KR20100057629A - 가스 채널화 및 열 교환이 개선된 고체 산화물 연료 전지 시스템 - Google Patents

가스 채널화 및 열 교환이 개선된 고체 산화물 연료 전지 시스템 Download PDF

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카인 피너티
찰스 로빈슨
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나노다이나믹스 에너지 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 시스템의 개선된 열 관리를 제공하는 신규의 디자인을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 상기 개시된 고체 산화물 연료 전지 시스템은 시스템의 국부 영역의 온도를 조절하고 열-민감성 집전 부재를 보호하는 가스 채널화 특징부를 포함한다.

Description

가스 채널화 및 열 교환이 개선된 고체 산화물 연료 전지 시스템{SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEMS WITH IMPROVED GAS CHANNELING AND HEAT EXCHANGE}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 장치, 구체적으로 가스 채널화 및 온도 조절이 개선된 연료 전지 시스템 및 장치에 관한 것이다.
연료 전지는 전기화학 반응을 통해 연료의 포텐셜 에너지를 전기로 전환시키는 전기 장치이다. 일반적으로, 연료 전지는 전해질에 의해 분리된 한 쌍의 전극을 포함한다. 전해질은 단지 특정 유형의 이온의 통과만을 허용한다. 전해질을 통한 이온의 선택적 통과는 2개의 전극 사이에 전기 포텐셜을 유발하고, 이는 전력의 형태로 활용될 수 있다. 전력 출력을 증가시키기 위해서, 복수의 연료 전지가 연료 전지 시스템 중에 포함될 수 있다. 예를 들어, 복수의 연료 전지가 서로 그룹화되어 연료 전지 스택을 형성할 수 있다.
당업계에 공지된 여러 가지 유형의 연료 전지 중에, 고온에서 작동하는 연료 전지(예를 들어, 고체 산화물 연료 전지 및 용융 카보네이트 연료 전지)는 저온 연료 전지(예를 들어, 인산 연료 전지 및 양성자 교환 막 연료 전지)에 비해 높은 연료 대 전기 효율을 제공하는 경향이 있다. 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 및 용융 카보네이트 연료 전지(MCFC)는 각각 산소 이온-전도성 전해질 및 카보네이트 이온-전도성 전해질을 사용하고 500℃ 초과의 온도에서 작동된다. 이러한 높은 작동 온도를 달성하고 긴 시동 시간을 없애기 위해서, 이 고온 연료 전지 시스템은 효율적인 열 조절을 가능하게 하는 고안이 요구된다.
추가로, 개질기를 포함하는 연료 전지 시스템은 특히 이의 온도 조절을 해결해야한다. 탄화수소 연료의 흡열 개질(예를 들어, 스팀 개질)은 종종 고온에서 수행될 필요가 있는 반면, 발열 개질(예를 들어, 부분적 산화 개질) 반응은 과잉의 열을 방출할 수 있어서, 적절하게 조절되지 않는 경우, 개질 촉매 및/또는 연료 전지 시스템의 다른 구성요소를 파괴할 수 있다. 집전 장치, 즉 연료 전지 시스템에서 전기화학 반응에 의해 발생하는 전류를 수집하는 장치는, 특히 열 손상되기 쉬운데, 이는 이들이 종종 비교적 저온에서 용융하는 금속(예를 들어, 은)으로 구성되기 때문이다.
따라서, 연료 전지 시스템이 증가된 효율로 작동하도록 하면서, 개선된 열 조절을 제공하도록 고안된 연료 전지 시스템에 대한 요구가 계속되고 있다.
전술한 측면에서, 본 발명은 하나 이상의 연료 전지 및 상기 하나 이상의 연료 전지 각각과 유체 소통하는 중앙 지지 부재를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템을 제공한다. 하나 이상의 연료 전지 각각은 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 중앙 지지 부재는 내측 종방향 부재 및 외측 종방향 부재를 포함하되, 상기 외측 종방향 부재가 상기 내측 종방향 부재와 중심을 공유하고 상기 내측 종방향 부재 주변으로 배치될 수 있다. 내측 종방향 부재는, 연료를 하나 이상의 연료 전지 각각의 애노드에 전달하도록 개조된 내측 종방향 채널을 한정할 수 있다. 외측 종방향 부재는, 산화제를 상기 하나 이상의 연료 전지의 캐쏘드로 전달하도록 개조된 외측 종방향 채널을 한정할 수 있다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 연료 전지는 중앙 지지 부재의 주변으로 배치될 수 있다.
일부 실시양태에서, 중앙 지지 부재는 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 촉매는 상기 중앙 지지 부재의 내측 종방향 부재의 내부 표면의 적어도 일부에 코팅되거나 이들과 회합될 수 있다. 하나 이상의 촉매는 개질 촉매(예를 들어, 부분 산화 개질 촉매 및/또는 스팀 개질 촉매), 연소 촉매, 및/또는 이들의 조합일 수 있다. 일부 실시양태에서, 촉매는 단계적(staged) 촉매일 수 있다. 예를 들어, 단계적 촉매는 부분 산화 촉매, 부분 산화 촉매와 연소 촉매의 조합, 연소 촉매 및 스팀 개질 촉매의 단계적 혼합물을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 연료 전지 시스템은 하나 이상의 애노드 출구 유동 채널 및 하나 이상의 캐쏘드 출구 유동 채널을 포함할 수 있다. 하나 이상의 애노드 출구 유동 채널은 하나 이상의 애노드와 유체 소통하며 하나 이상의 애노드로부터의 애노드 배출물을 이송하도록 개조될 수 있다. 하나 이상의 캐쏘드 출구 유동 채널은 하나 이상의 캐쏘드와 유체 소통하며 하나 이상의 캐쏘드로부터의 캐쏘드 배출물을 유도하도록 개조될 수 있다. 연료 전지 시스템은, 하나 이상의 애노드 출구 유동 채널과 유체 소통하고 어떠한 산화제도 실질적으로 함유하지 않는 환원 챔버를 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템은, 또한 하나 이상의 연료 전지 각각과 전기 소통하는 환원 챔버 내에 배치된 하나 이상의 집전체(current collector)를 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템은 추가로, 상기 환원 챔버 및 하나 이상의 캐쏘드 출구 유동 채널과 유체 소통하는 애프터버너(after-burner)를 추가로 포함할 수 있다. 애프터버너는 하나 이상의 애노드로부터의 애노드 배출물 및 하나 이상의 캐쏘드로부터의 캐쏘드 배출물을 조합하도록 개조될 수 있다.
일부 실시양태에서, 환원 챔버는 절연 물질와 열 소통할 수 있다. 예를 들어, 절연 물질은 환원 챔버와 애프터버너 사이에 존재할 수 있다. 특정 실시양태에서, 애프터버너는 연소 촉매로 적어도 부분적으로 코팅된 내부 표면을 포함할 수 있다. 환원 챔버 및/또는 애프터버너는 중앙 지지 부재 주변으로 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태는, 전술한 다양한 실시양태와 유사한 연료 전지 시스템과 같은 연료 전지 시스템의 작동 방법에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 연료 전지 시스템은 하나 이상의 연료 전지, 상기 하나 이상의 연료 전지와 유체 소통하는 중앙 지지 부재, 및 상기 하나 이상의 연료 전지와 전기 소통하는 집전체를 포함할 수 있다. 집전체는 상기 중앙 지지 부재 주변으로 배치될 수 있다. 중앙지지 부재는 내측 종방향 채널을 한정하는 내측 종방향 부재 및 외측 종방향 채널을 한정하는 외측 종방향 부재를 포함할 수 있다. 외측 종방향 부재는 상기 내측 종방향 부재와 중심을 공유하며 상기 내측 종방향 부재 주변으로 배치될 수 있다.
연료 전지 시스템의 작동 방법은, 연료를 내측 종방향 부재를 통해 하나 이상의 연료 전지의 애노드로 유도하고, 산화제를 외측 종방향 부재를 통해 하나 이상의 연료 전지로 유도하는 것을 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템의 다양한 작동 단계에서 상기 내측 종방향 부재와 상기 외측 종방향 부재 간의 온도 차는 온도 구배(temperature differential)를 생성할 수 있다. 이러한 온도 구배는 열 전달을 촉진할 수 있고, 중앙 지지 부재에서의 국부적 온도뿐만 아니라 전체 연료 전지 시스템의 총 온도를 제어하는 것을 도울 수 있다.
일부 실시양태에서는, 산화제를 외측 종방향 채널을 통해 유도함으로써, 집전체를 과잉의 열에 대한 노출로부터 보호할 수 있다. 일부 실시양태에서는, 상기 연료 전지 시스템이, 하나 이상의 집전체가 배치될 수 있는 환원 챔버를 포함할 수 있다. 상기 환원 챔버는 애프터버너와 유체 소통할 수 있다. 이러한 실시양태에서는, 본 발명의 방법이 추가로, 하나 이상의 연료 전지의 애노드로부터 애노드 배출물을 환원 챔버로 유도하고, 하나 이상의 연료 전지의 캐쏘드로부터 캐쏘드 배출물을 애프터버너로 유도하고, 상기 환원 챔버로부터의 미반응된 연료를 애프터버너로 유도하고, 상기 미반응된 연료 및 미반응된 산화제를 상기 애프터버너에서 조합하는 것을 포함한다. 특정 실시양태에서는, 상기 방법이, 애노드 배출물 및 캐쏘드 배출물을 애프터버너에서 연소시키고/시키거나, 상기 환원 챔버와 상기 애프터버너 사이에 절연 물질을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 원리를 예시하면서 일반적으로 강조하여 제시되는 첨부된 도면이, 반드시 일정한 비율은 아님을 이해해야 한다. 이러한 도면은 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
도 1은 본 발명의 고체 산화물 연료 전지의 하나의 실시양태의 개략적 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 하나의 실시양태의 개략적 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지의 하나의 실시양태의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 중앙 지지 부재의 하나의 실시양태에의 개략적 사시도이다.
본 발명은 부분적으로, 개선된 온도 제어 및 집전을 통해 개선된 효율을 갖는 연료 전지를 제공한다. 상기 연료 전지 시스템의 온도는 제어될 수 있으며, 집전은, 흡입 및 배출 기체를 상기 연료 전지 시스템을 통해 효과적으로 및 효율적으로 전달하는 기체 채널화 특징부를 제공함으로써 개선될 수 있다. 더욱 구체적으로, 본 발명은, 절연된 환원 챔버 및 애프터버너와 유체 소통하는 중앙 지지 부재를 갖는 고체 산화물 연료 전지 시스템을 제공한다. 서로 근접해 있는 상이한 온도의 기체들의 신규의 기체 채널화는 열 전달 및 온도 제어를 촉진할 수 있다. 또한, 집전체를 수용한 환원 챔버 내로의 환원 기체만의 채널화 및 상기 집전체 근처에서의 직접적인 연소의 제한은 집전 효율을 증가시킨다.
명세서 전반에 걸쳐, 장치 또는 조성물이 특정 성분을 갖거나 포함한다고 기술되거나 공정이 특정 공정 단계를 갖거나 포함한다고 기술되는 경우, 이는 본 발명의 조성물이 또한 인용된 성분으로 이루어지거나 본질적으로 이루어지며 본 발명의 공정이 또한 인용된 공정 단계로 이루어지거나 본질적으로 이루어지는 것으로 고려된다. 상기 방법이 작동가능한 상태로 유지되는 한, 실행되는 단계들의 순서 또는 특정 조치를 수행하는 순서는 중요하지 않음을 이해해야 한다. 또한, 2개 이상의 단계 또는 조치는 동시에 수행될 수 있다.
본원에서, 요소 또는 성분이 인용된 요소들 또는 성분들의 목록에 포함되고/되거나 이로부터 선택된다고 언급되어지는 경우, 이는 상기 요소 또는 성분이 인용된 요소들 또는 성분들 중 임의의 하나일 수 있으며 상기 언급된 요소들 또는 성분들 중 2개 이상으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있는 것으로 이해해야 한다. 또한, 본원에 기술된 조성물, 장치 또는 방법의 요소 및/또는 특징이, 본원에서 명시적이거나 암시적인 본 발명의 진의 및 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 방식으로 결합될 수 있음을 이해해야 한다.
"포함하다", "포함하는", "갖는다" 및 "갖는"이라는 용어의 사용은, 달리 언급되지 않는 한, 일반적으로 개방-종지형이고 비제한적인 것으로서 이해되어야 한다.
본원에서 단수의 사용은, 달리 언급하지 않는 한, 복수를 포함한다(그 역도 성립함). 또한, 정량적인 값 앞에 "약"이라는 용어가 사용되는 경우, 달리 언급되지 않는 한, 본 발명은 또한 상기 특정 정량적인 값 자체도 포함한다.
일반적으로, 본 발명은 개선된 기체 채널화, 온도 제어 및 집전을 갖는 고체 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 일반적으로, 중앙 지지 부재(12) 및 상기 중앙 지지 부재(12) 근처에 또는 주변으로 배치된 연료 전지 스택(1)을 포함하는 연료 전지 시스템(10)을 제공한다. 상기 연료 전지 스택은 하나 이상의 연료 전지(32)를 포함할 수 있다. 일반적으로 상기 연료 전지 시스템(10)은 또한, 연료 전지 플레이트(4), 집전 어셈블리(35), 애프터버너(미도시) 및 임의적으로 매니폴드 캡(30)을 포함한다. 상기 연료 전지 플레이트는 합금, 금속 또는 세라믹 물질로 이루어질 수 있으며, 조밀하거나 다공성일 수 있다. 유사하게, 상기 애프터버너는 합금, 금속 또는 세라믹 물질로 이루어질 수 있으며, 조밀하거나 다공성일 수 있다.
일부 실시양태에서, 하나 이상의 연료 전지는 제거가능하거나, 하나의 단부(즉, 원심 단부)에서의 연료 전지 플레이트 및 다른 단부(즉, 인접 단부)에서의 집전 어셈블리에 견고하게 고정될 수도 있다. 상기 연료 전지와 유사하게, 중앙 지지 부재의 원심 단부는 제거가능하거나, 연료 전지 플레이트의 인접 면에 견고하게 고정될 수 있다. 연료 전지 플레이트는, 통로에 대한 다중 개구, 또는 중앙 지지 튜브 및 하나 이상의 연료 전지의 부착부를 포함하는, 다양한 구조적 또는 불규칙적 모양의 디스크 또는 플레이트일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중앙 지지 부재는 임의적 매니폴드 캡을 통해 하나 이상의 연료 전지와 유체 소통될 수 있으며, 이는, 존재하는 경우, 연료 전지 플레이트의 원심 면에 부착될 수 있다. 집전 어셈블리 및 애프터버너 모두는 중앙 지지 부재 주변에 배치될 수 있고, 이때 상기 애프터버너는 상기 집전 어셈블리에 인접한다.
연료 전지에 하나 이상의 연료 및 산화제를 도입시키는 것 외에, 중앙 지지 부재는, 탄화수소-함유 연료(예: 프로판)가 연료 전지에 연료를 공급하기 위해 사용되는 경우 하나 이상의 개질 촉매를 포함함에 의해 개질기로 작용할 수 있다. 중앙 지지 부재는, 연료 전지 시스템 전체에 걸쳐 개선된 열 제어 및 가스 채널화를 제공함에 의해 연료 전지 시스템의 전체 효율을 증가시킬 수 있는 이중-채널 설계의 특징을 가질 수 있다.
중앙 지지 부재는 물리적, 기계적 및/또는 화학적 수단에 의해 연료 전지 플레이트에 연결될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중앙 지지 부재와 연료 전지 플레이트 사이의 접속부는 중앙 지지 부재가 마찰에 의해 연료 전지 플레이트 상의 적소에 고정시키는 견고한 슬립 핏(slip fit)일 수 있다. 다른 실시양태에서, 중앙 지지 부재 및 연료 전지 플레이트는 당업계에 공지된 다양한 접착제를 사용하여 함께 결합될 수 있다. 예컨대, 시판 중인 알루미나 결합제가 사용될 수 있다.
하나 이상의 연료 전지는 연료 전지 플레이트에 유사하게 고정될 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 연료 전지는 연료 전지 플레이트의 개구 또는 구멍으로 연료 전지를 삽입시킴에 의해 연료 전지 플레이트 상에 탑재될 수 있다. 이런 개구의 직경은 연료 전지의 직경과 동일하거나 또는 약간 작을 수 있다. 다른 실시양태에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 연료 전지(32)는 연료 전지 플레이트(4)에서 돌출된 특징부, 예컨대 주입기 핀(7) 상에 탑재될 수 있다. 주입기 핀(7)은 연료 전지 플레이트(4)의 일체형 특징부로서 형성될 수 있거나, 또는 개별적으로 제조되어 연료 전지 플레이트(4)에 부착될 수 있다. 연료 전지의 직경은 주입기 핀의 직경보다 약간 클 수 있어서, 주입기 핀 상에 연료 전지가 탑재되는 경우 좁은 갭이 형성된다. 이런 좁은 갭에도 불구하고, 별도의 밀봉재가 가스 누출을 방지하기 위해 요구되지는 않는데, 이는 주입기 핀과 연료 전지의 내부 채널 사이에서 상기 좁은 갭을 통한 압력 강하가 연료 전지 자체를 통한 압력 강하보다 훨씬 높기 때문이다. 따라서, 별도의 밀봉재의 사용 없이 연료 전지의 내부 채널로부터의 가스 누출을 최소화하기에 충분한 배압이 존재한다. 예컨대, 2.8 mm 직경을 갖는 연료 전지는 2.5 내지 2.7 mm 직경을 갖는 주입기 핀에 탑재될 수 있고, 형성된 갭은 연료 전지 시스템의 작동에 방해되지 않는다. 당업자는, 중앙 지지 부재가 또한 연료 전지 플레이트에서의 주입기 핀 상에 유사하게 탑재될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
특정 실시양태에서, 연료 전지 시스템은 연료 전지 플레이트에 인접하게 위치된 절연체 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 연료 전지는 절연체 플레이트 상의 다양한 개구를 통해 절연체 플레이트를 통과할 수 있다. 이런 개구는 개별 연료 전지보다 동일하거나 약간 더 작게 제조될 수 있어서, 연료 전지와 절연체 플레이트 사이에 견고한 핏을 생성시킨다. 상기 절연체 플레이트는 화학적 또는 물리적 수단, 예컨대 접착제 또는 마찰에 의해 연료 전지 플레이트에 고정될 수 있다. 제조된 연료 전지 플레이트/절연체 플레이트 어셈블리는, 연료 전지의 내부 채널과 연료 전지 주변 영역 사이의 큰 압력 강하 때문에 가스 누출에 대한 증가된 저항성을 생성할 수 있다.
일부 실시양태에서, 매니폴드 캡은 실질적 반구(즉, 돔)형 단부를 포함할 수 있다. 연료 전지 작동 동안, 고온 가스가 매니폴드 캡 내부를 순환하기 때문에, 열 응력이 유발되고, 실질적 반구형 구조가 매니폴드 캡 내부의 응력 농도를 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 다른 실시양태에서, 매니폴드 캡은 평면형 단부 표면을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 매니폴드는 실린더형 캡의 형상을 가질 수 있다. 구조적인 이유로, 실린더형 캡은 연료 전지 시스템의 작동 동안 열 팽창될 수 있다. 단부 표면 및 실린더형 측벽의 교차부에 집중되는 열 유발 응력을 감소시키기 위해, 실린더형 매니폴드 캡은 그의 모서리 주변에 필렛(fillet)을 포함할 수 있다. 추가 실시양태에서, 별개의 매니폴드 캡의 적소에, 연료 전지 스택이 가스-불투과성 절연 패키지에 삽입될 수 있어서 공극 이격이 원심형으로 연료 전지 플레이트(즉, 연료 전지 플레이트과 절연 패키지 사이)에 제공된다. 매니폴드 캡과 유사하게, 공극 이격은 중앙 지지 부재로부터 연료 전지로 가스가 통과하는 통로를 제공하여 이들 각각이 서로 유체 소통되게 한다.
연료 전지 스택은 전형적으로 중앙 지지 관 주변에 배치된 복수의 연료 전지를 포함한다. 본 교시의 연료 전지 시스템에 사용된 연료 전지는 관형 애노드-지지 연료 전지로서 기재된다. 보다 구체적으로, 상기 연료 전지는 지지체 역할을 하는 내부 연료 전극(즉, 애노드), 중간 전해질 및 외부 공기 전극(캐소드)을 포함할 수 있다. 관형 애노드 지지체는 일반적으로 공동(hollow) 중앙 보어(즉, 채널)를 한정할 수 있다. 다른 실시양태에서, 연료 전지는 캐소드-지지형, 전해질-지지형 또는 기재-지지형일 수 있다. 구조적 관점에서, 관형 연료 전지는 실린더형 형상일 수 있거나, 다각형 또는 다른 형상(예: 타원형)일 수 있다. 예컨대, 관형 연료 전지는 3개 면을 연결하는 환형 정점을 갖는 실질적으로 삼각형 형태를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 애노드는, 개시 내용이 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제6,998,187호에 기재된 바와 같이 내벽으로부터 중앙 보어로 돌출된 하나 이상의 지지 특징부(예: 보스(boss) 또는 융기부)를 포함할 수 있다.
조성적으로, 전극은 당업계에 공지된 임의의 적합한 다공성 전극 물질로부터 제조될 수 있다. 예컨대, 애노드는 세라믹 물질 또는 서밋(cermet) 물질로부터 제조될 수 있다. 세라믹 물질, 또는 서밋 물질의 세라믹 성분은 예컨대 지르코니아계 물질 또는 세리아계 물질을 포함할 수 있다. 예컨대 안정화된 지르코니아(예: 이트리아-안정화된 지르코니아, 특히 (ZrO2)0.92(Y2O3)0.08) 및 도핑된 세리아(예: 가돌리늄-도핑된 세리아, 특히 (Ce0 .90Gd0 .10)O1 .95)를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 서밋 물질의 경우, 금속 성분은 하나 이상의 전이 금속, 이의 합금 및/또는 물리적 혼합물을 포함할 수 있다. 금속 성분(예: Ni, Co, Cu, Ag 및 W)은 산화물 또는 염의 형태(예: NiO, Ni(NO3)2)로 도입될 수 있고, 서밋 물질의 총 부피를 기준으로 약 30.0 부피% 내지 약 80.0 부피%의 범위 내에 존재할 수 있다. 예컨대, 애노드는 이트리아-안정화된 지르코니아를 갖는 다공성 니켈 서밋일 수 있다. 다른 적합한 전극 물질은, 금속 성분을 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있는 알루미나 및/또는 티타늄 산화물계 세라믹을 포함한다. 적합한 캐소드 물질의 예는 다양한 페로브스카이트, 예컨대 비제한적으로 란탄 망가나이트 페로브스카이트 세라믹, 란탄 페라이트 페로브스카이트 세라믹, 프라세오디뮴 망가나이트 페로브스카이트 세라믹 및 프라세오디뮴 페라이트 페로브스카이트 세라믹을 포함한다.
전해질 층은 상기 기재한 동일한 세라믹 및 서밋 물질로부터 제조될 수 있다. 서밋 물질 중 적합한 금속성 성분은 Ni, Co, Cu, Ag, W, Pt, Ru, 이들의 합금 및/또는 이들의 물리적 혼합물을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 금속 함량은 약 0.1 부피% 내지 약 15 부피%에 이를 수 있다. 다양한 실시양태에서, 전해질 층은 도핑된 세라믹으로부터 제조될 수 있다. 예를 들면, 도핑된 지르코니아의 얇고 치밀한 층이 전해질 층으로서 사용될 수 있다. 전해질 층 및 캐쏘드 물질은 비제한적으로 슬립-코팅, 딥-코팅, 스프레이-코팅 및 프린팅을 포함한 여러 가지 증착 기법에 의해 애노드 상에 증착될 수 있다. 상이한 층들이 공동-소결되거나 증착 후 연속적으로 소결될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 보다 상세한 단면도이다. 연료 전지 시스템(10)은 하나 이상의 연료 전지(32) 및 중앙 지지 부재(12)를 포함한다. 중앙 지지 부재(12)는 하나 이상의 산화제 입구(14), 하나 이상의 연료 입구(16), 연료 부재(17), 연료 채널(18), 산화제 부재(19) 및 산화제 채널(20)을 포함한다. 연료 전지 시스템의 다른 성분은 연료 전지 플레이트(도시되지 않음), 집전 어셈블리(35) 및 애프터버너(38) 및 임의적 매니폴드(30)를 포함한다. 연료(예컨대, 프로판 및 공기의 혼합물)는 하나 이상의 연료 입구(16)를 거쳐 연료 전지 시스템으로 들어가고 연료 채널(18)을 거쳐 연료 전지(32) 각각의 애노드로 운반된다. 산화제(예컨대, 공기)는 하나 이상의 산화제 입구를 거쳐 연료 전지 시스템으로 들어가고 산화제 채널(20)을 거쳐 연료 전지(32) 각각의 캐쏘드로 운반된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 연료 전지(32)는 중앙 지지 부재(12) 주변에 배치된다.
도 4를 참고하면, 중앙 지지 부재(12)는 일반적으로 내측 종방향 부재(17)(또한 본원에서 연료 부재로서 지칭됨) 및 외측 종방향 부재(19)(또한 본원에서 산화제 부재로서 지칭됨)를 포함한다. 외측 종방향 부재는 내측 종방향 부재와 중심을 공유하고 그 주변에 배치될 수 있다. 이들 부재 각각은 실린더형이거나 다른 기하 형태(즉, 직사각형, 다각형, 타원형 등)를 가질 수 있다. 내측 종방향 부재(17)는 하나 이상의 연료 전지 각각의 애노드로 하나 이상의 연료(예컨대, 연료 혼합물)를 운반하도록 개조된 내측 종방향 채널(18)(또한, 본원에서 연료 채널로서 지칭됨)을 한정할 수 있으며, 여기서 외측 종방향 부재(19)는 하나 이상의 연료 전지 각각의 캐쏘드로 하나 이상의 산화제를 운반하도록 개조된 외측 종방향 채널(20)(또한, 본원에서 산화제 채널로서 지칭됨)을 한정할 수 있다. 즉, 외측 종방향 채널은 외측 종방향 부재의 내벽 및 내측 종방향 부재의 외벽에 의해 한정된 환상 공간이다. 또한, 중앙 지지 부재는 전형적으로 연료 및 산화제 각각을 연료 전지 시스템으로 도입하는 하나 이상의 연료 입구 및 산화제 입구를 포함한다. 내측 종방향 부재 및 외측 종방향 부재는, 예를 들면 금속, 세라믹 물질(예컨대, 알루미나), 반도체 물질, 중합체성 물질, 유리 및 이들의 혼합물로 구성될 수 있다. 내측 종방향 부재와 외측 종방향 부재 사이의 열 전도를 촉진하기 위해, 열 전도성 물질이 내측 종방향 부재와 외측 종방향 부재 사이에 위치하여 물질적 접촉 및 직접적 열 전달을 허용할 수 있다. 예를 들면, 열 전도성 물질이 외측 종방향 부재의 내벽 및/또는 내측 종방향 부재의 외벽을 따라 위치할 수 있다. 열 전도성 물질은 금속성(예컨대, 합금 또는 금속) 또는 세라믹 물질일 수 있으며, 전선, 메쉬, 포말 또는 이의 조합 형태일 수 있다. 열 전도성 물질의 예는 정사각형 또는 원형 프로파일 또는 다른 기하학의 프로파일을 가질 수 있는 인코넬(Inconel, 등록상표명) 600(미국 웨스트버지니아주 헌팅톤 소재의 스페셜 메탈스 코포레이션(Special Metals Corp.))으로부터 제조된 전선 코일이다.
도 4를 참고하면, 중앙 지지 부재(12)는 연료 전지 시스템이 순수한 수소 이외의 다른 연료에 대해 작동하도록 개조되는 경우 개질기로서 작용할 수 있는 개질 촉매를 비롯한 하나 이상의 촉매(21)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 탄화수소 연료, 예컨대 천연 가스, 프로판, 가솔린, 등유 및 디젤은 수소보다 덜 비싸고, 보다 쉽고 안전하게 저장되고, 보다 용이하게 입수할 수 있다. 또한, 알콜, 예컨대 합성 메탄올 및 식물-유도된 에탄올이 사용될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 내측 종방향 부재(17)의 내벽은 하나 이상의 개질 촉매(21)로 완전히 또는 부분적으로 라이닝될 수 있다. 이들 촉매는 코팅, 세라믹 비드 및/또는 벌집 촉매 베드 상에 지지되거나 그 안에 함침된(도 4에 도시됨) 형태일 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 내측 종방향 부재의 내벽은 촉매가 적재된 섬유 랩(예컨대, 펠트 물질)으로 라이닝될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙 지지 부재에 배치된 개질 촉매(21)는 단계적 촉매일 수 있다. 단계적 촉매의 조성은 그의 위치에 따라 달라질 수 있다. 이는 상이한 촉매 반응이 연료가 내측 종방향 부재의 상이한 구역을 통해 통과함에 따라 발생하게끔 한다. 예를 들면, 단계적 촉매는 내측 종방향 부재에 따라 상이한 촉매 구역에 배치된 4가지 상이한 촉매를 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 제 1 촉매 구역(22) 내의 촉매는 낮은 표면적 부분 산화 개질 촉매에 이어서 연속적으로 부분 산화 개질 촉매 또는 부분 산화 및 연소 촉매의 조합을 포함한 제 2 촉매 구역(24), 연소 촉매를 포함한 제 3 촉매 구역(26) 및 스팀 개질 촉매를 포함한 제 4 촉매 구역(28)이 뒤따를 수 있다. 단계적 촉매의 사용은 단계적 촉매 내의 상이한 촉매에 의해 촉매화되는 개질 반응의 상이한 유형으로 인하여 보다 큰 온도 범위, 즉 약 200 내지 약 900℃에서 연료 개질을 허용한다.
예를 들면, 부분 산화(POX) 개질에서, 연료는 촉매에 의해 부분적으로 O2로 산화되어 일산화탄소 및 수소를 생성한다. 반응은 발열성이지만, 수소의 낮은 수율이 희생된다:
CnHm + (n/2)O2 → nCO + (m/2)H2
예시적인 부분 산화 개질 촉매는, Pt, Ni, W, Ru, Au, Pd, Mo, Cu, Sn, Rh 및 V를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 몇몇 실시양태에서, 제 1 부분 산화 개질 촉매는 백금 및 니켈 산화물을 포함할 수 있다. 대부분(예컨대, 60%)의 연료가 그의 연료 입구로의 근접성 및 애프터버너에 의해 제공된 열로 인하여 제 1 촉매 구역에 의해 개질되는 것으로 예상되기 때문에, 이러한 부분 산화 개질 촉매는 부분 산화 개질 및 연소 촉매의 후속 조합과 비교하여 낮은 표면적(예컨대, 감소된 금속 적재)을 가질 수 있다. 이로 인하여, 제 1 부분 산화 개질 촉매는 또한 연료 전지 시스템으로 주입된 연료 모두가 제 1 촉매 구역과 접촉하기 때문에 보다 강력할 필요가 있다.
일부 실시양태에서, 제 2 촉매는 높은 표면적의 부분 산화 개질 촉매일 수 있고, 이의 금속 적재량은 전형적으로 제 1 부분 산화 개질 촉매보다 더 높다. 이는, 제 2 촉매 구역이 제 1 촉매 구역보다 더욱 하류에 위치하기 때문에, 개질에 이용가능한 연료가 더 적고 따라서 효과적인 개질을 위해서 더 높은 표면적이 필요하기 때문이다. 일부 실시양태에서, 이 제 2 촉매 구역은 니켈과 백금을 포함할 수 있고, 니켈이 백금보다 더 높은 비로 포함된다. 예를 들면 니켈 대 백금의 비는 약 5:1 내지 약 15:1의 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 제 2 촉매 구역중의 촉매는 부분 산화 개질 촉매와 연소 촉매의 혼합물일 수 있다. 부분 산화 촉매는 상기 개시된 높은 표면적의 부분 산화 촉매일 수 있다. 연소 촉매는 하기 개시된 연소 촉매일 수 있다.
제 3 촉매 구역의 연소 촉매는 금속 촉매, 예를 들면 연료 연소를 촉진시키는 Pd, Pt, Cu, Mn 및 Ru에서 선택되는 하나 이상의 연료 금속을 포함하는 촉매일 수 있다. 연소에 의해 생성된 열은 제 2 촉매 구역과 제 4 촉매 구역이 각각 위치하는 내측 종방향 채널을 따라 인접한 구역으로 이동되어 이들 촉매에 의한 부분 산화 개질 반응을 개시할 수 있다. 연소 촉매가 더 낮은 온도에서 작동하기 때문에, 연소 촉매는 들어오는 연료의 개질을 시작하는 4단 촉매에서 첫 번째 촉매일 것이다.
제 4 촉매 구역은 스팀 개질 촉매 및/또는 부분 산화 개질 촉매를 포함할 수 있다. 스팀 개질은 하기 반응의 촉매화에 의해 일산화탄소 및 수소를 생성한다:
CnHm + nH2O --> nCO + (m/2+n)H2
이 공정은 매우 흡열성(즉, 약 700℃ 내지 약 1000℃의 범위의 온도에서 발생한다)이고, 전형적으로 외부 연소에 의해 공급되는 상당한 양의 에너지를 소비한다. 현재의 연료 전지 시스템에서, 필요한 열 에너지는 업스트림에서 발생하는 발열성 부분 산화 개질 및 연소 반응에서 나온 열에 의해 공급된다. 예시적인 스팀 개질 촉매는 다양한 VIII족 금속, 예를 들면 코발트 및 니켈을 포함하지만, 이로 제한되지는 않는다.
도 2를 참조하면, 연료가 촉매(21)를 통과한 후, 개질된 연료 및 임의의 개질되지 않은 연료는 매니폴드(30)를 통해 유동하고, 하나 이상의 연료 전지(32)의 애노드로 향한다. 연료 전지는 일반적으로 관형 고형 산화물 연료 전지이고, 전기적으로 연결되어 연료 전지 스택을 형성할 수 있다. 연료가 연료 전지의 애노드를 통과함에 따라 연료의 일부 또는 전부는 산소 이온과 반응하여 전기 및 애노드 배출물을 생성할 것이다. 애노드 배출물은 일산화탄소, 이산화탄소, 물, 개질 촉매의 임의의 부산물, 소비되지 않은 개질된 연료 및 소비되지 않고 개질되지 않은 연료를 함유할 수 있다. 애노드 배출물은 연료 전지(32)의 애노드 및 집전 어셈블리(35) 둘 모두와 유체 소통하는 하나 이상의 애노드 출구 채널(33)을 통해 집전 어셈블리(35)로 향한다.
집전 어셈블리(35)는 근위 벽, 원위 벽, 내벽, 외벽, 및 내부에 하나 이상의 집전체(36)가 위치하고 있는 이들 벽에 의해 한정되는 둘러싸인 챔버를 포함할 수 있다. 집전 어셈블리는 원형, 타원형 또는 다른 기하학적 또는 불규칙한 형태를 포함하지만, 이로 제한되지는 않는 다양한 형태일 수 있고, 이의 근위 벽과 이의 원위 벽 사이에 연장되는 이의 내벽에 의해 한정되는 내부 채널을 추가로 포함할 수 있다. 내부 채널은 중앙 지지 부재가 통과하고, 연료 전지 스택으로 삽입되는 것을 허용하는 적절한 크기일 수 있다.
특정 실시양태에서, 중앙 지지 부재(12)는 집전 어셈블리(35) 너머로 연장되고, 하나 이상의 연료 전지 사이에 삽입될 수 있다. 집전 어셈블리는 중앙 지지 부재 상의 슬립 핏(즉, 마찰 핏)일 수 있다. 따라서, 집전 어셈블리는 연료 전지의 축에 평행한 방향을 따라 움직일 수 있다. 본원에서 이용되는 용어 "움직일 수 있는"이란 2개의 물체, 예를 들면 집전 어셈블리와 중앙 지지 부재 사이에서의 상대적인 위치의 변화를 의미한다. 이는 또한 한 물체의 일부(예를 들면 연료 전지의 애노드와 같은 연료 전지의 일부의 연장 또는 수축)의 다른 물체(예를 들면 중앙 지지 부재)와의 상대적인 위치의 변화를 의미한다. 하나 이상의 연료 전지에 부착되는 경우, 집전 어셈블리와 하나 이상의 연료 전지의 조합체는 유사하게 중앙 지지 부재를 따라 미끄러질 수 있고, 유지 또는 대체를 위해 시스템으로부터 쉽게 제거될 수 있다.
연료 전지 시스템이 작동되는 동안, 집전 어셈블리와 하나 이상의 연료 전지의 조합체는 중앙 지지 부재와 집전 어셈블리 사이의 틈으로 인해 종방향으로 확장될 수 있다. 이러한 이동의 자유는, 연료 전지에 가해져 이들의 조기 파괴를 야기할 수 있는 종방향 압축력을 최소화시킨다. 중앙 지지 부재가 집전 어셈블리와 연료 전지 플레이트 둘 모두로 딱 맞게 슬립 핏될 수 있기 때문에, 중앙 지지 부재는 또한 스택으로부터 독립적으로 제거될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 집전 어셈블리(35) 내부에 위치한 집전체(36)는 다양한 연료 전지 전극과 전기 소통한다. 집전 어셈블리(35)는 하나 이상의 연료 전지 각각의 애노드 출구 유동 채널(33)과의 유체 소통을 허용하는 이의 원위 벽 상에 개구를 포함할 수 있다.
한 실시양태에서, 집전 어셈블리는 환원 환경을 생성할 수 있다. 즉, 애노드 배출물만을 집전 어셈블리로 향하게 하고 산화제를 집전 어셈블리 주변으로 보냄으로써 환원 챔버(34) 또는 산소를 실질적으로 함유하지 않는 챔버로서 작용할 수 있다. 따라서, 이러한 환원 챔버는 연료 전지의 캐쏘드와는 유체 소통하지 않는다. 환원 챔버에 집전체를 갖는 것은 종종 (은과 같은) 산화되기 쉬운 금속 및/또는 합금으로 제조되는 집전체의 표면 상에서의 산화 위험을 감소시킬 수 있다. 바람직하지 않은 산화 반응은 손상을 야기하고 집전체의 유용 수명을 단축시킬 수 있다. 환원 분위기는 다른 이점을 제공할 수 있다. 예를 들면, 다르게는 고온의 산소가 풍부한 환경에서 산화되고 분해될 수 있는 다른 집전 물질의 이용을 허용하는 것에 추가하여, 환원성 대기는 환원 챔버를 통해 애프터버너로 향하는 임의의 미반응되거나 미소비된 연료의 직접 연소로 인한 집전 실패 가능성을 제거할 수 있다.
환원 챔버의 온도는 또한 환원 챔버와 열 소통하는 절연체(도 3에 도시되지 않음)를 제공함으로써 조절될 수 있다. 절연체는 중앙 지지 부재 및 애프터버너로부터 환원 챔버로의 열의 이동을 제한하기 위해 환원 챔버 주변에 배치될 수 있다. 집전체가 종종 은과 같은 금속으로 제조되므로, 환원 챔버내의 온도는 집전체를 제조하는 물질의 융점을 초과하지 않아야 한다. 따라서, 열 절연체는 환원 챔버 및 집전체의 온도를 조절하기 위하여 기류 냉각과 함께 사용될 수 있다.
도 3을 더욱 참조하면, 집전 어셈블리(35)는 또한 애프터버너(38)와의 유체 소통을 가능하게 하는 근위 벽상의 개구(37)를 포함할 수 있다. 애프터버너는 집전 어셈블리(35)에 인접한 연료 전지 시스템(10)의 근위 말단에 위치할 수 있고, 집전 어셈블리(35)와 유사한 중앙 지지 부재 주변에 배치될 수 있다. 따라서, 소비되지 않은 임의의 연료 및 애노드를 나가는 배출물은 환원 챔버로 먼저 채널화된 후 애프터버너로 채널화된다.
애프터버너(38)는 일반적으로 소비되지 않은 임의의 연료가 연소되고 소비될 수 있는 챔버이다. 이를 위해서, 애프터버너의 내부 표면은 연소 촉매로 적어도 부분적으로 코팅될 수 있다. 특정 실시양태에서, 애프터버너는 이의 말단부 가까이의 제 1 연소 촉매 구역(42) 및 이의 근위 말단 가까이의 제 2 연소 촉매 구역(44)을 포함할 수 있다. 개구는 제 1 연소 촉매 구역(42) 및 제 2 촉매 구역(44) 사이의 애프터버너에 제공되고, 이는 애프터버너가 하나 이상의 캐쏘드 출구 유동 채널(40)을 통해 하나 이상의 연료 전지(32)의 캐쏘드와 유체 소통하도록 한다. 반응하지 않은 임의의 산화제 및/또는 산화제 배출물은 애프터버너내의 제 1 연소 촉매 구역 및 제 2 연소 촉매 구역 사이의 부분을 지향하고, 이러한 부분내에 가두어 진다. 반응하지 않은 산화제는 2개의 연소 촉매 구역내에 배치된 연소 촉매상에서 애노드 배출물로부터의 소비되지 않은 연료와 혼합된다. 제 1 연소 촉매 구역내의 촉매에 의해 제공된 밀봉부는 집전 어셈블리로의 반응하지 않은 산화제의 임의의 역류를 차단하는데 도움을 주고, 환원 챔버내의 환원 환경을 유지하는데 도움을 준다. 애프터버너 촉매는 또한 촉매 도핑된 섬유 랩(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 이러한 섬유 랩은 환원 챔버로의 산화제의 누출을 방지하는 개스킷으로서 역할을 한다. 부가적으로, 제 1 애프터버너 촉매는 또한 애프터버너내의 산화제가 환원 챔버에 진입하는 것을 방지할 수 있다.
애프터버너(38)는 또한 연소 반응을 개시하는 점화기(45), 예를 들어 예열 플러그를 포함할 수 있다. 환원 챔버 및 애프터버너 둘 다의 추가적인 기능 및 이점이 연료 전지 시스템의 작동과 관련하여 하기에 더욱 상세히 기술되어 있다.
중앙 지지 부재의 온도의 조절은 중앙 지지 부재의 길이와 함께 열점(hot spot) 또는 고온 부분을 제거할 수 있다. 이러한 온도 조절은 이른 촉매 파괴를 최소화시킬 수 있고, 개선되고 더욱 효율적인 연료 개질을 제공할 수 있고, 중앙 지지 부재에 대한 열 충격을 최소화시킬 수 있다.
장치의 작동은 이제 시동 및 정상 작동의 2개의 단계로 더욱 상세히 논의된다.
시동. 연료 전지 시스템의 시동중에, 연료 전지 스택, 즉 다수의 연료 전지는 약 30℃의 온도에서 존재한다. 이러한 다소 차가운 온도에서, 차가운 연료는 중앙 지지 부재를 통해 연료 전지의 애노드로 개질되지 않고 이동한다. 이때 연료 전지가 이의 작동 온도에 도달하지 않으므로, 전력이 발생하지 않고, 연료가 소비되지 않고 연료 전지 시스템을 통과한다. 산화제의 상대적으로 차가운 유사한 스트림은 반응 없이 중앙 지지 부재를 통해 연료 전지의 캐쏘드로 이동한다. 이어서, 반응하지 않은 산화제 스트림은 캐쏘드 출구 유동 채널을 통해 캐쏘드로부터 애프터버너로 직접 채널화된다. 한편, 개질되지 않고 반응하지 않은 연료는 집전체 에셈블리의 환원 챔버를 통과하여 애프터버너로 이동하고, 이때 연료 스트림 및 산화제 스트림은 합해지고 고온 점화기에 의해 점화된다. 연료의 점화에 의해 발생된 열은 애프터버너의 온도를 애프터버너 촉매가 촉매작용을 시작하는 온도까지 상승시킨다. 따라서, 보다 많은 연료가 연소되고, 보다 많은 열이 생성된다. 이러한 열의 대부분은 애프터버너에 바로 인접한 산화제 부재로 이동되고, 유입 산화제를 가열한다. 열 전달은 산화제 부재 및 연료 부재 사이에서 발생하고, 연료 채널내의 연료가 약 180℃ 이상의 온도에 도달한 후, 제 3 촉매 구역내의 연소 촉매가 유입 연료의 연소를 개시할 수 있다. 연소 반응에 의해 생성된 열은 부분 산화 개질 촉매, 스팀 개질 촉매 및 선택적인 연소 촉매를 함유하는 이웃 촉매 구역(즉, 제 2 및 제 4 촉매 구역)으로 이동한다. 부분 산화 촉매는 약 800℃에서 연료를 개질하기 시작할 수 있다. 온도가 약 500 내지 약 700℃를 초과한 후, 스팀 개질 촉매는 연료를 개질하기 시작한다.
정상 작동. 중앙 지지 부재가 약 800 내지 900℃의 이의 최적 작동 온도에 도달한 후, 4-단 촉매의 4개의 촉매 모두가 연료를 개질한다. 정상 작동중에, 제 1 촉매(즉, 부분 산화 개질 촉매)는 약 60%의 연료를 개질한다. 이어서, 개질되지 않은 임의의 연료는 제 2 및 제 3 촉매 구역을 통과하고, 이때 약 30%의 유입 연료가 개질된다. 최종적으로, 잔류하는 10%의 유입 연료가 제 4 촉매 구역내의 촉매에 의해 대부분 개질된다. 그러므로, 4-단 촉매를 사용함으로써, 보다 높은 백분율의 연료가 개질될 수 있고, 연료 전지 시스템의 시동 시간이 감소될 수 있다. 예를 들어, 종래 기술의 연료 전지 스택은 시동까지 1 내지 2시간이 걸릴 수 있는 반면에, 본 발명의 연료 전지 시스템은 약 20 내지 25분 미만에 800℃에 도달할 수 있다.
또한, 대부분의 연료가 중앙 지지 부재에서 개질된 후, 연료 전지 스택에서 소비되므로, 매우 적은 연료가 애프터버너에서 연소된다. 따라서, 애프터버너로부터 산화제 채널로 이동된 추가의 열은 이러한 단계의 작동에서 최소치이다. 대신에, 작동중에 산화제 채널은 약 600℃이다. 따라서, 산화제 채널을 통한 유입 산화제는 하기 더욱 상세히 기술되는 바와 같이 애프터버너를 냉각시키는데 실질적으로 도움을 준다.
연료 전지가 중앙 지지 부재 주변에 집중적으로 위치되고, 매니폴드를 통해 중앙 지지 부재와 유체 소통하므로, 중앙 지지 부재에 의해 제공된 열 전달 메커니즘은 적절한 작동 온도로 연료 전지를 유지하는데 도움을 줄 수 있다. 연료가 개질되고, 연료 전지의 온도가 약 800℃까지 증가되면, 캐쏘드에 의해 생성된 산소 이온은 전해질 물질을 통해 이동하여 애노드상의 수소와 반응하고, 전기를 생성한다.
전술한 바와 같이, 부분 산화 개질 반응은 발열반응이다. 따라서, 개질 반응에 의해 연료 부재 내에서 생성된 열은 조절되지 않는 상태로 방치되면 촉매 및 연료 전지 시스템을 전체적으로 손상시킬 수 있다. 예를 들어, 촉매 내의 활성 금속이 약 900℃ 내지 1100℃의 온도에서 소결되고 약 1100℃ 내지 1400℃의 온도에서 용융되면서 상기 촉매가 용융되기 시작할 수 있다.
촉매의 온도 및 연료 부재의 온도가 상승되기 시작할 때, 시동 단계 동안 연료 부재를 예열할 수 있는 산화제 채널이 작동 단계 동안 연료 부재의 온도를 조절하고 냉각시키는 데 기여할 수 있다. 전술한 바와 같이, 열 전달은 연료 부재와 산화제 부재 사이에서 일어난다. 그러나, 정상적인 작동 단계 동안 산화제 부재의 온도가 연료 부재의 온도(900℃ 이상일 수 있음)보다 실제로 더 낮기 때문에, 시동 단계에서 열이 산화제 부재로부터 연료 부재로 전달되는 것과 대조적으로 열은 연료 부재로부터 산화제 부재로 전달된다. 연료 부재 상의 산화제의 일정한 유입 유동은 연료 부재의 길이 전체에 걸쳐 연료 부재를 냉각시켜 연료 부재 및 그 내에 존재하는 촉매가 과열되는 것을 방지하는 데 기여한다.
유사하게, 산화제 채널을 관통하는 비소모된 산화제 및 캐쏘드 배출물의 스트림이 연료 채널을 관통하는 비소모된 연료 및 애노드 배출물의 스트림보다 더 차가울 것이기 때문에, 산화제 부재 및 캐쏘드 부재를 관통하는 냉각제 산화제 스트림은 애노드 채널을 냉각시킨 후 집전체를 냉각시키는 데에도 기여한다. 유사한 열 전달 메터니즘에 의해, 산화제 부재를 통해 유입되는 산화제 스트림은 산화제 부재에 바로 인접하여 배치되어 있는 집전 어셈블리 및 애프터버너를 더 냉각시킨다.
가동중단
가동중단 동안에 기체 유속 및 연료 전지 시스템 상의 전기적 부하는 체계적으로 감소된다. 기체 유속 및 연료 전지 시스템 상의 부하의 체계적 감소는 연료 전지 스택의 온도를 약 200℃ 미만으로 서서히 낮출 수 있다. 일단 상기 스택 온도가 200℃ 미만으로 떨어지면, 기체 유동은 차단될 수 있고 연료 전지 스택은 실온으로 냉각된다.
따라서, 중앙 지지 부재의 이중-채널 디자인은 열을 연료 부재에 전달함으로써 장치의 시동 단계 동안 온도 조절을 가능하게 하고 열을 연료 부재로부터 전달함으로써 장치의 작동 단계 동안 온도 조절을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명의 또 다른 측면은 연료 전지 시스템, 예를 들어, 전술한 바와 같이 중앙 지지 부재와 유체 소통하고 집전체와 전기 소통하는 하나 이상의 연료 전지를 갖는 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 연료 부재(중앙 지지 부재의 일부임)를 통해 연료를 하나 이상의 연료 전지 각각의 애노드로 향하게 하고 산화제 부재(중앙 지지 부재의 일부임)를 통해 산화제를 하나 이상의 연료 전지 각각의 캐쏘드로 향하게 하는 단계를 포함할 수 있다. 연료 부재 내의 연료의 온도와 산화제 부재 내의 산화제의 온도는 상이할 수 있기 때문에, 상기 연료 부재와 산화제 부재 사이에 온도차가 생길 수 있다. 상기 온도차는 상기 두 부재 사이의 열 전달(예를 들어, 전도에 의한 열 전달)을 유발하여 상기 두 부재를 동일한 온도로 유지하고 과잉의 열로부터 집전체를 보호하는 데 기여한다.
상기 방법은 환원 챔버 내에 집전체를 제공하는 단계도 포함할 수 있고, 이때 상기 환원 챔버는 애프터버너와 유체 소통 상태로 존재한다. 상기 방법은 애노드 배출물(실질적으로 산소-비함유 배출물)을 환원 챔버를 통해 애노드로부터 애프터버너로 향하게 하는 단계를 포함할 수 있고, 이때 상기 애노드 배출물은 캐쏘드로부터의 배출물(즉, 캐쏘드 배출물)로 연소된다. 상기 방법은 환원 챔버와 애프터버너 사이에 절연 물질을 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 중앙 지지 부재에 제공된 온도 조절 기작은 환원 챔버 내에 배치된 집전체의 온도를 조절하는 데 기여할 수 있는데, 이는 전체 연료 전지 시스템이 열 소통 상태로 존재하기 때문이다.
다른 실시양태
본 교시는 이의 기술적 사상 또는 본질적 특징을 벗어나지 않으면서 전술한 형태가 아닌 다른 특정 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 상기 실시양태는 모든 관점에서 본 명세서에 기재된 본 교시를 제한하기보다는 설명하기 위한 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에 의해서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 제한되고, 특허청구범위에 기재된 사항과 동등한 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경이 본 발명의 범위 내에 포함된다.

Claims (28)

  1. 각각 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 갖는 하나 이상의 연료 전지; 및
    상기 하나 이상의 연료 전지 각각과 유체 소통하며, 내측 종방향 채널을 한정하는 내측 종방향 부재 및 외측 종방향 채널을 한정하는 외측 종방향 부재를 포함하는 중앙 지지 부재
    를 포함하며, 이때 상기 외측 종방향 부재가 상기 내측 종방향 부재와 중심을 공유하며 그 주변으로 배치되고, 상기 내측 종방향 채널이 상기 하나 이상의 애노드에 연료를 전달하도록 개조되고, 상기 외측 종방향 채널이 상기 하나 이상의 캐쏘드에 산화제를 전달하도록 개조되고, 상기 하나 이상의 연료 전지가 상기 중앙 지지 부재 주변으로 배치된, 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 지지 부재가 하나 이상의 촉매를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중앙 지지 부재가 개질(reforming) 촉매를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙 지지 부재가 부분 산화 개질 촉매를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙 지지 부재가 스팀 개질 촉매를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙 지지 부재가 연소 촉매를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 촉매가 상기 내측 종방향 부재의 내부 표면의 적어도 일부와 회합된, 연료 전지 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 촉매가 4단(four stage) 촉매를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 4단 촉매가 부분 산화 촉매, 부분 산화 촉매와 연소 촉매의 조합, 연소 촉매, 및 스팀 개질 촉매를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 애노드와 유체 소통하고 상기 하나 이상의 애노드로부터 애노드 배출물을 유도하도록 개조된 하나 이상의 애노드 출구 유동 채널;
    상기 하나 이상의 캐쏘드와 유체 소통하고 상기 하나 이상의 캐쏘드로부터 캐쏘드 배출물을 유도하도록 개조된 하나 이상의 캐쏘드 출구 유동 채널;
    상기 하나 이상의 애노드 출구 유동 채널과 유체 소통하고 임의의 산화제를 실질적으로 함유하지 않는 환원 챔버;
    상기 환원 챔버 내에 배치되고 상기 하나 이상의 연료 전지 각각과 전기 소통하는 집전체; 및
    상기 환원 챔버 및 상기 하나 이상의 캐쏘드 출구 유동 채널과 유체 소통하고 상기 하나 이상의 애노드로부터의 애노드 배출물과 상기 하나 이상의 캐쏘드로부터의 캐쏘드 배출물을 조합하도록 개조된 애프터버너(after burner)
    를 추가로 포함하는, 연료 전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 환원 챔버가 절연 물질과 열 소통하는, 연료 전지 시스템.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 환원 챔버가 상기 중앙 지지 부재 주변으로 배치된, 연료 전지 시스템.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애프터버너가 연소 촉매에 의해 적어도 부분적으로 코팅된 내부 표면을 포함하는, 연료 전지 시스템.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애프터버너가 상기 중앙 지지 부재 주변으로 배치된, 연료 전지 시스템.
  15. 각각 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 갖는 하나 이상의 연료 전지;
    상기 하나 이상의 애노드와 유체 소통하고 상기 하나 이상의 애노드로부터의 애노드 배출물을 유도하도록 개조된 하나 이상의 애노드 출구 유동 채널;
    상기 하나 이상의 캐쏘드와 유체 소통하고 상기 하나 이상의 캐쏘드로부터의 캐쏘드 배출물을 유도하도록 개조된 하나 이상의 캐쏘드 출구 유동 채널;
    상기 하나 이상의 애노드 출구 유동 채널과 유체 소통하고 임의의 산화제를 실질적으로 함유하지 않는 환원 챔버;
    상기 환원 챔버 내에 배치되고 상기 하나 이상의 연료 전지 각각과 전기 소통하는 집전체; 및
    상기 환원 챔버 및 상기 하나 이상의 캐쏘드 출구 유동 채널과 유체 소통하고 상기 하나 이상의 애노드로부터의 애노드 배출물과 상기 하나 이상의 캐쏘드로부터의 캐쏘드 배출물을 조합하도록 개조된 애프터버너
    를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 환원 챔버가 절연 물질과 열 소통하는, 연료 전지 시스템.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 환원 챔버가, 상기 하나 이상의 연료 전지 각각과 유체 소통하는 중앙 지지 부재 주변으로 배치된, 연료 전지 시스템.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애프터버너가, 연소 촉매에 의해 적어도 부분적으로 코팅된 내부 표면을 포함하는, 연료 전지 시스템.
  19. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애프터버너가, 상기 하나 이상의 연료 전지 각각과 유체 소통하는 중앙 지지 부재 주변으로 배치된, 연료 전지 시스템.
  20. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    절연 물질이 상기 환원 챔버와 상기 애프터버너 사이에 존재하는, 연료 전지 시스템.
  21. 하나 이상의 연료 전지, 상기 하나 이상의 연료 전지와 유체 소통하는 중앙 지지 부재, 및 상기 하나 이상의 연료 전지와 전기 소통하는 집전체를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 단계로서, 이때 상기 집전체가 상기 중앙 지지 부재 주변으로 배치되고, 상기 중앙 지지 부재가 내측 종방향 채널을 한정하는 내측 종방향 부재 및 외측 종방향 채널을 한정하는 외측 종방향 부재를 포함하고, 상기 외측 종방향 부재가 상기 내측 종방향 부재와 중심을 공유하며 그 주변으로 배치되는, 단계;
    상기 내측 종방향 채널을 통해 상기 하나 이상의 연료 전지의 애노드로 연료를 유도하는 단계; 및
    상기 외측 종방향 부재를 통해 상기 하나 이상의 연료 전지의 캐쏘드로 산화제를 유도하는 단계로서, 이때 상기 내측 종방향 부재의 온도 및 상기 외측 종방향 부재의 온도가 온도 구배(temperature differential)를 발생시키고, 상기 온도 구배가 상기 중앙 지지 부재에 열전달 및 온도 조절을 촉진하는, 단계;
    를 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 외측 종방향 부재를 통해 상기 산화제를 유도하는 단계가 과잉의 열에 대한 노출로부터 상기 집전체를 보호하는, 방법.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 집전체를, 애프터버너와 유체 소통하는 환원 챔버 내에 제공하는 단계;
    상기 하나 이상의 연료 전지의 애노드로부터 상기 환원 챔버로 애노드 배출물을 유도하는 단계;
    상기 하나 이상의 연료 전지의 캐쏘드로부터 상기 애프터버너로 캐쏘드 배출물을 유도하는 단계;
    상기 환원 챔버로부터 상기 애프터버너로 상기 애노드 배출물을 유도하는 단계; 및
    상기 애프터버너에서 상기 애노드 배출물과 상기 캐쏘드 배출물을 조합하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 애프터버너에서 상기 애노드 배출물 및 상기 캐쏘드 배출물을 연소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 환원 챔버와 상기 애프터버너 사이에 절연 물질을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  26. 애프터버너와 유체 소통하는 환원 챔버와 유체 소통하는 하나 이상의 연료 전지를 제공하는 단계로서, 이때 상기 환원 챔버가 그 내부에 배치된 집전체를 포함하고, 상기 집전체가 상기 하나 이상의 연료 전지와 전기 소통하는, 단계;
    상기 하나 이상의 연료 전지의 애노드로부터 상기 환원 챔버로 애노드 배출물을 유도하는 단계;
    상기 하나 이상의 연료 전지의 캐쏘드로부터 상기 애프터버너로 캐쏘드 배출물을 유도하는 단계;
    상기 환원 챔버로부터 상기 애프터버너로 상기 애노드 배출물을 유도하는 단계; 및
    상기 애프터버너에서 상기 캐쏘드 배출물과 미반응된 산화제를 조합하는 단계
    를 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 애프터버너에서 상기 애노드 배출물 및 상기 캐쏘드 배출물을 연소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    상기 환원 챔버와 상기 애프터버너 사이에 절연 물질을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
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