KR20240027576A - 연료 공급 장치 - Google Patents
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Abstract
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치로서, 장치는 본체를 포함하는 매니폴드 유닛; 연료가 상기 연료 전지 시스템의 입구에 공급되게 하는 연료 공급 유동 경로 ― 연료 공급 유동 경로는 매니폴드 유닛의 본체를 통해 적어도 부분적으로 연장됨 ―; 잔류 연료가 상기 연료 전지 시스템의 출구로부터 연료 공급 유동 경로로 전달되게 하는 연료 재순환 유동 경로 ― 연료 재순환 유동 경로는 매니폴드 유닛의 본체를 통해 적어도 부분적으로 연장됨 ―; 연료 공급 유동 경로 및/또는 연료 재순환 유동 경로를 따르는 유동을 제어하기 위한 적어도 하나의 밸브 ― 적어도 하나의 밸브는 매니폴드 유닛의 본체에 일체형임 ―; 및 가열 장치를 포함하며, 가열 장치의 적어도 가열 부분은 매니폴드 유닛의 본체에 일체형이다.
Description
본 개시내용은 연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치, 및 연료 공급 장치를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
통상적인 연료 전지 시스템은, 수소와 같은 가스 형태의 연료와 함께 사용하도록 구성된다. 그러한 시스템에서, 연료는 공급 매니폴드를 통해 연료 저장 탱크로부터 시스템으로 도입된다. 그런 다음, 연료는 전기 생성을 위해 연료 전지 스택에 들어간다.
전기-생성 반응이 연속적으로 발생하기 위해서는, 연료 전지 스택 내의 연료의 압력 및 유량이 제어되어야 한다. 연료가 수소인 경우, 수소를 원하는 농도로 유지하기 위해, 연료 전지 스택 내의 수소는 리프레시(refresh)되어야 한다. 연료 전지 시스템은 전형적으로 그리고 불가피하게 물을 포함하며, 그에 따라 온도가 특정 지점보다 더 낮을 때 얼음이 형성될 수 있다. 일반적으로, 온도가 4℃ 미만으로 떨어질 때, 얼음이 형성될 수 있다. 얼음은 연료 전지 시스템 내에서 가동 부품들의 움직임을 방해할 수 있다. 이는, 연료 전지 스택이 냉간 시동(cold start)으로 알려진 낮은 온도에서 시동될 때 특히 문제가 된다.
그러나, 연료 전지 스택에 공급되는 모든 연료가 전기 생성시에 소비되는 것은 아니다. 그러한 잔류 연료는 연료 전지 스택으로부터 제거되고, 낭비를 피하기 위해 시스템 내에서 재순환될 수 있다.
주변 온도가 낮을 때, 연료 저장 탱크 내의 수소는 유사하게 낮은 온도에 있다. 연료 저장 탱크로부터의 비교적 저온의 수소는 공급 매니폴드를 통과하고 연료 전지 스택으로부터의 재순환된 잔류 연료와 혼합된다. 이러한 재순환된 잔류 연료는 비교적 높은 습도 및 높은 온도, 예컨대 대략 70℃ 내지 85℃를 갖는다. 저장 탱크로부터의 저온 연료가 더 높은 온도의 재순환된 연료를 만날 때, 응축이 발생하며, 그에 따라 연료 전지 스택의 성능의 감소를 야기할 수 있는, 연료 내의 과도한 레벨의 물이 있을 우려가 있다.
연료 전지 스택으로부터의 잔류 연료를 위한 재순환 시스템을 포함하는 공급 매니폴드는 통상적으로, 연료 저장 탱크로부터 연료를 격리시키고 그리고 공급 매니폴드를 통한 연료의 유동을 제어하기 위한 다수의 가동 부품들, 이를테면 밸브들, 예컨대 차단 밸브(shut-off valve)들을 포함한다. 따라서, 결빙(icing)은 그러한 배열체들에서 특정한 관심사이다.
단일 밸브와 같은 특정 구성요소를 직접 가열하기 위해, 가열기, 이를테면 PTC(positive temperature coefficient) 가열기를 사용하는 것이 알려져 있다. 그러나, 공급 매니폴드가 다수의 가동 부품들, 이를테면 밸브들을 포함하는 경우, 다수의 가열기들이 요구될 것이며, 이는 시스템의 복잡성을 증가시킨다.
본 배열체가 상기 문제들 중 하나 이상을 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 양상들 및 실시예들은 연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치를 제공하며, 장치는 본체를 포함하는 매니폴드 유닛; 연료가 상기 연료 전지 시스템의 입구에 공급되게 하는 연료 공급 유동 경로 ― 연료 공급 유동 경로는 매니폴드 유닛의 본체를 통해 적어도 부분적으로 연장됨 ―; 잔류 연료가 상기 연료 전지 시스템의 출구로부터 연료 공급 유동 경로로 전달되게 하는 연료 재순환 유동 경로 ― 연료 재순환 유동 경로는 매니폴드 유닛의 본체를 통해 적어도 부분적으로 연장됨 ―; 연료 공급 유동 경로 및/또는 연료 재순환 유동 경로를 따르는 유동을 제어하기 위한 적어도 하나의 밸브 ― 적어도 하나의 밸브는 매니폴드 유닛의 본체에 일체형임 ―; 및 가열 장치를 포함하며, 가열 장치의 적어도 가열 부분은 매니폴드 유닛의 본체에 일체형이다.
매니폴드 유닛 본체에 일체형인 가열 장치의 적어도 가열 부분을 갖는 가열 장치를 제공하는 것은 유리하게는, 매니폴드 유닛 내에 유지되는 구성요소들, 이를테면, 하나의 밸브 또는 각각의 밸브, 및/또는 연료 공급 유동 경로의 가열을 허용한다. 따라서, 하나의 밸브 또는 각각의 밸브와 같은 가동 부품들의 결빙이 억제된다. 연료 공급 유동 경로 내의 연료가 가열되어, 연료 공급 유동 경로의 연료가 재순환되는 연료와 만날 때 생성되는 응축을 감소시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 가열 장치는 매니폴드 유닛의 본체를 가열하도록 구성된다.
본체를 가열하는 것은, 밸브들과 같은 가동 부품들의 결빙을 감소시키고 응축을 감소시키는 동시적인 이익을 제공한다. 밸브들의 간접 가열은, 단일 시스템이 다수의 가열 시스템들보다는 연료 공급 장치의 다수의 밸브들 또는 다른 구성요소들을 가열하는 데 사용될 수 있게 하여, 유리하게는 시스템을 단순화한다.
예시적인 실시예들에서, 가열 장치는 냉각제 유동 경로를 포함하고, 냉각제 유동 경로는 매니폴드 유닛의 본체를 통해 적어도 부분적으로 연장된다.
본체의 온도를 증가시키기 위해 가열된 냉각제를 사용하는 것은, 본체를 가열하는 간단하고 효과적인 수단이다.
예시적인 실시예들에서, 매니폴드 유닛의 본체는 2개 이상의 분리가능한 부품들을 포함하고, 냉각제 유동 경로는 매니폴드 유닛의 본체의 분리가능한 부품 둘 모두 또는 각각의 분리가능한 부품을 통해 연장된다.
매니폴드 유닛의 모든 부품들을 통해 연장되는 냉각제 유동 경로는 열이 매니폴드 유닛을 통해 효율적으로 확산될 수 있게 한다.
예시적인 실시예들에서, 매니폴드 유닛의 본체는 실질적으로 금속성 재료이다.
예시적인 실시예들에서, 매니폴드 유닛의 본체는 실질적으로 알루미늄이다.
예시적인 실시예들에서, 매니폴드 유닛의 본체는 실질적으로 스테인리스 강이다.
금속성 재료, 예컨대 알루미늄 또는 강과 같은 비교적 높은 열 전도도의 재료로 이루어진 매니폴드 유닛의 본체는, 냉각제 유동 경로로부터 연료 공급 장치의 구성요소들로의 열의 전달을 돕는다.
예시적인 실시예들에서, 연료 공급 장치는 연료 공급 유동 경로의 유동을 제어하기 위한 제1 밸브, 및 연료 재순환 유동 경로의 유동을 제어하기 위한 제2 밸브를 포함한다.
가열 장치는 다수의 밸브들이 연료 공급 시스템에서 사용될 수 있게 하고, 이들 밸브들의 결빙 가능성을 감소시킨다.
예시적인 실시예들에서, 제1 밸브 및 제2 밸브는 서로 일체형이다.
가열 장치는, 각각의 밸브에 대한 맞춤(custom) 가열기들을 필요로 하지 않으면서, 상이한 밸브 구성들을 허용한다.
예시적인 실시예들에서, 연료 공급 장치는 연료 재순환 유동 경로로부터 연료 공급 유동 경로로 재순환되는 연료를 도입시키기 위한 제1 이젝터를 포함한다.
가열 장치는, 재순환되는 연료를 도입시키기 위한 이젝터를 이용하여 연료 공급 장치에서 감소된 결빙 가능성을 제공한다.
예시적인 실시예들에서, 연료 공급 유동 경로는 제1 분기부, 및 제1 분기부에 평행하게 배열된 제2 분기부를 포함하고; 연료 재순환 유동 경로는 제1 분기부 및 제2 분기부를 포함하고; 연료 공급 장치는 연료 재순환 유동 경로의 제1 분기부로부터 연료 공급 유동 경로의 제1 분기부로 재순환되는 연료를 도입시키기 위한 제1 이젝터; 연료 재순환 유동 경로의 제2 분기부로부터 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부로 재순환되는 연료를 도입시키기 위한 제2 이젝터; 및 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부에서의 유동을 제어하기 위한 제1 밸브, 및 연료 재순환 유동 경로의 제2 분기부에서의 유동을 제어하기 위한 제2 밸브를 포함한다.
유리하게, 잔류 연료의 재순환에서 펌프보다는 이젝터들의 사용에 의해 연료 공급 장치의 비용이 감소되고, 장치의 복잡성이 감소된다. 재순환 성능은, 요구될 때, 즉 연료 전지 시스템이 더 높은 출력률로 동작될 때에만 제2 이젝터를 사용함으로써 개선된다. 제2 이젝터는 제1 밸브 및 제2 밸브에 의해 장치로부터 격리될 수 있다. 결빙의 가능성의 감소는, 그러한 연료 공급 장치에서, 즉, 효율적인 연료 재순환 및 연관된 다수의 밸브들을 갖는 경우 특히 유리하다.
예시적인 실시예들에서, 제1 밸브 및 제2 밸브 각각은, 유동이 방지되는 제1 폐쇄 포지션 및 유동이 허용되는 제2 개방 포지션을 가지며; 상기 연료 전지 시스템이 더 낮은 제1 출력률(power rate)로 동작될 때, 제1 밸브 및 제2 밸브는 제1 폐쇄 포지션에 있으며, 그에 따라 제2 이젝터에서 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부로의 재순환 연료의 도입이 방지되고; 그리고
연료 전지 시스템이 더 높은 제2 출력률로 동작될 때, 제1 밸브 및 제2 밸브는 제2 개방 포지션에 있으며, 그에 따라 재순환된 연료가 제2 이젝터에서 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부로 도입된다.
또한, 가열 장치에 의해 제공되는 결빙의 가능성의 감소는, 그러한 연료 공급 장치에서, 즉, 효율적인 연료 재순환 및 연관된 다수의 밸브들을 갖는 경우 특히 유리하다.
예시적인 실시예들에서, 연료 공급 유동 경로는 비례 밸브를 포함하고, 비례 밸브는 매니폴드 유닛의 본체에 일체형이다.
예시적인 실시예들에서, 연료 공급 유동 경로는 제어 시스템을 포함하며, 제어 시스템은 비례 밸브의 폐쇄 루프 제어를 제공하도록 구성된다.
예시적인 실시예들에서, 연료 공급 유동 경로는 제1 분기부 및 제2 분기부에 평행하게 배열된 제3 분기부를 포함하며, 연료 재순환 유동 경로는 제3 분기부를 포함하고, 연료 공급 장치는 연료 재순환 유동 경로의 제3 분기부로부터 연료 공급 유동 경로의 제3 분기부로 재순환되는 연료를 도입시키기 위한 제3 이젝터; 연료 공급 유동 경로의 제3 분기부에서의 유동을 제어하기 위한 제3 밸브, 및 연료 재순환 유동 경로의 제3 분기부에서의 유동을 제어하기 위한 제4 밸브를 더 포함하며, 제3 밸브 및 제4 밸브 각각은 유동이 방지되는 제1 폐쇄 포지션 및 유동이 허용되는 제2 개방 포지션을 가지며; 상기 연료 전지 시스템이 더 낮은 제1 출력률로 동작될 때, 제3 밸브 및 제4 밸브는 제1 폐쇄 포지션에 있으며, 그에 따라 제3 이젝터에서 연료 공급 유동 경로의 제3 분기부로의 재순환 연료의 도입이 방지되고; 상기 연료 전지 시스템이 더 높은 제2 출력률로 동작될 때, 제3 밸브 및 제4 밸브는 제1 폐쇄 포지션에 있으며, 그에 따라 제3 이젝터에서 연료 공급 유동 경로의 제3 분기부로의 재순환 연료의 도입이 방지되고; 그리고 상기 연료 전지 시스템이 제1 출력률보다 더 높은 제3 출력률로 동작될 때, 제3 밸브 및 제4 밸브는 제2 개방 포지션에 있으며, 그에 따라 재순환된 연료가 제3 이젝터에서 연료 공급 유동 경로의 제3 분기부로 도입된다.
예시적인 실시예들에서, 밸브 또는 각각의 밸브는 논-리턴 밸브(non-return valve) 및 2/2-방향 밸브(way valve) 중 하나이다.
예시적인 실시예들에서, 연료 공급 장치는 연료 재순환 유동 경로의 제1 분기부에서의 유동을 제어하기 위한 밸브를 더 포함한다.
예시적인 실시예들에서, 연료 재순환 유동 경로의 제1 분기부에서의 유동을 제어하기 위한 밸브는 논-리턴 밸브이다.
위에서 제시된 바와 같은 연료 전지 스택 및 연료 공급 장치를 포함하는 연료 전지 시스템이 또한 제공된다.
예시적인 실시예들에서, 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택을 가열하기 위한 가열 시스템을 더 포함하며, 가열 시스템은 열원(heat source)을 포함하고, 가열 장치는 열원으로부터 열을 획득하도록 구성된다.
예시적인 실시예들에서, 가열 시스템은 제1 냉각제 유동 경로를 포함하고, 가열 장치는 제2 냉각제 유동 경로를 포함한다. 제2 냉각제 유동 경로는 제1 냉각제 유동 경로와 유체 연통한다.
유리하게는, 연료 공급 장치를 가열하기 위해 어떠한 부가적인 가열기가 요구되지는 않는다.
이제, 단지 예로서, 첨부 도면들을 참조하여 하나 이상의 실시예들이 설명될 것이다.
도 1은 본 교시들에 따른 연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치의 회로도이다.
도 2는 도 1의 연료 공급 장치의 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 연료 공급 장치의 추가적인 사시도이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 연료 공급 장치의 분해도이다.
도 5는 도 1 내지 도 4의 연료 공급 장치를 통한 단면도이다.
도 6은 본 교시들에 따른 추가의 연료 공급 장치의 사시도이다.
도 7은 도 6의 연료 공급 장치의 추가적인 사시도이다.
도 8은 도 6 및 도 7의 연료 공급 장치의 분해도이다.
도 1은 본 교시들에 따른 연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치의 회로도이다.
도 2는 도 1의 연료 공급 장치의 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 연료 공급 장치의 추가적인 사시도이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 연료 공급 장치의 분해도이다.
도 5는 도 1 내지 도 4의 연료 공급 장치를 통한 단면도이다.
도 6은 본 교시들에 따른 추가의 연료 공급 장치의 사시도이다.
도 7은 도 6의 연료 공급 장치의 추가적인 사시도이다.
도 8은 도 6 및 도 7의 연료 공급 장치의 분해도이다.
도 1의 회로도는 일반적으로 10으로 표시된 연료 전지 시스템(11)을 위한 연료 공급 장치를 도시한다. 설명된 연료 전지 시스템에서 사용되는 연료는 가스로서 공급되는 수소의 형태이다. 그러나, 연료 공급 장치는 다른 유형들의 연료 전지에 적합하거나 또는 다른 유형들의 연료 전지에 대해 구성될 수 있다.
연료 공급 장치는 도 2 및 도 3에 도시된 매니폴드 유닛(13)을 갖는다. 매니폴드 유닛(13)은 하우징 또는 본체(15)를 갖는다. 아래에서 설명되는 연료 공급 장치(10)의 다수의 구성요소 부품들은 본체(15)에 부착되거나 본체(15) 내에 홀딩된다. 매니폴드 유닛(13)은 모듈식(modular)이며, 즉, 연료 공급 장치(10)의 구성요소 부품들이 본체(15)에 공급되고 또는 공급될 수 있거나 본체(15)에 부착되거나, 본체(15) 내에 포함될 수 있다. 따라서, 연료 공급 장치(10)는 설치가 빠르고 간단하다.
연료 공급 장치(10)는 연료 공급 경로(14)를 갖는다. 연료는 연료 저장 탱크(16)로부터 연료 공급 장치(10)에 진입하고 연료 공급 유동 경로(14)를 따라 연료 전지 스택(12)의 입구(18)로 통과한다. 이 실시예에서, 연료 전지 스택은 수소 전지 스택(12)의 형태이다.
연료 공급 장치(10)는 수소 전지 스택(12)의 출구(26)로부터의 잔류 연료의 전달을 위한 연료 재순환 유동 경로(24)를 갖는다. 수소 전지 스택(12)으로부터의 잔류 연료는 연료 공급 유동 경로(14)로 도입되고, 이에 따라 수소 전지 스택(12)의 입구(18)로 되돌아가고, 폐기물이 감소된다.
연료 공급 장치(10)는, 연료 공급 유동 경로(14) 및/또는 연료 재순환 유동 경로(24)를 따르는 유동을 제어하기 위한 적어도 하나의 밸브(36, 38)를 포함한다. 밸브(36, 38) 또는 각각의 밸브(36, 38)는 본체(15)에 일체형이다. 즉, 밸브(36, 38) 또는 각각의 밸브(36, 38)는 본체(15)에 부착되고 본체(15) 내에서 적어도 부분적으로 연장된다.
본 실시예에서, 연료 공급 유동 경로(14)는 서로 평행하게 배열된 제1 분기부(20) 및 제2 분기부(22)를 갖는다.
본 실시예에서, 연료 재순환 유동 경로(24)는 제1 분기부(28) 및 제2 분기부(30)를 갖는다. 제1 분기부(28)는, 연료 공급 유동 경로(14)의 제1 분기부(28)에 재순환되는 연료를 도입하도록 배열된다. 연료 재순환 유동 경로(24)의 제2 분기부(30)는 재순환된 연료를 연료 공급 유동 경로(14)의 제2 분기부(22)에 도입하도록 배열된다.
본 실시예에서, 연료 공급 장치(10)는 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부(22)의 유동을 제어하기 위한 제1 밸브(36) 및 연료 재순환 유동 경로의 제2 분기부(30)의 유동을 제어하기 위한 제2 밸브(38)를 갖는다.
이 실시예에서, 제1 밸브(36)는 2/2-방향 밸브이다. 이 실시예에서, 제2 밸브(38)는 체크 또는 논-리턴 밸브이다. 대안적인 실시예들에서, 다른 적합한 밸브들이 사용된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제2 밸브는 2/2-방향 밸브이다.
이 실시예에서, 연료 공급 장치(10)가 연료 재순환 경로(24)의 제1 분기부(28)에 제3 밸브(62)를 포함한다.
이 실시예에서, 제3 밸브(62)는 논-리턴 밸브이다. 이 실시예에서, 제3 밸브(62)는, 원하지 않는 방향으로의, 즉 연료 전지 스택(12)을 향한, 연료 재순환 경로(24)의 제3 분기부(28)를 따르는 유동을 방지하면서, 원하는 방향으로의 유동을 허용한다. 대안적인 실시예에서, 제3 밸브는 일부 다른 적절한 유형의 밸브, 이를테면, 2/2-방향 솔레노이드 밸브이다.
제3 밸브(62)는, 제1 밸브(36) 및 제2 밸브(38)와 같이, 본체(15)에 일체형이다. 즉, 제3 밸브(62)는 본체(15)에 부착되고, 본체(15) 내에서 적어도 부분적으로 연장된다.
대안적인 실시예에서, 연료 공급 장치(10)는 제1 및 제2 밸브들(36, 38)만을 가지며, 제3 밸브는 없다.
연료 공급 장치(10)는 가열 장치(17)를 갖는다. 가열 장치는 가열 부분(19)을 포함하며, 가열 부분(19)에 의해 열이 제공된다. 가열 부분(19)의 적어도 일부는 매니폴드 유닛 본체(15)에 일체형이며, 즉, 가열 부분(19)의 적어도 일부는 본체(15) 내에서 연장된다.
본체(15)에 적어도 부분적으로 일체형인 가열 부분(19)을 갖는 가열 장치를 제공하는 것은, 본체(15)에 일체형인 연료 공급 장치(10)의 구성요소들이 가열 장치(17)에 의해 가열될 수 있게 한다. 따라서, 그러한 구성요소들의 결빙이 억제되며, 그에 따라 가동 구성요소들인 그러한 구성요소들은, 결빙으로 인해 자신들의 움직임이 억제될 가능성이 더 낮아진다.
연료 공급 유동 경로(14)는 또한, 경로가 본체(15)를 통해 적어도 부분적으로 연장되기 때문에, 가열될 수 있다. 즉, 본체(15)와 일체형인 연료 공급 유동 경로의 일부는 가열 장치(17)에 의해 가열될 수 있다. 따라서, 연료 공급 유동 경로(14) 내의 연료의 온도가 증가되고, 그에 따라, 연료 공급 유동 경로(14) 내의 연료와 재순환되는 연료 사이의 온도 차이가 감소되고, 그에 따라, 유리하게는 응축의 가능성이 감소된다.
이 실시예에서, 가열 장치(17)는 본체(15)가 가열되도록 배열된다. 본체(15)를 가열하는 것은, 단일 가열 장치를 통해, 본체(15)에 일체형인 그러한 구성요소들에 열이 전달될 수 있게 한다. 제1, 제2 및 제3 밸브들(36, 38, 62)과 같은 구성요소들은 가열 부분(19)에 의해 간접적으로 가열된다. 부가하여, 연료 공급 유동 경로(14) 내의 연료는, 연료가 본체(15)를 통과할 때 가열된다. 이러한 방식으로, 단일 가열 장치(17)가 결빙의 문제 및 결빙으로 이어지는 응축의 문제 둘 모두를 해결하는 데 사용된다. 유리하게는, 단일 열원이 사용된다. 그러한 배열체는 개별 밸브들을 가열하는 것과 같은 해법들보다 덜 복잡하다. 또한, 개별적인 밸브들을 가열해도 연료 공급 유동 경로(14) 내의 연료에 열을 제공하여, 동시에 그리고 유리하게 응축을 감소시켜 결빙의 가능성을 2개의 방법들에 의해 감소시키지는 않는다.
이 실시예의 매니폴드 유닛(13)은 실질적으로 금속성 재료이다. 즉, 이 실시예의 본체(15)는 실질적으로 금속성 재료이다. 즉, 본체(15)의 대부분은 금속성 재료로 이루어진다. 일 실시예에서, 본체(15)는 금속성 재료로 주조된다.
금속성 재료들이 비교적 높은 열 전도도를 갖기 때문에, 금속성 재료인 본체(15)는 가열 장치(17)로부터 연료 공급 장치(10)의 구성요소들로의 열의 전도를 용이하게 한다. 이 실시예에서, 본체(15)는 실질적으로 알루미늄이다. 대안적인 실시예에서, 본체(15)는 실질적으로 스테인리스 강이다. 대안적인 실시예들에서, 본체는 실질적으로 일부 다른 적절한 재료, 즉, 가열 장치(17)로부터 연료 공급 장치(10)의 구성요소들로의 적절한 열전달 속도(rate of transfer of heat)를 가능하게 하는 열 전도성을 갖는 금속성 또는 비-금속성 재료로 이루어진다.
이 실시예에서, 가열 부분은 냉각제 유동 경로(19)의 형태이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 매니폴드 유닛(13)은 냉각제 입구(21) 및 냉각제 출구(23)를 갖는다. 냉각제 입구(21)와 냉각제 출구(23) 사이에, 가열 부분은 본체(15)를 통해 냉각제 유동 경로(19)를 형성한다. 이 실시예에서, 냉각제 유동 경로(19)는 6 mm 내지 10 mm의 범위 내의 직경을 갖는다. 대안적인 실시예들에서, 냉각제 유동 경로는 일부 다른 적절한 직경 범위를 갖는다.
이 실시예에서, 가열 부분은 단일 냉각제 유동 경로(19), 즉, 단일 냉각제 입구 및 단일 냉각제 출구를 갖는 냉각제 유동 경로의 형태이다. 대안적인 실시예에서, 가열 부분은 2개 이상의 냉각제 유동 경로들, 및/또는 다수의 냉각제 입구들 및/또는 다수의 냉각제 출구들을 포함한다.
냉각제는 냉각제 입구(21)에서 본체(15)에 들어가기 전에 가열된다. 연료 전지 스택(12)은 연료 전지 스택(12) 내의 냉간 시동 문제들을 해결하기 위해 가열 시스템(52)을 갖는다(도 1 참조). 연료 전지 스택 가열 시스템은 전형적으로, 가열기(54), 및 가열기(54)와 연료 전지 스택(12) 사이에서 냉각제를 이송하기 위한 냉각제 유동 경로(56)를 포함한다. 이 실시예에서, 가열기는 PTC 가열기(54)이다. 이 실시예에서, 가열 장치(17)에는 연료 전지 스택 가열 시스템과 동일한 소스로부터의, 즉, PTC 가열기(54)로부터의 열이 제공된다. 이 실시예에서, 냉각제 유동 경로(19)는 냉각제 유동 경로(56)에 연결되고(즉, 그와 유체 연통하고), 그에 따라, 연료 전지 스택 가열 시스템(52)으로부터의 가열된 냉각제가 냉각제 유동 경로(19)에 공급된다. 유리하게는, 연료 공급 장치를 가열하기 위해 별도의 또는 부가적인 형태의 가열기도 요구되지 않으며, 그에 따라 연료 공급 장치(10)는 단순화된다.
부가적인 가열기가 요구되지 않아서, 연료 공급 장치(10)가 단순화된다.
대안적인 실시예들에서, 냉각제 유동 경로(19)를 위한 냉각제는 일부 다른 수단에 의해, 예컨대 별개의 PTC 가열기에 의해 개별적으로 가열된다.
가열된 냉각제가 냉각제 유동 경로(19)를 따라 본체(15)를 통해 유동함에 따라, 열이 냉각제로부터 본체(15)로 전달된다. 이로써, 본체(15)의 온도가 증가된다. 본체(15)의 온도가 증가함에 따라, 열은 본체(15)로부터 매니폴드 유닛(13)에 일체형인 연료 공급 장치(10)의 구성요소들로, 예컨대 제1, 제2 및/또는 제3 밸브들(36, 38, 62)로 전달된다. 위에서 설명된 바와 같이, 열이 또한 본체(15)로부터 연료 공급 경로(14) 내의 연료로 전달된다.
잔류 연료를 효과적으로 재순환시키기 위해서, 이 실시예에서, 연료 공급 유동 경로(14)로의 잔류 연료의 도입을 허용하기 위해, 연료 공급 유동 경로의 제1 및 제2 분기부들(20, 22) 각각에 이젝터(32, 34)가 제공된다. 제1 이젝터(32)가 연료 공급 경로의 제1 분기부(20) 상에 제공되고, 제2 이젝터(34)가 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부(22) 상에 제공된다. 따라서, 잔류 연료의 재순환은 유리하게, 펌프의 필요 없이 발생할 수 있어서, 연료 공급 장치(10)의 복잡성 및 비용을 감소시킨다.
이 실시예에서, 연료 공급 장치(10)가 활성이고, 연료가 저장 탱크(16)로부터 연료 공급 유동 경로(14)를 통해 연료 전지 입구(18)로 전달될 때, 연료 공급 유동 경로의 제1 분기부(20)가 지속적으로 사용되는데, 즉, 연료는 연료 공급 유동 경로(14)의 제1 분기부(20)를 통해 연료 공급 유동 경로(14)를 따라 통과할 수 있다. 유사하게, 연료 공급 장치(10)가 활성일 때, 연료 재순환 유동 경로의 제1 분기부(28)는 지속적으로 개방되고, 연료 공급 유동 경로(14)로의 잔류 연료의 도입을 위해 사용된다.
연료 공급 장치(10)가 활성일 때 연료 공급 유동 경로의 제1 분기부(20)가 지속적으로 사용 중이고, 따라서 제1 이젝터(32)가 항상 기능하기 때문에, 연료 재순환 유동 경로의 제1 분기부(28)를 따르는 상당한 역류(backflow)가 존재하지 않으며, 그에 따라, 일부 실시예들은 밸브(62)를 갖지 않는다. 연료 재순환 유동 경로의 제1 분기부(28)를 따르는 역류를 회피하는 것이 중요한 요건인 실시예들에서, 밸브(62)가 포함된다.
위에서 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 밸브들(36, 38)은 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부(22) 및 연료 재순환 유동 경로의 제2 분기부(30)의 유동을 각각 제어하기 위해 사용된다. 2/2-방향 밸브로서, 제1 밸브(36)는 유동이 방지되는 제1 폐쇄 포지션 및 유동이 허용되는 제2 개방 포지션을 갖는다. 논-리턴 제2 밸브(38)는 원하지 않는 방향으로의, 즉 연료 전지 스택(12)을 향한, 연료 재순환 경로(24)의 제2 분기부(30)를 따르는 유동을 방지하는 한편, 원하는 방향으로의, 즉, 제2 이젝터(34)를 향한 유동을 허용한다.
연료 공급 경로(14)의 제2 분기부(22)를 따른 유동은 제1 밸브(36)에 의해 제어되고, 그에 따라, 제2 이젝터(34)를 향한 연료 재순환 경로(24)의 제2 분기부(30)를 따르는 유동을 방지할 필요가 없다. 논-리턴 밸브(38)를 사용하는 것은, 논-리턴 밸브(38)를 개방 또는 폐쇄하기 위해 전기가 요구되지 않기 때문에, 연료 공급 장치(10)의 제어의 단순성을 증가시키고 장치(10)의 동작에 필요한 전력을 감소시킨다.
연료 전지 스택(12)이 미리 결정된 더 낮은 출력률로 동작될 때, 연료 재순환 유동 경로의 제2 분기부(30)를 통한 연료의 재순환이 요구되지 않는다. 밸브들(36, 38)은, 제2 이젝터(34)가 회로로부터 격리되도록, 폐쇄 포지션에 있으며, 연료 재순환 유동 경로의 제2 분기부(30) 및 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부(22)를 따르는 연료의 유동은 방지된다. 연료 공급 및 연료 재순환은 제1 분기부들(20, 28)만을 통해 실행된다.
이 실시예에서, 제1 밸브(36)는, 연료 공급 유동 경로(14)의 제2 분기부 상에서 제2 이젝터(34)의 상류에 위치결정된다. 유리하게는, 제2 이젝터(34)의 상류에 제1 밸브(36)를 위치결정하는 것은 제2 이젝터(34)의 하류에서의 유동의 잠재적인 제한을 회피한다. 제2 이젝터(34)의 특성들과 관련하여 제1 밸브(36)의 오리피스 크기가 고려될 필요가 없기 때문에, 제1 밸브(36)의 설계 선택의 유연성이 제공된다. 대안적인 실시예들에서, 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부의 제1 밸브는 제2 이젝터의 하류에 위치결정된다.
연료 전지 스택(12)이 상기 미리 결정된 더 낮은 출력률로 동작하고 있을 때, 이 루트는 연료 공급 유동 경로(14)로의 잔류 연료의 재순환에 충분하다. 그러나, 연료 전지 스택(12)이 미리 결정된 더 높은 출력률로 동작될 때, 연료 전지 스택(12)의 연료 요건이 증가되고, 연료 전지 스택(12)으로부터 배출되는 잔류 연료의 양이 증가되며, 따라서, 연료 공급 장치(10)의 유동 요건이 증가된다.
그러한 시점에, 밸브들(36, 38)은 개방 포지션으로 이동되고, 그에 따라, 제2 이젝터(34)는 더 이상 회로로부터 격리되지 않는다. 그런 다음, 연료는 연료 공급 경로(14)의 제2 분기부(22)뿐만 아니라 제1 분기부(20)를 따라 유동하여 연료 전지 스택 입구(18)에 도달할 수 있다. 연료는, 개개의 이젝터들(32, 34)을 통해 연료 공급 경로(14)에 도달하기 위해, 제1 분기부(28) 뿐만아니라 연료 재순환 유동 경로(24)의 제2 분기부(30)를 따라 유동할 수 있다. 따라서, 이젝터들(32, 34) 둘 모두가 사용되며, (연료 공급 및 연료 재순환 둘 모두의) 연료 유량이 증가된다. 유리하게는, 연료 유량의 증가는 밸브들(36, 38)의 동작에 의해 간단히 실행된다.
제3 밸브(62)는, 이젝터들(32, 34) 둘 모두가 사용 중일 때, 제1 및 제2 이젝터들(32, 34)이 서로 영향을 미치는 것을 방지한다.
대안적인 실시예들에서, 제1 및 제2 밸브들은 서로 일체형이다. 즉, 단일 밸브가 연료 공급 및 연료 재순환 유동 경로들의 제2 분기부들을 차단 및 개방하는 데 사용되며, 그에 따라 제2 이젝터는 단일 밸브의 동작에 의해 회로로부터 격리될 수 있다. 일 실시예에서, 단일 밸브는, 제1 포지션에서, 모든 4개의 포트들이 차단되고 임의의 방향으로의 밸브를 통한 유동이 방지되는 4/2-방향 밸브이다. 제2 포지션에서, 모든 포트들이 개방되고, 밸브를 통한 유동이 허용된다.
연료 공급 유동 경로(14)는, 연료 공급 유동 경로(14)가 제1 및 제2 분기부들(20, 22)로 분할되는 것의 상류에 비례 밸브(40)를 갖는다. 연료 공급 장치(10)는 비례 밸브(40)를 통한 유동을 제어하기 위해 제어 시스템(45)을 갖는다. 이 실시예에서, 제어 시스템(45)은 폐쇄 루프 제어를 사용하여 비례 밸브(40)를 동작시키기 위해 CAN 통신을 사용한다. 폐쇄 루프 제어를 사용하는 것은 비례 밸브(40)의 정밀한 제어를 가능하게 하고, 유리하게는 히스테리시스를 감소시킨다. 선형성 에러가 또한 감소되는데, 즉, 테스트 데이터의 출력 값과 특정 커맨드 신호의 이상적인 데이터 사이의 차이가 감소된다.
이 실시예에서, 비례 밸브(40)는 일체형 압력 센서를 갖는다(도시 생략).
대안적인 실시예들에서, 비례 밸브는 연료 공급 장치 내의 다른 곳에, 또는 연료 공급 장치 외부에 위치결정된다.
연료 공급 장치(10)는 또한 압력 완화 밸브(pressure relief valve)(42)를 갖는다. 이 실시예에서, 압력 완화 밸브(42)는 연료 공급 유동 경로(14) 상에 위치된다. 이 실시예에서, 압력 완화 밸브(42)는 제1 분기부(20) 및 제2 분기부(22)로의 연료 공급 유동 경로의 분할부의 하류에 위치된다. 대안적인 실시예들에서, 압력 완화 밸브는 연료 공급 장치(10)의 다른 곳에 위치된다.
연료 공급 장치(10)는 제1 및 제2 분기부들(20, 22)로의 연료 공급 유동 경로의 분할부의 상류에서 연료 공급 유동 경로(14) 상에 위치된 2/2-방향 동작 밸브(44)를 갖는다. 동작 밸브(44)는 연료 공급 장치(10)의 활성화 또는 비활성화에 대응하여 개방 포지션과 폐쇄 포지션 사이에서 이동 가능하며, 즉 동작 밸브(44)가 폐쇄 포지션에 있을 때, 연료 공급 장치(10)는 동작하지 않는다. 동작 밸브(44)가 개방 포지션에 있을 때, 연료 공급 장치(10)는 동작 상태이며, 연료는 연료 공급 유동 경로(14)를 통해 연료 저장 탱크(16)로부터 연료 전지 스택(12)에 공급된다. 이 실시예에서, 동작 밸브(44)는 솔레노이드 밸브(44)의 형태이다. 대안적인 실시예들에서, 대안적인 적합한 밸브들이 사용된다.
연료 공급 장치는 연료 공급 유동 경로(14) 상에 제1 압력 센서(46) 및 제2 압력 센서(48)를 갖는다. 제1 압력 센서는 동작 밸브(44)의 상류에 있고, 따라서 연료 저장 탱크(16)로부터 연료 공급 장치(10)에 진입하는 연료의 압력을 검출한다. 제2 압력 센서(48)는 제1 분기부(20) 및 제2 분기부(22)의 하류에 있다. 따라서, 제2 압력 센서는, 연료가 연료 전지 스택(12)의 입구(18)에 도달하기 전에 연료 압력을 검출한다.
연료 공급 장치(10)는, 연료가 연료 저장 탱크(16)로부터 연료 공급 장치(10)에 진입할 때 연료를 여과하기 위한 필터(50)를 갖는다. 이를 위해, 필터(50)는 동작 밸브(44)의 상류에서 연료 공급 유동 경로(14) 상에 위치결정된다. 이 실시예에서, 제1 압력 센서(46)는 필터(50)의 하류에 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 연료 저장 탱크(16)로부터의 연료는 입구 포트(53)에서 매니폴드 유닛(13)에 진입하며, 입구 포트(53) 내에 필터(50)가 지지된다. 연료는 연료 전지 스택(12)의 입구(18)에 도달하기 전에 출구 포트(55)에서 매니폴드 유닛(13)을 떠난다(도 1 참조). 연료 전지 스택(12)으로부터 배출된 잔류 재순환 연료는 재순환 포트(57)에서 매니폴드 유닛(13)에 진입한다.
이 실시예에서, 제1 및 제2 이젝터들(32, 34), 제1 및 제2 밸브들(36, 38), 및 비례 밸브(40)는, 제어 시스템(45)과 함께, 매니폴드 유닛(13)에 일체형이다. 즉, 그러한 구성요소들은 매니폴드 유닛(13)의 본체(15) 상에 지지되고, 그에 고정되고, 그리고/또는 그 내부에 홀딩된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예에서, 매니폴드 유닛(17)의 본체(15)는 2개의 분리가능한 부분들(15a, 15b), 즉, 본체(15)를 생성하도록 서로 부착가능한 별개의 부분들로 구성된다. 각각의 부분(15a, 15b)은 연료 공급 장치의 구성요소들을 수용하도록 구성된 애퍼처들을 규정한다. 하나의 부분(15b)은, 이젝터들(32, 34)이 본체(15) 내에 홀딩되도록 이젝터들(32, 34)을 수용하게 구성된 수용 부분들을 규정한다. 부분들(15a, 15b)은 쉽고 빠른 조립을 위해 돌출부들 및 대응하는 위치 애퍼처들을 규정한다. 대안적인 실시예들에서, 매니폴드 유닛(13)의 본체(15)는 2개 미만의 또는 2개 초과의 부분들로 구성된다.
냉각제 유동 경로(19)는, 부분들(15a, 15b) 둘 모두가 가열된 냉각제에 의해 가열되도록, 부분들(15a, 15b) 둘 모두를 통해 연장된다. 따라서, 부분들(15a, 15b) 둘 모두에 수용되는 구성요소들이 가열된다.
이 실시예에서, 동작 밸브(44), 압력 센서들(46, 48), 필터(50) 및 압력 완화 밸브(42)가 또한 매니폴드 유닛(13) 내에 통합된다. 대안적인 실시예들에서, 동작 밸브, 압력 센서들, 완화 밸브 및 필터 중 하나 이상은 매니폴드 유닛이 아니라 연료 전지 시스템의 다른 곳에 위치된다.
이 실시예의 제1 및 제2 이젝터들(32, 34)은 동일한 설계를 갖는다. 즉, 제1 이젝터와 제2 이젝터는 서로 동일하고, 동일한 유동 용량을 갖는다. 대안적인 실시예들에서, 제1 이젝터 및 제2 이젝터는 서로 실질적으로 동일하고, 실질적으로 동일한 유동 용량을 갖는다. 상기 더 높은 전력을 동작시키는 연료 전지 스택에 대한 응답으로 병렬로의 이젝터들의 사용은 그러한 동일한 구성요소들이 사용될 수 있게 하며 - 크기/용량이 상이한 이젝터들이 아닌 다중 이젝터들을 사용함으로써 연료 공급 장치의 연료 유량을 증가시킨다. 제1 및 제2 이젝터들(32, 34)의 노즐 치수들은 동일할 수 있다.
이 실시예에서, 제1 및 제2 이젝터들(32, 34) 각각은 1-단(single stage) 이젝터들이다. 제1 및 제2 이젝터들(32, 34) 각각은, 재순환된 연료가 각각의 이젝터(32, 34)에 진입하게 하는, 이젝터(32, 34)의 둘레 주위에 배열된 제1 세트의 흡입 포트(suction port)들(64)을 갖는다.
따라서, 유동 공급 장치(10)에서 사용되는 상이한 구성요소들의 수가 감소되고, 그에 따라, 어느 하나의 이젝터가 어느 하나의 포지션에 끼워맞춤될 수 있기 때문에, 조립의 복잡성이 감소된다.
대안적인 실시예들에서, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제1 이젝터 및 제2 이젝터는 서로 상이하다.
설명된 실시예들에서 제1 이젝터 및 제2 이젝터가 제공되지만, 회로로부터 상기 이젝터를 격리시키기 위한 관련 밸브들 및 추가 이젝터들을 포함함으로써 연료 공급 장치의 연료 유량을 조정하는 것이 가능하다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제3 이젝터가 제공된다. 그러한 실시예에서, 연료 공급 유동 경로는 제3 분기부를 갖고, 연료 재순환 유동 경로는 제3 분기부를 갖고, 그에 따라, 잔류 연료는 3개의 이젝터들을 통해 동시에, 또는 2개의 이젝터들(제1 이젝터와 제3 이젝터 또는 제1 이젝터와 제2 이젝터)을 통해 동시에, 또는 위에서 설명된 바와 같이 제1 이젝터 단독에 의해, 연료 전지 스택 출구로부터 연료 공급 유동 경로로 재순환될 수 있다. 따라서, 연료 유량의 훨씬 더 큰 범위가 제공된다. 그러한 실시예에서, 제3 이젝터는 또한, 제1 이젝터 및 제2 이젝터와 동일하거나 또는 실질적으로 동일할 수 있다.
이 실시예에서, 제1 밸브(36) 및 동작 밸브(44)는 솔레노이드 밸브들이다. 대안적인 실시예들에서, 밸브들은 일부 다른 적합한 밸브 유형, 예컨대, 전기 볼 밸브들, 다이렉트 포핏(direct poppet) 밸브들, 또는 스풀(spool) 밸브들이다.
도 6 내지 도 8은 대안적인 레이아웃의 매니폴드 유닛(13)을 도시한다. 다시, 제어 시스템(45)과 함께, 제1 및 제2 이젝터들(32, 34), 제1 및 제2 밸브들(36, 38) 및 비례 밸브(40)가 매니폴드 유닛(13)에 통합된다. 이 실시예에서, 동작 밸브(44), 압력 센서들(46, 48), 필터(50) 및 압력 완화 밸브(42)가 또한 매니폴드 유닛(13) 내에 통합된다. 대안적인 실시예들에서, 동작 밸브, 압력 센서들, 완화 밸브 및 필터 중 하나 이상은 매니폴드 유닛이 아니라 연료 전지 시스템의 다른 곳에 위치된다. 이전 실시예에서와 같이, 연료 공급 장치(10)는 신속하고 쉽게 설치될 수 있다.
이 실시예의 연료 공급 장치(10)는 퍼지 밸브(59)를 갖는다. 퍼지 밸브(59)는 일체형 PTC 가열기를 갖는다. 대안의 실시예들에서, 퍼지 밸브는 가열기를 갖지 않는다.
매니폴드 유닛의 레이아웃은, 연료 공급 장치의 특정 애플리케이션에 적합하도록 다수의 방식들로 조정될 수 있다. 마찬가지로, 이젝터 설계가 변경될 수 있는데, 예컨대, 연료 공급 장치의 연료 유량 요건들 및 수반되는 압력 범위들에 따라, 노즐 직경이 변경될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 제1 이젝터 및 제2 이젝터의 노즐 치수들은 요구되는 연료 전력 요건들을 충족시키기 위해 서로 상이하다. 즉, 제1 이젝터 및 제2 이젝터는 상이한 유동 용량을 갖는다.
연료 공급 장치의 제어는, 제어 시스템(45)을 사용하는 특정 애플리케이션들에 적합하게 조정될 수 있다.
대안의 실시예들에서, 이젝터들 중 하나 또는 둘 모두는, 재순환된 연료가 이젝터에 진입하게 하는 다수의 세트들의 흡입 포트들을 갖는 다단 이젝터이다. 다단 이젝터, 예컨대 2단 이젝터 또는 3단 이젝터의 포함은 유리하게는, 흡입 효율을 증가시킬 수 있다. 대안적인 실시예에서, 연료 공급 장치는 상이한 수들의 다단들의 이젝터들, 예컨대 2-단 이젝터 및 3-단 이젝터를 갖는다. 대안적인 실시예들(도시되지 않음)에서, 연료 공급 장치는 실질적으로 동일한 유동 용량을 갖는 동일한 또는 실질적으로 동일한 다단 이젝터들을 갖는다. 하나의 대안적인 실시예에서, 연료 공급 장치는 2개의 2-단 이젝터들을 갖는다. 하나의 대안적인 실시예에서, 연료 공급 장치는 2개의 3-단 이젝터들을 갖는다. 2개 초과의 이젝터들을 갖는 실시예에서, 연료 공급 장치는 상이한 수의 단(stage)들을 갖는 이젝터들의 조합을 갖거나, 또는 연료 공급 장치는 동일한 수의 단들의 이젝터들을 갖는다.
위에서 설명된 연료 공급 장치는 감소된 결빙 가능성 뿐만 아니라 잔류 연료의 재순환의 정밀한 제어를 제공한다. 연료 공급 장치의 다수의 구성요소들은 단일 모듈식 유닛에 통합되어, 설치의 용이성을 개선한다. 이젝터들은, 연료 전지 시스템의 상이한 유량 요건들을 충족시키도록, 즉, 연료 전지 스택의 전력 소비에 따라, 이젝터들이 단순히 제어될 수 있게 하는 배열로 있다. 제2 이젝터의 격리는 2/2-방향 밸브들, 또는 2/2-방향 밸브 및 논-리턴 밸브를 사용하여 간단히 달성될 수 있다.
유동 곡선의 히스테리시스 및 선형성 문제는 폐쇄 루프 제어를 사용하여 해결된다. 제어 시스템 및 비례 밸브에 의해, 시스템의 전체 안정성 및 안전성이 개선된다. 다양한 애플리케이션들과의 시스템의 호환성은 모듈식 매니폴드 유닛 배열체에 의해 개선된다.
Claims (17)
- 연료 전지(fuel cell) 시스템을 위한 연료 공급 장치로서,
본체를 포함하는 매니폴드 유닛(manifold unit);
연료가 상기 연료 전지 시스템의 입구에 공급되게 하는 연료 공급(fuel supply) 유동 경로 ― 상기 연료 공급 유동 경로는 상기 매니폴드 유닛의 본체를 통해 적어도 부분적으로 연장됨 ―;
잔류 연료가 상기 연료 전지 시스템의 출구로부터 상기 연료 공급 유동 경로로 전달되게 하는 연료 재순환(fuel recirculation) 유동 경로 ― 상기 연료 재순환 유동 경로는 상기 매니폴드 유닛의 본체를 통해 적어도 부분적으로 연장됨 ―;
상기 연료 공급 유동 경로 및/또는 상기 연료 재순환 유동 경로를 따르는 유동을 제어하기 위한 적어도 하나의 밸브(valve) ― 상기 적어도 하나의 밸브는 상기 매니폴드 유닛의 본체에 일체형임 ―; 및
가열 장치(heating apparatus)를 포함하며, 상기 가열 장치의 적어도 가열 부분은 상기 매니폴드 유닛의 본체에 일체형인,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 가열 장치는 상기 매니폴드 유닛의 본체를 가열하도록 구성되는,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 가열 장치는 냉각제 유동 경로를 포함하고, 그리고
상기 냉각제 유동 경로는 상기 매니폴드 유닛의 본체를 통해 적어도 부분적으로 연장되는,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제3 항에 있어서,
상기 매니폴드 유닛의 본체는 2개 이상의 분리가능한 부품들을 포함하고, 그리고
상기 냉각제 유동 경로는 상기 매니폴드 유닛의 본체의 각각의 분리가능한 부품을 통해 연장되는,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 매니폴드 유닛의 본체는 실질적으로 금속성 재료이고,
바람직하게는, 상기 매니폴드 유닛의 본체는 실질적으로 알루미늄이며; 또는
바람직하게는, 상기 매니폴드 유닛의 본체는 실질적으로 스테인리스 강인,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 연료 공급 장치는 상기 연료 공급 유동 경로의 유동을 제어하기 위한 제1 밸브, 및 상기 연료 재순환 유동 경로의 유동을 제어하기 위한 제2 밸브를 포함하는,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제6 항에 있어서,
상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브는 서로 일체형인,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 연료 공급 장치는 상기 연료 재순환 유동 경로로부터 상기 연료 공급 유동 경로로 재순환되는 연료를 도입시키기 위한 제1 이젝터(ejector)를 포함하는,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 연료 공급 유동 경로는 제1 분기부, 및 상기 제1 분기부에 평행하게 배열된 제2 분기부를 포함하고;
상기 연료 재순환 유동 경로는 제1 분기부 및 제2 분기부를 포함하고;
상기 연료 공급 장치는,
상기 연료 재순환 유동 경로의 제1 분기부로부터 상기 연료 공급 유동 경로의 제1 분기부로 재순환되는 연료를 도입시키기 위한 제1 이젝터;
상기 연료 재순환 유동 경로의 제2 분기부로부터 상기 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부로 재순환되는 연료를 도입시키기 위한 제2 이젝터; 및
상기 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부에서의 유동을 제어하기 위한 제1 밸브, 및 상기 연료 재순환 유동 경로의 제2 분기부에서의 유동을 제어하기 위한 제2 밸브를 포함하는,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제9 항에 있어서,
제1 밸브 및 제2 밸브 각각은, 유동이 방지되는 제1 폐쇄 포지션 및 유동이 허용되는 제2 개방 포지션을 가지며;
상기 연료 전지 시스템이 더 낮은 제1 출력률(power rate)로 동작될 때, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브는 제1 폐쇄 포지션에 있으며, 그에 따라 상기 제2 이젝터에서 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부로의 재순환 연료의 도입이 방지되고; 그리고
상기 연료 전지 시스템이 더 높은 제2 출력률로 동작될 때, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브는 제2 개방 포지션에 있으며, 그에 따라 상기 재순환된 연료가 상기 제2 이젝터에서 연료 공급 유동 경로의 제2 분기부로 도입되는,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 연료 공급 유동 경로는 비례 밸브(proportional valve)를 포함하고, 그리고
상기 비례 밸브는 상기 매니폴드 유닛의 본체에 일체형이고;
바람직하게는 제어 시스템을 더 포함하며,
상기 제어 시스템은 상기 비례 밸브의 폐쇄 루프 제어를 제공하도록 구성되는,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제9 항에 있어서,
상기 연료 공급 유동 경로는 상기 제1 분기부 및 상기 제2 분기부에 평행하게 배열된 제3 분기부를 포함하고, 상기 연료 재순환 유동 경로는 제3 분기부를 포함하고,
상기 장치는:
상기 연료 재순환 유동 경로의 제3 분기부로부터 상기 연료 공급 유동 경로의 제3 분기부로 재순환되는 연료를 유입시키기 위한 제3 이젝터;
상기 연료 공급 유동 경로의 제3 분기부에서의 유동을 제어하기 위한 제3 밸브, 및 상기 연료 재순환 유동 경로의 제3 분기부에서의 유동을 제어하기 위한 제4 밸브를 더 포함하며, 상기 제3 밸브 및 상기 제4 밸브 각각은 유동이 방지되는 제1 폐쇄 포지션 및 유동이 허용되는 제2 개방 포지션을 가지며;
상기 연료 전지 시스템이 더 낮은 제1 출력률로 동작될 때, 상기 제3 밸브 및 상기 제4 밸브는 제1 폐쇄 포지션에 있으며, 그에 따라 제3 이젝터에서 연료 공급 유동 경로의 제3 분기부로의 재순환 연료의 도입이 방지되고;
상기 연료 전지 시스템이 더 높은 제2 출력률로 동작될 때, 상기 제3 밸브 및 상기 제4 밸브는 제1 폐쇄 위치에 있으며, 그에 따라 제3 이젝터에서 연료 공급 유동 경로의 제3 분기부로의 재순환 연료의 도입이 방지되고; 그리고
상기 연료 전지 시스템이 상기 제1 출력률보다 더 높은 제3 출력률로 동작될 때, 상기 제3 밸브 및 상기 제4 밸브는 제2 개방 포지션에 있으며, 그에 따라 재순환된 연료가 제3 이젝터에서 연료 공급 유동 경로의 제3 분기부로 도입되는,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 또는 각각의 밸브는 논-리턴 밸브(non-return valve) 및 2/2-방향 밸브(way valve) 중 하나인,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 연료 재순환 유동 경로의 제1 분기부에서의 유동을 제어하기 위한 밸브를 더 포함하며,
바람직하게는, 상기 연료 재순환 유동 경로의 제1 분기부에서의 유동을 제어하기 위한 밸브는 논-리턴 밸브인,
연료 전지 시스템을 위한 연료 공급 장치. - 연료 전지 스택 및 제1 항에 따른 연료 공급 장치를 포함하는, 연료 전지 시스템.
- 제15 항에 있어서,
상기 연료 전지 스택을 가열하기 위한 가열 시스템을 더 포함하며,
상기 가열 시스템은 열원(heat source)을 포함하고, 그리고
상기 가열 장치는 상기 열원으로부터 열을 획득하도록 구성되는,
연료 전지 시스템. - 제15 항에 있어서,
상기 가열 시스템은 제1 냉각제 유동 경로를 포함하고,
상기 가열 장치는 제2 냉각제 유동 경로를 포함하며, 그리고
상기 제2 냉각제 유동 경로는 상기 제1 냉각제 유동 경로와 유체 연통하는,
연료 전지 시스템.
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