator heat exchanger)를 더 포함하되,
    상기 증발기 열 교환기(evaporator heat exchanger)는 (a) 상기 적어도 하나의 상기 애노드 오프-가스 배출구 및 상기 캐소드 오프-가스 배출구로부터의 가스 플로우, 및 (b) 적어도 하나의 상기 애노드 유입 가스(anode inlet gas) 및 상기 물(water) 사이의 열 교환을 하도록 배치된 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 산화제 주입구(oxidant inlet)으로부터 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet)로의 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스(inlet oxidant bypass);
    상기 적어도 하나의 산화제 주입구(oxidant inlet)으로부터 상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet)로의 유입 산화제 메인 패스(inlet oxidant main path); 및
    상기 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스(inlet oxidant bypass) 및 상기 유입 산화제 메인 패스(inlet oxidant main path)에 위치하고, 상기 적어도 하나의 유입 산화제 바이패스(inlet oxidant bypass) 및 상기 유입 산화제 메인 패스(inlet oxidant main path) 사이의 유입 산화제 플로우를 제어하는 조정 가능한 유입 산화제 플로우 스플리터(adjustable inlet oxidant flow splitter) 를 더 포함하는 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  19. 이전의 모든 항에 있어서(according to any of the preceding claims),
    (i) 연료 원(fuel source)으로부터 상기 증기 리포머(steam reformer)로 연료를 전달하고;
    (ii) 상기 산화제 주입구(oxidant inlet)로부터 상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger)로 가열 유입 산화제를 전달하되, 열은 상기 가열 유입 산화제 및 상기 연료 사이에 교환되고;
    (iii) 상기 증기 리포머(steam reformer)로부터 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구(fuel cell stack anode inlet)로 애노드 유입 가스를 전달하고, 그리고 상기 리포머 열 교환기(reformer heat exchanger)로부터 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(fuel cell stack cathode inlet)로 유입 산화제를 전달하고; 및
    (iv) 적어도 중간-온도 고체 산화물 연료 전지 스택(intermediate-temperature solid oxide fuel cell stack)을 운전하는 것을 포함하는 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템 운영 방법.
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