KR102492384B1 - 내부적으로 연통되는 고체 산화물 연료 전지 적층체를 위한 상호연결체, 그리고 그와 연관된 방법 및 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

음극 상호연결체 구조물과 통합되는 양극 상호연결체 구조물을 포함하는, 내부적으로 연통되는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 적층체가, 설명된다. 양극 상호연결체 구조물은, 연료 유동 구역을 포함하며; 그리고 음극 상호연결체 구조물은, 공기 유동 구역을 포함한다. 상기 2개의 구조물이, 상호연결체의 평면을 가로지르는 공기 및 연료의 평행 유동을 허용하도록 구성되는 가운데, 연료를 위한 매니폴드 개구들이, 상호연결체 구조물의 평면을 가로지르는 교차-유동 배향으로 배열된다. 관련 프로세스들이 또한, 연소 기관과 같은 적어도 하나의 파워 블록(power block)에 직접적으로 또는 간접적으로 부착되는, 이러한 유형의 상호연결체를 포함하는 SOFC를 포함하는 발전 시스템과 함께, 설명된다.

Description

내부적으로 연통되는 고체 산화물 연료 전지 적층체를 위한 상호연결체, 그리고 그와 연관된 방법 및 발전 시스템{AN INTERCONNECT FOR AN INTERNALLY-MANIFOLDED SOLID OXIDE FUEL CELL STACK, AND RELATED METHODS AND POWER SYSTEMS}
본 개시는 개괄적으로, 고체 산화물 연료 전지의 분야에 관한 것이다. 일부 특정 실시예에서, 본 발명은, 연료 전지들 내의 활성 영역들을 가로지르는 공기 및 연료의 유동에 영향을 미치는 상호연결체들에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지(SOFC)들은, 다른 연료 전지들과 마찬가지로, 이온 전도 층을 가로질러 연료 및 산화제를 전기화학적으로 결합함에 의해 전기를 생산하는, 에너지 변환 장치이다. 바람직하게, 고온 연료 전지들을 포함하는 발전 시스템들은, 더 높은 효율 및 출력에 대한 잠재력을 구비한다. 예시적인 고온 연료 전지들은, 약 600℃ 위의 작동 온도를 구비하며; 그리고 SOFC들은 전형적으로, 600℃ 내지 850℃ 사이의 범위에서 작동한다. 연료 전지가, 개별적으로 양극 및 음극에서 연료 및 산화제를 이온화 된 원자 수소 및 산소로 촉매 작용을 통해 변화시킴에 의해, 전기를 생산한다. 양극에서의 이온화 과정에서 수소로부터 제거되는 전자들은, 산소를 이온화시키는 곳인, 음극으로 전도된다.
고체 산화물 연료 전지의 경우에서, 산소 이온들은, 산소 이온들이 폐기물로서 물을 형성하고 과정을 완료하기 위해 이온화된 수소와 결합하는 곳인, 전해질을 통해 전도된다. 전해질은, 그렇지 않은 경우, 연료 및 산화제 양자 모두에 대해 불투과성이며, 그리고 단지 산소 이온들만을 전도한다. 이러한 일련의 전기화학적 반응들이, 연료 전지 내부에서 전력을 생성하는 유일한 수단이다. 따라서, 반응물들의 어떠한 혼합을 감소시키거나 또는 제거시키는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면, 전력을 생산하지 않으며 그리고 그에 따라 연료 전지의 효율을 감소시키는, 연소와 같은, 상이한 결과가, 일어날 수 있을 것이다.
전형적인 연료 전지는 약 1 볼트 미만의 전위에서 작동한다. 전력 생성 적용을 위한 충분한 전압을 달성하기 위해, 다수의 개별적인 연료 전지가, 더 큰 구성요소로 통합된다. 연료 적층체를 생성하기 위해, 상호연결 부재 또는 "상호연결체"가, 인접한 전지들의 연료 및 산화제들이 함께 혼합되지 않는 방식으로, 인접한 연료 전지들을 함께 전기적 직렬 상태로 연결하기 위해 사용된다. 상호연결체들은, SOFC 적층체 내에서 중대한 역할을 한다. 이들은, 탁월한 전기 전도성 뿐만 아니라, 상승된 온도에서의 열적 치수적 안정성 및 강도를 나타내야만 한다. 상호연결체들은 또한, 산소 및 수소에 대해, 전지 작동 도중에 그들의 접촉을 방지하기 위해, 불투과성이어야 한다. 이들은 또한, 효율적인 전지 조립 뿐만 아니라 전지를 통한 공기 및 연료의 유동을 허용하는 구성에 따라, 비교적 제작하기 쉬워야 한다.
평면형 전지들을 위한 SOFC 적층체들은, 매우 흔히, 하나 이상의 상호연결체를 통한 전지들의 활성 영역으로의 연료 및 공기의 운반을 위한 내부 매니폴드 채널들에 의존한다. 매니폴드들 및 상호연결체들 내부에서의 이러한 기체상 반응물들의 경로 및 분배는, 적층체 작동에 관해 중요한 영향을 갖기 때문에, 다년간에 걸친 많은 연구의 대상이 되어 왔다. 예를 들어, B07-SOFC; 2009년, 전지들 및 부품들 3판의, J. Jewulski 등의 "전기적 부하 조건들 하에서의 고체 산화물 연료 전지 적층체의 유동 분포 분석"을 참조한다. 전지 내의 채널들을 통한 적절한 가스 유동을 보장하는 것에 부가하여, 상호연결체 구조물은 반드시, 매니폴드 개구들 둘레에 밀봉(전지의 고온 작동을 견딜 수 있는 밀봉)을 효과적으로 제공해야 한다.
전형적인 SOFC 상호연결체 설계에서, 연료 및 공기의 평행 유동(종종 역방향 유동 배열)이, 부분적으로 연료 개질(reformation) 및 에너지 생산으로부터 유발되는 다량의 열로 인해, 연료 전지의 최적의 성능을 위해 바람직하다. 그러나, 역방향 유동 배열은 일반적으로, 연료 포트 및 공기 포트(매니폴드 개구들)가 서로 옆에 놓이는 것을 요구한다. 이러한 인접한 위치는, 일부 경우에, 전지의 유동 영역에 대한 매니폴드의 접근을 바람직하지 않게 감소시킬 수 있으며, 그리고 또한 연료-대-공기 누출의 가능성을 증가시킬 수 있다.
대조적으로, 연료 유동 및 공기 유동이 90º로 교차하는 교차 유동 설계가, 매니폴드 개구들이, 예를 들어, 평면형 상호연결체의 대향하는 측부들 상에서, 서로 이격될 수 있다는 점에서, 흔히 유리하다. 이는, 용이한 제조 및, 공기와 연료 사이의 너무 이른 접촉의 가능성을 최소화하는 것을 허용한다. 그러나, 교차 유동 설계는 때때로, 연료 전지 작동 도중에 큰 온도 구배를 일으키는 경향과 같은, 다른 이유로 불리하다.
이러한 일반적인 고려 사항을 염두에 두고, 고체 산화물 연료 전지를 위한 개선된 상호연결체들이, 당해 기술 분야에서 환영받을 것이다. 아마도 교차 유동 설계 및 역방향 유동(평행) 설계의 이점들을 결합하는, 연료 전지 구조물을 통한 연료 및 공기의 유동을 향상시키는 상호연결체 구성은, 특히 바람직할 것이다. 상호연결체들은 또한, 공기 및 연료 유동이 반드시 엄격하게 제어되거나 방지되어야만 하는 곳인, 임의의 매니폴드 개구 또는 다른 통로 주변에 밀봉 구조물들을 제공할 수 있어야 한다. 더불어, 상호연결체들은, 제작하기에, 그리고 산업적 규모에서 완전한 SOFC 전력 생산 적층체로 조립하기에, 비교적 쉬워야 한다.
본 발명의 일 실시예가, 음극 상호연결체 구조물에 인접하며 그리고 그와 통합되는 적어도 하나의 양극 상호연결체 구조물을 포함하는, 내부적으로 연통되는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)를 위한 상호연결체에 관련된다. 양극 상호연결체 구조물은, 연료 유동 구역을 포함하며; 그리고 음극 상호연결체 구조물은, 공기 유동 구역을 포함한다. 상기 2개의 구조물은, 상호연결체의 평면을 가로지르는 공기 및 연료의 평행 유동을 허용하도록 구성되는 가운데, 양극 상호연결체 구조물 및 음극 상호연결체 구조물 양자 모두를 위한 매니폴드 개구들이, 교차-유동 배향으로 배열된다.
다른 실시예가, 연료 매니폴드 개구들이 상호연결체 표면 상에 교차-유동 배향으로 배열되는, 내부적으로 연통되는 SOFC 적층체를 위한 평면형 상호연결체 표면을 가로지르는 공기 및 연료의 평행 유동을 제공하는 방법에 관련된다. 이러한 방법은, 양극 상호연결체와 음극 상호연결체 사이에 개재되는 매니폴드 플레이트 구조물 내의 연료-경로 배정 통로(fuel-routing pathway)들을 통해 연료의 유동을 유도하는 단계를 포함한다. 연료-경로 배정 통로들은, 연료의 유동을, 평면형 상호연결체 표면을 가로지르는 공기의 유동에 대해, 교차-유동 배향으로부터 평행 유동 배향으로, 재유도하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 적어도 하나의 파워 블록에 직접적으로 또는 간접적으로 부착되는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)를 포함하는, 발전 시스템에 관련된다. 이하에 추가로 설명되는 바와 같이, SOFC는, 음극 상호연결체 구조물에 인접하며 그리고 그와 통합되는, 적어도 하나의 양극 상호연결체 구조물을 포함한다. 양극 상호연결체 구조물은, 연료 유동 구역을 포함하며; 그리고 음극 상호연결체 구조물은, 공기 유동 구역을 포함한다. 상기 2개의 구조물은, 상호연결체의 평면을 가로지르는 공기 및 연료의 평행 유동을 허용하도록 구성된다. 양극 상호연결체 구조물 및 음극 상호연결체 구조물 양자 모두를 위한 매니폴드 개구들은, 교차-유동 배향으로 배열된다.
다양한 발명 실시예에 대한 이런 저런 세부사항들 및 특징들이, 도면들과 함께 취해지는, 뒤따르는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은, 본 발명의 실시예들을 위한 연료 유동 구역을 보여주는, 연료 전지 상호연결체 구조물의 일부분에 대한 개략도이다.
도 2는, 본 발명을 위한 공기 유동 구역을 보여주는, 연료 전지 상호연결체 구조물의 다른 부분에 대한 개략도이다.
도 3은, 일부 발명 실시예에 따른, 연료 전지 상호연결체 구조물을 위한 연료 유동 경로에 대한 단순화된 도면이다.
도 4는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 복층형 상호연결체 구조물의 개략도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 연료 유동 경로를 모델링하기 위해 사용되는, SOFC를 위한 양극 상호연결체 구조물의 도면이다.
도 6은, 본 발명에 따른 연료 유동 경로를 모델링하기 위해 사용되는, SOFC를 위한 다른 양극 상호연결체 구조물의 도면이다.
도 7은, 도 5 및 도 6에 의해 예시되는 일련의 유동 채널 모델들에 기초하게 되는, 연료 속도 변동 그래프이다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소들을 소개할 때, 부정관사, 정관사 및 "상기"는, 달리 지시되지 않는 한, 하나 이상의 요소가 존재한다는 것을 의미하도록 의도된다는 것을 알아야 한다. 더불어, 용어 "및/또는"은, 하나 이상의 연관된 열거된 품목의 임의의 그리고 모든 조합을 포함한다. 용어들 "포함하는", "구비하는", 및 "갖는"은, 포괄적이도록 그리고, 열거된 요소들과 상이한 부가적 요소들이 존재할 수 있다는 것을 의미하도록, 의도된다. 명세서 및 청구항들 전체에 걸쳐 사용되는, 근사 언어는, 그에 관련되는 기본적인 기능의 변경을 초래함 없이 변화가 허용될 수 있는, 임의의 양적인 표현을 수정하기 위해 적용될 수 있을 것이다. 따라서, "약" 또는 "실질적으로"와 같은, 용어 또는 용어들에 의해 수정되는 값이, 구체화되는 정확한 값으로 국한되지 않는다. 일부의 경우에, 근사 언어는, 값을 측정하기 위한 도구의 정밀도에 대응할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들을 위한 상호연결체(10)의 일부분이, 도 1 및 도 2에 도시된다. 단순하게 보면, 양극 상호연결체 구조물(12)이, 음극 상호연결체 구조물(14)과 나란하게 도시된다. (간결함을 위해, 구조물들은 때때로, 개별적으로 "양극 상호연결체" 및 "음극 상호연결체"로, 본 명세서에서 지칭된다.) 실제로, 양극은, 음극 상호연결체와 통합된다. 전형적으로, 음극 상호연결체(14)는, 선택된 패턴의 양극 가스 통로 및 음극 공기 통로를 포함하는 강성 플레이트를 형성하도록, 양극 상호연결체(12) 위에 배치되며, 그리고 양극 상호연결체에 부착된다. (다른 개입하는 플레이트 구조물들이 통상적으로, 이하에 추가로 설명되는 바와 같이, 구조물들(12)(14) 사이에 배치된다.)
일부 실시예에서, 양극 상호연결체 및 음극 상호연결체는, 실질적으로 평면형의 플레이트들이다. 도면들에 묘사되는 플레이트들은, 평면을 가로지르는 6각 형상이지만, 이들은, 연료 전지에 대한 주어진 제조 및 작동 시나리오에 적절한 임의의 형성 일 수 있다. (또한 아래에 설명되는 바와 같이, 각 플레이트 내부의 활성 영역은 흔히, 실질적으로 정사각 형상이다.) 각 활성 영역의 주변 영역은, 공기와 연료가 서로 접촉하는 것을 방지하기에 충분한 구조로, 매니폴드 개구들을 둘러싸고 밀봉하는, 밀봉체를 포함한다.
상호연결체들은 통상적으로, SOFC들의 더 높은 온도 특성에서 작동 가능한, 전기 전도성 재료로 제작된다. 비제한적인 예들이, 스테인리스 스틸들, 니켈, 니켈 합금들, FeCr 합금들, 니크롬, 금, 은, 백금, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 또는 이들의 다양한 조합을 포함한다. 스테인리스 스틸 및 관련된 합금들이 흔히 바람직하다.
양극 상호연결체(12)는, 연료 유동 구역(24)을 포함한다. 음극 상호연결체(14)는, 공기 유동 구역(26)을 포함한다. 당해 기술 분야에 공지된 바와 같이, 2개의 유동 구역은, 총체적으로, 전지의 평면형 활성 영역을 한정한다. 각각의 유동 구역은 통상적으로, 일련의 길이 방향의 평행한 통로들로서, 예를 들어 물결 모양 채널(corrugated channel)들로서, 형성된다. 채널들은 전형적으로, 매니폴드들에 의해 공급되며 그리고, 연료-공기 반응이 단지 특정 시점 및 위치에서만 일어나는 것을 허용하는 경로 배정 구조에 따라, 적절한 매체(연료 또는 공기)를 운반한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 메탄 및 다른 경질 탄화수소들과 같은, 다수의 연료가, SOFC들을 위해, 사용될 수 있다. 가솔린, 디젤 연료, 제트 연료, 또는 바이오연료들과 같은, (흔히 외부적으로 개질되는) 더 무거운 탄화수소들이, 또한 사용될 수 있다. SOFC 내로 흡입되는 것은 또한, 이산화탄소, 일산화탄소, 물 및 수소를 포함할 수 있다.
연료 유동 구역(24) 및 공기 유동 구역(26)은, (동일 방향 유동 또는 역방향 유동인) 평행 유동을 제공하기 위해 정렬될 수 있다. 부분적으로, 주어진 높이의 연료 전지 적층체 내부에서의 열의 더욱 균일한 분배로 인해, 즉, 다양한 적층체 높이의 표면을 가로지르는 더욱 유리한 열 구배로 인해, 잠재적으로 더 양호한 전지 성능을 제공하는, 평행 유동이, SOFC들에서, 유리할 수 있다. 일부의 경우에, 평행 동일 방향 유동이, 하나 이상의 외부적 개질 시스템을 포함하는 SOFC 시스템들을 위해 바람직하다. 평행 역방향 유동이 흔히, 내부적으로 개질되는 SOFC 시스템들을 위해 바람직하다.
앞서 언급된 바와 같이, 연료를 양극 챔버로 그리고 공기를 음극 챔버로 경로 배정하는, 내부 매니폴드들을 포함한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 내부 매니폴드들은, 연료 전지 케이스(15) 내부에 위치하게 되는 셀프-수용 반응물 운반 시스템들이다. 이들은 단지, 작동될 외부 반응물 탱크들 또는 다른 외부 반응물 공급원들에 대한 연결을 요구한다.
도 1을 계속해서 참조하면, 특히, 연료 유동 구역의 매니폴드 개구들(16, 18)이 도시된다. 연료 유입 매니폴드(16)는, 연료 배출 매니폴드(18) 반대편에 배치된다. 그들의 구체적 위치는, 각각 치수 "D"를 따라 변할 수 있지만, 통상적으로, 이들은, 상기 치수에 대한 각각의 중간 지점에 비교적 가깝게 놓인다. 더불어, 설계 구조들은 또한, 유입 매니폴드(16) 및 배출 매니폴드(18)의 도시된 위치가 반전되는 것을 허용한다.
공기 매니폴드 개구들(20, 22)이 또한 도면에 도시된다. 공기 유입 매니폴드(20)는 공기 배출 매니폴드(22) 반대편에 배치된다. 연료 매니폴드 개구들의 경우에서와 같이, 공기 매니폴드 개구들의 구체적 위치는, 치수 "D1"을 따라 변할 수 있지만, 이들은 상기 치수의 중간 지점에 가깝게 놓인다. 상대적 위치는, 또한 전환될 수 있을 것이다. 더불어, 대략 서로 평행한, 복수의 공기 배출 매니폴드 및 유입 매니폴드가, 사용될 수 있을 것이다. 도 1 및 도 2에서, 중앙의 공기 매니폴드들(20, 22)이 묘사되고 참조 부호로 지시되지만, 옵션으로, 인접한 매니폴드 개구들이 또한 도시된다. 매니폴드들의 가장 적절한 개수는, 상호연결체를 통한 공기 유동의 요구되는 양 및 패턴을 포함하는, 본 명세서에서 논의되는 많은 인자들에 의존할 것이다.
도 1에 도시되는 매니폴드 개구의 교차-유동 배향은, 매우 유리할 수 있다. 예를 들어, 이러한 방식으로 정렬되는 매니폴드들은, 제조하기에 그리고 연료 전지 적층체로 통합하기에 비교적 용이하다. 더불어, 교차-유동 배향은 흔히, 상호연결체의 "공기 측부" 상에서의 더 양호한 유체 유동 분포를 촉진한다. 나아가, 교차 유동은, 연료 전지 내부에서의 더 양호한 밀봉을 허용할 수 있다. 당업자들은, SOFC들과 같은 고온 연료 전지들 내에서의 밀봉체의 무결성이, 장치의 사용 가능 수명을 유지하기 위한 핵심 파라미터들 중 하나라는 것을, 이해한다.
도 1에 도시된 구성은, 연료 유입 매니폴드(16)에서의 대략적 중간 지점으로부터 양극 상호연결체 구조물(12)의 모서리 영역(30)으로 연장되는 연료 통로(28)를 포함한다. 그러한 위치로부터, 연료는, (일반적으로 유동 구역(24)의 표면 아래에 놓이는) 하나 이상의 머리쪽 채널(header channel)(31)을 통해 유도된다. 머리쪽 채널들을 빠져 나가는 연료는, 상호연결체 경계부/측부(32)로부터 멀어지게, 제1 측부(32) 반대편의 제2 경계부/측부(34)를 향해, 적당한 평행 통로들(즉, 유동 채널들)을 통해 유도된다. 연료 통로는 일반적으로, 하나 이상의 발쪽 채널(33)로 그리고, 또한 유동 구역 표면 아래에서, 하나 이상의 발쪽 채널(33)을 통해 연장된다. 연료 경로는 이어서, 연료 매니폴드(18)에서 빠져 나가도록, 상호연결체 구조물의 평면을 가로질러, 모서리 영역(30)의 대각선 방향 반대편의 모서리 영역(36)으로 이어진다.
이러한 설명 및 도 1로부터, 연료 유입 매니폴드(16)로부터 연료 배출 매니폴드(18)까지의 연료 유동 구역은, 양극 상호연결체 구조물의 활성 영역을 가로지르는 사인파 형상이라는 것이 분명할 것이다. 도 3은, 도1과 유사한, 평면형 상호연결체(44)를 가로지르는 연료 유입 매니폴드(40)로부터 연료 배출 매니폴드(42)로의 유동의 대략적 방향에 대한 단순화된 도면이다. 실제로, 연료 유동(36)은, 상호연결체(44)의 여러 유동 채널들(본 도면에 구체적으로 도시되지 않음)을 통해, 방향(46)으로, 펼쳐지게 된다. 구체적인 "사인파 형상"은, 예들에서 논의되는 바와 같이, 얼마간 변할 수 있다.
도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 유입 매니폴드(20)로부터 배출 매니폴드(22)로 유동하는, 공기 유동(48)이 도시된다. 이러한 방식으로, 공기 유동은, 비록 매니폴드 개구들이 교차-유동 배향으로 놓임에도, (도시된 바와 같은) 역방향 유동 또는 동일 방향 유동 배열로, 연료 유동에 대해 평행하다. 앞서 언급된 바와 같이, 매니폴드 개구들의 교차 지향 배향에 따라, 평행 유동은, SOFC 작동에 대한 일부 핵심 이점을 제공한다.
보기 편한 분해된 형태로, 상호연결체(60) 및 그의 구성요소들을 도시하는, 도 4는, 본 발명의 더욱 구체적인 실시예를 나타낸다. 이러한 실시예에서, 4개의 플레이트가, 즉, 양극 상호연결체 구조물(62)(연료), 매니폴드 플레이트(64), 분리 플레이트(66), 음극 상호연결체 구조물(68)(공기)이, 도시된 예시적인 순서로 부착된다. 연료 유입 매니폴드(70)가, 연료 배출 매니폴드(72) 반대편에 배치되며, 그리고 그들의 상대적인 위치가, 도 1의 실시예에서 언급된 바와 같이, 유동 경로(74)의 치수를 따라 또한 변할 수 있다. 공기 매니폴드 개구들(76, 78) 또한, 상호연결체 구조물 내에 도시된다. 공기 유입 매니폴드(76)는 공기 배출 매니폴드(78) 반대편에 배치된다. (이 도면에 도시되는 유동 채널들의 개수는, 의도되는 표현을 단순화하기 위해 감소된다.)
매니폴드 플레이트(64)는, 개별적으로 양극 상호연결체 구조물(62)의 연료 매니폴드들(70, 72)과 수직으로 정렬되는, 연료 매니폴드 개구들(80, 82)을 포함한다. 유사하게, 플레이트(64) 상의 공기 매니폴드들(84, 86)은, 개별적으로 공기 매니폴드 개구들(78, 76)과 수직으로 정렬된다.
매니폴드 플레이트는, 일련의 연료 경로 배정 통로들(88)을 더 포함한다. 이들은, 연료의 경로를 재유도하기 위해, 특정 형상 및 배향으로 형성된다. 유입 매니폴드(70)를 통해 진입하는 연료는, 달리 공기 경로에 대해 교차 지향인 방향으로부터, 공기 경로에 대해 평행한 방향(즉, 동일 방향 유동 또는 역방향 유동)으로 재유도된다.
여러 경로 배정 통로들(88)은 기하학적으로 각 연료 경로를 왔다 갔다 하도록 설계되며, 따라서 연료가, 개별적으로 연료 매니폴드 개구들(80, 82)로부터, 머리쪽 채널 및 발쪽 채널(81, 83)로 유도될 수 있도록 한다. 이러한 방식으로, 연료 유입 매니폴드로부터 연료 배출 매니폴드로의 전체 연료 경로가, 도 3에 도시된 바와 같이, 사인파 형상이 된다. 경로 배정 통로들은, 펀칭, 스탬핑, 압연, 압입(indenting), 단조, 및 다이-성형과 같은 다양한 금속 성형 기법들에 의해, 매니폴드 플레이트의 깊이 이내에 형성될 수 있다. 경로 배정 통로들(88)에 대한 가장 적절한 구성은, 과도한 노력 없이, 다양한 실제 유동 테스트 및 소프트웨어 기반 유동 모델에 의해 결정될 수 있다.
상호연결체(60)는, 하나 이상의 분리 플레이트(66)를 포함할 수 있을 것이다. 상호연결체의 다양한 높이들 사이에 전기적 연결을 제공하는 것에 부가하여, 각 분리 플레이트는 또한, 산소 유동과 연료 유동을 물리적으로 분리하며, 이는 모든 연료 전지들에 대한 중요한 요건이다. 분리 플레이트는 또한, 상호연결체를 강화시키는 것을 그리고 그의 물리적 무결성을 향상시키는 것을 지원할 수 있다.
대부분의 실시예에서, 분리 플레이트(66)는, 매니폴드 플레이트(64)의 경우에서와 같이, 연료 유동의 방향을 변경하도록 기능하지 않는다. 분리 플레이트는 단순히, 상호연결체의 다른 평행한 플레이트들 내의 개구들과 정렬되는 개구들을 통한 연료 및 공기의 통과를 허용한다. 예를 들어, 분리 플레이트는, 개별적으로 매니폴드 플레이트(64)의 매니폴드들(80, 82)과 수직으로 정렬되는, 연료 매니폴드 개구들(92, 94)을 포함한다. 유사하게, 공기 매니폴드들(96, 98)은, 개별적으로 플레이트(64) 상의 공기 매니폴드 개구들(86, 84)과 수직으로 정렬된다.
음극 상호연결체 구조물(68)은, 분리 플레이트 아래에 배치되며, 그리고 상호연결체의 다른 플레이트들 내의 개구들과 정렬되는 매니폴드 개구들을 포함한다. 따라서, 연료 매니폴드 개구들(100, 102)이, 개별적으로 매니폴드들(92, 94)과 수직으로 정렬된다. 공기 매니폴드 개구들(104, 106)이, 개별적으로, 개구들(96, 98)과 정렬된다. 음극 상호연결체의 작동은 앞서 설명된 바와 같다. 매니폴드 플레이트(64)의 전체 구조물 내로의 통합은 효과적으로, 심지어 양극 상호연결체의 연료 매니폴드들이 교차-유동 배향으로 배열될 때에도, 연료 유동 경로(74)에 대해 평행한 공기 유동 경로(108)를 초래한다. 도 4는 역방향 유동 배열을 도시하지만, 각 플레이트 높이에서의 매니폴드들의 상대적 위치의 변동이, 연료 및 공기의 동일 방향 유동 배향을 가능하게 할 것이다.
도 4에 대해 계속해서 참조하면, 4개의 플레이트(62, 64, 66, 68)는, 통상적인 기법들에 의해 서로 부착될 수 있다. 비제한적인 예들이, 볼트 체결 또는 클램핑과 같은 기계적 수단, 또는 브레이징, 용접, 또는 접착제에 의한 접합과 같은 다른 기법들을 포함한다. 더불어, 다수의 변화가, 도 4의 실시예들에 관해 예상된다. 예를 들어, 상호연결체 내의 구성요소들은, 위치에 관해 반전될 수 있다. 매니폴드 플레이트가 양극 상호연결체에 인접하게 유지된다는 조건과 더불어, 양극 상호연결체(62)가 상호연결체의 바닥에 위치하게 될 수 있는 가운데, 음극 상호연결체(68)가 상호연결체의 상부에 위치하게 될 수 있다.
더불어, 4개의 별개의 구별되는 플레이트가 도 4에 도시되지만, 다른 배열들이 또한 가능하다. 예를 들어, 양극 상호연결체(62) 및 매니폴드 플레이트(64)는, 다양한 연료 경로 배정 통로들(88)이 사전에 구축되었다고 가정하면, 단일 부품으로 형성될 수 있다. (앞서 기술된 바와 같은) 다양한 기계적 기법들이, 가능하게는 금속-에칭 작업과 함께, 그러한 부품을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 사실, 분리 플레이트(66) 또한, 플레이트들(62, 64)의 결합된 구조물의 부분으로서 형성될 수 있다. 대안적으로, 분리 플레이트(66)는, 유사한 유형의 제조 기법들을 통해, 음극 상호연결체 구조물(68)과 하나의 부품으로 형성될 수 있다. 유사한 구조물들이 또한, 예를 들어, 스탬핑 기법 또는 압인 기법에 의해, 또는 3-D 인쇄에 의해, 제작될 수 있다.
본 명세서에 설명되는 상호연결체는, 가장 흔하게, 음극-전극-양극 구조물의 일단부 또는 타단부 상에 부착되는, SOFC 적층체의 구성요소이다. 그러한 SOFC 적층체의 물리적 및 전기적 배열은 당해 기술 분야에 공지된다. 이러한 연료 전지 적층체들에 대한 비제한적인 설명들이, 양자 모두 참조로 본 명세서에 통합되는 것인, 국제 머티리얼스 리뷰스(International Materials Reviews)[53:1, 39054, DOI (2008)]에 실린, Z. Yang의 "고체 산화물 연료 전지들을 위한 금속 상호연결체들에서의 최근의 진보"; 및 (Chung 등에 허여된) 미국 특허 제6,824,910호와 같은, 많은 참조문헌들에서 확인될 수 있다.
당업자는, 전류 수집기(current collector)들, 부가적 분리 플레이트들, 밀봉 및 절연 시스템들, 열 교환기들, 시스템 제어 프로세서들, 연료 및 공기 저장 탱크들, 압축 메커니즘들, 유전체 격리 시스템들 등과 같은, SOFC 적층체와 연관되는 많은 부가적 구성요소들이 존재할 수 있다는 것을 이해한다. SOFC 적층체 내부의 전지들은, 적층체의 전압을 올리기 위해 직렬로 연결될 수 있을 것이다. 더불어, SOFC 적층체는, 장치의 전류 생성 능력을 증가시키기 위해 다른 적층체들과 병렬로 연결될 수 있을 것이다. 일부의 경우에, 연료 전지들의 적층체가, 약 10개의 전지 또는 그 미만을 포함할 수 있는 가운데, 다른 경우에, 수 백 개의 전지들이 적층체 내부에 함께 부착될 수 있을 것이다.
본 발명의 다른 실시예가 발전 시스템에 관련된다. 시스템은, 본 명세서에 설명되는 상호연결체를 포함하는 적어도 하나의 SOFC 적층체를 포함한다. (가스 터빈, 증기 터빈, 연소 기관, 또는 부가적 연료 전지와 같은) 임의의 유형의 파워 블록에 연결되는 SOFC 적층체를 구비하는 다양한 발전 시스템들이, 본 발명의 범위 내에 속한다. SOFC-발전 시스템들의 비제한적인 예들이, 모두 참조로 본 명세서에 통합되는 것인, 미국 특허 공개번호 제2012/0251898 A1호(M. Lehar 등; 2011년 3월 31 출원); 미국 특허 공개번호 제2012/0251899 A1호(M. Lehar 등; 2011년 3월 31 출원); 및 미국 특허 공개번호 제2013/0260268 A1호(Shapiro 등; 2013년 5월 31 출원)에 설명된다.
일부 실시예에서, SOFC 적층체(본 명세서에서 단순함을 위해 "연료 전지"로 지칭됨)는, 테일 가스(tail gas)를 생성하도록 구성되는 양극을 포함하며, 그리고 탄화수소 연료 개질 시스템에 직접적으로 또는 간접적으로 부착된다. 개질 시스템은, 연료 전지의 하류에서, 탄화수소 연료를 연료 전지 테일 가스와 혼합하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 탄화수소 연료 및 연료 테일 가스의 적어도 일부분이, 이산화탄소(CO2)를 포함하는 개질된 연료 흐름으로 변환된다. 결국, 개질된 연료 흐름의 적어도 일부분은, 미국 특허 공개번호 제2013/0251898호에 설명된 바와 같이, 연료 전지의 유입구로 다시 전달된다. 나머지 개질된 연료 흐름의 전부 또는 일부는, 시스템으로부터 제거되며 그리고 다른 장소로, 예를 들어, (전체 연료 전지-발전 시스템에 또한 부착될 수 있는) CO2 제거 시스템으로, 유도된다.
이상에 설명되는 연료 전지-발전 시스템은 일반적으로, 터빈 또는 연소 기관, 예를 들어 내연 기관과 같은, 이상에 기술된 적어도 하나의 파워 블록을 포함한다. 터빈 또는 기관은, 적어도 부분적으로 앞서 논의된 개질된 연료 흐름의 다른 부분에 의해, 연료를 공급받을 수 있는 "바닥 사이클(bottoming cycle)"로 지칭될 수 있다. 연소 기관 또는 다른 동력 장치는, 결국, 발전기 또는, 펌프 또는 압축기와 같은, 다른 부하물에 결합될 수 있다. 동력 장치로부터의 잔열(Residual heat)이 또한 순환될 수 있으며 그리고, 예를 들어 미국 특허공개 제2013/0260268호에 설명된 바와 같이, 다른 "작동 루프(operational loop)"에서 재사용될 수 있다. 당업자는, 이러한 유형의 시스템이, 연료 전지에 의해 생산되는 전기, 그리고 파워 블록 및 다른 부착된 유닛들에 의해 생산되는 기계적 일 및/또는 부가적 전기를 포함하는, 복합 발전소(combined cycle power plant)인 것으로 간주된다는 것을 이해한다. 분명하게, 그러한 시스템의 핵심 구성요소는, 고온 SOFC와 같은 연료 전지이다. 따라서, 본 명세서에 설명된 바와 같은, 전지 성능을 향상시키기 위한 연료 전지 내부의 상호연결체 구조물들의 향상은 또한, 전체 연료 전지-발전 시스템의 효율을 개선한다.
본 발명의 또 다른 실시예가, 연료 매니폴드 개구들이 상호연결체 표면 상에 교차-유동 배향으로 배열되는, 내부적으로 연통되는 SOFC 적층체를 위한 평면형 상호연결체 표면을 가로지르는 공기 및 연료의 평행 유동을 제공하는 방법에 관련된다. 이상에 설명된 바와 같이, 연료 매니폴드 개구들을 교차-유동 배향으로 유지하는 가운데, 공기 및 연료의 평행 유동(예를 들어, 역방향 유동)을 제공하는 것에 상당한 이점들이 존재한다. 이러한 방법은, 양극 상호연결체와 음극 상호연결체 사이에 개재되는 매니폴드 플레이트 구조물 내의 연료-경로 배정 통로들을 통해 연료의 유동을 유도하는 단계를 포함한다. (이상에 언급된 바와 같이, 전체 구조물은 또한, 적어도 하나의 분리 플레이트를 포함할 수 있다) 또한 앞서 설명된 바와 같이, 매니폴드 플레이트 구조물의 연료-경로 배정 통로들은, 유동의 방향을, 평면형 상호연결체 표면을 가로지르는 공기의 유동에 대해, 교차-유동 배향으로부터 평행 유동 배향으로, 재유도 또는 "전환(switch)"하도록 구성된다.
예들
이상에 논의된 SOFC 상호연결체 구성을 위한 다양한 연료-유동 구성의 성능이, CFX/Ansys® 모델링 소프트웨어를 사용하여 평가되었다. 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 물을 함유하는, 전형적인 연료 조성이, 모델을 위해 사용되었다. 더불어, 연료가, 외부 공급원으로부터, 머리쪽 채널 내로 그리고 그를 가로질러, 하류의 활성 영역 내의 일련의 유동 채널들로, 그리고 이어서 출구 지점으로 진입하는, 도 1 내지 도 4의 구성과 유사한 구성이, 모델에 투영되었다. 아래에 논의되는 바와 같이, 모델은, 비교를 위한 교차 유동 구성과 함께, 본 발명에 따라 배향되는 매니폴드들을 갖는, 평행 유동을 위한 샘플들을 포함한다.
또한 "케이스 0"으로도 지칭되는, 도 5는, 본 발명에 따른 하나의 구성을 나타낸다. 연료 매니폴드들(120, 122)이 서로 반대편에 배치되며 그리고, 2차원 도면에 따르면, 상부에서 하부 방향으로 연료의 유동을 허용하는, 유동 구역(126)을 가로지르는 24개의 평행 유동 채널(124)의 계획된 세트가, 도시된다. 본래 모델링 작업에서, 연료 유동의 속도를 나타내는 상이한 색상들을 갖는, 색상 코드가 사용되었다. (즉, 채널로부터 채널로의) 유동 채널들에 대한 인증된 색상들에 더 가까우면, 연료 유동은 더 균일했다. 일반적으로, 더 균일한 연료 유동이, 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 매우 바람직하다.
도 5의 경우에, 유동 채널의 중앙 영역 내의, 즉 약 12개의 채널들의 폭 이내의, 약 0.6-0.8 m/s의 평균 속도를 갖는, 유동 채널들은 일반적으로, 색상이 매우 비슷했다(파랑색/파랑색-초록색으로 지정됨). 약 0.8-1.2 m/s의 평균 속도를 갖는, 각 측부의 다음 3개의 외측 채널들에 대해, 색조(color-shading)는, 약간의 변화를 보였다(초록색으로 지정됨). 색상-변화는, 약 1.2-1.7 m/s의 평균 속도를 갖는, 가장 외측의 채널들, 즉 대략 각 측부 상의 마지막 3개에 대해, 더욱 눈에 띄었다(노랑색/노랑색-초록색). 따라서, 색상-변화가 유동의 비균일성의 정도를 지시하는 가운데, 균일성의 전체 양은, 본 발명의 대부분의 실시예들을 위해 충분하다.
또한 "케이스 7"로도 지칭되는, 도 6은, 본 발명에 따른 다른 구성을 나타낸다. 연료 매니폴드들 및 유동 채널 설계가 도 5의 모델에 대한 것과 동일했지만, 아래에 놓이는 경로 배정 통로들(미도시)의 (모델링된 바와 같은) 구체적 구성은, 어느 정도 조절되었다. 이는, 도 6에 도시된 바와 같이 그리고 색상의 더 높은 균일성(몇 개의 최외각 채널들에 대한 초록색과 더불어, 대부분의 채널들에 대한 파랑색-초록색)에 의해 입증되는 바와 같이, 채널로부터 채널로의, 연료 유동의 관점에서 얼마간 더 양호한 균형을 야기했다. 채널들을 가로지르는 평균 속도는, 약 0.8-1.2 m/s 였다.
도 7은, 도 5 및 도 6에 의해 예시되는 일련의 유동 채널 모델들에 기초하게 되는, 연료 속도 변동 그래프이다. 도 7에서, 채널 번호의, 즉, 이전 도면들에 도시된 바와 같이, 유동 구역 내의 한 세트의 유동 채널들을 가로지르는 채널 위치의, 함수로서 작도된다. 유동 곡선(130)은, 본 발명 외의 교차 유동 구성에 대한 연료 속도 변동을 나타낸다. 대체로, 연료 유동은, 균형이 좋고 균일하다.
도 7을 계속 참조하면, 유동 곡선(132)은 앞서 설명된 "케이스 0(도 5)"에 대한 연료 속도 변동을 나타낸다. 이 경우에, 유동 균일성은, 최적화되지 않으며, 그리고 이 곡선은, 유동 곡선(130)보다 더 큰 변동을 보여준다. 유동 곡선(134)은, 또한 앞서 설명된, "케이스 7(도 6)"을 나타낸다. 연료 유동은, 비록 교차 유동 곡선(130)과 연관되는 유동만큼 균일하지 않지만, "케이스 0"의 연료 유동보다 더욱 균일하다. 그러나, 이상에 언급된 바와 같이, "케이스 0" 및 "케이스 7" 양자 모두는, 본 명세서에 설명되는 여러 SOFC 상호연결체 구조물들을 위해 매우 수용 가능한, 연료 유동 패턴들을 나타낸다. 더불어, 예를 들어 이상에 설명되는 경로 배정 채널들을 갖는 유동 구성에 대한 부가적인 변동은, 본 발명에 따른 연료 유동 패턴들 및 특성들을 더욱 최적화하는 것으로 믿어진다.
경로 배정 통로들의 구성이 추가로 변화된, 부가적인 모델링이, 수행되었다. 일부의 경우에, 투영(projection)들이 또한, 채널들 중의 일부가 차단된, 예를 들어 수평의 머리쪽 채널들을 따라 차단된, 상태에 대해 이루어졌다. 일반적으로, 비록 중요한 인자이지만, 연료 유동 균일성이, 연료 전지 성능에 영향을 미치는 다른 인자들과 균형을 이룰 필요가 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 모델링이 유동 채널들의 그룹이 차단되거나 또는 짧아지도록 요구한 일부 경우에, 더 높은 유동 균일성이, 즉 "케이스 7"보다 더 우수한 유동 균형이, 명백했다. 그러나, 전체 유동 구역의 감소된 크기는, 연료 전지 반응에서 효과적으로 전력을 만들기 위한 더 적은 영역을 제공한다.
이러한 작성된 설명은, 최상의 모드를 포함하는 본 발명을 개시하기 위해, 그리고 또한 당해 기술 분야의 임의의 숙련자가, 임의의 장치들 또는 시스템들을 만들고 사용하는 것 및 임의의 통합된 방법들을 실행하는 것을 포함하는, 본 발명을 실행하는 것을 가능하게 하기 위해, 예들을 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는, 청구항들에 의해 한정되며, 그리고 당업자들에게 일어나는 다른 예들을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 다른 예들은, 이들이 청구항들의 문자 그대로의 언어와 상이하지 않은 구조적 요소들을 구비하는 경우, 또는 이들이 청구항들의 문자 그대로의 언어와 실질적이지 않은 차이를 갖는 균등한 구조적 요소들을 포함하는 경우, 청구항들의 범위 이내에 속하는 것으로 의도된다.
10: 상호연결체 12: 양극 상호연결체 구조물
14: 음극 상호연결체 구조물 15: 연료 전지 케이스
16: 연료 유입 매니폴드 18: 연료 배출 매니폴드
20: 공기 유입 매니폴드 22: 공기 배출 매니폴드
24: 연료 유동 구역 26: 공기 유동 구역
28: 연료 통로 30: 양극 상호연결체의 모서리 영역
31: 머리쪽 채널 32: 제1 측부
33: 발쪽 채널 34: 제2 측부
36: 하부 우측 모서리 영역 40: 연료 유입 매니폴드
42: 연료 배출 매니폴드 44: 상호연결체
46: 연료 유동에 대한 방향 화살표 48: 공기 유동의 방향
60: 상호연결체 62: 양극 상호연결체
64: 매니폴드 플레이트 66: 분리 플레이트
68: 음극 상호연결체 구조물 70: 연료 유입 매니폴드
72: 연료 배출 매니폴드 74: 유동 경로
76: 공기 매니폴드 개구 78: 공기 매니폴드 개구
80: 연료 매니폴드 개구 84: 공기 매니폴드
86: 공기 매니폴드 88: 연료 경로 배정 통로들
90: 유동 구역 92: 연료 매니폴드 개구
94: 연료 매니폴드 개구 96: 공기 매니폴드
98: 공기 매니폴드 100: 연료 매니폴드 개구
102: 연료 매니폴드 개구 104: 공기 매니폴드 개구
106: 공기 매니폴드 개구 108: 공기 유동 경로

Claims (20)

  1. 음극 상호연결체 구조물에 인접하며 그리고 그와 통합되는 적어도 하나의 양극 상호연결체 구조물을 포함하는, 내부적으로 연통되는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)를 위한 상호연결체로서,
    양극 상호연결체 구조물은 연료 유동 구역을 포함하고, 음극 상호연결체 구조물은 공기 유동 구역을 포함하며, 양극 상호연결체 구조물 및 음극 상호연결체 구조물은 상호연결체의 평면을 가로지르는 공기 및 연료의 평행 유동을 허용하도록 구성되고,
    양극 상호연결체 구조물 및 음극 상호연결체 구조물 양자 모두를 위한 매니폴드 개구들이 교차-유동 배향으로 배열되어, 양극 상호연결체 매니폴드 개구로부터의 연료의 유동이, 상기 상호연결체의 평면을 가로질러, 음극 상호연결체 매니폴드 개구로부터의 공기의 유동에 대하여 역방향 유동 방향인 것인, 상호연결체.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    인접한 양극 상호연결체 구조물 및 음극 상호연결체 구조물은 각각, 상호연결체를 형성하기 위해 서로에 대해 부착되는 실질적으로 평면형의 플레이트들인 것인, 상호연결체.
  4. 제 3항에 있어서,
    제1 표면 및 제1 표면 반대편의 제2 표면을 포함하며, 상기 표면들은 각각, 각각 연료 유동 구역 및 공기 유동 구역으로서 기능하는 종방향 유동 통로들을 포함하는 것인, 상호연결체.
  5. 제 4항에 있어서,
    연료 유동 구역 및 공기 유동 구역은 총체적으로, 연료 전지의 평면형 활성 영역을 한정하는 것인, 상호연결체.
  6. 제 5항에 있어서,
    연료 전지의 평면형 활성 영역은, 평면을 가로질러 정사각 형상이고; 그리고, 하나의 변에 인접한 적어도 하나의 공기 유입 매니폴드가, 반대편 변에 인접한 적어도 하나의 공기 배출 매니폴드와 대향하도록, 상기 매니폴드 개구들은, 정사각형의 4개의 변에 인접하게 위치하게 되며; 그리고
    하나의 변에 인접한 적어도 하나의 연료 유입 매니폴드가, 반대편 변에 인접한 적어도 하나의 연료 배출 매니폴드와 대향하는 것인, 상호연결체.
  7. 제 6항에 있어서,
    연료 유입 매니폴드로부터 연료 배출 매니폴드로의 연료 유동 구역은, 활성 영역의 평면을 가로질러 사인파 형상인 것인, 상호연결체.
  8. 제 6항에 있어서,
    정사각 형상 활성 영역의 4개의 변은, 상호연결체의 주변 영역을 포함하며; 그리고 주변 영역에 인접한 밀봉체들이, 공기와 연료가 서로 접촉하는 것을 방지하기에 충분한 형태로, 매니폴드 개구들을 둘러싸고 밀봉하는 것인, 상호연결체.
  9. SOFC 연료 전지 적층체에 있어서, 서로 나란히 놓이는 복수의 고체 산화물 연료 전지를 포함하고,
    적어도 하나의 제1항에 따른 상호연결체가, 각각의 SOFC 전지 사이에 배치되며, 상기 상호연결체는, 적어도 2개의 인접한 전지 사이에 전기적 상호연결을 제공할 수 있는 것인, SOFC 연료 전지 적층체.
  10. 제 9항에 있어서,
    각각의 양극 상호연결체 구조물 및 각각의 음극 상호연결체 구조물을 위한 매니폴드 개구들은, 연료 전지 적층체의 모든 다른 각각의 양극 상호연결체 구조물 및 각각의 음극 상호연결체 구조물과 수직으로 정렬되는 것인, SOFC 연료 전지 적층체.
  11. 제 1항에 있어서,
    연료와 공기의 접촉을 방지할 수 있는 적어도 하나의 분리 플레이트가, 양극 상호연결체 구조물과 음극 상호연결체 구조물 사이에 배치되는 것인, 상호연결체.
  12. 제 11항에 있어서,
    매니폴드 플레이트 구조물이, 분리 플레이트와 양극 상호연결체 구조물 사이에 위치하는 것인, 상호연결체.
  13. 제 12항에 있어서,
    매니폴드 플레이트 구조물은, 연료의 유동을 유도하기 위한 구성을 제공하는 사전 선택된 연료-경로 배정 통로들의 패턴을 포함하는 것인, 상호연결체.
  14. 연료 매니폴드 개구들이 상호연결체 표면 상에 교차-유동 배향으로 배열되는, 내부적으로 연통되는 SOFC 적층체를 위한 평면형 상호연결체 표면을 가로지르는 공기 및 연료의 평행 유동을 제공하는 방법으로서, 상기 방법은,
    양극 상호연결체와 음극 상호연결체 사이에 개재되는 매니폴드 플레이트 구조물 내의 연료-경로 배정 통로들을 통해 연료의 유동을 유도하는 단계를 포함하고,
    상기 연료-경로 배정 통로들은 양극 상호연결체 매니폴드 개구들을 통해 유입되는 연료의 유동을 재유도하도록 구성되어, 연료의 유동이, 매니폴드 개구들 사이의 영역 내에서 상호연결체의 평면을 가로질러, 음극 상호연결체 매니폴드 개구들을 통해 유입되는 공기의 유동에 대해 교차-유동 방향으로부터 역방향 유동 방향으로 재유도되는 것인, 공기 및 연료의 평행 유동 제공 방법.
  15. 삭제
  16. 적어도 하나의 파워 블록에 직접적으로 또는 간접적으로 부착되는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)를 포함하는 발전 시스템으로서,
    상기 SOFC는, 음극 상호연결체 구조물에 인접하며 그리고 그와 통합되는 적어도 하나의 양극 상호연결체 구조물을 포함하고,
    양극 상호연결체 구조물은 연료 유동 구역을 포함하고, 음극 상호연결체 구조물은 공기 유동 구역을 포함하며, 양극 상호연결체 구조물 및 음극 상호연결체 구조물은 상호연결체의 평면을 가로지르는 공기 및 연료의 평행 유동을 허용하도록 구성되고,
    양극 상호연결체 구조물 및 음극 상호연결체 구조물 양자 모두를 위한 매니폴드 개구들이 교차-유동 배향으로 배열되어, 양극 상호연결체 매니폴드 개구로부터의 연료의 유동이 음극 상호연결체 매니폴드 개구로부터의 공기의 유동에 대하여 역방향 유동 방향인 것인, 발전 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    전력 및 기계적 일 양자 모두를 생산할 수 있는 복합 발전소의 형태인 것인, 발전 시스템.
  18. 제 16항에 있어서,
    연료 전지는, 테일 가스를 생성하도록 구성되는 양극을 포함하며, 그리고 연료 전지는, 연료 전지의 하류에서, 탄화수소 연료를 연료 전지 테일 가스와 혼합하도록 구성되는, 탄화수소 연료 개질 시스템에 부착되고, 따라서 탄화수소 연료 및 연료 테일 가스의 적어도 일부분이, 이산화탄소를 포함하는 개질된 연료 흐름으로 변환되도록 하는 것인, 발전 시스템.
  19. 제 18항에 있어서,
    개질된 연료 흐름의 일부분이 연료 전지의 유입구로 다시 전달되도록 구성되는 것인, 발전 시스템.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 파워 블록은, 가스 터빈, 증기 터빈, 연소 기관, 또는 부가적 연료 전지로부터 선택되는 것인, 발전 시스템.
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