KR20090113902A - 연료 전지 어레인지먼트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동작 가스 흐름 내에 캐스케이드와 같은 방식으로 배열된 다수의 캐스케이드 스테이지(S1, S2, S3, S4, S5)로 통합되는 다수의 연료 전지(8)를 구비한 연료 전지 어레인지먼트(66, 76)와 관련이 있으며, 이 경우 하나의 캐스케이드 스테이지(S2, S3, S4, S5)는 동작 가스 흐름 내에서 선행하는 두 개의 캐스케이드 스테이지(S1, S2, S3, S4) 사이에 공간적으로(spatially) 배열되어 있다. 본 발명에 따르면, 동작 가스 흐름 내에 있는 마지막 캐스케이드 스테이지(S4, S5)는 동작 가스 흐름 내에서 선행하는 두 개의 캐스케이드 스테이지(S1, S2, S3) 사이에 공간적으로 배열되어 있다. 이와 같은 캐스케이드 스테이지 어레인지먼트 상태에 의하여, 연료 전지 둘레에 배열된 공간은 동작 가스 채널들의 배관 및/또는 배열을 위해서 효과적으로 이용될 수 있다.

Description

연료 전지 어레인지먼트 {FUEL CELL ARRANGEMENT}
본 발명은 동작 가스 흐름 내에 캐스케이드와 같은 방식으로 배열된 다수의 캐스케이드 스테이지(stage)로 통합되는 다수의 연료 전지를 구비한 연료 전지 어레인지먼트에 관한 것이며, 이 경우 하나의 캐스케이드 스테이지는 동작 가스 흐름 내에서 선행하는 두 개의 캐스케이드 스테이지 사이에 공간적으로(spatially) 배열되어 있다.
연료 전지 내에서는 수소(H2)와 산소(O2)가 전해질에서 반응하여 열을 방출하면서 전기 에너지 및 생성수를 형성하며, 상기 생성수는 - 완전 응축된 보습수와 함께 - 연료 전지로부터 배출되어야만 한다. 하나의 연료 전지가 장애 없이 그리고 효율적으로 기능을 할 수 있기 위해서는, 생성된 물을 완벽하게 배출할 수 있기 위하여 상기 연료 전지에 충분한 양의 동작 가스, 다시 말해 산소를 함유하거나 수소를 함유하는 가스가 공급되어야만 한다. 이와 같은 공급 과정은 연료 전지로부터 외부로 물을 송풍함으로써 이루어지며, 이 같은 이유로 초과량의 동작 가스를 상기 송풍의 목적으로 이용하기 위하여 상기 연료 전지에는 반응을 위해서 필요한 것보다 더 많은 동작 가스가 공급된다. 그럼으로써, 공급되는 동작 가스의 일부분 은 반응에 관련하지 않은 상태로 연료 전지를 재차 떠나게 된다.
연료 전지로부터 외부로 송풍되는 동작 가스를 이용하기 위해서는 소위 캐스케이딩이 우수한 것으로 입증되었는데, 이 캐스케이딩의 경우에는 각각의 동작 가스가 차례로 다수의 캐스케이드 스테이지를 관류하며, 캐스케이드 스테이지가 상기와 같이 다수인 경우에는 연료 전지의 병렬 접속된 가스 공간의 개수가 줄어든다. 상기 캐스케이딩에 의해서는 이용되지 않은 동작 가스가 제 1 캐스케이드 스테이지로부터 제 2 캐스케이드 스테이지 내부로 공급되고, 상기 제 2 캐스케이드 스테이지 내부에서 계속 사용되며, 나머지는 더 적은 개수의 연료 전지를 포함하는 제 3 캐스케이드 스테이지 내부로 공급되고, 계속적으로 이와 같은 과정이 진행된다. 그럼으로써, 사용되는 동작 가스를 우수하게 활용할 수 있게 된다. 이와 같은 캐스케이딩은 예를 들어 WO 02/37594 A2호에 공지되어 있다.
통상적으로 하나 또는 다수의 소위 세척 전지로 이루어진 마지막 캐스케이드 스테이지 내부에는 물이 수집되며, 이 마지막 캐스케이드 스테이지 내부에서는 전기 화학적인 반응에서 사용되지 않은 불활성 가스의 농도가 최고이다. 불활성 가스의 농도 또는 세척 전지들 내부에 있는 물의 양이 미리 정해진 값을 초과하면, 상기 세척 전지들로부터 제어된 밸브에 의해서 불활성 가스 및 물이 배출되고, 신선한 동작 가스가 뒤따라 흐를 수 있다.
세척 전지를 비우기 위한 신호는 통상적으로 세척 전지로서 이용되는 연료 전지의 전지 전압이 정해진 임계값 아래로 떨어지는 경우에 제공된다. 예를 들어 세척 전지가 동작 가스의 전극으로의 접근을 차단하는 물을 다량 함유하기 때문에 적어도 하나의 전자가 상응하는 동작 가스를 더 이상 충분히 공급받지 못함으로써 전지 전압의 강하가 야기된다. 하지만, 하나의 세척 전지의 전지 전압이 떨어지면, 양극 측 또는 음극 측이 탈수되어야만 하는지 또는 불활성 가스가 제거되어야만 하는지를 확인하기가 어렵다. 두 개 측의 세척은 자유로운 가스 측에 의해서 불필요한 동작 가스 손실을 야기한다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 양극 측의 캐스케이딩을 음극 측의 캐스케이딩과 반대 방향으로 정렬하는 것이 공지되어 있으며, 이와 같은 정렬의 결과로 음극 측 세척 전지, 다시 말해 물 및 불활성 가스를 위한 수집 공간으로서 사용되는 음극 가스 챔버를 구비하는 바로 그 연료 전지들이 통합된다. 그렇기 때문에, 하나의 세척 전지에서는 상기 세척 전지의 두 개의 가스 챔버 중에서 단 하나의 가스 챔버만이 세척 가스 챔버로서 사용되며, 상기 세척 가스 챔버는 당연히 전지 전압 강하시에 세척된다.
반대 방향의 캐스케이딩, 그리고 생성되는 물이 아래로 송풍될 수 있도록 하기 위해서는 동작 가스가 연료 전지 스택 내에 세로로 서있는 크기가 큰 연료 전지들을 반드시 위로부터 아래로 관류해야만 한다는 필연성으로 인하여 채널을 캐스케이드 스테이지로 가이드 하는 과정은 매우 복잡하며, 이와 같은 복잡한 과정은 비용적인 손실 이외에 연료 전지 어레인지먼트의 부피를 크게도 한다.
WO 02/27849 A1호에는 신선한 새로운 동작 가스가 각각의 마지막 캐스케이드 스테이지들을 관류하도록 함으로써, 잔류 동작 가스를 완전히 소비시키는 방식이 공지되어 있다. 그밖에 두 가지 동작 가스를 위한 각각의 마지막 캐스케이드 스테 이지들은 전기적으로 분리된 상태로 모니터링 된다. 이를 위해서도 채널을 캐스케이드 스테이지로 가이드 하는 복잡한 과정이 반드시 필요하며, 이와 같은 복잡한 과정은 마찬가지로 연료 전지 어레인지먼트의 부피를 크게 한다.
본 발명의 과제는, 콤팩트하게 구성될 수 있는 연료 전지 어레인지먼트를 제공하는 것이다.
상기 과제는 서문에 언급된 유형의 연료 전지 어레인지먼트에 의해서 해결되며, 본 발명에 따른 연료 전지 어레인지먼트에서는 동작 가스 흐름 내에 있는 마지막 캐스케이드 스테이지가 동작 가스 흐름에서 선행하는 두 개의 캐스케이드 스테이지들 사이에 공간적으로 배열되어 있다. 이와 같은 캐스케이드 스테이지 어레인지먼트에 의해서는, 연료 전지 둘레에 배치된 공간이 동작 가스 채널들의 배관 및/또는 배열을 위해서 효과적으로 이용될 수 있다.
캐스케이드 스테이지들은 연달아서 배열될 수 있다. 하나의 캐스케이드 스테이지 내부에서는 다수의 연료 전지가 동작 가스에 의해서 관류된다. 이 경우에는 산소 함유 가스뿐만 아니라 수소 함유 가스도 동작 가스로서 언급된다.
본 발명은 제 2 캐스케이드 스테이지가 제 1 캐스케이드 스테이지에 연결되고, 상기 제 2 캐스케이드 스테이지에 제 3 캐스케이드 스테이지가 연결되며, 상기 제 3 캐스케이드 스테이지에 제 4 캐스케이드 스테이지가 연결되는 형태의 공간적인 어레인지먼트가 신뢰할만한 동작을 위해 적합하다고 입증되었다는 사실로부터 출발한다. 하지만, 이와 같은 캐스케이드 스테이지의 공간적인 어레인지먼트에 의해서는 마지막 캐스케이드 스테이지를 다수의 관 또는 채널이 통과하게 되며, 결과적으로 그곳에서는 공간 수요가 높을 수밖에 없다. 캐스케이드 스테이지들이 상기와 같이 공지된 방식으로 공간적으로 배열된 채널 가이드 방식은 도 1에 도시되어 있고, 이하에서 더 기술된다.
공간적인 연속 배열의 순서가 캐스케이드 스테이지의 관류 순서와 일치하지 않도록 캐스케이드 스테이지의 공간적인 어레인지먼트를 변경함으로써, 채널은 연료 전지 어레인지먼트를 따라서 더욱 유리하게 분배될 수 있으며, 이와 같은 상황은 전체 공간을 절약할 수 있다.
본 발명은 연료 전지들이 관통 블록 안에 배열되어 있는 연료 전지 블록에 적용하기에 특히 바람직하다. 이 경우에는 바람직하게 직사각형의 편평한 연료 전지 캐리어들이 위·아래로 적층되어 있으며, 상기 연료 전지 캐리어들은 내부에서 연료 전지들을 지지하고, 외부 영역에 개구들을 구비하며, 상기 개구들은 편평한 캐리어들이 결합된 형태로 축 방향 채널들을 형성하고, 이 축 방향 채널들은 연료 전지 블록의 길이 방향으로 뻗는다. 채널이 더 많이 필요할수록, 각각의 캐리어는 그만큼 더 많은 개구들을 구비해야만 하고, 캐리어의 크기도 그만큼 더 커져야만 하며, 연료 전지 블록의 크기도 그만큼 더 커져야만 한다. 모든 축 방향 채널을 가급적 많은 채널 영역에서 효과적으로 이용함으로써, 채널 가이드는 콤팩트하게 그리고 연료 전지 블록은 소형으로 구현될 수 있다.
마지막 캐스케이드 스테이지는 세척 전지 스테이지인 것이 바람직하다. 상기 세척 전지 스테이지는 하나 또는 다수의 세척 전지를 포함하며, 상기 세척 전지들이 캐스케이딩의 단부를 형성함으로써 상기 세척 전지들 뒤에는 크기가 작은 추가의 캐스케이드 스테이지가 연결되어 있지 않다. 세척 전지 스테이지를 두 개의 선행하는 스테이지들 사이에 공간적으로 배열함으로써, 세척 전지들 내에서는 불리하게 작용하는 가로 흐름이 전반적으로 피해질 수 있다.
매우 짧은 가스 수송 경로 그리고 그로 인한 동작 채널들의 효과적인 이용은 캐스케이드 스테이지들이 S1, Sn, S2, ..., Sn-1의 순서로 공간적으로 연달아 배열된 경우에 달성될 수 있으며, 이 경우 S1은 제 1 캐스케이드 스테이지이고, Sn은 마지막 캐스케이드 스테이지이다.
두 가지 동작 가스를 위한 연료 전지들은 각각 바람직하게 캐스케이딩 된 상태로 배열된 다수의 캐스케이드 스테이지를 갖는 하나의 가스 측으로 통합되어 있다. 두 개의 가스 측, 다시 말해 연료 전지 어레인지먼트의 산소 측뿐만 아니라 수소 측도 혹은 음극 측뿐만 아니라 양극 측도 캐스케이딩에 의해서 효율적으로 동작될 수 있다.
이 경우 하나의 가스 측, 예를 들어 산소 측의 하나의 세척 전지 스테이지는 예컨대 수소 측이 그 안에 있는 다른 가스 측의 세척 전지 스테이지와는 다른 연료 전지 안에 배열되어 있다. 다시 말해, 세척 전지 스테이지들은 상호 겹치지 않게 배열되어 있다. 이와 같은 배열 상태에 의해서는 양극 측 및 음극 측의 세척 전지들이 상호 영향을 미치는 경우가 적기 때문에, 세척 전지의 전압 강하시에 하나의 세척 전지의 어느 가스 챔버가 세척되어야만 하는지가 지속적으로 검출될 수 있다.
세척 전지의 세척 가스 챔버에 미치는 한 세척 전지의 비-세척 가스 챔버의 영향은 정규 동작 중에, 한 가스 측의 하나의 세척 전지 스테이지가 다른 가스 측의 제 1 또는 제 2 캐스케이드 스테이지의 연료 전지들 안에 배열된 경우에 매우 확실하게 예방될 수 있다. 상기 제 1 또는 제 2 캐스케이드 스테이지 내에서는 동작 가스 대 장애 성분들, 예컨대 물 및 불활성 가스의 비율이 낮으며, 이로써 상기 제 1 또는 제 2 캐스케이드 스테이지의 비-세척 가스 챔버는 정상 동작 중에는 연료 전지 내에서 전압 강하를 전혀 발생시키지 않는다. 따라서, 세척 전지로서 구현된 연료 전지의 전압 강하시에는 세척 가스 챔버가 세척될 수밖에 없는 상황이 매우 확실하게 예방될 수 있다.
경로가 짧은 배관 또는 짧은 동작 가스 채널들은 두 개 가스 측의 각각의 제 1 캐스케이드 스테이지가 모든 캐스케이드 스테이지의 처음 부분에 공간적으로 배열됨으로써 달성될 수 있다. 추가적으로는 채널 내부에서의 압력 손실뿐만 아니라 채널 내부에서 이루어지는 가스 흐름의 냉각도 적게 유지될 수 있음으로써, 가습 미달 상태가 저지될 수 있고, 그로 인해 동작 시퀀스의 고장율 또는 연료 전지의 바람직하지 않은 노화 현상도 적게 유지될 수 있다.
동작 가스가 제 1 캐스케이드 스테이지로 가이드 될 때의 압력 손실은 동작 가스 흐름 내에 있는 두 개 가스 측의 제 1 캐스케이드 스테이지가 평행하게 배열된 다수의 가스 공급 채널을 구비하는 경우에 특히 적게 유지될 수 있다. 상기 가스 공급 채널의 길이 방향으로의 공간적인 연장부는 바람직하게 추가의 캐스케이드 스테이지들을 위한 가스 공급 채널로서 이용된다. 다수의 가스 공급 채널로 이루어진 제 1 캐스케이드 스테이지를 제공함으로써, 상기 채널 내부에서의 유속은 낮아질 수 있고, 그로 인해 압력 손실을 발생하는 유동 저항도 마찬가지로 적게 유지될 수 있다. 그럼에도, 가스 공급 채널들의 공간적인 연장부를 가스 공급을 위해 이용함으로써 연료 전지 어레인지먼트는 콤팩트하게 유지될 수 있다.
짧은 가스 경로 및 세척 가스 챔버들의 플러딩(flooding) 상태를 확실하게 검출하는 것은 두 개 가스 측의 캐스케이드 스테이지들이 S1, Sn, S2, ..., Sn-1의 순서로 배열된 경우에 달성될 수 있으며, 이 경우 S1은 각각 제 1 캐스케이드 스테이지이고, Sn은 각각 마지막 캐스케이드 스테이지이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참조하여 상세하게 설명된다.
도 1은 선행 기술에 공지된 연료 전지 어레인지먼트를 보여주는 개략도로서, 이 경우 수소 측 및 산소 측은 반대 방향으로 캐스케이딩 되었고,
도 2는 본 발명에 따른 캐스케이드 스테이지의 배열 상태를 보여주는 개략도로서, 이 경우 세척 전지 스테이지들은 각각 선행하는 두 개 스테이지들 사이에 배열되어 있으며, 그리고
도 3은 양측에 다섯 개의 캐스케이드 스테이지를 구비한 연료 전지 어레인지먼트의 개략도로서, 이 경우 마지막 캐스케이드 스테이지는 각각 제 1 캐스케이드 스테이지 옆에 배열되어 있다.
도 1은 선행 기술에 공지된 연료 전지 어레인지먼트(2)를 보여준다. 실제로는 연료 전지 어레인지먼트(2) 안에서 상호 맞물리도록 구성된 상기 연료 전지 어레인지먼트(2)의 산소 측(4) 및 수소 측(6)은 개관을 명확하게 할 목적으로 별개로 그리고 층층이 도시되어 있다.
연료 전지 어레인지먼트(2)는 다수의 연료 전지(8)를 포함하며, 다수의 연료 전지 중에서 도 1에는 단 하나의 연료 전지가 개략적으로 도시되어 있다. 각각의 연료 전지(8)는 음극 가스 챔버(10) 및 양극 가스 챔버(12)를 포함하며, 이 경우 음극 가스 챔버(10)는 산소 측(4)에 배열되어 있고, 양극 가스 챔버(12)는 수소 측(6)에 배열되어 있다. 연료 전지 어레인지먼트(2) 안에서 연료 전지(8)의 음극 가스 챔버(10) 및 양극 가스 챔버(12)는 연이어 배열되어 있고, 상호 평행하게 정렬되어 있으며, 단지 멤브레인-전해질-유닛에 의해서만 분리되어 있고, 상기 멤브레인-전해질-유닛에서는 수소와 산소가 전기 에너지, 열 및 물로 변화되는 전기 화학적인 반응이 일어난다. 도 1에서 두 개의 가스 챔버(10, 12)는 단지 개관을 명확하게 할 목적으로 서로 분리된 상태로 도시되어 있다.
연료 전지 어레인지먼트(2)의 연료 전지(8)는 직사각형 횡단면을 갖고 위·아래로 적층된 편평한 연료 전지(8)로서, 각각의 연료 전지는 캐리어(14) 안에 고정되어 있고, 전체적으로 하나의 직사각형 연료 전지 블록(16)을 형성한다. 산소 측(4)에서 뿐만 아니라 수소 측(6)에서도 연료 전지(8)는 각각 네 개의 캐스케이드 스테이지(S1 - S4)로 분할되어 있으며, 이 경우 각각의 연료 전지(8)는 두 개의 캐 스케이드 스테이지(S1 - S4)에 속하는데, 다시 말하자면 양극 측에서는 수소 측(6)의 캐스케이드 스테이지(S1 - S4) 중에서 하나의 캐스케이드 스테이지에 속하고, 음극 측에서는 산소 측(4)의 캐스케이드 스테이지(S1 - S4) 중에서 하나의 캐스케이드 스테이지에 속한다.
산소 측(4)에서 연료 전지(8) 혹은 상기 연료 전지의 음극 가스 챔버(10) 및 양극 가스 챔버(12)를 네 개의 캐스케이드 스테이지(S1 - S4)로 분할하는 방식은 수소 측(6)에서 이루어지는 방식과 다르다. 음극 가스 챔버(10)가 예를 들어 산소 측(4)의 제 4 캐스케이드 스테이지(S4)에 할당된 연료 전지(8)의 양극 가스 챔버(12)는 수소 측(6)의 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)에 할당되어 있다.
연료 전지 어레인지먼트의 동작 중에는 산소를 함유하는 동작 가스, 예를 들어 순수한 산소가 공급 라인(14)을 통해서 산소 측(4)에 공급된다. 상기 공급 라인(14)은 연료 전지 블록(16)의 축 방향으로 진행하고, 소위 축 방향 채널로서 구현되었다. 상기 축 방향 채널로부터 시작하여 도 1에 개략적으로 도시된 소수의 방사형 채널(20)이 가습기(B02)까지 뻗으며, 상기 가습기는 구조상 캐스케이드 스테이지(S1 - S4) 중에서 하나의 캐스케이드 스테이지와 유사하게 구성되었다. 동작 가스는 가습기(B02)의 소수의 가습 전지를 관류하고, 가습된 상태에서 소수의 추가 방사형 채널(22)을 통해 가습기(B02)를 재차 떠나게 된다.
가습되어 산소를 함유하는 동작 가스는 추가의 축 방향 채널(24)을 통해서 산소 측(4)의 제 1 케스캐이드 스테이지(S1)에 도달한다. 동작 가스는 재차 방사형 채널(26)을 통해서 제 1 케스캐이드 스테이지(S1)의 연료 전지(8)의 음극 가스 챔버(10) 안으로 흘러들어가고, 음극 가스 챔버(10) 안에서는 연료 전지(8)의 멤브레인-전해질-유닛에서 부분적으로 반응한다. 이때 생성되는 생성수는 음극 가스 챔버(10)로부터 그곳에서 반응에 관여하지 않은 동작 가스 부분에 의해 추가의 방사형 채널(28)을 통하여 아래쪽의 축 방향 채널(30) 내부로 송풍된다.
그 다음에 동작 가스는 물 분리기(32) 안으로 유입되고, 그곳에서 생성수로부터 분리되어 재차 위쪽으로 추가의 축 방향 채널(34) 및 방사형 채널(36)로, 제 2 케스캐이드 스테이지(S2)의 연료 전지(8)까지 이송된다. 그곳에서는 재차 동작 가스의 일부분이 연료 전지(8)의 전기 화학적 반응에 반응하는 반면, 재차 소비되지 않은 동작 가스 부분은 방사형 채널(38) 및 축 방향 채널(40)을 통해서 물 분리기(42)로 송풍된다. 그곳에서는 재차 생성수가 동작 가스로부터 분리되어 전술된 바와 유사하게 제 3 케스캐이드 스테이지(S3)에 공급되고, 그곳에서 새로이 부분적으로 반응하며, 이 경우 남아 있는 동작 가스 잔류 부분은 제 3 물 분리기(44) 및 축 방향 채널(46)을 통해서 제 4 케스캐이드 스테이지(S4)로 송풍된다.
제 4 케스캐이드 스테이지(S4)는 세척 전지(48)를 포함하며, 상기 세척 전지의 음극 가스 챔버(10) 안에는 동작 가스의 불활성 가스 성분 및 전기 화학적 반응 으로부터 상기 세척 전지(48) 안에 형성된 생성수가 수집된다. 그럼으로써 세척 전지(48)에는 불활성 가스 및 생성수가 느리게 유입되고, 이와 같은 상황이 세척 전지(48) 내에서 이루어지는 전기 화학적 반응에 악영향을 미침으로써, 결과적으로 상기 세척 전지의 전지 전압은 강하하게 된다. 개별 세척 전지(48)의 전지 전압 값 또는 제 4 케스캐이드 스테이지(S4)의 전압 값이 전체적으로 소정의 임계값에 미달되면, 세척 전지(48) - 정확히 말해서 상기 세척 전지의 음극 가스 챔버(10) - 는 상응하는 밸브의 개방에 의하여 세척되며, 이 경우 반응할 수 있는 동작 가스는 세척 전지(48)의 음극 가스 챔버(10)를 관류하고, 물 및 불활성 가스 성분은 배출 라인(50)을 통해서 배출된다.
수소 측에서 이루어지는 동작 가스의 가이드는 유사하게 구성되었다. 수소를 함유하는 동작 가스, 특히 순수한 수소가 공급 라인(52)을 통해서 가습기(BH2) 안으로 유입되고, 그곳에서 물에 의해 가습되어 축 방향 채널(54)을 통해 제 1 케스캐이드 스테이지(S1) 안으로 흘러들어간다. 그곳으로부터 동작 가스는 - 전술된 바와 유사하게 - 제 2, 제 3 및 제 4 케스캐이드 스테이지(S2, S3, S4) 내부로 송풍되며, 이 경우 완전히 응축된 보습수는 각각 물 분리기(56, 58, 60) 안에서 동작 가스로부터 분리된다. 제 4 케스캐이드 스테이지(S4)의 연료 전지들은 세척 전지(62)로서 형성되었으며, 상기 세척 전지의 불활성 가스 및 물은 배출 라인(64)을 통해서 배출된다.
산소 측(4) 및 수소 측(6)의 캐스케이딩이 반대 방향으로 실시됨으로써, 세척 전지(48)는 수소 측(6)의 제 1 케스캐이드 스테이지(S1)의 연료 전지(8)가 된다. 그와 유사하게 수소 측의 세척 전지(62)는 산소 측(4)의 제 1 케스캐이드 스테이지(S1)의 연료 전지(8)가 된다. 상기 세척 전지(48, 62) 내부에서의 전지 전압 강하는 - 일반적으로 제 1 케스캐이드 스테이지(S1) 내에서 실행되는 방해받지 않은 동작 시퀀스에 의하여 - 세척 전지(48, 62)의 플러딩에 할당될 수 있다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 두 개의 가스 측을 위한 네 개의 캐스케이드 스테이지(S1 - S4)로 가스를 공급 및 배출하기 위해서는 각각 일곱 개의 축 방향 채널(24, 30, 34, 40, 46, 54)이 요구되며, 그 결과 연료 전기 블록(16) 안에서는 상기 축 방향 채널들 중에서 단지 14번 채널만이 가스 가이드를 위해서 필요하게 된다. 다시 말해, 연료 전지(8)의 캐리어(14)는 오로지 상기 채널들을 위해서 각각 열네 개의 개구를 갖는다. 그럼으로써, 모든 열네 개의 개구 - 및 추가의 공급 채널을 위한 추가의 개구 - 를 수용할 수 있기 위하여 연료 전지(8) 둘레의 캐리어(14) 표면은 상대적으로 크게 구현되어야만 한다.
가스 가이드와 관련하여 바람직한 캐스케이드 스테이지(S1 - S4)의 어레인지먼트는 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 본 발명의 한 실시예로서 연료 전지 어레인지먼트(66)를 보여준다. 아래의 설명 부분에는 연료 전지 어레인지먼트(2)에 대한 설명도 명시적으로 포함되어 있기 때문에, 결과적으로 아래의 설명은 실제로 도 1 에 도시된 연료 전지 어레인지먼트(2)와의 차이점에 한정되며, 상기 도 1의 연료 전지 어레인지먼트에 대한 설명은 도 2에 도시된 연료 전지 어레인지먼트와 동일한 특징 및 기능들을 기술하기 위해서 참조된다. 실제로 동일한 부품들은 기본적으로 동일한 도면 부호로 표기되었다.
산소 측(4)에서는 세척 전지 스테이지인 제 4 캐스케이드 스테이지(S4)가 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)와 제 3 캐스케이드 스테이지(S3) 사이에 배열되어 있다. 수소 측(6)에서는 제 4 캐스케이드 스테이지(S4) 혹은 세척 전지 스테이지가 제 3 캐스케이드 스테이지(S3)와 제 2 캐스케이드 스테이지(S2) 사이에 배열되어 있다. 이와 같은 배열 상태에 의해서는 양쪽 가스 측에서 각각 여섯 개의 축 방향 채널(68)만이 필요하게 되며, 이로 인해 연료 전지 어레인지먼트(66)의 연료 전지 블록(66)의 방사형 팽창부는 더욱 콤팩트하게 구현될 수 있다.
상기와 같은 배열 상태의 또 다른 장점은, 병렬 접속된(그리고 평행하게 배열된) 각각 세 개의 축 방향 채널(70)을 통해서 두 개의 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)에 동시에 동작 가스가 개별적으로 공급될 수 있다는 것이다. 그럼으로써, 상기 축 방향 채널(70) 내부에서의 압력 손실 레벨은 동작 가스의 상대적으로 낮은 유속에 의하여 낮게 유지될 수 있다. 가스 공급 채널(74)로서 이용되는 상기 축 방향 채널(70)의 길이 방향의 공간적인 연장부는 추가의 캐스케이드 스테이지(S2 내지 S4)를 위한 가스 공급 채널(74)로서 이용되며, 이 경우에는 당연히 상기 축 방향 채널(68)이 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)와 제 4 캐스케이드 스테이지(S4) 사이에서 중단되어 있음으로써, 결국, 동작 가스 가이드 과정은 전술된 바와 유사하게 진행된다.
각각의 제 4 캐스케이드 스테이지(S4)의 세척 전지(48, 62)의 플러딩 검출을 신뢰할만하게 보증하기 위하여, 산소 측(4)의 세척 전지 스테이지는 수소 측(6)의 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)의 연료 전지(8)에 할당되어 있다. 그와 반대로 수소 측(6)의 세척 전지 스테이지는 산소 측(4)의 제 2 캐스케이드 스테이지(S2)에 할당되어 있다. 세척 전지(48)를 수소 측(6)의 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)에 할당하는 것은 가능한데, 그 이유는 수소 측(6)의 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)가 산소 측(4)의 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)보다 더 많은 연료 전지(8)를 포함하기 때문이다. 이와 같은 사실은 수소 측(6)의 양극 가스 챔버(12)로부터 배출되는 양보다 더 많은 양의 물이 산소 측(4)의 음극 가스 챔버(10)로부터 배출되어야만 한다는 내용을 근거로 하고 있으며, 그렇기 때문에 상기 음극 가스 챔버(10)에는 동작 가스가 더 강하게 살포되어야만 한다. 그로 인해 더 낮은 비율의 동작 가스가 제 1 캐스케이드 스테이지(S1) 내에서 소비되며, 그 결과 후속하는 캐스케이드 스테이지(S2 - S4)는 더 크게, 다시 말해 더 많은 개수의 연료 전지(8)를 구비하여 구현되어야만 한다.
연료 전지 어레인지먼트(76)의 추가의 실시예는 도 3에 도시되어 있으며, 상기 연료 전지 어레인지먼트에 대한 설명은 실제로 선행하는 설명과의 차이점에 한정되어 있다. 연료 전지 어레인지먼트(76)의 연료 전지 블록(16)은 양쪽 가스 측에서 각각 다섯 개의 캐스케이드 스테이지(S1 - S5)로 분할되었고, 상기 다섯 개의 캐스케이드 스테이지 각각은 S1, Sn, S2, ..., Sn -1의 순서로 공간적으로 배열되어 있으며, 이 경우 n=5이다. 그럼으로써, 각각 2 x 4개 축 방향 채널(78)의 관류된 길이는 매우 짧게 유지되고, 유동은 마찰 없이 가이드 될 수 있다. 추가의 장점들, 다시 말해 두 개 가스 측의 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)가 각각 모든 캐스케이드 스테이지(S1 - S5)의 처음 부분에 그리고 특히 가습기(BO2 또는 BH2)에 공간적으로 배열되어 있다는 장점 그리고 마지막 캐스케이드 스테이지(S5) 혹은 세척 전지 스테이지가 제 1 혹은 제 2 캐스케이드 스테이지(S1, S2)에 할당되어 있다는 장점은 그대로 유지된다. 가스 측마다 각각 여덟 개의 축 방향 채널(78)이 필요함으로써, 두 개 가스 측의 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)는 병렬 접속된 네 개의 가스 공급 채널(72)에 의해서 동작될 수 있다.

Claims (10)

  1. 다수의 연료 전지들(8)을 구비한 연료 전지 어레인지먼트(66, 76)로서,
    상기 다수의 연료 전지들은 동작 가스 흐름 내에 캐스케이드 형 방식으로 배열된 다수의 캐스케이드 스테이지들(S1, S2, S3, S4, S5)로 통합되며,
    이 경우 하나의 캐스케이드 스테이지(S2, S3, S4, S5)는 동작 가스 흐름 내에서 선행하는 두 개의 캐스케이드 스테이지(S1, S2, S3, S4) 사이에 공간적으로(spatially) 배열되고,
    동작 가스 흐름 내에 있는 마지막 캐스케이드 스테이지(S4, S5)는 동작 가스 흐름 내에서 선행하는 두 개의 캐스케이드 스테이지(S1, S2, S3) 사이에 공간적으로 배열된,
    연료 전지 어레인지먼트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지들(8)이 연속하는 연료 전지 블록(16) 안에 배치된,
    연료 전지 어레인지먼트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 마지막 캐스케이드 스테이지(S4, S5)가 세척 전지 스테이지인,
    연료 전지 어레인지먼트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐스케이드 스테이지들(S1, S2, S3, S4, S5)은 S1, Sn, S2, ..., Sn -1의 순서로 공간적으로 배열되어 있으며, 이 경우 S1은 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)이고, Sn은 마지막 캐스케이드 스테이지(S5)인,
    연료 전지 어레인지먼트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    두 개의 동작 가스를 위한 상기 연료 전지들(8)이 각각 캐스케이드 형 방식으로 배열된 다수의 캐스케이드 스테이지들(S1, S2, S3, S4, S5)을 갖는 하나의 가스 측으로 통합된,
    연료 전지 어레인지먼트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    한 가스 측의 하나의 세척 전지 스테이지는 다른 가스 측의 세척 전지 스테이지가 배치된 연료 전지들과는 다른 연료 전지들(8) 안에 배치된,
    연료 전지 어레인지먼트.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    한 가스 측의 하나의 세척 전지 스테이지가 다른 가스 측의 제 1 또는 제 2 캐스케이드 스테이지(S1, S2)의 연료 전지들(8) 안에 배치된,
    연료 전지 어레인지먼트.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    두 개 가스 측의 각각의 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)가 모든 캐스케이드 스테이지들(S1, S2, S3, S4, S5)의 처음 부분에 공간적으로 배치된,
    연료 전지 어레인지먼트.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    두 개 가스 측의 동작 가스 흐름 내에 있는 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)는 평행하게 배열된 다수의 가스 공급 채널들(72)을 구비하며, 상기 가스 공급 채널들의 길이 방향의 공간적인 연장부가 추가의 캐스케이드 스테이지들(S2, S3, S4, S5)을 위한 가스 공급 채널(74)로서 이용되는,
    연료 전지 어레인지먼트.
  10. 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    두 개 가스 측의 캐스케이드 스테이지(S1, S2, S3, S4, S5)는 S1, Sn, S2, ..., Sn-1의 순서로 공간적으로 배열되어 있으며, 이 경우 S1은 제 1 캐스케이드 스테이지(S1)이고, Sn은 마지막 캐스케이드 스테이지(S5)인,
    연료 전지 어레인지먼트.
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