KR20040098000A - 고체 산화물 연료 전지와 시스템 - Google Patents

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가트만매티어스
맥엘로이제임스에프.
알. 시리다케이
응규엔디엔
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이온 아메리카 코포레이션
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Abstract

본 발명은 연료 전지에 관한 것이고 보다 상세하게는 고체 산화물 연료 전지와 전력 발생 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시예는 다음 (a) 내지 (g)에서 하나 이상의 조합으로 구성된 시스템을 제공한다. (a) 온도 민감 흡착 산소 농축 시스템; (b) 로드(load)에 대응하며 고체 산화물 연료 전지와 열 펌프와 선택사항인 터빈을 포함하는 전력 발생 시스템; (c) 텍스처 연료 전지 세라믹 전해질; (d) 환경 내성 연료 전지 애노드 촉매; (e) 애노드 측 엔탈피 휠로 구성된 연료 수증기 보충 시스템; (f) 연료 전지 내의 펠트 봉인; 및 (g) 연료 전지 내의 펠트 컬렉터.

Description

고체 산화물 연료 전지와 시스템{Solid oxide fuel cell and system}
연료 전지는 수소와 여러 탄화수소 연료를 통해 전기를 발생시킨다. 그러한 연료 전지에는 공기와 같은 기체에 포함된 산소가 전해질의 캐소드(cathode)에 공급되고 수소 또는 탄화수소 연료가 전해질의 애노드(anode)에 공급된다. 연료 전지는 전기화학적인 반응에 의해 전기를 발생시킨다. 예를 들어 고체 산화물 연료 전지에서는 공기에 포함된 산소는 고체 세라믹 전해질의 캐소드에 공급되고 탄화수소 연료는 전해질의 애노드에 공급된다.
흡입되는 공기의 산소 함유량이 높을 때 연료 전지는 효율이 증가하는데, 주된 이유는 산소의 분압이 높을 때 전지의 네른스트(Nernst) 포텐셜이 증가하기 때문이다. 그러므로 연료 전지에 공급되는 공기의 산소 함유량을 다양한 공정을 통하여 증가시키는데, 그러한 공정에는 PSA(pressure swing adsorption; 예를 들어 퀘스트에어 주식회사의 펄사 기술), 산소 선택 막(보이어 외, 'Electrochem' p.1095,1999 참조), 자기 분리 장치(예를 들어 미국특허 6106963)가 있다. 그러나이러한 방법은 일반적으로 비효율적인데 그러한 방법이 전기와 같은 에너지를 필요로 하여 연료 전지와 전력 발생 시스템의 효율을 떨어트리기 때문이다.
본 출원은 2002년 2월 20일에 제출된 미국출원 60/357636 을 인용함으로서 그에 의한 우선권의 이익을 주장한다. 본 발명은 연료 전지에 관한 것이고 보다 상세하게는 고체 산화물 연료 전지와 전력 발생 시스템에 관한 것이다.
도 1 내지 도 5는 제 1 실시예에 의한 산소 농축 시스템의 개략도이다.
도 5 내지 도 10D는 제 2 실시예에 의한 전력 발생 및 냉각 결합 시스템의 개략도이다.
도 11은 종래의 고체 산화물 연료 전지의 단면개략도이다.
도 12는 전해질을 통한 산소 운반의 개략도이다.
도 13, 도 13 및 도 16은 제 3 실시예에 의한 고체 산화물 연료 전지의 단면개략도이다.
도 14는 종래 다층 고체 산화물 전해질의 단면개략도이다.
도 17 내지 도 24는 제 3 실시예에 의한 전해질의 제조방법에 관한 단면개략도이다.
도 25 내지 도 26은 제 4 실시예에 의한 연료 전지의 단면개략도이다.
도 27A 및 도 27B는 제 5 실시예에 의한 시스템의 개략도이다.
도 28 내지 도 35는 제 6 실시예에 의한 봉인의 개략도이다.
도 36 내지 도 45는 제 7 실시예에 의한 펠트 전류 컨덕터/플로우 분배기를 포함하는 연료 전지 적층체의 반복되는 구성의 단면도이다.
도 46 내지 도 48은 제 7 실시예에 의한 펠트 전류 컨덕터/플로우 분배기를 포함하는 연료 전지 적층체의 반복되는 구성의 사시도이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 다음 (a) 내지 (g)에서 하나 이상의 조합으로 구성된 시스템을 제공한다.
(a) 온도 민감(sensitive) 흡착 산소 농축 시스템;
(b) 로드(load)에 대응하며 고체 산화물 연료 전지와 열 펌프와 선택사항인 터빈을 포함하는 전력 발생 시스템;
(c) 텍스처 연료 전지 세라믹 전해질;
(d) 환경 내성 연료 전지 애노드 촉매;
(e) 애노드 측 엔탈피 휠(wheel)로 구성된 연료 수증기 보충 시스템;
(f) 연료 전지 내의 펠트(felt) 봉인; 및
(g) 연료 전지 내의 펠트 컬렉터
(제 1 실시예)
본 발명의 제 1 실시예에서 발명자는 연료 전지로 공급되는 공기중의 산소 함유량은 온도 민감성 흡수 사이클을 이용하여 증가될 수 있음을 알아냈다. 보다 바람직하게는 온도 민감성 흡수 사이클이 전력 발생중에 연료 전지에 의해 발생하는 열을 이용하는 것이다. 연료 전지에 의해 발생하는 열을 이용하는 것은 전력 발생의 효율을 증가시킨다. 그러나 연료 전지 외의 다른 수단에 의해 발생되는 열을 대신 이용할 수 있다.
온도 민감성 흡수 사이클에서 공기(질소와 산소의 혼합물)는 선택적으로 질소를 제거하는 차가운 흡착 매질을 통과한다. 그 결과 공기는 원래보다 높은 산소 함유량을 갖게 된다. 공정 조건하에서 흡착제가 질소로 포화되면 연료 전지 또는 다른 요인에 의해 발생되는 열은 흡착 매질로 전달되고 질소는 통풍구를 통해 배출된다. 그리하여 분리되게 된다.
도 1은 온도 민감성 산소 농축 시스템(1)을 개략적으로 도시한다. 이 시스템은 공기 공급원(3), 흡착 매질(5), 연료 전지(7)를 포함한다. 공기 공급원(3)은 공기를 흡착 매질(5)로 공급하는 공기 송풍기, 공기 흡입 도관 또는 다른 장치등이다. 흡착 매질(5)은 선택적으로 산소에 비해 질소를 잘 흡수하는 매질이다. 바람직하게는 흡착 매질(5)은 제올라이트(zeolite) 또는 그 혼합물과 같은 질소 흡착 물질을 포함하는 층이다. 예를 들어 은X, 나트륨X, 칼슘A 제올라이트가 사용된다. 연료 전지(7)는 공기가 공급되는 어떠한 연료 전지라도 상관없다. 바람직하게는 연료 전지(7)는 고체 산화물 연료 전지이다. 그러나 PEM, 메탄올, 용해된 탄산염, 인산, 알카라인 연료 전지도 가능하다.
시스템(1)은 또한 연료 전지(7)와 흡착 매질(5)사이에 열 전달 도관(9)을 포함하는 것이 바람직하다. 열 전달 도관(9)은 연료 전지(7)로부터 흡착 매질(5)까지 열을 전달한다. 열 전달 도관(9)은 한 곳으로부터 다른 곳으로 열을 전달하는 어떠한 장치라도 상관없다. 예를 들어 열 전달 도관(9)은 산소가 농축된 공기를 흡착 매질(5)로부터 연료 전지(7)까지 제공할 수 있는 파이프, 덕트, 열린 공간 등일 것이다.
제 1 실시예의 첫번째 바람직한 모습으로, 열 전달 도관(9)은 연료 전지(7),열 싱크(15), 흡착 매질(5)에 인접한 곳에 위치한 파이프를 포함한다. 예를 들어 도 2에서 나타내는 바와 같이, 열 전달 도관(9)은 흡착 매질(5)과 연료 전지(7) 주위의 하우징에 의해 싸여 있다. 열 전달 도관(9)은 또한 열 싱크(15)를 통과한다. 열 전달 도관(9)은 물과 같은 가열된 열 전달 액체를 연료 전지(7) 근처로부터 흡착 매질(5)까지 전달한다. 가열된 열 전달 액체는 흡착 매질(5)로부터 질소를 제거하기 위해 흡착 매질(5)을 가열한다. 또한 열 전달 도관(9)은 물과 같은 냉각된 열 전달 액체를 열 싱크(15) 근처로부터 흡착 매질(5)까지 전달한다. 냉각된 열 전달 액체는 흡착 매질(5)을 냉각시켜 흡착 매질(5)이 흡입구(11)로부터 제공되는 공기에서 질소를 흡착하게 한다.
도 2에 도시된 열 전달 도관(9)의 작동은 보다 상세하게 묘사되지 않았다. 열 전달 도관(9)은 열 전달 액체로 차 있다. 이 액체는 열을 전달할 수 있는 어떠한 액체라도 상관없다. 다만 이 액체는 물인 것이 바람직하다. 그러나 미네랄 오일 등의 다른 액체, 또는 열 전달 기체도 사용될 수 있다. 액체는 열 전달 도관(9)을 통해 제공되고 적어도 하나의 밸브를 통해 제공된다. 열 전달 도관(9)은 배출 밸브(17)와 흡입 밸브(19)를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나 둘 중에 하나만 사용되어도 상관없다. 배출 밸브(17)는 액체를 열 전달 도관(9)의 제 1 구획(21) 또는 제 2 구획(23)에 흐르게 하거나 도관(9)에 흐르는 것을 막는 삼방향 밸브인 것이 바람직하다. 액체가 연료 전지(7)에 인접하여 위치한 제 1 구획(21)에 제공되면, 액체는 연료 전지(7)에서 발생하는 열에 의해 가열된다. 예를 들어 "인접하여 위치한"의 의미는 도관(9)의 제 1 구획(21)이 한 개 이상의 연료 전지가 사용될 경우에 연료 전지(7)나 연료 전지 적층체에 싸여 있다는 뜻이다. 그러나 "인접하여 위치한"은 제 1 구획(21)의 위치가 연료 전지(7)가 제 1 구획 내의 액체를 가열할 수 있는 어떠한 위치든지 포함한다. 예를 들어 제 1 구획(21)은 연료 전지(7)의 하나 이상의 표면에 접해 있거나 연료 전지에 싸여 있는 것보다 연료 전지에 가까이 위치할 수 있다.
가열된 열 전달 액체는 흡입 밸브(19)를 통해 제 1 구획(21)으로부터 도관(9)에서 흡착 매질(5)에 인접해 있는 부분으로 공급된다. 예를 들어 "인접해 있는"은 도관(9)이 흡착 매질(5)의 하우징에 의해 싸여 있는 것을 의미한다. 그러나 "인접해 있는"은 액체가 흡착 매질(5)로 열을 전달할 수 있도록 도관(9)이 위치해 있는 경우라면 어떠한 경우라도 포함한다. 예를 들어 도관(9)은 흡착 매질(5)의 하나 이상의 표면에 접해 있거나 흡착 매질(5)에 싸여 있는 것보다 가까이 있을 수 있다. 열 전달 액체는 흡착 매질(5)을 가열하고 흡착 매질(5)에 흡착된 질소를 제거한다.
흡착 매질(5)을 냉각하기 위해서는 밸브(17, 19)를 열 전달 액체가 도관(9)의 제 2 구획(23)을 통과하도록 스위치시킨다. 제 2 구획(23)은 열 싱크(15)에 인접해 있다. 열 싱크(15)는 도관(9)의 제 2 구획(23)안의 액체를 냉각시킬 수 있는 어떠한 것도 가능하다. 예를 들어 열 싱크(15)는 냉각 타워, 열 교환기, 차가운 공기를 갖는 라디에이터, 차가운 공기 송풍기 또는 제 2 구획(23)의 차가운 지면이나 벽을 통해 흐르는 부분 조차도 가능하다. 제 2 구획(23)은 열 싱크가 어떠한 형태인가에 따라, 열 싱크(15)를 통해 흐르거나 열 싱크(15)에 인접·접촉하여 위치할수 있다.
냉각된 열 전달 액체는 흡입 밸브(19)를 통해 제 2 구획(23)으로부터 도관(9)의 흡착 매질(5)에 인접해 있는 부분으로 제공된다. 흡입구(11)로부터 공기에서 질소를 제거하기 위해 공기가 흡착 매질(5)을 통과하는 동안 냉각된 열 전달 액체는 흡착 매질(5)을 냉각시킨다.
도 2에서 나타내는 바와 같이 열 전달 액체는 닫힌 조절 루프안에서 도관(9)을 통하여 제공된다. 도 2의 시스템(1)은 1회 또는 불연속적인 방식으로 작동된다. 그러므로 공기가 공급원(3)으로부터 흡착 매질(5)을 통하여 연료 전지(7)로 제공될 때 열 전달 액체는 열 싱크(15)에 인접해 있는 제 2 구획(23)을 통과한다. 냉각된 열 전달 액체는 공기 중의 질소를 흡착하기 위하여 흡착 매질(5)을 냉각시킨다. 공기가 공급원(3)으로부터 흡착 매질(5)을 통하여 연료 전지(7)로 제공되지 않을 때에는 열 전달 액체는 연료 전지(7)에 인접한 제 1 구획(21)을 통과한다. 가열된 열 전달 액체는 질소를 제거하기 위해 흡착 매질(5)을 가열한다.
제 1 실시예의 두번째 바람직한 형태에서는 시스템(1)은 연속적인 방식으로 작동된다. 연속적인 방식으로 작동하기 위해 도 3에서 나타내는 바와 같이 시스템(100)은 두개 이상의 흡착 매질(5A, 5B)을 갖는다. 도 3에서 도 1 내지 도 2와 같은 숫자를 갖는 구성요소는 동일한 것이다. 도 3에서 하나의 흡착 매질(5A)은 연료 전지로 제공되는 공기에 산소를 농축시키기 위해 질소를 흡착하는데 사용되고, 다른 흡착 매질(5B)은 흡착 매질(5B)로부터 질소를 제거하기 위해 연료 전지로부터의 열에 의해 가열된다.
도 3에서 나타내는 시스템(100)은 다음과 같은 구성요소를 포함한다. 시스템(100)은 송풍기와 같은 하나 이상의 공기 공급원(3), 선택적으로 산소에 비해 질소를 흡착하는 복수의 흡착 매질(5A, 5B)을 포함한다. 비록 두 개의 흡착 매질만이 도 3에 나타나 있지만, 필요에 따라 그 이상이 있을 수 있다. 시스템(100)은 또한 열을 연료 전지(도 3에는 명확하게 도시되지 않음)에서부터 복수의 흡착 매질(5A, 5B)로 전달하는 복수의 열 전달 도관(9A, 9B)을 포함한다. 열 전달 도관(9A, 9B)은 연료 전지와 복수의 흡착 매질(5A, 5B)사이에 위치해 있다.
또한 복수의 흡착 매질(5A, 5B)로의 복수의 공기 흡입구(11A, 11B), 산소가 농축된 공기를 복수의 흡착 매질(5A, 5B)로부터 연료 전지까지 제공하는 복수의 배출구(13A, 13B; 즉, 복수의 농축 산소 공기 도관)도 포함한다. 도관(13A, 13B)은 복수의 흡착 매질(5A, 5B)과 연료 전지 사이에 위치한다.
하기에서 설명하는 바와 같이, 시스템(100)은 7개의 삼방향 밸브를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나 7개보다 많거나 적어도 가능하다. 시스템(100)은 공기 공급원(3)과 복수의 흡착 매질(5A, 5B)사이에 위치한 최소 하나의 흡입 셀렉터 밸브(27)를 갖는다. 흡입 셀렉터 밸브(27)는 공기를 공기 공급원(3)으로부터 제 1 흡착 매질(5A)나 제 2 흡착 매질(5B)로 보낸다.
시스템(100)은 또한 복수의 흡착 매질(5A, 5B)과 연료 전지 사이에 위치한 적어도 하나의 배출 셀렉터 밸브(29)를 갖는다. 배출 셀렉터 밸브(29)는 산소가 농축된 공기를 제 1 흡착 매질(5A) 또는 제 2 흡착 매질(5B)로부터 농축 산소 공기 도관(13A, 13B, 13C)을 통하여 연료 전지로 보낸다.
시스템(100)은 공기 공급원(3)과 복수의 흡착 매질(5A, 5B)사이에 위치한 적어도 하나의 통풍 셀렉터 밸브(31)를 갖는다. 통풍 셀렉터 밸브(31)는 제거된 질소를 내보내기 위해 제 2 흡착 매질(5B) 또는 제 1 흡착 매질(5A)로부터 통풍구(25)를 통해 보낸다.
복수의 농축 산소 공기 도관(13A, 13B)과 연결된 적어도 하나의 연결 도관(33)이 제공된다. 연결 도관(33)은 정제된 공기를 도달하는 쪽의 흡착 매질의 질소를 제거하기 위해 제 1 또는 제 2 흡착 매질로부터 다른 쪽 흡착 매질로 보낸다. 연결 도관(33)은 하나 이상의 플로우 제한기를 갖는 것이 바람직하다. 플로우 제한기(35)는 산소가 농축된 공기의 흐름을 제한하여 흡착 매질에서 나오는 산소가 농축된 공기의 대부분을 연결 도관(33)이 아닌 농축 산소 공기 도관(13C)을 통해 연료 전지로 보낸다.
시스템(100)은 열 전달 유체 도관(9A, 9B)안에 위치한 적어도 하나의 열 전달 유체 흡입 밸브(37A, 37B)를 갖는다. 도 3에서 나타내는 바와 같이 그러한 밸브를 두 개 갖는 것이 바람직하다. 유체 흡입 밸브(37B)가 냉각된 열 전달 유체를 열 싱크로부터 다른 쪽의 흡착매질(5A, 5B)로 보내는 동안 유체 흡입 밸브(37A)는 가열된 열 전달 유체를 연료 전지 적층체로부터 흡착 매질(5A, 5B) 중 하나로 보낸다.
더구나 시스템(100)은 열 전달 유체 도관(9A, 9B)안에 위치한 적어도 하나의 열 전달 유치 배출 밸브(39A, 39B)를 갖는다. 도 3에서 나타내는 바와 같이 그러한 밸브를 두 개 갖는 것이 바람직하다. 유체 배출 밸브(39B)가 냉각된 열 전달 유체를 흡착 매질로부터 연료 전지로 보내는 동안 유체 배출 밸브(39A)는 가열된 열 전달 유체를 흡착 매질로부터 열 싱크로 보낸다.
그러므로 열 전달 유체 도관(9A, 9B)은 사실 하나의 도관(9)의 두 개의 구획이다. 예를 들어 도관(9B)에서 배출되는 것이 밸브(39A), 열 싱크, 밸브(37A)를 통해 도관(9A)으로 들어가는 동안 도관(9A)에서 배출되는 것이 밸브(39B), 연료 전지 적층체, 밸브(37A)를 통해 도관(9B)으로 제공된다. 그러나 하기에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 밸브(37A, 37B, 39A, 39B)는 도관(9A, 9B)과 분리되어 있을 수도 있다.
시스템(100)이 작동하는 방법을 도 3과 도 4에 의해 설명한다. 도 3에서 나타내는 바와 같이, 제 2 흡착 매질(5B)에서 질소가 제거되는 동안 밸브는 제 1 흡착 매질(5A)이 산소가 농축된 공기를 연료 전지에 제공하도록 세팅된다. 제 2 흡착 매질(5B)이 도관(9B)안의 가열된 열 전달 유체에 의해 가열되는 동안 제 1 흡착 매질(5A)은 도관(9A)안의 냉각된 열 전달 유체에 의해 냉각된다.
그리고 어느 정도 지나면, 밸브의 위치는 도 4와 같이 스위치된다. 도 4에서 나타내는 바와 같이 질소가 제 1 흡착 매질(5A)로부터 제거되는 동안 밸브는 제 2 흡착 매질(5B)이 산소가 농축된 공기를 연료 전지로 공급하도록 세팅된다. 제 1 흡착 매질(5A)이 도관(9A)안의 가열된 열 전달 유체에 의해 가열되는 동안 제 2 흡착 매질(5B)은 도관(9B)안의 냉각된 열 전달 유체에 의해 냉각된다. 그러므로 시스템(100)은 1회 방식이 아닌 연속 방식으로 작동할 수 있다. 다른 흡착 매질이 가열되고 그 안에 흡착된 질소를 제거하는 동안 적어도 하나의 흡착 매질은 산소가 농축된 공기를 연료 전지로 보내도록 사용될 수 있다.
도 3에 나타낸 시스템(100)의 작동을 보다 상세하게 설명한다. 공기 공급원(3)으로부터 공급되는 공기는 흡입 셀렉터 밸브(27)로 보내져서 적어도 하나의 흡착 매질로 보내진다. 예를 들어 밸브(27)는 공기를 제 2 흡착 매질(5B)이 아닌 제 1 흡착 매질(5A)로 보낸다. 제 1 흡착 매질(5A)은 제 1 열 전달 도관(9A)안의 열 전달 유체에 의해 냉각되고 제 1 흡착 매질(5A)은 선택적으로 공기에서 질소를 흡착한다. 산소가 농축된 공기는 제 1 흡착 매질(5A)을 나와 선택적으로 농축 산소 공기 도관(13A, 13C)과 배출 셀렉터 밸브를 통해 연료 전지로 보내진다. 흡입 셀렉터 밸브(27)는 공기가 공기 공급원(3)으로부터 제 2 흡착 매질(5B)로 흐르는 것을 막는다. 또한 배출 셀렉터 밸브(29)는 제 2 흡착 매질(5B)로부터 연료 전지까지의 유동을 막는다. 그러므로 산소가 농축된 공기는 제 2 흡착 매질(5B)로부터 연료 전지로 흐르지 않는다.
산소가 농축된 공기의 일부는 제 1 흡착 매질(5A)로부터 도관(13A), 연결 도관(33), 도관(13B)을 통해 제 2 흡착 매질(5B)으로 흐른다. 연결 도관(33)내의 플로우 제한기(35)는 산소가 농축된 공기 중 적은 양만이 제 2 흡착 매질(5B)로 흐르도록 한다. 제 1 흡착 매질(5A)로부터의 산소가 농축된 공기는 제 2 흡착 매질(5B)에서 질소를 제거하는데 사용된다. 깨끗해진 공기가 제 2 흡착 매질(5B)을 통과하는 동안 제 2 흡착 매질(5B)은 제 2 흡착 매질(5B)에서 질소를 제거하기 위해 도관(9B)안의 가열된 열 전달 유체에 의해 가열된다. 제거된 질소는 선택적으로 제 1 흡착 매질이 아닌 제 2 흡착 매질로부터 통풍 셀렉터 밸브(31)에 의해 배출된다.
열 전달 유체는 도 3에서 나타내는 바와 같이 시스템(100)안으로 보내진다. 열 전달 유체는 냉각되기 위해 열 싱크를 통과한다. 냉각된 열 전달 유체는 열 전달 유체 흡입 밸브(37A)내의 "냉각 흡입구"와 도관(9A)를 통해 선택적으로 제 1 흡착 매질(5A)로 보내진다.
그리고 제 1 흡착 매질(5A)부터의 냉각된 열 전달 유체는 선택적으로 도관(9A)와 열 전달 유체 배출 밸브(39B)의 "냉각 배출구"를 통해 연료 전지로 보내진다. 밸브(39B)로부터의 열 전달 유체는 가열되기 위해 연료 전지에 인접하여 지나간다.
가열된 열 전달 유체는 열 전달 유체 흡입 밸브(37A)안의 "가열 흡입구"와 도관(9B)을 통해 선택적으로 제 2 흡착 매질(5B)로 보내진다. 그리고 제 2 흡착 매질(5B)로부터의 가열된 열 전달 유체는 선택적으로 도관(9B)와 열 전달 유체 배출 밸브(39A)안의 "가열 배출구"를 통해 열 싱크로 보내진다.
도 4에서 나타내는 시스템(100)의 동작을 설명한다. 도 4에서의 모든 밸브는 도 3과 반대로 흐르도록 세팅된다. 공기 공급원(3)으로부터 공기는 공기를 제 1 흡착 매질(5A)가 아닌 제 2 흡착 매질(5B)로 보내는 흡입 셀렉터 밸브(27)로 흐른다. 제 2 흡착 매질(5B)은 제 2 열 전달 도관(9B)내의 열 전달 유체에 의해 냉각된다. 그리고 제 2 흡착 매질(5B)은 공기로부터 선택적으로 질소를 흡착한다. 산소가 농축된 공기는 제 2 흡착 매질(5B)를 나와 선택적으로 농축 산소 공기 도관(13B, 13C)과 배출 셀렉터 밸브(29)를 통해 연료 전지로 보내진다. 흡입 셀렉터 밸브(27)는 공기가 공기 공급원(3)으로부터 제 1 흡착 매질(5A)로 흐르는 것을 막는다. 또한 배출 셀렉터 밸브(29)는 제 1 흡착 매질(5A)로부터 연료 전지로의 유동을 막는다. 그러므로 산소가 농축된 공기는 제 1 흡착 매질(5A)로부터 연료 전지로 흐르지 않는다.
산소가 농축된 공기의 일부는 제 2 흡착 매질(5B)로부터 도관(13B), 연결 도관(33), 도관(13A)를 통하여 제 1 흡착 매질(5A)로 흐른다. 연결 도관 내의 플로우 제한기(35)는 산소가 농축된 공기의 적은 양만이 제 1 흡착 매질(5A)로 흐르도록 한다. 제 2 흡착 매질(5B)로부터 산소가 농축된 공기는 제 1 흡착 매질(5A)에서 질소를 제거하는데 사용된다. 정제된 공기가 제 1 흡착 매질(5A)를 통과하는 동안 제 1 흡착 매질(5A)은 도관(9A)내의 제 1 흡착 매질(5A)내의 질소를 제거하기 위해 가열된 열 전달 유체에 의해 가열된다. 제거된 질소는 선택적으로 제 2 흡착 매질이 아닌 제 1 흡착 매질로부터 통풍 셀렉터 밸브(31)를 통해 배출된다.
열 전달 유체는 도 4에서 나타내는 시스템으로 보내진다. 열 전달 유체는 냉각되기 위해 열 싱크를 통과한다. 냉각된 열 전달 유체는 선택적으로 열 전달 유체 흡입 밸브(37B)와 도관(9B)를 통해 제 2 흡착 매질(5B)로 보내진다.
그리고 제 2 흡착 매질(5B)로부터 냉각된 열 전달 유체는 선택적으로 도관(9B)과 열 전달 유체 배출 밸브(39B)를 통해 연료 전지로 보내진다. 밸브(39B)에서부터 열 전달 유체는 가열되기 위해 연료 전지에 인접하여 통과한다.
가열된 열 전달 유체는 선택적으로 열 전달 유체 흡입 밸브(37A)와 도관(9A)을 통해 제 1 흡착 매질(5A)로 보내진다. 그리고 제 2 흡착 매질(5A)부터 가열된 열 전달 유체는 선택적으로 도관(9A)와 열 전달 유체 배출 밸브(39A)를 통해 열 싱크로 보내진다.
그러므로 열 전달 유체는 시스템(100)을 통하여 완전한 루프를 형성하기 때문에 도관(9A, 9B)은 동일한 도관의 구획이다. 그러나 다른 흡착 매질이 냉각된 후에 냉각된 열 전달 유체가 열 싱크로 돌아오는 동안 필요할 경우 밸브(37A, 37B, 39A, 39B)는 하나의 흡착 매질을 가열한 후에 가열된 열 전달 유체가 연료 전지로 돌아오도록 세팅될 수도 있다.
본 발명은 도 3 및 도 4에 도시된 시스템(100)에 한정되지 않는다는 점에 주의해야 한다. 여러 흡착 매질(즉, 흡착 매질을 포함한 층)은 필요한 산소 농축이 연속적으로 행해지도록 여러 다른 방법으로 연결될 수 있다.
도 5는 제 1 실시예의 세번째 바람직한 형태에 따른 다른 시스템(200)을 도시한다. 흡착 매질(5A, 5B)이 열 전달 액체가 아닌 연료 전지(7)로부터 배출되는 가열된 공기에 의해 가열되는 것을 제외하면 도 5의 시스템(200)은 도 3과 도 4의 시스템(100)과 유사하다.
도 5에서 나타내는 바와 같이, 공기는 흡입구(11A)로부터 제 1 흡착 매질(5A)로 제공된다. 흡착 매질(5A)에서 질소는 흡착되고 산소가 농축된 공기는 도관(13A, 13C)과 밸브(29)를 통하여 연료 전지(7)의 캐소드측 입력으로 제공된다. 도 3에서 도시한 시스템(100)에서와 유사하게 공기는 도 5에서의 밸브(27)의 위치 때문에 흡입구(11B)로부터 제 2 흡착 매질(5B)로 제공되지 않는다.
열 전달 도관(9)은 연료 전지(7)의 캐소드측 출력과 연결되어 있다. 가열된 공기는 연료 전지(7)의 캐소드측 출력에서 나와 도관(9)로 들어간다. 가열된 공기는 가열된 공기를 도관(9)의 제 1 구획(9A) 나 제 2 구획(9B)로 보내는 고온 기체 셀렉터 밸브(41)에 도달한다. 도 5에서 나타내는 바와 같이 밸브(41)는 가열된 공기를 제 2 구획(9B)로 보내도록 세팅되어 있다.
제 2 구획(9B)이 제 2 흡착 매질(5B)에 인접하여 있기 때문에 연료 전지(7)로부터 가열된 공기는 흡착 매질로부터 질소를 제거하기 위해 제 2 흡착 매질(5B)를 가열한다. 가열된 공기가 도관(9B)를 통과한 후 공기는 통풍구(43B)를 통해 배출되거나 다른 목적을 위해 재사용된다.
제 2 흡착 매질(5B)은 산소가 농축된 공기를 연료 전지(7)에 제공하기 위해 사용되는 때 밸브(27, 31, 29, 41)의 위치는 반대로 된다(도 4에서 나타내는 것과 유사하다). 그리고 제 1 흡착 매질(5A)은 제 1 흡착 매질(5A)에서 질소를 제거하기 위해 연료 전지(7)로부터 가열된 공기에 의해 가열된다. 가열된 공기는 통풍구(43A)를 통해 배출되거나 다른 용도로 사용된다.
도 5에서, 연료 전지(7)는 또한 애노드측에 연료 인풋(45)과 연료 아웃풋(47)을 포함한다. 흡착 매질(5A, 5B)은 흡입구(11A, 11B)로부터 흡착 매질(5A, 5B)을 통해 도관(13A, 13B)으로 지나는 공기에서 질소를 흡착하기 위해 외부 공기 또는 다른 열 전달 도관(도 5에 나타나지 않은)에 의해 냉각된다. 그러므로 열 전달 기체(즉, 가열된 공기)는 도 5의 열린 루프에 제공되고 시스템(200)은 연속적인 방식으로 작동한다.
본 실시예에서 유입되는 공기의 조건은 중요하다. 예를 들어 초기 조건에 의해 흡입 공기는 건조되거나 가열되거나 냉각될 것이다.
기체의 분리와 빠른 열 전달을 활용하기 위한 흡착 매질을 선택하는 것은 필수적이다. 흡착 매질층을 통과하여 압력이 감소하는 것은 자본과 송풍기의 작동비용을 줄이기 위해 최소가 되어야 한다. 그러므로 입자 크기, 층의 형상, 전체 시스템의 외관은 압력의 감소를 최소로 하도록 활용된다. 다른 층의 흡착 매질은 시스템 요구사항에 민감하여 같거나 다를 수 있다.
예를 들어 어떤 경우에는 산소 농축 시스템은 도 2에서 나타내는 두 개의 층과 유사하게 병렬로 작동하는 세 개의 흡착 층으로 구성될 수 있다. 각 층은 20×30 사이즈의 표준 망상 1㎏의 AgX 제올라이트 펠릿을 포함한다. 이 층은 평행 육면체의 형상을 하고 있고 열 전달 표면의 네트워크를 포함하며 금속 포상(foam) 물질로 만들어지는 것이 바람직하다.
제 1 실시예에서 공기 중의 산소 함유량을 증가시키기 위한 온도 민감적 흡착 공정은 산소가 농축된 공기를 연료 전지에 제공하는 것에 한정되지 않음을 주의해야 한다. 이 공정은 산소가 농축된 공기를 다른 적합한 용도에 사용되도록 할 수 있다. 예를 들어 비활성 질소는 가열될 필요가 없기 때문에 흡입 공기가 산소로 농축되어 있다면 연소 공정(가스 터빈과 같은)의 효율이 증가될 수 있다.
(제 2 실시예)
고 전력 전기 기구는 열 처리 문제를 야기한다. 같은 장소에 배치된 컴퓨터나 제조 기계와 같은 고전력 소비기구는 대부분의 전기 에너지를 열로 낭비한다. 적당한 작동 조건을 유지하기 위해 이러한 열은 제거되어야 한다. 종래 장치에서는 전력은 그리드를 통해 공급되었는데 전력은 장치의 작동과 쿨링 장치의 작동을 위해 요구되었다. 어떤 전력 분배 시스템은 새로운 전망을 제공한다. 고체 산화물 연료 전지와 같은 전력 발생기는 전력과 많은 양의 열 낭비를 제공한다. 이러한 열은 쿨링 장치에 사용될 수 있다. 그에 의하여 전력 요구를 줄일 수 잇다. 발명자는 포함되는 장비의 적절한 선택에 의하여 전력 요구와 쿨링 요구가 이상적으로 대응될 수 있음을 깨달았다.
본 발명의 제 2 실시예에서 발명자는 고체 산화물 연료 전지와 같은 연료 전지를 포함하는 전력 발생기, 열 펌프, 컴퓨터와 같은 전력 소비 장치는 전력 요구와 쿨링 요구에 관하여 이상적으로 대응되는 시스템을 형성함을 깨달았다.
고체 산화물 연료 전지는 일반적으로 대략 전력과 같은 양의 열을 발생시킨다. 이 열은 보통 250℃에서 1000℃의 높은 온도에 유용하고 열 펌프를 작동하는데 적합하다.
열에 의해 작동하는 열 펌프는 대략 변하지 않는 효율을 갖고 있다. 변하지 않는 효율은 열 펌프가 열 펌프를 작동하는데 공급되는 것과 같은 양의 열을 제거할 수 있다는 것을 말한다. 복잡한 열 흐름은 온도에 따라 다름을 주의해야 한다. 연료 전지로부터 열 펌프로의 열 흐름은 냉각을 요하는 장비(이 경우에는 전기 장치)부터 열 펌프로의 열 흐름보다 높은 온도에서 제공된다.
연료 전지에 의해 공급되는 전력은 장치에 의해 소비된다. 장치에 공급되는 전력은 열로 방출된다. 컴퓨터나 기계류와 같은 대부분의 장치에 있어서, 제공되는 전력의 매우 적은 양만이 시스템 영역으로 전달되고 대부분의 전기 에너지는 열로 방출된다. 방출되는 열은 장치가 지나치게 가열되는 것을 막기 위해 제거되어야 한다.
발명자는 위와 같은 시스템은 냉각을 요하는 장치와 전력 소비 장치를 배합하는 것이 매우 좋은 특징을 가지고 있음을 알아내었다. 열 펌프와 고체 산화물 연료 전지의 조합은 많은 전기 장치의 요구 사항을 조합하는 전기 공급과 냉각 능력을 제공한다. 부가적인 냉각 장비를 요하지도 않고 부가적인 중대한 부가적인 전력(즉, 전체 전력의 10%이상)을 요하지도 않기 때문에 그러한 시스템은 편리하다. 전력 발생기와 열 펌프의 신중한 선택은 다양한 장비에 냉각과 가열을 제공한다. 전력 발생기는 또한 고체 산화물 연료 전지와 순환에 의한 가스 터빈과 같은 가스 터빈의 조합이 될 수도 있다.
부가적으로 제공되는 냉각과 전력의 양은 연료 전지의 적당한 작동 조건을 선택함으로써 조절이 가능하다. 예를 들어 연료 전지가 초과된 연료를 공급받고 있다면 더 높은 온도의 열이 발생할 것이고 그에 의해 냉각 능력이 증가할 것이다. 이러한 조절은 특히 부가적인 열 부담이 제거될 필요가 있는 상황에서 중요할 수 있다. 부가적인 열 부담의 한 가지 예는 주변의 높은 공기 온도(예를 들어 높은 기온의 지역) 때문에 그러한 조건의 장치가 가열하는 것이다.
또다른 옵션은 열 펌프에 의해 장비 또는 열적인 조건의 공간을 가열하는 것이다. 예를 들어 추운 기후의 지역에서 가열은 장치의 작동 또는 장비를 작동하는 인원에 있어 중요하다. 열 펌프는 가열하는데 매우 효율적일 수 있다.
다양한 연료는 전력 발생기에 사용될 수 있다. 기체 연료의 예로 수소, 생물학적으로 제조되는 기체, 천연 기체, 압축된 천연 기체, 액화된 천연 기체, 프로판이 있다. 액체 연료 또한 사용될 수 있다. 시스템은 또한 고체 연료도 적용 가능하다.
도 6은 개략적으로 제 2 실시예의 시스템을 도시하고 있다. 시스템은 전력 발생기(2), 열 구동 열 펌프(4; heat driven heat pump), 장비(6), 열 싱크(8)을 포함한다. 전력 발생기(2)는 고체 산화물 연료 전지일 수 있다. 그것은 또한 가스 터빈이 결합된 고체 산화물 연료 전지일 수도 있다. 전력 뿐만 아니라 높은 온도의 열을 제공하는 용해 탄산염 연료 전지와 같은 다른 전력 발생기도 또한 사용할 수 있다. 열 구동 열 펌프(4)는 LiBr-Water 또는 암모니아-Water 열 펌프와 같은 흡수 냉각장치일 수 있다. 열 펌프는 냉각(낮은 온도에서 열의 흡수)과 중간 온도에서 열을 차단하는데 높은 온도의 열을 이용한다. 종래의 랭카인 사이클 냉각 장치와 비교하면 매우 작은 양의 전력과 일률을 요한다. 열 구동 열 펌프에 관한 설명은 Bernard D. Woods의 "Applications of Thermodynamics"에서 찾을 수 있다.
본 실시예에 적합한 열 펌프의 다른 부류는 흡수 열 펌프이다. 흡수 열 펌프에 있어서 보통 기체인 냉각제는 고체와 상호 작용한다. 고체로부터 냉각제의 흡수와 제거는 냉각제가 가압되도록 한다. 냉각제의 높은 압력에 의한 제거는 높은 온도의 열을 만든다. 냉각제 루프의 고압 부분에서 열은 차단되고 저압 부분에서 열은 흡수된다. 흡수 열 펌프는 액체를 다룰 필요가 없는 고체 상태 장치임을 알 수 있다. 이러한 점은 보통 흡수 열 펌프에서 액체의 조작은 매우 위험하다는 점에서 장점이 될 수 있다. 친환경적인 기체, 증기는 흡수 열 펌프에서 사용될 수 있다.
장치(6)는 어떠한 목적을 위해 전력을 소비하고 대부분의 기생손실로서 제거될 필요가 있는 열(냉각 부담이 있는 장치)을 발생하는 장치이다. 이러한 장치에 대한 좋은 예 중에 하나가 컴퓨터 또는 데이터 센터에 같이 위치한 컴퓨터의 클러스터이다.
본 시스템의 열 싱크(8)는 큰 부피의 고체, 액체, 기체일 수 있다. 예를 들어 열 싱크는 냉각 타워, 주변 공기, 흙, 물의 흐름일 수 있다.
또한 도 6에서 나타내는 것은 서브시스템 사이에서 교환되는 에너지이다. 전력 발생기(2)에 의해 장치(6)에 공급되는 전력(12)은 전기 도선을 사용하여 전달될 수 있으나 다른 전력 전달 수단 또한 사용될 수 있다. 높은 온도의 열(10)은 전력 발생기(2)에 의해 발생되고 열 구동 열 펌프(4)에 의해 소비된다. 높은 온도의 열(10)은 액체 루프와 같이 유체가 전력 발생기(2) 주위의 열을 흡수하고 열 구동 열 펌프(4)로 열을 방출하는 펌프에 의한 유체 루프를 통해 전달된다. 일반적으로 이러한 열 전달은 어떠한 열 전달 수단(예를 들어, 전도, 대류, 복사 또는 이것들의 조합)에 의해 행해진다. 냉각 루프 또한 기체 또는 증기 냉각제 와 고체층으로 구성되어 잇다. 장치 냉각 부담(14)은 열 펌프(4)에 의해 제거되어야 하는 장치(6)에 의해 발생되는 열의 양이다. 열은 장치(6) 주위에서 흡수되고 열 구동 열 펌프로 전달된다. 액체 펌프 루프 나 기체의 흐름은 장치(6)의 냉각 부담(14)을 흡수하고 열 구동 열 펌프(4)로 전달한다. 적당한 온도의 열(16)은 열 구동 열 펌프(4)로부터 열 싱크(8)로 전달되는 열이다. 여기에서 다시 전도, 대류, 복사 등의 열 전달 수단이 이 열의 운반에 이용된다. 가능한 실행 중 하나는 열 구동 열 펌프 내의 열 교환기를 통해 흐르고 주변으로 돌아가는 공기이다. 세 가지 열전달(10, 14, 16)모두는 하나 이상의 열 흐름임을 알 수 있다. LiBr-water 열 구동 열 펌프의 경우 열 구동 열 펌프(4)로부터 열 싱크(8)로 흐르는 적당한 온도의 열(16)은 일반적으로 두개의 운반 루프임을 알 수 있다.
열 구동 열 펌프(4)로부터 열 싱크(8)로 흐르는 열 전달 루프에 관한 예가 냉각을 요하는 열 구동 열 펌프(4)로 싸여져 있는 튜브와 흙에 묻혀 있는 튜브 코일에 의한 펌프 루프이다. 다른 예는 주위 공기를 빨아들여 냉각되어야 하는 표면으로 송풍하는 송풍기와 뜨거워진 공기를 주변으로 배출하는 도관이다.
고온 연료 전지가 전력 발생기(2)로 사용되는 경우에 전력 발생기(2)와 열 구동 열 펌프(4)에 의해 형성되는 서브시스템은 도 7에 도시되어 있다. 연료 전지(68)는 고체 산화물 연료 전지와 같은 고온 연료 전지인 것이 바람직하다.
연료는 연료 송출기(18)에 의해 연료 전지로 운반된다. 액체 연료의 경우에는 송출기(18)는 펌프로 대체된다. 선택사항인 연료 조절기(104)는 미리 연료를 처리한다. 예를 들어 이 장치는 황과 같은 전력 발생기의 기능에 해로운 오염 물질을 제거할 수 있다. 연료 조절기(104)의 다른 기능은 개선이다.
연료 예열기(22)는 연료를 연료 전지가 작동하는 온도로 조절한다. 이 예열기는 연료 전지(68)의 외부에 위치하거나 구성의 한 부분이 될 수 있다. 이것은 하나 이상의 장비에 포함된다. 액체 연료의 경우에는 연료 예열기(22)는 액체 연료를 증발시킨다. 기체 연료의 경우에는 연료 예열기(22)는 갈퀴를 가진 열 교환기일 수 있다. 연료 조절기(104)는 또한 연료 예열기(22)의 뒤나 연료 예열기(22)와 같이 또는 연료 전지(68)과 같이 작동된다.
연료 예열(54)은 유입되는 연료를 연료 전지가 작동되도록 하는 온도로 올리도록 요구되는 열이다. 연료 흡입 도관(34)은 연료가 연료 송출기(18)부터 연료 예열기(22)까지 흐르도록 하는 길을 제공한다. 이것은 중간 연료 조절기(104)를 가질 수도 있고 가지지 않을 수도 있다. 연료 운반 도관(36)은 연료가 연료 예열기(22)로부터 연료 전지(68)까지 흐르도록 하는 길을 제공한다.
산화제 송출기(20)는 공기 또는 그 밖의 적합한 산화제를 연료 전지(68)까지 보낸다. 산화제 흡입 도관(42)는 산화제가 산화제 송출기(20)로부터 산화제 예열기(42)까지 흐르도록 하는 수송로를 제공한다. 선택사항인 산화제 조절기(106)는 산화제의 유동을 조절한다. 산화제 조절기(106)의 예에는 필터와 산소 농축 장치를 포함한다. 조절 열(11A)은 이 선택사항인 장비를 작동하도록 하는 열이다. 산화제 조절기(106)의 한 구성부분의 예에는 제 1 실시예에서 설명한 온도 스윙 흡수를 이용하는 산소 농축 장치가 있다. 산화제 조절기(106)는 또한 산화제 송출기(20)의 역류에 설치된다. 산화제 예열기(24)는 유입 산화제를 산화제 예열기를 사용하는 연료 전지가 작동 온도에 이르도록 한다. 산화제 예열기(24)는 하나 이상의 장비에 포함될 수 있다. 한 가지 실시예로서 산화제는 산화제 예열기(24)에서 예열되고 연료 전지(68)안에서 부가적인 열을 얻게된다. 그로 인해 연료 전지(68)이 냉각된다. 산화제 예열기(24)의 한 가지 예는 갈퀴가 있는 열 교환기이다. 산화제 운반 도관(44)은 산화제를 산화제 예열기(24)부터 연료 전지(68)까지 운반한다.
연료 전지(68)에서 연료와 산화제는 전기화학적으로 반응한다. 이 반응은 전기 에너지(12)와 고온의 열을 발생시킨다. 연료 전지에서의 고온 열(58)은 다른 용도에 이용되고 산화제의 고갈에 의하게 소멸되지 않는 연료 전지에 의해 발생하는 열의 부분을 나타낸다. 연료 전지에서 발생하는 모든 열이 다른 장치에 이용되고 운반되는 것은 아니다.
연료 전지에서의 고온 열(58)은 여러 목적에 이용될 수 있다. 이 열은 연료 예열(54), 산화제 예열(62), 조절기 열(11A), 또는 열 구동 열 펌프 고온 유입 열(10)에 이용될 수 있다. 고온 열(58)은 이러한 열 소비장치(10, 54, 62, 11A)로 보내진다. 고온 열(58)을 이용하는 한가지 가능성은 산화제 유동 루프에서부터 연료 전지까지 분리된 기체 냉각 루프이다.
연료 전지 배출 도관(38, 46)은 전기화학적 반응물을 운반한다. 연료 전지(68)가 고체 산화물 연료 전지라면 배출 도관(38)은 반응한 연료를 운반하고 배출 산화제 도관(46)은 산화제에서 분리된 산소를 운반한다. 연료 배출 냉각기(28)는 배출 유동에서 배출 냉각 열(56)을 뽑아낸다. 연료 배출 냉각기928)는 하나 이상의 장치일 수 있고 연료 전지(68)에 부분적으로 또는 전체적으로 일체를 이룰 수 있다. 연료 배출 냉각기(28)의 한 가지 예는 갈퀴를 가진 열 교환기이다. 배출 냉각 열(56)은 연료 예열(54), 산화제 예열(62), 조절기 열(11A), 열 구동 열 펌프 고온 유입 열(10)에 쓰일 수 있다. 배출 냉각 열(56)은 이러한 열 소비장치(10, 54, 62, 11A)의 조합에 보내진다.
산화제 배출 냉각기(26)는 배출 산화제 유동에서 산화제 냉각 열(60)을 뽑아낸다. 산화제 배출 냉각기(26)는 하나 이상의 장비일 수 있고 부분적으로 또는 전체적으로 연료 전지(68)와 일체를 이룰 수 있다. 산화제 배출 냉각기의 한 가지 예는 갈퀴를 가진 열 교환기이다. 산화제 냉각 열(60)은 연료 예열(54), 산화제 예열(62), 조절기 열(11A), 열 구동 열 펌프 고온 유입 열(10)에 사용될 수 있다. 산화제 냉각 열(60)은 이러한 열 소비장치(10, 54, 62, 11A)에 보내질 수 있다.
연료 배출 도관(38)과 산화제 배출 도관(46)은 배출되는 연료와 산화제로부터 제거된 산소를 선택사항인 버너(30)로 운반한다. 버너(30)에서 이러한 두 가지 기체는 버너 고온 열(48)을 발생하면서 화학적으로 반응한다. 화학 반응은 선택사항인 촉매 물질에 의해 개시된다.
버너 고온 열(48)은 연료 예열(54), 산화제 예열(62), 조절기 열(11A), 열 구동 열 펌프 고온 유입 열(10)에 제공된다. 버너 고온 열(48)은 이러한 열 소비장치(10, 54, 62, 11A)의 어떠한 조합에도 보내진다. 버너 고온 열(48)의 운반에 관한 하나의 실시예는 이러한 장치와 버너가 일체화된 것이다(즉 장치에 전도에 의한 열 전달). 다른 실시예는 펌프 유체 루프이다.
버너 배출 도관(50)은 버너(30)로부터 선택사항인 버너 배출 열 교환기(32)까지 반응물을 수송한다. 버너 배출 열 교환기(32)에서 버너 배출 열(64)은 버너 반응물로부터 뽑아내진다. 버너 배출 열 교환기(32)의 한 가지 예는 갈퀴를 가진 열 교환기이다.
버너 배출 열(64)은 연료 예열(54), 산화제 예열(62), 조절기 열(11A), 열 구동 열 펌프 고온 유입 열(10)에 제공될 수 있다. 버너 배출 열(64)은 이러한 열 소비장치(10, 54, 62, 11A)의 어떠한 조합에도 보내진다. 버너 열 교환기 배출 도관(102)는 버너 배출물을 시스템 외부로 운반한다(주변이나 배출후 처리기로 발산하는 것이 바람직하다).
열 구동 열 펌프(4)는 고온 열(10)로 작동된다. 고온 열(10)로부터 열을 이용한 후 열 구동 열 펌프(4)는 열 펌프 저온 유출(16A)로 열을 배출한다. 장치(6)에 의한 장치 냉각 부담(14)은 냉각 유동(16B)에 의해 제거된다. 고온 열(10)은 연료 전지 고온 열(58), 배출 냉각 열(56), 산화제 냉각 열(60), 버너 고온 열(48), 버너 배출 열(64)에 제공될 수 있다. 고온 열(10)은 또한 이러한 열 공급원(48, 56, 58, 60, 64)의 어떠한 조합에도 제공될 수 있다.
장치 냉각 부담(14)과 열(16B)의 바람직한 이행은 송풍기에 의해 열 구동 열 펌프(4)에 들어온 주변 공기인데, 주변 공기는 열 구동 열 펌프 안에서 주변 온도아래로 냉각되고 냉각이 필요한 장치로 보내진다. 장치에서 냉각된 공기는 냉각 부담(14)에 의해 가열된다. 가열된 공기는 주변으로 배출된다.
도 7에서 나타낸 시스템의 바람직한 실시예는 도 8A에 나타내고 있다. 도 8A에 나타낸 시스템은 도 7에서 나타낸 것과 요점은 같다. 도 8A는 도 7에서 나타낸 열 유동의 바람직한 절차를 포함한다. 열 예열(54)은 연료 배출 냉각 열(56)에 의해 제공된다. 선택적으로 연료는 연료 전지에서 부가적인 열을 얻을 수 있다. 배출 냉각 열(56)으로부터 연료 예열(54)까지의 열 전달은 갈퀴를 갖는 열 교환기와 같이 열 교환기임을 알 수 있다. 이러한 형태의 한가지 예는 하나의 구성같이 열 교환기(22, 28)를 조합하는 것이다. 연료에 대한 선태에 의해 수증기가 배출부터 유입 연료까지 운반될 수 있다. 이러한 물의 수송은 열 교환기에 일체화되거나 분리되 장치에 의할 수 있다.
산화제 예열(62)는 부분적으로 산화제 배출 냉각 열(60)에 의해 제공된다. 산화제가 연료 전지 작동 온도에 이르도록 하는 열의 잔여치는 연료 전지에 흡수되고 그에 의해 부가적인 열 수송 루프를 제외한 연료 전지로부터의 모든 고온 열은 제거된다. 산화제 배출 냉각 열(60)으로부터 산화제 예열(62)까지의 열 수송은 갈퀴를 갖는 열 교환기와 같은 열 교환기에 의함을 알 수 있다. 이러한 형태의 한가지 예는 하나의 구성같이 열 교환기(24, 26)을 조합하는 것이다. 버너 고온 열(48)은 즉시 뽑아내지 않는다. 대신 버너 배출 열(64)와 같이 뽑아낸다. 버너 배출 열(64)은 고온 열(10)로 보내지는데 고온 열은 열 구동 열 펌프(4)를 작동시키는데 필요한 열을 제공한다. 버너 배출 열(64)로부터 열 구동 열 펌프(4)까지의 열 수송은 열 구동 열 펌프와 결합된 열 교환기에 의한다. 그러므로 버너 배출 열 교환기(32)는 단일의 구성을 형성하는 열 펌프(4)안의 열 교환기와 결합되어 있다. 이 열 교환기는 갈퀴를 갖는 열 교환기일 수 있다. 냉각 부담(14)은 열 구동 열 펌프(4)가 제공하는 냉각 공기 유동에 의해 장치(6)로부터 배출된다. 냉각 공기 유동은 냉각 공기 송풍기(72)에 의해 냉각 공기 유입 덕트(74)를 통해 냉각 공기 도관(76)을 가진 장치로 유입된다.
표 1은 도 8A에 의한 100㎾ 전력 시스템의 에너지 밸런스를 나타낸다. 이름은 도 8A와 일치한다.
아이템 범위 예 단위
low high 레이아웃
DC 전력 출력(12) 0.005 100 0.1 [㎿]
연료 전지 전력 효율(공급 연료의 높은 가열 값으로 DC 전력으로 이용됨) 35% 75% 50%
연료 전지 연료 전환 효율(공급 연료의 일부로 연료 전지에서 산화되는 정도) 50% 90% 80%
연료 전지의 열 누출(이용되지 않는 연료 전지에서 발생하는 열의 일부) 5% 50% 20%
열 구동 열 펌프 작동율(고온 열(10)의 일부로서 냉각 일률(14)로 이용됨) 0.6 1.5 1.2
연료 전지 효율(연료 전지에서 산화되는 연료의 열의 일부로 DC 전력으로 이용됨) 62.5%
연료 전지에서 발생하는 고온 열 0.060 [㎿]
연료 전지로부터의 열 누출 0.012 [㎿]
버너 고온 열(60) 0.040 [㎿]
고온 유입 열(10) 0.088 [㎿]
열 구동 열 펌프에 이용되는 냉각 일률 0.106 [㎿]
도 8B는 본 발명의 제 2 실시예의 다른 형태를 도시한다. 도 8B에서 도시하는 시스템은 도 7에서 도시하는 열 유동의 대안적인 경로를 나타낸다. 도 8B에서 나타내는 시스템은 산화제 냉각 열(60)이 고온 열(10)로서 열 교환기(4)에 제공되고 버너 배출 열(64)이 산화제 예열(24)로 제공되는 것을 제외하면 도 8A에서 나타내는 시스템과 유사하다. 그러므로 버너 배출 도관(50)이 버너 배출 열 교환기(32)에 제공되는 동안 산화제 배출 도관(46)은 열 펌프(4)의 열 교환기안 그리고 버너(30)로 제공된다. 산화제 냉각 열(60)부터 고온 열(10)까지와 버너 배출 열(64)부터 산화제 예열(62)까지의 열 수송 양쪽은 열 교환기에 의한다. 그러므로 산화제 예열기(24)와 버너 배출 열 교환기(32)는 단일 구성으로 조합되고 같은 열 교환기(24, 32)의 부분을 이룬다. 마찬가지로 배출 산화제 냉각기(26)와 열 펌프(4)의 열 교환기 부분은 단일 구성으로 조합되고 같은 열 교환기의 부분을 이룬다.
도 8C에서는 본 발명의 제 2 실시예의 또다른 형태를 도시한다. 도 8C에서도시하는 시스템은 도 7에서 나타내는 열 유동의 대안적인 경로를 나타낸다. 배출 연료와 산화제 경로가 크로스 오버되는 점을 제외하고는 도 8C에서 나타내는 시스템은 도 8A에서 나타내는 시스템과 유사하다. 산화제 배출 도관(46)이 연료 배출 냉각기(26)에 제공되는 동안 도 8C에서 연료 배출 도관(38)은 산화제 배출 냉각기(28)안으로 제공된다. 그러므로 배출 냉각 열(56)은 산화제 예열(62)로 제공되고 산화제 냉각 열(60)은 열 예열(54)로 제공된다. 두 가지 열 수송은 열 교환기에 의한다. 그러므로 산화제 예열기(24)와 연료 배출 냉각기(28)는 단일 구성으로 조합되고 같은 열 교환기(24, 28)의 부분을 구성한다. 마찬가지로 배출 산화제 냉각기(26)와 연료 예열기(22)는 단일 구성으로 조합되고 같은 열 교환기(22, 26)의 부분을 이룬다.
도 9는 도 6에서 나타내는 시스템의 다른 실시예를 나타낸다. 도 7과 도 9의 주요 차이는 전력 발생기로 구동되는 기체 터빈의 부가이다. 기체 터빈은 연료 전지부터의 고온 열을 부가적인 전기 에너지를 발생시키는데 이용된다. 그에 의해 전력 발생기의 전기적 효율이 더욱 증가한다. 고온 낭비 열은 여전히 열 구동 열 펌프를 구동하는데 이용될 수 있고 그에 의해 상보적인 시스템을 구성하는데 그러한 시스템은 전력과 냉각이 대응되도록 한다. 전력 발생기의 효율의 증가는 보다 적은 발생되는 전력당 고온 열을 이용함을 말한다. 전기 부담 요구가 냉각 부담요구보다 크고 기체 터빈의 사용에 대한 환경적이고 허용되어야할 문자가 없을 때 그러한 실시예는 선택적으로 사용된다. 이러한 실시예는 또한 위 시스템에서 전기적인 부담과 열적인 부담 사이에 균형을 이루는 높은 효율의 열 구동 열 펌프에도 사용될 수있다.
도 9에서 연료는 연료 압축기(80)에 의해 압축되고 시스템으로 운반된다. 연료 압축기 유입 도관(82)은 연료를 연료 압축기(80)로 운반한다. 액체 연료에 있어서 연료 펌프가 연료 압축기(80)대신 사용될 수 있다. 선택사항인 연료 조절기(104)는 연료를 전처리한다. 예를 들어 이 장치는 황과 같이 전력 발생기의 기능에 해로운 불순물을 제거할 수 있다. 연료 조절기(104)의 다른 기능은 개선이다.
연료 예열기(22)는 연료를 연료 전지 작동 온도에 이르도록 한다. 연료가 액체라면 연료는 연료 예열기(22)에서 증발된다. 이러한 예열기는 연료 전지(68)의 외부 또는 내부 부분에 있을 수 있다. 이것을 단일의 또는 복합적인 장치에 포함될 수 있다. 연료 예열(54)은 연료를 연료 전지 작동 온도에 이르도록 하는 열이다. 연료 흡입 도관(34)은 연료가 연료 압축기(80)부터 연료 예열기(22)까지 이르도록 하는 길을 제공한다. 연료 수송 도관(36)은 연료가 연료 예열기(22)부터 연료 전지(68)까지 이르도록 하는 길을 제공한다.
산화제 압축기(84)는 공기 또는 다른 적당한 산화제를 연료 전지(68)로 운반한다. 산화제 압축기 유입 도관(86)은 산화제를 산화제 압축기(84)로 운반한다. 선택사항인 산화제 조절기(106)는 산화제 유동에 전처리를 한다. 조절기(106)의 예는 필터, 산소 농축 장치를 포함한다. 조절기 열(11A)는 이 선택사항인 장치를 작동하는데 필요한 열이다. 조절기(106)의 한 구성요소의 예는 온도 스윙 흡수를 이용하는 산소 농축 장치이다. 산화제 조절기(106)는 또한 산화제 압축기(84)의 아래 쪽에 설치된다. 산화제 유입 도관(42)은 산화제에 산화제 압축기(84)와 산화제 예열기(24)사이의 수송 경로를 제공한다. 산화제 예열기(24)는 유입 산화제가 산화제 예열기(62)를 이용하는 연료 전지 작동 온도에 이르도록 한다. 산화제 예열기(24)는 단일 또는 복합적인 장치에 포함될 수 있다. 하나의 실시예로서 산화제는 산화제 예열기(24)에서 부분적으로 예열되고 연료 전지(68)안에서 부가적인 열을 얻는다. 그에 의해 연료 전지(68)를 냉각한다. 산화제 수송 도관(44)는 산화제를 산화제 예열기(24)부터 연료 전지(68)로 운반한다.
연료 전지(68)에서 연료와 산화제는 전기화학적인 반응을 한다. 이 반응은 전기 에너지(12A)와 고온 열(58)을 생산한다.
산화제 배출 냉각기(26)는 배출 산화제 유동으로부터 산화제 냉각 열(60)을 뽑아낸다. 배출 산화제 냉각기(26)는 단일 또는 복합적인 장치일 수 있고 부분적으로 또는 전부 연료 전지(68)에 일체화될 수 있다. 연료 배출 냉각기(28)는 배출 유동으로부터 배출 냉각 열(56)을 뽑아낸다. 연료 배출 냉각기(28)는 단일 또는 복합적인 장치일 수 있고 부분적으로 또는 전부 연료 전지(68)에 일체화될 수 있다. 냉각기(26, 28)의 예 중 하나가 갈퀴를 갖는 열 교환기이다.
연료 배출 도관(38)과 산화제 배출 도관(46)은 배출 연료와 산화제로부터 제거된 산화를 선택사항인 버너로 운반한다. 버너(30)에서 이러한 두 기체 유동은 화학적으로 반응하고 버너 고온 열(48)을 발생시킨다.
버너 고온 열(48)은 연료 예열(54), 산화제 예열(62), 조절기 열(11A), 고온 열(10)에 제공될 수 있다. 버너 고온 열(48)은 이러한 열 소비장치(10, 11A, 54, 62)의 어떠한 조합에도 보내질 수 있다.
버너 배출 도관(50)은 버너(30)로부터 선택 사항인 버너 배출 열 교환기(32)로 반응물을 운반한다. 버너 배출 열 교환기에서 버너 배출 열(64)는 버너 반응물로부터 나온다.
버너 배출 열(64)은 연료 예열(54), 산화제 예열(62), 조절기 열(11A), 고온 열(10)에 제공될 수 있다. 버너 배출 열(64)은 이러한 열 소비장치(10, 11A, 54, 62)의 어떠한 조합에도 보내질 수 있다.
터빈 유입 도관(88)은 버너 배출물을 터빈(90)으로 운반한다. 기계적 커플링(92)은 기계적 에너지를 터빈(90)으로부터 산화제 압축기(84), 연료 압축기(80), 전기 발생기(94)로 전달한다. 필요하다면 압축기는 기계적 에너지나 전기적 에너지의 다른 공급원에 의해 작동된다. 전기 발생기(94)는 부가적인 전력(12B)를 발생한다.
터빈 배출 도관(96)은 터빈 배출물을 선택사항인 터빈 배출 열 교환기(98)로 수송한다. 터빈 배출 열 교환기에서 터빈 배출 열(100A)은 기체 유동에서 나온다. 터빈 배출 열(100A)은 연료 예열(54), 산화제 예열(62), 조절기 열(11A), 고온 열(10)으로 제공될 수 있다. 터빈 배출 열(100A)는 이러한 열 소비장치(10, 11A, 54, 62)의 어떠한 조합에도 보낼 수 있다. 배출 도관(102)는 시스템 밖으로 배출 기체를 수송한다(주변이나 배출 후 처리기로 방출하는 것이 바람직하다).
열 구동 열 펌프(4)는 고온 열(10)에 의해 구동된다. 고온 열(10)로부터 열을 이용한 후 열 구동 열 펌프(4)는 적당한 온도 열(16A)에 열 유동을 배출한다. 장치(6)의 장치 냉각 부담(14)은 냉각 유동(16B)에 의해 제거된다. 고온 열(10)은연료 전지 고온 열(58), 배출 냉각 열(56), 산화제 냉각 열(60), 버너 고온 열(48), 버너 배출 열(64), 터빈 배출 열(100A)에 의해 제공된다. 고온 열(10)은 또한 이러한 열 공급원(46, 56, 58, 60, 64, 100A)의 어떠한 조합에 의해서도 제공될 수 있다.
도 9에서 나타내는 시스템의 한 실시예를 도 10A에 나타내고 있다. 도 10A에서 나타내는 시스템은 도 9에서 나타내는 개요와 동일하다. 도 10A는 바람직한 열 유동의 경로를 포함한다. 연료 예열(54)는 배출 냉각 열(56)에 의해 제공된다. 선택적으로 연료는 연료 전지에서 부가적인 열을 얻을 수 있다. 배출 냉각 열(56)부터 연료 예열(54)까지의 열 전달은 갈퀴를 갖는 열 교환기(22, 28)과 같은 열 교환기에 의한다. 연료에 대한 선택에 의해 수증기가 배출물로부터 유입 연료로 전달될 수 있다. 수증기 운반은 열 교환기에 일체화되거나 분리된 장치에 의할 수 있다. 산화제 예열(62)은 산화제 냉각 열(60)에 의해 부분적으로 제공된다. 산화제를 연료 전지 작동 온도에 이르도록 하는데 필요한 열의 잔여분은 연료 전지에서 흡수된다. 그에 의해 연료 전지에서의 모든 고온 열은 부가적인 열 전달 루프없이 제거된다. 산화제 냉각 열(60)으로부터 산화제 예열(62)까지의 열 전달은 갈퀴를 갖는 열 교환기(24, 26)와 같은 열 교환기에 의한다.
연료 전지로부터 고온 열과 함께 버너 배출 기체(64)에 의해 운반된 버너 고온 열(48)은 터빈(90)을 구동하는데 먼저 쓰인다. 터빈 후에 남은 열은 열 구동 열 펌프(4)를 구동하기 위한 고온 열(10)로 쓰인다.
터빈 배출 열(100A)로부터 열 구동 열 펌프(4)까지의 열 전달은 열 구동 열펌프(4)에 결합된 열 교환기에 의한다. 그러므로 터빈 배출 열 교환기(98)와 열 펌프(4)의 열 교환기 부분은 단일의 열 교환기로 조합된다. 이 열 교환기는 갈퀴를 갖는 열 교환기일 수 있다. 냉각 부담(14)은 열 구동 열 펌프(4)에 의해 제공되는 냉각 공기에 의해 장치(6)로부터 흡수될 수 있는데 냉각 공기는 냉각 공기 송풍기(72)에 의해 냉각 공기 도관(76)과 장치에 연결되는 냉각 공기 유입 덕트(74)를 통해 유입된다.
도 10B는 본 발명의 제 2 실시예의 또다른 형태를 도시한다. 도 10B에서 도시하는 시스템은 도 9와 도 10A에서 나타내는 산화제 유동의 대안적 경로를 나타낸다. 산화제 경로를 제외하면 도 10B에서 나타내는 시스템은 도 10A에서 나타내는 시스템과 유사하다. 도 10B의 시스템에서 기체 터빈(90)과 연료 전지(68)은 분리된 산화제 유동이 공급된다. 산화제 송출기(20)는 연료 전지에의 산화제 공급에 쓰인다. 이 송출기는 또한 압축기일 수 있다. 압축기(84)는 산화제를 도관을 통해(45A) 버너(30)로 보낸다. 연료 전지에서 반응하지 않은 연료는 버너에서 연소된다. 버너 배출물은 터빈(90)을 구동한다. 이러한 시스템의 장점은 높은 산소 함유량의 산화제가 버너에 공급된다는 점이다. 이것은 버너에서의 연소 과정을 개선하고 그 결과로 터빈 작동을 개선한다.
도 10C는 본 발명의 제 2 실시예의 또다른 형태를 도시한다. 도 10C에서 도시하는 시스템은 도 9에서 나타내는 열 유동의 대안적인 경로를 나타낸다. 도 10C에서 나타내는 시스템은 도 10A에서 나타내는 시스템과 산화제로부터의 열 이용의 결과에서 차이가 있다. 도 10C에서 연료 전지(68)에서 나온 산화제는 먼저 산화제냉각 열(60)을 열 펌프(4)안의 고온 유입 열(10)로 운반하고 버너(30)로 들어간다. 그러므로 산화제 예열기(24)와 터빈 배출 열 교환기(98)은 단일의 구성으로 조합되고 동일한 열 교환기(24, 98)의 부분을 구성한다. 마찬가지로 배출 산화제 냉각기(26)와 열 펌프(4)의 열 교환기 부분은 단일한 구성으로 조합되고 동일한 열 교환기의 부분을 구성한다.
도 10C와 도 10A의 시스템은 도 8B와 도 8A의 시스템의 관계와 유사한 관계가 있다. 도 10C의 시스템 또한 도 10B에서 나타내는 바와 같이 연료 전지와 버너(30)에 분리된 산화제를 사용한다. 연료 전지(68)와 터빈(90)에 분리된 산화제를 제공하는 장점이 있을 수 있다.
도 10D는 본 발명의 제 2 실시예의 또다른 형태를 도시한다. 도 10D에서 도시하는 시스템은 도 9에서 나타내는 열 유동의 대안적인 경로를 보여준다. 도 10D에서 나타내는 시스템은 도 10A에서 나타내는 시스템과 유사하다. 다만 열 플럭스의 경로에 차이가 있다. 도 10D에서 고온 열(10)이 연료 배출 냉각 열(56)에 의해 제공되는 동안 연료 예열(54)은 터빈 배출 열(100A)에 의해 제공된다. 그러므로 연료 전지 연료 배출 도관(38)이 열 펌프(4)의 열 교환기 부분으로 제공되는 동안 터빈 배출 도관(96)은 터빈 배출 열 교환기(98)안으로 제공된다. 그러므로 터빈 배출 열 교환기(98)와 연료 예열기(22)는 단일의 구성으로 조합되고 동일한 열 교환기(22, 98)의 부분을 구성한다. 마찬가지로 배출 연료 냉각기(28)와 열 펌프(4)의 열 교환기 부분은 단일의 구성으로 조합되고 동일한 열 교환기의 부분을 구성한다. 이러한 경로는 상기한 도 10A, 도 10B, 도 10C의 어떠한 시스템에도 적용할 수 있다.
도 6에서 도 10D까지는 제 2 실시예의 바람직한 형태의 시스템의 구성요소에 대한 기초적인 레이아웃을 나타낸다. 이러한 구성요소는 또한 상기 도면에서 나타내지 않은 많은 종류의 다른 방법에 의해 조합될 수 있다. 하나의 도면에 나타낸 어떠한 구성요소 또는 구성요소의 조합도 다른 도면에서 나타낸 시스템에 사용될 수 있다. 예를 들어 도 8C에서 나타낸 연료 전지와 산화제 배출 경로의 크로스 오버는 도 8A, 도 8B, 도 10A, 도 10B, 도 10C, 도 10D에서 나타내는 시스템의 조합과 마찬가지로 상기 시스템에 적용할 수 있다.
(구성 목록)
2 전력 발생기
4 열 구동 열 펌프
6 장치
8 열 싱크
10 고온 열
11A 조절기 유입 열
12 전력
14 장치 냉각 부담
16 적당한 온도 열
16A 열 펌프 저온 유출
16B 저온 유출
18 연료 송출기
20 산화제 송출기
22 연료 예열기
24 산화제 예열기
26 산화제 배출 냉각기
28 연료 배출 냉각기
30 버너
32 버너 배출 열 교환기
34 연료 유입 도관
36 연료 운반 도관
38 연료 전지 연료 배출 도관
42 산화제 유입 도관
44 산화제 운반 도관
45A 산화제 압축기부터 버너까지의 도관
46 연료 전지 산화제 배출 도관
48 버너 고온 열
50 버너 배출 도관
54 연료 예열
56 연료 배출 냉각 열
58 연료 전지 고온 열
60 산화제 배출 냉각 열
62 산화제 예열
64 버너 배출 열
68 연료 전지
70 장치 냉각 부담
72 냉각 공기 송풍기
74 냉각 공기 도관
76 냉각 공기 배출
78 버너 배출 냉각기
80 연료 압축기
82 연료 압축기 유입 도관
84 산화제 압축기
86 산화제 압축기 유입 도관
88 터빈 유입 도관
90 터빈
92 기계적 커플링
94 전기 발생기
96 터빈 배출 도관
98 터빈 배출 열 교환기
100A 터빈 배출 열
102 배출 도관
12A 연료 전지 전력
12B 전력 출력
104 연료 조절기
106 산화제 조절기
(제 3 실시예)
고체 산화물 연료 전지(100)에 관한 선행 기술에서 세라믹 전해질(101)은 도 11에서 나타내는 바와 같이 주름져 있다. 전체 전해질(101)이 구부러지거나 주름져있는 동안 그것의 주 표면(103, 105)는 평탄하거나 균등하다. 따라서 전해질(101)은 길이 방향으로 동일한 두께를 갖는다. 그러나 전해질의 길이방향으로 나 있는 가상의 중심선(107)은 가상의 직선(109)으로부터 매우 벗어나 있다. 애노드(111)과 캐소드(113)은 전해질(101)의 균등한 표면(103,105)에 형성되어 있다. 주름져있는 전해질(101)은 제조하기 어렵고 더구나 복수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 적층체안에 적절히 일체화되기는 더욱 어렵다.
본 발명자는 전해질의 적어도 한 표면의 적어도 한 부분이 비균등하게 제조되면 여러 장점이 있다는 것을 알아내었다. 고체 산화물 연료 전지내의 전해질을 통한 산소 확산은 소위 "삼상경계(three phase boundary)"사이에서 진행된다. 삼상경계는 도 12에서 나타내는 바와 같이 전극(즉 캐소드과 애노드)과 전해질의 경계에서 전해질 그레인 바운더리(grain boundary) 부분이다. 산소 확산은 세번째 "상(phase)"을 만든다. 전해질의 하나 또는 양쪽의 주 표면의 활성 부분이 비균등하게 제조되었다면 전해질과 비균등 표면과 접하는 전극 사이의 표면 영역은 증가한다.전해질의 "활성 부분"은 전류를 발생시키는 전극 사이의 영역이다. 반대로 전해질의 주변 부분은 전해질을 연료 전지 적층체에 붙이는데 사용되고 연료와 산소 통행을 유지한다. 증가된 표면 영역은 삼상경계가 증가하도록 하는데 삼상경계는 산소의 전극을 통한 확산을 증가시킨다. 이것은 연료 전지의 전력 밀도(즉, ㎠당 와트수)를 증가시키고 연료 전지의 와트 당 비용을 감소시킨다. 또한 텍스처되거나 거친 전해질 표면과 같은 비균질 표면은 개선된 기계적 결합력때문에 연료 전지의 인접한 전극에 대한 접착력을 증가시킨다.
도 13은 제 3 실시예의 첫번째 형태에 관한 적어도 하나의 비균질 표면 부분을 갖는 세라믹 전해질(201)을 포함하는 고체 산화물 연료 전지(200)을 도시한다. 첫번째 형태에서 적어도 하나의 비균질 표면은 텍스처 표면이다. 두개의 마주보는 주 표면(203, 205)이 텍스처 표면인 것이 바람직하다. 텍스처 표면(203, 205)은 평균 전해질 두께(209)의 5%이하의 높이(208)를 갖으며 바람직하게는 1% 이하인 복수의 돌출부(예를 들어, 범프, 피크 등)를 갖는다. 본 실시예의 실시 형태에서 전해질은 0.5에서 2 마이크론의 표면 거칠기를 가지며 바람직하게는 1에서 2 마이크론의 표면 거칠기를 갖는 전해질을 갖는 텍스처 구조이다. 이 표면 거칠기는 일반적인 SOFC 전극에 대해 높은 접착력을 갖는다. 명확하게 하기 위해 돌출부(206)의 높이와 너비는 도 13에서는 과장되어 있다. 돌출부(206)는 직사각형, 다각형, 삼각형, 피라미드형, 반구형 등과 같이 필요하다면 어떠한 형태도 가질 수 있다. 주 표면(203, 205)의 주변부(202)는 텍스처 구조가 아니면서, 오직 마주보는 주 표면(203, 205)의 활성 부분(210)만이 텍스처 구조인 것이 바람직하다. 그러나 필요하다면 전체 주 표면(203, 205)가 텍스처 구조일 수도 있다. 예를 들어 봉인의 보존성이 접촉면의 면적과 함께 증가하는 접착제 또는 압축 봉인에서, 주변부를 텍스처 구조로 하는 것은 봉인의 보존성을 증가시키고 연료 전지의 "비활성" 주변부를 감소시킨다.
도 11의 주름진 전해질과 반대로, 도 13에서 나타내는 전해질은 실질적으로 평평하다. 전해질(201)의 길이 방향으로 나 있는 가상의 중심선(207)은 가상의 직선으로부터 그다지 벗어나 있지 않다. 전체 전해질(201)이 거의 평평하지만, 마주보는 주 표면(203, 205)은 비균질하고 텍스처 구조이다. 애노드(211)과 캐소드(213)은 전해질(201)의 텍스처 표면(203, 205)에 형성되어 있다. 제조가 쉽고 연료 전지 적층에에 일체화하기 쉽고 주름진 전해질에 비해 수명이 길기 때문에 실질적으로 평평한 전해질은 장점이 있다. 그러나 필요하다면 텍스처 표면이 평평하지 않거나 주름진 전해질에 위치할 수도 있다.
전해질, 애노드, 캐소드는 적당한 물질로 만들 수 있다. 전해질은 이트륨 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia, YSZ) 세라믹으로 구성하는 것이 바람직하다. 캐소드은 LaSrMnO3와 같이 ABO3인 일반식을 갖는 페로브스카이트(Perovskite) 세라믹으로 구성하는 것이 바람직하다. 애노드는 Ni-YSZ 또는 Cu-YSZ 도성합금과 같이 금속 또는 도성합금을 포함한 금속으로 구성하는 것이 바람직하다. 다른 적합한 물질도 필요하다면 사용할 수 있다.
전해질의 비균질 표면은 적당한 방법으로 형성할 수 있다. 비균질 표면은 세라믹 그린 시트를 제공하고 적어도 하나의 표면에 적어도 하나의 비균질 부분을 형성하는 그린 시트의 적어도 하나의 표면에 패터닝을 하는 것에 의하여 제조하는 것이 바람직하다. 그린 시트는 세라믹 전해질을 형성하기 위해 소결된다(즉, 구워지거나 고온에서 어닐링된다). "그린 시트"에는 그린 테이프 또는 유한한 크기의 시트를 포함하는 것에 주의해야 한다. 그린 시트에 마주보는 두 비균질 표면을 형성하기 위해 그린 시트의 양 면이 패터닝되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 3 실시예의 또 다른 형태는 텍스처 경계면을 갖는 합성 전해질이다. 도 14는 합성 전극의 선행 기술을 도시하며 도 15와 도 16은 제 3 실시예에 따른 텍스처 경계면을 갖는 합성 전해질을 도시한다. 일반적으로 YSZ인 단일 물질로 형성하는 것보다 여러 물질 층을 이용하여 전해질을 제작하는 것이 유리할 수 있다. 합성 전해질의 한 예는 YSZ가 한 면 또는 양 면에 코팅된 사마리아-도프트 산화 세륨(samaria-doped ceria, SDC) 전해질이다. SDC는 높은 이온 전도성을 갖는 것에 YSZ보다 장점을 갖는다. 그러나 SDC의 이용은 낮은 산소 분압에 견디는 능력에 제한받는다. 낮은 산소 분압에서 SDC는 감소하고 부분적 또는 전체에 대해 이온 전도성을 잃는다. 그에 의해 고체 산화물 연료 전지에 치명적인 문제를 야기한다. YSZ는 낮은 이온 전도성을 갖는데 그래서 이 물질은 높은 전지 손실을 갖는다. 그러나 YSZ는 SDC와 비교하여 낮은 산소 분압을 견딜 수 있다. 또한 SDC는 상승된 온도에서 전자 전도성을 나타내는데 이는 연료 전지의 작동에 치명적이다. YSZ는 매우 나쁜 전자 전도체이므로 SDC 옆의 YSZ층은 효과적으로 전자 전도를 막을 수 있다.
도 14는 SDC(305)층이 코팅되거나 적층된 YSZ 전해질(300)에 대한 선행 기술을 나타낸다. 한 예는 고체 산화물 연료 전지의 캐소드 측에 SDC를 사용하는 것인데 YSZ가 애노드 측에 사용될 때 SDC가 반응 연료에 노출되지 않으므로 그에 의해 낮은 산소 분압에 노출되지 않는다.
SDC의 높은 산소 이온 전도성은 SDC와 YSZ사이의 경계면에 속도 한계 단계를 만든다. 두 물질 사이의 경계면에서의 손실은 경계면의 면적의 증가에 의해 감소될 수 있다. 경계면의 증가는 경계면을 텍스처 구조로 하여 달성할 수 있다. 도 15는 텍스처 내부 경계면을 갖는 합성 전해질의 단면을 나타낸다. SDC(315)의 텍스처 층은 YSZ(310) 층과 접촉한다.
YSZ와 SDC의 조합은 텍스처 경계면을 사용할 수 있는 한 예이다. 다른 물질의 조합 또한 텍스처 경계면에 이용될 수 있다. 합성 전해질은 도 15에서 나타내는 두 층으로 구성될 수 있고 셋 이상의 층(310, 315, 320)으로 구성될 수도 있다. 도 16에서 나타내는 바와 같이 하나의 텍스처 경계면(303, 305) 이상인 것이 바람직하다.
텍스처 경계면은 다른 적합한 방법에 의해 형성할 수 있다. 한 방법은 두 텍스처 대응면의 적층이다. 다른 방법은 예를 들어 테이프 캐스팅 또는 스크린 프린팅을 통해 첫번째 물질의 텍스처 표면 위에 두번째 층을 붙이는 것이다. 실시예에서 SDC는 50에서 200 마이크로미터의 두께를 갖으며 바람직하게는 약 100 마이크로 미터인 기계적으로 지지하는 기판을 제공하고 YSZ는 10에서 50 마이크로미터이며 바람직하게는 약 20 마이크로미터인 얇은 보호막으로 기판 위에 놓인다. 이 경우에표면 텍스처 구조는 약 10 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 그러나 크기가 다소 다른 텍스처 구조도 가능하다.
도 15와 도 16에서 도시된 텍스처 내부 경계면(즉 경계면)은 합성 전해질에 형성될 수 있으며 또한 텍스처 외부면(203, 205; 즉 전극에 접촉하는 면)을 가질 수 있다. 하나 또는 양 쪽의 외부 합성 전해질 표면은 텍스처 구조일 수 있다.
단일 층 전해질에 비해 개선된 기계적, 열적, 전기적 성질을 제공하기 위해 높은 기계적 열적 전기적 성질을 제공하는 부가적인 층이 합성 또는 단일의 층 전해질에 부가될 수 있다. 또한 기능적으로 선별된 전극(애노드와 캐소드)의 복합층은 단일 층 또는 합성 전해질에 제공될 수 있다.
도 13과 도 15에 도시된 텍스처 표면(203, 205)은 여러 다른 방법에 의해 텍스처 구조를 가질 수 있다. 제 3 실시예의 바람직한 실시형태에서 텍스처 표면은 그린 시트의 소결 뒤에 그린 시트의 레이저 제거에 의해 형성된다. 적합한 레이져 제거 방법과 기구는 그린 시트를 텍스처 구조로 하는데 이용된다. 그린 시트 표면을 텍스처 구조로 하는데 적합한 레이저 제거 기구(250)의 개략적인 도시가 도 17에 나타나 있다. 레이저 공급원(251)은 반사 거울(255)로 레이저 빔(253)을 보낸다. 거울(255)은 포커싱 렌즈(257)을 통해 정밀한 XYZ테이블(259)에 위치한 그린 시트(261; 구워지지 않은 전해질 테이프와 같은)로 빔(253)을 보낸다. 그린 시트(261)를 제거하는데 충분한 에너지를 갖는 레이저 공급원(251)이 사용된다. 예를 들어 엑시머 또는 YAG 레이저가 레이저 공급원(251)로 사용된다. 레이저 빔(253)은 XYZ테이블의 이동 또는 거울(255)의 이동에 의해 그린 시트(261)의 표면에 스캔된다. 레이저 빔 파워는 비균질 텍스처 그린 시트 표면을 완성하는 스캐닝 동안 변할 수 있다. 예를 들어 레이저 공급원(251)은 주기적으로 온/오프되거나 레이저 빔 파워를 변화시키기 위해 감쇠기에 의해 약화시킨다. 대안적으로 빔이 스캐닝하는 동안 그린 시트(261)에 작용하는 빔 파워를 변화시키기 위해 XYZ테이블이 위아래로 움질일 수도 있다. 레이저 빔 위치와 파워와 테이블 이동은 전해질에 원하는 패턴을 만들기 위해 컴퓨터에 의해 조절된다. 레이저 빔(253)은 텍스처 표면을 남기기 위해 그린 시트(261)의 맨 위 표면의 부분을 제거한다. 그리고 텍스처 그린 시트는 세라믹 전해질을 형성하기 위해 소결되거나 구워진다. 대안적으로 레이저 제거는 소결된 전해질에서 소결 단계후에 행할 수 있다.
대안적으로 그린 시트의 텍스처 표면은 반도체 제조에 사용되는 포토리소그래피법(photolithography method)에 의해 형성될 수도 있다. 예를 들어 도 18에서 나타내는 바와 같이 에칭 마스크(271)는 그린 시트(261)위에 형성된다. 에칭 마스크(271)는 노출 마스크를 통해 노출되고 현상되는 포토레지스트(photoresist) 층으로 구성된다. 그린 시트의 마스크되지 않는 부분(273)은 그린 시트의 맨 위 표면이제거되어 에칭된다. 그린 시트의 마스크된 부분(275)은 마스크(271)에 의해 에칭으로부터 보호되고, 오목부(273)사이에 볼록부(275)로 남는다. 볼록부(275)와 오목부(273)는 텍스처 표면을 형성한다. 포토레지스트 마스크(271)은 에칭 후에 애싱과 같은 종래의 제거 공정에 의해 제거된다. 우선적으로 마스크 물질보다 그린 시트 물질을 에칭하는 에칭 기체나 액체는 어떤 것이든 사용할 수 있다. 도 18에서 나타낸 바와 같이 이방성 에칭 매질은 직선의 측벽을 가진 오목부(273)를 형성하는데사용되었다. 그래서 오목부 사이에 직사각형의 볼록부(275)를 형성하게 된다. 대안적으로 등방성 에칭 매질은 외부로 기울어진 벽을 가진 오목부(273)를 형성한다. 그래서 오목부 사이에 사다리꼴 또는 피라미드 형의 볼록부(275)를 형성하게 된다.
마스크는 포토레지스트와 다른 물질로 구성된다. 하나의 예로서 다른 감광성 층이 사용된다. 대안적으로 소위 "하드 마스크"가 그린 시트를 에칭하는 마스크로 쓰이낟. 예를 들어 도 19에서 나타내는 바와 같이 하드 마스크 층(281)은 그린 시트(261)위에 놓여 있다. 하드 마스크 층(281)은 그린 시트(261)보다 높은 정도로 에칭 매질에 의해 에칭되는 것을 막는 어떤 물질이라도 상관없다. 하드 마스크 층은 어떤 적합한 금속, 세라믹, 반도체, 절연체라도 상관없다. 포토레지스트 마스크(271)은 하드 마스크 층(281)위에 형성되고 노출되고 현상된다. 그리고 하드 마스크 층(281)은 마스크와 같은 포토레지스트를 이용하여 에칭된다. 그리고 하드 마스크(281)를 마스크처럼 이용하여 그린 시트(261)는 복수의 오목부(273)와 볼록부(275)를 갖는 텍스처 표면을 형성하기 위해 에칭된다. 그린 시트가 에칭되기 전후에 포토레지스트 마스크(271)는 제거된다. 그린 시트(261)가 하드 마스크(281)는 제거하고 그린 시트(261)는 제거하지 않는 선택적인 에칭 매질에 의해 텍스처 구조가 된 후에 하드 마스크(281)는 제거된다.
다른 예에서 마스크는 복수의 입자로 구성된다. 도 20에서 나타내는 바와 같이 복수의 불연속적인 입자(291)는 그린 시트(261)의 표면을 이룬다. 입자(291)는 그린 시트(261)보다 높은 정도로 에칭 매질에 의해 에칭되는 것을 막는 어떠한 물질이라도 상관없다. 입자는 어떠한 적합한 금속, (티타니아 또는 알루미나와 같은)세라믹, (폴리 실리콘이나 실리콘 카바이드와 같은) 반도체, 절연체라도 상관없다. 입자는 스프레이 코팅, 딥 코팅, 잉크 젯 증착, 스퍼터링, 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition)과 같은 입자 증착 방법에 의해 형성된다. 그린 시트(261)의 입자(291)에 의해 덮여 있지 않은 부분(273)은 그린 시트의 맨 위 층에 오목부를 형성하기 위해 에칭된다. 그린 시트의 덮여 있는 부분(275)은 입자(291)에 의해 에칭으로부터 보호된다. 그리고 오목부(273)사이에 볼록부로 남는다. 볼록부(275)와 오목부(273)는 텍스처 표면을 형성한다. 입자(291)는 그린 시트(261)가 입자(291)는 제거하고 그린 시트(261)는 에칭하지 않는 선택적인 에칭 매질에 의해 텍스처 구조가 된 후에 제거된다.
대안적으로 그린 시트(261)위에 직접 입자(291)를 증착하지 않고 입자(291)가 그린 시트(261)위에 텍스처 층(293)을 에칭하여 형성될 수도 있다. 예를 들어 도 21에서 나타내는 바와 같이 거칠거나 텍스처 표면을 가진 층(293)은 그린 시트(261)위에 놓여 잇다. 층(293)의 텍스처 표면은 볼록부(295)를 포함한다. 이러한 층(293)은 반구상 그레인 폴리실리콘, 세라믹, 절연체, 금속과 같은 거친 표면을 갖는 어떠한 물질이라도 상관없다. 도 22에서 나타내는 바와 같이 그린 시트(261)의 표면에 볼록부(295)만이 남을 때까지 층(293)은 이방적으로 에칭된다. 남은 볼록부(295)는 그린 시트(261) 위에 복수의 입자로 나타난다. 그리고 그린 시트(261)는 볼록부(295)를 마스크처럼 사용하여 에칭된다.
다른 예로, 텍스처 표면은 마스크없이 형성된다. 하나의 예로서 에칭 액과 같이 우선적으로 그린 시트(261)의 그레인 바운더리(297)를 공격하는 에칭 매질은그린 시트의 윗면에 적용된다. 에칭 매질은 선택적으로 오목부(273)를 형성하기 위해 그린 시트의 그레인 바운더리(297)를 에칭한다. 도 23에서 나타내는 바와 같이 그레인 바운더리(297)사이의 그린 시트(261)의 영역은 에칭되지 않거나 낮은 정도로 에칭되고 볼록부(275)로 남는다. 그러므로 볼록부(275)와 오목부(273)로 구성된 텍스처 표면이 마스크없이 형성된다.
또다른 예로 텍스처 표면은 엠보싱에 의해 형성된다. 도 24에서 나타내는 바와 같이 텍스처 구조이거나 거칠게 된 밑면(299)을 갖는 바디(298; 예를 들어 프레스, 몰드 등)는 그린 시트(261)의 윗면에 의해 눌리거나 롤링된다. 대안적으로 그린 시트가 표면(299)에 의해 눌리거나 롤링된다. 바디(298)의 밑면(299)은 그린 시트(261)보다 큰 강도를 갖는다. 바디(298)는 그린 시트를 엠보싱하는데 적합한 강도를 갖는 세라믹, 절연체, 금속 바디이다. 엠보싱 단계는 그린 시트에 텍스처 표면을 형성하기 위해 그린 시트(261)에 자국 또는 오목부를 만든다. 그린 시트(261)의 양 쪽면은 상기 방법에 의해 텍스처 구조를 형성함을 주의해야 한다. 필요할 경우 열이 텍스처 구조를 쉽게 형성하도록 그린 시트의 교결제를 부드럽게 하는 공정에 적용될 수도 있다.
다른 예로 텍스처 표면은 평평한 그린 테이프에 이랑을 만듦으로서 형성할 수 있다. 이것은 클래딩 공정 또는 파우더/슬러리 스프레이 공정을 이용하여 가능한데 파우더와 슬러리는 그린 테이프와 같은 물질로 만들어진다. 다른 예로 러프닝 또는 텍스처링은 연마제를 이용한 래핑, 그라인딩, (화학기계적 폴리싱과 같은)폴리싱과 같은 다양한 기계적 또는 화학기계적 머시닝 방법에 의해 전극에 적용할 수있다. 적합한 연마제는 다이아몬드, 보론 카바이드, 실리콘 카바이드를 포함한다. 소결된 전해질은 연마제를 포함하는 회전 래핑, 그라인딩, 폴리싱 휠 위에 놓는 것이 바람직하다. 연마제는 다이아몬드, 보론 카바이드, 실리콘 카바이드 파우더 또는 슬러리와 같은 연마 파우더 또는 슬러리이다. 연마 파우더 크기는 바람직하게는 15 에서 30 마이크론, 보통 5에서 45 마이크론이다. 대안적으로 휠위 윗면은 연마 물질로 만들어진다. 연마제와 접하는 전해질 표면이 텍스처 구조가 되도록 휠은 전해질에 대해 회전한다. 이 공정은 전해질의 반대쪽에 반복된다. 본 실시예의 바람직한 형태로서 0.5에서 2,5 마이크론의 표면 거칠기를 갖는 YSZ 전해질을 얻기 위해 전해질이 텍스처 구조가 되는 것이다. 이 표면 거칠기는 일반적인 SOFC 전극에 대해 좋은 접착력을 갖는다.
그린 시트 또는 테이프에 대비하여 평평한 "소결된" 시트 또는 테이프에 텍스처 표면을 만들 수도 있다. 일반적으로 그린 시트나 테이프는 소결된 세라믹 제품보다 쉽게 텍스처 구조가 되지만, 소결된 세라믹을 에칭하는 에칭 약품이 소결된 전해질을 에칭하는데 사용된다.
본 실시예의 한 형태로서 그린 테이프는 테이프 캐스팅(casting)에 의해 준비된다. 본 제조 공정에서 YSZ와 같은 원 세라믹 재료는 슬러리를 형성하기 위해 용매, 교결제, 가소제, 해리제와 섞인다. 슬러리는 마일라(Mylar) 필름("운반체")에 적용되고 블레이드에 균등하게 퍼지는데 블레이드는 블레이드와 운반체 사이에 정확하게 조절된 갭을 가지고 운반체의 길이 방향으로 끌린다. 큰 규모의 제조에서 이 공정은 고정된 블레이드 밑으로 운반체를 이동시키고 슬러리를 블레이드의 운반시작점에 적용함으로서 연속적으로 진행된다. 그린 테이프의 두께는 20 마이크로미터와 10,000 마이크로미터 사이면 가능하고 20 에서 1000 마이크로미터인 것이 바람직하다. 표면 텍스처의 넓이는 5 마이크로미터와 1000 마이크로미터사이면 가능하고 10 에서 30 마이크로미터인 것이 바람직하다.
텍스처된 표면은 또한 압출에 의해 형성된 전해질과 같이 다른 방법에 의해 형성된 전해질에 적용될 수 있다. 텍스처링은 평면 구조를 갖는 전해질에 제한받지 않으며 평면이 아닌 형태의 전해질에도 적용된다.
(제 4 실시예)
본 발명의 제 4 실시예에서 발명자는 고체 산화물 연료 전지의 품질, 견고함, 환경적 내성은 환경 내성 애노드 촉매를 사용함으로서 개선될 수 있음을 알아냈다. 예를 들어 황으로 오염돈 연료를 공급할 때 황에 내성이 있는 고체 산화물 연료 전지 애노드 촉매가 사용될 수 있다. 연료 전지가 연료 고갈 상태에서 작동해야 할 때 연료 고갈에 내성이 있는 연료 전지 애노드 촉매가 사용될 수 있다.
저온 산 연료 전지에 관한 선행 기술에서 어떤 화합물을 연료 측 애노드 촉매에 첨가할 때 황 내성이 약간 개선됨을 알 수 있었다. 양의 내성을 보이는 화합물에는 MoWOx, RuO2, WOx(WO2.5와 같은), MoS2, WS2, PtSx를 포함한다. 용해된 카보네이트 연료 전지에 관한 선행 기술에서 어떤 화합물을 연료 측 애노드 촉매에 첨가하면 황 내성이 약간 개선됨을 알 수 있었다. 양의 내성을 보이는 화합물에는 미국특허 4,925,945에서 설명하는 Cr2O3, Fe3O4, Al2O3, LiAO2, LiCrO2, MO2, MO3, WO3를포함한다.
그러나 저온 산 연료 전지는 기본적으로 고체 산화 연료 전지와는 다르다. 산 연료 전지에서 이온화된 연료는 산화제에 의해 캐소드에서 감소되기 위해 전해질을 통과해야만 한다. 이 경우에 연료 이온은 수소 양성자이다. 황이 연료에 있을 경우 애노드에서 이온화 반응은 느려진다. 이러한 현상의 메카니즘은 잘 알려져 있지는 않으나 활성 촉매 물질에 흡수되는 황에 의한 촉매의 마스킹과 관련되어 있다고 알려져 있다. 반대로 고체 산화물 연료 전지에서 산화제 산소 음이온은 연료를 산화시키기 위해 전해질을 통과해야 한다. 연료의 황 오염은 산소가 이온화되거나 전해질을 통한 수송에 방해되지 않도록 한다.
연료 전지의 두가지 타입의 기본적인 차이는 도 25에서 가장 잘 나타나 있다. 도 25는 고체 산화물 연료 전지(400)와 산 연료 전지(410)의 기능을 비교한다.
산 연료 전지(410)에 대해 말하자면, 전해질(411)은 듀퐁의 Nafion 또는 인산으로 채워진 내측 매트릭스와 같은 막(membrane)일 수 있다. 다른 산도 사용될 수 있으나 Nafion과 매트릭스 인산은 더 자주 쓰인다. 캐소드 전극(412)은 전해질(411)에 접촉되거나 위치해 있고 보통 공기 산화제(414)에 대한 이온화 촉매로서 백금이 포함되어 있다. 백금은 종종 테플론(Teflon)이 본딩된 정교하게 분리된 백금이거나 카본에 제공되고 Nifion 으로 본딩된 백금이다. 애노드 전극(413)은 또한 전해질(411)에 부착되거나 대응하여 놓여져 있고 루테늄, 로듐 그 밖의 금속이 애노드 전극(413)을 수소 연료(415)에서 보다 CO기체에 내성이 있도록 하기 위해 종종 백금에 첨가되는 것을 제외하고는 캐소드 전극(412)와 유사하다. 많은 연료 전지 장치에서 수소 연료(415)의 공급원은 개선된 탄화수소 연료이다. 보통 연료원은 황을 10억 분의 1 단위(PPB) 아래로 제거한다. 다른 점에서 애노드 전극(413) 기능은 중요하게 감소된다. 부가적으로, 개선된 연료는 전극에 악영향을 최소화하기 위해 수소 연료(415)에서 CO 부피 함유량이 50 PPM보다 낮게 감소된다. 수소 연료(415)는 수소 양성자를 만드는 애노드 전극(413)에서 이온화된다. 양성자는 캐소드 전극(412)에서 물(412)을 만드는 공기 산화제(412)로부터 생산되는 산소 음이온의 조합에 의한 기울기에 의해 막을 통과한다.
고체 산화물 연료 전지(400)에 관해 말하자면, 세륨과 같은 다른 세라믹 산화물이 가끔 YSZ와 함께 또는 대신 쓰이지만 전해질(401)은 YSZ인 것이 바람직하다. 바람직한 캐소드 전극(402)은 YSZ와 La0.8Sr0.2MnO3(LSM)을 50대 50으로 혼합하여 만든다. 필요하다면 다른 물질이 이용될 수도 있다. 캐소드 전극(402)은 전해질에 접하거나 대응하는 위치에 있으며 산소 산화제(404)에서 산소를 이온화한다. 산소 음이온은 연료 이온의 조합에 의한 음이온의 소비에 의한 기울기에 의해 전해질(401)을 통과한다. 고체 산화물 연료 전지에 관한 선행 기술에서 애노드 전극(403)은 Cu가 가끔 Ni를 대체하기도 하지만 종종 Ni와 YSZ의 세라믹 메탈(cermet)이다. 수소 연료(405)는 애노드 전극(403)에서 이온화되고 물을 형성하기 위해 산소 음이온과 조합된다.
고체 산화물 연료 전지의 중요한 장점중 하나는 전지 애노드를 작동에 대한 직접적인 탄화수소 연료 공급의 포텐셜이다. Ni/YSZ 애노드 전극에 관한 선행 기술은 순수한 수소 연료를 잘 생산하지만 내부적으로 탄화수소 연료를 수소 농축 연료로 개선하는 때 Ni/YSZ 애노드 전극은 탄소 형성과 황 오염에 관해 단점이 있다. 선행 기술의 고체 산화물 연료 전지에서 탄소 형성을 줄이기 위해 물(즉, 수증기)이 탄소 형성을 막기 위해 탄화수소 연료에 추가된다. 연료 전지 생산물이 애노드 전극에서 발생하더라도 탄소 형성을 막기 위해서 더 많은 물이 연료에 추가되어야 한다. 이 추가적인 물은 유입 연료와 함께 유입되어야 하는데 이는 연료 전지의 작동을 악화시킨다. 둘째로 Ni/YSZ에 관한 선행기술은 천연 기체에서 발견되는 10 ppm의 황에 대해서조차 내성을 갖지 못한다. 그러므로 고가의 황 제거 장치가 연료의 황 함유량을 감소시키기 위해 종종 사용되는데 이로 인해 전기 발생기의 비용이 증가한다.
그러므로 제 4 실시예의 첫번째 형태에서 황 내성 화합물이 고체 산화물 연료 전지의 애노드 도성합금에서 Ni와 함께 또는 대신 쓰인다. 황 내성 화합물은 연료 안의 황에 대한 애노드 내성을 증가시키는 어떠한 화합물도 포함한다. 발명자는 황 내성 화합물의 작용에 대한 어떠한 이론에도 구속되는 것을 원하지 않지만 황 내성 화합물이 애노드에서 황의 형성을 막거나 감소시키는 것으로 알려져 있다. 바람직한 황 내성 화합물은 WO2.5, MoS2, PtSx와 같은 MoWOx, RuO2, WOx을 포함한다. 덜 바람직한 화합물에는 Cr2O3, FeO, Fe2O3, Fe3O4, Al2O3, LiAlO2, LiCrO2, MO2, MO3, WO3과 같이용해 카보네이트 연료 전지에서 사용할 수 있는 황 내성 촉매를 포함한다. 애노드 도성합금은 YSZ와 같은 세라믹과 촉매로 구성되어 있다. 촉매는 10에서 90질량% Ni 또는 Cu 와 10에서 90 질량% 황 내성 화합물로 구성되는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 것은 촉매가 30에서 70 질량% Ni 또는 Cu 와 30에서 70 질량% 황 내성 화합물로 구성되는 것이다. 그러나 PtSx와 같은 어떤 황 내성 화합물은 Ni 또는 Cu없이 이용되고 100% 촉매로 구성된다.
이러한 애노드 전극 도성합금에서 Ni와 조합되거나 Ni를 대체하는 황 내성 촉매 화합물은 연료에서 황에 대해 증가된 내성을 제공한다. 황 내성 촉매는 고체 산화물 연료 전지가 100 ppb이상과 같이 10 ppb 이상의 황 화합물 수준으로 오염된 수소 연료 공급원과 함께 사용되도록 한다. 내성이 생기도록 하기 위해 명백하지 않은 방법으로 조합되는 세가지 요소는 다음을 포함한다: Ni 도성 합금의 황에 대한 약한 내성, 애노드 전극에서 산화제의 억제되지 않는 효용, 증가되는 작용 온도이다.
제 4 실시예의 또다른 형태로서 환경 내성 애노드 촉매는 연료 고갈 내성 촉매를 구성한다. 고체 산화물 연료 전지가 정적 상태에서 작동하고 있을 때 반응물은 독립적으로 조절되어 흐른다. 캐소드 기류는 일반적으로 캐소드 반응에 충분한 산소를 공급하고 연료 전지 반응으로부터 낭비되는 열을 제거하기 위해 조절된다. 보통 화학량적 요구량의 1.5에서 2.5배의 기류는 캐소드 반응을 만족시키는데 충분하다. 열 제거는 일반적으로 캐소드 반응을 만족하는데 요구되는 것보다 더 많은 기류를 요구한다. 그러므로 전지에서 산소가 고갈될 것이라는 고려는 합리적이지 못하다.
반면에 연료는 애노드 반응을 돕기 위해서만 조절되어 흐른다. 이러한 경우 연료 유동은 일반적으로 연료 이용을 고 레벨로 유지하기 위해 애노드의 화학량적 요구량의 약 1.2배로 세팅된다. 연료 이용의 고 레벨은 높은 전체 시스템 효율을 얻을 것이 요구된다.
고체 산화물 연료 전지에 관한 선행 기술에서, 고체 산화물 연료 전지 적층체에서 증가된 전기 출력이 즉시 요구되는 때 문제는 계속되고 있다. 이러한 조건하에서는 공기 공급은 모든 전지에서 증가한 반응 속도를 돕는데 충분한 것보다 많아진다. 그러나 연료 조절이 새로운 반응 속도에 대한 연료 유동에 적응할 때까지 적층체에서 하나 이상의 전지는 연료가 고갈될 수 있다. 연료 유동에 적응하는데 걸리는 몇 초 동안 애노드 촉매는 영구적으로 손상될 수 있다. 평면 고체 산화물 적층체의 전지가 직렬 연결되어 있기 때문에 전체 적층체는 쓸모없게 될 수 있다.
전지 애노드 손상의 기본적인 이유는 도 26에 도시되어 있다. 도 26은 정상적인 애노드, 캐소드 반응 모드와 연료 고갈 모드의 애노드 반응에서 고체 산화물 연료 전지(500)의 기능을 나타낸다.
정상적인 작동 모드에서의 고체 산화물 연료 전지(500)에 관해 말하자면, 세륨과 같은 다른 세라믹 산화물이 가끔 사용되기도 하지만 전해질(501)은 보통 YSZ이다. 일반적인 캐소드 전극(502)은 YSZ와 La0.8Sr0.2MnO3(LSM)의 50 : 50 혼합물로 만든다. 다른 물질은 필요한 경우 사용될 수 있다. 캐소드 전극(502)은 전해질(501)에 접하거나 대응하는 위치에 있고 공기 산화제(504)안의 산소를 이온화한다.산소 음이온은 연료 이온의 조합에 의한 음이온의 소비에 의해 생기는 기울기로 전해질(501)을 통과한다. 애노드 전극에 관한 선행 기술은 Ni와 YSZ의 도성합금으로 형성된다. 대안적으로 Cu가 가끔 애노드 전극의 도성합금에서 금속으로 이용된다. 수소/CO 연료(505)는 애노드 전극(503)에서 이온화되고 물과 CO2를 형성하기 위해 산소 음이온과 결합한다.
적층체안의 각각의 고체 산화물 연료 전지의 부분이 연료 고갈될 때, 전지는 전력 발생기에서 전기 부하가 된다. 이러한 현상은 적층체 안의 다른 전지는 반응에 충분한 연료를 갖고 있고 이런 전지는 부하가 되어버린 전지를 구동하기 때문이다. 이러한 조건하에서 연료 고갈된 전지 극성은 바뀌고 산소는 애노드로부터 방출된다. 캐소드 전극과 전해질은 연료 전지 모드에서의 작동과 같이 작동을 계속한다.
연료 유동 속도가 정상으로 회복되면 부하 전지는 전력 발생 연료 전지 모드로 복귀한다. 운나쁘게 Ni는 연료 고갈 내성 촉매가 아니기 때문에 산소 방출 과정에서 표준 Ni/YSZ 애노드 전극은 산화되고 영구적으로 손상된다.
본 발명자는 금속에 손상을 주지 않는 가역 산소를 형성하는 금속이 애노드에 추가되면 애노드는 연료 고갈 내성을 갖게됨을 알게 되었다. 그러한 금속은 산화될 때 산소를 형성하고 애노드에서 연료 반응에 의해 산화물이 감소될 때 큰 손상없이 순수한 금속으로 회복된다. 연료 고갈 내성 화합물은 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 오스뮴, 루테늄과 같은 백금계 금속을 포함하는 것이 바람직하다. 저온 물전기분해는 백금 전극은 산화될 수 있고 손상없이 감소될수 있음을 보여준다. 이러한 성질을 보이는 다른 촉매 물질 또는 첨가제는 다양한 산소 레벨에서 루테늄과 텅스텐을 포함한다. 다양한 비율에서 금속/산화물의 이용은 연료 고갈 동안 산화 애노드 조건에 대한 내성을 제공한다.
애노드(503)는 YSZ와 같은 세라믹을 포함하는 도성합금과 연료 고갈 내성 촉매로 구성되는 것이 바람직하다. 촉매는 10에서 90 질량% Ni 또는 Cu 와 10에서 90 질량%의 연료 고갈 내성 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 촉매가 30에서 70 질량% Ni 또는 Cu와 30에서 70 질량% 연료 고갈 내성 물질로 구성된다. 연료 고갈 내성 물질은 연료 고갈 동안 우선적으로 Ni를 산화시키는 것이 바람직하다. 그러나 Pt와 같은 어떤 연료 고갈 내성 물질은 Ni 또는 Cu 없이 사용되고 촉매의 100%를 구성한다.
제 4 실시예의 세번째 형태는 애노드는 황 내성 촉매와 연료 고갈 내성 촉매 모두인 환경 내성 촉매를 구성한다. 예를 들어 애노드는 Pt와 PtSx, Ru와 RuO2, W와 WOx와 같이 연료 고갈과 황 내성 물질에 기초하여 유사한 조합을 포함한다. 대안적으로 애노드는 미국특허 5,922,488에서 공개된 바와 같이 Pt-WOx, Pt-HxWO3와 같이 비유사한 촉매의 조합을 포함한다. 그러므로 상기 설명한 황 내성과 연료 고갈 내성 물질의 어떠한 조합이라도 애노드 구성에 선택될 수 있다.
애노드(503)는 YSZ와 같은 세라믹을 포함하는 도성합금과 환경 내성 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 촉매는 10에서 90 질량% Ni 또는 Cu, 5에서 45 질량%의황 내성 물질, 5에서 45 질량% 연료 고갈 내성 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 촉매가 30에서 70 질량% Ni 또는 Cu, 15에서 35 질량%의 황 내성 물질, 15에서 35 질량%의 연료 고갈 내성 물질로 구성되는 것이다. 그러나 어떤 Pt와 같은 황 내성 과 연료 고갈 내성 물질은 Ni 또는 Cu 없이 사용되고 100% 촉매로 구성된다.
애노드는 잘 알려진 도성합금 제조방법을 이용하여 형성된다. Ni 또는 Cu, 황 내성 물질과 연료 고갈 내성 물질은 적합한 방법에 의해 도성합금에 결합된다. 예를 들어 이러한 물질들은 증착, 전기증착, 냉각 건조, 연속 증착에 의해 쌓인다. 그러므로 환경 내성 물질은 Ni 또는 Cu와 합금되거나 혼합되고 도성합금을 형성하기 위해 YSZ에 제공된다. 예를 들어 환경 내성 물질은 Ni 또는 Cu와 합금되거나 혼합되고 습식(용액), 건식(파우더), 스퍼터링 공정을 이용하여 YSZ에 제공된다. 대안적으로 환경 내성 물질은 Ni 또는 Cu와 합금되거나 혼합되고 폼 서포트, 드라이 아이스 서포트와 같은 서포트에 놓이고 YSZ와 접하여 가압된다. 촉매는 소결이나 프레싱에 의해 도성합금을 형성하기 위해 YSZ로 확산된다. 드라이 아이스가 사용되면 드라이 아이스는 촉매를 YSZ로 확산시키기 위해 승화된다.
(제 5 실시예)
본 발명의 제 5 실시예에서 발명자는 애노드 배출 엔탈피 회복에서 개선된 공정을 제공함으로서 수소 농축 반응물에 대한 내적 개선을 위해 탄화수소 연료를 직접 고체 산화물 연료 전지 애노드로 공급할 때 고체 산화물 연료 전지 시스템은 단순화할 수 있는 것을 알아냈다. 다시 말해 생산된 물(즉 수증기)만이 애노드에제공되는 연료에 추가된다.
저온 PEM 연료 전지에서 캐소드 엔탈피는 회복되고 젖은 막의 외부의 건조를 막기 위해 캐소드 유입구로 돌아온다. 이러한 경우 유입 산화제 기체는 습하게 되고 막 건조를 피한다. 여러 방법이 수화 막, 물 주입, 순환 건조를 포함하는 물과 열 전달을 달성하기 위해 개발되었다. 한 방법은 엔탈피 휠이라고 불리는 장치를 사용하는 것을 포함한다. 엔탈피 휠은 건조제로 코팅된 내부 통로를 갖는 다공성의 원통 휠이다. 뜨거운 습한 공기 배출구에서 차가운 마른 공기 유입구로 현저하거나 잠재적인 열을 전달하도록 이것은 한 방향으로 느리게 회전한다.
고체 산화물 연료 전지에서 구성 요소가 젖어 있는 것을 유지할 필요 없다. 순수 수소와 공기 반응물로 작동하는 고체 산화물 연료 전지의 경우에 이러한 반응물은 절대적으로 수증기가 없어도 된다. Ni/YSZ 애노드 전극에 관한 선행 기술은 순수한 수소 연료에 대해서는 매우 잘 수행한다. 그러나 탄화수소 연료를 수소 농축 연료로 개선하고자 할 때 Ni/YSZ 애노드 전극은 카본 형성에 관한 단점이 있다. 고체 산화물 연료 전지에 관한 선행 기술에서 카본 형성을 줄이기 위해 물(즉 수증기)는 애노드에 카본 형성을 막기 위해 외부 보일러에서 탄화수소 연료로 추가된다. 고체 산화물 연료 전지에서, 연료 전지 애노드로 들어가기 전에 개선된 연료 스팀을 위해 카본과 약 3 : 1 의 비율을 이루는 빠른 속도의 수증기가 연료로 주입되어야 한다. 추가적인 보일러의 사용은 전력 발생 과정을 복잡하게 하고 그 비용을 증가시킨다.
본 발명자는 고체 산화물 연료 전지의 애노드 측 배출구에서 방출되는 수증기는 애노드에서 카본 형성을 막거나 감소하기 위해 애노드로 제공되는 연료로 재순환된다는 것을 알아냈다. 엔탈피 휠은 고체 산화물 연료 전지의 애노드 배출구로부터 애노드 유입구로의 물과 열 전달을 조절하는데 바람직한 장치이다. 연료로 들어오는 물의 양의 조절은 너무 적은 물에 의한 카본 형성을 막고 너무 많은 물에 의한 연료 고갈을 막기 위해 이용된다. 물 전달 속도는 휠의 속도롤 조절된다.
고체 산화물 연료 전지 연료에서 엔탈피 휠을 갖는 시스템(600)의 기초는 도 27A에 도시되어 있다. 탄화수소 연료 서플라이는 도관(604)을 통해 엔탈피 휠(601)로 이루어진다. 엔탈피 휠(601)에서 연료 서플라이는 애노드 측 연료 배출구로부터 수증기와 열을 받는다. 데워진 젖은 연료 서플라이는 도관(606)을 통해 선택적인 열 교환기(602)로 이루어진다. 열 교환기(602)에서 연료 배출구는 연료 서플라이에 더욱 열을 가한다. 뜨거운 젖은 연료 서플라이는 도관(606)을 통해 솔리드 산화물 연료 전지 적층체(603)안의 애노드 챔버로 운반된다. 고체 산화물 연료 전지 애노드 챔버에서 뜨거운 젖은 탄화수소 연료 서플라이는 수소, 수증기, 카본 옥사이드(carbon oxide)의 혼합물로 바뀐다. 거의 동시에 대부분의 수소와 일산화탄소는 애노드 촉매에서 산소 음이온과의 반응으로부터 각각 수증기와 이산화탄소로 전환된다.
고체 산화물 연료 전지 애노드 챔버로 들어가는 것보다 매우 많은 수증기를 함유한 연료 배출 기체는 도관(607)을 통해 열 교환기(602)로 돌아간다. 열 교환기(602)에서 배출되는 어떤 열은 유입 연료 서플라이에 충당된다. 연료 배출은 도관(608)을 통해 엔탈피 휠(601)로 운반된다. 엔탈피 휠(601)에서, 연료 배출안의 많은 수증기와 남아 있는 열은 유입 연료 서플라이로 운반된다.
엔탈피 휠의 회전 속도는 수증기 플럭스를 활용하기 위해 조절된다. 연료 배출는 배출 도관(609)을 통해 시스템에서 빠져나온다. 생산된 수증기의 20%에서 70%와 같이 0%에서 90%가 연료 서플라이로 전달되는 것이 바람직하다. 연료 서플라이로 전달된 모든 열이 엔탈피 휠과 열 교환기를 통과하는 것이 바람직하다.
대안적인 실시예로서 도 27B에서 도시하는 바와 같이 엔탈피 휠은 적어도 두 개의 흡수층으로 교체될 수 있다. 제 1 흡수층(610)은 CO, CO2, H2, 메탄과 같이 배출 도관(609)을 통과하는 애노드 배출 기체를 내보내는 동안 애노드 배출로부터의 물과 수증기를 흡수하는데 이용된다. 제 2 흡수층(611)은 애노드 배출로부터 미리 모아논 물을 제공하는데 이용된다. 물 공급이 제 2 흡수층(611)에서 고갈되면 제 1 흡수층(610)이 물 또는 수증기를 유입 연료로 제공하는 동안 애노드 배출은 제 2 흡수층에 제공된다. 필요하다면 리포머(reformer)가 연료 유입구(604)와 연료 전지 적층체(603)사이에 추가될 수 있는데 열 교환기(602)와 연료 전지 적층체(603)사이가 바람직하다.
적합한 방법으로 흡수층을 통해 애노드 배출과 연료 서플라이를 제공할 수 있다. 예를 들어 도 27B에 도시된 바와 같이 사방향 밸브와 같은 제 1 밸브(612)는 제 1 흡수층(610)과 제 2 흡수층(611) 사이의 연료 유입구(604)로부터의 연료 유입을 스위치한다. 밸브(612)는 또한 제 1 흡수층(610)이나 제 2 흡수층(611)에서 제공되는 배출을 배출 도관(609)으로 스위치한다. 도관(608)은 제 1 흡수층(610)을사방향 밸브와 같은 제 2 밸브(613)를 지나 제 1 열 교환기 유입구(614)나 제 1 열 교환기 배출구(615)와 연결한다. 도관(605)은 제 2 흡수층(611)을 밸브(613)를 지나 제 1 열 교환기 유입구(614)나 제 1 열 교환기 배출구(615)와 연결한다. 밸브(613)가 첫번째 위치에 있을 때에는 제 1 흡수층(610)과 제 1 열 교환기 배출구(615)사이, 제 2 흡수층(611)과 제 1 열 교환기 유입구(614)사이에 유체 패스를 제공한다. 밸브(613)가 두번째 위치에 있을 때에는 제 1 흡수층(610)과 제 1 열 교환기 유입구(614)사이, 제 2 흡수층(611)과 제 1 열 교환기 배출구(615)사이에 유체 패스를 제공한다. 필요하다면 다른 형태도 사용될 수 있다. 예를 들어 사방향 밸브(613)은 이방향 또는 삼방향 밸브로 교체할 수 있는데 각각의 밸브는 열 교환기(602)와 각각의 도관(605, 608)에 위치한다.
작동하는 동안 시스템(600)은 수증기를 유입 연료에 제공하는 보일러를 사용하지 않고 구동된다. 그러나 작은 보일러는 시스템이 추가될 수 있다. 시스템이 워밍 업하고 있고 충분한 수증기가 애노드 배출에서 발생하는 동안 이 보일러는 작동이 시작하는 동안 물을 연료 유입구로 제공하기 위해 구동된다.
고체 산화물 연료 전지 애노드 전극에서 적절한 조건으로 조절된 형태에서 수증기와 열의 단순한 운반을 제공하기 때문에 본 시스템은 유리하다. 엔탈피 휠과 열 교환기는 연료 서플라이가 고체 산화물 연료 전지를 작동시키는 전체 수증기와 열 공급을 제공하는데 이용된다.
(제 6 실시예)
제 6 실시예는 펠트 봉인에 관한 것이다. 연료 전지 적층체, 특히 평면 형상의,는 종종 전해질과 연료와 공기를 포함하는 연결면 사이(도 28 참조)에 봉인을 사용한다. 이러한 봉인은 높은 작업 온도와 (캐소드측에서) 산화 환경에서 유지되어야 한다. 또한 봉인의 팽창과 수축과 열적 순환이나 압축 때문에 봉인과 접해있는 구성요소는 기대 수명 동안 구성요소의 손상을 야기해서는 안된다.
엘라스토머릭 오-링(elastomeric o-ring)과 개스켓과 같은 많은 부드러운 봉인은 크랙이 생기지 않고 어셈블리안의 열적 팽창 및 압축에 의한 스트레스를 흡수한다. 그러나 엘라스토머릭 물질이 분해되고, 질이 낮아지고, 산화되기 때문에 이러한 봉인은 높은 온도에서는 사용하지 못한다.
납땜이나 금속 개스켓과 같은 높은 온도에서 사용되는 봉인의 많은 타입은 부드럽거나 탄력적이지 않다. 작동 조건이나 물질 불친화성 때문에 어떤 어셈블리는 납땜이나 개스켓으로 봉인되기 어렵다. 그것들은 종종 제한된 수명을 갖는데, 상대적으로 적은 수의 열적 순환만을 견딜 뿐이다. 또한 어떤 어셈블리는 이러한 물질로 봉인될 때 열적 팽창의 계수의 차이에 의해 봉인이나 어셈블리의 구성요소가 망가질 수 있는 기계적 스트레스를 발생시킨다. 또한 부드럽지 않은 봉인은 요구되는 엄격한 내성 때문에 제조상 난점과 높은 비용을 보인다.
제 6 실시예는 부드럽고 산화가 일어나고 환경이 변하는 고온에서 작동할 수 있는 봉인 설치에 관한 것이다. 봉인은 금속과 세라믹과 같은 비유사한 물질과 두 세라믹이나 두 금속간과 같은 구성이 다르거나 그렇지 않은 유사한 물질을 봉인할 수 있다. 봉인이 장치 작동 온도에서 탄성이 있고 부드럽기 때문에 비유사한 열적 팽창 계수를 갖는 두 물질간을 봉인할 수 있다. 이러한 봉인은 작동 온도가 600에서 800℃ 인 고체 산화물 연료 전지에서 유용하게 쓰일 수 있다.
표면간의 부드러운 기체밀폐 봉인은 펠트로 만든다. 여기에서 "펠트"는 적용되는 장비의 높은 작동온도와 환경에서 견디는 물질의 부드러운 층을 설명하는데 쓰인다. 어떤 경우에 펠트는 부드러운 금속이나 합금으로 구성된다. 그러나 이러한 정의는 이것을 금속의 형태로 한정하지 않는다. 예를 들어 부드러운 층은 실리카와 같은 비금속 섬유질 물질로 만들어질 수도 있다. 이러한 부드러운 층은 "펠트"라고 정의되는 섬유질로부터 만들어질 수 있지만, 또한 예를 들어 폼과 같이 다른 두껍고 부드러운 구조에 의할 수도 있다.
펠트는 여러 수단중 하나에 의해 기체가 통하지 않도록 만들어지고 여러 수단중 하나에 의해 접하는 면에 봉인된다. 펠트는 봉인에 탄력을 주어, 부분을 이루는 어셈블리의 압축과 열적 팽창과 수축에 의한 스트레스를 흡수하도록 한다. 펠트를 불침투성으로 만들고 펠트를 접하는 면에 봉인하는데 사용하는 수단은 또한 당연히 부드럽다. 봉인의 다양한 요소의 배합의 적당한 선택은 작동 온도, 산화 또는 환경의 변화, 비용을 포함하는 다양한 기준에 따라 봉인을 만들어지게 한다.
두 메이팅 면(701, 702)은 도 28에 나타나 있다. 측면(705, 706)사이의 다른 방향으로 기체 교환이 이루어지는 것을 막기 위해 봉인은 이 두 표면 사이에 만들어져야 한다.
도 28에서 나타내는 케이스에서 펠트 봉인(710)은 메이팅 면(701, 702)사이에 놓여 있다. 펠트 봉인(710)은 장치 작동 온도에서 부드러우나 장치에서 기체가 통하지 않도록 하는 봉인 물질(720)의 적용을 통해 메이팅 면에 봉인된다. 예를 들어 이것은 글래스 또는 글레이즈의 혼합물이다. 글레이즈의 한 예는 Duncan 세라믹 글레이즈 GL611이다. 이 물질은 펠트 또는 접하는 면에 어셈블리보다 우선적으로 적용될 수 있는데 예를 들어 펠트 봉인과/또는 메이팅 면을 용해 글래스 또는 글레이즈에 담그는 것에 의한다. 그러한 물질은 높은 온도에서 부드러워지고 펠트를 표면에 붙게 하지만 가스가 통하지 않도록 유지한다. 많은 형태에 있는 펠트 봉인이 펠트를 표면에 붙도록 하는 적합한 수단을 포함한다면 그러한 물질(720)은 선택적이다.
펠트 봉인(710)은 다양한 방법중 하나로 기체가 통하지 않도록 만들어진다. 한 가지 형태로서 다공성 펠트는 어셈블리보다 우선하여 장치 작동 온도에서 부드러운 주입물질이 채워진다. 예를 들어 이것은 글래스 또는 글레이즈 혼합물이다. 구워진 후에 글래시(glassy) 잔여물은 펠트가 기체가 통과하지 않도록 한다. 그러나 그러한 물질(730)이 작동 온도에서 부드러워지기 때문에 펠트-글래스 혼합물은 부드럽게 유지된다. 다음 단락과 도면에서 같은 숫자의 물건은 그것에 대한 이전의 정의에 따르는 것으로 본다.
다른 형태(도 29)에서 펠트 봉인(710)은 펠트 표면(740)을 녹여서 접하는 직각과 같이 표면에 평행하지 않은 고체 층으로 하여 기체가 통하지 않도록 만들어진다. 고체 층은 구부러질 수 있도록 충분히 얇게 형성된다. 고체 층은 펠트에 비해70%이하의 다공율과 같이 펠트보다 매우 낮은 다공율을 갖는 층을 의미한다. 이 고체 층은 가열된 부분은 막힌 셀 금속 폼 층과 같이 고체 층으로 전환되기 때문에 선택적으로 펠트 봉인(710)의 부분을 가열하여 형성된다. 예를 들어 펠트 봉인(710)의 표면(740)은 고체 층을 형성하기 위해 레이저에 의해 선택적으로 가열된다.
또다른 형태(도 30)에서 펠트 봉인(710)은 펠트 봉인(710)위에 상기 설명한 바와 같이 수직한 부분과 평행한 부분을 갖는 고체 층(750)을 형성하여 기체가 통하지 않도록 만들어진다. 평행한 고체 표면은 제공한다. 봉인에 접하는 부분을 개선하도록 한다.
또다른 형태(도 31)에서 펠트 봉인(710)은 수직한 것과 같이 메이팅 면에 평행하지 않은 방어 포일(foil) 층의 적용을 통해 기체가 통하지 않도록 만들어진다. 포일은 펠트를 메이팅 면에 붙이는데 사용하는 물질을 통해 펠트에 부착한다. 대안적으로 포일은 프레스되고 다른 펠트 봉인이나 다른 구성요소에 의해 고정된다. 포일(760)은 얇기 때문에 부드럽다. 포일은 얇은 금속 포일인 것이 바람직하다. 포일은 접하는 측면(705, 706)에서의 기체의 흐름을 막기 위해 표면(701, 702) 사이를 덮는다.
또다른 형태(도 32)에서 펠트 봉인(710)은 다양한 포일의 적용을 통하여 기체가 통하지 않도록 만들어진다. 포일(770)은 상기 설명한 바와 같이 수직한 것처럼 메이팅 면에 평행하지 않다. 그리고 포일(772, 774)는 메이팅 면에 평행한 영역까지 확장된다. 이러한 포일(772, 774)은 봉인에 대해 개선된 접촉 영역을 제공한다. 그것들은 또한 봉인과 메이팅 면에 접착력을 제공한다. 포일(770, 772, 774)은 펠트(710)와 메이팅 면(701, 702)의 구성물과 같거나 다른 물질이다. 그것들은 분리된 구성물로 구성될 수도 있고 단일의 연속적인 포일 조각일 수도 있다.
또다른 형태(도 33)에서 펠트 봉인(710)은 펠트(710)에 기체 불침투 물질층을 놓음으로서 기체가 통하지 않도록 만들어진다. 이러한 물질은 이에 제한되지는 않지만 디핑(dipping), 증발, 물리 기상 증착, 화학 기상 증착, 열 스프레이, 플라즈마 스프레이, 액체 안에서의 침전과 같은 다양한 방법에 의해 펠트 위에 놓인다. 물질 부분(780)은 수직한 것과 같이 메이팅 면(701, 702)에 평행하지 않다. 기체 불침투 물질층의 부분(782, 784)은 메이팅 면(701, 702)에 평행한 영까지 확장하는 것이 바람직히다. 이러한 부분(782, 784)은 봉인에 대해 개선된 접촉 영역을 제공한다. 그것들은 또한 펠트 봉인(710)과 메이팅 면 사이에 접착력을 제공한다. 불침투 물질 층 부분(780, 782, 784)은 펠트(710)와 메이팅 면(701, 702)의 다양한 구성물과 같거나 다른 물질이다.
또다른 형태(도 34)에서 펠트 봉인(790)은 초기 준비에 의해 기체가 통하지 않도록 만들어진다. 예를 들어 펠트는 막힌 셀 폼으로 준비된다.
펠트 구성물은 펠트 봉인을 포함하는 장치에서 나타내는 환경에서 잘 작동하도록 선택될 수 있다. 예를 들어 산화 환경에서는 펠트는 적합한 M-Cr-Al-Y 물질로 구성될 수 있다. 여기서 M은 Fe, Co, Ni 중에 적어도 하나의 선택된 금속이다. 또다른 예에서는 펠트는 인코넬(Inconel) 합금으로 구성될 수 있다. 다른 예에서는 변화하는 환경에서 펠트는 니켈로 구성될 수 있다. 다른 금속, 합금, 다른 부드러운 물질이나 화합물 금속은 적용 요건에 따라 사용될 수 있다. 가스 불침투 물질(730; 글래스)을 포함하는 펠트 봉인(710; 니켈 펠트)을 형성하는 한 예는 다음과 같다. 고체 니켈에 비해 15%의 밀도를 갖는 니켈 펠트(예를 들어 폼)는 용해 글래스로 채워진다. 펠트는 휘발성 물질을 제거하기 위해 가열되는데 펠트가 기체를 통하지 못하게 하는 글래스 잔여물이 남는다. 펠트는 금속 시트와 지르코니아와 같은 두 메이팅 면 사이에 놓인다. 각각의 메이팅 면에 대하여 글래스 봉인 층은 펠트-글래스 혼합물에 메이팅 면에 접해야 하는 곳에 적용된다. 펠트는 메이팅 면 사이에 놓이고, 압축되고, 구워진다.
봉인은 봉인되는 메이팅 면의 모양을 취할 수 있다. 예를 들어 메이팅 면이 직사각형이라면 봉인은 직사각형 개스켓의 모양을 할 수 있다. 메이팅 면이 어셈블리 안에 내부 기체 집합 또는 플로우 덕트를 갖는 열린 영역을 갖고 있으면 봉인은 수용할 수 있고 그러한 열린 영역을 봉인할 수 있다. 이것은 도 35에 도시되어 있는데 메이팅 면(794)이 메이팅 면의 중앙과 펠트 개스켓(797)에 의해 메이팅 면의 외부으로부터 봉인되는 플로우 채널을 포함하는 곳이다.
펠트 봉인의 모든 실시예는 메이팅 면의 홈과 같이 봉쇄, 부가적 압축, 접착 면을 제공하는 하나 또는 양쪽 메이팅 면의 구조에 위치할 수 있다.
봉인의 펠트부는 또한 고체 산화물 연료 전지와 같은 연료 전지 적층체에서 전류 수집기/분배기, 흐름 분배기 등의 다른 역할을 한다.
(제 7 실시예)
제 7 실시예는 연료 전지 적층체에서 펠트 전류 컨덕터/기체 플로우 분배기에 관한 것이다. 연료 전지 적층체, 특히 평면 구조,는 종종 애노드에서 분리 플레이트로 분리 플레이트에서 캐소드로 전자를 전도하는 어떤 물질을 이용한다. 이러한 물질은 일반적으로 다공성 전극(즉 애노드와 캐소드) 물질보다 전기 전도성이좋다. 보통 이러한 물질은 기체의 산소 또는 연료의 플로우 분리를 제공하는 전극과 구별된다. 이러한 물질은 종종 전류 컨덕터/기체 플로우 분배기(이하에서는"컨덕터/분배기"라 한다)로 불린다. 어떤 경우에는 이러한 컨덕터/분배기는 연료 전지 적층체에 구조적 서포트를 제공한다. 컨덕터/기체 플로우 분배기에 관한 선행 기술의 예는 금속 와이어 코일, 와이어 그리드, 금속 립을 포함한다. 이것들은 독립적 또는 조합을 이루어 이용된다.
컨덕터/분배기에 관한 선행 기술은 최적보다는 낮은 전류 전도나 기체 플로우 분배 성질을 나타낸다. 그것들은 또한 비용적으로 영향이 있다. 또한 컨덕터/분배기에 관한 많은 선행 기술은 부드럽지 않다(즉 연료 전지 작동 온도에서 탄력적이지 않다). 부드럽지 않은 구성요소는 요구되는 엄격한 연료 전지 내성 때문에 종종 연료 전지의 제조와 어셈블리에서 난점과 고비용을 나타낸다.
본 발명자는 다공성 전도 펠트는 종래 컨덕터/분배기보다 향상된 성질을 갖는 전류 컨덕터와 기체 플로우 분배기로서의 역할을 하고 적은 비용부담이 든다는 것을 알아냈다. 어떤 형태에서는 펠트 컨덕터/분배기는 또한 봉인이나 다른 연료 전지 적층체 구성요소에 대한 보조자로서 역할을 할 수 있다. 부드럽고 전도성있는 펠트의 사용은 열적 순환과 고체 산화물 또는 용해 카보네이트 연료 전지 적층체와 같은 고온 연료 전지 적층체가 바람직한 연료 전지 적층체의 압축동안 구성요소와 어셈블리 고장 확률을 줄인다.
여기에서는 "전도 펠트"는 작동 온도와 그것이 놓인 장치(즉, 연료 전지 적층체)의 환경에서 견딜 수 있는 전기적으로 전도성 있는 물질의 부드러운 층을 설명하는데 쓰인다. 어떤 경우에는 펠트는 부드러운 금속 또는 합금으로 구성되어 있다. 그러나 이러한 정의는 "펠트"를 금속에 한정하지는 않는다. 펠트 컨덕터/분배기는 실리카-금속 혼합물과 같은 다른 다공성 전도성 물질으로 만들 수 있다. 펠트 컨덕터/분배기는 전도성있고 기체 투과적으로 만들어야 하고 섬유질, 폼 등의 상대적으로 두껍고, 부드럽고, 전도성 있고, 기체 투과적 구조를 가진 물질로 만들 수 있다.
컨덕터/분배기는 장치에 의해 특정화된 조건에 적합하게 선택된 구성을 가진 기체 투과적(즉 다공성) 전도성 펠트로 구성된다. 예를 들어 펠트 물질은 연료 전지 작동 온도에서 전도성 있고 기체 투과적인 것이 선택된다. 펠트 컨덕터/분배기는 연료 전극(애노드 또는 캐소드)의 활성 영역에 접하여 위치해 있다. 연료 전지 분리 플레이트는 컨덕터/분배기에 접하여 위치해 잇다. 전극, 컨덕터/분배기, 분리 플레이트 사이의 전기 접촉을 보호하기 위해 다양한 방법이 이용될 수 있다.
도 36은 전해질(810), 애노드(820), 캐소드(830), 애노드 봉인(840), 캐소드 봉인(845), 금속 플레이트와 같은 분리 플레이트(850)를 포함하는 포함하는 연료 전지 적층체의 반복되는 구성요소를 나타낸다. 제 2 분리 플레이트(850)는 또한 도면에서 적층체의 다음 전지의 연결을 나타낸다. 하기에서 상세하게 설명하는 바와 같이 적층체는 내적이나 외적으로 다양화되어 있다.
애노드(820)와 캐소드(830)는 종종 전기화학적 반응에 촉매로서 활용된다. 종종 그것들은 전기적 전도 또는 기체의 연료와 산소의 분배에 활용되지 않는다. 그러므로 애노드 컨덕터/분배기(860)와 캐소드 컨덕터/분배기(870)는 이러한 역할을 담당해야 한다. 펠트 컨덕터/분배기가 분리 플레이트의 기능을 수행하도록 구성되어 있으면 분리 플레이트(850)는 생략된다.
제 7 실시예의 첫번째 형태로서 애노드 컨덕터/분배기(860)는 전도 펠트로 구성되어 있다. 펠트는 애노드로부터 분리 플레이트까지 전자를 전도한다. 펠트가 기체 투과적이기 때문에 그것은 또한 연료가 애노드 표면에 도달하도록 하고 반응이 반응 부산물이 표면을 떠나 전지 밖으로 배출되도록 한다. 애노드와 펠트 사이와 분리 블레이트와 펠트 사이의 전기적 접촉은 연료 전지 작동 조건에 적절하게 선택된 층을 추가함으로서 강화된다. 예를 들어 고체 니켈의 밀도에 비하여 15에서 35%의 밀도를 가지며 바람직하게는 25%의 밀도를 갖고 0.5에서 4㎜의 두께를 가지며 바람직하게는 2㎜의 두께를 갖는 니켈 펠트는 고체 산화 연료 전지와 같이 변화된 환경과 600에서 850℃의 온도인 고온 연료 전지에서 사용된다. 펠트는 애노드나 분리 플레이트측 중에 하나 또는 양 쪽에서 니켈-YSZ 도성합금에 넣어진다.
제 7 실시예의 또다른 형태로서 캐소드 컨덕터/분배기(870)는 전도 펠트로 구성되어 있다. 펠트는 분리 플레이트부터 캐소드까지 전자를 전도한다. 또한 산소가 캐소드 표면에 도달하게 하고 산소가 고갈된 공기가 표면에서 떠라 전지 밖으로 배출되도록 한다. 캐소드와 펠트 사이와 분리 플레이트와 펠트 사이의 전기적 접촉은 선택적인 접착 물질층을 추가함으로서 강화된다. 펠트의 구성은 연료 전지 작동 조건에 적합하게 선택된다. 예를 들어 고체 금속 합금에 비하여 5에서 30%의 밀도를 가지며 바람직하게는 15%의 밀도를 갖고 0.5에서 4㎜의 두께를 가지며 바람직하게는 2㎜의 두께를 갖는 Fe-Cr-Al-Y 펠트는 고체 산화물 연료 전지와 같이 800℃와같이 650에서 850℃의 산화 환경의 고온 연료 전지에서 이용된다. 필요하다면 Fe의 일부 또는 전부는 Fe-Cr-Al-Y 펠트에서 Co와/또는 Ni과 교체된다. 펠트는 연결의 캐소드 또는 분리 플레이트 중 어느 한 쪽이나 양 쪽에서 란타늄-스트론튬 망가나이트(LSM) 페로브스카이트에 넣어진다.
애노드(860)와 캐소드(870) 컨덕터/분배기 양쪽이 펠트로 만들어지는 것이 바람직하다. 다음 단락과 도면에서는 동일한 숫자의 물건은 상기 정의에 의하는 것으로 본다.
제 7 실시예의 다른 형태로서 애노드와 캐소드 컨덕터/분배기는 비균질 표면을 포함한다. 컨덕터/분배기는 요구되는 압력 강하 또는 플로우 분배 패턴을 제공하는 립을 포함하는 것이 바람직하다. 딤플(dimple), 라인, 특정한 포어 형태와 같은 다른 표면 형태가 압력 강하 또는 플로우 분배를 조절하는데 사용될 수 있다.
제 7 실시예의 다른 형태(도 37)로서 애노드 컨덕터/분배기(860)는 제 6 실시예의 애노드 측 펠트 봉인과 조합될 수 있다. 애노드 컨덕터/분배기와 봉인은 하나의 연속적인 조각으로 만들어진다. 애노드 컨덕터/분배기(860)는 펠트 봉인에 관한 제 6 실시예의 다양한 형태와의 결합에 사용될 수 있다.
제 7 실시예의 다른 형태(도 38)로서 캐소드 컨덕터/분배기(870)는 제 6 실시예의 캐소드 측 펠트 봉인과 조합될 수 있다. 캐소드 컨덕터/분배기와 봉인은 하나의 연속적인 조각으로 만들어진다. 캐소드 컨덕터/분배기(870)는 펠트 봉인에 관한 제 6 실시예의 다양한 형태와의 결합에 사용될 수 있다. 애노드와 캐소드 컨덕터/분배기 모두 펠트 봉인과 결합되는 것이 가장 바람직하다.
제 7 실시예의 다른 형태(도 39)로서 애노드 컨덕터/분배기(860)는 분리 플레이트(850)에 대해 구조적으로 지원한다. 본 형태에서 분리 플레이트 물질은 실용성과 내구성이 허용하는 한 얇게 만들어진다. 분리 플레이트는 여러 박막 증착 기술에 의해 애노드 컨덕터/분배기(860)에 놓인 박막을 포함하는 것이 바람직한데 이러한 박막 증착 기술에는 열 또는 플라즈마 스프레이, 화학 또는 물리 기상 증착(즉 CVD와 스퍼터링), 침전, 디핑이 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. 대안적으로 얇은 분리 플레이트(850)는 컨덕터/분배기와 접해 있는 일체화된 구성요소를 포함한다. "박막"은 500 마이크론보다 두께가 얇은 것이 바람직하고 100 마이크론보다 얇은 것이 더욱 바람직하고 가장 바람직한 것은 10에서 30 마이크론이다. 이 경우 30 마이크론 이상, 바람직하게는 100 마이크론 이상의 두께와 같은 펠트 컨덕터/분배기 두께는 박막에 대해 기질로서 작동하는데 충분하다.
제 7 실시예의 다른 형태(도 40)로서 캐소드 컨덕터/분배기(870)는 분리 플레이트(850)에 대해 구조적으로 지원한다. 본 형태에서 분리 플레이트 물질은 실용성과 내구성이 허용하는 한 얇게 만들어진다. 분리 플레이트는 여러 박막 증착 기술에 의해 캐소드 컨덕터/분배기(870)에 놓인 박막을 포함하는 것이 바람직한데 이러한 박막 증착 기술에는 열 또는 플라즈마 스프레이, 화학 또는 물리 기상 증착(즉 CVD와 스퍼터링), 침전, 디핑이 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. 대안적으로 얇은 분리 플레이트(850)는 컨덕터/분배기와 접해 있는 일체화된 구성요소를 포함한다. 애노드와 캐소드 컨덕터/분배기 모두 각각 분리 플레이트를 지지하는 것이 바람직하다.
도 41에서 나타내는 다른 형태로서 애노드 컨덕터/분배기(860)는 봉인과 분리 플레이트 지지대의 역할을 한다. 도면에서 애노드 컨덕터/분배기(860)는 그것의 다양한 형태의 하나에서 865로 변경되어 표시된다.
도 42에서 나타내는 다른 형태로서 캐소드 컨덕터/분배기(870)는 또한 봉인과 분리 플레이트 지지대의 역할을 한다. 도면에서 캐소드 컨덕터/분배기(870)는 그것의 다양한 형태의 하나에서 875로 변경되어 표시된다.
다음의 단락과 도면에서는 컨덕터/분배기가 연료 전지 적층체의 다른 구성요소에 대한 지지 구조물의 역할로서 설명된다. 다음 단락과 도면에서 865라는 항목은 상기 설명된 다양한 형태의 하나로서 애노드 컨덕터/분배기로 언급되고 875라는 항목은 상기 설명된 다양한 형태의 하나로서 캐소드 컨덕터/분배기로 언급된다.
도 43에서 나타내는 다른 형태로서 애노드 컨덕터/분배기(865)와 캐소드 컨덕터/분배기(875)는 함께 그들 사이에 위치한 일반적인 분리 플레이트(850)를 지지한다. 분리 플레이트(850)는 재료와 어셈블리 비용을 줄이기 위고 어셈블리의 작동과 질을 높이기 위한 방법으로 위치되거나 증착된다. 일반적으로 분리기 플레이트(850)는 박막 플레이트와 같이 실용성과 내구성이 허용하는 한 얇게 만들어진다.
펠트 컨덕터/분배기(865, 875)가 봉인과 함께 조합되면 컨덕터/분배기의 봉인부는 제 6 실시예에서 설명한 수단에 의해 기체가 통하지 않게 만들어질 수 있다. 대안적으로 분리 플레이트(850)부는 봉인을 형성하도록 사용될 수 있다. 예를 들어 얇은 분리 플레이트 물질 또는 포일은 도 44에서 나타내는 바와 같이 컨덕터/분배기의 한쪽 또는 양쪽의 가장자리 주위로 확장될 수 있다. 이러한 분리 플레이트의 확장은 기체 불침투 봉인으로서 작용한다.
도 45에서 나타내는 제 7 실시예의 다른 형태로서 애노드 컨덕터/분배기(865)와 캐소드 컨덕터/분배기(875)는 함께 분리 플레이트(850)를 지지할 뿐만 아니라 캐소드(830), 전해질(810), 애노드(820)도 지지한다. 분리 플레이트(850), 캐소드(830), 전해질(810), 애노드(820)는 재료와 어셈블리 비용을 줄이고 어셈즐리의 작동과 질을 높이기 위한 방법으로 위치하거나 증착된다. 일반적으로 이러한 구성은 실용성과 내구성이 허용하는 한 얇게 만들어진다. 이러한 구성은 상기 설명한 다양한 박막 증착 기술에 의해 컨덕터/분배기 기질(865/875)에 바람직하게 증착된 (상기에서 설명한)박막으로 구성되는 것이 바람직하다.
도 46은 일반적인 펠트 컨덕터/분배기와 봉인을 포함하는 내적으로 집적된 연료 전지 적층체의 3차원 모습을 도시한다. 도 46에서 연료 전지 적층체는 분리 플레이트(850), 애노드 펠트 컨덕터/분배기/봉인(860), 전해질(810), 애노드(820), 캐소드 펠트 컨덕터/분배기/봉인(870)을 포함한다. 전해질의 "뒷면"에 위치해 있기 때문에 캐소드는 도 46에서 나타나 있지 않다. 분리 플레이트(850)와 전해질(810)은 기체 통로 또는 개구부(876, 877, 878, 879)를 포함한다. 특히, 통로(876)는 연료 유입 통로이고, 통로(877)는 연료 배출 통로이고, 통로(878)는 산화제 유입 통로이고, 통로(879)는 산화제 배출 통로이다.
애노드 펠트 컨덕터/분배기/봉인(860)은 전도성 펠트로 만들어진다. 전체 애노드 펠트 컨덕터/분배기/봉인(860)은 기체 불침투 봉인 영역(880)을 제외하고는 기체 침투적이다. 캐소드 펠트 컨덕터/분배기/봉인(870)은 기체 불침투 봉인 영역(881)을 제외하고는 기체 침투적이다.
애노드 펠트 컨덕터/분배기/봉인(860)에서 기체 불침투 영역(880)은 기체 침투 영역(883)으로부터 기체 침투 영역(882)과 봉인에서 자신을 한정한다. 캐소드 펠트 컨덕터/분배기/봉인(870)에서 기체 불침투 영역(881)은 기체 침투 영역(885)으로부터 기체 침투 영역(884)과 봉인에서 자신을 한정한다.
적층체가 모였을 때 영역(882)은 애노드(820), 연료 통로(876, 877)와 함께 정렬한다. 영역(883)은 산화제 통로(878, 879)와 함께 정렬한다. 영역(884)은 캐소드(도시되지 않음), 산화제 통로(878, 879)와 함께 정렬한다. 영역(885)은 연료 통로(876, 877)와 함께 정렬한다.
연료 전지 적층체는 다음과 같이 작동한다. 유입 연료(886; 도 46에서의 점선)는 분리 플레이트(850)안의 연료 유입 통로(876)로 제공된다. 연료는 애노드 컨덕터/분배기/봉인(860)안의 기체 침투 영역(882)에 도달한다. 여기서부터 유입 연료는 두 방향으로 갈라진다. 연료의 한 쪽은 기체 침투 펠트 영역(882)을 통해 "아래"로 이동하고 애노드(820)에서 반응한다. 연료 반응물(887)은 분리 플레이트(850)안의 연료 배출 통로(877)를 통해 영역(882)으로부터 나온다. 연료의 다른 쪽은 전해질 안의 통로(876)을 통해 이동하고 캐소드 컨덕터/분배기/봉인(870)안의 기체 침투 영역(885)을 통과한다. 기체 불침투 영역(880)은 연료가 영역(883)에 들어가서 산화제와 반응하는 것을 막는다. 기체 불침투 영역(881)은 산화제가 영역(884)에 들어가서 캐소드와 접촉하는 것을 막는다.
유입 산화제(888; 도 46에서의 파선)는 분리 플레이트(850)안의 산화제 유입통로(878)에 제공된다. 산화제는 애노드 컨덕터/분배기/봉인(860)안의 기체 통과 영역(883)을 통과한다. 산화제는 전해질 안의 통로(878)를 통하여 이동하여 캐소드 컨덕터/분배기/봉인(870)안의 가스 침투 영역(884)에 도달한다. 여기에서부터 유입 산화제는 두 방향으로 갈라진다. 산화제의 한 쪽은 기체 침투 펠트 영역(884)을 통해 "오른쪽"으로 이동하고 캐소드에서 반응한다. 반응 산화제(889)는 뒤로 이동하여 분리 플레이트(850)안의 산화제 배출 통로(879)를 통해 영역(884)으로부터 빠져나온다. 기체 불침투 영역(880)은 산화제가 영역(882)에 들어가서 애노드와 접촉하는 것을 막는다. 기체 불침투 영역(881)은 산화제가 영역(885)에 들어가서 연료와 반응하는 것을 막는다.
기체 불침투 영역(880, 881)은 선택적 가열, 레이저 투사, 펠트에 대한 기체 불침투 물질의 선택적 부가와 같은 제 6 실시예에서 설명한 수단에 의해 형성된다. 그러므로 기체 불침투 영역(880, 881)은 펠트 컨덕터/분배기(860, 870)안의 펠트 봉인과 같이 작용한다. 그것들은 연료와 산화제를 분리하고 각각 연료 전지에서 접촉하는 것을 막는다. 연료 적층체와 봉인(880, 881)은 적합한 모양을 갖고 도 46에 도시된 모양에 한정되지 않는다. 또한 "아래"와 "오른쪽"은 연료 전지 적층체의 방향을 기준으로 상대적인 방향이다. 연료와 산화제가 다르게 바람직하게는 수직으로 연료 적층체를 가로지름을 주의해야 한다.
펠트 컨덕터/분배기/봉인은 기체 불침투 봉인(880, 881)과 기체 침투 컨덕터/분배기(882, 884)를 포함하는 단일의 전도성 펠트 시트(860, 870)에 한정되지 않는다. 도 47에서 나타내는 바와 같이 기체 불침투 봉인은 기체 침투 펠트 컨덕터/분배기에 인접한 분리된 펠트 개스켓에 형성될 수 있다.
도 47에서 전도성 펠트 애노드 컨덕터/분배기/봉인(890)은 기체 불침투 펠트 개스켓(891)과 기체 침투 펠트 컨덕터/분배기(860)로 구성된다. 개스켓(891)은 컨덕터/분배기(860)와 분리 플레이트(850)안의 연료 유입/배출 통로(876, 877)와 전해질(810)과 함께 일렬로 정렬하는 큰 개구부(892)를 포함한다. 유입 연료는 개구부(892)를 통해 컨덕터/분배기에 들어가서 애노드(820)로 이동한다. 대안적으로 하나의 큰 개구부(892)는 컨덕터/분배기, 분리 플레이트(850) 안의 연료 통로(876,877), 전해질(810)과 함께 일렬로 정렬하는 두 개의 작은 개구부로 대체할 수 있다. 개스켓(891)은 또한 애노드 컨덕터/분배기(860)와 일렬로 정렬하지 않는 산화제 유입/배출 통로(878A, 879A)를 포함한다. 그러므로 이러한 통로를 통해 이동하는 산화제는 컨덕터/분배기(860)에 들어가지 않고 애노드에 도달하지 않는다.
도 47에서 전도성 펠트 캐소드 컨덕터/분배기/봉인(895)은 기체 불침투 펠트 개스켓(896)과 기체 침투 펠트 컨덕터/분배기(870)로 구성된다. 개스켓(896)은 컨덕터/분배기(870), 분리 플레이트(850)안의 산화제 유입/배출 통로(878, 879), 전해질(810; 도 46에 도시됨)과 함께 일렬로 정렬하는 큰 개구부(897)를 포함한다. 유입 산화제는 개구부(897)를 통해 컨덕터/분배기에 들어가서 캐소드(830)로 이동한다. 대안적으로 하나의 큰 개구부(897)는 컨덕터/분배기, 분리 플레이트(850)안의 산화제 통로(878, 879), 전해질(810)과 함께 일렬로 정렬하는 두 개의 작은 개구부로 대체할 수 있다. 개스켓(896)은 또한 캐소드 컨덕터/분배기(870)와 일렬로 정렬하지 않는 연료 유입/배출 통로(876A, 877A)를 포함한다. 따라서 이러한 통로를 통해 이동하는 연료는 컨덕터/분배기(870)에 들어가지 않고 캐소드에 도달하지 않는다.
도 48에서 나타내는 바와 같이 컨덕터/분배기/봉인은 또한 외부로 집적된 연료 전지에서 사용된다. 도 48에서 교차하는 전도성 펠트 애노드/캐소드 컨덕터/분배기/봉인(860, 870)은 연료 전지 적층체 하우징(899)에 위치하는 것으로 나타내어진다. 하우징은 원통형 또는 다른 적합한 모양을 갖는다. 얇은 전해질, 분리 플레이트, 전극은 컨덕터/분배기/봉인(860, 870)사이에 위치한다. 그러나 도 48에서는 명확하게 나타나 있지 않다.
연료와 산화제 통로는 연료 전지 적층체와 하우징(899)사이에 위치한다. 특히 통로(876B)는 연료 유입 통로이고 통로(877B)는 연료 배출 통로이고 통로(878B)는 산화제 유입 통로이고 통로(879B)는 산화제 배출 통로이다. 애노드 컨덕터/분배기/봉인(860)의 "수직"(즉 "왼쪽" 과 "오른쪽) 표면(880A)은 기체 불침투성이어야 한다. 캐소드 컨덕터/분배기/봉인(870)의 "평행"(즉 "위"와 "아래") 표면(881A)도 기체 불침투성이어야 한다. 컨덕터/분배기/봉인(860, 870)의 나머지는 기체 침투성을 유지한다. 봉인은 선택적 가열, 레이저 방사, 기체 불침투 물질의 선택적 주입(그런 물질에 담궈지는 것과 같은), 원하는 면에 포일이나 박막의 선택적 증착, 원하는 면 가장자리 주위에 분리 플레이트의 일부를 구부리는 것과 같은 제 6 실시예에서 설명한 수단에 의해 이루어진다.
통로(876B)로부터 연료는 애노드에 도달하기 위해 시트(860)의 기체 침투 표면(882A)을 통해 이동한다. 통로(878B)로부터 산화제는 캐소드에 도달하기 위해 시트(870)의 기체 침투 표면(884A)을 통해 이동한다. 통로(876B, 877B)의 연료는 표면(881A)을 통해 스며들지 못하고 산화제와 반응하거나 캐소드에 도달하지 못한다. 통로(878B, 879B)안의 산화제는 표면(880A)을 통해 스며들지 못하고 연료와 반응하거나 애노드에 도달하지 못한다.
연료 적층체와 컨덕터/분배기(860, 870)는 적합한 모양을 갖고 도 48에 도시된 모양에 한정되지 않는다. 또한 "수직"과 "평행"은 연료 전지 적층체의 방향에 상대적인 방향이다. 연료와 산화제가 다르게 바람직하게는 수직으로 연료 적층체를 가로지름에 주의해야 한다.
제 1 실시예부터 제 7 실시예까지 설명된 시스템과 연료 전지의 다양한 구성과 방법의 단계는 어떠한 조합에도 함께 사용될 수 있다. 7가지 실시예의 모든 구성과 시스템이 같이 사용되는 것이 바람직하다. 그러므로 바람직한 방법과 시스템은 제 1 실시예의 온도 민감 흡수 산소 농축 방법과 시스템, 제 2 실시예의 고체 산화물 연료 전지와 열 펌프와 선택사항인 터빈을 포함하는 로드(load)와 대응되는 전력 발생 시스템과 시스템을 이용하는 방법, 제 3 실시예의 텍스처 연료 전지 세라믹 전극, 제 4 실시예의 환경 내성 연료 전지 애노드 촉매, 제 5 실시예의 엔탈피 휠을 포함하는 수증기 보충 시스템, 제 6 실시예의 연료 전지에서의 펠트 봉인, 제 7 실시예의 펠트 콜렉터를 포함한다. 그러나 상기 형태에서 하나 내지 다섯개까지는 바람직한 시스템, 연료 전지와 방법에서 제외될 수 있다.
본 발명에 관한 상기 설명은 도면과 설명의 목적을 나타내기 위한 것이다.본 발명을 공개된 정확한 형태에 한정하기 위한 것은 아니며 본 발명의 실시에는 조정과 다양화가 가능하다. 도면은 축척이 필요하지 않으며 개략적인 블록 형태로 장치를 도시하고 있다. 실시예에 관한 도면과 설명은 본 발명의 원리와 실제 적용을 설명하기 위해 선택되었고 청구범위를 한정하기 위한 의미는 아니다. 본 발명의 범위는 청구범위와 그에 균등한 범위에 의해 정해진다.

Claims (26)

  1. 공기 공급원;과
    산소와 비교하여 선택적으로 질소를 흡착하는 흡착 매질; 및
    연료 전지;를 포함하는 시스템.
  2. 공기를 두번째 수단으로 공급하는 첫번째 수단;과
    산소와 비교하여 공기에서 선택적으로 질소를 흡착하는 두번째 수단; 및
    산소 농축 공기를 받아들이는 세번째 수단;을 포함하는 시스템.
  3. 산소와 비교하여 공기에서 선택적으로 질소를 흡착하는 흡착 매질을 통해 공기를 제공하는 단계; 및
    온도 민감 흡수 사이클을 이용하여 공기에서 산소를 농축하는 단계;를 포함하는 공기중 산소 농축 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 산소 농축 공기를 연료 전지에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기중 산소 농축 방법.
  5. 고체 산화물 연료 전지 적층체; 및
    열 펌프;를 포함하는 전력 발생 시스템으로서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 적층체는 데이터 센터에 전력을 공급하고 열 펌프에 고온 열을 공급하는데 적용되고, 상기 열 펌프는 상기 데이타 센터를 냉각하기 위해 상기 고체 산화물 연료 전지 적층체로부터 상기 고온 열을 받는데 적용되고, 상기 고체 산화물 연료 전지 적층체에 의해 제공되는 전력 부담과 열 펌프에서의 냉각 부담은 상기 데이타 센터의 요구에 조화되는 것을 특징으로 하는 전력 발생 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 열 구동 열 펌프를 위한 열 싱크를 포함하는 전력 발생 시스템으로서,
    부가적인 냉각 장치와 주요 부가 전력이 상기 데이터 센터에 동력을 공급하고 상기 데이터 센터를 냉각하기 위해 요구되지 않는 것을 특징으로 하는 전력 발생 시스템.
  7. 고체 산화물 연료 전지 적층체;와 열 펌프; 및 터빈;을 포함하는 전력 발생 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 열 싱크;와
    연료 유입구;와
    산화제 유입구;와
    연료 압축기;와
    제 1 산화제 압축기;와
    상기 연료 유입구와 상기 고체 산화물 연료 전지 적층체 사이에 있는 연료 예열기;와
    상기 산화제 유입구와 상기 연료 전지 적층체 사이에 있는 산화제 예열기;와
    연료 배출 냉각기;와
    산화제 배출 냉각기;와
    연료와 산화제를 받는 버너;와
    터빈 배출 열 교환기;와
    발전기;를 포함하는 전력 발생 시스템으로서,
    상기 열 펌프는 열 구동 열 펌프인 것을 특징으로 하는 전력 발생 시스템.
  9. 고체 산화물 연료 전지 적층체로부터 장치로 전력을 제공하는 단계;와
    상기 고체 산화물 연료 전지 적층체로부터 열 펌프로 고온 열을 제공하는 단계; 및
    상기 열 펌프를 이용하여 상기 장치를 냉각하는 단계;를 포함하는 전력 발생 방법으로서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 적층체에 의해 제공되는 전력 부담과 상기 열 펌프에서의 냉각 부담은 상기 장치의 요구에 조화되는 것을 특징으로 하는 전력 발생 방법.
  10. 고체 산화물 연료 전지 적층체로부터 장치로 전력을 제공하는 단계;와
    상기 고체 산화물 연료 전지 적층체로부터 열 펌프로 고온 열을 제공하는 단계; 및
    상기 열 펌프를 이용하여 상기 장치를 가열하는 단계;를 포함하는 전력 발생 방법으로서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 적층체에 의해 제공되는 전력 부담과 상기 열 펌프에서의 가열 부담은 상기 장치의 요구에 조화되는 것을 특징으로 하는 전력 발생 방법.
  11. 고체 산화물 연료 전지 적층체; 및
    흡수열 구동 열 펌프;를 포함하는 전력 발생 시스템으로서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 적층체는 전력을 장치에 제공하고 고온 열을 상기 흡수열 구동 열 펌프에 제공하는데 적용되고, 상기 흡수열 구동 열 펌프는 상기 장치를 냉각하기 위해 상기 고체 산화물 연료 전지 적층체로부터 고온 열을 받는데 적용되는 것을 특징으로 하는 전력 발생 시스템.
  12. 적어도 하나의 비균질 표면부를 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 위한 세라믹 전해질.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 비균질 표면부는 텍스처 표면으로 구성되고, 상기 텍스처 표면은 0.5 내지 2.5 마이크론의 거칠기를 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 전해질.
  14. 그린 시트를 제공하는 단계;와
    적어도 한 면에 적어도 하나의 비균질 부분을 형성하기 위해 상기 그린 시트의 적어도 한 면의 적어도 한 부분에 패터닝하는 단계; 및
    세라믹 전해질을 형성하기 위해 상기 그린 시트를 하소하는 단계;를 포함하는 고체 산화물 연료 전지의 세라믹 전해질을 제조하는 방법.
  15. 세라믹 전해질을 제공하는 단계; 및
    상기 세라믹 전해질의 한 면의 적어도 한 부분을 텍스처링하는 단계;를 포함하는 고체 산화물 연료 전지의 세라믹 전해질을 제조하는 방법.
  16. 캐소드;와
    고체 세라믹 전해질; 및
    환경 내성 촉매를 포함하는 도성합금으로 구성된 애노드;를 포함하는 고체 산화물 연료 전지.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 환경 내성 촉매는 황 내성 촉매와 연료 고갈 내성 촉매중 적어도 하나에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.
  18. 고체 산화물 연료 전지 적층체; 및
    수증기를 연료 전지 적층체 애노드 배출구로부터 연료 전지 적층체 연료 서플라이로 전달하는 엔탈피 휠;을 포함하는 시스템.
  19. 고체 산화물 연료 전지 적층체; 및
    수증기를 연료 전지 적층체 애노드 배출구로부터 연료 전지 적층체 연료 서플라이로 전달하는 적어도 두개의 흡착 층;을 포함하는 시스템.
  20. 탄화수소 연료를 고체 산화물 연료 전지 적층체의 애노드 입력부에 제공하는 단계; 및
    수증기를 연료 전지 적층체 애노드 배출구로부터 연료 전지 적층체 연료 서플라이로 전달하는 단계;를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 적층체로 제공되는 연료의 수화 방법.
  21. 제 1 메이팅 면;과
    제 2 메이팅 면; 및
    상기 제 1 메이팅 면과 상기 제 2 메이팅 면과 접하는 펠트 봉인;을 포함하는 봉인 구조.
  22. 제 21 항에 있어서, 기체 통로가 상기 제 1 메이팅 면과 상기 제 2 메이팅 면의 사이에 위치하고, 상기 봉인 구조는 기체 불침투성이고, 상기 제 1 메이팅 면은 고체 산화물 연료 전지의 세라믹 면으로 구성되고, 상기 제 2 메이팅 면은 고체 산화물 연료 전지의 금속 면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 봉인 구조.
  23. 전해질;과
    애노드;와
    캐소드;와
    제 1 전도 펠트 전류 컨덕터/기체 플로우 분배기; 및
    제 1 분리 플레이트;를 포함하는 연료 전지 적층체.
  24. 제 1 연료 전지;와
    제 2 연료 전지; 및
    상기 제 1 연료 전지와 상기 제 2 연료 전지 사이에 있는 펠트 컨덕터/분배기 시트;를 포함하는 연료 전지 적층체.
  25. (a) 온도 민감 흡착 산소 농축 시스템;
    (b) 고체 산화물 연료 전지와 열 펌프와 선택사항인 터빈을 포함하는 로드 대응 전력 공급 시스템;
    (c) 텍스처 연료 전지 세라믹 전해질;
    (d) 환경 내성 연료 전지 애노드 촉매;
    (e) 애노드 측 엔탈피 휠을 포함하는 연료 수증기 보충 시스템;
    (f) 연료 전지내의 펠트 봉인;
    (g) 연료 전지내의 펠트 컬렉터;
    상기 (a) 내지 (g)의 구성요소 중 적어도 두 개의 구성요소를 포함하는 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서, 고체 산화물 연료 전지에 위치한 (a) 내지 (g)의 구성요소중 세 개, 네 개, 다섯 개, 여섯 개 또는 일곱 개 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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