KR102527688B1 - 연료 전지 유닛 및 시스템의 열 관리 - Google Patents

연료 전지 유닛 및 시스템의 열 관리 Download PDF

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Abstract

본 출원은 하나 이상의 연료 전지 유닛(들), 개질기 및 애프터버너를 포함하는 연료 전지 시스템을 위한 다양한 배열 및 그의 작동 방법을 설명한다. 본 출원의 목적은 연료 전지 시스템의 효율적인 열 관리를 허용하기 위한 것이다. 본 출원은 더 구체적으로, (예를 들어, 인접한 연료 전지 스택(503, 503", 503"')의 이웃 측면에 연료 전지 스택의 다른 측면에 비해서 감소된 수준의 절연재를 제공함으로써) 적어도 두 개의 연료 전지 유닛을 포함하는 시스템에서 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면/세그먼트/표면을 통해 및/또는 그로부터 열 전달을 어떻게 증가시킬 것인가, 개개의 연료 전지 유닛을 둘러싸는 열 환경에 대한 조절과 제어를 어떻게 증가시킬 것인가, 적어도 두 개의 연료 전지 유닛을 포함하는 시스템으로부터 배출 스트림을 어떻게 더 양호하게 활용할 것인가, 적어도 두 개의 연료 전지 유닛을 포함하는 시스템의 연료 전지 유닛에서 화학 반응 또는 시동을 초기화하는 시간을 어떻게 감소시킬 것인가에 대한 사안들을 다룬다. 이들 배열 및 방법은 연료 전지 시스템을 포함하는 열 병합 발전 시스템의 맥락에서 특히 관심을 보일 수 있다.

Description

연료 전지 유닛 및 시스템의 열 관리{THERMAL MANAGEMENT OF FUEL CELL UNITS AND SYSTEMS}
본 교시는 일반적으로 연료 전지 유닛 및 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 교시는 연료 전지 유닛 및 연료 전지 시스템의 열 관리에 관한 것이다.
(하나 이상의 연료 전지 유닛을 포함할 수 있는) 연료 전지 시스템 또는 열 병합 발전("CHP") 시스템의 열 관리는 전기 및/또는 열의 효율적인 작동 및 발생을 위해서 이들 시스템의 설계에서 중요한 고려사항이다. 연료 전지 시스템을 열 관리하기 위해서, 기류가 연료 전지 스택(stack)의 배출구를 통과하는 것을 포함한, 연료 전지 유닛 및 시스템을 통한 가열된 공기 및 다른 유체를 이동시키는데 통상적으로 사용된다. 그러나, 연료 전지 시스템을 열 관리하기 위해 기류를 사용하는 것은 시스템 전반에 걸친 바람직하지 않은 압력 강하 및 관련 유체 유동 분포 이상을 야기할 수 있어서, 시스템의 작동에 영향을 미친다.
복수의 연료 전지 스택이 어레이(array)로 존재하고 정렬되는 연료 전지 시스템의 경우에, 냉각 공기가 종종, 연료 전지 스택의 온도 제어를 돕기 위해서 하나의 단부로부터 다른 단부로 어레이를 가로질러 선형으로 이송된다. 그러나, 그런 배열에서 어레이 내의 제 1 연료 전지 유닛이 충분히 냉각되거나 온도-조절될 수 있더라도, 마지막으로 "냉각(cool)" 공기를 만난 연료 전지 유닛은 종종, 불충분하게 온도-조절되는데, 이는 이송된 공기가 시스템을 통해 이동하면서 가열되며 집전(current collection) 및 다른 온도-감지 구조물 또는 전자기기가 위치될 수 있는 마지막 연료 전지 유닛의 온도를 조절하는데 무능해지기 때문이다. 게다가, 그러한 구성은 작동 중에, 시스템 내부에 가변적인 온도를 유발할 수 있어서, 예를 들어 "고온점(hot spot)" 및/또는 "냉점(cold spot)"을 생성하는데, 이는 기류가 열 제어의 부족을 보상하기 위한 시도로 증가되기 때문이다.
또한, 연료 전지 및/또는 히터로부터의 배기 스트림은 종종, 배기 가스의 열을 열 교환기를 통해 순환수로 전달하여 가스-대-액체 열 전달을 초래한다. 그런 경우에, 배기 스트림은 통상적으로, 그의 온도를 감소시켜 배기 스트림 내의 물의 비등을 피하도록 희석될 필요가 있다.
따라서, 연료 전지 또는 CHP 시스템의 더욱 효율적이고 일정한 작동을 위해서, 본 기술분야에서는 연료 전지 유닛 주위 및/또는 연료 전지 또는 CHP 시스템 내부의 열 환경을 더욱 양호하고 더욱 효율적으로 관리할 수 있는 연료 전지 유닛 및 연료 전지와 CHP 시스템 그리고 그런 유닛 및 시스템의 작동 방법에 관한 새로운 설계와 구성을 원하고 있다.
본 교시는 전술한 것들을 포함한, 최신 기술의 다양한 결함 및 단점을 다룰 수 있는 연료 전지 유닛, 연료 전지 시스템, 및 CHP 시스템으로서 또는 CHP 시스템과 통합되는 연료 전지 유닛뿐만 아니라, 그러한 유닛과 시스템의 열 관리 방법을 제공한다. 더 구체적으로, 본 교시에 따른 연료 전지 유닛, 연료 전지 시스템, 및 연료 전지 유닛(들)을 포함하는 CHP 시스템의 설계와 구성, 그리고 본 교시에 따른 방법의 실시는 연료 전지 시스템 또는 CHP 시스템 내에 있는 것들을 포함하는 연료 전지 유닛의 더욱 효율적인 열 관리를 허용할 수 있다.
예를 들어, 본 교시의 하나의 특징은 연료 전지 시스템의 개개의 연료 전지 유닛이 열-차폐 구역 내부에 있을 수 있다는 점이다. 각각의 열-차폐 구역은 온조-조절 유체 입구 및 하나 이상의 배출 유체 출구를 포함할 수 있으며, 그에 의해서 연료 전지 시스템의 강화된 제어를 위해 각각의 연료 전지 유닛에 대한 열 환경의 독립적인 모니터링 및 관리를 허용한다. 팬 또는 송풍기와 같은 양의 가스 압력 공급원이 온도-조절 유체와 작동 가능하게 유체 연통되어 열-차폐 구역 내부의 운동과 열 전달을 촉진시킬 수 있다. 그런 배열에서, 연료 전지 유닛은 더욱 신속하고 효율적으로 냉각될 수 있다. 게다가, 연료 전지 또는 CHP 시스템은 연료 전지 유닛 및/또는 히터 유닛이 열을 외부로 비-제어식으로 방열시키지 않기 때문에 더 적은 점유공간(footprint) 또는 패키지를 가질 수 있다.
다른 특징은 본 교시의 연료 전지 시스템이 연료 전지 유닛으로부터의 배출물로부터 열의 장점을 취하도록 설계될 수 있다는 점이다. 가열된 배출 유체가 열-차폐 구역 내부에서 방출될 때, 열은 열-차폐 구역 내부의 연료 전지 유닛의 구성요소를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역 내부에 위치되는 증발기를 가질 수 있으며 열-차폐 구역 내부의 배출 유체의 열은 증발기로의 도입 이전에 액체 개질 가능한 연료(reformable fuel) 및 유체 스트림의 예열뿐만 아니라 증발기의 작동 온도의 유지를 도울 수 있다. 예열된 배출 유체가 열-차폐 구역의 외측으로 방출되는 경우에, 두 개 이상의 연료 전지 유닛으로부터의 배출 스트림은 예를 들어, 서로 향하도록 조합되며 연료 전지 유닛의 열-차폐 구역들 사이에 존재하는 이들 구성요소와 같은 연료 전지 또는 CHP 시스템의 다른 구성요소를 예열하기 위해서 사용될 수 있다. 환언하면, 예열된 배출 유체는 조합되고 두 개 이상의 연료 전지 유닛들 사이에 가열 구역을 생성할 수 있다. 게다가, 예열된 배출 유체는 열 환경을 포착하고 제어하기 위해서 연료 전지 유닛 또는 시스템과 관련된 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과 접촉할 수 있다.
또 다른 특징은 본 교시의 연료 전지 유닛이 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면(face), 또는 면의 세그먼트, 또는 하나의 표면을 통해 및/또는 그로부터 우선적으로 열을 전달하도록 설계될 수 있으며, 이 경우에 감소된 수준의 단열재가 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 면의 세그먼트 또는 하나의 표면과 접촉, 인접 및/또는 열 전달될 수 있다. 유지 구조물은 필요에 따라서 연료 전지 유닛 주위에 감소된 수준의 단열재를 포함한 단열재를 고정할 수 있다. 유지 구조물은 통상적으로, 열 전도성 재료이고 금속 시트 또는 "판금(sheet metal)"과 같은 시트의 형태일 수 있다. 유지 구조물은 탄소 섬유일 수 있거나 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 단열재 및/또는 유지 구조물을 포함하는 연료 전지 유닛은 열-조절 구역 또는 열-차폐 구역 내에 위치될 수 있다. 유사한 방식으로, 연료 전지 유닛 또는 열-조절 구역의 하나 초과의 면 또는 그의 세그먼트 또는 하나의 표면이 감소된 수준의 단열재와 관련될 수 있다.
유사하게, 연료 전지의 어레이 및/또는 열-조절 구역은 연료 전지 유닛의 어레이 사이로 우선적으로 열을 전달하기 위해서 감소된 수준의 단열재와 관련된 그들의 면 또는 그의 세그먼트 또는 표면 중 하나 이상을 가질 수 있다. 예를 들어, 두 개 이상의 연료 전지 유닛 및/또는 열-조절 구역으로부터의 열은 연료 전지 유닛 및/또는 열-조절 구역들 서로를 향해 또는 이들 사이로 우선적으로 전달될 수 있어서 유닛들 및/또는 구역들 사이에 또는 이들 간에 가열된 구역을 생성한다. 단열재는 고체 단열재 및/또는 유체 단열재를 포함할 수 있다. 열-조절 구역은 온도-조절 유체 입구 및 하나 이상의 배출 출구를 포함할 수 있다. 양의 가스 압력 공급원은 온도-조절 유체 입구(들) 그리고 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너(afterburner) 중 하나 이상과 작동 가능하게 유체 연통될 수 있다.
본 교시의 또 다른 특징은 연료 전지 스택 및/또는 애프터버너와 같은 연료 전지 유닛의 하나 이상의 구성요소가 연료 전지 유닛의 이들 구성요소로부터 열 전달을 촉진시키고 연료 전지 시스템의 열 관리와 열 전달을 돕기 위해서 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과 열 연통될 수 있다는 점이다. 특정 실시예에서, 액체 열-교환 재킷 또는 액체 열-교환 판은 연료 전지 유닛 및 그의 관련 단열재를 위한 유지 구조물일 수 있다. 예를 들어, 감소된 수준의 단열재와 같은 단열재가 액체 열-교환 재킷 또는 액체 열-교환 판과 접촉될 수 있다.
본 교시의 추가의 특징 및 이득은 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 빠져나가는 가열된 열-교환 액체가 다양한 목적을 위해서 순환되거나 이송될 수 있으며 효율적인 사용을 위해서 시스템의 에너지를 보존할 수 있다는 점이다. 일 예로서, 연료 전지 유닛을 냉각시키기 위해 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 사용하는 것은 배출 스트림이 더 냉각될 수 있고 더 적은 희석을 요구하기 때문에, 감소된 양 또는 더 적은 캐소드 공기가 시스템을 통해 유동 또는 이송되는 것을 허용할 수 있다.
또한, 본 교시의 특징들을 조합은 감소된 수준의 단열재와 관련된 연료 전지 유닛의 하나 이상의 면 또는 표면과 관련되는, 예를 들어 열 연통되는 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 포함할 수 있으며, 그에 의해서 연료 전지 유닛으로부터(감소된 수준의 단열재와 관련된 하나 이상의 면 또는 표면으로부터 또는 그를 통해서) 열을 열-교환 액체로 우선적으로 전달한다. 본 교시에서 설명되는 그런 배열뿐만 아니라 다른 것들은 플랜트 구성요소의 전자기기와 나머지 구성요소와 같은 열 민감 구성요소 및 구조물이 연료 전지 또는 CHP 시스템의 저온(더 차가운) 구역에 위치되게 허용할 수 있다.
본 교시의 다른 특징은 다중 연료 전지 유닛, 예를 들어 그들의 개질기 및/또는 증발기가 그에 연결되거나 커플링되는 것을 허용하는 공통(개질 가능한) 연료 공급원 도관, 및/또는 개개의 연료 전지 유닛의 다중 열-교환 판 또는 재킷이 그에 연결되거나 커플링되는 것을 허용하는 공통 액체 열-교환 도관을 포함한다. 그러한 설계에서, 연료 전지 유닛은 호환 가능한 히터 유닛(들)을 포함한, 다중-연료 전지 유닛 시스템 또는 CHP 시스템에서 용이하게 호환될 수 있다. 게다가, 밸브 조립체, 센서 조립체, 및/또는 제어기를 포함한 제어 시스템은 시동 모드 및 정지 모드를 포함할뿐만 아니라 공통 연료 공급원 도관 및/또는 공통 액체 열-교환 도관에 대한 연료 전지 유닛 또는 히터 유닛의 커플링 및 디커플링을 포함할 수 있는, 특정 용례에 바람직하다면, 연료 전지 시스템 및/또는 CHP 시스템의 각각의 연료 전지 유닛 및/또는 히터 유닛을 위한 유체의 유동로를 개별적으로 논리 제어하도록 서로 간에 통신될 수 있다.
따라서, 본 교시의 일 양태는 시스템의 더 효율적인 열 관리를 허용하는 구성 및/또는 특징을 포함하는 연료 전지 시스템이다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템은 하나 이상의 연료 전지 유닛을 포함하며, 여기서 연료 전지 유닛은 개질기, 개질기와 작동 가능하게 유체 연통하는 연료 전지 스택, 및 연료 전지 스택과 작동 가능하게 유체 연통하는 애프터버너를 포함한다. 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역 내부에 있을 수 있다. 열-차폐 구역 및 열-조절 구역은 온도-조절 유체 입구 및 하나 이상의 배출 유체 출구를 포함할 수 있다. 팬 또는 송풍기와 같은 양의 가스 압력 공급원은 온도-조절 연료 입구(들) 그리고 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중의 하나 이상과 작동 가능하게 유체 연통될 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템은 개질기, 개질기와 작동 가능하게 유체 연통하는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택과 작동 가능하게 유체 연통하는 애프터버너, 및 애프터버너와 열 연통되고 개질기와 작동 가능하게 유체 연통하는 증발기를 포함하는 하나 이상의 연료 전지 유닛을 포함한다. 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역 내부에 있을 수 있으며, 여기서 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역은 온도-조절 유체 입구 및 하나 이상의 배출 유체 출구를 포함한다. 양의 가스 압력 공급원은 온도-조절 연료 입구(들) 그리고 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 중의 하나 이상과 작동 가능하게 유체 연통될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 본 교시의 연료 전지 시스템은 적어도 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛을 포함할 수 있다. 각각의 연료 전지 유닛은 개질기, 개질기와 작동 가능하게 유체 연통하는 연료 전지 스택, 및 연료 전지 스택과 작동 가능하게 유체 연통하는 애프터버너를 포함할 수 있다. 고체 단열재 및/또는 유체 단열재와 같은 단열재가 연료 전지 유닛 주위에 분포될 수 있다. 감소된 수준의 단열재는 제 1 연료 전지 유닛 및/또는 제 2 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면, 또는 그의 세그먼트, 또는 하나의 표면과 접촉되게, 인접하게 및/또는 열 연통될 수 있으며, 예를 들어 제 1 연료 전지 유닛의 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 및/또는 제 2 연료 전지 유닛의 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 적어도 하나에 또는 그에 인접될 수 있으며, 그에 의해서 감소된 수준의 단열재와 관련된 적어도 하나의 면, 그의 세그먼트, 또는 하나의 표면을 통해 및/또는 그로부터 열 전달을 증가시킨다. 감소된 수준의 단열재와 관련되거나 그를 갖는 연료 전지 유닛은 열-조절 구역 또는 열-차폐 구역 내부에 있을 수 있으며, 여기서 열-조절 구역 또는 열-차폐 구역은 하나 이상의 온도-조절 유체 입구 및 하나 이상의 배출 출구를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 적어도 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛 각각은 개질기, 개질기에 작동 가능하게 유체 연통되는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 작동 가능하게 유체 연통되는 애프터버너, 및 애프터버너에 열 연통 및 작동 가능하게 유체 연통되는 배출 도관을 독립적으로 포함하며, 여기서 배출 도관은 상류 단부 및 하류 단부를 포함한다. 제 1 연료 전지 유닛의 배출 도관의 하류 단부는 제 2 연료 전지 유닛의 배출 도관의 하류 단부 쪽으로 지향될 수 있으며 그에 의해서 각각의 연료 전지 유닛으로부터의 배출 스트림은 예를 들어, 두 개의 연료 전지 유닛들 사이의 채널 내에서 조합될 수 있음으로써 "가열 구역"을 생성한다.
특정 실시예에서, 본 교시의 연료 전지 시스템은 연료 전지 유닛, 또는 독립적으로 제 1 연료 전지 유닛과 제 2 연료 전지 유닛의 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 하나 이상과 열 연통되는 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 포함할 수 있다. 액체 열-전달 재킷은 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 하나 이상의, 하나 이상의 면, 또는 그의 세그먼트, 또는 표면과 열 연통, 예를 들어 접촉될 수 있고/있거나, 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 하나 이상의 원주 또는 일부 둘레와 같은 노출된 둘레를 포함하고 접촉, 인접 및/또는 열 연통될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 감소된 수준의 단열재와 관련된, 개질기, 연료 전지 스택 및/또는 애프터버너와 같은 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면, 또는 그의 세그먼트, 또는 하나의 표면과 열 연통될 수 있으며, 그에 의해서 감소된 수준의 단열재와 관련된 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면을 통해 및/또는 그로부터 순환하는 열-교환 액체로의 열 전달을 우선적으로 증가시킨다. 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 개질기, 연료 전지 스택 및/또는 애프터버너 중의 하나 이상에 인접할 수 있으며, 예컨대, 단열재, 예를 들어 감소된 수준의 단열재와 접촉하거나, 개질기, 연료 전지 스택 및/또는 애프터버너와 접촉, 인접 및/또는 열 연통되거나, 연료 전지 유닛의 유지 구조물과 접촉 또는 인접한다. 그런 배열에서, 단열재 및/또는 유지 구조물은 개질기, 연료 전지 스택 및/또는 애프터버너와 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷 사이에 있을 수 있다. 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 연료 전지 시스템의 공통의 액체 열-교환 도관에 연결하도록 구성되는 인터페이스를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 본 교시는 본 교시의 연료 전지 시스템; 및 연료 전지 유닛, 또는 제 1 연료 전지 유닛과 제 2 연료 전지 유닛 중 적어도 하나에 인접하게 위치되는 히터 유닛을 포함하는 CHP 시스템을 제공한다.
몇몇 실시예에서, 연료 전지 시스템 또는 CHP 시스템은 공통의 (개질 가능한) 연료 공급원 도관을 포함할 수 있다. 공통의 연료 공급원 도관은 연료 전지 유닛의 개질기와 증발기 중 하나 이상과 작동 가능하게 유체 연통될 수 있다.
다른 양태에서, 본 교시는 연료 전지 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템의 열 관리 방법을 제공한다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템의 열 관리 방법은 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역의 온도-조절 유체 입구를 통해 온도-조절 유체를 이송하는 단계; 및 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역의 하나 이상의 배출 유체 출구를 통해 가열된 배출 유체를 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역 내부에 있을 수 있다. 가열된 배출 유체는 가열된 온도-조절 유체를 포함할 수 있다. 가열된 배출 유체는 가열된 애프터버너 연소 생성물을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템의 열 관리 방법은 예를 들어, 배출 도관 및 제 1 연료 전지 유닛으로부터 제 2 연료 전지 유닛을 향해 가열된 유체를 배출하는 단계, 및 제 2 연료 전지 유닛으로부터 제 1 연료 전지 유닛을 향해 가열된 유체를 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 연료 전지 유닛과 제 2 연료 전지 유닛 각각은 독립적으로 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역 내부에 있을 수 있다. 예를 들어, 제 1 연료 전지 유닛은 자체 열-차폐 구역 내부에 있을 수 있으며 제 2 연료 전지 유닛은 자체 열-차폐 구역 내에 있을 수 있음으로써 제 1 연료 전지 유닛과 제 2 연료 전지 유닛은 서로 열-차폐된다.
몇몇 실시예에서, 연료 전지 시스템의 열 관리 방법은 제 1 연료 전지 유닛의 면 또는 표면으로부터 우선적으로 열을 전달하는 단계를 포함하며, 여기서 감소된 수준의 단열재가 제 1 연료 전지 유닛의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면에, 인접하게, 및/또는 그와 열 연통될 수 있으며, 그에 의해서 감소된 수준의 단열재와 관련된 제 1 연료 전지 유닛의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면을 통해 및/또는 그로부터 열 전달을 증가시킨다. 상기 방법은 또한, 유사한 방식으로 제 2 연료 전지 유닛의 면 또는 표면으로부터 우선적으로 열을 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 본 교시에서 설명된 바와 같은 우선적인 열 전달을 사용하는 방법에서, 연료 전지 유닛 및/또는 히터 유닛 중 하나 이상은 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역 내부에 있을 수 있으며, 여기서 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역은 하나 이상의 온도-조덜 유체 입구 및 배출 유체 출구를 포함한다.
특정 실시예에서, 본 교시의 방법은 순환 열-교환 액체에 대한 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 하나 이상으로부터의 열 전달을 촉진시키기 위해서, 연료 전지 유닛, 또는 독립적으로 제 1 연료 전지 유닛 및/또는 제 2 연료 전지 유닛의 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 하나 이상과 열 연통되도록 열-교환 액체를 순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한, 연료 전지 유닛의 하나 이상의 면 또는 표면과 접촉, 인접 및/또는 열 연통되도록 감소된 수준의 단열재와 관련된, 예를 들어 연료 전지 유닛의 하나 이상의 면 또는 표면으로부터 열-교환 액체로 우선적으로 열을 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 열-교환 액체를 순환시키는 단계는 물 및/또는 글리콜을 포함한 열-교환 액체를 순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 연료 전지 유닛, 또는 독립적으로 제 1 연료 전지 유닛과 제 2 연료 전지 유닛을 연료 전지 시스템의 공통의 액체 열-교환 도관에 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 가열된 열-교환 액체를 액체-대-액체 열 교환기, 액체-대-가스 열 교환기, 및 공기 조절 유닛 또는 시스템 중 하나 이상에 이송하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 본 교시의 방법은 연료 전지 유닛 및/또는 히터 유닛, 또는 독립적으로 제 1 연료 전지 유닛과 제 2 연료 전지 유닛을 연료 전지 시스템의 공통의 연료 공급원 도관에 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
본 교시의 전술한 것뿐만 아니라 다른 특징과 장점들은 다음의 도면, 설명, 예, 및 청구범위로부터 더욱 완전하게 이해될 것이다.
아래에서 설명되는 도면은 단지 예시 목적을 위한 것으로 이해해야 한다. 동일한 도면 부호는 일반적으로 동일한 부분을 지칭한다. 도면은 반드시 척도에 따른 필요는 없으며, 일반적으로 본 교시의 원리를 예시할 때 강조된다. 도면은 어떤 식으로든 본 교시의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1a는 연료 전지 유닛이 열-차폐 구역 내부에 있으며 애프터버너로부터 배출 도관의 하류 단부가 열-차폐 구역의 외부에서 종결되는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 것과 유사하지만, 애프터버너로부터 배출 도관의 하류 단부가 열-차폐 구역의 내부에서 종결되는 연료 전지 유닛을 도시하는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 1c는 도 1b에 도시된 것과 유사하지만, 연료 전지 유닛의 애노드 반응물 도관이 연료 전지 유닛의 반대 측에 위치되어 애노드 반응물 도관이 공통의 연료 공급원 도관에 커플링되는 4 개의 연료 전지 유닛을 도시하는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 평면도의 개략도이다.
도 1d는 연료 전지 유닛의 캐소드 공기 도관이 공통의 캐소드 공기 도관에 커플링되며 인접한 연료 전지 유닛의 배출 도관이 서로를 향해 그리고 연료 전지 유닛들 사이에 형성되는 채널의 내측으로 지향되는, 도 1b의 것과 유사한 4 개의 연료 전지 유닛을 도시하는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 평면도의 개략도이다.
도 1e는 도 1a와 유사하지만, 연료 전지 유닛이 배출 도관을 갖는 연료 전지 유닛의 면의 세그먼트에 인접한 감소된 수준의 단열재를 가지는 열-조절 구역 내부에 있는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 2a는 도 1a에 도시된 것과 유사하지만, 애프터버너, 연료 전지 스택 및 개질기가 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과 접촉하는 연료 전지 유닛을 도시하는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 2b는 도 1b에 도시된 것과 유사하지만, 애프터버너, 연료 전지 스택 및 개질기가 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과 접촉하는 연료 전지 유닛을 도시하는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 2c는 단지, 애프터버너의 적어도 두 개의 면과 연료 전지 스택의 하나의 면이 액체 열-교환 액체로 우선적인 열 전달을 위한 감소된 수준의 단열재를 포함하는 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과 단지 애프터버너 및 연료 전지 스택이 접촉하는 것만을 제외하면 도 2b에 도시된 것과 유사한 연료 전지 유닛을 도시하는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 2d는 도 2a의 것과 유사하지만, 각각의 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷이 공통의 액체 열-교환 도관에 커플링되는 두 개의 연료 전지 유닛을 도시하는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 평면도의 개략도이다.
도 3은 증발기를 포함하는 연료 전지 유닛이 열-차폐 구역 내부에 있으며 애프터버너로부터의 배출 도관의 하류 단부가 열-차폐 구역 내부에서 종결되는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 4a는 CHP 시스템이 5 개의 연료 전지 유닛, 히터 유닛, 두 개의 연료 전지 유닛들 사이의 채널 내의 증발기, 연료 전지 유닛과 히터로부터의 배출물을 이동시키고 지향시키기 위한 복수의 양의 가스 압력 공급원, 및 공통의 연료 공급원 도관을 포함하는 본 교시의 CHP 시스템의 실시예에 대한 평면도의 개략도이다.
도 4b는 A-A 선에 따른 도 4a의 두 개의 예시적인 연료 전지 유닛에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 교시의 연료 전지 시스템의 다양한 구성에 대한 평면도의 개략도이다. 각각의 연료 전지 유닛 및 그의 단열재는 정사각형 또는 직사각형으로 표시되며, 여기서 단열재는 정사각형 또는 직사각형 내부의 연료 전지 유닛의 둘레 주위의 각각의 면 또는 표면과 관련된다. 감소된 수준의 단열재와 관련된 연료 전지 유닛의 면 또는 표면은 더 두꺼운 선으로 표시된 다른 면 또는 표면에 비해서 더 얇은 선으로 표시된다.
도 6a는 연료 전지 유닛의 두 개의 면의 세그먼트에 또는 그에 인접하여 감소된 수준의 단열재를 갖는 연료 전지 유닛의 측 횡단면도의 개략도이다. 감소된 수준의 단열재와 관련된 연료 전지 유닛의 면의 세그먼트 또는 표면은 3 개의 선으로 표시된 면의 다른 세그먼트 또는 표면에 비해서 하나의 선으로 표시된다.
도 6b는 도 6a와 유사한 연료 전지 유닛의 측 횡단면도의 개략도이며 감소된 수준의 단열재와 관련된 애프터버너 및/또는 연료 전지 스택의 표면 또는 면에 인접한 하나 이상의 액체 열-교환 판 또는 재킷을 포함한다.
도 6c는 도 6b의 연료 전지 유닛에 대한 측 횡단면도의 개략도이며 액체 열-교환 액체용 추가 열 공급원을 위한 하나 이상의 액체 열-교환 판 또는 재킷과 접촉 또는 그와 인접한 두 개의 애프터버너 배출 도관을 포함한다.
도 6d는 연료 전지 유닛의 둘레 주위에 그의 단열재를 포함하는 연료 전지 유닛에 대한 평면도의 개략도이며, 여기서 연료 전지 유닛의 전자기기 및/또는 전력 조절 구성요소는 감소된 수준의 단열재를 갖지 않는 연료 전지 유닛의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면에 또는 그에 인접하게 위치된다. 감소된 수준의 단열재와 관련된 연료 전지 유닛의 면 또는 표면은 더 굵은 선에 의해 표시된 다른 면 또는 표면에 비해서 더 얇은 선으로 표시된다.
도 7은 개질기로부터 연료 전지 스택 및 애프터버너로 수평 방향으로 배열되는 두 개의 연료 전지 유닛을 갖는 연료 전지 시스템에 대한 평면도의 개략도이며, 여기서 연료 전지 유닛은 공통의 연료 공급원 도관을 공유하며 연료 전지 유닛의 열과 배출물은 공통의 연료 공급원 도관의 원점으로부터 멀어지는 방향으로 우선적으로 전달된다. 감소된 수준의 단열재와 관련된 연료 전지 유닛의 면 또는 표면은 더 두꺼운 선으로 표시된 다른 면 또는 표면에 비해서 더 얇은 선으로 표시된다.
연료 전지 유닛, 연료 전지 시스템, 및 열 병합 발전("CHP") 시스템에 관한 열 관리가 본 교시의 실시에 의해서 개선될 수 있다는 것이 이제 발견되었다. 더 구체적으로, 본 교시는 유닛 또는 시스템의 하나 이상의 구성요소에 의해 발생되는 열을 유리하게 포획하여 사용하고/하거나 연료 전지 유닛의 주위 및/또는 연료 전지 또는 CHP 시스템 내부의 환경, 예를 들어 열 환경에 대한 조절을 허용하는 다양한 구성과 특징을 갖는 연료 전지 유닛을 제공한다.
본 교시의 연료 전지 유닛과 시스템의 구성 및 설계는 연료 전지 유닛 주변의 열 환경에 대한 조절 및 제어를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 또는 CHP 시스템 내의 각각의 개별 연료 전지 유닛은 각각의 연료 전지의 열 환경이 시스템의 각각의 연료 전지 유닛의 효율적인 작동을 위해서 제어될 수 있도록 열-차폐 구역 내부에 있을 수 있다. 그러한 제어는 온도-조절 유체 입구를 통해서 열-차폐 구역의 내부와 작동 가능하게 유체 연통되는 팬 또는 송풍기와 같은 양의 가스 압력 공급원의 사용으로 달성될 수 있다. 양의 가스 압력 공급원은 열-차폐 구역(또는 열-조절 구역) 내에 존재하는, 예를 들어 팬 또는 송풍기에 의해 열-차폐 구역의 내부와 유체 연통되고 온도-조절 유체 입구가 불필요한 구역 내부에 있는 연료 전지 유닛의 구성요소와 직접적으로 유체 연통될 수 있다.
열-차폐 구역은 예를 들어, 온도 조절 유체 입구를 통과하는 가스를 포함한, 가열된 유체를 배출시키기 위한 하나 이상의 배출 유체 출구를 포함할 수 있다. 작동시, 연료 전지 유닛 주위의 열-차폐 구역 내부의 온도가 모니터링될 수 있으며 양의 가스 압력 공급원으로부터의 공기와 같은 가스의 유동은 열 순환 및/또는 열 교환의 적절한 균형을 달성하여 그에 따라서 연료 전지 주변의 온도를 조절하도록 조정될 수 있다. 동일한 공정이 시스템의 각각의 연료 전지 유닛에 독립적으로 발생할 수 있으며 그에 의해서 연료 전지 시스템의 더욱 효율적인 열 관리를 제공하고 최신 기술의 특정 단점을 다룰 수 있다.
본 교시는 연료 전지 유닛의 작동 중에 발생되는 열을 활용하고 연료 전지 유닛 또는 연료 전지 또는 CHP 시스템의 하나 이상의 유체 시스템을 가열(또는 예열)하는데 사용할 수 있다. 예를 들어, 발생된 열은 증발기로 이송하기 전에, 예를 들어 캐소드 공기 스트림, 애노드 반응물 또는 연료 스트림, 및 액체 개질 가능한 연료 중 하나 이상을 가열하는데 사용될 수 있다. 발생된 열은 증발기로부터 개질기로 이송되는 동안에 증발되는 액체 개질 가능한 연료를 가스 상태로 유지하는데 사용될 수 있다. 증발기는 열-차폐 구역 내부에 존재할 수 있다. 따라서, 증발기와 열 연통되는 연료 전지에 의해 발생되는 열은 증발기의 가열 및 증발기로 그리고 증발기로부터 이동하는 유체의 가열을 도울 수 있다.
발생된 열은 개질기, 연료 전지 스택 및/또는 애프터버너와 같은 연료 전지 유닛의 열-발생 구성요소와 열 연통되는 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷 내의 예를 들어, 물 및/또는 글리콜과 같은 열-교환 액체로 전달될 수 있다. 연료 전지 유닛의 열 부하가 증가되는 경우에, 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 연료 전지 유닛의 더 많은 면 또는 표면 및 열 교환을 위한 더 많은 이용 가능한 표면적에 제공, 즉 증가될 수 있다. 가열된 열-교환 액체는, 가열된 열-교환 액체를 예를 들어, 펌프를 사용하여 하나 이상의 유동로를 통해서 다음의 예뿐만 아니라 본 교시에서 설명되는 다른 것들을 포함한 다양한 목적을 위한 다양한 장치로 지향시킬 수 있는 유체 또는 유압 회로 패널로 순환 또는 이송될 수 있다.
첫째로, 가열된 열-교환 액체는 열-교환 액체의 온도를 감소시키고/시키거나 열-교환 액체에 적절한 온도 범위의 유지를 돕도록 열 방출 싱크(sink) 또는 루프(loop)로서 작용할 수 있는 액체-대-액체 열 교환기 또는 액체-대-가스 열 교환기로 이송될 수 있다. 즉, 순환 열-교환 액체는 예를 들어, (연료 전지 유닛 또는 시스템이 정상-상태 모드로 작동할 때까지 열의 추가를 요구할 수 있는) 적절한 열 교환기와 함께 이러한 유동로 또는 회로와 관련된 서모스탯 제어기(thermostat controller)를 사용함으로써, 일정한 온도 범위 내에서 유지될 수 있다. 특정 실시예, 특히 높은 열 출력을 갖는 이들 용례에서, 열-교환 액체가 그의 비등점에 도달하는 것을 방지하기 위해서 열-교환 액체의 온도 제어를 돕도록 연료 전지 유닛 또는 그의 구성요소들 중 몇몇과 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷 사이에 추가의 단열재가 제공될 수 있다.
둘째로, 가열된 열-교환 액체는 효율적인 액체-대-액체 열 전달을 촉진시키기 위해서, 예를 들어 베이스보드(baseboard)에 열을 제공하거나 다른 구성요소 또는 재료를 고온수로 가열하기 위해서 물 탱크와 같은 액체-대-액체 열 교환기로 이송될 수 있다.
셋째로, 가열된 열-교환 액체는 가열된 열-교환 액체가 열-전도성 핀들 내에 제공되거나 커다란 열-전도성 표면적 성분을 가로지를 수 있으며 공기와 같은 가스가 핀 또는 커다란 표면적을 가로질러 취입될 수 있어서 예를 들어, 캐빈 공기(cabin air)로서 유용할 수 있는 가스 또는 공기를 가열하는 경우와 같이 액체-대-가스(예를 들어, 액체-대-공기) 열 교환기로 이송될 수 있다.
마지막 예에서, 가열된 열-교환 액체는 이미-발생된 폐열이 열 공급원으로서 사용될 수 있는 암모니아-기반 공기 조절 유닛 또는 시스템과 같은 공기 조절 시스템으로 이송될 수 있다. 가열된 물 및/또는 글리콜과 같은 가열된 열-교환 유체가 CHP 시스템에서 열의 공급원으로서 사용될 수 있다.
예를 들어, 애프터버너로부터의 배출 도관이 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역 내부에서 종료되는 특정 설계 및 구성에서, 가열된 애프터버너 연소 생성물로부터의 열은 또한, 열-차폐 또는 열-조절 구역 내부의 증발기, 그의 관련 유체, 및 다른 구성요소와 유체 스트림의 가열을 돕는데 사용될 수 있다. 이들 구성에서, 가열된 온도-조절 유체 및 가열된 애프터버너 연소 생성물은 열-차폐 구역의 하나 이상의 배출 유체 출구를 통해 배출될 수 있거나 연료 전지 유닛의 하나 이상의 면 또는 표면 및/또는 열-조절 구역을 통해서 우선적으로 전달될 수 있다.
본 교시의 연료 전지 시스템은 연료 전지 유닛으로부터의 배출 스트림을 활용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 인접한 연료 전지 유닛으로부터의 가열된 애프터버너 연소 생성물과 같은 배출 스트림은 서로를 향해 및/또는 연료 전지 유닛들 사이에 존재하는 채널 내측으로 지향될 수 있다. 열을 요구하는 연료 전지 시스템의 구성요소 및 유체 스트림은 반대 배출 스트림으로부터 열의 장점을 취하기 위해서 채널 내에 놓이거나 위치될 수 있다. 두 개 이상의 연료 전지 유닛이 연료 전지 시스템 내에 존재하면, 추가의 연료 전지 유닛이 바람직하다면, 그들의 배출 스트림을 다른 것에 조합하도록 적절히 놓이거나 위치될 수 있다.
이들 설계와 구성에서, 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역 내부에 있을 수 있으나, 반드시 그럴 필요는 없다. 본 교시의 연료 전지 유닛은 예를 들어, 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷이 열-차폐 구역의 각각, 온도-조절 유체 입구와 배출 유체 출구로서 기능을 하는 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷의 그의 외부 면 또는 표면 및 입구와 출구와 같은 연료 전지 유닛의 상당한 부분을 포함하는 열-차폐 구역을 형성할 수 있다. 본 교시의 연료 전지 유닛은 예를 들어, 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷이 그의 외부 면 또는 표면과 같은 연료 전지 유닛의 상당한 부분을 포함하는 열-조절 구역을 형성할 수 있다. 액체 열-교환 재킷은 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너 주위의 단열재가 액체 열-교환 재킷에 의해 제자리에 유지될 수 있는 연료 전지 유닛을 위한 나머지 구조물일 수 있다. 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 특정 용례에 바람직한 열 제어의 수준에 따라서 연료 전지 유닛의 하나 이상의 구성요소에 대해 다양하게 열 접촉될 수 있다.
본 교시의 연료 전지 유닛은 연료 전지 유닛의 하나 이상의 면 및/또는 하나 이상의 표면으로부터 열을 우선적으로 전달하도록 설계 및 구성될 수 있다. 예를 들어, 단열재가 (예를 들어, 열-차폐 구역일 수 있는 열 구역을 생성하는) 연료 전지 유닛 주위에 또는 실질적으로 그 주위에 존재하는 경우에, 감소된 수준의 단열재가 연료 전지 유닛의 면 또는 표면과 접촉, 인접 및/또는 열 연통될 수 있으며 그에 의해서 그 면 또는 그 표면을 통해서 또는 그로부터 열 전달을 증가시킨다. 연료 전지 시스템 및 연료 전지 유닛의 어레이 설계 및 구성에서, 감소된 수준의 단열재가 유닛 어레이들 사이의 효율적이고 효과적인 열 전달을 달성하도록 연료 전지 유닛의 적절한 면 또는 표면에, 인접 및/또는 열 연통될 수 있다. 특정 경우에, 연료 전지 유닛은 면, 그의 세그먼트, 또는 표면이 이런 방식으로 우선적으로 열을 전달할 수 있는 연료 전지 유닛의 형상 및/또는 설계에 따라서 1, 2, 3, 4, 5, 6 또는 그 초과의 면 또는 표면을 가질 수 있다.
실제로, 본 교시의 연료 전지 유닛 및 시스템의 설계는 전체 시스템의 점유공간 또는 패키지를 감소시킬 수 있는 다양한 조합으로, 본 교시에서 설명되는 다수의 열 관리 특징들의 활용을 허용한다. 예를 들어, (예를 들어, 연료 전지 스택 및/또는 애프터버너의) 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통되는 감소된 수준의 단열재가 예를 들어, 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과 관련, 예를 들어 열 연통될 수 있으며 그에 의해서 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면으로부터 열-교환 액체로 우선적으로 열을 전달한다. 게다가, 연료 전지 유닛의 구성요소로부터 방사 열 이외에도, 예를 들어 애프터버너로부터의 가열된 배출 스트림은 열-교환 액체를 위한 두 개의 열 공급원을 제공하기 위해서 액체 열-교환 판 또는 열-교환 재킷 위로, 인접 및/또는 (열)접촉되게 지향될 수 있다. 그러한 배열 또는 구성은 열 전달 및 관리를 증가 또는 최대화하면서도 공간 요건을 감소 또는 최소화할 수 있다.
본 교시에서 설명되는 연료 전지 시스템은 연료 전지 유닛 및 히터 유닛이 CHP 시스템 내에 포함되는 CHP 시스템으로서 작동될 수 있다. 히터 유닛은 일정한 열과 전력 출력의 유지를 도울 수 있는 촉매 버너로서 계획될 수 있다. 즉, 연료 전지 유닛과 유사하게, 히터 유닛은 가스 개질 가능한 연료를 열로, 그러나 전기의 생산 없이 변환할 수 있다. 연료 전지와 함께 히터의 사용은 CHP 시스템의 전기 출력으로부터 열 출력을 분리시킬 수 있다. 연료 전지 유닛 및 히터 유닛은 바람직한 출력 값에서만의 열 출력, 추가 열 출력이 없는 전력, 또는 바람직한 출력 값에서 추가 열 출력을 갖는 전기 출력을 생성하기 위해서 유저 인터페이스를 통해 독립적으로 작동될 수 있다. 따라서, 더 일정한 열과 전력 출력이 CHP 시스템에 의해 달성될 수 있는데, 이는 시스템의 다양한 구성요소가 바람직한 균형을 유지하기 위한 필요에 따라서 작동되고 조정될 수 있기 때문이다.
본 교시가 단일의 고정 구조물로서 설계되고 구성될 수 있는 연료 전지 시스템 및 CHP 시스템에 중점을 두고 설명되지만, 본 교시는 또한, 모듈러로 설계될 수 있는 연료 전지 시스템 및 CHP 시스템을 포함한다. 즉, 연료 전지 시스템은 예를 들어, 전력 출력을 증감시키기 위한 특정 용례를 위해서 시스템의 설계 유연성과 적응성을 위해 시스템으로부터 추가되거나 제거될 수 있는 개개의 연료 전지 유닛 및/또는 히터 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 유닛 및/또는 히터 유닛은 공통의 (개질 가능한) 연료 공급원 도관 및 공통의 액체 열-교환 도관과 같은 하나 이상의 공통의 도관을 포함할 수 있는 기존의 지지 구조물에 연결되거나 그로부터 분리될 수 있으며, 그런 공통의 도관은 연료 전지 유닛(들) 및/또는 히터 유닛(들)의 신속한 연결 및 분리를 위한 다중 포트 또는 인터페이스를 가질 수 있다. 본 교시에서 설명되는 시스템의 설계는 또한, 적절하다면 개개의 연료 전지 유닛을 포함하는 시스템 전반에 걸쳐 유체의 유동로에 대한 논리 제어를 허용할 수 있다. 즉, 개개의 연료 전지 유닛 및/또는 히터 유닛뿐만 아니라 연료 전지 시스템 및 CHP 시스템 내의 유체 회로는 연료 전지 유닛들의 어레이 사이의 단일 연료 전지 유닛의 시동 또는 정지와 같은 특정 용례 또는 상황에 대해 맞춰질 수 있다.
조성물이 특정 성분을 가지거나, 포함(including)하거나, 또는 포함(comprising)하는 것으로서 설명되거나, 공정이 특정 공정 단계를 가지거나, 포함하거나, 또는 포함하는 것으로서 설명되는 용례 전반에 걸쳐서, 본 교시의 조성물은 또한, 인용된 성분으로 본질적으로 구성되거나 구성되며, 본 교시의 공정은 또한, 인용된 공정 단계로 본질적으로 구성되거나 구성되는 것으로 고려된다.
요소 또는 구성요소가 인용된 요소 또는 구성요소의 목록에 포함되고/되거나 그로부터 선택된다고 언급되는 용례에서, 그 요소 또는 구성요소는 인용된 요소 또는 구성요소 중 어느 하나일 수 있거나, 그 요소 또는 구성요소는 인용된 요소 또는 구성요소 중 두 개 이상으로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다고 이해되어야 한다.
또한, 본 교시에서 설명되는 조성물, 장치, 또는 방법의 요소 및/또는 특징은 본 교시에서 명시적이든 암시적이든 본 교시의 사상과 범주로부터 이탈함이 없는 다양한 방식으로 조합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 특정 구성에 관한 참조가 이루어지는 경우에, 그 구성은 문맥상 달리 이해되지 않는 한, 본 교시의 장치 및/또는 본 교시의 방법의 다양한 실시예에 사용될 수 있다. 환언하면, 본 출원에서 실시예는 명료하고 간결한 용례가 기재되고 도시될 수 있는 방식으로 설명되고 도시되었지만, 실시예는 본 교시 및 발명(들)으로부터 이탈함이 없이 다양하게 조합되거나 분리될 수 있다고 의도되며 이해될 것이다. 예를 들어, 본 교시에서 설명되고 도시된 모든 특징은 본 교시에서 설명되고 도시된 발명(들)의 모든 양태에 적용될 수 있다고 이해될 것이다.
표현 "~ 중 적어도 하나(at least one of)"는 문맥 및 용도로부터 달리 이해되지 않는 한, 그 표현 이후에 각각의 인용된 대상을 개별적으로 그리고 인용된 대상 중 두 개 이상의 다양한 조합으로 포함한다고 이해되어야 한다. 세 개 이상의 인용된 대상과 관련된 표현 "및/또는(and/or)"은 문맥으로부터 달리 이해되지 않는 한, 동일한 의미를 가지는 것으로 이해돠어야 한다. 예를 들어, "~와 접촉, 인접 및/또는 열 연통하는"은 후자 표면의 후자 문구가 장황한 것으로 생각될 수 있지만, "~와 접촉하고" 또는 "~에 인접하고" 또는 "~와 열 연통하고" 또는 "~와 접촉하고 열 연통하고" 또는 "~에 인접하고 열 연통하고" 또는 "~에 접촉하고 인접하고"를 의미할 수 있다. 이의 문법적 균등물을 포함하는 용어 "포함하는(include, includes, including)", "가지는(have, has, having)", "함유하는(contain, contains, 또는 containing)"의 사용은 명시적으로 달리 언급되거나 문맥으로부터 달리 이해되지 않는 한, 개방형 및 비-제한적인, 예를 들어 추가의 인용되지 않은 요소 또는 단계를 배제하지 않는 것으로서 일반적으로 이해되어야 한다.
본 교시에서 단수형, 예를 들어 "관사(a, an, 및 the)"의 사용은 명시적으로 달리 언급하지 않는 한 복수형을 포함(그리고 그 반대도 포함)한다.
용어 "약(about)"이 정량 값 앞에 사용되는 경우에, 본 교시는 또한, 명시적으로 달리 언급하지 않는 한, 특정 정량 값 그 자신을 포함한다. 본 교시에 사용된 바와 같이, 용어 "약"은 달리 나타내거나 암시되지 않는 한, 액면 값으로부터 ±10% 편차 값을 지칭한다.
단계들의 순서 또는 특정 액션을 수행하기 위한 순서는 본 교시가 작동을 유지하는 한 중요하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 게다가, 두 개 이상의 단계 또는 액션은 동시에 수행될 수 있다.
본 명세서의 다양한 위치에서, 값들이 그룹으로 또는 범위로 개시된다. 그 설명은 그런 그룹과 범위의 구성원의 각각 및 모든 개개의 하위조합(subcombination)을 포함하고 그런 그룹 또는 범위의 다양한 종점의 임의 조합을 포함하는 것이 특별히 의도된다. 예를 들어, 0 내지 40 범위의 정수는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 및 40을 개별적으로 개시하는 것으로 특별히 의도되며, 1 내지 20 범위의 정수는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 및 20을 개별적으로 개시하는 것으로 특별히 의도된다.
본 교시에서의 임의의 및 모든 예, 또는 예시적인 언어, 예를 들어 "~와 같은(such as)", "포함하는(including)" 또는 "예를 들어(for example)"의 사용은 요구되지 않는 한, 단지 본 교시를 더 잘 예시하려는 의도이며 발명의 범주에 관한 제한을 제기하지 않는다. 명세서에 그 언어가 없는 것은 본 교시의 실시에 필수적인 것으로서 임의의 청구되지 않은 요소를 나타내는 것으로 해석되어야 한다.
"상부(upper)", "하부(lower)", "최상부(top)", "바닥(bottom)", "수직(vertical)" 등과 같은 공간 방위 또는 고도를 나타내는 용어 및 표현은 그들의 문맥상 용도가 달리 나타내지 않는 한, 구조적, 기능적 또는 작동상 중요성을 갖지 않는 것으로서 그리고 특정 첨부 도면에 도시될 수 있는 본 교시의 장치, 기기, 구성요소, 및 특징의 다양한 관점에 대한 임의로 선택된 방위만을 반영하는 것으로서 본 교시에서 이해될 것이다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "액체 개질 가능한 연료(liquid reformable fuel)"는 개질화의 수행시 수소-부화 개질제로 변환을 겪는, 표준 온도 및 압력(STP) 조건에서 액체, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 나프타, 증류액, 가솔린, 등유, 제트 연료, 디젤, 바이오디젤 등인 개질 가능한 탄소- 및 수소-함유 연료를 지칭하고 포함한다. 표현 "액체 개질 가능한 연료"는 이들이 액체 상태이든지, 가스 상태, 즉 증기든지 간에 그런 연료를 포함하는 것으로 추가로 이해되어야 한다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "가스 개질 가능한 연료(gaseous reformable fuel)"는 개질화의 수행시 수소-부화 개질제로 변환을 겪는, STP 조건에서 가스, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 프로판, 부탄, 이소부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 이소부틸렌, 디메틸 에테르, 이들의 혼합물, 예컨대 주로 메탄인 천연 가스와 액화 천연 가스(LNG), 및 주로 프로판 또는 부탄이지만 주로 프로판과 부탄으로 만들어지는 모든 혼합물을 포함하는 석유 가스와 액화 석유 가스(LPG) 등인 개질 가능한 탄소- 및 수소-함유 연료를 지칭하고 포함한다. 가스 개질 가능한 연료는 또한 다른 가스 개질 가능한 연료처럼 액체로서 저장될 수 있는 암모니아를 또한 포함한다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "개질 가능한 연료(reformable fuel)"는 액체 개질 가능한 연료 및/또는 가스 개질 가능한 연료를 지칭한다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "연료 전지 스택(fuel cell stack)"은 수소 또는 전기화학적으로-산화 가능한 종을 전기로 변환시키도록 전기화학적 반응이 일어나는 연료 전지 유닛 또는 연료 전지 시스템의 구성요소를 지칭한다. 연료 전지 스택은 층들 내에 종종 형성되는, 애노드(anode), 캐소드(cathode), 및 전해액을 포함한다. 작동시, 수소 및 예를 들어 본 교시의 개질기 및/또는 유체 혼합 장치로부터 연료 전지 스택으로 진입하는 개질제의 임의의 다른 전기화학적으로 산화 가능한 구성요소(들)은 물 및/또는 이산화탄소 그리고 전자를 생성하도록 연료 전지 스택의 애노드 층 내부에서 산소 음이온과 결합한다. 애노드 층 내부에서 발생되는 전자는 외부 부하를 통해서 그리고 캐소드 층으로 다시 이동하며, 캐소드 층에서 산소가 전자와 결합하여 전해액 층과 애노드 층을 선택적으로 통과하는 산소 음이온을 제공한다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "연료 전지 유닛(fuel cell unit)"은 일반적으로, 연료 전지 스택과 작동 가능하게 유체 연통되는 개질기, 연료 전지 스택, 및 연료 전지 스택으로부터의 배출물과 작동 가능하게 유체 연통되는 애프터버너를 지칭한다. 연료 전지 유닛은 증발기를 포함할 수 있으며, 여기서 증발기의 출구는 개질기 및/또는 연료 전지 스택의 입구와 작동 가능하게 유체 연통된다. 연료 전지 유닛은 다양한 밸브 조립체, 센서 조립체, 도관, 및 그러한 유닛과 관련된 다른 구성요소를 포함할 수 있다. "연료 전지 시스템(fuel cell system)"은 일반적으로, 연료 전지 유닛 및 플랜트의 나머지 구성요소를 지칭한다. 연료 전지 시스템은 종종, 복수의 연료 전지 유닛을 포함한다. 복수의 연료 전지 유닛은 플랜트의 나머지 구성요소를 공유할 수 있다. 그러나, "연료 전지 유닛" 및 "연료 전지 시스템"은 문맥에서 달리 기재하지 않는 한 본 교시에서 서로 호환적으로 사용될 수 있다. 또한, 인산 연료 전지(PAFC), 알칼리 연료 전지(AFC), 폴리머 전해액 박막(또는 양성자 교환 박막) 연료 전지(PEMFC), 및 고체 산화물 연료 전지(SOFC)를 포함하는 공지된 종래의 연료 전지가 다양한 유형과 구성으로 나타난다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "열 병합 발전 시스템" 또는 "CHP 시스템"은 일반적으로 전기 및 재사용 가능한 열을 발생하는 시스템을 지칭한다. CHP 시스템은 전기를 발생하고 그렇게 하면서, 폐열을 버리기 보다는 오히려 다양한 방식으로 포획하고 사용될 수 있는 열을 생성할 수 있다. 특정 유형의 연료 전지 시스템은 개질화 반응, 전기화학적 반응, 및 다른 화학 반응이 열을 발생하느냐, 즉 발열 반응이냐에 따라서 CHP 시스템일 수 있다. 그러한 시스템에서, 열 출력은 통상적으로, 연료 전지 유닛(들)의 전기 출력에 의존한다. CHP 시스템은 하나 이상의 연료 전지 유닛을 포함할 수 있다. CHP 시스템은 하나 이상의 히터 유닛, 및 플랜트의 나머지 구성요소와 통합되는 하나 이상의 연료 전지 유닛을 포함할 수 있다. 하나 이상의 히터 유닛이 존재하는 그러한 시스템에서, 열 출력은 전기 출력에 무관할 수 있다. 따라서, 그러한 CHP 시스템은 단지 열 출력만을, 단지 전기 출력만을, 또는 열 출력과 전기 출력 모두를 바람직한 수준으로 제공할 수 있다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "열-차폐 구역(thermally-shielded zone)"은 주위 환경과 무관하게 열적으로 제어될 수 있는 용적 및/또는 열-차폐 구역의 외부에 있는 다른 인접한 용적(들)을 지칭한다. 열-차폐 구역은 "열-격리 구역(thermally-isolated zone)"을 포함할 수 있으나, 열-차폐 구역은 통상적으로, 하나 이상의 온도-조절 유체 입구 및 하나 이상의 배출 유체 출구를 가지며, 여기서 입구(들) 및 출구(들)는 열 구역의 내부와 외부 사이에 작동 가능한 유체 연통과 같은 유체 연통을 제공하며, 따라서 열-차폐 구역은 주위 환경으로부터 열적으로 완전히 격리되지 않는다. 열-격리 구역은 하나 이상의 온도-조절 유체 입구, 하나 이상의 배출 유체 출구, 및 예를 들어, 애노드 반응물 도관, 캐소드 공기 도관, 및 배출 도관과 같은 연료 전지 유닛의 작동을 허용하기 위해서 유체를 연료 전지 유닛 및 관련 구성요소로 그리고 그로부터 이송하는 열-차폐 구역을 횡단하는 임의의 다른 도관을 통하는 것 이외에, 열-차폐 구역을 형성하는 구조물의 면 또는 표면을 통해 및/또는 그로부터 발생하는 열 전달을 갖지 않거나 실질적으로 갖지 않는다.
열-차폐 구역은 연료 전지 유닛 위의 박스 또는 박스-형 구조물로 생성될 수 있으며, 여기서 박스 또는 박스-형 구조물은 하나 이상의 온도-조절 유체 입구 및 하나 이상의 배출 유체 출구를 가질 수 있다. 그런 경우에, 박스 또는 박스-형 구조물의 배리어 또는 벽이 열-차폐 구역을 형성할 수 있다. 다양한 실시예에서, 열-차폐 구역은 온도-조절 유체 입구(들) 및 배출 유체 출구(들)가 없다면 주위 환경으로부터 열적으로 차폐되는 용적을 형성하고 한정하기 위해서 열적으로 비-전도성 재료, 예를 들어 고체 단열재 재료의 시트와 같은 단열재 재료를 사용하여 다양한 형상 및/또는 구성으로 생성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 열-차폐 구역은 예를 들어, 연료 전지 유닛 그 자체에 의해서 형성될 수 있으며, 여기서 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 연료 전지 유닛과 열 연통된다. 이들 경우에, 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 통상적으로, 예를 들어 적어도 그의 노출 수직 표면에 있는 연료 전지 유닛을 둘러싸거나 포함하는 전체 또는 실질적으로 전체 연료 전지 유닛과 열 연통될 것이다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "열-조절 구역(thermally-regulated zone)"은 열 전달이 열-조절 구역의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면을 통해 및/또는 그로부터 발생할 수 없다면, 주위 환경과 무관하게 열적으로 제어될 수 있는 용적 및/또는 열-조절 구역의 외부에 있는 다른 인접한 용적(들)을 지칭한다. 열-조절 구역은 하나 이상의 온도-조절 유체 입구 및 하나 이상의 배출 유체 출구를 가질 수 있다. 다양한 실시예에서, 열-조절 구역은 예를 들어, 열-조절 구역을 형성하는 상이한 양 또는 수준의 단열재가 존재하게 함으로써 우선적인 열 전달이 열-조절 구역에서 발생하게 허용할 수 있다. 예를 들어, 열-조절 구역을 형성하는 하나 이상의 면 또는 표면의 특정 부분 또는 지역은 본 교시에서 설명한 바와 같은 우선적인 열 전달을 허용하도록 감소된 수준의 단열재를 포함할 수 있다.
우선적인 열 전달은 열-조절 구역의 하나 이상의 온도-조절 유체 입구와 작동 가능하게 유체 연통하는 양의 가스 압력 공급원에 의해서 촉진될 수 있다. 그런 경우에, 팬, 송풍기 또는 압축기와 같은 양의 가스 압력 공급원은 열-조절 구역 내부의 공기를 배출 유체 출구 및/또는 감소된 단열재의 구역으로 이동시킬 수 있다. 열-조절 구역은 열-차폐 구역의 생성과 유사하게 생성될 수 있지만 열-조절 구역의 표면 또는 면 또는 면의 세그먼트를 통해 및/또는 그로부터 열 전달을 방지하기 위한 덜 엄격한 요건으로 생성된다. 즉, 연료 전지 유닛의 면, 또는 그의 세그먼트, 또는 표면으로부터 그리고 온도-조절 구역을 형성하는 구조물(예를 들어, 고체 단열재)의 인접 면, 그의 세그먼트 또는 표면으로부터의 우선적인 열 전달은 통상적으로, 열-조절 구역에 바람직한 결과를 초래한다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "~와 작동 가능한 유체 연통"은 구성요소 및/또는 구조물이 작동 또는 활성 상태 또는 위치에 있을 때 다양한 구성요소들 및/또는 구조물 사이에 또는 이들 간의 유체 연통을 지칭하나, 유체 연통은 구성요소 및/또는 구조물이 비작동 또는 불활성 상태 또는 위치에 있을 때 차단될 수 있다. 작동 가능한 유체 연통은 구성요소들 및/또는 구조물 사이에 또는 이들 간에 위치되는 밸브 조립체에 의해서 제어될 수 있다. 예를 들어, A가 밸브 조립체를 통해서 B와 작동 가능하게 유체 연통되면, 유체는 밸브 조립체가 "개방(open)"될 때 A로부터 B로 유동되거나 이송될 수 있으며 그에 의해서 A와 B 사이의 유체 연통을 허용한다. 그러나, 밸브 조립체가 "폐쇄(closed)"될 때 A와 B 사이의 유체 연통은 차단 또는 중단될 수 있다. 환언하면, 밸브 조립체는 A와 B 사이의 유체 연통을 제공하도록 작동할 수 있다. 유체 연통은 유체 유동의 다양한 정도 및 비율 그리고 관련 특징을 포함할 수 있다고 이해해야 한다. 예를 들어, 완전-개방된 밸브 조립체는 밸브 조립체가 부분-폐쇄될 때 밸브 조립체가 할 수 있는 것처럼 구성요소들 및/또는 구조물 사이에 또는 이들 간의 유체 연통을 제공할 수 있으나, 유동률과 같은 유체 유동 특징은 밸브 조립체의 상이한 위치에 의해서 영향을 받을 수 있다. 본 교시에서 사용된 바와 같은, "~와 작동 가능한 유체 연통" 및 ~와 유체 연통"은 문맥에서 달리 기재하지 않는 한 서로 호환적으로 사용될 수 있다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "~와 열 연통"은 열 연통이 구성요소들 및/또는 구조물 사이에 또는 이들 간에서 발생할 수 있도록 다양한 구성요소들 및/또는 구조물 사이에 또는 이들 간의 열 연통을 지칭한다. 구성요소 및 구조물이 통상적으로 열 전달 상태로 유지되지만, 여기서 열 전달은 구성요소 및/또는 구조물에 대한 가열 유체의 유동을 차단, 예를 들어 중단하거나 절연 배리어 또는 구조물을 구성요소들 및/또는 구조물 사이에 또는 이들 간에 배치할 수 있으며, "~와 작동 가능한 열 연통"은 "~와 작동 가능한 유체 연통"의 표현 및 의미와 유사한 더욱 적절한 표현일 수 있다. 그러나, 본 교시에서 사용된 바와 같은, "~와 열 연통" 및 "~와 작동 가능한 열 연통"은 문맥에서 달리 기재하지 않는 한 서로 호환적으로 사용될 수 있다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, 문법적 균등물 및 균등한 표현 및 언어를 포함하는, 유체의 "유동을 제어(control the flow)", "이송을 제어(control the delivery)", "유동을 조정(adjust the flow)" 및 "이송을 조정(adjust the delivery)"하는 것은 유체의 유동 또는 이송을 증가시키고, 유체의 유동 또는 이송을 감소시키고, 실질적으로 일정한 유체의 유동 또는 이송을 유지하고/하거나 유체의 유동 또는 이송을 차단 또는 중단하는 것일 수 있다.
유사하게, 문법적 균등물 및 균등한 표현 및 언어를 포함하는, "압력을 제어(control the pressure)" 및 "압력을 조정(adjust the pressure)"하는 것은 압력을 증가시키고, 압력을 감소시키고, 실질적으로 일정한 압력을 유지하고/하거나 압력을 차단 또는 중단하는 것일 수 있다. 다수의 환경에서, "유동을 제어" 및 "유동을 조정"하는 것은 "압력을 제어" 및 "압력을 조정"하는 것 및 그 반대일 수 있다. 또한, (문법적 균등물 및 균등한 표현 및 언어를 포함하는) 연료 전지 유닛, 히터 유닛, 연료 전지 시스템, 또는 CHP 시스템의 구성요소, 예를 들어 밸브 조립체 또는 양의 가스 압력 공급원을 "제어", "조정" 및 "조작"은 전술한 바와 같이 동일한 변경 및/또는 정상-상태 작동에 영향을 미칠 수 있다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "밸브 조립체(valve assembly)"는 구성요소들 및/또는 구조물 사이에 또는 이들 간의 유체 연통 및 유체 유동 특징, 예를 들어 개질기로의 개질 가능한 연료의 이송 또는 열 교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 통한 열 교환 액체의 유동을 모니터하고/하거나 제어할 수 있는 구조물 또는 구조물들을 함께 지칭한다. 밸브 조립체는 단일 밸브일 수 있거나 복수의 밸브 및 관련 구조물을 포함할 수 있으며, 여기서 특정 구조물은 직렬일 수 있다. 밸브 조립체는 압력 계량 조립체일 수 있거나 포함할 수 있다. 예를 들어, 밸브 조립체는 계량 밸브일 수 있거나 포함할 수 있으며, 그에 의해서 유체의 유동 및 이송의 디지털 제어를 허용한다. 밸브 조립체는 피콜로(piccolo) 배열의 밸브, 예를 들어 일련의 오리피스일 수 있거나 포함할 수 있으며, 각각의 밸브 조립체는 각각 비례 밸브와 결합된다. 밸브 조립체는 비례 솔레노이드와 같은 비례 밸브, 또는 일련의 비례 솔레노이드 밸브와 같은 일련의 비례 밸브를 포함할 수 있다. 밸브 조립체는 솔레노이드 밸브와 같은 온/오프 밸브, 또는 일련의 온/오프 밸브, 예를 들어 일련의 온/오프 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다. 밸브 조립체는 3-방 밸브; 일련의 3-방 밸브; 체크 밸브; 일련의 체크 밸브; 오리피스; 일련의 오리피스; 그리고 이의 조합 및 본 교시에서 설명된 다른 밸브 및 밸브 조립체의 조합을 포함할 수 있으며, 여기서 특정 밸브 및 밸브 조립체는 직렬일 수 있다. 구조물 또는 구성요소가 연속적인 직렬인 것으로 표시되는 경우에, 구성요소는 병렬 연속 또는 순차 연속(예를 들어, 동일 선상)일 수 있다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "센서 조립체(sensor assembly)"는 모니터되고, 측정되고/되거나 결정될 작동 매개변수(들)를 위한 임의의 적합한 센서 또는 감지 장치 또는 센서 또는 감지 장치의 조합을 지칭한다. 예를 들어, 연료 유동률은 임의의 적합한 유량계로 모니터될 수 있으며, 압력은 임의의 적합한 압력-감지 또는 압력-조절 장치로 모니터될 수 있으며, 온도는 임의의 적합한 온도 센서로 모니터될 수 있다. 따라서, 센서 장치의 예는 유량계, 압력계, 열전쌍, 서미스터(thermistor), 및 저항식 온도 검출기를 포함한다. 센서 또는 감지 장치는 천칭, 용수철 저울과 같은 저울, 또는 물체의 중량을 모니터링, 측정 및/또는 결정하기 위한 다른 장치를 포함할 수 있다. 센서 조립체는 선택적으로 제어기와 통신하는 변환기를 포함할 수 있다.
본 교시에서 사용된 바와 같은, "양의 가스의 압력 공급원(source of positive gaseous pressure)" 또는 "양의 가스 압력 공급원(source of positive gas pressure)"은 양의 가스의 또는 가스 압력을 생성하거나 가스 이동을 유발할 수 있는 기기나 장치를 지칭한다. 양의 가스 압력 공급원은 양변위 송풍기, 펌프 또는 압축기, 또는 동적 송풍기, 펌프 또는 압축기일 수 있다. 양의 가스의 또는 가스 압력 공급원의 예는 팬, 복수의 또는 일련의 팬, 로터리 펌프 또는 압축기, 예컨대 로터리 베인 펌프 또는 압축기, 복수의 또는 일련의 로터리 펌프 또는 압축기, 다이어프램 펌프 또는 압축기와 같은 왕복 펌프 또는 압축기, 또는 복수의 또는 일련의 다어어프램 펌프 또는 압축기; 송풍기, 예를 들어 원심 송풍기 또는 압축기, 복수의 또는 일련의 송풍기, 복수의 또는 일련의 원심 송풍기 또는 압축기; 공기 펌프; 공기 또는 불활성 가스의 탱크와 같은 압축 가스의 컨테이너; 및 이의 조합을 포함한다. "양의 가스의 압력" 또는 "양의 가스 압력"은 양의 가스 압력의 이들 공급원 및 당업자에게 공지된 다른 것들 중의 어느 하나로부터 실현될 수 있다.
작동시, 액체 펌프 또는 연료 펌프와 같은 펌프는 연료 전지 또는 CHP 시스템을 통해 액체 및/또는 개질 가능한 연료를 순환시킬 수 있다. 예를 들어, 펌프는 연료 전지 유닛의 증발기 및/또는 개질기로 개질 가능한 연료를 유동시킬 수 있다. 펌프는 액체, 예를 들어 물 및/또는 글리콜을 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 통해 순환시키는데 사용될 수 있다. 액체 또는 연료 펌프와 같은 펌프의 예는 계량 펌프, 로터리 펌프, 임펠러 펌프, 다이어프램 펌프, 연동 펌프, 양번위 펌프, 기어 펌프, 압전 펌프, 동전기 펌프(electrokinetic pump), 전기삼투 펌프(electroosmotic pump), 및 모세관 펌프를 포함한다. 펌프는 연료 전지 또는 CHP 시스템을 통해 액체 및/또는 개질 가능한 연료의 유동률을 제어할 수 있다.
도면에 도시된 예시적인 연료 전지 시스템 및 CHP 시스템은 다양한 도관, 예를 들어 캐소드 공기 도관, 애노드 반응물 도관, 애프터버너 배출 도관 등을 포함한다. 본 교시의 연료 전지 또는 CHP 시스템은 연료 전지 시스템 또는 CHP 시스템의 구성요소들 사이 또는 구성요소들 간의 작동 가능한 유체 연통을 제공하도록 위치되는 복수의 도관, 예를 들어 두 개 이상의 도관을 포함할 수 있다. 복수의 도관은 또한, 연료 전지 유닛 또는 연료 전지 또는 CHP 시스템을 예를 들어, 증발기 및/또는 개질 가능한 연료 공급원과 같은 연료 전지 또는 CHP 시스템에 공통인 구성요소에 커플링할 수 있다. 즉, 연료 전지 또는 CHP 시스템의 구성요소 및 주위 구성요소와 장치를 포함하는 본 교시의 방법은 구성요소, 예를 들어 증발기, (탄화수소 연료) 개질기, 그리고 밸브 조립체, 펌프 및 센서 조립체와 같은 관련 장치를 연결 또는 연관시키는 도관을 포함할 수 있다. 이들 구성요소들 및 다른 것들 각각은 구성요소들 사이 또는 구성요소들 간에 유체 연통, 예를 들어 작동 가능한 유체 연통이 설정되게 허용하는 입구, 출구, 및 포트 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 도관은 다른 구성요소 및 그와 관련된 장치, 예를 들어 밸브 조립체, 펌프, 양의 가스 압력 공급원, 및 센서 조립체를 포함할 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다.
도관 또는 도관 시스템은 많은 요인, 예를 들어 특정 용례, 개질 가능한 연료, 및 전체 연료 전지 또는 CHP 시스템의 점유공간 크기에 따라서 다수의 특정 설계, 구성, 배열, 및 연결을 가질 수 있다. 따라서, 본 교시에서 설명 및/또는 도시되는 도관 시스템은 단지 예시의 목적이며 어떤 식으로든 본 교시를 제한하려는 의미가 아니다. 게다가, 두 개 이상의 도관이 구성요소 또는 구성요소들, 예를 들어 밸브 조립체 및 개질 가능한 연료의 공급원에 연결, 커플링 또는 달리 접합될 수 있는 것으로 설명될 수 있는 경우에, 단일 도관은 또한 동일한 설계 및/또는 목적을 달성하는 것으로 계획될 수 있으며, 여기서 밸브 조립체와 같은 구성요소는 단일 도관과 "일치하게(in-line with)", "그 내부에 위치되는(situated within)", 또는 "그와 관련되는(associated with)" 것으로서 설명될 수 있다. 또한, 두 개 이상의 구성요소 또는 구조물"~에 커플링되는(coupled to)", "~에 연결되는(connected to)" 또는 "~와 달리 접합되는(otherwise joining)"은 하나의 구성요소 또는 구조물이 다른 구성요소 또는 구조물에 직접 또는 간접적으로 커플링, 연결 또는 접합되는 것을 의미할 수 있다.
도관은 관(duct), 예를 들어 유체를 운송하기 위한 채널, 튜브 또는 통로일 수 있다. 예를 들어, 온도-조절 유체 도관은 온도-조절 유체, 예를 들어 연료 전지 유닛 또는 시스템 외부의 주위 공기를 온도-조절 유체 입구를 통해 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역 내부의 연료 전지 유닛으로 운송 또는 이송하는데 사용될 수 있다. 다른 예로서, 배출 도관은 연료 전지 유닛으로부터, 예를 들어 애프터버너로부터 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역 내부의 연료 전지 유닛의 외부로, 또는 그런 구역의 외부 또는 외측으로 배출 유체를 운송 또는 이송하는데 사용될 수 있다. 도관은 매니폴드, 예를 들어 유체를 수집 또는 분포시키는데 사용되는 다수의 입구 또는 출구를 갖춘 챔버, 파이프 또는 관일 수 있다. 본 교시에 사용된 바와 같은 "공통 도관(common conduit)"은 일반적으로, 특정 장소로 및/또는 특정 장소로부터 유체 이송을 위한 다중-포트의 도관을 지칭한다.
본 교시의 연료 전지 유닛, 연료 전지 시스템, 히터 유닛, 및 CHP 시스템은 개개의 유닛의 작동, 그의 구성요소의 작동, 및/또는 전체 시스템의 작동을 자동화하기 위한 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 제어 구성요소, 예를 들어 개개의 연료 전지 유닛 또는 히터 유닛의 작동을 모니터, 제어 및/또는 조정하기 위한 제어 전자기기, 작동기, 밸브 조립체, 센서 조립체, 및 다른 구조물과 장치; 증발기, 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너와 같은 그의 하나 이상의 구성요소; 연료 전지 시스템 또는 CHP 시스템; 및 플랜트의 나머지 구성요소, 예를 들어 양의 가스 압력 공급원과 같은 그의 하나 이상의 구성요소를 포함할 수 있다.
제어 시스템은 다양한 제어 구성요소 및 각각의 연료 전지 유닛 및/또는 히터 유닛의 구성요소와 통신할 수 있는 제어기를 포함할 수 있다. 제어 시스템 및/또는 제어기는 연료 전지 유닛 또는 히터 유닛의 개개의 구성요소를 통해서, 개개의 연료 전지 유닛 또는 히터 유닛을 통해서, 그리고 연료 전지 시스템 또는 CHP 시스템을 통해서 유체(예를 들어, 개질 가능한 연료, 산소-함유 가스 및 스팀과 같은 액체 및 가스 반응물; 온도-조절 공기, 방출되는 가열된 공기, 및 캐소드 공기와 같은 공기; 배출 스트림; 및 열-교환 액체)의 유동로를 모니터하고 논리적으로 제어할 수 있다. 환언하면, 주문형 유체 회로가 제어 시스템을 사용하여 연료 전지 시스템 또는 CHP 시스템에서 달성될 수 있다.
예를 들어, 다양한 실시예에서 연료 전지 유닛은 공통의 연료 공급원 도관 및/또는 공통의 액체 열-교환 도관에 커플링될 수 있다. 그러한 커플링은 연료 전지 시스템이 작동하지 않는 동안에 발생할 수 있다. 그러나, 그러한 커플링은 연료 전지 시스템이 예를 들어, 비효율적으로 기능을 하는 연료 전지 유닛을 제거하도록 작동할 때 발생할 수 있다. 후자의 경우에, 커플링은 원할 때까지 새로-커플링된 연료 전지 유닛으로 연료 및/또는 열-교환 액체의 이송을 개시함이 없이 공통 도관에 대해 발생할 수 있다.
또한, 새로-커플링된 연료 전지 유닛이 주위 온도를 갖기 때문에, 그 연료 전지 유닛을 위한 시동 모드는 예를 들어, 작동 연료 전지 유닛으로부터 열의 발산을 피하기 위해서 정상-상태 모드로 작동하는 다른 연료 전지 유닛의 작동과 무관하게 작동될 수 있다. 따라서, 새로-커플링된 연료 전지 유닛은 시동 모드로 작동될 수 있으며, 여기서 제어 시스템은 바람직하다면, 그의 작동이 이미-작동하는 연료 전지 유닛의 작동과 조합될 수 있을 때 정상-상태 모드로 작동할 때까지 그 연료 전지 유닛으로 연료, 공기, 다른 유체, 및 열을 이송하기 위한 밸브 조립체 및 다른 구성요소를 독립적으로 제어한다. 동일한 방식으로, 연료 전지 시스템의 개개의 연료 전지 유닛은 다른 작동하는 연료 전지 유닛과 무관하게 정지 모드를 겪을 수 있으며, 그에 의해서 연료 전지 시스템이 특정 연료 전지 유닛을 교체하는 동안에 계속해서 전기를 발생하는 것을 허용한다.
본 교시의 특정 방법에서, 그러한 유닛과 열 연통되는 가열된 열-교환 액체와 같은 하나 이상의 작동 연료 전지 유닛에 의해 발생되는 가열된 유체 스트림은 "저온" 연료 전지 유닛의 시동을 촉진시키기 위해서 연료 전지 또는 CHP 시스템의 새로-커플링된 연료 전지 유닛과 같은 "저온" 연료 전지 유닛으로 전환될 수 있다. 즉, 작동 연료 전지 유닛으로부터의 가열된 유체 스트림은 시동 모드 중에, 연료 전지 유닛의 다양한 구성요소, 예를 들어 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 하나 이상의 가열을 돕기 위해서 "저온 패키지(cold package)"로 지향되거나 부분적으로 전환될 수 있다. 유사하게, 작동하는 연료 전지 유닛(들)과 관련된 가열된 열-교환 액체는 연료 전지 유닛의 하나 이상의 구성요소의 외부에 열을 제공하기 위해서 저온 연료 전지 유닛의 하나 이상의 구성요소와 열 연통되는 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷으로 지향되거나 부분적으로 전환될 수 있다. 가열된 가스 스트림 및/또는 가열된 열-교환 액체이든지 간에 작동 유닛으로부터의 열의 사용은 저온 연료 전지 유닛에 대한 시동 횟수를 감소, 예를 들어 연료 전지 유닛의 하나 이상의 구성요소 내부에서의 촉매 활동의 개시를 도울 수 있다.
전술한 내용으로부터 추론될 수 있듯이, 연료 전지 유닛은 연료 전지 유닛과 통신하고 그 내부의 작동을 제어하도록 구성되거나 적응될 수 있는 연료 전지 유닛 제어 구성요소를 포함할 수 있다. 연료 전지 또는 CHP 시스템은 있다면, 개개의 연료 전지 유닛 및 히터 유닛 사이에서 통신하고 연료 전지 또는 CHP 시스템의 작동을 제어하도록 구성되거나 적응될 수 있는 각각, 연료 전지 시스템 제어 구성요소 또는 CHP 시스템 제어 구성요소를 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템 제어 구성요소 및 CHP 시스템 제어 구성요소는 있다면, 개개의 연료 전지 유닛 및 히터 유닛과 통신할 수 있다.
제어 시스템은 제어기와 통신하는 하나 이상의 센서 또는 센서 조립체를 포함할 수 있다. 센서 조립체로부터의 입력 신호, 사용자-입력 장치 및/또는 프로그램되는 서브루틴으로부터의 사용자 명령 및 명령 시퀀스에 응답하여, 제어기는 하나 이상의 연료 전지 유닛 및/또는 히터 유닛의 작동, 또는 전체 연료 전지 또는 CHP 시스템의 작동을 독립적으로 관리할 수 있다. 제어기는 프로세서에서 작동하는 소프트웨어일 수 있다. 그러나, 하나 이상의 디지털 또는 아날로그 회로, 또는 이의 조합으로 실시되는 제어기를 사용하는 것은 본 교시의 범주 내에 있다.
센서 조립체는 반드시 필요한 것은 아니지만, 제어기와 통신하는 변환기를 포함할 수 있다. 통신 경로는 정상적으로 유선 전기 신호일 수 있지만 임의의 다른 적합한 형태의 통신 경로가 또한 사용될 수 있다. 즉, 본 교시에서 센서 조립체, 제어 신호-수신 장치, 및 통신 경로는 임의의 적합한 구성을 가질 수 있다. 블루투스 연결과 같은 무선 통신 경로가 사용될 수 있다. 무선 통신 경로(들)는 네트워크 노드를 연결하기 위한 무선 데이터 연결을 사용하는 무선 네트워크의 일부일 수 있다. 유선과 무선 통신 경로의 조합이 사용될 수 있다.
연료 전지 유닛은 통상적으로, 연료 전지 스택의 전기 출력을 연료 전지 유닛의 조절된 전기 출력으로 변환시키도록 구성 또는 적응될 수 있는 전력 조절 구성요소를 포함한다. 전력 취급 구성요소 또는 전력 관리 구성요소로서 지칭될 수 있는 전력 조절 구성요소는 연료 전지 스택의 반대로 전류를 운반하고 이를 연료 전지 유닛의 외부로 이송할 수 있는 전류 수집 판 및/또는 버스 바(bus bar)를 포함할 수 있다. 전력 조절 구성요소는 통상적으로, 전기가 발생되는 연료 전지 스택에 가깝게 위치된다. 그 때문에, 전력 조절 구성요소는 연료 전지 스택 및 연료 전지 유닛의 높은 작동 온도에 노출될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 연료 전지 유닛에 인접하거나 그 주위의 및/또는 적어도 전력 조절 구성요소에 인접한 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷의 사용에 의한 것과 같은 그런 구성요소의 반대쪽으로의 열 전달은 전기 저항 손실을 감소시킬 수 있다.
대조적으로, 연료 전지 유닛, 연료 전지 시스템 및/또는 CHP 시스템의 다양한 구성요소를 모니터링하고 작동시키기 위한 제어 시스템 및 제어 센서 조립체 및/또는 밸브 조립체와 관련된 연료 전지 시스템의 전자기기는 열 민감식이다. 따라서, 그런 전자기기는 통상적으로, 열-보호 장소 또는 환경 내에, 예를 들어 연료 전지 유닛을 포함하는 열-차폐 구역의 외부에 및/또는 고체 및/또는 액체 단열재와 같은 충분한 단열재의 근처에 또는 단열재에 의해 둘러싸여 있다.
따라서, 본 교시는 연료 전지 유닛을 포함할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공한다. 연료 전지 유닛은 개질기, 개질기와 작동 가능하게 유체 연통하는 연료 전지 스택, 및 연료 전지 스택과 작동 가능하게 유체 연통하는 애프터버너를 포함할 수 있다. 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역 내부에 있을 수 있다. 열-차폐 구역은 고체 단열재, 유체 단열재, 또는 이의 조합과 같은 단열재를 포함할 수 있다. 열-차폐 구역은 고체 단열재, 유체 단열재, 또는 이의 조합과 같은 단열재에 의해 형성될 수 있다. 각각의 열-차폐 구역은 온도-조절 유체 입구 및 하나 이상의 배출 유체 출구를 포함할 수 있다. 양의 가스 압력 공급원은 온도-조절 유체 입구과, 개질기, 연료 전지 스택과 애프터버너 중 하나 이상과 작동 가능하게 유체 연통될 수 있다.
연료 전지 시스템은 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛을 포함할 수 있다. 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛은 본 교시의 독립적인 연료 전지 유닛일 수 있다. 연료 전지 시스템은 두 개 초과의 연료 전지 유닛, 예를 들어 3, 4, 5, 6 개 또는 그 초과의 연료 전지 유닛을 포함할 수 있다.
연료 전지 유닛, 또는 독립적으로 제 1 연료 전지 유닛, 제 2 연료 전지 유닛, 및 임의의 더 높은 차수의 연료 전지 유닛 각각은 연료 전지 스택의 캐소드와 작동 가능하게 유체 연통되고 캐소드 공기(산소-함유 가스)를 캐소드로 이송하도록 구성되는 캐소드 공기 도관을 포함할 수 있다. 연료 전지 유닛, 또는 독립적으로 제 1 연료 전지 유닛, 제 2 연료 전지 유닛, 및 임의의 더 높은 차수의 연료 전지 유닛 각각은 연료 전지 스택의 애노드와 작동 가능하게 유체 연통되고 애노드 공기, 스트림과 같은 산화제, 및 (개질되는) 개질 가능한 연료 중 하나 이상을 애노드로 이송하도록 구성되는 애노드 반응물 도관을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 개질 가능한 연료는 개질되기 이전에 연료 전지 스택의 애노드로 직접적으로 이송될 수 있다. 그런 경우에, 개질화 촉매가 "온-셀(on-cell)" 개질화가 발생될 수 있도록 연료 전지 스택의 애노드(연료) 전극에 통합된다. 연료 전지 유닛, 또는 독립적으로 제 1 연료 전지 유닛, 제 2 연료 전지 유닛, 및 임의의 더 높은 차수의 연료 전지 유닛 각각은 애프터버너와 열 연통 및 작동 가능하게 유체 연통되며 애프터버너로부터 가열된 연소 생성물을 배출하도록 구성되는 배출 도관을 포함할 수 있다.
배출 도관은 상류 및 하류 단부를 포함한다. 배출 도관의 하류 단부는 열-차폐 구역 내부에서 종결될 수 있다. 본 교시의 그런 실시예 및 다른 실시예에서, 연료 전지 유닛, 또는 독립적으로 제 1 연료 전지 유닛, 제 2 연료 전지 유닛, 및 임의의 더 높은 차수의 연료 전지 유닛 각각은 가열된 애프터버너 연소 생성물과 열 연통되고 개질기와 작동 가능하게 유체 연통되는 증발기를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 배출 도관의 하류 단부는 열-차폐 구역의 외부에서 종결될 수 있다. 연료 전지 시스템이 적어도 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛을 포함하는 이들 및 관련 실시예에서, 제 1 연료 전지 유닛의 배출 도관의 하류 단부는 제 2 연료 전지 유닛의 배출 도관의 하류 단부 쪽으로 지향될 수 있으며, 그에 의해서 각각의 연료 전지 유닛으로부터의 배출 스트림이 조합도록 구성된다. 배출 도관으로부터의 가열된 애프터버너 연소 생성물은 열-차폐 구역의 외부의 연료 전지 시스템의 다른 구성요소, 예를 들어 증발기, 개질 가능한 연료, 캐소드 공기, 및 애노드 공기를 가열하도록 지향될 수 있다. 배기 도관으로부터의 가열된 애프터버너 연소 생성물은 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷 내의 열-교환 액체와 같은 열-교환 액체로 지향되고/되거나 열-교환 액체와 열 연통될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 연료 전지 시스템은 적어도 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 연료 전지 유닛은 개질기, 개질기와 작동 가능하게 유체 연통되는 연료 전지 스택, 및 연료 전지 스택과 작동 가능하게 유체 연통되는 애프터버너를 포함할 수 있다.
고체 단열재 및/또는 유체 단열재와 같은 단열재는 연료 전지 유닛의 주위에 분포될 수 있고, 그에 따라 감소된 수준의 단열재가 제 1 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면, 그의 세그먼트, 또는 하나의 표면과 접촉, 인접 및/또는 그와 열 연통될 수 있으며, 예를 들어 제 1 연료 전지 유닛의 적어도 연료 전지 스택 및/또는 제 2 연료 전지 유닛의 연료 전지 스택에 인접할 수 있으며, 그에 의해서 감소된 수준의 단열재와 관련된 적어도 하나의 면, 그의 세그먼트, 또는 하나의 표면을 통한 및/또는 그로부터의 열 전달을 증가시킨다. 감소된 수준의 단열재는 있다면, 개질기, 연료 전지 스택, 애프터버너, 및 증발기 중의 하나 이상의, 하나 이상의 면 또는 표면과 접촉, 인접 및/또는 그와 열 전달되게 존재할 수 있다.
특정 실시예에서, 감소된 수준의 단열재와 관련된 제 1 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면은 감소된 수준의 단열재와 관련된 제 2 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면과 대향할 수 있다.
연료 전지 시스템이 제 3 연료 전지 유닛을 더 포함하며, 제 1 연료 전지 유닛, 제 2 연료 전지 유닛 및 제 3 연료 전지 유닛이 직렬인 특정 실시예에서, 감소된 수준의 단열재와 관련된 제 1 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면은 감소된 수준의 단열재와 관련된 제 2 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면과 대향할 수 있으며 감소된 수준의 단열재와 관련된 제 2 연료 전지 유닛의 제 2 면 또는 표면은 감소된 수준의 단열재와 관련된 제 3 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면과 대향할 수 있다.
본 교시의 그런 실시예 및 다른 실시예에서, 제 2 연료 전지 유닛은 감소된 수준의 단열재와 관련된 제 3 면 또는 표면을 포함할 수 있으며, 즉 여기서 감소된 수준의 단열재는 제 2 연료 전지 유닛의 제 3 면 또는 표면과 접촉, 그와 인접 및/또는 열 연통될 수 있다.
전술한 구성을 포함하는 몇몇 실시예에서, 제 1, 제 2 및 제 3 연료 전지 유닛은 제 1 세트의 연료 전지 유닛을 형성할 수 있으며 그 연료 전지 시스템은 제 2 세트의 연료 전지 유닛을 더 포함할 수 있다. 제 2 세트의 연료 전지 유닛은 제 1 세트 연료 전지 유닛과 실질적으로 유사할 수 있으며 제 1 세트의 연료 전지 유닛의 제 2 연료 전지 유닛의 제 3 면이 제 2 세트의 연료 전지 유닛의 제 2 연료 전지 유닛의 제 3 면과 대향하도록 위치될 수 있다.
연료 전지 유닛의 하나 이상의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면에 또는 그에 인접하게 감소된 수준의 단열재를 포함하는 설계 및 실시예에서, 연료 전지 유닛(들)은 열-조절 구역 내부에 있을 수 있다. 열-조절 구역은 온도-조절 유체 입구 및 하나 이상의 배출 유체 출구를 포함할 수 있다. 열-조절 구역은 온조-조절 유체 입구(들) 및 개질기, 연료 전지 스택과 애프터버너 중 하나 이상과 작동 가능하게 유체 연통되는 양의 가스 압력 공급원을 포함할 수 있다. 열-조절 구역은 고체 단열재, 유체 단열재, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 열-조절 구역은 고체 단열재, 유체 단열재, 또는 이의 조합에 의해 형성될 수 있다.
각각의 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛은 독립적으로 연료 전지 스택의 캐소드와 작동 가능하게 유체 연통되고 캐소드 공기를 캐소드로 이송하도록 구성되는 캐소드 공기 도관을 포함할 수 있다. 각각의 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛은 독립적으로 연료 전지 스택의 애노드와 작동 가능하게 유체 연통되고 캐소드 공기, 산화제, 및 개질 가능한 연료 중 하나 이상을 애노드로 이송하도록 구성되는 애노드 반응물 도관을 포함할 수 있다. 각각의 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛은 독립적으로 애프터버너와 열 연통 및 작동 가능하게 유체 연통되며 가열된 애프터버너 연소 생성물을 애프터버너로부터 배출하도록 구성되는 배출 도관을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 배출 도관은 상류 단부 및 하류 단부를 포함하며, 여기서 배출 도관의 하류 단부는 열-조절 구역 내부에서 종결된다. 몇몇 실시예에서, 배출 도관은 상류 단부 및 하류 단부를 포함하며, 여기서 배출 도관의 하류 단부는 열-조절 구역 외부에서 종결된다. 특정 실시예에서, 제 1 연료 전지 유닛의 배출 도관의 하류 단부는 제 2 연료 전지 유닛의 배출 도관의 하류 단부 쪽으로 지향될 수 있으며, 그에 의해서 각각의 연료 전지 유닛으로부터의 배출 스트림은 조합되게 구성되며, 이는 연료 전지 유닛들 사이의 채널 내에 있을 수 있으며 그에 의해서 "가열된 구역"을 형성한다.
각각의 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛은 독립적으로 가열된 애프터버너 연소 생성물과 열 연통되고 그들의 각각의 개질기와 작동 가능하게 유체 연통되는 증발기를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 본 교시의 연료 전지 시스템은 적어도 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛을 포함하며, 여기서 각각의 연료 전지 유닛은 독립적으로 개질기, 개질기와 작동 가능하게 유체 연통되는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택과 작동 가능하게 유체 연통되는 애프터버너, 및 애프터버너와 열 연통 및 작동 가능하게 유체 연통되는 배출 도관을 포함한다. 배출 도관은 상류 단부 및 하류 단부를 포함한다. 제 1 연료 전지 유닛의 배출 도관의 하류 단부는 제 2 연료 전지 유닛의 배출 도관의 하류 단부 쪽으로 지향될 수 있으며, 그에 의해서 각각의 연료 전지 유닛으로부터의 배출 스트림이 조합되도록 구성된다.
양의 가스 압력 공급원은 제 1 및 제 2 연료 전지 유닛 사이에 위치되고, 배출 도관 및 각각의 연료 전지 유닛으로부터의 배출 스트림과 작동 가능하게 유체 연통될 수 있으며, 그에 의해서 예를 들어 가열된 애프터버너 연소 생성물을 함유하는 배출 스트림이 연료 전지 시스템의 다른 구성요소로 이동 또는 지향될 수 있고/있거나 연료 전지 시스템으로부터 배출될 수 있다. 연료 전지 시스템은 연료 전지 시스템의 열 환경을 더 양호하게 제어하기 위해서 배출 도관과 유체 연통되는 두 개 이상의 양의 가스 압력 공급원을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 각각의 연료 전지 유닛의 배출 도관은 애프터버너로부터 증발기, 공통의 (개질 가능한) 연료 공급원 도관, 공통의 캐소드 공기 도관, 및 (스팀을 발생하기 위한) 액체 개질 가능한 연료 또는 물과 같은 액체의 공급원 중 적어도 하나로 가열된 애프터버너 연소 생성물과 같은 가열된 유체를 배출하도록 구성될 수 있다. 증발기, 공통의 (개질 가능한) 연료 공급원 도관, 공통의 캐소드 공기 도관, 및 액체의 공급원 중 적어도 하나는 제 1 연료 전지 유닛과 제 2 연료 전지 유닛 사이의 채널 내에 위치될 수 있으며, 배출 도관은 애프터버너로부터 채널 내측으로 가열된 유체(연소 생성물)를 배출하도록 구성될 수 있다. 연료 전지 유닛들 사이의 채널 내측으로 배출된 가열 유체는 "가열된 구역"을 생성할 수 있으며, 그에 의해서 열이 증발기, 공통의 (개질 가능한) 연료 공급원 도관, 공통의 캐소드 공기 도관, 및 액체의 공급원 중 하나 이상을 가열하는데 사용될 수 있다. 또한, 연료 전지 유닛은 채널 내측으로의 열 전달을 증가시키기 위해서 채널을 향하는 면, 그의 세그먼트, 또는 표면에 감소된 수준의 단열재를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 공통의 연료 공급원 도관 또는 액체 개질 가능한 연료 저장조 또는 다른 구조물과 같은 액체의 공급원은 연료가 가열 구역 또는 채널을 통과할 때 (개질 가능한) 연료로부터 황과 같은 오염물을 제거하기 위한 열-활성화 흡수제를 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템은 배출 도관 및 채널과 유체 연통되는 두 개 이상의 양의 가스 압력 공급원을 더 포함할 수 있다. 두 개 이상의 양의 가스 압력 공급원은 배출 도관으로부터 채널의 내측으로 가열된 유체의 이송을 제어하도록 독립적으로 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 본 교시의 연료 전지 유닛은 개질기, 개질기와 작동 가능하게 유체 연통되는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택과 작동 가능하게 유체 연통되는 애프터버너, 및 애프터버너와 열 연통되고 개질기와 작동 가능하게 유체 연통되는 증발기를 포함할 수 있다. 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역 내부에 있을 수 있다. 열-차폐 구역은 온도-조절 유체 입구 및 하나 이상의 배출 유체 출구를 포함할 수 있다. 양의 가스 압력 공급원은 온도-조절 유체 입구 및 증발기, 개질기, 연료 전지 스택과 애프터버너 중 하나 이상과 작동 가능하게 유체 연통될 수 있다.
연료 전지 유닛은 연료 전지 스택의 캐소드와 작동 가능하게 유체 연통되는 캐소드 공기 도관, 증발기와 작동 가능하게 유체 연통되는 애노드 공기 도관, 및 증발기와 작동 가능하게 유체 연통되는 개질 가능한 연료 도관을 포함할 수 있다.
연료 전지 유닛은 애프터버너와 열 연통 및 작동 가능하게 유체 연통되는 배출 도관을 포함할 수 있다. 배출 도관은 애노드 공기 도관과 열 연통될 수 있다. 배출 도관은 증발기와 열 전달될 수 있다.
본 교시의 다양한 연료 전지 시스템 및 연료 전지 유닛은 연료 전지 유닛, 또는 제 1 연료 전지 유닛, 제 2 연료 전기 유닛, 및 임의의 더 높은 차수의 연료 전지 유닛의 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중의 하나 이상과 열 연통되는 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 포함할 수 있다. 액체 열-교환 재킷은 하나 이상의 연료 전지 유닛의 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 감소된 수준의 단열재와 관련된 하나 이상의 연료 전지 유닛의 면 또는 그의 세그먼트 또는 표면과 열 연통될 수 있으며, 그에 의해서 열-교환 액체의 면 또는 그의 세그먼트 또는 표면으로부터 우선적으로 열을 전달한다.
연료 전지 유닛 또는 다른 구조물의 면에 대한 참조가 본 교시에서 이루어질 때, 문맥에서 달리 언급하거나 암시하지 않는 한, 연료 전지 유닛 또는 다른 구조물의 면의 세그먼트를 포함하려는 의도임이 이해되어야 한다. 예를 들어, 연료 전지 유닛의 면은 종종, 이러한 순차적인 순서로 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너를 포함할 수 있다. 연료 전지 유닛의 면의 세그먼트는 개질기 또는 개질기의 일부분, 연료 전지 스택 또는 연료 전지 스택의 일부분, 및 애프터버너 또는 애프터버너의 일부분 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 연료 전지 스택의 세그먼트는 단어 "a"가 본 교시에서 정의될 때 하나 이상의 세그먼트를 포함할 수 있다. 즉, 연료 전지 스택의 면의 세그먼트는 개질기 및 애프터버너를 지칭할 수 있으며, 여기서 연료 전지 스택은 제외되고 세그먼트의 일부가 아니다.
액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 연료 전지 시스템의 공통의 액체 열-교환 도관에 연결하도록 구성되는 인터페이스를 포함할 수 있다. 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과 공통의 액체 열-교환 도관 사이의 인터페이스는 밸브 조립체를 포함할 수 있다. 밸브 조립체는 신속-연결 밸브, 고정된 오리피스, 및 비례 밸브 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 각각의 신속-연결 밸브, 고정된 오리피스, 및 비례 밸브는 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과 공통의 액체 열-교환 도관 사이에 작동 가능한 유체 연통을 제공하도록 구성될 수 있다.
연료 전지 유닛이 개질기를 포함하는 본 교시의 다양한 연료 전지 시스템에서, 인터페이스는 개질기를 연료 전지 시스템의 공통의 연료 공급원 도관에 연결하도록 구성될 수 있다. 개질기와 공통의 연료 공급원 도관 사이의 인터페이스는 밸브 조립체를 포함할 수 있다. 밸브 조립체는 신속-연결 밸브, 고정된 오리피스, 및 비례 밸브 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 각각의 신속-연결 밸브, 고정된 오리피스, 및/또는 비례 밸브는 개질기와 공통의 가스 연료 공급원 도관 사이에 작동 가능한 유체 연통을 제공하도록 될 수 있다.
본 교시의 연료 전지 시스템 및 연료 전지 유닛은 독립적인 각각의 연료 전지 유닛 및/또는 그의 구성요소, 예를 들어 양의 가스 압력 공급원(들) 및/또는 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과 같은 연료 전지 시스템의 작동을 자동화하기 위한 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 하나 이상의 센서 조립체 및/또는 양의 가스 압력 공급원(들)과 관련된 하나 이상의 밸브 조립체 및/또는 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷, 그와 관련된 도관 및/또는 각각의 연료 전지 유닛의 구성요소와 통신하는 제어기를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서 조립체는 온도 센서 및/또는 압력 센서를 독립적으로 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 연료 전지 유닛의 전자기기는 열-차폐 구역의 외측에 또는 열-조절 구역의 외측에 위치될 수 있다. 특정 실시예에서, 연료 전지 유닛의 전자기기는 감소된 수준의 단열재와 관련되지 않은 연료 전지 유닛의 면 또는 표면(예를 들어, 감소되지 않은 수준의 단열재를 갖는 면, 그의 세그먼트, 또는 표면)에 또는 그에 인접하여 위치될 수 있다. 특정 실시예에서, 연료 전지 유닛의 전자기기는 배출 도관의 하류 단부의 반대 면 또는 표면에 또는 그에 인접하여 위치될 수 있다.
본 교시는 또한, CHP 시스템을 포함한다. CHP 시스템은 본 교시의 하나 이상의 연료 전지 시스템 또는 유닛, 및 연료 전지 유닛에 인접하여 위치되는 히터 유닛을 포함할 수 있다. CHP 시스템은 CHP 시스템의 개개의 연료 전지 유닛 및 히터 유닛의 작동을 독립적으로 자동화하기 위한 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 하나 이상의 센서 조립체 및/또는 하나 이상의 밸브 조립체와 통신하는 제어기를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 센서 조립체 및/또는 하나 이상의 밸브 조립체는 연료 전지 유닛(들) 및/또는 히터 유닛(들)과 독립적으로 관련된다.
본 교시의 다른 양태는 연료 전지 시스템, 연료 전지 유닛(들), 및/또는 CHP 시스템의 열 관리의 방법에 관한 것이다. 연료 전지 시스템의 열 관리의 방법은 열-차폐 구역의 온도-조절 유체 입구를 통해 온도-조절 유체를 이송하는 단계, 및 열-차폐 구역의 하나 이상의 배출 유체 출구를 통해 가열된 배출 유체를 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역 내부에 있을 수 있다. 가열된 배출 유체는 가열된 온도-조절 유체를 포함할 수 있다. 즉, 가열된 배출 유체는 유체가 배출되기 이전에 열-차폐 구역을 통해 이동할 때 가열되는 온도-조절 유체 입구를 통해 도입되는 온도-조절 유체를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 전지 유닛의 온도-조절 유체 입구를 통해 온도-조절 유체를 이송하는 단계는 제 1 연료 전지 유닛의 온도-조절 유체 입구를 통해 그리고 제 2 연료 전지 유닛의 온도-조절 유체 입구를 통해 온도-조절 유체를 독립적으로 이송하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 연료 전지 유닛의 하나 이상의 배출 유체 출구를 통해 가열된 배출 유체를 배출하는 단계는 제 1 연료 전지 유닛의 하나 이상의 배출 유체 출구를 통해 그리고 제 2 연료 전지 유닛의 하나 이상의 배출 유체 출구를 통해 가열된 배출 유체를 독립적으로 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 연료 전지 유닛은 제 2 연료 전지 유닛으로부터 열-차폐될 수 있다. 가열된 배출 유체는 가열된 온도-조절 유체를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 방법은 열-차폐 구역 내부에서 가열된 애프터버너 연소 생성물을 연료 전지 유닛의 애프터버너로부터 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 가열된 배출 유체는 연료 전지 유닛의 애프터버너로부터의 가열된 애프터버너 연소 생성물을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 방법은 연료 전지 유닛의 애프터버너로부터의 가열된 애프터버너 연소 생성물에 의해 증발기를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 증발기로 이송하기 이전에 연료 전지 유닛의 애프터버너로부터의 가열된 애프터버너 연소 생성물에 의해 애노드 공기를 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 증발기로 이송하기 이전에 연료 전지 유닛의 애프터버너로부터의 가열된 애프터버너 연소 생성물에 의해 개질 가능한 연료를 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 연료 전지 유닛의 캐소드로 이송하기 이전에 애프터버너로부터의 열에 의해 캐소드 공기를 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 후자의 방법에서 캐소드 공기는 캐소드로 이송하기 이전에 애프터버너를 통과할 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템의 열 관리 방법은 제 1 연료 전지 유닛으로부터 제 2 연료 전지 유닛 쪽으로 가열된 유체를 배출하는 단계, 및 제 2 연료 전지 유닛으로부터 제 1 연료 전지 유닛 쪽으로 가열된 유체를 배출하는 단계를 포함할 수 있다.
그런 배열은 연료 전지 시스템의 복수의 연료 전지 유닛의 단계적 시동(staged start-up)에 유용할 수 있다. 예를 들어, 단지 하나의 연료 전지 유닛이 용례의 동력 요건으로 인해 초기에 운영 또는 작동되나 추가 동력이 필요한 경우에, 제 2 연료 전지 유닛이 시동될 수 있다. (제 1) 작동 연료 전지 유닛이 제 2(비-작동) 연료 전지 유닛 쪽으로 그의 가열된 유체를 배출하기 때문에, 제 2 연료 전지 유닛은 이미 적어도 부분적으로 가열되어 제 2 연료 전지 유닛의 시동을 촉진시키고 제 2 연료 전지 유닛이 정상-상태 작동에 도달하는 시간을 감소시킨다.
몇몇 실시예에서, 가열된 유체를 배출하는 단계는 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛 각각의 애프터버너로부터의 가열된 애프터버너 연소 생성물을 독립적으로 배출하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛 각각은 열-차폐 구역 내부에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 가열된 유체를 배출하는 단계는 각각, 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛 각각의 열-차폐 구역의 외측으로 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛 각각의 애프터버너로부터의 가열된 애프터버너 연소 생성물을 독립적으로 배출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛으로부터 배출된 가열 유체를 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛에 의해 그리고 이들 사이에 형성되는 채널로 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 배출된 가열 유체를 지향시키는 단계는 가열된 애프터버너 연소 생성물과 같은 배출된 가열 유체를 채널 내에 위치되는 유체의 공급원과 증발기 중 적어도 하나로 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 유체의 공급원은 물의 공급원일 수 있다. 그런 실시예에서, 상기 방법은 스팀 개질화에 사용하기 위해 물을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템의 열 관리 방법은 제 1 연료 전지 유닛으로부터 배출된 가열 유체의 이득 없이 제 2 연료 전지 유닛에서의 화학 반응 또는 제 2 연료 전지 유닛의 시동을 개시하는 시간에 비해서 제 2 연료 전지 유닛에서의 화학 반응 또는 제 2 연료 전지 유닛의 시동을 개시하는 시간을 단축시키기 위해서 제 1 연료 전지 유닛으로부터 제 2 연료 전지 유닛 쪽으로 가열된 유체를 배출하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템의 열 관리 방법은 연료 전지 유닛의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면으로부터 우선적으로 열을 연통하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 감소된 수준의 단열재는 연료 전지 유닛의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면, 예를 들어 애프터버너, 연료 전지 스택, 개질기 및 증발기 중 하나 이상과 관련된 면, 그의 세그먼트, 또는 표면과 접촉, 인접 및/또는 그와 열 연통될 수 있으며, 그에 의해서 감소된 수준의 단절재와 관련된 면, 그의 세그먼트, 또는 표면을 통한 및/또는 그로부터 열 전달을 증가시킨다. 몇몇 실시예에서, 상기 방법은 제 1 연료 전지 유닛의 면 또는 표면으로부터 우선적으로 열을 전달하는 단계, 및 제 2 연료 전지 유닛의 면 또는 표면으로부터 우선적으로 열을 전달하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 감소된 수준의 단열재는 감소된 수준의 단열재를 포함하는 제 1 연료 전지 유닛의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면 및/또는 감소된 수준의 단열재를 포함하는 제 2 연료 전지 유닛의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면과 접촉, 인접 및/또는 그와 열 전달될 수 있다. 감소된 수준의 단열재는 제 1 연료 전지 유닛 및 제 2 연료 전지 유닛의 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 하나 이상의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면과 관련될 수 있다.
상기 방법은 제 1 연료 전지 유닛의 면 또는 표면으로부터 제 1 연료 전지 유닛과 제 2 연료 전지 유닛 사이의 채널로 우선적으로 열을 전달하는 단계, 및 제 2 연료 전지 유닛의 면 또는 표면으로부터 채널로 우선적으로 열을 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 방법은 제 3 연료 전지 유닛의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면으로부터 우선적으로 열을 연통하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 감소된 수준의 단열재가 제 3 연료 전지 유닛, 예를 들어 제 3 연료 전지 유닛의 적어도 애프터버너의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면과 접촉, 인접 및/또는 그와 열 연통될 수 있다. 특정 실시예에서, 감소된 수준의 단열재가 제 2 연료 전지 유닛, 예를 들어 제 2 연료 전지 유닛의 적어도 애프터버너의 제 2 면, 그의 세그먼트, 또는 제 2 표면과 접촉, 인접 및/또는 그와 열 전달될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제 1, 제 2 및 제 3 연료 전지 유닛은 각각 선형으로 배열될 수 있으며, 제 1 연료 전지 유닛의 면 또는 그의 세그먼트 또는 표면은 제 2 연료 전지 유닛의 면 또는 그의 세그먼트 또는 표면과 대향할 수 있으며 제 2 연료 전지 유닛의 제 2 면 또는 그의 세그먼트 또는 제 2 표면은 제 3 연료 전지 유닛의 면 또는 그의 세그먼트 또는 표면과 대향할 수 있다(여기서, 전술한 "면(face)", "면의 세그먼트(segment of face)" 또는 "표면(surface)"은 감소된 단열재와 관련될 수 있지만, 본 교시에서 다른 참조를 위해서 다른 실시예를 설명하는 연료 전지 또는 히터 유닛(들)의 "면(face)", "면의 세그먼트(segment of face)" 또는 "표면(surface)"을 지칭하는 것으로 이해될 수 있다).
감소된 수준의 단열재를 사용하여 우선적으로 열을 전달하는 단계를 포함하는 방법에서, 연료 전지 유닛들의 하나 이상은 열-조절 구역 내부에 있을 수 있으며, 여기서 열-조절 구역은 온도-조절 유체 입구를 포함할 수 있다. 그런 경우에, 우선적으로 열을 전달하는 단계는 열-조절 구역의 온도-조절 유체 입구를 통해 온도-조절 유체를 이송하는 단계를 포함할 수 있다.
본 교시의 다양한 방법은 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 하나 이상으로부터 순환 열-교환 액체로 열 연통을 촉진시키기 위해서 연료 전지 유닛의 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 하나 이상과 열 전달되게 열-교환 액체를 순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 열-교환 액체는 물 및/또는 글리콜을 포함할 수 있다. 글리콜의 사용은 열-교환 액체의 비등점을 증가시킬 수 있어서 열-교환 액체의 용적당 더 많은 열이 전달될 수 있게 한다. 글리콜은 글리콜의 열 전도율을 증가시키도록 나노-크기의 금속 미립자와 같은 금속을 포함할 수 있다. 열-교환 액체를 순환시키는 방법은 열화를 제한하도록 연료 전지 유닛의 구성요소의 온도를 감소 또는 제한할 수 있다. 예를 들어, 작동 연료 전지 유닛의 개질기, 연료 전지 스택 및/또는 애프터버너 온도는 특히, 높은 연료 유동 작동 조건 중에 제어될 수 있으며, 그에 의해서 이들 구성요소 내에 존재하는 촉매 및 다른 재료의 열화를 제한 또는 감소시킨다.
본 교시의 특정 방법은 연료 전지 유닛, 또는 독립적으로 제 1 연료 전지 유닛 및/또는 제 2 연료 전지 유닛의 면 또는 그의 세그먼트 또는 표면 중 적어도 하나와 열 연통되도록 열-교환 액체를 순환시키는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 면 또는 그의 세그먼트 또는 표면은 감소된 수준의 단열재와 관련되어 있으며 그에 의해서 면(들) 또는 그의 세그먼트(들) 또는 표면(들)을 통해 및/또는 그로부터 열-교환 액체로 우선적으로 열을 전달한다.
상기 방법은 연료 전지 유닛을 연료 전지 시스템의 공통의 액체 열-교환 도관에 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 본 교시의 방법은 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면으로부터 순환하는 열-교환 액체로 우선적으로 열을 전달하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 그의 세그먼트 또는 하나의 표면과 접촉, 그와 인접 및/또는 그와 열 연통되는 감소된 수준의 단열재와 열 연통된다.
액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷 내에 있는 또는 이를 빠져나가는 가열된 열-교환 액체는 본 교시에서 설명한 바와 같은 다양한 장치로 및/또는 다양한 용도를 위해 순환 또는 이송될 수 있다. 예를 들어, 가열된 열-교환 액체는 예컨대 선택기 밸브(selector valve) 등을 사용함으로써 가열된 열-교환 액체를 하나 이상의 다른 장치로 지향시킬 수 있는 유체 또는 유압 회로 패널로 순환 또는 이송될 수 있다. 그런 배열 또는 설계는 물 탱크와 같은 액체 히트 싱크 저장조로의 효율적인 액체-대-액체 열 전달을 촉진시킬 수 있다. 가열된 열-교환 액체는 개질 가능한 연료를 예열하기 위해서 액체 개질 가능한 연료의 저장조 또는 가스 개질 가능한 연료의 탱크 또는 컨테이너와 같은 개질 가능한 연료의 공급원과 열 연통되도록 순환 또는 이송될 수 있다. 예를 들어, 가열된 열-교환 액체는 액체 개질 가능한 연료를 증발시키는데 요구되는 열을 감소시키는데 사용될 수 있다. 가열된 열-교환 액체는 연료 전지 유닛의 작동에 사용하기 위한 스팀을 형성 또는 생성하기 이전에 물을 예열하기 위해서 물의 탱크 또는 컨테이너와 열 전달되도록 순환 또는 이송될 수 있다. 특정 실시예에서, 제 1 연료 전지 유닛으로부터 제 2 연료 전지 유닛 쪽으로 가열된 열-교환 액체를 순환시키는 것은 제 1 연료 전지 유닛으로부터 가열된 열-교환 액체의 이득 없이 제 2 연료 전지 유닛에서의 화학 반응 또는 제 2 연료 전지 유닛의 시동을 개시하는 시간에 비해서 제 2 연료 전지 유닛에서의 화학 반응 또는 제 2 연료 전지 유닛의 시동을 개시하는 시간을 단축시킬 수 있다.
본 교시의 다양한 방법은 연료 전지 유닛을 연료 전지 시스템의 공통의 (개질 가능한) 연료 공급원 도관에 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
본 교시의 방법은 양의 가스 압력의 하나 이상의 공급원, 개질기, 연료 전지 스택, 애프터버너, 증발기, 다양한 밸브 조립체와 그와 관련된 센서 조립체, 및 특별히 확인되지 않은 다른 구성요소를 독립적으로 포함하는, 연료 전지 시스템, 연료 전지 유닛, CHP 시스템, 및 이의 하나 이상의 구성요소 중 하나 이상에 대한 작동을 독립적으로 모니터링하고 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
연료 전지, 그의 구성요소, 구성 및/또는 작동에 관한 참조가 이루어지는 경우에, 동일한 구성요소, 구성 및/또는 작동이 연료 시스템의 다른 연료 전지 유닛, 예를 들어 제 1 연료 전지 유닛, 제 2 연료 전지 유닛, 제 3 연료 전지 유닛 등에 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1a는 연료 전지 유닛이 열-차폐 구역 내부에 있으며 애프터버너로부터 배출 도관의 하류 단부가 열-차폐 구역의 외부에서 종결되는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 1a를 참조하면, 연료 전지 시스템(100)은 개질기(104), 연료 전지 스택(106), 및 애프터버너(108)를 포함하는 연료 전지 유닛(102)을 포함한다. 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역(110) 내부에 있다. 열-차폐 구역(110)은 하나의 온도-조절 유체 입구(112) 및 하나 이상의 배출 유체 출구(114)를 포함한다. 양의 가스 압력 공급원(116)은 온도-조절 유체 입구(112)와 작동 가능하게 유체 연통된다.
연료 전지 시스템(100) 또는 연료 전지 유닛(102)은 애프터버너(108)를 통해 연료 전지 스택(106)의 캐소드(도시되지 않음)로 캐소드 공기를 이송하기 위한 캐소드 공기 도관(118); 애노드 공기, 산화제, 및 개질 가능한 연료 중 하나 이상을 개질기(104)로 그리고 그 후에 연료 전지 스택(106)의 애노드(도시되지 않음)로 이송하기 위한 애노드 반응물 도관(120); 및 애프터버너(108)로부터 가열된 애프터버너 연소 생성물과 같은 가열된 유체를 배출하기 위한 배출 도관(122)을 포함한다. 배출 도관(122)은 애프터버너(108)와 유체 연통되는 상류 단부(124) 및 열-차폐 구역(110)의 외측에서 종결되는 하류 단부(126)를 포함한다.
따라서, 도시된 바와 같은 작동시에 팬 또는 송풍기와 같은 양의 가스 압력 공급원은 연료 전지 유닛 및 그의 구성요소의 온도 조절을 돕기 위해서 온도-조절 유체, 예를 들어 신선한 주위 공기를 온도-조절 유체 입구를 통해서 그리고 연료 전지 유닛 아래로 이송할 수 있다. 온도-조절 유체의 이동은 양의 가스 압력 공급원을 통해서 열-차폐 구역 내부에 있는 연료 전지 유닛의 좌우측의 아래로 그리고 그의 바닥 근처에 있는 열-차폐 구역의 좌우측에서 배출 유체 출구의 외부로 화살표에 의해 도시된다. 온도-조절 유체가 열-차폐 구역을 통해 유동할 때, 유체는 연료 전지 유닛에 의해 발생되는 열에 의해서 온도가 증가할 수 있고, 그에 따라 하나 이상의 배출 유체 출구의 외부로 유동하는 가열된 배출 유체는 가열된 온도-조절 유체를 포함한다.
도 1b는 도 1a의 연료 전지 시스템과 유사하지만, 애프터버너로부터 배출 도관의 하류 단부가 열-차폐 구역의 내부에서 종결되는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다. 도면의 유사한 구성요소는 예를 들어, 구성 재료, 센서 조립체, 밸브 구성, 도관 연결 및 배열 등과 같은 그와 관련된 다양한 변형예를 갖는 동일 또는 상이할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 연료 전지 시스템(100')은 개질기(104'), 연료 전지 스택(106'), 및 애프터버너(108')를 포함하는 연료 전지 유닛(102')을 포함한다. 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역(110') 내부에 있다. 열-차폐 구역(110')은 하나 초과의 온도-조절 유체 입구(112') 및 하나 이상의 배출 유체 출구(114')를 포함한다. 양의 가스 압력 공급원(116')은 복수의 온도-조절 유체 입구(112')와 작동 가능하게 유체 연통된다.
연료 전지 시스템(100') 또는 연료 전지 유닛(102')은 애프터버너(108')를 통해 연료 전지 스택(106')의 캐소드(도시되지 않음)로 캐소드 공기를 이송하기 위한 캐소드 공기 도관(118'); 애노드 공기, 산화제, 및 개질 가능한 연료 중 하나 이상을 개질기(104')로 그리고 그 후에 연료 전지 스택(106')의 애노드(도시되지 않음)로 이송하기 위한 애노드 반응물 도관(120'); 및 애프터버너(108')로부터 가열된 애프터버너 연소 생성물과 같은 가열된 유체를 배출하기 위한 배출 도관(122')을 포함한다. 배출 도관(122')은 애프터버너(108')와 유체 연통되는 상류 단부(124') 및 열-차폐 구역(110')의 내측에서 종결되는 하류 단부(126')를 포함한다.
도시된 바와 같은 작동시에, 팬 또는 송풍기와 같은 양의 가스 압력 공급원은 연료 전지 유닛 및 그의 구성요소의 온도 조절을 돕기 위해서 온도-조절 유체, 예를 들어 신선한 주위 공기를 온도-조절 유체 입구를 통해서 그리고 연료 전지 유닛의 아래로 이송할 수 있다. 온도-조절 유체가 열-차폐 구역 아래로 유동할 때, 유체는 연료 전지 유닛에 의해 발생되는 열에 의해서 온도가 증가함으로써 하나 이상의 배출 유체 출구의 외부로 유동하는 가열된 배출 유체는 가열된 온도-조절 유체를 포함한다. 또한, 가열된 애프터버너 연소 생성물은 양의 가스 압력 공급원으로부터 온도-조절 유체의 유동에 의해서 하향으로 이동된다. 가열된 애프터버너 연소 생성물은 온도-조절 유체의 온도를 증가시킬 뿐만 아니라 열-차폐 구역 내부의 온도를 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 애프터버너로부터의 배출물은 양의 가스 압력 공급원으로부터 온도-조절 유체의 유동량에 의해서 예를 들어, 부분적으로 제어될 각각 열-차폐 구역 내부의 온도로 연료 전지 유닛의 작동 온도의 유지를 돕는데 효과적으로 사용될 수 있다. 즉, 예를 들어 열-차폐 구역 내부 및 따라서 연료 전지 유닛 주위의 온도를 감소시키기 위해서, 온도-조절 유체의 유동은 열-차폐 구역 내부의 가열된 유체가 열-차폐 구역으로부터 하나 이상의 배출 유체 출구를 통해서 더 신속히 축출되거나 배출되도록 증가될 수 있다.
도 1c는 4 개의 연료 전지 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템(100")의 평면도의 개략도를 도시하며, 여기서 각각의 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역 내부에 있다(도시되고 도면 부호가 병기된 바와 같이, 하나의 연료 전지 유닛은 제 1 열-차폐 구역(110") 내부에 있으며 다른 연료 전지 유닛은 제 2 열-차폐 구역(110"') 내부에 있다). 도 1c의 각각의 연료 전지 유닛은 도 1b에 도시된 연료 전지 유닛과 유사하다. 양의 가스 압력의 공급원(116")은 각각의 열-차폐 구역의 최상부에 존재하며 연료 전지 유닛의 배출 도관(도시되지 않음)은 열-차폐 구역 내부에서 종결된다. 그러나, 도 1c에 도시된 바와 같이, 애노드 반응물 도관(120")은 캐소드 공기 도관(118")의 반대 쪽에 있는 열-차폐 구역(110")을 빠져나간다. 그런 구성은 각각의 연료 전지 유닛의 애노드 반응물 도관(120")이 인터페이스(130)를 통해서 공통의 (개질 가능한) 연료 공급원 도관(128)에 연결 또는 커플링되게 허용한다. 그런 배열은 공통의 연료 공급원 도관과 그의 내용물을 가열하는 연료 전지 유닛들 사이의 채널로 발생되고/되거나 지향되는 열을 유익하게 사용할 수 있다.
도 1d는 4 개의 연료 전지 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템(100"')의 평면도의 개략도를 도시하며, 여기서 각각의 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역 내부에 있다(도시되고 도면 부호가 병기된 바와 같이, 하나의 연료 전지 유닛은 제 1 열-차폐 구역(110ⅳ) 내부에 있으며 다른 연료 전지 유닛은 제 2 열-차폐 구역(110ⅴ) 내부에 있음). 도 1d의 각각의 연료 전지 유닛은 도 1a에 도시된 연료 전지 유닛과 유사하다. 양의 가스 압력의 공급원(116")은 각각의 열-차폐 구역의 최상부에 존재한다. 배출 도관(122")의 하류 단부(126")는 열-차폐 구역(110ⅳ) 외측에서 종결된다. 캐소드 공기 도관(118"')은 인터페이스(131)를 통해서 공통의 캐소드 공기 도관(129)에 연결 또는 커플링된다. (캐소드 공기 도관에 의해서 평면도에서 가려진 것으로서 보이지 않는) 애노드 반응물 도관은 (또한 공통의 캐소드 공기 도관에 의해서 평면도에서 가려진 것으로서 보이지 않는) 공통의 연료 공급원 도관에 연결 또는 커플링될 수 있다. 연료 전지 유닛들 사이, 즉 열-차폐 구역(110ⅴ)이 위치되는 채널의 반대쪽에 또는 채널을 가로질러서, 공통의 캐소드 공기 도관이 먼저-설명된 공통의 캐소드 공기 도관(129)과 동일한 유체 스트림을 공유하거나 그 공통의 캐소드 공기 도관과 독립적일 수 있는 다른 공통의 캐소드 공기 도관(129')이 존재한다. 그런 배열은 연료 입구 스트림으로부터 열 배출 스트림을 분리시킬 수 있다.
도 1e는 도 1a와 유사하지만, 연료 전지 유닛이 배출 도관을 갖는 연료 전지 유닛의 면의 세그먼트에 인접한 감소된 수준의 단열재를 가지는 열-조절 구역 내부에 있는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 1e를 참조하면, 연료 전지 시스템(100ⅳ)은 개질기(104"), 연료 전지 스택(106"), 및 애프터버너(108")를 포함하는 연료 전지 유닛(102")을 포함한다. 연료 전지 유닛은 (도 1a에 도시된 연료 전지 시스템과 도 1e에 도시된 연료 전지 시스템 사이에 주된 차이점 있는) 열-조절 구역(111) 내부에 있다. 열-조절 구역(111)은 연료 전지 유닛의 면의 세그먼트와 인접하고 그와 열 연통되는 감소된 수준의 단열재(113)를 포함하며, 그 세그먼트는 개질기의 면 또는 표면, 연료 전지 스택의 면 또는 표면, 및 애프터버너(108")의 면의 세그먼트 또는 표면을 포함한다. 따라서, 열-조절 구역으로부터의 열은 "H"가 병기된 커다란 화살표 방향으로 이들 면, 그의 세그먼트 및 표면을 통해 또는 이들로부터 우선적으로 전달될 수 있다. 열-조절 구역(111)은 하나 초과의 온도-조절 유체 입구(112") 및 하나 이상의 배출 유체 출구(114")를 포함한다. 양의 가스 압력 공급원(송풍기)(116ⅳ)은 도관(117)을 통해 온도-조절 유체 입구(112")와 작동 가능하게 유체 연통된다.
연료 전지 시스템(100ⅳ) 또는 연료 전지 유닛(102")은 애프터버너(108")를 통해 연료 전지 스택(106")의 캐소드(도시되지 않음)로 캐소드 공기를 이송하기 위한 캐소드 공기 도관(118ⅳ); 애노드 공기, 산화제, 및 개질 가능한 연료 중 하나 이상을 개질기(104")로 그리고 연료 전지 스택(106")의 애노드(도시되지 않음)로 이송하기 위한 애노드 반응물 도관(120"'); 및 애프터버너(108")로부터의 가열된 애프터버너 연소 생성물과 같은 가열된 유체를 배출하기 위한 배출 도관(122"')을 포함한다. 배출 도관(122"')은 애프터버너(108")와 유체 연통되는 상류 단부(부호 병기되지 않음) 및 열-조절 구역(111)의 외측에서 종결되는 하류 단부(126"')를 포함한다.
도 1e에 도시된 연료 전지 시스템의 작동은 도 1a에 도시되고 위에 그리고 본 교시에서 설명된 연료 전지 시스템의 작동과 유사할 수 있다. 그러나, 연료 전지 유닛의 하나 이상의 구성요소의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면에 있거나 그에 인접한 감소된 수준의 단열재의 존재로, 추가의 열 전달, 관리, 및 제어가 달성될 수 있다. 본 발명에서 설명되는 본 교시의 다른 특징과 조합하고, 특히 연료 전지 시스템의 복수의 연료 전지 유닛의 설계 및 배열과 관련하여, 연료 전지 유닛 및 다른 구성요소에 의해 발생되는 열은 연료 전지 시스템의 작동 중에 에너지와 열을 보존하고 동일한 손실을 감소시킴으로써 더욱 효율적으로 작동되는 연료 전지 유닛과 연료 전지 시스템을 생성하기 위한 다른 목적으로 사용될 수 있다.
도 2a는 도 1a에 도시된 것과 유사하지만, 애프터버너, 연료 전지 스택 및 개질기가 액체 열-교환 재킷과 접촉하는 연료 전지 유닛을 도시하는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 2a를 참조하면, 연료 전지 시스템(200)은 개질기(204), 연료 전지 스택(206), 및 애프터버너(208)를 포함하는 연료 전지 유닛(202)을 포함한다. 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역(210) 내부에 있다. 열-차폐 구역(210)은 온도-조절 유체 입구(212) 및 하나 이상의 배출 유체 출구(214)를 포함한다. 양의 가스 압력 공급원(216)은 온도-조절 유체 입구(212)와 작동 가능하게 유체 연통된다.
연료 전지 시스템(200) 또는 연료 전지 유닛(202)은 애프터버너(208)를 통해 연료 전지 스택(206)의 캐소드(도시되지 않음)로 캐소드 공기를 이송하기 위한 캐소드 공기 도관(218); 애노드 공기, 산화제, 및 개질 가능한 연료 중 하나 이상을 개질기(204)로 그리고 그 후에 연료 전지 스택(206)의 애노드(도시되지 않음)로 이송하기 위한 애노드 반응물 도관(220); 및 애프터버너(208)로부터 가열된 애프터버너 연소 생성물과 같은 가열된 유체를 배출하기 위한 배출 도관(222)을 포함한다. 배출 도관(222)은 애프터버너(208)와 유체 연통되는 상류 단부(224) 및 열-차폐 구역(210)의 외측에서 종결되는 하류 단부(226)를 포함한다.
액체 열-교환 재킷(232)이 존재하며 개질기(204), 연료 전지 스택(206), 및 애프터버너(208)와 열 연통된다. 액체 열-교환 재킷(232)은 액체 열-교환 출구(234) 및 액체 열-교환 입구(236)를 가진다. 액체 열-교환 재킷은 통상적으로, 연료 전지 유닛의 하나 이상의 구성요소, 예를 들어 개질기, 연료 전지 스택 및 개질기 중 하나 이상의 둘레, 예를 들어 원주를 포함하고 그와 열 연통될 것이다. 액체 열-교환 판이 존재하고 통상적으로, 연료 전지 유닛의 하나 이상의 구성요소의 하나 이상의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면과 열 연통될 것이나 연료 전지 유닛의 형상에 따라서 둘레 또는 원주를 완전히 둘러싸지는 않는다. 그러나, 다른 변형예, 예를 들어 연료 전지 유닛 내측으로 그리고 그의 외측으로의 도관 및 다른 구성요소가 없다면 전체 연료 전지 유닛(즉, 최상부, 바닥 및 측면)을 둘러싸는 액체 열-교환 재킷이 사용될 수 있고 본 교시에 포함된다.
작동시, 열-교환 액체는 액체 열-교환 입구를 통해 이송되고, 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 통해 순환될 수 있어서 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과 연료 전지 유닛의 이들 구성요소 사이의 열 연통에 따라서 애프터버너, 연료 전지 스택 및 개질기 중 하나 이상으로부터 열-교환 액체로의 열 전달을 촉진한다. 가열된 열-교환 액체는 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷으로부터 액체 열-교환 출구를 통해 제거될 수 있다. 가열된 열-교환 액체는 그 후에 액체-대-액체 열 교환기, 액체-대-가스 열 교환기, 공기 조절 유닛 또는 시스템, 및/또는 본 교시에서 설명되거나 본 기술분야에 또는 달리 공지된 바와 같은 가열된 열-교환 액체로부터 열을 포획하고 사용하거나 달리 축출하는데 적합한 다른 장치와 같은 하나 이상의 다른 장치로 순환될 수 있다. 열-교환 액체는 물 및/또는 글리콜을 포함할 수 있다. 글리콜의 사용은 열-교환 액체의 비등점을 증가시킬 수 있어서 열-교환 액체의 용적당 더 많은 열이 전달될 수 있게 한다.
이와는 달리, 도 2a의 연료 전지 유닛의 작동은 예를 들어, 온도-조절 유체 입구와 유체 연통하는 양의 가스 압력 공급원과 함께 열-차폐 구역의 열 환경의 조절을 도울 수 있는, 액체 열-교환 재킷에 의해 제공되는 추가의 열 전달 성능이 없다면 도 1a의 연료 전지 유닛의 작동과 유사하다. 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷이 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역 내부에 존재하지 않는 연료 전지 유닛과 함께 사용될 수 있거나 그의 일부일 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 즉, 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 본 교시의 열-차폐 구역 및 열-조절 구역과 독립적으로 사용될 수 있다. 게다가, 적절하게 설계되고 구성되면, 액체 열-교환 재킷은 연료 전지 유닛의 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역을 형성할 수 있고/있거나 있다면, 임의의 단열재 및/또는 감소된 수준(들)의 단열재를 포함하는 연료 전지 유닛의 나머지 구조물일 수 있다.
도 2b는 도 1b에 도시된 것과 유사하지만, 애프터버너, 연료 전지 스택 및 개질기가 액체 열-교환 재킷과 접촉하는 연료 전지 유닛을 도시하는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 2b를 참조하면, 연료 전지 시스템(200')은 개질기(204'), 연료 전지 스택(206'), 및 애프터버너(208')를 포함하는 연료 전지 유닛(202')을 포함한다. 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역(210') 내부에 있다. 열-차폐 구역(210')은 온도-조절 유체 입구(212') 및 하나 이상의 배출 유체 출구(214')를 포함한다. 양의 가스 압력 공급원(216')은 온도-조절 유체 입구(212')와 작동 가능하게 유체 연통된다.
연료 전지 시스템(200') 또는 연료 전지 유닛(202')은 애프터버너(208')를 통해 연료 전지 스택(206')의 캐소드(도시되지 않음)로 캐소드 공기를 이송하기 위한 캐소드 공기 도관(218'); 애노드 공기, 산화제, 및 개질 가능한 연료 중 하나 이상을 개질기(204')로 그리고 그 후에 연료 전지 스택(206')의 애노드(도시되지 않음)로 이송하기 위한 애노드 반응물 도관(220'); 및 애프터버너(208')로부터 가열된 애프터버너 연소 생성물과 같은 가열된 유체를 배출하기 위한 배출 도관(222')을 포함한다. 배출 도관(222')은 애프터버너(208')와 유체 연통되는 상류 단부(224') 및 열-차폐 구역(210')의 외측에서 종결되는 하류 단부(226')를 포함한다.
액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷(232')이 존재하며 개질기(204'), 연료 전지 스택(206'), 및 애프터버너(208')와 열 연통된다. 액체 열-교환 재킷(232')은 액체 열-교환 출구(234') 및 액체 열-교환 입구(236')를 가진다. 또한, 도 2b에 도시된 연료 전지 시스템 및 연료 전지 유닛의 작동은 그의 작동이 본 교시에서 설명되는, 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 추가하면 도 1b에 도시된 연료 전지 유닛의 작동과 유사하다.
도 2b의 구성요소의 설계 및 배열의 하나의 장점은 액체 열-교환 재킷과 접촉 또는 그에 인접하는 연료 전지 유닛의 구성요소의 외부 면 또는 표면에서 열 전달이 일어날 뿐만 아니라, 열-차폐 구역 내부의 애프터버너로부터의 배출물이 열-차폐 구역으로부터 열-교환 액체로 열 전달을 추가로 향상시키도록 액체 열-교환 재킷 위로 유동하거나 이송되거나 이동되고 그와 접촉한다는 점이다. 연료 전지 유닛의 배출물로부터 열-교환 액체로의 열 전달의 장점을 취하기 위한 다른 설계 및 구성은 본 교시에 기초하여, 예를 들어 열-조절 구역 내부에 있는 연료 전지 유닛, 또는 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역에 존재하지 않으나 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과 관련된 연료 전지 유닛에 기초하여 계획된다.
도 2c는 단지, 애프터버너의 면의 적어도 두 개의 면과 연료 전지 스택의 하나의 면이 액체 열-교환 액체로 우선적인 열 전달을 위한 감소된 수준의 단열재를 포함하는 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과 단지 애프터버너 및 연료 전지 스택이 접촉하는 것만을 제외하면 도 2b에 도시된 것과 유사한 연료 전지 유닛을 도시하는 본 교시의 연료 전지 시스템의 실시예에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 2c를 참조하면, 연료 전지 시스템(200")은 개질기(204"), 연료 전지 스택(206"), 및 애프터버너(208")를 포함하는 연료 전지 유닛(202")을 포함한다. 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역(210") 내부에 있다. 열-차폐 구역(210")은 온도-조절 유체 입구(212") 및 하나 이상의 배출 유체 출구(214")를 포함한다. 양의 가스 압력 공급원(216")은 온도-조절 유체 입구(212")와 작동 가능하게 유체 연통된다.
연료 전지 시스템(200") 또는 연료 전지 유닛(202")은 애프터버너(208")를 통해 연료 전지 스택(206")의 캐소드(도시되지 않음)로 캐소드 공기를 이송하기 위한 캐소드 공기 도관(218"); 애노드 공기, 산화제, 및 개질 가능한 연료 중 하나 이상을 개질기(204")로 그리고 그 후에 연료 전지 스택(206")의 애노드(도시되지 않음)로 이송하기 위한 애노드 반응물 도관(220"); 및 애프터버너(208")로부터 가열된 애프터버너 연소 생성물과 같은 가열된 유체를 배출하기 위한 배출 도관(222")을 포함한다. 배출 도관(222")은 열-차폐 구역(210")의 내측에서 종결되는 하류 단부(226")를 포함한다.
액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷(232")이 존재하며 개질기(204")의 적어도 두 개의 면 또는 두 개의 표면 및 연료 전지 스택(206")의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면과 열 연통된다. 액체 열-교환 재킷(232")은 액체 열-교환 출구(234") 및 액체 열-교환 입구(236")를 가진다.
감소된 수준의 단열재(213)가 애프터버너 및 연료 전지 스택의 면 또는 표면에 대응하는 연료 전지 유닛의 하나의 면을 따라 존재한다(여기서 감소된 수준의 단열재는 연료 전지 유닛의 외측 에지를 따라 수직한 얇은 검은색 선 또는 박스에 의해 도시되며, 검은색 선 또는 박스는 일반적으로 단열재를 나타낸다). 감소된 수준의 단열재(213')는 또한, 애프터버너의 다른 면 또는 다른 표면을 따라 존재한다.
또한, 도 2b에 도시된 연료 전지 시스템 및 연료 전지 유닛의 작동은 그의 작동이 본 교시에서 설명되는, 연료 전지 유닛의 열 발생 구성요소에 인접하고 하나 이상의 액체 열-교환 판 또는 재킷에 인접한 감소된 수준의 단열재를 추가하면 도 1b에 도시된 연료 전지 유닛의 작동과 유사하다.
도 2c의 구성요소의 설계 및 배열의 장점은 우선적인 열 전달이 감소된 수준의 단열재를 갖는 애프터버너와 연료 전지 스택의 외측 면 또는 표면에서 발생할 수 있다는 점이다. 따라서, 연료 전지 스택 및 애프터버너에 의해 발생되는 방사열과 같은 열은 그와 접촉 또는 인접하는 액체 열-교환 재킷 또는 액체 열-교환 판 내의 열-교환 액체로 우선적으로 전달될 수 있으며 그에 의해서 연료 전지 유닛으로부터의 열 전달을 추가로 향상시키고 연료 전지 유닛 및/또는 열-차폐 구역의 열 환경에 대한 효율적인 관리를 허용한다.
예를 들어, 감소된 수준의 단열재를 사용하는 연료 전지 유닛으로부터 열-교환 액체로 및/또는 다른 연료 전지 유닛(들)으로 우선적인 열 전달의 장점을 취하기 위한 다른 설계 및 구성은 본 교시에서 제공되는 다른 예에 대해서 본 교시에 기초하여 계획된다.
도 2d는 제 1 연료 전지 유닛(202") 및 제 2 연료 전지 유닛(202"')을 포함하는 연료 전지 시스템(200")에 대한 평면도의 개략도를 도시한다. 도 2c의 연료 전지 유닛들 각각은 도 1a에 도시된 연료 전지 유닛과 유사하며, 여기서 제 1 연료 전지 유닛에 대해 도면 부호가 병기되어 있듯이, 양의 가스 압력 공급원(216")은 각각의 열-차폐 구역(210")의 최상부에 존재하며 배출 도관(222")은 열-차폐 구역(210")의 외측에서 종결된다. 그러나, 도 2c에 도시된 연료 전지 유닛에서, 각각의 연료 전지 유닛의 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 공통의 액체 열-교환 도관 시스템(238)에 연결 또는 커플링된다.
공통의 액체 열-교환 도관 시스템은 신선한 열-교환 액체를 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷으로 이송하기 위한 공통의 액체 열-교환 입구 도관을 포함할 수 있다. 공통의 액체 열-교환 도관 시스템은 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷으로부터 가열된 열-교환 액체를 제거하기 위한 공통의 액체 열-교환 출구 도관을 포함할 수 있다. 공통의 액체 열-교환 출구 도관은 가열된 열-교환 액체로부터 다른 고체 또는 유체 매체로 열의 전달을 위한 열-교환 액체의 저장조 및/또는 히트 싱크와 열 연통될 수 있다.
더 구체적으로, 도 2c를 다시 참조하면, 액체 열-교환 출구(234")는 출구 인터페이스(242)를 통해서 공통의 액체 열-교환 출구 도관(240)에 연결 또는 커플링되며 액체 열-교환 입구(236")는 입구 인터페이스(244)를 통해서 (공통의 액체 열-교환 출구 도관(240) 아래에 위치되고 그에 의해 중첩되기 때문에 도시되지 않은)공통의 액체 열-교환 입구 도관에 커플링된다.
도 3은 연료 전지 유닛이 열-차폐 구역 내부에 있는 증발기를 포함하며 애프터버너로부터의 배출 도관의 하류 단부가 열-차폐 구역 내부에서 종결되는 본 교시의 연료 전지 시스템에 대한 측 횡단면도의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 연료 전지 시스템(300)은 개질기(304), 연료 전지 스택(306), 및 애프터버너(308)를 포함하는 연료 전지 유닛(302)을 포함한다. 연료 전지 유닛은 열-차폐 구역(310) 내부에 있다. 열-차폐 구역(310)은 온도-조절 유체 입구(312) 및 하나 이상의 배출 유체 출구(314)를 포함한다. 양의 가스 압력 공급원(316)은 온도-조절 유체 입구(312)와 작동 가능하게 유체 연통된다.
연료 전지 시스템(300) 또는 연료 전지 유닛(302)은 열-차폐 구역(310) 내부에 위치되는 증발기(346)를 포함한다. 연료 전지 시스템(300) 또는 연료 전지 유닛(302)은 애프터버너(308)를 통해 연료 전지 스택(306)의 캐소드(도시되지 않음)로 캐소드 공기를 이송하기 위한 캐소드 공기 도관(348); 애노드 공기를 증발기(346) 및/또는 개질기(304)로 그리고 그 후에 연료 전지 스택(306)의 애노드(도시되지 않음)로 이송하기 위한 애노드 공기 도관(350); 액체 개질 가능한 연료를 증발기(346)로 이송하기 위한 개질 가능한 연료 도관(352); 및 애프터버너(308)로부터 가열된 애프터버너 연소 생성물과 같은 가열된 유체를 배출하기 위한 배출 도관(322)을 포함한다. 도시된 배출 도관(322)은 열-차폐 구역(310)의 내측에서 종결된다.
또한, 도 3에 도시된 연료 전지 시스템 및 연료 전지 유닛의 작동은 열-차폐 구역 내부에 증발기를 추가하고 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 제외하면(액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷이 도 3에 도시된 연료 전지 시스템 및 연료 전지 유닛과 함께 사용될 수 있지만) 도 1b 및 도 2b에 도시된 연료 전지 유닛의 작동과 유사하다. 연료 전지 시스템 및 연료 전지 유닛의 작동이 유사하지만, 열-차폐 구역 내부의 증발기의 포함은 연료 전지 유닛에 의해 발생되는 열, 예를 들어 애프터버너의 배출물 내의 열의 사용을 증가시킬 수 있는데, 이는 애프터버너의 배출물이 양의 가스 압력 공급원의 보조에 의해서 증발기 쪽으로 지향되기 때문이다. 애프터버너의 배출물로부터의 열은 그 열이 증발기로 진입하기 이전에 애노드 공기를 가열(또는 예열)할 수 있을 뿐만 아니라 개질 가능한 연료가 증발기로 이송되기 이전에 열-차폐 구역의 바닥으로부터 진입하는 개질 가능한 연료를 예열할 수 있다. 게다가, 개질기 및 연료 전지 스택에 의해 발생되는 열은 증발기와 다양한 유체 스트림을 가열하는데 사용될 수 있다.
도 4a는 5 개의 예시적인 연료 전지 유닛 및 히터 유닛이 공통의 연료 공급원 도관에 연결되며 증발기가 한 쌍의 연료 전지 유닛들 사이의 채널 내에 존재하는 CHP 시스템에 대한 평면도의 개략도이다.
도 4a를 참조하면, CHP 시스템(454)은 5 개의 연료 전지 유닛(402, 402', 402", 402"', 402"") 및 히터 유닛(456)을 포함한다. 각각의 도시된 연료 전지 유닛은 개개의 연료 전지 유닛 및 히터 유닛이 제거되고/되거나 유사하게 설계되고 구성되는 유닛으로 대체될 수 있는 "플러그 앤드 플레이(Plug and Play)" 연료 전지 시스템을 나타낼 수 있는 연료 전지 시스템의 그의 배치만 아니라면 실질적으로 동일하다. 예를 들어, 연료 전지 유닛(및 히터 유닛)의 애노드 반응물 도관들 각각은 그의 위치와 무관하게 연료 전지 유닛의 중심으로부터 오프셋되며, 각각의 연료 전지 또는 히터 유닛은 공통의 연료 공급원 도관에 연결 또는 커플링되도록 구성된다. 각각의 연료 전지 유닛이 실질적으로 동일하므로, 각각의 하나에 대한 동일한 모든 구성요소 또는 특징에는 도면 부호가 병기되지 않았다.
여전히 도 4a를 참조하면, 하나의 연료 전지 유닛(402')은 한 쌍의 연료 전지 유닛(402', 402")들 사이에 존재하는 채널(458) 내측으로 향하는 그의 배출 도관(422')을 가진다. 유사하게, 한 쌍의 연료 전지 유닛(402")의 다른 하나는 채널(458)의 내측으로 그리고 제 1 연료 전지 유닛(402')의 배출 도관(402') 쪽으로 향하는 그의 배출 도관(422")을 가진다. 결과적으로, 각각의 연료 전지 유닛은 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너(도 4a에 도시되지 않았지만 도 4b에 도시됨) 중 하나 이상으로부터 이러한 한 쌍의 연료 전지 유닛들 사이뿐만 아니라 다른 연료 전지 유닛과 히터 유닛 사이에 존재하는 채널(458) 내측으로 본 교시에서 설명된 바와 같이 가열된 유체를 배출할 수 있고/있거나 열을 우선적으로 전달할 수 있다.
채널(458) 내에 위치된 것은 공통의 연료 공급원 도관과 각각의 연료 전지 유닛 또는 히터 유닛의 개질기 사이의 작동 가능한 유체 연통을 제공하기 위한 (양의 가스 압력 공급원에 의해 평면도에서 가려졌기 때문에 도시되지 않은) 복수의 인터페이스를 가지는 공통의 연료 공급원 도관(428)이다. 채널(458) 내에 또한 위치된 것은 시스템을 통한 개질 가능한 연료의 유동에 따라서 다양한 구성으로 공통의 연료 공급원 도관(428)에 연결될 수 있는 증발기(446)이다. 도시된 바와 같이, 연료 전지 유닛(402')은 배출 스트림 및 그에 따른 열이 연료 전지 유닛으로부터 축출되는 채널(458)의 반대쪽에 위치되는 그의 전자기기(460')를 가진다. 그런 배열은 전자기기가, 연료 전지 유닛 및 연료 전지와 CHP 시스템에 의해 발생될 수 있는 과도한 고온을 피할 수 있게 도울 수 있다.
도 4a는 또한, 위에서 논의된 한 쌍의 연료 전지 유닛(402', 402")들 사이의 채널(458)과 관련된 양의 가스 압력의 3 개의 공급원(462, 462', 462")을 포함한다. CHP 시스템에 대해 알 수 있듯이, 한 쌍의 인접한 연료 전지 유닛 또는 인접한 연료 전지 유닛 및 히터 유닛은 그러한 양의 가스 압력 공급원을 가진다. 단지 하나의 양의 가스 압력 공급원만이 배출 도관으로부터의 가열된 배출물의 지향성 이동을 실시하는데 사용될 수 있지만, 각 쌍의 유닛들 사이에 두 개 또는 세 개 이상의 양의 가스 압력 공급원을 사용하는 것은 채널 내의 가열된 배출물 및 다른 유체들의 유동에 대한 더 양호한 제어를 허용한다. 즉, 각각의 양의 가스 압력 공급원은 그 자신의 "구역", 예를 들어 열 구역을 갖는 것으로 간주될 수 있으며, 이것이 효과적이다. 양의 가스 압력 공급원 아래의 각각의 수직으로-형성된 열 구역은 독립적으로 모니터링될 수 있으며 그런 열 구역 내의 양의 가스 압력의 이송 비율은 각각의 양의 가스 압력 공급원에 적합하게 제어될 수 있다.
예를 들어, 도시된 시스템에서 배출 도관(422', 422") 위에 위치되는 양의 가스 압력의 중앙 공급원(462')은 배출 도관으로부터 집중된 열을 하류로 구동시키기 위해서 더 큰 양의 가스 압력을 이송하는데 필요할 수 있는 반면에, 양의 가스 압력의 주변 공급원(462, 462")은 연료 전지 시스템 내부의 열 환경에 대한 적절한 균형을 유지하는데 양의 가스 압력 유동률이 강하거나 높기 때문에 필요하지 않을 수 있다.
A-A 선을 따라 절단한 도 4a의 CHP 시스템(454)의 두 개의 예시적인 연료 전지 유닛(402', 402")에 대한 측 횡단면도의 개략도인 도 4b를 이제 참조하면, 양의 가스 압력 공급원(462')은 채널(458)의 최상부 근처에서 볼 수 있으며, 따라서 그 공급원은 각각, 각각의 연료 전지 유닛(402', 402")의 배출 출구(422', 422")로부터 배출물을 지향시킬 수 있다. 그런 배열은 채널 내에 위치되는 공통의 연료 공급원 도관(428)과 증발기(446)를 가열하기 위해서 연료 전지 유닛으로부터 배출되는 열을 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 하나의 연료 전지 유닛으로부터의 배출물과 열은 필요에 따라서 다른 연료 전지 유닛, 히터 유닛, 및/또는 그의 구성요소로의 열을 보충하는데 사용될 수 있어서 전체 CHP 시스템(또는 연료 전지 시스템)이 더욱 효율적으로 열 관리될 수 있다. 결과적으로, CHP 시스템(또는 연료 전지 시스템) 내의 열 환경은 시스템의 각각의 구성요소 또는 각각의 열 구역에 대한 일정한 작동 온도 또는 적절한 작동 온도를 유지하도록 모니터되고 조절될 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 본 교시의 연료 전지 시스템의 다양한 구성에 대한 평면도의 개략도이다. 각각의 연료 전지 유닛 및 그의 단열재가 정사각형 또는 직사각형에 의해 표시되며, 여기서 단열재는 연료 전지 유닛의 주위에 분포되고 연료 전지 유닛의 주변부 주위의 각각의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면과 관련될 수 있다. 참조 및 이해를 쉽게 하기 위해서 도시된 정사각형 및 직사각형은 연료 전지 유닛을 지칭하지만, 정사각형 또는 직사각형 내부에 있을 수 있는 (관형 또는 다른 횡단면 형상일 수 있는) 연료 전지 유닛은 도시된 바와 같이 반드시 단열재와 접촉할 필요는 없는 것으로 이해해야 한다. 연료 전지 유닛은 연료 전지 유닛들 사이에 또는 이들 간에 열을 우선적으로 전달하기 위해서 어레이들로 배열될 수 있으며, 여기서 감소된 수준의 단열재는 연료 전지 유닛의 하나 이상의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통된다. 감소된 수준의 단열재와 관련된 연료 전지 유닛의 면 또는 표면은 더 두꺼운 선으로 나타낸 다른 면 또는 표면에 비해서 더 얇은 선으로 나타냈다. 감소된 수준의 단열재는 연료 전지 유닛의 다른 면(들), 그의 세그먼트(들), 및/또는 다른 표면(들)과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통되는 단열재에 비해서 감소된 수준의 단열재를 지칭한다.
감소된 수준의 단열재는 연료 전지 유닛 또는 히터 유닛의 형상 및 사용된 단열재의 유형과 같은 다양한 고려사항에 따른 다수의 상이한 설계 및 재료에 의해 실현될 수 있다. 예를 들어, 고체 단열재가 연료 전지 유닛의 주위에 위치될 수 있는 고체 단열재 재료의 시트 또는 층을 포함하는 경우에, 감소된 수준의 고체 단열재는 우선적인 열 전달이 바람직한 더 얇은 시트 또는 층을 사용하여 실현될 수 있다. 그 목적을 위해서, 특정 용례에서, 감소된 수준의 단열재는 단열재가 존재하지 않는 것을 의미할 수 있다. 유체 단열재, 예를 들어 공기 또는 공기 블랭킷(blanket)과 같은 가스의 용적이 사용되는 경우에, 감소된 수준의 단열재는 우선적인 열 전달이 바람직한 더 작은 용적의 가스를 사용함으로써 실현될 수 있다. 게다가, 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 감소된 수준의 단열재와 함께 사용되거나 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷이 연료 전지 유닛의 하나 이상의 면 또는 표면에서 더 얇을 수 있거나 존재하지 않는 경우에 감소된 수준의 단열재를 제공하도록 사용될 수 있다. 고체 단열재와 액체 단열재의 조합은 본 교시의 단열재에 포함된다.
감소된 수준의 단열재는 감소된 양의 단열재를 지칭할 뿐만 아니라 감소된 열 배리어, 또는 감소된 열 보호 또는 유지도 지칭할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 즉, 상이한 열 팽창 계수를 갖는 상이한 고체 단열재 및/또는 유체 단열재가 사용될 수 있으며, 여기서 감소된 수준의 단열재는 증가된 열 전달(또는 전열)을 제공할 수 있다. 환언하면, 더 작은 양의 단열재가 존재할 수 있으나 상이한 수준의 열 전달률 및/또는 열 전도율을 가지며 그에 의해서 감소된 수준의 단열재를 제공한다.
또한, 감소된 수준의 단열재는 연료 전지 유닛 또는 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역의 하나 이상의 면 또는 표면에 따른 단열재의 등급일 수 있다. 예를 들어, 단열재의 수준은 개질기로부터 애프터버너로 연료 전지 유닛의 면 또는 표면의 방향을 따라서 증가 또는 감소할 수 있다. 감소된 수준의 단열재는 전체 면은 아니지만, (표면으로 간주될 수 있는) 면, 또는 면의 세그먼트와 접촉, 인접, 및/또는 열 전달되게 존재할 수 있다. 예를 들어, 감소된 수준의 단열재는 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 하나 이상과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통되도록 존재할 수 있어서, 면의 세그먼트는 개질기, 연료 전지 스택, 애프터버너, 개질기와 연료 전지 스택, 개질기와 애프터버너, 또는 연료 전지 스택과 애프터버너일 수 있다. 감소된 수준의 단열재는 면의 세그먼트에 존재할 수 있고 세그먼트 내부에서 등급화될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 연료 전지 유닛과 그의 단열재(503)의 정사각형 수평 횡단면의 평면도는 더 두꺼운 선에 의해 나타낸 연료 전지 유닛의 다른 쪽과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통되는 단열재에 비해서 (예시적인 정사각형 또는 직사각형 횡-단면에서 "변(side)"인) 면, 그의 세그먼트, 또는 표면 상의 감소된 수준의 단열재를 나타내는 더 얇은 선을 가진다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 감소된 수준의 단열재, 즉 감소된 수준의 고체 단열재 및/또는 액체 단열재가 연료 전지 유닛의 하나의 면, 또는 그의 세그먼트, 또는 하나의 표면과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통된다. 따라서, 열은 "H"가 병기된 커다란 화살표의 방향으로 연료 전지 유닛의 반대로 우선적으로 전달될 수 있다.
도 5b는 제 1 연료 전지 유닛과 그의 단열재(503) 및 제 2 연료 전지 유닛과 그의 단열재(503')를 도시하며, 여기서 감소된 수준의 고체 단열재 및/또는 액체 단열재가 제 1 연료 전지 유닛의 하나의 면 또는 하나의 표면과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통된다. 도시된 바와 같이, 제 2 연료 전지 유닛은 우선적인 열 전달이 제 2 연료 전지 유닛과 그의 단열재(503')에서 발생하지 않기 때문에 열-차폐 구역 또는 열-조절 구역 내부에 있을 수 있다.
도 5c는 제 1 연료 전지 유닛과 그의 단열재(503) 및 제 2 연료 전지 유닛과 그의 단열재(503")를 도시하며, 여기서 감소된 수준의 고체 단열재 및/또는 액체 단열재가 제 1 연료 전지 유닛의 하나의 면 또는 하나의 표면 및 제 2 연료 전지 유닛의 하나의 면 또는 하나의 표면과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통된다. 도시된 바와 같이, 우선적인 열 전달은 하나의 연료 전지 유닛으로부터 다른 연료 전지 유닛 쪽으로, 그리고 그 반대로 발생할 수 있다. 그런 배열에서 각각의 연료 전지 유닛의 열 환경은 필요에 따라 그리고 필요하다면, 다른 것으로부터의 열 전달의 지원에 의해 유지될 수 있다.
도 5d는 제 1 연료 전지 유닛과 그의 단열재(503), 제 2 연료 전지 유닛과 그의 단열재(503"), 및 제 3 연료 전지 유닛과 그의 단열재(503"')를 선형 배열 또는 선형 어레이로 도시한다. 도시된 바와 같이, 각각의 연료 전지 유닛의 (시스템에 대해) 외측 면 또는 표면이 단열재를 포함한다. 그러나, 감소된 수준의 고체 및/또는 액체 단열재가 연료 전지 유닛의 (시스템에 대해) 내측 면 또는 표면과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통된다. 실제로, 연료 전지 유닛과 그의 단열재(503"')는 우선적으로, 다른 연료 전지 유닛으로 열을 전달하거나 다른 연료 전지 유닛으로부터 열을 수용할 수 있는 두 개의 면 또는 표면을 포함한다.
도 5e는 2 × 3 어레이의 연료 전지 유닛과 이들 각각의 단열재(503ⅳ, 503ⅴ, 503ⅵ, 503ⅶ, 503ⅷ, 503ⅸ,)를 도시한다. 도 5d에 도시된 1 × 3 어레이과 유사하게, 각각의 연료 전지 유닛의 (시스템에 대해) 외측 면 또는 표면이 단열재를 포함한다. 그러나, 감소된 수준의 고체 및/또는 액체 단열재가 연료 전지 유닛의 (시스템에 대해) 내측 면 또는 표면과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통된다. 이런 배열에서, 연료 전지 유닛은 각각의 1 × 3 어레이들 사이 또는 이들 어레이들 간에 우선적으로 열을 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 각각의 1 × 3 어레이에 의해 형성되는 채널의 내측 및 채널을 가로질러 우선적으로 열을 전달할 수 있다.
마지막으로, 도 5f는 다른 2 × 3 어레이의 연료 전지 유닛과 이들 각각의 단열재(503ⅳ, 503ⅴ, 503ⅵ, 503ⅶ, 503ⅷ, 503ⅸ,)를 도시한다. 이런 변형예에서, 감소된 수준의 단열재는 (시스템에 대해)외측 면 또는 표면뿐만 아니라 다른 연료 전지에 인접한 내측 면 또는 표면에 또는 그에 인접해 있다. 따라서, 연료 전지 유닛에 의해 발생된 열은 "H"가 병기된 커다란 화살표에 의해 도시된 바와 같이 각각 1 × 3 어레이의 연료 전지 유닛들 사이의 내부 채널의 외부 및 내부 채널의 반대로 우선적으로 전달될 수 있다. 열은 또한, 더 작은 화살표에 의해 도시된 바와 같이 연료 전지 유닛들 사이로 우선적으로 전달될 수 있다. 그런 배열은 연료 전지 시스템의 전자기기 및 다른 열 민감 구성요소 또는 장비가 채널(열적으로 더 저온의 구역) 내에 존재하게 허용할 수 있으며, 그에 의해서 예를 들어, 배선 및 도관을 위한, 연료 전지 유닛에 대한 더 짧은 연결을 허용한다.
도 6a는 개질기(604), 연료 전지 스택(606), 및 애프터버너(608)를 가지는 연료 전지 유닛(602)을 포함하는 연료 전지 시스템(600)에 대한 측 횡단면도의 개략도이다. 연료 전지 시스템(600)은 개질기, 연료 전지 스택 및 애프터버너를 포함하는 연료 전지 유닛의 구성요소와 접촉 또는 그와 인접되나 적어도 열 연통되도록 위치되는 단열재(603, 603')를 포함한다. 연료 전지 시스템은 연료 전지 유닛(602)의 두 개의 면의 세그먼트에 또는 그와 인접되나 적어도 열 연통되는 감소된 수준의 단열재(613, 613')를 가진다.
도시된 바와 같이, 감소된 수준의 단열재와 관련된 연료 전지 유닛의 면의 세그먼트 또는 표면은 3 개의 선으로 나타낸 다른 면의 세그먼트 또는 표면에 비해서 하나의 선으로 나타냈다. 그 선은 감소된 수준의 단열재가 연료 전지 유닛의 다른 세그먼트에 또는 그와 인접한 것보다 약 2/3 더 얇은 고체 단열재의 시트를 나타낼 수 있다. 그러나, 그 도시 및 두께의 차이는 본 교시에서 설명한 바와 같은 단열재의 다른 형태와 수준을 나타낼 수 있다. 도시된 바와 같이, 감소된 수준의 단열재의 특정 설계와 배열은 "H"가 병기된 커다란 화살표의 방향, 예를 들어 연료 전지 스택의 면 또는 표면에서 멀어지는 방향 및 애프터버너의 반대 면 또는 반대 표면으로 멀어지는 방향으로 열을 우선적으로 전달할 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템의 열 관리는 연료 전지 유닛의 개개의 구성요소와 관련한 감소된 수준의 단열재의 배치뿐만 아니라 연료 전지 시스템 내에서 서로 인접한 그러한 연료 전지 유닛의 배치에 의해서 제어될 수 있다.
도 6b는 개질기(604), 연료 전지 스택(606), 및 애프터버너(608)를 가지는 연료 전지 유닛(602)을 포함하는, 도 6a에 도시된 것과 유사한 연료 전지 시스템(600)에 대한 측 횡단면도의 개략도이다. 연료 전지 시스템(600)은 연료 전지 유닛(602) 및 인접한 단열재(603", 603"')의 구성요소를 제자리에 유지할 수 있는 판금 또는 다른 강성의 열 전도성 재료와 같은 유지 구조물(633, 633')을 포함한다. 연료 전지 시스템은 연료 전지 유닛(602)의 두 개의 면의 세그먼트, 및 더 구체적으로 연료 전지 스택(606)의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면 및 애프터버너의 적어도 두 개의 면 또는 두 개의 표면에 또는 그에 인접하지만 적어도 열 연통되도록 감소된 수준의 단열재(613", 613"')를 가진다.
연료 전지 시스템은 또한, (도시된 액체 열-교환 재킷 또는 판이 하나의 유닛이냐 두 개의 분리된 유닛이냐에 따라서) 하나 이상의 액체 열-교환 재킷 또는 액체 열-교환 판(632, 632')을 포함한다. 액체 열-교환 재킷 또는 액체 열-교환 판(632, 632')은 연료 전지 유닛(602)의 외측 유지 구조물(633, 633')과 접촉한다. 액체 열-교환 재킷 또는 액체 열-교환 판(632, 632')은 감소된 수준의 단열재(613", 613"')와 관련된 연료 전지 스택(606) 및 애프터버너(608)의 면 또는 표면에 (열 전도성 유지 구조물을 통해서) 인접하고 그와 열 전달된다. 따라서, 연료 전지 스택과 애프터버너에 의해 발생되는 방사 열과 같은 열은 연료 전지 유닛과 연료 전지 시스템의 열 관리를 돕도록 액체 열-교환 재킷 또는 액체 열-교환 판 내의 액체로 우선적으로 전달될 수 있다.
도 6c는 액체 열-교환 액체를 위한 열의 추가 공급원을 위해서 하나 이상의 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷에 접촉하거나 인접하는 두 개의 애프터버너 배출 도관(622, 622')이 추가된, 도 6b의 연료 전지 시스템(600)에 대한 측 횡단면도의 개략도이다. 예를 들어, 애프터버너로부터의 배출물을 배출하고 냉각하기 이전에, 도관 또는 다른 채널은 본 교시의 다른 곳에 설명되거나 기술분야에 공지된 바와 같은 용도를 위한 순환 액체 열-교환 액체의 온도를 유지하기 위한 다른 열 공급원을 제공하기 위해서 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷에 접촉 또는 그와 인접하지만 적어도 열 연통될 수 있다.
도 6d는 연료 전지 유닛 및 그의 관련 단열재(603)를 나타내는 직사각형 횡 단면을 도시하는 연료 전지 시스템(600')에 대한 평면도의 개략도이며, 여기서 단열재는 도 5a 내지 도 5f와 유사한 연료 전지 유닛의 둘레 주위에 있다. 연료 전지 시스템은 3 개의 면 또는 표면에 감소된 수준의 단열재를 포함하며, 여기서 감소된 수준의 단열재는 하나의 면(613"') 전체에 걸쳐서 없거나 최저 또는 더 많은 감소된 수준일 수 있으며, (적절하게) 감소된 수준의 단열재가 두 개의 면(613ⅳ, 613ⅴ) 전체에 걸쳐서 존재한다. 도시된 바와 같이, 증가된 양 또는 수준의 열 전달이 "H"가 병기된 작은 화살표로 나타낸 바와 같은 증가된 수준의 단열재(그러나, 여전히 연료 전지 유닛을 위한 감소된 수준의 단열재)를 갖는 다른 면(613ⅳ, 613ⅴ)에 비해서 "H"가 병기된 커다란 화살표로 나타낸 바와 같은 최저 수준의 감소된 단열재를 갖는 면(613"')에서 발생할 수 있다. 이런 배열에서, 연료 전지 유닛의 전자기기 및/또는 전력 조절 구성요소(660)는 감소된 수준의 단열재를 갖지 않는 연료 전지 유닛의 면, 그의 세그먼트, 또는 표면에 또는 그와 인접하게 위치된다. 즉, 전자기기, 전류 수집 판, 버스 바 및 다른 열-감지 구성요소가 열 전달로부터 그런 구성요소를 차폐하기 위해서 더 두꺼운 양의 고체 단열재와 같은 더 높은 수준의 단열재에 또는 그와 인접하게 자리 잡거나 위치될 수 있다.
도 7은 두 개의 연료 전지 유닛(702, 702')를 갖는 연료 전지 시스템(700)에 대한 평면도의 개략도이며, 두 개의 연료 전지 유닛 각각은 그들 각각의 개질기(704, 704')로부터 그들의 연료 전지 스택(706, 706') 및 그들의 애프터버너(708, 708')로 수평 방향으로 배열되며, 여기서 연료 전지 유닛은 밸브 조립체(729)를 통해서 그들 각각의 애노드 반응물 도관(720, 720')에 연결 또는 커플링되는 공통의 연료 공급원 도관(728)을 공유한다. 각각의 연료 전지 유닛은 배출 도관(722, 722')과 동일한 면 또는 표면에 감소된 수준의 단열재(713, 713')를 가진다. 각각의 연료 전지 유닛은 또한, 개질기(704, 704')의 면의 세그먼트 또는 표면 사이에 감소된 수준의 단열재(713", 713"')를 가진다. 각각의 연료 전지 유닛은 캐소드 공기 도관(718, 718')을 포함한다. 이런 배열에서, 연료 전지 유닛의 열 및 배출물은 "H"가 병기된 커다란 화살표로 도시된 바와 같이 공통의 연료 공급원 도관과 캐소드 공기 도관의 원점으로부터 멀어지는 방향으로 우선적으로 전달된다. 열은 "H"가 병기된 작은 화살표로 도시된 바와 같이 연료 전지 유닛들 사이로 우선적으로 전달된다. 그런 열 전달은 반응물, 예를 들어 액체 개질 가능한 연료와 같은 개질 가능한 연료를 증발 또는 가스 상태로 가열 및/또는 유지하는 것을 도울 수 있다.
본 교시는 본 교시의 사상 또는 본질적인 특징으로부터 이탈함이 없는 다른 특정 형태의 실시예들을 포함한다. 그러므로, 전술한 실시예들은 모든 측면에서, 여기서 설명된 본 교시에 관한 제한적인 것이라기보다는 예시적인 것으로 간주될 것이다. 따라서 본 발명의 범주는 전술한 설명에 의해 나타난다기보다는 첨부된 청구범위에 의해 나타나며, 청구범위의 균등한 의미와 범위 내에 속하는 모든 변경예들은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (72)

  1. 연료 전지 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 연료 전지 유닛은:
    개질기;
    상기 개질기와 작동 가능하게 유체 연통되는 연료 전지 스택; 및
    상기 연료 전지 스택과 작동 가능하게 유체 연통되는 애프터버너를 포함하며,
    감소된 수준의 단열재는 상기 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통하며, 그에 의해서 상기 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면으로부터의 방사 열 전달을 증가시키고,
    상기 감소된 수준의 단열재는 상기 연료 전지 유닛의 다른 면(들) 또는 다른 표면(들)과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통하는 소정 수준의 단열재와 비교했을 때, 감소된 양의 단열재, 감소된 열 배리어, 감소된 열 보호 및 감소된 열 유지 중 적어도 하나를 가지며,
    액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 상기 감소된 수준의 단열재와 열 연통되고, 상기 감소된 수준의 단열재는 상기 연료 전지 유닛과 상기 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과의 사이에 있고, 그에 의해서 상기 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 면 또는 하나의 표면으로부터 상기 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷의 열-교환 액체로 방사 열을 우선적으로 전달하고, 이로써 상기 열-교환 액체는 액체로 유지되는
    연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 상기 개질기, 연료 전지 스택, 및 애프터버너 중 하나 이상을 포함하는
    연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은, 상기 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷을 상기 연료 전지 시스템의 공통의 액체 열-교환 도관에 연결하도록 구성되는 인터페이스를 포함하는
    연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과, 상기 공통의 액체 열-교환 도관 사이의 인터페이스는 밸브 조립체를 포함하며, 상기 밸브 조립체는 신속-연결 밸브, 고정 오리피스, 및 비례 밸브 중 하나 이상을 포함하는
    연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 액체 열-교환 출구를 포함하며, 상기 액체 열-교환 출구는 액체-대-액체 열 교환기, 액체-대-가스 열 교환기, 및 공기 조절 시스템 중 하나 이상과 유체 연통되는
    연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷은 상기 열-교환 액체를 포함하는
    연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열-교환 액체는 글리콜 및 물 중 적어도 하나를 포함하는
    연료 전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 열-교환 액체는 나노-크기의 금속 입자를 포함하는
    연료 전지 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열재는 고체 단열재를 포함하는
    연료 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고체 단열재는 감소된 수준의 고체 단열재를 포함하고,
    상기 감소된 수준의 고체 단열재는 상기 연료 전지 유닛의 다른 면(들) 또는 다른 표면(들)과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통하는 고체 단열재보다 얇은 고체 단열재 시트 또는 얇은 고체 단열재 층을 포함하는
    연료 전지 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 고체 단열재는 감소된 수준의 고체 단열재를 포함하고,
    상기 감소된 수준의 고체 단열재는 상기 연료 전지 유닛의 다른 면(들) 또는 다른 표면(들)과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통하는 고체 단열재보다 높은 열 전달률 또는 열 전도율을 갖는 고체 단열재 재료를 포함하는
    연료 전지 시스템.
  12. 연료 전지 유닛의 열 관리 방법에 있어서,
    연료 전지 유닛의 면 또는 표면으로부터 방사 열을 우선적으로 전달하는 단계로서, 감소된 수준의 단열재는 상기 연료 전지 유닛의 면 또는 표면과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통하며, 그에 의해서 상기 감소된 수준의 단열재를 포함하는 상기 연료 전지 유닛의 면 또는 표면으로부터의 열 전달을 증가시키고, 상기 감소된 수준의 단열재는 상기 연료 전지 유닛의 다른 면(들) 또는 다른 표면(들)과 접촉, 인접, 및/또는 열 연통하는 소정 수준의 단열재와 비교했을 때, 감소된 양의 단열재, 감소된 열 배리어, 감소된 열 보호 및 감소된 열 유지 중 적어도 하나를 가지는, 전달하는 단계; 및
    상기 감소된 수준의 단열재와 관련된 상기 연료 전지 유닛의 면 또는 표면 중 적어도 하나와 열 연통되도록 열-교환 액체를 순환시키는 단계로서, 상기 감소된 수준의 단열재는 상기 연료 전지 유닛과 액체 열-교환 판 또는 액체 열-교환 재킷과의 사이에 있고, 그에 의해서 상기 연료 전지 유닛의 면(들) 또는 표면(들)으로부터 상기 열-교환 액체로 방사 열을 우선적으로 전달하고, 이로써 상기 열-교환 액체는 액체로 유지되는, 순환시키는 단계를 포함하는
    연료 전지 유닛의 열 관리 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    열-교환 액체를 순환시키는 단계는 글리콜 및 물 중 적어도 하나를 포함하는 열-교환 액체를 순환시키는 단계를 포함하는
    연료 전지 유닛의 열 관리 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    열-교환 액체를 순환시키는 단계는 글리콜 및 물 중 적어도 하나와, 나노-크기의 금속 입자를 포함하는 열-교환 액체를 순환시키는 단계를 포함하는
    연료 전지 유닛의 열 관리 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료 전지 유닛으로부터의 가열된 열-교환 액체의 이득 없이 제 2 연료 전지 유닛에서의 화학 반응 또는 제 2 연료 전지 유닛의 시동을 개시하는 시간에 비해서, 상기 제 2 연료 전지 유닛에서의 화학 반응 또는 상기 제 2 연료 전지 유닛의 시동을 개시하는 시간을 단축시키기 위해서, 상기 연료 전지 유닛으로부터 상기 제 2 연료 전지 유닛을 향해 가열된 열-교환 액체를 순환시키는 단계를 더 포함하는
    연료 전지 유닛의 열 관리 방법.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 유닛을 연료 전지 시스템의 공통의 액체 열-교환 도관에 연결하는 단계를 더 포함하는
    연료 전지 유닛의 열 관리 방법.
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