KR20200012834A - 단계식 연료 공급을 갖는 고체 산화물 연료 전지용 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
성형 기판 조립체는 공기 흐름 형성판, 연료 흐름 형성판, 및 애노드를 포함한다. 상기 연료 흐름 형성판은 상기 공기 흐름 형성판 위에 위치맞춤된다. 상기 연료 흐름 형성판은 복수 개의 제1 채널을 부분적으로 형성한다. 상기 연료 흐름 형성판은 또한, 복수 개의 제2 채널을 형성한다. 상기 복수 개의 제2 채널은 복수 개의 구멍을 형성하며, 이들 구멍의 일부는 상기 복수 개의 제2 채널부터 상기 복수 개의 제1 채널까지 연장한다. 상기 애노드는 상기 연료 흐름 형성판 위에 위치맞춤된다. 상기 애노드는, 상기 연료 흐름 형성판 및 상기 애노드가 상기 복수 개의 제1 채널을 형성하도록, 상기 복수 개의 제1 채널을 부분적으로 형성한다. 상기 복수 개의 구멍의 상기 일부는 상기 복수 개의 제2 채널로부터 상기 복수 개의 제1 채널에 연료의 흐름을 채널링하도록 구성된다.
Description
본 개시의 분야는 전체적으로 연료 전지 모듈에 관한 것이고, 특히 단계식 연료 공급(staged fuel supply)을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 연료로부터 화학 에너지를 전기로 변환한다. 연료 전지는 이온 전도층에 걸쳐, 산화제와 연료를 전기화학적으로 조합하여 기능한다. 보통, 연료 전지는 화학 반응을 유지하기 위하여, 연료 및 산소(또는 공기)의 연속적인 소스를 필요로 한다. 상기 연료는 대부분 수소 또는 메탄올, 메탄, 또는 천연 가스와 같은 수소 함유 조성물이다. 많은 종류의 연료 전지가 있지만, 연료 전지는 모두 애노드, 캐소드, 및 연료 전지의 애노드와 캐소드 사이에서 이온이 이동할 수 있도록 하는 전해질을 포함한다. 상기 애노드 및 캐소드는, 상기 연료가 이온 및 전자를 생성하는 산화 반응을 겪도록 하는 촉매를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지에서, 상기 캐소드로부터 상기 애노드로 전해질을 통해 산소 이온이 인출된다. 동시에, 전자가 상기 애노드로부터 상기 캐소드로 외부 회로를 통해 인출되어, 전기를 생성한다.
전형적인 연료 전지는 약 1 Volt 미만의 전위에서 동작한다. 발전 응용을 위한 충분한 전압을 달성하기 위하여, 수 많은 개별 연료 전지가 더 큰 구성요소, 즉 연료 전지 스택으로 일체화된다. 연료 스택을 만들어내기 위하여, 상호접속 부재 또는 "상호접속"을 이용하여, 인접 연료 전지들의 연료 및 산화제가 함께 섞이지 않는 방식으로, 인접한 연료 전지를 함께 전기적 직렬식(electrical series)으로 접속한다. 연료 전지 스택은 수백 개의 연료 전지로 구성될 수 있다. 연료 전지에 의해 생성되는 전력의 양은 연료 전지 종류, 전지 사이즈, 연료 전지가 동작하는 온도, 연료 전지에 공급된 가스의 압력 등과 같은 몇몇 인자에 의존한다. 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 같은 어떤 연료 전지는 산업적 그리고 지방자치체의 요구를 만족시키는 전기를 공급하는 대규모 전력 시스템에서 동작한다.
내부 개질(internal reforming)을 갖는 전형적인 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 연료 전지에 걸쳐 큰 온도 구배로 동작한다. 그러나, 연료전지에 전력을 공급하는 상기 전기화학 반응은 연료 전지의 효율을 증대시키는 최적의 온도를 갖고 있다. 상기 전기화학 반응은 흡열인 개질 반응(reformation reaction)과, 발열인 연료 전지 반응을 포함한다. 상기 연료 전지 반응은 상기 연료 전지 유닛의 온도를 증가시키고, 상기 개질 반응은 상기 연료 전지 유닛의 온도를 감소시킨다. 상기 개질 반응은 보통, 연료 채널의 유입구(inlet)에서 촉매 작용을 받는 반면에, 상기 연료 전지 반응은 보통 연료 채널의 길이를 따라 촉매 작용을 받는다. 따라서, 상기 연료 전지 유닛은 보통, 상기 연료 채널의 유입구에 저온 영역(cold region)을 갖고, 상기 연료 채널의 중간 또는 단부에 고온 영역(hot region)을 갖는다. 상기 고온 영역은 보통, 상기 저온 영역보다 더 많은 전류를 생성하지만, 더 빠른 열화를 겪는다. 상기 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 전체에 걸친 이러한 불균일한 온도 분포는 상기 개질에 의해 야기되고, 연료 전지 반응은 최적화되지 않은 전류 분포 및 수명을 야기한다.
이러한 점을 염두에 두고, 연료 전지에 걸쳐 균일한 온도 구배를 제공하기 위한 새로운 프로세스는 당업계에서 환영받을 것이다. 이러한 프로세스는 연료 전지에 걸쳐 균일한 온도 구배를 기계적으로 제공할 수 있어야 한다. 상기 프로세스는 연료 전지의 전력 출력을 감소시키는 것을 피해야 한다. 더욱이, 상기 프로세스가 추가의 구성요소 또는 제어 과정을 추가하기 보다는 기존의 전지 구조로 구현가능하다면, 매우 유익할 수 있을 것이다.
한 가지 양태에 있어서, 연료 전지 모듈에 사용하기 위한 성형 기판 조립체(formed substrate assembly)가 제공된다. 상기 성형 기판 조립체는 공기 흐름 형성판(air flow form plate), 연료 흐름 형성판(fuel flow form plate), 및 애노드를 포함한다. 상기 연료 흐름 형성판은 상기 공기 흐름 형성판 위에 위치맞춤되고, 제1 단(end) 및 제2 단을 갖는다. 상기 연료 흐름 형성판은 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제1 채널을 부분적으로 형성한다. 상기 연료 흐름 형성판은 또한 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제2 채널을 형성한다. 상기 복수 개의 제2 채널은 복수 개의 구멍(apertures)을 형성하며, 이들 구멍의 일부는 상기 복수 개의 제2 채널부터 상기 복수 개의 제1 채널까지 연장한다. 상기 애노드는 상기 연료 흐름 형성판 위에 위치맞춤된다. 상기 애노드는, 상기 연료 흐름 형성판 및 상기 애노드가 상기 복수 개의 제1 채널을 형성하도록, 상기 복수 개의 제1 채널을 부분적으로 형성한다. 상기 복수 개의 구멍의 상기 일부는 상기 복수 개의 제2 채널로부터 상기 복수 개의 제1 채널에 연료의 흐름을 채널링하도록 구성된다.
다른 양태에 있어서, 연료 전지 모듈이 제공된다. 상기 연료 전지 모듈은 서로 위에 적층된 복수 개의 성형 기판 조립체를 포함한다. 각각의 성형 기판 조립체는 공기 흐름 형성판, 연료 흐름 형성판, 및 애노드를 포함한다. 상기 연료 흐름 형성판은 상기 공기 흐름 형성판 위에 위치맞춤되고, 제1 단 및 제2 단을 갖는다. 상기 연료 흐름 형성판은 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제1 채널을 부분적으로 형성한다. 상기 연료 흐름 형성판은 또한 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제2 채널을 형성한다. 상기 복수 개의 제2 채널은 복수 개의 구멍을 형성하며, 이들 구멍의 일부는 상기 복수 개의 제2 채널부터 상기 복수 개의 제1 채널까지 연장한다. 상기 애노드는 상기 연료 흐름 형성판 위에 위치맞춤된다. 상기 애노드는, 상기 연료 흐름 형성판 및 상기 애노드가 상기 복수 개의 제1 채널을 형성하도록, 상기 복수 개의 제1 채널을 부분적으로 형성한다. 상기 복수 개의 구멍의 상기 일부는 상기 복수 개의 제2 채널로부터 상기 복수 개의 제1 채널에 연료의 흐름을 채널링하도록 구성된다.
다른 양태에 있어서, 연료 전지 유닛을 통해 유체를 채널링하는(channeling) 방법이 제공된다. 상기 방법은 유체를 상기 연료 전지 유닛에 채널링하는 단계를 포함한다. 상기 연료 전지 유닛은 공기 흐름 형성판, 연료 흐름 형성판, 및 애노드를 포함한다. 상기 연료 흐름 형성판은 상기 공기 흐름 형성판 위에 위치맞춤된다. 상기 애노드는 상기 연료 흐름 형성판 위에 위치맞춤된다. 상기 애노드 및 상기 연료 흐름 형성판은 상기 연료 흐름 형성판의 제1 단으로부터 상기 연료 흐름 형성판의 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제1 채널을 형성한다. 상기 연료 흐름 형성판은 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제2 채널을 형성한다. 상기 복수 개의 제2 채널은 복수 개의 구멍을 형성하며, 이 구멍의 일부는 상기 복수 개의 제2 채널로부터 상기 복수 개의 제1 채널까지 연장한다. 상기 방법은 또한, 상기 유체의 제1 부분을 상기 복수 개의 제1 채널로 채널링하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 유체의 상기 제1 부분을 상기 애노드로 채널링하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한, 상기 유체의 제2 부분을 상기 복수 개의 제2 채널로 채널링하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 유체의 상기 제2 부분을 상기 복수 개의 구멍 중 상기 일부에 그리고 상기 복수 개의 제1 채널 내로 채널링하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한, 상기 유체의 상기 제2 부분을 상기 애노드에 채널링하는 단계를 포함한다.
다른 양태에 있어서, 연료 전지 모듈에 사용하기 위한 성형 기판 조립체가 제공된다. 상기 성형 기판 조립체는 공기 흐름 형성판, 연료 흐름 형성판, 및 애노드를 포함한다. 상기 연료 흐름 형성판은 상기 공기 흐름 형성판 위에 위치맞춤된다. 상기 연료 흐름 형성판은 복수 개의 제1 채널을 부분적으로 형성한다. 상기 연료 흐름 형성판 및 상기 공기 흐름 형성판은 복수 개의 제2 채널을 형성한다. 상기 복수 개의 제2 채널은 복수 개의 구멍을 형성한다. 상기 복수 개의 구멍 중 일부는 상기 복수 개의 제2 채널로부터 상기 복수 개의 제1 채널까지 연장한다. 상기 복수 개의 구멍 중 상기 일부는 상기 복수 개의 제2 채널부터 상기 복수 개의 제1 채널까지 연료의 흐름을 채널링하도록 구성된다. 상기 애노드는 상기 연료 흐름 형성판 위에 위치맞춤된다. 상기 연료 흐름 형성판 및 상기 애노드는 상기 복수 개의 제1 채널을 형성한다. 상기 애노드는 흡열 반응에 촉매 작용하도록 구성된다. 상기 복수 개의 구멍 중 상기 일부는 상기 성형 기판 조립체의 영역 - 상기 애노드가 상기 흡열 반응에 촉매 작용하는 영역 - 을 그 영역까지 연료의 흐름을 채널링함으로써 냉각하도록 구성된다.
본 개시의 상기 및 다른 특징, 양태 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 읽을 때 더 잘 이해될 것이며, 첨부 도면에서 유사한 부호들은 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분들을 나타낸다.
도 1은 예시적인 연료 전지 발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 발전 시스템의 연료 전지에 사용하기 위한 성형 기판 조립체의 제1 측부의 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 성형 기판 조립체를 통해 연장하는 복수 개의 구멍을 보여주는 도 2의 확대도이다.
도 4는 도 2에 도시한 성형 기판 조립체의 제2 측부의 개략적인 사시도이다.
도 5는 5-5선을 따라 취한, 도 4에 도시한 성형 기판 조립체의 일부의 개략적인 사시 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 성형 기판 조립체의 일부의 개략적인 확대 사시 단면도이다.
도 7은 도 5에 도시한 성형 기판 조립체의 개략적인 단부 사시 단면도이다.
달리 언급하지 않는다면, 본원에 제공한 도면은 본 개시의 실시예의 특징을 설명하기 위한 것이다. 이들 특징은 본 개시의 하나 이상의 실시예를 포함하는 다양한 시스템에 적용가능하다. 따라서, 도면은 본원에 개시된 실시예의 실시를 위해 요구되는 당업자가 알고 있는 종래의 모든 특징을 포함하지는 않는다.
도 1은 예시적인 연료 전지 발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 발전 시스템의 연료 전지에 사용하기 위한 성형 기판 조립체의 제1 측부의 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 성형 기판 조립체를 통해 연장하는 복수 개의 구멍을 보여주는 도 2의 확대도이다.
도 4는 도 2에 도시한 성형 기판 조립체의 제2 측부의 개략적인 사시도이다.
도 5는 5-5선을 따라 취한, 도 4에 도시한 성형 기판 조립체의 일부의 개략적인 사시 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 성형 기판 조립체의 일부의 개략적인 확대 사시 단면도이다.
도 7은 도 5에 도시한 성형 기판 조립체의 개략적인 단부 사시 단면도이다.
달리 언급하지 않는다면, 본원에 제공한 도면은 본 개시의 실시예의 특징을 설명하기 위한 것이다. 이들 특징은 본 개시의 하나 이상의 실시예를 포함하는 다양한 시스템에 적용가능하다. 따라서, 도면은 본원에 개시된 실시예의 실시를 위해 요구되는 당업자가 알고 있는 종래의 모든 특징을 포함하지는 않는다.
이하의 상세한 설명 및 청구범위에서, 다음의 의미를 갖는 것으로 정의되는 용어를 참조한다.
단수형 "부정관사" 및 "정관사"는 문맥이 달리 지시하지 않는다면, 복수형을 포함한다.
"선택적인" 또는 "선택적으로"는, 이하에서 설명하는 이벤트나 상황이 발생할 수도 또는 발생하지 않을 수도 있다는 것, 상기 설명이 상기 이벤트가 발생하는 예 발생하지 않는 예를 포함한다는 것을 의미한다.
명세서 및 청구범위에 걸쳐 본원에서 사용되는 대략적인 용어는, 허용가능하게 다를 수 있지만 관련된 기본적 기능에는 변화를 주지 않는 임의의 정량적 표현을 변형하는 데 적용될 수 있다. 따라서, 예를 들어 "약", "실질적으로", "대략"과 같은 용어에 의해 변형된 값은 지정된 정확한 값에 한정되지 않는다. 적어도 일부 예에 있어서, 대략적인 용어는 값을 측정하기 위한 장비의 정밀도에 대응할 수 있다. 본원 및 상세한 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐, 범위 한계는 합쳐지고/지거나 상호교환될 수 있으며, 문맥 상 또는 용어가 달리 제시하지 않는 한, 이러한 범위는 식별되고, 그 범위 내의 모든 하위 범위를 포함한다.
본 개시의 실시를 위해 다양한 종류의 연료 전지가 이용될 수 있다. 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 및 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC)가 예시된다. 상기 연료 전지는 이온 전도층에 걸쳐 연료 및 산화제를 전기화학적으로 조합함으로써 직류(DC) 전력을 생성한다. 상기 이온 전도층, 즉 전해질은 액체 또는 고체이다. 몇몇 실시예에서, 상기 연료 전지는 유용한 전압 또는 전류에서 전력을 생성하기 위하여, 전지들의 조립체 내에서 전기적 직렬식으로 위치맞춤된다. 많은 연료 전지가 상기 실시예의 범위 내에 있지만, 본 개시는 많은 최종 용도 적용에 바람직한 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 관련한 세부사항을 강조할 것이다.
예시적인 실시예에서, 상기 연료 전지는 상기 전해질, 애노드, 및 캐소드를 포함한다. 직류(DC) 전기를 생성하는 전기화학 반응은 일반적으로, 상기 애노드 및 상기 캐소드에서 일어나는데, 이들 애노드 및 캐소드에서는 이러한 반응을 가속시키기 위하여 촉매가 종종 사용된다. 상기 애노드 및 상기 캐소드는 보통, 상기 화학반응이 일어나는 표면적을 증대시키기 위하여, 다양한 채널 및 다공층을 포함한다. 상기 전해질은 상기 애노드 및 캐소드 중 하나로부터 다른 하나로 전기적으로 대전된 입자를 운반하고, 다른 점에서는 연료 및 산화제에 대하여 실질상 불침투성이다. 상기 애노드는 보통, 그 애노드를 통한 연료 흐름을 용이하게 하기 위하여 유입구 및 유출구(outlet)를 포함하고, 상기 캐소드는 산소 또는 공기 흐름을 위한 유사한 통로를 포함할 수 있다. 전형적인 메커니즘에 따르면, 상기 애노드는 애노드 유출구로부터, 물, 수소, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 만약 있다면, 미반응 연료를 포함하는 테일 가스 스트림을 배출한다.
이하에서 더 상세히 설명하는 바와 같이, 본원에서 설명하는 연료 전지, 예컨대 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 디바이스는 종종, 발전 시스템의 구성요소이다. 상기 시스템은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 스택을 포함하고, 복수의 스택이 종종 2개 이상의 모듈 내에 분포된다. 임의 형태의 전력 블록(예컨대, 가스 터빈, 스팀 터빈, 연소기관 또는 추가의 연료 전지)에 접속된 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 스택을 구비하는 다양한 발전 시스템은 본 개시의 범위 내에 있다.
상기 연료 전지 스택은 서로 수직으로 정렬된 다수의 성형 기판 조립체를 포함한다. 인접한 연료 전지들을 전기적 직렬식으로 함께 접속하기 위하여 상호접속이 이용된다. 당업계에서 알려져 있는 바와 같이, 각각의 연료 전지는 두께가 단지 수 밀리미터일 수 있다. 수백 개의 연료 전지를 직렬 접속하여 상기 연료 전지 스택을 형성할 수 있다.
본원에서 설명하는 성형 기판 조립체는 공기 흐름 형성판, 연료 흐름 형성판, 캐소드, 및 애노드를 포함한다. 상기 연료 흐름 형성판은 상기 공기 흐름 형성판 위에 위치맞춤된다. 상기 애노드는 상기 연료 흐름 형성판의 상단에 위치맞춤되고, 상기 캐소드는 상기 애노드의 상단에 위치맞춤된다. 전해질이 상기 캐소드 및 상기 애노드 사이에 배치된다. 상기 연료 흐름 형성판은 복수의 연료 채널 및 복수의 엇갈린 연료 채널(staggered fuel channel)을 포함하고, 이들 채널은 연료의 흐름을 채널링하도록 구성된다. 상기 연료 채널은 부분적으로 상기 애노드에 의해 형성되는 반면에, 상기 엇갈린 연료 채널은 부분적으로 상기 애노드에 의해 형성되지 않는다. 이로써, 상기 연료 채널 내에서의 연료의 흐름은 상기 연료 채널의 전체 길이를 따라 상기 애노드에 노출된다. 상기 복수의 엇갈린 연료 채널은 상기 엇갈린 연료 채널로부터 상기 연료 채널까지 연장하는 복수 개의 구멍을 포함한다. 상기 엇갈린 연료 채널은 상기 연료 채널의 유입구를 지나 상기 구멍으로 연료의 흐름을 채널링한다. 상기 구멍은 상기 연료 채널 내로 연료의 흐름을 채널링하는데, 상기 연료 채널에서는 흡열 개질 반응에 의해 상기 연료 전지 유닛의 중앙에서 고온 영역을 냉각한다. 상기 연료 전지 유닛을 예정된 온도 미만으로 냉각하면 상기 연료 전지 유닛의 수명이 늘어난다. 또한, 상기 연료 전지 유닛의 다른 영역으로의 연료의 흐름을 엇갈리게 하면(staggering), 상기 연료 전지 유닛 내에서 개질 반응 및 전기화학 반응이 일어나는 곳을 엇갈리게 한다. 이로써, 상기 전기화학 반응은 상기 연료 전지 유닛의 길이를 따라 강제적으로 일어나, 연료 전지 유닛의 전류 밀도 및 전체 효율을 증대시킨다.
도 1은 연료 전지 시스템(102)을 포함하는 예시적인 연료 전지 발전 시스템(100)의 개략도이다. 예시적인 실시예에서, 연료 전지 시스템(102)은 적어도 하나의 연료 전지(104)를 포함한다. 별법으로서, 연료 전지 시스템(102)은 연료 전지 발전 시스템(100)이 본원에서 설명하는 것과 같이 기능할 수 있도록 해주는 임의 개수의 연료 전지를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 연료 전지(104)는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 디바이스이고, 이하에서 더 설명하는 바와 같이, 하나 이상의 연료 전지 스택을 포함한다. 연료 전지(104)는 이온 전도층, 즉, 전해질 층(105)에 걸쳐 연료 및 산화제(이들은 이하에서 더 설명한다)를 전기화학적으로 조합하여 직류(DC) 전력을 생성한다. 예시적인 실시예에서, 연료 전지(104)의 상기 이온 전도층, 즉 전해질 층(105)은 고체이다. 2개 이상의 연료 전지(104)를 갖는 실시예에서, 상기 복수의 연료 전지(104)는 유용한 전압 또는 전류에서 전력을 생성하도록 연료 전지 시스템(102) 내에서 전기적 직렬식으로 접속된다.
예시적인 실시예에서, 연료 전지(104)는 전해질 층(105), 애노드(106), 및 캐소드(108)를 포함한다. 직류(DC) 전기를 생성하는 상기 전기화학 반응은 일반적으로, 그 반응의 속도를 높이기 위해 촉매(도시 생략)가 배치되는 애노드(106) 및 캐소드(108)에서 일어난다. 애노드(106) 및 캐소드(108)는, 상기 화학 반응이 일어나는 표면적을 증대시키기 위해 채널 및 다공층(도 1에서 도시 생략)을 포함한다. 상기 전해질은 상기 애노드(106) 및 캐소드(108) 중 하나로부터 다른 하나로 전기적으로 대전된 입자를 운반하고, 다른 점에서는 연료 및 산화제에 대하여 실질상 불침투성이다. 애노드(106)를 통한 연료 흐름을 용이하게 하기 위하여, 애노드(106)는 유입구(110) 및 유출구(112)를 포함한다. 마찬가지로, 캐소드(108)는 유입구(114) 및 유출구(116)를 포함한다. 애노드(106)는 애노드 유출구(112)로부터, 물, 수소, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 만약 있다면, 미반응 연료를 포함하는 테일 가스 스트림을 배출한다.
연료 전지 발전 시스템(100)은 또한, 연료 매니폴드(120)에 연결된 연료 예열기(118)를 포함한다. 연료 매니폴드(120)는 애노드 유입구(110) 및 연료 예열기(118)와 유동 연통 가능하게 연결된다. 연료 예열기(118)는, 예시적인 실시예에서 천연 가스를 연료 매니폴드(120)에 채널링하는 탄소질, 즉 탄화수소 연료 소스(도시 생략)와 유동 연통 가능하게 연결된다. 본원에서 천연 가스를 설명하지만, 많은 다른 종류의 수소 함유 물질(예컨대, 탄화수소 연료)이 본원에서 설명하는 것과 같은 연료 전지 발전 시스템(100) 및 연료 전지(104)와 함께 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 연료 예열기(118)는 연료의 흐름을 가열하고, 그 가열된 연료의 흐름을 연료 매니폴드(120)에 채널링한다. 연료 매니폴드(120)는 상기 가열된 연료의 흐름을 애노드 유입구(110)에 채널링한다.
연료 전지 발전 시스템(100)은 또한, 산화제 매니폴드(124)(넓게는, 공기 매니폴드)에 연결된 산화제 예열기(122)를 포함한다. 산화제 매니폴드(124)는 캐소드 유입구(114) 및 산화제 예열기(122)에 유동 연통 가능하게 연결된다. 산화제 예열기(122)는, 예시적인 실시예에서 공기를 산화제 매니폴드(124)에 채널링하는 산화제, 즉 산소 소스(도시 생략)와 유동 연통 가능하게 연결된다. 별법의 실시예에서, 본원에서 설명하는 것과 같은 연료 전지 발전 시스템(100) 및 연료 전지(104)의 동작을 가능케 하는 임의의 산화제가 이용된다. 산화제 예열기(122)는 산화제의 흐름을 가열하고 그 가열된 산화제의 흐름을 산화제 매니폴드(124)에 채널링한다. 산화제 매니폴드(124)는 상기 가열된 산화제의 흐름을 캐소드 유입구(114)에 채널링한다.
예시적인 실시예에서, 연료 전지 발전 시스템(100)은 또한 연료 배출 매니폴드(126) 및 산화제 배출 매니폴드(128)를 포함한다. 연료 배출 매니폴드(126)는 애노드 유출구(112)와 유동 연통 가능하게 연결되고, 산화제 배출 매니폴드(128)는 캐소드 유출구(116) 와 유동 연통 가능하게 연결된다.
별법의 실시예에서, 연료 전지 발전 시스템(100)은 연료 전지 발전 시스템(100)을 본원에서 설명하는 것과 같이 기능하도록 하는 임의의 방식으로 연결된 임의의 구성요소를 포함한다. 예컨대, 몇몇 실시예에서, 연료 전지 발전 시스템(100)은 추가의 열교환기 및/또는 연료 개질기를 포함한다. 추가하여, 몇몇 실시예에서, 연료 전지 발전 시스템(100)의 일부 구성요소는 병렬 및/또는 직렬식으로 연결된다.
도 2는 연료 전지(104)(도 1)에 사용하기 위한 성형 기판 조립체(200)의 제1 측부(202)의 개략적인 사시도이다. 도 3은 성형 기판 조립체(200)을 통해 연장되는 복수 개의 구멍(240)을 보여주는 성형 기판 조립체(200)의 제1 측부(202)의 확대도이다. 도 4는 성형 기판 조립체(200)의 제2 측부(204)의 사시도이다. 도 5는 5-5선(도 4)을 따라 취한 성형 기판 조립체(200)의 일부의 개략적인 사시 단면도이다. 성형 기판 조립체(200)는 제1 단(207)에 공기 유입구(206)를 제2 단(209)에 연료 유입구(208)를 포함한다. 제1 측부(202)는 연료 및 공기 흐름부(210)를 포함하고, 제2 측부(204)는 반응부(212)를 포함한다. 연료 및 공기 흐름부(210)는 연료 및 공기 흐름부 길이(214)를 갖고 있고 반응부(212)는 반응부 길이(216)를 갖고 있다. 연료 전지(104)는 복수의 적층된 성형 기판 조립체(200)를 포함한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 복수 개의 구멍(240)은 성형 기판 조립체(200)의 제1 단(207)(공기 유입구(206)의 단)으로부터 공기 흐름부(210)를 따라 거리(217)만큼 이격되어 있다.
도 6은 성형 기판 조립체(200)의 일부의 개략적인 확대 사시 단면도이다. 도 7은 도 6에 도시한 성형 기판 조립체(200)의 개략적인 단부 사시 단면도이다. 예시적인 실시예에서, 성형 기판 조립체(200)는 하나 이상의 적층된 공기 흐름 형성판(218), 연료 흐름 형성판(220), 천공판(perforated plate)(222), 애노드(224), 캐소드(226), 및 전해질 층(228)을 포함한다. 연료 흐름 형성판(220)은 공기 흐름 형성판(218)의 상단에 위치맞춤되어 있고, 천공판(222)은 연료 흐름 형성판(220)의 상단에 위치맞춤되어 있다. 애노드(224)는 천공판(222) 의 상단에 위치맞춤되어 있고, 전해질 층(228)은 애노드(224)의 상단에 위치맞춤되어 있다. 캐소드(226)는 전해질 층(228)의 상단에 위치맞춤되어 있다. 천공판(222)은 애노드(224), 캐소드(226), 및 전해질 층(228)을 지지한다. 예시적인 실시예에서, 전해질 층(228)은 예컨대 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia)를 포함하는 세라믹 재료를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 별법의 실시예에서, 전해질 층(228)은 성형 기판 조립체(200)를 본원에서 설명하는 것과 같이 동작하도록 하는 임의의 재료를 포함한다.
공기 흐름 형성판(218) 및 연료 흐름 형성판(220)은 모두 복수의 홈(230) 및 복수의 릿지(ridge)(232)를 형성하는 물결모양 형태(corrugated shape)를 포함한다. 각 홈(230) 및 각 릿지(232)는 연료 및 공기 흐름부 길이(214)(도 2)를 따라 연장한다. 예시적인 실시예에서, 각 홈(230)은 베이스 부분(234) 및 베이스 부분(234)에 연결된 두 개의 측면 부분(236)에 의해 형성된다. 각 릿지(232)는 홈(230)의 측면 부분(236) 각각에 연결된 상단 부분(238)에 의해 형성된다.
예시적인 실시예에서, 연료 흐름 형성판(220)의 측면 부분(236)의 적어도 일부는 그 측면 부분을 관통하여 형성된 복수 개의 상기 구멍(240)을 포함한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 복수 개의 구멍(240)은 성형 기판 조립체(200)의 제1 단(207)(공기 유입구(206)의 단)으로부터 공기 흐름부(210)를 따라 거리(217)를 두고 측면 부분(236)의 적어도 일부를 관통하여 형성된다. 거리(217)는 성형 기판 조립체(200)의 중간 부분에 인접한 결정된 핫 스팟(hot spot)에 대응하는 예정된 거리이다. 도 3에서 상기 복수 개의 구멍(240)을 단일의 거리(217)에서 도시하였지만, 성형 기판 조립체(200) 내의 정해진 및/또는 예상된 핫 스팟에 대응하여 전략적으로 구멍(240)을 배치하도록, 공기 흐름부(210)를 따라 임의 개수의 예정된 거리에서 임의 개수의 구멍(240)을 형성할 수 있다는 것이 의도된다.
예컨대, 그리고 비제한적으로, 한 가지 실시예에서, 구멍(240)은 길이(214)를 따라 불균일하게 분포된다. 예컨대, 그리고 비제한적으로, 구멍(240)의 수 및 구멍(240) 사이의 간격은 연료 및 공기 흐름부 길이(214)를 따라 증가할 수 있어, 구멍(240)의 집중이 연료 및 공기 흐름부 길이(214)의 제2 절반 부분에서 증가한다. 추가하여 또는 별법으로서, 구멍(240)은 연료가 애노드(244)를 우회하는 것을 방지하는 것을 용이하게 하기 위하여, 공기 유입구(206) 및/또는 연료 유입구(208)에 인접한 연료 및 공기 흐름부 길이(214)의 단부에 위치되지 않을 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 연료 흐름 형성판(220)은, 공기 흐름 형성판(218)의 각 릿지(232)가 연료 흐름 형성판(220)의 대응 릿지(232)에 연결되도록 공기 흐름 형성판(218) 위에 위치맞춤된다. 예시적인 실시예에서, 공기 흐름 형성판(218)은 연료 흐름 형성판(220)에 접합된다. 구멍(240)을 상기한 것과 같이 연료 및 공기 흐름부 길이(214)를 따라 배치하면, 연료 전지(104)의 활성 영역에 걸쳐 전류 밀도를 용이하게 균일하게 할 수 있다. 다른 실시예에서, 구멍(240)은 또한, 상기 핫 스팟 부근에서의 공기 흐름을 증가시키는 것을 용이하게 하기 위하여, 공기 흐름 형성판(218)의 측면 부분(236)을 통해 형성될 수 있고, 이는 연료 전지(104) 내에서 열전달을 개선하는 것 및 열적 구배를 감소시키는 것을 용이하게 한다.
예시적인 실시예에서, 연료 흐름 형성판(220)의 홈(230) 및 천공판(222)은, 연료 및 공기 흐름부 길이(214)를 따라 연장하는 복수의 일차 연료 채널(242)(넓게는, 제1 채널)을 형성한다. 구체적으로, 베이스 부분(234), 측면 부분(236), 및 천공판(222)은 일차 연료 채널(242)을 형성한다. 일차 연료 채널(242)은 연료 및 공기 흐름부 길이(214)를 따라 연료의 흐름을 애노드(224)에 채널링하도록 구성된다. 천공판(222)은 연료의 흐름을 천공판(222)을 통해 애노드(224)에 채널링하는 복수의 천공판 구멍(244)을 포함한다. 유사하게, 공기 흐름 형성판(218)의 릿지(232) 및 캐소드(226)는 연료 및 공기 흐름부 길이(214)를 따라 연장하는 복수의 산화제 채널(246)(넓게는, 제3 채널))을 형성한다. 구체적으로, 상단 부분(238), 측면 부분(236), 및 캐소드(226)가 산화제 채널(246)을 형성한다. 산화제 채널(246)은 연료 및 공기 흐름부 길이(214)를 따라 산화제의 흐름을 캐소드(226)에 채널링하도록 구성된다. 연료 흐름 형성판(220) 및 공기 흐름 형성판(218)은 또한 연료 및 공기 흐름부 길이(214)를 따라 연장하는 복수의 엇갈린 이차 채널(248)(넓게는, 제2 채널)을 형성한다. 예시적인 실시예에서, 엇갈린 이차 채널(248)는 연료의 흐름을 구멍(240)에 채널링하도록 구성된다. 몇몇 별법의 실시예에서, 상기 엇갈린 이차 채널(248)의 적어도 일부는 공기 흐름을 캐소드(226)에 채널링하도록 구성된다.
동작 중에, 산화제 매니폴드(124)(도 1) 산화제의 흐름을 산화제 채널(246)을 통해 채널링하고, 연료 매니폴드(120)는 연료의 일차 흐름을 일차 연료 채널(242)에 채널링한다. 산화제 채널(246)은 산화제의 흐름을 제1 전기화학 반응이 일어나는 캐소드(226)에 채널링한다. 예시적인 실시예에서, 산화제의 흐름은, 예컨대, 상기 공기로부터의 산소를 포함한다. 별법의 실시예에서, 산화제의 흐름은 성형 기판 조립체(200)가 본원에서 설명하는 것과 같이 동작하도록 해주는 임의의 산화제를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 전자가 산소 분자에 첨가되어, 산소 이온을 만들어낸다.
일차 연료 채널(242)은 연료의 일차 흐름을 개질 반응이 일어나는 애노드(224)에 채널링한다. 예시적인 실시예에서, 연료의 상기 일차 흐름은 예컨대, 천연 가스를 포함한다. 별법의 실시예에서, 연료의 상기 일차 흐름은 성형 기판 조립체(200)가 본원에서 설명하는 것과 같이 동작하도록 해주는 임의의 연료를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 연료의 상기 일차 흐름은 물도 포함한다. 애노드(224) 내의 촉매는 상기 물과 천연 가스 사이에서의 개질 반응에 촉매 작용한다. 구체적으로, 상기 천연 가스 및 물은 반응하여 수소 가스, 이산화탄소 및 일산화탄소를 형성한다. 상기 개질 반응은 흡열 반응이다.
제2 전기화학 반응이 애노드(224)에서 일어난다. 상기 개질 반응으로부터의 수소 가스가 상기 제1 전기화학 반응으로부터의 산소 이온과 반응된다. 구체적으로, 상기 제1 전기화학 반응으로부터의 상기 산소 이온 및 상기 개질 반응으로부터의 상기 수소 가스가 반응하여 물 및 전자의 흐름을 형성한다. 상기 전자는 와이어(도시 생략)를 통한 전류를 만들어낸다. 상기 와이어는 상기 전자를 캐소드(226)로 복귀시켜 회로를 완성하고, 상기 제1 전기화학 반응을 위한 전자를 제공한다. 상기 제1 및 제2 전기화학 반응의 조합은 발열 반응이다.
상기 제1 및 제2 전기화학 반응은 반응부 길이(216)를 따라 일어나는 반면에, 상기 개질 반응은 일차 연료 채널(242)의 유입구에서 일어난다. 따라서, 상기 개질 반응은 일차 연료 채널(242)의 유입구에서 성형 기판 조립체(200)의 온도를 낮추는 반면에, 상기 제1 및 제2 전기화학 반응은 반응부 길이(216)를 따라 성형 기판 조립체(200)의 온도를 상승시킨다. 그러나, 상기 제1 및 제2 전기화학 반응은, 일차 연료 채널(242)의 유입구에서 반응을 위해 보다 많은 연료가 이용될 수 있기 때문에, 반응부 길이(216)를 따라 균일하게 일어나지 않는다. 따라서, 상기 제1 및 제2 전기화학 반응은 반응부 길이(216)를 따라 불균일하게 일어나, 성형 기판 조립체(200)의 전류 밀도 및 효율을 감소시킨다.
성형 기판 조립체(200)의 온도를 감소시키고 성형 기판 조립체(200)의 전류 밀도 및 효율을 증대시키는 것을 용이하게 하기 위하여, 엇갈린 이차 채널(248)의 적어도 일부는 연료의 이차 흐름을 구멍(240)에 채널링한다. 구멍(240)은 연료의 제3 흐름을 일차 연료 채널(242)에 채널링한다. 상기 연료의 제3 흐름 내의 천연 가스는, 일차 연료 채널(242) 내의 구멍(240) 부근의 영역에서 개질 반응을 겪는다. 엇갈린 이차 채널(248) 및 구멍(240)은, 상기 개질 반응이 반응부 길이(216)를 따라 다양한 부위에서 일어나도록, 일차 연료 채널(242) 내로의 연료의 흐름을 엇갈리게 한다. 상기한 바와 같이, 상기 개질 반응은 흡열이고, 성형 기판 조립체(200)의 온도를 감소시킨다. 따라서, 애노드(224)로의 연료의 흐름을 엇갈리게 하면, 반응부 길이(216)를 따라 성형 기판 조립체(200)의 온도를 감소시킨다. 또한, 애노드(224)로의 연료의 흐름을 엇갈리게 하면, 상기 개질 반응 및 상기 제1 및 제2 전기화학 반응이 반응부 길이(216)를 따라 강제적으로 일어난다. 따라서, 애노드(224)로의 연료의 흐름을 엇갈리게 하면, 성형 기판 조립체(200)의 전류 밀도 및 효율도 증대된다.
성형 기판 조립체(200)는, 성형 기판 조립체(200)가 증대된 효율로 동작하는 예정된 온도를 갖고 있다. 애노드(224)로의 연료의 흐름을 엇갈리게 하면, 반응부 길이(216)를 따른 성형 기판 조립체(200)의 온도가 상기 예정된 온도 미만으로 감소된다. 따라서, 애노드(224)로의 연료의 흐름을 엇갈리게 하면, 성형 기판 조립체(200)의 효율이 증대된다. 또한, 성형 기판 조립체(200)의 온도를 상기 예정된 온도 미만으로 감소시키면, 성형 기판 조립체(200)의 수명이 증대된다.
별법의 실시예에서, 상기 캐소드(226)로의 산화제의 흐름 역시 엇갈린다. 예컨대, 적어도 일부의 엇갈린 이차 채널(248)은 연료의 흐름을 일차 연료 채널(242)에 채널링하기보다는, 유사한 방식으로 산화제의 흐름을 산화제 채널(246)에 채널링하도록 구성된다. 이러한 실시예에서, 공기 흐름 형성판(218)의 측면 부분(236)의 적어도 일부는 그 부분을 관통하여 형성된 복수 개의 구멍(240)을 포함한다. 상기 연료 흐름 형성판(220)을 관통하여 형성된 상기 복수 개의 구멍(240)과 마찬가지로, 상기 공기 흐름 형성판(218)의 측면 부분(236)의 적어도 일부는 성형 기판 조립체(200)의 제1 단(207)(상기 공기 유입구(206)의 단)으로부터 공기 흐름부(210)를 따른 거리(217)에서 구멍(240)을 포함한다. 상기한 바와 같이, 거리(217)는 성형 기판 조립체(200)의 중간 부분에 인접한 결정된 핫 스팟에 대응하는 예정된 거리이다. 성형 기판 조립체(200) 내의 정해진 및/또는 예상된 핫 스팟에 대응하여 전략적으로 구멍(240)을 배치하도록, 공기 흐름부(210)를 따라 임의 개수의 예정된 거리에서 임의 개수의 구멍(240)을 형성할 수 있다는 것이 의도된다. 산화제의 흐름을 엇갈리게 하면, 상기 연료 전지의 중앙 및 유출구 단부 부근에서 핫 스팟을 냉각하는 것이 용이해진다. 산화제의 흐름을 엇갈리게 하는 것은, 흡열 반응이 없기 때문에, 연료의 흐름을 엇갈리게 하는 것과 같이 효율적이지 않을 수 있지만, 본원에서 설명하는 바와 같이, 상기 핫 스팟 부근에서 산화제의 흐름을 증대시키면, 열전달을 개선하는 것 및 열적 구배를 감소시키는 것이 용이해진다.
상기한 연료 전지 모듈은 애노드로의 연료의 흐름을 엇갈리게 하고 연료 전지 모듈의 효율을 증대시키도록 구성된 복수의 채널을 포함한다. 특히, 상기 채널은, 상기 연료 전지 모듈의 길이를 따라 흡열 개질 반응이 일어나도록 연료의 흐름을 엇갈리게 한다. 상기 흡열 개질 반응은 상기 연료 전지 모듈의 온도를 감소시켜, 상기 연료 전지 모듈의 효율을 증대시킨다. 상기 연료 전지 모듈의 온도를 감소시키면, 상기 연료 전지 모듈의 수명이 증대된다. 또한, 상기 개질 반응이 일어나는 곳을 엇갈리게 하면, 상기 전기화학 반응이 일어나는 곳이 엇갈린다. 상기 전기화학 반응이 일어나는 곳을 엇갈리게 하면, 상기 연료 전지의 전류 밀도 및 효율이 증대된다.
본원에서 설명하는 방법, 시스템 및 장치의 예시적인 기술적 효과는, (a) 상기 애노드로의 연료의 흐름을 엇갈리게 하는 것;(b) 연료 전지 모듈의 온도를 감소시키는 것; (c) 연료 전지 모듈의 전류 밀도를 증대시키는 것;(c) 연료 전지 모듈의 효율을 증대시키는 것; 및 (d) 연료 전지 모듈의 수명을 증대시키는 것 중 적어도 하나를 포함한다.
애노드로의 연료의 흐름을 엇갈리게 하도록 구성된 복수의 채널을 포함하는 연료 전지 모듈의 예시적인 실시예는 위에서 상세히 설명하고 있다. 상기 연료 전지 모듈, 그러한 시스템 및 디바이스를 동작시키는 방법은 본원에서 설명하는 상기 특정 실시예에 제한되지 않지만, 오히려 시스템의 구성요소 및/또는 상기 방법의 단계는 본원에서 설명하는 구성요소 및/또는 단계와는 독립적으로 그리고 별도로 활용될 수 있다. 예컨대, 상기 방법은 또한, 다른 시스템과 조합하여 이용될 수 있고, 본원에서 설명하는 연료 전지 모듈, 연료 전지 시스템 및 방법만으로 실시하도록 제한되지 않는다. 오히려, 상기 예시적인 실시예는 연료 전지를 수납하고 받아들이도록 현재 구성된 많은 다른 연료 전지 응용, 예컨대, 원격 영역 및 산업 설비의 분사 발전 설비-이들에 제한되는 것은 아니다-와 관련하여 구현되고 활용될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예의 특정 특징을 일부 도면에 도시하고 다른 도면에서는 도시하지 않을 수 있지만, 이는 단지 편의를 위한 것이다. 본 개시의 원리에 따라서, 도면의 임의의 특징은 임의의 다른 도면의 임의의 특징과 조합하여 참조 및/또는 청구될 수 있다.
본 상세한 설명은 최적의 모드를 포함하는 상기 실시예를 개시하기 위하여, 그리고 임의의 디바이스 또는 시스템을 만들고 사용하는 것 및 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하는 실시예를 당업자가 실시할 수 있도록 하기 위하여 예를 이용하고 있다. 본 개시의 특허가능한 범위는 청구항에 의해 한정되며, 당업자에게 발생하는 기타의 예를 포함할 수 있다. 이러한 기타의 예는, 청구항의 문헌적 언어와 다르지 않은 구조적 요소를 포함한다면, 또는 청구항의 문헌적 언어와 비본질적 차이를 갖는 균등의 구조적 요소를 포함한다면, 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
Claims (21)
- 연료 전지 모듈에 사용하기 위한 성형 기판 조립체로서,
공기 흐름 형성판;
상기 공기 흐름 형성판 위에 위치맞춤되는 연료 흐름 형성판으로서, 상기 연료 흐름 형성판은 제1 단 및 제2 단을 포함하고, 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제1 채널을 부분적으로 형성하고, 상기 연료 흐름 형성판과 공기 흐름 형성판은 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제2 채널을 형성하며, 상기 복수 개의 제2 채널은 복수 개의 구멍을 형성하며, 이들 복수 개의 구멍의 일부는 상기 복수 개의 제2 채널부터 상기 복수 개의 제1 채널까지 연장하는 것인, 연료 흐름 형성판; 및
상기 연료 흐름 형성판 위에 위치맞춤되는 애노드로서, 상기 애노드는, 상기 연료 흐름 형성판 및 상기 애노드가 상기 복수 개의 제1 채널을 형성하도록, 상기 복수 개의 제1 채널을 부분적으로 형성하고, 상기 복수 개의 구멍의 상기 일부는 상기 복수 개의 제2 채널로부터 상기 복수 개의 제1 채널에 연료의 흐름을 채널링하도록 구성되는 것인, 애노드
를 포함하는 성형 기판 조립체. - 청구항 1에 있어서, 연료의 상기 흐름을 상기 복수 개의 제1 채널 및 상기 복수 개의 제2 채널에 채널링하도록 구성된 연료 매니폴드를 더 포함하는 성형 기판 조립체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 공기 흐름 형성판 아래에 위치맞춤되는 캐소드를 더 포함하는 성형 기판 조립체.
- 청구항 3에 있어서, 상기 공기 흐름 형성판은 제1 단 및 제2 단을 포함하고, 상기 공기 흐름 형성판 및 상기 캐소드는 상기 공기 흐름 형성판의 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제3 채널을 형성하며, 상기 복수 개의 구멍 중 제2 부분이 상기 복수 개의 제2 채널부터 상기 복수 개의 제3 채널까지 연장하고, 상기 복수 개의 구멍 중 상기 제2 부분은 상기 복수 개의 제2 채널로부터 상기 복수 개의 제3 채널로 공기의 흐름을 채널링하도록 구성되는 것인 성형 기판 조립체.
- 청구항 4에 있어서, 상기 복수 개의 제3 채널 및 상기 복수 개의 구멍 중 상기 제2 부분으로 공기의 흐름을 채널링하도록 구성된 공기 매니폴드를 더 포함하는 성형 기판 조립체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 애노드는 제1 반응에 촉매 작용하도록 구성되는 것인 성형 기판 조립체.
- 청구항 6에 있어서, 상기 제1 반응은 흡열 반응인 것인 성형 기판 조립체.
- 청구항 7에 있어서, 상기 복수 개의 구멍 및 상기 복수 개의 제1 채널은 상기 성형 기판 조립체의 온도를 예정된 온도 미만으로 유지하도록 구성되는 것인 성형 기판 조립체.
- 연료 전지 모듈로서,
상하로 적층된 복수 개의 성형 기판 조립체를 포함하며, 각각의 성형 기판 조립체는,
공기 흐름 형성판;
상기 공기 흐름 형성판 위에 위치맞춤되는 연료 흐름 형성판으로서, 상기 연료 흐름 형성판은 제1 단 및 제2 단을 포함하고, 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제1 채널을 부분적으로 형성하고, 상기 연료 흐름 형성판과 공기 흐름 형성판은 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제2 채널을 형성하며, 상기 복수 개의 제2 채널은 복수 개의 구멍을 형성하며, 이들 복수 개의 구멍의 일부는 상기 복수 개의 제2 채널부터 상기 복수 개의 제1 채널까지 연장하는 것인, 연료 흐름 형성판; 및
상기 연료 흐름 형성판 위에 위치맞춤되는 애노드로서, 상기 애노드는, 상기 연료 흐름 형성판 및 상기 애노드가 상기 복수 개의 제1 채널을 형성하도록, 상기 복수 개의 제1 채널을 부분적으로 형성하고, 상기 복수 개의 구멍은 상기 복수 개의 제2 채널로부터 상기 복수 개의 제1 채널에 연료의 흐름을 채널링하도록 구성되는 것인, 애노드
를 포함하는 것인, 연료 전지 모듈. - 청구항 9에 있어서, 연료의 흐름을 상기 복수 개의 제1 채널 및 상기 복수 개의 제2 채널로 채널링하도록 구성된 연료 매니폴드를 더 포함하는 연료 전지 모듈.
- 청구항 9에 있어서, 상기 공기 흐름 형성판 아래에 위치맞춤되는 캐소드를 더 포함하는 연료 전지 모듈.
- 청구항 11에 있어서, 상기 공기 흐름 형성판은 제1 단 및 제2 단을 포함하고, 상기 공기 흐름 형성판 및 상기 캐소드는 상기 공기 흐름 형성판의 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제3 채널을 형성하며, 상기 복수 개의 구멍 중 제2 부분이 상기 복수 개의 제2 채널부터 상기 복수 개의 제3 채널까지 연장하고, 상기 복수 개의 구멍 중 상기 제2 부분은 상기 복수 개의 제2 채널로부터 상기 복수 개의 제3 채널로 공기의 흐름을 채널링하도록 구성되는 것인 연료 전지 모듈.
- 청구항 12에 있어서, 상기 복수 개의 제3 채널 및 상기 복수 개의 제4 채널로 공기의 흐름을 채널링하도록 구성된 공기 매니폴드를 더 포함하는 연료 전지 모듈.
- 청구항 13에 있어서, 상기 애노드는 제1 반응에 촉매 작용하도록 구성되는 것인 연료 전지 모듈.
- 청구항 14에 있어서, 상기 제1 반응은 흡열 반응이고, 상기 복수 개의 구멍 및 상기 복수 개의 제1 채널은 상기 성형 기판 조립체의 온도를 예정된 온도 미만으로 유지하도록 구성되는 것인 연료 전지 모듈.
- 성형 기판 조립체를 통해 유체를 채널링하는 유체 채널링 방법으로서,
유체를 상기 성형 기판 조립체에 채널링하는 단계로서, 상기 성형 기판 조립체는 공기 흐름 형성판, 연료 흐름 형성판, 및 애노드를 포함하고, 상기 연료 흐름 형성판은 상기 공기 흐름 형성판 위에 위치맞춤되며, 상기 애노드는 상기 연료 흐름 형성판 위에 위치맞춤되고, 상기 애노드 및 상기 연료 흐름 형성판은 상기 연료 흐름 형성판의 제1 단으로부터 상기 연료 흐름 형성판의 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제1 채널을 형성하고, 상기 연료 흐름 형성판은 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단까지 연장하는 복수 개의 제2 채널을 형성하며, 상기 복수 개의 제2 채널은 복수 개의 구멍을 형성하고, 상기 복수 개의 구멍의 일부는 상기 복수 개의 제2 채널로부터 상기 복수 개의 제1 채널까지 연장하는 것인, 상기 채널링하는 단계;
상기 유체의 제1 부분을 상기 복수 개의 제1 채널로 채널링하는 단계;
상기 유체의 상기 제1 부분을 상기 애노드로 채널링하는 단계;
상기 유체의 제2 부분을 상기 복수 개의 제2 채널의 일부에 채널링하는 단계;
상기 유체의 상기 제2 부분을 상기 복수 개의 구멍 중 상기 일부에 그리고 상기 복수 개의 제1 채널 내로 채널링하는 단계; 및
상기 유체의 상기 제2 부분을 상기 애노드로 채널링하는 단계
를 포함하는 유체 채널링 방법. - 청구항 16에 있어서, 유체를 상기 성형 기판 조립체에 채널링하는 단계는 유체를 연료 매니폴드로 채널링하는 단계를 포함하는 것인 유체 채널링 방법.
- 청구항 16에 있어서, 상기 애노드와 상기 유체의 제1 부분 사이에서의 반응을 촉진하는 단계를 더 포함하는 유체 채널링 방법.
- 청구항 18에 있어서, 상기 애노드와 상기 유체의 제2 부분 사이에서의 반응을 촉진하는 단계를 더 포함하는 유체 채널링 방법.
- 청구항 15에 있어서, 상기 성형 기판 조립체로 공기의 흐름을 채널링하는 단계를 더 포함하는 유체 채널링 방법.
- 연료 전지 모듈에 사용하기 위한 성형 기판 조립체로서,
공기 흐름 형성판;
상기 공기 흐름 형성판 위에 위치맞춤되는 연료 흐름 형성판으로서, 상기 연료 흐름 형성판은 복수 개의 제1 채널을 부분적으로 형성하고, 상기 연료 흐름 형성판 및 상기 공기 흐름 형성판은 복수 개의 제2 채널을 형성하며, 상기 복수 개의 제2 채널은 복수 개의 구멍을 형성하고, 상기 복수 개의 구멍 중 일부는 상기 복수 개의 제2 채널부터 상기 복수 개의 제1 채널까지 연장하며, 상기 복수 개의 구멍 중 상기 일부는 상기 복수 개의 제2 채널부터 상기 복수 개의 제1 채널까지 연료의 흐름을 채널링하도록 구성되는 것인, 연료 흐름 형성판; 및
상기 연료 흐름 형성판 위에 위치맞춤되는 애노드로서, 상기 연료 흐름 형성판 및 상기 애노드는 상기 복수 개의 제1 채널을 형성하고, 상기 애노드는 흡열 반응을 촉진하도록 구성되며, 상기 복수 개의 구멍 중 상기 일부는 상기 성형 기판 조립체의 영역 - 상기 애노드가 상기 흡열 반응에 촉매 작용하는 영역 - 을, 이 영역으로 연료의 흐름을 채널링함으로써 냉각하도록 구성되는 것인, 애노드
를 포함하는 성형 기판 조립체.
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