KR20220108796A - 개선된 연료 전지 시스템 및 방법 - Google Patents

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올리버 존 포스틀스웨이트
시몬 스테파노 도지오
시몬 베르토니
폴 아드리안 바나드
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케레스 인텔렉츄얼 프로퍼티 컴퍼니 리미티드
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Abstract

연료 전지 시스템으로서, (i) 적어도 하나의 중간-온도 고체 산화물 연료 전지를 포함하고 애노드 입구(41), 캐소드 입구(61)를 갖는 적어도 하나의 연료 전지 스택(30); 및 (ii) 리포머 열 교환기(160)를 갖고 탄화수소 연료를 리포메이트로 리포밍하기 위한 리포머(70)를 포함하고; 그리고: 연료원(90)으로부터 리포머(70), 연료 전지 스택 애노드 입구(41)로의 애노드 입구 가스 유체 유동 경로; 산화제 입구(140, 140', 140")로부터 적어도 하나의 캐소드 입구 가스 열 교환기(110, 150)를 통한 리포머 열 교환기(160), 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)로의 캐소드 입구 가스 유체 유동 경로를 규정하고; 적어도 하나의 캐소드 입구 가스 열 교환기(110, 150)는 (i) 애노드 오프-가스 유체 유동 경로 및 (ii) 캐소드 오프-가스 유체 유동 경로 중 적어도 하나로부터의 열 전달에 의해 상대적으로 저온의 캐소드 입구 가스를 가열하도록 배열되고; 리포머 열 교환기는 상대적으로 고온의 캐소드 입구 가스로부터의 애노드 입구 가스를 캐소드 입구에서의 온도(T1) 미만인 애노드 입구에서의 온도(T3)로 가열하도록 배열되고; 그리고 산화제 유동 제어 수단(200)은 애노드 입구(41)에서의 온도(T3) 및 T3보다 높은 수준에서의 온도에 대해 캐소드 입구(61)에서의 온도(T1)를 제어하기 위해 각각의 산화제 입구(140, 140', 140")로부터의 저온 산화제와 고온의 캐소드 입구 가스의 제어된 혼합을 위한 것인, 연료 전지 시스템.

Description

개선된 연료 전지 시스템 및 방법
본 발명은 개선된 연료 전지 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료 전지, 연료 전지 스택, 연료 전지 스택 어셈블리, 및 열 교환기 시스템, 배열 및 방법에 대한 교시는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있고, 특히 WO 2015/004419 A를 포함하며, 이는 그 전체가 참조에 의해 본원에 포함된다. 본 명세서에서 사용된 용어의 정의는 위의 공보에서 필요에 따라 찾을 수 있다. 특히, 본 발명은 WO 2015/004419 A에 개시된 시스템 및 방법을 개선하고자 한다.
연료 전지 스택이 섭씨 450-650도 범위(중간-온도 고체 산화물 연료 전지; IT-SOFC), 특히 섭씨 520-620도 온도 범위에서 작동하는 탄화수소 연료 SOFC(고체 산화물 연료 전지) 시스템을 운용하는 것은, 일련의 곤란한 기술적 문제가 발생하는 결과를 가져온다. 이러한 연료 전지 스택 작동 온도는 높은 수준의 연료 내부 리포밍에 적합하지 않으므로 이러한 시스템은 통상적으로 연료가 연료 전지 스택에 도달하기 전에 높은 수준의 리포밍을 필요로 한다.
이러한 시스템에서, 증기 리포밍은 (천연 가스와 같은) 탄화수소 연료 스트림을 연료 전지 스택 애노드 입구에 공급되는 수소-부화(hydrogen-rich) 리포메이트 스트림으로 전환하는 데 사용된다.
IT-SOFC 스택 냉각을 행하기 위해 연료 전지 스택의 캐소드 측으로 공기가 불어진다. 상기 높은 리포머 온도를 달성하기 위해, 일반적으로, 리포머는 (통상적으로 고온의 캐소드 오프-가스로 연소함으로써 산화제의 애노드 오프-가스에 잔여하는 임의의 연료를 연소시키는) 연료 전지 스택 테일-가스 버너와 열적으로 밀접하게 커플링된다. 이러한 배열에서, 테일-가스 버너와 그 고온의 배기 가스는 열 교환 표면과 같은 열 교환기를 통해 리포머와 열적으로 밀접하게 커플링된다. 전형적으로, 리포머는 가능한 한 많은 열이 테일-가스 버너로부터 리포머로 전달되도록 하기 위해 테일-가스 버너에 바로 인접하거나 테일 가스 버너와 접촉하도록 배열된다.
(특히, 연료 전지의 캐소드 측으로의 펌프/송풍기에 의한) 연료 전지 스택 냉각의 전달은 상당한 시스템 기생 부하(통상적으로, 가장 큰 시스템 기생 부하)이다.
연료 전지 스택이 시간이 지남에 따라 효율성을 잃으면 주어진 전기 출력에 대해 더 많은 열을 생성하므로 더 많은 냉각이 필요하다. 연료 전지 스택은 연료 전지 스택 냉각을 제공하기 위해 펌프/송풍기에 전력을 제공하기 때문에, 이는 증가되는 전력 생성을 필요로 하는 증가되는 전력 수요로 이어지고 결과적으로 냉각을 추가로 증가시켜야 하는 열 생성이 더 증가한다.
테일-가스 버너(TGB)에 대한 (흡열) 연료 리포머의 밀접한 열적 커플링은 연료 리포머를 빠져나가는 연료 유동의 엔탈피가 연료 전지 스택으로 가는 총 기류의 함수라는 것을 의미한다. IT-SOFC 열화로 전기 저항이 증가하여 증가된 연료 전지 열 생성은 리포머 온도를 상승시키는 결과를 가져오고, 따라서 리포밍된 연료에서 증가되는 수소 함량이 연료 전지 스택 작동 중에 연료 전지 스택 냉각 부하를 증가시킨다.
도 1은 특히 병렬 유동 리포머 열 교환기(70)를 제공함으로써 이러한 문제 및 기타 문제가 해결되는 WO 2015/004419 A로부터 가져온 것이다. 열 교환기(70)는 적어도 하나의 산화제 입구(140, 140')로부터 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(41)로 유체 유동 연통하는 상대적으로 고온의 (1차) 유동 경로 및 연료원(71)으로부터 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구(61)로의 상대적으로 저온의 (2차) 유동 경로를 갖는다. 병렬 유동 열 교환기는 캐소드 입구 가스와 애노드 입구 가스 사이에서(즉, 1차 경로로부터 2차 경로로) 열을 교환하도록 배열된다.
WO 2015/004419 A는 세 가지 온도를 측정하는 세 개의 온도 센서를 설명한다.
연료 전지 스택 캐소드 입구 가스 온도 센서 T1
연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서 T2
애노드 입구 가스 온도 센서 T3
테일 가스 버너 배기 온도 센서 TTGB
제어기(200)는 연료 전지 시스템의 정상 상태 동작 동안 온도 센서(T1 및 T2)에 의해 결정된 온도를 원하는 온도 또는 대략 원하는 온도로 유지한다.
경로(C)의 가열된 입구 공기 스트림은 통상적으로 섭씨 600-750도다. 리포머 출구(72)에서의 온도(T3)는 전형적으로 섭씨 400도에서 600도 사이이다.
온도 센서(T3)는 연료 전지 스택 애노드 입구(41)에서 애노드 입구 가스의 온도를 사전에 결정된 온도로 유지하기 위해 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240)의 공기 유량을 제어하기 위해 제공된다.
연료 가열을 위한 제1 제어 루프 및 스택 냉각용 산화제의 질량 유량을 위한 제2 제어 루프인, 두 개의 제어 루프가 설명된다.
연료 전지 스택에 대한 애노드 입구 가스의 온도(즉, 리포메이트의 품질)가 제어되며, 이 제어는 입구 산화제 및 연료의 질량 유동(및 따라서 발생하는 열 요구량)의 변화, 그리고 연료 전지 시스템에 대한 산화제 및 연료의 입구 온도 변화와 무관하다.
제어기(200)는 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서(T2)에 의해 결정된 캐소드 오프-가스의 온도가 사전에 결정된 온도 미만인 경우 캐소드 입구 가스 질량 유량을 증가시키도록 적응되며, 이 반대 또한 성립한다.
테일 가스 버너 배기(81)에서 온도 센서 TTGB는 가스 배출 요구 사항을 준수하기 위해 최소 테일 가스 버너 배기 온도를 허용한다. 테일 가스 버너 배기 온도가 이 최소값 아래로 떨어지면, 추가의 리포밍되지 않은 연료가 테일 가스 버너 배기 온도를 상승시키기 위해 연료원(250)으로부터 테일 가스 버너(80)에 직접 공급된다.
종래 기술의 리포머 열 교환기(160)는 출구 가스가 동일한 온도에 접근하는 병렬 유동 열 교환기이다. 이는 도 2에 도시된다. 고온 공기(또는 산화제)가 열 교환기를 따라 통과함에 따라(도면에서 왼쪽에서 오른쪽으로 진행함으로써 도시됨) 연료를 가열하고 병렬로 진행됨에 따라 연료 온도는 상승한다. 출구에서 두 온도는 대략 동일하다. 리포머 열 교환기가 병렬 유동 열 교환기이고 적어도 하나의 연료 전지로 유입되기 전에 캐소드 및 애노드 입구 가스 사이에서 열을 교환하도록 배열된다는 사실은, 리포머와 리포머 열 교환기로부터의 캐소드 및 애노드 입구 가스의 출구 온도, 그리고 따라서 적어도 하나의 연료 전지 스택의 캐소드 및 애노드 측으로의 입구 온도가 서로 매우 가깝다는 것을 의미한다. 적어도 하나의 연료 전지에 대한 애노드 및 캐소드 입구 가스 사이의 온도 차이는 주로 리포머 열 교환기의 성능에 의해 결정된다. 예를 들어, 정상 상태 동작에서, 적어도 하나의 연료 전지 스택에 대한 애노드 및 캐소드 입구 가스 사이의 온도 차이는 섭씨 20 도 이내, 보다 전형적으로는 서로 섭씨 15 도 이내일 수 있다.
WO 2015/004419 A의 특정 실시형태는 리포머 열 교환기(160)로부터 리포메이트 출구 스트림 온도의 독립적인 제어 정도를 제공한다.
제어 수단(200)은 연료 전지 스택 캐소드 입구 가스 온도 센서(T1), 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 온도 센서(T2), 및 송풍기(210, 210')에 연결된다. 제어 수단(200)은 연료 전지 시스템의 정상 상태 동작 동안 온도 센서(T1, T2)에 의해 결정된 온도를 원하는 온도로 또는 대략 원하는 온도로 유지하도록 구성된다.
캐소드 입구 가스의 가열은 주 캐소드 입구 가스 유동 경로(230)와 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240) 사이의 캐소드 입구 가스 질량 유동의 비율을 변화시킴으로써 제어된다. 이는 송풍기(210, 210')의 상대 속도, 그리고 따라서 송풍기(210, 210')로부터 전달되는 질량 유동을 변화시킴으로써 달성된다. 온도 센서(T1)에서 측정된 캐소드 입구 가스의 온도가 너무 낮으면, 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240)를 통한 캐소드 입구 가스 유동 대 주 캐소드 입구 가스 유동 경로(230)를 통한 캐소드 입구 가스 유동의 비율이 감소되며, 그 반대의 경우 또한 성립한다.
연료 전지 스택에서 캐소드 입구 가스의 질량 유량은 송풍기(210, 210')로부터의 총 캐소드 입구 가스 질량 유량이다. 온도 센서(T2)에서 측정된 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스의 온도가 너무 높으면, 송풍기(210, 210')에 의해 전달되는 캐소드 입구 가스의 총 질량 유동이 증가되며, 그 반대의 경우 또한 성립한다.
제어 수단(200)은 연료 전지 시스템의 정상 상태 동작 동안 온도 센서(T1, T2 및 T3)에 의해 결정된 온도를 원하는 온도로 또는 대략 원하는 온도로 유지하도록 구성된다. 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)를 통한 공기 유량은 주 캐소드 입구 가스 유동 경로(230) 및 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240) 양쪽 모두의 공기 유량과 독립적으로 제어된다. 리포머 출구(72)에 대한 온도 제어는 연료 전지 캐소드 입구(61A)의 온도에 대해 애노드 입구 가스 유체 유동 경로(A)의 온도를 상승시키는 능력을 제공한다. 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)가 리포머 열 교환기(160)를 빠져나가는 공기보다 더 차가운 공기를 제공함에 따라, 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)에 의해 제공된 공기는 리포머 열 교환기를 빠져나가는 공기를 냉각할 수 있지만 가온할 수는 없다. 따라서, 차가운 공기를 제공하는 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)는 애노드 입구 온도가 캐소드 입구 온도보다 더 높을 수 있게 한다.
리포머 출구(72)에서 애노드 입구 가스의 온도를 상승시키는 것은 또한 리포머 열 교환기(160) 내에서 도달하는 리포밍 반응의 평형 온도를 상승시키고 따라서 연료 전지 스택 애노드 입구(41)에서 애노드 입구 가스 내의 수소 농도를 증가시킨다. 애노드 입구 가스 내의 증가된 수소 농도는 연료 전지(30)에 대한 스트레스를 감소시키고 연료 전지(30)에 요구되는 내부 리포밍 양을 감소시킬 것이다.
연료 전지 스택 애노드 입구 가스 온도 센서(T3)는 연료 전지 스택 애노드 입구(41)에서 애노드 가스의 온도를 측정한다. 제어기(200)는 연료 전지 스택 애노드 입구(41)에서 사전에 결정된 온도로 애노드 입구 가스의 온도를 유지하기 위해 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240)의 공기 유량을 제어한다. 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240)에서 산화제 유량을 증가시키는 것은 리포머 열 교환기 산화제 입구(161)로 들어가는 산화제의 온도를 감소시킨다. 이러한 산화제 온도의 감소는 리포머 출구(72)에서 애노드 입구 가스의 온도를 감소시키고 또한 리포밍 반응의 평형 온도를 감소시킬 것이다. 한편, 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240)의 산화제 유량을 감소시키는 것은 리포머 열 교환기 산화제 입구(161)로 들어가는 산화제의 온도를 증가시킨다. 이러한 산화제 온도의 증가는 리포머 출구(72)에서 애노드 입구 가스의 온도를 증가시키고 또한 리포밍 반응의 평형 온도를 증가시킨다. 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)를 통한 산화제의 유량은 연료 전지 캐소드 입구(61A)의 온도를 제어하고, 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240)의 산화제 유량은 리포머 출구(72)로부터의 리포메이트 유동의 온도를 제어한다.
공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)의 산화제 유량을 증가시키는 것은 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)에서 산화제 스트림의 온도를 감소시킨다. 반대로, 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)의 산화제 유량을 감소시키는 것은 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)에서 산화제 스트림의 온도를 증가시킨다.
공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240)의 산화제 유량을 증가시키는 것은 리포머 출구(72)에서의 애노드 입구 가스 및 리포머 열 교환기 산화제 출구(162)에서의 캐소드 입구 가스 양쪽 모두의 온도를 감소시킨다. 반대로, 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240)의 산화제 유량을 감소시키는 것은 리포머 출구(72)에서의 애노드 입구 가스 및 리포머 열 교환기 산화제 출구(162)에서의 캐소드 입구 가스 양쪽 모두의 온도를 증가시킨다. 예를 들어, 제어 수단(200)이 연료 전지 스택 애노드 입구 가스 온도 센서(T3)가 더 높거나 더 낮은 온도로 유지되도록 결정하는 경우, 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240)의 산화제 유량은 송풍기(140')를 제어함으로써 각각 증가 또는 감소될 수 있다. 한편, 제어 수단(200)이 연료 전지 스택 캐소드 입구 가스 온도 센서(T1)가 더 높거나 더 낮은 온도로 유지되도록 결정하는 경우, 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240) 및/또는 추가적인 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)의 산화제 유량은 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240)의 산화제 유량에 대해 송풍기(140')를 제어하거나 추가 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)의 산화제 유량에 대해 송풍기(140")를 제어함으로써 각각 증가 또는 감소될 수 있다.
따라서, 리포머 출구(72)에서의 온도 제어는 애노드 입구 가스에 대해 연료 전지 캐소드 입구(61A)의 온도를 감소시키는 능력을 제공한다. 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)는 리포머 열 교환기(160)를 빠져나가는 공기보다 더 차가운 공기를 공급원(140")으로부터 제공할 수 있다. 이는 도 3에 도시된다. 리포머 열 교환기의 출구(162)에서, 공급원(140")으로부터의 새로운 공기/산화제는 리포머 열 교환기(160)를 빠져나가는 공기를 냉각할 수 있고(가온할 수는 없음), 이에 의해 애노드 입구 온도가 캐소드 입구 온도보다 높을 수 있도록 허용한다(그러나 그 반대는 불가). 리포머 출구(72)에서 애노드 입구 가스의 온도를 상승시키면 리포머 열 교환기(160) 내 리포밍 반응의 평형 온도가 상승하고 따라서 연료 전지 스택 애노드 입구(41)에서 애노드 입구 가스 내의 수소 농도가 증가하여 연료 전지(30)에 대한 스트레스를 감소시키고 연료 전지(30)에 필요한 내부 리포밍 양을 감소시킨다.
애노드 입구 온도가 캐소드 입구 온도보다 높은 지점까지 캐소드 입구 가스를 냉각하면 연료 전지 스택에서 보다 많은 내부 리포밍을 허용할 수 있지만 스택 공기 입구 온도가 낮을수록 스택 전압이 강하하기 때문에 효율성에 부정적인 영향을 미친다.
본 발명은 종래 기술의 단점 중 적어도 하나를 해결, 극복 또는 완화하고자 한다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 연료 전지 시스템(바람직하게는, 중간-온도 고체 산화물 연료 전지(IT-SOFC) 시스템)은: (i) 적어도 하나의 중간-온도 고체 산화물 연료 전지를 포함하고 애노드 입구, 캐소드 입구, 애노드 오프-가스 출구 그리고 캐소드 오프-가스 출구를 갖는 적어도 하나의 연료 전지 스택; 및 (ii) 애노드 입구 가스를 위한 리포머 입구, 애노드 입구 가스를 배출하기 위한 리포머 출구, 및 리포머 열 교환기를 갖고 탄화수소 연료를 리포메이트로 리포밍하기 위한 리포머를 포함하고; 그리고: (a) 연료원으로부터 리포머, 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구로의 애노드 입구 가스 유체 유동 경로; (b) 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 출구로부터 연료 전지 시스템 배기로의 애노드 오프-가스 유체 유동 경로; (c) 적어도 하나의 산화제 입구로부터 적어도 하나의 캐소드 입구 가스 열 교환기를 통한 리포머 열 교환기, 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구로의 캐소드 입구 가스 유체 유동 경로; 및 (d) 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 출구로부터 연료 전지 시스템 배기로의 캐소드 오프-가스 유체 유동 경로를 규정한다. 적어도 하나의 캐소드 입구 가스 열 교환기는 (i) 애노드 오프-가스 유체 유동 경로 및 (ii) 캐소드 오프-가스 유체 유동 경로 중 적어도 하나로부터의 열 전달에 의해 상대적으로 저온의 캐소드 입구 가스를 가열하도록 배열되어 상대적으로 고온의 캐소드 입구 가스를 제공한다. 리포머 열 교환기는 상대적으로 고온의 캐소드 입구 가스로부터의 애노드 입구 가스를 캐소드 입구에서의 온도(T1) 미만인 애노드 입구에서의 온도(T3)로 가열하도록 배열된다. 산화제 유동 제어 수단은 애노드 입구에서의 온도(T3) 및 T3보다 높은 수준에서의 온도에 대해 캐소드 입구에서의 온도(T1)를 제어하기 위해 각각의 산화제 입구로부터의 저온 산화제와 고온의 캐소드 입구 가스의 제어된 혼합을 위해 제공된다.
산화제 유동 제어 수단은 온도(T1)를 감소시키기 위해 캐소드 입구에서 산화제 입구로부터의 저온 산화제의 혼합을 제어하도록 배열되는 것이 바람직하다.
산화제 유동 제어 수단은 온도(T1)를 감소시킴과 함께 온도(T3) 또한 감소시키기 위해 리포머 열 교환기로의 입력에서 산화제 입구로부터의 저온 산화제의 혼합을 제어하도록 배열될 수 있다.
리포머 열 교환기는 바람직하게는, 캐소드 입구 가스를 위한 고온 바이패스를 포함하여 리포머 열 교환기를 바이패스하고 캐소드 입구 가스를 캐소드 입구에서의 온도(T1)로 상승시키는 데 기여한다.
일부 배열에서, 고온 바이패스는 (예컨대, 사전 설정된 애퍼처를 구비한) 사전 설정된 제한기를 포함한다.
고온 바이패스 캐소드 입구 가스는 저온 산화제의 혼합 전에 캐소드 입구 가스 유체 유동 경로로부터 인출될 수 있다.
다른 배열(예컨대, 더 높은 전력 출력 시스템)에서, 고온 바이패스는 제어 가능한 제한기를 포함한다.
산화제 유동 제어 수단은 리포머 설정값 입력 및 리포머 온도 입력으로부터 리포머 바이패스 공기 유동 요구 출력 신호를 도출하도록 배열될 수 있다. 이러한 시스템은 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 및 캐소드 오프-가스 출구와 유체 유동 연통하는 테일-가스 버너를 더 포함하고, 테일-가스 버너는, 테일-가스 버너 배기를 가지며, 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 및 캐소드 오프-가스 출구로부터 테일-가스 버너 배기, 배기로의 유체 유동 경로를 규정하고, 테일-가스 버너 배기 온도(TTGB)를 감지하기 위한 테일-가스 버너 배기 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 산화제 유동 제어 수단은 리포머 온도 입력 및 리포머 설정값 입력으로부터 테일 가스 버너 배기 온도 설정값을 도출하도록 추가로 배열된다.
시스템은 테일-가스 버너 배기 온도가 산화제 유동 제어 수단에 의해 제공되는 테일 가스 버너 배기 온도 설정값 미만일 때, 테일 가스 버너로의 연료 공급을 증가시키기 위해 테일 가스 버너 배기 온도 설정값 및 테일-가스 버너 배기 온도로부터 도출된 연료 수요 액추에이터 명령을 제공하기 위한 테일 가스 버너 제어 수단을 더 포함할 수 있다.
제1 및 제2 산화제 혼합기가 제공될 수 있다. 제1 혼합기는 리포머 열 교환기로의 입구에서 산화제 입구로부터의 저온 산화제를 혼합하도록 배열되고, 제2 혼합기는 리포머 열 교환기 출구 및 캐소드 입구에서 산화제 입구로부터의 저온 산화제를 혼합하도록 배열된다.
캐소드 입구 가스 유체 유동 경로는, 바람직하게는, 주변 온도 공기 입력에서 정상 상태 동작에서의 그 가장 고온인 지점에서 섭씨 750도 내지 850도의 온도를 갖는다.
T1은, 바람직하게는, 주변 온도 공기 입력에서 정상 상태 동작에서의 T3보다 섭씨 50도에서 150도 사이로 더 높게 되도록 제어된다.
T1은, 바람직하게는, 주변 온도 공기 입력에서 정상 상태 동작에서의 섭씨 500도에서 600도 사이가 되도록 제어된다.
T3는, 바람직하게는, 주변 온도 공기 입력에서 정상 상태 동작에서의 섭씨 400도에서 500도 사이가 되도록 제어된다.
본 명세서에서 방법 단계에 대한 참조는 또한 그러한 방법 단계를 수행하도록 적응되고 구성된 본 발명의 시스템에 대한 참조이다.
의문을 방지하기 위해, 본원에서 병렬 유동 열 교환기에 대한 참조는 동축류(co-flow) 열 교환기에 대한 것이다.
적어도 하나의 연료 전지 스택은 금속 담지 IT-SOFC 스택인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 US 6794075에 교시된 바와 같다. IT-SOFC는, 바람직하게는 섭씨 400도 내지 650도, 더 바람직하게는 섭씨 450도 내지 650도, 보다 더 바람직하게는 섭씨 520도 내지 620도 범위의 정상 상태 동작 온도를 갖는다.
산화제 입구와 리포머 열 교환기 사이의 캐소드 입구 가스 유체 유동 경로에 위치한 적어도 하나의 산화제 히터는 캐소드 입구 가스 온도 센서를 사전에 결정된 온도 또는 대략 사전에 결정된 온도로 유지한다. 캐소드 입구 가스 온도 센서는 바람직하게는, 사전에 결정된 온도의 섭씨 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45도 또는 50도 이내로, 가장 바람직하게는 사전에 결정된 온도의 섭씨 5도 이내로 유지된다. 캐소드 오프-가스 온도 센서는 바람직하게는, 사전에 결정된 온도의 섭씨 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45도 또는 50도 이내로, 가장 바람직하게는 사전에 결정된 온도의 섭씨 5도 이내로 유지될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료 전지 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1의 리포머를 통한 공기 및 연료의 온도를 도시하는 온도 스케치도이다.
도 3은 포스트 리포머 공기 바이패스의 경우에 도 1의 리포머를 통한 공기 및 연료의 온도를 도시하는 대안적인 온도 스케치도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 개략도를 도시한다.
도 5 및 도 6은 도 4의 리포머를 통한 공기 및 연료의 온도를 나타내는 온도 스케치도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 측면에 따른 연료 전지 시스템을 제어하기 위한 제어 프로세스를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 대안적인 연료 전지 시스템의 개략도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 대안적인 실시형태에 따른 리포머를 통한 공기 및 연료의 온도를 도시하는 온도 스케치도이다.
오직 예시적인 목적을 위해, 도면은 단일 연료 전지만을 나타낸다. 다양한 실시형태에서, 다수의 연료 전지 스택(도시되지 않음)이 제공되고, 또 다른 실시형태에서 다수의 연료 전지를 각각 포함하는 다수의 연료 전지 스택이 제공된다. 애노드 및 캐소드 입구, 출구(오프-가스), 덕팅(ducting), 매니폴딩(manifolding) 및 온도 센서와 이들의 컨피겨레이션은 이러한 실시형태에 대해 적절하게 수정될 수 있으며, 이는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 자명하다는 것을 알 수 있을 것이다.
이하의 실시형태에서, 공기가 산화제로서 사용된다. 따라서 다른 곳에서 "산화제"에 대한 임의의 언급은 이하의 실시형태에서 "공기"에 대한 언급으로 해석될 수 있으며 그 반대의 경우 또한 성립한다.
도 4를 참조하면, 연료 전지 시스템(fuel cell system)(400)은 중간-온도 고체 산화물 연료 전지(intermediate-temperature solid oxide fuel cell, IT-SOFC) 시스템이다. 연료 전지 스택(stack)(20)은 금속 담지 IT-SOFC 연료 전지 스택이다. 연료 전지 시스템(400)은 연료 전지 스택(20)으로부터 정상 상태 1kW의 전기 출력을 가지며 121개의 금속 담지 IT-SOFC 연료 전지(30)를 포함한다. 각각의 연료 전지(30)는 애노드 측(anode side)(40), 전해질 층(electrolyte layer)(50) 및 캐소드 측(cathode side)(60)을 갖는다. 연료 전지 스택의 각 연료 전지 층은 전기 전도성 가스 불투과성 금속 상호 연결 플레이트(interconnect plate)(인터커넥터)(도시되지 않음)에 의해 분리된다. 연료 전지 스택 엔드플레이트(endplate) 및 압축 수단(도시되지 않음) 또한 제공된다. 본 명세서에서 연료 전지(30)에 대한 언급은 121개의 연료 전지(30)의 전체 세트에 대한 것이다.
전기적 부하(L)는 연료 전지(30)에 걸쳐 인가된다.
연료 전지 스택 애노드 입구(inlet)(41)는 연료 전지(30)의 애노드 측(40)으로의 애노드 입구 가스 유동(flow)을 위한 연료 전지 애노드 입구(41A)와 유체 유동 연통(fluid flow communication)한다. 연료 전지 애노드 출구(outlet)(42A)는 애노드 오프-가스(off-gas)의 유동을 위한 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 출구(42)와 유체 유동 연통한다.
연료 전지 스택 캐소드 입구(61)는 연료 전지(30)의 캐소드 측(60)으로의 캐소드 입구 가스의 유동을 위한 연료 전지 캐소드 입구(61A)와 유체 유동 연통한다. 연료 전지 캐소드 출구(62A)는 캐소드 오프-가스의 유동을 위한 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 출구(62)와 유체 유동 연통한다.
테일-가스 버너(Tail-gas burner)(80)는 연료 전지 스택 애노드 및 캐소드 오프-가스 출구(42, 62)와 유체 유동 연통하고, 테일 가스 버너 배기(exhaust)(81), 애노드 오프-가스 입구(82) 및 캐소드 오프-가스 입구(83)를 갖는다. 테일-가스 버너(80)는 연료 전지 스택 애노드 및 캐소드 오프-가스 출구(42, 62)로부터 테일-가스 버너 배기(81)로의 유체 유동 경로를 규정하며, 애노드 및 캐소드 오프-가스를 연소하고 테일-가스 버너 오프-가스를 생성하도록 구성된다.
애노드 입구 가스 유체 유동 경로(A)는 연료원(fuel source)(90)으로부터 증발기(evaporator)(100), 증기 리포머(steam reformer)(70), 연료 전지 스택 애노드 입구(41), 연료 전지 애노드 입구(41A)로 규정되며, 즉, 상기 구성 요소들은 서로 유체 유동 연통한다.
애노드 오프-가스 유체 유동 경로(B)는 연료 전지 애노드 출구(42A)로부터 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 출구(42), 애노드 오프-가스 열 교환기(110)(anode off-gas heat exchanger, HX-AOG), 콘덴서(condenser) 열 교환기(120), 분리기(separator)(130), 테일-가스 버너(80)의 애노드 오프-가스 입구(82)로 규정된다.
주(main) 캐소드 입구 가스 유동 경로(230)는 산화제 입구(140)로부터 송풍기(blower)(210), 애노드 오프-가스 열 교환기(110), 공기 예열기 열 교환기(air pre-heater heat exchanger)(150), 리포머 열 교환기(160), 연료 전지 스택 캐소드 입구(61), 연료 전지 캐소드 입구(61A)로 규정된다. 공기 바이패스(bypass) 입구 가스 유동 경로(240)는 산화제 입구(140')로부터 송풍기(210'), 공기 바이패스 입구(190), 리포머 열 교환기(160), 연료 전지 스택 캐소드 입구(61), 연료 전지 캐소드 입구(61A)로 규정된다.
공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)는 산화제 입구(140")로부터 송풍기(210"), 공기 바이패스 입구(190'), 연료 전지 스택 캐소드 입구(61), 연료 전지 캐소드 입구(61A)로 규정된다. 따라서 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)는 리포머 열 교환기(160)(및 그 다운스트림(downstream))와 연료 전지 스택 캐소드 입구(61) 사이, 보다 상세하게는, 리포머 열 교환기 산화제 출구(162)와 연료 전지 스택 캐소드 입구 가스 온도 센서(T1) 사이에 있는 공기 바이패스 입구(190')에서 캐소드 입구 가스 유체 유동 경로(C)와 만난다.
캐소드 오프-가스 유체 유동 경로(D)는 연료 전지 캐소드 출구(62A)로부터 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 출구(62), 테일-가스 버너(80)의 캐소드 오프-가스 입구(83)로 규정된다.
테일-가스 버너 오프-가스 유체 유동 경로(E)는 테일 가스 버너 배기(81)로부터 공기 예열기 열 교환기(150), 증발기 열 교환기(170)(HX-Evap), 연료 전지 시스템 배기(180)로 규정된다. 애노드 오프-가스 열 교환기(110)는 (i) 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 출구(42)(즉, 연료 전지 애노드 출구(42A) 포함) 및 테일-가스 버너 애노드 오프-가스 입구(82), 그리고 (ii) 산화제 입구(140) 및 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)(즉, 연료 전지 캐소드 입구(61A) 포함)와 유체 유동 연통하고, 연료 전지 스택(20)으로부터의 애노드 오프-가스와 연료 전지 스택(20)으로의 캐소드 입구 가스 사이에서 열을 교환하도록 배열된다.
공기 예열기 열 교환기(150)는 (i) 테일-가스 버너 배기(81) 및 연료 전지 시스템 배기(180), 그리고 (ii) 산화제 입구(140) 및 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)(즉, 연료 전지 캐소드 입구(61A) 포함)와 유체 유동 연통하고, 테일-가스 버너(81) 오프-가스와 연료 전지 스택(20)으로의 캐소드 입구 가스 사이에서 열을 교환하도록 배열된다.
리포머 열 교환기(160)는 병렬 유동 열 교환기일 수 있고(다른 가능성은 아래에서 설명됨), (i) 산화제 입구(140) 및 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)(즉, 연료 전지 캐소드 입구(61A) 포함), 그리고 (ii) 연료원(90) 및 연료 전지 스택 애노드 입구(41)(즉, 연료 전지 애노드 입구(41A) 포함)와 유체 유동 연통하고, 캐소드 입구 가스와 애노드 입구 가스 사이에서 열을 교환하도록 배열된다.
증발기(100)는 연료원(90)으로부터 애노드 입구 가스를 위한 연료 입구(101), 급수원(water supply)(103)으로부터의 물을 위한 물 입구(102), 및 증발기(100)로부터 애노드 입구 가스를 배출하기 위한 증발기 배기(104)를 가지며, 연료원(90)과 증기 리포머(70) 사이의 애노드 입구 가스 유체 유동 경로에 위치한다. 증발기(100)는 공기 예열기 열 교환기(150)와 연료 전지 시스템 배기(180) 사이의 테일-가스 버너 오프-가스 유체 유동 경로(E)에 위치한 증발기 열 교환기(170)를 추가적으로 포함한다.
증발기 열 교환기(170)는 (i) 테일-가스 버너 배기(81) 및 연료 전지 시스템 배기(180), 그리고 (ii) 연료원(90) 및 급수원(103) 및 연료 전지 스택 애노드 입구(41)(즉, 연료 전지 애노드 입구(41A) 포함)와 유체 유동 연통하고, 테일-가스 버너 오프-가스와 애노드 입구 가스 및 물 사이에서 열을 교환하도록 배열되어, 증기 리포머(70)에의 애노드 입구 가스를 위한 증기 연료 혼합물을 생성한다.
콘덴서 열 교환기(120)는 (i) 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 출구(42)(즉, 연료 전지 애노드 출구(42A) 포함) 및 테일-가스 버너 애노드 오프-가스 입구(82), 그리고 (ii) 냉각 회로(121)와 유체 유동 연통하고, 연료 전지 스택(20)으로부터의 애노드 오프-가스와 냉각 회로(121)의 냉각 유체 사이에서 열을 교환하도록 배열된다.
분리기(130)는 콘덴서 열 교환기(120)와 테일-가스 버너(80) 사이의 애노드 오프-가스 유체 유동 경로에 위치하고, 분리기 응축액(condensate) 출구(131)를 가지며, 애노드 오프-가스 유체 유동 경로로부터 응축액을 분리하고, 응축액 출구(131)를 통해 응축액을 배출하도록 적응되어 있다.
제어기(402)는 도 1의 제어기(200)와 동일한 입력 및 출력을 갖는다. 제어기(402)는 제어기(200)와 동일할 수 있거나 설명되는 바와 같이 제어기(200)에 대해 수정될 수 있다.
경로(C)에서 공기 예열기 열 교환기(150)의 공기 출구로부터 연료 전지 스택(20)의 애노드 입구(61)로 직접 연장되는 고온 캐소드 바이패스(hot cathode bypass)(401)가 제공된다. 이 바이패스는 소량의 고온 캐소드 입구 가스가 리포머 열 교환기를 바이패스하고 캐소드 입구 가스를 캐소드 입구의 온도로 상승시키는데 기여하는 것을 허용한다. 이 바이패스 유동은 열 교환기(160)를 통과하는 캐소드 가스의 부피에 비해 작다.
고온 캐소드 바이패스(401)는 바람직하게는 고정 제한기(fixed restrictor) 또는 스로틀(throttle)(410)을 갖는다. 가변 스로틀 버전은 아래에서 더 설명된다.
고온 캐소드 바이패스(401)의 효과는 도 5에 도시된다. 이는 공기를 리포머 열 교환기의 출구에서의 연료보다 높은 온도로 가열하는 것을 허용하여 캐소드 입구에서의 T1이 애노드 입구에서의 T3보다 높도록 한다. 이는 스택 전압의 강하 없이 연료 전지 스택(20)에서 보다 많은 내부 리포밍(internal reforming)을 허용한다. 이는 차례로 총 기류가 낮아짐을 허용하고, 이는 송풍기에 대해 낮아진 전력, 높아진 전체 시스템 효율성을 의미한다.
스택 공기 입구 온도보다 낮게 리포머 출구 온도를 제공하면 보다 최적의 시스템 성능을 얻는 것이 발견된다.
캐소드 입구(61A)의 온도(T1)는 송풍기(210")의 제어를 통해 공기 입구(140")로부터 찬 공기를 추가함으로써 제어될 수 있다.
이는 도 6에 도시되며, 캐소드 입구 가스 유체 온도는 리포머 열 교환기(160)를 통과할 때 감소하고, 이어서 바이패스(401)로부터의 고온의 바이패스 가스의 혼합과 함께 상승한 다음, 공기 입구(140")로부터의 공기의 혼합 시 제어된 방식으로 감소한다.
따라서, 설명된 바와 같이, 제어기(402)는 송풍기(210")의 제어를 통해 공기 입구(140")로부터 찬 공기를 추가함으로써 캐소드 입구(61A)의 온도(T1)를 제어할 수 있고, 이러한 제어는 연료 전지 스택 애노드 입구(41)보다 높은 온도에서 발생하도록 수정된다.
송풍기(140, 140')는 한편으로는 주 캐소드 입구 기체 유체 유동 경로(230) 및 다른 한편으로는, 바이패스 입구 가스 유동 경로(240)를 따라 통과하는 입구 산화제의 비율을 조정할 수 있는 조정 가능한 밸브(valve)/분리기(도시되지 않음) 및 단일 송풍기로 대체될 수 있다.
도 7은 도 4의 장치의 정상 상태 동작을 달성하기 위한 제어기(402)의 제어 프로세스에 대한 수정을 도시한다.
리포머 제어 프로세스(700), 테일 가스 버너(TGB) 프로세스(701), 연료 제어 프로세스(702) 및 공기 제어 프로세스(708)가 있다.
리포머 제어 프로세스는 그 입력으로서 리포머 온도(710) 및 리포머 온도 설정값(setpoint)(711)을 취한다. 리포머 온도(710)는 도 1 및 도 4의 리포머 출구(72)에서 측정된 T3이다. 리포머 제어 프로세스는: TGB 출력 온도 설정값(710) 및 리포머 바이패스 기류 요구(715)의 두 가지 출력을 전달한다.
TGB 제어 프로세스(701)는 TGB 출력 온도 설정값(710)을 그 입력 중 하나로 취하고 TGB 출구 온도(713)를 다른 입력으로 취하여 연료 수요 출력(714)을 전달한다. TGB 출구 온도는 TGB 테일가스 출력(81)(도 1 및 도 4)에서 측정된 TTGB이다.
연료 제어 프로세스(702)는 연료 수요 출력(714)을 그 입력으로 취하고 이를 그 출력에서 액추에이터 제어(actuator control)로 변환하여 리포머와 스택 또는 그 둘의 혼합물을 통과한 연료원(90 또는 250)(도 4) 또는 연료(82)로부터 TGB에 대한 새로운 연료의 공급을 제어한다.
공기 제어 프로세스(708)는 프리 리포머(pre-reformer) 바이패스 기류 수요(715)를 그 입력으로 취하고 이를 액추에이터 제어 출력(718)으로 변환한다. 이 제어 출력은 송풍기(810)뿐만 아니라 밸브(820 및 821)도 제어한다. 이는 수개의 대안적인 방법 중 하나로 달성된다.
총 기류율(total airflow rate), 주 기류율 또는 포스트 리포머 바이패스 유량(post reformer bypass flow rate)을 일정하게 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 각각의 경우마다 밸브 위치 또는 송풍기 속도를 다소 조정하는 것이 필요할 것이다.
예를 들어, 경로(230)를 따라 주 기류율을 일정하게 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 밸브(820)는 고정될 수 있고 액추에이터 제어 출력(718)은 송풍기(810)에 대해 대응하는 조정으로 밸브(821)를 제어할 수 있다.
대안적으로, (경로(260)를 따라) 포스트 리포머 바이패스 유량을 일정하게 유지하는 것이 바람직할 수 있으며, 이 경우 밸브(821)는 고정될 수 있고 액추에이터 제어 출력(718)은 송풍기(810)에 대해 대응하는 조정으로 밸브(820)를 제어할 수 있다.
각 유동 경로의 압력 강하 차이로 인해, 일반적으로 밸브와 송풍기 모두에 약간의 조정이 필요할 것이다.
도 8은 도 4를 참조하여 이미 설명된 바와 같이, 연료 전지 모듈을 도시하며, 유사한 요소에는 유사한 참조 번호가 부여된다. 공통의 차가운 공기원(common cold air source)(802), 공기 필터/소음 감쇠기(noise attenuator)(805), 연료 전지 송풍기(810) 및 제1 및 제2 공기 바이패스 밸브(820 및 821)가 있다. 제1 공기 바이패스 밸브(820)는 애노드 오프-가스 열 교환기(110)에 대한 차가운 공기 공급을 제어한다. 제2 공기 바이패스 밸브(821)는 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(240 및 260)로의 공기를 제어한다. 이들 밸브는 송풍기(810)로부터 이들 3개의 경로로 통과되는 공기의 비율을 제어한다.
약 섭씨 30도의 주변 공기는 첫째로 가열되는 애노드 오프-가스 히터를 통과한 다음 추가로 가열되는 공기 예열기(150)를 통과한다. 이는 캐소드 입구 가스 유체 유동 경로(C)에서 가장 고온인 지점이다. 공기는 주로 테일 가스 버너로부터의 배기에 의해 고온으로 가열되며 약 섭씨 800도 내지 900도일 수 있다.
이 고온 공기(hot air)는 공기 바이패스 경로(240)로부터의 차가운 공기와 혼합기(mixer)(830)에서 혼합된다. 혼합기(830)로부터의 출구 공기는 섭씨 500도에서 600도 사이일 수 있다. 이는 리포머 열 교환기를 통과하여 리포밍된 연료를 약 섭씨 400도에서 500도 사이로 가열되게 하고, 공기는 리포머 열 교환기로부터 유사한 온도로 배출된다(또는 위의 해당 온도보다 약 섭씨 15도 내지 25도 높은 온도로 배출되지만, 설명될 바와 같이, 리포밍된 연료의 온도 미만의 온도에서 배출될 수 있음).
리포머 열 교환기 산화제 출구(162)와 연료 전지 스택 캐소드 입구(61) 사이에는 입구로서 바이패스 경로(260)를 갖고 또 다른 입구로서 고온 바이패스(hot bypass)(401)를 갖는 추가 혼합기(840)가 있다. 고온 바이패스 경로는 스로틀, 초크(choke) 또는 제한기(410)를 갖는다.
바이패스 경로(260)로부터의 차가운 공기와 고온 바이패스(401)로부터의 고온 공기가 혼합된 후, 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)에서의 온도는 약 섭씨 500도에서 약 600도 사이이다. 따라서, 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)에서의 온도(T1)는 연료 전지 스택 애노드 입구(41)에서의 온도(T3)보다 높다.
송풍기(810)로부터의 공기는 모두 사용되므로 송풍기는 그 최대의 효율로 사용된다. 연료 전지 스택 캐소드 및 애노드 입구 온도는 공기 바이패스 밸브(820 및 821)에 의해 신중하게 제어될 수 있으며 송풍기(810)에 공급되는 전력은 이러한 밸브로부터의 요구에 매칭되도록 감소될 수 있다.
대안적인 실시형태에서, 고온 바이패스(401)가 생략되고 리포머 열 교환기는 공기 바이패스 입구 가스 유동 경로(260)로부터의 공기와 혼합되기 전에 캐소드 입구 가스 유체 유동 경로로부터의 산화제의 온도 미만의 온도로 연료를 가열하도록 수정된다. 리포머 열 교환기(160)는 예를 들어 연료를 공기의 출구 온도로 완전히 가열하지 않는 단축된 병렬 유동 열 교환기일 수 있다. 대안적으로, 1차 (가열) 경로와 2차 (가열) 경로 사이에 그 경로들을 따라 있는 모든 지점에서 온도 차이가 있는 역류(contra-flow) 열 교환기일 수 있다. 다른 배열이 가능하다. 이러한 실시형태의 동작은 도 9에 설명되며, 상기 도면은 송풍기(210”)(도 4) 또는 바이패스 밸브(821)(도 8)의 제어 하에, 연료와 연료보다 더 고온인 공기와 함께 리포머 열 교환기로부터 나오는 공기를 도시하고 나오는 공기가 캐소드 입구 가스 유체 유동 경로로부터의 산화제와 제어된 방식으로 혼합됨에 따른 온도 강하를 도시한다.
바람직한 실시형태에서, 제한기 또는 스로틀(410)이 고정된다는 것이 설명되었다. 고온 가스의 유동을 제어하려면 유지 보수나 교체가 잦은 고가의 제어 밸브를 필요로 하기 때문이다. 이러한 이유로 소규모 시스템에서는 리포머를 빠져나가는 공기의 온도를 연료의 온도보다 높은 온도로 가져온 다음, 혼합하여 필요한 온도로 냉각하는 것이 바람직하다.
대안으로서, 특히 대규모 시스템에서, 스로틀(410)은 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)를 연료 전지 스택 애노드 입구(41) 온도보다 높은 원하는 온도로 가져오기 위해 단지 필요한 양의 고온 캐소드 가스가 리포머를 바이패스하도록 허용하는 제어기(200 또는 800)에 의해 제어될 수 있다. 이러한 배열은 10kW 또는 20kW 이상의 전력을 생성하는 시스템에서 바람직할 수 있다. 이러한 시스템에서 보다 큰 효율성으로 인한 에너지 절약은 고온 유동 제어 구성 요소의 비용보다 에너지 절약이 더 클 수 있도록 한다.
이러한 방식으로, 고온 리포머 바이패스와 저온 프리/포스트 리포머 바이패스가 있는 연료 전지 시스템과 이들의 다양한 대안적 조합(포스트 리포머 바이패스가 있고 프리 리포머 바이패스는 없는 고온 바이패스; 포스트 리포머 바이패스 및 선택적 프리 리포머 바이패스가 있는 고온 바이패스가 없음, 포스트 리포머 바이패스 및 선택적 프리 리포머 바이패스가 있는 고온 제어 가능 바이패스)이 설명되었다. 일부 실시형태에서 연료는 리포머 출구에서 산화제의 온도 미만의 온도로 리포머에서 가열된다. 예를 들어, 대향류(counter flow) 리포머 열 교환기의 경우, 고온 바이패스 유동은 보다 커야 하고 저온 프리 리포머 바이패스 유동은 보다 클 것이다. 이는 시스템에서의 더 낮은 압력 강하 및 소형화의 측면에서 실제로 유리할 수 있다.
증기 리포밍 이외의 다른 유형의 리포밍 반응이 사용되는 시스템 예열 옵션이 제공될 수 있다. 예를 들어, CPOX 리포밍은 정상 동작에서 SMR로 되돌아가기 전에 사용될 수 있다. 이는 바람직하게는 애노드 오프 가스 재순환을 포함할 것이다. 이는 스택(20)과 TGB(80) 사이의 임의의 지점에서 스트림 'B'로부터 유동의 일부를 취하여 리포머(70)의 입구로 공급함으로써 구현될 것이다.
관련된 수정은 증발기 열 교환기(170)를 생략하는 것을 포함한다.
본 발명은 상기 실시형태에만 제한되지 않으며, 다른 실시형태는 첨부된 청구범위의 범위를 벗어남 없이 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 자명하다.

Claims (17)

  1. 연료 전지 시스템으로서:
    (i) 적어도 하나의 중간-온도 고체 산화물 연료 전지(intermediate-temperature solid oxide fuel cell)를 포함하고 애노드 입구(anode inlet)(41), 캐소드 입구(cathode inlet)(61), 애노드 오프-가스 출구(anode off-gas outlet)(42) 그리고 캐소드 오프-가스 출구(62)를 갖는 적어도 하나의 연료 전지 스택(stack)(30); 및
    (ii) 애노드 입구 가스를 위한 리포머(reformer) 입구(71), 애노드 입구 가스를 배출하기 위한 리포머 출구(72), 및 리포머 열 교환기(heat exchanger)(160)를 갖고 탄화수소 연료(hydrocarbon fuel)를 리포메이트(reformate)로 리포밍하기 위한, 선택적으로는 증기 리포머인 리포머(70); 를 포함하고
    그리고:
    (a) 연료원(fuel source)(90)으로부터 상기 리포머(70), 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구(41)로의 애노드 입구 가스 유체 유동 경로(fluid flow path);
    (b) 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 출구(42)로부터 연료 전지 시스템 배기(exhaust)(180)로의 애노드 오프-가스 유체 유동 경로;
    (c) 적어도 하나의 산화제(oxidant) 입구(140, 140', 140")로부터 적어도 하나의 캐소드 입구 가스 열 교환기(110, 150)를 통한 상기 리포머 열 교환기(160), 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)로의 캐소드 입구 가스 유체 유동 경로; 및
    (d) 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 출구(62)로부터 상기 연료 전지 시스템 배기(180)로의 캐소드 오프-가스 유체 유동 경로; 를 규정하고
    상기 적어도 하나의 캐소드 입구 가스 열 교환기(110, 150)는 (i) 상기 애노드 오프-가스 유체 유동 경로 및 (ii) 상기 캐소드 오프-가스 유체 유동 경로 중 적어도 하나로부터의 열 전달에 의해 상대적으로 저온의 캐소드 입구 가스를 가열하도록 배열되어 상대적으로 고온의 캐소드 입구 가스를 제공하며;
    상기 리포머 열 교환기는 상기 상대적으로 고온의 캐소드 입구 가스로부터의 상기 애노드 입구 가스를 상기 캐소드 입구에서의 온도(T1) 미만인 상기 애노드 입구에서의 온도(T3)로 가열하도록 배열되고; 그리고
    산화제 유동 제어 수단(200)은 상기 애노드 입구(41)에서의 온도(T3) 및 T3보다 높은 수준에서의 온도에 대해 상기 캐소드 입구(61)에서의 온도(T1)를 제어하기 위해 각각의 산화제 입구(140, 140', 140")로부터의 저온 산화제와 고온의 캐소드 입구 가스의 제어된 혼합을 위한 것인, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화제 유동 제어 수단(200)은 상기 온도(T1)를 감소시키기 위해 상기 캐소드 입구(61)에서 산화제 입구(140")로부터의 저온 산화제의 혼합을 제어하도록 배열되는, 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산화제 유동 제어 수단(200)은 상기 온도(T1)를 감소시킴과 함께 상기 온도(T3) 또한 감소시키기 위해 상기 리포머 열 교환기(160)로의 입력에서 산화제 입구(140')로부터의 저온 산화제의 혼합을 제어하도록 배열되는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 리포머 열 교환기는 캐소드 입구 가스를 위한 고온 바이패스(hot bypass)를 포함하여 상기 리포머 열 교환기를 바이패스하고 상기 캐소드 입구 가스를 상기 캐소드 입구에서의 온도(T1)로 상승시키는 데 기여하는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 고온 바이패스는 사전 설정된 애퍼처 제한기(pre-set aperture restrictor)를 포함하는, 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 고온 바이패스 캐소드 입구 가스는 저온 산화제의 혼합 전에 상기 캐소드 입구 가스 유체 유동 경로로부터 인출되는, 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 고온 바이패스는 제어 가능한 제한기를 포함하는, 시스템.
  8. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화제 유동 제어 수단(200)은 상기 리포머 출구(72)에서의 연료 온도를 나타내는 리포머 온도 입력(710) 및 리포머 설정값(setpoint) 입력(711)으로부터 리포머 바이패스 공기 유동 요구 출력 신호(715)를 도출하도록 배열되는, 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 및 캐소드 오프-가스 출구와 유체 유동 연통하는 테일-가스 버너(tail-gas burner)(80)를 더 포함하고, 테일-가스 버너 배기(81)를 가지며, 상기 테일-가스 버너 배기(81)는 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 및 캐소드 오프-가스 출구로부터 상기 테일-가스 버너 배기(81), 배기(180)로의 유체 유동 경로를 규정하고, 테일-가스 버너 배기 온도(TTGB)를 감지하기 위한 테일-가스 버너 배기 온도 센서를 더 포함하고, 상기 산화제 유동 제어 수단이 상기 리포머 온도 입력 및 상기 리포머 설정값 입력으로부터 테일 가스 버너 배기 온도 설정값을 도출하도록 추가로 배열되는, 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 테일-가스 버너 배기 온도가 상기 산화제 유동 제어 수단에 의해 제공되는 상기 테일 가스 버너 배기 온도 설정값 미만일 때, 상기 테일 가스 버너로의 연료 공급을 증가시키기 위해 상기 테일 가스 버너 배기 온도 설정값 및 상기 테일-가스 버너 배기 온도로부터 도출된 연료 수요 액추에이터(actuator) 명령을 제공하기 위한 테일 가스 버너 제어 수단을 더 포함하는, 시스템.
  11. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 산화제 혼합기를 포함하고, 상기 제1 산화제 혼합기는 상기 리포머 열 교환기로의 입구에서 산화제 입구(140')로부터의 저온 산화제를 혼합하도록 배열되고, 상기 제2 산화제 혼합기는 리포머 열 교환기 출구 및 캐소드 입구에서 산화제 입구(140")로부터의 저온 산화제를 혼합하도록 배열되는, 시스템.
  12. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 입구 가스 유체 유동 경로는 주변 온도 공기 입력에서 정상 상태 동작에서의 그 가장 고온인 지점에서 섭씨 750도 내지 850도의 온도를 갖는, 시스템.
  13. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, T1은 주변 온도 공기 입력에서 정상 상태 동작에서의 T3보다 섭씨 50도에서 150도 사이로 더 높게 되도록 제어되는, 시스템.
  14. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, T1은 주변 온도 공기 입력에서 정상 상태 동작에서의 섭씨 500도에서 600도 사이가 되도록 제어되는, 시스템.
  15. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, T3는 주변 온도 공기 입력에서 정상 상태 동작에서의 섭씨 400도에서 500도 사이가 되도록 제어되는, 시스템.
  16. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리포머 열 교환기는 동축류(co-flow) 또는 병렬 열 교환기인, 시스템.
  17. 연료 전지를 작동하는 방법으로서:
    (i) 적어도 하나의 중간-온도 고체 산화물 연료 전지를 포함하고 애노드 입구(41), 캐소드 입구(61), 애노드 오프-가스 출구(42) 그리고 캐소드 오프-가스 출구(62)를 갖는 적어도 하나의 연료 전지 스택(30); 및
    (ii) 애노드 입구 가스를 위한 리포머 입구(71), 애노드 입구 가스를 배출하기 위한 리포머 출구(72) 및 리포머 열 교환기(160)를 갖고, 탄화수소 연료를 리포메이트로 리포밍하기 위한 리포머(70); 를 갖고
    그리고:
    (a) 연료원(90)으로부터 상기 리포머(70), 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 입구(41)로의 애노드 입구 가스 유체 유동 경로;
    (b) 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 오프-가스 출구(42)로부터 연료 전지 시스템 배기(180)로의 애노드 오프-가스 유체 유동 경로;
    (c) 적어도 하나의 산화제 입구(140, 140', 140")로부터 적어도 하나의 캐소드 입구 가스 열 교환기(110, 150)를 통한 상기 리포머 열 교환기(160), 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 입구(61)로의 캐소드 입구 가스 유체 유동 경로; 및
    (d) 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 오프-가스 출구(62)로부터 상기 연료 전지 시스템 배기(180)로의 캐소드 오프-가스 유체 유동 경로; 를 규정하며, 상기 방법은:
    (i) 상기 애노드 오프-가스 유체 유동 경로 및 (ii) 상기 캐소드 오프-가스 유체 유동 경로 중 적어도 하나로부터의 열 교환에 의해 상대적으로 저온의 캐소드 입구 가스를 가열하여 상대적으로 고온의 캐소드 입구 가스를 제공하는 단계;
    상기 상대적으로 고온의 캐소드 입구 가스로부터의 상기 애노드 입구 가스를 상기 캐소드 입구에서의 온도(T1) 미만인 상기 애노드 입구에서의 온도(T3)로 가열하는 단계; 및
    T3보다 높은 수준으로 상기 캐소드 입구(61)에서의 상기 온도(T1)를 제어하기 위해 각각의 산화제 입구(140, 140', 140")로부터의 저온 산화제와 고온의 캐소드 입구 가스를 제어 하에서 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
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