KR20140001204A - 고온 연료 전지 시스템에서의 애노드 산화를 회피하는 방법 및 장치 - Google Patents

고온 연료 전지 시스템에서의 애노드 산화를 회피하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

시스템 셧다운 상황에서 퍼지 가스의 양을 감소시키기 위한 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치가 개시되어 있다. 냉각 장치는, 시스템 셧다운 상황 동안 고온 연료 전지 시스템의 냉각 프로세스에서 사용될 냉각재를 제공할 수 있는 냉각재 소스 (120), 연료 전지 스택들로부터 열을 수용하고 그리고 수용된 열을 냉각재로 전달하기 위해 연료 전지 스택들 (103) 의 열적 영향 영역 내에 배치되고, 냉각재 소스 (120) 과 연결되는 냉각 구조물 (122), 냉각재 소스 (120) 로부터 냉각 구조물 (122) 내로 상기 냉각재를 공급하기 위한 수단 (124), 냉각 구조물로부터 사용된 냉각재를 배기하기 위한 수단 (126), 및 시스템 셧다운 상황이 시작될 때에, 트리거력 (triggering force) 을 이용하여 냉각 구조물 내의 냉각재 흐름을 트리거하기 위한 수단 (136) 을 포함한다.

Description

고온 연료 전지 시스템에서의 애노드 산화를 회피하는 방법 및 장치{METHOD AND ARRANGEMENT FOR AVOIDING ANODE OXIDATION IN A HIGH TEMPERATURE FUEL CELL SYSTEM}
세계의 대부분의 에너지는 오일, 석탄, 천연 가스 또는 원자력에 의해 생성된다. 이들 생성 방법들 모두는, 예를 들면, 이용 가능성 및 환경에 대한 친화도에 관한 한 그들의 특정한 문제들을 가진다. 환경에 관한 한, 특히 오일 및 석탄은 그들이 연소될 때에 오염을 야기한다. 원자력에 관한 문제는, 적어도 사용된 연료의 저장이다.
특히 환경 문제 때문에, 상기 언급된 에너지 소스들보다 더 환경 친화적이고, 예를 들면 더 양호한 효율을 갖는 새로운 에너지 소스들이 개발되고 있다. 연료의 에너지가, 예를 들면, 바이오가스의 에너지가 환경 친화적 프로세스에 있어서의 화학 반응을 통해 직접 전기로 변환되는 연료 전지들은, 유망한 미래 에너지 변환 디바이스들이다.
도 1 에 제시된 바와 같은, 연료 전지는, 애노드 측 (100) 및 캐소드 측 (102) 그리고 이들 사이에 있는 전해질 재료 (104) 를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지들 (SOFCs; Solid Oxide Fuel Cells) 에 있어서, 산소 (106) 가 캐소드 측 (102) 에 공급되며, 산소는 캐소드로부터 전자들을 수용함으로써 음의 산소 이온으로 환원된다. 음의 산소 이온은 전해질 재료 (104) 를 통과하여 애노드 측 (100) 으로 진행하고, 여기서 음의 산소 이온은 연료 (108) 와 반응하여 물 및 또한 통상 이산화탄소 (CO2) 를 생성한다. 애노드 (100) 와 캐소드 (102) 사이에는, 연료 전지에 대한 부하 (110) 를 포함하는 외부 전기 회로 (111) 가 있다.
도 2 에는 고온 연료 전지 디바이스의 예로서 SOFC 디바이스가 제시되어 있다. SOFC 디바이스는, 연료로서 예를 들면 천연 가스, 바이오가스, 메탄올 또는 탄화수소류를 함유하는 다른 화합물들을 이용할 수 있다. 도 2 에서의 SOFC 디바이스는, 2개 이상의, 통상 복수의 연료 전지들을 스택 형성물 (103) (SOFC 스택) 내에 포함한다. 각각의 연료 전지는 도 1 에 제시된 바와 같이 애노드 (100) 및 캐소드 (102) 구조물을 포함한다. 사용된 연료의 일부는 각각의 애노드를 통과하여 피드백 장치 (109) 에서 재순환될 수 있다. 도 2 에서의 SOFC 디바이스는 또한 연료 열 교환기 (105) 및 개질기 (107; reformer) 를 포함한다. 연료 전지 프로세스에 있어서 상이한 위치들에서 열적 조건들을 제어하기 위해 통상 수개의 열 교환기들이 사용된다. 개질기 (107) 는 예를 들면 천연 가스와 같은 연료를 연료 전지들에 적합한 조성물로, 예를 들면 수소와 메탄, 이산화탄소, 일산화탄소 및 불활성 가스들을 함유하는 조성물로 변환하는 디바이스이다. 게다가 각각의 SOFC 디바이스에 있어서 반드시 개질기를 가질 필요는 없다.
예를 들면, 불활성 가스들은 연료 전지 기술에서 사용되는 퍼지 가스들 또는 퍼지 가스 화합물들의 일부이다. 예를 들면, 질소가, 연료 전지 기술에서 퍼지 가스로서 사용되는 대표적인 불활성 가스이다. 퍼지 가스들은 반드시 원소인 것은 아니며, 퍼지 가스들은 또한 화합물 가스들일 수 있다.
측정 수단 (115) (예컨대 연료 유량계, 전류계 및 온도계) 을 사용함으로써 SOFC 디바이스의 동작을 위해 필요한 측정이 실시된다. 애노드들 (100) 에서 사용된 가스의 일부는 애노드들을 통과하여 피드백 장치 (109) 에서 재순환될 수 있고, 가스의 다른 일부는 애노드들 (100) 로부터 배기된다 (114).
고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 디바이스는, 연료를 산화함으로써 직접 전기를 생성하는 전기화학 변환 디바이스이다. SOFC 디바이스의 이점은 고 효율, 장기간 안정성, 저 공해 및 비용을 포함한다. 주요 문제점은, 긴 시동 시간 그리고 기계적 및 화학적 양립가능성 이슈들을 야기하는 높은 동작 온도이다.
고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 의 애노드 전극은 통상 상당한 양의 니켈을 함유하며, 이는 분위기가 환원이 아닌 경우에 니켈 산화물을 형성하기 쉽다. 니켈 산화물 형성이 아주 심한 경우에, 전극의 형태 (morphology) 가 변화되어, 전기화학 활성의 현저한 손실 또는 심지어 전지들의 파괴를 비가역적으로 야기한다. 따라서, SOFC 시스템들은, 연료 전지의 애노드 전극들이 산화되는 것을 방지하기 위해 시동 및 셧다운 (shutdown) 동안 환원제를 함유하는 퍼지 가스, 즉, 안전 가스 (예컨대 질소와 같은 불활성물로 희석된 수소) 를 요구한다. 실질 시스템들에 있어서, 예컨대, 수소를 함유하는 가압 가스의 대규모 양은 값비싸며 공간-요구 컴포넌트들로서 문제가 있기 때문에, 퍼지 가스의 양은 최소화되어야 한다.
종래 기술의 응용에 따르면, 시동 상황에서 가열과 퍼지 가스들의 최소화가 동시에 필요하고 그리고 셧다운 상황에서 시스템의 냉각과 퍼지 가스들의 최소화가 동시에 필요하기 때문에, 정상 시동 또는 셧다운 동안 퍼지 가스들의 양은 애노드 재순환에 의해, 즉, 비사용 퍼지 가스들을 루프로 다시 순환시키는 것에 의해 최소화된다. 그러나, 예컨대, 가스 경보 또는 정전에 의해 야기될 수도 있는 비상 셧다운 (ESD; Emergency Shut-Down) 시에, 필요한 퍼지 가스의 양을 증가시키는 이용가능한 액티브 재순환은 존재하지 않을 것이다. 또한, ESD 동안 공기 블로워가 셧다운되어야 하기 때문에, 캐소드 공기 흐름은 시스템을 냉각시키지 않으며, 따라서 니켈 산화가 발생하지 않는 온도까지 시스템을 냉각시키기 위한 시간이 액티브 셧다운 상황에 비해 심지어 3배가 되므로, 필요한 퍼지 가스의 양은 휠씬 더 증가된다.
기재된 바와 같이, 현재 SOFC 스택들은, 비상 셧다운과 같이, 비정상 상황들 동안 애노드를 산화로부터 보호하기 위해 퍼지 가스를 감소시키는 것을 요구한다. 그러나, 아직 퍼지 가스의 양은 실제 응용에서, 특히 보다 큰 유닛 사이즈들을 갖는 실제 응용에서 상당하다. 스택들은, 통상 300-400 ℃ 사이의 어디엔가 놓여 있는 특정 임계 온도 이상에서 유해한 니켈 산화로 되기 쉽다. 이 온도 미만에서는, 애노드 상에 환원 분위기가 더 이상 필요하지 않을 정도로 니켈 산화 반응이 느리다. 패시브 비상 셧다운 (ESD) 상황들에서, 유닛의 냉각은, 시스템을 통과하는 부존재 공기 흐름, 컴포넌트들의 높은 열 용량, 및 시스템의 양호한 열 절연으로 인해 (심지어 10 시간 이상까지) 매우 느리다. 액티브 공기 냉각이 이용될 수 있는 경우에도, 열의 대부분을 시스템으로 다시 돌려주는 고 효율 레큐퍼레이터 (recuperator) 때문에 냉각은 느리다.
본 발명의 목적은 셧다운 상황들에서 애노드 산화의 위험이 상당히 감소된 연료 전지 시스템을 달성하는 것이다. 이것은, 시스템 셧다운 상황에서 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키기 위한 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치로서, 연료 전지 시스템에서의 각각의 연료 전지는, 애노드 측, 캐소드 측, 및 상기 애노드 측과 상기 캐소드 측 사이에 있는 전해질을 포함하고, 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택들 내에 연료 전지들을 포함하는, 상기 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치에 의해 달성된다. 이 냉각 장치는, 시스템 셧다운 상황 동안 고온 연료 전지 시스템의 냉각 프로세스에서 사용될 냉각재 (coolant) 를 제공할 수 있는 냉각재 소스, 적어도 방사에 의해 연료 전지 스택들로부터 열을 수용하고 그리고 수용된 열을 냉각재로 전달하기 위해 연료 전지 스택들의 열적 영향 영역 내에 본질적으로 배치되고, 냉각재 소스와 연결되는 냉각 구조물, 냉각재 소스로부터 냉각 구조물 내로 상기 냉각재를 공급하기 위한 수단, 냉각 구조물로부터 사용된 냉각재를 배기하기 위한 수단, 및 시스템 셧다운 상황이 시작될 때에, 트리거력 (triggering force) 을 이용하여 냉각 구조물 내의 냉각재 흐름을 트리거하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 주안점은 또한, 연료 전지들이 연료 전지 스택들 내에 배치되어 있는 고온 연료 전지 시스템의 시스템 셧다운 상황에서 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키는 방법이다. 이 방법에서는, 적어도 방사에 의해 연료 전지 스택들로부터 열을 수용하고 그리고 수용된 열을 냉각재로 전달하기 위해 연료 전지 스택들의 열적 영향 영역 내에 본질적으로 배치되는 냉각 구조물로 상기 냉각재를 공급함으로써 시스템 셧다운 상황 동안 고온 연료 전지 시스템의 냉각 프로세스에서 냉각재가 이용되고, 시스템 셧다운 상황이 시작될 때에, 냉각 구조물 내로 공급되는 냉각재 흐름을 냉각 구조물에서 트리거하고, 사용된 냉각재를 냉각 구조물로부터 배기한다.
본 발명은, 본질적으로 높은 열 용량 특성을 갖는 냉각재의 이용 그리고 뜨거운 연료 전지 스택들의 본질적으로 가까이에 있는 상기 냉각재의 흐름 장치에 기초한다. 특히 ESD (Emergency Shut-Down) 상황들 동안에, 고온 연료 전지 시스템들의 냉각 속도를 이런 방식으로 강화시킴으로써, 고온 연료 전지 시스템들의 냉각 프로세스들에 있어서 요구되는 퍼지 가스의 양을 현저하게 감소시킨다.
본 발명의 이익은, 시스템 셧다운 상황들에서의 애노드 산화의 위험이 현저하게 감소되고 연료 전지 시스템의 수명이 비용 효과적인 방식으로 증대된다는 것이다. 또한, 보다 빠른 냉각 프로세스 덕분에 상당한 양의 에너지 생성 시간이 절약된다.
도 1 은 단일 연료 전지 구조물을 제시한다.
도 2 는 SOFC 디바이스의 예를 제시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치를 제시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 바람직한 실시형태를 제시한다.
고체 산화물 연료 전지들 (SOFCs) 은 여러 기하학적 구조들을 가질 수 있다. 평면형 기하학적 구조 (도 1) 는, 전극들, 즉 애노드 (100) 와 캐소드 (102) 사이에 전해질 (104) 이 협지되어 있는, 대부분의 타입의 연료 전지들에 의해 채용된 대표적인 샌드위치 타입 기하학적 구조이다. SOFC들은 또한, 예를 들면 공기 또는 연료가 튜브의 내측을 통과하여 지나가고 다른 가스가 튜브의 외측을 따라 지나가는 튜브형 기하학적 구조들로 이루어질 수 있다. 이것은 또한, 연료로서 사용된 가스가 튜브의 내측을 통과하여 지나가고 공기가 튜브의 외측을 따라 지나가도록 배치될 수 있다. SOFC들의 다른 기하학적 구조들은, 물결형 (wave-like) 구조물이 평면형 전지의 전통적인 평평한 구성을 대신하는 변형된 평면형 전지들 (MPC 또는 MPSOFC) 을 포함한다. 이러한 설계들은 그들이 평면형 전지들 (낮은 저항) 및 튜브형 전지들 둘다의 이점을 공유하기 때문에 유망하다.
SOFC들에 사용된 세라믹들은 매우 높은 온도에 도달할 때까지 이온적으로 활성이 되지 않으며, 이 때문에 스택들은 600 내지 1,000 ℃ 범위의 온도에서 가열되어야 한다. 산소 (106) (도 1) 가 산소 이온들로 환원하는 것은 캐소드 (102) 에서 발생된다. 그후 이들 이온들은 고체 산화물 전해질 (104) 을 통과하여 애노드 (100) 로 전달될 수 있고, 여기서 그들은 연료 (108) 로서 사용된 가스를 전기화학적으로 산화할 수 있다. 이 반응에서, 물과 이산화탄소 부산물들 그리고 2개의 전자들이 방출된다. 그후 이들 전자들은 그들이 이용될 수 있는 외부 회로 (111) 를 통해 이동한다. 그후 이들 전자들이 캐소드 재료 (102) 로 다시 진입함에 따라 사이클이 반복된다.
대형 고체 산화물 연료 전지 시스템들에서, 대표적인 연료들은, 천연 가스 (주로 메탄), 상이한 바이오가스들 (주로 질소 및/또는 이산화탄소 희석된 메탄), 그리고 알코올류를 포함하는, 다른 고급 탄화수소 함유 연료들이다. 메탄 및 고급 탄화수소류는, 연료 전지 스택들 (103) 에 진입하기 전에 개질기 (107) (도 2) 에서 또는 (부분적으로) 내부적으로 스택들 (103) 내에서 개질될 필요가 있다. 개질 반응은 특정 양의 물을 요구하며, 고급 탄화수소류에 의해 야기되는 가능한 탄소 형성물 (코킹; coking) 을 방지하기 위해 추가적인 물이 또한 필요하다. 연료 전지 반응에서 물이 과잉 양으로 생성되기 때문에, 이 물은 애노드 가스 배기 흐름을 순환시킴으로써 내부적으로 제공될 수 있고, 및/또는 상기 물은 보조 물 공급 (예컨대, 직접적인 신선한 물 공급 또는 배기 응축액의 순환) 에 의해 제공될 수 있다. 애노드 재순환 장치에 의해, 또한 애노드 가스에서의 희석액들 및 비사용 연료의 일부가 프로세스로 다시 공급되며, 한편 보조 물 공급 장치에서는 프로세스에 대한 유일한 첨가제가 물이다. 고체 산화물 연료 전지의 애노드 전극은 통상 그 형태가 전지 성능에 대해 임계적인 다공성의 니켈 매트릭스 세라믹-금속성 구조물로 이루어지기 때문에, 니켈의 산화는 연료 전지 성능을 비가역적으로 변화시킬 수도 있다. 이것은 SOFC 시스템들이, 연료 전지 시스템의 애노드 전극들이 산화되는 것을 방지하기 위해, 환원제들을 함유하는 퍼지 가스, 예컨대 질소와 같은 불활성물로 희석된 수소를 요구하기 때문이다. 실질 연료 전지 시스템에서, 과도한 퍼지 가스 저장을 유지하는 것은 비경제적이며, 즉 안전 가스의 양은 최소화되어야 한다. 또한 퍼지 가스의 사용에 필요한 가압 장치는, 연료 전지 시스템의 물리적 사이즈에 상당한 영향을 미친다.
본 발명에 따른 실시형태들에 있어서 퍼지 가스를 사용하는 필요성을 최소화하기 위해, 패시브 흡수 수단을 이용함으로써 스택들 (103) 및 주변부로부터 열이 신속하게 흡수된다. 이런 방식에 의해, 스택들의 온도 레벨들은 퍼지 가스들이 더 이상 필요하지 않은, 적어도 현저한 양으로 필요하지 않는 레벨이 될 수 있다. 이것은, 예컨대 물, 또는 높은 열 용량 및/또는 상 변화의 높은 잠열을 갖는 몇몇 다른 매체를, ESD 이후에 시스템의 뜨거운 구획 (compartment) 내로, 공급하고, 그리고 따라서 물을 가열하고 증발시켜 열을 흡수함으로써 달성될 수 있다. 물은, 예컨대 전용 구조물 내로 공급될 수 있으며, 이 전용 구조물에서는 중력을 이용함으로써 뜨거운 구획 위의 탱크로부터 사전-고정된 제한물 (pre-fixed restriction) 을 통해 물이 흐르게 된다. 간단한 냉각 구조물은, 예를 들면 뜨거운 연료 전지 스택 구획들 위의 탱크로부터 뜨거운 구획 옆 아래로 냉각재가 흐르게 하는 파이프 구조물에 의해 배치될 수 있고, 동일한 파이프 구조물은 또한 중력을 이용함으로써 사용된 냉각재를 연료 전지 스택 구획들 아래로 배기할 수 있다. 뜨거운 구획들 옆의 파이프 구조물에서의 효과적인 스팀 발생은, 냉각재의 흐름 스피드를 특정 스피드 레벨로 방지한다.
고온의 뜨거운 연료 전지 스택 구획들은, 특히 냉각 프로세스의 시작시에 고온에서, 방사 열 전달에 의해, 물을 가열하고 증발시키고, 따라서 뜨거운 구조물들로부터의 열의 제거가 효과적이다. 물 유량은 냉각이 시스템 내에 너무 높은 열 구배를 야기하지 않는 방식으로 제한될 수 있다. 물이 공급되는 구조물에는, 증발된 물의 위험한 압력 축적을 방지하기 위한 압력 완화 밸브 (또는 유사한 셋업) 가 존재할 수 있다. 완화 밸브로부터의 블리딩 (bleeding) 은 예컨대 시스템의 배기 파이프 내로 안전하게 향할 수 있고, 이는 냉각 이후에 응축된 물이 존재할 것이기 때문에 ESD 이후에 배수될 수 있다.
도 3 에는 본 발명의 이용에 필요한 주요 부분들을 나타내기 위해 본 발명에 따른 고온 연료 전지 시스템용 간략화된 냉각 장치가 제시되어 있다. 냉각 장치는, 시스템 셧다운 상황 동안 고온 연료 전지 시스템의 냉각 프로세스에서 사용될 냉각재를 제공할 수 있는 냉각재 소스 (120) 를 포함한다. 냉각 목적을 위해 적합한 물 또는 몇몇 다른 액체가 냉각재로서 사용되며, 소스 (120) 는, 예를 들면 물 파이프 네트워크 또는 물 (또는 다른 냉각재) 을 함유하는 탱크 장치로부터의 물 유입구 또는 냉각 장치에 냉각재를 제공하는 모든 소스이다. 냉각 구조물 (122) 은, 냉각재 소스 (120) 와 연결되며, 적어도 방사에 의해 연료 전지 스택들로부터 열을 수용하고 그리고 수용된 열을 냉각재로 전달하기 위해 연료 전지 스택들 (103) 의 열적 영향 영역 내에 본질적으로 배치되었다. 냉각재 소스 (120) 와 냉각 구조물 (122) 사이의 상기 연결과 함께, 냉각재 소스 (120) 로부터 냉각 구조물 (122) 내로 상기 냉각재를 공급하기 위한 수단 (124) 이 존재한다. 상기 수단 (124) 은, 예를 들면 밸브 장치에 의해 달성될 수 있다. 냉각 장치는 또한, 냉각 구조물 (122) 로부터 사용된 냉각재를 배기하기 위한 수단 (126) 을 포함한다. 수단 (126) 의 가장 간략화된 예는, 예를 들면 단지 파이프이며, 이 파이프는 냉각 구조물 (122) 로부터 사용된 냉각재의 흐름을 배기한다.
연료 전지 시스템의 시스템 셧다운 상황이 시작될 때에, 냉각 장치 셧다운은, 트리거력 (triggering force) 을 이용하여 냉각 구조물 (122) 내의 냉각재 흐름을 트리거하기 위한 수단 (136) 에 의해 제한된 유량으로 상기 수단 (136) 에 의해 냉각 구조물로의 냉각재의 흐름을 트리거한다. 수단 (136) 은, 예를 들면 스프링 밸브 또는 가압 장치를 이용하여 예를 들면 상기 트리거시에 패시브 자체 작동 타입 동작을 수행함으로써 달성된다. 냉각 구조물 (122) 의 동작은 스택들 (103) 의 애노드 측에 있는 연료 열 교환기 (105) 의 동작과 일체화될 수도 있다. 도 3 에는 또한, 일부 가스, 예를 들면 질소가 셧다운 상황에서 캐소드 측 (102) 에 흐를 가능성이 제시되어 있으며, 그리하여 도 3 은 또한, 스택들 (103) 의 캐소드 측 (102) 에 냉각 프로세스에서 사용된 가스의 배기 유출구 및 가스 열 교환기 (131) 를 제시한다.
도 4 에는 고온 연료 전지 시스템의 시스템 셧다운 상황에서 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키기 위한 본 발명에 따른 바람직한 실시형태가 제시되어 있다. 이것은, 냉각재로서 바람직하게 물을 함유하는 냉각재 소스 (120) 를 포함하는 냉각 장치에 의해 실현된다. 이 바람직한 실시형태에 있어서 냉각재 소스는 연료 전지 스택들 (103) 위에 위치되고, 제한 기능 부분 (136) 에 의해 중력이 이용되어, 소정의 냉각재 유량에 따라 제한된 흐름의 냉각재가 연료 전지 스택들의 본질적으로 가까이에 냉각 구조물 (122) 내로 중력을 이용함으로써 흘러 내리게 한다. 그리하여 제한 기능 부분은 또한 트리거력을 이용하는 상기 수단 (136) 의 일 예이다. 대부분의 경우에, 시스템 셧다운 상황은 ESD (Emergency Shut-Down) 상황이다. 냉각 구조물 (122) 은 냉각재 소스 (120) 에 연결되며, 적어도 방사에 의해 연료 전지 스택들로부터 열을 수용하고 그리고 수용된 열을 냉각 구조물 (122) 내부의 냉각재, 즉 물로 전달하기 위해 연료 전지 스택들 (103) 의 열적 영향 영역 내에 본질적으로 배치된다. 상기 스택들로부터의 열을 물로 전달할 때에, 즉, 연료 전지 스택들의 냉각 프로세스에서, 물로부터 스팀으로의 상 전이가 이용된다.
도 4 의 바람직한 냉각 장치는, 냉각재 소스 (120) 로부터의 상기 냉각재를 냉각 구조물 (122) 내로 공급하기 위한 수단 (124) 를 더 포함한다. 상기 수단 (124) 에 대한 수개의 대안물이 존재한다. 예를 들면, 수단 (124) 은 별도의 탱크 장치 (124) 를 이용함으로써 배치될 수 있다. 상기 별도의 탱크 장치 (124) 의 동작시에, 냉각재 소스 (120) 로부터의 물을 냉각 구조물 (122) 내로 공급하기 위해 가압 장치가 이용될 수 있다. 상기 수단 (124) 은 또한, 예를 들면 멤브레인 팽창 용기 (124) 일 수 있으며, 멤브레인 팽창 용기는 그 용기 (124) 로부터의 냉각재를 냉각 구조물 (122) 내로 공급하기 위해 가압 작용을 수행할 때에 가압 가스를 이용한다.
ESD (Emergency Shut-Down) 상황이 시작될 때에, 수단 (124) 에 의해 냉각 구조물 (122) 내로 공급되는 냉각재 흐름은, 또한 트리거력을 이용하는 수단 (136) 에 의해 냉각 구조물에 대한 소정의 속도로 트리거된다. 수단 (136) 은 패시브 자체 작동 타입 동작을 수행할 수 있다. 트리거력을 이용하여 냉각 구조물 내의 냉각재 흐름을 트리거하기 위한 상기 수단 (136) 은 또한, 상기 트리거에 의해 달성되는 패시브 동작이 냉각 장치에 존재하는 예비 압력을 이용함으로써 수행되도록 배치될 수 있다. 상기 수단 (136) 은, 연료 전지 스택들 (103) 의 요구되는 냉각 듀티 (cooling duty) 및 허용된 냉각 속도에 따라 냉각재의 유량을 치수화할 수 있어, 냉각재 흐름이 수단 (136) 에 의해 냉각 구조물 (122) 에 대한 소정의 유량으로 트리거되도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 냉각 구조물 (122) 의 열 방사 흡수 효율은, 냉각재에 대한 냉각 구조물에서 판상 구조물 부분들 (platy structure parts) 을 이용하여 냉각 구조물의 열 방사 흡수 영역을 최대화함으로써 강화된다. 이들 판상 구조물 부분들은, 예를 들면 열 방사 교환기 (132) 에 배치될 수 있고, 이 열 방사 교환기는, 연료 전지 스택들 (103) 로부터 특히 열 방사를 흡수하고 그리고 흡수된 열을 냉각재, 즉 냉각 구조물 (122) 에서 흐르는 물로 전달하도록 전문화된 냉각 구조물 (122) 내의 냉각 유닛이다.
냉각 장치의 냉각 효율을 더욱 증가시키기 위해, 냉각 구조물 (122) 은, 연료 전지 시스템의 애노드 측 (100) 및 캐소드 측 (102) 중 적어도 하나를 냉각하기 위해 연료 전지 스택들 (103) 로부터의 열을 흡수하기 위한 쉬스 구조물 (134; sheath structure) 을 포함한다. 상기 흡수된 열은 또한 쉬스 구조물 (134) 을 통해 냉각재로 전달된다. 도 4 에는 연료 전지 스택들 (103) 의 캐소드 측 (100) 에만 쉬스 구조물 (134) 이 제시되어 있지만, 상기한 바와 같이, 쉬스 구조물은 연료 전지 스택들 (103) 의 애노드 측 (102) 에서의 연료 전지 스택들 (103) 의 냉각에도 또한 이용될 수 있다. 냉각 구조물 (122) 의 동작은 스택들 (103) 의 애노드 측에 있는 연료 열 교환기 (105) 의 동작과 일체화되는 것이 바람직하지만 필수적인 것은 아니다.
바람직한 냉각 장치 (도 4) 는 또한, 사용된 냉각재를 연료 전지 시스템의 다른 부분들의 동작시에 이용하기 위해 사용된 냉각재를 반응 배기 파이핑에 주입하기 위한 수단 (126) 을 포함할 수 있다. 냉각 구조물 (122) 에 있어서 그리고 쉬스 구조물 (134) 및 열 방사 교환기 (132) 와 같은 관련 부분들에 있어서, 심지어 1000 ℃ 이상까지의 매우 높은 온도를 견디는 적합한 금속 재료 또는 일부 다른 재료가 사용된다.
본 발명에 대해 첨부 도면들 및 명세서를 참조하여 제시하였지만, 본 발명은 그들에 의해 결코 한정되지 않으며 본 발명은 청구항들에 의해 허용된 범위 내에서 변경될 수 있다.

Claims (20)

  1. 시스템 셧다운 (shutdown) 상황에서 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키기 위한 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치로서,
    상기 연료 전지 시스템에서의 각각의 연료 전지는, 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 상기 애노드 측과 상기 캐소드 측 사이에 있는 전해질 (104) 을 포함하고, 상기 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택들 (103) 내에 상기 연료 전지들을 포함하며,
    상기 냉각 장치는,
    - 상기 시스템 셧다운 상황 동안 상기 고온 연료 전지 시스템의 냉각 프로세스에서 사용될 냉각재 (coolant) 를 제공할 수 있는 냉각재 소스 (120),
    - 적어도 방사에 의해 상기 연료 전지 스택들로부터 열을 수용하고 그리고 수용된 열을 상기 냉각재로 전달하기 위해 상기 연료 전지 스택들 (103) 의 열적 영향 영역 내에 본질적으로 배치되고, 상기 냉각재 소스 (120) 와 연결되는 냉각 구조물 (122),
    - 상기 냉각재 소스 (120) 로부터 상기 냉각 구조물 (122) 내로 상기 냉각재를 공급하기 위한 수단 (124),
    - 상기 냉각 구조물로부터 사용된 냉각재를 배기하기 위한 수단 (126), 및
    - 상기 시스템 셧다운 상황이 시작될 때에, 트리거력 (triggering force) 을 이용하여 상기 냉각 구조물 내의 냉각재 흐름을 트리거하기 위한 수단 (136) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는, 연료 전지 스택들 (103) 의 요구되는 냉각 듀티 (cooling duty) 및 허용된 냉각 속도에 따라 냉각재의 유량을 치수화하기 위한 수단 (136) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는 상기 냉각재로서 물을 포함하며, 상기 연료 전지 시스템으로부터 열을 수용하고 그리고 상기 냉각 프로세스에서 물로부터 스팀으로의 상 전이를 이용하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 구조물 (122) 은, 상기 냉각 구조물의 열 방사 흡수 효율을 강화시키기 위해 냉각재에 대한 판상 구조물 부분들 (platy structure parts) 을 포함하는 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는, 트리거력을 이용하여 패시브 자체 작동 타입 동작을 수행하기 위한 상기 수단 (136) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는, 상기 공급하기 위한 수단 (124) 으로서 별도의 탱크 장치 (124) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 별도의 탱크 장치 (124) 는, 상기 냉각 구조물 (122) 로 상기 냉각재를 공급하기 위한 구동력으로서 가압 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는, 상기 냉각 장치 (122) 위에 있는 냉각재를 함유하는 냉각재 소스 (120), 그리고 중력을 이용함으로써 소정의 냉각재 유량에 따라 제한된 흐름의 냉각재가 상기 연료 전지 스택들의 본질적으로 가까이에 흘러 내리게 하는 제한 기능 부분 (136) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 구조물 (122) 은, 상기 냉각재를 이용하여 상기 연료 전지 시스템의 상기 애노드 측 (100) 및 상기 캐소드 측 (102) 중 적어도 하나를 냉각함으로써 상기 연료 전지 스택들 (103) 로부터 열을 흡수하기 위한 쉬스 구조물 (134; sheath structure) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는, 상기 연료 전지 시스템의 다른 부분들의 동작시에 사용된 냉각재를 이용하기 위해 사용된 냉각재를 반응 배기 파이핑으로 주입하기 위한 수단 (126) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템용 냉각 장치.
  11. 연료 전지들이 연료 전지 스택들 (103) 내에 배치되어 있는 고온 연료 전지 시스템의 시스템 셧다운 상황에서 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키는 방법으로서,
    상기 방법에서는, 적어도 방사에 의해 상기 연료 전지 스택들로부터 열을 수용하고 그리고 수용된 열을 냉각재로 전달하기 위해 상기 연료 전지 스택들 (103) 의 열적 영향 영역 내에 본질적으로 배치되는 냉각 구조물 (122) 로 상기 냉각재를 공급함으로써 상기 시스템 셧다운 상황 동안 상기 고온 연료 전지 시스템의 냉각 프로세스에서 상기 냉각재가 이용되고, 상기 시스템 셧다운 상황이 시작될 때에, 상기 냉각 구조물 (122) 내로 공급되는 상기 냉각재의 흐름을 상기 냉각 구조물 내로 트리거하고, 사용된 냉각재를 상기 냉각 구조물 (122) 로부터 배기하는 것을 특징으로 하는 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각재의 유량은 연료 전지 스택들의 요구되는 냉각 듀티 및 허용된 냉각 속도에 따라 치수화되는 것을 특징으로 하는 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각재로서 물을 사용하여, 상기 연료 전지 시스템으로부터 열을 수용하고 그리고 상기 냉각 프로세스에서 물로부터 스팀으로의 상 전이를 이용하는 것을 특징으로 하는 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각 구조물 (122) 의 열 방사 흡수 효율은, 상기 냉각재에 대한 상기 냉각 구조물에서 판상 구조물 부분들을 이용함으로써 강화되는 것을 특징으로 하는 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 방법에서는, 상기 트리거 (triggering) 에 의해 달성되는 패시브 자체 작동 타입 동작이 이용되는 것을 특징으로 하는 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키는 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각재의 공급은 별도의 탱크 장치 (124) 로부터 수행되는 것을 특징으로 하는 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각재의 공급은, 상기 냉각 구조물 (122) 로 상기 냉각재를 공급하기 위한 구동력으로서 가압 가스를 이용함으로써 별도의 탱크 장치 (124) 로부터 수행되는 것을 특징으로 하는 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키는 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    중력을 이용하여 상기 연료 전지 스택들의 본질적으로 가까이에 흘러 내리도록 소정의 냉각재 유량에 따라 냉각재의 흐름을 제한함으로써 상기 연료 전지 스택들 (103) 위에 있는 배치물 (disposition) 로부터 냉각재가 공급되는 것을 특징으로 하는 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키는 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    쉬스 구조물 (134) 에서 냉각재를 이용하여 상기 연료 전지 시스템의 상기 애노드 측 (100) 및 상기 캐소드 측 (102) 중 적어도 하나를 냉각함으로써 상기 연료 전지 스택들 (103) 로부터 열을 흡수하기 위한 상기 쉬스 구조물 (134) 을 이용하는 것을 특징으로 하는 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키는 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    사용된 냉각재를 반응 배기 파이핑으로 주입하여, 사용된 냉각재를 상기 연료 전지 시스템의 다른 부분들의 동작시에 이용하는 것을 특징으로 하는 퍼지 가스의 양을 실질적으로 감소시키는 방법.
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