KR20010030874A - 병합형 고체 산화물 연료 전지 및 개질제 - Google Patents

병합형 고체 산화물 연료 전지 및 개질제 Download PDF

Info

Publication number
KR20010030874A
KR20010030874A KR1020007003566A KR20007003566A KR20010030874A KR 20010030874 A KR20010030874 A KR 20010030874A KR 1020007003566 A KR1020007003566 A KR 1020007003566A KR 20007003566 A KR20007003566 A KR 20007003566A KR 20010030874 A KR20010030874 A KR 20010030874A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
fuel cell
chamber
reaction chamber
fuel
Prior art date
Application number
KR1020007003566A
Other languages
English (en)
Inventor
새머스니겔마크
Original Assignee
조나단 알. 우드
아쿠멘트릭스 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 조나단 알. 우드, 아쿠멘트릭스 코포레이션 filed Critical 조나단 알. 우드
Publication of KR20010030874A publication Critical patent/KR20010030874A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/243—Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H01M8/2485—Arrangements for sealing external manifolds; Arrangements for mounting external manifolds around a stack
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 반응 챔버(40)에 포함되는 복수의 관형 고체 산화물 연료 전지(2)갖는 전력을 발생시키기 위한 장치에 관한 것이다. 연료 전지(2)는 매니폴드의 일 단부에 고정되고, 다른 단부는 연소 챔버(41)에 있도록 배플 평판(47)의 개구(63)를 통해 자유롭게 지난다. 반응 가스는 매니폴드 블록(50) 아래의 플리넘 챔버(42)로부터 관형 연료 전지(2)의 내부와 개질 촉매를 구비할 수도 있는 관형 입구 통로를 통해 연료 전지의 외부를 둘러싸는 반응 챔버(41)로 공급된다. 플리넘 챔버(42)로의 가스 입구 통로와 반응 챔버를 둘러싸는 환형 입구 통로는 반응 챔버와 열전달 관계에 있고, 연소 챔버는 가스를 개질 온도 및 반응 온도로 적절하게 상승시킨다.

Description

병합형 고체 산화물 연료 전지 및 개질제{INTEGRATED SOLID OXIDE FUEL CELL AND REFORMER}
SOFC는 연료(예를 들어, 수소, 천연 가스, 석탄 가스 또는 그 외의 탄화수소계 연료)와 (공기와 같은) 산화제를 전기 화학적으로 직접 결합시킴으로써 직류 전기를 발생시킬 수 있는 전기 화학적 장치이다. SOFC는 공기 전극(캐소드)과 연료 전극(애노드)을 분리하는 산소 이온 전도성 전해질(현재, 안정화 지르코니아계로 구성된다. 연료는 애노드에서 산화되고, 전자들은 외부 회로로 방출되어 그 외부 회로에서 캐소드에 의해 수용된다. 캐소드 반응은 산화 가스를 산소 이온들로 환원시키고, 이 때에 산소 이온들은 산소 이온 전도성 전해질을 통해 애노드로 이동된다. 그 외부 회로 주위에서 전자들이 이동함으로써 기전력(통상적으로 단일 전지에서 1 볼트)이 발생된다. 전지를 통해 부하가 인가됨으로써, 전류가 흘러 전력 밀도를 생성하고, 그 전력 밀도의 값은 사용된 전지와 재료의 설계에 따라 결정된다. 전지는 전형적으로 섭씨 700 내지 1000℃ 사이에서 작동된다. 엔.큐. 민 및 티이. 다카하시의 제명이 "세라믹 연료 전지의 과학 및 기술"(1995년, 암스테르담 엘세비어)인 책에서는 SOFC에서의 반응 원리와 전기 생성 방법이 기술되어 있다.
SOFC의 가장 큰 특징은 변환 효율[열 관리(heat utilization)가 수반될 경우에 전형적으로 50 내지 90%]이 높고, 배기 가스(emission)가 적게 생성되며, 고등급의 배기 열이 생성되고, (수 킬로와트에서 수 메가와트에 이르는) 모듈성(modularisability)에 있다.
일반적으로, 단일 SOFC 전지들은 다수 셀 방식의 유닛을 생성하도록 상호 연결 판 또는 양극성 판(대개는 도핑된 란탄 크로마이트 또는 고온 금속 시스템을 기초로 함)을 이용하여 적층된다. 단일 전지는 일반적으로 1 볼트를 생성하나, 단일 전지들을 병렬 또는 직렬 연결로 적층함으로써 소정의 전압이 얻어질 수 있다. SOFC의 구조는 몇가지 알려져 있는 데, 이 구조는 평면형, 관형 및 모놀리식(monolithic) 설계를 포함한다. 그러나, 이러한 3가지 주요 설계외에도, 산소 이온 전도성 전해질이 (애노드에서) 연료 가스와 (캐소드에서) 산화 가스를 분리시키는 기본 개념이 동일한 다른 설계가 이용되었음을 주목해야 한다. 예를 들어, 미국 세라믹 협회의 간행물인 엔.큐. 민의 논문 "세라믹 연료 전지"(76[3] 1993)의 563-588쪽을 참조하라.
SOFC 시스템이 충분히 구현되어 충분히 상업적이기 위해서는, SOFC 시스템은 장시간동안 신뢰성이 있어야 하고 가열 또는 냉각 사이클로 인한 열적 균열이 발생되지 않아야 한다. 또한, 그 시스템은 가스 터빈 및 디젤 발전기와 같은 종래 기술과 가격 경쟁을 하여야 하므로, 상대적으로 저렴하고 조립이 용이하여야 한다. 현재 설계물의 주요 단점들은 주로 단일 전지의 밀봉성에 근거한다. 각각의 측면에 애노드 및 캐소드가 부착된 평평한 판형 전해질을 이용하는 평면형 설계가 제조 비용면에서 가장 저렴한 것으로 보여지나, 그 주요 단점은 세라믹 판의 과도한 응력을 유발함없이 판을 밀봉하는 문제와 밀봉제 및 전지 사이의 화학적 상화성 문제에 있다. 튜브형 설계는 폐쇄 또는 개방 단부 튜브를 이용함으로써 밀봉 문제점을 잘 극복한다. 종래의 튜브형 설계에서는, 압출되고 다공성인 도핑된 란탄 아망간산염 지지 튜브가 제조되었다. 전해질(안정화 지르코니아)은 지지 튜브에 전기 화학적으로 증착된다. 이 때, 애노드는 전해질에 슬러리 분사-전기 화학적으로 증착되고, 도핑된 란탄 크로마이트가 상호 연결 재료로서 전지에 플라즈마 분사된다. 이 때, 전지들은 다중 셀 방식의 유닛으로 분류되고, 그후에 SOFC 시스템으로서 제작된다. 공기는 튜브들의 내측으로 펌핑되고, 튜브의 외측은 연료 가스에 노출된다. 튜브들은 한 단부에서 밀봉되어, 소비된 공기가 환형부를 통해 다시 유동할 수 있다. 소비된 연료도 열 회수를 위해 재순환될 수 있다.
이러한 튜브형 구조는 매우 성공적이었다. 그러나, 이 설계는 전지들에 균열이 유발되는 열 응력이 발생할 수 있기 때문에 신속한 열 순환을 허용하지 못한다. 개선책들이 시도되었음에도 불구하고, 이러한 설계에서의 전류 한계는 그 시스템이 주위로부터 작동 온도인 1000℃에 도달하는데 5시간을 요하였다. 전술한 기술을 이용하는 현수준의 발전기는 미국 특허 제5,244,752호에 개시되어 있다. 상기 특허는 미국 특허 제4,374,184호, 제4,395,468호, 제4,664,986호, 제4,729,931호 및 제4,751,152호에 인용된 SOFC 시스템들을 상당히 개선한 것이다. 전술한 설계는 마찬가지로 비용이 많이 들고 소규모 시스템(10kW 이하)을 제작하는데 도움이 되지 않는다. 그 시스템들의 제조 업자들은 원료 비용을 절감하여 제조 비용을 감소시켰다. 예를 들어, 전지 중량의 90%는 도핑된 란탄 크로마이트 공기 전극에 있으므로, 원료(고순도 수준)를 더 저렴하게 공급함으로써 비용이 실질적으로 절감될 수 있다. 이러한 내용은 전기 화학 협회(뉴저지)의 고체 산화물 연료 전지 제5권 37-50쪽(1997)에 수록된 에스.씨. 신갈의 논문 "튜브형 고체 산화물 연료 전지 기술의 최근의 진보 과정"에 기술되어 있다. 그러나, 그 시스템의 비용도 소규모 제작에 대해서는 고려하지 않았다.
높은 제조 비용 문제를 해결하기 위해, 압출된 얇은 벽형 안정화 지르코니아 튜브를 사용하는 것이 개시되었다. 오스트레일리아 특허 제675122호를 참조하라. 그 설계에서 내부 전극은 연료 전극이고, 반면 외부 전극은 공기 전극(통상, 란탄 아망간산염)이었다. 그 설계에서, 튜브들은 열 절연 용기 내에서 지지되었고, 그 열 절연 용기로부터 통로를 통해 배기 가스가 배출될 수 있었다. 그 설계에서, 튜브의 비용은 예를 들어 폴리비닐 부티알 및 사이클로헥산과 혼합된 안정화 지르코니아를 압출하는 간단한 압출 기술을 이용함으로써 절감되었다. 그 설계는 연소 생성물이 통로를 통해 배출될 수 있는 열 절연 용기 내에 지지되는 전술한 튜브들의 배열을 포함하는 것으로 설명되어 있다. 가스는 튜브들의 상부로 직접 공급된다. 연소 생성물은 강압식 공기 입구와 동일한 통로를 통해 배출된다. 이러한 설계가 매우 단순할지라도, 그 설계는 반응기 내의 전지들에서의 이동을 충분하게 고려하지 않고, 따라서 전지 내에 응력을 증대시키기 쉬워 전지 파손을 유발할 수 있다.
또한, 전술한 설계에서는 SOFC 발전기에서 연료를 개질하는 성능을 갖추지 못했다. 개질(reforming)이란 연료(이 경우에서는 대개는 탄화수소 연료)를 물 및/또는 이산화탄소와 혼합하여 일산화탄소 및 수소를 생성하는 조작이다. 이 때, 그러한 개질된 연료가 직접 SOFC 시스템 내에 사용된다. 다수의 경우에, 연료는 SOFC 발전기 외부에서 개질되는 데, 이는 열교환기, 펌프 등과 같은 고가의 장비를 필요로 하며 전체 시스템을 대형화시킨다. 개질 반응은 발전기 외부에서 일어날 때 상당히 바람직하지 못한 데, 그 이유는 시스템으로부터 많은 에너지(열)가 손실되어 시스템 효율을 전체적으로 저하시키고 장치 구성을 더욱 복잡하게 만들기 때문이다. 이러한 문제점은 SOFC 발전기에서 개질가능한 가스 연료를 개질하는 단계를 수행하는 미국 특허 제4,729,931호에서 부분적으로 해결되었다. 이러한 시스템에서, 부분적으로 소비된 연료는 2개의 흐름으로 분리된다. 그 일부는 부분적으로 소비된 공기 흐름과 혼합되어 배기 가스를 형성하고 이 때 그 일부분이 새어 나오며, 또 이 때에 잔류 배기 가스의 일부분이 2차적으로 소비된 연료 흐름과 혼합된다. 이 때, 결합된 흐름은 가스상의 개질가능한 연료와 혼합된다. 상기 발명은 열 손실을 최소화하기 위해 시스템에서 전체적으로 열 평형 조작을 이용한다. 상기 발명은 전술한 미국 특허들에 개시된 바와 같이 튜브형 SOFC 시스템의 종래의 설계를 사용하므로, 시스템의 복잡성, 비용, 신속한 가열 및 냉각 속도에서의 열적 순환 성능과 같은 초기의 문제점을 해결하지 못한다. 또한, 상기 시스템은 구성이 상당히 복잡하다.
또 다른 설계가 미국 특허 제3,377,703호에 개시되어 있다. 여기서, 일부 전해질 튜브들은 세라믹 기부 상에 직립하여 설치되어 있다. 가스는 튜브들을 통과하고 튜브들의 상부에서 연소된다. 이 때, 고온 가스는 시스템 주위에서 열 교환기로 유동된다. 그 시스템이 상대적으로 간단할지라도, 그 시스템은 다수의 고온 밀봉부를 필요로 하고, 신속한 시동 단계에서 받을 수 있는 높은 열 응력을 고려하지 않고 있다.
본 발명은 전력 발생 장치에 관한 것으로서, 특히 고체 산화물 연료 전지(SOFC; solid oxide fuel cell)들을 사용하는 장치에 관한 것이다.
다음의 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예들이 설명된다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 발생 장치를 개략적으로 도시한 부분 측단면도이다.
도2는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 장착식 연료 전지의 측단면도이다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 장착식 연료 전지들과 그와 연결된 지지 구조물을 도시한 측단면도이다.
도4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 묶음(bundle)로서 장착된 복수의 연료 전지들을 도시한 측단면도이다.
도5는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 전력 발생 장치를 개략적으로 도시한 부분 측단면도이다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 단점을 극복하는 대안을 제공하여 일반 공중이 유용한 선택을 할 수 있는 고체 산화물 연료 전지를 사용하는 동력 발생 장치를 제공하는 것이다.
일 태양에 있어서, 본 발명은 전력을 발생시키기 위한 장치를 구비한다. 이 장치는 반응 챔버 내에 배치되고 내향 반응 표면 및 외향 반응 표면과 상기 각각의 표면과 결합된 전극을 각각 구비하고 그 일 단부가 매니폴드 블록 내에 장착되는 복수의 관형 고체 산화물 연료 전지와, 상기 연료 전지의 외부를 따라 통과하는 제1 가스를 상기 반응 챔버로 공급하기 위한 제1 가스 입구 통로와, 상기 연료 전지의 내부를 따라 통과하도록 연료 전지의 장착 단부에 제2 가스를 공급하는 제2 가스 입구 통로와, 미반응 가스들이 상호 연소될 수 있고 배기 가스를 배출구로 운반하기 위한 상기 매니폴드 블록으로부터 멀리 이격된 연료 전지의 단부에 인접한 상기 반응 챔버로부터의 배기 가스 출구 통로와, 상기 연료 전지의 내부 및 외부 상에서 상기 전도체를 연결시키는 동력 수집 수단을 구비하며; 상기 제1 및 제2 가스 중의 하나는 개질 연료 가스이고, 다른 하나는 산화 가스이고, 상기 가스 통로들은 연료 전지의 반응 표면의 배치에 따라 개질가능한 가스 또는 산화 가스 중의 하나를 각각 운반하기 위한 것이며; 상기 개질가능한 가스 운반 통로는 그 내부에 개질가능한 촉매를 구비하고 정상 상태 작동에서 내부의 가스들이 개질될 수 있는 상기 촉매의 온도로 상승될 수 있도록 배기 가스 통로 및 반응 챔버와 열전달 관계로 배치되며; 상기 산화 가스 운반 통로는 정상 상태 작동에서 내부의 가스들이 상기 연료 전지가 작동하는 연료 전지의 온도로 상승될 수 있도록 배기 가스 통로 및 반응 챔버와 열전달 관계로 배치된다.
각각의 관형 연료 전지는 그 외경이 3 내지 10 ㎜ 사이이고 벽 두께가 0.3 내지 1.0 ㎜ 사이이다.
가변 유동 제한 수단은 상기 산화 가스가 연료 전지 및 연소 영역으로 유동하는 것을 가변적으로 제한하여 연소 온도를 제어하도록 산화 가스 입구 통로 내에 제공될 수도 있다.
제2 가스 입구 통로는 원통형 또는 원추형 챔버를 부분적으로 구비하고, 배기 가스 출구 통로는 상기 입구 통로와 동축상이고 통상 알루미늄 또는 뮬라이트 재료의 벽에 의해 분리되고 이러한 재료의 열 임피던스보다 낮은 열 임피던스를 갖는 원통형 또는 원추형 챔버를 부분적으로 구비한다.
제1 가스 입구 통로는 통상 알루미늄 또는 뮬라이트 재료의 벽에 의해 상기 산화 가스 입구 통로로부터 분리되고 이러한 재료의 열 임피던스보다 작은 열 임피던스를 갖는 원통형 또는 원추형 챔버를 적어도 부분적으로 구비한다.
제조된 배플 벽은 상기 반응 챔버를 배기 가스 출구 통로로 분리하고, 상기 관형 연료 전지는 상기 배플 벽 내의 구멍을 통해 배기 가스 출구 통로로 연장하고, 상기 배플 벽의 구멍은 부분적 반응 가스의 유동을 반응 챔버로부터 배기 가스 출구 통로로 유동하게 하여 상기 관형 연료 전지의 내부로부터 비산하는 부분적으로 반응하는 가스와 연소하게 한다.
각각의 관형 연료 전지는 상기 매니폴드 블록 내에 장착된 전지의 단부에만 보유된다.
각각의 연료 전지는 상기 배플 벽 내의 구멍을 통과할 수 있고, 상기 전지의 주위로 상기 구멍의 모서리로부터 이격되고, 반응 챔버로부터 배기 가스 출구 통로로 유동하는 상기 부분적으로 반응하는 가스는 벽과 각각의 연료 전지 사이의 공간을 거쳐 상기 구멍을 통해 유동할 수도 있다.
제1 가스 입구 통로는 상기 매니폴드 블록 아래에 플리넘 챔버를 구비하고, 상기 연료 전지 장착 단부는 상기 매니폴드 블록을 통해 연장할 수도 있고, 상기 플리넘 챔버는 상기 가스를 연료 전지 장착 단부로 분산시킨다.
제1 가스는 산화 가스일 수도 있고, 동력 연결 수단은 상기 플리넘 챔버 내에 배치된 단부들에서 상기 연료 전지의 내부 및 외부 상의 전극으로 연결된다.
제1 가스 입구 통로는 상기 매니폴드 블록을 통해 상기 플리넘 챔버 내로 연장하는 열전도성 가스 도관을 구비할 수도 있고, 상기 도관의 제1 길이부는 정상 작동 상태하에서 반응 챔버 내의 가스로부터 열을 흡수하기 위해 상기 반응 챔버를 통과한다.
상기 열전도성 가스 도관의 제2 길이부는 상기 배기 가스 출구 통로의 적어도 일부를 통과할 수도 있다.
환형 챔버가 상기 반응 챔버를 둘러싸고, 상기 환형 챔버는 상기 환형 챔버를 통해 가스가 통과 유동하는 가스 입구 포트 수단과 상기 입구 포트 수단으로부터 먼 상기 환형 챔버의 단부에서 상기 환형 챔버로부터 상기 반응 챔버로 유동하는 가스용 가스 출구 포트 수단을 구비하고, 상기 가스 출구 포트 수단은 상기 매니폴드 블록에 인접하게 위치하고, 상기 반응 챔버와 환형 챔버 사이의 벽은 열전도성으로서, 예컨대 알루미늄 또는 뮬라이트 또는 이와 유사한 열 임피던스를 갖는 재료로 형성된다.
하나 이상의 혼합 포트들은 환형 챔버와 반응 챔버 사이의 상기 벽 내에 제공될 수도 있고, 혼합 포트는 가스 출구 포트 수단으로부터 반응 챔버의 먼 단부에서 챔버들 사이로 이어지고, 흡입력 발생 수단은 반응 챔버로부터 환형 챔버로 혼합 포트를 통하여 가스를 흡입하기 위해 환형 챔버를 통과하는 가스의 작동하에서 혼합 포트에 바로 인접한 환형 챔버의 저압 영역을 발생시킨다.
연료 전지는 산화이트륨으로 안정화된 지르코니아계 전해액을 사용하고, (코닝 글래스워크사에 의해 마코르라는 상품명으로 판매되는) 유리 세라믹에 장착되고, 매니폴드 블록은 페라이트계 스테인레스 강으로 제조된다.
점화 수단은 산화 가스의 존재하에 연료 가스를 점화하기에 충분한 국부적인 열을 발생시키도록 상기 연소 영역 내에 제공될 수 있다.
제어 수단은 시동시에 상기 연료 가스가 동력 발생에 필요한 것보다 사실상 높은 속도로 유동하게 하여 상기 가스 유동을 점화시키고 대략 800 ℃의 온도가 상기 매니폴드 블록에 도달할 때까지 상기 가스 유동을 사실상 높은 속도로 유지시키도록 점화 수단과 연료 가스의 유동을 제어할 수도 있다.
통상 사용 가능한 SOFC 구성 요소에 있어서, 반응 온도는 400 내지 600℃ 사이일 것이다. 통상 사용되는 니켈 촉매를 갖는 표준 개질 반응에 있어서, 개질 온도는 600 내지 800℃일 것이다.
다른 태양에 있어서, 본 발명은 전술된 바와 같은 동력 발생 장치를 포함하는 공간 히터로 구성되고, 배기 가스는 공간 가열에 사용되고, 발생된 동력은 다른 장치에 분배된다.
다른 태양에 있어서, 발명은 전술된 바와 같은 동력 발생 장치를 병합한 물 가열 실린더로 구성되고, 배기 가스는 물 가열 실린더의 물 공급분을 가열하는 데에 사용된다.
다른 태양에 있어서, 발명은 첨부 도면에 의해 도시되고 참조로서 본원에 대체로 기술된 바와 같이 동력 발생 장치로 구성된다.
본 발명과 관련된 당업자에게, 본 발명의 구성과 광범위한 실시예 및 적용예에서의 많은 변경이 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 범위 내에서 있을 수 있다. 본원의 설명은 예시적인 것이고 어떠한 의미로도 제한되는 것은 아니다.
본 발명을 실시하는 최상 모드
도1을 참조하면, 복수의 튜브형 연료 전지(2)들은 연료가 그 내부를 통과하고 공기가 그 외부를 따라 통과함에 따라 전기를 발생시킨다. 이러한 종류의 전지들은 본 기술 분야에 알려져 있고, 스위스 루세른에서 개최된 제2회 유럽 고체 산화물 연료 전지 포럼(1996년 5월 6일-10일)에서 케이 켄달 및 티이 더블류 제이 롱스태프가 발표한 2 mm 직경의 압출 튜브로 제조된 "SOFC 공동 발전 시스템"에 개시된 전지들이 특히 적합하다. 그 전지들은 개질 챔버(7)의 상부를 형성하는 기부판(5) 상에 장착된다. 개질 챔버에는, 탄소 함유 연료를 다량의 수소를 함유한 혼합물로 변환시키기에 적합한 개질 촉매가 제공된다.
공기는 챔버의 외측에 장착된 천공 링(16, 17)을 통해 시스템으로 유입되어 전지를 통과하고 그 전지의 단부들에서 고갈된 연료로 연소되어 튜브를 빠져나온다.
공기는 동심 파이프(4, 6)를 포함하는 열교환 시스템으로부터 열을 취출하여 소정의 작동 온도에 이른다. 열의 일부는 개질 챔버(7)로 전달된다.
열교환 시스템의 내부 튜브(6)는 개방형 단부이고, 외부 튜브(4)는 일측이 막힌 사 단부(dead end)를 구비한다. 사 단부는 버너 위에 배치되고, 연료 가스가 파이프들 사이의 공간을 통과함으로써 파이프가 가열된다. 외부 튜브가 열적으로 절연될 때, 전달된 열의 대부분은 내부 튜브를 통과한다.
발전 장치의 시동, 정지 및 제어
본 시스템은 주위 온도에서 가스 밸브를 개방하고 튜브들을 통과한 가스를 점화함으로써 시동된다. 이러한 시동 작업은 외부 파이프 내에 장착된 종래의 점화 시스템으로 이루어질 수 있다. 가스 유동은 전기 발전 중에 필요한 공칭 가스 유동의 5 내지 10 배일 수 있다. 따라서, 정격(rated) 출력이 1 kW인 시스템은 시동 중에 10 내지 20 kW의 열이 유입됨을 알 수 있다. 그러한 시스템은 10 kg 정도의 스테인레스 강을 포함하므로 작동 온도로의 가열 작업이 1분 미만이어야 한다. 기부판에서 측정했을 때 약 800℃의 온도에 이르면, 이 때에 시동 단계가 완료된다.
이어서, 시스템의 온도를 유지하는 최소한도로 가스 유동을 조절함으로써 시스템이 아이들 상태(idle)가 되도록 설정된다. 이러한 유동은 공칭 유동의 10 내지 30%가 될 것이다. 전류가 통하자마자(이것은 자기장의 변화를 즉각적으로 측정함으로써 검출될 수 있음), 전류가 흐를 수 있도록 가스 유동이 충분하게 설정된다.
공정 온도는 다소의 공기를 유입시키고, 시스템으로 들어 온 공기 유동에 대한 저항을 기계적으로 제어하고, 링(16)에 대해 링(17)을 각각 회전시킴으로써 조절될 수 있다.
전술한 제어 조작은 소정의 일부 추가된 기능을 갖춘 종래의 버너 제어 시스템으로 수행될 수 있음이 명백하다.
전술한 조작은 요구 전류에 대한 가스 공급을 연속적으로 변경시킬 수 있는 시스템에 비해 신뢰도 및 비용면에서 나은 이점이 있다. 대부분의 가스가 낮은 전력에서 연소되므로 시스템 효율이 낮은 단점도 있다. 가변식 또는 고정식(또는 다수의 고정 단계) 가스 유동을 사용할 지 여부는 그 사용 목적에 달려 있다.
정지 단계에서는 전류가 0으로 설정되고 약 300℃의 온도에 이를 때까지 가스가 아이들 유동(idle flow)으로 공급되어야 하며, 이 온도 이하에서는 가스 공급이 중단될 수 있다.
예를 들어 가스 공급이 너무 낮음으로 인해 전압이 너무 낮아져서 애노드의 산화를 초래하는 잘못된 상황이 유발될 수도 있다. 이러한 상황은 전압 측정에 의해 검출되어야 하고, 전류가 0이 되고 가스 유동이 아이들 상태가 되도록 제동되어야 한다.
시스템 치수
전체 시스템은 약 40 cm(절연용으로 5 cm도 허용됨)의 직경과 약 80 cm의 높이를 갖고, 수소하에서 조작될 때 각각 1.5 W를 생성하는 약 800개의 전지들을 수용한다. 따라서, 1.2 kW의 전기 에너지가 45%(LHV)의 효율로 생성됨으로써, 500℃ 이상의 온도에서 열이 발생되고 이러한 열은 회수될 수 있다. 그 회수된 열은 공간 가열 및 물 가열과 같은 낮은 열량을 요하는 다른 응용 장치들에 사용될 수 있다. 일부 경우에서는, 공간 또는 물의 가열 성능이 주 목적이고, 발전이 부차적일 수도 있다.
튜브형 전지
도1, 도2 및 도3에 도시된 바와 같은 전지(2)는 3개의 층들로 구성된다. 그 층들은 전형적으로 1 내지 5 mm의 직경과 500 mm 이하의 길이를 갖는다. 더 큰 시스템은 길이가 1000 mm 이하인 셀들을 포함할 수 있다. 외부층인 캐소드는 공기와 같은 산소 함유 가스와 접촉된다. 산소는 그 층에서 전자들을 취함(pick up)으로써 산소 이온으로 반응한다. 산소 이온은 중간층을 이동하여 전해질이 된다. 이러한 전달은 전해질 재료에 따라 600 내지 1000℃의 온도에서 발생하고, 이는 결과적으로 조작 온도를 결정한다. 산소 이온이 내부층인 애노드에 도착될 때, 산소 이온은 연료(예를 들어, 수소)와 반응하여 물을 형성한다. 수소는 전기 회로를 통해 캐소드를 통과하는 전자를 공여한다.
애노드는 가스가 투과할 수 있어야 하므로 다공성이고, 전해질과 혼합된 니켈로 제조될 수 있다. 전해질은 산화이트륨으로 안정화된 지르코니아와 같은 산소 이온 전도성 재료이다. 전해질은 가스 성분들이 통과하지 못하도록 충분히 조밀해야 한다. 캐소드는 외부층을 형성하고 다공성이며 도핑된 LaMnO3와 같은 세라믹으로 제조될 수 있다.
전해질 튜브는 전해질 재료를 결합제 및 가소제와 함께 페이스트를 제조함으로써 제조된다. 페이스트는 튜브로 압출되고 그 다음에 소결된다.
슬러리를 포함하는 애노드 및 캐소드 재료가 제조되고 전해질의 내부 및 외부에서 각각 배치된다. 애노드 슬러리는 흡입에 의해 도포되고, 캐소드 슬러리는 부착 또는 분무된다. 그 다음에 전극들은 소결된다.
지르코니아를 사용하는 대신에, 다른 이온 전도체들이 이용될 수 있다. 전형적인 재료는 예를 들어 도핑된 Ce02및 도핑된 페로프스카이트(perovskite)를 포함한다.
또 다른 전극들은 애노드로서 세리아(ceria)(및 다른 촉매 금속) 및 페로프스카이트와 같은 전도성 세라믹 산화물 재료들이다. 캐소드로서, LaCoO2가 가능한 예이다. 이러한 재료들의 전기 화학적 활성도는 특히 낮은 온도에서 전술한 종래의 전극 재료들보다 더 높은 것으로 생각된다.
전지들을 제조하는 또 다른 방식은 애노드 재료의 튜브를 먼저 압출 및 소결하는 것이다. 그 튜브에 전해질의 박층이 도포되고, 그 접촉 영역은 애노드로서 애노드 튜브에 흡입력을 적용함으로써 증가될 수 있다. 이것은 소결되고, 그 이후에 캐소드가 인가되고 소결된다.
이 방법의 이점은 더 얇은 전해질들이 이용 가능하고 내부 저항을 감소시키며 더 두꺼운 애노드가 이용될 수 있고 애노드의 개질 용량을 증가시키는 것이다.
전류 픽업(current pick up)
전자들은 커넥터(14)와 캐소드 상의 전기 전도층을 통과함으로써 캐소드로 들어간다. 커넥터(14)는 예를 들어 니켈 시트로 제조된 튜브형 전지의 입구 단부 주위에 배치된다.
전기 전도층(도시안됨)은 예를 들어 은 와이어 또는 은 페이스트이다. 물론, 충분한 전도도를 갖는 임의의 전도체가 이용될 수 있다.
커넥터(14)는 0.2 내지 0.3 mm의 두께를 갖고 약 8ⅹ8 mm의 직사각형으로 절단되고 약 3ⅹ8 mm인 립(lip)을 갖는 시트 금속으로 제조된다. 커넥터는 로드 주위로 접혀지고 튜브형 전지와 동일한 직경을 가지며 세라믹 튜브 상에 장착된다. 립 내의 작은 구멍은 인접한 전지의 애노드 와이어에 접속을 제공한다. 립의 단부는 양호하게는 전지의 단부와 수준을 맞춤으로써 단락이 방지된다.
애노드에서 생성된 전자들은 서로 꼬여진 다수의 와이어들로 이루어진 예를 들어 니켈로 제조된 전류 콜렉터(current collector)로 보내진다. 와이어들을 꼬이게 함으로써, 전기 접촉이 보장되고 또한 가스가 통과할 공간이 남게 된다.
밀봉
일반적으로 스테인레스 강과 같은 전도성 재료인 매니폴드 판(5) 내에 각각의 연료 전지를 장착하는 단계는 튜브형 연료 전지를 환형 절연체와 끼워맞춤하는 단계를 포함한다. 연료 전지와 절연체 사이와 그리고 절연체와 매니폴드 판(51) 사이에는 밀봉 접촉이 바람직하다. 상기 목적을 달성하기 위한 제조 공정이 개발되었고 이는 도2를 참조하여 설명된다.
세라믹 링(22)은 세라믹 절연체(13)에 임시 아교 접착된다. 세라믹 절연체는 전지 주위에 배치되고 커넥터(14) 주위에 끼워진다. 세라믹 절연체는 약 25 mm의 길이를 갖는다. 링의 길이는 약 4 mm이고 세라믹 튜브 둘레에 끼워진다. 링은 그 절반 길이만이 절연체 위에 있고, 따라서 전지가 배치될 때 시멘트(cement)가 놓일 수 있는 작은 만입부(23)(basin)가 형성된다. 시멘트는 슬러리로서 절연체의 다른 단부에 흡입을 가하여 튜브형 전지 및 절연체 사이에 놓인다. 그 이후에, 만입부는 시멘트로 채워지고, 따라서 튜브형 전지(2)와 절연체(13) 사이에 양호한 밀봉이 형성된다.
전지 조립체는 전지를 위치시킨 후에 시멘트를 기부판에 부어 넣고 흡입을 가하는 전술한 공정과 유사한 방식으로 기부판에 접합된다.
기부판과의 시멘트의 접촉 영역을 증가시키기 위해, 표준 크기 나사부로 나사 조임된다. 사용되는 시멘트는 상업적으로 시판되는 알루미나, 지르코니아 및 마그네시아 시멘트이다.
기부판의 재료는 양호하게는 페라이트계의 고등급 스테인레스 강일 수 있는 데, 그 이유는 고등급 스테인레스 강이 낮은 팽창 계수를 갖고 따라서 팽창 계수들의 불일치 문제를 덜 유발하기 때문이다.
따라서, 전지들은 그룹별로 병렬로 접속되고 그 그룹들은 직렬로 접속되어 기부판(5)에 장착된다.
단위 면적 당 전지의 개수와 전체 신뢰도를 증가시키기 위해, 전지들은 묶여질(bundle) 수 있다. 이것은 도4에 도시되어 있다. 다수의 전지들은 금속 로드(29)주위에 배치되어 전류 픽업의 기능을 수행한다. 이러한 조립체는 단일 전지에서 보여지는 것과 유사하게 세라믹 절연체로 접합되어 기부판에 배치된다. 튜브들은 와이어(30)에 의해 로드에 대해 보유 지지된다.
세라믹 절연체(13) 및 매니폴드 평판(5)이 가열 또는 냉각 중에 그 사이에 발생되는 응력을 감소시키도록 연료 전지의 전해질 재료와 유사한 열 팽창 계수를 갖는 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 전술된 바와 같은 연료 전지용으로, 코닝 글래스워크 사에서 생산되는 상품명 마코르(MACOR)로 판매되는 기계 가공가능한 유리 세라믹과 같은 유리 세라믹 재료로 제조되는 세라믹 절연체와, 팩 접합 기술을 이용하고 알루미나 분포층으로 코팅된 페라이트계 스테인레스 강으로 형성되는 매니폴드 평판이 적절한 것을 알았다.
버너
전지의 상부로 작은 중공 세라믹 튜브(11)는 굳혀지고, 그 재료는 알루미나일 수 있다. 내부 직경은 가스 속도가 가스 불꽃을 튜브의 외부로 유지하기에 충분히 빠르도록 통상 0.5mm정도이다.
시스템은 전지의 단부에 기부 평판의 구멍과 일치하는 구멍(24)을 갖는 관통형 평판을 위치시킴으로써 외부의 기계적 충격에 대해 보다 탄력적으로 제조된다. 이 평판은 로드(26)에 의해 제 위치에 유지되고, 이는 기부 평판으로 나사 고정된다. 단락(short circuiting)을 방지하기 위해, 구멍들에는 알루미나 튜브(25)가 제공되어 버너 평판 상에서 굳혀진다. 알루미나 튜브의 내부의 작은 슬롯들은 공기가 지나가게 한다. 따라서, 관형 전지는 축방향으로 자유롭게 팽창하지만, 반경방향으로 이동이 제한되어 기계적 충격으로 유발되는 파손을 방지한다.
개질 챔버
전지와 리드들을 갖는 기부 평판은 파이프에 장착되어 챔버(7)를 형성하고, 그 내부에서 개질될 수 있으며, 이는 시스템이 천연 가스 또는 메탄 및 증기와 같은 개질 연료 혼합물상에서 작동하도록 한다. 개질 챔버는 니켈 울과 같은 개질 촉매를 구비한다. 개질가능한 연료 혼합물이 공급되는 개질 챔버는 800℃와 같은 개질되기에 충분한 수준으로 연료 혼합물의 온도를 상승시키도록 배기 가스로부터의 열 교환에 의해 충분히 가열된다. 개질 촉매는 연료의 그을음 형성을 방지하도록 챔버의 충분히 뜨거운 영역에 위치되는 것이 보장된다. 그 결과, 촉매(30)는 기부 평판(5)의 몇 센티미터 아래에 장착되는 관통형 평판(31) 상에 위치될 수도 있다. 선택적으로는, 촉매는 튜브(2) 내에 배치될 수도 있고, 이 경우에 개질 연료 혼합물은 튜브 표면 상의 그을음 형성 또는 불완전한 개질이 발생하지 않는 것을 보장하도록 튜브에 진입하기 전에 개질 온도에 완전히 도달해야 한다.
가스 연결 및 이를 통하는 전기 공급
연결된 전지의 양극 리드와 음극 리드는 전기 절연되고 블록을 통과하는 기밀 공급에 의해 외부로 연결된다. 구성 요소는 몇 센티미터 길이의 길이방향 관통 보어형 강 로드(27)로 필수적으로 구성된다. 가스는 로드의 측면에서 보어를 통해 공급되고 와이어(18, 19)들은 일직선으로 관통하여 지나간다. 와이어들은 로드의 하부에서 PTFE(또는 유사한 재료의) 링(20)의 구멍을 통과한 후, 비스듬하게 굴곡된다. 제2 PTFE(또는 유사한 재료의) 평판(28)이 위치되고, 금속 링(21)이 위치된다. 금속 및 PTFE(또는 유사한 재료의) 평판들은 강 로드 상에 나사 고정되어 기밀 밀봉을 제공한다.
공기 유동 제어
산소(공기)는 링(16, 17)의 구멍을 통해 시스템에 진입하여 가스 챔버 주위에 위치된다. 진입 공기는 내부 파이프(6)와 외부 파이프(4) 사이로 지나가는 고온 가스로부터 열을 취출하여 열의 일부를 개질 챔버의 연료 가스로 전달한다.
공기 공급을 제어하기 위해서, 링(17)들 중의 하나는 회전할 수 있다. 링(17)을 회전시킴으로써, 다소의 공기가 시스템 내로 허용된다. 공기 공급을 제어하는 것은 화염의 온도, 즉 공정을 제어하는 데에 필요하다.
시스템
전기를 제공하는 전기 화학적 반응기(reactor)는 기부 평판(5) 상의 일 단부에 장착되어 전기 접속된 관형 연료 전지(2)의 열로 이루어진다.
기부 평판(5)은 연료 가스에 대해 매니폴드로서 기능한다. 전지의 일단부만이 보유되기 때문에, 열 응력을 피하게 된다. 기부 평판은 파이프의 일단부에 장착되고, 그 내부는 개질 촉매를 포함할 수도 있다. 파이프의 다른 단부는 튜브에 연결되어, 개질가능한 연료 혼합물을 시스템으로 운반한다. 따라서, 개질 챔버(7)가 형성된다.
따라서, 연료 가스는 튜브의 내부를 통과하고 공기는 외부를 따라 지나간다. 통상 600 내지 1000℃의 온도에서, 가스는 변환되어, 전기를 제공한다. 전기는 전기 전도성 와이어 또는 전극 상의 잉크를 통해 전지의 일 단부로 지나간다. 통상적으로, 전지들은 기부 평판의 하부(연료 측)에 일련으로 전기 접속될 것이다. 전지들 사이의 전기 접속은 기부 평판의 연료측에서 이루어지고, 주 전기 리드는 연료를 포함하는 벽을 지나야 할 것이다. 이는 전술된 바와 같이 블록을 통과하는 공급으로 이루어진다.
전지의 내부로 분기되어 공급되는(manifolded) 연료 가스는 전지를 지나가면 통상 50 내지 90% 변환된다. 따라서, 튜브의 단부에서, 연료의 고갈이 나타날 것이다. 대기(8)는 링(16, 17)들의 구멍들을 통과하는 대류를 통해 시스템에 접근할 수 있다. 고갈된 연료를 연소시킴으로써, 공기는 시스템 내로 강제되고 전지를 지나가면, 산소의 일부가 제거된다. 따라서, 버너에는 산소가 고갈된 공기가 공급된다. 공기는 시스템의 온도를 제어하는 기능을 또한 가진다. 통상적으로, 공기 유동은 전지의 길이에 따른 과도한 온도 차이를 방지하도록 연료의 유동보다 5 내지 10배가 커야 한다.
2개의 동축 배치 파이프들로 이루어진 열 교환 시스템은 버너에 의해 생성된 열은 이송하고 시스템 입구로 다시 운반한다. 외부 파이프(4)는 하나의 막힌 단부를 가지고, 내부 파이프(6)는 2개의 개방 단부를 가진다. 내부 파이프는 개질 챔버의 하부 부근에서부터 튜브의 단부로 연장한다. 연소 공정의 결과로서, 공기는 개질 챔버와 내부 파이프 사이로 강제된다. 공기는 전지들을 지나고, 산소의 일부는 전기 화학 공정을 통해 변환된다. 산소가 부분 고갈된 이 공기는 고갈된 연료 가스와 함께 연소된다. 외부 튜브의 막힌 단부로 인해 최종 열은 상승할 수 없고, 그런 후 내부 파이프의 외부를 따라 하강되므로 내부 파이프로 열을 전달하고 그 결과 진입 공기로 열을 전달하게 된다.
도5의 대체 시스템
전술된 시스템보다 우수한 성능을 제공하는 것으로 믿어지는 시스템이 도5에 도시된다. 본 실시예는 (연료 가스로 도시된 실시예의) 반응 가스 중의 하나에 대해 입구 통로로 기능하는 환형 공간(46)에 의해 둘러싸이는 열전도성이 큰 벽(48)내에 반응 챔버(40)와 연소 챔버(41)를 포함함으로써 잠재적으로 우수한 열 교환을 제공한다.
보다 자세하게, 장치는 열전도성 벽(48)에 의해 그 측면 주위가 경계가 정해지고 예컨대 알루미나 또는 뮬라이트(mullite)일 수도 있는 반응 챔버(40)와, 반응 챔버의 하부 단부에 매니폴드 블록(51)과, 반응 챔버의 상부 단부의 경계를 정하는 배플 평판(47)을 가진다. 도1의 실시예를 가짐으로써, 연료 전지(61)는 매니폴드 블록(51)의 그 일 단부(62)에 각각 장착된다. 연료 전지(61)는 배플 평판(47)의 개구(63)와 반응 챔버(40)를 통해 수직으로 연장한다. 개구(63)는 관형 연료 전지(61)보다 큰 직경을 갖고, 이는 직각 연료 전지들 주위에 환형의 간격을 제공한다. 연료 전지(61)의 단부(65)들은 배플(47)을 지나 배기 가스를 위한 출구 통로의 일부를 형성하는 연소 챔버(41) 내로 연장한다. 적은 수의 연료 전지만이 도면의 정확성을 보장하도록 도시되는 것을 도5에서 알 수 있다. 아주 큰 시스템에서 수백개의 연료 전지들이 제공될 수 있다.
연소 챔버(41)는 배플 평판(47)에 의해 하부 경계가 정해지고, 측면 주위 및 상부 영역의 상당 부분이 지붕을 형성하는 열전도성 벽(48) 및 원뿔형 연장부(64)에 의해 경계가 정해진다. 연소 챔버(41)는 이로부터 배출구(43)를 가진다. 가스 입구 파이프(49)는 배기 출구(43)를 통해 연장하고 연소 챔버(41)를 통해 하향으로 연장하고, 배플 평판(47)의 개구(50)를 통해 연장하고, 반응 챔버(40) 및 매니폴드 블록(51)을 통해 연장한다. 배기 출구(43)는 도5에서 절단 형태로 도시되지만, 배기 가스와 입구 파이프(49) 사이의 개량된 열 교환을 위해, 배기 출구(43)와 내부 파이프(49)는 필요한 것 보다 큰 간격으로 동축 형상으로 이루어진다.
입구 파이프(49)는 매니폴드 블록(51) 아래에 플리넘 챔버(42)에 출구를 갖도록 매니폴드 블록(51) 내로 또는 이를 관통하여 연장한다. 플리넘 챔버(42)는 하부 평판(52)에 의해 아래가 둘러싸여지고 외부 벽(57)에 의해 그 측부가 둘러싸여진다.
열전도성 벽(48)의 하부 에지(60)는 그 내부에 형성된 환형 단차부(59)에 의해 매니폴드 블록(51) 상에 위치된다. 외부 벽(57)은 반응 챔버(40)와 연소 챔버(41)를 둘러싸는 환형 챔버(46)를 형성하도록 열전도성 벽(48)과 동축상이고 이로부터 이격된다. 외부 벽(57)은 하부 평판(52)과 매니폴드 블록(51)의 주연부에 대향하여 밀봉된다. 벽(57)은 예컨대 스테인레스 강 시트를 구비할 수도 있고, 장치의 외부 벽은 그 외부측 주위에 절연층(58)이 바람직하게 제공될 수도 있다.
환형 챔버(46)는 배기 출구(43)에 근접한 입구(45)를 통해 유입하는 제2 반응 가스를 위한 입구 통로의 주요 부분을 제공한다. 환형 챔버(46)는 매니폴드 블록(51)에 인접한 그 하부 단부에 하나 이상의 출구 포트(54)를 가진다. 입구 가스를 필요한 온도로 상승시키는 것을 돕기 위해, 열 교환은 반응 챔버의 소량의 가스를 출구 포트(55)를 통해 외부로, 다시 환형 통로(46)로 재순환함으로써 제공된다. 출구 포트(55)를 통과하는 가스의 흡입을 돕기 위해, 경사진 플랜지(56)는 각각의 포트(55)에 바로 인접하게 저압 영역을 생성하도록 벤투리 관(venturi)과 같이 포트에 인접하게 제공될 수도 있다.
또한, 재순환되고 고갈된 연료 가스는 부분적인 산화 개질 반응이 사용되도록 허용하여, 물이 연료 가스 증기 내에 존재할 필요가 없다.
도5에 도시된 발명의 실시예에 있어서, 입구 통로는 환형 챔버(46)의 하부 단부에 또는 플리넘 챔버(42)에 적절히 위치되는 개질 촉매와 함께 산화 가스 또는 연료 가스용으로 사용될 수 있는 것으로 생각된다. 입구(45)에서 진입하고 환형 챔버(46)를 통해 진행하는 연료 가스와 입구 튜브(49)의 입구(44)에서 진입하고 플리넘 챔버를 통해 분배되는 산화 가스와 함께 본 실시예의 작동이 기술됨으로써, 개질 촉매(65)는 환형 챔버(46)의 하부에 위치되는 것이 도시된다.
장치의 작동에 있어서, 연료 가스는 입구(45)에서 화살표 71에 의해 지시되는 바와 같이 공급된다. 연료 가스의 공급은 시스템 제어기에 의해 바람직하게 제어되어 종래 수단을 이용하여 연료 가스 압력을 조절한다. 산화 가스는 입구 튜브(49)의 입구(44)에서 화살표 70에 의해 지시되는 바와 같이 공급된다. 또한, 산화 가스의 공급은 시스템 제어기, 예컨대 입구 파이프를 가변적으로 제한함으로써 제어될 수도 있다. 소정 상태 하에서, 산화 가스의 사전 가압(prepressurization)이 필요할 수도 있고 예컨대 작은 팬에 의해 달성될 수도 있다.
연료 가스는 연소 챔버(41)의 열 전도성 지붕(64)에 걸쳐 그리고 열전도성 벽(48)을 둘러싸는 환형 챔버(46) 내로 화살표 72에 의해 지시되는 통로에서 이동한다. 연료 가스는 연소 챔버(41)의 연소와 반응 챔버(40)의 고온 가스에 의해 가열되고 발열성 연료 변환 공정에 의해 가열되는 열전도성 벽에 걸쳐 통과함으로써 가열된다.
입구 연소 가스는 화살표 82에 의해 지시되는 바와 같이 반응 챔버를 출구 포트(55)를 통해 나가는 소량의 고갈된 연료 가스와 함께 혼합됨으로써 더 가열된다. 따라서, 연료 가스는 장치의 정상 상태 동안에 가스가 유동함에 따라 개질되는 개질 축매에 도달하기 전에 대략 800℃ 온도로 상승된다.
그런 후, 개질된 연료 가스는 화살표 73에 의해 지시되는 방식으로 포트(54)를 통해 반응 챔버 내로 유동한다. 개질된 연료 가스는 반응 챔버를 상향으로 통과하고, 연료 전지의 외부에 걸쳐 지나가고, 출구 포트(55)를 통해 반응 챔버를 나가고 다시 환형 챔버(56) 내로 나가거나, 또는 개구(63)와 배플 평판(47) 사이에 제공되는 간격을 통해 그리고 통과하는 연료 전지(61)를 통해 나간다. 연료 가스는 이러한 간격이 존재하면 개구(50)와 입구 파이프(49) 사이에 제공되는 환형 간격을 통해 연소 챔버(41) 내로 나간다. 이 간격의 존재는 입구 파이프(49)와 배플 평판(47)용으로 선택된 재료에 달라지고, 열팽창 계수에 의해 엄밀한 공차로써 끼워 맞춰지는 지의 여부에 따른다.
산화 가스는 입구 파이프(49)의 입구(44)를 통해 화살표 70에 의해 지시된 바와 같이 진입하고 화살표 74에 의해 지시된 바와 같이 입구 파이프를 통해 그 단부에서 출구(66)로 하향으로 지나가고, 플리넘 챔버(42) 내로 나가서 화살표 76에 의해 지시된 바와 같이 그 내부에 분산된다. 플리넘 챔버는 그 내부에서 개방되는 연료 전지(61)의 단부(62)로 거의 균일한 공기를 공급한다. 산화 가스는 화살표 78에 의해 지시되는 바와 같이 그 내부를 지나가도록 화살표 77에 의해 지시되는 바와 같이 연료 전지(61)의 개방 단부(62) 내로 지나간다.
도5에 도시된 실시예에 있어서, 연료 전지의 애노드 및 캐소드는 도1에 도시된 실시예와 비교함으로써 역전된다. 캐소드는 전해질 튜브의 내부 표면 상에 형성되고 애노드는 전해질 튜브의 외부 표면 상에 형성된다. 튜브의 내부를 상향으로 지나가는 산화 가스와 튜브의 외부 주위에 있는 연료 가스는 연료 전지의 내부 전기 전도층 및 외부 전기 전도층 사이에서 전위를 생성하도록 전술된 바와 같이 반응한다. 전기 전도층으로의 전기 접속은 연소 가스가 없고 가열된 공기만을 포함하는 정상 사용중인 플리넘 챔버(42)의 전지(61)의 하부 단부(62)에서 바람직하게 형성되고 이는 적절하게 개방된 환경이다.
고갈된 산화 가스는 연료 전지(61)의 상단부(65)를 벗어나 연소 챔버(41) 내로 지나가고, 예컨대 화살표 90에 의해 지시되는 바와 같이 개구(83)를 통과하는 고갈된 연료 가스를 갖는 플럼스(81)로서 연소한다. 연소는 전도성 벽(64)과 입구 튜브(49)의 여분의 열을 제공하므로 시스템으로 도입되는 연소 가스 및 산화 가스에 여분의 열을 제공한다. 그런 후, 고갈되고 연소된 배기 가스는 배기 출구(43)를 통해 장치 외부로 지나간다.
도5의 형태가 연료 가스 입구 챔버(46) 내에 포함되는 연소 챔버, 열 제공 영역 및 반응 챔버(40)를 갖는 도1의 시스템보다 열 전달 기회가 확실히 많고 산화 가스 입구 파이프는 배기 출구(43)에서 배기 가스로부터 과도한 열을 추출한다는 것은 명백하다. 또한, 시스템은 매니폴드 평판(51) 하의 공기 플리넘 챔버에서 장치의 평온 영역이도록 연료 전지로의 전기 접속을 제공한다. 조립 관점으로부터, 장치는 열전도성 벽(48, 64), 매니폴드 평판(51) 및 기부 평판(52)에 걸쳐 위치하고 고정되는 외부 쉘(57, 58)로 구성하도록 상대적으로 단순하다. 상대적으로 간단한 세라믹 링 밀봉부는 이러한 연결부를 밀봉하기에 충분하다. 열전도성 벽(48, 64)은 매니폴드 평판(51)의 단차부(59)에 걸쳐 용이하게 위치하고 배플 평판(47)을 제위치에 보유한다. 연료 전지(61)와 입구 튜브(49)를 갖는 매니폴드 평판(51)은 이미 기술된 바와 같이 사실상 미리 조립될 수도 있다.
종래 기술에 대한 장점
이상의 설계들을 다음과 같은 이유로 평탄한 연료 전지 설계와 관련된 여러 문제점들을 극복한다.
- 평탄 설계의 상호 연결부는 스택의 체적의 80% 내지 90%를 구성하지만 전원 발생에 직접적으로 기여하지 않는다.
- 금속을 이용할 때 상호 연결부는 전지의 세라믹 재료보다 큰 열 팽창률을 가진다. 이는 세라믹의 파열을 초래한다. 결과적으로, 공정 온도로 가열하는 것을 천천히 수행하여야 한다. 이는 적어도 6시간이 걸리며, 이는 실행하기 어렵다.
- 밀봉하는 문제점은 평면 설계에서 극복하기에 어려운 것으로 보이며, 반복적인 시동 및 정지는 밀봉을 악화시킨다.
- 밀봉 및 접촉 저항 요건은 보유력이 100N/㎠ 정도 가해질 것을 요구한다. 필요한 작동 온도에서, 이 응력은 크리프에 관한 문제점을 발생시킨다.
- 보유력을 가하기 위해서, 큰 본체 및 다른 구성요소가 필요하다.
전지들이 일 단부에서만 보유되므로 팽창하기 자유롭기 때문에, 새로이 개발된 설계는 이러한 문제점의 대부분을 극복한다. 또한, 전체 시스템은 하나의 장비로 통합되고, 그 주 특징은 다음과 같다.
- 공기 공급은 가스 송풍기 또는 펌프를 필요로 하지 않지만 자연 대류가 공기를 제거하는 데에 사용된다.
- 연소된 잉여 연료로부터 공기 입구로 열을 전달함으로써 필요한 공정 온도가 도달되고 유지된다.
- 연료 전지의 현재 최신 기술은 연료가 고수소량과 상대적으로 소량의 탄화수소를 가지는 것을 필요로 한다. 전극 표면에서, 수소로의 가스의 동력학적 변환은 충분히 활발하지 않고, 따라서 사전 개질 단계가 필요하다. 본 설계에서, 개질 촉매는 배기 가스에 의해 미리 가열된 개질 연료 혼합물과 함께 연료 전지 하부의 연료 챔버에 위치된다.
이러한 방식으로, "설비의 잉여(balance of plant)"이라 통상 불리는 큰 부분이 연료 전지 스택으로 통합된다. 이는 전체적으로 시스템의 비용을 현저히 감소시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 전력을 발생하기 위한 장치에 있어서,
    반응 챔버 내에 배치되고, 내향 반응 표면 및 외향 반응 표면과 상기 각각의 표면과 결합된 전극을 각각 구비하고, 그 일 단부가 매니폴드 블록 내에 장착되는 복수의 관형 고체 산화물 연료 전지와,
    상기 연료 전지의 외부를 따라 통과하는 제1 가스를 상기 반응 챔버로 공급하기 위한 제1 가스 입구 통로와,
    상기 연료 전지의 내부를 따라 통과하도록 연료 전지의 상기 장착 단부로 제2 가스를 공급하는 제2 가스 입구 통로와,
    미반응 가스들이 내부에서 상호 연소될 수 있고, 배기 가스를 배출구로 운반하기 위해 상기 매니폴드 블록에서 멀리 위치된 연료 전지의 단부들에 인접한 상기 반응 챔버로부터의 배기 가스 출구 통로와,
    상기 연료 전지의 내외부 상에서 전도체를 연결시키는 동력 수집 수단을
    구비하며;
    상기 제1 및 제2 가스 중의 하나는 개질 연료 가스이고, 다른 하나는 산화 가스이고, 상기 가스 통로들은 상기 연료 전지의 반응 표면의 배치에 따라 개질가능한 가스 또는 산화 가스 중의 하나를 각각 운반하며,
    상기 개질가능한 가스 운반 통로는 그 내부에 개질 촉매를 구비하고, 정상 상태 작동시 내부 가스들이 개질될 수 있는 상기 촉매의 온도로 상승되도록 상기 배기 가스 통로 및 상기 반응 챔버와 열전달 관계로 배치되며,
    상기 산화 가스 운반 통로는 정상 상태 작동시 내부 가스들이 상기 연료 전지가 작동하는 연료 전지 반응 온도로 상승되도록 상기 배기 가스 통로 및 상기 반응 챔버와 열전달 관계로 배치된
    것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서, 배플 벽은 상기 반응 챔버를 상기 배기 가스 출구 통로로부터 분리하고, 상기 관형 연료 전지는 상기 배플 벽 내의 구멍을 통해 상기 배기 가스 출구 통로로 연장하고, 상기 배플 벽의 구멍은 상기 관형 연료 전지의 내부로부터 유동하는 부분적으로 반응하는 가스와 연소하게 하도록 부분적으로 반응하는 가스의 유동을 상기 반응 챔버로부터 상기 배기 가스 출구 통로로 유동하게 하는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서, 각각의 관형 연료 전지는 상기 매니폴드 블록 내에 장착된 단부에서만 보유되는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  4. 제2항에 있어서, 각각의 관형 연료 전지는 상기 매니폴드 블록 내에 장착된 단부에서만 보유되고 상기 배플 벽 내의 상기 구멍을 통과하며, 상기 반응 챔버로부터 상기 배기 가스 출구 통로로 유동하는 상기 부분적으로 반응하는 가스는 상기 벽과 각각의 연료 전지 사이의 공간을 거쳐 상기 구멍을 통해 유동하는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 가스 입구 통로는 상기 매니폴드 블록 아래에 플리넘 챔버를 구비하고, 상기 연료 전지 장착 단부는 상기 가스들을 연료 전지 장착 단부로 분산시키도록 매니폴드 블록 및 상기 플리넘 챔버를 통해 연장하는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 가스는 산화 가스이고, 상기 전력 연결 수단은 상기 플리넘 챔버 내에 배치된 단부들에서 연료 전지의 내부 및 외부의 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 가스 입구 통로는 상기 매니폴드 블록을 통해 플리넘 챔버 내로 연장하는 열 전도성 가스 도관을 구비하고, 정상 상태 작동 하에서 상기 반응 챔버 내의 가스로부터 열을 흡수하기 위해 상기 제1 가스 입구 통로의 길이부가 상기 반응 챔버를 통과하는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 열 전도성 가스 도관은 상기 배기 가스 출구 통로의 적어도 일부를 통과하는 제2 길이부를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 가스 입구 통로는 상기 반응 챔버를 둘러싸는 환형 챔버와, 상기 환형 챔버로 이어지는 가스 입구 포트 수단과, 상기 입구 포트 수단으로부터 상기 환형 챔버의 먼 단부에 상기 환형 챔버로부터 상기 반응 챔버로 이어지고 상기 매니폴드 블록에 인접하게 위치하는 가스 출구 포트 수단을 구비하고, 상기 반응 챔버와 환형 챔버 사이의 벽은 열전도성인 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반응 챔버와 환형 챔버 사이의 벽 내에 하나 이상의 혼합 포트를 구비하며, 상기 혼합 포트는 상기 반응 챔버와 환형 챔버 사이에서 상기 가스 출구 포트 수단으로부터 상기 반응 챔버의 먼 단부로 이어지고, 상기 혼합 포트는 상기 반응 챔버로부터 상기 환형 챔버로 통과하는 가스를 흡입하기 위해 상기 가스가 통과함으로써 상기 혼합 포트에 바로 인접한 상기 환형 챔버 내에 저압 영역을 발생시키기 위한 흡입력 발생 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 연료 전지의 장착 단부는 연료 전지의 열팽창 계수와 유사한 열팽창 계수를 갖는 관형 세라믹 절연체 내부에 장착된 장착 단부를 가지며, 상기 세라믹 절연체는 상기 절연체의 열팽창 계수와 유사한 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조된 상기 매니폴드 블록을 통과하는 구멍 내에서 접합되는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 연료 전지는 산화이트륨으로 안정화된 지르코니아계 전해액을 사용하고, 상기 절연체는 유리 세라믹이고, 상기 매니폴드 블록은 페라이트계 스테인레스 강인 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 산화 가스의 존재하에 상기 연료 가스를 점화하기에 충분한 국부적인 열을 발생시킬 수 있는 점화 수단을 상기 연소 영역 내에 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 점화 수단과 적어도 상기 연료 가스의 유동을 제어하는 시스템 제어 수단을 구비하며, 상기 시스템 제어 수단은 시동시에 상기 연료 가스가 동력 발생에 필요한 것보다 사실상 높은 속도로 유동하게 하여 상기 가스 유동을 점화시키고 대략 800 ℃의 온도가 상기 매니폴드 블록에 도달할 때까지 상기 가스 유동을 상기 속도로 유지시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  15. 청구항 제1항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 의한 전력 발생 장치를 구비하는 공간 히터에 있어서,
    배기 가스가 공간 가열을 위해 사용되고, 발생된 동력은 다른 장치로 분배되는 것을 특징으로 하는 공간 히터.
  16. 도1에 도시되고 도1을 참고하여 본원에서 실질적으로 설명된 전력 발생 장치.
  17. 도5에 도시되고 도5를 참고하여 본원에서 실질적으로 설명된 전력 발생 장치.
KR1020007003566A 1997-10-01 1998-10-01 병합형 고체 산화물 연료 전지 및 개질제 KR20010030874A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NZ32888597 1997-10-01
NZ328885 1997-10-01
PCT/NZ1998/000151 WO1999017390A1 (en) 1997-10-01 1998-10-01 Integrated solid oxide fuel cell and reformer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20010030874A true KR20010030874A (ko) 2001-04-16

Family

ID=19926467

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020007003566A KR20010030874A (ko) 1997-10-01 1998-10-01 병합형 고체 산화물 연료 전지 및 개질제

Country Status (10)

Country Link
US (1) US6492050B1 (ko)
EP (1) EP1032954A4 (ko)
JP (1) JP2001518688A (ko)
KR (1) KR20010030874A (ko)
AU (1) AU730602B2 (ko)
BR (1) BR9812715A (ko)
CA (1) CA2316381A1 (ko)
IL (1) IL135330A (ko)
NZ (1) NZ503606A (ko)
WO (1) WO1999017390A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100599668B1 (ko) * 2004-08-19 2006-07-12 한국과학기술연구원 연료의 부분 산화 개질 반응용 촉매 성형체 더미, 이를 이용한 연료 개질 장치 및 연료 개질 방법
KR100751029B1 (ko) * 2006-06-30 2007-08-21 재단법인 포항산업과학연구원 연료전지 발전시스템

Families Citing this family (122)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AUPO617497A0 (en) 1997-04-14 1997-05-08 Jacobs, Ian Orde Michael Injection moulding
JP4063430B2 (ja) * 1998-12-15 2008-03-19 大阪瓦斯株式会社 流体処理装置
DE19924134A1 (de) * 1999-05-26 2000-11-30 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Herstellung keramischer Grünkörper
US6605316B1 (en) 1999-07-31 2003-08-12 The Regents Of The University Of California Structures and fabrication techniques for solid state electrochemical devices
AUPQ278799A0 (en) 1999-09-13 1999-10-07 Telstra R & D Management Pty Ltd An access control method
CN100431214C (zh) * 2000-03-24 2008-11-05 Cmr燃料电池(英国)有限公司 具有溢流道的多孔电极的混合反应物燃料电池
CA2447855C (en) * 2000-05-22 2011-04-12 Acumentrics Corporation Electrode-supported solid state electrochemical cell
GB0025661D0 (en) 2000-10-19 2000-12-06 British Nuclear Fuels Plc Improvements in and relating to fuel cells
US6773684B2 (en) * 2001-01-26 2004-08-10 Utc Fuel Cells, Llc Compact fuel gas reformer assemblage
JP4663137B2 (ja) * 2001-01-30 2011-03-30 京セラ株式会社 燃料電池
ES2261670T3 (es) * 2001-06-04 2006-11-16 Acumentrics Corporation Sistemas de tubos para pila de combustible horizontal de oxido solido y procedimientos.
US20020197520A1 (en) * 2001-06-25 2002-12-26 Usf Filtration & Separations Group., Inc Micro fuel cell array
DE10132078A1 (de) * 2001-07-05 2003-01-23 Stephan Blum Elektrodenanordnung
JP4845296B2 (ja) * 2001-07-30 2011-12-28 京セラ株式会社 固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池
JP4822633B2 (ja) * 2001-08-28 2011-11-24 京セラ株式会社 固体電解質形燃料電池セル及び燃料電池
CA2466262A1 (en) 2001-11-06 2003-05-15 Freedom Cell Power Corporation Fuel cell element
GB0126604D0 (en) * 2001-11-06 2002-01-02 Adelan Ltd Fuel cell element
US6936367B2 (en) 2002-01-16 2005-08-30 Alberta Research Council Inc. Solid oxide fuel cell system
US6893762B2 (en) 2002-01-16 2005-05-17 Alberta Research Council, Inc. Metal-supported tubular micro-fuel cell
US6846588B2 (en) 2002-01-16 2005-01-25 Alberta Research Council Inc. Hollow inorganic membranes produced by metal or composite electrodeposition
US7736772B2 (en) 2002-02-14 2010-06-15 Alberta Research Council, Inc. Tubular solid oxide fuel cell stack
US8658327B2 (en) 2002-02-20 2014-02-25 Acumentrics Corporation Fuel cell stacking and sealing
US8158057B2 (en) 2005-06-15 2012-04-17 Ati Properties, Inc. Interconnects for solid oxide fuel cells and ferritic stainless steels adapted for use with solid oxide fuel cells
US7842434B2 (en) 2005-06-15 2010-11-30 Ati Properties, Inc. Interconnects for solid oxide fuel cells and ferritic stainless steels adapted for use with solid oxide fuel cells
US7981561B2 (en) 2005-06-15 2011-07-19 Ati Properties, Inc. Interconnects for solid oxide fuel cells and ferritic stainless steels adapted for use with solid oxide fuel cells
US7279246B2 (en) * 2002-06-24 2007-10-09 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell system having an integrated air/fuel manifold
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
EP1520317A2 (en) 2002-07-01 2005-04-06 The Regents of the University of California, Office of the President Mems-based fuel cells with integrated catalytic fuel processor and method thereof
CA2436313A1 (en) * 2002-08-14 2004-02-14 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Fuel-cell element stack with stress relief and methods
US7008711B2 (en) * 2003-01-27 2006-03-07 Gas Technology Institute Thermally integrated fuel cell power system
JP4524993B2 (ja) * 2003-02-10 2010-08-18 カシオ計算機株式会社 熱処理装置
US7419060B2 (en) * 2003-03-05 2008-09-02 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Integrated fuel container and impurity removal cartridge
AT412310B (de) * 2003-06-03 2004-12-27 Alpps Fuel Cell Systems Gmbh Mikroreaktor
JP4405196B2 (ja) * 2003-08-22 2010-01-27 新光電気工業株式会社 固体電解質燃料電池
US7767329B2 (en) * 2003-11-17 2010-08-03 Adaptive Materials, Inc. Solid oxide fuel cell with improved current collection
US8343689B2 (en) * 2003-11-17 2013-01-01 Adaptive Materials, Inc. Solid oxide fuel cell with improved current collection
JP4587659B2 (ja) * 2003-11-26 2010-11-24 京セラ株式会社 燃料電池セルスタックの製法
JP4565980B2 (ja) * 2003-11-28 2010-10-20 京セラ株式会社 燃料電池組立体
US8026011B2 (en) 2004-01-28 2011-09-27 Kyocera Corporation Fuel cell assembly
CA2457609A1 (en) * 2004-02-13 2005-08-13 Alberta Research Council Inc. Heating solid oxide fuel cell stack
US7335432B2 (en) * 2004-04-30 2008-02-26 Motorola, Inc. Solid oxide fuel cell portable power source
JP4758074B2 (ja) * 2004-05-31 2011-08-24 京セラ株式会社 燃料電池組立体及び燃料電池
US7629069B2 (en) 2004-09-09 2009-12-08 Nanodynamics Energy, Inc. Solid oxide fuel cell system
JP2008522370A (ja) 2004-11-30 2008-06-26 ザ、リージェンツ、オブ、ザ、ユニバーシティ、オブ、カリフォルニア 電気化学装置用封止ジョイント構造
US8709674B2 (en) 2005-04-29 2014-04-29 Alberta Research Council Inc. Fuel cell support structure
JP4988172B2 (ja) * 2005-06-24 2012-08-01 株式会社日立製作所 固体酸化物形燃料電池発電システム
US7758993B2 (en) * 2005-06-30 2010-07-20 Worldwide Energy, Inc. Of Delaware Tubular solid oxide fuel cell current collector
JP5105392B2 (ja) * 2005-10-06 2012-12-26 独立行政法人産業技術総合研究所 電気化学リアクターチューブセル及びそれらから構成される電気化学反応システム
US7855004B2 (en) * 2005-10-13 2010-12-21 Siemens Energy, Inc. Mid-sectional fuel distributor for fuel cells
WO2007075366A2 (en) * 2005-12-15 2007-07-05 Acumentrics Corporation Interconnection of bundled solid oxide fuel cells
DE502007003403D1 (de) * 2006-02-27 2010-05-20 Highterm Res Gmbh Brennstoffzellenanordnung
JP2007265650A (ja) * 2006-03-27 2007-10-11 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 電気化学リアクターセル用マニフォールド、スタック及びそれらから構成される電気化学反応システム
EP2011183B1 (en) * 2006-04-03 2016-06-08 Bloom Energy Corporation Fuel cell system and balance of plant configuration
US8822094B2 (en) * 2006-04-03 2014-09-02 Bloom Energy Corporation Fuel cell system operated on liquid fuels
US7883813B2 (en) * 2006-04-03 2011-02-08 Bloom Energy Corporation Fuel cell system ventilation scheme
JP2007311072A (ja) * 2006-05-16 2007-11-29 Acumentrics Corp 燃料電池システム及びその運転方法
DE102006031866A1 (de) * 2006-07-10 2008-01-17 Webasto Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Beeinflussen des Wärmehaushaltes eines Brennstoffzellensystems
US8343686B2 (en) 2006-07-28 2013-01-01 The Regents Of The University Of California Joined concentric tubes
US8389180B2 (en) * 2006-09-11 2013-03-05 Battelle Energy Alliance, Llc Electrolytic/fuel cell bundles and systems including a current collector in communication with an electrode thereof
JP2008071511A (ja) * 2006-09-12 2008-03-27 Hitachi Ltd 固体酸化物形燃料電池モジュールとその運転方法
JP5203598B2 (ja) * 2006-11-28 2013-06-05 三菱重工業株式会社 固体電解質燃料電池モジュール及び固体電解質燃料電池の空気供給方法
DE102007007605A1 (de) 2007-02-13 2008-08-14 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Brennstoffzellensystem
JP5313128B2 (ja) * 2007-03-28 2013-10-09 日本碍子株式会社 電気化学装置
US20080254335A1 (en) * 2007-04-16 2008-10-16 Worldwide Energy, Inc. Porous bi-tubular solid state electrochemical device
US8920997B2 (en) 2007-07-26 2014-12-30 Bloom Energy Corporation Hybrid fuel heat exchanger—pre-reformer in SOFC systems
US8309270B2 (en) 2007-08-03 2012-11-13 Cp Sofc Ip, Llc Solid oxide fuel cell systems with improved gas channeling and heat exchange
US8071251B2 (en) * 2007-11-19 2011-12-06 Microcell Corporation Fuel cell module including microcells
WO2009105191A2 (en) 2008-02-19 2009-08-27 Bloom Energy Corporation Fuel cell system containing anode tail gas oxidizer and hybrid heat exchanger/reformer
US8535835B2 (en) * 2008-03-26 2013-09-17 Kyocera Corporation Fuel battery module and fuel battery device
MY147805A (en) * 2008-04-18 2013-01-31 Univ California Integrated seal for high-temperature electrochemical device
JP5284050B2 (ja) * 2008-11-13 2013-09-11 Ｔｏｔｏ株式会社 燃料電池モジュール
US8304122B2 (en) 2009-02-06 2012-11-06 Protonex Technology Corporation Solid oxide fuel cell systems with hot zones having improved reactant distribution
JP5290021B2 (ja) * 2009-03-30 2013-09-18 アイシン精機株式会社 燃料電池装置
BRPI0901921A2 (pt) * 2009-06-17 2011-02-22 Inst Alberto Luiz De Coimbra De Pos Graduacao E Pesquisas De Engenharia Coppe Ufrj processo para a oxidação direta e/ou reforma interna de etanol, pilha a combustìvel de óxido sólido utilizada para a oxidação direta e/ou reforma interna de etanol, catalisador e, anodo eletrocatalisador multifuncional para a oxidação direta e/ou reforma interna de etanol
US8638011B2 (en) 2009-07-10 2014-01-28 Protonex Technology Corporation Portable power manager operating methods
JP5388818B2 (ja) * 2009-11-27 2014-01-15 京セラ株式会社 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
JP5119234B2 (ja) * 2009-12-21 2013-01-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池モジュール
JP5409333B2 (ja) * 2009-12-24 2014-02-05 京セラ株式会社 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
DE102010002276A1 (de) * 2010-02-24 2011-08-25 Robert Bosch GmbH, 70469 Brennstoffzellensystem mit einem Reformer in einer verbesserten Anordnung
JP5383550B2 (ja) * 2010-02-24 2014-01-08 京セラ株式会社 燃料電池モジュール
US9136552B2 (en) 2010-06-07 2015-09-15 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Gas decomposition component, ammonia decomposition component, power generation apparatus, electrochemical reaction apparatus, and method for producing gas decomposition component
JP2012016693A (ja) * 2010-06-07 2012-01-26 Sumitomo Electric Ind Ltd ガス分解素子、アンモニア分解素子、発電装置および電気化学反応装置
JP5569157B2 (ja) 2010-06-07 2014-08-13 住友電気工業株式会社 ガス分解素子
WO2012143489A1 (en) 2011-04-21 2012-10-26 Eads Deutschland Gmbh Drive unit, method for providing power, and use of a drive unit
DE102011106654A1 (de) 2011-04-21 2012-10-25 Airbus Operations Gmbh Verfahren zum Herstellen eines Festoxid-Brennstoffzellen-Elements durch schichtweisen Aufbau und ein Festoxid-Brennstoffzellen-Element
DE102011018448A1 (de) * 2011-04-21 2012-10-25 Airbus Operations Gmbh Antriebsaggregat, Verfahren zum Bereitstellen von Leistung und Verwendung eines Antriebsaggregats
US8652707B2 (en) 2011-09-01 2014-02-18 Watt Fuel Cell Corp. Process for producing tubular ceramic structures of non-circular cross section
US9452548B2 (en) 2011-09-01 2016-09-27 Watt Fuel Cell Corp. Process for producing tubular ceramic structures
JP5822122B2 (ja) * 2011-09-30 2015-11-24 Toto株式会社 燃料電池装置
JP5876287B2 (ja) * 2011-12-20 2016-03-02 アイシン精機株式会社 燃料電池装置
JP5975255B2 (ja) * 2012-02-21 2016-08-23 Toto株式会社 燃料電池装置
JP5316830B1 (ja) 2012-03-23 2013-10-16 Ｔｏｔｏ株式会社 固体酸化物型燃料電池
JP5975426B2 (ja) * 2012-09-28 2016-08-23 Toto株式会社 固体酸化物型燃料電池装置
US9634485B2 (en) 2013-04-01 2017-04-25 Protonex Technology Corporation Power manager
US10109867B2 (en) 2013-06-26 2018-10-23 Upstart Power, Inc. Solid oxide fuel cell with flexible fuel rod support structure
JP6252968B2 (ja) * 2013-07-08 2017-12-27 Toto株式会社 固体酸化物型燃料電池装置
JP6153067B2 (ja) * 2013-07-12 2017-06-28 Toto株式会社 固体酸化物型燃料電池装置
JP6153068B2 (ja) * 2013-07-12 2017-06-28 Toto株式会社 固体酸化物型燃料電池装置
JP6153066B2 (ja) * 2013-07-12 2017-06-28 Toto株式会社 固体酸化物型燃料電池装置
WO2015061274A1 (en) 2013-10-23 2015-04-30 Bloom Energy Corporation Pre-reformer for selective reformation of higher hydrocarbons
WO2015069749A2 (en) 2013-11-06 2015-05-14 Watt Fuel Cell Corp. Liquid fuel cpox reformers and methods of cpox reforming
US10676354B2 (en) 2013-11-06 2020-06-09 Watt Fuel Cell Corp. Reformer with perovskite as structural component thereof
CA2929546C (en) 2013-11-06 2019-03-05 Watt Fuel Cell Corp. Gaseous fuel cpox reformers and methods of cpox reforming
EP3065861A2 (en) 2013-11-06 2016-09-14 Watt Fuel Cell Corp. Chemical reactor with manifold for management of a flow of gaseous reaction medium thereto
AU2014346836B2 (en) 2013-11-06 2017-12-14 WATT Fuel Cell Corp Liquid fuel CPOX reformer and fuel cell systems, and methods of producing electricity
MX2016004622A (es) 2013-11-06 2016-08-01 WATT Fuel Cell Corp Reformador de cpox de combustible gaseoso integrado y sistemas de celda de combustible, y metodos para producir electricidad.
KR102320128B1 (ko) * 2014-10-07 2021-11-02 프로토넥스 테크놀로지 코퍼레이션 Sofc-전도
CA2965364C (en) 2014-11-11 2021-06-08 Protonex Technology Corporation Control module for dc power network
AU2016342066B2 (en) * 2015-10-20 2022-08-25 Upstart Power, Inc. Improved CPOX fuel peformer and SOFC system
US10790523B2 (en) 2015-10-20 2020-09-29 Upstart Power, Inc. CPOX reactor control system and method
US11258366B2 (en) 2015-11-20 2022-02-22 Galvion Soldier Power, Llc Power manager with reconfigurable power converting circuits
US10848067B2 (en) 2015-11-20 2020-11-24 Galvion Soldier Power, Llc Power manager with reconfigurable power converting circuits
US11108230B2 (en) 2015-11-20 2021-08-31 Galvion Soldier Power, Llc Power manager with reconfigurable power converting circuits
KR20230027315A (ko) 2016-08-11 2023-02-27 업스타트 파워 인코포레이티드 평면 고체 산화물 연료 유닛 셀 및 스택
WO2018080570A1 (en) 2016-10-24 2018-05-03 Precision Combustion, Inc. Solid oxide fuel cell with internal reformer
JP2018098081A (ja) * 2016-12-14 2018-06-21 Toto株式会社 固体酸化物形燃料電池スタック
US11398634B2 (en) 2018-03-27 2022-07-26 Bloom Energy Corporation Solid oxide fuel cell system and method of operating the same using peak shaving gas
EP3790089A4 (en) * 2018-03-30 2022-03-30 Osaka Gas Co., Ltd. ELECTROCHEMICAL ELEMENT, ELECTROCHEMICAL MODULE, ELECTROCHEMICAL DEVICE AND ENERGY SYSTEM
US10822233B2 (en) 2018-05-11 2020-11-03 Doosan Fuel Cell America, Inc. Reformer including catalyst in an inlet plenum
CN109443043B (zh) * 2018-09-05 2019-09-27 西安交通大学 一种铅-超临界二氧化碳中间换热器
US20220285716A1 (en) * 2019-08-14 2022-09-08 Upstart Power, Inc. Sofc-conduction
WO2024050522A1 (en) * 2022-09-02 2024-03-07 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University High efficiency micro-power generator for portable applications

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3377203A (en) 1963-12-20 1968-04-09 Univ Ernst Moritz Arndt Method of producing fuel cells with solid electrolytes and ceramic oxide electrode layers
US4395468A (en) 1980-12-22 1983-07-26 Westinghouse Electric Corp. Fuel cell generator
ZA814990B (en) * 1980-12-22 1982-11-24 Westinghouse Electric Corp Fuel cell generator
US4374184A (en) * 1981-09-29 1983-02-15 Westinghouse Electric Corp. Fuel cell generator and method of operating same
US4664986A (en) * 1986-04-16 1987-05-12 Westinghouse Electric Corp. High thermal conductivity gas feeder system
US4728584A (en) * 1986-10-21 1988-03-01 Westinghouse Electric Corp. Fuel cell generator containing self-supporting high gas flow solid oxide electrolyte fuel cells
US4729931A (en) 1986-11-03 1988-03-08 Westinghouse Electric Corp. Reforming of fuel inside fuel cell generator
US4808491A (en) 1988-02-16 1989-02-28 Westinghouse Electric Corp. Corner heating in rectangular solid oxide electrochemical cell generators
US4824742A (en) 1988-04-21 1989-04-25 The United States Department Of Energy Manifold, bus support and coupling arrangement for solid oxide fuel cells
US4827606A (en) 1988-05-11 1989-05-09 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method and apparatus for assembling solid oxide fuel cells
US5082751A (en) * 1990-10-18 1992-01-21 Westinghouse Electric Corp. Internal natural gas reformer-dividers for a solid oxide fuel cell generator configuration
GB9023091D0 (en) 1990-10-24 1990-12-05 Ici Plc Composite membranes and electrochemical cells containing them
US5336569A (en) 1991-03-20 1994-08-09 Ngk Insulators, Ltd. Power generating equipment
US5200279A (en) 1991-10-11 1993-04-06 Westinghouse Electric Corp. Solid oxide fuel cell generator
US5244752A (en) 1991-12-06 1993-09-14 Westinghouse Electric Corp. Apparatus tube configuration and mounting for solid oxide fuel cells
ATE188809T1 (de) * 1993-03-20 2000-01-15 Univ Keele Festoxidbrennstoffzellenstrukturen
GB9403198D0 (en) * 1994-02-19 1994-04-13 Rolls Royce Plc A solid oxide fuel cell stack
US5733675A (en) * 1995-08-23 1998-03-31 Westinghouse Electric Corporation Electrochemical fuel cell generator having an internal and leak tight hydrocarbon fuel reformer
US5741605A (en) * 1996-03-08 1998-04-21 Westinghouse Electric Corporation Solid oxide fuel cell generator with removable modular fuel cell stack configurations

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100599668B1 (ko) * 2004-08-19 2006-07-12 한국과학기술연구원 연료의 부분 산화 개질 반응용 촉매 성형체 더미, 이를 이용한 연료 개질 장치 및 연료 개질 방법
KR100751029B1 (ko) * 2006-06-30 2007-08-21 재단법인 포항산업과학연구원 연료전지 발전시스템

Also Published As

Publication number Publication date
WO1999017390A1 (en) 1999-04-08
CA2316381A1 (en) 1999-04-08
BR9812715A (pt) 2000-08-22
NZ503606A (en) 2002-05-31
IL135330A0 (en) 2001-05-20
JP2001518688A (ja) 2001-10-16
IL135330A (en) 2004-05-12
AU730602B2 (en) 2001-03-08
US6492050B1 (en) 2002-12-10
AU9369698A (en) 1999-04-23
EP1032954A4 (en) 2004-06-02
EP1032954A1 (en) 2000-09-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20010030874A (ko) 병합형 고체 산화물 연료 전지 및 개질제
CA2161957C (en) Solid oxide fuel cell structures
US7732076B2 (en) Heating solid oxide for fuel cell stack
EP1309027B1 (en) Fuel cell
US8062803B2 (en) Fuel cell system and a method of generating electricity
EP1976047B1 (en) Fuel cell
CN1518780A (zh) 燃料电池堆、燃料电池系统及其运作方法
EP1970988A1 (en) Fuel cell
CN102024974A (zh) 用于固体氧化物燃料电池的组合式电池模块
JP4654567B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池およびその運転方法
EP1508932B1 (en) Solid electrolyte fuel-cell device
US4824742A (en) Manifold, bus support and coupling arrangement for solid oxide fuel cells
JP2004335164A (ja) 固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法
CN1276921A (zh) 整体固体氧化物燃料电池及其改进型
JPH11111314A (ja) 固体電解質型燃料電池のカソード集電構造及び該集電構造を用いた固体電解質型燃料電池発電モジュール
JP2000133286A (ja) 固体電解質型燃料電池セル及び発電モジュール
MXPA00003279A (en) Integrated solid oxide fuel cell and reformer
JP2004335162A (ja) 固体酸化物形燃料電池の運転方法

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application