KR102056267B1 - Fuel Cell Apparatus and Method for maintenance the Fuel Cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지장치 및 그 관리방법에 관한 것이다. 상기 연료전지장치는, 박스의 형태를 취하며 다수의 연료전지 스택을 수용하고 상기 스택이 출입하기 위한 단열도어가 구비되어 있는 메인챔버와; 상기 단열도어를 개폐하는 개폐수단과; 상기 단열도어를 사이에 두고 메인챔버에 고정되며, 상기 단열도어의 개방시 메인챔버의 내부 공간과 연통하고, 상기 메인챔버내의 스택 중 원하는 스택을 그 내부로 받아들이는 익스체인지챔버를 포함한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 각 스택의 운전을 유지한 상태로, 이상이 있는 스택만을 개별적으로 인출하여 교체할 수 있으므로 그만큼 유지 보수에 부담이 없어 장치가 최상의 상태를 유지할 수 있고, 특히 정상 스택이 온도변화를 겪지 않아 내구성 저하나 수명 단축의 염려가 없으며, 안전한 유지 보수를 할 수 있게 한다.The present invention relates to a fuel cell device and a management method thereof. The fuel cell apparatus may include: a main chamber that takes the form of a box and includes a plurality of fuel cell stacks and is provided with an insulated door for entering and exiting the stack; Opening and closing means for opening and closing the insulating door; And an exchange chamber fixed to the main chamber with the insulation door interposed therebetween, in communication with an inner space of the main chamber when the insulation door is opened, and receiving a desired stack among the stacks in the main chamber therein.
The present invention made as described above, while maintaining the operation of each stack, it is possible to take out and replace only the faulty stack individually, so that there is no burden on maintenance, the device can maintain the best state, in particular the normal stack It does not suffer from this temperature change, so there is no fear of durability deterioration or shortening of life, and it enables safe maintenance.
Description
본 발명은 연료전지장치 및 그 관리방법 에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell device and a management method thereof.
에너지원으로 가장 널리 사용되고 있는 석유나 석탄 등의 화석연료는 매장량이 한정되어 있어, 그를 대신할 만한 대체 에너지 문제가 국가적 사회적으로 큰 관심거리가 되고 있다. 이를테면 석유나 석탄 등의 화석연료가 아닌 태양열, 조력, 풍력을 이용한 발전이나 연료전지 등에 대한 관심이 고조되고 있는 것이다.Fossil fuels such as petroleum and coal, which are widely used as energy sources, have limited reserves, and the alternative energy problem that replaces them is of great interest to the nation and society. For example, interest in solar power, tidal power, wind power generation and fuel cells, rather than fossil fuels such as oil and coal, is increasing.
상기한 여러 가지 대체 에너지 중, 연료전지는 물의 전기분해 반응의 역반응을 이용하여 전기를 생산하는 것으로서, 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등의 탄화수소 계열의 물질에 포함되어 있는 수소와, 공기 중의 산소를 전기 화학반응을 통해 전기에너지로 변환시키는 기술을 응용한 것이다.Among the various alternative energy described above, the fuel cell generates electricity by using the reverse reaction of the electrolysis of water. The fuel cell uses hydrogen contained in hydrocarbon-based materials such as natural gas, coal gas and methanol, and oxygen in the air. It is the application of technology that converts into electrical energy through electrochemical reactions.
이는 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기발생, 터빈구동, 발전기구동 등의 여러 과정을 포함하는 것과 달리, 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라, 가령 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적으며, 소음이나 진동 등이 거의 없다는 장점이 있다.Unlike the existing power generation technology, which includes various processes such as fuel combustion, steam generation, turbine driving, and generator driving, it is not only highly efficient because there is no combustion process or driving device, but also air pollutants such as SOx and NOx. It emits almost no carbon dioxide and generates little carbon dioxide, and has almost no noise or vibration.
이러한 연료전지에도 많은 종류가 있으며 예컨대, 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 등 다양한 종류가 있다.There are many kinds of such fuel cells, for example, phosphate fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), solid oxide fuel cells (Solid Oxide) Fuel Cell; SOFC).
상기 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하고, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. The solid oxide fuel cell (SOFC) is a fuel cell using a solid oxide capable of permeating oxygen or hydrogen ions as an electrolyte. Since all components are solid, the solid oxide fuel cell (SOFC) is simpler than other fuel cells. There is no problem of loss and replenishment and corrosion. In addition, it does not need a noble metal catalyst because it operates at a high temperature, it is easy to supply fuel through direct internal reforming, and has a merit of thermal combined power generation using waste heat because it discharges high-temperature gas.
이러한 고체산화물 연료전지는 아래의 반응식과 같은 전극 반응을 한다.The solid oxide fuel cell performs an electrode reaction as shown in the following reaction formula.
<반응식><Scheme>
연료극: H2 + O2 - → H2O + 2e- Anode: H 2 + O 2 - → H 2 O + 2e-
CO + O2 - → CO2 + 2e- CO + O 2 - → CO 2 + 2e-
공기극: O2 + 4e- → 2O2 - Cathode: O 2 + 4e- → 2O 2 -
전반응: H2 + CO + O2 → H20 + CO2 Prereaction: H 2 + CO + O 2 →
상기 반응식에 따라 작동하는 연료전지에 있어서, 전자는 외부 회로를 거쳐 공기극에 도달하고, 이와 동시에 공기극에서 발생한 산소이온은 전해질을 통해서 연료극으로 전달되어, 연료극에서는 수소 또는 CO가 산소이온과 결합하여 전자 및 물 또는 CO2를 생성한다.In the fuel cell operating according to the above reaction scheme, electrons reach the cathode via an external circuit, and at the same time, oxygen ions generated at the cathode are transferred to the anode through the electrolyte, whereby hydrogen or CO is combined with oxygen ions to form the electron. And water or CO 2 .
한편, 상기한 고체산화물 연료전지는, 다수의 단위셀을 적층 구성한 이른바 스택(stack)을 기본 단위로 하며, 상기 스택은 전력 생산용량을 늘리기 위하여 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 조합되어 전체적인 연료전지시스템을 구성한다.On the other hand, the solid oxide fuel cell, a so-called stack (stack) consisting of a plurality of unit cells are stacked as a basic unit, the stack is combined in series, parallel or parallel to increase the power production capacity of the entire fuel cell system Configure
그런데 상기한 종래의 연료전지시스템은, 각각의 스택이 직렬 또는 병렬로 구성되어 있으므로, 가령 임의의 스택에 이상이 발생할 경우, 이웃 스택에 나쁜 영향을 미칠 수 있다는 단점이 있었다. 즉 일부 스택의 성능저하가 다른 스택으로 전파되는 될 수 있는 것이다.However, the above-described conventional fuel cell system has a disadvantage in that each stack is configured in series or in parallel, so that when an abnormality occurs in an arbitrary stack, it may adversely affect the neighboring stack. That is, the performance degradation of some stacks can be propagated to other stacks.
이를테면 어느 한 단위스택에 문제가 발생하여 그 성능이 저하될 경우, 그에 이웃하는 단위스택으로 전류 쏠림 등이 야기되어, 단위스택 상호간의 히트발란스(heat balance)가 파괴됨으로써 연료전지시스템의 성능이 크게 저하될 수 있는 것이다.For example, if a problem occurs in one unit stack and its performance is deteriorated, currents may be caused by neighboring unit stacks, causing heat balance between the unit stacks to be destroyed, thereby greatly improving the performance of the fuel cell system. It can be degraded.
이에 따라 문제가 발생한 단위스택은, 성능저하가 다른 스택으로 전파되지 않도록 따로 관리되거나 새로운 단위스택으로 교체하여야 한다.As a result, the problematic unit stack must be managed separately or replaced with a new unit stack so that the performance degradation does not propagate to other stacks.
그런데, 종래에는 연료전지시스템에서 단위스택 자체를 교체하거나 또는 단위스택 주변의 부속요소를 수리나 교체하기 위해서, 단위스택이 수용되어 있는 핫박스 전체를 셧다운(shut down) 시켜야 하였다. 즉 핫박스 자체의 작동을 완전히 멈추게 한 상태로, 핫박스를 열고 이상이 있는 단위스택을 교체하였다. 이는 일부 불량인 스택의 유지 보수를 위해 정상작동 중인 스택을 셧다운 해야 한다는 의미이다.However, in the related art, in order to replace the unit stack itself in a fuel cell system or to repair or replace an accessory element around the unit stack, the entire hot box containing the unit stack has to be shut down. That is, with the hot box itself completely stopped, the hot box was opened and the defective unit stack was replaced. This means that a working stack must be shut down to maintain some defective stacks.
문제는, SOFC와 같은 고온 작동 연료전지의 경우, 연료전지의 성능이나 수명이, 온도변화에 매우 민감하게 영향 받는다는데 있다. 가령, 핫박스의 셧다운 후 유지보수를 마치고 다시 스타트업 하는 동안, 스택이 겪는 온도변화에 의해 스택의 수명이 급격히 짧아지고 성능도 저하되는 것이다.The problem is that in the case of high temperature operating fuel cells such as SOFCs, the performance and lifetime of the fuel cells are very sensitive to temperature changes. For example, during shutdown and maintenance after hot box shutdown, the stack's temperature changes dramatically shorten stack life and degrade performance.
또한, 핫박스 전체를 셧다운 한 상태로 보수작업을 하게 되므로, 작업을 하는 동안에는 전기를 생산할 수 없다는 단점이 있었다. 이러한 문제는 유지 보수나 교체 시간이 길어질 때에 더욱 심각하다.In addition, since the maintenance work is performed with the entire hot box shut down, there was a disadvantage in that electricity cannot be produced during the work. This problem is exacerbated when maintenance or replacement time is prolonged.
본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 운전을 유지한 상태로, 이상이 있는 스택만을 개별적으로 인출하여 수리나 교체할 수 있으므로 그만큼 유지 보수에 부담이 없어 장치가 최상의 상태를 유지할 수 있고, 특히 정상 스택이 온도변화를 겪지 않아 내구성 저하나 수명 단축의 염려가 없으며, 안전한 유지 보수를 할 수 있게 하는 연료전지스택 개별 교체기능을 갖는 연료전지장치 및 그 관리방법을 제공함에 목적이 있다.The present invention has been created to solve the above problems, and in the state of maintaining the operation, only a faulty stack can be individually withdrawn and repaired or replaced, so that the maintenance of the device can be maintained in the best state. In particular, it is an object of the present invention to provide a fuel cell device having an individual replacement function of a fuel cell stack and a method of managing the same, which have no fear of deterioration of durability or shortening of life due to a change in temperature of a normal stack and a safe maintenance.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 핫박스를 포함하는 연료전지장치는, 복수의 연료전지 스택이 수용되는 메인챔버; 상기 메인챔버에 수용되는 스택이 이동되며 메인챔버의 내부공간과 연통되는 익스체인지챔버; 상기 메인챔버와 상기 익스체인지챔버의 사이에 구비되는 단열도어를 포함하는 것을 특징으로 한다.A fuel cell apparatus including a hot box of the present invention for achieving the above object, the main chamber is accommodated a plurality of fuel cell stack; An exchange chamber in which the stack accommodated in the main chamber is moved and in communication with an internal space of the main chamber; And an insulating door provided between the main chamber and the exchange chamber.
또한, 상기 단열도어는, 일측에 개폐수단이 더 구비될 수 있으며, 상기 메인챔버 내에서 상기 익스체인지챔버측에 설치될 수 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the insulating door may be further provided with an opening and closing means on one side, it may be installed on the exchange chamber side in the main chamber.
또한, 상기 단열도어는 각각의 스택에 일대일 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.In addition, the thermal insulation door is characterized in that it is arranged to correspond one-to-one to each stack.
아울러, 상기 메인챔버와 익스체인지챔버의 내부에는, 각 스택이 이동되는 스택 이동부가 구비된 것을 특징으로 한다.In addition, the inside of the main chamber and the exchange chamber, characterized in that the stack moving unit for moving each stack is provided.
또한, 상기 스택이동부는, 메인챔버와 익스체인지챔버에 스택이 슬라이딩 이동되도록 일직선으로 배치되되 상기 단열도어가 배치되는 소정의 공간에서 단절되는 것을 특징으로 한다.In addition, the stack moving unit is arranged in a straight line so that the stack is slidably moved in the main chamber and the exchange chamber, characterized in that disconnected in a predetermined space in which the insulating door is disposed.
또한, 상기 각 스택의 외측면에는 인출걸이부가 더 구비되며, 메인챔버내에 수용되어 있는 상기 스택을 익스체인지챔버 측으로 인출하기 위한 스택인출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the outer surface of each stack is further provided with a take-out hook portion, characterized in that it further comprises a stack pull-out unit for withdrawing the stack accommodated in the main chamber to the exchange chamber side.
또한, 상기 익스체인지챔버에는, 상기 스택인출부를 익스체인지챔버의 내부로 받아들여 통과시키는 액세스홀이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the exchange chamber is characterized in that the access hole for receiving and passing the stack outlet portion into the exchange chamber.
또한, 상기 익스체인지챔버는; 상기 메인챔버에 대해 고정되며 상기 스택을 그 내부로 받아들이는 내부공간을 갖는 챔버케이스와, 상기 챔버케이스에 슬라이딩 이동가능하게 끼워져 챔버케이스의 내부공간을 밀폐하고, 필요시 슬라이딩 이동하여 상기 내부공간을 외부로 개방시키는 슬라이딩커버를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the exchange chamber; A chamber case fixed to the main chamber and having an inner space for receiving the stack therein; and a sliding case fitted to the chamber case to seal the inner space of the chamber case, and slidingly moving the inner space if necessary. It characterized in that it comprises a sliding cover to open to the outside.
또한, 상기 익스체인지챔버에는, 익스체인지챔버의 내부온도를 메인챔버의 내부온도에 맞추기 위한 히터가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.The exchange chamber may further include a heater for adjusting the internal temperature of the exchange chamber to the internal temperature of the main chamber.
또한, 상기 메인챔버의 내부에는; 그 일단부가 각 스택에 접속되고 타단부는 메인챔버 외부로 연장된 전력선이 구비되고, 상기 전력선에는, 상기 스택이 익스체인지챔버로 인출될 때 분리되고, 스택이 메인챔버로 위치될 때 접속되는 커넥터가 구비된 것을 특징으로 한다.In addition, the inside of the main chamber; One end is connected to each stack and the other end is provided with a power line extending out of the main chamber, the power line having a connector separated when the stack is drawn out to the exchange chamber and connected when the stack is placed in the main chamber. Characterized in that provided.
아울러, 상기 메인챔버의 내부에는; 외부로부터 공급된 연료를 각각의 스택에 공급하고 밸브에 의해 개폐 가능한 연료공급관과, 상기 스택으로부터 배출된 배출물을 외부로 유도하는 연료배출관과, 각 스택에 공기를 공급하는 공기공급관과, 상기 스택으로부터 배출된 미반응 공기를 외부로 유도하는 공기배출관이 더 구비되며, 상기 연료공급관과, 연료배출관과, 공기공급관과, 공기배출관에는, 스택이 익스체인지챔버로 이동할 때 분리 및 실링되고, 스택이 메인챔버로 원 위될 때 접속 및 개방되는 커넥터가 더 구비되거나, 상기 연료공급관과, 연료배출관과, 공기공급관과, 공기배출관의 단부는 스택에 연결되어, 스택의 인출시, 스택에 연결된 상태로 단열도어의 외부로 인장되고, 상기 단열도어에는, 상기 스택이 익스체인지챔버로 이동한 상태로 단열도어를 닫을 수 있도록, 상기 연료공급관과 연료배출관과 공기배출관과 공기공급관을 수용하는 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the inside of the main chamber; A fuel supply pipe which supplies fuel supplied from the outside to each stack and can be opened and closed by a valve, a fuel discharge pipe for guiding the discharge discharged from the stack to the outside, an air supply pipe for supplying air to each stack, and from the stack An air discharge pipe is further provided to guide the discharged unreacted air to the outside, and the fuel supply pipe, the fuel discharge pipe, the air supply pipe, and the air discharge pipe are separated and sealed when the stack moves to the exchange chamber, and the stack is the main chamber. The fuel supply pipe, the fuel discharge pipe, the air supply pipe, and the ends of the air discharge pipe are connected to the stack, and the fuel supply pipe, the fuel discharge pipe, the air discharge pipe, and the ends of the air discharge pipe are connected to the stack, It is tensioned outwardly, and the insulation door is closed so that the insulation door can be closed while the stack is moved to the exchange chamber. A groove for receiving the supply line and the fuel discharge pipe and the air discharge pipe and the air supply pipe is characterized in that it is formed.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 관리방법은, 익스체인지챔버의 내부 온도를 메인챔버의 내부온도로 맞추는 1차가열단계와; 상기 1차가열단계의 완료 후 단열도어를 개방하는 단열도어 1차개방단계와; 상기 단열도어가 개방된 상태로 메인챔버 내부의 스택을 익스체인지챔버의 내부로 이동시키는 스택인출단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the fuel cell management method of the present invention for achieving the above object, the first heating step of adjusting the internal temperature of the exchange chamber to the internal temperature of the main chamber; A first opening step of the insulating door to open the insulating door after completion of the first heating step; And a stack pull-out step of moving the stack inside the main chamber to the inside of the exchange chamber while the adiabatic door is opened.
또한, 상기 스택이 익스체인지챔버로 인출된 후 단열도어를 차단하는 단열도어 1차차단단계와, 익스체인지챔버의 온도를 낮추는 쿨링단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, after the stack is drawn out to the exchange chamber, the insulating door is first cut off step of blocking the insulating door, and further comprising a cooling step of lowering the temperature of the exchange chamber.
또한, 상기 익스체인지챔버내로 인출된 스택을 보수 또는 교체하는 스택 정비단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 정비단계가 완료된 후 상기 익스체인지챔버의 내부 온도를 상기 메인챔버의 내부와 맞추는 2차가열단계와; 상기 2차가열단계 후 상기 단열도어를 개방하는 단열도어 2차개방단계와, 상기 보수 또는 교체된 스택을메인챔버 내부로 위치시키는 스택안착단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 스택안착단계를 통해 스택이메인챔버에안착된 후, 상기 단열도어를 차단하는 단열도어 2차차단단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method may further include a stack maintenance step of repairing or replacing a stack drawn out into the exchange chamber, and after the maintenance step is completed, a secondary heating step of matching the internal temperature of the exchange chamber with the inside of the main chamber; After the secondary heating step may further include a secondary door opening step of opening the insulation door, the stack seating step of positioning the repaired or replaced stack into the main chamber, the stack through the stack seating step After being seated in the main chamber, the insulating door is characterized in that it comprises a second door blocking step of blocking the insulating door.
아울러, 상기 정비단계가 완료된 후, 스택을 익스체인지챔버내에서 시운전 하는 시운전단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, after the maintenance step is completed, characterized in that it further comprises a test operation step for commissioning the stack in the exchange chamber.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하겨 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, the terms or words used in this specification and claims are not to be interpreted in a conventional and dictionary sense, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best explain their invention in the best way possible. Based on the principle that the present invention should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 연료전지장치 및 그 관리방법은 운전을 유지한 상태로, 이상이 있는 스택만을 개별적으로 인출하여 수리나 교체할 수 있으므로 그만큼 유지 보수에 부담이 없어 장치가 최상의 상태를 유지할 수 있고, 특히 정상 스택이 온도변화를 겪지 않아 내구성 저하나 수명 단축의 염려가 없으며, 안전한 유지 보수를 할 수 있게 한다.The fuel cell device and the management method of the present invention made as described above can be repaired or replaced only by removing the faulty stack individually while maintaining the operation. In particular, the normal stack does not undergo temperature changes, so there is no fear of deterioration of durability or shortening of life, and it enables safe maintenance.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫박스를 포함하는 연료전지장치의 전체적인 구성도이다.
도 2는 상기 도 1에 도시한 연료전지장치의 다른 예를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫박스를 포함하는 연료전지장치 에서의 전력선의 접속 분리 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 상기 도 1에 도시한 스택인출막대를 별도로 도시한 도면이다.
도 5는 상기 도 1에 도시한 내부레일 및 외부레일을 도시한 사시도이다.
도 6은 상기 도 1에 도시한 단열도어의 기본 구조와 작동방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 상기 도 2에 도시한 단열도어가 메인챔버에 장착되어 있는 모습을 도시한 도면이다.
도 8은 상기 도 8에 도시한 단열도어의 사시도이다.
도 9는 상기 도 2에 도시한 메인챔버와 익스체인지챔버를 분리하여 도시한 부분 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지장치에서의 익스체인지챔버를 도시한 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지장치에서의 핫박스장치를 이용한 스택교체방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫박스장치를 이용한 스택교체방법을 정리하여 나타낸 순서도이다.1 is an overall configuration diagram of a fuel cell device including a hot box according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating another example of the fuel cell device illustrated in FIG. 1.
3 is a view for explaining a method for disconnecting power lines in a fuel cell apparatus including a hot box according to an embodiment of the present invention.
4 is a view illustrating the stack drawer bar shown in FIG. 1 separately.
FIG. 5 is a perspective view illustrating the inner rail and the outer rail shown in FIG. 1.
6 is a view for explaining the basic structure and operation method of the insulating door shown in FIG.
FIG. 7 is a view illustrating a state in which the thermal insulation door shown in FIG. 2 is mounted in the main chamber.
8 is a perspective view of the thermal insulation door shown in FIG.
FIG. 9 is a partial perspective view illustrating the main chamber and the exchange chamber shown in FIG. 2 separately.
10 is a perspective view illustrating an exchange chamber in a fuel cell apparatus according to an embodiment of the present invention.
11 is a view for explaining a stack replacement method using a hot box device in a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.
12 is a flow chart illustrating a stack replacement method using a hot box apparatus according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.The objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the preferred embodiments associated with the accompanying drawings.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소 들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.In the present specification, in adding reference numerals to the elements of each drawing, it should be noted that the same elements as possible, even if displayed on different drawings have the same number as possible.
또한, “제 1”, “제 2”, “일 측”, “타 측” 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. In addition, terms such as “first”, “second”, “one side”, and “other side” are used to distinguish one component from another component, and the component is defined by the terms. It is not limited.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.In describing the present invention, detailed descriptions of related well-known techniques that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
기본적으로 본 실시예의 핫박스장치(17)는, 메인챔버(13)와 익스체인지챔버(15)로 구성된다. 상기 메인챔버(13)는 전력을 생산하는 다수의 연료전지 스택(31)을 수용하고, 익스체인지챔버(15)는 스택을 교체할 내부공간(15g)을 제공하는 역할을 한다. 즉, 메인챔버(13)로부터 교체할 스택을 넘겨받아 그 내부에서 교체할 수 있게 하는 것이다. Basically, the
특히 본 실시예의 핫박스장치(17)는 고장 스택을 교체하는 동안 나머지 스택은 전력을 계속 생산할 수 있도록 설계된 구조를 갖는다.In particular, the
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫박스를 포함하는 연료전지장치(11)의 전체적인 구성도이다.1 is an overall configuration diagram of a
도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 연료전지장치(11)은, 전기를 생산하며 위아래로 배치되어 있는 다수의 연료전지 스택(31)과, 박스의 형태를 취하며 상기 연료전지 스택(31)을 수용하고 상기 스택(31)이 출입하기 위한 다수의 단열도어(39)를 갖는 메인챔버(13)와, 상기 단열도어(39)를 사이에 두고 메인챔버(13)에 고정되는 익스체인지챔버(15)를 포함하는 핫박스장치(17)를 갖는다.As shown, the
또한 상기 메인챔버(13)의 내부공간(13a)에는, 공급관(21)을 통해 외부로부터 공급된 연료를 개질 및 가열하는 개질 및 열교환부(19)와, 상기 개질 및 열교환부(19)를 통과한 연료를 각 스택(31)으로 공급하는 연료공급관(23) 및 고정튜브(23a)과, 외부로부터 공급된 공기를 상기 스택(31)의 내부로 공급하는 공기공급관(27) 및 고정튜브(27a)과, 상기 스택(31)으로부터 배출되는 배출물을 받아들여 외부로 유도하는 연료배출관(25) 및 고정튜브(25a)과, 상기 스택으로부터 배출되는 공기를 받아들여 외부로 유도하는 공기배출관(29) 및 고정튜브(29a)이 더 설치된다. In addition, the
도면부호 45는 메인챔버(13)에 수용되어 있는 스택(31) 중 교체할 스택을 익스체인지챔버(15)로 인출하는 스택인출기구(45)이다. 상기 스택인출기구(45)에 대한 설명은 후수된다.
상기 스택(31) 자체는 연료와 공기를 공급받아 전력을 생산하는 일반적인 것으로서, 메인챔버(13)의 내부공간(13a)에 위아래로 배치되어 있다. 또한 개질 및 열교환부(19)도 외부로부터 전달된 연료를 가열 및 개질하여 각 스택으로 공급하는 일반적인 것이다.The
한편, 상기 연료공급관(23)과 연료배출관(25)과 공기공급관(27)과 공기배출관(29)은 수직으로 배치된 기둥의 형태를 취하며 개질 및 열교환부(19)와 스택(31)의 사이에 배치된다. 상기 연료공급관(23)과 연료배출관(25)과 공기공급관(27)과 공기배출관(29)의 개수나 사이즈는, 연료전지 장치(11)의 용량에 따라 얼마든지 달라질 수 있다.Meanwhile, the
상기 연료공급관(23)에 연결되어 있는 고정튜브(23a)은 연료공급관(23)과 각각의 스택(31)을 연결하여, 연료공급관(23)을 통해 들어온 연료를 스택(31)으로 공급하며, 공기공급관(27)에 연결되어 있는 고정튜브(27a)은 외부로부터 공급된 공기를 각 스택(31)으로 유도한다.The fixed
또한 연료배출관(25)에 연결되어 있는 고정튜브(25a)은 스택(31)에서 배출되는 미반응가스를 받아들여 연료배출관(25)으로 유도하고, 공기배출관(29)에 연결되어 있는 고정튜브(29a)은 스택(31)에서 배출되는 배출물을 공기배출관(29)으로 보낸다.In addition, the fixed
특히 상기 고정튜브(23a,25a,27a,29a)은 길이방향으로 신축성이 없는 재질의 파이프로서 밸브(30)와 커넥터(32a,32b)를 갖는다.In particular, the fixed tube (23a, 25a, 27a, 29a) is a pipe of a material that is not stretchable in the longitudinal direction has a
상기 밸브(30)는 외부로부터 전기신호를 받아 개폐되는 솔레노이드형 밸브로서, 필요시 고정튜브(23a,25a,27a,29a)을 통과하는 유체의 흐름을 조절하거나 차단한다.The
또한 상기 커넥터(32a,32b)는 외력에 의해 분리 및 결합이 가능한 방식의 접속 부속으로서, 두 개가 하나의 쌍을 이룬다. 특히 상기 커넥터(32a,32b)를 분리하면 분리되는 순간 실링이 이루어지고, 분리되어 있던 커넥터(32a,32b)를 서로에 대해 결합시키면 결합 순간 개방되어 고정튜브(23a,25a,27a,29a)을 연통시킨다. In addition, the
한편, 상기 스택(31)은 박스의 형태를 취하며 후술할 내부레일(33)에 슬라이딩 이동 가능하게 받쳐진다. 또한, 상기 스택(31)의 전면 즉, 단열도어(39)를 향하는 면에는 인출걸이부(31a)가 마련되어 있다. 상기 인출걸이부(31a)는 스택인출기구(45)의 후크부(45a)에 걸리는 부분이다. 상기 스택인출기구(45)를 이용해 인출걸이부(31a)를 걸어 스택(31)을 인출할 수 있는 것이다.On the other hand, the
도 4는 상기 스택인출막대(45)를 별도로 도시한 도면이다.4 is a view showing the stack pull-out
도 4를 먼저 참조하면, 상기 스택인출막대(45)는, 길이방향으로 연장된 연장로드부(45b)와, 상기 연장로드부(45b)의 선단부에 구비된 후크부(45a)와, 상기 연장로드부(45b)의 후단부에 고정되어 있는 손잡이(45c)로 구성되어 있음을 알 수 있다. 상기 스택인출막대(45)는, 상기 메인챔버(13) 내에 수용되어 있는 스택(31)을 익스체인지챔버(15)로 끌어내는 도구이다.Referring first to FIG. 4, the
아울러, 상기 스택인출막대(45)의 후크부(45a)는 연장로드부(45b)와 일체를 이루며 그 형상은 인출걸이부(31a)를 용이하게 걸어 끌어 낼 수 있도록 적절히 형성된다.In addition, the
다시 도 1을 통해 연료전지장치(11)의 설명을 계속하기로 한다.The description of the
상기 메인챔버(13)는 그 내부에서 전력을 생산하는 전력생산부로서, 외부에 대해 밀폐되고 일측에 다수의 단열도어(39)를 갖는다. 상기 메인챔버(13) 내부의 온도는 700℃ 이상으로 유지된다.The
상기 단열도어(39)는 그 두께 방향으로 열이 빠져나가지 않도록 단열능력을 갖는 판상부재로서, 상하단부가 이를테면 문틀(40)에 지지된 상태로 슬라이딩 운동한다. 본 실시예에서 적용되는 단열도어(39)는 도 1 및 도 6에 적용된 단열도어와 도 2 및 도 7에 도시한 (홈부(39c)가 형성되어 있는) 단열도어의 두 가지 타입이다. 도 7에 도시한 단열도어(39)는 도 6의 단열도어와 동일하며 다만 서로에 대해 인접하는 인접부에 다수의 홈부(39c)를 갖는다.The
여하튼, 상기 단열도어(39)는 두 개가 하나의 쌍을 이루는 미닫이형 도어로서, 상하단부에 슬라이딩돌기(39a)를 갖는다. 상기 슬라이딩돌기(39a)는 일정폭 및 돌출높이를 갖는 선형돌출부로서 문틀(40)에 형성되어 있는 지지슬릿(40a)에 슬라이딩 이동가능 하게 삽입된다.In any case, the insulating
또한 각 단열도어(39)의 하단면에는 랙기어부(39b)가 구비되어 있다. 상기 랙기어부(39b)는 후술할 구동기어(도 6의 49a)에 치합하는 기어로서, 구동기어(49a)의 회전에 의해 수평방향으로 이동하며 단열도어(39)를 개폐한다.Moreover, the
상기 문틀(40)은 수평방향으로 연장된 직선형 부재로서, 상호 평행하게 이격 배치되고 그 사이에 단열도어(39)를 슬라이딩 이동 가능하게 지지한다. 상기 단열도어(39)를 슬라이딩 가능하게 지지할 수 있도록, 각 문틀(40)의 내측부에는 단열도어(39)의 슬라이딩돌기(39a)를 수용 지지하는 지지슬릿(40a)이 마련되어 있다. The
상기 지지슬릿(40a)은 슬라이딩돌기(39a)를 수용하며 단열도어(39)의 개폐시 단열도어의 흔들림을 방지하며 단열도어가 완전히 개방된 상태에서 단열도어의 처짐을 방지한다.The
한편, 상기 단열도어(39)를 개폐하기 위한 개폐수단의 일 일예로서 모터(도 6의 49)와 구동기어(49a)를 적용할 수 있다.On the other hand, as an example of the opening and closing means for opening and closing the
도 6은 상기 도 1에 도시한 단열도어(39)의 기본 구조와 작동방식을 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining the basic structure and operation of the
도시한 바와같이, 메인챔버(13)에 다수의 문틀(40)이 구비되어 있고, 각 문틀(40)의 사이에 단열도어(39)가 슬라이딩 이동 가능하게 장착되어 있다. 상기 단열도어(39)는 미닫이형 도어로서 메인챔버(13)의 내부공간을 외부에 대해 차단한다.As shown in the drawing, a plurality of
또한 상기 각 단열도어(39)의 하부에는, 단열도어의 개폐수단으로서 모터(49)와 구동기어(49a)가 설치된다. 상기 모터(49)는 메인챔버(13)에 고정된 상태로 토크를 발생하여 구동기어(49a)를 회전시킨다. 상기 메인챔버(13)에 대한 모터(49)의 고정은 임의의 여하한 방식을 적용할 수 있다.In addition, a
상기 구동기어(49a)는 각 단열도어(39) 하부의 랙기어부(39b)에 치합한 상태로 회전하여 단열도어(39)를 화살표 a방향 및 그 반대방향으로 슬라이딩 이동 시켜 개폐한다. 아울러 상기 각 문틀(40)에는 단열도어(39)의 최대 개방 정도를 제한하여, 단열도어가 그 이상 더 열리지 못하게 하는 별도의 스토퍼(미도시)를 설치할 수 있다. The
한편, 도 1에 도시한 바와같이, 상기 메인챔버(13)의 내부에는 각각의 스택(31)을 받쳐 지지하는 다수의 내부레일(33)과, 스토퍼(37)와, 지지플레이트(35)가 고정되어 있다. On the other hand, as shown in Figure 1, the interior of the
상기 내부레일(33)은 각 스택(31)을 슬라이딩 이동 가능하게 수평 지지한다. 특히 각 내부레일(33)은, 이를테면 단열도어(39)를 개방한 상태로 스택(31)을 메인챔버(13) 외부로 인출할 수 있도록 단열도어(39)에 일대일 대응 배치된다. 상기 스택(31)의 이동경로상에 단열도어(39)가 위치하는 것이다. 상기 스택(31)을 슬라이딩 이동 가능하게 지지할 수 있는 한, 내부레일(33)의 구조나 설치위치도 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다.The
상기 스토퍼(37)는 내부레일(33)에 대한 스택(31)의 위치를 결정하기 위한 부재이다. 즉, 후술하는 바와같이, 익스체인지챔버(15)에서 메인챔버(13)로 원위치하는 스택(31)의 이동경로의 최종지점에 위치하여, 스택(31)이 그 이상 더 이동하지 못하게 하는 것이다. 상기 스토퍼(31)의 작용에 의해, 스택(31)은 내부레일(33) 상의 일정 지점에 정위치 될 수 있다.The
아울러 상기 지지플레이트(35)는 상기 내부레일(33)에 대해 수직으로 세워진 판상부재로서, 후술할 고정튜브(23a,25a,27a,29a)와 전력선(도 3의 47)의 단부를 고정하는 역할을 한다. 이를 위하여 상기 지지플레이트(35)에는 다수의 지지구멍(35a)과 전력선지지구멍(35b)이 형성되어 있다.In addition, the
도 5에 상기 내부레일(33)과 스토퍼(37)와 지지플레이트(35)를 후술할 외부레일(43)과 함께 도시하였다.In FIG. 5, the
도 5에 도시한 바와같이, 상기 내부레일(33)은 대략 ㄴ 자로 절곡된 단면형태를 취하며 두 개가 평행하게 연장되어 있다. 상기 내부레일(33)은, 스택(31)의 저면을 받치는 지지면부(33a)와, 스택(31)의 측면을 지지하는 측벽부(33b)를 갖는다. 상기 지지면부(33a)와 측벽부(33b)는 스택의 하단 양측 모서리부를 수용하여, 슬라이딩 이동하는 스택(31)이 측방향으로 밀리지 않게 안정적으로 지지한다.As shown in FIG. 5, the
또한 상기 스토퍼(37)는 내부레일(33)의 후단부(단열도어(39)의 반대측)에 고정되는 블록형 부재로서 내부레일(33)을 따라 화살표 b 방향으로 진입하는 스택의 이동을 멈춤으로써, 내부레일(33) 상의 일정 지점에 스택을 정위치 시킨다.In addition, the
상기 지지플레이트(35)는 내부레일(33)의 후단부에 세워진 일정두께의 플레이트형 부재로서, 네 개의 지지구멍(35a)과 하나의 전력선지지구멍(35b)을 갖는다.The
상기 지지구멍(35a)은 각 고정튜브(23a,25a,27a,29a)를 통과시킨 상태로 고정하거나, 도 2에 도시한 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)를 통과시키는 통로이다. 상기 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)는 고정튜브(23a,25a,27a,29a)를 대신하여 사용하는 휘어질 수 있는 파이프로서, 고정튜브보다 작은 직경을 가진다. 따라서 상기 지지구멍(35a)을 통과한 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)는, 지지구멍(35a)에 걸쳐진 상태로 길이방향으로 이동 가능하다.The
상기 전력선지지구멍(35b)은, 전력선(도 3의 47)의 분기된 단부를 고정하는 구멍이다. 상기 전력선(47)은 각 스택(31)에서 생산된 전력을 외부의 전력변환기로 전달하는 것으로서, 도 3에 도시한 바와같이 지지플레이트(35)에 고정된 상태로 접속커넥터(47a,47b)를 통해 각각의 스택(31)에 접속된다.The power
상기 전력선(47)은 각 스택을 향해 분기된 상태로 지지플레이트(35)를 통과하여 스택(31)에 접속된다. 또한, 상기 지지플레이트(35)와 스택(31)의 사이에는 접속커넥터(47a,47b)가 위치한다.(도 3 참조) 상기 접속커넥터(47a,47b)는 스택(31)을 메인챔버(13) 외부로 인출할 때 분리되고, 메인챔버(13) 내부로 원위치 시킬 때 재 접속한다.The
아울러, 도 3에서는 상기 전력선(47)이 하나의 선으로 표현되어 있지만, 상기 전력선(47)내에, 상호 절연된 (+)전력선과 (-)전력선이 포함됨은 물론이다. 상기 전력선(47)의 타단부는 메인챔버(13)의 외부로 연장되어 전력변환기(미도시)에 연결된다.In addition, although the
상기 외부레일(43)은, 상기 단열도어(39)를 사이에 두고 내부레일(33)의 일직선상에 배치되는 것으로서, 내부레일(33)과 마찬가지로 ㄴ 자로 절곡된 단면형상을 취한다. 즉, 스택(31)의 저면을 받쳐 지지하는 지지면부(43b)와, 스택(31)의 측부를 지지하는 측벽부(43c)를 가져, 스택(31)의 하단부 양측 모서리부를 안정적으로 수용 지지한다.The
한편, 도 1 및 도 3에 도시한 바와같이, 상기 각 고정튜브(23a,25a,27a,29a)와 전력선(47)이 지지플레이트(35)에 고정된 상태로 각 스택(31)에 연결되어 있다. 특히 상기 고정튜브(23a,25a,27a,29a)의 커넥터(32a,32b)와 전력선(47)의 접속커넥터(47a,47b)는 지지플레이트(35)와 스택(31)의 사이에 위치한다.Meanwhile, as shown in FIGS. 1 and 3, each of the fixing
따라서 상기 단열도어(39)를 개방한 상태로 스택인출기구(45)를 이용해 스택(31)을 당기면, 상기 커넥터(32a,32b,47a,47b)가 분리되어 스택(31)을 익스체인지챔버(15)로 인출할 수 있게 된다. 상기 고정튜브의 커넥터(32a,32b)는 분리되는 순간 실링이 이루어지므로 고정튜브(23a,25a,27a,29a)을 흐르던 유체가 외부로 누출될 염려가 없다.Accordingly, when the
상기 익스체인지챔버(15)는, 메인챔버(13)와 마찬가지로 박스의 형태를 취하며, 상기 단열도어(39)를 사이에 두고 메인챔버(13)에 고정되는 것으로서, 도 10에 도시한 형태를 취한다.The
도 10에 도시한 바와같이, 상기 익스체인지챔버(15)는, 상기 스택(31)을 수용하기 위한 내부공간(15g)을 제공하는 챔버케이스(15r)와, 상기 챔버케이스(15r)에 대해 슬라이딩 결합하여 내부공간(15g)을 밀폐하는 다수의 슬라이딩커버(15v)를 포함한다. 당연히 상기 슬라이딩커버(15v)의 개수는 스택(31)의 개수와 동일하다. As shown in FIG. 10, the
상기 슬라이딩커버(15v)를 챔버케이스(15r)에 완전히 장착하면, 익스체인지챔버(15)는 상기 메인챔버(13)를 향해서만 개방된 상태가 된다. 또한 상기 슬라이딩커버(15v)를 화살표 d 방향으로 인출하면, 상기 내부공간(15g)이 개방된다. When the sliding
상기 챔버케이스(15r)는, 서로에 대해 평행하게 연장되며 상하로 배치되는 다수의 챔버슬라이더부(15f)와, 상기 챔버슬라이더부(15f)를 일정간격으로 유지시키는 다수의 기둥부(15s)로 구성된다. 또한 최상층 챔버슬라이더부(15f)에는 상판부(15w)가 마련되어 있고, 최하측 챔버슬라이더부(15f)에는 바닥판부(15x)가 일체로 형성되어 있다.The
특히 상기 상판부(15w)와 바닥판부(15x)에는 히터(41)가 장착된다. 상기 히터(41)는 익스체인지챔버(15)의 내부공간을 가열하기 위한 것으로서, 그에 관한 설명은 후술하기로 한다.In particular, the
상기 각 챔버슬라이더부(15f)는 일정폭 및 두께를 갖는 띠형 부재로서, 폭방향으로 세워진 상태로 두 개씩 같은 높이에 위치한다. Each of the
또한 각 챔버슬라이더부(15f)의 상부와 하부에는 슬라이딩홈(15n)이 형성되어 있다. 상기 슬라이딩홈(15n)은 일정폭 및 깊이를 갖는 슬릿형 홈으로서, 슬라이딩커버(15v)의 측벽부(15t)의 상단부와 하단부를 수용한다. 상기 측벽부(15t)는 챔버슬라이더부(15f)에 지지된 상태로, 챔버슬라이더부(15f)의 길이방향을 따라 슬라이딩 이동 가능하다.In addition, sliding
상기 기둥부(15s) 중에서 일부 기둥부(15s) 즉, 상기 메인챔버(13)에 접하는 기둥부(15s)에는 삽입홈(15p)이 형성되어 있다. 상기 삽입홈(15p)은 슬라이딩홈(15n)과 만나는 홈으로서 상기 측벽부(15t)의 길이방향 단부를 수용한다.An
따라서, 상기 슬라이딩홈(15n)과 삽입홈(15p)에 측벽부(15t)의 테두리부가 완전히 삽입됨에 따라, (메인챔버(13)에 결합하고 있는 상태의) 익스체인지챔버(15)의 내부공간(15g)이 완벽히 밀폐될 수 있다.Accordingly, as the edge portion of the
도면부호 15k 는 결합플렌지이다. 상기 결합플렌지(15k)는 상판부(15w)상면에 고정되어 있는 철편으로서, 메인챔버(13)의 상부에 구비되어 있는 플렌지부(도 9의 13b)와 면접 결합하는 부분이다.
한편, 상기 슬라이딩커버(15v)는, 상기 챔버슬라이더부(15f)에 끼워지는 일정두께의 측벽부(15t)와, 상기 측벽부(15t)의 일단부에 고정되는 전면벽부(15u)로 이루어진다. 상기 측벽부(15t)는 일정두께 및 폭을 갖는 금속판으로서, 상기 슬라이딩홈(15n)에 끼워진 상태로 슬라이딩 운동이 가능하다.On the other hand, the sliding
상기 전면벽부(15u)는, 측벽부(15t)의 일단부에 고정되는 사각판으로서, 상기 측벽부(15t)의 단부가 삽입홈(15p)에 삽입된 상태에서 챔버슬라이더부(15f)의 전면에 밀착하여 내부공간(15g)을 밀폐시킨다. 상기 슬라이딩커버(15v)가 챔버케이스(15r)에 완전히 삽입된 상태로, 위아래의 전면벽부(15u)는 상호 긴밀하게 접한다.The
또한 상기 전면벽부(15u)에는 액세스홀(15a)이 형성되어 있다. 상기 액세스홀(15a)은 상기 스택인출기구(45)의 후크부(45a)와 연장로드부(45b)를 통과시키는 구멍으로서, 그 뒤쪽에 마개(도 1의 15b)를 갖는다.In addition, an
상기 마개(15)는 도 1에 도시한 바와같이, 전면벽부(15u)의 배면에 구비되어 있는 힌지(15d)에 회동축(15c)으로 연결되어 상하로 회동하는 부재로서, 하부로 회동한 상태로 상기 액세스홀(15a)을 차단한다. 아울러 마개(15)가 상하 회동 가능하므로, 상기 스택인출기구(45)를 액세스홀(15a)로 진입시키면 뒤로 밀리며 개방된다.As shown in FIG. 1, the
도 2는 상기 도 1에 도시한 연료전지장치(11)의 다른 예를 도시한 구성도이다.FIG. 2 is a diagram illustrating another example of the
도면을 참조하면, 상기 연료공급관(23)과 연료배출관(25)과 공기공급관(27)과 공기배출관(29)이 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)를 통해 스택(31)에 연결되어 있음을 알 수 있다. 상기 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)는 충분한 길이를 가져 스택(31)을 익스체인지챔버(15) 측으로 인출할 때, 스택(31)에 딸려 나간다. 이 때 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)가 상기 지지구멍(35a)을 통과함은 물론이다. Referring to the drawings, the
특히, 상기 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)은 메인챔버(13)의 내부에서 다른 부분에 접하지 않는다. 즉 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)가 서로 닿거나 또는 박스 내부의 다른 구성 요소들과 접하지 않는 것이다. 이를 위하여 각각의 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)를 서로에 대해 격리하는 별도의 격리수단(미도시) 가령 브라켓이나 칸막이 등이 얼마든지 적용될 수 있다.In particular, the
아울러 연료와 공기를 유동시킬 수 있는 한, 상기 플렉시블튜브 이외에 다른 방식의 관을 얼마든지 적용할 수 도 있다. 이를테면 길이조절이 가능한 텔레스코픽 파이프(telescopic pipe)나, 신축관 등을 설치할 수 도 있는 것이다. In addition, as long as the fuel and air can flow, other types of tubes other than the flexible tube may be applied. For example, telescopic pipes or telescopic pipes can be installed.
한편, 도 2에 도시한 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)가 적용된 핫박스장치(17)에 적용된 단열도어(39)는 도 7에 도시한 형태를 취한다.Meanwhile, the
도 7은 상기 도 2에 도시한 단열도어(39)를 메인챔버(13)와 함께 도시한 도면이고, 도 8은 상기 단열도어(39)를 별도로 나타내 보인 사시도이다.FIG. 7 is a view illustrating the insulating
도시한 바와같이, 상기 단열도어(39)의 상호 접하는 접합부에 네 개씩의 홈부(39c)가 형성되어 있다. 상기 홈부(39c)는, 단열도어(39)가 닫혔을 때 관통로를 제공하여 그 내부로 상기 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)를 통과시킨다. As shown in the drawing, four
이와같이 단열도어(39)에 홈부(39c)가 형성되어 있으므로 도 2에 도시한 바와같이, 스택(31)을 익스체인지챔버(15)로 인출한 상태에서 단열도어(39)를 닫을 수 있는 것이다.Thus, since the
도 9는 상기 도 2에 도시한 메인챔버(13)와 익스체인지챔버(15)를 분리하여 일부 도시한 부분 사시도이다.FIG. 9 is a partial perspective view partially showing the
도시한 바와같이, 상기 메인챔버(13)의 상부에 구비되어 있는 플렌지부(13b)와 익스체인지챔버(15)의 상부에 형성되어 있는 결합플렌지(15k)를 상호 맞댄 상태로, 구멍(13c,15m)에 볼트(51a)를 끼우고 반대편에서 너트(51b)를 죔으로써 메인챔버(13)와 익스체인지챔버(15)를 상호 결합시킬 수 있다. 이러한 결합방식 이외에 얼마든지 다른 결합방식을 적용하여 메인챔버(13)와 익스체인지챔버(15)를 결합시킬 수 도 있음은 물론이다.As shown, holes 13c and 15m in a state in which the
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫박스장치를 이용한 스택교체방법을 (도 1의 연료전지 장치 기준으로) 설명하기 위한 도면이고, 도 12는 상기 스택교체방법을 정리하여 나타낸 순서도이다. FIG. 11 is a view for explaining a stack replacement method using a hot box device (based on the fuel cell device of FIG. 1) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a flowchart illustrating the stack replacement method.
도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 스택교체방법은, 1차가열단계(100)로 시작된다. 상기 1차가열단계(100)는, 익스체인지챔버(15)의 내부에 설치되어 있는 히터(41)를 동작시켜 익스체인지챔버(15) 내부공간(15g)의 온도를, 메인챔버(13)의 내부온도와 같도록 맞추는 과정이다. 이를 위해 상기 익스체인지챔버(15)의 슬라이딩커버(15v)가 완전히 닫혀 있어야 함은 물론이다.(도 11a 참조)As shown, the stack replacement method according to the present embodiment begins with the
상기 1차가열단계(100)가 완료되었다면 단열도어개방단계(102)를 수행한다. 상기 단열도어개방단계(102)는, 도 11b에 도시한 바와같이, 단열도어(39)를 화살표 a방향으로 이동시켜, 메인챔버(13)의 내부공간(13a)과 익스체인지챔버(15)의 내부공간(15g)을 연통시키는 과정이다. 상기 단열도어개방단계(102)시 개방되는 단열도어는, 교체할 스택에 대응하는 단열도어이다. If the
특히, 상기 단열도어개방단계(102) 이전에, 교체할 스택(31)과 연결된 고정튜브의 밸브(30)를 차단해야 한다. 상기 밸브(30)의 차단은, 1차가열단계(100)를 수행하기 전에 해도 무방하다.In particular, before the adiabatic
상기 단열도어(39)가 개방되었다면 스택인출단계(104)를 수행한다. 상기 스택인출단계(104)는, 상기 스택인출기구(45)를 액세스홀(15a)에 삽입해 스택인출기구(45) 선단부의 후크부(45a)를 상기 인출걸이부(31a)에 걸어 화살표 z 방향으로 당기는 과정이다.If the
상기 스택(31)은 스택인출기구(45)에 의해 당겨지며, 상기 내부레일(33)에서 외부레일(43)로 이동하여 익스체인지챔버(15)로 나온다. 이때 상기 커넥터(32a,32b)와 접속커넥터(47a,47b)가 분리됨은 위에 설명한 바와같다. 특히 상기 커넥터(32a,32b)는 분리됨과 동시에 실링되므로, 고정튜브 내부의 가스가 외부로 누출될 염려가 없다.(도 11c 참조)The
상기 고정튜브(23a,25a,27a,29a) 대신, 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)을 사용하는 연료전지 장치의 경우, 상기 플렉시블튜브는 스택(31)에 연결된 상태로 스택의 인출시 함께 딸려 나온다.In the case of a fuel cell device using the
이어서, 단열도어차단단계(106)를 수행한다. 상기 단열도어차단단계(106)는 단열도어(39)를 도 11d에 도시한 화살표 b방향으로 이동시켜, 메인챔버(13)와 익스체인지챔버(15)의 내부공간을 차단하는 과정이다. 이와같이 단열도어(39)로 메인챔버(13)를 차단하므로, 메인챔버(13) 내부의 온도는 일정하게 유지되며 메인챔버 내부의 정상 스택(31)은 계속적으로 동작한다.Subsequently, the adiabatic
상기 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)를 적용하는 연료전지 장치의 경우, 플렉시블튜브가 걸쳐져 있는 상태에서, 단열도어(39)를 차단하더라도, 단열도어(39)에 홈부(도 9의 39c)가 형성되어 있으므로, 단열도어(39)를 완벽하게 차단할 수 있다.In the case of the fuel cell device to which the
상기 단열도어(39)를 차단하였다면 쿨링단계(108)를 통해 익스체인지챔버(15)의 내부 온도를 낮춘다. 상기 1차가열단계(100)를 통해 익스체인지챔버(15)내의 온도가 메인챔버의 내부 온도와 같도록 맞추어져 있으므로, 쿨링단계(108)를 통해 식혀야 어떤 작업이던 할 수 있게 된다.If the
상기 쿨링단계(109)를 통해 익스체인지챔버(15) 내부의 온도가, 교체작업을 할 수 있을 정도로 떨어졌다면, 익스체인지챔버 개방단계(110)가 이어진다. 상기 익스체인지챔버 개방단계(110)는, 상기 슬라이딩커버(15v)를 도 10의 화살표 d 방향으로 빼내어, 챔버케이스(15r)를 측방향으로 개방하는 과정이다. If the temperature inside the
이와같이 슬라이딩커버(15v)를 이동시킴으로써, 도 11e에 도시한 바와같이, 익스체인지챔버(15) 내부로 손이나 작업도구를 넣을 수 있고, 스택(31)을 교체할 수 있게 된다. By moving the sliding
여하튼 상기 익스체인지챔버 개방단계(110)를 통해, 익스체인지챔버의 내부공간이 열렸다면, 교체단계(112)를 수행한다. 상기 교체단계(112)는 스택(31)을 교체하거나 스택 주변 부품을 유지보수 하는 과정을 포함한다.In any case, if the internal space of the exchange chamber is opened through the exchange
특히, 상기 교체단계(112)는, 도 2에 도시한 플렉시블튜브를 사용한 연료전지 장치의 경우, 각 플렉시블튜브(23e,25e,27e,29e)를 스택(31)으로부터 분리하고, 새로운 스택(31)에 다시 연결하는 과정을 포함한다.In particular, the
상기 과정을 통해 스택(31)의 교체가 이루어졌다면, 상기 슬라이딩커버(15v)를 다시 닫아 익스체인지챔버(114)를 밀폐시키는 익스체인지챔버 밀폐단계(114)를 수행한다. 상기 익스체인지밀폐단계(114)를 통해 익스체인지챔버(15)의 내부공간은 외부에 대해 완전히 밀폐된다.When the
이어서 2차가열단계(116)를 진행한다. 상기 2차가열단계(116)는 상기 히터(41)를 다시 가동하여, 익스체인지챔버(15)의 내부 온도를 메인챔버(13)의 내부 온도에 맞추는 과정이다.Subsequently, the
익스체인지챔버(15)의 내부 온도가 700℃이상으로 상승하여 메인챔버(13)의 내부 온도에 맞추어졌다면, 시운전단계(117)를 통해 새로이 교체된 스택(31)의 이상 유무를 판단한다. When the internal temperature of the
상기 시운전단계(117)를 마쳤다면 단열도어개방단계(118)를 통해 단열도어(118)를 개방한 후, 상기 스택인출기구(45)를 이용해 스택(31)을 메인챔버(13) 내부로 밀어넣는 스택안착단계(120)를 진행한다. 상기 스택안착단계(120)를 완료함에 따라 그동안 분리되었던 커넥터(32a,32b)와 접속커넥터(47a,47b)가 다시 결합하여, 고정튜브가 연통하고 스택이 외부의 전력변환기와 접속하게 된다.After completing the
상기 과정을 통해 교체된 스택(31)이 메인챔버(13)에 정위치 되었다면, 단열도어차단단계(122)를 통해 단열도어(39)를 닫아 메인챔버(15)를 밀폐한다.When the
상기 메인챔버(15)가 밀폐된 후에는 익스체인지챔버쿨링단계(124)를 수행한다. 상기 익스체인지챔버쿨링단계(124)는 시운전을 위해 가열되었던 익스체인지챔버(15)의 내부공간(15g)을 식히는 과정이다. 상기 익스체인지챔버쿨링단계(124)의 쿨링방식은 상기 슬라이딩커버(15v)를 개방한 상태로 자연냉각이나 공냉 방식으로 진행할 수 있다.After the
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명의 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.As mentioned above, the present invention has been described in detail through specific embodiments, which are intended to specifically describe the present invention, but the present invention is not limited thereto, and one having ordinary skill in the art within the technical idea of the present invention. It is apparent that the deformation and improvement can be made by.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications and variations of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be apparent from the appended claims.
11:연료전지장치 13:메인챔버 13a:내부공간
13b:플렌지부 13c:구멍 15:익스체인지챔버
15a:엑세스홀 15b:마개 15c:회동축
15d:힌지 15f:챔버슬라이더부 15g:내부공간
15k:결합플렌지 15m:구멍 15n:슬라이딩홈
15p:삽입홈 15r:챔버케이스 15s:기둥부
15t:측벽부 15u:전면벽부 15v:슬라이딩커버
15w:상판부 15x바닥판부 17:핫박스장치
19:개질기 및 열교환부 21:공급관 23:연료공급관
23a:고정튜브 23e:플렉시블튜브 25:연료배출관
25a:고정튜브 25e:플렉시블튜브 27:공기공급관
27a:고정튜브 27e:플렉시블튜브 29:공기배출관
29a:고정튜브 29e:플렉시블튜브 30:밸브
32a,32b:커넥터 31:스택 31a:인출걸이부
33:내부레일 33a:지지면부 33b:측벽부
35:지지플레이트 35a:지지구멍 35b:전력선지지구멍
37:스토퍼 39:단열도어 39a:슬라이딩돌기
39b:랙기어부 39c:홈부 40:문틀
40a:지지슬릿 41:히터 43:외부레일
43b:지지면부 43c:측벽부 45:스택인출기구
45a:후크부 45b:연장로드부 45c:손잡이부
47:전력선 47a,47b:접속커넥터 49:모터
49a:구동기어 51a:볼트 51b:너트11: Fuel cell device 13:
13b:
15a:
15d:
15k: Combined
15p:
15t:
15w:
19: reformer and heat exchanger 21: supply pipe 23: fuel supply pipe
23a: fixed
25a: fixed
27a: fixed
29a: fixed
32a, 32b: Connector 31:
33:
35:
37: stopper 39:
39b:
40a: support slit 41: heater 43: outer rail
43b:
45a:
47:
49a:
Claims (15)
상기 메인챔버에 수용되는 스택이 이동되며 메인챔버의 내부공간과 연통되는 익스체인지챔버;
상기 메인챔버와 상기 익스체인지챔버의 사이의 상기 스택의 이동경로 상에 구비되고 단열능력을 갖는 단열도어를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.A main chamber in which a plurality of fuel cell stacks are accommodated;
An exchange chamber in which the stack accommodated in the main chamber is moved and in communication with an internal space of the main chamber;
And a heat insulation door provided on the movement path of the stack between the main chamber and the exchange chamber and having a heat insulation capability.
상기 단열도어는, 일측에 개폐수단이 더 구비될 수 있으며, 상기 메인챔버 내에서 상기 익스체인지챔버측에 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.The method of claim 1,
The insulation door may further include an opening and closing means at one side, and the fuel cell apparatus may be installed at the exchange chamber side in the main chamber.
상기 단열도어는 각각의 스택에 일대일 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.The method of claim 1,
The insulating door is a fuel cell device, characterized in that arranged to correspond one to one on each stack.
상기 메인챔버와 익스체인지챔버의 내부에는, 각 스택이 이동되는 스택 이동부가 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지장치.The method of claim 1,
A fuel cell apparatus according to claim 1, wherein a stack moving part for moving each stack is provided inside the main chamber and the exchange chamber.
상기 스택이동부는, 메인챔버와 익스체인지챔버에 스택이 슬라이딩 이동되도록 일직선으로 배치되되 상기 단열도어가 배치되는 소정의 공간에서 단절되는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.The method of claim 4, wherein
The stack moving unit is disposed in a straight line so that the stack is slidably moved between the main chamber and the exchange chamber, and the fuel cell apparatus is disconnected in a predetermined space in which the adiabatic door is disposed.
상기 각 스택의 외측면에는 인출걸이부가 더 구비되며, 메인챔버내에 수용되어 있는 상기 스택을 익스체인지챔버 측으로 인출하기 위한 스택인출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.The method of claim 1,
An outer side of each stack is further provided with a take-out hook portion, the fuel cell device characterized in that it further comprises a stack take-out for drawing the stack accommodated in the main chamber to the exchange chamber side.
상기 메인챔버에 수용되는 스택이 이동되며 메인챔버의 내부공간과 연통되는 익스체인지챔버;
상기 메인챔버와 상기 익스체인지챔버의 사이에 구비되는 단열도어; 및
상기 각 스택의 외측면에는 인출걸이부가 더 구비되며, 메인챔버내에 수용되어 있는 상기 스택을 익스체인지챔버 측으로 인출하기 위한 스택인출부;를 포함하고,
상기 익스체인지챔버에는, 상기 스택인출부를 익스체인지챔버의 내부로 받아들여 통과시키는 액세스홀이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.A main chamber in which a plurality of fuel cell stacks are accommodated;
An exchange chamber in which the stack accommodated in the main chamber is moved and in communication with an internal space of the main chamber;
An insulating door provided between the main chamber and the exchange chamber; And
Includes a withdrawal hook portion is further provided on the outer surface of each stack, the stack withdrawing portion for withdrawing the stack accommodated in the main chamber to the exchange chamber side,
And said exchange chamber is provided with an access hole for receiving said stack lead out inside said exchange chamber.
상기 익스체인지챔버는;
상기 메인챔버에 대해 고정되며 상기 스택을 그 내부로 받아들이는 내부공간을 갖는 챔버케이스와,
상기 챔버케이스에 슬라이딩 이동가능하게 끼워져 챔버케이스의 내부공간을 밀폐하고, 필요시 슬라이딩 이동하여 상기 내부공간을 외부로 개방시키는 슬라이딩커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.The method of claim 1,
The exchange chamber;
A chamber case fixed to the main chamber and having an inner space for receiving the stack therein;
A fuel cell apparatus comprising a sliding cover fitted to the chamber case to be slidably movable to seal the inner space of the chamber case, and slidingly moving when necessary to open the inner space to the outside.
상기 메인챔버에 수용되는 스택이 이동되며 메인챔버의 내부공간과 연통되는 익스체인지챔버;
상기 메인챔버와 상기 익스체인지챔버의 사이에 구비되는 단열도어를 포함하고,
상기 익스체인지챔버에는, 익스체인지챔버의 내부온도를 메인챔버의 내부온도에 맞추기 위한 히터가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.A main chamber in which a plurality of fuel cell stacks are accommodated;
An exchange chamber in which the stack accommodated in the main chamber is moved and in communication with an internal space of the main chamber;
Insulating door is provided between the main chamber and the exchange chamber,
The exchange chamber further comprises a heater for adjusting the internal temperature of the exchange chamber to the internal temperature of the main chamber.
상기 메인챔버의 내부에는; 그 일단부가 각 스택에 접속되고 타단부는 메인챔버 외부로 연장된 전력선이 구비되고,
상기 전력선에는, 상기 스택이 익스체인지챔버로 인출될 때 분리되고, 스택이 메인챔버로 위치될 때 접속되는 커넥터가 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지장치.The method of claim 1,
An interior of the main chamber; One end is connected to each stack and the other end is provided with a power line extending out of the main chamber,
And the power line is provided with a connector which is separated when the stack is drawn out to the exchange chamber and is connected when the stack is positioned as the main chamber.
상기 메인챔버의 내부에는;
외부로부터 공급된 연료를 각각의 스택에 공급하고 밸브에 의해 개폐가능한 연료공급관과,
상기 스택으로부터 배출된 배출물을 외부로 유도하는 연료배출관과,
각 스택에 공기를 공급하는 공기공급관과,
상기 스택으로부터 배출된 미반응 공기를 외부로 유도하는 공기배출관이 더 구비되며,
상기 연료공급관과, 연료배출관과, 공기공급관과, 공기배출관에는, 스택이 익스체인지챔버로 이동할 때 분리 및 실링되고, 스택이 메인챔버로 원 위될 때 접속 및 개방되는 커넥터가 더 구비되거나, 상기 연료공급관과, 연료배출관과, 공기공급관과, 공기배출관의 단부는 스택에 연결되어, 스택의 인출시, 스택에 연결된 상태로 단열도어의 외부로 인장되고, 상기 단열도어에는, 상기 스택이 익스체인지챔버로 이동한 상태로 단열도어를 닫을 수 있도록, 상기 연료공급관과 연료배출관과 공기배출관과 공기공급관을 수용하는 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.The method of claim 1,
An interior of the main chamber;
A fuel supply pipe for supplying fuel supplied from the outside to each stack and opening and closing by a valve;
A fuel discharge pipe leading the discharge discharged from the stack to the outside;
An air supply pipe for supplying air to each stack,
Further provided with an air discharge pipe for guiding the unreacted air discharged from the stack to the outside,
The fuel supply pipe, the fuel discharge pipe, the air supply pipe, and the air discharge pipe are further provided with a connector that is separated and sealed when the stack moves to the exchange chamber, and connected and opened when the stack is moved to the main chamber, or the fuel supply pipe And, the fuel discharge pipe, the air supply pipe, and the ends of the air discharge pipe are connected to the stack, and when the stack is taken out, is pulled out of the heat insulation door in a state connected to the stack, and in the heat insulation door, the stack moves to the exchange chamber. And a groove accommodating the fuel supply pipe, the fuel discharge pipe, the air discharge pipe, and the air supply pipe so as to close the insulating door in one state.
상기 1차가열단계의 완료 후 단열도어를 개방하는 단열도어 1차개방단계와;
상기 단열도어가 개방된 상태로 메인챔버 내부의 스택을 익스체인지챔버의 내부로 이동시키는 스택인출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 관리방법.A primary heating step of adjusting the internal temperature of the exchange chamber to the internal temperature of the main chamber;
A first opening step of the insulating door to open the insulating door after completion of the first heating step;
And a stack pull-out step of moving the stack inside the main chamber into the exchange chamber while the adiabatic door is opened.
상기 스택이 익스체인지챔버로 인출된 후 단열도어를 차단하는 단열도어 1차차단단계와,
익스체인지챔버의 온도를 낮추는 쿨링단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 관리방법.The method of claim 12,
A first insulation blocking step of blocking the insulation door after the stack is drawn out to the exchange chamber;
And a cooling step of lowering the temperature of the exchange chamber.
상기 익스체인지챔버내로 인출된 스택을 보수 또는 교체하는 스택 정비단계를 더 포함할 수 있으며,
상기 정비단계가 완료된 후 상기 익스체인지챔버의 내부 온도를 상기 메인챔버의 내부와 맞추는 2차가열단계와;
상기 2차가열단계 후 상기 단열도어를 개방하는 단열도어 2차개방단계와, 상기 보수 또는 교체된 스택을메인챔버 내부로 위치시키는 스택안착단계를 더 포함할 수 있으며,
상기 스택안착단계를 통해 스택이메인챔버에안착된 후, 상기 단열도어를 차단하는 단열도어 2차차단단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 관리방법.The method of claim 12,
It may further include a stack maintenance step of repairing or replacing the stack drawn into the exchange chamber,
A secondary heating step of matching the internal temperature of the exchange chamber with the interior of the main chamber after the maintenance step is completed;
After the secondary heating step may further include a secondary door opening step of opening the insulating door, the stack seating step of positioning the repaired or replaced stack into the main chamber,
And a second insulation blocking step for blocking the insulation door after being seated in the stack main chamber through the stack seating step.
상기 정비단계가 완료된 후, 스택을 익스체인지챔버내에서 시운전 하는 시운전단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 관리방법.The method of claim 13,
And a commissioning step of commissioning the stack in the exchange chamber after the maintenance step is completed.
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