KR20190003665A - 고온 연료 전지의 스택 로우 구조 및 방법 - Google Patents

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Abstract

발명의 목적은 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 스택 배열체이며, 전지 시스템에서 각각의 전지는 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함하고, 전지 시스템은 전지 스택들 (103) 에서의 전지들을 포함한다. 배열체는 로우 배열로 배열된 스택들 (103) 을 포함하고, 스택들은 적어도 2 개의 로우들에서 나란히 배열되며, 배열체는 스택들 (103) 에 공기를 피드하기 위한 공기 피드-인 도관 (120) 을 포함하고, 도관은 공기 인렛 단부들 (130) 을 가지며, 이 공기 인렛 단부들은 밀봉된 공기 피드 공간 (132) 에 수송되고, 밀봉된 공기 피드 공간 (132) 은 스택들 그 자체에 의해 인클로징된 공기 피드 공간의 적어도 2 개의 측부를 갖는 스택 (103) 로우들 사이에 형성된다. 배열체는 스택들 (103) 에 연료를 공급하기 위한 연료 피드-인 공통 레일 (133), 연료 피드-인 도관 (122) 및 개별 고급 채널링 (131) 과, 이 연료 피드-인 공통 레일 (133), 연료 피드-인 도관 (122), 개별 피드-인 채널링 (131) 및 공기 피드-인 도관 (120) 중 적어도 하나를 따라 적어도 하나의 방사열 전달 보상 엘리먼트 (134), 스택들 (103) 에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들을 수행하기 위한 수단 (135), 및 전지 시스템에서 유동 밸런싱된 연료 유동들을 수행하기 위한 수단 (137) 을 포함한다.

Description

고온 연료 전지의 스택 로우 구조 및 방법
세계 에너지의 대부분은 석유, 석탄, 천연 가스 또는 원자력에 의해 생산된다. 이러한 모든 생산 방법들은 모두 예를 들어, 환경에 대한 유용성 및 친화성에 관한 한 그들의 특정 문제들을 갖는다. 환경에 관한 한, 특히 석유 및 선탄은 이들이 연소될 때 오염을 야기한다. 원자력에 의한 문제는, 적어도 사용된 연료의 저장이다.
특히 환경 문제들 때문에, 보다 환경 친화적이고, 예를 들어 위에 언급된 에너지원들보다 우수한 효율을 갖는 새로운 에너지원들이 개발되고 있다.
연료, 예를 들어 바이오가스 (biogas) 의 에너지가 환경 친화적인 프로세스에서의 화학적 반응을 통해 전기로 직접 변환되는, 연료 전지가 미래의 에너지 변환 디바이스들을 약속하고 있다.
도 1 에 제시된 바와 같이, 연료 전지는 애노드 측 (100) 및 캐소드 측 (102) 과 이들 사이의 전해질 재료 (104) 를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지 (Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 들에서, 산소 (106) 는 캐소드 측 (102) 으로 피드 (feed) 되고 캐소드로부터 전자들을 수신함으로써 음의 산소 이온으로 환원된다. 음의 산소 이온은 전해질 재료 (104) 를 통해 애노드 측 (100) 으로 가고, 여기서 연료 (108) 와 반응하여 물 그리고 또한 통상적으로 이산화탄소 (CO2) 를 생성한다. 애노드 (100) 및 캐소드 (102) 는 시스템 외부에서 전기 에너지를 인출하는 연료 전지용 부하 (110) 를 포함하는 외부 전기 회로 (111) 를 통해 접속된다. 연료 전지들은 또한 반응물 배출 스트림으로 열을 생성한다.
도 2 에 고온 연료 전지 디바이스의 일 예로서 SOFC 디바이스가 제시된다. SOFC 디바이스는 연료로서, 예를 들어 천연 가스, 바이오 가스, 메탄올, 또는 탄화수소를 함유한 다른 화합물을 활용할 수 있다. 도 2 에서의 SOFC 디바이스는 스택 형성 (103)(SOFC 스택) 에서 하나보다 많은, 통상적으로 복수의 연료 전지를 포함한다. 각각의 연료 전지는 도 1 에 제시된 바와 같이 애노드 (100) 및 캐소드 (102) 구조를 포함한다. 사용된 연료의 일부는 각각의 애노드를 통해 피드백 배열 (109) 로 재순환될 수 있다. 도 2 에서의 SOFC 디바이스는 또한 연료 열 교환기 (501) 및 개질기 (reformer; 107) 를 포함한다.
통상적으로 연료 전지 프로세스에서의 상이한 위치들에서 열적 조건들을 제어하기 위해 여러 개의 열 교환기가 사용된다. 개질기 (107) 는 예를 들어 천연 가스와 같은 연료를 연료 전지에 적합한 조성, 예를 들어 수소 및 메탄, 이산화탄소, 일산화탄소 및 불활성 가스를 함유하는 조성으로 변환하는 디바이스이다. 어쨌든 각각의 SOFC 디바이스에서는 그래도 개질기를 가질 필요가 없기는 하다.
예를 들어 불활성 가스는 연료 전지 기술에 사용된 퍼지 가스 또는 퍼지 가스 화합물의 일부이다. 예를 들어 질소는 연료 전지 기술에서 퍼지 가스로서 사용된 통상적인 불활성 가스이다. 퍼지 가스는 반드시 원소일 필요는 없으며 또한 화합물 가스일 수도 있다.
(연료 유량계, 전류계 및 온도계와 같은) 측정 수단 (115) 을 사용함으로써, SOFC 디바이스의 동작을 위해 필요한 측정들이 수행된다. 애노드들 (100) 에서 사용된 가스의 일부는 피드백 배열 (109) 에서 애노드들을 통해 재순환될 수도 있고 가스의 다른 부분은 애노드들 (100) 로부터 배출된다 (114).
메탄, 일산화탄소 및 수소 연료의 경우에서의 연료 전지 반응들은 하기에 나타낸다:
애노드:
Figure pct00001
Figure pct00002
캐소드:
Figure pct00003
네트 반응:
Figure pct00004
Figure pct00005
전기 분해 동작 모드 (고체 산화물 전기 분해 전지 (SOEC)) 에서, 반응은 반전되는데, 즉 소스 (110) 로부터의 전기 에너지뿐만 아니라 열이 전지에 피드되고, 여기서 물 그리고 종종 또한 이산화탄소가 캐소드 측에서 감소되어 산소 이온들을 형성하며, 이 산소 이온들은 전해질 재료를 통해 산화 반응이 발생하는 애노드 측으로 이동한다. SOFC 및 SOEC 모드들의 양자 모두에서 동일한 고체 전해질 전지를 사용하는 것이 가능하다. 그러한 경우에서 그리고 이러한 설명의 맥락에서, 전극들은 통상적으로 연료 전지 동작 모드에 기초하여 애노드 및 캐소드로 명명되는 반면, 순수 SOEC 어플리케이션들에서는 산소 전극이 애노드로 명명될 수도 있고, 반응물 전극은 캐소드로 명명될 수도 있다.
보통 여기에서 고체 산화물 전지 스택으로서 지칭되는, 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 및 고체 산화물 전해조 (Solid Oxide Electrolyzer; SOE) 스택들에서는, 인접 전지들 사이의 가스들의 유동 방향들 뿐만 아니라 각각의 전지에서 내부적으로 애노드 가스에 대한 캐노드 가스의 유동 방향이 스택의 상이한 전지 층들을 통해 결합된다. 또한, 캐소드 가스 또는 애노드 가스 또는 양자 모두는 소모되기 전에 하나보다 많은 전지를 통과할 수 있고 복수의 가스 스트림은 1 차 전지를 통과한 후 2 차 전지를 통과하기 전에 분할 또는 병합될 수 있다. 이러한 조합들은 전류 밀도를 증가시키고 전지들 및 전체 스택에 걸쳐 온도 구배를 최소화하도록 작용한다.
고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 디바이스는 산화 연료로부터 직접 전기를 생성하는 전기화학적 변환 디바이스이다. SOFC 디바이스의 장점은 고 효율, 장기간 안정성, 낮은 방출 및 비용을 포함한다. 주요 단점이 높은 동작 온도인데 이는 긴 시동 시간과 기계적 및 화학적 양자 모두의 호환성 문제들을 초래한다.
고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 의 애노드 전극은 통상적으로 대기가 환원되고 있지 않으면, 니켈 산화물을 형성하기에 취약한 상당한 양의 니켈을 함유한다. 니켈 산화물 형성이 심하면, 전극의 모폴로지가 가역적으로 변화되어 전기화학적 활동의 현저한 손실 또는 심지어 전지의 브레이크다운을 야기한다. 따라서, SOFC 시스템들은 통상적으로 연료 전지의 애노드 전극이 산화하는 것을 방지하기 위해 시동 및 셧다운 (shut-down) 동안 (질소와 같은 불활성으로 희석된 수소와 같은) 환원제를 함유하는 퍼지 가스, 즉 안전 가스를 필요로 한다. 실제 시스템에서, 퍼지 가스의 양은 최소화되어야 하는데, 이는 예를 들어 수소를 함유하는 가압된 가스의 광범위한 양이 공간을 필요로 하는 컴포넌트들로서 비용이 높고 문제가 있다.
시스템 시동 및 셧다운 조건의 양자 모두에서 퍼지 가스에 대한 필요성을 최소화할 필요가 있다. 종래 기술의 어플리케이션들에 의하면, 정상적인 시동 또는 셧다운 동안 퍼지 가스의 양은 애노드 재순환, 즉 사용되지 않은 퍼지 가스를 루프로 역 순환시키는 것, 또는 스팀 개질 또는 촉매 부분 산화를 통해 환원 가스를 발생시키는 것에 의해 최소화된다. 하지만, 예를 들어 가스 알람 또는 블랙아웃 (black-out) 에 의해 야기될 수도 있는 긴급 셧다운 (emergency shut-down; ESD) 에서, 애노드 재순환 또는 활성 환원 가스 생성 수단을 동작시키는 것이 가능하거나 허용되지 않을 수도 있으며, 이에 의해 필요한 퍼지 가스의 양이 증가된다. 또한, 시스템을 냉각하기 위한 캐소드 기류 (air flow) 가 ESD 동안 피드될 수 없는 경우, 니켈 산화가 일어나지 않는 온도로 시스템을 냉각시키는 시간이 활성 셧다운 상황과 비교하여 심지어 3 배가 되기 때문에 필요한 퍼지 가스의 양이 더욱 더 증가된다.
기재된 바와 같이, 현재 SOFC 스택들은 긴급 셧다운처럼 비정상 상황들 동안 애노드가 산화하는 것을 방지하기 위해 퍼지 가스를 환원하는 것을 필요로 한다. 하지만, 여전히 퍼지 가스의 양은 특히 큰 유닛 사이즈를 갖는 실제 필드 적용에 대해 대해 상당하다. 스택들은 통상적으로 섭씨 300-400 도 사이 어딘가에 있는, 소정의 임계 온도 위로 유해한 니켈 산화 쪽으로 취약하다. 이 온도 아래에서, 니켈 산화 반응은 너무 느려서 애노드 상에 환원 분위기가 더 이상 필요하지 않다. 수동 긴급 셧다운 (ESD) 상황들에서, 유닛의 냉각은 시스템을 통한 기류의 비존재, 컴포넌트들의 높은 열 용량, 및 시스템의 양호한 단열 (thermal insulation) 로 인해 극도로 느리다 (심지어 10 시간 이상까지). 활성 공기 냉각이 활용되더라도, 통상적으로 대부분의 열이 시스템으로 되돌아오는 고 효율 레큐퍼레이터 (recuperator) 때문에 냉각이 느리다.
고온 연료 전지 시스템, 특히 SOFC 시스템은 통상적으로 하나 이상의 절연 인클로저 내에 수 개의 연료 전지 스택들을 포함한다. 폭발 안전성에 관하여, 연료 전지 스택들 그 자체뿐만 아니라 연료 피드 라인들 내에서 사용된 임의의 플랜지 (flange) 및 밀봉 (sealing) 표면은 그들 주변으로의 연료 누설의 잠재적 소스로서 간주될 것이다. 고온 연료 전지들의 경우, 주변의 온도는 통상적으로 사용되는 가스성 연료의 자기 발화 온도 위이다. 따라서, 누설을 처리하기 위한 전형적인 접근법은, 공기 또는 배출 스트림 내에 누설의 모든 잠재적 소스들을 배치하여 임의의 누설 연료를 연소하기 위해 공기가 항상 초과 량으로 이용가능한 것을 조심하는 것이다. 이러한 접근법은 용접되지 않은 접속들을 갖는 모든 연료 매니폴딩 (manifolding)(즉, 누설의 소스) 을 포함하기에 충분히 크고 공기/배출 스트림의 압력 레벨에 적합한 기밀 인클로저를 필요로 한다.
상술한 누설을 처리하기 위한 방법은 특히 누설이 상대적으로 높은 경우에 편리하다. 하지만, 일부 프로세스 및 레이아웃 구성들에서, 기밀 공간 내에 모든 연료 커넥터들을 맞추기 위한 요건은 시스템 소형화, 유지능력 및 비용에 악영향을 미칠 수 있다. 특히 개방-공기 매니폴드형 스택들의 경우, 즉 스택들이 공기 피드 도관 (duct) 의 둘레에 대해 밀봉될 경우, 그러한 도관 내의 모든 연료 커넥터들에서의 맞춤은 종종 비실용적이다.
여러 스택들로 구성된 고온 연료 전지 또는 전기 분해 시스템에서, 상이한 스택들에서 발생하는 동작 조건들의 관리는 시스템 성능 및 수명을 최대화하는데 극히 중요하다. 상이한 온도에서 동작하는 스택들은 상이한 내부 저항 및 유동 저항을 가지게 되어, 체적 유량에서의 차이들을 유도하고 이로써 연료 활용, 전압 및 온도 구배에서 차이를 야기한다. 이러한 차이들은 최소의 유익한 조건들에서 동작하는 그러한 스택들의 열화를 가속화하기 쉽고 따라서 시스템의 수명을 제한한다. 대책으로서, 동작 조건들에서의 안전 마진은 이러한 스택들이 불리한 조건들을 경험하지 않도록 하기 위해 전역적으로 증가될 수 있지만, 안전 마진의 증가는 통상적으로 시스템 출력을 감소시키고 및/또는 비용을 증가시킨다.
종래 기술의 실시형태들에서, 동작 조건들에서의 차이들을 최소화하는 방법은 유동 균질화를 위한 대칭, 가이드 베인들 (guide vanes) 및 유동 한정기와 같은 수동 수단뿐만 아니라 스택 방식 또는 스택 그룹 방식의 유동 또는 로딩 제어를 위한 수단과 같은 활성 수단을 포함한다. 여러 방법들의 조합이 통상적으로 사용된다. 가능한 동작 조건들을 달성하기 위한 노력은 시스템 레이아웃에 제약을 두며 통상적으로 연료 전지 또는 전기 분해 시스템 지오메트리들의 선택에서 결정적인 요인이 된다.
고온 연료 전지 시스템들에서 상당한 복잡성과 비용은 통상적으로 계면들 및 경계들, 예컨대 고온 (hot) 및 냉각 (cold) 구획 (compartment) 사이의 가스, 전기 분해, 및 기계적 지원 피드스루 (feedthrough) 들에 관련된다. 고온 및 냉각 구조들 사이의 접속이 기밀 냉각 벽을 통해 고온 파이프를 통과하는 것과 같이 이루어져야 하는 경우, 열 손실 및 열기계적 응력들의 관리는 통상적으로 비용이 높고 및/또는 공간 소비적 배열들을 필요로 하는 사안이 된다. 또한, 상이한 고온 컴포넌트들 사이의 이송 파이프들은 냉각 구조들 및 열기계적 보상기들로부터의 지원을 필요로 할 수도 있다. 따라서, 고온-냉각 피드스루들 및 이송 파이프들의 최소화가 바람직하다. 이것은 컴포넌트들의 통합에 의해 달성될 수 있다. 종래 기술의 실시형태들에서, 버너들, 개질기(들) 및 열 교환기들을 통합하는 다양한 설계들이 제시된다. 적절한 대칭 또는 열 관리로, 그러한 배열들은 연료 전지들에 인접하게 될 수 있다. 하지만, 이러한 배열들은 애노드 재순환을 활용하지 않거나 또는 애노드 재순환이 스택 구획의 외부에 배열되어, 비용이 높은 피드스루들 및/또는 재활용될 가스의 중간 냉각을 필요로 한다. 다중 스택들을 포함하는 시스템에서 모든 스택들을 하나의 구획으로 통합함으로써 피드스루들의 양 및 열 손실을 최소화하는 것이 또한 유리하다. 또한, 스택 특정 또는 스택 그룹 특정 절연을 회피하면 시스템 비용 및 체적을 감소시킨다. 하지만, 공통 환경에서 다수의 스택을 통합하는 것은 통상적으로 상이한 스택들 사이의 동작 조건들에서의 차이들을 본질적으로 도입한다.
다중 스택 배열체에서, 성능 및 수명에서의 환경 유도적 변동들을 최소화하고 개별 스택들의 조기 고장을 방지하기 위해 스택 배열체 내에서 동작 조건들을 밸런싱하는 것이 가장 중요하다. 대칭을 사용하면 차이들을 본질적으로 최소화하는 양호한 접근법을 제공할 수 있지만, 다수의 스택으로 합리적인 기하학적 치수들 내에서 또는 합리적인 가격으로 완벽한 대칭을 달성하는 것이 가능하지 않을 수도 있다. 게다가, 다수의 개별 스택들을 가짐에도 불구하고, 통상적으로 개질기들, 버너들, 열 교환기들, 이젝터들, 블로어들 및 밸브들과 같은, BoP (balance of plant) 에서 공통 컴포넌트들을 사용하는 것이 유익하다. 이들에 대한 인터페이싱은 통상적으로 다르게는 대칭 배열에서 비대칭을 도입한다.
스택들의 완전 대칭, 예를 들어 원형 또는 직사각형 구성 대신, 로우의 중간으로부터 또는 일단, 양단으로부터 피드들을 갖는 로우 구성으로 스택들을 배열하는 것이 비용 및 공간에서 더 효과적일 수도 있다. 공기 아웃렛이 자유롭게 유동하는 공간 내의 연료 및 공기 인렛 구조들을 수송하거나, 또는 대안으로 공기 인렛을 수송하는 공간에서의 공기 아웃렛 파이프들 및 연료 파이프들을 수송하는 것이 유리하다. 양자의 경우들에서, 공기를 수송하는 상기 공간 내의 상기 파이프들을 절연시키지 않는 것이 이로운데, 이는 유해한 입자들이 절연으로부터 박리하고 그 유동으로 이동할 수도 있기 때문이다. 게다가, 저온인 인렛 파이프들과 고온인 아웃렛 파이프들 사이에서 본질적으로 발생하는 방사 열 교환은 별도의 열 교환기들의 필요성 및 의무를 감소시키는데 유리하다. 하지만, 로우 구성으로 열 교환을 겪는 분배 파이프들은 분배 공통 레일을 따라 상이한 유동 분기들의 유동 온도들에서의 차이들을 도입한다. 합리적인 사이즈의 분배 파이프들에서의 압력 손실 및 동적 압력은 또한, 유동 분기들 사이의 압력 차이들을 도입항 상이한 스택들 또는 스택들의 그룹을 공급한다. 또한, 로우 구성을 따라 작동하는 반응물 공급 파이프들의 온도 변화는 유동 구성들에서 상이한 스택들에 의해 경험되는 열적 방사 필드를 변화시킨다. 이러한 현상 모두는 스택들의 동작 조건들에서의 변동들을 도입하며, 이는 이들의 성능 및 수명에 영향을 미친다. 이러한 변동의 악영향을 회피하기 위해, 허용된 제한들이 국부적으로 초과되지 않는 것을 보장하도록 전역 동작 파라미터들에 적절한 안전 마진이 적용되어야 한다.
분기들 사이의 유동에서의 유동 편차들은, 분배 배열 내의 압력 강하들보다 분기들 내의 압력 강하들이 우세하도록 유동 분기들에서 충분한 압력 강하를 지정함으로써 감소될 수 있다. 하지만, 이러한 분배 배열이 상이한 유동 분기들로 전환시키는 반응물의 가열 또는 냉각에서의 차이들을 수반하는 경우, 그러한 온도 차이들은 유체의 밀도 및 점도에서의 변동들을 야기하며, 이는 다시 유동에서의 편차들을 도입한다. 또한, 스택들에 대한 반응물들의 인렛 온도에서의 차이는, 예를 들어 스팀 개질의 함유된 흡열 및/또는 발열을 통해 그리고 유체 그 자체의 열 함량을 통해 모두 스택의 열적 밸런스에 현저히 영향을 미친다. 이것은 스택들 사이의 차이들을 증폭하는 포지티브 피드백 현상을 야기할 수 있다. 환언하면, 가장 저온인 스택은 (최고 밀도에 기인한) 연료의 대부분 및 공기의 대부분을 수용하며, 이에 의해 유동에 의한 최고 냉각 및 최고 양의 발열 스팀 개질의 양자 모두를 가져서, 이를 추가로 더 냉각시킨다. 각각, 가장 고온인 스택은 적어도 냉각 반응물을 수용하고 따라서 유동에 의해 최저 양의 냉각을 갖는다. 이것은 또한 그 온도를 추가로 상승시키는 경향이 있는 내부 개질을 갖는다.
아웃렛에서의 온도는 비대칭 피드의 경우에서 인렛에서보다 더 작은 차이를 가지는 경향이 있기 때문에, 스택들의 아웃렛 스트림에 배치된 유동 한정 엘리먼트들은 유동을 밸런싱하는데 가장 효과적이다. 하지만, 다르게는 불균일한 유동 분배를 보상하기 위한 수단으로서의 큰 압력 강하가 시스템 기생 손실을 증가시키고 특히 반응물 순환 배열들에 대한 요건들을 증가시킨다. 특히 이젝터 구동 애노드 또는 캐소드 재순환으로, 부가적인 압력 강하들이 재순환(들)의 성능을 심각하게 감소시킬 수 있다. 또한, 유동 한정 엘리먼트들은 제조 허용 오차에 민감하다.
발명의 목적은 개선된 유동과 온도 밸런스 조건들 및 개선된 조건들을 갖는 전지 시스템을 달성하는 것이다. 이것은 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 스택 배열체에 의해 달성되고, 전지 시스템에서의 각각의 전지는 애노드 측, 캐소드 측, 및 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질을 포함하고, 전지 시스템은 전지 스택들에서의 전지들을 포함한다. 배열체는 로우 배열로 배열된 스택들을 포함하고, 스택들은 적어도 2 개의 로우들에서 나란히 배열되며, 배열체는 스택들에 공기를 피드하기 위한 공기 피드-인 도관 (air feed-in ducting) 을 포함하고, 이 도관은 공기 인렛 단부들을 가지며, 이 공기 인렛 단부들은 밀봉된 공기 피드 공간에 수송되고, 밀봉된 공기 피드 공간은 스택들 그 자체에 의해 인클로징된 공기 피드 공간의 적어도 2 개의 측부들을 갖는 스택 로우들 사이에 형성되며, 배열체는 스택들에 연료를 피드하기 위한 연료 피드-인 공통 레일, 연료 피드-인 도관 및 개별 피드-인 채널링과, 이 연료 피드-인 공통 레일, 연료 피드-인 도관, 개별 피드-인 채널링 및 공기 피드-인 도관 중 적어도 하나를 따라 적어도 하나의 방사열 전달 보상 엘리먼트, 스택들에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들을 수행하기 위한 수단, 및 전지 시스템에서 유동 밸런싱된 연료 유동들을 수행하기 위한 수단을 포함한다.
발명의 초점은 또한 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 방법이다. 이 방법에서는, 전지 스택들이 로우 배열로 배열되어 스택들이 적어도 2 개의 로우들에서 나란히 배열되고, 공기 인렛 단부들을 갖는 공기 피드-인 도관에 의해 스택에 공기가 피드되고, 공기 인렛 단부들은 밀봉된 공기 피드 공간에 수송되고, 밀봉된 공기 피드 공간은 스택들 그 자체에 의해 인클로징된 공기 피드의 적어도 2 개의 측부들을 갖는 스택 로우들 사이에 형성되고, 그리고 이 방법에서는 피드-인 공통 레일, 연료 피드-인 도관 및 개별 피드-인 채널링에 의해 스택들에 연료가 피드되고, 이 연료 피드-인 공통 레일, 연료 피드-인 도관, 개별 피드-인 채널링 및 공기 피드-인 도관 중 적어도 하나를 따라 방사열 전달 보상이 수행되고, 스택들에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들이 수행되며, 전지 시스템에서 유동 밸런싱된 연료 유동들이 수행된다.
발명은 공기 인렛 단부들을 갖는 공기 피드-인 도관에 기초하며, 이 공기 인렛 단부들은 스택들에 공기를 피드하기 위해, 밀봉된 공기 피드 공간에 수송되고, 스택들은 적어도 2 개의 로우들에서 나란히 배열된다. 밀봉된 공기 피드 공간은 스택들 그 자체에 의해 인클로징된 공기 피드 공간의 적어도 2 개의 측부들을 갖는 스택 로우들 사이에 형성된다. 발명은 또한, 연료 피드-인 공통 레일, 연료 피드-인 도관, 개별 피드-인 채널링 및 공기 피드-인 도관 중 적어도 하나를 따라 방사열 전달 보상과, 스택들에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들을 수행하는 것, 그리고 전지 시스템에서 유동 밸런싱된 연료 유동들을 수행하는 것에 기초한다.
발명의 이익은 컴팩트하고 경제적으로 유익한 연료 전지 또는 전기 분해 전지 시스템이 설치될 수 있다는 것이다. 또한, 밀봉 문제들이 적어도 부분적으로 제거될 수 있기 때문에, 전지 시스템의 기능성이 개선될 수 있다.
도 1 은 단일 연료 전지 구조를 제시한다.
도 2 는 SOFC 디바이스의 일 예를 제시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 고온 전지 시스템의 예시적인 스택 배열체를 제시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 스택 로우 형성을 제시한다.
고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 들은 다수의 지오메트리들을 가질 수 있다. 평면 지오메트리 (도 1) 는 연료 전지들의 대부분의 유형에 의해 채용된 통상적인 샌드위치형 지오메트리이며, 여기서 전해질 (104) 은 전극들인, 애노드 (100) 와 캐소드 (102) 사이에 샌드위치된다. SOFC들은 또한, 예를 들어 공기 또는 연료가 튜브의 내측을 통해 패스되고 다른 가스는 튜브의 외측을 따라 패스되는 튜브형 지오메트리들로 제작될 수 있다. 이것은 또한, 연료로서 사용된 가스가 튜브의 내측을 통해 패스되고 공기는 튜브의 외측을 따라 패스되도록 배열될 수 있다. SOFC들의 다른 지오메트리들은 수정된 평면 전지들 (MPC 또는 MPSOFC) 을 포함하며, 여기서 파형 구조가 평면 전지의 전형적인 평탄한 구성을 대체한다. 이러한 설계들은 평면 전지들 (낮은 저항) 및 튜브형 전지들 양자 모두의 이점들을 공유하기 때문에 유망하다.
대형 고체 산화물 연료 전지 시스템들에서, 통상적인 연료들은 천연 가스 (주로 메탄), 상이한 바이오가스 (주로 질소 및/또는 이산화탄소 희석된 메탄), 및 다른 고 탄화수소 함유 전지들 또는 알코올들이다. 메탄 및 고 탄화수소들은 연료 전지 스택들 (103) 에 진입하기 전에 개질기 (107)(도 2) 에서 또는 (부분적으로) 내부적으로 연료 전지 스택들 (103) 내부에서 개질될 필요가 있다. 개질 반응들은 소정 양의 물을 필요로 하고, 또한 부가적인 물은 고 탄화수소들에 의해 야기된 가능한 탄소 형성 (코우킹 (coking)) 을 방지하는데 필요하다. 이러한 물은 애노드 가스 배출 유동을 순환시키는 것에 의해 내부적으로 제공될 수 있는데, 이는 물이 연료 전지 반응들에서 초과 양으로 생성되고, 및/또는 상기 물이 보조 물 피드 (예를 들어, 직접 담수 피드 또는 배출 응축의 순환) 로 제공될 수 있기 때문이다. 또한, 애노드 재순환 배열에 의해 애노드 가스에서 사용되지 않은 연료 및 희석제들의 일부가 프로세스로 다시 피드되는 반면, 보조 물 피드 배열에서는 단지 프로세스에 대한 첨가제가 물이다.
본 발명에 따른 배열체에서, 스택들은 개별 스택들의 동작 조건들에서의 편차들이 피드들에서의 비대칭에도 불구하고 그리고 분배 파이프들 상의 격리 (isolation) 결여에도 불구하고 본질적으로 제로이도록 피드들에 관하여 적어도 하나의 로우 구성으로 배열된다. 제로에 근접한 편차들은 스택들에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 아웃렛들로 전후 형성에서 스택 로우들에 공기를 피드하는 것과, 연료 피드-인 분기들에서 분기 특정 압력 강하 엘리먼트들을 가지는 것, 그리고 연료 피드-인 공통 레일들을 따라 적어도 하나의 열 전달 강화 엘리먼트를 사용하는 것에 의해 달성된다. 스택들 (103) 에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들을 수행하기 위한 수단은 또한, 예를 들어 천공된 (perforated) 파이프들에 의해 달성될 수 있다. 스택들은 타워들로 배열되고 타워들은 추가로 스택 공기 인렛들 (및 중간 시일들) 은 상기 직육면체 공간의 적어도 2 개의 가장 큰 면들을 구성하고 공기 피드 구조들은 나머지 면들 중 2 개를 구성하는, 본질적으로 직육면체 형상의 공기 인렛 공간이 2 개의 로우들의 모든 매 쌍 사이에 형성되도록 로우들에서 나란히 배열된다. 인접 스택 타워들 사이의 클리어런스들을 통해 스택들의 공기 우회 유동을 방지하기 위해, 상기 클리어런스들은 예를 들어, 세라믹 블록들 또는 섬유들, 밀봉 가스켓들 또는 이들의 조합으로 충진될 수 있다. 상기 직육면체 공간 내에서, 양 단부들에 공통 헤더를 갖는 천공된 만곡부, 예를 들어 U 형상의 튜브들 또는 직선 튜브들이 사용되어 전후 배열에서 지그-재그 공기 피드 패턴을 용이하게 할 수 있다. 스택 공기 인렛들로의 균일한 유동 및 온도 프로파일을 용이하게 하는 튜브들이 동축으로 또한 배열될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 스택 공기 인렛 면들은 직육면체 경계들의 총 면적의 50% 이상을 구성한다.
본 발명에 따른 배열체에서, 스택 로우들은 내부 체적이 적어도 부분적으로 캐소드 아웃렛 통로를 구성하는 격리된 기밀 인클로저에 포함될 수 있다. 애프터버너 (afterburner) 는 상기 인클로저 내부에 또는 외부에 위치될 수 있다. 대안으로, 연료 시스템을 나가는 미사용 연료의 포스트 산화가 상기 인클로저 내의 다수의 위치들에 배열될 수 있다. 연료 시스템을 나가는 미사용 연료의 일부 또는 전부는 또한 예를 들어, 수소 발생을 위해 추출될 수 있다. 연료 공급 파이프들은 상기 캐소드 아웃렛 통로 섹션 내측에 그리고 인접 스택 타워들의 상기 로우들을 따라 위치된다. 상기 공급 파이핑들은 각각의 스택 로우 내에 적어도 하나의 열 전달 강화 엘리먼트 및 적어도 하나의 압력 강하 구조를 포함한다. 적어도 하나의 열 전달 강화 엘리먼트들은 로우들을 따라 파이프 표면들에서의 구배들을 보상하기 위해 스택 로우들에 대해 비대칭으로 연료 피드 파이프들 내에 배치된다. 열 전달 강화 엘리먼트들은 예를 들어, 파이프들 내측의 주름진 구조들 또는 플레이트들, 파이프 표면 상의 변형들 또는 핀들일 수 있다. 열전달 강화 엘리먼트는 또한 압력 강하 엘리먼트로서 기능할 수 있고, 상이한 지오메트리들이 상이한 위치들에 사용되어 열 전달 대 압력 강하의 최적화를 달성할 수 있다. 압력 강하 엘리먼트들은 반응물 공급 구조들을 따라 다양한 파이프 인서트 (insert)들, 오리피스 (orifice) 들 및 홀들로 구성될 수 있다.
큰 온도 차이를 겪고 있는 큰 지오메트리에서, 상이한 구조들의 열 팽창에서의 차이가 고려되어야 한다. 통상적으로, 벨로즈 (bellows) 와 같은 보상 수단이 분배 파이프들의 적어도 일부를 따라 필요하다. 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시형태에서, 로우 구성을 따라 개별 스택 그룹들로의 유동 분기들은 다수의 벤드 (bend) 들을 포함하여, 고유 유연성을 제공하고 따라서 벨로우즈의 필요성을 최소화할 수 있다..
본 발명에 따른 대안의 실시형태에서, 각각의 2 개의 스택 타워 로우들 사이의 공간은 공기 아웃렛 공간일 수 있고 공기 인렛은 절연된 기밀 용기 외측, 내측에 위치될 수 있다. 연료 파이핑은 공기 인렛 또는 아웃렛 공간 내에 또는 상기 공간들, 예를 들어 스택 로우 밑에 또는 위에 배열될 수 있다. 연료 공통 레일링은 스택들에 연료를 지원 및 피딩하는 구조들의 일부로서 배열될 수 있다 (매니폴드들). 매니폴드들은 타워 특정이거나, 2 개의 인접 또는 2 개의 대향하는 스택 타워들에 대해 공통이거나, 또는 4 개 이상의 타워들에 대해 공통일 수 있다. 매니폴드들은 타워의 중간에, 인렛 및 아웃렛 연료에 대해 별도의 매니폴드들을 갖는 일단 또는 양단에 배치될 수 있다. 높은 타워 구성에서, 균일한 연료 유동을 용이하게 하기 위해 스택 타워의 상이한 높이들로 다수의 매니폴드들을 가지는 것이 가능하다.
시스템이 모든 스택들에 동등한 동작 조건들을 제공하도록 설계됨에도 불구하고, 다양한 이유들로 인해 시스템의 상이한 부분에서 변동들이 발생할 수 있다. 본 발명에 따른 공기 피드 배열은 온도, 기류 또는 유동에서의 차이들을 보상하는 것을 허용하는 상이한 스택 그룹들의 가열된 공기 인렛 스트림에 냉각 공기의 제어가능한 양을 혼합하는 수단을 포함할 수 있다. 유사하게, 상이한 유동 분기들에 작은 양의 초과 연료를 주입하는 수단이 보상 수단으로서 제공될 수 있다.
스택들은 통상적으로 적어도 동작 동안 적용될 외부 압축을 필요로 한다. 압축은 압력을 인가함으로써 또는 일부 경우들에서는 스택 타워들에 가중을 가함으로써 스프링들에 의해 배열될 수 있다. 압축 카운터포스 (counterforce) 는 냉각 구조들을 통해, 예컨대 공기 밀봉 인클로저를 통해, 또는 고온 환경을 통해 부분적으로 작동하는 로드들 또는 플레이트들을 사용하여 이송될 수 있다. 일정한 압축을 필요로 하는 스택들에 대해, 시스템 어셈블리 및 디스어셈블리 동안 적용될 특수 이송 압축 배열들이 필요할 수 있다. 본 발명에 따른 실시형태에서, 매니폴드는 런타임 압축 및/또는 이송 압축을 위해 단일 또는 다수의 스택 타워들에 대한 힘 분배 플레이트로서 작용할 수 있다.
스택들의 단락 (short-circuiting) 을 방지하고 전기적 쇼크의 우려를 회피하기 위해, 가스 피드 파이프라인들을 포함한, 갈바닉 (galvlanic) 콘택에서의 임의의 구조로부터 그리고 시스템 섀시 (chassis) 로부터 연료 전지 스택들의 적어도 일부를 전기적으로 격리시키는 것이 종종 요구된다. 격리 강도 요건들은 접속 토폴로지, 전력 변환 토폴로지 및 관련 규정들에 의존한다. 본 발명에 따른 실시형태들에서, 격리는 열적 격리와 통합된 또는 스택 내부에, 시일들과 관련하여, 가스 피드 파이프들 및 지지 구조들을 따라, 스택과 매니폴드 사이와 같은 스택-시스템 계면의 다양한 다수의 부분들에 위치될 수 있다. 격리 엘리먼트들은 낮은 전기 전도도, 별개의 세라믹 부분들, 다양한 섬유들, 또는 이들의 조합의 다양한 시일들일 수 있다. 시스템은 런타임 동안 격리 강도를 모니터링하는 수단을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시형태들에서, 개별 보상 엘리먼트들은 유동 한정들 (벽 또는 파이프에서의 홀들을 포함), 열 전달 강화 엘리먼트들 등을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 배열체는, 예를 들어 양자 모두가 중간에서 공기 채널을 갖는 임의의 횡단면에서 반대 방향들로 수평 유동들에서 유동들을 갖는, 공기 및 연료 피드-인 파이핑들, 즉 도관들을 포함하는 배열일 수 있다.
도 3 및 도 4 에 제시된 본 발명에 따른 고온 전지 시스템의 예시적인 스택 배열체에서, 전지 시스템은 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템일 수 있다. 전지 시스템에서의 각각의 전지는 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함한다. 전지 시스템은 전지 스택들 (103) 에서의 전지들을 포함한다. 스택 배열체는 로우 배열로 배열된 스택들 (103) 을 포함하고, 스택들은 적어도 2 개의 로우들에서 나란히 배열되며, 배열체는 스택들 (103) 에 공기를 피딩하기 위해 공기 피드-인 도관 (120) 을 포함한다. 도관은 공기 인렛 단부들 (130) 을 가지며, 이들은 밀봉된 공기 피드 공간 (132) 에 수송되고, 밀봉된 공기 피드 공간은 스택들 그 자체에 의해 인클로징된 공기 피드 공간의 적어도 2 개의 측부를 갖는 스택 (103) 로우들 사이에 형성된다. 측부들, 즉 공기 피드 공간 (132) 의 면들은 스택들과 함께 바람직하게 직사각형 횡단면을 갖는 공간을 형성한다. 플렉서블 재료가 인접 스택들 (103) 사이의 공간을 밀봉하기 위해 그리고 치수 허용 오차를 보상하기 위해 사용된다. 상기 플렉서블 재료는 또한 전기적 격리 재료일 수 있다.
또한 재료 조합이 사용될 수 있으며, 여기서 하나의 재료는 플렉서블이고 다른 재료는 전기적 격리이다. 유연성은 재료(들) 에 대한 허용 오차가 충분히 크면 필요하지 않다. 본 발명에 따른 스택 배열체는 스택들 (103) 에 연료를 피딩하기 위해 연료 피드-인 공통 레일 (133), 연료 피드-인 도관 (122) 및 개별 피드-인 채널링 (131), 그리고 이 연료 피드-인 공통 레일 (133), 연료 피드-인 도관 (122) 및 개별 피드-인 채널링 (131) 중 적어도 하나를 따라 적어도 하나의 방사열 전달 보상 엘리먼트 (134) 를 포함한다. 방사열 전달 보상 엘리먼트 (134) 는 예를 들어, 수력학적 직경 (hydraulic diameter) 의 감소를 위한, 대류 열 전달의 개선을 위한, 또는 난류의 강화를 위한 인서트 엘리먼트일 수 있다. 유사한 열 전달 보상 엘리먼트 (134) 는 또한 본 발명에 따라 공기 피드-인 도관들 (120) 에 적용가능할 수 있다. 일 실시형태에서, 방사열 전달 보상 엘리먼트 (134) 는 반응물 도관 분기들 사이에 균일한 인렛 온도를 제공하기 위해 분기 특정 보상 엘리먼트일 수 있다.
도 3 및 도 4 에서 본 발명에 따른 스택 로우 형성이 도시된다. 스택 배열체는 스택들 (103) 에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들을 수행하기 위한 수단 (135) 을 포함한다. 수단 (135) 은 예를 들어, 전후 배열 (135a)(도 3) 에 의해 달성될 수 있다. 스택들 (103) 에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들을 수행하기 위한 수단 (135) 은 또한, 예를 들어 천공된 파이프들에 의해 달성될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 압력 강하를 제공하는 유동 밸런싱 엘리먼트들은 밸런싱되지 않은 상황에서 최저 유동을 갖는 적어도 하나를 제외한 모든 병렬 분기들에 배치된다. 따라서, 밸런싱으로 인한 전반적인 압력 손실 증분은 본질적으로 제로이다.
도 3 및 도 4 에 제시된 본 발명에 따른 스택 배열체는 전지 시스템에서 유동 및 온도 밸런싱된 연료 유동들을 수행하기 위한 수단 (137) 을 더 포함한다. 수단 (137) 은 로우 및 유동 방향에 관하여 비대칭으로 배치되어 있는 각각의 스택 (103) 에 대해 적어도 하나의 열 전달 엘리먼트 (142) 를 포함할 수 있다. 유동 및 온도 밸런싱된 반응물 유동들을 수행하기 위한 수단 (137) 은 또한, 연료 피드-인 공통 레일 (133) 에서의 압력 및 온도 차이들을 보상하기 위해 파이프 길이, 수력학적 직경 및/또는 압력 강하 특징이 스택 특정인 스택 그룹 특정 방사열 전달 보상 엘리먼트 (134) 를 포함할 수 있다. 환언하면, 파이프 길이, 수력학적 직경 및 압력 강하 특징 중 적어도 하나는 연료 피드-인 공통 레일 (133) 에서의 압력 및 온도 차이들을 보상하기 위해 각각의 스택에 따라 선택될 수 있다.
일 실시형태에서, 본 발명에 따른 방사열 전달 보상 엘리먼트 (134) 배열은 연료 피드-인 측에서 또는 공기 피드-인 측에서, 또는 이들 양자 모두에서, 만곡된 파이프 구조들 (140) 을 포함할 수 있다. 반응물 도관 분기들 사이에 균일한 인렛 온도를 제공하기 위해, 방사열 전달 보상 엘리먼트는 벽 온도 관리 배열들의 상이한 종류들을 통해 모든 연료 전지 스택들에 대해 균일한 열 방사 환경을 제공하는데 활용될 수 있다.
본 발명에 따른 공통 레일 구조들은 수개의 병렬 분기들로부터 초과 로컬 유동들이 균일하게 제거되기 때문에 스택 배열체를 강건하게 하고 누설 및 우회 유동들로 인한 유동들의 불균형 분배를 최소화한다.
본 발명에 따른 스택 배열체는 애노드 측 (100) 으로부터 잔류 가스의 버닝을 수행하기 위한 애프터버너를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 배열체는 공기 피드 공간 (132) 에 수용되는 공기 히터를 포함할 수 있다. 공기 히터는 바람직하게 스택들 (130) 사이의 공기 분배와 협력하여 배치되어, 대류 및 방사 양자 모두에 의한 가열을 제공할 수 있다. 히터는 예를 들어, 전기 히터 또는 버너 배열 또는 이들의 조합일 수 있다.
본 발명에 따른 실시형태들에서, 불균일한 열 격리를 달성하기 위해 인서트 엘리먼트(들)(134) 이 활용될 수 있다. 예를 들어, 원하는 온도를 갖는 가스 유동들을 형성하기 위해 수송된 유체에서의 온도 구배에도 불구하고 안정적인 외부 파이프 표면 온도가 달성될 수 있다. 파이프 인서트들 (134) 은 벽이 열적으로 밸런싱될 도관 표면 또는 파이프에 관하여 가능한 높은 뷰 팩터를 갖도록 설계되는 것이 바람직하다. 일 실시형태에서, 파이프 인서트들은 바람직하게 예를 들어, 불순물들에 대한 트랩 또는 개질기로서 작동하도록 가공된 방사율 특징 또는 촉매 특징으로 코팅될 수 있다. 하나의 추가 실시형태에서, 상이한 열 팽창 계수를 갖도록 파이프 및 인서트 엘리먼트들 (134) 의 재료 조합의 선택이 수행될 수 있고, 따라서 스택 엘리먼트는 구조들에서 열적 이동들을 보상하도록 설계될 수 있다.
일 실시형태에서, 방사 및 대류 열 전달의 상대적 비율들의 밸런싱은 확장된 동작 윈도우에 걸쳐 불균일한 열적 격리를 개선할 수 있다. 유사하게, 유동 밸런싱에 대해, 선형 및 이차 압력 강하 특징이 압력 손실 엘리먼트들에서 밸런싱되어 동작 윈도우를 현저하게 확장할 수 있다. 또한 방사의 소스들에 관하여 감소된 대칭 요건들을 통한 방사열 전달 구조들의 간략화가 본 발명에 따른 실시형태들에서 불균일한 열 격리를 가능하게 한다. 상이한 종류의 열 방사 전달 방법들이 파이핑 내측에서 동시에 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명은 그 사상 또는 본질적인 특징들을 벗어나지 않으면서 다른 특정 형태들로 구현될 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다. 따라서 현재 개시된 실시형태들은 모든 관점들에서 예시적인 것으로 고려되고 한정되지 않는다. 발명의 범위는 상술한 설명보다는 첨부된 청구항들에 의해 시사되며 그의 의미 및 범위 그리고 등가물 내에서 나오는 모든 변경들이 거기에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (16)

  1. 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 스택 배열체로서,
    상기 전지 시스템에서의 각각의 전지는 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 상기 애노드 측과 상기 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함하고, 상기 전지 시스템은 전지 스택들 (103) 에서의 전지들을 포함하며,
    상기 배열체는 로우 배열로 배열된 상기 스택들 (103) 을 포함하고, 상기 스택들은 적어도 2 개의 로우들에서 나란히 배열되고, 상기 배열체는 상기 스택들 (103) 에 공기를 피드하기 위한 공기 피드-인 도관 (120) 을 포함하고, 상기 도관은 공기 인렛 단부들 (130) 을 갖고, 상기 공기 인렛 단부들은 밀봉된 공기 피드 공간 (132) 에 수송되고, 상기 밀봉된 공기 피드 공간은 상기 스택들 그 자체에 의해 인클로징된 상기 공기 피드 공간의 적어도 2 개의 측부들을 갖는 스택 (103) 로우들 사이에 형성되고, 그리고
    상기 배열체는 상기 스택들 (103) 에 연료를 공급하기 위한 연료 피드-인 공통 레일 (133), 연료 피드-인 도관 (122), 및 개별 피드-인 채널링 (131) 과, 상기 연료 피드-인 공통 레일 (133), 상기 연료 피드-인 도관 (122), 상기 개별 피드-인 채널링 (131), 및 상기 공기 피드-인 도관 (120) 중 적어도 하나를 따르는 적어도 하나의 방사 열 전달 보상 엘리먼트 (134), 상기 스택들 (103) 에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들을 수행하기 위한 수단 (135), 및 상기 전지 시스템에서 유동 밸런싱된 연료 유동들을 수행하기 위한 수단 (137) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 스택 배열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택들 (103) 에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들을 수행하기 위한 수단 (135) 은, 전후 배열 (135a) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 스택 배열체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택들 (103) 에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들을 수행하기 위한 수단 (135) 은 천공된 파이프들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 스택 배열체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배열체는 상기 로우 및 유동 방향에 관하여 비대칭으로 각각의 스택 (103) 로우에 대해 적어도 하나의 방사 열 전달 보상 엘리먼트 (134) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 스택 배열체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 및 온도 밸런싱된 연료 유동들을 수행하기 위한 수단 (137) 은, 상기 연료 피드-인 공통 레일 (133) 에서의 압력 및 온도 차이들을 보상하기 위해 파이프 길이, 직경 및 압력 강하 특징들 중 적어도 하나로 스택 그룹 특정 방사 열 전달 보상 엘리먼트 (134) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 스택 배열체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배열체는 상기 공기 피드 공간 (132) 에서 수용되는, 공기 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 스택 배열체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사열 전달 보상 엘리먼트 (134) 는 만곡된 파이프 구조들 (140) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 스택 배열체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배열체는 인접 스택들 (103) 사이의 공간을 밀봉하고 치수 허용 오차를 보상하기 위해 플렉서블 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 스택 배열체.
  9. 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 방법으로서,
    상기 방법에서는, 전지 스택들 (103) 이 로우 배열로 배열되어 상기 스택들이 적어도 2 개의 로우들에서 나란히 배열되고, 공기 인렛 단부들 (130) 을 갖는 공기 피드-인 도관 (120) 에 의해 상기 스택들 (103) 에 공기가 피드되고, 상기 공기 인렛 단부들은 밀봉된 공기 피드 공간 (132) 에 수송되고, 상기 밀봉된 공기 피드 공간은 상기 스택들 (103) 그 자체에 의해 인클로징된 공기 피드 공간 (120) 의 적어도 2 개의 측부들을 갖는 스택 (103) 로우들 사이에 형성되며, 그리고
    상기 방법에서는, 피드-인 공통 레일 (133), 연료 피드-인 도관 (122) 및 개별 피드-인 채널링 (131) 에 의해 상기 스택들 (103) 에 연료가 피드되고, 연료 피드-인 공통 레일 (133), 상기 연료 피드-인 도관 (122), 상기 개별 피드-인 채널링 (131) 및 상기 공기 피드-인 도관 (120) 을 따라 방사열 전달 보상이 수행되고, 상기 스택들 (103) 에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들이 수행되며, 상기 전지 시스템에서 유동 밸런싱된 연료 유동들이 수행되는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 방법에서는, 전후 배열 (135a) 에 의해 상기 스택들 (103) 에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들이 수행되는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 방법에서는, 천공된 파이프들을 활용함으로써 상기 스택들 (103) 에 대해 유동 및 온도 밸런싱된 공기 피드-인 유동들이 수행되는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 방법에서는, 상기 로우 및 유동 방향에 관하여 비대칭으로 방사열 전달 보상이 수행되고, 상기 방사열 전달 보상은 각각의 스택 (103) 로우에 대해 수행되는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 방법에서는, 연료 피드-인에서 압력 및 온도 차이들을 보상하기 위해 파이프 길이, 직경 및 압력 강하 특징들 중 적어도 하나로 스택 그룹 특정 방사열 전달 보상에 의해 유동 및 온도 밸런싱된 연료 유동들이 수행되는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 방법에서는, 상기 공기 피드 공간 (132) 에서 공기가 가열되는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 방법에서는, 만곡된 파이프 구조들 (140) 을 사용함으로써 방사열 전달 보상이 수행되는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 방법에서는, 인접 스택들 (103) 사이의 공간을 밀봉하고 치수 허용 오차들을 보상하기 위해 플렉서블 재료가 사용되는 것을 특징으로 하는, 고온 연료 전지 시스템 또는 전기 분해 전지 시스템의 방법.
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