저흐름 바이패스가 구비된 연료흐름 제어 조립체를 갖는 연료전지 시스템 document_id A220623108919

연료전지는 전기화학적 반응에 의해 탄화수소 연료에 저장된 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로, 연료전지는 전해질에 의해 분리된 아노드와 캐소드를 포함한다. 유용한 전력 등급을 생산하기 위해서는 다수의 연료전지가 각각의 연료전지 사이에서 전기적 전도성 분리판(electrically conductive separator plate)과 직렬로 스택된다. 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 반응물 연료 가스가 아노드를 통과하여 동작하며, 산화 가스는 캐소드를 통과한다. 전형적인 MCFC 시스템은 연료전지의 아노드 하류에 아노드 배기가스 산화 유닛을 포함한다. 상기 산화 유닛은 연료전지 캐소드로 공급되는 공기 또는 옥시던트 가스에 부가하기에 적합한 산화 가스를 생성하도록 아노드 배기가스에서 수소와 탄소 이산화물 및 반응하지 않은 탄화수소를 산화시키기 위한 산화 촉매를 포함한다. 일부 경우에 있어서, 상기 산화 유닛은 산화 유닛에 선행하는 혼합기를 포함하는 배기가스 산화 조립체에 포함된다. 이런 조립체에서, 아노드 배기가스 스트림 및 캐소드 공급 공기 또는 옥시던트는 먼저 혼합기에서 혼합되며, 그 후 혼합된 가스가 산화 유닛의 산화 촉매에의 노출을 통해 배기가스를 산화시키기 위해 산화 유닛으로 보내진다. 그 후 산소 및 탄소 이산화물이 풍부한 최종 가스가 연료전지의 캐소드에 공급된다. MCFC 시스템은 연료를 부가하기 전에 전형적으로 700 ℉로 가열되는데, 이에 따라 이런 작동 온도에 도달하기 위해서 상당한 시동 시간을 필요로 한다. 특히 시동 중이나 가열 중 또는 MCFC 시스템 작동 중에, MCFC 시스템의 온도가 1000 ℉ 이하일 때, MCFC 시스템이 그 작동 온도에 도달한 후에는 아노드 산화 조립체 배기가스에 제공되는 메탄의 형태로 반응하지 않은 연료가 상당히 많다. 아노드 배기가스에서 메탄 농도가 높으면 산화 유닛에서 아노드 배기가스의 불완전 산화가 나타나서, 반응하지 않은 산화 촉매를 통해 메탄 가스가 슬립 동작(slip)을 하게 된다. 1000 ℉ 이하에서, 산화제에서의 메탄과 기타 다른 탄화수소의 반응은 보장할 수가 없다. 또한, 아노드 가스 산화 조립체 배기가스에서의 메탄 가스의 높은 메탄 농도와 그 축적은 상당한 용량의 점화성 가스 혼합물을 형성하여, MCFC 시스템에 바람직하지 않은 상태를 생성한다. MCFC 시스템에서 상술한 바와 같은 혼합물의 형성을 피하고 산화 촉매를 통해 과도한 미반응 메탄 가스가 슬립 동작하는 것을 방지하기 위해서, MCFC 시스템에 입력되는 연료의 유량을 정밀하게 제어할 필요가 있다. 연료 유량을 제어하는 통상적인 방법은 아노드 가스 산화 조립체의 배기가스에서 과도한 메탄을 검출하고, 분석기에 의한 검출에 기초하여 연료 유량을 제어하여 아노드 가스 산화 조립체의 배기가스에서 메탄의 축적을 방지하고, 점화성 혼합물의 형성 가능성을 피할 수 있는 가스 분석기를 사용하는 것이다. 연료 유량은 통상적으로 연료 공급부 하류와 연료전지 아노드의 상류에 있는 2개의 밸브를 사용하여 제어되며, 상기 2개의 밸브 중 제1밸브는 연료 가스의 저 흐름(low flow)이 가능한 치수를 갖고, 제2밸브는 연료 가스의 중 내지 고 흐름이 가능한 치수를 갖는다. 선택적으로, 연료 유량은 자동화된 압력제어밸브를 사용하여 MCFC 시스템으로 흐르는 연료 가스의 입력 압력을 변화시키어 제어할 수도 있다. 연료 유량을 제어하는 후자의 방법은 때로는 연료압력을, MCFC 시스템의 완전 로드(full load)에 필요한 연료 흐름을 허용하는 최소 압력으로 설정하여 달성된다. 연료전지 아노드로의 연료 유량을 제어하기 위해 통상적으로 사용되는 이런 방법은 밸브를 제어하기 위한 복잡한 논리뿐만 아니라 부가의 제어밸브 및 배관을 필요로 하며, 설비나 밸브 고장 등에도 취약한 것이다. 따라서, 시스템 제조 및 운영비용이 매우 높았다. 또한, 특히 MCFC 시스템이 더 많은 전력을 생산하고 높은 연료 유량을 필요로 하는 재 스택된 연료전지 유닛을 포함할 때, 연료 압력을 최소로 필요한 압력으로 설정하는 통상적인 실행은 흔히, 완전 로드에서 작동하는 MCFC 시스템에 제공된 연료가 불충분하게 되게 한다. 따라서, 이런 실행 방식은 MCFC 시스템의 작동 효율에 영향을 끼친다. 따라서, 과도한 메탄 가스가 산화 촉매를 통한 슬립 동작을 효과적으로 방지하면서 MCFC 시스템에 불필요한 상태가 형성되는 것을 피할 수 있는 시스템이 필요하다. 특히, 정밀하면서 비용면에서 저렴하고 고장에 대한 내성이 강한 튼튼한 MCFC 시스템으로의 연료 흐름을 제어하기 위한 조립체 및 방법이 필요하다. 또한, MCFC 시스템의 작동 효율에 나쁜 영향을 끼치지 않는 연료 유량 제어 방법 및 조립체가 바람직하다.