KR102416106B1 - 멀티-스택 연료 전지 시스템 및 열교환기 어셈블리 - Google Patents

멀티-스택 연료 전지 시스템 및 열교환기 어셈블리 Download PDF

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Abstract

멀티-스택 연료 전지 시스템은, 내부 챔버를 획정하는 상측 및 하측 하우징으로서, 대응하는 연료 전지의 상측 및 하측 스택이 배치되는 상측 및 하측 하우징을 포함한다. 열교환기 어셈블리가 상기 내부 챔버에 유동 관계로 연결된다. 상기 열교환기 어셈블리는, 상기 하우징의 외부로부터 유입 연료 및/또는 유입 공기를 수용하고, 연료 전지로부터 유출 연료 및/또는 유출 공기를 수용하도록 구성한다. 열교환기 어셈블리는, 유입 연료 및/또는 유입 공기를 가열하거나, 및/또는 유출 연료 및/또는 유출 공기를 냉각한다. 열교환기 어셈블리는, 상측 하우징과 하측 하우징의 사이에 배치될 수 있다. 상측 하우징, 연료 전지의 상측 스택, 및/또는 열교환기 어셈블리는, 하측 스택의 연료 전지들을 서로 맞닿게 압축하는 데 도움을 줄 수 있다.

Description

멀티-스택 연료 전지 시스템 및 열교환기 어셈블리{MULTI-STACK FUEL CELL SYSTEMS AND HEAT EXCHANGER ASSEMBLIES}
본원에 기술된 대상은 일반적으로 연료 전지 시스템에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 고체-산화물 연료 전지(SOFC) 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는, 발전에 있어서 상대적으로 높은 효율과 낮은 오염도에 대한 가능성을 보여준 전기 화학 에너지 변환 장치이다. 연료 전지는 일반적으로, 예를 들어 인버터를 통해 교류(ac)로 변환될 수 있는 직류(dc)를 제공한다. 직류 또는 교류 전압은, 모터, 조명, 통신 장비 및 다수의 전기 장치 및 시스템에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 연료 전지는 고정식, 반고정식, 또는 이동식 용례들에서 작동할 수 있다. SOFC 등과 같은 특정 연료 전지는, 산업 및 지방 자치단체의 요구를 충족시키기 위해 전기를 제공하는 대규모 전력 시스템에서 작동할 수 있다. 그 밖의 연료 전지들은, 예를 들어 동력 주행 차량 등과 같은 소규모의 이동식 용례들에 유용할 수 있다.
연료 전지는, 이온 전도층을 가로질러 연료와 산화제를 전기 화학적으로 결합함으로써 전기를 생산한다. 연료 전지의 전해질로도 명명되는 상기한 이온 전도층은 액체 또는 고체일 수 있다. 연료 전지의 일반적인 타입은 인산(PAFC), 용융 탄산염(MCFC), 양자 교환 막(PEMFC) 및 고체 산화물(SOFC)을 포함하는데, 이들 모두 그 전해질의 명칭을 따라 명명된다. 실제로, 연료 전지는 통상적으로, 유용한 전압 또는 전류의 전력을 생산하기 위해 연료 전지의 어셈블리에 직렬로 모여 있다.
일반적으로, 연료 전지의 구성요소는 전해질과 2개의 전극을 포함한다. 전기를 생산하는 반응은, 통상적으로 반응의 속도를 높이도록 촉매가 배치되어 있는 전극들에서 일반적으로 일어난다. 전극들은, 화학 반응이 일어나는 표면적을 증대시키기 위해, 채널, 다공성층 등으로서 구성될 수 있다. 전해질은, 대전된 입자를 어느 한 전극으로부터 다른 전극으로 운반하며, 그렇지 않으면 실질적으로 연료와 산화제 모두에 대해 불투과성이다.
통상적으로, 연료 전지는 수소(연료) 및 산소(산화제)를 물(부산물)로 변환하여 전기를 생산한다. 부산물인 물은, 고온 작동에서 연료 전지를 증기의 상태로 빠져나갈 수 있다. 이와 같이 방출된 증기(및 다른 고온의 배출 성분)는 추가적인 전기 또는 전력을 발생시키기 위해 터빈 및 다른 용례에서 이용되어, 발전의 효율이 증대될 수 있다. 공기가 산화제로서 이용되는 경우, 공기 중의 질소는 실질적으로 불활성이며 통상적으로 연료 전지를 통과한다. 수소 연료는 탄소계 공급 원료의 현장 변성(예를 들어, 현지 증기 변성) 또는 원격지 변성을 통해, 예를 들어 보다 용이하게 입수 가능한 천연 가스와 다른 탄화수소 연료 및 공급 원료의 변성 등을 통해, 제공될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는, 천연 가스, 메탄, 에탄, 프로판, 메탄올 및 다른 탄화수소 등이 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
일부 연료 전지 시스템은, 연료 전지를 상하로 차곡차곡 적층함으로써 서로 직렬로 연결된 복수의 연료 전지를 포함한다. 연료 전지들 사이에서 틈이나 연료 또는 공기의 다른 흐름 경로를 방지하기 위해, 연료 전지들은 타이트하게 결합될 필요가 있을 수 있다. 이러한 틈이나 흐름 경로는 연료 전지의 전체 스택의 열화 및 고장을 초래할 수 있다.
탄화수소 연료를 전기 에너지로 변환하는 복합 사이클 연료 시스템의 효율은, 연료 및/또는 공기를 연료 및 공기의 공급원들로부터 연료 전지로 전달하는 동안에 열을 잃는, 시스템 내의 손실 메커니즘에 의해 제한된다. 통상적으로, 상기한 공급원들은 연료 전지로부터 멀리 배치되어 있어, 연료 및/또는 공기에 대한 이송 경로가 길어진다. 연료 및 공기는 연료 전지에서의 반응을 위해 가열되므로, 연료 및 공기를 전달하는 데 사용되는 도관은, 연료 전지로의 이송 중의 연료 및 공기의 열손실을 감소시키기 위한 도관의 절연 재료 및 설계로 인해 고가일 수 있다.
일 실시형태에서, 멀티-스택 연료 전지 시스템은, 연료 전지의 상측 스택이 배치되는 상측 내부 챔버를 획정하는 상측 하우징과, 연료 전지의 하측 스택이 배치되는 하측 내부 챔버를 획정하는 하측 하우징을 포함한다. 상측 하우징과 연료 전지의 상측 스택의 하중이, 하측 하우징 내부의 하측 스택의 연료 전지들을 압축하도록, 상측 하우징이 하측 하우징 위에 배치된다.
일 실시형태에서, 멀티-스택 연료 전지 시스템은, 하나 이상의 연료 전지의 스택이 배치되는 하나 이상의 내부 챔버를 획정하는 하나 이상의 하우징과, 하나 이상의 하우징의 하나 이상의 내부 챔버와 유동 관계로 연결되어 있는 열교환기 어셈블리를 포함한다. 열교환기 어셈블리는, 하나 이상의 하우징의 외부로부터 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상을 수용하고, 하나 이상의 하우징 내의 연료 전지로부터 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상을 수용하도록 구성되어 있다. 열교환기 어셈블리는, 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상의 가열, 또는 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상의 냉각 중 하나 이상을 행하도록 구성되어 있다.
일 실시형태에서, 방법은, 연료 전지의 하측 스택이 그 안에 배치되어 있는 하측 하우징에 열교환기 어셈블리를 연결하는 단계와, 연료 전지의 상측 스택이 그 안에 배치되어 있는 상측 하우징을 상기 열교환기 어셈블리에 연결하는 단계를 포함한다. 상측 하우징 내의 연료 전지의 상측 스택의 하중이 하측 스택 내의 연료 전지들을 서로 맞닿게 압축하도록, 열교환기 어셈블리가 상측 하우징 및 하측 하우징에 연결되어 있다.
본 발명의 대상은 첨부 도면을 참조로 하여 비제한적인 실시형태들에 대한 이하의 설명을 읽음으로써 보다 잘 이해될 것이다:
도 1은 멀티-스택 연료 전지 시스템의 일 실시형태를 보여주고;
도 2는 수 개의 도 1에 도시된 멀티-스택 연료 전지 시스템을 포함할 수 있는 발전 플랜트의 일 실시형태를 보여주며;
도 3은 도 1에 도시된 멀티-스택 연료 전지 시스템의 분해도를 보여주고;
도 4는 연료 전지들의 스택의 분해도이며;
도 5는 일 실시형태에 따른 도 1에 도시된 멀티-스택 연료 전지 시스템의 작동을 개략적으로 보여주고;
도 6은 도 1에 도시된 열교환기 어셈블리의 일 실시형태의 사시도이며;
도 7은 일 실시형태에 따른 도 1에 도시된 열교환기 어셈블리의 공기 취급 요소를 보여주고;
도 8은 일 실시형태에 따른 도 1에 도시된 열교환기 어셈블리의 연료 취급 요소를 보여주며;
도 9는 멀티-스택 연료 전지 시스템을 제공하고 작동하는 방법의 일 실시형태의 흐름도이다.
본원에 기술된 본 발명의 대상은, 복수의 SOFC의 스택이 차곡차곡 포개어져 있는 다중 스택(또는 멀티-스택) 연료 전지 시스템을 제공한다. 일 실시형태에서, 연료 스택의 상부 스택이 연료 스택의 하부 스택의 위에 배치된다. 상부 스택의 하중은 하부 스택의 연료 전지를 함께 압축하는 데 도움을 줄 수 있다. 상기한 두 연료 전지의 스택에 대한 열교환기 어셈블리가 두 스택의 사이에 배치될 수 있다. 열교환기는, 예를 들어 스택들을 위해 600℃ 이하의 온도(또는 다른 온도)의 유입 가스를 수용하고 이 유입 가스를 800℃의 온도(또는 다른 온도)로 가열함으로써, 스택을 가열하는 데 도움을 줄 수 있다. 결과적으로, 열교환기는 연료 전지 스택들을 위해 상대적으로 차가운 또는 저온의 연료 및 공기를 수용하고, 이 연료 및 공기를 가열하며, 이 연료 및 공기를 상기 스택들에 공급하며, 상기 스택들로부터 유출 또는 배출되는 부산물을 상기 스택들로부터 떠나보내기 전에 (예를 들어, 열교환기 어셈블리에 들어오는 연료 및 공기를 가열하는 것을 통해) 상기 부산물을 냉각할 수 있다. 유입 연료 및 공기와 열교환기 어셈블리로부터 나오는 부산물은 상대적으로 저온(예를 들어, 600℃ 이하)이므로, 상기 연료 및 공기를 열교환기 안으로 보내고 열교환기를 통과해 스택들로부터 나오는 부산물을 수용하는 도관들은, 스테인리스강 등과 같은 적은 비용이 드는 및/또는 비절연성의 재료로 제조될 수 있다.
도 1은 멀티-스택 연료 전지 시스템(100)의 일 실시형태를 보여준다. 상기 시스템(100)은 수직방향(106)을 따라 상하로 차곡차곡 적층된, SOFC 등과 같은 연료 전지의 2개의 스택 어셈블리(102, 104)를 포함한다. 수직방향(106)은 일반적으로 중력의 방향과는 반대의 방향으로 배향된다. 각 스택 어셈블리(102, 104)의 연료 전지들은, 상하로 차곡차곡 적층되도록 수직방향(106)을 따라 차곡차곡 배치된다. 그 결과로, 연료 전지의 상측 스택 어셈블리(102)의 하중이, 하측 스택 어셈블리(104)의 연료 전지를 함께 압축하게 되고, 이들 연료 전지들을 서로 맞닿게 유지하는 데 도움을 주게 된다. 연료 전지가 전류를 발생시키도록, 연료 및 공기가 스택 어셈블리(102, 104)를 향해 보내어진다.
열교환기 어셈블리(108)는 연료 전지의 스택 어셈블리(102, 104)의 사이에 배치되고 유동 관계로 연결된다. 후술하는 바와 같이, 열교환기 어셈블리(108)는 연료 전지의 부산물로부터의 열을 유입 연료 및 유입 공기를 가열하는 데 (또한 연료 및 공기의 유출 부산물을 냉각하는 데) 사용할 수 있다. 대안적으로, 열교환기 어셈블리(108)는 연료 전지에서 나오는 공기로부터의 열을, 유입 연료 및 유입 공기를 가열하고 유출 공기를 냉각하는 데에는 사용하지만, 변성 용도로 사용될 수 있는 유출 연료를 냉각하는 데에는 사용하지 않을 수 있다.
도 2는 수 개의 멀티-스택 연료 전지 시스템(100)을 포함할 수 있는 발전 플랜트(200)의 일 실시형태를 보여준다. 발전 플랜트(200)는 연료 전지 시스템(100)용의 연료 및 공기 공급원으로서 작용하는 기계 주변 장치(MBOP)(202)를 포함한다. MBOP(202)는 연료 및 공기를 여러 탱크 또는 다른 용기로부터 개별 도관(204)을 통해 연료 전지 시스템(100)에 공급할 수 있다. 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 도관(204)은, 연료 전지 시스템(100)의 열교환기 어셈블리(108)(도 1에 도시됨)에 유동 관계로 연결되어 있는, 스택 도관(206)에 유동 관계로 연결될 수 있다. 플랜트(200)는 선택적으로, 연료 전지 시스템(100)과 동일한 연료를 사용하여 작동되는 천연 가스 엔진(208)을 포함할 수 있다. 플랜트(200)는 또한, 연료 전지 시스템(100) 및/또는 엔진(208)에 의해 발생되는 DC를 받아들이는 전기 구성요소를 나타내는, 전기 주변 장치(EBOP)(210)를 포함할 수 있다. EBOP(210)는 (회로, 프로세서, 입력 장치 등을 통해) 플랜트(200)의 작동을 제어하는 제어 시스템, 인버터 등을 포함할 수 있다. EBOP(210)의 인버터는 연료 전지 시스템(100)에 의해 발생된 DC를 AC로 변환할 수 있다. 그 후에, 상기 AC는 하나 이상의 부하에 (예를 들어, 직접적으로 또는 급전망을 통해) 공급될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 플랜트(200)는 또한 수 개의 멀티-스택 연료 전지 시스템(100)을 포함할 수 있다. 이들 시스템(100)은, 연료 및 공기를 MBOP(202)로부터 받아들이고 이들 시스템(100)에서 나오는 부산 연료 및 공기를 MBOP(202)에 보내도록, 도관(204, 206)을 통해 MBOP(202)에 유동 관계로 연결되어 있다. 일 실시형태에서, 연료 전지 시스템(100)은 MBOP(202)로부터 공기 및 연료를 600℃ 이하의 낮은 온도로 도관(204, 206)을 통해 개별적으로 받아들 수 있다. 이는, 도관(204, 206)이, 600℃를 초과하는 높은 온도로 연료 및 공기를 연료 전지 시스템(100)에 전달할 필요가 있는 경우보다는, 적은 비용이 드는 재료로 형성되고 덜 절연되는 것을 허용할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 멀티-스택 연료 전지 시스템(100)의 분해도를 보여준다. 시스템(100)의 하측 스택 어셈블리(104)(도 1에 도시됨)는, 하측 스택 어셈블리(104)의 하측 외부 재킷 하우징(302)이 그 위에 배치되는 하측 지지 플레이트(300)를 포함한다. 하측 외부 재킷 하우징(302)은 연료 전지의 하측 스택(304)을 에워싸거나 둘러싼다. 하측 외부 재킷 하우징(302)은, 연료 전지의 하측 스택(304)을 둘러싸는 하측 외부 재킷 하우징의 부분을 형성하도록 서로 정합하는 상대 하우징 부분들(306, 308)로 형성된다. 상대 하우징 부분들(306, 308)은 하측 지지 플레이트(300) 상에 놓인다.
연료 전지의 하측 스택(304)이 수직방향을 따라 열교환기 어셈블리(108)와 하측 지지 플레이트(300)의 사이에 배치되고 하측 외부 재킷 하우징(302)의 상대 하우징 부분들(306, 308)의 사이에 배치되는 상태로, 열교환기 어셈블리(108)가 하측 외부 재킷 하우징(302)의 위에 배치된다. 열교환기 어셈블리(108)가 하측 외부 재킷 하우징(302)의 내부 챔버에 공기 및 연료를 전달하고 연료 전지의 하측 스택(304)에서 나오는 공기 및 연료를 수용할 수 있도록, 열교환기 어셈블리(108)는 연료 전지의 하측 스택(304)을 또한 포함하는 하측 외부 재킷 하우징(302) 안의 내부 챔버에 유동 관계로 연결된다.
수 개의 스택 도관들(310, 312, 314, 316)(도 2에서는 도면부호 206으로도 도시됨)은 열교환기 어셈블리(108)에 그리고 도관들(204)(도 2에 도시됨)에 유동 관계로 연결된다. 서로 다른 스택 도관들(310, 312, 314, 316)은 연료를 열교환기 어셈블리(108)에 전달하거나, 공기를 열교환기 어셈블리(108)에 전달하거나, 열교환기 어셈블리(108)에서 나오는 연료를 받아들이거나, 또는 열교환기 어셈블리(108)에서 나오는 공기를 받아들인다.
상측 스택 어셈블리(102)의 상측 외부 재킷 하우징(318)이 열교환기 어셈블리(108) 상에 배치된다. 상측 외부 재킷 하우징(318)은 연료 전지의 상측 스택(320)을 에워싸거나 둘러싼다. 상측 외부 재킷 하우징(318)은, 연료 전지의 상측 스택(320)을 둘러싸는 상측 외부 재킷 하우징(318)의 부분을 형성하도록 서로 정합하는 상대 하우징 부분들(322, 324)로 형성된다. 상대 하우징 부분들(322, 324)은 열교환기 어셈블리(108)의 상면 상에 놓인다.
상측 외부 재킷 하우징(318)은 또한, 연료 전지의 상측 스택(320) 상에 놓이는 유전체 단부 캡(326)을 포함한다. 유전체 단부 캡(326)은 용융 실리카 또는 다른 비전도성 재료로 형성될 수 있다. 상측 외부 재킷 하우징(318)의 벨로우즈 캡(328)은, 연료 전지의 상측 스택(320)의 상단부 또는 상면에 맞닿게 상기 유전체 단부 캡(326)을 압축한다. 벨로우즈 캡(328)은 상측 스택(320) 내의 연료 전지들에 압축력을 제공할 수 있다. 벨로우즈 캡(328)은, 연료 전지의 상측 스택(320)을 상측 외부 재킷 하우징(318)의 내부 챔버 내에 에워싸도록 하우징 부분들(322, 324)에도 연결되어 있는 상측 외부 재킷 하우징(318)의 반원형의 단부 부재(330, 332)에 의해 둘러싸여 있다.
각 외부 재킷 하우징(302, 318)은 외부 환경으로부터 밀봉되어 있는 내부 챔버를 획정한다. 상기한 내부 챔버들은, 연료 전지에 의해 전류를 생산하기 위해 내부 챔버에 공급되는 연료 및 공기를 제외하고 그리고 연료 전지에 의해 소비되지 않은 연료 및/또는 공기를 제외하고, 외부 환경으로부터 밀봉되어 있다. 내부 챔버는 재킷 하우징(302, 318) 뿐만 아니라 열교환기 어셈블리(108)의 외면 등과 같은 다른 구성요소에 의해 획정될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지(402)의 하측 스택(304)이 그 안에 배치되는 내부 챔버는, 하우징 부분들(306, 308), 하측 플레이트(300) 및 열교환기 어셈블리(108)의 하측 외면에 의해 획정되거나 에워싸일 수 있다. 연료 전지(402)의 상측 스택(320)이 그 안에 배치되는 내부 챔버는, 하우징 부분들(330, 332), 캡(326), 선택적으로는 단부 부재들(330, 332), 선택적으로는 벨로우즈 캡(328), 및 열교환기 어셈블리(108)의 상측 외면에 의해 획정되거나 에워싸일 수 있다. 대안적으로, 열교환기 어셈블리(108)는 시스템(100)의 상측 스택 어셈블리(102)와 하측 스택 어셈블리(104)의 사이에 있지 않을 수 있다. 예를 들어, 열교환기 어셈블리(108)는 상측 및/또는 하측 스택의 하나 이상의 측부, 하측 스택의 아래, 상측 스택의 위 등에 있을 수 있다. 열교환기 어셈블리(108) 이외의 구성요소의 플레이트, 표면 등은, 상측 외부 재킷 하우징(302) 또는 하측 외부 재킷 하우징(318)의 내부 챔버의 경계들 중의 하나 이상을 형성할 수 있다.
수 개의 세장형 핀 또는 바아(334)는 상측 및/또는 하측 스택(320, 304)의 연료 전지들에 있는 개구 또는 구멍을 수직으로 통과해 연장될 수 있고, 일단부에서는 벨로우즈 캡(328)에 그리고 타단부에서는 열교환기 어셈블리(108)의 상면에 연결될 수 있다. 이들 핀 또는 바아(334)는, 상측 스택(320)의 연료 전지들이 유전체 단부 캡(326)과 열교환기 어셈블리(108)의 사이에서 서로에 대해 압축되게 하는 길이를 가질 수 있다. 보다 긴 세장형의 핀 또는 바아(336)는, 외부 재킷 하우징(302, 318)을 서로 고정시키거나 및/또는 열교환기 어셈블리(108)를 향한 힘을 외부 재킷 하우징(302, 318)에 가하도록, 일단부에서는 상측 외부 재킷 하우징(318)에 연결되고 타단부에서는 하측 외부 재킷 하우징(302)에 연결될 수 있다.
스택(304, 320)의 연료 전지들은, 연료 전지들에 의해 발생된 직류가 스택(304)을 수직으로 통과하고 스택(320)을 수직으로 통과하여 전도되도록, 서로 전도 관계로 연결된다. 이들 연료 전지는 또한, 하나 이상의 전도성 재료를 포함하거나 이 하나 이상의 전도성 재료로 형성되는, 열교환기 어셈블리(108)에 전도 관계로 연결될 수 있다. 연료 전지들에 의해 발생된 직류가 상측 스택(320)에서부터 하측 스택(304)을 통과하여 아래로 및/또는 하측 스택(304)에서부터 상측 스택(320)을 통과하여 위로 전도되게 하는 전도 경로를, 열교환기 어셈블리(108)가 제공한다.
도 4는 연료 전지들(402)의 스택(400)의 분해도이다. 스택(400)은 도 3에 도시된 스택들(304, 320) 중의 하나 이상을 나타낸다. 스택(400)은 상하로 차곡차곡 적층된 수 개의 연료 전지들(402)을 포함한다. 연료 전지들(402)은 SOFC이거나 또는 다른 타입의 연료 전지일 수 있다. 연료 전지들(402)은 복수의 전도성 플레이트(404, 406) 및 시일(408)을 포함하는 데, 이들 전도성 플레이트(404, 406)와 시일(408)은 연료 전지(402)를 형성하도록 서로 연결되어 있고, 예를 들어 연료 전지(402)를 형성하도록 함께 경납땜함으로써 서로 연결되어 있다. 연료 전지들(402)이 스택(400)에서 직렬로 서로 전도 관계로 연결되도록, 연료 전지들(402)은 스택(400)에서 서로 접해 있다. 전술한 바와 같이, 어느 한 스택(304 또는 320)의 연료 전지들(402)은 열교환기 어셈블리(108)(도 1과 도 3에 도시됨)에 전도 관계로 연결될 수 있고, 열교환기 어셈블리도 또한 어느 한 스택(304 또는 320)의 연료 전지들(402)을 다른 스택(320 또는 304)의 연료 전지들(402)에 전도 관계로 연결한다.
연료 전지들(402)은 적층된 연료 전지들(402)의 양단부에서 전도성 단부 플레이트(410, 412)에 의해 배치된다. 이들 단부 플레이트(410, 412)는, 볼트, 너트, 나사 등과 같은 패스너(416)에 의해 단부 플레이트(410, 412)에 부착되는 세장형의 핀 또는 바아(414)를 통해 서로 연결된다. 핀 또는 바아(414)의 길이는, 단부 플레이트(410, 412)가 연료 전지들(402)을 서로 맞닿게 압축시킬 수 있을 정도로 충분히 짧을 수 있다.
도 5는 일 실시형태에 따른 도 1에 도시된 멀티-스택 연료 전지 시스템(100)의 작동을 개략적으로 보여준다. 열교환기 어셈블리(108)는, 시스템(100)의 상측 및 하측 스택 어셈블리(102, 104)에서 연료 전지들(402)(도 4에 도시됨)로 전류를 발생시키는 데 사용하기 위한, 열교환기-유입 연료(500) 및 열교환기-유입 공기(502)를 수용한다. 열교환기-유입 연료 및 공기(500, 502)는 이 연료 및 공기(500, 502)의 공급원에서부터 스택 도관들(310, 312, 314, 316)(도 3에 도시됨)의 2개 이상의 개별 도관들과 도관들(204)(도 2에 도시됨)을 통하여 수용될 수 있다. 열교환기-유입 연료 및 공기(500, 502)는 낮은 온도의 연료 및 공기, 예를 들어 600℃ 이하, 400℃ 이하, 200℃ 이하, 100℃ 이하, 또는 도관들(310, 312, 314, 316) 외부의 주위 온도 이하인 온도의 연료 및 공기(500, 502)일 수 있다.
낮은 온도의 열교환기-유입 연료 및 공기(500, 502)를 공급함으로써, 보다 낮은 절연성의 (그리고 이에 따라, 보다 적은 비용이 드는) 재료가 도관들(204, 206, 310, 312, 314, 316)에 사용되는 것이 허용될 수 있거나, 열교환기-유입 연료 및 공기(500, 502)를 공급하는 데 필요한 구성요소가 [예를 들어, 열교환기 어셈블리(108) 또는 스택 어셈블리(102, 104)에 들어가기 전에 상기 유입 연료 및 공기(500, 502)를 가열하는 구성요소에 대한 필요성을 없애거나 혹은 감소시킴으로써] 감소될 수 있거나, 및/또는 열교환기-유입 연료 및 공기(500, 502)가 시스템(100)에서 더 멀리 위치되는 것이 허용될 수 있다.
열교환기 어셈블리(108)는, 연료 및/또는 공기를 연료 전지들(402)에 전달하기 전에 연료 및/또는 공기의 온도를 높이기 위하여, 열교환기-유입 연료 및 공기(500, 502)에 열에너지 또는 열을 전달한다. 열교환기 어셈블리(108)는, 연료 전지(402)의 스택(304, 320, 400)(도 3과 도 4에 도시됨)으로부터 열교환기 어셈블리(108)에 의해 수용된 연료 전지-유출 연료 및/또는 공기(504, 506)로부터 열을 전달할 수 있다. 일 실시형태에서, 냉각된 열교환기-유입 연료(500) 및 냉각된 열교환기-유입 공기(502) 양자 모두는, 가열된 연료 전지-유출 연료(504) 및 가열된 연료 전지-유출 공기(506)에 의해 가열된다. 대안적으로, 냉각된 열교환기-유입 연료(500) 또는 냉각된 열교환기-유입 공기(502) 양자 모두가 아니라 어느 하나만이, 가열된 연료 전지-유출 연료(504) 및 가열된 연료 전지-유출 공기(506)에 의해 가열된다. 대안적으로, 냉각된 열교환기-유입 연료(500) 및/또는 냉각된 열교환기-유입 공기(502) 중 어느 하나 또는 양자 모두는, 가열된 연료 전지-유출 연료(504) 또는 가열된 연료 전지-유출 공기(506) 중의 어느 하나에 의해서만 가열된다.
열교환기 어셈블리(108)는 열교환기-유입 연료(500) 및/또는 열교환기-유입 공기(502)를 적어도 지정 온도로, 예를 들어 600℃보다 높은 [그러나 시스템(100)의 구성요소를 제조하는 재료(들)의 온도 상한보다 낮은] 온도 등으로, 가열할 수 있다. 상기 지정 온도는, 도관(204, 206)이 안전하게 (예를 들어, 도관의 용융 없이, 도관의 그슬림 없이, 또는 다른 방식으로 도관이 손상되는 일 없이) 전달할 수 있는 온도일 수 있다. 상기 지정 온도는 대안적으로, 연료 전지가 연료 및 공기를 전류로 변환시키기 위해 연료 및/또는 공기가 취해야 하는 온도일 수 있다.
열교환기 어셈블리(108)는, 연료 전지-유출 연료(504) 및/또는 연료 전지-유출 공기(506)로부터의 열에너지를 이용하여 열교환기-유입 연료(500) 및/또는 열교환기-유입 공기(502)를 가열하거나, 또는 추가적인 열원(예를 들어, 전류를 통전시킴으로써 가열되는 저항 요소)을 이용하여 상기 열교환기-유입 연료(500) 및/또는 열교환기-유입 공기(502)의 가열을 보강할 수 있다. 일 실시형태에서, 도 3에 도시된 시스템(100)의 외부 재킷 하우징(306, 308, 322, 324)은 시스템(100) 내의 연료 및 공기를 가열하거나, 또는 시스템(100) 내의 연료 및/또는 공기의 온도를 적어도 유지할 수 있다.
가열되는 열교환기-유입 연료(500) 및 열교환기-유입 공기(502)는, 가열된 연료 전지-유입 연료(508) 및 가열된 연료 전지-유입 공기(510)로서, 시스템(100)의 상측 및 하측 스택 어셈블리(102, 104) 안으로 열교환기 어셈블리(108)에 의해 보내어진다. 상측 및 하측 스택 어셈블리(102, 104) 내의 연료 전지들(402)은, 이와 같이 가열된 연료 전지-유입 연료 및 공기(508, 510) 중의 적어도 일부를 전류를 발생시키는 데 소비한다. 이러한 프로세스 동안에 소비되지 않은 상기 가열된 연료 전지-유입 연료(508) 및/또는 가열된 연료 전지-유입 공기(510)의 적어도 일부는, 가열된 연료 전지-유출 연료(504) 및 가열된 연료 전지-유출 공기(506)로서, 상측 및 하측 스택 어셈블리(102, 104)에서부터 그리고 열교환기 어셈블리(108) 안으로 유동한다.
상기 가열된 연료 전지-유출 연료(504) 및/또는 상기 가열된 연료 전지-유출 공기(506)에서부터, 상기 냉각된 열교환기-유입 연료(500) 및 상기 냉각된 열교환기-유입 공기(502)로의 열에너지 교환 중에, 상기 가열된 연료 전지-유출 연료(504) 및/또는 상기 가열된 연료 전지-유출 공기(506)는 냉각될 수 있다. 예를 들어, 가열된 유출 연료(504) 및/또는 가열된 유출 공기(506)는, 600℃를 초과하지 않는 온도, 400℃를 초과하지 않는 온도, 200℃를 초과하지 않는 온도, 100℃를 초과하지 않는 온도, 또는 도관들(310, 312, 314, 316) 외부의 주위 온도를 초과하지 않는 온도로 냉각될 수 있다. 열교환기 어셈블리(108)에 의해 냉각된 유출 연료(504) 및 유출 공기(506)는, 냉각된 유출 연료(512) 및 냉각된 유출 공기(514)라고 지칭될 수 있다. 냉각된 유출 연료 및 공기(512, 514)는 도관들(204, 206, 310, 312, 314, 316) 중의 하나 이상을 통해 열교환기 어셈블리(108)로부터 유동해 나갈 수 있다. 상기 유출 연료 및 공기(512, 514)를 냉각함으로써, 보다 낮은 절연성의 (그리고 이에 따라, 보다 적은 비용이 드는) 재료가 도관들(204, 206, 310, 312, 314, 316)에 사용되는 것이 허용될 수 있거나, 및/또는 상기 유출 연료 및 공기(512, 514)를 수용하는 데 필요한 구성요소들이 (예를 들어, 상기 유출 연료 및 공기를 냉각하는 구성요소들에 대한 필요성을 없애거나 혹은 감소시킴으로써) 줄어들게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 열교환기 어셈블리(108)에 유입되는 연료 및/또는 공기와 열교환기 어셈블리(108)로부터 유출되는 연료 및/또는 공기는 모두 냉각된 연료(500, 512)와 냉각된 공기(502, 514)이다. 전술한 바와 같이, 이를 통해, 열교환기 어셈블리(108) 외부의 연료(500, 512) 및 공기(502, 514)를 취급하는 도관들 및 다른 구성요소들의 비용 및 복잡성이 감소될 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 열교환기 어셈블리(108)의 일 실시형태의 사시도이다. 열교환기 어셈블리(108)는, 복수의 수직 본체 또는 바아(606)에 의해 연결되는 상측 플레이트(602)와 상대 하측 플레이트(604)로 형성되는 외측 하우징(600)을 포함한다. 상측 플레이트(602)는 상측 스택 어셈블리(102)(도 1에 도시됨)의 연료 전지(402)(도 4에 도시됨)에 결합되거나 또는 다른 방식으로 전도 관계로 연결될 수 있고, 하측 플레이트(604)는 하측 스택 어셈블리(104)(도 1에 도시됨)의 연료 전지(402)에 결합되거나 또는 다른 방식으로 전도 관계로 연결될 수 있다. 상측 스택 어셈블리(102)의 연료 전지들(402)이 하우징(600)에 의해 하측 스택 어셈블리(104)의 연료 전지들(402)에 전도 관계로 연결되도록, 하우징(600)은 하나 이상의 전도성 재료로 형성될 수 있다.
열교환기 어셈블리(108)는 수 개의 유입 도관(608, 610, 612, 614) 및 유출 도관(616, 618, 620, 622)을 포함한다. 이들 도관(608, 610, 612, 614, 616, 618, 620, 622)은, 열교환기 어셈블리(108)의 상측 플레이트(602) 상에 또는 위에 있는 위치들에서 상측 스택 어셈블리(102)의 내부에 유동 관계로 연결될 수 있고, 열교환기 어셈블리(108)의 하측 플레이트(604) 상에 또는 아래에 있는 위치들에서 하측 스택 어셈블리(102)의 내부에 유동 관계로 연결될 수 있도록, 열교환기 어셈블리(108)의 양측부에 개구들을 포함한다.
도 6에 도시된 열교환기 어셈블리(108)를 계속 참조하여, 도 7은 일 실시형태에 따른 열교환기 어셈블리(108)의 공기 취급 요소를 보여주고, 도 8은 일 실시형태에 따른 열교환기 어셈블리(108)의 연료 취급 요소를 보여준다. 공기(502, 506, 510, 514)(도 5에 도시됨)가 통과하는 열교환기 어셈블리(108)의 도관들은, 연료(500, 504, 508, 512)(도 5에 도시됨)가 통과하는 열교환기 어셈블리(108)의 도관들에 대해 분리되어 있고 유동 관계로 연결되어 있지 않다. 상측 스택 어셈블리(102)와 하측 스택 어셈블리(104) 양자 모두가 상기 도관들에 유동 관계로 연결되도록, 상기 도관들은 열교환기 어셈블리(108)의 양측부에 개구들을 포함한다.
도 7에 도시된 열교환기 어셈블리(108)의 공기 취급 요소와 관련하여서는, 유입 도관(608)은 냉각된 공기의 입구라고 지칭될 수 있는데, 이 입구를 통해 열교환기 어셈블리(108)는 냉각된 유입 공기(502)(도 5에 도시됨)를 멀티-스택 연료 전지 시스템(도 1에 도시됨)의 외부로부터 수용한다. 유입 도관(612)은 가열된 공기의 입구라고 지칭될 수 있는데, 이 입구를 통해 열교환기 어셈블리(108)는 가열된 유출 공기(506)를 상측 또는 하측 스택 어셈블리(102, 104)로부터 수용한다. 유출 도관(620)은 가열된 공기의 출구라고 지칭될 수 있는데, 이 출구를 통해 열교환기 어셈블리(108)는 가열된 유입 공기(510)(도 5에 도시됨)를 상측 또는 하측 스택 어셈블리(102, 104)에 공급한다. 유출 도관(616)은 냉각된 공기의 출구라고 지칭될 수 있는데, 이 출구를 통해 열교환기 어셈블리(108)는 냉각된 유출 공기(514)를 시스템(100) 외부의 하나 이상의 위치에 공급한다.
도 8에 도시된 열교환기 어셈블리(108)의 연료 취급 요소와 관련하여서는, 유입 도관(610)은 냉각된 연료의 입구라고 지칭될 수 있는데, 이 입구를 통해 열교환기 어셈블리(108)는 냉각된 유입 연료(500)(도 5에 도시됨)를 시스템(100)의 외부로부터 수용한다. 유입 도관(614)은 가열된 연료의 입구라고 지칭될 수 있는데, 이 입구를 통해 열교환기 어셈블리(108)는 가열된 유출 연료(504)를 상측 또는 하측 스택 어셈블리(102, 104)로부터 수용한다. 유출 도관(622)은 가열된 연료의 출구라고 지칭될 수 있는데, 이 출구를 통해 열교환기 어셈블리(108)는 가열된 유입 연료(508)(도 5에 도시됨)를 상측 또는 하측 스택 어셈블리(102, 104)에 공급한다. 유출 도관(618)은 냉각된 연료의 출구라고 지칭될 수 있는데, 이 출구를 통해 열교환기 어셈블리(108)는 냉각된 유출 연료(512)를 시스템(100) 외부의 하나 이상의 위치에 공급한다.
열교환기 어셈블리(108)는, 전술한 바와 같이, 가열된 유출 연료 및/또는 공기가 냉각된 유입 연료 및/또는 공기의 온도를 상승(그리고 이에 따라 가열된 유출 연료 및/또는 공기를 냉각)시키도록, 열교환기 어셈블리(108)의 개별 도관들(608, 610, 612, 614, 616, 618, 620, 622)을 통해 연료 및 공기를 보냄으로써 작동된다. 냉각된 연료(500)는 도관(610)에 의해 열교환기 어셈블리(108)의 외부로부터 열교환기 어셈블리(108)에 수용되고, 가열된 연료(504)는 도관(614)에 의해 상측 및/또는 하측 스택 어셈블리(102, 104)로부터 열교환기 어셈블리(108)에 수용된다. 상기 도관들(610, 614)은, 상기 연료들(500, 504)이 서로 혼합되는 일 없이, 시스템(100)의 외부로부터의 상기 냉각된 연료(500)가 연료 전지들(402)로부터의 상기 가열된 연료(504)에 의해 가열되게 하도록 [그리고 상기 가열된 연료(504)를 냉각하도록] 상기 연료들을 서로 열적으로 근접한 [예를 들어, 연료(500)의 온도를 상승시키기에 충분하게 가열된 연료 및/또는 가열된 공기에 가까운] 관계로 유도한다. 가열되어 가열된 연료(508)로 변화되는 상기 냉각된 연료(500)가 스택 어셈블리들(102, 104) 중의 하나 이상의 연료 전지들(402)의 안으로 보내어지도록, 상기 냉각된 연료(500)를 수용한 도관(610)은 도관(622)에 유동 관계로 연결되어 있다. 냉각되어 냉각된 연료(512)로 변화되는 상기 가열된 연료(504)가 도관(618)을 통해 열교환기 어셈블리(108) 및 시스템(100)의 밖으로 보내어지도록, 스택 어셈블리들(102, 104) 중의 하나 이상의 연료 전지들(402)로부터 상기 가열된 연료(504)를 수용한 도관(614)은 도관(618)에 유동 관계로 연결되어 있다.
냉각된 공기(502)는 도관(608)에 의해 열교환기 어셈블리(108)의 외부로부터 열교환기 어셈블리(108)에 수용되고, 가열된 공기(506)는 도관(612)에 의해 상측 및/또는 하측 스택 어셈블리(102, 104)로부터 열교환기 어셈블리(108)에 수용된다. 상기 도관들(608, 612)은, 상기 공기들(502, 506)이 서로 혼합되는 일 없이, 시스템(100)의 외부로부터의 상기 냉각된 공기(502)가 연료 전지들(402)로부터의 상기 가열된 공기(506)에 의해 가열되게 하도록 [그리고 상기 가열된 공기(506)를 냉각하도록] 상기 냉각된 공기와 가열된 공기를 서로 열적으로 근접한 관계로 유도한다. 가열되어 가열된 공기(510)로 변화되는 상기 냉각된 공기(502)가 스택 어셈블리들(102, 104) 중의 하나 이상의 연료 전지들(402)의 안으로 보내어지도록, 상기 냉각된 공기(502)를 수용한 도관(608)은 도관(620)에 유동 관계로 연결되어 있다. 냉각되어 냉각된 공기(514)로 변화되는 상기 가열된 공기(506)가 도관(616)을 통해 열교환기 어셈블리(108) 및 시스템(100)의 밖으로 보내어지도록, 스택 어셈블리들(102, 104) 중의 하나 이상의 연료 전지들(402)로부터 상기 가열된 공기(506)를 수용한 도관(612)은 도관(616)에 유동 관계로 연결되어 있다.
도 9는 멀티-스택 연료 전지 시스템을 제공하고 작동하는 방법(900)의 일 실시형태의 흐름도이다. 방법(900)은 도 1에 도시된 연료 전지 시스템(100)을 조립 및/또는 작동하는 데 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 방법(900)의 일부는 시스템(100)을 조립하는 데 사용될 수 있고, 방법(900)의 다른 일부는 시스템(100)을 작동하는 데 사용될 수 있다. 방법(900)의 모든 실시형태들이 시스템(100)의 조립 및 작동 모두를 행하는 데 제한되는 것은 아니다.
단계 902에서는, 열교환기 어셈블리를 하측 연료 전지 스택 어셈블리에 연결한다. 열교환기 어셈블리(108)(도 1에 도시됨)는, 하측 스택 어셈블리(104)에 대해 열교환기 어셈블리(108)를 장착하거나 다른 방식으로 열교환기 어셈블리(108)를 접촉시킴으로써, 하측 스택 어셈블리(104)(도 1에 도시됨)에 전도 관계로 연결될 수 있다.
단계 904에서는, 열교환기 어셈블리를 상측 연료 전지 스택 어셈블리에 연결한다. 열교환기 어셈블리(108)는, 상측 스택 어셈블리(102)를 열교환기 어셈블리(102) 상에 장착함으로써, 상측 스택 어셈블리(102)(도 1에 도시됨)에 전도 관계로 연결될 수 있다. 상측 스택 어셈블리와 열교환기 어셈블리의 하중은, 이웃하는 또는 인접한 연료 전지들 사이의 밀봉 관계가 파괴 또는 중단되는 것을 방지하도록, 하측 스택 어셈블리의 연료 전지들을 서로 맞닿게 압축하는 데 도움을 줄 수 있다.
단계 906에서는, 냉각된 연료와 냉각된 공기가 외부 공급원으로부터 열교환기 어셈블리에 수용된다. 상기 연료와 공기는, 전술한 바와 같이, 지정 온도 이상으로 가열될 수 없다. 단계 908에서는, 가열된 연료와 가열된 공기가 연료 전지 스택 어셈블리들 중의 하나 이상으로부터 열교환기 어셈블리에 수용된다. 단계 910과 단계 912에서는, 상기 냉각된 연료 및/또는 냉각된 공기는 가열되고 상기 가열된 연료 및/또는 가열된 공기는 냉각되도록, 상기 가열된 연료 및/또는 가열된 공기가 상기 냉각된 연료 및/또는 냉각된 공기에 대해 밀접한 관계로 열교환기 어셈블리를 통과하게 유도된다. 열교환기 어셈블리에서 가열된 연료 및 공기는, 연료 전지들이 전류를 발생시키는 데 사용하도록, 스택 어셈블리의 연료 전지들 안으로 보내어질 수 있다. 단계 914에서는, 열교환기 어셈블리에서 냉각된 연료 및/또는 공기가, 열교환기 어셈블리의 밖으로 보내어진다.
일 실시형태에서, 멀티-스택 연료 전지 시스템은, 연료 전지의 상측 스택이 배치되는 상측 내부 챔버를 획정하는 상측 하우징과, 연료 전지의 하측 스택이 배치되는 하측 내부 챔버를 획정하는 하측 하우징을 포함한다. 상측 하우징과 연료 전지의 상측 스택의 하중이, 하측 하우징 내부의 하측 스택의 연료 전지들을 압축하도록, 상측 하우징이 하측 하우징 위에 배치된다.
선택적으로, 상측 하우징에 의해 획정되는 상측 내부 챔버는, 하측 하우징의 하측 내부 챔버로부터 떨어져 있다.
시스템은, 상측 하우징과 하측 하우징의 사이에 배치된 열교환기 어셈블리를 포함할 수 있다. 열교환기 어셈블리는, 상측 스택의 연료 전지들 및 하측 스택의 연료 전지들에 공급된 유입 연료, 상측 스택의 연료 전지들 및 하측 스택의 연료 전지들에 공급된 유입 공기, 상측 스택의 연료 전지들 및 하측 스택의 연료 전지들로부터 받는 유출 연료, 또는 상측 스택의 연료 전지들 및 하측 스택의 연료 전지들로부터 받는 유출 공기 중의 하나 이상의 온도를 변경하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 열교환기 어셈블리는, 상측 하우징의 연료 전지들을 하측 하우징의 연료 전지들에 전도 관계로 연결하는 하나 이상의 전도성 재료를 포함한다. 열교환기 어셈블리는, 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상을 지정 온도 이하의 온도로 열교환기 어셈블리의 외부로부터 수용하도록, 그리고 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상을 상측 스택 또는 하측 스택 중 하나 이상의 연료 전지들 안으로 보내기 전에, 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상의 온도를 지정 온도 이상으로 상승시키도록 구성될 수 있다. 열교환기 어셈블리는, 상측 스택 또는 하측 스택 중 하나 이상의 연료 전지들로부터 받는 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상으로부터 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상으로 열에너지를 전달함으로써, 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상의 온도를 지정 온도 이상으로 상승시키도록 구성될 수 있다. 열교환기 어셈블리는, 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상을 상측 하우징 또는 하측 하우징 중 하나 이상으로부터 지정 온도 이상의 온도로 수용하도록 구성될 수 있고, 그리고 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상을 열교환기 어셈블리의 밖으로 보내기 전에, 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상의 온도를 지정 온도 이하로 낮추도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 열교환기 어셈블리는, 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상으로부터 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상으로 열에너지를 전달함으로써, 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상의 온도를 지정 온도 이하로 낮추도록 구성되어 있다.
일 실시형태에서, 멀티-스택 연료 전지 시스템은, 하나 이상의 연료 전지의 스택이 배치되는 하나 이상의 내부 챔버를 획정하는 하나 이상의 하우징과, 하나 이상의 하우징의 하나 이상의 내부 챔버와 유동 관계로 연결되어 있는 열교환기 어셈블리를 포함한다. 열교환기 어셈블리는, 하나 이상의 하우징의 외부로부터 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상을 수용하고, 하나 이상의 하우징 내의 연료 전지로부터 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상을 수용하도록 구성되어 있다. 열교환기 어셈블리는, 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상의 가열, 또는 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상의 냉각 중 하나 이상을 행하도록 구성되어 있다.
선택적으로, 하나 이상의 하우징은 상측 하우징과 하측 하우징을 포함하고, 열교환기 어셈블리는 상측 하우징과 하측 하우징의 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 열교환기 어셈블리는 상측 하우징의 내부 챔버를 하측 하우징의 내부 챔버로부터 분리할 수 있다. 열교환기 어셈블리는 상측 하우징 내의 연료 전지의 제1 스택을 하측 하우징 내의 연료 전지의 제2 스택에 전도 관계로 연결할 수 있다.
하나 이상의 하우징은 연료 전지의 제1 스택을 갖는 상측 하우징과 연료 전지의 제2 스택을 갖는 하측 하우징을 포함할 수 있다. 상측 하우징과 연료 전지의 제1 스택의 하중이, 연료 전지의 제2 스택의 연료 전지들을 서로 맞닿게 압축하도록, 상측 하우징이 하측 하우징 위에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 열교환기 어셈블리는, 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상으로부터 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상으로 열에너지를 전달하여, 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상을 지정 온도를 초과하는 온도로 가열하도록 구성되어 있다. 열교환기 어셈블리는, 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상으로부터 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상으로 열에너지를 전달하여, 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상을 지정 온도 이하의 온도로 냉각하도록 구성되어 있다.
선택적으로, 열교환기 어셈블리는, 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상을 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상과 혼합하는 일 없이, 연료 전지들에서 나오는 유출 연료 또는 유출 공기 중의 하나 이상으로부터 유입 연료 또는 유입 공기 중의 하나 이상으로 열을 전달하도록 구성되어 있다.
일 실시형태에서, 방법은, 연료 전지의 하측 스택이 그 안에 배치되어 있는 하측 하우징에 열교환기 어셈블리를 연결하는 단계와, 연료 전지의 상측 스택이 그 안에 배치되어 있는 상측 하우징을 상기 열교환기 어셈블리에 연결하는 단계를 포함한다. 상측 하우징 내의 연료 전지의 상측 스택의 하중이 하측 스택 내의 연료 전지들을 서로에 대해 압축하도록, 열교환기 어셈블리가 상측 하우징 및 하측 하우징에 연결되어 있다.
선택적으로, 상측 하우징을 열교환기 어셈블리에 연결하는 것은, 상측 하우징과 하측 하우징의 사이에 열교환기 어셈블리를 배치하는 것을 포함한다. 열교환기 어셈블리를 하측 하우징에 연결하는 것과, 상측 하우징을 열교환기 어셈블리에 연결하는 것은, 열교환기 어셈블리를 통하여, 상측 스택의 연료 전지들을 하측 스택의 연료 전지들에 전도 관계로 연결하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 열교환기 어셈블리를 하측 하우징에 연결하는 것과, 상측 하우징을 열교환기 어셈블리에 연결하는 것은, 연료 전지의 하측 스택과 상측 스택이 그 안에 배치되어 있는 하측 하우징과 상측 하우징의 내부 챔버에 대해 열교환기 어셈블리를 유동 관계로 연결하는 것을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 단수로 기술되고 부정관사에 뒤이어 오는 요소 또는 단계가, 복수의 상기한 요소 또는 단계를 배제하는 것을 명시적으로 언급하고 있지 않는 한, 복수의 상기한 요소 또는 단계를 배제하지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본원에 기술된 대상의 "일 실시형태"에 대한 언급은, 열거된 특징부들을 역시 포함하는 추가적인 실시형태의 존재를 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 특별한 특성을 갖는 요소 또는 복수의 요소를 "포함하는" 또는 "구비하는" 실시형태들은, 해당 특성을 갖지 않는 추가적인 요소를 포함할 수 있다.
상기한 설명은 제한하려는 의도가 아니가 예시하려는 의도가 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 전술한 실시형태들(및/또는 그 양태들)은 서로 조합되어 사용될 수 있다. 또한, 본원에 제시된 대상의 범위를 벗어나지 않으면서 해당 대상의 교시 내용에 특수한 상황 또는 재료를 맞추는 변경이 다수 실시될 수 있다. 본원에 기술된 재료의 타입 및 치수는 개시된 대상의 파라미터를 규정하도록 의도된 것이지만, 결코 제한적인 것은 아니며 예시적인 실시형태들이다. 많은 다른 실시형태들은 상기한 설명을 검토하여 볼 때 당업자에게 명백해질 것이다. 따라서, 본원에 기술된 대상의 범위는, 첨부된 청구범위를, 이러한 청구범위에 의해 자격이 부여되는 등가물의 전체 범위와 함께 참조함으로써 결정되어야 한다. 첨부된 청구범위에서, 용어 "구비하는" 및 "거기서"는 각각의 용어 "포함하는" 및 "여기서"의 평이한 대응 표현으로서 사용된다. 또한, 이하의 청구범위에서, 용어 "제1", "제2" 및 "제3" 등은 라벨로서 사용되고, 이들 용어의 객체에 수치적 요건을 부과하려는 의도는 없다. 또한, 이하의 청구범위의 한정은, 추가 구조 없이 기능의 서술이 뒤이어 오는 어구 "~위한 수단"을 분명히 사용하지 않는 한, 35 U.S.C. §112(f)에 의거하여 해석되는 것으로 의도되어 있지 않고, 기능식 포맷으로 작성되어 있지 않다.
본 명세서는, 본원에 제시된 대상의 몇몇 실시형태들을 가장 바람직한 유형을 포함해 개시하고, 당업자가 개시된 대상의 실시형태들을 실시할 수 있게 하기 위해, 실시예를 사용하고 있는데, 상기 실시예에는 장치 또는 시스템을 제작하고 사용하는 것과, 방법을 행하는 것 등이 있다. 본원에 기술된 대상의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정해지며, 당업자에게 떠오르는 다른 실시예도 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예는, 청구범위의 문자 그대로의 표현과 다르지 않은 구조 요소를 갖는다면, 또는 청구범위의 문자 그대로의 표현과 실질적으로 차이가 없는 등가의 구조 요소를 갖는다면, 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 되어 있다.

Claims (20)

  1. 시스템으로서,
    하나 이상의 내부 챔버를 획정하는 하나 이상의 하우징으로서, 하나 이상의 내부 챔버 각각의 내부에 하나 이상의 연료 전지의 스택이 배치되고, 상기 하나 이상의 연료 전지의 스택 각각은 수직 방향을 따라 서로의 상부에 수직으로 적층된 복수의 연료 전지를 포함하는 것인, 하나 이상의 하우징; 및
    상기 하나 이상의 하우징의 상기 하나 이상의 내부 챔버와 유동 관계로 연결되어 있는 열교환기 어셈블리를 포함하고,
    상기 열교환기 어셈블리는, 상기 하나 이상의 하우징의 외부로부터 제1 도관을 통한 유입 연료 또는 제2 도관을 통한 유입 공기를 수용하고, 상기 하나 이상의 하우징 내의 연료 전지로부터 제3 도관을 통한 유출 연료 또는 제4 도관을 통한 유출 공기를 수용하도록 구성되어 있으며,
    유입 연료를 포함하는 상기 제1 도관은 유출 연료를 포함하는 상기 제3 도관과 열적으로 근접하여 유입 연료는 유출 연료에 의해 개별적으로 가열되며, 유입 공기를 포함하는 상기 제2 도관은 유출 공기를 포함하는 상기 제4 도관과 열적으로 근접하여 유입 공기는 유출 공기에 의해 개별적으로 가열되고,
    유출 연료 또는 유출 공기는 유입 연료 또는 유입 공기와 혼합되지 않는 것인 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 하우징은 상측 하우징과 하측 하우징을 포함하고, 상기 열교환기 어셈블리는 상기 상측 하우징과 상기 하측 하우징의 사이에 배치되는 것인 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 열교환기 어셈블리는 상기 상측 하우징의 내부 챔버를 상기 하측 하우징의 내부 챔버로부터 분리하는 것인 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 열교환기 어셈블리는 상기 상측 하우징 내의 연료 전지의 제1 스택을 상기 하측 하우징 내의 연료 전지의 제2 스택에 전도 관계로 연결하는 것인 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 하우징은 연료 전지의 제1 스택을 갖는 상측 하우징과 연료 전지의 제2 스택을 갖는 하측 하우징을 포함하고, 상기 상측 하우징과 상기 연료 전지의 제1 스택의 하중이, 상기 제2 스택의 연료 전지들을 서로 가까이 압축하도록, 상기 상측 하우징이 상기 하측 하우징 위에 배치되는 것인 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열교환기 어셈블리는, 유출 연료 또는 유출 공기로부터 유입 연료 또는 유입 공기로 열에너지를 전달하여, 유입 연료 또는 유입 공기를 지정 온도를 초과하는 온도로 가열하도록 구성되어 있는 것인 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열교환기 어셈블리는, 유출 연료 또는 유출 공기로부터 유입 연료 또는 유입 공기로 열에너지를 전달하여, 유출 연료 또는 유출 공기를 지정 온도를 초과하는 온도로 냉각하도록 구성되어 있는 것인 시스템.
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