KR0130905B1 - 고체전해질 연료전지 - Google Patents

고체전해질 연료전지

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KR0130905B1
KR0130905B1 KR1019880004877A KR880004877A KR0130905B1 KR 0130905 B1 KR0130905 B1 KR 0130905B1 KR 1019880004877 A KR1019880004877 A KR 1019880004877A KR 880004877 A KR880004877 A KR 880004877A KR 0130905 B1 KR0130905 B1 KR 0130905B1
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씨.룰 로버트
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래리 윌리암 에반스
더 스탠다드 오일 컴패니
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Abstract

내용 없슴

Description

고체전해질 연료 전지
제 1 도는 제 2 도의 선 1-1에 따라서 취해진 본 발명의 연료 전지의 실시예의 측면도 :
제 2 도는 제 1 도의 연료 전지 실시예의 평면도 :
제 3 도는 본 발명에 따른 연료 전지 조립체의 실시예의 부분 절취된 측면도 :
제 4 도는 제 5 도의 선 4-4에 따라서 취해진 본 발명에 따른 연료 전지의 실시예의 측단면도 :
제 5 도는 제 4 도의 연료 전지 실시예의 평면도 :
제 6 도는 본 발명에 따른 연료 전지 조립체의 실시예의 부분 절취된 측면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 연료 전지2,3 : 세퍼레이터
4 : 애노우드5 : 캐소우드
6 : 전해질7,8 : 관형 가스켓
9,10,12,13 : 구멍11 : 관
21 : 단부 커넥터23 : 중앙관
본 발명은 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키기 위한 고체전해질 연료 전지 및 이 전지들의 조립체 관한 것이다.
고체 전해질을 사용하고 가스 연료를 산화시키는 고온 연료 전지가 공지되어 있다. 전형적으로, 이러한 전지 및 그 조립체는 약 700 내지 1100℃범위의 온도에서 작동한다. 전형적인 전지에서는, 공기로부터의 산소가 연료와 반응하여 전기 에너지, 열, 수증기 및 탄소산화물을 생성한다. 이들 비교적 고온 연료 전지는 연료를 열기관 또는 저온 연료 전지보다 더 효율적으로 전기로 변환시킨다. 연료 전지 조립체는 소형이고, 설계가 간단하고 소음이 없고 거의 환경 오염물을 생성하지 않고 가동부품이 없고 아주 높은 신뢰성이 있다.
이러한 장점에도 불구하고, 어떠한 고온 연료 전지 조립체는 아직도 공업적으로 사용되지 않았다. 공지의 연료 전지는 공지 설계에 요구되는 복합 배열로 제조하기가 매우 어렵고 비교적 고가인 재료를 사용한다. 그러므로, 재료비와 이들 재료의 제조가 연료 전지의 공업적 수용을 지연시키는데 중요한 인자로 되어 있다. 게다가, 공지의 연료 전지 조립체에서 공기가 연료의 바람직하지 않은 혼합을 억제하는 밀봉을 완전한 상태로 유지하는 것이 아주 어렵다.
따라서, 공지의 전지와 조립체의 이점을 가지지만, 제조하는데 염가이고, 신뢰성이 있으며 효율적인 개량된 연료 전지와 연료 전지 조립체를 제공하는 것이 바람직한다.
본 발명에 따른 연료 전지 및 연료 전지 조립체는 캐소우드, 고체전해질, 애노우드 및 세퍼레이터로 이루어진 엘리먼트들의 스택(stack)을 포함한다. 연료 전지들의 스택은 수용 가능한 고전압에서 적정한 전력 출력을 얻기 위하여 세퍼레이터를 통해서 전기적으로 직렬로 연결된다. 전지들의 간단한 설계는 밀봉부의 밀봉 영역을 최소화하고, 장기간동안 높은 효율의 전력 생성을 가능케 하기 위하여, 비교적 짧고, 비교적 적은 저항 전류 경로를 제공한다.
새로운 연료 전지의 실시예는 연료를 받아들이기 위한 제 1 구멍을 포함하는 다수의 엘리먼트를 포함한다. 전지 엘리먼트들은 도전성 세퍼레이터, 세퍼레이터와 접촉하는 압축 또는 소결(sinter)된 산화물 분말 캐소우드, 캐소우드와 접촉하는 이트리아-안정화 지르코니아와 같은 고체 전해질, 및 전해질과 접촉하는 압착 또는 소결된 금속 및 산화물 혼합 분말 애노우드를 포함한다. 전지 엘리먼트의 구멍들은 연료를 연료 전지로 통과시키는 제 1 관을 형성하기 위해 정렬된다. 캐소우드는 세퍼레이터와 전해질과의 밀봉을 형성하는 관형 가스켓에 의해 제 1관내에서 연료와의 직접 접촉으로부터 보호된다. 연료 전지 엘리먼트들의 각각은 또한 제 2 구멍을 포함한다. 또한, 이들 제 2 구멍도 산소 함유 가스를 연료 전지로 통과시키는 제 2관을 형성하기 위하여 정렬된다. 이들 전지의 각각의 애노우드는 전지의 제 2 세퍼레이터와 전해질과의 밀봉을 형성하는 제 2 가스켓에 의해 제 2 관내에서 산소와의 직접 접촉으로부터 보호된다. 제 2관으로부터의 산소는 가스 압력차에 응답하여 캐소우드 구멍을 통해서 흐른다. 산소는 또한 전지 외부로부터 전지에 공급될 수도 있다. 전지 외부로부터의 산소는 산소 농도 기울기에 응답하여 캐소우드 구멍을 통해서 확산될 수 있다. 캐소우드에서, 산소는 이온화된다. 전해질을 통하여 흐르는 산소 이온은 애노우드에서 전기적으로 주성화되고, 연료와 반응하여 연료를 산화시킨다. 애노우드의 외부 표면은 주변 장벽에 의해서 전지 외부로부터 산소가 침투하는 것을 부분적으로 보호한다. 장벽은 가스 흐름에 대한 실질적인 저항성을 나타내어 산소 침투를 제한한다.
유용한 양의 전력을 생성하기 위하여, 연료 전지들은 전지들을 상하로 스택함으로써 전기적으로 직렬 접속된다. 세퍼레이터는 바람직하게는 스택층을 용이하게 하기 위하여 모두 동일하다. 스택끝에서의 단부 커넥터는 스택의 마주보는 애노우드와 캐소우드를 전기 접속한다. 단부 커넥터는 연료 및 공기 또는 또하나의 산소원을 격리된 내부 연료 전지관에 공급하기 위하여, 연료 전지내의 입구관과 연통하는 도관을 포함한다. 단부 커넥터는 또한 이 연료 전지관의 단부를 형성한다. 단부 커넥터부터 뻗어 있는 도관은 연료 전지의 스택을 설치하기 위하여 사용되어도 된다. 바람직하게는 연료 전지의 스택은 절연벽들 사이의 챔버내에 설치된다.
본 발명의 하나의 일반적인 특징에 따르면, 전기 에너지를 생성하기 위하여 연료를 산화시키기 위한 연료 전지는, 가스 연료를 받아들이기 위하여 제 1 세퍼레이터를 통과하는 제 1 구멍을 포함하는 판 형상의 가스-불침 투성 세퍼레이터; 가스 연료를 받아들이기 위하여 캐소우드를 통과하는 제 2 구멍을 포함하며 제 1 세퍼레이터와 접촉하는 판 형상의 산화물 분말 캐소우드(제 2 구멍은 제 1 구멍과 적어도 부분적으로 일치함) ; 전해질을 통과하는 제 3 구멍을 포함하며 캐소우드와 접촉하는 판형상의 가스-불침투성 고체 전해질(제 3 구멍은 제 1 구멍과 적어도 부분적으로 일치함) ; 제 1 구멍내의 연료로부터 캐소우드를 보호하기 위하여 제 2 구멍 내에 배치되어 전해질과 밀봉 접촉하는 가스-불침투성 관형 가스켓 ; 및 고체전해질과 접촉하고 애노우드를 통과하는 제 4 구멍을 포함하는 판 형상의 분말 애노우드(제 4 구멍은 제 1 구멍과 적어도 부분적으로 일치함)를 포함한다.
본 발명의 또 하나의 더 구체적인 실시예에서, 세퍼레이터, 캐소우드, 전해질 및 애노우드는 각각 산소 함유가스를 받아들이기 위한 제 5, 6, 7 및 8 구멍을 포함하고, 제 6, 7 및 8 구멍은 각각 제 5 구멍과 적어도 부분적으로 일치하며, 제 2의 가스 불침투성 관형 가스켓은 제 8 구멍 내에 배치되고 전해질과 밀봉 접촉하여 애노우드를 제 5 구멍내의 산소로부터 보호한다.
제 1 도에 연료 전지(1)의 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 연료전지(1)는 두 개의 마주보는 금속 세퍼레이터(2 및 3)를 포함하며, 이 세퍼레이터들 사이에는 애노우드(4), 캐소우드(5), 중간 전해질(6) 및 관형 가스켓(7 및 8)이 배치된다. 세퍼레이터(2 및 3)는 가스 불침투성이며, 우수한 도전체이다. 이들 특성은 한 표면이 연료 전지에 노출되고 다른 한 표면이 산소는 또는 공기에 노출되었을 때 장시간에 걸쳐서 안정해야만 한다. 가장 바람직하게는 이들 세퍼레이터는 330형 스테인레스강 합금과 같은 적당한 가격의 고온 금속합금으로 만들어진다. 이 스테인레스강 합금은 고온에서 불침투성 박막을 형성한다. 이 박막은 약 1000℃에서 아주 우수한 도전성을 가지며, 탄소-함유 연료에 노출되었을 때 금속이 심하게 산화되고 탄화되는 것을 방지한다. 세퍼레이터는 또한 도핑된 아크롬산 란탄, LaCro3로 만들어질 수 있다. 세퍼레이터(2 및 3)는 바람직하게는 구조가 동일하며, 그로 인해 다수의 연료 전지(1)가 서로 용이하게 스택되어 인접한 적층 전지사이에 직렬 전지 접속을 이룰 수 있다. 세퍼레이터(2 및 3)는 우선 각각 구멍(9 및 10)을 포함하며, 각각의 구멍(9 및 10)은 서로 일치하도록 위치 선정되는 게 바람직하다. 연료 전지의 캐소우드(5), 애노우드(4) 및 전해질(6)은 또한 연료 전지를 통과하는 제 1 관(11)이 가스 연료를 수용하게 형성되도록 구멍(9 및 10)과 일치하는 구멍을 포함한다. 또한 관(11)은 연료 전지(1)의 평면도인 제 2 도에 도시되어 있다. 세퍼레이터(2 및 3)는 비교적 얇으며, 예를 들면 약 0.2㎜(0.008인치)일 수 있다. 명확하게 하기 위하여 도면에는 다르게 도시되었지만, 관(11)은 전지의 중앙 또는 중앙 근처에 위치되어야 한다.
관형 가스켓(7)은 세퍼레이터(2)와 전해질(6)사이의 밀봉을 형성한다. 또한 가스켓(7)은 관(11)의 내부 표면의 일부를 형성한다. 가스켓(7)은 관(11)내의 연료가 캐소우드(5)와 직접 접촉할 수 없도록 세퍼레이터(2)와 전해질(6)의 기밀한 밀봉을 이룬다. 가스켓(7)은 전지(1)의 비교적 높은 작동 온도에서 연료가 통과되지 않아야 하며, 전지 작동상태에서 우수한 밀봉을 유지할 수 있어야만 한다. 적합한 가스켓은 니켈기지 합금과 같은 내산화성 금속합금, 세라믹 또는 적당한 연화 온도를 갖는 유리로 만들어질 수 있다.
또한 세퍼레이터격리판(2 및 3)는 각각 제 2 구멍(12 및 13)을 포함하며, 제 2 구멍들은 서로 일치하도록 배치된다. 애노우드(4), 캐소우드(5) 및 중간 전해질(6)의 각각은 또한 구멍(12 및 13)과 일치하는 제 2 구멍을 포함하며, 산소-함유 가스를 수용하기 위하여 연료전지를 통과하는 제 2 관(14)을 형성한다. 가스켓(8)은, 애노우드(4)를 관(14)내의 산소로부터 보호하기 위하여, 세퍼레이터(3)와 전해질(6) 사이에 배치되어 기밀한 밀봉을 형성한다. 가스켓(8)은 관(14)의 내부 표면의 일부를 형성한다. 가스켓(8)은 바람직하게는 가스켓(7)과 동일한 재료로 되어 있다.
명확하게 하기 위하여 도면에 도시되었지만, 관(14)은 관(11) 근처에 위치되어야 한다. 또한 원한다면, 각 전지는 두 개 이상의 관(14)을 포함하며, 그로 인해 단일관(11)이 전지 중앙선상에 위치되고 대칭성 산소 입구를 이룰 수 있게 된다. 또한 다중 연료관(11)이 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있다.
캐소우드(5)는 바람직하게는 원반형으로 형성된 압착 또는 속결된 산화물 분말이고 관(14)과 가스켓(2)을 위한 구멍들을 포함한다. 캐소우드(5)는 바람직하게는 퍼로브스카이트(perovskite) 결정형을 갖는 산화물이다. 바람직한 산화물은 일부의 란탄 대신에 약 10몰 퍼센트의 스트론튬으로 도핑된 아망간산 란탄(LaMno3)이다. 다른 가능한 퍼로브스카아트형 산화물은 도핑된 아망간산 칼슘(CaMnO3), 아크롬산란탄(LaCrO3), LaCoO3및 LaNiO3을 포함한다. 바람직하게는, 산화물은 이 산화물에 비교적 큰 표면적 및 가스흐름에 대한 우수한 투과성을 제공하기 위하여, 압착분말형이다. 새로운 압착분말 캐소우드의 처음 작동사용 동안에, 일부 소결이 일어날 가능성이 있다. 그밖에, 전지의 초기작동전에 캐소우드를 통상 작동 온도 이상으로 가열함으로써 입자들을 의도적으로 소결시키는 것이 도움이 될 것이다. 캐소우드(5)는 비교적 얇아도 되며, 예를 들면 약 0.6㎜(0.02인치)의 두께를 가질 수 있다.
고체 전해질(6)은 애노우드(4), 캐소우드(5) 및 가스켓(7 및 8)과 접촉한 상태로 배치된다. 전해질(6)은 세퍼레이터(2 및 3)내의 구멍과 일치하여 관(11 및 14)의 내부 표면의 일부를 형성하는 제 1 및 제 2 구멍을 포함한다. 바람직하게는 전해질(6)은 가스켓(7 및 8)에 대해서 압착되어 이미 설명된 밀봉을 이룬다. 가스켓(7)은 캐소우드(5)를 관(11)내의 연료로부터 보호한다. 가스켓(8)은 애노우드(4)를 관(14)내의 산소로부터 보호한다. 전해질(5)은 얇은 웨이퍼, 바람직하게는 약 0.1㎜(0.004인치) 두께의 웨이퍼일 수 있다. 바람직한 전해질은 8 내지 10몰 퍼센트의 이트리아(Y2O3)로 안정화된 지르코니아(ZrO2)이다. 이트리아-안정화 지르코니아는 이온화된 산소가 인가된 산소 포텐셜의 영향하에서 이동할 수 있고 전자 전류 흐름을 크게 돕지는 못하는 고체 전해질로서 공지되어 있다. 전해질(6)은 가스에 대한 불침투성을 가져야 한다.
애노우드(4)는 전해질(6)과 세퍼레이터(3) 사이에 접촉한 상태로 배치된다. 애노우드(4)는 또한 가스켓(8)을 둘러싼다. 바람직하게는 애노우드(4)는 연료 전지 작동 동안에 금속 분말의 지나친 속결을 억제하기 위하여, 지르코니아와 같은 안정한 산화물 분말로 혼합된 미세하게 분쇄되고 압착된 금속 분말이다. 애노우드(4)에 사용하기 위한 바람직한 저가의 금속 분말은 원소니켈 분말이다. 캐소우드(5)와 같이, 애노우드(4)는 전지 작동 동안이나 가열 소결단계의 초기 작동전에 소결될 수도 있다. 애노우드(4)는 관(11 및 14)의 일부를 형성하는 페퍼레이터(2 및 3)내의 구멍과 정렬된 구멍을 포함한다. 애노우드(4)는 전해질(6)과 거의 동일한 두께일 수 있다. 연료 전지 외부의 산소로부터 애노우드(4)의 부분적인 보호를 제공하는 것이 바람직하다. 그러한 목적을 위하여, 주변 다공성 보호밴드(15)는 연료전지(1)의 외부에서 전해질(6) 및 세퍼레이터(3)와 접촉하여 애노우드(4)를 둘러싸도록 배치된다. 보호 밴드(15)는 지르코니아분말 또는 미세하게 분쇄된 분말일 수도 있다. 후자의 경우에, 니켈 분말은 산소의 침투를 지연시키는 층을 형성하기 위하여 연료 전지의 작동 온도에서 산화된다.
연료 전지는 종래의 기술에 의해 용이하게 조립된다. 캐소우드(5)와 전해질(6) 사이의 전기 접촉 특성은 캐소우드들 이루는 분말의 얇은 층을 휘발성 전색체(votaile vehicle)를 포함하는 페인트의 형태로 전해질(6)의 표면에 초기에 인가함으로써 개선될 수 있다. 마찬가지로, 니켈 또는 니켈 산화물을 함유하는 페인트가 전해질의 애노우드 측에 인가될 수도 있다. 연료 전지의 다른 엘리먼트가 다른 연료 전지의 상부에 스택될 수 있다.
가스 연료는 관(11)에 공급되고, 공기와 같은 산소-함유 가스는 관(14)에 공급된다. 이들 두 가스원은 서로 고립된다. 관(14)내의 가스압력과 캐소우드(4) 외부의 가스압력의 차에 의해 이동되는 산소 함유 가스는 압축 분말 캐소우드(5)내의 구멍을 통해서 흐른다. 산소는 전해질(6) 또는 전해질 근처에서 캐소우드(5)내에서 음으로 이온화된다. 전해질(6)은 산소 이온의 우수한 전도체로서 매우 잘 알려져 있다. 산소 이온은 전해질(6)을 거쳐서, 산소 이온이 과량 이온을 포기하여 산소 원자 및 분자가 되는 애노우드(4)로 흐른다. 연료는 다공성 애노우드(4)를 통과하여 산소와 결합하고, 물(및, 수소이외의 다른 연료가 사용된다면 다른 생성물)을 형성하여 열을 방출한다.
이상적으로 각 연료 전지 내의 대응 캐소우드 및 애노우드의 공기 및 연료 투과도는 동일하다. 분말 요소내의 입자 크기의 적절한 선택에 의해서 각 전지 내의 가스 입력 손실이 감소된다. 약 31bs/in2의 가스 압력 손실(연료 또는 공기)이 5㎝ 직경의 전지에서 이루어질 수 있다.
수소 및 일산화탄소는 유용한 연료이다. 메탄 또는 천연 가스와 같은 탄화수소 연료는 바람직하게는 전지내로 주입되기 전에 수증기로 습윤된다. 습윤된 연료가 연료 전지에 주입될 때, 재형성 반응이 일어나서, 일산화탄소와 수소를 만든다. 재형성 반응은 대략 1000℃의 연료 전지 작동 온도에서 동시에 발생한다. 바람직하게는 약 90%의 연료가 전기 화학 연료 전지 반응으로 소비되어 전지효율을 최대화시킨다. 상당히 큰 전지 화학 연료 소비율에서, 애노우드(4)는 산화에 의해서 손상될 수 있다. 산소 흐름 속도는 완전 연료 연소에 요구되는 속도보다 적어도 40%이상, 바람직하게는 적어도 100%이상이다.
반응을 개시하기 위하여 연료 전지는 외부 열원에 의해서 작동 온도에 가깝게 가열된다. 반응이 일단 시작되면, 반응은 진행 전지 작동을 유지하기에 충분한 열을 발생시킴으로써 유지된다. 동시에, 전류는 각 전지내의 산소 이온화 및 중성화에 의해서 세퍼레이터(2 및 3) 사이를 흐른다. 산소 포텐셜차에 의해 구동되는 이 전기전류는 전기 출력 에너지이다. 전류는 일반적으로 전지 전극과 전해질의 두께에 수직하게 흐르기 때문에, 비교적 낮은 저항 전류 경로가 제공된다. 비교적 낮은 저항이란 전지내에서 손실된 전력이 비료적 낮게 유지된다는 점에서 개선된 효율을 의미한다. 바람직한 작동 온도는 1000℃에 가깝다. 저온은 전력 출력을 감소시킨다. 고온은 전지 수명을 감소시킨다. 두 고정 및 변동 온도 가동이 가능하다. 전지 온도는 관(14)에 유입된 가스를 제어 가능하게 예열함으로써 적정한 값으로 유진된다.
단일 연료 전지에 의해 생성된 전기 에너지의 양은 비교적 적다. 유용한 전압을 가진 유용한 양의 전기를 생성하기 위하여, 제 1 도에 도시된 형태의 연료 전지가 일반적으로 제 3 도에 개략적으로 도시된 형태의 직렬 접속된 스택방식으로 배열된다. 제 1 및 2 도에 관련하여 기술된 연료 전지의 각각은 매우 얇기 때문에, 수백개의 전지가 적당한 크기의 단일 스택으로 조립될 수 있다. 제 1 도에 도시된 형태의 전지들을 스택할 때 한 전지의 바닥 접촉면을 형성하는 세퍼레이터(3)는 다음의 연속하는 전지의 상부 접촉면이라는 것은 분명하다. 즉, 단지 하나의 세퍼레이터만이 전지의 스택에서 각 전지와 연관된다. 제 1 도의 구조를 사용하면, 각 전지의 두께는 약 1㎜(0.04인치)이다. 이들 스택은 전지당 약 0.5볼트의 최대 전력 출력에서 작동하는 정규전압과 약 90% 전기 화학 연료 이 용도에서 100mA/㎠를 초과하는 전류 밀도를 생성한다. 전지 전압은 전류 밀도에 따라서 역으로 변한다.
제 3 도에서, 스택(20)은 제 1 도에 관련하여 기술된 형태의 수백개의 전지를 포함한다. 관(11)은 단부 커넥터(21)를 통하여 가스 연료를 수용한다. 단부 커넥터(21)는 스택(20)의 일단에서 연료 전지에 기계적 및 전기적 접촉을 이루는 단부판(22)을 포함하는 도전성, 바람직하게는 금속 결합부이다. 단부 커넥터(21)는 스택(20)이 관(11)과 연통하기 위하여 단부(22)를 통과하는 구멍을 갖는 중앙 관(23)을 포함한다. 관(23)은 연료 전지 스택이 캐소우드 단부에 대한 전기 접속 기능을 한다.
스택의 반대단에서, 제 2 단부 커넥터(25)는 스택(20)에서 최하부 전지와 전기적 및 기계적 접촉을 위한 판(26)을 포함한다. 판(26)은 관(14)의 단부를 폐쇄하고 관(14)과 연통한다. 관(51)은 산소 함유 가스가 관(14)내로 유입될 수 있도록 판(26)으로부터 돌출하고 관(14)과 연통한다. 관(51)은 고온의 열 및 전기 절연체(28)의 구멍내에 수용된다. 관(51)은 또한 스택(20)을 위한 애노우드 전기 접속부이다. 관(23 및 51)은 압축력을 연료 스택(20)에 인가하여 그것을 유지시키기 위해 도시되지 않은 수단에 의해서 클램핑된다. 바람직하게는 클램핑 수단은 연료 연소 반응을 개시하고 유지하기 위하여 스택을 고온으로 가열함으로써 생긴 열팽창 압력이 스택에서 전지들이 분리되지 않고 제거될 수 있도록 소정의 자유도를 가진다. 제 3 도에 도시된 바와 같이, 산소원과 연료원의 분리는 바람직한 설치배열에서 용이하게 이루어진다. 연료 산화 생성물은 절연체(24)와 절연체(28)사이의 용적내에 모아진다. 또한 전지로부터의 산화성 가스는 그 용적 내로 들어가며 거기서 어떠한 잔류 연료도 연소된다.
연료는 적절한 도관에 의해서 관(23)에 공급되고, 이 관으로부터 관(11)으로 유입된다.
생성된 전력량을 증가시키기 위하여, 다수의 스택(20)은 동일한 절연체(24 및 28) 사이에 설치된다. 바람직하게는 그 설치 배열에서, 적어도 일부의 스택이 평행하게 전기 접속된다.
신규의 연료 전지는 연료 및 산화제 관의 내부 배치가 전지작동 동안에 밀봉된 상태로 유지되어야만 하는 영역을 감소시키기 때문에 특히 유리하다. 전지의 주변에 배치된 관을 갖는 공지의 전지에서는, 요구되는 밀봉부의 비교적 큰 주변 때문에, 훨씬 더 길고 큰 구역이 밀봉되어야만 한다. 게다가, 신규의 전지에서, 소결에 의해서 어느 정도 조절되는 비교적 높은 전극 투과도는 연료와 산소를 전지내로 분사시키는데 필요한 에너지를 감소시킨다.
덜 효율적이지만, 더 간단한 대안의 연료 전지 실시예(40)가 제 4 도의 단면도 및 제 5 도의 평면도로 도시되어 있다. 제 2 도 및 4 도의 동일 엘리먼트 동일한 참조 부호로 지시된다. 전지(40)는 관(14)을 생략한 것 이외에는 전지(1)와 본질적으로 동일하다. 즉, 전지 엘리먼트, 캐소우드(5), 애노우드(4) 및 전해질(6) 모두는 단지 하나의 구멍만을 포함한다.
제 6 도에는 연료 전지(40)의 스택(50)이 개략적으로 도시되어 있다. 또한 제 3 도의 동일 엘리먼트들은 동일한 참조 부호로 지시되고 유사한 엘리먼트들에는 동일한 참조부호에 프라임 부호가 부가되어 있다. 단부 커렉터(21')는 연료가 연료 전지 스택에 유입되기 위해 통과되는 관(11)과 연통하기 위하여 돌출관(23)을 가지는 판(22')을 포함한다. 다시, 관(23)은 절연재(24)를 통해 스택의 일단을 설치하고, 스택의 캐소우드 접속을 형성하는데 다시 사용된다. 적층의 반대쪽단에서, 단부 커넥터(25')는 관(6)의 일단을 폐쇄하고 관의 일단을 형성하는 판(26')을 포함한다. 로드(27)는 절연체(28)내의 구멍을 관통하고 스택(50)의 애노우드 접속뿐만 아니라 기계적 지지를 제공하기 위하여 단부 커넥터(25')로부터 돌출한다. 제 3 도에서와 같이, 관(23) 및 로드(27)는 스택(50)상에 압축력을 인가하기 위하여 엘리먼트들을 클램핑하기 위한 설치수단을 포함한다. 연료 전지 스택(50)은 연료 전지스택(20)의 작동과 유사한 방식으로 작동한다. 그러나, 전지들을 둘러 싸는 공간내의 산소 농도는 신선한 공기를 그 공간에 연속적으로 첨가함으로써 바람직하게는 10%이상으로 유진된다. 또한, 전지는 바람직하게는 온도 및 챔버가스의 순환을 조절함으로써 냉각된다. 이 실시예에서, 산소는 산소 농도 기울기의 영향하에서 캐소우드의 주변으로부터 안쪽으로 확산된다.
상기의 설명에 따라 설계된 연료 전지는 매우 간단하며, 그러므로 과거에 사용되었던 전지 설계 보다도 훨씬 더 낮은 제조 비용이 소요된다. 지르코니아 전해질의 어떠한 복잡한 형상도 필요치 않다. 세퍼레이터는 간단한 스탬핑이다. 캐소우드와 애노우드는 단지 압축된 치밀하지 않은 분말이다. 이들 전지는 효율적이고 단위 체적단 비교적 높은 전력 출력을 생성한다. 한 전지내의 세라믹 파손, 예를 들면 엘리먼트들 중의 한 엘리먼트의 균열 발생은 다른 전지로 전파되지 않는다. 소비된 연료의 가열값(heating value)에 의해 나누어진 직류 전력 출력에 기초한 40% 이상의 전기 에너지 생성 효율은 본 발명에 따른 연료 전지 스택을 사용함과 동시에 전지단 약 50mW/㎠이상의 순 유용전력밀도를 산출함으로써 얻어진다. 순 유용전력의 체적전력밀도는 40%효율에서 500mW/㎤을 초과할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예에 대하여 설명되었다. 본 발명의 사상내의 다양한 변형 및 부가는 당업자에 의해서 이루어질 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 영역은 다음의 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (10)

  1. 전기 에너지를 생성하기 위하여 연료를 산화시키기 위한 연료 전지에 있어서,
    가스 연료를 수용하기 위하여 제 1 세퍼레이터를 관통하는 제 1 구멍을 포함하는 판형상의 가스-불침투성 세퍼레이터 ;
    상기 제 1 세퍼레이터와 접촉하며, 상기 가스 연료를 수용하기 위하여 캐소우드를 관통하며 제 1 구멍과 적어도 부분적으로 일치하는 제 2 구멍을 포함하는 판형상의 산화물 분말 캐소우드 ;
    상기 캐소우드와 접촉하고, 제 1 구멍과 적어도 부분적으로 일치하며 전해질을 관통하는 제 3 구멍을 포함하는 판형상의 가스-불침투성 고체 전해질 ;
    상기 제 2 구멍내에 배치되고, 상기 캐소우드를 상기 제 1 구멍내의 연료로부터 보호하기 위하여 전해질과 밀봉 접촉하는 가스-불침투성 관형 가스켓 ; 및
    상기 고체 전해질과 접촉하고, 상기 제 1 구멍과 적어도 부분적으로 일치하며 애노우드를 관통하는 제 4 구멍을 포함하는 판형상의 분말 애노우를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터, 캐소우드, 전해질 및 애노우드의 각각은 제 5, 6, 7 및 8 구멍을 포함하고, 상기 제 6, 7 및 8 구멍의 각각은 상기 제 5 구멍과 적어도 부분적으로 일치하며, 상기 애노우드를 상기 제 5 구멍내의 산소로부터 보호하기 위하여 제 2 의 가스-불침투성 관형 가스켓의 제 8 구멍내에 배치되어 전해질과 밀봉 접촉하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소우드는 퍼로브스카이트 결정형을 갖는 산화물 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐소우드는 아망간산 란탄을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 캐소우드는 란탄의일부 대신에 도판트로서 스트론튬을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노우드는 니켈 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 애노우드는 니켈 분말과 지르코니아 분말의 혼합분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노우드를 연료 전지의 주변내의 산소로부터 부분적으로 보호하기 위한 주변 장벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 주변 장벽은 지르코니아와 분말상 니켈중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 금속 합금인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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