KR20070102994A - 고체 산화물 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료 가스 스트림(R)과 산소의 결합에 의해 전력을 생성하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템에 있어서, 연료 가스 유입 포트(5d), 공기 스트림 유입 포트(5f), 및 배기 가스 스트림 배출 포트(5g)를 구비한 연료 전지(5); 및 연료 채널(3f)을 구비한 열교환기(3)를 포함하며, 상기 열교환기(3)는 공기 공급부에 연결된 유입 포트(3p), 및 공기 스트림 유입 포트(5f)에 연결된 공기 스트림 배출 포트(3l)를 가지는 제1 유체경로(3a); 및 배출 포트(3q), 및 배기 가스 스트림 배출 포트(5g)에 연결된 배기 가스 스트림 유입 포트(3n)를 가지는 제2 유체경로(3c)를 포함하고, 상기 연료 채널(3f)은 연료 공급부, 및 상기 연료 가스 유입 포트(5d)에 연결된 연료 가스 배출 포트(3m)를 포함하며, 상기 열교환기(3)는 상기 연료 전지(5)로부터 분리되어 있으며 세라믹스로 구성되며, 베이스 플레이트(3k)를 구비하며, 상기 연료 전지(5)가 상기 베이스 플레이트(3k) 위에 배치된 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템에 관한 것이다.

Description

고체 산화물 연료 전지 시스템 {SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 가스 스트림(stream)과 산소의 결합에 의해 전력을 생성하기 위하여, 고체 산화물 연료 전지와 열 교환기를 포함하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템에 관한 것이다.
수소와 산소의 전기화학적 결합에 의해 전력을 생성하는 연료 전지는 잘 알려져 있다. 이러한 연료 전지의 일 형태에 있어서, 애노드층(anodic layer)과 캐소드층(cathodic layer)은 세라믹 고체 산화물로 형성된 전해질에 의해 분리된다. 이러한 연료 전지는 당업계에서 "고체 산화물 연료 전지" (SOFC)로 알려져 있다. 순수한 수소 또는 탄화 수소로부터 개질된 수소를 포함하는 연료 가스 스트림과 산소(일반적으로 공기)가 연료 전지 내부로 유입된다. 일반적으로 완전한 형태의 SOFC 시스템은, 무엇보다도, 탄화수소를 일산화탄소 및 수소로 처리하여 연료 가스 스트림을 생성하고; 연료 전지로 유입되는 리포메이트(reformate) 연료와 공기를 조절하고; 연료 전지 내에서 수소와 반응을 일으키기 위해 캐소드에 공기를 제공하고; 연료 전지 스택을 냉각하기 위한 공기를 제공하고; 애프터버너(afterburner)에서 미사용 연료를 연소하기 위한, 보조 서브시스템(subsystem)을 포함한다. 이러한 보조 서브시스템은 일반 전지의 시스템과 비교하여 복잡성을 가질 수 있다.
본 발명의 목적은 이러한 형태의 SOFC 시스템을 전체적으로 단순화하는 방식으로 개선하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징을 포함하는 SOFC 시스템에 의해 달성될 수 있다. 종속 청구항 2 내지 24는 추가적인 장점을 가지는 실시예와 관련된다.
따라서, 본 발명에서는 연료 채널을 열 교환기와 일체화하고 열적으로 커플링하며, 상기 열 교환기는 연료 전지로부터 분리되고 세라믹으로 구성된다. 바람직한 실시예로, 상기 열 교환기와 상기 연료 전지는, 열교환기가 연료 전지에 직접적으로 배치되고, 상기 연료 전지 및 상기 열교환기의 대응되는 유입 포트 및 유출 포트는 서로 반대편에 배치되어 가스 스트림이 상기 연료 전지와 열교환기의 사이로 흐르게 하는 방식으로 상호 결합된다. 이러한 배치에 의해서, 열교환기로부터 연료 전지로 직접적인 유체 이동이 이루어질 수 있다. 상기 열교환기는, 개별적인 매니폴드(manifold)가 생략 가능한 방식으로 배치된 다양한 운반(conveying) 수단을 포함한다. 즉, 상기 열교환기는 자체로서 운반 수단을 포함하며, 따라서 일종의 매니폴드를 형성한다. 또한, 열 전도성이 떨어지는 세라믹으로 구성된 상기 열교환기는, 높은 가스 온도를 가지는 연료 전지 방향의 구역과 낮은 가스 온도를 가지는 그 반대 구역의 사이에서, 단열 성분을 형성한다. 이러한 커플링의 결과, 추가적인 하우징(housing) 및 파이프라인 시스템이 생략될 수 있으므로 공간이 절약되며, 상기 떨어지는 열 전도성으로 인해 소형의 열교환기로도 고온 구역과 저온 구역을 분리하는데 충분하다. 또한, 상기 열교환기의 제조 비용이 적으며, 이로 인해 연료 전지 시스템에 있어서 공간 및 비용 절감을 가져온다. 또한, 상기 열교환기 내의 연료 채널은 촉매 작용의 연료 프로세서를 포함할 수 있다. 또한, 공기의 사전 가열을 증가시키기 위해, 열교환기는 잔류 가스를 상기 연료 전지로부터 재연소 프로세스로 유입시키는 챔버를 포함할 수 있다. 상기 열교환기에서의 성공적인 연소로 인해, 이러한 잔류 에너지는 적어도 부분적으로, 가열되어야 할 반응물, 바람직하게는 공기 또는 산소가 이 용도로 사용되는 반응물에 제공된다. 또한, 반응물의 온도 및/또는 반응물의 양의 제어를 개선하기 위해, 상기 열교환기는 별도의 공기 스트림 바이패스(bypass)를 포함할 수 있으며, 이는 연료 전지에 들어가기에 앞서서 사전 가열된 공기 스트림에 합류한다. 온도 센서, 제어 시스템, 및 밸브는, 연료 전지 내부로 공급되는 공기 스트림의 온도 및/또는 양을 제어하기에 적절할 수 있다. 또한, 전체 연료 전지 시스템은 매우 작게 제작될 수 있으며, 바람직하게는 상기 연료전지가 상기 열교환기의 상부에 배치되는 파일(pile) 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 연료 전지와 열교환기의 사이의 모든 운반 수단은 열교환기와 연료 전지의 공통되는 영역 내에 배치될 수 있으며, 이는 연료 전지와 열교환기 사이에 외부로부터의 어떠한 명백한 연결 수단 없이도 스택을 제작하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 상기 및 기타 특징 및 장점은, 첨부된 도면과 함께 기재된 대표적인 실시예들에 대한 이하의 설명에 의해, 더욱 명확히 이해될 것이다. 도면에서는 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호가 사용된다.
도 1은 SOFC 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 SOFC 시스템의 등측(isometric) 단면도이다.
도 3은 다른 SOFC 시스템의 등측 단면도이다.
도 4는 열교환기의 등측도이다.
도 5a는 도 4의 A-A 선을 따라서 절단한 열교환기의 단면도이다.
도 5b는 도 4의 B-B 선을 따라서 절단한 열교환기의 단면도이다.
도 6은 이하의 SOFC 시스템의 등측도이다.
도 7은 공기 스트림 바이패스가 없는, 다른 SOFC 시스템의 개략도이다.
도 8은 내부 매니폴딩(manifolding)을 구비한 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 9는 내부 연료 가스 및 공기 매니폴딩을 구비하고, 외부 배출 공기 매니폴딩은 없는 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 10은 외부 공기 및 내부 연료 가스 매니 폴딩이 결합된 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 11은 외부 매니폴딩을 구비한 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 12는 또다른 SOFC 시스템의 등측 단면도이다.
도 13은 또다른 열교환기의 등측 단면도이다.
도 1은 인터페이스 베이스(2), 열교환기(3), 및 SOFC 연료 전지(5)와 단열부(6)를 포함하는 고온부(4)를 포함하는 SOFC 시스템을 도시한다. 인터페이스 베이스(2), 열교환기(3) 및 연료 전지(5)는 차례로 적층 배치되어, 파일(pile)과 유 사한 형태의 배열을 형성한다. 이러한 파일은 다른 방법, 예컨대 도1에 도시한 것과 역순으로 연료 전지(5)가 바닥에 위치하고 인터페이스 베이스(2)가 맨 위에 위치하는 방법으로 배열될 수 있다. 상기 연료 전지(5)에는 공기 스트림(A) 및 연료 가스 스트림(R1)이 공급된다. 상기 연료 전지 스택 내에서 전기화학 반응(5a)이 일어난다. 캐소드 배기가스(A3) 및 애노드 배기가스(R2)는 상기 연료 전지 스택에서 배출된다. 상기 캐소드 배기가스(A3)는 일반적으로 (산소 결여된) 기본 공기이다. 상기 애노드 배기가스(R2)는 일산화탄소, 잔류 탄화수소를 포함한 수소와 같이 산화되지 않은 연료 성분을 포함한다.
상기 열교환기(3)는 제1 유체경로(3a), 제2 유체경로(3c), 및 연료 채널(3f) 또는 촉매 작용의 연료 처리기(3e)를 포함하며, 이들 모두는 열적으로 커플링된다. 상기 열교환기(3)는 다양한 가스 스트림 운반 수단을 가지는 세라믹스로 구성된다. 상기 인터페이스 베이스(2)는 반응 가스 공급부(7), 배기가스 배출구(9), 및 구동부(14)에 의해 전기적으로 작동하는 밸브(2f)에 이어진 공기 공급부(8)에 연결된다. 상기 밸브(2f)의 위치에 따라, 공기 스트림(A1)과 바이패스 공기 스트림(A2)의 비가 변화된다. 공기 스트림(A1)은 열교환기(3)의 제1 유체경로(3a)를 지나면서 사전 가열된다. 상기 애노드 배기가스(R2) 및 캐소드 배기가스(A3)는, 열교환기(3)의 부품인 애프터버너(3o)로 향하게 된다. 상기 애프터버너(30) 는 SOFC 스택 배기가스 내의 미사용 연료를 연소시킨다. 애프터버너(30)는 열교환기(3) 내의 분리된 챔버일 수 있고, 또는 예컨대 제2 유체경로(3c) 내에 배치될 수 있다. 애프터버너(3o)는 촉매 물질, 예컨대 벽의 촉매 코팅을 포함할 수 있다. 배출 가 스(E)는 제2 유체경로(3c)를 통해 공급되고, 애프터버너(3o)에 의해 생성된 열은 제1 유체경로(3a) 및 연료 채널(3f)로 교환되어, 공기 스트림(A1)을 사전 가열하고, 필요한 경우 연료 가스 스트림(R)도 가열한다. 산소 함유 스트림(A3)이 연료 전지(5) 내에서 가열되고, 추가로 별도의 산소 함유 스트림이 추가될 수 있으므로, 애프터버너(3o) 내에서 잔류 연료의 완전 연소를 위해서, 상기 애프터버너(3o)에서 캐소드 배기가스(A3)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 SOFC 시스템(1)은, 상기 밸브(2f)를 작동하고 SOFC 시스템 내의 다양한 온도를 조절하기 위해서, 제어 수단(14) 및 온도 센서를 비롯한 다양한 센서들(15a-15e)과 연결된 제어부(11)를 포함한다. 상기 제어부(11)는 캐소드 및 애노드 전류 컬렉터(10a, 10b)와 전자 스위치(12)와 연결되는 전기 출력부(10)도 포함한다.
상기 열교환기(3)는 세라믹스로 구성된다. 이는 상기 열교환기(3)가 비금속 광물을 고온에서 소결하여 생성되는 강하고 깨지기 쉬운 재료로 형성된 것을 의미한다. 이러한 재료로는 세라믹스, 지르코늄 인산(phosphate), 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 몰리브데늄 디실리카이드, 지르코니아 강화 알루미늄 산화물, 알루미늄 인산, 지르코늄 산화물, 타이타늄 카바이드, 알루미늄 산화물, 지르코늄 카바이드, 지르코늄 디실리사이드, 알루미노 실리케이트, 및 실리콘 카바이드를 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다. 세라믹스는 낮은 열 전도성 및 낮은 열 팽창 계수로 인해, 열교환기(3) 용으로 우수한 선택이다.
도 2에 의한 SOFC 시스템(1)은 연료 가스 유입 포트(5d), 공기 스트림 유입 포트(5f), 및 배기 가스 스트림 배출 포트(5g)를 구비한 연료 전지(5)를 포함하며, 촉매 연료 프로세서(3e)를 포함하는 연료 채널(3f)을 구비한 열교환기(3)를 포함하며, 상기 열교환기(3)는 공기 공급부(7)에 연결된 유입 포트(3p)를 구비한 제1 유체경로(3a) 및 공기 스트림 유입 포트(5f)에 연결된 공기 스트림 배출 포트(3l)를 구비하며, 상기 열교환기(3)는 배출 가스 배출부(9)에 연결된 배출 포트(3q)를 구비한 제2 유체경로(3c) 및 배기 가스 스트림 배출 포트(5g)에 연결된 배기 가스 스트림 유입 포트(3n)를 포함하며, 상기 촉매 연료 프로세서(3e)는 연료 공급부(7)에 연결된 유입 포트(2i) 및 연료 가스 유입 포트(5d)에 연결된 연료 가스 배출 포트(3m)를 포함하며, 상기 촉매 연료 프로세서(3e)는 제1 및 제2 유체경로(3a, 3c) 중 적어도 하나와 열적으로 커플링되며, 상기 열교환기(3)는 상기 연료 전지(5)로부터 분리된 장치이며 세라믹스로 구성된다. 상기 연료 전지(5)는 바닥 플레이트(5b), 상부 플레이트(5c), 및 그 사이에 위치하는 플레이트 스택(5e)을 포함한다. 상기 캐소드 배기 스트림(A3)과 애노드 배기 스트림(R2)가 만나는 지점에, 애프터버너(3o)가 형성된다.
상기 열교환기(3)는 단일체의(monolithic) 세라믹이다. 상기 열교환기(3)는 다양한 세라믹 부품들이 함께 모여 열교환기(3)를 이룰 수도 있다. 상기 열교환기(3)는 연료 전지(5)에 연결되기에 적합한 베이스 플레이트(3k)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 상기 베이스 플레이트(3k)는 그 아래의 열교환기(3)의 부품과 소결되어, 하나의 세라믹 단일체를 형성한다. 바람직한 실시예에서, 상기 연료 전지(5)는 베이스 플레이트(3k)의 상부에 배치되며, 베이스 플레이트(3k)는 연료 전 지(5)를 탑재할 수 있는 두께를 가진다. 바람직한 실시예에서, 공기 스트림 배출 포트(3l), 연료 가스 배출 포트(3m) 및 배기 가스 스트림 유입 포트(3n)는 베이스 플레이트(3k)의 공통 전면(3r) 위에 배치된다. 바람직한 실시예에서, 유입 포트(3p)는 열교환기(3)에서 상기 전면(3r)의 반대 편(3s) 상에 배치된 공기 공급부, 배기 가스 스트림(E)의 배출 포트(3q), 및 연료 공급부(R)에 연결된 유입 포트(2i)에 연결된다.
바람직한 실시예에서, 연료 가스 유입 포트(5d), 공기 스트림 유입 포트(5f) 및 배기 가스 스트림 배출 포트(5g)는 연료 전지(5)의 공통 전면(5k) 상에 배열된다. 가장 바람직한 실시예에서, 도 2에 도시한 바와 같이, 연료 전지(5)는 열교환기(3)의 상부에 배치되며, 연료 전지(5)와 열교환기(3) 간에 기체 스트림의 유동을 가능하게 하는 유입 포트(5f, 3n, 5d)와 대응되는 배출 포트(3l, 5g, 3m)은 서로 반대편에 배치되어, 연료 전지(5)와 열교환기(3) 간에 직접적인 유체 이동을 가능하게 한다. 도시된 바와 같이, 이러한 배열은 매우 치밀한 SOFC 시스템의 제작을 가능하게 한다. 인터페이스 베이스(2)는 상대적으로 저온이고, 연료 전지(5)는 상대적으로 고온이며, 인터페이스 베이스(2)와 연료 전지(5)는 세라믹 열교환기(3)에 의해 분리된다. 열교환기(3)는 연료 전지(5)로부터 인터페이스 베이스(2)를 향해 낮은 열 전도성을 가진다. 열교환기(3)는 또한 연료 전지(5)와 인터페이스 베이스(2) 사이의 모든 유체를 전달하는 연결을 포함하며, 따라서 세라믹스 매니폴드를 형성한다. 모든 유체 전달 연결은 열교환기(3) 내에 배치된다. 이러한 세라믹 열교환기(3)는 매우 치밀하고, 저렴하며, 신뢰성 있는 SOFC 시스템(1)의 제조를 가능 하게 한다.
바람직한 실시예에서, 제1 및 제2 유체경로(3a, 3c) 각각은, 얇은 벽에 의해 분리된 복수 개의 제1 및 제2 채널들(3b, 3d)을 포함하여, 제2 채널(3d) 내를 흐르는 배기 가스 스트림(E)과 제1 채널(3b) 내를 흐르는 공기 스트림(A1) 사이의 열 교환을 가능하게 한다. 도 4는 도 2에 의한 열교환기(3)를, 복수 개의 제1 및 제2 채널(3b, 3d)을 포함하여 자세히 도시한 것이다. 도 5a는 도 4의 A-A 선을 따라서 절단한 열교환기(3)의 단면을 도시하며, 도 5b는 도 4의 B-B 선을 따라서 절단한 단면도를 도시한다. 복수 개의 제1 및 제2 채널(3b, 3d)은, 도 5a, 5b의 공기 스트림(A1) 및 배기 가스 스트림(E)의 교차 흐름에서 볼 수 있듯이, 제1 및 제2 유체경로(3a, 3c) 사이에서 교차 흐름을 형성하도록 배치된다.
캐소드 배기 스트림(A3) 및 애노드 배기 스트림(R2)는 각각 분리되도록 가이드되므로, 애프터버너(3o)는 제2 유체경로(3c) 내에 배치될 수 있으며, 또는 도 2에 도시된 바와 같이 열교환기(3) 내에서 애프터버너(3o)를 형성할 수 있다.
도 2에 도시된 촉매 연료 프로세서(3e)는 채널(3f) 내에 배치되며, 세라믹 전지 구조물이 유체의 흐름 방향으로 채널을 형성한다. 이 셀 구조물의 벽은 촉매 물질을 수반하여 촉매 연료 프로세서를 형성한다. 바람직하게는 이러한 촉매 물질은 열교환기의 세라믹 재료 위에 배치된다. 사전처리된 연료 또는 순수한 수소의 조합에 있어서, 촉매 연료 프로세서(3e)는 그 내부의 다른 구조물을 배제한 채널(3f)만으로 대체될 수 있다.
바람직한 실시예에서 상기 열교환기(3)는, 공기 공급부(8)에 연결된 유입 포 트(2c)를 구비한 공기 스트림 바이패스(3h) 및 공기 스트림 배출 포트(3l)와 유체 소통이 가능하게 배치된 공기 스트림 바이패스 배출 포트(3t)를 포함한다. 밸브 시트(2e) 및 구동기(14)에 의해 도면번호 "2g" 방향으로 이동가능한 플레이트(2f)를 포함하는 적어도 하나의 밸브(2f)는 제1 유체경로(3a)와 공기 스트림 바이패스(3h) 내의 공기 스트림(A1, A2) 중의 적어도 하나를 제어하기 위해 배치된다. 이는 공기 스트림 유입 포트(5f) 내로 진입하는 공기 스트림(A)의 온도를 제어 가능하게 한다. 상기 밸브(2f)는 인터페이스 베이스(2)의 부품이다. 바람직한 실시예에서, 인터페이스 베이스(2)는, 공기 스트림(A1, A2) 각각에 하나씩, 둘 또는 넷의 밸브(2f)를 포함한다. 각각의 밸브(2f)는 독립적으로 작동할 수 있으며, 공기 스트림(A)의 전체 양뿐 아니라 각각의 공기 스트림(A1, A2)도 조절한다. 인터페이스 베이스(2)는 열교환기(3)의 아래에 배치되며, 인터페이스 베이스(2)는 연료 가스 스트림 유입 포트(2a), 공기 스트림 유입 포트(2b, 2c), 및 배기 가스 스트림 배출 포트(2d)를 포함하며, 이들은 대응되는 제1 및 제2 유체경로(3a, 3c), 연료가스 스트림 채널(3f), 및 열교환기(3)의 배기 가스 스트림 배출 포트(3q)에 유체 소통이 가능하게 연결된다. 연료 가스 스트림 유입 포트(2a), 공기 스트림 유입 포트(2b, 2c) 및 배기 가스 스트림 배출 포트(2d)는 인터페이스 베이스(2)의 바닥에 배치된다. 인터페이스 베이스(2)는 열교환기(3)와 커플링되어, 인터페이스 베이스(2)부터 열교환기(3)로의 직접적인 유체 이동이 있으며, 열교환기(3)는 인터페이스 베이스(2)의 상부에 위치하며, 연료 전지(5)는 열교환기(3) 상부에 위치한다. 바람직한 실시예에서, 인터페이스 베이스(2) 및 연료 전지(5)는 열교환기(3)를 관 통하는 홀(3i)이나 바이패스(3h) 내로 뻗어있는 압축 수단(18)에 의해 연결된다. 압축 수단(18)은 도 2에 도시되어 있으며, 세라믹 디스크(18a), 너트(18b), 및 스프링(18c)을 포함한다.
열교환기를 개선하기 위하여, 촉매 연료 프로세서(3e) 및 제1, 2 유체경로(3a, 3c)를 형성하는 상기 열교환기(3)의 벽은 구조화되거나 간략화될 수 있다. 도 2에 따르면, 인터페이스 베이스(2)는 금속으로 형성되며, 세라믹으로 형성된 배기 가스 절연체(2j)를 포함하며, 얇은 실링(sealing) 물질(16)로 덮인다. 열교환기(3)의 외벽(3g)은 상기 실링 물질(16) 위에 놓이며, 바람직하게는 기밀(氣密) 연결을 이루어, 제1 및 제2 유체경로(3a, 3c)가 SOFC 시스템(1)의 외부로 가스가 새지 않도록 한다.
도 3은, 인터페이스 베이스(2), 열교환기(3), 및 고온부(4)를 포함하는 스택 형태로 제작된 다른 SOFC 시스템(1)을 도시한다. 상기 고온부(4)는 내측 및 외측 금속 셸(shell: 6a, 6b)을 구비한 절연부(6) 내에 배치된 연료 전지(5)를 포함한다. 세라믹 열교환기(3)의 낮은 열 전도성 때문에, 열교환기(3)의 높이는 매우 낮을 수 있으며, 예컨대 5 cm 내지 30 cm의 범위이다. 이는 도 6에 도시한 바와 같이, 소형의 치밀한 SOFC 시스템(1)의 제작을 가능하게 한다. 바람직한 실시예에서, 모든 가스 스트림 유입 포트 및 배출 포트, 연료 가스 스트림 유입 포트(2a), 배기 가스 스트림 배출 포트(2d), 공기 스트림 유입 포트(2k), 및 기타 포트와 전기 연결부는 인터페이스 베이스(2)의 바닥면 위에 배치된다. 일 실시예에서, 내측 및 외측 금속 셸(6a, 6b)은 유체 밀봉실(tight room), 특히 기체 밀봉실을 형성하 거나 구비할 수 있다. 이 밀봉실 내부는 절연을 향상하기 위해 진공으로 될 수 있다. 이 밀봉실은 또한 유체 유입부 및 배출부를 구비하여 진공을 형성하거나 공기와 같은 특정 물질로 밀봉실에 압력을 가할 수도 있다. 이 절연부(6)의 절연 값은 압력 및 사용 물질에 따라서 변화할 수 있으며, 도 3에서는 도시하지 않은 펌프나 센서와 같은 수단을 이용하여, 절연부(6) 내부의 압력을 늘리거나 진공으로 하여 SOFC 시스템(1)의 작동 시에 절연 값을 조정할 수 있다.
도 7은 바이패스 공기 스트림(A2)이 없는 열교환기를 도시한 것이며, 이는 모든 공기 스트림(A)이 제1 유체경로(3a)를 통해 가이드 됨을 의미한다.
도 8 내지 11은, 열교환기(3)에 연결된 연료 전지 스택(5e)의 다른 실시예들의 개략도이며, 열교환기는 도시되지는 않았지만, 연료 전지 스택(5e)의 아래쪽에 배치될 수 있다. 도 8 내지 11에 도시된 연료 전지 스택(5e)를 수용하기에 적합한 모든 열교환기(3)는 도 2 또는 도 3에 도시된 것과 같이 제작될 수 있다.
도 10에 의한 실시예에서, 연료 전지 스택(5e)은 열교환기의 상부에 배치되며, 연료 가스 스트림(R1) 및 애노드 배기가스 스트림(R2)에 대해서는 이들 사이에 직접적인 유체 이동이 있다. 반면에, 공기 스트림(A)는 하부로부터 공급되지 않고, 연료 전지 스택(5e)의 측면으로부터 공급된다. 그리고 캐소드 배기가스 스트림(A3)은 연료 전지 스택(5e)의 측면으로부터 방출되지만, 두 스트림(A, A3)은 연료 전지(5) 내에서 열교환기(3)로 방출된다. 본 실시예는, 스트림들(A, A3)을 위하여 열교환기(3)와 연료 전지 스택(5e) 사이에 가스 연결 수단을 제공하는 파이프와 같은 매니폴딩 수단을 필요로 한다. 도 2에 도시된 실시예는 도 10에 도시된 연료 전지 스택(5e)을 포함하며, 반면에 스트림(A, A3)을 위한 매니폴딩 수단은 연료 전지 스택(5e)과 이를 둘러싼 얇은 금속(5l) 사이에 형성된다. 상기 금속(5l)은 바닥 플레이트(5b)와 상부 플레이트(5c)와 기밀하게 연결된다.
도 8은 연료 전지 스택(5e)에 있어서, 그 바닥에서 공기 스트림(A)과 연료 가스 스트림(R1)이 유입되고, 애노드 배기 스트림(R2)과 캐소드 배기 스트림(A3)이 동일한 바닥면에서 방출되는 다른 실시예를 도시한다. 연료 전지 스택(5e)와 열교환기(3)은 전체 매니폴딩을 포함하여 제작된다. 열교환기(3)와 연료 전지(5) 사이에, 추가적인 파이프가 배치되어 추가적인 가스가 열교환기(3)와 연료 전지(5) 또는 절연부(6)의 사이를 흐르도록 할 수 있다.
도 9에 의한 실시예에서, 연료 전지 스택(5e)는 열교환기(3)의 상부에 배치되며, 연료 가스 스트림(R1), 애노드배기 스트림(R2), 및 공기 스트림(A)에 관해서는, 이들 사이에 직접적인 유체 이동이 있다. 반면에, 캐소드 배기 스트림(A3)은 바닥이 아니라 연료 전지 스택의 측면(5e)으로부터 방출된다. 본 실시예는 상기 스트림(A3)을 위해 열교환기(3)와 연료 전지 스택(5e) 사이에 가스 연결 수단을 제공하는 파이프와 같은 매니폴딩 수단을 추가로 필요로 한다. 하지만, 연료 전지(5)를 둘러싼 기밀 절연부(5l)의 경우에, 캐소드 배기는 추가적인 파이프 없이 열교환기(3)로 가이드 될 수 있다.
도 11에 의한 실시예에서, 연료 전지 스택(5e)을 포함하는 연료 전지(5)는 열교환기(3)으로부터 분리되어 배치될 수 있다. 본 실시예는, 열교환기(3)와 연료 전지(5) 사이에 스트림들(A, A3, R1, R2)을 위한 가스 연결 수단을 제공하기 위해, 파이프와 같은 추가적인 매니폴딩 수단을 필요로 한다.
도 12는, 내외측 금속 셸(6a, 6b)을 구비한 절연부(6)의 내부에 배치된 열교환기(3) 및 연료 전지(5)를 포함하며 스택 형태로 제작된 다른 SOFC 시스템(1)을 도시한다. 바람직하게는 도 12에는 도시하지 않았지만 인터페이스 베이스(2)가 열교환기(3) 하부에 배치된다. 도시된 열교환기(3)는 베이스 플레이트(3k) 및 제2 베이스 플레이트(3k')를 구비한다. 필요한 경우, 사기 인터페이스 베이스(2)는 제2 베이스 플레이트(3k')의 아래에 배치된다. 연료 전지(5)와 절연부(6) 사이에는 내부 공간(19)이 있으며, 애노드 배기 가스 스트림 배출 포트(6h), 배기 가스 배출 포트(5g), 및 배기 가스 스트림 유입 포트(3n)에 의해 연료 전지(5)에 유체 소통 가능하게 연결된다. 연료 전지(5)는 베이스 플레이트(3k) 위 등에 배치되어, 배기 가스 스트림 유입 포트(3n)는 연료 전지(5) 내에서 직접적으로 연결되지 않고, 내부 공간(19)으로 이어진다. 따라서, 상기 포트(5h, 5g)에서 방출된 배기 가스는 상기 내부 공간(19)으로 들어가고, 이후 유입 포트(3n)에서 상기 내부 공간(19)을 빠져나온다.
도 13은 열교환기(3)의 다른 실시예를 도시한다. 베이스 플레이트(3k) 및 제2 베이스 플레이트(3k')는 세라믹스로 구성되며, 이들 중 적어도 하나는, 예컨대 소결이나 접착에 의해 열교환기의 나머지 부분과 연결되어, 하나의 열교환기(3) 단일체를 형성한다. 상기 열교환기(3)는 여러 장점이 있다. 상기 열교환기(3)는 매우 치밀하며, 모든 필요한 유체 채널을 포함하며, 제조하기 간편하고 저렴하며, 매우 작으며, 매우 신뢰성이 있다. 상기 열교환기(3)는 도 12에서 도시한 바와 같이 SOFC 시스템(1)에서 사용가능하다. 바람직한 실시예로, 열교환기(3)는 도 12에 도시한 바와 같이, 연료 채널, 기체 스트림 유입 포트(5f), 및 반응 가스 스트림 유입 포트(5d)를 포함하는 연료 전지의 하부를 포함한다. 이는 연료 전지(5)를 구비한 열교환기(3)의 유체 채널의 연결을 더욱 개선하는 효과가 있다. 바람직한 실시예로, 도 13에 도시한 바와 같이, 공기 스트림 유입 포트(5f) 반응 가스 스트림 유입 포트(5d)는 같은 쪽에서 상기 연료 전지(5)로 유입되며, 연료 전지(5) 내에서 공기 스트림(A)와 반응 가스 스트림(R1)은 대략 평행을 유지한다. 도 12의 연료 전지 시스템(1)에서 도 13에 도시한 열교환기(3)를 적용하는 것은, 도 12에 의하면, 공기 스트림(A)와 반응 가스 스트림(R1)이 모두 좌측에서 연료 전지(5)에 유입되고 반응 가스 배기 스트림(R2)은 포트 "5h"에서 연료 전지(5)를 나오게 되며, 공기 스트림(A3)은 우측의 포트(5g)에서 연료 전지를 나오게 된다. 그리고, "R2" 및 "A3"은 모두 포트(3n)에서 열교환기로 유입되고, 포트(3q)에서 배기 가스(E) 형태로 열교환기(3)에서 나오게 된다.
바람직한 실시예에서 열교환기(3)는 연료 전지(5)에 연결되기에 적합한 베이스 플레이트(3k)를 포함한다. 상기 베이스 플레이트(3k)는 바람직하게는 연료 전지를 탑재할 수 있으며, 또한 연료 전지(5)가 압축봉(18)에 의해 열교환기(3)에 고정될 때, 상기 압축봉(18)에 의한 압력 하중은 연료 전지(5)의 전체 무게를 초과한다. 상기 연료 전지(5)와 열교환기(3)가 서로 고정되기 때문에, 이러한 연료 전지(1)는 어떠한 방향으로도 배치될 수 있다.
본 명세서에 사용된 "단일(monolithic) 형태 열교환기" 또는 "단일체 열교환 기"는 열교환기가 하나의 조각으로 구성됨을 의미한다. 예컨대, 도 4에 도시된 열교환기(3)에서 도면번호 5a와 5b는, 상기 열교환기(3)가 고온 소결에 의해 비금속 광물로부터 생성된 단단하고 깨지기 쉬운 재료로 형성되고, 하나의 단일한 조각을 이루는 점에서, 단일체 열교환기이다. 본 명세서에서 "단일 형태 열교환기" 또는 "단일체 열교환기"는 또한 도 12에 도시한 것과 같은 열교환기를 의미하며, 도 4에 도시한 부품(3) 외에 베이스 플레이트(3k) 및/또는 제2 베이스 플레이트(3k')도 포함하며, 예컨대 소결이나 상호 접착되어 열교환기(3)를 형성한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 베이스 플레이트(3k, 3k')의 재료는 열교환기(3)의 나머지 부분의 재료와 다를 수 있다. 도 13에 도시한 바와 같이, 베이스 플레이트(3k, 3k')를 포함하는 전체 열교환기(3)는 동일한 재료로 형성될 수도 있다.

Claims (26)

  1. 연료 가스 스트림(R)과 산소의 결합에 의해 전력을 생성하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템에 있어서,
    연료 가스 유입 포트(5d), 공기 스트림 유입 포트(5f), 및 배기 가스 스트림 배출 포트(5g)를 구비한 연료 전지(5); 및
    연료 채널(3f)을 구비한 열교환기(3)
    를 포함하며,
    상기 열교환기(3)는 공기 공급부에 연결된 유입 포트(3p), 및 공기 스트림 유입 포트(5f)에 연결된 공기 스트림 배출 포트(3l)를 가지는 제1 유체경로(3a); 및 배출 포트(3q), 및 배기 가스 스트림 배출 포트(5g)에 연결된 배기 가스 스트림 유입 포트(3n)를 가지는 제2 유체경로(3c)를 포함하고,
    상기 연료 채널(3f)은 연료 공급부, 및 상기 연료 가스 유입 포트(5d)에 연결된 연료 가스 배출 포트(3m)를 포함하며,
    상기 열교환기(3)는 상기 연료 전지(5)로부터 분리되어 있으며 세라믹스(ceramics)로 구성되며, 베이스 플레이트(3k)를 구비하며,
    상기 연료 전지(5)가 상기 베이스 플레이트(3k) 위에 배치된 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지(5)는 상기 베이스 플레이트(3k) 위에 위치하며, 상기 베이스 플레이트(3k)는 상기 연료 전지(5)를 탑재하는 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기 스트림 배출 포트(3l), 배기 가스 스트림 유입 포트(3n), 및 연료 가스 배출 포트(3m) 중의 적어도 하나는 상기 베이스 플레이트(3k)를 통하여 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기(3)는 단일체(monolithic) 형태의 열교환기(3)인 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트(3k)는 상기 단일체 형태의 열교환기(3)의 일부인 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기 스트림 배출 포트(3l), 상기 연료 가스 배출 포트(3m), 및 상기 배기 가스 스트림 유입 포트(3n)는 상기 열교환기(3)의 공통 전면(前面)(3r)에 배치된 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공기 공급부에 연결된 상기 유입 포트(3p), 상기 배기 가스 스트림의 배출 포트(3q), 및 상기 연료 공급원에 연결된 상기 연료 채널(3f)은 상기 열교환기의 전면(3r)의 반대쪽 면에 배치된 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 가스 유입 포트(5d), 상기 공기 스트림 유입 포트(5f), 및 상기 배기 가스 스트림 배출 포트(5g)는 상기 연료 전지의 공통 전면(5k) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지(5)는 상기 열교환기(3)의 상부에 위치하고,
    가스 스트림이 상기 연료 전지(5)와 상기 열교환기(3) 간을 흐를 수 있도록 상호 대응되는 유입 포트(5f, 3n, 5d)와 배출 포트(3l, 5g, 3m)가 서로 맞은 편에 위치하여, 상기 연료 전지(5)와 상기 열교환기(3) 간에 직접적인 유체 이동이 가능하게 한 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유체경로(3a, 3c)는 각각 얇은 벽에 의해 분리되는 제1 및 제2 채널(3b, 3d)을 포함하여, 상기 제2 채널(3d)을 흐르는 배기 가스 스트림과 상기 제1 채널(3b)을 흐르는 공기 스트림 사이에 열 교환이 가능하게 한 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 채널(3b, 3d)은 복수 개의 채널로 형성된 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 채널(3b, 3d)은 상기 제1 유체경로와 제2 유체경로(3a, 3c) 사이에서 상호 교차 흐름을 형성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기(3)는 상기 제2 유체경로(3c)에 배치된 애프터버너(3o)를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 채널(3f)은 촉매 연료 프로세서(3e), 특히 촉매 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기(3)는, 공기 공급부에 연결된 유입 포트(2c)를 구비한 공기 스트림 바이패스(3h); 및 상기 공기 스트림 배출 포트(3l)와 유체 소통할 수 있도록 배치된 공기 스트림 바이패스 배출 포트(3t)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 유체경로(3a) 내의 공기 스트림과 상기 공기 스트림 바이패스(3h) 내의 공기 스트림 중의 적어도 하나를 제어하기 위한 적어도 하나의 밸브(2f)가 배치되는 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 밸브(2f)는 상기 열교환기(3) 아래에 배치된 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기(3) 아래에 인터페이스 베이스(2)가 배치되며,
    상기 인터페이스 베이스(2)는 연료 가스 스트림 유입 포트(2a), 공기 스트림 유입 포트(2b, 2c), 및 배기 가스 스트림 배출 포트(2d)를 포함하며,
    상기 연료 가스 스트림 유입 포트(2a), 공기 스트림 유입 포트(2b, 2c), 및 배기 가스 스트림 배출 포트(2d)는 상기 열교환기(3)의 대응되는 제1 및 제2 유체경로(3a, 3c), 연료가스 스트림 채널(3f), 및 배기 가스 스트림 배출 포트(3q)와 유체 소통하도록 연결된 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 연료 가스 스트림 유입 포트(2a), 공기 스트림 유입 포트(2b, 2c), 및 배기 가스 스트림 배출 포트(2d)는 상기 인터페이스 베이스(2)의 바닥에 배치되는 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 인터페이스 베이스(2)는 상기 열교환기(3)와 커플링되어, 상기 인터페이스 베이스(2)로부터 상기 열교환기(3)로 직접적인 유체 이동이 이루어지며,
    상기 열교환기(3)는 상기 인터페이스 베이스(2)의 상부에 위치하며, 상기 연료 전지(5)는 상기 열교환기의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 인터페이스 베이스(2)와 상기 연료전지(5)는, 상기 열교환기(3)를 통하여 연장되는 압축 수단(18)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유체경로(3a, 3c) 중의 적어도 하나는 거친(rough) 표면을 가지는 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지(5)는 절연부(6) 내에 위치하며, 상기 절연부는 유체 출입부를 가지는 기밀실(氣密室)을 포함하여, 상기 기밀실 내에 진공을 형성 및/또는 상기 기밀실의 압력을 높이도록 한 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어부(11), 센서(15a-15e), 및 상기 제어부(11)와 연결된 밸브(2f)를 포함하며,
    상기 밸브(2f)는 공기 스트림(A1) 및 바이패스 공기 스트림(A2)의 흐름을 결정하며,
    상기 공기 스트림(A1) 및 상기 바이패스 공기 스트림(A2)은 상기 연료 전지(5)로 공급되는 연료 전지 공기 스트림(A)을 형성하며,
    상기 연료 전지 공기 스트림(A)의 온도 및/또는 양은, 상기 센서(15a-15e)의 검출값에 의존하고, 상기 제어부(11)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 SOFC 시스템.
  25. SOFC 시스템을 위한 열교환기(3)에 있어서,
    연료 가스 배출 포트(3m)를 구비한 연료 채널(3f); 공기 스트림 배출 포트(3l)를 구비한 제1 유체경로(3a); 및 배기 가스 스트림 유입 포트(3n)를 구비한 제2 유체경로(3c)를 포함하며,
    상기 열교환기(3)는 세라믹스로 형성되고, 베이스 플레이트(3k)를 포함하며,
    상기 공기 스트림 배출 포트(3l), 배기 가스 스트림 유입 포트(3n), 및 연료 가스 배출 포트(3m) 중의 적어도 하나는 상기 베이스 플레이트(3k)를 통하여 연장되어 있으며,
    상기 열교환기(3)는 단일체 형태의 열교환기(3)인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트(3k)는 상기 단일체 형태의 열교환기(3)의 일부인 것을 특징으로 하는 열교환기.
KR1020077012395A 2004-11-02 2005-11-02 고체 산화물 연료 전지 시스템 KR101252022B1 (ko)

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