KR20240065186A - 모듈식 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20240065186A
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장-프랑수아 티소트
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터보 시스템즈 스위츠랜드 엘티디.
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Abstract

모듈식 연료 전지 시스템(100)이 설명된다. 모듈식 연료 전지 시스템(100)은 복수의 연료 전지 모듈(110, 410)을 포함하고, 각각의 연료 전지 모듈(110, 410)은 흡기 인터페이스(113, 413), 및 배기 가스 인터페이스(112, 412)를 포함한다. 모듈식 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 모듈(110, 410)의 흡기 인터페이스(113)의 각각에 연결되는 흡기 매니폴드(140), 및 연료 전지 모듈(110, 410)의 배기 가스 인터페이스(112)의 각각에 연결되는 배기 가스 매니폴드(130)를 더 포함한다. 모듈식 연료 전지 시스템(100)은 압축기(152) 및 터빈(151)을 갖는 적어도 하나의 터보차저를 포함하는 터보과급 시스템(150)을 더 포함하고, 터빈(151)은 배기 가스 매니폴드(130)와 유체 연결되어 있고, 압축기(152)는 흡기 매니폴드(140)와 유체 연결되어 있다.

Description

모듈식 연료 전지 시스템
본 개시내용의 실시예는 모듈식 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 깨끗하고 조용하며 효율적인 발전을 제공하는 잠재력을 갖는다. 열 에너지 기반 엔진과는 달리, 연료 전지는 물로의 수소 가스의 변환과 연관된 화학 에너지를 전기로 변환하기 위해 전기화학 또는 배터리-유사 프로세스를 사용한다. 연료 전지 시스템은 큰 전기 출력량을 발생하기 위해 관련 기술 분야에서 사용된다. 연료 전지 시스템은 여러 개의 연료 전지 및 선택적으로 터보차저 또는 터보과급 시스템을 포함한다.
종래 기술 시스템의 일 단점은 연료 전지 시스템의 개별 구성요소가 고객의 요구에 유연하게 적응 가능하지 않다는 것이다. 예를 들어, 종종 연료 전지 시스템은 특정 출력 전력을 위해 설계되는데, 즉, 연료 전지, 터보차저 및 시스템의 모든 다른 부가의 구성요소(예를 들어, 물 공급 또는 배기 가스 시스템)는 특정 출력 전력을 갖는 특정 시스템을 위해 설계된다. 원하는 용례가 상이한 출력 전력과 같은 다른 파라미터를 요구하는 경우, 전체 연료 전지 시스템은 예를 들어, 터보차저를 연료 전지에 정합하기 위해 그리고 적합한 공급 및 배기 시스템을 제공하기 위해 재설계될 필요가 있다.
개선된 연료 전지 시스템에 대한 지속적인 요구가 있다. 특히, 특정 용례를 위해 각각의 구성요소를 재설계할 필요 없이, 큰 출력 전력 범위가 제한된 수의 구성요소로 커버될 수 있는 이러한 방식으로 설계되고 고도로 유연성인 연료 전지 시스템에 대한 필요성이 있다.
상기 내용을 고려하여, 독립 청구항 1에 따른 모듈식 연료 전지 시스템이 제공된다. 추가의 양태, 장점, 및 특징은 종속항, 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 명백해진다.
본 개시내용의 양태에 따르면, 모듈식 연료 전지 시스템이 제공된다. 모듈식 연료 전지 시스템은 복수의 연료 전지 모듈을 포함한다. 각각의 연료 전지 모듈은 연료 전지, 연료 전지 모듈에 흡기를 제공하기 위한 흡기 인터페이스, 및 연료 전지 모듈로부터 배기 가스를 이격하여 유도하기 위한 배기 가스 인터페이스를 포함한다. 모듈식 연료 전지 시스템은 연료 전지 모듈의 흡기 인터페이스의 각각에 연결된 흡기 매니폴드를 포함한다. 흡기 매니폴드는 복수의 흡기 모듈을 포함한다. 각각의 흡기 모듈은 적어도 하나의 인접한 흡기 모듈에 해제 가능하게 연결되고, 흡기 매니폴드로부터 흡기 인터페이스 중 적어도 하나로 흡기를 제공하기 위해 흡기 인터페이스 중 적어도 하나에 연결된다. 모듈식 연료 전지 시스템은 연료 전지 모듈의 배기 가스 인터페이스의 각각에 연결된 배기 가스 매니폴드를 더 포함한다. 배기 가스 매니폴드는 복수의 배기 가스 모듈을 포함한다. 각각의 배기 가스 모듈은 배기 가스 인터페이스 중 적어도 하나로부터 배기 가스를 수용하기 위해 적어도 하나의 인접한 배기 가스 모듈에 해제 가능하게 연결되고, 배기 가스 인터페이스 중 적어도 하나에 연결된다. 모듈식 연료 전지 시스템은 압축기 및 터빈을 갖는 적어도 하나의 터보차저를 포함하는 터보과급 시스템을 더 포함한다. 터빈은 배기 가스 매니폴드로부터 배기 가스를 수용하기 위해 배기 가스 매니폴드와 유체 연결되어 있고, 압축기는 흡기 매니폴드에 충전된 흡기를 제공하기 위해 흡기 매니폴드와 유체 연결되어 있다.
통상의 기술자는 이하의 상세한 설명을 숙독하고 첨부 도면을 볼 때, 부가의 특징과 장점을 인식할 수 있을 것이다.
도면의 구성요소는 반드시 실제 축척대로 도시되어 있는 것은 아니고, 대신 본 발명의 원리를 예시하는 데 중점을 두고 있다. 더욱이, 도면에서, 동일한 참조 부호는 대응 부분을 지정한다. 첨부 도면은 본 개시내용의 실시예에 관한 것이고 이하에 설명된다:
도 1은 본 명세서에 설명된 실시예에 따른 모듈식 연료 전지 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 2a는 본 명세서에 설명된 실시예에 따른 연료 전지 모듈의 개략도를 도시하고 있다.
도 2b는 본 명세서에 설명된 다른 실시예에 따른 연료 전지 모듈의 개략도를 도시하고 있다.
도 3은 본 명세서에 설명된 실시예에 따른 복합 연료 전지 모듈의 개략도를 도시하고 있다.
도 4는 본 명세서에 설명된 다른 실시예에 따른 모듈식 연료 전지 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 5a는 본 명세서에 설명된 다른 실시예에 따른 모듈식 연료 전지 시스템 장치의 부분의 개략도를 도시하고 있다.
도 5b는 본 명세서에 설명된 다른 실시예에 따른 모듈식 연료 전지 시스템 장치의 부분의 개략도를 도시하고 있다.
도 5c는 본 명세서에 설명된 다른 실시예에 따른 모듈식 연료 전지 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 6은 본 명세서에 설명된 다른 실시예에 따른 모듈식 연료 전지 시스템의 부분의 개략도를 도시하고 있다.
도 7은 본 명세서에 설명된 다른 실시예에 따른 모듈식 연료 전지 시스템 장치의 부분의 개략도를 도시하고 있다.
도 8은 본 명세서에 설명된 다른 실시예에 따른 모듈식 연료 전지 시스템 장치의 부분의 개략도를 도시하고 있다.
이제 그 하나 이상의 예가 각각의 도면에 예시되어 있는 다양한 실시예를 상세히 참조할 것이다. 각각의 예는 설명으로서 제공된 것이고 한정으로서 의도된 것은 아니다. 예를 들어, 일 실시예의 부분으로서 예시되거나 설명된 특징부는 임의의 다른 실시예에 또는 함께 사용되어 또 다른 실시예를 생성할 수 있다. 본 개시내용은 이러한 수정 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.
이하의 도면의 설명 내에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다. 일반적으로, 개별 실시예에 대한 차이점만이 설명된다. 달리 명시되지 않으면, 일 실시예의 부분 또는 양태의 설명은 다른 실시예의 대응 부분 또는 양태에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
도 1을 예시적으로 참조하면, 모듈식 연료 전지 시스템(100)이 설명된다. 모듈식 연료 전지 시스템(100)은 복수의 연료 전지 모듈(110), 흡기 매니폴드(140), 배기 가스 매니폴드(130) 및 터보과급 시스템(150)을 포함한다.
도 2a를 예시적으로 참조하면, 연료 전지 모듈(110)이 설명된다. 연료 전지 모듈(110)은 연료 전지(111)를 포함한다. 연료 전지(111)는 단일 연료 전지 또는 연료 전지의 스택(4개의 연료 전지의 스택을 도시하고 있는 도 2a에 예시되어 있는 바와 같이) 또는 복수의 개별 연료 전지 또는 연료 전지 스택일 수도 있다.
연료 전지 모듈(110)은 연료 전지 모듈(110)에 흡기를 제공하기 위한 흡기 인터페이스(113)와, 연료 전지 모듈(110)로부터 배기 가스를 이격하여 유도하기 위한 배기 가스 인터페이스(112)를 더 포함한다. 인터페이스는 또한 외부 디바이스 또는 외부 유체 라인을 연료 전지 모듈(110)에 연결하기 위한 연결점으로서 간주될 수도 있다.
연료 전지 모듈(110)은 흡기 인터페이스(113)와 연료 전지(111)에 기계적으로 결합되는 흡기 라인(127)을 더 포함할 수도 있다. 흡기 라인은 흡기 인터페이스(113)를 연료 전지(111)와 유체적으로 연결하고, 흡기, 특히 충전된 흡기를 연료 전지 모듈(110)의 외부의 구성요소로부터 흡기 인터페이스(113), 및 흡기 라인(127)을 통해 연료 전지(111)에 운반하는 것을 허용한다.
연료 전지 모듈(110)은 배기 가스 인터페이스(112)와 연료 전지(111)에 기계적으로 결합되는 배기 가스 라인(125)을 더 포함할 수도 있다. 배기 가스 라인(125)은 배기 가스 인터페이스(112)를 연료 전지(111)와 유체적으로 연결하고 배기 가스, 특히 충전된 배기 가스를 연료 전지(111)로부터 배기 가스 라인(125) 및 배기 가스 인터페이스(112)를 통해 연료 전지 모듈(110)의 외부 구성요소로 운반하는 것을 허용한다.
연료 전지 모듈(110)은 하우징(124)을 포함할 수도 있다. 흡기 인터페이스(113) 및 배기 가스 인터페이스(112)는 하우징(125) 내에 통합될 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 하우징은 가압 하우징 또는 용기이다.
다시 도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템(100)은 흡기 매니폴드(140)를 더 포함한다. 흡기 매니폴드는 연료 전지 모듈(110)의 각각의 흡기 인터페이스(113)에 연결되는데, 특히 기계적 및 유체적으로 연결된다. 흡기 매니폴드(140)는 복수의 흡기 모듈(141, 142, 143)을 포함한다. 각각의 흡기 모듈(141, 142, 143)은 흡기 매니폴드(140)로부터 흡기 인터페이스(113) 중 적어도 하나에 흡기를 제공하기 위해 적어도 하나의 인접한 흡기 모듈(141, 142, 143)에 해제 가능하게 연결되는데, 바람직하게는 유체적 및 기계적으로 해제 가능하게 연결되고, 흡기 인터페이스(113) 중 적어도 하나에 연결되는데, 바람직하게는 유체적 및 기계적으로 해제 가능하게 연결된다.
흡기 모듈은 유사하게 구조화되고 치수설정된다. 흡기 매니폴드(140)는 연료 전지와의 상호 연결 시스템을 단순화하고 가능한 한 적은 유형의 구성요소로 연료 전지 시스템(100), 특히 연료 전지 시스템(100)의 출력 전력의 간단한 스케일링(scaling)을 용이하게 하기 위해 가능한 한 적은 수의 상이한 유형의 흡기 모듈(141, 142, 143)을 포함한다. 전형적으로, 각각의 흡기 모듈은 연료 전지 모듈(110)의 동일한 수의 흡기 인터페이스(113)에 연결된다. 바람직하게는 각각의 흡기 모듈은 연료 전지 모듈(110)의 하나의 단일 흡기 인터페이스(113)에 연결된다.
예시적인 실시예에서, 흡기 매니폴드(140)는 2개의 인접한 흡기 모듈에 각각 연결되는 하나 이상의 연결 흡기 모듈(141)을 포함할 수도 있다. 흡기 매니폴드(140)는 단지 하나의 인접한 흡기 모듈(141)에만 연결되는 말단 흡기 모듈(143)을 더 포함할 수도 있다. 말단 흡기 모듈(143)은 말단 흡기 모듈(143)에 해제 가능하게 연결될 수도 있는 말단 측벽을 제외하고는 연결 흡기 모듈(141)과 실질적으로 동일할 수도 있다. 흡기 매니폴드(140)는 흡기 매니폴드(140)를 터보과급 시스템(150)과 연결하기 위한 유입 공기 모듈(142)을 더 포함할 수도 있다. 유입 공기 모듈(142)은 흡기 매니폴드(140)를 터보과급 시스템(150)과 연결하기 위한 인터페이스를 제외하면 연결 흡기 모듈(141)과 실질적으로 동일할 수도 있다.
연료 전지 시스템(100)은 배기 가스 매니폴드(130)를 더 포함한다. 배기 가스 매니폴드(130)는 연료 전지 모듈(110)의 각각의 배기 가스 인터페이스(112)에 연결되는데, 특히 기계적 및 유체적으로 연결된다. 흡기 매니폴드(140)는 복수의 배기 가스 모듈(131, 132, 133)을 포함한다. 각각의 배기 가스 모듈(131, 132, 133)은 배기 가스 인터페이스(112) 중 적어도 하나로부터 배기 가스를 수용하기 위해 적어도 하나의 인접한 배기 가스 모듈(131, 132, 133)에 해제 가능하게 연결되는데, 바람직하게는 유체적 및 기계적으로 해제 가능하게 연결되고, 배기 가스 인터페이스(112) 중 적어도 하나에 연결되는데, 바람직하게는 유체적 및 기계적으로 해제 가능하게 연결된다.
배기 가스 모듈은 유사하게 구조화되고 치수설정된다. 배기 가스 모듈은 흡기 가스 모듈과 비교하여 실질적으로 동일하게 구조화되고 치수설정될 수도 있다. 배기 가스 매니폴드(130)는 가능한 한 적은 유형의 구성요소로 연료 전지 시스템(100), 특히 연료 전지 시스템(100)의 출력 전력의 간단한 스케일링을 용이하게 하기 위해 가능한 한 적은 수의 상이한 유형의 배기 가스 모듈(131, 132, 133)을 포함한다. 전형적으로, 각각의 배기 가스 모듈은 연료 전지 모듈(110)의 동일한 수의 배기 가스 인터페이스(112)에 연결된다. 바람직하게는 각각의 배기 가스 모듈은 연료 전지 모듈(110)의 하나의 단일 배기 가스 인터페이스(112)에 연결된다.
예시적인 실시예에서, 배기 가스 매니폴드(130)는 2개의 인접한 배기 가스 모듈에 각각 연결되는 하나 이상의 연결 배기 가스 모듈(131)을 포함할 수도 있다. 배기 가스 매니폴드(130)는 단지 하나의 인접한 배기 가스 모듈(131)에만 연결되는 말단 배기 가스 모듈(133)을 더 포함할 수도 있다. 말단 배기 가스 모듈(133)은 말단 배기 가스 모듈(133)에 해제 가능하게 연결될 수도 있는 말단 측벽을 제외하고는 연결 배기 가스 모듈(131)과 실질적으로 동일할 수도 있다. 배기 가스 매니폴드(130)는 배기 가스 매니폴드(130)를 터보과급 시스템(150)과 연결하기 위한 유출 가스 모듈(132)을 더 포함할 수도 있다. 유출 가스 모듈(132)은 배기 가스 매니폴드(130)를 터보과급 시스템(150)과 연결하기 위한 인터페이스를 제외하고는 연결 배기 가스 모듈(131)과 실질적으로 동일할 수도 있다.
흡기 매니폴드(140), 배기 가스 매니폴드(130) 뿐만 아니라 연료 전지의 단순화된 상호 연결 시스템(인터페이스)은 단지 매우 적은 수의 상이한 구성요소만을 요구하면서 원하는 바와 같이 연료 전지 시스템(100)을 유연하게 스케일링하는 것을 허용한다. 본 개시내용의 흡기 매니폴드(140) 및 배기 가스 매니폴드(130)는 또한 미리 조립된 연료 전지 시스템; 또는 원하는 시스템 파라미터가 변경된 경우에, 수정된 경우를 대비해 이미 현재 사용 중인 연료 전지 시스템을 후속적으로 수정하는 것을 허용한다. 예를 들어, 본 개시내용에 따른 미리 설치된 연료 전지 시스템은 전체 연료 전지 시스템을 재설계할 필요 없이 더 업스케일링될(upscaled) 수도 있다. 대신, 이러한 경우에 몇 개의 부가의 구성요소가 추가되어야 한다. 더욱이, 본 개시내용의 연료 전지 시스템은 연료 전지 모듈, 다양한 공급 매니폴드(흡기 및 배기 매니폴드와 같은) 및 터보과급 시스템(아래에 더 설명되는 바와 같이) 사이의 더 명확한 경계를 허용한다. 이는 연료 전지 시스템의 구성요소에 대한 더 양호한 개요 및 단순화된 접근을 허용한다.
도 1을 추가로 참조하면, 연료 전지 시스템(100)은 터보과급 시스템(150)을 포함한다. 터보과급 시스템(150)은 압축기(152) 및 터빈(151)을 갖는 적어도 하나의 터보차저를 포함한다. 터보차저는 샤프트형 터보차저일 수도 있고, 여기서 압축기(152)와 터빈(151)은 샤프트를 통해 기계적으로 결합된다. 샤프트형 터보차저는 바람직하게는 전기 터보차저(샤프트를 전기적으로 구동하거나 샤프트로부터 전력을 얻는 것을 허용하기 위한)일 수도 있다. 대안적으로, 터보차저는 바람직하게는 샤프트에 의해 결합되지 않은 전기 압축기 및 전기 터빈을 포함할 수도 있다. 터빈(151)은 배기 가스 매니폴드(130)로부터 배기 가스를 수용하기 위해 배기 가스 매니폴드(130)와 유체 연결되어 있고, 압축기(152)는 흡기 매니폴드(140)에 충전된 흡기를 제공하기 위해 흡기 매니폴드(140)와 유체 연결되어 있다.
본 개시내용에 따른 연료 전지 시스템은 전체 흡기 매니폴드에 충전된 공기를 제공하고 이어서 개별 연료 전지 모듈에 분배되는 하나 이상의 터보차저를 갖는 하나의 터보과급 시스템을 포함한다. 각각의 연료 전지에 대해 별개의 터보차저를 포함하는 연료 전지 시스템과 비교하여, 본 개시내용의 연료 전지 시스템은 (터보과급) 구성요소의 수를 실질적으로 감소시키고 따라서 비용을 절감하는 것을 허용한다. 더욱이, 본 발명의 연료 전지 시스템은 유리하게는 여러 개의 더 작은 크기의 터보차저를 갖는 것에 비교하여 터보과급 효율 및 따라서 전체 연료 전지 시스템의 에너지 효율을 상당히 증가시키는 대형 터보과급 시스템을 갖는다.
본 개시내용의 연료 전지 시스템(100)은 바람직하게는 가능한 한 적은 수의 상이한 유형의 연료 전지 모듈로 구성된다. 바람직한 실시예에서 연료 전지 시스템은 2개 또는 3개의 상이한 유형의 연료 전지 모듈만을 포함한다. 2개 또는 3개의 상이한 유형의 연료 전지 모듈은 각각 출력 전력 및/또는 하우징의 크기가 상이할 수도 있다. 예를 들어, 연료 전지 시스템(100)의 전력 범위는 2개 또는 3개의 상이한 유형의 연료 전지 모듈(110)만을 갖는 것에 의해 도 25 kW 내지 최대 100 MW까지 커버될 수도 있다. 본 개시내용의 연료 전지 시스템은 각각 상이한 유형의 연료 전지를 함께 포함하는 상이한 유형의 연료 전지 모듈을 조합하는 가능성을 또한 허용한다.
실시예에 따르면, 복수의 연료 전지 모듈은 제1 연료 전지 모듈(110) 및 제2 연료 전지 모듈(410)(제2 연료 전지 모듈(410)의 일 예는 도 4에 도시되어 있음)을 포함할 수도 있다. 제1 연료 전지 모듈(110)과 제2 연료 전지 모듈(410)은 바람직하게는 동일한 유형의 구성요소를 포함하고, 달성 가능한 출력 전력만이 상이하다. 제1 및 제2 연료 전지 모듈은 또한 출력 전력 및 크기, 예를 들어 하우징(124)의 크기가 상이할 수도 있다. 전체 출력 전력은 각각의 연료 전지 모듈(전체는 각각의 연료 전지 모듈에 포함된 모든 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 합을 의미함)이 기술적으로 설계되는 최대 출력을 의미한다.
제2 연료 전지 모듈(410)의 전체 출력 전력은 제1 연료 전지 모듈(110)의 전체 출력 전력보다 클 수도 있다. 바람직하게는, 제2 연료 전지 모듈(410)의 전체 출력 전력은 제1 연료 전지 모듈(110)의 전체 출력 전력의 적어도 2배이다. 더 바람직하게는, 제2 연료 전지 모듈(410)의 전체 출력 전력은 제1 연료 전지 모듈(110)의 전체 출력 전력의 정수배이다.
예를 들어, 제1 연료 전지 모듈(110)은 25 kW의 전체 출력 전력을 가질 수도 있고, 제2 연료 전지 모듈(410)은 100 kW의 전체 출력 전력을 가질 수도 있다. 전체 모듈식 연료 전지 시스템은 복수의 제1 연료 전지 모듈(110)과 복수의 제2 연료 전지 모듈(410)만으로 구성될 수도 있다. 더 큰 메가와트 출력 전력 연료 전지 시스템은 수십 또는 수백 개의 (제1 및 제2 ) 연료 전지 모듈을 포함할 수도 있다.
실시예에 따르면, 모듈식 연료 전지 시스템(100)은 복합 연료 전지 모듈(210)을 더 포함한다. 복합 연료 전지(210)의 예가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 복합 연료 전지(210)는 복수의 연료 전지 서브-모듈(310)을 포함한다. 복합 연료 전지(210)는, 복합 연료 전지(210)가 연료 전지 서브-모듈(310)에 흡기를 제공하기 위한 흡기 인터페이스(213) 및 연료 전지 서브-모듈(310)로부터 배기 가스를 이격하여 유도하기 위한 배기 가스 인터페이스(212)를 포함한다는 점에서 연료 전지 모듈(110)(및 제2 연료 전지 모듈(410))과 유사하다.
연료 전지 서브-모듈(310)은 바람직하게는 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 제1 연료 전지 모듈(110)에 대응할 수도 있다. 특히, 각각의 연료 전지 서브-모듈(310)은 하나 이상의 연료 전지 또는 하나 이상의 연료 전지 스택, 연료 전지 서브-모듈(310)에 흡기를 제공하기 위한 흡기 서브-인터페이스(313), 및 연료 전지 서브-모듈(310)로부터 배기 가스를 이격하여 유도하기 위한 배기 가스 서브-인터페이스(312)를 포함한다. 따라서, 흡기는 흡기 매니폴드(140)로부터 흡기 인터페이스(213) 및 후속하여 흡기 서브-인터페이스(313)를 통해 연료 전지 서브-모듈로 운반될 수도 있다. 배기 가스는 연료 전지 서브-모듈(310)로부터 배기 가스 서브-인터페이스(312) 및 후속하여 배기 가스 인터페이스(212)를 통해 배기 가스 매니폴드(130)로 운반될 수도 있다.
실시예에서, 제2 연료 전지 모듈(410)과 복합 연료 전지 모듈(210)의 전체 출력 전력은 실질적으로 동일하다. 이 실시예에서, 제2 연료 전지 모듈(410)의 전체 출력 전력은 제1 연료 전지 모듈(110)의 전체 출력 전력의 정수배이다. 따라서, 복합 연료 전지 모듈(210)은 대응하는 정수개의 제1 연료 전지 모듈(110)을 연료 전지 서브-모듈(310)로서 이용함으로써 제2 연료 전지 모듈(410)과 동일한 전체 출력 전력을 갖도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 연료 전지 모듈은 25 kW의 전체 출력 전력을 가질 수도 있고, 복합 연료 전지 모듈(210)은 4개의 제1 연료 전지 모듈(110)을 포함할 수도 있어, 이에 의해 100 kW의 전체 출력 전력을 야기한다. 복합 연료 전지는 그 유연성으로 인해(생산 및 서비스 목적으로) 더 용이한 부품 관리를 허용한다. 복합 연료 전지는 또한 이후 스테이지에서 시스템을 업그레이드하는 것을 단순화하는데, 예를 들어 더 높은 전력의 연료 전지가 이용 가능해지면, 사용자는 연료 전지를 업그레이드된 연료 전지로 교체할 수도 있다. 복합 연료 전지는 또한 시장 요구 사항으로의 연료 전지 시스템의 유연한 조정을 허용한다.
복합 연료 전지 모듈(210)은 하우징(224)을 더 포함할 수도 있다. 복합 연료 전지 모듈(210)의 하우징(224)과 제2 연료 전지 모듈(410)의 하우징은 각각 실질적으로 동일한 크기를 가질 수도 있다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)은 복합 연료 전지 모듈(210)과 제2 연료 전지 모듈(410)로 유연하게 조립될 수도 있다. 연료 전지 시스템(100)은 복합 연료 전지 모듈(210) 및/또는 제1 연료 전지 모듈(110) 및/또는 제2 연료 전지 모듈(410)의 임의의 조합으로 유연하게 조립될 수도 있다.
복합 연료 전지 모듈(210)은 흡기 모듈(141, 142, 143) 중 하나, 특히 흡기 인터페이스(213)를 복수의 연료 전지 서브-모듈(310)의 각각의 흡기 서브-인터페이스(313)와 기계적으로 및 유체적으로 연결하기 위한 흡기 서브-매니폴드(170)를 더 포함할 수도 있다. 복합 연료 전지 모듈(210)은 배기 가스 모듈(131, 132, 133) 중 하나, 특히 배기 가스 공기 인터페이스(212)를 복수의 연료 전지 서브-모듈(310)의 각각의 배기 가스 서브-인터페이스(312)와 기계적으로 및 유체적으로 연결하기 위한 배기 가스 서브-매니폴드(160)를 더 포함할 수도 있다.
흡기 서브-매니폴드(170) 및 배기 가스 서브-매니폴드(160)는 흡기 매니폴드(140) 및 배기 가스 매니폴드(130)에 대응하는 방식으로 구조화될 수도 있다. 배기 가스 서브-매니폴드(160)는 하나 이상의 연결 배기 가스 서브-모듈(161), 하나 이상의 말단 배기 가스 서브-모듈(163), 및 배기 가스 인터페이스(212)와 연결하기 위한 하나 이상의 유출 가스 서브-모듈(162)과 같은 복수의 배기 가스 서브-모듈(161, 162, 163)을 포함할 수도 있다.
흡기 서브-매니폴드(170)는 하나 이상의 연결 흡기 서브-모듈(171), 하나 이상의 말단 흡기 서브-모듈(173), 및 흡기 인터페이스(213)와 연결하기 위한 하나 이상의 흡기 서브-모듈(172)과 같은 복수의 흡기 서브-모듈(171, 172, 173)을 포함할 수도 있다.
실시예에 따르면, 모듈식 연료 전지 시스템(100)은 흡기와 배기 가스 사이에 열을 교환하기 위해 구성된 외부 열 교환기(180)를 포함한다. 외부 열 교환기(180)의 예가 도 5a 내지 도 5c에 도시되어 있다. "외부"는 연료 전지 모듈의 외부로서 또는 연료 전지 모듈의 부분이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 이하에 더 설명되는 바와 같이, 연료 전지 모듈은 몇몇 실시예에서 동일한 연료 전지 모듈의 부품 내에서 열을 교환하는 내부 열 교환기를 포함할 수도 있다. 한편, 외부 열 교환기는 모듈식 연료 전지 시스템(100)의 부품 사이에서 열을 교환하여, 이에 의해 바람직하게는 모든 연료 전지 모듈에 영향을 미친다. 외부 교환기(180)는 바람직하게는 배기 가스 매니폴드(130)의 하류 위치에서 배기 가스로부터 또는 배기 가스로 열 에너지를 전달하도록 구성되고 그리고/또는 터보과급 시스템(150)의 하류 위치에서 흡기로부터 또는 흡기로 에너지를 전달하도록 구성된다. 특정 실시예에서, 외부 열 교환기(180)는 연료 및/또는 물을 예열하기 위해 사용될 수도 있다. 외부 열 교환기(180)는 유리하게는 연료 전지 시스템과 한 번만 연결되면 되고, 따라서 설계를 단순화하고 연료 전지 시스템을 제조하기 위한 시간과 비용을 절감한다.
일 실시예에서, 외부 열 교환기(180)는 흡기로부터 터빈(151)의 상류의 배기 가스로 열을 전달하도록 구성된다. 이 실시예는 연료 전지(111)가 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC)와 같은 저온 연료 전지일 때 특히 유리하다. 이러한 경우, 연료 전지(111)를 빠져나가는 배기 가스는 예를 들어 80℃의 온도를 가질 수도 있다. 터보과급 시스템(150)을 빠져나가는 충전된 흡기는 100 내지 300℃ 범위의 온도를 가질 수도 있다. 흡기로부터 터빈(151)의 상류의 배기 가스로 열을 전달하는 것은, 터빈(151)의 상류의 배기 가스의 열 에너지를 증가시키면서, 저온 연료 전지의 동작을 위해 적합한 온도로 흡기의 온도를 감소시키는 것을 허용하는데, 이는 터보과급 시스템(150)을 동작하는 데 요구되는 에너지 비용을 감소시키기 위해 사용될 수도 있다. 외부 열 교환기(180)는 또한 이 실시예에서 애프터쿨러(aftercooler)(충전된 흡기용)라 칭할 수도 있다. 도 5b는 열이 흡기로부터 터빈(151) 상류의 배기 가스로 전달되는 실시예를 도시하고 있다.
외부 열 교환기(180)는 제1 부분 또는 제1 유체 유동 통로와 제2 부분 또는 제2 유체 유동 통로를 포함할 수도 있고, 제1 유체 유동 통로와 제2 유체 유동 통로 사이에서 열이 교환된다. 제1 유체 유동 통로는 바람직하게는 (충전된) 흡기의 유동을 위해 구성되고, 제2 유체 유동 통로는 바람직하게는 배기 가스의 유동을 위해 구성된다. 외부 열 교환기(180)의 제1 부분은 압축기(152)의 하류, 바람직하게는 터보과급 시스템의 최고압 압축기의 하류 및 흡기 매니폴드(140)의 상류에 배열된다. 외부 열 교환기(180)의 제2 부분은 배기 가스 매니폴드(130)의 하류 및 터빈(151)의 상류, 바람직하게는 터보과급 시스템의 최고압 터빈의 상류에 배열된다. 제1 부분은 바람직하게는 열을 제2 부분에 전달하도록 구성된다.
일 실시예에서, 외부 열 교환기(180)는 터빈(151)의 하류의 배기 가스로부터 압축기(152)의 하류의 흡기로 열을 전달하도록 구성된다. 이 실시예는 연료 전지(111)가 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 같은 고온 연료 전지일 때 특히 유리하다. 이러한 경우, 연료 전지(111)를 빠져나가는 배기 가스는 예를 들어 800℃의 온도를 가질 수도 있다. 터보과급 시스템을 빠져나온 후에도, 배기 가스는 600℃와 같이, 350℃ 이상의 온도를 가질 수도 있다. 터보과급 시스템(150)을 빠져나가는 충전된 흡기는 200 내지 300℃ 범위의 온도를 가질 수도 있다. (최저압) 터빈(151)의 하류의 배기 가스로부터 열을 전달하는 것은 고온 연료 전지의 동작을 위해 적합한 온도로 흡기의 온도를 증가시키는 것을 허용한다. 터보과급 시스템이 에너지를 발생하는 것을 허용하도록 터보과급 시스템 상류의 배기 가스로부터 열 에너지가 추출되지 않고, 반면 터보과급 시스템을 빠져나오는 배기 가스의 과잉 열만이 사용되는데, 이는 그렇지 않으면 낭비될 수 있다. 도 5a는 열이 터빈(151)의 하류의 배기 가스로부터 압축기(152)의 하류의 흡기로 전달되는 실시예를 도시하고 있다.
외부 열 교환기(180)는 제1 부분 또는 제1 유체 유동 통로와 제2 부분 또는 제2 유체 유동 통로를 포함할 수도 있고, 제1 유체 유동 통로와 제2 유체 유동 통로 사이에서 열이 교환된다. 제1 유체 유동 통로는 바람직하게는 (충전된) 흡기의 유동을 위해 구성되고, 제2 유체 유동 통로는 바람직하게는 배기 가스의 유동을 위해 구성된다. 외부 열 교환기(180)의 제1 부분은 압축기(152)의 하류, 바람직하게는 터보과급 시스템의 최고압 압축기의 하류 및 흡기 매니폴드(140)의 상류에 배열된다. 외부 열 교환기(180)의 제2 부분은 터빈의 하류, 바람직하게는 터보과급 시스템의 최저압 터빈의 하류에 배열된다. 제2 부분은 바람직하게는 열을 제1 부분에 전달하도록 구성된다.
터보과급 시스템(150)은 외부 열 교환기(180)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 외부 열 교환기(180)는 터보과급 시스템(150)과 일체로 형성될 수도 있다.
도 2b는 연료 전지 모듈(110) 내에 포함될 수 있는 부가의 선택적 구성요소를 도시하고 있다. 도 2b는 여러 특징을 도시하고 있지만, 이들 특징의 각각은 도시되어 있는 다른 특징과 독립적으로 연료 전지 모듈(110) 내에 포함될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 연료 전지 모듈(110)에 대해 도시되어 있는 각각의 특징은 또한 제2 연료 전지 모듈(410) 또는 복합 연료 전지 모듈(210) 내에 포함될 수도 있다. 연료 전지 모듈 내에 이들 구성요소 중 하나 이상을 포함하는 것은 연료 전지 시스템의 크기를 유연하게 적응시키고 연료 전지 시스템의 조립을 단순화하는 것을 허용한다.
연료 전지 모듈은 배기 가스 라인(125)을 포함할 수도 있다. 연료 전지 모듈(110)은 배기 가스 라인(125) 내에 배열되는 내부 열 교환기(122), 애프터버너(afterburner)(121) 및 산화기 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 연료 전지 모듈(110)은 배기 가스 라인(125) 내에 배열된 내부 열 교환기(122), 및 애프터버너(121) 또는 산화기를 포함한다. 내부 열 교환기(122) 및/또는 애프터버너(121) 및/또는 산화기는 각각 배기 가스 라인(125) 내에 직렬로 배열될 수도 있다. 애프터버너(121) 또는 산화기는 바람직하게는 내부 열 교환기(122)의 상류에 배열된다. 산화기는 무염 산화기, 촉매 산화기 및 열 산화기로부터 선택된 것일 수도 있다. 애프터버너 및/또는 산화기는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 같은 고온 연료 전지를 사용하는 경우 특히 유익할 수도 있다. 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC)와 같은 저온 연료 전지의 경우, 애프터버너 및/또는 산화기는 또한 유리하게는 유해 가스를 분해하고 대응 화학 에너지의 일부를 회수하기 위해 채용될 수도 있다.
내부 열 교환기는 외부 열 교환기에 추가로 또는 대안으로서 제공될 수도 있다. 내부 열 교환기는 또한 효율적인 방식으로 이용 가능 열 에너지를 사용하는 것을 허용하고, 따라서 에너지 소비 및 친환경에 관하여 연료 전지 시스템을 개선한다.
전술된 바와 같이, 내부 열 교환기(122)는 동일한 연료 전지 모듈(110)의 부품 내에서 열을 교환하도록 구성된다. 내부 열 교환기는 제1 부분 또는 제1 유체 유동 통로와 제2 부분 또는 제2 유체 유동 통로를 가질 수도 있다. 제1 유체 유동 통로는 바람직하게는 (충전된) 흡기의 유동을 위해 구성되고, 제2 유체 유동 통로는 바람직하게는 배기 가스의 유동을 위해 구성된다. 내부 열 교환기(122)의 제2 부분은 바람직하게는 배기 가스 라인(125) 내에 배열된다. 내부 열 교환기(122)의 제1 부분은 바람직하게는 연료 전지 모듈(110)의 흡기 라인(127) 내에 배열된다. 흡기 라인(127)은 예를 들어 도 2b에 도시되어 있다.
일 실시예에서, 내부 열 교환기(122)는 배기 가스로부터 연료 전지 모듈(110) 내의 흡기로 열을 전달하도록 구성된다. 이 실시예는 연료 전지(111)가 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 같은 고온 연료 전지일 때 특히 유리하다. 이 실시예에서, 내부 열 교환기(122)는 흡기 가열기라 칭할 수도 있다. 내부 열 교환기의 제1 부분은 바람직하게는 연료 전지(111)의 캐소드의 상류에 배열될 수도 있다.
다른 실시예에서, 내부 열 교환기(122)는 연료 전지 모듈(110) 내의 흡기로부터 배기 가스로 열을 전달하도록 구성된다. 열은 터보과급 시스템(150)의 상류의 지점에서 배기 가스로 전달된다. 이 실시예는 연료 전지(111)가 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC)와 같은 저온 연료 전지일 때 특히 유리하다.
이 실시예에서, 내부 열 교환기(122)는 배기 가스 가열기라 칭할 수도 있다. 내부 열 교환기의 제1 부분은 바람직하게는 연료 전지(111)의 캐소드의 상류 및/또는 예비 개질기 또는 개질기의 상류에 배열될 수도 있다(양자 모두는 이하에 또한 더 상세히 설명됨).
실시예에 따르면, 내부 열 교환기(122) 및/또는 외부 열 교환기(180)는 제3 부분 또는 제3 유체 유동 통로를 포함할 수도 있다. 제3 유체 유동 통로는 바람직하게는 연료 또는 물의 유동을 위해 구성된다. 내부 열 교환기(122) 및/또는 외부 열 교환기(180)는 배기 가스 또는 흡기로부터 물 및/또는 연료로 열을 전달하도록 구성될 수도 있다. 달리 말하면, 내부 열 교환기(122) 및/또는 외부 열 교환기(180)의 제1 부분 또는 제2 부분은 제3 부분에 열을 전달하도록 구성될 수도 있다. 고온 연료 및/또는 고온 물 공급이 고온 연료 전지 모듈을 동작시키기 위해 요구되기 때문에, 이 실시예는 연료 전지(111)가 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 같은 고온 연료 전지일 때 특히 유리하다.
추가적으로 또는 대안적으로, 내부 열 교환기(122)는 제1 부분 또는 제1 유체 유동 통로와 제2 부분 또는 제2 유체 유동 통로를 포함할 수도 있다. 제1 유체 유동 통로는 바람직하게는 연료 또는 물의 유동을 위해 구성되고, 반면 제2 유체 유동 통로는 바람직하게는 배기 가스를 위해 구성된다. 내부 열 교환기(122)는 배기 가스로부터 물 및/또는 연료로 열을 전달하도록 구성될 수도 있다. 달리 말하면, 내부 열 교환기(122)의 제2 부분은 제1 부분에 열을 전달하도록 구성될 수도 있다.
연료 전지 모듈(110)은 연료 전지(111)를 연료 공급 인터페이스(115)와 연결하는 연료 공급 라인을 더 포함할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 연료 전지 모듈(110)은 연료 전지 모듈(110)의 하나 이상의 물 공급 인터페이스(114)에 연결되는 하나 이상의 물 공급 라인을 더 포함할 수도 있다. 연료 공급 인터페이스(115) 및 물 공급 인터페이스(들)(114)는 연료 전지 시스템(100), 특히 연료 전지 시스템(100)의 출력 전력의 간단한 스케일링을 용이하게 하기 위해 연료 전지 모듈(110)이 완전 모듈식 시스템으로서 설계될 수 있게 한다. 물은 액체 물 또는 물 증기(수증기)일 수도 있다. 후자의 경우, 연료 전지 모듈의 부분이 아닌 증기 발생기가 물 공급 인터페이스(114)에 수증기를 공급할 수도 있다. 연료 전지 모듈(110)이 2개 이상의 물 공급 인터페이스(114)를 갖는 경우, 물 공급 인터페이스 중 하나는 액체 물을 공급하기 위해 구성될 수도 있고, 물 공급 인터페이스 중 다른 하나는 수증기를 공급하기 위해 구성될 수도 있다. 대안적으로, 연료 전지 모듈(110)은 물 공급 인터페이스(114)를 포함하지 않을 수도 있고, 물은 예로서 이하에 더 설명된 애노드 재순환 송풍기에 의해, 연료 전지(111)에 의해 공급될 수도 있다.
연료는 탄화수소 가스 또는 탄화수소 가스 혼합물을 포함할 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 연료는 수소, 메탄, 액화 천연 가스(LNG), 암모니아, 메탄올 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수도 있다.
연료 전지 모듈(110)은 연료 공급 라인 내에 배열되는 증기 발생기(128), 예비 개질기(126), 개질기 및 시프트 반응기 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다. 추가로, 물 공급 라인은 물 공급 인터페이스(114)를 증기 발생기(128), 예비 개질기(126), 개질기 및 시프트 반응기 중 적어도 하나, 바람직하게는 예비 개질기(126)와 연결할 수도 있다. 출발 물질(연료)은 화학적으로 반응될 수도 있고, 따라서 예비 개질기(126), 개질기 및 시프트 반응기의 상류와 하류의 상이한 가스 혼합물에 대응할 수도 있지만, 연료 공급 인터페이스(115)를 연료 전지와 연결하는 전체 라인은 연료 공급 라인으로서 고려된다.
예비 개질기(126) 및/또는 개질기 및/또는 시프트 반응기는 각각 배기 가스 라인(125) 내에 직렬로 배열될 수도 있다. 예비 개질기(126)는 바람직하게는 개질기 및 시프트 반응기의 상류에 배열된다. 개질기는 바람직하게는 시프트 반응기의 상류에 배열된다. 증기 발생기(128)는 바람직하게는 물 공급 인터페이스(114)의 하류 및 예비 개질기(126) 및/또는 개질기 및/또는 시프트 반응기 및/또는 연료 전지(111)의 상류에 배열된다. 대안적으로, 증기 발생기는 예비 개질기 및/또는 개질기 및/또는 물 가스 시프트 반응기의 구성요소일 수도 있다.
예비 개질기는 특히 고급 탄화수소와 같은 연료의 반응에 의해 메탄을 생성하기 위해 구성될 수도 있다. 개질기는 특히 탄화수소와 같은 연료와 수증기의 반응에 의해 수소 및 일산화탄소를 생성하기 위해 구성될 수도 있다. 시프트 반응기는 물-가스 시프트 화학 반응을 유도하거나 유발하도록 구성될 수도 있다. 시프트 반응기는 반응물 내에 함유된 수소에 비교하여 수소의 양을 증가하도록 구성될 수도 있다. 증기 발생기(128)는 액체 물을 증기로 변환하기 위해 구성될 수도 있다. 증기 발생기는 바람직하게는 내부 열 교환기(122)에 의해 가열된 물과 같은 예열된 물이 공급된다.
연료 전지(111)가 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 같은 고온 연료 전지인 경우, 연료 전지 모듈(110)은 전형적으로 개질기를 포함하지 않을 수도 있고, 특히 연료가 탄화수소 연료를 포함하면, 예비 개질기(126)를 선택적으로 포함할 수도 있다. 연료 전지(111)가 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC)와 같은 저온 연료 전지인 경우, 연료 전지 모듈(110)은 전형적으로 연료가 수소이면 개질기를 포함하지 않을 수도 있지만, 특히 연료가 예로서 나머지 일산화탄소를 산화시키기 위한 메탄 또는 탄화수소 연료를 포함하면, 개질기 및 시프트 반응기를 포함할 수도 있다.
모듈식 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 모듈(110, 410) 및/또는 복합 연료 전지 모듈(210)의 각각의 물 공급 인터페이스(114)에 유체적 및 기계적으로 연결된 물 공급 매니폴드(190)를 더 포함할 수도 있다. 물 공급 매니폴드의 예가 도 6에 도시되어 있다. 물 공급 매니폴드(190)는 복수의 물 공급 모듈(191, 192, 193)을 포함한다. 각각의 물 공급 모듈(191, 192, 193)은 적어도 인접한 물 공급 모듈(191, 192, 193)에 유체적으로 연결되고 기계적으로 해제 가능하게 연결되며 적어도 하나의 물 공급 인터페이스(114)에 해제 가능하게 연결된다. 물 공급 매니폴드(190)는 증기 발생기(128) 및/또는 예비 개질기(126) 및/또는 개질기 및/또는 물 가스 시프트 반응기 및/또는 연료 전지(111)에 물을 공급하기 위해 구성된다.
물 공급 모듈(191, 192, 193)은 유사하게 구조화되고 치수설정된다. 전형적으로, 각각의 물 공급 모듈은 연료 전지 모듈(110)의 동일한 수의 물 공급 인터페이스(114)에, 바람직하게는 하나의 단일 물 공급 인터페이스(114)에 연결된다. 물 공급 매니폴드(190)와 배기 가스 매니폴드(130) 또는 흡기 매니폴드(140)는 대응 방식으로 구조화될 수도 있는데, 예를 들어, 물 공급 매니폴드(190)는 하나 이상의 연결 물 공급 모듈(191), 하나 이상의 말단 물 공급 모듈(193), 및 수원과 연결하기 위한 하나 이상의 유입수 모듈(192)과 같은 복수의 물 공급 모듈(191, 192, 193)을 포함할 수도 있다.
모듈식 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 모듈(110, 410) 및/또는 복합 연료 전지 모듈(210)의 각각의 연료 공급 인터페이스(115)에 유체적 및 기계적으로 연결된 연료 공급 매니폴드를 더 포함할 수도 있다. 연료 공급 매니폴드는 복수의 연료 공급 모듈을 포함한다. 각각의 연료 공급 모듈은 적어도 인접한 연료 공급 모듈에 유체적으로 연결되고 기계적으로 해제 가능하게 연결되며 적어도 하나의 연료 공급 인터페이스(115)에 해제 가능하게 연결된다. 연료 공급 매니폴드는 예비 개질기(126) 및/또는 개질기 및/또는 물 가스 시프트 반응기 및/또는 연료 전지(111)에 연료를 공급하기 위해 구성된다.
연료 공급 모듈은 유사하게 구조화되고 치수설정된다. 전형적으로, 각각의 연료 모듈은 연료 전지 모듈(110)의 동일한 수의 연료 인터페이스(115)에, 바람직하게는 하나의 단일 연료 공급 인터페이스(115)에 연결된다. 연료 공급 매니폴드와 배기 가스 매니폴드(130) 또는 흡기 매니폴드(140)는 대응 방식으로 구조화될 수도 있는데, 예를 들어, 연료 공급 매니폴드는 하나 이상의 연결 연료 공급 모듈, 하나 이상의 말단 연료 공급 모듈, 및 연료원과 연결하기 위한 하나 이상의 유입 연료 모듈과 같은 복수의 연료 공급 모듈을 포함할 수도 있다.
연료 공급 매니폴드 및 물 공급 매니폴드(190)는 가능한 한 적은 유형의 구성요소로 연료 전지 시스템(100), 특히 연료 전지 시스템(100)의 출력 전력의 간단한 스케일링을 용이하게 한다.
실시예에 따르면, 모듈식 연료 전지 시스템(100)은 연료 공급 매니폴드 및/또는 물 공급 매니폴드(190)에 연결된 외부 증기 발생기 및/또는 외부 예비 개질기, 외부 개질기 및 외부 시프트 반응기 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 전술된 바와 같이, "외부"는 연료 전지 모듈의 외부로서 또는 연료 전지 모듈의 부분이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 이 실시예는 전체 연료 전지 시스템(100)에 대해 하나의 단일 증기 발생기 및/또는 하나의 단일 예비 개질기, 및/또는 하나의 단일 개질기 및/또는 하나의 단일 시프트 반응기를 갖는 것을 허용한다. 이 실시예에서, 연료 전지 모듈의 물 공급 라인 및 물 공급 인터페이스(114)는 생략될 수도 있다. 물 공급 매니폴드 대신에, (단일) 물 공급 라인이 외부 증기 발생기 및/또는 외부 예비 개질기 및/또는 외부 개질기 및/또는 외부 시프트 반응기를 외부 수원과 연결할 수도 있다. 외부 예비 개질기, 외부 개질기 및 외부 시프트 반응기 중 적어도 하나는 연료 공급 인터페이스(115)의 상류에 배열될 수도 있다. 외부 증기 발생기, 외부 예비 개질기, 외부 개질기, 외부 시프트 반응기 중 적어도 하나를 갖는 모듈식 연료 전지 시스템은 감소된 수의 구성요소를 갖는 간단한 설계를 허용한다. 더욱이, 연료 전지 모듈을 위한 인터페이스의 수가 감소될 수 있는데, 이는 연료 전지 시스템의 스케일을 유연하게 적응하는 것을 더 용이하게 한다.
모듈식 연료 전지 시스템(100)은 복수의 외부 증기 발생기 및/또는 외부 예비 개질기 및/또는 외부 개질기 및/또는 외부 시프트 반응기를 포함할 수도 있다. 모듈식 연료 전지 시스템(100)은 각각의 연료 공급 모듈에 대해 외부 예비 개질기, 외부 개질기 및 외부 시프트 반응기 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 달리 말하면, 외부 예비 개질기, 외부 개질기 및 외부 시프트 반응기 중 적어도 하나는 각각의 연료 공급 모듈 내에 배열될 수도 있다.
실시예에 따르면, 터보과급 시스템(150)은 적어도 2개의 터보차저를 포함할 수도 있다.
일 예시적인 실시예에서, 적어도 2개의 터보차저는 흡기 매니폴드(140) 및 배기 가스 매니폴드(130)와 병렬로 연결될 수도 있다. 각각의 터보차저는 터빈과 압축기를 포함한다. 적어도 2개의 터보차저 중 하나 이상은 샤프트형 터보차저일 수도 있고, 압축기(152)와 터빈(151)은 샤프트를 통해 기계적으로 결합되고; 또는 대안적으로, 별개의 전기 압축기 및 별개의 전기 터빈을 포함할 수도 있다. 적어도 2개의 터보차저의 각각은 본 명세서에 설명된 바와 같이 외부 열 교환기(180)를 포함할 수도 있다. 흡기 매니폴드(140)의 상류의 흡기의 유로 및/또는 배기 가스 매니폴드(130)의 하류의 배기 가스의 유로는 2개 이상의 병렬 유로로 분할(분기)될 수도 있고, 각각의 터보차저는 병렬 유로 중 하나와 유체 연결된다.
다른 예시적인 실시예에서, 적어도 2개의 터보차저는 흡기 매니폴드 및 배기 가스 매니폴드와 직렬로 연결될 수도 있다. 터보차저 중 하나는 저압 터보차저라 칭할 수도 있고, 터보차저 중 하나는 고압 터보차저라 칭할 수도 있다. 저압 터보차저 및/또는 고압 터보차저는 전기 터보차저일 수도 있고, 특히 별개의 전기 압축기 및 별개의 전기 터빈을 포함한다. 전형적으로, 직렬로 연결된 적어도 2개의 터보차저를 갖는 터보과급 시스템은 본 명세서에 설명된 바와 같이 단지 하나의 외부 열 교환기(180)를 가질 수도 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 터보과급 시스템은 저압 터보차저와 고압 터보차저 사이에 배열된 인터쿨러(intercooler)를 포함할 수도 있거나, 2개 초과의 터보차저의 경우, 터보과급 시스템은 각각의 쌍의 인접한 터보차저 사이에 배열된 인터쿨러를 포함할 수도 있다. 인터쿨러는 제1 부분 또는 제1 유체 유동 통로와 제2 부분 또는 제2 유체 유동 통로를 포함할 수도 있다.
일 예시적인 실시예에서, 제1 유체 유동 통로는 바람직하게는 연료 또는 물의 유동용으로 구성되고, 반면 제2 유체 유동 통로는 바람직하게는 충전된 흡기용으로 구성된다. 제2 유체 유동 통로는 바람직하게는 저압 압축기와 고압 압축기 사이, 또는 인접한 쌍의 압축기 사이에 배열된다. 인터쿨러는 충전된 흡기로부터 물 또는 연료로 열을 전달하도록 구성될 수도 있다. 달리 말하면, 인터쿨러의 제2 부분은 제1 부분에 열을 전달하도록 구성될 수도 있다. 유리하게는, 인터쿨러는 연료 전지 모듈을 동작하기 위해 가열되어야 하는 물 및/또는 연료를 가열하기 위해 충전된 흡기의 열 에너지를 사용하는 것을 허용한다. 이 실시예는 연료 전지가, 고압 터빈으로부터 발생하는 배기 가스가 저압 압축기로부터 발생하는 흡기의 온도 초과의 온도를 가질 수도 있는 고온 연료 전지이고 따라서 인터쿨러를 통해 흡기를 냉각하기 위해 사용될 수 없는 경우에 특히 유리할 수도 있다. 따라서, 인터쿨러는 열 에너지를 대안 방식으로 사용하는 것을 허용한다.
일 예시적인 실시예에서, 제1 유체 유동 통로는 바람직하게는 배기 가스용으로 구성되고, 반면 제2 유체 유동 통로는 바람직하게는 충전된 흡기용으로 구성된다. 제1 유체 유동 통로는 바람직하게는 고압 터빈과 저압 터빈 사이, 또는 인접한 쌍의 터빈 사이에 배열된다. 제2 유체 유동 통로는 바람직하게는 저압 압축기와 고압 압축기 사이, 또는 인접한 쌍의 압축기 사이에 배열된다. 인터쿨러는 충전된 흡기로부터 배기 가스로 열을 전달하도록 구성될 수도 있다. 달리 말하면, 인터쿨러의 제2 부분은 제1 부분에 열을 전달하도록 구성될 수도 있다. 유리하게는, 인터쿨러는 배기 가스를 가열하기 위해 충전된 흡기의 열 에너지를 사용하는 것을 허용하는데, 이는 후속 터빈 스테이지에서 전력과 효율을 증가시킨다. 이 실시예는 연료 전지가, 고압 터빈으로부터 발생하는 배기 가스가 저압 압축기로부터 발생하는 흡기의 온도 미만의 온도를 가질 수도 있는 저온 연료 전지인 경우에 특히 유리할 수도 있다.
전술된 예시적인 실시예는 또한 직렬로 배열된 2개 이상의 터보차저를 각각 갖는 2개 이상의 병렬 터보과급 서브-시스템을 가짐으로써 조합될 수도 있다. 전술된 예시적인 실시예는 또한 단지 하나의 터보차저를 포함하는 터보과급 서브-시스템 중 하나 이상 및 직렬로 배열된 2개 이상의 터보차저를 포함하는 터보과급 서브-시스템 중 하나 이상을 갖는 2개 이상의 병렬 터보과급 서브-시스템을 가짐으로써 조합될 수도 있다.
전형적으로, 각각의 병렬 터보과급 서브-시스템은 전술된 바와 같이, 저압 터보차저와 고압 터보차저 사이에 또는 각각의 쌍의 인접한 터보차저의 사이에 배열된 단지 하나의 외부 열 교환기(180) 및/또는 인터쿨러를 가질 수도 있다.
외부 열 교환기(180)는 특히 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 같은 고온 연료 전지를 사용하는 경우, 최저압 터보차저와 일체로 형성될 수도 있다. 열은 이어서 최저압 터빈(들)의 하류의 위치로부터 연료 전지(들)의 상류의 최고압 스테이지 압축기(들) 뒤의 위치로 전달될 수도 있다.
도 7은 직렬로 배열된 3개의 터보차저를 갖는 터보과급 시스템을 갖는 연료 전지 시스템을 도시하고 있다. 터보과급 시스템은 고압 터빈(153), 중압 터빈(154), 저압 터빈(155), 고압 압축기(156), 중압 압축기(157) 및 저압 압축기(158)를 포함한다. 연료 전지 시스템은 외부 열 교환기를 더 포함한다. 제1 유체 유동 통로는 (충전된) 흡기의 유동을 위해 구성되고, 제2 유체 유동 통로는 배기 가스의 유동을 위해 구성된다. 외부 열 교환기(180)의 제1 부분은 터보과급 시스템의 최고압 압축기(156)의 하류 및 흡기 매니폴드(140)의 상류에 배열된다. 외부 열 교환기(180)의 제2 부분은 터보과급 시스템의 최저압 터빈(155)의 하류에 배열된다. 제2 부분은 바람직하게는 열을 제1 부분에 전달하도록 구성된다. 바람직하게는, 터보과급 시스템은 각각의 쌍의 압축기 사이에 인터쿨러, 즉, 고압 압축기(156)와 중압 압축기(157) 사이에 하나의 인터쿨러, 및 중압 압축기(157)와 저압 압축기(158) 사이에 하나의 인터쿨러를 포함할 수도 있다. 도 7에 도시되어 있는 실시예는 연료 전지(111)가 고온 연료 전지일 때 특히 유리하다.
연료 전지 시스템은 각각의 터보차저를 위한 외부 열 교환기(180)를 포함할 수도 있다. 각각의 외부 열 교환기(180)는 특히 저온 연료 전지를 사용하는 경우, 터보차저 중 하나와 일체로 형성될 수도 있다. 각각의 스테이지에서, 열은 압축기 뒤로부터 대응 터빈의 상류(앞)로 진행할 수도 있다.
도 8은 직렬로 배열된 3개의 터보차저를 갖는 터보과급 시스템을 갖는 연료 전지 시스템을 도시하고 있다. 터보과급 시스템은 고압 터빈(153), 중압 터빈(154), 저압 터빈(155), 고압 압축기(156), 중압 압축기(157) 및 저압 압축기(158)를 포함한다. 연료 전지 시스템은 각각의 터보차저를 위한 외부 열 교환기(180)를 포함한다. 각각의 스테이지에서, 열은 압축기 뒤로부터 대응 터빈의 상류(앞)로 진행한다. 도 8에 도시되어 있는 실시예는 연료 전지(111)가 저온 연료 전지일 때 특히 유리하다.
연료 전지 모듈(110)은 또한 내부 전기 연결 시스템, 및 전기 연결 인터페이스일 수도 있다. 모듈식 연료 전지 시스템은 연료 전지 시스템, 특히 연료 전지 모듈의 동작을 제어하기 위한 제어 시스템, 및 외부 전기 연결 시스템을 포함할 수도 있다. 외부 전기 연결 시스템은 제어 시스템에, 그리고 각각의 연료 전지 모듈(110)의 전기 연결 인터페이스에 연결될 수도 있다.
모듈식 연료 전지 시스템은 냉각 회로를 포함할 수도 있고, 연료 전지 모듈(110)은 입구 및 출구 연결부와 같은 하나 이상의 냉각 회로 인터페이스(들)를 더 포함할 수도 있다. 냉각 유체는 물, 공기 또는 임의의 다른 적합한 냉각제 유체일 수도 있다.
연료 전지 모듈(110)은 애노드 재순환 송풍기(123)를 더 포함할 수도 있는데, 그 예가 도 2b에 도시되어 있다. 애노드 재순환 송풍기(123)는 연료 전지(111)에서 소비되지 않은 수소 및/또는 연료 전지(111)의 애노드로부터 빠져나오는 물을 다시 예비 개질기 및/또는 개질기 및/또는 물 가스 시프트 반응기 및/또는 연료 전지의 연료 입구(예를 들어, 수소 인피드(infeed))로 운반하도록 구성될 수도 있다.
본 개시내용의 연료 전지 시스템은 광대하게 상이한 전력 소비를 갖는 광범위한 상이한 용례를 위해 이용될 수도 있다. 예를 들어, 연료 전지 시스템은 자동차 용례, 뿐만 아니라 열병합 발전(CHP) 용례, 또한 MW 출력 전력을 요구하는 대규모 용례에도 사용될 수도 있고, 극적으로 절감된 비용이 예상될 수 있다.
전술된 내용은 실시예에 관한 것이지만, 다른 및 추가의 실시예가 기본 범주로부터 벗어나지 않고 안출될 수도 있고, 범주는 이어지는 청구범위에 의해 결정된다.
100: 모듈식 연료 전지 시스템
110, 410: 연료 전지 모듈
111: 연료 전지
112, 412: 배기 가스 인터페이스
113, 413: 흡기 인터페이스
114: 물 공급 인터페이스
115: 연료 공급 인터페이스
121: 애프터버너
122: 내부 열 교환기
123: 애노드 재순환 송풍기
124, 224: 하우징
125: 배기 가스 라인
126: 예비 개질기
127: 흡기 라인
130: 배기 가스 매니폴드
131, 132, 133: 배기 가스 모듈
140: 흡기 매니폴드
141, 142, 143: 흡기 모듈
150: 터보과급 시스템
151: 터빈
152: 압축기
153: 고압 터빈
154: 중압 터빈
155: 저압 터빈
156: 고압 압축기
157: 중압 압축기
158: 저압 압축기
160: 배기 가스 서브-매니폴드
161, 162, 163: 배기 가스 서브-모듈
170: 흡기 서브-매니폴드
171, 172, 173 : 흡기 서브-모듈
180: 외부 열 교환기
190: 물 공급 매니폴드
191, 192, 193: 물 공급 모듈
210: 복합 연료 전지 모듈
212: 배기 가스 인터페이스
213: 흡기 인터페이스
310: 연료 전지 서브-모듈
312: 배기 가스 서브-인터페이스
313: 흡기 서브-인터페이스

Claims (16)

  1. 모듈식 연료 전지 시스템(100)이며,
    - 복수의 연료 전지 모듈(110, 410)로서, 각각의 연료 전지 모듈(110, 410)은 연료 전지(111), 연료 전지 모듈(110, 410)에 흡기를 제공하기 위한 흡기 인터페이스(113, 413), 및 연료 전지 모듈(110, 410)로부터 배기 가스를 이격하여 유도하기 위한 배기 가스 인터페이스(112, 412)를 포함하는, 복수의 연료 전지 모듈(110, 410);
    - 연료 전지 모듈(110, 410)의 각각의 흡기 인터페이스(113)에 연결되는 흡기 매니폴드(140)로서, 흡기 매니폴드(140)는 복수의 흡기 모듈(141, 142, 143)을 포함하고, 각각의 흡기 모듈(141, 142, 143)은 적어도 하나의 인접한 흡기 모듈(141, 142, 143)에 해제 가능하게 연결되고 흡기 매니폴드(140)로부터 흡기 인터페이스(113) 중 적어도 하나에 흡기를 제공하기 위해 흡기 인터페이스(113) 중 적어도 하나에 연결되는, 흡기 매니폴드(140);
    - 연료 전지 모듈(110, 410)의 각각의 배기 가스 인터페이스(112)에 연결되는 배기 가스 매니폴드(130)로서, 배기 가스 매니폴드(130)는 복수의 배기 가스 모듈(131, 132, 133)을 포함하고, 각각의 배기 가스 모듈(131, 132, 133)은 적어도 하나의 인접한 배기 가스 모듈(131, 132, 133)에 해제 가능하게 연결되고 배기 가스 인터페이스(112) 중 적어도 하나로부터 배기 가스를 수용하기 위해 배기 가스 인터페이스(112) 중 적어도 하나에 연결되는, 배기 가스 매니폴드(130);
    - 압축기(152) 및 터빈(151)을 갖는 적어도 하나의 터보차저를 포함하는 터보과급 시스템(150)으로서, 터빈(151)은 배기 가스 매니폴드(130)로부터 배기 가스를 수용하기 위해 배기 가스 매니폴드(130)와 유체 연결되어 있고, 압축기(152)는 흡기 매니폴드(140)에 충전된 흡기를 제공하기 위해 흡기 매니폴드(140)와 유체 연결되어 있는, 터보과급 시스템(150)을 포함하는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 복수의 연료 전지 모듈(110, 410)은 제1 연료 전지 모듈(110) 및 제2 연료 전지 모듈(410)을 포함하고, 제2 연료 전지 모듈(410)의 전체 출력 전력은 제1 연료 전지 모듈(110)의 전체 출력 전력보다 크고; 바람직하게는 제2 연료 전지 모듈(410)의 전체 출력 전력은 제1 연료 전지 모듈(110)의 전체 출력 전력의 적어도 2배이고; 더 바람직하게는 제2 연료 전지 모듈(410)의 전체 출력 전력은 제1 유형의 연료 전지 모듈(110)의 전체 출력 전력의 정수배인, 모듈식 연료 전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 연료 전지 서브-모듈(310)을 포함하는 복합 연료 전지 모듈(210)을 더 포함하고, 각각의 연료 전지 서브-모듈(310)은 연료 전지, 연료 전지 서브-모듈(310)에 흡기를 제공하기 위한 흡기 서브-인터페이스(313), 및 연료 전지 서브-모듈(310)로부터 배기 가스를 이격하여 유도하기 위한 배기 가스 서브-인터페이스(312)를 포함하고, 바람직하게는 연료 전지 서브-모듈(310)은 제1 연료 전지 모듈(110)인, 모듈식 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 제2 연료 전지 모듈(410) 및 복합 연료 전지 모듈(210)의 전체 출력 전력은 실질적으로 동일하고; 그리고/또는 제2 연료 전지 모듈(410) 및 복합 연료 전지 모듈(210)은 실질적으로 동일한 크기를 갖는 하우징(224)을 각각 포함하는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 복합 연료 전지 모듈(210)은 흡기 모듈(141, 142, 143) 중 하나를 복수의 연료 전지 서브-모듈(310)의 흡기 서브-인터페이스(313)의 각각과 연결하기 위한 흡기 서브-매니폴드(170); 및 배기 가스 모듈(131, 132, 133) 중 하나를 복수의 연료 전지 서브-모듈(310)의 배기 가스 서브-인터페이스(312)의 각각과 연결하기 위한 배기 가스 서브-매니폴드(160)를 더 포함하는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 흡기와 배기 가스 사이에 열을 교환하기 위해 구성된 외부 열 교환기(180)를 더 포함하는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 외부 열 교환기(180)는 흡기로부터 터빈(151)의 상류의 배기 가스로 열을 전달하도록 구성되는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 외부 열 교환기(180)의 제1 부분은 압축기(152)의 하류 및 흡기 매니폴드(140)의 상류에 배열되고, 외부 열 교환기(180)의 제2 부분은 배기 가스 매니폴드(130)의 하류 및 터빈(151)의 상류에 배열되고, 바람직하게는 제1 부분은 제2 부분에 열을 전달하도록 구성되는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 외부 열 교환기(180)는 터빈(151)의 하류의 배기 가스로부터 압축기(152)의 하류의 흡기로 열을 전달하도록 구성되는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  10. 제6항 또는 제9항에 있어서, 외부 열 교환기(180)의 제1 부분은 압축기(152)의 하류 및 흡기 매니폴드(140)의 상류에 배열되고, 외부 열 교환기(180)의 제2 부분은 터빈(151)의 하류에 배열되고, 바람직하게는 제2 부분은 제1 부분에 열을 전달하도록 구성되고, 선택적으로 터보과급 시스템(150)은 외부 열 교환기(180)를 포함하는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 흡기 매니폴드(140) 및 배기 가스 매니폴드(130)와 병렬로 연결된 적어도 2개의 터보차저를 포함하는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 연료 전지 모듈(110)의 각각은 연료 전지(111)를 배기 가스 인터페이스(112)와 연결하는 배기 가스 라인(125)을 더 포함하고, 배기 가스 라인(125) 내에 배열된 내부 열 교환기(122), 애프터버너(121) 및 산화기 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 더 포함하고; 선택적으로 배기 가스 라인(125) 내에 직렬로 배열된 내부 열 교환기(122) 및 애프터버너(121)를 포함하고, 애프터버너(121)는 바람직하게는 내부 열 교환기(122)의 상류에 있는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 연료 전지 모듈(110)의 각각은 연료 전지(111)를 연료 공급 인터페이스(115)와 연결하는 연료 공급 라인을 더 포함하고, 연료 공급 라인 내에 배열된 증기 발생기(128), 예비 개질기(126), 개질기 및 시프트 반응기 중 적어도 하나를 더 포함하는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 연료 전지 모듈(110, 410)의 각각 및/또는 복합 연료 전지 모듈(210)의 각각은 물 공급 인터페이스(114)를 포함하고, 연료 전지 시스템(100)은:
    - 연료 전지 모듈(110, 410) 및/또는 복합 연료 전지 모듈(210)의 각각의 물 공급 인터페이스(114)에 연결된 물 공급 매니폴드(190)를 더 포함하고, 물 공급 매니폴드(190)는 복수의 물 공급 모듈(191, 192, 193)을 포함하고, 각각의 물 공급 모듈(191, 192, 193)은 적어도 인접한 물 공급 모듈(191, 192, 193)에 해제 가능하게 연결되고 적어도 하나의 물 공급 인터페이스(114)에 연결되는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 연료 전지 모듈(110, 410)의 각각 및/또는 복합 연료 전지 모듈(210)의 각각은 연료 공급 인터페이스(115)를 포함하고, 연료 전지 시스템(100)은:
    - 연료 전지 모듈(110, 410) 및/또는 각각의 복합 연료 전지 모듈(210)의 각각의 연료 공급 인터페이스(115)에 연결된 연료 공급 매니폴드를 더 포함하고, 연료 공급 매니폴드는 복수의 연료 공급 모듈을 포함하고, 각각의 연료 공급 모듈은 적어도 인접한 연료 공급 모듈에 해제 가능하게 연결되고 적어도 하나의 연료 공급 인터페이스(115)에 연결되는, 모듈식 연료 전지 시스템.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 연료 공급 매니폴드 및/또는 물 공급 매니폴드(190)에 연결된 외부 증기 발생기, 외부 예비 개질기, 외부 개질기 및 외부 시프트 반응기 중 적어도 하나를 더 포함하는, 모듈식 연료 전지 시스템.
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