KR20170042768A - 연료 전지를 위한 다중 개질가능 연료 전달 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 개질가능 연료 전지 시스템 및 방법을 제공하며, 이는 액체 펌프를 사용하지 않고 임의의 탄화수소 연료, 즉, 액체 또는 기체 개질가능 연료를 예로서, 개질기, 기화기, 연료 전지 스택, 애프터버너, 및 연료 전지 유닛 또는 시스템의 다른 조립체 및 구성요소에 전달할 수 있다. 더 구체적으로, 본 발명의 전달 시스템 및 방법에서 기체 개질가능 연료 및/또는 액체 개질가능 연료를 제어 및 전달하기 위해 기체 압력이 사용될 수 있다. 또한, 전달 시스템 및 방법은 액체 반응제, 예컨대 물과, 기체 반응제, 예컨대, 산소 함유 기체(예를 들어, 공기) 및 스팀의 전달에 적용될 수 있다.

Description

연료 전지를 위한 다중 개질가능 연료 전달 시스템 및 방법{MULTI-REFORMABLE FUEL DELIVERY SYSTEMS AND METHODS FOR FUEL CELLS}
본 발명은 연료 전지 유닛 또는 시스템을 위한 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템과, 이러한 전달 시스템을 동작하는 방법과, 연료 전지 유닛 또는 시스템의 구성요소로의 기체 및 액체 개질가능 연료의 유동 및 전달을 제어하는 방법에 관한 것이다.
생성물이 일반적으로 "합성 가스" 또는 "신가스(syngas)"라 지칭되는, 기체 개질가능 연료 및/또는 액체 개질가능 연료의 수소 농후 일산화탄소 함유 기체 혼합물로의 변환은, 스팀 개질, 건식 개질, 오토서멀 개질(autothermal reforming) 및 촉매 부분 산화 개질 같은 이러한 잘 알려진 연료 개질 작업 중 임의의 것에 따라 수행될 수 있다.
개선된 연료 개질기, 연료 개질기 구성요소 및 개질 프로세스의 개발은, 연료 전지 시스템 또는 간단히 "연료 전지", 즉, 전자화학적으로 산화가능한 연료, 예컨대, 수소, 수소와 일산화탄소의 혼합물, 예로서 신가스 등의 전기로의 전자화학적 변환을 위한 디바이스의 주 전력 유닛(MPU) 및 보조 전력 유닛(APU)을 포함하는 일반적 용례를 위한 크게 확장된 역할을 수행할 가능성에 기인하여 지속적으로 상당한 연구의 초점이 되고 있다. 연료 전지는 또한 특수 용례, 예로서, 전기 차량을 위한 내장 전기 발생 디바이스, 주거 용도 디바이스를 위한 백업 및 일차 전원, 레저 용도를 위한 주 전원, 그리드를 벗어난 장소에서의 아웃도어 및 다른 전력 소비 디바이스 및 휴대용 배터리 팩을 위한 더 경량의, 더 높은 전력 밀도의 주변 온도 의존적 대체물로서 사용될 수 있다.
수소의 대규모 경제적 생산, 그 분배를 위해 요구되는 인프라구조 및 (특히, 수송 연료로서) 그 저장을 위한 실용적 수단은 요원한 것으로 널리 믿어지기 때문에, 많은 현재의 연구 및 개발은 전자화학적으로 산화가능한 연료의 소스, 특히, 수소와 일산화탄소의 혼합물의 소스로서의 연료 개질기와 이러한 연료의 전기로의 컨버터(convertor)로서의 통상적으로 연료 전지 "스택"이라 지칭되는 연료 전지 조립체 양자 모두를 개선하는 것과 전기 에너지의 생산을 위한 더 소형의 신뢰성 있고 효율적인 디바이스로의 연료 전지 및 연료 개질기의 통합을 지향하고 있다.
이들 고려사항을 염두에 두고, 기화기 및 연료 개질기 같은 연료 전지 시스템의 구성요소로의 개질가능 연료의 저장 및 전달은 개발이 요구되는 다른 영역이다. 예로서, 연료 전지 스택에 의한 사용을 위한 수소 농후 생성물로의 변환을 위한 기화기 및 개질기에 기체 개질가능 연료 및 액체 개질가능 연료 양자 모두를 효율적이고 신뢰성 있게 제어 가능한 방식으로 전달하기 위한 방법 및 단일 전달 시스템의 기능이 바람직하다. 따라서, 기체 및 액체 개질가능 연료 양자 모두의 연료 전지 유닛 또는 시스템의 구성요소로의 전달을 위한 시스템 및 전달 방법을 개선시킬 필요가 있다.
전술한 바의 견지에서, 본 발명은 액체 펌프를 사용하지 않고 임의의 탄화수소 연료, 즉, 액체 또는 기체 개질가능 연료를 예로서 적어도 하나의 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 연료 전지 유닛이나 시스템의 다른 구성요소에 전달할 수 있는 다수의 개질가능 연료(즉, 액체 및 기체 개질가능 연료) 전달 시스템 및 방법을 제공한다. 더 구체적으로, 본 발명의 전달 시스템 및 방법은 연료 전지 유닛 또는 시스템의 구성요소에 기체 개질가능 연료 및/또는 액체 개질가능 연료를 제어 및 전달하기 위해 기체 압력을 사용한다. 즉, 기체 압력은 기체 개질가능 연료를 전달하고 액체 개질가능 연료를 변위 및 전달하기 위해 사용된다. 결과적으로, 본 발명의 전달 시스템 및 방법은 전달 시스템 전반에 걸쳐 기체 압력의 적절한 균형을 사용할 수 있고, 이 균형은 연료 전지 유닛 또는 시스템의 원하는 하류 구성요소에 액체 개질가능 연료 및/또는 기체 개질가능 연료의 계량된 유량을 제공할 수 있다.
본 발명에 따라서, 한가지 일반적 전달 시스템은 연료 전지 유닛 또는 시스템의 구성요소에 전달되는 기체 개질가능 연료 및 액체 개질가능 연료의 비율을 독립적으로 제어할 수 있다. 예로서, 본 발명의 전달 시스템은 연료 전지 유닛 또는 시스템의 시동, 정상 상태 및 셧다운 모드를 위한 기체 및 액체 개질가능 연료의 적절한 혼합을 가능하게 할 수 있다. 본 발명의 전달 시스템 및 방법은 개질을 위한 적절한 산소 대 연료 비율을 제공하도록 개질가능 연료에 산소 함유 기체를 전달할 수 있다.
또한, 액체 펌프의 제한 없이 방법이 실시될 수 있고 전달 시스템이 사용될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 다중 개질가능 연료 전달 시스템은 더 낮은 시스템 압력에서 동작될 수 있다. 전달 시스템은 시동 모드 동안 플랜트의 잔여부의 부하를 감소시킬 수 있다. 또한, 전달 시스템은 전달 시스템 전반에 걸쳐 유체 유량을 위한 증가된 제어 범위를 가질 수 있다.
추가적으로, 기체 개질가능 연료의 유동 및 전달의 제어는 일반적으로 액체 개질가능 연료의 유동 및 전달의 제어에 독립적이고, 그에 의해, 두 개의 독립적 전달 제어 시스템을 필요로 한다. 이러한 경우에, 두 개의 제어 시스템 사이의 변동 및 두 시스템의 요구되는 캘리브레이션(calibration)으로 인해 시스템간 변동은 연료 전지 유닛 또는 시스템의 효율적 동작에 영향을 줄 수 있다. 본 발명의 전달 시스템의 비교적 간단한 구성은 두 개의 독립적 제어 시스템과 그 고유한 제한의 사용을 피할 수 있다.
또한, 본 발명의 전달 시스템은 기체 개질가능 연료 및 액체 개질가능 연료를 위한 별개의 전용 라우팅(예를 들어, 도관) 시스템을 가질 수 있다. 이러한 배열은 그를 통한 단 한 가지 유형의 개질가능 연료를 지향 또는 전달시킴으로써, 구조체 및 구성요소, 예로서, 밸브 조립체의 교차 오염을 방지할 수 있다. 이러한 배열은 민감한 구조체 및 구성요소 예컨대, 펌프 또는 압축기 밀봉부와 밸브의 액체 연료에 대한 노출을 제한할 수 있다.
또한, 전달 시스템은 예로서, 기체 헤드공간(gaseous headspace)과 연계된 압력 릴리프 밸브 조립체(pressure relief valve assembly)를 통해 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간 사이의 동작가능 유체 연통을 포함할 수 있다. 본 발명의 방법은 이러한 특징을 활용하는 것, 예로서, 존재할 수 있는 기체 개질가능 연료의 소스로부터, 다른 경우에는 압력 릴리프 밸브를 통해 대기로 통기되는 에너지의 소비 및 사용을 위한 연료 전지 유닛의 구성요소로, 임의의 기체 개질가능 연료 및 헤드공간 내의 증발된 액체 개질가능 연료를 포함하는 기체를 전달하는 것을 포함할 수 있다.
또한 전달 시스템은 액체 개질가능 연료 저장소를 재충전하기 위해 액체 개질가능 연료의 더 큰 일차 소스와 연계될 수 있다. 이러한 배열은 휴대용/모바일 연료 전지 유닛 또는 시스템의 재충전 및/또는 연료 전지 유닛 또는 시스템의 거의 연속적인 동작을 제공할 수 있다. 이러한 액체 개질가능 연료의 일차 소스의 사용은 전달되는 연료 전지 스택에 의해 사용되는 액체 개질가능 연료의 품질의 변동을 최소화할 수 있다. 추가적으로, 액체 개질가능 연료의 더 큰 일차 소스의 사용은 연료 전지 유닛 또는 시스템의 유체 스트림(들) 내로의 침전물 및 다른 더 높은 밀도의 불순물의 도입을 최소화 또는 방지할 수 있다.
따라서, 일 양태에서, 본 발명은 연료 전지 유닛 또는 시스템의 구성요소에 예로서 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나에 액체 및 기체 개질가능 연료를 전달하기 위한 다중 개질가능 연료 전달 시스템을 제공한다.
전달 시스템은 일반적으로 액체 개질가능 연료 저장소로서, 이 액체 개질가능 연료 저장소의 내부는 액체 개질가능 연료 공간 및 기체 헤드공간을 포함하는 액체 개질가능 연료 저장소; 연료 전지 유닛 또는 시스템의 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하고, 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하는, 기체 개질가능 연료의 소스; 및 액체 개질가능 연료 공간의 출구와 동작가능하게 유체 연통하고, 개질기의 입구, 유체 혼합 디바이스의 입구 및 연료 전지 스택의 입구 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하는, 기화기를 포함한다.
다양한 실시예에서, 전달 시스템은 기체 개질가능 연료의 소스와는 다른 양의 기체 압력의 소스를 포함하고, 양의 기체 압력의 소스는 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통한다. 액체 개질가능 연료 저장소는 전달 시스템 전반에 걸쳐 유체 압력 및 유체의 전달을 제어하는 것을 돕도록 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하는 압력 릴리프 밸브 조립체를 포함할 수 있다. 압력 릴리프 밸브 조립체는 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하여 연료 전지 유닛 또는 시스템의 구성요소에 기체 헤드공간으로부터 기체를 제공할 수 있다.
특정 실시예에서, 본 발명의 전달 시스템 및 방법은 밸브 조립체 및 도관(들)을 배제하고 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 기체 개질가능 연료의 소스를 직접 결합할 수 있다. 이러한 실시예에서, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템은 액체 개질가능 연료 저장소로서, 이 액체 개질가능 연료 저장소의 내부는 액체 개질가능 연료 공간 및 기체 헤드공간을 포함하고, 액체 개질가능 연료 공간은 연료 전지 유닛의 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스와 동작가능하게 유체 연통하는, 액체 개질가능 연료 저장소; 이 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하는 양의 기체 압력의 소스; 및 연료 전지 유닛의 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하는 기체 개질가능 연료의 소스를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전달 시스템은 예로서 개질을 위한 적절한 산소 대 연료 비율을 생성하기 위해 개질가능 연료와의 혼합을 위한 산소 함유 기체의 소스를 포함한다. 전달 시스템은 특정 용례에서 개질가능 연료, 산소 함유 기체 및/또는 스팀 같은 유체 반응제의 혼합을 위한 유체 혼합 디바이스를 포함할 수 있다. 유체 혼합 디바이스의 하나 이상의 입구는 기체 개질가능 연료의 소스, 기화된 액체 개질가능 연료, 산소 함유 기체 및 스팀을 포함하는 액체 개질가능 연료의 소스 중 적어도 하나와 유체 연통할 수 있다. 유체 혼합 디바이스의 출구는 개질기 및/또는 연료 전지 스택과 동작가능하게 유체 연통할 수 있다.
특정 실시예에서, 전달 시스템은 연료 전지 유닛 또는 시스템과 연계되고 그에 결합될 수 있다. 연료 전지 유닛 또는 시스템은 연료 전지 스택 및 애프터버너를 포함할 수 있다. 연료 전지 유닛 또는 시스템은 또한 개질기 및/또는 기화기를 포함하는 것으로 고려될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 본 발명의 다중 개질가능 연료 전달 시스템을 동작시키기 위한 방법을 제공한다. 예로서, 이 방법은 기체 개질가능 연료의 소스, 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간, 액체 개질가능 연료 저장소의 액체 개질가능 연료 공간, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 둘 이상의 사이에서 기체 압력을 조정하여, 예컨대 산소 함유 기체의 소스를 포함하는 양의 기체 압력의 소스(들) 및 기체 개질가능 연료의 하나 이상의 소스(들)와 하나 이상의 밸브 조립체를 조정 및 조작함으로써, 기체 개질가능 연료의 소스로부터 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로의, 그리고, 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체 개질가능 연료의 전달 및 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기로의 액체 개질가능 연료의 전달을 제어할 수 있다.
다양한 실시예에서, 본 발명의 방법은 액체 펌프를 사용하지 않고 연료 전지 유닛 또는 시스템으로의 기체 및 액체 개질가능 연료의 유동 및 전달을 제어하는 것을 포함한다. 이 방법은 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나에 기체 개질가능 연료를 전달하는 것; 및 (a) 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달 및 (b) 기체 헤드공간으로부터 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체 전달 중 적어도 하나를 위해, 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간에 양의 기체 압력을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 액체 개질가능 연료는 기체 개질가능 연료가 통과하는 도관을 통과하지 않는다. 특정 실시예에서, 기화된 액체 개질가능 연료는 개질기 및/또는 연료 전지 스택 내로의 도입 이전에 산소 함유 기체 및/또는 기체 개질가능 연료와 혼합될 수 있다.
일 양태의 변형으로서, 본 발명은 본 명세서에 기재된 특정 전달 구조 또는 구성요소에 독립적으로 설명될 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 방법은 액체 펌프를 사용하지 않고 연료 전지 유닛 또는 시스템으로의 기체 및 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하는 것을 포함할 수 있고, 이 방법은 제1 양의 기체 압력을 사용하여, 액체 개질가능 연료를 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로 변위 및 전달하는 단계; 및 제2 양의 기체 압력을 사용하여, 기화기, 연료 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택, 애프터버너, 산소 함유 기체의 스팀 및 기화된 액체 개질가능 연료의 스트림 중 적어도 하나에 기체 개질가능 연료를 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 제1 양의 기체 압력 및 제2 양의 기체 압력은 동일할 수 있고, 예로서, 양의 기체 압력은 양의 기체 압력의 동일한 또는 단일 소스로부터 유래될 수 있다.
본 발명의 방법은 액체 개질가능 연료의 스트림, 기화기, 기화된 액체 개질가능 연료의 스트림, 기체 개질가능 연료의 스트림, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 유닛 및 애프터버너 중 적어도 하나에 산소 함유 기체를 전달하는 것을 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 방법은 또한 개질가능 연료, 예컨대, 액체 개질가능 연료 및/또는 기체 개질가능 연료와 산소 함유 기체의 혼합물을 개질기 및/또는 연료 전지 스택에 전달하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 전술한 바 및 다른 특징과 장점은 이하의 도면, 설명, 예 및 청구범위로부터 더욱 완전하게 이해될 것이다.
이하의 도면은 단지 예시의 목적을 위한 것임을 이해하여야 한다. 유사 번호는 일반적으로 유사 부분을 지칭한다. 도면은 반드시 축척에 따르는 것은 아니며, 일반적으로 본 발명의 원리를 설명할 때 강조된다. 도면은 어떠한 방식으로도 본 발명의 범주를 제한하려는 의도되지 않는다.
도 1a는 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 일 실시예의 개략도이며, 기체 개질가능 연료, 예로서, 압축된 기체의 단일 소스가 전달 시스템을 통해 기체 개질가능 연료 및 액체 개질가능 연료를 유동 및 전달시키기 위해 사용되고, 전달 시스템은 세 개의 밸브 조립체와 제어기를 포함한다.
도 1b는 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 일 실시예의 개략도이며, 양의 기체 압력의 소스 및 기체 개질가능 연료의 소스는 전달 시스템을 통해 기체 개질가능 연료 및 액체 개질가능 연료를 유동 및 전달하기 위해 사용될 수 있으며, 전달 시스템은 세개의 밸브 조립체를 포함한다.
도 1c는 압력 릴리프 밸브 조립체를 통해 연료 전지 유닛 또는 시스템의 하나 이상의 하류 구성요소와 기체 헤드공간 사이에서 동작가능하게 유체 연통하며 산소 함유 기체의 소스를 포함하는 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 일 실시예의 개략도이며, 전달 시스템은 애프터버너를 포함하는 연료 전지 유닛 또는 시스템과 연계되어 있다.
도 1d는 액체 개질가능 연료의 일차 소스와 산소 함유 기체의 소스를 포함하는 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 일 실시예의 개략도이며, 전달 시스템은 애프터버너를 포함하는 연료 전지 유닛 또는 시스템과 연계되어 있다.
도 1e는 액체 개질가능 연료 공간으로부터 기화기까지 도관을 따른 밸브 및 센서 조립체의 배열의 일 실시예의 개략도이다.
도 1f는 도 1b와 유사하지만 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 기체 개질가능 연료의 소스를 직접 연결하는 밸브 조립체 및 도관(들)이 없고 연료 전지 유닛 또는 시스템의 하나 이상의 하류 구성요소와 기체 헤드공간 사이의 동작가능한 유체 연통부를 포함하는, 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 1g는 도 1c와 유사하지만 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 기체 개질가능 연료의 소스를 직접 연결하는 도관을 갖지 않는 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 블래더(bladder)를 포함하는 액체 개질가능 연료 저장소의 일 실시예의 관련 부분의 개략도이다.
이제, 기체 개질가능 연료 및 액체 개질가능 연료는, 예로서 전달 시스템을 통해 유체, 즉, 기체 및 액체를 전달하기 위해 양의 기체 압력을 사용함으로써 기화기, 개질기, 연료 전지 스택, 애프터버너 및 연료 전지 유닛 또는 시스템의 다른 구성요소로 전달될 수 있다는 것이 발견되었다. 따라서, 본 발명의 기체 및 액체 개질가능 연료 전달 시스템 및 방법은 액체 펌프를 사용하지 않고 동작 또는 수행될 수 있다. 결과적으로, 기체 및 액체 개질가능 연료의 유동 및 전달은 고정된 배출량 및 유량 조정 같은 액체 펌프 기능 및 특성에 독립적일 수 있다. 또한, 일부 펌프 및 밸브는 액체 연료와 함께 사용하기에 부적합할 수 있고, 예로서, 다이아프램 펌프에 사용되는 특정 폴리머는 액체 탄화수소에 노출될 때 강직화 및 취성화될 수 있다. 폴리머 밀봉부도 특정 탄화수소에 대한 노출시 열화되어, Viton® 같은 더 고가의 옵션으로 밀봉 재료를 대체할 필요성이나 더 고가의 매체 격리 디바이스의 구현으로 이어질 수 있다. 추가적으로, 액체 펌프는 고가일 수 있고, 기체 개질가능 연료와 함께 사용하기에는 부적합하다.
전달 시스템 전반에 걸친 양의 기체 압력 같은 기체 압력의 적절한 균형화는 전달 시스템의 구성요소 사이의 기체 압력의 조정에 의해 달성될 수 있다. 예로서, 구성요소 사이에서의 기체 압력의 조정은 통상적으로 밸브 조립체가 유체 연통하는 구성요소 사이에 위치되는 밸브 조립체나 다른 유동 제어 기구의 사용 및 조정에 의해 달성될 수 있다. 결론적으로, 기체 및/또는 액체 개질가능 연료(들)의 전달은 기화기, 개질기 또는 연료 전지 스택[예를 들어, 개질 촉매가 연료 전지 스택의 전극 내로 통합되는 "온-셀(on-cell)" 개질을 위해] 그리고 특정 용례의 특정 요구에 맞춤화될 수 있다.
예로서, 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 그 조합으로 전달되는 액체 개질가능 연료에 대한 기체 개질가능 연료의 비율은 연료 전지 유닛 또는 시스템이 시동, 정상 상태 또는 셧다운 모드 중 어느 상태인지에 따라 제어될 수 있다. 이러한 비율은 시동 모드가 정상 상태 모드로 진행함에 따라 그리고 정상 상태 모드가 셧다운 모드로 진행할 때 조정될 수 있다. 본 발명의 전달 시스템 및 방법은 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 하나 이상 사이의 동작가능한 유체 연통을 포함할 수 있다. (예를 들어, 기체 헤드공간을 가압하는 양의 기체 압력의 소스로부터) 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간 내에 존재하는 산소 함유 기체는 개질 반응을 위해 요구되는 산소의 제공 또는 보충을 위해 기화기, 개질기 및 연료 전지 스택 중 하나 이상으로 전달, 예컨대, 압력 릴리프 밸브 조립체를 통해 블리딩될 수 있다.
더 구체적으로, 기체 개질가능 연료와 액체 개질가능 연료 중 어느 하나가 연료 전지 유닛 또는 시스템을 동작시키기 위해 사용될 수 있지만, 개질기 및/또는 연료 전지 스택과 연계된 연료 전지 유닛 또는 시스템과 함께 양 유형의 개질가능 연료를 사용하는 기능이 최적화될 수 있다. 예로서, 연료 전지 유닛 또는 시스템의 시동 모드에서, 연료 전지 유닛 또는 시스템이 차가운 상태일 때 개질 및 다른 화학 반응의 시작을 위해 기체 개질가능 연료가 사용될 수 있다. 화학 반응이 개시된 이후, 일반적으로 열이 발생되고, 연료 전지 유닛 또는 시스템과 그 구성요소는 따뜻해지기 시작하며, 그 동작 온도를 달성한다. 정상 상태 모드일 때, 연료 전지 유닛 또는 시스템에서의 반응에 의해 발생되는 열이 통상적으로 개질기와 결합되어 있는 기화기로의 그 도입 이전에 액체 개질가능 연료를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 그 중량/체적 대비 더 높은 에너지 및 그 접근성과 저장량으로 인해 액체 개질가능 연료의 사용이 바람직하다. 그러나, 연료 전지 유닛 또는 시스템이 기체 및 액체 개질가능 연료를 동시에 사용하여 동작되는 것이 유리한 용례와 환경이 존재한다.
간결성을 위해, 본 명세서의 설명 및 서술은 주로 촉매 부분 산화 개질 반응 및 반응제(개질가능 연료 및 산소 함유 기체)를 포함하는 부분 산화 개질 반응 및 반응제에 중점을 둘 것이다. 그러나, 본 명세서에 설명된 디바이스, 조립체, 시스템 및 방법은 스팀 개질 및 오토서멀 개질 같은 다른 개질 반응과 그 각각의 반응제(각각 개질가능 연료 및 스팀, 개질가능 연료, 스팀 및 산소 함유 기체)에 적용될 수 있다. 따라서, 디바이스 또는 방법과 연계하여 산소 함유 기체가 언급되는 경우, 본 발명은 문맥상 명시적으로 달리 언급되거나 이해되지 않는 한, 조합으로 또는 단독으로 스팀, 즉, 산소 함유 기체 및/또는 스팀을 포함하는 것으로 고려되어야 한다. 추가적으로, 디바이스 또는 방법과 연계하여 본 명세서에서 개질가능 연료가 언급되는 경우, 본 발명은 문맥상 명시적으로 달리 언급되거나 이해되지 않는 한, 조합으로 또는 단독으로 스팀, 즉, 개질가능 연료 및/또는 스팀을 포함하는 것으로 고려되어야 한다.
추가적으로, 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템 및 방법은 스팀 개질 및 오토서멀 개질을 수행하기 위한 액체 및/또는 기체 반응제의 전달, 예로서, 다중 반응제 유체 전달 시스템의 전달, 제어 및 관리가 본 명세서에 설명된 바와 동일한 방법으로 및/또는 동일한 구조 및 구성요소 내에서 이루어지게 하는 데 적합한 것으로 이해되어야 한다. 즉, 본 발명의 전달 시스템 및 방법은 각각 기화된 액체 개질가능 연료 및 스팀을 생성하기 위해 적절한 액체 반응제, 예로서, 액체 개질가능 연료 및/또는 액체 물을 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기로 전달할 수 있고 적절한 기체 반응제, 예로서, 산소 함유 기체, 기체 개질가능 연료 및 스팀 중 적어도 하나를 그 각각의 소스로부터 연료 전지 유닛 또는 시스템의 원하는 구성요소로 전달할 수 있다. 달리 말하면, 다양한 액체 반응제가 시스템의 액체 전달 부분을 통해 전달될 수 있고, 다양한 기체 반응제가 시스템의 기체 전달 부분을 통해 전달될 수 있다.
따라서, 액체 개질가능 연료 저장소는 그 액체 개질가능 연료 공간 내에 (액체로서)물을 포함할 수 있고, 물은 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간 내의 양의 기체 압력에 의해 기화기로 변위될 수 있다. 이러한 경우에, 기체 개질가능 연료는 기화기로부터의 스팀과 혼합되어 개질기 및/또는 연료 전지 스택 내에서의 개질에 적합한 기체 스팀 개질 반응 혼합물을 제공할 수 있다. 결과적으로, 특정 실시예에서, "액체 개질가능 연료 저장소"는 "물 공간"을 갖는 "물 저장소"로 대체될 수 있거나, 더욱 일반적으로는, "액체 반응제 공간"을 갖는 액체 반응제 저장소"로 대체될 수 있다. 이 때문에, AT 개질에 대하여, 액체 반응제는 물 및/또는 액체 개질가능 연료일 수 있고, 기체 반응제는 기화된 액체 개질가능 연료, 기체 개질가능 연료, 산소 함유 기체 및 스팀 중 적어도 하나일 수 있다.
전달 시스템에 물이 사용되는 경우, 연료 전지 유닛 또는 시스템의 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 하나 이상으로부터의 재생된 열은 독립적인 소스로부터 전달 시스템 내로 도입된 및/또는 전달 시스템에 존재할 수 있는 스팀을 생성하기 위해 물을 기화하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 스팀은 액체 개질가능 연료 저장소(또는 물 저장소)의 기체 헤드공간 내에 압력을 제공하여 송풍기, 펌프 또는 압축기와 같은 양의 기체 압력의 소스 및/또는 기체 개질가능 연료의 소스를 사용하는 대신, 액체 개질가능 연료 또는 물을 기화기로 구동 또는 변위시키기 위해 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 압력 릴리프 밸브 조립체는 가압된 기체 헤드공간으로부터 유체 혼합 디바이스, 개질기 및 연료 전지 스택 중 하나 이상에 스팀을 블리딩하여 개질 반응 및 프로세스를 도울 수 있다.
또한, 본 발명의 전달 시스템은 둘 이상의 액체 개질가능 연료 저장소를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 전달 시스템은 액체 개질가능 연료 저장소 및 물 저장소(또는 두 개의 액체 반응제 저장소)를 포함할 수 있다. 각 액체 반응제 저장소는 예컨대 필요시 액체 스트림에 충분한 양의 산소 함유 기체를 도입할 수 있는 유체 혼합 디바이스를 통해 하나 이상의 기화기에 및/또는 개질기 및/또는 연료 전지 스택에 직접적으로 그 각각의 액체를 전달하기 위해 독립적으로 제어될 수 있다. 둘 이상의 액체 반응제 저장소의 이러한 배열은 플래싱(flashing) 위험을 감소시킬 수 있다.
개질가능 연료 또는 물 같은 액체 반응제의 전달의 독립적 제어는 부분적으로 각 액체 반응제 저장소와 연계된 압력 릴리프 밸브를 사용하여 달성될 수 있다. 액체 반응제 저장소로부터의 액체의 전달에 영향을 미치는 다른 인자는 예로서, 기체 개질가능 연료의 하나 이상의 소스 및/또는 양의 기체 압력의 하나 이상의 소스에 의해 각 액체 반응제 저장소의 기체 헤드공간으로 전달되는 압력을 포함할 수 있고, 전술한 소스들은 기체 헤드공간(들)과 동작가능하게 유체 연통한다. 특정 실시예에서, 기체 개질가능 연료의 소스 이외의 양의 기체 압력의 하나의 소스는 양의 기체 압력의 하나의 소스와 동작가능하게 유체 연통하는 각각의 수의 액체 반응제 저장소의 헤드공간을 가압하기 위해 사용될 수 있다.
요컨대, 본 발명의 전달 시스템은 부분 산화("POX") 개질, 예컨대, 촉매 부분 산화("CPOX") 개질, 스팀 개질 및 오토서멀("AT") 개질을 포함하는 개질 반응을 수행하기 위해 적절한 반응제를 전달할 수 있다. 액체 반응제, 예컨대, 액체 개질가능 연료 및 물은 전달 시스템의 "액체 개질가능 연료" 전달 구성요소, 도관 및 조립체로부터 그리고 그를 통해 전달될 수 있다. 기체 반응제, 예컨대, 기체 개질가능 연료, 스팀 및 산소 함유 기체, 예컨대, 공기는 전달 시스템의 "기체 개질가능 연료" 전달 구성요소, 도관 및 조립체로부터 그리고 그를 통해 전달될 수 있다. 특정 기체 반응제, 예컨대, 스팀 및 산소 함유 기체는 본 발명의 전달 시스템에 주변 또는 이차적인 구성요소 및 조립체로부터 그리고 그를 통해 전달될 수 있으며, 예로서, 산소 함유 기체는 예를 들어 개질 이전에 액체 개질가능 연료 및/또는 기화된 액체 개질가능 연료와의 혼합을 위해 기화기, 연료 전지 유닛 또는 시스템의 기화기, 개질기 및 연료 전지 스택 중 적어도 하나와 독립적으로 동작가능하게 유체 연통하는 산소 함유 기체의 소스로부터 전달될 수 있다.
추가적으로, 전달 시스템 및 연계된 구조와 구성요소의 다양한 배열은 유체 혼합 디바이스, 예컨대, 본 명세서에 모든 목적을 위해 참조로 통합되어 있는 발명의 명칭이 "Mixing Reformable Fuels and an Oxygen-Containing Gas and/or Steam"인 동시계류중인 동일출원인 소유의 미국 특허 출원 제14/335,463호에 설명된 것 같은 정적 혼합기를 포함할 수 있다. 유체 혼합 디바이스는 개질가능 연료, 산소 함유 기체 및 스팀 중 둘 이상의 혼합을 위해 사용될 수 있다. 개질가능 연료는 액체 개질가능 연료의 소스로부터의 액체 개질가능 연료, 기화기로부터의 기화된 액체 개질가능 연료, 기체 개질가능 연료의 소스로부터의 기체 개질가능 연료 중 하나 이상일 수 있다. 유체 혼합 디바이스는 혼합되는 유체 스트림에 관해 적절하게 위치될 수 있다. 예로서, 액체 개질가능 연료 및 산소 함유 기체를 혼합하는 것이 바람직한 경우, 유체 혼합 디바이스의 하나 이상의 입구는 액체 개질가능 연료의 소스 및 산소 함유 기체의 소스와 동작가능하게 유체 연통하도록 위치될 수 있고, 유체 혼합 디바이스는 개질기 및/또는 연료 전지 스택과 동작가능하게 유체 연통되어 배치될 수 있다.
본 출원 전체에 걸쳐서, 조성물이 특정 구성요소를 갖거나, 구비하거나 포함하는 것으로서 설명되는 경우 또는 프로세스가 특정 처리 단계를 갖거나, 구비하거나 포함하는 것으로서 설명되는 경우, 본 발명의 조성물은 또한 필수적으로, 언급된 구성요소로 구성되거나, 이 구성요소로 구성되는 것과, 본 발명의 프로세스는 또한 필수적으로, 언급된 처리 단계로 구성되거나, 이 처리 단계로 구성되는 것이 고려된다.
본 출원에서, 요소 및 구성요소가 언급된 요소 또는 구성요소의 목록에 포함 및/또는 그로부터 선택되는 것으로 말해지는 경우, 요소 또는 구성요소가 언급된 요소 또는 구성요소 중 임의의 하나일 수 있거나, 요소 또는 구성요소가 언급된 요소 또는 구성요소 중 둘 이상으로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
또한, 본 명세서에 설명된 조성, 장치 또는 방법의 요소 및/또는 특징은 본 명세서에서 명시적이든 암시적이든 본 발명의 개념 및 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 방식으로 조합될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예로서, 특정 구조에 대한 언급이 이루어지는 경우, 해당 구조는 문맥상 달리 이해되지 않는 한, 본 발명의 장치의 다양한 실시예에 및/또는 본 발명의 방법에 사용될 수 있다. 달리 말하면, 본 출원 내에서, 실시예는 명료하고 간명한 용례가 기록되고 그려질 수 있게 하는 방식으로 설명 및 도시되어 있지만, 실시예는 본 발명 및 발명(들)으로부터 벗어나지 않고 다양하게 조합 또는 분리될 수 있는 것을 의도하며, 그렇게 인지될 것이다. 예로서, 본 명세서에 설명되고 도시된 모든 특징은 본 명세서에 설명되고 도시된 발명(들)의 모든 양태에 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
표현 "~ 중 적어도 하나"는 문맥 및 사용으로부터 달리 이해되지 않는 한, 해당 표현 이후 언급된 대상물 각각 및 언급된 대상물 중 둘 이상의 다양한 조합을 개별적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그 문법적 균등물을 포함하여, 용어 "포함하다", "포함하는", "갖다", "갖는", "함유하다" 또는 "함유하는"은 일반적으로 문맥으로부터 달리 명시적으로 언급되거나 이해되지 않는 한, 조정이 가능(open-ended)하고 비제한적인 것으로서, 예로서, 추가적인 언급되지 않은 요소나 단계를 배제하지 않는 것으로서 이해되어야 한다.
본 명세서에서 단수형, 예로서, 부정관사 및 정관사의 사용은 명시적으로 달리 언급되지 않는 한 복수개를 포함한다(그 반대도 마찬가지이다).
용어 "약"의 사용이 수량적 값 앞에 있는 경우, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 본 발명은 또한 특정 수량적 값 자체를 포함한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "약"은 달리 나타나거나 추론되지 않는 한, 공칭 값으로부터 ±10% 변동을 지칭한다.
특정 작용을 수행하기 위한 순서나 단계의 순서는 본 발명이 동작가능하게 남아 있는 한 중요하지 않다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 둘 이상의 단계 또는 작용은 동시적으로 수행될 수 있다.
본 명세서의 다양한 장소에서, 값들이 그룹 또는 범위로 개시되어 있다. 구체적으로, 본 설명은 이러한 그룹 및 범위의 구성원의 개별적 하위조합 각각 및 모두와 이러한 그룹 또는 범위의 다양한 종점의 임의의 조합을 포함한다. 예로서, 0 내지 40의 범위의 정수는 구체적으로 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 및 40을 개별적으로 개시하는 것을 의도하고, 1 내지 20의 범위의 정수는 구체적으로 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 및 20을 개별적으로 개시하는 것을 의도한다.
본 명세서에서 임의의 그리고 모든 예나 예시적 언어, 예로서, "예컨대", "포함하는" 또는 "예로서"의 사용은 단지 본 발명을 더 양호하게 예시하고자 하는 의도이고, 청구되지 않는 한 본 발명의 범주에 제한을 부여하지 않는다. 본 명세서의 어떠한 언어도 임의의 청구되지 않은 요소가 본 발명의 실시에 필수적인 것을 나타내는 것으로 해석되지 않아야 한다.
"상부", "하부", "상단", "하단", "수평", "수직" 등 같은 공간적 배향 또는 고도를 나타내는 용어 및 표현은 그 문맥적 사용이 달리 나타내지 않는 한, 본 명세서에서 어떠한 구조적, 기능적 또는 동작적 의미도 갖지 않는 것으로서 이해되어야 하며, 단지 특정 첨부 도면에 예시될 수 있는 본 발명의 장치, 디바이스, 구성요소 및 특징의 다양한 모습의 임의적으로 선택된 배향을 반영하는 것으로서 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용될 때, "액체 개질가능 연료"는 개질 수행시 수소 농후 개질물로의 변환을 받게 되는 표준 온도 및 압력(STP) 조건에서 액체인 개질가능 탄소- 및 수소-함유 연료, 예로서, 메탄올, 에탄올, 나프타, 증류액, 가솔린, 등유, 제트 연료, 디젤, 바이오디젤 등을 지칭하고 포함한다. 표현 "액체 개질가능 연료"는 이들이 액체 상태이든 기체 상태, 즉, 증기이든 이러한 연료를 포함하는 것으로 또한 이해하여야 한다.
본 명세서에서 사용될 때, "기체 개질가능 연료"는 개질시 수소 농후 개질물로의 변환을 받게 되는 STP 조건에서 기체인 개질가능 탄소- 및 수소-함유 연료, 예컨대, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 이소부틸렌, 디메틸에테르, 그 혼합물, 예컨대, 주로 메탄인 천연가스 및 액화 천연가스(LNG)와 주로 프로판이나 부탄이지만 일차적으로 프로판과 부탄으로 이루어지는 모든 혼합물을 포함하는 액화 석유 가스(LPG) 등을 지칭하고 포함한다. 기체 개질가능 연료는 또한 암모니아를 포함하며, 이는 다른 기체 개질가능 연료와 유사하게 액체로서 저장될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "개질가능 연료"는 액체 개질가능 연료 및/또는 기체 개질가능 연료를 지칭한다.
본 명세서에서 사용될 때, "기체 개질 반응 혼합물"은 기체 액체 개질가능 연료(예를 들어, 기화된 액체 개질가능 연료), 기체 개질가능 연료 또는 그 조합과 산소 함유 기체(예를 들어, 공기) 및/또는 물(예를 들어, 스팀 형태의)을 포함하는 혼합물을 지칭한다. 기체 개질 반응 혼합물은 또한 일산화탄소를 포함할 수 있는 수소 농후 생성물("개질물")을 생성하도록 개질 반응을 받을 수 있다. 촉매 부분 산화 개질 반응이 수행될 때, 기체 개질 반응 혼합물은 "기체 CPOX 개질 반응 혼합물"을 지칭할 수 있으며, 이는 개질가능 연료 및 산소 함유 기체를 포함한다. 스팀 개질 반응이 수행되는 경우, 기체 개질 반응 혼합물은 "기체 스팀 개질 반응 혼합물"이라 지칭될 수 있고, 이는 개질가능 연료 및 스팀을 포함한다. 오토서멀 개질 반응이 수행되는 경우, 기체 개질 반응 혼합물은 "기체 AT 개질 반응 혼합물"이라 지칭될 수 있고, 이는 개질가능 연료, 산소 함유 기체 및 스팀을 포함한다.
본 명세서에서 사용될 때, "연료 전지 스택"은 전자화학 반응이 수소 또는 전자화학적으로 산화가능한 종을 전기로 변환하기 위해 이루어지는 연료 전지 유닛 또는 연료 전지 시스템의 구성요소를 지칭한다. 연료 전지 스택은 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함하고 종종 층들로 형성된다. 동작시, 예로서, 본 발명의 개질기 및/또는 유체 혼합 디바이스로부터 연료 전지 스택에 진입하는 개질물의 수소 및 임의의 다른 전자화학적 산화가능 구성요소(들)는 물 및/또는 이산화탄소와 전자를 생성하기 위해 연료 전지 스택의 애노드 층 내의 산소 음이온과 조합한다. 애노드 층 내에 발생된 전자는 외부 부하를 통해 캐소드 층으로 다시 이동하고, 여기서, 산소는 전자와 조합하여 산소 음이온을 제공하며, 산소 음이온은 선택적으로 전해질 층 및 애노드 층을 통과한다.
본 명세서에 사용될 때, "연료 전지 유닛"은 연료 전지 스택과 동작가능하게 유체 연통하는 개질기, 연료 전지 스택, 및 일반적으로 연료 전지 스택으로부터의 배기부와 동작가능하게 유체 연통하는 애프터버너를 지칭한다. 연료 전지 유닛은 기화기를 포함할 수 있고, 기화기의 출구는 연료 전지 스택 및/또는 개질기의 입구와 동작가능하게 유체 연통한다. 연료 전지 유닛은 다양한 밸브 조립체, 센서 조립체, 도관 및 이러한 유닛과 연계된 다른 구성요소를 포함할 수 있다. "연료 전지 시스템"은 일반적으로 연료 전지 유닛 및 플랜트의 잔여부를 지칭한다. 연료 전지 시스템은 종종 복수의 연료 전지 유닛을 포함한다. 복수의 연료 전지 유닛은 플랜트의 잔여부를 공유할 수 있다. 그러나, "연료 전지 유닛" 및 "연료 전지 시스템"은 문맥이 달리 나타내지 않는 한 본 명세서에서 교체가능하게 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 명세서에서 사용될 때, "~와 동작가능하게 유체 연통"은 구성요소 및/또는 구조가 동작 또는 활성 상태 또는 위치에 있을 때 다양한 구성요소 및/또는 구조 사이의 유체 연통을 지칭하지만; 그러나, 유체 연통은 구성요소 및/또는 구조체가 비동작 또는 비활성 상태 또는 위치에 있을 때 중단될 수 있다. 동작가능한 유체 연통은 구성요소 및/또는 구조 사이에 위치된 밸브 조립체에 의해 제어될 수 있다. 예로서, A가 밸브 조립체를 통해 B와 동작가능하게 유체 연통하는 경우, 이때, 밸브 조립체가 "개방"되어 A와 B 사이의 유체 연통을 허용할 때 A로부터 B로 유체가 유동 또는 전달될 수 있다. 그러나, A와 B 사이의 유체 연통은 밸브 조립체가 "폐쇄"되어 있을 때 중단 또는 중지될 수 있다. 달리 말해서, 밸브 조립체는 A와 B 사이에서 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 유체 연통은 유체 유동의 다양한 정도 및 유량과 관련 특성을 포함할 수 있다. 예로서, 완전히 개방된 밸브 조립체는 부분적으로 폐쇄되어 있을 때 밸브 조립체가 할 수 있는 바와 같이 구성요소 및/또는 구조체 사이의 유체 연통을 제공할 수 있지만; 그러나, 유량 같은 유체 유동 특성은 밸브 조립체의 다양한 위치에 의해 영향을 받을 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, "~와 동작가능하게 유체 연통" 및 "~와 유체 연통"은 문맥상 달리 나타나지 않는 한 교체가능하게 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 문법적 균등물 및 균등 표현과 언어를 포함하여 유체의 "유동의 제어", "전달의 제어", "유동의 조정" 및 "전달의 조정"은 유체의 유동 또는 전달을 증가시키는 것, 유체의 유동 또는 전달을 감소시키는 것, 유체의 실질적으로 일정한 유동 또는 전달을 유지하는 것 및/또는 유체의 유동 또는 전달을 중단 또는 중지시키는 것일 수 있다.
유사하게, 문법적 균등물 및 균등 표현과 언어를 포함하여 "압력의 제어" 및 "압력의 조정"은 압력을 증가시키는 것, 압력을 감소시키는 것, 실질적으로 일정한 압력을 유지하는 것 및/또는 압력을 중단 또는 중지시키는 것일 수 있다. 다수의 환경에서, "유동의 제어" 및 "유동의 조정"은 "압력을 제어하는 것" 및 "압력을 조정하는 것"일 수 있고 그 반대도 마찬가지이다. 추가적으로, 전달 시스템, 연료 전지 유닛 또는 연료 전지 시스템의 구성요소, 예로서, 밸브 조립체 또는 양의 기체 압력의 소스의 "제어", "조정" 및 "조작"(문법적 균등물 및 균등 표현과 언어를 포함)은 전술한 바와 같은 동일한 변화 및/또는 정상 상태 동작에 영향을 줄 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "밸브 조립체"는 구성요소 및/또는 구조 사이에서의 유체 연통 및 유체 유동 특성, 예를 들어, 프로판의 소스로부터 개질기로의 프로판의 전달을 감시 및/또는 제어할 수 있는 구조 또는 구조들을 함께 지칭한다. 밸브 조립체는 단일 밸브일 수 있거나 특정 구조가 직렬일 수 있는 복수의 밸브 및 관련 구조를 포함할 수 있다. 밸브 조립체는 압력 계량 조립체일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 예로서, 밸브 조립체는 계량 밸브이거나 그를 포함하여 유체의 유동 및 전달의 디지털 제어를 허용할 수 있다. 밸브 조립체는 피콜로 배열의 밸브, 예로서, 각각 비례 밸브(proportional valve)와 연계되어 있는 일련의 오리피스일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 밸브 조립체는 비례 밸브, 예컨대, 비례 솔레노이드 밸브; 또는 일련의 비례 솔레노이드 밸브 같은 일련의 비례 밸브를 포함할 수 있다. 밸브 조립체는 온/오프 밸브, 예컨대, 솔레노이드 밸브; 또는 일련의 온/오프 밸브, 예컨대, 일련의 온/오프 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다. 밸브 조립체는 3방 밸브; 일련의 3방 밸브; 체크 밸브; 일련의 체크 밸브; 오리피스; 일련의 오리피스; 및 그 조합 및 본 명세서에 설명된 다른 밸브 및 밸브 조립체의 조합을 포함할 수 있고, 특정 밸브 및 밸브 조립체는 직렬적일 수 있다. 구조 또는 구성요소가 직렬인 것으로 표시되는 경우, 구성요소는 평행 직렬 또는 순차 직렬(예를 들어, 직선형) 중 어느 하나일 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "센서 조립체"는 감시, 측정 및/또는 결정되는 동작 파라미터(들)를 위한 임의의 적절한 센서 또는 감지 디바이스나 센서 또는 감지 디바이스의 조합을 지칭한다. 예로서, 연료 유량은 임의의 적절한 유동 측정기로 감시될 수 있고, 압력은 임의의 적절한 압력 감지 또는 압력 조정 디바이스로 감시될 수 있고, 온도는 임의의 적절한 온도 센서로 감시될 수 있다. 따라서, 센서 디바이스의 예는 유량 측정기, 압력 측정기, 열전쌍, 서미스터 및 저항 온도 검출기를 포함한다. 센서 조립체는 유체 유동 차압 센서 또는 게이지나 단순히 차압 측정 조립체일 수 있다. 차압 측정 조립체는 통상적으로 두 개의 압력 탭을 포함한다. 차압 측정 조립체는 오리피스 또는 비례 밸브(조립체) 같은 밸브 조립체를 포함하거나 연계될 수 있고, 그래서, 밸브 또는 밸브 조립체에 인입하기 이전 유체의 압력이 측정되고 유체가 밸브 또는 밸브 조립체를 벗어난 이후 압력이 측정되고 차이가 결정될 수 있다. 센서 또는 감지 디바이스는 저울, 스프링 스케일 같은 계중 스케일 또는 대상물의 중량을 감시, 측정 및/또는 결정하기 위한 다른 디바이스를 포함할 수 있다. 센서 조립체는 선택적으로 제어기와 통신하는 변환기(transducer)를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "양의 기체 압력의 소스" 또는 "양의 기체 압력의 소스"는 양의 기체 또는 기체 압력을 생성할 수 있거나 기체 이동을 유발할 수 있는 디바이스 또는 장치를 지칭한다. 양의 기체 압력의 소스는 용적형(positive displacement blower), 펌프 또는 압축기나 동적 송풍기, 펌프 또는 압축기일 수 있다. 양의 기체 또는 기체 압력의 소스의 예는 팬, 복수의 일련의 팬, 로터리 펌프 또는 압축기, 예컨대, 로터리 베인 펌프 또는 압축기, 복수의 또는 일련의 로터리 펌프 또는 압축기, 왕복 펌프 또는 압축기 예컨대 다이아프램 펌프 또는 압축기 또는 복수의 또는 일련의 다이아프램 펌프 또는 압축기, 송풍기, 예로서, 원심 송풍기 또는 압축기, 복수의 또는 일련의 송풍기, 복수의 또는 일련의 원심 송풍기 또는 압축기, 공기 펌프, 압축된 기체의 용기, 예컨대, 공기 또는 불활성 기체의 탱크 및 그 조합을 포함한다. "양의 기체 압력" 또는 "양의 기체 압력"은 양의 기체 압력의 이들 소스 중 임의의 것 및 본 기술 분야의 숙련자에게 알려진 다른 것으로부터 실현될 수 있다. "산소 함유 기체의 소스"는 기체가 산소를 포함하는 양의 기체 압력의 소스일 수 있다. 산소 함유 기체의 소스는 양의 기체 압력의 소스에 의해 전달되는 유체 스트림일 수 있고, 유체 스트림은 예를 들면, 주변 환경 또는 대기로부터의 및/또는 연료 전지 유닛 및/또는 시스템의 하나 이상의 구성요소로부터의 산소를 포함한다.
본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템은 다양한 도관을 포함할 수 있다. 전달 시스템 및 그 주변 구성요소는 전달 시스템의 구성요소와 그 주변 구성요소 사이의 동작가능한 유체 연통을 제공하도록 위치된 복수의 도관, 예로서, 둘 이상의 도관을 포함할 수 있다. 예로서, 복수의 도관은 전달 시스템을 연료 전지 시스템의 구성요소에 결합하고, 연료 전지 시스템 구성요소를 자체적으로 결합할 수 있다. 즉, 주변 구성요소 및 디바이스를 포함하는 본 발명의 전달 시스템 및 방법의 구성요소는 구성요소, 예로서, 액체 개질가능 연료 저장소, 기체 개질가능 연료의 소스, 양의 기체 압력의 소스, 개질기, 기화기, 유체 혼합 디바이스, 유체 전지 스택, 애프터버너, 산소 함유 기체의 소스, 액체 개질가능 연료의 소스, 제1 및 제2 밸브 조립체, 제3 및 제4, 그리고, 순차적으로 더 높은 또는 다른 밸브 조립체, 센서 조립체 및 펌프 같은 관련 장비를 연결 또는 연동시키는 도관을 포함할 수 있다. 이들 구성요소 및 다른 구성요소 각각은 유체 연통, 예로서, 동작가능한 유체 연통이 구성요소들 사이에 정립될 수 있게 하도록 입구, 출구 및 포트 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 도관은 다른 구성요소 및 그와 연계된 디바이스, 예로서, 밸브 조립체, 펌프, 양의 기체 압력의 소스 및 센서 조립체를 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도관 또는 도관 시스템은 다수의 인자, 예로서, 특정 용례, 개질가능 연료 및 전체 전달 시스템 및/또는 연료 전지 유닛이나 시스템의 점유면적 크기에 따라 다수의 특정 디자인, 구성, 배열 및 연결을 가질 수 있다. 따라서, 본 명세서에 설명 및/또는 도시된 도관 시스템은 단지 예시적 목적을 위한 것이며, 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하는 것을 의미하지는 않는다. 또한, 둘 이상의 도관이 구성요소 또는 구성요소들, 예로서, 밸브 조립체 및 기체 개질가능 연료의 소스에 연결되거나, 결합되거나 다른 방식으로 이들을 결부시킬 수 있는 경우, 단일 도관이 또한 동일한 디자인 및/또는 목적을 달성하는 것으로서 고려될 수 있고, 밸브 조립체 같은 구성요소는 단일 도관과 "인-라인식", "그 내부에 배치" 또는 "그와 연계"되는 것으로서 설명될 수 있다. 추가적으로, 둘 이상의 구성요소 또는 구조에 "결합", "연결" 또는 다른 방식으로 이들을 결부시키는 것은 하나의 구성요소 또는 구조가 다른 구성요소 또는 구조에 직접적으로 또는 간접적으로 결합, 연결 또는 결부된다.
예로서, 도관은 덕트, 예로서, 유체를 운반하는 채널, 튜브 또는 통로일 수 있다. 예로서, 양의 기체 압력 도관의 소스는 예로서 양의 기체 압력의 소스, 예컨대, 송풍기, 펌프 또는 압축기로부터의 기체를 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로 운반 또는 전달하기 위해 사용될 수 있다. 다른 예로서, 액체 개질가능 연료 도관은 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기 또는 기화기 상류의 밸브 조립체로의 액체 개질가능 연료의 운반 또는 전달을 위해 사용될 수 있다. 도관은 매니폴드, 예로서, 유체를 수집 또는 분배하기 위해 사용되는 다수의 입구 또는 출구를 갖는 챔버, 파이프 또는 덕트일 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, "공통 도관"은 일반적으로 특정 위치로 및/또는 특정 위치로부터의 유체 전달을 위한 다중-포트 도관을 지칭한다.
다중 개질가능 연료 전달 시스템 및/또는 연료 전지 유닛 및/또는 시스템은 전달 시스템 및/또는 연료 전지 유닛 및/또는 시스템의 동작을 자동화하기 위한 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 제어기와 통신하는 복수의 센서를 포함할 수 있다. 센서로부터의 입력 신호, 사용자 입력 디바이스로부터의 사용자 명령 및/또는 프로그램된 서브루틴(subroutine)과 명령 시퀀스에 응답하여, 제어기는 전달 시스템 및/또는 연료 전지 유닛 또는 시스템의 동작을 병합할 수 있다.
본 발명의 전달 시스템, 연료 전지 유닛 및 연료 전지 시스템은 예로서 그 시동, 정상 상태 및/또는 셧다운 모드에서 전달 시스템, 그 구성요소, 개별 연료 전지 유닛, 그 구성요소 및 그 구성요소를 포함하는 연료 전지 시스템 중 하나 이상의 동작을 독립적으로 자동화하기 위한 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 전달 시스템, 그 개별 구성요소, 예컨대, 밸브 조립체, 양의 기체 압력 및 기체 개질가능 연료의 소스, 개별 연료 전지 유닛, 그 하나 이상의 구성요소 및 연료 전지 유닛이나 시스템 중 하나 이상의 동작을 독립적으로 감시, 제어 및/또는 조정하기 위해 제어 구성요소, 예로서, 제어 전자장치, 작동기, 밸브 조립체, 센서 조립체 및 다른 구조와 디바이스를 포함할 수 있다.
제어 시스템은 제어기를 포함할 수 있고, 제어기는 전달 시스템 및/또는 각 연료 전지 유닛의 다양한 제어 구성요소 및 구성요소들과 통신할 수 있다. 제어 시스템 및/또는 제어기는 전달 시스템의 개별 구성요소를 통한, 개별 연료 전지 유닛을 통한, 그리고, 연료 전지 시스템을 통한 유체의 유동 경로를 감시 및 논리적으로 제어할 수 있다. 달리 말하면, 맞춤식 유체 회로는 제어 시스템을 사용하여 전달 시스템, 연료 전지 유닛 및/또는 연료 전지 시스템에서 달성될 수 있다.
제어 시스템은 제어기와 통신하는 하나 이상의 센서 또는 센서 조립체를 포함할 수 있다. 센서로부터의 입력 신호, 사용자 입력 디바이스로부터의 사용자 명령 및/또는 프로그램된 서브루틴과 명령 시퀀스에 응답하여, 제어기는 전달 시스템 및/또는 하나 이상의 연료 전지 유닛의 동작을 독립적으로 병합할 수 있다. 제어기는 프로세서 상에서 동작하는 소프트웨어일 수 있다. 그러나, 하나 이상의 디지털 또는 아날로그 회로나 그 조합으로 구현되는 제어기를 사용하는 것이 본 발명의 범주 내에 있다. 센서로부터의 입력 신호, 사용자 입력 디바이스로부터의 사용자 명령 및/또는 프로그램된 서브루틴과 명령 시퀀스에 응답하여, 제어기는 전달 시스템 및/또는 연료 전지 유닛 및/또는 연료 전지 시스템 중 하나 이상의 동작을 병합할 수 있다.
센서 조립체는 반드시는 아니지만 제어기와 통신하는 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 통신 경로는 통상적으로 유선 전기 신호일 것이지만, 통신 경로의 임의의 다른 적절한 형태가 또한 사용될 수 있다. 즉, 센서 조립체, 제어 신호 수신 디바이스 및 통신 경로는 여기서 임의의 적절한 구성으로 이루어질 수 있다. 무선 통신 경로, 예컨대, 블루투스 연결이 사용될 수 있다. 무선 통신 경로(들)는 네트워크 노드를 연결하기 위한 무선 데이터 연결을 사용하는 무선 네트워크의 일부일 수 있다. 유선 및 무선 통신 경로의 조합이 사용될 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 연료 전지 유닛 및/또는 시스템을 위한 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템을 제공한다. 전달 시스템은 액체 개질가능 연료 저장소로서, 액체 개질가능 연료 저장소의 내부는 액체 개질가능 연료 공간 및 기체 헤드공간을 포함하고, 액체 개질가능 연료 공간은 연료 전지 유닛의 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스와 동작가능하게 유체 연통하는, 액체 개질가능 연료 저장소; 및 기체 개질가능 연료의 소스로서, 기체 개질가능 연료의 소스는 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하고, 연료 전지 유닛의 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통한다.
다양한 실시예에서, 전달 시스템은, 액체 개질가능 연료 저장소로서, 액체 개질가능 연료 저장소의 내부는 액체 개질가능 연료 공간 및 기체 헤드공간을 포함하는 액체 개질가능 연료 저장소; 연료 전지 유닛의 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하고, 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하는 기체 개질가능 연료의 소스; 및 액체 개질가능 연료 저장소의 액체 개질가능 연료 공간과 동작가능하게 유체 연통하고, 개질기, 유체 혼합 디바이스 및 연료 전지 스택 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하며, 예로서, 개질기의 입구, 유체 혼합 디바이스의 입구 및 연료 전지 스택의 입구 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하는 기화기를 포함할 수 있다.
전달 시스템은 일반적으로 기화기, 개질기, 유체 혼합 디바이스, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나에 기체 개질가능 연료를 전달하기 위한, 그리고, 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스에 액체 개질가능 연료를 전달하기 위한 액체 펌프를 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 액체 개질가능 연료 공간은 블래더의 내부에 의해 형성되며, 블래더의 내부는 기화기와 유체 연통할 수 있다.
다양한 실시예에서, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템은 기체 개질가능 연료의 소스와는 다른 양의 기체 압력의 소스를 포함할 수 있고, 양의 기체 압력의 소스는 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통한다. 즉, 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간에 기체 또는 기체 압력을 제공 또는 전달하는 양의 기체 압력의 소스 이외에 또는 그에 추가로, 야의 기체 압력의 소스는 양의 기체 압력의 소스는 기체 또는 기체 압력을 기체 헤드공간에 제공 또는 전달하여 기체 헤드공간을 가압하고 액체 개질가능 연료를 액체 개질가능 연료 공간으로부터 변위 및/또는 기체 헤드공간으로부터(예를 들어, 압력 릴리프 밸브 조립체를 통해) 기체를 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나에 변위시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 전달 시스템은 기체 개질가능 연료의 소스와 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나 사이, 및 기체 개질가능 연료의 소스와 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는 제1 밸브 조립체를 포함할 수 있다. 전달 시스템은 액체 개질가능 연료 공간과 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는 제2 밸브 조립체를 포함할 수 있다. 제1 밸브 조립체는 또한 연료 전지 유닛의 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다.
제1 및 제2 밸브 조립체는 다른 구성으로 이루어질 수 있고, 기체 개질가능 연료의 전달의 원하는 제어와 용례에 따른 서로 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 예로서, 제1 밸브 조립체는 하나 이상의 비례 밸브를 포함할 수 있고, 이 하나 이상의 비례 밸브는 오리피스 및/또는 일련의 오리피스 및 유체 유동의 디지털 제어 이외의 비례를 위한 오리피스/밸브의 피콜로 배열을 형성하는 연계된 비례 밸브와 함께 계량 밸브 하위조립체로부터 상류 또는 하류에 있을 수 있다. 제2 밸브 조립체는 하나 이상의 비례 밸브, 차단 밸브 및 체크 밸브와 하나 이상의 오리피스를 포함할 수 있다. 오리피스는 이 오리피스(또는 다른 밸브 또는 밸브 조립체)를 통한 유체 유동 차압을 측정하기 위한 두 개의 압력 센서, 예컨대, 두 개의 압력 탭(pressure tap) 사이에 있을 수 있다.
본 발명의 교지의 전달 시스템은 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하는 압력 릴리프 밸브 조립체를 포함할 수 있다. 압력 릴리프 밸브 조립체는 개질을 위한 기체 반응제 및 다양한 액체를 필요에 따라 전달하도록 시스템 내의 기체 압력의 적절한 균형을 제공하도록 기체 헤드공간 내의 기체 압력의 제어를 보조할 수 있다. 특정 실시예에서, 기체 헤드공간은 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와의 압력 릴리프 밸브 조립체를 통해 동작가능하게 유체 연통된다. 이러한 경우에, 기체 및 그 성분, 예컨대, 기체 개질가능 연료, 기체 헤드공간 내의 액체 개질가능 연료의 증기 및 산소 함유 기체 중 하나 이상은 에너지 함유 성분이 전기 및/또는 열을 필요에 따라 발생시키기 위해 및/또는 연료 전지 유닛 및/또는 시스템의 에너지 효율적 동작을 위해 산소 대 연료의 적절한 비율을 위해 산소 함유 기체를 보충하기 위해 사용될 수 있는 위치로 전달될 수 있다.
특정 실시예에서, 전달 시스템은 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 기체 개질가능 연료의 소스 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는 제3 밸브 조립체를 포함할 수 있다. 이러한 배열에서, 제1 밸브 조립체는 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 기체 개질가능 연료의 소스 사이에 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 제1 및 제3 밸브 조립체는 연료 전지 유닛의 기화기, 개질기 및 애프터버너 중 적어도 하나와 기체 헤드공간 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다.
제3 밸브 조립체는 다른 구성으로 이루어질 수 있고, 기체 개질가능 연료의 전달의 원하는 제어와 용례에 따른 서로 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 예로서, 제3 밸브 조립체는 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로부터 기화기, (예를 들어, 기화기를 우회하여) 개질기, (예를 들어, 기화기와 개질기를 우회하여) 연료 전지 스택 및/또는 (예를 들어, 기화기, 개질기 및 연료 전지 스택을 우회하여) 애프터버너 같은 다양한 하류 구성요소로 기체 개질가능 연료 및/또는 기체를 전달하기 위한 하나 이상의 3방 밸브를 포함할 수 있다.
제3 밸브 조립체는 이 제3 밸브 조립체의 기능이 제1 밸브 조립체에 의해 수행될 수 있을 때 본 발명의 전달 시스템의 다양한 디자인 및 구성에 요구되지 않을 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 추가적으로, 개별 구성요소 및 그 기능에 따른 특정 디자인 및 구성에서, 압력 릴리프 밸브 조립체는 전달 시스템을 위해 요구되지 않을 수 있다. 그러나, 압력 릴리프 밸브 조립체의 사용은 전달 시스템의 더욱 효율적인 동작을 허용하도록 기체 헤드공간 내의 기체의 압력의 직접 제어 및 감시를 제공할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 개념은 본 명세서에 설명 및/또는 도시하기에는 너무 많은 연료 전지 유닛 및/또는 시스템의 다수의 상이한 구성 및 전달 시스템 구성, 도관, 밸브 조립체, 센서 조립체 및 다른 구성요소의 배열을 사용하여 수행될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 이러한 상이한 구성 및 배열을 포함한다.
양의 기체 압력의 소스의 특징 및 제어 메커니즘과 무관하게, 양의 기체 압력의 소스는 전달 시스템을 통해 액체 개질가능 연료의 전달 및 유체 유동을 제어할 수 있다. 즉, 양의 기체 압력의 소스는 기체 헤드공간 내의 압력(액체 개질가능 연료 저장소 외부의 압력에 비해 증가된 압력)을 증가시킴으로써 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기로 액체 개질가능 연료를 변위시키기 위해 사용될 수 있다. 기체 헤드공간 내의 압력이 액체 개질가능 연료의 소스로부터 액체 개질가능 연료를 변위시키기에 충분할 때, 시스템 구성요소의 조정부 및 제어부 예로서 밸브 조립체는 액체 개질가능 연료가 액체 개질가능 연료 저장소로부터 예로서 기화기로 유동 및 전달되게 할 수 있다. 물론, 시스템 구성요소 및 제어부는 기체 헤드공간의 가압 이전 또는 그와 동시에, 그리고, 가압 이후에 조정될 수 있다.
양의 기체 압력의 소스가 액체 개질가능 연료 저장소로부터 액체 개질가능 연료를 변위시키기 위해 사용되는 경우에, 이러한 기체가 기체 헤드공간 내의 양의 압력을 생성하기 위해 불필요하고 그리고/또는 기체 개질가능 연료의 사용이 바람직하지 않을 때, 기체 개질가능 연료의 소스로부터의 기체 개질가능 연료는 기체 헤드공간 내로 지향되지 않는다. 그러나, 기체 헤드공간 내의 양의 압력은 기체를 전달하기 위해 사용될 수 있고, 이는 기화기, 개질기 및/또는 애프터버너에 기체 헤드공간 내에 존재하는 기체(예를 들어, 기화된) 액체 개질가능 연료를 포함할 수 있다. 이러한 구성 및 유동 패턴은 또한 양의 기체 압력의 소스로부터의 산소 함유 기체, 예로서, 공기를 기체 개질가능 연료 및/또는 기체 액체 개질가능 연료와 혼합하여 기체 개질 반응 혼합물, 예컨대, 기체 CPOX 개질 반응 혼합물을 생성할 수 있고, 이 혼합물은 그후 개질 반응을 위해 개질기로 전달될 수 있다.
사실, 본 발명의 전달 시스템 및 방법의 다양한 실시예에서, 기체 개질가능 연료는 기체 헤드공간 내로 지향되지 않을 뿐만 아니라, 기체 개질가능 연료의 소스는 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하지 않으며, 예로서, 그들을 결합하기 위한 두 구성요소 사이의 도관과 밸브 조립체가 존재하지 않는다. 따라서, 연료 전지 유닛 또는 시스템을 위한 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템은, 액체 개질가능 연료 저장소로서, 액체 개질가능 연료 저장소의 내부가 액체 개질가능 연료 공간 및 기체 헤드공간을 포함하고, 액체 개질가능 연료 공간이 연료 전지 유닛의 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스와 동작가능하게 유체 연통하는, 액체 개질가능 연료 저장소; 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하는 양의 기체 압력의 소스; 및 연료 전지 유닛의 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하는 기체 개질가능 연료의 소스를 포함할 수 있다.
이러한 실시예에서, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템은 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하는 압력 릴리프 밸브 조립체를 포함할 수 있다. 전달 시스템은 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 기체 개질가능 연료의 소스 사이에 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는 제1 밸브 조립체를 포함할 수 있다. 전달 시스템은 액체 개질가능 연료 공간과 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는 제2 밸브 조립체를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 전달 시스템은 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 하나 이상 사이의 유체 연통을 포함할 수 있다. 기체 헤드공간 내의 기체는 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너를 포함하는 연료 전지 유닛의 하나 이상의 구성요소에 지향 또는 전달될 수 있다. 기체 헤드공간으로부터의 기체는 제1 밸브 조립체 및 그 도관 시스템을 통해 또는 제1 및 제3 밸브 조립체와 그 도관 시스템을 통해 이들 연료 전지 유닛 구성요소로 지향될 수 있다. 기체 헤드공간으로부터의 기체는 연료 전지 유닛 또는 시스템의 기체 헤드공간 및 그 구성요소와 동작가능하게 유체 연통하는 압력 릴리프 밸브 조립체를 통해 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로 전달될 수 있다. 즉, 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간은 압력 릴리프 밸브 조립체를 통해 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통할 수 있다. 기체 헤드공간으로부터의 기체는 이러한 기체를 위한 전용 도관 또는 도관 시스템을 사용하여 이러한 연료 전지 구성요소로 지향될 수 있고, 여기서 전용 도관(들)은 용례를 위해 적합한 바에 따라 기체의 전달을 감시 및 제어하기 위해 필요한 적절한 밸브 조립체, 센서 조립체 및 다른 구성요소를 가질 수 있다.
결과적으로, (예를 들어, 액체 개질가능 연료 저장소와 연계된 압력 릴리프 밸브 조립체를 조정하는 것에 의한) 양의 기체 압력의 소스의 제어와 함께 제1 및 제2 밸브 조립체(그리고, 존재한다면, 제3 밸브 조립체)의 적절한 조정은 기화기, 개질기 및 애프터버너 중 적어도 하나에 단지 기체 개질가능 연료만을 유동 및 전달할 수 있거나; 단지 액체 개질가능 연료만을 기화기로 유동 및 전달할 수 있거나; 또는 기화기, 개질기 및 애프터버너 중 적어도 하나에 기체 개질가능 연료 및/또는 기체 액체 개질가능 연료를, 그리고, 기화기에 액체 개질가능 연료를 양자 모두 유동 및 전달할 수 있다. 개질가능 연료의 비율 및 양과 전달 부위는 전달 시스템 내에 존재하는 밸브 조립체 및 다른 유체 유동 또는 전달 제어부를 조정함으로써 제어될 수 있다.
특정 실시예에서, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템은 기화기와 개질기 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는 제4 밸브 조립체를 포함할 수 있다. 제1 밸브 조립체, 제2 밸브 조립체 및, 존재하는 경우, 제3 밸브 조립체, 제4 밸브 조립체 및 임의의 더 고차의 밸브 조립체 각각은 비례 밸브, 온/오프 밸브, 3방 밸브, 체크 밸브 및 오리피스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
산소 함유 기체의 소스는 본 발명의 전달 시스템 및/또는 방법을 사용하는 연료 전지 유닛 또는 시스템과 양의 기체 압력의 소스 같은 본 발명의 전달 시스템 및 방법과 연계 및/또는 그에 포함될 수 있다. 산소 함유 기체의 소스는 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하여 사용될 수 있다. 산소 함유 기체의 소스는 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통될 수 있다. 특정 실시예에서, 전달 시스템은 산소 함유 기체의 소스, 예로서, 펌프, 송풍기 또는 압축기를 포함하거나 그와 연계될 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 유체 혼합 디바이스는 본 발명의 전달 시스템 및 방법과 연계 및/또는 그에 포함될 수 있다. 유체 혼합 디바이스의 하나 이상의 입구는 액체 개질가능 연료의 소스, 액체 개질가능 연료 공간, 기화기의 출구, 기체 개질가능 연료의 소스 및 산소 함유 기체의 소스 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통될 수 있다. 유체 혼합 디바이스의 출구는 개질기 및/또는 연료 전지 스택과 동작가능하게 유체 연통할 수 있다. 유체 혼합 디바이스는 연료 전지 유닛 또는 시스템의 개질기 및/또는 연료 전지 스택으로 개질하기에 적합한 기체 개질 반응 혼합물을 제공하도록 산소 함유 기체 및/또는 스팀과 개질가능 연료를 혼합할 수 있다. 반응제의 균질한 혼합은 "온-셀" 개질을 위해 더욱 중요할 수 있고, 그에 의해, 개질 촉매는 연료 전지 스택의 연료 전극에 통합된다. 실질적으로 균일하게 혼합 또는 균질 기체 개질 반응 혼합물을 제공할 수 있는 유체 혼합 디바이스는 연료 전지 유닛 또는 시스템의 효율적 동작을 증가시킬 수 있다.
기체 및 액체 개질가능 연료의 전달에 직접적으로 사용되지 않는 본 발명의 다른 특징은 액체 개질가능 연료의 일차 소스이다. 액체 개질가능 연료의 일차 소스는 액체 개질가능 연료 저장소를 재충전하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 액체 개질가능 연료의 일차 소스는 액체 개질가능 연료 저장소의 액체 개질가능 연료 공간과 유체 연통될 수 있고, 이러한 유체 연통은 예로서 재충전 프로세스 동안 일시적일 수 있다.
특정 실시예에서, 펌프, 예컨대, 액체 또는 연료 펌프는 액체 개질가능 연료의 일차 소스로부터 액체 개질가능 연료 공간으로 액체 개질가능 연료를 전달하기 위해 사용될 수 있다. 액체 또는 연료 펌프 같은 펌프의 예는 계량 펌프, 로터리 펌프, 임펠러 펌프, 다이아프램 펌프, 연동 펌프, 용적형 펌프, 기어 펌프, 압전 펌프, 동전기 펌프, 전기삼투 펌프 및 모세관 펌프(capillary pump)를 포함한다.
본 발명은 또한 본 명세서에 설명된 바와 같은 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템을 포함하는 연료 전지 유닛 또는 시스템을 포함한다. 연료 전지 시스템은 개질기와 동작가능하게 유체 연통하는 연료 전지 스택; 및 연료 전지 스택의 배기 출구와 동작가능하게 유체 연통하는 애프터버너를 포함할 수 있다. 연료 전지 유닛 또는 시스템은 기화기를 포함할 수 있고, 기화기는 개질기 및/또는 연료 전지 스택과 동작가능하게 유체 연통된다. 공지된, 그리고, 종래의 연료 전지는 다양한 유형 및 구성으로 이루어지며, 이는 인산 연료 펌프(PAFC), 알칼라인 연료 펌프(AFC), 폴리머 전해질 멤브레인(또는 양자 교환 멤브레인) 연료 전지(PEMFC) 및 고체 산화물 연료 전지(SOFC)를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 방법 및 연료 전지 유닛이나 시스템의 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체 및 액체 개질가능 연료의 유동 및 전달을 제어하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 액체 펌프를 사용하지 않고 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체 및 액체 개질가능 연료의 유동 및 전달을 제어할 수 있다.
본 발명의 전달 시스템을 동작하는 방법은 일반적으로 기체 개질가능 연료의 소스로부터 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 하나 이상으로의 기체 개질가능 연료의 전달 및 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하기 위해 기체 개질가능 연료의 소스로부터의 기체 압력 및 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간의 기체 압력을 조정하는 것을 포함한다.
다양한 실시예에서, 이 방법은 기체 개질가능 연료의 소스로부터 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로의, 그리고, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 하나 이상으로의 기체 개질가능 연료의 전달 및 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하기 위해, 기체 개질가능 연료의 소스, 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간 및 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 하나 이상 사이의 기체 압력을 조정하는 것을 포함할 수 있다. 전달 시스템의 동작 방법은 기체 반응제가 개질을 위해 개질가능 연료와 혼합될 수 있는 스팀의 소스 및/또는 산소 함유 기체의 소스로부터의 기체 압력 또는 기체 전달을 조정하는 것을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 본 발명의 전달 시스템의 동작 방법은 기체 개질가능 연료의 소스로부터 액체 개질가능 연료 저장소로의 그리고, 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너로의 기체 개질가능 연료의 전달 및 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하기 위해 기체 개질가능 연료의 소스 및 양의 기체 압력의 소스로부터 그리고 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간의 기체 압력을 조정하는 것을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 본 발명의 전달 시스템을 동작하는 방법은 기체 개질가능 연료의 소스로부터 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로의 그리고 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 하나 이상으로의 기체 개질가능 연료의 전달 및 액체 개질가능 연료 저장소로부터의 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하기 위해 기체 개질가능 연료의 소스, 양의 기체 압력의 소스, 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간 및 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 하나 이상 사이의 기체 압력을 조정하는 것을 포함할 수 있다.
유동하는 유체(예를 들어, 기체 개질가능 연료)의 유량, 압력 및 다른 특성 같은 전달 시스템을 통한 유체 유동의 특성은 전달 시스템의 구성요소, 예를 들어, 밸브 조립체 및 양의 기체 압력과 기체 개질가능 연료의 소스를 적절히 조정하는 것에 의해 제어될 수 있다.
따라서, 일부 실시예에서, 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템을 동작하는 방법은 기체 개질가능 연료의 소스로부터 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간 및 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체 개질가능 연료의 전달 및 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하기 위해 압력 릴리프 밸브 조립체, 제1 밸브 조립체, 제2 밸브 조립체, 그리고, 존재시, 제3 밸브 조립체를 조정하는 것을 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 특정 실시예에서, 제3 밸브 조립체의 기능은 제1 밸브 조립체에 의해 수행될 수 있고, 그래서, 단 두 개의 밸브 조립체, 즉, 제1 밸브 조립체 및 제2 밸브 조립체가 본 발명의 방법의 실시에 요구될 수 있다.
더 구체적으로, 연료 전지 시스템의 동작의 시동 모드에서, 연료 전지 시스템이 가열될 때까지 단지 기체 개질가능 연료의 사용이 바람직할 수 있고, 연료 전지 시스템에 의해 생성된 열은 액체 개질가능 연료의 기화를 보조하여 시동 동안 플랜트의 잔여부 상의 부하를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 초기에 기체 개질가능 연료를 개질하는 것만이 바람직한 경우, 밸브 조립체는 기체 개질가능 연료의 소스로부터의 기체 개질가능 연료가 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나에 유동 또는 전달될 수 있도록 조정될 수 있다. 따라서, 전달 시스템을 동작시키는 방법의 일부 실시예에서, 압력 릴리프 밸브 조립체, 제1 밸브 조립체, 제2 밸브 조립체 그리고, 존재하는 경우, 제3 밸브 조립체 및 양의 기체 압력의 소스를 조정하는 것은 예로서 제1 밸브 조립체를 통해 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로 기체 개질가능 연료를 지향 또는 전달하는 것; 및 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달을 방지 또는 최소화하는 것을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 동작의 시동 모드에서, 기체 개질가능 연료는 연료 전지 시스템의 애프터버너에 직접적으로 전달될 수 있다. 애프터버너 및 그 연소 반응의 시작은 다른 연료 전지 유닛 또는 시스템 구성요소를 위한 것 보다 더 어려울 수 있다. 추가적으로, 애프터버너는 개질 및 전자 화학 변환 프로세스의 시작시부터 동작하여야 한다. 따라서, 개질기로 최초에 기체 개질가능 연료만을 전달하는 것은 애프터버너를 더 효율적으로 점화할 수 있다. 이러한 방법은 애프터버너의 연소를 개시하기 위해 개질기로부터 연료 전지 스택으로의, 그리고, 연료 전지 스택을 통해 애프터버너로의 기체 개질가능 연료의 지향 또는 전달을 포함할 수 있다. 기체 개질가능 연료는 애프터버너, 예로서, 개질기와 연료 전지 스택을 우회하여 애프터버너로 직접적으로 전달될 수 있다. 후속하여, 애프터버너가 동작한 이후, 애프터버너의 연소 반응으로부터의 발열의 열은 연료 전지 시스템의 다른 구성요소를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 애프터버너로부터의 열은 액체 개질가능 연료가 가열되고 개질을 위해 기체 액체 개질가능 연료로 변환될 수 있도록 기화기로 및/또는 기화기 이전의 액체 개질가능 연료의 스트림으로 지향될 수 있다. 애프터버너로부터의 열은 또한 연료 전지 스택을 가열하기 위해 사용될 수 있다.
따라서, 특정 실시예에서, 예로서, 연료 전지 시스템의 시동 모드에서, 압력 릴리프 밸브 조립체, 제1 밸브 조립체, 제2 밸브 조립체 그리고 존재하는 경우 제3 밸브 조립체를 조정하는 것은, 제1 밸브 조립체를 통해 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로 기체 개질가능 연료를 지향 또는 전달하는 것을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 방법은 애프터버너에서의 연소를 개시하기 위해 제1 밸브 조립체를 통해 개질기로, 개질기로부터 연료 전지 스택으로, 그리고, 연료 전지 스택을 통해 애프터버너로의 기체 개질가능 연료의 지향 또는 전달을 포함할 수 있다. 기체 개질가능 연료는 애프터버너, 예로서, 개질기와 연료 전지 스택을 우회하여 애프터버너로 직접적으로 전달될 수 있다. 이 방법은 기화기 및 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달을 최소화 또는 방지하는 것을 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템 및 특히 기화기가 그 동작 온도 범위 내에 있게 된 이후, 단지 기체 개질가능 연료의 사용은 단축될 수 있고, 액체 개질가능 연료는 그후 연료 전지 시스템에 의해 소비되는 일차 연료가 된다. 이러한 경우에, 전달 시스템에 의해 전달되는 기체 개질가능 연료 및 액체 개질가능 연료의 양은 예로서 기체 개질가능 연료 및 양의 기체 압력의 소스로부터 기체 압력과 밸브 조립체 같은 전달 시스템의 구성요소의 조정에 의해 제어 및 적절히 할당될 수 있다.
기체 개질가능 연료만으로부터 액체 개질가능 연료의 전이시, 또는 기체 및 액체 개질가능 연료 양자 모두의 사용이 바람직한 용례에서, 압력 릴리프 밸브 조립체, 제1 밸브 조립체, 제2 밸브 조립체 및, 존재시, 제3 밸브 조립체 각각은 제1 밸브 조립체를 통해 그리고 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체 개질가능 연료를 전달하고 제2 밸브 조립체를 통해 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료를 전달하기 위해 적절하게 조정될 수 있다. 이러한 경우에, 기화기 및/또는 개질기로 전달되는 기체 및 액체 개질가능 연료의 비율은 원하는 비율의 기체 및 액체 개질가능 연료가 연료 전지 시스템의 이들 구성요소로 전달될 수 있도록 전달 시스템 내의 기체 압력을 조정하는 것에 의해 제어될 수 있다.
연료 전지 시스템이 그 정상 상태 모드에 있게 된 이후, 전기를 생성하기 위해 액체 개질가능 연료만의 사용이 바람직할 수 있다. 예로서, 압력 릴리프 밸브 조립체, 제1 밸브 조립체, 제2 밸브 조립체 및, 존재시, 제3 밸브 조립체는 기체 개질가능 연료가 유동하도록 조정될 수 있거나, 제1 밸브 조립체 및/또는, 존재하는 경우, 제3 밸브 조립체를 통해 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로 전달되고, 그에 의해 기체 헤드공간 내의 압력을 증가시킬 수 있다. 양의 기체 압력의 소스가 제공 및 사용되는 경우, 양의 기체 압력의 소스로부터의 양의 기체 압력은 기체 헤드공간 내의 기체 압력을 충분하게 증가시키도록 조정될 수 있다. 제2 밸브 조립체의 적절한 조정에 의해, 가압된 기체 헤드공간은 액체 개질가능 연료 저장소의 출구를 통해 제2 밸브 조립체 및 기화기로 액체 개질가능 연료 저장소 내에 존재하는 액체 개질가능 연료를 변위시킬 수 있다. 액체 개질가능 연료만이 또는 실질적으로 액체 개질가능 연료만이 전달되는 경우, 이 방법은 예로서 (예를 들어, 제3 밸브 조립체가 존재할 때) 제1 밸브 조립체를 통해 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너로의 기체 개질가능 연료의 전달을 최소화 또는 방지하는 것을 포함할 수 있다.
따라서, 특정 실시예에서, 연료 전지 시스템의 정상 상태 모드에서, 압력 릴리프 밸브 조립체, 제1 밸브 조립체, 제2 밸브 조립체 그리고, 존재하는 경우, 제3 밸브 조립체를 조정하는 것은 액체 개질가능 연료 저장소로부터 제2 밸브 조립체를 통해 그리고 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로 액체 개질가능 연료를 변위시키기 위해 양의 기체 압력의 소스로부터 기체 헤드공간 내로 기체를 지향 또는 전달하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 제1 밸브 조립체를 통한 기체 개질가능 연료의 전달을 최소화 또는 방지하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 액체 개질가능 연료의 증기, 기체 액체 개질가능 연료 및 산소 함유 기체 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 기체를 기체 헤드공간으로부터 제3 밸브 조립체 및 제1 밸브 조립체를 통해 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로 지향 또는 전달하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템을 동작하는 방법은 기체 개질가능 연료의 소스로부터 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간 및 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체 개질가능 연료의 전달 및 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기로의 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하기 위해 압력 릴리프 밸브 조립체, 제1 밸브 조립체, 제2 밸브 조립체 및, 존재시, 제3 밸브 조립체를 조정하는 것을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 이 방법은 일반적으로 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로부터 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로 기체를 전달하는 것을 포함한다. 기체 헤드공간으로부터의 기체의 전달은 제1 밸브 조립체 그리고, 존재하는 경우, 제3 밸브 조립체를 통할 수 있으며 및/또는 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 같은 연료 전지 유닛 또는 시스템의 하나 이상의 구성요소와 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간 사이의 동작가능한 유체 연통을 제공하는 전용 도관 시스템을 통할 수 있다. 후자의 경우에, 압력 릴리프 밸브 조립체는 기화기, 액체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터 버너 중 하나 이상과 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간 사이에 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다.
액체 펌프를 사용하지 않고 연료 전지 시스템에 결합되는 개질기로의 기체 및 액체 개질가능 연료의 유동 및 전달을 제어하는 방법은 본 명세서에 설명된 전달 시스템의 특정 구조 및 구성요소에 독립적으로 설명될 수 있다. 이러한 방법은 일반적으로 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나에 기체 개질가능 연료를 전달하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 (a) 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스에 액체 개질가능 연료를 전달; (b) 기체 헤드공간으로부터 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체의 전달; 또는 (c) 기화기로의 액체 개질가능 연료의 전달 및 기체 헤드공간으로부터 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체의 전달을 위해 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간에 기체 압력을 적용하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 방법은 존재하는 경우 기화된 액체 개질가능 연료를 개질기 및/또는 연료 전지 스택에 지향 또는 전달하는 것을 포함할 수 있다. 액체 개질가능 연료는 기체 개질가능 연료를 위한 도관을 통과하지 않고 전달될 수 있다. 이러한 방법에서, 기화된 액체 개질가능 연료는 예로서, 유체 혼합 디바이스 내에서 개질기로의 도입 이전에 기체 개질가능 연료와 혼합될 수 있다.
액체 펌프를 사용하지 않고, 본 발명의 전달 시스템의 구성요소 및 특정 구조에 독립적으로 연료 전지 시스템의 개질기로의 기체 및 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하는 다른 방법은, (제1) 양의 기체 압력을 사용하여 액체 개질가능 연료를 유체 혼합 디바이스 및/또는 기화기로 변위 및 전달하여 예로서 기화된 액체 개질가능 연료를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은, (제2) 양의 기체 압력을 사용하여 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택, 기화된 액체 개질가능 연료의 스트림 및 애프터버너 중 적어도 하나에 기체 개질가능 연료를 전달하는 것을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 이 방법은 (제1) 양의 기체 압력을 사용하여, 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로부터 액체 개질가능 연료의 증기, 기체 액체 개질가능 연료 및 산소 함유 기체 중 하나 이상을 포함할 수 있는 기체를 변위시키고 이 기체를 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로 전달하는 것을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 제1 양의 기체 압력 및 제2 양의 기체 압력은 동일하다.
특정 실시예에서, 액체 개질가능 연료는 기체 개질가능 연료를 위한 도관을 통과하지 않는다.
본 발명의 방법에서, 액체 개질가능 연료의 전달 단계 또는 전달은 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스에 액체 개질가능 연료의 전달 단계 또는 전달을 포함할 수 있다. 유체 혼합 디바이스의 하나 이상의 입구는 액체 개질가능 연료 공간과 동작가능하게 유체 연통할 수 있고, 산소 함유 기체의 소스와 동작가능하게 유체 연통할 수 있다. 유체 혼합 디바이스의 출구는 개질기 및/또는 연료 전지 스택과 동작가능하게 유체 연통할 수 있다.
이 방법의 다양한 실시예에서, 액체 개질가능 연료의 전달 단계 또는 전달은 산소 함유 기체와 기화된 액체 개질가능 연료 및/또는 기체 개질가능 연료를 액체 혼합 디바이스로의 전달 단계 또는 전달을 포함할 수 있다. 유체 혼합 디바이스의 하나 이상의 입구는 기화기의 출구 및/또는 기체 개질가능 연료의 소스와 동작가능하게 유체 연통할 수 있고 산소 함유 기체의 소스와 동작가능하게 유체 연통할 수 있다. 유체 혼합 디바이스의 출구는 개질기 및/또는 연료 전지 스택과 동작가능하게 유체 연통할 수 있다.
일부 실시예에서, 이 방법은 액체 개질가능 연료의 스트림, 기화기, 기화된 액체 개질가능 연료의 스트림, 기체 개질가능 연료의 스트림, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나에 산소 함유 기체를 전달하는 것을 포함한다.
특정 실시예에서, 기체 압력을 조정하는 것 또는 밸브 조립체를 조정하는 것은 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로부터 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체의 전달을 제어할 수 있다. 이 방법은 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로부터 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나에 기체를 전달하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 유체 혼합 디바이스, 개질기 및 연료 전지 스택 중 적어도 하나에 개질가능 연료 및 산소 함유 기체의 혼합물을 전달하는 것을 포함할 수 있다.
이하의 예시적 실시예는 본 발명의 이해를 용이하게 하고 추가로 예시하기 위해 제공된 것이며, 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하는 것을 의도하지 않는다.
역시, 간결성을 위해 전술한 바와 같이, 본 명세서의 설명 및 서술은 촉매 부분 산화 개질 반응 및 반응제(개질가능 연료 및 산소 함유 기체)를 포함하는 부분 산화 개질 반응 및 반응제에 중점을 둘 것이다. 그러나, 본 명세서에 설명된 디바이스, 조립체, 시스템 및 방법은 스팀 개질 및 오토서멀 개질 같은 다른 개질 반응과 그 각각의 반응제에 균등하게 적용될 수 있다. 예로서, 스팀 개질을 위해, 스팀은 본 명세서의 설명에서 산소 함유 기체를 대체할 수 있다. 오토서멀 개질을 위해, 스팀은 본 명세서의 설명에서 개질가능 연료 및/또는 산소 함유 기체와 함께 도입될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 일 실시예의 개략도이며, 기체 개질가능 연료의 소스가 전달 시스템을 통해 기체 개질가능 연료 및 액체 개질가능 연료를 유동 및 전달하기 위해 사용된다.
도 1a를 참조하면, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10)은 액체 개질가능 연료 저장소(12)를 포함하고, 액체 개질가능 연료 저장소의 내부는 액체 개질가능 연료 공간(14)과 기체 헤드공간(16)을 포함한다. 액체 개질가능 연료 공간은 액체 개질가능 연료를 포함할 수 있다. 액체 개질가능 연료 저장소(12)는 압력 센서 조립체(6) 및 압력 릴리프 밸브 조립체(8)를 포함한다. 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10)은 또한 프로판, 부탄, 천연가스 또는 다른 기체 개질가능 연료의 캐니스터 또는 탱크 같은 기체 개질가능 연료의 소스(18)를 포함한다.
도 1a를 계속 참조하면, 도시된 액체 및 기체 개질가능 연료 시스템(10)은 제1 밸브 조립체(20) 및 제2 밸브 조립체(22)를 포함한다. 제1 밸브 조립체(20)는 기체 개질가능 연료의 소스(18)와 개질기(26) 사이, 기체 개질가능 연료의 소스(18)와 기화기(28) 사이, 그리고, 기체 개질가능 연료의 소스(18)와 액체 개질가능 연료 저장소(12)의 기체 헤드공간(16) 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 제2 밸브 조립체(22)는 액체 개질가능 연료 공간(14)과 기화기(28) 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 비록, 비어있을 때 액체 개질가능 연료 공간과 기화기 사이에 기체 연통이 정립될 수 있지만, 제2 밸브 조립체는 기화기와 액체 개질가능 연료를 포함하는 액체 개질가능 연료 공간 사이의 유체 연통, 예로서, 액체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다.
도 1a의 전달 시스템(10)은 또한 연료 전지 유닛 구성요소와 전달 시스템의 동작을 제어 및 자동화하도록 제어기(11)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 제어기(11)는 압력 센서 조립체(6), 압력 릴리프 밸브 조립체(8), 제1 밸브 조립체(20), 제2 밸브 조립체(22), 기화기(28) 및 개질기(26)에 독립적으로 연결된다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 제어기는 밸브 조립체, 센서 조립체 및 다른 구성요소 각각과의 연통 경로 및/또는 유체 전달 시스템의 동작 동안 감시 및/또는 제어하는 것이 바람직한 구조를 가질 수 있다. 예로서, 제어기는 압력 릴리프 밸브를 사용하여 제1 및 제2 밸브 조립체를 통해 전달 시스템의 유체의 유동 경로를 감시 및 논리적으로 제어할 수 있다. 압력 센서 조립체는 제어기가 적절하다면 밸브 조립체 및/또는 다른 구성요소에 대한 조정을 개시할 수 있도록 기체 헤드공간 내의 압력에 관하여 제어기와 연통할 수 있다. 연통 경로는 유선식 및/또는 무선식일 수 있다.
동작시, 제1 및 제2 밸브 조립체와 압력 릴리프 밸브 조립체는 특정 용례에 대한 필요에 따라 시스템을 통한 유체 유동을 제공하도록 조정될 수 있다. 예로서, 초기에 단지 기체 개질가능 연료만을 개질하는 것이 바람직할 수 있는 연료 전지 시스템의 동작의 시동 모드에서, 제1 밸브 조립체가 조정될 수 있고, 제2 밸브 조립체가 폐쇄될 수 있으며, 그래서, 기체 개질가능 연료의 소스로부터 기체 개질가능 연료는 단지 제1 밸브 조립체를 통해 직접적으로 개질기 및/또는 기화기로(또는 도시되지 않은 연료 전지 유닛 또는 시스템의 다른 구성요소, 예로서, 애프터버너로) 유동 또는 전달될 수 있다. 유동하는 유체(예를 들어, 기체 개질가능 연료)의 유량, 압력 및 다른 특성 같은 전달 시스템을 통한 유체 유동의 특성은 전달 시스템의 구성요소, 예로서, 본 예시적 설명에서, 압력 릴리프 밸브 조립체, 제1 밸브 조립체 및 제2 밸브 조립체를 적절히 조정함으로써 제어될 수 있다.
대안적으로, 액체 개질가능 연료만의 사용이 바람직한 경우, 제1 및 제2 밸브 조립체는 기체 개질가능 연료가 유동하도록 또는 제1 밸브 조립체만을 통해 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로 전달됨으로써 기체 헤드공간 내의 압력을 증가시키도록 조정될 수 있다. 제2 밸브 조립체의 적절한 조정으로, 가압된 기체 헤드공간은 제2 밸브 조립체를 통해 기화기로의 액체 개질가능 연료 저장소 내에 존재하는 액체 개질가능 연료를 변위시킬 수 있다.
액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작식으로 유체 연통하는 압력 릴리프 밸브 조립체는 제2 밸브 조립체 및 기화기로의 액체 개질가능 연료의 정상 유동 및 전달을 제공하도록 필요에 따라 기체 헤드공간 내의 압력을 유지 또는 저하시키기 위해 기체를 블리드 오프하도록 조정될 수 있다. 특정 실시예에서, 또한, 압력 릴리프 밸브 조립체는 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통할 수 있다. 이러한 구성에서, 개질 반응제(예를 들어, 액체 개질가능 연료의 증기, 기체 개질가능 연료 및 산소 함유 기체)와 같은 기체 및 그 성분은 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 하나 이상에 전달되어 반응, 소비 또는 다른 방식으로 처리 또는 전달됨으로써 더 에너지 효율적 프로세스를 제공할 수 있다. 기체 헤드공간으로부터 전달되는 기체의 조성은 실질적으로 또는 주로 산소 함유 기체[예를 들어, 양의 기체 압력의 소스로부터의 산소 함유 기체가 우세(dominate)함]일 수 있고, 그래서, 기체 헤드공간으로부터 압력 릴리프 밸브를 통한 기체의 전달이 기체 개질 반응 혼합물을 위한 산소 대 연료 비율을 보충할 수 있다.
기체 및 액체 개질가능 연료 양자 모두의 사용이 바람직한 용례에서, 제1 및 제2 밸브 조립체 각각과 압력 릴리프 밸브 조립체는 제1 밸브 조립체를 통해 기체 헤드공간으로 그리고 기화기 및/또는 개질기로 기체 개질가능 연료를 전달하고 제2 밸브 조립체를 통해 기화기로의 액체 개질가능 연료를 전달하기 위해 적절히 조정될 수 있다. 이러한 경우에, 기화기 및/또는 개질기로 전달되는 기체 및 액체 개질가능 연료의 비율은 원하는 비율의 기체 및 액체 개질가능 연료가 연료 전지 시스템의 원하는 구성요소로 전달될 수 있도록 전달 시스템의 압력을 조작 및 조정하는 것에 의해 제어될 수 있다.
도 1b는 도 1a의 전달 시스템과 유사하지만 기체 개질가능 연료의 소스와는 다른 양의 기체 압력의 소스를 포함하는 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 일 실시예의 개략도이다. 도 1b는 또한 액체 개질가능 연료의 일차 소스를 포함한다.
도면의 유사한 구성요소는 동일하거나 다를 수 있고, 예로서, 구성의 재료, 센서 조립체, 밸브 구성, 도관 연결부 및 배열 등 같은 그와 연계된 다양한 변형을 가질 수 있다.
도 1b를 참조하면, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10')은 액체 개질가능 연료 저장소(12')를 포함하고, 액체 개질가능 연료 저장소의 내부는 액체 개질가능 연료 공간(14')과 기체 헤드공간(16')을 포함한다. 액체 개질가능 연료 공간은 액체 개질가능 연료를 포함할 수 있다. 액체 개질가능 연료 저장소(12')는 압력 센서 조립체(6') 및 압력 릴리프 밸브 조립체(8')를 포함한다. 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10')은 또한 프로판, 부탄, 천연가스 또는 다른 기체 개질가능 연료의 캐니스터 또는 탱크 같은 기체 개질가능 연료의 소스(18')를 포함한다.
도시된 액체 및 기체 개질가능 연료 시스템(10')은 제1 밸브 조립체(20'), 제2 밸브 조립체(22') 및 제3 밸브 조립체(24)를 포함한다. 제1 밸브 조립체(20')는 기체 개질가능 연료의 소스(18')와 개질기(26') 사이, 그리고, 선택적으로 기체 개질가능 연료의 소스(18')와, 기화기(28'), 연료 전지 스택(도시되지 않음) 및 애프터버너(도시되지 않음) 중 적어도 하나 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 제2 밸브 조립체(22')는 액체 개질가능 연료 공간(14')과 기화기(28') 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 제3 밸브 조립체(24)는 기체 개질가능 연료의 소스(18')와 액체 개질가능 연료 저장소(12')의 기체 헤드공간(16') 사이, 그리고, 반대 방향으로, 제1 밸브 조립체(20')를 통한 기체 헤드공간(16')과 개질기(26') 및 기화기(28')[그리고, 연료 전지 스택 및/또는 애프터버너(도시되지 않음)] 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 제1, 제2, 제3 밸브 조립체 각각은 온/오프 밸브를 포함할 수 있고, 이 밸브는 기체 개질가능 연료 및/또는 액체 개질가능 연료의 전달을 중단시키는 것을 보조할 수 있다.
액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10')은 또한 기체 개질가능 연료의 소스(18')와는 다른 양의 기체 압력의 소스(30)를 포함한다. 양의 기체 압력의 소스(30)는 액체 개질가능 연료 저장소(12')의 기체 헤드공간(16')과 동작가능하게 유체 연통한다. 양의 기체 압력의 소스와 기체 헤드공간 사이의 유체 연통은 밸브 조립체(도시되지 않음), 다른 압력 제어 수단, 예컨대, 압력 챔버 또는 양의 기체 압력의 소스와 연계된 제어 특징부에 의해 제어될 수 있다. 압력 릴리프 밸브 조립체는 기체 헤드공간의 압력을 제어하기 위해 사용될 수 있거나 제어를 보조할 수 있다.
전술한 바와 같이, 압력 챔버(도시되지 않음)는 양의 기체 압력의 소스와 기체 헤드공간 사이에 위치될 수 있고, 압력 챔버는 기체 헤드공간으로의 기체의 전달을 위한 제어부로서 작용할 수 있으며, 기체 헤드공간 내에 적절한 압력이 확보되어 액체 개질가능 연료를 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기로 변위 및 전달할 수 있게 한다. 이러한 압력 챔버는 압력 릴리프 밸브 조립체 및/또는 그와 연계된 압력 센서를 가질 수 있다.
도 1b로 돌아가서, 전달 시스템(10') 주변에는 액체 개질가능 연료 저장소(12')의 액체 개질가능 연료 공간(14')과 유체 연통하는 액체 개질가능 연료의 일차 소스(32)가 있다. 액체 개질가능 연료의 일차 소스는 액체 개질가능 연료 저장소를 재충전할 수 있다. 펌프(34), 예로서, 액체 펌프는 액체 개질가능 연료의 일차 소스(32)로부터 액체 개질가능 연료 공간(14')으로 액체 개질가능 연료를 전달하기 위해 사용될 수 있다.
특정 용례와 연료 전지 시스템에 의존하여, 액체 개질가능 연료의 일차 소스는 액체 개질가능 연료가 액체 개질가능 연료의 소스로부터 소진되거나 거의 소진될 때까지 부착된 위치에 유지될 수 있거나, 액체 개질가능 연료의 일차 소스는 (재)충전 프로세스 동안만, 예로서, 액체 개질가능 연료가 액체 개질가능 연료 저장소로 전달될 때에만 부착될 수 있다. 후자의 경우에, 신속 해제 밸브 부착(도시되지 않음)이 액체 개질가능 연료 저장소와 액체 개질가능 연료의 일차 소스를 결합하기 위해 효과적으로 사용될 수 있다.
이러한 더 큰 액체 개질가능 연료의 소스의 사용은 더 큰 액체 개질가능 연료의 소스로부터의 액체 개질가능 연료 저장소의 재충전을 허용할 수 있다. 이러한 재충전은 휴대용/이동식 연료 전지 시스템의 재충전을 위해 또는 연료 전지 시스템의 지속적 동작을 위해 유리할 수 있다. 액체 개질가능 연료 저장소가 비워질 때까지 사용될 필요가 없고 더 큰 액체 개질가능 연료의 소스로부터 재충전되고 그에 의해 액체 개질가능 연료 저장소 내로 더 적은 불순물이 도입될 수 있기 때문에, 이러한 재충전은 또한 연료 전지 시스템을 통한 기체 스트림 내로의 액체 개질가능 연료 저장소 내의 액체 개질가능 연료 내의 침전물 및 기타 고밀도 불순물의 도입을 피할 수 있다.
도 1b는 전달 시스템 및 그 주변의 다양한 구성요소 사이에 존재할 수 있는 도관의 표시를 포함한다. 이제 도 1b를 참조하면, 구성요소를 연결하는 특정 도관을 포함하는 전달 시스템을 예시하기 위해, 양의 기체 압력의 소스 도관(102)은 양의 기체 압력의 소스(30)와 액체 개질가능 연료 저장소의 헤드공간(16') 사이의 동작가능한 유체 연통을 제공할 수 있고, 양의 기체 압력의 소스 도관은 양의 기체 압력의 소스의 출구를 액체 개질가능 연료 저장소의 입구에 결합할 수 있다.
기체 개질가능 연료의 소스 도관(104)은 기체 개질가능 연료의 소스(18')와 제1 밸브 조립체(20') 사이의 동작가능한 유체 연통을 제공할 수 있고, 기체 개질가능 연료의 소스 도관은 기체 개질가능 연료의 소스의 출구를 제1 밸브 조립체의 입구에 결합할 수 있다. 제1 밸브 조립체(20')는 또한 기화기 도관(106) 및 개질기 도관(108)을 갖는다. 기화기 도관은 제1 밸브 조립체의 출구를 기화기의 입구에 결합할 수 있다(도시된 바와 같음). 개질기 도관은 제1 밸브 조립체의 다른 출구를 기화기-개질기 도관(118)의 입구(도시된 바와 같음)에 또는 개질기의 입구(도시되지 않음)와 결합할 수 있다.
액체 개질가능 연료 도관(110)은 액체 개질가능 연료 공간(14')과 제2 밸브 조립체(22') 사이의 동작가능한 유체 연통을 제공할 수 있고, 액체 개질가능 연료 도관은 액체 개질가능 연료 저장소의 출구를 제2 밸브 조립체의 입구에 결합할 수 있다. 제2 밸브 조립체(22')는 제2 액체 개질가능 연료 도관(112)을 가지고, 제2 액체 연료 도관은 제2 밸브 조립체의 출구를 기화기의 입구에 결합할 수 있다. 여기에는 액체 개질가능 연료 도관(110)과 제2 액체 개질가능 연료 도관(112)이 단일 도관이고, 단일 도관과 직렬인, 그 내부에 배치되는 또는 그와 연계되는 제2 밸브 조립체(22')를 갖는 것으로 고려될 수 있는 예가 제공되어 있다.
도 1b를 계속 참조하면, 기체 도관(114)은 [기체 개질가능 연료의 소스 도관(104)을 통해] 기체 개질가능 연료의 소스(18')와 제3 밸브 조립체(24) 사이에 동작가능한 유체 연통을 제공할 수 있고, 기체 도관은 제2 밸브 조립체의 포트에 기체 개질가능 연료 도관의 소스의 포트를 결합할 수 있다. 또한, 제3 밸브 조립체(24)는 제2 기체 도관(116)을 가지며, 제2 기체 도관은 제3 밸브 조립체의 포트를 액체 개질가능 연료 저장소의 포트에 결합할 수 있다. 기체 개질가능 연료의 소스와 유체 연통하는 액체 개질가능 연료 저장소의 포트는 액체 개질가능 연료 저장소의 헤드공간과 유체 연통한다.
기화기-개질기 도관(118)은 기화기(28')와 개질기(26') 사이에 동작가능한 유체 연통을 제공할 수 있고, 기화기-개질기 도관은 기화기의 출구를 개질기의 입구에 결합할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 개질기에 대한 기화기의 결합은 또한 다른 구조 및 구성요소, 예컨대, 유체 혼합 디바이스, 밸브 조립체 및 다양한 센서를 포함할 수 있다.
도 1c는 연료 전지 유닛 또는 시스템과 연계되는 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 일 실시예의 개략도이다. 도 1c는 또한 산소 함유 기체의 소스를 포함한다.
이제 도 1c를 참조하면, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10")은 액체 개질가능 연료 저장소(12")를 포함하고, 액체 개질가능 연료 저장소의 내부는 액체 개질가능 연료 공간(14")과 기체 헤드공간(16")을 포함한다. 액체 개질가능 연료 공간은 액체 개질가능 연료를 포함할 수 있다. 액체 개질가능 연료 저장소(12")는 압력 센서 조립체(6") 및 압력 릴리프 밸브 조립체(8")를 포함한다. 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10")은 또한 프로판, 부탄, 천연가스 또는 다른 기체 개질가능 연료의 캐니스터 또는 탱크 같은 기체 개질가능 연료의 소스(18")를 포함한다.
도시된 액체 및 기체 개질가능 연료 시스템(10")은 제1 밸브 조립체(20"), 제2 밸브 조립체(22") 및 제3 밸브 조립체(24')를 포함한다. 제1 밸브 조립체(20")는 제3 밸브 조립체(24')를 통해 기화기(28"), 유체 혼합 디바이스(37), [직접적으로 또는 유체 혼합 디바이스(37)를 통해] 개질기(26") 및 연료 전지 스택(40)에 대해 기체 개질가능 연료의 소스(18")의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 제1 밸브 조립체로부터 이들 구성요소 각각으로의 도관(들)은 제2 밸브 조립체 이전 또는 이후에 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기체 개질가능 연료가 구성요소의 입구 내로 또는 구성요소들 중 하나로, 예로서, 기화기로 이어지는 도관 내로 도입되도록 위치될 수 있다. 제1 밸브 조립체(20")는 또한 제3 밸브 조립체(24')를 통해 기화기 및 개질기를 우회하여 애프터버너(42)로 기체 개질가능 연료의 소스(18")의 직접적 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다.
추가적으로, 제1 밸브 조립체(20")는 제3 밸브 조립체(24')를 통해 산소 함유 기체의 소스(38)로부터의 도관에 대해 기체 개질가능 연료의 소스(18")의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있으며, 그에 의해, 기화기(28"), 유체 혼합 디바이스(37), 개질기(26") 및 연료 전지 스택(40) 중 하나 이상에 대한 도입 이전에 공기 같은 산소 함유 기체와 기체 개질가능 연료를 혼합할 수 있다.
제1 및 제3 밸브 조립체가 기체 개질가능 연료의 소스와 연료 전지 유닛의 다른 구성요소 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는 것과 대부분 동일한 방식으로, 제1 및 제3 밸브 조립체는 본 명세서에 설명된 바와 같이 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나 사이의 유체 연통을 제공하도록 연료 전지 시스템의 구성요소 및 다른 밸브 조립체와 함께 조작될 수 있다. 이러한 경우에, 양의 기체 압력의 소스로부터의 양의 압력은 기체 헤드공간으로부터 제3 밸브 조립체를 통해 제1 밸브 조립체로 기체를 전달할 수 있고, 제1 밸브 조립체는 기체를 연료 전지 유닛의 원하는 구성요소(들)로 분배할 수 있다.
대안적으로 또는 조합하여, 전용 도관 시스템이 사용되어 기체 헤드공간으로부터의 기체를 제1 및 제3 밸브 조립체를 통해 라우팅할 필요 없이 실질적으로 동일한 목적을 달성할 수 있다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 기체 헤드공간 도관(43)은 압력 릴리프 밸브 조립체(8")를 거쳐 전달 시스템 및/또는 연료 전지 유닛 및/또는 시스템의 하나 이상의 구성요소와 기체 헤드공간(16") 사이의 유체 연통을 제공할 수 있다.
더 구체적으로, 기체 헤드공간 도관(43)은 기체 헤드공간(16")과, [밸브 조립체(43') 및 기화기로 이어지는 도관을 통해] 기화기(28"), [밸브 조립체(43', 43")를 통해] 유체 혼합 디바이스(37), [밸브 조립체(43', 43")와 유체 혼합 디바이스(37)를 통해, 또는 유체 혼합 디바이스를 우회하여 밸브 조립체를 통해 개질기에 직접적으로(도시되지 않음)] 개질기(26"), [밸브 조립체(43', 43", 43"')를 통해] 연료 전지 스택(40), 및 [밸브 조립체(43', 43", 43"')를 통해] 애프터버너(42) 사이의 유체 연통을 제공할 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 도시된 구조 및 라우팅은 기화된 액체 개질가능 연료(예를 들어, 기체 헤드공간 내의 액체 개질가능 연료의 증기), 기체 개질가능 연료 및 산소 함유 기체 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 기체 헤드공간으로부터의 기체가 연료 전지 유닛 또는 시스템의 다른 구성요소에 사용될 수 있게 하는 기능을 변경하지 않고 도관, 밸브 조립체, 센서 조립체 및 기타 구성요소와 구조를 제거, 추가 및/또는 재배치함으로써 변경될 수 있다. 이러한 형태에서, 기체 헤드공간으로부터의 기체는 기체 개질 반응 혼합물을 위해 필요한 산소 함유 기체의 보충 및/또는 전기 및/또는 열을 생성하기 위해 기체 헤드공간에 존재하는 개질가능 연료의 소비를 위해 사용될 수 있고, 그에 의해, 프로세스의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
제2 밸브 조립체(22")는 액체 개질가능 연료 공간(14")과 기화기(28") 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 제3 밸브 조립체(24')는 기체 개질가능 연료의 소스(18")와 액체 개질가능 연료 저장소(12")의 기체 헤드공간(16") 사이 및 제1 밸브 조립체(20")를 통해 기체 헤드공간(16")과 개질기(26") 및 기화기(28") 사이에 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다.
이러한 구성에서, 제1 및 제3 밸브 조립체는 단일 밸브 조립체, 예로서, 제1 밸브 조립체가 되는 것을 고려할 수 있으며, 여기서, 제3 밸브 조립체의 기능(들)은 제1 밸브 조립체에 포함될 수 있다. 그러나, 제1 및 제3 밸브 조립체는 본 발명의 전달 시스템의 기체 개질가능 연료의 전달 및 제어에 대한 이해의 용이성을 위해 본 예시적 실시예에서 별개로 구체화 및 설명되어 있다.
도 1c로 돌아가서, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10")은 또한 기체 개질가능 연료의 소스(18")와는 다른 양의 기체 압력의 소스(30')를 포함한다. 양의 기체 압력의 소스(30')는 온/오프 밸브(41)를 통해 액체 개질가능 연료 저장소(12")의 기체 헤드공간(16")과 동작가능하게 유체 연통한다. 도 1c의 전달 시스템의 동작은 도 1b에 도시된 실시예의 것과 대체로 유사하다. 그러나, 추가적으로, 양의 기체 압력의 소스는 기체 및 그 성분을 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로부터 압력 릴리프 밸브를 통해 그로부터 하류의 다양한 구성요소 중 하나 이상으로 구동할 수 있어서 연료 전지 유닛 또는 시스템의 효율적 동작을 위한 그 유익한 특성을 사용하지 않고 이러한 기체 및 그 성분의 통기를 피할 수 있게 한다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10")의 주변에는 유체 혼합 디바이스(37)가 있으며, 이는 기화기(28")와 개질기(26") 및/또는 연료 전지 스택(40) 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 즉, 유체 혼합 디바이스의 출구는 개질기와 동작가능하게 유체 연통할 수 있거나 또는 예로서 온-셀 개질을 위해 연료 전지 스택과 직접적으로 동작가능하게 유체 연통할 수 있다. 유체 혼합 디바이스(37)는 제1 밸브 조립체(20") 및 제3 밸브 조립체(24')를 통해 기체 개질가능 연료의 소스(18")와 동작가능하게 유체 연통한다. 추가적으로, 유체 혼합 디바이스(37)는 산소 함유 기체의 소스(38)와 동작가능하게 유체 연통한다.
산소 함유 기체의 소스(38)는 또한 기체 개질가능 연료의 소스(18"), 기화기(28"), 개질기(26") 및 연료 전지 스택(40)과 동작가능하게 유체 연통한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 산소 함유 기체, 예컨대, 공기는 (예를 들어, 기화기로부터의) 기체 액체 개질가능 연료 및/또는 기체 개질가능 연료와 혼합되어 기체 개질 반응 혼합물, 예컨대, 기체 CPOX 반응 혼합물을 생성할 수 있고, 이는 그 다음에 개질 반응을 위해 개질기 및/또는 연료 전지 스택으로 전달될 수 있다. 개질가능 연료 및 산소 함유 기체는 구성요소로의 도입 이전에 또는 연료 전지 유닛 또는 시스템 및/또는 전달 시스템의 구성요소 내에서 혼합될 수 있다.
예로서, 산소 함유 기체의 소스로부터의 산소 함유 기체는 연료 전지 스택 및/또는 개질기로의 진입 이전에 직접적으로 기화기(예를 들어 기화기의 입구)로 또는 [예를 들어, 유체 혼합 디바이스(37)를 통해] 기화된 개질가능 연료로(그를 수용하는 도관으로) 전달될 수 있다. 산소 함유 기체는 예로서 전달 시스템이 액체 개질가능 연료만을 기화기로 지향시키거나 전달할 때 기체 개질가능 연료와 먼저 혼합되지 않고 기화기, 기화된 액체 개질가능 연료를 포함하는 도관, 유체 혼합 디바이스, 개질기 및 연료 전지 스택 중 적어도 하나로 전달될 수 있다. 산소 함유 기체의 소스는 산소 함유 기체, 예로서 공기의 이차 소스를 제공하여 연료 전지 스택 및/또는 개질기 중 어느 쪽에서든 연료를 개질하기 이전에 산소 대 연료 비율을 조정할 수 있다.
도 1c는 또한 전달 시스템에 결합되는 연료 전지 유닛 또는 시스템, 예로서, 고체 산화물 연료 전지 유닛 또는 시스템을 포함할 수 있다. 연료 전지 유닛 또는 시스템은 개질기(26")와 그리고 에프터버너(42)와 유체 연통하는 연료 전지 스택(40)을 포함한다. 애프터버너는 연료 전지 스택의 배기 출구(도시되지 않음)와 유체 연통할 수 있다. 추가적으로, 애프터버너의 배기 출구는 액체 개질가능 연료, 기화기, 개질기 및 연료 전지 스택 중 하나 이상과 열적으로 연통할 수 있다. 이러한 배열에서, 애프터버너로부터의 열은 기화 이전에 액체 개질가능 연료를 포함하는 연료 전지 시스템의 다른 구성요소를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 유사하게, 연료 전지 스택 및/또는 개질기는 연료 전지 시스템의 열적 관리를 허용하도록 서로간에 및/또는 액체 개질가능 연료 및 기화기와 열적으로 연통할 수 있다.
도 1d는 액체 개질가능 연료의 일차 소스와 산소 함유 기체의 소스, 그리고, 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 일 실시예의 개략도이며, 전달 시스템은 애프터버너를 포함하는 연료 전지 유닛 또는 시스템과 연계되어 있다.
이제 도 1d를 참조하면, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10"')은 액체 개질가능 연료 저장소(12"')를 포함하고, 액체 개질가능 연료 저장소의 내부는 액체 개질가능 연료 공간(14"')과 기체 헤드공간(16"')을 포함한다. 액체 개질가능 연료 공간은 액체 개질가능 연료를 포함할 수 있다. 액체 개질가능 연료 저장소(12"')는 압력 센서 조립체(6"') 및 압력 릴리프 밸브 조립체(8"')를 포함한다. 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10"')은 프로판, 부탄, 천연 가스 또는 다른 기체 개질가능 연료의 캐니스터 또는 탱크 같은 기체 개질가능 연료의 소스(18"')를 포함한다.
액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10"')은 또한 기체 개질가능 연료의 소스(18"')와는 다른 양의 기체 압력의 소스(30")를 포함한다. 양의 기체 압력의 소스(30")는 액체 개질가능 연료 저장소(12"')의 기체 헤드공간(16"')과 동작가능하게 유체 연통한다.
도시된 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10"')은 네 개의 3방 밸브(44, 46, 48, 50), 계량 또는 비례 밸브(52), 체크 밸브(54) 및 오리피스(56)를 포함한다. 전달 시스템이 본 명세서에 설명된 세 개의 밸브 조립체를 포함하는 경우, 기체 개질가능 연료의 소스(18"')에 가장 근접한 3방 밸브(44)는 제3 밸브 조립체 및 인접한 계량 또는 비례 밸브(52)가 되는 것으로 고려될 수 있으며, 3방 밸브(46)는 제1 밸브 조립체가 되는 것으로 고려될 수 있다. 대안적으로, 3방 밸브(44, 46) 및 계량 또는 비례 밸브(52)는 제1 밸브 조립체가 되는 것으로 고려될 수 있고, 전달 시스템은 특히 도 1a를 참조로 본 명세서에서 설명된 바와 같이 두 개의 밸브 조립체를 포함한다. 체크 밸브(54) 및 오리피스(56)는 2, 3 또는 더 고차의 밸브 조립체 전달 시스템에서 제2 밸브 조립체가 되는 것으로 고려될 수 있다. 따라서, 도 1d의 전달 시스템의 동작은 일반적으로 도 1b 및 도 1c에 도시된 실시예의 것과 유사하며, 더 상세히 설명하지 않는다.
도 1d에 도시된 실시예는 또한 예로서 공급 압력 검정(verification)(온/오프) 센서 및 연료 유동 차압 게이지를 포함하는 압력 센서를 포함한다. 또한, 압력 릴리프 밸브가 압력 센서와 연계될 수 있다. 도 1d를 참조하면, 압력 센서(58)는 기체 개질가능 연료(18"')의 소스와 연계된다. 압력 센서(60)는 양의 기체 압력(30")의 소스와 연계된다. 압력 센서(62)는 액체 개질가능 연료 저장소의 출구와 연계되고, 출구는 액체 개질가능 연료 공간(14"')과 유체 연통한다. 압력 센서(64)와 온도 센서(66), 예로서, 연료 온도 센서가 기화기(28"')로의 입구 영역과 연계된다.
도 1e는 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기로의 도관을 따른 구성요소의 대안적 배열을 도시한다. 도시된 바와 같이, 좌측이 액체 개질가능 연료 공간 또는 저장소로부터이고, 하류로 진행하면서 체크 밸브(54')(또한 비례 밸브 및/또는 셧오프 밸브일 수 있거나 그를 포함할 수 있음), 연료 온도 센서(66') 및 밸브 조립체(56')에 걸쳐지는 연료 유동 압력 차동 조립체(63)가 있으며, 이 밸브 조립체(56')는 오리피스로서 도시되어 있다. 이러한 배열에서, 연료 유동 압력 차동 조립체는 도관을 통해 기화기(도시되어 있지는 않지만 도면의 우측에 있음)로 전달되는 액체 개질가능 연료의 유동 특성 및 차압을 감시 및 결정하도록 압력 센서(62', 64')를 포함한다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10"')의 주변에는 제4 밸브 조립체(36)가 있으며, 이는 기화기(28"')와 개질기(26"') 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 제4 밸브 조립체(36)는 3방 밸브(44, 46)와 계량 또는 비례 밸브(52)를 통해 기체 개질가능 연료(18"')의 소스와 동작가능하게 유체 연통한다. 추가적으로, 제4 밸브 조립체(36)는 3방 밸브(48, 50)를 거쳐 산소 함유 기체의 소스(38')와 동작가능하게 유체 연통한다. 압력 센서(68)는 산소 함유 기체의 소스(38')와 연계된다. 산소 함유 기체(38')의 소스는 또한 기화기(28"')와, 그리고, 도시된 구조 및 구성요소를 거쳐 기체 개질가능 연료의 소스(18"')와 동작가능하게 유체 연통한다.
도 1b에서와 같이, 도 1d는 액체 개질가능 연료 저장소(12"')를 재충전하기 위해 액체 개질가능 연료 저장소(12"')의 액체 개질가능 연료 공간(14"')과 유체 연통하는 액체 개질가능 연료의 일차 소스(32')를 포함한다. 펌프(34'), 예로서, 액체 펌프는 액체 개질가능 연료의 일차 소스(32')로부터 액체 개질가능 연료 공간(14"')으로 액체 개질가능 연료를 전달하기 위해 사용될 수 있다. 재충전 센서(70)가 액체 개질가능 연료 공간(14"')과 연계된다. 재충전 센서는 연료 만충 센서, 재충전 센서 및 연료 부족 센서를 포함할 수 있다.
도 1d는 또한 전달 시스템에 결합되는 연료 전지 유닛/시스템을 포함한다. 연료 전지 유닛/시스템은 개질기(26"')와 그리고 에프터버너(42')와 유체 연통하는 연료 전지 스택(40')을 포함한다. 애프터버너는 연료 전지 스택의 배기 출구(도시되지 않음)와 유체 연통할 수 있다. 애프터버너, 연료 전지 스택 및/또는 개질기는 도 1c를 위해 설명된 바와 같이 서로간에 또는 다른 구성요소와 열적으로 연통될 수 있다.
도 1f는 도 1b와 유사하지만 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 기체 개질가능 연료의 소스를 직접 연결하는 밸브 조립체 및 도관(들)을 갖지 않는 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 일 실시예의 개략도이다. 추가적으로, 도시된 액체 전달 시스템은 기체 헤드공간과 연료 전지 유닛 또는 시스템의 하나 이상의 하류 구성요소, 예컨대, 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 사이에서 동작가능한 유체 연통을 포함한다.
이제 도 1f를 참조하면, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10iv)은 액체 개질가능 연료 저장소(12iv)를 포함하고, 액체 개질가능 연료 저장소의 내부는 액체 개질가능 연료 공간(14iv)과 기체 헤드공간(16iv)을 포함한다. 액체 개질가능 연료 공간은 액체 개질가능 연료를 포함할 수 있다. 액체 개질가능 연료 저장소(12iv)는 압력 센서 조립체(6iv) 및 압력 릴리프 밸브 조립체(8iv)를 포함한다. 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10iv)은 또한 프로판, 부탄, 천연 가스 또는 다른 기체 개질가능 연료의 캐니스터 또는 탱크 같은 기체 개질가능 연료의 소스(18iv)를 포함한다.
도시된 액체 및 기체 개질가능 연료 시스템(10iv)은 제1 밸브 조립체(20"') 및 제2 밸브 조립체(22"')를 포함한다. 제1 밸브 조립체(20"')는 기체 개질가능 연료의 소스(18iv)와 기화기(28iv), (예를 들어, 개질기의 입구와 유체 연통하는 도관을 통해) 개질기(26iv), 연료 전지 스택(도시되지 않음) 및 애프터버너(도시되지 않음) 사이에 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 제2 밸브 조립체(22')는 액체 개질가능 연료 공간(14iv)과 기화기(28iv) 및/또는 유체 혼합 디바이스(도시되지 않음) 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다.
비록, 기체 개질가능 연료의 소스가 도 1b에서와 같이 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하지 않지만, 양의 기체 압력의 소스(30"')가 액체 개질가능 연료 저장소(12iv)의 기체 헤드공간(16iv)과 동작가능하게 유체 연통한다. 이러한 배열에서, 양의 기체 압력의 소스는 액체 개질가능 연료 공간으로부터 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로 액체 개질가능 연료를 변위 및 전달하기 위해 기체 헤드공간을 가압하기 위한 유일한 기체의 소스일 수 있다.
양의 기체 압력의 소스(30"')는 또한 기체 헤드공간(16iv) 내에 존재하는 기체를 연료 전지 유닛 또는 시스템의 하나 이상의 구성요소, 예컨대, 기화기(28iv), 개질기(26iv), 연료 전지 스택(도시되지 않음) 및 애프터버너(도시되지 않음)로 변위 및 전달할 수 있다. 양의 기체 압력의 소스(30"')로부터의 기체 압력의 조정 및 기체 헤드 공간 도관(43iv)과 연계된 압력 릴리프 밸브 조립체(8iv), 제2 밸브 조립체(22"') 및 밸브 조립체(43v)의 조정에 따라서, 액체 개질가능 연료 공간(14iv)으로부터의 액체 개질가능 연료 및 기체 헤드공간(16iv)으로부터의 기체가 기화기(28iv) 및/또는 유체 혼합 디바이스로 전달될 수 있다.
더 구체적으로, 기체 헤드공간 도관(43iv)은 기체 헤드공간(16iv)과, [밸브 조립체(43v)를 통해] 기화기(28iv) 및 [밸브 조립체(43vi)를 통해] 개질기(26iv), 연료 전지 스택(도시되지 않음) 및 애프터버너(도시되지 않음) 중 하나 이상 사이의 유체 연통을 제공할 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 기체 헤드공간으로부터 연료 전지 유닛 또는 시스템의 하나 이상의 구성요소로의 기체의 통기 또는 블리딩은 전체 유닛 또는 시스템의 에너지 효율을 증가시킬 수 있으며, 여기서 기체는 액체 개질가능 연료의 증기, 산소 함유 기체 및 다른 에너지 생성 반응제 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 1b에서와 같이, 도 1f는 전달 시스템 및 그 주변의 다양한 구성요소 사이에 존재할 수 있는 도관의 표시를 포함한다. 이제 도 1f를 참조하면, 양의 기체 압력의 소스 도관(102')은 양의 기체 압력의 소스(30"')와 액체 개질가능 연료 저장소의 헤드공간(16iv) 사이의 동작가능한 유체 연통을 제공할 수 있고, 양의 기체 압력의 소스 도관은 양의 기체 압력의 소스의 출구를 액체 개질가능 연료 저장소의 입구에 결합할 수 있다.
기체 개질가능 연료의 소스 도관(104')은 기체 개질가능 연료의 소스(18')와 제1 밸브 조립체(20"') 사이의 동작가능한 유체 연통을 제공할 수 있고, 기체 개질가능 연료의 소스 도관은 기체 개질가능 연료의 소스의 출구를 제1 밸브 조립체의 입구에 결합할 수 있다. 제1 밸브 조립체(20"')는 또한 도 1b에 도시된 것들과 유사하게 기화기 도관(106') 및 개질기 도관(108')을 갖는다. 개질기 도관(108')은 제1 밸브 조립체의 다른 출구를 기화기-개질기 도관(118')의 입구(도시된 바와 같음)에 또는 개질기의 입구(도시되지 않음)와 결합할 수 있다.
기화기-개질기 도관(118')은 기화기(28iv)와 개질기(26iv) 사이에 동작가능한 유체 연통을 제공할 수 있고, 기화기-개질기 도관은 기화기의 출구를 개질기의 입구에 결합할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 개질기에 대한 기화기의 결합은 또한 다른 구조 및 구성요소, 예컨대, 유체 혼합 디바이스, 밸브 조립체 및 다양한 센서를 포함할 수 있다.
액체 개질가능 연료 도관(110')은 액체 개질가능 연료 공간(14iv)과 제2 밸브 조립체(22"') 사이의 동작가능한 유체 연통을 제공할 수 있고, 액체 개질가능 연료 도관은 액체 개질가능 연료 저장소의 출구를 제2 밸브 조립체의 입구에 결합할 수 있다. 제2 밸브 조립체(22"')는 제2 액체 개질가능 연료 도관(112')을 가지고, 제2 액체 연료 도관은 제2 밸브 조립체의 출구를 기화기의 입구에 결합할 수 있다. 여기에는 액체 개질가능 연료 도관(110')과 제2 액체 개질가능 연료 도관(112')이 단일 도관이고, 단일 도관과 직렬인, 그 내부에 배치되는 또는 그와 연계되는 제2 밸브 조립체(22"')를 갖는 것으로 고려될 수 있는 다른 예가 제공되어 있다.
도 1b에서와 같이, 도 1f는 액체 개질가능 연료 저장소(12iv)의 액체 개질가능 연료 공간(14iv)과 유체 연통하는 액체 개질가능 연료(32")의 일차 소스를 포함한다. 펌프(34"), 예로서, 액체 펌프는 액체 개질가능 연료의 일차 소스(32")로부터 액체 개질가능 연료 공간(14iv)으로 액체 개질가능 연료를 전달하기 위해 사용될 수 있다.
도 1g는 도 1c와 유사하지만 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 기체 개질가능 연료의 소스를 직접 연결하는 도관을 갖지 않는 본 발명의 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템의 일 실시예의 개략도이다. 추가적으로, 도 1g에 도시된 전달 시스템은 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하는 양의 기체 압력의 소스가 기체 헤드공간을 가압하기 위한 기체의 유일한 소스라는 점에서 도 1f에 도시된 전달 시스템과 유사하다.
이제 도 1g를 참조하면, 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10v)은 액체 개질가능 연료 저장소(12v)를 포함하고, 액체 개질가능 연료 저장소의 내부는 액체 개질가능 연료 공간(14v)과 기체 헤드공간(16v)을 포함한다. 액체 개질가능 연료 공간은 액체 개질가능 연료를 포함할 수 있다. 액체 개질가능 연료 저장소(12v)는 압력 센서 조립체(6v) 및 압력 릴리프 밸브 조립체(8v)를 포함한다. 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10v)은 또한 기체 개질가능 연료의 소스(18v)를 포함한다.
도시된 액체 및 기체 개질가능 연료 시스템(10v)은 제1 밸브 조립체(20iv), 제2 밸브 조립체(22iv) 및 제3 밸브 조립체(24")를 포함한다. 제1 밸브 조립체(20iv)는 제3 밸브 조립체(24")를 통해 기화기(28v), 유체 혼합 디바이스(37'), [직접적으로 또는 유체 혼합 디바이스(37')를 통해] 개질기(26v) 및 연료 전지 스택(40")에 대해 기체 개질가능 연료의 소스(18v)의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다. 제1 밸브 조립체(20iv)는 또한 제3 밸브 조립체(24")를 통해 기화기 및 개질기를 우회하여 애프터버너(42")로 기체 개질가능 연료의 소스(18v)의 직접적 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있다.
추가적으로, 제1 밸브 조립체(20")는 제3 밸브 조립체(24")를 통해 산소 함유 기체의 소스(38")로부터의 도관에 대해 기체 개질가능 연료의 소스(18v)의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있으며, 그에 의해, 기화기(28v), 유체 혼합 디바이스(37'), 개질기(26v) 및 연료 전지 스택(40") 중 하나 이상으로의 도입 이전에 산소 함유 기체와 기체 개질가능 연료를 혼합할 수 있다.
액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템(10v)은 밸브 조립체(45)를 통해 액체 개질가능 연료 저장소(12v)의 기체 헤드공간(16v)과 동작가능하게 유체 연통하는 양의 기체 압력의 소스(30iv)를 포함한다. 도 1g의 전달 시스템의 동작은 도 1f에 도시된 실시예의 것과 대체로 유사하다. 그러나, 양의 기체 압력의 소스는 기체 및 그 성분을 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로부터 압력 릴리프 밸브를 통해 그로부터 하류의 다양한 구성요소 중 하나 이상으로 구동할 수 있어서 잠재적 이득 없이 이러한 기체 및 그 성분의 블리딩 또는 통기를 피할 수 있게 한다.
더 구체적으로, 기체 헤드공간 도관(43vii)은 기체 헤드공간(16v)과, [밸브 조립체(43viii) 및 기화기로 이어지는 도관을 통해] 기화기(28v), [밸브 조립체(43viii, 43ix)를 통해] 유체 혼합 디바이스(37'), [밸브 조립체(43viii, 43ix)와 유체 혼합 디바이스(37')를 통해, 또는 유체 혼합 디바이스를 우회하여 밸브 조립체를 통해 개질기에 직접적으로(도시되지 않음)] 개질기(26v), [밸브 조립체(43viii, 43ix, 43x)를 통해] 연료 전지 스택(40"), 그리고, [밸브 조립체(43viii, 43ix, 43x)를 통해] 애프터버너(42") 사이의 유체 연통을 제공할 수 있다.
도 2는 액체 개질가능 연료 저장소의 배향에 독립적으로 동작될 수 있는 블래더 또는 유사한 구조에 의해 형성되는 액체 개질가능 연료 공간의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 액체 개질가능 연료 저장소(12vi)는 블래더(72)에 의해 형성되는 액체 개질가능 연료 공간(14vi)을 포함한다. 액체 개질가능 연료 저장소(12vi)는 압력 센서 조립체(6vi) 및 압력 릴리프 밸브 조립체(8vi)를 포함한다. 액체 개질가능 연료 저장소(12vi)는 또한 그 내부 기체 헤드공간(16vi)을 포함한다. 다른 실시예에서와 같이, 기체 헤드공간(16vi)은 양의 기체 압력의 소스(30v)와 유체 연통한다. 도시된 바와 같이, 기체 헤드공간(16vi)은 또한 제3 밸브 조립체(24"')를 통해 기체 개질가능 연료의 소스(도시되지 않음)와 유체 연통한다. 액체 개질가능 연료 공간(14vi)은 제2 밸브 조립체(22v)를 거쳐 기화기(도시되지 않음)와 유체 연통한다.
동작시, 기체 개질가능 연료의 소스 및/또는 양의 기체 압력의 소스에 의해 생성된 기체 헤드공간의 기체 압력은 블래더로부터 액체 개질가능 연료 저장소의 출구를 통해 제2 밸브 조립체로 액체 개질가능 연료를 변위시킬 수 있다. 기체 헤드공간 내의 압력은 전체적으로 또는 부분적으로 압력 릴리프 밸브 조립체의 사용에 의해 제어될 수 있다. 블래더 내의 액체 개질가능 연료의 양이 사용불가한 수준으로 감소될 때, 블래더는 액체 개질가능 연료의 일차 소스 및 블래더의 내부로의 적절한 연결부(도시되지 않음)를 사용하여 재충전될 수 있다. 대안적으로, 액체 개질가능 연료 저장소는 액체 개질가능 연료로 만충된 또는 실질적으로 만충된 블래더를 갖는 액체 개질가능 연료 저장소로 대체될 수 있거나, 도 1a 내지 도 1d, 도 1f 및 도 1g에 도시된 바와 같이 더욱 통상적인 액체 개질가능 연료 저장소로 대체될 수 있다.
본 발명은 그 개념 또는 본질로부터 벗어나지 않는 다른 특정 형태의 실시예를 포함한다. 따라서, 전술한 실시예는 본 명세서에 설명된 본 발명에 대한 제한이 아니라 모든 관점에서 예시적인 것으로 고려된다. 따라서, 본 발명의 범주는 상술한 설명에 의해서가 아니라 첨부된 청구범위에 의해 나타내어지며, 청구범위의 의미와 균등론의 범위 내에서 이루어지는 모든 변화는 청구범위에 포함되는 것을 의도한다.

Claims (37)

  1. 연료 전지 유닛 또는 시스템을 위한 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템에 있어서,
    액체 개질가능 연료 저장소로서, 액체 개질가능 연료 저장소의 내부는 액체 개질가능 연료 공간 및 기체 헤드공간을 포함하고, 상기 액체 개질가능 연료 공간은 연료 전지 유닛의 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스와 동작가능하게 유체 연통하는, 상기 액체 개질가능 연료 저장소;
    상기 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하는 양의 기체 압력의 소스; 및
    연료 전지 유닛의 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하는 기체 개질가능 연료의 소스를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하는 압력 릴리프 밸브 조립체;
    상기 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와, 기체 개질가능 연료의 소스 사이에 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는 제1 밸브 조립체; 및
    상기 액체 개질가능 연료 공간과 상기 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는 제2 밸브 조립체를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  3. 연료 전지 유닛 또는 시스템을 위한 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템에 있어서,
    액체 개질가능 연료 저장소로서, 상기 액체 개질가능 연료 저장소의 내부는 액체 개질가능 연료 공간 및 기체 헤드공간을 포함하고, 상기 액체 개질가능 연료 공간은 연료 전지 유닛의 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스와 동작가능하게 유체 연통하는, 상기 액체 개질가능 연료 저장소; 및
    상기 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하고, 연료 전지 유닛의 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하는 기체 개질가능 연료의 소스를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    기체 개질가능 연료의 소스와는 다른 양의 기체 압력의 소스를 포함하고, 상기 양의 기체 압력의 소스는 상기 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 동작가능하게 유체 연통하는 압력 릴리프 밸브 조립체;
    기체 개질가능 연료의 소스와, 상기 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나 사이, 및 상기 기체 개질가능 연료의 소스와 상기 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는 제1 밸브 조립체; 및
    상기 액체 개질가능 연료 공간과 상기 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는 제2 밸브 조립체를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간과 상기 기체 개질가능 연료의 소스 사이의 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는 제3 밸브 조립체를 포함하고,
    상기 제1 밸브 조립체는 상기 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와, 상기 기체 개질가능 연료의 소스 사이에 유체 연통을 제공하도록 동작할 수 있는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  7. 제 2 항, 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 압력 릴리프 밸브 조립체, 상기 제1 밸브 조립체, 상기 제2 밸브 조립체 및, 존재하는 경우, 제3 밸브 조립체 각각은 비례 밸브, 온/오프 밸브, 3방 밸브, 체크 밸브 및 오리피스 중 적어도 하나를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전달 시스템은 기화기를 포함하고, 상기 기화기는 상기 액체 개질가능 연료 저장소의 액체 개질가능 연료 공간과 동작가능하게 유체 연통하고, 개질기의 입구, 유체 혼합 디바이스의 입구 및 연료 전지 스택의 입구 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간은 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간은 압력 릴리프 밸브 조립체를 통해 상기 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전달 시스템은 유체 혼합 디바이스를 포함하고, 상기 유체 혼합 디바이스의 하나 이상의 입구는 액체 개질가능 연료 공간, 기화기의 출구, 기체 개질가능 연료의 소스 및 산소 함유 기체의 소스 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하고, 상기 유체 혼합 디바이스의 출구는 개질기 및/또는 연료 전지 스택과 동작가능하게 유체 연통하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전달 시스템은 산소 함유 기체의 소스를 포함하고, 상기 산소 함유 기체의 소스는 상기 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기 및 연료 전지 스택 중 적어도 하나와 동작가능하게 유체 연통하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  13. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양의 기체 압력의 소스는 용적형 송풍기, 펌프 또는 압축기, 동적 송풍기, 펌프 또는 압축기, 및 압축된 기체의 용기 중 하나 이상을 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 개질가능 연료 공간은 블래더의 내부에 의해 형성되며, 상기 블래더의 내부는 상기 제2 밸브 조립체를 통해 상기 기화기와 동작가능하게 유체 연통하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 개질가능 연료 저장소의 액체 개질가능 연료 공간과 유체 연통하는 액체 개질가능 연료의 일차 소스; 및
    상기 액체 개질가능 연료의 일차 소스로부터 상기 액체 개질가능 연료 공간으로 액체 개질가능 연료를 전달하기 위한 펌프를 더 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전달 시스템은 액체 개질가능 연료를 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스에 전달하기 위한 액체 펌프를 포함하지 않는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전달 시스템의 구성요소 사이에 위치되어 동작가능한 유체 연통을 제공하는 복수의 도관을 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템.
  18. 연료 전지 유닛 또는 시스템에 있어서,
    제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 기재된 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템;
    기화기와 동작가능하게 유체 연통하는 개질기;
    상기 기화기 및/또는 개질기와 동작가능하게 유체 연통하는 연료 전지 스택; 및
    상기 연료 전지 스택의 배기 출구와 동작가능하게 유체 연통하는 애프터버너를 포함하는
    연료 전지 유닛 또는 시스템.
  19. 제 3 항, 제 8 항 내지 제 12 항, 및 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템을 동작하는 방법에 있어서,
    기체 개질가능 연료의 소스로부터 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 하나 이상으로의 기체 개질가능 연료의 전달, 및 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하기 위해, 상기 기체 개질가능 연료의 소스로부터의 기체 압력 및 상기 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간의 기체 압력을 조정하는 단계를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템 동작 방법.
  20. 제 1 항, 제 4 항 및 제 8 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템을 동작하는 방법에 있어서,
    기체 개질가능 연료의 소스로부터 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 하나 이상으로의 기체 개질가능 연료의 전달, 및 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하기 위해, 상기 기체 개질가능 연료의 소스 및 양의 기체 압력의 소스로부터의 기체 압력, 및 상기 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간의 기체 압력을 조정하는 단계를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템 동작 방법.
  21. 제 2 항, 제 5 항 및 제 7 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템을 동작하는 방법에 있어서,
    기체 개질가능 연료의 소스로부터 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체 개질가능 연료의 전달, 및 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하기 위해, 압력 릴리프 밸브 조립체, 제1 밸브 조립체 및 제2 밸브 조립체를 조정하는 단계를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템 동작 방법.
  22. 제 6 항 및 제 7 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템을 동작하는 방법에 있어서,
    기체 개질가능 연료의 소스로부터 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체 개질가능 연료의 전달, 및 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하기 위해, 압력 릴리프 밸브 조립체, 제1 밸브 조립체, 제2 밸브 조립체 및, 존재하는 경우, 제3 밸브 조립체를 조정하는 단계를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템 동작 방법.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    연료 전지 유닛 또는 시스템의 시동 모드에서, 상기 압력 릴리프 밸브 조립체, 제1 밸브 조립체, 제2 밸브 조립체 및, 존재하는 경우, 제3 밸브 조립체를 조정하는 단계는,
    상기 제1 밸브 조립체를 통해 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나에 기체 개질 연료를 전달하는 단계; 및
    기화기 및 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달을 최소화 또는 방지하는 단계를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템 동작 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    애프터버너의 연소를 개시하기 위해 기체 개질가능 연료를 상기 애프터버너로 전달하는 단계를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템 동작 방법.
  25. 제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료 전지 유닛 또는 시스템의 정상 상태 모드에서, 상기 압력 릴리프 밸브 조립체, 제1 밸브 조립체, 제2 밸브 조립체 및, 존재하는 경우, 제3 밸브 조립체를 조정하는 단계는,
    액체 개질가능 연료 저장소로부터 상기 제2 밸브 조립체를 통해 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로 액체 개질가능 연료를 변위시키기 위해, 상기 제1 밸브 조립체 및/또는, 존재하는 경우, 상기 제3 밸브 조립체를 통해 기체 헤드공간으로 기체 개질가능 연료를 전달하는 단계, 및/또는 양의 기체 압력의 소스로부터 기체 헤드공간으로 기체를 전달하는 단계; 및
    상기 제1 밸브 조립체를 통해 상기 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너로의 기체 개질가능 연료의 전달을 최소화 및 방지하는 단계를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템 동작 방법.
  26. 제 19 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로부터 상기 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로 기체를 전달하는 단계를 포함하는
    액체 및 기체 개질가능 연료 전달 시스템 동작 방법.
  27. 액체 펌프를 사용하지 않고 연료 전지 유닛으로의 기체 및 액체 개질가능 연료의 유동 및 전달을 제어하는 방법에 있어서,
    기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나에 기체 개질가능 연료를 전달하는 단계; 및
    (a) 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스로의 액체 개질가능 연료의 전달; 및 (b) 기체 헤드공간으로부터 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체의 전달 중 적어도 하나를 위해, 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간에 양의 기체 압력을 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 액체 개질가능 연료는 액체 펌프를 사용하지 않고 유동하는
    기체 및 액체 개질가능 연료의 유동 및 전달 제어 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 액체 개질가능 연료는 기체 개질가능 연료를 위한 도관을 통과하지 않는
    기체 및 액체 개질가능 연료의 유동 및 전달 제어 방법.
  29. 액체 펌프를 사용하지 않고 연료 전지 유닛으로의 기체 및 액체 개질가능 연료의 전달을 제어하는 방법에 있어서;
    제1 양의 기체 압력을 사용하여, 기화기 및/또는 유체 혼합 디바이스에 액체 개질가능 연료를 변위 및 전달하는 단계; 및
    제2 양의 기체 압력을 사용하여, 기화기, 개질기, 연료 전지 스택, 기화된 액체 개질가능 연료의 스트림 및 애프터버너 중 적어도 하나에 기체 개질가능 연료를 전달하는 단계를 포함하는
    기체 및 액체 개질가능 연료의 전달 제어 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    제1 양의 기체 압력을 사용하여, 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로부터 기체를 변위시키고 기화기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나에 기체를 전달하는 단계를 포함하는
    기체 및 액체 개질가능 연료의 전달 제어 방법.
  31. 제 29 항 또는 제 30 항에 있어서,
    상기 제1 양의 기체 압력 및 상기 제2 양의 기체 압력은 동일한
    기체 및 액체 개질가능 연료의 전달 제어 방법.
  32. 제 19 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체 개질가능 연료의 전달 단계 또는 전달은, 액체 개질가능 연료를 유체 혼합 디바이스로의 전달 단계 또는 전달을 포함하고, 상기 유체 혼합 디바이스의 하나 이상의 입구는 액체 개질가능 연료 공간과 동작가능하게 유체 연통하고 산소 함유 기체의 소스와 동작가능하게 유체 연통하며, 상기 유체 혼합 디바이스의 출구는 개질기 및/또는 연료 전지 스택과 동작가능하게 유체 연통하는
    방법.
  33. 제 19 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체 개질가능 연료의 전달 단계 또는 전달은, 기화된 액체 개질가능 연료 및/또는 기체 개질가능 연료와 산소 함유 기체를 유체 혼합 디바이스로의 전달 단계 또는 전달을 포함하고, 상기 유체 혼합 디바이스의 하나 이상의 입구는 기화기의 출구 및/또는 기체 개질가능 연료의 소스와 동작가능하게 유체 연통하고 산소 함유 기체의 소스와 동작가능하게 유체 연통하며, 상기 유체 혼합 디바이스의 출구는 개질기 및/또는 연료 전지 스택과 동작가능하게 유체 연통하는
    방법.
  34. 제 19 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체 개질가능 연료의 스트림, 기화기, 기화된 액체 개질가능 연료의 스트림, 기체 개질가능 연료의 스트림, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나에 산소 함유 기체를 전달하는 단계를 포함하는
    방법.
  35. 제 19 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기체 압력을 조정하는 단계 또는 밸브 조립체를 조정하는 단계는 액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로부터 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로의 기체의 전달을 제어하는
    방법.
  36. 제 19 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체 개질가능 연료 저장소의 기체 헤드공간으로부터 기화기, 유체 혼합 디바이스, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 적어도 하나로 기체를 전달하는 단계를 포함하는
    방법.
  37. 제 19 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유체 혼합 디바이스, 개질기 및 연료 전지 스택 중 적어도 하나에 개질가능 연료 및 산소 함유 기체의 혼합물을 전달하는 단계를 포함하는
    방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210007789A (ko) * 2019-07-11 2021-01-20 한국조선해양 주식회사 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물
KR20220058799A (ko) * 2020-10-30 2022-05-10 한국조선해양 주식회사 연료전지 및 이를 포함하는 선박

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114976121A (zh) 2016-09-15 2022-08-30 日产自动车株式会社 燃料电池系统
CN111734534A (zh) * 2020-06-11 2020-10-02 上海尚实能源科技有限公司 一种发动机燃油供给流量控制系统及其控制方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100718116B1 (ko) * 2006-05-15 2007-05-15 삼성에스디아이 주식회사 고온용 ｐｅｍ 연료전지 시스템

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100388161B1 (ko) * 1998-07-08 2003-06-25 도요다 지도샤 가부시끼가이샤 연료개질장치
US7135048B1 (en) * 1999-08-12 2006-11-14 Idatech, Llc Volatile feedstock delivery system and fuel processing system incorporating the same
JP3678118B2 (ja) * 2000-06-01 2005-08-03 日産自動車株式会社 燃料改質システム
US7270907B2 (en) 2002-01-08 2007-09-18 Procter & Gamble Company Fuel container and delivery apparatus for a liquid feed fuel cell system
JP3807361B2 (ja) * 2002-02-08 2006-08-09 日産自動車株式会社 燃料改質システムおよび燃料電池システム
US7429358B1 (en) * 2002-05-20 2008-09-30 Hy-Energy, Llc Method and apparatus for measuring gas sorption and desorption properties of materials
JP3989471B2 (ja) * 2003-09-12 2007-10-10 三洋電機株式会社 燃料電池装置
US7205060B2 (en) 2004-08-06 2007-04-17 Ultracell Corporation Method and system for controlling fluid delivery in a fuel cell
KR100671681B1 (ko) 2005-08-12 2007-01-19 삼성에스디아이 주식회사 연료전지시스템 및 이에 사용하기 위한 혼합연료공급장치와물공급장치
JP5128072B2 (ja) * 2005-12-27 2013-01-23 三星エスディアイ株式会社 燃料電池発電システム
KR101240704B1 (ko) * 2006-01-17 2013-03-07 삼성에스디아이 주식회사 이동가능한 열원을 갖는 연료개질 시스템 및 이를 구비한연료전지 시스템
US8262752B2 (en) * 2007-12-17 2012-09-11 Idatech, Llc Systems and methods for reliable feedstock delivery at variable delivery rates
US9017893B2 (en) * 2011-06-24 2015-04-28 Watt Fuel Cell Corp. Fuel cell system with centrifugal blower system for providing a flow of gaseous medium thereto
CN102364740A (zh) * 2011-11-20 2012-02-29 江苏中靖新能源科技有限公司 一种自带氢气发生装置的高分子氢能燃料电池系统

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100718116B1 (ko) * 2006-05-15 2007-05-15 삼성에스디아이 주식회사 고온용 ｐｅｍ 연료전지 시스템

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210007789A (ko) * 2019-07-11 2021-01-20 한국조선해양 주식회사 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물
KR20220058799A (ko) * 2020-10-30 2022-05-10 한국조선해양 주식회사 연료전지 및 이를 포함하는 선박

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