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KR100417362B1 - 연료셀발전소노및연소가스의불꽃온도증가방법과연료셀발전소 - Google Patents

연료셀발전소노및연소가스의불꽃온도증가방법과연료셀발전소 Download PDF

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KR100417362B1
KR100417362B1 KR1019960707092A KR19960707092A KR100417362B1 KR 100417362 B1 KR100417362 B1 KR 100417362B1 KR 1019960707092 A KR1019960707092 A KR 1019960707092A KR 19960707092 A KR19960707092 A KR 19960707092A KR 100417362 B1 KR100417362 B1 KR 100417362B1
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KR
South Korea
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fuel
shell
air
furnace
preheating chamber
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KR1019960707092A
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English (en)
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KR970704252A (ko
Inventor
리차드 에이 세더퀴스트
도날드 에프 스지들로우스키
토마스 제이 코리간
스탠리 피 본크
Original Assignee
인터내셔널 퓨얼 셀즈 코포레이션
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Filing date
Publication date
Application filed by 인터내셔널 퓨얼 셀즈 코포레이션 filed Critical 인터내셔널 퓨얼 셀즈 코포레이션
Publication of KR970704252A publication Critical patent/KR970704252A/ko
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Abstract

연료 셀 시스템이 탄화 수소 연료와 증기를 생성 가스로 재형성하기 위한 증기를 전기적으로 전화하기 위한 연료 셀 스택용 연료 처리 장치를 구비한다. 연료 처리 장치는 노와 촉매 리액터를 구비한 촉매 반응 장치이다. 촉매 반응 장치의 효율을 증가시키며 촉매 리액터의 크기 및/또는 수를 감소시키려는 노력의 일환으로, 본 발명은 노내 불꽃 온도를 상승시키도록 공기 및 연료 예열 챔버를 사용하는 노에 관한 것이다.

Description

연료 셀 발전소 노 및 연소 가스의 불꽃 온도 증가 방법과 연료 셀 발전소 {FUEL PROCESSING APPARATUS HAVING A FURNACE FOR FUEL CELL POWER PLANT}
탄화 수소 연료로부터 전기를 생성하기 위한 연료 셀 발전소가 당해 업계에 공지되어 있으며 연료 셀 스택과 연료 처리 장치로 구성된다. 연료 셀 스택은 수소-농후 생성 가스와 옥시던트를 전기화학적으로 전기로 전환시킨다. 연료 셀 스택은 직렬로 정렬된 각각의 연료 셀을 구비한다. 각각의 연료 셀은 양극, 음극 및 이들 사이에 배치된 전해질로 형성된다. 양극과 음극은 널리 공지되어 있는 다양한 촉매를 활용한다. 연료 처리 장치와 양극이 유체 연통하여, 생성 가스가 전기 화학적으로 반응되는 양극에 수소 함유 생성 가스가 공급된다. 비사용된 수소 함유 생성 가스는 양극 배출구에 의하여 양극으로부터 배출된다. 옥시던트 공급원과 유체 연통하는 음극은 보통 산소형태의 옥시던트로 충전된다. 옥시던트는 음극에서 전기화학적으로 반응된다.
연료 처리 장치 증기는 생성 가스에 수소 함량을 증가시키기 위하여 탄화 수소 연료 및 증기를 생성 가스로 개질(reform)한다. 그 후, 생성 가스는 연료 셀스택에 공급된다. 증기 개질 공정은 가열된 촉매와 탄화 수소 연료 및 증기를 접촉시킴으로써 수행된다.
연료 처리 장치는 개질 공정을 위한 열 공급원이 노와 노내에 배치된 적어도 하나의 촉매 리액터를 구비한다. 이 연료 처리 실시에 유용한 종래의 노는 쉘 또는 하우징과, 각각의 공기와 연료를 노 쉘에 주입하기 위한 공기와 연료 입구 뿐만 아니라 두 종류의 가스 점화시에 발생하는 연소 가스를 제거하기 위한 배출 포트를 포함하는 것이 통상적이다. 또한, 종래에 사용된 촉매 리액터는 증기를 개질하는 촉매 베드로 탄화 수소 연료와 증기를 주입하기 위한 입구를 구비한다.
작동시에, 공기와 노 연료는 각각 공기 및 연료 입구를 사용하여 노에 주입 된다. 공기로서 압축 공기 또는 산소가 공급될 수도 있는 반면, 노 연료는 연료 공급원으로부터 또는 연료 셀내에서 반응되지 않는 초과 수소를 함유한 연료 셀의 양극 배출물로부터 직접 주입될 수도 있다. 노내에서, 노 연료는 종래의 수단에 의하여 연소되어 연소 가스를 생성한다. 그후, 연소 가스는 그 안의 촉매 베드를 가열하기 위하여 촉매 리액터의 외부를 따라 유동한다. 탄화 수소 연료와 증기는 리액터 입구를 통하여 리액터로 유입되며 리액터의 촉매 베드를 통하여 유동한다. 통상적으로, 촉매 베드를 통한 탄화 수소 연료와 증기의 유동은 연소 가스 유동에 역방향이다. 연소 가스의 열이 탄화 수소 연료와 증기에 전달된다. 이 열 전달 관계에 의하여, 탄화 수소 연료, 증기 및 촉매간의 촉매 리액터내에서의 증기 개질 공정이 이루어지며 따라서 수소-농후 생성 가스를 생성한다. 연소 가스와 촉매 리액터사이의 열 전달후, 연소 가스는 배출 포트를 통하여 쉘에 배출된다. 생성 가스는 리액터 배출구를 통하여 배출된다.
촉매 리액터의 수 및/또는 크기를 감소시키며, 리액터를 제조하는데 필요한 값비싼 재료의 양을 증가시키는 것뿐만 아니라 리액터를 작동시키는데 필요한 값비싼 촉매의 양을 감소시킴으로써 상당한 비용 절감이 이루어질 수 있다. 촉매 리액터의 수 및/또는 크기가 불꽃 온도를 상승시킴으로써 감소될 수 있음이 당해 업계에 공지되어 있다. 불꽃 온도는 노 연료 및 공기가 연소되는 온도이다. 불꽃 온도는 공기 및/또는 노 연료를 노 쉘에 주입하기에 앞서 온도를 상승시킴으로써 상승될 수 있다. 종래의 연료 처리 장치는 노와, 공기 또는 공기 및 노 연료를 노에 주입하기에 앞서 이들을 가열하도록 노로부터 분리되어 있는 열 교환기를 사용하였다. 공기를 예열하도록 노로부터 분리되어 있는 열 교환기를 활용하는 불꽃 온도는 약 220℉이다. 그러나, 이 종래의 구조는 값비싼 열 교환기를 필요로하며 노로부터 열 교환기로의 연소 가스 전달로 인한 열 손실을 최소화하지 않는다. 따라서, 과학자와 기술자는 노 연료 및/또는 공기를 노에 주입하기에 앞서 이들의 온도를 증가시키기 위한 저렴하며 효율적인 방법 및 장치에 대해 연구해왔다.
본 발명은 연료 셀 발전소용 탄화 수소 연료 처리에 관한 것으로, 특히 연료 셀 발전소용 노의 설계에 관한 것이다.
도 1은 연료 예열 챔버와 공기 예열 챔버를 가진 노를 구비한 본 발명의 일 실시예의 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도
도 3은 본 발명의 연료 예열 챔버의 일 실시예로서 도 2의 부분(3)의 확대도
본 발명의 특허청구 범위에 따르면, 노 연료 연소시 온도를 증가시키기 위한 방법 및 장치가 개시되어 있다. 연소 가스의 불꽃 온도를 상승시키는 방법은 쉘, 공기를 쉘에 주입하기 위한 공기 입구, 노 연료를 쉘에 주입하기 위한 연료 입구, 및 쉘의 외부에 일체형으로 배치된 연료 예열 챔버를 구비한 유형의 노를 사용한다. 상기 방법은 저온 노 연료를 연료 예열 챔버에 주입하는 단계와, 연료 예열챔버를 통하여 저온 노 연료를 유동시켜 저온 노 연료가 연소 가스와 열 전달 관계가 됨으로써 저온 노 연료를 가열하여 고온 노 연료를 생성하는 단계를 포함한다. 다음에, 상기 방법은 고온 노 연료를 연료 입구로 유동시키는 단계와, 고온 노 연료와 공기를 연소시켜, 연소 가스를 생성하는 단계를 포함하며, 이 연소 가스의 불꽃 온도는 약 2100℉ 내지 약 2700℉이다. 또한, 상기 방법은 쉘의 외부에 쉘과 일체형으로 배치된 공기 예열 챔버를 구비한 노를 사용한다. 이 방법은 저온 공기를 공기 예열 챔버에 주입하는 단계와, 저온 공기를 공기 예열 챔버를 통하여 유동시켜 저온 공기가 연소 가스와 열 전달 관계가 되어 저온 공기를 가열하여 고온 공기를 생성하는 단계와, 고온 공기를 공기 입구로 유동시키는 단계와, 고온 노 연료와 고온 공기를 연소시켜 약 2100℉ 내지 약 2700℉사이의 불꽃 온도를 갖는 연소 가스를 생성하는 단계를 더 포함한다.
장치의 일 실시예는 노 연료와 공기를 연소시켜 연소 가스를 생성하기 위한 노이다. 노는 쉘과, 쉘에 공기를 주입하기 위한 공기 입구, 및 쉘에 노 연료를 주입하기 위한 연료 입구 뿐만 아니라 그 내에서 저온 노 연료를 가열하여 고온 노 연료를 연료 입구를 통하여 주입하기 위한 연료 예열 챔버를 구비한다. 연료 예열 챔버는 쉘의 외부에 쉘과 일체형으로 배치되어, 연료 예열 챔버내의 저온 노 연료는 노의 연소 가스와 열 전달 관계가 된다.
장치의 다른 실시예는 그 내에서 저온 공기를 가열하여 고온 공기를 노에 주입하기 위한 예열 챔버를 구비한 노이다. 장치의 또다른 실시예는 각각 저온 노 연료와 공기를 가열하여 고온 노 연료와 공기를 노에 주입하기 위한 연료 예열 챔버 및 공기 예열 챔버를 구비한 노이다. 또한, 저온 노 연료가 연료 셀 스택으로부터 양극 배출구인 연료 처리 장치내에 연료 및 공기 예열 챔버를 활용하는 연료 셀 발전소가 개시되어 있다.
본 발명은 본 발명의 실시와 첨부 도면에 대해 최상의 상태의 아래의 상세한 설명에 의하여 보다 분명해질 것이다.
이 도면은 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 1은 연료 예열 챔버(12)와 공기 예열 챔버(14)를 가진 노(10)를 구비한 본 발명의 일 실시예의 단면도이다. 노 연료와 공기를 연소시킴으로써 연소 가스를 제공하는 노(10)는 쉘(15)을 구비한다. 노는 탄화 수소 연료를 개질하기 위한 증기에 사용된 것과 같은 종래의 노일 수 있다. 연료 및 공기 예열 챔버는 쉘의 외면에 배치되며 쉘과 일체형이다. 저온 공기(16′)가 공기 예열 챔버에 유입되는 것으로 도시되어 있으며 저온 노 연료(17′)가 연료 예열 챔버에 유입되는 것으로 도시되어 있다. " 저온(Low temperature) "은 가스가 예열 챔버를 통과하지 않았음을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 노(10)는 쉘(15)을 구비한다. 쉘(15)은 상부 벽(18)과, 상부 벽으로부터 이격된 바닥 벽(20) 및 상부 벽과 바닥 벽사이에 배치된 수직 측벽(22)으로 형성된다. 이 실시예에서, 수직 측벽은 원통형이다. 제 1 플리넘 벽(23)이 상부 벽(18)으로부터 분리 이격되어 그들 사이에 연료 플리넘(24)을 형성한다. 제 2 플리넘 벽(25)은 제 1 플리넘 벽(23)으로부터 분리 이격되어 그들 사이에 공기 플리넘(26)을 형성하며 그 아래에 노 체적(28)을 형성한다. 공기 입구(30)로 표시된 공기 입구(30)는 제 2 플리넘 벽(25)에 형성된다. 고온 공기(16)가 공기 플리넘(26)으로부터 공기 입구를 통하여 노 체적(28)으로 유동한다. 각각의 공기 입구가 연료 입구(32)와 관련되어 있다. 각각의 연료 입구가 제 1 플리넘 벽(23)에 부착되며 관련 공기 입구(30)를 통하여 노 체적(28)으로 연장한다. 연료 입구는 연료 플리넘(24)으로부터 노 체적으로 고온 노 연료(17)를 전달한다. 양 고온 노 연료와 공기(17, 16)는 노 연료와 공기 상태가 " 고온(High temperature) "임을 나타내는 실선의 개방 화살표 머릿부분을 가진 화살표로 나타내어진다. " 고온 " 은 가스가 예열 챔버를 통과하여 " 예열되었음(pregeated) "을 의미한다. 노는 고온 노 연료와 공기를 연소시켜 연소 가스(34)를 생성하기 위하여 종래의 노 연료와 공기의 혼합물을 사용한다. 연소 가스(34)는 파선으로 도시된 개방 헤드를 갖는 화살표로 나타내어진다.
탄화 수소 연료와 증기(38)를 생성 가스(40)로 개질하는 증기용의 적어도 하나의 수직 촉매 리액터(36)가 연소 가스(34)와 열 전달관계로 있는 노 체적내에 배치된다. 이 실시예에서 쉘(15)내에는 절연재(42)가 배치되어, 절연재(42)는 노 체적(28)내의 제 2 플리넘 벽(25)상에 배치되며 수직 측벽(22)의 일부와, 바닥 벽 및 촉매 리액터(36)로부터 분리 이격되어 이 사이에 연소 가스 통로(44)를 형성한다.
촉매 리액터(36)는 서로 이격된 내벽(48) 및 외벽(46)과 이들 사이에 형성된 반응 챔버를 구비한다. 리액터 입구를 통하여 탄화 수소 연료 및 증기(38)가 반응 챔버내로 유입된다. 탄화 수소 연료와 증기(38)는 줄무늬 헤드를 갖는 화살표로 표시되어 있다. 출구(54)가 반응 챔버로부터 생성 가스(40)를 배출하기 위하여 리액터 입구로부터 이격되어 반응 챔버내에 배치된다. 생성 가스(40)는 점선으로 그려진 개방 헤드를 갖는 화살표로 표시되어 있다. 촉매(56)가 반응 챔버내에 배치되어 개질을 돕는다. 촉매 리액터는 촉매 리액터로부터 생성 가스를 배출하기 위한 리액터 배출구(58)를 구비한다.
수직 측벽(22)은 노 체적(28)내의 내면(22a)과 대향하는 외면(22b)을 갖는다. 외면(22b)은 제 1 부분(l1)과 제 2 부분(l2)을 갖는다. 제 1 부분(l1)은 쉘의 바닥 벽(20) 근처이다. 연소 가스(34)를 쉘로부터 제거하기 위한 배출 매니폴드(60)가 제 2 플리넘 벽(25) 아래 수직 측벽(22)을 둘러싼다. 배출 매니폴드(60)는 연소 가스 통로(44)와 유체 연통한다. 배출 포트(62)가 배출 매니폴드를 통하여 배치된다. 제 2 부분(l2)은 제 1 부분(l1)과 배출 매니폴드(60)의 사이이다.
저온 노 연료(17′)를 쉘에 주입하기에 앞서 가열하기 위한 연료 예열챔버(12)가 쉘을 동심적으로 둘러싸고 있는 제 1 부분(l1)의 쉘 외부에 배치되며, 또한 연료 예열 챔버는 쉘과 일체형이다. 저온 공기(16′)를 쉘에 주입하기에 앞서 가열하기 위한 공기 예열 챔버(14)가 쉘을 동심적으로 둘러싸고 있는 제 2 부분(l2)에 배치되며, 또한 공기 예열 챔버는 쉘과 일체형이다. 저온 노 연료와 공기는 모두 실선 헤드를 갖는 화살표로 표시되어 있다.
본 명세서와 첨부된 청구 범위에 사용된 바와 같은 " 일체형(Integral)" 은 챔버가 쉘과 근접되어 있어 수직 측벽(22)으로부터의 열 전달에 의해 챔버내 노 연료와 공기의 온도가 상당히 상승될 수 있는 것을 의미한다. 측벽은 연소 가스에 의하여 가열된다. 따라서, 연소 가스는 노 연료와 공기와 직접 열전달 관계로 된다. 일체형 챔버의 바람직한 실시예는 챔버가 몇몇 수단에 의하여 쉘(15)에 부착 되는 것이다. 바람직한 부착 수단은 용접이다.
연료 예열 챔버(12)는 저온 노 연료(17′)의 유입을 위한 입구(64)와 고온 노 연료(17)의 배출을 위한 출구(66)를 구비한다. 출구(66)는 연료 예열 챔버(12)를 연료 플리넘(24)에 연결하는 공급관이다. 그러나, 연료 예열 챔버와 연료 플리넘 사이에 유체 연통을 제공하는 임의의 구조가 사용될 수 있다.
공기 예열 챔버(12)는 저온 공기(16′)의 유입을 위한 입구(68)와 고온 공기(16)의 배출을 위한 출구(70)를 구비한다. 출구(70)는 공기 예열 챔버(14)를 공기 플리넘(26)에 연결하는 공급관이다. 그러나, 공기 예열 챔버와 공기 플리넘 사이에 유체 연통을 제공하는 임의의 구조가 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 연료와 공기 예열 챔버는 고온 노 연료와 공기(17′, 16′)가 쉘에 주입되어 충돌되도록 저온 노 연료와 공기(17′, 16′)를 가열한다. 바람직하게, 예열 챔버는 도시된 바와 같이 쉘에 일체형으로 부착되며 쉘의 외면을 동심적으로 둘러싼다. 일체형으로 부착되며 쉘을 동심적으로 둘러싸고 있는 예열 챔버에 의하여 연소 가스로부터 열이 최대로 회수되면 열 전달중 상실되는 열은 최소가된다.
연료와 공기 예열 챔버의 크기 및 위치는 다른 실시예에서는 변경될 수도 있다. 쉘의 수직 측벽의 외면을 완전히 동심적으로 둘러싸는 크기가 바람직하다. 그러나, 수직 측벽을 부분적으로만 감싸는 크기로 감소될 수도 있다. 열역학적 고려에 기인한 예열 챔버의 바람직한 위치 설정은 노 연료가 우선적으로 가열될 수 있도록 하는 것이다.
반복하면, 저온 노 연료는 연료 셀(도시하지 않음)로부터의 정상적인 양극 배출물이다. 양극 배출물은 약 325℉ 내지 약 375℉사이의 온도로 연료 셀을 빠져 나간다. 저온 공기는 약 60℉ 또는 대기 온도로 공기 예열 챔버에 공급된다. 열 역학적 원리에 의하여 가열 유체로부터 최대 에너지를 얻기 위하여 역방향 유동 가열 유체(즉, 연소 가스)에 의하여 연속적으로 연료와 공기를 가열하는 경우, 보다 뜨거운 유체(즉, 노 연료)는 보다 차가운 연료(즉, 공기)에 앞서 가열되어야 한다. 따라서, 연료 예열 챔버는 수직 측벽의 제 1 부분(l1)에 있으며, 공기 예열 챔버는 수직 측벽의 제 2 부분(l2)에 있다.
그러나, 다른 실시예에서, 예열 챔버는 양 예열 챔버가 내부의 노 연료와 공기를 상당히 가열하기에 적당한 연소 가스에 의하여 열 전달을 하는 한 수직 측벽의 다른 부분에 배치될 수도 있다. 예열 챔버는 노 작동 조건의 열 부하를 견딜 수 있는 전도성 재료로 제조되어야 한다. 바람직한 재료는 스테인레스강과 같은 금속이지만, 다른 동등한 재료가 사용될 수 있다.
다른 실시예가 단일 예일 챔버에 의하여 노 연료 또는 공기를 가열할 수 있지만, 이것은 도 2의 바람직한 실시예에서와 같은 크기가 되기 위해서는 촉매 리액터의 크기를 감소시켜야 한다.
도 3은 연료 예열 챔버(12) 부분의 도 2의 부분(3)의 확대도이다. 연료 예열 챔버는 챔버 벽(72)과, 상부 매니폴드(73), 및 하부 매니폴드(74)로 구성된다. 챔버는 완전하게 동심적으로 감싸지며 수직 측벽(22)으로부터 분리 이격되어 그 사이에 열 전달 체적을 형성한다. 입구(64)는 상부 매니폴드(73)를 통하여 배치되며 출구(66)는 하부 매니폴드(74)를 통하여 배치된다.
상부 매니폴드는 저온 노 연료가 열 전달 체적에 유입되기에 앞서 연료 예열 챔버의 원주 주위로 저온 노 연료(17′)를 균일하게 분산시킨다. 저온 노 연료의 균일한 분산은 연료 예열 챔버의 원주 주위로 대략 일정한 정압(static pressure)을 설정함으로써 수행된다. 이 일정한 정압은 입구(64)의 유동 면적보다 상부 매니폴드(73)의 유동 면적을 상당히 크게 함으로써 얻어진다. 이 유동 면적 변경에 의하여 저온 노 연료가 매니폴드에 유입되는 속도는 최소가 되며, 매니폴드 주변에 대략 일정한 정압을 유지하며 매니폴드 주변에 저온 노 연료가 균일하게 분산되도록 한다.
상부 매니폴드(73)의 단부는 용접(76)에 의하여 수직 측벽(22)과 챔버 벽(72)의 외면(22b)에 부착된다. 하부 매니폴드(74)의 단부는 상부 매니폴드(73)와 동일한 방식으로 수직 측벽의 외벽(22b)과 챔버 벽(72)에 부착된다. 이 실시예의 매니폴드는 챔버 벽에 부착되는 두 개의 개별 구조물로, 챔버 벽은 소정의 길이로 상부 및 하부 매니폴드내로 연장한다. 이러한 매니폴드로의 챔버 벽의 연장은 저온 노 연료가 입구(64)로부터 매니폴드로 유입될 때 저온 노 연료의 유동을 편향시킴으로써 저온 노 연료가 열 전달 체적의 주위로 분산되는 것을 돕는다. 또한, 챔버 벽의 길이는 노 연료를 가열하는데 필요한 필수적인 열 전달 체적에 의하여 결정된다. 각종의 매니폴드 부분이 시작, 중지 및 작동 과정중의 열 응력 또는 힘을 고려하도록 곡선으로 된다. 매니폴드는 이 환형 곡선 표면을 생성할 수 있는 금속 형성 기술에 의하여 형성된다. 바람직한 기술은 매니폴드를 스피닝(spinning) 또는 하이드로포메이션(hydroformation)하는 것이다.
다수의 이격된 나선형 유동 경로(78)는 연소 가스 통로와 열 전달 체적내에 배치되는 것이 바람직하다. 유동 경로는 열 전달을 위한 경로 길이를 증가시키며 연소 가스(34)와 저온 노 연료(17′)사이의 열 전달을 증가시킨다. 바람직하게, 이 유동 경로는 그 내용이 본 명세서에 참조로 인용되어 있는 미국 특허 제 4,847,051 호에 개시된 바와 같이, 연소 가스 로드(rod)(80)와 챔버 로드(82)로 나타내어진 다수의 금속의 원형 로드에 의하여 생성되며, 각각 수직 측벽과 적당한 표면에 부착된 내면(22a) 및 외면(22b) 둘레에 나선형으로 권선된다. 다른 실시예에서, 유동 경로는 세라믹 섬유 로프 또는 " 편조물(braids) " 형태의 세라믹 섬유로 구성된 다수의 가요성 세라믹 로드(rod)에 의하여 생성될 수도 있다. 절연 및 밀봉용으로 사용되는 로프 또는 편조물 형태의 가요성 세라믹 로드가 당업자에게 공지되어 있다. 로프 형태의 가요성 세라믹 로드가 긴 세라믹 섬유 가닥을 꼬거나(twisting) 짜서(braiding) 형성된다. " 편조물 " 형태의 가요성 세라믹 로드가 긴 세라믹 섬유 가닥을 짜기(weaving), 얽히게 짜기(interlacing) 및 맞물리게 짜기(interlocking)에 의하여 형성된다. 가요성 세라믹 로드가 "편조물"에 사용된다면, 로드의 단면은 원형 또는 직사각형이 될 수도 있다. 세라믹 섬유는 공통적으로 알루미늄, 실리카 또는 그 합성물로 구성된다. 가요성 세라믹 로드를 사용함에 따른 장점은 끼워맞춤되는 공간을 형성할 수 있어, 노상의 내부 응력을 감소시키며 부분사이에 상대적인 열을 성장시키는 것이다. 그러나, 다른 실시예에서는 유동 경로가 미국 특허 제 4,847,051 호에 개시된 바와 같은 표면에 홈(도시하지 않음)을 형성함으로써 또한 생성될 수 있다.
연소 가스 로드(80)는 수직 측벽의 내면(22a)에 나선형으로 권선되어 배치된다. 챔버 로드(82)는 수직 측벽의 외면(22b)에 나선형으로 권선되어 배치된다. 내면의 연소 가스 로드는 바닥 벽(도시하지 않음)으로부터 배출 매니폴드(도시하지 않음)로 연소 가스 통로(44)를 따라 나선형으로 이격된 위치에 배치된다. 외면의 챔버 로드는 챔버 로드가 열 전달 체적내에 있도록 제 1 부분(l1)을 따라 또는 챔버 벽(72)에 인접하게 나선형으로 이격된 위치에 배치된다. 바람직한 실시예에서,공기 예열 챔버(도시하지 않음)는 도시된 연료 예열 챔버와 동일한 기하학적 형상을 가지며 전술한 바와 동일한 방식으로 형성된 나선형 유동 경로를 포함한다.
기동후 그리고 작동 동안에 있어서, 저온 노 연료(17')는 입구(64)를 통하여 연료 예열 챔버(12)로 유입되는 것을 도 2로부터 알 수 있다. 이 실시예의 저온 노 연료는 수소를 내포한 양극 배출물이다. 연료 셀 발전소에서는, 저온 노 연료로서의 스택을 따라 연료 셀로부터의 양극 배출물을 사용하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같은 상부 매니폴드(73)의 구조와 챔버 벽이 편향기로서 작용하도록 챔버 벽(72)에 상부 매니폴드를 부착하는 것은 이러한 유동을 돕는다.
도 2를 참조하면, 노(10)는 노 체적(28)내에 연소 가스(34)를 생성한다. 연소 가스(34)는 노 체적으로 배출되며 촉매 리액터(36)에 대해 열 전달 연소 가스 통로(44)를 따라 유동하여, 탄화 수소와 증기(38)를 개질하기 위한 증기가 가열된 촉매(56)를 통하여 유동한다. 개질 증기에 의하여 촉매 리액터내에 생성 가스(40)가 생성된다. 이제, 도 2 및 도 3을 참조하면, 연소 가스는 연소 가스 로드(80)에 의하여 생성된 나선형 유동 경로의 연소 가스 통로(44)에서 유동한다. 동시에, 저온 노 연료(17′)는 챔버 로드(82)에 의하여 생성된 나선형 유동 경로의 열 전달 체적내에서 유동한다. 연소 가스와 저온 노 연료는 열 전달 관계에 있다. 이 열 전달 관계에 의하여 연소 가스로부터 비가열된 노 연료로 상당한 양의 열이 통과하여, 노 연료를 가열한다. 고온 노 연료(17)는 출구(66)를 통하여 배출되며 연료 플리넘(24)으로 이동되어 쉘내에 연소된다.
유사하게, 저온 공기(16′)는 연소 가스와 열 전달 관계에 있는 공기 예열챔버(14)로 유동하여 공기를 가열한다. 고온 공기(16)는 출구(70)를 통하여 배출 되어 공기 플리넘(26)으로 이동된다.
고온 노 연료(17)는 연료 입구(32)를 사용하여 연료 플리넘으로부터 노 체적(28)으로 유입된다. 고온 노 연료의 온도는 약 500℉ 내지 약 800℉사이이다. 고온 공기(16)는 공기 입구(30)를 사용하여 공기 플리넘으로부터 노 체적으로 유입된다. 고온 공기의 온도는 약 500℉ 내지 약 700℉ 사이이다. 공기는 연소 가스에 남아 있는 에너지가 제한되므로 노 연료보다 저온으로 가열된다.
고온 노 연료와 공기는 높은 불꽃 온도를 가진 연소 가스를 생성하는 노 체적에서 연소된다. 높은 불꽃 온도 연소 가스의 온도 범위는 약 2100℉ 내지 약 2600℉사이이다. 약 2600℉의 상한값은 약 2600℉보다 높은 불꽃 온도에서 허용가능하지 않게 되는 질소산화물(즉, NO 및 NO2) 방출에 의하여 주로 지배된다. 상승된 불꽃 온도의 범위는 약 2200℉ 내지 약 2500℉가 바람직하다. 상승된 불꽃 온도를 가진 연소 가스는 촉매 리액터(36)를 따라 유동한 다음 전술한 바와 같이 공기 예열 챔버(14)에 앞서 연료 예열 챔버(12)에 대해 열 전달관계로 된다.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예의 주된 장점은 이 개질에 필요한 촉매 리액터의 크기 및/또는 수의 대폭적인 감소이다. 이 감소는 촉매 리액터를 가열하는 연소 가스의 불꽃 온도를 증가시킴으로써 얻어진다. 도시된 실시예를 사용하여, 종래 기술의 촉매 리액터의 크기의 약 2/3의 촉매 리액터가 사용될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 연료와 공기 챔버는 비용이 저렴하며, 효율적이며, 소형이며, 튼튼하며 본질적으로 안전하며 기계적으로 신뢰성 있다.
특정 발명이 도시된 실시예를 참조하여 기술되어 있지만, 본 명세서는 이에만 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 바람직한 실시예로서 설명되어 있지만, 당업자들은 본 명세서를 참조하여 첨부된 청구범위에 청구된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 본 발명의 또 다른 실시예뿐만 아니라 예시적인 실시예의 다양한 수정이 가능함을 인식할 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 본 발명의 실제 범위내에 있는 이러한 수정예 또는 실시예를 포함한다.

Claims (18)

  1. 노 연료와 공기를 연소시킴으로써 연소 가스를 제공하며, 쉘과, 공기를 쉘에 주입하기 위한 공기 입구와, 노 연료를 쉘에 주입하기 위한 연료 입구를 구비한 노에 있어서,
    쉘의 외부에 쉘과 일체형으로 배치된 연료 예열 챔버로서, 상기 연료 예열 챔버는 저온 노 연료를 수용하고 상기 저온 노 연료를 연소 가스와 열 전달 관계로 유동시켜 고온 노 연료를 생성하며, 상기 고온 노 연료가 상기 연료 입구를 통하여 쉘로 유동하도록 상기 연료 입구와 유체 연통하며, 쉘의 일부분으로부터 이격되어 그것을 동심적으로, 부분적으로 감싸는 챔버 벽을 구비한 연료 예열 챔버와,
    연료 예열 챔버 주위로 원주방향으로 저온 노 연료의 실질적으로 균일한 유동을 제공하는 상부 매니폴드로서, 상기 쉘과 챔버 벽에 부착되는 상기 상부 매니폴드와,
    상기 상부 매니폴드로부터 이격되게 상기 쉘 및 챔버 벽에 부착되는 하부 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 노.
  2. 제1항에 있어서, 상기 챔버 벽은 쉘 부분을 동심적으로, 완전히 감싸는 것을 특징으로 하는 노.
  3. 제1항에 있어서, 상기 쉘은, 쉘내의 내면과, 대향하는 외면과, 상기 쉘의 상기 내면과 상기 외면상에 배치된 다수의 이격된, 나선형 유동 경로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노.
  4. 제3항에 있어서, 나선형 유동 경로는 다수의 금속 로드로 형성된 것을 특징으로 하는 노.
  5. 제3항에 있어서, 나선형 유동 경로는 다수의 가요성 세라믹 로드로 형성되는 것을 특징으로 하는 노.
  6. 제1항에 있어서, 노 연료와 공기를 연소시킴으로써 연소 가스를 제공하며, 쉘과, 공기를 쉘에 주입하기 위한 공기 입구와, 노 연료를 쉘에 주입하기 위한 연료 입구를 구비하며,
    쉘의 외부에 쉘과 일체형으로 배치된 공기 예열 챔버로서, 상기 공기 예열 챔버는 저온 공기를 수용하고 상기 저온 공기를 연소 가스와 열 전달 관계로 유동시켜 고온 공기를 생성하며, 상기 고온 공기가 상기 공기 입구를 통하여 쉘로 유동하도록 상기 공기 입구와 유체 연통하며, 쉘의 일부분으로부터 이격되어 그것을 동심적으로, 부분적으로 감싸는 챔버 벽을 구비한 상기 공기 예열 챔버와,
    공기 예열 챔버 주위로 원주방향으로 저온 공기의 실질적으로 균일한 유동을 제공하는 상부 매니폴드로서, 상기 쉘과 챔버 벽에 부착되는 상기 상부 매니폴드와,
    상기 상부 매니폴드로부터 이격되게 상기 쉘 및 챔버 벽에 부착되는 하부 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 노.
  7. 제6항에 있어서, 상기 챔버 벽은 쉘의 일부분을 동심적으로, 완전히 감싸는 것을 특징으로 하는 노.
  8. 제6항에 있어서, 상기 쉘은, 쉘내의 내면과, 대향하는 외면과, 상기 쉘의 상기 내면과 상기 외면상에 배치된 다수의 이격된, 나선형 유동 경로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노.
  9. 제8항에 있어서, 나선형 유동 경로는 다수의 금속 로드로 형성되는 것을 특징으로 하는 노.
  10. 제8항에 있어서, 나선형 유동 경로는 다수의 가요성 세라믹 로드로 형성된 것을 특징으로 하는 노.
  11. 제1항에 있어서, 노 연료와 공기를 연소시킴으로써 연소 가스를 제공하며, 쉘과, 공기를 쉘에 주입하기 위한 공기 입구와, 노 연료를 쉘에 주입하기 위한 연료 입구를 구비하며,
    쉘의 외부에 쉘과 일체형으로 배치된 연료 예열 챔버로서, 상기 연료 예열챔버는 저온 노 연료를 수용하고 상기 저온 노 연료를 연소 가스와 열 전달 관계로 유동시켜 고온 노 연료를 생성하며, 상기 고온 노 연료가 상기 연료 입구를 통하여 쉘로 유동하도록 상기 연료 입구와 유체 연통하는 상기 연료 예열 챔버와,
    쉘의 외부에 쉘과 일체형으로 배치된 공기 예열 챔버로서, 상기 공기 예열 챔버는 저온 공기를 수용하고 상기 저온 공기를 연소 가스와 열 전달 관계로 유동시켜 고온 공기를 생성하며, 상기 고온 공기가 상기 공기 입구를 통하여 쉘로 유동하도록 상기 공기 입구와 유체 연통하는 상기 공기 예열 챔버를 포함하며,
    상기 연료 및 공기 예열 챔버 각각은, 쉘의 일부분으로부터 이격되어 그것을 동심적으로, 부분적으로 감싸고 챔버 벽과,
    연료 또는 공기 예열 챔버 주변에 원주방향으로 저온 노 연료 또는 공기의 실질적으로 균일한 유동을 제공하는 상부 매니폴드로서, 상기 쉘과 챔버 벽과 부착되는 상기 상부 매니폴드와,
    상기 상부 매니폴드로부터 이격되게 상기 쉘 및 챔버 벽에 부착되는 하부 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 노.
  12. 제11항에 있어서, 각각의 챔버 벽은 쉘 부분을 동심적으로, 완전히 감싸는 것을 특징으로 하는 노.
  13. 제11항에 있어서, 상기 쉘은, 쉘내의 외면과, 대항하는 외면과, 상기 쉘의 상기 내면과 상기 외면상에 배치된 다수의 이격된, 나선형 유동 경로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노.
  14. 제13항에 있어서, 나선형 유동 경로는 다수의 금속 로드로 형성된 것을 특징으로 하는 노.
  15. 제13항에 있어서, 나선형 유동 경로는 다수의 가요성 세라믹 로드로 형성된 것을 특징으로 하는 노.
  16. 제1항에 있어서, 노 연료와 공기를 연소시킴으로써 연소 가스를 제공하며, 상부 벽과 상부 벽으로부터 이격된 바닥 벽과 상면 및 바닥 벽사이에 배치된 수직 측벽을 구비한 쉘로서, 상기 수직 측벽은 쉘내의 내면과 대향하는 외면을 구비하며, 상기 외면은 바닥 벽 근처에 배치된 제 1 부분과 제 1 부분 위에 배치된 제 2 부분을 구비하는 상기 쉘과, 공기를 쉘에 주입하기 위한 공기 입구와, 노 연료를 쉘에 주입하기 위한 연료 입구를 구비하며,
    쉘의 외부에 쉘과 일체형으로 배치된 연료 예열 챔버로서, 상기 연료 예열 챔버는 저온 노 연료를 수용하며, 상기 저온 노 연료를 연소 가스와 열 전달 관계로 유동시켜 고온 노 연료를 생성하며, 상기 고온 노 연료가 상기 연료 입구를 통하여 쉘로 유동하도록 상기 연료 입구와 유체 연통하며, 쉘의 제 1 부분으로부터 이격되어 그것을 동심적으로 완전히 감싸는 챔버 벽을 구비한 상기 연료 예열 챔버와,
    연료 예열 챔버 주변에 원주방향으로 저온 노 연료의 실질적으로 균일한 유동을 제공하는 상부 매니폴드로서, 쉘과 챔버 벽에 부착되는 상기 상부 매니폴드와,
    상기 상부 매니폴드로부터 이격되게 상기 쉘 및 챔버 벽에 부착되는 하부 매니폴드와,
    쉘의 외부에 쉘과 일체형으로 배치된 공기 예열 챔버로서, 상기 공기 예열 챔버는 저온 공기를 수용하고 상기 저온 공기를 연소 가스와 열 전달 관계로 유동시켜 고온 공기를 생성하며, 상기 고온 공기가 상기 공기 입구를 통하여 쉘로 유동하도록 상기 공기 입구와 유체 연통하며 쉘의 제 2 부분으로부터 이격되어 그것을 동심적으로 완전히 감싸는 챔버 벽을 구비한 상기 공기 예열 챔버와,
    공기 예열 챔버 주위로 원주방향으로 저온 공기의 실질적으로 균일한 유동을 제공하는 상부 매니폴드로서, 쉘과 챔버 벽에 부착되는 상기 상부 매니폴드와,
    상기 상부 매니폴드로부터 이격되게 상기 쉘 및 챔버 벽에 부착되는 하부 매니폴드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노.
  17. 탄화 수소 연료와 증기를 증기 개질함으로써 생성 가스를 생성하도록 연료 처리 장치를 구비한 유형의 연료 셀 발전소로서, 상기 연료 처리 장치는 노 연료와 공기를 연소시킴으로써 연소 가스를 제공하는 노를 구비하며, 상기 노는 쉘과 쉘에 공기를 주입하기 위한 공기 입구와 쉘에 노 연료를 주입하기 위한 연료 입구를 구비하며, 상기 연료 처리 장치는 상기 연소 가스와 열 전달 관계의 노내에 배치된촉매 리액터를 더 구비하며, 상기 촉매 리액터는 그안의 촉매 베드와 상기 촉매 베드와 접촉하는 탄화 수소 연료와 증기를 주입하여 생성 가스를 생성하기 위한 입구 및 상기 리액터로부터 생성 가스를 배출하기 위한 배출구를 구비하며 상기 발전소는,
    상기 생성 가스를 전기화학적으로 전환함으로써 전기를 제공하는 연료 셀 스택을 더 구비하며, 상기 연료 셀 스택은,
    각각 양극, 음극 및 이들 사이에 배치된 전해질로 형성된 직렬로 정렬된 개개의 연료 셀로서, 촉매 리액터로부터의 생성 가스가 양극과 유체 연통하며, 상기 양극은 양극 배출물을 생성하며, 옥시던트는 전기가 생성되도록 상기 음극과 유체 연통하는 연료 셀을 갖는, 연료 셀 발전소에 있어서,
    쉘의 외부에 일체형으로 배치된 연료 예열 챔버로서, 상기 연료 예열 챔버는 양극 배출물을 수용하고 연소 가스와 열 전달 관계로 양극 배출물을 유동시켜 고온 노 연료를 생성하며, 상기 고온 노 연료가 연료 입구로 유동하도록 연료 입구와 유체 연통하는 상기 연료 예열 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 발전소.
  18. 제17항에 있어서, 쉘 외부에 일체형으로 배치된 공기 예열 챔버로서, 상기 공기 예열 챔버는 저온 공기를 수용하고 상기 저온 공기가 연소 가스와 열 전달 관계로 유동하여, 고온 공기를 생성하며, 상기 고온 공기가 상기 공기 입구를 통하여 쉘로 유동하도록 상기 공기 입구와 유체 연통하는 상기 공기 예열 챔버를 포함하는것을 특징으로 하는 연료 셀 발전소.
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