KR20220073774A - 연료 전지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 연료 전지 스택(12) 및 적어도 하나의 처리 유닛(14)을 포함하는 연료 전지 장치(10)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 매체를 운반하기 위한 분배 매니폴드(60)는 적어도 하나의 연료 전지 스택(12)과 적어도 하나의 처리 유닛(14) 사이에 배치된다.

Description

연료 전지 장치
본 발명은 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 적어도 하나의 처리 유닛을 포함하는 연료 전지 장치에 관한 것이다.
연료 전지 스택 및 처리 유닛을 갖는 연료 전지 장치는 이미 알려져 있다.
독립 청구항의 특징들을 갖는 본 발명은 매체를 운반하기 위한 분배 매니폴드가 적어도 하나의 연료 전지 스택과 적어도 하나의 처리 유닛 사이에 배열된다는 장점을 갖는다. 이는 연료 전지 장치의 개선되고 더 컴팩트한 구성을 가능하게 한다.
본 발명의 맥락에서, "처리 유닛"은 특히 연료 전지 및/또는 연료 전지 스택이 아닌 연료 전지 장치의 유닛 또는 구성요소로 이해되어야 한다. 특히, 처리 유닛은 적어도 하나의 연료 전지 스택에서 변환될 및/또는 변환된 적어도 하나의 매체, 예를 들어 연료 가스, 공기 및/또는 배기 가스의 바람직하게는 화학적 및/또는 열적 전처리 및/또는 후처리를 위한 유닛이다. 처리 유닛은 바람직하게는 개질기, 애프터버너 및/또는 열 교환기이다.
종속 청구항들에 제시된 특징들에 의해 독립 청구항에 따른 본 발명의 바람직한 개선이 가능하다. 적어도 하나의 연료 전지 스택과 적어도 하나의 처리 유닛은 서로 공간적으로 분리되어 배치되는 것이 바람직하며, 이는 예를 들어 유지 보수 동안 개별 구성요소에 대한 접근성을 개선한다.
분배 매니폴드가 적어도 하나의 처리 유닛을 적어도 하나의 연료 전지 스택에 유체적으로 연결하는 것이 바람직하다. 그 결과, 적어도 하나의 처리 유닛과 연료 전지 스택 사이에 컴팩트한 유체 연결이 형성될 수 있으며, 동시에 부품 종류가 감소한다.
분배 매니폴드가 적어도 하나의 연료 전지 스택에서 변환될 및/또는 변환된 적어도 하나의 매체에 대해 2개의 부분 플레이트 사이에서 서로 공간적으로 분리된 매체 운반부를 갖는 것이 바람직하며, 그 결과 특히 양호한 매체 운반이 구현될 수 있다.
분배 매니폴드가 일체형으로, 바람직하게는 주조 부품으로 설계되어 그 결과 제조 비용이 감소될 수 있는 것이 바람직하다.
도면에 본 발명의 실시예들이 개략적으로 도시되고 다음에서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 연료 전지 장치 실시예의 개략적인 회로도를 도시한다.
도 2는 도 1의 연료 전지 장치 실시예의 사시도를 도시한다.
도 3은 이전 도면들의 연료 전지 장치 실시예의 추가 사시도를 도시한다.
도 4는 이전 도면들의 연료 전지 장치 실시예의 하부 영역의 확대도를 도시한다.
도 5는 개략적으로 도시된 다양한 매체의 흐름과 함께 이전 도면들의 연료 전지 장치 실시예의 하부 영역의 단면도를 도시한다.
도 6은 이전 도면들의 연료 전지 장치 실시예의 분배 매니폴드의 평면도를 도시한다.
도 1은 연료 전지 장치(10)의 실시예의 개략적인 회로도를 도시한다. 연료 전지 장치(10)는 다수의 연료 전지, 이 경우 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell, SOFC) 및 다수의 처리 유닛(14)을 갖는 2개의 연료 전지 스택(12)을 포함한다.
본 발명의 맥락에서, "처리 유닛"(14)은 특히 연료 전지 및/또는 연료 전지 스택(12)이 아닌 연료 전지 장치(10)의 유닛 또는 구성요소로 이해되어야 한다. 본 경우에, 처리 유닛(14)은 연료 전지 스택(12)에서 변환될 및/또는 변환된 적어도 하나의 매체, 예를 들어 연료 가스, 공기 및/또는 배기 가스의 화학적 및/또는 열적 전처리 및/또는 후처리를 위한 유닛이다.
처리 유닛(14) 중 하나는 연료 전지 스택(12)에 공급된 공기(L)를 가열하기 위해 공기 공급부(16)에 배열된 열교환기(18)이다. 이 경우, 공기(L)는 예를 들어 정상 작동에서, 연료 전지 스택(12)의 캐소드 공간(20)에 공급되는 한편, 개질 연료(RB), 여기서는 수소는 캐소드 공간(22)에 공급된다. 연료 전지 스택(12)에서 개질 연료는 전기와 열을 발생시키면서 전기화학적으로 변환된다.
개질 연료(RB)는 연료(B)(이 경우, 천연 가스)가 연료 공급부(24)를 통해 연료 전지 장치(10)에 공급됨으로써 생성되며, 이 연료는 추가 처리 유닛(14), 이 경우 개질기(26)에서 개질된다.
또한, 연료 전지 스택(12)은 배기 가스 측에서 추가 처리 유닛(14), 이 경우 애프터버너(28)에 연결된다. 연료 전지 스택(12)의 배기 가스가 애프터버너(28)에 공급되고, 이 경우 캐소드 배기 가스 덕트(30)를 통해 캐소드 배기 가스(KA)가 그리고 애노드 배기 가스 덕트(32)를 통해 애노드 배기 가스(AA)가 공급된다. 캐소드 배기 가스는 주로 사용되지 않은 공기(L)를 포함하는 한편, 애노드 배기 가스(AA)는 무엇보다도 미반응 연료(B)를 포함한다. 애프터버너(28)에 의해, 애노드 배기 가스(AA) 또는 그 안에 포함된 미반응 연료(B)는 캐소드 배기 가스(KA) 또는 그 안에 포함된 공기(L)와 혼합되어 연소되고, 그 결과 추가 열이 생성될 수 있다.
애프터버너(28)에서 연소 중에 생성된 뜨거운 배기 가스(A)는 애프터버너(28)로부터 배기 가스 덕트(34)를 통해 추가 처리 유닛(14), 본 경우에는 열교환기(36)를 통해 배출된다. 열교환기(36)는 개질기(26)에 유체적으로 연결되므로, 열은 뜨거운 배기 가스(A)로부터 개질기(26)에 공급된 연료(B)로 전달된다. 따라서, 뜨거운 배기 가스(A)의 열은 개질기(26)에 공급되는 연료(B)를 개질하는데 사용될 수 있다.
추가 처리 유닛(14)(이 경우, 열교환기(18))은 배기 가스 덕트(34)에서 열교환기(36)의 하류에 위치하여 뜨거운 배기 가스(A)의 나머지 열이 공기 공급부(16)에 공급된 공기(L)로 전달될 수 있다. 이에 따라, 뜨거운 배기 가스의 나머지 열은 공기 공급부(16)에 공급된 공기(L)를 예열하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 연료 전지 장치(10)는 애노드 배기 가스(AA)를 애노드 배기 가스 라인(30)으로부터 부분적으로 분기시켜 연료 공급부(22)에 공급할 수 있는 피드백(38)을 갖는다. 복귀 라인(34)은 연료 공급부(22)와 함께 애노드 재순환 회로(40)를 형성하고, 상기 애노드 재순환 회로를 통해 애노드 배기 가스(AA)가 연료 전지(12)의 애노드로 복귀될 수 있으므로, 애노드 배기 가스(AA) 내의 미반응 연료(B)가 후속적으로 변환되어 연료 전지 장치(10)의 효율이 더욱 증가될 수 있다.
공기 공급부(16)에서 공기(L)의 공급, 연료 공급부(24)에서 연료(B)의 공급 및 애노드 재순환 회로(40)에서 애노드 배기 가스(AA)의 재순환 속도는 각각의 라인 내의 압축기(42)를 통해 조절 및/또는 조정될 수 있다.
또한, 연료 전지 장치는 바이패스 라인(46)에서 연료 전지 스택(12)에 공급된 공기(L)를 본 경우에 추가로, 가열하기 위한 가열 요소(44)를 가지며, 그 결과 연료 전지 장치(10)의 작동 효율이 증가한다.
도 2 내지 도 4는 연료 전지 장치(10)의 실시예의 사시도를 도시하고, 도 5는 연료 전지 장치(10)의 하부 영역의 단면도를 도시한다. 도면들은 도 1의 회로도에 따른 연료 전지 장치(10)의 특정 구현을 도시한다.
이미 설명된 바와 같이, 처리 유닛(14)은 개질기(26), 애프터버너(28) 및 2개의 열 교환기(18, 36)이다. 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 처리 유닛(14)은 처리 유닛(14) 상에 또는 처리 유닛(14) 사이에 서로 분리된 매체 운반 공간이 형성되는 방식으로, 본 경우 이들의 에지에 배열된다. 공기 공급부(16) 및 배기 가스 덕트(34)는 적어도 실질적으로 매체 운반 공간(48)으로서 설계된다. 그 결과, 처리 유닛들(14) 사이에 배관이 필요하지 않으며, 이는 한편으로는 조립을 단순화하고 다른 한편으로는 부품의 종류를 감소시킨다.
연료 전지 장치는 매체 운반을 위한 분배 매니폴드(50)가 연료 전지 스택(12)과 처리 유닛(14) 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료 전지 장치(10)의 콤팩트한 구성이 실현될 수 있다. 또한, 연료 전지 스택(12)과 처리 유닛(14)의 연결 또는 조립이 단순화된다. 또한, 여기에서도 연료 전지 스택(12)과 처리 유닛(14) 사이에 배관이 필요하지 않아 부품 종류가 감소한다.
도시된 경우에, 연료 전지 스택(12)과 처리 유닛(14)은 공간적으로 서로 분리되어 있으며, 그 결과 예를 들어 유지 보수 동안 개별 구성 요소에 대한 접근성이 향상된다. 도시된 경우에, 연료 전지들(12)은 상부 영역(52)에 배열되고 처리 유닛은 하부 영역(54)에 배열된다. 개선된 도시를 위해 연료 전지 장치는 실질적으로 열린 상태로 도시되어 있다. 실제로, 연료 전지 스택(12)은 제 1 하우징(미도시)에 배치되고 처리 유닛(14)은 제 2 하우징(58)에 배치된다. 처리 유닛(14)과 함께, 제 2 하우징(58)은 연료 전지 스택에서 변환될 및/또는 변환된 매체, 예를 들어 연료(B), 개질 연료(RB), 공기(L), 캐소드 배기 가스(KA), 애노드 배기 가스(AA) 및/또는 배기 가스(A)를 위한 매체 운반부 또는 매체 운반 공간(48)을 형성한다.
분배 매니폴드(50)는 이제 흐름 면에서 처리 유닛(14)을 연료 전지 스택(12)에 연결하고, 그 결과 흐름 면에서 특히 명확하고 컴팩트한 연결이 이루어진다.
분배 매니폴드는 서로 거리를 두고 배치된 2개의 부분 플레이트 사이에, 연료 전지 스택(12)에서 변환될 및/또는 변환된 매체를 위한 별도의 매체 운반부(60)를 갖는다. 도 6에는 분배 매니폴드(50)의 평면도가 도시되어 있다.
도시된 경우에, 분배 매니폴드(50)는 연료 전지 스택(12)에 공급되는 공기(L)를 위한 개구들(62) 및 관련 매체 운반부들(64), 연료 전지 스택(12)에 공급되는 개질 연료(RB) 및 애노드 재순환 회로(40)로부터 나오는 애노드 배기 가스(AA)(변환되지 않은 연료(B) 포함)를 위한 개구들(66) 및 관련 매체 운반부들(68), 연료 전지 스택(12)으로부터 배출되는 캐소드 배기 가스(KA)를 위한 개구들(70) 및 관련 매체 운반부들(72), 연료 전지 스택(12)으로부터 배출된 애노드 배기 가스(AA)를 위한 개구들(74) 및 관련 매체 운반부들(76)을 포함한다. 파선으로 표시된 개구들은 제 1(하부) 부분 플레이트(78)에 형성되는 한편 실선으로 표시된 개구들은 제 2(상부) 부분 플레이트(80)에 형성된다(도 4 및 5 참조). 매체 운반부들(60)은 제 1(하부) 부분 플레이트(78)에 형성된 개구들과 제 2(상부) 부분 플레이트(80)에 형성된 관련 개구들 사이에 형성된다. 매체 운반부들(60)은 벽(82)에 의해 측방향으로 경계를 이루고 밀봉된다. 벽(82)은 제 1(하부) 부분 플레이트(78)와 제 2(상부) 부분 플레이트를 서로 이격시키며, 이는 컴팩트함에도 불구하고 예를 들어 외부로부터 연결될 수 있는 및/또는 도입될 수 있는 임의의 추가 공급 및/또는 배출 라인을 위한 공간을 형성한다. 연료 전지 스택(12)의 연결부와 처리 유닛(14)을 갖는 제 2 부분 하우징(84)의 연결부는 분배 매니폴드(50)에 의해 또는 상기 분배 매니폴드에 도입된 매체 운반부(60)에 의해 서로 조정될 수 있다. 필요에 따라, 매체 운반부(60)의 조정에 의해, 다양한 유형의 연료 전지 스택(12)이 사용될 수 있다.
도시된 실시예에서, 분배 매니폴드(50)는 바람직하게는 주조 부품으로서 일체형으로 설계되고, 그 결과 제조 비용이 감소한다. 그러나, 대안적으로, 분배 매니폴드(50)가 판금 부품으로부터 용접되고 및/또는 3D 프린팅에 의해 제조될 수도 있다.
10: 연료 전지 장치
12: 연료 전지 스택
14: 처리 유닛
50: 분배 매니폴드
60: 매체 운반부
78, 80: 부분 플레이트
84: 주조 부품

Claims (5)

  1. 적어도 하나의 연료 전지 스택(12)과 적어도 하나의 처리 유닛(14)을 포함하는 연료 전지 장치(10)로서, 매체를 운반하기 위한 분배 매니폴드(60)가 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택(12) 및 상기 적어도 하나의 처리 유닛(14) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치(10).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택(12)과 상기 적어도 하나의 처리 유닛(14)은 서로 공간적으로 분리되어 배열되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치(10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분배 매니폴드는 상기 적어도 하나의 처리 유닛(14)을 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택(12)에 유체적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분배 매니폴드(50)는 2개의 부분 플레이트(78, 80) 사이에, 적어도 하나의 연료 전지 스택(12)에서 변환될 및/또는 변환된 적어도 하나의 매체를 위한 공간적으로 서로 분리된 매체 운반부(60)를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치(10).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분배 매니폴드(50)는 일체형으로, 바람직하게는 주조 부품(84)으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
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