KR20220123020A

KR20220123020A - 하이브리드 동력 시스템

Info

Publication number: KR20220123020A
Application number: KR1020227025418A
Authority: KR
Inventors: 요우펑 천; 차오 위
Original assignee: 케레스 인텔렉츄얼 프로퍼티 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2022-09-05
Also published as: GB2604544B; GB202208294D0; US11757109B2; GB2604544A; ES2963712T3; EP4085185B1; US20230030363A1; AU2020418594A1; WO2021137041A1; CN115298421A; CN115298421B; JP2023508477A; EP4085185A1; CA3164928A1

Abstract

본 발명은 SOFC(solid oxide fuel cell) 스택의 예열 단계에서 먼저 내연 기관과 SOFC 스택을 일체화시켜 내연 기관을 통해 차량에 동력을 제공함으로써, SOFC 스택이 예열 단계에서 차량에 동력을 제공할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 하이브리드 동력 시스템을 제공한다. 동시에 내연 기관은 연료가스를 연소시켜 고온의 배기가스를 출력하고, 고온의 배기가스로 열 교환기를 가열한 후, 배기터빈으로부터 배기가스를 배출시켜 시스템의 외부로부터 에어를 흡입한다. 에어는 먼저 에어 예열기를 통과한 후, 열 교환기를 통과하고, SOFC 스택 내부에 들어가고 에어 파이프라인을 통해 에어 예열기를 예열한 후 배출된다. 다중 사이클 후, SOFC 스택의 예열이 완료된다. 에어 예열기가 열 교환기에 직렬로 연결되어 에어를 가열함으로써 SOFC 스택으로 유입되는 에어의 가열속도가 빨라지고 예열시간이 단축되며 SOFC 스택의 빠른 작동이 달성되어 SOFC 스택이 차량에 효율적으로 동력을 제공하는 목적을 달성하기 위해 사용될 수 있다.

Description

하이브리드 동력 시스템

본 발명은 하이브리드 동력의 기술 분야, 특히 하이브리드 동력 시스템에 관한 것이다.

SOFC 엔진은 최대 60%의 높은 효율을 가지며 연료에 대한 적용도가 높으나, SOFC 엔진은 600℃ 이상으로 작동해야 하기 때문에 시동 및 예열 시간이 길고 정격 출력(rated power)을 출력할 수 없다, 즉, 이 단계에서는 차량에 동력(power)을 제공할 수 없다.

본 발명의 목적은 SOFC 엔진이 예열 단계에서 차량에 동력을 제공할 수 없다는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 하이브리드 동력 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 내연 기관을 포함하는 하이브리드 동력 시스템을 제공한다. 내연 기관의 제1입력 단부는 제1티 밸브의 제1출력 단부에 연결된다. 제1티 밸브의 입력 단부는 연료 가스 공급기에 연결되고, 제1티 밸브의 제2출력 단부는 개질기의 제1입력 단부에 연결된다. 개질기의 출력 단부는 SOFC 스택의 제1입력 단부에 연결된다. SOFC 스택의 제1출력 단부는 내연 기관의 제2입력 단부에 연결된다. 내연 기관의 출력 단부는 열 교환기의 외벽에 인접하게 배치되는 배기 라인(exhaust line)에 연결되고, 내연 기관 내에서 연료가스가 연소되어 발생하는 배기가스는 배기라인 및 개질기를 통해 흐른 후, 배기 터빈(exhaust turbine)으로부터 배출된다. 배기 터빈은 배기 가스를 배출하는 동안 에어 파이프라인에서 에어를 유입(takes in)하고, 에어 파이프라인은 제2티 밸브에 연결되고, 제2티 밸브는 에어 예열기에 연결되고, 에어 예열기는 열 교환기에 연결된다. 열 교환기의 출력 단부에 연결되는 에어 파이프라인은 SOFC 스택의 제2입력 단부에 연결되고, 에어 파이프라인을 통해 SOFC 스택으로 에어가 유입되고 SOFC 스택의 제2출력 단부에 연결되는 에어 파이프라인에서 배출되며 SOFC 스택의 제2출력 단부에 연결되는 에어 파이프라인은 에어 예열기의 외벽에 인접하게 배치된다. 제2티 밸브는 내연 기관을 위한 에어를 제공하기 위해 내연 기관의 제3입력 단부에 추가로 연결된다.

시스템은 촉매 컨버터(catalytic converter)를 더 포함할 수 있다. 이전과 같이, 내연 기관의 출력 단부는 열 교환기의 외벽에 인접하게 배치되는 배기 라인에 연결되고, 내연 기관 내에서 연료가스가 연소되어 발생하는 배기가스는 배기라인 및 개질기를 통해 흐른 후, 배기 터빈으로부터 배출된다. 내연 기관의 출력 단부는 배기 라인에 연결되고 배기 라인을 통해 촉매 컨버터의 제1입력 단부에 연결된다. 촉매 컨버터의 출력 단부에서의 배기 라인은 열 교환기의 외벽에 인접하게 배치되고, 내연 기관 내에서 연료가스가 연소되어 발생하는 배기가스는 배기라인 및 개질기를 통해 흐른 후, 배기 터빈으로부터 배출된다.

시스템은 버너(burner)를 더 포함할 수 있다. 버너의 입력 단부는 SOFC 스택의 출력 단부에 연결되고, 버너의 출력 단부는 촉매 컨버터의 제2입력 단부에 연결된다.

시스템은 배기 터빈에 직렬로 연결되고 배기 터빈이 시스템 외부로부터 에어를 유입하는 것을 보조하는 모터 구동 터빈(motor-driven turbine)을 더 포함할 수 있다.

시스템은 연료 가스 공급기와 제1티 밸브 사이에 배치되는 감압 밸브(pressure reducing valve)를 더 포함할 수 있다.

시스템은 제2티 밸브와 내연 기관의 제3입력 단부 사이에 배치되는 인터쿨러(intercooler)를 더 포함할 수 있다.

시스템은 에어 파이프라인의 일단에 배치되어 에어 중의 불순물을 제거하여, 불순물 제거 후의 에어가 에어 파이프라인에 들어가도록 하는 필터링 디바이스를 더 포함할 수 있다.

연료 가스 공급기는 버너에 추가로 연결될 수 있다.

시스템은 SOFC 스택의 제1출력 단부와 내연 기관의 제2입력 단부 사이에 배치되는 제3티 밸브를 더 포함할 수 있다. 이전과 같이, SOFC 스택의 제1출력 단부는 내연 기관의 제2입력 단부에 연결된다. SOFC 스택의 제1출력 단부는 제3티 밸브의 입력 단부에 연결될 수 있고, 제3티 밸브의 제1출력 단부는 내연 기관의 제2입력 단부에 연결된다;

이전과 같이, 버너의 입력 단부는 SOFC 스택의 출력 단부에 연결될 수 있다. 티 밸브의 제2출력 단부는 버너의 입력 단부에 연결된다.

종래 기술과 비교하여, 본 발명이 제공하는 기술적 해결책은 다음의 이점들을 갖는다:

본 발명은, 내연 기관을 SOFC 스택과 일체화 시키고, SOFC 스택의 예열 단계에서 내연 기관용 연료가스 공급기 내부에 연료가스를 먼저 제공하고, SOFC 스택의 예열 단계에서 내연기관을 통해 차량에 동력을 제공함으로써, SOFC 스택이 예열 단계에서 차량에 동력을 제공할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 하이브리드 동력 시스템을 제공한다. 동시에 내연 기관은 연료가스를 연소시켜 고온의 배기가스를 출력하고, 고온의 배기가스로 열 교환기를 가열한 후, 배기터빈으로부터 배기가스를 배출시켜 시스템의 외부로부터 에어를 유입한다. 에어는 먼저 에어 예열기를 통과한 후, 열 교환기를 통과하고, SOFC 스택에 들어가고 에어 파이프라인을 통해 에어 예열기를 예열한 후 배출된다. 다중 사이클 후, SOFC 스택의 예열이 완료된다. 에어 예열기가 열 교환기에 직렬로 연결되어 에어를 가열하므로, SOFC 스택으로 유입되는 에어의 가열 속도가 증가하여 예열 시간이 단축되며 SOFC 스택의 빠른 시작이 가능하다. 예열이 완료된 후, SOFC 스택을 통해 차량에 동력이 제공될 수 있고, 그리고 내연 기관의 작동이 멈추고, SOFC 스택이 차량의 동력 요구량을 충족시킬 수 없을 때에, 내연 기관 및 SOFC 스택이 동시에 차량에 동력을 제공하도록 제어된다.

본 출원에서, 내연 기관이 유연하게 시동될 수 있고 온도에 의한 제약을 받지 않기 때문에, 내연 기관이 처음에는 차량에 동력을 제공하기 위해 사용되고, SOFC 스택의 작동 온도에 도달한 후에는 SOFC 스택만이 차량에 동력을 제공하기 위해 사용된다. SOFC 스택의 고효율로 인해, 차량에 동력 제공의 작업 효율이 상승되고, 내연 기관 및 SOFC 스택의 단점을 보완하고, 유연하고 효율적으로 차량에 동력을 제공한다.

첨부된 도면은 본 발명의 일부 실시예를 도시한다.
도 1은 하이브리드 동력 시스템의 구조 개략도이다.
도 2는 하이브리드 동력 시스템의 다른 구조 개략도이다.

본 발명의 실시예들을 도면과 함께 설명한다. 설명된 실시예는 본 발명의 모든 실시예가 아니라 단지 일부 실시예에 불과하다.

본 실시예는 내연 기관을 SOFC 스택과 일체화 시키고, SOFC 스택의 예열 단계에서 내연 기관을 통해 차량에 동력을 제공하고, 내연 기관에서 배출되는 고온의 배기가스로 SOFC 스택을 가열하여 SOFC 스택을 신속하게 시작할 수 있는 하이브리드 동력 시스템을 제공하며, SOFC 스택은 차량에 동력을 제공하여 작업 효율을 상승하는데 사용된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 하이브리드 동력 시스템은 내연 기관(1)을 포함할 수 있다. 내연 기관(1)은 차량에 동력을 제공하기 위해 연료 가스를 연소시킨다. 내연 기관(1)의 작동을 보장하기 위해 내연 기관(1)에 연료 가스가 제공되어야 한다.

연료 가스는 내연 기관(1)에 연료 가스를 제공하는 연료 가스 공급기(2)에 저장된다. 연료 가스 공급기(2)는 다음의 채널을 통해 내연 기관(1)에 연료 가스를 제공한다:

연료 가스 공급기(2)는 제1티 밸브(3)의 입력 단부에 연결된다. 제1티 밸브(3)의 제1출력 단부는 내연 기관(1)의 제1입력 단부에 연결되어, 연료 가스 공급기(2) 내의 연료 가스가 사용을 위해 내연 기관(1)에 제공될 수 있도록 한다.

본 실시예에 의해 개시된 하이브리드 동력 시스템에서, 내연 기관(1)이 차량에 동력을 제공하기 위해 사용되는 것 외에, SOFC 스택(4)은 또한 차량에 동력을 제공하기 위해 사용된다. 따라서, SOFC 스택(4)의 애노드(anode)에 지속적으로 연료 가스(수소, 일산화탄소, 메탄 등)가 유입되어야 하며, 이에 따라 연료 가스 공급기(2)를 통해 SOFC 스택(4)에 연료 가스를 제공하는 것도 필요하다.

본 발명에 의해 제공되는 하이브리드 동력 시스템에서, 제1 티 밸브(3)의 제2 출력 단부는 개질기(5)의 제1 입력 단부에 연결되고, 개질기(5)의 출력 단부는 SOFC 스택(4)의 제1 입력 단부에 연결되어, 연료 가스 공급기(2) 내의 연료 가스가 사용을 위해 SOFC 스택(4)에 제공될 수 있도록 한다. 여기서, SOFC 스택(4)의 제1 입력 단부는 SOFC 스택(4)의 애노드를 지칭한다.

SOFC 스택(4)으로 유입되는 연료 가스는 완전히 소모될 수 없다. 연료 가스의 이용률을 더욱 높이기 위해, SOFC 스택(4)의 제1 출력 단부는 내연 기관(1)의 제2 입력 단부에 연결되어 내연 기관(1)이 SOFC 스택(4)에 의해 소비되지 않은 연료 가스를 재사용할 수 있도록 한다.

또한, SOFC 스택(4)은 또한 내연 기관(1)을 위한 특정 연료 가스를 제공할 수 있기 때문에, 그렇지 않으면 내연 기관(1)용 연료 가스 공급기(2)에 의해 제공되어야 하는 일부 연료 가스가 절약된다.

SOFC 스택(4) 및 내연 기관(1)의 위의 통합을 통해, 연료 가스는 시스템이 처음에 시작된 후, 먼저 연료 가스 공급기(2)를 통해 내연 기관(1)에 제공될 수 있고, SOFC 스택은 여전히 예열 단계에 있고 차량에 동력을 제공할 수 없으므로, 내연 기관(1)은 차량에 동력을 제공하기 위해 사용된다.

또한, SOFC 스택이 예열 단계에 있는 경우, 내연 기관(1)이 연료 가스를 연소시킨 후 배출되는 고온의 배기 가스는 SOFC 스택을 예열함으로써 SOFC 스택의 예열을 가속화하고, 예열 시간을 단축하고, SOFC 스택의 빠른 시작을 달성할 수 있도록 사용될 수도 있다.

내연 기관(1)의 출력 단부는 내연 기관(1) 내에서 연료 가스 연소에 의해 발생하는 배기 가스를 배출하기 위해 사용되는 배기 라인에 연결된다.

배기 라인은 열 교환기(6)의 외벽에 인접하게 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 열 교환기(6)의 외벽에는 환기 파이프라인(ventilation pipeline)이 감겨 있다. 열 교환기(6)는 열 교환기에 의해 배기 라인을 통해 흐르는 고온의 배기 가스로 가열된다. 그 후, 배기 가스는 개질기(5)를 통해 흐른 후, 배기 터빈(7)으로부터 배출된다.

배기 터빈(7)이 작동 상태에 있을 때, 즉 배기 터빈(7)이 일 측으로부터 배기 가스를 배출하기 위해 작업하는 동안, 배기 터빈(7)의 다른 측은 시스템의 외부로부터 신선한 에어를 흡수할 것이다. 에어 파이프라인을 통해 에어는 SOFC 스택(4) 내부로 전달된다. SOFC 스택(4) 내의 연료 가스 및 에어는 화학 반응을 거쳐 차량에 동력을 제공한다.

동시에, 에어도 에어 파이프라인으로부터 내연 기관(1) 내부로 전달되어 에어 및 연료 가스가 혼합되고 연소되어 내연 기관(1)을 통해 차량에 동력을 제공한다.

에어 파이프라인은 제2 티 밸브(8)의 입력 단부에 연결되고, 제2 티 밸브(8)의 출력 단부는 에어 예열기(9)의 입력 단부에 연결되며, 에어 예열기(9)의 출력 단부는 열 교환기(6)의 입력 단부에 연결되고, 열 교환기(6)의 출력 단부는 에어 파이프라인을 통해 SOFC 스택(4)의 제2 입력 단부에 연결된다. 여기서, SOFC 스택(4)의 제2 입력 단부는 SOFC 스택(4)의 캐소드(cathode)이다.

이 경우, 에어 파이프라인의 에어 입구로부터의 에어 유입은 제2 티 밸브(8), 에어 예열기(9) 및 열 교환기(6)를 통해 흐른 후, SOFC 스택(4)의 캐소드로 들어간다.

에어가 에어 예열기(9)를 통해 먼저 흐른 후, 열 교환기(6)를 통해 흐르지만, 에어 예열기(9)는 열 교환을 경험하지 못하므로 에어 예열기(9)를 통해 흐르는 에어를 가열하기에 에어 예열기(9)의 온도 자체는 너무 낮다. 열 교환기(6)가 내연 기관(1)으로부터 배출되는 고온의 배기 가스와 열 교환을 경험하는 동안, 더 높은 온도의 열 교환기(6)는 열 교환기(6)를 통해 흐르는 에어와 열 교환을 수행할 수 있어, 에어의 온도를 상승시키는 목적을 달성한다.

에어가 SOFC 스택(4)으로 유입된 후, 에어는 SOFC 스택(4)의 제2출력 단부에서 출력되고, SOFC 스택(4)의 제2출력 단부에 연결된 에어 파이프라인에서 배출된다. 본 실시예에서 SOFC 스택(4)의 캐소드에 곧 들어가는 에어의 가열을 가속시키기 위해, SOFC 스택(4)의 제2 출력 단부에 연결된 에어 파이프라인은 에어 예열기(9)의 외벽에 인접하게 배치된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 에어 파이프라인은 에어 예열기(9)의 외벽에 감기고, 에어 예열기(9)는 열 교환에 의해 에어 파이프라인을 통해 흐르는 에어로 가열된다. 에어 파이프 라인의 에어는 이제 고온의 배기 가스로 가열되어 특정 온도를 갖는다. 특정 온도의 에어는 에어 예열기(9)를 가열하여 에어 예열기(9)의 온도를 상승시키는 데 사용될 수 있다.

에어가 시스템의 외부로부터 연속적으로 유입되고 에어 파이프라인을 통과하고 제2 티 밸브(8)를 통해 흐른 후, 에어는 에어 예열기(9)로 들어가고, 에어 예열기(9)에서 제1 시간 동안 가열되고, 그 후 열 교환기(6)로 들어가고, 열 교환기(6)에서 제2 시간 동안 가열된다. 이러한 방식으로 에어의 가열 속도가 증가하고 SOFC 스택의 예열 시간이 단축된다.

본 출원의 실시예에서, 시스템의 외부로부터 유입된 에어가 내연 기관(1)의 내부로 유입되도록 제2티 밸브(8)도 내연 기관(1)의 제3입력 단부에 연결된다.

전술한 기술적 해결책을 통해, 본 실시예에 의해 제공되는 하이브리드 동력 시스템은 내연기관을 SOFC 스택과 일체화 시키고, SOFC 스택의 예열 단계에서 내연 기관용 연료가스 공급기 내부에 연료가스를 먼저 제공하고, 내연 기관을 통해 차량에 동력을 제공함으로써, SOFC 스택이 예열 단계에서 차량에 동력을 제공할 수 없는 문제를 해결한다. 동시에 내연 기관은 연료가스를 연소시켜 고온의 배기가스를 출력하고, 고온의 배기가스로 열 교환기를 가열한 후, 배기터빈으로부터 배기가스를 배출시켜 시스템의 외부로부터 에어를 흡입(inhales)한다. 에어는 먼저 에어 예열기를 통과한 후, 열 교환기를 통과하고, SOFC 스택에 들어가고 에어 파이프라인을 통해 에어 예열기를 예열한 후 배출된다. 다중 사이클 후, SOFC 스택의 예열이 완료된다. 에어 예열기가 열 교환기에 직렬로 연결되어 에어를 가열하므로, SOFC 스택으로 유입되는 에어의 가열 속도가 증가하여 예열 시간이 단축되며 SOFC 스택의 빠른 시작이 달성된다. 예열이 완료된 후, SOFC 스택을 통해 차량에 동력이 제공될 수 있고, 내연 기관의 작동이 멈추고, SOFC 스택이 차량의 동력 요구량을 충족시킬 수 없을 때에, 내연 기관 및 SOFC 스택이 동시에 차량에 동력을 제공하도록 제어된다.

본 발명에서 사용되는 내연 기관은, 내연 기관의 시작이 유연하게 가능하고 온도에 의한 제약을 받지 않기 때문에, 처음에는 차량의 동력을 제공하기 위한 것으로, SOFC 스택의 작동 온도에 도달한 후에는 SOFC 스택만이 차량에 동력을 제공하기 위해 사용된다. SOFC 스택의 고효율로 인해, 차량에 동력 제공의 작업 효율이 상승되고, 내연 기관 및 SOFC 스택의 단점을 보완하고, 유연하고 효율적으로 차량에 동력을 제공한다.

배기가스를 배출하는 동안, 배출 기준을 충족하기 위해, 본 출원은 도 2에 도시된 바와 같이 또 다른 하이브리드 동력 시스템을 더 제공한다. 도 1에 도시된 기준으로, 하이브리드 동력 시스템은 촉매 컨버터(10)를 더 포함한다.

촉매 컨버터(10)는 내연 기관(1)의 출력 단부에 배치된다. 배기 라인에서 배기 가스가 배출되기 전에, 배기 가스는 배출 기준을 충족하도록 촉매 컨버터(10)에서 정화된다.

내연 기관(1)의 출력 단부는 배기라인에 연결되고, 배기라인을 통해 촉매 컨버터(10)의 제1 입력 단부에 연결된다; 촉매 컨버터(10)의 출력 단부의 배기 라인은 열 교환기(6)의 외벽에 인접하게 배치되고, 내연 기관(1) 내에서 연료 가스가 연소되어 발생하는 배기 가스는 배기 라인 및 개질기(5)를 통해 흐른 후, 배기 터빈(7)으로부터 배출된다.

다른 실시예에서, 하이브리드 동력 시스템은 버너(11)를 더 포함할 수 있다.

버너(11)의 입력 단부는 SOFC 스택(4)의 출력 단부에 연결되고, 버너(11)의 출력 단부는 촉매 컨버터(10)의 제2입력 단부에 연결된다. 이러한 방식으로, SOFC 스택(4)으로부터 출력되고 완전히 활용되지 않은 연료 가스는 버너(11)로 유입될 수 있다. 버너(11)에서의 연소 후, 버너(11)는 내연 기관(1)과 함께 차량에 동력을 제공한다. 버너(11) 내에서 연료가스가 연소되어 발생하는 배기가스도 촉매 컨버터(10)에서 정화된 후 배출된다.

버너(11)의 제공은 연료 가스의 이용률을 상승시킬 수 있다.

다른 실시예에서, 유입 에어가 SOFC 스택의 에어 요구량 및 내연 기관의 에어 요구량을 충족시키기 위해 일정 유량(certain flow)을 가질 필요가 있다는 것을 고려하면, 배기 터빈 단독으로 시스템의 외부로부터 에어를 유입하는 것은 일부 상황 하에서 에어 유량 요구 사항을 충족시킬 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 실시예에 의해 제공되는 하이브리드 동력 시스템은 배기 터빈(7)에 직렬로 연결되고, 하이브리드 동력 시스템의 에어 요구량을 충족시키기 위해 시스템의 외부로부터 에어를 유입하여 배기 터빈(7)을 보조하는 모터 구동 터빈(12)을 더 포함한다.

에어 중의 불순물을 걸러내기 위해, 예를 들어 필터 엘리먼트와 같은 필터링 디바이스(13)가 에어 파이프라인의 에어 유입구에 배치된다. 에어 중의 불순물은 필터 엘리먼트에 의해 제거된다.

다른 실시예에서, 연료 가스 공급기(2)가 가스 실린더인 경우, 가스 실린더로부터 직접 출력되는 연료 가스의 압력은 높고, 내연 기관(1) 및 SOFC 스택(4)에 제공되기 전에 감압되어야 하므로, 연료 가스 공급기(2) 및 제1 티 밸브(3) 사이에 감압 밸브(pressure reducing valve)(14)가 배치된다.

다른 실시예에서, 인터쿨러(15)는 에어가 내연 기관(1)에 제공되는 파이프라인 상에 배치되고, 즉 인터쿨러(15)는 제2 티 밸브(8) 및 내연 기관(1)의 제3 입력 단부 사이에 배치된다.

다른 실시예에서, 연료 가스 공급기(2)는 또한 버너에 연결되어 버너에 연료 가스를 제공하여 버너 및 내연 기관 모두가 연료 가스를 연소하도록 한다. 이러한 방식으로 차량에 동력이 제공될 뿐만 아니라 SOFC 스택 내 에어의 온도 상승 속도가 증가하고 SOFC 스택의 예열 시간이 단축된다.

다른 실시예에서, 제3티 밸브(16)는 SOFC 스택에 의해 출력된 연료 가스를 2개의 브랜치(branches)로 나누도록 배치되며, 하나의 브랜치는 버너에 입력되고 다른 브랜치는 내연 기관에 입력된다.

본 발명에 의해 개시되는 하이브리드 동력 시스템을 더 잘 이해하기 위해, 하이브리드 동력 시스템의 작동 원리가 이하에서 기술된다.

작동 원리: 연료가스의 압력이 감압 밸브에 의해 감소된 후, 연료가스는 2개의 브랜치로 나눠지고, 하나의 브랜치는 내연 기관에 연결되고, 다른 브랜치는 개질기에 연결되어 SOFC 스택의 동력 생성을 위한 연료를 제공한다.

차량이 시동된 후, 먼저 내연 기관 및 에너지 저장 셀의 하이브리드 동력의 이점을 이용하여 내연 기관은 고효율 영역에서 작동하여 다이나모(dynamo)를 구동하여 차량에 동력을 제공한다. 모터는 기어박스를 통해 휠을 구동하여 차량에 동력 및 전기를 제공하는 목적을 달성한다.

내연 기관 내에서 연료가스가 연소되어 배출되는 고온의 배기가스는 먼저 3방향(three-way) 촉매 컨버터에서 정화된 후, 열 교환기, 개질기 및 배기터빈을 통과한 후, 출력되고, 신선한 에어는 필터 엘리먼트를 통과하여 내연 기관 및 SOFC 스택 내로 유입된다. 고온의 배기가스를 배출하는 과정에서 배기가스는 열 교환기를 통과하지만 열 교환기와만 열을 교환하므로 배기가스의 폐열은 열 교환기로 유입된 에어를 가열하는데 사용되고 결국 SOFC 스택으로 유입된다.

압축된 에어는 제2티 밸브에서 내연 기관 및 SOFC 스택으로 분배된다. 에어는 열 교환기에 유입되기 전에, 먼저 에어 예열기에 유입 되어야 한다. 에어는 열 교환기에 들어간 후 내연 기관으로부터 배출되는 고온의 배기가스와 열 교환하여 온도를 상승시켜 SOFC 스택의 핫 스타트(hot start)를 달성한다.

SOFC 스택의 빠른 시작을 달성하기 위해 연료 가스 공급기를 버너에 연결하여 버너에 연료 가스를 공급할 수 있다. 버너는 SOFC 스택의 출력 단부에 더 연결되어 SOFC 스택으로부터 배출되는 연료가스를 버너 내부에서 혼합하여 연소시키고, 버너로부터 고온의 배기가스를 출력한다. 버너로부터 출력되는 고온의 배기 가스 및 내연 기관으로부터 출력되는 고온의 배기 가스는 열 교환기와 열 교환하여 SOFC 스택으로 유입되는 에어를 가열하는 목적을 달성한다. 고온 배기 가스가 증가함에 따라, SOFC 스택으로 들어가는 에어는 SOFC 스택의 신속한 핫 스타트를 달성하기 위해 빠르게 가열될 수 있다; 더욱이, 더 많은 배기 가스가 배출됨에 따라, 배기 터빈은 더 많은 신선한 에어를 시스템 내로 압축하여, SOFC 스택의 핫 스타트 속도를 더 높이고 SOFC 스택의 예열 시간을 단축한다.

개질기 및 SOFC 스택이 작동 온도에 도달한 후, 워터 펌프가 작동하기 시작하고 개질기에서 고온의 촉매 하에 증기 및 연료가 부분적으로 반응하여 개질(reforming)을 수행한다.

증기 및 연료가스가 특정 비율로 균일하게 혼합된 후, 그들은 개질기에서 열을 흡수하고 화학 반응을 일으켜 SOFC 스택에 제공되는 수소 및 일산화탄소가 된다. SOFC 스택은 전기를 출력하기 시작하고 모터를 구동하여 동력을 출력한다. 모터의 동력 요구량이 감소되면, SOFC 스택에 의해 출력된 전기는 에너지 저장 셀을 충전하는 데 사용된다.

SOFC 스택은 전기를 출력하고, SOFC 스택의 핫 스타트는 종료되고, 모터 구동 터빈은 시작되어 배기 터빈을 대체하여 작동하며, 내연 기관은 작동을 멈추고 버너를 위해 연료 가스를 더 이상 추가로 제공하지 않을 수 있다. 대신, SOFC 스택에서 배출된 애노드 배기가스는 에어 예열기에서 냉각된 후 버너로 유입되고 연소하여 전체 시스템의 열 요구량을 유지한다. 내연 기관이 셧다운된 후, SOFC 스택은 차량에 전기와 동력을 제공한다.

차량의 동력 요구량이 크고 내연 기관 및 SOFC 시스템이 동시에 작동해야 할 경우, 제3 티 밸브를 전환하여 SOFC 스택의 애노드 배기가스가 내연 기관에 들어가 지속적인 연소를 일으켜 연료의 이용률을 상승시킬 수 있다.

본 설명의 실시예는 모두 점진적인 방식으로 설명된 것으로, 각 실시예는 다른 실시예와 상이한 점에 초점을 맞추고, 실시예들 중 동일하거나 또는 유사한 부분은 상호 참조될 수 있다.

상기는 단지 본 발명의 바람직한 구현예일 뿐이다. 다양한 변경 및 수정이 본 발명의 원리를 벗어나지 않고 이루어질 수 있으며 이러한 변경 및 수정 또한 본 발명의 보호 범위 내에 있어야 한다.

Claims

내연 기관 및 SOFC 스택을 포함하는 하이브리드 동력 시스템으로서,
상기 내연 기관의 제1입력 단부는 제1티 밸브의 제1출력 단부에 연결되고;
상기 제1티 밸브의 입력 단부는 연료 가스 공급기에 연결되고;
상기 제1티 밸브의 제2출력 단부는 개질기의 제1입력 단부에 연결되고;
상기 개질기의 출력 단부는 상기 SOFC 스택의 제1입력 단부에 연결되고;
상기 SOFC 스택의 제1출력 단부는 상기 내연 기관의 제2입력 단부에 연결되고;
상기 내연 기관의 출력 단부는 열 교환기의 외벽에 인접하게 배치되는 배기 라인에 연결되고, 상기 내연 기관 내에서 연료가스가 연소되어 발생하는 배기가스는 상기 배기라인 및 상기 개질기를 통해 흐르고 그런 다음 배기 터빈으로부터 배출되고;
상기 배기 터빈은 배기 가스를 배출하는 동안 에어 파이프라인으로부터 에어를 유입하고;
상기 에어 파이프라인은 제2티 밸브에 연결되고;
상기 제2티 밸브는 에어 예열기에 연결되고, 상기 에어 예열기는 상기 열 교환기에 연결되고;
상기 열 교환기의 출력 단부에 연결된 에어 파이프라인은 상기 SOFC 스택의 제2입력 단부에 연결되고;
에어는 상기 에어 파이프라인을 통해 상기 SOFC 스택 내부로 유입되고 상기 SOFC 스택의 제2출력 단부에 연결된 에어 파이프라인으로부터 배출되고;
상기 SOFC 스택의 상기 제2출력 단부에 연결된 상기 에어 파이프라인은 상기 에어 예열기의 상기 외벽에 인접하게 배치되고; 및
상기 제2티 밸브는 상기 내연 기관을 위한 에어를 제공하기 위해 상기 내연 기관의 제3입력 단부에 더 연결되는, 하이브리드 동력 시스템.
제1항에 있어서, 상기 시스템은 촉매 컨버터를 더 포함하고,
상기 내연 기관의 출력 단부는 상기 배기 라인에 연결되고, 상기 배기 라인을 통해 상기 촉매 컨버터의 제1입력 단부에 연결되고; 및
상기 촉매 컨버터의 출력 단부에서의 배기 라인은 열 교환기의 상기 외벽에 인접하게 배치되고, 상기 내연 기관 내에서 연료가스가 연소되어 발생하는 상기 배기가스는 상기 배기라인 및 상기 개질기를 통해 흐른 후, 배기 터빈으로부터 배출되는, 하이브리드 동력 시스템.
제2항에 있어서, 버너를 더 포함하고, 상기 버너의 입력 단부는 상기 SOFC 스택의 출력 단부에 연결되고, 상기 버너의 출력 단부는 상기 촉매 컨버터의 제2 입력 단부에 연결되는, 하이브리드 동력 시스템.
제3항에 있어서, 상기 시스템은 상기 SOFC 스택의 제1출력 단부 및 상기 내연 기관의 제2입력 단부 사이에 배치되는 제3티 밸브를 더 포함하고;
상기 SOFC 스택의 제 1출력 단부는 상기 내연 기관의 제2입력 단부에 연결되고, 구체적으로: 상기 SOFC 스택의 제 1출력 단부는 상기 제3티 밸브의 입력 단부에 연결되고, 상기 제3티 밸브의 제1출력 단부는 상기 내연 기관의 제2입력 단부에 연결되고;
상기 버너의 입력 단부는 상기 SOFC 스택의 출력 단부에 연결되고, 구체적으로: 상기 티 밸브의 제2출력 단부는 상기 버너의 입력 단부에 연결되는, 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기 터빈에 직렬로 연결되고 상기 배기 터빈이 상기 시스템의 상기 외부로부터 에어를 유입하는 것을 보조하는 모터 구동 터빈을 더 포함하는, 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 연료 가스 공급기 및 상기 제1티 밸브 사이에 배치된 감압 밸브를 더 포함하는, 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2티 밸브 및 상기 내연 기관의 제3입력 단부 사이에 배치된 인터쿨러를 더 포함하는, 시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에어 파이프라인의 일단에 배치되어 상기 에어 중의 불순물을 제거하여, 불순물 제거 후의 상기 에어가 상기 에어 파이프라인에 들어가도록 하는 필터링 디바이스를 더 포함하는, 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 가스 공급기는 상기 버너에 더 연결되는, 시스템.