KR20170028884A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20170028884A
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필립 버틀러
미셸 보졸로
에릭 딘
피터 맥닐리
개리 손더스
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엘지 퓨얼 셀 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 연료 및 산화제를 혼합하기 위한 개선된 배열을 갖는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 고온 연료 전지 시스템, 특히 고체 산화물 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 미사용 산화제의 일부, 미사용 연료의 일부 및 1차 산화제의 일부를 위한 3개의 주입구를 갖는 이젝터가 제공된다. 상기 이젝터는 상기 미사용 산화제, 미사용 연료의 일부 및 1차 산화제의 일부를 매우 신속하게 혼합 및 혼입하고, 상기 혼합물이 상기 이젝터에 체류하는 시간은 상기 혼합물이 점화되는 데 요구되는 시간 미만이다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 및 산화제를 혼합하기 위한 개선된 배열을 갖는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 고온 연료 전지 시스템, 특히 고체 산화물 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 연료를 산화시키는 것으로부터 직접 전기를 생산하는 전기화학적 변환 장치이다. 연료 전지는 이의 전해질 물질에 의해 특징지어지며; 예를 들어, 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)는 고체 산화물 또는 세라믹 전해질을 갖는다.
현재 고체 산화물 연료 전지의 주요한 변형체는 관형 고체 산화물 연료 전지 (T-SOFC), 평면 고체 산화물 연료 전지 (P-SOFC) 및 모놀리식(monolithic) 고체 산화물 연료 전지 (M-SOFC)이다.
상기 관형 고체 산화물 연료 전지는 내부 및 외부 전극을 갖는 관형 고체 산화물 전해질 막을 포함한다. 전형적으로 내부 전극은 캐소드이며, 외부 전극은 애노드이다. 산화제 가스는 상기 관형 고체 산화물 전해질 막 내부 내의 캐소드에 공급되고, 연료 가스는 상기 관형 고체 산화물 전해질 막의 외부 표면 상의 애노드에 공급된다 (이는 반대일 수 있음). 상기 관형 고체 산화물 연료 전지는 단순한 전지 스태킹(stacking) 배열을 허용하며, 실질적으로 밀봉부(seal)가 없다. 그러나, 이러한 유형의 고체 산화물 연료 전지의 제작은 매우 복잡하며, 인력 집약적이고, 고비용이다. 또한, 이러한 유형의 고체 산화물 연료 전지는 비교적 큰 직경의 관형 전지를 통과하는 긴 전류 전도 경로로 인하여 비교적 낮은 전력 밀도를 갖는다.
상기 모놀리식 고체 산화물 연료 전지는 2종의 변형체를 갖는다. 제1 변형체는 그의 2개의 주요 표면 상에 전극을 갖는 평면 고체 산화물 전해질 막을 갖는다. 제2 변형체는 그의 2개의 주요 표면 상에 전극을 갖는 파형 고체 산화물 전해질 막을 갖는다. 상기 모놀리식 고체 산화물 연료 전지는 보다 간단한 테이프 캐스팅(tape casting) 및 캘린더 롤링(calendar rolling) 제작 방법을 잘 수용하며, 보다 높은 전력 밀도를 보장한다. 이러한 유형의 고체 산화물 연료 전지는 모놀리스에서의 모든 연료 전지 층의 이들의 그린 상태(green state)로부터의 공-소결(co-sintering)을 요구한다. 그러나, 이는 심각한 수축 및 크래킹(cracking) 문제를 일으킨다. 이러한 유형의 고체 산화물 연료 전지는 매니폴드화(manifold) 및 밀봉하기에 매우 쉽지 않다.
상기 평면 고체 산화물 연료 전지 또한 테이프 캐스팅 및 캘린더 롤링 제작 방법을 잘 수용한다. 현재 이는 성능을 제한하는 150 내지 200 마이크로미터의 두꺼운 자기-지지형 고체 산화물 전해질 막을 요구한다. 상기 평면 고체 산화물 연료 전지는 또한 열 충격 저항성을 제한하였다.
고체 산화물 연료 전지는 낮은 내부 전기 저항을 유지하기 위해 약 500℃ 내지 약 1100℃의 작동 온도를 요구한다.
SOFC는 애노드 루프(loop) 및 캐소드 루프를 가지며, 상기 애노드 루프에는 연료 (전형적으로 메탄) 스트림이 공급되고, 상기 캐소드 루프에는 산화제 (전형적으로 대기) 스트림이 공급된다. 이러한 고온을 유지하는 것이 과제이며, 다수의 해결책이 제안되었다.
열을 발생시키는 하나의 유용한 방법은, 연료 스트림이 SOFC 스택(stack)의 애노드를 거쳐 통과한 후에 상기 연료 스트림에 여전히 존재하는 임의의 연료를 연소시키는 것이다. 연소기를 사용하여 상기 애노드 루프의 배출구에서의 열화된 연료의 산화를 완료할 수 있다. 상기 연소기는 또한 상기 캐소드 루프로부터의 고온 산화제를 투입물로서 취할 수 있다. 상기 연소기는 전형적으로 연료 및 산화제 유동에서 매우 제한된 압력 손실을 생성하도록 설계된다. 연소 생성물은 이젝터에 의해 혼입되어, 열 교환기의 고온 측으로 공급되며, 새로운 연료 및/또는 산화제가 상기 열 교환기의 냉각 측 상에서 예열된다.
일부 공지된 고체 산화물 연료 전지 시스템에서, 고체 산화물 연료 전지가 상기 요구되는 작동 온도에 있도록 충분한 온도 상승을 생성하기 위해 연소 생성물은 새로운 산화제와 바로 혼합된 다음, 고체 산화물 연료 전지의 캐소드로 공급된다. 그러나, 상기 고체 산화물 연료 전지의 캐소드로 공급된 연소 생성물 중에 존재하는 증기와 같은 상기 연소 생성물 중 일부는 상기 고체 산화물 연료 전지의 성능 및 내구성에 유해한 것으로 현재 확인되었다.
WO2007/128963은 제1 밀봉 엣지(edge) 및 제2 개방 엣지를 갖는 복수의 밀봉된 연료 덕트(duct)를 포함하는 연료 버너(burner)를 개시한다. 연료 덕트는 실질적으로 서로 병렬로 배열되어 복수의 산화제 통로를 형성한다. 상기 연료 덕트 및 상기 산화제 통로는 연료가 산화제와 혼합되어 버너 통과 시 낮은 압력 강하를 갖는 버너를 제공하도록 배열된다. 그러나, 복잡하고 복합적인 방식으로 배열된 복수의 연료 덕트 플레이트를 갖는 것은 고비용이며, 제조하기에 어렵다.
WO2012/013460은 고체 산화물 연료 전지 스택 및 가스 터빈 엔진(gas turbine engine), 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 캐소드에 산화제를 공급하도록 배열된 상기 가스 터빈 엔진의 압축기, 및 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 애노드에 연료를 공급하도록 배열된 연료 공급원을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템을 개시한다. 상기 시스템은 미사용 산화제 및 미사용 연료가 재순환되어 연소기 내로 공급되도록 배열된다. 상기 연소기는 열 교환기의 주입구를 공급하도록 배열된다. 상기 열 교환기의 이점은 고체 산화물 연료 전지의 성능 및 내구성을 손상시키는 것으로 확인된 증기와 같은 연소 생성물을 통과시키지 않으면서 상기 고체 산화물 연료 전지 스택으로의 열 전달을 가능하게 한다는 점이다. 상기 연소기는 상기 버너에 불을 붙이기 위해 자동-점화에 의존한다. 이는 연료 혼합물에 대한 자동-점화 온도 (이는 약 600℃임)를 초과하는 주위 버너 온도를 요구한다. 이러한 요구는 시동(start-up) 시스템의 설계에 대해 제한한다. 게다가, 버너 점화 실패 과정에서 폭발성 혼합물이 강력해질 수 없는 것을 보장하기 위해, 상기 버너는 버너의 점화 검출을 가능하게 하는 복잡한 고비용의 안전 시스템을 요구한다. 상기 안전 시스템은 전형적으로 매우 고비용의 안전 필수 변환기(safety critical transducer)를 포함한다.
개요
제1 측면에 따르면, 고온 연료 전지 스택, 압축기 및 터빈을 포함하는 고온 연료 전지 시스템으로서, 상기 고온 연료 전지 스택은 각각 전해질, 애노드 및 캐소드를 포함하는 적어도 1개의 고온 연료 전지를 포함하며, 상기 압축기는 산화제의 적어도 일부를 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 캐소드에 공급하도록 배열되고, 연료 공급원이 연료를 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 애노드에 공급하도록 배열되고, 상기 고온 연료 전지 스택은 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 캐소드로부터의 미사용 산화제의 제1 부분을 이젝터로 공급하도록 배열되고, 상기 고온 연료 전지 스택은 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 애노드로부터의 미사용 연료의 일부를 상기 이젝터로 공급하도록 배열되고, 상기 압축기는 산화제의 일부를 상기 이젝터로 공급하도록 배열되고, 상기 이젝터는 미사용 연료 및 산화제의 혼합물을 형성하도록 상기 압축기로부터 공급되는 상기 산화제의 일부를 거쳐 상기 미사용 산화제 및 미사용 연료를 혼입하도록 구성된 고온 연료 전지 시스템이 제공된다.
유리하게는, 상기 미사용 연료 및 산화제의 혼합물은 상기 미사용 연료 및 산화제의 혼합물의 연소를 위해 상기 이젝터 외부의 연소 구역으로 혼입될 수 있다.
상기 연소 구역은 상기 미사용 연료 및 산화제의 혼합물의 연소로부터의 배기 가스를 열 교환기의 제1 주입구로 공급하도록 구성될 수 있다.
상기 열 교환기는 상기 배기 가스의 적어도 일부를 상기 열 교환기의 제1 배출구로부터 상기 터빈으로 공급하도록 배열될 수 있다.
상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 캐소드에 공급되는 산화제를 예열하기 위해, 상기 압축기로부터의 산화제의 적어도 일부 및 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 캐소드로부터의 미사용 산화제의 제2 부분이 상기 열 교환기의 제2 주입구로 공급될 수 있다.
상기 열 교환기는 상기 압축기로부터의 산화제의 적어도 일부 및 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 캐소드로부터의 미사용 산화제의 제2 부분을 상기 열 교환기의 제2 배출구로부터 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 캐소드로 공급하도록 배열될 수 있다.
3개의 주입구 (즉, 상기 압축기로부터의 산화제, 상기 캐소드로부터의 미사용 산화제 및 상기 애노드로부터의 미사용 연료)를 갖는 상기 이젝터의 배열은 상기 미사용 산화제 및 미사용 연료의 초고전단 혼합을 제공한다. 상기 이젝터는 상기 압축기로부터의 산화제에 의해 구동되며, 상기 주입구 노즐의 기하학은 상기 이젝터 전체에 걸쳐 매우 높은 가스 속도를 촉진하도록 구성될 수 있다. 상기 이젝터를 통한 혼합 공정은 매우 신속하여, 혼합물에서의 에너지 전달이 상기 이젝터 그 자체 내에서 발생하기에 충분한 시간을 갖지 못하며, 상기 연료 및 산화제 사이의 에너지 전달에서의 밀리초 지연은 상기 미사용 연료 및 산화제의 혼합물이 하류 연소 구역 (여기서, 상기 미사용 연료 및 산화제의 혼합물이 후속으로 연소됨)으로 빠져나가기에 충분한 시간이다.
혼합 공정이 충분히 신속하지 않은 경우 혼합물이 상기 이젝터 내에서 점화될 수 있는 위험이 있기 때문에 상기 이젝터가 고전단 혼합이 가능한 것은 중요하다.
상기 3개의 주입구 이젝터 및 별개의 연소 구역의 이점은 상기 이젝터가 자동-점화가 가능하기 전에 상기 미사용 연료 및 산화제 스트림을 완전히 예비혼합한다는 점이다. 상기 미사용 연료 및 산화제의 혼합물은 이러한 예비-혼합된 상태에서 보다 효율적으로 연소되며, 유해한 질소 산화물 (NOx) 가스의 방출이 감소된다.
또한, 상기 미사용 연료 및 산화제를 상기 이젝터 내에서 혼합함으로써, 상기 이젝터가 상기 미사용 연료 및 산화제를 혼합하고, 상기 혼합물을 연소 구역으로 통과시키는 공정을 수행할 수 있기 때문에 연소기를 상기 고온 연료 전지 시스템으로부터 생략할 수 있다.
상기 연소 구역은 상기 예비-혼합된 미사용 연료 및 미사용 산화제의 연소를 위한 체적 또는 전용 공간일 수 있다. 상기 이젝터에서 형성된 혼합물은 상기 연소 구역 내에서 자동-점화될 수 있다.
균일한 비-촉매 연소를 안정화하기 위해 공기역학적 재순환 구역이 상기 연소 구역에 제공될 수 있다.
촉매 산화 반응기가 상기 이젝터 및 연소 구역의 하류에 위치될 수 있다. 촉매 산화 반응기는 주로 준비(warm-up) 단계 동안 보다 저온에서의 점화를 위한 상기 고온 연료 전지 시스템의 냉시동을 보조할 수 있다. 별법으로, 자동-점화 온도보다 더 낮은 온도에서의 연소를 달성하기 위해 상기 촉매 산화 반응기 대신에 점화기 또는 글로우 플러그(glow plug)가 사용될 수 있다.
단일 또는 이중 촉매 층 반응기가 상기 촉매 산화 반응기의 하류에 위치되어 일산화탄소 가스 (CO)의 산화를 완료할 수 있다.
상기 촉매 산화 반응기 및/또는 상기 단일 또는 이중 촉매 층 반응기는 상기 열 교환기와 결합될 수 있다. 별법으로, 상기 열 교환기는 CO 전환을 위한 제2 촉매 층 반응기로서 사용될 수 있다.
상기 이젝터에 1차 혼입 체적, 2차 혼입 체적, 혼합 체적 및 방출 체적이 제공될 수 있다.
상기 1차 혼입 체적에는 1차 산화제 공급을 위한 제1 주입구가 제공될 수 있다. 상기 1차 산화제 공급은 상기 캐소드로부터의 미사용 산화제 및 상기 애노드로부터의 미사용 연료의 고전단 혼합 공정을 구동시킬 수 있다.
상기 2차 혼입 체적에는 상기 캐소드로부터의 미사용 산화제를 위한 제2 주입구 및 상기 애노드로부터의 미사용 연료를 위한 제3 주입구가 제공될 수 있다.
상기 혼합 체적 및 방출 체적은 상기 미사용 연료 및 산화제의 혼합물을 상기 연소 구역 쪽으로 혼입시킨다. 상기 가연성 혼합물의 점화 지연이 상기 이젝터에서의 체류 시간보다 크기 때문에 상기 가연성 혼합물은 비전환된 상태로 상기 이젝터를 떠날 수 있다.
완전히 예비-혼합된 연소가 달성될 수 있으며, 이는 연소 온도를 최소화하고, 연관 NOx 생성을 최소화할 수 있다. 상기 연소 온도를 감소시킴으로써, 구성성분은 더 적은 열 응력을 경험하기 때문에 이들의 수명은 전형적으로 최대화된다.
또한, 상기 이젝터 재순환 성능은 상기 1차 산화제 공급으로부터의 보다 냉각된 혼입 유동으로부터 이점을 얻을 수 있다.
상기 연소 구역은 3차 혼입 체적의 갑작스러운 확장을 사용하여 상기 이젝터로부터의 배출구에서 통합될 수 있다. 상기 이젝터의 배출구로부터 상기 연소 구역으로의 갑작스러운 확장 시, 상기 연소 구역의 상류 말단의 단면적은 상기 이젝터 배출구의 단면적의 적어도 2배이다. 통합된 연소 구역을 생성하는 갑작스러운 확장은 덤프 디퓨저(dump diffuser)와 유사한 국부 유동 재순환을 생성할 수 있다. 상기 가연성 혼합물의 유동 경로는 상기 유동 지역에서 와류(eddy current)를 경험할 수 있으며, 이는 상기 연소 구역에서의 상기 가연성 혼합물의 체류 시간 증가로 이어질 수 있다. 상기 연소 구역에서의 상기 가연성 혼합물의 체류 시간을 증가시키는 것의 이점은, 증가된 체류 시간이 연소 반응이 예를 들어 상기 연소 구역 내의 밀폐된 구역에서 유지되도록 할 수 있고, 상기 연소 구역의 하류로 전파되는 연소 가능성을 피할 수 있다는 것이다. 상기 연소 구역의 하류로 전파되는 연소 가능성을 감소시키는 것은 보다 안전한 연료 전지 시스템을 제공한다.
추가의 연료 공급원이 연료를 상기 이젝터에 공급하도록 배열될 수 있다. 상기 추가의 연료 공급원은 상기 고온 연료 전지 시스템의 시동 시 사용된다.
상기 고온 연료 전지 스택은 고체 산화물 연료 전지 스택 또는 용융 탄산염 연료 전지 스택일 수 있다.
제2 측면에 따르면, 이젝터 및 연소 구역을 포함하는, 고온 연료 전지 시스템에 사용하기 위한 연료 재순환 장치로서, 상기 이젝터는 1차 산화제를 위한 제1 주입구, 미사용 산화제를 위한 제2 주입구 및 미사용 연료를 위한 제3 주입구를 포함하는, 고온 연료 전지 시스템에 사용하기 위한 연료 재순환 장치가 제공된다.
본 발명의 구현예가 하기와 같은 첨부되는 도면을 참조하여 이하에 추가로 기재된다:
도 1은 고체 산화물 연료 전지 시스템을 도시하고;
도 2는 이젝터를 포함하는 연료 재순환 장치를 도시하고;
도 3은 내장된 연소 구역을 갖는 이젝터를 포함하는 연료 재순환 장치를 도시한다.
기재된 구현예에서, 비록 일부 경우에 100 배수의 정수 증분을 가질지라도 유사한 특징들은 유사한 숫자로 확인되었다. 예를 들어, 상이한 도면에서, 이젝터를 나타내기 위해 (30) 및 (230)이 사용되었다.
도 1은 고체 산화물 연료 전지 스택(2), 압축기(14) 및 터빈(12)를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템(1)을 도시한다. 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)는 전해질, 애노드 및 캐소드를 갖는 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지를 포함한다. 상기 압축기(14)는 산화제 공급원(6)으로부터의 산화제의 적어도 일부(52)를 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지의 캐소드로 공급하도록 배열되고, 연료 공급원(4)는 연료를 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지의 애노드로 공급하도록 배열된다. 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)는 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지 캐소드로부터의 미사용 산화제의 제1 부분(54)를 이젝터(30)으로 공급하도록 배열되고, 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)는 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지의 애노드로부터의 미사용 연료의 제1 부분(56)을 상기 이젝터(30)으로 공급하도록 배열된다. 상기 압축기(14)는 상기 산화제 공급원(6)으로부터의 산화제의 일부(36)을 상기 이젝터(30)으로 공급하도록 배열된다. 상기 터빈(12)는 축(13)을 통해 상기 압축기(14)를 구동시키도록 배열되고, 상기 터빈(12)는 또한 발전기(11)을 구동시키도록 배열된다.
상기 연료 공급원(4)는 이젝터(5)를 통해 연료를 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2) 내의 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지의 애노드로 공급하도록 배열되고, 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지의 애노드로부터의 미사용 연료의 제2 부분(58)은 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지의 애노드로 재순환되도록 상기 이젝터(5)로 공급된다.
상기 이젝터(30)은 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2) 내 상기 고체 산화물 연료 전지의 캐소드로부터의 미사용 산화제, 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드로부터의 미사용 연료, 및 상기 압축기(14)로부터 공급된 산화제를 혼입시키고, 혼합하며, 이러한 혼합물을 연소를 위해 연소 구역(44)로 공급한다. 상기 연소 구역(44)는 상기 예비-혼합된 미사용 연료 및 미사용 산화제의 연소를 위한 체적 또는 전용 공간이다. 상기 이젝터(30)에서 형성된 혼합물은 상기 연소 구역(44) 내에서 자동-점화된다.
상기 연소 구역(44)는 연소 생성물을 열 교환기(16)의 제1 주입구(17)로 공급하도록 배열된다. 그러나, 균일한 비-촉매 연소를 안정화하기 위해 중간 구성성분, 예를 들어 추가의 공기역학적 재순환 구역(50)이 제공될 수 있다.
촉매 산화 반응기(46)은 상기 이젝터(30) 및 연소 구역(44)의 하류에 위치된다. 상기 촉매 산화 반응기(46)은 상기 고체 산화물 연료 전지 시스템(1)의 냉시동을 보조한다. 이는 상기 고체 산화물 연료 전지 시스템(1)의 준비 단계 또는 시동 동안 보다 낮은 온도에서의 점화에 특히 유리하다. 별법으로, 자동-점화 온도보다 더 낮은 온도에서 연소를 달성하기 위해 상기 촉매 산화 반응기 대신에 점화기 또는 글로우 플러그가 사용될 수 있다.
단일 또는 이중 촉매 층 반응기(48)이 상기 촉매 산화 반응기(46)의 하류에 위치되어 이산화탄소 가스 (CO2)로의 일산화탄소 가스 (CO)의 산화를 완료할 수 있다.
상기 촉매 산화 반응기(46) 및/또는 상기 단일 또는 이중 촉매 층 반응기(48)은 상기 열 교환기(16)과 결합될 수 있다. 별법으로, 상기 열 교환기(16)은 상기 촉매 산화 반응기(46)에서 불완전 연소가 존재하는 경우, CO2로의 CO 전환을 위한 제2 촉매 층 반응기로서 사용될 수 있다. 촉매 산화 반응기, 단일 또는 이중 촉매 층 반응기, 또는 제2 촉매 층 반응기로서 사용되는 열 교환기는 상기 열 교환기 내의 상응하는 유동 통로의 표면에 도포된 촉매를 갖는다. CO2로의 CO의 전환을 완료하기 위해, 상기 촉매 코팅된 표면 상에서의 긴 체류 시간이 요구될 수 있다. 상기 열 교환기를 촉매 산화 반응기, 단일 또는 이중 촉매 층 반응기, 또는 제2 촉매 층 반응기로서 사용하는 것의 이점은, 상기 열 교환기가 상기 열 교환기 내의 유동 통로 및 이에 따라 상기 유동 통로의 촉매 코팅된 표면의 큰 표면적에 기인하여 전환 반응이 일어나기 위한 매우 큰 표면적을 제공한다는 것이다. 또한, 열 교환기와, 촉매 산화 반응기, 단일 또는 이중 촉매 층 반응기, 또는 제2 촉매 층 반응기의 결합은 비용을 절감시킨다.
상기 열 교환기(16)은 상기 열 교환기(16)의 제1 배출구(18)로부터의 배기 가스의 적어도 일부(60)을 상기 터빈(12)로 공급하도록 배열된다. 상기 열 교환기(16)은 상기 열 교환기(16)의 제1 배출구(18)로부터의 배기 가스의 일부(62)를 상기 이젝터(30)으로 제공하도록 배열되고, 이러한 배기 가스는 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지의 캐소드로부터의 미사용 산화제(54)와 함께 상기 이젝터(30)으로 공급된다. 상기 열 교환기(16)은 증기와 같은 유해한 연소 생성물이 산화제 스트림(22) 및 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)로 들어가지 않도록 하면서, (상기 산화제가 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)에 도달하기 전에 이를 예열하기 위한) 상기 산화제로의 열 전달을 가능하게 한다.
상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지의 캐소드로 공급되는 상기 산화제 스트림(22)를 예열하기 위해, 상기 압축기(14)로부터의 산화제의 일부(52) 및 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지의 캐소드로부터의 미사용 산화제의 제2 부분(64)가 이젝터(15)를 통해 상기 열 교환기(16)의 제2 주입구(19)로 공급된다. 상기 압축기(14)로부터의 산화제의 일부(52) 및 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지의 캐소드로부터의 미사용 산화제의 제2 부분(64)는 상기 이젝터(15)에서 함께 혼합된다.
상기 열 교환기(16)은 상기 압축기(14)로부터의 산화제의 적어도 일부, 및 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지의 캐소드로부터의 미사용 산화제의 제2 부분(64)를 상기 열 교환기(16)의 제2 배출구(20)으로부터 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 상기 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지의 캐소드로 공급하도록 배열된다. 이러한 배열에서, 상기 산화제 스트림(22)는 상기 열 교환기(16)을 통해 유동하는 재순환된 연료 및 재순환된 산화제에 의해 예열된다.
상기 이젝터(30)은 도 2에 도시되어 있다. 상기 이젝터(30)은 1차 혼입 체적(38), 2차 혼입 체적(40), 혼합 체적(41) 및 방출 체적(42)를 포함한다. 상기 이젝터(30)은 상기 1차 혼입 체적(38)을 통해 1차 산화제의 일부(36)을 혼입시킨다. 상기 1차 혼입 체적(38)에는 상기 1차 산화제의 일부가 상기 1차 혼입 체적(38)로 들어가기 위한 제1 주입구(37)이 제공된다. 상기 1차 산화제의 일부(36)은 상기 열 교환기(16)으로부터의 미사용 산화제(54)와 배기 가스(62)의 배합물(32) 및 상기 미사용 연료(56)의 혼합 공정을 구동시켜, 상기 혼합 체적(41) 및 상기 방출 체적(42) 내에서 예비-혼합된 혼합물을 형성한다. 상기 2차 혼입 체적(40)에는 미사용 연료 공급을 위한 제2 주입구(35) 및 미사용 산화제 공급물이 상기 2차 혼입 체적(40)으로 들어가도록 하기 위한 제3 주입구(33)이 제공된다. 상기 제3 주입구(33)은 또한, 상기 열 교환기(16)의 제1 배출구(18)로부터의 배기 가스의 일부(62)가 상기 2차 혼입 체적(40)으로 들어가도록 하기 위한 주입구이다. 상기 제2 주입구(35) 및 상기 제3 주입구(33)은 상기 혼합 체적(41)에 가능한 한 근접하여 상기 2차 혼입 체적(40) 내에 제공된다. 상기 1차 혼입 체적(38)은 상기 2차 혼입 체적(40) 쪽 방향으로 수렴되는 덕트 (예를 들어, 상기 덕트의 단면적은 상기 주입구(37)로부터 상기 2차 혼입 체적(40)으로 감소됨)를 포함한다. 상기 2차 혼입 체적(40)은 상기 혼합 체적(41) 쪽 방향으로 수렴되는 덕트 (예를 들어, 상기 덕트의 단면적은 상기 1차 혼입 체적(38)로부터 상기 혼합 체적(41)로 감소됨)를 포함한다. 상기 1차 혼입 체적(38) 및 상기 2차 혼입 체적(40)은 바람직하게는 단일 수렴 덕트의 부분이다. 상기 혼합 체적(41)은 그 길이를 따라 일정한 단면적을 갖는 원통형 덕트를 포함한다. 그러나, 상기 혼합 체적(41)은 상기 방출 체적(42) 쪽 방향으로 분기되는 덕트 (예를 들어, 단면적은 상기 2차 혼합 체적(40)으로부터 상기 방출 체적(42)로 증가함)를 포함할 수 있다. 상기 방출 체적(42)는 상기 혼합 체적(41)로부터 벗어나는 방향으로 분기되는 덕트 (예를 들어, 상기 덕트의 단면적은 상기 혼합 체적(41)로부터 상기 방출 체적(42)의 배출구(43)으로 증가함)를 포함한다. 상기 방출 체적(42)는 상기 미사용 연료 및 미사용 산화제의 혼합물을 위한 디퓨저를 규정한다. 상기 제2 주입구(35) 및 상기 제3 주입구(33)은 주입구 노즐일 수 있다.
3개의 주입구 (즉, 상기 1차 산화제의 일부, 상기 캐소드로부터의 미사용 산화제, 상기 애노드로부터의 미사용 연료 및 상기 열 교환기로부터의 배기 가스의 일부)를 갖는 상기 이젝터(30)의 배열은 상기 미사용 산화제 및 미사용 연료의 초고전단 혼합을 제공한다. 상기 주입구 노즐의 기하학은 상기 이젝터 전체에 걸쳐 매우 높은 가스 속도를 촉진한다.
상기 이젝터(30) 내의 상기 1차 대기, 미사용 산화제 및 미사용 연료의 체류 시간은 상기 연료 및 산화제 혼합물의 에너지 전달에 요구되는 시간 미만이며, 따라서 상기 가연성 물질은 상기 이젝터(30) 내에서 연소되지 않는다. 상기 연료 및 산화제 사이의 에너지 전달에서의 밀리초 지연은 상기 예비-혼합된 연료 산화제 혼합물이 하류 연소 구역(44) (여기서, 상기 예비-혼합된 연료 및 산화제가 후속으로 연소됨)로 상기 이젝터(30)을 빠져나가기에 충분한 시간이다.
상기 이젝터(30)은 상기 1차 산화제 스트림의 일부(36), 미사용 산화제 스트림(54), 미사용 연료 스트림(56) 및 상기 열 교환기로부터의 배기 가스의 일부를 위한 주입구 노즐의 기하학 덕분에 고전단 혼합이 가능하다. 상기 노즐이 높은 속도로 스트림을 전달하지 않는 경우, 상기 혼합 공정이 충분히 신속하지 않아 혼합물이 상기 이젝터(30) 내에서 점화될 수 있는 (즉, 상기 이젝터 내에서 역화(flash back)를 유발하는) 위험이 있다.
상기 3개 주입구 이젝터 배열 및 별개의 연소 구역의 이점은, 자동-점화가 가능하기 전에 상기 이젝터가 상기 미사용 연료와 상기 1차 및 미사용 산화제 스트림을 완전히 예비혼합한다는 것이다. 상기 예비-혼합된 연료 및 산화제는 이러한 예비-혼합된 상태에서 보다 효율적으로 연소되며, 유해한 모노-질소 산화물 (NOx) 가스의 방출이 감소된다.
또한, 상기 미사용 연료와 상기 1차 및 미사용 산화제를 상기 이젝터 내에서 혼합함으로써, 상기 이젝터가 상기 연료 및 산화제를 연소 구역으로 혼합하는 공정을 수행하기 때문에 연소기를 상기 고체 산화물 연료 전지 시스템으로부터 생략할 수 있다.
도 3은 연소 구역(245)와 결합된 이젝터(230)을 도시한다. 상기 연소 구역(245)는 상기 이젝터(230)의 배출구(243)에서 통합된다. 상기 이젝터(230)의 배출구(243)으로부터 상기 연소 구역(245)로의 갑작스러운 확장이 존재하며, 상기 연소 구역의 상류 말단의 단면적은 상기 이젝터(230)의 배출구(243)의 단면적의 적어도 2배이다. 상기 이젝터(230)의 배출구(243)으로부터 상기 연소 구역(245)로의 갑작스러운 확장은 상기 예비-혼합된 연료 및 산화제 혼합물에 이용가능한 체적에서의 증가를 제공하여 국부 유동 재순환을 생성한다. 상기 연소 구역(245) 내에서의 유동 프로파일은 와류를 형성하며, 결과적으로 상기 연소 구역(245) 내에서의 체류 시간을 연장시킨다. 상기 연소 구역(245) 내에서의 체류 시간을 연장시키는 것은 상기 예비-혼합된 연료 및 산화제 혼합물의 개선된 연소에 기여한다.
상기 고체 산화물 연료 전지 시스템(1)의 시동 동안, 추가의 연료(7)이 상기 이젝터(30) 내로, 특히 상기 2차 혼입 체적(40) 내로 주입될 수 있다. 상기 연료(7)은 상기 제2 주입구(35) 또는 추가의 주입구 (도시되지 않음)를 사용하여 상기 이젝터(30) 내로 주입될 수 있다. 상기 고체 산화물 연료 전지 시스템(1)의 시동 동안 상기 이젝터(30) 내로 주입되는 상기 연료(7)은 천연 가스, 수소, 수소 및 일산화탄소의 혼합물, 다른 적합한 탄화수소 또는 다른 적합한 연료일 수 있다. 시동 동안의 연료(7)의 공급을 허용하며, 상기 고체 산화물 연료 전지 시스템의 정상 작동 동안의 연료(7)의 공급을 방지하기 위해 밸브(9)가 제공된다. 상기 연료(7)이 상기 고체 산화물 연료 전지 시스템(1)의 시동 동안 공급되어, 상기 열 교환기(16)을 통해 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)로 제공되는 산화제를 가열함으로써 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)를 작동 온도로 가열한다.
상기 이젝터(30)은 자동-점화 조건, 온도 초과에서 연료 및 산화제 혼합기로서 작용한다. 상기 이젝터(30)은 또한 자동-점화 조건 미만에서 연료 및 산화제 혼합기로서 작용하며, 상기 고체 산화물 연료 전지 시스템의 준비 또는 시동 동안 연료 및 산화제 혼합기로서 작용한다.
고체 산화물 연료 전지 시스템의 특정한 예에서, 상기 산화제 공급원은 산소 공급원 또는 대기 공급원일 수 있으며, 연료 공급원은 수소 공급원일 수 있거나 또는 상기 연료 공급원은 수소를 생성하기 위한 개질기(reformer) 또는 처리기를 포함할 수 있다.
본 발명이 고체 산화물 연료 전지로 이루어진 고체 산화물 연료 전지 스택을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템에 관하여 기재되었지만, 본 발명은 용융 탄산염 연료 전지로 이루어진 용융 탄산염 연료 전지 스택을 포함하는 용융 탄산염 연료 전지 시스템, 또는 고온 연료 전지로 이루어진 고온 연료 전지 스택을 포함하는 다른 고온 연료 전지 시스템에 동등하게 적용가능하다. 고온 연료 전지는 500℃ 내지 1100℃ 범위의 온도에서 작동하는데, 예를 들어 고체 산화물 연료 전지는 500℃ 내지 1100℃, 예를 들어 850℃ 내지 1100℃ 범위의 온도에서 작동하며, 용융 탄산염 연료 전지는 600℃ 내지 700℃ 범위의 온도에서 작동한다.
상기 기재된 임의의 구현예에 대해 기재된 특징들이 상이한 구현예 간에 상호교환가능하게 적용가능할 수 있음이 통상의 기술자에게 명확할 것이다. 상기 기재된 구현예는 본 발명의 다양한 특징을 예시하기 위한 예이다.
본 명세서의 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐, 단어 "포함한다" 및 "함유한다" 및 이들의 변형어는 "포함하나 한정되지 않는"을 의미하며, 이들은 다른 잔기, 첨가물, 구성성분, 정수 또는 단계를 배제하도록 의도되지 않는다 (그리고 배제하지 않는다).
본 명세서의 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐, 문맥이 달리 요구하지 않는 한 단수형은 복수형을 포함한다. 특히, 부정 관사가 사용되는 경우, 본 명세서는 문맥이 달리 요구하지 않는 한 단수뿐만 아니라 복수를 고려하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 특정한 측면, 구현예 또는 예와 함께 기재된 특징, 정수, 특성, 화합물, 화학적 잔기 또는 기는 본원에 기재된 임의의 다른 측면, 구현예 또는 예와 비양립성이지 않는 한 이들에 적용가능한 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서 (임의의 첨부되는 청구범위, 요약서 및 도면 포함)에 개시된 특징 모두, 및/또는 상기 개시된 임의의 방법 또는 공정의 단계 모두는 이러한 특징 및/또는 단계 중 적어도 일부가 상호간에 배타적인 경우의 조합을 제외하고는, 임의의 조합으로 조합될 수 있다. 본 발명은 임의의 상기 구현예의 상세사항에 제한되지 않는다. 본 발명은 본 명세서 (임의의 첨부되는 청구범위, 요약서 및 도면 포함)에 개시된 특징의 임의의 신규한 것 또는 임의의 신규한 조합, 또는 상기 개시된 임의의 방법 또는 공정의 단계의 임의의 신규한 것 또는 임의의 신규한 조합으로 확대된다.
독자의 관심은, 본원과 관련된 본 명세서와 동시에 또는 이전에 제출되며, 본 명세서를 조사하는 대중에게 공개된 모든 서류 및 문서에 관한 것이며, 이러한 모든 서류 및 문서의 내용은 본원에 참조로 포함된다.

Claims (21)

  1. 고온 연료 전지 스택(stack), 압축기 및 터빈을 포함하는 고온 연료 전지 시스템으로서, 상기 고온 연료 전지 스택은 각각 전해질, 애노드 및 캐소드를 포함하는 적어도 1개의 고온 연료 전지를 포함하며, 상기 압축기는 산화제의 적어도 일부를 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 캐소드로 공급하도록 배열되고, 연료 공급원이 연료를 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 애노드로 공급하도록 배열되고, 상기 고온 연료 전지 스택은 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 캐소드로부터의 미사용 산화제의 제1 부분을 이젝터로 공급하도록 배열되고, 상기 고온 연료 전지 스택은 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 애노드로부터의 미사용 연료의 일부를 상기 이젝터로 공급하도록 배열되고, 상기 압축기는 상기 산화제의 일부를 상기 이젝터로 공급하도록 배열되며, 상기 이젝터는 미사용 연료 및 산화제의 혼합물을 형성하도록 상기 압축기에 의해 공급되는 상기 산화제의 일부를 거쳐 상기 미사용 산화제 및 미사용 연료를 혼입하도록 구성된 고온 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이젝터에 1차 혼입 체적, 2차 혼입 체적, 혼합 체적 및 방출 체적이 제공된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 1차 혼입 체적에 상기 압축기로부터의 산화제를 위한 제1 주입구가 제공된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 2차 혼입 체적에 상기 캐소드로부터의 미사용 산화제를 위한 제2 주입구가 제공되며, 상기 애노드로부터의 미사용 연료를 위한 제3 주입구가 추가로 제공된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1 주입구, 제2 주입구 및 제3 주입구 각각에 주입구 노즐이 제공된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 상기 혼합물의 연소를 위해 상기 이젝터 외부의 연소 구역으로 혼입되는 것인 고온 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연소 구역이 상기 이젝터의 배출구에서 통합된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 연소 구역이 상기 혼합물의 연소로부터의 연소 생성물을 열 교환기의 제1 주입구로 공급하도록 구성된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 열 교환기가 상기 열 교환기의 제1 배출구로부터의 배기 가스의 적어도 일부를 상기 터빈으로 공급하도록 배열된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 압축기로부터의 산화제의 적어도 일부 및 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 캐소드로부터의 미사용 산화제의 제2 부분이 상기 열 교환기의 제2 주입구로 공급되는 고온 연료 전지 시스템.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 교환기가 상기 압축기로부터의 산화제의 적어도 일부 및 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 캐소드로부터의 미사용 산화제의 제2 부분을 상기 열 교환기의 제2 배출구로부터 상기 적어도 1개의 고온 연료 전지의 캐소드로 공급하도록 배열된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 구역이 체적 또는 전용 공간인 고온 연료 전지 시스템.
  13. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 공기역학적 재순환 구역이 상기 연소 구역에 제공된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  14. 제6항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매 산화 반응기가 상기 이젝터 및 연소 구역의 하류에 위치된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  15. 제6항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 점화기 또는 글로우 플러그(glow plug)가 상기 이젝터 및 연소 구역의 하류에 위치된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 단일 또는 이중 촉매 층 반응기가 상기 촉매 산화 반응기의 하류에 위치된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 촉매 산화 반응기 및/또는 상기 단일 또는 이중 촉매 층 반응기가 상기 열 교환기와 결합된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 추가의 연료 공급원이 연료를 상기 이젝터로 공급하도록 배열된 것인 고온 연료 전지 시스템.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 연료 전지 스택이 고체 산화물 연료 전지 스택인 고온 연료 전지 시스템.
  20. 이젝터 및 연소 구역을 포함하는, 고온 연료 전지 시스템에 사용하기에 적합한 연료 재순환 장치로서, 상기 이젝터는 1차 산화제를 위한 제1 주입구, 미사용 산화제를 위한 제2 주입구 및 미사용 연료를 위한 제3 주입구를 포함하는 연료 재순환 장치.
  21. 도 1 내지 3을 참조하여 본원에 기재된 바와 같은 시스템 및 장치.
KR1020167035363A 2014-07-04 2015-07-03 연료 전지 시스템 KR20170028884A (ko)

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