KR20180064566A - 고온 디바이스의 절연 및 압축 - Google Patents

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브라이언 피. 펠드만
유토 타카기
존 디. 피에트라스
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생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드
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Abstract

고온 시스템은 복수의 대향 표면 및 대향 표면들에 대고 2축 압축을 가하는 압축 디바이스를 갖는 고온 디바이스를 포함할 수 있다. 고온 시스템은 압축 디바이스 및 고온 디바이스 사이에 배치된 고온 절연체, 및 압축 디바이스가 고온 절연체 및 저온 절연체 사이에 배치되도록 압축 디바이스 외부에 배치된 저온 절연체를 포함할 수 있다.

Description

고온 디바이스의 절연 및 압축
본 발명은 고온 디바이스들을 절연 및 압축하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
고온 디바이스를 절연 및 압축하기 위한 현재 솔루션은 부피가 크고 기계적으로 불안정할 수 있다. 고온 디바이스들을 절연 및 압축하는 개선된 시스템들 및 방법들에 대한 요구가 존재한다.
실시예들은 예로서 예시되고 첨부 도면들에 제한되지 않는다.
도 1은 본 출원에 설명된 실시예들에 따른 고온 시스템의 도해를 포함한다.
도 2는 본 출원에 설명된 실시예들에 따른 다른 고온 시스템의 도해를 포함한다.
도 3은 본 출원에 설명된 실시예들에 따른 다른 고온 시스템의 도해를 포함한다.
도 4는 본 출원에 설명된 실시예들에 따른 다른 고온 시스템의 도해를 포함한다.
도 5는 본 출원에 설명된 실시예들에 따른 다른 고온 시스템의 도해를 포함한다.
도 6은 본 출원에 설명된 실시예들에 따른 기존의 부피가 큰 구성들 및 보다 콤팩트한 구성들 간 비교를 포함한다.
도 7은 본 출원에 설명된 실시예들에 따른 다른 고온 시스템의 도해를 포함한다.
도 8은 본 출원에 설명된 실시예들에 따른 다른 전기화학적 시스템의 사시도의 도해를 포함한다.
도 9는 본 출원에 설명된 실시예들에 따른 다른 전기화학적 시스템의 사시도의 도해를 포함한다.
도 10은 본 출원에 설명된 실시예들의 예에서 공기 및 연료의 유입 및 유출 흐름을 도시하는 그래프 표시 데이터를 포함한다.
도 11은 본 출원에 설명된 실시예들에 따른 다른 고온 시스템의 도해를 포함한다.
도 12는 본 출원에 설명된 실시예들에 따른 수직-수평 압축 디바이스를 포함하는 고온 시스템의 도해를 포함한다.
통상의 기술자들은 도면들에서의 요소들이 간단함 및 명확성을 위해 예시되고 반드시 일정한 비율로 그려지지 않았다는 것을 이해한다. 예를 들어, 도면들에서의 요소들 중 몇몇의 치수들은 본 발명의 실시예들에 대한 이해를 향상시키는 것을 돕기 위해 다른 요소들에 관해 확대될 수 있다.
다음 설명은 도면들과 함께 본 출원에 개시된 교시 내용을 이해하는 것을 돕기 위해 제공된다. 다음 논의는 본 교시 내용의 특정 구현예들 및 실시예들에 초점을 맞출 것이다. 이러한 초점은 본 교시 내용을 설명하는 것을 돕기 위해 제공되는 것이고 본 교시 내용의 범위 또는 응용 가능성에 관한 제한으로서 해석되지 않아야 한다. 그러나, 다른 실시예들이 본 출원에 개시된 바와 같은 교시 내용에 기초하여 사용될 수 있다.
용어들 "포함한다", "포함하는", "포함하다", "포함한", "갖는다", "갖는" 또는 이들의 임의의 다른 어미 변화는 비-배타적인 포함을 커버하도록 의도된다. 예를 들어, 특징들의 리스트를 포함하는 방법, 물품, 또는 장치는 반드시 그러한 특징들로만 제한되는 것이 아니고 명시적으로 나열되지 않거나 그러한 방법, 물품, 또는 장치에 고유하지 않은 다른 특징들을 포함할 수 있다. 나아가, 명시적으로 반대로 언급되지 않는 한, "또는"은 배타적-또는이 아니라 포괄적-또는을 나타낸다. 예를 들어, 조건 A 또는 B는 다음 중 어느 하나에 의해 충족된다: A가 참(또는 존재) 그리고 B가 거짓(또는 부존재), A는 거짓(또는 부존재) 그리고 B가 참(또는 존재), 그리고 A 및 B 양가자 참(또는 존재).
또한, "하나" 또는 "한"의 사용은 본 출원에 설명된 요소들 및 구성요소들을 설명하기 위해 채용된다. 이는 단지 편의를 위해 그리고 본 발명의 범위의 포괄적인 의미를 제공하기 위해 행해진다. 이러한 설명은 그것이 다르게 의도되는 것이 분명하지 않는 한, 하나, 적어도 하나, 또는 단수를 포함하는 것으로, 또한 복수를 포함하는 것으로서, 또는 그 반대로 읽혀져야 한다. 예를 들어, 본 츌원에 단일 항목이 설명될 때, 단일 항목을 대신해 하나보다 많은 항목이 사용될 수 있다. 유사하게, 본 출원에 하나보다 많은 항목이 설명되는 경우, 그러한 하나보다 많은 항목이 단일 항목으로 대체될 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 본 출원에 사용되는 모든 기술적 그리고 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 물질들, 방법들, 및 예들은 단지 예시적인 것이고 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 특정 물질들 및 처리 동작들에 관한 많은 세부사항은 종래의 것이고 고온 시스템 기술분야 내 교재들 및 다른 자료들에서 찾아볼 수 있는 결과로, 본 출원에 설명되지 않는다.
고온 디바이스들, 이를테면 연료 개질기들, 열 교환기들, 필터들, 반응기들, 전기화학적 디바이스들 기타 같은 종류의 것은 약 500℃ 내지 1000℃ 이상의 온도에서 작동할 수 있다. 그러한 고온 디바이스들은 예를 들어, 밀폐를 제공하기 위해, 전기 접촉을 유지하기 위해, 또는 구조적 무결성을 유지하기 위해 압축을 필요로 할 수 있다. 몇몇 기존 압축 시스템은 압축 시스템들의 다양한 부분들에 대한 세라믹 물질들, 이를테면 알루미나 또는 지르코니아 볼트들 및 실리콘 나이트라이드 스프링들, 전문 금속들, 또는 높은 산화 내성 및 거의 일치하는 열 팽창 계수들을 갖는 전문 코팅들을 갖는 종래 금속들을 사용했다. 세라믹들 및 전문 금속들이 극한의 조건 하에서 부식 및 변형을 회피할 수 있다 하더라도, 그것들은 고온 압축 동안 잘 부러지고 균열될 수 있다. 다른 기술들은 보다 강한 물질들을 사용하여 전체 외부 압축 시스템을 사용했지만 그러한 물질들을 사용하기에 충분하게 온도를 낮추기 위해서는 부피가 큰 절연층들을 필요로 했다. 그러나, 부피가 큰 절연체는 시스템의 전체 중량 및 크기를 증가시킬 수 있고, 전기화학적 디바이스들의 경우에는, 용적 측정의 전력 밀도 및 전력 대 중량 비(전력/kg)를 감소시킬 수 있다. 아래에 보다 상세하게 논의될 바와 같이, 본 출원에 개시된 시스템들의 특정 실시예들은 용적 측정의 전력 밀도 및 전력 대 중량 비를 감소시키지 않고 보다 강한 저온의 물질들을 사용할 수 있게 하는 이점을 갖는다.
도 1은 본 출원에 개시된 특정 실시예들에 따른 고온 시스템(10)의 도해를 포함한다. 도 1에 예시된 바와 같이, 고온 시스템(10)은 고온 디바이스(20)를 포함할 수 있다. 고온 디바이스(20)는 제1 복수의 대향 표면(22 및 24), 및 제2 복수의 대향 표면(23 및 25)을 획정하는 측벽을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 고온 디바이스(20)는 적어도 500℃의 최대 작동 온도를 갖는 디바이스를 포함할 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 고온 디바이스(20)는 약 500℃ 내지 약 1000℃, 또는 약 700℃ 내지 약 900℃의 범위 내 작동 온도를 가질 수 있다.
구체적인 실시예들에서, 고온 디바이스(20)는 또한 연료 개질기, 열 교환기, 필터, 반응기, 또는 전기화학적 디바이스를 포함할 수 있다. 보다 구체적인 실시예들에서, 고온 디바이스는 전기화학적 디바이스, 이를테면 배터리 또는 연료 전지를 포함할 수 있다. 보다 구체적인 실시예들에서, 전기화학적 디바이스는 고체 산화물 연료 전지를 포함할 수 있다. 보다 구체적인 실시예들에서, 전기화학적 디바이스는 공기 및 기체 흐름들의 방향들이 전류 흐름의 방향에 직교하고 외부 표면들 상에 영향을 미치는 모노리식의 고체 산화물 연료 전지 스택을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서(예를 들어, 도 9 참조), 고온 디바이스(20)는 유체 유입구 및 유체 유출구를 포함할 수 있으며, 이들은 고온 시스템(10)을 통해 연장되는 유체 유입구 도관(미도시) 및 유체 유출구 도관(71, 72)에 결합될 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 유체 유입구 도관 및 유체 유출구 도관은 금속 배관을 포함한다. 추가 실시예들에서, 유체 유입구는 공기 유입구 및 연료 유입구를 포함할 수 있고, 유체 유출구는 공기 유출구 및 연료 유출구를 포함한다.
특정 실시예들에서, 도 11에 예시된 바와 같이, 고온 시스템은 고온 디바이스(20)에 인접하게 배치된 연료 전달 및 분배 매니폴드(80)를 포함할 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 유체 전달 및 분배 매니폴드(80)는 연료 및 공기 흐름이 고온 디바이스(20)를 통해 서로 십자형이 되도록 직교류 유체 전달 및 분배 매니폴드를 포함할 수 있다.
추가 실시예들에서, 유체 전달 및 분배 매니폴드는 고온의 유연성이 없는 물질, 이를테면 고온 디바이스의 작동 온도에서 구조적 무결성을 유지하는 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 고온의 유연성이 없는 물질은 세라믹을 포함할 수 있다. 세라믹은 예를 들어, 알루미나, 안정화 지르코니아, MgO-도핑 MgAl2O4 스피넬, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
추가 실시예들에서, 고온 시스템(20)은 유체 전달 및 분배 매니폴드(80)가 씰(90)에 의해 고온 디바이스(20)에서 분리되도록 유체 전달 및 분배 매니폴드(80) 및 고온 디바이스(20) 사이에 배치되는 씰(90)을 포함할 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 씰(90)은 압축할 수 있는 개스킷 또는 압축할 수 없는 개스킷을 포함할 수 있다. 압축할 수 있는 개스킷은 예를 들어, 금운모, 백운모, 질석, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 질석은 화학적으로 박리된 질석, 이를테면 Thermiculite 866 또는 Thermiculite 866 LS(USA, TX, Deer Park의 Flexitallic, LP에서 입수가능)를 포함할 수 있다. 압축할 수 없는 개스킷은 예를 들어, 점성 유리, 유리 세라믹, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 씰(90)은 연료 흐름이 고온 디바이스(20)로 또는 그것에서 흐를 때 기본적으로 누출 없는 밀폐를 유지하기 위해, 예를 들어, 압축 디바이스(30)에 의해, 고온 디바이스(20)의 표면에 대고 압축될 수 있다. 나아가, 씰(90)은 누출을 유도하는 크리프를 방지하기 위해, 예를 들어, 압축 디바이스(30)를 통해, 씰을 고온 디바이스(20)에 대고 압축함으로써 지지될 수 있다.
예시되지 않더라도, 고온 디바이스의 모든 실시예는 위에서 설명된 바와 같이, 유체 전달 분배(80), 씰(90), 또는 양자를 포함할 수 있다는 것이 인식된다.
다시 도 1을 참조하면, 고온 시스템은 고온 디바이스(20) 외부의 고온 디바이스(30)를 포함할 수 있다. 압축 디바이스(30)는 고온 디바이스(20) 상에 다축 압축, 이를테면 2축 압축을 제공하도록 적응될 수 있다. 특정 실시예들에서, 2축 압축은 제1 방향에 따른 제1 압축력(F1)을 포함할 수 있고, 구체적인 실시예들에서, 제1 압축력(F1)은 제1 방향에 따른 단축 압축력일 수 있다. 추가 실시예들에서, 2축 압축은 제2 방향에 따른 제2 압축력(F2)을 포함할 수 있고, 구체적인 실시예들에서, 제2 압축력(F2)은 제2 방향에 따른 단축 압축력일 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 교차하는 제1 및 제2 방향들은 고온 디바이스들 이를테면 직교류 매니폴드를 갖는 고체 산화물 연료 전지 스택에 바람직할 수 있는 바와 같이, 직교 방향들일 수 있다. 일 실시예에서, 2축 압축은 수직 압축은 z축에 따른 압축을 나타내고 수평 압축은 x 또는 y축에 따른 압축을 나타내는, 수직-수평 압축일 수 있다. 그에 따라, 수직-수평 압축은 수직축 및 직교하는 수평축에 따른 압축을 나타낸다. 다른 실시예에서, 2축 압축은 제1 수평축 및 직교하는 제2 수평축(예를 들어, x 및 y축들) 따른 압축을 나타내는, 수평-수평 압축일 수 있다.
2축 압축은 고체 산화물 연료 전지 스택을 위해 사용될 수 있다. 평면 고체 산화물 연료 전지 스택은 일련의 전해질 전지 및 서로 연결된 플레이트들이 상부에서 하부까지 수직 z축 방향으로 적층되는 샌드위치형 구성을 포함하는 평면 기하학적 구조를 포함할 수 있다. 그러한 구성에서, 공기 및 연료는 스택의 z축 위아래로 흐르고 전기화학적 디바이스에 관해 z축 방향에 따른 상부 및 하부 플레이트들 간 압축을 필요로 할 수 있다. 다른 구성들에서, 연료 및 공기 흐름은 대신 x-y 평면에 따른 연료 전지의 측들을 통과할 수 있다. 그에 따라, 구체적인 실시예들에서는, 제1 방향(F1) 및 제2 방향(F2)이 전기화학적 디바이스(20)에 관해 x-y 평면을 따라 놓일 수 있는 수평-수평 압축이 인가될 수 있다. 보다 구체적인 실시예에서, 전기화학적 디바이스(20)는 제1 및 제2 방향들에 직교하는 교차 z축을 갖는 제3 복수의 대향 표면을 포함할 수 있고, 압축 디바이스(30)는 제3 복수의 대향 표면 상에 압축력을 가하지 않거나 그렇게 하도록 적응되지 않는다.
다른 실시예들에서, 제3 복수의 대향 표면은 이를테면 전기화학적 디바이스, 이를테면 연료 전지 또는 배터리의 경우, 집전되는 표면으로 기능할 수 있다. 아래에 추가로 더 상세하게 논의될 바와 같이, 압축 디바이스(30)는 수직-수평 압축을 사용하여, 제3 복수의 대향 표면 및 제1 및 제2 복수의 표면 상에 압축력을 가하거나 가하도록 적응될 수 있다. 일 실시예에서, 힘은 복수의 대향 표면 중 두 표면 상에 인가되고, 다른 실시예에서는, 세 개의 복수의 대향 표면의 각각 상에 인가된다.
압축 디바이스(30)는 압축력을 가하는 것을 돕기 위해 스프링 메커니즘을 갖는 스프링 압축 디바이스를 포함할 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 스프링 메커니즘은 제1 스프링 메커니즘(32) 및 제2 스프링 메커니즘(33)을 포함할 수 있다. 제1 스프링 메커니즘(32)은 제1 대향 표면들(22 및 24)에 교차하는 제1 방향을 따라 제1 압축력(F1)을 가하도록 적응될 수 있고, 제2 스프링 메커니즘(33)은 제2 대향 표면들(23 및 25)에 교차하는 제2 방향을 따라 제2 압축력(F2)을 가하도록 적응될 수 있다.
특정 실시예들에서, 스프링 메커니즘들은 압축 디바이스(30)의 스프링 요소들(60)을 포함할 수 있으며, 이들은 압축 스프링들, 인장 스프링들, 또는 양자를 포함할 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 스프링 요소들(60)은 볼트 및 스프링 어셈블리를 포함할 수 있다. 추가 실시예들에서, 압축 디바이스의 스프링들(60)은 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 금속은 니켈-철 합금, 니켈-크롬 합금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
나아가, 압축 디바이스(30)는 하중 확산 디바이스를 포함할 수 있다. 하중 확산 디바이스는 예를 들어, 절연체, 매니폴드, 또는 고온 시스템의 다른 구성요소들로 압축 디바이스의 압축력을 분산시킬 수 있다. 일 실시예에서, 하중 확산 디바이스는 고온 절연체 상의 응력이 그것의 저온 크러쉬 강도 미만이 되도록 압축 디바이스의 압축력을 고온 절열체 상으로 전달할 수 있다.
일 실시예에서, 하중 확산 디바이스는 압축 플레이트를 포함할수 있다. 예를 들어, 압축 디바이스는 고온 디바이스의 제1 복수의 대향 표면(22, 24)에 대응하는 제1 복수의 압축 플레이트(34, 36)를 포함할 수 있고, 고온 디바이스의 제2 복수의 대향 표면(23, 25)에 대응하는 제2 복수의 압축 플레이트(35, 37)를 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 압축 플레이트들(34, 35, 36, 37)은 압축원, 이를테면 개별적인 또는 서로 연결된, 위에서 논의된 스프링 요소들(60)로부터의 하중을 전달 및 분산시키도록, 그리고 연료 전지의 경우, 기체 밀폐에 필요한, 또는 연료 전지 또는 배터리의 경우, 집전 압축에 필요한 압축을 제공하도록 적응될 수 있다. 추가 실시예들에서, 압축 디바이스(30)의 압축 플레이트들(34, 35, 36, 37)은 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 금속은 스테인리스 강 합금, 니켈-크롬 합금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
추가 실시예들에서, 스프링 메커니즘들은 각 압축 플레이트의 대향 단부들 상에 배치되는 적어도 하나의 스프링(60)을 포함할 수 있다. 압축 레벨들에 대한 제어를 개선하기 위해, 스프링 요소들(60)은 각 압축 플레이트의 단부 또는 대향 단부들 상에 배치되는 적어도 두 개의, 적어도 세 개의, 적어도 네 개의, 또는 적어도 다섯 개의 스프링을 포함할 수 있다. 스프링들은 열 팽창 계수 불일치를 보상하는 이점을 가지나, 특정 상황들에서는 그것들이 낼 수 있는 힘의 레벨들이 제한될 수 있다. 목적하는 적용예에 따라 개선된 힘 생성을 위해 상이한 압축 기하학적 구조들이 가능하다.
도 1에 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 스프링 메커니즘들(32, 33)의 각 스프링 요소(60)는 제1 대향 압축 플레이트들(34, 36) 중 하나 및 제2 대향 압축 플레이트들(35, 37) 중 하나를 활성화시킬 수 있다. 특정 실시예들에서, 스프링 요소들(60)은 제1 및 제2 방향들(F1 및 F2)에 비스듬한 길이방향으로 연장될 수 있다. 그러한 구성은 제1 대향 압축 플레이트들(34, 36) 중 하나를 제2 대향 압축 플레이트들(35, 37) 중 하나에 연결할 수 있고, 보다 구체적인 실시예들에서는, 압축력을 실질적으로 동등하게 분산시킬 수 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 스프링 메커니즘들(32, 33)의 각 스프링 요소(60)는 제1 대향 압축 플레이트들(34, 36) 또는 제2 대향 압축 플레이트들(35, 37) 중 어느 하나에 전용될 수 있다. 예를 들어, 스프링 요소(60)는 제1 또는 제2 방향들(F1 및 F2)에 평행한 길이방향으로 연장될 수 있다. 그러한 구성은 제1 복수의 압축 플레이트 중 하나(34)를 제1 복수의 압축 플레이트들 중 다른 하나(36)에, 또는 제2 복수의 압축 플레이트 중 하나(35)를 제2 복수의 압축 플레이트들 중 다른 하나(37)에 연결할 수 있다.
도 3에 예시된 바와 같이, 스프링 요소들(60) 및 압축 플레이트들(34, 35, 36, 37)은 스프링 요소들(60)의 비스듬한 각도가 스프링 메커니즘(32)이 제2 방향의 압축을 희생해 또는 낮춰 우선적으로 제1 방향으로, 또는 그 반대로 압축하도록 구성될 수 있다는 점을 제외하고는, 도 1에 예시된 구성과 유사하게 구성될 수 있다. 그러한 구성은 한 방향에 비해 다른 방향에서 높은 압축력이 요구될 때 사용될 수 있다.
도 4에 예시된 바와 같이, 스프링 요소들(60) 및 압축 플레이트들(34, 35, 36, 37)은 스프링 요소들(60) 및 압축 플레이트들의 수가 감소된다는 점을 제외하고는, 도 1에 예시된 구성과 유사하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 스프링 메커니즘은 대향 코너들에 스프링 요소들(60)의 쌍을 포함할 수 있다. 나아가, 압축 플레이트들(34 및 35)은 단일 모노리식의 압축 플레이트를 형성하고 압축 플레이트들(36 및 37)은 단일 모노리식의 압축 플레이트를 형성하여, 고체의 탄성이 없는 대향 코너들을 제공한다.
추가 실시예들에서, 도 5에 예시된 바와 같이, 압축 디바이스(60)는 별개의 스프링 요소들(60) 대신 고온 디바이스를 에워싸고 그것을 x-y 평면을 따라 2축으로 압축하는 밴드(160)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 압축 디바이스는 밴드(160) 및 고온 디바이스(20) 사이에 제1 및 제2 복수의 압축 플레이트(34, 36 및 35, 37)를 포함할 수 있고 밴드는 제1 및 제2 방향들을 따라 F1 및 F2 압축력들을 가하도록 조여질 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 밴드(160)는 고온 디바이스(20) 이하인 열 팽창 계수를 갖는 금속, 이를테면 금속 밴드를 포함할 수 있다. 금속 밴드가 고온 디바이스와 동일한 열 팽창 계수를 갖고 그것이 미리 조여진 경우, 고온 디바이스가 실온에서 작동 온도로의 열 팽창에 기인하여 팽창함에 따라, 금속 밴드는 온도 범위 전체에 걸쳐 실질적으로 일관된 압축력을 가할 것이다. 금속 밴드가 고온 디바이스의 열 팽창 계수보다 미만인 열 팽창 계수를 가질 경우, 고온 디바이스가 실온에서 작동 온도로의 열 팽창에 기인하여 팽창함에 따라, 금속 밴드는 열 팽창 계수들의 차에 비례하여 증가하는 압축력을 가할 것이다.
추가 실시예에서, 압축 디바이스는 위에서 수직-수평 압축으로 나타낸, z 방향으로 그리고 z 방향에 직교하는 방향으로 힘을 가하도록 배열된, 도 1 내지 도 5, 도 7, 및 도 11의 구성들 중 임의의 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 12에 예시된 바와 같이, 수직-수평 압축 디바이스는 수평축(예를 들어, x 또는 y 축)을 따라 배치되는 제1 복수의 압축 플레이트(34, 36) 및 수직축(예를 들어, z 축)을 따르는 제2 복수의 압축 플레이트(35, 37)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 압축 플레이트들은 수평 및 수직 방향들의 힘을 가하도록 서로에 연결될 수 있다. 압축 플레이트들은 위에서 설명된 바와 같이, 스프링(60) 또는 밴드(160)를 사용하여 연결될 수 있다. 구체적인 실시예에서, 압축 플레이트들은 일축 상의 하중을 증가시키는 것이 타축 상의 하중을 감소시킬 수 있도록 스프링들(60)을 통해 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 수직-수평 압축 디바이스는 고온 디바이스, 이를테면 평면 고체 산화물 연료 전지 상에 배치될 수 있다. 평면 고체 산화물 연료 전지는 평평한 전지들이 전지들 간 전기를 전도하는 평평한 전기적 상호 연결 구성요소들에 의해 분리되는, 스택으로 구성될 수 있다. 집전을 용이하게 하기 위해 집전체가 스택 상에 배치될 수 있다. 구체적인 실시예에서, 집전체는 스택 및 압축 플레이트 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 12에 예시된 바와 같이, 집전체(95)는 스택의 대향 단부들 상에 그리고 대향 압축 플레이트들 사이에 배치될 수 있다. 구체적인 실시예에서, 집전체들 및 대응하는 압축 플레이트들은 수직-수평 압축 디바이스의 수직축을 따라 배치될 수 있다.
나아가, 본 출원에 설명된 고온 시스템(10)의 특정 실시예들은 절연체의 열적 그리고 기계적 요건을 분리시킴으로써 중간 온도에서 종래의 저온 고강도 물질들을 사용할 수 있게 할 수 있다. 절연체를 고온 및 저온 절연체들로 분리시키는 것은 부피를 줄이고 보다 콤팩트하고 효율적인 구조를 제공할 수 있다. 도 6에 예시된 바와 같이, 표준 저온 압축 설계에서는, 주위 온도로 충분히 낮추면서 외측 구조적 부재로부터의 하중을 전달하기 위해 상대적으로 높은 열 전도도의 두꺼운 구조의 절연체가 사용되어야 한다. 결과적으로, 절연체의 두께 및 중량은 부피가 크고 무거울 수 있고, 결국 외측 구조 부재가 그것을 지지하기 위해 보다 크고 보다 무거워져야 한다. 그에 반해, 본 출원에 설명된 특정 실시예들에서는, 압축 디바이스(30)에 대해서는 저온의 고강도 물질들의 사용을 여전히 가능하게 하면서 고온의 구조적 절연체(40)의 두께가 감소될 수 있고, 압축 디바이스의 외측에는, 주위 온도로 감소시키기 위해 저온의 비-구조적 절연체(50)가 사용될 수 있다. 그에 따라, 기존 외부 압축 시스템들에 비해, 본 출원에 설명된 실시예들은 보다 가볍거나, 보다 얇거나, 또는 둘 다일 수 있다. 예를 들어, 도 6에 예시된 바와 같이, 고온 시스템(10)은 압축 디바이스(30)에 의해 분리되는 고온 절연체(40) 및 저온 절연체(50)를 포함할 수 있다. 나아가, 저온 절연체는 비-구조적인 최외곽 외피(55)로 캡슐화될 수 있다.
특정 실시예들에서, 고온 절연체(40)는 스프링 압축 디바이스(30) 및 고온 디바이스(20) 사이에 배치될 수 있다. 특정 실시예들에서, 고온 절연체(40)는 높은 작동 온도를 견디도록, 높은 압축 강도를 보이도록, 그리고 외부 온도를 고온에서 중간 온도로 낮춰 종래 저온의 고강도 물질이 압축 하중을 생성 및 전달하기 위해 사용될 수 있게 되도록 적응될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 고온 절연체(40)는 온도를 높은 작동 온도에서 중간 온도로 낮추도록 적응될 수 있다. 특정 실시예들에서, 고온 작동 온도는 약 500℃ 내지 약 1000℃, 또는 약 700℃ 내지 약 900℃의 범위 내에 있을 수 있다. 추가 실시예들에서, 중간 온도는 약 400℃ 내지 약 600℃, 이를테면 500℃ 미만, 또는 압축 디바이스(30)의 저온의 고강도 물질의 온도 범위의 상한보다 높지 않은 범위 내에 있을 수 있다.
특정 실시예들에서, 고온 절연체는 800℃에서 적어도 90, 적어도 95, 또는 심지어 적어도 100 mW/m*K의 열 전도도(TCH)를 가질 수 있다. 추가 실시예들에서, 고온 절연체는 800℃에서 500 이하, 400 이하, 또는 심지어 350 이하 mW/m*K의 열 전도도(TCH)를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 고온 절연체는 800℃에서 임의의 상기한 최소값들 및 최대값들의 범위의, 이를테면 90 내지 500, 95 내지 400, 또는 심지어 100 내지 350 mW/m*K의 열 전도도(TCH)를 가질 수 있다. 열 전도도는 축방향 열 유속법(heat flow method) ASTM E1225 - 13에 따라 측정될 수 있다.
특정 실시예들에서, 고온 절연체(40)는 높은 압축 강도 및 높은 밀도를 갖는 구조적 절연체일 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 고온 절연체(40)는 20℃에서 적어도 0.02, 또는 적어도 0.025, 또는 적어도 0.03 MPa의 압축 강도(또는 저온 크러쉬 강도)를 가질 수 있다. 추가 실시예들에서, 고온 절연체(40)는 20℃에서 8 이하, 6.5 이하, 또는 5 이하 MPa의 압축 강도를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 고온 절연체(40)는 20℃에서 임의의 상기한 최소값들 및 최대값들의 범위의, 이를테면 0.02 내지 8, 0.025 내지 6.5, 또는 0.03 내지 5 MPa의 압축 강도를 가질 수 있다. 압축 강도는 표준 EN ISO 8895:2004(내화 단열 형성(Heat-insulating shaped refractory))에 따라 측정될 수 있다.
특정 실시예들에서, 고온 절연체(40)는 20℃에서 적어도 0.2, 적어도 0.23, 또는 적어도 0.25 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다. 추가 실시예들에서, 고온 절연체(40)는 20℃에서 9 이하, 8 이하, 또는 7.5 이하 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 고온 절연체(40)는 20℃에서 임의의 상기한 최소값들 및 최대값들의 범위의, 이를테면 0.2 내지 9, 0.23 내지 8, 또는 0.25 내지 7.5 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다. 밀도는 아르키메데스의 원리에 따라 측정될 수 있다.
특정 실시예들에서, 고온 절연체(40)는 세라믹 물질, 이를테면 알루미나를 포함하는 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 고온 절연체(40)는 아래 표 1에 나열된 절연 물질들을 포함할 수 있다.
열 전도도
@ 800°C 		압축 강도
@ 20°C 		밀도
@ 20℃
W/m*K kPa g/cm3
ZIRCAR SALI 0.31 1310 0.48
Norfoam A d.05 0.47 1000 0.5
Norfoam A d0.7 TSR 0.60 4500 0.7
Silcapor Ultra 950 0.044 417 0.2-0.25
나아가, 도 7에 예시된 바와 같이, 고온 절연체(49)는 비-구조적 절연체, 이를테면 주입가능한 또는 분말 절연체를 포함할 수 있다. 비-구조적 절연체는 예를 들어, 그래뉼레이티드 MICROTHERM FREE FLOW 미소공성 절연체(USA, TN, 메리빌의 Microtherm에서 입수가능), MICROSIL 미소공성 절연체(USA, NY, 플로리다의 Zircar에서 입수가능), 또는 IB-100A 또는 B 알루미나 버블 절연체(USA, NY, 플로리다의 Zircar에서 입수가능)를 포함할 수 있다. 구조적 지지를 부가하기 위해, 고온 시스템은 고온 디바이스(20)에 붙여 접촉 영역의 일부를 커버하고 압축 디바이스(30)로터 고온 디바이스(20)로 힘을 직접 전달하는 고강도, 전도성 또는 비-절연성의 구조적 부재(150)를 포함할 수 있다.
추가 실시예들에서, 저온 절연체(50)는 압축 디바이스(30)가 고온 절연체(40) 및 저온 절연체(50) 사이에 배치되도록 압축 디바이스(30) 외부에 배치될 수 있다. 특정 실시예들에서, 저온 절연체(50)는 압축 디바이스(30) 주변에 적응되도록 그리고 외부 온도를 주위 온도로 감소시키도록 적응될 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 저온 절연체(50)는 예를 들어, 기계적 강도를 거의 또는 전혀 제공하지 않는, 비-구조적 절연체일 수 있다.
저온 절연체(50)는 압축 디바이스(30) 외부에 배치될 수 있다. 저온 절연체는 낮은 열 전도도(TCL) 및 낮은 밀도를 가지도록 적응될 수 있다. 특정 실시예들에서, 저온 절연체는 500℃에서 적어도 15, 적어도 17, 또는 심지어 적어도 20 mW/m*K의 열 전도도(TCL)를 갖는다. 추가 실시예들에서, 저온 절연체는 500℃에서 400 이하, 300 이하, 또는 심지어 250 이하 mW/m*K의 열 전도도(TCL)를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 저온 절연체는 500℃에서 임의의 상기한 최소값들 및 최대값들의 범위의, 이를테면 50 내지 400, 55 내지 300, 또는 심지어 60 내지 250 mW/m*K의 열 전도도(TCL)를 가질 수 있다. 매우 구체적인 실시예들에서, 저온 절연체는 500℃에서 20 내지 250 mW/m*K의 열 전도도(TCL)를 가질 수 있다.
특정 실시예들에서, 저온 절연체(40)는 적은 부피의 보다 콤팩트한 설계를 제공하기 위해, 낮은 밀도를 갖는 비-구조적 절연체를 포함한다. 다른 실시예들에서, 저온 절연체(50)는 구조적 절연체일 수 있다. 구체적인 실시예들에서, 저온 절연체는 20℃에서 1 이하, 0.7 이하, 또는 0.5 이하 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다. 보다 구체적인 실시예들에서, 저온 절연체는 20℃에서 적어도 0.05, 적어도 0.07, 또는 적어도 0.1 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 특정 실시예들에서, 저온 절연체는 20℃에서 0.05 내지 1, 0.07 내지 0.7, 또는 0.1 내지 0.5 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다.
구체적인 실시예들에서, 저온 절연체는 에어로겔, 카본 나노폼, 알루미나 파이버보드, 캡슐화된 공동, 공극, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 저온 절연체의 예들의 비-제한적인 리스트는 아래 표 2에 제공된다.
열 전도도
@ 500°C 		압축 강도
@ 20°C 		밀도
@ 20℃
W/m*K kPa g/cm3
Zircar Microsil 0.029 0.0011 0.23
공기(무대류) 0.058 해당 없음 0.00044
Pyrogel XT-E 0.064 78 0.20
카본 나노폼 0.089 -- 0.25
ZIRCAR 타입 ASH 0.110 100 0.32
고온 및 저온 절연체는 부피를 감소시키면서 종래 금속들을 사용하기에 충분한 온도를 제공하기 위해 협력하여 작동할 수 있다. 특정 실시예들에서, TCH:TCL의 비는 1 내지 11의 범위 내에 있으며, 이때 TCH는 고온 절연체의 열 전도도이고 TCL은 저온 절연체의 열 전도도이다.
도 8 및 도 9는 본 출원에 설명된 시스템의 다른 실시예들의 사시도를 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 고온 디바이스는 유체 유입구 및 유체 유출구를 포함할 수 있고 시스템은 압축 디바이스를 통해, 고온 절연체를 통해, 저온 절연체를 통해, 또는 이들의 조합을 통해 연장되는 유체 유입구 도관 및 유체 유출구 도관을 포함할 수 있다. 유체 유입구 도관 및 유체 유출구 도관은 금속 배관을 포함할 수 있다. 유체 유출구는 공기 유출구(71) 및 연료 유출구(72)를 포함하고, 유체 유입구는 공기 및 유체 유입구들 맞은편의 공기 유입구 및 연료 유입구(미도시)를 포함한다.
도 8은 구조적 절연체로 둘러싸이고, 대각선 스프링들에 의해 금속 압축 플레이트들을 통해 압축되는 고온 전기화학적 시스템의 도해를 포함한다. 도 9는 네 개의 흐름면 안에 그리고 밖에 기체 튜브들을 갖는 고온 전기화학적 시스템의 도해를 포함한다. 고온 시스템이 직교류 SOFC 스택인 경우, 금속 튜브들은 모든 네 개의 면으로/으로부터 배기 가스 및 공기를 공급하기 위해 ZMG 232 G10(USA, IL, 알링턴 하이츠의 Hitachi Metals America, LLC에서 입수가능), CROFER 22APU 또는 CROFER 22H(독일, Werdohl의 VDM Metals에서 입수가능)로 구성된다. 뿐만 아니라, 압축 디바이스(30)는 유출구들 또는 유입구들로부 연료 또는 공기 누설을 방지하기 위해 금운모, 질석, 또는 Thermiculite 866 또는 Thermiculite 866 LS(USA, TX, Deer Park의 Flexitallic, LP에서 입수가능)로 구성된 고온 개스킷들을 압축하기 위해 사용될 수 있다. 도 9에서의 SOFC 시스템을 사용하면, 백분율로 제시된, 두 개의 상이한 직교류 방향으로의 유출 대비 유입통과액 데이터가 도 10에 제공된다. 도 10에서의 데이터는 압축 디바이스가 600℃ 테스트 이전, 동안, 그리고 이후 고체 산화물 연료 전지 스택에서 공기 및 기체 스트림들 양자에 대한 통과액이 90%를 초과하도록 충분한 압축을 가하고 유지함을 보여 주고 있다.
본 출원에 설명된 특정 실시예들의 이점은 전기화학적 시스템이 개선된 용적 측정의 전력 밀도 및 개선된 전력/kg을 가질 수 있다는 점이다. 특정 실시예들에서, 전기화학적 시스템은 적어도 58,000 W/m3, 적어도 70,000 W/m3, 또는 심지어 적어도 90,000 W/m3의 용적 측정 전력 밀도를 가질 수 있다. 용적은 아르키메데스의 원리를 통해 측정될 수 있다. 전기화학적 디바이스에 대해, 전력은 소정의 작동 조건에서 전기 부하 하 전압 곡선에 의해 측정된다. 그에 따라 용적 측정의 전력 밀도는 변위된 용적으로 나눠지는 운전 전력의 비이다. 나아가, 전기화학적 시스템은 적어도 18W/kg의 전력 대 중량 비(전력/kg)를 가질 수 있다. 중량, 또는 보다 정확하게, 질량은 표준 규격을 사용하여 측정된다. 그에 따라 전력 대 중량 비는 고온 디바이스의 질량으로 나눠지는 운전 전력의 비이다.
또한 전기화학적 디바이스를 압축하는 방법이 본 출원에 설명된다. 특정 실시예들에서, 상기 방법은 전기화학적 디바이스를 제공하는 단계; 전기화학적 디바이스에 인접하게 고온 절연체 층을 제공하는 단계; 및 전기화학적 디바이스에 대고 고온 절연체 층을 2축으로 압축하는 단계를 포함할 수 있다. 고온 절연체 층을 2축으로 압축하는 단계는 본 출원에서 이전에 설명된 압축 디바이스를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 압축 디바이스 외부에 저온 절연체 층을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있고 고온 절연체 층, 저온 절연체 층, 또는 양자는 본 출원에서 이전에 설명된 저온 절연체 층, 고온 절연체 층, 또는 양자를 포함할 수 있다. 나아가, 전기화학적 디바이스는 본 출원에서 이전에 설명된 전기화학적 디바이스를 포함할 수 있다.
많은 상이한 측면 및 실시예가 가능하다. 그러한 측면들 및 실시예들 중 몇몇이 아래에 설명된다. 본 명세서를 읽은 후, 통상의 기술자들은 그러한 측면들 및 실시예들은 단지 예시적인 것이고 본 발명의 범위를 제한하지 않는다는 것을 이해할 것이다. 실시예들은 아래에 나열된 바와 같은 실시예들 중 임의의 하나 이상의 실시예에 따를 수 있다.
실시예 1. 고온 시스템으로서,
제1 복수의 대향 표면 및 제2 복수의 대향 표면을 획정하는 측벽을 갖는 고온 디바이스;
고온 디바이스의 측벽 외부의 압축 디바이스로서, 물질 탄성을 통해 제1 및 제2의 대향 표면들에 대고 2축 압축을 가하도록 적응되는, 압축 디바이스를 포함하는, 고온 시스템.
실시예 2. 실시예 1에 있어서,
압축 디바이스 및 고온 디바이스 사이에 배치된 고온 절연체; 및
압축 디바이스가 고온 절연체 및 저온 절연체 사이에 배치되도록 압축 디바이스 외부에 배치된 저온 절연체를 포함하는, 고온 시스템.
실시예 3. 고온 시스템으로서,
고온 디바이스의 외측 표면을 획정하는 측벽을 갖는 고온 디바이스;
고온 디바이스의 측벽 외부의 압축 디바이스;
압축 디바이스 및 고온 디바이스 사이에 배치된 고온 절연체; 및
압축 디바이스가 고온 절연체 및 저온 절연체 사이에 배치되도록 압축 디바이스 외부에 배치된 저온 절연체를 포함하는, 고온 시스템.
실시예 4. 실시예 3에 있어서,
측벽은 제1 복수의 대향 표면 및 제2 복수의 대향 표면을 획정하고;
압축 디바이스는 물질 탄성을 통해 제1 및 제2의 대향 표면들에 대고 2축 압축을 가하도록 적응되는, 고온 시스템.
실시예 5. 고온 디바이스를 압축하는 방법으로서,
고온 디바이스를 제공하는 단계;
고온 절연체 층을 고온 디바이스에 인접하게 제공하는 단계;
고온 절연체 층 외부에 압축 디바이스를 제공하는 단계; 및
고온 절연체 층을 고온 디바이스에 대고 제1 방향 및 제2 방향 2축으로 압축하는 단계를 포함하며, 제1 방향 및 제2 방향은 고온 디바이스에 관한 x-y 평면, x-z 평면, 또는 z-y 평면을 따라 놓이는, 방법.
실시예 6. 실시예 5에 있어서, 압축 디바이스가 고온 절연체 및 저온 절연체 사이에 배치되도록 압축 디바이스 외부에 배치된 저온 절연체를 더 제공하는, 방법.
실시예 7. 실시예 5 또는 6에 있어서, 압축 디바이스는 물질 탄성을 통해 고온 디바이스의 제1 및 제2 대향 표면들에 대고 2축 압축을 가하는, 방법.
실시예 8. 실시예 1 내지 7 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 디바이스는 적어도 500℃의 작동 온도를 갖는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 9. 실시예 1 내지 8 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 디바이스는 유체 유입구, 유체 유출구, 또는 양자를 더 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 10. 실시예 1 내지 9 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 디바이스는 연료 개질기, 열 교환기, 필터, 반응기, 또는 전기화학적 디바이스를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 11. 실시예 1 내지 10 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 디바이스는 전기화학적 디바이스를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 12. 실시예 11에 있어서, 전기화학적 디바이스는 배터리를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 13. 실시예 11에 있어서, 전기화학적 디바이스는 연료 전지를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 14. 실시예 13에 있어서, 전기화학적 디바이스는 고체 산화물 연료 전지 스택을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 15. 실시예 13 또는 14에 있어서, 전기화학적 디바이스는 모노리식의 고체 산화물 연료 전지 스택을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 16. 실시예 13 내지 15 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 전기화학적 디바이스는 직교류 고체 산화물 연료 전지 스택을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 17. 실시예 16에 있어서, 전기화학적 디바이스는 유체 유입구 및 유체 유출구를 포함하고 고온 시스템은 압축 디바이스를 통해, 고온 절연체를 통해, 저온 절연체를 통해, 또는 이들의 조합을 통해 연장되는 유체 유입구 도관 및 유체 유출구 도관을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 18. 실시예 17에 있어서, 유체 유입구 도관 및 유체 유출구 도관은 금속 배관을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 19. 실시예 17 또는 18에 있어서, 유체 유입구는 공기 유입구 및 연료 유입구를 포함하고, 유체 유출구는 공기 유출구 및 연료 유출구를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 20. 실시예 1 내지 19 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 시스템은 고온 디바이스에 인접하게, 이를테면 고온 디바이스 및 압축 디바이스 사이에 배치된 유체 전달 및 분배 매니폴드를 더 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 21. 실시예 20에 있어서, 유체 전달 및 분배 매니폴드는 연료가 고온 디바이스를 통해 서로 십자형으로 흐를 수 있도록 직교류 유체 전달 및 분배 매니폴드를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 22. 실시예 20 또는 21에 있어서, 유체 전달 및 분배 매니폴드는 고온 디바이스의 작동 온도에서 구조적 무결성을 유지하도록 적응된 고온의 유연성이 없는 물질을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 23. 실시예 22에 있어서, 고온의 유연성이 없는 물질은 세라믹, 이를테면 알루미나, 안정화 지르코니아, MgO-도핑 MgAl2O4 스피넬, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 세라믹을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 24. 실시예 20 내지 23 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 시스템은 유체 전달 및 분배 매니폴드 및 고온 디바이스 사이에 배치되는 씰을 더 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 25. 실시예 24에 있어서, 씰은 기본적으로 누설이 없는 씰을 유지하도록 적응되는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 26. 실시예 24 또는 25에 있어서, 씰은 압축할 수 있는 개스킷을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 27. 실시예 26에 있어서, 압축할 수 있는 개스킷은 금운모, 백운모, 질석, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 28. 실시예 27에 있어서, 질석은 화학적으로 박리된 질석을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 29. 실시예 24 또는 25에 있어서, 씰은 압축할 수 없는 개스킷을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 30. 실시예 29에 있어서, 압축할 수 없는 개스킷은 점성 유리, 유리 세라믹, 또는 이들의 조합을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 31. 실시예 1, 2, 및 4 내지 30 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 2축 압축은 제1 방향으로의 제1 단축 압축 제2 방향으로의 단축 압축을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 32. 실시예 31에 있어서, 제1 방향 및 제2 방향 양자는 고온 디바이스에 관한 x-y 평면을 따라 놓이는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 33. 실시예 31 또는 32에 있어서, 제1 방향은 제2 방향과 교차하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 34. 실시예 31 내지 33 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 제1 방향은 제2 방향과 직교하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 35. 실시예 31 내지 34 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 디바이스는 제1 및 제2 방향들에 직교하는 교차 축을 갖는 제3 복수의 대향 표면을 포함하되, 압축 디바이스는 제3의 대향 표면들 상에 압축력을 가하지 않는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 36. 실시예 31 내지 35 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 디바이스는 제1 및 제2 방향들에 직교하는 교차 축을 갖는 제3 복수의 대향 표면을 포함하되, 압축 디바이스는 제3의 대향 표면들 상에 압축력을 가하도록 적응되는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 37. 실시예 1 내지 36 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 압축 디바이스는 고온 디바이스의 열 팽창 계수(CTE)보다 크지 않은 CTE를 갖는 금속 밴드를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 38. 실시예 1 내지 36 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 압축 디바이스는 스프링 압축 디바이스를 포함하는, 고온 시스템.
실시예 39. 실시예 38에 있어서, 스프링 압축 디바이스는 제1 복수의 대향 표면에 교차하는 제1 방향을 따라 제1 압축력을 가하도록 그리고 제2 복수의 대향 표면에 교차하는 제2 방향을 따라 제2 압축력(F2)을 가하도록 적응된 스프링 압축 디바이스을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 40에 있어서, 실시예 39에 있어서, 스프링 압축 디바이스는:
고온 디바이스의 제1 복수의 대향 표면에 대응하는 제1 복수의 대향 압축 플레이트; 및
제2 복수의 대향 표면에 대응하는 제2 복수의 대향 압축 플레이트를 포함하되,
제1 복수의 대향 압축 플레이트 및 제2 복수의 대향 압축 플레이트의 각각에 대한 적어도 하나의 압축 플레이트가 스프링 메커니즘에 의해 활성화되도록 적응되는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 41. 실시예 39 또는 40에 있어서, 스프링 메커니즘은 제1 및 제2 복수의 대향 압축 플레이트의 각각에 대한 적어도 하나의 압축 플레이트를 활성화시키도록 적응된 제1 및 제2 스프링 요소를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 42. 실시예 41에 있어서, 제1 및 제2 스프링 요소들의 각각은 압축 플레이트에 대한 힘들의 벡터 합의 방향이 제1 또는 제2 방향들이 되도록 제1 및 제2 방향들에 비스듬한 길이방향으로 연장되는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 43. 실시예 42에 있어서, 제1 및 제2 스프링 요소의 각각은 제1 복수의 대향 압축 플레이트 및 제2 복수의 대향 압축 플레이트 양자에 전용되는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 44. 실시예 42 또는 43에 있어서, 비스듬한 각도의 스프링 요소들은 제1 또는 제2 방향들 중 어느 하나의 방향을 희생해 제1 또는 제2 방향 중 다른 하나의 방향으로 의도적으로 그리고 우선적으로 압축하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 45. 실시예 41에 있어서, 제1 스프링 요소는 제1 복수의 대향 압축 플레이트에 전용되고 및 제2 스프링 요소는 제2 복수의 대향 압축 플레이트에 전용되는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 46. 실시예 45에 있어서, 제1 및 제2 스프링 요소들은 각각, 제1 및 제2 방향들에 평행한 길이방향으로 연장되는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 47. 실시예 41 내지 46 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 스프링 요소들은 압축 스프링들, 인장 스프링들, 또는 양자를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 48. 실시예 1 내지 47 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 압축 디바이스의 적어도 일부는 금속을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 49. 실시예 41 내지 48 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 스프링 압축 디바이스의 스프링 요소들은 금속을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 50. 실시예 49에 있어서, 스프링 압축 디바이스의 스프링 요소들은 니켈-철 합금, 니켈-크롬 합금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 금속을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 51. 실시예 40 내지 50 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 스프링 압축 디바이스의 압축 플레이트들은 금속을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 52. 실시예 51에 있어서, 스프링 압축 디바이스의 압축 플레이트들은 스테인리스 강 합금, 니켈-크롬 합금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 53. 실시예 2 내지 52 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 절연체는 100 내지 350 mW/m*K의 범위 내 열 전도도(TCH)를 갖는, 고온 시스템.
실시예 54. 실시예 2 내지 53 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 절연체는 적어도 1 MPa의 저온 크러쉬 강도를 갖는 구조적 절연체를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 55. 실시예 2 내지 54 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 절연체는 20℃에서 적어도 0.2, 적어도 0.23, 또는 적어도 0.25 g/cm3의 밀도를 갖는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 56. 실시예 2 내지 53 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 절연체는 비-구조적 절연체를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 57. 실시예 56에 있어서, 고온 시스템은 압축 디바이스로부터 고온 디바이스로 힘을 직접 전달하는 저 접촉 영역의 고강도, 비-절연성 또는 전도성의 구조적 부재를 더 포함하고, 나머지 접촉 영역은 비-구조적 고온 절연체를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 58. 실시예 2 내지 57 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 절연체는 세라믹을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 59. 실시예 2 내지 58 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 절연체는 알루미나를 포함하는 세라믹을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 60. 실시예 2, 3, 및 6 내지 59 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 저온 절연체는 20 내지 250 mW/m*K의 범위 내 열 전도도(TCL)를 갖는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 61. 실시예 2, 3, 및 6 내지 60 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 저온 절연체는 1 MPa 이하의 저온 크러쉬 강도를 갖는 비-구조적 절연체를 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 62. 실시예 2, 3, 및 6 내지 61 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 저온 절연체는 0.5 g/cm3 이하의 밀도를 갖는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 63. 실시예 2, 3, 및 6 내지 62 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 저온 절연체는 에어로겔, 카본 나노폼, 알루미나 파이버보드, 알루미나 파이버 블랭킷, 미소공성 실리카, 캡슐화된 공동, 공극, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 64 실시예 2, 3, 및 6 내지 63 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 저온 절연체를 캡슐화하는 비-구조적인 최외곽 외피를 더 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 65. 실시예 2, 3, 및 6 내지 64 중 어느 하나의 실시예에 있어서, TCH:TC의L 비는 1 내지 11의 범위 내에 있으며, 이때 TCH는 고온 절연체의 열 전도도이고 TCL은 저온 절연체의 열 전도도인, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 66. 실시예 1 내지 65 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 고온 시스템은 적어도 58,000 W/m3의 용적 측정의 전력 밀도를 갖는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 67. 실시예 1 내지 66 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 전기화학적 시스템은 적어도 18W/kg의 전력/kg을 갖는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 68. 실시예 1 내지 67 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 2축 압축은 수평-수평 압축을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 69. 실시예 1 내지 68 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 2축 압축은 수직-수평 압축을 포함하는, 고온 시스템 또는 방법.
실시예 70. 실시예 1 내지 69 중 어느 하나의 실시예에 있어서, 압축 디바이스는 고온 절연체 상의 응력이 고온 절연체의 저온 크러쉬 강도 미만이 되도록 2축 압축의 압축력을 고온 절열체 상으로 전달하는 하중 확산 디바이스를 포함하는, 고온 시스템.
위 개괄적인 설명 또는 예들에서 설명된 모든 동작이 요구되는 것은 아니고, 특정 동작의 일부는 요구되지 않을 수 있으며, 하나 이상의 추가 동작이 설명된 동작들에 더하여 수행될 수 있다는 것을 주의하자. 더 나아가, 동작들이 나열된 순서가 반드시 그것들이 수행되는 순서는 아니다.
이점들, 다른 장점들, 및 문제들에 대한 솔루션들이 위에서 구체적인 실시예들에 관해 설명되었다. 그러나, 임의의 이점, 장점, 또는 솔루션이 보다 현저하게 발생하거나 일어나게 할 수 있는 이점들, 장점들, 문제들에 대한 솔루션들, 및 임의의 특징(들)은 임의의 또는 모든 청구항의 중요한, 필수적인, 또는 본질적인 특징인 것으로 간주되지는 않아야 한다.
본 출원에 설명된 실시예들에 대한 명세 및 도해들은 다양한 실시예의 구조에 대한 개괄적인 이해를 위해 제공되도록 의도된다. 명세 및 도해들은 본 출원에 설명된 구조들 또는 방법들을 사용하는 장치 및 시스템들의 모든 요소 및 특징에 대한 완전한 그리고 포괄적인 설명으로서의 역할을 하도록 의도되지는 않는다. 또한 별개의 실시예들은 하나의 실시예로 조합하여 제공될 수도 있고, 또한 반대로, 간결성을 위해 하나의 실시예의 상황으로 설명된 다양한 특징이 별개로 또는 임의의 서브조합으로 제공될 수도 있다. 나아가, 범위들로 언급된 값들에 대한 언급은 그러한 범위 내 각각의 그리고 모든 값을 포함한다. 많은 다른 실시예는 통상의 기술자들에게 단지 본 명세서를 읽은 후 분명해질 수 있다. 다른 실시예들이 사용되고 본 개시 내용으로부터 파생될 수 있으며, 그에 따라 구조적 치환, 논리적 치환, 또는 다른 변경이 본 개시 내용의 범위에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있게 된다. 그에 따라, 본 개시 내용은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 고온 시스템으로서,
    제1 복수의 대향 표면 및 제2 복수의 대향 표면을 획정하는 측벽을 갖는 고온 디바이스;
    상기 고온 디바이스의 상기 측벽 외부의 압축 디바이스로서, 물질 탄성을 통해 제1 및 제2의 상기 대향 표면들에 대고 2축 압축을 가하도록 적응되는, 상기 압축 디바이스를 포함하는, 고온 시스템.
  2. 고온 시스템으로서,
    고온 디바이스의 외측 표면을 획정하는 측벽을 갖는 상기 고온 디바이스;
    상기 고온 디바이스의 상기 측벽 외부의 압축 디바이스;
    상기 압축 디바이스 및 상기 고온 디바이스 사이에 배치된 고온 절연체; 및
    상기 압축 디바이스가 상기 고온 절연체 및 상기 저온 절연체 사이에 배치되도록 상기 압축 디바이스 외부에 배치된 저온 절연체를 포함하는, 고온 시스템.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 고온 디바이스는 적어도 500℃의 작동 온도를 갖는, 고온 시스템.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 디바이스는 연료 개질기, 열 교환기, 필터, 반응기, 또는 전기화학적 디바이스를 포함하는, 고온 시스템.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 고온 디바이스는 전기화학적 디바이스를 포함하고, 상기 전기화학적 디바이스는 직교류 고체 산화물 연료 전지 스택을 포함하는, 고온 시스템.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 디바이스에 인접하게, 이를테면 상기 고온 디바이스 및 상기 압축 디바이스 사이에 배치된 유체 전달 및 분배 매니폴드를 더 포함하는, 고온 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 유체 전달 및 분배 매니폴드는 상기 고온 디바이스의 상기 작동 온도에서 구조적 무결성을 유지하도록 적응된 고온의 유연성이 없는 물질을 포함하고, 상기 고온의 유연성이 없는 물질은 세라믹, 이를테면 알루미나, 안정화 지르코니아, MgO-도핑 MgAl2O4 스피넬, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하는 세라믹을 포함하는, 고온 시스템.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 디바이스는 제1 및 제2 방향들에 직교하는 교차 축을 갖는 제3 복수의 대향 표면을 포함하되, 상기 압축 디바이스는 제3의 상기 대향 표면들 상에 상기 2축 압축에 직교하는 방향으로 압축력을 가하도록 적응되는, 고온 시스템.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2축 압축은 수평-수평 압축을 포함하는, 고온 시스템.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2축 압축은 수직-수평 압축을 포함하는, 고온 시스템.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축 디바이스는 상기 고온 절연체 상의 응력이 상기 고온 절연체의 저온 크러쉬 강도 미만이 되도록 상기 2축 압축의 압축력을 상기 고온 절열체 상으로 전달하는 하중 확산 디바이스를 포함하는, 고온 시스템.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축 디바이스는 스프링 압축 디바이스를 포함하며, 상기 압축 디바이스는:
    상기 고온 디바이스의 상기 제1 복수의 대향 표면에 대응하는 제1 복수의 대향 압축 플레이트; 및
    상기 제2 복수의 대향 표면에 대응하는 제2 복수의 대향 압축 플레이트를 포함하되,
    상기 제1 복수의 대향 압축 플레이트 및 상기 제2 복수의 대향 압축 플레이트의 각각에 대한 적어도 하나의 압축 플레이트는 상기 스프링 메커니즘에 의해 활성화되도록 적응되는, 고온 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 스프링 메커니즘은 상기 제1 복수의 대향 압축 플레이트 및 상기 제2 복수의 대향 압축 플레이트의 각각에 대한 상기 적어도 하나의 압축 플레이트를 활성화시키도록 적응된 제1 및 제2 스프링 요소를 포함하고, 상기 제1 및 제2 스프링 요소들의 각각은 압축 플레이트에 대한 힘들의 벡터 합의 방향이 상기 제1 또는 제2 방향들이 되도록 상기 제1 및 제2 방향들에 비스듬한 길이방향으로 연장되는, 고온 시스템.
  14. 청구항 2 내지 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 절연체는 비-구조적 절연체를 포함하고, 상기 고온 시스템은 상기 압축 디바이스로부터 상기 고온 디바이스로 힘을 직접 전달하는 저 접촉 영역의 고강도, 비-절연성 또는 전도성의 구조적 부재를 더 포함하며, 나머지 접촉 영역은 상기 비-구조적 고온 절연체를 포함하는, 고온 시스템.
  15. 청구항 2 내지 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저온 절연체는 TCH 미만의 열 전도도(TCL)를 갖는, 고온 시스템.
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