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KR100471501B1 - 전기 발생, 난방, 냉방 및 환기용 연료 셀 시스템 - Google Patents

전기 발생, 난방, 냉방 및 환기용 연료 셀 시스템 Download PDF

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KR100471501B1
KR100471501B1 KR10-1999-7000382A KR19997000382A KR100471501B1 KR 100471501 B1 KR100471501 B1 KR 100471501B1 KR 19997000382 A KR19997000382 A KR 19997000382A KR 100471501 B1 KR100471501 B1 KR 100471501B1
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KR
South Korea
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fuel cell
heat
exchange element
thermal energy
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KR10-1999-7000382A
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KR20000067922A (ko
Inventor
마이클 에스. 수
로빈 와이. 옹
Original Assignee
지텍 코포레이션
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Publication date
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Application filed by 지텍 코포레이션 filed Critical 지텍 코포레이션
Publication of KR20000067922A publication Critical patent/KR20000067922A/ko
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Abstract

난방, 환기 및 냉방(HVAC) 시스템을 갖춘, 전기 발생용 연료 셀과 같은 전기화학식 커버터를 결합 또는 통합하는 에너지 시스템이 개시되었다. 연료 셀에 의해 발생된 잉여(16) 열은 복사, 대류 및 전도에 의해 HVAC 시스템의 열-구동 냉각기(30) 또는 보일러와 같은 열 컴포넌트에 보내진다. HVAC 시스템은 냉방, 난방 또는 산업적 사용을 위해 가열 또는 냉각된 공기, 물 또는 스팀과 같은 조절된 유체를 생성하기 위해 잉여 열을 수용한다. 본 발명은 상업용 시설 또는 주거용 시설을 위한 전기, 난방 및 냉방을 제공할 수 있는 개선된 효율의 에너지 시스템을 제공한다. 또한 전기화학식 컨버터를 HVAC 시스템에 대류식으로 결합하기 위한 인터페이스 교환 엘리먼트가 개시된다. 인터페이스 교환 엘리먼트는 연료 셀에 의해 발생된 가열된 배기 가스를 수용하고 HVAC 시스템의 HVAC 시스템의 열-구동 냉각기 또는 보일러와 같은 열적 컴포넌트로 전달하기 위해 상기 배기 가스로부터 열을 추출한다.

Description

전기 발생, 난방, 냉방 및 환기용 연료 셀 시스템 {FUEL CELL SYSTEM FOR ELECTRIC GENERATION, HEATING, COOLING AND VENTILATION}
본 발명은 일반적으로 전력 시스템 또는 에너지 시스템에 관한 것으로 상세히는 상업용 및 주거용 시설의 난방, 환기 및 냉방에 사용되는 에너지 시스템에 관한 것이다.
종래 에너지 시스템은 통상 물 및 공기와 같이 사용되는 유체의 온도를 조정하고 안락한 레벨로 대기 환경을 조절하기 위해 날마다 사용되는 에너지 장치를 포함한다. 이들 에너지 장치는 통상적으로 가열 및 냉각된 물 및 스팀과 같은 조절된 공기 및 물을 제공한다. 이러한 종래의 에너지 장치는 스팀 보일러, 열 유체 보일러 및 열 구동식 냉각기를 포함한다.
스팀 보일러와 같은 종래의 보일러는 실린더의 중앙에서 연소 오일, 가스 또는 오일/가스 혼합물로 물을 끓이기 위해 수직 실린더와 같은 중앙 하우징을 채택한다. 물은 연소 처리에 의해 발생된 열에 의해 상승된 온도로 가열된다. 이와 같은 비교적 단순한 보일러 설계는 가열 처리를 보조하기 위해 실린더와 결합된 튜브 또는 코일을 채택하지 않으며, 따라서 효율적이고 안정적이며 신뢰성있는 서비스를 제공하며 튜브 고장 가능성을 배제한다. 종래 스팀 보일러의 결점은 연료 면에서 비교적 비효율적이다.
종래의 열 유체 보일러에서 작용 유체는 가열 챔버에 감긴 하나 이상의 코일을 통과하여 흐른다. 이 보일러에서 생성된 열은 작용 유체에 의해 흡수되고 난방 또는 냉방과 같은 기타 기능을 수행하는 데 사용될 수 있다. 종래의 스팀 보일러와 비교한 열 유체 보일러의 이점은 부식, 스케일 형성 및 냉동 방지를 포함하며, 이에 따라 유지보수 필요사항이 감소된다. 열 보일러는 또한 비교적 저구동 압력으로 구동하며, 비교적 단순한 작용 유체를 이용할 수 있고, 이에 따라 전용 보일러 오퍼레이터에 대한 필요성을 제거한다. 전형적인 열 유체는 스팀 보일러의 열용량보다 큰 열용량을 갖는다.
종래의 에너지 시스템은 열 구동식 냉각기 또는 냉각 장치를 포함한다. 흡수 냉각 장치의 공통 유형의 예는 흡착성 베드(adsorbent bed)를 이용하는 암모니아-워터 냉각 장치이다. 일반적으로 흡수제는 냉각되었을 때 작용 유체를 취하고 가열되었을 때 작용 유체를 탈착시키기 때문에, 냉각 장치는 열이 구동식인 것에 특징이 있다.
상기 종래의 에너지 시스템은 불변의 단일 기능 장치이고 가열 또는 냉각을 제공하기 위해 연료를 사용한다.
임의의 에너지 시스템의 효율은 경제적 및 환경적 이유에 대하여 항상 고려된다. 따라서, 종래 에너지 시스템에선 선택된 유체를 가열 또는 냉각 조절하기 위해 상업용 시설 또는 주거용 시설과 용이하게 통합될 수 있는 고효율 에너지 시스템에 대한 필요성이 존재하였다. 특히, 상업용 난방, 환기 및 에어 컨디셔닝(HVAC) 시스템들에 공통적인 난방 및 냉방 컴포넌트와 같은 종래의 난방 및 냉방 장비의 시스템 내로 통합되는 고효율 에너지 시스템은 당업계에서 개선을 의미할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 유체를 조절하고 전력을 발생시키기 위한 전체 에너지 시스템의 개략적인 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 HVAC 시스템의 냉각 및 가열 컴포넌트와 복사 방식으로 결합된 연료 셀을 포함하는 에너지 시스템의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 HVAC 시스템의 냉각 및 가열 컴포넌트와 대류 방식으로 결합된 연료 셀을 포함하는 전력 시스템의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 열 구동식 냉각기 조립체를 포함하는 에너지 시스템의 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 적층 플레이트 타입 인터페이스 교환 엘리먼트의 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 다공질 열 전도성 물질을 통합하는 인터페이스 교환 엘리먼트의 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 축 방향 흐름 통로를 갖춘 인터페이스 교환 엘리먼트의 평면도.
도 8은 본 발명에 따른 "마차 바퀴(wagon wheel)" 디자인의 인터페이스 교환 엘리먼트의 평면도.
도 9는 본 발명에 따른 핀(fin) 형태 인터페이스 교환 엘리먼트의 평면도.
따라서, 본 발명의 목적은 상업용 시설 또는 주거용 시설에 사용하기 위해 선택된 유체를 조절하기 위한 개선된, 고효율 에너지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 바람직한 실시예와 관련하여 설명된다. 그러나, 당업자에게는 본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경이 있을 수 있음이 인식될 것이다. 예로서, 본 발명의 바람직한 실시예를 이용하는 다양한 시스템 구조 컴포넌트 및 구성의 채택은 상기 전력 시스템과 결합하여 채택된다.
본 발명은 선택된 유체를 가열, 냉각 또는 환기하는 등 조절하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명은 전기 발생용 연료 셀과 같은 전기화학식 컨버터를 난방, 환기 및 냉방 시스템(HVAC) 시스템의 가열 및 냉각 컴포넌트로 통합 또는 결합시킴으로써 상기 목적을 달성한다. 전력을 발생시키는 외에 전기화학식 컨버터는 본 발명의 가열 또는 냉각 컴포넌트를 위한 버너와 마찬가지로 동작한다.
한 태양에 따라, 본 발명의 에너지 시스템은 선택된 상승된 온도를 갖는 잉여 열과 전기를 발생시키는 연료 셀, 연료 셀에 결합되고 잉여 열을 수용하도록 채택된 열 구동식 냉각기 조립체를 포함한다. 냉각기는 냉각 조립체를 구동시키는 열을 흡수하며, 차례로 연료 셀 잉여 열의 온도보다 낮은, 요구된다면 연료 셀 잉여 열의 온도보다 훨씬 더 낮은, 선택된 온도를 갖는 출력 유체 흐름을 제공한다. 선택된 온도는 주거용 또는 상업용 시설의 대기 온도 이하일 수 있다.
다른 태양에 따라, 본 시스템은 잉여 열을 조절하는 엘리먼트를 갖는다. 이 엘리먼트는 연료 셀을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 구성된 복사 차폐물(radiation shield)을 포함한다.
또다른 태양에 따라, 열 구동식 냉각기 조립체는 선택된 온도 이상으로 가열되었을 때 내부에서 선택된 증기를 발생시키기 위한 증기 발생기(vapor generator)를 포함하고, 상기 증기 발생기는 연료 셀과 연통된다. 상기 냉각기 조립체는 증기를 액체로 응축시키기 위해 증기 발생기와 연통되는 컨덴서(condenser), 및 액체를 다시 증기로 변환시키는 증발기(evaporator)를 더 포함한다.
또다른 태양에 따라, 열 구동식 냉각기의 증기 발생기는 연료 셀을 적어도 부분적으로 인클로우징하며, 이로써 발생된 잉여 열을 수용하도록 적응된다.
다른 태양에서, 에너지 시스템은 연료 셀과 HVAC 시스템 사이에 열 교환을 용이하게 하기 위해 이들 사이에 위치된 인터페이스 교환 엘리먼트(interface exchanging element)를 포함한다. 예로서, 인터페이스 교환 엘리먼트는 열 구동식 냉각기와 같은 HVAC 시스템의 냉각 컴포넌트와 연료 셀 사이에 열 교환을 용이하게 할 수 있다. 인터페이스 교환 엘리먼트는 연소 처리에 의해 발생된 유체, 연료 셀로부터의 배출가스 또는 기타 버너/열 소스에 의해 생성된 유체와 같은 상승된 온도를 갖는 유입 유체로부터 열 에너지를 수용하도록, 그리고 열 에너지를 열 구동식 냉각기 조립체에 전달하도록 적응될 수 있다.
한 태양에 따라, 인터페이스 교환 엘리먼트는 축 방향으로 연장되는 조립체를 형성하기 위해 함께 적층된, 열 전도성 매체로 된, 복수 개의 열 전도성 플레이트를 포함한다. 인터페이스 교환 엘리먼트의 외부 표면은 HVAC 시스템과 같은, 인터페이스 교환 엘리먼트의 외부 환경과 열 에너지를 교환하도록 적응된다.
다른 태양에 따라, 열 전도성 플레이트는 유체가 그 외부 표면을 가로질러 흐를 수 있게 하는 통로를 포함한다. 이 엘리먼트는 그 안에 형성된 하나 이상의 축 방향 매니폴드와, 인접한 열 전도성 플레이트 사이 및 통로에서 축 방향 매니폴드 내의 가스 흐름 압력 강하보다 상당히 더 큰 가스 흐름 압력 강하를 발생시키는 수단을 포함한다. 통로는 축 방향 매니폴드를 따라 동일 평면 내 실질적으로 균등한 가스의 분포를 제공하기 위해 그 안에서 실질적으로 균등한 압력 강하를 유지하도록 구성된다.
다른 태양에 따라, 열 전도성 플레이트는 가스가 플레이트를 통해 축 방향으로 흐를 수 있게 하는 다공질 전도성 물질이다.
다른 태양에 따라, 인터페이스 교환 엘리먼트는 냉각 환경과 열 에너지를 교환하도록 적응된 코일 형상 열 전도성 리본을 포함한다.
다른 태양에 따라, 인터페이스 교환 엘리먼트는 다공질인 열 전도성 물질로 이루어지고, 유입 유체로부터 열 에너지를 수용하도록 응용되고, 이로부터 냉각 환경으로 열 에너지를 전달하도록 응용된다.
다른 태양에 따라, 본 발명은 선택된 유체를 가열시키도록 적응된 에너지 시스템을 위해 제공하며, 전기 및 잉여 열을 발생시키는 연료 셀, 및 그로부터 잉여 열을 수용하도록 적응되고 연료 셀에 결합된 보일러 시스템과 같은 HVAC 시스템의 가열 컴포넌트를 포함한다.
본 발명의 기타 일반적인 목적 및 특정 목적은 첨부도면 및 다음 설명으로부터 명백하게 된다.
본 발명의 전술한 그리고 다른 목적,특징 및 이점들은 이하의 설명 및 첨부 도면으로부터 자명하고, 첨부 도면에서 동일한 참조기호는 상이한 관점에서 바라본 동일한 부분을 의미한다. 도면들은 본 발명의 원리를 예시하는 것이며, 정확한 치수를 나타내는 것은 아니나 상대적인 치수를 보여준다.
도 1은 선택된 유체를 가열 및/또는 냉각 조절하는 데 사용되는 본 발명의 전체 에너지 시스템의 개략적인 블록도를 나타낸다. 도시된 전체 에너지 시스템(10)은 HVAC 시스템에 열적으로 결합된 전기화학식 컨버터(12)를 포함한다. 전기화학식 컨버터는 전기 발생 이외에 화살표(16)로 나타낸 바와 같은, HVAC 시스템(14)에 전달되는 잉여 열을 생성한다. 연료 셀과 같은 전기화학식 컨버터는 공지되어 있고, 본 명세서에서 참조문헌으로서 통합된 Hsu의 미국특허 제 5,462,817 호 및 제 5,501,781 호 및 제 4,853,100 호에서 기술되어 있다.
전기화학식 컨버터(12)는 복사식, 전도식 또는 대류식으로 HVAC 시스템에 연결된다. 본 발명의 전기화학식 컨버터(12)는 고체 산화물 연료 셀, 용해된 탄소 연료 셀, 인산 연료 셀, 알카라인 연료 셀 또는 양자 교환막 연료 셀과 같은 연료 셀이다.
HVAC 시스템은 빌딩 전체에 열 전달 유체를 전달하기 위한 폐루프 시스템을 이용한다. 클로우즈된 루프 시스템에서, 스팀 보일러 또는 열 유체 보일러와 같은 가열 컴포넌트 또는 열 구동식 냉각기와 같은 냉각 컴포넌트, 또는 기타 에어 컨디셔닝 컴포넌트는 유체 통로를 통해 시설 전체에 운반되는 열 전달 유체를 조절한다. HVAC 시스템은 하나 또는 복수 개의 구조적으로 밀폐된 시설에서 온도 또는 습기와 같은 대기 환경 조건을 제어하기 위해 사용된다. HVAC 시스템에는 멀티 존, 듀얼 덕트 또는 터미널 재가열 유형 시스템을 포함하는 다수의 유형이 있다. 일반적으로, 이러한 HVAC 시스템은 동일 시스템 내에 별개의 가열 및 냉각 소스를 포함한다. 이 구성은 단일 시스템이 동일 시설을 냉각 및 가열할 수 있게 한다. 일반적인 관행에 따라, 복수 개의 HVAC 시스템은 상업용 시설과 같은 단일 시설에 장착될 수 있고 공통 열 소스에 의해 서비스되는 적절한 네트워크에 연결되고, 별개의 가열 엘리먼트 및 냉각 엘리먼트 모두를 포함한다. 상기 가열 및 냉각 엘리먼트는 시설의 가열 또는 냉각을 달성하는데 요구되는 상기 열 에너지를 제공한다.
본 발명의 도 2는 연료 셀(12)과 같은 전기화학식 컨버터와 본 발명에 따른 HVAC 시스템의 열 처리 컴포넌트(예로서, 보일러 또는 냉각기)의 통합을 나타낸다. 나타낸 연료 셀은 연료 반응물 입력(20)과 공기 반응물 입력(22)을 가진다. 연료 및 산화제 반응물은 적절한 매니폴딩에 의해 나타낸 바와 같은 연료 셀에 주입된다. 연료 셀은 연료 및 산화제 반응물을 처리하며 한 동작 모드에서 전기 및 잉여 열을 발생시킨다. 잉여 열은 적절한 열 처리 엘리먼트(26)에 복사식으로 전달될 수 있다. 나타낸 열 처리 엘리먼트(26)는 연료 셀(12)로부터 HVAC 시스템(14)의 컴포넌트에 복사식으로 열을 전달하는 데 조력한다. 열 전달 컴포넌트(26)은 연료 셀의 온도를 조절하는 역할을 한다. 열 처리 엘리먼트(26)는 복사된 열을 수용하기 위해 예를 들면, 연료 셀(12)에 인접하여 또는 근방에 위치된 열 구동식 냉각기의 증기 발생기를 포함한다. 상기 열 처리 엘리먼트(26)는 또한 복사된 열을 수용하기 위해 상기 연료 셀 주위 또는 근방에 위치된 가열 요소의 보일러를 포함할 수 있다.
용어 HVAC 시스템(14)의 "가열 컴포넌트" 및 "냉각 컴포넌트"는 주거용 및 상업용 시설 또는 기타 유형의 시설을 가열 및 냉각시키는데 사용하기에 적절한 임의의 공지된 냉각 및 가열 장치를 포함한다. 그러나, 가열 및 냉각 컴포넌트의 상기 예는 예시적인 것으로 의도되고 본 발명의 에너지 시스템과 함께 사용될 수 있는 유형의 가열 및 냉각 장치의 전부를 의미하는 것은 아니다.
도시된 바와 같이, 연료 셀(12)은 연료 셀(12)로부터 제거될 수 있는 배출물(24)을 생성한다. 열 처리 엘리먼트(26)는 바람직하게 HVAC 시스템의 가열 컴포넌트 및 냉각 컴포넌트에 열적으로 결합된다. 예를 들면, 상기 연료 셀(12)은 상기 보일러에 의해 흡수되는 잉여 열을 발생시킬 수 있다. 상기 흡수된 열은 선택된 상승 온도로 그 안에 포함된 작용 유체를 가열시키며, 그후 이것은 가열, 음식처리, 화학적 처리 및 기타 공지된 선택된 사용을 위해 시설 전체를 통해 HVAC 시스템에 의해 전달된다. 이 구성에서, 연료 셀(12)은 보일러의 버너부를 대체한다.
도 3은 본 발명의 전체 에너지 시스템(10)의 다른 실시예를 나타낸다. 에너지 시스템(10)은 HVAC 시스템(14)과 대류식으로 통합된 연료 셀(12)을 포함한다. 이 실시예에 따라, 연료 셀은 각각 연료를 처리하고 반응물(20 및 22)을 산화시키며, 전기 및 방출물(24)을 발생시킨다. 방출물(24)은 HVAC 시스템(14)의 적절한 열 처리 엘리먼트(26)에 직접 연결된다. 방출물은 그 후 도관(28)에 의해 도시된 바와 같이, 시스템 밖으로 전달된다. 당업자는 대류식으로 열을 전달하기 위해 HVAC 시스템(14)과 방출물을 직접 연결하는 실시예를 인식할 것이다. 예로서, 중간 열 교환기는 연료 셀(12)과 HVAC 시스템(14) 사이에 배치될 수 있다. 기타 실시예에 따라, 기타 열 교환기 또는 열 처리 제어 구조는 연료 셀로부터 HVAC 시스템(14)의 하나 이상의 컴포넌트로 열 전달을 달성하는 데 사용될 수 있다.
가열 또는 냉각 컴포넌트의 버너 컴포넌트로서 연료 셀을 채택하는 이점은 전기 발생 및 조절된 유체를 포함한다. 전기는 공지된 기술로, 전기화학적 처리에 따라 연료 셀 내부에서 발생된다. 이 전기는 적절한 전기 리드에 의해 연료 셀로부터 외부 사용을 위해 태핑될 수 있다. 따라서 HVAC 시스템(14)의 가열 또는 냉각 컴포넌트의 열 처리 엘리먼트(26)를 갖춘 연료 셀의 예시된 통합은 상업용 및 주거용 냉방 및/또는 난방은 물론 전기도 제공할 수 있는 고효율 에너지 시스템을 생성한다. 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 상기 열 에너지는 복사 및 전도(도 2) 또는 대류(도 3)에 의해 HVAC 시스템(14)의 가열 또는 냉각 컴포넌트의 열 처리 엘리먼트(26)에 공급될 수 있다.
HVAC 시스템(14)의 가열 컴포넌트의 사용에 적절한 전기화학식 컨버터는 외부 시설에 열 및 전기를 공급하기 위한 통합된 전체 에너지 시스템을 제공한다. 컨버터를 채택하는 중요한 이점은 전기 화학 반응의 엔탈피 및 자유 에너지 사이의 관계에만 의존하여 고효율일 수 있고 카르노-사이클 고려사항에 의해 제한되지 않는다는 점이다.
도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따라, 연료 셀(12)은 HVAC 시스템의 냉각 컴포넌트와 통합될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 한 실시예에 따라, 냉각 컴포넌트(30)는 암모니아-워터 흡수 냉각기를 포함한다. 예시된 냉각기 조립체(30)는 증기 발생기(32), 콘덴서(40), 증발기(50), 유체 펌프(60) 및 용매 펌프(68)를 포함한다. 냉각기 조립체(30)의 증기 발생기(32)는 열 소스(16)로부터 열을 흡수한다. 증기 발생기(32)는 환경에 민감한 암모니아 및 워터 혼합물을 포함한다. 공지된 바와 같이, 암모니아는 조립체의 냉각제로서의 역할을 하고 및 워터는 조립체의 흡수제로서의 역할을 한다. 증기 발생기(32)에 의해 흡수된 열은 암모니아-워터 용매가 비등하게 한다. 비등 처리 동안, 암모니아 및 워터는 분리된다. 암모니아는 가스로서 증기 발생기를 탈출하고 적절한 유체 도관(42)에 의해 컨덴서 유닛(40)에 전달된다.
상기 컨덴서는 바람직하게는 유체 도관(42) 근처에서 코일링하는 컨덴서 코일(44)을 포함한다. 상기 컨덴서 코일은 도관(42)을 통해 운행하는 암모니아 증기를 액체로 다시 응축시킨다. 응축된 액체가 도관(42)을 통해 증발기(50)로 흐름에 따라, 응축된 액체는 유체 제한기(46)를 통과할 수 있고, 상기 유체 제한기(46)는 상기 유체 흐름을 선택된 온도 및 압력 이하로 제한시킨다.
증발기(50)는 유입 매니폴드(54)가 통과할 수 있도록 그 안에 적절한 개구가 형성된 하우징(52)을 포함한다. 유입 매니폴드(54)는 유입 유체를 주입시키고, 유체 배분 구조체(fluid disbursement structure)(56)에서 종료하는 내부 매니폴딩을 더 포함한다. 배분 구조체(56)는 매니폴딩(47) 위에서 유입 유체를 분산시키며, 상기 매니폴딩(47)은 도관(42)의 일부에 의해 유체 제한기(46)에 연결되며 증발기 하우징 내에서 내부 매니폴딩(54) 둘레를 감는다. 증발기(50)에 들어가는 암모니아 액체는 배분 구조체(56)로부터 흐르는 워터로부터 열을 흡수한다. 상기 암모니아 액체는 암모니아를 기체 상태로 변환시키기 위해 워터와 같은 유입 유체로부터 충분한 열을 흡수한다. 이 기체 상태는 용매 냉각된 흡수체(solution cooled absorber)(74)로 전달된다.
처음에 암모니아-워터 혼합물의 일부를 형성하였던, 증기 발생기(32)에 남아있는, 흡수제 워터는 유체도관(80)을 따라 흡수체(74)로 운반된다. 예시된 유체도관(80)은 워터의 온도를 로딩하기 위해 용매 제한기(solution restrictor)를 포함할 수 있다. 이러한 상대적으로 차가운 흡수제 워터는 암모니아를 액체 형태로 재응축시키기 위해 가스형태 암모니아와 반응한다. 암모니아-워터 혼합물은 그 후 유체도관(84)을 통해 용매 펌프(68)로 이동되며, 이것은 도관(86)을 따라 용매를 증기 발생기(32)로 전달한다.
증발기(50) 내부에서 축적되는 냉각 워터는 펌프(60)에 의해 펌핑되고 선택된 위치를 냉각시키는 데 사용하기 위해 시설의 선택된 위치로 전달된다.
한 태양에 따라, 인터페이스 교환 엘리먼트는 도 3에서와 같이, HVAC 시스템(14)의 열 처리 엘리먼트(26)와 연료 셀 방출물(24) 사이에서 대류에 의한 열 교환에 사용될 수 있다.
도 5 내지 도 9는 열 에너지의 대류 전달을 달성하기 위해 본 발명의 HVAC 시스템(14) 및 전기화학식 컨버터(12)와 함께 사용하는 인터페이스 교환 엘리먼트(100)를 나타낸다. 특히, 본 발명에 따른 적층 플레이트 타입의 인터페이스 교환 엘리먼트(100)의 단면도인 도 5를 참조하면, 인터페이스 교환기(100)는 다수의 적층된 열 전도성 플레이트(102)를 포함한다. 상기 인터페이스 교환기는 열 전도성 플레이트(102)의 내부와 열적으로 완전히 연통되는 유체 도관 또는 매니폴드(104)를 포함한다. 인터페이스 교환기는 기밀 인클로우저 또는 하우징(110)에 수용될 수 있다. 유체 매니폴드(104)는 상승된 온도를 갖는 가스와 같은 선택된 유체를 인터페이스 교환기(100)의 내부 영역에 주입시킨다. 바람직하게 플레이트(102)들 사이에는 유체가 동일 평면 내에서 흐를 수 있게 하는 유체 통로(112)가 플레이트(102)의 외부 표면을 쪽으로 형성되어 있다. 상승된 온도를 갖는 가스는 열 전도성 플레이트(102)와 열을 교환한다. 플레이트(102)와 유입 유체 사이의 열 교환은 유체를 냉각시키며, 상기 유체는 차례로 방출 매니폴드를 통해 내부 교환기 엘리먼트(100)로부터 방출될 수 있다. 열 전도성 플레이트(102)에 의해 흡수된 열은 내부 교환기 엘리먼트(100)로부터 외부 환경으로, 화살표(116)에 의해 나타낸 바와 같이 방출될 수 있다.
상기 열 전도성 플레이트(102)는 알루미늄, 구리, 철, 강철, 합금, 니켈, 니켈 합금, 크롬, 크롬 합금, 백금과 같은 금속, 실리콘 카바이드와 같은 비금속을 포함하는 어떤 적절한 열 전도성 물질 및 다른 적절한 열 전도성 합성 물질로 구성되어진다. 상기 전도성 플레이트(102)의 두께는 상기 플레이트(102)의 평면에서, 다시 말하면 상기 플레이트의 표면을 따라, 선택된 온도 구배를 유지하도록 선택될 수 있다.
더욱이, 상기 전도성 플레이트는 유체 통로(112)를 통과하는 유입 유체의 균일한 분배에 의해 스택의 축을 따라(열 교환 구조물(100A)의 외부 주변 표면을 따라) 균일한 열 상태를 형성하며, 그 결과 차가운 또는 뜨거운 스폿들이 상기 스택을 따라 전개되지 못하도록 한다. 이것은 내부 열 교환 구조물의 전체 열특성을 개선시키고 시스템의 전체 열 교환 성능을 보장한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 유입 유체는 내부 열 교환 구조물의 주변 밀봉체(100A)을 따라 배출될 수 있다. 이런 구성에서, 상기 기밀 밀봉체(100A)는 배출물을 수집하고 어떤 적절한 구조물로 운반하는 주변 배출 매니폴드로서 사용된다.
또다른 실시예에 따르면, 상기 유입 유체는 기밀 밀봉체(100A)에 의해 형성되는 주변 배출 매니폴드 내로, 그리고 그 다음에 주변 에지를 따라 적층된 교환 구조물(100)내로 유입될 수 있다. 이런 구성에서, 상기 유입 유체는 전도성 플레이트(102)의 표면에 걸쳐 방사상으로 안쪽으로 흐르고 축방향으로 연장하는 하나 이상의 매니폴드(104 또는 114)를 통해 배출될 수 있다.
본 발명의 인터페이스 교환 엘리먼트(100)의 두드러진 장점은 HVAC 시스템의 최소 설계 변형으로 상업적 HVAC 시스템과 인터페이스 엘리먼트의 통합을 허용한다는 것이다. 결국, 상기 인터페이싱 교환 엘리먼트(100)는 광범위한 상업적 유니트로, 광범위한 상업적 응용을 위해 사용될 수 있다. 상기 인터페이스 교환 엘리먼트는 (1) 높은 HVAC 시스템 효율을 초래하는 높은 열 전달 효율, (2) 증가된 용도와 전체 에너지 시스템에 대한 더 광범위한 응용예를 제공하는, 상당히 컴팩트한 설계를 초래하는 높은 열 전달 플럭스, 및 (3) 인터페이스 교환 엘리먼트가 현재의 상업적 HVAC 장비에 업데이트될 수 있도록 하는 컴팩트한 크기를 포함한 다수의 바람직한 특징들을 제공한다.
동작 중, 상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100)는 연료 셀과 증기 발생기 또는 보일러부 사이의 열 교환을 용이하게 하기 위하여 HVAC 시스템의, 가열 또는 냉각 엘리먼트의 증기 발생기(32)부, 또는 가열 컴포넌트의 보일러부와 같은 열처리 엘리먼트(26)와 기하학적으로 매칭된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 인터페이스 교환 엘리먼트는 연료 셀(12) 및 HVAC 시스템(14) 사이에 삽입되어 그 사이에서 열 에너지의 직접적인 교환을 제공할 수 있다. 역으로, 연료 셀 적층부 자체는 하나 이상의 컴포넌트와 직접적으로 접촉하여 HVAC 시스템(14)과 함께 배치될 때 생성된 잉여 열을 HVAC 컴포넌트에 복사에 의해 전달함으로써 인터페이스 가열기로서 기능할 수 있다. 그러나, 연료 셀 컴포넌트 및 HVAC 시스템의 이런 직접적인 통합은 연료 셀 적층부와 HVAC 시스템의 열 처리 엘리먼트의 기하학적 매칭을 요구한다. 이것은 연료 셀 적층부 및 설계의 교체를 유발하고, 상기 시스템과 관련되어 비용을 증가시킨다. 그래서, 바람직한 실시예에 따라, 인터페이스 교환 엘리먼트(100)는 연료 셀 및 HVAC 시스템을 서로 매칭시키도록 기하학적으로 구성되어, 그것들을 직접적으로 결합시키고, 그래서 비교적 컴팩트하고 사용하기에 쉽고 매우 효율적인 총 에너지 시스템을 초래한다. 도시된 인터페이스 교환 엘리먼트(100)는 우수한 열 성능 특성을 가지며 HVAC 시스템의 열 처리 엘리먼트(26)의 효과적인 열적 통합을 허용하는 플레이트 타입 교환기로 제공한다. 본 발명의 인터페이스 교환 엘리먼트는 전도성 및/또는 대류성 열 전달 기술에 의해 열을 전달할 수 있는 컴팩트, 고효율 열 교환기를 사용함으로써 통상적인 열 교환기의 크기에 대한 단점을 극복한다.
바람직하게, 유체 통로(112)는 유체 통로(112)내의 압력 강하가 유체 매니폴드(104)에 따른 압력 강하보다 상당히 크도록 인터페이스 엘리먼트(100)내에 형성된다. 특히, 유체 통로(112)의 흐름 저항은 상기 매니폴드(104)의 흐름 저항보다 상당히 크다.
일 실시예에 따라, 적층된 내부 엘리먼트(100)는 컬럼 방식의 구조이고, 열 전도 플레이트(102)는 약 1 인치 및 약 20 인치 사이의 직경을 가지며 약 0.002 인치 내지 약 0.2 인치 사이의 두께를 가진다. 여기에 사용된 바와 같은 컬럼 방식이라는 용어는 길이 방향 축을 따라 적층될 때 유체 혼합물을 위해 도관을 사용하는 적어도 하나의 내부 유체 매니폴드를 가지는 여러 기하학적 구조를 기술하고자 하는 것이다. 당업자는 내부 교환 엘리먼트(100)가 직사각형 또는 내부 또는 외부 매니폴드를 가지는 직선 모양같은 다른 기하학적 구조를 가질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 선택된 직사각형 구조를 가지는 플레이트는 유체, 예를 들어 고온 또는 저온 가스의 공급 및 수집을 위하여, 부착된 외부 매니폴드에 적층 및 통합될 수 있다. 인터페이스 교환 엘리먼트의 정밀한 구조는 HVAC 시스템의 열 처리 엘리먼트의 기하학적 구조를 사용하여 설계된다.
도 6은 다공질 매체를 사용하는 본 발명의 인터페이스 교환 엘리먼트의 다른 실시예의 단면을 도시한다. 도시된 교환 엘리먼트(120)는 HVAC 시스템의 열 처리 엘리먼트(26)와 접촉하기 위하여 외부 주변 표면(124)을 가지는 실질적으로 원통 모양을 가지며 실질적으로 다공질 열 전도 매체(122)로 구성된다. 도시된 바와 같이, 상승된 온도를 가지는 선택된 유입 유체는 인터페이스 교환 엘리먼트의 입력측(126)에 유입되고 그것의 출력측(128)으로부터 배출된다. 열적으로 전도성인 매체(122)는 유입 유체로부터 열을 흡수하고 유입 유체 이하의 온도, 바람직하게 실질적으로 낮은 온도를 가지는 비교적 차가운 유체를 배출한다. 다공질 열 전도성 매체(122)에 의해 흡수된 열은 전도 또는 대류에 의해 열 처리 엘리먼트(26)로 전달된다. 도시된 내부 교환 엘리먼트(120)는 도 5에 도시되고 기술된 인터페이스 교환 엘리먼트와 유사한 방식으로 사용된다. 도 5의 인터페이스 교환 엘리먼트(100)와 유사하게, 교환 엘리먼트(120)는 종래의 HVAC 시스템과 사용하기에 적절한 임의의 선택적인 기하학적 구조를 가질 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 인터페이스 교환 엘리먼트의 다른 실시예를 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 인터페이스 교환 엘리먼트(130)는 외부 표면(132) 및 길이 방향 축을 따라 연장되는 길이를 가지는 실질적으로 원통형 하우징을 가진다. 인터페이스 교환 엘리먼트(130)는 교환 엘리먼트의 상부(130A) 및 하부(130B) 사이에서 연장되는 다수의 축 통로(134)로 구멍이 나있다. 인터페이스 교환 엘리먼트는 바람직하게 도 5 및 도 6에 도시된 인터페이스 교환 엘리먼트와 유사한 열 전도성 물질로 만들어진다.
도시된 인터페이스 교환 엘리먼트(130)는 상기된 방식과 유사한 방식으로 동작한다. 예를 들어, 선택된 상승 온도를 가지는 유입 유체(136)는 인터페이스 교환 엘리먼트, 예를 들어 교환 엘리먼트의 하부(130B)로 유입되고, 축 매니폴드(134)를 통하여 통과하고 반대편 단부로 배출된다. 유입 유체(136)가 인터페이스 교환 엘리먼트(130)를 통하여 이동하고, 열은 교환 엘리먼트의 열 전도 몸체에 의해 흡수된다. 결과적으로, 열은 유입 유체로부터 흡수되고 유입 유체보다 실질적으로 낮은 온도를 가지는 교환 엘리먼트에서 소비된다. 열 에너지는 열을 교환하기 위하여 HVAC 시스템의 열 처리 엘리먼트(26)와 접촉하여 외부 표면(132)으로 전도된다.
인터페이스 교환 엘리먼트의 다른 실시예는 도 8에 도시된 실시예를 포함한다. 이 실시예에서, 인터페이스 교환 엘리먼트(140)는 마차 바퀴 구조로서, 외부 표면(142), 및 중앙 허브 부분(146)으로부터 방사상으로 바깥쪽으로 연장되어 교환 엘리먼트(140)의 내부 벽(148)을 따라 종결되는 다수의 스포크(spoke)(144)를 가지는 실질적으로 원통형 구조를 가진다.
도 9는 본 발명의 기술에 따른 인터페이스 교환 엘리먼트(150)의 다른 실시예를 도시한다. 도시된 교환 엘리먼트(150)는 다수의 측면(152A-152D) 및 측면(152A와 152B) 사이에서 연장되는 다수의 핀(fin)(154)을 가지는 실질적으로 직사각형 구조를 가진다. 상기 핀은 측면(152C 및 152D) 사이로 연장하는 축을 따라 간격이 두어진다. 도시된 교환 엘리먼트(150)는 유입 유체로부터 열을 흡수하는 열적으로 전도성인 재료로 형성된다. 결과적으로, 유체는 유입 유체의 온도보다 상당히 낮은 온도에서 배출된다. 열 에너지는 열을 교환하기 위하여 HVAC 시스템의 열 처리 엘리먼트(26)와 접촉하여 외부 표면(152A 및 152B)으로 전도된다.
HVAC 시스템을 가지는 전기화학식 컨버터의 도시된 열적 통합은 종래 기술을 개선시킨다. 전기 및 냉각 또는 열 유체를 거주지 또는 상업적 시설에 공급하기 위하여 사용된 도시된 하이브리드 총 에너지 시스템(10)은 에너지 서비스 회사에 많은 장점을 제공한다. 전기화학식 컨버터가 사용동안 전기를 생성하는 버너로서 동작할 뿐 아니라, 열 또는 냉각 처리를 제공하기 때문에 전술한 이익이 발생한다. 그래서, 전기화학식 컨버터는 최종 소비자의 전기 및 열 양쪽 요구를 차례로 서비스하는 연료 반응체 공급 천연 가스로서 사용한다. 상기 연료 구성부품의 사용은 환경적 보호, 무소음 및 특히 청결 및 작고 편리한 위치에 설치할 수 있는 컴팩트한 총 에너지 시스템을 위하여 제공한다.
본 발명의 다른 이점은 전체 에너지 시스템이 상기 시스템에 의해 발생된 전기 및/또는 조절된 유체가 사용되는 시설에 또는 필요에 따라 그 근방에 설치될 수 있고, 이로써 전기 전송을 절약할 수 있다는 것이다. 이들 시스템은 필요한 기준에 따라 또는 베이스-로딩(base-loaded)식으로 연속적으로 동작하도록 구성될 수 있다. 다른 이점으로는 전체 시스템을 상당 부분 해체하지 않고 필드에서 사용하는 동안 선택된 컴포넌트 또는 연료 셀을 비교적 안전하고 용이하게 대체할 수 있다는 것이다.
따라서 본 발명은 상기 설명으로부터 명백한 바와 같이 상기한 목적을 효과적으로 달성할 수 있음을 알 것이다. 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 임의의 변경이 이루어 질 수 있으므로, 상기 설명 또는 첨부도면에 나타난 모든 사항은 제한적이 아닌 예시적인 것으로 의도된다.
이하의 특허청구범위는 본 발명의 범위에 속하는 모든 설명과 모든 일반적이고 특정한 특징구조를 포함하는 것으로 이해되어져야 한다.
상기와 같이 설명된 본 발명은, 다음과 같이 새롭고 바람직한 것으로 특허청구된다.

Claims (113)

  1. 전기를 공급하고 선택된 유체를 조절하기 위한 에너지 시스템에 있어서,
    선택된 상승된 온도를 갖는 방출물, 잉여 열(16) 및 전기를 발생시키는 수단을 갖는 연료 셀(12);
    상기 잉여 열(16)에 관련하여 선택된 온도를 갖는 출력 유체 흐름을 공급하여 상기 유체를 조절하기 위한 열 에너지 장치(14 또는 30); 및
    상기 연료 셀(12)의 방출물과 상기 열 에너지 장치(14 또는 30) 간의 열 교환을 용이하게 하기 위해 상기 연료 셀과 열 에너지 장치 사이에 위치되고, 상기 방출물이 통과할 때 상기 방출물로부터 열을 수용하도록 구성되고, 상기 열 에너지 장치에 전도에 의해 열을 전달하는 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)를 포함하는 에너지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)는 상기 연료 셀의 방출물로부터 열을 복사, 전도 또는 대류에 의해 수용하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열 에너지 장치(14 또는 30)는 상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100, 120,130,140 또는 150)와 직접 접촉하여 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)는 상기 연료 셀의 방출물을 직접 수용하도록 배치되거나, 선택적으로 상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)는 직접적인 열 교환을 제공하기 위해 상기 열을 상기 열 에너지 장치(14 또는 30)에 직접 전달하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 에너지 장치(14 또는 30)는 HVAC 시스템의 컴포넌트인 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 에너지 장치는, 상기 인터페이스 교환 엘리먼트에 연결되고 구동을 위해 상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)로부터 열을 수용하도록 적응된 열 구동식 냉각기 조립체(30)를 포함하며, 상기 열 구동식 냉각기 조립체는, 상기 연료 셀의 상기 잉여 열 온도 이하인 선택된 온도를 갖고 상기 선택된 유체를 냉각시키기에 충분한 출력 유체 흐름을 제공하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열 구동식 냉각기 조립체(30)는,
    선택된 온도 이상으로 가열되었을 때 증기를 발생시키기 위해 상기 연료 셀(12)과 열적으로 연통되는 증기 발생기(32);
    상기 증기를 액체로 응축시키기 위해 상기 증기 발생기(32)와 유체적으로 연통되는 컨덴서(40); 및
    상기 액체를 다시 증기로 변환시키기 위한 증발기(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 열 구동식 냉각기 조립체(30)의 상기 증기 발생기(32)는 적어도 부분적으로 상기 연료 셀(12)을 인클로우징하며, 복사에 의해 상기 연료 셀에 의해 생성된 상기 잉여 열(16)을 수용하도록 적응되거나, 선택적으로 상기 증기 발생기는 상기 인터페이스 교환 엘리먼트와 열 에너지를 교환하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 에너지 장치는, 상기 연료 셀(12)에 연결되고 연료 셀로부터 상기 잉여 열을(16)을 수용하도록 적응되는 보일러를 포함하며, 상기 보일러는 상기 선택된 유체를 선택된 상승된 온도로 가열시키도록 적응되며 선택적으로 스팀 보일러 또는 열 유체 보일러인 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열 에너지 장치는 증기 발생기를 더 포함하며, 상기 증기 발생기는 상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)와 열 에너지를 교환하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 셀에 연료 반응물과 산화제 반응물 중의 하나를 주입하는 수단을 더 포함하며, 선택적으로 상기 연료 셀은 상기 전기 및 상기 잉여 열을 발생시키기 위해 상기 반응물들을 처리하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 잉여 열의 상기 상승된 온도는 약 100℃ 내지 약 1200℃ 범위의 온도인 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 셀(12)은 고체 산화물 연료 셀(solid oxide fuel cell), 용해된 카보네이트 연료 셀(molten carbonate fuel cell), 인산 연료 셀(phosphoric acid fuel cell), 알카라인 연료 셀(alkaline fuel cell) 및 양자 교환막 연료 셀(proton exchange membrane fuel cell)로 이루어 지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 셀(12)은 그것으로부터 상기 잉여 열(16)을 복사시키고, 상기 시스템은 상기 잉여 열을 조절하는 수단을 더 포함하며, 선택적으로 상기 조절하는 수단은 상기 연료 셀을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 구성된 하나 이상의 복사 차폐물을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 셀(12)은,
    한 측면에 산화제 전극을 가지며 대향하는 측면에 연료 전극을 갖는 복수 개의 전해질 엘리먼트; 및
    상기 복수 개의 전해질 엘리먼트와의 전기적 접촉을 제공하는 복수 개의 인터커넥터 엘리먼트를 포함하며, 상기 복수 개의 전해질 엘리먼트와 복수 개의 인터커넥터 엘리먼트는 상기 연료 셀을 형성하기 위해 교대로 적층되는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)는 열 전도성 물질로 형성된 복수 개의 열 전도성 플레이트(102)를 포함하며, 상기 플레이트(102)들은 상기 열 에너지 장치와 열 에너지를 교환하도록 적응된 외부 표면(100A)을 갖는 상기 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)를 형성하도록 함께 적층되는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 열 전도성 플레이트(102)는 유체가 동일 평면 내에서 가로질러 흐를 수 있게 하는 통로 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)는,
    그 안에 형성된 하나 이상의 축 방향 매니폴드(104,114,122 또는 134); 및
    인접하는 열 전도성 플레이트 사이 및 상기 통로 수단에서 상기 축 방향 매니폴드 내부의 가스 흐름 압력 강하보다 더 큰 가스 흐름 압력 강하를 발생시키는 수단을 더 포함하며, 이로써 상기 축 방향 매니폴드를 따라 균일한 가스 흐름을 제공하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 열 전도성 플레이트(102)는 다공질 전도성 물질로 형성되고, 상기 다공질 물질은 가스가 상기 플레이트를 통해 축 방향으로 흐를 수 있게 하는 통로 수단을 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)는 나선형을 이루는 열 전도성 리본을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)는 다공질 열 전도성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)는 약 1 인치 내지 약 20 인치의 직경을 갖는 실린더 형태이거나, 선택적으로 직사각형인 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템.
  23. 전기를 공급하고 선택된 유체를 조절하는 방법에 있어서,
    선택된 상승된 온도를 갖는 방출물, 잉여 열(16) 및 전기를 발생시키는 연료 셀(12)을 제공하는 단계;
    상기 잉여 열(16)에 관련하여 선택된 온도를 갖는 출력 유체 흐름을 제공하는 열 에너지 장치(14 또는 30)로 상기 선택된 유체를 조절하는 단계;
    상기 연료 셀(12)과 상기 열 에너지 장치(30) 사이에 위치하여 연료 셀의 방출물이 통과할 때 상기 방출물로부터 열을 수용하는 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)로 상기 열 에너지 장치와 상기 연료 셀의 방출물 사이에 전도에 의한 열 교환을 용이하게 하는 단계; 및
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트로부터 상기 열 에너지 장치로 상기 열을 전도에 의해 전달하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 연료 셀 방출물로부터 열을 복사, 전도 또는 대류에 의해 수용하도록 상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)를 결합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)와 직접 접촉하도록 상기 열 에너지 장치(14 또는 30)를 위치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 23항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 셀 방출물을 직접 수용하도록 상기 인터페이스 교환 엘리먼트 (100,120,130,140 또는 150)를 위치시키는 단계를 더 포함하거나, 선택적으로 상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)와 상기 열 에너지 장치(14 또는 30) 사이에 직접 열 교환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 열 에너지 장치(30)는 HVAC 시스템의 컴포넌트인 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 23 항에 있어서,
    열 에너지 장치로 상기 선택된 유체를 조절하는 단계는,
    상기 연료 셀(12)에 결합된 열 구동식 냉각기 조립체(30)를 제공하는 단계;
    상기 열 구동식 냉각기 조립체(30)를 열적으로 구동시키는 단계; 및
    선택된 유체가 연료 셀 잉여 열(16)의 온도 이하의 선택된 온도를 갖도록 상기 선택된 유체를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 열 구동식 냉각기 조립체(30)를 제공하는 단계는,
    선택된 온도 이상으로 가열되었을 때 증기를 발생시키기 위해 상기 연료 셀(12)과 열적으로 연통되는 증기 발생기(32)를 제공하는 단계;
    상기 증기를 액체로 응축시키기 위해 상기 증기 발생기(32)와 유체적으로 연통되는 컨덴서(40)를 제공하는 단계; 및
    상기 액체를 다시 증기로 변환시키기 위한 증발기(50)를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 증기 발생기(32)와 상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150) 사이에 열 에너지를 교환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 23 항에 있어서,
    열 에너지 장치로 상기 선택된 유체를 조절하는 단계는,
    연료 셀로부터 상기 잉여 열을 수용하도록 적응되고 상기 연료 셀과 열적으로 연통되는 보일러를 제공하는 단계; 및
    상기 선택된 유체를 선택된 상승된 온도로 가열시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)와 열 에너지를 교환하도록 적응된 증기 발생기를 제공하는 단계를 더 포함하며, 선택적으로 상기 연료 셀(12)의 상기 잉여 열(16)에 응하여 작용 유체로부터 증기를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 23 항에 있어서,
    상기 연료 셀(12)에 연료 반응물(20)과 산화제 반응물(22) 중의 하나를 주입시키는 단계를 더 포함하며, 선택적으로 상기 전기 및 상기 잉여 열(16)을 발생시키도록 상기 반응물들을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 23 항에 있어서,
    고체 산화물 연료 셀, 용해된 카보네이트 연료 셀, 인산 연료 셀, 알카라인 연료 셀 및 양자 교환막 연료 셀로 이루어 지는 그룹으로부터 상기 연료 셀(12)을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 23 항에 있어서,
    상기 연료 셀(12)은 상기 잉여 열(16)을 복사시키며, 상기 잉여 열을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 23 항에 있어서,
    상기 연료 셀(12)을 제공하는 단계는,
    한 측면에 산화제 전극을 가지며 대향하는 측면에 연료 전극을 갖는 복수 개의 전해질 엘리먼트를 제공하는 단계; 및
    상기 복수 개의 전해질 엘리먼트와의 전기적 접촉을 제공하는 복수 개의 인터커넥터 엘리먼트를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 복수 개의 전해질 엘리먼트와 복수 개의 인터커넥터 엘리먼트는 상기 연료 셀(12)을 형성하기 위해 교대로 적층되는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 23 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)와의 열 교환을 용이하게 하는 단계는,
    열 전도성 물질로 형성된 복수 개의 열 전도성 플레이트(102)를 제공하는 단계; 및
    상기 열 에너지 장치와 열 에너지를 교환하도록 적응된 외부 표면(100A)을 갖는 상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)를 형성하도록 상기 열 전도성 플레이트(102)들을 함께 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제 37 항에 있어서,
    유체가 동일 평면 내에서 가로질러 흐를 수 있게 하기 위해 상기 열 전도성 플레이트(102)에 하나 이상의 통로를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)에 하나 이상의 축 방향 매니폴드(104,114,122 또는 134)를 형성하는 단계; 및
    인접하는 열 전도성 플레이트 사이 및 상기 통로에서 상기 축 방향 매니폴드 내부의 가스 흐름 압력 강하보다 더 큰 가스 흐름 압력 강하를 발생시킴으로써, 상기 축 방향 매니폴드를 따라 균일한 가스 흐름을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 축 방향 매니폴드를 따라 균일한 가스 흐름을 제공하기 위해 상기 통로 내부에서 균일한 압력 강하를 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제 37 항에 있어서,
    다공질 전도성 물질로부터 상기 열 전도성 플레이트(102)를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 다공질 물질은 가스가 상기 플레이트를 통해 축 방향으로 흐를 수 있게 하는 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제 23 항에 있어서,
    나선형의 열 전도성 리본 내로 상기 인터페이스 교환 엘리먼트 (100,120,130,140 또는 150)를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 제 23 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)를 다공질 열 전도성 물질로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 제 23 항에 있어서,
    상기 인터페이스 교환 엘리먼트(100,120,130,140 또는 150)를 약 1 인치 내지 약 20 인치의 직경을 갖는 실린더 형태로 형성하는 단계를 더 포함하거나, 선택적으로 상기 인터페이스 교환 엘리먼트가 직사각형 단면을 갖도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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