KR20170065610A - Sofc-전도 - Google Patents

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KR20170065610A
KR20170065610A KR1020177011786A KR20177011786A KR20170065610A KR 20170065610 A KR20170065610 A KR 20170065610A KR 1020177011786 A KR1020177011786 A KR 1020177011786A KR 20177011786 A KR20177011786 A KR 20177011786A KR 20170065610 A KR20170065610 A KR 20170065610A
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Abstract

고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템은 열 전도에 의한 열 에너지 이동을 증가시키기 위해 구리와 같은 고 열전도성 재료를 포함한다. 구리는 니켈 도금 층에 의해 산화로부터 보호되고 연소실 내측에 하스텔로이 라이너를 제공함으로써 열 손상으로부터 보호된다. 캐소드 유해성을 방지하기 위해 모넬 요소가 유입 공기 콘딧에서 사용된다.

Description

SOFC-전도{SOFC-CONDUCTION}
1. 저작권 공지
이 특허 문서의 설명의 일부는 저작권 보호를 받는 자료를 내포할 수 있다. 저작권 소유자는 본 명세서가 미국 특허상표청 특허 파일에서 나타나기 때문에 이 특허 문서 또는 특허 명세서가 누군가에 의해 모사 재생되는 것에 이의를 제기하지는 않지만, 다른 방법으로 모든 저작권 권리를 보유한다. 다음의 공지가 이 문서에 적용된다: ⓒ 2014 프로토넥스 테크놀로지 코포레이션.
2. 발명의 배경
2.1 발명의 분야
본 발명은 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템, 사용법 및 SOFC 시스템 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 SOFC 시스템에서 열 에너지 관리를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
2.2 관련 기술
종래의 SOFC 시스템은 SOFC 기술에 따라서 동작 중에 예컨대 350 또는 500℃ 이상의 높은 동작 온도로 유지되는 시스템 컴포넌트를 내포 또는 적어도 부분적으로 포함하는 핫존(hot zone)을 포함한다. 핫존은 SOFC 에너지 발생기 또는 고체 산화물 연료 전지 스택을 하우징한다. 종래의 SOFC 연료 전지 스택은 하나 이상의 연료 전지에 의해 형성되고 각 전지는 전류를 생성하는 전기-화학 반응에 참여한다. 연료 전지들은 전지 스택의 원하는 출력 전압을 제공하기 위해 필요에 따라 직렬 또는 병렬로 전기적으로 상호접속된다. 각 연료 전지는 3개의 기본 층, 즉 애노드 층 또는 연료 전극, 캐소드 층 또는 공기 전극, 및 상기 애노드 층을 상기 캐소드 층으로부터 분리하는 전해질 층을 포함한다.
애노드 층은 적어도 수소(H2) 및/또는 일산화탄소(CO)를 내포하는 기체 또는 증기 연료에 노출된다. 이와 동시에 캐소드 층은 공기 또는 임의의 다른 가스 또는 증기 산소(O2) 소스와 같은 캐소드 가스에 노출된다. 캐소드 층에서, 캐소드 층에 공급된 산소(공기)는 전자를 받아서 산소 이온(O+)이 된다. 산소 이온은 캐소드 층으로부터 세라믹 전해질 층을 통해 애노드 층으로 이동한다. 삼중 국면(triple phase) 경계에서, 애노드 층에서, 물과 이산화탄소를 생성하도록 산화물 이온과 연료 반응에 의해 애노드 층에 공급된 수소(H2) 및/또는 일산화탄소(CO)와 이 반응 중에 방출된 전자는 전기와 열을 생성한다. 연료 스트림 내의 생성물에 의한 다른 반응은 메탄, 에탄 또는 에틸렌을 포함할 수 있다. 전기-화학 반응에 의해 생성된 전기는 전기 부하에 전력을 공급하도록 DC 전력 단자에 추출된다.
일반적인 애노드 재료는 니켈 및 도핑된 지르코니아(Ni-YSZ), 니켈 및 도핑된 세리아(Ni-SDC 및/또는 Ni-GDC), 구리 및 도핑된 세리아와 같은 서멧(cermet)을 포함한다. (La1-xSrx)Crl-yMyO3-δ(LSCM) 및 다른 ABO3 구조와 같은 페로브스카이트(perovskite) 애노드 재료를 또한 이용할 수 있다. 일반적인 캐소드 재료는 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란탄 스트론튬 코발트 철 산화물 LSCF 및 란탄 스트론튬 망가나이트(LSM)를 포함한다. 전해질 층은 이온 전도 세라믹, 일반적으로는 이트리아 도핑 지르코니아 또는 가돌리늄 도핑 세리아와 같은 산소 이온 전도체이다. 대안적으로 전해질 층은 바륨 세레이트 또는 바륨 지코네이트와 같은 양자 전도 세라믹이다. 전해질 층은 연료와 공기가 혼합되어 연소하는 것을 방지하기 위한 근밀폐(near hermetic) 장벽으로서 작용한다.
종래의 SOFC 시스템은 SOFC 시스템에 유입되는 캐소드 가스(공기)를 가열하기 위해 일반적으로 복열기(recuperator)라고 부르는 교차 흐름 또는 평행 흐름 열교환기를 사용한다. 가스 흐름 열교환기는 핫존에 유입하는 차가운 공기를 가열하여 핫존에 존재하는 고온 배출 가스와 차가운 유입 공기 사이에 열 에너지를 교환한다.
SOFC 시스템을 통해 흐르는 공기와 연료를 가열하고 연료 전지를 가열하기 위해 SOFC 핫존 내에 배치된 하나 이상의 열 에너지 또는 열원(heat source)을 포함하는 것이 알려져 있다. 열원은 소비후 연료(spent fuel) 및 배출 공기가 전지 스택을 빠져나갈 때 고온 배출 공기와 혼합된 소비후 연료를 연소시키기 위해 사용되는 테일 가스 연소기를 포함할 수 있다. 제2 열원은 적어도 SOFC 시스템이 그 정상 상태 동작 온도에 도달하거나 CPOX 또는 TGC 라이트가 꺼질 때까지 SOFC 표면을 가열하고 전지 스택으로 흐르는 유입 연료를 가열하기 위해 시스템 시동시에 연료를 연소시키도록 동작하는 상온 시동(cold start) 연소기를 포함할 수 있다. 시동시에 공기, 연료 및 동작 표면을 가열하기 위해 상온 시동 연소기 대신에 또는 상온 시동 연소기에 추가하여 전기 가열 요소를 또한 사용할 수 있다.
종래의 SOFC 시스템에서, 열 에너지는 주로 가스 대 가스 또는 가스 대 주변 표면 열 에너지 교환에 의해, 즉 주로 대류에 의해 이동된다. 이것은 소비후 연료가 고온 배출 공기와 혼합되고 연소 엔클로저 내에서 연소될 때 테일 가스 연소기에서 발생한다. 이 경우에 열 에너지는 더 차가운 가스가 연소 엔클로저에 유입되고 고온 가스와 혼합되어 연소할 때 대류에 의해 교환된다. 게다가 대류 열 에너지 이동은 가스가 열 에너지를 엔클로저 표면으로 통과시킬 때 연소 엔클로저 표면을 또한 가열한다. 한편, 고온 엔클로저 벽은, 고온 표면이 열 에너지를 방출하고 고온 표면에 인접하게 흐르는 가스가 상기 방출된 복사에 의해 가열될 때, 연소실에 유입되는 더 차가운 가스에 열 에너지를 이동한다.
종래의 SOFC 시스템에서, 복열기 또는 가스 역류 열교환기는 연소실로부터 배출되는 고온 가스를 수용하고 공동 벽에 의해 분리된 별도의 역류 콘딧으로 SOFC 시스템에 유입되는 냉 가스를 수용하도록 배치된다. 또한, 대류 및 복사는 고온 가스가 출구 포트로 통과하고 콘딧 벽이 유입 공기를 가열할 때 연소기로부터의 고온 가스가 콘딧 벽을 가열하는 지배적인 열 에너지 이동 메카니즘이다. 요약하자면, 테일 가스 연소기 내 및 복열기 내에서의 열 에너지 교환은 효율적이지 않다. 그 결과 종래의 SOFC 시스템은 연소 엔클로저 벽이 너무 뜨거워질 때 엔클로저 벽에 손상을 줄 수 있고 벽을 태우기까지 할 수 있는, 예컨대 연소 엔클로저 내에서의 핫스폿을 제어하고 때때로 전개하는 것이 극히 어렵다. 대안적으로, SOFC 시스템의 온도가 예를 들면 연료 유입 유속을 조절함으로써 낮아질 때, 불완전한 연료 처리는 애노드 표면에서 탄소를 형성하고, 이것은 궁극적으로 전기 출력을 감소시키고 결국은 고장을 야기한다.
열점(hot spot) 및 냉점(cold spot)을 더 잘 다루기 위해, 종래의 SOFC 시스템은 애노드 표면에서 탄소 형성을 유도하는 냉점을 방지하고 열점을 회피하도록 온도를 감시하고 동작을 제어하기 위해 각종 시스템 지점에 배치된 복수의 열전쌍 또는 서미스터를 종종 포함한다. 그러나 온도 감지 및 감시 시스템은 가격이 비싸고 SOFC 시스템의 높은 동작 온도(예를 들면, 350-1200℃) 때문에 고장이 발생하기 쉽다. 더욱이 SOFC 시스템의 손상을 회피하기 위한 안전한 수단으로서 연료 유입을 조절하는 필요성은 비효율적이고 가변적인 전력 출력을 유도한다. 따라서 SOFC 시스템의 손상을 회피하고 발전 효율을 개선하면서 더 일정한 전력 출력을 전달하기 위해 열 경사를 회피하고 열점을 제거할 필요성이 있다.
종래의 SOFC 시스템은 금속 표면을 가끔은 고장점까지 계속적으로 산화시키는 고온 및 심각한 부식 환경에서 연장 동작의 효과가 견딜 수 있게 하기 위해 일반적으로 특수 재료로 제조된다. 종래의 SOFC 시스템에서 다루어진 다른 고온 문제는 메이팅(mating) 부품들 간의 느슨해짐, 세라믹 요소들의 깨짐, 또는 금속 요소들의 휘어짐을 회피하기 위해 비유사 재료들의 메이팅 부품들의 열팽창 계수의 차를 일치시키거나 고려해야 할 필요성, 및 고온에서 발생하는 증가된 금속 크리프 속도를 고려할 필요성을 포함한다. 종래의 SOFC 시스템에서, 이러한 문제점들은 인코넬 등과 같은 특수 고온 내부식성 니켈-크롬 합금을 사용함으로써 해결되었다. 그러나 유입되는 캐소드 공기에 용해된 크롬은 캐소드 물질 층에 독이 될 수 있고, 따라서 크롬을 내포한 물질은 캐소드 유해성을 회피해야 하면 임의의 유입 공기 콘딧 또는 히터와 함께하는 것이 바람직하지 않다. 따라서 SOFC 핫존 요소를 제조하기 위해 내부식성 또는 내산화성 고온 금속 합금을 사용할 필요가 있지만, 이러한 합금의 대부분은 크롬을 내포하고, 캐소드 공기가 크롬 내포 표면과 접촉하는 것을 회피할 필요가 또한 있다.
일부 열 에너지가 열전도에 의해 종래의 SOFC 시스템의 영역들 사이에서 전도, 예를 들면 상호접속된 금속 요소들을 통해 전도되지만, 열점 및 냉점이 종래의 SOFC 시스템에서 여전히 문제가 된다는 사실은 종래의 SOFC 시스템의 다른 영역들에 걸친 균일한 온도를 조장하는 데에 열전도가 너무 느리거나 불충분하다는 것을 암시한다. 이것은 부분적으로 바람직한 열전도 특성보다 낮은 고온 부식 환경에 대하여 특수 금속을 사용할 필요성에 기인한다. 일 예로서, 인코넬은 150-875℃의 온도 범위에서 17-35 W/(m°K) 범위의 열전도율을 가짐에 비하여 구리는 500℃에서 370W/(m°K) 및 1027℃에서 332 W/(m°K)의 대략적 범위의 열전도율을 갖는다. 구리는 인코넬의 열전도율의 10배 이상인 열전도율을 갖고, 인코넬의 열전도율은 니켈의 약 70%이다. 비록 구리가 SOFC 시스템에서 온도 균일성을 개선할 수 있는, 대개 니켈을 포함하는, 고온 금속 합금에 대하여 증가된 열전도율을 제공하지만, 구리는 SOFC 환경에서 쉽게 산화되고 따라서 SOFC 하우징 재료로서 회피되어 왔다.
3. 발명의 목적
전술한 종래의 방법 및 장치와 관련한 문제점들에 비추어, 본 발명은 열전도에 의한 증가된 열 에너지 이동이 핫존 전역에서 열 경사도를 감소시키기 위해 SOFC 핫존의 하나의 영역으로부터 다른 영역으로 열 에너지를 이동시키기 위해 사용되는 SOFC 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 SOFC 시스템 전역에서 열 경사도를 감소시키기 위해 서로 기계적으로 인터페이스되는 복수의 상이한 기계적 요소들을 통해 연장하는 상호접속형 열 에너지 전도 경로를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 SOFC 핫존의 각 영역의 온도를 실질적으로 안정화시키기 위해 엔클로저 벽뿐만 아니라 열원 및 열교환기와 열적으로 통신하는 높은 열전도율의 열 밀집체 요소(thermal mass element)를 제공함으로써 SOFC 시스템 핫존의 다른 영역들 간의 열 에너지 교환을 관리하는 것이다.
4. 발명의 간단한 설명
본 발명은 개선된 SOFC 시스템을 제공함으로써 종래의 SOFC 시스템과 관련된 문제점들을 극복한다. 본 발명의 개선된 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템은 핫존 공동(hot zone cavity)을 내포하도록 배치된 핫존 엔클로저 벽을 포함한다. 핫존 엔클로저 벽은 350℃ 이상의 온도에서 100W/(m°K) 이상의 열전도율, 바람직하게는 300W/(m°K) 이상의 열전도율을 가진 하나 이상의 재료로 제조된다. 이상적으로, 핫존 엔클로저 벽은 구리로 제조된다. 구리는 엔클로저 벽이 탄화수소 연료 및/또는 공기에 노출되는 것을 방지하기 위해 엔클로저 벽의 노출된 표면 위에 표면 코팅을 형성함으로써 산화로부터 보호된다. 예시적인 일 실시형태에 있어서, 표면 코팅은 350-1200℃의 동작 온도에서 도금재를 통한 산소 확산을 방지하기 위해 적어도 0.0005인치이지만 최대 0.0015인치까지의 범위이고 일부 응용에서는 약 0.002인치까지 더 높은 두께로 전기 도금 처리에 의해 도포된 니켈 도금이다. 실제로, 도금 두께는 원하는 동작 수명 시간, 평균 및/또는 피크 동작 온도, 및 예컨대 연료 또는 캐소드 가스에서 사용되는 산화제에 의존한다.
적어도 하나의 열 밀집체 요소(thermal mass element)가 핫존 엔클로저 벽에 의해 지지되거나 핫존 엔클로저 벽에 부착된 핫존 공동 내측에 배치된다. 구체적으로, 열 밀집체 요소는 핫존 엔클로저 벽과 열 전도식으로 연결된다. 열 밀집체 요소는 350℃ 이상의 온도에서 100W/(m°K) 이상의 열전도율, 바람직하게는 300W/(m°K) 이상의 열전도율을 가진 하나 이상의 재료로 제조된다. 이상적으로, 열 밀집체 요소는 구리로 제조된다. 구리는 열 밀집체 요소가 탄화수소 연료 및/또는 공기 또는 산소에 노출되는 것을 방지하기 위해 열 밀집체 요소의 노출된 표면 위에 표면 코팅을 형성함으로써 산화로부터 보호된다. 이상적으로, 표면 코팅은 350-1200℃의 동작 온도에서 도금재를 통한 산소 확산을 방지하기 위해 적어도 0.0005인치 및 최대 0.002인치까지의 범위의 두께로 전기 도금 처리에 의해 도포된 니켈 도금이다. 엔클로저 벽 및 열 밀집체는 몰리브덴, 알루미늄 구리, 구리 니켈 합금 또는 이들의 조합 중 하나 이상으로 또한 제조될 수 있다.
테일 가스 연소기 영역이, SOFC 스택으로부터 빠져나온 소비후 연료 및 고온 배출 공기의 혼합물을 연소시키기 위해 핫존 공동 내측에 배치된다. 대안적으로, 테일 가스 연소기 영역은 핫존 공동 외측에, 예를 들면, 핫존 엔클로저 벽 주위에 배치될 수 있다. 연소 영역은 연소로부터 핫존 엔클로저 벽에 의해 수용된 열 에너지가 핫존 벽을 통해 핫존 엔클로저 벽의 다른 영역으로 열적으로 전도되어 핫존 엔클로저 벽 구조 전역에서의 열 경사도를 감소시키도록 핫존 엔클로저 벽에 의해 적어도 부분적으로 속박(bound)된다. 테일 가스 연소기 영역은 하스텔로이(Hastelloy) 및/또는 인코넬(Inconel) 또는 세라믹 코팅 강과 같은 고온 내부식성 금속으로 형성된 내벽에 의해 라이닝된다. 더 일반적으로 라이너 재료는 그 주성분으로서 금속 니켈을 가진 금속 합금이다. 라이너는 테일 가스 연소기 내측의 가스가 산화되거나 또는 다른 방식으로 핫존 공동의 표면 또는 핫존 공동을 속박하는 임의의 열 밀집체 요소의 표면을 손상시키는 것을 방지하는 방식으로 적소에 납땜될 수 있다.
복열기 챔버가 핫존 공동에 유입되는 차가운 공기를 수용하고 차가운 공기가 SOFC 스택에 전달되기 전에 차가운 공기를 가열하기 위해 핫존 공동 내측에 배치된다. 대안적으로, 복열기 챔버는 핫존 공동 외측에, 예를 들면, 핫존 엔클로저 벽 주위에 또는 연소기 영역 주위에 배치될 수 있다. 복열기 챔버는 유입 공기를 가열하기 위해 열 에너지를 복열기 챔버에 복사하는 핫존 엔클로저 벽에 의해 적어도 부분적으로 속박된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 복열기 챔버는 연소기 영역의 벽에 의해 적어도 부분적으로 속박된다. 바람직하게, 열 밀집체 요소는 테일 가스 연소기 영역 단부 벽의 일부를 형성하고, 상기 테일 가스 연소기 영역 단부 벽은 또한 열 밀집체 요소를 포함한 벽이 복열기 챔버로부터 테일 가스 연소기 영역을 분리하게 하는 복열기 챔버 단부 벽을 형성한다. 테일 가스 연소 영역으로부터 빠져나온 연소 부산물은 복열기 챔버의 외부 표면으로 흘러서 복열기 챔버를 포위하는 핫존 엔클로저 벽을 더욱 가열한다.
연료 리포머가 연료 공급 시스템에 유입되는 연료 공급을 촉매화하거나 다른 방식으로 리폼하기 위해 핫존 엔클로저 내측에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다.
상온 시동 연소실은 SOFC 시스템의 상온 시동(cold start) 중에 연료를 연소하기 위해 핫존 엔클로저 벽에 의해 내포될 수 있다. 상온 시동 연소실은 적어도 부분적으로 핫존 엔클로저 벽에 의해 내포된다. 상온 시동 연소실의 내벽은 바람직하게 하스텔로이 및/또는 인코넬 또는 세라믹 코팅 금속과 같은 고온 내부식성 금속으로 라이닝되거나 세라믹 절연체로 제조된다.
SOFC 연료 전지 스택이 핫존 공동 내측에 배치된다. 연료 전지 스택은 적어도 하나의 전기-화학 연료 전지를 포함하고, 바람직하게는 복수의 연료 전지를 포함한다. 각 연료 전지는 애노드 지지층, 상기 애노드 지지층 위에 적용된 세라믹 전해질, 및 상기 세라믹 전해질 층 위에 형성된 캐소드 층을 포함한다. 애노드 지지층은 탄화수소 연료에 노출되고, 캐소드 층은 산소를 포함한 캐소드 가스에 노출된다. 애노드 지지층은 평판 또는 관형 콘딧으로 형성될 수 있다.
5. 도면의 간단한 설명
본 발명의 특징들은 예시 목적으로 선택되고 첨부 도면에 도시된 발명 및 그 예시적인 실시형태에 대한 상세한 설명으로부터 최상으로 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제1의 예시적인 SOFC 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 SOFC 시스템의 예시적인 핫존의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 SOFC 시스템의 예시적인 연료 흐름 경로의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 SOFC 시스템의 예시적인 공기 흐름 경로의 개략도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 SOFC 시스템의 제1의 예시적인 핫존 외벽을 통해 취한 단면도이다.
도 5b는 본 발명에 따른 SOFC 시스템의 제2의 예시적인 핫존 외벽을 통해 취한 단면도이다.
도 5c는 본 발명에 따른 SOFC 시스템의 열 전도 밀집체를 포함한 예시적인 하부관 지지 벽을 통해 취한 단면도이다.
도 5d는 본 발명에 따른 SOFC 시스템의 열 전도 밀집체를 포함한 예시적인 연소 영역 단부벽을 통해 취한 단면도이다.
도 5e는 본 발명에 따른 SOFC 시스템의 열 전도 밀집체를 포함한 예시적인 연소 영역 하부 벽을 통해 취한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 2개의 동심원 패턴으로 배열된 복수의 봉형 연료 전지를 가진 SOFC 시스템의 개략 상부 단면도이다.
5.1 정의
하기의 정의는 특별하게 다른 방식으로 표시되지 않는 한 본 명세서 전반에 걸쳐 사용된다.
용어 정의
하스텔로이 금속 니켈을 주성분으로 하고 몰리브덴, 크롬, 코발트, 철, 구리, 망간 티탄, 지르코늄, 알루미늄 및 텅스텐을 상이한 비율(일부 합금에서는 0)로 함유한 합금 그룹. 하스텔로이 합금은 고온에서 및/또는 심각한 부식 환경에 알맞은 고응력에서 효과적으로 견디기 위해 주로 사용된다. 미국 인디애나주 코코모에 소재하는 하네스 인터내셔널 인크.로부터 입수 가능하다.
모넬 최대 67%의 금속 니켈 및 약 30%의 구리를 소량의 철, 망간, 탄소 및 규소와 함께 함유한 합금 그룹. 모넬은 그 내부식성 때문에 사용된다. 미국 뉴욕주 뉴하트포드에 소재하는 스페셜 메탈즈 코포레이션으로부터 입수 가능하다.
SOFC 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell)
인코넬 니켈 40-70%, 크롬 14-30%, 철 3-9%, 망간 0.3-1%와 함께 규소, 탄소, 유황 및 기타 요소를 포함하고 광범위한 온도에 걸친 그 내산화성, 내부식성 및 강도 때문에 사용되는 오스테나이틱 니켈-크롬 합금 계열. 가열된 때, 인코넬은 표면을 추가의 공격으로부터 보호하는 두껍고 안정된 부동태화 산화물층을 형성한다. 크리프(creep)를 줄이는 고온 응용에 매력적이다. 미국 뉴욕주 뉴하트포드에 소재하는 스페셜 메탈즈 코포레이션으로부터 입수 가능하다.
서멧 세라믹과 소결 금속으로 이루어진 내열성 재료의 임의의 부류. 때때로 세라믹 옥사이드 혼합물처럼 형성 및 소결되고, 옥사이드 세라믹으로부터 금속상으로의 환원을 통해 변환된다. (NiO-YSZ → Ni-YSZ)
페로브스카이트 칼슘 티탄 산화물(CaTiO3)과 동일 유형의 결정 구조인 일반 구조 A[12]B[6]X-3 [6]을 가진 삼상 물질
항목 번호 리스트
하기의 항목 번호는 특별하게 다른 방식으로 표시되지 않는 한 본 명세서 전반에 걸쳐 사용된다.
항목 번호 설명 항목 번호 설명
100 SOFC 시스템 2155 에어 갭
105 핫존 2160 열 전도성 밀집체
110 콜드존 2165 핫존 출구 포트
115 엔클로저 벽 2170 연료 유입 다기관 상부 벽
120 핫존 공동 2175 열 전도성 밀집체
125 에어 갭 2180 열 전도성 밀집체
130 단열재 2185 연소기 배플
135 SOFC 연료 전지 스택
140 DC 전류 출력 단자 2200 유입기
145 전해질 지지체 2205 공기 유입 포트
150 애노드 표면 2210 복열기 챔버
155 캐소드 표면 2215 복열기 배플
157 열전쌍/온도 센서 2220 배기 유출
160 연료 유입선 2225 공기 유입 포트
165 연료 리포머 2230 복열기 공기 유입 포트
170 공기 유입선 2235 복열기 공기 유출 포트
175 복열기 2240 캐소드 챔버 공기 유입 포트
180 연소기 2245 캐소드 챔버 공기 유출 포트
185 배기 포트
190 전자 제어기 2300 상온 시동 연소기
195 상온 시동 모듈 2305 환상 연소기 공동
197 연료 공급 제어기 2310 연소기 입구 포트
198 공기 공급 제어기 2315 연료
2320 점화기
2000 핫존 2325 시동 연소기 출구 포트
2002 핫존 엔클로저 측벽
2004 디스크형 상부 벽
2005 SOFC 연료 전지 스택 5005 벽(2002)의 일부
2006 디스크형 하부 벽 5010 구리 코어
2010 핫존 공동 5015 니켈층
2012 단열층 5020 니켈층
2015 핫존 엔클로저 벽 5025 측벽 복열기 챔버
2020 리포머 5030 하스텔로이 라이너 요소
2025 연료 공기 혼합물 5035 (존재하지 않음)
2030 리포머 엔클로저 벽 5040 하부 튜브 벽의 일부
2035 촉매화 공동 5045 모넬 라이너 요소
2040 촉매작용 매질 5050 하스텔로이 라이너 요소
2045 리포머 유입 포트 5055 벽(2175)의 일부
2050 리포머 출구 포트 5060 하스텔로이 라이너 요소
2055 연료 유입 다기관 5065 모넬 라이너 요소
2060 세로축
2065 환상 단열 요소
2070 상부 관 지지벽
2075 하부 관 지지벽
2080 연료 전지
2085 환상 관 벽 7000 SOFC 시스템
2090 캐소드 챔버 7010 캐소드 챔버
2095 상부 단부 캡 7015 핫존 엔클로저 벽
2100 하부 단부 캡 7020 절연층
2105 부착 단부 7025 캐소드 공급관
2110 지지 단부 7030 중심축
2115 전지 유입 포트 7035 내측 원 패턴
2120 전지 유출 포트 7040 내측 봉형 연료 전지
7045 외측 원 패턴
2125 전기 단자 7050 외측 봉형 연료 전지
2130 전기 단자
2135 테일 가스 연소기
2140 연소기 단부벽
2145 캐소드 공급관
2150 출구 포트 연소기
5.2 발명의 상세한 설명
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시형태의 개략도는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템(100)을 나타낸다. 시스템(100)은 적어도 하나의 SOFC 연료 전지, 바람직하게는 높은 동작 온도에서 유지되는 연료 전지 스택을 형성하는 복수의 연료 전지를 포함한 핫존(105)과, 연료 유입 및 배출 모듈, DC 전력 출력 모듈 및 다른 제어 요소를 포함한 콜드존(110)을 포함한다. 핫존 엔클로저 벽(115)은 그 안에 핫존 공동(120)을 내포하도록 배치된다. 단열층(130)은 핫존(105)을 열적으로 차단하도록 엔클로저 벽(115)을 포위한다. 에어 갭(125)이 핫존 엔클로저 벽(115)의 측벽과 단열층(130) 사이에 제공되고, 상기 에어 갭은 가스가 핫존의 다른 영역으로부터 배출 포트(185)로 흐르게 하는 가스 흐름 콘딧을 제공한다.
본 발명의 중요한 양태에 따르면, 핫존 엔클로저 벽(115) 및 후술하는 관련 열 에너지 관리 요소는 핫존 엔클로저 벽(115)을 통한 열전도에 의해 핫존의 모든 영역으로 열 에너지 이동을 위한 열 전도 경로를 제공하기 위해 서로 열적으로 통신한다. 더 구체적으로, 핫존 엔클로저 벽(115) 및 후술하는 임의의 열 에너지 관리 요소는 높은 열 전도율, 예를 들면, 350-1200℃의 온도 범위에서 100-300W/(m°K) 사이, 바람직하게는 200W/(m°K) 이상의 열 전도율을 가진 재료를 포함한다. 따라서, 외벽 및 후술하는 다른 열 에너지 관리 요소는 구리, 몰리브덴, 알루미늄 구리, 구리 니켈 합금 또는 이들의 조합 중 하나 이상으로 제조된다. 구체적으로, 핫존 엔클로저 벽(115) 및 관련된 열 에너지 관리 요소는 핫존의 하나의 영역으로부터 다른 영역으로 열 에너지의 빠른 전도를 위한 열 전도 경로를 제공하도록 구성된다. 더 구체적으로, 핫존 엔클로저 벽(115) 및 관련된 열 에너지 관리 요소는 핫존 전체가 실질적으로 균일한 온도로 유지되도록 핫존의 고온 영역으로부터 핫존의 저온 영역으로 열 에너지를 빠르게 전도함으로써 핫존 내의 열 에너지를 관리하도록 구성된다.
하나 이상의 고체 산화물 연료 전지 또는 연료 전지를 포함한 전기화학 에너지 발생기 또는 연료 전지 스택(135)은 핫존(105) 내에 봉입되고 후술하는 하나 이상의 지지 요소에 의해 엔클로저 벽(115)에 대하여 지지된다. 연료 전지 스택(135)은 전류를 생성하는 전기-화학 반응에 각각 참여하는 하나 이상의 연료 전지를 포함한다. 연료 전지는 전지 스택(135)의 원하는 출력 전압을 제공하기 위해 필요에 따라 직렬로 또는 병렬로 전기적으로 상호접속된다. 각 연료 전지는 3개의 기본 층, 즉 애노드 층 또는 연료 전극(150), 캐소드 층 또는 공기 전극(155), 및 상기 애노드 층을 상기 캐소드 층으로부터 분리하는 전해질 층(145)을 포함한다.
애노드 층(150)은 적어도 수소 가스(H2) 및/또는 일산화탄소(CO)를 내포하는 기체 또는 증기 연료에 노출된다. 이와 동시에 캐소드 층(155)은 공기 또는 임의의 다른 가스 또는 증기 산소(O2) 소스에 노출된다. 캐소드 층(155)에서, 캐소드 층에 공급된 산소(공기)는 전자를 받아서 산소 이온(O2-)이 된다. 캐소드 반응은 1/2O2 + 2e- =O2-이고, 때때로 O||이라고도 기재한다.
산소 이온은 캐소드 층으로부터 세라믹 전해질 층(145)을 통해 애노드 층(150)으로 이동한다. 애노드 층에서, 물과 이산화탄소를 생성하도록 산화물 이온과 연료 반응에 의해 애노드 층에 공급된 수소(H2) 및/또는 일산화탄소(CO)와 이 반응 중에 방출된 전자는 전기와 열을 생성한다. 생성물에 의한 다른 반응은 메탄, 에탄 또는 에틸렌을 포함할 수 있다. 전기-화학 반응에 의해 생성된 전기는 전기 부하에 전력을 공급하도록 DC 전력 단자에 추출된다.
일반적인 애노드 재료는 니켈 및 도핑된 지르코니아, 니켈 및 도핑된 세리아, 구리 및 세리아와 같은 서멧(cermet)을 포함한다. Sr2Mg1 - xMnxMoO6 -δ 또는 La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ와 같은 페로브스카이트(perovskite) 애노드 재료를 또한 이용할 수 있다. 일반적인 캐소드 재료는 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란탄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF) 및 란탄 스트론튬 망가나이트(LSM)를 포함한다. 전해질 층은 이온 전도 세라믹, 일반적으로는 이트리아 도핑 지르코니아 또는 가돌리늄 도핑 세리아와 같은 산소 이온 전도체이다. 대안적으로 전해질 층은 바륨 세레이트 또는 바륨 지코네이트와 같은 양자 전도 세라믹이다. 전해질 층은 연료와 공기가 혼합되어 연소하는 것을 방지하기 위한 근밀폐 장벽으로서 작용한다.
일반적으로 각 연료 전지는 애노드 층(150), 캐소드 층(155) 또는 지지체 또는 기계적 구조 요소로서 형성된 전해질 층(145) 중의 하나로 구성되고, 다른 2개의 층이 예를 들면 담그기(dipping), 뿌리기(spraying) 등에 의해 지지 요소 위에 코팅된다. 도 2에 도시된 하나의 비제한적인 예시적 실시형태를 포함한 각종 지지 요소 구조를 사용할 수 있고, 각 연료 전지는 원통형 가스 콘딧을 형성하는 중공관으로서 구성된 애노드 지지 요소를 포함하며, 이때 애노드 층(150)은 원통형 콘딧의 내경을 형성하고, 세라믹 전해질 층(145)은 구조적 애노드 층(150)의 외경 위에 코팅되며, 캐소드 층(155)은 전해질 층(145)의 외경 위에 코팅된다.
적어도 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)를 포함한 탄화수소 연료는 애노드 층과 접촉하는 중공 세라믹 관을 통해 흐르고, 공기는 캐소드 층과 접촉하는 중공관의 외부 표면 위로 흐른다. 전류는 전술한 바와 같이 생성된다.
비록 도 2에 도시된 특수 전지 스택이 복수의 관형 연료 전지를 포함하지만, 다른 공지의 폼팩터를 가진 연료 전지에 의해 형성된 다른 전지 스택을 본 발명으로부터 벗어나지 않고 사용할 수 있다. 이들은 스택으로 형성된 복수의 편평한 시트형 연료 전지로 형성된 전지 스택(135)을 포함하고, 각 전지는 지지층 위에 코팅된 다른 층을 구비한 시트형 지지층 및 지지층 위에 코팅된 다른 층을 구비한 인접하는 편평한 지지층을 포함한다.
연료 유입선(160)은 콜드존(110)에 저장된 연료 컨테이너로부터 또는 콜드존(110)에 공급된 외부 공급원으로부터 기체 또는 증기 탄화수소 연료를 공급한다. 전자 제어기(190)와 통신하는 연료 공급 제어기(197)는 연료 유입 속도를 제어하기 위해 필요에 따라 연료 유입량 또는 질량 유량을 조절하도록 콜드존 내의 연료 유입선(160)을 따라 배치된다. 연료 유입선(160)은 기본적으로 연료로부터 순수 수소를 추출하는 연료 처리를 위해 연료 리포머(165)에 연료를 공급한다. 리폼된 연료는 전기-화학 반응을 위해 애노드 표면(150) 위를 통과한다. 탄화수소 연료는 각종 연료 성분 및 혼합물을 포함할 수 있지만, 적어도 수소(H2) 및/또는 일산화탄소(CO)를 포함한다.
공기 또는 캐소드 가스 유입선(170)은 실내 공기 또는 다른 산소원과 같은 기체 또는 증기 산소를 예를 들면 흡입 팬 등을 통해 콜드존(110)에 공급한다. 전자 제어기(190)와 통신하는 공기 공급 제어기(198)는 공기 유입 속도를 제어하기 위해 필요에 따라 공기 유입량 또는 질량 유량을 조절하도록 콜드존 내의 공기 유입선(170)을 따라 선택적으로 배치된다. 공기 유입선(170)은 핫존을 빠져나오는 연료 및 공기와 유입 냉기 사이의 열 에너지 교환에 의해 유입 공기를 가열하는 복열기(175)로 실온 공기를 공급한다. 가열된 유입 공기는 화학 반응을 위해 캐소드 표면(155) 위를 통과한다.
소비후 연료와 산소 감소 공기는 둘 다 전지 스택(135)을 빠져나와서 연소 영역 또는 테일 가스 연소기(180)에서 혼합된다. 미반응 연료와 미반응 공기의 혼합물 및 테일 가스 연소기(180)에 공급된 반응 부산물은 그 내부에서 자연적으로 연소하여 국부적으로 열 에너지를 발생한다. 후술하는 연소기 벽은 높은 열 전도율, 예를 들면, 100-300W/(m°K) 사이, 바람직하게는 200W/(m°K) 이상의 열 전도율을 가진 재료를 포함한다. 게다가 연소기 벽은 연소기(180) 내에서의 연소에 의해 생성된 열 에너지가 연소기 벽을 고온으로 가열하도록 핫존 엔클로저 벽(115)과 열적 통신 관계에 있고, 연소기 벽은 핫존 엔클로저 벽(115)을 통한 전도성 열 에너지 이동에 의해 핫존의 모든 영역에 대한 열 에너지 이동을 신속히 개시한다.
고온 가스를 포함한 테일 가스 연소기(180)로부터 빠져나온 연소 부산물은 복열기(175)에 공급된다. 복열기는 연소 고온 부산물로부터 더 차가운 유입 공기로 열 에너지를 이동시켜서 유입 공기가 SOFC 연료 전지 스택(135)에 들어가기 전에 유입 공기를 가열하도록 제공된 역류 콘딧을 구비한 교차 흐름 열교환기를 포함한다. 복열기(175)를 통과한 후에, 연소 부산물은 배출 포트(185)를 통해 배출된다.
열전쌍 또는 다른 온도 센서(157)가 엔클로저 벽(115)의 표면에 부착되어 그 온도를 감지하고 온도 정보가 전자 제어기(190)에 전달된다. 제어기(190)는 연료 공급 제어기(197), 공기 공급 제어기(198) 및 전력 출력 제어기 등과 관련된 하나 이상의 전기적으로 동작 가능한 가스 유동 밸브, 가스 유속 검출기 및/또는 조절기와 같은 다른 전자 요소, 및 SOFC(100)의 각종 동작 파라미터를 제어하기 위해 필요한 다른 요소들과 통신한다. 전자 제어기(190)는 DC 전류 출력뿐만 아니라 열전쌍에서 측정된 온도를 모니터링하고, DC 전류 출력을 증가 또는 감소시키는 수단으로서 연료 유입 및 공기 비율을 변화시키도록 또한 동작한다.
추가로, 선택적인 상온 시동 예열기(195)가 시동시에 유입 연료를 예열하기 위해 제공될 수 있다. 예열기(195)는 엔클로저 벽 및 세라믹 전해질 구조를 예열하기 위해 연료 공급의 일부를 점화하기 위해 사용하는 연료 점화기일 수 있고, 그리고/또는 상온 시동 예열기(195)는 유입 연료를 예열하는데 사용하는 전기 히터를 포함할 수 있다.
5.3 예시적인 핫존 아키텍처
이제, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 개선된 SOFC 시스템 핫존(2000)의 제1의 비제한적인 예시적 실시형태는 핫존 공동(2010) 내에 봉입된 복수의 개별 연료 전지를 포함한 SOFC 연료 전지 스택(2005)을 포함한다. 핫존 공동(2010)은 엔클로저 벽(2015)에 의해 포위되고, 엔클로저 벽은 구리, 몰리브덴, 알루미늄 구리, 구리 니켈 합금 또는 이들의 조합 중 하나 이상으로부터 형성된다. 엔클로저 벽은 열 에너지가 핫존으로부터 빠져나가는 것을 방지하는 단열층(2012)에 의해 포위된다. 핫존 엔클로저 벽(2015)과 단열층(2012) 사이에는 에어 갭(2155)이 배치된다. 에어 갭(2155)은 핫존 출구 포트(2165)로 유도하는 유체 흐름 콘딧을 제공하고 핫존으로부터 배출 가스를 운반하기 위해 사용된다.
엔클로저 벽(2015)은 100-300W/(m°K) 사이, 바람직하게는 200W/(m°K) 이상의 열 전도율을 가진 재료를 포함한 열 전도 경로를 제공하도록 구성된다. 더욱이, 열 전도 경로는 핫존의 각 영역의 온도를 더 신속히 등화시키기 위해 핫존의 고온 구역으로부터 핫존의 저온 구역으로 열 에너지를 전도하기에 적합한 열 에너지 콘딧으로서 작용하도록 배치된다.
5.3.1 리포머
본 발명의 비제한적인 예시적 실시형태의 핫존 공동(2010)은 원통형 측벽(2002), 디스크형 상부 벽(2004) 및 디스크형 하부 벽(2006)을 포함한 핫존 엔클로저 벽(2015)에 의해 속박된 캔 모양의 원통형 체적이다. 핫존(2000)은 사용하는 SOFC 반응에 따라서 350℃ 이상 또는 500℃ 이상의 온도에서 가장 효율적으로 동작하고, 350-1200℃ 범위의 온도에서 동작할 수 있다. 따라서, 본 발명의 핫존의 각 요소는 최고 1200℃까지의 온도에서 신뢰성 있게 동작하도록 구성된다.
본 발명의 양호한 비제한적인 예시적 실시형태에 따르면, 연료를 리폼하기 위해 발열 반응을 이용하는 연료 리포머(2020)가 연료 전지 스택(2005)의 각 연료 전지에 공급하기 위한 유입 연료를 리폼하도록 핫존 내측에 또는 부분적으로 내측에 제공된다. 본 발명의 예시적 실시형태의 리포머(2020)는 공급된 연료 공기 혼합물(2025)을 부분적으로 연소하는 촉매 부분 산화(Catalytic Partial Oxidation, CPOX) 반응로를 포함한다. 연료 리포밍 처리는 수소, 일산화탄소수, 이산화탄소, 및 메탄과 같은 다른 작은 탄화수소를 포함하는 수소 풍부 연료 또는 합성가스를 생성한다. CPOX 반응로는 내부 표면(2040)에 코팅된 로듐(Rh) 또는 다른 적당한 촉매(예를 들면, Pt, Pd, Cu, Ni, Ru, Ce)의 금속 또는 산화물상과 같은 촉매를 포함한다. CPOX 반응로를 통과하는 연료 공기 혼합물(2025)은 촉매 코팅 표면(2040)을 통과할 때 촉매화되고, 반응에 의해 방출된 열은 핫존 엔클로저 벽(2015)에 복사되어 열적으로 전도되며 연료 전지 스택을 가열하는데 도움을 준다.
CPOX 리포머(2020)는 원통형 촉매 공동(2035)을 둘러싸는 리포머 엔클로저 벽(2030)을 포함한다. 원통형 촉매 공동(2035)은 그 안에 촉매 매질(2040)을 지지한다. 본 발명의 예시적인 실시형태에서, 촉매 매질은 노출된 표면이 적당한 촉매로 코팅된 정사각 전지 사출 모노리스(2040)이다. 모노리스는 유입되는 연료 공기 혼합물(2025)이 촉매작용을 위해 정사각 전지 사출 모노리스의 노출된 표면을 지나서 흐르도록 배치된다. 다른 적당한 촉매작용 구조는 복수의 평행판 또는 동심 링 구조, 또는 노출 표면이 촉매제로 코팅된 소결 또는 사출된 요소와 같은 다공성 금속 또는 세라믹 폼(foam) 구조를 포함할 수 있다. 대안적으로, 촉매 구조는 노출 표면이 촉매제로 코팅된 복수의 메쉬 스크린을 포함할 수 있다. 여기에서 "연료" 다음에 주 연료 공기 혼합물(2025)이 리포머 유입 포트(2045)를 통해 리포머(2020)에 들어가고 촉매화 표면과의 접촉에 의한 촉매작용을 위해 촉매 매질(2040)을 통해 흐른다. 촉매화 연료는 리포머 출구 포트(2050)를 통해 리포머 밖으로 유동하고 연료 유입 다기관(manifold)(2055)으로 유입된다.
본 발명의 비제한적인 예시적 실시형태에서, 리포머 엔클로저 벽(2030)은 원통형 또는 정사각형 단면의 촉매화 공동(2035)을 봉입하는 원통형 또는 정사각형 벽을 포함한다. 촉매화 매질(2040)은 유입 연료(2025)가 촉매화 표면을 지나서 촉매화 구조를 통해 흐르게 하도록 배치된 촉매화 공동(2035) 내측에서 지지된다. 단열 요소(2065)는 촉매화 공동(2035)의 외측 표면을 포위하도록 배치된다. 단열 요소(2065)는 열 에너지가 촉매화 공동(2035)에 들어가거나 나오는 것을 실질적으로 방지하기 위해 제공된다. 리포머 엔클로저 벽(2030)은 니켈 크롬 및 철을 포함한 인코넬, 니켈 및 구리를 포함한 모넬과 같은 고온 구리 합금, 또는 다른 적당한 고온 물질과 같은 고온 강 합금을 포함할 수 있다.
5.3.2 SOFC 연료 전지 스택
SOFC 연료 전지 스택(2005)은 캔형 핫존 엔클로저 벽(2015) 내측에서 지지된다. 복수의 봉형 연료 전지(2080)는 캐소드 챔버(2090) 내측에서 세로로 지지된다. 캐소드 챔버(2090)는 핫존 엔클로저 원통형 측벽(2002)에 의해서 및 한 쌍의 대향하는 디스크형 상부 및 하부 관 지지벽(2070, 2075)에 의해서 속박된 캔형 챔버이다. 각각의 관 지지벽(2070, 2075)은 용접 또는 브레이징과 같은 적당한 부착 수단에 의해, 브라켓팅 및 기계적 고정(fastening)에 의해 원통형 측벽(2002)에 부착되고, 또는 클레이밍 포스(claiming force)에 의해, 접착 본드 등에 의해 패스너 없이 적소에 유지된다. 바람직하게, 전지 스택(2005)은 핫존 엔클로저 벽(2015)에 설치하기 전에 조립되고, 예를 들면 필요에 따라 전지 스택을 보수 또는 검사하기 위해 유닛으로서 핫존 엔클로저 벽(2015)으로부터 떼어질 수 있다. 따라서, 상부 및 하부 관 지지벽(2070, 2075)은 도시 생략된 대향하는 단부 스탑(end stop)들 사이에서 적소에 포획될 수 있다.
상부 관 지지벽(2070)은 복수의 봉형 연료 전지(2080) 각각의 상부 즉 유입 단부와 기계적으로 결합하고 상기 유입 단부를 고정되게 지지한다. 상부 지지벽(2070)과 상기 복수의 연료 전지 유입 단부 각각 간의 기계적 인터페이스는 연료 유입 다기관(2055) 내의 연료 공기 혼합물(2025)이 캐소드 챔버(2090)로 들어가는 것을 방지하기 위해 기밀 인터페이스이다. 상부 관 지지벽(2070)은 바람직하게 인코넬로 형성된다. 추가로, 각각의 상부 단부 캡(2095)이 또한 인코넬로 형성되고, 이것은 고온 환경에서 크립을 회피하기 위한 효과적인 재료이다. 하부 관 지지벽(2075)은 복수의 봉형 연료 전지(2080) 각각의 하부 즉 유출 단부와 기계적으로 결합하고 상기 유출 단부를 이동 가능하게 지지한다. 특히, 각 연료 전지(2080)의 유출 단부는 연료 전지가 350-1200℃ 사이의 동작 온도로 가열될 때 각 연료 전지의 길이 변화를 수용하도록 상기 하부 관 지지벽(2075)에 대하여 세로로 이동 가능하다. 본 발명에서 사용할 수 있는 예시적인 관 지지 시스템은 "가요성 봉 지지 구조를 구비한 고체 산화물 연료 전지"의 명칭으로 2013년 6월 26일자 출원된 관련 미국 특허 출원 제13/927,418호에 팔룸보(Palumbo)에 의해 개시되어 있다.
이제, 도 2 및 도 5d를 참조하면, 하부 관 지지벽(2075)은 구리, 몰리브덴, 알루미늄 구리, 구리 니켈 합금 또는 이들의 조합 중 하나 이상과 같은, 100W/(m°K) 이상, 바람직하게는 200W/(m°K) 이상의 열 전도율을 가진 하나 이상의 재료를 포함한 디스크형 열 전도성 밀집체(2180)를 포함한다. 디스크형 열 전도성 밀집체(2180)는 도 5d와 관련하여 뒤에서 설명하는 상부 및 하부 보호 표면층(5045, 5050)에 의해 보호된다. 하나의 비제한적인 예시적 실시형태에 있어서, 상부(5045) 및 하부(5050) 보호 표면층은 각각 디스크형 열 전도성 밀집체(2180)와 열 전도식으로 접촉하는 별도의 디스크형 요소를 포함한다. 구체적으로, 캐소드 챔버(2090)와 대면하는 상부 표면층(5045)은 모넬과 같은 디스크형의 크롬 없는 고온 금속 합금을 포함하고, 연소 영역(2135) 또는 테일 가스 연소기와 대면하는 하부 표면층(5050)은 하스텔로이 합금과 같은 디스크형의 고온 내부식성 금속을 포함한다.
바람직하게, 상부 및 하부 보호 표면층(5045, 5050)은 각각 열 전도성 밀집체(2180)와 열 전도식으로 접촉하고, 열 전도성 밀집체(2180)는 핫존 엔클로저 원통형 측벽(2020)과 역시 열 전도식으로 접촉한다. 따라서, 연료 공기 혼합물이 테일 가스 연소기 또는 연소기 영역(2135)에서 연소될 때, 연소에 의해 생성된 열 에너지는 연소 영역(2135)을 봉입하는 벽에 복사되고, 상기 봉입하는 벽으로부터 상기 열 전도성 밀집체(2180)로 및 핫존의 다른 영역으로 핫존 엔클로저 벽(2015)을 통해 열적으로 전도된다. 또한, 열 전도성 밀집체(2180)로부터 방출된 열 에너지는 캐소드 챔버(2090)에 복사되고, 이곳에서 캐소드 가스 또는 이곳을 통과하는 공기를 가열하고 그 안에 내포된 연료 전지의 표면을 가열한다.
각각의 봉형 연료 전지(2080)는 관형 환상 벽(2085)을 포함하고, 여기에서는 애노드 층이 지지층이다. 관형 환상 벽(2085)은 양단부가 개방되어 있다. 환상 벽(2085)은 캐소드 챔버(2090)를 통해 연장하는 연료 콘딧(2085)을 형성하고 연료(2025)가 이를 통해 운반된다. 정사각형, 삼각형, 오각형, 육각형 등을 포함한 다른 봉 형상도 본 발명으로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 추가로, 구조적 완전성을 제공하기 위해 다른 지지층을 사용할 수 있다. 각각의 연료 전지는 하나의 단부 캡이 관 환상 벽(2085)의 2개의 대향하는 단부 각각에 부착된 2개의 금속 단부 캡(2095, 2100) 또는 관 다기관 어댑터를 포함한다.
각각의 단부 캡(2095, 2100) 또는 관 다기관 어댑터는 컵형 부착 단부(2105) 및 저널형(journal shaped) 지지 단부(2110)를 포함한다. 부착 단부(2105)는 환상 벽(2085)의 외경을 수용하는 크기의 블라인드 홀을 포함한다. 각각의 부착 단부(2105)는 프레스 또는 인퍼런스 피트(inference fit)에 의해 또는 핫존의 동작 온도(350-1200℃)에 적합한 재료를 이용하는 브레이징 또는 접착 본드와 같은 다른 고정 수단에 의해 봉 단부에 고정되게 부착된다. 저널형 지지 단부(2110)는 유입 측에서 상부 지지판(2070)을 통과하는 대응하는 관통공 및 유출 측에서 하부 지지판(2075)을 통과하는 대응하는 관통공과 결합하는 크기의 외경을 갖도록 형성된 환상 벽을 포함한다. 저널형 지지 단부(2110)는 또한 봉형 연료 전지의 상부 단부에서 전지 유입 포트(2115)로서 소용되고 봉형 연료 전지(2080)의 하부 단부에서 전지 유출 포트(2120)로서 소용되는 그곳을 통과하는 관통공을 포함한다. 바람직하게, 단부 캡(2095, 2100) 또는 관 다기관 어댑터는 각각 연료 전지와 열적으로 호환되는 고온 저 Cr의 내부식성 금속 합금을 포함한다. 캡은 Cr 오염을 방지하기 위해 금속 캡 위의 세라믹 코팅으로 구성될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 각 연료 전지(2080)의 상부 단부 캡(2095)은 환상 벽(2085)의 외경이 단부 캡(2095)을 통해 전기 단자(2125)를 거쳐서 DC 단자(140) 중의 하나와 전기 접속되도록 환상 벽(2085)의 외경 또는 캐소드 층과의 전기 접속을 제공한다. 제2 전기 단자(2130)는 환상 벽(2085)의 내경 또는 애노드 층 및 DC 단자(140)의 다른 단자와 전기 접속된다. 추가로, 전기 절연체(도시 생략됨)는 핫존 엔클로저 벽(2015)을 전지 스택(2005)에 의해 생성된 전류로부터 전기적으로 격리하기 위해 각각의 단부 캡(2095, 2100)과 대응하는 상부 및 하부 지지벽(2070, 2075) 사이에 제공된다.
각각의 봉형 연료 전지는 내경 및 외경을 갖도록 형성된 구조적 애노드 재료 층인 애노드 지지층을 포함한 환상 벽(2085)에 의해 형성된다. 애노드 지지층은 니켈 및 도핑된 지르코니아(ZrO2), 니켈 및 도핑된 세리아(CeO2), 구리 및 세리아 또는 도핑된 세리아 등을 포함한 서멧을 포함할 수 있다. 애노드 지지층 환상 벽(2085)의 외경은 이트리아 안정화 지르코니아 또는 세륨(Ce) 또는 란탄 갈산염 기반 세라믹과 같은 세라믹 전해질 층으로 적어도 부분적으로 코팅된다. 세라믹 전해질 층의 외경은 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란탄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 란탄 스트론튬 망가나이트(LSM) 등과 같은 캐소드 재료 층으로 적어도 부분적으로 코팅된다.
시스템(2000)의 제2의 비제한적인 예시적 실시형태에 있어서, 핫존 엔클로저 벽 및 내측 단부 벽의 기계적 구조는 앞에서 설명한 도 2에 도시한 것과 유사하지만, 애노드 및 캐소드 층이 세라믹 전해질 층의 대향하는 측면 상에 있다. 구체적으로, 제2 실시형태에 있어서, 애노드 지지층 환상 벽(2085)의 (외경과 대향하는) 내경은 이트리아 안정화 지르코니아 또는 세륨(Ce) 또는 란탄 갈산염 기반 세라믹과 같은 세라믹 전해질 층으로 적어도 부분적으로 코팅된다. 세라믹 전해질 층의 내경은 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란탄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 란탄 스트론튬 망가나이트(LSM) 등과 같은 캐소드 재료 층으로 적어도 부분적으로 코팅된다. 이 예시적인 실시형태에서, 환상 벽(2085)의 애노드 지지층은 각 연료 전지의 외경이고 각 연료 전지의 내경은 캐소드 층이다. 따라서 제2의 예시적인 실시형태에서, 캐소드 챔버(2090)는 애노드 챔버로 되고, 연료는 캐소드 가스인 공기가 봉형 연료 전지를 통해 흐르는 동안 애노드 챔버에 공급된다.
연료 혼합물(2025)은 캐소드 가스인 산소(공기)가 전류 흐름을 생성하기 위해 캐소드 재료 층을 통해 흐르는 동안 애노드 재료 층 위로 흐른다. 전류 흐름은 전기 단자(2125, 2130)를 통해 전지 스택으로부터 DC 단자(140)로 흐르고 외부 장치에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 위에서 간단히 설명한 제2 실시형태와 같은 다른 실시형태에서, 애노드 및 캐소드 표면은 본 발명으로부터 벗어나지 않고 연료 전지의 내경에서 캐소드 층으로 및 연료 전지의 외경에서 애노드 층으로, 및 연료 전지에 의해 형성된 가스 흐름 콘딧을 통한 공기 흐름 및 연료 전지의 외측 표면을 통한 연료 흐름으로 반전될 수 있다.
연료 유입 다기관(2055)은 디스크형 상부 벽(2170) 및 대향하는 디스크형 상부 관 지지벽(2070)에 의해 속박된 원통형 챔버를 포함한다. 디스크형 상부 벽(2170)은 열 전도성 밀집체(2160)를 포함한다. 열 밀집체(2160)는 구리, 몰리브덴, 알루미늄 구리, 구리 니켈 합금 또는 이들의 조합 중 하나 이상과 같은, 100W/(m°K) 이상, 바람직하게는 200W/(m°K) 이상의 열 전도율을 가진 하나 이상의 재료를 포함한다. 열 밀집체(2160)는 핫존 엔클로저 벽(2015) 및 구체적으로 측벽(2002)과 열 전도식으로 연결된다. 열 전도성 밀집체(2160)는 시동중에 상온 시동 챔버(2305)에서 연소된 연료로부터 열 에너지를 수용하고 그로부터 수용된 열 에너지를 핫존 엔클로저 벽(2015)에 열적으로 전도하기 위해 후술하는 환상 상온 시동 연소실(2305)에 가까이 배치된다. 추가로, 열 전도성 밀집체(2160)는 상온 시동 연소실(2305)에서의 연료 연소로부터 수용되고 연료가 연료 유입 다기관(2055)을 통과할 때 연료(2055)에 대하여 핫존 엔클로저 벽을 통해 열 전도에 의해 수용된 열 에너지를 복사한다.
상부 관 지지벽(2070)은 각각의 연료 전지 상부 단부 캡(2095)의 지지 단부(2110)와 함께 기밀 밀봉을 형성한다. 추가로, 각각의 연료 전지(2080)는 지지 단부(2110) 또는 다기관 어댑터를 관통하여 수용하기 위한 관통공을 포함한 상부 지지벽(2070)에 형성된 기계적 인터페이스에 의해 상부 지지벽(2070)으로부터 고정되게 매달린다. 게다가, 연료 유입 다기관(2055)은 원통형 측벽(2002)에 의해 속박된다.
본 발명의 예시적인 실시형태가 연료를 리폼하기 위해 발열 반응을 이용하는 CPOX 리포머(2020)를 이용하기 때문에, 리포머(2020)는 연료가 핫존에 유입될 때 유입 연료(2025)를 가열하기 위해 바람직하게 핫존(2000) 내측에 배치된 열 에너지 소스이다. 그러나 본 발명의 SOFC 시스템의 다른 실시형태에서, 리포머(2020)는 연료를 리폼하기 위해 스팀 리포머와 같은 흡열(endothermic) 반응, 또는 오토서믹(autothermic) 리포머와 같은 열적 중립 반응을 이용할 수 있고, 이 경우에 리포머(2020)는 핫존 외측에 배치되는 것이 더 바람직하고, 도 1에 도시된 것처럼 콜드존(110)에 대신 배치될 것이다. 따라서, 본 발명의 개선된 핫존(2000)은 본 발명으로부터 벗어나지 않고 리포머(2020) 없이 동작할 수 있다.
5.4 테일 가스 연소기
테일 가스 연소기 또는 연소기 영역(2135)은 열 밀집체(2180)를 포함한 디스크형 하부 관 지지벽(2075)(둘 다 위에서 설명하였고 도 5d에 도시되어 있음)과 역시 열 밀집체(2175)를 포함한 디스크형 연소기 단부벽(2140) 사이에 배치된 환상 체적이다. 열 밀집체(2180, 2175)는 둘 다 구리, 몰리브덴, 알루미늄 구리, 구리 니켈 합금 또는 이들의 조합 중 하나 이상과 같은, 100W/(m°K) 이상, 바람직하게는 200W/(m°K) 이상의 열 전도율을 가진 하나 이상의 재료를 포함한다. 열 밀집체(2180, 2140)는 연소 영역(2135)으로부터 열 에너지를 수용하도록 배치되고, 연소 영역으로부터 수용된 열 에너지를 핫존 엔클로저 벽(2015)에 전도할 뿐만 아니라, 연소 영역으로부터 수용된 열 에너지를 캐소드 챔버(2090) 및 복열기 챔버(2210)에 복사하도록 구성된다.
환상 연소기 배플(2185)은 연소기 영역(2135)을 통한 가스 흐름을 재지향시키고, 연소기 영역(2135)의 측벽에 대한 대류 에너지 이동을 증가시키는 난류를 생성하도록 환상 연소기 영역 내측에 제공된다. 연소기 배플(2185)은 핫존 엔클로저 측벽(2002)에 고정되게 부착되고 후술하는 연소실 라이너의 일부를 포함할 수 있다.
후술하는 캐소드 공급관(2145)은 중앙 세로축(2060)을 따라 연소기 영역(2135)을 통과한다. 캐소드 공급관(2145)의 벽들은 연소기 영역(2135) 내에서 연소 가스로부터의 대류 열 에너지 이동에 의해 가열된다. 캐소드 공급관(2145)을 통해 캐소드 챔버(2090) 쪽으로 흐르는 공기는 캐소드 공급관(2145)로부터 그곳을 통해 흐르는 공기로 복사된 열 에너지에 의해 가열된다.
연소기 영역(2135)의 내벽은 하스텔로이 합금과 같은 고온 내부식성 금속으로 라이닝된다. 디스크형 하부 관 지지벽(2140)의 경우에, 연소기 영역에 대면하는 표면은 하스텔로이를 포함한다. 연소기 영역 단부벽(2175)의 경우에, 연소기 영역에 대면하는 표면은 하스텔로이를 포함한다. 각각의 경우에, 벽(2075)과 벽(2175)은 대응하는 열 밀집체(2180, 2140)와 각각 열 전도식으로 접촉하는 하스텔로이 디스크형 라이너를 구비한 복합 구조로서 형성된다. 연소기 영역(2135)의 원통형 측벽도 또한 적어도 코발트, 크롬 및 몰리브덴을 함유한 니켈 기반 합금인 하스텔로이 변체와 같은 고온 내부식성 금속으로 라이닝된다. 하나의 비제한적인 예시적 실시형태에서, 측벽 라이너는 연소기 배플(2185)이 일체형으로 함께 형성된 관형 개방 단부 원통 벽으로서 형성된 별도의 요소를 포함한다. 더욱이, 측벽 라이너는 실질적으로 벽 라이너의 전체 표면 위에 있는 측벽(2002)과 열 전도식으로 접촉하도록 그 개방 단부 중 하나로부터 핫존 엔클로저 측벽(2002)에 삽입되도록 형성된다.
5.5 복열기
공기(2200)는 유입 포트(2205)를 통해 캐소드 공급관(2145)에 들어가고 복열기 챔버(2210)로 흐른다. 복열기 챔버(2210)는 연소기 영역(2135) 내에서 발생하는 소비후 연료의 연소에 의해 생성된 열 에너지를 이용하여 유입 공기(2200)를 가열하기 위해 테일 가스 연소기 영역(2135)에 근접하게 배치된다. 복열기 챔버(2210)는 캐소드 공급관(2145)을 포위하는 환상 챔버이고 상부측이 디스크형 연소기 단부벽에 의해, 하부측이 디스크형 핫존 엔클로저 하부 벽(2006)에 의해, 및 그 측면이 핫존 엔클로저 원통형 측벽(2002)에 의해 속박된다.
열 에너지는 핫존 엔클로저 벽(2105)에 의해, 연소기 단부벽(2140)에 의해, 및 더 적은 정도로 캐소드 공급관(2145)에 의해 복열기 챔버(2210)의 벽에 전도된다. 열 에너지는 공기가 복열기 챔버(2210)를 통과할 때 복열기 챔버로부터 공기(2200)로 복사된다. 복열기 챔버(2210)의 외벽은 연소기 영역(2135)을 빠져나오는 고온 배출 가스에 의해 추가로 가열된다. 특히 복열기 챔버(2210)는 출구 포트(2150)를 통해 연소기 영역(2135)으로부터 빠져나온 고온 배출 가스를 핫존 출구 포트로 운반하는 에어 갭(2155)에 의해 포위된다. 고온 배출 가스로부터의 열 에너지는 대류 열 이동에 의해 복열기 챔버 벽의 외벽부를 가열한다.
복열기 배플(2215)은 복열기 챔버(2210) 내에 배치되고 캐소드 공급관(2145)을 통과하여 캐소드 공급관(2145)을 통한 공기 흐름을 금지한다. 따라서 포트(2205)를 통해 캐소드 공급관(2145)에 들어온 공기(2200)는 캐소드 공급관 내의 복열기 배플(2215)에 부딪치고 하나 이상의 공기 유입 포트(2225)를 통해 복열기 챔버(2210)로 들어가도록 강요된다. 공기 유입 포트(2225)를 통해 복열기 챔버로 흐르는 유입 공기(2200)는 복열기 배플(2215) 주위를 통과하고 복열기 챔버(2210)에서 가열된 후 하나 이상의 공기 유출 포트(2235)를 통해 캐소드 공급관으로 다시 들어간다.
5.6 상온 시동 연소기
도 2를 참조하면, SOFC 핫존(2000)은 선택적으로 핫존을 350℃ 이상의 동작 온도로 또는 적어도 테일 가스 연소기 영역에서 자연 발화가 발생할 때까지 초기에 가열하기 위해 제공된 상온 시동 연료 연소기를 포함한다. 상온 시동 연료 연소기는 환상의 시동 연소실(2305)을 포함한다. 시동 연소실(2305)은 촉매화 공동(2035) 및 환상 단열부(2065)를 포위한다. 시동 연소실(2305)은 상부가 디스크형 핫존 엔클로저 상부 벽(2004)에 의해 속박되고 하부가 디스크형 연료 유입 다기관 상부 벽(2170)에 의해 속박되며, 환상 열 밀집체(2175)를 포함한다. 시동 연소실(2305)은 또한 핫존 엔클로저 측벽(2002)에 의해 속박된다.
시동 연소기 입구 포트(2310)는 연료 소스(도시 생략됨)로부터 비촉매화 연료(uncatalyzed fuel)를 수용한다. 비촉매화 연료는 천연가스, 프로판, 메탄, 수소 알콜, 또는 연료와 공기의 혼합물과 같은 각종의 연소 가능한 기체 또는 증기화 액체 연료를 포함할 수 있다. 비촉매화 연료는 연소기 입구 포트(2310)를 통해 시동 연소실(2305)에 공급되고 전기 스파크 점화기(2320)에 의해 점화된다.
시동 연소 중에, 시동 연소실(2305) 내에서 연료 연소에 의해 생성된 열 에너지는 대류 열 에너지 이동에 의해 핫존 엔클로저 상부 벽(2004) 및 측벽(2002)뿐만 아니라 연료 유입 다기관 상부 벽(2170)으로 이동한다. 이들 벽 각각으로부터, 시동 연소로부터의 열 에너지는 열 전도성 핫존 엔클로저 벽(2015)에 의해 핫존의 다른 영역으로 열적으로 전도된다.
시동 연소로부터의 배출 가스는 핫존 출구 포트(2165)에 연결된 에어 갭(2155)과 유체 통신 관계에 있는 연소기 출구 포트(2325)를 통하여 시동 연소실(2305)을 빠져나온다. 따라서, 시동 연소실(2305)로부터 핫존 출구 포트(2165)로 흐르는 배출 가스는 대류 열 이동에 의해 핫존 엔클로저 벽(2015)의 외부 표면을 더욱 가열한다.
시동 연소실(2305)의 내벽은 적어도 코발트, 크롬 및 몰리브덴을 함유한 니켈 기반 합금인 하스텔로이 변체와 같은 고온 내부식성 금속으로 라이닝된다. 디스크형 핫존 엔클로저 상부 벽(2004)의 경우에, 이 벽은 그 내부 표면이 하스텔로이 재료 층으로 라이닝되고, 여기에서 상기 하스텔로이 층은 핫존 엔클로저 상부 벽(2004)과 열 전도식으로 접촉한다. 디스크형 연료 유입 다기관 상부 벽(2170)의 경우에, 이 벽의 상측은 환상의 열 전도성 밀집체(2175)와 열 전도식으로 접촉하는 하스텔로이 재료 층을 포함한다. 측벽의 경우에, 하스텔로이 재료를 포함한 원통형 벽 라이너는 핫존 엔클로저 벽(2002)과 열 전도식으로 접촉하는 시동 연소실로 삽입된다.
5.7 가스 흐름도
5.7.1 연료 흐름도
이제, 도 3을 참조하면, 연료 공기 혼합물(2025)이 핫존(2000)을 통과할 때 그 유동 경로를 나타내는 개략적인 연료 흐름도가 도시되어 있다. 연료(2025)는 리포머 유입 포트(2045)로 들어가서 촉매작용을 위해 리포머 촉매화 구역을 통과한다. 촉매화 연료는 리포머 출구 포트(2050)를 통해 리포머를 빠져나와서 유입 다기관(2055)에 들어간다. 유입 다기관(2055)으로부터, 연료는 대응하는 전지 유입 포트(2115)를 통해 각각의 연료 전지 또는 환상 벽(2085)으로 들어가고 각각의 연료 전지를 통해 흐른 다음 대응하는 전지 유출 포트(2120)를 통해 연료 전지를 빠져나온다. 연료 전지(2080) 내측에서, 연료는 전지 환상 벽(2085)의 내부 표면을 형성하는 애노드 재료 층과 반응한다. 전지 출구 포트(2120)를 통해 연료 전지를 빠져나온 후에, 비반응 연료와 반응 부산물을 포함한 나머지 연료 공기 혼합물(2025)은 연소기 영역(2135)으로 들어가고, 이곳에서 캐소드 챔버(2090)로부터 빠져나온 공기와 혼합하여 그 안에서 자연 발화되는 혼합물을 형성한다. 전술한 바와 같이, 연소기 영역(2135)에서의 연소에 의해 생성된 열 에너지는 연소기 영역의 측벽으로 대류식으로 이동되고 핫존 엔클로저 벽(2015)을 통해 핫존의 다른 영역으로 열적으로 전도된다. 추가로, 연소기 영역(2135)에서의 연소에 의해 생성된 열 에너지는 엔클로저 벽을 통한 대류 및 연 전도에 의한 표면 열 이동을 위해 가스에 의해 연소기 영역에 가까운 각각의 열 전도성 밀집체(2175, 2180)로 이동할 수 있다. 추가로, 연소기 영역에 가까운 각각의 열 전도성 밀집체(2175, 2180)는 열 에너지를 복열기 챔버(2210) 및 캐소드 챔버(2090)로 각각 복사시켜서 그곳을 통과하는 공기를 가열한다.
연소 후에, 연소된 혼합물로부터의 배출 가스(회색 화살표로 도시됨)는 하나 이상의 연소기 출구 포트(2150)를 통하여 에어 갭(2155)으로 연소기(2135)를 빠져나온다. 에어 갭(2155)으로부터, 연소된 혼합물로부터의 배출 가스는 핫존 출구 포트(2165)를 통하여 핫존을 빠져나온다.
5.7.2 연료 흐름도 상온 시동
역시 도 3에 도시된 바와 같이, 비-리폼(unreformed) 연료(2315)는 시동 연소기 입구 포트(2310)를 통해 시동 연소실(2305)로 들어가고, 그곳에서 연료가 연소된다.
연소 후에, 배출 가스(회색 화살표로 도시됨)는 하나 이상의 시동 연소기 출구 포트(2325)를 통하여 에어 갭(2155)으로 연소기(2135)를 빠져나온다. 에어 갭(2155)으로부터, 시동 연소기로부터의 배출 가스는 핫존 출구 포트(2165)를 통하여 핫존을 빠져나온다.
5.7.3 공기 흐름도
이제, 도 4를 참조하면, 공기(2200)가 핫존(2000)을 통과할 때 그 유동 경로를 나타내는 개략적인 공기 흐름도가 도시되어 있다. 공기(2200)는 공기 유입 포트(2205)를 통하여 캐소드 공급관(2145)으로 들어간다. 공기(2200)는 복열기 공기 유입 포트(2230)를 통해 캐소드 공급관을 빠져나와서 복열기 챔버(2210)로 들어간다. 공기는 복열기 배플(2215) 주위로 흘러서 복열기 공기 유출 포트(2235)를 통해 캐소드 공급관(2145)에 다시 들어간다. 복열기 챔버(2210)의 내측에서, 공기(2200)는 복열기 챔버 벽(2006, 2002)과 연소기 단부 벽(2140) 및 관련된 환상 열 전도 밀집체(2175)로부터 복사된 열 에너지에 의해 가열된다.
공기(2200)는 공기가 캐소드 공급관(2145)을 통해 흐를 때 연소기 영역(2135)을 통과한다. 연소기 영역에서, 공기는 아직 캐소드 공급관(2145)을 통해 흐르는 동안 캐소드 챔버(2090)로 들어가기 전에 캐소드 공급관(2145)의 표면으로부터 복사된 열 에너지에 의해 추가로 가열된다. 공기(2200)는 캐소드 공급관을 빠져나오고, 캐소드 챔버(2090) 내로 연장하는 캐소드 공급관(2145)의 길이의 일부를 따라 배치된 복수의 캐소드 챔버 공기 유입 포트(2240)를 통해 캐소드 챔버(2090)로 들어간다.
캐소드 챔버(2090) 내에서, 공기(2200)는 캐소드 챔버를 채우고 각 연료 전지(2080)의 외경 즉 캐소드 층과 부딪쳐서 각 연료 전지의 외경의 적어도 일부에 코팅된 캐소드 재료 층과 반응한다. 각 연료 전지의 내경을 형성하는 애노드 재료 층 위를 통과하는 연료의 반응과 결합된 캐소드 재료 층 위를 통과하는 공기 사이의 반응은 전류를 생성하고, 이 전류는 도 3에 도시된 전기 단자(2125, 2130)를 통하여 DC 단자(140)에 전달된다.
각 연료 전지에 코팅된 캐소드 재료 층과의 반응 후에, 산소 결핍 공기(2200)(대시 흐름선으로 도시됨)는 연소기 영역(2135)에 연결된 하나 이상의 캐소드 챔버 유출 포트(2245)를 통해 캐소드 챔버(2090)를 빠져나온다. 연소기 영역(2135)에서, 산소 결핍 공기는 연료 전지로부터 빠져나온 수소 결핍 연료와 혼합되고 그 혼합물이 연소된다. 연소된 혼합물로부터의 배출 가스는 에어 갭(2155)에 연결된 연소기 출구 포트(2150)를 통해 연소기 영역(2135)을 빠져나온다. 에어 갭(2155)은 배출 가스를 핫존 출구 포트(2165)로 및 핫존 밖으로 운반한다.
비록 도 4에서는 정반대측에 배치된 2개의 복열기 공기 유입 포트(2230), 정반대측에 배치된 2개의 복열기 공기 유출 포트(2235) 및 정반대측에 배치된 2개의 캐소드 챔버 공기 유입 포트(2240)의 쌍들을 개략적으로 도시하고 있지만, 실제 장치는 공기 흐름 분배를 위해 필요에 따라 캐소드 공급관(2145)의 외주부 주위에 하나 이상의 홀이 배열된 임의의 홀 패턴을 포함할 수 있다. 유사하게, 도 4는 정반대측에 배치된 2개의 캐소드 챔버 공기 유출 포트(2245) 및 정반대측에 배치된 2개의 연소기 출구 포트(2150)를 도시하고 있지만, 실제 장치는 공기 흐름 분배를 위해 필요하다면 디스크형 벽(2070) 또는 원통형 측벽(2002)의 외주부 주위에 하나 이상의 홀이 배열된 임의의 홀 패턴을 포함할 수 있다. 대안적으로, 전술한 임의의 가스 포트는 본 발명으로부터 벗어나지 않고 비원형 형상, 예를 들면, 정사각형, 직사각형 및 타원형 또는 슬롯 형상을 가질 수 있다.
5.8 엔클로저 벽 표면 처리
본 발명의 양태에 따르면, 구리 표면은 구리에 대한 산화 손상을 피하기 위해 산소/공기에 노출되지 않는다. 이것은, 연료와 공기 둘 다가 산소를 내포하거나 산소를 내포할 수 있기 때문에, 전체 연료 흐름 경로를 형성하는 모든 표면 및 전체 공기 흐름 경로를 형성하는 모든 표면을 포함한다. 연료 흐름 또는 공기 흐름에 노출될 수 있는 구리 표면은 적어도 전기 증착 도금 등에 의해 0.0005-0.0015인치(12.5-38.1㎛)의 두께로 도포된 니켈 도금 층에 의해 보호된다. 니켈 도금의 두께는 종래의 니켈 전기 증착 코팅의 정상적인 두께의 100배 이상이고, 더 두꺼운 니켈 코팅은 니켈 코팅을 통한 산소 확산을 실질적으로 금지하기 위해 사용된다.
본 발명의 이 양태는 임의의 하나의 핫존 공동 벽(2015)을 통해 취한 비제한적인 예시적 단면도를 나타낸 도 5a에 도시되어 있다. 핫존 공동 벽 단면(5005)은 500℃에서 370W/(m°K) 및 1027℃에서 332W/(m°K)의 대략적 범위의 열전도율을 가진 구리를 포함한 구리 코어(5010)를 포함한다. 구리 코어(5010)는 0.01-0.125인치(0.25-3.2mm) 범위의 두께를 갖지만, 다른 두께도 본 발명으로부터 벗어나지 않고 사용할 수 있다. 더 일반적으로, 핫존 공동 벽 두께는 특수 응용을 위해 필요에 따라 증가 또는 감소될 수 있다. 일반적으로 더 두꺼운 엔클로저 벽, 예를 들면, 최대 약 0.25인치의 엔클로저 벽은 원하는 동작 온도로 가열하는데 더 오래 걸리지만, 일단 동작 온도로 가열되면, 더 두꺼운 벽은 열 전도 용량이 더 높고 열 경사도 형성 가능성이 더 낮으며, 두꺼운 벽이 벽을 사용할 수 없을 정도로 산화되는데 오래 걸리기 때문에 표면 산화가 단순히 고장 모드일 때 더 얇은 벽보다 더 긴 동작 수명을 제공한다.
구리 코어(5010)는 엔클로저 벽의 내부 표면 및 외부 표면을 형성하는 2개의 대향하는 표면을 포함하고, 양호한 실시형태에서 구리 코어(5010)의 내부 표면과 외부 표면은 각각 내부 표면 위의 전기 증착 니켈 코팅층(5015)과 외부 표면 위의 전기 증착 니켈 코팅층(5020)에 의해 완전히 덮여진다. 각각의 니켈 코팅층은 니켈 코팅층을 통한 산소 확산을 금지하기에 적당한 두께인 적어도 0.0005인치(12.5㎛)의 층 두께로 도포된다. 더 일반적으로, 0.0005-0.0015인치(12.5-38.1㎛) 범위의 원하는 니켈 코팅층 두께는 최대 약 40,000시간의 제품 수명을 위해 산화로부터 적당한 표면 보호를 제공하고, 본 발명으로부터 벗어나지 않고 제품 수명 시간을 증가시키기 위해 더 두꺼운 니켈 코팅을 사용할 수 있다. 도 2를 참조하면, 벽 단면(5005)은 원통형 측벽(2002), 디스크형 상부 벽(2004) 및 디스크형 하부 벽(2006)을 포함한 핫존 엔클로저 벽(2015)의 외벽을 적어도 대표하고, 리포머 엔클로저 벽(2030)의 일부 벽을 대표할 수 있다.
본 발명의 양태에 따르면, 연소 챔버 표면은 연소실의 내부 표면을 고온 연소 부산물 및 부식성 요소에의 노출에 의한 표면 손상으로부터 보호하기 위해 하스텔로이 합금과 같은 고온 내부식성 금속으로 라이닝된다. 대안적인 모넬 및 인코넬이 본 발명으로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다.
본 발명의 이 양태는 연소실 원통형 측벽(2025)을 통해 취한 비제한적인 예시적 단면도(5025)를 나타낸 도 5b에 도시되어 있다. 측벽 단면(5025)은 핫존 엔클로저 측벽(2002)의 구리 코어(5010) 및 전술한 바와 같이 구리 코어의 양 측면 위에 도포된 전기 증착 니켈 코팅층(5015, 5020)을 포함한다. 구체적으로, 단면도(5025)는 도 5a에 도시된 것과 동일한 핫존 외벽(5005)을 포함한다. 추가로, 연소실 측벽 단면(5025)은 연소실의 내부 표면을 라이닝하도록 배치된 하스텔로이 합금 라이너(5030)를 또한 포함한다. 도 2를 참조하면, 원통형 측벽 단면(5025)은 적어도 환상 테일 가스 연소 영역(2135)의 원통형 외벽 및 환상의 상온 시동 연소 영역(2035)의 원통형 외벽을 적어도 대표한다. 측벽 단면(5025)은 하스텔로이 합금 라이너 요소(5030)에 의해 보호된 핫존 원통형 벽(2002)을 나타낸다. 테일 가스 연소기 챔버(2135)의 구체적인 예에서, 하스텔로이 합금 라이너 요소(5030)는 이 요소에 부착된, 또는 이 요소와 일체로 형성된 연소기 배플(2185)을 또한 포함한다. 그러나 연소기 배플(2185)이 존재한다는 점을 제외하고, 단면(5025)은 환상의 상온 시동 연소기 공동(2305)의 상부 벽 및 측벽을 또한 대표한다.
각각의 연소기 챔버(2135, 2305)는 연소기 영역의 내측 상부 표면 및 내측 하부 표면을 라이닝하도록 배치된 한 쌍의 대향하는 디스크형 하스텔로이 합금 라이너 요소에 의해 또한 라이닝된다. 테일 가스 연소기 영역(2135)의 경우에, 챔버 상부 벽은 도 5c에 도시된 디스크형 하스텔로이 합금 라이너 요소(5050)를 포함한 하부 관 지지벽(2075)에 의해 형성된다. 라이너 요소(5050)는 환상의 테일 가스 연소기 영역 또는 챔버(2135)의 내측에 대면하도록 배치된다. 테일 가스 연소기 영역 하부 벽은 환상의 연소기 영역 챔버(2135)의 내측에 대면하는 디스크형 하스텔로이 합금 라이너(5060)를 또한 포함하는 연소기 단부벽(2175)으로 형성된다.
상온 시동 연소기의 환상 연소 공동(2305)의 경우에, 그 상부 챔버 벽은 환상 연소기 챔버(2305)의 내측 상부 벽과 접촉하는 환상형 하스텔로이 합금 라이너 요소(5030)를 포함한 핫존 엔클로저 상부 벽(2004)에 의해 형성된다. 구체적으로, 핫존 엔클로저 상부 벽(2004) 및 상온 시동 환상 연소 공동(2305)의 상부 벽은 구리 코어(5010)가 내부 표면에서 전기 증착 니켈 층(5015)에 의해 덮여지고 외부 표면에서 전기 증착 니켈 층(5020)에 의해 덮여지며 니켈 층(5015)과 접촉된 하스텔로이 합금 라이너 요소(5030)를 포함한 것을 보이는 도 5b의 단면도로 자세히 나타내었다. 비록 단면도(5025)가 수직 지향이고 하스텔로이 배플(2185)을 포함하지만, 단면도는 배플(2185)이 없는 상부 벽(2004)과 동일하고 상부 벽(2004)과 같이 수평 방위로 회전된다.
환상 연소 공동(2305)의 하부 벽은 연료 유입 다기관(2170)의 상부 벽에 의해 형성된다. 이 벽은 환상 연소기 챔버(2305)의 내측 하부 벽과 메이팅 접촉하는, 도 5d에 도시된 것과 유사한, 환상형 하스텔로이 합금 라이너 요소(5060)를 또한 포함한다.
본 발명의 양태에 따르면, 연료 전지(2080)의 외부 표면에 적용된 캐소드 층에 해를 끼치는 것을 피하기 위해 크롬을 포함한 물질로 형성된 표면에 유입 공기(2200)가 노출되지 않는다. 이것은 캐소드 공급관(2145)의 내부 표면, 복열기 챔버(2210), 복열기 배플(2215), 캐소드 공급관(2145)의 외부 표면, 캐소드 챔버(2090)의 내부 표면, 및 연료 전지 단부 캡(2095, 2100) 및 상부 및 하부 연료 전지 지지벽(2070, 2075)을 비롯하여 캐소드 챔버 내에 하우징된 요소들을 포함한, 전체 유입 공기 유동 경로를 형성하는 모든 표면들을 포함한다.
하나의 비제한적인 예시적 실시형태에서, 캐소드 공급관(2145), 복열기 배플(2215) 및 각각의 하부 단부 캡(2100)은 크롬이 없고 내부식성인 고온 금속 합금, 예를 들면, 모넬 합금으로 형성된다. 추가로, 복열기 챔버(2210)의 상부 표면을 형성하는 연소기 단부벽(2140)의 적어도 하부 표면은 크롬이 없고 내부식성인 고온 금속 합금, 예를 들면, 모넬 합금으로 형성된 보호 요소에 의해 형성되거나 상기 보호 요소에 의해 라이닝된다. 유사하게, 캐소드 챔버(2090)의 하부 표면을 형성하는 하부 관 지지벽(2075)의 적어도 상부 표면은 크롬이 없고 내부식성인 고온 금속 합금, 예를 들면, 모넬로 형성된 보호 요소에 의해 형성되거나 상기 보호 요소에 의해 라이닝된다.
전술한 전기 증착 니켈 도금층으로 코팅된 유입 공기 흐름과 관련된 내부 표면은 크롬에 노출되지 않고 공기 흐름에 노출될 수 있다. 유입 공기 흐름과 접촉할 수 있는 니켈 도금 표면은 복열기 챔버(2210)와 캐소드 챔버(2090) 각각의 측벽을 형성하는 원통형 측벽(2002), 및 복열기 챔버(2210)의 하부 벽을 형성하는 디스크형 하부 벽(2006)을 포함한다. 표면들은 각각 도 5a에 도시된 단면(5005)을 갖는다. 추가로, 인코넬로 각각 형성된 상부 관 지지벽(2070) 및 상부 단부 캡(2095)과 같은 크롬 함유 물질로 형성된 캐소드 챔버(2090) 내측의 다른 표면들은 크롬에 의한 공기 오염을 피하기 위해 전기 증착 도금 등에 의해 0.0005-0.0015인치(12.5-38.1㎛)의 두께로 도포된 니켈 도금 층에 의해 덮여진다.
이제, 도 5c를 참조하면, 하부 관 지지벽(2075)을 통해 취한 단면(5040)에 대한 상세한 단면도가 도시되어 있다. 상세한 단면도는 500℃에서 370W/(m°K) 및 1027℃에서 332W/(m°K)의 대략적 범위의 열전도율을 가진 구리 밀집체를 포함한 열 전도성 밀집체(2180)를 보이고 있다. 구리 밀집체(2180)는 0.01-0.375인치(2.5-9.5mm) 범위의 두께를 갖지만, 다른 두께도 본 발명으로부터 벗어나지 않고 사용할 수 있다. 벽(2075)의 상부 표면은 캐소드 챔버(2090)의 내측에 대면하고 그러므로 캐소드 가스가 크롬으로 오염되는 것을 피하기 위해 크롬이 없고 내부식성인 고온 금속 합금, 예를 들면, 모넬 합금으로 형성된 디스크형 라이너 요소(5045)로 라이닝된다. 벽(2075)의 하부 표면은 테일 가스 연소 영역(2135)에 대면하고 하스텔로이 합금으로 형성된 디스크형 라이너(5050)로 라이닝된다.
이제, 도 5d를 참조하면, 연소기 단부벽(2175)을 통해 취한 단면(5055)에 대한 비제한적이고 예시적인 상세한 단면도가 도시되어 있다. 상세한 단면도는 500℃에서 370W/(m°K) 및 1027℃에서 332W/(m°K)의 대략적 범위의 열전도율을 가진 구리 밀집체를 포함한 열 전도성 밀집체(2140)를 보이고 있다. 구리 밀집체(2175)는 0.01-0.375인치(2.5-9.5mm) 범위의 두께를 갖지만, 다른 두께도 본 발명으로부터 벗어나지 않고 사용할 수 있다. 벽(2140)의 상부 표면은 테일 가스 연소기 역역(2135)의 내측에 대면하고 그러므로 고체 하스텔로이 합금으로 형성된 환상 라이너 요소(5060)로 라이닝된다. 벽(2140)의 하부 표면을 복열기 챔버(2210)에 대면하고 크롬이 없고 내부식성인 고온 금속 합금, 예를 들면, 모넬 합금으로 형성된 환상 라이너(5065)로 라이닝된다.
이제, 도 5e를 참조하면, 연료 유입 다기관 상부 벽(2170)을 통해 취한 단면(5070)에 대한 비제한적이고 예시적인 상세한 단면도가 도시되어 있다. 상세한 단면도는 500℃에서 370W/(m°K) 및 1027℃에서 332W/(m°K)의 대략적 범위의 열전도율을 가진 구리 밀집체를 포함한 열 전도성 밀집체(2160)를 보이고 있다. 구리 밀집체(2160)는 0.01-0.375인치(2.5-9.5mm) 범위의 두께를 갖지만, 다른 두께도 본 발명으로부터 벗어나지 않고 사용할 수 있다. 구리 밀집체(2160)의 대향하는 상부 및 하부 표면은, 선택적으로, 전기 증착 도금 등에 의해 0.0005-0.0015인치(12.5-38.1㎛)의 두께로 도포된 니켈 도금 층(5075)에 의해 덮여진다. 니켈 도금은 구리 밀집체 표면의 산화를 피하기 위해 연료(2025)와 구리 밀집체(2160) 간의 접촉을 피하기 위해 도포된다. 벽(2170)의 상부 표면은 환상의 상온 시동 연소 공동(2305)의 내측에 대면하고 그러므로 열 밀집체(2160)를 열 손상으로부터 보호하기 위해 고체 하스텔로이 합금으로 형성된 환상 라이너 요소(5080)로 라이닝된다.
도 5c 및 도 5d에 상세히 도시된 벽(2075, 2175)의 추가의 변형예는 구리 밀집체(2180, 2175)의 양 측면이 예를 들면 도 5e와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이 전기 증착 도금 등에 의해 0.0005-0.0015인치(12.5-38.1㎛)의 두께로 도포된 니켈 도금 층에 의해 덮여지는 것이다. 니켈 도금은 구리 밀집체 표면의 산화를 회피하도록 연료(2025)와 공기(2200) 및 대응하는 구리 밀집체(2180, 2175) 간의 접촉을 피하기 위해 포함된다. 하스텔로이 요소(5050, 5060) 및 모넬 요소(5045, 5065)가 별도의 라이너 요소를 포함하는 경우, 즉 구리 밀집체(2180)와 일체로 형성되지 않은 경우에, 구리 밀집체는 그 대향하는 양 표면이 니켈로 도금되는 것이 바람직하다(예를 들면, 도 5a에 도시된 것처럼). 그러나 디스크형 또는 환형 라이너 요소(5045, 5050, 5060, 5065)가 구리 밀집체(2180 및/또는 2175)와 일체로 형셩되는 다른 경우에는 구리 밀집체의 니켈 도금이 필요 없을 수 있다.
일반적으로, 전술한 하스텔로이 및 모넬 요소들은 손상으로부터 각종 표면을 보호하기 위해, 또는 인코넬 또는 하스텔로이 표면과 같은 크롬 함유 표면과의 접촉에 의한 유입 공기의 오염을 피하기 위해 사용된다. 하나의 비제한적인 예시적 실시형태에서, 하나 이상의 보호 요소는 핫존 엔클로저 벽(2015)과 분리하여 제조되고 보호 대상의 표면에 보호재 층을 브레이징하는 것과 같은 조립으로 적소에 설치된다. 도 5c 및 도 5d에 도시된 예시적인 구리 밀집체(2180, 2175)에서, 보호 모넬 및 하스텔로이 층은 구리 밀집체를 니켈 도금하지 않고 구리 밀집체의 대향하는 표면들에 직접 브레이징된다. 바람직하게, 브레이징 단계는 공기 또는 연료가 구리 밀집체의 표면과 접촉하여 산화시키는 것을 방지하도록 구리 밀집체를 실질적으로 기밀 밀봉한다.
도 5e에 도시된 예시적인 구리 밀집체(2160)에서, 보호 하스텔로이 층은 연소 영역(2135) 내측에 배치된 구리 밀집체의 일 표면의 니켈 층(5070)에 직접 브레이징된다. 이 비제한적인 예시적 실시형태에서, 하스텔로이 층은 연소 및 부식성 요소에 대한 직접 노출로부터 구리 밀집체 표면을 보호하기 위해 설치된다. 대향하는 표면에서, 단지 니켈 층만이 유입 공기에 의한 산화로부터 구리 밀집체 표면을 보호하기 위해 필요하기 때문에 복열기 챔버(2210) 내측에 배치된 구리 밀집체 표면에는 니켈 도금 보호층(5070)만이 적용된다. 도 5e의 예에서, 하스텔로이 층(5080)은 구리 표면이 구리 밀집체(2160)와 하스텔로이 층(5080) 사이에 배치된 니켈 층(5075)에 의해 이미 보호되기 때문에 구리 표면을 기밀 밀봉할 필요 없이 예를 들면 패스너에 의해 기계적으로 부착되거나 적소에 클램프될 수 있다.
따라서, 특히 도 5b, 5c, 5d 및 5e와 관련하여 전술한 바와 같이, 하스텔로이 및 모넬 요소는 디스크형 열 밀집체 요소(2180, 2175, 2160)와 메이팅 접촉하는 디스크형 요소(5040, 5050, 5060, 5065, 5080)와 같은 복수의 별도의 요소를 포함할 수 있고, 또는 하스텔로이 및 모넬 요소는 핫존 엔클로저 벽의 원통형 측벽과 같은 연소 챔버의 내부 원통형 벽 표면과 메이팅 접촉하도록 배치된 원통형 벽 부분(예를 들면, 5030)을 포함할 수 있다. 상기 원통형 벽 부분은 핫존 엔클로저 벽의 내측, 예를 들면 상온 시동 연소기 챔버(2305) 내측 및 테일 가스 연소기 영역(2135) 내측의 적당한 위치에 삽입되고, 보호 대상의 표면과의 메이팅 접촉으로 적소에 브레이징, 용접 또는 다른 방식으로 고정 또는 클램프된다. 일부 실시형태에서, 하스텔로이 및 모넬 요소는 실질적으로 기밀 밀봉으로 전도성 코어 표면에 직접 적용될 수 있다(예를 들면, 열 전도성 밀집체의 표면에 직접 브레이징될 수 있다). 다른 실시형태에서, 열 전도성 밀집체 또는 코어 벽 표면은 니켈 도금되고, 하스텔로이 또는 모넬 요소는 실질적으로 기밀 밀봉을 제공할 필요 없이 니켈 도금 위에 적용될 수 있고, 기밀 밀봉을 제공하기 위해 전체 표면에 대하여 브레이징하는 대신에 요소들은 선택된 지점에 클램핑에 의해, 기계적 패스너에 의해, 또는 브레이징 또는 스폿 용접에 의해 적소에 유지될 수 있다. 추가의 실시형태에서, 전술한 임의의 벽 구조는 도금, 스퍼터링, 스프레이 코팅 핫 디핑 등을 포함한 공지의 방법에 의한 금속 주조의 선택된 표면에 형성된 각종 보호재 층과 함께 금속 주조로서 형성될 수 있다.
그러나 본 발명의 다른 비제한적인 실시형태에서, 핫존 엔클로저 벽(2015)의 외벽 및/또는 내벽 부분들은 사전 제조된 다층 복합 재료로부터 형성된다. 복합 재료는 여기에서 설명한 핫존 엔클로저 벽을 형성하기 위해 사용할 수 있는 복수의 비유사 금속층으로 제조된 판 및/또는 튜빙 스톡(tubing stock)을 포함한다.
제1 단계에서, 일반적으로 클래딩이라고 부르는 사출 성형 또는 롤링 처리에 의해 비유사 금속 시트들이 함께 결합된다. 예시적인 실시형태에서, 도 5c를 참조하면, 구리 밀집체(2180), 하스텔로이 합금 층(5050) 및 모넬 합금 층(5045)을 포함한 복합 시트가 복합 시트를 형성하도록 롤 용접된다. 일단 형성되면, 벽(2075)이 복합 시트로부터 잘라지고 홀 및 다른 특징들이 2차 동작에서 추가될 수 있다. 그 다음에, 벽(2075)은 브레이징, 용접, 기계적 패스닝, 클램핑, 고온 접착 본딩 등에 의해 핫존 엔클로저 벽(2015)에 조립된다. 추가로, 도 5d에 도시된 벽(2175)은 단지 역순으로 도 5c에 도시된 벽(2075)과 동일한 재료 층들을 포함하고, 동일한 복합 시트로부터 잘라지고 홀 및 다른 특징들이 2차 동작에서 추가될 수 있다. 그 다음에, 각 벽(2175, 2075)은 브레이징, 용접, 기계적 패스닝, 클램핑, 고온 접착 본딩 등에 의해 핫존 엔클로저 벽(2015)에 조립된다.
예시적인 실시형태에서, 도 5e를 참조하면, 구리 밀집체(2160) 및 하스텔로이 합금 층(5070)을 포함한 복합 시트가 복합 시트를 형성하도록 롤 용접된다. 이 예시적인 실시형태에서, 복합 시트가 단지 2개의 층만을 갖도록 니켈 층(5075)이 생략될 수 있다. 일단 형성되면, 벽(2170)이 복합 시트로부터 잘라지고 홀 및 다른 특징들이 2차 동작에서 추가될 수 있다. 그 다음에, 벽(2170)은 브레이징, 용접, 기계적 패스닝, 클램핑, 고온 접착 본딩 등에 의해 핫존 엔클로저 벽(2015)에 조립된다. 추가의 단계에서, 복합 시트는 노출된 구리 표면의 산화를 방지하기 위해 적어도 구리 표면에서 니켈 도금될 수 있다.
유사하게, 도 5b를 참조하면, 구리 코어(5010) 및 하스텔로이 층(5030)을 포함한 2층 복합 시트가 복합 시트를 형성하도록 롤 용접된다. 이 예시적인 실시형태에서, 복합 시트가 단지 2개의 층만을 갖도록 니켈 층(5015, 5020)이 생략될 수 있다. 일단 형성되면, 홀 및 다른 특징들이 2차 동작에 의해 형성되고, 그 다음에 복합 시트가 원통형 벽에 형성된다. 원통형 벽은 소정 크기로 잘라지고, 연소 영역의 봉입과 관련된 핫존 엔클로저 측벽(2002) 부분을 형성하도록 다른 원통형 벽 부분과 조립된다. 원통형 벽 부분은 브레이징, 용접, 기계적 패스닝, 클램핑, 고온 접착 본딩 등에 의해 함께 결합될 수 있다. 추가의 단계에서, 복합 시트는 일측면 또는 양측면이 니켈 도금될 수 있고, 조립된 핫존 엔클로저 측벽은 노출된 구리 표면을 산화로부터 보호하기 위해 니켈 도금될 수 있다.
5.9 다른 SOFC 연료 전지 스택 구성
이제, 도 6을 참조하면, 본 발명에서 사용할 수 있는 SOFC 시스템 실시형태(7000)의 비제한적인 예시적 실시형태의 일부가 상부 단면도로 도시되어 있다. 구성(7000)은 상부 단면도로 도시된 원형 핫존 엔클로저 벽(7015)에 의해 봉입된 캐소드 챔버(7010)를 도시한다. 원형 엔클로저 벽(7015)은 전술한 바와 같이 가스 흐름 콘딧으로서 사용할 수 있는 작은 에어 갭(도시 생략됨)에 의해 원형 엔클로저 벽으로부터 분리된 원형 단열층(7020)에 의해 포위된다.
캐소드 공급관(7025)은 원형 핫존 엔클로저 벽(7015)에 대하여 중심에 도시되어 있다. 복수의 봉형 연료 전지가 2개의 동심원 패턴으로 배치되고, 각 원형 패턴은 동일한 중심축(7030)에 중심을 갖는다. 내측 원형 패턴(7035)은 8개의 내측 봉형 연료 전지(7040)를 포함한다. 외측 원형 패턴(7045)은 14개의 외측 봉형 연료 전지(7050)를 포함한다. 다른 엔클로저 형상 및 연료 전지 패턴도 본 발명으로부터 벗어나지 않고 사용할 수 있다.
지금까지 본 발명을 양호한 실시형태에 따라 위에서 설명하였지만, 당업자라면 본 발명이 상기 실시형태로 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다. 전술한 발명의 각종 특징 및 양태가 개별적으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 또한, 비록 본 발명이 특수 환경에서 특수 응용(예를 들면, 고체 산화물 연료 전지 시스템)을 위해 구현되는 것과 관련하여 설명되었지만, 당업자라면 그 유용성은 이것으로 제한되지 않고 본 발명은 고온 및 부식성 환경에서 높은 열 전도성 재료를 이용한 열 전도에 의해 열 에너지 이동을 증가시키는 것이 바람직한 임의 수의 환경 및 구현예에서 유리하게 활용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서 이하에서 개시되는 청구범위는 여기에서 설명한 발명의 완전한 범위 및 정신에 따라서 해석되어야 한다.

Claims (30)

  1. 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 시스템에 있어서,
    핫존 공동(hot zone cavity)을 내포하도록 배치된 핫존 엔클로저 벽과;
    상기 핫존 공동 내측에 배치된 하나 이상의 연료 전지를 포함한 SOFC 스택을 포함하고;
    상기 핫존 엔클로저 벽은 100W/(m°K) 이상의 열전도율을 가진 하나 이상의 제1 재료로 제조된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 제1 재료의 산화를 방지하기 위해 상기 제1 재료 위에 도포된, 상기 하나 이상의 제1 재료와는 상이한 제2 재료를 포함한 제1 보호재 층을 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 핫존 엔클로저 벽과 열 전도식으로 연결되도록 상기 핫존 공동 내측에 배치된 적어도 하나의 열 밀집체 요소(thermal mass element)를 더 포함하고;
    상기 적어도 하나의 열 밀집체 요소는 100W/(m°K) 이상의 열전도율을 가진 하나 이상의 제3 재료로 제조된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 제3 재료의 산화를 방지하기 위해 상기 열 밀집체 요소의 표면 위에 도포된, 상기 하나 이상의 제3 재료와는 상이한 제4 재료를 포함한 제2 보호재 층을 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 제1 재료는 0.01 내지 0.125인치 범위의 벽 두께를 가진 구리를 포함하고, 상기 제2 재료는 적어도 0.0005인치의 두께로 도포된 니켈 도금을 포함한 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 제3 재료는 0.01 내지 0.375인치 범위의 요소 두께를 가진 구리를 포함하고, 상기 제4 재료는 적어도 0.0005인치의 두께로 도포된 니켈 도금을 포함한 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 제3 재료는 0.01 내지 0.375인치 범위의 요소 두께를 가진 구리를 포함하고, 상기 제2 보호재 층은 고온 환경에 견디는 주로 니켈 금속 합금으로 형성된 하나 이상의 별도의 금속 요소를 포함하며, 상기 하나 이상의 별도의 금속 요소는 상기 하나 이상의 제3 재료의 산화를 실질적으로 방지하는 방식으로 상기 하나 이상의 제3 재료의 표면에 형성 및 부착된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  8. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열 밀집체 요소는 복합 구조를 포함하고, 상기 하나 이상의 제3 재료는 구리, 몰리브덴, 알루미늄과 구리, 및 구리와 니켈 중 임의의 하나로 형성된 코어 층을 포함하며, 상기 제4 재료는 상기 구리 코어와 일체로 형성된 하나 이상의 보호층을 포함하고, 상기 제4 재료는 고온 고부식 환경에 견디도록 처방된 금속 합금을 포함한 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  9. 제2항에 있어서, 상기 핫존 엔클로저 벽의 적어도 일부는 하나 이상의 제1 재료로 제조된 코어 층 및 상기 코어 층과 일체로 형성된 상기 제2 재료로 형성된 상기 제1 보호재 층을 포함한 복합 구조를 포함하고, 상기 제2 재료는 고온 고부식 환경에 견디도록 처방된 금속 합금을 포함한 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 적어도 부분적으로 상기 핫존 엔클로저 벽의 내측 표면에 의해 속박된 핫존 공동 내측에 배치된, 소비후 연료와 소비후 캐소드 가스의 혼합물을 연소하기 위한 테일 가스 연소기 영역을 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 핫존 엔클로저에 들어온 캐소드 가스를 가열하기 위해 상기 핫존 공동 내측에 배치된 복열기 챔버를 더 포함하고, 상기 복열기 챔버는 적어도 부분적으로 상기 핫존 엔클로저 벽의 내부 표면에 의해 속박된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  12. 제3항에 있어서, 소비후 연료와 소비후 캐소드 가스의 혼합물을 연소하기 위해 상기 핫존 공동 내측에 배치된 테일 가스 연소기 영역을 더 포함하고, 상기 테일 가스 연소기 영역은 적어도 부분적으로, 상기 핫존 엔클로저 벽의 내측 표면에 의해 그리고 또한 대향하는 제1 및 제2 연소기 영역 단부 벽에 의해 속박되며, 상기 제1 및 제2 연소기 영역 단부 벽 중 적어도 하나는 부분적으로 상기 적어도 하나의 열 밀집체 요소에 의해 형성된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 테일 가스 연소기 영역을 속박하는 상기 핫존 엔클로저 벽을 보호하기 위해 상기 테일 가스 연소기 영역 내측에 배치된 적어도 하나의 라이너 요소를 더 포함하고, 상기 라이너 요소는 고온 고부식 환경에 견디도록 처방된 금속 합금으로 형성되며, 상기 라이너 요소는 상기 테일 가스 연소기 영역을 속박하는 상기 핫존 엔클로저 벽의 내부 표면의 산화를 실질적으로 방지하는 방식으로 설치된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열 밀집체 요소는 2개의 열 밀집체 요소를 포함하고, 상기 제1 및 제2 연소기 영역 단부 벽은 각각 부분적으로 상기 2개의 열 밀집체 요소 중 하나에 의해 형성된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 핫존 엔클로저에 들어온 캐소드 가스를 가열하기 위해 상기 핫존 공동 내측에 배치된 복열기 챔버를 더 포함하고, 상기 복열기 챔버는 적어도 부분적으로 상기 핫존 엔클로저 벽의 내부 표면에 의해 그리고 적어도 부분적으로 상기 제1 및 제2 연소기 영역 단부 벽 중 하나에 의해 속박된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 핫존 엔클로저 벽을 실질적으로 내포하도록 배치된 단열층을 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 연료 전지는 애노드 재료 층, 캐소드 재료 층, 및 상기 애노드 재료 층을 상기 캐소드 재료 층으로부터 분리하는 전해질 재료 층을 각각 포함한 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지는 각각 적어도 부분적으로 상기 핫존 엔클로저 벽이 내부 표면에 의해 속박되는 가스 챔버 내에 내포된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 수소와 일산화탄소 중 적어도 하나를 포함한 연료를 상기 핫존 공동 내에 수용하고 상기 복수의 연료 전지 각각의 애노드 재료 층 위로 연료의 일부를 지향시키도록 형성된 하나 이상의 연료 유체 흐름 콘딧에 의해 형성된 연료 공급 시스템을 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 산소를 포함한 캐소드 가스를 상기 핫존 공동 내에 수용하고 상기 복수의 연료 전지 각각의 캐소드 재료 층 위로 캐소드 가스 흐름의 일부를 지향시키도록 형성된 하나 이상의 캐소드 가스 유체 흐름 콘딧에 의해 형성된 캐소드 가스 공급 시스템을 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 하나 이상의 캐소드 가스 유체 흐름 콘딧의 노출된 내부 표면은 크롬이 없는 물질로 형성된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 상기 캐소드 가스 공급 시스템의 노출된 내부 표면은 상기 캐소드 가스 공급 시스템의 노출된 내부 표면을 적어도 0.0005인치의 두께로 도포된 니켈 도금 층을 포함한 보호재로 코팅하는 것과 상기 노출된 표면을 모넬(Monel)로 형성하는 것 중 하나에 의해, 캐소드 가스가 크롬에 노출되는 것을 방지하도록 형성된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  22. 제17항에 있어서, 소비후 연료와 소비후 캐소드 가스의 혼합물을 연소하기 위해 상기 핫존 공동 내측에 배치된 테일 가스 연소기 영역을 더 포함하고, 상기 테일 가스 연소기 영역은 적어도 부분적으로 상기 핫존 엔클로저 벽의 표면에 의해 속박된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  23. 제19항에 있어서, 상기 캐소드 가스 공급 시스템은 상기 핫존 공동 내측에 배치된 복열기 챔버를 더 포함하고, 상기 복열기 챔버는 적어도 부분적으로 상기 핫존 엔클로저 벽의 내부 표면에 의해 속박되며, 상기 핫존 공동에 들어간 캐소드 가스는 상기 복수의 연료 전지 각각의 캐소드 층 위로 지향되기 전에 상기 복열기 챔버를 통과하는 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 복열기 챔버와 상기 테일 가스 연소기 영역은 공통의 단부벽을 공유하고, 상기 공통의 단부벽은 적어도 부분적으로 열 밀집체 요소에 의해 형성되며, 상기 열 밀집체 요소는 상기 핫존 엔클로저 벽과 열 전도식으로 연결되고, 상기 열 밀집체 요소는 100W/(m°K) 이상의 열전도율을 가진 하나 이상의 재료로 제조된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 상기 테일 가스 연소기 영역 내측으로부터 상기 핫존 엔클로저 벽을 통과하는 하나 이상의 출구 포트를 더 포함하고, 상기 테일 가스 연소기 영역으로부터의 배출 가스는 상기 하나 이상의 출구 포트를 통해 빠져나오고 핫존 출구 포트를 통해 핫존으로부터 빠져나오기 전에 상기 복열기 챔버를 포위하는 상기 핫존 엔클로저 벽의 외부 표면 위를 통과하는 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  26. 제17항에 있어서, 상기 복수의 연료 전지는 각각 내경 및 외경을 포함한 개방 단부 환상 벽으로서 형성된 애노드 지지층을 포함하고, 상기 환상 벽의 내경은 연료와 캐소드 가스 중의 하나가 지향되는 유체 흐름 콘딧을 포함하며, 상기 복수의 연료 전지 각각의 외경은 상기 연료와 상기 캐소드 가스 중 다른 것에 노출되는 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 상기 연료가 상기 애노드 재료 층과 반응하도록 연료 흐름 채널을 통해 지향되고 상기 복수의 연료 전지 각각의 외경이 상기 캐소드 재료 층과 반응하도록 상기 캐소드 가스에 노출되게 하기 위해, 상기 전해질 층은 상기 애노드 지지층의 외경 위에 형성되고 상기 캐소드 층은 상기 전해질 층 위의 상기 애노드 지지층의 외경 위에 형성된 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  28. 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 시스템에 있어서,
    핫존 공동을 내포하도록 배치된 핫존 엔클로저 벽과;
    상기 핫존 공동의 내부 표면 및 대향하는 상부 및 하부 캐소드 챔버 단부벽에 의해 속박된 상기 핫존 공동 내측에 형성된 캐소드 챔버와;
    상기 캐소드 챔버 내측에 배치된 복수의 연료 전지를 포함한 SOFC 연료 전지 스택을 포함하고;
    상기 복수의 연료 전지는 각각 연료 유체 콘딧을 형성하는 관형 애노드 지지층에 의해 형성되고, 또한 상기 관형 애노드 지지층의 외경에 도포된 전해질 층 및 상기 전해질 층 위에 도포된 캐소드 층으로 형성되며, 상기 복수의 연료 전지 각각의 대향하는 단부는 대향하는 상부 및 하부 캐소드 챔버 단부벽에 의해 지지되고;
    상기 핫존 엔클로저 벽과 열 전도식으로 연결된 핫존 내측에 배치된 적어도 하나의 열 밀집체 요소를 더 포함하고;
    상기 핫존 엔클로저 벽 및 상기 적어도 하나의 열 밀집체 요소는 100W/(m°K) 이상의 열전도율을 가진 하나 이상의 제1 재료로 제조된 것이고;
    상기 핫존 엔클로저 벽의 노출된 표면 및 상기 열 밀집체 요소의 노출된 표면은 상기 제1 재료와는 상이한 제2 재료를 포함한 보호재 층에 의해 산소 노출로부터 보호되는 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  29. 제28항에 있어서, 상기 하나 이상의 제1 재료는 구리를 포함하고, 상기 제2 재료는 니켈 도금 층을 포함한 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
  30. 제28항에 있어서, 상기 제1 재료는 구리, 몰리브덴, 알루미늄과 구리, 및 구리와 니켈 중 임의의 하나를 포함한 금속 합금을 포함한 것인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템.
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