KR20200045554A - 연료 전지 스택 주입구 유량 제어 - Google Patents

연료 전지 스택 주입구 유량 제어 Download PDF

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마이클 엘. 콰탄넨스
윌리엄 제이. 스나이더
콴 진
로버트 에스. 푸니에
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퓨얼 셀 에너지, 인크
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Abstract

연료 전지 모듈용 덕트는 공급 덕트로부터 반응 가스를 수용하도록 구성된 주입구를 갖는 상부 덕트 후드를 포함하며, 상부 덕트 후드는 제1 테이퍼부 및 제2 테이퍼부를 정의한다. 덕트는 상부 덕트 후드에 유체 결합된 하부 덕트 후드를 더 포함하며, 하부 덕트 후드는 적어도 하나의 배출구를 정의한다. 측면 뷰에서, 제2 테이퍼부는 다운스트림 방향으로 내측으로 테이퍼된다. 상단 뷰에서, 제1 테이퍼부는 다운스트림 방향으로 내측으로 테이퍼되고, 제2 테이퍼부는 다운스트림으로 이동되면서 외측으로 테이퍼된다.

Description

연료 전지 스택 주입구 유량 제어
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 10월 4일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제15/724,736호에 대한 이익 및 우선권을 주장하며, 그 전체 개시는 본원에 참조로서 통합된다.
본 출원은 상이한 온도들 및 구성들의 복수의 가스 스트림들을 복수의 연료 전지 스택들을 갖는 연료 전지 모듈에 공급 및 혼합하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 출원은 각 연료 전지 스택으로의 복수의 주입 가스들의 개선된 혼합 및 분배를 위한 주입 덕트(inlet duct)에 관한 것이다.
연료 전지 스택의 수명은 가장 빠르게 열화되는 스택 내의 셀들의 열화 속도에 따라 크게 달라진다. 불균일한 열화는 연료 전지 수명이 단축되어 비용이 증가한다.
연료 전지들 사이의 상이한 열화 속도들은 각각의 전지들을 균일한 주입구 및 배출구 유량, 균일한 입력 가스 온도들 및 가스 구성 종(specie)들의 균일한 혼합물들에 적용함으로써 최소화될 수 있다. 이들 및 다른 장점들이 본원에 개시된 예시적인 실시예들을 사용하여 획득될 수 있다.
예시적인 실시예는 연료원으로부터 연료를 수용하도록 구성된 주입구를 갖는 상부 덕트 후드(duct hood)를 포함하는 연료 전지 모듈용 덕트에 관한 것으로, 상부 덕트 후드는 제1 테이퍼부 및 제2 테이퍼부를 정의한다. 덕트는 상부 덕트 후드에 유체 결합된 하부 덕트 후드를 더 포함하며, 하부 덕트 후드는 적어도 하나의 배출구를 정의한다. 측면 뷰에서, 제2 테이퍼부는 다운스트림 방향으로 내측으로 테이퍼된다. 상단 뷰에서, 제1 테이퍼부는 다운스트림 방향으로 내측으로 테이퍼되고, 제2 테이퍼부는 다운스트림으로 이동되면서 외측으로 테이퍼된다.
덕트의 일 양태는 실질적으로 일정한 단면적을 정의하는 제2 테이퍼부에 관한 것이다.
덕트의 다른 양태는, 측면 뷰에서, 제1 테이퍼부가 다운스트림 방향으로 내측으로 테이퍼되는 것에 관한 것이다.
덕트의 또 다른 양태는 에어 서플라이로부터 공기를 살포하고 공기를 상부 덕트 후드로 공급하도록 구성된 스파저(sparger) 어셈블리에 관한 것이다.
덕트의 다른 양태는 상부 덕트 후드의 주입구를 통한 반응 가스의 유동 방향으로부터 오프셋된 각도로 공기를 배출하도록 구성된 배출구를 포함하는 스파저 어셈블리에 관한 것이다.
덕트의 또 다른 양태는 제1 레그(leg)를 포함하는 하부 덕트 후드에 관한 것으로, 제1 레그는 연료 전지 스택에 사용하기 위한 가스 혼합물을 배출하도록 구성된 배출구를 형성한다.
덕트의 또 다른 양태는 사람이 그들 사이를 통과할 수 있도록 제1 레그로부터 이격된 제2 레그를 정의하는 하부 덕트 후드에 관한 것이다.
덕트의 또 다른 양태는 배출구의 대향되는 면들에 피봇 가능하게 결합된 적어도 하나의 복수의 하나 이상의 복수의 베인(vane)들에 관한 것으로, 하나 이상의 복수의 베인들은 가스 혼합물의 유동을 안내하도록 구성된다.
덕트의 또 다른 양태는 제1 복수의 베인들 및 제1 복수의 베인들과 독립적으로 연접(articulate)되도록 구성된 제2 복수의 베인들에 관한 것이다.
또 다른 예시적인 실시예는 복수의 연료 전지 스택들을 포함하는 연료 전지 모듈에 관한 것으로, 각 연료 전지 스택은 가스 혼합물을 수용하도록 구성된 주입구를 정의하고, 덕트는 상부 덕트 후드 및 하부 덕트 후드를 가지며, 하부 덕트 후드는 적어도 하나의 배출구를 포함한다. 하부 덕트 후드의 적어도 하나의 배출구는 대응되는 연료 전지 스택의 대응되는 주입구에 유체 결합되고, 적어도 하나의 복수의 베인들은 배출구의 대향되는 면들에 유체 결합되며, 적어도 하나의 복수의 베인들은 가스 혼합물의 유동을 주입구로 향하게 하도록 구성된다.
연료 전지 모듈의 일 양태는 제1 복수의 베인들 및 제1 복수의 베인들과 독립적으로 연접되도록 구성된 제2 복수의 베인들을 포함하는 적어도 하나의 복수의 베인들에 관한 것이다.
연료 전지 모듈의 또 다른 양태는 덕트의 배출구와 연료 전지 스택의 주입구 사이에 제공된 갭에 관한 것으로, 갭은 그들 사이의 전기적 접촉을 방지하도록 구성된다.
연료 전지 모듈의 또 다른 양태는 두 레그들을 포함하는 하부 덕트 후드에 관한 것으로, 각 레그는 배출구를 정의하며, 각 배출구는 대응되는 연료 전지 스택에 유체 결합된다.
연료 전지 모듈의 또 다른 양태는 두 개의 덕트들을 갖는 모듈에 관한 것이다. 복수의 연료 전지 스택들은 4개의 연료 전지 스택들을 포함하고, 각 덕트는 연료 전지 스택들 중 둘에 유체 결합되도록 구성된다.
연료 전지 모듈의 또 다른 양태는 주입구와 실질적으로 동일한 높이인 배출구에 관한 것이다.
또 다른 예시적인 실시예는 연료 전지를 위한 연료 혼합 방법에 관한 것으로, 덕트의 제1 단부에서 반응 가스의 유동을 수용하는 단계, 스파저 어셈블리의 주입구에서 공기를 수용하는 단계, 제1 덕트에서 반응 가스의 유동에 대한 각도로 상기 스파저 어셈블리로부터 공기를 배출하는 단계; 가스 혼합물을 형성하기 위해 스파저 어셈블리로부터의 공기와 반응 가스의 유동을 혼합하는 단계, 덕트의 배출구로부터, 실질적으로 균일한 온도 및 실질적으로 균일한 구성 가스 종들의 혼합물을 갖는 가스 혼합물을 배출하는 단계를 포함한다.
방법의 일 양태는 스파저 어셈블리의 주입구에서 수용된 공기를 살포하는 단계에 관한 것이다.
방법의 또 다른 양태는 제1 배플에 의해, 가수 혼합물의 적어도 일부를 덕트의 표면으로부터 멀리 방향 전환하는 단계에 관한 것이다.
방법의 또 다른 양태는 복수의 베인들을 연접하는 단계를 포함하는 것에 관한 것이다.
방법의 또 다른 양태는, 복수의 베인들에 의해, 연료 전지 스택 주입구에서 가스 혼합물의 유량을 결정된 높이로 제어하는 단계에 관한 것이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른, 연료 전지 모듈의 전면 단면도이다.
도 2는 도 1의 연료 전지 모듈의 상단 평면도이다.
도 3은 도 1의 연료 전지 모듈의 측면 입면도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 덕트의 상단, 전면, 좌측 사시도이다.
도 5는 도 4의 덕트의 상단, 전면, 후면 사시도이다.
도 6은 도 4의 덕트의 브로큰-어웨이(broken-away) 도면이다.
도 7은 도 5의 덕트의 브로큰-어웨이 도면이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른, 제1 및 제2 복수의 베인들을 갖는 하부 덕트 후드의 부분 사시도이다.
도 9는 예시적인 실시예에 다른, 제1 배향으로 복수의 베인들을 갖는 하부 덕트 후드의 부분 사시도이다.
도 10은 예시적인 실시예에 다른, 제2 배향으로 복수의 베인들을 갖는 하부 덕트 후드의 부분 사시도이다.
연료 전지 시스템들 및 연료 전지 구성 요소들 내에서 변동성 원인들(예를 들어, 제조 변동성)을 제거하는 실질적인 제한들로 인해, 연료 전지 스택의 동작 수명 전반에 걸쳐 유동, 온도 및 가스 구성 종들의 분포를 조정할 수 있는 능력을 제공하는 것이 중요할 수 있다. 즉, 스택 내의 특정 연료 전지들이 다른 연료 전지들보다 빠른 속도로 열화되는 경우, 이러한 특정 연료 전지들의 열화 속도의 감소를 촉진시키는 주입구 유동을 제공하는 것이 유용할 수 있다. 주입구 덕트는 국부 열화를 늦추는 수정된 조건들을 갖는 연료 전지 스택에서 집중된 영역들(focused areas)을 생성하도록 구성될 수 있다.
연료 전지 시스템의 크기 및 동작 제한들, 유지 보수 요구 사항들 및 제조 설계와 같은 경쟁적인 실제 요구 사항들은 연료 전지 열화를 줄이기 위해 사용 가능한 솔루션들을 제한한다. 따라서, 연료 전지 시스템에서 공간과 가용 에너지의 효율적 사용이 요구된다. 상이한 주입구 덕트 구조 및 어셈블리 방법들은 연료 전지들에 대한 이러한 접근을 향상시킬 수 있다.
일반적으로 도면을 참조하면, 일정한 온도 및 가스 종들의 혼합물을 복수의 연료 전지 스택들에 제공하기 위해 주입구 가스들을 효과적으로 혼합할 수 있는 주입구 덕트를 갖는 연료 전지 모듈이 본원에 개시된다.
도 1 내지 3을 참조하면, 연료 전지 모듈(1)이 본 출원의 원리들에 따라 도시된다. 모듈(1)은 복수의 연료 전지 스택(10)을 포함하며, 각 연료 전지 스택(10)은 주입구(11)를 정의한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 주입구(11)는 세장형 슬롯(즉, 개구(opening), 노치(notch), 애퍼처(aperture) 등)일 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 주입구(11)는 다른 형태들을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 주입구(11)는 연료 전지 스택(10)의 외주에(예를 들어, 코너에) 위치되고, 연료 전지 스택(10)을 따라 실질적으로 수직으로 배향된다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 주입구(11)는 연료 전지 스택(10)의 다른 위치들에 다른 배향들로 위치될 수 있다.
연료 전지 스택(10)은 하나 이상의 연료 전지들을 포함하며, 각 연료 전지는 애노드 및 캐소드를 갖는다. 예시적인 실시예에 따르면, 모듈(1)은 4개의 연료 전지 스택들(10)을 포함한다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 모듈(1)은 더 많거나 적은 연료 전지 스택들(10)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 모듈(1)은 모듈(1) 내의 다양한 구성 요소들을 지지하도록 구성된 베이스(20), 및 쉘(shell)(22)을 정의한다. 예를 들어, 베이스(20)는 연료 전지 스택들(10) 및 덕트들(100)을 결합하도록 구성된 일반적으로 평탄한 표면을 형성한다. 연료 전지 스택들(10) 및 덕트들(100)은 베이스(20)에 제거 가능하게 결합(예컨대, 볼트 체결, 나사 조임 등)될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 연료 전지 스택들(10) 및 덕트들(100)은 베이스(20)에 영구적으로 결합(예를 들어, 용접, 리벳 등)될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 덕트들(100)은 브레이스(brace)(30)로 베이스(20)에 결합될 수 있다. 브레이스(30)는 적어도 각 덕트(100)의 중량 일부를 지지한다. 베이스는 모듈(1)에 추가적인 구조적 강성을 제공하도록 강화될 수 있다. 베이스(20)는 적어도 하나의 리프팅 브라켓(즉, 플랜지)(23a)을 더 포함할 수 있다. 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 베이스(20)는 4 개의 리프팅 브라켓들(23a)을 포함하지만, 다른 예시적인 실시예들에 따라 더 많거나 적은 리프팅 브라켓들(23a)이 사용될 수 있다. 리프팅 브라켓들(23a)은 모듈(1)이 베이스(20)와 맞물림으로써 리프팅되고 이동될 수 있도록 전체 모듈(1)의 중량을 지지하도록 구성된다.
쉘(22)은 모듈(1) 내의 구성 요소들 주위에 박스 형상을 형성한다. 예시적인 실시예에 따르면, 쉘은 연료 전지 스택들(10) 및 덕트들(100)에 근접하여 배치되어, 그들 사이의 공간을 최소화한다. 이 구성은 콤팩트한 모듈(1) 내에서 공간 활용을 최대화한다. 쉘(22)은 베이스(20)에 회전 가능하게 결합(예를 들어, 볼트 체결, 나사 조임 등)될 수 있다. 쉘(22)은 적어도 하나의 리프팅 브라켓(23b)을 포함할 수 있다. 쉘(23b)은 4개의 리프팅 브라켓들(23b)을 포함하지만, 다른 예시적인 실시예들에 따라 더 많거나 적은 리프팅 브라켓들(23b)이 사용될 수 있다. 이 구성에서, 리프팅 브라켓들(23b)은 쉘(22)이 베이스(1)로부터 제거되거나 베이스 상에 배치될 수 있도록 쉘(22)의 중량을 지지하도록 구성되어, 모듈(1)의 내부로의 더 나은 접근을 제공하고 모듈(1)의 제조를 단순화시킨다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 리프팅 브라켓들(23a)은 모듈(1)이 쉘(22)과 맞물림으로써 리프팅되고 이동될 수 있도록 전체 모듈(1)의 중량을 지지하도록 구성된다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 쉘(22)은 베이스(20)에 영구적으로 결합(예를 들어, 용접, 리벳 등)된다.
쉘(22)은 모듈(1)의 유지 보수를 위해 쉘(22) 내부의 영역에 대한 액세스를 제공하도록 구성된 개구(24)를 정의한다. 예시적인 실시예에 따르면, 쉘(22)은 쉘(22)의 대향되는 면들에 2개의 개구들(24)을 정의한다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 더 많거나 적은 개구들(24)이 쉘(22)에 제공될 수 있다. 개구(24)는 사람이 통과할 수 있을 정도로 둥글고 클 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 개구(24)는 다른 형태들(예를 들어, 직사각형, 육각형 등) 또는 크기들일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 개구(24)는 커버(25)를 수용하도록 구성된다. 커버(25)는 가스가 개구(24)를 통해 모듈(1)로부터 방출되는 것을 방지하기 위해 개구(24)를 밀봉식으로 체결할 수 있다. 모듈(1)은 쉘(22)의 내부 표면에 배치된 절연체(26) 층을 더 포함한다. 절연체(26)는 모듈(1)과 쉘(1) 외부의 주변 사이의 열 전달을 감소시키도록 구성된다. 예시적인 실시예에 따르면, 절연체(26)는 두께가 5 내지 10 인치이고, 바람직하게는 대략 7 인치이다. 예시적인 실시예에 따르면, 쉘(22) 또는 절연체(26)의 최내측 표면은 연료 전지 스택(10) 및 덕트(100) 중 하나의 적어도 일부로부터 1 내지 5 인치 사이에서 오프셋될 수 있고, 바람직하게는 대략 2 내지 3 인치 사이에서 오프셋될 수 있다.
덕트(100)는 도 1 내지 3의 모듈(1)에 도시된다. 덕트(100)는 연료 전지 스택들(10)에 가스 혼합물을 공급하는 공급 덕트(28)(예를 들어, 연료 공급 장치, 애노드 가스 산화제 시스템)로부터 반응 가스(예를 들어, 연료, 산화된 연료 전지 배기와 공기의 가스 혼합물 등)를 수용하도록 구성된다. 공급 덕트(28)에서, 연료 전지 스택들(10)로부터의 배기 가스는 산화를 위해 신선한 공기 및 연료와 혼합되어, 높은 수준의 CO2, 높은 수준의 수분 및 고온으로 반응 가스를 형성한다. 공급 덕트(28)는 (예를 들어, 온도, 조성 등에 있어) 완전히 혼합되지 않은 가스들을 제공한다. 덕트(100)는 가스들을 더 혼합하도록 구성될 수 있다. 덕트(100)는 하기에 논의되는 바와 같이, 도 4 내지 7에서 더욱 상세하게 도시된다.
덕트(100)는 하부(즉, 제2) 덕트 후드(120)에 유체 결합된 상부(즉, 제1) 덕트 후드(110)를 포함한다. 이 구성에서, "유체 결합된(fluidly coupled)"이란 요소들이 유체 전도성 방식으로 결합되는 것을 의미한다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상부 덕트 후드(110) 및 하부 덕트 후드(120)는 개별적으로 형성 및 결합(예를 들어, 볼트 체결, 용접, 나사 조임, 리벳 등)된다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 상부 덕트 후드(110) 및 하부 덕트 후드(120)는 일체로 형성된다. 상부 덕트 후드(110)는 제1 단부(111a)에 있는 주입구(112), 및 제1 단부(111a)로부터 다운스트림 방향으로, 대향하는 제2 단부(111b)에 있는 트랜지션 영역(119)을 갖는 바디(111)를 형성한다. 상부 덕트 후드(110)의 주입구(112)는 공급 덕트(28)에 유체 결합되며, 그로부터 반응 가스를 수용하도록 구성된다. 예시적인 실시예에 따르면, 트랜지션 영역(119)에 근접한 상부 덕트 후드(110)는 실질적으로 수평으로 배향되고, 하부 덕트 후드(120)는 실질적으로 수직으로 배향된다. 트랜지션 영역(119)은 상부 덕트 후드(110)에서 유동하는 반응 가스 및 다른 가스들을 일반적으로 수평 방향으로 방향 전환시키고, 하부 덕트 후드(120)에서 일반적으로 수직 방향으로 방향 전환시키도록 구성된다.
종래의 연료 전지 모듈에서, 2개의 인접한 연료 전지 스택들(10) 사이의 공간은 이용되지 않을 것이다. 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 따르면, 각 덕트(100)에 대해, 바디(111)가 적어도 두 개의 인접 연료 전지 스택들(10) 사이에서 연장된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 바디(111)는 유지보수 작업자가 바디(111) 아래를 가로지르도록(예를 들어, 서기, 걷기, 기어 가기 등) 모듈(1)의 상부에 배치될 수 있다. 바디(111)의 이 위치는 모듈(1) 내에서 연료 전지 스택들(10)에 대한 접근을 더욱 향상시킨다
바디(111)는 공기 및/또는 다른 가스들과 반응 가스의 더 나은 혼합을 촉진하도록 세장된 길이를 갖는다. 바디(111)는 실질적으로 연료 전지 스택(10)의 길이일 수 있다. 예를 들어, 길이(111)는 대략 4 내지 6 피트 길이일 수 있다. 길이가 길수록 구성 가스 종들이 혼합되는 데 더 많은 공간과 지속 시간이 제공된다. 바디(111)는 일반적으로 직사각형 단면을 가질 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 바디(111)는 다른 형태들(예를 들어, 원형, 육각형 등)을 갖는 단면을 가질 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 바디(111)는 일반적으로 원형일 수 있으며, 원형 혼합 모션을 생성하도록 구성될 수 있다. 이 구성에서, 반응 가스는 바디(111)의 외주에 수용될 수 있으며, 중심에 위치된 배출구를 향해 바디(111)에서 내측으로 나선형이 될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 반응 가스는 중심에 위치된 주입구에 수용될 수 있으며, 외주에 있는 배출구를 향해 바디에서 외측으로 나선형이 될 수 있다.
바디(111)는 적어도 반응 가스와 공기의 가스 혼합물이 그 아래로 이동함에 따라 원하는 단면적을 형성하도록 일반적으로 내측으로 테이퍼된다. 바디(111)는 적어도 제1 테이퍼부(113) 및 제1 테이퍼부(113)로부터 다운스트림에 제2 테이퍼부(115)를 형성한다. 도 4 및 6에 도시된 바와 같이, 바디(111)는 (예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이) 측면에서 볼 때, 제1 단부(111a)로부터 제2 단부(111b)로(예를 들어, 다운스트림으로 이동) 제1(예를 들어, 수직) 방향으로 내측으로 점차 테이퍼된다. 상부 덕트 후드(110)를 형성하는 횡방향 연장 부분들(예를 들어, 상단 및/또는 하단 표면들)은 내측으로 테이퍼된 표면들을 정의한다. 또 다른 실시예들에 따르면, 테이퍼는 제1 테이퍼부(113)와 제2 테이퍼부(115) 모두에 걸쳐 있다. 테이퍼 트랜지션부(116)는 제1 테이퍼부(113)와 제2 테이퍼부(115)가 교차하는 제1 단부(111a)와 제 2 단부(111b) 사이에 정의된다. 수직 내측 테이퍼는 반응 가스가 제1 단부(111a)로부터 테이퍼 트랜지션부(116)로 제1 테이퍼부(113)에서 다운스트림으로 이동함에 따라 바디(111)의 단면적이 감소되도록 구성된다.
도 4 및 6을 참조하면, 바디는(111)는 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이) 위에서 볼 때, 제1 단부(111a)로부터 테이퍼 트랜지션부(116)로((예를 들어, 다운 스트림으로 이동) 제2(예를 들어, 수평, 횡방향 등) 방향으로 내측으로 점차 테이퍼된다. 예시적인 실시예에 따르면, 상부 덕트 후드(110)를 형성하는 수직 연장 부분들(예를 들어, 측면 표면들)은 내측으로 테이퍼된 표면들을 정의한다. 수직 테이퍼에 대해 상기에 논의된 바와 같이, 수평 내측 테이퍼는 반응 가스가 제1 단부(111a)로부터 테이퍼 트랜지션부(116)로 제1 테이퍼부(113)에서 다운스트림으로 이동함에 따라 바디(111)의 단면적이 감소되도록 구성된다. 제1 테이퍼부(113)의 수평 내측 테이퍼는 반응 가스와 다른 가스들(예를 들어, 공기)를 서로 압축하고 강제함으로써 주입구(112)로부터의 유동에 걸쳐 횡방향으로 존재하는 불균일성을 제거한다.
제2 테이퍼부(115)에서, 바디(111)는 (예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이) 위에서 볼 때, 테이퍼 트랜지션부(116)로부터 제2 단부(111b)로 다운스트림으로 이동하면서 제2(예를 들어, 수평, 횡방향 등) 방향으로 외측으로 점차 테이퍼된다. 예시적인 실시예에 따르면, 상부 덕트 후드(110)를 형성하는 수직 연장 부분들(예를 들어, 측면 표면들)은 외측으로 테이퍼된 표면들을 정의한다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 제2 방향은 실질적으로 제1 방향에 수직한다. 각 방향으로의 테이퍼 정도는 덕트(100)에서의 가스 혼합을 촉진하기 위한 바디(111)의 원하는 단면적에 기초하여 결정될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 바디(111)의 단면적은 제2 테이퍼부(15)에서 실질적으로 일정하다.
도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 덕트 후드(110)는 바디(111)에 구조적 강성을 제공하기 위해 바디(111)로부터 외측으로 연장되는 복수의 플랜지들(예를 들어, 윙(wing), 리브(rib) 등)(117, 118)을 포함한다. 복수의 플랜지들은 바디(111)의 상단 표면(예를 들어, 상단 표면과 동일 평면)에서 테이퍼 트랜지션부(116)에 근접한 바디(111)로부터 횡방향으로 외측으로 연장되는 상부 플랜지들(117)을 포함한다. 마찬가지로, 복수의 플랜지들은 바디(111)의 하단 표면(예를 들어, 하단 표면과 동일 평면)에서 테이퍼 트래지션(116)에 근접한 바디(111)로부터 횡방향으로 외측으로 연장되는 하부 플랜지들(118)을 포함한다. 덕트 후드(100)의 구조적 강성은 더 작은 단면적을 갖는 부분(예를 들어, 제1 테이퍼부(113)와 제2 테이퍼부 (115)가 결합되는 부분)에서 가장 약할 수 있어서, 상부 및 하부 플랜지들(117, 118)이 테이퍼 트랜지션부(116)를 통해 수직으로 연장되는 축에 대한 비틀림 강성(torsional rigidity)을 제공하도록 한다. 상부 및 하부 플랜지들(117, 118)은 각각 상단 및 하단 표면들과 일체로 형성될 수 있거나, 바디(111)와 별도로 형성되고 그에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상부 및 하부 플랜지들(117, 118)은 탭 및 슬롯 구성으로 바디(111)에 결합될 수 있으며, 바디(111) 또는 상부 및 하부 플랜지들(117, 118) 중 하나가 복수의 탭(tab)들을 포함하고 다른 하나가 복수의 탭들을 수용하도록 구성된 복수의 슬롯들을 포함하도록 한다.
각 덕트(100)는 스파저 어셈블리(130)를 더 포함할 수 있다. 도 4-7에 도시된 바와 같이, 스파저 어셈블리(130)는 바디(111)의 제1 단부(111a)에 배치된다. 예시적인 실시예에 따르면, 스파저 어셈블리(130)는 제1 단부(111a)에서 바디(111)와 오버랩된다. 스파저 어셈블리는 대략 2 피트의 폭 및 대략 4 피트의 높이를 가질 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 스파저 어셈블리는 다른 형태들 및 치수들을 가질 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 브레이스(brace)(30)는 스파저 어셈블리(130)에 결합되어, 스파저 어셈블리(130)가 덕트(100)의 중량의 적어도 일부를 지지하도록 구성된다. 스파저 어셈블리(130)는 바디(111)의 제1 단부(111a)에 제거 가능하게 결합(예를 들어, 볼트 체결, 스크류 조임 등)될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 스파저 어셈블리(130)는 바디(111)에 영구적으로 결합(예를 들어, 용접, 리벳 등)될 수 있다. 스파저 어셈블리(130)는 덕트(100)를 형성하는 재료보다 두꺼운 재료로 별도로 형성될 수 있다. 예를 들어, 스파저 어셈블리(130)는 약 0.075 인치 두께의 재료로 형성될 수 있다. 스파저 어셈블리(130)를 위한 재료의 두께는 스파저 어셈블리(130)의 생산 또는 사용 동안 스파저 어셈블리(130)에 가해지는 예상 응력에 기초하여 결정될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 스파저 어셈블리(130)는 바디(111)보다 높은 응력을 받는다. 바디(111)는 스파저 어셈블리(130)보다 얇은 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 바디(11)는 대략 0.035 인치 두께의 재료로 형성될 수 있다. 바디(111) 형성 시 더 얇은 재료를 사용함으로써, 덕트를 생산하는 중량 및 재료비가 감소될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 스파저 어셈블리(130)와 바디(111)는 동일한 두께를 갖는 재료들로 형성될 수 있다.
스파저 어셈블리(130)는 바디(111)의 주입구(112)와 맞물리도록 구성된 프레임(131)을 포함한다. 예시적인 실시예에 따르면, 프레임(131)의 형태는 그 사이에 밀봉 맞물림(sealed engagement)을 형성하기 위해 주입구(112)의 형태를 보완할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 프레임(131)은 바디(111)의 제1 단부(111a)와 공급 덕트(28) 사이에 배치되고, 공급 덕트(28)로부터 모듈(1) 내로의 반응 가스의 누출을 방지 또는 제한하기 위해 바디(111) 및 공급 덕트(28) 각각과 밀봉식으로 맞물릴 수 있다. 프레임(131)은 반응 가스가 공급 덕트(28)로부터 프레임(131)을 통해 주입구(112)에서의 바디(111) 내로 통과하도록 구성된 개구를 정의한다. 스파저 어셈블리(130)는 에어 서플라이(도시되지 않음)로부터 공기를 수용하도록 구성된 주입구(132), 및 주입구(132)에 유체 연결된 복수의 스파저들(134)을 더 포함한다. 스파저 (134)를 통해 반응 가스로의 공기의 도입은 상기에 설명한 바와 같이 가스 혼합물을 형성하면서 반응 가스를 냉각시킨다. 스파저(134)는 각각 주입구(132)에 수용된 공기를 살포(즉, 기포)하도록 구성된다. 도 4 및 6에 도시된 바와 같이, 스파저 어셈블리(130)는 4개의 스파저들(134)로 도시되어 있지만, 더 많거나 적은 스파저들(134)이 사용될 수 있다.
도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 스파저 어셈블리(130)는 스파저들(134)로부터 공기를 수용하고 2차 덕트 배출구(137)로부터 덕트(100)의 바디(111) 내로 공기를 배출하는 적어도 하나의 2차 덕트(136)를 더 포함한다. 예시적인 실시예에 따르면, 2차 덕트 배출구(137)는 공기가 덕트(100)의 주입구(112)에 수용된 반응 가스의 유동 방향으로부터 각도로 오프셋된 방향으로 2차 덕트(136)로부터 배출되도록 바디(111)의 단면에 대해 경사져 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 2차 덕트(136)는 스파저 어셈블리(130)의 프레임(131)으로부터 수직(예를 들어, 다운스트림) 및 수평으로 각도를 이루어, 2차 덕트 배출구(137)로부터 배출된 공기가 바디(111)의 주입구에 수용된 반응 가스의 유동으로부터 수직으로부터 그리고 수평으로 모두 각도로 오프셋된 방향으로 흐르도록 한다. 이 구성은 공기가 주입구(112)에 수용된 반응 가스와 혼합되게 하고, 공기와 반응 가스의 결합된 가스 혼합물이 와류 혼합 모션을 발생시키도록 하여, 연료와 공기를 더 혼합되도록 한다.
적어도 하나의 혼합 배플(baffle)(114)은 2차 덕트(136)로부터 다운스트림에 있는 바디(111)에 배치된다. 배플(114)은 반응 가스와 공기의 교차 혼합을 촉진하도록 구성된다. 교차-혼합은 가스 혼합물에서 적어도 온도의 균일성 및 가스 구성 종들의 분포를 향상시키도록 구성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 배플(114)은 바디의 상부 표면에 결합될 수 있고, 다운스트림 단부(114a)가 바디(111) 내로 돌출되어(즉, 모나게 떨어짐), 배플(114)이 가스 혼합물의 다운스트림 모션을 촉진시킨다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 배플(114)은 바디(111)의 다른 위치들에 배치될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 바디(111)는 하나 이상의 배플(114)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 바디(111) 내의 각 배플(114)은 바디(111)의 동일하거나 상이한 표면들에 배치될 수 있으며, 동일하거나 상이한 각도들로 바디(111) 내로 돌출될 수 있다. 배플(114)은 적어도 일부 가스 또는 공기가 통과할 수 있도록 천공될 수 있다.
하부 덕트 후드(120)는 트랜지션 영역(119)에 근접한 제1 단부(121a) 및 대향하는 제2 단부(121b)를 갖는 바디(121)를 정의한다. 하부 덕트 후드(120)의 바디(121)는 상부 덕트 후드(110)의 바디 (111)와 동일하거나 상이한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 각 바디(111, 121)는 동일하거나 상이한 두께를 가질 수 있다. 바디(121)는 일반적으로 외측으로(예를 들어, 수평으로) 테이퍼되고, 가스 혼합물을 바디(121)로부터 다운스트림에 있는 별도의 연료 전지 스택들(10) 사이에 퍼지도록 구성된다. 바디(121)는 복수의 레그들(124)을 더 포함할 수 있다. 도 4 내지 7에 도시된 바와 같이, 바디(121)는 2개의 레그들(124)을 포함하지만, 더 많거나 더 적은 레그들(124)이 포함될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 모듈(1)의 모든 덕트들(100)의 레그들(124)의 수는 연료 전지 스택들(10)의 수와 일치하도록 구성될 수 있다. 각 레그(124)는 적어도 하나의 배출구(122)를 정의하고, 각 배출구(122)는 적어도 하나의 연료 전지 스택(10)에 유체 결합되도록 구성된다. 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 각 레그(124)는 하나의 배출구(122)를 포함하며, 도 2에 도시된 바와 같이 하나의 대응되는 연료 전지 스택(10)에 유체 결합되도록 구성된다. 예시적인 실시예에 따르면, 각 레그(124)는 하나 이상의 배출구(122)를 포함할 수 있으며, 각 배출구는 하나의 연료 전지 스택(10)에 유체 결합되도록 구성되어, 각 레그(124)가 가스 혼합물을 하나 이상의 연료 전지 스택(10)에 공급하도록 구성된다.
도 4 및 5를 참조하면, 각 레그(124)는 실질적으로 수직인 외벽(125), 및 상부 부분(126a) 및 하부 부분(126b)을 갖는 내벽(126)을 정의한다. 하부 부분(126b)은 실질적으로 수직이고 외벽(125) 및/또는 다른 레그(124)의 내벽(126)의 하부 부분(126)으로부터 오프셋될 수 있다. 상부 부분(126a)은 하부 부분(126b)의 단부로부터 그리고 각도로 바디(121)의 내부 위치를 향하여 연장될 수 있다. 2개의 대응되는 레그들(124)의 상부 부분들(126b)은 상부 에지에서 결합되어, 2개의 레그들(124)의 내벽들(126)에 의해 정의된 개구(예를 들어, 통로, 애퍼처 등)를 형성할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 각 레그(124)의 단면적은 다운스트림으로 이동되는 것을 감소시켜서, 가스 혼합물에 적용되는 저항을 증가시킨다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 내벽 및 외벽(125, 126)은 다른 구성들을 가질 수 있다.
도 1 및 3을 참조하면, 하부 덕트 후드(120)는 쉘(22) 근처에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 하부 덕트 후드(120)는 개구(24) 근처에 배치될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 레그들(124)은 사람이 모듈(1)에서 더 먼 위치에 접근하기 위해 이를 통과할 수 있도록 이격되어 있다. 예를 들어, 모듈(1)의 내부에 접근하기 위해, 사람은 개구(24)를 통과할 수 있으며, 레그들(124)과 베이스(20) 사이에 정의된 공간을 통과할 수 있다.
바디(121)는 전면(127)과, 전면(127)에 대향하는 후면(128)을 더 정의한다. 예시적인 실시예에 따르면, 배출구들(122)은 각각의 외벽(125)과 전면(127)의 교차점에 배치될 수 있다. 배출구들(122)은 그 사이의 각도를 형성할 수 있으며, 예를 들어 챔퍼링된(chamfered) 에지를 형성할 수 있다. 배출구들(122)은 연장될 수 있으며, 실질적으로 외벽(125)의 전체 높이를 따라 연장될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 각 배출구(122)는 대응되는 연료 전지 스택(10)의 주입구(11)와 실질적으로 동일한 높이를 가질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각 배출구(122)는 (예를 들어, 연료 전지 스택(10)의 코너에서) 대응되는 연료 전지 스택(10)에 근접하지만, 연료 전지 스택(10)과 접촉하지는 않는다. 예시적인 실시예에 따르면, 연료 전지 스택(10)은 충전될 수 있으며 덕트(100)는 접지될 수 있다. 따라서, 배출구(122)와 연료 전지 스택(100) 사이에 갭(gap)(123)이 제공된다. 갭(123)은 덕트(100)와 연료 전지 스택(10) 사이의 전위차로 인해 전기 간극을 제공하도록 구성되는 동안 최소화될 수 있다. 예를 들어, 갭(123)은 대략 1인치이다.
종래 연료 전지 셀 모듈(1)에서, 가스 혼합물은 연료 전지 스택 주위를 통과하지만, 스택에 직접 공급되지는 않는다. 가스 혼합물을 실질적으로 배출구(122)와 연료 전지 스택(10) 사이에 최소 갭(123)을 갖는 연료 전지 스택(10)에 직접 공급함으로써, 열 손실이 제한될 수 있다. 예를 들어, 가스 혼합물의 일부(예를 들어, 5-10 %)는 실질적으로 연료 전지 스택(10)에 직접 공급되는 대신 갭(123)을 통해 모듈(1)의 나머지로 빠져나갈 수 있다. 이 부분은 모듈(1) 내에서 유동할 수 있으며 결국 연료 전지 스택(10)으로 공급된다. 모듈(1) 내에서 자유롭게 유동하는 혼합 가스의 일부를 감소시킴으로써, 연료 전지 스택(10)에 공급되는 가스 혼합물 내의 가스 구성 종들이 보다 더 잘 제어될 수 있다. 예를 들어, 더 나은 제어는 연료 전지 스택(10)에 공급되는 가스 혼합물의 온도 및 조성을 개선시켜, 불균일한 열화를 감소시킬 수 있다.
도 4, 6 및 7에 도시된 바와 같이, 각 레그(124)는 하부 덕트 후드(120)를 통해 가스 혼합물의 유동을 분배하도록 구성된 복수의 배출 배플들(140)을 포함한다. 배플들(140)은 가스 혼합물이 각 배출구(122)의 높이에 걸쳐 실질적으로 균일한 유량으로 분배되도록 사이징되고 위치될 수 있다. 배출 배플들(140)은 각 레그(124) 내의 배치에 대응하여 크기가 달라질 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 배출 배플들(126) 중 적어도 일부는 천공된다.
이제 도 8 내지 10을 참조하면, 하부 덕트 후드(120)는 각 배출구(122)에 배치된 배인(vane)들(142)을 더 포함한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 베인들(142)은 적어도 제1 복수의 베인들(144a) 및 제2 복수의 베인들(144b)을 정의할 수 있으며, 각각은 가스 혼합물의 유동을 연료 전지 스택(10)을 따라 지정된 수직 위치로 안내하도록 명시하도록 구성된다. 제1 및 제2 복수의 베인들(144a, 144b)은 동일하거나 상이한 방향들로 연접될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 베인들(142)은 연료 전지 스택(10)의 다른 부분들로 유동하는 가스 혼합물의 체적을 조정하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 복수의 베인들(144a)은 일반적으로 다운스트림으로 향할 수 있으며, 도 10에 도시된 이러한 배향은, 연료 전지 스택(10)의 상부 부분으로의 가스 혼합물의 공급이 제한되도록 하여, 연료 전지 스택(10)의 하부 부분으로의 가스 혼합물의 공급을 증가시킨다. 따라서, 베인들(142)은 이러한 연료 전지들(12)의 열화를 감소시키기 위해 특정 연료 전지들(12)로의 가스 혼합물의 유동을 감소시키도록 연접될 수 있으며, 이로써 연료 전지 스택(10) 전체에 걸쳐 균일한 열화를 개선시킨다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 베인들(142)은 연료 전지 스택(10)의 주입구(11)에서의 온도를 제어하도록 구성될 수 있다. 베인들(142)은 더 뜨거운 혼합 가스의 스트림들이 주입구(11)의 더 뜨거운 영역으로부터 멀어지고 주입구(11)의 더 차가운 영역을 향하도록 연접될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 제1 및 제2 복수의 베인들(144a, 144b) 각각은 가스 혼합물의 유량이 배출구(122)의 특정 높이에서 제어될 수 있도록 연접될 수 있으며, 이로써 가스 혼합물의 원하는 유량을 연료 전지 스택(10) 내의 특정 연료 전지들(12)에 제공하고, 연료 전지들(12)의 불균일한 열화를 감소시킨다.
도 8 내지 10을 참조하면, 베인들(142) 각각은 바디(121)에 피봇되게 결합된다. 예를 들어, 핀은 베인(142)의 어느 한 면으로부터 연장되고 배출구(122)의 어느 한 면에서 레그(124)와 맞물려서, 베인(142)이 핀에 의해 정의된 축을 중심으로 연접되도록 구성된다. 각 베인(142)은 연접 부재(articulating member)(146)에 결합된다. 연접 부재(146)는 복수의 베인들(144a, 144b) 내의 모든 베인들(142)이 동일한 각도로 피봇되도록, 주어진 복수의 베인들(144a, 144b)에서 각각의 베인들(142)에 결합될 수 있다. 연접 부재(146)는 연료 전지 스택(10)으로부터 원하는 전기적 간극을 유지하기 위해 하부 덕트 후드(120)의 바디(121) 내에 추가로 배치될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 각각의 베인들(142)은 실질적으로 수평(즉, 개방) 위치로 연접된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 각각의 베인들(142)은 실질적으로 다운스트림(즉, 폐쇄) 위치로 연접된다. 베인들(142)은 도시되지 않은 많은 다른 배향들로 연접될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 베인들(142)은 별도로(예를 들어, 개별적으로) 제어될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 베인들(142)은 다른 방식들(예를 들어, 기어(gear), 풀리(pulley), 전자식 또는 유압식 엑추에어터 등)로 연접될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 보다 많거나 적은 복수의 베인들(144a, 144b)이 사용될 수 있으며, 각각은 자신의 연접 부재(146)에 의해 연접된다.
연료 전지 스택(10)의 주입구(11)로 공급되는 가스 혼합물의 온도는 다른 방식으로 적어도 부분적으로 제어될 수 있다. 이러한 다른 방식들은 연료 전지 스택(10) 내의 각각의 연료 전지들(12)에 균일한 온도 및/또는 구성 가스 종들을 제공함으로써 연료 전지 스택(10) 내 연료 전지들(12)의 균일한 열화를 제공한다. 예시적인 실시예에 따르면, 소량의 물이 주입구(11)에 주입될 수 있어, 물의 빠른 기화로 인해 물이 주입되는 더 차가운 온도 영역을 생성한다. 예를 들어, 물은 덕트(100)의 배출구(122)를 따라 다양한 높이들에서 주입 포트에 의해 주입될 수 있다. 분사구의 높이는 연료 전지 스택(10)의 해당 높이에서의 온도에 기초하여 결정될 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 복수의 배플들은 가스 혼합물이 덕트(100) 내의 더 차갑거나 더 뜨거운 표면들을 바이패스하도록 유도하고 바이패스된 유동을 연료 전지 스택(10)의 주입구(11)로 재도입하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 적어도 하나의 튜브 코일이 덕트(100)를 통해 공급될 수 있다. 덕트(100) 내의 가스 혼합물의 온도보다 더 차가운 온도의 가스 또는 액체가 튜브 코일을 통해 공급되어, 튜브 코일이 열 교환기로서 기능하도록 한다. 그런 다음, 열은 가스 혼합물로부터 튜브 코일을 통과하는 가스 또는 액체로 전달되어, 가스 혼합물을 냉각시킨다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 적어도 하나의 튜브 코일은 덕트(100) 내로 이동될 수 있다. 튜브 코일은 가스 혼합물의 원하는 유동 영역에 냉각을 제공하기 위해 덕트(100) 내에 재배치될 수 있도록 기계적 연결부에 결합될 수 있다. 냉각 가스 또는 액체는 가요성 라인(flexible line)을 통해 튜브 코일로 공급될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 튜브 코일은 다른 형태들을 포함할 수 있거나, 다른 형태의 열 교환기일 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 적어도 하나의 마찰 히터가 연료 전지 스택(10)의 주입구(11) 내로의 가스 혼합물의 유로 내에 위치될 수 있다. 적어도 하나의 마찰 히터는 연료 전지 스택(10)에 공급되기 전에 가스 혼합물의 영역을 국부적으로 가열하도록 구성된다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 가스 혼합물은 금속 산화에 대한 대상이 될 수 있으며, 상기 산화에 대한 가스 혼합물 대상을 가열할 수 있다. 연료 전지 스택(10)의 덕트(100) 또는 주입구(11)는 주입구(11)의 원하는 영역을 가열하기 위해 금속 산화를 선택적으로 수행하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 가스 혼합물의 고온 및 저온 스트림들은 밀도에 의해 분리될 수 있다. 예를 들어, 고온 및 저온 스트림들 각각은 상이한 밀도들을 가질 수 있다. 가스 혼합물은 고온 및 저온 스트림이 모멘텀(momentum)에 기초하여 분리되도록 아크(arc)로 안내될 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 반응성 연료 가스는 가스 혼합물에 국부적으로 주입될 수 있다. 반응성 연료 가스는 가스 혼합물과 반응할 수 있으며, 이로써 연료 전지 스택(10)에 공급되기 전에 가스 혼합물의 조성을 개질하고 국부적으로 가열된 스트림을 생성할 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 산 및 염기 쌍이 가스 혼합물에 국소적으로 주입될 수 있다. 산과 염기 사이의 반응은 열을 발생시켜, 국소적으로 가열된 스트림을 생성한다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 연료 전지 스택(10)의 주입구(11)에 근처에 복수의 2차 유동 주입구들(예를 들어, 스파저들)이 배치될 수 있다. 2차 유동 주입구들은 가스 혼합물이 (예를 들어, 구성 가스 종들에 대한) 원하는 조성으로 희석되거나 농축되도록 가스를 가스 혼합물로 도입하도록 구성된다. 2차 유동 주입구들은 연료 전지 스택(10)의 주입구(11)를 따라 집중된 영역에서 온도 또는 조성을 조정하도록 구성될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "대략", "약", "실질적으로" 이라는 용어 및 유사한 용어들은 본 개시의 주제가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 일반적이고 용인되는 사용법과 조화를 이루는 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다. 본 개시를 검토하는 당업자는 이러한 용어들이 이러한 특징들의 범위를 제공된 정확한 수치 범위로 제한하지 않으면서 기술되고 청구된 특정 특징들의 설명을 허용하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 이러한 용어들은 설명되고 청구된 주제의 비현실적이거나 중요하지 않은 수정들 또는 변경들이 첨부된 청구 범위에 언급된 바와 같이 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 간주됨을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.
다양한 실시예들을 설명하기 위해 본원에서 사용된 "예시적인"이라하는 용어는 이러한 실시예들이 가능한 실시예들의 가능한 예들, 표현들 및/또는 예시들임을 나타내는 것으로 의도된다(그리고 이러한 용어는 이러한 실시예들이 반드시 특별하거나 최상의 예라는 것을 의미하도록 의도되지는 않는다)는 것에 주의해야 한다.
본원에 사용된 "결합된", "연결된" 등의 용어들은 두 멤버들이 서로 직접적으로 또는 간접적으로 결합되는 것을 의미한다. 이러한 결합은 고정식(예를 들어, 영구적) 또는 이동식(예를 들어, 제거 가능 또는 해제 가능)일 수 있다. 이러한 결합은 2개의 부재들로 달성되거나, 또는 서로 유일한 단일 바디로서 일체로 형성되는 2개의 부재들과 임의의 추가 중간 부재들로 달성되거나, 또는 2개의 부재들 또는 서로 부착된 2개의 부재들과 임의의 추가 중간 부재들로 달성될 수 있다.
본원에서 요소들의 위치(예를 들어, "상단(top)", "하단(bottom)", "위(above)", "아래(below)" 등)에 대한 언급은 단지 도면들에서 다양한 요소들의 배향을 설명하는데 사용된다. 다양한 요소들의 배향은 다른 예시적인 실시예들에 따라 다를 수 있으며, 이러한 변동들은 본 개시에 포함되도록 의도된다는 것에 유의해야 한다.
본 발명은 그 바람직한 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 다양한 다른 실시예들 및 변형들이 당업자에게 발생할 수 있으며, 이러한 다른 실시예들 및 변형들은 대응되는 청구 범위에 의해 커버되도록 의도된다는 것을 이해해야 한다. 당업자는 본원에 기술된 주제의 신규한 교시들 및 장점들을 실질적으로 벗어나지 않으면서 임의의 수정들(예를 들어, 다양한 요소들의 크기들, 치수들, 구조들, 형태들 및 비율들, 장착 배열들, 배향들, 제조 공정들 등에 있어서의 변화들)이 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시예들에 따라 변하거나 다시 시퀀싱될 수 있다. 또한, 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 예시적인 실시예들의 설계, 동작 조건들 및 배열에서 다른 대체들, 수정들, 변경들 및 생략들이 이루어질 수 있다.

Claims (15)

  1. 연료 전지 모듈용 덕트로서, 상기 덕트는,
    공급 덕트로부터 반응 가스를 수용하도록 구성된 주입구를 갖는 상부 덕트 후드로서, 상기 상부 덕트 후드는 제1 테이퍼부 및 상기 제1 테이퍼부로부터 다운스트림에 있는 제2 테이퍼부를 정의하는, 상기 상부 덕트 후드;
    상기 상부 덕트 후드에 유체 결합된 하부 덕트 후드로서, 상기 하부 덕트 후드는 적어도 하나의 배출구를 정의하는, 상기 하부 덕트 후드를 포함하며;
    측면 뷰에서, 상기 제2 테이퍼부는 다운스트림 방향으로 내측으로 테이퍼되고;
    상면 뷰에서, 상기 제1 테이퍼부는 상기 다운스트림 방향으로 내측으로 테이퍼되고;
    상기 상면 뷰에서, 상기 제2 테이퍼부는 상기 다운스트림 방향으로 외측으로 테이퍼되는, 덕트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 테이퍼부는 실질적으로 일정한 단면적을 정의하는, 덕트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 측면 뷰에서, 상기 제1 테이퍼부는 상기 다운스트림 방향으로 내측으로 테이퍼되는, 덕트.
  4. 제1항에 있어서, 에어 서플라이로부터 공기를 살포하고 상기 공기를 상기 상부 덕트 후드로 공급하도록 구성된 스파저(sparger) 어셈블리를 더 포함하는, 덕트.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스파저 어셈블리는 상기 상부 덕트 후드의 상기 주입구를 통한 반응 가스의 유동 방향으로부터 오프셋된 각도로 상기 공기를 배출하도록 구성된 배출구를 포함하는, 덕트.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하부 덕트 후드는 제1 레그(leg)를 포함하고, 상기 제1 레그는 연료 전지 스택에 사용하기 위한 가스 혼합물을 배출하도록 구성된 배출구를 정의하는, 덕트.
  7. 연료 전지 모듈에 있어서,
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 상기 덕트;
    복수의 연료 전지 스택들로서, 각 연료 전지 스택은 가스 혼합물을 수용하도록 구성된 주입구를 정의하는, 상기 복수의 연료 전지 스택들을 포함하며;
    상기 하부 덕트 후드의 상기 적어도 하나의 배출구는 대응되는 연료 전지 스택의 대응되는 주입구에 유체 결합되고;
    적어도 하나의 복수의 베인(vane)들은 상기 배출구의 대향되는 면들에 피봇 가능하게 결합되고, 상기 적어도 하나의 복수의 베인들은 상기 가스 혼합물의 유동을 상기 주입구로 향하게 하도록 구성되는, 연료 전지 모듈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 복수의 베인들은 제1 복수의 베인들 및 상기 제1 복수의 베인들과 독립적으로 연접되도록 구성된 제2 복수의 베인들을 포함하는, 덕트.
  9. 제7항에 있어서, 상기 덕트의 상기 배출구와 상기 연료 전지 스택의 상기 주입구 사이에 갭이 제공되며, 상기 갭은 그들 사이의 전기적 접촉을 방지하도록 구성된, 연료 전지 모듈.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 하부 덕트 후드는 두 개의 레그들을 포함하되, 각 레그는 배출구를 정의하고;
    각 배출구는 대응되는 연료 전지 스택에 유체 결합되는, 연료 전지 모듈.
  11. 제7항에 있어서, 두 개의 덕트들을 더 포함하며;
    상기 복수의 연료 전지 스택들은 4개의 연료 전지 스택들을 포함하고, 각 덕트는 상기 연료 전지 스택들 중 둘에 유체 결합되도록 구성된, 연료 전지 모듈.
  12. 제7항에 있어서, 상기 배출구는 상기 주입구와 실질적으로 동일한 높이에 있는, 연료 전지 모듈.
  13. 연료 전지를 위한 연료 혼합 방법으로서, 상기 방법은,
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 상기 덕트의 제1 단부에서 반응 가스의 유동을 수용하는 단계;
    스파저 어셈블리의 주입구에서 공기를 수용하는 단계;
    상기 덕트에서 연료의 유동에 대한 각도로 상기 스파저 어셈블리로부터 공기를 배출하는 단계;
    가스 혼합물을 형성하기 위해 상기 스파저 어셈블리로부터의 공기와 반응 가스의 상기 유동을 혼합하는 단계; 및
    상기 덕트의 배출구로부터, 실질적으로 균일한 온도 및 실질적으로 균일한 구성 가스 종들의 혼합물을 갖는 상기 가스 혼합물을 배출하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 제1 배플(baffle)에 의해, 상기 가스 혼합물의 적어도 일부를 상기 덕트의 표면으로부터 멀리 방향 전환시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 복수의 베인들에 의해, 연료 전지 스택 주입구에서 상기 가스 혼합물의 유량을 결정된 높이로 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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