KR20170037834A - 열교환기를 포함한 연료 전지 모듈 및 이 모듈의 작동 방법 - Google Patents
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Abstract
연료 전지 모듈(200)에 이용되는 연료 전지 블록(202)은 연료 전지(104)를 포함한다. 이 연료 전지에 결합되는 열교환기(214)는 제1 열교환 요소(120), 제2 열교환 요소(122) 및 내부 공간(234)을 획정하는 케이싱(232)을 포함한다. 공기 유입 파이프(222), 연료 유입 파이프(220), 공기 유출 파이프(226) 및 연료 유출 파이프(224) 각각이 유체(252, 254)를 안내하고 적어도 부분적으로 내부 공간을 통과해 연장한다. 매니폴드(228, 230)가 제1 표면(258), 이 제1 표면과는 반대측의 제2 표면(260)을 포함한다. 복수의 개구(262)가 제1 표면 및 제2 표면에 획정된다. 매니폴드는 제1 표면이 연료 전지와 접촉하고 제2 표면이 열교환기와 접촉하도록 연료 전지 및 열교환기에 결합된다. 매니폴드는 공기 유입 파이프, 연료 유입 파이프, 공기 유출 파이프, 및 연료 유출 파이프에 결합된다.
Description
본 개시의 분야는 일반적으로 연료 전지 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열교환기를 포함한 연료 전지 모듈 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 전력 생성에 있어서 비교적 높은 효율 및 낮은 오염에 대한 잠재성이 입증된 전기화학적 에너지 전환 장치이다. 연료 전지는 일반적으로 인버터를 통해 교류(AC)로 전환될 직류(DC)를 제공한다. DC 또는 AC 전압은 모터, 전등, 및 임의의 다수의 전기 장치 및 시스템을 작동시키는 데에 이용된다. 연료 전지는 고정형, 반고정형 또는 이동형 용례에서 작동한다.
고체 산화물 연료 전지(SOFC) 등의 특정 연료 전지는 산업적 및 도시의 수요를 충족시킬 전기를 제공하는 대규모 전력 시스템에서 작동한다. 다른 전지들은 전기 자동차(powering car) 등의 소형 이동형 용례에 유용하다. 연료 전지의 다른 통상 타입으로는 일반적으로 전부 그 전해질의 이름을 따서 명명한 인산(PAFC), 용융 탄산염(MCFC) 및 양성자 교환막(PEMFC) 타입을 포함한다.
연료 전지는 이온 전도층을 가로질러 연료와 산화제를 전기화학적으로 조합으로써 전기를 생성한다. 이 이온 전도층은 또한 연료 전지의 전해질로도 불리는 것으로 액체 또는 고체이다. 연료 전지는 통상 유용한 전압 또는 전류의 전력을 생성하도록 연료 전지의 조립체로 전기적 직렬로 함께 묶인다. 따라서, 연료 전지 스택을 형성하도록 인접한 연료 전지들을 직렬 또는 병렬로 연결 또는 결합하는 데에 상호 연결 구조체가 이용되고 있다. 일반적으로, 연료 전지의 구성 요소로는 전해질, 애노드 및 캐소드를 포함한다. 전기를 생성하는 반응은 일반적으로 애노드와 캐소드에서 발생하며, 여기에는 그 반응을 가속화하도록 촉매가 통상 배치된다. 애노드와 캐소드는 화학 반응이 발생하는 표면적을 증가시키도록 채널 및 다공성 층을 포함하도록 구성된다. 전해질은 애노드와 캐소드 사이에서 대전된 입자를 운반하지만, 연료와 산화제 모두에 대해 실질적으로 불투과성이다.
파이프, 밸브 및 조인트 커넥터 등의 배관 구성 요소가 연료 전지에 결합되어, 연료, 산화제 및 부산물 등의 유체를 연료 전지 내외로 안내한다. 때로는 유체를 가열 또는 냉각하도록 열교환기가 이용된다. 예를 들면, 몇몇 시스템에서, 복수의 연료 전지가 중앙 열교환기에 결합되고, 유체는 중앙 열교환기로부터 각각의 연료 전지로 개별적으로 안내된다. 그 결과, 수많은 배관 구성 요소들이 중앙 열교환기와 복수의 연료 전지 사이에서 연장한다. 추가로, 중앙 열교환기에 결합된 모든 연료 전지의 생산성이 중앙 열교환기가 유지보수 및 수리를 위해 정지되는 경우에 영향을 받는다.
배관 구성 요소에 의해 안내되는 유체의 일부는 비교적 높은 온도, 예를 들면 600℃보다 높은 온도를 갖는다. 하지만, 고온의 유체를 취급하기 위해 요구되는 고온 배관 구성 요소는 연료 전지의 조립 및 작동에 대한 비용 및 복잡성을 증가시킨다. 추가로, 고온의 유체를 취급하기 위해 요구되는 몇몇 재료는 연료 전지와 양립할 수 없다. 예를 들면, 스테인리스강 등의 몇몇 재료는 연료 전지에서의 캐소드의 크롬 증기 오염을 야기한다. 게다가, 배관 구성 요소들이 고온의 유체에 의해 가열됨에 따라, 배관 구성 요소들은 팽창, 즉 크리프가 초래되며, 이는 배관 구성 요소, 특히 조인트 커넥터의 일체성에 영향을 미친다. 추가로, 열이 고온의 유체로부터 주변 환경으로 손실되며, 이는 연료 전지의 효율을 감소시킨다.
하나의 양태에서, 연료 전지 모듈에 이용되는 연료 전지 블록은, 연료 전지 및 이 연료 전지에 결합된 열교환기를 포함한다. 이 열교환기는, 제1 열교환 요소, 제2 열교환 요소 및 내부 공간을 획정하는 케이싱을 포함한다. 공기 유입 파이프가 공기를 연료 전지 내로 안내하고 적어도 부분적으로 내부 공간을 통과한다. 제1 열교환 요소는 공기 유입 파이프 내의 공기의 온도를 증가시키도록 구성된다. 연료 유입 파이프가 연료를 연료 전지 내로 안내하고 적어도 부분적으로 내부 공간을 통과한다. 제2 열교환 요소는 연료 유입 파이프 내의 연료의 온도를 증가시키도록 구성된다. 공기 유출 파이프가 공기를 연료 전지 밖으로 안내하고 적어도 부분적으로 내부 공간을 통과한다. 연료 유출 파이프가 연료를 연료 전지 밖으로 안내하고 적어도 부분적으로 내부 공간을 통과한다. 매니폴드는 제1 표면 및 이 제1 표면과는 반대측의 제2 표면을 포함한다. 복수의 개구가 제1 표면 및 제2 표면에 획정된다. 매니폴드는 제1 표면이 연료 전지와 접촉하고 제2 표면이 열교환기와 접촉하도록 연료 전지 및 열교환기에 결합된다. 매니폴드는 공기 유입 파이프, 연료 유입 파이프, 공기 유출 파이프, 및 연료 유출 파이프에 결합된다.
다른 양태에서, 연료 전지 모듈은 적어도 하나의 연료 전지 블록을 포함한다. 이 적어도 하나의 연료 전지 블록은 연료 전지 및 이 연료 전지에 결합된 열교환기를 포함한다. 이 열교환기는, 제1 열교환 요소, 제2 열교환 요소 및 내부 공간을 획정하는 케이싱을 포함한다. 연료 전지 모듈은 유체를 연료 전지로 안내하는 적어도 하나의 파이프를 더 포함한다. 이 적어도 하나의 파이프는 적어도 부분적으로 내부 공간을 통과한다. 열교환기는 유체의 온도를 약 600℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도로 상승시키도록 구성된다. 매니폴드는 제1 표면 및 이 제1 표면과는 반대측의 제2 표면을 포함한다. 매니폴드는 제1 표면이 연료 전지와 접촉하고 제2 표면이 열교환기와 접촉하도록 연료 전지 및 열교환기에 결합된다. 적어도 하나의 파이프는 매니폴드에 결합된다.
또 다른 양태에서, 연료 전지 모듈을 통해 연료를 안내하는 방법이 제공된다. 연료 전지 모듈은 연료 전지 블록을 포함한다. 그 방법은, 제1 유체를 연료 전지 블록으로 안내하는 것을 포함한다. 연료 전지 블록은 연료 전지, 열교환기 및 매니폴드를 포함한다. 열교환기는 내부 공간을 획정하는 케이싱을 포함한다. 매니폴드는 제1 표면 및 이 제1 표면과는 반대측의 제2 표면을 포함한다. 제1 개구 및 제2 개구가 제1 표면 및 제2 표면에 획정된다. 매니폴드는 제1 개구 및 제2 개구가 연료 전지와 유체 연통하도록 열교환기 및 연료 전지에 결합된다. 그 방법은 제1 유체를 내부 공간을 통해 안내하는 것을 더 포함한다. 제1 유체는 제1 개구를 통과해 연료 전지 내로 안내된다. 제2 유체가 제2 개구를 통과해 연료 전지 밖으로 안내된다. 제2 유체는 내부 공간을 통해 안내된다. 유체들이 내부 공간을 통해 안내됨에 따라 열이 제2 유체에서 제1 유체로 전달된다. 열교환기는 제1 유체의 온도를 약 600℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도로 상승시키도록 구성된다. 열교환기는 제1 열교환 요소 및 제2 열교환 요소를 포함한다.
본 개시의 상기한 것은 물론 기타 특징, 양태 및 이점은 이하의 상세한 설명을 첨부 도면을 참조하여 읽을 때에 보다 명백해질 것이며, 도면에서 동일한 도면 부호는 도면에 걸쳐 동일한 부품을 나타낸다.
도 1은 바람직한 발전 시스템을 통한 유체 흐름의 개략도이며;
도 2는 바람직한 연료 전지 모듈의 사시도이고;
도 3은 도 2에 도시한 연료 전지 모듈의 바람직한 연료 전지 블록의 사시도이며;
도 4는 도 3에 도시한 연료 전지 블록의 일부분의 사시도이고;
도 5는 도 2에 도시한 연료 전지 모듈의 바람직한 매니폴드의 사시도이다.
달리 지시하지 않는다면, 본 명세서에서 제공하는 도면은 본 개시의 실시예들의 특징을 예시하고자 한 것이다. 그 특징들은 본 개시의 하나 이상의 실시예를 포함하는 각종 다양한 시스템에 적용 가능한 것으로 여겨진다. 따라서, 도면은 본 명세서에서 개시하는 실시예들의 실시를 위해 요구되는 당업자들에게 공지된 모든 종래의 특징들을 포함하진 않는다.
도 1은 바람직한 발전 시스템을 통한 유체 흐름의 개략도이며;
도 2는 바람직한 연료 전지 모듈의 사시도이고;
도 3은 도 2에 도시한 연료 전지 모듈의 바람직한 연료 전지 블록의 사시도이며;
도 4는 도 3에 도시한 연료 전지 블록의 일부분의 사시도이고;
도 5는 도 2에 도시한 연료 전지 모듈의 바람직한 매니폴드의 사시도이다.
달리 지시하지 않는다면, 본 명세서에서 제공하는 도면은 본 개시의 실시예들의 특징을 예시하고자 한 것이다. 그 특징들은 본 개시의 하나 이상의 실시예를 포함하는 각종 다양한 시스템에 적용 가능한 것으로 여겨진다. 따라서, 도면은 본 명세서에서 개시하는 실시예들의 실시를 위해 요구되는 당업자들에게 공지된 모든 종래의 특징들을 포함하진 않는다.
이하의 명세서 및 청구 범위에서, 다수의 용어들이 언급될 것이며, 다음의 의미를 갖는 것으로 정의될 것이다.
단수 형태의 표현은 그 문맥이 명확히 달리 지시하지 않는다면 복수형의 언급도 포함한다.
"선택적" 또는 "선택적으로"란 표현은 그 이후에 설명되는 이벤트 또는 상황이 발생하거나 발생하지 않을 수 있고, 그 기재 사항은 이벤트가 발생하는 경우와 발생하지 않는 경우를 포함함을 의미한다.
본 명세서 및 청구 범위에서 사용되는 바와 같은 근사 관련 표현은 관련된 기본적인 기능에 변화를 초래하는 일 없이 허용 가능하게 변할 수 있는 임의의 양적 표현을 수식하는 데에 적용될 수 있다. 따라서, "약", "대략" 및 "실질적으로"와 같은 표현들에 의해 수식되는 값은 명시한 그 정확한 값에 제한되지 않는다. 적어도 몇몇 예에서, 그러한 근사 관련 표현은 그 값을 측정하는 장비의 정밀도에 상응할 수 있다. 본 명세서 및 청구 범위에 걸쳐, 범위의 한계들은 조합되거나 및/또는 교체될 수 있으며, 그러한 범위는 문맥 또는 표현이 달리 지시하지 않는다면 그에 속하는 모든 하위 범위와 동일시 취급되고 그 하위 범위를 포함할 것이다.
본 명세서에서 설명하는 연료 전지 모듈은 이 연료 전지 모듈을 이용하여 전력을 생성하는 효율을 증가시키고 그 비용을 감소시키도록 열교환기를 포함한다. 특히, 본 명세서에서 설명하는 실시예들은 연료 전지 모듈을 통해 유체를 안내하는 데에 요구되는 고온 배관 구성 요소들을 감소시킨다. 또한, 본 명세서에서 설명하는 실시예들은 연료 전지 모듈을 통한 유체 흐름의 제어를 용이하게 한다. 추가로, 그 연료 전지 모듈은 연료 전지에 대한 배관 구성 요소 및 열교환기의 결합을 용이하게 하는 매니폴드를 포함한다. 또한, 본 명세서에서 설명하는 열교환기는 열교환기에서 유체의 열전달 효율을 증가시킨다.
도 1은 연료 전지 모듈(102)을 포함하는 바람직한 발전 시스템(100)의 개략도이다. 연료 전지 모듈(102)은 연료 전지(104) 및 통합 열교환기(106)를 포함한다. 연료 전지(104)는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 및 용융 탄산염 연료 전지(MCFC) 중 하나이다. 연료 전지(104)는 이온 전도층(도시 생략)을 가로질러 연료와 산화제(이들 둘 모두에 대해선 후술함)를 전기화학적으로 조합함으로써 직류(DC) 전력을 생성한다. 이 이온 전도층, 즉 연료 전지(104)의 전해질은 액체 또는 고체이다. 몇몇 실시예에서, 연료 전지(104)는 유용한 전압 또는 전류의 전력을 생성하도록 연료 전지(104)(도 1에서는 한 개만을 도시함)들의 조립체로 전기적 직렬로 배치된다.
바람직한 실시예에서, 연료 전지(104)는 전해질, 애노드(108) 및 캐소드(110)를 포함한다. DC 전기를 생성하는 반응은 일반적으로 애노드(108)와 캐소드(110)에서 발생하며, 여기에는 그 반응을 가속화하도록 촉매(도시 생략)가 배치된다. 애노드(108)와 캐소드(110)는 화학 반응이 발생하는 표면적을 증가시키도록 채널 및 다공성 층(이들 둘 모두 도시 생략)을 포함한다. 전해질은 애노드(108) 및 캐소드(110) 중 하나에서부터 다른 하나로 대전된 입자를 운반하지만, 연료와 산화제 모두에 대해 실질적으로 불투과성이다. 애노드(108)를 통한 연료 흐름을 용이하게 하기 위해, 애노드(108)는 입구(112) 및 출구(114)를 포함한다. 마찬가지로, 캐소드(110)도 입구(116) 및 출구(118)를 포함한다. 애노드(108)는 물, 수소, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 그리고 만약 있다면 미반응 연료를 포함하는 테일 가스 스트림(tail gas stream)을 애노드 출구(114)로부터 방출한다.
바람직한 실시예에서, 통합 열교환기(106)가 연료 전지(104)에 결합된다. 통합 열교환기(106)는 제1 열교환 요소(120) 및 제2 열교환 요소(122)를 포함한다. 제1 열교환 요소(120)는, 이 제1 열교환 요소(120)가 연료 전지 캐소드로부터 배출되는 유체로부터 열을 제거하는 한편 연료 전지 캐소드 입구(116)로 안내되는 유체로 열을 전달하도록, 연료 전지 캐소드 입구(116) 및 연료 전지 캐소드 출구(118)와 흐름 연통하게 결합된다. 제2 열교환 요소(122)는, 이 제2 열교환 요소(122)가 연료 전지 캐소드 출구(118)로부터 배출되는 유체로부터 열을 제거하는 한편 연료 전지 애노드 입구(112)로 안내되는 유체로 열을 전달하도록, 연료 전지 캐소드 출구(118) 및 연료 전지 애노드 입구(112)와 흐름 연통하게 결합된다. 바람직한 실시예에서, 제1 열교환 요소(120)는 공기간 열교환 요소이며, 제2 열교환 요소(122)는 공기 연료간 열교환 요소이다. 대안적인 실시예에서, 제1 열교환 요소(120) 및 제2 열교환 요소(122)는 통합 열교환기(106)가 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 열교환 요소이다. 게다가, 몇몇 실시예에서, 통합 열교환기(106)는 통합 열교환기(106)가 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 개수의 열교환 요소를 포함한다. 예를 들면, 몇몇 실시예에서, 통합 열교환기(106)는 적어도 하나의 연료간 열교환 요소를 포함한다.
발전 시스템(100)은 또한 애노드 출구(112)와 흐름 연통하게 결합된 연료 예열기(124)를 포함한다. 이 연료 예열기(124)는 탄소질, 즉 탄화수소 연료 소스(도시 생략)와 흐름 연통하게 결합되며, 바람직한 실시예에서 그 연료 소스는 연료 예열기(124)로 천연 가스를 보낸다. 대안적인 실시예에서, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 발전 시스템(100) 및 연료 전지(104)가 작동할 수 있게 하는 임의의 연료가 이용된다.
발전 시스템(100)은 또한 연료 전지 애노드 출구(114) 및 연료 예열기(124)와 결합된 탄화수소 연료 개질기(hydrocarbon fuel reformer)(126)를 포함한다. 탄화수소 연료 개질기(126)는 혼입된 테일 가스 스트림을 포함한 연료 스트림을 혼입된 이산화탄소(CO2)에 의해 고온 개질 연료 스트림으로 전환한다. 연소 엔진(128)은 탄화수소 연료 개질기(126)와 흐름 연통하게 결합된다. 고온 개질 연료 스트림은 연소 엔진(128)으로 안내된다. 바람직한 실시예에서, 연소 엔진(128)은 왕복동 4행정 엔진을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 연소 엔진(128)은 예를 들면, 왕복동 2행정 엔진, 대향 피스톤 2행정 엔진, 및/또는 가스 터빈 엔진을 포함하며, 이에 한정되진 않는다. 몇몇 실시예에서, 연소 엔진(128)은 발전기 및/또는 예를 들면 펌프 및 압축기를 비롯하여 이들에 한정되지 않는 기타 부하에 기계적으로 결합된다. 연료 열교환기(130)가 탄화수소 연료 개질기(126)에 결합되어, 그 연료 열교환기(130)는 탄화수소 연료 개질기(126)로부터 연료 전지 애노드 입구(112)로 안내되는 연료의 일부분을 가열하게 된다.
바람직한 실시예에서, 발전 시스템(100)은 물 탈수기 또는 쿨러(132) 및 압축기(134)를 더 포함한다. 대안적인 실시예에서, 쿨러(132) 및 압축기(134)는 생략된다. 바람직한 실시예에서, 쿨러(132)는 연료 예열기(124)에 결합되어, 연료 예열기(124)로부터 연소 엔진(128)으로 안내되는 연료의 온도를 떨어뜨려, 연료 내의 물이 응축되어 추출될 수 있게 한다. 압축기(134)는 연료 전지 모듈(102)에 결합되어 연료 전지 모듈(102)을 통한 유체의 이동을 촉진시킨다. 대안적인 실시예에서, 발전 시스템(100)은 발전 시스템(100)이 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 방식으로 결합된 임의의 구성 요소를 포함한다. 예를 들면, 몇몇 실시예에서, 발전 시스템(100)은 추가적인 열교환기 및 연료 개질기를 포함한다. 추가로, 몇몇 실시예에서, 발전 시스템(100)의 일부 구성 요소들은 병렬 및/또는 직렬로 결합된다.
도 2는 발전 시스템(100)에 사용하는 연료 전지 모듈(200)의 사시도이다. 도 3 및 도 4는 연료 전지 모듈(200)의 일부분의 사시도이다. 연료 전지 모듈(200)은 적어도 하나의 연료 전지 블록(202), 공기 예열기(204), 연료 유입 헤더(206), 공기 유입 헤더(208), 연료 유출 헤더(210), 및 공기 유출 헤더(212)를 포함한다. 각 연료 전지 블록(202)은 통합 열교환기(214), 제1 연료 전지 스택(216), 제2 연료 전지 스택(218), 연료 유입 파이프(220), 공기 유입 파이프(222), 연료 유출 파이프(224), 공기 유출 파이프(226), 상부 매니폴드(228) 및 하부 매니폴드(230)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 연료 전지 블록(202)은 연료 전지 모듈(200)이 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 개수의 연료 전지 스택(216, 218) 및 통합 열교환기(214)를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 각 연료 전지 블록(202)은 연료 전지 모듈(200)의 작동 중에 연료 전지 블록(202)에 의해 생성되는 전력의 양으로서 정해지는 발전 용량을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 각 연료 전지 블록(202)은 약 1 킬로와트(㎾) 내지 약 500㎾ 범위의 발전 용량을 갖는다. 다른 실시예에서, 각 연료 전지 블록(202)은 약 25 킬로와트(㎾) 내지 약 250㎾ 범위의 발전 용량을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 각 연료 전지 블록(202)은 대략 200㎾의 발전 용량을 갖는다.
연료 전지 모듈(200)은 연료 전지 블록(202)들의 발전 용량의 합인 전체 발전 용량을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 각 연료 전지 모듈(200)은 약 25㎾ 내지 약 1,500㎾의 전체 발전 용량을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 각 연료 전지 모듈(200)은 약 150㎾ 내지 약 1,250㎾의 전체 발전 용량을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 연료 전지 모듈(200)은 6개의 연료 전지 블록(202)을 포함하며, 각 연료 전지 블록(202)은 대략 167㎾의 발전 용량을 갖는다. 따라서, 연료 전지 모듈(200)은 대략 1,000㎾의 전체 발전 용량을 갖는다. 대안적인 실시예에서, 연료 전지 모듈(200)은 연료 전지 모듈(200)이 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 발전 용량을 갖는 임의의 개수의 연료 전지 블록(202)을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 제1 연료 전지 스택(216) 및 제2 연료 전지 스택(218)은 각각 전해질과 2개의 전극을 포함하는 연료 전지(104)(도 1 참조)를 복수 개 포함한다. 제1 연료 전지 스택(216) 및 제2 연료 전지 스택(218)은 이온 전도층을 가로질러 연료와 산화제를 전기화학적으로 조합으로써 전기를 생성한다. 바람직한 실시예에서, 제1 연료 전지 스택(216) 및 제2 연료 전지 스택(218)은 고체 산화물 연료 전지인 연료 전지(104)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 제1 연료 전지 스택(216) 및 제2 연료 전지 스택(218)은 연료 전지 모듈(200)이 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 타입의 연료 전지를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 제1 연료 전지 스택(216) 및 제2 연료 전지 스택(218)은 통합 열교환기(214)의 양측에서 통합 열교환기(214)에 결합된다. 대안적인 실시예에서, 제1 연료 전지 스택(216) 및 제2 연료 전지 스택(218)은 연료 전지 블록(202)이 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 방식으로 통합 열교환기(214)에 결합된다.
바람직한 실시예에서, 통합 열교환기(214)는, 내부 공간(234)을 획정하는 케이싱(232), 제1 열교환 요소(236) 및 제2 열교환 요소(238)를 포함한다. 도 3에 도시한 배향을 기준으로, 케이싱(232)은 상부벽(240), 저부벽(242), 및 이들 상부벽(240)과 저부벽(242) 사이에서 연장하는 측벽(244)을 포함한다. 상부벽(240), 저부벽(243) 및 측벽(244) 각각은 해당 외면(246, 248, 250)을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 통합 열교환기(214)는 통합 열교환기(214)가 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 개수의 벽과 표면을 포함한다.
연료(252) 및 공기(254) 등의 유체는 연료 전지(200)의 작동 중에 연료 전지 모듈(200)을 통과해 안내된다. 구체적으로, 유체는, 연료 유입 헤더(206), 공기 유입 헤더(208), 연료 유출 헤더(210), 공기 유출 헤더(226), 연료 유입 파이프(220), 공기 유입 파이프(222), 연료 유출 파이프(224) 및 공기 유출 파이프(226)를 통해 안내된다. 도 3에서 가장 잘 확인할 수 있는 바와 같이, 연료 유입 파이프(220), 공기 유입 파이프(222), 연료 유출 파이프(224) 및 공기 유출 파이프(226) 각각은 제1 연료 전지 스택(216) 및 제2 연료 전지 스택(218) 내외로 유체를 안내한다.
공기 예열기(204)는 통합 열교환기(214)의 상류측에서 공기 유입 헤더(208)에, 그리고 통합 열교환기(214)의 하류측에서 공기 유출 파이프(226)에 결합된다. 공기 예열기(204)는 공기 유출 파이프(226) 내의 공기(254)로부터 열을 제거하고 공기 유입 파이프(222) 내의 공기(254)로 열을 전달한다. 바람직한 실시예에서, 내부 공간(234)을 통과해 공기(254)를 안내하는 공기 유입 파이프(222) 앞에서, 공기 예열기(204)가 공기 유입 파이프(222) 내의 공기(254)의 온도를 약 100℃(212℉) 내지 약 600℃(1112℉) 범위의 온도로 증가시킨다.
작동시에, 공기(254)는 연료 전지 블록(202)으로 급송되도록 공기 유입 헤더(208)를 통해 공기 유입 파이프(222) 내로 안내된다. 각 공기 유입 파이프(222)는 적어도 부분적으로 내부 공간(234) 내로 연장한다. 내부 공간(234) 내에서, 공기 유입 파이프(222)는 공기(254)를 제1 연료 전지 스택(216) 및 제2 연료 전지 스택(28)에 급송하도록 별개의 섹션들로 분기된다. 대안적인 실시예에서, 공기 유입 파이프(222)는 연료 전지 모듈(200)이 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 개수의 연료 전지 스택(216, 218)에 공기(254)를 공급한다. 바람직한 실시예에서, 공기 유입 파이프(222)는 공기 유입 파이프(222)를 통해 안내되는 공기(254)의 온도가 증가되도록 제1 열교환 요소(236)에 의해 가열된다. 바람직한 실시예에서, 통합 열교환기(214)의 외부에서, 공기 유입 파이프(222) 내의 공기(254)는 600℃ 미만의 온도로 유지된다. 내부 공간(234)에서, 제1 열교환 요소(236)는 공기 유입 파이프(222) 내의 공기(254)의 온도를 약 600℃(1112℉) 내지 약 800℃(1472℉) 범위의 온도로 증가시킨다. 그 결과, 고온 배관 구성 요소는 단지 내부 공간(234) 내에 있는 공기 유입 파이프(222)의 부분에 대해서만 요구된다. 고온 배관 구성 요소는 비교적 높은 온도, 즉 약 600℃(1112℉)보다 높은 온도를 갖는 유체를 안내하도록 설계 및 제조된 구성 요소들이다.
연료 전지 모듈(200)의 작동 중에, 연료(252)는 연료 전지 블록(202)으로 급송되도록 연료 유입 헤더(206)를 통해 연료 유입 파이프(220) 내로 안내된다. 각 연료 유입 파이프(220)는 적어도 부분적으로 내부 공간(234) 내로 연장한다. 바람직한 실시예에서, 내부 공간(234) 내에서, 연료 유입 파이프(220)는 연료를 제1 연료 전지 스택(216) 및 제2 연료 전지 스택(28)에 급송하도록 별개의 섹션들로 분기된다. 대안적인 실시예에서, 연료 유입 파이프(220)는 연료 전지 모듈(200)이 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 개수의 연료 전지 스택(216, 218)에 연료를 공급한다. 바람직한 실시예에서, 연료 유입 파이프(220)는 연료 유입 파이프(220)를 통해 안내되는 연료의 온도가 증가되도록 제2 열교환 요소(238)에 의해 가열된다. 바람직한 실시예에서, 통합 열교환기(214)의 외부에서, 연료 유입 파이프(220) 내의 유체는 600℃ 미만의 온도로 유지된다. 내부 공간(234)에서, 제2 열교환 요소(238)는 연료 유입 파이프(220) 내의 유체의 온도를 약 600℃(1112℉) 내지 약 800℃(1472℉) 범위의 온도로 증가시키는 것을 촉진시킨다. 그 결과, 고온 배관 구성 요소는 단지 내부 공간(234) 내에 있는 연료 유입 파이프(220)의 부분에 대해서만 요구된다.
바람직한 실시예에서, 연료는 제1 연료 전지 스택(216) 및 제2 연료 전지 스택(218)으로부터 연료 유출 파이프(224) 내로 배출되며, 그 연료 유출 파이프(224)는 적어도 부분적으로 내부 공간(234) 내로 연장한다. 연료 유출 파이프(224)는 연료를 내부 공간(234)에서부터 연료 유출 헤더(210)로 안내한다. 공기는 제1 연료 전지 스택(216) 및 제2 연료 전지 스택(218)으로부터 공기 유출 파이프(226) 내로 배출되며, 그 공기 유출 파이프(226)는 적어도 부분적으로 내부 공간(234) 내로 연장한다. 공기 유출 파이프(226)는 공기를 내부 공간(234)에서부터 공기 유출 헤더(212)로 안내한다. 내부 공간(234), 제1 열교환 요소(236)는 공기 유출 파이프(226)와 공기 유입 파이프(222) 간의 열교환을 촉진시키며, 제2 열교환 요소(238)는 공기 유출 파이프(226)와 공기 유입 파이프(222) 간의 열교환을 촉진시킨다. 그 결과, 공기 유입 파이프(226) 내의 유체는 그 유체가 내부 공간(234)을 통해 안내됨에 따라 온도가 감소한다. 바람직한 실시예에서, 공기 유출 파이프(226) 내의 유체의 온도는 내부 공간(234)을 빠져나가기 전에 그 온도가 약 600℃(1112℉) 미만으로 되도록 하강한다. 그 결과, 고온 배관 구성 요소는 단지 내부 공간(234) 내에 있는 공기 유출 파이프(226)의 부분에 대해서만 요구된다.
바람직한 실시예에서, 도 3에 도시한 배향을 기준으로, 상부 매니폴드(228)는 통합 열교환기(214) 위에 위치하고 하부 매니폴드(230)는 통합 열교환기(214) 아래에 위치한다. 상부 매니폴드(228)는 통합 열교환기(214)와 제1 연료 전지 스택(216) 사이에 배치되어 이들에 결합된다. 하부 매니폴드(230)는 통합 열교환기(214)와 제2 연료 전지 스택(218) 사이에 배치되어 이들에 결합된다. 대안적인 실시예에서, 연료 전지 모듈(200)의 구성 요소들은 연료 전지 모듈(200)이 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 방식으로 위치 설정된다. 추가로, 대안적인 실시예에서, 연료 전지 모듈(200)은 연료 전지 모듈(200)이 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 개수의 매니폴드를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 상부 매니폴드(228)와 하부 매니폴드(230)는 실질적으로 동일하다. 따라서, 상부 매니폴드(228)에 대해 아래에서 상세하게 설명할 것이기 때문에, 하부 매니폴드(230)에 대한 추가적인 설명을 불필요할 것이다. 대안적인 실시예에서, 하부 매니폴드(230)는 상부 매니폴드(228)와 상이하다. 몇몇 실시예에서, 상부 매니폴드(228) 및/또는 하부 매니폴드(230)는 생략된다.
도 5는 상부 매니폴드(228)의 평면도이다. 상부 매니폴드(228)는 제1 표면(258), 제1 표면(258)과는 반대측의 제2 표면(260), 및 복수의 개구(262)를 포함한다. 개구(262)는 상부 매니폴드(228)를 통한 유체 흐름을 위한 채널을 제공하도록 제1 표면(258) 및 제2 표면(260)에 형성되어 이들 사이에서 연장한다. 상부 매니폴드(228)는 제1 표면(258)과 제2 표면(260) 사이에서 측정되는 두께(264)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 두께(264)는 약 2밀리미터(㎜)(0.1인치(in)) 내지 약 400㎜(16in) 범위이다. 바람직한 실시예에서, 두께(264)는 약 19㎜(0.75in)이다. 상부 매니폴드(228)는 상부 매니폴드(228)의 측방향 가장자리들 사이에 정해지는 최대폭(266)을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 상부 매니폴드(228)는 최대폭(266)에 상응하는 직경을 포함한 원형 형상을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 최대폭(266)은 약 254㎜(10in) 내지 약 1270㎜(50in) 범위이다. 바람직한 실시예에서, 최대폭(266)은 약 406㎜(16in)이다. 대안적인 실시예에서, 상부 매니폴드(228)는 상부 매니폴드(228)가 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 형상 및 사이즈를 갖는다.
바람직한 실시예에서, 각 개구(262)는 반경(268)을 갖는 적어도 부분적으로 원형의 형상을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 반경(268)은 약 2.5㎜(0.1in) 내지 약 254㎜(10in) 범위이다. 바람직한 실시예에서, 반경(268)은 약 25㎜(1in)이다. 개구(262)의 일부는 길이(270)를 갖는 슬롯 형상을 형성하도록 길게 연장한다. 몇몇 실시예에서, 길이(270)는 약 25㎜(0.1in) 내지 약 254㎜(10in) 범위이다. 바람직한 실시예에서, 길이(270)는 약 64㎜(2.5in)이다. 대안적인 실시예에서, 개구(262)는 상부 매니폴드(228)가 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 기능하게 할 수 있는 임의의 형상 및 사이즈를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 상부 매니폴드(228)는 상부 매니폴드(228)를 다른 구성 요소에 결합하는 것을 용이하게 하도록 복수의 구멍(272)을 더 포함한다.
도 3 및 도 4를 다시 참조하면, 상부 매니폴드(228)는 제1 표면(258)이 제1 연료 전지 스택(216)에 접촉하고 제2 표면(260)이 통합 열교환기(214)에 접촉하도록 제1 연료 전지 스택(216)에 결합된다. 연료 유입 파이프(220), 공기 유입 파이프(222), 연료 유출 파이프(224) 및 공기 유출 파이프(226)는 개구(262)에 인접하여 상부 매니폴드(228)에 결합된다. 그 결과, 연료 유입 파이프(220) 및 공기 유입 파이프(222) 내의 유체는 개구(262)를 통해 제1 연료 전지 스택(216) 내로 안내된다. 추가로, 제1 연료 전지 스택(216) 내의 유체는 개구(262)를 통해 연료 유출 파이프(224) 및 공기 유출 파이프(226) 내로 안내된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 유체(252, 254)를 연료 전지 모듈(200)을 통해 안내하는 방법은 유체(252, 254)를 연료 전지 블록(202)을 통해 안내하는 것을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 유체(252, 254)는 연료 전지 모듈(200)을 형성하도록 함께 결합된 복수의 연료 전지 블록(202)을 통해 개별적으로 안내된다. 바람직한 실시예에서, 유체(252, 254)는 내부 공간(234)을 통해 안내된다. 몇몇 실시예에서, 유체(252, 254)는 내부 공간(234)을 통해 적어도 부분적으로 연장하는 공기 유출 헤더(212), 연료 유입 파이프(220), 공기 유입 파이프(222), 연료 유출 파이프(224) 및 공기 유출 파이프(226)를 통해 안내된다. 바람직한 실시예에서, 유체(252, 254)는 개구(262)를 통해 연료 전지(104) 내로 안내된다. 유체(252, 254)는 개구(262)를 통해 연료 전지(104) 밖으로 나와 내부 공간(234)을 통해 안내된다. 유체(252, 254)가 내부 공간(234)을 통해 안내됨에 따라, 열이 연료 전지(104) 밖으로 나온 유체(252, 254)로부터 제거되어, 연료 전지(104)를 향해 안내되는 유체(252, 254)로 전달된다. 통합 열교환기(214)는 유체(252, 254)의 온도를 약 600℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도로 상승시키도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 유체(252, 254)는 이 유체(252, 254)가 내부 공간(234)을 통해 안내되기 전에 약 100℃ 내지 약 600℃ 범위의 온도로 유지된다.
전술한 연료 전지 모듈은 이 연료 전지 모듈을 이용하여 전력을 생성하는 효율을 증가시키고 그 비용을 감소시키도록 열교환기를 포함한다. 특히, 본 명세서에서 설명하는 실시예들은 연료 전지 모듈을 통해 유체를 안내하는 데에 요구되는 고온 배관 구성 요소들을 감소시킨다. 또한, 본 명세서에서 설명하는 실시예들은 연료 전지 모듈을 통한 유체 흐름의 제어를 용이하게 한다. 추가로, 그 연료 전지 모듈은 연료 전지에 대한 배관 구성 요소 및 열교환기의 결합을 용이하게 하는 매니폴드를 포함한다. 또한, 본 명세서에서 설명하는 열교환기는 열교환기에서 유체의 열전달 효율을 증가시킨다.
본 명세서에서 설명하는 방법, 시스템 및 장치의 바람직한 기술적 효과는, (a) 연료 전지 모듈의 작동 효율 증가; (b) 연료 전지 모듈의 유지 및 보수에 필요한 시간 및 비용 감소; (c) 연료 전지 모듈의 조립 및 작동 비용 감소; (d) 연료 전지 모듈에 요구되는 고온 배관 구성 요소의 양의 감소; (e) 연료 전지 모듈을 통과하는 유체의 압력 강하의 제어; 및 (f) 연료 전지 모듈에서 배관 연결부의 복잡성을 감소 중 적어도 하나를 포함한다.
이상, 통합 열교환기를 포함하는 연료 전지 모듈의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하였다. 통합 열교환기를 포함하는 연료 전지 모듈, 및 그러한 시스템 및 장치를 작동시키는 방법은 본 명세서에서 설명하는 특정 실시예에 한정되지 않으며, 오히려 그 시스템의 구성 요소 및/또는 그 방법의 단계들은 본 명세서에서 설명하는 기타 구성 요소 및/또는 단계들과 독립적으로 개별적으로 이용될 수도 있다. 예를 들면, 그 방법은 다른 시스템과 함께 이용될 수도 있고, 본 명세서에서 설명하는 바와 같은 연료 전지 모듈, 연료 전지 시스템 및 방법과 함께 실시하는 것에 한정되지 않는다. 오히려, 바람직한 실시예는 종래에 연료 전지를 수납 및 수용하도록 구성된, 예를 들면 벽지의 분산 발전 설비 및 산업 설비 등을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 수많은 기타 연료 전지 용례와 관련하여 실시 및 이용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예의 특정한 특징들을 일부 도면에는 도시하고 다른 도면에서는 도시하진 않았지만, 이는 단지 편의를 위한 것이다. 본 발명의 원리에 따라, 도면의 임의의 특징들이 임의의 다른 도면들의 특징과 함께 참조되거나, 및/또는 청구될 수 있다.
본 명세서에서 기술한 설명은 최상의 모드를 비롯한 발명을 개시함과 아울러, 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 어떠한 당업자라도 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위해 일례들을 이용하고 있다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구 범위에 의해서 정해지고, 당업자에게 일어나는 다른 예들을 포함할 수도 있다. 그러한 다른 예들은 그들 예가 청구항들의 문자 언어와 상이하지 않은 구조적인 요소를 갖는 경우, 또는 그들 예가 청구항들의 문자 언어와 별 차이가 없는 등가의 구조적인 요소를 포함하는 경우 청구항들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
100: 발전 시스템
102: 연료 전지 모듈
104: 연료 전지 106: 통합 열교환기
108: 애노드 110: 캐소드
112: 애노드 입구 114: 애노드 출구
116: 캐소드 입구 118: 캐소드 출구
120: 공기 열교환 요소 122: 연료 열교환 요소
124: 연료 예열기 126: 연료 개질기
128: 연소 엔진 130: 연료 열교환기
132: 쿨러 134: 압축기
200: 연료 전지 모듈 202: 연료 전지 블록
204: 연료 예열기 206: 연료 유입 헤더
208: 공기 유입 헤더 210: 연료 유출 헤더
212: 공기 유출 헤더 214: 통합 열교환기
216: 제1 연료 전지 스택 218: 제2 연료 전지 스택
220: 연료 유입 파이프 222: 공기 유입 파이프
224: 연료 유출 파이프 226: 공기 유출 파이프
228: 상부 매니폴드 230: 하부 매니폴드
232: 케이싱 234: 내부 공간
236: 공기 열교환 요소 238: 연료 열교환 요소
240: 상부벽 242: 저부벽
244: 측벽 246: 외면
248: 외면 250: 외면
252: 연료 254: 공기
258: 제1 표면 260: 제2 표면
262: 개구 264: 두께
266: 직경 268: 반경
270: 길이 272: 구멍
104: 연료 전지 106: 통합 열교환기
108: 애노드 110: 캐소드
112: 애노드 입구 114: 애노드 출구
116: 캐소드 입구 118: 캐소드 출구
120: 공기 열교환 요소 122: 연료 열교환 요소
124: 연료 예열기 126: 연료 개질기
128: 연소 엔진 130: 연료 열교환기
132: 쿨러 134: 압축기
200: 연료 전지 모듈 202: 연료 전지 블록
204: 연료 예열기 206: 연료 유입 헤더
208: 공기 유입 헤더 210: 연료 유출 헤더
212: 공기 유출 헤더 214: 통합 열교환기
216: 제1 연료 전지 스택 218: 제2 연료 전지 스택
220: 연료 유입 파이프 222: 공기 유입 파이프
224: 연료 유출 파이프 226: 공기 유출 파이프
228: 상부 매니폴드 230: 하부 매니폴드
232: 케이싱 234: 내부 공간
236: 공기 열교환 요소 238: 연료 열교환 요소
240: 상부벽 242: 저부벽
244: 측벽 246: 외면
248: 외면 250: 외면
252: 연료 254: 공기
258: 제1 표면 260: 제2 표면
262: 개구 264: 두께
266: 직경 268: 반경
270: 길이 272: 구멍
Claims (10)
- 연료 전지 모듈(200)에 이용되는 연료 전지 블록(202)으로서:
연료 전지(104);
상기 연료 전지에 결합된 열교환기(214)로서, 제1 열교환 요소(120), 제2 열교환 요소(122) 및 내부 공간(234)을 획정하는 케이싱(232)을 포함하는 열교환기(214);
상기 연료 전지로 공기(254)를 안내하는 공기 유입 파이프(222)로서, 상기 공기 유입 파이프는 적어도 부분적으로 상기 내부 공간을 통과하며, 상기 제1 열교환 요소는 상기 공기 유입 파이프 내의 공기의 온도를 증가시키도록 구성되는 것인 공기 유입 파이프(222);
상기 연료 전지로 연료(252)를 안내하는 연료 유입 파이프(220)로서, 상기 연료 유입 파이프는 적어도 부분적으로 상기 내부 공간을 통과하며, 상기 제2 열교환 요소는 상기 연료 유입 파이프 내의 연료의 온도를 증가시키도록 구성되는 것인 연료 유입 파이프(220);
상기 연료 전지 밖으로 공기를 안내하고 적어도 부분적으로 상기 내부 공간을 통과하는 공기 유출 파이프(226);
상기 연료 전지 밖으로 연료를 안내하고 적어도 부분적으로 상기 내부 공간을 통과하는 연료 유출 파이프(224); 및
제1 표면(258), 이 제1 표면과는 반대측의 제2 표면(260) 및 상기 제1 표면 및 제2 표면에 획정된 복수의 개구(262)를 포함하는 매니폴드(228, 230)
를 포함하며, 상기 매니폴드는 상기 제1 표면이 상기 연료 전지와 접촉하고 상기 제2 표면이 상기 열교환기와 접촉하도록 상기 연료 전지 및 열교환기에 결합되며, 상기 매니폴드는 상기 공기 유입 파이프, 상기 연료 유입 파이프, 상기 공기 유출 파이프, 및 상기 연료 유출 파이프에 결합되는 것인 연료 전지 블록. - 제1항에 있어서, 상기 연료 전지(104)는 제1 연료 전지(104)이며, 상기 매니폴드(228, 230)는 제1 매니폴드(228, 230)이며, 상기 연료 전지 블록은, 상기 열교환기(214)에 결합된 제2 연료 전지(104)와, 상기 제2 연료 전지 및 상기 열교환기에 결합된 제2 매니폴드(228, 230)를 더 포함하는 것인 연료 전지 블록.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 연료 전지(104), 상기 제2 연료 전지(104) 및 상기 열교환기(214)는 수직 방향으로 정렬되며, 상기 열교환기는 상기 제1 연료 전지와 상기 제2 연료 전지 사이에 배치되는 것인 연료 전지 블록.
- 연료 전지 모듈(200)로서:
연료 전지 블록(202)
을 포함하며, 상기 연료 전지 블록(202)은,
연료 전지(104);
상기 연료 전지에 결합된 열교환기(214)로서, 제1 열교환 요소(120), 제2 열교환 요소(122) 및 내부 공간(234)을 획정하는 케이싱(232)을 포함하는 열교환기(214);
상기 연료 전지로 유체(252, 254)를 안내하고 적어도 부분적으로 상기 내부 공간을 통과하는 적어도 하나의 파이프(222, 224); 및
제1 표면(258), 및 이 제1 표면과는 반대측의 제2 표면(260)을 포함하는 매니폴드(228, 230)
를 포함하며, 상기 매니폴드는 상기 제1 표면이 상기 연료 전지와 접촉하고 상기 제2 표면이 상기 열교환기와 접촉하도록 상기 연료 전지 및 열교환기에 결합되며, 상기 적어도 하나의 파이프는 상기 매니폴드에 결합되는 것인 연료 전지 모듈. - 제4항에 있어서, 상기 열교환기(214)는 상기 유체(252, 254)의 온도를 약 600℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도로 상승시키도록 구성되는 것인 연료 전지 모듈.
- 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 파이프(22, 224)는 공기 유입 파이프(224) 및 연료 유입 파이프(222)를 포함하며, 상기 공기 유입 파이프 및 연료 유입 파이프 각각은 적어도 부분적으로 상기 내부 공간을 통과하며, 상기 제1 열교환 요소(120)는 상기 공기 유입 파이프 내의 유체(252, 254)의 온도를 상승시키도록 구성되며, 상기 제2 열교환 요소(122)는 상기 연료 유입 파이프 내의 유체(252, 254)의 온도를 상승시키도록 구성되는 것인 연료 전지 모듈.
- 제6항에 있어서, 공기 유출 파이프(228) 및 연료 유출 파이프(226)를 더 포함하며, 상기 공기 유출 파이프는 적어도 부분적으로 상기 내부 공간(234)을 통과하며, 상기 제1 열교환 요소(120) 및 제2 열교환 요소(122) 중 적어도 하나는 상기 공기 유출 파이프 내의 유체(252, 254)로부터 열을 제거하도록 구성되는 것인 연료 전지 모듈.
- 연료 전지 블록(202)을 포함한 연료 전지 모듈(200)을 통해 유체(252, 254)를 안내하는 방법으로서:
연료 전지(104), 열교환기(214) 및 매니폴드(228, 230)를 포함한 상기 연료 전지 블록을 통해 제1 유체를 안내하는 단계로서, 상기 열교환기는 내부 공간(234)을 획정하는 케이싱(232)을 포함하며, 상기 매니폴드는 제1 표면(258), 이 제1 표면과는 반대측의 제2 표면(260), 및 상기 제1 표면 및 제2 표면에 획정된 제1 개구(262)와 제2 개구(262)를 포함하며, 상기 매니폴드는 상기 제1 개구 및 제2 개구가 상기 연료 전지와 유체 연통하도록 상기 열교환기 및 연료 전지에 결합되는 것인 단계;
상기 내부 공간을 통해 상기 제1 유체(252, 254)를 안내하는 단계;
상기 제1 유체를 상기 제1 개구를 통과해 상기 연료 전지 내로 안내하는 단계;
제2 유체(252, 254)를 상기 제2 개구를 통과해 상기 연료 전지 밖으로 안내하는 단계;
상기 내부 공간을 통해 상기 제2 유체를 안내하는 단계; 및
상기 유체들이 상기 내부 공간을 통해 안내됨에 따라 열이 상기 제2 유체에서 상기 제1 유체로 전달되게 하는 단계
를 포함하며, 상기 열교환기는 상기 제1 유체의 온도를 약 600℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도로 상승시키도록 구성되며, 상기 열교환기(214)는 제1 열교환 요소(120) 및 제2 열교환 요소(122)를 포함하는 것인 방법. - 제8항에 있어서, 상기 제1 유체(252, 254)를 내부 공간(234)을 통해 안내하기 전에 상기 제1 유체(252, 254)를 약 100℃ 내지 약 600℃ 범위의 온도로 유지하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 내부 공간(234)을 통해 상기 제1 유체(252, 254)를 안내하는 단계는, 적어도 부분적으로 상기 내부 공간을 통과해 연장하는 파이프(222, 224)를 통해 상기 제1 유체를 안내하는 것을 포함하는 것인 방법.
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