KR100853977B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 시스템 (10) 은 연료 전지 스택 (12) 을 포함한다. 연료 전지 스택은 스택 방향으로 함께 스택된 복수의 연료 전지 (11) 및 스택 방향으로 연료 전지 (11) 의 대향 단부에 제공된 단부판 (70a, 70b) 을 포함한다. 유체 유닛 (19) 이 연료 전지 스택 (12) 의 일 측상에 제공된다. 유체 유닛 (19) 은 연료 전지 스택 (12) 에 공급될 산소 함유 가스를 가열하는 열 교환기, 및 연료를 리폼하여 연료 가스를 생성하는 리포머 (16) 를 포함한다.
Figure R1020077014396
연료 전지 시스템, 연료 전지 스택, 열 교환기, 리포머

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
기술 분야
본 발명은 연료 전지 스택, 열 교환기, 리포머, 및 연료 전지 스택, 열 교환기, 및 리포머를 포함하는 케이싱을 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
배경 기술
통상적으로, 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 는 안정화된 지르코니아와 같은 이온 도전성 고체 산화물의 전해질을 이용한다. 이 전해질은 애노드와 캐소드 사이에 개재되어 전해질 전극 어셈블리 (유닛 전지) 를 형성한다. 이 전해질 전극 어셈블리는 세퍼레이터 (바이폴라 판) 사이에 개재된다. 사용시에, 소정의 수의 유닛 전지와 세퍼레이터가 함께 스택되어 연료 전지 스택을 형성한다.
연료 전지에서, 산소 함유 가스 또는 공기가 캐소드에 공급된다. 산소 함유 가스에서의 산소는 캐소드와 전해질 사이의 계면에서 이온화되고, 산소 이온 (O2-) 은 전해질을 통해 애노드로 이동한다. 수소 함유 가스 또는 CO와 같은 연료 가스가 애노드에 공급된다. 산소 이온은 수소 함유 가스에서의 수소와 반응하여 물을 생성하거나 CO와 반응하여 CO2를 생성한다. 이 반응에서 방출된 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 흐르고, 이것이 DC 전기 에너지를 생성한다.
연료 전지의 이러한 타입으로서, 예를 들어, 작은 열 방사 손실을 갖는 올 인 원 (all in one) 공간 절약 컴팩트 연료 전지 전력 생성 장치가 일본 공개 특허 공보 10-92457호에 개시되어 있다 (이하, "종래 기술 1" 이라 칭함). 도 18에 도시되어 있는 바와 같이, 종래 기술 1에 따른 연료 전지 전력 생성 장치는 연료 사전가열 디바이스 (1), 리포머 (2), 연료 전지 (3), 촉매 연소실 (4), 및 연료 사전가열 디바이스 (1), 리포머 (2), 연료 전지 (3), 및 촉매 연소실 (4),을 포함하는 압력 컨테이너 (미도시) 를 포함한다.
리포머 (2) 는 연료 전지 (3) 상에 스택된다. 연료 사전가열 디바이스 (1) 및 촉매 연소실 (4) 은 연료 전지 (3) 주위에 제공된다. 연료 전지 (3) 및 리포머 (2) 는 상위 및 하위 조임판 (5a, 5b) 사이에 샌드위치된다. 조임판 (5a, 5b) 사이의 구성요소들은 연료 전지 (3) 및 리포머 (2) 에 소정의 표면 압력을 인가하기 위해 복수의 접속 로드 (6) 를 이용하여 함께 압축되며 조여진다.
종래 기술 1에서, 연료 사전가열 디바이스 (1) 및 리포머 (2) 는 연료 가스 파이프 (7a) 및 리폼된 가스 파이프 (7b) 에 의해 접속된다. 연료 사전가열 디바이스 (1) 및 연료 전지 (3) 는 리폼된 가스 파이프 (7c) 에 의해 접속된다. 또한, 연료 전지 (3) 및 촉매 연소실 (4) 은 애노드 배기 가스 파이프 (7d) 및 캐소드 배기 가스 파이프 (7e) 에 의해 접속된다. 촉매 연소실 (4) 및 리포머 (2) 는 연소 가스 파이프 (7f) 에 의해 접속된다.
상술한 바와 같이, 종래 기술 1에서, 연료 가스 파이프 (7a) 를 포함하는 복수의 파이프가 제공된다. 따라서, 파이프로부터의 열 방사로 인해 열 효율이 낮아진다. 또한, 연료 전지 (2) 및 리포머 (3) 가 병렬로 제공되지만, 연료 사 전가열 디바이스 (1) 및 촉매 연소실 (4) 은 연료 전지 (3) 의 측상에 제공된다. 따라서, 연료 전지 전력 생성 장치의 전체 사이즈가 커진다.
일본 공개 특허 공보 2003-229164 (이하, "종래 기술 2" 라 함) 에서, 고체 산화물 연료 전지 시스템이 개시되어 있다. 고체 산화물 연료 전지 시스템은 가능한한 사이즈를 감소시키고 열 손실을 감소시키기 위한 시도에서 제안된다. 도 19에 도시되어 있는 바와 같이, 종래 기술 2의 고체 산화물 연료 전지 시스템은 열 절연 컨테이너 (4a) 에 수직으로 배열된 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 스택 (1a), 촉매 연소 올 인 원 (all in one) 타입 열 교환기 (2a), 및 프리-리포머 (3a) 를 포함한다.
촉매 연소 올 인 원 타입 열 교환기 (2a) 는 프리-리포머 (3a) 상에 제공된 제 1 열 교환기 (2b), 제 1 열 교환기 (2b) 상에 제공된 촉매 연소층 (2c), 촉매 연소층 (2c) 상에 제공된 제 2 열 교환기 (2d) 를 포함한다.
연료는 연료 공급 라인 (5c) 을 따라 흐르고, 리폼된 연료 가스는 SOFC 스택 (1a) 에 공급된다. 산소 함유 가스와 같은 공기는 공기 공급 라인 (6a) 을 따라 흐르고, SOFC 스택 (1a) 에 공급된다. 배기 연료는 배기 연료 라인 (7g) 을 통해 SOFC 스택 (1a) 으로부터 방출된다. SOFC 스택 (1a) 으로부터 방출된 배기 공기는 배기 공기 라인 (8) 을 통해 배기 연료 라인 (7g) 의 중간 지점으로 공급된다.
이러한 구조에서, SOFC 스택 (1a) 으로부터의 배기 연료 및 배기 공기는 배기 연료 라인 (7g) 및 배기 공기 라인 (8) 을 통해 촉매 연소층 (2c) 으로 공급된 다. 그 후, 촉매 연소층 (2c) 에서 연소된 연소 가스는 제 1 열 교환기 (2b) 로부터 프리-리포머 (3a) 를 향해 흐르고, 프리-리포머 (3a) 를 가열하는 열 소스로서 이용된다.
이 연료는 연료 공급 라인 (5c) 을 통해 프리-리포머 (3a) 를 향해 흘러서 리폼된 가스를 생성한다. 리폼된 가스와 연소 가스 사이의 열 교환은 제 1 열 교환기 (2b) 에서 수행된다. 그 후, 리폼된 가스와 배기 공기 사이의 열 교환이 제 2 열 교환기 (2d) 에서 수행된다. 그 후, 리폼된 가스는 SOFC 스택 (1a) 에 공급된다.
그러나, 종래 기술 2에서, 연소 가스 (연소된 배기 연료 및 연소된 배기 공기) 는 프리-리포머 (3a) 를 가열하는 열 소스로서 이용된다. 따라서, 프리-리포머 (3a) 가 쉽게 손상될 수 있다. 연소 가스는 상당히 높은 온도를 갖고 수증기를 함유한다. 따라서, 연소 가스는 프리-리포머 (3a) 를 쉽게 산화시키고, 내구성을 낮춘다. 이러한 이유 때문에, 프리-리포머 (3a) 는 고가이며 비경제적인 고도의 산화방지 재료로 이루어진다.
발명의 개시
본 발명의 일반 목적은 연료 전지 스택 및 유체 유닛이 바람직하게는 작은 공간에 설치될 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하며, 그 연료 전지 시스템의 전체 사이즈를 감소시키는 것이다.
또한, 본 발명의 주 목적은 연료 전지 스택으로부터의 배기 열이 효율적으로 이용되는 연료 전지 시스템을 제공하며, 경제적인 구조로 리포머의 내구성을 개선 시키는 것이다.
본 발명에 따르면, 연료 전지 스택, 열 교환기, 리포머, 및 케이싱이 제공된다. 연료 전지 스택은 스택 방향으로 복수의 연료 전지를 스택함으로써 형성된다. 연료 전지 각각은 전해질 전극 어셈블리 및 그 전해질 전극 어셈블리를 샌드위치하는 세퍼레이터를 포함한다. 전해질 전극 어셈블리는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 개재된 전해질을 포함한다. 열 교환기는 연료 전지 스택에 공급될 산소 함유 가스를 가열한다. 리포머는 연료를 리폼하여 연료 가스를 생성한다. 케이싱은 연료 전지 스택, 열 교환기, 및 리포머를 포함한다. 적어도 열 교환기 및 리포머를 포함하는 유체 유닛이 케이싱의 연료 전지 스택의 일 측상에 제공된다.
유체 유닛이 연료 전지 스택의 중심축에 대하여 대칭적으로 제공되는 것이 바람직하다. 또한, 유체 유닛에서, 리포머가 열 교환기 내부에 제공되는 것이 바람직하다.
스택 방향으로 연료 전지에 타이트한 부하를 인가하는 부하 인가 메카니즘이 연료 전지 스택의 다른 측상에 제공되는 것이 바람직하다. 또한, 이 부하 인가 메카니즘은 연료 전지 스택의 중심축에 대하여 대칭적으로 제공되는 것이 바람직하다.
연료 전지 스택으로부터 방출된 배기 가스와 산소 함유 가스 사이의 열 교환은 열 교환기에서 수행되고, 이 열 교환 이후에, 산소 함유 가스가 리포머를 가열시킨 후, 연료 전지 스택에 공급된다.
또한, 산소 함유 가스 채널 부재가 제공되는 것이 바람직하다. 이 산소 함유 가스 채널 부재는 열 교환 이후에 열 교환기로부터 방출된 산소 함유 가스가 리포머 주위에 흐르게 하는 채널을 형성한다. 또한, 열 교환 이후에 열 교환기로부터 방출된 산소 함유 가스가 리포머로 흐르게 하는 파이프 부재가 제공되는 것이 바람직하다.
또한, 배기 가스 채널 부재가 제공되는 것이 바람직하다. 이 배기 가스 채널 부재는 열 교환 이후에 열 교환기로부터 방출된 배기 가스가 리포머 주위에 흐르게 하는 채널을 형성한다.
또한, 연료 전지 스택이 애노드에 연료 가스를 공급하기 위해 스택 방향으로 연장하는 연료 가스 공급 유닛, 및 산소 함유 가스를 캐소드에 공급하기 위해 스택 방향으로 연장하는 산소 함유 가스 공급 유닛을 포함하며, 이 연료 가스 공급 유닛이 이 산소 함유 가스 공급 유닛 내부에 제공되는 것이 바람직하다. 또한, 산소 함유 가스 공급 유닛 및 연료 가스 공급 유닛이 연료 전지 스택의 실질적인 중심에 제공되는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 적어도 열 교환기 및 리포머를 포함하는 유체 유닛이 연료 전지 스택의 일 측상에 제공되기 때문에, 열 교환기 및 리포머가 서로 인접하여 제공된다. 따라서, 연료 전지 스택 및 유닛 유닛은 케이싱의 작은 공간에 제공될 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템의 전체 사이즈의 감소가 달성된다. 또한, 파이프의 수 및 파이프의 길이가 효율적으로 감소되기 때문에, 열 손실이 감소되며, 전력 생성이 효율적으로 수행된다.
또한, 본 발명에서, 열 교환기에서 배기 가스와의 열 교환에 의해 가열된 산소 함유 가스는 리포머를 가열하는 열 소스로서 이용된다. 따라서, 연료 전지 스택으로부터의 배기 열이 효율적으로 이용된다. 리포머는 뜨거운 배기 가스에 노출되지 않으며, 리포머의 내구성에서의 개선이 달성된다. 따라서, 간단하고 경제적인 구조에 의해, 소망하는 리폼밍 반응이 평활하게 수행된다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 및 이점은 본 발명의 바람직한 실시형태가 예시적인 예로서 도시된 첨부한 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템을 도시하는 부분 단면도이다.
도 2는 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 3은 연료 전지 스택의 연료 전지를 도시하는 분해조립 사시도이다.
도 4는 연료 전지에서의 유속을 도시하는 부분 분해조립 사시도이다.
도 5는 세퍼레이터의 하나의 표면을 도시하는 도면이다.
도 6은 세퍼레이터의 다른 표면을 도시하는 도면이다.
도 7은 세퍼레이터상에 형성된 제 1 돌출부 및 제 2 돌출부를 도시하는 사시도이다.
도 8은 연료 전지 스택을 도시하는 단면도이다.
도 9는 연료 전지의 동작을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 10은 세퍼레이터에 고정된 채널 부재를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 11은 연료 전지 스택의 단부판을 도시하는 정면도이다.
도 12는 연료 전지 시스템의 부하 인가 메카니즘을 도시하는 부분 분해조립 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 연료 전지를 도시하는 분해조립 사시도이다.
도 14는 복수의 연료 전지를 스택함으로써 형성된 연료 전지 스택을 도시하는 단면도이다.
도 15는 연료 전지의 동작을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 16은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템을 도시하는 부분 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 시스템을 도시하는 부분 단면도이다.
도 18은 종래 기술 1에 따른 연료 전지 전력 생성 장치를 도시하는 사시도이다.
도 19는 종래 기술 2에 따른 고체 산화물 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시하는 도면이다.
발명을 구현하기 위한 최상의 형태
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (10) 을 도시하는 부분 단면도이다. 도 2는 연료 전지 시스템 (10) 의 연료 전지 스택 (12) 을 개략적으로 도시하는 사시도이다. 연료 전지 스택 (12) 은 화살표 A에 의해 표시된 방향에서 복수의 연료 전지 (11) 를 스택함으로써 형성된다.
연료 전지 시스템 (10) 은 정지 및 이동 애플리케이션을 포함하는 다양한 애프리케이션에서 이용된다. 예를 들어, 연료 전지 시스템 (10) 은 차량에 탑재된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템 (10) 은 연료 전지 스택 (12), 열 교환기 (14), 리포머 (16), 및 케이싱 (18) 을 포함한다. 열 교환기 (14) 는 연료 전지 스택 (12) 에 공급되기 이전에 산소 함유 가스를 가열한다. 리포머 (16) 는 연료 가스를 생성하기 위해 연료를 리폼한다. 연료 전지 스택 (12), 열 교환기 (14), 및 리포머 (16) 는 케이싱 (18) 에 배치된다.
케이싱 (18) 에서, 열 교환기 (14) 및 리포머 (16) 를 적어도 포함하는 유체 유닛 (19) 이 연료 전지 스택 (12) 의 일 측상에 배치되며, 화살표 A에 의해 표시된 스택 방향으로 연료 전지 (11) 에 타이트한 부하를 인가하기 위한 부하 인가 메카니즘 (21) 이 연료 전지 스택 (12) 의 다른 측상에 배치된다. 유체 유닛 (19) 및 부하 인가 메카니즘 (21) 은 연료 전지 스택 (12) 의 중심축에 대하여 대칭적으로 제공된다.
연료 전지 (11) 는 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 이다. 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 연료 전지 (11) 는 전해질 전극 어셈블리 (26) 를 포함한다. 전해질 전극 어셈블리 (26) 각각은 캐소드 (22), 애노드 (24), 및 이 캐소드 (22) 와 애노드 (24) 사이에 개재된 전해질 (전해질 판; 20) 을 포함한다. 예를 들 어, 전해질 (20) 은 안정화된 지르코니아와 같은 이온 도전성 고체 산화물로 이루어진다. 전해질 전극 어셈블리 (26) 는 원형 디스크 형상을 갖는다. 배리어층 (도시 생략) 은 산소 함유 가스의 진입을 방지하기 위해 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 내주연 에지 (세퍼레이터 (28) 의 중앙부) 에 적어도 제공된다.
복수, 예를 들어, 8개의 전해질 전극 어셈블리 (26) 가 세퍼레이터 (28) 의 쌍 사이에 개재되어 연료 전지 (11) 를 형성한다. 8개의 전해질 전극 어셈블리 (26) 는 세퍼레이터 (28) 의 중심을 통해 연장하는 연료 가스 공급 통로 (연료 가스 공급 유닛; 30) 와 동심적이다.
도 3에서, 예를 들어, 세퍼레이터 (28) 각각은 예를 들어, 스테인리스 합금의 금속판 또는 탄소판을 포함한다. 세퍼레이터 (28) 는 제 1 소형 직경 단부 부분 (32) 을 갖는다. 연료 가스 공급 통로 (30) 는 제 1 소형 직경 단부 부분 (32) 의 중심을 통해 연장한다. 제 1 소형 직경 단부 부분 (32) 은 복수의 제 1 브리지 (34) 를 통해 상대적으로 큰 직경을 각각 갖는 원형 디스크 (36) 와 일체형이다. 제 1 브리지 (34) 는 동일한 각 (간격) 에서 제 1 소형 지경 단부 부분 (32) 으로부터 외부로 방사적으로 연장한다. 원형 디스크 (36) 및 전해질 전극 어셈블리 (26) 는 실질적으로 동일한 사이즈를 갖는다. 도 3, 5 및 6에 도시되어 있는 바와 같이, 인접한 원형 디스크 (36) 는 슬릿 (38) 에 의해 서로 분리된다.
원형 디스크 (36) 각각은 애노드 (24) 와 접촉하는 그 표면 (36a) 상에 제 1 돌출부 (48) 를 갖는다 (도 5 참조). 제 1 돌출부 (48) 는 애노드 (24) 의 전 극 표면을 따라 연료 가스를 공급하는 연료 가스 채널 (46) 을 형성한다. 원형 디스크 (36) 각각은 캐소드 (22) 와 접촉하는 그 표면 (36b) 상에 제 2 돌출부 (52) 를 갖는다 (도 6 참조). 제 2 돌출부 (52) 는 캐소드 (22) 의 전극 표면을 따라 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 채널 (50) 을 형성한다. 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 돌출부 (48) 및 제 2 돌출부 (52) 는 서로 이격하여 돌출한다.
제 1 돌출부 (48) 는 링 형상 돌출부이고, 제 2 돌출부 (52) 는 산 (mountain) 형상 돌출부이다. 제 2 돌출부 (산 형상 돌출부; 52) 는 제 1 돌출부 (링 형상 돌출부; 48) 에 의해 둘러싸인다. 제 2 돌출부 (52) 는 제 1 돌출부 (48) 에 대응하는 리세스 (53) 가 형성되는 표면상에 형성된다. 따라서, 제 2 돌출부 (52) 는 리세스 (53) 에 제공된다.
도 8 및 9에 도시되어 있는 바와 같이, 복수의 제 1 및 제 2 돌출부 (48, 52) 가 제공되고, 제 1 돌출부 (48) 의 높이 (H1) 는 제 2 돌출부 (52) 의 높이 (H2) 보다 작다 (H1<H2). 따라서, 산소 함유 가스 채널 (50) 의 부피가 연료 가스 채널 (46) 의 부피 보다 크다.
또 다른 방법으로는, 제 1 돌출부 (48) 가 산 형상 돌출부일 수도 있고, 제 2 돌출부 (52) 가 링 형상 돌출부일 수도 있다. 이러한 구조에서, 링 형상 돌출부의 높이가 산 형상 돌출부의 높이 보다 큰 것이 바람직하다.
도 3 내지 6에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 가스 인렛 (54) 이 원형 디스크 (36) 각각에 제공된다. 연료 가스는 연료 가스 인렛 (54) 을 통해 연료 가 스 채널 (46) 로 흐른다. 연료 가스 인렛 (54) 의 위치는 연료 가스가 균일하게 분포될 수 있도록 결정된다. 예를 들어, 연료 가스 인렛 (54) 은 원형 디스크 (36) 의 중심에 제공된다.
채널 부재 (56) 는 캐소드 (22) 에 대면하는 표면상에서 브레이징 또는 레이저 용접함으로써 세퍼레이터 (28) 에 고정된다. 도 3 및 10에 도시되어 있는 바와 같이, 제 2 소형 직경 단부 부분 (58) 을 포함한다. 연료 가스 공급 통로 (30) 는 제 2 소형 직경 단부 부분 (58) 의 중심을 통해 연장한다. 8개의 제 2 브리지 (60) 가 제 2 소형 직경 단부 부분 (58) 으로부터 방사적으로 연장한다. 제 2 브리지 (60) 각각은 제 1 브리지 (34) 로부터 원형 디스크 (36) 의 연료 가스 인렛 (54) 까지, 세퍼레이터 (28) 에 고정된다.
복수의 슬릿 (62) 이 채널 부재 (56) 의 제 2 소형 직경 단부 부분 (58) 상에 형성된다. 이 슬릿 (62) 은 세퍼레이터 (28) 에 결합되는 제 2 소형 직경 단부 부분 (58) 의 표면상에 방사적으로 형성된다. 이 슬릿 (62) 은 연료 가스 공급 통로 (30) 에 접속된다. 또한, 이 슬릿 (62) 은 제 2 소형 직경 단부 부분 (58) 의 외주연 영역에 형성된 리세스 (64) 에 접속된다. 이 리세스 (64) 는 브레이징 재료의 흐름을 방지하며, 연료 가스의 균일한 흐름을 달성한다. 연료 가스 공급 채널 (66) 이 제 1 및 제 2 브리지 (34, 60) 사이에 형성된다. 연료 가스 공급 채널 (66) 은 슬릿 (62) 및 리세스 (64) 를 통해 연료 가스 채널 (46) 에 접속된다.
도 8 및 9에 도시되어 있는 바와 같이, 산소 함유 가스 채널 (50) 은 산소 함유 가스 공급 유닛 (67) 에 접속된다. 산소 함유 가스는 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 내주연 에지와 원형 디스크 (36) 의 내주연 에지 사이의 공간을 통해 화살표 B로 표시된 방향으로 공급된다. 산소 함유 가스 공급 유닛 (67) 은 제 1 브리지 (34) 와 각각의 원형 디스크 (36) 의 내측 사이의 공간에 의해 형성되고, 스택 방향으로 연장한다.
도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 가스 공급 통로 (30) 를 실링 (sealing) 하는 절연 실 (69) 이 세퍼레이터 (28) 사이에 제공된다. 예를 들어, 절연 실 (69) 은 운모 재료, 또는 세라믹 재료로 이루어진다. 배기 가스 채널 (68) 이 각각의 원형 디스크 (36) 외부에서 스택 방향으로 연료 전지 (11) 를 통해 연장된다.
도 1 및 2에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지 스택 (12) 은 함께 스택된 복수의 연료 전지 (11), 및 스택 방향으로 대향 단부에 제공되는 단부판 (70a, 70b) 을 포함한다. 단부판 (70a) 은 실질적으로 원형 디스크 형상을 갖는다. 링 형상 부분 (72) 이 단부판 (70a) 의 외주연 영역에 형성된다. 링 형상 부분 (72) 은 단부판 (70a) 으로부터 축방향으로 돌출한다. 그루브 (74) 가 링 형상 부분 (72) 주위에 형성된다. 원형의 돌출부 (76) 가 링 형상 부분 (72) 의 중심에 제공된다. 원형의 돌출부 (72) 및 링 형상 부분 (76) 은 동일 방향에서 단부판 (70a) 으로부터 돌출한다. 홀 (78) 이 돌출부 (76) 의 중심에 형성된다.
단부판 (70a) 에서, 홀 (80) 및 스크루 홀 (82) 이 돌출부 (76) 주위의 가상 원을 따라 교대로 형성된다. 홀 (80) 및 스크루 홀 (82) 은 소정의 간격 (각) 만큼 서로 이격된다. 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 홀 (80) 및 스크루 홀 (82) 은 제 1 및 제 2 브리지 (34, 60) 사이에 형성된 산소 함유 가스 공급 유닛 (67) 의 각각의 공간에 대응하는 위치에 제공된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 단부판 (70b) 의 직경은 단부판 (70a) 의 직경 보다 크다. 단부판 (70b) 는 얇은 전기적 도전판이다.
케이싱 (18) 은 부하 인가 메카니즘 (21) 을 포함하는 제 1 케이스 유닛 (86a) 및 연료 전지 스택 (12) 을 포함하는 제 2 케이스 유닛 (86b) 을 포함한다. 단부판 (70b) 및 절연 부재는 제 1 케이스 유닛 (86a) 과 제 2 케이스 유닛 (86b) 사이에 샌드위치된다. 절연 부재는 제 2 케이스 유닛 (86b) 의 측상에 제공된다. 제 1 케이스 유닛 (86a) 과 제 2 케이스 유닛 (86b) 사이의 결합부는 스크루 (88) 및 너트 (90) 에 의해 조여진다.
유체 유닛 (19) 의 링 형상 벽판 (92) 의 단부는 제 2 케이스 유닛 (86b) 에 결합되며, 헤드판 (94) 은 벽판 (92) 의 다른 단부에 결합된다. 유체 유닛 (19) 은 연료 전지 스택 (12) 의 중심축에 대하여 대칭적으로 제공된다. 구체적으로는, 실질적인 원통 리포머 (16) 가 실질적인 링 형상 열 교환기 (14) 내부에 동축적으로 제공된다. 열 교환기 (14) 및 리포머 (16) 는 벽판 (96) 에 고정되며, 이 벽판 (96) 은 단부판 (70a) 주위의 그루브 (74) 에 고정된다. 챔버 (98) 가 단부판 (70a) 과 벽판 (96) 사이에 형성된다.
연료 가스 공급 파이프 (100) 및 리폼된 가스 공급 파이프 (102) 는 리포머 (16) 에 접속된다. 연료 가스 공급 파이프 (100) 는 헤드판 (94) 으로부터 외 부로 연장한다. 리폼된 가스 공급 파이프 (102) 는 단부판 (70a) 의 홀 (78) 에 삽입되며, 연료 가스 공급 통로 (30) 에 접속된다.
공기 공급 파이프 (104) 및 배기 가스 파이프 (106) 는 헤드판 (94) 에 접속된다. 열 교환기 (14) 를 통해 공기 공급 파이프 (104) 로부터 챔버 유닛 (98) 으로 연장하는 채널 (108) 및 열 교환기 (14) 를 통해 연료 전지 스택 (12) 의 배기 가스 채널 (68) 로부터 배기 가스 파이프 (106) 로 연장하는 채널 (110) 이 케이싱 (18) 에 제공된다.
부하 인가 메카니즘 (21) 은 제 1 조임 부하 (T1) 를 연료 가스 공급 통로 (30) 주위의 (근처의) 영역에 인가하는 제 1 조임 유닛 (112a) 및 제 2 조임 부하 (T2) 를 전해질 전극 어셈블리 (26) 에 인가하는 제 2 조임 유닛 (112b) 을 포함한다. 제 2 조임 부하 (T2) 는 제 1 조임 부하 (T1) 보다 작다 (T1 > T2).
도 1, 2 및 12에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 조임 유닛 (112a) 은 단부판 (70a) 의 하나의 대각선을 따라 제공된 스크루 홀 (82) 에 스크루된 짧은 제 1 조임 볼트 (114a) 를 포함한다. 제 1 조임 볼트 (114a) 는 연료 전지 (11) 의 스택 방향으로 연장하고, 제 1 프레서 판 (116a) 과 맞물린다. 제 1 프레서 판 (116a) 은 협소한 판이며, 제 1 가스 공급 통로 (30) 를 커버하기 위해 세퍼레이터 (28) 의 중앙 위치와 맞물린다. 제 1 조임 볼트 (114a) 는 세퍼레이터 (28) 의 산소 함유 가스 공급 유닛 (67) 에 제공된다.
제 2 조임 유닛 (112b) 은 단부판 (70a) 의 다른 대각선을 따라 형성된 스크루 홀 (82) 에 스크루된 긴 제 2 조임 볼트 (114b) 를 포함한다. 제 2 조임 볼 트 (114b) 의 단부는 굴곡된 외부 섹션을 갖는 제 2 프레서 판 (116b) 를 통해 연장한다. 너트 (117) 가 제 2 조임 볼트 (114b) 의 단부에 끼워 맞춤된다. 제 2 조임 볼트 (114b) 는 세퍼레이터 (28) 의 산소 함유 가스 공급 유닛 (67) 에 제공된다. 스택 방향에서 제 2 프레서 판 (116b) 의 두께는 제 1 프레서 판 (116a) 과 비교하여 작다.
스프링 (118) 및 스프링 시트 (119) 가 연료 전지 (11) 의 원형 디스크 (36) 상의 전해질 전극 어셈블리 (26) 에 대응하는 위치에서, 제 2 프레서 판 (116b) 의 각각의 원형 부분에 제공된다. 예를 들어, 스프링 (118) 은 세라믹 스프링이다. 이하, 연료 전지 시스템 (10) 의 동작을 설명한다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지 시스템 (10) 의 어셈블링에서, 먼저, 세퍼레이터 (28) 가 캐소드 (22) 에 대면하는 그 표면상의 채널 부재 (56) 에 결합된다. 따라서, 연료 가스 공급 통로 (30) 에 접속된 연료 가스 공급 채널 (66) 은 세퍼레이터 (28) 와 채널 부재 (56) 사이에 형성된다. 연료 가스 공급 채널 (66) 은 연료 가스 인렛 (54) 을 통해 연료 가스 채널 (46) 에 접속된다 (도 8 참조). 링 형상 절연 실 (69) 이 연료 가스 공급 통로 (30) 주위의 세퍼레이터 (28) 각각상에 제공된다.
이러한 방식으로, 세퍼레이터 (28) 가 제조된다. 8개의 전해질 전극 어셈블리 (26) 는 세퍼레이터 (28) 사이에 개재되어 연료 전지 (11) 를 형성한다. 도 3 및 4에 도시되어 있는 바와 같이, 전해질 전극 어셈블리 (26) 가 하나의 세퍼레이터 28) 의 표면 (36a) 과 다른 세퍼레이터 (28) 의 표면 (36b) 사이에 개재 된다. 원형 디스크 (36) 의 연료 가스 인렛 (54) 은 애노드 (24) 각각의 중심에 위치된다.
복수의 연료 전지 (11) 는 화살표 A로 표시된 방향으로 스택되며, 단부판 (70a, 70b) 이 스택 방향으로 대향하는 단부에 제공된다. 도 1 및 12에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 조임 유닛 (112a) 의 제 1 프레서 판 (116a) 이 연료 전지 (11) 의 중심에 제공된다.
이러한 상태에서, 짧은 제 1 조임 볼트 (114a) 가 제 1 프레서 판 (116a) 및 단부판 (70b) 을 통해 단부판 (70a) 을 향해 삽입된다. 제 1 조임 볼트 (114a) 의 팁 단부는 단부판 (70a) 의 대각선중의 하나를 따라 형성된 스크루 홀 (82) 로 스크루되며, 거기에 끼워 맞춤된다. 이러한 방식으로, 연료 전지 스택 (12) 에서, 제 1 조임 부하 (T1) 가 연료 가스 공급 통로 (30) 근처의 영역에 인가된다.
그 후, 스프링 (118) 및 스프링 시트 (119) 가 원형 디스크 (36) 의 각각의 위치에서 전해질 전극 어셈블리 (26) 와 축방향으로 정렬된다. 제 2 조임 유닛 (112b) 의 제 2 프레서 판 (116b) 은 스프링 (118) 의 하나의 단부에 제공된 스프링 시트 (119) 와 맞물린다.
긴 제 2 조임 볼트 (114b) 가 제 2 프레서 판 (116b) 및 단부판 (70b) 를 통해 단부판 (70a) 을 향해 삽입된다. 제 2 조임 볼트 (114b) 의 팁 단부는 단부판 (70a) 의 다른 대각선을 따라 형성된 스크루 홀 (82) 로 스크루되며, 거기에 끼워 맞춤된다. 너트 (117) 가 제 2 조임 볼트 (114b) 의 헤드에 끼워 맞춤된다. 따라서, 너트 (117) 와 제 2 조임 볼트 (114b) 사이의 스크루 맞물림의 상태를 조정함으로써, 제 2 조임 부하 (T2) 가 각각의 스프링 (118) 의 탄성력에 의해 전해질 전극 어셈블리 (26) 에 인가된다.
연료 전지 스택 (12) 의 단부판 (70b) 은 케이싱 (18) 의 제 1 케이스 유닛 (86a) 과 제 2 케이스 유닛 (86b) 사이에 샌드위치된다. 제 1 케이스 유닛 (86a) 및 제 2 케이스 유닛 (86b) 은 스크루 (88) 및 너트 (90) 에 의해 함께 고정된다. 유체 유닛 (19) 은 제 2 케이스 유닛 (86b) 에 탑재된다. 유체 유닛 (19) 의 벽판 (96) 은 단부판 (70a) 주위의 그루브 (74) 에 부착된다. 따라서, 챔버 (98) 가 단부판 (70a) 와 벽판 (96) 사이에 형성된다.
연료 전지 시스템 (10) 에서, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 (메탄, 에탄, 프로판 등), 및 필요한 경우 물이 연료 가스 공급 파이프 (100) 로부터 공급되며, 산소 함유 가스 (이하, "공기" 라 칭함) 가 공기 공급 파이프 (104) 로부터 공급된다.
연료는 연료 가스 (수소 함유 가스) 를 생성하기 위해 리포머 (16) 를 통과할 때 리폼된다. 연료 가스는 연료 전지 스택 (12) 의 연료 가스 공급 통로 (30) 에 공급된다. 연료 가스는 화살표 A로 표시된 스택 방향으로 이동하며, 각 연료 전지 (11) 의 세퍼레이터 (28) 의 슬릿 (62) 을 통해 연료 가스 공급 채널 (66) 로 흐른다 (도 8 참조).
연료 가스는 제 1 및 제 2 브리지 (34, 60) 사이의 연료 가스 공급 채널 (66) 을 따라 흐르며, 원형 디스크 (36) 의 연료 가스 인렛 (54) 으로부터 연료 가스 채널 (46) 로 흐른다. 연료 가스 인렛 (54) 은 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 애노드 (24) 의 중앙 영역에 대응하는 위치에 형성된다. 따라서, 연료 가스는 연료 가스 인렛 (54) 으로부터 애노드 (24) 의 실질적인 중앙 위치로 공급되며, 연료 가스 채널 (46) 을 따라 애노드 (24) 의 중앙 영역으로부터 외부로 흐른다 (도 9 참조).
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 공기 공급 파이프 (104) 로부터의 공기는 열 교환기 (14) 의 채널 (108) 을 통해 흐르며, 챔버 (98a) 로 일시적으로 흐른다. 이 공기는 챔버 (98a) 에 접속된 홀 (80) 을 통해 흐르며, 연료 전지 (11) 의 실질적인 중심에 제공된 산소 함유 가스 공급 유닛 (67) 에 공급된다. 이 때, 열 교환기 (14) 에서, 후술하는 바와 같이, 배기 가스 채널 (68) 로 방출된 배기 가스가 채널 (110) 을 통해 흐르기 때문에, 연료 전지 (11) 에 공급되기 이전의 공기와 배기 가스 사이의 열 교환이 수행된다. 따라서, 이 공기는 소망하는 연료 전지 동작 온도로 사전에 가열된다.
산소 함유 가스 공급 유닛 (67) 에 공급된 산소 함유 가스는 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 내주연 에지와 원형 디스크 (36) 의 내주연 에지 사이의 공간으로 화살표 B로 표시된 방향에서 흐르며, 산소 함유 가스 채널 (50) 을 향해 흐른다. 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 산소 함유 가스 채널 (50) 에서, 공기는 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 캐소드 (22) 의 내주연 에지 (세퍼레이터 (28) 의 중앙 영역) 으로부터 외주연 에지 (세퍼레이터 (28) 의 외부 영역), 즉,외주연 영역의 하나의 단부로부터 다른 단부로 흐른다.
따라서, 전해질 전극 어셈블리 (26) 에서, 연료 가스는 중앙 영역으로부터 애노드 (24) 의 외주연 영역으로 흐르며, 공기는 캐소드 (22) 의 전극 표면상에서 화살표 B로 표시된 일 방향으로 흐른다 (도 9 참조). 이 때. 산소 이온은 전기화학 반응에 의해 전기를 생성하는 애노드 (24) 를 향해 전해질 (20) 을 통해 흐른다.
각각의 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외부로 방출된 배기 가스는 스택 방향으로 배기 가스 채널 (68) 을 통해 흐른다. 배기 가스가 열 교환기 (14) 의 채널 (110) 을 통해 흐를 때, 배기 가스와 공기 사이의 열 교환이 수행된다. 그 후, 배기 가스는 배기 가스 파이프 (106) 로 방출된다.
제 1 실시형태에서, 열 교환기 (14) 및 리포머 (16) 를 포함하는 유체 유닛 (19) 이 연료 전지 스택 (12) 의 일 측상에 함께 제공된다 (도 1 참조). 열 교환기 (14) 및 리포머 (16) 는 서로 인접한다. 따라서, 연료 전지 (12) 및 유체 유닛 (19) 이 케이싱 (18) 의 작은 공간에 수용된다. 따라서, 연료 전지 시스템 (10) 의 전체 사이즈의 감소가 용이하게 달성된다.
또한, 열 교환기 (14) 는 벽판 (96) 을 통해 단부판 (70a) 에 직접 접속된다. 따라서, 연료 전지 시스템 (10) 에서 파이프의 수 및 파이프의 길이가 효율적으로 감소된다. 열 손실이 감소되며, 전력 생성이 효율적으로 수행된다.
제 1 실시형태에서, 유체 유닛 (19) 은 연료 전지 스택 (12) 의 중심축에 대하여 대칭적으로 제공된다. 따라서, 유체 유닛 (19) 및 연료 전지 스택 (12) 의 주연 방향에서 온도 분포가 없다. 즉, 유체 유닛 (19) 및 연료 전지 스택 (12) 의 주연 방향에서의 균일한 온도가 달성된다. 따라서, 연료 전지 (11) 가 열 스트레스에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있으며, 연료 전지 (11) 의 내구성에서의 개선이 용이하게 달성된다. 이러한 구조에서, 리포머 (16) 는 열 교환기 (14) 내부에 제공된다. 따라서, 리포머 (16) 에 대한 열 절연 성능이 개선된다. 연료 전지 (11) 로부터의 배기 열 (배기 가스) 을 이용할 수 있으며 열 효율을 개선시킬 수 있다.
또한, 부하 인가 메카니즘 (21) 이 연료 전지 스택 (12) 의 다른 측상에 제공된다. 부하 인가 메카니즘 (21) 은 유체 유닛 (19) 으로부터 이격되며, 연료 전지 스택 (12) 은 부하 인가 메카니즘 (21) 과 유체 유닛 (19) 사이에 개재된다. 따라서, 부하 인가 메카니즘 (21) 은 고온에 노출되지 않는다. 따라서, 부하 인가 메카니즘 (21) 은 연료 전지 스택 (12) 에 부하를 안정하게 인가할 수 있다. 부하 인가 메카니즘 (21) 의 내구성에서의 개선이 달성된다. 부하 인가 메카니즘 (21) 은 연료 전지 스택 (12) 의 중심축에 대하여 대칭적으로 제공된다. 따라서, 부하가 연료 전지 스택 (12) 에 균일하게 인가되며, 신뢰성에서의 개선이 달성된다.
또한, 제 1 실시형태에서, 열 교환이 연료 전지 스택 (12) 으로부터 방출된 배기 가스와 열 교환기 (14) 에서의 공기 (반응에서 소모되기 이전의 산소 함유 가스) 사이에서 수행된다. 따라서, 열 교환에 의해 가열된 뜨거운 공기가 챔버 (98) 를 통해 흐른다. 뜨거운 공기가 챔버 (98) 근처의 리포머 (16) 를 가열한 이후에, 이 공기는 연료 전지 스택 (12) 으로 공급된다.
즉, 열 교환기 (14) 에서의 배기 가스와의 열 교환에서 가열된 공기는 리포 머 (16) 를 가열하는 열 소스로서 이용된다. 따라서, 연료 전지 스택 (12) 으로부터의 배기 열이 효율적으로 이용된다. 리포머 (16) 는 뜨거운 배기 가스에 노출되지 않으며, 리포머 (16) 의 내구성에서의 개선이 달성된다.
따라서, 연료 전지 시스템 (10) 에서, 간단하고 경제적인 구조에 의해, 소망하는 리폼밍 반응이 평활하게 수행된다. 또한, 리포머 (16) 는 장기간 동안 적절하게 이용될 수 있다.
또한, 열 교환기 (14) 및 리포머 (16) 는 연료 전지 스택 (12) 의 근처에 제공되며, 리포머 (16) 는 열 교환기 (14) 내부에 제공된다. 따라서, 열 방사가 억제되며, 열 효율에서의 개선이 더욱 용이하게 달성된다.
또한, 연료 전지 스택 (12) 에서, 연료 가스 공급 통로 (30) 가 산소 함유 가스 공급 유닛 (67) 내부에 제공된다. 따라서, 연료 가스 공급 통로 (30) 의 부식 등이 억제된다. 연료 가스 공급 통로 (30) 의 내구성에서의 개선이 달성되며, 연료 가스의 누설이 억제된다.
또한, 연료 가스 공급 통로 (30) 및 산소 함유 가스 공급 유닛 (67) 은 연료 전지 스택 (12) 의 실질적인 중심부에 제공된다. 가열된 공기 및 연료 가스는 연료 전지 스택 (12) 의 중심부로 공급된다. 따라서, 연료 전지 (11) 각각에서, 열은 중심부로부터 외부로 전달되며, 이 열이 효율적으로 이용된다. 따라서, 열 효율의 개선이 달성된다.
도 13은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 연료 전지 (120) 를 도시하는 분해조립 사시도이다. 도 14는 복수의 연료 전지 (120) 를 스택함으로써 형성된 연료 전지 스택 (122) 을 도시하는 단면도이다. 도 15는 연료 전지 (120) 의 동작을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 (11) 의 구성 요소와 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호로 라벨되며, 그 설명은 생략한다. 또한, 제 3 및 제 4 실시형태에서, 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 (11) 의 구성 요소와 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호로 라벨되며, 그 설명은 생략한다.
채널 부재 (124) 가 애노드 (24) 에 대면하는 표면상에서 연료 전지 (120) 의 세퍼레이터 (28) 각각에 고정된다. 채널 부재 (124) 는 세퍼레이터 (28) 의 제 1 브리지 (34) 에 고정된 제 2 브리지 (126) 를 포함한다. 연료 가스 공급 채널 (66) 이 제 1 브리지 (34) 와 제 2 브리지 (126) 사이에 형성된다. 제 2 브리지 (126) 는 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 애노드 (24) 의 실질적인 중앙 영역에 대응하는 위치에서 종단한다. 제 2 브리지 (126) 의 단부에서, 복수의 연료 가스 인렛 (128) 이 형성된다. 연료 가스 인렛 (128) 은 애노드 (24) 에 개방된다. 제 1 실시형태에 따른 연료 가스 인렛 (54) 은 세퍼레이터 (28) 의 원형 디스크 (36) 에 형성되지 않는다.
제 2 실시형태에서, 연료 가스 공급 통로 (30) 에 공급된 연료 가스는 각각의 세퍼레이터 (28) 와 채널 부재 (124) 사이에 형성된 연료 가스 공급 채널 (66) 을 따라 흐른다. 그 후, 이 연료 가스는 채널 부재 (124) 의 단부에 형성된 연료 가스 인렛 (128) 으로부터 애노드 (24) 로 공급된다.
따라서, 연료 가스는 더욱 적절하고 균일하게 애노드 (24) 의 중앙 영역으로 부터 외부 영역으로 공급되며, 전력 생성 효율이 개선된다. 또한, 연료 가스 인렛이 세퍼레이터 (28) 의 원형 디스크 (36) 에서 요구되지 않기 때문에, 세퍼레이터 (28) 의 구조가 단순화되며, 제조 비용의 감소가 용이하게 달성된다.
도 16은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (130) 을 도시하는 부분 단면도이다.
이 연료 전지 시스템 (130) 에서, 리포머 (16) 가 열 교환기 (14) 내부에 제공되며, 화살표 B로 표시된 방향으로 연장하는 파티션 벽 (132) 이 리포머 (16) 의 외주연부 및 열 교환기 (14) 의 내주연부에 접속된다. 파티션 벽 (132) 은 실질적으로 링 형상 판 부재로 이루어진다.
제 1 채널 부재 (산소 함유 가스 채널 부재; 134) 가 단부판 (70a) 에 제공된다. 제 1 채널 부재 (134) 는 돌출부 (76) 와 동축적으로 돌출한다. 제 1 채널 부재 (134) 및 돌출부 (76) 는 화살표 A로 표시된 동일한 방향으로 돌출한다. 제 1 채널 부재 (134) 는 링 형상을 가지며, 제 1 채널 부재 (134) 의 단부는 파티션 벽 (132) 의 근처에 위치된다. 제 1 채널 부재 (134) 를 제공함으로써, 제 1 채널 (136) 이 케이싱 (18) 에 형성된다. 열 교환 이후에, 공기는 열 교환기 (14) 로부터 방출되며, 리포머 (16) 주위의 제 1 채널 (136) 을 통해 흐른다. 제 1 채널 (136) 은 채널 (108) 및 홀 (80) 에 접속된다.
제 2 채널 부재 (배기 가스 채널 부재; 138) 가 제 1 채널 부재 (134) 에 대향하게 제공되어서, 파티션 벽 (132) 이 제 1 채널 부재 (134) 와 제 2 채널 부재 (138) 사이에 개재된다. 제 2 채널 부재 (138) 는 바닥을 갖는 원통 형상을 가 진다. 연료 가스 공급 파이프 (100) 가 중앙 영역에서 제 2 채널 부재 (138) 의 바닥에 접속되며, 배기 가스 파이프 (106) 가 가장자리 영역에서 제 2 채널 부재 (138) 의 바닥에 접속된다. 제 2 채널 부재 (138) 를 제공함으로써, 제 2 채널 (139) 이 케이싱 (18) 에 형성된다. 열 교환 이후에, 배기 가스는 열 교환기 (14) 로부터 방출되며, 리포머 (16) 주위의 제 2 채널 (139) 을 통해 흐른다. 제 2 채널 (139) 은 채널 (110) 및 배기 가스 파이프 (106) 에 접속된다.
제 3 실시형태에서, 공기 공급 파이프 (104) 에 공급된 공기는 열 교환기 (14) 의 채널 (108) 을 통해 흐른다. 그 후, 이 공기는 제 1 채널 (136) 로 공급된다. 이러한 구조에서, 연료 전지 스택 (12) 으로부터 방출된 배기 가스는 열 교환기 (14) 의 채널 (110) 로 흐르며, 공기와 배기 가스 사이의 열 교환이 수행된다.
따라서, 열 교환 이후의 뜨거운 공기는 제 1 채널 (136) 을 통해 흐른다. 이 뜨거운 공기는 리포머 (16) 를 적절하게 가열하기 위해 리포머 (16) 주위에 흐른다. 따라서, 제 1 실시형태의 경우에서와 동일한 이점이 달성될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 스택 (12) 으로부터의 배기 열이 효율적으로 이용되며, 리포머 (16) 의 내구성이 바람직하게 개선된다.
열 교환기 (14) 에서의 열 교환 이후에, 제 2 채널 부재 (138) 에 의해 형성된 제 2 채널 (139) 을 통해 흐르며, 리포머 (16) 의 단부 주위에 흐른다. 그 후, 배기 가스는 배기 가스 파이프 (106) 로부터 방출된다. 열 교환기 (14) 에서의 열 교환 이후의 배기 가스가 리포머 (16) 를 가열하는 열 소스로서 다시 이용 될 수 있다. 따라서, 배기 열이 더욱 효율적으로 이용될 수 있다.
도 17은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (140) 을 도시하는 부분 단면도이다.
이 연료 전지 시스템 (140) 에서, 파티션 벽 (142) 이 단부판 (70a) 에 제공된다. 이 파티션 벽 (142) 은 돌출부 (76) 와 동축이며, 홀 (80) 을 커버한다. 이 파티션 벽 (142) 은 링 형상을 가지며, 파티션 벽 (142) 의 단부가 홀 (80) 로부터 채널 (108) 을 분리하기 위해 리포머 (16) 에 접촉한다.
리포머 (16) 에서, 굴곡된 파이프 부재 (144) 가 제공된다. 파이프 부재 (144) 의 단부는 파티션 벽 (142) 으로부터 외부로 연장하며, 열 교환기 (14) 의 채널 (108) 에 접속된다. 파이프 부재 (144) 의 다른 단부는 파티션 벽 (142) 의 내부에 위치되며, 홀 (80) 에 대해 개방된다.
제 4 실시형태에서, 공기 공급 파이프 (104) 로부터 열 교환기 (14) 의 채널 (108) 로 공급된 공기가 열 교환기 (14) 의 채널 (110) 을 통해 흐르는 배기 가스와의 열 교환에 의해 가열된다. 뜨거운 공기가 챔버 (98) 에 제공된 파이프 부재 (144) 의 하나의 단부로 흐른다.
이 파이프 부재 (144) 는 리포머 (16) 의 내부에 제공된다. 뜨거운 공기는 내부로부터 리포머 (16) 를 가열하기 위해 파이프 부재 (144) 를 통해 흐른다. 공기가 리포머 (16) 를 가열한 이후에, 이 공기는 파이프 부재 (144) 의 다른 단부 외부로 흐르고, 홀 (80) 을 통해 연료 전지 스택 (12) 으로 공급된다.
제 4 실시형태에서, 공기가 연료 전지 스택 (12) 으로부터 방출된 배기 가스 와의 열 교환에 의해 가열된 이후에, 뜨거운 공기가 파이프 부재 (144) 를 통해 리포머 (16) 내부에 흐른다. 따라서, 제 1 내지 제 3 실시형태의 경우에서와 동일한 이점이 획득될 수 있다. 예를 들어, 리포머 (16) 는 적절하게 가열되며, 배기 열이 효율적으로 이용된다.
제 4 실시형태에서, 제 3 실시형태의 경우에서와 동일한 방식으로, 열 교환 이후에 배기 가스를 리포머 (16) 주위의 영역으로 공급하는 제 2 채널 부재 (미도시) 가 양측으로부터, 즉, 리포머 (16) 의 외부 및 내부로부터 리포머 (16) 를 가열하기 위해 제공될 수도 있다.
본 발명을 바람직한 실시형태를 참조하여 구체적으로 도시하고 설명하였고, 그 변형 및 변경이 첨부한 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (11)

  1. 스택 방향으로 복수의 연료 전지 (11) 를 스택함으로써 형성된 연료 전지 스택(12) 으로서, 상기 연료 전지 (11) 는 전해질 전극 어셈블리 (26) 및 상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 를 샌드위치하는 세퍼레이터 (28) 를 각각 포함하고, 상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 는 애노드 (24), 캐소드 (22), 및 상기 애노드 (24) 와 상기 캐소드 (22) 사이에 개재된 전해질 (20) 을 포함하는, 상기 연료 전지 스택 (12);
    상기 연료 전지 스택 (12) 에 공급될 산소 함유 가스를 가열하는 열 교환기 (14);
    연료를 리폼하여 연료 가스를 생성하는 리포머 (16); 및
    상기 연료 전지 스택 (12), 상기 열 교환기 (14), 및 상기 리포머 (16) 를 포함하는 케이싱 (18) 을 포함하며,
    적어도 상기 열 교환기 (14) 및 상기 리포머 (16) 를 포함하는 유체 유닛 (19) 이 상기 케이싱 (18) 의 상기 연료 전지 스택 (12) 의 일 측상에 제공되는, 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 유닛 (19) 은 상기 연료 전지 스택 (12) 의 중심축에 대하여 대칭적으로 제공되는, 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 유닛 (19) 에서, 상기 리포머 (16) 는 상기 열 교환기 (14) 내부에 제공되는, 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택 (12) 으로부터 방출된 배기 가스와 산소 함유 가스 사이의 열 교환이 상기 열 교환기 (14) 에서 수행되며,
    상기 열 교환 이후에, 상기 산소 함유 가스는 상기 리포머 (16) 를 가열하고, 그 후, 상기 연료 전지 스택 (12) 으로 공급되는, 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열 교환기 (14) 및 상기 리포머 (16) 는 상기 연료 전지 스택 (12) 에 인접하여 제공되는, 연료 전지 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    열 교환 이후에 상기 열 교환기 (14) 로부터 방출된 상기 산소 함유 가스를 상기 리포머 (16) 주위에 흐르게 하는 채널을 형성하는 산소 함유 가스 채널 부재 (134) 를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    열 교환 이후에 상기 열 교환기 (14) 로부터 방출된 상기 산소 함유 가스를 상기 리포머 (16) 로 흐르게 하는 파이프 부재 (144) 를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서,
    열 교환 이후에 상기 열 교환기 (14) 로부터 방출된 상기 배기 가스를 상기 리포머 (16) 주위에 흐르게 하는 채널을 형성하는 배기 가스 채널 부재 (138) 를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택 (12) 은 상기 애노드 (24) 로 상기 연료 가스를 공급하기 위해 상기 스택 방향으로 연장하는 연료 가스 공급 유닛 (30), 및 상기 캐소드 (22) 로 상기 산소 함유 가스를 공급하기 위해 상기 스택 방향으로 연장하는 산소 함유 가스 공급 유닛 (67) 을 포함하며,
    상기 연료 가스 공급 유닛 (30) 은 상기 산소 함유 가스 공급 유닛 (67) 내부에 제공되는, 연료 전지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택 방향으로 상기 연료 전지 (11) 에 조임 부하를 인가하는 부하 인 가 메카니즘 (21) 이 상기 연료 전지 스택 (12) 의 다른 측상에 제공되는, 연료 전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 부하 인가 메카니즘 (21) 은 상기 연료 전지 스택 (12) 의 중심축에 대하여 대칭적으로 제공되는, 연료 전지 시스템.
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