KR20170125371A - 제조 및 작동 방법을 포함하는 애프터버너 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 애프터버너를 구축하기 위한 설계 및 재료뿐 아니라 애프터버너 제조 방법을 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명의 애프터버너는 예를 들어 연료 전지 유닛의 연료 전지 스택과 같은 다른 인접한 부품의 열팽창이 애프터버너에 의해 수용될 수 있도록 압축 가능한 탄성 내화 재료를 포함할 수 있다. 본 발명은 또한 배기 스트림 내의 오염물질을 감소시키거나 및/또는 열을 발생시키는 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 배기 스트림과 같은 유체 내의 오염물질을 감소시키기 위한 애프터버너에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 압축 가능한 탄성 내화 재료를 포함하는 애프터버너에 관한 것이며, 상기 애프터버너는 연료 전지 스택으로부터 오염물질을 감소시키기 위해 연료 전지 유닛에 통합될 수 있거나 또는 열을 발생시키기 위해 히터에 통합될 수 있다.
애프터버너는 일반적으로 엔진 배기 스트림 및 연료 전지 배기 스트림을 포함하는 다양한 소스로부터의 배기 스트림에서 오염물질 및 바람직하지 않은 성분을 감소시키기 위해 사용된다.
예로서 연료 전지를 사용하여, 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell)("SOFC") 시스템과 같은 연료 전지 시스템으로부터의 배기를 처리하기 위한 두 가지 종래의 접근법이 존재한다. 첫 번째 접근법은 간단한 연소이다. 이러한 연소는 보다 양호한 열전달 및 감소된 양의 오염물질을 감소시킬 수 있지만, (예를 들어 시동 및 셧다운 동안의) 그 가연성 범위, 시스템 안정성 및 배출과 같은 몇 가지 단점을 가질 수 있다.
두 번째 보편적인 접근법은 촉매 연소를 사용하며, 이는 시동 및 셧다운에 대한 보다 큰 유연성 및 감소된 배출을 제공한다. 이러한 접근법에서, 연소 촉매는 통상적으로 코디어라이트 허니콤과 같은 고체 세라믹 지지체 상에 지지되지만, 금속 기판도 지지체가 될 수 있다. 세라믹 지지 촉매는 몇 가지 단점을 안고 있다. 예를 들어, 연료 전지 "애프터버너"에 사용되는 고체 세라믹 지지체는 잘 부서질 수 있고, 열팽창에 대한 내성이 낮을 수 있으며, 비교적 높은 압력 강하를 가질 수 있고, 채널링으로 지칭되는 현상을 피하기 위해 소모된 연료와 캐소드 스트림의 추가적인 예비혼합을 요구할 수 있으며(분실되거나 취약한 유동 분포로 인해 하나의 허니콤 채널의 연소 비율이 다른 허니콤 채널과 상당히 상이함), 비교적 높은 열 질량을 가질 수 있다.
이들 지지체가 선형 연료 전지 스택 설계에 통합될 때, 세라믹 지지체의 견고한 특성은 그 취성과 조합되어, 연료 전지 스택이 연료 전지 스택의 시동 중에 그 작동 온도까지 팽창함에 따라 해로운 결과를 초래할 수 있다. 연료 전지 패키지의 단부는 효과적으로 구속될 수 있으며, 연료 전지 스택이 내화 절연체 및 세라믹 애프터버너 지지체보다 높은 열팽창을 갖는 경우에, 연료 전지 스택 및 패키지 내의 부품들은 추가 응력 하에 놓이게 되며, 이는 반복되는 사이클 동안 손상을 초래할 수 있다.
따라서, 배기 스트림, 예를 들어 연료 전지 스택으로부터의 배기 스트림 내의 오염물질을 감소시키는 애프터버너 및 방법의 설계 및 구성을 개선시킬 필요가 있다.
이상을 감안하여, 본 발명은 앞서 개략 설명된 것을 포함하여 최신 기술의 다양한 결점 및/또는 단점을 해결할 수 있는 구성의 애프터버너 설계 및 재료를 제공한다. 본 발명은 또한 배기 스트림과 같은 오염물질을 함유하는 유체 내의 오염물질을 감소시키는 방법뿐 아니라 애프터버너 제조 방법을 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 애프터버너는 다른 인접한 부품, 예를 들어 연료 전지 유닛의 연료 전지 스택의 열팽창이 애프터버너에 의해 수용될 수 있도록 압축 가능한 탄성 내화 재료를 구비한다. 즉, 애프터버너의 베이스 또는 입구 면 또는 표면과 같은 애프터버너의 적어도 일부를 형성하는 내화 재료의 압축성 및 탄성 특성은 연료 전지 스택이 연료 전지 패키지 내에서 팽창함에 따라 상기 열-유도 응력을 감소시킬 수 있다. 내화 재료의 특성은 또한 연료 전지 스택이 연료 전지 유닛 패키지 내에서 수축할 때 부품들 사이에 효과적인 밀봉을 유지함으로써 그 주위로의 유동을 방지할 수 있다. 결과적으로, 이들 특징은 연료 전지 유닛의 열적 순환 도중의 부품 고장 가능성을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 내화 재료의 가요성 특성은 연료 전지 유닛 및/또는 연료 전지 시스템 구축 공정에서 공차 누적을 보상하는데 도움이 될 수 있다.
추가로, 애프터버너를 여러 층으로 구성하는 것은 적층체를 통한 맞춤화된 비선형 채널이 애프터버너 내에서의 연소 공정의 열 관리를 보조할 수 있게 할 수 있다. 즉, 애프터버너는 압축 가능한 탄성 내화 재료를 통한 비선형 또는 사행성(tortuous) 채널을 포함하고, 이들 채널은 예를 들어 연소에 의한 열과 같은 열을 애프터버너의 특정 영역으로 인도할 수 있으며, 여기에서 열은 예를 들어 진입하는 캐소드 공기를 가열하거나 및/또는 점화기로부터 멀어지는 비선형 채널 내에서의 촉매 연소 반응을 개시하기 위해 다른 부품 및/또는 구조물로 전달될 수 있다.
보다 구체적으로, 연료 전지 시스템에서는, 하나 이상의 캐소드 공기 도관이 애프터버너를 통해서 존재할 수 있고, 애프터버너 내의 연소에 의한 열은 캐소드 공기 도관과 열 연통되도록 비선형 채널에 의해 인도될 수 있으며 따라서 연소에 의한 열이 진입하는 캐소드 공기에 전달될 수 있다. 이러한 경우에, 비선형 채널은 애프터버너를 가로질러(예를 들어, 입구 면 또는 표면으로부터 출구로의 배기의 일반적인 유동에 대해 측방향으로 또는 수평으로 또는 수직하게) 연장되고 캐소드 공기 도관과 열적으로 연통되는 부분을 구비할 수 있다. 채널의 적어도 일부가 애프터버너를 가로질러 비선형 채널을 갖는 애프터버너는 또한 애프터버너를 통한 유체 유동이 균등화되거나 및/또는 보다 고르게 분포될 수 있게 한다.
또한, 비선형 또는 사행성 채널은 직선형 또는 선형 채널에 비해서 촉매의 존재를 위해 증가된 표면적을 제공하도록 설계 및 구축할 수 있다. 비선형 또는 사행성 채널은 또한 애프터버너 내로의 및 애프터버너를 통한 배기 스트림/반응물 혼합을 증가시키도록 설계될 수 있다.
본 발명의 애프터버너의 구성은 연소 촉매와 같은 촉매를 배기 스트림과 직접 접촉하는 채널의 노출된 표면에만 제어 및 국소 증착할 수 있게 한다. 즉, 본 발명의 애프터버너는 일반적으로 알루미나 및/또는 실리카 섬유 펠트(felt) 또는 종이와 같은 압축 가능한 탄성 내화 재료의 여러 층으로 제조된다. 각각의 층에는 예를 들어 레이저 커팅 또는 다이 커팅에 의해 상이한 구멍 또는 개구 패턴이 생성될 수 있다. 층들은 이후 압축 가능한 탄성 내화 재료의 적층된 층을 통해 비선형 또는 사행성 채널을 생성하기 위해 순차적으로 상호 적층될 수 있다. 그러나, 적층 이전에, 촉매가, 배기 스트림과 직접 접촉할 구멍 또는 개구의 노출된 면 또는 표면에 연관, 예를 들어 도포 또는 코팅될 수 있으며, 따라서 촉매 로딩을 제한하고 아마도 비용 절감을 실현할 수 있다.
애프터버너의 입구에서 출구로의 비선형 또는 사행성 채널을 통한 유체 유동의 수직 방향을 대체로 따라서 촉매 로딩(양) 및/또는 조성의 구배가 존재할 수 있다. 즉, 애프터버너의 층상 구조의 구축은 애프터버너의 채널에 효과적인 구배가 생성될 수 있게 하는 바, 이는 적층체의 내층 또는 중심층이 높은 로딩의 촉매를 함유할 수 있고 외층이 촉매를 거의 또는 전혀 구비할 수 없기 때문이다. 애프터버너의 각 층이 독립적으로 촉매와 연관될 수 있기 때문에, 비선형 또는 사행성 채널 내에서의 촉매의 양 및 형태의 제어가 쉽게 실현될 수 있다.
예를 들어, 촉매 연소 반응을 개시하기 위한 점화기 근처에서, 이러한 층 또는 층들의 채널은 백금과 같은 고반응성 촉매를 더 높은 백분율로 갖는 촉매 로딩을 포함할 수 있다. 적층체의 다른 층들은, 특히 연소 반응이 시작된 곳의 하류에서, 페로브스카이트-기반 촉매와 같은 덜 비싸거나 및/또는 반응성인 촉매를 구비할 수 있다. 이러한 설계에서, 일차 "핫 스팟(hot spot)(들)"의 위치 및/또는 온도는 촉매를 훼손하거나 및/또는 기화시킬 수 있는 과도한 온도를 피하도록 제어될 수 있다. 또한, 촉매 로딩 및/또는 조성의 등급화는 작동 중의 연료 조성의 변화 등에 의한 배기 스트림의 변화를 설명할 수 있다.
본 발명의 다른 장점은 압축 가능한 탄성 내화 재료의 절연 특성을 포함할 수 있다. 압축 가능한 탄성 내화 재료는 애프터버너로부터의 열손실이 감소될 수 있도록 양호한 단열재인 경향이 있다. 연료 전지 유닛과 관련하여, 애프터버너로부터의 열손실을 감소시키는 것은 낮은 연료 유량에서 뿐만 아니라 연료 전지 스택으로부터 부하가 인출될 때와 같은 증가된 배기 스트림 유량에서 연속 연소를 위한 양호한 동태를 제공할 수 있다.
따라서, 일 양태에서, 본 발명은 배기 스트림 또는 다른 오염물질-함유 스트림 내의 오염물질을 감소시키기 위한 애프터버너를 제공한다. 애프터버너는 일반적으로 압축 가능한 탄성 내화 재료를 포함하는 기판을 구비한다. 기판은 기판의 입구에서 기판의 출구까지 기판을 통과하는 비선형 또는 사행성 채널을 갖는다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 비선형 또는 사행성 채널은 애프터버너의 입구에서 애프터버너의 출구로의 배기 스트림과 같은 유체의 유동에 수직인 방향으로 기판을 가로지르는 길이의 약 50%를 초과하여 연장된다.
연소 촉매와 같은 촉매는 비선형 채널을 따라서 기판의 노출된 표면의 일부와 연관될 수 있다. 특정 실시예에서, 비선형 채널을 따라서 기판 상에 존재하는 연소 촉매의 양은 기판의 입구에서 기판의 출구까지 하나 이상의 구배를 구비한다.
다양한 실시예에서, 애프터버너는 압축 가능한 탄성 내화 재료의 적층체일 수 있다. 애프터버너는 애프터버너의 비입구 및 비출구 면 또는 표면에 인접하여 고체 단열재를 구비할 수 있다. 애프터버너는 점화기 및/또는 열 센서 조립체를 구비할 수 있다.
애프터버너는 연료 전지 유닛 및/또는 연료 전지 시스템의 부품일 수 있다. 이러한 경우에, 애프터버너는 연료 전지 유닛 또는 시스템의 연료 전지 스택과 작동적으로 유체 연통될 수 있다. 예를 들어, 애프터버너의 입구는 연료 전지 스택의 출구 및/또는 연료 전지 스택으로부터의 배기 스트림과 (작동적으로) 유체 연통될 수 있다.
애프터버너는 히터 유닛 또는 열병합 발전 시스템의 부품일 수 있다. 독립적이거나 또는 열병합 발전 시스템의 일부가 될 수 있는 히터 유닛의 애프터버너는 개질성 연료 또는 다른 가연성 연료의 공급원과 작동적으로 유체 연통될 수 있다. 예를 들어, 개질성(또는 다른 가연성) 연료의 공급원은 애프터버너 및/또는 애프터버너의 입구의 적층체의 입구와 작동적으로 유체 연통될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 유체 스트림 내의 오염물질을 감소시키거나 및/또는 열을 발생시키는 방법을 포함한다. 상기 방법은 일반적으로 오염물질 및/또는 개질성 연료를 포함하는 유체를 애프터버너의 비선형 채널을 통해서 유동시키는 단계, 및 오염물질 및/또는 개질성 연료를 포함하는 유체를 연소 촉매로 적어도 부분적으로 연소시켜 애프터버너에 진입하는 유체에 비해서 감소된 양의 오염물질을 갖는 출구 유체 스트림을 생성하거나 및/또는 열을 발생시키는 단계를 포함한다. 애프터버너는 본 발명의 애프터버너 중 임의의 것일 수 있다. 예를 들어, 애프터버너는 일반적으로 애프터버너의 입구에서 애프터버너의 출구까지 비선형 채널을 형성하는 압축 가능한 탄성 내화 재료를 포함하며, 상기 압축 가능한 탄성 내화 재료는 적층되는 여러 층으로 존재할 수 있다. 애프터버너는 또한 비선형 채널의 노출된 표면의 적어도 일부와 연관된 연소 촉매를 포함한다.
본 발명의 방법은 연소에 의한 열을 사용하여 애프터버너를 통해 유동하는 캐소드 공기 스트림을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 비선형 채널에 존재하는 연소 촉매의 양의 구배를 사용하여 오염물질을 포함하는 유체의 연소 및 관련 열 발생을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 방법의 실시에서, 애프터버너를 통한 압력 강하는 1인치(2.54cm) 수주 이하일 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 애프터버너 제조 방법을 제공한다. 애프터버너 제조 방법은 일반적으로 압축 가능한 탄성 내화 재료의 층에 하나 이상의 개구를 절삭하는 단계; 상기 절삭 단계를 반복하여 복수의 층을 생성하는 단계로서, 각각의 층에 하나 이상의 개구가 관통 형성되는 단계; 연소 촉매를 하나 이상의 층의 개구들 중 적어도 하나 이상의 노출된 표면과 연관시키는 단계; 복수의 층을 적층하여 적층체를 통과하는 비선형 채널을 형성하는 단계로서, 연소 촉매는 비선형 채널 중 하나 이상의 노출된 표면의 적어도 일부와 연관되는 단계; 및 복수의 층을 고정시켜 애프터버너를 형성하는 단계를 포함한다.
애프터버너 제조 방법은 적층체의 비입구 및 비출구 면 또는 표면 주위에 내화 재료를 래핑(wrap)하거나 및/또는 애프터버너의 비입구 및 비출구 면 또는 표면을 고체 단열재로 둘러싸는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 압축 가능한 탄성 내화 재료의 층에 존재하는 임의의 결합제 및/또는 유기 재료를 예를 들어 노 내에서 가열하여 연소시킴으로써 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타 특징과 장점은 하기 도면, 상세한 설명, 실시예 및 청구범위로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
후술되는 도면은 단지 설명을 위한 것임을 이해해야 한다. 유사한 도면 부호는 일반적으로 유사한 부분을 지칭한다. 본 발명의 원리를 설명하는데 대체로 중점을 두기 위해 도면이 반드시 실척으로 도시되지는 않는다. 도면은 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1a는 본 발명의 애프터버너의 일 실시예의 개략 사시도이다.
도 1b 내지 도 1e는 도 1a에 도시된 애프터버너의 실시예의 개별 층들의 개략 평면도이다.
도 2a는 도 1a에 도시된 실시예와 유사한, 본 발명의 애프터버너의 실시예의 개략 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 실시예의 개략 단면도이며, 여기에서 단면은 라인 2B-2B를 따르거나 통한 수직 평면이다.
도 2c는 도 2a의 실시예의 개략 단면도이며, 여기에서 단면은 라인 2C-2C를 따르거나 통한 수직 평면이다.
도 2d는 도 2a의 실시예의 개략 단면도이며, 여기에서 단면은 라인 2D-2D를 따르거나 통한 수직 평면이다.
도 3a 및 도 3b는 내화 재료 층들의 실시예의 개략 평면도이며, 여기에서 내화 재료 층의 각각은 본 발명의 애프터버너의 적어도 일부를 형성하는 적층체의 단일 층일 수 있다.
도 4는 본 발명의 애프터버너의 일 실시예의 개략 사시도이며, 여기에서 적층체의 각 층에 존재하는 촉매 로딩의 예시적인 양이 지시된다.
도 5는 본 발명의 애프터버너의 일 실시예의 개략 사시도이며, 여기에서 적층체의 층들의 에지는 도 1a의 적층체에 비해서 90° 각도로 배향되어 있다.
도 6은 애프터버너의 비입구 및 비출구 면 또는 표면 상의 고체 단열재의 하우징 내에 배치되는 본 발명의 애프터버너의 실시예의 개략 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 애프터버너를 포함하는 연료 전지 유닛을 구비하는 연료 전지 시스템의 실시예의 개략 측단면도이다.
도 1a는 본 발명의 애프터버너의 일 실시예의 개략 사시도이다.
도 1b 내지 도 1e는 도 1a에 도시된 애프터버너의 실시예의 개별 층들의 개략 평면도이다.
도 2a는 도 1a에 도시된 실시예와 유사한, 본 발명의 애프터버너의 실시예의 개략 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 실시예의 개략 단면도이며, 여기에서 단면은 라인 2B-2B를 따르거나 통한 수직 평면이다.
도 2c는 도 2a의 실시예의 개략 단면도이며, 여기에서 단면은 라인 2C-2C를 따르거나 통한 수직 평면이다.
도 2d는 도 2a의 실시예의 개략 단면도이며, 여기에서 단면은 라인 2D-2D를 따르거나 통한 수직 평면이다.
도 3a 및 도 3b는 내화 재료 층들의 실시예의 개략 평면도이며, 여기에서 내화 재료 층의 각각은 본 발명의 애프터버너의 적어도 일부를 형성하는 적층체의 단일 층일 수 있다.
도 4는 본 발명의 애프터버너의 일 실시예의 개략 사시도이며, 여기에서 적층체의 각 층에 존재하는 촉매 로딩의 예시적인 양이 지시된다.
도 5는 본 발명의 애프터버너의 일 실시예의 개략 사시도이며, 여기에서 적층체의 층들의 에지는 도 1a의 적층체에 비해서 90° 각도로 배향되어 있다.
도 6은 애프터버너의 비입구 및 비출구 면 또는 표면 상의 고체 단열재의 하우징 내에 배치되는 본 발명의 애프터버너의 실시예의 개략 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 애프터버너를 포함하는 연료 전지 유닛을 구비하는 연료 전지 시스템의 실시예의 개략 측단면도이다.
이제 비선형 또는 사행성 촉매-함유 채널이 관통 형성되는 압축 가능한 탄성 내화 재료가 연료 전지 스택으로부터의 배기 스트림과 같은 유체 스트림 내의 오염물질을 감소시키기 위한 애프터버너로서 사용될 수 있음이 발견되었다.
보다 구체적으로, 본 발명은 연소 촉매의 열화를 방지하고 애프터버너 및/또는 그 부품인 시스템의 열 관리를 보조하기 위해 그 내부에서의 연소 반응(들)에 의해 발생되는 열을 유리하게 제어 및 인도할 수 있는 다양한 구성 및 특징을 갖는 애프터버너를 제공한다. 압축 가능한 탄성 내화 재료는 또한 애프터버너로부터의 열손실을 감소시키는데 도움을 줄 수 있으며 이는 애프터버너 및 그 관련 시스템의 열 관리를 추가로 보조할 수 있다.
본 발명의 애프터버너의 설계 및 구성은 본 명세서에 기재된 여러가지 특징부를 전체 연료 전지 유닛 및 시스템의 설치면적(footprint) 또는 패키지를 감소시킬 수 있는 다양한 조합으로 활용할 수 있게 할 수 있다. 예를 들어, 애프터버너의 비선형 또는 사행성 채널을 따라서 연소 촉매 로딩하기 위한 증가된 표면적은 애프터버너가 소망 체적 관류 또는 출력을 위해 더 작은 체적인 것을 허용할 수 있다. 더 작은 체적은 연료 전지 유닛, 연료 전지 시스템 또는 열병합 발전(combined heat and power)("CHP") 시스템과 같은 그 관련 시스템을 위한 더 작은 설치면적으로 전환될 수 있으며, 특히 이러한 유닛 및/또는 시스템은 모듈형-호환 시스템에서 이러한 유닛을 쉽게 확장 및/또는 교체하기 위한 모듈 유닛으로서 설계된다.
더욱이, 본 발명의 애프터버너의 압축성 및 탄성 특징은 애프터버너가 연료 전지 스택과 같은 인접한 배기-발생 부품의 열적 순환과 관련 팽창 및 수축을 수용할 수 있게 할 수 있다. 다시 말해서, 이러한 특징은 열적 순환에 의해 종종 생성되는 일반적인 열 응력 및 주변-흐름을 완화 또는 회피할 수 있다.
본 발명의 애프터버너 및 방법은 오염물질을 감소시키기 위한 임의의 촉매식 및/또는 연소-관련 공정과 양립될 수 있고 이 공정에 의해 각각 실시될 수 있음을 알아야 한다. 그러나, 설명은 연료 전지 유닛, 연료 전지 시스템과 CHP 시스템, 및 이러한 유닛과 시스템에 적합한 애프터버너에 집중될 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서, 조성이 특정 부품을 갖거나, 구비하거나, 포함하는 것으로 기술되거나 또는 공정이 특정 공정 단계를 갖거나, 구비하거나, 포함하는 것으로 기술되는 경우에, 본 발명의 부품은 또한 열거된 성분으로 구성되거나 필수적으로 구성되며, 본 발명의 공정은 또한 열거된 공정 단계로 구성되거나 필수적으로 구성되는 것으로 고려된다.
본 명세서에서, 요소 또는 부품이 열거된 요소 또는 부품의 리스트에 포함되거나 그로부터 선택되는 것으로 일컬어지는 경우에, 상기 요소 또는 부품은 열거된 요소 또는 부품 중 어느 하나일 수 있거나 또는 열거된 요소 또는 부품 중 둘 이상으로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있음을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 설명되는 조성, 장치 또는 방법의 요소 및/또는 특징부는, 본 명세서에서 명시적이든 묵시적이든, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 방식으로 조합될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 특정 구조가 언급되는 경우에, 이 구조는 달리 언급되지 않는 한, 본 발명의 장치의 다양한 실시예에서 및/또는 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다. 다시 말해서, 본 명세서 내에서, 실시예들은 명확하고 간결한 명세서가 기술되고 도시될 수 있게 하는 방식으로 설명 및 도시되었지만, 실시예들은 본 교시 및 발명(들)을 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 조합되거나 분리될 수 있도록 의도되고 이것이 이해될 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 기술되고 도시된 모든 특징부는 본 명세서에 기술되고 도시되는 본 발명의 모든 양태에 적용될 수 있음을 알 것이다.
"하나 이상의"라는 표현은 문맥 및 사용과 달리 이해되지 않는 한 그 이후의 열거된 대상의 각각을 개별적으로 포함하고 열거된 대상 중 두 개 이상의 다양한 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 세 개 이상의 열거된 대상과 관련하여 "및/또는 "이라는 표현은, 용어는 문맥과 달리 이해되지 않는 한 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다.
용어 "구비한다", "구비하는", "갖는다", "갖는", "포함한다", "포함하는" 및 그 문법적 동의어의 사용은 일반적으로 개방형이고 비제한적인 것으로 이해되어야 하며, 예를 들어 문맥상 달리 구체적으로 기술되거나 이해되지 않는 한 추가적인 열거되지 않은 요소 또는 단계를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 예를 들어 관사 및 정관사와 같은 단수의 사용은 구체적으로 달리 언급되지 않는 한 복수를 포함한다(그 반대도 성립한다).
정량 값 앞에 용어 "약"이 사용되는 경우에, 본 발명은 구체적으로 달리 언급되지 않는 한 특정한 정량 값 자체 또한 포함한다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "약"은 달리 지시되거나 유추되지 않는 한, 공칭 값으로부터 ±10% 변동을 나타낸다.
구조 또는 조성 내의 성분 또는 물질의 양과 관련하여 백분율이 제공되는 경우에, 백분율은 문맥상 달리 기술되거나 이해되지 않는 한 중량 기준 백분율인 것으로 이해되어야 한다.
예를 들어 폴리머의 분자량이 제공되지만 절대값이 아닌 경우에, 문맥상 달리 기술되거나 이해되지 않는 한, 그 분자량은 평균 분자량인 것으로 이해되어야 한다.
본 발명이 작동 가능한 한 단계들의 순서 또는 특정 작용을 수행하기 위한 순서는 중요하지 않다는 것을 알아야 한다. 또한, 두 개 이상의 단계 또는 작용이 동시에 수행될 수도 있다.
본 명세서의 여러 위치에서, 값들은 그룹 또는 범위로 개시된다. 상세한 설명은 이러한 그룹 및 범위의 부재들의 각각의 및 모든 개별 서브조합과 이러한 그룹 또는 범위의 다양한 종점의 일체의 조합을 포함하도록 특히 의도된다. 예를 들어, 0 내지 40 범위에서의 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, 40을 개별적으로 나타내도록 의도되며, 1 내지 20 범위에서의 정수는 구체적으로 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20을 개별적으로 나타내도록 의도된다.
임의의 및 모든 예 또는 예를 들어 "등" 및 "구비하는"과 같은 예시적인 언어의 사용은 본 발명을 더 잘 나타내도록 의도된 것이며, 청구되지 않는 한 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서 내의 어떠한 언어도 임의의 비청구 요소를 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.
"상부", "하부", "상", "하", "수평", "수직" 등과 같은 공간 배향 또는 고도를 나타내는 용어 및 표현은 그 문맥상 사용이 달리 나타내지 않는 한, 본 명세서에서 일체의 구조적, 기능적 또는 작동적 중요성을 갖지 않는 것으로 이해되어야 하며 또한 단지 특정 첨부도면에서 예시될 수 있는 본 발명의 기구, 장치, 부품 및/또는 특징부의 다양한 도시의 임의로 선택된 방위를 반영하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용될 때, "연료 전지 스택"은 수소 또는 전기화학적으로-산화 가능한 종을 전기로 전환시키기 위해 전기화학 반응이 일어나는 연료 전지 유닛 또는 연료 전지 시스템의 부품을 지칭한다. 연료 전지 스택은 종종 층상으로 형성되는 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함한다. 작동 시에, 예를 들어 본 발명의 개질 장치(reformer) 및/또는 유체 혼합 장치로부터 연료 전지 스택에 진입하는 개질물의 수소 및 임의의 다른 전기화학적으로 산화 가능한 성분(들)은 연료 전지 스택의 애노드 층 내의 산소 음이온과 조합되어 물 및/또는 이산화탄소 및 전자를 생성한다. 애노드 층 내에 생성된 전자는 외부 로드를 통해서 캐소드 층으로 되돌아가고 그곳에서 산소는 전자와 조합되어 산소 음이온을 제공하며 이들 산소 음이온은 전해질 층과 애노드 층을 선택적으로 통과한다.
본 명세서에서 사용될 때, "연료 전지 유닛"은 일반적으로 연료 전지 스택과 작동적으로 유체 연통되는 개질 장치, 연료 전지 스택, 및 연료 전지 스택으로부터의 배기와 작동적으로 유체 연통되는 애프터버너를 지칭한다. 연료 전지 유닛은 기화기를 구비할 수 있으며, 기화기의 출구는 개질 장치 및/또는 연료 전지 스택의 입구와 작동적으로 유체 연통된다. 연료 전지 유닛은 다양한 밸브 조립체, 센서 조립체, 도관 및 이러한 유닛과 연관된 다른 부품을 구비할 수 있다. "연료 전지 시스템"은 일반적으로 연료 전지 유닛 및 발전소의 나머지를 지칭한다. 연료 전지 시스템은 종종 복수의 연료 전지 유닛을 구비한다. 복수의 연료 전지 유닛은 플랜트의 나머지를 공유할 수 있다. 그러나, "연료 전지 유닛"과 "연료 전지 시스템"은 문맥상 달리 기술되지 않는 한 본 명세서에서 호환적으로 사용될 수 있음을 알아야 한다. 더욱이, 공지된 종래의 연료 전지는 인산 연료 전지(PAFC), 알칼리 연료 전지(AFC), 폴리머 전해질 막(또는 양성자 교환 막) 연료 전지(PEMFC) 및 고체 산화물 연료 전지(SOFC)를 포함하는 다양한 형태 및 구성으로 다가온다.
본 명세서에서 사용될 때, "열병합 발전 시스템" 또는 "CHP 시스템"은 일반적으로 전기 및 사용 가능한 열을 발생시키는 시스템을 지칭한다. CHP 시스템은 전기를 발생시키고 이 과정에서 열을 발생시킬 수 있으며 이 열은 폐열로 버려지는 대신에 다양한 방식으로 포획되어 사용될 수 있다. 연료 전지 시스템의 특정 형태는 개질적, 전기화학적 및 다른 화학적 반응이 열을 발생시키는지, 즉 발열 반응인지에 따라서 CHP 시스템일 수 있다. 이러한 시스템에서, 열 출력은 통상적으로 연료 전지 유닛(들)의 전기 출력에 종속된다. CHP 시스템은 하나 이상의 연료 전지 유닛을 구비할 수 있다. CHP 시스템은 하나 이상의 히터 유닛과 통합된 하나 이상의 연료 전지 유닛 및 플랜트의 잔여부를 구비할 수 있다. 하나 이상의 히터 유닛이 존재하는 이러한 시스템에서, 열 출력은 전기 출력과 독립적일 수 있다. 따라서, 이러한 CHP 시스템은 소망 레벨에서 열 출력만 제공하거나, 전기 출력만 제공하거나, 열 출력과 전기 출력 둘 다를 제공할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 기재된 본 발명의 애프터버너를 구비하는 연료 전지 시스템은 연료 전지 유닛과 히터 유닛이 CHP 시스템에 구비되는 CHP 시스템으로서 작동될 수도 있다. 히터 유닛은 일관된 열 출력을 유지하는데 도움이 될 수 있는 촉매식 버너로서 계획될 수 있으며 따라서 본 발명의 애프터버너를 구비할 수 있다. 즉, 연료 전지 유닛과 마찬가지로, 히터 유닛은 [그와 유체 연통되는 (개질성 또는 기타 가연성) 연료의 공급원, 예를 들어 적층체의 입구 및/또는 애프터버너의 입구로부터의] 기체상 개질성 연료를 예를 들어 본 발명의 애프터버너를 사용하여, 하지만 전기 발생 없이 열로 전환시킬 수 있다. 히터를 연료 전지와 함께 사용하는 것은 열 출력을 CHP 시스템의 전기 출력으로부터 분리시킬 수 있다. 연료 전지 유닛과 히터 유닛은 열 출력을 소정 출력 레벨로만 생성하거나, 추가 열 출력이 전혀 없이 전력을 생성하거나, 소정 출력 레벨의 추가 열 출력과 더불어 전기 출력을 생성하도록 사용자 인터페이스를 통해서 독립적으로 작동될 수 있다. 따라서, 시스템의 다양한 부품이 필요에 따라 소정 밸런스를 유지하도록 작동 및 조정될 수 있으므로 CHP 시스템에 의해 보다 일관된 열 및 출력이 실현될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "작동적으로 유체 연통된다"는 것은 부품 및/또는 구조물이 작동 또는 활성 상태 또는 위치에 있을 때 다양한 부품 및/또는 구조물 사이의 유체 연통을 지칭하지만; 유체 연통은 부품 및/또는 구조물이 비작동 또는 비활성 상태 또는 위치에 있을 때 중단될 수 있다. 작동적 유체 연통은 부품들 및/또는 구조물 사이에 배치되는 밸브 조립체에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, A가 밸브 조립체를 통해서 B와 작동적으로 유체 연통된다면, 유체는 밸브 조립체가 "개방"되어 A와 B 사이의 유체 연통을 허용할 때 A에서 B로 유동 또는 송출될 수 있다. 그러나, A와 B 사이의 유체 연통은 밸브 조립체가 "폐쇄"될 때 중단 또는 중지될 수 있다. 다시 말해서, 밸브 조립체는 A와 B 사이의 유체 연통을 제공하도록 작동 가능하다. 유체 연통은 유체 유동 및 관련 특성의 다양한 정도 및 속도를 포함할 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 완전-개방된 밸브 조립체는 밸브 조립체가 부분적으로 폐쇄될 때 가능하듯이 부품 및/또는 구조물 사이에 유체 연통을 제공할 수 있지만; 유량과 같은 유체 유동 특성은 밸브 조립체의 상이한 위치에 의해 영향받을 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, "작동적으로 유체 연통된다"와 "유체 연통된다"는 문맥상 달리 지시되지 않는 한 호환적으로 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "열 연통된다"는 것은 다양한 부품 및/또는 구조물 사이에서 열전달이 발생할 수 있도록 다양한 부품 및/또는 구조물 사이에서 열적으로 연통됨을 지칭한다. 통상적으로 열 연통 상태에 있는 부품 및 구조물은 열 연통 상태로 유지되지만, 열 연통이 중단될 수 있는 경우, 예를 들어 부품 및/또는 구조물로의 가열된 유체의 유동을 중단하거나 부품 및/또는 구조물 사이에 절연 배리어 또는 구조물을 배치하는 경우에는, "작동적으로 열 연통된다"는 것이 "작동적으로 유체 연통된다"는 표현 및 의미보다 적절한 표현일 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 사용될 때, "열 연통된다"는 것과 "작동적으로 열 연통된다"는 문맥상 달리 지시되지 않는 한 호환적으로 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 문법적 동의어 및 등가의 표현과 언어를 포함하여 유체의 "유동 제어", "송출 제어", "유동 조절" 및 "송출 조절"은 유체의 유동 또는 송출을 증가시키거나, 유체의 유동 또는 송출을 감소시키거나, 유체의 실질적으로 일정한 유동 또는 송출을 유지하거나, 및/또는 유체의 유동 또는 송출을 중단 또는 중지시키는 것일 수 있다.
마찬가지로, 문법적 동의어 및 등가의 표현과 언어를 포함하여 "압력 제어" 및 "압력 조절"은 압력을 증가시키거나, 압력을 감소시키거나, 실질적으로 일정한 압력을 유지하거나, 압력을 중단 또는 중지시키는 것일 수 있다. 많은 상황에서 "유동 제어" 및 "유동 조절"은 "압력 제어" 및 "압력 조절"일 수 있으며 그 반대도 성립한다. 또한, 연료 전지 유닛, 히터 유닛, 연료 전지 시스템 또는 CHP 시스템의 부품, 예를 들어 밸브 조립체 또는 포지티브 기체상 압력의 공급원을 "제어", "조절", "조작"(문법적 동의어 및 등가의 표현과 언어를 포함)하는 것은 전술한 것과 동일한 변화 및/또는 정상-상태 작동을 달성할 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "밸브 조립체"는 부품 및/또는 구조물 사이의 유체 연통 및 유체 유동 특성, 예를 들어, 개질 장치로의 개질성 연료의 송출 또는 액체 열교환 판이나 재킷을 통한 열교환 액체의 유동을 모니터링 및/또는 제어할 수 있는 단수 또는 복수의 구조물을 함께 지칭한다. 밸브 조립체는 단일 밸브일 수 있거나 복수의 밸브 및 관련 구조물을 구비할 수 있으며, 특정 구조물은 직렬일 수 있다. 밸브 조립체는 압력 측정 조립체일 수 있거나 압력 측정 조립체를 구비할 수 있다. 예를 들어, 밸브 조립체는 교축 밸브이거나 교축 밸브를 구비할 수 있으며 따라서 유체의 유동 및 송출의 디지털 제어를 가능하게 할 수 있다. 밸브 조립체는 피콜로 배열의 밸브이거나 이를 구비할 수 있으며, 예를 들어 그 각각이 비례 밸브와 연관되는 일련의 오리피스이거나 이를 구비할 수 있다. 밸브 조립체는 비례 솔레노이드 밸브와 같은 비례 밸브; 또는 일련의 비례 솔레노이드 밸브와 같은 일련의 비례 밸브를 구비할 수 있다. 밸브 조립체는 솔레노이드 밸브와 같은 온/오프 밸브; 또는 예를 들어 일련의 온/오프 솔레노이드 밸브와 같은 일련의 온/오프 밸브를 구비할 수 있다. 밸브 조립체는 3방 밸브; 일련의 3방 밸브; 체크 밸브; 일련의 체크 밸브; 오리피스; 일련의 오리피스; 및 그 조합과 본 명세서에 기재된 다른 밸브 및 밸브 조립체의 조합을 포함할 수 있으며, 특정한 밸브 및 밸브 조립체는 직렬로 제공될 수 있다. 구조물 또는 부품이 직렬인 것으로 기술되는 경우에, 부품은 병렬 시리즈 또는 순차 시리즈로 제공될(예를 들어 동일 선상에 있을) 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "센서 조립체"는 작동 파라미터(들)를 모니터링, 측정 및/또는 결정하기 위한 임의의 적절한 센서 또는 감지 장치 또는 그 조합을 지칭한다. 예를 들어, 연료 유량은 임의의 적절한 유량계로 모니터링될 수 있으며, 압력은 임의의 적절한 압력-감지 또는 압력-조절 장치로 모니터링될 수 있고, 온도는 임의의 적절한 온도 센서로 모니터링될 수 있다. 따라서, 센서 장치의 예로는 유량계, 압력계, 열전쌍, 써미스터 및 저항 온도 검출기가 포함된다. 센서 또는 감지 장치는 저울, 스프링 저울과 같은 계량기, 또는 물체의 무게를 모니터링, 측정 및/또는 결정하기 위한 다른 장치를 포함할 수 있다. 센서 조립체는 선택적으로 제어기와 연통되는 변환기를 구비할 수 있다.
도면에 도시된 예시적인 연료 전지 시스템은 예를 들어 캐소드 공기 송출 도관, 애노드 반응물 송출 도관, 애프터버너 배기 도관 등과 같은 다양한 도관을 포함한다. 본 발명의 연료 전지 시스템 또는 CHP 시스템은 연료 전지 또는 CHP 시스템의 부품들 사이에 작동 가능한 유체 연통을 제공하도록 배치된 복수의, 예를 들어 둘 이상의 도관을 구비할 수 있다. 복수의 도관은 또한 연료 전지 유닛 또는 연료 전지 또는 CHP 시스템을 예를 들어 기화기 및/또는 개질성 연료 공급원과 같은 연료 전지 또는 CHP 시스템에 공통적인 부품에 결합시킬 수 있다. 즉, 주변 부품 및 장치를 구비하는 본 발명의 방법과 연료 전지 또는 CHP 시스템의 부품은 예를 들어 기화기, (탄화수소 연료) 개질 장치, 및 관련 장비, 예를 들어 밸브 조립체, 펌프 및 센서 조립체와 같은 부품들을 연결하거나 링크시키는 도관을 구비할 수 있다. 이들 부품 및 기타의 각각은 부품들 사이에 유체 연통, 예를 들어 작동적 유체 연통이 수립될 수 있도록 입구, 출구 및 포트 중 하나 이상을 구비할 수 있다. 또한, 도관은 그와 연관된 다른 부품 및 장치, 예를 들어 밸브 조립체, 펌프, 포지티브 기체 압력의 공급원, 및 센서 조립체를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
도관 또는 도관 시스템은 예를 들어 특정 용도, 개질성 연료, 및 전체 연료 전지 또는 CHP 시스템의 설치면적 크기와 같은 여러가지 인자에 따라서 수많은 특정 설계, 구성, 배열 및 연결을 가질 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기재 및/또는 도시된 도관 시스템은 단지 예시적인 목적을 위한 것이며 본 발명을 어떤 식으로도 제한하는 것을 의미하지 않는다. 더욱이, 두 개 이상의 도관이 예를 들어 밸브 조립체 및 개질성 연료의 공급원과 같은 단수 또는 복수의 부품에 연결되거나, 결합되거나 또는 그렇지 않으면 이들 부품을 접합하는 것으로 기술될 수 있는 경우에, 단일 도관이 동일한 설계 및/또는 목적을 달성하는 것으로 간주될 수도 있으며, 이 경우에 밸브 조립체와 같은 부품이 단일 도관과 "나란하거나(in-line)", "그 안에 위치되거나" 또는 "그와 연관되는" 것으로 기술될 수 있다. 또한, 둘 이상의 부품 또는 구조물에 "결합되거나", "연결되거나" 또는 그렇지 않으면 이들 부품을 접합하는 것은 하나의 부품 또는 구조물이 다른 부품 또는 구조물에 직접 또는 간접적으로 결합, 연결 또는 접합됨을 의미할 수 있다.
도관은 예를 들어 유체를 이송하기 위한 채널, 튜브 또는 통로와 같은 덕트일 수 있다. 예를 들어, 배기 도관은 배기 유체를 예를 들어 애프터버너와 같은 연료 전지 유닛으로부터 열적으로-차단된 지역 또는 열적으로-규제된 지역 내에 있거나 이러한 지역의 외부에 있을 수 있는 연료 전지 유닛의 외부로 이송 또는 송출하기 위해 사용될 수 있다. 도관은 유체를 수집 및/또는 분배하기 위해 사용되는 다수의 입구 및/또는 출구를 갖는 예를 들어 챔버, 파이프 또는 덕트와 같은 매니폴드일 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, "공통 도관"은 일반적으로 특정 위치로 및/또는 특정 위치로부터 유체를 송출하기 위한 멀티-포트형 도관을 지칭한다.
본 발명의 연료 전지 유닛, 연료 전지 시스템, 히터 유닛 및 CHP 시스템은 개별 유닛, 그 부품 및/또는 전체 시스템의 작동을 자동화하기 위한 제어 시스템을 구비할 수 있다. 제어 시스템은 개별 연료 전지 유닛 또는 히터 유닛의 작동을 모니터링, 제어 및/또는 조절하기 위한 제어 부품, 예를 들어 제어 전자기기, 액추에이터, 밸브 조립체, 센서 조립체, 및 기타 구조물과 장치; 기화기, 개질 장치, 연료 전지 스택 및 애프터버너와 같은 그 하나 이상의 부품; 연료 전지 시스템 또는 CHP 시스템; 및 플랜트의 잔여부, 예를 들어 포지티브 가스 압력의 공급원 및/또는 산소-함유 가스의 공급원과 같은 그 하나 이상의 그 부품을 구비할 수 있다.
제어 시스템은 다양한 제어 부품 및 각각의 연료 전지 유닛 및/또는 히터 유닛의 부품과 연통될 수 있는 제어기를 구비할 수 있다. 제어 시스템 및/또는 제어기는 연료 전지 유닛 또는 히터 유닛의 개별 부품을 통하고, 개별 연료 전지 유닛 또는 히터 유닛을 통하며, 연료 전지 시스템 또는 CHP 시스템을 통하는 유체(예를 들어, 개질성 연료, 산소-함유 가스 및 스팀과 같은 액상 및 기상 반응물; 온도-조절 공기, 복사 가열된 공기, 및 캐소드 공기와 같은 공기; 배기 스트림; 및 열교환 액체)의 유동 경로를 모니터링하고 논리적으로 제어할 수 있다. 다시 말해서, 제어 시스템을 사용하는 연료 전지 시스템 또는 CHP 시스템에서 주문형 유체 회로가 달성될 수 있다.
본 발명의 특정 방법에서, 하나 이상의 작동 애프터버너에 의해 발생되는 가열된 유체 스트림은 "저온" 연료 전지 유닛의 시동을 촉진하기 위해 연료 전지 또는 CHP 시스템 내의 새로 결합된 연료 전지 유닛과 같은 "저온" 연료 전지 유닛으로 방향전환될 수 있다. 즉, 작동 애프터버너로부터의 가열된 유체 스트림은 연료 전지 유닛의 다양한 부품, 예를 들어 개질 장치, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중 하나 이상을 시동 모드에 있는 동안 가열시키는데 도움이 되도록 "저온 패키지"로 향하거나 부분적으로 방향전환될 수 있다. 작동 애프터버너로부터의 열의 사용은 저온 연료 전지 유닛에 대한 시동 시간을 감소시킬 수 있으며, 이는 예를 들어 연료 전지 유닛의 하나 이상의 부품 내에서 촉매 활성의 개시를 보조할 수 있다.
이상으로부터 추측할 수 있듯이, 연료 전지 유닛은 연료 전지 유닛 내의 작동을 통신 및 제어하도록 구성 또는 적응될 수 있는 연료 전지 유닛 제어 부품을 구비할 수 있다. 연료 전지 또는 CHP 시스템은 개별 연료 전지 유닛과 히터 유닛이 존재할 경우 이들 사이에서 연통되고 연료 전지 또는 CHP 시스템의 작동을 제어하도록 구성 또는 적응될 수 있는 연료 전지 시스템 제어 부품 또는 CHP 시스템 제어 부품을 각각 구비할 수 있다. 연료 전지 시스템 제어 부품 및 CHP 시스템 제어 부품은 개별 연료 전지 유닛 및 히터 장치가 존재할 경우 이들과 연통될 수 있다.
제어 시스템은 제어기와 연통되는 하나 이상의 센서 또는 센서 조립체를 구비할 수 있다. 센서 조립체로부터의 입력 신호, 사용자-입력 장치로부터의 사용자 명령 및/또는 프로그래밍된 서브루틴과 명령 시퀀스에 응답하여, 제어기는 하나 이상의 연료 전지 유닛 및/또는 히터 유닛의 작동 또는 전체 연료 전지 또는 CHP 시스템의 작동을 독립적으로 관리할 수 있다. 제어기는 프로세서에서 작동하는 소프트웨어일 수 있다. 그러나, 하나 이상의 디지털 또는 아날로그 회로 또는 그 조합에 의해 실현되는 제어기를 채용하는 것은 본 발명의 범위 내에 있다.
센서 조립체는 제어기와 통신하는 변환기를 구비할 수 있지만 반드시 구비하지는 않는다. 통신 경로는 통상적으로 유선 전기 신호일 것이지만, 임의의 다른 적합한 형태의 통신 경로가 채용될 수도 있다. 즉, 본 명세서에서 센서 조립체, 제어 신호-수신 장치 및 통신 경로는 임의의 적절한 구조의 것일 수 있다. 블루투스 연결과 같은 무선 통신 경로가 사용될 수 있다. 무선 통신 경로(들)는 네트워크 노드를 연결하기 위해 무선 데이터 연결을 사용하는 무선 네트워크의 일부일 수 있다. 유선 및 무선 통신 경로의 조합이 사용될 수 있다.
연료 전지 유닛은 통상적으로 연료 전지 스택의 전기 출력을 연료 전지 유닛의 조절된 전기 출력으로 변환하도록 구성되거나 적응될 수 있는 전력 조절(power conditioning) 부품을 구비한다. 전력 처리 부품 또는 전력 관리 부품으로 지칭될 수 있는 전력 조절 부품은 연료 전지 스택으로부터 전류를 운반하여 연료 전지 유닛의 외부로 송출할 수 있는 전류 수집 판 및/또는 버스 바를 구비할 수 있다. 전력 조절 부품은 통상적으로 전기가 발생되는 연료 전지 스택 가까이에 배치된다. 따라서, 전력 조절 부품은 연료 전지 스택 및 연료 전지 유닛의 높은 작동 온도에 노출될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 연료 전지 유닛에 인접하거나 그 주위에 있고 및/또는 적어도 전력 조절 부품에 인접한 액체 열교환 플레이트 또는 재킷의 사용 등에 의한 이러한 부품으로부터의 열전달은 전기 저항 손실을 감소시킬 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 문법적 동의어 및 등가의 표현과 언어를 포함하여 유체, 배기 스트림 또는 다중-성분 혼합물 또는 스트림과 같은 유체 스트림 내의 또는 그것의 "오염물질 감소", "오염물질 양의 감소", "오염물질 레벨의 감소" 또는 "오염물질 함량의 감소"는 유체, 유체 스트림 또는 다중-성분 혼합물 내의 오염물질 또는 바람직하지 않은 화합물 또는 성분이 최초 유체, 최초 배기 스트림과 같은 최초 유체 스트림 또는 최초 다중-성분 혼합물 내의 그 농도 또는 존재도로부터 감소되거나, 희석되거나, 그렇지 않으면 덜 풍부해진 (제품) 유체, (제품) 배기 스트림과 같은 (제품) 유체 스트림 또는 (제품) 다중-성분 혼합물을 제공하거나 생성하는 공정을 망라하도록 의도된다.
마찬가지로, 문법적 동의어 및 등가의 표현과 언어를 포함하여 "감소된 양", "감소된 레벨" 또는 "감소된 함량"의 오염물질 또는 바람직하지 않은 화합물 또는 성분을 갖는 유체, 배기 스트림과 같은 유체 스트림, 또는 다중-성분 혼합물은 유체, 유체 스트림 또는 다중-성분 혼합물 내의 오염물질 또는 바람직하지 않은 화합물 또는 성분이 최초 유체, 최초 배기 스트림과 같은 최초 유체 스트림 또는 최초 다중-성분 혼합물 내의 그 농도 또는 존재도로부터 감소되거나, 희석되거나, 그렇지 않으면 덜 풍부해진 (제품) 유체, (제품) 배기 스트림과 같은 (제품) 유체 스트림 또는 (제품) 다중-성분 혼합물을 망라하도록 의도된다.
유체, 배기 스트림과 같은 유체 스트림, 또는 다중-성분 혼합물 내의 또는 그것의 오염물질 감소, 오염물질 양의 감소, 오염물질 레벨의 감소 또는 오염물질 함량의 감소, 및 오염물질 또는 바람직하지 않은 화합물 또는 성분의 감소된 양, 감소된 레벨 및 감소된 함량은 하나 이상의 오염물질 또는 바람직하지 않은 화합물 또는 성분의 존재가 최초 유체, 최초 배기 스트림과 같은 최초 유체 스트림 또는 최초 다중-성분 혼합물 내의 그 농도 또는 존재도에 대해 약 90% 이하, 약 80% 이하, 약 75% 이하, 약 70% 이하, 약 60% 이하, 약 50% 이하, 약 45% 이하, 약 40% 이하, 약 35% 이하, 약 30% 이하, 약 25% 이하, 약 20% 이하, 약 15% 이하, 약 10% 이하, 약 5% 이하 또는 그 미만의 농도 또는 존재도에 있는 (제품) 유체 또는 분획(fraction), (제품) 배기 스트림 또는 분획과 같은 (제품) 유체 스트림 또는 분획, 또는 (제품) 다중-성분 혼합물 또는 분획을 초래할 수 있다. 즉, 하나 이상의 오염물질 또는 바람직하지 않은 화합물 또는 성분의 약 10%, 20%, 25%, 30%, 40%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90% 또는 95%, 또는 그 이상이 각각 최초 유체, 최초 유체 스트림 또는 최초 다중-성분 혼합물에 비해서 (제품) 유체 또는 분획, (제품) 배기 스트림 또는 분획과 같은 (제품) 유체 스트림 또는 분획, 또는 (제품) 다중-성분 혼합물 또는 분획에서 절감, 감소, 희석되거나 그렇지 않으면 덜 풍부해졌다.
본 발명은 연료 전지 스택으로부터의 배기 스트림과 같은 유체 스트림 내의 오염물질을 감소시킬 수 있는 애프터버너를 제공한다. 본 발명의 애프터버너는 기판의 입구로부터 기판의 출구까지 관통하는 비선형 채널이 형성되는 압축 가능한 탄성 내화 재료를 구비하는 기판으로서 기술될 수 있다. 연소 촉매와 같은 촉매는 비선형 채널을 따라서 기판의 노출된 표면의 일부와 연관된다. 하나 이상의 비선형 채널을 따라 기판 상에 존재하는 연소 촉매의 양은 기판의 입구에서 기판의 출구까지 하나 이상의 구배를 구비할 수 있다. 기판의 입구는 기판의 (제 1)면 또는 표면(적층체의 입구 면 또는 입구 표면)을 통해서 개방되는 복수의 입구를 구비할 수 있다. 기판의 출구는 기판의 다른 (제 2)면 또는 표면, 예를 들어 기판의 대향 면(적층체의 출구 면 또는 출구 표면)을 통해서 개방되는 복수의 출구를 구비할 수 있다. 다양한 실시예에서, 압축 가능한 탄성 내화 기판은 압축 가능한 탄성 내화 재료의 복수의 층을 구비한다.
다양한 실시예에서, 애프터버너는 적층체를 구비할 수 있으며, 각각의 층은 압축 가능한 탄성 내화 재료를 구비하고 하나 이상의 개구가 층을 관통하여 형성되며, 적층체에는 적층체의 입구(예를 들어, 측 또는 면)에서 적층체의 출구(예를 들어, 면 또는 측)까지 적층체를 통과하는 비선형 채널이 형성된다. 연소 촉매가 비선형 채널의 노출된 표면과 연관되도록 연소 촉매는 적층체의 하나 이상의 층의 적어도 하나 이상의 개구의 노출된 표면과 연관된다. 비선형 채널은 사행성 채널일 수 있다.
압축 가능한 탄성 내화 재료는 실리카, 알루미나 또는 실리카-알루미나 혼합물의 섬유와 같은 실리카 및/또는 알루미나를 포함할 수 있다. 압축 가능한 탄성 내화 재료의 층은 종이, 펠트, 매트 또는 담요의 형태일 수 있다. 압축 가능한 탄성 내화 재료의 층은 연속 스트랜드 매트, 조각난(chopped) 매트 또는 직조되거나 편조된 천의 형태일 수 있다. 압축 가능한 탄성 내화 재료의 층의 예로는 Saffril Ltd.로부터 구입할 수 있는 Saffril® 알루미나 섬유 펠트 및 알루미나 섬유 종이; Morgan Thermal Ceramics로부터 구입할 수 있는 Saffril 알루미나 섬유로 제조된 종이인 Kaowool® 3000; 및 Unifrax로부터 구입할 수 있는 Fiberfrax® 세라믹 섬유 펠트가 포함된다.
애프터버너를 층상으로 설계 및 구성하는 것은 비선형 채널의 크기 및 상호연결 또는 네트워크, 비선형 채널의 노출된 표면의 표면적, 및 처리될 유체 또는 유체 스트림과 접촉하는 비선형 채널의 노출된 표면을 따르는 촉매의 함량 및 배치 중 하나 이상에 대해 더 큰 제어를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 비선형 채널은 애프터버너 내의 연소 반응으로부터 가열된 연소 유체 또는 유체 스트림과 열 연통되는 다른 부품 및 구조물(예를 들어, 캐소드 공기 도관)로 열을 전달하도록 설계될 수 있다.
본 발명에 유용한 촉매의 예로는 백금, 팔라듐, 로듐, 세륨, 철, 망간, 니켈, 구리, 페로브스카이트 및 그 조합이 포함된다. 오염물질을 함유하는 유체 스트림에 노출된 비선형 채널을 따라서 촉매가 선택적으로 배치될 수 있기 때문에, 고반응성이지만 고가의 촉매가, 예를 들어 애프터버너의 시동 시에 연소 반응의 효과적인 개시를 촉진하기 위해 점화기와 열 연통되는, 예를 들어 근접하는 비선형 채널의 노출된 표면에 절약하여 사용될 수 있다. 작동 중에 온도가 비교적 높을 수 있는 비선형 채널에서는, 페로브스카이트와 같은 보다 비용 효과적인 촉매가 사용될 수 있다.
페로브스카이트 촉매는 ABX3 구조로 특징지어질 수 있는데, 여기에서 "A"와 "B"는 매우 다른 크기의 양이온이고 "X"는 두 개의 양이온에 결합되는 음이온, 일반적으로 산소이다. 적절한 페로브스카이트 촉매의 예로는 LaNiO3, LaCoO3, LaCrO3, LaFeO3 및 LaMnO3이 포함된다. 페로브스카이트는 La1 - xCexFe2O3, LaCr1 - yRuyO3, La1-xSrxAl1-yRuyO3 및 La1 - xSrxFe2O3(그 조합을 포함)일 수 있으며, 여기에서 x 및 y는 도펀트(dopant)의 용해도 한계 및 비용에 따라서 0.01 내지 0.5, 예를 들어 0.05 내지 0.2의 범위에 있는 숫자이다. 또한, 다른 적절하게 전이 금속-도핑된 페로브스카이트가 본 발명의 실시에 사용될 수 있다.
촉매는 기상 증착과 같은 다른 더 비싼 공정에 추가적으로 용해 처리 기술을 사용하여 내화 재료 층의 개구의 노출된 표면과 연관될 수 있다. 보편적인 용해 처리 기술은 예를 들어 스핀 코팅, 드롭-캐스팅, 존 캐스팅(zone casting), 침지(dip) 코팅, 블레이드 코팅 또는 분사를 포함한다. 워시코트(washcoat) 기술이 사용될 수도 있으며, 여기에서 워시코트는 촉매(들)를 분산시키기 위해 사용되는 캐리어이다. 산화알루미늄, 이산화티타늄, 이산화규소 또는 알루미나와 실리카의 혼합물과 같은 워시코트 재료는 베어 기판의 매끄러운 표면에 비해 표면적을 증가시킬 수 있는 거칠고 불규칙한 표면을 형성하도록 선택될 수 있다. 증가된 표면적은 이후 애프터버너를 통해서 배기 스트림과 반응하기 위해 이용될 수 있는 촉매-활성 표면을 최대화할 수 있다.
용해 처리 기술의 다른 예는 프린팅이다. 본 명세서에서 사용될 때, "프린팅"은 잉크젯 프린팅, 마이크로디스펜싱 등과 같은 비접촉 공정, 및 스크린-프린팅, 그라비어(gravure) 프린팅, 오프셋 프린팅, 플렉소그래픽 프린팅, 리소그래픽 프린팅, 패드 프린팅, 마이크로콘택트 프린팅 등과 같은 접촉 공정을 포함한다.
비선형 채널의 노출된 표면 상에 존재하는 연소 촉매의 양 및/또는 형태는 구배를 포함할 수 있다. 구배는 적층체의 입구에서 적층체의 출구까지 존재하는 연소 촉매의 양의 증가를 포함할 수 있다. 구배는 적층체를 통한 채널의 노출된 표면과 연관된 촉매의 형태의 변화를 포함할 수 있다. 제 2의 고차(higher order) 구배도 존재할 수 있다. 제 2 구배는 예를 들어 증가하는 구배 이후에 스택 층의 출구를 향해서 존재하는 연소 촉매의 양의 감소를 포함할 수 있다. 제 2 구배는 적층체를 통한 채널의 노출된 표면과 연관된 촉매의 형태의 다른 변화를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 층들은 적층체 중 애프터버너의 입구에 가장 가까운 층 및 적층체 중 애프터버너의 출구에 가장 가까운 층의 하나 이상의 개구의 노출된 표면이 연소 촉매를 포함하지 않도록 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 적층체 중 애프터버너의 입구 및 출구로부터 멀리 있는 하나 이상의 층의 하나 이상의 개구의 노출된 표면은 적층체 중 애프터버너의 입구 및 출구에 가장 가까운 층들의 하나 이상의 개구의 노출된 표면에 비해 증가된 표면적과 연소 촉매를 구비한다. 층들의 특정 배열에서, 애프터버너의 입구 및 출구로부터 멀리 있는 적층체의 하나 이상의 층들 중 연소 촉매 및 증가된 표면적을 구비하는 층의 적어도 하나는 점화기 및/또는 열전쌍을 장착하도록 설계된 하나 이상의 개구를 구비한다.
본 발명의 한 특징에서, 적층체의 하나 이상의 층은 애프터버너의 입구에서 애프터버너의 출구로의 적층체를 통한 배기 유동에 수직인 방향으로 적층체를 가로지르는 길이의 약 50%를 초과하여 연장되는 채널이 형성되는 개구를 구비한다. 특히 애프터버너에서, 각각의 층은 적층체를 통해서 캐소드 공기 채널을 생성하도록 설계된 개구를 가질 수 있으며, 따라서 캐소드 공기 채널은 캐소드 공기 도관을 수용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 적층체를 통한 배기 유동에 수직인 방향으로 적층체를 가로지르는 길이의 약 50%를 초과하여 연장되는 채널을 갖는 개구는 캐소드 공기 채널을 구비할 수 있다. 효과적인 열전달을 제공하는 것에 추가적으로, 애프터버너를 가로질러 연장되는 비선형 채널의 일부는 애프터버너를 통한 유체 유동의 균일화 및/또는 균등한 분배를 보조할 수 있다.
본 발명의 애프터버너는 점화기를 구비할 수 있다. 점화기는 연소 촉매와 같은 촉매와 작동적으로 열 연통될 수 있다. 점화기는 연소 반응을 개시하기 위해 촉매를 함유하는 채널의 섹션을 국소적으로 가열할 수 있다. 후속적으로, 연소 반응에 의한 열은 애프터버너의 구석구석에서 연소 반응을 개시하기 위해 애프터버너의 비선형 채널을 통해서 전달될 수 있다.
점화기는 연소 촉매를 포함하는 적층체의 입구에 가장 가까운 층의 하나 이상의 개구의 노출된 표면과 작동적으로 열 연통되도록 위치될 수 있다. 애프터버너는 하나 이상의 점화기를 구비할 수 있다. 점화기의 위치, 예를 들어 입구 근처 또는 더 상류에서의 하나 이상의 층(또는 채널)과의 그 연관성은 특정 용도, 사용되는 촉매, 촉매 로딩, 및 애프터버너의 점화에 영향을 미치는 다양한 다른 인자에 종속된다.
예를 들어, 비선형 또는 사행성 채널의 노출된 표면과 연관된 촉매의 형태 및/또는 촉매 양의 구배의 사용은 애프터버너용 점화기의 배치와 관련하여 유용할 수 있다. 예를 들어, 적층체에 의해 생성되고 점화기와 열 연통되는 비선형 채널은 애프터버너 내의 연소 반응(들)의 효과적인 점화를 촉진하기 위해 고반응성 촉매를 구비할 수 있다. 그러나, 비선형 채널을 통해서 점화기로부터 멀어지면, 고반응성 촉매의 양이 감소되거나 제거될 수 있고 증가된 양의 덜 반응성이며 보다 비용 효과적인 촉매로 교체될 수 있으며, 이는 작동 중에 연소 공정을 유지할 수 있다.
본 발명의 애프터버너는 열전쌍과 같은 열 센서 조립체를 구비할 수 있다. 열 센서 조립체는 연소 촉매와 같은 촉매를 구비하는 하나 이상의 비선형 채널과 열 연통될 수 있다. 열 센서 조립체는 적층체에 의해 형성된 채널 내에 부분적으로 또는 전적으로 배치될 수 있거나 애프터버너의 배기와 열 연통 상태로 배치될 수 있다. 열 센서 조립체의 위치, 예를 들어 애프터버너의 하나 이상의 층(또는 채널)과의 그 연관성은 애프터버너의 온도의 소정 모니터링 및 특정 용도에 종속된다. 열 센서 조립체는 애프터버너의 점화기와 물리적으로 격리된 위치에 배치될 수 있다(하지만 비선형 채널 네트워크를 통해서 점화기와 열 연통될 수 있다).
예를 들어, 열전쌍이 애프터버너의 출구 위에 배치될 수 있는 바, 예를 들어 애프터버너의 적층체의 출구 면 또는 표면의 수 밀리미터 위에 배치될 수 있다. 열전쌍은 그 단부가 배기 스트림에 노출되는 상태로 알루미나 튜브와 같은 쉬쓰 또는 튜브에 배치될 수 있으며, 상기 쉬쓰 또는 튜브는 열전쌍의 대부분을 배기 스트림의 고온으로부터 차단할 수 있다. 열전쌍 또는 그 노출된 단부는 개구 또는 채널 출구가 아니라 압축 가능한 탄성 내화 재료 위에 배치될 수 있으며, 이 배치는 열전쌍을 배기의 직접 가열로부터 더 차단할 수 있다.
열 센서 조립체가 애프터버너 내 연소 반응의 "핫 스팟" 또는 코어에서 멀리 위치하면, 열 센서 조립체의 온도 측정은 낮게 시프트될 것이며 실제 연소 코어 온도로부터 오프셋될 것이다. 즉, 열 센서 조립체는 연소 코어에서보다 낮은 온도에서 기준 온도를 제공하며, 이 배치 및 기준 온도는 열 센서 조립체가 그 이용 가능한 성능 한계를 초과하지 못하게 한다. 예를 들어, 열전쌍과 같은 열 센서 조립체가 애프터버너 위에 배치될 때, 약 700℃ 내지 약 1050℃의 온도 판독값은 애프터버너의 연소 코어에서의 약 900℃ 내지 약 1250℃의 온도로 변환될 수 있다.
본 발명의 특징 중 하나는 배기 스트림(들)이 애프터버너를 통해서 유동할 때 통과하는 비선형 또는 사행성 채널의 노출된 표면과 연관된 연소 촉매와 같은 촉매의 형태 및 촉매의 양의 구배를 갖는 애프터버너이다. 예를 들어, 적층체의 입구 면 또는 표면 및/또는 출구(면 또는 표면) 근처의 온도를 감소시키기 위해, 입구 층(들) 및 출구 층(들)의 개구의 노출된 표면은 감소된 양의 촉매와 연관될 수 있거나 촉매를 전혀 함유할 수 없다. 이러한 설계는 애프터버너와 열 연통되어 존재하거나 열 센서 조립체(예를 들어, 열전쌍)와 같은 애프터버너 내에 존재할 수 있는 다른 온도-민감성 부품을 열적으로 차단하여 이러한 온도-민감성 부품에 대한 손상 및/또는 열화를 감소 또는 회피하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 애프터버너는 비선형 채널을 갖는 적층체가 그 안에 배치되거나 위치될 수 있는 하우징을 구비할 수 있다. 하우징은 애프터버너의 비입구 및 비출구 면 또는 표면에 인접할 수 있는 바, 예를 들면 적층체의 비입구 및 비출구 면을 둘러싸거나 및/또는 포위할 수 있다. 하우징은 애프터버너의 비입구 및 비출구 면 또는 표면에 인접하여 이를 둘러싸거나 및/또는 포위하는 고체 단열재일 수 있다. 하우징은 적층체의 입구 면 또는 표면에 인접할 수 있다. 하우징은 적층체의 출구 면 또는 표면에 인접할 수 있다. 따라서, 다양한 구성에서, 하우징은 적층체의 면 또는 표면 중 네 개, 다섯 개 또는 전부(또는 거의 전부)를 포위할 수 있으며, 적층체와의 유체 연통은 애프터버너의 입구와 출구 및 아마도 하우징을 통해서 유체 연통을 제공하는 다른 포트에 의해 달성된다.
애프터버너의 적층체의 입구는 연료 전지 유닛의 배기 출구(들)와 유체 연통되도록 설계될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 기재된 애프터버너를 구비하는 연료 전지 시스템; 및 적층체의 입구(면 또는 표면) 및/또는 애프터버너의 입구와 작동적으로 유체 연통되는 연료 전지 스택을 구비한다.
애프터버너의 입구 면 또는 표면은 전력 조절 부품과 열 연통될 수 있으며, 전력 조절 부품은 연료 전지 스택과 전기적으로 연통된다. 전력 조절 부품은 전류 수집 판 및/또는 하나 이상의 버스 바를 구비할 수 있다.
본 명세서에서 논의되었듯이, 본 발명의 특징부 중 하나는 배기 스트림(들)이 애프터버너를 통해서 유동할 때 통과하는 비선형 또는 사행성 채널의 노출된 표면과 연관된 촉매의 형태 및/또는 촉매의 양의 구배를 갖는 애프터버너이다. 예를 들어, 적층체의 입구 면 또는 표면 근처의 온도를 감소시키기 위해, 입구 층(들)의 개구의 노출된 표면은 감소된 양의 촉매와 연관될 수 있거나 촉매를 전혀 함유하지 않을 수 있다. 이러한 설계는 전력 조절 부품과 같은 애프터버너와 열 연통 상태로 존재할 수 있는 다른 온도-민감성 부품을 열적으로 차단하여 이러한 온도-민감성 부품에 대한 손상 및/또는 열화를 감소 또는 회피하기 위해 사용될 수 있다. 전력 조절 부품에 인접한 애프터버너의 입구 근처의 온도를 (예를 들어 약 900℃ 이하로) 낮추거나 저하시킴으로써, 은 및 구리와 같은 상이한 금속이 발생된 전기의 수집 및 분배를 위해 사용할 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템은 적층체를 통해서 캐소드 공기 채널 내에 배치된 하나 이상의 캐소드 공기 도관을 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 유체 스트림 또는 혼합물, 예를 들어 연료 전지 스택으로부터의 배기 스트림으로부터 오염물질 또는 바람직하지 않은 화합물을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 오염물질을 함유하는 유체를 애프터버너의 비선형 채널을 통해서 유동시키는 단계로서, 애프터버너는 애프터버너의 입구로부터 애프터버너의 출구까지 비선형 채널이 형성되는 압축 가능한 탄성 내화 재료 및 비선형 채널의 노출된 표면의 적어도 일부와 연관된 연소 촉매를 포함하는 단계; 및 애프터버너에 진입하는 유체와 비교하여 감소된 양의 오염물질을 포함하는 출구 유체 스트림을 생성하기 위해 오염물질을 포함하는 유체를 연소 촉매로 적어도 부분적으로 연소시키는 단계를 포함한다.
다양한 방법에서, 애프터버너는 압축 가능한 탄성 내화 재료를 구비하는 적층체를 포함할 수 있으며, 각각의 층에는 층을 관통하는 하나 이상의 개구가 형성된다. 층들이 적층될 때 층의 하나 이상의 개구는 적층체를 관통하는 비선형 채널을 형성한다.
연료 전지 유닛 또는 시스템의 작동 시에, 애프터버너의 입구에서의 압축 가능한 탄성 내화 재료는 연료 전지 스택의 인접한 구조물과 접촉하거나 이 구조물에 의해 압축될 수 있다. 본 발명의 방법은 연소에 의한 열을 사용하여 애프터버너를 통해서 유동하는 캐소드 공기 스트림을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 방법에서, 연소 및 관련 열 발생은 비선형 채널에 존재하는 연소 촉매의 양 및/또는 형태의 구배를 사용하여 제어될 수 있다. 구배가 사용되는지에 관계없이, 본 발명의 애프터버너는 촉매의 기화를 감소시키기 위해 애프터버너의 작동 온도, 예를 들어 애프터버너의 코어의 온도 또는 애프터버너 내부의 촉매 표면에서의 온도를 제한할 수 있다. 예를 들어, 애프터버너의 작동 온도는 약 1250℃ 이하, 약 1150℃ 이하, 약 1050℃ 이하, 약 1000℃ 이하, 약 950℃ 이하, 또는 약 900℃ 이하일 수 있다.
본 발명의 방법의 하나의 특징은 애프터버너를 통한 압력 강하가 종래 설계된 애프터버너에 비해서 감소될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 본 발명의 애프터버너는 약 1인치(2.54cm) 수주 이하, 또는 약 0.75인치(1.905cm) 수주 이하, 또는 약 0.5인치(1.27cm) 수주 이하, 또는 약 0.25인치(0.635cm) 수주 이하의 애프터버너를 통한 압력 강하를 제공할 수 있다.
본 발명은 또한 본 명세서에 기재된 애프터버너의 제조 방법을 제공한다. 이러한 방법은 압축 가능한 탄성 내화 재료의 층에 하나 이상의 개구를 절삭하는 단계; 상기 절삭 단계를 반복하여 복수의 층을 생성하는 단계로서, 각각의 층에는 하나 이상의 개구가 관통 형성되는 단계; 연소 촉매를 하나 이상의 층의 개구들 중 적어도 하나 이상의 개구의 노출된 표면과 연관시키는 단계; 복수의 층을 적층하여 적층체를 통과하는 비선형 채널을 형성하는 단계; 및 복수의 층을 고정시켜 애프터버너를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 방법에서, 연소 촉매는 적층체를 통한 비선형 채널 중 하나 이상의 노출된 표면의 적어도 일부와 연관된다.
각 층의 개구의 설계 및 배치는 특정 용도 및 애프터버너의 소정 특성을 위해 맞춤화된 비선형(및 선형) 관통 채널을 갖는 애프터버너의 구축을 허용한다. 예를 들어, 개구의 형상은 원형, 정방형, 장방형, V-형, C-형, E-형 등일 수 있다. 개구의 배치 및 인접한 층의 개구에 대한 그 관계는, 예를 들어 애프터버너를 형성하기 위해 적층될 때 적절한 비선형(및 선형) 채널을 생성하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 인접한 층들의 C-형 개구는 "C" 라인업의 단부를 가질 수 있지만, 각각의 층에서는 하나의 층의 C형 개구의 작은 부분 만이 인접한 층의 C-형 개구와 중첩되도록 대향 배향을 가질 수 있다. 연소 촉매와 같은 촉매는 분사, 프린팅 및 침지 공정을 포함하는 본 명세서에서 논의된 하나 이상의 기술에 의해 개구의 노출된 표면과 연관될 수 있다.
본 발명의 애프터버너 제조 방법은 적층체의 비입구 및 비출구 면 또는 표면 주위에 내화 재료를 도포, 예를 들어 래핑하는 단계를 포함할 수 있다. 종이 형태의 내화 재료(예를 들어, 약 1mm 이하)가 적층체를 래핑하기에 적절할 수 있다. 특정 실시예에서, 애프터버너 제조 방법은 접착 재료를 적층체의 외표면에 또는 적층체 주위에 래핑된 내화 재료의 외표면에 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
애프터버너 제조 방법은 예를 들어, 애프터버너의 비입구 및 비출구 면 또는 표면 주위에 내화 재료가 래핑됨이 없이, 또는 상기 래핑된 내화 재료에 인접하여, 애프터버너의 비입구 및 비출구 면 또는 표면을 고체 단열재로 둘러싸는 단계를 포함할 수 있다. 애프터버너의 비입구 및 비출구 면 또는 표면 또는 이러한 면 또는 표면에 도포되는 내화 재료는 고체 단열재에 인접하거나 및/또는 그와 접촉할 수 있는 접착제를 구비할 수 있다. 이러한 접착제의 예는 폴리비닐 아세테이트(PVA) 글루이다. 고체 단열재는 고체 저열전도율 재료, 예를 들어, Unifrax로부터 입수 가능한 Excelfrax® 미세다공성 절연체 또는 Fiberfrax® Duraboard® 제품과 같은 미세다공성 또는 압축 분말 단열재일 수 있다.
애프터버너 제조 방법은 복수의 층으로부터 결합제 및/또는 유기 재료가 존재할 경우 이를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 복수의 층을 개별적으로 또는 적층체로서 가열하여, 예를 들어 노 내에서 가열 또는 연소시켜 층들 내에 존재하거나 층들과 연관된 일체의 결합제 및/또는 유기 재료를 소각하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 적층체를 형성하는데 접착제가 사용되는 경우에, 적층체는 사용 전에 접착제를 소각하거나 제거하기 위해 가열된다. 일체의 결합제 및 다른 유기 재료를 제거함으로써, 층의 다공성 및 결과적으로 적층체의 다공성이 고정될 수 있으며 따라서 시스템, 예를 들어 연료 전지 유닛에 결합되거나 그와 통합될 때 다공성이 변화하지 않는다. 존재하는 일체의 유기물을 소각하기 위한 가열 단계 이후, 적층체 또는 개별 층들은 일반적으로 질소와 수소의 혼합물과 같은 환원 분위기에 노출되어 촉매를 개구의 노출된 표면 상에서 또는 비선형 채널 내에서 각각 활성화시킨다.
도 1a는 본 발명의 애프터버너의 일 실시예의 개략 사시도이다. 도 1a를 참조하면, 애프터버너(10)는 적층체(12)를 구비하며, 각각의 층(14, 14', 14", 14"')은 압축 가능한 탄성 내화 재료를 포함한다. 각각의 층(14, 14', 14", 14"')에는 하나 이상의 개구(16)가 관통 형성된다. 적층될 때, 층 및 그 개구는 적층체를 통해서 적층체(12)의 입구 면 또는 측(18)[애프터버너(10)의 하측 또는 하면 또는 입구]에서 적층체(12)의 출구 측(20)[애프터버너(10)의 상측 또는 상면 또는 출구]까지 하나 이상의 비선형 채널(도면에 도시되지 않음)을 형성한다.
도 1a는 또한 두 개의 캐소드 공기 채널(22) 및 두 개의 점화기 및/또는 열 센서 조립체 절취부(24), 즉 점화기 및/또는 열전쌍이 애프터버너의 내부, 및 특히 비선형 채널과 열 연통 상태로 그 안에 장착될 수 있도록 애프터버너의 외부 에지로 연장되는 개구를 도시한다.
도 1b 내지 도 1e는 도 1a에 도시된 애프터버너의 실시예의 개별 층의 개략 평면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 적층체의 최상층의 평면도이다. 따라서, 도 1b는 적층체(12)의 출구 면 또는 측(20)을 도시하며, 여기에서 개구(16)는 적층체(12) 또는 애프터버너(10)의 복수의 출구로 간주될 수 있다. 도 1b는 또한 캐소드 공기 채널(22)을 도시하며, 이들 채널은 그 자체가 층(14) 내의 개구(16)이다.
도 1c는 도 1a에 도시된 적층체의 최상층에 인접한 층의 평면도이다. 이 층(14')은 하나의 개구(16')를 가지며, 이 개구는 캐소드 공기 채널을 구비하거나 이와 중첩되고 따라서 이 층을 통한 캐소드 공기 채널은 그 원형 형상으로 나타나지 않는다.
도 1c에 도시된 개구는, 다른 층들과 적층될 때, 적층체의 입구 면으로부터 적층체의 출구 면으로의 적층체를 통한 배기 스트림과 같은 유체의 유동에 수직인 방향으로 적층체를 가로지르는 길이의 약 50%를 초과하여 연장되는 채널(26)을 형성하는 층 내의 개구의 예이다. 채널(26)은 또한 층의 일 측에서 층의 다른 측으로 층의 중심선을 지나서 연장된다. 이 실시예에서, 중심선은 캐소드 공기 채널의 중심을 통해서 연장되는 것으로 정의된다(그러나 다른 열-수용 또는 열전달 부품 또는 층의 중심 근처에 위치하는 구조물일 수 있음). 층의 최대 표면의 형상이 정방형인 경우에 또는 캐소드 공기 채널(또는 층의 중간 근처에 존재하는 다른 열-수용 또는 기타 구조물)이 장방형 층의 짧은 길이를 가로질러 라인을 형성하는 경우에, 중심선은 층(및 결과적으로 적층체 또는 애프터버너)을 두 개의 측 또는 절반부로 분할하기 위해 캐소드 공기 채널(또는 다른 구조물)의 중심을 통해서 연장되는 것으로 간주될 수 있다.
도 1d는 도 1a에 도시된 적층체의 중간 층의 평면도이다. 층(14")은 두 개의 캐소드 공기 채널(22")을 도시하며, 이들 채널 또한 개구(16")이다. 층의 다른 두 개의 개구(16") 각각은 점화기 및/또는 열 센서 조립체 절취부(24)를 구비하며, 상기 층은 다른 층들과 적층될 때 적층체의 내부를 적층체의 외부에 연결시킨다. 즉, 이 층의 절취부를 구비하는 개구는 다른 층들과 적층될 때, 점화기 및/또는 열 센서 조립체와 열 연통되는 채널을 형성한다. 점화기가 절취부에 존재할 때, 이 층은 일반적으로 개구의 노출된 표면과 연관된 연소 촉매와 같은 촉매를 함유하며 따라서 다른 층들과 적층될 때 촉매는 비선형 채널의 노출된 표면과 연관되고 채널내 연소 반응의 점화를 허용하기 위해 점화기와 열 연통된다.
개구의 절취부는 점화기 또는 열전쌍과 같은 열 센서 조립체가 연소 반응과 연관된 "핫 스팟" 및 촉매와 직접 접촉하지 않고 적층체에 의해 형성된 채널 내로 연장할 수 있게 한다. 예를 들어, 도 1d에 도시되어 있듯이, 절취부(24) 및 층의 주위에 바로 인접하여 톱니형 에지를 갖지 않으면서 서브-채널(또는 챔버)(28)이 존재하며 따라서 점화기 및/또는 열 센서 조립체를 차단하기 위해 어떤 촉매도 이 서브 채널과 연관될 수 없다. 점화기 및/또는 열 센서 조립체는 다양한 구조물과 함께 다양한 방식으로, 예를 들어 절취부가 존재하는 적층체의 면 또는 측에 인접한 고체 단열재 또는 유닛 또는 시스템 패키지 하우징의 외부를 통해서 삽입됨으로써 적소에 배치 및 유지될 수 있다.
절취부를 갖는 두 개의 더 큰 개구는 또한 촉매가 연관될 수 있는 증가된 양의 표면적을 제공하는 그 에지를 따라서 노출된 표면을 구비한다. 도시하듯이, 노출된 표면의 둘레 또는 길이가 도 1b의 층의 개구의 노출된 표면의 둘레 또는 길이보다 길뿐만 아니라, 노출된 표면은 또한 이 층의 노출된 표면의 표면적을 더 증가시키기 위해 선형 디자인 이외에 톱니형 또는 지그재그형 패턴을 갖는다.
도 1e는 도 1a에 도시된 적층체의 최하층의 평면도이다. 따라서, 층(14"')의 하측은 적층체(12)의 입구 면 또는 측(18)[애프터버너(10)의 하측 또는 하면 또는 입구]을 나타낸다. 층(14"')은 두 개의 캐소드 공기 채널(22")을 형성하는 두 개의 원형 개구(16"')를 갖는다. 층(14"')은 또한 적층체(12) 및 애프터버너(10)에의 입구를 형성하는 두 개의 장방형 개구(16"')를 가지며, 장방형 개구는 연료 전지 스택의 출구와 같은 인접한 구조물과 간섭할 수 있다.
인접한 층과 적층될 때, 장방형 구멍(16"')에 의해 형성되는 채널(30)은 입구 면으로부터 출구 면으로의 적층체를 통한 유체 스트림의 유동에 수직인 방향으로 적층체를 가로지르는 길이의 약 50%를 초과하여 연장하는 것으로 간주될 수 있다. 그러나, 도 1c에서의 채널(26)과 달리, 도 1e에서의 채널(30)은 층의 일 측에서 다른 측으로 층의 중심선을 지나서 연장되지 않으며, 오히려 그 층의 일 측 내에서만 연장되는 것으로 고려된다.
도 2a는 도 1a에 도시된 실시예와 유사한, 본 발명의 애프터버너의 일 실시예의 개략 사시도이다. 특히, 도 2a는 개별 층(214, 214', 214", 214"')을 포함하는 적층체(212)를 구비하는 애프터버너(210)를 도시한다. 도 2a 내지 도 2d는 여러 층의 적층에 의해 생성되는 비선형 채널들을 보여주기 위해 제공된 것이며, 적층체를 통한 상이한 평면에서 바라본 도면이다. 이들 도면의 유사한 부품은 동일하거나 상이할 수 있으며, 예를 들어 구성 재료, 센서 조립체, 밸브 구성, 도관 연결 및 배치 등과 같은 그와 연관된 다양한 수정을 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2b는 도 2a의 실시예의 개략 단면도이며, 여기에서 단면은 라인 2B-2B를 따르거나 통한 수직 평면이다. 도 2b에서 알 수 있듯이, 적층체(212)는 층(214, 214', 214", 214"')을 구비하며, 여기에서 어두운 정방형 및 장방형 형상은 적층체(212) 내에 적층체를 통해서 존재하는 비선형 채널(232)이다.
위에서 두 번째 층(214')은 채널(226)[도 1c의 채널(26)과 유사함]을 도시한다. 이 측단면도에는 보이지 않지만, 상기 채널은 적층체를 통한 유체의 유동에 수직인 방향으로 적층체를 가로지르는 길이의 약 50%를 초과하여 연장되며, 상기 채널은 또한 층의 일 측에서 층의 다른 측으로 층의 중심선을 지나서 연장된다.
최하층(214")은 적층체를 통한 유체의 유동에 수직인 방향으로 적층체를 가로지르는 길이의 약 50%를 초과하여 연장되지만 층의 중심선을 지나서 연장되지 않는 채널(230)[도 1e의 채널(30)과 유사함]의 길이를 도시한다. 적층체의 이 단면에서 알 수 있듯이, 적층체의 입구 면 또는 측으로부터 적층체의 출구 면 또는 측으로 적층체를 통해서 선형 채널이 존재하지 않지만, 오히려 적층체의 입구 면 또는 측으로부터 적층체의 출구 면 또는 측으로 상향, 하향 및 가로질러 연장되는 비선형 채널의 네트워크가 존재한다.
도 2c는 도 2a의 실시예의 개략 단면도이며, 여기에서 단면은 라인 2C-2C를 따르거나 통한 수직 평면이다. 도 2c에서 알 수 있듯이, 적층체(212)는 층(214, 214', 214", 214"')을 구비하며, 여기에서 어두운 정방형 및 장방형 형상은 적층체(212) 내에 적층체를 통해서 존재하는 비선형 채널(232)이다.
위에서 두 번째 층(214')은 도 1c의 채널(26)의 좌측 채널과 유사하게, 개구(216')에 의해 형성된 채널을 도시한다. 개구(216')에 의해 형성된 채널은 적층체를 통한 유체의 유동에 수직인 방향으로 및 층의 일 측으로부터 층의 다른 측으로 층의 중심선을 지나서 적층체를 가로지르는 길이의 약 50%를 초과하여 연장된다[참조 부호 216'로부터의 리드 선은 층의 대략 중심선으로 향하고, 중심선은 캐소드 공기 채널을 통과하는 라인과 일치한다].
위에서 네 번째 층(214")은 도 1d의 서브-채널(또는 챔버)(28)과 유사한 서브-채널(또는 챔버)(228)을 도시한다.
최하층(214"')은 도 1e의 채널(30)과 유사한 채널(230)을 도시하지만, 단면에서 적층체를 가로지르는 그 길이는 이 도면에 도시되어 있지 않다.
도 2c의 적층체의 단면도에서 알 수 있듯이, 적층체의 입구 면 또는 측으로부터 적층체의 출구 면 또는 측으로 적층체를 통해서 선형 채널이 존재하지 않지만, 오히려 적층체의 입구 면 또는 측으로부터 적층체의 출구 면 또는 측으로 상향, 하향 및 가로질러 연장되는 비선형 채널의 네트워크가 존재한다.
도 2d는 도 2a의 실시예의 개략 단면도이며, 여기에서 단면은 라인 2D-2D를 따르거나 통한 수직 평면이다. 도 2d에서 알 수 있듯이, 적층체(212)는 층(214, 214', 214", 214"')을 구비하며, 여기에서 어두운 정방형 및 장방형 형상은 적층체(212) 내에 적층체를 통해서 존재하는 비선형 채널(232)이다.
최상층(214)은 적층체의 출구 면 또는 측의 양쪽에 있는 두 개의 장방형 비선형 채널(232) 중 제 2의 것을 도시한다. 최상층은 또한 캐소드 공기 채널(222)의 출구를 도시하며, 상기 캐소드 공기 채널은 적층체의 입구 면 또는 측으로부터 적층체의 출구 면 또는 측으로 적층체를 통해서 선형 채널을 형성한다. 적층체를 통한 하나 이상의 선형 채널의 존재에도 불구하고, 본 발명의 애프터버너는 적층체를 통한 하나 이상의 비선형 채널의 존재를 요구한다.
위에서 두 번째 층(214')은, 적층체를 통한 유체의 유동에 수직인 방향으로 적층체를 가로지르는 길이의 약 50%를 초과하여 연장되고 또한 층의 일 측으로부터 층의 다른 측으로 층의 중심선을 지나서 연장되는 채널(226')[도 1c의 채널(26)과 유사함]을 도시한다.
최하층(214"')은 채널(230)을 도시하고, 이 채널은 또한 도 1e의 채널(30)과 유사한 비선형 채널(232)이지만, 단면에서 적층체를 가로지르는 그 길이는 이 도면에서 보이지 않는다.
도 3a는 내화 재료 층의 개략 평면도이며, 상기 층은 본 발명의 애프터버너의 적어도 일부를 형성하는 적층체의 한 층일 수 있다. 층(314")은 개구(316")이기도 한 두 개의 캐소드 공기 채널(322")을 구비하는 도 1d의 층(14")과 유사하다. 그러나, 층(314")은 또한 개구 절취부(324) 내의 열 센서 조립체(334) 및 다른 개구 절취부(324) 내의 점화기(336)를 구비한다.
전술했듯이, 개구의 절취부는 점화기 및 열전쌍과 같은 열 센서 조립체가, 촉매 및 그로 인해 촉진되는 연소 반응(들)과 연관된 "핫 스팟"과 직접 접촉하지 않으면서, 적층된 층에 의해 형성되는 채널 내로 연장될 수 있게 한다.
예를 들어, 도 3a에 도시되어 있듯이, 서브 채널(또는 챔버)(328)은 점화기를 연소열로부터 차단하기 위해 점화기(336)에 바로 인접하는 촉매(톱니형 에지에 인접하는 점선 또는 다공성 층으로 표시됨) 없이 존재한다. 열 센서 조립체(334)는 라인 Ⅲ-Ⅲ에 의해 형성된 층의 중심선에 대향하여 각각의 무촉매 서브-채널(또는 챔버) 내에 유사하게 배치되며, 무촉매 영역 또는 체적은 개구 또는 채널 내로 더 연장된다.
점화기(336)와 열 센서 조립체(334)를 각각 구비하는 두 개의 큰 개구(316")는 그 각각 패턴화된 형상의 에지에서 노출된 표면(338)을 구비한다. 이 층의 노출된 표면의 표면적을 증가시키는 비선형 에지를 갖는 도시된 노출된 표면(338)은 본 명세서에 기술되었듯이 그와 연관된 촉매(340)를 갖는다.
도 3b는 내화 재료 층의 개략 평면도이며, 상기 층은 본 발명의 애프터버너의 적어도 일부를 형성하는 적층체의 한 층일 수 있다. 층(314iv)은 도 1b의 층(14)과 유사하게 보이지만, 층의 사변형 개구(316iv)의 노출된 표면(338iv)은 촉매(340iv)를 구비한다. 촉매 로딩 양이 적으면(또는 촉매가 전혀 존재하지 않으면), 층은 그 최대 표면 중 하나가 [도 1a 및 도 1b의 층(14)과 같이] 적층체의 출구 면 또는 표면을 형성하도록 적층체의 외층이도록 배치될 수 있다. 그러나, 층(314iv)은, 특히 촉매 로딩의 양이 애프터버너의 입구 또는 출구에 통상적으로 존재할 것에 비해 증가되거나 및/또는 촉매의 형태가 애프터버너의 입구 또는 출구에 통상적으로 존재할 것과 다른 경우에, 적층체에 대한 내층으로서 배치될 수 있다. 층(314iv)은 또한 개구(316iv)인 것으로 간주될 수 있는 두 개의 캐소드 공기 채널(322iv)을 구비한다.
도 4는 본 발명의 애프터버너의 실시예의 개략 사시도이며, 여기에서는 적층체(412)의 각 층에 존재하는 촉매 로딩의 예시적 양이 애프터버너의 우측에 표시된다. 알 수 있듯이, 각각의 층의 촉매 로딩의 범위(예를 들어, 촉매에 의한 측정 가능한 노출된 표면의 표면적의 커버리지)는 그 표면이 적층체의 입구 면 또는 측(418)인 최하층(414"')으로부터 적층체의 중간층 및 상층으로 증가하는 구배를 형성하며, 이후 그 표면이 적층체의 출구 면 또는 측(420)인 최상층(414)을 향해서 감소하는 구배를 형성한다.
특히, 최하층 및 인접 층은 촉매가 없을 수 있는 바, 즉 촉매를 전혀 함유하지 않을 수 있다. 이러한 설계에 의하면, 애프터버너의 작동 온도는 인접한 부품들과 열 문제를 피하기 위해 그 입구에서 감소될 수 있다. 또한, 이들 두 개의 층은 애프터버너의 비선형 채널 내의 더 상류에서의 촉매 연소 반응을 위한 더 균일한 조성을 제공하기 위해 소모되지 않은 개질성 연료를 포함하는 진입 배기 스트림을 수집, 혼합 및/또는 분배하기 위한 매니폴드로서 작용하도록 설계될 수 있다.
유사한 상황이 적층체의 출구 근처에 존재하며, 높은 작동 온도는 적층체의 출구 면 또는 측을 향해서 감소하는 구배로 촉매 로딩의 양을 감소시킴으로써 회피될 수 있다. 실제로, 특정한 경우에는, 마지막 층에 촉매가 없을 수 있다. 따라서, 애프터버너로부터의 배기의 온도가 감소될 수 있다. 이어서, 배기 스트림은 열회수 부품 및/또는 장치로 송출되거나 폐열로서 배출될 수 있다.
예를 들어, 상기 개념을 조합하면, 제 1 층은 촉매가 없을 수 있으며, 촉매와 접촉하기 전에 미반응 연료, 배기 및 공기를 혼합하기 위해 사용될 수 있다. 이 반응물 혼합물이 애프터버너의 비선형 채널을 통해서 이동하여 촉매와 접촉하게 되면, 연소 반응이 시작되어 반응물을 연소 생성물로 전환시킬 수 있다. 혼합물이 비선형 채널을 통해서 계속됨에 따라, 이는 추가적인 촉매 로딩 및 애프터버너의 중심 또는 하류 절반 근처의 고온 반응 지역에 직면하며, 여기에서 연소 및 전환의 대부분이 발생할 수 있다. 다음으로, 단지 소량의 연료 및 반응물이 혼합물에 잔류하고 연소를 위해 더 많은 양의 산소가 필요할 때, 비선형 채널의 더 하류 섹션은 연소 공정을 완료하기 위해 더 큰 표면적 및/또는 더 반응성인 촉매를 포함할 수 있다. 최종적으로, 배기 스트림은 적층체의 최종 층(들)을 통과할 수 있으며, 상기 최종 층은 촉매가 없을 수 있고, 따라서 애프터버너로부터의 배기 스트림의 온도를 감소 또는 저하시킬 수 있다.
이해되어야 하듯이, 적층체 내의 층 개수 및 각각의 층의 두께는 촉매의 구배 및 배치의 기울기를 결정할 수 있다. 즉, 종이 형태의 내화 재료 층인 경우에, 층 개수는 통상적으로 층이 종이보다 두꺼운 펠트 또는 다른 형태인 경우보다 많을 것이며, 펠트 및 다른 형태는 약 1mm 내지 약 10mm, 약 2mm 내지 약 7mm, 약 3mm 내지 약 5mm, 또는 약 3mm 내지 약 4mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 다수의 층이 애프터버너의 적층체를 형성하는 경우에, 적층체의 입구 측 및 출구 측에서의 더 많은 층에는 촉매가 없을 수 있으며 및/또는 비선형 채널의 노출된 표면을 따르는 촉매의 양 및/또는 형태의 구배의 기울기는 더 점진적으로 증가 또는 감소할 수 있다. 물론, 비선형 채널의 노출된 표면과 연관된 최종 적층체 및 촉매의 추가 제어를 위해 적층체는 종이 및 펠트와 같은 상이한 형태의 압축 가능한 탄성 내화 재료로 생성될 수 있다.
도 5는 적층체의 층들의 에지가 도 1a의 적층체에 비해서 90°각도로 배향되는 본 명세서의 애프터버너의 실시예의 개략 사시도이다. 보다 구체적으로, 애프터버너(510)는 복수의 개별 층(514)을 구비하는 적층체(512)를 구비하며, 큰(평면) 표면적 면 또는 표면보다는 에지들이 적층체의 입구 면 또는 측(518)을 형성하고 대향 측에서의 에지는 적층체의 출구 면 또는 측(520)을 형성한다.
도 6은 애프터버너의 비입구 및 비출구 면 또는 표면 상의 고체 단열재(644)의 하우징(642) 내에 배치되는 애프터버너(610)의 실시예의 개략 사시도이다. 도시된 애프터버너(610)는 예를 들어 내화 종이와 같은 내화 재료(646)로 래핑되며, 이는 적층체를 고정시키는데 도움을 줄 수 있다. 이 도면에 도시되어 있듯이, 래핑된 적층체는 하우징 내에 슬라이드 가능하게 끼워지지만, 약간의 갭이 존재하므로 타이트하게 끼워지거나 마찰-끼워맞춤되지 않는다. 이러한 구성에서, 래핑된 적층체는 이것이 결합되거나 연결되는 기저 부품에 의해 그 하부 또는 입구 면 또는 측부에서 지지될 수 있다. 그러므로, 특정 실시예에서, 적층체 또는 래핑된 적층체는 인접한 구조물 및/또는 부품에 의해 지지되는 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 적층체 또는 래핑된 적층체는 인접한 구조물 상에 "착좌"되는 것으로 간주될 수 있으며 일부 경우에는 작동 중에 "적소에 플로팅"되는 것으로 간주될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 애프터버너를 포함하는 연료 전지 유닛을 구비하는 연료 전지 시스템의 실시예의 개략 측단면도이다.
도 7a를 참조하면, 연료 전지 시스템(750)은 개질 장치(754), 연료 전지 스택(756) 및 애프터버너(710)를 포함하는 연료 전지 유닛(752)을 구비한다. 연료 전지 시스템(750) 또는 연료 전지 유닛(752)은 적층체(712)를 관통하는 점선으로 도시된 두 개의 캐소드 공기 채널(722)을 구비하며, 이들은 비선형 채널(도시되지 않음)을 형성한다. 캐소드 공기 채널(722)의 각각은 (점선으로 도시하듯이) 연료 전지 스택(756) 내로 연장될 수 있는 캐소드 공기 도관을 구비할 수 있다.
연료 전지 시스템(750)은 캐소드 산소-함유 가스(예를 들어, 공기)를 애프터버너(710)를 통해서 연료 전지 스택(756)의 캐소드(도시되지 않음)로 송출하기 위한 캐소드 공기 송출 도관(758)을 구비한다. 연료 전지 시스템(750)은 또한 애노드 공기, 산화제 및 개질성 연료 중 하나 이상을 개질 장치(754)에 송출하기 위한 애노드 반응물 송출 도관(760)을 구비한다. 연료 전지 시스템(750) 또는 연료 전지 유닛(752)은 애프터버너(710)로부터의 가열된 애프터버너 연소 생성물과 같은 가열된 유체를 배출하기 위한 애프터버너 배기 도관(762)을 구비한다. 연료 전지 시스템(750)은 캐소드 공기 송출 도관(758)과 작동적으로 유체 연통되는 산소-함유 가스 공급원(764)을 구비한다. 연료 전지 시스템(750)은 또한 애노드 반응물 송출 도관(760)과 작동적으로 유체 연통되는 개질성 연료 공급원(766)을 구비한다.
도 7a에 도시된 애프터버너와 관련하여, 애프터버너(710)는 적층체(712)의 비입구 및 비출구 면 또는 표면을 실질적으로 포위하거나 둘러싸는 하우징(742)을 구비한다. 하우징은 고체 단열재일 수 있다. 도 7a에 도시되어 있듯이, 애프터버너 배기 도관(762)은 애프터버너(710)를 (복수의 "E"로부터 나오는 화살표 근처의 입구 면 또는 측으로부터 적층체의 대향 면 또는 표면으로 적층체를 통한 배기의 유동의 전반적인 방향에 의해 규정되는) 그 상부 면 또는 표면에서가 아니라 그 상부에 가까운 적층체의 면 또는 측에서 하우징(742)을 통해서 빠져나간다.
도 7a는 또한 연료 전지 스택이 팽창할 수 있거나 복수의 "E"로부터 나오는 화살표의 방향으로 이동될 수 있도록 연료 전지 유닛 및/또는 시스템의 연료 전지 스택 및/또는 다른 부품이 작동 중에 겪을 수 있는 선형 팽창을 도시한다. 본 명세서에서 논의되었듯이, 본 발명의 애프터버너의 적층체의 압축 가능한 특성은 팽창을 수용할 수 있고 연료 전지 스택, 연료 전지 유닛 및 연료 전지 시스템에 대한 구조적 응력을 최소화할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 도 7a의 연료 전지 시스템과 유사한 연료 전지 시스템(750')은 개질 장치(754'), 연료 전지 스택(756') 및 애프터버너(710')를 포함하는 연료 전지 유닛(752')을 구비한다. 연료 전지 시스템(750') 또는 연료 전지 유닛(752')은 적층체(712')를 통한 두 개의 캐소드 공기 도관(768)을 구비하며, 적층체는 비선형 채널(도시되지 않음)을 형성한다. 캐소드 공기 도관(768)의 각각은 연료 전지 스택(756) 내로 연장되고 캐소드 공기 송출 도관(758')과 작동적으로 유체 연통된다. 연료 전지 시스템(750')은 캐소드 공기 송출 도관(758')과 작동적으로 유체 연통되는 산소-함유 가스 공급원(764')을 구비한다.
연료 전지 시스템(750')은 애노드 공기, 산화제 및 개질성 연료 중 하나 이상을 개질 장치(754')에 송출하기 위한 애노드 반응물 송출 도관(760')을 구비한다. 연료 전지 시스템(750')은 또한 애노드 반응물 송출 도관(760')과 작동적으로 유체 연통되는 개질성 연료 공급원(766')을 구비한다.
도 7b에 도시된 애프터버너(710')는 적층체(712')의 비입구 및 비출구 면 또는 표면을 포위하거나 둘러싸는 하우징(742')을 구비한다. 도시된 바와 같은 작동에서, 적층체(712')로부터의 유체 스트림 또는 배기는 적층체의 상부 면 또는 표면, 즉 출구 면 또는 표면(720)에서 배기 챔버(770) 내로 빠져나간다. 배기 챔버는 적층체의 출구 면 또는 표면과 캐소드 공기 송출 도관 및 연료 전지 유닛 패키지의 상부와 연관된 다른 구조물에 의해 형성된다. 따라서, 애프터버너로부터의 유체 스트림 또는 배기는 연료 전지 유닛으로부터, 배기 챔버(770) 및 적층체(720)의 출구 면 또는 표면과 유체 연통되는 애프터버너 배기 도관(762')을 통해서 인도된다. 배기 챔버는 애프터버너 배기 도관을 통해서 적층체로부터의 배기 스트림을 제거하는 것을 인도하거나 촉진하는 것을 보조하기 위한 구조물 및/또는 부품을 구비할 수 있다.
도 7b에 도시된 구성에서, 적층체 위에 제공되고 적층체의 출구와 유체 연통되는 배기 챔버(770)는 열 센서 조립체(772)를 구비한다. 열전쌍일 수 있는 열 센서 조립체는 적층체 위에 배치되며 적층체로부터의 유체 스트림 또는 배기의 온도를 모니터링한다. 적층체 위의 온도가 적층체 내의 비선형 채널 내에서 발생하는 연소 반응의 온도보다 낮을지라도, 열 센서 조립체(772)에 의해 적층체의 출구 면에서 측정된 온도에 기초하여 적층체의 내부 온도가 추정될 수 있도록 배기 스트림과 연소 반응의 "핫 스팟" 사이에 온도 관계가 결정(예를 들면, 측정)될 수 있다.
도 7b는 또한 적층체(712') 또는 애프터버너(710')의 입구 면 또는 표면에 인접한 하나 이상의 전력 조절 부품(774)을 도시한다. 도시하듯이, 전류 수집 판 및/또는 하나 이상의 버스 바와 같은 전력 조절 부품(들)(774)은 전기가 발생되는 연료 전지 스택(756') 근처에 배치된다. 연료 전지 스택 및 애프터버너의 높은 작동 온도에 대한 전력 조절 부품(들)의 노출을 감소시키기 위해, 애프터버너는 애프터버너의 입구 면 또는 표면 근처에서의 연소 온도를 유지 또는 감소시키기 위해 애프터버너의 적층체의 제 1 층(들)에 연소 촉매를 거의 또는 전혀 포함할 수 없다. 연료 전지 스택으로부터의 배기의 온도는 높을 수 있지만, 주로 그 내부에 높은 촉매 로딩 양을 갖고 특히 촉매가 없는 섹션 이후에 촉매의 양을 증가하는 구배로서 갖는 애프터버너를 설계함으로써, 전력 조절 부품(들)은 연료 전지 스택과 애프터버너 사이의 감소된 온도 영역을 경험할 수 있다.
본 발명은 그 취지 또는 필수 특징을 벗어나지 않는 한도에서 다른 특정 형태의 실시예를 포함한다. 따라서 상기 실시예들은 본 명세서에 기재된 본 발명을 제한하는 것이 아니라 모든 면에서 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 상기 설명에 의해서보다 청구범위에 의해 표시되며, 청구범위의 등가물의 의미 및 범위에 들어오는 모든 변화가 그 안에 포함되도록 의도된다.
Claims (34)
- 애프터버너에 있어서,
적층체로서, 각각의 층은 압축 가능한 탄성 내화 재료를 포함하고 하나 이상의 개구가 관통 형성되며, 상기 적층체에는 적층체의 입구 면으로부터 적층체의 출구로 적층체를 통해서 비선형 채널이 형성되는, 상기 적층체; 및
상기 적층체의 하나 이상의 층의 하나 이상의 개구의 노출된 표면과 연관됨으로써 비선형 채널의 노출된 표면과 연관되는 연소 촉매를 포함하는
애프터버너. - 제 1 항에 있어서,
상기 비선형 채널의 노출된 표면 상에 존재하는 연소 촉매의 양은 구배를 갖는
애프터버너. - 제 2 항에 있어서,
상기 구배는 적층체의 입구 면으로부터 적층체의 출구까지 존재하는 연소 촉매의 양의 증가를 포함하는
애프터버너. - 제 3 항에 있어서,
제 2 구배가 존재하며, 상기 제 2 구배는 증가하는 구배 이후에 상기 적층체의 출구를 향해서 존재하는 연소 촉매의 양의 감소를 포함하는
애프터버너. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적층체 중 애프터버너의 입구에 가장 가까운 층의 하나 이상의 개구 및/또는 상기 적층체 중 애프터버너의 출구에 가장 가까운 층의 하나 이상의 개구의 노출된 표면은 연소 촉매를 포함하지 않는
애프터버너. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적층체 중 애프터버너의 입구 및 출구로부터 멀리 있는 하나 이상의 층의 하나 이상의 개구의 노출된 표면은 연소 촉매를 포함하며, 또한 상기 적층체 중 애프터버너의 입구 및 출구에 가장 가까운 층의 하나 이상의 개구의 노출된 표면에 비해 증가된 표면적을 포함하는
애프터버너. - 제 6 항에 있어서,
연소 촉매 및 증가된 표면적을 포함하는, 상기 적층체 중 애프터버너의 입구 및 출구로부터 멀리 있는 상기 하나 이상의 층 중 적어도 하나의 층은 점화기 및/또는 열 센서 조립체를 장착하도록 구성된 하나 이상의 개구를 포함하는
애프터버너. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적층체의 하나 이상의 층은 애프터버너의 입구로부터 애프터버너의 출구로의 적층체를 통한 배기의 유동에 수직인 방향으로 적층체를 가로지르는 길이의 약 50%를 초과하여 연장되는 채널을 형성하는 개구를 포함하는
애프터버너. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 층에는 적층체를 통해서 캐소드 공기 채널(cathode air channel)을 생성하도록 구성된 개구가 형성됨으로써, 캐소드 공기 채널이 캐소드 공기 도관을 수용할 수 있는
애프터버너. - 제 9 항에 있어서,
상기 적층체를 통한 배기의 유동에 수직인 방향으로 적층체를 가로지르는 길이의 약 50%를 초과하여 연장되는 채널을 형성하는 개구는 캐소드 공기 채널을 포함하는
애프터버너. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
점화기를 포함하며, 상기 점화기는 연소 촉매와 작동적으로 열 연통되는(in operable thermal communication)
애프터버너. - 제 11 항에 있어서,
상기 점화기는 연소 촉매를 포함하는 적층체의 입구에 가장 가까운 층의 하나 이상의 개구의 노출된 표면과 작동적으로 열 연통되도록 배치되는
애프터버너. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
열 센서 조립체를 포함하며, 상기 열 센서 조립체는 연소 촉매를 포함하는 하나 이상의 비선형 채널과 열 연통되는
애프터버너. - 애프터버너에 있어서,
압축 가능한 탄성 내화 재료를 포함하는 기판으로서, 상기 기판에는 기판의 입구로부터 기판의 출구까지 비선형 채널이 관통 형성되는, 상기 기판; 및
상기 비선형 채널을 따라서 기판의 노출된 표면의 부분과 연관되는 연소 촉매를 포함하며,
비선형 채널을 따라서 기판 상에 존재하는 연소 촉매의 양은 기판의 입구에서 기판의 출구까지 하나 이상의 구배를 포함하는
애프터버너. - 제 14 항에 있어서,
상기 압축 가능한 탄성 내화 기판은 복수의 압축 가능한 탄성 내화 재료 층을 포함하는
애프터버너. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압축 가능한 탄성 내화 재료는 실리카, 알루미나 또는 실리카-알루미나 혼합물의 섬유를 포함하는
애프터버너. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애프터버너의 비입구(non-inlet) 면 및 비출구(non-outlet) 면 또는 표면에 인접한 하우징을 포함하며, 상기 하우징은 고체 단열재를 포함하는
애프터버너. - 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적층체의 입구는 연료 전지 유닛의 배기 출구와 유체 연통되도록 구성되는
애프터버너. - 연료 전지 유닛에 있어서,
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 애프터버너; 및
상기 적층체의 입구 및/또는 애프터버너의 입구와 작동적으로 유체 연통되는 연료 전지 스택을 포함하는
연료 전지 유닛. - 제 19 항에 있어서,
상기 애프터버너의 입구는 전력 조절 부품과 열 연통되며, 상기 전력 조절 부품은 연료 전지 스택과 전기적으로 연통되는
연료 전지 유닛. - 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
존재할 경우 캐소드 공기 채널 내에 배치되는 하나 이상의 캐소드 공기 도관을 포함하는
연료 전지 유닛. - 히터 유닛에 있어서,
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 애프터버너; 및
상기 적층체의 입구 및/또는 애프터버너의 입구와 작동적으로 유체 연통되는 개질성 연료의 공급원을 포함하는
히터 유닛. - 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 유닛 및/또는
제 22 항에 기재된 히터 유닛을 포함하는
열병합 발전 시스템. - 적층체의 입구 면은 적층체의 층들의 에지(edge)를 포함하며 적층체의 출구 면은 입구 면에 대향하는 적층체의 층들의 에지를 포함하는
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 애프터버너, 또는 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 유닛, 또는 제 22 항에 기재된 히터 유닛, 또는 제 23 항에 기재된 열병합 발전 시스템. - 유체 스트림 내의 오염물질을 감소시키는 방법에 있어서,
오염물질 및/또는 개질성 연료를 포함하는 유체를 애프터버너의 비선형 채널을 통해서 유동시키는 단계로서, 상기 애프터버너는 애프터버너의 입구에서 애프터버너의 출구까지 비선형 채널을 형성하는 압축 가능한 탄성 내화 재료, 및 상기 비선형 채널의 노출된 표면의 적어도 일부와 연관된 연소 촉매를 포함하는, 유동 단계; 및
오염물질 및/또는 개질성 연료를 포함하는 상기 유체를 연소 촉매로 적어도 부분적으로 연소시켜서, 애프터버너에 진입하는 유체에 비해서 감소된 양의 오염물질을 포함하는 출구 유체 스트림을 생성하거나 및/또는 열을 발생시키는 단계를 포함하는
오염물질 감소 방법. - 제 25 항에 있어서,
상기 애프터버너는 적층체를 포함하며, 상기 적층체는 압축 가능한 탄성 내화 재료를 포함하고, 각각의 층에는 하나 이상의 개구가 관통 형성되며, 상기 하나 이상의 개구는 적층체를 통해서 상기 비선형 채널을 형성하는
오염물질 감소 방법. - 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,
상기 애프터버너를 통해서 유동하는 캐소드 공기 스트림을 연소에 의한 열을 사용하여 가열하는 단계를 포함하는
오염물질 감소 방법. - 제 25 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유체 스트림은 연료 전지 스택으로부터 유래하며, 상기 애프터버너의 입구에서의 압축 가능한 탄성 내화 재료는 연료 전지 스택의 인접한 구조물과 접촉하거나 및/또는 이 구조물에 의해 압축되는
오염물질 감소 방법. - 제 25 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
연소 및 관련 열 발생은 비선형 채널에 존재하는 연소 촉매의 양의 구배를 사용하여 제어되는
오염물질 감소 방법. - 제 25 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애프터버너를 통한 압력 강하는 약 1인치(2.54cm) 수주 이하인
오염물질 감소 방법. - 애프터버너 제조 방법에 있어서,
압축 가능한 탄성 내화 재료의 층에 하나 이상의 개구를 절삭하는 단계;
상기 절삭 단계를 반복하여 복수의 층을 생성하는 단계로서, 각각의 층에는 하나 이상의 개구가 관통 형성되는, 절삭 반복 단계;
연소 촉매를 하나 이상의 층의 개구들 중 적어도 하나 이상의 개구의 노출된 표면과 연관시키는 단계;
복수의 층을 적층하여 적층체를 통과하는 비선형 채널을 형성하는 단계로서, 상기 연소 촉매는 적어도 하나의 비선형 채널의 노출된 표면의 적어도 일부와 연관되는, 적층 단계; 및
복수의 층을 고정시켜 애프터버너를 형성하는 단계를 포함하는
애프터버너 제조 방법. - 제 31 항에 있어서,
상기 적층체의 비입구 면 및 비출구 면 또는 표면 주위에 내화 재료를 형성하거나, 래핑하거나, 둘러싸거나 및/또는 포위하는 단계를 포함하는
애프터버너 제조 방법. - 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
상기 애프터버너의 비입구 면 및 비출구 면 또는 표면을 고체 단열재로 둘러싸거나 및/또는 포위하는 단계를 포함하는
애프터버너 제조 방법. - 제 31 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
결합제 및/또는 유기 재료가 존재할 경우 이들을 복수의 층으로부터 제거하는 단계를 포함하는
애프터버너 제조 방법.
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