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KR20220127238A - 전기화학 장치 및 열 교환기를 포함하는 장치 - Google Patents

전기화학 장치 및 열 교환기를 포함하는 장치 Download PDF

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KR20220127238A
KR20220127238A KR1020227022425A KR20227022425A KR20220127238A KR 20220127238 A KR20220127238 A KR 20220127238A KR 1020227022425 A KR1020227022425 A KR 1020227022425A KR 20227022425 A KR20227022425 A KR 20227022425A KR 20220127238 A KR20220127238 A KR 20220127238A
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KR
South Korea
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oxidant
heat exchanger
gas outlet
electrochemical
electrochemical devices
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KR1020227022425A
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클레이어 로
유토 타카기
브라이언 피. 펠드만
존 디. 피에트라스
스테판 메겔
젠스 쉬네터
미하일스 쿠스네조프
Original Assignee
세인트-고바인 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인크.
프라운호퍼-게젤샤프트 츄어 푀르더룽 데어 안게반텐 포르슝에.파우.
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Publication date
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Abstract

장치는 하우징; 하우징 내에 배치된 복수의 전기화학 장치; 및 하우징 내에 배열된 열 교환기를 포함할 수 있다. 열 교환기는 복수의 전기화학 장치 중 적어도 하나의 산화제-함유 가스 출구 표면과 대면할 수 있다. 전기화학 장치는 고체 산화물 연료 전지의 스택, 배터리 또는 고체 산화물 전해조 전지를 포함할 수 있다.

Description

전기화학 장치 및 열 교환기를 포함하는 장치
다음은 복수의 전기화학 장치 및 열 교환기를 포함하는 장치에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 고온(예: 600°C ~ 1000°C)에서 작동하는 전기화학 장치이다. SOFC 스택을 둘러싸는 핫 박스는 연료 전지를 원하는 작동 온도로 유지하기 위한 단열재를 포함할 수 있다. 연료 전지에서 생성된 열은 핫 박스 내부의 온도를 유지하는 데 사용된다. 그러나 열이 불균일하게 생성될 수 있고 입구되는 흐름이 냉각 효과를 제공하기 때문에 고온 구역 전체에 걸쳐 온도의 균일한 분포를 유지하는 것은 어려울 수 있다. 따라서 잘 절연된 핫 박스에서 가스 출구 면은 가스 입구 면보다 훨씬 더 뜨거울 수 있으며, 이는 연료 전지 스택에서 원하지 않는 열 구배를 일으켜 불균일한 전류 분포, 국부적 열 응력 및 성능 저하를 유발할 수 있다.
이 문제는 세라믹만으로 형성된 최신 SOFC 스택(이하 "올-세라믹 스택"이라고 함)으로 확대될 수 있으며, 올-세라믹 스택의 구성요소는 열전도율이 상대적으로 낮기 때문이며, 예를 들어, 이는 연료 전지에 일반적으로 사용되는 벌크 금속 성분을 포함하는 것과 비교하여 10배 낮다. 전체 세라믹 스택 내에서 더 큰 열 구배가 생성될 수 있으며, 이는 스택의 성능 저하를 가속화할 수 있다.
올-세라믹 스택은 또한 금속 지지 SOFC 스택 및 금속 인터커넥트가 있는 스택에 비해 장점이 있다. 예를 들어, 올-세라믹 스택은 복수 또는 전체 스택의 연료 전지를 공동 소결함으로써 형성될 수 있으며, 이는 제조 공정을 단순화하고 관련 비용을 줄일 수 있다. 또한 적절한 재료를 신중하게 선택하여 구성 요소 간 열팽창 계수(CTE)의 긴밀한 일치를 얻을 수 있으며, 이는 일치하지 않는 CTE로 인한 열 응력에 의해 유발되는 소성 공정 또는 작업 중 균열 형성 위험을 줄이는 데 도움이 된다. 금속은 종종 연료 전지 스택에 사용되는 세라믹 재료에 비해 훨씬 더 높은 CTE를 가지며 인접한 세라믹 구성요소의 CTE를 금속 구성요소와 일치시키기가 곤란하다. 또한, 고체 산화물 연료 전지 작동 온도에서 금속 표면은 산화되는 경향이 있어 금속과 인접한 세라믹 구성요소 사이의 접촉 저항을 증가시켜 연료 전지의 전기화학적 성능을 저하시킬 수 있다. 표면 코팅을 사용하면 금속 표면의 산화를 줄이는 데 도움이 될 수 있지만 제조 비용이 크게 증가한다.
업계에서는 성능, 안정성 및 효율성이 개선된 연료 전지를 계속 요구하고 있다.
본 개시는 첨부된 도면을 참조함으로써 당업자에게 더 잘 이해될 수 있고 그 수많은 특징 및 이점이 명백해질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 장치의 단면도의 예시를 포함한다.
도 2는 실시예에 따른 전기화학 장치의 사시도의 예시를 포함한다.
도 3은 실시예에 따른 열 교환기의 예시를 포함한다.
도 4 내지 도 10은 본 명세서에 따른 예시적인 열 교환기의 예시를 포함한다.
도 11은 실시예에 따른 장치의 일부의 사시도의 예시를 포함한다.
도 12는 다른 실시예에 따른 열 교환기의 사시도의 예시를 포함한다.
도 13은 다른 예에 따른 장치의 단면도의 예시를 포함한다.
도 14는 실시예에 따른 장치의 다른 단면도의 예시를 포함한다.
도 15는 다른 실시예에 따른 장치의 일부의 단면도의 예시를 포함한다.
도 16은 또 다른 예에 따른 장치의 일부의 사시도의 예시를 포함한다.
도 17 내지 도 20은 본 발명에 따른 매니폴드의 예시를 포함한다.
도 21 및 22는 본 발명에 따른 장치의 평면도의 예시를 포함한다.
도 23은 실시예에 따른 매니폴드의 예시를 포함한다.
도 24 내지 25는 본 발명에 따른 장치의 평면도의 예시를 포함한다.
도 26은 다른 실시예에 따른 매니폴드의 예시를 포함한다.
도 27 내지 29는 본 예에 따른 파이프의 예시를 포함한다.
도 30은 본 예에 따른 파이프 구성의 예시를 포함한다.
도 31은 다른 예에 따른 파이프 구성의 예시를 포함한다.
다음의 설명은 도면과 함께 본원에 개시된 교시를 이해하기 위해 제공된다. 다음의 논의는 교시의 특정 수행 및 실시예에 중점을 둘 것이다. 이러한 중점 사항은 교시를 보조 설명하기 위해 제공되고, 교시의 범위 또는 적용성을 제한하는 것으로서 해석되어서는 아니된다.
용어 "함유한다(comprises)", "함유하는(comprising)", "포함한다(includes)", "포함하는([0005] including)", "갖는다(has)", "갖는(having)", 또는 이들의 임의의 변형은 비배타적인 포함을 다루는 것으로 의도된다. 예를 들어, 특징부 목록을 포함하는 방법, 물품(article), 또는 장치가 반드시 이들 특징부에만 제한되는 것은 아니며, 이러한 방법, 물품, 또는 장치에 대해 명시적으로 나열되지 않거나 고유한 다른 특징부를 포함할 수 있다. 또한, 반대로 명시적으로 언급되지 않는다면, "또는(or)"은 포함하는-또는(inclusive-or)을 지칭하며 배제하는-또는(exclusive-or)을 지칭하지 않는다. 예를 들어, 조건 A 또는 B는 다음 중 임의의 하나로 만족된다: A가 참이고(또는 존재하고) B가 거짓이며(또는 존재하지 않으며), A가 거짓이고(또는 존재하지 않고) B가 참이며(또는 존재하며), A, B 모두 참이다(또는 존재한다).
또한, "일(a 또는 an)"의 사용은 본원에 기술된 요소들 및 구성 부품들을 기술하기 위해 사용된다. 이는 단순히 편의상 그리고 본 발명의 일반적인 범위를 정하기 위해 사용된다. 이 설명은 명확히 달리 의미하지 않는 한, 하나, 적어도 하나, 또는 복수를 포함하는 단수 또는 그 반대의 경우를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용되는 모든 다른 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업계의 당업자에 의해 보편적으로 이해되는 바와 같은 동일한 의미를 가진다. 재료, 방법, 및 실시예는 예시일 뿐이고, 제한하고자 의도되는 것은 아니다.
본 명세서의 실시예는 복수의 전기화학 장치를 둘러싸는 하우징 및 입구 가스가 복수의 전기화학 장치로 이송되기 전에 산화제-함유 입구 가스 또는 연료 입구 가스와 같은 저온 입구 가스를 가열하도록 배열된 열 교환기를 포함하는 장치에 관한 것이다. 일 실시예에서, 장치는 핫박스의 형태를 취할 수 있다. 특정 실시예는 2.5kW 핫박스 모듈에 관한 것이다. 본 명세서의 실시예의 장치는 금속의 감소된 이용으로 인해 크롬 중독의 위험성을 감소시키고 사용자 친화적인 조립체를 제공하며, 구조적 복잡성을 감소시킬 수 있는 감소된 개수의 파이핑 연결부 및/또는 매니폴드를 사용하여 복수의 전기화학 장치에 대해 가스 흐름 분배를 허용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 장치(100)의 단면도가 도시되어 있다. 복수의 전기화학 장치(102) 및 열 교환기(103)가 하우징(101) 내에 배치된다. 전기화학 장치(102)는 고체 산화물 연료 전지의 스택, 전해조, 수소 펌프, 산소 펌프, 배터리 등을 포함할 수 있다.
간단히 도 2를 참조하면, 고체 산화물 연료 전지(200)의 스택인 예시적인 전기화학 장치의 사시도가 도시되어 있다. 스택(200)은 상호연결 층(208)에 의해 분리된 복수의 고체 산화물 연료 전지(202)를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지(202)는 캐소드(203), 애노드(205), 및 캐소드(203)와 애노드(205) 사이에 배치된 전해질(204)을 포함할 수 있다. 스택(200)은 당해 기술분야에 공지된 적합한 기술 및 재료를 이용하여 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 스택(200)은 세라믹 재료로 형성될 수 있고, 더 특정한 경우에 스택(200)은 본질적으로 세라믹 재료로 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드(203) 및 애노드(205)는 다공성일 수 있다. 예를 들어, 캐소드(203)는 산화제-함유 가스가 캐소드(도시되지 않음)의 한 측면 표면에 있는 개구를 통해 캐소드(203)에 들어가고 개구(210)와 같이 캐소드(203)의 마주보는 측면 표면에 개구를 통하여 배기가 배출되도록 고체 산화물 전지(202)의 길이 방향(232)을 따라 연장되는 가스 채널을 포함할 수 있다. 애노드(205)는 또한 고체 산화물 연료 전지(202)의 폭 방향(234)으로 연장되는 가스 채널을 포함할 수 있다. 연료 가스는 하나의 측면 표면(도시되지 않음)에서 개구를 통해 애노드 가스 채널에 입구될 수 있고, 배기는 개구(212)와 같은 반대쪽 측면 표면에 있는 개구를 통해 배출될 수 있다. 따라서, 스택(200)은 직교류 구성을 가질 수 있다. 또한, 스택(200)은 산화제-함유 가스 출구 표면(220) 반대편에 있는 산화제-함유 가스 입구 표면(도시되지 않음) 및 연료 가스 출구 표면(222) 반대편에 있는 연료 가스 입구 표면(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 가스 입구 표면은 가스를 수용하는 표면을 나타내고 가스 출구 표면은 가스 출구에서 생성된 배기 가스의 표면을 나타낸다. 예시적인 연료 가스는 수소(예: 순수 또는 가습), 50%의 수소와 50%의 질소의 혼합물 또는 이들의 가습된 혼합물, CH4, CO2, CO, H2, H2O의 혼합물의 개질유, 또는 탄화수소를 포함할 수 있다. 예시적인 산화제-함유 가스는 공기와 같은 산소-함유 가스를 포함할 수 있다
스택(200)은 높이(230), 길이(232), 및 폭(234)을 포함하는 특정 치수를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 높이(230)는 180mm 내지 600mm의 범위에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 폭(234)은 적어도 60mm 내지 최대 300mm의 범위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 길이(232)는 적어도 60mm 내지 최대 300mm의 범위 또는 적어도 60mm 내지 최대 280mm의 범위일 수 있다. 일부 응용에서, 폭(234)은 길이(232)와 본질적으로 동일할 수 있다. 당업자는 스택(200)의 임의의 치수가 특정 응용의 전력 요구사항에 맞게 변경될 수 있음을 이해할 것이다.
추가 실시예에서, 캐소드(203) 또는 애노드(205)와 같은 스택(200)의 구성요소로부터의 가스 누출을 감소시키는 것을 돕기 위해 코팅이 적어도 특정 표면 영역에 적용될 수 있다. 예시적인 적용에서, 코팅은 유리 재료 또는 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 코팅은BaO, Al2O3, SiO2, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 집전체(201)는 스택(200) 상에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 전기화학 장치(102)는 적어도 500℃ 및 최대 1000℃를 포함하는 범위와 같이 비교적 높은 온도에서 작동하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 작동 온도는 650°C 이상 또는 750°C 이상 또는 800°C 이상일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열 교환기(103)는 전기화학 장치(102)의 표면(121)을 향하도록 배열될 수 있다. 일 실시예에서, 표면(121) 중 적어도 하나는 가스 출구 표면일 수 있다. 특정 실시예에서, 표면(121) 중 적어도 하나는 도 2에 예시된 표면(220)과 같은 산화제-함유 가스 출구 표면일 수 있다. 보다 특정한 실시예에서, 표면(121)은 둘 다 산화제-함유 가스 출구 표면이다. 다른 실시예에서, 표면(121)은 도 2에 예시된 표면(222)과 같은 연료 가스 출구 표면일 수 있다.
열 교환기(103)는 전기화학 장치(102)의 온도보다 낮은 온도를 갖는 연료 가스 또는 산화제-함유 가스와 같은 냉각 입구 가스를 수용하는 가스 입구 부분(131) 및 적어도 하나의 가스 출구 부분을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 입구 부분(131)으로 들어가는 입구 가스는 표면(121)의 온도보다 적어도 50℃ 낮은 온도를 가질 수 있다. 예를 들어, 입구 가스 온도는 표면(121)의 온도보다 적어도 100℃ 또는 적어도 150℃ 또는 적어도 200℃ 또는 적어도 250℃ 또는 적어도 300℃ 또는 적어도 350℃ 낮을 수 있다.
도시된 실시예에서, 열 교환기(103)는 제1 가스 출구 부분(132) 및 가열된 입구 가스가 열 교환기(103)를 빠져나갈 수 있는 제2 가스 출구 부분(133)을 포함한다. 가열된 입구 가스는 열 교환기 가스 출구 부분(132, 133)에 각각 직접 또는 간접적으로 연결된 하나 이상의 파이프(134)를 통해 전기화학 장치(102)의 가스 입구 표면으로 전달될 수 있다.
추가 실시예에서, 가열된 입구 가스는 가스 채널 개구를 통해 표면(121)에 대향하는 가스 입구 표면에서 전기화학 장치(102)에 의해 수용될 수 있다. 전기화학 장치(102)에서 발생하는 전기화학 반응에 의해 생성된 배기는 표면(121)을 빠져나갈 수 있다. 전기화학 장치(102)로부터 나오는 열 및 그 배기는 입구 가스를 계속 가열하기 위해 열 교환기(103)에 의해 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 열은 복사 및 대류를 통해 열 교환기(103)로 전달될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열 교환기(103)는 표면(121)과 평행하고 이격되어 배치될 수 있다. 열 교환기(103)는 서로 반대 방향으로 구불구불한 형태로 연장되는 제1 브랜치(135) 및 제2 브랜치(136)를 포함할 수 있다. 열 교환기(103)는 도 2에 도시된 길이(234) 또는 폭(232)과 같은 전기화학 장치(102)의 길이 또는 폭 방향으로 가스 출구 부분(132, 133) 사이에서 연장되는 전체 길이(LHEX)를 더 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 열 교환기(103)는 높이(HHEX), 제1 길이(LHEX1) 및 제2 길이(LHEX2)를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 높이(HHEX)는 높이(230)와 같이 전기화학 장치(102)의 높이보다 작을 수 있다. 길이(LHEX1 및 LHEX2)는 전기화학 장치(102)의 길이 또는 폭과 유사하거나 더 작을 수 있다. 다른 실시예에서 , 높이(HHEX) 및 길이(LHEX1(AHEX= HHEX Х LHEX1)) 또는 높이(HHEX) 및 길이(LHEX2(AHEX= HHEX Х LHEX2))에 의해 정의된 면적(AHEX)은 표면(121)의 표면적의 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 또는 적어도 75%와 같이 표면(121)의 표면적의 적어도 25%일 수 있다. 다른 예에서, 면적(AHEX)은 표면(121)의 면적의 최대 95% 또는 최대 90%일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 표면(121)의 상부 및 하부에 근접한 부분은 열 교환기(103)와 대면하지 않는다. 일 실시예에서, 열 교환기(103)는 영역(AHEX)이 전기화학 장치(102)의 높이의 20% 내지 90% 또는 20% 내지 80% 또는 20% 내지 70%와 같이 전기화학 장치(102)의 폰이의 10% 내지 90%인 표면(121)의 영역과 직접 대향하도록 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 열 교환기(103)의 높이(HHEX)는 본질적으로 전기화학 장치(102)의 높이와 같거나 더 클 수 있다. 예를 들어, 높이(HHEX)는 장치(102) 전기화학 장치(102) 높이의 적어도 100%, 적어도 110%, 또는 적어도 120%일 수 있다. 다른 예에서, 높이(HHEX)는 전기화학 장치(102) 높이의 최대 150%일 수 있다.
일 실시예에서, 열 교환기(103)는 개선된 열 전달 효율을 용이하게 하기 위해 표면(121)을 빠져나가는 배기가 열 교환기(103)에 직접 충돌할 수 있도록 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 입구 부분(135, 136)은 전기화학 장치(102)의 가장 고온의 부분과 대면할 수 있다. 당업자는 전기화학 장치에 온도 구배가 존재할 수 있음을 이해할 것이다. 전기화학 장치가 고체 산화물 연료 전지(200)의 스택을 포함하는 적용에서, 가장 고온의 영역은 산화제-함유 가스 출구 표면 및 연료 가스 출구 표면에 의해 형성되는 모서리일 수 있다. 열 교환기(103)는 입구 부분(135, 136)이 그러한 모서리에 가능한 한 가까울 수 있도록 위치될 수 있다. 따라서, 입구 부분(135, 136)은 산화제-함유 가스 입구 표면 및 스택(200)의 연료 가스 입구 표면에 의해 형성된 코너와 같은 전기화학 장치의 냉각 영역에 대해 원위일 수 있다. 출구 부분(132 및 133)은 전기화학 장치(102)의 더 고온의 영역에 원위에 있고 더 저온의 영역에 인접할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 열 교환기(103)는 전기화학 장치의 가장 고온의 영역이 입구 부분(135, 136)과 직접 대면할 수 있고 배기가 입구 부분(135, 136)에 직접 충돌하도록 배열될 수 있다.
도 4 내지 도 8은 단독으로 또는 조합하여 열 교환기(103) 대신에 사용될 수 있는 예시적인 열 교환기의 추가 예시를 포함한다. 도 4는 플레이트 또는 박스 형태의 열 교환기(400)의 정면 사시도를 도시한다. 입구 가스는 개구(402)로 들어가고 출구 개구(404)를 나갈 수 있다. 열 교환기(400)의 주 표면(406)은 표면(121)을 향하도록 배열될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 열 교환기(500)는 구불구불한 형태로 연장되는 단일 가스 통로, 입구 개구(502), 및 출구 개구(504)를 포함할 수 있다. 특정 구현에서, 입구 부분(520)은 전기화학 장치(121)들 중 하나의 가장 고온의 영역과 직접 대면하고 출구 부분(510)은 전기화학 장치(102)의 더 저온의 영역과 대면할 수 있다. 도 6은 반대 방향으로 연장되는 제1 브랜치(612) 및 제2 브랜치(614)를 포함하는 구불구불한 형상을 갖는 다른 열 교환기(600)의 예시를 포함한다. 열 교환기(600)는 열 교환기(103)와 관련하여 본 명세서의 실시예에서 설명된 것과 유사한 방식으로 위치될 수 있다.
일 실시예에서, 103, 400, 500, 600, 700 및 800과 같은 열 교환기 중 임의의 것은 열 교환기 내부에 배플, 핀, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 교환기(700)는 도 7에 도시된 바와 같이 배플(702)을 포함한다. 도 8은 배플(702)과 다르게 배열된 배플(812, 814, 816)을 포함하는 열 교환기(800)의 예시를 포함한다.
열 교환기(900, 1000)의 일부가 도 9 및 도 10에 도시되어 있다. 열 교환기는 유동 경로(904)를 정의하는 벽(906)으로부터 외측으로 연장하는 핀(902)을 포함할 수 있다. 핀(1002)은 핀(902)과 상이한 형상이고 유동 경로(1004)를 정의하는 열 교환기(1000)의 벽으로부터 연장된다. 다양한 형태 및 형상을 갖는 핀 및 배플이 본 명세서의 실시예의 열 교환기에 적합할 수 있다.
일 실시예에서, 열 교환기는 개선된 열 전달 효율을 촉진할 수 있는 특정 재료를 포함할 수 있다. 일 양태에서, 열 교환기는 복사된 열 에너지의 흡수를 개선하는 것을 돕기 위해 특정 방사율을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 재료는 적어도 0.90 또는 적어도 0.95의 방사율을 가질 수 있다. 여기에 사용된 방사율은 ASTM E408-13에 따라 측정될 수 있다. 다른 양태에서, 열 교환기는 흑색 외부 표면을 가질 수 있다. 추가 양태에서, 열 교환기는 상대적으로 더 낮은 방사율을 갖는 재료로 형성되고 원하는 방사율을 갖는 다른 재료로 코팅될 수 있다. 또 다른 양태에서, 열 교환기는 내열성, 내산화성, 또는 내식성 재료를 포함할 수 있다.
또 다른 양태에서, 열 교환기는 내열성, 내산화성, 또는 내식성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 교환기는 알루미나 스케일 형성 재료, 상호연결 재료, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예시적인 알루미나 스케일 형성 재료는 철-크롬-알루미늄 합금(예를 들어, Kanthal APM® 및 APMT®, Nisshin Steel NCA-1®), 니켈-크롬-알루미늄-철 합금( 예: Haynes® 214®) 또는 고탄소 니켈-크롬-철 합금(예: Nicrofer® 6025 HT-Alloy 602 CA)을 포함할 수 있다. 예시적인 상호연결 재료는 철-크롬 합금(예: Hitachi® ZMG232G10®, Crofer 22® APU) 또는 고온 스테인리스 스틸(예: Crofer® 22H, Sanergy HT 441, E-브라이트®)과 같은 금속성 인터커넥트 재료를 포함할 수 있다. 특정 예에서, 코팅 재료는 금속 상호연결 재료를 포함하는 열 교환기의 표면에 적용될 수 있다.
코팅은 유리 재료, 알루미나 및 망간 코발트 산화물 등과 같은 산화물, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 상호연결 물질의 다른 예는 당업계에 공지된 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 열 교환기는 산화베릴륨과 같은 산화물, 탄화물(예를 들어, SiC), 질화알루미늄과 같은 질화물을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 열 교환기는 니켈-크롬 기반 초합금(예: Inconel® 600, 601, 또는 625), 니켈 기반 강철 합금(예: Hastalloy®), 니켈-크롬 기반 초합금과 같은 초합금, 기반 초합금(예: Waspaloy®, Rene® 41 또는 Incoloy®), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 장치는 적어도 2개, 적어도 3개, 적어도 4개, 적어도 5개, 적어도 6개, 적어도 7개, 적어도 8개, 또는 적어도 9개의 전기화학 장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 전기화학 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 단일 행 또는 단일 열로 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 전기화학 장치는 행 및 열로 배열될 수 있다.
특정 실시예에서, 장치는 적어도 4개의 전기화학 장치를 포함할 수 있다. 4개의 전기화학 장치를 갖는 장치의 특정 예에서, 제1 및 제2 전기화학 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 전기화학 장치(102)로서 위치될 수 있고, 제3 및 추가 전기화학 장치는 2×2 그리드를 형성하도록 위치될 수 있다. 열 교환기(103)는 제1 및 제3 전기화학 장치 사이 및 제2 및 추가 전기화학 장치 사이에서 연장될 수 있다. 특히, 열 교환기(103)는 모든 전기화학 장치의 가스 출구 표면과 대면할 수 있다. 예를 들어, 열 교환기(103)는 제1 및 제3 전기화학 장치의 산화제-함유 가스 출구 표면 사이 및 제2 및 제4 전기화학 장치의 산화제-함유 가스 출구 표면 사이에 배치될 수 있다. 다른 예에서, 열 교환기(103)는 전기화학 장치의 모든 연료 가스 출구 표면과 대면할 수 있다.
도 11은 특정 실시예에 따른 4개의 전기화학 장치를 포함하는 장치(1100)의 일부의 예시를 포함한다. 전기화학 장치 중 하나는 장치(1100)의 구조에 대한 이해를 더 돕기 위해 도시되지 않았다.
장치(1100)는 그리드에 배열된 전기화학 장치를 둘러싸는 하우징(1111)을 포함할 수 있다. 당업자는 하우징(1111)의 일부만이 도 1에 도시되어 있음을 이해할 것이다. 하우징(1111)은 하우징(101)과 유사할 수 있다. 전기화학 장치는 전기화학 장치(1102, 1103)의 산화제-함유 가스 출구 표면이 대면하고 전기화학 장치(1101 및 1104)(도시되지 않음)의 산화제-함유 가스 출구 표면이 대면하도록 위치될 수 있다.
장치(1100)는 전기화학 장치(1101 내지 1104) 각각과 유체 연통할 수 있는 중심 산화제-함유 출구 가스 챔버(1108)를 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 산화제-함유 출구 가스 챔버(1108)는 전기화학 장치(1102 및 1103) 사이 및 전기화학 장치(1101 및 1104) 사이에 위치될 수 있다. 열 교환기(1105)는 산화제-함유 출구 가스 챔버(1108) 내에 배치될 수 있다.
특정 구현에서, 산화제-함유 출구 가스 챔버(1108)는 산화제-함유 가스 출구 표면(1106), 매니폴드(1128)의 측벽(1129), 상부 구조 구성요소(1110), 바닥 구조 구성요소(1190), 및 하우징(1111)에 의해 정의될 수 있다. 구조 구성요소(1110 및 1190)는 금속 또는 세라믹 박스 또는 블록 형태일 수 있다. 특정 실시예에서, 산화제-함유 출구 표면(1106)을 빠져나가는 산화제-함유 출구 가스는 산화제-함유 출구 가스 챔버(1108)로 직접 들어갈 수 있다. 산화제-함유 출구 가스 챔버(1108)는 챔버로부터 배기를 이송하기 위해 적어도 하나의 출구 가스 파이프와 유체 연통할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 바닥 구조 구성요소(1190)는 개구(1151)를 가질 수 있고, 가스 배출 파이프(1152)는 개구(1151)에서 바닥 구성요소(1190)에 연결될 수 있다. 배기는 개구(1151)를 빠져나갈 수 있고 가스 출구 파이프(1152)에 의해 이송될 수 있다.
도시된 바와 같이, 열 교환기(1105)는 전기화학 장치(1101 내지 1104)의 산화제-함유 가스 출구 표면(1106) 사이에서 연장된다. 따라서, 열 교환기(1105)는 4개의 산화제-함유 가스 출구 표면과 직접 대면한다. 열 교환기(1105)는 열 교환기와 관련하여 본 명세서의 실시예에서 설명된 임의의 특징을 가질 수 있다.
열 교환기(1105)의 특정 실시예가 도 12에 도시되어 있다. 열 교환기(1105)는 저온의 산화제-함유 가스를 열 교환기(1105)로 이송하도록 구성될 수 있는 입구 가스 파이프(1153)에 연결될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 저온의 산화제-함유 가스는 열 교환기(1105)에 도달되기 전에 전기화학 장치(1101 내지 1104)의 온도까지 사전가열되지 않은 산화제-함유 입구 가스로 지칭된다. 입구 부분(1171, 1172)은 각각 전기 화학 장치(1102, 1103, 1101, 1104)의 가장 높은 온도의 영역에 인접하고 이와 대면할 수 있다. 출구 부분(1173 및 1174)은 가열된 입구 가스를 전기화학 장치(1101 내지 1104)로 이송하기 위해 가스 파이프(1154 및 1155)에 각각 연결될 수 있다.
도 11을 참조하면, 장치(1100)는 전기화학 장치(1101 및 1103)와 유체 연통하는 제1 산화제-함유 가스 입구 챔버(1109) 및 전기화학 장치(1102 및 1104)와 유체 연통하는 제2 산화제-함유 가스 입구 챔버(1109)를 포함할 수 있다. 산화제-함유 가스 입구 챔버(1109)는 구조 구성요소(1110), 산화제-함유 가스 입구 표면(1107), 매니폴드(1112)의 측벽(1130), 및 하우징(1111)에 의해 정의될 수 있다.
일 실시예에서, 가스 파이프(1154)는 제1 산화제-함유 가스 입구 챔버(1109)와 유체 연통할 수 있다. 예를 들어, 가열된 입구 가스는 가스 파이프(1154)에 의해 제1 산화제-함유 가스 입구 챔버(1109)로 이송되어 산화제-함유 입구 가스 표면(1107)의 개구를 통해 산화제-함유 가스 채널에 입구되고, 전기화학 장치(1101, 1103)에 의해 이용된다. 유사하게, 가스 파이프(1155)는 제2 산화제-함유 가스 입구 챔버(1109)와 유체 연통할 수 있고, 가열된 입구 가스는 가스 파이프(1155)에 의해 제2 산화제-함유 가스 입구 챔버(1109)로 이송될 수 있고 전기화학 장치(1102, 1104)에 의해 이용될 수 있다.
도 13을 참조하면, 장치(1100)의 단면이 예시된다. 산화제-함유 가스 입구 표면(1107)은 산화제-함유 가스 입구 챔버(1109)에 개방될 수 있다. 가스 파이프(1154)(또는 1155)는 가열된 입구 가스를 산화제-함유 가스 입구 챔버(1109)로 이송하기 위해 바닥 구조 구성요소(1113)에 연결될 수 있다. 도시된 바와 같이, 가스 파이프(1154)(또는 1155)는 바닥 구조 구성요소(1113)를 통과하고 산화제-함유 가스 입구 챔버(1109) 내로 연장될 수 있다. 특정 구현에서, 단지 하나의 가스 파이프(예를 들어, 1154 또는 1155) 가열된 산화제-함유 입구 가스를 이송하기 위한 입구 가스 챔버(1109)에 연결된다. 중심 열 교환기(1108)는 가스 파이프(1154, 1155)를 통해 산화제-함유 가스 입구 챔버(1109) 둘 모두와 유체 연통할 수 있다. 또한, 열 교환기(1108)는 전기화학 장치(1101 내지 1104) 각각과 유체 연통할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 장치(1100)는 전기화학 장치(1102, 1104) 사이에 배치된 제1 매니폴드(1128)를 포함할 수 있다. 제1 매니폴드(1128)는 2개의 전기화학 장치에 부착될 수 있다. 특히, 제1 매니폴드(1128)는 전기화학 장치(1102, 1104)의 연료 가스 출구 표면 사이에 있을 수 있다. 장치(1100)는 제1 매니폴드(1128) 및 전기화학 장치(1102)의 연료 가스 출구 표면에 의해 정의된 제1 연료 가스 출구 챔버(1131)를 더 포함할 수 있다.
유사하게, 장치(1100)는 전기화학 장치(1101, 1103)의 연료 가스 출구 표면 사이에 제2 연료 가스 출구 매니폴드(1128) 및 제2 연료 가스 출구 챔버(1131)를 더 포함할 수 있다. 매니폴드(1128)는 연료 가스 출구 매니폴드이다. 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 연료 가스 유출 챔버(1131)는 중심 산화제-함유 가스 유출 챔버(1108)에 의해 분리된다.
특정 실시예에서, 열 교환기(1125)는 연료 가스 유출 챔버(1131) 중 적어도 하나 내에 배치될 수 있다. 보다 특정한 구현에서, 장치(1100)는 연료 가스 유출 챔버(1131) 각각 내에 배치된 열 교환기(1125)를 포함할 수 있다. 열 교환기(1125)는 복사 및 대류를 통해 전기화학 장치(1101 내지 1104) 및 연료 출구 가스에 의해 생성된 열을 흡수하도록 구성될 수 있다. 또한, 열 교환기(1125)는 연료 입구 가스를 가열하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 열 교환기(1125)는 다른 열 교환기와 관련하여 설명된 특징들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 열 교환기(1125) 중 적어도 하나는 개질기, 기화기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 도 14를 참조하면, 장치(1100)의 단면이 예시된다. 열 교환기(1125)는 매니폴드(1128)에 의해 부분적으로 형성되는 연료 가스 출구 챔버(1131) 각각의 내부에 배치된다. 열 교환기(1125) 각각은 개질기를 포함할 수 있고, 냉각 연료 가스를 열 교환기(1125)로 이송하도록 구성된 파이프(1134)에 연결되고 열 교환기(1125)로부터 가열된 연료 입구 가스를 이송하도록 구성된 파이프(1135)에 연결될 수 있다.
예에서, 냉각 연료 입구 가스는 먼저 개질기에 들어가고 열 교환기(1125)에 의해 가열되고 파이프(1135)를 통해 열 교환기(1125)에서 배출될 수 있다. 일 실시예에서, 파이프(1135)와 열 교환기(1125) 각각은 전기화학 장치(1101 내지 1104)들 중 하나와 유체 연통할 수 있다. 특정 예에서, 열 교환기(1125) 중 적어도 하나는 파이프(1135) 중 하나를 통해 복수의 전기화학 장치와 유체 연통할 수 있다. 예시된 실시예에서, 열 전기화학 장치(1101 및 1103) 사이의 연료 출구 챔버에 배치된 교환기(1125)는 전기화학 장치(1101 및 1103)와 유체 연통할 수 있고 다른 열 교환기(1125)는 전기화학 장치(1102 및 1104)와 유체 연통할 수 있다.
각각의 연료 가스 출구 챔버(1131)는 연료 출구 가스를 이송하도록 구성된 파이프(1136)에 연결될 수 있다. 특정 구현에서, 파이프(1136)들은 연결되어 주 연료 출구 가스 파이프를 형성할 수 있다.
도 11을 참조하면, 장치(1100)는 복수의 연료 입구 가스 매니폴드를 포함할 수 있다. 도 11 및 도 13을 참조하면, 연료 입구 가스 매니폴드(1127)는 전기화학 장치(1101 내지 1103) 각각에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 전기화학 장치(1104)는 별도의 연료 입구 가스 매니폴드(1127)에 부착될 수 있다. 연료 가스 입구 표면 및 각각의 전기화학 장치의 부착된 매니폴드(1127)는 연료 가스 입구 챔버를 정의할 수 있다. 각각의 연료 가스 입구 챔버는 열 교환기(1125) 중 하나와 유체 연통할 수 있다. 도시된 바와 같이, 연료 입구 가스 매니폴드(1127) 및 출구 매니폴드(1128)는 전기화학 장치(1101, 1104) 외부에 있다.
도 15는 전기화학 장치(1101)의 연료 가스 입구 표면에 부착된 연료 가스 입구 매니폴드(1127)를 포함하는 장치(1100)의 일부의 단면도를 포함한다. 파이프(1135)는 가열된 연료 입구 가스를 제공하기 위해 매니폴드(1127)에 연결될 수 있다. 가열된 연료 입구 가스는 연료 입구 가스 챔버 및 연료 가스 입구 표면의 연료 가스 채널 개구로 들어갈 수 있고 전기화학 장치(1101)에 의해 이용될 수 있다. 연료 입구 가스 분배는 전기화학 장치(1102 내지 1104)에 대해 유사한 방식으로 구현될 수 있다.
예시된 바와 같이, 장치(1100)는 산화제-함유 가스 입구 또는 출구 매니폴드를 포함하지 않을 수 있다. 당업자는 산화제-함유 가스 입구 및/또는 출구 매니폴드가 연료 가스 입구 및/또는 출구 매니폴드와 유사한 방식으로 장치(1100)에서 구현될 수 있음을 이해할 것이다.
도 16은 그리드에 배열된 4개의 전기화학 장치(1601) 및 중심 산화제-함유 가스 유출 챔버(1603) 내에 배치된 열 교환기(1615)를 포함하는 장치(1600)의 일부의 예시를 포함한다. 연료 출구 가스 매니폴드(1605)는 각각 전기화학 장치(1601)들 중 2개 사이에 배열된다. 도시된 바와 같이, 장치(1600)는 연료 입구 가스 매니폴드(1606)가 전기화학 장치(1601) 중 2개에 부착된다는 점을 제외하고는 장치(1100)와 유사하다. 추가로 예시된 바와 같이, 파이프(1607)는 연료 입구 가스 매니폴드(1606)의 파이핑 시스템(1608)에 연결된다. 파이프(1607)는 가열된 연료 입구 가스를 수송하고 연료 출구 가스 매니폴드(1605) 중 하나 내에 배치된 열 교환기(도시되지 않음)와 유체 연통하도록 구성될 수 있다. 가열된 연료 입구 가스는 파이핑 시스템(1608)을 통해 전기화학 장치(1601)로 분배될 수 있다.
도 17은 도 16의 매니폴드(1606) 내부의 사시도이다. 매니폴드는 매니폴드(1606)의 상부 표면(1705)에서 복수의 슬릿(1702)을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 슬릿(1702)은 매니폴드(1606)의 하부 표면(1709)에 도달하도록 주요 외부 표면(1706)(도 16)을 따라 연장될 수 있다. 슬릿은 전기화학 장치(1601)의 산화제-함유 기체 입구 및/또는 출구 표면으로부터의 기체 흐름을 차단하는 것을 도울 수 있다.
매니폴드(1606)는 전기화학 장치(1601)를 수용하기 위한 립(1703)을 더 포함할 수 있다. 예시적인 립은 만입부를 포함할 수 있다. 립(1703)은 전기화학 장치(1601)가 매니폴드(1606)에 기대어 놓이게 하여 추가적인 밀봉 및 안정성을 제공할 수 있다. 홀(1704)은 입구 가스 분배를 용이하게 할 수 있다. 일부 예에서, 매니폴드(1606)는 홀(1704) 대신에 또는 추가로 튜브를 포함할 수 있다. 매니폴드(1606)는 입구 가스 분배를 용이하게 하기 위해 챔버(1707)를 더 포함할 수 있다. 챔버(1707)는 매니폴드가 전기화학 장치(1601)에 부착될 때 가스 입구 챔버를 형성할 수 있다.
도 18은 입구 가스 분배를 용이하게 하기 위해 단일 챔버(1802) 및 튜브(1801)를 포함하는 다른 매니폴드(1800)의 예시를 포함한다. 매니폴드(1800)는 또한 슬릿(1702) 및/또는 립(1703)을 포함할 수 있다. 대안으로, 매니폴드(1127)는 도 19에 도시된 매니폴드(1900)와 유사할 수 있다. 챔버(1903) 내의 복수의 슬롯(1902)은 균일한 입구 가스 분배를 용이하게 할 수 있다.
도 20은 유체가 통과할 수 있도록 바닥에 개구(2002)를 포함하는 매니폴드(2000)의 예시를 포함한다. 일부 예에서, 개구(2002)는 튜브로 대체될 수 있다. 일 실시예에서, 도 16에 도시된 1605 및/또는 도 11에 도시된 중심 연료 가스 출구 매니폴드(1128)는 매니폴드(2000)와 유사할 수 있다.
일 실시예에서, 매니폴드는 입구 및 출구 가스 분배를 용이하게 하기 위해 금속 또는 세라믹 재료와 같은 내화 재료를 포함할 수 있다.
도 21 내지 도 24는 본 명세서의 실시예들에 따른 장치의 예시들을 포함한다. 도 21은 복수의 전기화학 장치(2102) 및 전기화학 장치(2102) 각각과 유체 연통하는 중심 산화제-함유 가스 입구 챔버(2105)를 둘러싸는 하우징(2101)을 포함하는 장치(2100)를 예시한다. 장치(2100)는 제1 산화제-함유 가스 출구 챔버(2104) 내에 배치된 제1 열 교환기(2103) 및 제2 산화제-함유 가스 출구 챔버(2104) 내에 배치된 제2 열 교환기(2103)를 포함할 수 있다. 각각의 열 교환기(2103)는 산화제-함유 가스 입구 챔버(2105)와 유체 연통하고 열 교환기(103 또는 1105)에 대해 실시예에 기재된 바와 같이 산화제-함유 입구 가스를 가열하도록 구성될 수 있다. 따라서, 각각의 열 교환기(2103)는 적어도 하나 또는 적어도 둘 또는 모든 전기화학 장치(2102)와 유체 연통할 수 있다.
장치(2100)는 복수의 연료 가스 입구 매니폴드(2106)를 더 포함할 수 있다. 각각의 매니폴드(2106)는 두 개의 전기화학 장치(2102)의 연료 가스 입구 표면 사이에 배치되고 부착된다. 각 전기화학 장치(2102)의 연료 가스 출구 표면은 연료 가스 출구 매니폴드(2108)에 부착된다. 일 실시예에서, 연료 가스 출구 매니폴드(2108) 중 적어도 하나는 열 교환기(1125)와 유사하게 연료 입구 가스를 가열하는 열 교환기를 둘러쌀 수 잇고 전기화학 장치(2102) 중 적어도 하나 또는 적어도 2개와 유체 연통할 수 있다. 일 실시예에서, 연료 가스 출구 매니폴드(2108) 중 적어도 하나는 개질기, 기화기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 장치(2100)는 매니폴드(2106, 2108)와 교대하는 적어도 2개의 전기화학 장치(2102)를 포함하는 장치를 포함할 수 있다.
도 22는 중심 산화제-함유 가스 출구 챔버(2205), 산화제-함유 가스 출구 챔버(2205) 내에 배치된 열 교환기(2203), 및 복수의 산화제-함유 가스 입구 챔버(2204)를 포함하는 장치(2200)의 예시를 포함한다. 열 교환기는 방향(2220)으로 단일 흐름 경로를 포함할 수 있다.
장치(2200)는 전기화학 장치(S1 및 S3)에 부착된 연료 가스 입구 매니폴드(2206)를 포함할 수 있다. 제1 연료 가스 출구 매니폴드(2208)는 전기화학 장치(S1, S2) 사이에 배치될 수 있고, 제2 연료 가스 출구 매니폴드(2208)는 전기화학 장치(S3, S4) 사이에 배치될 수 있다.
특정 실시예에서, 제1 매니폴드(2208)는 장치(S1)의 연료 가스 출구 표면 및 장치(S2)의 연료 가스 입구 표면과 유체 연통하는 챔버를 정의할 수 있고, 제2 매니폴드(2208)는 장치(S4)의 연료 가스 입구 표면 및 장치(S3)의 연료 가스 출구 표면과 유체 연통하는 챔버를 정의할 수 있다. 전기화학 장치(S1)를 빠져나가는 연료 출구 가스는 직접 입구되어 전기화학 장치(S2)를 위한 연료 입구 가스로 작용할 수 있다. 유사하게, 전기화학 장치(S3)에서 배출되는 연료 출구 가스는 전기화학 장치(S4)를 위한 연료 입구 가스로서 직접 이용될 수 있다. 도 23은 중심 개구(2240)를 포함하는 연료 가스 출구 매니폴드(2208)의 예시를 포함하여 전기화학 장치(S1 및 S3)를 빠져나가는 연료 출구 가스가 통과할 수 있게 한다. 특정 예에서, 매니폴드(2208)는 프레임의 형상일 수 있다. 장치(2200)는 전기화학 장치(S2, S4)의 연료 가스 출구 표면에 부착된 연료 가스 출구 매니폴드(2209)를 더 포함할 수 있다.
도 24는 일렬로 배열된 복수의 전기화학 장치들(2401 내지 2404)을 포함하는 장치(2400)의 예시를 포함한다. 장치(2400)는 복수의 산화제-함유 가스 입구 챔버(2408 내지 2410)와 교대하는 복수의 산화제-함유 가스 유출 챔버(2405, 2406)를 포함한다. 특히 복수의 산화제-함유 가스 유출 챔버(2405, 2406)는 각각 2404와 2403 사이와 2402와 2401 사이와 같이 전기화학 장치 사이에 배열된다. 열 교환기(2407)는 산화제-함유 가스 출구 챔버(2405, 2406) 내에 배치되고 산화제-함유 입구 가스를 가열하도록 구성된다. 장치(2403, 2404) 사이에 배치된 제1 열 교환기(2407)는 산화제-함유 가스 입구 챔버(2408, 2409) 및 장치(2402, 2403, 2404)와 유체 연통할 수 있다. 장치(2402, 2401) 사이에 배열된 제2 열 교환기(2407)는 산화제-함유 가스 입구 챔버(2409, 2410) 및 장치(2401, 2402, 2403)과 유체 연통할 수 있다. 예를 들어, 가열된 산화제 함유 입구 가스는 열 교환기(2407)로부터 산화제 함유 입구 챔버(2408, 2409)로 이송될 수 있고, 전기화학 장치(2404 및 2403)에 의해 이용된다. 열 교환기(2407)는 열 교환기(103 및/또는 1105)와 관련하여 설명된 임의의 특징을 포함할 수 있다.
각각의 전기화학 장치(2401 내지 2404)는 연료 가스 출구 표면의 개별 연료 가스 출구 매니폴드 및 연료 가스 입구 표면의 연료 가스 입구 매니폴드에 부착된다. 대안적으로, 2개의 전기화학 장치를 수용할 수 있는 매니폴드는 도 17에 예시된 매니폴드와 같은 입구 및/또는 출구 매니폴드로서 이용될 수 있다. 장치는 연료 가스 출구 매니폴드에 인접하게 배치된 절연체(2419)에 배치된 개질기(2418)를 추가로 포함한다. 연료 가스 출구 매니폴드는 연료 입구 가스를 가열하도록 구성될 수 있는 하나 이상의 열 교환기를 선택적으로 둘러쌀 수 있다.
도 25는 일렬로 배열된 복수의 전기화학 장치(2501 내지 2504), 열의 일측에 배치된 산화제-함유 가스 출구 챔버(2505), 및 열의 다른 측에 배열된 산화제-함유 가스 입구 챔버(2506)를 포함하는 장치의 예시를 포함한다. 열 교환기(103 및/또는 1105)와 유사한 열 교환기(2507)는 산화제-함유 가스 출구 챔버(2505) 내에 배치된다. 열 교환기(2507)는 산화제-함유 입구 가스를 가열하고 챔버 및 각각의 전기화학 장치(2501 내지 2504) 및 산화제-함유 입구와 유체 연통하도록 구성될 수 있다. 장치(2500)는 산화제-함유 가스 출구 챔버(2505)에 인접하게 배치된 절연체(2519)에 배치된 개질기(2518)를 추가로 포함한다.
장치(2500)는 또한 복수의 연료 가스 입구 매니폴드(2508, 2509) 및 연료 가스 입구 매니폴드(2508, 2509)와 교번하는 복수의 연료 가스 출구 매니폴드(2510, 2512, 2514)를 포함한다. 연료 가스 출구 매니폴드(2512)는 전기화학 장치(2502, 2503) 사이에 배열된다. 일 실시예에서, 열 교환기(1125)와 유사한 열 교환기는 매니폴드(2512)에 의해 포함된 연료 가스 출구 챔버 내에 배치될 수 있고 연료 가스 입구 매니폴드(2508, 2509)와 유체 연통할 수 있다. 예를 들어, 가열된 연료 입구 가스는 매니폴드(2512) 내에 포함된 열 교환기로부터 입구 매니폴드(2508, 2509)의 배관 시스템으로 이송될 수 있고 전기화학 장치(2501, 2502, 2503, 및/또는 2504)에 의해 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 입구 매니폴드(2508 및 2509)는 도 26에 도시된 매니폴드(2600)와 유사할 수 있다. 매니폴드(2600)는 입구 가스 분배를 위한 챔버(2602), 개구(2604) 및 튜브(2606)를 포함할 수 있다. 추가 실시예에서, 연료 가스 출구 매니폴드(2510, 2514)는 각각 연료 가스 입구 매니폴드(2508, 2509)와 유체 연통할 수 있는 열 교환기(1125)와 유사한 열 교환기를 선택적으로 둘러쌀 수 있다.
일 실시예에서, 가스 파이프는 입구 가스 분배를 용이하게 할 수 있는 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 27은 입구 가스를 개별 전기화학 장치로 이송하는데 적합할 수 있는 파이프(2700)의 예시를 포함한다. 파이프(2700)는 주 유동 경로(2701)로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 브랜치(2702, 2704, 2706)를 포함할 수 있다. 실시예에서, 브랜치는 전기화학 장치의 각각의 가스 입구 표면을 향하여 연장될 수 있다.
예시적인 구현에서, 파이프(2700)는 열 교환기(2507)와 유체 연통할 수 있고 가열된 산화제-함유 입구 가스를 전기화학 장치(2501 내지 2504)로 이송하도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 파이프(2700)는 연료 입구 가스를 연료 입구 매니폴드에 이송하도록 구성될 수 있다. 입구 가스가 브랜치(2702)에 먼저 도달함에 따라, 브랜치(2704)의 직경을 증가시키고 브랜치(2706)의 직경을 추가로 증가시키면 브랜치(2702, 2704, 2706)에 의한 동일한 가스 분포를 촉진할 수 있다. 예시된 바와 같이, D2702<D2704< D2706이다.
도 28은 브랜치(2802, 2804, 2806, 2808)와 가스 챔버(2809)를 포함하는 파이프(2800)의 예시를 포함한다. 챔버(2809)는 가스 흐름의 속도를 감소시키는 데 도움이 될 수 있으며, 따라서 브랜치에 의한 입구 가스의 균일한 분포를 촉진할 수 있다. 도 29에 도시된 바와 같이, 파이프(2900)는 유동 경로(2901) 및 브랜치(2902, 2904, 2906, 2908)를 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 각각의 브랜치는 브랜치의 유동 경로 내로 연장되는 네킹(2910)을 포함할 수 있다. 네킹은 각 파이프 브랜치를 통한 흐름을 제어하는 데 도움이 될 수 있다. 일 실시예에서, 모든 브랜치에 네킹(2910)이 있는 것은 아니다. 예를 들어, 네킹(2910)은 다른 것에 비해 더 빠른 흐름을 가질 가능성이 있는 브랜치에 존재할 수 있다.
실시예들에서, 도 28에 도시된 가스 챔버(2809)는 도 30에 도시된 가스 챔버(3001)의 형태를 취할 수 있다. 가스 챔버(3001)는 입구 가스가 챔버(3001)로 들어갈 수 있는 파이프(3020)에 연결된 챔버 바닥의 중심 개구(3003)를 갖는다. 전기화학 장치로의 입구 가스(도시되지 않음)를 이송하기 위해 브랜치(3010)에 연결된 복수의 측면 개구(3002)를 챔버(3001)가 추가로 포함한다. 실시예에서, 바닥 구조 구성요소(3101)는 도 13에 도시된 구성요소(1113)와 유사할 수 있다. 브랜치(3010)는 도 11에 예시된 가스 입구 챔버(1109)와 같은 본 명세서의 실시예에 개시된 가스 입구 챔버 및/또는 도 11에 도시된 연료 입구 매니폴드(1127)와 같은 가스 입구 매니폴드에 연결될 수 있다. 예에서, 브랜치(3010)는 입구 가스 챔버 또는 매니폴드의 바닥에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 장치의 구성요소는 압축을 통해 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 압축은 하우징 외부의 압축 시스템에 의해 가해질 수 있다. 다른 실시예에서, 압축은 독립 스프링, 밴드, 케이블, 래칫, 판 스프링, 원추형 스프링 와셔, 클램프, 용접, 또는 이들의 임의의 조합을 통해 가해질 수 있다. 도 1, 13, 22, 24, 25에 도시된 바와 같이 전기화학 장치에 매니폴드를 부착하기 위해 압축이 적용될 수 있다. 도 21에 도시된 바와 같이, 장치(2100)는 직렬로 압축되는 적어도 2개의 전기화학 장치 및 적어도 3개의 매니폴드를 포함할 수 있다. 도 22에 도시된 바와 같이, 연료 출구 가스 매니폴드(2209) 및 연료 입구 가스 매니폴드(2210)를 각각 방향(2230, 2240)으로 압축하기 위해 단일 압축 시스템이 사용될 수 있다. 그 결과, 장치(2200)는 병렬로 압축된 복수의 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 장치는 직렬로 압축된 전기화학 장치와 교대하는 매니폴드를 포함할 수 있다. 도 25에 도시된 바와 같이, 장치(2500)는 압축(2530 및 2531)을 적용함으로써 직렬로 압축되는 전기화학 장치 및 매니폴드를 교대하는 것을 포함하는 단일 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 압축은 절연 부품을 통해 매니폴드, 전기화학 장치, 또는 이들의 조합으로 전달될 수 있다. 도 24에 도시된 바와 같이, 개별 압축(2430, 2431)은 절연체(2419)를 통해 각 전기화학 장치에 부착된 연료 가스 입구 및 출구 매니폴드에 적용될 수 있다. 도 22에 도시된 바와 같이, 압축은 절연 구성요소(2210)를 통해 연료 입구 가스 매니폴드(2206) 및 유출 가스 매니폴드(2209)에 적용될 수 있다. 일 예에서, 절연 구성요소는 금속, 내화 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 추가 실시예에서, 입구 및/또는 출구 매니폴드에 대한 전기화학 장치의 부착은 그 사이에 배치된 개스킷에 의한 설비일 수 있다.
실시예
실시예 1. 하우징;
하우징 내에 배치된 복수의 전기화학 장치; 및
하우징 내에 배치되고 복수의 전기화학 장치 중 적어도 하나의 산화제-함유 가스 출구 표면과 대면하는 열 교환기를 포함하는 장치.
실시예 2. 하우징;
하우징 내에 배치된 복수의 전기화학 장치를 포함하고, 복수의 전기화학 장치는 제1 및 제2 전기화학 장치를 포함하고,
하나의 열 교환기는 제1 및 제2 전기화학 장치 사이에 배열되는 장치.
실시예 3. 실시예 2에 있어서, 열 교환기는 제1 및 제2 전기화학 장치들 중 적어도 하나의 가스 출구 표면과 대면하는 장치.
실시예 4. 실시예 2 내지 3에 있어서, 열 교환기는 제1 및 제2 전기화학 장치들 중 적어도 하나의 산화제-함유 가스 출구 표면과 대면하는 장치.
실시예 5. 실시예 1에 있어서, 복수의 전기화학 장치는 제1 및 제2 전기화학 장치를 포함하고, 열 교환기는 제1 전기화학 장치의 산화제-함유 가스 출구 표면 및 제2 전기화학 장치의 산화제-함유 가스 출구 표면과 대면하는 장치.
실시예 6. 실시예 2 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 열 교환기는 제2 전기화학 장치의 산화제-함유 가스 출구 표면과 제1 전기화학 장치의 산화제-함유 가스 출구 표면 사이에 배열되는 장치.
실시예 7. 실시예 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 하우징에 둘러싸인 산화제-함유 가스 출구 챔버를 더 포함하고, 산화제-함유 가스 출구 챔버는 제1 및 제2 전기화학 장치와 유체 연통하고, 열 교환기는 산화제-함유 가스 출구 챔버 내에 배치되는 장치.
실시예 8. 실시예 7에 있어서, 산화제-함유 가스 출구 챔버는 복수의 전기화학 장치들 중 적어도 2개와 유체 연통하는 장치.
실시예 9. 실시예 7 또는 8에 있어서, 복수의 전기화학 장치는 열로 배열되고, 산화제-함유 가스 출구 챔버는 열을 이루어 각각의 전기화학 장치의 산화제 함유 가스 출구 표면과 유체 연통하여 열의 일 측면에 배열되는 장치.
실시예 10. 실시예 7 또는 8에 있어서, 산화제-함유 가스 출구 챔버는 복수의 전기화학 장치 중 적어도 2개 사이에 배열되는 장치.
실시예 11. 실시예 7 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 복수의 전기화학 장치는 열 및 행으로 배열되고, 산화제-함유 가스 출구 챔버는 인접한 열 또는 인접한 행으로 전기화학 장치와 유체 연통하여 이들 사이에 배열되는 장치.
실시예 12. 실시예 1 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 장치는
제1 전기화학 장치, 제2 전기화학 장치, 제3 전기화학 장치 및 그리드 내에 배열된 제4 전기화학 장치 및
제1, 제2, 제3, 및 제4 전기화학 장치 각각과 유체 연통하는 중심 산화제-함유 가스 출구 챔버를 포함하는 장치.
실시예 13. 실시예 12에 있어서,
제1 및 제2 전기화학 장치와 유체 연통하고 이들 사이에 배열된 제1 연료 가스 출구 챔버 및
제3 및 제4 전기화학 장치와 유체 연통하고 이들 사이에 배열된 제2 연료 가스 출구 챔버를 추가로 포함하고, 제1 및 제2 연료 가스 출구 챔버는 중심 산화제-코팅 가스 출구 챔버에 의해 분리되는 장치.
실시예 14. 실시예 12 또는 13에서,
제1 및 제2 전기화학 장치와 유체 연통하는 제1 연료 가스 입구 챔버 및
제3 및 제4 전기화학 장치와 유체 연통하는 제2 산화제-함유 가스 입구 챔버를 추가로 포함하는 장치.
실시예 15. 실시예 12 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 열 교환기는 제1, 제2, 제3 및 제4 전기화학 장치의 산화제-함유 가스 출구 표면과 대면하고 중심 산화제-함유 가스 출구 챔버 내에 배열되는 장치.
실시예 16. 실시예 12 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 산화제-함유 가스 출구 표면의 표면 부분에 인접한 열 교환기의 가스 입구 부분이 제1, 제2, 제3 및 제4 전기화학 장치에 대한 표면의 나머지 부분보다 더 높은 온도를 갖도록 열 교환기가 배열되는 장치.
실시예 17. 실시예 12 내지 16 중 어느 하나에 있어서,
열 교환기는 열 교환기의 가스 입구 부분이 산화제-함유 가스 출구 표면 및 연료에 의해 정의된 코너보다 산화제-함유 가스 출구 표면 및 제1, 제2, 제3 및 제4 전기화학 장치 각각의 연료 가스 입구 표면의 연료 가스 출구 표면에 의해 정의된 코너에 더 가깝도록 배치되는 장치.
실시예 18. 실시예 12 내지 17 중 어느 하나에 있어서, 열 교환기는 상이한 방향으로 연장되는 제1 브랜치 및 제2 브랜치를 포함하는 장치.
실시예 19. 실시예 18에 있어서, 제1 브랜치는 제1 및 제3 전기화학 장치의 산화제 함유 가스 출구 표면들 사이에서 연장되고, 제1 브랜치는 제2 산화제 함유 가스 입구 챔버 또는 제1 산화제 함유 가스 입구 챔버들 중 하나에 결합되는 장치.
실시예 20. 실시예 18 또는 19에 있어서, 제2 브랜치는 제2 및 제4 전기화학 장치의 산화제 함유 가스 출구 표면들 사이에서 연장되고, 제2 브랜치는 제1 산화제 함유 가스 입구 챔버 또는 제2 산화제 함유 가스 입구 챔버들 중 하나에 결합되는 장치.
실시예 21. 실시예 14 내지 20 중 어느 하나에 있어서, 열 교환기는 제1 및 제2 산화제-함유 가스 입구 챔버와 유체 연통하는 장치.
실시예 22. 실시예 1 내지 21 중 어느 하나에 있어서, 열 교환기는 구불구불한 형상을 포함하는 장치.
실시예 23. 실시예 1 내지 22 중 어느 하나에 있어서, 열 교환기는 배플, 핀, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는 장치.
실시예 24. 실시예 1 내지 23 중 어느 하나에 있어서, 열 교환기는 적어도 0.90 또는 적어도 0.95의 방사율을 갖는 재료를 포함하는 장치.
실시예 25. 실시예 13 내지 24 중 어느 하나에 있어서, 제1 연료 가스 출구 챔버 내에 배열된 제2 열 교환기를 추가로 포함하는 장치.
실시예 26. 실시예 25에 있어서, 제2 연료 가스 출구 챔버 내에 배열된 제3 열 교환기를 추가로 포함하는 장치.
실시예 27. 실시예 25 또는 26에 있어서, 제2 열 교환기, 제3 열 교환기 또는 둘 모두는 개질기, 기화기, 또는 이들의 조합을 포함하는 장치.
실시예 28. 실시예 25 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 제2 열 교환기는 제1, 제2, 제3 및 제4 전기화학 장치 중 적어도 하나 또는 적어도 2개와 유체 연통하는 장치.
실시예 29. 실시예 25 내지 28 중 어느 하나에 있어서, 제3 열 교환기는 제1, 제2, 제3 및 제4 전기화학 장치 중 적어도 하나 또는 적어도 2개와 유체 연통하는 장치.
실시예 30. 실시예 1 내지 29 중 어느 하나에 있어서,
제1 전기화학 장치와 유체 연통하는 제1 연료 가스 입구 챔버,
제2 전기화학 장치와 유체 연통하는 제2 연료 가스 입구 챔버,
제3 전기화학 장치와 유체 연통하는 제3 연료 가스 입구 챔버, 및
제4 전기화학 장치와 유체 연통하는 제4 연료 가스 입구 챔버를 추가로 포함하는 장치.
실시예 31. 실시예 30에 있어서, 제2 열 교환기는 연료 가스 입구 챔버들 중 2개와 유체 연통하고 제3 열 교환기는 연료 가스 입구 챔버들 중 다른 2개와 유체 연통하는 장치.
실시예 32. 실시예 1 내지 31 중 어느 하나에 있어서,
적어도 하나의 전기화학 장치에 부착된 연료 가스 입구 매니폴드,
적어도 두개의 전기화학 장치에 부착된 연료 가스 출구 매니폴드, 또는
이의 임의의 조합을 추가로 포함하는 장치.
실시예 33. 실시예 30 내지 32 중 어느 하나에 있어서, 각각의 연료 가스 입구 챔버는 연료 가스 입구 매니폴드에 의해 수용되는 장치.
실시예 34. 실시예 30 내지 33 중 어느 하나에 있어서, 각각의 연료 가스 출구 챔버는 연료 가스 출구 매니폴드에 의해 수용되는 장치.
실시예 35. 실시예 32 내지 34 중 어느 하나에 있어서, 개질기, 기화기, 또는 이들의 조합은 연료 가스 출구 매니폴드의 벽 내에 배열되는 장치.
실시예 36. 실시예 32 내지 35 중 어느 하나에 있어서, 개질기, 기화기, 또는 이들의 조합은 연료 가스 출구 매니폴드의 외부에 배열되는 장치.
실시예 37. 실시예 25 내지 36 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 제2 열 교환기 또는 제3 열 교환기는 상이한 방향으로 연장되는 브랜치를 포함하고, 각각의 브랜치는 연료 입구 매니폴드에 연결되는 장치.
실시예 38. 실시예 25 내지 37 중 어느 하나에 있어서, 연료 가스 입구 매니폴드에 연결되고 제2 또는 제3 열 교환기에 연결된 연료 가스 입구 파이프를 추가로 포함하고, 연료 가스 입구 파이프는 제2 또는 제3 열 교환기와 유체 연통하고 연료 가스 입구 매니폴드에 의해 수용된 연료 가스 입구 챔버와 유체 연통하는 장치.
실시예 39. 실시예 1 내지 38 중 어느 하나에 있어서, 산화제-함유 가스 입구 챔버 및 열 교환기에 연결된 산화제-함유 가스 입구 파이프를 추가로 포함하고, 산화제-함유 가스 입구 파이프는 산화제-함유 가스 입구 챔버 및 열 교환기와 유체 연통하는 장치.
실시예 40. 실시예 25 내지 39 중 어느 하나에 있어서, 연료 가스 출구 매니폴드에 연결된 연료 가스 출구 파이프를 추가로 포함하고, 연료 가스 출구 파이프는 연료 가스 출구 매니폴드에 의해 수용된 연료 가스 출구 챔버와 유체 연통하는 장치.
실시예 41. 실시예 25 내지 40 중 어느 하나에 있어서, 산화제-함유 가스 출구 챔버와 유체 연통하고 이에 연결된 산화제-함유 가스 출구 파이프를 추가로 포함하는 장치.
실시예 42. 실시예 1 내지 41 중 어느 하나에 있어서, 장치는 산화제-함유 가스 출구 매니폴드 또는 산화제-함유 가스 입구 매니폴드를 포함하지 않는 장치.
실시예 43. 실시예 1 내지 11 중 어느 하나에 있어서,
제1 및 제2 전기화학 장치 사이에 배열된 제1 연료 가스 출구 챔버 및
제3 및 제4 전기화학 장치 사이에 배열된 제2 연료 가스 출구 챔버를 추가로 포함하고,
제1 산화제-함유 가스 출구 챔버는 제1 및 제2 전기화학 장치의 산화제-함유 가스 출구 표면과 유체 연통하고,
제2 산화제-함유 가스 출구 챔버는 제3 및 제4 전기화학 장치의 산화제-함유 가스 출구 표면과 유체 연통하는 장치.
실시예 44. 실시예 43에 있어서, 제1, 제2, 제3 및 제4 전기화학 장치는 일렬로 배열되는 장치.
실시예 45. 실시예 43 또는 44에 있어서, 적어도 하나, 적어도 2개, 또는 복수의 전기화학 장치와 유체 연통하는 연료 가스 입구 챔버를 추가로 포함하는 장치.
실시예 46. 실시예 1 내지 11 및 43 내지 45 중 어느 하나에 있어서, 연료 가스 입구 챔버에 마주보는 연로 가스 출구 챔버를 추가로 포함하고, 열 교환기는 연료 가스 출구 챔버에 인접한 하우징의 벽 내에 배열되고, 열 교환기는 개질기, 기화기, 또는 이들의 조합을 포함하는 장치.
실시예 47. 실시예 1 내지 11 및 43 내지 45 중 어느 하나에 있어서, 복수의 전기화학 장치 중 적어도 2개 사이에 배열된 연료 가스 출구 챔버를 포함하는 장치.
실시예 48. 실시예 1 내지 11 및 43 내지 45 중 어느 하나에 있어서, 인접한 전기화학 장치의 연료 가스 입구 표면 및 전기화학 장치의 연료 가스 출구 표면과 유체 연통하고 이들 사이에 배열된 연료 가스 출구 챔버를 추가로 포함하는 장치.
실시예 49. 실시예 1 내지 11 및 43 내지 48 중 어느 하나에 있어서,
적어도 2개의 전기화학 장치와 유체 연통하는 입구 가스 파이프,
적어도 2개의 전기화학 장치와 유체 연통하는 출구 가스 파이프 또는
이의 조합을 포함하는 장치.
실시예 50. 실시예 49에 있어서, 가스 입구 파이프를 추가로 포함하고,
입구 가스 파이프는 적어도 2개의 전기화학 장치의 각각의 연료 가스 입구 표면을 향해 또는 적어도 2개의 전기화학 장치의 각각의 산화제-함유 가스 입구 표면을 향해 연장되는 제1 및 제2 브랜치를 포함하고,
제1 및 제2 브랜치는 상이한 직경을 포함하는 장치.
실시예 51. 실시예 49 또는 50에 있어서, 입구 가스 파이프는 적어도 2개의 전기화학 장치의 각각의 연료 가스 입구 표면을 향해 또는 적어도 2개의 전기화학 장치의 각각의 산화제-함유 가스 입구 표면을 향해 연장하는 제1 및 제2 브랜치를 포함하고, 제1 및 제2 브랜치 중 적어도 하나는 유동 경로로 연장되는 네킹을 포함하는 장치.
실시예 52. 실시예 49 내지 51 중 어느 하나에 있어서, 입구 가스 파이프는 챔버를 포함하고, 제1 및 제2 브랜치는 챔버로부터 이격되게 연장되는 장치.
실시예 53. 실시예 49 내지 52 중 어느 하나에 있어서, 입구 가스 파이프는 열 교환기 및 적어도 하나의 산화제-함유 가스 입구 챔버에 연결되어 이와 유체 연통하는 산화제 함유 가스 입구 파이프인 장치.
실시예 54. 실시예 49 내지 53 중 어느 하나에 있어서, 입구 가스 파이프는 제2 또는 제3 열 교환기 및 적어도 하나의 연료 가스 입구 챔버에 연결되고 유체 연통하는 연료 가스 입구 파이프인 장치.
실시예 55. 실시예 49 내지 54 중 어느 하나에 있어서, 가스 출구 파이프를 추가로 포함하고, 가스 출구 파이프는 산화제-함유 가스 출구 챔버에 연결된 제1 및 제2 브랜치를 포함하는 산화제-함유 가스 출구 파이프인 장치.
실시예 56. 실시예 49 내지 55 중 어느 하나에 있어서, 가스 출구 파이프는 제1 및 제2 연료 가스 출구 챔버에 각각 연결된 제1 및 제2 브랜치를 포함하는 연료 가스 출구 파이프인 장치.
실시예 57. 실시예 49 내지 56 중 어느 하나에 있어서,
적어도 하나의 전기화학 장치에 부착된 산화제-함유 가스 입구 매니폴드 - 상기 산화제-함유 가스 입구 챔버는 상기 산화제-함유 가스 입구 매니폴드의 일부임 -;
적어도 하나의 전기화학 장치에 부착된 산화제-함유 가스 출구 매니폴드 - 상기 산화제-함유 가스 출구 챔버는 상기 산화제-함유 가스 출구 매니폴드의 일부임 -;
적어도 하나의 전기화학 장치에 부착된 연료 가스 입구 매니폴드 - 연료 가스 입구 챔버는 연료 가스 입구 매니폴드의 일부임 - ;
적어도 하나의 전기화학 장치에 부착된 연료 가스 출구 매니폴드 - 상기 연료 가스 출구 챔버는 상기 연료 가스 출구 매니폴드의 일부임 -; 또는
이들의 임의의 조합을 포함하는 장치.
실시예 58. 실시예 34 내지 41 및 56 중 어느 하나에 있어서, 매니폴드 중 적어도 하나는 복수의 전기화학 장치 중 적어도 하나를 수용하도록 구성된 리세스를 포함하는 장치.
실시예 59. 실시예 56 내지 58 중 어느 하나에 있어서, 입구 또는 출구 가스 파이프는 용접, 유리 세라믹 밀봉 또는 이의 조합을 통해 매니폴드에 연결되는 장치.
실시예 60. 실시예 56 내지 59 중 어느 하나에 있어서,
연료 가스 출구 매니폴드는 금속을 포함하고;
연료 가스 입구 매니폴드는 세라믹 재료를 포함하고; 또는
이들의 조합을 포함하는 장치.
실시예 61. 실시예 56 내지 60 중 어느 하나에 있어서,
산화제-함유 가스 출구 매니폴드는 금속을 포함하고;
산화제-함유 가스 입구 매니폴드는 세라믹 재료를 포함하고; 또는
이들의 조합을 포함하는 장치.
실시예 62. 실시예 56 내지 61 중 어느 하나에 있어서, 매니폴드는 압축을 통하여 복수의 전기화학 장치에 부착되는 장치.
실시예 63. 실시예 1 또는 2에 있어서, 장치는 매니폴드와 교번하는 2개 이상의 전기화학 장치를 포함하는 장치를 포함하는 장치.
실시예 64. 실시예 63에 있어서, 적어도 2개의 전기화학 장치 및 적어도 3개의 매니폴드가 일렬로 압축되는 장치.
실시예 65. 실시예 63 또는 64에 있어서, 장치는 단일의 압축 시스템에 의해 평행하게 압축되는 복수의 장치를 포함하는 장치.
실시예 66. 실시예 62 내지 65 중 어느 하나에 있어서, 압축은 독립 스프링, 밴드, 케이블, 래칫, 판 스프링, 원추형 스프링 와셔, 클램프, 용접 또는 이들의 조합을 통해 가해지는 장치.
실시예 67. 실시예 62 내지 66 중 어느 하나에 있어서, 압축은 하우징 외부의 압축 시스템에 의해 가해지고, 압축은 절연 부품을 통해 매니폴드, 전기화학 장치 또는 이들의 조합으로 전달되는 장치.
실시예 68. 실시예 62 내지 67 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 매니폴드와 전기화학 장치 사이에 배열된 개스킷을 추가로 포함하는 장치.
실시예 69. 실시예 1 내지 68 중 어느 하나에 있어서,
전기화학 장치는 고체 산화물 연료 전지의 스택, 배터리, 또는 고체 산화물 전해조 전지를 포함하는 장치.
실시예 70. 실시예 1 내지 69 중 어느 하나에 있어서,
전기화학 장치는 고체 산화물 연료 전지의 스택을 포함하고 고체 산화물 연료 전지의 스택은 교차 흐름 구성을 갖는 장치.
실시예 71. 실시예 70에 있어서, 고체 산화물 연료 전지 스택은 본질적으로 세라믹 재료로 구성되는 장치.
실시예 72. 실시예 35 내지 71 중 어느 하나에 있어서, 매니폴드는 전기화학 장치의 외부에 있는 장치.
실시예 73.
하우징; 및
하우징 내에 배치된 복수의 전기화학 장치를 포함하고, 복수의 전기화학 장치는 제1 및 제2 전기화학 장치를 포함하고,
하우징 내의 제1 가스 출구 챔버를 포함하고, 가스 출구 챔버는 제1 및 제2 전기화학 장치 사이에 있고 그와 유체 연통하는 장치.
실시예 74. 실시예 73에 있어서, 가스 출구 챔버 내에 제1 열 교환기를 추가로 포함하는 장치.
실시예 75. 실시예 1 내지 74 중 어느 하나에 있어서, 복수의 전기화학 장치는 적어도 2개, 적어도 4개, 적어도 6개, 적어도 8개, 또는 적어도 9개의 전기화학 장치를 포함하는 장치.
실시예 76. 실시예 1 내지 75 중 어느 하나에 있어서, 상기 전기화학 장치들 중 적어도 하나는 상기 전기화학 장치의 제2 표면과 상기 제1 표면 사이에서 연장되는 제1 가스 채널을 포함하고, 상기 제2 표면은 상기 제1 표면의 반대편에 있고, 상기 제1 가스 채널은 상기 제1 표면에 가스 유출 단부를 포함하고 가스 유출 단부는 열 교환기를 향하는 장치.
실시예 77. 실시예 76에 있어서, 열 교환기는 열 교환기의 주 표면이 제1 표면을 향하도록 위치되는 장치.
실시예 78. 실시예 76 또는 77에 있어서, 열 교환기는 제1 표면에 직접 노출되는 표면적을 포함하고, 표면적은 제1 표면의 총 면적의 적어도 25%, 적어도 40%, 적어도 60%, 또는 적어도 75%인 장치.
실시예 79. 실시예 77 또는 78에 있어서, 열 교환기 및 전기화학 장치는 제1 표면을 통과하는 출구 가스가 열 교환기를 가로질러 지나가거나 열 교환기에 충돌하도록 배열되는 장치.
실시예 80. 실시예 1 내지 79 중 어느 하나에 있어서, 열 교환기는 복수의 전기화학 장치 중 적어도 하나의 온도보다 낮은 온도를 갖는 입구 가스를 수용하고 가열하도록 구성되는 장치.
이점, 기타 장점, 및 문제에 대한 해결책은 특정 구체예와 관련하여 위에 설명되었다. 그러나, 이점, 장점, 문제에 대한 해결책 및, 임의의 이점, 장점, 또는 해결책을 발생시키거나 더 두드러지게 만들 수 있는 임의의 특징(들)은 임의의 또는 모든 청구항의 중요하거나, 필요하거나, 필수적인 특징으로 해석되어서는 안된다. 본원에서 하나 이상의 성분을 포함하는 재료에 대한 언급은 재료가 본질적으로 식별된 하나 이상의 성분으로 구성되는 최소 하나의 구체예를 포함하는 것으로 해석될 수 있다. 용어 "본질적으로 구성되는"은 식별된 재료를 포함하고 재료의 특성을 크게 변경하지 않는 소수 내용물(예를 들어, 불순물 내용물)을 제외하고 다른 모든 재료를 배제하는 조성물을 포함하는 것으로 해석될 것이다. 추가로, 또는 대안으로, 특정 비제한적 구체예에서, 본원에서 확인된 임의의 조성물은 명시적으로 개시되지 않은 재료가 본질적으로 없을 수 있다. 본원의 구체예는 재료 내의 특정 화합물에 대한 함량의 범위를 포함하고, 주어진 재료 내의 성분의 함량이 총 100%임을 이해할 것이다.
본원에 기재된 구체예의 명세서 및 도해는 다양한 구체예의 구조에 대한 일반적인 이해를 제공하기 위한 것으로 의도된다. 명세서 및 도해는 본원에 기재된 구조 또는 방법을 사용하는 장치 및 시스템의 모든 요소 및 특징의 철저하고 포괄적인 설명을 제공하도록 의도되지 않는다. 개별 구체예는 또한 단일의 구체예에서 조합되어 제공될 수 있고, 반대로 간결함을 위해, 단일 구체예의 맥락에서 기재된 다양한 특징이 또한 개별적으로 또는 임의의 하위조합으로 제공될 수 있다. 또한, 범위에 언급된 값에 대한 참조는 해당 범위 내의 각각의 모든 값이 포함된다. 많은 다른 구체예가 본 명세서를 읽은 후에만 당업자에게 명백할 수 있다. 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 구조적 치환, 논리적 치환, 또는 또 다른 변경이 이루어질 수 있도록 다른 구체예가 본 개시로부터 사용되고 도출될 수 있다. 따라서, 본 개시는 제한적이기보다는 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (15)

  1. 하우징;
    하우징 내에 배치된 복수의 전기화학 장치; 및
    하우징 내에 배치되고 복수의 전기화학 장치 중 적어도 하나의 산화제-함유 가스 출구 표면과 대면하는 열 교환기를 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 복수의 전기화학 장치는 제1 및 제2 전기화학 장치를 포함하고, 열 교환기는 제1 전기화학 장치의 산화제-함유 가스 출구 표면 및 제2 전기화학 장치의 산화제-함유 가스 출구 표면과 대면하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 하우징에 둘러싸인 산화제-함유 가스 출구 챔버를 더 포함하고, 산화제-함유 가스 출구 챔버는 제1 및 제2 전기화학 장치와 유체 연통하고, 열 교환기는 산화제-함유 가스 출구 챔버 내에 배치되는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 산화제-함유 가스 출구 챔버는 제1 및 제2 전기화학 장치의 일 측면에 배치되는 장치.
  5. 제3항에 있어서, 산화제-함유 가스 출구 챔버는 제1 및 제2 전기화학 장치 사이에 배치되는 장치.
  6. 제3항에 있어서, 복수의 전기화학 장치는 그리드로 배열되고, 산화제-함유 가스 출구 챔버는 제1 및 제2 전기화학 장치를 포함하는 적어도 4개의 전기화학 장치와 유체 연통하는 중심 산화제-함유 가스 출구 챔버인 장치.
  7. 제3항에 있어서, 제1 전기화학 장치와 제2 전기화학 장치 사이에 배치되고 그와 유체 연통하는 연료 가스 출구 챔버를 추가로 포함하는 장치.
  8. 제3항에 있어서, 제1 및 제2 전기화학 장치와 유체 연통하는 산화제-함유 가스 입구 챔버를 추가로 포함하는 장치.
  9. 제3항에 있어서, 열 교환기는 반대 방향으로 연장되는 제1 브랜치 및 제2 브랜치를 포함하고, 제1 브랜치는 제1 전기화학 장치와 유체 연통하는 제1 산화제-함유 가스 입구 챔버에 결합되고, 제2 브랜치는 제2 전기화학 장치와 유체 연통하는 제2 산화제-함유 가스 입구 챔버에 결합되는 장치.
  10. 제7항에 있어서, 연료 가스 출구 챔버에 배치된 열 교환기를 추가로 포함하는 장치.
  11. 제10항에 있어서, 연료 가스 출구 챔버에 배치된 열 교환기는 제1 및 제2 전기화학 장치 중 적어도 하나와 유체 연통하는 연료 가스 입구 챔버에 연결되는 장치.
  12. 제1항에 있어서, 열 교환기는 개질기, 기화기, 또는 이들의 조합을 포함하는 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전기화학 장치 중 적어도 하나에 부착된 연료 가스 입구 매니폴드 - 상기 연료 가스 입구 매니폴드는 상기 적어도 하나의 전기화학 장치와 유체 연통하는 연료 가스 입구 챔버를 포함함 -;
    상기 복수의 전기화학 장치 중 적어도 하나에 부착된 연료 가스 출구 매니폴드 - 상기 연료 가스 출구 매니폴드는 상기 적어도 하나의 전기화학 장치와 유체 연통하는 연료 가스 출구 챔버를 포함함 -; 또는
    이들의 조합을 추가로 포함하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 연료 가스 입구 및 출구 매니폴드는 복수의 전기화학 장치 외부에 있는 장치.
  15. 제1항에 있어서, 전기화학 장치는 고체 산화물 연료 전지의 스택, 배터리 또는 고체 산화물 전해조 전지를 포함하는 장치.
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