KR20080017312A - 소형 고체산화물 연료전지 장치 - Google Patents

소형 고체산화물 연료전지 장치 Download PDF

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KR20080017312A
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사무엘 비. 셰비츠
알렉산더 프란쯔
로저 더블유. 바톤
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릴리푸티안 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 하우징(18)을 포함하는 연료전지 장치(5)에 관한 것이다. 하우징은 연료전지(14, 16) 및 등온 구역을 가지는 테일가스 버너(12)를 집적하는, 실질적으로 등온인 구역을 형성한다. 연료전지(14, 16) 및 테일가스 버너(12)는 열을 교환하며 공통 벽을 공유한다. 일 실시예에서, 하우징(18)은 연료 개질기(10)를 더 포함하고, 연료 개질기(10)는 연료전지(14, 16)와 열을 교환한다. 일 실시예에서, 연료전지(14, 16) 및 테일가스 버너(12)는 약 2W/㎤ 이상의 전력 밀도를 생성하도록 배치될 수 있다. 연료전지(14, 16)는 바람직하게 고체산화물 연료전지이다.
연료전지, 고체산화물, 하우징, 테일가스 버너, 연료 개질기, 전력 밀도

Description

소형 고체산화물 연료전지 장치 {COMPACT SOLID OXIDE FUEL CELL APPARATUS}
본 발명은 연료전지 효율을 향상시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 일 실시예에서, 본 발명은 등온 구역에서 복수의 연료전지 구성요소를 통합함으로써 에너지 밸런스를 향상시키는 연료전지에 관한 것이다.
예를 들어 기상의 수소, 메탄올, 부탄, 또는 디젤 연료가 충전된 교체형 연료통과 함께 작동하는 연료전지는 개발 중인 기술이다. 이들 유형의 연료전지는, 주요 소비 제품인 다양한 배터리 방식과 경쟁하도록 설계되었다. 이들 연료전지의 배터리에 대한 경쟁력은 여러 요소에 좌우되며, 이들 요소는, 연료통 내의 연료의 에너지 밀도; 소정의 효율로 화학에너지를 전기에너지로 변환시키기 위한 연료전지의 능력; 및 연관되는 유체 펌핑 및 파워 조절 구성요소와 함께 연료전지를 경쟁하는 배터리보다 크지 않게 할 필요성 등이다.
에너지 밀도 및 화학적 변환 효율의 향상은, 폴리머 멤브레인 대신 세라믹 멤브레인을 이용하는 고체산화물 연료전지(solid-oxide-fuel cells; SOFCs)에 의해 이루어졌다. 고체산화물 연료전지가 여러 상이한 분자 유형, 예를 들어 탄화수소를 전기로 변환시킬 수 있기 때문에, 고체산화물 연료전지는 에너지 밀도가 높은 액체 연료를 사용할 수 있으며 적절한 에너지 변환 효율을 얻을 수 있다.
그러나 고체산화물 연료전지는 멤브레인을 필요로 하며 600℃를 초과하는 온도, 일반적으로는 750℃를 초과하는 온도에서 촉매 작동을 필요로 한다. 따라서 휴대용 파워 장치를 위한 고체산화물 연료전지의 설계자는 전체적인 시스템의 크기를 크게 하지 않으면서 사용자를 고온으로부터 보호하여야 한다. 또한 기존의 800℃에서 작동하는 고체산화물 연료전지는 사용자에게 공급된 전기에너지보다 10배 이상의 에너지를 폐열로서 주위에 쉽게 방열 또는 전달할 수 있다. 이러한 시스템의 효율은 10%를 초과할 수 없다. 즉, 이러한 시스템은 반응기의 작동 온도를 800℃로 유지하기 위한 단순 목적으로 연료 에너지의 90% 이상을 사용한다. 그러므로 이렇게 낮은 효율로는, 종래의 고체산화물 연료전지가 배터리와 경쟁할 수 없다.
종래기술의 휴대용 고체산화물 연료전지는 배터리와 유사한 체적을 가질 수 없었다. 단열되지 않은 고체산화물 연료전지 제네레이터는 거의 0.35W/㎤를 초과하지 못한다. 에너지 효율이 양호한 작동을 위해 충분한 두께를 가지는 단열층을 추가하더라도 대부분의 종래의 고체산화물 연료전지는 0.1W/㎤ 미만의 전력을 제공한다.
또한 기존의 연료전지 장치 및 시스템 설계는 시스템의 효율을 향상시키기 위해 가열된 구성요소(고체산화물 연료전지 스택이 아닌)를 제공한다. 그러나 각각의 가열된 구성요소는, 장치의 체적, 및 초과적인 열 방출을 피하기 위해 요구되는 단열재의 양을 증대시킨다.
그 결과, 휴대용 연료통과 조합되었을 때, 재충전 가능한 배터리 용량 이상의 용량, 예를 들어 200W-hr/L, 바람직하게는 400W-hr/L의 에너지 저장 용량을 제 공할 수 있는 소형 연료전지 장치가 필요하게 되었다. 연료전지는 현재 배터리의 에너지 용량에 의해 그 기능이 제한을 받고 있는 휴대용 전자기기를 작동시키기에 충분한 용량을 가져야 한다.
연료 효율은 열효율의 조정에 의해 부분적으로 이루어진다. 특히 열효율의 향상은, 연료 개질기(reformer), 연료전지, 및 테일가스(tail gas) 버너를 하나의 본질적으로 등온인 고온 구역으로 통합하는 것; 연료전지 스택의 전력 밀도를 바람직하게 2W/㎤ 이상으로 증대시킴으로써 고온 구역의 열방출 영역을 실질적으로 감소시키는 것; 고온 작동이 필요한 모든 구성요소가 하나의 하우징 내에 포함되도록 하우징 외부에 효과적인 단열 수단(에어로젤 또는 진공)이 배치되도록 이용하는 것; 연료전지 장치와 외부 사이의 유체 교환 및 연료전지로부터의 전류 추출을 위한 전열성이 낮은 연결을 제공하는 것; 및/또는 바람직하게 단열 구역 내에 위치되는 복열기(heat recuperator)를 제공하여 고온 구역의 온도와 외부 대기 사이의 중간 온도에서 작동할 수 있도록 하는 것과 같은 요소 중 임의의 하나 또는 조합에 의해 부분적으로 이루어진다.
본 명세서에 사용된 용어, "연료전지 장치" 및 "연료전지 시스템"은, 연료 개질기, 테일가스 버너, 애노드/전해질/캐소드 부재, 펌프, 및 제어부와 같은 구성요소 의 일부 또는 전부를 포함할 수 있는 장치를 말한다. 그러나 "연료전지"는 애노드/전해질/캐소드 멤브레인 구조를 말한다. 또한 "전력 밀도"는 소정의 체적에서 발생되며 연료전지 기술에서 이해되는 전력의 비율을 말한다.
본 발명은 여러 관점 및 실시예에 관련되지만, 본 명세서에 기재된 여러 관점 및 실시예는 전체적 또는 부분적으로 통합될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 각각의 실시예는 소정의 구현을 위해 적절하게 그 정도를 가변시키도록 각각의 측면에 통합될 수 있다. 또한 일부 측면 및 실시예가 "~를 위한 수단"이라는 용어를 사용하여 기재되었지만, 본 명세서에 기재된 모든 측면, 실시예, 및 다른 개념은, "~를 위한 수단"이라는 용어가, 기재된 설명의 특정 부분에 사용되지 않은 경우에도, 수단 및 기능 청구항을 지원할 수 있다.
본 명세서에서는 수량을 특정하지 않는 한, "하나 이상"을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 측면에서, 본 발명은 하우징을 포함하는 연료전지 장치에 관한 것이다. 하우징은 실질적으로 등온인 구역을 형성한다. 이와 같이, 하우징은 연료전지 및 테일가스 버너를 등온 구역으로 통합시킨다. 연료전지와 테일가스 버너는 서로 열 소통되며 공통 벽을 공유한다.
일 실시예에서, 하우징은 연료 개질기를 수용하며 연료 개질기는 연료전지와 열 소통된다. 연료전지 및 테일가스 버너는 약 2W/㎤ 이상의 전력 밀도를 생성하도록 배치된다. 연료전지는 고체산화물 연료전지이다. 또는, 고체산화물 연료전지는, 실시예에 따라, 약 500㎛, 약 1㎜, 또는 약 1.5㎜ 이하의 두께를 가지는 멤브레인 레이어를 포함한다. 고체산화물 연료전지는 면내(in-plane) 연료전지 스택을 형성하도록 평면(plane)을 형성하는 복수의 연료전지를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 하우징은 실질적으로 평행한 2개의 면내 연료전지 스택을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는, 테일가스 버너와 유체 소통되는, 전열성이 낮은 유체 연결 부재를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 전열성이 낮은 유체 연결 부재는 미세가공된 유체 유도관, 동심이중관(concentric tube), 또는 유리모세관(glass capillary tube)이다. 연료전지와 전기적으로 도통되는 전열성이 낮은 전기 부재는 본 발명의 일부 실시예에 포함된다. 전열성이 낮은 전기 부재는 일 실시예에서 약 50㎛ 이하의 직경을 갖는다. 또는, 일 실시예에서는 하우징의 외부에 인접하여 단열 용적이 배치된다. 단열 용적을 가지는 측면에 있어서, 이 용적은 감압되어 있으며 단열 발포체, 열 반사체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예는 또한, 연료 가스 버너와 열 소통되는 복열기를 포함한다. 또한 복열기는 단열 용적 내에 위치될 수 있다.
일부의 측면 및 실시예에서, 연료 개질기는 부탄과 같은 복합 연료를 저분자로 변환하여 연료전지 멤브레인에 의한 효율이 양호해지도록 한다. 일부의 측면에서, "연료 개질기" 및 "연료 처리기"라는 용어는 이 분야에서 공지된 것으로서 혼용될 수 있다. 또한 일부의 측면에서, "테일가스 버너" 및 "촉매 변환기"라는 용어는 이 분야에서 공지된 것으로서 혼용될 수 있다. 일부의 측면 및 실시예에서, 테일가스 버너는 연료전지에 의해 아직 변환되거나 소비되지 않은 배기 흐름 내의 임의의 연료로부터 유용한 열을 연소시키고 추출한다. 일부의 측면 및 실시예에서, 복열기 또는 열교환기는 반응기의 배기 흐름으로부터 열에너지를 추출하여 연료전지에 대한 유입 연료 및 기류를 예열하도록 사용한다.
제2 측면에서, 본 발명은 연료전지, 및 상기 연료전지와 열 소통되는 테일가스 버너를 포함하는 연료전지 장치에 관한 것이다. 연료전지 및 테일가스 버너는 약 2W/㎤ 이상의 전력 밀도를 생성하도록 배치된다.
제3 측면에서, 본 발명은 고체산화물 연료전지의 작동 중에 열손실을 최소화하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 연료전지를 수용하는 하우징을 제공하는 단계, 및 하우징의 체적에 대한 전력의 비율이 약 2W/㎤ 이상이 되도록 연료전지를 작동시키는 단계를 포함한다.
제4 측면에서, 본 발명은 제1 고체산화물 연료전지 및 제2 고체산화물 연료전지를 포함하는 연료전지 장치에 관한 것이다. 제1 고체산화물 연료전지는 애노드 레이어, 캐소드 레이어, 및 전해질 레이어를 포함한다. 제2 고체산화물 연료전지 또한 애노드 레이어, 캐소드 레이어, 및 전해질 레이어를 포함한다. 이러한 측면에서, 제1 고체산화물 연료전지의 전해질 레이어의 중심선과 제2 고체산화물 연료전지의 전해질 레이어의 중심선 사이의 거리는 약 1.5㎜ 또는 약 1㎜ 이하이다.
제5 측면에서, 본 발명은 고체산화물 연료전지 및 상기 고체산화물 연료전지와 유체 소통되는, 전열성이 낮은 유체 연결 부재를 포함하는 연료전지 장치에 관한 것이다. 고체산화물 연료전지는 약 400℃ 이상의 온도에서 작동하도록 되어 있다. 또한 전열성이 낮은 유체 연결 부재는, 전열성이 낮은 유체 연결 부재는 그 솔리드 단면에 의해, 전열성이 낮은 유체 연결 부재 당 약 0.1W 미만의 열손실이 일어나도록 설계된다.
제6 측면에서, 본 발명은 제1 고체산화물 연료전지 및 상기 고체산화물 연료전지와 전기적으로 도통되는 전열성이 낮은 전기 부재를 포함하는 연료전지 장치에 관한 것이다. 고체산화물 연료전지는 약 600℃ 이상의 온도에서 작동하도록 되어 있으며, 전열성이 낮은 전기 부재는 약 0.5Ω 이상의 저항을 갖는다. 일 실시예에서, 전열성이 낮은 전기 부재는 백금을 포함하며, 약 200㎛ 또는 약 100㎛ 이하의 직경을 갖는다.
제7 측면에서, 본 발명은 고체산화물 연료전지를 수용하는 하우징 및 상기 하우징의 외부에 인접하여 배치되는 단열 용적을 포함하는 장치에 관한 것이다. 단열 용적은 감압되어 있다.
제8 측면에서, 본 발명은 고체산화물 연료전지를 수용하는 하우징, 상기 하우징의 외부에 인접하여 배치되는 단열 용적, 및 상기 고체산화물 연료전지와 열 소통되는 열교환기를 포함하는 장치에 관한 것이다. 열교환기는 단열 용적 내에 위치된다.
제9 측면에서, 본 발명은 고체산화물 연료전지, 및 상기 고체산화물 연료전지와 유체 소통되는, 전열성이 낮은 유체 연결 부재를 포함하는 장치에 관한 것이다. 고체산화물 연료전지는 약 400℃ 이상의 온도에서 작동하도록 되어 있다. 전열성이 낮은 유체 연결 부재는 그 솔리드 단면에 의해, 전열성이 낮은 유체 연결 부재 당 약 0.1W 미만의 열손실이 일어나도록 설계된다.
제10 측면에서, 본 발명은 고체산화물 연료전지 및 상기 고체산화물 연료전지와 전기적으로 도통되는 전열성이 낮은 전기 부재를 포함하는 장치에 관한 것이다. 고체산화물 연료전지는 약 400℃ 이상의 온도에서 작동하도록 되어 있으며, 전열성이 낮은 전기 부재는 약 0.5Ω 이상의 저항을 갖는다. 특정 실시예에서, 전열성이 낮은 전기 부재는 백금을 포함하며/또는, 약 200㎛ 이하의 직경을 갖는다.
제11 측면에서, 본 발명은 고체산화물 연료전지를 수용하는 하우징 및 상기 하우징의 외부에 인접하여 배치되는 단열 용적을 포함하는 연료전지 장치에 관한 것이다. 단열 용적은 감압되어 있다.
제12 측면에서, 본 발명은 고체산화물 연료전지를 수용하는 하우징, 상기 하우징의 외부에 인접하여 배치되는 단열 용적, 및 상기 고체산화물 연료전지와 열 소통되는 열교환기를 포함하는 연료전지 장치에 관한 것이다. 열교환기는 단열 용적 내에 위치된다.
제13 측면에서, 본 발명은 실질적으로 등온인 구역을 형성하고 특정 공간 내에 부재들을 함께 수용하기 위한 공간 분리 수단을 포함하는 연료전지 장치에 관한 것이다. 공간 분리 수단은 연료를 전기로 변환하는 수단 및 상기 등온 구역 내부의 임의의 연료로부터 열에너지를 연소시키고 추출하는 수단을 수용한다. 연료를 전기로 변환하는 수단 및 열에너지를 연소시키고 추출하는 수단은 열 소통되며 공통 벽을 공유한다. 일 실시예에서, 공간 분리 수단은 하우징이다. 다른 실시예에서, 공간 분리 수단은 외벽이다. 또 다른 실시예에서, 공간 분리 수단은 반도체 구조이다.
본 발명의 전술한 특징 및 장점과 다른 특징 및 장점은 이하의 설명, 도면, 및 청구범위를 통해 보다 잘 이해될 것이다.
첨부도면은 본 발명의 방법 및 장치를 보다 잘 이해하도록 제공된 것이며 본 발명의 범위를 특정하게 도시된 실시예에 한정하려는 것은 아니다. 또한 이들 도면은 축척이 필요하지 않으며 본 발명의 원리를 설명하기 위한 강조가 가해졌다. 각각의 도면에서 동일한 참조부호는 대응되는 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료전지 장치의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 유체 연결부 및 복열기를 가지는 연료전지 장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 연료전지 장치에 사용하기 적합한 구성으로 배열된 애노드, 캐소드, 및 전해질의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 다른 연료전지 장치의 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 연료전지 장치에 사용하기 적합한 유동 경로 레이어의 개략도이다.
이하의 설명은 본 발명의 특정 실시예를 예시하는 첨부도면을 언급한다. 다른 실시예도 가능하며 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이들 실시예에 대하여 변형이 가해질 수 있다. 따라서 이하의 상세한 설명은 본 발명을 한정하는 것을 의미하지 않는다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 정의된다.
본 발명의 방법의 단계 순서는 본 발명이 구현되는 한 중요하지 않다. 또한 특정하지 않는 한 2개 이상의 단계가 동시에 실행될 수 있다.
통합된 연료전지 장치, 패키지, 및 연결
본 명세서에 기재한 연료전지 장치 실시예는 2W/㎤ 및 3W/㎤를 초과하는 전력을 생산할 수 있다. 이러한 연료전지 장치는, 소비전력이 100W 미만, 20W 미만, 또는 5W 미만이지만 휴대용 기기용으로 충분히 작은 단열 패키지 크기로 제조가 가능하다. 이와는 대조적으로, 기존의 연료전지 설계는 일반적으로 0.5W/㎤ 미만의 전력 밀도밖에 생성하지 못한다. 그 결과, 저전력 밀도 연료전지가 지나치게 크고, 예를 들어 소비자용 배터리 대체물과 같은 많은 적용에 충분히 효율적이지 못하다.
전력 밀도(W/㎤)는 주로 통합된 연료전지 장치 및 개별 연료전지 또는 연료전지 스택(복수의 개별 연료전지)에 좌우된다. 특히, 하우징 내부의 여러 연료전지 장치 구성요소의 인접하는 통합 레벨은 중요한 설계 요소이다. 그 결과, 연료전지 장치 효율은 기계적 강도 및 유체 경로의 속박에 대하여 여러 연료전지 멤브레인이 얼마나 근접하여 배치될 수 있는가 하는 것의 함수일 수 있다. 본 명세서에 기재된 여러 측면 및 실시예는 하나의 열 영역 내부에서의 구성요소 통합 및 열손실을 제어하기 위한 관련 기술에 관한 것이다. 본 명세서에 기재된 여러 실시예에 반도체 구조를 사용하면, 다양한 배터리 유형과 경쟁할 수 있는 연료전지 장치를 가능하게 하는 소형의 고에너지 밀도가 가능하다.
도 1은 연료전지 장치(5)의 일례를 단면으로 나타낸다. 도 1은, 연료 개질기(10), 한 쌍의 고체산화물 연료전지 멤브레인(14, 16), 및 테일가스 버너(12)가 하나의 하우징(18) 내부에 수용되어 있는 것을 나타낸다. 하우징은 전열성 재료로 만들어져서 하우징 내부의 모든 구성요소가 실질적으로 동일한 온도에서 작동할 수 있다. 따라서 하우징은 실질적으로 등온인 구역의 형성을 용이하게 한다.
도 1의 하우징(18)은 연료 및 공기를 연료전지에 분배하기 위한 모든 유동 경로 수단을 내부에 포함한다. 연료 흐름(20)은 연료 개질기(10)로부터 제1 연료전지(16)의 애노드 측을 따라 이동한다. 그리고 연료 흐름(20')은 제2 연료전지(14)의 애노드 측(22)을 따라 최종적으로 테일가스 버너(12)를 향해 이동한다. 공기 흐름(26)은 (도시하지 않은 내부 경로 채널에 의해) 연료전지(14, 16)의 캐소드 측(24)을 따라 테일가스 버너(12) 쪽으로 이동하고 잉여 공기는 미사용 배기 연료의 연소를 위해 사용된다(도 1에는 테일가스 버너에 대한 공기 입구가 도시되지 않았음).
또한 도 1에 도시한 바와 같이, 단열 용적(28)이 하우징(18)을 장치(5)의 외벽(30)과 격리시킨다. 외벽은 실질적으로 연료전지 장치에 의해 전력을 공급받는 전기기기의 주위 온도 또는 그 근방의 온도로 유지된다. 고체산화물 연료전지 장치의 효율적인 작동을 위해, 하우징 내부의 온도는 400℃보다 높아야 하며, 온도가 550℃, 600℃, 또는 750℃보다 높게 유지되면 보다 양호한 작동 효율이 얻어진다. 외부 전기 회로 및 연료전지 장치의 외벽(30)의 주위 온도는 일반적으로 약 0℃ 내지 60℃이다. 따라서 본 실시예에서, 300℃를 초과하는 커다란 열 기울기는, 중간의 단열 용적(28)의 두께를 통해서뿐만 아니라, 유체 연결부(32), 전기 연결부(36), 및 기계적 지지부(38)를 따라서도 바람직하게 유지된다.
단열 용적은 하우징으로부터의 열 방출을 실질적으로 감소시키도록 단열재를 포함할 수 있다. 따라서 단열 용적 내에 부분 진공이 형성될 수 있거나 단열 용적 에 전열성이 낮은 물질이 추가될 수 있다. 연료전지 장치에는 적외선 차폐물(40)이 배치될 수도 있다. 저압 또는 진공의 단열인 경우, 단열 용적에서 전체 가스 압력을 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 장치의 작동 수명 동안에 분위기 가스를 흡수하고 진공도를 높게 유지할 수 있는 게터 재료(getter material)(42)를 첨가하는 것이 유용하다. 이를 위해, SAES 게터 ST 171 장치(www.saesgetters.com 참조)와 같은, 전기적 가열을 통해 작동될 수 있는 비증발성 게터(getter)가 유용하다.
하우징 내부에 포함되어 집적된 연료 전지는 전체 두께가 2.5㎜일 수 있다. 도 1에는, 2개의 연료전지 레이어(14, 16) 및 3개의 경로 레이어(46, 48, 50)가 존재하며, 각각의 두께는 0.5㎜이다. 2개의 연료전지 레이어는 각각 0.4W/㎤의 전력을 생산할 수 있다. 그 결과, 예시적으로 집적된 연료전지 장치는 (2 * 0.4)/2.5 = 3.2W/㎤의 전력 밀도를 생산할 수 있다.
연료 개질기, 한 조의 연료전지 멤브레인, 테일가스 버너, 및 하나의 열 구역의 모든 내부 유체 매니폴드의 기능을 가지는 하우징은 임의의 제작 기술을 통해 제작될 수 있다. 특히 본 발명의 실시예는 MEMS(micro-electro-mechanical systems) 기술 또는 미세가공 기술을 이용하여 제작될 수 있다. 이러한 기술은, 전열성을 가지며 기계적으로 강건한 공통 기재에 대한 유체 유동을 제어하기 위해 에칭된 마이크로채널과 함께 박막재(예를 들어 박막의 전해질, 애노드, 캐소드, 및/또는 전기 연결부)를 통합하는 것을 가능하게 한다. 구조적인 지지 부재는, 이들이 애노드 또는 캐소드를 불연속 영역으로 패터닝(patterning) 하기에 유용하기 때 문에, 일부 실시예에 포함된다.
각각의 멤브레인 전극 어셈블리 및 유체 매니폴드는 다양한 접합 기술에 의해 서로 적층되어 유체 프로세싱 시스템을 형성한다.
예를 들어 통합된 하우징은 실질적으로 편평하거나 편평하지 않은 반도체 구조의 군으로부터 조립될 수 있다. 특히 5개의 실리콘 기재가 함께 접합되어, 다양한 연료전지 장치 구성요소가 내부에 집적되는 "박스"를 형성한다. 5개의 실리콘 기재가 함께 접합되면 적층된 구성이 된다. 일 실시예에서, 기재는 다음과 같이 적층될 수 있다. (1) 유체 상호연결부를 포함하는 연료 프로세서 기재, (2) 멤브레인 전극 어셈블리, (3) 유체 경로 레이어, (4) 다른 멤브레인 전극 어셈블리, 및 (5) 테일가스 버너를 포함하는 상부 유체 경로 레이어. 따라서 레이어의 스택은 집적식 연료전지 장치의 일부 또는 전체를 형성할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 실리콘은 연료전지 멤브레인 및 다른 매니폴드 구조를 형성하기 위한 기재로서 선택된다. 그러나 유리 및 세라믹의 강성 웨이퍼에 유체 유동 채널을 형성하기 위해 미세가공 기술이 이용될 수도 있으며, 모든 재료들은 고체산화물 연료전지에 필요한 고온 강도를 갖는다. 멤브레인 어셈블리의 상이한 지점 사이의 전기적 단락을 방지하기 위해, 실리콘 기재는 전기적으로 절연되도록 산화실리콘 또는 질화실리콘으로 코팅될 수 있다.
에칭된 유체 마이크로채널은 기재 위에, 습식 및 건식 화학적 에칭, 레이저 애블레이션(laser ablation), 다이아몬드 밀링, 테이프 캐스팅(tape casting), 또는 사출성형을 포함하는 여러 기술에 의해 형성된다. 다양한 기재 또는 웨이퍼 접 합 기술은, 용융 접합(fusion bonding), 정전 접합(anodic bonding), 공정 납땜재(eutectic solder material) 또는 박막에 의한 밀봉, 또는 글라스 프리트(glass frit)에 의한 밀봉을 포함하여 가용하다.
애노드, 캐소드, 및 전해질을 포함하는 연료전지 어셈블리는, 스퍼터링(sputtering), 진공 증착(evaporation), 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition), 레이어 애블레이션, 스크린 인쇄, 딥 코팅(dip coating), 또는 기상 분사(vapor spray) 기술을 포함하는 다양한 박막 및 후막 증착 기술에 의해 증착될 수 있다.
전해질을 위한 바람직한 물질은 YSZ(yttria-stabilized zirconia)이지만, 다양하게 도핑된 산화 세륨 물질(doped cerial material)이 사용될 수도 있다. 연료전지의 애노드를 위한 바람직한 물질은 니켈의 서멧(cermet) 및 YSZ이지만, Pt, Pd, Fe, 또는 Co와 같은 다른 촉매 금속이 사용될 수 있으며, 산화 세륨과 같은 다른 산화물 매트릭스 물질이 사용될 수 있다. 연료전지의 캐소드를 위한 바람직한 물질은 란타늄 (스트론튬) 망간산염(LSM)이지만, 란타늄 (스트론튬) 코발타이트(LSC) 및 란타늄 (스트론튬) 코발트-페라이트(LSCF)를 포함하는 다른 캐소드 물질이 사용될 수 있다. 연료전지의 박막 전기 연결부를 위한 바람직한 물질은 백금이지만, 란타늄 크로마이트(lanthanum chromite)가 사용될 수 있다.
도 2는 도 1의 연료전지 장치에서 유체 연결부 및 복열기(34)의 배치를 강조하여 나타낸다. 집적식 연료전지 장치의 하우징(18)은 외형만을 나타내었으며, 연료 개질기(10) 및 테일가스 버너(또는 촉매 변환기)(12)의 위치만을 나타내었다. 연료와 공기의 혼합물은 입구관(60)을 따라 연료 개질기(10)로 직접 들어간다. 그 후, 내부 경로 채널에 의해, 개질된 연료는 연료전지의 애노드에 의해 테일가스 버너(12)의 영역까지 이동된다. 연료전지의 캐소드용 공기는 입구관(62)을 통해 들어가서 조절된 경로를 통해 연료전지의 캐소드로 흐른다. 공기 흐름 및 연료 흐름은 최종적으로 테일가스 버너에서 재결합되어, 산화의 잔류 열이 출구관(64)을 통해 고온 구역을 빠져나가기 전에 추출되도록 한다.
입구관 및 출구관은 하우징과 저온의 외벽 사이의 영역을 연결하며, 전열성이 낮게 설계되어야 한다. 예를 들어 이들 관은 질화실리콘, 바람직하게는 5㎛ 이하의 벽 두께를 가지는 질화실리콘으로 이루어질 수 있으며, 국제공개공보 WO 03/013729에 기재되어 있다. 또는, 이들 관은 실리카 글래스 캐필러리(silica glass capillary)로 만들어질 수 있다. 예를 들어 글래스 캐필러리는 1㎜의 외경 및 125㎛의 벽 두께를 가질 수 있다. 이러한 캐필러리를 따라 전달되는 서멀 파워(thermal power)는, 캐필러리의 길이가 5㎜이고 800℃의 온도 기울기 폭을 가지는 경우, 불과 0.05W이다.
당업자들은 본 발명의 범위 내에서 하우징 내부에 연료 개질기 및 테일가스 버너를 달리 배치할 수 있다. 마찬가지로, 입구관 및 출구관의 배치 및 수를 도 2에 도시한 것과 상이하게 할 수 있다. 예를 들어 대형 연료전지 장치에서는, 외부의 유동 조절 시스템으로부터 연료 및 공기의 독립적인 흐름을 연료 개질기에 직접 공급하는 제4의 관을 추가하는 것이 바람직할 수 있다. 또한 캐소드 영역에 대한 2개의 독립적인 공기 공급원을 제공할 수 있어서, 연료전지 장치 내부에서 및/또는 연료전지 멤브레인의 국부 영역에서 연료전지 전압을 조절하는 수단으로서 유체 압력 하강이 보다 효율적으로 관리되도록 한다. 특정 실시예에서는 동심이중관이 사용될 수도 있다.
복열기(Heat Recuperator )
다시 도 2를 참조하면, 2개의 바(bar)로 나타낸 복열기(34)는 열 회수(heat recuperation)를 위한 수단이며 유체관 어셈블리의 통합된 부분으로서 형성될 수 있다. 복열기는 일반적으로 실리콘과 같은 전열성 재료로 만들어져서, 출구관(64)을 통과하는 배기가스의 열이 흡수되어 입구관(60, 62)의 유입가스 흐름에 전달되도록 한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 복열기(34)를 단열 용적(28) 내부에 배치함으로써 성능의 향상이 가능하다. 이러한 배치에서는, 집적식 연료전지 장치와 외벽의 온도 사이에서 복열기의 내부 온도가 다양하게 유지될 수 있다. 복열기를 기존의 단열 용적 내부에 배치하면 복열기 둘레의 별도 단열이 필요하지 않으므로 전체적인 시스템 크기가 감소된다. 또한 복열기의 열 기울기를 집적식 연료전지 장치와 외벽 사이의 배출되는 열 기울기와 정렬시키면, 복열기의 해당 섹션과 인접하는 단열 용적 사이에는 온도 차이가 있더라도 작기 때문에, 복열기로부터의 열손실이 감소된다.
도 2에 도시한 평행한 관 배열 외에 다양한 열 회수 수단이 가능하다. 예를 들어 관 내 관(tube-in-tube) 역류 배열이 적절하거나, 가공 또는 형상화된 마이크로채널에 의해 역류(counterflow)가 가능하도록 얇은 금속 시트의 스택이 형성된 다. 복열기의 물리적인 배치가 연료전지 장치의 등온(고온) 구역과 저온의 외벽 사이의 중간 영역에 이루어지는 한, 많은 다른 배열은 본 발명의 범위에 속한다.
전열성이 낮은 유체 연결부
본 발명의 일반적인 목표는 하우징으로부터 방출되는 전체 열을 관리하는 것이다. 하나의 특정 부재에서, 유체의 입구관 및 출구관을 따라 열이 전도됨으로써 발생하는, 관을 통한 열손실(Qtubes)을 관리하기 위해, 관을 통한 열손실은, a) 관 벽 재료의 전열성, b) 관을 따른 온도 저하, 및 c) 관 벽 재료의 단면적의 곱을, d) 관의 길이로 나눔으로써 산출될 수 있다.
소형 연료전지 장치 시스템에서, 유체관을 통해 허용될 수 있는 최대 열손실은 시스템 효율을 향상시키도록 결정된다. 이 열손실 Qtubes는, 관마다 0.1W 미만, 바람직하게는 0.05W 미만으로 유지된다. 이 열손실 값은 공지된 것보다 상당히 낮지만, 유체 연결관이 이 임계값 미만의 열손실을 가지도록 구성되는 경우에 시스템 효율은 상당히 향상된다. 표 2는, 공지된 관 재료와 설계, 및 임계 열손실 조건을 만족하도록 구성된, 본 발명의 실시예에 사용되기 적합한 예시적인 관(실시예 3 및 4)을 나타낸다.
도 2: 유체 연결관 재료의 비교 (전력 손실 Q는 전체 온도 하강이 700℃인 것으로 가정함)
관 재료 전열성 (W/㎝-k) 벽 두께 (㎛) 관 길이/직경 (㎜/㎜) 관 당 전력손실 (Watt)
실시예 1 1/8" 스테인리스강관 0.25 325 30/3 1.9
실시예 2 스테인리스강 캐필러리 0.25 125 20/1 0.35
실시예 3 박벽 질화실리콘 0.4 2 3/0.5 0.03
실시예 4 글래스 캐필러리 0.01 125 5/1 0.05
33% 효율의 2W 연료전지 장치 제네레이터에서, 연료전지 장치는 6W에 해당하는 연료를 연소시키며 관 당 0.1W의 열손실은 전체 소모 전력의 5%에 불과하다. 5 내지 30W 범위의 보다 대형인 연료전지 장치에서는, 보다 커다란 단면을 가지는 관이 증가된 유체 유동량을 취급할 필요가 있다. 각각의 관의 열손실을 0.5W 미만, 바람직하게는 0.1W 미만으로 유지함으로써, 유체 연결부에 의한 열손실의 백분율은 상기 장치에서 연료로서 연소되는 전체 전력의 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만으로 유지될 수 있다.
전열성이 낮은 전기 연결부
본 발명의 다른 일반적인 목적은, 전기 연결부를 따르는 고체 전도에 의한 열손실을 감소시키는 것이다. 바람직한 실시예에서, 전선 당 열손실의 값은 0.5W 미만, 바람직하게는 약 0.1W 미만이어야 한다. 그러나 전선 당 0.1W 이하의 전기적 손실을 위해서는 보다 높은 저항 및 직경이 작은 전선 연결을 사용해야 한다. 도 3은, 공지된 전선에 대한 전선 직경, 전선 저항, 및 열손실 사이의 상관관계, 및 본 발명(실시예 3 및 4)에 유용한 전선 직경, 전선 저항, 및 열손실 사이의 상관관계를 나타낸다. 전선 저항과 전선을 따르는 서멀 파워 손실 사이의 반대의 상관관계는 금속 전도체에서 일반적이다. 스택 파워(stack power)가 일반적으로 100W를 초과하고 방출된 전체 열이 300W를 초과하는 공지된 연료전지 시스템에서, 전선 당 1W의 손실은 과도한 것이 아니다. 20W 이하의 연료전지 장치에서는, 전선으로 인한 열손실을 감소시킬 필요가 있다. 열손실을 조절하기 위해 본 발명에 채용되는 방법은, 전기 저항이 0.1Ω을 초과, 바람직하게는 0.5Ω을 초과하는 전기적 연결을 선택한다.
도 3: 전기 연결선의 비교 (전선의 길이를 따르는 온도 하강은 700℃인 것으로 가정함)
전선 재료 전선 직경 (㎛) 전선 길이 (㎜) 전선 저항 (Ω) 전선 당 전력손실 (Watt)
실시예 1 Cr/Ni 합금 800 30 0.1 0.34
실시예 2 Pt 800 30 0.02 1
실시예 3 Cr/Ni 합금 100 5 1.27 0.03
실시예 4 Pt 50 5 0.81 0.02
도 3에서, 전선의 저항이 0.5Ω을 초과하는 절연 공간을 연결하는 연결선을 선택하는 것이 바람직하다. 그러나 이러한 조건에서 효율적인 연료전지 장치를 얻기 위해서는, 연료전지 장치 작동 파라미터 및 연료전지 스택의 구성에 대한 다른 변경이 필요하다. 예를 들어 출력 전류는 연결선의 저항에 의한 전력의 과도한 손실을 방지하기에 충분히 낮은 레벨로 유지되어야 한다. 따라서 본 명세서에 기재한 기술을 이용하면, 연료전지 전압을 증대시킴으로써 전류가 소정의 파워 레벨로 감소될 수 있다. 그러나 과거에는, 이러한 목적은 전압이 증가되도록 개별 연료전지를 직렬로 연결 또는 누적시킴으로써 달성되었다. 0.5Ω을 초과하는 연결선을 사용하는 본 발명에서는, 10V를 초과, 바람직하게는 15V를 초과하는 누적된 출력 전압이 요구된다.
전압 누적을 위한 한 가지 방법은 면내(in-plane) 스택킹 배치로, 연료전지 멤브레인 레이어가 수직으로 적층되어 하나의 연료전지의 애노드가 바로 위의 연료전지의 캐소드와 접촉하게 되는 것이다. 연료전지 스택에서 10V의 출력을 위해서는 수직 스택에 12 내지 20개의 연료전지 멤브레인 레이어가 조립되어야 한다. 그러나 도 1에 도시한 실시예에서는 2개의 멤브레인 레이어만을 나타내었다. 그럼에도 불구하고, 본 명세서에 기재한 면내 스택킹 개념을 이용하여 바람직한 출력 전압을 얻을 수 있다.
도 3은 면내 스택킹의 개념을 나타낸다. 면내 스택킹은 직렬형 전압 연결이 이루어지도록 애노드, 캐소드, 및 전해질을 패터닝할 필요가 있다. 도 3에서, 연로전지 전해질(23A)의 애노드(22)는 인접하는 연료전지 전해질(23B)의 뒤에 배치되는 캐소드(24)와 전기적으로 접촉할 수 있다. 상호연결재(25)는 애노드(22)와 캐소드(24) 사이에 저항이 낮은 전기적 연결을 가능하게 한다. 도 1에 도시된 구조적 지지부 또한 애노드 또는 캐소드를 불연속 영역으로 패터닝하는데 유용하다.
도 1에 도시된 집적식 연료전지 장치의 콤팩트한 특징, 및 치수가 작은 전선(직경이 약 100㎛ 미만인 전선)에 의해 전기적 연결이 이루어지도록 하기 위해, 자리를 크게 차지하는 스크루 또는 크림프 커넥터(crimp connector)를 사용하지 않고 연결선을 부착하는 신뢰적인 방법이 제공될 필요도 있다. 일 실시예에서, 치수가 작은 전선은, 고온 브레이징 합금에 의하거나 바람직하게는 열가공 접합(thermo-mechanical bond)과 같은 접합 방법에 의해, 집적식 연료전지 장치 및 외벽의 커넥터 스트립 모두에 부착되어야 한다.
집적식 연료전지 장치의 등온 특성
고체산화물 연료전지 장치의 효율은, 연료 개질기, 연료전지, 및 테일가스 버너가 최소의 표면적을 가지는 하나의 하우징에 집적되는 경우에, 향상된다. 효율은 또한, 하우징이 열을 효과적으로 분배할 수 있도록 충분한 전열성을 가지거나 구성요소 사이의 열에너지를 공유하도록 설계되는 경우에도 향상된다. 특히 테일가스 버너는 전체적인 효율을 향상시키도록 보조 열을 공유하기 위해 사용될 수 있다. 따라서 테일가스 버너에서 발생되는 열에너지는 연료전지 장치에서 보다 높고 보다 효율적인 작동 온도로 유지된다. 이러한 방식에서는, 열응력, 및 장치의 가열 또는 냉각과 관련되는 비용이 저감된다.
또한, 향상된 연료전지 효율은, 연료전지를 전기화학적 평형 전위에 가까운 높은 전압에서 작동시킴으로써 가능하다. 이러한 작동 조건은, 낮은 연료전지 전압에서의 작동과 비교할 때 폐열의 발생이 보다 적게 수반된다. 작동 온도를 유지하기 위한 열에너지의 요구량은 테일가스 버너에서 미사용 연료를 연소시켜 열을 추출함으로써 얻어질 수 있다.
충분한 전열성의 유지, 및 집적식 연료전지 장치 내부의 구성요소 사이의 거의 등온 작동을 위해 여러 방법이 채용될 수 있다. 기재로 사용되는 실리콘은 고온에서 탁월한 전열체이다. 유리 또는 세라믹 기재는, 이들의 결과적인 벽 두께가 실질적으로 100㎛를 초과, 바람직하게는 300㎛를 초과하는 한, 전열성에 근거하는 적절한 재료 선택이다. 유리 기재의 전열성은, 하우징의 외표면과 같이 전기적으로 활성화되지 않은 영역 위에 금속 박막을 증착함으로써 향상된다. 전열성 금속 코팅은 바람직하게 크롬, 금, 및 백금을 포함한다.
시스템을 실질적으로 등온 작동 가능하게 하는 수단으로서, 각각의 구성요소(연료 개질기, 테일가스 버너, 및 연료전지 멤브레인)가 이들의 임의의 쌍 사이에서 적어도 하나의 공통 구조 벽을 공유하도록, 통합된 하우징을 설계하는 것이 유용하다. 이 벽은 하우징의 외벽일 수 있거나, 예를 들어 각각의 기재의 접합을 통해 형성되는 내벽일 수 있다.
구조 벽을 공유하고 기재에 충분한 전열성을 제공함으로써, 150℃ 미만, 바람직하게는 50℃ 미만에서 작동하는 동안에 구성요소들 사이의 임의의 온도 차이를 유지하는 것이 가능하다.
전력 밀도
휴대형 고체산화물 연료전지 장치를 설계할 때, 연료에너지를 과도하게 소모하지 않고 높은 작동 온도를 유지하기에 적합한 단열재의 최소 두께를 결정하는 것이 중요하다. 집적식 연료전지 장치로부터 방출되는 열량은 그 표면적에 비례한다. 따라서 5W 용도로 설계되는 집적식 연료전지 장치는, 면적 대 부피의 비율이 20W 이상의 용도로 설계되는 집적식 연료전지 장치보다 대단히 크기 때문에, 효과적으로 단열하는 것이 어렵게 된다.
집적식 연료전지 장치의 전력 밀도는 중요한 설계 파라미터이다. 특히 전력 밀도는 단열된 패키지의 최종 효율 및 크기에 가장 영향을 주는 설계 파라미터일 수 있다. W/㎤로 표시되는 집적식 연료전지 장치의 전력 밀도는 생산되는 전기의 모든 출력을 위해 노출되는 표면적이 얼마나 되는 가를 결정한다. 그 결과, 최종 패키지 크기에 미치는 집적식 연료전지 장치 전력 밀도의 영향은 크고 과도하다. 예를 들어 5W의 전력을 생산할 수 있는 1W/㎤의 집적식 연료전지 장치는 단열을 포함하여 66㎤의 패키지 크기를 필요로 하게 된다. 이와는 대조적으로, 5W 및 2W/㎤의 집적식 연료전지 장치는 내부가 불과 17,8㎤의 패키지로 단열된다. 따라서 2겹(two-fold)은 열효율의 손실 없이 전력 밀도를 증가시켜서 패키지 크기를 3.7배 감소시킨다(이 예시는, 온도 강하를 800℃로 유지하면서, 0.04W/m-K의 에어로젤(aerogel)™ 단열을 이용하는 것으로 가정함).
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 것으로, 이 경우에는 대형 연료전지 장치(105)가 4개의 상이한 멤브레인 레이어를 채용하고 있다. 각각의 레이어는, 연료전지 멤브레인(114), 공기 또는 산소 경로 레이어(148), 또는 연료 경로 레이어(147, 149, 150)이든, 약 0.5㎜ 이하의 두께를 가져서, 전체 스택의 높이는 약 4.8㎜이다. 도 4는 또한, 하우징 내부에 레이어(146)의 일부분으로서 구성되는 연료 개질기(110) 및 테일가스 버너(112)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 연료 경로 레이어는 연료를 연료 개질기로부터 각각의 연료전지 멤브레인으로 이동시키고/또는 각각의 연료전지 멤브레인을 통과한 후에 테일가스 버너로 이동시킨다. 도 4를 이용하여, 복수의 멤브레인 레이어(4)에 의해 나누어지는 집적식 연료전지 장치의 전체 높이(4.8㎜)로서 형성되는 멤브레인 레이어 사이의 평균 간격이 산출될 수 있다. 따라서 도 4의 평균 멤브레인 간격은 약 1.2㎜이다. 이 경우, 전력 밀도는, 각각의 연료전지 레이어의 평균 전력 밀도(0.4W/㎤)를 평균 멤브레인 간격으로 나누어서, 약 3.3W/㎤의 전력 밀도를 얻게 된다.
연료전지 스택의 구성은 집적식 연료전지 장치 체적의 입방 센티미터 당 약 2W의 전기에너지보다 크게 하는 것이 바람직하다. 또한 제공된 연료전지 스택을 2W/㎤보다 크게 생산하도록 작동시키는 것이 바람직하다. 연료전지에 의해 생산되는 전력은 전압 및 연료전지의 온도를 가변시킴으로써 조절될 수 있다. 대형 연료전지는 일반적으로 최대 전력을 초과하는 전압에서 작동되어, 화학에너지의 전기에너지로의 변환 효율을 증대시킨다. 1W/㎤, 1.5W/㎤, 또는 바람직하게 2W/㎤를 초과하는 전력 밀도는 본 발명에 포함된다.
약 2W/㎤ 미만으로 출력을 낮추는 레벨로 전압을 증가시키면, 원하는 온도를 유지하기에 충분한 열이 발생되기 때문에, 소형 시스템에서 전체적인 시스템 효율이 실질적으로 낮아진다. 촉매 변환기 또는 테일가스 버너를 포함하면 연료전지 의 출력이 약간 감소될 수 있다.
멤브레인 사이의 수직 간격을 근접시키면 상당한 전력 밀도의 향상이 이루어진다. 종래 기술의 멤브레인 사이의 평균 간격은 2.5 내지 4㎜인 반면, 본 발명에서의 간격은 일반적으로 약 1.5㎜ 미만이며 가급적 1.0㎜에 가깝다. 멤브레인 간격을 근접시키면 다음과 같은 2가지의 바람직한 구조적인 특징으로 인해 장점을 갖는다. (a) 기계적으로 강건한 합성 멤브레인의 사용, b) 면내 스택킹을 이용함으로써 가능한 구조적으로 간단한 유동 경로 레이어의 사용. 이 실시예에서는, 면내 연료전지 스택킹의 구조를 이용할 수도 있다. 면내 연료전지 스택킹은, 멤브레인 사이의 간격을 감소시키고 전력 밀도를 2W/㎤를 초과하는 값으로 증가시키도록 함께 작용하는 복수의 구조적인 장점을 가질 수 있다.
합성 멤브레인 구조를 사용하는 것은 국제특허 공개공보 WO 2005/030376에 기재되어 있다. 간단히 설명하면, 합성 멤브레인 구조는 강력한 구조적 지지 부재의 조합을 얇은(2㎛ 미만) YSZ 멤브레인 레이어와 조합시킬 수 있다. 이러한 구조는 기재의 두께가 초과될 필요 없이 열 순환의 응력을 견디는 강도를 가지며 두께가 약 0.5㎜ 이하인 실리콘 웨이퍼를 이용하여 얻어질 수 있다. 열팽창 계수와 관계없이, 조밀한 세라믹 기재, 예를 들어 Al2O3 물질로부터, 상기 국제특허 공개공보 WO 2005/030376에 기재된 설계 규정을 따르는 범위에서 유사한 합성 구조가 이루어질 수 있다.
공지된 레이어 제조 기술에서는, 연료와 공기 사이의 기체 유동을 분리하기 위해 기체-불투과성 양극 플레이트(gas-impermeable bipolar plate)가 필요하다. 수직의 편평한 스택은, 하나의 멤브레인 레이어의 애노드로부터 인접하는 레이어의 캐소드에 전기적 접촉이 이루어질 필요가 있다. 그러나 애노드 위를 통과하는 연료는 캐소드 위를 흐르는 공기와 혼합되어서는 안 된다. 따라서 도전성 양극 플레이트는 일반적으로, 레이어 사이의 전기적 연결은 물론, 애노드에 대한 연료의 경로, 캐소드에 대한 공기의 경로, 및 기체 유동들 사이의 기밀 분리를 위해 이용된다.
다시 도 1을 참조하면, 연료전지 멤브레인(14)의 캐소드가 연료전지 멤브레인(16)의 캐소드와 직접 대면하기 때문에, 유동 경로 레이어에 이러한 기체의 분리가 필요하지 않다. 양쪽 멤브레인 레이어는 동일한 기체 유동을 공유하며, 이들 2 개의 연료전지 레이어 사이에는 전기적 연결이 필요하지 않다. 따라서 유동 경로 레이어의 설계가 간소화되고, 0.3 내지 0.5㎜의 두께를 가지는 매우 얇은 유동 경로 레이어가 가능하다.
도 5는 도 4에 도시한 4-레이어 연료전지 스택과 기하학적으로 호환되는 유동 경로 레이어를 나타낸다. 개구부(180)는 스택의 하나의 레이어로부터 상하의 레이어에 대한 연료의 수직 통로를 제공한다. 채널(182)은 캐소드 위의 공기 유동을 위해 제공된다. 유동 경로 레이어(148)가 2개의 캐소드와 대면하는 레이어를 분리하는 범위에서, 스택에 구조적 강성을 추가하고 모든 캐소드 표면 위에 공기를 충분히 분배하기 위해 간단한 리브형(ribbed) 구조만이 필요하다.
유동 경로 레이어는 실리콘과 같은 강성 재료로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서의 실리콘 선택은, 모든 멤브레인 레이어와 유동 경로 레이어 사이에서 구조적인 재료가 일치되는 장점을 더 갖는다. 이러한 형태에서는, 이들 2개의 구조적인 재료 사이의 열팽창 계수와 연관되는 응력이 회피될 수 있다.
유동 경로 레이어는 금속 재료로부터 기계가공되거나 스탬핑될 수 있다. 그러나 유동 경로 레이어의 열팽창 계수는 멤브레인 레이어의 구조적인 재료의 열팽창 계수와 실질적으로 유사하게 유지되어야 한다. 얇은 금속 유동 경로 레이어는 실리콘으로 이루어지는 유동 경로처럼 강성은 아니지만, 멤브레인 레이어용으로 이용되는 실리콘 또는 다른 세라믹 재료는, 열 순환의 응력에 견디도록 전체 스택에 보다 충분한 강성 및 강도를 제공한다.
발열/단열
또한, 전기적인 출력을 약 2W/㎤보다 크게 유지하기 위해, 발생된 열량이 2W/㎤보다 크게 유지되는 경우, 시스템 성능 및 크기 또한 향상된다. 작은 크기에서는 표면적이 급격하게 증가되기 때문에, 장치의 작동 온도를 유지하기 위해 충분히 높은 열 밀도가 유지될 필요가 있다. 연료전지 장치가 단독으로 충분한 열을 생성하지 못하는 경우, 열을 2W/㎤보다 크게 유지하기 위해 여분의 연료를 연소시키도록 테일가스 버너를 이용하는 것이 장치의 효율적인 작동을 위해 바람직하다. 열이 2W/㎤보다 크도록 장치가 작동되는 것을 보장함으로써, 단열 두께가 최소화될 수 있으며, 이로 인해 기존의 배터리에 비해 상업적으로 경쟁력이 있는 장치를 제조할 수 있다.
고체산화물 연료전지 시스템의 단열 용적의 설계는 고체산화물 연료전지의 효율을 향상시키기 위한 다른 영역이다. 단열재를 통한 전열에 의해 소실되는 폐열의 양을 최소화하면서, 고온의 하우징을 외측 패키지 및 그 주위로부터 단열시키는 기능을 위해 섬유질 또는 미세공질 세라믹이 이용되었다. 예를 들어, 전열성이 낮으며 0.04W/m-k만큼 낮은 800℃에서의 작동에 대하여 안정적인 에어로젤 재료가 가용하다.
특히 소형 패키지에 대한 가장 공간 효율적인 단열은 진공 단열일 수 있다. 이것은, 연료전지 장치의 부분이, 하우징 내부에 수용된 내용물을 원하는 온도로 유지시키도록 외벽 및 단열 공간을 가지는 보온병으로서 기능할 수 있도록 한다. 단열 용적 내의 전체 기압을 100mtorr 미만, 바람직하게는 10mtorr 미만으로 유지함으로써, 기체 상태를 통해 하우징으로부터 빠져나가는 임의의 열 손실을 실질적 으로 제거할 수 있다. 진공 펌프에 의한 배기 포트를 통한 배출(evacuation), 또는 진공 분위기에서 외벽의 부재를 함께 밀봉하는 처리에 의해, 상기 외벽에 의해 형성되는 단열 용적 내부에 부분 진공이 형성될 수 있다.
진공 패키지의 실시예를 이용하고 에어로젤과 같은 두꺼운 고체 단열재의 이용을 생략하는 경우, 하우징으로부터의 열 손실의 새로운 유형은 적외선에 의한 열손실 형태에서 문제가 된다. 하우징의 표면으로부터 방출되는 적외선은 실제로 도 1에 도시한 단열 패키지에 대하여 주요한 열손실이 될 수 있다.
방열에 의한 열손실을 감소시키기 위한 방법은 3가지 이상이 있으며, 이들 중 한 가지가 단독 또는 조합되어 이용될 수 있다. 이들은 도 1을 참조하면 확인할 수 있다. 첫째, 집적식 연료전지 장치의 외표면에 반사 코팅이 가해져서 고온 표면으로부터의 적외선 방사 및 전력 손실을 감소시킬 수 있다. 둘째, 진공 외벽(30)의 내표면을 따라 방열 반사체(40)가 제공되어, 반사되는 적외선을 집적식 연료전지 장치로 되돌린다. 이러한 방열 반사체는, 외벽(30)의 내표면에 증착되는 금속 코팅에 의하거나, 진공 벽의 내표면에 기계적으로 부착되는 적외선 반사 물질에 의해, 구성될 수 있다. 또한, 외벽의 고온 표면과 저온 표면 사이에는 일련의 평행한 방열 반사체가 제공될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 사상 및 필수 특징을 벗어나지 않고 다른 특정한 형태로 실시될 수 있다. 따라서 전술한 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니라 예시적인 것으로 이해되어야 한다. 그러므로 본 발명의 범위는 전술한 설명에 의한 것이 아니라 청구범위에 의해 정의되며, 청구범위와 동등한 의미 및 범위 내의 모든 변경은 본 발명에 포함된다.
본 명세서에 기재된 특허문서 및 기술적인 공보들은 각각 모든 목적으로 참조되어 본 명세서의 일부로 하였다.

Claims (23)

  1. 하우징을 포함하는 장치에 있어서,
    상기 하우징은, 연료전지, 및 상기 연료전지와 열 소통되는 테일가스(tail gas) 버너를 수용하고,
    상기 하우징은, 실질적으로 등온인 구역을 형성하고, 상기 연료전지 및 상기 테일가스 버너는 공통 벽을 공유하는,
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 연료 개질기(fuel reformer)를 수용하고, 상기 연료 개질기는 상기 연료전지와 열 소통되는, 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 및 상기 테일가스 버너는 약 2W/㎤ 이상의 전력 밀도를 생성하도록 배치되는, 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지는 고체산화물 연료전지인, 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지는, 약 500㎛ 이하의 두께를 가지는 멤브레인 레이어를 포함하는, 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지는, 평면을 형성하는 복수의 연료전지를 포함하여 면내 연료전지 스택(in-plane fuel cell stack)을 형성하는, 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하우징은, 실질적으로 평행한 2개의 면내 연료전지 스택을 포함하는, 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 테일가스 버너와 유체 소통되는, 전열성이 낮은 유체 연결 부재를 포함하는, 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전열성이 낮은 유체 연결 부재는, 미세가공된 유체 유도관(micromachined fluid conducting tube), 동심이중관(concentric tube), 또는 글래스 캐필러리관(glass capillary tube)인, 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지와 전기적으로 도통되는, 전열성이 낮은 전기 부재를 포함하는, 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전열성이 낮은 전기 부재는 약 50㎛ 이하의 직경을 가지는, 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 외부에 인접하여는 단열 용적이 배치되는, 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 단열 용적은, 감압된, 단열 발포체, 단열 반사체, 또는 이들의 조합을 포함하는, 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 테일가스 버너와 열 소통되는 복열기(heat recuperator)를 더 포함하는, 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복열기가 상기 단열 용적 내에 위치되는, 장치.
  16. 연료전지, 및 상기 연료전지와 열 소통되는 테일가스 버너를 포함하고,
    상기 연료전지 및 상기 테일가스 버너는 약 2W/㎤ 이상의 전력 밀도를 생성하도록 배치되는,
    장치.
  17. 고체산화물 연료전지의 작동 중에 열 손실을 최소화하는 방법에 있어서,
    연료전지를 수용하는 하우징을 제공하는 단계, 및
    상기 하우징의 체적에 대한 전력의 비율이 약 2W/㎤를 초과하도록 상기 연료전지를 작동시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  18. 애노드(anode) 레이어, 캐소드(cathode) 레이어, 및 전해질(electrolyte) 레이어를 포함하는 제1 고체산화물 연료전지, 및
    애노드 레이어, 캐소드 레이어, 및 전해질 레이어를 포함하는 제2 고체산화물 연료전지를 포함하고,
    상기 제1 고체산화물 연료전지의 상기 전해질 레이어의 중심선과, 상기 제2 고체산화물 연료전지의 상기 전해질 레이어의 중심선 사이의 거리가 약 1.5㎜ 이하인,
    장치.
  19. 고체산화물 연료전지, 및
    상기 고체산화물 연료전지와 유체 소통되는, 전열성이 낮은 유체 연결 부재를 포함하고,
    상기 고체산화물 연료전지는 약 400℃ 이상의 온도에서 작동되도록 되어 있고, 상기 전열성이 낮은 유체 연결 부재는 상기 전열성이 낮은 유체 연결 부재의 솔리드 단면으로 인한 열 손실이 상기 전열성이 낮은 유체 연결 부재 당 약 0.1W 미만이 되도록 설계되는,
    장치.
  20. 고체산화물 연료전지, 및
    상기 고체산화물 연료전지와 전기적으로 도통되는, 전열성이 낮은 전기 부재를 포함하고,
    상기 고체산화물 연료전지는 약 400℃ 이상의 온도에서 작동되도록 되어 있고, 상기 전열성이 낮은 전기 부재는 약 0.5Ω 이상의 저항을 가지는,
    장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 전열성이 낮은 전기 부재는 백금을 포함하며 약 100㎛ 이하의 직경을 가지는, 장치.
  22. 고체산화물 연료전지를 수용하는 하우징, 및
    상기 하우징의 외부에 인접하여 배치되는 단열 용적을 포함하고,
    상기 단열 용적은 감압되어 있는,
    장치.
  23. 고체산화물 연료전지를 수용하는 하우징,
    상기 하우징의 외부에 인접하여 배치되는 단열 용적, 및
    상기 고체산화물 연료전지와 열 소통되는 열교환기를 포함하고,
    상기 열교환기는 상기 단열 용적 내에 위치되는,
    장치.
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Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7858256B2 (en) 2005-05-09 2010-12-28 Bloom Energy Corporation High temperature fuel cell system with integrated heat exchanger network
US8691462B2 (en) * 2005-05-09 2014-04-08 Modine Manufacturing Company High temperature fuel cell system with integrated heat exchanger network
US20060251934A1 (en) * 2005-05-09 2006-11-09 Ion America Corporation High temperature fuel cell system with integrated heat exchanger network
DE102006031864A1 (de) * 2006-07-10 2008-01-17 Webasto Ag Brennstoffzellensystem mit Isolationseinrichtung
EP1909350B1 (en) 2006-10-06 2010-12-08 STMicroelectronics Srl Micro fuel cell system fed with hydrogen produced by decomposition of sodium borohydride in a microreactor
US8232010B2 (en) 2006-10-06 2012-07-31 Stmicroelectronics S.R.L. Process and corresponding apparatus for continuously producing gaseous hydrogen to be supplied to micro fuel cells and integrated system for producing electric energy
DE102007009749A1 (de) * 2007-02-28 2008-09-18 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Isolationsstruktur, einem Stromleiter und einer Fluid-Leitung
JP2009099437A (ja) * 2007-10-18 2009-05-07 Honda Motor Co Ltd 燃料電池モジュール
TWI357171B (en) * 2007-12-06 2012-01-21 Young Green Energy Co Heat exchanging element and fuel cell system using
US7931997B2 (en) * 2008-03-12 2011-04-26 Bloom Energy Corporation Multi-material high temperature fuel cell seals
KR100952604B1 (ko) * 2008-07-28 2010-04-15 한국과학기술원 개질기 일체형 고체산화물 연료전지
US8623569B2 (en) 2008-12-09 2014-01-07 Bloom Energy Corporation Fuel cell seals
WO2010066443A1 (en) * 2008-12-11 2010-06-17 Ezelleron Gmbh High-temperature fuel cell system
US8841037B2 (en) 2008-12-12 2014-09-23 Ezelleron Gmbh Fuel cell system with burner
US20100304257A1 (en) * 2009-05-26 2010-12-02 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware System and method of operating an electrical energy storage device or an electrochemical energy generation device using microchannels and high thermal conductivity materials
US8802266B2 (en) * 2009-05-26 2014-08-12 The Invention Science Fund I, Llc System for operating an electrical energy storage device or an electrochemical energy generation device using microchannels based on mobile device states and vehicle states
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
CA2899575C (en) 2010-02-10 2020-03-10 Ut-Battelle, Llc Low temperature electrolytes for solid oxide cells having high ionic conductivity
KR101237735B1 (ko) * 2010-06-14 2013-02-26 포항공과대학교 산학협력단 내부개질형 관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법
US8968509B2 (en) 2013-05-09 2015-03-03 Bloom Energy Corporation Methods and devices for printing seals for fuel cell stacks
US9905871B2 (en) * 2013-07-15 2018-02-27 Fcet, Inc. Low temperature solid oxide cells
KR101925826B1 (ko) 2013-11-06 2018-12-06 와트 퓨얼 셀 코퍼레이션 구조적 구성요소로서 페로브스카이트를 가지는 개질장치
CN105706283B (zh) 2013-11-06 2018-11-06 瓦特燃料电池公司 集成的气态燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及产生电力的方法
US9624104B2 (en) 2013-11-06 2017-04-18 Watt Fuel Cell Corp. Liquid fuel CPOX reformers and methods of CPOX reforming
KR101865032B1 (ko) 2013-11-06 2018-06-07 와트 퓨얼 셀 코퍼레이션 액체 연료 cpox 개질장치-연료 전지 시스템, 및 전기 생산 방법
CA2929546C (en) 2013-11-06 2019-03-05 Watt Fuel Cell Corp. Gaseous fuel cpox reformers and methods of cpox reforming
CN105706281B (zh) 2013-11-06 2019-07-26 瓦特燃料电池公司 化学反应器系统
JP6261989B2 (ja) * 2014-01-20 2018-01-17 三菱日立パワーシステムズ株式会社 燃料電池及び燃料電池の冷却方法
US10826075B2 (en) * 2016-04-19 2020-11-03 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Membrane electrode assembly of electrochemical device, membrane electrode assembly of fuel cell, fuel cell, membrane electrode assembly of electrochemical hydrogen pump, electrochemical hydrogen pump, membrane electrode assembly of hydrogen sensor, and hydrogen sensor
CN106299425B (zh) * 2016-08-24 2019-02-15 广东工业大学 智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置
WO2021090041A1 (ja) * 2019-11-07 2021-05-14 日産自動車株式会社 燃料電池システム

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1422353A (fr) * 1964-11-13 1965-12-24 Thomson Houston Comp Francaise Enceinte calorifugée à température interne sensiblement constante
US3420944A (en) * 1966-09-02 1969-01-07 Gen Electric Lead-in conductor for electrical devices
JPS5736784A (en) * 1980-08-16 1982-02-27 Mitsui Toatsu Chem Inc Method of effectively utilizing exhaust gas in fuel-cell power generation device, and system for that
JPS5821095A (ja) * 1981-07-31 1983-02-07 株式会社日立製作所 断熱配管ユニツト
JPS60164334U (ja) * 1984-04-09 1985-10-31 日東工器株式会社 容器
JPS62176066A (ja) * 1986-01-28 1987-08-01 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 高温作動型燃料電池
JPS63263370A (ja) * 1987-04-20 1988-10-31 Hitachi Ltd 断熱装置
EP0355420B1 (en) 1988-07-23 1993-10-06 Fuji Electric Co., Ltd. Solid electrolyte fuel cell
US4997726A (en) * 1989-02-15 1991-03-05 Sanyo Electric Co., Ltd. Solid oxide electrolyte fuel cell
US5347816A (en) * 1992-07-31 1994-09-20 University Of Chicago Variable pressure thermal insulating jacket
US5641585A (en) * 1995-03-21 1997-06-24 Lockheed Idaho Technologies Company Miniature ceramic fuel cell
JP3580455B2 (ja) * 1996-03-25 2004-10-20 石川島播磨重工業株式会社 溶融炭酸塩型燃料電池とこれを用いた発電装置
JP3611065B2 (ja) * 1996-09-13 2005-01-19 石川島播磨重工業株式会社 一体型燃料電池発電装置
US6117302A (en) * 1998-08-18 2000-09-12 Aluminum Company Of America Fuel cell aluminum production
US6627339B2 (en) * 2000-04-19 2003-09-30 Delphi Technologies, Inc. Fuel cell stack integrated with a waste energy recovery system
US6939632B2 (en) * 2001-08-06 2005-09-06 Massachusetts Institute Of Technology Thermally efficient micromachined device
US20030096147A1 (en) * 2001-11-21 2003-05-22 Badding Michael E. Solid oxide fuel cell stack and packet designs
KR20030076259A (ko) * 2002-03-19 2003-09-26 술저 헥시스 악티엔게젤샤프트 열교환기 일체형 연료 전지 배터리
US20030194363A1 (en) * 2002-04-12 2003-10-16 Koripella Chowdary Ramesh Chemical reactor and fuel processor utilizing ceramic technology
US20040157096A1 (en) * 2002-10-07 2004-08-12 Peterson Richard B. Plug-compatible modular thermal management packages
US20040081871A1 (en) * 2002-10-28 2004-04-29 Kearl Daniel A. Fuel cell using a catalytic combustor to exchange heat
JP2004155629A (ja) * 2002-11-08 2004-06-03 Corona Corp 水素含有ガス製造装置及びこれを用いた小型燃料電池発電装置
US7405018B2 (en) * 2003-02-14 2008-07-29 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Fuel cell with catalytic combustor seal
JP2004296366A (ja) * 2003-03-28 2004-10-21 Casio Comput Co Ltd 発電装置
EP1682253B1 (en) 2003-09-23 2012-05-23 Lilliputian Systems, Inc. Fuel cell assembly with stress resistant thin-film membranes
US7306868B2 (en) * 2003-10-02 2007-12-11 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Integrated fuel cell stack and catalytic combustor apparatus, assembly, and method of use

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