KR100880964B1

KR100880964B1 - 고체 산화물 연료 셀 스택 및 패킷 디자인

Info

Publication number: KR100880964B1
Application number: KR1020047007799A
Authority: KR
Inventors: 마이클 이. 배딩; 제프리 이. 코트라이트; 토마스 디. 켓챰; 데이비드 엠. 라인맨; 델 제이. 세인트. 줄리엔; 야웨이 선
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2009-02-03
Also published as: CN1636284A; AU2002367634B2; EP1446847A4; WO2003081693A3; KR20040053357A; WO2003081693A2; JP4969023B2; CN1316644C; AU2002367634A1; US20030096147A1; BR0213785A; CA2467772A1; JP2005520306A; EP1446847A2; EP1446847B1

Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료 셀 조립체에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로 상기 고체 산화물 연료 셀 조립체는 연료 챔버를 형성하며, 압축된 고압 전력-발생 유니트를 제공하도록 전기적으로 상호연결된 챔버의 안으로는 애노드를 밖으로는 캐소드를 지지하는 탄성 고체 산화물 전해질 시트를 기초로 하는 복수-셀-시트 디바이스 팻킷; 및 상기 조립체가 요구되는 크기 및 전력-발생 용량의 연료 셀 스택으로 적층되도록 상기 산화물 시트를 지지하고 연료 공급 및 공기 공급 도관 또는 매니폴드를 도입하기 위해 첨가된 프레임을 포함한다.

고체, 산화물, 연료 셀, 스택, 패킷

Description

고체 산화물 연료 셀 스택 및 패킷 디자인 {Solid oxide fuel cell stack and packet designs}

본 발명은 고체 산화물 연료 셀(SOFCs)에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전기력 발생 요소가 패킷의 내부에 가스 연료를 도입하기 위한 수단에 연결되는 하나 이상의 자체-함유 패킷을 포함하고, 상기 연료 셀 애노드가 적어도 상기 패킷 벽 부위를 형성하는 연성 세라믹 시트상의 패킷내에 배치되는 SOFCs용 디자인에 관한 것이다.

관형 SOFC 디자인이 다수 공지되어 있다. 이들은 Mitsubishi Corporation의 밴드 스트라이프를 갖는 Siemens AG, 지르코늄 튜브, 및 Rolls-Royce PLC의 다중셀 편평화 튜브 디자인과 같은 길거나 편평한 튜브 디자인을 포함한다.

또한, 편평한 전해질을 포함하는 이용한 SOFC 디자인도 다수 공지되어 있다. 이들은 통상적으로 두꺼운(0.10㎜) 전해질 플레이트 및 각각의 플레이트에 대한 단일 애노드 및 캐소드를 사용한다. 상기 반복 셀 유니트는 통상적으로 공기/연료 세퍼레이터 플레이트로 작용하는 대량의 전류 수집기를 포함한다. 상기 각각의 셀 애노드는 그 다음 셀의 캐소드과 접하며, 상기 세퍼레이터 플레이트는 상기 기상 연료와 공기가 혼합되지 않도록 하는 것이 요구된다.

신규 편평한 디자인은 보다 높은 단일 셀 성능을 제공하는 약 5-50마이크론 두께의 얇은 전해질 층을 지지하는 0.3-1㎜ 두께의 플레이트가 지지된 두꺼운 애노드를 포함한다. 이들은 또한 통상적으로 대량의 전류 수집기-공기/연료 세퍼레이터 플레이트를 포함하는 반복 셀 유니트를 사용한다. 또한, 상기 애노드는 그 다음 셀의 캐소드과 접하며, 상기 세퍼레이터/상호연결 플레이트가 상기 기상 연료와 공기가 혼합되지 않도록 요구된다. 이러한 고체 산화물 연료 셀 및 매니폴드 디자인과 기타 디자인에 대해서는 Mihn, N.Q., "Ceramic Fuel Cells", J. Am. Ceram. Soc., 76, 563-588(1993)에서 참고할 수 있다.

최근의 연구는 또한 얇은 세라믹 전해질 시트를 포함하는 연료 셀 스택 디자인을 포함한다. 예를 들어, 미국 특허 제5,273,837호에는 채널 구조를 형성하도록 결합된 얇은, 연성의 세라믹 물질의 파형 시트를 포함하는 연료 셀 스택 디자인이 개시되어 있다. 상기 금속, 세라믹 또는 도성합금(cermet) 전도체는 이러한 연성 시트에 직접 결합되며, 인접한 애노드 및 캐소드 구조물을 갖는 여러가지 시트가 상기 연료 셀 스택내에 배열된다. 연성 전해질에 기초한 다른 디자인이 미국 특허 제6,045,935호에 개시되어 있는 바, 상기 전해질은 열 사이클링 및 열충격에 대한 조립체의 기계 저항성을 향상시키기 위하여 비-평면 구조로 제공된다.

바디내의 급격한 온도 변화 및 온도 구배에 기인한 세라믹 바디의 파열이 세라믹 물질의 주요한 파손(failure) 모드이다. 따라서, 심한 열충격 환경에서 사용하기 위한 세라믹 제품은 응력 증강(build up)을 방지하기 위하여 저 열팽창 계수의 물질로 제조된다. 충분한 강도를 갖는 얇은 세라믹 시트는 휨(buckling)을 통해 열적 충격을 경감시킬 수 있다. 파형의 얇은 세라믹 시트는 상기 파형 패턴을 통해서 상기 휨을 조절한다.

미국 특허 제5,519,191호에는 액상 히터로서 얇은 파형 세라믹 구조물과 기타 열 충격에 대한 내성을 갖는 구조물을 사용함이 개시되어 있다. 이들은 미국 특허 제5,089,455호에 개시된 바와 같은 연성의 얇은 세라믹으로 적절히 형성되며, 그 중 일부는 또한 연료 셀의 전해질로서 유용하다. 평면내의 공차(tolerance) 변형에 대한 세라믹 시트의 파형은 EP 특허출원 제1113518호에 소개되어 있다.

SOFC 시스템 비용의 상당부분은 고도의 코어 아이템, 즉 셀 그 자체의 효율적인 작업을 위하여 요구되는 값비싼 주변 또는 지지 시스템에 기인한다. 활성 셀 자체가 상기 스택 비용의 단지 일부를 구성하는 반면 통상적으로 연료 셀 스택의 비용은 상기 시스템 비용의 50% 정도일 수 있다. 상기 스택의 상당부분의 비용은 절연, 파이핑, 플레이트 등의 비-활성 셀 부품에 기인한다. 이러한 점을 감안하면, 상기 셀은 비-활성 셀 부품의 상당한 "총비용(overhead)"을 부담한다.

통상적인 평면 SOFC 디자인에서, 만약 개별적인 셀 플레이트가 불능이라면, 상기 스택내의 셀과 양극의 상호연결 사이의 상호연결의 영구적인 성질에 기인하여 상기 셀 플레이트를 대체하기가 어렵다. 따라서, 다중 셀 플레이트 및 연결되는 비-셀 부품으로 구성된 전체 서브스택이 일반적으로 대체되어야만 한다. 상기 셀-함유 패킷 자체가 대체될 수 있는 연료 셀 스택 디자인은 단지 최소의 비-셀 부품의 교환으로 상당한 경제적 이점을 부여할 것이다.

평면 SOFCs용 스택 디자인은 소정 범위의 매니폴딩 및 상호연결 스킴을 포함 한다. Siemens AG, Munich, DE에 기술된 최근의 한 디자인에서 배열내의 여러개의 분리된 셀 각각은 프레임내의 개별적인 윈도우에 고정되어 병렬로 작동한다. 상기 프레임은 산화물-분산-강화 "플란시(Plansee)" Cr-Fe 합금(Metallwerke Plansee, Reutte; AT의 크롬-철-이트리아 합금)으로 형성되며, 상기 합금은 지르코니아계 고체 산화물 연료 셀을 프레임하기 위한 셀 상호연결에 사용되어 양-극 셀 디자인내의 공기와 연료를 분리한다(Blum 등, Solid Oxide Fuel Cells IV, pg 163, 1995). 상기 셀을 프레임에 봉합하는 것은 Tokyo Gas Co., Ltd., Tokyo, JP(Yasuda 등, Fuel Cells - Powering the 21st Century, Fuel cell seminar, October 2000, Portland, OR, Courtesy Associates(Washington, DC), p. 574)의 금속 프레임 및 상호연결을 포함하는 몇몇 연료 셀 스택 디자인에서와 같이, 유리 봉합 물질로 수행된다.

기술한 바와 같은 결합 접근법을 이용한 편평한 고체 산화물 연료 셀의 조립은 세라믹 전해질이 적합한 열팽창을 갖는 지지 프레임에 결합될 것이 요구된다. 3몰%-이트리아-부분적으로 안정화된 지르코니아 조성물의 세라믹 전해질은 25-750℃의 온도범위에서 약 11.0ppm/℃의 평균 선형 열팽창계수(CTE)를 갖는다. 750℃ 고온의 사용온도 및 요구되는 CTE를 갖는 물질은 드물다. 크롬-철 및 Cr-Ni 합금은 연료 셀 디바이스에서 사용하기 위해 당업계에 공지된 대표적인 합금이며, 이들 모두는 물질을 상호연결하고 프레임하기 위하여 사용된다. 이러한 합금족은 상술한 플란시 합금 뿐 아니라, Type 446 고 크롬 스테인레스 강(Piron 등, Solid Oxide Fuel Cells VII(2001) p. 811 참조)과 같은 금속을 포함한다. 퍼라이트(ferritic) 스테인레스 강은 10-12ppm/℃의 평균 CTE를 갖는다(Metals Handbook(1948)). 일례로는 14-18% Cr, 나머지는 Fe를 함유하고 약 11.2ppm/℃의 CTE 및 약 815℃의 최대 사용온도를 갖는 Type 430 스테인레스강 뿐만 아니라, 23-27% Cr, 나머지는 Fe를 함유하고 약 11.0ppm/℃의 CTE 및 약 1100℃의 최대 사용온도를 갖는 Type 446 스테인레스강을 포함한다. 상기 플란시 합금은 11ppm/℃ 부근의 CTE를 갖지만, 이트리아 그레인 경계 피닝(grain boundary pinning)에 기인하여 보다 높은 사용온도를 갖는다.

연료 셀에서 크롬 강철 합금의 한가지 이점은 크롬이 상기 연료 셀의 전극에 대해서 "독(poison)"으로 작용하는 경향이 있다는 점이다. 크롬이 셀 작동 온도에서 연료 셀 내부의 공기와 반응하여 전극에 증착하는 휘발성 종을 형성한다는 것이 공지되어 있다. 이러한 증착은 상기 연료 셀 캐소드의 독이 되어 성능을 감소시키고 결국 셀에 고장을 일으킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 방법으로는 La_0.9Sr_0.1MnO₃ 캐소드 층에 게더(getter) 물질로서 LaCrO₃ 커버 레이어 또는 과잉의 La₂O₃를 적용하는 방법이 포함된다.

크롬 문제에 덧붙여, 700-750℃의 연료 셀 작동 범위에서 "시그마(sigma)" 형성에 민감한 고 크롬 퍼라이트(ferritic) 스테인레스 강의 장기간에 걸친 안정성에 대한 문제가 있다. 시그마는 베이스 합금 조성물에 따라 Fe/Cr 비를 변화시키는 FeCR 상이다. 주요 합금에서, 통상적인 시그마 조성물은 약 50% Cr 및 50% Fe이다. 시그마 형성 전체 온도범위는 예를 들어, 565-980℃로 매우 광범위하지만, 700-810 ℃ 범위에서 가장 빠르다. 이러한 형성은 상 융해(phase dissolution)가 어닐링에 의해 달성될 수 있지만, 시그마가 이러한 온도 범위내에서 열역학적으로 안정한 상이기 때문에 발생된다.

성질상의 시그마 형성의 주요 효과는 연성(ductility) 및 거칠기의 감소이다. 이러한 연성 감소는 보다 저온에서 가장 두드러진다. 작동 온도 및 실온 사이에서의 상기 연료 셀의 열적 사이클링은 자유 운동에 대한 모든 제약이 발생된다면 상기 금속 지지 구조물의 파열로 귀결될 것이다. 시그마 형성은 또한 Cr 벌크 금속을 고갈시킴으로써 합금의 부식(corrosion) 내성을 감소시키며, 상기 비귀금속(base metal) 조성물내의 결과적인 변화는 열 팽창에 영향을 미치기 쉽다. 그러나, 용이하게 입수가능한 금속의 조사로부터 논외로 25-750℃의 온도 범위에 걸쳐 안정화된 지르코니아 전해질 물질 부근의 CTE 값을 갖는 금속이 극소수 존재함을 알 수 있다.

본 발명의 요약

본 발명은 탄성 전해질 시트에 기초한 SOFCs의 신규 디자인을 제공하는데 있다. 이러한 디자인은 고 전력 밀도 및 향상된 디자인 융통성(flexibility)을 제공하며, 후자는 모듈러스 제조 접근법으로부터 가능하다. 본 발명의 SOFC 디자인에서, 상기 셀의 전력 섹션의 기초 빌딩 블록은 연료-제공 "패킷"이다. 이러한 패킷은 하나, 바람직하게는 2개의 고체 산화물 시트로 형성되는 전력-발생 조립체이다. 상기 연료 셀용 애노드는 패킷 내부에 위치하며, 부가적으로 상기 조립체에서 전해질 층 기능을 하는 고체 산화물 시트에 의해 지지된다. 상기 연료 셀 캐소드는 팻 킷의 외부에 위치하며, 상기 산화물 시트의 외부 표면상의 애노드에 일반적으로 맞은편 위치에서 지지된다. 상기 조립체의 각각 패킷은 기상 연료를 상기 SOFC 조립체에 도입하기 위한 연료 매니폴드로부터 연료 도관에 연결된다.

각각의 패킷에 포함된 전해질 시트는 복수의 캐소드 및 애노드를 지지하여 각각의 시트 상에 복수의 전류-발생 셀을 형성한다. 바람직한 구체예에 있어서, 상기 각각의 전해질 시트의 각각의 면상에 병치된 애노드 및 캐소드 섹션은 좁은 병렬 전극 또는 시트상의 다른 셀과 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결된 좁은 전류-발생 셀의 배열을 형성하는 스트립 전극의 배열로서 배열된다. 이렇게 배열된 셀 및 시트의 조합은 다중-셀-시트 디바이스라 지칭되는데, 본 발명의 연료 패킷의 다른 디자인 요소와 효율적으로 작동될 수 있도록 적절히 위치된다.

복수 쌍의 전극을 포함하는 패킷 조립체의 전압 또는 전류 용량을 형성하기 위하여 전기 전도성 상호연결을 이용하여 각각의 시트 섹션상의 애노드 및/또는 캐소드 사이의 전기의 직렬 또는 병렬 연결을 제공하는데 유용하다. 예를 들어, 셀 전압을 형성시키기 위하여, 상기 고체 산화물 전해질 시트의 두께를 통해서 일명 바이어(vias)를 채우고 횡단하는 전기 전도성 단편으로 형성된 전기 전도성 상호연결은 전기적으로 직렬로 상기 시트상의 애노드-캐소드 쌍에 연결될 수 있다.

주요 측면에 있어서, 본 발명은 전술한 바와 같은 패킷 요소상에 기초한 고체 산화물 연료 셀용 전력-발생 조립체에 관한 것이다. 상기 패킷 요소는 하나 이상의 탄성 고체 산화물 시트 섹션에 의해 적어도 부분적으로 형성된 밀봉 내부를 갖는다.

상기 조립체로부터의 전력은 상기 밀봉 내부내에 배치되어 탄성 고체 산화물 시트 섹션의 표면에 면하는 내부상에 지지되는 복수의 애노드를 통해서 발생되며, 상기 시트 섹션은 상기 시트 섹션의 외부 표면에, 맞은편에 지지된 복수의 캐소드를 갖는다. 상기 캐소드 및 애노드는 상기 패킷 조립체의 활성 전기-발생 영역을 결정짓는 전극 겹침의 정도로 상기 시트의 맞은편 면상에 일반적으로 각각 맞은편의 위치에 위치된다.

또한, 이러한 전력-발생 조립체의 부분으로서 수소와 같은 연료 가스를 상기 패킷의 밀봉된 내부에 공급하기 위한 연료 운반 도관과 같은 연료 운반 수단이 포함된다. 상기 애노드 및 캐소드에 전기적으로 연결된 전기 도전 전류-운반 수단은 또한 통상적으로 상기 조립체로부터 전기 전류를 끌어들이기 위하여 제공된다.

또 다른 측면에서 본 발명은 적층된 전력-발생 연료 셀 배열 또는 연료 셀 스택내에 조립되는, 기술한 바와 같은 다중 전력-발생 패킷을 포함하는 고체 산화물 연료 셀(SOFC) 스택을 포함한다. 이러한 스택 디자인에서 각각의 패킷은 복수의 셀 및 상호연결을 갖는 2개의 다중-셀-시트-전력 요소를 포함하는 서브-스택을 형성한다. 따라서 이로부터 제공되는 상기 전력-생산 서브-스택은 실질적인 전압 및 전력을 생산할 뿐 아니라, 모든 다중-셀-시트 전력 요소 또는 지지 전기 또는 가스 분포 구조물의 전기적 고장시 용이하게 대체된다.

이러한 연료 셀 스택의 구조는 각각의 패킷 요소의 밀봉 내부가 강체(rigid) 또는 반강체 프레밍 요소의 맞은편 다중-셀-시트 전력 요소를 엣지-봉합함으로써 형성되는 패킷 또는 서브스택 디자인을 이용하는 본 발명에 따라 용이하게 구조화 된다. 따라서, 이러한 디자인에서 각각의 서브-스택은 복수의 전력-발생 애노드 및 캐소드를 지지하며, 각각의 프레이밍 요소는 상기 다중-셀-시트 연료 셀 디바이스를 물리적으로 지지할 뿐만 아니라, 상기 스택 연료 셀 배열내의 각각의 서브-스택에 연료 및 산화 가스를 공급하고 방출하기 위한 도관 수단을 한정한다.

본 발명은 다음 도면을 참조로 더욱 상세히 이해될 수 있을 것이다.

도 1-1b는 본 발명에 따른 SOFC 패킷의 평면도 및 측면도를 나타낸 도면이다.

도 2-2b는 본 발명에 따른 프레임된 SOFC 연료 패킷의 평면도 및 측면도를 나타낸 도면이다.

도 3은 도 2-2b의 기본 패킷 디자인에 기초하여 프레임된 SOFC 연료 패킷을 확대하여 나타낸 도면이다.

도 4는 패킷 조립체의 선택된 요소를 확대하여 나타낸 도면이다.

도 5는 도 4의 패킷 조립체의 투시도이다.

도 6은 도 5에 나타낸 패킷 조립체를 포함하는 연료 셀 패킷 스택의 투시도이다.

도 7은 조립된 연료 셀 패킷 스택을 나타낸 도면이다.

도 8은 연료 패킷 프레임의 투시도이다.

도 9는 패킷 조립체용 공기 프레임의 투시도이다.

도 10은 연료 패킷 조립체의 연료 챔버를 통한 가스 흐름 속도를 도시한 그 래프이다.

도 11은 제1프레임-지지 연료 패킷의 봉합부를 나타낸 개략도이다.

도 12는 제2프레임-지지 연료 패킷의 봉합부를 나타낸 개략도이다.

도 13은 연료 셀 패킷 조립체로부터의 파워 출력을 도시한 그래프이다.

도 14-14c는 스템프된 프레임 패킷 조립체의 개략도를 나타낸 도면이다.

도 15는 선택적인 스템프된 프레임 패킷 조립체를 나타낸 개략도이다.

종래의 방법에 의해서 연료 셀 요소 디자인에 대한 모듈러스 패킷 접근으로 얻을 수 있는 이점은 거의 없다. 편평한 플레이트 전해질을 사용하는 종래 디자인과 대조적으로, 상기 연료 가스 공급 및 공기 공급 사이에 요구되는 어떠한 세퍼레이터도 없다. 효과적인 연료-공기 분리는 상기 전해질 시트 및 상기 시트의 어느 하나의 면상의 전극을 연결하는 기밀(gas-tight) 바이아 도관에 의해 대신 달성된다. 이러한 간략화는 가스 챔버의 수를 감소시키며 절반을 봉합하여 신뢰성을 상당부분 높인다. 덧붙여, 본원에서 기술되는 바와 같이 디자인된 각각의 패킷은 개별적으로 테스트되어 다중-조립체 연료 셀 스택내로 유합되기 전에 그 성능을 결정할 수 있다.

다음에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 패킷 조립체내에 유합되는 다중-셀 시트 디바이스는 각각의 스택으로부터 유용한 전력 출력을 달성하기 위하여 필요한대로 봉합될 수 있다. 일반적으로 20볼트 또는 최대 출력에서 보다 높은 전류에 대해 바람직한 보다 높은 전압으로 10 이상의 와트, 좀 더 바람직하게 는 25 이상의 와트 또는 50와트를 초과하는 패킷 출력이 사용된다. 일반적으로, 상기 디자인의 팻킷들은 최소한 700℃를 초과하는 작동온도에서 다수(적어도 5)의 열순환이후에 상기 수준의 전력 출력을 유지하게 된다.

다른 프레임 디자인들을 본 발명에 따른 팻킷 조립체의 제조에 유용하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 기계 금속부, 또는 분쇄 금속 플래밍으로 제조된 플레밍을 사용할 수 있다. 또한, 금속 및/또는 세라믹(유리, 유리-세라믹 및/또는 세라믹) 물질이 유합된 라미네이트된 프레임 또는 플레밍 요소를 전해질 시트에 어울리는 보다 우수한 열팽창을 위해서 또는 팻킷 조립체 또는 팻킷 스택의 다른 요소와 보다 나은 호환성(compatibility)을 갖도록 사용할 수 있다.

내산화 코팅제를 금속 플레밍 요소 또는 이의 적당한 부분에 적용하여 사용 중 금속 산화 및/또는 연료 셀 오염을 줄일 수 있다. 구체적으로, 상기 코팅제는 셀에서 지지 전극으로 크롬 수송을 지연시키거나 방지할 수 있다. 적합한 코팅제의 예는 바나데이트, 니오베이트 및 탄탈레이트로 이루어진 군으로 부터 선택된 하나 이상의 화합물을 포함한다. 또한 산화니켈, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화실리콘, Y 및 Sc와 같은 희토류 산화물, 산화칼슘, 산화바륨 및/또는 산화스트론튬으로 이루어진 군으로 부터 선택된 산화물 형태가 코팅제로 적합하다.

프레밍 요소의 리세스(recess)는 팻킷 구조에서 사용되는 필수적인 밀봉재료또는 선택적인 단열재에 간극(clearance)을 제공하는 데, 예를 들어, 전해질 시트 엣지를 프레임에 밀봉하기 위해서, 열손상으로 부터 상기 시트를 보호하거나, 기계적 스택 상호연결부에 간극을 제공하기 위해서이다. 플레밍 요소의 파형 또는 곡률(curvature)은 팻킷 또는 스택의 가열 또는 냉각 중 발생할 수 있는 치수 변화를 수용할 수 있게 한다.

프레임 리세스 또는 절연재의 사용은 팻킷 조립과 조립체 스택내의 열구배 제어를 위한 효과적인 수동 장치를 만들게된다. 보다 깊은 수준의 상기 리세스로 엣지-밀봉된 전해질 시트에서 다수의 리세스 수준 사용은 매우 효과적이다. 선택적으로, 프레임 개방부에서 연료 챔버로 전해질 시트와 프레임사이에 증가된 공간을 제공하는 리세스 디자인의 프레임을 사용할 수 있다. 시트와 프레임사이의 리세스에 절연체가 사용되는 부분에서, 프레임 개방부로 부터의 공간을 증가시킴에 따라 상기 절연체의 두께를 감소시킬 수 있다.

프레임된 팻킷 조립체내의 열 응력을 제어하기 위한 다른 방법은 프레임 또는 다중-셀 시트 디바이스에서 곡률을 사용하여 응력 탄성을 개선시키는 단계를 포함한다. 프레임의 경우, 다중-셀 시트 조립체의 프레임과 전해질 시트사이에 파형 금속 섹션의 삽입(interposition)은 바람직하다. 상기 섹션은 얇은 프레임 내선(extensions) 및 분리 프레밍 요소를 포함할 수 있다. 상기 파형 사용은 단일-축 또는 2-축 변형 릴리프(relief) 패턴, 동심 변형 릴리프 패턴, 또는 방사형 변형 릴리프 패턴을 제공한다.

전해질 시트 및/또는 다중-셀 시트 디바이스의 곡률 또한 효과적이다. 상기 조립체에서, 모든 프레임 물질, 다중-셀 시트 디바이스 조성물, 프레임에 전해질 시트를 엣지-밀봉하기 위해 사용되는 물질, 상기 엣지 밀봉에 사용되는 밀봉 온도, 상기 프레임의 열팽창계수, 디바이스 또는 밀봉재, 및 이들의 모든 조합은 최종 팻 킷 조립체에서 전해질 시트에 곡률을 분배하도록 존재할 수 있다. 바람직하게, 시트에 분배된 곡률은 전해질 시트의 중간점에서 이의 밀봉 주변까지 측정한 높이 대 길이비를 갖는데 이는 1 :600 내지 1 : 6의 범위, 또는 약 50 내지 100마이크론 깊이이다. 곡률을 대신하여, 파형 또는 엣지-파형 전해질 시트를 사용할 수 있다.

팻킷 조립체가 연료 셀 장비를 위해 팻킷 스택을 형성하도록 결합되면, 상기 스택에 공기와 연료 가스를 공급하기 위한 매니폴딩(manifolding)이 제공된다. 상기 매니폴딩은 프레밍 조립체의 내부 또는 바람직하게는 이의 외부에 위치하고, 내부 및 외부 공기 및/또는 연료 매니폴딩의 조합을 사용할 수 있다. 추가적으로, 일부 디자인에서는, 상기 팻킷 또는 팻킷 스택을 인클로져(enclosure) 또는 컨테이너로 둘러싸서 조립체를 빠져나가는 모든 공기 또는 연료 가스를 트랩하여 재활용할 수 있다.

공기 및 연료 유속과 압력은 스택의 효과적인 작동이 보장되도록 바람직하게 조절된다. 압력 펄스 또는 흐름 방해로 부터 시스템 응력을 피하기 위해서, 벨로스(bellows) 또는 다른 압력 펄스 절감 디바이스를 스택 디자인에 포함시킬 수 있다. 다중-셀 시트 디바이스의 엣지를 따른 흐름 제어 수단이 또한 시스템의 압력 펄스 효과를 최소화시키는 데 도움을 줄 수 있다.

다중-셀-시트 디자인을 기초로 한 모듈 연료 셀 팻킷(10)의 기본적인 구조를 도 1 내지 1b에 나타내었으며, 도 1은 상층 평면도이고 도 1b은 팻킷의 측면도이다. 상기에서 보이는 구조는 부분적으로 안정화된 지르코니아 전해질 시트(12)상에 지지된 네개의 셀, 상기 셀은 은/팔라듐 합금 전해질(16-16a)의 4개쌍을 포함하는 셀-시트 디자인이다. 상기 전해질 시트는 하나가 아닌 모든 엣지를 따라서 제1 지르코니아 뒷면(backing) 시트까지 엣지-밀봉되었고, 상기 밀봉은 통상적인 가열-소결되는 세라믹 밀봉 조성물로 형성된 기밀 밀봉(18)이다.

상기 디자인에서 전해질 시트에 부착된 각각의 합금 전극쌍(16-16a)은 내부 연료 전극 또는 애노드(16)와 외부 공기 전극 또는 캐소드(16)를 포함하며, 이들은 시트의 반대면상에 대개는 겹쳐서 위치하고 있다. 상기 애노드-캐소드 전극 쌍은 시트의 내부 또는 연료면상의 각 애노드의 연장된 엣지로 부터 시트의 공기면상에 연속적으로 이웃하여 계속되는 캐소드의 연장된 엣지까지 시트를 가로지르는 전기 전도 금속 합금 바이아(20)를 통해 연속적으로 연결되었으며, 도 1b에 잘 나타내었다.

팻킷의 한 엣지는 세라믹 밀봉 조성을 갖는 지르코니아 시트에 부착된 긴 섬유형태의 알루미나 매트(24)로 형성된 벤팅(venting) 봉합(22)이 도입되었다. 내부 연료 전극(16a)으로 연료 가스를 공급하는 수단은 길이를 이의 길이를 따르는 다수의 가스 운반 개방구(26a)를 포함하는 유공철강 운반관을 포함한다. 단순화된 구조에서 상기 팻킷은 단지 하나의 다중-셀 시트를 도입시켰으나, 유사하게 지지된 지르코니아 전해질 시트상에서 안으로 마주한 애노드와 외부에서 마주한 캐소드를 갖는 제2 다중-셀-시트 조립체로 교체된 지르코니아 뒷면 시트로 구성된 디바이스를 또한 제조할 수 있다.

상술한 다중-셀-시트 SOFC 디자인은 각 다중-셀 시트 디바이스로 부터 유용한 전력을 빨리 생성시킬 수 있는 전압을 이룰 수 있는 능력을 포함하는 상당한 전 력-발생 이점을 갖는다. 예를 들어, 100개의 전극 쌍, 0.5W/㎠의 최대 전력 밀도와 500㎠의 활성 셀 면적을 갖도록 주어진 시트는 ∼50V 및 5A에서 250W의 전력을 생성할 수 있다. 상기의 비교적 높은 전압 수준에서 전력 출력은 비교적 저렴한 리드(leads), 예를 들어 작은 단면의 와이어를 사용할 수 있는데, I²R 손실이 최소화되기때문이다.

다중-세포-시트 연료 셀 디자인의 구체적인 이점은 큰-활성-면적 시트의 제조를 단순화시키는 평면을 통한 상호연결 구조에서의 고유한 확장성(scalability)이다. 상기 큰-면적 시트의 전압-형성능력은 각 팻킷에서 비교적 적은 전력 리드의 사용을 가능하게 하고, 따라서 작은 리드의 비교적 큰 전력 요소를 개별적인 전력 요소의 리드간의 연결을 통해서만 큰 전력 스택에 통합시킬 수 있다. 팻킷 전력 요소의 상호연결에 중요한 구조적 연결이 필요치 않으므로, 적절한 디자인을 갖는 물리적으로 분리가 쉽고 연료 셀 스택으로 부터 개별 전력 요소를 제거하고 교체가 쉬운 본질적으로 "자립형" 전력원으로 취급할 수 있다.

상기에 언급한 바와 같이, 모듈 SOFC 스택 구조는 적합한 유리, 금속, 복합체 또는 다른 봉합재를 매개로 기계적으로 지지된, 예를 들어, 강체 또는 반강체의 프레밍 요소에 고정된 대립 다중-셀-시트 디바이스로 이루어진 엣지-밀봉 또는 근접-엣지 밀봉 팻킷을 사용하여 단순화되었다. 상기 프레임은 공기를 채우기 위한 팻킷사이에 개방 공간을 제공하여 팻킷 캐소드에 대한 공기 접근을 촉진시킨다. 바람직하다면, 상기 프레임은 팻킷의 내외부면에 가스를 공급하기 위한 연료 및/도는 공기 도관을 수용할 수 있는 적절한 봉합을 갖는 내부 매니폴딩을 수용할 수 있다. 따라서 프레임내의 채널은 연료 셀 스택내의 다중 프레밍된 팻킷사이에 가스 매니폴드 상호연결을 제공하기에 적절한 단순한 외부 매니폴딩을 갖는 튜브 또는 다른 도관을 통해서 팻킷을 들어가고 나가는 수소 함유 연료 가스의 도입 및 방출을 촉진시킨다. 이는 다시 전력 발생 팻킷 조립체가 예정된 크기와 전력 출력을 갖는, 어떤 경우에는 전체 스택을 공급하는 단일한 연료, 공기 및 방출선을 갖는, 보다 큰, 내부에 매니폴드된 SOFC 스택으로의 조립되도록 촉진시킨다.

상기의 조립체를 사용한 프레임된 다중-셀-시트 팻킷 디자인의 실례를 도 2 내지 2b에 나타내었다. 도 2의 구체적으로 설명하면, 내화성 철 금속 합금으로 형성된 프레임 요소(30)는 디자인과 구조가 실시에 4의 전극/시트 모듈의 디자인과 구조와 유사한 제1 10-셀 전극/시트 모듈(32) 및 상기 프레임의 맞은면에 부착된 동일 디자인의 제2 시트 모듈(32a)을 포함하는 연료 셀 팻킷의 지지대로 제공된다. 각 시트는 밖으로 마주한 캐소드 배치(34)와 프레임 및 부착 시트로 형성된 연료 챔버(8)와 마주한 애노드 배치(34a)를 갖는 엣지 봉합(44)을 통해 프레임에 엣지-밀봉된다.

플레밍 요소(30)를 통해 공기 도관(36)과 연료 도관(38 - 38a)이 제공되고, 상기 도관은 공기와 연료를 팻킷 조립체(시트와 프레임)에 제공하도록 매니폴드 성분으로 작동된다. 상기 공기 도관(36)은 내부 면 포팅(porting)없이 프레임 요소(30)를 가로질러서, 공기 또는 산소 흐름이 이에 대한 접근없는 통로화되어 지나는 연료 챔버(8)이다. 연료 도관(38-38a)은 다중-셀-시트(32 및 32a)사이의 연료 챔버(8)를 통해 연료 가스 흐름이 통로화되어 있다. 이러한 상기 도관 배열로, 도관(38)을 통해 챔버(8)로 들어가는 연료 가스는 화살표(5) 방향으로 챔버를 가로지고, 여기서 연료 산화가 발생하고, 소비 연료 부산물이 방출 도관(38a)을 통해 연료 챔버(8)로 부터 방출된다.

도 2 -2b에 기술된 프레임-지지 팻킷을 사용한 팻킷 또는 연료 셀 스택의 구조는 프레임된 팻킷을 쌓는 것 만큼 단순하며, 각 팻킷의 양쪽면상에 노출된 캐소드에 공기 또는 산소 접근을 허락하도록 중간 프레임 또는 스페이서를 통해 이웃과 분리된다. 구체적으로 산소 또는 다른 산화제를 캐소드 표면에 공급하는 곳에서, 세퍼레이터는 챔버에 산화제를 운반하기 위해 제공되는 외부 또는 내부 매니폴딩을 갖는 산화제 챔버를 형성하기 위해 둘러싸인 "공기" 프레임으로 이루어진다. 선택적으로, 각 팻킷은 팻킷 프레임의 한쪽 또는 양쪽 표면상에 내장되고, 매니폴드된 공기 프레임 구조가 제공되어 인접한 팻킷으로 부터 분리된다.

상술한 팻킷 및 팻킷 배열은 다양한 이로운 디자인 원리를 반영한다. 우선, 다중-셀-시트 연료 셀 배치를 사용한 팻킷 스택 접근은 양극 매니폴딩이 요구되지 않는다. 디바이스의 쌍은 서로 또는 유리, 유리-세라믹, 금속, 유리-금속, 또는 도성합금 계 밀봉재를 사용한 프레임 또는 엣지 지지대에 밀봉되고, 본질적으로 강체 봉합으로 밀봉된 연료 "챔버"를 형성시킨다. 두개의 디바이스는 잘 결합되어 디바이스 사이 및 선택적인 프레임을 갖는 두개의 디바이스 사이에 연료 챔버가 존재한다. 이는 일반적인 상호연결 구조와 추가적인 공기/연료 세퍼레이터에 대한 요구를 제거시킨다.

상술한 바와 같이, 상기 팻킷 프레임은 가스와 공기를 위한 분포(distribution) 매니폴드를 함께 제공하는 내부 채널을 갖는다. 연료 또는 공기 공극에 접근할 수 있는 분포 채널에 구멍(orifices)을 갖는, 말단 플레이트에 부착된 내부 또는 외부 플레넘으로 부터 상기 분포 채널에 가스가 공급된다. 따라서 상기 팻킷은 스택으로 쉽게 조립되고 테스트 또는 수선을 위해서 쉽게 분해되며, 동시에 스택을 통한 공기 및 연료의 분포가 성분 프레임의 외형을 통해 보장된다.

본 발명의 팻킷 및 스택 디자인의 다른 특성은 디바이스의 작동 응력을 제한하는 데 중요한 역할을 한다. 상기 디바이스를 사용하는 과정에서 발생하는 주요 응력은 열-기계 및 압력-차이-유도 응력을 포함하며, 전자는 디바이스 시동 및 멈춤 동안 특히 문제가 된다. 열-기계 응력원은 팻킷 성분사이의 열팽창 불일치, 열지연(열량때문에 디바이스의 나머지 부분보다 느리게 프레임이 가열된다), 및 디바이스 작동에 의한 열구배를 포함한다. 누수 또한 열기계적 응력원일 수 있는데 바람직하지 않은 연료 연소는 국부적인 열점 또는 일반적인 가열을 야기한다.

디바이스를 가로지르는 최대 온도 차이는 공기 및 연료 가스에 대한 역류-분포 구성을 도입하여 효과적으로 감소시킬 수 있다. 상기 구성은 팻킷의 방전 말단에 대해 최고 팻킷 온도를 물리적으로 이동시킨다. 팻킷을 가로지르는 최도 온도 차이의 최종 감소는 보다 좁은 작동 온도 윈도우의 유지를 촉진시키고 따라서, 셀 성능을 최고화시키고 물질 분해를 최소화시킨다. 이는 과열 셀 작동에 의해 해로운 영향을 받는 은 또는 다른 물질이 유합된 전극 디자인에 도움을 준다. 또한, 팻킷 구석에서 최고 온도를 피하는 것은 팻킷의 다중-셀-시트 적극 배치의 파열과 같은 바이어스 기하학적 디자인 계량을 제어하는 것을 특히 어렵게 하는 2-축 응력을 감소시킨다.

역류 디자인의 다른 이점은 시트를 가로지르는 보다 균일한 전기화학적 구동력을 제공하는 것으로, 이는 막을 가로지르는 산소 분압이 최대인 공기 입구 팻킷 말단에서 연료가 감소되기 때문이다. 역류 디자인은 또한 스택의 입구 및 출구 영역에서 두가지 기능이 가능하므로 비용 절감 가능성이 있다.

상기 디바이스에서 열기계적 응력 감소를 위한 몇가지 방법중 하나이나, 다중-셀-시트 디바이스의 파형 또는 다른 적절하게 디자인된 기하학적 특성은 응력 조절을 위한 중요한 수단이다. 그룹으로, 상기 기하학적 특성은 다중-셀 시트의 오일러 버클링을 촉진시키는 것으로 특징될 수 있다. 공지된 바와 같이, 오일러 버클링은 압축 하중(또는 플레이트의 경우 평면 전단)에 대한 플레이트 또는 빔의 반응이고 흼응력에 적용될 응력을 전환시킨다. 만곡반경이 임계 만곡반경보다 크게 유지되면 플레이트는 파쇄되지 않고 총응력은 효과적으로 제거될 수 있다. 전해질 파형에 의해 촉진되는 오일러 버클링은 다중-셀 시트 디바이스의 평면 응력을 제거하는 데 특히 효과적인데 이는 평면 장력 또는 압축을 감소시키고 열유도응력이 최대가 되는 프레임 평면의 변형 내성(tolerance)을 증가시키기 때문이다.

물론 상기 디바이스는 완전히 적용된 변형이 없도록 유지키는 것이 바람직하며, 버클링이 응력 릴리프의 주형태이도록 압착상태로 유지시켜야한다. 이는 평면 비-파형 시트의 버클링은 순수하게 장력이 적용된 응력을 경감시킬 수 없기 때문에 중요하다. 일정 수준의 버클링 유지와 상술한바와 같이 금속 프레밍을 기초로 한 팻킷에서 시트 압축은 프레임에 시트의 결합이 디바이스의 상술한 최대 작동 온도에서 수행된다면 바람직하다. 이러한 방법으로 상기 고팽창 프레임의 열팽창은 상기 온도에서 셀 작동동안 세라믹 다중-셀-시트를 장력이 가해지지 않게 된다. 바람직하게, 본 발명에 따른 팻킷 구조에서 사용되는 금속 프레임은 적용된 전해질의 동일 계수보다 적어도 같거나 최대 1.5ppm/℃ 높은 열 팽창의 평균 선형 계수를 갖게된다.

버클링을 일정 수준으로 유지시키는 것 이외에, 버클링 시트 섹션의 곡률 반경을 최대화하여야하고 가능하면 복합 곡률을 최소화시켜야한다. 두 치수에서 얇은 플레이트의 버클링 이론이 완전하게 확립되지 않았으나, 급격한 곡률 반경(완전하게 사각형 모서리와 같은)을 부여하는 디자인 요소는 피하는 것이 바람직한데, 버클링을 제한하거나, 보다 높은 빈도의, 보다 작은 곡률 버클링 모드를 부여하는 디자인 변수이기 때문이다. 한편, 다중-셀-시트 디바이스와 팻킷 프레임간의 밀봉 디자인에 대한 밀봉 구조와 프레임 구조 변수는 상기 다중-셀 시트 디바이스에 버클링 오목면 또는 볼록면을 의도적으로 미리-나뉘도록 선택된다. 급격한 방향 변화가 없는 부드러운 곡선을 잇는 밀봉 경계의 사용이 도움을 주더라도, 이는 응력 감소를 위한 버클링 수단의 효율성 및 예측성을 상당히 개선시킨다.

미국특허 제6.045,935호는 고체 산화물 연료 셀 디자인에서 파형 세라믹의 사용에 적용할 수 있는 디자인 원리와 동일한 기본 디자인 원리로 유도된 다중-셀-시트 디바이스에 대한 현재의 디자인에 대해 개시하고 있다. 일반적으로, 디바이스 가 얇을수록, 응력 감소를 위한 버클링 기전이 보다 효율적이다. 이는 세라믹 필름과 같이 얇은 플레이트의 휨하에서 휨 반경을 제한하는 임계 결함의 크기가 두꺼운 플레이트보다 매우 크다는 사실에 기인한다. 사실 디바이스의 임계 휨반경을 수용할 수없을 만큼 감소시키지 않고 전해질 시트를 통해서 비교적 큰 동심 바이어 홀을 사용가능하게 하고, 지지 금속 팻킷 프레임에 시트 디바이스를 결합하기 위해 연성 보다는 강체 봉합을 사용가능하게하는 것은 다중-셀-시트 디바이스의 얇은 단면이다. 그럼에서, 최근 이용가능한 시트 제조물질에서, 응력 감소의 효율적인 수단으로 버클링을 보전하는 것은 일반적으로 50마이크론을 초과하지 않는 전해질 두께 및 150마이크론을 초과하지 않는 전극 두께가 요구된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 다른 팻킷의 제조를 위해 선택된 물질은 적절한 열팽창 계수를 갖는, 바람직하게는 부착된 다중-셀-시트 디바이스를 약간 압축 상태로 두는 것을 선택해야한다. 이는 이용가능한 다양한 고체 물질 중 하나 또는 선택적으로 혼합 프레임 조성물이나 스탬핑 또는 포징(forging)등의 방법으로 형성된 두껍거나 얇은 프레임-형성 플레이트의 라미네이트를 포함하는 물질 혼합물로 부터 프레임 제조를 가능하게 한다. 적절한 프레임 제조 방법은 분말 금속학 공정 또는 유리나 세라믹 프레밍 멤버의 경우, 통상적으로 용융, 주조, 압착, 소결, 또는 이의 동등물을 포함하는 통상적인 세라믹 공정 기술을 포함한다. 유리, 세라믹, 또는 다른 비금속 프레임 또는 프레임 성분은 프레임의 낮은 열 전도성이 내성이 있거나 바람직한 경우에 선택된다. 금속 라미네이트로 형성된 프레임 멤버는 열 특성(CTE 등) 또는 화학적 특성(내구력 등)을 맞추어서 만드는데 유용하다. 지르코니 아 지지체 및/또는 알루미나 섬유 매트를 낮은 열 전도성 또는 개선된 내고온산화성이 바람직한곳에서 사용될 수 있으나, 바람직한 프레임은 금속이다.

스탬프된 얇은 금속 플레이트는 일반적으로 경제적이고 3차구조(릴리프)로 형성되어 가스 도관 및/또는 가스 팽창 챔버가 형성된 프레임의 내부 부분으로 플레이트 적층에 포함된다. 플레이트의 릴리프는 열교환 또는 정확한 스태킹과 가스 흐름을 위한 구조를 추가적으로 형성할 수 있다.

얇은, 저열량 프레임의 사용은 프레임과 디바이스 사이에 추가적으로 감소된 열지연 장점과 빠른 전체 시스템 가열을 제공한다. 두껍고 얇은 플레이트, 스탬프된 성분, 및 삽입물(inserts)을 라미네이트된 플레이트로 형성된 입구 및 단일층 플레이트로 형성된 엣지 프레임과 같이 다양한 조합으로 적용시킬 수 있다. 프레임 또는 프레임 성분용 삽입물을 특히 정확한 기하학적 내성이 요구되는 부분에 사용할 수 있다. 예를 들어, 가스 입구 관은 각각의 팻킷으로 균일한 가스 흐름을 보장하도록 정확하게 형성되어 이점을 얻는다. 팻킷 사이의 밀봉은 또한 삽입물로 부터 이점을 얻는다. 프레임은 또한 얇은 파형 영역과 같이 압력 펄스의 영향을 완화시키도록 디자인된 탄성 구조를 함유한다.

얇은 스탬프된 프레임의 사용은 기계 가공 비용을 최소화시키고 금속이 아닌 공기로 공간을 채울수 있는 비용 효율적 접근법이다. 즉, 절연 및 하우징 비용이 어느정도 높더라도, 보다 큰 챔버 단면을 상당한 매니폴딩 비용의 발생없이 적용시킬 수 있다.

본 발명에서 기술한 스택을 위한 각 팻킷이 종종 단일 세트의 다중-셀-시트 디바이스만을 포함하더라도, 디바이스의 복수 쌍은 선택적으로 단일 프레임 멤버와 결합될 수 있다. 대부분 통상적으로 이는 단일 프레임에 제공된 분리 "윈도우"에 다중 디바이스를 밀봉시켜 수행된다. 이러한 팻킷용 프레임 멤버는 바람직하게 프레임의 각 "윈도우"용의 분리 매니폴딩 또는 공급탱크를 포함하며, 상기 윈도우는 서로 다른 것과 분리되어진다. 이러한 모듈 접근법은 프레임에서 다중-셀 시트 디바이스 중 하나의 크랙 또는 다른 물리적 손실에서 스택 손상 가능성을 최소화시킨다.

프레밍 멤버의 구성을 위한 가장 편리하고 경제적인 금속 조성물들은 열적으로 견고하고 연료 셀 전해질 시트에 맞게 적절하게 팽창되는 니켈계 합금 및 철 합금이다. 플랜시™합금 및 고크롬강이 이러한 금속 합금의 대표적인 예이다. 스테인레스강 합금은 중간 온도(∼800℃ 이하)에서 작동되는 고체 산화물 연료 셀 스택을 위해 특히 좋은 구조 물질이다. 실시예에 의하면 타입 430 및 446 스테인레스강과 같은 고크롬 합금 스테인레스강이 매우 적절하였다.

물론 팻킷 구성에서 사용되기 위해 선택된 프레임 물질이 시간에 걸쳐 디바이스 성능을 감소시키는 알카리, 불소, 실리카, 크롬, 또는 다른 종류의 원치 않는 불순물로 스택 작동 온도에서 작용하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 프레임 물질의 크롬에 의한 셀 오염과 유사한 문제는 니켈-바나듐 및 니켈-니오븀 옥사이드 프레임 코팅과 같은 방법의 사용을 통해서 나타날 수 있는데, 이는 실질적으로 크롬 형성에 대한 타입 420 스테인레스강 합금의 저항성을 개선시켰다. 선택적으로, 실리카 계 유리 또는 유리-세라믹 코팅을 적용하여 크롬을 부동태화시킬 수 있는데, 이는 특히 휘발성이 있는 크롬 종류보다 실질적으로 덜 휘발성을 갖는 팻킷의 공기면에서 유용하다. 무전기(electroless) 플레이팅을 통해 증착된 니켈계 코팅이 특히 좋으며: 니켈-니오븀 코팅은 일부 적용분야의 산화물 코팅에서 매우 탁월하게 나타났다.

팻킷 프레밍 요소로 라미네이트된 구조의 사용은 추가적인 열팽창 제어 장점을 제공하는데, 즉, 비교적 광범위한 온도 범위에 걸쳐서 다중-셀-시트 디바이스에 열팽창을 유사하게 맞춘다. 적절한 디자인으로, 대상 값을 일괄하는 팽창 계수를 갖는 금속을 선택하여, 바람직한 조성 CTE를 갖는 두개(또는 그 이상) 금속의 라미네이트를 제조할 수 있다. 주어진 금속 세트에서, 금속의 상대적 두께는 라미네이트의 팽창 계수를 미조정하여 다양화할 수 있다. 단지 디자인 선택의 제한은 팽창중 시트의 평면성을 유지하기 위한 두께의 중심에서의 라미네이트 응력 대칭이다. 이러한 목적으로 각 금속 두께는 바람직한 프레임 팽창 계수 CTE, 및 각 금속의 팽창계수 및 영의 계수(Young's moduli)를 기초로 결정된다.

팻킷 프레밍 구조로 사용될 수 있는 특정 라미네이트의 예로는 코바?합금 및 니켈코어와 코바?합금 표면 층을 포함하는 니켈의 라미네이트이다. 25-800℃ 범위의 온도에 걸쳐서 11.5ppm/℃의 평균 선형 열 팽창 계수를 나타내도록 산출된 층 두께로 디자인하여, 실질적으로 모든 범위에 걸쳐 대상 평균 계수를 얻었다. 상기 범위(450℃미만)의 보다 낮은 말단에서 약간 낮은 팽창과, 위 말단에서 약가나 높은 팽창은 코바?합금의 비선형 팽창에 기여하였다. 이러한 효율은 필요하다면 보다 선형 열 팽창 양태를 갖는 금속 또는 합금을 사용하여 개선히킬 수 있는 반 면, 이와 같은 라미네이트의 열 내구력은 열 팽창 양태가 서로 보다 밀접하게 맞는 팽창-일괄(bracketin) 금속의 선택을 통해 개선시킬 수 있다.

라미네이트된 프레임 요소의 사용하여 얻는 다른 장점은 라미네이트 외층으로 상당한 불활성 금속의 사용을 통해서 금속/세라믹 전해질 및 금속/전해질 상호작용을 방지하는 능력을 포함한다. 이러한 중층은 라미네이트 층을 기초로 하여 셀 오염을 효과적으로 막을 수 있다. 프레임 멤버와 다중-셀-시트 디바이스의 개선된 결합은 또한 세라믹 밀봉 물질에 강화된 결합을 제공하는 표면 층의 선택을 통해 촉진된다.

고체 산화물 연료 셀 디자인에서 밀봉의 주요성은 이미 잘 알려져 있다. 연료 셀의 캐소드 면 "작업"면으로 연료의 배출을 피할 수 있더라도, 팻킷 내부의 연료 챔버로 공기의 누수를 방지하도록 봉합은 매우 중요하다. 즉, 연료/애노드 봉합은 특히 견고함이 요구되나, 공기/캐소드 봉합은 완전밀봉일 필요가 없으며, 사실 디자인은 팻킷의 공기면상에 거의 최소로 밀봉에 제공되거나 제공되지 않게 계획된다. 공기/캐소드 밀봉 디자인은 단순히 공기로 가압된 밀봉 또는 반-밀봉된 하우징으로 스택 조립체를 둘러싸는 것을 포함하며, 팻킷으로 부터 공기의 손실만이 하우징으로 부터의 공기 누수를 통한다. 이러한 접근법의 부가적인 장점으로는, 이러한 종류의 외부 인클로져(enclosure)는 스택의 열 처리에서 유용한 역할을 한다.

각 팻킷내의 애노드 배치로 부터의 공기 배출을 위해 중요한 봉합은 각 다중-셀-시트 디바이스와 여기에 부착된 프레임 구조사이에 제조된다. 상기 봉합에 인접한 프레임 구조는 사실 스택 작동중 팻킷내에서 나타나는 열구배로 부터 발생 되는 봉합 응력을 제어하는 데 중요한 역할을 한다. 상기 디바이스의 얇은 세라믹 전해질 시트를 보다 높은 열량, 열 전도성, 또는 열용량의 프레임에 연결하여 밀봉하기 위해 가장 효과적인 것은 열적으로 구배된, 내열충격이 연결된 디자인이다.

시트-프레임 봉합 자체를 형성하기에 유용한 물질은 호환 또는 물리적으로 비호환되는 금속 및 세라믹 물질과 함계 결합되기 위해 당 분야에서 알려진 다양한 유리, 유리-세라믹, 금속, 유리-금속, 그레이디드 금속 유리, 그레이디스 금속 세라믹 봉합을 모두 포함한다. 그러나, 응력을 제한하는 봉합 팽창 및 기계적 특성을 등급메김하는 것은 매우 바람직하다. 적절한 그레이디드 봉합의 예는 프레임의 모든 금속부터 중간 두께에서 금속/유리 혼합물에서 다중-셀-시트 표면의 모든 유리, 모든 세라믹 또는 모든 유리 세라믹 조성물이 한 등급이다. Duralco 230시멘트와 같은 열-경화 복합 시멘트는 사용할 수 있는 혼합 금속/유리 조성물의 일례이다.

연결 디자인 특징은 추가적으로 다중-셀-시트 디바이스의 엣지, 셀 시트/프레임 경계면의 조성물 또는 형태, 및/또는 프레임 자체의 조성물의 변형을 포함한다. 시트/프레임 경계면에서 열 구배를 제어하기 위해 특히 유용한 기술은 프레임 조립체 자체에 프레임/시트 연결구를 오목하게 놓아서, 시트 엣지의 온도를 주변 프레임부분의 온도와 보다 근접하게 맞추게 된다. 이러한 접근법의 예는 도 11 및 12의 도면에 나타내었는데, 여기서 각각의 프레임 조립체(203 및 203a)의 리세스는 프레임 조립체의 요소에 의해서 전해질 시트(214 및 215) 엣지의 정해진 너비의 돌출을 야기한다. 최고의 효율을 위해서, 이러한 리세스는 평면 엣지부의 전체 너비, 및 바람직하게는 파형-전해질계 다중-셀 -시트 디바이스를 사용하는 시트 파형부분 를 덮을 만큼 충분히 깊게된다.

다른 유용한 디자인 접근법은 프레임과 시트 연굴부에 내화 섬유 매트와 같은 단열재를 적용하는 것이다. 파형 셀 시트의 경우에서, 절연 덮개는 일반적으로 시트의 전채 평면 경계에 걸쳐서 파형 시트 섹션으로 확장되어야한다. 도 12는 이러한 연결부의 단면을 개략적으로 나타낸 도면으로, 절연 섬유 매트 섹션, 예를 들어 매트 단편(221)은 내부 팻킷 프레임 멤버(206)과 상부 및 하부 팻킷 프레임 멤버(205 및 207)의 내부 엣지 표면으로 부터 노출된 셀 시트의 상층 및 하층 엣지 표면(214 및 215)을 덮기 위해 사용된다. 상기 절연은 프레임과 시트 엣지간의 온도 구배를 감소시키고 시트의 열 수축 응력이 타당한 거리에 걸쳐 파형의 휨/인장을 통해 완화될 수 있게 한다.

이러한 두가지 연결 보호 전략은 열적 환경을 등급메김하여서 가열 및 냉각속도차이로 발생하는 응력 집중을 효과적으로 "둥글게하고(round)", 따라서 열 팽창/수축 변형을 큰 부피에 걸쳐 확산시킨다. 가능하면 큰 반경/큰 필레(fillets)를 갖는/둥근 코너를 사용하여 응력 집중을 최소화시키는 공학 기술 원리는 잘 알려져 있다. 따라서, 예를 들어, 로버트 엘. 노튼의 "Designing to Avoid Stress Concentration", Machine Design, An Integrated Approach, Section 2, p. 235, Prentice-Hall Inc., Simon&Schuster, Upper Saddle River NJ(1998)은 "급격한 코너를 완전히 피하고 다른 외형의 표면사이에 가능한 큰 전이 반경을 제공하라"고 밝히고 있다. 또한, S. Timoshenko and Gleason H. MacCullough의 "Elements of Strength of Materials", p. 29, Van Nostrand, New York(1940)에서는 ".. 부서지 기 쉬운 물질의 경우, 응력 집중 지점들은 매우 약해지는 효과를 가지게 되어 이러한 위치들을 제거시키거나 또는 풍부한 필레를 사용하여 응력 집중을 감소시켜야한다. 응력을 반전시키기 위한 멤버에서, 상기 응력 집중은 상기 물질이 연성이더라도 항상 점진적인 크랙이 상기 지점에서 시작될 수 있음이 고려되어야한다"고 지적한다. 최종적으로 가장 간결하게, J. Den Hartog의 "Advanced Strength of Materials", p. 48, McGraw-Hill, N.Y.(1952)는 간단하게 "구석을 둥글게하라"고 조언한다. 이런 원리는 본 발명의 디자인에 직접적으로 적용되었다.

특히, 이러한 두 응력 감소 전략은 프레임과 시트 물질이 융화적인 열팽창 계수를 가질때 가장 효과적으로 작용한다. 후자의 조건은 프레임사이 연결부에 실질적으로 끼워넣어진 시트 부분이 대부분 응력이 없거나, 다소 압축되도록 한다. 세라믹 시트 엣지가 상당한 인장응력하에 있는 디자인은 피해야한다.

팻킷 스택 구조의 다른 중요한 면은 인접 프레임사이, 또는 팻킷 프레임과 인접 공기 프레임사이에 만족할 만한 봉합을 획득하거나, 또는 팻킷 스택을 통한 연료 가스의 분포를 포함하는 다른 구조물을 포함한다. 팻킷 조립체 및 공기 프레임 멤버를 통해 스택내에 형성된 연속적인 연료 채널의 밀봉은 특히 중요하다.

이러한 금속 프레임 멤버사이의 봉합은 다양한 방법으로 제조될 수 있는데, 그 중 한 방법은 인접한 프레임 멤버사이의 "팽창 봉합"의 사용을 포함한다. 이러한 봉합의 구체적인 예로는 타입 316스테인레스강 링 삽입물을 타입 446 스테인레스강의 팻킷 프레임 스택에서 인접한 연료 채널 개방구사이에 받침 도관 멤버로 위치시킨 것이다. 타입 316 강은 타입 446 스테인레스 강(11.5ppm/℃)보다 높은 열 팽창(18ppm/℃)을 가져서, 725℃의 스택 작동 온도에서 팻킷 프레임의 연료 매니폴드 채널 벽에 대한 링 삽입물의 팽창은 팻킷내에 기밀 밀봉을 형성시킨다. 이러한 타입의 봉합에서 밀봉 링은 베어(bare) 금속으로 형성되거나, 니켈과 같은 다른 금속, 또는 금과 같이 내부식성의 귀금속으로 코팅되어 가스 밀봉을 확실하게 도울 수 있다.

스택 밀봉에 대한 대안적인 접근법은 세라믹 또는 유리 세라믹 물질로 형성된 유사 밀봉 링의 사용을 포함한다. 이러한 물질들은 고온에서 오랜시간에 걸친 삽입물의 크리프가 심각하지 않은 장점을 제공한다. 모든 경우에서, 연료 가스 매니폴드 밀봉에 대한 상기 접근법 중 하나에 집중시키는 것은 연료 매니폴드 봉합의 효율성에 비례하여 공기/연료 혼합 정도를 줄일 수 있다는 점에서 효과적이고 비용 효율적이다.

압축 밀봉이 스택 구조의 선택 방법일 경우 중요하게 고려할 사항은 팻킷 프레임의 엣지 평면성 정도, 모든 추가적인 공기 프레임 멤버, 및 팻킷 봉합의 인접부의 다중-셀-시트 엣지이다. 상기 성분중 평면성의 결함은 전극 배열을 지지하는 얇은 전해질 시트의 크랙 전개를 야기하게된다. 만약 평면 프레밍 멤버를 충분히 이용하지 못하면 적절한 대안적 밀봉 접근법은 적합한 세라믹 프레임상에 다중-셀-시트 디바이스를 고정시키고 금속 케이스의 슬롯에 프레임된 디바이스를 삽입하는 것이다.

본 발명에 따라 연료 셀 스택으로 배열시키는 데 적합한 특정 프레임 배치 및 프레임 조립체에 대한 도면은 도 3 내지 9에 나타내었다. 도 3은 하나 또는 다 중의 프레임-지지 팻킷을 연료 셀 스택으로 매니폴딩하기 위한 프레밍 조립체(40)의 분해 측면도이다. 상기 도면에서 프레밍 요소(30)는 프레밍 요소(30), 전해질 시트(32) 및 엣지 봉합(44)의 측면상의 조립체와 연결되기 위해 위치된 공기 플레이트(42)를 갖는 전해질 시트(32) 사이에 위치한다. 말단 플레이트(46)는 프레밍 요소, 전해질 시트 및 공기 플레이트를 내부 조립체로 연결시키기 위해 사용되는 데 여기서 프레임 도관(46a)은 상기 조립체로 부터 연료 및 공기를 도입하고 배기 가스를 방출하기 위한 매니폴딩 수단으로 제공된다.

도 4는 연료 셀 스택을 형성하기 위한 동일 디자인의 다른 모듈을 갖는 조립체에 특히 적응된 모듈을 나타내는 도 5와 같은 타입의 다중-셀-시트 팻킷 모듈의 기본 성분의 분해 투시도이나, 실제비율이나 크기는 아니다. 도 4에서, 두개의 다중-셀-시트 디바이스(101 및 102)가 기계가공된 연료 팻킷 프레임(103)에 인접하여 위치되며, 다중-셀-시트 디바이스(101 및 102)의 엣지가 프레임(103)의 반대면에 밀봉되면, 프레임과 시트 디바이스로 한정된 공간내 위치(105)에 연료 챔버가 형성된다.

디바이스(101 및 102)를 적응시켜서 각 디바이스의 애노드를 연료 챔버쪽으로 향하게한다.

기계가공된 플레이트(104)를 이루고 있는 추가적인 모듈 성분은 모듈을 위한 공기 프레임으로 제공되고, 조립될 때 프레임 개방구(107)에 의해 한정된 공간내에서 공기 챔버를 형성한다. 상기 챔버로 들어간 공기는 연료챔버(105)로 부터 바깥으로 마주한 디바이스(102)의 표면에 배열된 캐소드를 가로질러 흐르게 된다. 공기 플레이트(104)는 바람직하다면 팻킷 연료 프레임(103)에 영구적으로 결합되거나 그렇지 않을 수 있다.

도 5의 모듈(108)에 나타난 바와 같이, 조립된 팻킷 모듈은 연료 셀 스택을 위한 기본 연속 유니트를 형성한다. 상기 기본 연속 유니트(108)는 도 6에 나타낸 바와 같이 함께 스택되어서 연료 셀 스택(116)을 형서하며, 도 6은 이러한 스택의 분해 투시도를 나타내나, 실제 비율 및 크기는 아니다. 최종 조립체에서 상기 스택은 추가적으로 말단 플레이트(111 및 112)를 포함하며, 이들은 관통 볼트(115)와 같은 수단에 의해 몇가지 모듈(108)과 함께 단일 조립체에 결합된다.

스택내 팻킷을 위한 공기를 공기 배출 출구(120)을 통해 챔버를 빠져나오는 산소-고갈 배기 가스와 함께 상기 프레임(도 5)의 공기 입구(119)를 통해 공기 프레임 개방구(107)의 공기 챔버로 운반된다. 하기에 보다 자세히 설명될, 공기 프레임(104)의 마주한 면의 경감되는 부분은 가스 교환을 제공하고 공기 입구/출구(119/120)과 공기 챔버 사이에 공기 팽창 구역(챔버)를 형성한다. 유사하게, 연료 가스는 이후 다시 기술될 흐름 팽창에서 처럼, 각각 도관 (109 및 110)을 통해서 팻킷 프레임 개방구(105)내 연료 챔버로 운반되고 방출된다. 공기 챔버로 누수되는 모든 연료 가스를 방지하기 위해서, 팽창 워셔(washers)(A6)(도 6 및 7)가 스택의 인접 공기 프레임(A4)과 연료 팻킷 프레임(A3)사이의 상호 연결 연료 도관(A9 및 110)에 제공된다.

공기와 연료 가스는 플래넘(plenum) 챔버로 또한 제공되는 큰 외부 매니폴드/분산 튜브를 통해 연료 셀 스택의 양쪽 말단에 공급되는데 상기 입구 가 스 압은 연료 및 공기 챔버에 지정된 압력보다 충분히 높아서 스택을 통하는 적절한 가스 흐름을 확실하게 한다. 공기 공급은 스택의 양 말단상의 공기 입구(119)에 연결된 작은 공기 분산 튜브(118)(도 7)로 부터 매니폴드 튜브(114)를 통한다. 도관(12)으로 부터 공기 방출은 보다 작은 공기 수집 튜브(132)와 큰 매니폴드 튜브(134)를 통해 나온다.

스택에 연료 공급은 스택의 양 말단상의 연료 입구(A9)와 연결된 보다 작은 연료 분산 튜브(도시하지 않음)로 부터 매니폴드 튜브(113)를 통한다. 연료 배출 도관(110)으로 부터 방출되는 연료 가스는 작은 연료 수집 튜브(117)(도 7) 및 큰 매니폴드 튜브(133)를 통해서 나온다.

상기 경우 매니폴딩의 일부가 스택의 외부이나, 내부 또는 외부 매니폴딩의 선택은 스택 디자인에 선택된 밀봉, 시스템 비용 고려 문제등에 따르게 된다. 도 6 내지 9에 나타낸 디자인에서, 벨로스 또는 팽창 챔버와 같은 디바이스가 외부 매니폴딩의 큰 부피는 외 압력 펄스에 바람직하다면 추가적으로 또는 선택적으로 적용될 수 있으나, 외부 매니폴딩의 큰 부피는 공급 압력의 변화(가스 압축성에 기인함)를 상당한 정도로 완충시킬 수 있는 적절한 플래넘 용량을 제공한다.

도면에서 나타낸 디자인에서, 내부 연료 및 공기 분산 도관(109-110 및 119-120)은 팻킷 사이의 균일한 분산을 가능하게 하는 충분한 단면이고 플래넘에서 팻킷으로의 압력 강하를 제한한다. 도 6 내지 9에 나타낸 디자인에 대해 가능한 대안적인 분산 디자인은 매니폴딩을 위한 내부 도관을 추가적으로 넣거나 제거하면서 큰 플래넘 튜브에서 각 팻킷으로 직접 가스를 운반한다.

스택의 연료 및 공기 챔버로 들어가는 공기 및 연료 가스의 흐름은 다중-셀-시트 디바이스의 전체 캐소드 및 애노드 표면을 가로질러서 바람직하게 비교적 균일하다. 각 팻킷으로 들어가고 나가는 흐름을 조절하고 팻킷에 충분한 흐름과 흐름 균일성을 보장하기 위해서 연료와 공기 도관 사이 및 연료와 공기 챔버 사이의 프레임내에 팽창 가스 챔버 또는 구역을 제공하는 것이 유용하다. 상기 구역은 가스 속도를 감소시키고 입구 가스의 흐름 범위를 넓혀서 공기 및 연료 챔버를 가로지르고 가스가 챔버로 들어가기 전 각 디바이스를 가로지르는 균일한 분산을 제공하게 된다. 본 발명의 중요한 목적은 스택에서 입구에서 출구 및 챔버에서 챔버의 압력 강하를 최소화시키고, 비교적 균일한 트랜스-막(trans-membrane) 압력과 흐름을 제공하여 시작과 정지시 예측되고 제한되는 압력 변동을 확립시키게 된다. 선택적으로, 팻킷내 등압 조건에 가깝게 한다. 또다른 목적은 가스 압력 및 흐름을 팻킷 내부가 아닌 입구 및 출구 오리피스(orifice) 단면과 그 뒤의 팽창 챔버에 의해 제한하는 것이다. 따라서 팻키에 대한 압력 펄스의 영향은 감소된다.

연료 팻킷 프레임용 가스 팽창 구역 또는 챔버를 위해 적절한 디자인을 도 8에 나타내었는데, 도 4의 프레임(103)의 확장된 투시도이다. 프레임 디자인에서 팽창 챔버는 프레임 개방구(105)로 한정되는 프레임 엣지로 들어가는 비스킷 커트(125)를 포함하며, 이들 엣지는 연료 챔버의 주변 엣지로 작용한다. 상기 제공되 비스킷 커트는 프레임 엣지의 너비로 충분하게 깊이 확장되어서 교차되고 도관(109)의 슬롯 개방구(121)로 예시화된것 처럼 연료 도관(109 및 110)과 흐름 교환을 제공한다.

채널 홈(131)은 프레임상에 고정된 다중-셀-시트 다비이스에 전류 리드(lead)용 통로를 제공하고, 상기 리드는 이하 구체적으로 설명할 삽입물 또는 용기를 사용하여 적절하게 절연시켰다. 리세스(130)가 충분한 깊이의 팻킷 프레임의 내부 엣지 주변에 제공되고 따라서 다중-셀-시트 디바이스는 프레임에 밀봉될 수 있으나 인접한 공기 프레임과 접한 프레임 면의 평면 위쪽으로 확장되지는 않는다. 프레임을 겹치는 셀 디바이스에서, 봉합은 일반적으로 리세스 영역 또는 디바이스의 엣지 근처에 제조된다.

팻킷 프레임의 내부 표면은 팻킷내의 가스에 균일한 흐름에 영향을 주는 마찰 항력을 유도하게 된다. 이는 흐름 제한 엣지 구조(도 8의 엣지(123))를 다중-셀 시트 디바이스의 활성면에서 충분히 밖에 두어서, 과도한 바이패스의 허락없이 활성면에서 흐름 중단을 피하도록하여 간단하게 처리할 수 있다.

공기 프레임으로 부터 공기 흐름을 개선시키기 위한 가스 팽창 구역 또는 챔버를 도 9에 나타내었는데, 도 4의 공기 프레임(104)의 확대된 투시도이다. 상기 디자인에서, 경감된 부분(128)은 공기 입구 도관(119)을 통해서 공기 챔버안으로 들어가는 공기를 균일하게 분산되도록 도와주는 반면, 경감된 부분(129)은 방출 도관(120)으로 들어가는 방출 공기의 수집을 위해 확장된 구역을 제공한다. 이러한 팻킷 프레임과 공기 프레임 예에서, 상기 쐐기 또는 "비스킷" 형태의 확장 구역은 충분한 마찰 항력을 더하여 상기 구역으로 부터 연료 또는 공기 챔버로 나가는 출구에서 균일한 흐름을 보장한다.

상술한 복수의 팽창 챔버 사용은 디자인 융통성을 개선시키고 PEM 디자인과 종래 SOFC 매니폴딩 설계에서 사용되었던 통상적인 타입의 복합 내부 채널에 대한 필요성을 제한하다. 상기 접근법의 효율성은 도 10의 도면에 개략적으로 나타내었는데 도 8에 나타낸 도관과 팽창 챔버로 부터 팻킷 프레임(103)내에서 연료 챔버(105)를 통해서 흐르는 연료 가스에 대한 순환 흐름 범위의 그레이 스케일 흐름도를 나타낸다. 또한, 동일한 접근법은 도면의 스택(116)에 나타낸 바와 같이 연료-공기 역 흐름 가스 공급 배열(팻킷의 반대면으로 부터 공급된 연료 및 공기)을 촉진시킨다. 이는 정상적으로 적용되는 것보다 큰 SOFC 디바이스에서도 역-흐름 디자인이 실용적이다. 따라서 12㎝, 18㎝, 또는 보다 큰 너비의 다중-셀-시트 디바이스를 스택에 적용시킬 수 있고, 여기서 다중 채널과 챔버는 효과적으로 대형화의 탄력성을 제공한다.

팻킷과 스택 디자인은 연료 셀 작동 동안 발생하는 압력-차이-유도 응력을 견딜 필요에 의해 실질적으로 영향을 받는다. 팻킷 또는 스택내에서 발전되는 최대 가스압 응력을 제한하는 것은 일반적으로 균일한 가스 흐름 조건과 적절하게 디자인된 가스 챔버를 제공하여 처리될 수 있다. 팻킷와 팻킷사이의 시트와 시트 공간은 주어진 연료 또는 산화가스 부피에 대해서 보다 높은 가스 속도 및 압력을 정상적으로 포함하는 작은 공간에서 중요한 역할을 한다. 또다른 요소는 높은 가스 유속에서 압력차에 영향을 줄 수 있는 다중-셀-시트 디바이스의 표면 곡률 존재유무이다.

미국특허 제5,273,837호는 스택에서 연료 셀층을 분리시키기 위한 파형 세퍼레이터의 사용에 대해 개시하고 있다. 현재 스택에서 이와 같은 공간층은 공기 챔 버 또는, 보다 바람직하게, 연료 챔버에서 어느 정도 바람직할 수 있으나, 일반적으로 요구되지 않으며, 추가적으로 첨가된 항력과 다중-셀 시트 부분에 물질 이동의 장해라는 단점이 있다. 신중한 디자인은 이러한 스택에서 세퍼레이터의 필요성을 쉽게 제거할 수 있다.

도 6 내지 11에 나타낸 스택의 작동에서, 스택 양 말단의 연료 플래넘(113)으로 부터 연료가 말단 프레이트(111 및 112)에 부착된 튜브(117)를 통해 스택에 공급된다. 상기 연료는 배열된 채널로 형성된 분산 채널을 통해 틀어가서 공기 프레임과 연료 팻킷 프레임을 통해 통과하고 여기서 부터 흐름-제한 오리피스(121), 가스 팽창 챔버(122)를 통해서, 연료 챔버(105)로 들어가서 다중-셀-시트 디바이스상의 애노드 배열을 공급한다. 부분적으로 소모된 연료는 가스 팽창 구역(125)을 통해서 연료 챔버를 빠져나와 프레임에 배열된 채널을 통해 셩헝된 방출 도관으로 들어간다. 이러한 방법으로 모든 팻킷의 방츨은 117과 같은 튜브를 통해 수집되고 통과해서 방출 플래넘(133)으로 들어간다.

유사하게, 공기는 공기 플래넘(114)를 통해서 스택으로 들어가고 118과 같은 튜브를 통해서 말단 플레이트를 통과하여 공기 프레임에 배열된 개방구(119)를 통해 형성된 채널로 분산된다. 상기 공기는 이후 오리피스(126)와 팽창 구역(128)을 통해서 공기가 부분적으로 산소 고갈된 공기 챔버(107)로 들어가 가로질러 통과한다. 상기 고갈 공기는 가스 수집 구역(129 및 127)을 통해서 공기 프레임의 배열된 채널(120)로 형성된 방출 채널로 들어가고, 이로 부터 말단 플레이트를 통하고 튜브(132)를 거쳐서 고갈 공기 플래넘(134)으로 빠져나간다.

스탬프되거나 레이저 절단된 프레임 또는 프레임 성분의 사용은 상술한 바와 같이 연료 셀 스택용 팻킷 프레임을 제조하는 데 비용 효율적이다. 예를 들어, 5개의 얇은 금속 또는 복합 층을 포함하는 라미네이트된 프레임은 도 8에 나타낸 것과 같은 팻킷 연료 프레임을 대체할 수 있으며, 구멍이 있는 스택된 얇은 플레이트는 배열시, 상술한바와 유사한 도관 구조를 형성한다. 즉, 상기 구멍은 스택될 때 모든 플레이트층을 통해서 통과하는 공기 연료 분산 채널을 형성하도록 결합된다. 다중-셀-시트 디바이스를 수용하고 지지하기 위한 리세스와 프레임에 상기 디바이스를 고정시키기 위해 사용되는 밀봉 물질처럼, 상기 도관에 의해 분포된 연료 및 공기 스트림용 수축 오리피스가 쉽게 제공된다.

도 5의 단일 조립체와 기능적 형태가 유사한 라미네이트-프레임된 연료 팻킷 조립체의 한쪽 엣지(203)의 개략적인 정단면도를 도 11에 나타내었다. 상기 도면에서, 두개의 다중-셀-시트 디바이스(214 및 215)가 라미네이트된 연료 프레임 서브-조립체에 부착되었다. 프레임상에 포함된 표면 플레이트(211 및 212)는 프레임 표면 층(205 및 207)에 시트 디바이스를 밀봉하는 시트 디바이스와 봉합(215)용 리세스를 제공한다. 상기 플레이트(205 및 207)를 프레임된 연료 팻킷의 요구에 따라 가스 밀봉된 205, 206 및 207사이의 봉합과 함께 땜질, 용단, 용접, 레이저 용접, 유리 또는 세라믹 프릿, 또는 필수적으로 단일 구조를 제공하기에 적절한 다른 수단을 통해 플레이트(211 및 212)에 밀봉시킬 수 있다. 모든 경우에 있어서 라미네이트된 구조와 함께 결합된 밀봉이 플레이트 사이 또는 플레이트의 엣지에 제공된다.

플레이트는 추가적으로 상기 연료 팻킷 서브-조립체에 결합될 수 있는데, 예를 들어 쉬운 교체와 스택으로 부터 각 조립체의 테스트를 촉진시킬 수 있도록 모듈 반복 디자인을 제공하기 위함이다. 도 11의 팻킷 조립체(203)에서, 예를 들어, 팻킷 서브-조립체의 한쪽 면상에 공기 챔버를 제공하기 위한 내부 공기 프레임이 라미네이트된 플레이트(217, 218, 및 219)에 의해 형성된다. 상기 디자인의 유용한 특징은 207, 212, 및 217의 조합으로 형성된 리세스(220)의 존재이며, 여기서 층(217)은 공기와 연료 챔버안의 시트 디바이스 및 상기 리세스내에 위치한 봉합 사이의 열구배를 제어하기 위해 돌출된 프레임부를 제공한다. 상기 공기 프레임 층의 열량은 상기 리세스 요소에서 발전되는 것보다 봉합 영역에서 보다 점진적인 온도 구배를 생성한다.

공기 및 연료 프레임 서브-조립체의 상술한 조립체는 거의 모든 바람직한 크기의 연료 셀 스택 구조를 위해 완전하게 구조적이고 기능적인 연속 유니트를 형성한다. 상기 구조에서 팻킷 조립체는 완전한 자체 함유 유니트이기 때문에, 큰 스택 구조에서 사용되기 전에 누수 또는 다른 결함에 대한 각 팻킷 조립체의 100% 독립적인 점검을 수행하는 데 실용적이고 유익하다.

교차되는 라미네이트된 팻킷 프레임 조립체의 엣지 섹션(203)을 도 12의 개략적인 정단면도에 나타내었다. 이와 같은 배열에서 라미네이트된 연료 팻킷 프레임에 밀봉되는 다중-셀-시트 디바이스(214 및 215)는 층(205-211-206-212-207)을 포함하는데, 층(211 및 212)의 두께를 통해 층(206)의 어느 한쪽 면에 형성된 리세스를 갖는다.

그러나, 이러한 디자인에서, 봉합 영역의 열구배는 각 리세스에 단열재(221) 단편의 삽입을 통해 더욱 감소시킬 수 있다. 또 다른 장점은 상기 디자인의 봉합(216)을 팻킷 조립체의 공기면상에 위치시키는 것이다. 이러한 배열은 밀봉 물질이 장기 사용시 애노드 성능에 역으로 영향을 줄 가능성이 존재하는 경우 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 셀 스택 조립체를 위해서 공기 및 연료 팻킷 프레임 조립체를 사용하는 것은 다른 디자인에서 이용할 수 있는 것보다 넓은 열 처리 및 연료 스트림 공정용 선택 배열을 또한 제공한다. 예를 들어, 스택으로 부터의 폐기 열을 열 교환기 안으로 또는 연료 매니폴드에 근접하게 도입시켜서 입구 가스를 가열시키는 데 사용할 수 있다. 열 교환기를 통해 흐르는 냉 연료 가스는 따라서 스택의 연료 챔버로 들어가기 전에 예열된다.

예를 들어 연료 가스를 재화(reform)하기 위한 내부 열 교환기 또는 다른 가스 챔버는 프레임 층으로 금속 스탬핑을 사용하여 공기 또는 팻킷 프레임에 직접 편리하게 도입시킬 수 있다. 예를 들어 연료 팻킷 프레임은 가스 팽창 챔버와 연료 챔버사이에 챔버 공간이 제공된 연장된 입구 섹션과 함께 제공되며, 상기 챔버 공간은 프레임 표면에 지지된 재화성 촉매와 함께 제공되거나, 또는 증가된 표면적, 물질전달, 또는 가스 혼합을 위한 촉매-함유 다공성 셀 물질, 울, 펠트 또는 높은 표면적 허니콤과 함께 제공된다. 유사한 배열들은 부분 촉매 산화 재화, 유사-자동-열 재화 및/또는 스팀 재화용 촉매를 혼합할 수 있다. 모든 흡열 반응을 위한 열은 역류 연료-공기 분산을 특징으로 하는 스택 디자인에서 가열된 방출 공 기에 의해 제공된다. Ni 금속, 귀금속, 회티탄석 및 헥사루미네이트와 같은 비금속 촉매를 사용할 수 있다.

유사하게, 연료 방출 챔버를 확장하는 것은 입구 공기의 부분 예열을 위한 수단을 제공한다. 핀(fins) 같은 구조를 프레임 챔버 또는 도관에 제공하여 열 교환을 개선시키거나 또는, 압출성형 금속 허니콤 섹션을 내부에 고정시킬 수 있다.

열 교환은 프레임 도관을 가로지르는 가스를 위한 순환 내부로를 생성하도록 프레임 라미나(laminae)를 스탬핑하여 강화시킬 수 있다. 상기 형성된 가스로는 프레임의 입구 또는 출구 말단에 또는 측면을 따라서 존재하여 다중-셀-시트 디바이스의 빠르고 균일한 가열이 가능하게 한다. 열 교환은 가스 분산 챔버에서 또한 수행되는데, 예를 들어 셀 물질 , 펠트, 울 또는 압출성형된 금속 모노리스와 같은 적절한 물질의 삽입을 통해 수행된다. 매니폴드 피더(feeder) 튜브 또는 호일 분산기의 유사 변형 또한 열 교환 및 열 처리를 개선시키기 위해 사용될 수 있다.

부분적으로 소비되는 연료를 보조 내부 방출 챔버에 수집하거나, 또는 다르게는 공기에서 연소시켜 열을 발생시킨다. 상기 수집법은 소비되지 않은 연료 및 스팀의 일부 또는 전부를 재활용가능하게 하며 이후 열 생성이 시스템 디자인의 중요한 기능인 열병합발전/HVAC 또는 복합사이클과 같은 분야에서 적용시킬 수 있다. 방출 챔버 또는 도관 표면에 촉매처리하거나 또는 코팅된 펠트 또는 허니콤과 같은 촉매 기질을 적용하여 소비된 연료 열 발생이 최대로 요구되는 오염원의 방출을 감소시킨다. 이러한 스택들의 고전압 밀집 성질은 휴대용 전력용 APUs와 같은 이동 분야에 매우 이상적이다. 얇고, 저열량 다중-셀-시트 디바이스와 결합된 저 질량 프레임 성분의 사용은 가동 시간을 최소화시켜야 하는 분야에서 매우 중요하다.

다중-셀-시트 디바이스 구조에 사용되는 물질은 고온 고체 산화물 연료 셀 제조에 적절한 것으로 알려진 모든 물질 및 제제를 포함한다. 그러나, 바람직하게, 상기 스택에 사용되는 특정 물질은 상술한 효율적인 모듈 SOFC에서 요구되는 탄력적인 전해질 엣지-밀봉 및 프레임 접근법과 최적 상용성을 갖도록 선택된다.

일반적으로, 유연한 다중-셀-시트 구조의 구성에 사용되는 전해질 시트는 45마이크론 미만, 바람직하게는 30마이크론 미만의 두께로 유지되며, 가장 바람직하게는 5 내지 20마이크론 범위의 두께이다. 탄력성이 있는 폴리크리스탈 세라믹 전해질 시트는 내열충격성 및 전기화학 성능을 모두 강화시키며; 이러한 시트의 예는 켓챰 등의 미국특허 제5,089,455호에 개시되어 있으며, 본 발명의 참조문헌으로 포함시킨다. 상기 전해질에 적절한 조성물의 예로는 Y, Ce, Ca, Mg, Sc, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, In, Ti, Sn, Nb, Ta, Mo 및 W 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로 부터 선택된 안정화 첨가제로 도핑된 부분적으로 안정화된 지르코니아 또는 안정화된 지르코니아를 포함한다.

본 발명은 전극, 전류 수집기 또는 셀 상호연결 물질의 특정 패밀리에 제한되지 않는다. 따라서 플래티늄, 플래티늄 합금, 은, 또는 다른 귀금속, 니켈 또는 니켈 합금의 와이어 또는 메쉬로 형성된 통상적인 구조를 사용할 수 있으며, 상기 물질들의 코팅 또는 패턴된 층이나 스트론튬-도핑된 란타늄 크롬산염 또는 내화 금속 도성합금을 사용할 수 있다. 상기 전도성 구조물은 전극 층 위, 밑. 또는 전극면을 따라서 제공된 전류 수집기로 작용하거나 또는 층간 상호연결기능을 한다.

소결이 미리된 전해질과 결합되는데 유용한 전극 물질중에는 니켈-이트리아 안정화된 지르코니아 도성합금, 귀금속/이트리아 안정화된 지르코니아 도성합금과 같은 도성합금 물질이 있으며, 이들은 특히 애노드 물질로 유용하나 이에 한정되는 것은 아니다. 유용한 캐소드 물질은 스트론튬-도핑된 란타늄 망가나이트, 다른 알카리토-도핑된 코발타이트 및 망가나이트와 귀금속/이트리아 안정화된 지르코니아 도성합그과 같은 세라믹 및 도성합금 물질을 포함한다. 물론 상술한 예는 사용할 수 있는 다양한 전극 및 상호연결 물질의 일례일 뿐이다.

본 발명에 따른 연료 셀 구성에 유용한 캐소드 및 애노드 물질은 바람직하게 귀금속 및 은 합금같은 귀금속간 합금등의 고전도성이나 비교적 내화성있는 금속 합금을 포함한다. 이러한 타입의 특별한 합금 전극 조성물의 예로는 은-팔라듐, 은-플래티늄, 은-금 및 은-니켈로 이루어진 군으로 부터 선택된 은 합금을 포함하며, 가장 바람직한 합금은 은-팔라듐 합금이다.

다른 전극 물질로는 폴리크리스탈 세라믹 필러 상을 갖는 금속 또는 금속 합금의 혼합으로 형성된 도성합금 전극을 포함한다. 바람직한 폴리크리스탈 세라믹 필러는 안정화된 지르코니아, 부분적으로 안정화된 지르코니아, 안정화된 하프니아, 부분적으로 안정화된 하프니아, 지르코니아 및 하프니아 혼합물, 지르코니아를 갖는 산화세슘, 지르코니아를 갖는 비스무스, 가도리늄, 및 게르마늄을 포함한다.

본 발명의 연료 셀 팻킷에 포함되는 다른 디자인 요소의 예로는 배열된 애노드 및/또는 캐소드와 함께 전기 접촉부에 제공된 낮은 저항 전력 수집 그리드 또는 다른 전도 구조물이다. 이들은 저항성을 증가시킬 수 있는 전극내에서 전류 분산 손실을 감소시켜서 셀의 내부 저항이 감소되도록 작동된다.

본 발명을 구체적으로 수행하는 데 있어서, 모듈 팻킷 접근법은 팻킷을 형성하기 위해 탄력적인 부분적으로 안정화된 지르코니아(ZrO₂-3mole % Y2O3) 시트를 사용하여 각각의 내열충격성 연료 셀 조립체를 제조하는 데 사용되어 왔다. 여기서 각 팻킷은 얇은 전해질 시트상에 지지된 상술한 은 팔라듐 조성물의 다중 전극이 도입되어 있고, 1000W를 초과하는 전력 출력을 얻을 수 있는 연료 셀 스택이 쉽게 제공된다.

디바이스간의 전기적 상호연결부는 바람직하게는 외부적으로 또는 내부적으로 제조될 수 있다. 그리고, 절연체 또는 전도체이건, 프레임은 스택 회로에서 중요한 역할을 한다. 프레임이 유리 또는 유리-세라믹과 같은 절연체이면, 단축없이 전기적 리드 삽입을 지지한다. 상기 프레임이 금속이면 공통접지를 제공하여 회로에 관여하거나, 코팅, 삽입물, 절연 튜브를 통해 전류 리드로 부터 절연된다.

연결부(connections)는 또한 단일 팻킷내의 복수의 다중-셀-시트 디바이스 사이에 제조된다. 바람직하게, 단지 약 단면의 연결부가 필요한데 상기 디바이스의 고압 출력에 의해 촉진되는 비교적 낮은 전류에 기인하는 것이다. 금속 세라믹 복합 구조물과 같은 전극 시트 간의 전력 수집 및 상호연결에 대한 적절한 접근법은 미국특허 제6,045,935호에 개시되었다. 미국특허 제5,519,191호에 개시된 세라믹 금속 라미네이트와 같은 다른 구조물을 또한 사용할 수 있다.

각 연료 팻킷에서, 와이어, 리본, 펠트 또는 메쉬 형태의 Ni 금속을 직렬로 두개 이상의 다중-셀-시트 디바이스를 연결하는 데 사용할 수 있다. 연료 팻킷에 리드를 유지시키기 위해서, 산화되는 Ni 또는 Ni 합금은 뜨거운 디바이스 시트에서 보다 찬 접촉지점으로 전력을 이동시키기 위해서 편리하게 사용될 수 있다. 연료 팻킷은 효율적으로 확장되어서 알루미나 또는 지르코니아 분말등의 절연물로 패킹된 튜브를 통해 보다 찬 접촉 지점을 제공한다. 이러한 패킹은 팻킷으로 부터 연료의 누수를 제한한다. 튜브 제조에 사용되는 기술은 전도체를 둘러싸고 금속 튜브로 부터 분리시키는 MgO 패킹을 함유하는 금속 튜브에 넣어진 전도체를 사용하여서, 절연 밀봉되는 제품 가열 요소의 비용 효율적인 제조에서 최근에 사용되는 것과 유사하다.

다중-셀-시트 디바이스에서 리드 부착 실패를 최소화하는데 가장 효율적인 전기 리드 부착 방법은 디바이스 전력 인출구(takeoffs)를 디바이스의 주변 엣지와 연결시키고 디바이스와 프레임사이에 단단한 봉합이 제조된 영역으로 부터 유도시키는 것이다. 디바이스-프레임 봉합에 의해 실질적으로 지지되는 위치, 즉 상기 봉합 인접부 또는 안에서 상기 리드에 연결부를 제조하는 것은 상기 리드 연결부가 추가적으로 지지되어 바람직하고 디바이스 자체의 열 팽창 또는 다른 외부 요인의 영향을 제한하여 바람직하다.

각 인출구 및 셀에서 리드 연결부를 가로지르게 되는 거리를 통하는 전류를 감소시키기 위해 각 시트 디바이스로 부터 하나 이상의 전력 인출부분을 사용하는 것이 또한 바람직하다. 낮은 전류에서 인출부 및 리드의 단면이 감소되고 따라서 물질 비용 및 열 응력이 제한된다. 전극의 위치에 의존하게 되더라도, 팻킷 말단보 다 팻킷의 엣지를 따라서 전력 인출부를 위치시키는 것이 챔버의 입구 및 방출 개방구에서 가스 흐름 분산을 피하는 데 도움이 되며, 이러한 방향성은 연료 흐름에 평행한 셀 전극의 장축에 위치된다.

다중-셀-시트 디바이스 디자인의 사전 테스트에서, 25W의 전력 출력이 5V의 전압 및 5A의 전류에서 쉽게 얻어진다. 100W 디바이스에서도, 최대 전류는 가능한 작은 단면의 디바이스 디바이스를 제조하는 상기 값 미만으로 유지된다. 상기 디바이스들의 고압, 낮은 전류 특징은 열 순환 환경에서 비용 및 내구성 문제가 존재하는 통상적인 SOFC 상호연결 구조물에서 수반되는 문제가 제거되는, 스택 구조에서의 분명한 장점이다. 금속-충진된 바이어스 및 작은 단면의 디바이스 디바이스 연결부의 비용은 추가 비용 및 표준 평면 상호연결 구조물의 무게를 피하여 회수가능하다. 공기와 연료 챔버사이에서 장기간 누수가 없도록 바이어 물질 및 디바이스 공정의 선택이 신중해야하나, 표준 상호연결 내구력 문제(캐소드 및 표준 상호연결사이의 단단한 연결부의 산화 및 열순환 안정성)가 전반적으로 없어야한다. 누수 문제는 바이어 필러 제재에 내화성 귀금속을 사용하고, 스택 구조에 팻킷을 적용함에 따라 가능한 팻킷 조립체의 100% 품질 조사와 같은 측정법을 통해서 효과적으로 처리할 수 있다. 바이어 필러 및 전극 상호연결부로 귀금속 또는 준 귀금속 또는 도성합금을 사용하는 것은 바람직하다. 가장 바람직한 금속, 금속 합금, 및 도성합금은 은, 금, 플래티늄 및 팔라듐으로 이루어진 군으로 부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함한다.

잘 알려진 바와 같이, 모든 연료 셀 스택에서 요구되는 실용적인 성능은 스 택을 제공하고자 하는 분야에 따라 매우 다양하다. 가장 실질적으로 의도하는 분야에 의해 영향받는 것은 스택 디자인 수명과 스택 디자인이 직면하게 되는 연료 요구성이다. 40,000시간의 스택 수명을 보장하는 것은 단지 5,000시간의 수명에서 보다 상당히 다른 물질을 요구하게 된다. 예를 들어, Ag 합금은 짧은 작동 시간 및/또는 낮은 스택 작동 온도에서 팻킷 디바이스의 전극, 바이어, 및/또는 전류 수집기 성분에 적합한 성분이며, 단지 짧은 스택 수명이 요구되는 곳에서 적은 비용으로 해결할 수 있는 것이다. 반면 은 휘발물은 높은 작동 온도에서 셀 성분 수명을 제한할 수 있으며, 선택된 팻킷 조립체의 주기적인 교체 또는 보다 내화성이 있으며, 값비싼 금, 플래티늄 및 팔라듐으로 이루어진 군으로 부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 합금 또는 도성합금과 같은 금속을 사용하는 것이 요구된다.

본 발명을 하기 실시예를 통해 좀 더 구체적으로 설명하나, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

연료 셀 스택에서 사용되는 프레임된 팻킷 조립체를 도 6 내지 11의 도면과 실질적으로 유사한 스택 조립체 디자인에 따라 강철 프레밍 멤버와 다중-셀-시트 디바이스로 부터 제조하였다. 우선 타입 446 스테인레스강의 3/16"-두께 프레임을 준비하고, 이들 프레임을 기계가공하여 연료 팻킷 프레임과 실질적으로 기술된바와 같이 입구 채널, 오리피스, 및 공기 또는 연료 챔버를 도입한 공기 프레임 쌍을 제공하였다.

다음으로 상기 기계가공된 연료 프레임은 다중-셀-시트 디바이스 쌍에 부착되도록 제공된다. 상기 부착용으로 선택된 디바이스는 총 540 바이어 홀이 제공되는, 3mol% Y₂O₃-부분적으로-안정화된 ZrO₂ 조성물의 연성 12㎝×15㎝의 전해질 시트로 이루어진다. 상기 시트의 제1 또는 각 애노드 측면상에 10 애노드 배열이 배치되고, 각각은 60마이크론-두께 Ni/ZrO₂ 촉매층과 세라믹-분말-충전된 90% Ag/10%Pd 은 합금의 20마이크론 두께의 층으로 이루어지고, 상기 분말 필러(filler)는 40중량%의 3mol%Y₂O₃/ZrO₂ 으로 이루어진다.

각 탄성 전해질 시트의 제2 또는 캐소드 면 상의 애노드의 반대면에 10 캐소드 배열이 배치되었으며, 각각은 40중량%의 3mol% Y₂O₃/ZrO₂ 필러를 함유하는 (La_0.8Sr_0.2)0.98MnO₃의 6마이크론 두께 층과 필러로 40중량%의 분말 DyBiO ₃를 포함하는 20마이크론 두께 층으로 이루어진다. 이웃하여 연속되는 애노드-캐소드 쌍에서 각 애노드의 이어지는 엣지를 캐소드의 뒤이은 엣지에 연결시키는 바이어는 90%Ag/10%Pd 합금으로 채워진다. 짜여진 섬유 튜브 절연체내에서 전극 배열의 리드는 은 와이어이다. 하나의 전해질 시트는 이후 형성되는 연료 챔버의 안쪽으로 면한 애노드 배열과 함께, Duralco230 열경화성 도성합금으로 형성된 봉합을 사용하여 연료 프레임의 각면에 밀봉된다.

조립된 연료 팻킷은 두개의 스테인레스강 공기 프레임에 부착되는데, 이들은 각각 연료 팻킷의 각 면에 부착된다. 타입446 스테인레스강으로 가공되고 공기 프 레임의 공기 및 연료 도관과 배열되어 위치한 개방구를 갖는 말단 플레이트는 공기 프레임에 부착된다. 따라서 연료 프레임에 부착된 다중-셀-시트 디바이스의 바깥쪽 표면에 캐소드 배열을 둘러싸고 대치된 공기 챔버가 형성된다. 최종적으로 연료 및 공기 플래넘 튜빙을 조립하여 공기 및 연료 가스를 공급하도록 말단 플레이트의 연료 및 공기 도관 개방구에 부착시킨다.

이러한 조립체에서 흡입 및 방출용 연료 및 공기 플래넘은 스택의 양 말단에 제공되어 분산 채널에서 압력 균일성을 개선시키는데, 상기 플래넘은 압력 균일성을 유지시키기에 충분한 단면이다. 따라서 탄성 다중-셀-시트 디바이스는 챔버 입구에서 출구 및 공기 챔버에서 연료 챔버로의 최소 압력 강하로 존재하게 된다.

챔버 입구에서 출구로의 압력 강하에 영향을 주는 변수는, 챔버의 단면, 챔버의 길이 및 가스 흐름을 포함한다. 높은 가스 속도로 흐르는 것은 바람직하지 않은데 압력 강하에 유해한 영향이 있기 때문이다. 그러나, 디바이스 간의 갭(gap)은 강화된 물질 이동(작은 갭) 및 압력 강하(큰 갭)사이의 보상으로 선택된다. 얇은 금속 플레이트에 적층된 물질 및 구성 방식은 시스템 비용상 상기 갭 영향이 제한되도록 선택되어 보다 자유로운 디자인을 가능하게 한다.

이러한 특정 스택 디자인 방식은 6리터/분의 최대 공기 유속에서, 압력강하가 공기 면에서 연료 면으로 27파스칼로 제한되며 각각의 공기 및 연료 챔버를 가로질러서 입구에서 출구로는 최대 2.4파스칼로 제한됨을 예측할 수 있다. 낮은 압력 강하는 대략 3.2㎜ 높이 12㎝×15㎝의 디바이스 면적인 연료 챔버의 큰 흐름 단면에 부분적으로 기인한다. 이러한 디자인은 또한 공기 및 연료 챔버내의 모든 수 직 마찰 요소(통상적으로 표준 평면 디바이스의 상호연결을 위해 필요)를 제거하여서, 본질적으로 모든 압력 강하는 분산 도관으로 부터 입구의 프레임에서 흐름 제한 오리피스를 가로질러서 발생한다. 즉, 오리피스에서 오리피스로의 총 압력 강하는 상술한 바와 같이 챔버를 가로질러서 60파스칼 대 2.4파스칼로 설계된다. 이는 상당하게 낮은 마찰력과 낮은 압력 강하가 모두 요구되고 상기 디바이스에 의해 가능하다는 결과이다.

상기 스택의 성능을 평가하기 위해서, 입구 플래넘 및 접속 튜빙을 포함하는 전체 조립체를 전기로에 놓고 725℃의 스택 작동 온도로 가열시킨다. 720℃에서 형성된 가스(6%H₂ 잔여 N₂)의 조절된 흐름이 이후 연료 챔버를 통해 시작되고, 짧은 조절 간격후, 100% 수소 흐름이 도입된다.

연료 및 공기 흐름에 대한 팻킷의 반응을 725℃의 로 온도에서 측정하였으며, 결과는 화학당량적 한계에 거의 근접하게 공기 흐름이 유지되면서 최대 비흐름운반압력에서 35% 연료 사용을 나타내었다. 상기 조건에서 연료 방출 온도는 연료 가스 출구 오리피스에서 약 735℃였다.

상기 작동 조건하에서 스택에서 관찰되는 최대 전력 수준은 약 54W이고, 상기 출력은 5V의 전력 수준, 시트당 5.4A의 전류, 약 2리터/분의 수소 가스 유속 및 약 3.3리터/분에서 공기 유속에서 기록된 것이다. 도 13은 각 조립체에서 흐름에 대한 전력 곡선을 나타내는 그래프이다. 도 13에 나타낸 공기 및 연료 흐름에 의존적인 전력은 누수 및 연료/공기 교차없이 잘 기밀된 스택임을 나타낸다.

다중-셀-시트 디바이스의 크기 및 팻킷 조립체의 수의 관점에서, 보다 큰 스택과 결합할 수 있는 상기 팻킷 조립체 디자인의 확장성(scaleability)은 다양한 고정 또는 이동 분야에 충분한 전력 출력이 가능한 단일 스택 크기로 쉽게 확장시킬 수 있게 한다. 예를 들어 12㎝ 너비 및 70㎝ 길이의 전해질 시트 크기를 사용하는 것은 각 전극 쌍 사이에 2㎜를 허락하는, 시트를 가로지르는 10㎝ 너비 및 시트를 따라서 0.5㎝의 길이인 100전극을 수용하게 된다. 0.5W/㎠의 전극 전력 밀도에서, 전력 출력은 각 다중-셀-시트 디바이스에서 250W, 또는 각 팻킷 조립체에서 500W에 달한다. 따라서 기술한 바와 같이 약 12 팻킷 조립체를 포함하는 스택은 적절한 전기 샤시의 조립체 외부에 제조된 전기 상호접속부로 연결될 때, 약 5kW의 전력 발생능력을 갖는다.

실시예 2

도 1의 팻킷 구조와 유사한 부분적으로 안정화된 지르코니아(지르코니아-3mole%이트리아) 전해질 지지 시트가 도입된 4-셀 팻킷이 우선 제공되었다. 도 1을 참조하면, 상기 팻킷(10)에 약 10㎝ ×6㎝ 치수의 제1의 미리 소결된 지르코니아-3mole% 이트리아 전해질 시트가 제공되고 지지되는 4개 쌍의 은/팔라듐 합금 전극(16-16a)이 뒷면 시트로서 제2의 미리 소결된 지르코니아-3mole% 이트리아 전해질 시트(14)의 꼭대기 엣지에 체결(fastening)된다. 체결은 구매가능한 물질인 230 Duralco ; 954 Durabond가 70 :30(중량부)로 형성된 엣지 봉합(18)에 의한다.

제1 시트에 부착된 각 합금 전극 쌍(16-16a)은 내부 연료 전극 또는 애노드(16a) 및 외부 전극 또는 캐소드(16)을 포함하며, 이들은 시트의 대립면에서 겹쳐진 위치이다. 상기 전극들은 각각 약 0.8㎝ ×8㎝의 크기이다. 상기와 같은 배열인 대립된 애노드-캐소드 전극쌍은 은-팔라듐 합금의 전기 전도성 바이어(20)를 통해 직렬 연결되는데 도 1에 나타낸바와 같이, 시트의 내부 또는 연료 면상의 각 애노드의 확장된 엣지로 부터 시트의 공기면상에서 연속적으로 이웃하여 이어지는 캐소드의 확장된 엣지를 가로지른다.

상기 접합된 시트는 상온에서 경화가능하고 제2 Duralco/Durabond 엣지 봉합(22)이 두-시트 조립체의 대립 엣지를 따라서 형성된다. 상기 제2 봉합은 상층과 하부 지르코니아 시트를 다공성 알루미나 섬유의 길이에 접합시켜 형성되어 팻킷에 가스-투과 하부 클로져(closure)를 제공한다.

튜브의 말단 섹션의 길이를 따라서 1㎜ 직경으로 가스 운반 개방구(26a) 구명이 있는 예형된 스테인레스강 가스 운반 튜브(26)가 이후 제공된다. 상기 튜브는 두개의 지르코니아 시트 사이에 삽입되어 가스 운반 홀이 시트 사이 공간에 위치되고, 경화된 상층 Duralco/Durabond 봉합에 대해 가압된다. 봉합이 경화되기 때문에 튜브는 상층 봉합에 부착되지 않으나, 대신 도시되지는 않았으나 탄성 펠트 스페이서를 통해 약간 분리되어 있다. 가스 운반 튜브가 팻킷에 위치한 후 팻킷의 잔여 개방 말단이 Duralco/Durabond 시멘트 혼합물로 밀봉되고 경화된다.

팻킷 밀봉이후에, 은 메쉬 전극 리드를 이어지는 캐소드(가스 공급 튜브옆)의 다수 지점에 부착시키고, 뒤이은 애노드에 접속된 바이어에 부착시킨다. 리드 부착은 유기 매개체로 27중량%의 지르코니아-3mole% 이트리아 분말 첨가와 함께 80 : 20 비율의 Pd:Ag 합금 분말을 함유하는 80/20/27 은-팔라듐-지르코니아 도성합금 잉크에 의한다. 상기 잉크는 가열을 통해 경화되어 합금 고체에 융합되고, 최종 팻킷은 테스트를 위해 로내로 삽입된다.

상기 디바이스의 테스트는 로의 공기 분위기에서 팻킷을 725℃의 작동 온도로 가열시키면서 수소-함유 연료 가스를 가스 공급 튜브를 통해서 팻킷으로 흘려주면서 수행하였다. 상기 온도에서, 연료 가스의 수소는 애노드에서 산화되어, 팻킷의 상층면상에서 은 메쉬 접촉을 통해 외부 회로로 전자를 방출시킨다. 캐소드에서, 로 공기의 산소는 외부 회로로 부터 받은 전자를 통해 환원되어 사이클을 완성시킨다. 상기 테스트 동안 발생되는 대표적인 전력 수준은 연료로 6% H₂ 형성 가스를 사용하여 725℃에서 애노드/캐소드 중복 면적의 약 0.25W/㎠이다. 순수 수소를 연료 가스로 사용하면, 본 실시예의 4-전극-쌍 시트에 대해 상기 온도에서 약 9.2W의 전력 수준에 도달한다.

두개 전극-수용 시트는 함께 엣지-밀봉되어 상술한 두개의 애노드/캐소드 배열(각 팻킷 표면에 하나)이 도입된 팻킷을 형성하는 유사하게 제조된 디바이스가 제공될 수 있다.

실시예 3

약 3㎜의 너비 및 약 8㎝의 길이인 각 전극을 갖는 8 애노드-캐소드 쌍을 포함하는 8-셀 팻킷을 실시예 1에서 기술된 바와 같이 제조된다. 전해질 지지 시트는 두께가 약 25마이크로미터인 탄성 지르코니아-3mole% 이트리아 세라믹 시트로 이루어진다. 전극 경계면 저항성을 줄이도록 시트 표면 거칠기를 증가시키기 위해, 이 트리아-안정화된 지르코니아 나노-크리스탈의 얇은 필름을 시트의 표면에 적용시키는데 가열 플레이트상에서 시트를 가열시키면서 이트리아-지르코니아 졸(sol)을 시트에 스프레이시켜서 적용시킨다.

상기 전극을 실크-스크리닝을 통해 코팅된 시트의 표면에 적용시키며, 상기 전극은 실시예 1에서 사용된 지르코니아-충진된 은-팔라듐 합금으로 형성되었다. 실시예 1에 따른 전극 쌍의 직결연결을 위한 시트를 통한 바이어가 동일한 은 팔라듐 합금으로 형성되었다.

지르코니아 -3mole% 이트리아 세라믹으로 형성된 연성 팻킷 뒷면 시트가 제공된다. 상기 시트는 두께를 통해 구멍이 난 가스 분산 홀을 갖고 있어서 연료 운반 및 방출 개방구를 제공한다. 팻킷을 조립하기 위해서, 상기 뒷면 시트는 전극 시트와 함께 엣지-정렬되고 상기 시트는 유리 분말 슬러리가 주입된 알루미나 매트 에징을 통해 서로 일정간격이 유지된다. 경량하중이 팻킷 에지에 적용되는 동안 상기 정렬된 시트와 매트는 900℃의 온도로 가열되어 유리가 용해되어 시트 엣지를 매트에 밀봉시킨다. 형성된 팻킷내의 개방 챔버는 1 내지 5㎜ 범위의 높이를 갖는다.

강철 가스 입구 튜브가 이후 팻킷 뒷면 시트의 연료 개방구로 밀봉되고, 상기 팻킷은 연료로 6% H₂ 형성 가스와 함께 실시예 1처럼 테스트된다. 700℃의 연료 셀 작동 온도에서 팻킷 전극 배열은 7.5volts를 초과하는 전위를 전개시킨다. 전극 표면적의 0.08 내지 0.11W/㎠사이의 팻킷 전력 출력이 800℃의 작동 온도에서 상기 팻킷에서 나타날 수 있다.

실시예 4

각각 넓은 이트리아-지르코니아 전해질 시트상에 두개의 4-셀 컬럼에 배열된 8개 셀을 각각 갖는 두개의 다중 팻킷 모듈을 제조하였다. 각 셀의 애노드는 니켈 지르코니아 도성합금으로 형성되고 캐소드는 란타늄 스트론튬 망가네이트로 형성된다. 각각의 전극은 직렬로 각 모듈상의 셀과 연결된 단일 은-팔라듐-충진된 바이어와 수집 지점에서 연결되는 중첩 전류-수집 은-팔라듐 합금 그리드와 함께 제공된다.

상기 두개의 셀-지지 시트는 강체 알루미나 프레밍 멤버의 대립 면상에 고정되어 양 시트의 애노드는 안으로 면하고 프레임과 고정 시트에 의해 형성된 챔버에 완전하게 애노드 노출된다. 상기 시트는 엣지 주변에서 프레임에 접합시켜서 밀봉되어 챔버로의 가스 도달은 프레임의 한 말단에서 연료 가스 입구 포트와 프레임의 다른 말단에서 연료 가스 방출 포트로 이루어진다.

상기 제공된 연료 팻킷을 실시예 1처럼 강철 가스 운반 튜브를 통해서 연료 가스가 제공되는 동안 로에서 테스트하였다. 연료 가스로 수소를 사용하여 800℃에서 측정한 경우 약 8volts의 전위가 직렬연결되는 두개의 다중-셀 모듈에 의해 전개되었다.

실시예 5

10-셀 전극/시트 모듈을 적용하였으며, 상기 전극은 도 1처럼 평행한 배열로 한줄로 정렬된, 실시예 4의 팻킷 제조과정에 따라 제조된 두개의 연료 셀 팻킷을 테스트하기 위해 배열하였다. 상기 시트 모듈의 모든 전극은 Ag/Pd 합금으로 구성되며 0.8㎜ 너비이고, 각 팻킷에서 두개의 10-셀 시트 모듈 각각에 대해 약 80㎠의 활성 셀 면적을 산출하였다. 상기 팻킷에 대한 팻킷 프레임 구조물은 봉합-결합된 섬유 알루미나로 형성되었다.

상기 두 팻킷을 포함하는 팻킷 배열은 외부 매니폴딩을 거쳐 연료가 제공되는데, 즉, 매니폴딩된 수소 가스 공급 라인은 두개의 팻킷 연료 입구 포트의 각각과 연결되는 연료를 포함한다. 알루미나 섬유 개스캣(gaskets)으로 이루어진 압축 봉합이 운반 도관의 각각에 대한 포트에 제공된다. 연료로 수소 가스를 사용하여 상기 배열을 테스트 하면, 하나의 직렬 연결된 10-셀 시트 모듈은 개방 회로에서 최적 전류 출력에서 9volts의 전위 및 13watts의 전력을 나타내었다.

실시예 6

실시예 1과 같은 팻킷 배열이나, 보다 진보된 고체 프레밍 디자인을 사용한 팻킷 배열은 작은 용량에서 상당한 전력 출력을 얻을 수 있다는 점에서 보다 장점을 제공한다. 금속 프레임으로 제공되는 장점은 편리한 내부 연료, 산화제, 및 방출 매니폴딩이다. 화학적 호환성 및 열 팽창에 따라 지르코니아 전해질 시팅에 맞도록 적절하게 디자인된 요소 조립체를 사용하여, 내부 연료, 공기 및 방출 매니폴딩은 전체 배열을 공깁하기 위해 단일 연료, 공기 및 방출 라인을 요구하는 팻킷의 확장된 배열을 지지하도록 제공된다.

도면 2는 상기와 같은 조립체에서 사용될 수 있는 프레밍 요소의 구체적인 예이다. 도 2를 좀 더 구체적으로 언급하면, 내화성 철 금속 합금으로 형성된 프레 임 요소(30)는 실시예 2의 전극/시트 모듈의 디자인 및 구조와 유사한 제1 10-셀 전극/시트 모듈(32) 및 프레임의 대립면에 부착된 동일 디자인의 제2 시트 모듈(도시되지 않음)을 포함하는 연료 셀 팻킷에 대한 지지체로 작용한다.

공기 도관(36) 및 연료 도관(38-38a)이 프레밍 요소(30)를 통해 제공되고, 상기 도관은 팻킷 조립체(시트 및 프레임)에 공기 및 연료를 제공하도록 매니폴드 성분으로 작동된다. 상기 공기 도관(36)은 내부 면 포팅없이 프레임 요소(30)를 가로지르며, 따라서 공기 흐름은 연료 챔버에 접근없이 연료 챔버를 지나간다. 연료 도관(38-38a)은 측면 포트에 연결되어 시트 모듈(32) 밑의 연료 챔버에 연결된 포트(39-39a)처럼 연료 챔버로 들어가는 가스 흐름을 보장한다. 이러한 매니폴딩 배열 사용에서, 연료가 횡단하는 도관(38)은 포트(39)를 거쳐서 연료 챔버내로 분산되며, 반면 소비된 연료 부산물은 방출 포트(39a) 및 도관(38a)을 거쳐서 연료 챔버로 부터 방출된다.

도 2에 나타낸 프레임-지지 팻킷은 실시예 1과 동일한 조성물 및 디자인의 대립 전극/전해질 시트 모듈에 밀봉된 2.5㎜ 두께의 스테인레스 강 프레임을 사용하여 제조될 수 있다. 시트 모듈은 실리케이트 유리 봉합을 사용하여 프레임에 밀봉될 수 있다. 전극/시트 모듈의 프레임 및 공기 또는 캐소드 측면 사이에 우선적으로 형성된 실리케이트 봉합의 사용은 연료 셀 애노드의 실리케이트 오염을 줄이는데 유용하다.

외부 공기, 연료 및 전기 접속부가 상술한 팻킷에 제공되며 상기 팻킷은 로 에서 725℃로 가열된다. 6% H₂ 형성 가스를 전극 시트 사이이ㅡ 연료 공간에 도입하면, 20volts 보다 큰 전위가 개방 회로에서 전개되고, 전극 면적 ㎠당 0.2watts 이상의 전력 밀도에서 발생되는 최대 전력에서 약 10volts가 전개된다. 순수 H₂를 연료로 사용할때, 최대 전력은 약 10volts에서 ㎠당 0.3watts 이상 증가한다.

스택 구조에 기계가공된 금속 프레밍 사용에 대한 유용하고 경제적인 대안법은 스탬프된 시트 금속 프레밍 요소로 형성된 팻킷 조립체를 포함한다. 이는 적절한 금속으로 형성되고 기밀 봉합을 형성하는 모든 방법과 결합된다. 바람직하다면, 기계가공된 가스 분산 성분이 조립체에 포함될 수 있는데, 예를 들어 스탬프된 금속부에 의해 제공된 것보다 최종 스택 조립체에 대해 보다 근접한 치수공차에 근접하는 조립체를 포함한다.

도 14-14c는 이러한 조립체에 대한 개략적인 도면이다. 상기 도면들에서, 엣지 이음매에서 서로 연결된 상층 및 하층 프레밍 쉘(330t 및 330b)로 이루어진 스탬프된 금속 팻킷 프레이(330)은 기계가공된 연료 피드 삽입부(338)가 제공된다. 상기 스탬프된 프레임은 전력 발생 다중-셀 디바이스(332)에 연료 피드를 연결하는 완전하게 형성된 채널(338')을 포함한다. 3개의 연료 출구(338a)가 또한 스탬프된 프레임에 도입되었다. 예를 들어, 팽창-매치된 유리-세라믹 밀봉 물질로 형성된 봉합(318)은 프레밍 쉘(330t 및 330b)상의 다중-셀 디바이스(332)에 유지된다. 상기 프레임의 두개의 스탬프된 절반은 팻킷을 형성하도록 용접되거나 함께 결합된다.

도 15는 스탬프된 금속 프레밍 멤버를 도입한 대안적인 팻킷 디자인을 포하 한다. 상기 디자인에서, 기계가공된 삽입부가 공기 홀, 연료 피드 홀 및 비스킷-커트 연료 팻킷 피드 채널에 각각 제공된다. 상기 구체적인 예에서 프레임은 다중-셀 시트 디바이스 및 기계가공된 삽입부 각각에 대해 리세스를 도입하는데, 후자는 인접한 팻킷의 가공된 삽입부 사이에 우수한 밀봉을 보장하도록 처리된다.

도 15를 좀 더 구체적으로 언급하면, 스탬프된 플레이트 팻킷 프레임(430)은 두개의 삽입부(444 및 444a)를 도입한다. 삽입부(444)는 비스킷 커트 연료 포트(438')를 거쳐서 다중-셀 시트 디바이스(432)에 연료를 공급하는 연료 피드 채널(438)을 포함한다. 삽입부(444a)는 소모된 연료의 방츨을 위한 연료 출구 포트(438a') 및 출구 채널(438a')을 도입한다. 삽입부(444)에 홀에 의해 제공되는 공기 출구와 함께 삽입부(444)에는 세개의 공기 입구 홀(436)이 제공된다. 유리-세라믹과 같은 밀봉 물질로 형성되는 봉합(418)이 스탬프된 프레임안으로 다중-셀 시트 디바이스를 밀봉하기 위해 사용된다. 각 다중-셀 시트 디바이스(432)는 스탬프된 프레임의 리세스(431)에 위치시켜 스택 조립을 촉진시킨다. 기계가공된 삽입부(444 및 444a)는 리세스를 갖고 있어 스탬프된 프레임이 기계가공된 표면의 밀봉을 침해하지 않는다. 두개의 스탬프된 프레임 절반은 용접되거나 기밀 팻킷 조립체를 제공하는 모든 방법을 통해 연결된다.

물론, 상술한 설명 및 실시예는 본 발명의 실례일 뿐이며, 상술한 특정 물질, 디바이스 및 방법의 다양한 변이 및/또는 변형이 이하 청구항에 기술된바와 같이 본 발명의 실행을 위해 이루어질 수 있음은 당분야의 당업자들에게 자명하다.

Claims

a) 하나 이상의 탄성(compliant) 고체 산화물 시트 섹션에 의해 적어도 부분적으로 형성된 밀봉된 내부를 갖는 패킷 요소;

b) 상기 밀봉된 내부에 배치되며, 탄성 고체 산화물 시트 섹션의 내부 표면상에 지지된 하나 이상의 애노드;

c) 상기 내부 표면상의 애노드와 일반적으로 대립 위치에서 상기 탄성 고체 산화물 시트 섹션의 외부 표면에 지지된 하나 이상의 캐소드;

d) 상기 밀봉된 내부로 연료 가스를 공급하기 위한 연료 운반 수단; 및

e) 조립체로부터 전기 전류를 끌어들이기 위하여 상기 애노드 및 캐소드에 연결된 전기 전도 수단;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기력-발생 고체 산화물 연료 셀 조립체.
제1항에 있어서, 상기 각각의 탄성 고체 산화물 시트 섹션은 복수의 애노드 및 캐소드를 지지하며, 상기 전기 전도 수단은 전기 직렬연결 또는 병렬연결로 상기 애노드 및 캐소드를 연결하는 전기 전도 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
a) 하나 이상의 탄성 고체 산화물 시트 섹션에 의해 적어도 부분적으로 형성된 밀봉된 내부를 갖는 패킷 요소;

b) 상기 고체 산화물 시트를 엣지-지지하는 프레임 요소;

c) 상기 밀봉된 내부에 배치되며, 탄성 고체 산화물 시트 섹션의 내부 표면상에 지지된 하나 이상의 애노드;

d) 상기 내부 표면상의 애노드와 일반적으로 대립 위치에서 상기 탄성 고체 산화물 시트 섹션의 외부 표면상에 지지된 하나 이상의 캐소드;

e) 상기 밀봉된 내부로 연료 가스를 공급하기 위한 상기 프레임 요소를 통한 연료 운반 도관; 및

f) 조립체로부터 전기 전류를 끌어들이기 위하여 상기 애노드 및 캐소드에 연결된 전기 전도 수단;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 셀용 전기력-발생 조립체.
제3항에 있어서, 상기 프레임은 조성물 또는 열팽창계수가 상이한 적어도 2가지 물질로 형성된 복합물 또는 라미네이트인 것을 특징으로 하는 조립체.
제3항에 있어서, 상기 프레임은 하나 이상의 금속으로 구성되며, 상기 프레임 상의 전부 또는 표면의 일부에 산화물 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 상기 애노드 및/또는 상기 캐소드로의 크롬 이동을 감소시키는데 효과적인 것을 특징으로 하는 조립체.
제3항에 있어서, 상기 프레임은 상기 패킷 요소내의 열구배를 제어하기 위한 수동 수단을 포함하며, 상기 수동 수단은 (a) 고체 산화물 시트 섹션이 봉합되는 프레임내의 리세스(recess), (b) 상기 고체 산화물 시트 섹션의 주변 엣지 영역에 인접하여 걸린 프레임 엣지부, 및 (c) 상기 고체 산화물 시트부의 주변 엣지부 근처에 위치되거나 또는 상기 엣지부의 맞은편에 위치되는 절연체 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
제3항에 있어서, 상기 고체 산화물 시트의 주변 엣지는 상기 프레임 요소의 파형 금속 섹션(corrugated metal section)에 부착되며, 상기 파형 금속 섹션은 2-축, 단일-축, 방사 및 동심 변형 릴리프(relief) 패턴으로 이루어진 군으로부터 선택된 변형 릴리프 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
제3항에 있어서, 상기 고체 산화물 시트 섹션은 변형 릴리프용 파형을 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
복수개가 적층된 제3항에 따른 전기력-발생 조립체를 포함하는 연료 셀 스택.
제9항에 있어서, 상기 연료 셀 스택은 (a) 조립체의 연료 운반 도관을 상호연결하는 기밀된(gas-tight) 봉합 요소를 포함하는 외부 또는 내부 매니폴딩; 및 (b) 복수개가 적층된 조립체에 공기를 공급하기 위한 매니폴드된 공기 운반 도관 중 적어도 하나를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택.