KR20210092787A - 연료 전지 시스템, 이의 용도 및 이의 동작 방법 - Google Patents

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KR20210092787A
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매즈 뱅
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블루 월드 테크놀로지스 홀딩 에이피에스
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Abstract

연료 전지 시스템에서, 예를 들어, HTPEM 연료 전지에서, 밸브 시스템(8)은 특히 정상 동작 동안에는 개질기(6)를 가열하기 위해 버너(7)로부터 개질기(6)로 배기 가스를 안내하거나 또는 개질기(6)를 가열하기 시작하기 전에 연료 전지 스택(16)을 가열하기 위해 시동 상황에서는 개질기를 선택적으로 우회함으로써 사용된다. 선택 사항으로 소형 버너/개질기 유닛(1)이 제공된다.

Description

연료 전지 시스템, 이의 용도 및 이의 동작 방법
본 발명은 버너 및 개질기를 갖는 연료 전지 시스템, 특히 HTPEM 연료 전지, 및 이의 차량용 용도, 및 이 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템으로 전기를 생산할 때 부산물로 열이 또한 생성되며, 이 열은 연료 전지의 채널을 통해 순환하는 냉각-액체에 의해 제거된다. 온도는 연료 전지의 최적화된 기능을 위해 열 교환기와 라디에이터를 통해 예를 들어 글리콜 기반의 냉각-액체 흐름에 의해 조절된다.
다른 한편으로 냉각제는 시동 상태 동안 연료 전지를 가열하는 데 사용될 수 있다.
그 예는 WO2016/008486에 개시되어 있고, 이 문헌에서 소형 연료 전지 시스템은 버너를 포함하고, 버너의 배기 가스는 증발된 연료에 기초하여 합성 가스를 생산하는 데 필요한 온도로 개질기를 가열하기 위해 개질기의 외벽을 따라 통과한다. 일단, 버너로부터 나오는 배기 가스(연도 가스라고도 불림)가 개질기로 열을 전달하기 위해 개질기를 통과하면 가스가 개질기의 하류의 열 교환기로 열을 전달한다. 열 교환기는 연료 전지 스택을 신속히 활성화하여야 하는 시동 상황에서 가열하기 위해 냉각 시스템의 냉각-액체로 열 에너지를 전달한다.
연료 전지 시스템의 시동 중 연료 전지 시스템을 신속히 동작시키기 위해서는 온도를 신속히 상승시킬 것이 요구된다. 그러나 신속한 시동을 위해서는 버너를 적극적으로 사용하여 배기 가스를 고온으로 만들 필요가 있다. 이는 고온에서 버너를 효율적으로 사용한다는 것은 소위 깨끗한 연소를 의미한다는 점에서 어느 정도 유리하다.
그러나, 본 발명의 발명자들은 시동 상황에서 최적의 연소 동안 배기 가스의 온도가 너무 높으면 배기 가스의 열에 의해 개질기가 열화될 위험이 있다는 것을 알았다. 따라서 신속한 시동과 개질기의 과열 방지 사이에 균형을 찾을 수 있다면 바람직할 것이다. 이 문제는 종래 기술에서, 특히 소형 버너/개질기 결합의 경우 만족스럽게 해결되지 않은 것으로 보인다.
차량에서 연료 전지 시스템으로 전기를 생산할 때 연료 전지 시스템이 소형이고 효율적인 것이 중요하다. 다른 한편으로 시스템이 견고하고 오래 지속되는 것도 중요하다. 소형화가 필요한 구성 요소 중 하나는 개질 공정을 효율적으로 진행하기 위해 버너를 사용하여 개질기에 열 에너지를 제공하는 버너/개질기 결합형이다.
WO2018/189375는 관형 개질기 내부의 버너를 개시한다. 열 에너지는 열 교환기에서 가스를 가열하는 것을 통해서뿐만 아니라 중간에 있는 내벽을 통한 열 전도에 의해 제공된다. 개질기/버너 유닛은 소형이지만 이 유닛에는 개질기의 과열을 방지하는 기능은 없다. WO2018/189375의 11 페이지 14줄 내지 18줄을 참조하면, 개질기가 전체 길이를 따라 개질기-촉매로 둘러싸여 있기 때문에 버너로부터 개질기로 열이 잘 전달된다. 그러나 적극적인 시동에서 개질기는 벽을 통한 열 전도율에 의해 대응하여 가열되고, 과열로 인한 개질기의 열화를 적절히 방지하지 못한다.
버너와 개질기 사이의 벽을 통한 열 전달은 KR20060065779 및 US8617269(발명자: Son, 이는 Samsung에 양도됨) 및 US9238781(발명자: Du 및 KR)에도 개시되었으며, 후자의 미국 특허 문헌은 버너로부터 개질기로 연장되는 나선형 벽 부분을 개시한다. 개질기 내로 연장되는 유사한 벽 부분은 한국 마하 및 재료 연구원(Korea Mach and Materials Inst.)에 양도된 한국 KR100988470에 개시되어 있다.
WO2016/008486의 시스템에는 과열 방지 기능이 제공되고, 여기서 소형 연료 전지 시스템은 버너를 포함하며, 버너의 배기 가스는 증발된 연료에 기초하여 합성 가스를 생산하는 데 필요한 온도로 개질기를 가열하기 위해 개질기의 외벽을 따라 통과한다. 구성은 소형이지만 에너지 전달은 최적화되지 않는다. 예를 들어, 버너로부터 나오는 복사 에너지는 사용되지 않으며, 만약 복사 에너지를 사용하는 경우 상당한 양의 에너지를 포함한다.
US5998053은 벽을 통해 가스로부터의 복사 에너지 및 열 에너지를 전달하는 것을 모두 개시한다. 열 에너지는 버너로 둘러싸인 개질기의 외부 원통형 벽으로부터만 공급된다.
US5019463은, 히터로부터 배기 가스를 개질기 주위로 안내하고 배기 파이프 및 대기 가스 출구를 통해 배출하는, 개질기의 상류에 버너를 갖는 연료 전지 시스템을 개시한다. 시동을 위해 가스는 선택적으로 밸브에 의해 파이프로 안내되어 연료 전지의 공기 포트와 냉각 재킷을 가열한다. 가스를 선택적으로 방향 전환하는 것이 있지만, 이 방향 전환이 개질기의 하류에서 있기 때문에 이것은 신속한 적극적인 시동 가열 하에서 개질기를 보호하지는 못한다.
개질기의 일측을 따라 흐르면 효율이 최적이 아니다. 미국 특허 US6939567(발명자: Ueda)은 중공 원통형 관으로 형성된 개질기의 중심 공동 내부에 중심 관형 버너를 갖는 버너를 개시한다. 버너는 개질기가 개질할 원 연료를 공급받는, 개질기의 제1 단부에서 원위에 제공되며, 연도 가스는 버너 챔버 내부에서 제1 단부를 향해 흐르고, 180도 회전한 다음, 개질기 벽을 따라 개질기 가스와 같은 방향으로 흐른다. 개질기 가스와 연도 가스는 180도 회전하여 제1 단부 쪽으로 흐르고, 여기서 개질 가스와 연소 배기 가스가 방출된다. 연도 가스가 개질된 가스의 흐름 방향을 따르기 때문에 연도 가스는 개질기를 통한 개질기의 가스 흐름의 일측에서만 개질기 가스를 가열한다. 따라서 열 전달이 최적화되지 않는다. 유사한 구성이 US2013/0195736(발명자: Fischer)과 JPH07223801(Fuji Electric Co.에 양도됨)에서 발견된다.
US5998053은 배기 가스를 밸브에 의해 개질기를 또한 포함하는 연료 전지 시스템으로 안내하거나 또는 실내 난방 시스템으로 선택적으로 안내할 수 있는 연료 전지 시스템을 개시한다. 개질기의 상류에서 선택적으로 가스를 방향 전환하는 것이 있지만 이것이 신속한 적극적인 시동 가열 하에서 개질기를 보호하지는 못한다.
EP 3311911 A1(LG Electronics Inc.)은 버너가 설치된 연료 시스템을 또한 개시한다.
시동 상황에서 개질기의 과열을 방지하는 더 나은 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 특히 자동차 산업의 연료 전지 시스템에서 최적화 방법이 꾸준히 요구된다.
본 발명의 목적은 이 기술 분야의 개선을 제공하는 것이다. 특히, 버너/개질기 유닛을 갖는 연료 전지 시스템으로서, 버너의 배기 가스를 사용하여 개질기를 효율적으로 가열하되 연료 전지 시스템의 시동 동안 개질기의 과열을 방지하는 것을 포함하는, 연료 전지 시스템을 제공하는 것이 목적이다. 이러한 목적 및 추가 목적은 이하 설명 및 청구 범위에 기술된 바와 같은 연료 전지 시스템, 버너/개질기 유닛 및 방법으로 달성된다.
이하에 제시된 바와 같이, 열 효율을 최적화하면서 소형화에도 불구하고 개질기의 과열을 방지하기 위한 다양한 원칙이 제시된다.
연료 전지 시스템에서 사용하기 위해, 연료 증기를 연료 전지를 위한 합성 가스로 촉매 변환하기 위한 촉매를 갖는 개질기를 포함하는 버너/개질기 유닛이 제공된다. 동작 시 개질기는 연료 전지에 합성 가스를 제공하기 위해 연료 전지의 애노드 쪽에 도관으로 연결된다. 또한 버너는 촉매를 가열하기 위해 개질기에 열 에너지를 제공한다. 버너는 애노드 폐가스 또는 연료 또는 이 둘 다를 연소시킴으로써 연도 가스를 제공하도록 구성된다. 일부 실제 실시형태에서, 버너/개질기 유닛은 또한 개질기 주위에 하우징을 포함한다. 선택 사항으로, 버너/개질기 유닛은 개질기 내부에 버너를 배치함으로써 소형으로 제공된다.
과열 방지를 위한 제1 기술 솔루션은 밸브 시스템이 특히 정상 동작 동안에는 개질기를 가열하기 위해 버너로부터 배기 가스를 개질기로 안내하고 또는 개질기를 가열하기 시작하기 전에 연료 전지 스택을 가열하기 위해 시동 상황에서는 배기 가스를 개질기를 우회하여 열 교환기로 선택적으로 안내하도록 사용된다는 점에서 위의 선행 기술의 개시와는 다르다. 이 시스템 및 방법은 버너의 열이 중간 벽을 통한 열 전도에 의해 개질기에 도달하는 소형 버너/개질기 유닛에 특히 유용하다.
예를 들어, 밸브는 개질기 벽을 따라 흐르는 상태와 버너 챔버 밖으로 흐르는 상태 간을 전환하는 온/오프 밸브이다. 선택 사항으로, 밸브 시스템은 예를 들어 개질기로 부분적으로 흐르게 하기 위해 밸브의 개방을 조정함으로써 개질기의 온도를 조절할 수 있도록, 예를 들어, 지속적으로 조절할 수 있도록 개질기를 부분적으로만 통과하도록 버너로부터의 배기 가스를 조절하도록 구성된다. 연도 가스 흐름의 나머지 부분은 유리하게는 열을 냉각 회로로 전달하는 하류 열 교환기로 안내된다. 부분 우회를 점진적으로 조절하는 것은 개질기를 부드럽게 가열하고 제어할 수 있기 때문에 시동 상황에서 유용하다.
적극적인 시동 동안 개질기가 과열되는 것을 방지하기 위해, 개질기가 버너로부터 적어도 부분적으로 단열되는 것이 유리하다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어, 개질기 벽은 버너 벽으로부터 거리를 두고 제공된다.
이러한 이유로, 제1 기술 솔루션과 결합되는 것이 유리하지만 반드시 결합될 필요는 없는 제2 기술 솔루션이 제공되며, 버너와 개질기 사이에 공간을 포함하고, 이 공간을 통해 개질기의 가열을 제어하기 위해 연도 가스가 흐른다. 따라서 버너 벽은 개질기로 직접 열을 전달하지 않는다.
이러한 단열을 추가로 조절하기 위해, 일부 실시형태는 주변 공기를 버너와 개질기 사이의 공간을 따라 안내하고 개질기를 따라 흐르는 공기를 증가시킴으로써 중심 버너의 고온 벽으로부터 개질기 촉매를 단열시키는 공기 흐름 조절을 포함한다.
또한 제1 및 제2 기술 솔루션의 다양한 양태를 선택 사항으로 결합하여 이하에서 보다 자세히 설명한다.
연료 전지를 위한 선택 사항
연료 전지 시스템은 연료 전지, 일반적으로, 연료 전지 스택을 포함한다. 여기서 연료 전지라는 용어는 단일 연료 전지뿐만 아니라 다수의 연료 전지, 예를 들어, 연료 전지 스택에도 사용된다.
예를 들어, 연료 전지는 섭씨 120도를 초과하여 동작하는 고온 양성자 전해질 막(HTPEM) 연료 전지라고도 불리는 고온 양성자 교환 막 연료 전지이며, 이러한 HTPEM 연료 전지는, 섭씨 100도 미만, 예를 들어, 섭씨 70도의 온도에서 동작하는 저온 PEM 연료 전지와 구별된다. HTPEM 연료 전지의 동작 온도는 섭씨 120도 내지 200도의 범위, 예를 들어, 섭씨 160도 내지 170도 범위이다. HTPEM 연료 전지의 전해질 막은 무기산 기반이며, 일반적으로, 중합체 필름, 예를 들어, 인산으로 도핑된 폴리벤즈이미다졸이다. HTPEM 연료 전지는 상대적으로 높은 CO 농도에 내성이 있어서 유리하고, 따라서 개질기와 연료 전지 스택 사이에 PrOx 반응기를 필요로 하지 않아서, 단순하고 가볍고 저렴한 개질기를 사용할 수 있고, 이에 예를 들어, 자동차 산업에서 소형 연료 전지 시스템을 제공하려는 목적에 맞춰 시스템의 전체 크기와 무게를 최소화한다.
연료 전지는 예를 들어 자동차와 같은 차량을 구동하기 위해 전기를 생산하는 데 사용된다. 생산된 전기를 위한 버퍼를 제공하기 위해 일반적으로 연료 전지와 전기적으로 연결된 배터리 시스템이 제공된다.
냉각제로 연료 전지의 온도를 조절하기 위해 연료 전지를 통해 냉각제를 재순환시키기 위해 냉각 회로가 제공된다. 정상 동작 동안 냉각 회로는 온도를 안정적이고 최적화된 범위로 유지하기 위해 연료 전지로부터 열을 흡수한다. 예를 들어, 연료 전지의 온도는 섭씨 170도이고, 냉각제는 연료 전지의 입구에서 섭씨 160도의 온도를 갖는다.
촉매가 있는 개질기는 연료를 전기 생산을 위한 연료 전지에 사용되는 합성 가스로 촉매 변환하는 데 사용된다. 따라서, 개질기는 연료 전지의 애노드 측에 도관으로 연결된다. 개질기는 개질기 벽이 있는 개질기 하우징 내부에 촉매를 포함한다.
개질기에서 촉매 반응을 위해, 제공된 액체 연료는 하류 측에서 연료 증기 도관에 의해 개질기에 도관으로 연결된 증발기에서 증발된다. 증발기의 상류 측은 예를 들어 액체 메탄올과 물의 혼합물을 수용하기 위해 액체 연료 공급부에 도관으로 연결된다.
예를 들어 섭씨 250도 내지 300도 범위의 적절한 촉매 변환 온도로 개질기를 가열하기 위해, 예를 들어, 섭씨 350도 내지 400도 범위의 온도의 연도 가스가 버너로부터 제공된다.
정상 동작에서, 버너로부터의 연도 가스는 개질기 벽을 따라 통과하며 개질기 벽을 가열한다. 연도 가스로부터 개질기 벽으로 열 에너지를 전달한 후 남은 열 에너지는 다른 구성 요소, 예를 들어, 연료 전지의 전기 에너지를 저장하는 데 사용되는 배터리를 가열하거나 차량 실내를 난방하는 데 사용될 수 있다.
연료 전지 시스템의 시동 동안, 연료 전지는 정상 상태의 전기 생산 상태에 도달하기 위해 가열되어야 한다. 특히 차량에서 사용하는 경우 시동 절차가 신속해야 한다. 이러한 이유로 버너는 시동 단계에서 강력하게 사용되어 열을 연료 전지로 전달한다.
일반적으로, 이것은 정상 동작에 적합한 온도로 연료 전지를 가열하기 위해 연도 가스로부터의 열을 시동 동안 대신 가열 유체로 사용되는 냉각 사이클의 냉각제로 전달함으로써 실제 수행된다.
실제 실시형태에서, 연도 가스 출구 도관의 하류 측은 열 에너지를 냉각제로 전달하기 위해 연도 가스로부터 냉각 회로의 냉각제로 열 에너지를 전달하기 위해 열 교환기와 흐름 가능하게 연통한다.
일부 실제 실시형태에서, 액체 연료 공급부는 메탄올을 공급하기 위한 메탄올 저장소뿐만 아니라 물을 공급하기 위한 물 공급부를 포함하고, 증발기의 상류에 있는 혼합 지점에서 물을 메탄올과 혼합하고, 물 공급부는 버너의 연도 가스로부터 재활용되는 물을 공급하도록 구성된다.
구체적인 실시형태에서, 물과 메탄올이 혼합 지점으로 공급되고, 물과 메탄올의 혼합물은 증발기에서 증발되고, 증발된 혼합물은 연료로서 개질기에 공급되고, 촉매와 반응하여 합성 가스를 생성하고, 합성 가스는 연료 전지의 애노드 측으로 공급되어 오프 가스를 생성한다. 애노드로부터 나온 오프 가스는 버너로 공급되어 연소되고, 일반적으로 촉매 반응으로 연소되어 연도 가스를 생성하며, 이 연도 가스는 연도 가스에서 물을 응축하기 위해 응축기로 공급된다.
연료 전지의 동작
위에서 논의한 바와 같이, 신속한 시동은 버너를 적극적으로 사용하고 배기 가스가 고온일 것을 필요로 하는데, 여기서 고온에서 버너를 효율적으로 사용한다는 것은 소위 깨끗한 연소를 의미한다는 점에서 유리하지만 이는 과열에 의해 개질기가 열화될 위험이 있다는 것을 의미한다. 이하에서는 이 문제에 대한 다양한 기술적 솔루션이 제공된다.
개질기의 과열을 방지하는 제1 방법은 버너-챔버와 연통하는 우회 밸브를 제공함으로써 달성된다. 우회 밸브는 개질기 벽을 따라 흐르는 상태와, 연도 가스가 개질기 벽을 따라 흐르는 것을 방지하기 위해 개질기 벽을 우회하여 연도 가스 출구 도관을 통해 버너-챔버 밖으로 흐르는 상태 간에 연도 가스의 흐름을 조절하도록 구성된다. 우회 밸브를 동작시킴으로써, 개질기 벽을 따라 흐르는 상태와, 개질기 벽을 우회하여 흐르는 상태 간에 연도 가스의 흐름이 조절된다.
예를 들어, 연도 가스의 우회량을 개질기 벽을 우회하여 연도 가스 출구 도관을 통해 버너-챔버 밖으로 안내하는 배기 경로가 우회 밸브에 의해 선택적으로 수립된다. 따라서 연도 가스의 일부 또는 전부인 우회량은 개질기 벽을 따라 흐르는 것이 방지된다.
예를 들어 시동의 경우, 우회 밸브는 시동 단계의 모든 또는 대부분의 연도 가스가 개질기를 우회시키고 대신 연도 가스의 열 에너지를 연료 전지를 가열하는 데 사용하는 시동 구성으로 설정된다. 이것은 신속한 시동 절차로 이어진다. 시동 후 연도 가스가 개질기 벽을 따라 흐르도록 우회 밸브는 전환된다.
실제 실시형태에서, 연도 가스 출구 도관의 하류 측은 열 에너지를 냉각제로 전달하기 위해 연도 가스로부터 냉각 회로의 냉각제로 열 에너지를 전달하기 위해 열 교환기와 흐름 가능하게 연통한다. 연료 전지를 정상 동작 온도로 가열하기 위해 연도 가스의 열 에너지의 대부분을 개질기가 아닌 냉각제로 전달하기 위해 버너에서 나오는 연도 가스의 절반을 초과하는 우회량, 예를 들어, 모든 또는 실질적으로 모든 연도 가스가 시동 상황에서는 개질기를 우회하여 열 교환기에 도달한다.
그런 다음 시동 후, 우회 밸브는 정상 동작 구성으로 설정되어, 개질기를 우회하는 것을 폐쇄하고, 정상 동작 동안 개질기 촉매를 가열하기 위해 모든 연도 가스를 개질기 벽을 따라 흐르도록 한다.
일부 실시형태에서, 우회량은 버너로부터 개질기로 전달되는 열 에너지의 양을 조절하기 위해 연료 전지 시스템의 시동 동안 변경될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지의 정상 동작 온도에 도달할 때까지 먼저 모든 연도 가스가 개질기를 우회하여 열 교환기에 도달하게 하는 대신, 특히 시동 절차의 후반 단계에서 시동 동안 개질기를 적당히 가열하기 위해 소량을 사용한다. 우회 밸브가 개질기를 우회하는 연도 가스의 양을 가변적으로 조절 가능한 경우, 시동 동안 개질기를 가열하는 온도 프로파일을 정밀하게 조절할 수 있다.
원칙적으로, 정상 동작 동안 우회량을 제공하고 조절하는 것도 가능하다.
선택 사항으로, 소형 버너/개질기 유닛의 일 방법을 제공하기 위해, 개질기 벽은 관형이고 버너 벽을 둘러싼다. 그러나 이것은 반드시 필요한 것은 아니고, 버너/개질기의 나란한 구성 또는 개질기의 두 구획 사이에 끼인 버너 구성도 가능하다.
버너와 개질기 사이에 공간이 있는 양태
이러한 소형 구성과 관련하여, 앞서 설명한 밸브를 이용하여 과열을 방지하는 제1 방법과 결합하기에 적합한, 개질기의 과열을 방지하는 제2 방법을 이하에서 설명한다.
이 제2 방법에서는, 개질기를 따라 연도 가스를 안내하는 데 사용된 버너 벽으로부터의 전도성 열과 단열시키기 위해, 예를 들어, 절연 재료로 채워진 절연 공간이 개질기 벽과 버너 벽 사이에 제공된다.
절연 공간을 통해 공기를 흐르게 하기 위해 공기, 선택 사항으로, 주변 공기를 절연 공간으로 공급하기 위해, 선택 사항으로, 공기 공급부가 제공된다. 예를 들어, 공기 흐름은 개질기의 벽을 따라 흐르며, 버너 벽으로부터 개질기 벽을 절연시킬 뿐만 아니라 절연 공간으로부터 오는 열을 제거한다. 공기 흐름은 버너 벽으로부터 오는 복사선에 의해 가열된 개질기를 냉각시킬 수도 있다.
유리하게는, 개질기는 개질기 벽 및 이 개질기 벽으로 둘러싸인 촉매를 포함한다. 개질기 벽은 관형이고, 중심축을 갖는 중공 원통체를 형성하는 내부 원통형 벽과 외부 원통형 벽을 포함하고, 중공 원통체는 중심축을 따라 일 방향으로 측정했을 때 개질기 길이(L)를 갖는다. 중공 원통체는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하고, 제1 단부는 제2 단부로부터 개질기 길이(L)만큼 이격된다. 일부 실시형태에서, 버너는 중공 원통체로 형성된 개질기의 중심 공동에 제공된다.
일부 양태에서, 버너는 관형 버너 벽을 포함한다. 유리하게는, 개질기의 내벽은 버너 벽을 둘러싸고, 버너 벽으로부터 이격되어 내벽과 버너 벽 사이에 공간을 제공하며, 버너-챔버는 연도 가스 도관에 의해 공간과 유체 흐름 가능하게 연통한다.
하우징은 개질기를 둘러싸고, 개질기의 외벽과 하우징 사이에 추가 공간이 제공된다. 공간과 추가 공간은 제1 단부에서 연결 전방-단부 챔버를 통해 상호 연결되어 열 교환 챔버를 형성한다. 원통형 개질기의 각각의 대향측에서 가열하면 가열 효율을 증가시킴과 동시에 열 과부하를 방지할 수 있다.
일부 양태에서, 개질기는 제1 단부에서 연료 증기용 입구와, 제2 단부에서 합성 가스용 출구, 및 입구로부터 출구로의 개질기 흐름 방향을 포함하고, 이 흐름 방향은 제1 단부로부터 제2 단부로 향하는 평균화된 일방향이다. 이 경우에, 공간에서 연도 가스의 흐름 방향은 개질기 흐름 방향과 반대이다.
동작을 위해 연도 가스는,
- 버너 챔버로부터 연도 가스 도관을 통해 개질기 주변의 열 교환 챔버의 일부인 공간으로 흐르고,
- 그런 다음 개질기의 내부 원통형 벽을 따라 (유리하게는 버너 챔버에 다시 들어가지 않고) 개질기의 제1 단부로 흐르며, 내벽을 통한 열 전도에 의해 촉매를 가열하기 위해 연도 가스로부터 내벽으로 열을 전달하고,
- 그런 다음 전방-단부 챔버를 통해 추가 공간으로 흐르고,
- 그런 다음 외벽을 따라 개질기의 제2 단부로 흐르고,
- 연도 가스 출구 도관을 통해 버너/개질기 유닛 밖으로 흐른다.
특히, 버너가 시동을 위해 대응하여 적극적인 연소로 사용되는 경우, 버너 벽과 내부 원통형 벽 사이의 공간이 개질기가 과열되는 것을 방지한다.
공간은 버너 벽과 개질기 벽 사이의 직접 접촉을 절연시키지만, 이 공간을 통해 버너 벽으로부터 나오는 열 복사선은 개질기 벽에 도달할 수 있다. 이 열 복사선은 개질기를 과열시킬 위험 없이 열 에너지가 전달되는 것을 추가한다.
예를 들어, 버너는 오프 가스 또는 연료를 버너로 분사하기 위해 분사 매니폴드를 포함하며, 여기서 분사 매니폴드는 제1 단부에서 또는 제1 단부 근처에서 주로 개질기에 복사 에너지를 제공하기 위해 제2 단부보다 개질기의 제1 단부에 더 가깝게 제공된다. 제1 단부에서 대부분의 에너지가 필요하지만, 개질기를 과열시키지 않아야 하므로 제1 단부에서 복사 에너지를 추가하는 것이 유리하다.
그러나, 버너로부터 개질기로 주된 열 전달은 연도 가스에 의해 열 에너지를 전달하는 것에 의해 달성된다.
버너와 개질기의 내부 원통형 벽 사이의 공간 내부에서 연도 가스의 흐름은 개질기를 통한 개질기 가스의 흐름 방향과 반대 방향인 반면, 개질기의 외부 원통형 벽과 하우징 사이에 있는 추가 공간에서의 흐름은 개질기에서의 개질기 가스의 흐름과 같은 방향이라는 것이 주목된다. 개질기에서의 개질기 가스는 난류 및 가능하게는 심지어 나선형 경로를 받기 때문에 가스와 관련하여 "방향"이라는 용어는 평균화된 방향인 것으로 이해되어야 하는 것이 강조된다. 예를 들어, 개질기 내부의 흐름이 나선형 경로를 따르는 경우에도 이 흐름은 평균 방향을 입구로 변경함이 없이 입구로부터 출구로 향하는 라인을 따라 평균화된 것이다.
일부 실시형태에서는, 위에서 설명된 바와 같이, 우회 밸브가 제공되지 않는다. 이러한 실시형태에서, 버너로부터의 전체 연도 가스는 개질기 주위로 안내되어, 연도 가스는 개질기의 외부 원통형 벽의 외측에 있는 추가 공간의 하류인 연도 가스 출구 도관을 통해서만 빠져나갈 수 있다. 특히, 이를 위해, 연도 가스가 하우징과 외부 원통형 벽 사이의 추가 공간을 우회하는 것을 방지하고 연도 가스가 개질기 주위로 항상 흐르도록 하기 위해 버너 챔버와 연도 가스 출구 도관 사이 및 공간과 연도 가스 출구 도관 사이에 분리 벽이 제공된다. 이러한 실시형태는 우회 밸브 없이 제공된다. 그러나, 다른 실시형태는 또한 전술한 바와 같이 이러한 우회 밸브를 포함한다.
이하의 선택 사항인 유리한 실시형태는 개질기로의 열 전달 프로파일을 최적화하는데 유용하다. 예를 들어, 연도 가스 도관은 버너 벽에 제공된다. 선택 사항으로, 버너 챔버로부터 열 교환 챔버로 연도 가스를 흐르게 하기 위한 연도 가스 도관은 제2 단부로부터 거리를 두고 제공되고, 이 거리는 L의 10% 내지 50% 범위이고, 이 거리는 개질기의 중심축을 따라 측정된 것이다. 선택 사항으로, 버너 챔버로부터 열 교환 챔버로 연도 가스를 흐르게 하기 위한 연도 가스 도관은 L의 5% 내지 60% 범위의 길이에 걸쳐 연장되고, 이 길이는 개질기의 중심축을 따라 측정된 것이다. 선택 사항으로, 이 거리와 이 길이의 합은 L의 15% 내지 80% 범위이다.
일부 실시형태에서, 개질기는 제1 단부와 제2 단부 사이 및 내부 원통형 벽과 외부 원통형 벽 사이에 연장되는 나선형 벽을 포함하고, 나선형 벽은 개질기를 통한 나선형 흐름 경로를 획정한다. 나선형 벽은 개질기를 통한 흐름 경로의 길이를 제1 단부로부터 제2 단부까지의 거리를 따른 직접 흐름보다 더 길게 연장한다. 이러한 나선형 경로는 개질기를 통해 두 방향으로 역류를 생성할 필요 없이 개질기의 흐름 경로를 더 길게 만든다는 점에서 종래 기술에 비해 이점이 있다. 또한 나선형 경로는 개질기에서 가스가 혼합되는 것을 개선한다.
예를 들어, 개질기 촉매는 효율적인 개질을 위해 나선형 벽의 선회부(winding)들 사이에 과립으로 제공된다.
선택 사항으로, 버너로부터 개질기의 벽으로 고온 연도 가스의 방출 위치를 조절함으로써 가열 프로파일을 최적화할 수 있다. 선택 사항으로, 하나를 초과하는 연도 가스 도관이 제공되며, 다수의 연도 가스 도관이 개질기의 온도 프로파일을 최적화하기 위해 개질기의 길이를 따라 서로 다른 위치에 제공된다.
물의 재활용에 관한 양태
더 일반적인 개선은 이하에서 언급되며, 이는 상기 실시형태에도 적용될 뿐만 아니라, 연료 전지에 물을 사용하는 연료 전지에, 예를 들어, HTPEM 연료 전지에 위에서 설명한 바와 같이 메탄올과 물의 혼합물을 사용하는 일반적인 원리로서 유용하다. 이 개선예에서 연료 전지 및/또는 버너로부터 나오는 물은 재활용된다.
일부 실제 실시형태에서, 액체 연료 공급부는 메탄올을 공급하기 위한 메탄올 저장소뿐만 아니라 물을 공급하기 위한 물 공급부를 포함하고, 증발기의 상류에 있는 혼합 지점에서 물을 메탄올과 혼합하고, 물 공급부는 버너의 연도 가스로부터 재활용되는 물을 공급하도록 구성된다.
예를 들어, 물 공급부는 혼합 지점으로부터, 증발기를 통해, 개질기를 통해, 연료 전지의 애노드 측을 통해, 버너를 통해, 응축기를 통해, 다시 혼합 지점으로 돌아가는 재활용 회로의 일부이다.
선택 사항으로, 재활용 회로는 연료 전지의 캐소드 측의 출구로부터 물을 첨가하도록 구성된다.
구체적인 실시형태에서, 물과 메탄올이 혼합 지점으로 공급되고, 물과 메탄올의 혼합물이 증발기에서 증발되며, 증발된 혼합물은 연료로서 개질기에 공급되고, 촉매와 반응하여 합성 가스를 생성하고, 이 합성 가스는 오프 가스를 생성하기 위해 연료 전지의 애노드 측으로 공급된다. 애노드로부터 나온 오프 가스는 버너로 공급되어 연소되고, 일반적으로 촉매 반응으로 연소되어 연도 가스를 생성하고, 이 연도 가스는 연도 가스에서 물을 응축하기 위해 응축기로 공급된다. 물은 사이클을 반복하기 위해 혼합 지점으로 다시 공급된다. 선택 사항으로 연료 전지의 캐소드 측의 출구로부터 나오는 물은 재활용 회로에 첨가된다.
선택 사항으로, 폐열을 사용하기 위해, 연료 전지 시스템은 냉각제로부터 버너의 상류 공기로 열 에너지를 전달하기 위해 추가 열 교환기를 포함한다. 이것은 버너-챔버에 들어가기 전에 공기의 온도를 높이는 데 사용되어 연료 전지 시스템의 에너지 효율을 증가시킨다.
양태
이하에서는 상호 관련되고 본 명세서에 언급된 다른 양태와 결합될 수 있는 다수의 양태를 설명한다.
양태 1. 연료 전지 시스템용 버너/개질기 유닛으로서, 버너/개질기 유닛은 연료 증기를 연료 전지를 위한 합성 가스로 촉매 변환하기 위한 촉매를 갖는 개질기, 개질기 주변의 하우징, 및 촉매를 가열하기 위해 개질기에 열 에너지를 제공하기 위한 버너를 포함하고;
개질기는 원통형 내벽과 원통형 외벽을 포함하고; 원통형 내벽과 원통형 외벽 사이에는 촉매가 위치되고; 내벽과 외벽은 중심축을 갖는 중공 원통체를 형성하고, 중공 원통체는 중심 축을 따라 일 방향으로 측정했을 때 개질기 길이(L)를 갖고, 중공 원통체는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하고, 제1 단부는 제2 단부로부터 개질기 길이(L)만큼 이격되고;
버너는 애노드 폐가스 또는 연료 또는 이 둘 다를 연소시킴으로써 연도 가스를 제공하도록 구성되고, 관형 버너 벽을 포함하고, 개질기의 내벽은 버너 벽을 둘러싸고, 버너 벽으로부터 이격되어 내벽과 버너 벽 사이에 공간을 제공하고, 버너-챔버는 연도 가스 도관에 의해 공간과 유체 흐름 가능하게 연통하고;
하우징은 개질기를 둘러싸고, 개질기의 외벽과 하우징 사이에는 추가 공간이 제공되고; 공간과 추가 공간은 제1 단부에서 연결 전방-단부 챔버를 통해 상호 연결되고;
버너/개질기 유닛은 연도 가스가 버너 챔버로부터 연도 가스 도관을 통해 공간으로 흐르고 나서, 버너 챔버로 다시 들어가지 않고 내부 원통형 벽을 따라 개질기의 제1 단부로 흐르며, 내벽을 통한 열 전도에 의해 촉매를 가열하기 위해 연도 가스로부터 내벽으로 열을 전달하고, 그런 다음 전방-단부 챔버를 통해 추가 공간으로 흐르고, 그런 다음 외벽을 따라 개질기의 제2 단부로 흐르고, 연도 가스 출구 도관을 통해 버너/개질기 유닛 밖으로 흐르도록 구성되고,
개질기는 제1 단부에서 연료 증기를 위한 입구와, 제2 단부에서 합성 가스를 위한 출구, 및 입구로부터 출구로 향하는 개질기 흐름 방향을 포함하고, 개질기 흐름 방향은 제1 단부로부터 제2 단부로 향하는 평균화된 일방향이고, 공간에서 연도 가스의 흐름 방향은 개질기 흐름 방향과 반대인 것을 특징으로 하는 버너/개질기 유닛.
양태 2. 양태 1에 있어서, 버너 챔버로부터 열 교환 챔버로 연도 가스를 흐르게 하기 위한 연도 가스 도관은 제2 단부로부터 제1 도관 거리만큼 이격되고, 제1 도관 거리는 개질기 길이(L)의 15% 내지 50% 범위이고, 제1 도관 거리는 개질기의 중심축을 따라 측정된 것인, 버너/개질기 유닛.
양태 3. 양태 2에 있어서, 버너 챔버로부터 열 교환 챔버로 연도 가스를 흐르게 하기 위한 연도 가스 도관은 개질기 길이(L)의 10% 내지 60% 범위에 있는 제1 도관 길이에 걸쳐 연장되고, 제1 도관 길이는 개질기의 중심축을 따라 측정된 것인, 버너/개질기 유닛.
양태 4. 양태 3에 있어서, 제1 도관 거리와 제1 도관 길이의 합은 L의 25% 내지 80% 범위에 있는, 버너/개질기 유닛.
양태 5. 양태 1 내지 양태 4 중 어느 하나에 있어서, 연도 가스 도관은 버너 챔버에 제1 천공 그룹으로서 제공되는, 버너/개질기 유닛.
양태 6. 양태 5에 있어서, 추가 연도 가스 도관이 버너 챔버에 제2 천공 그룹으로서 제공되고; 추가 연도 가스 도관은 연도 가스 도관보다 제1 단부에 더 가깝게 위치되고; 제1 그룹에서 인접한 천공들은 제1 간격으로 이격되고; 제1 그룹과 제2 그룹 간의 그룹 거리는 제1 간격의 적어도 10배이고; 추가 연도 가스 도관은 연도 가스 도관과 다른 총 흐름 면적을 갖는, 버너/개질기 유닛.
양태 7. 제1 양태 내지 제6 양태 중 어느 하나에 있어서, 버너는 버너 내로 오프 가스 또는 연료를 분사하기 위한 분사 매니폴드를 포함하고, 분사 매니폴드는 주로 제1 단부에서 개질기에 복사 에너지를 제공하기 위해 제2 단부보다 개질기의 제1 단부에 더 가까운 버너 챔버 내부에 제공되는, 버너/개질기 유닛.
양태 8. 제1 양태 내지 제7 양태 중 어느 하나에 있어서, 연도 가스가 개질기를 우회하는 것을 방지하고 대신 연도 가스가 공간과 추가 공간으로 흐르게 하기 위해 버너 챔버와 연도 가스 출구 도관 사이 및 공간과 연도 가스 출구 도관 사이에 분리 벽이 제공되는, 버너/개질기 유닛.
양태 9. 제1 양태 내지 제8 양태 중 어느 하나에 있어서, 개질기는 제1 단부와 제2 단부 사이 및 내부 원통형 벽과 외부 원통형 벽 사이에 연장되는 나선형 흐름 안내부를 포함하고, 나선형 흐름 안내부는 개질기의 중심축을 따라 측정했을 때 개질기를 통한 흐름 경로의 길이를 제1 단부로부터 제2 단부까지의 거리보다 더 길게 연장시키기 위해 개질기를 통한 나선형 흐름 경로를 획정하고, 촉매는 나선형 흐름 안내부의 선회부들 사이에 제공되는, 버너/개질기 유닛.
양태 10. 양태 1 내지 양태 7 중 어느 하나에 따른 버너/개질기 유닛을 동작시키는 방법으로서, 방법은 연도 가스가 버너 챔버로부터 연도 가스 도관을 통해 공간으로 흐르고 나서, 버너 챔버로 다시 들어가지 않고 내부 원통형 벽을 따라 개질기의 제1 단부로 흐른 다음, 전방-단부 챔버를 통해 추가 공간으로 흐른 후, 외벽을 따라 개질기의 제2 단부로 흐르고, 연도 가스 출구 도관을 통해 버너/개질기 유닛 밖으로 흐르는 단계를 포함하고, 방법은 제1 단부에서 연료 증기를 위한 입구와, 제2 단부에서 합성 가스를 위한 출구를 갖는 개질기를 제공하는 단계, 및 입구로부터 출구로 흐름 방향을 유발하는 단계를 포함하고, 상기 흐름 방향은 제1 단부로부터 제2 단부로 향하는 평균화된 일방향이며, 공간에서 연도 가스의 흐름 방향은 개질기 흐름 방향과 반대인 것을 특징으로 하는 버너/개질기 유닛을 동작시키는 방법.
양태 11. 자동차의 연료 전지 시스템을 위한 양태 1 내지 양태 9 중 어느 하나에 따른 버너/개질기 유닛의 용도.
양태 12. 양태 11에 있어서, 연료 전지 시스템은 메탄올과 물의 혼합물인 액체 연료와 함께 섭씨 120도 내지 200도 범위의 온도에서 동작하도록 구성된 HTPEM 연료 전지를 포함하는, 버너/개질기 유닛의 용도.
도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 연료 전지 시스템의 일례를 도시한다.
도 2a는 소형 버너/개질기 유닛이 정상 상태에서 동작하는 경우의 밸브를 갖는 대안적인 실시형태를 도시한다.
도 2b는 시동 상태의 대안적인 실시형태를 도시한다.
도 3은 연료 전지 시스템에 대한 흐름도를 도시한다.
도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 오프셋 연도 가스 도관을 갖는 대안적인 실시형태를 도시한다.
도 5a는 나선형 흐름 안내부를 포함하는 개질기를 갖는 소형 버너/개질기 유닛의 사시도를 예시한다.
도 5b는 나선형 흐름 안내부를 갖는 개질기의 단면도이다.
도 1은 연료 전지(16), 일반적으로, 연료 전지 스택, 및 버너(7)와 개질기(6)를 포함하는 버너/개질기 유닛(10)을 갖는 연료 전지 시스템(1)을 도시한다. 버너(7)는 개질기(6)를 가열하기 위한 열 에너지를 갖는 연도 가스를 생성하기 위한 버너-챔버(7a)를 포함한다. 버너-챔버(7a) 내에는 일반적으로 버너-촉매가 제공되지만, 도 1 및 도 2에서 간략화를 위해 도시되지 않았다.
예를 들어, 버너(7)는 개질기(6)가 내부에 위치된 열 교환 챔버(10b)의 두 층 사이에 끼워진다.
대안적으로, 버너(7)는 원통형이고, 내부 공동 및 링형 단면을 갖는 중공 관으로 형성된 원통형 관형 열 교환 챔버(10a)에 의해 둘러싸여 있다. 특히, 원통형 구성은 소형이어서 공간이 부족한 자동차에 사용할 때 유리하다.
원통형 개질기(6)는 내부 원통형 벽(6c) 및 이 내부 원통형 벽(6c)과 동축인 외부 원통형 벽(6d)을 포함하는 개질기 벽(6b) 내에 제공된다.
공기 입구(31)는 버너-챔버(7a)로 공기 흐름(32)을 제공한다. 오프 가스 입구(3)와 분사 매니폴드(4)를 통해, 연료 전지(16)의 애노드로부터 오프 가스(3a)가 버너-챔버(7a)로 들어가고, 오프 가스는 연료 전지(16)에서 반응한 후에도 연료가 남아 있기 때문에 버너(7)에서 연료로 사용된다. 버너-챔버(7a)에서 연소된 연도 가스(13a)는 열 교환 챔버(10a)로 흐른다.
상당한 열을 함유하는 연도 가스(13a)는 개질기의 벽을 따라 흐름으로써 개질기(6)의 벽(6b)의 외측을 가열한다. 일반적인 금속 벽인 벽(6b)을 통해 열 에너지를 전도하는 것에 의해, 연도 가스(13a)로부터의 열 에너지는 개질기 벽(6b)에 의해 둘러싸인 공간 내 촉매(6a)로 전달된다.
개질기(6)의 가열된 촉매(6a)는, 투입 공급부(19)로부터 물이 공급되고 메탄올 투입 밸브(20)를 통해 메탄올이 공급되는 혼합 지점(38)의 하류에 배치된 증발기(28)로부터 물과 메탄올의 혼합물을 수용한다. 혼합물은 원통형 개질기(6)의 제1 단부(40a)에서 입구(24a)를 통해 개질기(6)로 들어간다. 개질기(6)에서, 혼합물은 촉매와 반응하여 합성 가스를 생성하고, 합성 가스는 원통형 개질기(6)의 제2 단부(40b)에서 출구(24b)를 통해 개질기(6)를 떠나고, 출구로부터 합성 가스는 연료 전지(16)의 애노드로 공급된다. 캐소드에는 산소를 제공하기 위해 압축기(17)로부터 공기가 공급된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 버너 챔버(7a)의 벽(7b)은 개질기 벽(6b)과 접하지 않고, 특히 개질기(6)의 내벽(6c)과 접하지 않고, 그 사이에 공간(10b)이 제공되고, 이 공간은 버너 챔버 벽(7b)으로부터 개질기 벽(6b)으로 직접 열 전도를 방지하며 절연성이다. 이것은 개질기(6)가 과열되는 것을 유리하게 방지한다.
일부 종래 기술과 달리, 개질기(6)는 개질기 가스를 원통형 개질기(6)의 제1 단부(40a)를 향하는 역류 흐름으로 방향 전환시키는 제2 스테이지를 갖지 않는다. 대신에, 평균화된 개질기 흐름은 화살표로 표시된 바와 같이 개질기(6)의 제1 단부(40a)로부터 제2 단부(40b)로 향하는 일방향이다.
버너(7) 내 연도 가스(13a)는 제2 개질기 단부(40b)를 향하는 방향을 갖고, 그런 다음 분리 벽(52)에서 연도 가스 도관(12)을 통해 열 교환 챔버(10a)로 들어간다.
분리 벽(52)은 개질기의 제2 단부(40b)에 제공되고 중실이며, 분리 벽은, 버너 챔버(7a)를 포함하고 내벽(6c)에 의해 구획되는 중공 챔버를 가로질러 연장된다. 분리 벽(52)은 연도 가스 출구 도관(9)과 연도 가스 챔버(13)로부터 버너(7)와 열 교환 챔버(10a)의 상류 부분을 분리하여, 따라서 연도 가스가 연도 가스 챔버(13a)에 도달하는 유일한 옵션은 개질기(6) 주위로 흐르는 것에 의하도록 한다. 도 1에 예시된 바와 같이, 열 교환 챔버(10a)의 상류 단부는 개질기(6)의 하류의 대략 제2 단부(40b)에 있다.
연도 가스(13a)가 버너 챔버(7a)의 단부에서 연도 가스 도관(12)을 통해 열 교환 챔버(10a)로 들어갈 때, 연도 가스는, 열 교환 챔버(10a)에서 내부 원통형 벽(6c)을 따라 개질기(6)의 제1 단부(40a)를 향해 반대 방향을 향하는 역류 흐름으로 방향을 변경하고, 이 변경된 방향은 버너 챔버(7a)에서 흐르는 방향과 반대 방향이고, 개질기(6)에서 개질기 가스의 흐름 방향과 반대 방향이다. 제1 단부(40a)에 도달할 때, 연도 가스(13a)는 개질기(6)의 제1 단부(40a) 주위로 흐르고, 하우징(39) 내에서 다시 한번 방향을 변경하여 개질기(6)의 외부 원통체 벽(6d)을 따라 버너 챔버(7a) 및 개질기(6)에서의 흐름과 동일한 방향으로 평행하게 흐른다.
연도 가스(13a)로부터 개질기(6)로 열 에너지를 전달한 후, 개질기(6)의 제2 단부(40b)에 도달하면, 연도 가스(13a)는 제2 단부(40b)에서 열 교환 챔버(10a)를 빠져나가 연도 가스 도관(9)을 통해 연도 가스 챔버(13)로 흐른다.
이러한 구성의 장점은, 내부 원통형 벽(6c)으로부터 뿐만 아니라 외부 원통형 벽(6d)으로부터 개질기(6)의 촉매 반응을 위한 열을 전달함으로써, 개질기가 비교적 큰 직경을 가지더라도 양측으로부터 보다 균일하게 개질기(6) 내 반응을 가열할 수 있다는 것이다. 내부 원통형 벽(6c)만이 가열되거나 외부 원통형 벽(6d)만이 가열되면, 열 전달이 최적화되지 않는다.
개질기의 일측만이 가열되는 종래 기술 구성에서는 버너의 벽을 나선형 벽 구조물에 의해 개질기 내로 연장함으로써 충분한 열의 부족을 개선하려고 시도하였다. 그러나, 이러한 종래 기술의 원리는 버너의 벽이 금속 벽을 통한 열 전도에 의해 열을 개질기 내로 안내한다는 것을 의미한다. 이것은 버너가 적당한 열로 사용하지 않는 경우 열 전달이 너무 적극적이기 때문에 버너가 적당한 열로만 사용될 것을 요구한다. 그 결과 종래 기술에서는 버너를 고효율로 사용할 수 없어 깨끗한 연소가 방지된다. 본 발명에서는 이러한 단점을 극복한다.
대체로, 예시된 실시형태와 종래 기술을 비교하면, 개질기 벽(6b)을 따라 흐르는 연도 가스(13a)의 흐름을 통해 간접적으로 열을 전달하면 버너 벽(7b)으로부터 금속 벽을 통해 개질기 벽(6b)으로 직접 열을 전달하는 것보다 더 적당한 열을 생성할 수 있음과 동시에, 열이 내부 원통형 벽(6c)과 외부 원통형 벽(6d) 모두로 전달되기 때문에 크고 최적화된 총 열량을 제공할 수 있다.
선택 사항으로, 버너(7)로부터 버너 벽(7b)을 통한 복사 에너지가 추가되어 효율을 증가시킨다.
선택 사항으로, 연료 전지(16)의 상류에 있는 냉각 회로(22)의 냉각된 냉각제는 연도 가스 챔버(13)의 하류에 있는 열 교환기(14)에서 열을 교환하는 것에 의해 연도 가스(13b)로부터 추가 열 에너지를 수용한다.
연료 전지(16)의 캐소드로부터 연결부(33)를 통해 공기와 수증기가 연도 가스 챔버(13)로 들어가고, 열 에너지를 냉각 회로(22)의 냉각제로 전달하기 위해 열 교환기(14)에 도달하기 전에 연도 가스(13a)와 혼합되고, 냉각-액체는 펌프(15)에 의해 냉각 회로를 통해 펌핑된다.
연료 전지(16)로부터 추가 열 에너지를 흡수함으로써 연료 전지(16)를 냉각시킨 후, 냉각제는 추가 열 교환기(18)로 들어가고, 이 추가 열 교환기를 통해 다른 구성 요소, 예를 들어, 차량의 배터리 또는 실내를 가열하기 위해 열을 사용한다.
정상 상태 동작 동안 HTPEM 연료 전지 스택의 일반적인 섭씨 온도는,
연료 전지: 섭씨 170도
냉각-액체: 섭씨 160도
개질기의 촉매: 섭씨 280도
연도 가스: 섭씨 350도 내지 400도
선택 사항으로, 시동 상황에서 동일한 버너(7)를 초기 가열 버너로 사용할 수 있다. 이 경우, 메탄올은 메탄올 입구(2)를 통해 대응하는 메탄올 주입 밸브(21)로부터 수용되고, 메탄올 분사 노즐(5)을 통해 버너-챔버(7a)로 분사된다. 촉매 연소를 위해, 일반적으로 버너 촉매에 의한 연소를 위해, 공기(32)는 공기 입구(31)를 통해 들어온다.
연도 가스는 연도 가스(13a)가 버너 챔버(7a)를 빠져나가 개질기 벽(6b)에 접근하는 위치에서 가장 많은 양의 열을 내부 원통형 벽(6c)으로 전달한다. 점차적으로 연도 가스(13a)는 내부 원통형 벽(6c)을 따라 제1 단부(40a)를 향해 흐르면서 감소된 온도를 갖는다. 그러나, 이것은 반드시 제1 단부(40a)에 있는 내부 원통형 벽(6c)이 가장 낮은 총 열량을 수용한다는 것을 의미하는 것은 아니다. 이것은 버너 챔버(7a)의 온도가 노즐(5)에서 가장 높기 때문에 버너 벽(7b)으로부터의 복사 에너지가 특히 제1 단부(40a)에 있는 내부 원통형 벽(11c)에 추가되기 때문이다.
추가 개선은 도 2a 및 도 2b에 도시되고, 도 2b는 설명의 편의를 위해 연료 전지 시스템의 일부만을 도시한다. 액추에이터(11)에 의해 조절되고 시동 상황에서 개질기(6)를 우회하도록 연도 가스(13a)를 연도 가스 챔버(13)로 안내하는 데 사용되는 폐쇄 부재(8a)가 있는 우회 밸브(8)가 특히 주목된다.
도 2a의 시스템은, 밸브(8)가 폐쇄되어 있고 분리 벽(52)을 대체하기 때문에 도 1의 시스템과 유사한 상황을 도시한다. 이 실시형태에서, 도 2a는 정상 상태 동작 동안의 구성을 도시하고, 도 2b는 시동 상황을 도시한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 우회 밸브(8)의 폐쇄 부재(8a)는, 폐쇄 부재(8a)가 밸브 시트(8b)로부터 후퇴되고 우회 밸브(8)가 완전히 개방되어서, 연도 가스(13a)가 개질기(6)를 포함하는 열 교환 챔버(10a)를 우회하여 버너-챔버(7a)로부터 연도 가스 챔버(13)로 흐르도록 버너-챔버(7a)가 연도 가스 챔버(13)에 연결된 구성으로 된 것이다.
시동 상황에서, 메탄올(2a)은 메탄올 입구(2)를 통해 수용되고 메탄올 분사 노즐(5)을 통해 버너-챔버(7a)로 분사된다. 연소, 일반적으로 버너 촉매에 의한 연소를 위해, 공기(32)는 공기 입구(31)를 통해 들어온다.
도시되고 논의된 바와 같이, 버너 벽(7b)은 개질기 벽(6b)과 접하지 않고, 이들 사이에 절연 공간(10b)이 제공되어, 버너-챔버 벽(7b)으로부터 개질기 벽(6b)으로 직접 열 전도가 일어나는 것을 방지한다. 선택 사항으로, 버너(7)의 열로부터 개질기(6)를 추가로 보호하기 위해, 우회 공기 흐름(42A)이 공기 우회 오리피스(42)를 통해 수립되어, 공기 입구(31)로부터 버너 벽(7b)과 내부 개질기 벽(6b) 사이의 절연 공간(10b)으로 버너-챔버(7a)의 외측을 따라 공기 흐름(42A)을 생성할 수 있다. 공기 흐름(42A)은 버너-챔버(7)의 고온 버너 벽(7b)으로부터 개질기(6)를 추가로 절연시킬 뿐만 아니라 개질기 벽(6b)으로부터 열을 제거할 수 있다. 도시된 실시형태에서, 우회 공기 흐름(42A)은 밸브(8)를 통해 열 교환 챔버(10a)를 떠나 연도 가스 챔버(13)에서 연도 가스(13a)와 결합된다. 선택 사항으로, 우회 오리피스는 우회 공기 흐름을 조절하기 위해 폐쇄될 수 있다.
선택 사항으로, 우회 밸브(8)를 부분적으로만 개방하는 것이 가능하며, 이 경우 폐쇄 부재(8a)는 밸브 시트(8b)로부터 약간만 후퇴된다. 이 경우, 연도 가스(13a)의 일부는 열 교환 챔버(10a)를 통과하고, 다른 일부는 우회 밸브(8)를 통과한다. 이는 과열을 방지하면서 개질기(6) 및 촉매(6a)의 온도를 조절하는 데 유용하다. 예를 들어, 시동 상황에서, 연료 전지(16)를 적극적으로 신속히 가열하기 위해 우회 밸브(8)를 초기에는 완전히 개방한 다음, 구성 요소들이 충분히 높은 온도에 도달하여 일반적인 정상 상태의 연료 전지 동작으로 들어갈 때까지 개질기(6)를 점진적이고 부드럽게 가열하기 위해 우회 밸브(8)를 부분적으로 폐쇄하고 이후 우회 밸브(8)를 폐쇄한다.
원칙적으로, 우회 밸브(8)를 사용하여, 연료 전지 시스템의 정상 상태 동작 동안에도 개질기(6)로의 열 전달을, 예를 들어, 지속적으로 조절하고 최적화하는 것이 가능하다.
도 3은 연료 전지 시스템을 통한 흐름의 일부를 도시한다. 메탄올 탱크(23)로부터, 메탄올(2a)이 물 공급부(19)로부터의 물과 혼합 지점(38)에서 혼합되기 위해 메탄올 주입 밸브(20)를 통해 흐른다. 혼합 지점(38)의 하류의 증발기(28)에서 증발된 후, 증발된 공기/메탄올 혼합물은 촉매와 반응하여 합성 가스로 변환되기 위해 입구(24a)를 통해 개질기(6)로 공급되고, 합성 가스는 출구(24b)를 통해 개질기(6)를 떠나 연료 전지(16)의 애노드 측으로 공급된다.
전기를 공급하기 위한 연료 전지에서 촉매와 반응한 후, 부분적으로 변환된 합성 가스는 연료 전지의 애노드 측에서 오프 가스로서 빠져나가고, 오프 가스는 버너 오프 가스 입구(3)를 통해 버너-챔버(7a)로 들어가 버너(7)에서 연료로 사용된다. 공기는 공기 입구(31)를 통해 버너(7)에 제공된다.
이제 도 3을 참조한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 밸브(8)가 개방될 때, 버너-챔버(7a)에서 촉매 변환된 합성 가스/공기 혼합물은 연도 가스(13a)로서 밸브(8)를 통해 버너를 빠져나가 연도 가스 챔버(13)로 흐르고, 도 3에 도시된 바와 같이, 캐소드로부터의 수증기 및 남아 있는 공기와 혼합 지점(33)에서 혼합된다. 고온 혼합물은 연도 가스 챔버(13)를 떠나 열 교환기(14)에서 열을 냉각 회로(22)의 액체로 전달한다. 그런 다음 증기는 응축기(27)에서 응축되고 물은 개질기(6)에 들어가기 전에 혼합 지점(38)에서 메탄올(2a)과 혼합하기 위해 재활용된다.
밸브(8)가 개방될 때, 열 교환기(10b)를 통한 흐름에 저항이 발생하는 것으로 인해 연도 가스의 극히 일부만이 개질기(6) 주위로 흐른다. 그러나, 밸브(8)가 폐쇄되면 도 2a에 도시된 바와 같이, 버너(7a)로부터의 연도 가스는 열 교환 챔버(10a) 내로 및 개질기(6) 주위로 가압되고 개질기(6)를 떠나 출구 도관(9)을 통해 연도 가스 챔버(13)로 흐른다. 밸브(8)의 완전 폐쇄 및 완전 개방 사이 임의의 중간 위치에서는 연도 가스의 대응하는 일부분은 열 교환 챔버(10a)를 통해 흐르고 나서 개질기(6)를 떠날 수 있고, 연도 가스의 다른 부분은 버너(7a)를 떠나 연도 가스 챔버(13)로 흐를 수 있다.
도 3의 도시된 예에서, 버너로부터 직접 또는 개질기(6)로 열을 전달한 후의 연도 가스(13a) 및 캐소드로부터의 증기는 재활용되고, 이후 합성 가스를 생성하기 위해 응축기(27)의 하류의 혼합 지점(38)에서 메탄올과 혼합된다. 이것은 연료 전지의 물 순환이 폐쇄 회로임을 의미한다.
1차 냉각 회로(22)에서, 연료 전지 라디에이터(FC 라디에이터)는 냉각제 펌프(15)에 의해 펌핑되는 냉각제의 온도를 조절하기 위해 사용된다.
선택 사항으로, 냉각기(26)를 통한 2차 냉각 회로(35)는 다른 장비의 온도를 조절하기 위해, 예를 들어, 차량의 배터리(37)를 가열 및/또는 냉각하거나 차량의 실내를 가열하기 위해 제공된다. 도시된 바와 같이, 가열 또는 냉각을 위해, 1차 냉각 회로(22)와 2차 냉각 회로(35) 사이에 열 에너지를 교환하기 위해 열 교환기(18)가 제공된다. 펌프(36)에 의해 펌핑되는 2차 냉각 회로(35)의 냉각제로부터의 열은 배터리(37)를 유리한 고정된 온도를 유지하기 위해, 예를 들어, 시동 동안 가열된 온도를 유지하고 정상 상태 동작 동안 냉각된 온도를 유지하기 위해 대응하는 열 교환기(18)를 통해 전달된다.
선택 사항으로, 추가 냉각 회로는 예를 들어 차량의 실내 난방을 위해 추가 열 교환기(18a)를 통해 1차 냉각 회로(22)와 열 에너지를 교환한다.
버너(7)의 상류에 있는 열 교환기(30)는 버너(7)에 들어가기 전에 공기를 예열하는 데 사용되며, 이는 시동 속도를 증가시키고 또한 버너(7)의 효율을 증가시키는 데 유리하다. 공기는 또한 압축기(17)로부터 공기의 온도를 조절하기 위해 연료 전지(16)의 캐소드 측의 상류의 상이한 열 교환기(29)에서 가열된다.
도 1 및 도 2a와 관련하여, 제1 단부(40a)에서 버너 벽(7b)으로부터의 연도 가스 및 복사 열이 결합하는 것에 의해 제1 단부(40a)에서 전달되는 열량에 비해 직접 버너 가스로부터 제2 개질기 단부(40b)에서 전달되는 열의 양은 도 4a와 관련하여 설명된 구성으로 더 잘 조절될 수 있다.
이 경우, 버너 챔버(7a)로부터 연도 가스(13a)를 위한 연도 가스 도관(12)은 개질기(6)의 제2 단부(40b)와 거리(45)를 두고 원통형 버너 벽(7b)에 복수의 개구(12')로서 제공되어, 연도 가스(13a)는 개질기(6)의 제2 단부(40b)로부터 원위에서 열 교환 챔버(10a)로 들어간다. 정확한 구성에 따라, 거리(25)는 조절된다. 또한, 개질기(6)의 중심축을 따라 연도 가스 도관(12)의 연장 거리(26)는 최적화를 위해 조절될 수 있다.
다수의 개구에 대한 대안으로서, 단일 개구(12'), 예를 들어, 원통형 축을 따라 측정했을 때 거리(26)에 걸쳐 연장되는 슬릿 개구가 연도 가스 도관에 사용될 수 있다. 예를 들어 단일 개구는 나선형 슬릿이다. 그런 다음 거리(25)는 개구에 대해서와 유사하게, 즉 개질기(6)의 중심축을 따라 측정했을 때 제2 단부에 가장 가까운 개구의 위치로부터 측정된다.
추가 대안으로서, 연도 가스 도관(12)으로 작용하는 개구(12')를 갖는 여러 구역이 최적화를 위해 제1 단부(40a)와 제2 단부(40b) 사이에 배열될 수 있다. 연도 가스 도관(12)을 이격된 추가 연도 가스 도관(12A)으로 보충한 일례는 도 4d에 도시되어 있다.
도 4a의 예시된 도시에서, 버너 단부 벽(7c)은 개질기(6)의 제2 단부(40b)에 제공되고 분리 벽(52)과 일체이다. 그러나, 반드시 그럴 필요는 없고, 도 4b에 도시된 바와 같이 버너(7)의 단부 벽(7c)은 개질기(6)의 제2 단부(40b)에 있는 분리 벽(52)에 대해 원위에 있을 수 있다.
선택 사항으로, 버너 단부 벽(7c)은 도 4c에 도시된 바와 같이 연도 가스 도관(12)의 단부에 제공된다. 예를 들어, 버너 단부 벽(7c)은 연도 가스 도관(12)의 단부를 형성한다.
버너 챔버(7a)와 공간(10b)은 연도 가스 도관(9)으로부터 밀봉되고 분리되어, 연도 가스(13a)는 연도 가스 도관(9)을 통해 연도 가스 챔버(13)로 흐르기 전에 전방 단부(30)에서 개질기(6) 주위로 흐르고 나서 외부 원통형 벽과 하우징(39) 사이의 추가 공간(10c)을 통해 흘러야 한다는 것이 주목된다.
그러나, 연도 가스 도관(12)이 개질기(6)의 제2 단부(40b)로부터 오프셋된 구성은 밸브(8)를 갖는 도 2의 실시형태와 결합될 수 있다.
버너/개질기 유닛의 일례가 도 5a에 음영 처리된 반투명 예시로 도시되어 있고 도 5b에 단면도로 도시되어 있다. 분사 매니폴드(4)는 도시되지 않았지만 선택 사항으로 도 1 및 도 2의 것과 유사하고, 도 5에 도시된 바와 같이 버너 챔버(7a)에 삽입되어 있다. 또한, 버너-챔버(7a) 내에는, 일반적으로, 버너-촉매가 예를 들어 과립 형태로 제공되지만, 이는 간략화를 위해 도시되지 않았다.
개질기(6) 내부의 나선형 흐름 안내부(44)는 개질기 가스를 내부 원통형 벽(6c)과 외부 원통형 벽(6d) 사이의 개질기(6)에서 나선형으로 이동시킨다. 개질기 내부의 가스의 평균화된 흐름 방향은 가스의 나선형 운동에도 불구하고 입구(24a)로부터 출구(24b)로 향하는 일방향이라는 것이 주목된다.
도 5b에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 버너 챔버(7)의 연도 가스(13a)는, 예시된 도시에서, 개질기(6)의 총 길이(L)의 일부, 예를 들어, 5% 내지 50% 범위인, 연도 가스 도관(12)의 길이(26)에 걸쳐 분포된 복수의 개구(12')로 구성된 연도 가스 도관(12)을 통해 버너 챔버(7a)를 빠져나간다.
연도 가스 도관(12)은 개질기(6)의 제2 단부(40b)로부터 거리(25)를 두고 제공되고, 이 거리(25)는 일반적으로 L의 10% 내지 60% 정도이다.
총 길이(25+26)는 일반적으로 L의 80% 미만이고 일반적으로 L의 15%보다 크다.
연도 가스(13a)가 연도 가스 도관(12)을 통해 버너 챔버(7a)를 떠났을 때, 연도 가스(13a)는 버너 벽(7b)의 외측과 개질기(6)의 내부 원통형 벽(6c) 사이의 공간(10b)의 열 교환 챔버(10a) 내로 이동한다. 개질기(6)의 내부 원통형 벽(6c)을 따라 흐르는 동안, 연도 가스(13a)는 내부 원통형 벽(6c)으로 열을 전달하고 또한 원통형 고온 버너 벽(7b)으로부터 새로운 열을 흡수한다. 더욱이, 복사 에너지는 버너 벽(7b)으로부터 개질기(6)의 내부 원통형 벽(6c)으로 전달된다. 따라서, 버너(7)와 개질기(6) 사이의 열 전달은 복잡하다.
버너 벽(7b)의 외측과 개질기(6)의 내부 원통형 벽(6c) 사이의 공간(10b)의 열 교환 챔버(10a)의 연도 가스(13a)는 개질기(6)의 제1 단부(40a)를 향해 흐르고 나서, 환형 연도 가스 전방-단부 챔버(50)에서 방향을 변경하고, 하우징(39)과 개질기(6)의 외부 원통형 벽(6d) 사이의 추가 공간(10c)에서 개질기(6)의 제2 단부(40b)를 향해 열 교환 챔버(10a)에서 계속 흐른다. 개질기(6)의 제2 단부(40b)에서, 연도 가스(13a)는 연도 가스 출구 도관(9)을 통해 연도 가스 챔버(13)로 흐른다.
탐침(47)은 개질기(6)의 온도를 모니터링하는 데 사용되고, 다른 탐침(48)은 버너(7)의 연도 가스(13a)의 온도를 모니터링하는 데 사용된다.
가능한 예시적 치수는 다음과 같다:
- 개질기 직경: 50 mm 내지 200 mm
- 개질기 길이: 300 mm 내지 1000 mm
- 버너 직경: 개질기 직경의 20% 내지 40%
- 열 교환 챔버(10a)의 폭: 1 mm 내지 4 mm
- 버너 벽 및/또는 개질기 벽의 두께: 05 mm 내지 1.5 mm(일반적으로 금속)
도 5의 실시형태는 다음과 같은 다양한 요인의 상호 작용을 포함한다:
- 버너 벽(7b)과 개질기(6)의 내부 원통형 벽(6c) 사이의 공간(10b);
- 내부 원통형 벽(6c)을 따라 연도 가스(13a)가 흐르기 위해 버너 벽(7b)과 개질기(6)의 내부 원통형 벽(6c) 사이의 공간(10b)에 있는 열 교환 챔버(10a);
- 개질기(6)의 제1 단부(40a) 주위를 거쳐 개질기(6)의 외부 원통형 벽(6d)을 따라 외부 원통형 벽(6d)과 하우징(39) 사이의 추가 공간(10c)으로 열 교환기 챔버(10a)의 연장 거리;
- 연도 가스가 버너 챔버(7a)를 떠나는 연도 가스 도관(12)의 제공, 여기서 연도 가스 도관(12)은 개질기(6)의 제1 단부(40a)와 제2 단부(40b) 사이에 그리고 개질기(6)의 중심축(43)을 따라 측정했을 때 제2 단부(40b)에 대해 원위에 제공된다;
- 개질기(6) 내부의 나선형 흐름 안내부(44).
버너 벽(7b)과 개질기(6)의 내부 원통형 벽(6c) 사이의 공간(10b)은 버너(7)에 의해 개질기(6)가 과열되는 것을 방지한다. 그러나, 버너(7)로부터 개질기(6)로 충분한 열 에너지가 전달되는 것을 여전히 보장할 필요가 있다. 이것은 특히 개질기(6) 내부의 개질기 가스의 흐름 경로를 연장시키는 나선형 흐름 안내부(44)가 있는 경우에 그러하다. 나선형 흐름 안내부(44)는 개질기(6)를 소형으로 유지하면서도 개질 효율을 증가시키기 때문에 유리하지만, 다른 한편으로 개질기의 제1 단부(40a)로부터 제2 단부(40b)로 직선 경로보다 더 많은 열 에너지를 요구한다는 것을 의미한다. 과열 없이 열 에너지의 전달을 증가시키기 위해, 연도 가스(13a)는 내부 원통형 벽(6c)뿐만 아니라 외부 원통형 벽(6d) 모두를 따라 안내되어, 중공 원통형 개질기의 양측으로부터 열 에너지를 전달한다. 입구(24a)로부터 출구(24b)로 향하는 일방향 경로 동안, 개질기(6) 내부의 가스는 양측으로부터 가열된다. 더욱이, 온도 프로파일은 개질기(6)의 제1 단부(40a)와 제2 단부(40b) 사이에 그리고 제2 단부(40b)에 대해 원위에 연도 가스 도관(12)을 위치시킴으로써 최적화될 수 있다. 이렇게 연도 가스 도관(12)의 위치를 조정함으로써 그리고 선택 사항으로 하나 이상의 추가 연도 가스 도관에 의해, 열 에너지에 대한 수요가 가장 높은 제1 단부(40a) 근처의 개질기(6)의 상류 부분에 더 많은 열 에너지를 제공할 수 있는 반면, 대부분의 가스가 이미 개질된 것으로 인해 에너지 수요가 적은 개질기(6)의 제2 단부(40b)에서 더 적은 열 에너지를 제공한다. 그러나, 제1 단부에서의 에너지의 공급은 버너 벽(7b)으로부터의 복사 에너지와 균형을 이루어야 하며, 이는 버너 매니폴드가 제공되어 연소 반응이 시작되는 제1 단부에서 가장 높기 때문이다. 따라서, 다양한 요인이 긴밀한 상호 작용을 하여 함께 최적화를 위한 시너지 효과를 초래한다.
그러나, 버너/개질기 시스템, 예를 들어, 종래 기술의 버너/개질기 시스템에서 개별적으로 사용되는 경우에도, 이들 요인은, 위에 언급된 모든 다른 요인과 함께 사용되지 않음에도 불구하고 또한 개선을 가져올 수 있다.
1) 연료 전지 시스템
2) 버너(7)용 메탄올 입구
2a) 메탄올 입구(2)로부터 챔버(7a)로 흐르는 메탄올
3) 연료 전지(16)의 애노드로부터의 오프 가스용 버너 입구
3a) 애노드 오프 가스
4) 버너(7)로 오프 가스 또는 연료를 분사하기 위한 분사 매니폴드
5) 메탄올 분사 노즐
6) 개질기
6a) 메탄올을 수소로 개질시키기 위한 메탄올-수소용 개질기(6)의 촉매
6b) 개질기 벽
6c) 개질기의 내부 원통형 벽
6d) 개질기(6)의 외부 원통형 벽
7) 버너
7a) 버너-챔버
7b) 버너 벽
7c) 버너 단부 벽
8) 우회 밸브
39a) 우회 밸브(8)의 폐쇄 부재
9) 연도 가스 출구 도관
10) 버너/개질기 유닛
10a) 버너 벽(7b)과 내부 개질기 벽(6c) 사이의 열 교환 챔버
10b) 버너 벽(7b)과 내부 개질기 벽(6c) 사이의 공간
10c) 하우징(43)과 외부 개질기 벽(6d) 사이의 추가 공간
11) 우회 밸브(8)용 액추에이터
12) 버너 챔버(7a)로부터 열 교환 챔버(10a)로의 연도 가스 도관
12') 연도 가스 도관(12)의 개구
12A) 추가 가스 도관
우회 13) 연도 가스 챔버
13a) 연도 가스
14) 연도 가스(13a)와 냉각 회로(22) 사이의 열 교환을 위한 열 교환기
15) 냉각 루프(2)의 액체 순환 펌프
16) 연료 전지
17) 공기 압축기
18) 예를 들어 배터리 가열용 보조 열 교환기
139a) 예를 들어 실내 또는 다른 장비 가열용 보조 열 교환기
19) 개질기용 물 투입 공급부
20) 개질기용 메탄올 투입 밸브
21) 시동 버너(20)용 메탄올 투입 밸브
22) 연료 전지용 1차 냉각 회로
23) 메탄올 탱크
24a) 합성 가스 생산용 메탄올/물 혼합물용 개질기 입구
24b) 합성 가스용 개질기 출구
25) 냉각 루프 라디에이터
26) 배터리 냉각기
27) 응축기
28) 개질기용 메탄올/물 혼합물을 증발시키는 증발기
29) 캐소드용 공기 예열용 열 교환기
30) 버너(7)용 공기 예열용 열 교환기
31) 버너(7)용 공기 입구
32) 공기 입구(31)로부터 버너-챔버(7a)로의 공기 흐름
33) 캐소드로부터의 공기와 증기를 연도 가스(13a)와 혼합하기 위한 연결부
34) 확장 용기
35) 배터리(37) 및 다른 목적용 2차 냉각 회로
36) 배터리 냉각 회로(35)용 펌프
37) 배터리
38) 메탄올과 물의 혼합 지점
39) 하우징
40a) 개질기(6)의 제1 단부
40b) 개질기(6)의 제2 단부
41) 버너 캠버(7a)의 단부로부터 열 교환 챔버(10a)로의 연도 가스 도관
42) 우회 오리피스(선택 사항)
42A) 우회 공기
42) 메탄올과 물 혼합물용 증발기
43) 개질기(6)의 중심축
44) 나선형 흐름 안내부
45) 연도 가스 도관(41)으로부터 개질기(6)의 제2 단부(40b)까지의 거리
46) 연도 가스 도관(41)의 연장 거리
47) 개질기(6)의 센서 탐침
48) 버너(7)의 센서 탐침
49) 개질기(6)의 길이(L)
50) 연도 가스 전방 단부 챔버
52) 연도 가스 출구 도관(9)으로부터 열 교환 챔버(10a)의 공간(10c)을 분리시키는 분리 벽

Claims (21)

  1. 연료 전지 시스템으로서,
    연료 전지(16);
    상기 연료 전지(16)의 온도를 냉각제로 조절하기 위해 상기 연료 전지(16)를 통해 냉각제를 재순환시키는 냉각 회로(22);
    개질기 벽(6b)으로 둘러싸이고 연료 증기를 합성 가스로 촉매 변환하도록 구성된 촉매(6a)를 포함하는 개질기(6)로서, 상기 연료 전지(16)에 합성 가스를 제공하기 위해 상기 연료 전지(16)의 애노드 측에 도관으로 연결된 상기 개질기(6);
    액체 연료를 증발시키도록 구성되고, 증발된 연료를 상기 개질기에 제공하기 위해 상기 개질기(6)에 도관으로 연결된 증발기(28);
    상기 증발기에 액체 연료를 제공하기 위해 상기 증발기에 도관으로 연결된 액체 연료 공급부(2, 19); 및
    버너 벽(7b) 내부에 버너-챔버(7a)를 포함하는 버너(7)
    를 포함하되, 상기 버너-챔버(7a)는 애노드 폐가스 또는 연료 또는 이 둘 다를 연소시켜 연도 가스(13a)를 제공하도록 구성되고, 상기 버너-챔버(7a)는 상기 개질기 벽(6b)을 통한 열 전달에 의해 상기 촉매(6a)를 가열하기 위해 상기 연도 가스(13a)로부터 상기 개질기 벽(6b)으로 열을 전달하기 위해 상기 버너-챔버(7a)로부터 상기 개질기 벽(6b)으로 그리고 상기 개질기 벽을 따라 상기 연도 가스(13a)를 흐르게 하기 위해 상기 개질기 벽(6b)과 유체 흐름 가능하게 연통하고;
    상기 연료 전지 시스템은 상기 버너-챔버(7a)와 연통하는 우회 밸브(8)를 포함하고, 상기 우회 밸브는,
    a) 상기 개질기 벽(6b)을 따라 흐르는 상태와,
    b) 상기 연도 가스가 상기 개질기 벽(6b)을 따라 흐르는 것을 방지하도록 상기 개질기 벽(6b)을 우회하여 연도 가스 출구 도관(9)을 통해 상기 버너-챔버(7a) 밖으로 흐르는 상태
    간에 상기 연도 가스(13a)의 흐름을 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 하류 측에 있는 상기 연도 가스 출구 도관(9)은 상기 냉각제로 열 에너지를 전달하기 위해 상기 연도 가스(13a)로부터 상기 냉각 회로(22)의 냉각제로 열 에너지를 전달하기 위해 열 교환기(14)와 흐름 가능하게 연통하고; 상기 우회 밸브(8)는 상기 연료 전지 시스템의 시동 동안 시동 구성 상태와, 시동 후 정상 동작 상태 간을 변경하도록 구성되고, 상기 시동 구성에서 상기 우회 밸브는 상기 연료 전지를 정상 동작 온도로 가열하기 위해 상기 연도 가스(13a)의 열 에너지의 대부분을 상기 개질기(6)가 아닌 냉각제로 전달하기 위해 상기 버너로부터 상기 연도 가스(13a)의 절반을 초과하는 우회량이 상기 개질기(6)를 우회하여 상기 열 교환기(14)에 도달하도록 구성되고, 상기 정상 동작 상태에서 상기 우회 밸브(8)는 시동 후 상기 개질기 촉매(6a)를 가열하기 위해 상기 개질기(6)의 우회를 폐쇄하고 상기 연도 가스(13a)가 상기 개질기 벽(6b)을 따라 흐르도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 우회 밸브(8)는 상기 개질기(6)를 우회하는 연도 가스(13a)의 우회량을 점진적으로 조절하도록 구성되고, 상기 우회량은 최소량으로부터 최대량까지의 범위이고, 상기 최소량은 20% 미만이고, 상기 최대량은 상기 버너(7)에 의해 생성된 연도 가스의 총량에 비해 80% 더 많은, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개질기 벽(6b)은 관형이고, 상기 버너 벽(7b)을 둘러싸고, 단열을 위해 상기 개질기 벽(6b)과 상기 버너 벽(7b) 사이에 절연 공간(10b)이 제공되는, 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 시동 상태 동안 상기 절연 공간(12a)으로부터 열을 제거하기 위해 상기 절연 공간(10b)을 통해 공기(12a)를 흐르게 하기 위해 상기 절연 공간(10b)으로 공기 공급부(12)가 제공된, 연료 전지 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지(16)는 섭씨 120도 내지 200도 범위의 온도에서 동작하도록 구성된 고온 양성자 전해질 막(HTPEM) 연료 전지(16)이고, 상기 액체 연료는 메탄올(2a)과 물의 혼합물인, 연료 전지 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 연료 공급부는 메탄올(2a)을 공급하기 위한 메탄올 저장소(2)뿐만 아니라, 물을 공급하기 위한 물 공급부(19)를 포함하고, 상기 증발기(28)의 상류의 혼합 지점(38)에서 물을 메탄올과 혼합하고, 상기 물 공급부(19)는 상기 버너(7)의 연도 가스(13a)로부터 재활용된 물을 공급하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 물 공급부(19)는 상기 혼합 지점(38)으로부터 상기 증발기(28)를 통해, 상기 개질기(6)를 통해, 상기 연료 전지(16)의 애노드 측을 통해, 상기 버너(7)를 통해, 응축기(27)를 통해, 그리고 상기 혼합 지점(38)으로 돌아가는 재활용 회로의 일부인, 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 재활용 회로는 상기 연료 전지(16)의 캐소드 측의 출구로부터 물을 첨가하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 버너-챔버(7a)에 들어가기 전에 공기의 온도를 증가시키기 위해 상기 냉각제로부터 상기 버너(7)의 상류 공기로 열 에너지를 전달하기 위해 추가 열 교환기(30)를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 회로(22)는 1차 냉각 회로이고, 상기 연료 전지 시스템은 상기 1차 냉각 회로(22)의 냉각제로부터 분리된 냉각제를 갖는 2차 냉각 회로(35)를 포함하고; 상기 연료 전지 시스템은 상기 1차 냉각 회로(22)와 상기 2차 냉각 회로(35) 사이에 열 에너지를 전달하기 위해 2차 열 교환기(18)를 포함하고, 상기 2차 냉각 회로(35)는 배터리(37)와 열적으로 연결되고, 상기 배터리(37)의 온도를 조절하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  12. 자동차를 위한 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 시스템의 용도.
  13. 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법으로서, 상기 연료 전지 시스템은,
    연료 전지(16);
    상기 연료 전지(16)의 온도를 냉각제로 조절하기 위해 상기 연료 전지(16)를 통해 냉각제를 재순환시키는 냉각 회로(22);
    개질기 벽(6b)으로 둘러싸이고 연료 증기를 합성 가스로 촉매 변환하도록 구성된 촉매(6a)를 포함하는 개질기(6)로서, 상기 개질기(6)는 상기 연료 전지(16)에 합성 가스를 제공하기 위해 상기 연료 전지(16)의 애노드 측에 도관으로 연결된, 상기 개질기;
    액체 연료를 증발시키도록 구성되고, 증발된 연료를 상기 개질기에 제공하기 위해 상기 개질기(6)에 도관으로 연결된 증발기(28);
    상기 증발기에 액체 연료를 제공하기 위해 상기 증발기에 도관으로 연결된 액체 연료 공급부(2, 19); 및
    버너 벽(7b) 내부에 버너-챔버(7a)를 포함하는 버너(7)를 포함하고, 상기 버너-챔버(7a)는 애노드 폐가스 또는 연료 또는 이 둘 다를 연소하여 연도 가스(13a)를 제공하도록 구성되고, 상기 버너-챔버(7a)는 상기 개질기 벽(6b)을 통한 열 전달에 의해 상기 촉매(6a)를 가열하기 위해 상기 연도 가스(13a)로부터 상기 개질기 벽(6b)으로 열을 전달하기 위해 상기 버너-챔버(7a)로부터 상기 개질기 벽(6b)으로 그리고 상기 개질기 벽을 따라 상기 연도 가스(13a)를 흐르게 하기 위해 상기 개질기 벽(6b)과 유체 흐름 가능하게 연통하고;
    상기 연료 전지 시스템은 상기 버너-챔버(7a)와 연통하는 우회 밸브(8)를 포함하고, 상기 우회 밸브는,
    a) 상기 개질기 벽(6b)을 따라 흐르는 상태와,
    b) 상기 연도 가스가 상기 개질기 벽(6b)을 따라 흐르는 것을 방지하기 위해 상기 개질기 벽(6b)을 우회하여 연도 가스 출구 도관(9)을 통해 상기 버너-챔버(7a) 밖으로 흐르는 상태
    간에 상기 연도 가스(13a)의 흐름을 조절하도록 구성되고,
    상기 방법은,
    상기 우회 밸브(8)를 동작시키는 단계, 및 상기 우회 밸브(8)를 동작시킨 결과 상기 개질기 벽(6b)을 따라 흐르는 상태와 상기 개질기 벽(6b)을 우회하여 흐르는 상태 간에 상기 연도 가스(13a)의 흐름을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 방법은, 상기 연료 전지의 시동 동안, 상기 우회 밸브(8)를 시동 구성으로 설정하는 단계, 및 상기 우회 밸브(8)에 의해 상기 버너로부터 상기 연도 가스(13a)의 절반을 초과하는 우회량이 상기 개질기(6)를 우회하게 하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 하류 측에 있는 연도 가스 출구 도관(9)은 열 에너지를 상기 냉각제로 전달하기 위해 상기 연도 가스(13a)로부터 상기 냉각 회로(22)의 냉각제로 열 에너지를 전달하기 위해 열 교환기(14)와 흐름 가능하게 연통하고; 상기 방법은, 상기 연료 전지를 정상 동작 온도로 가열하기 위해 상기 연도 가스(13a)의 대부분의 열 에너지를 상기 개질기(6)가 아닌 냉각제로 전달하기 위해 상기 버너로부터 상기 연도 가스(13a)의 절반을 초과하는 우회량이 상기 개질기(6)를 우회하여 상기 열 교환기(14)에 도달하게 하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 방법은, 시동 후, 상기 우회 밸브(8)를 정상 동작 구성으로 설정하는 단계 및 상기 연도 가스(13a)에 의해 상기 개질기(6)의 우회를 폐쇄하는 단계, 및 정상 동작 동안 상기 개질기 촉매(6a)를 가열하기 위해 모든 연도 가스(13a)가 상기 개질기 벽(6b)을 따라 흐르게 하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법.
  17. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개질기 벽(6b)은 관형이고 상기 버너 벽(7b)을 둘러싸고, 단열을 위해 상기 개질기 벽(6b)과 상기 버너 벽(7b) 사이에 절연 공간(10b)이 제공되고, 시동 상태 동안 상기 절연 공간(12a)으로부터 열을 제거하기 위해 상기 절연 공간(10b)을 통해 공기(12a)를 흐르게 하기 위해 상기 절연 공간(10b)으로 공기 공급부(12)가 제공되고, 상기 방법은, 시동 동안, 상기 절연 공간(12a)으로부터 열을 제거하기 위해 상기 공기 공급부(12)를 통해 상기 절연 공간(10b)으로 그리고 상기 절연 공간을 따라 공기 흐름을 제공하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법.
  18. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지(16)는 고온 양성자 전해질 막(HTPEM) 연료 전지(16)이고, 상기 방법은, 섭씨 120도 내지 200도 범위의 온도에서 상기 연료 전지를 동작시키는 단계, 및 메탄올(2a)과 물의 혼합물로서 상기 액체 연료를 제공하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법.
  19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 연료 공급부는 메탄올(2a)을 공급하기 위한 메탄올 저장소(2)뿐만 아니라, 물을 공급하기 위한 물 공급부(19)를 포함하고, 상기 증발기(28)의 상류의 혼합 지점(38)에서 물과 메탄올을 혼합하고, 상기 물 공급부(19)는 상기 혼합 지점(38)으로부터, 상기 증발기(28)를 통해, 상기 개질기(6)를 통해, 상기 연료 전지(16)의 애노드 측을 통해, 상기 버너(7)를 통해, 응축기(27)를 통해, 그리고 상기 혼합 지점(38)으로 돌아오는 재활용 회로의 일부이고, 상기 방법은, 물과 메탄올을 상기 혼합 지점(38)에 공급하는 단계, 증발기(28)에서 물과 메탄올의 혼합물을 증발시키는 단계, 증발된 혼합물을 연료로서 상기 개질기(6)에 공급하고 상기 연료를 합성 가스로 촉매 반응시키는 단계, 상기 합성 가스를 상기 연료 전지(16)의 애노드 측으로 공급하고 오프 가스를 생성하는 단계, 상기 버너(7)에 상기 오프 가스를 공급하고, 상기 오프 가스를 연도 가스로 연소시키는 단계, 상기 연도 가스를 응축기(27)에 공급하고 상기 연도 가스에서 물을 응축시키는 단계, 및 사이클을 반복하기 위해 응축수를 상기 혼합 지점(38)으로 다시 공급하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 방법은 상기 연료 전지(16)의 캐소드 측의 출구로부터 상기 재활용 회로에 물을 첨가하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법.
  21. 제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 상기 냉각제로부터 상기 버너(7)의 상류 공기로 열 에너지를 전달하기 위해 추가 열 교환기(30)를 포함하고, 상기 방법은 상기 연료 전지 시스템의 에너지 효율을 증가시키기 위해 상기 버너-챔버(7a)에 들어가기 전에 공기의 온도를 상기 냉각제에 의해 증가시키는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법.
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