KR20180004243A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20180004243A
KR20180004243A KR1020177035259A KR20177035259A KR20180004243A KR 20180004243 A KR20180004243 A KR 20180004243A KR 1020177035259 A KR1020177035259 A KR 1020177035259A KR 20177035259 A KR20177035259 A KR 20177035259A KR 20180004243 A KR20180004243 A KR 20180004243A
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시어도어 로버트 온
벤자민 아담 하버만
바카 카를로스 마르티네즈
미셸 보졸로
제라드 다니엘 애그뉴
데이비드 비디
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엘지 퓨얼 셀 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

일부 실시예에서, 내부에 연료 흐름 캐비티를 획정하는 관형 기판; 및 관형 기판의 표면 상의 복수의 고체 산화물 연료 전지를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템이 제공되며, 각 전지는 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질을 포함하고, 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되고, 연료 전지의 작동 중에, 연료는, 관형 기판의 연료 흐름 캐비티 내에서, 연료 흐름 캐비티의 유입구로부터 유출구로 연료 흐름 방향을 따라 흐르며, 관형 기판의 연료에 대한 투과도는 연료 흐름 방향을 따라 달라진다.

Description

연료 전지 시스템
본 개시내용은 일반적으로 연료 전지, 예컨대 고체 산화물 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지, 연료 전지 시스템 및 연료 전지와 연료 전지 시스템용 인터커넥트는 관심 분야로 남아 있다. 일부 기존 시스템은 특정 응용분야와 관련하여 다양한 단점, 결점 및 약점을 가진다. 따라서, 이 기술 분야에 대한 추가의 기여가 여전히 필요하다.
예시적인 고체 산화물 연료 전지 시스템, 및 또한 이를 제조하고 이용하는 기법이 기재된다. 예를 들어, 본 개시내용의 예시적인 고체 산화물 연료 전지 시스템은 연료원에서의 탄화수소 연료의 온 셀 개질(on-cell reforming)을 위해 구성될 수 있다. 상기 시스템은 연료 공동을 획정하고 기판의 표면 상의 고체 산화물 연료 전지로부터 연료를 분리하는 관형 기판을 포함할 수 있다. 전지 자체는 상단 표면 상에 애노드 전극, 고체 전해질, 및 캐소드 전극을 포함할 수 있다. 연료에 대한 기판의 투과도는 고체 산화물 연료 전지의 활성 애노드(들)을 향해 기판을 가로질러 탄화수소 연료를 수송하는 속도를 조절하기 위해 공동 내에서 연료 흐름 방향을 따라 달라질 수 있다. 활성 애노드 전극은 또한 시스템에서 온 셀 개질을 위한 개질 촉매로서 작용할 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 흐름 방향을 따른 기판의 투과도는 연료원에서의 탄화수소 연료의 실질적으로 균일한 소비를 제공하도록 선택되어 연료 흐름 방향을 따른 시스템에서의 온도 구배를 최소화할 수 있다.
한 실시예에서, 본 개시내용은, 내부에 연료 흐름 캐비티를 획정하는 관형 기판; 및 관형 기판의 표면 상의 복수의 고체 산화물 연료 전지로서, 각 전지는 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질을 포함하고, 상기 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되는 것인 복수의 고체 산화물 연료 전지를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템에 관한 것이며, 상기 연료 전지의 작동 중에, 연료는, 관형 기판의 연료 흐름 캐비티 내에서, 연료 흐름 캐비티의 유입구로부터 유출구로 연료 흐름 방향을 따라 흐르며, 관형 기판의 연료에 대한 투과도는 연료 흐름 방향을 따라 달라진다.
또 다른 실시예에서, 본 개시내용은 고체 산화물 연료 전지 시스템을 통해 전기를 발생시키는 것을 포함하는 방법에 관한 것이며, 상기 고체 산화물 연료 전지 시스템은 내부에 연료 흐름 캐비티를 획정하는 관형 기판; 및 관형 기판의 표면 상의 복수의 고체 산화물 연료 전지로서, 각 전지는 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질을 포함하는 것인 복수의 고체 산화물 연료 전지를 포함하고, 상기 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되며, 상기 연료 전지의 작동 중에, 연료는, 관형 기판의 연료 흐름 캐비티 내에서, 연료 흐름 캐비티의 유입구로부터 유출구로 연료 흐름 방향을 따라 흐르며, 관형 기판의 연료에 대한 투과도는 연료 흐름 방향을 따라 달라진다.
또 다른 실시예에서, 본 개시내용은 고체 산화물 연료 전지 시스템을 형성하는 것을 포함하는 방법에 관한 것이며, 상기 고체 산화물 연료 전지 시스템은 내부에 연료 흐름 캐비티를 획정하는 관형 기판; 및 관형 기판의 표면 상의 복수의 고체 산화물 연료 전지로서, 각 전지는 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질을 포함하는 것인 복수의 고체 산화물 연료 전지를 포함하고, 상기 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되며, 상기 연료 전지의 작동 중에, 연료는, 관형 기판의 연료 흐름 캐비티 내에서, 연료 흐름 캐비티의 유입구로부터 유출구로 연료 흐름 방향을 따라 흐르며, 관형 기판의 연료에 대한 투과도는 연료 흐름 방향을 따라 달라진다.
본 개시내용의 하나 이상의 실시양태의 상세한 내용은 하기 첨부된 도면 및 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기술되어 있다. 본 개시내용의 다른 특징, 목적 및 이점은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 도면, 및 특허청구범위로부터 명백할 것이다.
본원의 설명은, 여러 시점에 걸쳐 유사한 참조번호가 유사한 요소를 의미하는 첨부된 도면을 참조한다.
도 1a 내지 도 1c는 각각 탑뷰, 사이드뷰, 및 바텀뷰(bottom view)로부터의 예시적인 연료 전지 스택을 도시하는 개략도이다.
도 2는 도 1a에 나타난 횡단면 A-A를 따라 취해진 횡단면도를 도시하는 개략도이다.
도 3은 도 2에 나타난 횡단면 B-B를 따라 취해진 횡단면도를 도시하는 개략도이다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 탑뷰, 엔드뷰(end view), 및 사이드뷰로부터의 두 개의 번들을 포함하는 예시적인 연료 전지 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 개시내용의 실시예의 양태를 평가하도록 수행된 실험에 대한 벌크 메탄의 프로필을 도시하는 플롯이다.
도 6은 본 개시내용의 실시예의 양태를 평가하도록 수행된 실험에 대한 메탄 플럭스의 프로필을 도시하는 플롯이다.
도 7a 내지 도 7d는 도 5 및 도 6의 실험에 따른 온도 프로필을 도시한다.
상기 기재된 바와 같이, 본 개시내용의 예시적인 고체 산화물 연료 전지 시스템은 연료원에서의 탄화수소 연료의 온 셀 개질을 위해 구성될 수 있다. 상기 시스템은 연료 공동을 획정하고 기판의 표면 상의 고체 산화물 연료 전지로부터 연료를 분리하는 관형 기판을 포함할 수 있다. 관형 기판은 각각의 연료 통로에 대한 연료 흐름 회로를 구성하는 번들 내로 연속하여 연결된다. 이후 번들은 평행하게 스택으로 쌓여 스트립을 형성하고, 이후 스트립은 캐소드 흐름 방향으로 나란히 스택되어 블록을 형성한다. 연료에 대한 기판의 투과도는, 고체 산화물 연료 전지의 활성 애노드(들)을 향해 기판을 가로질러 탄화수소 연료를 수송하는 속도를 조절하기 위해, 공동 내에서 연료 흐름 방향을 따라 달라질 수 있다. 활성 전극은 또한 시스템에서 온 셀 개질을 위한 개질 촉매로서 작용할 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 흐름 방향을 따른 기판의 투과도는 연료원에서의 탄화수소 연료의 실질적으로 균일한 소비를 제공하도록 및/또는 연료 흐름 방향을 따른 시스템에서의 온도 차이를 감소시키도록 선택될 수 있다.
고체 산화물 연료 전지 시스템은 고체 산화물 연료 전지의 작동에서 사용하기 위한, 특히 수소를 생산하도록 연료 스트림으로부터의 탄화수소 연료(예: 메탄)를 개질하도록 구성될 수 있다. 한 예시적인 개질 공정은 증기 개질을 포함할 수 있다. 시스템은 개질 공정이 오프 셀(off-cell) 또는 계외(ex-situ)로 고려되도록 연료 전지로부터 분리된 연료 개질기를 포함할 수 있다. 계외 개질기를 이용하는 일부 실시예에서, (연료 전지의 전기화학 공정의 비효율로부터 유래할 수 있는) 연료 전지 스택으로부터의 열 에너지는 연료 전지 스택으로부터 공기로, 이후 공기로부터 개질기 플레이트로 그리고 그 후 연료 내로 수송될 수 있다. 이러한 시스템이 대류 저항(convective resistance)을 극복하기에 충분한 표면적을 갖는 별도의 개질기 장치를 요구할뿐만 아니라, 또한 스택 위로 흐르는 캐소드의 온도가 유입구로부터 유출구로 대략 100℃ 상승하는 것이 뒤따른다. 개질 부하(reforming duty)가 연료 전지 스택 열 생성에 밀접하게 커플링된 경우, 각각의 스트립에서의 온도 상승은 대략 7℃로 감소될 수 있고, 이로써 5개의 스트립에 걸친 100℃ 온도 상승은 33℃가 될 것이다. 보다 높은 온도에서의 열화는 기존 연료 전지 기술에 대한 문제점일 수 있으며, 보다 바람직한 평균 온도에서의 작동은 스택에 있어서 수명적 이점을 제공할 수 있다.
역으로, 시스템은 개질에 대한 촉매로서 기능하는 활성 애노드 전극을 이용함으로써 탄화수소 연료의 온 셀(또는 계내(in-situ)) 개질을 위해 구성될 수 있다. 온 셀 개질은 비용 및 운영 관점 양쪽에서 유익할 수 있다. 예를 들어, 비용 관점에서, 별도의 연료 개질기를 생략하는 것은 전체 연료 전지 시스템의 크기 및 또한 복잡성을 감소시킬 수 있다. 운영 관점에서, 연료 전지 스택 내로의 개질 열 부하(reforming heat duty)의 이동은 스택에 걸친 보다 적은 온도 상승을 유도할 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 연료 전지 스택이 성능 및 내구성 관점으로부터 이의 최적 온도 주위의 작은 온도 밴드에서 작동되도록 할 수 있다. 추가로 스택은 온도 한계를 초과하지 않으면서 더 높은 전력 밀도(power density)에서 작동될 수 있으며, 이는 더 작은 스택 크기 및 더 적은 스택 비용을 가능하게 할 것이다.
온 셀 개질의 예는 전해질 지지형 전지(electrolyte-supported-cell; ESC) 및 애노드 지지형 전지(anode-supported-cell; ASC) 기술을 포함한다. 그러나, 온 셀 개질은 각각의 이들 기술에 대한 도전이 될 수 있으며, 예를 들어, 높은 메탄 농도를 갖는 도입 연료가 이것이 개질되게 하는 애노드 전극(예컨대 Ni) 상의 촉매 재료에 노출되기 때문이다. 갑작스러운 개질로부터 유래하여 생성되는 흡열은 ESC 및 ASC 기술에 대한 스택의 연료 유입구를 빠르게 냉각시킬 수 있다. 연료 유입구 근처에서의 갑작스러운 냉각은 부정적인 열 응력 및 성능 조건을 야기할 수 있다.
본 개시내용의 실시예에 따라, 연료 전지 시스템은 연료원에 대한 연료 흐름을 획정하는 관형 기판을 갖는 연료 전지를 이용할 수 있으며, 여기서 원료 내의 탄화수소 연료에 대한 관형 기판의 투과도는 연료 흐름 방향을 따라 달라진다. 이러한 구성은 활성 애노드로의 기판을 가로지르는 탄화수소 연료의 수송 속도를 선택적으로 조절할 수 있으며, 이는 또한 관형 기판의 반대측 표면 상에서 개질 촉매로서 작용한다. 본원에서 사용된 바와 같이, 기판의 투과도는 기판의 경계를 가로질러 유체가 흐르게 하는 능력으로서 정의될 수 있으며 비틀림도의 제곱분의 다공도 또는 ε/τ2의 항으로 기술된다. 연료원의 흐름을 획정하는 전지 기판의 투과도가 달라지는 것에 의해 기판을 가로지르는 탄화수소 연료의 수송 속도를 조절하는 것은 연료 전지 내의 개질 프로필 및 개질 반응에 의한 열 흡수 속도의 조절을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 흐름 방향을 따른 기판의 투과도는 "매끄러워지도록(smooth out)" 또는 이와 달리 원하는 관 번들 내의 온도 프로필을 제공하도록, 예를 들어 번들의 연료 유입구에서의 급격한 흡열로부터 야기될 수 있는 열 응력을 최소화하는 것을 돕도록 맞춰질 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 각각 탑뷰, 사이드뷰, 및 바텀뷰로부터의 예시적인 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택(10)을 도시하는 개략도이다. 도 2는 도 1a에 나타난 횡단면 A-A를 따라 취해진 횡단면도를 도시하는 개략도이다. 도 3은 도 2에 나타난 횡단면 B-B를 따라 취해진 횡단면도를 도시하는 개략도이다. 연료 전지 스택(10)은 연료 흐름 방향을 따라 가변적인 투과도를 갖는 관형 기판이 이용될 수 있는 단 하나의 예시적 구성이고 다른 연료 전지 시스템 구성이 고려된다.
나타난 바와 같이, 연료 전지 스택(10)은 복수의 개별 관(예컨대, 관(16) 등) 형태의 관형 기판을 포함하며, 이는 다공성 기판(20) 내의 연료 흐름 캐비티(18)를 획정한다. 고체 산화물 연료 전지에 의한 전기화학 반응에 대해 사용되는 탄화수소 연료를 포함하는 연료원은 유입구(12)를 통해 스택(10)의 제1 관(16) 내로 공급될 수 있다. 조합하여, 연료 전지 스택(10)의 개별 관은 스택(10) 내의 전기화학 전지의 연료 전지 측면으로 탄화수소 연료를 공급하도록 사용되는 연료 흐름 캐비티(18)를 획정할 수 있다. 연료는 연료 흐름 방향(22)으로 스택(10) 내의 관의 연료 공동(18)을 통해 이동하고 개구부(14)를 통해 스택(10)을 빠져나갈 수 있다. 연료 흐름 캐비티(18)를 획정하는 관형 기판(20)이 다수의 개별 관으로 형성되는 것으로 실시예에 예시되어 있지만, 실시예는 이처럼 제한되지 않는다. 예를 들어, 연료 전지 시스템은 다수의 관보다 단일 연속 관만을 포함할 수 있다. 다른 실시예로서, 연료 전지 시스템은 연속하여 연결되는 다수의 번들을 포함할 수 있고, 여기서 각각의 번들은 예를 들어 도 4a 내지 도 4c에 나타난 바와 같이 복수의 관을 포함한다.
연료 전지 스택(10)은 하나 이상의 전기화학 전지(예: 전지(24))를 포함한다. 하나 이상의 전기화학 전지를 포함하는 임의의 적합한 고체 산화물 연료 전지 시스템이 본 개시내용에서 이용될 수 있다. 적합한 실시예는 Liu 등의 2013년 5월 16일자 공개된 미국 특허 출원 공개 공보 제2013/0122393호에 기재된 실시예를 포함하며, 이의 전체 내용은 참고로 포함된다. 예시된 실시예에서, 전지(24)는 애노드 전도층(ACC, 22), 애노드층(24), 전해질층(26), 캐소드 층(28) 및 캐소드 전도층(CCC, 30)을 포함한다. 각각의 개별 층은 단일 층일 수 있거나 임의 수의 하위 층으로 형성될 수 있고, 예를 들어 Liu 등의 미국 특허 출원 공개 공보 제2013/0122393호에 기재된 실시예를 포함하는 임의 적합한 재료로 형성될 수 있다.
각 전기화학 전지(24)는 인터커넥트(34)에 의해 연속하여 함께 커플링된다. 각각의 전기화학 전지(24)에서, 애노드 전도층(22)은 애노드(24)로부터 자유 전자를 전도하여 인터커넥트(34)를 통해 캐소드 전도층(30)으로 전자를 전도한다. 캐소드 전도층(30)은 캐소드(28)로 전자를 전도한다. 인터커넥트(34)는 전해질 층(26)에 매립될 수 있고, 애노드 전도층(22)에 전기적으로 커플링될 수 있으며, 하나의 전기화학 전지로부터 다른 전기화학 전지로 전자를 수송하도록 전기적으로 전도성일 수 있다. 예시된 실시예는 편평한 다공성 관(16) 상에 증착된 다전지식(segmented-in-series) 배열이며, 그러나 본 개시내용이 원형의 다공성 관(16)상과 같은 상이한 기하 구조를 갖는 다전지식 배열 구성원에 동일하게 적용 가능함이 이해될 것이다. 나타난 바와 같이, 전기화학 전지(24)의 각 층은 다공성 기판(20)의 외측 표면 상에 있으며, 이는 전지(24)에 대한 구조적 지지를 제공한다.
스택(10)의 전기화학 전지는 산화체 측면과 연료 측면을 포함한다. 산화체 측면의 산화체는 일반적으로 공기이지만, 또한 순수 산소(O2) 또는, 예를 들어 공기 순환 루프를 갖는 연료 전지 시스템을 위한 희석된 공기를 포함하는, 기타 산화체일 수 있으며, 이는 산화체 측면으로부터 전기화학 전지(24)로 공급된다. 역으로, 연료 측면 상에서, 연료 흐름 캐비티(18)를 갖는 연료원의 탄화수소 연료(예: 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등)가 ACC(22)/애노드(24)로 다공성 기판(20)을 통해 투과함으로써 전기화학 전지(24)에 공급된다. 온 셀 개질의 경우, ACC(22)/애노드(24)는 예를 들어 Ni 및/또는 Pd, Pt Rh, Ru, 또는 기타 개질 촉매를 포함함으로써 개질 공정에 대해 촉매적으로 활성일 수 있다. 상기 기재된 바와 같이, 본 개시내용의 실시예에서, 연료원 중 탄화수소 연료(예: 메탄)에 대한 다공성 기판(20)의 투과도는 연료 흐름 캐비티(18) 내의 연료 흐름 방향(32)을 따라 달라질 수 있다. 기판의 투과도는 기판의 경계를 가로질러 유체가 흐르게 하는 능력을 의미하며, 비틀림도의 제곱분의 다공도 또는 ε/τ2의 항으로 기술된다. 기판(20)의 투과도가 변화하는 것에 의해, 연료로부터 ACC(22)/애노드(24)로의 탄화수소의 수송 속도가 조절될 수 있다.
흐름 방향(32)을 따라 가변적인 원하는 기판(20)의 투과도를 제공하도록 다양한 기법이 이용된다. 예를 들어, 기판(20)의 다공도는 흐름 방향(32)으로 원하는 기판(20)의 투과도를 제공하도록 흐름 방향(32)을 따라 달라질 수 있다. 기판(20)의 다공도가 증가하는 것은 기판(20)의 투과도를 증가시킬 수 있고, 한편 기판(20)의 다공도가 감소하는 것은 기판(20)의 투과도를 감소시킬 수 있다. 기판(20)의 다공도는 상이한 재료 조성을 갖는 기판의 부분을 형성함으로써 달라질 수 있다. 예를 들어, 연속하여 연결된 두 개의 관의 경우, 제1 관은 제2 관을 형성하는 데 사용되는 재료의 다공도와 상이한 다공도를 갖는 재료로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 기판(20)은 전체가 동일한 재료로 형성될 수 있지만 다공도는 그 기판에 대해 이용되는 소결 공정을 변화시킴으로써 달라질 수 있다.
다공성 기판을 형성하는 데 적합한 재료는 예를 들어 세라믹을 포함한다. 일부 실시예에서, 기판(20)은, 예를 들어 촉매적으로 활성인 니켈계 재료로부터 기판이 제조될 수 있는 ASC 기술에 비해, 촉매적으로 불활성일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 기판(20)은 실질적으로 전기적으로 비전도성일 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, 기판(20)은 추가로 연료 흐름 캐비티(18)를 획정하도록 전지(24)의 층에 대한 구조적 지지를 제공할 수 있다. 기판(20)에 대한 예시적인 재료는 MMA (MgO + MgAl2O4)이다.
추가적으로 또는 대안적으로, 기판(20)의 두께(도 2에서 "T"로 표기됨)는 흐름 방향(32)으로 원하는 기판(20)의 투과도를 제공하도록 흐름 방향(32)을 따라 달라질 수 있다. 기판(20)의 두께 T가 증가하는 것은 기판(20)의 투과도를 감소시킬 수 있고, 한편 기판(20)의 두께 T가 감소하는 것은 기판(20)의 투과도를 증가시킬 수 있다. 연속하여 연결된 두 개의 관의 경우, 제1 관의 두께는 제2 관의 두께와 상이할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 단일 관에 대한 기판(20)의 두께 T는, 예를 들어 연료 흐름 방향(32)으로 두께를 점차 감소시킴으로써 가변적일 수 있다.
기판(20)의 투과도는 활성 ACC(22)/애노드(24)로의 탄화수소 연료의 수송 속도를 조절함으로써 하나 이상의 바람직한 결과를 제공하도록 달라질 수 있다. 기판(20)의 투과도는 단일 관 내에서 달라질 수 있고/있거나 다수의 관을 연속으로 포함하는 시스템에 대해 관별(tube-by-tube) 기준으로 달라질 수 있다. 예를 들어, 단일 연속 관 경우의 기판(20)의 투과도는 흐름 방향(32)을 따라 관의 유입구로부터 유출구로 달라질 수 있다. 다수의 관의 경우, 개별 관은 균일하거나 불균일한 투과도를 가질 수 있고 이는 다수의 관들 간에 동일하거나 상이할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템은 예를 들어 도 4a 내지 도 4c에 나타낸 것과 같이 연속하여 연결된 개별 관의 2 이상의 번들을 포함할 수 있다. 단일 번들 내의 관들은 동일하거나 상이한 투과도를 가질 수 있으며 번들 중의 관에 의해 획정된 투과도는 번들 간에 동일하거나 상이할 수 있다. 일부 실시예에서, 투과도는 약 0.015만큼 낮은 내지 약 0.10만큼 높은 비틀림도의 제곱분의 다공도 또는 ε/τ2일 수 있다.
본원에 기술된 것과 같이, 기판(20)의 투과도가 달라지는 것은 연료 흐름 캐비티(20)로부터 기판(20)을 통한 활성 ACC(22)/애노드(24)로의 탄화수소 연료의 수송 속도를 조절하는 데 사용될 수 있다. 이러한 조절이 사용되어 하나 이상의 바람직한 결과를 제공할 수 있다. 예를 들어, 흐름 방향(32)을 따라 탄화수소 연료의 수송 속도를 조절하는 것은 탄화수소가 연료 전지 스택/번들 내에서 개질되는 속도를 조절하고/하거나 개질 반응에 의한 열 흠수 속도를 조절하는 데 사용될 수 있다. 활성 애노드에 도달하는 탄화수소의 플럭스를 조절하는 능력은 번들/스택 내의 온도 프로필을 매끄러워지도록, 예를 들어 제어되지 않은 번들의 열 응력에 비해 관형 기판(20)의 유입구(12)에서의 급격한 흡열로부터 야기되는 열 응력을 최소화하도록 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 유입구(12)에서의 급격한 흡열은 예를 들어 유출구(14)에 더 가까운 흐름 방향(32)을 따른 추가 다운스트림에 비교하여 유입구(12)에 더 가까운 곳에 더 낮은 투과도를 갖는 기판(20)을 제공함으로써 감소될 수 있다. 본원에 기재된 방식으로 기판(20)의 투과도가 달라지는 것은 스택/번들 내의 열 부하 균형(thermal load balancing)을 제공하고/하거나 예를 들어 실질적으로 균일한 연료 소모를 제공하도록 맞춰진 연료 소모를 제공할 수 있다. 추가로, 유출구(14)를 향해 보다 높은 투과도의 관을 배치하는 것은 연료가 애노드에 도달하기는 데 보다 우수한 접근을 제공하여 연료 공급에서 갈수록 적은 양의 CH4가 남는 것에 따라 개질 전환을 개선하는 것을 돕고 농도 손실이 지배적이게 되는 것을 방지하는 것을 도울 것이다.
도 4a 내지 도 4c는 탑뷰, 엔드뷰 및 사이드뷰로부터의 각각의 번들에 다수의 관을 갖는, 두 개의 번들(제1 번들(42) 및 제2 번들(44))을 포함하는 예시적인 연료 전지 시스템(40)을 도시하는 개략도이다. 나타난 예시에서, 각각의 번들은 6개의 관(예컨대 관(16))을 연속으로 포함한다. 시스템(20)은 시스템(10)의 기능과 실질적으로 유사하게 기능할 수 있고, 흐름 방향(32)을 따라 유입구(12)와 유출구(14) 사이에서 투과도가 달라지는 연료 흐름 캐비티(18)를 획정하는 관형 기판(20)을 포함할 수 있다.
[실시예]
다양한 실험을 수행하여 본 개시내용의 하나 이상의 실시예의 양태를 평가하였다. 한 실시예에서, 다공성 기판을 획정하는 동일한 길이의 6개의 관을 갖는 연료 전지 번들을 모델링하였다. 제1 예시에서, 약 0.057의 실질적으로 일정한 투과도(비틀림도의 제곱분의 다공도 또는 ε/τ2의 항으로 표기됨)를 갖는 6개의 관을 모델링하였다. 제2 예시에서, 유출구에 비해 유입구에서 낮은 투과도를 제공하도록, 달라지는 투과도 ε/τ2(관 1(유입구에 가장 근접) = 0.018, 관 2 = 0.023, 관 3 = 0.032, 관 4 = 0.045, 및 관 5 및 관 6 = 0.057)를 갖는 6개의 관을 모델링하였다. 이러한 가변적인 투과도의 목적은 연료원 중의 메탄을 선택적으로 이용하여 번들 전체에 걸쳐 이의 소모가 실질적으로 균일하게 하려는 시도였다.
도 5는, 일정한 투과도 모델 및 초기에 약 10% 메탄을 포함하는 연료의 도입을 위한 가변적인 투과도 모델 양쪽에 대한, 번들을 통한 벌크 연료 중의 메탄 몰 분율의 프로필을 나타내는 플롯이다. 압력은 약 4 bar로 설정하고 온도는 약 섭씨 860도로 설정하였다. 나타난 바와 같이, 전체 6개의 관에 대해 일정하고 비교적 높은 투과도를 갖는 번들에 대해, 메탄은 첫 2개의 관에서 빠르게 소모되었다. 투과도가 유입구로부터 유출구로 달라지는 제2 번들에서, 메탄의 거의 선형적인 소모가 일어났다. 그러나, 316.2 Watt로부터 310.5 Watt로의, 또는 1.8%의 번들의 생산 전력의 감소가 일어났다.
도 6은, 동일한 두 모델에 대해 나타낸, 번들 중 각 전지 쌍의 활성 애노드 면적에 대한 메탄 플럭스의 프로필을 나타내는 플롯이다. 나타난 바와 같이, 관 1로부터 관 4로 투과도를 감소시킴으로써, 꽤 일정한 메탄 플럭스가 첫 4개의 관에서 생성되었다. 관 5 및 관 6에 의해서는, 벌크 연료 스트림 중 메탄 농도는 본 발명의 전류 특징적 관 ε/τ2가 번들의 유입구에서와 유사한 플럭스를 허용하지 않는 지점으로 떨어졌다.
도 7a 내지 7d는 다양한 예시적인 번들 구성에 대한 번들 온도 프로필의 예시이다. 도 7a는 내부 개질 없는 번들 온도 프로필을 예시하며 도 7b는 외부 개질 없는 번들 온도 프로필을 예시한다. 도 7b에 대한 도 7a의 비교는 외부 개질에 비해 연료 전지 번들 내부의 개질의 효과를 나타낸다. 도 7c는 낮은 투과도 유입구 관을 갖는 번들 온도 프로필을 예시하며, 도 7d는 높은 투과도 유입구 관을 갖는 번들 온도 프로필을 예시한다. 도 7d에 대한 도 7c의 비교는 온도에 대한 유입구 관 투과도의 영향을 나타낸다.
본 발명의 다양한 실시양태들이 기재되었다. 상기 및 다른 실시양태들이 하기 특허청구범위의 영역 내에 존재한다.

Claims (20)

  1. 내부에 연료 흐름 캐비티를 획정하는 관형 기판; 및
    관형 기판의 표면 상의 복수의 고체 산화물 연료 전지로서, 각 전지는 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질을 포함하고, 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되는 것인 복수의 고체 산화물 연료 전지
    를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템으로서,
    연료 전지의 작동 중에, 연료는, 관형 기판의 연료 흐름 캐비티 내에서, 연료 흐름 캐비티의 유입구로부터 유출구로 연료 흐름 방향을 따라 흐르며, 관형 기판의 연료에 대한 투과도는 연료 흐름 방향을 따라 달라지는 것인 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 관형 기판의 투과도가, 연료 흐름 캐비티의 유출구에 더 가까운 관형 기판의 투과도에 비해, 연료 흐름 캐비티의 유입구에 더 가까운 곳에서 더 낮은 것인 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 관형 기판의 다공도가, 연료 흐름 방향을 따라 연료에 대한 관형 기판의 투과도가 달라지도록, 연료 흐름 방향을 따라 달라지는 것인 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 관형 기판은 제1 관 및 제2 관을 포함하며, 제1 관은 제2 관보다 연료 흐름 캐비티의 유입구에 가깝고, 제1 관의 투과도가 제2 관의 투과도보다 낮은 것인 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 관형 기판은 제1의 복수의 관을 포함하는 제1 번들 및 제2의 복수의 관을 포함하는 제2 번들을 포함하고, 제1의 복수의 관은 투과도가 실질적으로 동일하고, 제2의 복수의 관은 투과도가 실질적으로 동일하며, 제1의 복수의 관의 투과도는 제2의 복수의 관의 투과도보다 낮은 것인 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 제1 번들은 제2 번들보다 연료 흐름 캐비티의 유입구에 더 가까운 것인 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 관형 기판은 개별 관을 포함하고, 개별 관의 투과도는 연료 흐름 방향을 따라 실질적으로 일정하거나 연료 흐름 방향을 따라 가변적인 것 중 하나인 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 관형 기판은 복수의 고체 산화물 연료 전지를 지지하는 것인 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 관형 기판은 실질적으로 전기적으로 비전도성인 세라믹 재료 상에 형성되는 것인 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 연료 흐름 방향을 따른 관형 기판의 투과도는, 연료의 소비가 연료 흐름 캐비티의 유입구로부터 유출구까지 실질적으로 균일하도록 하는 것인 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 편평한 관형의 통합 평판형의 연속 연결된 고체 산화물 연료 전지 시스템으로서 구성되는 것인 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  12. 관형 기판의 표면 상에 복수의 고체 산화물 연료 전지를 형성하는 것을 포함하는 방법으로서, 각 전지는 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질을 포함하고, 각 전지의 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되며, 관형 기판은 그 내부에 연료 흐름 캐비티를 획정하고, 연료 전지의 작동 중에, 연료는, 관형 기판의 연료 흐름 캐비티 내에서, 연료 흐름 캐비티의 유입구로부터 유출구로 연료 흐름 방향을 따라 흐르며, 관형 기판의 연료에 대한 투과도는 연료 흐름 방향을 따라 달라지는 것인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 관형 기판의 투과도가, 연료 흐름 캐비티의 유출구에 더 가까운 관형 기판의 투과도에 비해, 연료 흐름 캐비티의 유입구에 더 가까운 곳에서 더 낮은 것인 방법.
  14. 제12항에 있어서, 관형 기판의 다공도가, 연료 흐름 방향을 따라 연료에 대한 관형 기판의 투과도가 달라지도록, 연료 흐름 방향을 따라 달라지는 것인 방법.
  15. 제12항에 있어서, 관형 기판은 제1 관 및 제2 관을 포함하며, 제1 관은 제2 관보다 연료 흐름 캐비티의 유입구에 가깝고, 제1 관의 투과도가 제2 관의 투과도보다 낮은 것인 방법.
  16. 제12항에 있어서, 관형 기판은 제1의 복수의 관을 포함하는 제1 번들 및 제2의 복수의 관을 포함하는 제2 번들을 포함하고, 제1의 복수의 관은 투과도가 실질적으로 동일하고, 제2의 복수의 관은 투과도가 실질적으로 동일하며, 제1의 복수의 관의 투과도는 제2의 복수의 관의 투과도보다 낮은 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 제1 번들은 제2 번들보다 연료 흐름 캐비티의 유입구에 더 가까운 것인 방법.
  18. 제12항에 있어서, 관형 기판은 개별 관을 포함하고, 개별 관의 투과도는 연료 흐름 방향을 따라 실질적으로 일정하거나 연료 흐름 방향을 따라 가변적인 것 중 하나인 방법.
  19. 제12항에 있어서, 관형 기판은 실질적으로 전기적으로 비전도성인 세라믹 재료 상에 형성되는 것인 방법.
  20. 전기를 발생시키도록 고체 산화물 연료 전지 시스템을 작동시키는 것을 포함하는 방법으로서, 상기 고체 산화물 연료 전지 시스템은
    내부에 연료 흐름 캐비티를 획정하는 관형 기판; 및
    관형 기판의 표면 상의 복수의 고체 산화물 연료 전지로서, 각 전지는 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질을 포함하고, 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되는 것인 복수의 고체 산화물 연료 전지
    를 포함하며,
    연료 전지의 작동 중에, 연료는, 관형 기판의 연료 흐름 캐비티 내에서, 연료 흐름 캐비티의 유입구로부터 유출구로 연료 흐름 방향을 따라 흐르며, 관형 기판의 연료에 대한 투과도는 연료 흐름 방향을 따라 달라지는 것인 방법.
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