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KR20160083001A - 기화기를 포함하는 액체 연료 개질 장치 및 액체 개질가능 연료 개질 방법 - Google Patents

기화기를 포함하는 액체 연료 개질 장치 및 액체 개질가능 연료 개질 방법 Download PDF

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KR20160083001A
KR20160083001A KR1020167012061A KR20167012061A KR20160083001A KR 20160083001 A KR20160083001 A KR 20160083001A KR 1020167012061 A KR1020167012061 A KR 1020167012061A KR 20167012061 A KR20167012061 A KR 20167012061A KR 20160083001 A KR20160083001 A KR 20160083001A
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liquid
reforming
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oxygen
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케인 엠. 핀너티
폴 드월드
Original Assignee
와트 퓨얼 셀 코퍼레이션
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Abstract

본 액체 연료 개질장치는, 상기 개질장치의 시동모드에서 작동하는, 상류의 열원, 구체적으로 전기 가열기에서 나온 열, 따라서 상기 개질 장치의 개질 반응구역과 독립적인 열을 이용하여 하류의 기화구역에서 연료를 기화하는 연료기화기를 포함한다.

Description

기화기를 포함하는 액체 연료 개질 장치 및 액체 개질가능 연료 개질 방법{LIQUID FUEL REFORMER INCLUDING A VAPORIZER AND METHOD　OF REFORMING LIQUID REFORMABLE FUEL}
본 출원은 2013년 11월 6일자로 출원된 미국특허출원 제61/900,510호의 우선권을 주장하며, 상기 미국출원의 전체 내용은 본 출원에 참조문헌으로 통합된다.
본 발명은 액체 연료 개질장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로 상기 개질장치는 액체 연료를 기상(gas phase) 개질 반응 구역에 도입하기 전에. 기화 또는 증발하기 위한 연료 기화기를 포함한다.
액체 연료 기상 개질장치는, 메탄올, 에탄올, 증류액(distillate), 나프타, 등유, 가솔린, 디젤, 바이오-디젤 등, 또는 이들의 조합과 같은 기화된 액체 연료와, 산소-함유 기체(전형적으로 공기), 그리고 스팀 개질장치 또는 자기열(autothermal) 개질장치의 경우에 스팀으로서 물을 함유하는 기체 개질가능 반응 혼합물이 기상에서 통상적으로 "합성가스(synthesis gas)" 또는 "신가스(syngas)"라 칭해지는 수소-풍부 리포메이트(hydrogen-rich reformate)로 전환되는 화학 반응기이다. 이러한 형태의 개질장치는 상기 액체연료가 개질가능 반응 혼합물의 성분들인 산소-함유 기체 및 이용될 경우 스팀과 혼합되기 전에 또는 혼합될 때, 상기 연료를 기화 또는 증발하기 위한 몇몇 수단들을 포함한다.
액체 연료 개질장치용 기화기의 하나의 공지 형태에 있어서, 주위 온도의 액체 연료가 분무 액적으로서 전기로 가열된 표면 쪽으로 지향되어, 상기한 고온 표면( hot surface)과 접촉시 상기 연료의 기화가 발생한다. 고온 표면과 연료의 접촉 원리, 즉 "접촉 기화(contact vaporization)"로 작동하는 액체 연료 기화기들은 단점들이 있는데, 그것은 고온 표면상에 주위 온도 연료(소위, "콜드 연료")의 급속 도입이 연료 액적을 기화없이 튕겨지는 것을 유발할 수 있고, 상기 고온 표면에 부착한 연료 액적이 열분해(pyrolysis)에 의해 분해되는 것을 유발할 수 있다는 것이다. 이러한 유발들 중의 어느 하나는, 개질장치의 효율적인 작동에 피해를 주며, 수소-풍부 리포메이트를 연료 전지 시스템으로 공급하는 개질장치의 경우에 연료 전지 시스템의 효율적인 작동에도 피해를 주는, 타르 및/또는 코크스의 증가(buildup)를 초래할 수 있다.
공기로서 공급된 산소와 일부 액체 연료의 연소에서 발생한 고온 가스로 액체 연료를 그 기화 온도로 가열하는 것에 의해, 액체 연료 개질장치에서 액체 연료를 기화하는 것이 알려져 있다. 이러한 형태의 연료 기화기는 위에서 언급한 접촉 기화의 단점을 방지하지만, 상기한 연소 반응은 카본 블랙(carbon black) 및/또는 타르 및 코크스와 같은 다른 탄소-풍부 열분해 산물을 형성하고 시간이 경과하면서 축적되어 상기 기화기가 부품으로 구성된 개질장치의 성능을 점진적으로 저하시킬 위험이 있다는 것이 단점이다.
따라서, 액체 연료 개질장치에 통합하기 위한 연료 기화기가, 공지된 기화기 디바이스들의 상기한 결점들을 방지하면서 모든 종류의 개질가능 액체 연료에 대해 효과적이면서 열효율적인 기화를 제공하는 것이 필요하다.
본 발명에 의하면, 수소-풍부 리포메이트의 생산을 위한 액체 연료 개질장치 시스템이 제공되며, 상기 액체 연료 개질장치 시스템은 액체 연료 개질장치를 포함할 수 있고, 액체 연료 개질장치는 개질장치 유입구; 산소-함유 기체 유입구, 산소-함유 기체 유입구의 하류에 위치한 액체 개질가능 연료 유입구, 및 액체 개질가능 연료 유입구의 하류에 위치한 기체 반응 혼합물 유출구를 포함하여 구성되는 도관; 전기 가열기를 포함할 수 있는 제1 열원; 액체 연료 개질장치 및/또는 액체 연료 개질장치 외부에 있는 수소 리포메이트-소비 디바이스로부터의 발열 열을 포함할 수 있는 제2열원; 기화기; 및 수소-풍부 리포메이트 유출구를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 도관은 상기 산소-함유 기체 유입구, 상기 액체 개질가능 연료 유입구 및 상기 기체 반응 혼합물 유출구 사이에 유체 연통을 제공할 수 있으며, 상기 기체 반응 혼합물 유출구는 개질장치 유입구와 유체연통할 수 있고; 상기제1 열원은 상기 산소-함유 기체 유입구의 하류이고 상기 액체 개질가능 연료 유입구의 상류인 위치에서 도관에 배치될 수 있고; 상기 제2 열원은 상기 도관과 열 연통할 수 있고, 제1열원의 하류이고 액체 개질가능 연료 유입구의 상류인 위치에서 있으며; 상기 기화기는 상기 액체 개질가능 연료 유입구의 하류의 위치에서 도관에 배치될 수 있고 또는 상기 액체 개질가능 연료 유입구를 구획할 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템에서, 제3 열원이 전기 가열기를 포함할 수 있으며, 상기 제2 열원의 하류에서 상기 도관 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템 에서, 전기 가열기는 전기 저항 가열기일 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템에서, 열교환기 구조가 액체 개질장치와 열 연통관계로 배치될 수 있다.
본 발명의 액체 연료 시스템에서, 상기 메인 기체 플로우 도관은, 상기 메인 도관 내에 또는 외부에 배치되는 산소-함유 기체 유입구와, 상기 메인 도관에 연결되며 상기 기화기 하류에 배치되는 산소-함유 기체 유입구를 가지는 분지 도관을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템은 또한 제어기를 포함할 수 있으며, 상기 제어기는 상기 기화기 유출구에서 또는 그 하류에서 배치되는 열전대(thermocouple), 상기 기화기의 상류에서 상기 도관에 위치한 열전대, 상기 기회기의 상류에서 상기 도관에 위치한 산소-함유 기체 유량계, 산소-함유 기체 공급원, 액체 개질가능 연료 공급원, 상기 제1 열원 및 상기 제2 열원과 연동한다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템에서, 상기 수소 리포메이트-소비 디바이스 는 연료 전지 유닛일 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템에서, 상기 제2 열원은 연료 전지 스택 및/또는 연료 전지 스택의 애프터버너로부터의 발열 열을 포함할 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템에서, 상기 기화기는 액체 연료 라인을 포함할 수 있고, 상기 액체 연료 라인은 기화기와 액체연료 공급원 사이에서 유체 연통을 제공한다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템에서, 상기 도관에 배치된 액체 연료 라인의 말단부는 연료 스프레더를 포함할 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템에서, 상기 액체 연료 라인은 열전달부를 포함할 수 있으며, 상기 액체 연료 라인의 열전달부는 상기 제1 열원 및 상기 제2 열원 중의 적어도 하나와 또는 근접하여 열연통할 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템에서, 상기 기화기는 연료 스프레더를 포함할 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템에서, 상기 연료 스프레더는 윅(wick) 또는 분무기(sprayer)일 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템에서, 상기 액체 연료 개질장치는 자기열 개질장치일 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템에서, 상기 산소-함유 기체 유입구는 물/스팀 유입구로 대체될 수 있으며, 상기 액체 연료 개질장치는 스팀 개질장치일 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치 시스템에서, 상기 제2 열원 및 임의선택적인 제3 열원은 상기 기화기 상류에서 상기 기화기에 근접하게 위치할 수 있다.
본 발명에 의하면, 개질가능 연료를 개질하는 방법이 제공되며, 상기 방법은, 개질장치의 유입구 쪽으로 유체들을 전송하기 위한 도관으로 산소-함유 기체를 도입하는 단계; 상기 반응기 및/또는 외부 수소 리포메이트 소비 디바이스로부터의 발열 열을 포함하여 구성되는 제1 열원, 상기 제1 열원의 하류이고 상기 연료 유입구의 상류인 위치에서 상기 도관과 열 연통하는 제2 열원 중의 적어도 하나로 산소-함유 기체의 스트림을 가열하여 가열된 산소-함유 기체의 스트림을 제공하는 단계; 기화기를 통해 또는 기화기를 지나서 상기 가열된 산소-함유 기체 스트림에 액체 개질가능 연료를 도입하여 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 제공하는 단계; 및 상기 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 개질하여 수소-풍부 리포메이트를 생산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 상기 산소-함유 기체 스트림 및/또는 상기 가열된 산소-함유 기체 스트림을 제2 열원의 하류에서 상기 도관내에 배치된 전기 가열기를 포함하여 구성되는 제3 열원으로 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 상기 제1 열원으로 상기 산소-함유 기체 스트림을 가열하는 것을 중단하고 및 제2 및/또는 제3 열원으로 상기 산소-함유 기체 스트림을 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 상기 제1 및/또는 제2 열원에서 공급된 열을 상기 제3 열원으로 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 제2 열원 및/또는 존재하는 경우 제3 열원을 사용하여 액체 개질가능 연료를 상기 기화기로 도입하기 전에 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 가열된 산소-함유 기체 스트림으로 도입되는 상기 액체 개질가능 연료는 상기 가열된 산소-함유 기체와 접촉시 기화할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 전기 가열기(들)은 전기 저항식 가열기일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 수소 리포메이트-소비 디바이스는 연료 전지 유닛을 포함할 수 있고, 상기 발열 열은 연료 전지 스택 및/또는 상기 연료 전지 스택의 애프터버너로부터 발생한 열을 포함할 수 있다..
본 발명의 방법은 가열된 산소-함유 기체 스트림의 유량, 액체 개질가능 연료의 유량, 기화기의 온도, 가열된 산소-함유 기체 스트림의 온도 및 액체 개질가능 연료의 온도를 모니터링하는 단계; 및 상기 모니터링의 결과에 응답하여 액체 개질가능 연료의 기화를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 기화 제어단계는 상기 제2 열원 및/또는 상기 제3 열원에 의해 공급되는 열을 조절하는 단계를 포함할 수 있다..
본 발명의 방법에서, 상기 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 개질하는 단계는 자기열 개질을 포함할 수 있으며, 상기 방법은 상기 도관으로 스팀을 도입하여 기체 액체 개질가능 연료, 산소-함유 기체 및 스팀을 포함하여 구성되는 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 도관으로 스팀을 도입하는 단계는 기화기를 통해 스팀을 도입하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 기화기는 연료 스프레더를 포함할 수 있으며, 기화기를 통해 스팀을 도입하는 단계는 연료 스프레더를 통해 스팀을 도입하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 액체 개질가능 연료의 스팀 개질 방법이 제공되며, 상기 방법은 개질장치의 유입구 쪽으로 유체들을 급송하기 위한 도관으로 물 및/또는 스팀을 도입하는 단계; 상기 물 및/또는 스팀의 스트림을 가열하여 스팀의 스트림을 제공하는 단계; 기화기를 통해서 또는 기화기를 지나서 상기 스팀 스트림내로 액체 개질가능 연료를 도입하여, 가열된 기체 스팀 개질 반응 혼합물을 제공하는 단계; 및 상기 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 개질하여 수소-풍부 리포메이트를 생산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 개질장치 및/또는 상기 개질장치 외부의 수소 리포메이트-소비 디바이스로부터의 발열 열일 수 있는 열원을 사용하여 스팀을 발생시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 기화기의 연료 스프레더를 통해 스팀을 도입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 수소-풍부 리포메이트의 생산을 위한 액체 연료 개질장치가 제공되며, 상기 개질장치는, 산소-함유 기체와 기화된 액체 개질가능 연료를 포함하여 구성되는 기체 반응 혼합물의 플로우를 받아들이기 위한 유입구, 개질 반응 구역, 및 수소-풍부 리포메이트용 유출구; 산소-함유 기체와 기화된 액체 개질가능 연료를 상기 개질장치의 유입구로 전송하기 위한 도관; 상기 개질장치의 시동 작동모드에서 상기 개질장치로 도입되는 산소-함유 기체를 가열하도록 작동가능한제1 열원; 상기 개질장치의 정상상태 작동모드에서 상기 개질장치로 도입된 산소-함유 기체를 가열하도록 작동가능한 제2 열원, 및 액체 개질가능 연료를 기화하기 위한 기화기를 포함할 수 있으며, 상기 도관은, 산소-함유 기체용 유입구, 액체 개질가능 연료용 유입구 및 개질장치의 유입구와 기체 플로우 연통하는 유출구를 포함하며; 상기 제1 열원은, 전기 가열기 및 산소-함유 기체용 유입구의 하류이며 액체 개질가능 연료용 유입구의 상류인 위치에서 도관내에 배치되는 제1 가열구역을 포함하여 구성되며, 상기 전기 가열기에 의해 생산된 열은 도관내로 도입된 산소-함유 기체에 전달되어, 상기 산소-함유 기체가 상기 제1 가열구열을 통과하면서 사전설정된 온도 범위 내로 가열되고; 상기 제2 열원은 상기 개질장치 및/또는 상기 개질장치 외부의 리포메이트-소비 디바이스로부터의 발열 열을 포함하여 구성되고, 상기 산소-함유 기체용 유입구 하류이고 상기 액체 개질가능 연료용 유입구의 상류인 위치에서 상기 도관내에 배치되는 제2 가열구역내에서 상기 개질장치 및/또는 상기 리포메이트-소비 디바이스로부터의 발열 열은 상기 도관으로 도입된 산소-함유 기체에 전달되어, 상기 산소-함유 기체가 상기 제2 가열구열을 통과하면서 사전설정된 온도 범위 내로 가열되고; 상기 기화기는 상기 유입구 하류의 위치에서 상기 도관내에 배치되거나 또는 상기 도관내로 도입된 액체 개질가능 연료를 위한 유입구로 기능하고, 상기 액체 개질가능 연료가 상기 개질장치의 시동모드 중에 제1가열구역을 통과하는 가열된 산소-함유 기체 및 개질장치의 정상상태 모드 중에 제2 가열구열을 통과하는 가열된 산소-함유 기체에 의해 기화되어 상기 산소-함유기체와 합류한다.
또한, 본 발명의 의하면, 개질장치 작동의 시동 모드 및 정상상태 모드에서 액체 개질가능 연료를 개질하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음 단계들을 포함할 수 있다:
a) 시동모드에서:
(i) 상기 개질장치의 유입구 쪽으로 기체를 전송하기 위한 것으로, 산소-함유 기체용 유입구, 액체 개질가능 연료용 유입구 및 개질장치의 유입구와 기체 플로우 연통하는 가열된 기체 반응 혼합물용 유출구를 포함하여 구성되는 도관내로 산소-함유 기체를 도입하는 단계,
(ii) 산소-함유 기체용 유입구의 하류이며 액체 개질가능 연료용 유입구의 상류인 위치에서 도관내에 배치되는 전기 가열기 및 제1 가열구역을 포함하여 구성되는 제1 열원으로 상기 산소-함유 기체를 가열하는 단계, 여기서 상기 전기 가열기에서 산출된 열은 상기 도관으로 도입된 산소-함유 기체로 전달되어, 상기 산소-함유 기체가 상기 제1 가열구역을 통과하면서 사전설정된 온도 범위 내로 가열됨;
(iii) 상기 도관으로 액체 개질가능 연료를 도입하는 단계;
(iv) 상기 도관내에서 상기 유입구 하류의 위치에 배치되는, 또는 상기 도관으로 도입되는 액체 개질가능 연료를 위한 유입구로 기능하는, 기화기에 의해 상기 도관으로 도입되는 액체 개질가능 연료를 기화하고(여기서 상기 액체 개질가능 연료는 제1 가열 구역을 통과하는 가열된 산소-함유 기체에 의해 기화됨), 상기 기체와 합쳐서 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 제공하는 단계,
(v) 단계(iv)로부터의 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 상기 개질장치의 유입구로 도입하는 단계, 및
(vi) 상기 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 상기 개질장치내에서 개질하여, 수소-풍부 리포메이트의 생산을 시작하는 단계; 그리고
b) 정상-상태 모드에서:
(vii) 산소-함유 기체를 상기 도관으로 도입하는 단계,
(viii) 상기 개질장치 및/또는 상기 개질장치 외부의 리포메이트-소비 디바이스로부터 회수된 발열 열을 포함하여 구성되는 제2 열원에 의해 상기 도관내에서 산소-함유 기체용 유입구의 하류이고 액체 개질가능 연료용 유입구의 하류인 위치에 배치된 제2 가열구역 내에서 산소-함유 기체를 기체를 가열하는 단계, 여기서 상기 개질장치 및/또는 상기 리포메이트-소비 디바이스로부터 회수된 발열 열이 상기 도관내로 도입되는 상기 산소-함유 기체에 전달되어서, 산소-함유 기체가 상기 제2 가열구역을 통과하면서 사전설정된 온도범위내로 가열됨,
(ix) 액체 개질가능 연료를 상기 도관으로 도입하는 단계,
(x) 상기 도관으로 도입된 액체 개질가능 연료를 단계(iv)의 기화기로 가열하되, 상기 액체 개질가능 연료를 상기 제2 가열 구역을 통과하는 가열된 산소-함유 기체에 의해 가열하고, 상기 기체와 합쳐서 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 제공하는 단계,
(xi) 단계(x)로부터의 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 상기 개질장치의 유입구로 도입하는 단계,
(xii) 상기 개질장치내에서 상기 가열된 기체 반응 혼합물의 개질을 유지하여 수소-풍부 리포메이트의 생산을 지속하는 단계, 및
(xiii) 단계(xii)의 유지기간 동안 제1 열원의 작동을 제한 또는 중단하는 단계.
아래에 설명되는 첨부 도면들은 단지 예시의 목적으로 제시되는 것으로 이해하여야 한다. 상기 도면들은 반드시 축척에 따라 도시된 것은 아니며, 일반적으로 본 발명의 원리를 설명하는데 중점을 두고 도시한 것이다. 상기 도면들은 본 발명의 범위를 어떤 식으로든 제한하고자 하는 것이 아니다. 같은 도면 부호는 일반적으로 같은 부분을 가리킨다.
도 1A 및 1B는 본 발명에 따르는 개질장치 및 액체 연료 기화기의 두 구체예의 개략적인 블록도이다.
도 2A는 도 1A의 액체 연료 개질장치의 작동들을 관리하기 위한 예시적인 제어 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2B는 도 2A에 도시된 제어 시스템과 같은 제어기에 의해 실행되는 예시적인 제어 루틴의 플로우챠트이다.
도 3A는 본 발명의 하나의 구체예에 따르는 액체 개질장치의 종단면도이다.
도 3B는 도 4A에 도시된 액체 연료 개질장치의 액체 연료 기화기 시스템의 확대된 종단면도이다.
도 3C 및 3D는 각각 도 3A 및 3B에 도시된 액체 연료 개질장치의 액체 연료 기화기 시스템의 연료 스프레더 구성요소의 하나의 구체예의 확대된 사시도 및 종단면이다.
도 4A는 본 발명의 또 하나의 구체예에 따르는 액체 연료 개질장치의 종단면도이다.
도 4B는 도 4A에 도시된 액체 연료 개질장치의 변형예의 종단면도이다.
도 5는 정상-상태 모드 중에 산소-함유 기체 및/또는 액체 개질가능 연료의 외부 가열에 특징이 있는, 본 발명의 추가 구체예에 따르는 액체 연료 개질장치의 종단면도이다.
도 6A 및 6B는 각각 도 4A 및 5에 도시된 CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응 구역들 내에서 온도를 제어하기 위한 열교환기 구조 구체예들의 종단면도 및 평면단면도이다.
도 7은 본 발명의 액체 연료 개질장치가 정상-상태 모드에서 작동하고 있을 때, 최대 연료(디젤) 전환 용량의 변화하는 백분율에서 상기 개질 장치 내에서 개질 반응 온도에 대한 개질 반응 혼합물의 산소 대 탄소 몰비 간의 관계를 보여주는 데이터 그래프를 제시한다.
본 발명은 설명된 특정 절차, 물질 및 수정들에 제한되지 않으며 변화가능함을 이해하여야 한다. 또한, 사용된 용어들은 단지 특정 구체예를 설명하기 위한 것이며, 첨부하는 특허청구범위에 의해서만 제한될 본 발명의 범위를 제한하고자 의도한 것이 아님을 이해하여야 한다.
간결하게 하기 위하여, 본 명세서 상의 검토 및 설명 내용은 주로 부분산화 개질반응들, 촉매 부분산화 개질반응들을 포함하 는 반응들, 및 반응물들(개질가능 연료 및 산소-함유 기체)에 집중될 것이다. 하지만, 본 출원에서 설명되는 디바이스들, 어셈블리들, 시스템들 및 방법들은 스팀 개질 및 자기열 개질과 같은 다른 개질반응들, 그 각각의 반응물들(각각, 개질가능 연료 및 스팀과, 개질가능 연료, 스팀 및 산소-함유 기체), 뿐만아니라 본 명세서에서 설명되는 다른 반응들에 응용할 수 있다. 따라서, 산소-함유 기체가 본 명세서에서 하나의 디바이스 또는 하나의 방법과 연관지어 언급되는 경우, 달리 명시되지 않거나 또는 문맥상 다르게 이해되지 않는 한, 본 발명은 스팀을 조합으로 또는 단독으로 포함하는 것(즉, 산소-함유 기체 및/또는 스팀)으로 간주되어야 한다. 게다가, 개질가능 연료가 본 출원에서 하나의 디바이스 또는 하나의 방법과 연관지어 언급되는 경우, 달리 명시되지 않거나 또는 문맥상 다르게 이해되지 않는 한, 본 발명은 스팀을 조합으로 또는 단독으로 포함하는 것(즉, 개질가능 연료 및/또는 스팀)으로 간주되어야 한다.
또한, 본 발명의 개질장치들, 시스템들 및 방법들은, 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 것과 동일한 구조 및 구성요소들 및/또는 동일한 개괄적인 방법 내에서 발생하는, 스팀 개질 및 자기열 개질을 실행하는데 적합한 것으로 이해되어야 한다. 말하자면, 본 발명의 반응기들, 시스템들 및 방법들은 적합한 액체 반응물들, 예를 들어 액체 개질가능 연료 및/또는 액체 물을, 액체 개질가능 연료 저장소로부터 기화기로 배송하여, 기화된 액체 개질가능 연료 및 스팀을 각각 형성시킬 수 있으며, 상기 적합한 기체 반응물들, 예를 들어 산소-함유 기체, 기체 개질가능 연료 및 스팀 중의 적어도 하나는, 그 각각의 공급원으로부터, 연료 전지 유닛 또는 시스템의 목표하는 구성요소, 예를 들어 개질장치로 배송할 수 있다.
물이 상기 배송 시스템에서 사용되는 경우, 개질장치, 연료 전지 스택 및 연료 전지 유닛 또는 시스템의 애프터버너 중의 하나 이상으로부터 리사이클링된 열은, 상기 배송 시스템에 존재할 수 있는, 그리고/또는 독립적인 공급원으로부터 배송 시스템으로 도입될 수 있는 물을 기화하여 스팀을 생성한다.
본 출원 전체에 걸쳐, 특정 구조들, 구성요소들 등이 가지는(having), 포함하는(including), 포함하여 구성되는(comprising) 것으로 기술되는 경우, 또는 방법들이 특정 방법 단계들을 가지는, 포함하는, 포함하여 구성되는 것으로 기술되는 경우에, 상기한 구조들, 구성요소들 등은 또한 언급된 구성요소들로 주로 구성되는(consist essentially of) 또는 구성되는(consist of) 것으로, 그리고 상기한 방법이 언급된 방법 단계로 주로 구성되는 또는 구성되는 것으로 고려된다.
본 출원에서, 소자 또는 구성요소가 언급된 소자들 또는 구성요소들에 포함하되는 것 및/또는 이들로부터 선택되는 것으로 언급되는 경우, 상기 소자 또는 구성요소는 언급된 소자들 또는 구성요소들 중의 임의의 것일 수도 있고, 상기 소자 또는 구성요소는 언급된 소자들 또는 구성요소들 중의 둘 이상으로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 명세서에서 설명된 구조, 조성 또는 방법의 소자들 및/또는 특징들은, 명시되거나 또는 명시되지 않든 간에, 본 발명의 초점 및 범위에에서 벗어남이 없이 다양한 방식으로 조합될 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 구체적인 구조, 단계 또는 작동을 언급하는 경우, 구조, 단계 또는 작동은 본 발명의 액체 연료 개질장치 및/또는 액체 연료 개질 방법의 다양한 구체예들에 이용될 수 있다.
사용되는 용어 포함하는("include," "includes," "including,"), 가지는("have," "has," "having,"), 함유하는("contain," "contains," or "containing,"), 및 그 문법적 등가의 표현은 일반적으로 개방형이고 비-한정적인 것으로, 예를 들어 구체적으로 달리 언급되거나 문맥상 달리 이해되지 않는 한, 언급되지 않은 추가의 소자들 및 단계들을 배제하지 않는다는 것을 이해하여야 한다.
본 명세서에서 사용된 단수형태들, 예를 들어 "하나의(a, an)" 및 "상기(the)"는, 구체적으로 달리 언급되지 않는 한, 복수 형태를 포함하며, 그 역도 성립한다.
용어 "약"이 정량값 앞에 사용되는 경우, 본 발명은, 구체적으로 달리 언급되지 않는 한, 그 특정 정량값 자체도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 상기 용어 "약"은, 달리 표시되거나 또는 달리 추론되지 않는 한, 그 명목값의 ±10% 편차를 가리킨다.
단계들의 순서 또는 특정 작용들을 수행하기 위한 순서는, 본 발명이 작동할 수 있는 상태를 유지하는 한, 중요하지 않음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 방법들은, 본 명세서에 달리 표시되지 않는 한 또는 문맥에 의해 명백하게 부정되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 또한, 둘 또는 그 이상의 단계들 또는 작용들이 동시에 수행될 수도 있다.
본 명세서의 도처에서, 값들은 군들로 또는 범위들로 개시된다. 구체적으로 상기 표현은 이러한 군들 및 범위들의 구성원들의 각각 및 모든 개별 하위조합들을 포함하며, 이러한 군들 및 범위들의 다양한 한계치(상한 및 하한)들의 임의 조합을 포함하는 것으로 의도된 것이다. 구체적인 예를 들어, 0 내지 20 범위의 정수는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 및 20을 개별적으로 개시하는 것으로 의도된 것이다.
본 명세서에서 제공되는 임의의 및 모든 예들, 또는 예시어들(예를 들어 "과 같은")의 사용은 단지 본 발명을 더 잘 이해할 수 있도록 의도된 것이며, 청구되지 않으면 본 발명의 범위에 제한을 가하기 위한 것은 아니다. 본 명세서의 표현들은, 비-청구 요소를 본 발명의 실시에 필수적인 구성요소로 나타내는 것으로 해석되지 않아야 한다.
"상부(upper)", "하부(lower)", "최상부(top)", "저부(bottom)", "수평의(horizontal)", "수직의(horizontal)" 등과 같은 공간적인 방향 또는 고도를 나타내는 용어들 및 표현들은, 문맥상 달리 명시하지 않는 한, 구조적, 기능적 또는 작동적 의미를 가지지 않는 것이며, 단지 첨부 도면들의 특정 도면에 도시된 본 발명의 액체 연료 CPOX 개질장치의 다양한 시점들(views)의 임의로 선택된 방향들을 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용된 "개질가능 연료"는 액체 개질가능 연료 및/또는 기체 개질가능 연료를 가리킨다.
표현 "액체 개질가능 연료" 또는 "액체 연료"는 표준 온도 및 압력(standard temperature and pressuer: STP) 조건에서 액체인 개질가능 탄소- 및 수소-함유 연료를 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 그 예로는 개질을 받게 되면 수소-풍부 리포메이트로 전환되는 메탄올, 에탄올, 나프타, 증류액(distillate), 가솔린, 등유, 제트 연료, 디젤, 바이오디젤 등이 있다. 또한, 상기 표현 "액체 개질가능 연료"는 이러한 연료가 액체 상태로 있거나 또는 기체 상태(즉, 증기)로 있더라도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
상기 표현 "기체 개질 반응 혼합물"은 기체상 액체 개질가능 연료(예를 들어, 기화된 액체 개질가능 연료), 기체 개질가능 연료 또는 이들의 조합과, 예를 들어 산소-함유 기체(예를 들어, 공기) 및/또는 물(예를 들어, 스팀 형태의 물)을 포함하는 혼합물을 지칭한다. 본 출원에서 사용되는 기체 개질 반응 혼합물은 개질반응에 기화된 액체 개질가능 연료(또는 기체상 액체 개질가능 연료)를 포함한다. 기체 개질 반응 혼합물은 개질반응을 받게 되면 수소-풍부 생성물("리포메이트")을 생성할 수 있으며, 상기 생성물을 일산화탄소도 함유할 수 있다. 촉매적 부분산화 개질반응이 수행될 수 있는 경우에, 상기 기체 개질 반응 혼합물은 "기체 CPOX 개질 반응 혼합물"이라 칭해질 수 있으며, 이 혼합물은 개질가능 연료 및 산소-함유 기체를 포함한다. 스팀 개질 반응이 수행될 수 있는 경우에, 상기 기체 개질 반응 혼합물은 "기체 스팀 개질 반응 혼합물"이라 칭해질 수 있으며, 상기 혼합물은 개질가능 연료와 스팀을 포함한다. 자기열 개질 반응이 수행될 수 있는 경우, 상기 기체 개질 반응 혼합물은 "기체 자기열 개질 반응 혼합물"이라 칭해질 수 있으며, 상기 혼합물은 개질가능 연료, 산소-함유 기체 및 스팀을 포함한다.
용어 "개질장치"는 기화된 액체 개질가능 연료의 수소-풍부 리포메이트로의 전환이 발생하는 모든 반응거를 포함하는 것이며, 예를 들어 부분산화(partial oxidation : POX), 촉매부분산화(catalytic partial oxidation:CPOX), 스팀 및 자기열 방식의 개질장치들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
용어 "개질"은 개질가능 연료의 수소-풍부 리포메이트로의 개질 또는 전환 중에 발생하는 반응(들)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
용어 "개질 반응"은 기체 반응 매질의 수소-풍부 리포메이트로의 전환 중에 발생하는 발열 및/또는 흡열 반응(들)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 명세서에서 상기 표현 "개질 반응"은 예를 들어 CPOX, 자기열 및 스팀 개질을 포함한다.
다시, 위에서 언급한 바와 같이 간결하게 하기 위하여, 본 명세서에서 검토 및 설명 내용은 부분 산화 개질 반응 및 촉매 부분산화 개질 반응들을 포함하는 반응, 및 반응물들(개질가능 연료 및 산소-함유 기체)에 초점을 둘 것이다. 하지만, 본 명세서에서 설명되는 디바이스들, 어셈블리들, 시스템들 및 방법들은 . 스팀 개질 및 자기열 개질과 같은 다른 개질반응들, 그 각각의 반응물들, 뿐만 아니라 본 명세서에서 설명되는 다른 반응들에 동일하게 적용할 수 있다. 예를 들어, 스팀 개질의 경우 스팀이 본 발명의 설명에서 산소-함유 기체를 대체할 수 있다. 자기열 개질의 경우, 스팀이 본 발명의 설명에서 산소-함유 기체 및/또는 개질가능 연료와 함께 도입될 수 있다.
용어 "리포메이트"는 개질 장에 수소-풍부 유출물 및 그 산화가능 성분들에 적용하는 것으로 이해되어야 한다.
표현 "리포메이트-소비 디바이스" 는 수소-풍부 리포메이트를 소비하는 모든 디바이스들 또는 그 구성요소들, 예를 들어 연료 전지, 연료 전지 애프터버너(테일 가스 버너) 및 리포메이트 중의 적어도 하나의 연소가능 성분의 연소에 의해 열을 발생하는 다른 디바이스들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 CPOX 개질장치에 적용하는 것으로 설명되지만, 본 발명은 다른 개질장치들 및/또는 반응들에도 적용하는 것임을 이해하여야 한다.
도 1A는 촉매부분산화(CPOX) 유형의 개질장치를 도시한다. 그러나 본 발명은 CPOX 개질장치로 제한되지 않으며, 처리되는 연료가 액체이고, 기상 개질반응구역에(산소-함유 기체와 함께) 도입하기 전에 기화되어야 하는 비-촉매부분산화 개질장치, 스팀 개질장치, 자기열 개질장치 및 상기한 장치들 중 임의의 유형들을 조합한 개질장치를 포함하는 모든 유형의 액체 연료 개질장치들에 적용할 수 있는 것임을 이해하여야 한다.
다시 첨부도면으로 돌아가서, 도 1A는 본 발명에 따르는 액체 연료 개질장치, 구체적으로 액체 연료 CPOX 개질장치의 하나의 구체예를 도시하며, 여기서 개질 반응 혼합물의 산소-함유 기체 성분이 액체 연료 개질장치의 작동의 정상-상태 모드 중에 CPOX 개질에서 발생한 발열 열에 의해 가열된다.
도 1A에 나타낸 바와 같이, 액체 연료 개질장치(100)는 산소-함유 기체(이 구체예 및 본 발명의 다른 구체예들에서 공기로 예시됨)를 도관(103)으로 도입하고 이 기체 스트림 및 다른 기체 스트림[기화된 연료-공기 혼합물(들) 및 수소-풍부 리포메이트를 포함함]을 상기 개질장치의 개방된 기체 플로우 통로들을 포함하는 다양한 통로들을 통해서 구동하기 위한 원심 블로워(102)를 포함한다. 도관(103)은 유량계(104) 및 열전대(105)를 포함할 수 있다. 이러한 디바이스들 및 유사 디바이스들이 액체 연료 개질장치의 작동을 측정, 모니터링 및 제어하기 위하여 액체 연료 개질장치 내의 다양한 위치에 배치될 수 있으며, 이에 대해서는 도 2A에 도시된 제어 시스템과 관련지어 더 상세하게 설명하기로 한다. .
예시적인 액체 연료 개질장치(100)의 작동의 시동 모드에서, 블로워(102)에 의해 도관(103)으로 도입된 주위 온도의 공기가 제1 가열 구역(106)을 통과하고, 여기서 상기 공기는 제1 가열기(107), 예를 들어 전기저항식 가열기에 의해 주어진 유량에서 사전설정된, 또는 목표하는 제1의 승온 온도 범위로 가열된다. 이와 같이 초기 가열된 공기는, CPOX 개질장치(100)의 작동의 정상-상태 모드에서 관형 CPOX 반응기 유닛들(109)의 CPOX 반응 구역들(110) 내에서 발생하는 CPOX 반응에서 회수된 발열 열에 의해 가열되는 열전달 구역(108)을 통과한다. 개질장치(100)의 상기한 이러한 정상-상태 작동이 달성되면, 즉 CPOX 반응기 유닛들(109) 내에서 CPOX 반응이 자기지속(self-sustaining)이 되면, 유입 공기가 열전달 구역(108)을 통과하면서 제1의 승온 온도 범위 내로 또는 이에 접근하는 온도로 이미 가열되어 있기때문에, 제1 가열기(107)의 열출력을 감소시키거나 또는 그 작동을 중단할 수 있다.
도관(103) 내에서 더 하류로 계속 흘러가면서, 시동 작동모드 중에 제1 가열 구역(106)을 통과하는 것에 의해, 또는 정상-상태 작동 모드 중에 열전달 구역(108)을 통과하는 것에 의해 초기 가열되어 있는 공기는, 제2 가열 구역(111)을 통과하고, 여기서 전기저항식 가열기일 수도 있는 제2 가열기(112)에 의해 제2의 승온 온도 범위로 추가로 가열된다. 제2 가열기(112)는 미리 가열된 공기의 온도가 액체 연료 CPOX 개질장치의 몇몇 작동 요건을 만족하는 온도에 이르도록 작동할 수 있다. 즉, 신속한 응답 및 필요에 기초하여 상기 개질 장치의 열적 요건들의 통제 및 미세조정을 지원하고, 더 하류에서 도관(103)으로 도입된 액체 개질가능 연료의 후속 기화에 충분한 열을 제공하며, 가열된 기체 CPOX 반응혼합물을 제공한다.
액체 개질가능 연료(이 구체예에서, 그리고 본 발명의 다른 구체예들에서 디젤로 예시됨)는 펌프(113)를 개재하여 임의선택적인 유량계(115) 및 임의선택적인 유량조절밸브(116)가 장치된 연료 라인(114)을 통해 도관(103)으로 연속 도입되고, 여기서 상기 연료는 제2 가열구역(111)에서 유동하는 상기 가열된 공기의 열을 이용하는 기화기 시스템(117)에 의해 기화된다. 상기 기화된, 즉 기체상태의, 연료는 도관(103)의 액체 연료 기화 구역(118)에서 가열된 공기의 스트림과 합쳐진다. 믹서, 예를 들어 인-라인(in-line) 믹서와 같은 정적 믹서(219), 및/또는 도관(203)의 내부표면에 형성된 와류생성(vortex-creating) 나선형 홈들, 또는 외부동력을 이용하는 믹서(도시되지 않음)가, 도관(103)의 혼합구역(액체 연료 기화 구역(118)과 일치함)내에 배치되어, 배치되지 않은 경우보다 더 균일한 연료-공기 기체 CPOX 반응 혼합물을 제공한다.
상기 가열된 기화연료-공기 혼합물(가열된 기체 CPOX 반응혼합물)은 매니폴드 또는 플리넘(120)으로 들어간다. 상기 매니폴드는 상기 반응 혼합물을 관형 CPOX 반응기 유닛들(109)로 더욱 균등하게, 그리고 예를 들어 더욱 균일한 온도로 분배하는 기능을 한다. 상기 도관 및 매니폴드는 보통 단열부(예를 들어 도 4A에 도시된 일체화된 개질장치-연료 전지 시스템(300)의 단열부(310))로 둘러싸여 있지만, 상기 CPOX 반응혼합물은 전형적으로 대등한 길이의 도관보다 부피가 크고 따라서 벽 표면적도 큰 매니폴드의 벽들을 통한 열손실로 인해 온도가 계속 강하할 수 있다. 매니폴드 내에서 CPOX 반응혼합물의 온도 강하를 유발할 수 있는 또 하나의 인자는 상기 혼합물이 도관을 빠져나가 더 큰 공간의 매니폴드로 들어가면서 발생하는 압력 및 속도의 감소이다.
이러한 인자들 중 어느 하나로 인해, 특히 매니폴드의 벽들, 코너들 및/또는 다른 오목부들과 근접하거나 또는 접촉하는 상기 반응혼합물의 부위들에서 발생하는, CPOX 반응혼합물의 온도 저하는, 기화된 연료의 국부적인 응축을 유도할 수 있다. 이러한 응축의 가능성을 최소화하기 위하여, 매니폴드는 기체 CPOX 반응혼합물의 온도를 기화된 연료 성분의 응축 임계치(condensation threshold) 위에서 유지하기 위한 수단이 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 1A에 나타낸 바와 같기, 온도 제어 목적의 전기 저항식 가열기(121), 및 열전대 또는 써미스터 프로브(thermistor probe)(122)가 상기 목적의 달성을 위해 매니폴드(120) 내에 배치된다. 가열기 대신에 또는 가열기에 더하여, 개질장치 섹션은 관형 CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응 구역들 내에서 발생하는 CPOX 반응으로부터 회수된 발열 열의 전달을 위한 열전도성 구조(들)(예를 들어, 도 3A에 도시된 CPOX 개질장치 섹션의 열전도성 소자(334)가, 연료 증기의 응축 가능성이 가장 클 수 있는 매니폴드 내의 위치들, 예를 들어 기화된 연료의 국부적인 응축을 유발할 수 있는 연료-공기 유출구에 인접한 벽 표면들, 및/또는 매니폴드의 코너들 및 다른 오목부들과 같은 다른 장소들에 제공될 수 있다.
매니폴드(110)로부터, 상기 가열된 CPOX 반응혼합물이 관형 CPOX 반응기 유닛들(109)로 도입된다. CPOX 개질장치(100)의 시동 모드에서, 점화기(123)가 관형 CPOX 반응기 유닛들(109)의 CPOX 반응구역들(110) 내에서 기체 CPOX 반응 혼합물의 CPOX 반응(들)을 개시하여, 수소-풍부 리포메이트의 생산을 시작한다. 일단 정상-상태 CPOX 반응 온도에 도달되면(예를 들어, CPOX 개질의 경우에 250℃ 내지 1,100℃), 상기 반응은 자기지속되고, 점화기의 작동이 중단될 수 있다. 열전대들(124 및 125)이 도관(103) 내에서 발생하는 기화 작동의 온도 및 CPOX 반응기 유닛들(209) 내에서 발생하는 CPOX 반응의 온도를 각각 모니터링하기 위하여 제공되고, 그 온도 측정치는 모니터링된 파라미터로서 개질장치 제어 시스템(126)으로 릴레이된다.
또한, 개질장치(100)는, 블로워(102), 유량계(104 및 115), 가열기(107, 112 및 121), 액체 연료 펌프(113), 유량조절밸브(116), 점화기(123), 및 열전대(105, 122, 124 및 125)와 같은 전기 구동식 구성요소들에 전력을 제공하기 위하여, 그리고 필요한 경우 추후 사용을 위한 여분의 전기를 저장하기 위하여, 예를 들어 재충전가능한 리튬이온 배터리 시스템과 같은 전류 공급원(127)을 포함할 수 있다.
필요한 경우, 액체 CPOX 개질장치(100)로부터의 생성 유출물 또는 수소-풍부 리포메이트가, 예를 들어 일산화탄소(CO)에 의한 오염에 특히 민감한 촉매를 사용하는 연료 전지 스택 에 연료로서 도입되는 경우, 상기 생성 유출물은 그 일산화탄소(CO) 함량을 줄이기 위하여 하나 이상의 통상 또는 공지의 일산화탄소 제거 디바이스에 도입될 수 있다. 예를 들어, 상기 생성 유출물은 일산화탄소(CO )가 이산화탄소(CO2)로 전환되고, 이와 동시에 추가의 수소를 산출하는 워터 가스 시프트(WGS) 전환기로 도입될 수 있고, 또는 상기 생성 유출물은 CO가 CO2로 선택산화(preferential oxidation: PROX)하도록 만들어진 반응기로 도입될 수 있다. CO 감량은 이러한 프로세스들의 조합을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어 WGS에 이어서 PROX, 또는 PROX에 이어서 WGS로 수행될 수 있다.
또한, 생성 리포메이트를 수소 스트림과 CO-함유 부산물 스트림으로 분리를 제공하는 수소-선택성 멤브레인이 장치된 공지의 또는 통상의 클린업(clean-up) 유닛 또는 디바이스를 통한 생성 리포메이트의 통과에 의해, 생성 리포메이트 내의 CO 레벨을 줄이는 것도 본 발명의 범위내에 있다. 이러한 종류의 유닛들/디바이스들은, 또한 위에서 설명한 WGS 컨버터 및/또는 PROX 반응기와 같은 하나 이상의 다른 CO-감량 유닛들과 조합될 수 있다.
공기가 정상-상태 작동 모드 중에 CPOX 반응기 유닛들(109)에서 회수된 발열 열에 의해 도관(103)의 열전달구역(108) 내에서 가열되는 도 1A의 액체 연료 개질장치 (100)과 대조적으로, 도 1B에 도시된 예시적인 액체 연료 CPOX 개질장치 섹션(150)에서, 원심 블로워(151)를 경유하여 도관(153)으로 도입된 공기는 개질장치(150)가 연결된 리포메이트-소비 디바이스, 예를 들어 연료 전지 스택(156)연료 전지 스택 애프터버너(테일 가스 버너) 섹션(155)에서 발열 열이 공급되는 열교환기(154)를 통과하면서 가열된다. 다른 측면들 모두에서, 일체화된 도 1B의 CPOX개질장치(150)의 구성요소들 및 그 기능들은 도 1A의 CPOX개질장치(100) 과 본질적으로 동일하다. 액체 연료 개질장치가 발열을 발생하지 않거나 또는 상기 개질장치의 정상-상태 작동모드 중에 도관(103)으로 도입된 공기를 적절하게 예열하기에 충분한 발열량을 발생하지 않는 경우(예를 들어, 스팀 또는 자기열 개질장치의 경우)에도, 이러한 개질장치가 연결된 연료 전지의 애프터버너 섹션 내에서 테일 가스 중 연소가능 성분들의 연소에서 발생한 열이 상기한 목적에 필요한 열을 제공할 수 있다.
도 2A에 도시된 제어 시스템(200)이 본 발명에 따르는 액체 연료 개질장치의 작동들을 제어하기 위하여 제공될 수 있다. 제어 시스템(200)은 액체 연료 개질장치를 그 작동의 시동 모드, 정상-상태 모드 및 정지 모드에서 관리하기 위한 제어기(201)를 포함한다. 상기 제어기는 프로세서상에서 작동하는 소프트웨어일 수 있다. 하지만, 하나 이상의 디지털 또는 아날로그 회로, 또는 이들의 조합으로 구현되는 제어기를 사용하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다.
제어 시스템(200)은 제어기(201)와 연통하며, CPOX개질장치(202) 의 선택된 작동 파라미터들을 모니터링하도록 구성된, 복수의 센서 어셈블리, 예를 들어 연료 압력계(204), 공기압력계(209), 혼합구역 열전대(213), 및 CPOX 반응 구역 열전대(214)를 더 포함할 수 있다.
상기 센서 어셈블리들로부터의 입력 신호들에 응답하여, 사용자는 사용자-입력 디바이스 및/또는 프로그램된 서브루틴들 및 명령 시퀀스들을 명령하며, 제어기(201)는 본 발명에 따르는 엑체 연료 개질장치의 작동들을 관리할 수 있다. 보다 구체적으로, 도시된 바와 같이, 제어기는 특정 작용을 지시하는 명령 신호를 보내는 것에 의해 액체 연료 질장치의 원하는 섹션 또는 구성요소의 제어 신호-수신부와 통신한다. 예를 들어, 압력계(204 및 209) 로부터의 유량 입력 신호들 및/또는 열전대(213 및 214)로부터의 온도 입력 신호들에 응답하여, 제어기(301)는, 예를 들어 연료 라인(206)을 통한 도관(207)으로의 연료 플로우를 제어하기 위하여 연료 펌프(203) 및/또는 연료 플로우 제어 밸브(205)로; 도관(207)으로의 공기 플로우를 제어하고, CPOX 개질장치(202) 내의 그리고 그것을 통한 가열된 기체 CPOX 반응 혼합물의 플로우를 구동하기 위하여 원심 블로워(208)로; 열출력을 제어하기 위하여 가열기(210)로; 온-오프 상태를 제어하기 위하여 점화기(211)로; 그리고 그 기능들을 관리하기 위하여 배터리/배터리 재충전기 시스템(212)으로 제어 신호들을 보낼 수 있다.
본 발명에서, 센서 어셈블리들, 제어 신호-수신 디바이스들 및 통신경로들(communication pathways)은 임의의 적합한 구성을 가질 수 있고, 당 분야에 알려진 것일 수 있다. 상기 센서 어셈블리들은 모니터링되는 작동 파라미터들을 위한 임의의 적합한 센서 디바이스들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 연료 유량은 임의의 적합한 유량계로 모니터링될 수 있고, 압력은 임의의 적합한 압력-감지 또는 압력-조절 디바이스 등으로 모니터링될 수 있다. 또한, 상기 센서 어셈블리들은, 필수적인 것은 아니지만, 제어기와 통신하는 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 상기 통신경로들은 보통 유선 전기 신호들이나, 임의의 다른 적당한 형태의 통신 경로들도 사용될 수 있다.
도 2A에 있어서, 통신경로들이 일방향 화살표 또는 양방향 화살표로 개략적으로 도시된다. 제어기(201)에서 끝나는 화살표는 측정된 유량 또는 측정된 온도의 값과 같은 입력 신호를 개략적으로 나타낸다. 제어기(201)로부터 연장하는 화살표는 화살표가 끝나는 구성요소로부터의 응답 동작을 지시하기위하여 보낸 제어 신호를 개략적으로 나타낸다. 양방향 경로들은, 제어기(201)가 결정된 응답 작용을 제공하도록 액체연료 개질장치(202)의 대응하는 구성요소들로 명령 신호들을 송신하는 것뿐만 아니라; 개질장치 섹션(202) 그리고 연료 펌프(203), 연료 제어 밸브(205) 및 블로워(208)와 같은 기계적 유닛들로부터 작동 입력들과, 압력계(204 및 209) 및 열전대(213 및 214)와 같은 센서 어셈블리들로부터 측정 입력들을 수신하는 것을 개략적으로 나타낸다.
도 2B는 본 발명에 따르는 액체 연료 개질장치의 작동을 자동화하기 위하여 제어 시스템의 제어기에 의해 실행될 수 있는 예시적 제어루틴의 플로우챠트를 제시한다. 상기 플로우챠트는 제어기에 의해 고정된 인터벌로, 예를 들어 매 0.01 초(10 milliseconds) 등과 같은 고정된 인터벌로 실행될 수 있다. 도 2B에 도시된 제어 논리(control logic)는 개질장치 작동의 시동 및 정상-상태 모드에서 기체 플로우들, 가열, 연료 기화 및 개질 반응 온도들의 관리, 및 정지 모드를 위한 절차의 관리를 포함하는 여러 가지 기능들을 수행한다.
도 AA-4E에 도시된, 본 발명의 또 다른 구체예들을 대표하는, 예시적인 액체 연료 CPOX 개질장치(300) 및 그 구성요소들에서 보여지는 바와 같이, 산소-함유 기체로서 공기는, 원심 블로워 시스템(402)을 경유하여 주위 온도 및 사전설정된 질량유량(mass flow rate)에서 도관(304)의 유입구(303)를 통해 개질장치 섹션(401)으로 도입된다. 상기 도관은 콤팩트한 설계에 바람직한 대체로 U자 형의 도관이다. 주위온도의 공기는, 개질장치의 시동 작동 모드에서 전기가열기(306)으로부터의 열이 공급된 제1 가열구역(305)을 통과하면서 사전설정된 범위의 승온 온도로 초기 가열된다.상기 전기가열기는 공지 및 통상의 전기저항식 가열기 일 수 있으며, 개질장치의 설계된 연료 처리 용량 범위에 의존하여 10 내지 80와트 또는 심지어 그보다 높은 정격을 갖는 것일 수 있다. 전기저항 가열기는 도관으로 도입된 주위 공기의 온도를 비교적 넓은 범위의 CPOX 개질장치 구조형태들 및 작동 용량들에 필요한 레벨로 상승시킬 수 있다. 개질장치(300)의 정상-상태 작동 모드 중에, 전기가열기(306)는 정지될 수 있으며, 그러면 도관(304)로 도입된 공기는, 예를 들어 도 1A의 CPOX 반응기 유닛들(109)과 연관지어 구조적 및 구성적 상세가 더욱 상세하개 설명되는 세장관형 기체-투과성 CPOX 반응기 유닛들(408)의 CPOX 반응 구역들(409)에서 회수된 발열 열에 의해 제2 가열구역(307) 내에서 초기 가열된다. 이러한 방식으로, 도관(304)으로 도입된 공기의 온도는 주위온도로부터 다양한 설계, 즉 당분야의 기술자들이 이미 인식하고 있는 구조적 및 작동적 인자들에 의해 영향을 받는 특정 온도를 갖는 몇몇의 사전설정된 온도의 범위로 승온된다.
예를 들어 미세다공질 또는 알루미나-기반 내화 물질 유형의 같은 단열부(310)가 도관(304)의 대부분과, CPOX 반응구역들(309)에 대응하는 CPOX 반응기 유닛들(308)의 부분을 에워싸서, 상기 구성요소들로부터 열이 손실되는 것을 줄여준다.
시동 모드에서 제1 가열 구역(305) 을 통과하는 것에 의해, 또는 정상-상태 모드에서 제2 가열 구역을 통과하는 것에 의해 초기에 가열되었던 공기의 온도를 초기 가열된 공기가 도관(304)의 하류로 유동하면서 승온하기 위하여, 상기 초기 가열된 공기가 임의선택적인 제2 전기 가열기 유닛(313)으로부터의 열이 공급되는 임의선택적인 제3 가열 구역(312)을 통해 유동하게 하는 것이 유리하다. 임의선택적인 제2 전기 가열기 유닛(313)은 상기 초기가열된 공기의 온도를 상대적으로 적은 범위로 증가시키는 것만이 필요하기 때문에, 연료 기화 시스템의 기능과 관형 CPOX 반응기 유닛들의 기능 모두에 관하여 개질장치의 정밀하고 신속한 열관리를 쉽게 하는 전형적으로 공기 온도의 약간의 조절을 가능하게 하는 증분 가열기(incremental heater)로 기능할 수 있다.
위에서 설명되고, 여기서, 그리고 본 발명의 다른 구체예들에서 예시된 것들중 임의의 것과 같은 액체 개질가능 연료, 예를 들어 자동차 디젤 연료는, 도관(304)내에서 끝나는 연료 라인(314)을 통해 액체 연료 스프레더 디바이스(315), 예를 들어 도 3B - 3D에 나타낸 윅(316), 또는 도 3E에 나타낸 분무 디바이스(317)에 도입된다.
액체 연료 CPOX 개질장치의 통로 및 도관을 통해 유체를 통과시키기 위한, 예를 들어 액체 연료를 연료 라인(314)을 통해 도관(304)으로 도입하기 위한 임의의 공지 및 통상의 펌프 디바이스(418)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 계량 펌프(metering pump), 로타리 펌프(rotary pump), 임펠러 펌프, 격막 펌프(diaphragm pump), 연동 펌프(peristaltic pump), 지로터(gerotor)와 같은 양변위 펌프(positive displacement pump), 기어 펌프, 압전 펌프(piezoelectric pump), 동전기 펌프(electrokinetic pump), 전기삼투 펌프(electroosmotic pump) 및 모세관 펌프(capillary pump) 등이 이러한 목적을 위하여 이용될 수 있다. 일부 구체예들에서, 펌프 또는 유사 디바이스(318)가 연료를 간헐식 또는 펄스식 플로우에 기초하여 배송할 수 있다. 특정. 구체예들에서, 펌프 또는 유사 디바이스가 연료를 실질적으로 연속인 플로우로 배송할 수 있다. 특별한 구체예들에서, 펌프 또는 유사 디바이스가 CPOX 개질장치 작동 요건의 변화에 응하여 연료 유량을 신속하게 조절할 수 있다.
전술한 바와 같이, 가압된 액체 연료는 윅에 의해 도관내에서 산포되거나, 또는 연료 인젝터, 가압 노즐, 아토마이저(초음파 아토마이저를 포함함), 네블라이저(nebulizers) 등과 같은 임의의 공지 및 통상의 분무 디바이스에 의해 미세 분무액적(fine spray)이나 액적 형태로 도관내에서 산포될 수 있다.
시동 모드에서 제1 가열 구역(305) 내에서 전기 가열기(306)에 의해 생산된 열 또는 정상-상태 모드 중에 제2 가열 구역(307) 내에서 CPOX로부터 회수된 발열 열, 필요한 경우, 임의선택적인 가열 구역(312) 내에서 임의선택적인 도관(304)으로 도입된 임의선택적인 제2 전기 가열기(313)에 의해 생산된 열과 합쳐진 열은, 도관(304)으로 도입된 액체 연료를 기화하는데 함께 작용하고, 개질장치의 연료 기화기 시스템의 주 성분을 함께 구성한다.
임의선택적인 제2 전기 가열기(313)는 작동하여, 연계된 임의선택적인 제3 가열 구역 내를 통과하는 상기 초기 가열된 주위 온도 공기의 온도를 증분적으로 승온시킬 뿐만 아니라, 액체연료를 도관(304)으로 도입전에 가열하는데 이용될 수 있으며, 이에 의해 도관에 들어간 연료의 기화를 용이하게 된다. 도관으로 도입전의 액체 연료를 가열하기 위한 상기한 임의선택적 설비는, 도관(304)으로 들어가는 시점에서 주위 온도로 있는 개질가능 연료에 작동하는 동일한 기화기 시스템 보다 주어진 시간내에서 주어진 양의 액체 개질가능 연료를 보다 신속하게, 또는 보다 많이 기화시키는 것을 가능하게 할 수 있다.
메인 도관(304)으로 들어가기 전에 액체 연료의 가열을 제공하기 위하여, 도　3B-3E에 도시된 기화기 시스템 또는 어셈블리에 나타낸 바와 같이, 연료 라인(314)은 길이가 연장된 상기 연료라인의 섹션(319)이 도관의 벽을 횡단하여, 연료라인이 메인 도관(304)의 임의선택적인 제3 가열 구역(312)을 통과하는 또는 상기 구역에 근접하는 곳에서 흐르는 연료의 체류시간을 연장시킨다. 연장된 연료 라인 섹션은 상기한 목적을 위한 다양한 구조형태를 추정할 수 있으며, 그 예를 들면 제2 가열구역에 대응하는 도관의 외표면에 배치된 또는 상기 외표면에 근접하게 배치된 코일형태 또는 나권형태(도시된 바와 같음) 또는 일련의 세로주름들로 된 형태, 또는 제2 가열구역에서 또는 그 근처에서 도관의 내측에 배치된 임의의 유사 구조형태들이 있다. 그 정확한 구조형태 및/또는 배치와 관계없이, 연장된 연료 라인 섹션(319)은, 제2 가열구역 가까이에서 효과적인 열전달을 하여 연료의 온도를 몇몇의 사전설정된 온도 범위 내로 승온시키기에 충분한 양의 열을 받아야만 한다. 그래서, 도관(304)의 제3 가열구역(312) 내에서 임의선택적 제2 전기가열기(313)의 열출력의 일부는, 이 구역 내에서 흐르는 공기를 더 가열하는 것 이외에도, 연료 라인(314)의 선단부(distal section)(319) 내에서 흐르는 연료, 예를 들어 디젤 연료로 전달될 것이며, 연료 라인(314)의 선단부는 도면 부호 319로 나타낸 바와 같이 길게 연장되어, 연료의 온도를 사전설정된 범위 내로 승온시킬 수 있다. 연료 라인 내의 연료에 대해 어느 온도 범위가 선정되든 간에, 상기 온도범위는 연료의 비점(디젤의 경우 150℃ 내지 350℃)을 초과하지 않아야 하며, 그렇지 않으면 증기폐색(vapor lock)이 일어나 개질장치가 멈추게 된다.
액체 연료 스프레더(315)는 제3 가열구역(312) 및 이에 연합된 제2 전기가열기(313)의 하류이고 혼합구역(320)의 상류에서 도관(304) 내에 배치된다. 열전대(322)가 챔버(436) 내에 배치되고, 열전대(323)가 기화기 하류의 도관(304) 내에 배치되어, 각각 CPOX 반응기 유닛들(308)의 CPOX 반응 구역들(309) 내에서 발생하는 CPOX 개질의 온도와 기화된 연료-공기 혼합물의 온도를 각각 모니터링한다.
도 4A에 도시되고, 본 발명의 또 다른 구체예를 나타내는, 예시적인 액체 연료 개질장치(400)의 다양한 도면들에 나타낸 바와 같이, 산소-함유 기체로서 공기는, 원심 블로워 시스템(402)을 경유하여 주위 온도 및 사전설정된 질량유량(preset mass flow rate)에서, 콤팩트 디자인에 바람직한 대체로 U자형 도관 섹션을 포함하는, 메인 도관(404)의 유입구(403) 로 도입된다. 주위온도의 공기는, 개질장치의 시동 작동 모드에서 제1 가열기 유닛(406)으로부터의 열이 공급된 제1 가열구역(405)을 통과하면서 사전설정된 승온 온도 범위로 초기 가열된다. 제1 가열기 유닛(406)과 그 하류의 제2 가열기 유닛(413)은, 개질장치의 설계된 연료 처리 용량 범위에 의존하여 10 내지 80와트 또는 심지어 그보다 높은 정격을 갖는 공지 및 통상의 전기저항식 가열기일 수 있다. 이러한 가열기들은, 도관으로 도입된 주위 공기의 온도를 비교적 넓은 범위의 액체연료 개질장치 구조형태들 및 작동 용량들에 필요한 레벨로 상승시킬 수 있다. 개질장치(400)의 정상-상태 작동 모드 중에, 제1 가열기 유닛(406)는 정지될 수 있으며, 그러면 메인 도관(404)로 도입된 공기는, 관형 기체-투과성 CPOX 반응기 유닛들(408)의 CPOX 반응 구역들(409)에서 회수된 발열 열에 의해 열전달구역(407) 내에서 초기 가열된다. 이러한 방식으로, 도관으로 도입된 공기의 온도는 주위온도로부터 다양한 설계, 즉 당분야의 기술자들이 이미 인식하고 있는 구조적 및 작동적 인자들에 의해 영향을 받는 특정 온도를 갖는 몇몇의 사전설정된 승온 온도 범위로 상승될 수 있다.
예를 들어 미세다공질 또는 알루미나-기반 내화 물질 유형의 같은 단열부(410)가 메인 도관(404)의 대부분과, 개질 반응구역들(409)에 대응하는 개질장치 반응기 유닛들(408)의 부분을 에워싸서, 상기 구성요소들로부터 열이 손실되는 것을 줄여준다.
가열된 공기 스트림이 메인 도관(404) 내에서 하류로 유동하면서, 두개의 스트림으로 분기 또는 분할될 수 있으며, 그중 하나의 스트림은 메인 도관(404)을 통해 그 흐름을 계속하며, 다른 하나의 스트림은 분지 도관(411)으로 우회하고, 상기 분지 도관으로부터 벗어나서 합류 구역(421)에서 메인 도관(404)로 재진입하여,(제1 정적 믹서 및/또는 그 내부에 배치된 나선형-홈이 형성된 내부 벽면을 가지는) 제1 혼합구역(420)을 통과하면서 혼합하는 기화된 연료-공기와 합쳐진다. 그 다음, 합쳐진 기체들은 기화기 하류의 제2 혼합구역(422)(마찬가지로 제2 정적 믹서 및/또는 그 내부에 배치된 나선형-홈이 형성된 내부 벽면을 가짐)으로 들어가서 매우 균일한 조성의 기체 CPOX 반응혼합물을 제공하고, 상기 혼합물은 유출구(425) 를 통해 구조 및 작동이 더 상세하게 설명될 매니폴드(426)의 기체 분배기(427) 내로 도입된다.
원하는 개질반응을 위한 공기의 전체량을 두 스트림으로 분기하는 것에 의해, 방금-기화된 연료와 가열된 공기가 합류하기 시작하면서 형성하기 시작하는 연료-공기 혼합물에 함유된 기화된 액체 연료 성분의 양이 공기 성분의 산소 함량에 대한 비율을 높게 유지하여서, 비-균일 초기 연료-공기 혼합물의 일부 부위가 연소/점화와 이에 따른 코크스 형성을 뒷받침하기에 충분히 높은 산소 농도의 공기를 함유할 가능성을 제거 또는 감소시킬 수 있다. 초기 연료-공기 혼합물이 제1 혼합구역내에 배치된 제1 정적 믹서를 통과하여 상대적으로 높은 산소 농도를 갖는 연소-유도 부위들이 훨씬 적게 존재하게 하는 조성 균일도를 얻게 되면, 좀 더 균일해진 연료-공기 혼합물이 합류구역에서 분지도관에 들어가는 제2 가열된 공기 스트림(또는 이차(유체) 스트림)과 합류하여 목표하는 기체 개질 반응혼합물의 미리설정된 O 대 C 몰비를 만족하게 된다. 그러면, 이러한 연료-공기 혼합물은 혼합구역 내에 배치된 제2 정적 믹서를 통해 유동하여 매니폴드의 기체 분배기에 들어가기 직전에 기체 개질 반응혼합물의 조성이 더 균일하게 될 수 있다.
제1 가열구역(405) 및/또는 열전달구역(407)을 통과하면서 초기에 가열되었던 공기의 온도를 상기 초기 가열된 공기가 메인 도관(404)의 하류로 유동하면서 승온하기 위하여, 상기 초기 가열된 공기는 제2 가열기 유닛(413)로부터 열이 공급되는 제2 가열구역(412)을 통해 전송된다. 상기 제2 가열기 유닛은 상기 초기 가열된 공기의 온도를 상대적으로 적은 정도로 만 증가시키는 것이 필요하기 때문에, 본 명세서에서 설명되는 연료 기화 시스템의 기능과 관형 개질장치 반응기 유닛들의 기능 모두에 관하여 개질장치의 정밀하고 신속한 열관리를 쉽게 하는 전형적으로 공기 온도의 약간의 조절을 가능하게 하는 증분 가열기(incremental heater)로 기능할 수 있다.
위에서 설명되고, 여기서, 그리고 본 발명의 다른 구체예들에서 예시된 것들중 임의의 것과 같은 액체 개질가능 연료, 예를 들어 디젤 연료는, 메인 도관(404)내에서 끝나는 연료 라인(414)을 통해 액체 연료 스프레더 디바이스(415), 예를 들어 윅(416) 또는 분무 디바이스(도시안됨)에 도입된다. 작동에 있어서, 윅(416)은 연료 유출구에서 배출된 디젤 연료를 위킹(wicking) 작용 또는 모세관 작용으로 흡인한다. 윅(416)의 표면으로 또는 표면상에 흡인된 디젤은 제2 가열구역 하류에서 흐르는 가열된 공기와 접촉시 거기서 기화하고, 상기 가열된 공기와 합쳐지기 시작하면서 초기에 비균일 기체연료-공기 혼합물, 즉 비균일 기체 개질 반응 혼합물을 형성한다. 이러한 초기 연료-공기 혼합물은 제1 혼합구역(420) 내에서 제1 정적 믹서를 통과한 다음, 분지도관(411)으로부터 합류구역(421)로 흐르는 나머지의 가열된 공기와 합쳐지고, 합류구역으로부터 상기 합쳐진 스트림은 제2 혼합 구역(422) 내의 제2 정적 믹서로 유동하고, 제2 혼합 구역에서 보다 조성적으로 균일한 기체 개질 반응 혼합물이 빠져나간다.
공지 및 통상의 임의의 펌프 디바이스(418)가 연료 라인(414)을 통해 메인 도관(404)으로 액체 연료를 도입하는데 이용될 수 있으며, 그 예를 들면 계량 펌프, 로타리 펌프, 임펠러 펌프, 격막 펌프, 연동 펌프, 지로터와 같은 양변위 펌프, 기어 펌프, 압전 펌프, 동전기 펌프, 전기삼투 펌프 및 모세관 펌프 등이 있다. 전술한 바와 같이, 가압된 액체 연료는 윅에 의해 도관내에 산포될 수 있으며, 또는 또는 연료 인젝터, 가압 노즐, 아토마이저(초음파 아토마이저를 포함함), 네블라이저 등과 같은 임의의 공지 및 통상의 분무 디바이스에 의해 미세 분무액적이나 액적 형태로 도관내에서 산포될 수 있다. 제2 가열기 유닛과 연료 스프레더 디바이스는 조화하여 도관으로 도입된 액체 연료를 기화시키는 기능을 할 수 있으며, 개질장치 섹션의 연료 기화기의 주 구성요소를 함께 구성할 수 있다. 일부 구체예들에서, 펌프 또는 유사 디바이스가 연료를 간헐식 또는 펄스식 플로우에 기초하여 배송할 수 있다. 다른 구체예들에서, 펌프 또는 유사 디바이스가 연료를 실질적으로 연속인 플로우로 배송할 수 있다. 특별한 구체예들에서, 펌프 또는 유사 디바이스가 개질장치 작동 요건의 변화에 반응하여 연료 유량을 신속하게 조절할 수 있다.
개질장치가 시동 작동 모드중에 액체 연료의 기화를 구동하기 위한 임의의 열원, 예를 들어,(가열기(406 및 413)의 경우에서와 같은) 전기저항식 가열기, 특히 연료의 기화가 메인 도관(404)의 외부에서 발생하도록 구성된 가열기를 사용할 수 있지만, 도시된 액체 연료 개질장치(400)는, 초기 가열된 주위 온도 공기의 온도를 증분적으로 승온시킬 뿐만 아니라, 메인 도관(404)으로 도입하기 전에 액체 연료를 가열하기 위하여, 그리고 상기 도관에 들어온 연료를 기화시키기에 충분한 열을 제공하기 위하여 가열기(413)를 사용한다. 도관으로 도입전에 액체 연료의 선택적인 가열 제공은, 도관에 들어온 시점에서 주위 온도에 있는 개질가능 연료에 대해서 작동하는 동일한 기회기 시스템보다, 주어진 양의 액체 개질가능 연료를 더 신속하게 기화시키는 것, 또는 주어진 시간 내에 더 많은 양의 액체 개질가능 연료를 기화시키는 것을 가능하게 할 수 있다.
메인 도관(404)에 들어오기 전에 액체 연료의 가열을 제공하기 위하여, 연료 라인(414)이 메인 도관(404)의 가열구역(412)을 통과하는 또는 상기 가열구역에 근접하는 곳에서 내부에서 흐르는 연료 플로우의 체류시간이 길어지도록 길이가 연장되는 상기 연료 라인의 섹션(419)을 갖는 메인 도관(404)의 벽을 상기 연료라인이 횡단한다. 연장된 연료 라인 부위는 상기한 목적을 위한 다양한 구조형태를 추정할 수 있으며, 그 예를 들면 제2 가열구역에 대응하는 도관의 외표면에 배치된 또는 상기 외표면에 근접하게 배치된 코일형태 또는 나권형태(도시된 바와 같음) 또는 일련의 세로주름들로 된 형태, 또는 제2 가열구역에서 또는 그 근처에서 도관의 내측에 배치된 임의의 유사 구조형태들이 있다. 그 정확한 구조형태 및/또는 배치와 관계없이, 연장된 연료 라인 섹션(419)은, 제2 가열구역 가까이에서 효과적인 열전달을 하여 연료의 온도를 몇몇의 사전설정된 온도 범위 내로 승온시키기에 충분한 양의 열을 받아야만 한다. 그래서, 메인 도관(404)의 제2 가열구역(412) 내에서 가열기(413)의 열출력의 일부는, 이 구역 내에서 흐르는 공기를 더 가열하는 것 이외에도, 연료 라인(414)의 선단부(distal section)(419) 내에서 흐르는 연료, 예를 들어 디젤 연료로 전달될 것이며, 연료 라인(414)의 선단부(419)는 나타낸 바와 같이 길게 연장되어, 연료의 온도를 사전설정된 범위 내로 승온시킬 수 있다. 연료 라인 내의 연료에 대해 어느 온도 범위가 선정되든 간에, 상기 온도범위는 연료의 비점(디젤의 경우 150℃ 내지 350℃)을 초과하지 않아야 하며, 그렇지 않으면 증기폐색이 일어나고, 이에따라 개질장치가 멈추게 된다.
액체 연료 스프레더(415)는 제2 가열구역(412) 및 이에 연합된 가열기(413)의 하류이고 제1 혼합구역(420)의 상류인 위치에서 메인 도관(404) 내에 배치된다. 열전대(423)는 기화기 하류의 매인 도관(404) 내에 배치되어, 상기 도관 내에서 형성하기 시작하는 기화된 연료-공기 혼합물의 온도를 모니터링한다. 액체 연료 스프레더(415)는 도 3B-3D에 도시된 윅(316)과 같은 형태일 수 있다. .
액체 연료 유출구에 맞춰질 수 있는 윅의 몸체는 임의의 적합한 내열재로 제작될 수 있다. 유용한 내열재의 예는 금속, 세라믹, 고온 폴리머 등과 이들의 조합들을 포함하며, 구체적인 예는(구조적 강도를 부여하기 위한) 금속 섬유 또는 탄소 섬유와(위킹 작용을 위한) 세라믹 섬유로 짜인 나권형 시이트를 포함한다.
본 명세서에서 설명된 액체 연료 기화기 시스템들에 있어서, 디젤은 전기저항 가열기 소자의 표면과 같은 가열된 표면과 직접 접촉할 기회가 전혀 없거나 거의 없다. 그렇지 않고 디젤이 상기 가열된 표면과 직접 접촉하면 디젤 연료의 온도가 인화점 이상으로 상승하여 기화 보다는 연료의 스패터링을 유발하고, 그리고/또는 코크스 형성을 초래하는 연료의 열분해를 유발할 수 있다. 따라서, 디젤 연료의 온도는 인화점 미만의 수준으로 용이하게 그리고 신뢰성있게 유지될 수 있어서, 유의적인 스패터링 또는 크크스화가 발생하지 않게 된다.
다시 도 4A로 돌아가서, 기체 CPOX 반응혼합물은, 제2 혼합구역(422) 내에 배치된 제2 정적 믹서를 통과한 후에, 유출구(425)를 통해 메인 도관(404)을 나가서, 관형 개질 반응기 유닛들(408) 로 그리고 그 내부로 반응혼합물의 더 균일한 분배를 제공하도록 구성된 매니폴드(426)의 기체 분배기(427)로 들어간다. 본 발명의 범위내에 있는 이러한 배치구조 또는 다른 배치구조는 기체 개질 반응혼합물의 분배를 제공할 수 있으며, 여기서 임의의 두 개질 반응기 유닛들 내에서 기체 개질 반응혼합물의 유량 차이는 약 20퍼센트보다 크지 않고, 예를 들어 약 10퍼센트보다 크지 않고, 또는 약 5퍼센트보다 크지 않다.
관형 개질 반응기 유닛들(408)과 연계된 매니폴드(426) 는 매니폴드 챔버(429)를 구획하는 매니폴드 하우징 또는 인클로져(428)를 포함하며, 상기 챔버 안에서 기체 개질반응 혼합물(기체) 분배기(427)가 메인 도관(404)의 유출구(425)에 연결된다. 유출구(425)를 통해 도관(404)을 나가는 가열된 기체 개질 반응 혼합물은 기체 분배기(427)로 들어간 후에. 기체 분배기의 저부 또는 하부에 위치한 개구들(예를 들어 홀들 또는 슬롯들)(430)을 통해 외부로 나가고, 그 다음 상기 기체는 상기 분배기의 외부 표면 둘레에서 그 최상부 또는 상부로 흐르고, 거기서 관형 개질 반응기 유닛들(408)의 유입구들(441)로 유동한다. 개구들(430)을 통과하여 유입구들(431)로 가는 기체 개질 반응 혼합물의 상기 경로가 도 4B에 도시되어 있다.
매니폴드 챔버(429)의 일부 부위(들) 및/또는 표면(들) 내의 온도가 그 내부에 존재하는 기체 개질 반응혼합물 중의 기화된 액체 개질가능 연료의 응축 온도 이하로 떨어질 가능성을 제거하거나 또는 줄이기 위하여, 전기 저항 가열기(432) 및 열전대(433)가 매니폴드 챔버(429) 내에, 예를 들어 하나 이상의 내부 표면 상에 배치되거나 또는 하나이상의 벽 내부에 매설되어서, 챔버 내부의 온도를 연료 응축 온도 이상으로 유지시키기 위한 액티브(active) 가열기 시스템을 제공할 수 있다. 예를 들어 위에서 설명한 액티브 가열기 시스템에 더하여, 또는 이를 대신하여, 관형 개질장치 반응기 유닛들(408)의 개질 반응 구역들(409)을 매니폴드 챔버(429)와 열적으로 연결하는, 열전도성 소자들(424)을 포함하여 구성되며, 예를 들어 구리와 같은 양호한 열전도체로 제작되는 패시브(passive) 열전달 시스템이, 개질 반응 구역들(409)의 발열 열을 매니폴드 챔버(429)의 부위들 및/또는 표면들로 전달하도록 개질장치(400) 내에 장치되어서, 상기 챔버 내에서 기화된 연료의 온도가 그 응축 온도 보다 높은 온도로 유지하게 할 수 있다.
연료 응축의 발생을 방지 또는 최소화하는 기능이외에도, 이러한 액티브 가열 시스템 및/또는 패시브 가열 시스템은, 개질장치 반응기 유닛들의 유입구로 도입되면서 기체 개질 혼합물의 온도를 더 균일하게 하는 역할을 할 수 있으며, 이는 개질장치 작동 및 제어 모두에 대하여 이익이 된다. 따라서, 예를 들어, 매니폴드 가열 시스템들 중 어느 하나 또는 모두는 매니폴드 챔버 전역에서 지속적으로 균일한 온도의 기체 개질 반응혼합물을 제공하도록 작동되어서, 임의의 두 관형 개질 반응기 유닛들에 들어가는 기체 개질 반응혼합물들의 온도차가 약 10% 이하, 예를 들어 약 5% 이하가 되게 할 수 있다.
매니폴드(426)로부터, 가열된 기체 개질 반응 혼합물이 개질 반응기 유닛들(408)의 유입구들(431)로 들어가 개질 반응구역들(409)로 흐르고, 여기서 상기 반응 혼합물이 기상 개질 반응하여 수소-풍부, 일산화탄소-함유 리포메이트를 생성한다. 시동 모드에서, 하나 이상의 점화기(435)가 개질을 개시한다.개질이, 예를 들어 반응구역의 온도가 약 250℃ 내지 약 1100℃에 도달할 때, 자기지속이 된 이후에는, 이제 자기지속인 개질 반응을 유지하는데 더 이상의 외부 점화가 필요하지 않게 되므로, 상기 점화기(들)를 정지할 수 있다.
도 4B의 예시적인 액체 연료 개질장치(450)는 도 4A 의 개질장치의 변형이다. 도 4B에 나타낸 바와 같이, 산소-함유 기체의 플로우는 분지 도관(411)의 외부 유입구(452)에서 액체 연료 개질장치(450)로 도입되나, 이와는 달리 도 4A의 개질장치에서는 메인 도관(411) 내에 배치된 분지 도관(411)의 유입구로 도입된다. 다른 측면들에서, 개질장치(400)와 개질장치(450)는 본질적으로 동일하고 그 작동들도 본질적으로 동일하다.
도 5의 액체 연료 개질장치(500)는 도 3A의 액체 연료 개질장치(300)의 구성요소들 및 특징들을 대부분 포함하고, 작동방식도 본질적으로 동일하므로, 후자와의 유의적인 차이에 대해서만 설명하기로 한다.
액체 연료 개질장치(500)에 있어서, 도시된 원심 블로워 시스템에 의해 제공되는 주위 온도 공기의 가압된 플로우는, 열교환 유체의 플로우, 예를 들어 연료 전지 스택(도시 안됨)의 애프터버너 섹션과 같은 외부 열원으로부터의 고온 연소가스의 플로우가 순환되는 열교환기(501) 내로 도입되고 이를 통과한다. 이러한 장치구조는 액체 연료 개질장치(300)에서 공기의 가열을 제공한다는 점에서 다른데, 여기서 상기 개질장치의 정상-상태 작동모드 중에 상기 개질장치로 들어가는 주위공기는 메인 도관(304)의 열전달 구역(307)을 통과하면서 개질장치 반응기 유닛들(308)의 개질 반응 구역들(309) 내에서 발생하는 열에 의해 상기 구역(307)내에서 가열된다. 또한, 연료 라인 섹션(314)내에서 유동하는 연료가 가열기(313)에서 가열되는 도3A에 나타낸 연료가열 시스템과 달리, 액체 연료 개질장치(500)에서는, 연료 라인의 한 섹션이 열교환기(501)을 통한 경로를 가져서 유사하게 기화전의 연료 가열을 제공할 수 있다. 다른 측면들 모두에서, 액체 연료 개질장치(500)는 액체 개질장치(300)와 본질적으로 동일한 방식으로 작동할 수 있다.
본 발명의 액체 연료 개질장치를 냉각하기 위한 수단은, 개질장치의 추가적인 열관리 및 제어를 제공하는데 유용할 수 있다. 개질장치의 상기한 추가적인 제어를 제공하기 위하여, 도 6A 및 6B의 액체 연로 개질장치(600 및650)는 그 개질장치 반응기 유닛들의 온도를 사전설정된 온도 범위, 예를 들어 약 750℃ 내지 약 950℃로 냉각하기 위한 열교환기를 포함한다.
도 6A에 나타낸 바와 같이, 액체 연료 개질장치(600)는, 개질장치 반응기 유닛들(603)의 하부 섹션(602)의 노출된 외부 표면쪽으로 냉매 스트림, 예를 들어 주위 온도의 공기를 지향시키기 위한 원심 블로워(601)를 포함한다. 원심 블로워 대신에, 냉매 스트림을 제공하기 위한 임의의 다른 적합한 디바이스, 예를 들어 홴, 임펠러 등이 이용될 수 있다.
도 6B의 CPOX 개질장치(650)에 있어서, 열전도 어셈블리가, 다양한 형태 및 배열을 갖는 열전도 부재들(651 및 654)을 포함한다. 열전도 부재들은, 예를 들어 봉, 판, 관 등과 같은 형태로 제공될 수 있으며, 적절하게 높은 열전도성을 가지는 물질, 예를 들어 금속(특히, 구리 및 구리 합금), 탄소, 세라믹, 복합재 및 그 유사물로 제작될 수 있다. 열전도 부재들은, 방사열, 예를 들어 챔버(653) 내에서 개질장치 반응기 유닛들(652)의 노출된 외부 표면으로부터 방사된 열을, 예를 들어 마찬가지로 구리와 같이 높은 열 전도성을 나타내는 물질로 제작되며, 열 방사부재(655), 예를 들어 도시된 바와 같은 일련의 휜(fin)에서 종결하는 된 열전도 부재(654) 로 전도할 수 있다. 원심 블로워 유닛(656)은 냉매 스트림, 예를 들어 주위 온도의 공기를 복수의 휜이 있는 방사열 부재(655) 쪽으로 지향시켜, 거기서 열을 제거한다.
도 7은 기화된 디젤 연료 -공기개질 반응 혼합물들의 산소(O) 대 탄소(C) 몰비와 개질 반응 온도 사이의 관계를 보여주는 데이터 그래프를 제시한다. 상기 데이터가 보여주는 바와 같이, 개질 반응 혼합물들의 산소(O) 대 탄소(C) 몰비가 점차 감소함에 따라, 즉 상기 반응 혼합물이 상대적인 탄소-부족 반응혼합물로부터 상대적인 탄소-풍부 반응혼합물로 조절됨에 따라, 개질 반응 온도는 감소한다. 이러한 데이터는 본 발명에 따르는 액체 연료 CPOX 개질장치의 최적화된 작동을 위한 여러가지 의미를 내포하고 있다.
개질 촉매의 신속한 가열을 촉진하기 위하여, 결과적으로, 기상 CPOX 반응의 시작을 촉진하기 위하여, 높은 O 대 C 몰비를 가지는 기체 CPOX 반응 혼합물(즉, 연료-부족 반응혼합물)이 본 개질장치의 시동 작동모드 중에 이용될 수 있다. 연료-부족 CPOX 반응혼합물과 연관된 더 높은 작동 온도는, CPOX 촉매 온도의 더 신속한 증가와, 정상-상태 작동에 대한 더 단축된 시간을 가능하게 할 수 있다. 이에 더하여, 연료-부족 비는, CPOX 촉매가 최적의 온도를 이루어 완전히 활성화되기 전에, 코크스 형성을 억제하는데 도움을 준다. 일단, CPOX 촉매가 약 650 ℃ 이상의 온도에 도달하면, O 대 C 몰비는 연료 플로우가 증가됨에 따라 감소될 수 있다. O 대 C 몰비를 감소시키는 것은 촉매 온도를 낮추고, CPOX 반응기 유닛들 그리고 이어서 연료 기화기 유닛의 열적 제어를 상실함이 없이 더 많은 연료가 처리되는 것을 가능하게 한다. 그 반대 작용이 정지 작동을 위해 취해 질 수 있다. 즉, 유지된 O 대 C 몰비에서 연료 플로우가 줄어든다. CPOX 반응기 유닛들의 CPOX 반응구역들의 온도가 코크스 형성을 초래하는 온도 아래로, 예를 들어 약 650℃ 아래로 접근 또는 하회하기 시작함에 따라, 상기 O 대 C 몰비는 증가되어, CPOX 촉매의 비활성화 원인이 되는 코크스형성을 방지 또는 최소화할 수 있다. 전형적으로, CPOX 개질장치는, CPOX 반응 혼합물의 온도가 약 500℃를 하회할 때, 정지될 수 있다. 산소-함유 기체의 플로우는, 연료 플로우가 중단된 후에 약 15 내지 20초 정도까지 계속될 수 있다. 이러한 정지 절차는, 도관내에, 또는 연료 제어밸브와 상기 도관으로의 연료 도입 장소 사이의 연료 라인의 섹션 내에 들어있을 수 있는, 연료의 기화 및 개질장치로부터의 제거를 허용할 수 있다. 이러한 제어 특징은, 구체적인 개질장치 설계에 활용되는 특정 제어기 유닛 구성요소들을 포함하는 다양한 개질장치 구성요소들에 의해 영향을 받을 수 있다.
연료-공기 CPOX 반응 혼합물의 O 대 C 몰비는 작동중에 그 아웃풋 열적 조건들에 맞추도록 조절될 수 있고, O 대 C 몰비의 변화는 리포메이트의 품질 및/또는 조성의 변화를 유발할 수 있음을 이해하여야 한다. CPOX 온도가 약 650℃ 위로 증가함에 따라 연료-부족에서 연료-풍부로 시프트하는 O 대 C 몰비의 범위가 있다. 상이한 CPOX 촉매들은 조작상의 윈도우들(operational windows) 및 CPOX 온도들에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 상이한 연료들은 개질반응들의 효율에 의존하여 CPOX 온도들을 변경시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 스팀이 본 발명의 개질장치로 도입되어, 본 발명의 개질장치가 자기열 및/또는 스팀 개질 반응(들)을 수행하도록 작동될 수 있다.
하낭의 구체예에서, 본 발명의 개질장치는 초기에 액체 또는 기체 개질가능 연료의 CPOX 전환을 수행하도록 작동되어 열을 발생하고. 상기 열은, 예를 들어 전기 가열기에 의해 공급되는 추가의 열과 함께 또는 없이, 스팀 발생기에서 스팀을 생산하기 위하여 회수될 수 있다. 이와 같이 발생된 스팀은 하나 이상의 위치에서 개질장치로 도입될 수 있다. 적합한 위치 중의 하나는 상기 스팀이 액체 연료를 기화하기 위한 열을 제공할 수 있는 기화기이다. 예를 들어, 도 4A에 도시된 개질장치(400)에서 윅(315)로 도입된 스팀은 윅 표면들에서 액체 연료를 기화하기 위한 열을 제공할 수 있으며, 이와 동시에 이러한 표면들의 막힘(clogging)을 제거 또는 억제하는 데 도움을 줄 수 있다.
또 하나의 구체예에서, 본 발명에 따르는 개질장치는 연료 전지 스택에 연결되고, 연료 전지 스택에서 상기 개질장치로부터의 수소-풍부 리포메이트는 전류로 전환될 수 있다. 연료 전지 스택의 작동은, 연계된 애프터버너 유닛이 존재하는 경우, 폐열원(들)을 제공할 수 있으며, 회수된 상기 폐열은 독자적으로 또는 전기가열기에 의해 공급된 추가의 열과 함께 스팀 발생기의 작동에 이용될 수 있다. 그러면, 상기 스팀 발생기로부터 발생된 스팀은, 예를 들어 도 4의 개질장치(400)의 윅(315)를 통해, 개질 장치로 도입되어서, 자기열 또는 스팀 개질을 지원할 수 있다. 이러한 일체화된 개질장치 및 연료 전지 스택의 장치구조에서, 폐열원(들)은 자기열 및 스팀 개질 프로세스에 관한 한, 흡열 반응(들)을 구동하기 위한 필수 열 공급원이라고 칭해질 수 있다.
종합하면, 본 발명의 배송 시스템들은 촉매부분산화("CPOX") 개질과 같은 부분산화("POX") 개질, 스팀 개질, 및 자기열("AT") 개질을 포함하는 개질 반응들을 수행하기 위한 적절한 반응물들을 배송할 수 있음을 이해하여야 한다.액체 개질가능 연료들 및 물과 같은 액체 반응물들은 본 배송 시스템의 "액체 개질가능 연료" 배송 구성요소들, 도관들 및 어셈블리들로부터 그리고 이들을 통해 배송될 수 있다. 기체 개질가능 연료들, 스팀, 및 공기와 같은 산소-함유 기체 등의 기체 반응물들은 본 배송 시스템의 "기체 개질가능 연료" 배송 구성요소들, 도관들 및 어셈블리들로부터 그리고 이들을 통해 배송될 수 있다. 스팀 및 산소-함유 기체와 같은 특정 기체 반응물들은 본 발명의 배송 시스템에 부속하는 또는 이차적인 구성요소들 및 어셈블리들로부터 또는 이들을 통해 배송될 수 있다. 예를 들어 산소-함유 기체는 기화기, 개질장치, 연료 전지 유닛 또는 시스템의 연료 전지 스택과 조작가능한 유체 연통관계로 독립해있는 산소-함유 기체 공급원으로부터, 예를 들어 개질 전에 액체 개질가능 연료 및/또는 기화된 액체 개질가능 연료와 혼합하기 위하여 배송될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 또는 본질적인 특징에서 벗어나지 않는 다른 특정 형태들의 구체예들을 망라한다. 그러므로 전술한 구체예들은 모두 예시적인 관점에서 고려된 것이며 여기서 설명된 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 본 발명의 범위는 전술한 설명에 의한 것보다는 첨부하는 청구범위에 의해 표시되며, 본 청구범위와 등가의 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경들은 청구범위 안에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (35)

  1. 수소-풍부 리포메이트의 생산을 위한 액체 연료 개질장치 시스템에 있어서,
    상기 액체 연료 개질장치 시스템은, 개질장치 유입구를 포함하여 구성되는 액체 연료 개질장치; 산소-함유 기체 유입구, 산소-함유 기체 유입구의 하류에 위치하는 액체 개질가능 연료 유입구, 및 상기 액체 개질가능 연료 유입구의 하류에 위치하는 기체 반응 혼합물 유출구를 포함하여 구성되는 도관; 전기 가열기를 포함하여 구성되는 제1 열원; 상기 액체 연료 개질장치 및/또는 액체 연료 개질장치 외부의 수소 리포메이트-소비 디바이스로부터의 발열 열을 포함하여 구성되는 제2 열원, 및 기화기를 포함하여 구성되고;
    상기 도관은 상기 산소-함유 기체 유입구, 상기 액체 개질가능 연료 유입구 및 상기 기체 반응 혼합물 유출구 사이에서 유체 연통을 제공하며, 상기 기체 반응 혼합물 유출구는 상기 개질장치 유입구와 유체 연통하고;
    상기 제1 열원은 산소-함유 기체 유입구의 하류이고 상기 액체 개질가능 연료 유입구의 상류인 위치에서 상기 도관에 배치되고;
    상기 제2 열원은 상기 제1 열원의 하류이고 상기 액체 개질가능 연료 유입구의 상류인 위치에서 상기 도관과 열 연통하고;
    상기 기화기는 상기 액체 개질가능 연료 유입구의 하류인 위치에서 상기 도관에 배치되거나, 또는 상기 액체 개질가능 연료 유입구를 구획하는.
    액체 연료 개질장치 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 전기가열기를 포함하여 구성되는 제3열원을 포함하여 구성되고, 상기 제3 열원은 상기 제1 및 제2 열원의 하류이고 상기 액체 개질가능 연료 유입구의 상류인 위치에서 상기 도관에 배치되는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전기 가열기들이 전기저항 가열기들인, 액체 연료 개질장치 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 개질장치와 열방산(heat-dissipating) 연통하는 열교환기를 포함하여 구성되는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 제어기를 포함하여 구성되며, 상기 제어기는 상기 도관에 또는 상기 기화기의 유출구의 하류에 위치하는 열전대, 상기 기화기의 상류에서 상기 도관에 위치하는 열전대, 상기 기화기의 상류에서 상기 도관에 위치하는 산소-함유 기체 유량계, 상기 액체 개질가능 연료 유입구에 또는 그 상류에 위치하는 액체 개질가능 연료 유량계, 산소-함유 기체 공급원, 액체 개질가능 연료 공급원, 상기 제1 열원, 상기 제2 열원, 및 상기 제3 열원과 연동(operable communication)하는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 리포메이트-소비 디바이스는 연료 전지 유닛을 포함하여 구성되는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  7. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 열원은 연료 전지 스택 및/또는 연료 전지 유닛의 애프터버너로부터의 발열 열을 포함하여 구성되는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기화기는 액체 연료 라인을 포함하여 구성되고, 상기 액체 연료 라인은 상기 기화기와 액체연료 공급원 사이에 유체 연통을 제공하는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 도관에 위치하는 상기 액체 연료 라인의 말단 섹션이 연료 스프레더를 포함하여 구성되는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 액체 연료 라인은 열전달부를 포함하여 구성되고, 상기 액체 연료 라인의 상기 열전달부는 상기 제1 열원, 상기 제2 열원, 및 상기 제3 열원 중의 적어도 하나와 또는 인접하여 열 연통하는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기화기가 연료 스프레더를 포함하여 구성되는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 스프레더가 윅(wick) 또는 분무기인, 액체 연료 개질장치 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 연료 개질장치가 자기열 개질장치인, 액체 연료 개질장치 시스템.
  14. 제1항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산소-함유 기체 유입구가 물/스팀 유입구로 대체되고, 상기 액체 연료 개질장치가 스팀 개질장치인, 액체 연료 개질장치 시스템.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 열원이 상기 기화기에 근접하여 상기 기화기의 상류에 위치하는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  16. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도관에 연결된 분지도관을 더 포함하여 구성되는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 분지 도관이 메인 도관 내에 배치되는 산소-함유 기체 유입구와 상기 메인 도관에 연결되는 산소-함유 기체 유출구를 포함하여 구성되고, 액체 연료 기화 구역의 하류에 배치되는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 상기 분지 도관이 상기 메인 도관 외부에 배치되는 산소-함유 기체 유입구와 상기 메인 도관에 연결된 산소-함유 기체 유출구를 포함하여 구성되고, 액체 연료 기화 구역의 하류에 배치되는, 액체 연료 개질장치 시스템.
  19. 개질장치의 유입구 쪽으로 유체들을 전송하기 위한 도관으로 산소-함유 기체를 도입하는 단계;
    상기 도관에 배치된 전기 가열기를 포함하여 구성되는 제1 열원, 및 상기 도관에 배치되며 액체 연료 개질장치 및/또는 상기 액체 연료 개질장치 외부의 수소 리포메이트-소비 디바이스로부터의 발열 열을 포함하여 구성되는 제2 열원 중의 적어도 하나로 상기 산소-함유 기체의 스트림을 가열하여 가열된 산소-함유 기체의 스트림을 제공하는 단계;
    기화기를 통해 또는 기화기에 근접하여 액체 개질가능 연료를 상기 가열된 산소-함유 기체 스트림에 도입하여, 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 제공하는 단계; 및
    상기 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 개질하여 수소-풍부 리포메이트를 생산하는 단계를 포함하여 구성되는,
    액체 개질가능 연료 개질 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 산소-함유 기체 스트림 및/또는 상기 가열된 산소-함유 기체 스트림을 제1 및 제2 열원 하류이고 기화기 상류인 위치에서 상기 도관에 배치되는 전기 가열기를 포함하여 구성되는 제3 열원으로 가열하는 단계를 포함하여 구성되는, 액체 개질가능 연료 개질 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 산소-함유 기체 스트림을 상기 제1 열원으로 가열하는 것을 중단하는 단계; 및 산소-함유 기체 스트림을 제2 및 제3 열원으로 가열하는 단계를 포함하여 구성되는, 액체 개질가능 연료 개질 방법.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 열원 및/또는 제3 열원에 의해 공급되는 열을 조절하는 단계를 포함하여 구성되는, 액체 개질가능 연료 개질 방법.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 액체 개질가능 연료를 기화기로 도입하기 전에, 제2 열원 및/또는 존재하는 경우 제3 열원을 사용하여 액체 개질가능 연료를 가열하는 단계를 포함하여 구성되는, 액체 개질가능 연료 개질 방법.
  24. 제19항 내지 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열된 산소-함유 기체 스트림으로 도입되는 상기 액체 개질가능 연료가 상기 가열된 산소-함유 기체와 접촉시 기화하는, 액체 개질가능 연료 개질 방법.
  25. 제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 가열기들이 전기저항 가열기들인, 액체 개질가능 연료 개질 방법.
  26. 제20항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 리포메이트-소비 디바이스는 연료 전지 유닛을 포함하여 구성되고, 상기 발열 열은 연료 전지 스택 및/또는 연료 전지 유닛의 애프터버너로부터의 열을 포함하여 구성되는, 액체 개질가능 연료 개질 방법.
  27. 제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    가열된 산소-함유 기체 스트림의 유량, 액체 개질가능 연료의 유량, 기화기의 온도, 가열된 산소-함유 기체 스트림의 온도 및 액체 개질가능 연료의 온도를 모니터링하는 단계; 및
    상기 모니터링의 결과에 응답하여 상기 액체 개질가능 연료의 기화를 제어하는 단계를 포함하여 구성되는, 액체 개질가능 연료 개질 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 기화 제어 단계는 상기 제2 열원 및 상기 제3 열원에 의해 공급되는 열을 조절하는 단계를 포함하여 구성되는, 액체 개질가능 연료 개질 방법.
  29. 제19항 내지 제27항에 있어서, 상기 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 개질하는 단계는 자기열 개질을 포함하여 구성되고, 상기 방법은 상기 도관 내로 스팀을 도입하여 기체 액체 개질가능 연료, 산소-함유 기체 및 스팀을 포함하여 구성되는가열된 기체 개질 반응 혼합물을 제공하는 단계를 더 포함하여 구성되는, 액체 개질가능 연료 개질 방법.
  30. 제29항에 있어서, 도관으로 스팀을 도입하는 단계는 기화기를 통해 스팀을 도입하는 단계를 포함하여 구성되는, 액체 개질가능 연료 개질 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 기화기는 연료 스프레더를 포함하여 구성되고, 기화기를 통해 스팀을 도입하는 단계는 상기 연료 스프레더를 통해 스팀을 도입하는 단계를 포함하여 구성되는, 액체 개질가능 연료 개질 방법.
  32. 전기 가열기, 개질 반응의 발열 열, 및 수소 리포네이트 소비 디바이스로부터의 열에서 선택되는 열원으로 스팀을 발생시키는 단계;
    상기 스팀의 스트림을 액체 개질가능 연료 기화기를 통해 또는 근접하게 도입하여 가열된 기체 스팀 개질 반응 혼합물을 제공하는 단계; 및
    상기 가열된 기체 개질 반응 혼합물을 개질하여 수소-풍부 리포메이트를 생산하는 단계를 포함하여 구성되는
    액체 개질가능 연료의 스팀 개질 방법.
  33. 제32항에 있어서, 스팀을 기화기의 연료 스프레더를 통해 도입하는 단계를 포함하여 구성되는, 액체 개질가능 연료의 스팀 개질 방법.
  34. 제19항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 개질 반응 혼합물을 포함하는 공기의 부분이 상기 기화의 하류에서 도관에 도입되는, 액체 개질가능 연료의 스팀 개질 방법.
  35. 수소-풍부 리포메이트의 생산을 위한 액체 연료 개질장치 시스템에 있어서,
    상기 액체 연료 개질장치 시스템은, 개질장치 유입구를 포함하여 구성되는 액체 연료 개질장치; 기화기 유닛 산소-함유 기체 유입구, 액체 개질가능 연료 유입구, 기화기 및 기화기 유닛 기체 반응 혼합물 유출구를 포함하는 기화기 유닛; 산소-함유 기체 유입구와, 상기 산소-함유 기체 유입구의 하류에 위치하는 기체 반응 혼합물 유출구를 포함하여 구성되는 도관; 전기 가열기를 포함하여 구성되는 제1 열원; 액체 연료 개질장치 및/또는 상기 액체 연료 개질장치 외부의 수소 리포메이트-소비 디바이스로부터의 발열 열을 포함하여 구성되는 제2 열원을 포함하여 구성되고;
    상기 도관은 상기 산소-함유 기체 유입구, 상기 기화기 유닛 기체 반응 혼합물 유출구 및 상기 기체 반응 혼합물 유출구 사이에서 유체 연통을 제공하고, 상기 기체 반응 혼합물 유출구는 상기 개질장치 유입구와 유체 연통하며,
    상기 제1 열원은 상기 산소-함유 기체 유입구의 하류이고 상기 액체 개질가능 연료 유입구의 상류인 위치에서 상기 도관에 배치되고;
    상기 제2 열원은 도관과 열 연통하며, 상기 제1 열원의 하류이고 상기 액체 개질가능 연료 유입구의 상류인 위치에 있는,
    액체 연료 개질장치 시스템.
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