KR20090119777A - 연료전지스택의 유동 후드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개선된 연료전지스택 조립체 및 연료전지스택 조립체의 작동방법, 특히 개선된 가스 유동 및 열 균형 유지에 관한 것이다.
Figure P1020097019959
고체산화물, 연료전지스택 조립체, 가스 입구, 열전달, 프리-히터

Description

연료전지스택의 유동 후드{FUEL CELL STACK FLOW HOOD}
본 발명은 개선된 연료전지스택 조립체 및 연료전지스택 조립체의 작동방법, 특히 개선된 가스의 유동 및 열 균형 유지에 관한 것이다.
여기서 사용되는 "연료전지스택 조립체"라는 용어는 적어도 하나의 연료전지스택과, 적어도 하나의 연료전지스택 층을 포함하는 각각의 적어도 하나의 연료전지스택과, 연료 및 산화제 입구/출구 결합체와, 연료의 유동 경로 및 산화제 스트림 또는 스트림들 및 사용된 연료의 유동 경로 및 산화제 스트림 또는 스트림들과, 연료전지스택의 베이스 플레이트 및 연료전지스택의 베이스 플레이트에 밀봉되게 결합된 후드를 의미한다. 연료전지스택 조립체의 다른 선택적인 구성요소들은 바람직하게는 연료측 밀봉 조립체, 산화제측 밀봉 조립체, 엔드-플레이트 및 압축 시스템, 연료전지스택 단열재, 그리고 전기 및 제어/모니터링 결합체를 포함한다.
여기서 사용되는 "연료전지스택 시스템 조립체"라는 용어는 시스템 일렉트로닉스와 함께 연료전지스택 조립체를 의미한다. 다른 선택적인 구성요소들은 리포 머(입구 연료가 리폼될 경우), 회수 시스템, 스트림 발생장치, 열교환기의 스트림들 중, 하나의 상변화를 선택적으로 포함하는 적어도 하나의 열교환기, 시스템 일렉트로닉스 및 시스템제어수단, 단열체, 시동 버너, 그리고 테일 가스(tail-gas) 연소기를 포함한다.
"시스템 일렉트로닉스"라는 용어는 제어 일렉트로닉스 및/또는 임의의 전력 일렉트로닉스를 포함한다. 상기 시스템 일렉트로닉스에는 상기 연료전지스택 조립체와 결합 또는 분리되며, 그 내부에 선택적으로 위치하거나 또는 근접하게 선택적으로 위치하는 적어도 하나의 일렉트로닉스 보드 및/또는 장치가 존재할 수 있다.
"시스템 제어 수단"이라는 용어는 가스 및 유체제어 밸브와 펌프, 에어 블로워장치, 그리고 안전장치를 포함한다.
연료전지스택 조립체들은 산화제 제품(여기서는 배출가스 스트림으로 언급되거나, 애노드 오프-가스 및 캐소드 오프-가스로 언급됨), 열, DC 전류의 형태로 공급되는 전력을 생산하기 위하여 입구 산화제 및 연료를 얻어 작동된다. 전반적으로, 연료전지스택 조립체들은 제1전압에서 제2전압까지 직류(DC)의 연료전지 출력을 전환하고/전환하거나 교류(AC)파 형태로 직류의(DC) 연료전지 출력을 전환하는 시스템제어 수단을 포함하는 추가적인 요소들과, 예컨대 전력 일렉트로닉스를 포함하는 시스템 일렉트로닉스를 구성한다.
1:1 및 10:1 사이의 연료비율, 더욱 일반적으로 2:1 내지 5:1 및 더욱 일반적으로 2.5:1 내지 4:1로 이루어진 산화제를 갖는 연료전지스택을 구동하는 것은 일반적이다. 그러므로, 작동 중에, 연료전지스택을 통해 유동하는 연료보다 연료전지스택을 통해 유동하는 산화제 가스의 최대량이 있다. 일반적으로, 산화제 가스 유동량의 초과량은 연료전지의 전기/화학 반응 위치에 근접하여 발생하도록 연료전지스택을 냉각하는데 이용된다.
연료전지의 작동 효율은 당업자에게 연료전지에서의 전기화학반응 순간의 국부적인 온도와 관련되는 것으로 잘 알려져 있다. 연료전지스택 조립체의 작동에서, 입구 가스 스트림은 연료전지로 유입되기 이전에 발열된다.- 만일, 입구 가스 스트림이 너무 낮은 온도로 연료전지에 유입되면, 상기 전기화학반응 순간의 국부적인 온도는 너무 낮게 될 수 있고, 작동 효율 및 연료전지의 출력은 불리한 영향을 미치게 될 수 있다. 연료전지스택의 온도를 관리하는 능력은 연료전지스택의 작동 효율 및 정격 출력에 상당한 영향을 받게 된다. 상당한 공학적인 노력은 작동상태의 범위를 넘어서 가장 효율적인 전기화학 반응을 통해 연료전지스택이 정확한 온도로 유지되는지를 확인하기 위하여 연료전지스택의 설계와, 플랜트 구성요소 및 제어 프로세스의 균형에 사용된다. 일반적인 작동 상태는 시스템 시동, 정상상태 작동, 동적 부하 변화, 그리고 시스템 종료를 포함한다.
예를 들어, 중온의 고체산화물 연료전지(IT-SOFC) 장치의 경우, 연료전지스택 조립체 내의 연료전지스택의 연료전지의 전기화학 반응은 450 ~ 650℃ 사이의 국부적인 온도에서 가장 효율적으로 일어날 수 있다. 연료전지스택의 가장 효율적인 작동을 위하여, 연료전지스택의 작동 온도에 근접한(예를 들어, 연료전지스택의 작동온도(℃)의 0~20%, 더욱 바람직하게는 0~10% 내, 더욱 바람직하게는 0~5%) 온도로 산화제 및 연료 입구 스트림을 가열시키는 것이 바람직하다. 상기 IT-SOFC 시스템의 예시는 적어도 하나의 금속이 지지된 산화세륨 가돌리늄 산화물(CGO)을 포함한 연료전지스택이다. 상기 IT-SOFC 시스템의 예시는 주위온도 480℃의 온도로 연료전지스택으로 유입되는 산화제 가스 스트림을 가열 가능한 적어도 하나의 열교환 시스템일 수 있다. 일반적인 연료전지 시스템의 설계를 위하여, 상기 열교환시스템 출구의 산화제가스 스트림 온도는 연료전지스택의 산화제가스 스트림 입구 온도와 상당히 동일하게 설계된다. 그 결과, 상기 연료전지 입구의 산화제 가스 스트림에서 더 이상 열교환할 수 없게 된다. 일반적인 IT-SOFC 시스템에서, 열교환 시스템의 가열 가스는 주위온도 510℃의 열교환 시스템의 입구 온도를 가질 수 있다. 주위온도 480℃의 온도로 연료전지스택으로 유입되는 산화제 가스 스트림과 주위온도 510℃의 입구 온도로 가스가 가열되는 열교환 시스템 사이의 온도가 내려갈 가능성 때문에, 상기 열교환기의 설계는 반드시 크기가 크고, 고중량일 것이다. 대략 1kW의 정격 출력을 갖는 연료전지시스템의 열교환 시스템의 예시는 효율이 우수하나, 복잡하고, 고비용이며, 약 3.5kg의 중량으로 이루어진다.
연료전지스택의 산화제가스 스트림을 가열하기 위한 상기 열교환 시스템은 적어도 2개의 열교환 장치로 제조될 수 있다. 상기 적어도 2개의 열교환 유닛은 적어도 2개의 연료전지 시스템의 가스 스트림을 사용할 수도 있다(예컨대, 애노드 오프-가스 스트림 및 테일-가스 버너 오프 가스 스트림).
연료전지스택의 가스 입구 스트림의 가열 가능한 다양한 열교환 시스템은 공지기술, 예컨대 US 5902692, US 6042956, 그리고 EP 0580918에 의해 잘 알려져 있다. 그러나, 상기 장치는 복잡하고 고비용이며 제조하기 어려우며, 특히 가스 스트림의 혼합을 방지하기 위한 실링 효과의 문제들과 마주치며, 열교환 면의 영역을 제한하게 된다.
US 2005/0089731은 프리-리포머(free-reformer)와 통합된 열교환기로 구성된 고체산화물 연료전지의 필수적인 특징을 갖는 시스템을 개시한다. 상기 통합된 열교환기는 2개의 열교환기들과 모두 단열 용기로 둘러싼 SOFC 스택의 오프-가스 연소기를 포함한다.
상기 열에너지는 열교환기의 가열 원료로 사용되는 오프 가스 연소기로부터 배출된다. 상기 SOFC는 650~850℃의 작동 범위가 정해져 있으나, 750℃의 온도로 작동 가능토록 개시되어 있다. 상기 연료는 300~600℃(단락[0063])의 온도로 우선적으로 개선하게 된다. 대부분의 실시예에 개시되어 있는 바와 같이, 연료와 공기 는 통합된 열교환기(단락[0079])의 촉매 연소기로부터 방출되는 열을 사용하거나, 연소기의 열과 연료전지스택(단락[0080])에서 배출되는 공기 또는 연료에서 방출되는 열에너지를 사용함으로써, 하나 또는 그 이상의 열교환기에서 가열된다.
도 21 및 도 22는, 스택에 직접 공급되는 대신에, 연료 가스가 스택의 둘레에 공급되는 상황을 나타낸다. 그러나, 이러한 특징은 불가능하다. 연료는 연료전지스택으로 공급되기 전에, 연료전지스택의 주위의 공간에 300~600℃(395℃-단락[0125]) 사이에서 프리-리포머로부터 직접 공급된다. 상기 연료전지스택은 650~850℃, 바람직하게는 750℃의 온도의 연료를 필요로 한다. 연료는 프리-리포머로부터의 배출 및 연료전지스택으로의 공급 사이에서의 충분한 열에너지를 확보하는 방법이 개시되어 있지 않다. 발생하는 100℃의 온도보다 더 온도를 상승시키기 위하여, 상기 연료는 충분한 열에너지를 얻기 위한 충분한 시간을 두고 상기 스택의 공간에 머물러야 한다. 그리고, 이를 달성하기 위한 방법에 대한 제안 또는 제시가 존재하지 않는다. 추가적으로, 스택 주위의 공간이 어떻게 구조화되고, 단열 용기로 만들어진 단열재로부터 배출되는 가스의 배출을 막기 위하여 상기 공간이 어떻게 가스를 밀폐시킬 수 있는지에 대한 설명이 존재하지 않는다. 이것은 고온과 같은 평범한 문제가 아니고, 수소를 포함하는 폭발성 가스들의 존재는 넓은 온도 작동 범위-스택의 둘레와 단열 용기로 이루어진 단열재 사이의 공간에서 650℃를 넘을 수 없는 가스의 온도 범위-를 넘어서 가스의 완전한 밀폐를 확보하기 위한 상당한 공학적 도전을 통해 제조된다.
단락[0105]에서는 연료전지스택의 둘레에서 연료를 가열하는 대신에, 연료전지스택의 둘레에서 가열될 수 있는 공기에 대하여 언급되어 있다. 상기 단락은 공기가 연료전지스택의 둘레의 공기 블로워로부터 직접 공급되는 것을 제시하고 있다. 다시 말해서, 이것은 불가능하다. 우선, 공기는 주위온도에 근접한 주위의 공간으로 유입되고, 적어도 600℃로 상승하는 온도를 필요로 한다. 상기 단락은 어떻게 달성되는지의 제안이나 발표가 존재하지 않으며, 만일 달성되지 않을 경우, 연료전지스택의 작동은 쉽게 정지될 것이다. 상기 온도 차이가 있는 공기의 발생을 통해 연료전지스택의 표면에서 발생된 열충격은 그 영역에서 능동적인 연료전지 구성요소의 신속한 국부 냉각 및/또는 가스 밀폐력의 완전성 또는 세라믹물질의 완전성의 손실을 통해 스택의 파손 및/또는 스택 성능의 손실에 이르는 심각한 국부 응력을 발생시킨다.
그러므로, US 2005/0089731은 타당하나, 이의 발표에 있어서 근본적으로 단점이 있다.
다른 종래기술은 US 6670069, US 6866954, US 2003/0235751, US 2004/0043267, US 2005/0014046, US 2005/0074659, US 2006/0204796, 그리고 US 2006/0257696을 포함한다.
본 발명은 종래의 단점을 극복하고자 한다.
본 발명에 따르면,
(ⅰ)베이스 플레이트;
(ⅱ)상기 베이스 플레이트와 상기 후드 사이에서, 상기 베이스 플레이트에 밀봉되게 결합되며, 후드 볼륨을 한정하는 후드;
(ⅲ)상기 베이스 플레이트에 장착되며, 상기 후드에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 중온의 고체산화물 연료전지스택;
(ⅳ)상기 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 입구; 및
(ⅴ)산화제 원료 및 적어도 하나의 상기 가스 입구에 유동적으로 연결되며, 상기 가스 입구를 경유하여 상기 산화제 원료에서 상기 후드 볼륨까지 산화제를 공급하기에 적합한 프리-히터를 구성하며,
각각의 연료전지스택은 적어도 하나의 연료전지스택 층을 구성하고, 각각의 연료전지스택 층은 적어도 하나의 중온의 고체산화물 연료전지를 구성하며, 각각의 연료전지는 산화제 입구의 단부 및 산화물 출구의 단부를 한정하며,
적어도 하나의 상기 연료전지스택은,
(a)적어도 하나의 상기 연료전지스택의 개방형 매니폴드의 단부를 한정하는 적어도 하나의 개방형 매니폴드의 가스 입구; 및
(b)적어도 하나의 내부로 매니폴드가 형성된 가스 출구를 포함하며,
사용중인 산화제가 적어도 하나의 가스 입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 유입되고, 적어도 하나의 연료전지스택의 외측을 우회하여 적어도 하나의 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구로 통과되도록, 적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드 단부로부터 멀리 떨어져 있는 상기 후드 볼륨 내의 적어도 하나의 상기 가스 입구; 상기 산화제가 상기 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구로 유입되기 전에 상기 산화제 및 적어도 하나의 상기 연료전지스택 층의 외부 표면 사이에서 발생하는 직접적인 열전달; 적어도 하나의 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구에 가장 근접한 연료전지의 입구 단부에서 작동 온도인 기껏해야 100℃ 이하의 온도로(즉, 적어도 하나의 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구에 가장 근접한 연료전지의 입구 단부에서 작동 온도인 온도 100℃ 이하 또는 100℃ 이하보다 뜨겁게) 적어도 하나의 상기 가스 입구를 경유하여 후드 볼륨에서 가열되고 후드 볼륨에 공급되는 산화제 원료로 이루어진 산화제가 구성되는 상기 프리-히터를 포함하는 중온의 고체산화물 연료전지스택 조립체를 제공하게 된다.
본 발명은 특정 온도 범위 내에서 후드 볼륨에 산화제를 공급하고 후드 볼륨 내에서 가열을 수행함으로써, 상당히 많은 장점을 달성하고자 한다. 우선, 본 발명은 연료전지스택으로 유입되기 전에 산화제를 가열하는데 사용되는 프리-히터의 크기 및 중량을 줄이고자 하며, 또한 최종 제품의 크기 및 비용을 줄이고자 한다. 적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드의 단부로부터 멀리 떨어진 후드 볼륨 내에 산화제를 공급하고, 산화물이 적어도 하나의 연료전지스택의 표면을 냉각시키고 또한 산화제를 가열시킴으로써, 본 발명은 연료전지스택에 걸쳐 온도 변화를 상당히 줄이고, 연료전지스택의 효율을 늘리며, 연료전지스택의 기계적인 응력을 줄이고, 수명을 늘리고자 한다. 이것은 종래기술에 의해 제안도 발표도 되지 않았다.
대략 1kW의 정격 출력 연료전지시스템에 요구되는 열교환 시스템에 대한 상술한 예시와 대조하여, 열교환 시스템에서 배출되는 연료전지스택의 산화제 가스 스트림의 요구 온도가 약 480℃에서 약 455℃까지 줄어들게 되면, 열교환 유체들 사이에 열 전위에 대한 증가는 상기 열교환 시스템의 필수 효율이 기본적으로 줄어들게 되고, 이에 따라 복잡성, 비용 및 중량 또한 줄어들게 된다. 상기의 1kW의 정격 출력 연료전지 시스템의 예시는 상기 중량이 거의 30%가 줄어드는 약 2.5kg으로 줄어들 수 있다. 동시에, 상기 열교환 시스템의 물리적인 척도는 최적의 공간과 중량을 갖는 임의의 연료전지스택 시스템 조립체의 다른 바람직한 형상을 기본적으로 줄일 수 있다.
사용 중에, 적어도 하나의 연료전지를 구성한 연료전지스택은 연료전지에서 일어나는 전기화학적인 반응을 통해 열, 전기 및 물을 발생시킨다. 연료전지스택의 구성요소의 내부 전기저항으로 인하여, 연료전지스택의 구성요소를 통해 전류의 유동으로 발생된 추가적인 열이 있다. 이것은 연료전지 및 연료전지 구성요소의 주위 온도가 입구에서 출구까지의 가스 유동 경로를 따라 증가한다는 것을 의미한다. 그러므로 연료전지스택 가스의 유동 경로에 대한 입구 단부에서의 온도가 가스 유동에 대한 출구 단부에서의 온도보다 냉각된다는 것이 자주 관찰된다. 이러한 온도의 차이는 가스 유동 경로를 따라 열적 변화를 발생시키고, 구성요소의 가스 유동 입구와 출구의 단부 사이에서 연료전지스택과 연료전지스택이 서로 다른 온도를 갖도록 한다. 그러므로, 연료전지스택의 외부면은 가스 유동 경로의 입구 단부(예컨대, 개방형 매니폴드의 입구 단부) 및 출구 단부(예컨대, 내부로 매니폴드가 형성된 출구 단부)에서 서로 다른 온도를 가질 수 있다.
가능한 한 연료전지스택 내의 열적 변화를 최소화하는 것이 바람직하고, 연료전지스택의 작동 효율을 최적화하는 것이 바람직하다. 그러므로, 연료전지스택 및 적어도 하나의 연료전지스택 층에서 열적 변화를 줄이는 것은 연료전지스택의 구성요소에서 열적으로 발생하는 기계적인 응력을 줄인다. 그러므로, 연료전지 전기화학적인 반응 구간 전체에 걸쳐 열적 변화를 최소화하는 것은 단지 연료전지의 작동에 대한 유효성 및 효율성에 장점이 있는 것이 아니라, 시스템의 복잡성 및 종합적인 시스템의 비용을 줄일 수 있으며, 더욱 바람직한 시스템을 만들 수 있다.
바람직하게는, 프리-히터는 후드 볼륨의 외부에 위치하게 된다.
바람직하게는, 상기 연료전지스택 조립체는 상기 후드 볼륨 내에 위치된 입구 가스형 프리-히터 및 열교환시스템을 구성하지 않는다. 특히, 상기 후드 및/또는 베이스 플레이트가 후드 볼륨 내부의 냉각 측과 후드 볼륨 외부의 발열 측을 구비하고, 연료전지스택 조립체의 유체 출구, 특히 연료전지스택의 산화제측의 출구와 연결된 열교환기의 열교환 표면을 구성하지 않는 것은 바람직하다. 가장 바람직하게는, 상기 후드 볼륨 내에 위치하는 입구 가스형 프리-히터는 산화제 프리-히터가 아니다.
바람직하게는, 상기 프리-히터는 산화제 원료로 이루어진 산화제가 적어도 하나의 개방형 매니폴드 가스 입구에 가장 근접한 연료전지의 입구 단부에서, 작동 온도보다 낮은 80℃ 이하, 더 바람직하게는 70℃, 더 바람직하게는 60℃, 더 바람직하게는 50℃의 온도로 적어도 하나의 가스 입구를 경유하여 상기 후드 볼륨에 제공되어 가열되도록 형성된다.
연료전지스택 조립체가 다른 모드(예컨대, 시동, 정상상태 작동 등.)에서 작동하는 것에 대해 판단하건대, 프리-히터가 적어도 하나의 개방형 매니폴드의 가스 입구에 가장 근접한 연료전지의 입구 단부에서 작동 온도 이상인 온도로 후드 볼륨에 산화제를 공급할 수 있는 것은 가능하다.
바람직하게는, 적어도 하나의 연료전지스택은 적어도 하나의 내부로 매니폴드가 형성된 연료 입구를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 연료전지스택은 적어도 하나의 내부로 매니폴드가 형성된 배출 연료 출구를 더 포함한다.
일실시예에서, 적어도 하나의 내부로 매니폴드가 형성된 가스 출구는 적어도 하나의 내부로 매니폴드가 형성된 혼합 배출 연료 및 산화제 출구를 포함한다.
"직접적인 열전달"은 산화제가 적어도 하나의 연료전지스택의 외부면에 직접 접촉됨을 의미한다. 특히, 이러한 외부 면은 적어도 하나의 연료전지스택 층의 측면부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 외부 면은 상호연결된 플레이트 및/또는 스택 층 가스켓 또는 비전도성 스페이서(spacer)와 같은 추가적인 연료전지스택의 구성요소의 측면부를 포함할 수 있다.
그러므로, 직접적인 열전달은 적어도 하나의 연료전지스택의 내부로부터 시작하며, 산화제가 연료전지스택을 통과하게 된다. 그리고, 이것은 적어도 하나의 연료전지스택으로 유입되기 전에 산화제가 최종적인 필요 열에 영향을 미칠 수 있다.
후드 볼륨 내의 가스 입구는 적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드의 단부로부터 멀리 떨어져 위치하게 된다. 바람직하게는, 후드 볼륨 내의 가스 입구는 개방형 매니폴드의 단부에서 멀리 떨어져 있으며, 적어도 하나의 연료전지스택 단부의 반대편에 위치하게 된다. 적어도 하나의 연료전지스택 내에 많은 개방형 매니폴드가 있는 바, 상기 후드 볼륨 내의 가스 입구는 개방형 매니폴드로부터 멀리 위치할 수도 있으며, 통상 일정 거리 내에 있다.
일실시예에서, 적어도 하나의 가스 입구는 단일개의 가스 입구로 이루어져 있다. 다른 실시예에서, 적어도 하나의 가스 입구는 여러 개의 가스 입구로 이루어져 있다.
일실시예에서, 적어도 하나의 가스 입구는 베이스 플레이트에 위치하게 된다. 다른 실시예에서, 적어도 하나의 가스 입구는 후드에 위치하게 된다. 또 다른 실시예에서, 가스 입구들은 후드 및 베이스 플레이트 모두에 위치하게 된다. 가스 입구의 위치들과 개수와 같은 다양한 실시예에 대해, 연료전지스택 조립체는 가스 입구에서 후드 볼륨으로 유입되는 가스를 바람직하게 분배하기 위하여 적어도 하나의 가스 입구의 유체 내에 위치한 형상 또는 구성요소인 적어도 하나의 배플을 더 포함한다. 특히, 적어도 하나의 가스 입구가 베이스 플레이트에 위치하되, 매니폴드 또는 구성요소는 연료전지스택의 고온의 표면 전체에 입구의 가스 유동을 분배하는데 도움을 주기 위하여 제공될 수 있다. 이로 인하여, 후드 볼륨의 정체된 임의의 유체 유동의 영역을 피할 수 있도록 하며, 가스 유동의 불필요한 채널링(channeling)을 피할 수 있도록 한다. 상기 입구의 가스 유동의 분배는 연료전지스택의 불균일한 표면 온도를 기대할 수 있도록 설계될 수 있다.
상기 후드는 적어도 하나의 연료전지스택 및 후드의 내부 표면 사이에서 일정한 공간을 갖는 적어도 하나의 연료전지스택에 근접하도록 위치된다. 적어도 하나의 연료전지스택 및 연료전지스택의 베이스 플레이트와 후드의 내부 표면 사이의 공간은 후드 볼륨을 형성한다.
바람직한 실시예는 다음과 같으며, 적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드 단부로부터 멀리 떨어져 위치한 후드 볼륨 내에 가스 입구를 구비함으로써, 사용중에 있는 입구 가스는 적어도 하나의 개방형 매니폴드 가스 입구에 유입 가능하고, 적어도 하나의 연료전지스택을 통과 가능한 개방형 매니폴드에 도달하기 전에, 적어도 하나의 연료전지스택의 외부 표면을 우회하여 유동하는 원인이 된다.
이러한 배열은 적어도 하나의 연료전지스택 및 종래 장치와 비교하여 더 큰 표면 영역의 입구 가스 사이에서 열교환되도록 함으로써, 간단하고 편리한 연료전지스택 조립체의 설계를 위하여 온도를 최종적으로 원하는 온도로 상승될 수 있도록 한다.
게다가, 후드 볼륨 내에 위치한 적어도 하나의 가스 입구가 적어도 하나의 연료전지스택의 적어도 하나의 개방형 매니폴드의 단부로부터 멀리 떨어져 있는 한, 그것은 통상 적어도 하나의 연료전지스택의 적어도 하나의 가스 출구의 단부에 근접하게 위치할 것이다. 상기 가스 출구의 단부는 적어도 하나의 연료전지스택의 고온 영역에 있다. 산화제 입구를 경유하여 후드 볼륨 내로 유입되는 산화제와 적어도 하나의 연료전지스택의 근접 부위 사이의 열 전위는 높을 것이고, 열교환율도 높을 것이다. 이것은 열교환이 상대적으로 높은 비율로 일어나는 것을 의미한다. 상기 후드 볼륨의 가스가 가열되는 동시에, 더 냉각된 적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드의 단부를 향해 유동하게 됨에 따라, 상기 산화제 및 적어도 하나의 연료전지스택의 근접 부위 사이의 열 전위는 낮아질 것이며, 이로 인해 열교환율도 낮아질 것이고, 열교환도 더 적게 발생하게 된다. 전반적으로, 이것은 더 냉각된 적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드의 단부에서 열교환이 더 적게 발생하며, 멀리 떨어진 뜨거운 곳에서 더 많이 발생하는 것을 의미한다. 이것은 연료전지스택 전반에 걸쳐 온도 변화가 줄어드는 것을 의미한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 연료전지스택 및 후드는 적어도 하나의 연료전지스택의 측면 주위에서 주로 발생하고, 적어도 하나의 연료전지스택의 최상단부를 넘지 않는 적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드의 단부에서, 가스 입구로부터 후드 볼륨까지 산화제가 유동할 수 있도록 배치된다.
예를 들어, 적어도 하나의 연료전지스택 및 후드는 적어도 하나의 연료전지스택의 최상단부에 걸쳐서 유동하는 산화제가 제한적으로 사용 중에 있도록, 적어도 하나의 연료전지스택의 최상단부 및 후드 사이의 협개선(narrow-gap)이 한정적인 크기일 수 있다. 선택적으로, 벽체는 적어도 하나의 연료전지스택의 최상단부의 경계 둘레에 제공될 수 있다. 바람직하게, 상기 벽체는 적어도 하나의 연료전지스택으로부터 후드까지 열 전달을 줄이거나 최소화하도록 하기 위하여 단열된다. 선택적으로, 단열 블록은 적어도 하나의 연료전지스택의 최상단부에 걸쳐서 유동하는 산화제를 줄이거나 막기 위하여, 적어도 하나의 연료전지스택의 최상단부와 후드 사이에서 그 연료전지스택의 최상단부에 제공될 수 있다. 바람직하게, 상기 단열 블록은 적어도 하나의 연료전지스택 및 후드 사이에서 밀봉 기능을 할 수 있도록 후드에 접촉하며, 연료전지스택의 최상단부 위로 유동하는 산화제를 막는다. 선택적으로, 상기 후드는 적어도 하나의 연료전지스택과 후드 사이에서 밀봉 기능을 할 수 있도록 연료전지스택의 최상단부에 접촉하고, 연료전지스택의 최상단부 위로 유동하는 산화제를 막는다.
바람직하게, 적어도 하나의 연료전지스택은 그것의 최상단부에 위치하는 엔드-플레이트를 구성하며, 상기 엔드-플레이트는, 예컨대 유체 유동에 영향을 미치는 암(arms), 핑거(fingers), 벽체 또는 몸체의 프로비전(provision)을 통하여 적어도 하나의 연료전지스택의 최상단부 위로 유동하는 산화제를 제어할 수 있는 형상 및 크기로 이루어질 수 있다.
특히, 이것은 연료전지스택의 중앙부 및 단부 사이의 열적 변화를 줄이는데 유리할 수 있다. 만일, 적층된 방향을 따라 전지 사이에 열적 변화가 최소화되면, 많은 연료전지스택 층들을 구성하는 연료전지스택, 즉 연료전지들은 상승된 효율로 작동할 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지스택의 최상단부 및 저부에서 연료전지스택의 엔드-플레이트로부터의 열손실의 감소는 상당한 장점이다. 그러므로, 연료전지스택의 엔드-플레이트 위의 후드 볼륨에서의 산화제의 유동을 최소화하는 것은 엔드-플레이트로부터 후드 볼륨의 산화제까지 배출되는 열의 양을 줄일 수 있도록 하는 목적 달성에 도움을 줄 것이다. 최상단부의 엔드-플레이트 위의 유동은 단열 물질일 수 있는 상기 엔드-플레이트 및 후드 사이의 물리적인 배리어(barrier)의 사용에 의해 최소화될 것이다.
사용 중에, 상기 연료전지스택은 연료전지의 전기화학적인 작동이 효율적일 수 있도록 하기 위하여, 제거해야 하는 상당한 양의 열을 발생한다. 적어도 하나의 연료전지스택에 유입되는 입구 가스는 스택 내부를 냉각시키는 중요한 기능을 수행한다. 일반적으로, 이것은 연료전지스택에 걸쳐서 용량이 초과된 산화제(예를 들어, 연료의 산화를 위해 필요한 적어도 2,3 또는 4가의 산소의 몰부피를 갖는 산화제)가 통과함으로써, 달성된다. 그러나, 순서대로, 이것은 예를 들어, 연료전지스택 시스템의 조립체를 통해 산화제가 통과되도록 하는 블로워의 에너지 소비량을 요구하며, 적어도 하나의 연료전지스택에서 입구 가스까지의 모든 열교환에 대한 개선은, 특히 산화제에 있어, 열교환에 영향을 미칠 수 있도록 요구하는 가스 부피를 줄일 수 있으며, 연료전지스택 시스템 조립체의 전력 소비를 순서대로 줄일 수 있다. 적어도 하나의 연료전지스택의 외부 표면, 즉 열교환기의 표면에 대한 프로비전(provision)은 입구 가스에 대한 각 장치의 부피로 열교환에 대한 증가량을 제공하는데 더욱 장점이 될 수 있으며, 요구된 입구 가스의 양을 줄이는데 더욱 장점이 될 수 있다.
바람직하게, 베이스 플레이트에 후드의 베이스를 밀봉되게 연결하는 것은 용접, 브레이징(brazing) 또는 접착에 의해 달성된다. 바람직하게, 추가적으로 상기 연료전지스택 조립체는 베이스 플레이트 및 후드 사이에 위치하는 단열 물질을 포함한다. 바람직하게, 이것은 가스켓의 형상을 취하고, 가스켓은 후드 및 베이스 플레이트 사이에 위치될 수 있으며, 가스켓의 압축은 필요한 밀봉 기능을 적용하는 것을 의미한다. 바람직하게, 상기 가스켓은 질석 가스켓 또는 바이톤(viton) 가스켓과 같은 단열성을 가지며, 가스를 완전히 밀폐시키는 가스켓이다. 그러므로, 상기 후드는 베이스 플레이트를 경유하여 적어도 하나의 연료전지스택으로부터 전달되는 열로부터 절연 가능하다.
바람직하게, 상기 후드는 후드의 내부 및 외부 표면 중, 적어도 하나에 위치한 단열 물질을 제공하게 된다. 이것은 적어도 하나의 연료전지스택으로부터 전달되는 열로부터 후드를 더욱 절연하게 되고, 또한 이것은 다른 구성요소에 대해 후드로부터 전달되는 열을 줄일 수 있도록 한다.
후드 볼륨 내의 가스 유동을 더욱 향상시키기 위하여, 바람직하게 후드 볼륨 내의 가스 입구는 적어도 하나의 배플(baffle)을 제공하게 된다.
바람직하게, 상기 후드는 후드 볼륨 내로 확장하는 적어도 하나의 배플을 제공하게 되고, 상기 후드 볼륨 내에서의 유체의 유동을 제어하기 위하여 적어도 하나의 배플은 일정한 형상 및 크기를 갖는다. 특히, 적어도 하나의 배플은 적어도 하나의 연료전지스택의 최상단부 위에서 발생하는 유체의 유동을 방지할 수 있다.
선택적으로, 상기 후드는 적어도 하나의 연료전지스택의 최상단부와는 대조적으로 연료전지스택 주위로 유체의 유동 방향을 제어하고/하거나 유체의 유동을 촉진시키기 위하여 리브(rib) 또는 핑거(finger)와 같은 적어도 하나의 추가적인 표면 형상을 제공할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 바람직하게, 적어도 하나의 연료전지스택 및 후드는 후드 볼륨 내에서의 유체의 유동을 제어하기 위한 크기로 형성되고, 적어도 하나의 연료전지스택의 주위에서 발생하도록 유체의 유동을 촉진시키기 위한 위한 크기로 형성되며, 연료전지스택의 최상단부에서는 그렇지 않게 된다.
상기 후드가 압축된 물품으로 제조되는 경우에 드로우 앵글(draw angle)은 유체 유동의 제어에 영향을 미칠 수 있도록 후드에서 적당한 표면 형상으로 한정하여 사용될 수 있다.
바람직하게, 적어도 하나의 배플은 적어도 하나의 연료전지스택의 표면에 근접한 가스 유동이 직행할 수 있도록 설계된다.
바람직하게, 상기 연료전지스택 조립체는 적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드의 단부 및 그것으로부터 멀리 떨어져 위치한 후드 볼륨 내의 적어도 하나의 가스 입구 사이에 위치한 후드 볼륨에 적어도 하나의 추가된 가스 입구를 구성한다. 적어도 하나의 추가된 가스 입구는 위치를 정하게 되고, 일정한 크기로 형성되며, 그 가스 입구의 가스 유동은 적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드의 단부를 향하여 가스가 유동할 수 있도록 제어될 수 있다. 추가적으로, 추가된 가스의 유동은 제어될 수 있으며, 후드 볼륨에서의 가스유동율을 변경시킬 수 있으며, 적어도 하나의 연료전지스택의 적어도 하나의 개방형 매니폴드의 단부로 유입되는 가스의 온도를 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템이 작동하지 않는 동안, 적어도 하나의 추가된 가스 입구로 유입된 가스는 적어도 하나의 가스 입구로부터 유입된 가스보다 상당히 냉각될 수 있으며, 그로 인하여 이는 시스템의 미작동 시간을 줄일 수 있는 연료전지스택의 온도 저하를 신속하게 가져갈 것이다.
적어도 하나의 연료전지스택 층의 외부 표면으로부터의 열 전달을 더욱 촉진하기 위하여, 추가적인 형상들은 예컨대, 적어도 하나의 연료전지스택 층(바람직하게는 적어도 하나의 연료전지를 포함)으로부터 확장된 핀, 핑거, 또는 암과 같은 돌출부를 포함하여 제공될 수 있고, 열 전달을 개선시키기 위하여 스택 표면에 근접한 가스 유동의 난류를 발생시키고/거나 촉진시킬 수 있는 열교환기에 걸쳐서 추가적인 표면 영역을 제공할 수 있다.
상기 후드 및 적어도 하나의 연료전지스택 층 또는 상기 연료전지스택 층으로부터 돌출된 임의의 돌출부 또는 연료전지스택 층의 표면 형상 사이에 형성된 간극은 가스 유동을 향상시킬 수 있도록 배치되며, 그리고 나서 열은 상기 형상에 걸쳐서 전달한다.
바람직하게, 적어도 하나로 형성된 형상은 가스 유동의 난류를 촉진하기 위하여 적어도 하나의 연료전지스택 층의 에지(edge)부 위에 제공된다.
시스템의 작동 효율이 낮은 작동 온도로 인하여 차선적인 경우, 시스템의 시동을 돕기 위하여, 상기 후드는 열, 바람직하게는 전기 열을 제공할 수 있고, 예컨대, 적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드의 단부로 유입되기 전에, 특히 후드 볼륨으로 배출되기 전에 히터에 의해 가열된 후드 볼륨 내의 유체(특히, 가스)가 배치된다. 바람직하게 상기 히터는 후드의 내부 표면 또는 후드의 외부 표면에 설치된다. 상기 히터는 케틀(kettle) 요소들로 사용된 물질과 동일한 물질로 제조될 수 있다. 선택적으로, 후드는 전류의 인가로 인해 가열된 유전 물질로 제조될 수 있다.
실시예에서, 전기 히터는 히터 요소 위로 통과하여 후드 볼륨으로 산화제(예컨대, 공기)가 유입되도록 랩핑되고 위치가 정해지거나 주위에 위치하거나 가스 분배 구성요소(예컨대, 후드 볼륨 또는 유동분배장치 내의 산화제 입구)에 포함되는 히터 요소의 형상을 취한다. 실시예에서, 상기 히터는 프리-히터의 구성요소 일부이다.
바람직하게, 상기 후드의 내부 표면은 적어도 하나의 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구로 유입되기 전에 산화제로부터 황을 제거하기 위하여 황 흡수제 또는 황 흡수물질을 제공하게 된다. 예를 들어, 자동차의 보조 전력을 위한 잔류의 황을 확보하기 위하여 황 흡수제 및 황 흡수물질은 더러워진 도시의 공기로 연료전지 시스템을 동작시키는 것과 관련된 정도의 황을 확보할 수 있다.
바람직하게, 상기 후드의 내부 표면은 크롬 흡수제 또는 크롬 흡수물질, 예컨대, 코팅 형태로, 산화제로부터 임의의 크롬을 제거하기 위하여 제공하게 된다. 그러므로, 연료전지 캐소드의 크롬 중독 가능성을 줄일 수 있다.
바람직하게, 상기 후드 볼륨은 열 전도 메쉬, 섬유의 네트워크 또는 적어도 하나의 연료전지스택과 가스 사이의 열 전달을 개선시킬 수 있는 충전 물질을 통해 부분적으로 충전된다. 더욱 바람직하게, 상기 물질은 전기적으로 비전도성이다. 더욱 바람직하게는, 상기 물질은 황 흡수물질의 적어도 하나 및 황 흡수물질로 코팅된다.
바람직하게, 상기 연료전지스택 조립체는 후드 볼륨의 외부에 적어도 하나의 가스 열교환 시스템을 추가적으로 제공하게 된다. 더욱 바람직하게, 적어도 하나의 가스 열교환 시스템은 적어도 하나의 내부로 매니폴드가 형성된 가스 입구와 연결된 유체 내에 위치하며, 냉각 유체로 사용된 후드 볼륨 내의 입구로 유입되는 가스인 가열 유체로 출구 가스의 유동을 활용하는 열교환장치를 구성한다. 이것은 입구 가스와 내부로 매니폴드가 형성된 가스 출구를 갖는 적어도 하나의 가스 열교환 시스템의 열 결합체로 인정할 수 있다.
바람직하게, 연료전지스택의 성능을 더욱 개선시키기 위하여, 상기 입구 연료는 연료전지스택으로 유입되기 전에 가열된다. 바람직하게, 이것은 내부로 매니폴드가 형성된 연료 출구를 따라, 수증기를 제거하고 열을 회수하기 위하여 가스-대-가스 열교환기 및 적어도 하나의 응축된 열교환기로 유동하는 배출 연료를 통과시킴으로써, 달성된다. 그러므로, 건조 배출 연료는 미반응의 연료 가스를 포함하여 유동하며, 미사용의 화학 에너지에 포함되는 열에너지는 내부로 매니폴드가 형성된 산화제 출구를 따라 유동한 배출 산화제가 포함된 버너에 통과시켜 회복시키게 된다. 그리고 나서, 고온의 버너 오프-가스는 입구 연료를 가열하기 위한 열적 원료를 제공하는데 사용한다. 바람직한 실시예에서, 이러한 열에너지는 입구 연료의 리포머장치에서 리포밍한 흡열 증기를 지지하기 위하여 사용된다. 그리고 나서, 상기 버너 오프-가스는 시동 버너장치(미도시)로 유입되고, 그리고 나서 산화제 열교환 시스템으로 유입되기 전에 리포밍할 수 있는 흡열 증기로 사용되는 증기를 발생시키기 위해 증기발생장치를 통과하게 된다.
상기 다중 열교환 단계가 제공되는 경우, 이는 특히 유리하며, 가능한 한 열적으로 우력 관계(close-couple)인 것이 바람직하다. 예를 들어, 적어도 하나의 결합장치로서 상기 열교환장치 및 화학반응장치를 제공하는 것은 연료전지스택 조립체의 크기 축소를 제공한다. 예를 들어, 결합형 증기 발생기, 연료 리포머 및 개선형 냉각기는 하나의 장치에 제공될 수 있다. 바람직하게, 상기 장치 또는 장치들은 연료전지스택 측의 반대편에 있는 베이스 플레이트의 하부면에 직접 연결된다. 그러므로, 가스 통로의 길이는 상당히 축소되었고, 가스 파이프의 연결은 축소화되었으며, 부품수와 누수 위험이 줄었으며, 시스템 조립체가 단순화 되었다.
바람직하게, 적어도 하나의 연료전지스택은 금속이 지지된 중온의 고체산화물 연료전지(IT-SOFC) 스택이며, 더욱 바람직하게는 US 6794075에 개시되어 있다.
바람직하게, 상기 후드는 적어도 하나의 플라스틱, 세라믹 또는 금속 또는 적어도 2개의 혼합된 물질, 예컨대 플라스틱이 코팅된 금속 후드로 제조된다. 더욱 바람직하게, 상기 후드는 스테인레스 스틸, 예컨대 딥드로잉(deep drawing), 벤딩(bending), 용접, 브레이징(brazing), 또는 캐스팅(casting)에 의해 형성된다. 연료전지가 저온인 동안, 바람직하게, 상기 후드는 적합한 플라스틱 물질로 사출된다.
바람직하게, 상기 후드는 후드의 내부 및 외부, 더욱 바람직하게는 외부의 적어도 하나에서 단열된다. 적당한 단열층은 권선되지 않거나, 일치되게 형성되지 않으며, 또한 하나 이상인 층과 하나 이상인 단열물질로 제조될 수 있다. 바람직하게, 연료전지시스템이 중온 또는 고온인 경우, 다층구조의 단열층은 작동 온도(예컨대, Microtherm Inc(TN, USA)에서 제공된 단열층)를 견딜 수 있는 상대적으로 두꺼운 제1의 내부층과 제1 또는 내부 단열층과 무관한 작동 상태를 견딜 수 있는 Aspen Aerogel(Aspen Aerogels, Inc., MA, USA)을 구성하는 상대적으로 얇은 제2의 외부층을 구성하여 제공된다. 전적으로, 이것은 외부 단열층의 작동 온도범위의 외측 온도를 견딜 수 있는 단열층을 제공하는 경우, 모든 단열 부피를 줄일 수 있는 특별한 장점을 제공할 수 있다.
본 발명은 병행류(co-flow), 대향류(counter-flow), 직교류(cross-flow)를 포함하는 다양한 가스 유동의 배열을 추구하는 연료전지스택 조립체에 동일하게 적용된다.
또한, 본 발명은 연료전지스택 조립체를 구성하는 연료전지스택 시스템 조립체를 제공하게 된다.
또한, 본 발명은 중온의 고체산화물 연료전지스택 조립체의 작동 방법을 제공하게 된다.
본 발명에 따르면,
(ⅰ)베이스 플레이트;
(ⅱ)상기 베이스 플레이트와 상기 후드 사이에서, 상기 베이스 플레이트에 밀봉되게 결합되며, 후드 볼륨을 한정하는 후드;
(ⅲ)상기 베이스 플레이트에 장착되며, 상기 후드에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 중온의 고체산화물 연료전지스택;
(ⅳ)상기 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 입구; 및
(ⅴ)산화제 원료 및 적어도 하나의 상기 가스 입구에 유동적으로 연결되며, 상기 가스 입구를 경유하여 상기 산화제 원료에서 상기 후드 볼륨까지 산화제를 공급하기에 적합한 프리-히터를 구성하며,
각각의 연료전지스택은 적어도 하나의 연료전지스택 층을 구성하고, 각각의 연료전지스택 층은 적어도 하나의 중온의 고체산화물 연료전지를 구성하며, 각각의 연료전지는 산화제 입구의 단부 및 산화물 출구의 단부를 한정하며,
적어도 하나의 상기 연료전지스택은,
(a)적어도 하나의 상기 연료전지스택의 개방형 매니폴드 단부를 한정하는 적어도 하나의 개방형 매니폴드 가스 입구; 및
(b)적어도 하나의 내부로 매니폴드가 형성된 가스 출구를 포함하며,
적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드 단부로부터 멀리 떨어져 있는 상기 후드 볼륨 내의 적어도 하나의 상기 가스 입구는, 사용중인 산화제가 적어도 하나의 가스 입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 통과하고, 적어도 하나의 연료전지스택의 외측을 우회하여 적어도 하나의 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구로 통과하는 단계; 직접적인 열전달은, 상기 산화제가 상기 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구로 유입되기 전에 상기 산화제 및 적어도 하나의 상기 연료전지스택 층의 외부 표면 사이에서 발생하는 단계; 상기 프리-히터는, 적어도 하나의 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구에 가장 근접한 연료전지의 입구 단부에서 작동 온도인 기껏해야 100℃ 이하의 온도로(즉, 적어도 하나의 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구에 가장 근접한 연료전지의 입구 단부에서 작동 온도인 온도 100℃ 이하 또는 100℃ 이하보다 뜨겁게) 적어도 하나의 상기 가스 입구를 경유하여 후드 볼륨에서 가열되고 후드 볼륨에 공급되는 산화제 원료로 이루어진 산화제가 구성되는 단계를 포함하는 중온의 고체산화물 연료전지스택 조립체의 작동 방법을 제공하게 된다.
바람직하게, 추가적으로, 상기 방법은 열 및 전기를 발생시키기 위하여 적어도 하나의 연료전지의 산화제와 연료가 구비된 전기화학 반응을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명은 연료전지스택 조립체의 실시예로서 나타낸 첨부도면을 참조하여 다음과 같이 설명할 경우, 그 특징을 더욱 분명하게 할 것이다.
도면 중, 도 1은 본 발명에 따른 연료전지스택 조립체의 부분 측단면도를 나타낸다.
도 2는 도1의 연료전지스택 조립체에서, 산화제의 유체 유동을 나타낸다.
도 3은 도 1의 연료전지스택 조립체에서, 산화제의 유체 유동을 나타내는 'A-A'선 단면도이다.
도 4는 단일개의 연료전지스택 층을 나타내는 'B-B'선 단면도이다.
도 5는 산화물의 열교환 시스템을 추가한 연료전지스택 조립체의 부분 측단면도이다.
도 6은 후드에 위치한 산화물 입구를 갖는 연료전지스택 조립체를 나타낸다.
도 7은 후드와 베이스 플레이트에 위치한 산화물 입구를 갖는 연료전지스택 조립체를 나타내다.
그리고, 도 8은 베이스 플레이트에 위치한 산화물 입구를 갖는 동시에, 유체 분배장치를 추가 구성한 연료전지스택 조립체를 나타낸다.
참조 부호:
1 : 연료전지스택 조립체 10 : 고체산화물 연료전지스택
20 : 연료전지스택 층 21 : 연료전지스택의 부가층들
30 : 연료전지 31 : 연료전지 애노드
32 : 연료전지 전해질 33 : 연료전지 캐소드
34 : 연료전지 금속기판 35 : 연료전지 기판의 비투과 영역
36 : 연료전지 기판의 투과 영역 37 : 전기 전도성 상호연결 플레이트
38 : 전기 절연성 가스켓 40 : 베이스 플레이트
50 : 후드 60 : 후드 볼륨
70 : 개방형 매니폴드가 형성된 산화제 출구 80 : 개방형 매니폴드 단부
90 : 내부로 매니폴드가 형성된 산화제 출구 100 : 내부로 매니폴드가 형성된 연료 입구
110 : 내부로 매니폴드가 형성된 연료 출구 120 : 산화제 입구
130 : 연료 130a : 배출 연료
130b : 건조된 배출 연료 140 : 산화제(공기)
140a : 배출 산화제 150 : 단열 블록
160 : 연료전지 엔드-플레이트 170 : 연료전지 열 표면
190 : 후드 내부 표면 200 : 산화제 열교환 시스템
230 : 가스 실링용 단열식 질석 가스켓 240 : 내부 단열층
250 : 외부 단열층 260 : 유동 분배장치
270 : 물 280 : 증기
290 : 가스 열교환기의 가스 300 : 응축식 열교환기
310 : 테일-가스 버너 320 : 버너 오프-가스
330 : 증기 리포머 340 : 증기 제너레이터
350 : 냉각 유체 유입 360 : 냉각 유체 배출
연료전지와 연료전지스택 조립체는 당업자에 공지되어 있으며, 특히 US 6794075, WO 02/35628, WO 03/075382, WO 2004/089848, WO 2005/078843, WO 2006/079800, 및 WO 2006/106334를 포함한다.
연료전지스택 조립체(1)의 제1실시예에서, 고체산화물 연료전지스택(10)은 하나의 연료전지(30)를 포함하는 각각의 연료전지스택 층(20)으로 이루어진 많은 연료전지스택 층(20)들로 조립되어 있다(미도시된 다른 실시예에서, 각각의 연료전지스택 층(20)은 다양한 연료전지(30)를 포함한다). 각각의 연료전지는 연료전지 금속기판(34) 위에 설치되고 연료전지 기판의 비-투과 영역(35)에 둘러싸인 연료전지 기판의 투과 영역(36)을 커버하는 애노드(31), 전해질(32), 캐소드(33)를 구성한다. 전기 전도성 상호연결 플레이트(37)는 연료 유동을 매니폴딩(manifolding)하도록 제공한다. 연료전지스택 층(20)의 상기 금속기판(34)은 전기 절연성 가스켓(38)을 매개로, 근접한 두번째 연료전지스택 층의 전기 전도성 상호연결 플레이트(37)의 직접적인 전기 접촉을 방지하게 된다.
연료전지스택(10)은 그 연료전지스택(10)에 걸쳐 위치한 베이스 플레이트(40), 후드(50)에 설치되고, 베이스 플레이트(40) 및 후드(50) 사이에서 후드 볼륨(60)을 한정하기 위하여, 연료전지스택(10) 내에 포함되는 베이스 플레이트(50)에 밀봉되게 채워진다.
연료전지스택(10)은 연료전지스택(10)의 개방형 매니폴드의 단부(80)인 개방형 매니폴드가 형성된 산화제 입구(70)를 제공하게 된다. 또한, 각각의 연료전지스택 층(20)은 각각 베이스 플레이트(40)의 채널들(미도시)을 관통하는 내부로 매니폴드가 형성된 연료 입구(100) 및 내부로 매니폴드가 형성된 연료 출구(110)와 함께, 내부로 매니폴드가 형성된 산화제 출구(90)를 구비한다(연료전지의 배출 산화제 출구 단부에 대응하며, 단일개의 연료전지를 구비한 연료전지스택 층에 대해).
베이스 플레이트(40)는 개방형 매니폴드의 단부(80)에서 멀리 떨어져 있으며, 연료전지스택(10) 단부의 반대편에 위치하는 후드 볼륨(60)에 산화제 입구(120)를 추가 제공하게 된다.
사용중에 있는 연료(130)는 베이스 플레이트(40)를 관통하는, 내부로 매니폴드가 형성된 연료 입구(100)를 경유하여 연료전지(30)의 애노드 전극측에 공급된다.
산화제(공기)(140)는 개방형 매니폴드의 단부(80)에서 멀리 떨어져 있으며, 연료전지스택(10) 단부의 반대편에 위치한 산화제 입구(120)를 통해 후드 볼륨(60)으로 유입된다. 단열식 유동제한장치(150)는 연료전지스택(10)의 엔드-플레이트(160) 상단부에 제공되고, 후드(50)에 접촉하도록 일정 크기로 형성되며, 엔드-플레이트(160) 및 후드(50) 사이의 공기 유동을 방지한다. 그러므로, 사용 중에 있는 공기 유동은 연료전지스택(10)의 측면부를 따라 산화제 입구(120)에서 개방형 매니폴드의 단부(80)까지의 후드 볼륨(60)에서 발생하여 연료전지스택(10)내로 유동한다. 화살표(210)는 산화제(140)의 유동을 나타낸다.
연료전지스택의 엔드-플레이트(160)는 상부 엔드-플레이트이며, 베이스 플레이트(40)는 하부 엔드-플레이트로 기능하게 된다. 압축수단은 필요가스의 밀봉 및 전기적 연결을 확보하기 위하여 적어도 하나의 연료전지스택을 압축하는데 적합하도록 제공하게 된다. 적절한 압축시스템의 예시는 WO 2007/085863에 개시된 시스템을 포함한다.
연료전지스택(10)의 외부 표면(170)은 연료전지스택(10)의 측면부에 걸쳐 공기 유동을 향상시키는 동시에, 연료전지스택(10) 및 산화제(140) 사이의 열전달을 향상시키기 위한 형상과 크기로 이루어진 핀(미도시) 형상의 돌기부를 제공하게 된다.
산화제(140)는 약 455℃의 초기 온도에서 후드 볼륨(60)으로 유입되며, 내부로 매니폴드가 형성된 산화제 출구(90)에서, 연료전지스택(10)을 사용할 수 있는 출구 온도는 약 600℃이다. 개방형 매니폴드가 형성된 산화제 입구(70)에 근접하는 연료전지(30)의 입구 단부는 약 500℃의 작동 온도로 사용 중인 정상 상태에 있다. 우수한 작동 효율을 갖기 위하여, 산화제(140)는 개방형 매니폴드가 형성된 산화제 입구(170)로 유입되기 전에 적어도 480℃의 온도로 가열된다. 산화제(140)의 가열은 연료전지스택(10)의 외부 표면 및 후드(50)의 내부 표면(190)과 접촉하고 열교환하는데 영향이 있다.
이러한 실시예에서, 내부로 매니폴드가 형성된 산화제 입구(70)는 각각의 연료전지스택 층(20)을 향하여 분리된 개방형 매니폴드 입구를 구성한다. 다른 실시예(미도시)에서, 내부로 매니폴드가 형성된 산화제 입구(70)는 각각의 연료전지스택 층을 향하여 많은 개방형 매니폴드 입구를 구성한다. 또 다른 실시예(미도시)에서, 내부로 매니폴드가 형성된 산화제 입구(70)는 많은 연료전지스택 층을 향하여 단일개의 개방형 매니폴드 입구를 구성한다.
적어도 480℃ 온도의 산화제(140)는 개방형 매니폴드가 형성된 산화제 입구(70)로 유입되고, 연료전지(30)의 캐소드 전극측에 공급된다. 그리고, 전기화학 반응은 캐소드로 반응하는 산화제(140)와, 애노드, 열, 물, 그리고 전기에너지로 반응하는 연료(130)에서 발생한다. 상기 전기에너지는 전기 회로(미도시)의 부하에 걸쳐 통과한다.
그리고 나서, 반응 연료(130)는 개방형 매니폴드의 단부(80)에서 멀리 떨어진 연료전지스택(10)의 측부에서 베이스 플레이트(40)를 통과하고 내부로 매니폴드가 형성된 연료 출구(110)을 경유하여 연료전지(30) 및 연료전지스택 층(20)로 배출한다. 반응 산화제(140)는 개방형 매니폴드의 단부(80)에서 멀리 떨어진 연료전지스택(10)의 측부에서 베이스 플레이트(40)를 통과하고 내부로 매니폴드가 형성된 산화제 출구(90)을 경유하여 연료전지(30) 및 연료전지스택 층(20)으로 배출한다.
그러므로, 내부로 매니폴드가 형성된 연료 출구(110) 및 내부로 매니폴드가 형성된 산화제 출구(90)를 경유하여 연료전지스택(10)로 오프-가스(산화제(120) 및 연료(130))를 배출하는 연료전지스택(10)의 측면부는 고온의 배출 가스에 의해 가열되는 동안, 고온 상태에 있을 것이며, 상기 개방형 매니폴드의 단부(80)는 입구 산화제(140)의 스트림으로 열을 잃는 동안, 냉각 상태에 있을 것이다. 그러므로, 최대 열전위는 개방형 매니폴드의 단부(80)에서 멀리 떨어진 연료전지스택(10)의 외부측과, 산화제 입구(120)를 통과한 지점으로 후드 볼륨(60)에 유입되는 산화제(140) 사이에 존재한다(최대 열교환이 발생할 것이다).
이러한 열교환은 연료전지스택(10)의 길이를 따라 온도 변화를 줄일 수 있도록 작용하는 동안, 연료전지스택(10)이 개량 가능토록 작용한다. 또한, 이러한 열 교환은 연료전지스택 조립체(1)에서 기계적인 응력을 줄이고, 고온의 개방형 매니폴드가 형성된 산화제 입구(70)로 공기가 유입될 수 있는 것에 비례하여 프리-히터(200)의 크기 및 중량을 줄일 수 있도록 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 연료전지스택(10), 베이스 플레이트(40) 및 후드(50)는 열 유체로 작용하는 내부로 매니폴드가 형성된 연료 출구(110)를 따라 유동하는 배출 연료(130)와 함께, 산화제 입구(120)을 통해 유동하는 산화제(140)를 약 455℃의 초기 입구온도에 도달할 때까지 상승시키는 산화제 열교환 시스템(프리-히터, 200)을 포함하는 크기가 큰 연료전지시스템 조립체의 부분을 형성한다. 일반적으로, 종래의 연료전지스택 시스템 조립체의 산화제 열교환 시스템은 연료전지스택(10)으로 유입되기 전에 산화제를 약 480℃의 온도로 상승시켜야 하며, 산화제 프리-히터의 열부하에 있어 환원은 산화제 열교환 시스템(200)의 크기, 중량, 비용 및 복잡성이 충분히 줄어들 수 있는 것을 의미한다.
연료전지스택(10)의 성능을 더욱 향상시키기 위하여, 또한 입구 연료(130)는 연료전지스택(10)으로 유입되기 전에 가열된다. 이것은 내부로 매니폴드가 형성된 연료 출구(110)를 따라, 수증기를 제거하고 열을 회수하기 위하여 가스-대-가스 열교환기(290) 및 적어도 하나의 응축된 열교환기(300)로 유동하는 배출 연료(130a)를 통과시킴으로써, 달성된다. 그러므로, 건조제인 배출 연료(130b)는 미반응의 연료 가스(130)를 포함하여 유동하며, 미사용의 화학 에너지에 포함되는 열에너지는 내부로 매니폴드가 형성된 산화제 출구(90)를 따라 유동한 배출 산화제(140a)가 포함된 버너(310)로 통과시켜 회복시키게 된다. 그리고 나서, 고온의 버너 오프-가스(320)는 입구 연료(130)를 가열하기 위한 가열 원료를 제공하는데 사용한다. 바람직한 실시예에서, 이러한 열에너지는 입구 연료(130)의 리포머장치(340)에서 리포밍한 흡열 증기를 지지하기 위하여 사용된다. 그리고 나서, 상기 버너 오프-가스는 시동 버너장치(미도시)로 유입되고, 그리고 나서 산화제 열교환 시스템(200)으로 유입되기 전에 촉매를 리포밍할 수 있는 물(270)로 사용되는 증기(280)를 발생시키기 위해 증기발생장치(340)로 통과될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 연료전지스택 엔드-플레이트(160)는 엔드-플레이트와 후드(50)의 하부측에 위치하며, 엔드-플레이트(160)의 상단부에 걸쳐 유체의 유동을 단절시키고 연료전지스택의 후드(50)를 단열시키는 단열식 유동제한장치(150)에 위치하게 된다.
게다가, 가스 실링용 단열식 질석 가스켓(230)은 연료전지스택(10)의 후드(50)를 단열시키기 위하여 후드(50)의 베이스와 베이스 플레이트(40) 사이에 제공된다.
게다가, 단열재는, 내부 단열층(240)의 물질이 단독으로 사용된 단열재와 비교하여 축소된 부피로 이루어진 단열 물질을 갖는 상기 단열재에 도달하는 경우, 후드(50)의 단열재를 전적으로 제공하는, Microtherm Freemoulding 제품에 있어 상 대적으로 두꺼운 내부 단열층(240)과 Aspen Aerogel Pyrogel(RTM)의 상대적으로 얇은 외부 단열층(250)을 통해 후드(50)의 외측의 구성요소에 제공된다.
도 4는 확대된 연료전지스택 층(20)과 추가된 연료전지스택 층들(21)을 갖는 "B-B"선(도 3) 단면을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 공기(140)는 개방형-매니폴드가 형성된 산화제 입구(70)에서 멀리 떨어져 있으며, 연료전지스택(10)의 반대편에 위치한 산화제 입구(120)를 통해 연료전지스택 조립체(1)로 유입된다. 그리고 나서, 공기(140)는 연료전지스택(10)(연료전지스택(10)의 상단부 위로 유동하는 유체는 연료전지스택 엔드-플레이트(160) 및 후드(50)의 상부 표면 사이에 위치되는 동시에 접하는 가스 실링용 단열식 질석 가스켓(150)에 의해 차단됨)의 측부를 통과하고, 가열되며, 연료전지스택 층(20)의 개방형 매니폴드가 형성된 산화제 입구(70)를 통과하며, 중온의 고체산화물 연료전지(IT-SOFC,30)의 캐소드(33) 위를 지나가게 된다. 그리고, 열, 산화물, 그리고 전기를 발생시키고, 매니폴딩(90)을 경유하여 배출되기 위하여 전기화학 반응을 수행한다. 연료(130)는 내부로 매니폴드가 형성된 연료 입구(100)을 경유하여 연료전지스택(10)으로 유입되고, 연료전지의 애노드(31)로 통하는 연료전지 기판의 투과 영역(36) 아래로 통과하며, 열, 산화물(주로 카본 산화물과 물), 그리고 전기를 발생시키기 위하여 전기화학 반응을 수행한다. 그리고 나서, 배출된 연료(130)는 내부로 매니폴드가 형성된 연료 출구(110)를 경유하여 연료전지스택(10)에서 배출된다.
각각의 연료전지스택 층(20)은 매니폴드을 제공하며, 근접한 연료전지스택(10)의 구성요소와 전기적으로 접촉하도록 전기 전도성 상호연결 플레이트(37)를 구성한다. 연료전지 금속기판(34)은 상호연결 플레이트(37)의 상단부에 설치되며, 연료전지 기판의 비투과 영역(35)에 접하는 연료전지 기판의 투과 영역(36)을 구성한다. 그러므로, 유체의 유동은 투과 영역(36)을 통과하여 발생할 수 있다. 투과 영역(36)의 상단부에는 연료전지(30)가 설치된다. 연료전지의 애노드는 투과영역(36)을 덮고, 그리고 나서 연료전지의 전극(32)은 투과 영역(36)을 통해 연료전지(30)의 연료측에서 연료전지(30)의 산화제측까지 유체의 유동을 방지하기 위하여 애노드(31)와 투과 영역(36) 위로 연장된다. 연료전지의 캐소드(33)은 연료전지의 전극(32)의 상단부에 설치된다.
전기 전도성 전류 컨덕터(conductor, 미도시)는 연료전지의 캐소드(33)로부터 연장되고, 전기 회로를 형성하기 위하여 전기 전도성 상호연결 플레이트(37)에 전기적으로 접촉하게 되며, 부하는 회로에 위치하게 된다. 추가 연료전지스택 층들(21)은 연료전지스택 층(20)의 상단부에 위치하게 되고, 근접한 연료전지스택 층(21)의 연료전지 금속기판(34)으로부터 전기 전도성 상호연결 플레이트(37)까지의 전기 쇼트는 추가 연료전지스택 층들(21)에 기계적 지지층을 추가적으로 제공하는 전기 절연성 가스켓(38)에 의해 방지된다.
실시예(도 6)에서, 많은 산화제 입구들(120)은 베이스 플레이트(40)보다 오 히려 후드(50)에 제공된다. 이러한 배치는 가스 유동 및 분배를 촉진시키며, 특히 가스 유동의 정체된 영역을 방지하도록 하는데 도움을 준다.
실시예(도 7)에서, 많은 산화제 입구들(120)은 후드(50) 뿐만 아니라, 베이스 플레이트(40)에 제공되며, 이것은 가스 유동 및 분배를 촉진시킬 수 있도록 하며, 특히 가스 유동의 정체된 영역을 방지하도록 도움을 준다.
도 8의 실시예에서, 많은 산화제 입구들(120)은 베이스 플레이트(40)에 제공되며, 유동분배장치(260)는 후드 볼륨(60)전체에서, 입구들(120)로부터의 가스 유동 및 분배를 촉진시키기 위하여 설계된 관통형 금속 튜브를 구성하도록 제공된다.
본 발명은 상기한 실시예에 의해 한정되는 것이 아니며, 청구범위의 기술적 사상의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (13)

  1. (ⅰ)베이스 플레이트;
    (ⅱ)상기 베이스 플레이트와 상기 후드 사이에서, 상기 베이스 플레이트에 밀봉되게 결합되며, 후드 볼륨을 한정하는 후드;
    (ⅲ)상기 베이스 플레이트에 장착되며, 상기 후드에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 중온의 고체산화물 연료전지스택;
    (ⅳ)상기 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 입구; 및
    (ⅴ)산화제 원료 및 적어도 하나의 상기 가스 입구에 유동적으로 연결되며, 상기 가스 입구를 경유하여 상기 산화제 원료에서 상기 후드 볼륨까지 산화제를 공급하기에 적합한 프리-히터를 구성하며,
    각각의 연료전지스택은 적어도 하나의 연료전지스택 층을 구성하고, 각각의 연료전지스택 층은 적어도 하나의 중온의 고체산화물 연료전지를 구성하며, 각각의 연료전지는 산화제 입구의 단부 및 산화물 출구의 단부를 한정하며,
    적어도 하나의 상기 연료전지스택은,
    (a)적어도 하나의 상기 연료전지스택의 개방형 매니폴드 단부를 한정하는 적어도 하나의 개방형 매니폴드 가스 입구; 및
    (b)적어도 하나의 내부로 매니폴드가 형성된 가스 출구를 포함하며,
    사용중인 산화제가 적어도 하나의 가스 입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 유입되고, 적어도 하나의 연료전지스택의 외측을 우회하여 적어도 하나의 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구로 통과되도록, 적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드 단부로부터 멀리 떨어져 있는 상기 후드 볼륨 내의 적어도 하나의 상기 가스 입구; 상기 산화제가 상기 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구로 유입되기 전에 상기 산화제 및 적어도 하나의 상기 연료전지스택 층의 외부 표면 사이에서 발생하는 직접적인 열전달; 적어도 하나의 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구에 가장 근접한 연료전지의 입구 단부에서 작동 온도인 기껏해야 100℃ 이하의 온도로(즉, 적어도 하나의 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구에 가장 근접한 연료전지의 입구 단부에서 작동 온도인 온도 100℃ 이하 또는 100℃ 이하보다 뜨겁게) 적어도 하나의 상기 가스 입구를 경유하여 후드 볼륨에서 가열되고 후드 볼륨에 공급되는 산화제 원료로 이루어진 산화제가 구성되는 상기 프리-히터를 포함하는 중온의 고체산화물 연료전지스택 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 후드의 볼륨 내에 위치하는 입구 가스형 프리-히터를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 중온의 고체산화물 연료전지스택은 금속이 지지된 중온 의 고체산화물 연료전지스택인 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립체.
  4. 제1항 내지 제3항 중, 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 연료전지스택은 내부로 매니폴드가 형성된 적어도 하나의 연료 입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    내부로 매니폴드가 형성된 적어도 하나의 상기 가스 출구는 내부로 매니폴드가 형성된 배출 연료 출구이며, 상기 연료전지스택은 내부로 매니폴드가 형성된 적어도 하나의 배출 산화제 출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립체.
  6. 제4항에 있어서,
    내부로 매니폴드가 형성된 적어도 하나의 상기 가스 출구는 내부로 매니폴드가 형성된 적어도 하나의 혼합 배출 연료 및 산화제 출구를 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립체.
  7. 제1항 내지 제6항 중, 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 연료전지스택층의 외부면은 그것과 가스 사이의 열 전달을 수행하는 적어도 하나의 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립체.
  8. 제1항 내지 제7항 중, 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 후드의 내부면과 적어도 하나의 연료전지스택층의 외부면은 난류 유체 유동을 일으키는 적어도 하나의 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립체.
  9. 제1항 내지 제8항 중, 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지스택은 450~650℃의 운용 작동 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립체.
  10. 제1항 내지 제9항 중, 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 중온의 고체산화물 연료전지스택은 금속이 지지된 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립체.
  11. 제1항 내지 제10항 중, 어느 한 항을 따르며, 연료전지스택 조립체를 구성하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 시스템 조립체.
  12. (ⅰ)베이스 플레이트;
    (ⅱ)상기 베이스 플레이트와 상기 후드 사이에서, 상기 베이스 플레이트에 밀봉되게 결합되며, 후드 볼륨을 한정하는 후드;
    (ⅲ)상기 베이스 플레이트에 장착되며, 상기 후드에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 중온의 고체산화물 연료전지스택;
    (ⅳ)상기 후드 볼륨 안의 적어도 하나의 가스 입구; 및
    (ⅴ)산화제 원료 및 적어도 하나의 상기 가스 입구에 유동적으로 연결되며, 상기 가스 입구를 경유하여 상기 산화제 원료에서 상기 후드 볼륨까지 산화제를 공급하기에 적합한 프리-히터를 구성하며,
    각각의 연료전지스택은 적어도 하나의 연료전지스택 층을 구성하고, 각각의 연료전지스택 층은 적어도 하나의 중온의 고체산화물 연료전지를 구성하며, 각각의 연료전지는 산화제 입구의 단부 및 산화물 출구의 단부를 한정하며,
    적어도 하나의 상기 연료전지스택은,
    (a)적어도 하나의 상기 연료전지스택의 개방형 매니폴드 단부를 한정하는 적어도 하나의 개방형 매니폴드 가스 입구; 및
    (b)적어도 하나의 내부로 매니폴드가 형성된 가스 출구를 포함하며,
    적어도 하나의 연료전지스택의 개방형 매니폴드 단부로부터 멀리 떨어져 있는 상기 후드 볼륨 내의 적어도 하나의 상기 가스 입구는, 사용중인 산화제가 적어도 하나의 가스 입구를 통하여 상기 후드 볼륨으로 통과하고, 적어도 하나의 연료전지스택의 외측을 우회하여 적어도 하나의 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구로 통과하는 단계; 직접적인 열전달은, 상기 산화제가 상기 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구로 유입되기 전에 상기 산화제 및 적어도 하나의 상기 연료전지스택 층의 외부 표면 사이에서 발생하는 단계; 상기 프리-히터는, 적어도 하나의 개방형 매니폴드가 형성된 가스 입구에 가장 근접한 연료전지의 입구 단부에서 작동 온도인 기껏해야 100℃ 이하의 온도로 적어도 하나의 상기 가스 입구를 경유하여 후드 볼륨에서 가열되고 후드 볼륨에 공급되는 산화제 원료로 이루어진 산화제가 구성되는 단계를 포함하는 중온의 고체산화물 연료전지스택 조립체의 작동방법.
  13. 제12항에 있어서,
    열 및 전기를 발생시키는 적어도 하나의 상기 중온의 고체산화물 연료전지의 산화제 및 연료의 전기화학 반응을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립체의 작동방법.
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