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KR102755821B1 - 평면 고체 산화물 연료 유닛 셀 및 스택 - Google Patents

평면 고체 산화물 연료 유닛 셀 및 스택 Download PDF

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KR102755821B1
KR102755821B1 KR1020237004768A KR20237004768A KR102755821B1 KR 102755821 B1 KR102755821 B1 KR 102755821B1 KR 1020237004768 A KR1020237004768 A KR 1020237004768A KR 20237004768 A KR20237004768 A KR 20237004768A KR 102755821 B1 KR102755821 B1 KR 102755821B1
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plate
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네이던 팔룸보
조슈아 이. 퍼스키
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업스타트 파워 인코포레이티드
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Abstract

평면형 SOFC 셀 유닛은 하나가 또 다른 것 위에 적층된 복수의 평면 요소들(1100, 1200, 1300)로부터 형성된다. 셀 유닛은 셀 챔버 내에 호환 지원되는, 전기-화학 에너지 발생을 위해 구성된 고체 산화물 연료 셀(2000)을 포함하는 셀 챔버(1400)를 둘러싼다. 복수의 평면 요소들 각각은 알루미늄 또는 구리와 같은 적어도 100 W/m·K인 열 전도 계수를 가진 열 전도성 재료를 포함한다. 평면 요소들은 셀 챔버의 둘레 에지들로부터 복수의 평면 요소들의 둘레 에지들로 연장되는 연속적인 열 전도성 경로를 제공하기 위해 서로 열 전도성 결합된다. SOFC 스택은 하나가 또 다른 것 위에 적층된 복수의 평면형 SOFC 셀 유닛들을 포함한다.

Description

평면 고체 산화물 연료 유닛 셀 및 스택{PLANAR SOLID OXIDE FUEL UNIT CELL AND STACK}
저작권 공고
본 특허 문서의 개시의 일 부분은 저작권 보호의 대상이 되는 자료를 포함할 수 있다. 저작권 소유자는, 그것이 특허 상표국 특허 파일들 또는 레코드들에서 나타난 바와 같이, 특허 문서 또는 특허 개시의 누군가에 의한 팩시밀리 재생에 이의가 없으며, 그렇지 않다면 무엇이든 모든 저작권 권한들을 갖는다. 다음의 공고는 이 문서에 적용할 것이다: Copyrightⓒ Protonex Technology Corp., Ballard Corp의 분사.
발명의 분야
여기에서의 대표적이고, 예시적인 기술은 평면 요소들로부터 형성된 유닛 셀 및 유닛 셀들의 스택에 관한 것이다.
여기에서의 기술은 전기화학 전력 발생으로의 적용을 갖는다.
관련 기술
밀접하게 관련된 종래의 디바이스는 2013년 11월 12일에 공개된, Yaguchi 외의 미국 특허 번호 8,580,452 B2에서 개시된다. Yaguchi는 각각이 오스테나이트계 스테인리스 스틸 SUS316으로부터 만든, 케이스(20) 및 가스 유도 부재(60), 및 가스 유도 부재들(60 및 200)을 포함한 연료 셀 스택을 둘러싸는 열 전도성 요소들을 개시한다. 가스 유도 부재들(60 및 200)은 연료 셀 스택 및 가스 유도 부재(50) 사이에서의 연료 셀 스택을 둘러싼다. 양쪽 부재들(60 및 200)은 가스 유도 부재로의 열 전달의 효율을 개선하는 것으로 말하여진다. 각각의 가스 유도 부재를 형성하기 위해 사용된 재료는 전기적 절연 및 열 전도성으로서 설명된다. 그러나, Yaguchi의 도 2a에서 도시된, 유도 부재(60)의 형태 및 재료 조성은 개시되지 않으며, Yaguchi의 도 12b에서 도시된, 층(200)의 재료는 세라믹 절연 재료로서 설명된다. Yaguchi에 의해 개시된 이러한 시스템이 가진 하나의 문제는 부재들(60 및 200)이 구리와 같은 이러한 재료와 비교하여 비교적 낮거나 또는 개시되지 않은 열 전도율을 가지며 그러므로 비교적 열악한 열 도체들이라는 것이다. 또 다른 문제는 개시된 가스 유도 부재가 열 전도를 위해 많은 열 질량을 제공하지 않는 0.1mm의 두께를 갖는다는 것이다. 이 기술분야에서 개선된 열 전도에 의해 SOFC 스택들에서 열 에너지 관리를 개선하기 위한 요구가 있다.
종래의 평면형 SOFC 스택들은 애노드 및 캐소드 가스들이 셀들 및 다른 스택 구성요소들을 지나 누출되는 것을 방지하기 위해 기밀 씰들(seals)을 포함하며, 이것은 가스들의 혼합 및 연소를 야기하여, 국소적 핫-스팟들을 야기하고 결국 스택 실패를 야기할 수 있다. 종래의 기밀 씰들은 강성 결합 유리 또는 유리-세라믹 복합 씰들, 유연 결합 씰들, 및 압축 개스킷 씰들을 포함한다. 기밀 씰들은 형성하기에 도전적이어서, SOFC 스택들의 신중한 설계 및 조립을 요구한다. 종래의 기밀 씰들이 가진 하나의 문제는 그것들이, 제조에서의 결함들로 인해 또는 스택의 동작 동안 열 및 기계적 응력으로 인한 손상에 의해 야기된, 누출들을 포함하거나 또는 이를 발생시킬 수 있다는 것이다. 명목상 기밀 씰들이 누출될 때, 스택 성능은 저하될 수 있다. 스택 설계에 의존하여, 누출들은 스택을 쓸모없게 하거나 또는 어렵고 값비싼 스택 보수를 요구할 수 있다.
종래의 평면형 SOFC 스택들은, 예를 들면 스택 구성요소들 사이에서 압축되는 금속 개스킷 및 미카 시트(mica sheet) 씰들을 포함한 압축 씰들을 포함할 수 있다. 종래의 압축 씰들이 가진 하나의 문제는 압축 씰들을 기밀로 만들기 위해 다량의 압축력이 요구된다는 것이다. 종래의 압축 씰들이 가진 또 다른 문제는 금속 개스킷 압축 씰들이 단락을 야기할 수 있다는 것이다.
종래의 평면형 SOFC 스택들은 스택 구성요소들에 결합되는 유리 또는 유리 및 세라믹의 조합들과 같은 강성, 기밀, 밀봉 재료들을 포함할 수 있다. 예시적인 강성 기밀 씰 복합 유리/세라믹 재료들은 CaO-SiO2 및 BaO-Al2O3-SiO2를 포함한다. 결합된 강성 기밀 씰들이 가진 하나의 문제는 SOFC 시스템 또는 SOFC 스택에 대한 진동들 및 기계적 충격들에 의해 야기된 응력들이 강성 씰들에 의해 셀들로 송신되며, 이것은 셀들이 갈라지거나 또는 파열되게 할 수 있다는 것이다. 강성 기밀 SOFC 씰들이 사용될 때, 전체 SOFC 스택은 종종 하나의 셀이 부서진다면, 전체 스택이 더 이상 사용 가능하지 않도록 단일 유닛으로서 형성된다. 강성 기밀 씰들이 가진 또 다른 문제는 씰 재료들이 씰 재료의 열 팽창 계수가 스택 동작 온도 범위들 하에서 평면형 SOFC의 열 팽창 계수에 가깝게 매칭되도록 신중하게 선택되어야 한다는 것이다. 열 팽창 계수들의 매칭은 SOFC 스택의 열 순환 동안 씰 및 SOFC 재료들의 차동 팽창 및 수축으로 인한 기계적 응력 및 균열을 감소시키기 위해 요구된다. 결합된 기밀 SOFC 씰들이 가진 추가 문제는 SOFC 스택의 열 순환 동안, 강성 또는 유연 결합된 셀들이, SOFC 및 씰 재료 열 팽창 계수들이 가깝게 매칭될 때에도, 상당한 전단 응력들 및 주 응력들을 겪을 수 있다는 것이다. 예를 들면, 강성 씰들과 결합된 SOFC들은 가깝게 매칭하는 열 팽창 계수들에도 불구하고 145MPa만큼 높은 전단 응력 및 20 내지 25MPa의 최대 주 응력을 겪을 수 있다. 유연 씰과 결합될 때에도, 최대 SOFC 응력은 대략 23MPa일 수 있다.
2009년 6월 30일에 공개된 Couse 및 Tang의 미국 특허 번호 7,553,579 B2는 2009년 6월 30일에 공개된 Ghosh 및 Thompson의 미국 특허 번호 6,902,798 B2에서 보다 상세하게 설명되는 유연 씰들을 포함한 평면형 SOFC 스택을 설명한다. Couse 및 Tang은 SOFC들이 강성 SOFC 스택 구성요소들을 접촉하지 않도록 유연 씰들에 의해 지지되는 "플로팅" 평면형 고체 산화물 연료 셀들을 설명한다. Ghosh 및 Thompson에서 설명된 유연 씰들은 세라믹 또는 유리 입자들을 갖고 알루미나 펠트 또는 매트를 함침시키고 그것이 SOFC 스택에서 조립될 때 씰들에 인가되는 힘보다 큰 압축력을 인가하기 위해 유압 프레스를 사용하여 복합 구조를 사전-압축함으로써 형성된다. 세라믹 또는 유리 입자들은 복합 씰 재료를 통한 가스의 통과를 차단하도록 의도된다. 설명된 씰들이 가진 하나의 문제는 그것들이 처리되지 않고 압축되지 않은 알루미나 펠트 또는 매트의 유연도를 유지하지 않는다는 것이다. Ghosh 및 Thompson은 형성된 씰의 압축 계수를 개시하지 않지만 그것이 함침되지 않으며 압축되지 않은 알루미나 펠트 또는 매트 재료만큼 유연하지 않음을 허용하며, 씰이 "약간의 유연성을 보유한다"고 서술한다. 설명된 씰들이 가진 또 다른 문제는 그것들이, 씰들이 기계적 로드들을 흡수하기 위해 유연도를 보유할지라도, 비교적 얇은 씰들은 변형을 수용하며 그에 의해 기계적 로드들을 흡수하기 위해 제한된 두께를 유지하도록 그것들이 지원하는 평면형 SOFC의 두께의 대략 1/4라는 것이다.
2009년 6월 4일에 공개된, Gregorski의 미국 특허 출원 공개 번호 2009/0142639 A1은 실질적으로 기밀 씰을 제공하기 위해 지정된 두께로 압축되는 알루미나 펠트 씰들에 의해 지원된 평면형 SOFC들을 설명한다. Gregorski가 가진 하나의 문제는 펠트 씰들이 실질적으로 기밀 씰을 얻기 위해 원래 씰 높이의 약 42%만큼 압축된다는 것이다. 압축된 알루미나 펠트 씰들은 압축되지 않거나 또는 보다 적은 정도로 압축되는 씰들만큼 유연하지 않다. 펠트 씰들이 가진 또 다른 문제는 씰들이 변형될 때, 실질적으로 기밀 씰들을 얻기 위해 약간 더 많이, 예를 들면, 47 내지 52% 압축이 요구된다는 것이며, SOFC 균열은 발명자들에 의해 주지되었다.
본 발명의 특징들은 예시의 목적들을 위해 선택되고 수반되는 도면들에서 도시된 본 발명 및 그것의 예시적인 실시예들에 대한 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다:
도 1은 본 기술에 따른 비-제한적인 대표적 고체 산화물 연료 셀 스택 어셈블리를 통해 취해진 개략적인 측 단면도를 묘사한다.
도 2a는 본 기술에 따른 비-제한적인 대표적 전해질 지지형 고체 산화물 연료 셀을 통해 취해진 개략적인 측 단면도를 묘사한다.
도 2b는 본 기술에 따른 비-제한적인 대표적 애노드 지지형 고체 산화물 연료 셀을 통해 취해진 개략적인 측 단면도를 묘사한다.
도 2c는 본 기술에 따른 비-제한적인 대표적 금속 지지형 고체 산화물 연료 셀을 통해 취해진 개략적인 측 단면도를 묘사한다.
도 3a는 본 기술에 따른 비-제한적인 대표적 성형 판 상호 연결부의 개략도를 묘사한다.
도 3b는 본 기술에 따른 비-제한적인 대표적 고체 산화물 연료 셀 스택 어셈블리를 통해 취해진 개략적인 측 단면도를 묘사한다.
도 4는 본 기술에 따른 비-제한적인 대표적 고체 산화물 연료 셀 스택 어셈블리를 통해 취해진 개략적인 측 단면도를 묘사한다.
도 5는 본 기술에 따른 고체 산화물 연료 셀 스택 어셈블리의 대표적인 가스 흐름 경로들의 개략도를 묘사한다.
도 6은 본 기술에 따른 고체 산화물 연료 셀 스택 어셈블리의 대표적인 가스 흐름 경로들의 개략도를 묘사한다.
도 7은 본 기술에 따른 비-제한적인 대표적 고체 산화물 연료 셀 시스템의 개략도를 묘사한다.
정의들
다음의 정의들은, 구체적으로 달리 표시되지 않는다면, 전체에 걸쳐 사용된다:
아이템 번호 리스트
다음의 아이템 번호들은, 달리 구체적으로 표시되지 않는다면, 전체에 걸쳐 사용된다.
대표적인 시스템 아키텍처
도 1, 도 3b, 및 도 4를 참조하면, 다수의 셀 유닛들(1010, 3010, 4010)을 포함한 고 전력 고체 산화물 연료 셀(HP-SOFC) 스택(1000, 3000, 4000)이 개략적인 측면 컷-어웨이 뷰에 도시된다. HP-SOFC 스택은 묘사된 것보다 많거나 또는 적은 셀 유닛들을 포함할 수 있으며, 예를 들면 HP-SOFC 스택은 3, 4, 10개 이상의 셀 유닛들을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, HP-SOFC 스택은 18개 셀 유닛들을 포함한다.
각각의 셀 유닛(1010, 3010, 4010)은 평면형 SOFC(2000, 2100, 또는 2200)를 포함한다. 도 2a, 도 2b, 및 도 2c를 참조하면, 평면형 SOFC는 전해질 지지형 SOFC(2000), 애노드 지지형 SOFC(2100), 또는 금속 지지형 SOFC(2200)를 포함할 수 있다. 셀 유닛들(1010 및 1030)은 각각이 전해질 지지형 SOFC(2000)를 포함하는 것으로 묘사되며 셀 유닛(3010)은 애노드 지원 SOFC(2100)를 포함하는 것으로 묘사된다. 각각의 셀 유닛(1010, 3010, 4010)은 개시된 기술의 개념들로부터 벗어나지 않고 임의의 평면형 SOFC(2000, 2100, 2200) 또는 다른 적절한 평면형 SOFC(도시되지 않음)를 포함할 수 있다는 것이 인지된다.
도 2a를 참조하면, 평면 전해질 지지형 SOFC(2000)가 측 단면도에 도시된다. 평면 전해질 지지형 SOFC(2000)는 전체적으로 또는 부분적으로 안정화된 지르코니아, 도핑 세리아, 도핑 LaGaO3 및 도핑 Bi2O3, 예를 들면, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)에 기초한 전해질 재료와 같은 임의의 적절한 SOFC 전해질 재료를 포함한 전해질 층(2010)을 포함한다.
전해질 지지형 평면 SOFC(2000)의 애노드 표면(2022)은 전해질(2010) 상에 배치되며 그것에 의해 지원된 애노드 전극(2020)을 포함한다. 애노드 전극 층은 예를 들면 Ni 또는 Ni 도핑 세리아를 포함한 임의의 적절한 SOFC 애노드 전극 재료로부터 형성될 수 있다.
애노드 표면의 반대편에 있는, 캐소드 표면(2042)은 전해질 상에 배치되며 그것에 의해 지원된 캐소드 전극(2040)을 포함한다. 비-제한적인 예에서, 캐소드 전극은 스트론튬 도핑 란타넘 망가나이트(La1-xSrxMnO3(LSM)), Ba0.5Sr0.5Co0.6Fe0.4O3-5(BSCF), La1-xSrxFe1-yCoyO3(LSCF), 및 Pr1-xSrxFeO3(PSF) 기 캐소드 재료들을 포함한 하나 이상의 종래의 SOFC 캐소드 전극 재료들, 및 임의의 다른 적절한 SOFC 캐소드 재료들로부터 형성된다.
집전기 층(2050)은 캐소드 전극의 캐소드 표면(2042) 상에 배치되며 그것을 부분적으로 커버한다. 집전기 층(2050)은 스크린 인쇄 또는 임의의 다른 적절한 재료 층 증착 방법을 사용하여 전기적 전도성 재료를 캐소드 표면(2042)으로 증착시킴으로써 형성될 수 있다. 비-제한적인 대표적 실시예에서, 집전기(2050)는 스테인리스 스틸로부터 형성된다.
추가 실시예들에서, 셀 유닛(1010, 3010, 4010)은 예를 들면, 애노드 또는 금속 지지형 평면 SOFC들과 같은, 상이한 구성들을 가진 SOFC를 포함할 수 있다. 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 애노드 지지형 SOFC(2100) 및 금속 지지형 SOFC(2200)는 측 단면도에 도시된다.
애노드 지지형 평면 SOFC(2100)는 애노드 표면(2122)을 포함하여, 애노드 전극(2120)을 포함한다. 애노드 전극(2120)은 전해질 층(2110), 캐소드 층(2140), 및 캐소드 표면(2142) 상에 배치된 집전기 층(2150)을 지원한다. 애노드 전극(2120)은 임의의 적절한 SOFC 애노드 전극 재료, 예를 들면 NiO-YSZ 서멧들, 스트론튬 티탄산염에 기초한 페로브스카이트 재료들, 란타넘 크로마이트, 및 세리아에 기초한 형석 재료들을 포함할 수 있다. 애노드 전극(2120)은 테이프 주조 또는 다이 프레싱과 같은 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 박막 증착 기술은 애노드 전극(2120) 위에 전해질(2110)의 얇은 층을 증착시키기 위해 사용될 수 있다.
금속 지지형 평면 SOFC(2200)는 전해질 층(2210), 캐소드 층(2240), 및 캐소드 표면(2242) 상에 배치된 집전기 층(2250)을 지원하는 다공성 금속 판(2260)을 포함한다. 실시예에서, 다공성 금속 판(2260)은 다공성 스테인리스 스틸을 포함한 재료로부터 형성된다. 다공성 금속 판(2260)은 금속 지지형 SOFC(2200)가 별개의 애노드 전극 층을 요구하지 않으며 금속 판 표면(2262)이 애노드 표면(2022, 2122)에 상응하도록 애노드 전극으로서 기능할 수 있다. 부가적인 비-제한적인 실시예(도시되지 않음)에서, 애노드 전극 재료의 층은 다공성 금속 판(2260) 및 전해질 층(2210) 사이에 배치된다.
추가 대표적인 평면형 SOFC(도시되지 않음)는 다공성 세라믹 판이 금속 판(2260)으로 대체되며 애노드 층이 다공성 세라믹 판 및 캐소드 전극 층(2240) 사이에 배치되는 금속 지지형 평면 SOFC(2200)와 구성이 대체로 유사한 세라믹 지지형 SOFC를 포함한다.
도 1, 도 3b, 및 도 4를 참조하면, 각각의 셀 유닛(1010)은 스페이서 판(1100)을 포함한다. 스페이서 판은 환상형 측벽들(1110)에 의해 경계가 지어진 중심 공동(1120)을 포함하도록 형성된다. 중심 공동은 고체 원형 스페이서 판(1100)을 통과하는 원형 스루 홀에 의해 형성될 수 있다. 원형 보어는 스페이서 판의 대향 면들 상에 최상부 및 최하부 원형 애퍼처를 형성한다. 다른 실시예들에서, 애퍼처 및 판 형태들은 상이할 수 있으며, 예를 들면 정사각형, 직사각형 또는 다른 판일 수 있고 애퍼처 형태들 및 치수들은 본 발명으로부터 벗어나지 않고 사용 가능하다. 각각의 셀 유닛(1010)은 애노드 흐름 판(1200) 및 캐소드 흐름 판(1300)을 포함한다. 애노드 흐름(1200) 판은 스페이서 판(1100)에 인접하여 및 SOFC(2000)의 애노드 표면(2020)의 반대편에 배치된다. 캐소드 흐름 판(1300)은 스페이서 판(1100)에 인접하여 및 SOFC의 캐소드 표면(2040)의 반대편에 배치된다. 애노드 흐름 판(1200), 캐소드 흐름 판(1300), 및 스페이서 판(1100)은 함께 셀 챔버(1400)를 형성한다. 평면형 SOFC(2000)는 셀 챔버(1400) 내에 배치된다. 도 1 및 도 4는 전해질 지지형 평면 SOFC(2000)를 포함하며 도 3은 애노드 지지형 SOFC(2100)를 포함하지만, 셀 유닛들(1010, 3010, 4010)은 예를 들면, 세라믹 지지형 SOFC, 애노드 지지형 SOFC(2100), 또는 금속 지지형 SOFC(2200)와 같은 임의의 적절한 평면형 SOFC를 포함할 수 있다는 것을 주의하자. 스페이서 판(1100)의 환상형 측벽들(1110)은 셀 챔버의 벽들을 형성한다. 애노드 및 캐소드 흐름 판들(1200, 1300)은 셀 챔버의 최상부 및 최하부 벽들을 형성한다.
각각의 유닛 셀(1010)에서, 적어도 캐소드 흐름 판은 캐소드 흐름 판의 각각이 두 개의 매팅 판들 사이에서의 평면 경계에 걸쳐 열 전도성 결합되도록 스페이서 판과 짝짓기 접촉한다. 스페이서 판 및 애노드 흐름 판 사이에 형성된 평면 경계의 경우에, 이러한 경계는 도 1에 도시되고 이하에서 설명된 실질적으로 평면형 전기 절연체(1850)에 의해 전기적으로 절연된다. 전기 절연체가 또한 열 절연성이므로, 스페이서 판 및 애노드 흐름 판은 두 개의 매핑 판들 사이에서의 평면 경계에 걸쳐 열 전도성 결합되지 않는다. 그러나, 도 1에 추가로 도시된 바와 같이, 각각의 스택 유닛(1020)은 모두가 3개의 매핑 판들 사이에 형성된 평면 경계에 걸쳐 열 전도성 결합된 스페이서 판(1100), 캐소드 흐름 판(1300) 및 애노드 흐름 판(1200)을 포함한다. 따라서, 각각의 스택 유닛(1020)은 중심 공동으로부터 스택 유닛(1020)의 둘레 에지들로 연장되는 실질적으로 연속적인 열 전도성 경로로서 형성된 판 재료의 실질적으로 고체 체적부를 제공하며 이하에서 추가로 설명될 바와 같이 100 내지 400 W/(mㆍK) 사이에서의 열 전도 계수를 가진 하나 이상의 재료들로부터 형성되며 판 재료의 실질적으로 고체 체적부 전체에 걸쳐 균일하게 충분한 열 질량 급속 분배 열 에너지를 갖고 형성될 때 판 재료의 실질적으로 고체 체적부는 고체 체적부가 평면형 SOFC의 정상 상태 동작 동안 계속해서 실질적으로 일정한 온도에 있도록 허용한다. 스페이서 판(1100), 애노드 흐름 판(1200), 및 캐소드 흐름 판(1300)은 각각 높은 열 전도 계수, 예로서 100 내지 300 W/(mㆍK) 사이, 및 바람직하게는 200 W/(mㆍK) 이상을 가진 하나 이상의 재료들로부터 형성된다. 따라서, 스페이서 판(1100), 애노드 흐름 판(1200), 및 캐소드 흐름 판(1300)은 각각 구리, 몰리브덴, 알루미늄, 구리 니켈 합금들, 또는 그것의 조합 중 하나 이상으로부터 제작된다. 실시예에서, 스페이서 판(1100), 애노드 흐름 판(1200), 및 캐소드 흐름 판(1300)은 각각, 재료의 온도 및 합금들의 조성에 의존하여, 바람직하게는 330 (mㆍK) 내지 400 W/(mㆍK) 이상의 범위에서의 열 전도 계수 및 대략 1085℃ 이하의 용융 온도를 가진 구리를 포함한 재료로부터 제작된다.
저온 SOFC들, 예로서 대략 500℃ 이하의 온도에서 동작하는 SOFC들을 포함한 추가 실시예에서, 스페이서 판(1100), 애노드 흐름 판(1200), 및 캐소드 흐름 판(1300)은 각각 대략 500℃ 이하의 온도들에서 동작할 수 있는 알루미늄 합금, 즉 500℃ 보다 높은 녹는 점을 가진 합금들로부터 제작된다. 실시예에서, 알루미늄 합금은 대략 582 내지 652℃의 녹는 점 및 167 W/mㆍK의 열 전도 계수를 가진 Al 6061이다. 뿐만 아니라, 스페이서 판(1100), 애노드 흐름 판(1200), 및 캐소드 흐름 판(1300)은 전체에 걸쳐 및 판들의 각각 사이에서 열 에너지를 빠르게 전도시키기 위해 충분한 열 질량을 포함한다. 여기에서 사용된 바와 같이, 용어 열 도체 판은 스페이서 판(1100), 애노드 흐름 판(1200), 및 캐소드 흐름 판(1300), 또는 100 W/(mㆍK) 이상의 열 전도 계수를 가지며 열 에너지를 빠르게 전도시키기 위해 충분한 열 질량을 가진 하나 이상의 재료들로부터 형성된 HP-SOFC 스택(1000, 3000, 4000)을 포함한 임의의 다른 판을 나타낼 것이다.
본 발명의 특정한 이점은 충분한 열 질량을 갖고 형성된 높은 열 전도율 판들을 가진 셀 챔버를 둘러쌈으로써, 셀 챔버 안에서 동작하는 평면형 SOFC에 의해 발생된 열 에너지가 빠르게 흡수되며 스택 유닛 전체에 걸쳐 균일하게 분배되고 스택 유닛들의 큰 스택들에서의 스택 유닛과 열 전도성 접촉하는 다른 스택 유닛들로 추가로 분배된다는 것이다.
각각의 HP-SOFC 스택(1000, 3000, 4000)은 다수의 셀 유닛들(1010, 3010, 4010)로 이루어지며, 각각의 셀 유닛은 열 도체 판들을 포함한다. 구체적으로, HP-SOFC 스택(1000, 3000, 4000)의 열 도체 판들의 각각은 온도 구배들을 보다 빠르게 감소시키고 실질적으로 동일한 온도에서 전체 HP-SOFC 스택을 유지하기 위해 스택 전체에 걸쳐 스택에서의 하나의 위치로부터 다른 위치들로 열 에너지의 빠른 전달을 위해 각각의 셀 챔버로부터 로컬 스택의 전체 열 질량으로 연장되는 실질적으로 연속적인 열 전도성 경로를 제공하도록 구성된다. HP-SOFC 스택(1000, 4000)은 연료 셀 스택의 고체 재료 층들의 조성 및 애노드과 캐소드 가스들의 특성들에 의존하여, 높은 동작 온도(예로서, 범위가 350 내지 1200℃에 이르는)에서 유지된다. 또한, 열 에너지는 전체 HP-SPFC 스택의 외부 표면들로부터 주변 공기로 연속적으로 방출된다. 바람직한 동작 온도는 효율적인 전기-화학 에너지 발생을 지원하기 위해 선택된다.
셀 챔버(1400)는 SOFC(2000)의 애노드 표면(2022)의 반대편에 있는 애노드 공급 챔버(1420) 및 SOFC의 캐소드 표면(2042)의 반대편에 있는 캐소드 공급 챔버(1430)를 포함한다. 애노드 공급 챔버(1420)는 스페이서 판의 환상형 측벽들(1110), SOFC(2020)의 애노드 표면에 의해, 및 애노드 흐름 판(1200)에 의해 경계를 이룬다. 캐소드 공급 챔버(1430)는 스페이서 판의 환상형 측벽들(1110)에 의해, SOFC(2040)의 캐소드 표면에 의해, 및 캐소드 흐름 판(1300)에 의해 경계를 이룬다.
애노드 메시 또는 폼 상호 연결부(1520)는, 애노드 공급 챔버(1420) 내에 배치되고, 셀의 애노드 전극(2020) 및 애노드 흐름 판(1200) 사이에 위치되며 그것과 전기 접촉한다. 캐소드 메시 또는 폼 상호 연결부(1530)는 캐소드 공급 챔버(1430) 내에 배치되고, 셀의 캐소드 전극(2040) 및/또는 집전기(2050)와 캐소드 흐름 판(1300) 사이에 위치되며 그것과 전기 접촉한다. 애노드 및 캐소드 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530)은 각각 전기적 및 열 전도성 재료, 예를 들면 구리 및/또는 니켈을 포함한 재료로부터 만들어진다. 애노드 메시 또는 폼 상호 연결부(1520)는 애노드 전극(2020) 및 애노드 흐름 판(1200) 사이에 전기적 전도성 경로를 제공하며 캐소드 메시 또는 폼 상호 연결부(1530)는 캐소드 전극(2040) 및/또는 집전기(2050)와 캐소드 흐름 판(1300) 사이에 전기적 전도성 경로를 제공한다. 비-제한적인 대표적 실시예에서, 애노드 및 캐소드 메시 또는 폼 상호 연결부들은, 재료의 온도 및 합금들의 조성에 의존하여, 약 1.68×10-8 Ohm-m의 전기 저항률 및 약 330(mㆍK) 내지 400 W/(mㆍK) 이상의 열 전도 계수를 가진 구리로부터 만들어진다.
애노드 및 캐소드 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530)은 애노드 및 캐소드 가스가 흐를 수 있는 통로들 또는 채널들을 갖고 형성된다. 뿐만 아니라, 애노드 및 캐소드 메시 또는 폼 상호 연결부들은 각각 그것들이 압축될 때 휘거나 또는 변형되기 위해 유연하도록 구성된다. HP-SOFC 스택이 조립될 때, 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530)은 압축 시 기계적으로 로딩된다. 각각의 메시 또는 폼 상호 연결부(1520, 1530)는 전기 접촉이 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530), SOFC(2000)의 애노드 및 캐소드 표면들, 및 각각의 애노드 및 캐소드 표면의 반대편에 있는 흐름 판들(1200, 1300) 사이에서 유지되도록 압축력들이 증가될 때 변형되며 압축력들이 감소될 때 팽창하도록 구성된다.
실시예에서, 애노드 및 캐소드 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530)은 가스들이 흐를 수 있는 상호 연결된 보이드 공간을 가진 구리 또는 다른 적절한 금속의 비-강성 개방-셀 폼 또는 메시를 포함한다. 각각의 폼 또는 메시 상호 연결부(1520, 1530)는 HP-SOFC 스택이 조립될 때 및 HP-SOFC 스택의 동작 동안 보이드 공간들을 완전히 붕괴시키지 않고 압축될 때 변형되도록 구성된다.
도 3a, 도 3b, 및 도 4를 참조하면, HP-SOFC 스택(3000)의 추가 대표적인, 비-제한적, 실시예는 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)을 포함한다. 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)은 재료의 성형 판(3532), 예를 들면 0.002 내지 0.090 인치 사이에서의 두께를 가진 금속 판으로부터 제작된다. 비-제한적인 대표적 실시예에서, 성형 판(3532)은 대략 0.01 인치의 두께를 가진 금속 판으로부터 제작된다. 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)은 전기적 전도성 도금 또는 코팅을 가진 베이스 재료 또는 전기적 전도성 재료로부터 형성된다. 예를 들면, 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)은 니켈을 함유한 합금들 또는 철을 함유한 합금들을 포함한 재료들로부터 형성될 수 있으며 여기에서 합금들은 예를 들면, 은, 백금, 팔라듐, 금, 또는 스피넬 코팅과 같은 전도성 세라믹 코팅을 포함한 하나 이상의 전기적 전도성 재료들로 코팅된다. 실시예에서, 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)은, 재료의 온도 및 합금들의 조성에 의존하여, 약 1.68×10-8 Ohm-m의 전기 저항률 및 약 330(mㆍK) 내지 400 W/(mㆍK) 이상의 열 전도 계수를 가진 구리를 포함한다.
성형 판 상호 연결부들(3520, 3530) 각각은 판(3532)의 부분 컷아웃들(3537)로부터 형성되는 가요성 탭들(3535)을 포함한다. 각각의 성형 판 상호 연결부(3520, 3530)의 금속 판(3532)은 애노드 흐름 판(1200) 또는 캐소드 흐름 판(1300)에 인접하며 그것과 접촉하여 배치된다. 성형 판 상호 연결부(3520)의 가요성 탭들(3535)은, 애노드 표면(2122)에 접촉하기 위해, 애노드 흐름 판(1200)과 접촉하는, 금속 판(3532)으로부터 연장된다. 성형 판 상호 연결부(3530)의 가요성 탭들(3535)은, 캐소드 표면(2142) 및/또는 집전기(2150)에 접촉하기 위해, 캐소드 흐름 판(1300)과 접촉하는, 금속 판(3532)으로부터 연장된다. 가요성 탭들(3535)은 HP-SOFC 스택이 조립될 때 가요성 탭들의 부분 만곡을 야기하는 압축력들을 겪도록 구성되고 배치된다.
가요성 탭들(3535)은 가요성 탭들(3535)이 SOFC(2100) 및 대향 판들(1200, 1300)과 물리적 및 전기적 접촉한 채로 있도록 스택 조립 및 스택 동작 동안 변화하는 압축 로드 하에서 구부러지고 휘도록 구성된다. 탭들은 그것을 통한 애노드 및 캐소드 가스들의 흐름을 가능하게 하기 위해 그 사이에 개방 공간들을 갖고 구성되고 배치된다. 도 3a를 참조하면, 애노드 성형 판 상호 연결부(3520)는 애노드 전극(2120) 및 애노드 흐름 판(1200) 사이에 전기적 전도성 경로를 제공하며 캐소드 성형 판 상호 연결부(3530)는 캐소드 전극(2140) 및/또는 집전기(2050)와 캐소드 흐름 판(1300) 사이에 전기적 전도성 경로를 제공한다. 도 4를 참조하면, 애노드 성형 판 상호 연결부(3520)는 애노드 전극(2120) 및 애노드 흐름 라이닝 판(4720) 사이에 전기적 전도성 경로를 제공하며 캐소드 성형 판 상호 연결부(3530)는 캐소드 전극(2140) 및/또는 집전기(2050)와 캐소드 흐름 라이닝 판(4730) 사이에 전기적 전도성 경로를 제공한다.
도 1, 도 3b, 및 도 4를 참조하면, 열 에너지는 SOFC(2000, 2100), 대안적으로 SOFC(2200) 또는 다른 적절한 평면형 SOFC, 및 셀 챔버(1400)를 형성하는 주변 열 도체 판들(1100, 1200, 1300) 사이에서 교환된다. 실시예에서, 각각의 SOFC(2200)는 대략 24그램의 질량을 가지며 대략 340그램의 집단 질량을 갖고 높은 열 전도 계수, 예로서, 100 내지 300 W/(mㆍK) 사이, 및 바람직하게는 200 W/(mㆍK) 이상을 가진 재료를 포함한 열 도체 판들로 둘러싸여진다. 열 에너지는 SOFC(2000, 2100) 및 열 도체 판들(1100, 1200, 1300) 사이에서, 예를 들면, 방사 열 전달을 통해, 애노드 및 캐소드 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530) 또는 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)을 통한 전도성 열 전달을 통해, 또는 방사 및 전도의 조합을 통해 전달된다. 열 에너지는 또한 열 도체 판들에 의해 데워질 수 있는 애노드 및 캐소드 가스들을 통한 대류에 의해 SOFC(2000, 2100)로 전달될 수 있다.
열 도체 판들(1100, 1200, 1300)은 SOFC의 온도를 동작 온도로 이끌기 위해 시스템 개시 동안 열 에너지가 SOFC(2000)로 향하게 하는 열 전도성 경로를 제공한다. 시스템 동작 동안, HP-SOFC 스택은 실질적으로 일정하고 균일한 온도에서 유지되며 열 에너지는 원하는 동작 온도로 SOFC를 유지하기 위해 SOFC(2000, 2100) 및 주변 열 도체 판들(1100, 1200, 1300) 사이에서 교환된다. 각각의 SOFC(2000, 2100)는 열 에너지의 빠른 전도에 의해 근본적으로 균일하고 일정한 온도에서 유지되는 스택 구성요소들로 둘러싸여진다. 그러므로, 셀 효율에 영향을 주며 셀의 차동 열 팽창 및 수축으로 인한 기계적 응력을 야기할 수 있는, 각각의 SOFC에 걸친 온도 구배들은 상당히 감소되거나 또는 제거된다.
애노드 흐름 판(1200), 캐소드 흐름 판(1300), 및 스페이서 판(1100) 각각은 판들이 캐소드 가스 매니폴드(1630), 애노드 가스 매니폴드(1620), 및 배출 가스 매니폴드(1650)를 형성하기 위해 HP-SOFC 스택에서 조립될 때 동조되는 홀들을 포함한다. 실시예에서, HP-SOFC 스택은 각각의 유형의 하나 이상의 매니폴드들을 포함한다. 대표적인 실시예에서, HP-SOFC 스택은 3개의 애노드 가스 매니폴드들, 3개의 캐소드 가스 매니폴드들, 및 6개의 매출 가스 매니폴드들을 포함한다.
애노드 및 캐소드 가스 매니폴드들(1620, 1630)은 HP-SOFC 스택의 열 도체 판들(1100, 1200, 1300) 내에 형성되며 그에 의해 높은 열 전도 계수를 가진 재료들을 포함한다. 애노드 및 캐소드 가스 매니폴드들(1620, 1630)은 실질적으로 균일한 스택 동작 온도에서 유지된다. 애노드 가스(1900), 예로서 촉매 부분 산화(CPOX) 반응기, 수증기 개질기, 자동-열 개질기 또는 그것의 조합에 의해 프로세싱되고, 애노드 가스 매니폴드(1620) 및 캐소드 가스(1910), 예로서 산소, 공기 또는 산소를 포함한 다른 가스 혼합물을 통과하고, 캐소드 가스 매니폴드(1630)를 통과하는 연료/공기 혼합물은 HP-SOFC 스택과 열 에너지를 교환하고, 예로서 캐소드 가스는 그것이 스택 온도에 도달하며 SOFC들을 포함한 스택 구성요소들과 실질적으로 동일한 온도에 있을 때까지 HP-SOFC 스택을 통과하므로 계속해서 데워진다. 열 도체 판들(1100, 1200, 1300), SOFC들(2000, 2100), 및 애노드 및 캐소드 가스들(1900, 1910)은 실질적으로 균일한 온도에서 유지되며 그에 의해 스택 동작 동안 온도 구배들 및 열 응력을 감소시킨다.
캐소드 흐름 판(1300)은 캐소드 공급 챔버(1443)와 캐소드 가스 매니폴드(1630)를 연결하기 위해 배치된 적어도 하나의 캐소드 가스 유입구 통로(1320) 또는 채널을 포함한다. 캐소드 흐름 판(1300)은 판 내에 또는 판의 표면에 형성된 적어도 하나의 배출 가스 연소 챔버(1340), 배출 가스 연소 챔버(1340)에 캐소드 공급 챔버(1430)를 연결하기 위해 배치된 캐소드 유출구 통로(1330) 또는 채널, 및 배출 가스 매니폴드와 배출 가스 연소 챔버를 연결하기 위해 배치된 배출 가스 통로(1350)를 추가로 포함한다.
애노드 흐름 판(1200)은 애노드 공급 챔버(1420)와 애노드 가스 매니폴드(1620)를 연결하기 위해 배치된 적어도 하나의 애노드 가스 유입구 채널(1220) 또는 통로를 포함한다. 애노드 흐름 판(1200)은 인접한 캐소드 흐름 판(1300)의 배출 가스 연소 챔버(1340)에 애노드 공급 챔버(1420)를 연결하기 위해 배치된 적어도 하나의 애노드 유출구 채널(1230) 또는 통로를 추가로 포함한다. 대안적인 실시예에서, 배출 가스 연소 챔버는 애노드 흐름 판에 형성되며 엄격한 추가 실시예에서, 배출 가스 연소 챔버는 각각 부분적으로 애노드 및 캐소드 흐름 판들로 형성된다.
각각의 셀 유닛(1010, 4010)은 전기 절연 층(1850)을 형성하기 위해 스페이서 판(1100)과 애노드 흐름 판(1200) 사이에 배치된 온도 저항성 전기 절연 재료의 층을 포함한다. 전기 절연 층은 SOFC(2000)의 애노드 전극(2120) 및 캐소드 전극(2140)이 전기적으로 단락되는 것을 방지한다.
산화 보호
열 도체 판들(1100, 1200, 1300) 및 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)의 부분들은 부식성 애노드, 캐소드, 및 배출 가스들에 노출된다. 실시예에서, 열 도체 판들(1100, 1200, 1300) 및 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)은 각각, 산화로부터 판들을 보호하기 위해, 니켈과 같은 내 부식성 금속으로 코팅된다. 추가 실시예들에서, 판들에 형성된 통로 벽들은 보호성 코팅을 제공하기 위해 브레이징 재료로 코팅된다. 계속해서 추가 실시예들에서, 통로 벽들은 고온 내부식성 금속 인서트들, 예를 들면 Monel 또는 Inconel로부터 제작된 인서트들과 나란히 있다. 계속해서 추가 실시예들에서, 보호성 코팅들 및/또는 라이닝들 또는 덮개들의 조합은 판들의 표면들을 보호하기 위해 사용된다.
도 4를 참조하면, 특정한 실시예에서, 열 도체 판들(1100, 1200, 1300)을 위한 부식 보호가 고온, 내 산화성 재료, 예를 들면 Hastelloy 또는 Monel과 같은 초 합금으로부터 형성된 라이닝 판들(4710, 4720, 4730)로 열 도체 판들의 표면들을 커버함으로써 제공된다. 실시예에서, 라이닝 판들은 Monel로부터 형성된다. 라이닝 판들은 분리기 라이닝 판들(4710), 애노드 흐름 라이닝 판들(4720), 및 캐소드 흐름 라이닝 판들(4730)을 포함한다. 라이닝 판들(4710, 4720, 4730)은 열 도체 판들(1100, 1200, 1300)에 인접한 스택에 배치된다.
애노드 흐름 라이닝 판(4720) 및 분리기 라이닝 판(4710)은 애노드 공급 챔버(1420)의 반대편에 있는 애노드 흐름 라이닝 판(4720) 및 애노드 흐름 판(1200)과 인접한 캐소드 흐름 판(1300) 사이에 적층된 라이닝 분리기 판(4710)을 가진 애노드 흐름 판(1200)에 인접하여 적층된다.
캐소드 흐름 라이닝 판(4730) 및 분리기 라이닝 판들(4710)은 캐소드 공급 챔버(1430)의 반대편에 있는 캐소드 흐름 라이닝 판(4730) 및 캐소드 흐름 판(1300)과 인접한 애노드 흐름 판(1200) 사이에 적층된 분리기 라이닝 판(4710)을 가진 캐소드 흐름 판(1300)에 인접하여 적층된다.
애노드 흐름 라이닝 판(4720), 캐소드 흐름 라이닝 판(4730), 및 분리기 라이닝 판(4710)의 각각은, 애노드 흐름 판, 캐소드 흐름 판, 및 스페이서 판의 매니폴드 스루 홀들과 함께, 애노드, 캐소드, 및 배출 가스 매니폴드들(1620, 1630, 1650)을 형성하는 매니폴드 스루 홀들을 포함한다.
도 4를 참조하면, 실시예에서, 애노드 및 캐소드 유입구 통로들(1220, 1320)의, 애노드 및 캐소드 유출구 통로들(1230, 1330)의, 배출 가스 연소 챔버(1340)의, 및 배출 가스 통로(1350)의 측벽들은 애노드 흐름 판(1200)의 제 1 표면(1210) 상에 및 캐소드 흐름 판(1300)의 제 1 표면(1310) 상에 형성된 채널들에 의해 형성된다. 애노드 흐름 라이닝 판(4720) 및 캐소드 흐름 라이닝 판(4730)은 통로들 및 연소 챔버를 형성하기 위해 홈들 또는 채널들을 둘러싸는 최상부 또는 최하부 벽들을 제공한다. 애노드 흐름 라이닝 판(4720)은 애노드 공급 챔버(1420)에 애노드 가스 유입구(1220)를 연결하기 위해 배치된 유입구 스루 홀(4722) 및 애노드 가스 유출구(1230)에 애노드 공급 챔버를 연결하기 위해 배치된 유출구 스루 홀(4724)을 포함한다. 캐소드 흐름 라이닝 판(4730)은 캐소드 공급 챔버(1430)에 캐소드 가스 유입구 통로(1320)를 연결하기 위해 배치된 캐소드 유입구 스루 홀(4732) 및 캐소드 가스 유출구 통로(1330)에 캐소드 공급 챔버를 연결하기 위해 배치된 유출구 스루 홀(4734)을 포함한다. 라이닝 분리기 판(4710)은 인접한 캐소드 흐름 판(1300)의 배출 가스 연소 챔버(1340)에 애노드 유출구 채널(1240)을 연결하기 위해 배출 가스 스루 홀(4712)을 포함한다.
추가 실시예(도시되지 않음)에서, 통로들, 애노드 및 캐소드 공급 챔버들, 및 연소 챔버들은 열 도체 애노드 및 캐소드 흐름 판들 및 열 도체 스페이서 판들의 전체 두께를 통해 연장되는 채널들에 의해 형성된 측 벽들을 포함한다. 라이닝 애노드 흐름 판 및 라이닝 분리기 판들은 애노드 유입구 통로 및 애노드 유출구 통로들의 최상부 및 최하부 벽들을 형성한다. 라이닝 애노드 흐름 판은 애노드 공급 챔버에 애노드 유입구 통로를 연결하는 유입구 스루 홀을 포함한다. 라이닝 애노드 흐름 판은 하나 이상의 유출구 스루 홀들을 포함하며, 각각의 유출구 스루 홀은 애노드 유출구 통로에 애노드 공급 챔버를 연결한다. 라이닝 캐소드 흐름 판 및 라이닝 분리기 판들은 캐소드 유입구 통로, 캐소드 유출구 통로들, 및 배출 가스 연소 챔버들의 최상부 및 최하부 벽들을 형성한다. 라이닝 캐소드 흐름 판은 캐소드 공급 챔버에 캐소드 유입구 통로를 연결하는 유입구 스루 홀을 포함한다. 라이닝 캐소드 흐름 판은 하나 이상의 유출구 스루 홀들을 포함하며, 각각의 유출구 스루 홀은 캐소드 유출구 통로에 캐소드 공급 챔버를 연결한다.
유연 씰들
도 1 및 도 4를 참조하면, 두 개의 고온 유연 환상형 씰들(1800)이 셀 챔버(1400) 내에서 SOFC(2000)를 지원한다. 실시예에서, 환상형 고온 유연 씰들(1800)은 고온 펠트, 예로서 매트 세라믹 울로부터 형성된 비-직조 직물, 텍사스, 디어 파크의 Flexatallic, L.P.로부터 이용 가능한 Flexatallic과 같은 실리카-계 재료, 또는 그것의 조합으로부터 형성된다. 저온 SOFC들 및 비교적 더 낮은 동작 온도를 포함한 실시예에서, 유연 씰들(1800)은 흑연 또는 탄소 섬유를 포함한 재료들로부터 형성될 수 있다.
제 1 고온 유연 씰(1800)은 SOFC(2000) 및 애노드 흐름 판(1200) 또는 애노드 흐름 라이닝 판(4720) 사이에 배치되며 제 2 고온 유연 씰은 SOFC(2000) 및 캐소드 흐름 판(1300) 또는 캐소드 흐름 라이닝 판(4730) 사이에 배치된다. 고온 유연 씰들(1800)은 SOFC의 애노드 및 캐소드 표면들의 각각의 상당한 부분이 노출되며, 즉 유연 씰에 의해 커버되지 않도록 대응하는 애노드 및 캐소드 가스 공급 챔버들의 주변 에지를 따라 구성되고 배치된다. 유연 씰들(1800)은 SOFC 및 스페이서 판의 환상형 벽들(1110) 사이에 존재할 수 있는 임의의 갭들을 밀봉함으로써 애노드 및 캐소드 공급 챔버들 사이에 가스 씰을 제공한다. 유연 씰들(1800)은 스페이서 판(1100) 및 애노드 및 캐소드 흐름 판들(1200, 1300)의 각각 또는 라이닝 판들(4720, 4730) 사이에 존재할 수 있는 임의의 갭들을 밀봉함으로써 스택의 바깥쪽에 있는 환경 및 셀 챔버(1400) 사이에 가스 씰을 추가로 제공한다. 그러나, 각각의 유연 씰이 펠트, 매트 직물, 및/또는 섬유들을 포함하므로, 가스 씰은 불완전하여 몇몇 애노드 및 캐소드 가스가 대응 씰을 통과하며 제 1 및 제 2 유연 씰들 사이에서와 같은, 중심 셀 챔버(1400)의 주변 에지에서 혼합하도록 허용한다.
실시예에서, 유연 씰들(1800)은 씰 재료가 적어도 약간 다공성이므로 완전히 기밀 씰들을 제공하거나 또는 제공하지 않을 수 있으며, 몇몇 누출이 예상된다. 실제로, 애노드 및 캐소드 가스 각각은 예로서 중심 공동의 주변 에지에서 축적하기 위해 유연 씰들(1800)을 지나 누출되며 영역(1244)에서 HP-SOFC 스택을 빠져나가기 위해 전기 절연체들(1850)을 따라 주변 에지를 넘어 추가로 누출될 수 있다. 애노드 공급 챔버(1420) 내에서의 혼합 가스들(1242) 및 캐소드 공급 챔버(1430) 내에서의 혼합 가스들(1240)은 자동-점화하려는 경향이 있다. 점화된 혼합 가스는 누출의 위치 가까이에서 열 에너지를 방출한다. 열 에너지는 HP-SOFC 스택의 열 도체 구성요소들에 의해 흡수되며 스택 전체에 걸쳐 빠르게 전도되고, 그에 의해 스택 구성요소들을 손상시킬 수 있는 온도에서의 초점 증가(즉, 핫스팟)를 방지한다.
열 에너지 전달
도 1을 참조하면, 각각의 SOFC(2000)는 스페이서 판(1100), 애노드 흐름 판(1200), 및 캐소드 흐름 판(1300)을 포함한 열 판들에 의해 정의되며 그것에 의해 둘러싸이는 셀 챔버(1400)에 배치된다. 실시예에서, 스페이서 판(1100), 애노드 흐름 판(1200), 및 캐소드 흐름 판의 각각은 실질적으로 구리를 포함한 재료로부터 형성된다. 도 3을 참조하면, 셀 챔버(1400)는 또한 두 개의 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)을 포함할 수 있으며, 이것은 실시예에서, 각각 실질적으로 구리를 포함한 재료로부터 형성된다. HP-SOFC 스택(1000)의 특정한 실시예에서, HP-SOFC 스택을 포함한 열 판들 및 상호 연결부들의 열 질량은 SOFC들 및 다른 스택 구성요소들의 열 질량보다 훨씬 더 크다.
각각의 HP-SOFC 스택 구성요소의 열 질량(Cth)은 (g)의 단위들에서 구성요소 재료 질량(m) 및 구성요소 재료의 (J/g℃)의 단위들에서 특정 열 용량(μ)의 곱으로서 정의되며, 여기에서 질량(m)은 (㎤)의 단위들에서 구성요소 재료 체적(V) 및 (g/㎤)의 단위들에서 재료 밀도(ρ)의 곱이다.
Cth = ρVμ 식 1
- 여기에서 ρ = 재료 밀도(g/㎤)
- V = 재료 체적(㎤)
μ = 재료의 재료 특정 열 용량(J/g℃). 비-제한적인 예시적 실시예에서, 셀 챔버(1400)를 둘러싸는 스페이서 판(1100), 애노드 흐름 판(1200), 및 캐소드 흐름 판(1300) 및 셀 챔버(1400) 내에 배치된 성형 판 상호 연결부들(1520, 1530) 각각은 주로 구리를 포함하며 SOFC(2100)는, 이 기술분야에 익숙한 자에게 잘 알려진 바와 같이, 캐소드 및 애노드 전극 재료들을 포함한, 주로 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 또는 YSZ의 합성물 및 다른 재료들을 포함한다. 구리에 대해, 특정 열 용량(μ)은 0.385 J/g℃이다. YSZ 및 YSZ 합성물들에 대해, SOFC(2000)의 특정 열 용량(μ)은 대략 0.6 J/g℃인 것으로 추정될 수 있다. 구리에 대해, 밀도(ρ)는 8.96g/㎤이며 SOFC(2000)에 대해, 밀도(ρ)는 6.01 g/㎤으로서 근사된다.
표 1을 참조하면, HP-SOFC 스택(1000, 3000)의 대표적인, 비-제한적, 실시예의 스택 구성요소들의 열 질량의 열 질량의 산출들이 도시된다.
HP-SOFC 스택 구성요소 속성들
구성요소 체적(㎤) 밀도(g/㎤) 특정 열 용량(J/g℃) 열 질량(J/℃) 질량(g)
SOFC(2000) 4.0 6.01 0.6 14.5 24.2
스페이서 판(1100) 14.6 8.96 .385 50.3 130.7
애노드 흐름 판
(1200)		 10.2 8.96 .385 35.0 91.0
캐소드 흐름 판
(1300)		 9.9 8.96 .385 34.2 88.7
성형 판
상호 연결부(3520)		 1.4 8.96 .385 4.9 12.8
성형 판
상호 연결부(1530)		 1.4 8.96 .385 4.9 12.8
열 판들 및 상호 연결부들에 대한 총수(합계) 37.5 129.4 336.1
표 1을 참조하면, 열 판들(1100, 1200, 1300) 및 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)을 포함하여, 대개 구리를 포함한 재료들로부터 형성되는 단일 셀 유닛(1010, 3010)의 구성요소들의 총 질량은, 대략 129.4 J/℃의 총 열 질량을 갖고, 대략 336.1그램이다. 반대로, SOFC(2000)의 질량은 대략 14.5 J/℃의 열 질량을 갖고, 대략 24.2g이다. 구리(즉, 1100, 1200, 1300, 1520, 1530, 3520, 3530)를 포함한 HP-SOFC 스택(1000, 3000) 구성요소들의 열 질량은 따라서 SOFC(2000)의 열 질량의 대략 9배이다. HP-SOFC 스택(2000)의 열 특성들은 따라서 대개 높은 열 전도 계수, 예로서 100 내지 300 W/(mㆍK) 사이, 및 바람직하게는 200 W/(mㆍK) 이상 및, 예를 들면 구리의 경우에 약 400 W/(mㆍK) 이상, 예를 들면 401 W/(mㆍK)의 열 전도 계수를 포함한 속성들을 가진 열 판들 및 성형 판 상호 연결부들에 의해 통제된다. 높은 열 전도 계수를 가진 재료들의 비교적 큰 열 질량은 HP-SOFC 스택 내에서 발생된 열 에너지의 흡수를 위해 상당한 저장소를 제공하며 스택 전체에 걸쳐 흡수된 열 에너지의 빠른 전도를 위해 열 경로를 제공한다. 혼합된 애노드 및 캐소드 가스들의 연소에 의해 발생된 열 에너지는 따라서 그 외 혼합 가스들이 점화될 때 SOFC로 전달될 수 있는 열 응력들 및 높은 온도들로부터 SOFC(2000)를 보호하는 열 판들(1100, 1200, 1300) 및 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)을 포함한 HP-SOFC 스택 구성요소들에 의해 우선적으로 흡수되고 빠르게 전도된다. 표 1을 참조하면, 대표적인 실시예에서 구리 구성요소들의 열 질량은 대략 129.4 J/℃이고 SOFC(2000)의 열 질량은 대략 14.5 J/℃이며, 따라서 구리 구성요소들의 열 질량은 열 판들(1100, 1200, 1300) 및 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)이 SOFC(2000)보다 많은 열 에너지를 흡수하도록 SOFC(2000)의 열 질량의 대략 9배이다.
도 4를 참조하면, 추가 비-제한적인 예에서, HP-SOFC 스택은 열 판들(1100, 1200, 1300)을 산화로부터 보호하기 위해 배치된 라이닝 판들을 포함한다. 셀 유닛(4010)은 분리기 라이닝 판(4710), 애노드 흐름 라이닝 판(4720), 및 캐소드 흐름 라이닝 판(4730)을 포함한다. 실시예에서, 각각의 라이닝 판(4710, 4720, 4730)은 대략 8.8 g/㎤의 밀도 및 0.427 J/g℃의 특정 열 용량을 갖고, 대개 Monel을 포함한 재료로부터 형성된다. 표 2를 참조하면, Monel로부터 형성된 라이닝 판들(4710, 4720, 4730)의 총 질량은 대략 135.5 g이며 라이닝 판들의 열 질량은 대략 57.9 J/g℃이다. 표 1 및 표 2를 참조하면, 구리(즉, 1100, 1200, 1300, 1520, 1530)를 포함한 HP-SOFC 스택(3000, 4000) 구성요소들의 열 질량은 따라서 라이닝 판들(4710, 4720, 4730)의 열 질량의 대략 2.2배이다. 구리를 포함한 구성요소들 및 Monel을 포함한 라이닝 판들의 총 열 질량은 SOFC(2000)의 열 질량의 대략 13배이다.
라이닝 판들의 속성들
구성요소 체적(㎤) 밀도
(g/㎤)		 특정 열 용량(J/g℃) 열 질량(J/g℃) 질량(g)
분리기 라이닝 판(4710) 5.2 8.8 .427 19.2 45.8
애노드 흐름 라이닝 판(4720) 5.1 8.8 .427 19.2 44.9
캐소드 흐름 라이닝 판(4730) 5.1 8.8 .427 19.2 44.9
라이닝 판들에 대한 총 수(합계) 15.4 57.9 135.5
열 에너지 전달 레이트(Q/t)는 식에 의해 통제된다:Q/t = kA(T2-T1)d 식 2
- Q/t = 열 전달 레이트;
- k = 열 전도율
- A = 스택 판의 표면적
- d = 스택 판의 두께
- T2-T1 = 스택 판의 두께에 걸친 온도 차.
스택 판의 두께에 걸친, 예를 들면 스페이서 판(1100), 애노드 흐름 판(1200), 또는 캐소드 흐름 판(1300)에 걸친 특정한 온도 차(T2-T1)에 대해, 열 에너지 전도의 레이트(Q/t)는 판 단면 표면적(A), 두께(d), 및 열 전도 계수(k)의 함수이다. 식 2를 참조하면, Q/t는 (Aㆍk)/d의 함수이다. 표 3을 참조하면, HP-SOFC 스택의 대표적인, 비-제한적인 실시예에 대해, 스페이서 판(1100)에 대해, Q/t는 대략 553(T2-T1)과 같으며 그에 의해 식 2를 사용하여 이루어진 추정들에 따라 열 플럭스에 대한 최대 저항을 가진 열 판 스택 구성요소이다.
열 판들 및 라이닝 판들의 열 플럭스 속성들
구성요소 A = 단면적(㎠) d = 두께(㎝) A/d(m) k(W/mㆍK) Ak/d(W/K)
스페이서 판(1100) 44.9 .325 1.38 401 553
애노드 흐름 판
(1200)		 118 .086 13.7 401 5493
캐소드 흐름 판
(1300)		 115 .086 13.4 401 5373
분리기 라이닝 판(4710) 127 .041 30.9 26 803
애노드 흐름 라이닝 판(4720) 126 .041 30.7 26 798
캐소드 흐름 라이닝 판(4730) 126 .041 30.7 26 798
표 1을 참조하면, 구리를 포함한 스페이서 판(1100)은 대략 50.3 J/℃의 열 질량을 가진다. 스페이서 판(1100)과 유사한 스페이서 판을 포함한 종래의 SOFC 스택은 스테인리스 스틸 또는 Hastelloy와 같은 고성능 초합금과 같은 종래의 스택 재료로부터 형성된 판을 포함할 수 있다. 스테인리스 스틸로부터 형성되며 구리 스페이서 판(1100)과 유사한 열 질량을 가진 스페이서 판(1100)(즉, 구리 스페이서 판과 비교하여 유사한 양의 열 에너지를 흡수할 수 있는 스테인리스 스틸 스페이서 판)은 44.9㎠의 단면적 및 대략 0.298㎝의 두께를 가진다. 이들 치수들을 갖고 형성된 스테인리스 스틸 스페이서 판의 열 질량은 다음과 같이 식 1에 따라 산출된다:Cth = ρVμ = 7.9 g/㎤*(44.9㎠*0.284㎝)*0.50(J/g℃) = 50.3 J/℃ 식 3
이들 치수들을 갖고 형성된 스테인리스 스틸 스페이서 판의 열 플럭스 레이트는 다음과 같이 식 2에 따라 산출된다:
Q/t = kA/d*(T2-T1) = 14W/(mㆍK)*(44.9㎠/0.284㎝)*(T2-T1) = 22(T2-T1) 식 4
따라서, 표 3 및 식 3과 식 4를 참조하면, 개시된 기술의 실시예에 따라 형성된 스페이서 판(1100)은 종래의 SOFC 스택 재료들을 사용하여 형성된 유사한 열 질량(Q/t = 22(T2-T1))을 가진 스페이서 판의 것의 대략 25배인 레이트(Q/t = 553(T2-T1))로 열 에너지를 전달할 수 있다.
도 4를 참조하면, HP-SOFC 스택(4000)의 실시예는 내산화성 합금, 예를 들면 Monel 또는 Hastelloy로부터 형성되며, 산화로부터 애노드 흐름 판(1200), 캐소드 흐름 판(1300), 및 스페이서 판(1100)을 포함한 열 판들을 보호하기 위해 배치된 애노드 흐름 라이닝 판(4720), 캐소드 흐름 라이닝 판(4730), 및 분리기 흐름 라이닝 판(4710)을 포함한다. 표 3을 참조하면, 실시예에서 라이닝 판들(4710, 4720, 및 4730)의 각각은 열 판들 중 임의의 것의 두께보다 작은 두께를 갖고 구성되며 각각은 스페이서 판(1100)이 열 에너지를 전달할 수 있는 레이트(Q/t = 553)보다 대략 1.4배 더 큰 레이트(Q/t 대략 800(T2-T1))로 열 에너지를 전달할 수 있다. 따라서, 열 판들(1100, 1200, 1300)의 열 전도 계수(k = 401 W/mㆍK)보다 작은 열 전도 계수(k = 26 W/mㆍK)를 가진 재료를 포함함에도 불구하고, 라이닝 판들(4710, 4720, 및 4730)은 스페이서 판(1100)과 비교하여 HP-SOFC 스택(4000)을 통해 전도성 열 전달의 속도를 늦추지 않는다.
도 1, 도 3b, 도 4, 및 도 7과 식 2를 참조하면, 대개 구리로부터 형성된 HP-SOFC 유닛들(예로서, 1010, 3010, 4010)을 포함한 대표적인 HP-SOFC 연료 셀 스택(7100)은 제 1 단부(7102)로부터 제 2 단부(7104)로의 길이(d) 및 단면적(A)을 가진다. 식 2의 T1은 통상의 스택 동작 온도, 예를 들면 추가로 Tcold로 불리울 수 있는, 대략 700℃의 온도를 나타낼 수 있다. 식 2의 T2는 HP-SOFC 스택(7100) 내에서의 고온 위치, 예를 들면 연소 가스 누출과 열 연통하는 열 판(1100, 1200, 1300)의 일 부분(즉, 1240 내지 1248 중 하나 이상) 또는 그 외 상승된 온도를 가진 또 다른 위치의 온도를 나타낼 수 있다. T2는 따라서 Thot으로 불리울 수 있다. 식 2는 따라서 다음과 같이 표현될 수 있다:
Q/t = kA/d(Thot - Tcold) 식 5
실질적으로 HP-SOFC 스택(7100)의 것과 동일한 길이(d) 및 단면적(A)을 가진 종래의 SOFC 스택의 열 특성들에 주로 구리를 포함한 HP-SOFC 스택(7100)의 열 특성들을 비교하기 위해, HP-SOFC 스택(7100)의 열 전도율은 구리의 열 전도율(kc)(여기에서 kc = 401 W/(mㆍK))로서 근사되며 종래의 SOFC 스택의 열 전도율(kcov)은 스테인리스 스틸의 열 전도율(kss) 또는 세라믹의 열 전도율(kcer)(여기에서 kss = 14 W/(mㆍK) 및 kcer = 12 W/(mㆍK))로서 근사된다. A 및 d가 양쪽 스택들에 대해 동일하다고 가정하면, 종래의 SOFC 스택에 대한 Q/t는 다음과 같이 식 5에 대하여 표현된 바와 같이 HP-SOFC 스택(7100)에 대한 Q/t보다 작다:
kcov(Thot - Tcold) < kc(Thot - Tcold) 식 6
따라서, HP-SOFC 스택(7100)에 대해, 온도 차(Thot - Tcold)는 대개 세라믹 구성요소들로부터 형성된 스택에 대한 Thot - Tcold보다 33배 더 작으며 주로 스테인리스 스틸 구성요소들로부터 형성된 스택에 대한 Thot - Tcold보다 28배 더 작다. SOFC 스택의 동작 동안, 누출들(1240 내지 1248) 중 하나 이상과 같은 작은 누출은 혼합된 애노드 및 캐소드 배출 가스들이 탐에 따라 열을 발생시킨다. 이러한 누출이 종래의 재료들(예로서, 세라믹 또는 스테인리스 스틸)로부터 형성된 종래의 스택에서 100℃의 온도 차(Thot - Tcold)를 발생시킨다면, 실질적으로 유사한 누출이 HP-SOFC 스택(7100)에서 단지 대략 3℃의 온도 차를 발생시킨다.
진동, 기계, 및 열 충격 보호
도 3b를 참조하면, 실질적으로 셀 유닛들(1010, 4010)과 유사한 단일 셀 유닛(3010)은 유연 씰들(1800)에 의해 스페이서 판(1100)에 인접한 주변 에지들에서의 제 위치에서 지지되고 유지된 평면형 애노드 지지 SOFC(2100)을 포함한다. 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)의 가요성 탭들(3535)은 애노드 공급 챔버(1420) 및 캐소드 공급 챔버(1430) 내에서 SOFC(2100)의 중심 부분에 부가적인 지지를 제공한다.
유연 씰들(1800)은 SOFC(2100) 및 종래의 결합 씰들보다 훨씬 덜 단단하다. 실시예에서, SOFC(2100)는 대략 220 GPa의 탄성 계수를 가지며 유연 씰들(1800)은 대략 0.3 MPa의 탄성 계수를 가진 알루미나 펠트 또는 매트 세라믹 울로부터 만들어진다. 종래의 강성 유리 및 유리/세라믹 복합 씰들은, 유리 유형 및 유리/세라믹 조성에 의존하여, 75 내지 120 GPa 이상 사이에서의 탄성 계수를 가질 수 있다.
실시예에서, 각각의 유연 씰(1800)은 HP-SOFC 스택(1000, 3000, 4000)이 조립될 때 초기 씰 두께의 대략 30 내지 40퍼센트 사이만큼 압축된다. 예를 들면, 0.125 인치의 초기 높이를 가진 세라믹 펠트를 포함한 유연 씰(1800)은 0.08 인치의 조립된 높이로 압축되며, 그에 의해 초기 씰 높이의 대략 36% 내지 대략 64% 압축만큼 씰을 압축시킨다. 다시 말해서, 각각의 압축 씰은 평면형 SOFC가 HP-SOFC 스택이 조립될 때 압축 펠트 씰들(1800)에 의해 압축 응력의 대략 0.09 내지 0.12 MPa를 겪도록 대략 0.30 내지 0.40의 압축 변형을 겪는다. 세라믹 펠트들 등으로부터 형성된 종래의 유연 씰들은 실질적으로 기밀 씰을 얻기 위해 초기 씰 두께의 40퍼센트 이상으로 압축되며 세라믹 또는 유리 섬유들을 갖고 함침되고 유압 프레스에서 사전 압축될 수 있다. 매트 펠트들의 압축은 재료의 유효 강성도를 증가시키며 재료 변형의 선형 탄성 한계들을 넘어 재료를 로딩할 수 있는 펠트의 느슨한 섬유 매트릭스를 통합하고 고밀화하려는 경향이 있다. 종래의 유연 씰들은 따라서 개시된 기술의 유연 씰들에 비교하여 SOFC 스택에서 조립될 때 훨씬 적은 잔여 유연도를 포함한다.
실시예에서, 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)은 구리로부터 형성되며, 이것은 350℃ 내지 500℃의 스택 동작 온도 범위에 걸쳐 101 내지 103 GPa이 탄성 계수를 갖는다. 실시예에서, 각각의 성형 판 상호 연결부(3520, 3530)의 높이는 상호 연결부가 배치되는 애노드 또는 캐소드 공급 챔버(1420, 1430)의 높이보다 크며 상호 연결부 높이는 대략 5 내지 95퍼센트, 또는 25 내지 45퍼센트만큼 감소된다. 대표적인, 비-제한적 실시예에서, 상호 연결부 높이는 HP-SOFC 스택(3000)이 조립될 때 대략 30퍼센트만큼 감소된다. 즉, 각각의 성형 판 상호 연결부(3520, 3530)의 가요성 탭들(3535)은 스택이 조립될 때 가요성 탭들로 인가된 압축 로드에 응답하여 편향된다. 스택 조립 동안 성형 판 상호 연결부들을 고정시키기 위해 인가된 대략 30 파운드들의 압축 로드 하에서, 가요성 탭들(1735)은 성형 판 상호 연결부(3520, 3530)가 압축 로드의 30파운드 또는 0.02 MPa마다 대략 30% 압축되도록 휜다(즉, 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530) 각각은 대략 0.10 MPa의 유효 탄성 계수를 가진다). 스테인리스 스틸로부터 형성된 종래의 SOFC 상호 연결부는 대략 205 GPa의 탄성 계수를 가질 수 있다.
유사한 방식으로, 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530)은 기계적 힘들 및 열 순환에 의해 야기된 응력을 흡수하기 위해 압축 로딩 하에 변형된다. 실시예에서, 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530) 각각은 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)의 유효 탄성 계수보다 크며 스테인리스 스틸로부터 형성된 상기 상호 연결부들보다 작은 유효 탄성 계수를 가진다.
유연 씰들(1800) 및 상호 연결부들(1520, 1530, 3520, 3530)이 상기 SOFC들(2000, 2100, 2200)보다 훨씬 덜 강성이기 때문에, 유연 씰들 및 상호 연결부들은 진동들 및 기계적 로드들이 SOFC들로 전달되기보다는 유연 씰들 및 상호 연결부들에 의해 효과적으로 흡수되도록 SOFC들보다 더 쉽게 변형된다. 뿐만 아니라, SOFC(2000, 2100, 2100)는 HP-SOFC 스택 진동들, 충격들, 및 전단력들이 SOFC들로 큰 기계적 응력들을 전달하지 않고 SOFC 모션으로 변환될 수 있도록 유연 씰들(1800) 및 상호 연결부들(1520, 1530, 3520, 3530)에 의해 제자리에 단단히 유지되지 않는다. 유연 씰들(1800) 및 상호 연결부들(1520, 1530, 3520, 3530)은 예를 들면, HP-SOFC 스택(1000, 4000)의 수송 또는 다른 핸들링 동안, 발생할 수 있는 HP-SOFC 스택에 대한 진동들 및 충격들 또는 다른 외란에 의해 야기된 기계적 응력들로 인한 구조적 손상으로부터 SOFC(2000, 2100, 2100)를 보호한다.
유연 씰들(1800), 가요성 탭들(3535), 및 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530)은 SOFC 챔버의 금속 벽들 및 SOFC(2000, 2100, 2200)의 복합 구조로 하여금 SOFC(2000, 2100, 2200)가 상당한 응력 또는 변형을 겪게 하지 않고 온도를 변경하는 것에 응답하여 팽창하고 수축하도록 허용한다. 유연 씰들(1800) 및 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530)은 압축하고 팽창하도록 구성되며 가요성 탭들(3535)은 SOFC(2000, 2100, 2200)로 상당한 응력 또는 변형을 전달하지 않고 열 순환 동안 SOFC 챔버 벽들 및 SOFC(2000, 2100, 2200)의 팽창 및 수축에 의해 야기된 변화하는 압축 로드들 하에서 구부러지고 휘도록 구성된다.
열 순환 및 열 충격 이벤트들 동안, 종래의 강성 유리 및 유리-세라믹 씰 재료들에 결합되는 SOFC들은 대략 145 MPa의 전단 응력들 및 20 내지 25 MPa의 최대 주 응력들을 겪을 수 있다. 그러나, SOFC(2000, 2100, 2200)가, 유리 및 유리-세라믹 밀봉 재료들을 가진 경우인 것처럼, 결합된 씰들에 의해 제자리에 고정하여 유지되지 않기 때문에, 가요성 씰들(1800)의 표면들과 접촉하는 SOFC(2000, 2100, 2200)의 표면들, 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530), 및 가요성 탭들(3535)은 열 순환 동안 서로에 대해 슬라이딩할 수 있으며, 그에 의해 SOFC들(2000, 2100, 2200)이 노출되는 전단 응력을 방지하거나 또는 그것의 크기를 크게 감소시킨다.
내온도성 전기적 절연 씰들
도 1 및 도 4를 참조하면, HP-SOFC 스택은 복수의 스택 유닛들(1020, 4020)을 포함한다. 각각의 스택 유닛은, 이하에서 논의될 바와 같이, 함께 연결되는 다수의 판들을 포함한다. 다수의 스택 유닛들은 SOFC 스택을 형성하기 위해 적층된다. 내온도성 전기적 절연 재료의 층은 전기적 절연 층(1850)을 형성하기 위해 스택 유닛들 사이에 배치된다. 전기적 절연 층(1850)은 제 1 스택 유닛의 스페이서 판(1100) 및 인접한 스택 유닛의 애노드 흐름 판(1200) 또는 애노드 흐름 라이닝 판(4720) 사이에 배치된다. 대표적인, 비-제한적 실시예에서, 내온도성 전기적 절연 재료의 층은 미카 씰, 예로서 실리콘 결합제에서 미카를 포함한 미카 시트 등을 포함한다. 전기적 절연 층들(1850)은 전기적 단락으로부터 SOFC의 애노드 및 캐소드 전극을 보호하며 인접한 적층된 스택 유닛들에 의해 형성된 매니폴드들, 통로들, 및 챔버들을 위한 가스 씰을 제공하도록 구성되고 배치된다.
전기적 절연 층(1850)은 미카 시트 재료가 결함들을 포함할 수 있으며 또는 전체 씰 면적에 걸쳐 완전히 고정되지 않을 수 있으므로 기밀 씰을 형성하거나 또는 형성하지 않을 수 있으며; 몇몇 누출이 예상된다. 실제로, 몇몇 애노드 가스는 애노드 흐름 판 및 셀 유닛의 스페이서 판 사이에서 누출되며 SOFC 스택을 둘러싼 환경으로, 예를 들면, 스택이 위치되는 엔클로저의 내부로 흐를 것이다. 애노드 가스는 그 후 스택의 바깥쪽에서 가스와 혼합되며 영역(1244)에서 점화된다. 캐소드 가스가 유연 씰을 지나 애노드 공급 챔버로 누출되면, 혼합된 애노드 및 캐소드 가스는 미카 씰을 지나 그것이 점화되는 스택의 밖으로 누출될 수 있다. HP-SOFC 스택의 열 도체 구성요소들은, 이전에 논의된 바와 같이 연소에 의해 발생된 열 에너지를 흡수하고 빠르게 전도한다.
대응하는 애노드 및 캐소드 가스 매니폴드들에서 애노드 또는 캐소드 가스는 내온도성 전기적 절연 재료의 층을 지나 하나의 매니폴드로부터 또 다른 것으로 누출될 수 있다. 예를 들면, 애노드 가스는 애노드 가스 매니폴드로부터 캐소드 가스 매니폴드로 누출될 수 있으며 캐소드 가스는 캐소드 가스 매니폴드로부터 애노드 가스 매니폴드로 누출될 수 있다. 어느 경우에나, 애노드 및 캐소드 가스들은 함께 혼합하고, 자동-점화되며(1246, 1248), 그것들이 혼합되고 점화되는 위치에서 열 에너지를 발생시킨다. HP-SOFC 스택의 열 도체 구성요소들은, 이전에 논의된 바와 같이, 연소에 의해 발생된 열 에너지를 흡수하고 빠르게 전도한다.
정사각형 또는 직사각형 HP-SOFC 스택
도 1, 도 3, 도 4, 및 도 5를 참조하면, 대표적인, 비-제한적 실시예에서, HP-SOFC의 셀들은 실질적으로 사변형, 예로서 정사각형 또는 직사각형, 평면형 SOFC들이다. 애노드 및 캐소드 매니폴드들은 HP-SOFC 스택의 제 1 측면 상에 위치되며 배출 가스 매니폴드는 스택의 대향하는 제 2 측면 상에 위치된다. 애노드 및 캐소드 가스는 각각, 애노드 및 캐소드 매니폴드들로부터 배출 가스 매니폴드로 SOFC들에 걸쳐 흐른다. 추가 실시예들에서, 애노드 및 캐소드 매니폴드들은 양쪽 모두 SOFC 스택의 동일한 측면 상에 위치된다. 애노드 및 캐소드 매니폴드들은 대향 측면들 상에, 예로서 스택의 전방 및 후방 측면들 상에 또는 스택 상에서의 좌측 또는 우측 측면들 상에 위치될 수 있거나 또는 애노드 및 캐소드 가스 매니폴드들의 각각은 스택의 인접한 측면들 상에 위치될 수 있으며, 예를 들면 애노드 가스 매니폴드는 스택의 전면 상에 위치되며 캐소드 가스 매니폴드는 스택의 우측 측면 상에 위치된다.
정사각형 또는 직사각형 HP-SOFC 스택 동작 모드
도 4 및 도 5를 참조하면, 실질적으로 사변형 HP-SOFC 스택(4000)의 대표적인 동작 모드에 따른 가스 흐름 필드들(5000)이 예시된다. 캐소드 매니폴드 가스 흐름(5100)은 캐소드 유입구 가스 흐름(5110)으로서 캐소드 매니폴드(1630)를 통해 그로부터 셀 유닛(4010)의 캐소드 유입구 통로(1320)로 지나간다. 캐소드 유입구 가스 흐름(5110)은 캐소드 공급 챔버(1430)로 캐소드 가스 유입구 통로(1320)를 가로지른다. 캐소드 가스는 SOFC 캐소드 표면 가스 흐름(5120)으로서 SOFC(5500)의 캐소드 표면(5510)에 걸쳐 흐른다. 캐소드 가스는 캐소드 배출 가스로서 캐소드 공급 챔버(1430) 밖으로 흐른다. 캐소드 배출 가스는 캐소드 유출구 통로(1330)를 통해, HP-SOFC 스택(4000) 내에 배치된, 배출 가스 연소 챔버(1340)로 흐르며, 여기에서 캐소드 배출 가스는 애노드 배출 가스와 혼합되며 혼합된 애노드 및 캐소드 배출 가스(1920, 5310)의 구성요소가 된다.
애노드 가스는 애노드 가스 매니폴드(1620)를 통해 그로부터 셀 유닛(4010)의 애노드 유입구 통로(1220)로 및 그것을 통해 애노드 공급 챔버(1420)로 흐른다. 애노드 매니폴드 가스 흐름(5200)은 애노드 가스 매니폴드(1620)를 통해 흐르며 애노드 가스 유입구(1220)에 들어간다. 애노드 가스는 애노드 유입구 가스 흐름(5210)으로서 애노드 가스 유입구 통로(1220)를 통해 및 그로부터 애노드 공급 챔버(1420)로 흐른다. 애노드 가스는 애노드 표면 가스 흐름(5220)으로서 SOFC(5500)의 애노드 표면(5520)에 걸쳐 흐른다. 애노드 가스는 애노드 배출로서 애노드 공급 챔버(1420) 밖으로 흐른다. 애노드 배출은 애노드 배출 가스 흐름(5230)으로서 애노드 유출구 통로(1230)를 통해 및 그것을 통해 배출 가스 연소 챔버(1340)로 흐른다. 애노드 배출 가스는 혼합된 애노드 및 캐소드 배출 가스(1920, 5310)의 구성요소가 되기 위해 배출 가스 연소 챔버(1340)에서 캐소드 배출 가스와 혼합된다.
혼합된 애노드 및 캐소드 배출 가스(1920, 5310)는 점화되며 배출 가스 연소 챔버(1340) 내에서 탄다. 혼합된 애노드 및 캐소드 배출 가스 흐름들(1920, 5310)의 연소에 의해 발생된 열 에너지는 배출 가스 연소 챔버(1340)의 벽들로 전달된다. 배출 가스 연소 챔버(1340)의 벽들의 온도는 혼합된 애노드 및 캐소드 배출 가스(1920, 5310)의 자동-점화 온도보다 큰 온도에서 유지되며 혼합된 배출 가스들은 연소를 개시하도록 점화기에 요구하지 않고 연소 챔버(1340) 내에서 자동-점화된다.
배출 가스 연소 챔버(1340) 내에서 혼합된 애노드 및 캐소드 배출 가스들의 연소는 연소 배출 가스를 발생시킨다. 연소 배출 가스는, 연소 배출 유출구 가스 흐름(5320)으로서, 배출 가스 유출구 통로(1350)를 통해 배출 가스 연소 챔버(1340)로부터 배출 가스 매니폴드(1650)로 흐른다. 고온 연소 배출 가스는 연소 배출 매니폴드 가스 흐름(5300)으로서 배출 매니폴드 내에서 스택을 통과한다. 열 에너지는 연소 배출 가스로부터 배출 가스 연소 챔버(1340)의 벽들로 전달되며 캐소드 흐름 판(1300)으로부터 HP-SOFC 스택(4000)의 인접한 스택 판들로 및 스택 전체에 걸쳐 빠르게 전도된다. 열 에너지는 연소 배출 매니폴드 가스 흐름(5300) 및 배출 가스 매니폴드(1650)의 벽들 사이에서 전달되며, HP-SOFC 스택 전체에 걸쳐 열 에너지를 추가로 전달한다.
원형 HP-SOFC 스택
도 6을 참조하면, 대표적인 원형 HP-SOFC 스택(도시되지 않음)의 대표적인 동작 모드에 따른 가스 흐름 필드들(6000)이 예시된다. 원형 HP-SOFC 스택의 셀들은 실질적으로 원형 평면 SOFC들을 포함하며 원형 HP-SOFC 스택은 실질적으로 원형이다. 원형 HP-SOFC 스택은 하나 이상의 애노드 가스 매니폴드들, 하나 이상의 캐소드 가스 매니폴드들, 및 하나 이상의 배출 가스 매니폴드들을 포함할 수 있다. 매니폴드들은 원형 HP-SOFC 스택을 포함하는 열 도체 판들에 형성된 특징들을 포함할 수 있다. 도 6을 참조하면, 가스 흐름 필드들(6000)은 하나의 애노드 가스 매니폴드, 하나의 캐소드 가스 매니폴드, 및 3개의 배출 가스 매니폴드들을 포함하는 원형 HP-SOFC 스택의 대표적인 실시예에 대해 예시된다. 추가 실시예들에서, 원형 HP-SOFC 스택은 다수의 애노드 및 캐소드 가스 매니폴드들, 예를 들면 3개의 애노드 가스 매니폴드들, 3개의 캐소드 가스 매니폴드들을 포함할 수 있으며, 3개 이상의 배출 가스 매니폴드들을 포함할 수 있다. 원형 HP-SOFC 스택의 대표적인 실시예는 스택의 둘레 가까이에 배치되며 스택의 둘레 주위에 균일하게 이격된, 6개의 배출 가스 매니폴드들을 포함한다. 보다 일반적으로, 원형 HP-SOFC 스택은 애노드 가스 매니폴드, 캐소드 가스 매니폴드, 및 배출 가스 매니폴드의 적어도 하나의 각각을 포함하며 성능 또는 다른 요건들을 충족시키기 위해, 예를 들면 스택을 통한 애노드 또는 캐소드 가스 흐름의 특정된 압력 강하를 달성하기 위해 각각의 매니폴드 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
원형 HP-SOFC 스택 동작 모드
도 6을 참조하면, 원형 HP-SOFC 스택의 대표적인 동작 모드에 따른 가스 흐름 필드들(6000)이 예시된다. 캐소드 매니폴드 가스 흐름(6100) 및 캐소드 유입구 가스 흐름(6110)은 원형 SOFC(6500)의 캐소드 면(6510)에 걸친 캐소드 가스의 흐름을 제공하는 SOFC 캐소드 표면 가스 흐름(6120)으로 캐소드 가스를 전달한다. 캐소드 표면 가스 흐름(6120)은 원형 SOFC(6500)의 캐소드 면(6510)의 중심 부분으로부터 캐소드 면(6510)의 외부 에지를 향해 방사상 바깥쪽으로 흐르며 여기에서 그것은 캐소드 배출 흐름이 되며 혼합된 캐소드 및 애노드 캐소드 배출(6310, 6312, 6314)의 구성요소로서 애노드 배출과 혼합된다.
애노드 매니폴드 가스 흐름(6200) 및 애노드 유입구 가스 흐름(6210)은 원형 SOFC(6500)의 애노드 면(6520)에 걸친 애노드 가스의 흐름을 제공하는 SOFC 애노드 표면 가스 흐름(6220)으로 애노드 가스를 전달한다. 애노드 표면 가스 흐름(6220)은 원형 SOFC(6500)의 캐소드 면(6520)의 중심 부분으로부터 원형 SOFC(6500)의 애노드 면(6520)의 외부 에지를 향해 방사상 바깥쪽으로 흐르며 여기에서 그것은 애노드 배출 흐름(6230, 6232, 6234)이 된다. 애노드 배출 가스 흐름(6230, 6232, 6234)은 애노드 배출 가스를 혼합된 캐소드 및 애노드 캐소드 배출(6310, 6312, 6314)로 전달한다.
혼합된 애노드 및 캐소드 배출 가스(6310, 6313, 6314)는 각각 점화되며 3개의 배출 가스 연소 챔버들(도시되지 않음) 중 하나 내에서 탄다. 각각의 배출 가스 연소 챔버는 실질적으로 배출 가스 연소 챔버(1340)와 유사하며 하나 이상의 열 도체 판들의 특징들에 의해 형성된다. 각각의 배출 가스 연소 챔버는 100 W/(mㆍK)보다 큰 열 전도 계수를 가진 재료를 갖고 형성된 벽들을 포함한다. 혼합된 애노드 및 캐소드 배출 가스(6310, 6312, 6314)의 연소에 의해 발생된 열 에너지는 배출 가스 연소 챔버들의 벽들로 전달되며 배출 가스 연소 챔버들(도시되지 않음)을 포함한 하나 이상의 열 도체 판들을 통해 원형 HP-SOFC 스택(도시되지 않음)의 열 도체 판들로 및 스택 전체에 걸쳐 빠르게 전도된다. 배출 가스 연소 챔버들의 벽들의 온도는 혼합된 애노드 및 캐소드 배출 가스(6310, 6312, 6314)의 자동-점화 온도보다 큰 온도에서 유지되며 혼합된 배출 가스들은 연소를 개시하도록 점화기에 요구하지 않고 연소 챔버들 내에서 자동-점화된다.
배출 가스 연소 챔버들 내에서 혼합된 애노드 및 캐소드 배출 가스들의 연소는 고온 연소 배출 가스를 발생시킨다. 연소 배출 가스는, 연소 배출 가스 유출구 흐름(6320, 6322, 6324)으로서 연소 배출 매니폴드 가스 흐름들(6300, 6302, 6304)로 흐른다. 고온 연소 배출 가스는 연소 배출 매니폴드 가스 흐름들(6300, 6302, 6304)로서 배출 매니폴드들 내에서 원형 HP-SOFC 스택을 통과한다. 열 에너지는 연소 배출 매니폴드 가스 흐름들(6300, 6302, 6304) 및 연소 배출 가스 흐름들이 통과하는 배출 가스 매니폴드들(도시되지 않음)의 벽들 사이에서 전송되며, 그에 의해 원형 HP-SOFC 스택 전체에 걸쳐 열 부가 에너지를 전송한다.
HP-SOFC 스택을 형성하기 위한 방법
HP-SOFC 스택은 애노드 가스 매니폴드 스루 홀들이 애노드 가스 매니폴드들을 형성하기 위해 동조되고, 캐소드 가스 매니폴드 스루 홀들이 캐소드 가스 매니폴드들을 형성하기 위해 동조되며, 배출 가스 매니폴드 스루 홀들이 배출 가스 매니폴드들을 형성하기 위해 동조되도록 인접한 판들의 매니폴드 스루 홀들을 동조시키는 동안 하나가 또 다른 것의 맨 위에 HP-SOFC 판들을 적층시킴으로써 형성된다.
도 4를 참조하면, 제 1 스택 유닛(4020)은 애노드 흐름 라이닝 판(4720), 열 도체 애노드 흐름 판(1200), 분리기 라이닝 판(4710), 열 도체 캐소드 흐름 판(1300), 캐소드 흐름 라이닝 판(4730), 및 열 도체 스페이서 판(1100)을 적층시키며 스택 유닛(4010)을 형성하기 위해 적층된 판들을 함께 연결함으로써 형성된다. 대표적인, 비-제한적 실시예에서, 판들은 함께 브레이징된다. 추가 실시예들에서, 스택들은, 예를 들면, 천이 액체상(transient liquid phase; TLP) 접합, 확산 접합, 및 용접을 포함한, 다른 알려진 연결 기술들을 사용하여 함께 합쳐질 수 있다.
열 도체 스페이서 판의 환상형 벽들(1110)은 환상형 셀 공동(1400)의 벽들을 형성하며 라이닝 캐소드 흐름 판(4730)의 평면 표면은 환상형 셀 공동의 최하부 벽을 형성한다. 제 1 환상형 유연 씰(1800) 및 캐소드 성형 판 상호 연결부(3530)는 셀 공동(1400) 내에 위치되며 평면형 SOFC(2000)는 캐소드 성형 판 상호 연결부(3530)의 반대편에 있는 SOFC의 캐소드 표면(2042)을 갖고 제 1 환상형 유연 씰의 맨 위에서 셀 공동 내에 위치된다. 제 2 환상형 유연 씰 및 애노드 성형 판 상호 연결부(3520)는 평면형 SOFC(2000)의 맨 위에서, 환상형 SOFC 공동(1400)에 위치된다. 내온도성 전기적 절연 재료(1850)의 층은 스페이서 판(1100)의 맨 위에 적층된다.
제 2 스택 유닛(4020)이 형성되며 제 1 스택 유닛의 열 도체 스페이서 판(1100)의 반대편에 있는 제 2 스택 유닛의 애노드 흐름 라이닝 판(4720)을 갖고 내온도성 전기적 절연 재료의 층의 맨 위에 적층된다. 평면형 SOFC, 상호 연결부들, 및 유연 씰들은 제 2 스택 유닛의 SOFC 공동 내에 배치된다. 실시예에서, 대략 30파운드의 압축력이 유연 씰들(1800) 및 성형 판 상호 연결부들(1520, 1530)을 고정시키기 위해, 즉 성형된 대로의 높이 또는 두께로부터 조립된 대로의 높이 또는 두께로 씰들 및 상호 연결부들을 압축하기 위해 다수의 스택 유닛들(4020)의 조립체에 인가된다. 뿐만 아니라 스택 유닛들이 형성되고 적층되며, 내온도성 전기적 절연 재료의 층들은 스택 유닛들을 분리하고 SOFC 및 유연 씰들은 각각의 스택 유닛의 환상형 SOFC 공동 내에 배치된다. 추가 스택 유닛들은 프로세스를 반복함으로써 스택에 부가될 수 있다.
스택의 셀 유닛(4010)은 SOFC(2000), SOFC 에 인접한 애노드 및 캐소드 공급 챔버들(1420, 1430) 및 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530), 및 SOFC와 연관된 애노드 및 캐소드 공급 챔버들에 인접한 애노드 및 캐소드 흐름 판들(1200, 1300)을 포함한다. 셀 유닛(4010)은 제 1 스택 유닛(4020)의 캐소드 흐름(1300) 판 및 스페이서 판(1100) 및 인접한 제 2 스택 유닛(4020)의 애노드 흐름 판(1200)을 포함한다. 스페이서 판(1100) 및 애노드 흐름 판(1200) 사이에 배치된 내온도성 전기적 절연 재료(1850)의 층은 셀 유닛의 애노드 및 캐소드 전극들이 쇼트 아웃하는 것을 방지한다.
HP-SOFC 스택은 각각이 매니폴드들과 애노드 또는 캐소드 공급 챔버들 사이에 통로들을 포함하는 최상부 및 최하부 스택 판들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 최상부 스택 종판은 애노드 가스 매니폴드 내지 애노드 공급 챔버 사이에서의 제 1 통로 및 애노드 공급 챔버 내지 배출 매니폴드 사이에서의 제 2 통로를 포함한다. 최하부 스택 종판은 캐소드 가스 매니폴드와 캐소드 가스 공급 챔버 사이에서의 제 1 통로 및 캐소드 공급 챔버와 배출 가스 매니폴드 사이에서의 제 2 통로를 포함한다. 최상부 및 최하부 종판들은 각각 100 W/(mㆍK)보다 큰 열 전도 계수를 가진 재료로부터 제작되며 각각은 열 에너지를 빠르게 전도하기 위해 충분한 열 질량을 포함한다.
원하는 수의 셀 유닛들이 HP-SOFC 스택으로 조립되었을 때, 최상부 스택 판은, 스페이서 판의 반대편에 있는 스택의 제 1 단부 맨 위에 적층되며, 스택에 부가된 이전 스택 유닛의 내온도성 전기적 절연 재료의 층의 맨 위에 적층된다. 실시예에서, 애노드 라이닝 흐름 판은 내온도성 전기적 절연 재료 및 최상부 스택 판 사이에 개재된다. 최하부 판은 스택의 대향 측면에 부가된다. 스택은 최상부 및 최하부 종판들에 인가된 조임력에 의해 함께 유지된다. 실시예에서, 최상부 및 최하부 종판들은 압축력을 인가하도록 구성되고 배치된 비틀림 부재들에 의해 연결된다. 실시예에서, 대략 200 내지 800파운드의 압축력이 조립된 스택으로 인가된다.
도 1을 참조하면, 라이닝 판들이 없는 HP-SOFC 스택의 실시예가 스택 유닛들 사이에 배치된 내열 전기적 절연 재료(1850)의 층을 갖고 및 각각의 스택 유닛의 셀 공동에 배치된 SOFC를 갖고 다수의 스택 유닛들(1020)을 적층시킴으로써 유사한 방식으로 형성된다. 각각의 스택 유닛은 애노드 흐름 판(1200), 캐소드 흐름 판(1300), 및 스페이서 판(1100)을 포함한 스택 유닛(1020)의 구성요소들을 적층시키고 연결하며 SOFC(2000), 유연 씰들(1800), 및 셀 공동(1400)에서의 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530)을 적층시킴으로써 형성된다.
도 3b를 참조하면, 성형 판 상호 연결부들을 가진 HP-SOFC 스택의 실시예는 메시 또는 폼 상호 연결부들(1520, 1530) 대신에 성형 판 상호 연결부들(3520, 3530)을 적층시킴으로써 유사한 방식으로 형성될 수 있다.
HP-SOFC 스택의 실시예들은, 예를 들면 전해질 지지형 SOFC들(2000) 대신에 애노드 지지형 SOFC들(2100) 또는 금속 지지형 SOFC들(2200)을 적층시킴으로써, 유사한 방식으로 임의의 적절한 평면형 SOFC를 갖고 형성될 수 있다.
HP-SOFC 시스템
도 7을 참조하면, HP-SOFC 시스템(7000) 및 외부 로드(7900)가 도시된다. HP-SOFC 시스템(7000)은 HP-SOFC 스택(7100)을 포함한다. HP-SOFC 스택(7100)은 스택의 제 1 단부(7102)에 배치되며 최상부 스택 판(7122)에 전기적으로 결합된 양의 전기 단자(7112) 및 스택의 제 1 단부(7102)의 반대편에 있는 스택의 제 2 단부(7104)에 배치되며 스택에 의해 발생된 전기 전류를 외부 로드(7900)로 제공하기 위해 최하부 스택 판(7124)에 전기적으로 결합된 음의 전기 단자(7114)를 포함한다. 외부 로드(7900)의 대표적인, 비-제한적 예들은 DC 전력 소비 디바이스 또는 배터리, DC 전력 그리드 또는 전력 공유 네트워크와 같은 전력 그리드, 전력 관리 디바이스, 및 DC 전력 신호를 HP-SOFC 스택(7100)으로부터 AC 전력 신호로 변환하도록 구성된 AC 인버터를 포함한다.
HP-SOFC 스택(7100)은 HP-SOFC 스택 엔클로저(7200) 내에 배치된다. HP-SOFC 스택 엔클로저(7200)는 열 절연(7210)을 포함한 열 절연 엔클로저를 포함할 수 있다. 대표적인, 비-제한적 실시예에서, HP-SOFC 스택 엔클로저(7200)는 HP-SOFC 스택(7100)을 둘러싸는 열 전도성 스택 엔클로저 부분을 포함하며 여기에서 열 전도성 스택 엔클로저 부분은 열 절연 엔클로저 부분에 의해 둘러싸여진다.
HP-SOFC 시스템(7000)은 콜드 스타트 모듈(7300)을 선택적으로 포함할 수 있으며, 이것은 콜드 스타트 프로세스 동안 HP-SOFC 스택(7100)의 온도를 동작 온도로 올리기 위해 열 에너지를 제공하도록 배치된, 연료(7170), 연료 및 산화제 혼합물(7174) 및/또는 애노드 연료(7176)를 태우기 위한 연소기, 전기 저항 히터, 또는 다른 적절한 열 에너지 소스를 포함할 수 있다.
실시예에서, HP-SOFC 시스템(7000)은 고온 연소된 SOFC 스택 배출 가스(7152)를 생성하기 위해 HP-SOFC 스택(7100)으로부터 SOFC 스택 배출 가스들(7150)을 포함한 임의의 연소되지 않은 연료를 연소시키기 위해 선택적 테일 가스 연소기(7400)를 포함한다. 또 다른 실시예에서, HP-SOFC 시스템(7000)은 테일 가스 연소기를 포함하지 않으며 혼합된 애노드 및 캐소드 배출 가스들의 실질적으로 모든 연소 가능한 구성요소들이 HP-SOFC 스택(7100) 내에서, 예를 들면 SOFC 스택을 빠져나온 가스가 대개 연소된 SOFC 스택 배출 가스(7152)를 포함하며 적은 연소되지 않은 연료를 포함하거나 또는 실질적으로 이를 포함하지 않도록 배출 가스 연소 챔버들(1340) 내에서 연소된다. SOFC 시스템 배출 가스들(7154)은 배출 가스 도관(7254)을 통해 HP-SOFC 스택 엔클로저(7200)를 통과한다.
실시예에서, HP-SOFC 시스템(7000)은 그에 의해 차가운 유입구 캐소드 가스를 데우고 HP-SOFC 스택(7100)을 공급하도록 따뜻한 캐소드 가스(7162)를 생성하기 위해 연소된 SOFC 스택 배출 가스들(7152)과 유입구 캐소드 가스(7160) 사이에서 열 에너지를 교환하도록 배치된, 선택적 열 교환기(7500)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, SOFC 시스템(7000)은 열 교환기(7500)를 포함하지 않으며 유입구 캐소드 가스(7160)는 캐소드 가스가 SOFC 스택(7100)을 통과함에 따라 캐소드 가스 매니폴드(1630)의 벽들로부터의 열 에너지 전송에 의해 데워진다.
HP-SOFC 시스템(7000)은 연료 입력 모듈(7600) 및 연료 반응기(7700)를 포함한 연료 프로세싱 구성요소들을 포함한다. 연료 입력 모듈(7600)은 공기 또는 다른 산소 함유 가스 또는 가스들의 혼합물을 포함할 수 있는 산화제(7172)의 유량 및 탄화수소 연료(7170)의 유량을 제어하도록 구성된다. 연료 입력 모듈은 제어 가능한 밸브들, 연료 펌프들, 산화제 펌프들, 송풍기들, 또는 다른 산화제 및 연료 압력 소스들 및 체적 또는 질량 흐름 제어기들을 포함할 수 있다. 연료 입력 모듈(7600)은 연료(7170) 및 산화제(7172)를 혼합하고 연료 및 산화제(7174)의 혼합물을 연료 반응기(7700)로 제공하기 위해 믹서를 포함한다. 연료 반응기(7700)는 CO, H2 및 다른 반응 생성물들을 포함한 가스들의 혼합물 또는 합성 가스를 포함하는 애노드 연료(7176)를 생성하기 위해 연료 및 산화제 혼합물(7174)을 반응시키도록 배치된다. 대표적인 실시예에서, 연료 반응기(7700)는 촉매 부분 산화(CPOX) 반응기를 포함한다. 연료 반응기(7700)는 CPOX 반응기, 자동-열 반응기(ATR), 수증기 개질기, 또는 CPOX, ATR, 및 수증기 개질기들의 각각 중 하나 이상을 포함한 하이브리드 개질기를 포함할 수 있다. 실시예에서, HP-SOFC 시스템(7000)은 연료(7170)로서 프로판을 사용하도록 구성된다. 추가 실시예들에서, HP-SOFC 시스템(7000)은 이에 제한되지 않지만 액체 천연 가스, 등유, 메탄, 또는 JP-6을 포함한 다른 탄화수소 연료들(7170)을 사용하도록 구성된다.
HP-SOFC 시스템(7000)은 제어 신호들을 포함한 신호들을 교환하며 연료 반응기(7700), HP-SOFC 스택(7100), 테일 가스 연소기(7400), 열 교환기(7500), 및 HP-SOFC 스택 엔클로저(7200) 중 하나 이상의 온도를 측정하기 위해 배치된 연료 입력 모듈(7600), 콜드 스타트 모듈(7300), 및 온도 프로브들(도시되지 않음)을 포함한 시스템 구성요소들을 갖고 파라미터 측정 신호들을 프로세싱하도록 구성된 전자 제어기(7800)를 추가로 포함한다. 전자 제어기(7800)는 예를 들면, 이에 제한되지 않지만, 예로서 연료 반응기(7700)의 온도, HP-SOFC 스택(7100)의 온도, 및 외부 로드(7900)의 측정된 또는 보고된 전력 인출을 포함한 파라미터 측정 신호들을 프로세싱하는 것에 응답하여 연료 입력 모듈(7600)을 포함한 시스템 구성요소들의 동작을 제어하도록 구성된다.
HP-SOFC 시스템(7000)은 HP-SOFC 스택 엔클로저(7200)의 외부를 통해 공기 흐름을 제공하기 위해 배치된 팬 또는 송풍기와 같은 냉각 수단(도시되지 않음)을 선택적으로 추가로 포함한다.
HP-SOFC 시스템(7000)은 HP-SOFC 스택(7100), 연료 반응기(7700) 및 HP-SOFC 스택 엔클로저(7200)를 포함한 시스템 구성요소들의 온도를 모니터링하며 온도 데이터 입력들을 포함한 신호들을 전자 제어기(7800)로 전달하기 위해 온도 센서들(도시되지 않음)을 포함한다. 전자 제어기(7800)는 냉각 수단의 동작 및 소프트웨어 제어 시스템 셧다운의 제어를 포함한 시스템 동작 파라미터들을 제어하기 위한 알고리즘들을 제어하기 위해 입력들로서 온도 센서들에 의해 전달된 온도 데이터를 사용한다.
HP SOFC 시스템(7000)은 높은 열 전도 계수를 가진 재료를 포함한 외부 엔클로저(도시되지 않음) 및 열 전도성 외부 엔클로서 상에 배치되며 온도 퓨즈가 임계 온도에 도달하는 것에 응답하여 연료(7170)의 입력을 셧 다운하도록 구성된, 온도 퓨즈(도시되지 않음)를 추가로 포함할 수 있다.
스택 전기 전류
도 7을 참조하면, HP-SOFC 스택(7100)은 스택의 제 1 단부(7102) 상에 배치된 양의 전기 단자(7112) 및 스택의 제 2 단부(7104) 상에 배치된 음의 전기 단자(7114)를 포함하며, 스택의 제 2 단부는 스택의 제 1 단부의 반대편에 있다. 양 및 음의 단자들(7112, 7114)은 외부 로드(7900)에 스택을 연결하도록 구성된다. HP-SOFC 스택(7100)의 SOFC들은 전기적으로 직렬로 함께 연결되며 양의 및 음의 전기 단자들(7112, 7114)에 전기적으로 연결된다. 도 4를 참조하면, HP-SOFC 스택(7100)의 실시예를 포함하는 HP-SOFC 스택(4000)은 SOFC들(2100)이 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위해 배치된 내온도성 전기 절연 재료(1850)의 층들을 포함한다.
본 발명은 바람직한 실시예들에 대하여 상기 설명되었지만, 그것에 제한되지 않는다는 것이 이 기술분야의 숙련자들에 의해 또한 인식될 것이다. 상기 설명된 발명의 다양한 특징들 및 양상들은 개별적으로 또는 공동으로 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명은 특정한 환경에서, 및 특정한 애플리케이션들에 대해(예로서, 고체 산화물 연료 셀 유닛 셀 및 유닛 셀들의 SOFC 스택) 그것의 구현의 맥락에서 설명되었지만, 이 기술분야의 숙련자들은 그것의 유용성이 그것에 제한되지 않으며 본 발명은 열 전도에 의해 열 에너지 분배를 보다 효율적으로 관리하는 것이 바람직한 임의의 수의 환경들 및 구현들에서 유리하게 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 이하에서 제시된 청구항들은 여기에서 개시된 바와 같이 본 발명의 전체 폭 및 사상을 고려하여 해석되어야 한다.

Claims (21)

  1. SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 유닛으로서,
    서로 인접하여 적층되고 셀 챔버를 둘러싸는 체적부를 정의하는 복수의 스택 유닛; 및
    SOFC 유닛 작동 온도에서 작동하는 동안 전기 화학 에너지 생성을 위해 구성되는 셀 챔버 내의 애노드 및 캐소드를 포함하고;
    상기 셀 챔버의 경계 표면으로부터 열 전도성 경로가 연장되고; 그리고
    상기 체적부는 100 W/mK 이상의 열 전도 계수를 가진 구리, 몰리브덴, 알루미늄 및 니켈 중 하나 이상을 포함하는 재료를 포함하는, SOFC 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 스택 유닛은 상기 셀 챔버의 측면 및 바닥을 둘러싸는 상기 체적부의 제1 부분을 정의하는 제1 스택 유닛 및 상기 셀 챔버의 상단을 둘러싸는 상기 체적부의 제2 부분을 정의하는 제2 스택 유닛을 포함하는, SOFC 유닛.
  3. 제1항에 있어서, 상기 체적부의 열 질량은 상기 체적부를 상기 SOFC 유닛의 작동 온도보다 낮은 온도로 유지하도록 형성되는, SOFC 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 상기 체적부의 열 질량은, 500 내지 1200℃의 SOFC 유닛의 작동 온도 범위에 걸쳐 상기 체적부의 온도를 1000℃ 이하로 유지하도록 형성되는, SOFC 유닛.
  5. 제1항에 있어서, 상기 체적부는 열 전도 계수가 200 W/mK 이상인 구리를 포함하는, SOFC 유닛.
  6. 제1항에 있어서, 상기 체적부는 열 전도 계수가 165 W/mK 이상인 알루미늄을 포함하는, SOFC 유닛.
  7. 제1항에 있어서, 평면형 고체 애노드 전극 층과 평면형 고체 캐소드 전극 층 사이에 끼워진 평면형 고체 전해질 층을 포함하는, SOFC 유닛.
  8. 제7항에 있어서, 상기 평면형 고체 애노드 전극 층과 상기 평면형 고체 캐소드 전극 층 사이에 끼워진 평면형 고체 전해질 층이 유닛 셀 내부에서 유연하게 지지되는, SOFC 유닛.
  9. 제2항에 있어서, 상기 셀 챔버는:
    애노드 가스 공급 챔버;
    캐소드 가스 공급 챔버;
    애노드 가스 흐름을 상기 애노드 가스 공급 챔버로 전달하기 위해 애노드 가스 매니폴드로부터 연장되는 애노드 가스 유입구 채널;
    캐소드 가스 흐름을 상기 캐소드 가스 공급 챔버로 전달하기 위해 캐소드 가스 매니폴드로부터 연장되는 캐소드 가스 유입구 채널;
    상기 애노드 가스 공급 챔버로부터 애노드 가스의 흐름을 제거하기 위해 상기 애노드 가스 공급 챔버로부터 배출 가스 매니폴드로 연장되는 애노드 가스 유출구 통로;
    상기 애노드 가스 공급 챔버로부터 캐소드 가스의 흐름을 제거하기 위해 상기 캐소드 가스 공급 챔버로부터 배기 가스 매니폴드로 연장되는 캐소드 가스 유출구 통로;를 포함하고,
    상기 애노드 가스 유입구 채널, 상기 애노드 가스 매니폴드, 상기 애노드 가스 유출구 통로, 상기 캐소드 가스 유입구 채널, 상기 캐소드 가스 매니폴드, 상기 캐소드 가스 유출구 통로 및 상기 배기 가스 매니폴드 각각은 상기 체적부를 통과하는, SOFC 유닛.
  10. 제9항에 있어서, 상기 캐소드 가스 공급 챔버로부터 배출되는 배출 가스와 상기 애노드 가스 공급 챔버로부터 배출되는 배출 가스의 혼합물을 연소시키기 위해 상기 체적부 내에 형성되는 배출 가스 연소 챔버를 더 포함하는, SOFC 유닛.
  11. 제9항에 있어서,
    애노드 가스 공급 챔버의 둘레 에지를 밀봉하는 제1 요소; 및
    캐소드 가스 공급 챔버의 둘레 에지를 밀봉하는 제2 요소를 더 포함하는, SOFC 유닛.
  12. 제11항에 있어서, 제1 및 제2 밀봉 요소 각각은 탄성 계수가 0.3 MPa 이하인 유연하고 느슨한 섬유 매트릭스를 포함하는, SOFC 유닛.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 애노드 가스 공급 챔버에 배치된 제1 상호 연결 요소; 및
    상기 캐소드 가스 공급 챔버에 배치된 제2 상호 연결 요소를 더 포함하는, SOFC 유닛.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상호 연결 요소는 동일하고, 각각 다공성 메쉬 또는 폼을 포함하는, SOFC 유닛.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상호 연결 요소 중 적어도 하나는 각각 베이스 부분과 그 베이스 부분으로부터 연장되는 복수의 탭 부분을 포함하도록 금속 판으로 형성된 요소를 포함하는, SOFC 유닛.
  16. 서로 인접하여 배열된 청구항 제13항의 복수의 SOFC 유닛을 포함하고, 각 SOFC 유닛의 상기 체적부가 서로 인접한 복수의 SOFC 유닛 사이로 연장되는 열 전도성 경로를 제공하는 연료 셀 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 셀 챔버의 경계 표면으로부터 연장되는 상기 체적부는 상기 셀 챔버를 완전히 둘러싸는, SOFC 유닛.
  18. 서로 인접하여 적층된 복수의 스택 유닛을 포함하고 셀 챔버를 둘러싸는 체적부를 정의하는 SOFC 유닛을 제공하는 것;
    SOFC 작동 온도에서 작동하는 동안 전기 화학 에너지 생성을 위해 구성된 애노드 층과 캐소드 층 사이에 끼워진 고체 전해질 층을 셀 챔버 내에 제공하는 것을 포함하고,
    상기 체적부는 셀 챔버의 경계 표면으로부터 연장되는 열 전도성 경로를 용이하게 하고; 그리고
    상기 체적부는 100 W/mK 이상의 열 전도 계수를 가진 구리, 몰리브덴, 알루미늄 및 니켈 중 하나 이상을 포함하는 재료로 형성되는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 500 내지 1200℃의 SOFC 유닛의 작동 온도 범위에서 상기 체적부를 1000℃ 이하로 유지하도록 구성된 열 질량을 가지는 체적부를 형성하는 것을 더 포함하는, 방법.
  20. 삭제
  21. 제18항에 있어서, 상기 체적부의 재료의 열 전도 계수가 165 W/mK 이상인, 방법.
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