KR20170141682A

KR20170141682A - 이중 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR20170141682A
Application number: KR1020177030461A
Authority: KR
Inventors: 에릭 딘
Original assignee: 엘지 퓨얼 셀 시스템즈 인코포레이티드
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2017-12-26
Also published as: US20180069251A1; CN107408709A; AU2015392310A1; EP3286794A1; SG11201708667PA; WO2016170297A1; CA2979119A1

Abstract

말단끼리 서로 결합하여 모듈식 연료전지 시스템의 내측 용기를 형성하는 다수의 관형 세그먼트를 포함하는 모듈식 연료전지 시스템이 제공된다. 각 세그먼트는 기저부분과 상기 기저부분에서 분리가능한 윗부분을 포함하고, 상기 윗부분 및 상기 기저부분은 집적된 고온 연료전지 블록을 수용하기 위한 내측 공간을 정의하며, 상기 모듈식 연료전지 시스템은 상기 내측 용기의 대향하는 제1 말단 및 제2 말단에서 각 세그먼트를 밀봉하기 위한 제1 말단 마개 및 제2 말단 마개를 포함하며, 상기 내측 용기는 외측 용기 내에 위치하고 상기 내측 용기의 내측과 상기 외측 용기의 내측 간에 압력 경계를 제공한다.

Description

이중 연료전지 시스템

본 발명은 모듈식 연료전지 시스템에 대한 것으로서, 더 상세하게는 분절이 된 내측 용기를 포함하는 모듈식 고온 연료전지 시스템에 대한 것이다.

과거 수년에, 세계 에너지 자원 감소가 현실화되면서, 유해한 가스를 방출하는 화석 연료 사용에 따른 환경 영향을 최소로 하면서 전기적으로 효율이 아주 높은 에너지 해결책에 대한 관심이 일었다. 연료전지(fuel cell)는 적어도 50%의 전기 효율을 나타내는 유망한 전력 생성 수단을 제공한다. 연료전지는 유해성 공해 가스를 방출하지 않아 열 엔진에 비해 더 환경친화적이다. 연료전지는 애노드, 캐소드 그리고 이들 애노드와 캐소드 사이에서 이온 전하가 흐르도록 하는 전해질로 구성되고, 전자들은 외부의 전기적 통로로 강제되어 전기 공급을 제공한다. 연료전지는 일반적으로 사용되는 전해질 유형에 따라, 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC), 알칼린 연료전지(alkaline fuel cell, AFC), 인산 연료전지(phosphoric acid fuel cell, PAFC), 양성자 교환 막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) 그리고 용융 탄산염 연료전지(MCFC)로 구분되거나 그 동작 온도에 따라 구분된다. 고체산화물 연료전지의 동작 온도는 예를 들어 대략 700℃ 내지 1000℃ 이다. 온도 변동은 연료전지 전역에서 일어날 수 있고, 연료전지 효율 같은 긍정적인 효과도 있지만 연료전지 수명이 짧아지는 부정적인 효과가 있다. 연료전지 디자인은 따라서 우수한 연료전지 효율과 수명을 달성하는 대립하는 인자들의 절충에 크게 의존한다.

연료전지는 산소 또는 다른 산화 물질 즉 산화제와의 화학적 반응을 통해서 화학 에너지를 연료 즉 반응물에서 전기로 변환한다. 수소가 가장 흔한 연료지만, 천연가스와 같은 탄화수소 및 메탄올 같은 알코올이 또한 사용될 수 있다. 반응물과 산화제가 연속으로 연료전지에 공급되어 화학 반응을 유지하고 전기 발생을 유지한다. 연료전지는 이 같은 반응물과 산화제가 공급되는 한 계속 전기를 생성할 수 있다.

더 많은 전력을 특히 정치형 파워 플랜트에서 더 많은 전력을 전달하기 위해서 규모확대가 필요하다. 가정용 및 정치형 파워 적용을 위해 필요한 출력은 대략 800와트에서 수 메가와트이다. 높은 파워 출력을 전달하기 위해서, 직렬 그리고/또는 병렬로 함께 연결함으로써 개별 연료전지들이 연합한다. 따라서, 연료전지 소자(element)는 직렬로 서로 연결된 복수의 개별 연료전지를 포함한다. 복수의 연료전지 소자가 또한 연합하여 더 강력한 연료전지 소자를 형성하고, 이렇게 증가한 파워 연료전지 소자들이 다시 연합하여 또 다른 연료 연료전지 소자를 형성한다. 연합의 방식은 필요한 출력에 의존할 것이며 또한 연료공급 및 냉각제 요건에 의해 영향을 받을 것이다. 본 명세서 전체에서, 용어 '연료전지'는 개별 연료전지 또는 소정의 연합이 이루어진 연료전지 소자를 가리킬 수 있다. 특히, 연료전지 모듈은 직렬로 연결된 복수의 연료전지 유닛을 가리키며 이때 연료전지 유닛은 연합한 연료전지 소자를 가리킨다.

현재 고체 산화물 연료전지의 주요 유형은 관형 고체 산화물 연료전지(tubular solid oxide fuel cell, T-SOFC), 평면형 고체 산화물 연료전지(planar solid oxide fuel cell, P-SOFC), 그리고 모놀리스형 고체 산화물 연료전지(monolithic solid oxide fuel cell, M-SOFC)이다.

관형 고체 산화물 연료전지는 내측 전극 및 외측 전극을 갖는 관형 산화물 전해질 부재를 포함한다. 전형적으로 내측 전극은 캐소드이고 외측 전극은 애노드이다. 산화제 가스는 관형 고체 산화물 전해질 부재의 내부에 있는 캐소드 전극에 공급되고 연료 가스는 관형 고체 산화물 전해질 부재의 외면에 있는 애노드에 공급된다(반대로 공급될 수 있다). 관형 고체 산화물 연료전지는 단순한 셀(cell) 적층 구조가 가능하고 밀봉(seal)이 거의 없다.

모놀리스형 고체 산화물 연료전지는 두 가지 유형이 있다. 제1 유형의 모놀리스형 고체 산화물 연료전지는 자신의 주된 두 표면에 전극을 각각 갖는 평면형 고체 산화물 전해질 부재를 구비한다. 제2 유형의 모놀리스형 고체 산화물 연료전지는 자신의 주된 두 표면에 각각 전극을 갖는 주름진 고체 산화물 전해질 부재를 구비한다. 모놀리스형 산화물 연료전지는 더 단순한 테이프 주조(tape casting) 및 달력 인쇄 같은 롤링 제조 공정(calendar rolling fabrication process)이 가능하고 고 전력 밀도를 약속한다. 이 같은 유형의 고체 산화물 연료전지는 그 청정 상태(green state)로부터 모놀리스의 연료전지층들 모두를 함께 소결할 필요가 있다.

평면형 고체 산화물 연료전지는 또한 테이프 주조 및 롤링 제조 공정이 가능하나, 이는 150 내지 200㎛의 두껍고, 자기-지지가 된 고체 산화물 전해질 부재를 필요로 하는데 그 같은 부재는 성능을 제한한다.

고체 산화물 연료전지는 활성 연료전지 내에서 요구되는 전해질 성능을 달성하기 위해서는 대략 700℃ 내지 1000℃의 동작 온도가 필요하다.

본 발명은 모듈식 연료전지 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 모듈식 연료전지 시스템이 제공되며, 이 모듈식 연료전지 시스템은: 말단끼리 서로 결합하여 모듈식 연료전지 시스템의 내측 용기를 형성하는 복수의 관형 세그먼트를 포함하며,

각 세그먼트는 기저부분(base portion)과 상기 기저부분과 분리될 수 있는 윗부분(top portion)을 포함하며, 상기 윗부분 및 상기 기저부분은 더불어 집적된 고온 연료전지 블록을 수용하기 위한 내측 공간을 정의하며, 상기 내측 용기의 대향하는 제1 말단(first end) 및 제2 말단(second end)에서 세그먼트들을 밀봉하기 위한 제1 말단 마개(first end cap) 및 제2 말단 마개(second end cap)를 더 포함하고,

상기 내측 용기는 외측 용기 내에 배치되고 상기 내측 용기의 안과 상기 외측 용기의 안 사이의 압력 경계를 제공한다.

모듈식 연료전지 시스템의 이점은 상기 윗부분을 제거하여, 상기 기저부분 위쪽에서부터 상기 기저부분에 상기 집적된 블록이 장착될 수 있으며, 이로써 모듈식 연료전지 시스템의 구축 과정을 단순화할 수 있다. 윗부분은 분리가 가능하여 접근이 쉽고 상기 내측 용기 어셈블리에서 상기 세그먼트를 제거하여 내측 용기 전체를 해체할 필요없이 필요에 따라 집적된 블록을 제거 또는 대체할 수 있다. 임의의 하나의 세그먼트가 제거될 수 있도록 하기 위해, 인접한 세그먼트들은 세그먼트들 사이의 공통 연결체가 끊어질 수 있도록 (예를 들어 보조 주 공기 피드부와 배기관) 지지 프레임 상에서 축방향으로 충분히 멀리 이동된다. 상기 기저부분 및 상기 윗부분은 연결체들을 사용하여 함께 연결될 수 있다.

선택적으로, 상기 모듈식 연료전지 시스템은 지지 부재가 구비되며, 상기 지지 부재는 상기 외측 용기에 상기 내측 용기를 지지하도록 마련된다.

선택적으로, 상기 지지 부재는 유틸리티 시설, 산화제 및 연료 매니폴드, 그리고 그외 필수 동작 및 유지 라인들을 장착하기 위한 접근 구역을 제공한다.

접근 구역을 제공하는 것의 이점은 상기 접근 구역이 내측 용기의 외부에 위치한다는 점이다. 내측 용기는 대략 700 내지 1000℃의 동작 온도를 가지는 반면, 내측 용기와 외측 용기 사이의 공간은 대략 150℃ 보다 낮은 동작 온도를 가지도록 구성된다. 이 같은 동작 온도 차이는 쉽게 입수가능한 저온 품질(grade) 부품들 및 기술 예를 들어 와이어, 전자부품, 및 연결체를 접근 구역 내에 사용 가능하게 하며 이는 모듈식 연료전지의 비용을 상당히 줄일 수 있다.

선택적으로, 상기 지지 부재는 실질적으로 평면 프레임이며, 상기 평면 프레임은 상기 내측 용기를 상기 지지 부재에 고정하기 위한 복수의 파스너가 구비된다. 상기 복수의 파스너는 3-점 역학 장착 구조로 제공될 수 있다.

선택적으로, 상기 기저부분은 상기 지지 부재의 형상에 상보적인 형상이다. 바람직하게, 상기 기저부분은 실질적으로 평면인 밑면을 구비한다.

실질적으로 상기 평면인 프레임 형상에 상보적인 형상의 실질적으로 평면인 기저부분은 상기 지지 부재 상에 상기 기저부분을 쉽게 장착할 수 있는 이점을 제공한다. 또한, 그것은 상기 집적된 블록이 상기 세그먼트의 기저부분 안에 쉽게 장착될 수 있도록 하고 유틸리티 시설, 산화제 및 연료 매니폴드들 그리고 그 외 필수 동작 및 유지 라인들이 쉽게 배열되고 밀봉되도록 하여, 상기 내측 용기와 상기 외측 용기 사이에 요구되는 압력 경계를 제공하도록 한다.

선택적으로, 상기 윗부분은 실질적으로 c-형태의 단면을 가진다. 선택적으로 상기 c-형태의 단면 벽 말단들은 상기 기저부분의 대응되는 벽 말단들과 결합한다.

상기 외측 용기는 상기 내측 용기 내의 압력보다 더 큰 압력으로 동작하도록 구성될 수 있다. 상기 내측 용기 내의 압력에 비해 상대적으로 더 큰 상기 외측 용기 내의 압력은 상기 내측 압력 경계에 어떠한 실패가 발생하더라도 상기 외측 용기안으로 탈출하는 뜨거운 가스가 아니라 상기 내측 용기 안으로 흐르는 상대적으로 차가운 가스를 야기하는 이점이 있다.

선택적으로 상기 외측 용기는 실질적으로 관형 용기(tubular vessel)이다.

상기 세그먼트의 내면은 절연체를 포함할 수 있다. 상기 세그먼트의 내면에 절연체를 구비함으로써 상기 내측 용기의 안과 상기 내측 용기의 바깥 사이의 열 손실이 감소한다. 내측 용기로부터의 열 손실을 감소함으로써 외측 용기와 내측 용기 간의 공간이 낮은 온도로 유지되어 낮은 온도 등급 물질(low temperature grade material)을 그 공간에 사용할 수 있다. 또한, 내측 용기 내에서 동작 온도에서 사용하기 위한, 파이프, 밀봉 고리, 파스너와 같은 낮은 온도 등급 물질이 높은 온도 물질에 비해서 비용이 적기 때문에, 모듈식 연료전지 시스템의 전체 비용을 줄일 수 있다. 절연체를 통해 내측 용기로부터의 열 손실을 줄이는 것은 필요한 시스템 효율에서 연료전지 시스템의 열 균형을 유지하는데 필요하다.

바람직하게, 상기 제1 말단 마개 및 상기 제2 말단 마개는 그 내측 표면에 각각 절연제가 제공된다.

상기 세그먼트들과 상기 말단 마개들의 내측 표면들에 절연체를 제공함으로써, 상기 내측 용기는 내측 표면들 상에 절연체가 제공되어 집적된 블록들로부터 열 손실을 제한한다.

바람직하게, 상기 세그먼트들은 열이 어떤 세그먼트에서 인접한 세그먼트로 전달되는 것을 제한하기 위해서, 상기 세그먼트 내에 마련된 절연판을 구비한다. 상기 절연판의 이점은 집적된 각 블록이 집적된 인접 블록들 사이에서의 열 손실이 일어나지 않는 것이다. 이 같은 특징은 모듈식 연료전지 시스템의 동작 중에 또는 하나 이상의 집적된 블록이 원하는 동작 온도에서 동작하지 않을 경우, 하나 이상의 집적된 블록의 전체 영향을 보상할 수 있게 한다.

선택적으로, 상기 기저부분 그리고/또는 상기 윗부분은 산화제 매니폴드가 구비된다. 상기 산화제 매니폴드는 상기 내측 용기의 상기 절연체 내에 마련된다. 상기 산화제 매니폴드는, 자신을 흐르는 공기 또는 산화제의 온도를 제어하는데 일조를 하기 위해서, 상기 절연체 내에 내장된다.

선택적으로, 상기 산화제 매니폴드는 상기 내측 용기의 길이를 따라 압력 손실을 최소화하기에 충분한 큰 단면적을 가진다. 상기 산화제 매니폴드는 적어도 두 개의 세그먼트를 통과해 축방향으로 마련될 수 있다.

선택적으로 상기 접근 영역은 연료 및 서비스 시설을 각각의 집적된 블록에 제공하기 위한 다수의 포트를 제공한다.

선택적으로 연료 공급부 및 산화제 공급부, 재사용 루프들, 그리고 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함하는 연료전지를 포함하는 집적된 연료전지 블록이 더 제공되고, 미사용 연료 또는 산화제가 재사용되고 상기 연료전지의 상기 연료 공급부 및 상기 공기 공급부로 재공급되며, 상기 집적된 연료전지 블록은 상기 세그먼트의 상기 기저부분 안에 체결되고 상기 연료 공급부는 상기 기저부분을 통과해 상기 연료전지에 연료를 공급한다.

집적된 연료전지 블록의 이점은 집적된 각 연료전지 블록에 대한 연료 공급, 산화제 공급 및 재사용 루프가 집적된 다른 연료전지 블록들에 독립적이라는 것이다. 그 결과 연료 및 산화제 배관(ducting) 및 통로가 상대적으로 작은 스케일로 핵심 구조물(key fabrication) 내에 포함될 수 있고 이는 복잡도를 최소화하고 집적된 블록들의 제조 비용을 최소로 한다. 배관 및 통로 크기의 감소는 각 집적된 블록으로의 연료 및 공기 배급을 향상시킬 수 있고 배관 및 통로에서 압력을 낮출 수 있다. 더욱이, 전체 연료전지 시스템이 단순화되고 구축 및 이후 유지 비용이 감소한다.

집적된 블록은 오작동의 경우에 예를 들어 누설의 경우에 전체 시스템의 차단 및 해체 없이 특정 블록의 격리를 가능케 한다. 더욱이, 집적된 블록은 내측 용기에 장착하기 전에 개별 집적된 블록들의 테스트를 가능케 한다. 이는 오동작 블록들이 내측 용기에 장착될 가능성을 줄이고 전체 제조 시간 및 위험을 줄일 수 있게 한다.

선택적으로, 상기 산화제 공급부는 상기 세그먼트의 기저부분 또는 윗부분 내에 마련된 산화제 매니폴드와 결합하도록 구성된다.

선택적으로 상기 연료 공급부는 냉각기 외측 용기 볼륨 내에 기저부분을 통과해 마련된 연료 매니폴드와 결합하도록 구성된다.

선택적으로 상기 집적된 블록은 자신의 적어도 일 측에 적어도 하나의 절연판이 구비된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 모듈식 연료전지 시스템을 제조하는 방법이 제공되고 이 방법은:

말단끼리 마주하도록 다수의 관형 세그먼트를 위치시켜 상기 모듈식 연료전지 시스템의 내측 용기를 형성하고;

각 세그먼트를 제1 말단 마개와 제2 말단 마개를 사용하여 상기 내측 용기의 양단인 제1 말단 및 제2 말단을 밀봉하고; 그리고,

상기 내측 용기를 외측 용기에 위치시켜 상기 내측 용기의 내측과 상기 외측 용기의 내측 사이에 압력 경계를 제공함을 포함하며,

각 세그먼트는 기저부분 및 상기 기저부분에서 이격된 윗부분을 포함하고, 상기 윗부분 및 상기 기저부분은 함께 집적된 고온 연료전지 블록을 수용하기 위한 내측 공간을 정의한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 모듈식 연료전지 시스템을 수리하는 방법이 제공되고, 이 방법은:

오동작하는 집적된 고온 연료전지 블록을 수용하는 세그먼트를 식별함으로써 모듈식 연료전지 시스템의 오동작하는 집적된 고온 연료전지 블록을 식별하고;

오동작하는 것으로 식별된 세그먼트의 기저부분으로부터 윗부분을 분리 및 제거하고;

내측 용기의 외측에 제공된 다수의 서비스 시설에 상기 오동작하는 집적된 고온 연료전지 블록을 연결하는 다수의 연결체 또는 파이프의 연결을 끊고;

상기 기저부분으로부터 상기 오동작하는 집적된 고온 연료전지 블록을 제거하고 동작하는 집적된 고온 연료전지 블록으로 대체하고; 그리고,

상기 윗부분을 대체하고 상기 세그먼트를 밀봉하여 밀봉된 내측 용기를 형성함을 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 모듈식 연료전지 시스템의 수리 방법이 제공되고, 상기 방법은:

내측 용기 내의 결함 세그먼트를 식별하고;

말단끼리 마주하는 방식으로 세그먼트를 인접한 세그먼트 그리고/또는 말단 마개에 연결하는 파스너의 연결을 그리고 다수의 연결체 또는 파이프의 연결을 끊음으로써, 상기 결함 세그먼트를 지지 프레임으로부터 분리하고;

상기 결함 세그먼트를 상기 내측 용기로부터 제거하고; 그리고

상기 결함 세그먼트를 동작하는 세그먼트로 대체하고 다수의 연결체 또는 파이프를 다시 연결하고 파스너들을 다시 연결하여 밀봉된 내측 용기를 형성함을 포함한다.

선택적으로 상기 방법은 결함이 있는 집적된 고온 연료전지 블록을 식별하고 대응하는 세그먼트를 상기 결함 세그먼트로 식별함을 더 포함한다.

본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 예시적인 집적된 블록, 내측 용기 세그먼트, 지지 프레임, 내측 용기 및 외측 용기를 포함하는 예시적인 모듈식 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 예시적인 내측 용기의 3차원 구조를 도시한다.
도 3은 윗부분이 제거된 예시적인 내측 용기의 3차원 구조를 도시한다.
도 4는 예시적인 지지 프레임을 도시한다.
도 5는 세그먼트의 단면도이다.
도 6은 세그먼트의 아래 측을 도시한다.
도 7은 예시적인 기저부분을 도시하며 기저부분의 장착을 보여준다.
도 8은 기저부분에 장착된 예시적인 집적된 블록을 도시한다.

설명되는 실시예들에서, 동일한 특징들은 동일한 참조번호로 식별되었지만, 어떤 실시예들에서는 100의 배수로 식별되었다.

집적된 고온 연료전지 블록은 또한 집적된 블록으로 언급된다.

도 1은 외측 용기(outer vessel)와, 이 외측 용기(10) 내에 위치하며 다수의 세그먼트(segment)(40)로 만들어진 내측 용기(inner vessel)(30)를 포함하는 모듈식 연료전지 시스템(1)의 일 예를 도시한다. 각 세그먼트(40) 내에, 하나 이상의 집적된 연료전지 블록(집적된 블록)(70)이 제공된다. 내측 용기(30)는 지지 선반 혹은 지지 프레임(80)에 의해 지지가 되고 지지 프레임(80)은 또한 요구되는 모든 연료전지 서비스 시설 예를 들어 연료 공급, 전력 케이블, 배선(wire), 전자부품, 연결체(connector) 같은 장치를 위한 지지 및 구축 프레임을 제공한다.

세그먼트(40)들은 말단끼리(end-to-end relationship) 서로 연결되어 도 2에 도시된 바와 같이 내측 용기(30)를 형성한다. 세그먼트(40)들은 관 모양이다. 각 세그먼트(40)는 기저부분(base portion)(50) 및 윗부분(top portion)(60)을 구비한다. 도 3(윗부분(60)이 제거되어 기저부분(50)에 장착된 집적된 블록(70)들이 드러난 것을 도시함)에 도시된 바와 같이 윗부분(60)은 기저부분(50)에서 분리될 수 있다. 기저부분(50)과 윗부분(60)은 서로 결합하여 고체 산화물 연료전지(70)들의 집적된 블록을 적어도 하나 수용하는 내측 공간(inner space)을 형성한다. 윗부분(60)은 기저부분(50)에서 제거될 수 있는바, 수직 방향에서 세그먼트(40)의 상단에서부터 집적된 블록(70)이 장착될 수 있으므로 집적된 블록(70)이 세그먼트(40) 내에 쉽게 장착 및 조립될 수 있다.

내측 용기(30)는, 그 양단인 제1 말단(first end)(31) 및 제2 말단(second end)(33)에서 세그먼트(40)를 밀봉하기 위한 말단 마개(32), (34)를 구비한다. 말단 마개들(32), (34)과 세그먼트(40)들은 도 2에 도시된 바와 같이 함께 내측 용기(30)를 형성한다. 말단 마개들(32), (34)은 내측 용기(30)의 양단의 세그먼트들(40₁), (40_n)과 외측 용기(10) 간의 압력 경계(pressure boundary)를 생성한다. 말단 마개들(32), (34)은 산화제(37)를 세그먼트들에 공급하고 내측 용기(30)의 공통 산화제 매니폴드(common oxidant manifold)와 결합하는 산화제 포트(oxidant port)(36)가 구비되고, 내측 용기(30)의 공통 배기관(common exhaust duct)으로부터 배기 산물(39)을 제거하는 배기 포트(38)가 구비된다.

내측 용기(30)는 외측 용기(10) 내에 위치하고 외측 용기(10) 내에 위치한 내측 용기(30) 배열은 내측 용기(30)의 내측과 외측 용기(10)의 내측 간에 압력 경계를 제공한다.

외측 용기(10)는 원통형 용기로서 산화제 매니폴드와 배기 매니폴드에 연결되는 포트(16), (18)와 유틸리티 시설(utility), 서비스 시설 및 연료 공급을 위한 다수의 포트(12), (14)를 구비한다.

내측 용기(30)는 따라서 제거 가능한 다수의 세그먼트(40)로 형성된다. 적어도 두 개의 제거 가능한 세그먼트(40)가 필요하고, 말단 마개들(32), (34)과 함께 하나의 압력 경계를 생성하는데 이는 하나 이상의 집적된 연료전지 블록(70)의 장착을 가능하게 한다.

기저부분(50)과 윗부분(60)은 개스킷(gasket)(42)(도 3 참조)과 함께 볼트 체결에 의해 결합하는데, 제어된 압축된 개스킷 두께를 만들기 위해 어께부를 구비하는 볼트 결합부분(bolted joint)의 일 측 상에 구멍(hole)(44)(도 4 참조) 내 삽입체(instert)를 사용한다. 이는, 추가 세그먼트(40)로 축방향으로 조립의 규모가 증가할 때, 정확한 기하학으로 조립되는 것을 담보한다.

다른 구조로서, 비용을 최소로 하기 위해 클립/클램프 결합(joint)이 사용될 수 있다. 클립/클램프 결합은, 동작 시에 외측 용기(10)의 내측과 내측 용기(30)의 내측 간에 압력 차이가 있어 내측 용기(30)가 동작 중에 압축 상태이므로, 내측 용기(30)를 위해 적절하다. 더욱이, 클립/클램프 구조의 경우, 말단 마개들(32), (34)의 넓은 면적이 요구되는 축방향 결합 클램프 체결 힘(clamping force)을 제공하여 내측 용기(30)의 구조적 무결성(integrity)을 유지하게 한다.

내측 용기(30)는 다수의 세그먼트(40)가 직렬로(일렬로) 연결되는 수단을 제공하여 큰 연료전지 시스템의 제조를 단순화시킨다. 이는, 집적된 블록(70) 또는 내측 용기(30)의 구조를 다시 디자인하지 않고서도 모듈식 연료전지 시스템(1)의 전력 출력을 증가 혹은 감소시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 세그먼트(40)들은 기저부분(50)과 윗부분(60)으로 형성된다. 기저부분(50)은 적어도 하나의 실질적으로 평탄한 표면(46)을 구비한다. 평탄한 표면(46)은 하나 이상의 집적된 블록(70)을 지지하기 위한 토대를 제공하고 모듈식 연료전지 시스템(1)의 냉부(cooler part)에서 접근 영역(access region)(90)을 제공한다. 평탄한 표면(46)은 또한 도 4에 도시된 바와 같이 지지 선반(support shelf)(80)을 거쳐 외측 용기(10) 내에 내측 용기(30)의 손쉬운 장착을 제공한다. 접근 영역(90)이 도 5에 파선(dashed line)으로 표시되어 있다.

지지 선반(80)은 개방 매트릭스(open matrix)이며, 외측 용기(10) 안에 삽입(slot) 되고 외측 용기(10)의 내측 벽(inner wall)에 고정되도록 구성된다. 지지 선반(80)은 내측 용기(30)를 (그래서 세그먼트(40)들을) 지지 선반(80)에 고정하기 위한 파스너(fastener)(82)들이 구비된다. 일 실시예에서, 3-점 역학(3-point kinematic) 탑재 시스템이 사용되어 내측 용기(30)를 지지 선반(80)에 고정한다. 다른 실시예에서, 정렬 부재들이 사용되어 내측 용기(30)를 지지 선반(80)에 정렬하고 또 다른 정렬 부재들이 사용되어 지지 선반(80)을 외측 용기(10)에 정렬한다.

지지 선반(80)은 연료 라인과 유틸리티 시설(utility)들을 내측 용기(30)에 연결하기 위한 프레임을 제공하기 때문에, 내측 용기(30) 외측에서 따라서 내측 용기(30) 동작 온도보다 차가운 영역에서 접근 영역(90)의 향상된 사용을 가능케 한다. 온도에서의 차이는 접근 영역(90) 내에서 낮은 온도 등급의 부품들을 사용하는 이점을 제공하며 이는 모듈식 연료전지 시스템(1)의 제조 비용을 상당히 줄이고 전력 관리를 위한 전자장치 및 설비(instrumentation)를 포함하여 쉽게 입수할 수 있는 부품 및 기술을 사용하는 이점이 있다.

지지 프레임(80)은 개별 세그먼트의 장착 및 유지보수를 위한 수단을 제공하며 따라서 오동작 세그먼트 또는 오동작 집적된 블록을 쉽게 제거할 수 있다. 지지 프레임(80)은 내측 용기(30)의 실질적으로 평탄한 외측 표면(46)에 부착하고 따라서 외측 용기(10)에서 상대적으로 차가운 영역에 위치한다. 지지 프레임(80)은 차가운 영역에 위치하기 때문에, 상대적으로 낮은 온도에서 연료 공급부(fuel supply)를 위치시키고 지지하는 구조를 제공한다. 지지 프레임(80)은 또한, 프로세스 동작 및 모니터 시스템 진단의 제어를 위해 각 집적된 블록(70) 상의 설비와 연료전지 제어 시스템 간의 인터페이스를 위해 사용될 수 있다.

지지 프레임(80)은 차가운 영역 내에서 집적된 블록(70)의 연료전지들에 의해 생성된 전력을 이동하는데 필요한 부품들 및 회로를 위치시키고 지지하는데 사용된다.

내측 용기(30)의 외측 영역에서 지지 프레임(80) 상에 부착되고 위치하는 서비스 시설들(services)은 조립 및 수리를 위한 접근이 용이하도록 하고, 내측 용기(30)를 따라 임의의 위치에 있는 개별 세그먼트(40)를 제거할 수 있게 한다.

지지 프레임(80)은 외측 용기(10)의 내측 벽에 마련된 레일(rail)들에 삽입된다. 지지 프레임(80)은 높이 조절이 가능한 바퀴(86)가 구비되어 지지 프레임(80)과 외측 용기(10) 간의 정확한 부하 이송(load transfer) 및 지지를 담보한다. 이와 같이, 외측 용기(10)는, 지지 프레임(80)이 서비스 시설, 조립 및 장착 그리고 유지 모두를 지지하도록 사용되면서, 내측 용기(30)로부터 부하를 지지한다. 이 같이, 지지 프레임은 독립적으로 내측 용기의 무게를 지지할 필요가 없다. 세그먼트들 및 말단 마개들은 지지 프레임 상에서 조립되고 함께 결합되고, 조립된 내측 용기는 지지 프레임을 외측 용기 안으로 굴리는 것에 의해서 또는 외측 용기를 지지 프레임 위로 굴리고/미끄러지게 함으로써 외측 용기 안으로 삽입된다. 지지 프레임의 바퀴들은 외측 용기의 레일들의 안내와 함께 쉽게 조립이 가능토록 한다.

기저부분(50)은 그 표면의 적어도 일 부분이 실질적으로 평탄한 지지 선반(80)에 상보적인 형상을 나타낸다. 지지 선반(80) 상에 기저부분(50)의 장착은 단순화되고, 세그먼트(40)의 기저부분(50) 안으로의 집적된 블록(70)의 장착은 단순화된다. 더욱이, 평탄한 지지 선반(80) 및 평탄한 기저부분(50)은, 집적된 블록(70) 바로 아래에서 접근이 일어나기 때문에, 유틸리티 시설, 연료 매니폴드 그리고 필수적인 동작 및 유지 라인들의 장착 및 밀봉이 쉽게 되도록 한다.

기저부분(50)은 따라서 다수의 포트(54)가 구비되는데, 이들은 연료 및 서비스 시설을 도 6에 도시된 바와 같이 집적된 블록(70)들 각각에 제공한다. 포트(54)들은 각각 정해진 용도로 사용된다. 어떤 포트는 연료를 각 집적된 블록의 애노드 루프에 제공한다. 어떤 포트는 연료를 각 집적된 포트의 보조 루프에 전달한다. 어떤 포트는 각 집적된 블록으로부터의 전력을 위해 사용된다. 어떤 포트는 각 집적된 블록으로부터의 가스-샘플링 라인, 압력-샘플링 라인, 열전대를 포함하여 설비를 위해 사용된다. 이는 시스템 제어 및 진단이 집적된 블록(70) 레벨에서 가능하게 한다. 지지 프레임(80)과, 기저부분(50)의 평탄한 표면(46)은 서비스 시설과 유틸리티 시설이 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 기저부분(50)을 통과해 수직으로 장착될 수 있도록 한다.

세그먼트(40)는 집적된 블록(70)으로부터의 열을 제한 및 제어하기 위해서 세그먼트의 내측 표면에 절연체(48)가 구비된다. 도 5, 도 6 및 도 7은 세그먼트(40) 내의 절연체의 배치를 보여준다. 절연체(48)는 내측 용기 벽 온도의 관리를 통해 통상적으로 비용이 적은 물질을 사용하여 제조할 수 있도록 한다. 낮은 온도에서 물질을 유지함으로써, 물질의 수명을 증가시키고, 물질의 기계적 및 열적 스트레스를 줄이고, 휨을 줄이고 부식을 줄인다. 더욱이, 열 손실을 최소로 하여 모듈식 연료전지 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.

도 5, 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 미소공성(microporous) 세라믹 절연체가 세그먼트(40)의 내측 벽에 사용된다. 미소공성 세라믹 절연체(48)는 정확하게 성형되고 절연체의 손쉬운 조작이 가능하도록 금속 클래드로 포장된다. 금속 클래드 미소공성 세라믹 절연체는, 열 손실을 최소화하기 위해 내측 용기의 금속 표면에 대한 가시선(line of sight)을 방지할 필요에 따라, 서로 맞물리고 중첩되도록 그 형상이 만들어진다. 미소공성 세라믹 절연체는 진공 없이 현재 달성할 수 있는 최고의 열 절연체이다. 다른 절연 물질이 사용될 수 있으나 추가 성분 예를 들어 진공을 필요로 할 수 있다. 진공이 사용될 경우, 절연체의 전체 두께를 줄일 수 있고, 시스템의 전체 전력 용량을 감소하지 않고서도 모듈식 연료전지 시스템의 전체 크기를 줄일 수 있으며, 즉 사용가능한 내측 볼륨을 더 생성함으로써 모듈식 연료전지 시스템의 전체 크기를 증가시키지 않고서도 전체 전력을 증가시킬 수 있다.

전술한 바와 같이 내측 용기(30)는, 압력 경계의 실패가 뜨거운 가스가 외측 용기로 탈출하기보다는 차가운 가스가 내측 용기 안으로 출입하는 것을 담보하도록, 그 외측 표면 상에 양압으로 작동하도록 디자인된다.

산화제 매니폴드(56)는 각 세그먼트(40)에 제공된다. 산화제 매니폴드(56)는 세그먼트(40)들 사이에서 축방향으로 신장하는 공통 누설밀봉(leak-tight) 산화제 매니폴드(56)로부터 각 집적된 블록(70)에 동일한 산화제 공급을 제공한다. 산화제 매니폴드(56)는, 집적된 블록(70)을 위해 산화제를 생성하는 터보기계류(turbomachinery) 간의 압력 손실을 최소로 하기 위해서 단면적이 넓다. 넓은 단면적의 산화제 매니폴드(56)는 내측 용기의 길이를 따라서 압력 손실이 최소가 되도록 그 크기가 결정된다. 결과적으로, 산화제 매니폴드(56)의 단면적은 내측 용기(30)의 길이의 함수 그리고 모듈식 연료전지 시스템 내에 집적된 블록(70)들의 개수의 함수이다. 산화제 매니폴드(56)의 단면적은 모듈식 연료전지 시스템에 요구되는 전력 출력 변동의 요구 범위에 따라 최적화된다.

산화제 매니폴드(56)는 도 5, 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 세그먼트(40)의 기저부분(50) 또는 윗부분(60)의 내측 벽 절연체(48) 내에 위치한다. 산화제 매니폴드(56)는 세그먼트(40)들 간에 축방향으로 신장하여 각 집적된 블록(70)에 소정 온도에서 산화제를 제공한다. 산화제 매니폴드(56)에 흐르는 산화제의 온도는 절연체 내의 산화제 매니폴드의 위치에 의해서 최적화될 수 있다. 절연체 내에 깊이 묻힌 산화제 파이프에 흐르는 산화제는 절연체 내에 얕게 묻힌 산화제 매니폴드에 흐르는 산화제와 비교해서 온도가 낮을 것이다.

더욱이, 산화제 매니폴드(56)는, 조립을 쉽게 하고 열 스트레스를 최소로 하기 위해서, 각 세그먼트 내에 벨로우즈, 가요성 파이프 또는 기계적으로 슬라이딩하는 조인트 형태의 내장된 열-기계적 컴플라이언스(compliance)가 구비된다.

내측 용기(30)는 각 집적된 블록(70)에서 공기를 배출하기 위한 배기관(58)이 구비된다. 배기관(58)은 그 길이를 따라 압력 손실 및 압력 변동이 최소가 되도록 단면적이 넓다. 배기관(58)은 또한 각 세그먼트 내에 벨로우즈, 슬라이딩하는 조인트 형태의 내장된 열-기계적 컴플라이언스(compliance)가 구비된다.

세그먼트(40)들 각각은 열 차단체(thermal barrier)(72)가 구비되는데, 도 8에 도시된 바와 같이 직렬로 연결되었을 때 내측 용기(30)는 각 세그먼트(40) 사이에 따라서 각 집적된 블록(70) 사이에 열 차단체(72)를 구비한다. 열 차단체(72)는 인접한 세그먼트(40)에 큰 영향을 주지 않으면서 개별 집적된 블록(70)의 동작 온도 변동에 따른 영향을 감소한다. 열 차단체(72)는 각 세그먼트(40) 간에 압력 경계를 생성하지 않는다. 열 차단체(72)는 절연 물질 판 예를 들어 금속 클래딩으로 포장된 미소공성 세라믹 절연물질로 만들어진다.

말단 마개들(32), (34)은 세그먼트들로부터 열 손실을 제한하고 그 벽 온도를 관리하는 집적된 열 차단체를 구비하여, 포트 및 연결 파이프들의 제조를 위해 통상적으로 비용 효율적인 물질을 사용할 수 있게 된다.

집적된 블록(70)은 다수의 연료전지 소자(element)를 포함한다. 다수의 집적된 블록(70)이 연료전지 시스템(1)의 전체 출력 요구에 따라 세그먼트(40) 내에서 병렬로 연결될 수 있다.

각 집적된 블록(70)은 지지 프레임(80) 상에 지지가 된 자신의 연료 공급부가 구비되고 공통 산화제 매니폴드(56)를 통해 공기 공급부가 제공된다. 더욱이, 연료 공급부로부터의 미사용 연료 및 공기 공급부로부터의 공기는 각 집적된 블록 내에서 재사용되어, 각 집적된 블록이 개별 유닛으로 동작하여 효율성이 향상된다.

집적된 블록(70)은 대략 15kWe 내지 100kWe를 제공한다. 이 범위에서, 필요한 배관 및 통로가 상대적으로 작은 스케일에서 핵심 구조물 내에 포함될 수 있어, 복잡성 및 비용을 최소로 할 수 있다.

집적된 연료전지 블록(70)은 세그먼트(40) 내에 위치하고, 세그먼트는 적어도 하나의 다른 세그먼트와 연결되어 내측 용기(30)를 형성한다. 캐소드 루프는 내측 용기 볼륨에 개방된다. 캐소드 루프는 오프가스 버너(off-gas burner, OGB)를 포함하지 않으며, 단지 주위 습기만을 함유하여 전형적으로 건조하다. 집적된 연료전지 블록(70)은 캐소드 이젝터(cathod ejector)에 연결된 캐소드 주 공기 피드부(cathod primary air feed)와 애노드 이젝터에 연결된 연료 주 피드부를 포함한다. 개질기(reformer) 어셈블리와 열 교환기 어셈블리가 또한 집적된 블록 내에 마련된다. 보조 이젝터도 또한 주 공기 피드부 내에 마련된다.

다른 실시예에서, 캐소드 이젝터 출구가 티어 볼륨(tier volume)에 개방되어, 개질기 출구(exit) 공기는 캐소드 및 보조 이젝터 부 피드부로 배기될 수 있다. 이 경우 티어 볼륨은 여전히 "건조"하다.

다른 실시예에서, 열 교환기 배출구(outlet) 즉 배기 흐름(exhaust flow)이 티어 볼륨에 개방되어, 캐소드 이젝터와 보조 이젝터 모두가 배기될 수 있다. 이 같은 구성에서, 티어 볼륨은 오프가스 버너(OGB)를 포함하는 보조 루프로부터의 습기를 함유할 것이다.

증기 내성 전지 캐소드 물질을 도입함으로써, 보조 루프 및 추가 열 교환기가 필요치 않을 수 있다. 이 경우, 연료 및 주 캐소드 공기 스트림은 집적된 블록(70) 내에서 국소적으로 재사용될 것이다.

집적된 블록(70)은, 개별 스택(stack) 블록들 내에 요구되는 연료 및 공기 공급 그리고 관련된 재사용 루프를 포함한다. 이는 관련된 압력 손실 및 팽창 이슈가 있는 티어 스케일 재사용 루프의 필요성을 없애고, 하나의 스택 블록 또는 여러 개의 스택 블록이 필요에 따라 동작 중에 분리 가능하게 한다. 이는, 이전의 스택 및 티어 구성들에 비해 핵심 이점으로, 발생기 모듈 스케일에서 현저히 향상된 신뢰성을 가능케 한다. 블록당 전용 연료 및 공기 공급 및 재사용 루프는 또한 티어 내에서 연료 및 공기의 배분에 있어서 현저한 향상을 가져온다.

집적된 블록(70)은 캐소드 루프 및 보조 루프의 개방 위치를 변경하는 것에 의해 다양한 방식으로 구성될 수 있으며 각 옵션은 다른 동작 조건 및 환경을 제공한다.

블록 스케일에서 이젝터와 재활용 루프를 포함(incorporation)함으로써, 또한 흐름 경로 길이를 최소화할 수 있으며, 주 개질기 및 열 교환기 어셈블리의 필수적인 구성이 된다.

집적된 블록(70)들의 이점들 중 하나는, 집적된 블록(70)들이 모듈식 연료전지 시스템의 나머지 구성들과는 개별적으로 사전-조립되고 제조될 수 있다는 점이다. 집적된 블록(70)은 또한 장착 전에 컴플라이언스가 테스트 될 수 있는데, 이는 제조를 상당히 단순화하고 연료전지 용기 스케일에서 어셈블리를 빠르게 할 수 있다. 더욱이, 개별 집적된 블록(70)은 다른 집적된 블록에 최소한의 영향을 주면서 교체될 수 있다.

접근 영역의 또 다른 이점은 집적된 블록(70)에 대한 서비스 및 유틸리티 시설이 쉽게 보이고 구축 및 유지를 위해 접근 가능하다는 것이다. 저온 접근 영역은 서비스를 집적된 블록, 설비 및 전력 연결체들에 제공하기 위해 통상적인 물질 및 기술의 사용을 가능케 하고, 개별 연료 공급이 쉽게 각 세그먼트에 공급되도록 하며, 각 세그먼트는 문제 발생시 나머지 집적된 블록의 동작을 유지하면서도 필요에 따라 분리될 수 있다.

모듈식 연료전지 시스템(1)은 다른 구성을 다시 디자인하지 않고서도 용기 세그먼트(40)의 개수를 변화시키는 것에 의해 전력 출력의 증가 또는 감소를 쉽게 디자인 할 수 있다.

세그먼트(40)에서 절연체(48) 내에 제공된 절연 산화제 매니폴드(56)는 모듈식 연료전지 시스템(1)이 고온에서 동작할 때 산화제 매니폴드(56)를 통해 흐르는 산화제 온도의 제어를 제공한다. 이 같은 구성은 시스템(1)에서 열 손실을 최소로 하고 산화제 매니폴드 온도를 제어하기 위한 추가 절연의 필요성을 제거한다.

집적된 블록(70)의 추가 이점은 블록(70) 또는 연료 루프 내에서 문제가 발생할 경우, 개별 블록(70)에 대한 연료 공급을 개별적으로 할 수 있기 때문에, 제품 신뢰성이 향상되는 것이다.

모듈식 연료전지 시스템은 또한 고체 산화물 연료전지 및 용융 탄산염 연료전지 같은 고온 연료전지 시스템에 사용될 수 있다.

전술한 실시예들에서 설명된 특징들은 실시예 간에 서로 호환될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 전술한 실시예들은 본 발명의 다양한 특징들을 설명하는 예일 뿐이다.

본 명세서의 발명의 설명 및 특허청구범위를 통해서 사용된 "~을 포함한다", "~을 구비한다", "~을 함유한다" 및 그 어법적 변형 어구들은 언급된 것을 포함하되 언급된 것에 제한되지 않는다는 것을 의미하며, 다른 모이티, 첨가물, 구성, 정수 또는 단계를 배제하는 것을 의미하는 것은 아니다. 본 명세서의 발명의 설명 및 특허청구범위를 통해서, 맥락상 다르게 요구하지 않는 한, 수적 표현과 관련하여 어떤 구성이 단수라는 표현은 그 어떤 구성이 복수라는 것도 내포한다. 특히 어떤 구성과 관련하여 단복수 표현이 없을 때 문맥상 다르게 요구하지 않는 한 단수 및 복수 모두를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 특정 측면, 실시예와 관련하여 언급된 특징들, 정수들, 특성들, 구성들, 화학적 모이티들 또는 기들은 서로 양립할 수 없는 경우가 아니라면 다른 측면, 실시예에 적용될 수 있다. 본 명세서(청구범위, 요약 및 도면 포함)에 서술된 모든 특징들 그리고/또는 어떤 방법 또는 프로세스의 모든 단계들은, 그 조합에서 적어도 어떤 특징들 그리고/또는 단계들이 상호 배타적인 것이 아니라면, 임의로 조합될 수 있다. 본 발명은 전술한 어떠한 실시예들에 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 본 명세서(첨부된 도면, 요약서 및 특허청구범위 포함)에 개시된 특징들 중 신규한 특징들 또는 그 조합으로 또는 개시된 방법 또는 프로세스의 단계들 중 신규한 단계들 또는 그 조합으로 확장한다.

본 출원과 관련하여 본 명세서와 함께 제출되거나 그 이전에 제출되고 본 명세서와 함께 공개된 모든 서류 및 문서를 참고해야 하고 그 같은 서류 및 문서의 모든 내용은 본 명세서에 포함된다.

Claims

모듈식 연료전지 시스템으로서, 상기 모듈식 연료전지 시스템은 말단끼리 서로 결합하여 상기 모듈식 연료전지 시스템의 내측 용기를 형성하는 다수의 관형 세그먼트를 포함하며, 각 세그먼트는 기저부분과 상기 기저부분에서 분리가능한 윗부분을 포함하고, 상기 윗부분 및 상기 기저부분은 집적된 고온 연료전지 블록을 수용하기 위한 내측 공간을 정의하며, 상기 모듈식 연료전지 시스템은 상기 내측 용기의 대향하는 제1 말단 및 제2 말단에서 각 세그먼트를 밀봉하기 위한 제1 말단 마개 및 제2 말단 마개를 포함하며, 상기 내측 용기는 외측 용기 내에 위치하고 상기 내측 용기의 내측과 상기 외측 용기의 내측 간에 압력 경계를 제공하는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 모듈식 연료전지 시스템은 상기 외측 용기 내에 상기 내측 용기를 지지하는 지지 부재를 더 포함하는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 지지 부재는 유틸리티 시설, 산화제 매니폴드, 연료 매니폴드, 전력 관리 및 설비를 위한 전자장치, 그리고 동작 및 유지 라인을 장착하기 위한 접근 영역을 제공하도록 구성되는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 지지 부재는 상기 내측 용기를 상기 지지 부재에 고정하기 위한 다수의 파스너가 구비된 평평한 프레임인 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 기저부분은 상기 지지 부재의 형태와 상보적인 형태를 나타내는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 기저부분은 평평한 밑면을 가지는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 외측 용기는 상기 내측 용기 내의 압력보다 더 큰 압력으로 동작하도록 구성되는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 외측 용기는 관형 용기인 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 다수의 세그먼트 중 적어도 하나의 세그먼트의 내측 표면은 절연체가 구비되는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 제1 말단 마개 및 상기 제2 말단 마개는 각각 그 내측 표면에 절연체가 구비되는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 다수의 세그먼트는 한 세그먼트에서 인접 세그먼트로의 열 전달을 제한하기 위해서 상기 세그먼트 내에 마련된 절연판이 구비되는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 기저부분 및 상기 윗부분 중 적어도 하나는 산화제 매니폴드가 구비되는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 내측 용기는 절연체를 포함하고, 상기 산화제 매니폴드는 상기 절연체 내에 마련되는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
상기 산화제 매니폴드는 축방향으로 적어도 두 개의 세그먼트를 통해 마련되는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 모듈식 연료전지 시스템은 집적된 연료전지 블록을 더 포함하고, 상기 집적된 연료전지 블록은 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함하는 연료전지, 연료 공급부 및 산화제 공급부, 그리고 미사용 연료 또는 산화제가 재사용되어 상기 연료공급부 또는 상기 산화제 공급부로 공급되도록 하는 재사용 루프를 포함하며, 상기 집적된 연료전지 블록은 세그먼트의 기저부분 상에 체결되고, 상기 연료 공급부는 상기 기저부분을 통해 상기 연료전지에 연료를 공급하는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 15에 있어서,
상기 집적된 연료전지 블록은 상기 유틸리티 시설, 서비스 시설 그리고 동작 및 유지 라인을 상기 집적된 연료전지 블록에 장착하기 위해 구성된 상기 기저부분에서 포트들과 결합하는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
상기 산화제 공급부는 상기 세그먼트의 기저부분 또는 윗부분 내에 마련된 산화제 매니폴드와 결합하도록 구성되는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 15 내지 청구항 17 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 연료 공급부는 상기 기저부분을 통해 마련된 연료 매니폴드와 결합하도록 구성되는 모듈식 연료전지 시스템.
청구항 15 내지 청구항 18 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 집적된 연료전지 블록은 적어도 한 측 상에 적어도 하나의 절연판이 구비되는 모듈식 연료전지 시스템.
모듈식 연료전지 시스템 제조 방법으로, 상기 제조 방법은:
다수의 관형 세그먼트를 말단끼리 마주하도록 위치시켜 모듈식 연료전지 시스템의 내측 용기를 형성하고;
제1 말단 마개 및 제2 말단 마개를 사용하여 상기 내측 용기의 대향하는 제1 말단 및 제2 말단에서 세그먼트를 밀봉하고; 그리고,
상기 내측 용기를 외측 용기 내에 위치시켜 상기 내측 용기의 내측과 상기 외측 용기의 내측 간에 압력 경계를 제공함을 포함하며,
상기 다수의 세그먼트 각각은 기저부분과 상기 기저부분에서 분리가능한 윗부분을 포함하고, 상기 윗부분 및 상기 기저부분은 집적된 고온 연료전지 블록을 수용하기 위한 내측 공간을 정의하는, 제조 방법.
모듈식 연료전지 시스템을 수리하는 방법으로, 상기 방법은:
오동작하는 집적된 고온 연료전지 블록을 수용하는 세그먼트를 식별함으로써 모듈식 연료전지 시스템의 오동작하는 집적된 고온 연료전지 블록을 식별하고;
오동작하는 것으로 식별된 세그먼트의 기저부분으로부터 윗부분을 분리 및 제거하고;
내측 용기의 외측에 제공된 다수의 서비스 시설에 상기 오동작하는 집적된 고온 연료전지 블록을 연결하는 다수의 연결체 또는 파이프의 연결을 끊고;
상기 기저부분으로부터 상기 오동작하는 집적된 고온 연료전지 블록을 제거하고 동작하는 집적된 고온 연료전지 블록으로 대체하고; 그리고,
상기 윗부분을 대체하고 상기 세그먼트를 밀봉하여 밀봉된 내측 용기를 형성함을 포함하는 방법.
모듈식 연료전지 시스템을 수리하는 방법으로, 상기 방법은:
다수의 세그먼트가 말단끼리 결합하여 형성된 내측 용기 내의 결함 세그먼트를 식별하고;
세그먼트를 인접한 세그먼트 그리고/또는 말단 마개에 연결하는 파스너들의 연결을 끊음으로써, 상기 결함 세그먼트를 지지 프레임으로부터 분리하고;
상기 결함 세그먼트를 상기 내측 용기로부터 제거하고; 그리고
상기 결함 세그먼트를 동작하는 세그먼트로 대체하고 상기 파스너들을 다시 연결하여 밀봉된 내측 용기를 형성함을 포함하는 방법.
청구항 22에 있어서,
상기 방법은 결함이 있는 집적된 고온 연료전지 블록을 식별하고, 대응하는 세그먼트를 상기 결함 세그먼트로 식별함을 더 포함하는 방법.