KR20150128715A - 일체형 히터를 갖는 sofc 스택 - Google Patents

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Abstract

고체 산화물 연료 전지 시스템(Solid Oxide Fuel Cell System)을 위한 일체형 히터는 SOFC 스택에 직접 일체화되어 있고, 독립적으로 공정의 스택을 작동 및 가열할 수 있다.

Description

일체형 히터를 갖는 SOFC 스택{SOFC STACK WITH INTEGRATED HEATER}
본 발명은 가열 장치를 갖는 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 시스템에 관한 것이다. 특히 본 발명은 시스템의 열손실을 최소화함으로써, 보다 구체적으로는 파이핑 및 외부 히터 표면으로부터 열손실을 감소시키기 위해 SOFC 스택을 갖는 가열 장치의 조밀한 기계적 일체화에 의해 SOFC 시스템의 효율을 개선하는 SOFC 시스템을 위한 일체형 가열 장치에 관련된다.
고체 산화물 전지는 다른 연료들로부터 전기의 발생(연료 전지 모드) 및 물 및 이산화탄소로부터 합성 가스(CO + H2)의 발생(전기분해 전지 모드)을 모두 포함하는 넓은 범위의 목적을 위해 사용될 수 있다.
고체 산화물 전지는 600℃ 내지 1000℃ 이상의 범위의 온도에서 작동하며 따라서 예를 들어서 실온으로부터 고체 산화물 전지 시스템을 시동할 때의 작동 온도에 도달하기 위해 열원을 필요로 한다.
이 목적으로 외부 히터가 널리 사용되어 왔다. 이들 외부 히터는 전형적으로 고체 산화물 전지 시스템의 공기 투입 측에 연결되고 시스템이 고체 산화물 전지 작동이 시동될 수 있는 600℃보다 위의 온도를 얻을 때까지 사용된다.
고체 산화물 전지의 전기화학적 작동의 동안에 오옴 손실(Ohmic loss)과 관련하여 열이 일반적으로 생성된다.
Q = R*I2 (1)
상기식에서 Q는 발생된 열이고, R은 연료 전지(스택)의 전기적 저항이고 I는 작동 전류이다.
더욱이 열은 다음과 같은 전기화학적 공정에 의해 생성 또는 소비된다.
Q = F * k * I (2)
상기식에서 k는 주어진 '연료'에 대한 화학적 에너지(예를 들면 주어진 연료에 대한 낮은 가열값)이고 F는 패러데이 수(Faradays number)이다. 여기서 '연료'는 연료 전지 모드에서 산화될 수 있거나(예를 들면 H2 또는 CO) 아니면 전기분해 모드에서 환원될 수 있는(예를 들면 H2O 또는 CO2) 관련 공급원료인 것으로 이해된다.
식 (2)에서 열은 연료 전지 모드에서 발생되고(전류의 포지티브 신호) 열은 전기분해 모드에서 소비된다(전류의 네거티브 신호).
전류의 함수로서 고체 산화물 전지 또는 스택에 의해서 생성된 열의 예를 도 1에 나타낸다. 여기서 모든 전류에 대해 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 모드에서 열이 생성되고 I_tn 보다 위의 전류에 대해 SOEC 모드에서 열이 또한 생성되는 것으로 보인다.
여기서 I_tn 은 소위 열 중성 전류(thermo neutral current)인데, 여기서:
R*I_tn2 + F*k*I_tn = 0 => I_tn = F*k/R (3) 이다.
일반적으로 SOFC에 대해서 및 I_tn 보다 위에서 작동하는 SOEC 시스템에 대해서 고체 산화물 전지 시스템의 원하는 작동 온도를 유지하기 위해 추가의 가열 요소는 일반적으로 필요하지 않다.
그러나 SOFC 모드에서 작동하는 시스템에 대해서 필요한 온도를 유지하기 위해 낮은 로드 작동, 또는 시동 또는 스탠바이 동안에와 같은 구체적인 상황에서 스택 작동 온도에 가깝거나 또는 그보다 위의 온도에서 작동하는 추가의 열원들이 필요하게 된다.
본 발명은 이러한 시스템과 이러한 시스템의 효율적인 기계적 설계를 위한 방법에 관련된다.
US20100200422 는 복수의 기본적인 전기분해 전지들의 스택을 포함하고, 각 전지는 캐소드, 애노드, 및 캐소드와 애노드 사이에 제공된 전해질을 포함하는 전해조를 기술한다. 상호연결 플레이트가 기본 전지의 각 애노드와 다음 기본 전지의 캐소드 사이에 개재되어 있고, 상호연결 플레이트는 애노드 및 캐소드와 전기 접촉되어 있다. 공압 유체(pneumatic fluid)는 캐소드와 접촉되게 가져오고, 전해조는 캐소드와 접촉하기 전에 가열하기 위해 전해조 내의 공압 유체의 순환을 보장하는 메카니즘을 더 포함한다. 따라서, US20100200422는 열이 SOEC 스택으로부터 제거되어야 하는 상황을 기술하는데, 여기서 이 발명은 반대 상황에 관련된다. 그것은 열교환기(냉각) 기능이 전지들 사이에 내포되어 있는 발명을 기술한다. 이 발명은 스택과 히터의 고온 면적을 감소시키기 위해 스택의 외부에 그러나 스택 기구(mechanics) 내에 놓인 추가의 히터 블록에 관련된다.
EP1602141은 모듈러 방식으로 지어진 고온 연료 전지 시스템에 관련되는데, 여기서는 고온 연료 전지 스택에 추가의 구성요소들이 유리하게 직접 배치되어 있다. 구성요소들의 기하학은 스택에 매치되어 있다. 이로써 추가의 파이프-작업이 더 이상 필요하지 않으며, 제작 방법의 스타일이 매우 콤팩트하고 스택에의 구성요소들의 직접 연결이 추가적으로 보다 효율적인 열의 사용을 이끈다. 그러나 EP1602141은 SOEC의 기술분야가 아니고 SOEC에 관련된 구체적인 문제들의 분야가 아니다. 특히 SOEC와 독립적인 공정이고 스택 작동 온도에 가깝거나 또는 그보다 위의 온도에서 작동하는 가열 장치로 작동 동안에 전지 스택의 연속적이고 능동적인 가열에 대한 필요는 개시하지 않는다.
따라서, SOFC 시스템에 대한 에너지 효율적이고 경제적인 가열 장치에 대한 필요가 있다. 이 문제는 특허청구범위의 구체예에 따르는 본 발명에 의해 해결된다.
도 1은 전류의 함수로서 고체 산화물 전지 또는 스택에 의해서 생성된 열을 예시한다.
도 2는 종래의 고체 산화물 전기분해 시스템을 예시한다.
도 3은 본 발명의 고체 산화물 연료 전지 시스템의 한 구체예를 예시한다.
도 4는 본 발명의 고체 산화물 연료 전지 시스템의 다른 구체예를 예시한다.
도 5는 본 발명의 전기 히터의 한 구체예를 예시한다.
도 6은 본 발명의 전기 히터의 다른 구체예를 예시한다.
도 7은 버너 가스의 공급에 의한 히터의 실행을 예시한다.
도 8은 본 발명의 매니폴드 스택 엔클로저를 예시한다.
도 9는 본 발명의 전기 히터의 또 다른 구체예를 예시한다.
도 10은 본 발명의 복수의 SOFC 스택들의 한 구체예를 예시한다.
도 11은 본 발명의 복수의 SOFC 스택들의 다른 구체예를 예시한다.
위에서 기술한 바와 같이, SOFC 모드에서 작동하는 시스템에서 어떠한 작동 상황의 동안에 추가의 열이 소비되고 필요한 작동 온도를 유지하기 위해 추가의 SOFC-공정 독립적인 열원을 필요로 한다.
이러한 시스템에 대해 열 손실의 감소는 에너지 효율적인 작동에 필수적인데 주변으로의 열 방산(dissipation)을 통해 잃어진 모든 와트(Watt)가 추가의 에너지로서 제공되어야하고 이 열 손실이 효율을 감소시킬 수 있기 때문이다.
본 발명은 가열 요소들을 스택과 함께 기계적으로 일체화함에 의한 고체 산화물 시스템에서의 열 손실의 감소에 관련된다. 대부분의 고온의 설계에 대해, 열 손실은 고온의 표면으로부터의 열 손실에 의해 지배된다. 이 열 손실은 고온의 표면적에 비례한다.
SOFC 및 스택된 전지와 함께 사용되는 히터에 대해, 히터에 관련된 고온의 표면은 다음과 같다:
- 히터 표면
- 히터와 전지들의 고체 산화물 스택 사이의 어떤 파이핑의 고온의 표면
본 발명의 구체예에 따르면, 고체 산화물 시스템은 평탄한 고체 산화물 전지 스택 및 가열 장치를 포함하며, 여기서 구체적으로 상기 가열 장치는 고체 산화물 시스템의 일체형 부분이다. 따라서, 가열 장치는 일체형이기 때문에, 히터 표면은 감소되는데, 히터 표면의 적어도 일부가 SOFC 스택의 표면에 직접 연결되고 따라서 밀접한 기계적/물리적 접촉이 되어 있기 때문이다. 보다 구체적으로는, SOFC 스택의 두개의 고온 단부(상부 및 저부) 및 가열 장치의 두개의 고온 단부(상부 및 저부)를 갖는 대신에, 가열 장치가 SOFC 스택 내에 포함될 수 있고 고온 단부들의 총수(표면)가 4개에서 2개로 감소된다. 추가적으로, 그렇지 않으면 큰 표면 대 부피 비를 갖고 따라서 큰 열 손실을 갖게 되는 파이핑은 생략될 수 있고, 비용을 절약하고 구체적으로 열 손실을 막는다. 스택은 평탄하고, 그것은 전극, 전해질 및 상호연결부와 같은 복수의 스택된 플레이트를 포함하고 따라서 그것은 또한 가열 장치가 평탄하고 따라서 그것이 기계적으로 SOFC 구성요소들에 대응하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어서 가열 장치는 하나 이상의 편평한 플레이트를 포함할 수 있고 이때 각 플레이트가 하나 이상의 가열 요소들을 갖는다.
본 발명의 특정 구체예에서, 가열 장치는 전지 스택의 한 단부 플레이트에 직접 연결되어 있고 가열 장치의 연결된 부분의 외부 치수들은 전지 스택의 상기 단부 플레이트의 외부의 평탄한 치수들에 해당한다. 유리하게는, 가열 장치는 전지 스택에 연결된 단부 플레이트의 면에 마주하는 단부 플레이트의 면에 연결된다(또한 도 3 참조). 이로써 단부 플레이트의 한 면이 가열되고 열은 다음에 전형적으로 금속으로 만들어진 단부 플레이트 내에서 전열(heat transmission)에 의해 SOFC 스택에 분포된다. 구체예의 변형에서, 가열 장치는 단부 플레이트와 스택의 스택된 활성 구성요소들(전해질, 전극 및 상호연결부) 사이의 SOFC 스택의 단부에 연결될 수 있다.
큰 용량을 가진 SOFC 시스템을 달성하기 위해 복수의 SOFC 스택들을 연결하는 것은 통상적이다. 이러한 경우에, 본 발명의 유리한 구체예는 가열 장치를 두개의 SOFC 스택의 단부들 사이에 샌드위치 배치로 배치하는 것이다. 이것은 SOFC 스택의 한 단부 또는 가열 장치가 주변에 면하는 대신에 또다른 스택에 연결되기 때문에 열 손실이 더욱 더 감소되고 또한 한 가열 장치가 두개의 스택을 가열하기 때문에 비용이 감소되는 효과를 갖는다. 이 구체예의 변동에서, 하나 이상의, 바람직하게는 두개의 가열 장치가 SOFC 스택들 사이에서 샌드위치된다. 이것은 두개의 스택이 또다른 구성요소, 예를 들어서 매니폴드를 공유하는 경우에 유리할 수 있는데 이것은 이때 두개의 가열 장치 사이에 샌드위치될 수 있다. 이런 식으로, 여전히 두개의 가열 장치가 두개의 SOFC 스택에 대해 필요하나, 두개의 별도의 스택이 가열 장치들을 갖는 경우와 비교하여 열 손실이 감소된다.
바람직한 구체예에서 단일 히터가 예를 들어서 투입 공정 가스를 두개의 스택에 이송하기 위해 사용될 수 있는 매니폴드 플레이트에 연결된 양 단부 패싯(facets) 위에 있다. 이런 식으로 고온 투입 공정 가스들은 스택에서 전지들의 균일한 가열을 제공한다. 도 10 참조. 공정 가스는 여기서 SOFC 전지 스택의 애노드 측 또는 캐소드 측에 SOFC 전지 스택으로 이송되거나 또는 그것에 의해 배기된 가스로 이해된다.
또 다른 바람직한 구체예에서 개개의 SOFC 스택은 콤팩트한 대형 시스템을 제공하기 위해 나란히 놓여질 수 있다. 여기서 직사각형 히터는 또한 도 11에 나타낸 바와 같이 두 스택들의 사이에서 사용될 수 있다. 만일 히터가 투입 공정 가스들이 전파되는 스택의 측면에 놓이면, 이것들은 가열될 것이고 다시 스택 내 모든 전지들을 가로질러 열의 균일한 분포를 제공할 것이다.
본 발명에 따르면 가열 장치는 한 구체예에서 전기 저항 요소를 포함한다. 이 구체예의 중요한 인자는 전기 저항 요소가 스택 작동 온도보다 위의 온도에서 작동할 수 있고, 스택(공지의 가스 예비 히터 또는 열교환기)에 (스택 작동 온도보다 아래의 온도에서) 열을 전달하기 위해 공정 가스에 의존하는 다른 개시된 용액과는 반대로, SOFC 스택에서 일어날 수도 있고 일어나지 않을 수도 있는 어떤 공정과 독립적으로 SOFC 스택을 가열할 가능성을 포함한다는 것이다. 전기는 SOFC 공정에 의해 생성되기 때문에, 전기는 시스템을 위해 이용가능할 수 있다. SOFC 시스템은 전기 그리드에 연결될 수 있는데 여기로부터 전기가 이용가능하다. 전기 저항 요소는 가해진 열의 용이한 제어 및 콤팩트한 물리적 치수를 제공한다. 전기 저항 요소를 포함하는 가열 장치는 SOFC 스택이 작동 중일 때 열 생성을 가능하게 할 뿐만 아니라 SOFC 스택이 작동 중에 있지 않으나 짧은 시동 시간에 대한 요구가 존재할 때 스탠바이 열 생성을 가능하게 한다. 이 구체예의 변형에서, 가열 장치는 전지 스택으로부터 전기 저항 요소를 전기적으로 절연(isolate)하는 역할을 하는 전기적 절연 요소를 더 포함한다. 이것은 SOFC 스택의 열역학(thermo-mechanics)에 들어맞고 단락(short circuiting)의 위험 없이 강하고 비교적 값싼 금속 가열 요소의 사용을 가능하게 한다. 전기적 절연 요소는 세라믹으로 만들어질 수 있고 전기적으로 절연 뿐만 아니라 고온 저항성을 제공한다.
더욱 구체적인 구체예에서, 가열 장치는 세라믹 히터 또는 화학적 히터를 포함한다.
화학적 히터는 본 발명의 구체예에 따르면 화학적 히터에 제공된 버너 가스의 자동 점화 온도보다 더 낮은 온도에서 화학적 히터에서의 연소를 가능하게 하는 촉매를 포함할 수도 있다. 버너 가스는 SOFC에 제공된 가스의 일부일 수도 있다.
본 발명의 더 이상의 구체예에서 가열 장치는 SOFC 전지 스택을 위한 공정 가스를 위한 외부 매니폴드에 의해 형성되고 가열은 외부 매니폴드에서 소위 '버너 가스'를 첨가함으로써 수행된다. 공정 가스는 SOFC 애노드 가스일 수 있는데 이 경우 '버너 가스'는 산소 풍부 가스일 것이다. 공정 가스는 대안으로 SOFC 캐소드 가스일 수 있는데 이 경우 '버너 가스'는 예를 들어서 H2, CO, CH4 또는 NH3와 같은 연료형 가스일 수 있다. 본 발명의 이 구체예는 유리하게는 촉매를 포함하는 상기 구체예와 조합될 수 있다.
더 이상의 구체예에서 가열 장치는 스택 매니폴드의 근처에 놓이는데, 여기서 투입물이 스택으로 들어온다. 가열 장치는 그 다음에 투입물 흐름을 가열할 것이고 이것은 다시 스택의 가열을 가져온다.
본 발명을 또한 도면을 참고로 하여 다음의 실시예들에 의해 설명한다. 실시예들은 전기분해 모드에 관련될지라도, 시스템의 물리적 구조는 본 발명에 따르는 연료 전지 모드에도 또한 관련된다.
종래의 고체 산화물 전기분해 시스템의 예를 도 2에 나타낸다. 고체 산화물 전기분해 스택에는 열교환기 및 전기 가열 장치를 통해 H2O 및/또는 CO2가 공급된다. 차거운 공급 가스는 먼저 투입/출력 열교환기에서 예열된 다음 전기 가열 장치에서 작동 온도보다 위의 온도(예를 들면 750℃에서의 작동하는 스택에 대해 850℃)로 가열된다.
850℃에서의 출력 온도에서 예를 들어서 500 W를 제공하는 전기 가열 장치는 세라믹 관에 놓인 칸탈 권선(Kanthal winded wire)으로부터 제작될 수 있다. 이 세라믹 관은 그 다음 340 cm2의 표면적에 해당하는 직경 7 cm 및 길이 12 cm의 원통형 강관으로 만들어진다. 가열 장치와 스택 사이의 파이핑은 전형적으로 또 다른 200 cm2 의 고온 표면을 추가하여 540 cm2의 총 고온 가열 장치 표면적을 제공한다.
본 발명에서는, 예를 들어서 치수 1.5 x 12 x 12 cm 인 전기 가열 장치로서(SOFC 스택 평탄한 치수, 폭 = 12 cm 및 깊이 = 12 cm에 해당함) 스택 기구에 가열 장치를 포함하는 것이 제안된다. 이 경우에 개방 가열 장치 면적은 도 3에 나타낸 바와 같이 12 x (12 + 4x1.5) = 216 cm2 의 표면적을 가질 것이다. 성능 지수로서, 열 '손실' 표면적과 열 전달 간의 비율이 사용될 수 있다. 이 경우에 그것은 (12 x (12 + 4x1.5))/(12 x 12) = 150%이다.
가열 장치의 표면적을 더욱 감소시키기 위해 두개의 스택을 도 4에 나타낸 것과 같이 스택들 사이에 '샌드위치된' 전기 가열 장치와 맞대어 놓는 것도 또한 가능하다. 이 경우에 가열 장치 개방 표면은 도 4에 나타낸 바와 같이 12 x 4x1.5 = 72 cm2 로 감소된다. 이 구체예에서 손실 비율은 25%가 된다. 더욱이, 몇개의 샌드위치된 SOFC 스택들은 나란히 배치될 수 있는데, 이것은 개방 표면적을 또한 감소시킨다.
도 5는 코일로 된 전기 저항선에 기초한 전기 히터를 나타낸다. 이 전기 저항선은 예를 들어서 0.6 mm의 직경과 1.35 Ohm mm2/m의 저항률을 갖는 Kanthal D로 만들어질 수 있다. 선(wire)은 10 mm의 직경으로 코일로 되어 있고 각 코일 사이에 3 mm의 주기를 갖는다. 각 8 ㎝의 코일로 된 선의 6개의 열이 세라믹 채널들로 놓여 24 Ohms의 저항을 갖는 히터를 제공한다.
이들 세라믹 채널은 예를 들어서 서로의 위에 놓인 Al2O3 폼 플레이트로 두개로 만들어질 수 있다. 히터 와이어 및 세라믹 보호는 스택의 열팽창계수와 비교할만한 열팽창계수를 갖는 금속 프레임 안쪽에 놓인다. 이것은 예를 들어서 Crofer APU일 수 있다. 전기 저항선은 전기 연결을 통한 누설을 회피하는 방식으로 외부 세계로 연결되어야 한다. 이것은 예를 들면 고온 세라믹 피드 스루(feed-throughs)를 통해서 될 수 있다.
코일로 된 전기 저항선의 대신에 예를 들어서 도 6a 및 도 6b에 나타낸 바와 같이 직조 철망(woven wire cloth)을 사용하는 것도 또한 가능하다. 직조 철망의 이점은 가열선이 메시에 연결되어 있고, 따라서 하나의 선이 파손되면 여전히 전류가 흐르는 많은 방법이 있다는 것이다.
전기 히터는 또한 예를 들어서 Bach Resistor Ceramics GmbH에 의해 제공되는 것들과 같은 세라믹 저항성 히터 플레이트의 형태로 세라믹 저항성 히터 상에 있을 수 있다. 이것들은 그 다음 스택 기구에 맞는 금속 하우징에 놓인다.
매우 콤팩트하고 세라믹 피드 스루에 대한 필요를 회피하는 전기 히터의 또 다른 구체예는 평탄한 플레이트 가열 요소인데 여기서 전류는 가열 플레이트 평면에 수직으로 전파한다. 이것은 폭 'w', 깊이 'd', 및 높이 'h'를 갖는 얇은 가열 플레이트에 대해 도 9에 나타내는데, 여기서 전류는 플레이트의 상부로부터 저부로 'h' 축을 따라 전파한다.
실현물의 예로서 12 x 12 cm의 스택 치수에 매칭되도록 설계되는 가열 플레이트가 생각되는데, 이때 'w' 및 'd'는 둘다 12 cm일 것이다. 만일 220 V 공급으로부터 2 kW 열을 내는 것이 요망된다면, 가열 플레이트의 저항은 (220 V)2/2000 W = 24.2 Ω이어야 한다. 만일 0.3 mm의 얇은 가열 플레이트가 요망된다면, 가열 플레이트 재료의 저항은 0.11 MΩ cm이어야 한다. 이러한 저항률은 수많은 세라믹, 예를 들어서 SiC, MgO, Al2O3 및 도핑되지 않은 Cr2O3로부터 이용가능하다. 원하는 저항률은 또한 두가지 이상의 세라믹을 혼합함으로써 실현될 수 있는데, 이에 대해서는 원하는 목표값보다 위의 저항률을 가지며 다른 것은 그보다 아래이다.
가열 요소를 스택으로 실현하기 위해, 가열 플레이트는 예를 들면 Crofer APU와 같은 스택 상호연결부에 사용된 같은 재료로 만들어진 두개의 금속 플레이트 사이에 샌드위치될 수 있다. 강 플레이트는 각각 0.3 mm 두께일 수 있고 전기 연결부에 대한 스택 경계부 밖으로 신장부('귀부')를 가질 수 있다. 이런 식으로 두 스택 사이에 샌드위치되면 단지 4 x 12 cm x 0,1cm = 4.8 cm2 의 개방 표면적을 갖게 되는 매우 콤팩트한 히터가 실현될 수 있다. 이러한 구성은 2% 미만의 손실율을 갖게 될 것이다.
히터는 또 다르게는 전형적으로 시스템으로 버너 가스의 분사에 의해 화학적 가열에 기초할 수 있다. 도 7은 연료 공급 스트림으로 버너 가스(예를 들면 CO, H2 또는 CH4)를 공급함으로써 실행되는 히터를 개략적으로 나타낸다. 이러한 버너 가스는 연료 가스의 재순환이 사용되면 연료 공급 스트림에서 이미 발견될 수도 있다. 히터 챔버에서 산소는 버너 가스와 조합되고 연소한다.
화학적 히터 구성에서 버너 가스의 연소는 전형적으로 버너 가스 온도가 H2, CO 및 CH4에 대해 600℃에 가까운 자동점화 온도를 초과할 때 일어날 것이다. 연소 가스의 통로를 따라 촉매를 포함시킴으로써 더 낮은 온도에서 연소를 개시하는 것이 가능하다.
가열이 산소 측가스 흐름 내에서 수행되는 구체예에서 유사한 가열 기능성이 제공될 수 있다. 외부 공기 매니폴드 스택에 대한 구체적인 명쾌한 구체예는 전형적으로 도 8에 나타낸 것과 같은 높은 산소 농도를 갖는 스택 엔클로저로 버너 가스를 삽입하는 것이다.
연료 측상에, 스택이 내부적으로 매니폴드로 되어 있는 한편, 그것은 스택의 산소 측에 개방 전지 인터페이스를 가지고 외부적으로 매니폴드되어 있다. 산소 측에서, 스택은 비활성 가스(예를 들면 CO2 또는 N2)로 플러싱되고 버너 가스는 이 스트림에 첨가된다. 버너 가스가 고온의 산소 풍부 스택 엔클로저에 들어갈 때 연소는 즉각적이다. 스택 온도는 스택 엔클로저 상에서 또는 출력 가스에서 측정될 수 있고 이들 온도는 사용된 버너 가스의 양을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
대안의 구체예에서, 스택의 산소 측은 플러싱되지 않고 스택에 의해 생성된 순수한 산소는 전기분해 공정에 의해 발생된 압력에 의해 스택 엔클로저의 밖으로 밀어내어 진다. 이 경우에 버너 가스는 독립적인 스트림으로서 스택에 공급될 수 있다.

Claims (18)

  1. 고체 산화물 연료 전지 스택이 작동 중 또는 스탠바이 모드에 있을 때 연속 작동을 위한 가열 장치 및 평탄한 고체 산화물 연료 전지 스택을 포함하며, 여기서 상기 가열 장치는 고체 산화물 연료 전지 시스템의 일체형 부분인, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 장치의 작동 온도는 적어도 전지 스택의 작동 온도에서 50℃ 낮은 온도, 바람직하게는 적어도 전지 스택의 작동 온도인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가열 장치는 표면으로부터의 열 전달 손실과 전지 스택으로의 유용한 열 전달 간의 비율이 200% 미만, 바람직하게는 30% 미만, 바람직하게는 2% 미만인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 장치는 전지 스택의 한 단부 플레이트에 직접 연결되고 가열 장치의 연결된 부분의 외부 치수는 전지 스택의 상기 단부 플레이트의 외부 평탄한 치수에 해당하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 장치는 전지 스택의 한 단부에서 배치되고 가열 장치는 전지 스택의 상기 한 단부에 연결되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 장치는 두개의 전지 스택의 단부들 사이에 샌드위치 배치로 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 복수의, 바람직하게는 두개의 가열 장치가 두개의 전지 스택의 단부들 사이에 샌드위치 배치로 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 장치는 전기 저항 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 전기 저항 요소는 평탄한 플레이트 가열 요소로서 형성되고 이때 전류는 가열 플레이트 평면에 수직으로 전파되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서, 가열 장치는 전지 스택으로부터 전기 저항 요소를 전기적으로 절연시키는 역할을 하는 전기적 절연 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 장치는 세라믹 저항성 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 장치는 화학적 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 화학적 히터는 화학적 히터로 제공된 버너 가스의 자동 점화 온도보다 낮은 온도에서 화학적 히터에서의 연소를 가능하게 하는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 장치는 공정 가스가 전지 스택으로 들어오는 매니폴드의 근처에 놓이고, 이로써 가열 장치는 전지 스택으로 들어오는 공정 가스를 가열하는데 이것은 전지 스택의 균일한 가열을 가져오는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 가열 장치는 공정 가스를 위한 두개의 매니폴드의 사이에 놓이고, 상기 두개의 매니폴드는 두개의 전지 스택의 단부들 사이에 샌드위치 배치로 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 장치는 전지 스택을 위한 공정 가스를 위한 외부 매니폴드에 의해 형성되고 가열은 외부 매니폴드에서 공정 가스에 버너 가스를 첨가함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  17. 제 14 항 또는 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 매니폴드는 SOFC 전지 스택의 캐소드 측 상의 공정 가스를 위한 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  18. 제 14 항 또는 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 매니폴드는 SOFC 전지 스택의 애노드 측 상의 공정 가스를 위한 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
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