하우징 내의 연료 셀 조립체(FUEL CELL ASSEMBLY IN A HOUSING)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(11) 공개번호 10-2012-0101001
(43) 공개일자 2012년09월12일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
H01M 8/06 (2006.01) H01M 8/24 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2012-7012755
(22) 출원일자(국제) 2010년10월27일
심사청구일자 없음
(85) 번역문제출일자 2012년05월17일
(86) 국제출원번호 PCT/EP2010/006556
(87) 국제공개번호 WO 2011/050949
국제공개일자 2011년05월05일
(30) 우선권주장
10 2009 052 863.6 2009년11월02일 독일(DE)
(71) 출원인
박시 이노테크 게엠베하
독일연방공화국, 20539 함부르그, 아우스슐레가
엘브다이흐 127
(72) 발명자
클로제 필립
독일 22769 함부르크 스트레스만스트라아쎄 13
프랑크 알렉산더
독일 20359 함부르크 세인트 폴리 피쉬막트 5
사이먼 롤프
독일 22769 함부르크 막스-브로워-알리 237
(74) 대리인
유미특허법인
전체 청구항 수 : 총 7 항
(54) 발명의 명칭 하우징 내의 연료 셀 조립체
(57) 요 약
본 발명은, 연료 셀 조립체에 있어서, 환경에 대해 가스 밀폐된 메인 하우징 내부 챔버를 가진 메인 하우징을 포
함하며, 상기 내부 챔버 내에, 하나 이상의 리포머(reformer), 상기 리포머에 열 에너지를 공급하는 리포머
버너, 및 연료 셀 스택이 구비되어 있으며, 상기 메인 하우징은 하나 이상의 공기 연결부를 포함하고, 작동 동안
에 공기를 상기 공기 연결부를 통해 상기 메인 하우징 내부 챔버로 흡입하는 하나 이상의 팬이 구비되어 있는,
연료 셀 조립체에 관한 것이다. 본 발명은, 상기 연료 셀 스택은, 상기 메인 하우징 내부 챔버에 배치된 연료
셀 하우징 내에 배치되어 있고, 상기 연료 셀 하우징은 상기 연료 셀 스택을 작은 거리에서 둘러싸도록 상기 연
료 셀 스택의 형상에 적응되어 있으며, 상기 연료 셀 하우징은, 상기 메인 하우징 내부 챔버에 연결된 하나 이상
의 흡입 개구, 및 상기 팬의 흡입 측에 연결된 출력 라인에 대한 하나 이상의 연결부를 포함하고, 상기 리포머
버너의 입구 개구에 연결된 버너 라인은 상기 팬의 압력 측에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
대 표 도 - 도1
공개특허 10-2012-0101001
- 1 -
특허청구의 범위
청구항 1
연료 셀 장치에 있어서,
하나 이상의 리포머(reformer)가 위치되어 있고, 환경에 대해 가스 밀폐된 메인 하우징 내부(18)를 가진 메인
하우징(12),
상기 리포머에 열 에너지를 공급하는 리포머 버너(22), 및
연료 셀 스택(20)
을 포함하며,
상기 메인 하우징(12)은 하나 이상의 공기 연결부(14, 16)를 포함하고,
작동 동안에 공기를 상기 공기 연결부(14, 16)를 통해 상기 메인 하우징 내부(18)로 흡입하는 하나 이상의 팬
(34)이 구비되어 있으며,
상기 연료 셀 스택(20)은, 상기 메인 하우징 내부(18) 내에 배치된 연료 셀 하우징(26) 내에 배치되어 있고,
상기 연료 셀 하우징(26)은 상기 연료 셀 스택(20)을 가까운 거리에서 둘러싸도록 상기 연료 셀 스택(20)의 형
상에 적응되어 있으며,
상기 연료 셀 하우징(26)은, 상기 메인 하우징 내부(18)에 연결된 하나 이상의 흡입 개구(28, 30), 및 상기 팬
(34)의 흡입 측에 연결된 흡입 라인(36)에 대한 하나 이상의 연결부(32)를 포함하고,
상기 리포머 버너(22)의 입구 개구(38)에 연결된 버너 라인(40)은 상기 팬(34)의 압력 측에 연결되어 있는,
연료 셀 장치.
청구항 2
제1항에 있어서,
상기 연료 셀 장치의 하나 이상의 다른 컴포넌트(46)는, 상기 메인 하우징 내부(18)에 배치된 별개의 하우징
(44) 내에 배치되어 있고,
상기 별개의 하우징(44)은 상기 다른 컴포넌트(46)를 가까운 거리에서 둘러싸도록 상기 다른 컴포넌트(46)의 형
상에 적응되어 있으며,
상기 별개의 하우징(44)은 또한 상기 흡입 라인(36)에 대한 연결부를 가지지만, 다르게는 상기 메인 하우징 내
부(18)로부터 가스 밀폐 밀봉되어 있는,
연료 셀 장치.
청구항 3
제1항 또는 제2항에 있어서,
센서 디바이스(56) 및 제어 디바이스(58)를 더 포함하며,
상기 센서 디바이스(56)는, 상기 리포머 버너(22)의 연소량을 특징짓는 측정된 양을 반복적으로 기록하고,
상기 제어 디바이스(58)는 상기 측정된 양을 설정점과 지속적으로 비교하고, 편차가 있는 경우에는, 상기 측정
된 양이 상기 설정점을 다시 갖도록, 상기 팬(34)을 제어하는,
연료 셀 장치.
청구항 4
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
공개특허 10-2012-0101001
- 2 -
하나 이상의 농축 트랩(50)은, 상기 리포머에 의해 제공된 개질 가스를 이송하기 위해 상기 리포머에 연결된 개
질 라인 내에 배치되어 있고, 상기 개질 라인으로부터 액체 용기(54) 내로 흐르는 개질 가스 흐름으로부터 분리
된 액체 응축물을 배출하기 위해 상기 흡입 라인(36)에 연결된 배출 라인(48)에 응축 라인(84)을 통해 연결될
수 있는, 연료 셀 장치.
청구항 5
제4항에 있어서,
상기 배출 라인(48)은 상기 흡입 라인(36) 및/또는 상기 농축 라인(84)보다 큰 단면을 가지고 있는, 연료 셀 장
치.
청구항 6
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 배출 라인(48)은 사이펀(52)에 연결되어 있고,
상기 사이펀(52)의 트랩 밀봉 높이는, 상기 팬(34)이 최대 출력에 있을 때에도 액체가 상기 흡입 라인(36) 내로
흡입되는 것을 방지하고 및/또는 최대 유출로부터 발생되는 초과압력에 의해 상기 농축 트랩이 배출하는 것을
방지하기에 충분한 높은, 연료 셀 장치.
청구항 7
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체 용기(54)는, 액체가 오버플로우로부터 배출될 수 있도록, 오버플로우를 가지고 있는, 연료 셀 장치.
명 세 서
기 술 분 야
본 발명은, 연료 셀 장치에 있어서, 하나 이상의 리포머(reformer)가 위치되어 있고, 환경에 대해 가스 밀폐된[0001]
메인 하우징 내부를 가진 메인 하우징, 상기 리포머에 열 에너지를 공급하는 리포머 버너, 및 연료 셀 스택을
포함하며, 상기 메인 하우징은 하나 이상의 공기 연결부를 포함하고, 작동 동안에 공기를 상기 공기 연결부를
통해 상기 메인 하우징 내부로 흡입하는 하나 이상의 팬이 구비되어 있는, 연료 셀 장치에 관한 것이다.
배 경 기 술
그러한 연료 셀 장치는 예를 들면 연료 셀 가열기로서 작용한다. 안전상의 이유로, 상기 장치 내의 컴포넌트로[0002]
부터의 외부 유출(external leakage)은 제어되어야 한다. 특히, 수소와 같은 나올 수 있는 유출 가스는, 절대
로 피하여야 하는 메인 하우징 내에 포함되는 공기와의 가연성 혼합물을 형성할 수 있다. 따라서, 종래기술에
서, 적절한 시간에 심각한 수소 유출을 식별하기 위해 하우징 내에 수소 센서를 구비하는 것이 공지되어 있다.
그러나 이것은 복잡하다. 또한, 개별적 컴포넌트로부터 나오는 유출 가스를 인출하기 위해 팬에 의해 하우징
내에 진공을 발생시키는 것이 공지되어 있다. 그러나, 이러한 프로세스 동안에, 가연성 가스가 수집될 수 있는
통상적으로 사각형인 하우징 내에 무효 공간이 발생한다. 따라서, EP 1 397 843 B9은, 상기 하우징이 컴포넌트
들을 작은 거리에서 둘러싸도록, 연료 셀 장치의 하우징의 형상을 상기 장치의 컴포넌트들의 위치에 적응시키는
것을 제안하였다. 이러한 방식으로 무효 공간은 피할 수 있다. 하우징을 통해 흐르는 공기는 프로세싱 가스로
서 연료 셀의 스택에 공급된다. 또한, 하우징 내의 공기는 연료 셀 장치의 저온 컴포넌트로부터 고온 컴포넌트
로 흐르도록 되어 있다. 이러한 해결 방안은 실제로 유출의 향상된 제어를 제공한다. 그러나, 하우징의 구조
적 디자인 및 하우징 내의 컴포넌트의 배치는 실질적으로 제한된다.
발명의 내용
해결하려는 과제
상술한 종래기술로부터 진행하여, 본 발명의 목적은, 하우징 디자인 및 하우징 내의 컴포넌트의 배치에 대해 상[0003]
공개특허 10-2012-0101001
- 3 -
당한 융통성을 가진 간단하고 신뢰성 있는 유출 제어를 가능하게 하는 서두에서 언급한 형태의 연료 셀 장치을
제공하는 것이다.
과제의 해결 수단
이러한 목적은 청구항 제1항의 주제에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 바람직한 실시예는 종속항, 상세설명 및[0004]
도면에서 알 수 있다.
서두에 언급한 형태의 연료 셀 장치를 위해, 상기 목적은, 상기 연료 셀 스택은, 상기 메인 하우징 내부 내에[0005]
배치된 연료 셀 하우징 내에 배치되어 있고, 상기 연료 셀 하우징은 상기 연료 셀 스택을 가까운 거리에서 둘러
싸도록 상기 연료 셀 스택의 형상에 적응되어 있으며, 상기 연료 셀 하우징은, 상기 메인 하우징 내부에 연결된
하나 이상의 흡입 개구, 및 상기 팬의 흡입 측에 연결된 흡입 라인에 대한 하나 이상의 연결부를 포함하고, 상
기 리포머 버너의 입구 개구에 연결된 버너 라인은 상기 팬의 압력 측에 연결되어 있는, 본 발명에 의해 달성된
다.
연료 셀 장치는, 자체적으로 공지되어 있는 연료 셀 가열기일 수 있다. 상기 장치의 메인 하우징은 하나 이상[0006]
의 공기 연결부를 제외하고는 환경으로부터 밀봉된다. 둘러싸는 공기는 하나 이상의 공기 연결부를 통해 메인
하우징 내로 흡입될 수 있다. 따라서, 상기 하나 이상의 연결부는, 특히 간단한 방식으로, 메인 하우징의 환경
에 대한 유일한 개구가 될 수 있다. 리포머(reformer)는 자체적으로 공지된 방식으로 탄화수소의 수소 풍부 가
스를 발생시키는 작용을 한다. 예를 들면, 리포머는 개질 프로세스(reforming process)에서 천연 가스로부터
수소를 얻을 수 있다. 개질 프로세스는 비교적 높은 온도를 필요로 한다. 이들은 리포머 버너에 의해 발생된
다. 리포머 버너는 연소 프로세스를 수행하고, 발생되는 열은 리포머로 공급된다. 공기와 연소 가스의 혼합물
은 연소 프로세스에서 태워진다. 버너에 의해 태워진 공기는 팬에 의해 흡입된 공기이다. 리포머에 의해 공급
된 수소 풍부 가스는 제1 프로세스로서 연료 셀의 스택에 공급된다. 또한, 연료 셀 스택에 제2 프로세스 가스
로서 공기가 공급된다. 특히, 연료 셀 스택에 프로세스 가스로서 공급되는 공기는, 메인 하우징의 공기 연결부
를 통해 팬에 의해 흡입되는 공기가 아니다. 대신에, 공기는 바람직하게 다른 소스로부터 연료 셀 스택에 공급
된다. 팬은 또한 메인 하우징에도 배치될 수 있다.
본 발명에 따라, 연료 셀 스택은 메인 하우징 내의 별개의 연료 셀 하우징 내에 배치된다. 연료 셀 스택만 연[0007]
료 셀 하우징에 배치할 수 있다. 이러한 별개의 하우징은 연료 셀 스택을 밀접하게 둘러싼다. 하우징 벽과 연
료 셀 스택 사이에 좁은 갭만 남겨진다. 상기 갭은 기본적으로 연료 셀 스택의 전체 외면과 연료 셀 하우징 사
이에 있거나, 연료 셀 스택의 하나 이상의 유출 임계(leakage-critical) 외면들 사이에만 있을 수 있다. 또한,
본 발명에 따라, 한편으로는 팬의 흡입 측에 연결되고 다른 한편으로는 연료 셀 하우징의 연결부에 연결되는 흡
입 라인이 구비된다. 연료 셀 하우징은 메인 하우징에 대한 하나 이상의 흡입 개구를 가진다. 또한, 공기의
특히 균일한 흡입을 위해 복수의 흡입 개구가 구비될 수 있다. 공기는 하나 이상의 흡입 개구를 통해 연료 셀
하우징을 통해 메인 하우징으로부터 흡입되며, 흡입 라인을 통해 리포머 버너로 공급된다. 팬은 흡입 라인 내
에 진공을 발생시키며, 진공은 그에 따라 연료 셀 하우징 및 메인 하우징 내에도 발생된다. 따라서 공기의 일
부의 볼륨은 연료 셀 스택 주위로 흐른다. 리포머 버너는, 변할 수 있는 양의 유출을 완전히 태울 수 있다.
팬은 특히 상기 장치에 있어서 진공을 발생시키는 유일한 디바이스이고 흡입 라인을 통해 공기만 흡입할 수 있
다. 리포머에 공급되는 전체 공기 흐름 볼륨은 메인 하우징의 하나 이상의 공기 연결부를 통해 유입된다는 점
에서 메인 하우징으로부터 발생될 수 있다.
상기 전체 공기 흐름 볼륨은 연료 셀 스택의 외면과 연료 셀 하우징의 대응 내면 사이에서 안내된다. 이와 관[0008]
련하여, 연료 셀 스택이 연료 셀 하우징에 의해 밀접하게 둘러싸이거나 연료 셀 스택과 연료 셀 하우징의 벽 사
이의 거리가 작다는 것은, 공기가 연료 셀 하우징을 통해 흡입될 때, 스택과 하우징 벽 사이에 무효 공간이 기
본적으로 없다는 것을 뜻한다. 가스 연결부의 영역으로부터의 가스를 포함하여 연료 셀 스택에서의 가능한 외
부 유출의 경우에 연료 셀 스택을 떠나는 모든 가스는 취출되어 흡입 라인을 통해 리포머 버너로 공급된다. 연
료 셀 스택으로부터의 외부 유출은 따라서 용이하게 제어될 수 있다. 예를 들면, 연료 셀 하우징 벽과 연료 셀
스택 사이의 최대 거리는 10cm, 바람직하게 5cm일 수 있다.
연료 셀 장치의 나머지 컴포넌트, 특히 리포머, 리포머 버너, 및 가능하게 추가적 컴포넌트는 메인 하우징 내에[0009]
있고, 별개의 하우징을 가질 필요가 없다. 따라서, 이들 추가적 컴포넌트는 메인 하우징 내에 상당히 자유롭게
분포될 수 있고, 하우징 벽과 이들 컴포넌트들 사이의 거리 역시 연료 셀 스택과 연료 셀 하우징 사이에서보다
훨씬 클 수 있다. 그에 따라, 메인 하우징을 통해 공기를 흡입할 때 이들 거리의 영역에 무효 공간이 존재할
수 있다. 본 발명은, 특히 연료 셀 스택과 관련하여 외부 유출이 안전에 영향을 미친다는 지식에 기초한 것이
공개특허 10-2012-0101001
- 4 -
다. 이것은, 본 발명에 따라, 종래 기술의 구조적 제한 없이 신뢰성 있는 방식으로 제어된다. 예를 들면, 하
우징 내의 연료 셀 스택의 장치는 매우 융통성이 있을 수 있다. 연료 셀 스택은 종래 기술에서와 같이 메인 하
우징을 통한 공기의 주 흐름의 통로 내에 배치되어야 할 필요가 없다. 메인 하우징의 하나 이상의 공기 연결부
와 연료 셀 장치의 나머지 컴포넌트는 하우징 내에 상당히 자유롭게 분포될 수 있다. 메인 하우징은 사각형 형
상과 같은 간단하고 실제적인 형상을 가질 수 있다. 유출 가스를 위한 정의된 흐름 통로는, 연료 셀 하우징을
통해 흡입되는 공기를 환경에 대해 가스 밀폐된 흡입 라인 및 버너 라인을 통해 리포머 버너로 공급함으로써 제
공된다. 이것은, 연료 셀 스택으로부터 오는 임의의 연소성 유출 가스가 메인 하우징 내의 잠재적 점화원에 걸
쳐 흐를 수 없는 것을 확실하게 한다. 또한, 유출 가스가 리포머 버너 내에서 타기 때문에, 환경 내로의 릴리
스가 방지된다.
일실시예에 따라, 상기 연료 셀 장치의 하나 이상의 다른 컴포넌트는, 상기 메인 하우징 내부에 배치된 별개의[0010]
하우징 내에 배치되고, 상기 별개의 하우징은 상기 다른 컴포넌트를 가까운 거리에서 둘러싸도록 상기 다른 컴
포넌트의 형상에 적응되며, 상기 별개의 하우징은 또한 상기 흡입 라인에 대한 연결부를 가지지만, 다르게는 상
기 메인 하우징 내부로부터 가스 밀폐 밀봉될 수 있다. 따라서, 별개의 하우징은, 연료 셀 하우징을 통해 메인
하우징 내부에 연결된 흡입 라인에 대한 연결부를 제외하고는 메인 하우징 내부에 대한 연결부를 가질 필요가
없다. 따라서, 팬에 의해 흡입되는 공기는 별개의 하우징을 통해 흐르지 않는다. 팬은, 흡입 라인 내에 메인
하우징 내부에 대한 연결부 및 리포머 버너에 대한 연결부 없이, 별개의 하우징을 포함하여 잠재적 유출 가스를
가두는 흡입 라인 내에 진공을 발생시킨다. 다르게는, 별개의 하우징은 연료 셀 하우징처럼 디자인될 수 있다.
상기 연료 셀 장치는 센서 디바이스 및 제어 디바이스를 더 가질 수 있으며, 상기 센서 디바이스는, 상기 리포[0011]
머 버너의 연소량을 특징짓는 측정된 양을 반복적으로 기록하고, 상기 제어 디바이스는 상기 측정된 양을 설정
점과 지속적으로 비교하고, 편차가 있는 경우에는, 상기 측정된 양이 상기 설정점을 다시 갖도록, 상기 팬을 제
어한다. 연소 품질은, 예를 들면 연소 품질의 특징적 양으로서 플레임(flame)의 전도성을 측정하는 탐침을 사
용하여 자체적으로 공지된 방식으로 모니터링될 수 있다. 또한, 예를 들면 연소 품질의 특징적인 양으로서 리
포머 버너에 공급되는 공기/가스 혼합물 내의 산소의 퍼센티지를 정량화하는 산소 센서를 생각할 수 있다. 센
서 디바이스의 측정된 값이 설정점으로부터 허용 불가하게 예를 들면 규정된 임계치보다 크게 편차되면, 제어
디바이스는, 탐침의 측정된 값이 설정점에 다시 대응할 때까지, 연소 가스/공기 혼합물을 변화시키기 위해 팬을
제어한다. 연료 셀 스택으로부터의 가스 유출의 시간 및 양은 기본적으로 예측 불가하다. 리포머 버너에 공급
되는 연소 공기의 조성은 그에 따라 예측 불가하다. 사전 혼합 버너의 이러한 디자인에 의해, 가스 품질이 매
우 변동될 때에도, 리포머 버너 내에서의 적절한 태움이 항상 가능하다. 본 발명에 따라, 유출의 양은 따라서
기본적으로 임의의 레벨이 될 수 있다. 필요시에는, 제어 디바이스는 리포머 버너로의 별도의 연소 가스의 공
급을 차단하고 연료 셀 가열기를 안전 상태로 스위칭할 수 있다. 예를 들면, 더 높은 레벨의 안전 제어 시스템
은 제어 회로를 모니터링하고, 필요시에는 연료 셀 가열기를 위한 메인 가스 밸브를 차단할 수 있다.
다른 실시예에 따라, 하나 이상의 농축 트랩은, 상기 리포머에 의해 제공된 개질 가스를 이송하기 위해 상기 리[0012]
포머에 연결된 개질 라인(reformate line) 내에 배치될 수 있고, 상기 개질 라인으로부터 액체 용기 내로 흐르
는 개질 가스 흐름으로부터 분리된 액체 응축물을 배출하기 위해 상기 흡입 라인에 연결된 배출 라인에 응축 라
인을 통해 연결될 수 있다. 개질물(reformate)은, 리포머에 의해 제공되는 개질 가스를 연료 셀 스택으로 공급
한다.
(내부) 유출을 위한 중요한 컴포넌트는 흡입 라인에 의해 정의되는 흐름 통로에 연결될 수 있다. 내부 유출은[0013]
흡입 라인 내의 진공에 의해 리포머 버너에 갇힌다. 이들 중요한 컴포넌트는 또한, 자체적으로 공지된 방식으
로 개질 라인으로부터 액체 응축물을 수집하는 응축 트랩을 포함한다. 그러나, 유출이 있을 때, 응축 트랩으로
부터 오는 응축물의 흐름은 또한 유출 가스를 포함할 수 있다. 그러면 이들은 또한 액체 용기에 유입될 수 있
다. 액체 용기는 통상적으로 메인 하우징 내부로 개방된다. 따라서, 임의의 유출 가스가 응축 트랩을 통해 액
체 용기 내로, 또한 액체 용기로부터, 유출 가스가 연소성 혼합물을 형성할 수 있는 메인 하우징 내부로 통과할
수 없는 것을 확실하게 할 필요가 있다. 이것은 본 발명의 실시예에 의해 제한된다. 유출 가스가, 응축 라인
으로부터 배출 라인으로 통과하는 응축 트랩으로부터의 응축물 흐름 내에 존재하면, 가스는, 연소성 혼합물의
형성을 신뢰성 있게 방지하는 흡입 라인 내에 갇힌다.
상기 배출 라인은 상기 흡입 라인 및/또는 상기 농축 라인보다 큰 단면을 가질 수 있다. 확대된 직경은, 더 느[0014]
린 공간 속도로 인해 액체 응축물이 유출 가스로부터 분리될 수 있는 수집 존을 제공한다. 배출 라인은 또한,
임의의 유출 가스가 흡입 라인 내에 갇히는 동안에 내부의 응축물이 중력 하에 배출되도록, 액체 용기를 향한
방향으로 90%에 달하는 경사를 가질 수 있다. 이것은, 응축물이 흡입 라인 내에 갇히지 않고 액체 용기 내로
공개특허 10-2012-0101001
- 5 -
배출되는 것을 확실하게 한다. 배출 라인의 단면은 특히 응축 라인의 단면의 2배보다 클 수 있다. 배출 라인
을 통한 관류(perfusion)를 방지하기 위해, 배출 라인과 액체 용기 사이에, 액체 용기를 흡입 라인으로부터 가
스 밀폐 상태로 분리하는 사이펀이 배치될 수 있다. 상기 사이펀의 트랩 밀봉 높이는, 상기 팬이 최대 출력에
있을 때에도 액체가 상기 흡입 라인 내로 흡입되는 것을 방지하고 및/또는 최대 유출로부터 발생되는 초과압력
에 의해 상기 농축 트랩이 배출되는 것을 방지하기에 충분한 높을 수 있다. 따라서, 최대 초과압력 및 과소압
력(underpressure)은 사이펀이 배출하거나 물이 팬으로 공급되게 하지 않는다. 처리 후에, 액체 용기로부터의
물은 연료 셀 가열기 프로세스에서 재사용될 수 있다. 또한, 액체 용기는, 액체가 오버플로우로부터 배출될 수
있도록, 오버플로우를 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예를 아래에서 도면을 참조하여 더 상세히 설명한다.[0015]
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명에 따른 연료 셀 장치의 수직 단면도이다.[0016]
도 2는, 도 1의 장치 내에 구비되는 응축 트랩의 확대도이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
다르게 규정하지 않으면, 동일한 도면 부호는 도면에서 동일한 물체를 나타낸다. 도 1에 도시된 연료 셀 장치[0017]
는, 2개의 공기 연결부(14, 16)를 제외하고는 메인 하우징(12)의 주변에 대해 가스 밀폐되는 메인 하우징 내부
(18)를 가진 사각형 메인 하우징(12)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 공기 연결부(14, 16)는 메인 하우징(1
2)의 상부에 구비된다. 공기 연결부는 교대적으로 또는 집합되어 구비될 수 있다. 이것은 자체적으로 공지되
어 있다. 연료 셀 장치의 복수의 컴포넌트는 메인 하우징(12) 내에 있으며, 간결성을 위해 그 중 몇 개만 도 1
에 도시되어 있다. 메인 하우징(12)은, 연료 셀 스택(20), 및 역시 메인 하우징(12) 내에 배치되는 리포머
(reformer)(87)를 포함하며, 메인 하우징(12)은, 열 에너지를 공급하는 리포머 버너(22)를 가진다. 리포머 버
너(22)는, 메인 하우징(12)으로부터 연장되는 배기 라인(24)을 가진다. 도 1에서, 공기 연결부(16)는 파이프-
인-파이프(pipe-in-pipe) 시스템으로서 디자인되어, 내부 파이프는 배기 라인(24)에 의해 형성되고, 외부 파이
프는 공기 입구를 형성한다. 따라서, 연료 셀 스택(20)은, 바박을 제외하고는 모든 측면이 가까운 거리에서,
메인 하우징(12) 내에 배치되는 별개의 연료 셀 하우징(26)에 의해 둘러싸인다. 바닥에서, 연료 셀 스택(20)은
또한 연료 셀 하우징(26)에 의해 둘러싸이지만, 거리를 두고 있지 않다. 도시된 실시예에서, 연료 셀 하우징
(26)은, 메인 하우징 내부(18)에 연결되는 2개의 흡입 개구(28, 30)를 가진다. 물론, 2개 이상의 흡입 개구가
구비될 수 있거나, 자연적으로 1개의 흡입 개구만 구비될 수 있다. 또한, 연료 셀 하우징(26)은, 팬(34)의 흡
입측에 연결되는 흡입 라인(36)에 대한 1개의 연결부(32)를 가진다. 버너 라인(40)은, 리포머 버너(22)의 입구
개구(38)에 연결되는 팬(34)의 압력측에 연결된다. 또한, 다른 별개의 하우징(44)이, 도시된 실시예의 상부 영
역에서 흡입 라인(36)으로부터 분기되는 라인(42)을 통해 메인 하우징 내부(18)에 배치된다. 하우징(44) 내에,
작동 동안에 가스를 유출시킬 수 있는 연료 셀 장치의 임의의 수의 추가적 컴포넌트(46)가 있다. 별개의 하우
징(44)과 연료 셀 하우징(26)의 형상은 컴포넌트(46) 또는 각각 연료 셀 스택(20)을 가까운 거리에서 둘러싸도
록, 별개의 하우징(44)과 연료 셀 하우징(26) 내의 컴포넌트(46) 또는 연료 셀 스택(20)에 적응된다. 연료 셀
(20)은 한편으로는 리포머에 의해 제공되는 수소 풍부 가스가 공급되고, 다른 한편으로는 작동을 위해 라인(도
시되지 않음)을 통해 둘러싸는 공기와 같은 공기가 공급된다.
또한, 배출 라인(48)은 팬(34)과 분기 라인(42) 사이의 흡입 라인(36)에 연결되는 것을 알 수 있다. 매우 간략[0018]
하게 도시된 3개의 농축 트랩(50) 각각은 도시된 실시예에서 1개의 응축 라인(84)을 통해 배출 라인(48)에 연결
된다. 응축 트랩(50)은, 역시 메인 하우징(12) 내에 배치되는 리포머(87)의 개질 라인(reformate line)(85)
내에 배치된다. 흡입 라인(36)으로부터 멀어지는 방향으로 향한 개질 라인(85)의 단부에서, 배출 라인(48)은,
액체 용기(54)에 연결되는 사이펀(52)으로 종료된다. 배출 라인(48)은 사이펀을 향해 하향 경사진다. 마지막
으로, 리포머 버너(22)에, 버너(22)의 연소 품질을 위한 특징적인 양(characteristic quantity)을 지속적으로
측정하는 센서 디바이스(56)가 할당된다. 연소 품질은, 버너(22)에 공급되는 공기/연소 가스 혼합물에 대해 정
보를 제공한다. 따라서, 버너(22)에, 아래에서 더 설명되는 방식으로 흡입 라인(36) 및 버너 라인(40)을 통해
유출 가스로 풍부하게 될 수 있는 공기가 공급된다. 또한, 연소 가스는 라인(도시되지 않음)을 통해 버너(22)
에 공급된다. 연소 가스는 또한 예를 들면 버너 공기 팬 앞에서 공급될 수 있다. 공기/연소 가스 혼합물은 리
포머 버너(22) 내에서 연소된다. 센서 디바이스(56)로부터 특정된 값은, 도 1에서 화살표(58)로 표시된 팬(3
4)의 출력을 제어할 수 있는 제어 디바이스(도시되지 않음)로 보내어진다. 이것은 아래에서 더 설명될 것이다.
공개특허 10-2012-0101001
- 6 -
상기 디바이스는 다음과 같이 작용한다. 작동 동안에, 팬(34)은 흡입 라인(36)에, 따라서 또한 연료 셀 스택[0019]
(20)을 둘러싸는 연료 셀 하우징(26) 사이의 갭 내에 진공을 발생시킨다. 이러한 진공은, 메인 하우징 내부
(18)로부터 오는 공기는 흡입 개구(28, 30)를 통해 연료 셀 스택(20)을 지나 흐르고 또한 연결부(32)를 통해 흡
입 라인(36)으로 흐르는 것을 확실하게 한다. 이것은 도 1에 화살표(60, 62)에 의해 표시되어 있다. 진공은
또한 메인 하우징 내부(18)에서 발생하여, 둘러싸는 공기가, 도 1에 화살표(64, 66)에 의해 표시되어 있듯이,
공기 연결부(14, 16)를 통해 메인 하우징 내부(18)로 흐른다. 연료 셀 하우징(26)의 벽들과 연료 셀 스택 사이
의 작은 거리는 무효 공간이 발생하는 것을 방지한다. 대신에, 공기는 연료 셀 하우징(26)의 벽으로부터 소정
거리에서 연료 셀 스택(20)의 모든 표면에 걸쳐 흐른다. 공기가 연료 셀 스택(20)에 걸쳐 흐를 때, 연결부의
영역으로부터 오는 유출 가스를 포함하여 연료 셀 스택(20)으로부터 나올 수 있는 모든 유출 가스는, 도 1에 화
살표(68)에 의해 도시된 바와 같이 흡입 라인(36) 내에 갇힌다. 유출 가스가 풍부하게 될 수 있는 공기는 흡입
라인(36)을 통해 팬(34)의 흡입측으로 흐르고, 또한 팬(34)의 압력측으로부터 버너 라인(36)을 통해 리포머 버
너(22)의 입구 개구(38)로 흐르며, 필요시에는, 공기는 리포머 버너(22)에서 연소 가스와 함께 연소된다. 흡입
라인(36) 내의 진공은 흡입 라인(36)으로부터 분기되는 라인(42) 내로 분산되어, 진공은 또한 다른 컴포넌트
(46)와 별개의 하우징(44) 사이에서도 발생하고, 경우에 따라서는, 이들 컴포넌트(46)로부터 발생하는 유출 가
스를 가둔다. 또한, 하우징(44)의 벽과 컴포넌트(46) 사이의 작은 거리는 무효 공간이 발생하는 것을
방지한다. 임의의 이용 가능한 액체 응축물은, 개질 라인(85)을 통해 흐르는 가스로부터 응축 트랩(50)에 의해
분리된다. 이것은, 도 1에 화살표(70)에 의해 도시되어 있듯이, 응축 라인(84)을 통해 배출 라인(48)으로 흐르
고, 배출 라인으로부터 사이펀(52)을 통해 액체 용기(54) 내로 흐른다. 응축 트랩(50) 내에 발생할 수 있는 임
의의 유출 가스는, 대조적으로, 화살표(72)에 의해 표시되어 있듯이, 흡입 라인(36)으로부터 발생하는 진공에
의해 인출된다. 사이펀(52)은, 최대 팬 출력 하에서도, 응축물이 흡입 라인(36) 내로 흡입되는 것을 방지하기
에 충분히 높은 트랩 밀봉 높이를 가진다. 배출 라인(48)과 사이펀의 구조는, 예를 들면, 팬(34)이 최대로 작
동될 때에도, 물이 사이펀(52)으로부터 배출 라인(48)을 통해 흡입 라인(36)으로 들러갈 수 없도록, 충분한 높
이로 디자인된다. 센서 디바이스(56) 및 관련 제어 디바이스는, 리포머 버너(22)가 연소를 위한 고유의 공기/
연소 가스 혼합물을 항상 수용하는 것을 확실하게 한다. 물론, 도 1에 도시된 컴포넌트 외에도 다른 컴포넌트
도 메인 하우징 내에 배치될 수 있다.
도 2는, 도 1로부터의 응축 트랩(50)의 예의 추가적 상세 확대도이다. 연소 가스 통로에 배치되는 응축 트랩[0020]
(50)은, 화살표(74)로 표시된 바와 같은 물 함유 연소 가스와 같은 공급된 액체 응축물이다. 가스는 트랩(50)
내의 액체로부터 분리된다. 개질 라인(85)을 통해, 액체로부터 분리되는 연소 가스는, 화살표(76)로 표시된 바
와 같이 응축 트랩(50)으로부터 흘러나온다. 응축 트랩(50)은, 액체의 레벨에 따라 상승 또는 하강하는 플로우
트(float)(78)를 가진다. 플로우트(78)의 하부 측에서, 플로우트(78)는, 응축 트랩(50)의 바닥에 있는 대응 밀
봉 시트(82) 내로 삽입될 때, 응축 라인(84)에 대한 연결부를 릴리스 또는 폐쇄시키는 밀봉 본체(80)를 가진다.
도 2에 도시된 예에서, 응축 트랩(50) 내의 액체의 레벨은, 플로우트(78)와 밀봉 본체(80)가 밀봉 시트(82)로부
터 제거되어, 액체가 응축 라인(84)을 통해 주어진 높이로 흐를 수 있게 하는 레벨에 도달하였으며, 그 때 플로
우트(78)의 밀봉 본체(80)는 밀봉 시트(82)로 되돌려 하강한다. 응축 트랩(50) 내의 액체의 레벨은 이러한 방
식으로 대역 내에서 일정하게 유지될 수 있다. 배출 라인(48)과 사이펀(52)(간결성을 위해 도 2에 도시되지 않
음)에 의해, 분리된 액체 부분은 용기(54) 내로 흐른다.
공개특허 10-2012-0101001
- 7 -
도면
도면1
도면2
공개특허 10-2012-0101001
- 8 -