KR101663330B1 - 공기 분배 장치를 이용하는 향상된 연료전지 스택 플로우 후드 공기 플로우 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 향상된, 특히 향상된 가스 플로우 및 열 관리를 갖는, 연료전지 스택 어셈블리 및 연료전지 스택 어셈블리의 동작 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 특히 향상된 가스 플로우(gas flow)과 열 관리(thermal management)를 갖는, 향상된 연료전지 스택 어셈블리(fuel cell stack assemblies) 및 연료전지 스택 어셈블리의 동작 방법에 관한 것이다.
"연료전지 스택 어셈블리"이라는 용어는 적어도 하나의 연료전지 스택을 의미한다. 각각의 적어도 하나의 연료전지 스택은 적어도 하나의 연료전지 스택 레이어(fuel cell stack layer)를 포함하고, 적어도 하나의 연료전지 스택 레이어는 적어도 하나의 연료전지, 연료와 옥시던트 주입구/배출구 연결부 및 연료와 옥시던트 스트림(fuel and oxidant stream or streams)을 위한 플로우 경로(flow path), 사용된 연료 및 옥시던트 스트림을 위한, 연료전지 스택 밑판(fuel cell stack base plate), 상기 연료전지 스택 밑판에 밀봉되어 부착되고, 상기 연료전지 스택 밑판 및 상기 후드 사이의 후드 볼륨(hood volume)을 정의하는 후드, 상기 후드 볼륨 안으로의 적어도 하나의 가스 주입부 및 (상기 후드 볼륨 안에 위치하지 않는) 예열기를 포함한다.
연료전지 스택의 다른 선택적인 구성은 연료전지 씰 어셈블리(fuel side seal assembly), 옥시던트 사이드 씰 어셈블리(oxidant side seal assembly), 종판(end-plates)과 압축 시스템(compression system), 연료전지 스택 인슐레이션(stack insulation) 및 적합한 전기 제어/모니터링 연결부(electrical and control/monitoring connections as appropriate)를 포함한다. "연료전지 스택 시스템 어셈블리"이라는 용어는 시스템 전자 장치 및 제어 수단(system electronics and control means)과 함께 있는 연료전지 스택 어셈블리를 의미한다. 다른 선택적 구성은 개질기(reformer)(만약 연료 주입구가 개질되거나 미리 개질된 경우(if inlet fuel is to be reformed or pre-reformed)), 물 리커버리 시스템(water recovery system), 스팀 생성부(steam generator unit), 열 교환 스트림(heat exchanger streams) 중 하나의 페이즈 변환(phase change)을 선택적으로 포함하는 적어도 하나의 열 교환부(heat exchanger), 열 인슐레이터(thermal insulation), 기동 버너(start-up burner) 및 테일-가스 연소실(tail-gas combustor)을 포함한다.
"시스템 전자 장치(system electronics)"라는 용어는 제어 전자 장치 및/또는 파워 전자 장치를 포함하고, 시스템 전자 장치는 선택적으로 연료전지 스택 어셈블리의 안 또는 가까이에서 함께 또는 떨어져서 있는 적어도 하나의 전자 장치 보드 및/또는 유닛(electronics board and/or unit)일 수 있다. "제어 수단(control means)"이라는 용어는 적합한 입력 및 센싱 수단과 함께인 가스 및 유체 제어 밸브 및 펌프(valves and pumps), 공기(옥시던트) 블로어 유닛(blower unit) 및 안전 장치를 포함한다. 연료전지 스택 어셈블리는 옥시던트 제품(이하 배기 가스 스트림을 나타내고, 또한 애노드 오프-가스(anode off-gas) 및 캐소드 오프-가스(cathode off-gas)를 나타낸다), 열 및 DC 전류 형태의 전기를 생산하기 위하여 주입구 옥시던트 및 연료를 갖도록 동작한다. 종합적으로, 연료전지 스택 시스템 어셈블리는 예를 들어, 제1 전압으로부터 제2 전압으로 DC 연료전지 출력(DC fuel cell output)을 변환하는 파워 전자 장치 및/또는 DC 연료전지 출력을 AC 웨이브 형태로 변환하는 파워 전자 장치를 포함하는 시스템 제어 수단 및 시스템 전자 장치를 포함하는 추가적인 구성을 포함할 수 있다.
옥시던트 대 연료를 1:1에서 20:1 사이의 비율을 갖도록 연료전지 스택을 운영(run)하는 것이 일반적이다 - 더 일반적으로는 5:1 에서 15:1 사이 그리고 더욱 일반적으로는 8:1에서 12:1 사이의 비율 -. 따라서, 일반적인 동작 하에서는, 연료전지 스택을 통한 옥시던트 가스 플로우의 화학적인 초과(stoichiometric excess)가 있다. 옥시던트 가스 플로우의 초과는 일반적으로 연료전지의 전기 화학적 반응 장소(electrochemical reaction site of the fuel cell)에 가깝도록 연료전지 스택을 냉각하는데 사용된다. 개질기 유닛을 연료를 개질 또는 미리-개질하는데 사용하는 곳에서는, 효과적이고 효율적인 개질 처리를 얻기 위해 스팀 개질 촉매(steam reforming catalyst)를 사용하는 것이 일반적이다. 예를 들어, 연료-예컨대 천연 가스(natural gas)-에 기반한 메탄(methane)을 사용하는 경우, 2:1에서 3:1 사이의 카본 비율(carbon ratio)을 갖는 스팀을 갖는 것은 일반적이지 않다.
LPG 같은 연료 가스에 기반한 프로판을 사용하는 경우, 긴사슬 탄화수소(long chain hydrocarbons)와 이중 결합(예를 들어, 알켄(alkenes))의 퍼센트지와 같은, LPG 구성 분자에 따라서 5:1처럼 높을 수도 있지만, 3:1에서 4:1 사이의 카본 비율(carbon ratio)을 갖는 스팀을 갖는 것은 일반적이지 않다. 연료 가스에 기반한 부탄(butane)을 사용하는 경우, 4:1에서 5:1 사이의 카본 비율(carbon ratio)을 갖는 스팀을 갖는 것은 일반적이지 않다. 주어진 개질기 디자인에서, 개질기 동작 중에 카본 비율로 스팀을 증가하는 것은 일반적으로 개질기 안의 배기 온도를 감소시킨다.
연료전지의 효율적인 운영은 연료전지 안의 전기 화학 반응의 위치에서의 로컬 온도에 연관되어 있음이 당업자에게는 잘 알려져 있다. 연료전지 스택 어셈블리의 동작에서, 주입구 가스 스팀은 연료전지에 들어가기 전에 가열되다 - 만약 주입구 가스 스팀이 너무 낮은 온도에서 들어가게 되는 경우, 전기 화학적 반응 위치의 로컬 온도는 너무 낮을 수 있고, 연료전지의 동작 효율 및 파워 출력은 불리하게 영향 받을 수 있다. 연료전지 스택의 온도를 관리하는 기술은 연료전지 스택의 효율적인 운영 및 정격 파워 출력(rated power output)에 큰 영향을 미친다.
상당한 기술적 노력은 연료전지 스택, 공장 구성(plant components)의 발란스(balance), 연료전지 스택이 동작 조건의 범위를 넘어 가장 효율적인 전기 화학적 반응을 위한 정확한 온도를 유지할 수 있도록 하는 제어 공정을 디자인하는데 소요되었다. 전형적인 동작 조건은 시스템 기동(system start-up), 지속적 상태 동작(steady state operation), 동적 로드 체인지(dynamic load change) 및 시스템 정지(system shut-down)를 포함한다.
예를 들어, 중간온도 고체 산화물 연료전지(IT-SOFC) 장치의 경우, 연료전지 스택 어셈블리 안의 연료전지 스택의 연료전지의 전기 화학적 반응은 450-650도 사이의 로컬 연료전지 온도에서 가장 효율적으로 동작할 수 있다. 연료전지 스택 동작 온도는 일반적으로 450-650도 사이이다.
연료전지 스택의 효율적인 동작을 위해서, 섭씨(ºC)의 연료전지 스택 동작 온도의 연료전지 스택의 동작 온도에 가까운 온도 -예를 들어, 0-20 % 안, 더욱 바람직하게는 0-10%안, 더욱 바람직하게는 0-5% -로 옥시던트 및 연료 주입 스팀을 가열하는 것이 요구된다. 예를 들어, IT-SOFC는 전해액 연료전지(electrolyte fuel cell)에 기반한 적어도 하나의 금속 지지체형 CGO(ceria gadolinium oxide)를 포함하는 연료전지 스택이다. 예를 들어, IT-SOFC 시스템은 약 480도의 온도에서 연료전지 스택으로 들어가는 옥시던트 가스 스트림을 가열할 수 있는 적어도 하나의 열 교환 시스템(예열기)을 가질 수 있다.
몇 몇 연료전지 시스템 디자인에서, 연료전지 주입 옥시던트 가스 스트림으로의 열 교환이 더 요구되지 않도록, 열 교환 시스템 출구 가스 스트림 온도(heat exchanger system exit oxidant gas stream temperature)는 요구되는 연료전지 스택 옥시던트 가스 스트림 주입 온도와 상당히 같도록 디자인된다. 전형적인 IT-SOFC 시스템에서, 열 교환 시스템에 대한 가스 가열은 약 510도의 열 교환 시스템 주입 온도를 가질 수 있다.
연료전지 스택 안으로 들어가는 옥시던트 가스 스트림의 요구되는 온도(약 480도)와 약 510도의 열 교환 시스템 가열 가스 주입 온도 사이의 낮은 열 포텐셜(thermal potential) 때문에, 열 교환 디자인은 큰 사이즈와 큰 질량이 필요하다. 예를 들어, 대략 1kW 전기 파워 출력 연료전지 시스템을 위한 열 교환 시스템은 높은 효율을 갖지만, 복잡하고, 가격적으로 비싼, 약 3.5 kg 무게를 갖는 디자인 열 교환 유닛이다.
연료전지 스택 옥시던트 가스 스트림을 가열하는 열 교환 시스템은 적어도 2 개의 열 교환 유닛으로 구성될 수 있다. 적어도 2개의 열 교환 유닛은 연료전지 스택 옥시던트 가스 스트림을 위한 열 유체로서, 적어도 2개의 연료전지 시스템 가스 스트림(예를 들어, 애노드 오프-가스 스트림(anode off-gas stream) 및 테일-가스 버너 오프 가스 스트림(tail-gas burner off-gas stream))을 사용할 수 있다. 연료전지 스택 가스 주입 스팀을 가열하기 위한 다양한 열 교환 준비는 US 5902692, US 6042956 and EP 0580918와 같은 선행 문헌으로부터 알 수 있다.
그러나, 그러한 장치들은 복잡하고 비싸며, 제조하기 어렵고, 가스 스트림이 섞이는 것을 방지하기 위한 효율적인 봉합 문제를 갖고, 제한된 열 교환 표면 영역을 갖는다. US 2005/0089731은 개질기와 집적 열 교환기(integrated heat exchanger)를 조합한 고체 산화물 연료전지 스택의 필수 구성을 갖는 시스템을 기재하고 있다. 이 때, 상기 집적 열 교환기는 단열 용기(adiabatic vessel) 안에 동봉된 2개의 열 교환기 및 SOFC 스택 오프 가스 연소실(SOFC stack off-gas combustor)을 포함한다.
오프-가스 연소실로부터 발생하는 열 에너지는 열 교환기의 열 소스로서 사용된다. SOFC는, 비록 650-850 DegC의 동작 범위로 명시되지만, 750 DegC에서 동작할 수 있다. 연료는 300에서 600 DegC의 온도로 개질된다(단락 0063).
실시예에서, 집적 열 교환기(단락 0079) 안의 촉매 연소실로부터의 열을 이용하거나, 연료전지 스택으로부터 배기되는 연료 또는 공기로부터의 열 에너지 및 연소실 열을 이용하여, 연료 및 공기 모두 하나 이상의 열 교환기에서 가열된다.
도 21 및 22는, 연료전지 스택 안으로 들어가기 전에 추가 열을 얻기 위해서, 연료 가스가, 스택에 공급되는 대신, 스택의 주변에 공급되는 상황을 보여주고 있다. 그러나, 이런 가르침의 세부 사항은 불가능하다. 연료는, 연료전지 스택으로 연료가 들어가기 전에, 300에서 600 도 사이에서 전-개질기(pre-reformer)로부터 연료전지 스택 주변 공간으로 공급된다. 연료전지 스택은 650-850도 온도 - 대부분 약 750도 - 의 연료를 요구한다. 연료가 전-개질기를 떠나고, 연료전지 스택으로 들어오는 효율적인 열 에너지를 어떻게 얻는지에 대한 설명은 없다.
100도 보다 온도가 더 높게 되도록 하기 위해서는, 연료는 충분한 열 에너지를 얻도록 스택 영역 공간(stack area void)에서 충분한 시간 동안 있어야 한다. 여기서는 이것이 어떻게 얻어지는지는 제안되거나 제시하지 않는다. 더욱이, 어떻게 스택 주변의 공간이 구조화되고, 어떻게 공간이 단열 용기를 만드는 열 인슐레이션으로부터 빠져나가는 가스를 멈추도록 가스를 타이트하게 하는지에 대한 설명이 없다.
넓은 온도 동작 범위를 넘어 가스가 타이트하도록 완료하는 상당한 엔지니어링 도전을 위한 고온 및 수소를 포함하는 폭발성 가스의 존재와 같은 것은 사소한 문제가 아니다. 스택 주변부(stack periphery) 및 단열 용기 열 인슐레이션 사이의 공간 내에서 650도를 넘은 가스는 불가능할 수 있다. 단락 0105에서는 연료전지 스택의 주변부에서 연료를 가열하는 대신, 연료전지 스택의 주변부에서 공기가 가열될 수 있음이 개시된다. 단락 0105는 공기가 공기 블로어로부터 연료전지 스택의 주변부로 공급될 수 있음을 개시하고 있다. 다시 말하지만, 이것은 불가능하다.
처음으로, 공기는 가까운 주위 온도에서 주변부 근처의 공간으로 들어갈 것이고, 공기의 온도가 적어도 600도로 온도가 올라갈 것이다. 그 것이 어떻게 얻어질 수 있는지에 대한 개시 또는 암시가 없고, 그 것이 얻어지지 않으면, 연료전지 스택은 단순히 동작을 멈출 것이다. 그러한 온도 차이를 갖는 공기의 주입에 의해 연료전지 스택의 표면으로 주입된 열 쇼크는, 영역 안의 활성 연료전지 구성의 빠른 로컬 쿨링 및/또는 가스 실 보전(gas seal integrity) 또는 세라믹 물질 보전(ceramic material integrity)을 통하여, 실패 및/또는 스택 성과의 손실을 야기할 수 있는 극심한 로컬 스트레스를 생산할 수 있다. 따라서, US 2005/0089731의 개시된 내용에 대한 타당성은 근본적으로 결함이 있다. 다른 선행 문헌은 EP 0377151, US 6670069, US 6866954, US 2001/0009732 (EP 1120845), US 2003/0235751, US 2004/0043267, US 2005/0014046, US 2005/0074659, US 2006/0204796, US 2006/0257696, US6942942 (EP1411571), US2003/0235733 (EP1394883), US7255157 (EP1460367) 및 WO2008/104760 (GB2447136)을 포함한다.
무엇보다, 연료전지의 복수 개 레이어를 갖는 연료전지 스택이 연료전지의 전기화학적 반응 라인뿐 아니라 (밑판으로부터 가장 가까운 연료전지 스택 레이어로부터 밑판으로부터 가장 먼 연료전지 스택 레이어로 정의되는) 스택 높이에 걸쳐서 온도 변화를 가지는 것은 알려져 있다. 각 연료전지가 같은 방식으로 동작할 수 있도록, 스택 높이를 건너는 온도의 변화를 최소화하는 것이 요구된다.
스택 쿨링의 대부분은 연료전지의 전기 화학적 활성 영역으로부터 열 에너지를 제거하기 위한 옥시던트 스트림(일반적으로는 공기 스트림)을 사용하거나, 연료전지의 전기화학적 활성 영역으로부터 열을 제거하기 위한 흡열 내부 개질 반응을 사용하여 얻어진다. 연료전지 스택의 디자인을 위하여, 연료전지 스택 연료전지 레이어 온도는 스택의 최상단 및 최하단 끝단에서 (스택의 중심에 비하여 )살짝 낮을 것이 요구된다. 왜냐하면, 연료전지 스택 끝단에 이웃한 연료전지 스택 종판은 일반적으로 열 생성이 아니고, 따라서, 이웃 연료전지 스택 연료전지 레이어로부터 열을 제거하는 열 싱크(thermal sink)와 같이 행동하기 때문이다.
효과적인 스택 디자인 및 주변 시스템 디자인이 열 싱크 효과를 줄일 수 있지만, 연료전지 스택의 동작 중에 여전히 주의할만한 효과가 발생한다. 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구 디자인의 연료전지를 위해서, 연료전지 스택의 끝단 레어이의 옥시던트 주입 온도는 중심보다 높아야 함이 발견되었고, 이것은 주로 연료전지 스택 밑판/종판으로부터 나오는 추가적인 열이란 결과로 발견된다.
주어진 연료전지 디자인을 위해서, 최상 전압 및 전류 출력(optimal voltage and current outputs)을 생산하는 전지에서, 동작 온도 범위를 정의한다. 온도 범위 밖의 동작은 비-최상 전지 성과를 야기한다. 스택에 걸친 온도 변화는 연료전지 및 다른 연료전지 사이의 동작 온도의 차이가 영향을 받는 전지에 대한 전지 동작 성과의 차이를 생산할 때만 중요하다. 전지 동작 성과의 차이는 연료전지 스택에 걸친 온도 변화의 결과로서, 연료전지 스택 전기 파워 출력의 감소를 나타낼 수 있다. 따라서, 모든 연료전지 스택 연료전지가 최상 온도 범위 내에서 동작하고, 따라서 연료전지 스택 전기 파워 출력을 최적화하도록 스택에 걸치 온도 변화를 제어하는 것이 요구된다. 이 것을 얻기 위한 하나의 방법은 스택 안의 각 연료전지의 연료 주입 온도 및 옥시던트 주입을 제어하는 것이다. 그러나, 실질적으로 볼륨 공정을 위한 비용 효율이 높은 스택 디자인은 연료전지 스택 안의 다수의 전지로 제공되는 일반적 옥시던트 및 연료를 야기하고, 각 연료전지로 별개의 옥시던트 주입을 제공하는 것은 불가능하다. 연료전지 스택을 위한 옥시던트 주입 배열(arrangement)의 실시예는 내부 매니폴드 연료전지 스택 디자인 내의 연료 공급 매니폴드이다. 그러한 매니폴드는 스택의 열 끝단 효과 때문에 길이에 따른 상이한 온도를 갖는다.
만약 매니폴드 온도 차이가 특정한 전지의 동작 온도가 효율적 동작 범위를 벗어나도록 연료전지 안으로의 유체 출입 온도를 야기하고, 그러면, 효율적으로 동작하는 종합 스택 및 전기 파워 출력은 영향을 받을 수 있다. 대체 방법은 다양한 스택 동작 온도에 따라 다르게 연료전지 디자인을 조정하는 것이다.
이러한 방법은, 연료전지를 위한 단일 디자인이 모든 연료전지 스택에 사용되는 연료전지 스택 어셈블리 제조 및 연료전지 제조를 위하여 높은 볼륨 낮은 비용 접근이 채택되는 경우에는 요구되지 않는다. 다른 방법은 다른 온도에서 옥시던트를 제공하도록 디자인된 상이한 공급을 하는 연료전지 스택 안으로 제공되는 다수의 옥시던트를 사용하는 것이다. 이 방법은 연료전지 스택 및 연료전지 스택 어셈블리 제조의 복잡성을 증가시키고, 연료전지 스택 동작 제어도 복잡성을 야기하기 때문에 요구되지 않는다.
본 발명은 선행기술의 결함을 극복하는 것을 목적으로 한다.
연료전지 스택의 다른 선택적인 구성은 연료전지 씰 어셈블리(fuel side seal assembly), 옥시던트 사이드 씰 어셈블리(oxidant side seal assembly), 종판(end-plates)과 압축 시스템(compression system), 연료전지 스택 인슐레이션(stack insulation) 및 적합한 전기 제어/모니터링 연결부(electrical and control/monitoring connections as appropriate)를 포함한다. "연료전지 스택 시스템 어셈블리"이라는 용어는 시스템 전자 장치 및 제어 수단(system electronics and control means)과 함께 있는 연료전지 스택 어셈블리를 의미한다. 다른 선택적 구성은 개질기(reformer)(만약 연료 주입구가 개질되거나 미리 개질된 경우(if inlet fuel is to be reformed or pre-reformed)), 물 리커버리 시스템(water recovery system), 스팀 생성부(steam generator unit), 열 교환 스트림(heat exchanger streams) 중 하나의 페이즈 변환(phase change)을 선택적으로 포함하는 적어도 하나의 열 교환부(heat exchanger), 열 인슐레이터(thermal insulation), 기동 버너(start-up burner) 및 테일-가스 연소실(tail-gas combustor)을 포함한다.
"시스템 전자 장치(system electronics)"라는 용어는 제어 전자 장치 및/또는 파워 전자 장치를 포함하고, 시스템 전자 장치는 선택적으로 연료전지 스택 어셈블리의 안 또는 가까이에서 함께 또는 떨어져서 있는 적어도 하나의 전자 장치 보드 및/또는 유닛(electronics board and/or unit)일 수 있다. "제어 수단(control means)"이라는 용어는 적합한 입력 및 센싱 수단과 함께인 가스 및 유체 제어 밸브 및 펌프(valves and pumps), 공기(옥시던트) 블로어 유닛(blower unit) 및 안전 장치를 포함한다. 연료전지 스택 어셈블리는 옥시던트 제품(이하 배기 가스 스트림을 나타내고, 또한 애노드 오프-가스(anode off-gas) 및 캐소드 오프-가스(cathode off-gas)를 나타낸다), 열 및 DC 전류 형태의 전기를 생산하기 위하여 주입구 옥시던트 및 연료를 갖도록 동작한다. 종합적으로, 연료전지 스택 시스템 어셈블리는 예를 들어, 제1 전압으로부터 제2 전압으로 DC 연료전지 출력(DC fuel cell output)을 변환하는 파워 전자 장치 및/또는 DC 연료전지 출력을 AC 웨이브 형태로 변환하는 파워 전자 장치를 포함하는 시스템 제어 수단 및 시스템 전자 장치를 포함하는 추가적인 구성을 포함할 수 있다.
옥시던트 대 연료를 1:1에서 20:1 사이의 비율을 갖도록 연료전지 스택을 운영(run)하는 것이 일반적이다 - 더 일반적으로는 5:1 에서 15:1 사이 그리고 더욱 일반적으로는 8:1에서 12:1 사이의 비율 -. 따라서, 일반적인 동작 하에서는, 연료전지 스택을 통한 옥시던트 가스 플로우의 화학적인 초과(stoichiometric excess)가 있다. 옥시던트 가스 플로우의 초과는 일반적으로 연료전지의 전기 화학적 반응 장소(electrochemical reaction site of the fuel cell)에 가깝도록 연료전지 스택을 냉각하는데 사용된다. 개질기 유닛을 연료를 개질 또는 미리-개질하는데 사용하는 곳에서는, 효과적이고 효율적인 개질 처리를 얻기 위해 스팀 개질 촉매(steam reforming catalyst)를 사용하는 것이 일반적이다. 예를 들어, 연료-예컨대 천연 가스(natural gas)-에 기반한 메탄(methane)을 사용하는 경우, 2:1에서 3:1 사이의 카본 비율(carbon ratio)을 갖는 스팀을 갖는 것은 일반적이지 않다.
LPG 같은 연료 가스에 기반한 프로판을 사용하는 경우, 긴사슬 탄화수소(long chain hydrocarbons)와 이중 결합(예를 들어, 알켄(alkenes))의 퍼센트지와 같은, LPG 구성 분자에 따라서 5:1처럼 높을 수도 있지만, 3:1에서 4:1 사이의 카본 비율(carbon ratio)을 갖는 스팀을 갖는 것은 일반적이지 않다. 연료 가스에 기반한 부탄(butane)을 사용하는 경우, 4:1에서 5:1 사이의 카본 비율(carbon ratio)을 갖는 스팀을 갖는 것은 일반적이지 않다. 주어진 개질기 디자인에서, 개질기 동작 중에 카본 비율로 스팀을 증가하는 것은 일반적으로 개질기 안의 배기 온도를 감소시킨다.
연료전지의 효율적인 운영은 연료전지 안의 전기 화학 반응의 위치에서의 로컬 온도에 연관되어 있음이 당업자에게는 잘 알려져 있다. 연료전지 스택 어셈블리의 동작에서, 주입구 가스 스팀은 연료전지에 들어가기 전에 가열되다 - 만약 주입구 가스 스팀이 너무 낮은 온도에서 들어가게 되는 경우, 전기 화학적 반응 위치의 로컬 온도는 너무 낮을 수 있고, 연료전지의 동작 효율 및 파워 출력은 불리하게 영향 받을 수 있다. 연료전지 스택의 온도를 관리하는 기술은 연료전지 스택의 효율적인 운영 및 정격 파워 출력(rated power output)에 큰 영향을 미친다.
상당한 기술적 노력은 연료전지 스택, 공장 구성(plant components)의 발란스(balance), 연료전지 스택이 동작 조건의 범위를 넘어 가장 효율적인 전기 화학적 반응을 위한 정확한 온도를 유지할 수 있도록 하는 제어 공정을 디자인하는데 소요되었다. 전형적인 동작 조건은 시스템 기동(system start-up), 지속적 상태 동작(steady state operation), 동적 로드 체인지(dynamic load change) 및 시스템 정지(system shut-down)를 포함한다.
예를 들어, 중간온도 고체 산화물 연료전지(IT-SOFC) 장치의 경우, 연료전지 스택 어셈블리 안의 연료전지 스택의 연료전지의 전기 화학적 반응은 450-650도 사이의 로컬 연료전지 온도에서 가장 효율적으로 동작할 수 있다. 연료전지 스택 동작 온도는 일반적으로 450-650도 사이이다.
연료전지 스택의 효율적인 동작을 위해서, 섭씨(ºC)의 연료전지 스택 동작 온도의 연료전지 스택의 동작 온도에 가까운 온도 -예를 들어, 0-20 % 안, 더욱 바람직하게는 0-10%안, 더욱 바람직하게는 0-5% -로 옥시던트 및 연료 주입 스팀을 가열하는 것이 요구된다. 예를 들어, IT-SOFC는 전해액 연료전지(electrolyte fuel cell)에 기반한 적어도 하나의 금속 지지체형 CGO(ceria gadolinium oxide)를 포함하는 연료전지 스택이다. 예를 들어, IT-SOFC 시스템은 약 480도의 온도에서 연료전지 스택으로 들어가는 옥시던트 가스 스트림을 가열할 수 있는 적어도 하나의 열 교환 시스템(예열기)을 가질 수 있다.
몇 몇 연료전지 시스템 디자인에서, 연료전지 주입 옥시던트 가스 스트림으로의 열 교환이 더 요구되지 않도록, 열 교환 시스템 출구 가스 스트림 온도(heat exchanger system exit oxidant gas stream temperature)는 요구되는 연료전지 스택 옥시던트 가스 스트림 주입 온도와 상당히 같도록 디자인된다. 전형적인 IT-SOFC 시스템에서, 열 교환 시스템에 대한 가스 가열은 약 510도의 열 교환 시스템 주입 온도를 가질 수 있다.
연료전지 스택 안으로 들어가는 옥시던트 가스 스트림의 요구되는 온도(약 480도)와 약 510도의 열 교환 시스템 가열 가스 주입 온도 사이의 낮은 열 포텐셜(thermal potential) 때문에, 열 교환 디자인은 큰 사이즈와 큰 질량이 필요하다. 예를 들어, 대략 1kW 전기 파워 출력 연료전지 시스템을 위한 열 교환 시스템은 높은 효율을 갖지만, 복잡하고, 가격적으로 비싼, 약 3.5 kg 무게를 갖는 디자인 열 교환 유닛이다.
연료전지 스택 옥시던트 가스 스트림을 가열하는 열 교환 시스템은 적어도 2 개의 열 교환 유닛으로 구성될 수 있다. 적어도 2개의 열 교환 유닛은 연료전지 스택 옥시던트 가스 스트림을 위한 열 유체로서, 적어도 2개의 연료전지 시스템 가스 스트림(예를 들어, 애노드 오프-가스 스트림(anode off-gas stream) 및 테일-가스 버너 오프 가스 스트림(tail-gas burner off-gas stream))을 사용할 수 있다. 연료전지 스택 가스 주입 스팀을 가열하기 위한 다양한 열 교환 준비는 US 5902692, US 6042956 and EP 0580918와 같은 선행 문헌으로부터 알 수 있다.
그러나, 그러한 장치들은 복잡하고 비싸며, 제조하기 어렵고, 가스 스트림이 섞이는 것을 방지하기 위한 효율적인 봉합 문제를 갖고, 제한된 열 교환 표면 영역을 갖는다. US 2005/0089731은 개질기와 집적 열 교환기(integrated heat exchanger)를 조합한 고체 산화물 연료전지 스택의 필수 구성을 갖는 시스템을 기재하고 있다. 이 때, 상기 집적 열 교환기는 단열 용기(adiabatic vessel) 안에 동봉된 2개의 열 교환기 및 SOFC 스택 오프 가스 연소실(SOFC stack off-gas combustor)을 포함한다.
오프-가스 연소실로부터 발생하는 열 에너지는 열 교환기의 열 소스로서 사용된다. SOFC는, 비록 650-850 DegC의 동작 범위로 명시되지만, 750 DegC에서 동작할 수 있다. 연료는 300에서 600 DegC의 온도로 개질된다(단락 0063).
실시예에서, 집적 열 교환기(단락 0079) 안의 촉매 연소실로부터의 열을 이용하거나, 연료전지 스택으로부터 배기되는 연료 또는 공기로부터의 열 에너지 및 연소실 열을 이용하여, 연료 및 공기 모두 하나 이상의 열 교환기에서 가열된다.
도 21 및 22는, 연료전지 스택 안으로 들어가기 전에 추가 열을 얻기 위해서, 연료 가스가, 스택에 공급되는 대신, 스택의 주변에 공급되는 상황을 보여주고 있다. 그러나, 이런 가르침의 세부 사항은 불가능하다. 연료는, 연료전지 스택으로 연료가 들어가기 전에, 300에서 600 도 사이에서 전-개질기(pre-reformer)로부터 연료전지 스택 주변 공간으로 공급된다. 연료전지 스택은 650-850도 온도 - 대부분 약 750도 - 의 연료를 요구한다. 연료가 전-개질기를 떠나고, 연료전지 스택으로 들어오는 효율적인 열 에너지를 어떻게 얻는지에 대한 설명은 없다.
100도 보다 온도가 더 높게 되도록 하기 위해서는, 연료는 충분한 열 에너지를 얻도록 스택 영역 공간(stack area void)에서 충분한 시간 동안 있어야 한다. 여기서는 이것이 어떻게 얻어지는지는 제안되거나 제시하지 않는다. 더욱이, 어떻게 스택 주변의 공간이 구조화되고, 어떻게 공간이 단열 용기를 만드는 열 인슐레이션으로부터 빠져나가는 가스를 멈추도록 가스를 타이트하게 하는지에 대한 설명이 없다.
넓은 온도 동작 범위를 넘어 가스가 타이트하도록 완료하는 상당한 엔지니어링 도전을 위한 고온 및 수소를 포함하는 폭발성 가스의 존재와 같은 것은 사소한 문제가 아니다. 스택 주변부(stack periphery) 및 단열 용기 열 인슐레이션 사이의 공간 내에서 650도를 넘은 가스는 불가능할 수 있다. 단락 0105에서는 연료전지 스택의 주변부에서 연료를 가열하는 대신, 연료전지 스택의 주변부에서 공기가 가열될 수 있음이 개시된다. 단락 0105는 공기가 공기 블로어로부터 연료전지 스택의 주변부로 공급될 수 있음을 개시하고 있다. 다시 말하지만, 이것은 불가능하다.
처음으로, 공기는 가까운 주위 온도에서 주변부 근처의 공간으로 들어갈 것이고, 공기의 온도가 적어도 600도로 온도가 올라갈 것이다. 그 것이 어떻게 얻어질 수 있는지에 대한 개시 또는 암시가 없고, 그 것이 얻어지지 않으면, 연료전지 스택은 단순히 동작을 멈출 것이다. 그러한 온도 차이를 갖는 공기의 주입에 의해 연료전지 스택의 표면으로 주입된 열 쇼크는, 영역 안의 활성 연료전지 구성의 빠른 로컬 쿨링 및/또는 가스 실 보전(gas seal integrity) 또는 세라믹 물질 보전(ceramic material integrity)을 통하여, 실패 및/또는 스택 성과의 손실을 야기할 수 있는 극심한 로컬 스트레스를 생산할 수 있다. 따라서, US 2005/0089731의 개시된 내용에 대한 타당성은 근본적으로 결함이 있다. 다른 선행 문헌은 EP 0377151, US 6670069, US 6866954, US 2001/0009732 (EP 1120845), US 2003/0235751, US 2004/0043267, US 2005/0014046, US 2005/0074659, US 2006/0204796, US 2006/0257696, US6942942 (EP1411571), US2003/0235733 (EP1394883), US7255157 (EP1460367) 및 WO2008/104760 (GB2447136)을 포함한다.
무엇보다, 연료전지의 복수 개 레이어를 갖는 연료전지 스택이 연료전지의 전기화학적 반응 라인뿐 아니라 (밑판으로부터 가장 가까운 연료전지 스택 레이어로부터 밑판으로부터 가장 먼 연료전지 스택 레이어로 정의되는) 스택 높이에 걸쳐서 온도 변화를 가지는 것은 알려져 있다. 각 연료전지가 같은 방식으로 동작할 수 있도록, 스택 높이를 건너는 온도의 변화를 최소화하는 것이 요구된다.
스택 쿨링의 대부분은 연료전지의 전기 화학적 활성 영역으로부터 열 에너지를 제거하기 위한 옥시던트 스트림(일반적으로는 공기 스트림)을 사용하거나, 연료전지의 전기화학적 활성 영역으로부터 열을 제거하기 위한 흡열 내부 개질 반응을 사용하여 얻어진다. 연료전지 스택의 디자인을 위하여, 연료전지 스택 연료전지 레이어 온도는 스택의 최상단 및 최하단 끝단에서 (스택의 중심에 비하여 )살짝 낮을 것이 요구된다. 왜냐하면, 연료전지 스택 끝단에 이웃한 연료전지 스택 종판은 일반적으로 열 생성이 아니고, 따라서, 이웃 연료전지 스택 연료전지 레이어로부터 열을 제거하는 열 싱크(thermal sink)와 같이 행동하기 때문이다.
효과적인 스택 디자인 및 주변 시스템 디자인이 열 싱크 효과를 줄일 수 있지만, 연료전지 스택의 동작 중에 여전히 주의할만한 효과가 발생한다. 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구 디자인의 연료전지를 위해서, 연료전지 스택의 끝단 레어이의 옥시던트 주입 온도는 중심보다 높아야 함이 발견되었고, 이것은 주로 연료전지 스택 밑판/종판으로부터 나오는 추가적인 열이란 결과로 발견된다.
주어진 연료전지 디자인을 위해서, 최상 전압 및 전류 출력(optimal voltage and current outputs)을 생산하는 전지에서, 동작 온도 범위를 정의한다. 온도 범위 밖의 동작은 비-최상 전지 성과를 야기한다. 스택에 걸친 온도 변화는 연료전지 및 다른 연료전지 사이의 동작 온도의 차이가 영향을 받는 전지에 대한 전지 동작 성과의 차이를 생산할 때만 중요하다. 전지 동작 성과의 차이는 연료전지 스택에 걸친 온도 변화의 결과로서, 연료전지 스택 전기 파워 출력의 감소를 나타낼 수 있다. 따라서, 모든 연료전지 스택 연료전지가 최상 온도 범위 내에서 동작하고, 따라서 연료전지 스택 전기 파워 출력을 최적화하도록 스택에 걸치 온도 변화를 제어하는 것이 요구된다. 이 것을 얻기 위한 하나의 방법은 스택 안의 각 연료전지의 연료 주입 온도 및 옥시던트 주입을 제어하는 것이다. 그러나, 실질적으로 볼륨 공정을 위한 비용 효율이 높은 스택 디자인은 연료전지 스택 안의 다수의 전지로 제공되는 일반적 옥시던트 및 연료를 야기하고, 각 연료전지로 별개의 옥시던트 주입을 제공하는 것은 불가능하다. 연료전지 스택을 위한 옥시던트 주입 배열(arrangement)의 실시예는 내부 매니폴드 연료전지 스택 디자인 내의 연료 공급 매니폴드이다. 그러한 매니폴드는 스택의 열 끝단 효과 때문에 길이에 따른 상이한 온도를 갖는다.
만약 매니폴드 온도 차이가 특정한 전지의 동작 온도가 효율적 동작 범위를 벗어나도록 연료전지 안으로의 유체 출입 온도를 야기하고, 그러면, 효율적으로 동작하는 종합 스택 및 전기 파워 출력은 영향을 받을 수 있다. 대체 방법은 다양한 스택 동작 온도에 따라 다르게 연료전지 디자인을 조정하는 것이다.
이러한 방법은, 연료전지를 위한 단일 디자인이 모든 연료전지 스택에 사용되는 연료전지 스택 어셈블리 제조 및 연료전지 제조를 위하여 높은 볼륨 낮은 비용 접근이 채택되는 경우에는 요구되지 않는다. 다른 방법은 다른 온도에서 옥시던트를 제공하도록 디자인된 상이한 공급을 하는 연료전지 스택 안으로 제공되는 다수의 옥시던트를 사용하는 것이다. 이 방법은 연료전지 스택 및 연료전지 스택 어셈블리 제조의 복잡성을 증가시키고, 연료전지 스택 동작 제어도 복잡성을 야기하기 때문에 요구되지 않는다.
본 발명은 선행기술의 결함을 극복하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택 어셈블리(intermediate-temperature solid oxide fuel cell stack assembly)는,
(i) 밑판 (base plate);
(ii) 상기 밑판에 밀봉되어 부착된 후드 (hood)-상기 후드는 상기 밑판 및 상기 후드 사이의 후드 볼륨(hood volume)을 정의함(defining)-;
(iii) 상기 후드에 의해서 둘러 쌓여지고 (enclosed), 상기 밑판 위에 실장된(mounted) 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택;
(iv) 상기 후드 볼륨 안을 향한 적어도 하나의 가스 주입구 포인트 (gas inlet point)를 정의하는(defining) 적어도 하나의 가스 주입구(gas inlet); 및
(v) 상기 후드 볼륨의 외부에 위치하고, 옥시던트 소스 및 상기 적어도 하나의 가스 주입구와 유체 연동되며 (fluid communication), 상기 가스 주입구를 통하여 상기 옥시던트 소스로부터 상기 후드 볼륨으로 옥시던트를 제공하도록 조정된(adapted) 예열기(pre-heater)
를 포함하고,
각각의 연료전지 스택은 적어도 3개의 연료전지 스택 레이어 (fuel cell stack layers)를 포함하고, 각각의 연료전지 스택 레이어는 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지를 포함하며, 각각의 연료전지는 옥시던트 주입구 끝단(oxidant inlet end) 및 배기 옥시던트 배출구 끝단(exhaust oxidant outlet end)를 정의하고,
상기 적어도 하나의 연료전지 스택은,
(a) 상기 적어도 하나의 연료전지 스택의 오픈-매니폴드 끝단(open-manifolded end)를 정의하는 적어도 하나의 오픈-매니폴드(open-manifolded) 가스 주입구; 및
(b) 적어도 하나의 내부 매니폴드 (internally manifolded) 가스 배출구
를 갖고,
상기 후드 볼륨 안의 상기 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 - 옥시던트가 상기 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 들어오고, 상기 적어도 하나의 연료전지 스택의 외부 (outside)에서 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구로 지나가도록 - 상기 적어도 하나의 연료전지 스택의 상기 오픈-매니폴드 끝단으로부터 멀리(remote) 위치하고,
직접 열 이동(direct heat transfer)은 - 상기 오픈-매니폴드 가수 주입구 안으로의 상기 옥시던트의 출입 (entry) 이전에 - 상기 옥시던트 및 상기 연료전지 스택 레이어의 외부 표면 사이에서 일어나고(occurring),
상기 예열기는 상기 옥시던트 소스로부터 옥시던트가 - 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가수 주입구와 가장 가까운 상기 연료전지의 상기 주입구 끝단에서 상기 동작 온도(the in-use operating temperature) 아래인 - 100도보다 높지 않은 온도에서 예열되고, 상기 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 공급되도록 구성되고,
상기 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택은, 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료전지 스택 레이어로부터 상기 밑판으로부터 가장 먼 상기 연료전지 스택 레이어까지 측정된 높이 X를 정의하며, 상기 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료전지 스택 레이어 위의 높이 Y에 위치하고, 0.25X <= Y <= 0.75X이다.
바람직하게는, 적어도 하나의 연료전지 스택은 적어도 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 또는 80개의 연료전지 스택 레이어를 포함할 수 있다.
(i) 밑판 (base plate);
(ii) 상기 밑판에 밀봉되어 부착된 후드 (hood)-상기 후드는 상기 밑판 및 상기 후드 사이의 후드 볼륨(hood volume)을 정의함(defining)-;
(iii) 상기 후드에 의해서 둘러 쌓여지고 (enclosed), 상기 밑판 위에 실장된(mounted) 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택;
(iv) 상기 후드 볼륨 안을 향한 적어도 하나의 가스 주입구 포인트 (gas inlet point)를 정의하는(defining) 적어도 하나의 가스 주입구(gas inlet); 및
(v) 상기 후드 볼륨의 외부에 위치하고, 옥시던트 소스 및 상기 적어도 하나의 가스 주입구와 유체 연동되며 (fluid communication), 상기 가스 주입구를 통하여 상기 옥시던트 소스로부터 상기 후드 볼륨으로 옥시던트를 제공하도록 조정된(adapted) 예열기(pre-heater)
를 포함하고,
각각의 연료전지 스택은 적어도 3개의 연료전지 스택 레이어 (fuel cell stack layers)를 포함하고, 각각의 연료전지 스택 레이어는 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지를 포함하며, 각각의 연료전지는 옥시던트 주입구 끝단(oxidant inlet end) 및 배기 옥시던트 배출구 끝단(exhaust oxidant outlet end)를 정의하고,
상기 적어도 하나의 연료전지 스택은,
(a) 상기 적어도 하나의 연료전지 스택의 오픈-매니폴드 끝단(open-manifolded end)를 정의하는 적어도 하나의 오픈-매니폴드(open-manifolded) 가스 주입구; 및
(b) 적어도 하나의 내부 매니폴드 (internally manifolded) 가스 배출구
를 갖고,
상기 후드 볼륨 안의 상기 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 - 옥시던트가 상기 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 들어오고, 상기 적어도 하나의 연료전지 스택의 외부 (outside)에서 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구로 지나가도록 - 상기 적어도 하나의 연료전지 스택의 상기 오픈-매니폴드 끝단으로부터 멀리(remote) 위치하고,
직접 열 이동(direct heat transfer)은 - 상기 오픈-매니폴드 가수 주입구 안으로의 상기 옥시던트의 출입 (entry) 이전에 - 상기 옥시던트 및 상기 연료전지 스택 레이어의 외부 표면 사이에서 일어나고(occurring),
상기 예열기는 상기 옥시던트 소스로부터 옥시던트가 - 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가수 주입구와 가장 가까운 상기 연료전지의 상기 주입구 끝단에서 상기 동작 온도(the in-use operating temperature) 아래인 - 100도보다 높지 않은 온도에서 예열되고, 상기 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 공급되도록 구성되고,
상기 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택은, 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료전지 스택 레이어로부터 상기 밑판으로부터 가장 먼 상기 연료전지 스택 레이어까지 측정된 높이 X를 정의하며, 상기 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료전지 스택 레이어 위의 높이 Y에 위치하고, 0.25X <= Y <= 0.75X이다.
바람직하게는, 적어도 하나의 연료전지 스택은 적어도 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 또는 80개의 연료전지 스택 레이어를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택 어셈블리의 부분적으로 잘라서 본 측면도(partial cut-away side view)를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 연료전지 스택 어셈블리 안의 옥시던트 유체 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 연료전지 스택 어셈블리 안의 옥시던트 유체 흐름을 나타내는 라인 A-A'를 통과하는 섹션(section)을 나타내는 도면이다.
도 4는 단일 연료전지 스택 레이어를 나타내는 라인 B-B'를 통과하는 섹션의 도식적인 묘사(schematic representation)를 나타내는 도면이다.
도 5는 추가적으로 옥시던트 열 교환 시스템(예열기)를 포함하는 연료전지 스택 어셈블리의 부분적으로 잘라서 본 추가적인 측면도를 나타내는 도면이다.
도 6은 후드 안에 위치하는 옥시던트 주입구를 갖는 대체적인 연료전지 스택 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 6A는 밑판 및 후드에 위치하는 옥시던트 주입구를 갖는 대체적인 연료전지 스택 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 6B는 밑판에 위치하는 옥시던트 주입구를 갖고, 추갖거으로 플로우 분배 장치를 포함하는 대체적인 연료전지 스택 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 7은 스팀 개질기 안의 스팀 대 카본 양(carbon ration)이 2.5:1인 요구사항(UK 행정 입법 1996 No. 551 가스 안전(관리) 규칙)을 만족하는 메탄이 풍부한(methane-rich) 천연 가스에서 동작할 때, 핵심 유체 온도를 가리키는 도 1의 연료전지 스택 시스템 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 8은 스팀 개질기 안의 스팀 대 카본 양이 3.5:1인 프로판이 풍부한 LPG에서 동작할 때의 핵심 유체 온도를 가리키는 도 1의 연료전지 스택 시스템 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 9는 스팀 개질기 안의 스팀 대 카본 양이 4.0:1인 부탄이 풍부한 LPG에서 동작할 때의 핵심 유체 온도를 가리키는 도 1의 연료전지 스택 시스템 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 10은 이상적인 경우(480 도의 옅은 쇄선), Y=0인 경우(굵은 실선, 520도의 최대 Y절편 값) 및 Y=0.5X인 경우(굵은 쇄선, 495도의 최대 Y절편 값)에 대한, 후드 볼륨 안으로의 공기 주입구 포인트 및 연료전지 스택 안의 연료전지 스택 레이어를 위한 연료전지 스택 레이어 공기 주입구 온도 사이의 온도 차이를 나타내는 도면이다.
X축은 밑판으로부터 가까운 연료전지 스택 레이어로부터 산출된 연료전지 스택 레이어 숫자를 가리키고, Y축은 연료전지 스택 레이어 오픈-매니폴드 가스 주입구 끝단에서의 옥시던트 온도를 가리킨다.
도 11은 가스 주입구 포인트를 정의하고, 후드를 통하여 지나가는 가스 주입구를 갖는 본 발명의 연료전지 스택 어셈블리를 부분적으로 잘라서 본 측면도를 나타내는 도면이다.
도 12는 가스 주입구에 위치하는 전기 히터를 더 포함하는 도 11의 배열을 나타내는 도면이다.
도 13은 밑판을 통하여 지나가고, 가스 주입구 포인트를 정의하는 가스 주입구를 갖는 본 발명의 연료전지 스택 어셈블리를 부분적으로 잘라서 본 측면도를 나타내는 도면이다.
도 14는 가스 주입구 안에 위치하는 전기 히터를 더 포함하는 도 13의 배열을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 연료전지 스택 어셈블리 안의 옥시던트 유체 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 연료전지 스택 어셈블리 안의 옥시던트 유체 흐름을 나타내는 라인 A-A'를 통과하는 섹션(section)을 나타내는 도면이다.
도 4는 단일 연료전지 스택 레이어를 나타내는 라인 B-B'를 통과하는 섹션의 도식적인 묘사(schematic representation)를 나타내는 도면이다.
도 5는 추가적으로 옥시던트 열 교환 시스템(예열기)를 포함하는 연료전지 스택 어셈블리의 부분적으로 잘라서 본 추가적인 측면도를 나타내는 도면이다.
도 6은 후드 안에 위치하는 옥시던트 주입구를 갖는 대체적인 연료전지 스택 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 6A는 밑판 및 후드에 위치하는 옥시던트 주입구를 갖는 대체적인 연료전지 스택 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 6B는 밑판에 위치하는 옥시던트 주입구를 갖고, 추갖거으로 플로우 분배 장치를 포함하는 대체적인 연료전지 스택 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 7은 스팀 개질기 안의 스팀 대 카본 양(carbon ration)이 2.5:1인 요구사항(UK 행정 입법 1996 No. 551 가스 안전(관리) 규칙)을 만족하는 메탄이 풍부한(methane-rich) 천연 가스에서 동작할 때, 핵심 유체 온도를 가리키는 도 1의 연료전지 스택 시스템 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 8은 스팀 개질기 안의 스팀 대 카본 양이 3.5:1인 프로판이 풍부한 LPG에서 동작할 때의 핵심 유체 온도를 가리키는 도 1의 연료전지 스택 시스템 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 9는 스팀 개질기 안의 스팀 대 카본 양이 4.0:1인 부탄이 풍부한 LPG에서 동작할 때의 핵심 유체 온도를 가리키는 도 1의 연료전지 스택 시스템 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 10은 이상적인 경우(480 도의 옅은 쇄선), Y=0인 경우(굵은 실선, 520도의 최대 Y절편 값) 및 Y=0.5X인 경우(굵은 쇄선, 495도의 최대 Y절편 값)에 대한, 후드 볼륨 안으로의 공기 주입구 포인트 및 연료전지 스택 안의 연료전지 스택 레이어를 위한 연료전지 스택 레이어 공기 주입구 온도 사이의 온도 차이를 나타내는 도면이다.
X축은 밑판으로부터 가까운 연료전지 스택 레이어로부터 산출된 연료전지 스택 레이어 숫자를 가리키고, Y축은 연료전지 스택 레이어 오픈-매니폴드 가스 주입구 끝단에서의 옥시던트 온도를 가리킨다.
도 11은 가스 주입구 포인트를 정의하고, 후드를 통하여 지나가는 가스 주입구를 갖는 본 발명의 연료전지 스택 어셈블리를 부분적으로 잘라서 본 측면도를 나타내는 도면이다.
도 12는 가스 주입구에 위치하는 전기 히터를 더 포함하는 도 11의 배열을 나타내는 도면이다.
도 13은 밑판을 통하여 지나가고, 가스 주입구 포인트를 정의하는 가스 주입구를 갖는 본 발명의 연료전지 스택 어셈블리를 부분적으로 잘라서 본 측면도를 나타내는 도면이다.
도 14는 가스 주입구 안에 위치하는 전기 히터를 더 포함하는 도 13의 배열을 나타내는 도면이다.
적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 후드 볼륨 안에 들어 있는 옥시던트를 혼합할 수 있고, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부에서 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구로 지나갈 수 있도록 하는 옥시던트 가스가 후드로 들어가는 포인트이다. 바람직하게는, 연료 전지 스택 어셈블리는 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료 전지 스택 레이어 위의 높이 Y- Y < 0.25X or Y > 0.75X - 에 위치하고, 높이 Y(이 때, 0.25X <= Y <= 0.75X)의 적어도 하나의 가스 주입구 포인트로부터 옥시던트가 후드 볼륨으로 들어올 때, 같은 혹은 실질적으로 같은 온도에서 옥시던트가 후드 볼륨으로 들어올 수 있도록 구성되는 후드 볼륨 안으로의 추가적인 가스 주입 포인트를 포함하지 않는다. 가스 주입구 포인트가 수집 높이(Y < 0.25X 또는 Y > 0.75X )에서 제공될 때, 본 발명에서 관찰되는 향상된 온도 프로파일이 얻어질 수 있음을 실험이 보이고 있다. 중간온도 고체 산화물 연료 전지(intermediate-temperature solid oxide fuel cell, IT-SOFC)에서 연료 전지 스택 어셈블리는 450-650에서 동작하고, (i) X=0 and X=1 (밑판으로부터 가장 멀고 가장 가까운 연료 전지 스택 레이어)이고, (ii) X=0.5 (연료 전지 스택 어셈블리의 중간 레이어)일 때, 오픈 매니폴드 가스 주입구에서의 옥시던트 온도 차이는 40도까지 변할 수 있다. 이것은 분명히 불필요하다. 도 10 및 이하에서 상세히 설명되는 것과 같이, 요구되는 수직 위치에서의 적어도 하나의 가스 주입구 포인트의 제공은 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구에서의 온도 변화를 상당히 줄일 수 있다. 이 것은, 밑판으로부터 가장 가깝고 가장 먼 연료 전지 스택 레이어에서, 이상적인 주입구 온도로부터의 변화가 상당히 감소한다는(몇 예시에서는 반 이상) 증거이다. 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구에서의 옥시던트 온도 변화의 이러한 감소는, 동작 효율 및 전기 파워 출력의 측면에서 연료 전지 스택 성과의 상당한 향상을 허락하고, 또한, 이웃 연료 전지들 사이 및 연료 전지 스택 에 걸친 온도 차이를 감소시킴으로써, 동작 수명을 증가하는데 도움을 줄 수 있고, 따라서, 개개의 연료 전지에 대한 기계적 스트레스를 감소시킬 수 있다.
변화하는 Y값을 갖는 양쪽 모델링 결과 및 실험 데이터는, 온도 프로파일 향상은 0.25X <= Y <= 0.75X일 때 진짜라는 것과 이 것이, 연료 전지 스택 어셈블리 성과에서 주목할만한 향상을 가져온다는 것(특히 Y가 약 0.5X일 때, 상술한 (i) 및 (ii)에서의 오픈 매니폴드 가스 주입구의 옥시던트 온도의 차이가 10도 보다 적게 감소할 수 있는 경우에서)을 확인시켜준다. 따라서, 바람직하게는, 0.3X <= Y <= 0.7X 이다. 더욱 바람직하게는, 0.35X <= Y <= 0.65X이다. 더욱 바람직하게는, 0.4X <= Y <= 0.6X이다. 더욱 바람직하게는, 0.45X <= Y <= 0.55X이다. 더욱 바람직하게는, Y 는 약 0.5X이다. 바람직하게는, 예열기는 수동적 열 교환 장치이다. 더욱 바람직하게는, 예열기는 열 교환기에 걸친 열 에너지를 제공하는 유체가 연료 전지 스택 어셈블리 또는 그 구성요소로부터의 배기 스트림이 되도록 디자인될 수 있다. 예를 들어, 개질기로부터의 배기 스트림, 테일 가스 버너 및 열 교환기에 걸친 열 에너지를 얻는 유체가 옥시던트 가스일 수 있다. 본 발명은 후드 볼륨 안의 열을 얻고, 특정한 온도 범위 안에서 후드 볼륨으로 옥시던트를 제공함으로써, 복수 개의 상당한 이득을 얻는 것 을 목적으로 한다. 처음으로, 연료 전지 스택으로 들어가기 전의 옥시던트를 가열하는데 사용되는 예열기 구성의 사이즈 및 질량을 상당히 감소시키는 것을 목적으로 하고, 최종 제품의 사이즈 및 가격을 감소시키는 것을 목적으로 한다. 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝난에서 멀리 떨어진 후드 볼륨 안으로 옥시던트를 제공함 및 옥시던트가 적어도 하나의 연료 전지 스택의 표면을 냉각시키도록 하고, 옥시던트를 가열시킴에 의해서, 본 발명은 적어도 하나의 연료 전지 스택에 걸친 온도 변화의 상당한 감소를 야기하고, 효율을 증가시키며, 기계적 스트레스를 감소시키고, 수명을 연장시키는데 그 목적이 있다. 이러한 점은 선행 기술에서 개시 또는 암시조차 되고 있지 못하다.
약 1kW 전기 파워 출력 연료 전지 시스템을 위하여 요구되는 열 교환 시스템에 대한 상술한 예시들과는 다르게, 만약 열 교환 시스템에 존재하는 연료 전지 스택 옥시던트 가스 스트림의 요구되는 온도가 480도에서 455도로 감소되는 경우, 열 교환 유체들 사이의 열 포텐셜의 증가는 열 교환 시스템의 필수적 효율이 상당히 감소되어야 하고, 복잡성, 가격 및 질량이 따라서 감소되어야 함을 의미한다. 위에서 예로 든1kW 전기 파워 출력 연료 전지 시스템에서 질량은 약 2.5 kg(거의 30% 감소)로 감소될 수 있다. 비슷하게, 그러한 열 교환 시스템의 물리적인 면적(dimensions)은 상당히 감소될 수 있다(공간 및 무게가 자주 귀한 경우, 어떠한 연료 전지 스택 시스템 어셈블리에서든 높이 요구되는 다른 특징들). 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택은 연료 전지에서 발생하는 전기 화학적 활동에 의해서, 열, 전기 및 물을 생산 할 수 있다. 연료 전지 스택 구성의 내부 전기 로드 때문에, 연료 전지 스택 구성을 통한 전류 흐름에 의해서 생성되는 추가적인 열이 있다. 이것은 연료 전지 및 주변 연료 전지 구성의 온도가 주입구로부터 배출구까지의 가스 플로우 경로을 따라서 증가함을 의미한다. 따라서, 연료 전지 스택 가스 (유체) 플로우 경로의 주입구 끝단의 온도가 가스 (유체) 배출구 끝단의 온도보다 차가운 것이 종종 관찰된다. 이러한 온도 차이는, 가스 플로우 경로를 따라서 열 변화도를 생성하고, 가스 플로우 주입구 및 배출구 끝단 사이에서 상이한 온도를 갖는 연료 전지 스택 및 그 구성요소를 야기한다. 따라서, 연료 전지 스택의 외부 표면은 가스 플로우 경로 주입구 끝단(예를 들어, 오픈 매니폴드 주입구 끝단) 및 배출구 끝단(내부 매니폴드 배출구 끝단)에서 상이한 온도를 가질 수 있다.
연료 전지 스택 동작 효율을 최적화하기 위하여, 연료 전지 스택 안의 열 변화도를 최소화하는 것이 요구된다. 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택 레이어 안의 열 변화도를 감소시키는 것은 연료 전지 스택 구성 상의 열적으로 유도된 기계적 스트레스를 감소시킨다. 따라서, 연료 전지 전기 화학적 활성 영역에 걸친 온도 변화도를 최소화하는 것은 연료 전지 동작의 효율 및 영향에 이득이 될 뿐만 아니라, 시스템 복잡성, 전체적인 시스템 가격을 줄이고, 더욱 유연한 시스템을 야기할 수 있다. 바람직하게는, 연료 전지 스택 어셈블리는 상기 후드 볼륨 내부에 위치하는 주입 가스 예열기 또는 열 교환 시스템을 포함하지 않는다. 특히, 후드 및/또는 밑판은 연료 전지 스택 어셈블리 유체 배출구(특히, 연료 전지 스택 옥시던트 사이드 배출구)와 열 연동되고, 후드 볼륨의 외부에 가열 사이드(hot side) 및 후드 볼륨의 내부에 냉각 사이드(cool side)를 갖는 열 교환기의 열 교환 표면(heat exchange surface)을 포함하지 않는다. 가장 바람직하게는, 상기 후드 볼륨 내의 주입 가스 예열기는 옥시던트 예열기가 아니다. 바람직하게는, 예열기는 상기 옥시던트 소스로부터의 옥시던트가 가열되고, 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구와 가장 가까운 연료 전지의 주입부 끝단의 동작 온도 밑이 되는 80도 보다 높지 않은 온도(더 바람직하게는 70도 보다 높지 않은 온도, 더 바람직하게는 60도 보다 높지 않은 온도, 더 바람직하게는 50도 보다 높지 않은 온도)에서 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 공급되도록 구성된다.
상이한 모드(예를 들어, 기동, 정상 상태 동작 등)에서 동작하는 연료 전지 스택 어셈블리의 경우, 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구로부터 가장 가까운 연료 전지의 주입구 끝단의 동작 온도보다 높은 온도에서, 예열기가 옥시던트를 후드 볼륨으로 제공하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택은 적어도 하나의 내부 매니폴드 연료 주입구를 더 포함한다. 바람직하게는 상기 연료 전지 스택은 적어도 하나의 내부 매니폴드 배기 연료 배출구를 더 포함한다. 실시예에 따라서는, 적어도 하나의 내부 매니폴드 가수 배출구는 적어도 하나의 내부 매니폴드 혼합 배기 연료 및 옥시던트 배출구를 포함한다. "직접 열 이동(direct heat transfer)"은 옥시던트가 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부 표면과 직접적으로 접촉하는 것을 의미한다. 특히, 이런 외부 표면은 연료 전지 스택 레이어의 사이드를 포함할 수 있다. 외부 표면은 상호 연결판(interconnect plates), 스택 레이어 개스킷(stack layer gaskets) 또는 비전도성 역전류기(non-conductive spacers)와 같은 추가적인 연료 전지 스택 구성 요소의 사이드를 포함 할 수 있다. 따라서, 직접 열 이동은 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부로부터 그 것을 지나가는 옥시던트로 영향을 미친다. 그리고, 이 것은 적어도 하나의 연료 전지 스택 안으로의 출입 이전의 옥시던트의 마지막 요구 가열을 얻을 수 있다. 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝단으로부터 떨어져 위치한다. 바람직하게는, 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 오픈 매니폴드 끝단에 대한 적어도 하나의 연료 전지 스택의 반대쪽 끝단에 위치한다.
적어도 하나의 연료 전지 스택 안의 하나 이상의 오픈 매니폴드가 있는 경우, 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 오픈 매니폴드로부터 일반적으로 등거리에 있고, 멀리 떨어져서 위치할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 가스 주입구는 단일 가스 주입구를 포함할 수 있다. 실시예에 따라서는, 적어도 하나의 가스 주입구는 복수 개의 가스 주입구를 포함할 수 있다. 실시예에 따라서는, 적어도 하나의 가스 주입구는 밑판에 위치할 수 있다. 실시예에 따라서는, 적어도 하나의 가스 주입구는 후드에 위치할 수 있다. 실시예에 따라서는, 가스 주입구는 후드 및 밑판 모두에 위치할 수 있다. 실시예에 따라서는, 가스 주입구 및 가스 주입구 포인트의 위치 및 개수와 연료 전지 스택 어셈블리는, 가스 주입구로부터 후드 볼륨으로 들어오는 가스의 요구되는 유체 분배를 조장(encourage)하기 위하여, 적어도 하나의 칸막이(baffle), 적어도 하나의 가스 주입구와 유체 연동되어 위치하는 특징부 또는 구성 요소를 포함한다. 특히, 밑판에 적어도 하나의 가스 주입구가 있는 실시예에서는, 매니폴드 또는 구성은 연료 전지 스택 어셈블리의 전체 가열 표면을 지나는 주입 가스 플로우의 분배를 돕도록 제공될 수 있고, 따라서, 후드 볼륨 안의 침체된 유량 플로우 영역을 방지하도록 돕고, 가스 플로우의 과도한 원하지 않는 채널링(channelling)을 방지 할 수 있다.
주입 가스 플로우의 분배는 연료 전지 스택의 고르지 못한 표면 온도를 설명하도록 디자인될 수 있다. 후드는 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 후드의 내부 표면 사이의 간격 영역과 함께 적어도 하나의 연료 전지 스택을 둘러싸기 위하여 있다. 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝단으로부터 멀리 위치하는 후드 볼륨 안의 가스 주입구를 갖는 것에 의해, 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구에 들어갈 수 있고, 적어도 하나의 연료 전지를 지나갈 수 있는 오픈 매니폴드 끝단에 도착하기 전에 주입 가스는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부 표면을 흐르게 된다. 이러한 배열은, 종래 장치와 비교할 때, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 커진 표면 영역 넘어의 주입 가스 사이의 열 교환을 허락하고, 따라서, 간단하고 편리한 연료 전지 스택 어셈블리 디자인 방법에 의해서 최종 요구되는 온도 상승이 허락된다. 더욱이, 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 주입구 포인트가 적어도 하나의 연료 전지 스택의 적어도 하나의 오픈 매니폴드 끝단으로부터 멀리 위치하기 때문에, 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 적어도 하나의 가스 배출 끝단과 이웃하여 위치할 수 있고, 동작 시에는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 가장 높은 온도 영역일 수 있다. 후드 볼륨 안의 가스 주입구 포인트를 통하여 들어온 옥시던트 및 적어도 하나의 연료 전지 스택의 이웃 부분 사이의 열 포텐셜은 높을 것이고, 열 교환률은 높을 것(상대적으로 높은 비율로 열 교환이 이루어짐을 의미함)이다. 후드 볼륨 안의 가스가 가열되고, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 더 냉각된 오픈 매니폴드 끝단을 향하여 흘러가면, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 이웃 부분 및 옥시던트 사이의 열 포텐셜은 낮아질 것이고, 열 교환률도 낮아질 것이며, 적은 열 교환이 이루어질 것이다. 종합적으로, 이 것은 적은 열 교환이 적어도 하나의 연료 전지 스택의 더 냉각된 오픈 매니폴드 끝단에서 발생함을 의미하고, 열 교환은 더 가열되고 멀리 떨어진 끝단에서 더 발생하는 것을 의미하며, 이 것은 연료 전지 스택에 걸친 온도 변화도가 감소할 수 있음을 의미 한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 후드는 후드 볼륨 안의 가스 주입구로부터 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝단으로 흐르는 옥시던트가 적어도 하나의 연료 전지 스택의 사이드에서 발생하고, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부를 넘어서 발생하지 않도록 배열 될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 후드는, 좁은 갭이 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부를 넘어서 흐르는 옥시던트를 제한할 수 있도록, 좁은 갭을 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부 및 후드 사이로 정의될 수 있다. 대체적으로, 벽(wall)은 후드와 벽 사이를 봉인하고, 옥시던트 플로우를 막을 수 있도록, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부의 주위를 둘러싸도록 제공 될 수 있다. 바람직하게는, 그러한 벽은 적어도 하나의 연료 전지 스택로부터 후드로의 열 전달을 최소화 또는 감소 시키도록 열적으로 절연된다. 대체적으로, 열 절연 블록은 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부에 걸친 옥시던트 흐름을 감소 또는 방지하기 위해서, 후드와 상단부 상단부 사이에서 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부에 제공될 수 있다. 바람직하게는, 열 절연 블록은 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 후드 사이의 봉인에 영향을 주고, 연료 전지 스택의 상단부를 넘는 옥시던트 흐름을 방지하기 위해서, 후드와 접촉한다. 대체적으로, 후드는 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 후드 사이의 봉인에 영향을 주고, 연료 전지 스택의 상단부를 넘는 옥시던트 흐름을 방지하기 위해서, 연료 전지 스택의 상단부와 접촉 할 수 있다.
적어도 하나의 연료 전지 스택은 상단부에 위치하는 종판을 포함하고, 그러한 종판은 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부를 넘는 옥시던트 흐름을 제어하도록 형성될 수 있다(예를 들어, 유체 흐름에 영향을 주는 암즈(arms), 핑거(fingers), 벽 또는 몸통의 제공). 이러한 점은 연료 전지 스택의 중심 및 끝단 사이의 열 변화도를 감소시키는데 이득이 될 수 있다. 복수 개의 연료 전지 스택 레이어(따라서, 복수 개의 연료 전지)를 포함하는 연료 전지 스택은 만약 스택 방향을 따라 있는 전지들 사이의 온도 변화가 최소화된다면, 증가된 효율 하에서 동작할 수 있다. 연료 전지 스택의 상단 및 하단부의 연료 전지 스택 종판으로부터의 열 손실 감소는 상당한 이득이 됨이 증명되었다. 따라서, 연료 전지 스택 종판을 넘는 후드 볼륨 안의 옥시던트의 흐름의 최소화는 종판으로부터 연료 전지 스택 옥시던트로의 열 방출 양을 감소시킴에 의해서, 보조될 수 있다. 상단 종판을 넘는 흐름은 열적으로 절연된 물질로 된 후드 및 종판 사이의 물리적 배리어의 사용에 의해서 최소화될 수 있다. 연료 전지 스택은 효율적인 연료 전지 전기 화학적 동작이 가능하도록 제거되야 하는 상당한 양의 열을 생산한다. 적어도 하나의 연료 전지 스택으로 들어오는 주입 가스는 스택과 함께 효율적인 냉각의 중요한 역할을 수행한다. 이 것은, 연료 전지 스택에 걸친 옥시던트의 (예를 들어, 연료의 옥시던트를 위한 적어도 2, 3, 4, 8, 10, 12, 15 또는 20배의 옥시던트의 질량 볼륨을 갖는) 초과 볼륨을 지나가게 함으로써 얻어질 수 있다. 그러나, 연료 전지 스택 어셈블리를 통하여 옥시던트를 보내기 위하여, 블로어에 대한 지출 에너지를 요구하고, 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터 주입 가스로의 종합 열 교환의 향상은 요구되는 열 교환에 영향을 미치기 위하여 요구되는 가스의 볼륨을 감소시키고, 연료 전지 스택 시스템 어셈블리의 파워 소모를 감소시킬 수 있다.
열 교환 표면으로서의 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부 표면의 제공은 주입 가스의 단위 볼륨 각각의 열 교환의 향상된 양을 제공하는 이득이 될 수 있고, 따라서, 요구되는 주입 가스의 양을 감소시킬 수 있다. 후드의 베이스를 밑판으로 밀봉적으로 연결하는 것은 용접 기술, 경납땜 기술 또는 풀칠에 의해서 얻어질 수 있다. 연료 전지 스택 어셈블리는 밑판 및 후드 사이에 위치하는 열 절연 물질을 더 포함한다. 이 거슨 가스켓 형태를 갖고, 따라서, 가스켓은 후드 및 밑판 및 필수 봉인을 생산하기 위한 가스켓 압축 수단 사이에 위치할 수 있다. 이러한 가스켓은 질석(vermiculite) 가스켓 또는 바이턴(viton) 가스켓처럼 열 절연 및 가스 타이트 가스켓이다. 따라서, 후드는 밑판을 통하는 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터의 열 전달을 절연할 수 있다. 후드는 적어도 하나의 내부 표면 및 외부 표면에 위치하는 절연 물질과 함께 제공될 수 있다. 이것은 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터의 열 전달으로부터 후드를 절연하고, 후드로부터 다른 외부 구성으로의 열 전달을 감소 시킨다. 후드 볼륨 안의 가스 흐름을 강화하기 위해서, 후드 볼륨 안의 가스 주입구는 적어도 하나의 칸막이(baffle)와 함께 제공된다. 후드는 후드 볼륨으로 연장되는 적어도 하나의 칸막이(적어도 하나의 칸막이는 후드 볼륨 안의 유체 흐름을 제어하기 위하여 형성됨)와 함께 제공된다. 특히, 적어도 하나의 칸막이는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부에 걸쳐 발생하는 유체 흐름을 방지할 수 있다. 대체적으로, 후드는, 적어도 하나의 추가적인 표면 특징(유체 흐름의 방향을 조정하고, 및/또는, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부와 대조적으로 적어도 하나의 연료 전지 스택 주변의 유체 흐름을 강화하는 립(rib) 또는 핑거와 같은 것)과 함께 제공될 수 있다.
상술한 것과 같이, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 후드는 후드 볼륨 안의 유체 흐름을 제어하고, 유체 흐름이 적어도 하나의 연료 전지 스택 주변에서 발생하고, 상단을 넘어서 발생하지 않도록 형성될 수 있다. 후드가 상술한 것과 같이 제조되면, 그림 각도는 유체 흐름의 조정에 영향을 미치도록 후드의 적합한 표면 특징을 정의하는데 사용될 수 있다. 적어도 하나의 칸막이는 적어도 하나의 연료 전지 스택 표면에 가스 흐름이 가깝도록 하기 위하여 디자인 된다. 적어도 하나의 연료 전지 스택 또는 구성 파트의 외부 표면 으로부터의 열 이동을 가능하게 하기 위하여, 향상된 열 전달을 위하여, 적어도 하나의 연료 전지 스택 표면에 가까운 가스 플로우에서 난기류를 발생시키도록 하고, 열 교환이 일어나는 추가 표면 영역을 제공하는 연료 전지 스택 레이어로부터 확장되는 핀(fins), 핑거 또는 암즈와 같은 돌출부를 포함하는 추가적인 특징이 제공된다. 후드 및 적어도 하나의 연료 전지 스택 또는 구성 파트 또는 돌출부 또는 표면 특징부 사이의 간격(clearance)은 특징부를 따른 열 교환 및 가스 플로우를 강화시키기 위하여 배열된다. 적어도 하나의 형상은 가스 플로우에서 난기류를 발생시키도록 적어도 하나의 연료 전지 스택 레이어의 에지부분에서 제공된다.
후드의 내부 표면은 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구 안으로 황이 들어오기 전에 옥시던트로부터 황을 제거하기 위하여, 황 흡수 또는 흡착 물질(sulphur absorbing or adsorbing material)로 제공된다. 예를 들어, 자동차 보조 파워 어플리케이션을 위한 잔여 황을 잡기 위하여, 황 흡수 또는 흡착 물질은 더러운 도시 공기 안에서 연료 전지 시스템을 동작하는 것과 연관하여 황을 잡을 수 있다. 후드의 내부 표면은 연료 전지 음극의 크롬 중독의 가능성을 줄일 수 있도록 공급되는 옥시던트로부터 모든 크롬 종류를 제거하기 위하여, (예를 들어, 코팅 형태의) 크롬(Cr) 흡수 또는 흡착 물질로 제공된다. 후드 볼륨은 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 가스 사이의 열 전달을 강화하는 적어도 열 전도 철망(mesh), 섬유 네트워크 또는 충전제 물질로 채워진다. 그러한 물질은 전기적으로 비전도성이다. 바람직하게는, 후드 볼륨은 적어도 하나의 황 흡수 물지 및 황 흡착 물질로 코팅된다. 적어도 하나의 연료 전지 스택의 성능을 향상시키기 위하여, 주입 연료는 적어도 하나의 연료 전지 스택에 들어가기 전에 가열된다. 내부 매니폴드 연료 배출구를 따라 가스-대-가스(gas-to-gas) 열 교환기 및 수증기를 제거하고 열을 회복하기 위한 적어도 하나의 압축 열 교환기로 배기 연료 플로우를 지나가게 함으로써, 얻어질 수 있다. 건조한 배기 연료 플로우는 반응하지 않는 연료 가스를 포함하고, 사용되지 않은 화학 에너지 안의 열 에너지는 내부 매니폴드 옥시던트 배출구를 따라 지나가고 배기 옥시던트 플로우와 함께 섞이고, 타는 버너를 지나가도록 함으로써 회복된다. 이것은 주입 연료를 가열하기 위한 열 소스를 제공하기 위하여 사용되는 높은-온도 버너 오프-가스(high-temperature burner off-gas)를 생산한다. 실시예에 따라서는, 열 에너지는 주입 연료의 흡열성 스팀 개질기를 보조하는데 사용된다. 버너 오프 가스는, 선택적 기동 버너 유닛으로 들어오고, 그리고 예열기로 들어가기 전에, 흡열성 스팀 개질기를 위하여 요구되는 스팀을 생성하기 위하여 스팀 생성부를 지난다.
복수 개의 열 교환 절차가 제공되는 경우, 열적으로 가까운 이득이 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 조합된 유닛으로서, 열 교환 및 화학 반응 유닛을 제공하는 것은 연료 전지 스택 시스템 어셈블리의 사이즈의 감소를 제공한다. 예를 들어, 조합된 스팀 생성기, 연료 개질기 및 석유 생산 냉장고(reformate cooler)는, 하나의 유닛으로 제공될 수 있다. 그러한 장치(들)는 연료 전지 스택 사이드의 반대 방향의 밑판의 아랫면을 통하여 연결된다. 따라서, 가스 경로 길이는 상당히 감소되고, 가스 파이프 연결은 최소화되며, 파트 카운트(part count) 및 연결부 누수 위험을 줄일 수 있고, 시스템 어셈블리를 감소한다. 적어도 하나의 연료 전지 스택은, US 6794075에 개시된 것과 같이, 금속 지지체형 중간온도 고체 산화물 연료 전지(IT-SOFC) 스택이다. 후드는 적어도 하나의 플라스틱, 세라믹 또는 금속 레이어 또는 적어도 2개의 상기 물질들의 혼합(예를 들어, 플라스틱이 코팅된 금속 후드)으로부터 생성된다. 후드는, 예를 들어, 딥 드로잉(deep drawing), 벤딩(bending) 및 용접 기술, 경납땜 기술 또는 풀칠에 의해서 형성되는, 스테인레스 스틸(stainless steel)로부터 조립 된다. 낮은 온도 연료 전지 어플리케이션을 위해서, 후드는 적합한 플라스틱 물질로부터 주입 주조(injection moulded)된다. 후드는, 내부 및 외부 중 적어도 하나가 열적으로 단열된다(바람직하게는 외부). 매치(match)에 형성 또는 감겨 있는 것들을 포함하는 적합한 전열 레이어는 하나 이상의 레이어 또는 하나 이상의 절연 물질로부터 만들어질 수 있다. 증간 또는 높은 온도 연료 전지 시스템을 위하여, Promalight (RTM) (Promat UK Limited, Bracknell, UK; www.promat.co.uk)를 포함하는 절연체의 단일 레이어가 제공된다.
대체적으로는, 멀티-레이어 절연체는 동작 온도를 견뎌낼 수 있는 제1의 상대적으로 큰 내부 레이어 및 제1 또는 내부 절연 레이어의 외부에 있는, 동작 온도를 견뎌낼 수 있으며, Aspen Aerogel (Aspen Aerogels, Inc., MA, USA)를 포함하는 제2의 얇은 외부 레이어를 포함하여 제공된다. 종합적으로, 이러한 절연체 옵션은, 외부 레이어 절연체의 동작 온도 범위의 외부의 온도를 견뎌낼 수 있는 절연체를 제공하는 대신, 전체 절연 볼륨을 감소시키는 이득을 제공한다. 특정한 시스템 디자인은 옥시던트 가열이 테일 가스 버너 및/또는 연료 개질 프로세스로부터의 가열 가스가 제공되는 예열기를 이용하여 발생하도록 할 수 있다. 그러나, 그러한 소스로부터의 열 공급은 타임 래그(time lag)를 수반하고, 효과적인 예열기 동작은 연료 전지 스택 어셈블리의 전체 동작에 가깝게 연관된다. 가깝게 연관된 열 교환 관계를 감소 또는 연관짓지 않게 하기 위하여, 제어 가능한 열 능력을 포함하는 것이 요구된다. 그러한 제어가능한 열 능력은 전기 히터를 사용하여 얻어질 수 있다. 후드 볼륨 외부에 전기 히터를 위치하는 것은 여러가지 단점이 있음이 발견되었다. 전기 히터 장치가 후드 볼륨 외부에 있는 예열기의 부분일 때(예를 들어, 예열기가 열 교환기를 포함), 다음과 같은 문제를 갖는다: 적어도 하나의 연료 전지 스택 밑판 및 예열기 사이의 도관(conduit)(일반적으로 파이프)로부터 발생하는 증가된 열 손실, (예열기 디자인에 복잡성을 더하는) 전기 가열 장치를 넘는 옥시던트 플로우를 효과적으로 방향 짓기 위한 예열기 안의 추가적인 특징부에 대한 요구 사항, (예열기 제조 또는 제한적인 용접 동작 동안 예열기를 납땜하는 것이 가능하도록 하는 온도를 제한할 수 있는) 추가적인 예열기 제조 단계, 예열기 유닛의 전기 가열 장치로부터 전기 와이어링(wiring)을 수행하는데의 증가된 옥시던트 누수 위험을 해결하기 위하여 예열기에 복잡성을 더하는 것, 예열기 유닛 안의 잠재적으로 높은 온도 열 소스 포인트를 더하는 것. 예열기 및 연료 전지 스택 후드 사이의 옥시던트 도관 안에 전기 가열 장치를 설치하는 것도 역시 문제가 된다. 도관 안에 전기 가열 장치를 설치하는 것이 옥시던트로의 좋은 열 에너지 이동을 야기할 것인 반면, 도관은 히터를 수용하고, 누수 경로를 생성하지 않는 효율적인 방법으로 도관으로부터 나오는 전기적 연결부를 허락하도록 디자인되어야 한다. 이런 도관 디자인은 전기 가열 장치를 위한 요구사항이 없는 동일한 도관 디자인과 비교할 때, 패킹 볼륨 안에서 커질 가능성이 있다. 패킹 사이즈의 증가는 연료 전지 스택 어셈블리 패킹 및 제조 어셈블리에 상당한 영향을 미친다. 추가적으로, 전기 가열 장치를 수용하도록 도관 사이즈를 증가시키는 것은, 잠재적 동작 효율 벌칙 및 추가적인 디자인 제한을 도입하는, 도관의 열 손실 표면을 증가시킨다. 일반적 후드 볼륨 안에 전기 가열 장치를 설치하는 것은 단점의 일부 또는 전부를 제거한다. 그러나, 그러한 전기 가열 장치로 옥시던트 플로우가 효율적으로 방향 짓게 하는 것은 어렵고, 이는 가열 효율을 감소시킨다. 전기 가열 장치를 후드의 일부분으로 만들거나, 후드 위에 실장시키는 것은 후드 표면으로부터의 열 손실을 증가시킨다. 본 발명은 이러한 단점을 더 극복하는 것을 목적으로 한다. 연료 전지 스택 어셈블리는 추가적으로 적어도 하나의 가스 주입구에 열 연동되고, 후드 볼륨 또는 후드 또는 밑판 안에 포함되는 전기 가열 장치를 포함한다. 즉, 전기 가열 장치는 후드 볼륨으로부터 먼 후드 또는 밑판의 외부에 위치하지 않는다.
상기 방법의 전기 가열 장치의 제공은 극단적으로 이득이 될 수 있다. 이는 특히 예열기가 수동적 예열기인 케이스이다. 따라서, 전기 가열 장치는 가스 주입구 포인트까지 위치하는 가스 주입구 안에 완전히 포함될 수 있거나, 또는 전기 가열 장치는 후드 볼륨 안의 가스 주입구의 끝단에 구성 부분으로 형성되고, 적어도 하나의 가스 주입구 포인트를 정의할 수 있다. 바람직하게는, 전기 가열 장치를 위한 제어 수단도 함께 제공된다. 전기 가열 장치를 위한 제어 수단은 기술 분야에서 잘 열려져 있고, 일반적인 기술이 적용될 수 있다. 장치는, 전기 가열 장치가, 개질기가 동작 온도에 도달하고, 석유 생산을 생산하고 난 뒤에(바람직하게는 바로 직후에) 연료 전지 스택이 동작 온도 범위(바람직하게는 400-450도의 범위)의 낮은 경계선에 도달하도록 연료 전지 스택으로 열 에너지를 제공하도록 구성된다. 실시예에 따라서는, 적어도 하나의 가스 주입구는 밑판을 통하여 후드 볼륨으로 들어가고, 다른 실시예에 따라서는, 적어도 하나의 가스 주입구가 후드를 통하여 후드 볼륨으로 들어간다. 전기 가열 장치의 공급은 다음과 같은 경우에, 주입 옥시던트 스트림으로 추가 열을 공급하는 것을 허락한다: - 예열기의 성가가 저하될 때 - 연료 전지 스택 시스템 어셈블리의 동작 환경이 다음과 같은 차선책이 될 때 - 주입 옥시던트 온도가 너무 낮을 때(예를 들어, 차가운 주위 공기가 옥시던트로 사용되는 경우) - 주입 옥시던트가 너무 젖어 있을 때(예를 들어, 젖은 주위 공기가 옥시던트로 사용될 때) - 스팀 대 카본의 비율이 변할 때(예를 들어, 연료가 스팀 대 카본의 비율이 증가하도록 사용될 때) - 연료 전지 스택 온도의 빠른 기동 또는 증가가 요구될 때(예를 들어, 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구에서 가장 가까운 연료 전지의 주입 끝단의 온도 밑인 100도 보다 높은 온도에서 옥시던트가 가스 주입구로 흘러 갈 때) - 가동 되지 않을 때; 또는 - 빠른 기동을 보조하기 위한 연료 전지의 전기 화학적 활성(예를 들어, 전기 연료 스택 어셈블리가 스위치 오프 또는 동면(hibernating)되어 있는 경우)이 발생하지 않을 때
상술한 것과 같이 적어도 하나의 가스 주입구 안에 전기 가열 장치를 설치함에 의해, 디자인 배치 및 패킹 제약은 최소화된다. 특히: - 전기 가열 장치에 의한 공간은 다른 구성 파트 안에 있고, 따라서 후드 볼륨 안으로 정의된다. - 전기 가열 장치로부터 옥시던트로의 좋은 열 에너지 이동이 될 수 있다. - 전기 가열 장치는 매우 낮은 열 관성(inertia)을 갖고, 전기 가열 장치로부터 열 에너지 출력의 증가 또는 감소가 요구되는 경우, 높은 제어성 및 방응성을 가질 수 있다. - 전기 가열 장치를 위한 와이어잉(wiring)은 밑판을 통하여 제어 회로로 연결될 수 있고, 이 것은 연료 전지 스택 시스템 어셈블리 안의 어딘가로의 비슷한 전기 연결을 이용함으로써 얻어질 수 있다(예를 들어, 밑판을 통하여 연료 전지 스택 전기 파워를 이동하도록 디자인된 전기 연결). 전기 가열 장치는 전기 히터 와이어(예를 들어, 대략 Ni/Cr 또는 Ni/Cu 메탈 또는 비슷한 물질로부터 만들어지는 와이어)를 포함한다. 실시예에 따라서는, 전기 가열 장치는 비활성, 열적으로 안정한 마운트(mount)(얘를 들어, 미카 보드(mica board)), 또는 비활성을 부분적으로 감싼 것, 열적으로 안정한 주조 장치 주변을 감고 있는 전기 열 와이어를 포함할 수 있다.
열 와이어의 열은 와이어로부터 Cr 종 증발을 생성하는 점, 크롬 종(chromium species)은 적어도 하나의 연료 전지의 음극의 음극 물질의 성과에 영향을 미칠 수 있다는 점의 문제가 있고, 와이어는 크롬 종의 이주를 방지하기 위한 보호 코팅으로 코팅될 수 있고, 또는 전기 가열 장치는 전기 열 와이어의 대부분이 옥시던트 플로우로 노출되지 않도록 디자인될 수 있다. 예를 들어, 와이어는 낮은 크롬을 갖는(예를 들어, 높은 멜팅 온도 알루미늄박(aluminium foil)), 높은 열 에너지 전도박에 의해서 옥시던트 플로우로부터 분리될 수 있다. 이 경우, 히터 와이어 열로부터 생성되는 열 에너지 는 박(foil)을 통하여 옥시던트 플로우로 전달된다. 전기 가열 장치에 의해서 박이 녹는 것을 방지하기 위하여, 제어 수단은 전기 가열 장치가 박을 지나는 충분한 옥시던트 플로우가 있는 경우에만 동작하도록 하는 구성을 제공할 수 있다. 전기 가열 장치로부터의 전기 열이 얼마나 많고 언제 제공되는지를 결정하기 위하여, 센서 및/또는 입력 수단이 요구되는 열에 영향을 미치는 제어 수단과 함께 적절하게 제공될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 온도 센서가 제공될 수 있다. 선택적으로는, 주입 옥시던트를 위한 습도 센서 또는 연료 타입 센서가 제공될 수 있다. 선택적으로, 사용되는 연료의 타입을 가리키기 위한 사용자를 위한 입력 수단도 제공될 수 있다. 실시예에 따라서는, 온도 센서는 적어도 하나의 가스 주입구로 들어가는 옥시던트의 온도 또는 후드 볼륨 안의 선택된 포인트의 온도를 결정하기 위하여 제공된다. 온도 센서는 i) 후드 볼륨 안에 ii) 예열기 출력부 및 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝단 사이의 옥시던트 플로우 경로 안에, 또는 iii) 예열기 출력부 및 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝단 사이의 옥시던트 플로우 경로에 열 연동되어 위치한다.
온도 센서는 예열기 및 밑판 사이의 옥시던트 플로우 경로에 열 연동되어 위치한다. 온도 센서는 전기 가열 장치의 동작을 제어하는 제어 수단과 연동되고, 제어 수단은 온도 센서에 의해 정해지는 정보에 대응하여 전기 가열 장치의 동작을 제어하도록 구성된다. 상술한 것과 같이, 전기 가열 장치의 동작은 온도 센서로부터 결정되는 정보에 의존하지 않을 수 있고, 따라서, 기동, 연료 타입, 옥시던트 타입, 옥시던트 온도 및 옥시던트 습도와 같은 다른 요소도 전기 가열 장치의 동작을 결정하기 위한 제어 수단에 의해서 사용될 수 있다. 바람직하게는, 전기 가열 장치는 연료 전지 스택 어셈블리의 전기 용량의 10-50% 사이일 수 있다. 예를 들어, 1kW 연료 전지 스택 용량의 경우, 전기 가열 장치는 100 We, 200 We, 300 We, 400 We 또는 500 We의 용량을 가질 수 있다. 전기 히터로부터 산화 스트림으로 전달되는 최대 열 에너지는 전기 히터의 설명서 또는 제어 시스템의 수단에 의해서 물리적으로 세팅된다. 전기 히터로부터의 가장 높은 열 에너지 출력은 빠른 기동 동안 요구된다. 이러한 조건 하에서, 전기 히터의 열 에너지 출력은, 전체 시스템이 준비되는 동안 개질기가 스택이 동작 온도 범위의 낮은 한계에 도달하기 전에 동작할 수 있게 됨을 확실하게 하기 위하여 제어된다. 따라서, 빠른 기동 중에 석유 생산은 연료 전지 스택이 화학적으로 활성되기 전에, 연료 전지 스택의 양극으로 제공된다.
이 것은 화학적이고 전기 화학적으로 활성화되도록, 연료 전지 화학적 레이어의 보호막을 허락한다. 전기 히터는 연료 전지 스택 옥시던트 주입 온도가 특정한 요구 온도를 넘어서 유지되도록(예를 들어, IT-SOFC 연료 전지 스택 어셈블리의 일반적 동작에서 480도를 넘도록) 제어되고 프로그램된다. 전기 가열 장치로부터 주입 옥시던트로 전달되는 열 에너지의 양은 연료 전지 스택 옥시던트 주입 온도에 대응하여 제어될 수 있다. 따라서, 연료 전지 스택 옥시던트 주입 온도를 모니터링하는 것은 연료 전지 스택 시스템 어셈블리(연료 전지 스택 어셈블리는 제어 수단 및 전기 가열 장치를 포함한다)가 요구되는 연료 전지 스택 옥시던트 주입 온도를 얻을 수 있도록 전기 가열 장치에 의해 주입 옥시던트에 더해지는 열 에너지의 총 양을 제어하도록 한다. 연료 전지 스택 옥시던트 온도 주입 온도를 측정하는 방법은 다음 단계를 포함한다(그러나 이에 제한되지는 않는다): - 연료 전지 스택 옥시던트 주입 영역에 위치하는 열전지(thermocouple)를 옥시던트 주입 온도를 측정하는데 사용하는 단계; - 전기 가열 장치 전에 가스 주입 장치에 위치하는 열전지를 이 위치의 옥시던트 주입 온도를 측정하는데 사용하고, 제어 수단 안에 포함되는 모델화 및 경험적으로 파생된 맵 또는 맵의 세트로부터 파생되는 온도 오프셋을 더하여, 연료 전지 스택 옥시던트 주입 온도를 추론하는 단계 - 맵은 측정 포인트에서의 옥시던트 주입 온도, 측정 포인트에서의 옥시던트 매스 플로우 비율, 연료 전지 스택 파워 출력 및 연료 전지 스택 배기 배출구 온도를 포함할 수 있는 요소를 계산한다 -; 및/또는 - 맵이 측정 위치 및 연료 전지 스택 옥시던트 주입구 포인트 사이의 온도 영향 요소를 계산하도록 만들어진 옥시던트 주입구로부터 멀리 위치하는 열전지를 이용하는 단계; 맵 또는 맵 세트는 상이한 연료 타입 또는 시스템 배열로부터 파생될 수 있고, 이 맵은 시스템 공정 또는 시스템 동작 또는 서비스 동안 제어 수단 안으로 로드될 수 있다.
맵 선택은 공정 동안, 설치 동안, 운영자에 의해서 수동적으로 설정 또는 시스템에 의해서 자동적으로 설정될 수 있다. 요소의 측정은 다음에 의해서 얻어진다: - 열전지로부터 - 측정 위치의 옥시던트 주입 온도 - 옥시던트 블로어 동작 포인트로부터 - 측정 위치에서의 옥시던트 매스 플로우 비율 - 파워 전기 동작 포인트로부터 - 연료 전지 스택 파워 출력 - 연료 전지 스택 배기 배출구 안의 열전지 측정부로부터 - 연료 전지 스택 배기 배출구 온도 상기 요소들의 측정은, 전기 히터 이전의 가스 주입구 및 연료 전지 스택 옥시던트 주입구 사이를 지나갈 때, 연료 전지 스택 옥시던트의 온도 증가를 맵이 가리키도록 한다. 만약 온도 증가가 요구되는 연료 전지 스택 옥시던트 주입구 온도보다 낮은 경우, 추가적인 열 에너지가, 요구되는 열 에너지의 총양 및 옥시던트 매스 플로우 비율에 의해서 결정되는 전기 가열 장치로 제공되는 전기 파워와 함께 전기 열 장치로부터 얻어질 수 있다. 따라서, 예를 들어, 하기 식을 이용하여 얻어질 수 있다. T_in_inferred(추정) = T_measured(측정) + T_offset(오프셋), IF T_in_desired(요구) > T_in_inferred(추정) 인 경우, 전기 히터로부터 열을 더함, T_in_(요구) = 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구에서의 요구되는 옥시던트 온도, T_(측정) = 온도 센서에 의해 결정되는 온도, T_(오프셋) = 적어도 하나의 가스 주입구 포인트로부터 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝단으로의 후드 볼륨 안의 옥시던트 플로우로부터 야기되는 온도 변화, T_in_(요구)는 요구되는 시스템 상태에 따라 선택 될 수 있다.
예를 들어, 온도는 시스템 기동 동안 증가할 수 있고, 정상 상태 동작을 위한 최적 값으로 설정될수 있으며, 특정한 다이나믹 동작 포인트로 변할 수 있고, 시스템 전원 다운 또는 제어 시스템 성과 감소를 위한 T_(측정) 이하로 설정될 수 있다. 전기 히터로부터 요구되는 열 에너지의 총양은 하기와 같은 Q_in 이다. Q_in = (T_in_(요구) - T_in_추정) x (옥시던트 가스 매스 플로우 비율 x 옥시던트 가스 특정 열 용량)
본 발명은 코-플로우(co-flow), 카운터-플로우(counter-flow) 및 크로스-플로우(cross-flow)를 포함하는 다양한 가스 플로우 배열을 사용하는 연료 전지 스택 어셈블리에 동등하게 적용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료 전지 스택 시스템 어셈블리는 본 발명에 따른 연료 전지 스택 어셈블리를 포함한다. 본 발명에 따른 중간온도 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리(intermediate-temperature solid oxide fuel cell stack assembly)의 동작 방법에 있어서, 상기 연료 전지 스택 어셈블리는, (i) 밑판(base plate); (ii) 상기 밑판에 밀봉되어 부착된 후드(hood)-상기 후드는 상기 밑판 및 상기 후드 사이의 후드 볼륨(hood volume)을 정의함(defining)-; (iii) 상기 후드에 의해서 둘러 쌓여지고(enclosed), 상기 밑판 위에 실장된(mounted) 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료 전지 스택; (iv) 상기 후드 볼륨 안을 향한 적어도 하나의 가스 주입구 포인트(gas inlet point)를 정의하는(defining) 적어도 하나의 가스 주입구(gas inlet); 및 (v) 상기 후드 볼륨의 외부에 위치하고, 옥시던트 소스 및 상기 적어도 하나의 가스 주입구와 유체 연동되며(fluid communication), 상기 가스 주입구를 통하여 상기 옥시던트 소스로부터 상기 후드 볼륨으로 옥시던트를 제공하도록 조정된(adapted) 예열기(pre-heater)를 포함하고, 각각의 연료 전지 스택은 적어도 3개의 연료 전지 스택 레이어(fuel cell stack layers)를 포함하고, 각각의 연료 전지 스택 레이어는 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료 전지를 포함하며, 각각의 연료 전지는 옥시던트 주입구 끝단(oxidant inlet end) 및 배기 옥시던트 배출구 끝단(exhaust oxidant outlet end)를 정의하고, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택은, (a) 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈-매니폴드 끝단(open-manifolded end)를 정의하는 적어도 하나의 오픈-매니폴드(open-manifolded) 가스 주입구; 및 (b) 적어도 하나의 내부 매니폴드(internally manifolded) 가스 배출구를 갖고, 상기 후드 볼륨 안의 상기 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상기 오픈-매니폴드 끝단으로부터 멀리 위치하고,
상기 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료 전지 스택은, 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료 전지 스택 레이어로부터 상기 밑판으로부터 가장 먼 상기 연료 전지 스택 레이어까지 측정된 높이 X를 정의하며, 상기 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료 전지 스택 레이어 위의 높이 Y에 위치하고, 0.25X <= Y <= 0.75X이고, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 옥시던트를 통과시키는 단계, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부(outside)에서 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구로 지나가는 단계를 포함하고, 직접 열 이동(direct heat transfer)은 - 상기 오픈-매니폴드 가수 주입구 안으로의 상기 옥시던트의 출입(entry) 이전에 - 상기 옥시던트 및 상기 연료 전지 스택 레이어의 외부 표면 사이에서 일어나고(occurring), 상기 예열기는 상기 옥시던트 소스로부터 옥시던트가 - 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가수 주입구와 가장 가까운 상기 연료 전지의 상기 주입구 끝단에서 상기 동작 온도(the in-use operating temperature) 아래인 - 100도보다 높지 않은 온도에서 예열되고, 상기 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 공급되도록 구성 된다.
바람직하게는, 상기 연료 전지 스택 어셈블리는 (i) 상기 적어도 하나의 가스 주입구와 열 연동(thermal communication)되며, 상기 후드 볼륨 또는 상기 후드 또는 상기 밑판 안에 들어 있는 전기 열 장치(electrical heating device); (ii) 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구로 흘러들어가는 옥시던트의 온도를 결정하도록 위치하는 적어도 하나의 온도 센서; 및 (iii) 제어 수단
을 더 포함하고, 상기 전기 열 장치 및 상기 적어도 하나의 온도 센서는 상기 제어 수단과 전기 연동(electrical communication)되어 있으며, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구의 상기 옥시던트가 원하는 온도(desired temperature)까지 가열되도록, 상기 제어 수단의 제어 하에서 상기 전기 열 장치를 이용하여 상기 옥시던트를 추가로 가열하는 단계를 더 포함한다. 더욱 바람직하게는, 옥시던트는 요구되는 온도까지 가열된다. 바람직하게는, 방법은 상기 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료 전지가 열 및 전기를 생산하도록 옥시던트 및 연료를 이용한 전기 화학의 리액션(electrochemical reaction)을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
발명은 연료 전지 스택 어셈블리의 실시예를 나타내는 도면의 다양한 특징을 참조한 하기의 설명들로부터 더욱 명확해질 것이다. 연료 전지 및 연료 전지 스택 어셈블리는, 특히, US 6794075, WO 02/35628, WO 03/075382, WO 2004/089848, WO 2005/078843, WO 2006/079800, WO 2006/106334, WO 2007/085863, WO 2007/110587, WO 2008/001119, WO 2008/003976, WO 2008/015461 및 WO 2008/053213을 포함하는, 기술 분야에서 일반적인 기술을 가진 자에게는 잘 알려져 있다. 일실시예에 따른 연료 전지 스택 어셈블리(1)에서, 고체 산화물 연료 전지 스택 10은 복수 개의 연료 전지 스택 레이어(20)로부터 조립되고, 각 연료 전지 스택 레이어(20)는 하나의 연료 전지(30)를 포함한다(다른 실시예에서는, 각 연료 전지 스택 레이어(20)는 복수 개의 연료 전지(30)를 포함한다). 각 연료 전지는, 연료 전지 금속 기판(34) 위에 실장되고, 연료 전지 기판 비-다공성 영역(35)에 의해 둘러쌓여진 연료 전지 기판 다공성 영역(36)을 커버하는 애노드(31), 전해액(32) 및 캐소드(33)를 포함한다. 전기 전도성 상호 연결판(37)은 연료 플러우를 위한 매니폴딩(manifolding)을 제공한다. 제1의 연료 전지 스택 레이어(20)의 금속 기판(34)은 전기 절연 가스켓(38)에 의해 제2의 이웃 연료 전지 스택 레이어의 상호 연결판(37)이 직접 전기 접촉이 되는 것을 방지한다. 연료 전지 스택(10)은 밑판(40) 위에 실장되고, 후드(50)는 연료 전지 스택(10)을 넘어 위치하며, 밀봉적으로 밑판(40)이 밑판(40) 및 후드(50) 사이의 후드 볼륨(60)을 정의하도록 관여하며, 연료 전지 스택(10) 안에 포함 될 수 있다.
연료 전지 스택(10)은 연료 전지 스택(10)의 오픈 매니폴드 끝단(80)을 정의하는 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)와 함께 제공된다. 각 연료 전지 스택 레이어(20)는, 각각이 밑판(40) 안의 채널을 통하여 지나가는 내부 매니폴드 연료 주입구(100)와 내부 매니폴드 연료 배출구(110)와 함께, 내부 매니폴드 옥시던트 배출구(90)(단일 연료 전지를 갖는 연료 전지 스택 레이어를 위하여, 연료 전지의 배기 옥시던트 배출구 끝단에 대응하는)를 갖는다. 밑판(40)은 연료 전지 스택(10)의 반대 끝단(오픈 매니폴드 끝단(80)에 대한 반대)에 위치하는 옥시던트 주입구 포인트(125)를 정의하고, 후드 볼륨(60) 안에 있는 옥시던트 주입구(120)와 함께 제공된다. 연료(130)는 밑판(40)을 통하여 지나가는 내부 매니폴드 연료 주입구(100)를 통하여 연료 전지(30)의 애노드 전극 사이드로 공급된다. 옥시던트(공기)(140)는 연료 전지 스택(10)의 반대 끝단(오픈 매니폴드 끝단(80)에 대하여 반대)에 위치하는 옥시던트 주입구(120)를 통하여 후드 볼륨(60)으로 들어온다. 열적으로 절연되는 플로우 제한 장치(150)는 연료 전지 스택(10) 종판(160)의 상단부에 제공되고, 후드(50)와 접촉되도록 만들어질 수 있으며, 종판(160) 및 후드(50) 사이의 공기흐름을 방지한다. 따라서, 공기흐름은 후드 볼륨(60) 안에서 연료 전지 스택(10)의 측면을 따른 옥시던트 주입구(120)로부터 오픈 매니폴드 끝단(80)까지, 그리고 연료 전지 스택(10)안으로 발생한다. 화살표(210)는 옥시던트(140) 플로우를 나타낸다. 실시예에 따라서는, 옥시던트 주입구 포인트(125)는 밑판(40)에 가장 가까운 연료 전지 스택 레이어(20) 위의 수집 높이 Y에 위치하고, 0.25X <= Y <= 0.75X이며, X는 밑판(40)으로부터 가장 가까운 연료 전지 스택 레이어(20)로부터 밑판(40)으로부터 가장 멀리 있는 연료 전지 스택 레이어(20)까지 측정된 높이이다. 연료 전지 스택 종판(160)은 맨 위 종판(top end-plate)이고, 밑판(40)은 맨 아래 종판(bottom end-plate)처럼 행동한다. 압축 수단은 필수적 가스 밀봉 및 전기 연결을 보장하는 적어도 하나의 연료 전지 스택을 압축하기 위하여, 적합하게 제공된다. 저러한 방법을 포함하는 적합한 압축 시스템의 예시는 WO 2007/085863에 나타난다. 연료 전지 스택(10)의 외부 표면(170)은 날카롭고, 연료 전지 스택(10)의 측면을 넘도록 공기흐름을 강화하며, 연료 전지 스택(10)의 외부 및 옥시던트(140) 사이의 열 교환을 강화하는 핀(fin) 형태의 돌출부와 함께 제공된다. 옥시던트(140)는 약 455도의 초기 온도에서 후드 볼륨(60)으로 들어가고, 내부 매니폴드 옥시던트 배출구(90)에서의 연료 전지 스택(10)의 동작 배출 온도는 약 600도 이다. 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)에 가장 가까운 연료 전지(30)의 내부 끝단은 약 500도의 동작 온도의 정상 상태이다. 수용할 수 있는 동작 효율을 얻기 위해서, 옥시던트(140)는 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)로 들어가기 전에 약 480도의 온도로 가열된다. 옥시던트(140)의 가열은 연료 전지 스택(10) 외부 표면(170) 및 후드(50)의 내부 표면(190)과의 열 교환 및 접촉에 의해서 영향을 받는다. 실시예에 따라서는, 내부-매니폴드 옥시던트 주입구(70)는 각 연료 전지 스택 레이어(20)를 위한 감소하는 오픈 매니폴드 주입구를 포함한다.
다른 실시예에 따라서는, 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)는 각 연료 전지 스택 레이어를 위한 복수 개의 오픈 매니폴드 주입구를 포함한다. 또 다른 실시예에 따라서는, 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)는 복수 개의 연료 전지 스택 레이어를 위한 단일 오픈 매니폴드 주입구를 포함한다. 적어도 480도의 온도의 옥시던트(140)는 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)로 들어가고, 연료 전지(30)의 캐소드 전극 측면으로 제공되며, 전기 화학적 반응은, 열, 물, 및 전기 에너지가 생성되는 결과와 함께, 옥시던트(140)가 캐소드와 함께 반응하는 것 및 연료(130)가 애노드와 함께 반응하는 것으로 일어난다. 전기 에너지는 전기 회로 위의 로드(load)에 걸쳐 지나간다. 반응된 연료(130)는 밑판(40)을 통하여 지나가는, 오픈 매니폴드 끝단(80)으로부터 멀리 떨어진 연료 전지 스택(10)의 측면에 있는 내부 매니폴드 연료 배출구(110)를 통하여 연료 전지(30) 및 연료 전지 스택 레이어(20)에 존재한다. 반응한 옥시던트(140)는 밑판(40)을 통하여 지나가는, 오픈 매니폴드 끝단(80)으로부터 멀리 떨어진 연료 전지 스택(10)의 측면에 있는 내부 매니폴드 옥시던트 배출구(90)를 통하여 연료 전지(30) 및 연료 전지 스택 레이어(20) 에 존재한다. 따라서, 오프-가스(옥시던트(120) 및 연료(130))가 내부 매니폴드 연료 배출구(110) 및 내부 매니폴드 옥시던트 배출구(90)를 통하여 연료 전지 스택(10)을 나가는 경우, 연료 전지 스택(10)의 측면은 뜨거운 배기 가스에 의해서 가열되기 때문에 가장 높은 온도일 수 있고, 주입구 옥시던트(140) 스트림으로 열을 잃기 때문에 오픈 매니폴드 끝단(80)은 가장 차가울 수 있다. 따라서, 가장 큰 열 포텐셜은 오픈 매니폴드 끝단(80)으로 멀리 떨어진 연료 전지 스택(10)의 외부 측면과 가스 주입구 포인트(125)에서 후드 볼륨(60)으로 들어가는 옥시던트(140) 사이에서 존재한다(그리고 가장 큰 열 교환도 발생한다).
연료 전지 스택(10)의 길이를 따라서 온도 변화도가 감소하기 때문에, 열 교환은 연료 전지 스택(10)에 이익으로 작용한다. 만약 더 높은 온도에서 공기가 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)로 들어갈 것이 요구되는 경우, 무엇이 요구되는지와 관련하여, 열 교환은 연료 전지 스택 어셈블리(1)에 대한 기계적 스트레스를 감소시키고, 예열기(200)의 사이즈 및 질량을 감소킬 수 있다. 도 5에 나타난 것과 같이, 연료 전지 스택(10), 밑판(40) 및 후드(50)는, 가열 유체처럼 행동하는 내부 매니폴드 연료 배출구(110)를 따라서 흐르는 배기 연료(130)와 함께, 옥시던트 주입구(120)를 통하여 흐르는 옥시던트(140)를 약 455도의 초기 내부 온도까지 올리는(예를 들면, 연료가 요구사항(UK 행정 입법 1996 No. 551 가스 안전 (관리) 규칙)을 만족하는 메탄이 풍부한 천연 가스이고, 스팀 대 카본 양(carbon ration)이 2.5:1인 경우), 옥시던트 열 교환 시스템(예열기)(200)를 포함하는 더 큰 연료 전지 스택 시스템 어셈블리의 부분을 형성한다. 전형적인 선행 기술 연료 전지 스택 시스템 어셈블리 옥시던트 열 교환 시스템은 옥시던트가 연료 전지 스택(10)으로 들어가기 전에 옥시던트를 약 480도의 온도로 올려야 했고, 옥시던트 예열기 상의 열 로드(thermal load)의 감소는 옥시던트 열 교환 시스템(200)의 사이즈, 질량, 가격 및 복잡성이 실질적으로 감소됨을 의미한다. 연료 전지 스택(10)의 더욱 향상된 성과를 위하여, 주입 연료(130)은, 연료 전지 스택(10)으로 들어가기 전에, 또한 가열된다. 이것은 내부 매니폴드 연료 배출구(110)를 따라서 가스-대-가스(gas-to-gas) 열 교환기(29) 및 수증기를 제거하고 열을 회복하는 적어도 하나의 압축 열 교환기(300)로 배기 연료(130a) 플로우를 지나가게 함으로써 얻어 질 수 있다.
건조한 배기 연료(130b) 플로우는 반응하지 않는 연료 가스(130)를 포함하고, 사용되지 않은 화학 에너지 안의 열 에너지는 내부 매니폴드 옥시던트 배출구(90)를 따라 지나가는 배기 옥시던트(140a)와 함께 버너로 지나가도록 함으로써 회복된다. 높은 온도 버너 오프-가스(320)는 주입 연료(130)를 가열하기 위한 열 소스를 제공하기 위하여 사용된다. 실시예에 따라서는, 열 에너지는 주입 연료(130)의 개질기(330) 안의 흡열성 스팀 개질을 보조하는데 사용된다. 버너 오프-가스는 스팀(280)을 생산하기 위하여, 선택적 기동 버너 유닛으로 들어가고, 옥시던트 열 교환 시스템(200)으로 들어가기 전에 촉매 개질로서 요구되는 상수도(270)를 이용하여 스팀 생산 유닛(340)으로 지나갈 수 있다. 실시예에 따라서는, 연료 전지 스택 종판(160)은, 종판(160) 상단부에 걸친 유체 흐름을 막고, 연료 전지 스택(10)으로부터 후드(50)를 열적으로 절연하는 열 절연 플로우 제한 장치(150)와 후드(50)의 밑측면 사이에 실장된다. 더욱이, 가수 밀봉 열 절연 질석(vermiculite) 가스켓(230)은, 연료 전지 스택(10)으로부터 후드(50)를 열적으로 더욱 절연하기 위하여, 후드(50)의 베이스 및 밑판(40) 사이에 제공된다. 절연은 Microtherm Freemoulding 제품의 상대적으로 두꺼운 내부 절연 레이어(240) 및 Aspen Aerogel Pyrogel (RTM)의 상대적으로 얇은 외부 절연 레이어(250)에 의해서, 후드(50)의 바깥 구성을 위해 제공되며, 만약 내부 절연 레이어(240)의 물질이 사용된다면 무엇이 요구되는지에 비교하여, 절연 물질의 볼륨이 감소된 인슐레이션을 얻는 반면 전체는 원하는 후드(50)의 열 절연을 제공한다. 다른 실시예에 따라서는, 절연 레이어(240, 250)는 Promalight (RTM)(Promat UK Limited, Bracknell, UK; www.promat.co.uk) 인슐레이션의 단일 레이어로 대체된다.
도 4는 커진 연료 전지 스택 레이어(20) 및 추가적인 연료 전지 스택 레이어(21)와 함께 B-B'(도 3)를 통과하는 섹션을 나타낸다. 공기(140)는 연료 전지 스택(10)의 반대 측면(오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)의 반대)에 위치하는 옥시던트 주입구 포인트(125)의 옥시던트 주입구(120)를 통하여 연료 전지 스택 어셈블리(1)로 들어간다. 공기(140)는 연료 전지 스택(10)의 측면을 지나가고(연료 전지 스택 종판(160) 및 후드(50) 사이에 위치하는 가스 봉인 열 절연 질석 가스켓(150)에 의해서 막힌 연료 전지 스택(10)의 상단부를 넘는 유체 흐름), 가열되며, 연료 전지 스택 레이어(20)의 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)를 지나가고, 중간온도 고체 산화물 연료 전지(IT-SOFC)(30)의 캐소드(33)을 지나가고, 열, 산소 및 전기를 생산하는 전기 화학적 반응을 경험하고, 매니폴딩(90)을 통하여 배기된다. 연료(130)는 내부 매니폴드 연료 주입구(100)를 통하여 연료 전지 스택(10)으로 들어가고, 연료 전지 기판 다공성 영역(36) 아래를 지나가며, 연료 전지 애노드(31)로 지나가고, 열, 산소 및 전기를 생산하기 위한 전기 화학적 반응을 경험한다. 배기 연료(130)는 내부 매니폴드 연료 배출구(130)를 통하여 연료 전지 스택(10)에 존재한다. 각 연료 전지 스택 레이어(20)는 매니폴딩 및 이웃 연료 전지 스택(10) 구성에 전기 접촉을 제공하는 전기 전도성 상호 연결판(37)을 포함한다. 연료 전지 금속 기판(34)은, 상호연결판(37)의 상단부에 실장되고, 연료 전지 기판 비-다공성 영역(35)으로 둘러진 연료 전지 기판 다공성 영역(36)을 포함한다. 따라서, 유체 흐름은 다공성 영역(36)을 통하여 발생 할 수 있다.
연료 전지(30)는 다공성 영역(36)의 상단부에 실장된다. 연료 전지 애노드는 다공성 영역(36)을 덮고, 연료 전지 전해액(32)은 다공성 영역(36)을 통하여, 연료 전지(30)의 연료 측면으로부터 연료 전지(30)의 옥시던트 사이드까지의 유체 흐름을 방지하기 위하여, 애노드(31) 및 다공성 영역(36)을 넘어 확장된다. 연료 전지 캐소드(33)는 연료 전지 전해액(32)의 상단부에 실장된다. 전기 전도성 전류 컨덕터는, 연료 전지 캐소드(330)로부터 확장되고, 전기 회로를 형성하도록 전기 전도성 상호 연결판(37)과 전기적 접촉되고, 로드는 회로 위에 위치한다. 추가 연료 전자 스택 레이어(21)는 연료 전지 스택 레이어(20) 위에 위치하고, 연료 전지 금속판(34)으로부터 이웃한 연료 전지 스택 레이어(21)의 전기적 전도성 상호 연결판(37)까지의 전기적 단락(shorting)은 추가적 연료 전지 스택 레이어(21)를 위한 기계적 소프트를 추가적으로 제공하는 전기적 절연 가스켓(38)에 의해서, 방지된다. 실시예에 따라서는(도 6), 복수 개의 옥시던트 주입구(120)는 밑판(40)에서보다 후드(50)에서 제공된다. 배열은 가스 플로우 및 분배에 도움이 되고, 특히 가스 플로우의 침체된 영역을 방지하는데 도움이 된다. 옥시던트 주입구 포인트(125)는 밑판(40)에서 가장 가까운 상기 연료 전지 스택 레이어(20) 위의 높이 Y에 위치하고, 0.25X <= Y <= 0.75X이고, X는 밑판(40)에서 가장 가까운 연료 전지 스택 레이어(20)로부터 밑판(40)으로부터 가장 먼 연료 전지 스택 레이어(20)까지 측정된 높이이다. 실시예에 따라서는(도 6A), 복수 개의 옥시던트 주입구(120)는 후드(50) 및 밑판(40) 안에 제공되고, 가스 플로우 및 분배에 도움이 되고, 특히 가스 플로우의 침체된 영역을 방지하는데 도움이 된다.
도 6B의 실시예에 따라서는, 옥시던트 주입구(120)는 밑판(40)에 제공되고, 플로우 분배 장치(260)는 후드 볼륨(60)을 통하여 주입구(120)로부터 가스 플로우 분배를 돕도록 디자인된 구멍이 난 금속 튜브를 포함하여 제공된다. 대체적인 실시예로는, 플로우 분배 장치(260)는 높은 다공성 세라믹 물질 및 후드(50)의 형성된 섹션을 포함한다. 실시예에 따라서는(도 7), 핵심 유체 온도는 스팀 개질기(330)의 스팀 대 카본 양(carbon ration)이 2.5:1인 메탄이 풍부한(methane-rich) 천연 가스에서 동작할 때를 나타낸다. C-J 포지션에서의 온도는 다음과 같다. C - 465-490 ºC, D - 430-460 ºC, E - 430-460 ºC, F - 550-620 ºC, G - 700-725 ºC, H - 550-580 ºC, I - 100-120 ºC, J - 230-250 ºC. 실시예에 따라서는(도 8), 핵심 유체 온도는 스팀 개질기(330)의 스팀 대 카본 양(carbon ration)이 3.5:1인 프로판이 풍부한 LPG에서 동작할 때의 온도를 나타낸다. 특히, 옥시던트 주입구(120)는 요구되는 추가적인 가열, 도 7의 실시예보다 낮은 포인트 (E)에서의 주입구 옥시던트 온도, 및 요구되는 동작 효율 및 연료 전지 스택 어셈블리(10)의 출력을 얻기 위하여 요구되는 추가적인 가열을 제공하기 위하여, 전기 히터(400)와 함께 제공된다. 제어 전자 장치(420), 열전지(410), 전기 히터(400), 블로어(460) 및 전기 커넥터(430-450)는 도 8에 나타난다. 제어 전기(420), 열전지(410), 블로어(460) 및 전기 커넥터(440, 450)도 다른 실시예에 나타난다. 전기 히터(400), 제어 수단(420) 및 전기 커넥터(430)를 포함하는 실시예도 존재 한다.
열전지(410)는 전기 커넥터(440)에 의해 전자 장치(420)를 제어하기 위하여 전기적으로 연결되고, 제어 전자 장치(410)에 의해서 온도 값으로 변환되는 전기 출력을 제공한다. 블로어(460)는 전기 커넥터(450)에 의해서 제어 전자 제품(410)으로 전기적으로 연결되고, 제어 전자 제품(410)은 블로어 옥시던트 매스 플로우를 예측하기 위하여, 블로어 옥시던트 매스 플로우 맵(blower oxidant mass flow map)과 함께 구성된다. 제어 전자 제품(410)에 제공되는 추가적인 입력은 연료 전지 스택 어셈블리(1)로부터 요구되는 전기 파워 출력 및 연료 전지 스택 어셈블리(1)로부터 측정되는 전기 파워 출력이다. 제어 전자 제품(410)은 전기 히터(400)를 위한 적절한 전기 파워 제공 레벨을 결정하기 위한 입력 정보를 사용하도록 구성되고, 전기 커넥터(420)에 의해 필수 전기적 흐름을 제공한다. 포지션 C-J에서의 온도는 다음과 같다. C - 465-490 ºC, D - 430-465 ºC, E - 415-445 ºC, F - 550-620 ºC, G - 700-725 ºC, H - 535-565 ºC, I - 100-120 ºC, J - 215-235 ºC. 실시예에 따라서는(도 9), 핵심 유체 온도는 스팀 개질기(330)의 스팀 대 카본 양(carbon ration)이 4.0:1인 부탄이 풍부한 LPG에서 동작할 때의 온도를 나타낸다. 이 rt은 계는 전기 히터(400)에 의해서 제공되는 추가적인 가열을 요구한다. 포지션 C-J에서의 온도는 다음과 같다. C - 465-490 ºC, D - 430-460 ºC, E - 405-435 ºC, F - 550-620 ºC, G - 700-725 ºC, H - 525-555 ºC, I - 100-120 ºC, J - 205-225 ºC.
도 10은 연료 전지 스택 레이어의 오픈 매니폴드 가스 주입구 끝단에서의 옥시던트 온도의 모델링 결과(실험 데이터에 의해 입증되는 결과인)를 나타낸다. Y=0인 케이스에서, 최적 온도의 상당한 변화가 있고, Y=0.5인 경우 상당한 향상이 있다. 이 점은 향상된 연료 전지 스택 어셈블리 동작 및 효율을 야기한다. 도 11-13은 옥시던트 주입구(120) 및 옥시던트 주입구 포인트(125)의 대체 배열을 나타내고, 실시예에 따른 전기 히터(400)의 제공을 나타낸다. 상술한 실시예들은 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니고, 다른 많은 실시예들도 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 적용 가능하다.
변화하는 Y값을 갖는 양쪽 모델링 결과 및 실험 데이터는, 온도 프로파일 향상은 0.25X <= Y <= 0.75X일 때 진짜라는 것과 이 것이, 연료 전지 스택 어셈블리 성과에서 주목할만한 향상을 가져온다는 것(특히 Y가 약 0.5X일 때, 상술한 (i) 및 (ii)에서의 오픈 매니폴드 가스 주입구의 옥시던트 온도의 차이가 10도 보다 적게 감소할 수 있는 경우에서)을 확인시켜준다. 따라서, 바람직하게는, 0.3X <= Y <= 0.7X 이다. 더욱 바람직하게는, 0.35X <= Y <= 0.65X이다. 더욱 바람직하게는, 0.4X <= Y <= 0.6X이다. 더욱 바람직하게는, 0.45X <= Y <= 0.55X이다. 더욱 바람직하게는, Y 는 약 0.5X이다. 바람직하게는, 예열기는 수동적 열 교환 장치이다. 더욱 바람직하게는, 예열기는 열 교환기에 걸친 열 에너지를 제공하는 유체가 연료 전지 스택 어셈블리 또는 그 구성요소로부터의 배기 스트림이 되도록 디자인될 수 있다. 예를 들어, 개질기로부터의 배기 스트림, 테일 가스 버너 및 열 교환기에 걸친 열 에너지를 얻는 유체가 옥시던트 가스일 수 있다. 본 발명은 후드 볼륨 안의 열을 얻고, 특정한 온도 범위 안에서 후드 볼륨으로 옥시던트를 제공함으로써, 복수 개의 상당한 이득을 얻는 것 을 목적으로 한다. 처음으로, 연료 전지 스택으로 들어가기 전의 옥시던트를 가열하는데 사용되는 예열기 구성의 사이즈 및 질량을 상당히 감소시키는 것을 목적으로 하고, 최종 제품의 사이즈 및 가격을 감소시키는 것을 목적으로 한다. 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝난에서 멀리 떨어진 후드 볼륨 안으로 옥시던트를 제공함 및 옥시던트가 적어도 하나의 연료 전지 스택의 표면을 냉각시키도록 하고, 옥시던트를 가열시킴에 의해서, 본 발명은 적어도 하나의 연료 전지 스택에 걸친 온도 변화의 상당한 감소를 야기하고, 효율을 증가시키며, 기계적 스트레스를 감소시키고, 수명을 연장시키는데 그 목적이 있다. 이러한 점은 선행 기술에서 개시 또는 암시조차 되고 있지 못하다.
약 1kW 전기 파워 출력 연료 전지 시스템을 위하여 요구되는 열 교환 시스템에 대한 상술한 예시들과는 다르게, 만약 열 교환 시스템에 존재하는 연료 전지 스택 옥시던트 가스 스트림의 요구되는 온도가 480도에서 455도로 감소되는 경우, 열 교환 유체들 사이의 열 포텐셜의 증가는 열 교환 시스템의 필수적 효율이 상당히 감소되어야 하고, 복잡성, 가격 및 질량이 따라서 감소되어야 함을 의미한다. 위에서 예로 든1kW 전기 파워 출력 연료 전지 시스템에서 질량은 약 2.5 kg(거의 30% 감소)로 감소될 수 있다. 비슷하게, 그러한 열 교환 시스템의 물리적인 면적(dimensions)은 상당히 감소될 수 있다(공간 및 무게가 자주 귀한 경우, 어떠한 연료 전지 스택 시스템 어셈블리에서든 높이 요구되는 다른 특징들). 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택은 연료 전지에서 발생하는 전기 화학적 활동에 의해서, 열, 전기 및 물을 생산 할 수 있다. 연료 전지 스택 구성의 내부 전기 로드 때문에, 연료 전지 스택 구성을 통한 전류 흐름에 의해서 생성되는 추가적인 열이 있다. 이것은 연료 전지 및 주변 연료 전지 구성의 온도가 주입구로부터 배출구까지의 가스 플로우 경로을 따라서 증가함을 의미한다. 따라서, 연료 전지 스택 가스 (유체) 플로우 경로의 주입구 끝단의 온도가 가스 (유체) 배출구 끝단의 온도보다 차가운 것이 종종 관찰된다. 이러한 온도 차이는, 가스 플로우 경로를 따라서 열 변화도를 생성하고, 가스 플로우 주입구 및 배출구 끝단 사이에서 상이한 온도를 갖는 연료 전지 스택 및 그 구성요소를 야기한다. 따라서, 연료 전지 스택의 외부 표면은 가스 플로우 경로 주입구 끝단(예를 들어, 오픈 매니폴드 주입구 끝단) 및 배출구 끝단(내부 매니폴드 배출구 끝단)에서 상이한 온도를 가질 수 있다.
연료 전지 스택 동작 효율을 최적화하기 위하여, 연료 전지 스택 안의 열 변화도를 최소화하는 것이 요구된다. 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택 레이어 안의 열 변화도를 감소시키는 것은 연료 전지 스택 구성 상의 열적으로 유도된 기계적 스트레스를 감소시킨다. 따라서, 연료 전지 전기 화학적 활성 영역에 걸친 온도 변화도를 최소화하는 것은 연료 전지 동작의 효율 및 영향에 이득이 될 뿐만 아니라, 시스템 복잡성, 전체적인 시스템 가격을 줄이고, 더욱 유연한 시스템을 야기할 수 있다. 바람직하게는, 연료 전지 스택 어셈블리는 상기 후드 볼륨 내부에 위치하는 주입 가스 예열기 또는 열 교환 시스템을 포함하지 않는다. 특히, 후드 및/또는 밑판은 연료 전지 스택 어셈블리 유체 배출구(특히, 연료 전지 스택 옥시던트 사이드 배출구)와 열 연동되고, 후드 볼륨의 외부에 가열 사이드(hot side) 및 후드 볼륨의 내부에 냉각 사이드(cool side)를 갖는 열 교환기의 열 교환 표면(heat exchange surface)을 포함하지 않는다. 가장 바람직하게는, 상기 후드 볼륨 내의 주입 가스 예열기는 옥시던트 예열기가 아니다. 바람직하게는, 예열기는 상기 옥시던트 소스로부터의 옥시던트가 가열되고, 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구와 가장 가까운 연료 전지의 주입부 끝단의 동작 온도 밑이 되는 80도 보다 높지 않은 온도(더 바람직하게는 70도 보다 높지 않은 온도, 더 바람직하게는 60도 보다 높지 않은 온도, 더 바람직하게는 50도 보다 높지 않은 온도)에서 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 공급되도록 구성된다.
상이한 모드(예를 들어, 기동, 정상 상태 동작 등)에서 동작하는 연료 전지 스택 어셈블리의 경우, 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구로부터 가장 가까운 연료 전지의 주입구 끝단의 동작 온도보다 높은 온도에서, 예열기가 옥시던트를 후드 볼륨으로 제공하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택은 적어도 하나의 내부 매니폴드 연료 주입구를 더 포함한다. 바람직하게는 상기 연료 전지 스택은 적어도 하나의 내부 매니폴드 배기 연료 배출구를 더 포함한다. 실시예에 따라서는, 적어도 하나의 내부 매니폴드 가수 배출구는 적어도 하나의 내부 매니폴드 혼합 배기 연료 및 옥시던트 배출구를 포함한다. "직접 열 이동(direct heat transfer)"은 옥시던트가 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부 표면과 직접적으로 접촉하는 것을 의미한다. 특히, 이런 외부 표면은 연료 전지 스택 레이어의 사이드를 포함할 수 있다. 외부 표면은 상호 연결판(interconnect plates), 스택 레이어 개스킷(stack layer gaskets) 또는 비전도성 역전류기(non-conductive spacers)와 같은 추가적인 연료 전지 스택 구성 요소의 사이드를 포함 할 수 있다. 따라서, 직접 열 이동은 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부로부터 그 것을 지나가는 옥시던트로 영향을 미친다. 그리고, 이 것은 적어도 하나의 연료 전지 스택 안으로의 출입 이전의 옥시던트의 마지막 요구 가열을 얻을 수 있다. 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝단으로부터 떨어져 위치한다. 바람직하게는, 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 오픈 매니폴드 끝단에 대한 적어도 하나의 연료 전지 스택의 반대쪽 끝단에 위치한다.
적어도 하나의 연료 전지 스택 안의 하나 이상의 오픈 매니폴드가 있는 경우, 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 오픈 매니폴드로부터 일반적으로 등거리에 있고, 멀리 떨어져서 위치할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 가스 주입구는 단일 가스 주입구를 포함할 수 있다. 실시예에 따라서는, 적어도 하나의 가스 주입구는 복수 개의 가스 주입구를 포함할 수 있다. 실시예에 따라서는, 적어도 하나의 가스 주입구는 밑판에 위치할 수 있다. 실시예에 따라서는, 적어도 하나의 가스 주입구는 후드에 위치할 수 있다. 실시예에 따라서는, 가스 주입구는 후드 및 밑판 모두에 위치할 수 있다. 실시예에 따라서는, 가스 주입구 및 가스 주입구 포인트의 위치 및 개수와 연료 전지 스택 어셈블리는, 가스 주입구로부터 후드 볼륨으로 들어오는 가스의 요구되는 유체 분배를 조장(encourage)하기 위하여, 적어도 하나의 칸막이(baffle), 적어도 하나의 가스 주입구와 유체 연동되어 위치하는 특징부 또는 구성 요소를 포함한다. 특히, 밑판에 적어도 하나의 가스 주입구가 있는 실시예에서는, 매니폴드 또는 구성은 연료 전지 스택 어셈블리의 전체 가열 표면을 지나는 주입 가스 플로우의 분배를 돕도록 제공될 수 있고, 따라서, 후드 볼륨 안의 침체된 유량 플로우 영역을 방지하도록 돕고, 가스 플로우의 과도한 원하지 않는 채널링(channelling)을 방지 할 수 있다.
주입 가스 플로우의 분배는 연료 전지 스택의 고르지 못한 표면 온도를 설명하도록 디자인될 수 있다. 후드는 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 후드의 내부 표면 사이의 간격 영역과 함께 적어도 하나의 연료 전지 스택을 둘러싸기 위하여 있다. 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝단으로부터 멀리 위치하는 후드 볼륨 안의 가스 주입구를 갖는 것에 의해, 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구에 들어갈 수 있고, 적어도 하나의 연료 전지를 지나갈 수 있는 오픈 매니폴드 끝단에 도착하기 전에 주입 가스는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부 표면을 흐르게 된다. 이러한 배열은, 종래 장치와 비교할 때, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 커진 표면 영역 넘어의 주입 가스 사이의 열 교환을 허락하고, 따라서, 간단하고 편리한 연료 전지 스택 어셈블리 디자인 방법에 의해서 최종 요구되는 온도 상승이 허락된다. 더욱이, 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 주입구 포인트가 적어도 하나의 연료 전지 스택의 적어도 하나의 오픈 매니폴드 끝단으로부터 멀리 위치하기 때문에, 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 적어도 하나의 가스 배출 끝단과 이웃하여 위치할 수 있고, 동작 시에는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 가장 높은 온도 영역일 수 있다. 후드 볼륨 안의 가스 주입구 포인트를 통하여 들어온 옥시던트 및 적어도 하나의 연료 전지 스택의 이웃 부분 사이의 열 포텐셜은 높을 것이고, 열 교환률은 높을 것(상대적으로 높은 비율로 열 교환이 이루어짐을 의미함)이다. 후드 볼륨 안의 가스가 가열되고, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 더 냉각된 오픈 매니폴드 끝단을 향하여 흘러가면, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 이웃 부분 및 옥시던트 사이의 열 포텐셜은 낮아질 것이고, 열 교환률도 낮아질 것이며, 적은 열 교환이 이루어질 것이다. 종합적으로, 이 것은 적은 열 교환이 적어도 하나의 연료 전지 스택의 더 냉각된 오픈 매니폴드 끝단에서 발생함을 의미하고, 열 교환은 더 가열되고 멀리 떨어진 끝단에서 더 발생하는 것을 의미하며, 이 것은 연료 전지 스택에 걸친 온도 변화도가 감소할 수 있음을 의미 한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 후드는 후드 볼륨 안의 가스 주입구로부터 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝단으로 흐르는 옥시던트가 적어도 하나의 연료 전지 스택의 사이드에서 발생하고, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부를 넘어서 발생하지 않도록 배열 될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 후드는, 좁은 갭이 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부를 넘어서 흐르는 옥시던트를 제한할 수 있도록, 좁은 갭을 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부 및 후드 사이로 정의될 수 있다. 대체적으로, 벽(wall)은 후드와 벽 사이를 봉인하고, 옥시던트 플로우를 막을 수 있도록, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부의 주위를 둘러싸도록 제공 될 수 있다. 바람직하게는, 그러한 벽은 적어도 하나의 연료 전지 스택로부터 후드로의 열 전달을 최소화 또는 감소 시키도록 열적으로 절연된다. 대체적으로, 열 절연 블록은 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부에 걸친 옥시던트 흐름을 감소 또는 방지하기 위해서, 후드와 상단부 상단부 사이에서 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부에 제공될 수 있다. 바람직하게는, 열 절연 블록은 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 후드 사이의 봉인에 영향을 주고, 연료 전지 스택의 상단부를 넘는 옥시던트 흐름을 방지하기 위해서, 후드와 접촉한다. 대체적으로, 후드는 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 후드 사이의 봉인에 영향을 주고, 연료 전지 스택의 상단부를 넘는 옥시던트 흐름을 방지하기 위해서, 연료 전지 스택의 상단부와 접촉 할 수 있다.
적어도 하나의 연료 전지 스택은 상단부에 위치하는 종판을 포함하고, 그러한 종판은 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부를 넘는 옥시던트 흐름을 제어하도록 형성될 수 있다(예를 들어, 유체 흐름에 영향을 주는 암즈(arms), 핑거(fingers), 벽 또는 몸통의 제공). 이러한 점은 연료 전지 스택의 중심 및 끝단 사이의 열 변화도를 감소시키는데 이득이 될 수 있다. 복수 개의 연료 전지 스택 레이어(따라서, 복수 개의 연료 전지)를 포함하는 연료 전지 스택은 만약 스택 방향을 따라 있는 전지들 사이의 온도 변화가 최소화된다면, 증가된 효율 하에서 동작할 수 있다. 연료 전지 스택의 상단 및 하단부의 연료 전지 스택 종판으로부터의 열 손실 감소는 상당한 이득이 됨이 증명되었다. 따라서, 연료 전지 스택 종판을 넘는 후드 볼륨 안의 옥시던트의 흐름의 최소화는 종판으로부터 연료 전지 스택 옥시던트로의 열 방출 양을 감소시킴에 의해서, 보조될 수 있다. 상단 종판을 넘는 흐름은 열적으로 절연된 물질로 된 후드 및 종판 사이의 물리적 배리어의 사용에 의해서 최소화될 수 있다. 연료 전지 스택은 효율적인 연료 전지 전기 화학적 동작이 가능하도록 제거되야 하는 상당한 양의 열을 생산한다. 적어도 하나의 연료 전지 스택으로 들어오는 주입 가스는 스택과 함께 효율적인 냉각의 중요한 역할을 수행한다. 이 것은, 연료 전지 스택에 걸친 옥시던트의 (예를 들어, 연료의 옥시던트를 위한 적어도 2, 3, 4, 8, 10, 12, 15 또는 20배의 옥시던트의 질량 볼륨을 갖는) 초과 볼륨을 지나가게 함으로써 얻어질 수 있다. 그러나, 연료 전지 스택 어셈블리를 통하여 옥시던트를 보내기 위하여, 블로어에 대한 지출 에너지를 요구하고, 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터 주입 가스로의 종합 열 교환의 향상은 요구되는 열 교환에 영향을 미치기 위하여 요구되는 가스의 볼륨을 감소시키고, 연료 전지 스택 시스템 어셈블리의 파워 소모를 감소시킬 수 있다.
열 교환 표면으로서의 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부 표면의 제공은 주입 가스의 단위 볼륨 각각의 열 교환의 향상된 양을 제공하는 이득이 될 수 있고, 따라서, 요구되는 주입 가스의 양을 감소시킬 수 있다. 후드의 베이스를 밑판으로 밀봉적으로 연결하는 것은 용접 기술, 경납땜 기술 또는 풀칠에 의해서 얻어질 수 있다. 연료 전지 스택 어셈블리는 밑판 및 후드 사이에 위치하는 열 절연 물질을 더 포함한다. 이 거슨 가스켓 형태를 갖고, 따라서, 가스켓은 후드 및 밑판 및 필수 봉인을 생산하기 위한 가스켓 압축 수단 사이에 위치할 수 있다. 이러한 가스켓은 질석(vermiculite) 가스켓 또는 바이턴(viton) 가스켓처럼 열 절연 및 가스 타이트 가스켓이다. 따라서, 후드는 밑판을 통하는 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터의 열 전달을 절연할 수 있다. 후드는 적어도 하나의 내부 표면 및 외부 표면에 위치하는 절연 물질과 함께 제공될 수 있다. 이것은 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터의 열 전달으로부터 후드를 절연하고, 후드로부터 다른 외부 구성으로의 열 전달을 감소 시킨다. 후드 볼륨 안의 가스 흐름을 강화하기 위해서, 후드 볼륨 안의 가스 주입구는 적어도 하나의 칸막이(baffle)와 함께 제공된다. 후드는 후드 볼륨으로 연장되는 적어도 하나의 칸막이(적어도 하나의 칸막이는 후드 볼륨 안의 유체 흐름을 제어하기 위하여 형성됨)와 함께 제공된다. 특히, 적어도 하나의 칸막이는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부에 걸쳐 발생하는 유체 흐름을 방지할 수 있다. 대체적으로, 후드는, 적어도 하나의 추가적인 표면 특징(유체 흐름의 방향을 조정하고, 및/또는, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상단부와 대조적으로 적어도 하나의 연료 전지 스택 주변의 유체 흐름을 강화하는 립(rib) 또는 핑거와 같은 것)과 함께 제공될 수 있다.
상술한 것과 같이, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 후드는 후드 볼륨 안의 유체 흐름을 제어하고, 유체 흐름이 적어도 하나의 연료 전지 스택 주변에서 발생하고, 상단을 넘어서 발생하지 않도록 형성될 수 있다. 후드가 상술한 것과 같이 제조되면, 그림 각도는 유체 흐름의 조정에 영향을 미치도록 후드의 적합한 표면 특징을 정의하는데 사용될 수 있다. 적어도 하나의 칸막이는 적어도 하나의 연료 전지 스택 표면에 가스 흐름이 가깝도록 하기 위하여 디자인 된다. 적어도 하나의 연료 전지 스택 또는 구성 파트의 외부 표면 으로부터의 열 이동을 가능하게 하기 위하여, 향상된 열 전달을 위하여, 적어도 하나의 연료 전지 스택 표면에 가까운 가스 플로우에서 난기류를 발생시키도록 하고, 열 교환이 일어나는 추가 표면 영역을 제공하는 연료 전지 스택 레이어로부터 확장되는 핀(fins), 핑거 또는 암즈와 같은 돌출부를 포함하는 추가적인 특징이 제공된다. 후드 및 적어도 하나의 연료 전지 스택 또는 구성 파트 또는 돌출부 또는 표면 특징부 사이의 간격(clearance)은 특징부를 따른 열 교환 및 가스 플로우를 강화시키기 위하여 배열된다. 적어도 하나의 형상은 가스 플로우에서 난기류를 발생시키도록 적어도 하나의 연료 전지 스택 레이어의 에지부분에서 제공된다.
후드의 내부 표면은 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구 안으로 황이 들어오기 전에 옥시던트로부터 황을 제거하기 위하여, 황 흡수 또는 흡착 물질(sulphur absorbing or adsorbing material)로 제공된다. 예를 들어, 자동차 보조 파워 어플리케이션을 위한 잔여 황을 잡기 위하여, 황 흡수 또는 흡착 물질은 더러운 도시 공기 안에서 연료 전지 시스템을 동작하는 것과 연관하여 황을 잡을 수 있다. 후드의 내부 표면은 연료 전지 음극의 크롬 중독의 가능성을 줄일 수 있도록 공급되는 옥시던트로부터 모든 크롬 종류를 제거하기 위하여, (예를 들어, 코팅 형태의) 크롬(Cr) 흡수 또는 흡착 물질로 제공된다. 후드 볼륨은 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 가스 사이의 열 전달을 강화하는 적어도 열 전도 철망(mesh), 섬유 네트워크 또는 충전제 물질로 채워진다. 그러한 물질은 전기적으로 비전도성이다. 바람직하게는, 후드 볼륨은 적어도 하나의 황 흡수 물지 및 황 흡착 물질로 코팅된다. 적어도 하나의 연료 전지 스택의 성능을 향상시키기 위하여, 주입 연료는 적어도 하나의 연료 전지 스택에 들어가기 전에 가열된다. 내부 매니폴드 연료 배출구를 따라 가스-대-가스(gas-to-gas) 열 교환기 및 수증기를 제거하고 열을 회복하기 위한 적어도 하나의 압축 열 교환기로 배기 연료 플로우를 지나가게 함으로써, 얻어질 수 있다. 건조한 배기 연료 플로우는 반응하지 않는 연료 가스를 포함하고, 사용되지 않은 화학 에너지 안의 열 에너지는 내부 매니폴드 옥시던트 배출구를 따라 지나가고 배기 옥시던트 플로우와 함께 섞이고, 타는 버너를 지나가도록 함으로써 회복된다. 이것은 주입 연료를 가열하기 위한 열 소스를 제공하기 위하여 사용되는 높은-온도 버너 오프-가스(high-temperature burner off-gas)를 생산한다. 실시예에 따라서는, 열 에너지는 주입 연료의 흡열성 스팀 개질기를 보조하는데 사용된다. 버너 오프 가스는, 선택적 기동 버너 유닛으로 들어오고, 그리고 예열기로 들어가기 전에, 흡열성 스팀 개질기를 위하여 요구되는 스팀을 생성하기 위하여 스팀 생성부를 지난다.
복수 개의 열 교환 절차가 제공되는 경우, 열적으로 가까운 이득이 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 조합된 유닛으로서, 열 교환 및 화학 반응 유닛을 제공하는 것은 연료 전지 스택 시스템 어셈블리의 사이즈의 감소를 제공한다. 예를 들어, 조합된 스팀 생성기, 연료 개질기 및 석유 생산 냉장고(reformate cooler)는, 하나의 유닛으로 제공될 수 있다. 그러한 장치(들)는 연료 전지 스택 사이드의 반대 방향의 밑판의 아랫면을 통하여 연결된다. 따라서, 가스 경로 길이는 상당히 감소되고, 가스 파이프 연결은 최소화되며, 파트 카운트(part count) 및 연결부 누수 위험을 줄일 수 있고, 시스템 어셈블리를 감소한다. 적어도 하나의 연료 전지 스택은, US 6794075에 개시된 것과 같이, 금속 지지체형 중간온도 고체 산화물 연료 전지(IT-SOFC) 스택이다. 후드는 적어도 하나의 플라스틱, 세라믹 또는 금속 레이어 또는 적어도 2개의 상기 물질들의 혼합(예를 들어, 플라스틱이 코팅된 금속 후드)으로부터 생성된다. 후드는, 예를 들어, 딥 드로잉(deep drawing), 벤딩(bending) 및 용접 기술, 경납땜 기술 또는 풀칠에 의해서 형성되는, 스테인레스 스틸(stainless steel)로부터 조립 된다. 낮은 온도 연료 전지 어플리케이션을 위해서, 후드는 적합한 플라스틱 물질로부터 주입 주조(injection moulded)된다. 후드는, 내부 및 외부 중 적어도 하나가 열적으로 단열된다(바람직하게는 외부). 매치(match)에 형성 또는 감겨 있는 것들을 포함하는 적합한 전열 레이어는 하나 이상의 레이어 또는 하나 이상의 절연 물질로부터 만들어질 수 있다. 증간 또는 높은 온도 연료 전지 시스템을 위하여, Promalight (RTM) (Promat UK Limited, Bracknell, UK; www.promat.co.uk)를 포함하는 절연체의 단일 레이어가 제공된다.
대체적으로는, 멀티-레이어 절연체는 동작 온도를 견뎌낼 수 있는 제1의 상대적으로 큰 내부 레이어 및 제1 또는 내부 절연 레이어의 외부에 있는, 동작 온도를 견뎌낼 수 있으며, Aspen Aerogel (Aspen Aerogels, Inc., MA, USA)를 포함하는 제2의 얇은 외부 레이어를 포함하여 제공된다. 종합적으로, 이러한 절연체 옵션은, 외부 레이어 절연체의 동작 온도 범위의 외부의 온도를 견뎌낼 수 있는 절연체를 제공하는 대신, 전체 절연 볼륨을 감소시키는 이득을 제공한다. 특정한 시스템 디자인은 옥시던트 가열이 테일 가스 버너 및/또는 연료 개질 프로세스로부터의 가열 가스가 제공되는 예열기를 이용하여 발생하도록 할 수 있다. 그러나, 그러한 소스로부터의 열 공급은 타임 래그(time lag)를 수반하고, 효과적인 예열기 동작은 연료 전지 스택 어셈블리의 전체 동작에 가깝게 연관된다. 가깝게 연관된 열 교환 관계를 감소 또는 연관짓지 않게 하기 위하여, 제어 가능한 열 능력을 포함하는 것이 요구된다. 그러한 제어가능한 열 능력은 전기 히터를 사용하여 얻어질 수 있다. 후드 볼륨 외부에 전기 히터를 위치하는 것은 여러가지 단점이 있음이 발견되었다. 전기 히터 장치가 후드 볼륨 외부에 있는 예열기의 부분일 때(예를 들어, 예열기가 열 교환기를 포함), 다음과 같은 문제를 갖는다: 적어도 하나의 연료 전지 스택 밑판 및 예열기 사이의 도관(conduit)(일반적으로 파이프)로부터 발생하는 증가된 열 손실, (예열기 디자인에 복잡성을 더하는) 전기 가열 장치를 넘는 옥시던트 플로우를 효과적으로 방향 짓기 위한 예열기 안의 추가적인 특징부에 대한 요구 사항, (예열기 제조 또는 제한적인 용접 동작 동안 예열기를 납땜하는 것이 가능하도록 하는 온도를 제한할 수 있는) 추가적인 예열기 제조 단계, 예열기 유닛의 전기 가열 장치로부터 전기 와이어링(wiring)을 수행하는데의 증가된 옥시던트 누수 위험을 해결하기 위하여 예열기에 복잡성을 더하는 것, 예열기 유닛 안의 잠재적으로 높은 온도 열 소스 포인트를 더하는 것. 예열기 및 연료 전지 스택 후드 사이의 옥시던트 도관 안에 전기 가열 장치를 설치하는 것도 역시 문제가 된다. 도관 안에 전기 가열 장치를 설치하는 것이 옥시던트로의 좋은 열 에너지 이동을 야기할 것인 반면, 도관은 히터를 수용하고, 누수 경로를 생성하지 않는 효율적인 방법으로 도관으로부터 나오는 전기적 연결부를 허락하도록 디자인되어야 한다. 이런 도관 디자인은 전기 가열 장치를 위한 요구사항이 없는 동일한 도관 디자인과 비교할 때, 패킹 볼륨 안에서 커질 가능성이 있다. 패킹 사이즈의 증가는 연료 전지 스택 어셈블리 패킹 및 제조 어셈블리에 상당한 영향을 미친다. 추가적으로, 전기 가열 장치를 수용하도록 도관 사이즈를 증가시키는 것은, 잠재적 동작 효율 벌칙 및 추가적인 디자인 제한을 도입하는, 도관의 열 손실 표면을 증가시킨다. 일반적 후드 볼륨 안에 전기 가열 장치를 설치하는 것은 단점의 일부 또는 전부를 제거한다. 그러나, 그러한 전기 가열 장치로 옥시던트 플로우가 효율적으로 방향 짓게 하는 것은 어렵고, 이는 가열 효율을 감소시킨다. 전기 가열 장치를 후드의 일부분으로 만들거나, 후드 위에 실장시키는 것은 후드 표면으로부터의 열 손실을 증가시킨다. 본 발명은 이러한 단점을 더 극복하는 것을 목적으로 한다. 연료 전지 스택 어셈블리는 추가적으로 적어도 하나의 가스 주입구에 열 연동되고, 후드 볼륨 또는 후드 또는 밑판 안에 포함되는 전기 가열 장치를 포함한다. 즉, 전기 가열 장치는 후드 볼륨으로부터 먼 후드 또는 밑판의 외부에 위치하지 않는다.
상기 방법의 전기 가열 장치의 제공은 극단적으로 이득이 될 수 있다. 이는 특히 예열기가 수동적 예열기인 케이스이다. 따라서, 전기 가열 장치는 가스 주입구 포인트까지 위치하는 가스 주입구 안에 완전히 포함될 수 있거나, 또는 전기 가열 장치는 후드 볼륨 안의 가스 주입구의 끝단에 구성 부분으로 형성되고, 적어도 하나의 가스 주입구 포인트를 정의할 수 있다. 바람직하게는, 전기 가열 장치를 위한 제어 수단도 함께 제공된다. 전기 가열 장치를 위한 제어 수단은 기술 분야에서 잘 열려져 있고, 일반적인 기술이 적용될 수 있다. 장치는, 전기 가열 장치가, 개질기가 동작 온도에 도달하고, 석유 생산을 생산하고 난 뒤에(바람직하게는 바로 직후에) 연료 전지 스택이 동작 온도 범위(바람직하게는 400-450도의 범위)의 낮은 경계선에 도달하도록 연료 전지 스택으로 열 에너지를 제공하도록 구성된다. 실시예에 따라서는, 적어도 하나의 가스 주입구는 밑판을 통하여 후드 볼륨으로 들어가고, 다른 실시예에 따라서는, 적어도 하나의 가스 주입구가 후드를 통하여 후드 볼륨으로 들어간다. 전기 가열 장치의 공급은 다음과 같은 경우에, 주입 옥시던트 스트림으로 추가 열을 공급하는 것을 허락한다: - 예열기의 성가가 저하될 때 - 연료 전지 스택 시스템 어셈블리의 동작 환경이 다음과 같은 차선책이 될 때 - 주입 옥시던트 온도가 너무 낮을 때(예를 들어, 차가운 주위 공기가 옥시던트로 사용되는 경우) - 주입 옥시던트가 너무 젖어 있을 때(예를 들어, 젖은 주위 공기가 옥시던트로 사용될 때) - 스팀 대 카본의 비율이 변할 때(예를 들어, 연료가 스팀 대 카본의 비율이 증가하도록 사용될 때) - 연료 전지 스택 온도의 빠른 기동 또는 증가가 요구될 때(예를 들어, 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구에서 가장 가까운 연료 전지의 주입 끝단의 온도 밑인 100도 보다 높은 온도에서 옥시던트가 가스 주입구로 흘러 갈 때) - 가동 되지 않을 때; 또는 - 빠른 기동을 보조하기 위한 연료 전지의 전기 화학적 활성(예를 들어, 전기 연료 스택 어셈블리가 스위치 오프 또는 동면(hibernating)되어 있는 경우)이 발생하지 않을 때
상술한 것과 같이 적어도 하나의 가스 주입구 안에 전기 가열 장치를 설치함에 의해, 디자인 배치 및 패킹 제약은 최소화된다. 특히: - 전기 가열 장치에 의한 공간은 다른 구성 파트 안에 있고, 따라서 후드 볼륨 안으로 정의된다. - 전기 가열 장치로부터 옥시던트로의 좋은 열 에너지 이동이 될 수 있다. - 전기 가열 장치는 매우 낮은 열 관성(inertia)을 갖고, 전기 가열 장치로부터 열 에너지 출력의 증가 또는 감소가 요구되는 경우, 높은 제어성 및 방응성을 가질 수 있다. - 전기 가열 장치를 위한 와이어잉(wiring)은 밑판을 통하여 제어 회로로 연결될 수 있고, 이 것은 연료 전지 스택 시스템 어셈블리 안의 어딘가로의 비슷한 전기 연결을 이용함으로써 얻어질 수 있다(예를 들어, 밑판을 통하여 연료 전지 스택 전기 파워를 이동하도록 디자인된 전기 연결). 전기 가열 장치는 전기 히터 와이어(예를 들어, 대략 Ni/Cr 또는 Ni/Cu 메탈 또는 비슷한 물질로부터 만들어지는 와이어)를 포함한다. 실시예에 따라서는, 전기 가열 장치는 비활성, 열적으로 안정한 마운트(mount)(얘를 들어, 미카 보드(mica board)), 또는 비활성을 부분적으로 감싼 것, 열적으로 안정한 주조 장치 주변을 감고 있는 전기 열 와이어를 포함할 수 있다.
열 와이어의 열은 와이어로부터 Cr 종 증발을 생성하는 점, 크롬 종(chromium species)은 적어도 하나의 연료 전지의 음극의 음극 물질의 성과에 영향을 미칠 수 있다는 점의 문제가 있고, 와이어는 크롬 종의 이주를 방지하기 위한 보호 코팅으로 코팅될 수 있고, 또는 전기 가열 장치는 전기 열 와이어의 대부분이 옥시던트 플로우로 노출되지 않도록 디자인될 수 있다. 예를 들어, 와이어는 낮은 크롬을 갖는(예를 들어, 높은 멜팅 온도 알루미늄박(aluminium foil)), 높은 열 에너지 전도박에 의해서 옥시던트 플로우로부터 분리될 수 있다. 이 경우, 히터 와이어 열로부터 생성되는 열 에너지 는 박(foil)을 통하여 옥시던트 플로우로 전달된다. 전기 가열 장치에 의해서 박이 녹는 것을 방지하기 위하여, 제어 수단은 전기 가열 장치가 박을 지나는 충분한 옥시던트 플로우가 있는 경우에만 동작하도록 하는 구성을 제공할 수 있다. 전기 가열 장치로부터의 전기 열이 얼마나 많고 언제 제공되는지를 결정하기 위하여, 센서 및/또는 입력 수단이 요구되는 열에 영향을 미치는 제어 수단과 함께 적절하게 제공될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 온도 센서가 제공될 수 있다. 선택적으로는, 주입 옥시던트를 위한 습도 센서 또는 연료 타입 센서가 제공될 수 있다. 선택적으로, 사용되는 연료의 타입을 가리키기 위한 사용자를 위한 입력 수단도 제공될 수 있다. 실시예에 따라서는, 온도 센서는 적어도 하나의 가스 주입구로 들어가는 옥시던트의 온도 또는 후드 볼륨 안의 선택된 포인트의 온도를 결정하기 위하여 제공된다. 온도 센서는 i) 후드 볼륨 안에 ii) 예열기 출력부 및 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝단 사이의 옥시던트 플로우 경로 안에, 또는 iii) 예열기 출력부 및 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝단 사이의 옥시던트 플로우 경로에 열 연동되어 위치한다.
온도 센서는 예열기 및 밑판 사이의 옥시던트 플로우 경로에 열 연동되어 위치한다. 온도 센서는 전기 가열 장치의 동작을 제어하는 제어 수단과 연동되고, 제어 수단은 온도 센서에 의해 정해지는 정보에 대응하여 전기 가열 장치의 동작을 제어하도록 구성된다. 상술한 것과 같이, 전기 가열 장치의 동작은 온도 센서로부터 결정되는 정보에 의존하지 않을 수 있고, 따라서, 기동, 연료 타입, 옥시던트 타입, 옥시던트 온도 및 옥시던트 습도와 같은 다른 요소도 전기 가열 장치의 동작을 결정하기 위한 제어 수단에 의해서 사용될 수 있다. 바람직하게는, 전기 가열 장치는 연료 전지 스택 어셈블리의 전기 용량의 10-50% 사이일 수 있다. 예를 들어, 1kW 연료 전지 스택 용량의 경우, 전기 가열 장치는 100 We, 200 We, 300 We, 400 We 또는 500 We의 용량을 가질 수 있다. 전기 히터로부터 산화 스트림으로 전달되는 최대 열 에너지는 전기 히터의 설명서 또는 제어 시스템의 수단에 의해서 물리적으로 세팅된다. 전기 히터로부터의 가장 높은 열 에너지 출력은 빠른 기동 동안 요구된다. 이러한 조건 하에서, 전기 히터의 열 에너지 출력은, 전체 시스템이 준비되는 동안 개질기가 스택이 동작 온도 범위의 낮은 한계에 도달하기 전에 동작할 수 있게 됨을 확실하게 하기 위하여 제어된다. 따라서, 빠른 기동 중에 석유 생산은 연료 전지 스택이 화학적으로 활성되기 전에, 연료 전지 스택의 양극으로 제공된다.
이 것은 화학적이고 전기 화학적으로 활성화되도록, 연료 전지 화학적 레이어의 보호막을 허락한다. 전기 히터는 연료 전지 스택 옥시던트 주입 온도가 특정한 요구 온도를 넘어서 유지되도록(예를 들어, IT-SOFC 연료 전지 스택 어셈블리의 일반적 동작에서 480도를 넘도록) 제어되고 프로그램된다. 전기 가열 장치로부터 주입 옥시던트로 전달되는 열 에너지의 양은 연료 전지 스택 옥시던트 주입 온도에 대응하여 제어될 수 있다. 따라서, 연료 전지 스택 옥시던트 주입 온도를 모니터링하는 것은 연료 전지 스택 시스템 어셈블리(연료 전지 스택 어셈블리는 제어 수단 및 전기 가열 장치를 포함한다)가 요구되는 연료 전지 스택 옥시던트 주입 온도를 얻을 수 있도록 전기 가열 장치에 의해 주입 옥시던트에 더해지는 열 에너지의 총 양을 제어하도록 한다. 연료 전지 스택 옥시던트 온도 주입 온도를 측정하는 방법은 다음 단계를 포함한다(그러나 이에 제한되지는 않는다): - 연료 전지 스택 옥시던트 주입 영역에 위치하는 열전지(thermocouple)를 옥시던트 주입 온도를 측정하는데 사용하는 단계; - 전기 가열 장치 전에 가스 주입 장치에 위치하는 열전지를 이 위치의 옥시던트 주입 온도를 측정하는데 사용하고, 제어 수단 안에 포함되는 모델화 및 경험적으로 파생된 맵 또는 맵의 세트로부터 파생되는 온도 오프셋을 더하여, 연료 전지 스택 옥시던트 주입 온도를 추론하는 단계 - 맵은 측정 포인트에서의 옥시던트 주입 온도, 측정 포인트에서의 옥시던트 매스 플로우 비율, 연료 전지 스택 파워 출력 및 연료 전지 스택 배기 배출구 온도를 포함할 수 있는 요소를 계산한다 -; 및/또는 - 맵이 측정 위치 및 연료 전지 스택 옥시던트 주입구 포인트 사이의 온도 영향 요소를 계산하도록 만들어진 옥시던트 주입구로부터 멀리 위치하는 열전지를 이용하는 단계; 맵 또는 맵 세트는 상이한 연료 타입 또는 시스템 배열로부터 파생될 수 있고, 이 맵은 시스템 공정 또는 시스템 동작 또는 서비스 동안 제어 수단 안으로 로드될 수 있다.
맵 선택은 공정 동안, 설치 동안, 운영자에 의해서 수동적으로 설정 또는 시스템에 의해서 자동적으로 설정될 수 있다. 요소의 측정은 다음에 의해서 얻어진다: - 열전지로부터 - 측정 위치의 옥시던트 주입 온도 - 옥시던트 블로어 동작 포인트로부터 - 측정 위치에서의 옥시던트 매스 플로우 비율 - 파워 전기 동작 포인트로부터 - 연료 전지 스택 파워 출력 - 연료 전지 스택 배기 배출구 안의 열전지 측정부로부터 - 연료 전지 스택 배기 배출구 온도 상기 요소들의 측정은, 전기 히터 이전의 가스 주입구 및 연료 전지 스택 옥시던트 주입구 사이를 지나갈 때, 연료 전지 스택 옥시던트의 온도 증가를 맵이 가리키도록 한다. 만약 온도 증가가 요구되는 연료 전지 스택 옥시던트 주입구 온도보다 낮은 경우, 추가적인 열 에너지가, 요구되는 열 에너지의 총양 및 옥시던트 매스 플로우 비율에 의해서 결정되는 전기 가열 장치로 제공되는 전기 파워와 함께 전기 열 장치로부터 얻어질 수 있다. 따라서, 예를 들어, 하기 식을 이용하여 얻어질 수 있다. T_in_inferred(추정) = T_measured(측정) + T_offset(오프셋), IF T_in_desired(요구) > T_in_inferred(추정) 인 경우, 전기 히터로부터 열을 더함, T_in_(요구) = 적어도 하나의 오픈 매니폴드 가스 주입구에서의 요구되는 옥시던트 온도, T_(측정) = 온도 센서에 의해 결정되는 온도, T_(오프셋) = 적어도 하나의 가스 주입구 포인트로부터 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈 매니폴드 끝단으로의 후드 볼륨 안의 옥시던트 플로우로부터 야기되는 온도 변화, T_in_(요구)는 요구되는 시스템 상태에 따라 선택 될 수 있다.
예를 들어, 온도는 시스템 기동 동안 증가할 수 있고, 정상 상태 동작을 위한 최적 값으로 설정될수 있으며, 특정한 다이나믹 동작 포인트로 변할 수 있고, 시스템 전원 다운 또는 제어 시스템 성과 감소를 위한 T_(측정) 이하로 설정될 수 있다. 전기 히터로부터 요구되는 열 에너지의 총양은 하기와 같은 Q_in 이다. Q_in = (T_in_(요구) - T_in_추정) x (옥시던트 가스 매스 플로우 비율 x 옥시던트 가스 특정 열 용량)
본 발명은 코-플로우(co-flow), 카운터-플로우(counter-flow) 및 크로스-플로우(cross-flow)를 포함하는 다양한 가스 플로우 배열을 사용하는 연료 전지 스택 어셈블리에 동등하게 적용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료 전지 스택 시스템 어셈블리는 본 발명에 따른 연료 전지 스택 어셈블리를 포함한다. 본 발명에 따른 중간온도 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리(intermediate-temperature solid oxide fuel cell stack assembly)의 동작 방법에 있어서, 상기 연료 전지 스택 어셈블리는, (i) 밑판(base plate); (ii) 상기 밑판에 밀봉되어 부착된 후드(hood)-상기 후드는 상기 밑판 및 상기 후드 사이의 후드 볼륨(hood volume)을 정의함(defining)-; (iii) 상기 후드에 의해서 둘러 쌓여지고(enclosed), 상기 밑판 위에 실장된(mounted) 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료 전지 스택; (iv) 상기 후드 볼륨 안을 향한 적어도 하나의 가스 주입구 포인트(gas inlet point)를 정의하는(defining) 적어도 하나의 가스 주입구(gas inlet); 및 (v) 상기 후드 볼륨의 외부에 위치하고, 옥시던트 소스 및 상기 적어도 하나의 가스 주입구와 유체 연동되며(fluid communication), 상기 가스 주입구를 통하여 상기 옥시던트 소스로부터 상기 후드 볼륨으로 옥시던트를 제공하도록 조정된(adapted) 예열기(pre-heater)를 포함하고, 각각의 연료 전지 스택은 적어도 3개의 연료 전지 스택 레이어(fuel cell stack layers)를 포함하고, 각각의 연료 전지 스택 레이어는 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료 전지를 포함하며, 각각의 연료 전지는 옥시던트 주입구 끝단(oxidant inlet end) 및 배기 옥시던트 배출구 끝단(exhaust oxidant outlet end)를 정의하고, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택은, (a) 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택의 오픈-매니폴드 끝단(open-manifolded end)를 정의하는 적어도 하나의 오픈-매니폴드(open-manifolded) 가스 주입구; 및 (b) 적어도 하나의 내부 매니폴드(internally manifolded) 가스 배출구를 갖고, 상기 후드 볼륨 안의 상기 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상기 오픈-매니폴드 끝단으로부터 멀리 위치하고,
상기 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료 전지 스택은, 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료 전지 스택 레이어로부터 상기 밑판으로부터 가장 먼 상기 연료 전지 스택 레이어까지 측정된 높이 X를 정의하며, 상기 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료 전지 스택 레이어 위의 높이 Y에 위치하고, 0.25X <= Y <= 0.75X이고, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 옥시던트를 통과시키는 단계, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부(outside)에서 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구로 지나가는 단계를 포함하고, 직접 열 이동(direct heat transfer)은 - 상기 오픈-매니폴드 가수 주입구 안으로의 상기 옥시던트의 출입(entry) 이전에 - 상기 옥시던트 및 상기 연료 전지 스택 레이어의 외부 표면 사이에서 일어나고(occurring), 상기 예열기는 상기 옥시던트 소스로부터 옥시던트가 - 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가수 주입구와 가장 가까운 상기 연료 전지의 상기 주입구 끝단에서 상기 동작 온도(the in-use operating temperature) 아래인 - 100도보다 높지 않은 온도에서 예열되고, 상기 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 공급되도록 구성 된다.
바람직하게는, 상기 연료 전지 스택 어셈블리는 (i) 상기 적어도 하나의 가스 주입구와 열 연동(thermal communication)되며, 상기 후드 볼륨 또는 상기 후드 또는 상기 밑판 안에 들어 있는 전기 열 장치(electrical heating device); (ii) 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구로 흘러들어가는 옥시던트의 온도를 결정하도록 위치하는 적어도 하나의 온도 센서; 및 (iii) 제어 수단
을 더 포함하고, 상기 전기 열 장치 및 상기 적어도 하나의 온도 센서는 상기 제어 수단과 전기 연동(electrical communication)되어 있으며, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구의 상기 옥시던트가 원하는 온도(desired temperature)까지 가열되도록, 상기 제어 수단의 제어 하에서 상기 전기 열 장치를 이용하여 상기 옥시던트를 추가로 가열하는 단계를 더 포함한다. 더욱 바람직하게는, 옥시던트는 요구되는 온도까지 가열된다. 바람직하게는, 방법은 상기 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료 전지가 열 및 전기를 생산하도록 옥시던트 및 연료를 이용한 전기 화학의 리액션(electrochemical reaction)을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
발명은 연료 전지 스택 어셈블리의 실시예를 나타내는 도면의 다양한 특징을 참조한 하기의 설명들로부터 더욱 명확해질 것이다. 연료 전지 및 연료 전지 스택 어셈블리는, 특히, US 6794075, WO 02/35628, WO 03/075382, WO 2004/089848, WO 2005/078843, WO 2006/079800, WO 2006/106334, WO 2007/085863, WO 2007/110587, WO 2008/001119, WO 2008/003976, WO 2008/015461 및 WO 2008/053213을 포함하는, 기술 분야에서 일반적인 기술을 가진 자에게는 잘 알려져 있다. 일실시예에 따른 연료 전지 스택 어셈블리(1)에서, 고체 산화물 연료 전지 스택 10은 복수 개의 연료 전지 스택 레이어(20)로부터 조립되고, 각 연료 전지 스택 레이어(20)는 하나의 연료 전지(30)를 포함한다(다른 실시예에서는, 각 연료 전지 스택 레이어(20)는 복수 개의 연료 전지(30)를 포함한다). 각 연료 전지는, 연료 전지 금속 기판(34) 위에 실장되고, 연료 전지 기판 비-다공성 영역(35)에 의해 둘러쌓여진 연료 전지 기판 다공성 영역(36)을 커버하는 애노드(31), 전해액(32) 및 캐소드(33)를 포함한다. 전기 전도성 상호 연결판(37)은 연료 플러우를 위한 매니폴딩(manifolding)을 제공한다. 제1의 연료 전지 스택 레이어(20)의 금속 기판(34)은 전기 절연 가스켓(38)에 의해 제2의 이웃 연료 전지 스택 레이어의 상호 연결판(37)이 직접 전기 접촉이 되는 것을 방지한다. 연료 전지 스택(10)은 밑판(40) 위에 실장되고, 후드(50)는 연료 전지 스택(10)을 넘어 위치하며, 밀봉적으로 밑판(40)이 밑판(40) 및 후드(50) 사이의 후드 볼륨(60)을 정의하도록 관여하며, 연료 전지 스택(10) 안에 포함 될 수 있다.
연료 전지 스택(10)은 연료 전지 스택(10)의 오픈 매니폴드 끝단(80)을 정의하는 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)와 함께 제공된다. 각 연료 전지 스택 레이어(20)는, 각각이 밑판(40) 안의 채널을 통하여 지나가는 내부 매니폴드 연료 주입구(100)와 내부 매니폴드 연료 배출구(110)와 함께, 내부 매니폴드 옥시던트 배출구(90)(단일 연료 전지를 갖는 연료 전지 스택 레이어를 위하여, 연료 전지의 배기 옥시던트 배출구 끝단에 대응하는)를 갖는다. 밑판(40)은 연료 전지 스택(10)의 반대 끝단(오픈 매니폴드 끝단(80)에 대한 반대)에 위치하는 옥시던트 주입구 포인트(125)를 정의하고, 후드 볼륨(60) 안에 있는 옥시던트 주입구(120)와 함께 제공된다. 연료(130)는 밑판(40)을 통하여 지나가는 내부 매니폴드 연료 주입구(100)를 통하여 연료 전지(30)의 애노드 전극 사이드로 공급된다. 옥시던트(공기)(140)는 연료 전지 스택(10)의 반대 끝단(오픈 매니폴드 끝단(80)에 대하여 반대)에 위치하는 옥시던트 주입구(120)를 통하여 후드 볼륨(60)으로 들어온다. 열적으로 절연되는 플로우 제한 장치(150)는 연료 전지 스택(10) 종판(160)의 상단부에 제공되고, 후드(50)와 접촉되도록 만들어질 수 있으며, 종판(160) 및 후드(50) 사이의 공기흐름을 방지한다. 따라서, 공기흐름은 후드 볼륨(60) 안에서 연료 전지 스택(10)의 측면을 따른 옥시던트 주입구(120)로부터 오픈 매니폴드 끝단(80)까지, 그리고 연료 전지 스택(10)안으로 발생한다. 화살표(210)는 옥시던트(140) 플로우를 나타낸다. 실시예에 따라서는, 옥시던트 주입구 포인트(125)는 밑판(40)에 가장 가까운 연료 전지 스택 레이어(20) 위의 수집 높이 Y에 위치하고, 0.25X <= Y <= 0.75X이며, X는 밑판(40)으로부터 가장 가까운 연료 전지 스택 레이어(20)로부터 밑판(40)으로부터 가장 멀리 있는 연료 전지 스택 레이어(20)까지 측정된 높이이다. 연료 전지 스택 종판(160)은 맨 위 종판(top end-plate)이고, 밑판(40)은 맨 아래 종판(bottom end-plate)처럼 행동한다. 압축 수단은 필수적 가스 밀봉 및 전기 연결을 보장하는 적어도 하나의 연료 전지 스택을 압축하기 위하여, 적합하게 제공된다. 저러한 방법을 포함하는 적합한 압축 시스템의 예시는 WO 2007/085863에 나타난다. 연료 전지 스택(10)의 외부 표면(170)은 날카롭고, 연료 전지 스택(10)의 측면을 넘도록 공기흐름을 강화하며, 연료 전지 스택(10)의 외부 및 옥시던트(140) 사이의 열 교환을 강화하는 핀(fin) 형태의 돌출부와 함께 제공된다. 옥시던트(140)는 약 455도의 초기 온도에서 후드 볼륨(60)으로 들어가고, 내부 매니폴드 옥시던트 배출구(90)에서의 연료 전지 스택(10)의 동작 배출 온도는 약 600도 이다. 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)에 가장 가까운 연료 전지(30)의 내부 끝단은 약 500도의 동작 온도의 정상 상태이다. 수용할 수 있는 동작 효율을 얻기 위해서, 옥시던트(140)는 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)로 들어가기 전에 약 480도의 온도로 가열된다. 옥시던트(140)의 가열은 연료 전지 스택(10) 외부 표면(170) 및 후드(50)의 내부 표면(190)과의 열 교환 및 접촉에 의해서 영향을 받는다. 실시예에 따라서는, 내부-매니폴드 옥시던트 주입구(70)는 각 연료 전지 스택 레이어(20)를 위한 감소하는 오픈 매니폴드 주입구를 포함한다.
다른 실시예에 따라서는, 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)는 각 연료 전지 스택 레이어를 위한 복수 개의 오픈 매니폴드 주입구를 포함한다. 또 다른 실시예에 따라서는, 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)는 복수 개의 연료 전지 스택 레이어를 위한 단일 오픈 매니폴드 주입구를 포함한다. 적어도 480도의 온도의 옥시던트(140)는 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)로 들어가고, 연료 전지(30)의 캐소드 전극 측면으로 제공되며, 전기 화학적 반응은, 열, 물, 및 전기 에너지가 생성되는 결과와 함께, 옥시던트(140)가 캐소드와 함께 반응하는 것 및 연료(130)가 애노드와 함께 반응하는 것으로 일어난다. 전기 에너지는 전기 회로 위의 로드(load)에 걸쳐 지나간다. 반응된 연료(130)는 밑판(40)을 통하여 지나가는, 오픈 매니폴드 끝단(80)으로부터 멀리 떨어진 연료 전지 스택(10)의 측면에 있는 내부 매니폴드 연료 배출구(110)를 통하여 연료 전지(30) 및 연료 전지 스택 레이어(20)에 존재한다. 반응한 옥시던트(140)는 밑판(40)을 통하여 지나가는, 오픈 매니폴드 끝단(80)으로부터 멀리 떨어진 연료 전지 스택(10)의 측면에 있는 내부 매니폴드 옥시던트 배출구(90)를 통하여 연료 전지(30) 및 연료 전지 스택 레이어(20) 에 존재한다. 따라서, 오프-가스(옥시던트(120) 및 연료(130))가 내부 매니폴드 연료 배출구(110) 및 내부 매니폴드 옥시던트 배출구(90)를 통하여 연료 전지 스택(10)을 나가는 경우, 연료 전지 스택(10)의 측면은 뜨거운 배기 가스에 의해서 가열되기 때문에 가장 높은 온도일 수 있고, 주입구 옥시던트(140) 스트림으로 열을 잃기 때문에 오픈 매니폴드 끝단(80)은 가장 차가울 수 있다. 따라서, 가장 큰 열 포텐셜은 오픈 매니폴드 끝단(80)으로 멀리 떨어진 연료 전지 스택(10)의 외부 측면과 가스 주입구 포인트(125)에서 후드 볼륨(60)으로 들어가는 옥시던트(140) 사이에서 존재한다(그리고 가장 큰 열 교환도 발생한다).
연료 전지 스택(10)의 길이를 따라서 온도 변화도가 감소하기 때문에, 열 교환은 연료 전지 스택(10)에 이익으로 작용한다. 만약 더 높은 온도에서 공기가 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)로 들어갈 것이 요구되는 경우, 무엇이 요구되는지와 관련하여, 열 교환은 연료 전지 스택 어셈블리(1)에 대한 기계적 스트레스를 감소시키고, 예열기(200)의 사이즈 및 질량을 감소킬 수 있다. 도 5에 나타난 것과 같이, 연료 전지 스택(10), 밑판(40) 및 후드(50)는, 가열 유체처럼 행동하는 내부 매니폴드 연료 배출구(110)를 따라서 흐르는 배기 연료(130)와 함께, 옥시던트 주입구(120)를 통하여 흐르는 옥시던트(140)를 약 455도의 초기 내부 온도까지 올리는(예를 들면, 연료가 요구사항(UK 행정 입법 1996 No. 551 가스 안전 (관리) 규칙)을 만족하는 메탄이 풍부한 천연 가스이고, 스팀 대 카본 양(carbon ration)이 2.5:1인 경우), 옥시던트 열 교환 시스템(예열기)(200)를 포함하는 더 큰 연료 전지 스택 시스템 어셈블리의 부분을 형성한다. 전형적인 선행 기술 연료 전지 스택 시스템 어셈블리 옥시던트 열 교환 시스템은 옥시던트가 연료 전지 스택(10)으로 들어가기 전에 옥시던트를 약 480도의 온도로 올려야 했고, 옥시던트 예열기 상의 열 로드(thermal load)의 감소는 옥시던트 열 교환 시스템(200)의 사이즈, 질량, 가격 및 복잡성이 실질적으로 감소됨을 의미한다. 연료 전지 스택(10)의 더욱 향상된 성과를 위하여, 주입 연료(130)은, 연료 전지 스택(10)으로 들어가기 전에, 또한 가열된다. 이것은 내부 매니폴드 연료 배출구(110)를 따라서 가스-대-가스(gas-to-gas) 열 교환기(29) 및 수증기를 제거하고 열을 회복하는 적어도 하나의 압축 열 교환기(300)로 배기 연료(130a) 플로우를 지나가게 함으로써 얻어 질 수 있다.
건조한 배기 연료(130b) 플로우는 반응하지 않는 연료 가스(130)를 포함하고, 사용되지 않은 화학 에너지 안의 열 에너지는 내부 매니폴드 옥시던트 배출구(90)를 따라 지나가는 배기 옥시던트(140a)와 함께 버너로 지나가도록 함으로써 회복된다. 높은 온도 버너 오프-가스(320)는 주입 연료(130)를 가열하기 위한 열 소스를 제공하기 위하여 사용된다. 실시예에 따라서는, 열 에너지는 주입 연료(130)의 개질기(330) 안의 흡열성 스팀 개질을 보조하는데 사용된다. 버너 오프-가스는 스팀(280)을 생산하기 위하여, 선택적 기동 버너 유닛으로 들어가고, 옥시던트 열 교환 시스템(200)으로 들어가기 전에 촉매 개질로서 요구되는 상수도(270)를 이용하여 스팀 생산 유닛(340)으로 지나갈 수 있다. 실시예에 따라서는, 연료 전지 스택 종판(160)은, 종판(160) 상단부에 걸친 유체 흐름을 막고, 연료 전지 스택(10)으로부터 후드(50)를 열적으로 절연하는 열 절연 플로우 제한 장치(150)와 후드(50)의 밑측면 사이에 실장된다. 더욱이, 가수 밀봉 열 절연 질석(vermiculite) 가스켓(230)은, 연료 전지 스택(10)으로부터 후드(50)를 열적으로 더욱 절연하기 위하여, 후드(50)의 베이스 및 밑판(40) 사이에 제공된다. 절연은 Microtherm Freemoulding 제품의 상대적으로 두꺼운 내부 절연 레이어(240) 및 Aspen Aerogel Pyrogel (RTM)의 상대적으로 얇은 외부 절연 레이어(250)에 의해서, 후드(50)의 바깥 구성을 위해 제공되며, 만약 내부 절연 레이어(240)의 물질이 사용된다면 무엇이 요구되는지에 비교하여, 절연 물질의 볼륨이 감소된 인슐레이션을 얻는 반면 전체는 원하는 후드(50)의 열 절연을 제공한다. 다른 실시예에 따라서는, 절연 레이어(240, 250)는 Promalight (RTM)(Promat UK Limited, Bracknell, UK; www.promat.co.uk) 인슐레이션의 단일 레이어로 대체된다.
도 4는 커진 연료 전지 스택 레이어(20) 및 추가적인 연료 전지 스택 레이어(21)와 함께 B-B'(도 3)를 통과하는 섹션을 나타낸다. 공기(140)는 연료 전지 스택(10)의 반대 측면(오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)의 반대)에 위치하는 옥시던트 주입구 포인트(125)의 옥시던트 주입구(120)를 통하여 연료 전지 스택 어셈블리(1)로 들어간다. 공기(140)는 연료 전지 스택(10)의 측면을 지나가고(연료 전지 스택 종판(160) 및 후드(50) 사이에 위치하는 가스 봉인 열 절연 질석 가스켓(150)에 의해서 막힌 연료 전지 스택(10)의 상단부를 넘는 유체 흐름), 가열되며, 연료 전지 스택 레이어(20)의 오픈 매니폴드 옥시던트 주입구(70)를 지나가고, 중간온도 고체 산화물 연료 전지(IT-SOFC)(30)의 캐소드(33)을 지나가고, 열, 산소 및 전기를 생산하는 전기 화학적 반응을 경험하고, 매니폴딩(90)을 통하여 배기된다. 연료(130)는 내부 매니폴드 연료 주입구(100)를 통하여 연료 전지 스택(10)으로 들어가고, 연료 전지 기판 다공성 영역(36) 아래를 지나가며, 연료 전지 애노드(31)로 지나가고, 열, 산소 및 전기를 생산하기 위한 전기 화학적 반응을 경험한다. 배기 연료(130)는 내부 매니폴드 연료 배출구(130)를 통하여 연료 전지 스택(10)에 존재한다. 각 연료 전지 스택 레이어(20)는 매니폴딩 및 이웃 연료 전지 스택(10) 구성에 전기 접촉을 제공하는 전기 전도성 상호 연결판(37)을 포함한다. 연료 전지 금속 기판(34)은, 상호연결판(37)의 상단부에 실장되고, 연료 전지 기판 비-다공성 영역(35)으로 둘러진 연료 전지 기판 다공성 영역(36)을 포함한다. 따라서, 유체 흐름은 다공성 영역(36)을 통하여 발생 할 수 있다.
연료 전지(30)는 다공성 영역(36)의 상단부에 실장된다. 연료 전지 애노드는 다공성 영역(36)을 덮고, 연료 전지 전해액(32)은 다공성 영역(36)을 통하여, 연료 전지(30)의 연료 측면으로부터 연료 전지(30)의 옥시던트 사이드까지의 유체 흐름을 방지하기 위하여, 애노드(31) 및 다공성 영역(36)을 넘어 확장된다. 연료 전지 캐소드(33)는 연료 전지 전해액(32)의 상단부에 실장된다. 전기 전도성 전류 컨덕터는, 연료 전지 캐소드(330)로부터 확장되고, 전기 회로를 형성하도록 전기 전도성 상호 연결판(37)과 전기적 접촉되고, 로드는 회로 위에 위치한다. 추가 연료 전자 스택 레이어(21)는 연료 전지 스택 레이어(20) 위에 위치하고, 연료 전지 금속판(34)으로부터 이웃한 연료 전지 스택 레이어(21)의 전기적 전도성 상호 연결판(37)까지의 전기적 단락(shorting)은 추가적 연료 전지 스택 레이어(21)를 위한 기계적 소프트를 추가적으로 제공하는 전기적 절연 가스켓(38)에 의해서, 방지된다. 실시예에 따라서는(도 6), 복수 개의 옥시던트 주입구(120)는 밑판(40)에서보다 후드(50)에서 제공된다. 배열은 가스 플로우 및 분배에 도움이 되고, 특히 가스 플로우의 침체된 영역을 방지하는데 도움이 된다. 옥시던트 주입구 포인트(125)는 밑판(40)에서 가장 가까운 상기 연료 전지 스택 레이어(20) 위의 높이 Y에 위치하고, 0.25X <= Y <= 0.75X이고, X는 밑판(40)에서 가장 가까운 연료 전지 스택 레이어(20)로부터 밑판(40)으로부터 가장 먼 연료 전지 스택 레이어(20)까지 측정된 높이이다. 실시예에 따라서는(도 6A), 복수 개의 옥시던트 주입구(120)는 후드(50) 및 밑판(40) 안에 제공되고, 가스 플로우 및 분배에 도움이 되고, 특히 가스 플로우의 침체된 영역을 방지하는데 도움이 된다.
도 6B의 실시예에 따라서는, 옥시던트 주입구(120)는 밑판(40)에 제공되고, 플로우 분배 장치(260)는 후드 볼륨(60)을 통하여 주입구(120)로부터 가스 플로우 분배를 돕도록 디자인된 구멍이 난 금속 튜브를 포함하여 제공된다. 대체적인 실시예로는, 플로우 분배 장치(260)는 높은 다공성 세라믹 물질 및 후드(50)의 형성된 섹션을 포함한다. 실시예에 따라서는(도 7), 핵심 유체 온도는 스팀 개질기(330)의 스팀 대 카본 양(carbon ration)이 2.5:1인 메탄이 풍부한(methane-rich) 천연 가스에서 동작할 때를 나타낸다. C-J 포지션에서의 온도는 다음과 같다. C - 465-490 ºC, D - 430-460 ºC, E - 430-460 ºC, F - 550-620 ºC, G - 700-725 ºC, H - 550-580 ºC, I - 100-120 ºC, J - 230-250 ºC. 실시예에 따라서는(도 8), 핵심 유체 온도는 스팀 개질기(330)의 스팀 대 카본 양(carbon ration)이 3.5:1인 프로판이 풍부한 LPG에서 동작할 때의 온도를 나타낸다. 특히, 옥시던트 주입구(120)는 요구되는 추가적인 가열, 도 7의 실시예보다 낮은 포인트 (E)에서의 주입구 옥시던트 온도, 및 요구되는 동작 효율 및 연료 전지 스택 어셈블리(10)의 출력을 얻기 위하여 요구되는 추가적인 가열을 제공하기 위하여, 전기 히터(400)와 함께 제공된다. 제어 전자 장치(420), 열전지(410), 전기 히터(400), 블로어(460) 및 전기 커넥터(430-450)는 도 8에 나타난다. 제어 전기(420), 열전지(410), 블로어(460) 및 전기 커넥터(440, 450)도 다른 실시예에 나타난다. 전기 히터(400), 제어 수단(420) 및 전기 커넥터(430)를 포함하는 실시예도 존재 한다.
열전지(410)는 전기 커넥터(440)에 의해 전자 장치(420)를 제어하기 위하여 전기적으로 연결되고, 제어 전자 장치(410)에 의해서 온도 값으로 변환되는 전기 출력을 제공한다. 블로어(460)는 전기 커넥터(450)에 의해서 제어 전자 제품(410)으로 전기적으로 연결되고, 제어 전자 제품(410)은 블로어 옥시던트 매스 플로우를 예측하기 위하여, 블로어 옥시던트 매스 플로우 맵(blower oxidant mass flow map)과 함께 구성된다. 제어 전자 제품(410)에 제공되는 추가적인 입력은 연료 전지 스택 어셈블리(1)로부터 요구되는 전기 파워 출력 및 연료 전지 스택 어셈블리(1)로부터 측정되는 전기 파워 출력이다. 제어 전자 제품(410)은 전기 히터(400)를 위한 적절한 전기 파워 제공 레벨을 결정하기 위한 입력 정보를 사용하도록 구성되고, 전기 커넥터(420)에 의해 필수 전기적 흐름을 제공한다. 포지션 C-J에서의 온도는 다음과 같다. C - 465-490 ºC, D - 430-465 ºC, E - 415-445 ºC, F - 550-620 ºC, G - 700-725 ºC, H - 535-565 ºC, I - 100-120 ºC, J - 215-235 ºC. 실시예에 따라서는(도 9), 핵심 유체 온도는 스팀 개질기(330)의 스팀 대 카본 양(carbon ration)이 4.0:1인 부탄이 풍부한 LPG에서 동작할 때의 온도를 나타낸다. 이 rt은 계는 전기 히터(400)에 의해서 제공되는 추가적인 가열을 요구한다. 포지션 C-J에서의 온도는 다음과 같다. C - 465-490 ºC, D - 430-460 ºC, E - 405-435 ºC, F - 550-620 ºC, G - 700-725 ºC, H - 525-555 ºC, I - 100-120 ºC, J - 205-225 ºC.
도 10은 연료 전지 스택 레이어의 오픈 매니폴드 가스 주입구 끝단에서의 옥시던트 온도의 모델링 결과(실험 데이터에 의해 입증되는 결과인)를 나타낸다. Y=0인 케이스에서, 최적 온도의 상당한 변화가 있고, Y=0.5인 경우 상당한 향상이 있다. 이 점은 향상된 연료 전지 스택 어셈블리 동작 및 효율을 야기한다. 도 11-13은 옥시던트 주입구(120) 및 옥시던트 주입구 포인트(125)의 대체 배열을 나타내고, 실시예에 따른 전기 히터(400)의 제공을 나타낸다. 상술한 실시예들은 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니고, 다른 많은 실시예들도 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 적용 가능하다.
1 - 연료전지 스택 어셈블리(fuel cell stack assembly)
10 - 고체 산화물 연료전지 스택(solid oxide fuel cell stack)
20 - 연료전지 스택 레이어(fuel cell stack layer)
21 - 추가적인 연료전지 스택 레이어(additional fuel cell stack layers)
30 - 연료전지(fuel cell)
31 - 연료전지 애노드(fuel cell anode)
32 - 연료전지 전해액(fuel cell electrolyte)
33 - 연료전지 캐소드(fuel cell cathode)
34 - 연료전지 금속 기판(fuel cell metal substrate)
35 - 연료전지 기판 비-다공성 영역(fuel cell substrate non-porous region)
36 - 연료전지 기판 다공성 영역(fuel cell substrate porous region)
37 - 전기적 전도성 상호연결판(electrically conductive interconnect plate)
38 - 전기 절연 가스켓(electrically insulating gasket)
40 - 밑판(base plate)
50 - 후드(hood)
60 - 후드 볼륨(hood volume)
70 - 오픈-매니폴드 옥시던트 주입구(open-manifolded oxidant inlet)
80 - 오픈-매니폴드 끝단(open-manifold end)
90 - 내부 매니폴드 옥시던트 배출구(internally manifolded oxidant outlet)
100 - 내부 매니폴드 연료 주입구(internally manifolded fuel inlet)
110 - 내부 매니폴드 연료 배출구(internally manifolded fuel outlet)
120 - 옥시던트 주입구(oxidant inlet)
125 - 가스 주입구 포인트(gas inlet point)
130 - 연료(fuel)
130a - 배기 연료(exhaust fuel)
130b - 건조 배기 연료(drier exhaust fuel)
140 - 옥시던트(공기)(oxidant (air))
140a - 배기 옥시던트(exhaust oxidant)
150 - 열 절연 블록(thermally insulating block)
160 - 연료전지 스택 종판(fuel cell stack end-plate)
170 - 연료전지 스택 외부 표면(fuel cell stack external surface)
190 - 후드 내부 표면(hood interior surface)
200 - 옥시던트 열 교환 시스템(예열기)(oxidant heat exchange system (pre-heater))
210 - 옥시던트(140) 플로우(oxidant 140 flow)
230 - 가스 밀봉 열 절연 질석 가스켓(gas sealing thermally insulating vermiculite gasket)
240 - 내부 절연 레이어(inner insulating layer)
250 - 외부 절연 레이어(outer insulating layer)
260 - 플로우 분배 장치(flow distribution device)
270 - 물(water)
280 - 스팀(steam)
290 - 가스 대 가스 열 교환기(gas to gas heat exchanger)
300 - 압축 열 교환기(condensing heat exchanger)
310 - 테일 가스 버너(tail gas burner)
320 - 버너 오프-가스(burner off-gas)
330 - 스팀 개질기(steam reformer)
340 - 스팀 제조기(steam generator)
350 - 냉각 유체 안(cooling fluid in)
360 - 냉각 유체 밖(cooling fluid out)
400 - 전기 히터(electrical heater)
410 - 열전지(thermocouple)
420 - 제어 전자 제품(control electronics)
430 - 전기 커넥터(electrical connector)
440 - 전기 커넥터(electrical connector)
450 - 전기 커넥터(electrical connector)
460 - 블로어(blower)
10 - 고체 산화물 연료전지 스택(solid oxide fuel cell stack)
20 - 연료전지 스택 레이어(fuel cell stack layer)
21 - 추가적인 연료전지 스택 레이어(additional fuel cell stack layers)
30 - 연료전지(fuel cell)
31 - 연료전지 애노드(fuel cell anode)
32 - 연료전지 전해액(fuel cell electrolyte)
33 - 연료전지 캐소드(fuel cell cathode)
34 - 연료전지 금속 기판(fuel cell metal substrate)
35 - 연료전지 기판 비-다공성 영역(fuel cell substrate non-porous region)
36 - 연료전지 기판 다공성 영역(fuel cell substrate porous region)
37 - 전기적 전도성 상호연결판(electrically conductive interconnect plate)
38 - 전기 절연 가스켓(electrically insulating gasket)
40 - 밑판(base plate)
50 - 후드(hood)
60 - 후드 볼륨(hood volume)
70 - 오픈-매니폴드 옥시던트 주입구(open-manifolded oxidant inlet)
80 - 오픈-매니폴드 끝단(open-manifold end)
90 - 내부 매니폴드 옥시던트 배출구(internally manifolded oxidant outlet)
100 - 내부 매니폴드 연료 주입구(internally manifolded fuel inlet)
110 - 내부 매니폴드 연료 배출구(internally manifolded fuel outlet)
120 - 옥시던트 주입구(oxidant inlet)
125 - 가스 주입구 포인트(gas inlet point)
130 - 연료(fuel)
130a - 배기 연료(exhaust fuel)
130b - 건조 배기 연료(drier exhaust fuel)
140 - 옥시던트(공기)(oxidant (air))
140a - 배기 옥시던트(exhaust oxidant)
150 - 열 절연 블록(thermally insulating block)
160 - 연료전지 스택 종판(fuel cell stack end-plate)
170 - 연료전지 스택 외부 표면(fuel cell stack external surface)
190 - 후드 내부 표면(hood interior surface)
200 - 옥시던트 열 교환 시스템(예열기)(oxidant heat exchange system (pre-heater))
210 - 옥시던트(140) 플로우(oxidant 140 flow)
230 - 가스 밀봉 열 절연 질석 가스켓(gas sealing thermally insulating vermiculite gasket)
240 - 내부 절연 레이어(inner insulating layer)
250 - 외부 절연 레이어(outer insulating layer)
260 - 플로우 분배 장치(flow distribution device)
270 - 물(water)
280 - 스팀(steam)
290 - 가스 대 가스 열 교환기(gas to gas heat exchanger)
300 - 압축 열 교환기(condensing heat exchanger)
310 - 테일 가스 버너(tail gas burner)
320 - 버너 오프-가스(burner off-gas)
330 - 스팀 개질기(steam reformer)
340 - 스팀 제조기(steam generator)
350 - 냉각 유체 안(cooling fluid in)
360 - 냉각 유체 밖(cooling fluid out)
400 - 전기 히터(electrical heater)
410 - 열전지(thermocouple)
420 - 제어 전자 제품(control electronics)
430 - 전기 커넥터(electrical connector)
440 - 전기 커넥터(electrical connector)
450 - 전기 커넥터(electrical connector)
460 - 블로어(blower)
Claims (17)
- (i) 밑판(base plate);
(ii) 상기 밑판에 밀봉되어 부착된 후드(hood)-상기 후드는 상기 밑판 및 상기 후드 사이의 후드 볼륨(hood volume)을 정의함-;
(iii) 상기 후드에 의해서 둘러 쌓여지고, 상기 밑판 위에 실장된(mounted) 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택;
(iv) 상기 후드 볼륨 안을 향한 적어도 하나의 가스 주입구 포인트(gas inlet point)를 정의하는 적어도 하나의 가스 주입구(gas inlet); 및
(v) 상기 후드 볼륨의 외부에 위치하고, 옥시던트 소스 및 상기 적어도 하나의 가스 주입구와 유체 연동(fluid communication)되며, 상기 가스 주입구를 통하여 상기 옥시던트 소스로부터 상기 후드 볼륨으로 옥시던트를 제공하도록 조정된(adapted) 예열기(pre-heater)
를 포함하고,
각각의 연료전지 스택은 적어도 3개의 연료전지 스택 레이어(fuel cell stack layers)를 포함하고, 각각의 연료전지 스택 레이어는 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지를 포함하며, 각각의 연료전지는 옥시던트 주입구 끝단(oxidant inlet end) 및 배기 옥시던트 배출구 끝단(exhaust oxidant outlet end)를 정의하며,
상기 적어도 하나의 연료전지 스택은,
(a) 상기 적어도 하나의 연료전지 스택의 오픈-매니폴드 끝단(open-manifolded end)를 정의하는 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구; 및
(b) 적어도 하나의 내부 매니폴드(internally manifolded) 가스 배출구
를 갖고,
상기 후드 볼륨 안의 상기 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 - 옥시던트가 상기 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 들어오고, 상기 적어도 하나의 연료전지 스택의 외부(outside)에서 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구로 지나가도록 - 상기 적어도 하나의 연료전지 스택의 상기 오픈-매니폴드 끝단으로부터 이격하도록(remote) 위치되고,
직접 열 이동(direct heat transfer)은 - 상기 오픈-매니폴드 가수 주입구 안으로의 상기 옥시던트의 출입(entry) 이전에 - 상기 옥시던트 및 상기 연료전지 스택 레이어의 외부 표면 사이에서 일어나고(occurring),
상기 예열기는 상기 옥시던트 소스로부터 옥시던트가 - 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가수 주입구와 가장 가까운 상기 연료전지의 상기 주입구 끝단에서 동작 온도(in-use operating temperature) 아래인 - 100도보다 높지 않은 온도에서 예열되고, 상기 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 공급되도록 구성되고,
상기 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택은, 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료전지 스택 레이어의 하단(bottom)으로부터 상기 밑판으로부터 가장 먼 상기 연료전지 스택 레이어의 상단(top)까지 측정된 높이 X를 정의하며, 상기 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료전지 스택 레이어의 하단 위의 높이 Y에 위치하고, 0.25X <= Y <= 0.75X인 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 후드의 부분으로서 위치하는 주입구 가스 예열기를 포함하지 않는 연료전지 스택 어셈블리. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택은
금속 지지체형(metal-supported) 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택인 연료전지 스택 어셈블리. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 연료전지 스택 스택은
적어도 하나의 내부 매니폴드 연료 주입구(internally manifolded fuel inlet)
를 더 포함하는 연료전지 스택 어셈블리. - 제4항에 있어서,
상기 적어도 하나의 내부 매니폴드 가스 배출구는 내부 매니폴드 배기 연료 배출구(internally manifolded exhaust fuel outlet)이고,
상기 연료전지 스택은 적어도 하나의 내부 매니폴드 배기 옥시던트 배출구(internally manifolded exhaust oxidant outlet)를 더 포함하는 연료전지 스택 어셈블리. - 제4항에 있어서,
상기 적어도 하나의 내부 매니폴드 가스 배출구는
적어도 하나의 내부 매니폴드 혼합 배기 연료 및 옥시던트 배출구(internally manifolded mixed exhaust fuel and oxidant outlet)
를 포함하는 연료전지 스택 어셈블리. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 적어도 하나의 연료전지 스택 레이어의 상기 외부 표면은
돌출부와 가스 사이의 열 이동을 가져오도록 조정된 적어도 하나의 돌출부(protrusion)를 더 포함하는 연료전지 스택 어셈블리. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 후드의 내부 표면(internal surface) 및 상기 적어도 하나의 연료전지 스택 레이어의 상기 외부 표면 중 적어도 하나는
난류 유체 플로우(turbulent fluid flow)를 야기하도록 하는(adapted to in-use cause turbulent fluid flow) 적어도 하나의 돌출부를 더 포함하는 연료전지 스택 어셈블리. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 연료전지 스택은
450-650도의 동작 온도(in-use operating temperature)를 갖는 연료전지 스택 어셈블리. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택은
금속 지지체형(metal-supported)인 연료전지 스택 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가스 주입구와 열 연동(thermal communication)되며, 상기 후드 볼륨 또는 상기 후드 또는 상기 밑판 안에 들어 있는 전기 가열 장치(electrical heating device)
를 더 포함하는 연료전지 스택 어셈블리. - 제11항에 있어서,
상기 전기 가열 장치에 대한 제어 수단(control means)
을 더 포함하는 연료전지 스택 어셈블리. - 제12항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가스 주입구로 흘러가는 상기 옥시던트의 온도 또는 상기 후드 볼륨 안의 선택된 포인트(chosen point)에서의 상기 옥시던트의 온도를 결정하는 온도 센서
를 더 포함하는 연료전지 스택 어셈블리. - 제1항 또는 제2항의 연료전지 스택 어셈블리를 포함하는 연료전지 스택 시스템.
- 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택 어셈블리(intermediate-temperature solid oxide fuel cell stack assembly)의 동작 방법에 있어서,
상기 연료전지 스택 어셈블리는
(i) 밑판(base plate);
(ii) 상기 밑판에 밀봉되어 부착된 후드(hood)-상기 후드는 상기 밑판 및 상기 후드 사이의 후드 볼륨(hood volume)을 정의함(defining)-;
(iii) 상기 후드에 의해서 둘러 쌓여지고(enclosed), 상기 밑판 위에 실장된(mounted) 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택;
(iv) 상기 후드 볼륨 안을 향한 적어도 하나의 가스 주입구 포인트(gas inlet point)를 정의하는(defining) 적어도 하나의 가스 주입구(gas inlet); 및
(v) 상기 후드 볼륨의 외부에 위치하고, 옥시던트 소스 및 상기 적어도 하나의 가스 주입구와 유체 연동되며(fluid communication), 상기 가스 주입구를 통하여 상기 옥시던트 소스로부터 상기 후드 볼륨으로 옥시던트를 제공하도록 조정된(adapted) 예열기(pre-heater)
를 포함하고,
각각의 연료전지 스택은 적어도 3개의 연료전지 스택 레이어(fuel cell stack layers)를 포함하고, 각각의 연료전지 스택 레이어는 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지를 포함하며, 각각의 연료전지는 옥시던트 주입구 끝단(oxidant inlet end) 및 배기 옥시던트 배출구 끝단(exhaust oxidant outlet end)를 정의하고,
상기 적어도 하나의 연료전지 스택은,
(a) 상기 적어도 하나의 연료전지 스택의 오픈-매니폴드 끝단(open-manifolded end)를 정의하는 적어도 하나의 오픈-매니폴드(open-manifolded) 가스 주입구; 및
(b) 적어도 하나의 내부 매니폴드(internally manifolded) 가스 배출구
를 갖고,
상기 후드 볼륨 안의 상기 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 상기 적어도 하나의 연료전지 스택의 상기 오픈-매니폴드 끝단으로부터 이격하도록(remote) 위치되고,
상기 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택은, 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료전지 스택 레이어의 하단으로부터 상기 밑판으로부터 가장 먼 상기 연료전지 스택 레이어의 상단까지 측정된 높이 X를 정의하며, 상기 적어도 하나의 가스 주입구 포인트는 상기 밑판에서 가장 가까운 상기 연료전지 스택 레이어의 하단 위의 높이 Y에 위치하고, 0.25X <= Y <= 0.75X이고,
상기 방법은
상기 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 옥시던트를 통과시키는 단계,
상기 적어도 하나의 연료전지 스택의 외부(outside)에서 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구로 지나가는 단계
를 포함하고,
직접 열 이동(direct heat transfer)은 - 상기 오픈-매니폴드 가수 주입구 안으로의 상기 옥시던트의 출입(entry) 이전에 - 상기 옥시던트 및 상기 연료전지 스택 레이어의 외부 표면 사이에서 일어나고(occurring),
상기 예열기는 상기 옥시던트 소스로부터 옥시던트가 - 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가수 주입구와 가장 가까운 상기 연료전지의 상기 주입구 끝단에서 동작 온도(in-use operating temperature) 아래인 - 100도보다 높지 않은 온도에서 예열되고, 상기 적어도 하나의 가스 주입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 공급되도록 구성되는 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택 어셈블리(intermediate-temperature solid oxide fuel cell stack assembly)의 동작 방법. - 제15항에 있어서,
상기 적어도 하나의 중간온도 고체 산화물 연료전지가 열 및 전기를 생산하도록 상기 옥시던트 및 연료를 이용한 전기 화학의 리액션(electrochemical reaction)을 수행하는 단계
를 더 포함하는 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택 어셈블리의 동작 방법. - 제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택 어셈블리는
(i) 상기 적어도 하나의 가스 주입구와 열 연동(thermal communication)되며, 상기 후드 볼륨 또는 상기 후드 또는 상기 밑판 안에 들어 있는 전기 가열 장치(electrical heating device);
(ii) 상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구로 흘러들어가는 상기 옥시던트의 온도를 결정하도록 위치하는 적어도 하나의 온도 센서; 및
(iii) 제어 수단
을 더 포함하고,
상기 전기 가열 장치 및 상기 적어도 하나의 온도 센서는
상기 제어 수단과 전기 연동(electrical communication)되어 있으며,
상기 방법은
상기 적어도 하나의 오픈-매니폴드 가스 주입구의 상기 옥시던트가 원하는 온도(desired temperature)까지 가열되도록, 상기 제어 수단의 제어 하에서 상기 전기 가열 장치를 이용하여 상기 옥시던트를 추가로 가열하는 단계를 더 포함하는 중간온도 고체 산화물 연료전지 스택 어셈블리의 동작 방법.
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|---|---|---|---|
| GB0815312.4A GB2462849B (en) | 2008-08-21 | 2008-08-21 | Improved fuel cell stack flow hood air flow using an air distribution device |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9093674B2 (en) | 2008-08-21 | 2015-07-28 | Ceres Intellectual Property Company Limited | Fuel cell stack flow hood air flow using an air distribution device |
| DE102011006531B4 (de) * | 2011-03-31 | 2022-12-29 | Eberspächer Climate Control Systems GmbH & Co. KG | Brennstoffzellensystem und zugehöriges Betriebsverfahren |
| DE102012001857A1 (de) * | 2012-02-01 | 2013-08-01 | Vaillant Gmbh | Temperaturregelung für Brennstoffzellen |
| KR101407937B1 (ko) * | 2012-09-28 | 2014-06-17 | 한국에너지기술연구원 | 균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택 |
| CA2942471C (en) | 2014-03-12 | 2022-03-29 | Ceres Intellectual Property Company Limited | Fuel cell stack assembly with active and inactive fuel cell stack repeat layers |
| EP3204975A4 (en) * | 2014-10-07 | 2018-11-21 | Protonex Technology Corporation | Sofc-conduction |
| GB2534124B (en) | 2014-12-19 | 2017-04-19 | Ceres Ip Co Ltd | A swirl burner assembly and method |
| US11527766B2 (en) | 2014-12-19 | 2022-12-13 | Ceres Intellectual Property Company Limited | Fuel cell system and tail gas burner assembly and method |
| US10622660B2 (en) * | 2015-04-21 | 2020-04-14 | Exxonmobil Research And Engineering Company | Housing for multiple fuel cell stacks |
| US9806387B2 (en) * | 2015-09-02 | 2017-10-31 | General Electric Company | Energy storage device with reduced temperature variability between cells |
| CN106910912B (zh) | 2015-12-18 | 2020-06-30 | 通用电气公司 | 燃料电池系统及其操作方法及燃料电池发电厂 |
| US10581106B2 (en) | 2016-09-30 | 2020-03-03 | Cummins Enterprise Llc | Interconnect for an internally-manifolded solid oxide fuel cell stack; and related methods and power systems |
| JP6608798B2 (ja) * | 2016-10-27 | 2019-11-20 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池スタック |
| JP6790968B2 (ja) * | 2017-03-31 | 2020-11-25 | トヨタ紡織株式会社 | 燃料電池スタックのエンドプレート及び燃料電池スタックのシール構造 |
| JP6763337B2 (ja) * | 2017-04-24 | 2020-09-30 | トヨタ紡織株式会社 | 燃料電池スタックのエンドプレート |
| GB2563848B (en) | 2017-06-26 | 2022-01-12 | Ceres Ip Co Ltd | Fuel cell stack assembly |
| JP7033017B2 (ja) * | 2018-06-21 | 2022-03-09 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池モジュール |
| US11984627B2 (en) | 2018-09-05 | 2024-05-14 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Chromium adsorption material and fuel cell |
| JP7248030B2 (ja) | 2018-09-05 | 2023-03-29 | 住友電気工業株式会社 | 燃料電池 |
| GB201913907D0 (en) | 2019-09-26 | 2019-11-13 | Ceres Ip Co Ltd | Fuel cell stack assembly apparatus and method |
| GB201915294D0 (en) | 2019-10-22 | 2019-12-04 | Ceres Ip Co Ltd | Alignment apparatus and methods of alignment |
| GB201915438D0 (en) | 2019-10-24 | 2019-12-11 | Ceres Ip Co Ltd | Metal-supported cell unit |
| CA3182972A1 (en) * | 2020-06-03 | 2021-12-09 | Wisk Aero Llc | Battery with selective phase change features |
| GB2616589B (en) | 2021-07-23 | 2024-05-01 | Ceres Ip Co Ltd | Fuel cell systems and method |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1120845A1 (de) | 2000-01-25 | 2001-08-01 | Sulzer Hexis AG | Brennstoffzellenbatterie und Reformer für flüssige Brennstoffe |
| US20030235726A1 (en) | 2002-06-24 | 2003-12-25 | Kelly Sean M. | Solid-oxide fuel cell system having an integrated reformer and waste energy recovery system |
| US20040048128A1 (en) | 1999-02-01 | 2004-03-11 | The Regents Of The University Of California | Solid polymer mems-based fuel cells |
Family Cites Families (34)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62229768A (ja) * | 1986-03-31 | 1987-10-08 | Shin Kobe Electric Mach Co Ltd | 燃料電池 |
| EP0377151A1 (de) | 1989-01-04 | 1990-07-11 | Asea Brown Boveri Ag | Verfahren zur selbsttätigen Temperatur- und Leistungsregulierung einer oder mehrerer, mit Kohlenwasserstoffen betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzellen |
| EP0580918B1 (de) | 1992-07-27 | 1995-12-13 | Sulzer Innotec Ag | Vorrichtung mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen |
| DE59609016D1 (de) | 1996-07-11 | 2002-05-08 | Sulzer Hexis Ag Winterthur | Verfahren zur gleichzeitigen Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme für Heizzwecke |
| EP0840388B1 (de) | 1996-10-30 | 2005-08-24 | Sulzer Hexis AG | Batterie mit planaren Hochtemperatur-Brennstoffzellen |
| KR20010076243A (ko) | 2000-01-25 | 2001-08-11 | 요트 루나우 | 액체 연료용 연료 전지 |
| CA2374293C (en) | 2000-03-17 | 2007-05-29 | Allen Engineering Company, Inc. | Fuel cell stack assembly |
| GB2368450B (en) | 2000-10-25 | 2004-05-19 | Imperial College | Fuel cells |
| WO2002075833A2 (de) | 2001-03-17 | 2002-09-26 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Brennstoffzelle mit integriertem wärmetauscher |
| AUPR636401A0 (en) | 2001-07-13 | 2001-08-02 | Ceramic Fuel Cells Limited | Fuel cell stack configuration |
| JP4880836B2 (ja) | 2001-08-29 | 2012-02-22 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタックおよび反応ガス供給方法 |
| CA2473449C (en) | 2002-02-05 | 2009-01-13 | Tokyo Gas Company Limited | Solid oxide fuel cell system |
| GB2386126B (en) | 2002-03-06 | 2006-03-08 | Ceres Power Ltd | Forming an impermeable sintered ceramic electrolyte layer on a metallic foil substrate for solid oxide fuel cell |
| KR20030076259A (ko) | 2002-03-19 | 2003-09-26 | 술저 헥시스 악티엔게젤샤프트 | 열교환기 일체형 연료 전지 배터리 |
| US7588849B2 (en) | 2002-06-24 | 2009-09-15 | Delphi Technologies, Inc. | Solid-oxide fuel cell system having tempering of fuel cell stacks by exhaust gas |
| US7279246B2 (en) | 2002-06-24 | 2007-10-09 | Delphi Technologies, Inc. | Solid-oxide fuel cell system having an integrated air/fuel manifold |
| US6942942B2 (en) | 2002-06-24 | 2005-09-13 | Delphi Technologies, Inc. | Solid-oxide fuel cell assembly having a thermal enclosure within a structural enclosure |
| US20040163800A1 (en) | 2003-02-25 | 2004-08-26 | Richardson Curtis A. | Heat exchanger for heating of fuel cell combustion air |
| GB2400486B (en) | 2003-04-09 | 2006-05-10 | Ceres Power Ltd | Densification of ceria based electrolytes |
| GB2411043B (en) | 2004-02-10 | 2007-09-19 | Ceres Power Ltd | A method and apparatus for operating an intermediate-temperature solid-oxide fuel cell stack |
| EP1653539A1 (en) * | 2004-11-02 | 2006-05-03 | HTceramix S.A. | Solid oxide fuel cell system |
| GB0501590D0 (en) | 2005-01-25 | 2005-03-02 | Ceres Power Ltd | Processing of enhanced performance LSCF fuel cell cathode microstructure and a fuel cell cathode |
| US20060204796A1 (en) | 2005-03-08 | 2006-09-14 | General Electric Company | Systems and Methods for Minimizing Temperature Differences and Gradients in Solid Oxide Fuel Cells |
| GB2424878B (en) | 2005-04-08 | 2010-09-15 | Ceres Power Ltd | High performance SOFC Cathode material in the 450 C 650 C range |
| US7700210B2 (en) | 2005-05-10 | 2010-04-20 | Bloom Energy Corporation | Increasing thermal dissipation of fuel cell stacks under partial electrical load |
| JP4821222B2 (ja) * | 2005-09-06 | 2011-11-24 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| GB0601813D0 (en) | 2006-01-30 | 2006-03-08 | Ceres Power Ltd | Fuel cell |
| WO2007110587A2 (en) | 2006-03-24 | 2007-10-04 | Ceres Intellectual Property Company Limited | Sofc stack system assembly with thermal enclosure |
| EP2044644B1 (en) | 2006-06-29 | 2012-11-07 | Ceres Intellectual Property Company Limited | Steam reforming method for fuel cells |
| US9243335B2 (en) | 2006-07-07 | 2016-01-26 | Ceres Intellectual Property Company Limited | Metal substrate for fuel cells |
| GB0615562D0 (en) | 2006-08-04 | 2006-09-13 | Ceres Power Ltd | Power supply control for power |
| GB0621784D0 (en) | 2006-11-01 | 2006-12-13 | Ceres Power Ltd | Fuel cell heat exchange systems and methods |
| MX2009008979A (es) | 2007-02-27 | 2009-11-11 | Ceres Ip Co Ltd | Cubierta de flujo de pilas de celdas de combustible. |
| US9093674B2 (en) | 2008-08-21 | 2015-07-28 | Ceres Intellectual Property Company Limited | Fuel cell stack flow hood air flow using an air distribution device |
-
2009
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-
2011
- 2011-02-03 ZA ZA2011/00907A patent/ZA201100907B/en unknown
- 2011-10-25 HK HK11111469.6A patent/HK1157505A1/xx unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040048128A1 (en) | 1999-02-01 | 2004-03-11 | The Regents Of The University Of California | Solid polymer mems-based fuel cells |
| EP1120845A1 (de) | 2000-01-25 | 2001-08-01 | Sulzer Hexis AG | Brennstoffzellenbatterie und Reformer für flüssige Brennstoffe |
| US20030235726A1 (en) | 2002-06-24 | 2003-12-25 | Kelly Sean M. | Solid-oxide fuel cell system having an integrated reformer and waste energy recovery system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BRPI0917632A2 (pt) | 2017-07-11 |
| US9093674B2 (en) | 2015-07-28 |
| ES2387212T3 (es) | 2012-09-18 |
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| EA201170354A1 (ru) | 2011-10-31 |
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| CA2734258C (en) | 2016-09-13 |
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| US20110300460A1 (en) | 2011-12-08 |
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|---|---|---|
| KR101663330B1 (ko) | 공기 분배 장치를 이용하는 향상된 연료전지 스택 플로우 후드 공기 플로우 | |
| CA2678617C (en) | Fuel cell stack flow hood | |
| JP5427568B2 (ja) | 発電装置 | |
| US10700374B2 (en) | High-temperature operating fuel cell system | |
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