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KR102495975B1 - 가스 분배 모듈 및 이를 구비하는 연료전지 시스템 - Google Patents

가스 분배 모듈 및 이를 구비하는 연료전지 시스템 Download PDF

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KR102495975B1
KR102495975B1 KR1020180048761A KR20180048761A KR102495975B1 KR 102495975 B1 KR102495975 B1 KR 102495975B1 KR 1020180048761 A KR1020180048761 A KR 1020180048761A KR 20180048761 A KR20180048761 A KR 20180048761A KR 102495975 B1 KR102495975 B1 KR 102495975B1
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fuel
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Abstract

복수의 연료전지 모듈에 반응 가스 공급하는 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈이 개시된다. 가스 분배 모듈은 제1 내부공간을 구비하는 제1 챔버, 제1 내부공간을 둘러싸는 제2 내부공간을 구비하는 제2 챔버, 제1 내부공간에 상기 반응 가스를 공급하는 제1 가스 배관, 제1 내부공간과 연료전지 모듈들을 연결하고 연료전지 모듈들에 반응 가스를 각각 공급하는 복수의 제2 가스 배관들, 연료전지 모듈들로부터 배출된 배기가스를 공급받아 제2 내부공간에 공급하는 제3 가스 배관 및 제2 내부공간으로부터 배기가스를 배출하는 제4 가스 배관을 포함한다. 이러한 가스 분배 모듈은 복수의 연료전 모듈에 균일한 양의 반응가스를 공급할 수 있다.

Description

가스 분배 모듈 및 이를 구비하는 연료전지 시스템{GAS-DISTRIBUTION MODULE FOR FLUID AND FUELCELL SYSTEM HAVING THE GAS-DISTRIBUTION MODULE}
본 발명은 복수의 연료전지 모듈들 각각으로부터 생성되는 전력 편차를 감소시킬 수 있는 가스 분배 모듈 및 이를 구비하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생성하는 연료 전지는 에너지 전환단계가 간단하고 고효율, 무공해 발전기라는 친환경적인 특성 때문에 최근 연구가 활발히 진행되고 있다.
연료전지 시스템은 일반적으로 고출력을 달성하기 위해 스택, 번들 등의 집합체를 복수개 병렬로 연결하여 적용한다. 이 경우, 각각의 집합체에서 생성되는 전력 편차가 큰 경우, 시스템이 불안정해 질뿐만 아니라 내구성이 저하되는 문제점이 발생한다. 특히, 약 600 내지 1000 ℃ 정도의 고온에서 발전하는 고체산화물 연료 전지(SOFC) 시스템의 경우 이러한 전력 불균일 생성은 상기의 문제점을 더욱 심각하게 할 수 있다.
따라서 연료전지 스택과 같은 연료전지 집합체를 복수개 채용하는 연료전지 시스템에 있어서 연료전지 집합체에 공급되는 연료 및 공기의 양을 균일하게 제어할 수 있는 기술의 개발이 요구된다.
본 발명의 일 목적은 복수의 연료전지 모듈들에 가스를 균일하게 공급할 수 있는 가스 분배 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 가스 분배 모듈을 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈은 복수의 연료전지 모듈에 반응 가스 공급한다. 상기 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈은 제1 내부공간을 형성하는 제1 격벽을 포함하는 제1 챔버; 상기 제1 내부공간을 둘러싸는 제2 내부공간을 형성하는 제2 격벽을 포함하는 제2 챔버; 상기 제1 내부공간에 연결되고 상기 제1 내부공간에 상기 반응 가스를 공급하는 제1 가스 배관; 상기 제1 내부공간과 상기 연료전지 모듈들을 연결하고, 상기 연료전지 모듈들에 상기 반응 가스를 각각 공급하는 복수의 제2 가스 배관들; 상기 제2 내부공간에 연결되고, 상기 연료전지 모듈들로부터 배출된 배기 가스를 공급받아 상기 제2 내부공간에 공급하는 제3 가스 배관; 및 상기 제3 가스 배관과 이격된 위치에서 상기 제2 내부공간에 연결되고 상기 제2 내부공간으로부터 상기 배기가스를 배출하는 제4 가스 배관을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 격벽은 원형 또는 정다각형 형상의 제1 바닥부, 상기 제1 바닥부의 가장자리 부분으로부터 상부로 연장된 제1 측벽부 및 상기 제1 측벽부의 개구된 상부 단부에 밀폐하는 제1 덮개부를 포함할 수 있고, 상기 제2 격벽은 상기 제1 측벽부와 이격된 상태에서 상기 제1 측벽부를 둘러싸도록 배치된 제2 측벽부, 상기 제2 측벽부의 하부 단부로부터 상기 제1 측벽부까지 연장되어 상기 제2 내부공간의 하부 단부를 밀폐하는 제2 바닥부 및 상기 제2 측벽부의 상부 단부로부터 상기 제1 측벽부까지 연장되어 상기 제2 내부공간의 상부 단부를 밀폐하는 제2 덮개부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 측벽부의 높이는 상기 제1 측벽부 높이의 1/2 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 연료전지 모듈들은 가상의 원을 따라 서로 등간격으로 배치된 N개의 연료전지 모듈들을 포함할 수 있고, 상기 제2 가스 배관들은 상기 가상의 원의 중심을 관통하는 제1 내부공간의 중심축을 기준으로 상기 제1 측벽부로부터 방사상으로 연장된 N개의 배관들을 포함할 수 있으며, 상기 N개의 배관들의 길이는 동일할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응 가스는 탄화수소 연료 가스일 수 있고, 상기 제2 가스 배관들은 상기 연료 가스를 상기 연료전지 모듈들 내부의 연료 유로들에 각각 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 가스 배관은 상기 연료전지 모듈들 내부의 연료 유로 출구에 연결되고, 상기 연료전지 모듈들로부터 배출되는 배기 연료 가스를 상기 제2 내부공간에 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응 가스는 산소를 포함하는 공기일 수 있고, 상기 제2 가스 배관들은 상기 연료 가스를 상기 연료전지 모듈들 내부의 연료 유로들에 각각 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 가스 배관은 상기 연료전지 모듈들 내부의 공기 유로 출구에 연결되고, 상기 연료전지 모듈들로부터 배출되는 공기를 상기 제2 내부공간에 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈은 상기 제1 내부공간 내부에 배치되어 상기 제1 내부공간을 제1 서브 공간 및 제2 서브 공간으로 분할하고, 상기 반응가스가 이동할 수 있는 관통홀들이 형성된 분기판을 더 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 가스 배관은 상기 제1 서브 공간에 연결될 수 있고, 상기 제2 가스 배관들은 상기 제2 서브 공간에 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분기판은 제1 직경의 중심 영역 및 상기 중심 영역을 둘러싸는 가장자리 영역을 포함할 수 있고, 상기 관통홀들은 상기 가장자리 영역에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 가상의 원을 따라 등간격으로 배치된 복수의 연료전지 모듈; 상기 연료전지 모듈의 하부에 배치되고, 상기 연료전지 모듈들 내부의 연료 유로의 입구 및 출구와 각각 연통되는 제1 연료 관통홀 및 제2 연료 관통홀 그리고 공기 유로의 입구 및 출구와 각각 연통되는 제1 공기 관통홀 및 제2 공기 관통홀이 형성된 연결 플레이트; 및 상기 연결 플레이트 하부에 배치되고, 상기 연료전지 모듈들에 공기를 공급하는 제1 가스 분배 모듈을 포함하고, 이 경우, 상기 제1 가스 분배 모듈은 상기 가상의 원의 중심을 지나고 상기 연결 플레이트에 수직한 제1 중심축을 갖는 제1 내부공간을 형성하는 제1 격벽을 포함하는 제1 챔버; 상기 제1 내부공간을 둘러싸는 제2 내부공간을 형성하는 제2 격벽을 포함하는 제2 챔버; 상기 제1 내부공간에 연결되고, 외부 공기 공급원으로부터 공급된 공기를 상기 제1 내부공간에 공급하는 제1 가스 배관; 상기 제1 내부공간과 상기 제1 공기 관통홀들을 연결하고, 상기 연료전지 모듈들에 상기 공기를 각각 공급하는 복수의 제2 가스 배관들; 상기 제2 내부공간과 상기 제2 공기 관통홀들을 연결하고, 상기 연료전지 모듈들로부터 배출된 배기 공기를 상기 제2 내부공간에 공급하는 제3 가스 배관; 및 상기 제3 가스 배관과 이격된 위치에서 상기 제2 내부공간에 연결되고 상기 제2 내부공간으로부터 상기 배기 공기를 배출하는 제4 가스 배관을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은 상기 제1 가스 분배 모듈 하부에 배치된 제2 가스 분배 모듈을 더 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 제2 가스 분배 모듈은 상기 제1 중심축과 동일한 중심축을 갖는 제3 내부공간을 형성하는 제3 격벽을 포함하고, 상기 제1 챔버 하부에 배치된 제3 챔버; 상기 제3 내부공간을 둘러싸는 제4 내부공간을 형성하는 제4 격벽을 포함하는 제4 챔버; 상기 제3 내부공간과 개질기를 연결하고, 상기 개질기로부터 공급된 연료 가스를 상기 제3 내부공간에 공급하는 제5 가스 배관; 상기 제3 내부공간과 상기 제1 연료 관통홀들을 연결하고, 상기 연료전지 모듈들에 상기 연료 가스를 각각 공급하는 복수의 제6 가스 배관들; 상기 제4 내부공간과 상기 제2 연료 관통홀들을 연결하고, 상기 연료전지 모듈들로부터 배출된 배기 연료 가스를 상기 제4 내부공간에 공급하는 제7 가스 배관; 및 상기 제7 가스 배관과 이격된 위치에서 상기 제4 내부공간에 연결되고 상기 제4 내부공간으로부터 상기 배기 연료 가스를 배출하는 제8 가스 배관을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지 모듈들을 전기적으로 연결하는 집전 부재를 더 포함할 수 있고, 상기 집전 부재는 제1 집전 단자 및 상기 제1 집전 단자로부터 연장되어 상기 연료전지 모듈들의 음극 단자들과 각각 전기적으로 연결되고 서로 동일한 길이, 두께 및 폭을 갖는 제1 접촉 가지부들을 포함하는 제1 집전부; 및 제1 집전 단자의 하부에 배치된 제2 집전 단자 및 상기 제2 집전 단자로부터 연장되어 상기 연료전지 모듈들의 양극 단자들과 각각 전기적으로 연결되고 서로 동일한 길이, 두께 및 폭을 갖는 제2 접촉 가지부들을 포함하는 제2 집전부를 포함할 수 있다.
본 발명에 가스 분배 모듈 및 연료전지 시스템에 따르면, 복수의 연료전지 모듈에 균일한 양의 연료 및 공기를 공급할 수 있으므로 연료전지 모듈들에 의해 생성되는 전력의 편차를 최소화할 수 있다. 그리고, 발전시 연료전지 모듈들에 의해 생성되는 열 및 고온 배기가스의 열을 이용하여 상대적으로 차가운 연료 및 공기를 가열하여 상기 연료전지 모듈들에 공급할 수 있으므로, 상기 연료전지 모듈들의 온도 편차에 의한 내구성 저하 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 분기판을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 집전 부재의 일 실시예를 설명하기 위한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈을 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 분기판을 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈(100)은 제1 챔버(110), 제2 챔버(120), 제1 가스 배관(130), 제2 가스 배관들(140), 제3 가스 배관(150) 및 제4 가스 배관(160)을 포함하고, 복수의 연료전지 모듈에 연료 가스나 공기 등과 같은 반응 가스를 균일하게 공급할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈(100)은 분기판(170)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 챔버(110)는 외부에서 상기 제1 가스 배관(130)을 통해 가스가 공급되는 제1 내부공간(11)을 형성하는 제1 격벽(111)을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 격벽(111)은 제1 바닥부, 상기 제1 바닥부의 가장자리 부분으로부터 상부로 연장된 제1 측벽부 및 상기 제1 측벽부의 상부 단부에 결합된 제1 덮개부를 포함할 수 있다. 상기 제1 바닥부는 원형 또는 다각형 형상을 가질 수 있고, 상기 제1 측벽부는 단면이 원형 또는 다각형인 상기 제1 내부 공간(11)을 형성할 수 있으며, 상기 제1 덮개부의 형상의 특별히 제한되지 않는다. 상기 가스는 연료전지의 발전을 위한 수소 함유 연료 가스이거나 산소 함유 공기일 수 있다.
상기 제2 챔버(120)는 상기 제1 챔버(110)의 제1 측벽부를 둘러싸도록 배치되고 상기 제1 챔버(110)의 제1 측벽부와 함께 상기 제1 측벽부의 적어도 일부를 둘러싸는 제2 내부공간(12)을 형성하는 제2 격벽(121)을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제2 격벽(121)은 상기 제1 측벽부와 이격된 상태에서 상기 제1 측벽부를 둘러싸도록 배치된 제2 측벽부, 상기 제2 측벽부의 하부 단부로부터 내부로 연장되어 상기 제1 챔버(120)의 제1 격벽부에 결합되고 상기 내부공간(12)의 하부 단부를 밀폐하는 제2 바닥부 및 상기 제2 측벽부의 상부 단부로부터 내부로 연장되고 상기 제1 챔버(120)의 제1 격벽부에 결합되고 상기 내부공간(12)의 상부 단부를 밀폐하는 제2 덮개부를 포함할 수 있다. 상기 제2 바닥부는 상기 제1 측벽부의 외부면으로부터 상기 제1 바닥부와 평행하게 연장되고 외부 테두리가 원형 또는 다각형 형상을 가질 수 있다. 상기 제2 측벽부는 상기 제2 바닥부의 가장자리 부분으로부터 상기 제1 측벽부와 이격된 상태에서 상부로 연장될 수 있다. 도 1에는 상기 제2 측벽부의 높이가 상기 제1 측벽부의 높이보다 작은 것으로 도시되어 있으나, 상기 제2 측벽부의 높이는 상기 제1 측벽부의 높이와 동일하거나 이보다 더 클 수 있다. 다만, 상기 제2 내부공간(12)에 공급된 고온 가스와 상기 제1 내부공간(11)에 공급된 저온 가스 사이의 열 교환 효율을 고려하여, 상기 제2 측벽부의 높이는 상기 제1 측벽부 높이의 1/2 이상, 바람직하게는 4/5 이상일 수 있다. 상기 제2 덮개부는 상기 제2 측벽부의 상부 단부로부터 내부 방향으로 상기 제1 격벽(111)까지 연장될 수 있다.
상기 제2 챔버(120)의 제2 내부공간(12)에는 상기 제3 가스 배관(150)을 통해 연료전지 모듈에서 배출되는 고온의 배기가스가 공급될 수 있고, 상기 제2 내부공간(12)에 공급된 고온의 배기는 열교환을 통해 상기 제1 챔버(110)의 제1 내부공간(11)에 공급된 가스를 가열시킬 수 있다.
상기 제1 가스 배관(130)은 상기 제1 챔버(110)의 제1 내부공간(11)에 연결될 수 있고, 외부의 가스를 상기 제1 내부공간(11)으로 공급할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 가스 배관(130)은 상기 제2 챔버(120)의 제2 내부공간(12)을 경유하여 상기 제1 챔버(110)의 제1 내부공간(11)과 연결될 수 있고, 상기 제2 챔버(120)의 제2 내부공간(12)과는 연결되지 않을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 가스 분배 모듈(100)이 복수의 연료전지 모듈(도 3의 ?蔑?참조)에 연료 가스를 균일하게 공급하기 위한 가스 분배 장치인 경우, 상기 제1 가스 배관(130)은 상기 연료 가스를 개질하는 개질기(미도시)로부터 제공받은 연료 가스를 상기 제1 내부공간(11)에 공급할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 가스 분배 모듈(100)이 복수의 연료전지 모듈(도 3의 ?蔑?참조)에 공기를 균일하게 공급하기 위한 가스 분배 장치인 경우, 상기 제1 가스 배관(130)은 상기 공기를 공급하는 공기 공급원(미도시)으로부터 제공받은 공기를 상기 제1 내부공간(11)에 공급할 수 있다.
상기 제2 가스 배관들(140)은 복수의 연료전지 모듈들(도 3의 ?蔑?참조)을 각각 상기 제1 챔버(110)의 제1 내부공간(11)에 연결할 수 있다. 상기 제2 가스 배관들(140)은 상기 가스의 이동에 대한 저항이 동일하도록 서로 동일한 크기 및 형상을 가질 수 있고, 그 결과 상기 연료전지 모듈들에 균일하게 가스를 공급할 수 있도록 한다. 일 실시예에 있어서, N개의 상기 연료전지 모듈들이 연결 플레이트 상에서 가상의 원을 따라 등간격으로 배치된 경우, 상기 제1 챔버(110)의 중심축이 상기 가상의 원의 중심과 일치하도록 상기 가스 분배 모듈(100)이 상기 연결 플레이트 하부에 배치될 수 있고, 상기 N개의 상기 제2 가스 배관들(140)은 상기 가상의 원의 중심을 관통하는 제1 내부공간의 중심축을 기준으로 상기 제1 측벽부로부터 방사상으로 연장된 N개의 배관들을 포함할 수 있고, 상기 제1 챔버(110)의 제1 격벽(111)으로부터 연장되어 상기 연결 플레이트를 통해 상기 연료전지 모듈들에 각각 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 N개의 배관들은 동일한 직경, 길이 및 형상을 가질 수 있다.
상기 제3 가스 배관(150)은 상기 제2 챔버(120)의 제2 내부공간(12)에 연결될 수 있다. 상기 제3 가스 배관(150)은 상기 연료전지 모듈들로부터 배출되는 고온의 배기 연료 가스 또는 고온의 배기 공기를 공급받아 이를 상기 제2 챔버(120)의 제2 내부공간(12)에 공급할 수 있다.
상기 제4 가스 배관(160)은 상기 제2 챔버(120)의 제2 내부공간(12)에 연결될 수 있다. 상기 제4 가스 배관(160)은 상기 제3 가스 배관(150)에 의해 공급된 고온의 가스를 상기 제2 챔버(120)의 제2 내부공간(12) 외부로 배출할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 가스 분배 모듈(100)이 복수의 연료전지 모듈(도 3의 ?蔑?참조)에 연료 가스를 균일하게 공급하기 위한 가스 분배 장치인 경우, 상기 제4 가스 배관(160)은 상기 고온 배기 연료 가스의 추가적인 열교환을 위해 연료전지 시스템에 적용되는 열교환 장치(미도시)에 연결되거나 배기 연료 가스를 연소시켜 열에너지를 생성하는 버너 장치(미도시)에 연결되거나 외부 배출구에 연결될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 가스 분배 모듈(100)이 복수의 연료전지 모듈(도 3의 ?蔑?참조)에 공기를 균일하게 공급하기 위한 가스 분배 장치인 경우, 상기 제4 가스 배관(160)은 상기 고온 배기 공기의 추가적인 열교환을 위해 연료전지 시스템에 적용되는 열교환 장치(미도시)에 연결되거나 외부 배출구에 연결될 수 있다.
한편, 상기 제2 챔버(120)의 제2 내부 공간(12) 내부에 공급된 고온의 배기 가스의 열교환 효율을 향상시키기 위해, 상기 제3 가스 배관(150)과 상기 제4 가스 배관(160)은 서로 이격된 위치, 예를 들면, 서로 상기 제2 챔버(120)의 반대편에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈(100)은 상기 제1 챔버(110)의 제1 내부공간(11) 내부에 배치되어 상기 제1 내부공간(11)을 2개의 공간, 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같은 제1 서브 공간(11a) 및 제2 서브 공간(11b)으로 분할하도록 상기 제1 격벽(111)에 결합된 하나 이상의 분기판(170)을 더 포함할 수 있다.
상기 분기판(170)은 상기 제1 내부공간(11)의 단면 형상과 동일한 형상을 플레이트 구조를 가질 수 있고, 가스가 이동할 수 있는 관통홀들(171)을 구비할 수 있다. 일 실시예로, 상기 분기판(170)의 관통홀들(171)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 분기판(170)의 중심영역을 제외한 가장자리 영역에 형성될 수 있다.
상기 분기판(170)이 적용된 경우, 상기 제1 가스 배관(130)은 상기 제1 챔버(110)의 제1 내부공간(11) 중 하부에 위치하는 제1 서브 공간(11a)에 연결될 수 있고, 상기 제2 가스 배관들(140)은 상기 제1 챔버(110)의 제1 내부공간(11) 중 상부에 위치하는 제2 서브 공간(11b)에 연결될 수 있다.
상기와 같은 분기판(170)이 적용된 경우, 상기 분기판(170)은 상기 제1 가스 배관(130)을 통해 공급되는 가스의 맥동(pulsation)을 저하시킬 수 있을 뿐만 아니라 상기 제2 가스 배관들(140)에 공급되는 가스 양의 편차를 현저하게 감소시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 및 도 2와 함께 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(1000)은 복수의 연료전지 모듈(1100), 연결 플레이트(1200), 제1 가스 분배 모듈(1300) 및 제2 가스 분배 모듈(1400)을 포함할 수 있다.
상기 연료전지 모듈들(1100)은 평판형 단전지들의 집합체인 스택일 수도 있고, 관형 또는 평관형 단전지들의 집합체인 번들일 수도 있고, 상기 단전지는 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC) 등으로부터 선택된 하나일 수 있다.
상기 연료전지 모듈들(1100) 각각에 포함된 단전지는 연료극(anode), 공기극(cathode) 및 이들 사이에 위치하는 전해질을 포함할 수 있고, 상기 연료극 및 공기극에 탄화수소 연료 가스 및 산소(O2)를 포함하는 공기가 각각 공급되면, 상기 공기극에서 환원된 산소 이온(O2-)이 상기 전해질을 경유하여 상기 연료극으로 이동하게 되고, 상기 연료극으로 이동된 산소 이온(O2-)은 상기 연료극에 제공된 탄화수소 연료로부터 생성된 수소(H2)와 반응하여 물(H2O)과 전자(e-)를 생성하게 되며, 상기 단전지는 상기와 같이 반응을 통해 생성된 전자를 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 이와 같은 상기 연료전지 모듈들 각각은 상기 연료 가스가 공급되는 연료 유로 및 상기 공기가 공급되는 공기 유로를 내부에 포함한다. 한편, 상기 연료 유로 및 상기 공기 유로 각각은 연료가스 또는 공기가 주입되는 입구 및 반응 후의 연료가스 또는 공기가 배출되는 출구를 구비할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 연료 유로 및 상기 공기 유로의 입구들 및 출구들은 상기 연료전지 모듈(1100)의 일측, 예를 들면, 상기 연결 플레이트(1200)가 배치되는 측에 위치할 수 있다.
상기 연료전지 모듈들(1100)은 가상의 원을 따라 서로 등간격으로 배치될 수 있다. 도 3에는 5개의 연료전지 모듈들이 배치된 것이 도시되어 있으나, 상기 연료전지 모듈(1100)의 수는 요구되는 출력에 따라 조절될 수 있다.
상기 연결 플레이트(1200)는 상기 연료전지 모듈들(1100)의 일측에 배치될 수 있다. 일 실시예로, 상기 연결 플레이트(1200)는 상기 연료전지 모듈들(1100)의 하부에 배치되어 상기 연료전지 모듈들(1100)을 지지할 수 있고, 이 경우, 상기 연료전지 모듈들(1100)의 상기 연료 유로의 입구 및 출구 그리고 상기 공기 유로의 입구 및 출구는 상기 연료전지 모듈들(1100)의 하부면에 위치할 수 있다. 이와 다른 실시예로, 상기 연결 플레이트(1200)는 상기 연료전지 모듈들(1100)의 상부에 배치될 수 있고, 이 경우, 기 연료전지 모듈들(1100)의 상기 연료 유로의 입구 및 출구 그리고 상기 공기 유로의 입구 및 출구는 상기 연료전지 모듈들(1100)의 상부면에 위치할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연결 플레이트(1200)는 상기 연료 유로의 입구 및 출구와 각각 연통되는 제1 연료 관통홀 및 제2 연료 관통홀 그리고 상기 공기 유로의 입구 및 출구와 각각 연통되는 제1 공기 관통홀 및 제2 공기 관통홀을 포함할 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 연결 플레이트(1200)가 상기 연료전지 모듈들(1100)의 하부에 배치된 것을 예로 들어 설명한다.
상기 제1 가스 분배 모듈(1300) 및 상기 제2 가스 분배 모듈(1400)은 각각 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈(100)과 동일한 구조를 가질 수 있다. 따라서, 이하에서는 상기 제1 가스 분배 모듈(1300) 및 상기 제2 가스 분배 모듈(1400)과 관련된 중복된 상세한 설명은 생략한다.
상기 제1 가스 분배 모듈(1300)은 상기 연결 플레이트(1200)의 하부에 배치될 수 있고, 상기 제2 가스 분배 모듈(1400)은 상기 제1 가스 분배 모듈(1300)의 하부에 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 가스 분배 모듈(1300)의 제1 챔버의 중심축과 상기 제2 가스 분배 모듈(1400)의 제1 챔버의 중심축이 일치하도록 상기 제2 가스 분배 모듈(1400)은 상기 제1 가스 분배 모듈(1300)의 하부에 배치될 수 있다.
상기 제1 가스 분배 모듈(1300) 및 상기 제2 가스 분배 모듈(1400) 중 하나는 연료 가스를 상기 연료전지 모듈들(1100)에 균일하게 공급하기 위한 연료가스 분배 모듈일 수 있고, 나머지 하나는 공기를 상기 연료전지 모듈들(1100)에 균일하게 공급하기 위한 공기 분배 모듈일 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 가스 분배 모듈(1300)이 상기 연료 가스 분배 모듈인 경우, 상기 제1 가스 분배 모듈(1300)의 제1 가스 배관(130)은 개질기(미도시)에 연결되어 개질된 연료 가스를 상기 제1 가스 분배 모듈(1300)의 제1 챔버(110)의 제1 내부공간(11)에 공급할 수 있고, 상기 제2 가스 배관들(140)은 상기 연결 플레이트(1200)의 제1 연료 관통홀을 통해 상기 연료전지 모듈들(1100)의 연료 유로 입구들에 각각 연결될 수 있으며, 상기 제3 가스 배관(150)은 상기 연결 플레이트(1200)의 제2 연료 관통홀을 통해 상기 연료전지 모듈들(1100)의 연료 유로 출구들에 연결될 수 있다. 그리고 상기 제2 가스 분배 모듈(1400)이 상기 공기 분배 모듈인 경우, 상기 제2 가스 분배 모듈(1400)의 제1 가스 배관(130)은 외부 공기 공급원(미도시)에 연결되어 공기를 상기 제2 가스 분배 모듈(1400)의 제1 챔버(110)의 제1 내부공간(11)에 공급할 수 있고, 상기 제2 가스 배관들(140)은 상기 연결 플레이트(1200)의 제1 공기 관통홀을 통해 상기 연료전지 모듈들(1100)의 공기 유로 입구들에 각각 연결될 수 있으며, 상기 제3 가스 배관(150)은 상기 연결 플레이트(1200)의 제2 공기 관통홀을 통해 상기 연료전지 모듈들(1100)의 공기 유로 출구들에 연결될 수 있다.
한편, 위에서는 본 발명의 실예에 따른 연료전지 시스템(1000)이 연료 가스 분배 모듈과 공기 분배 모듈을 모두 포함하는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(1000)은 상기 연료 가스 분배 모듈과 상기 공기 분배 모듈 중 하나만을 포함할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(1000)은 공기 분배 모듈만을 포함하고, 연료 가스는 종래의 기술과 동일하게 상기 연료전지 모듈들(1100)에 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 공기 분배 모듈은 도 3에 도시된 제1 가스 분배 모듈(1300) 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(1000)은 상기 연료전지 모듈들(1100)을 전기적으로 연결하는 집전 부재(1500A, 1500B)를 더 포함할 수 있고, 도 4는 상기 집전 부재의 일 실시예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3과 함께 도 4를 참조하면, 상기 집전 부재(1500A, 1500B)는 상기 연료전지 모듈들(1100)의 음극 단자들에 전기적으로 연결된 제1 집전부(1500A) 및 상기 연료전지 모듈들(1100)의 양극 단자들에 전기적으로 연결된 제2 집전부(1500B)를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 모듈들(1100)에 있어서, 상기 음극 단자들은 상기 연료전지 모듈들(1100)의 상부 모서리로부터 돌출되게 형성될 수 있고, 상기 양극 단자들은 상기 연료전지 모듈들(1100)의 하부 모서리로부터 돌출되게 형성될 수 있다.
상기 제1 집전부(1500A)는 상기 연료전지 모듈들(1100)이 배열되는 가상의 원의 중심에 배치된 제1 집전 단자(1510A) 및 상기 제1 집전 단자(1510A)로부터 연장되어 상기 연료전지 모듈들(1100)의 음극 단자들과 각각 전기적으로 연결되는 제1 접촉 가지부들(1520A)을 포함할 수 있고, 이 때 상기 제1 접촉 가지부들(1520A)은 전기적 저항이 동일 또는 유사하도록 동일한 재질, 두께, 폭 및 길이를 가질 수 있다.
상기 제2 집전부(1500B)는 상기 제1 집전 단자(1510A)의 하부 중 상기 연료전지 모듈들(1100)이 배열되는 가상의 원의 중심에 배치된 제2 집전 단자(1510B) 및 상기 제2 집전 단자(1510B)로부터 연장되어 상기 연료전지 모듈들(1100)의 양극 단자들과 각각 전기적으로 연결되는 제2 접촉 가지부들(1520B)을 포함할 수 있고, 이 때 상기 제2 접촉 가지부들(1520B)은 전기적 저항이 동일 또는 유사하도록 동일한 재질, 두께, 폭 및 길이를 가질 수 있다.
본 발명에 가스 분배 모듈 및 연료전지 시스템에 따르면, 복수의 연료전지 모듈에 균일한 양의 연료 및 공기를 공급할 수 있으므로 연료전지 모듈들에 의해 생성되는 전력의 편차를 최소화할 수 있다. 그리고, 발전시 연료전지 모듈들에 의해 생성되는 열 및 고온 배기가스의 열을 이용하여 상대적으로 차가운 연료 및 공기를 가열하여 상기 연료전지 모듈들에 공급할 수 있으므로, 상기 연료전지 모듈들의 온도 편차에 의한 내구성 저하 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 가스 분배 모듈 110: 제1 챔버
120: 제2 챔버 130: 제1 가스 배관
140: 제2 가스 배관들 150: 제3 가스 배관
160: 제4 가스 배관 170: 분기판
1000: 연료전지 시스템 1100: 연료전지 모듈
1200: 연결 플레이트 1300: 제1 가스 분배 모듈
1400: 제2 가스 분배 모듈

Claims (13)

  1. 복수의 연료전지 모듈에 반응 가스를 공급하는 가스 분배 모듈에 있어서,
    제1 내부공간을 형성하는 제1 격벽을 포함하는 제1 챔버;
    상기 제1 내부공간을 둘러싸는 제2 내부공간을 형성하는 제2 격벽을 포함하는 제2 챔버;
    상기 제1 내부공간에 연결되고 상기 제1 내부공간에 상기 반응 가스를 공급하는 제1 가스 배관;
    상기 제1 내부공간과 상기 연료전지 모듈들을 연결하고, 상기 연료전지 모듈들에 상기 반응 가스를 각각 공급하는 복수의 제2 가스 배관들;
    상기 제2 내부공간에 연결되고, 상기 연료전지 모듈들로부터 배출된 배기 가스를 공급받아 상기 제2 내부공간에 공급하는 제3 가스 배관; 및
    상기 제3 가스 배관과 이격된 위치에서 상기 제2 내부공간에 연결되고 상기 제2 내부공간으로부터 상기 배기가스를 배출하는 제4 가스 배관을 포함하는, 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 격벽은 원형 또는 정다각형 형상의 제1 바닥부, 상기 제1 바닥부의 가장자리 부분으로부터 상부로 연장된 제1 측벽부 및 상기 제1 측벽부의 개구된 상부 단부에 밀폐하는 제1 덮개부를 포함하고,
    상기 제2 격벽은 상기 제1 측벽부와 이격된 상태에서 상기 제1 측벽부를 둘러싸도록 배치된 제2 측벽부, 상기 제2 측벽부의 하부 단부로부터 상기 제1 측벽부까지 연장되어 상기 제2 내부공간의 하부 단부를 밀폐하는 제2 바닥부 및 상기 제2 측벽부의 상부 단부로부터 상기 제1 측벽부까지 연장되어 상기 제2 내부공간의 상부 단부를 밀폐하는 제2 덮개부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 측벽부의 높이는 상기 제1 측벽부 높이의 1/2 이상인 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 연료전지 모듈들은 가상의 원을 따라 서로 등간격으로 배치된 N개의 연료전지 모듈들을 포함하고,
    상기 제2 가스 배관들은 상기 가상의 원의 중심을 관통하는 제1 내부공간의 중심축을 기준으로 상기 제1 측벽부로부터 방사상으로 연장된 N개의 배관들을 포함하며,
    상기 N개의 배관들의 길이는 동일한 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반응 가스는 탄화수소 연료 가스이고,
    상기 제2 가스 배관들은 상기 연료전지 모듈들 내부의 연료 유로들에 각각 연결된 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 가스 배관은 상기 연료전지 모듈들 내부의 연료 유로 출구에 연결되고, 상기 연료전지 모듈들로부터 배출되는 배기 연료 가스를 상기 제2 내부공간에 공급하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반응 가스는 산소를 포함하는 공기이고,
    상기 제2 가스 배관들은 상기 연료전지 모듈들 내부의 공기 유로들에 각각 연결된 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 가스 배관은 상기 연료전지 모듈들 내부의 공기 유로 출구에 연결되고, 상기 연료전지 모듈들로부터 배출되는 공기를 상기 제2 내부공간에 공급하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내부공간 내부에 배치되어 상기 제1 내부공간을 제1 서브 공간 및 제2 서브 공간으로 분할하고, 상기 반응가스가 이동할 수 있는 관통홀들이 형성된 분기판을 더 포함하고,
    상기 제1 가스 배관은 상기 제1 서브 공간에 연결되고,
    상기 제2 가스 배관들은 상기 제2 서브 공간에 연결된 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분기판은 제1 직경의 중심 영역 및 상기 중심 영역을 둘러싸는 가장자리 영역을 포함하고,
    상기 관통홀들은 상기 가장자리 영역에 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템용 가스 분배 모듈.
  11. 가상의 원을 따라 등간격으로 배치된 복수의 연료전지 모듈;
    상기 연료전지 모듈의 하부에 배치되고, 상기 연료전지 모듈들 내부의 연료 유로의 입구 및 출구와 각각 연통되는 제1 연료 관통홀 및 제2 연료 관통홀 그리고 공기 유로의 입구 및 출구와 각각 연통되는 제1 공기 관통홀 및 제2 공기 관통홀이 형성된 연결 플레이트; 및
    상기 연결 플레이트 하부에 배치되고, 상기 연료전지 모듈들에 공기를 공급하는 제1 가스 분배 모듈을 포함하고,
    상기 제1 가스 분배 모듈은,
    상기 가상의 원의 중심을 지나고 상기 연결 플레이트에 수직한 제1 중심축을 갖는 제1 내부공간을 형성하는 제1 격벽을 포함하는 제1 챔버;
    상기 제1 내부공간을 둘러싸는 제2 내부공간을 형성하는 제2 격벽을 포함하는 제2 챔버;
    상기 제1 내부공간에 연결되고, 외부 공기 공급원으로부터 공급된 공기를 상기 제1 내부공간에 공급하는 제1 가스 배관;
    상기 제1 내부공간과 상기 제1 공기 관통홀들을 연결하고, 상기 연료전지 모듈들에 상기 공기를 각각 공급하는 복수의 제2 가스 배관들;
    상기 제2 내부공간과 상기 제2 공기 관통홀들을 연결하고, 상기 연료전지 모듈들로부터 배출된 배기 공기를 상기 제2 내부공간에 공급하는 제3 가스 배관; 및
    상기 제3 가스 배관과 이격된 위치에서 상기 제2 내부공간에 연결되고 상기 제2 내부공간으로부터 상기 배기 공기를 배출하는 제4 가스 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 가스 분배 모듈 하부에 배치된 제2 가스 분배 모듈을 더 포함하고,
    상기 제2 가스 분배 모듈은,
    상기 제1 중심축과 동일한 중심축을 갖는 제3 내부공간을 형성하는 제3 격벽을 포함하고, 상기 제1 챔버 하부에 배치된 제3 챔버;
    상기 제3 내부공간을 둘러싸는 제4 내부공간을 형성하는 제4 격벽을 포함하는 제4 챔버;
    상기 제3 내부공간과 개질기를 연결하고, 상기 개질기로부터 공급된 연료 가스를 상기 제3 내부공간에 공급하는 제5 가스 배관;
    상기 제3 내부공간과 상기 제1 연료 관통홀들을 연결하고, 상기 연료전지 모듈들에 상기 연료 가스를 각각 공급하는 복수의 제6 가스 배관들;
    상기 제4 내부공간과 상기 제2 연료 관통홀들을 연결하고, 상기 연료전지 모듈들로부터 배출된 배기 연료 가스를 상기 제4 내부공간에 공급하는 제7 가스 배관; 및
    상기 제7 가스 배관과 이격된 위치에서 상기 제4 내부공간에 연결되고 상기 제4 내부공간으로부터 상기 배기 연료 가스를 배출하는 제8 가스 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 연료전지 모듈들을 전기적으로 연결하는 집전 부재를 더 포함하고,
    상기 집전 부재는,
    제1 집전 단자 및 상기 제1 집전 단자로부터 연장되어 상기 연료전지 모듈들의 음극 단자들과 각각 전기적으로 연결되고 서로 동일한 길이, 두께 및 폭을 갖는 제1 접촉 가지부들을 포함하는 제1 집전부; 및
    제1 집전 단자의 하부에 배치된 제2 집전 단자 및 상기 제2 집전 단자로부터 연장되어 상기 연료전지 모듈들의 양극 단자들과 각각 전기적으로 연결되고 서로 동일한 길이, 두께 및 폭을 갖는 제2 접촉 가지부들을 포함하는 제2 집전부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
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