KR102094799B1

KR102094799B1 - 연료전지 장치

Info

Publication number: KR102094799B1
Application number: KR1020147017406A
Authority: KR
Inventors: 알랜 드보; 램버트 드보
Original assignee: 알랜 드보; 램버트 드보
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2020-04-14
Also published as: JP2017130459A; EP3136484A1; WO2013082415A2; US10320012B2; JP6438505B2; US20190267647A1; JP6166272B2; EP3136489B1; US20130136953A1; EP2786442B1; EP2786442A2; EP3136489A1; JP2017135112A; JP6438506B2; EP3136484B1; US20160087290A1; US9209474B2; JP2015505119A; KR20140098198A; WO2013082415A3

Abstract

본 발명은, 비-활성구조 (29)의 재료 조성을 변형하여 비-활성 (29) 구조 및 활성 (50) 구조 간의 개선된 수축특성을 갖고, 비활성 서라운딩 지지구조 (29) 위로 연장하는 활성구조 (50) 및 표면 컨덕터 (44) 사이에 비전도성, 절연성 배리어층 (60, 62)를 갖고, 길이에 따라 점진적으로 변화하는 전극 (24, 26) 중 하나 또는 둘 다의 폭을 갖으며, 또는 캐소드 (26) 및 통풍로 (20) 사이 및 애노드(24) 및 연료 통로(14) 사이에 다공성 세라믹층 (64)를 갖는 연료전지 장치 (10)을 제공한다. 각 상부 및 하부 전극(24, 26)에 교감 극성 (sympathetic polarity)과 함께 상부 및/또는 하부 표면 상에 외부 컨덕터 (44) 및 상부에서 하부까지 극성으로 교차하는 전극 (24, 26)을 갖는 외부 다중층 활성구조 (50)를 갖는 다른 연료전지 장치 (10)를 제공한다. 시스템의 열원 (76)의 외부에 존재하고, 열원으로부터 절연된, 말단(11a, 11b) 중 하나 또는 둘 다에 확장된 접착표면 (88)을 갖는 연료전지 장치 (10)가 장착된 연료 전지 시스템을 제공한다.

Description

연료전지 장치{FUEL CELL DEVICE}

상호 관련된 출원

37 C.F.R.§1.78(a)(4)에 따라, 본 출원은 연료전지 장치 (fuel cell device)를 명칭으로 2011년 11월 30일 (Attorney Docket DEVOFC-17P)로 출원되고, 선출원된 동시 계류 중에 있는 출원 일련번호 No. 61/565,156의 우선권 및 이익을 청구하고, 참조로서 본 발명에 명시적으로 부가된다.

본 출원은, 각각, 연료전지 장치 및 시스템을 명칭으로 하고, 2009년 10월 28일 (Attorney Dockets DEVOFC-09US and DEVOFC-13US)에 출원된, U.S 특허출원 No.12/607,384 및 2009년 3월 6일 출원된, 동시 계류 중에 있는 U.S 특허 출원 No. 12/399,732에 관련된다. 개시 내용은 이들 전체로 참조로서 본 발명에 부가된다.

본 발명은 연료전지 장치 및 시스템, 및 상기 장치의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 고체산화 (solid oxide)연료전지 장치이다.

세라믹 튜브는 고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs)의 제조에 이용되고 있다. 이러한 여러 종류의 연료 전지는, 각각, 연소 (combustion) 없이 전기 (electricity)를 생산하도록 다른 연료 및 공기의 컨버팅 메커니즘을 제공한다. SOFCs에서, 연료 및 공기 사이의 배리어층 ("전해질")은 세라믹층 (ceramic layer)이고, 화학반응을 완료하기 위해 상기 층으로 통하여 산소 원자를 이동시킨다. 세라믹이 상온에서 산소 원자의 약한 컨덕터 (conductor)이므로, 연료전지는 700 ℃ 내지 1000 ℃에서 작동되고, 상기 세라믹층은 가능한 얇게 형성된다.

초창기 튜브형 (tubular) SOFCs는 지르코니아 세라믹의 압출 튜브 (extruded tubes), 길고, 상당히 큰 직경을 이용하여, "Westinghouse Corporation"에 의해 제조되었다. 통상적인 튜브 길이는 1/4 인치 (inch) 내지 1/2 인치 범위의 튜브 직경을 갖는 몇 피트의 길이였다. 연료전지에 대한 완성된 구조 (complete structure)는 전형적으로 대략 10 개의 튜브를 포함하였다. 이후에, 연구원 및 산업집단들은 8　mol% Y₂O₃를 포함하는 지르코니아 세라믹 (zirconia ceramic)의 화학식을 정하였고, 이는 이트리아로 안정화된 지르코니아 (yttria stabilized zirconia, YSZ)로 불려진다. 이 물질은 특히, 제품 TZ-8Y으로 Tosoh(Japan)에 의해 제조되었다.

SOFCs 제조의 다른 방법은 연료전지 구조를 획득하도록, 다른 애노드 및 캐소드와 함께 적층된, 지르코니아의 평판 (flat plates)을 사용하여 제조한다. Westinghouse에 의해 구상된 높고 좁은 장치와 비교해서, 이러한 평판 구조는 서로 간의 전체적 적층 (stack)을 고정하도록 클램핑 장치 (clamping mechanism)를 갖는 엣지 (edge) 상에 6 내지 8 인치의 큐브를 형상화할 수 있다.

가장 최근의 방법은, 다량의 매우 얇은 벽을 갖는 작은 직경튜브의 이용을 제안한다. 얇은 벽 세라믹 (thin walled ceramic)의 이용은 산소 이온의 수송 비율이 거리 및 온도에 의해 제한되므로, SOFCs에서 중요하다. 지르코니아의 더 얇은 층 (thinner laye)이 이용된다면, 최종 장치는 동일한 효율을 유지하는데 반하여 저온 (lower temperature)에서 작동될 수 있다. 문헌은, 150 ㎛ 이하의 벽두께 (thickness)의 세라믹 튜브 (ceramic tubes)를 제조할 필요성을 기술한다.

SOFC 튜브는 단지 가스 용기 (gas container)로서 유용하다. 작동하기 위해서 더 큰 공기용기 (larger air container) 내에서 이용되어야 한다. 이것은 벌키하다. 이용하는 튜브의 중요 도전은 상기 튜브의 외부에 열 및 공기 둘 다를 적용해야 하는 것이다; 반응을 위한 O₂를 제공하기 위한 공기 및 상기 반응을 촉진하기 위해 가열. 일반적으로, 상기 열은 연료 소화 (burning fuel)에 의해 도입될 수 있고, 이에 20 % O₂ (전형적인)를 갖는 공기를 적용하는 대신에, 상기 공기는 실질적으로 부분적인 감소가 되고 (상기 열을 제공하도록 부분적으로 태워진다), 이는 상기 셀의 운전 포텐셜을 더 낮춘다.

또한, SOFC 튜브는 이의 확장성 (scalability)을 제한한다. 더 높은 kV 아웃풋을 획득하도록, 더 많은 튜브가 추가되어야 한다. 각 튜브는 단일 전해질층 (single electrolyte layer)이므로, 증가가 크다(bulky). 상기 고체 전해질 튜브 기술은 획득 가능한 전해질 얇기 (thiness)의 면에서 더 제한된다. 더 얇은 (thinner) 전해질이 더 효과적이다. 2 ㎛ 또는 1 ㎛의 전해질 두께는 고파워 (high power)에 대해서는 최적이지만, 고체 전해질 튜브 내에서 획득하는 것이 매우 어렵다. 단일 연료전지 영역은 (이는, 배터리가 1.2 volts를 생성하는 동일한 방법으로, 화학 반응의 추진력 (driving force)으로 인하여 내재한다.), 약 0.5 내지 1 volt를 생성하지만, 전류 및 이에 파워는 여러 인자에 의존한다. 대전류 (Higher current)는 주어진 시간 내에서 더 많은 산소 이온을 전해질 쪽으로 이동하게 하는 인자에 의한 것일 수 있다. 이러한 인자는 더 높은 온도, 얇은 전해질 및 더 넓은 영역이다.

연료 이용률 (Fuel utilization)은 연료전지의 전체 효율의 구성요소이다. 연료 이용률은 전기로 전환되는 연료의 백분율을 기술할 수 있는 용어이다. 예를 들어, 연료전지는 단지 이의 연료의 50 %가 전기로 전화될 수 있고, 나머지 50 % 는 사용되지 않은 셀에서 빠져나간다. 이론적으로, 연료전지의 연료 이용률은 100 %일 수 있고, 이는 버려지는 연료가 없는 것이다. 실질적으로, 그러나, 다양한 다른 비효율 요소 및 시스템 손실로 인하여, 연료 이용률이 100 %인 경우에도, 총효율은 100 % 미만이다.

상기 애노드에서 연료 이용률에 대한 도전은, 상기 애노드의 포어 (pores) 내로 연료 분자를 이동하는 것이다. 다른 도전은, 폐기물 생성, 즉, 물 및 CO₂ 분자는 상기 애노드의 포어 밖으로 이동시키는 것이다. 만약 포어가 너무 작다면, 다음에, 내부로 향하는 연료의 흐름 및 외부로 향하는 폐기물이 너무 느려서 높은 연료 이용률을 유도할 수 없다.

이와 유사한 상태가 캐소드에서 존재한다. 공기가 단지 20 % 산소 및 80 % 질소를 갖기 때문에, 포어 내로 산소를 및 상기 포어 밖으로 N₂를 이동시키려는 도전이 있다. 종합적으로, 상기 장치 내로 공기의 인풋 (input) 및 연료의 이용률은 "가스 이용률"로 참조될 수 있다.

가스이용률에 대한 하나의 문제점은, 공기 및 연료가 포어에 들어가는 분자 없이 다공성 캐소드 및 애노드를 통과하는 유로를 통하여 지나갈 수 있다. "최소 저항성 패스 (path of least resistanc)"는 상기 연료전지의 가장 중요한 부품을 바이패스 (bypass)하는 분자를 유도할 수 있다.

추가적으로, 만약, 가스 분자가 애노드 및 캐소드의 내부로 들어갈 수 없고, 외부로 나올 수 없다면, 상기 연료전지는 이의 최대 파워를 획득할 수 없다. 상기 애노드 또는 캐소드에서 산소 및 연료의 부족은, 본질적으로 상기 연료전지가 화학 에너지 (chemical energy)가 부족하다는 것으로 의미한다. 만약 상기 애노드 및/또는 캐소드가 화합물이 부족하다면, 약한 파워가 단위 영역당 (per unit area (cm²)) 발생될 수 있다. 이러한 단위 영역당 낮은 파워는 전체 시스템 파워 (system power)를 낮게 한다.

튜브형 연료전지 장치에서, 도 1에서 제시한 바와 같이, 상기 튜브 내부의 상기 애노드 라인 및 캐소드는, 이들 사이의 전해질과 함께 외부 표면 (outer surface)을 형성하고, 이는 연료의 높은 이용률을 기대하는 희망사항이다. 상기 튜브의 내경 (inside diameter)은, 상기 애노드의 두께와 비교해서 매우 크고, 연료 통로 (passage)를 형성한다. 애노드 두께는 50-500 nm의 범위 내에 있고, 반면에, 튜브 직경 (tube diameters)은 4-20 mm의 범위 내에 있을 수 있다. 이에, 상기 애노드의 포어로 들어가지 않고, 큰 연료 통로 (fuel passage)를 통하여 지나가려는 연료 분자의 높은 가능성이 있다. 상기 튜브에 대한 대안적 기하학적 구조는 상기 튜브의 외부 상에 상기 애노드를 갖는 것이다. 이러한 경우에, 상기 문제는, 상기 튜브 내의 볼륨보다 훨씬 더 크고, 상기 연료가 퍼니스 부피 내에 포함되기 때문에 적절하지 않을 수 있다.

다층 (multilayer) SOFC 내에서, 예를 들어, 도 2에서 묘사되고, 본 발명에 의해서 발달된 연료전지 스틱^TM (Fuel Cell Stick^TM) 장치(10)에서, 연료 이용률은 가스 유로가 더 작기 때문에 더 높을 수 있다. 도 2는 본 발명에서 참조로 협력되는 설명, U.S. 특허 No. 7,838,137의 도 1과 동일하다. 장치(10)는 산화제 아울렛 (oxidizer outlet)(12)에 산화제 통로 (oxidizer passage)(20)를 피딩 (feeding)하는 산화제 인렛 (oxidizer inlet)(18) 및 연료 아울렛 (fuel outlet)(10)에 연료 통로 (14)를 피딩하는 연료 인렛 (fuel inlet)(12)을 포함한다. 애노드(24)는 상기 연료 통로(14)에 인접하고, 캐소드(26)는 상기 산화제 통로(20)에 인접하고, 이들 사이에 전해질(28)을 갖는다. 예를 들어, 상기 애노드(24) 및 연료 통로(14)는 50 nm의 두께로 제조될 수 있고, 두께의 비율이 거의 1:1 (또는 2:1 또는 1:2와 같이 더 높거나 또는 더 낮은 비트 (bit))일 수 있는 이러한 두께 면에서 유사성은 포어의 내부 또는 밖으로 향하는 분자 흐름에 대해 더 최적의 변화를 제공할 수 있다.

그러나, 상기 전해질이 얇게 제조되기에, cm² 당 파워 (W/cm²)가 상승하고 (구조의 다른 구성 요소들은 영역 당 더 높은 파워를 제공하는데 최적화된다.), 상기 포어 내에 H₂O 및 CO₂ 폐기물의 생성이 증가될 수 있다. 따라서, 영역 및 부피 당 파워는 증가함으로써, 보다 신속하게 다공성 구조체 (porous structure) 내의 가스를 교환할 필요성이 증가된다.

이에, 상기 포어 내로 가스를 더 적절하게 도입하고, 상기 포어 외부 폐기물을 쏟아낼 필요가 있다. 상기 포어를 통하여 더 높은 활용 및 더 좋은 흐름은 더 좋은 시스템 성능 (system performance)을 제공한다.

본 발명의 요약

하나의 구현예에서, 본 발명은 연료전지 장치를 제공하고, 상기 연료전지 장치는, 대향 관계의 애노드, 캐소드 및 이들 사이의 전해질을 갖는 활성구조 (active structure); 및 상부 커버 영역 (top cover region), 하부 커버 영역 (bottom cover region), 대향하는 사이드 마진 영역 (opposing side margin regions), 및 임의적 인터포즈층 영역 (optional interposer layer regions)을 포함하는 서라운딩 지지구조 (surrounding support structure); 를 포함하고, 상기 서라운딩 지지구조는 상기 애노드, 캐소드 또는 전해질 중 하나와 일체화하고 (monolithic), 변형 (modification)이 없는 경우보다 상기 활성구조의 수축특성 (shrinkage properties)에 더 근접하게 맞추도록 상기 서라운딩 지지구조의 수축특성을 변경하도록 구성된 이의 재료 조성 (material composition)의 변형을 포함한다. 상기 서라운딩 지지구조의 재료 조성에 대한 상기 변형은 다음 중 하나 이상을 포함한다:

(a) 상기 서라운딩 지지구조는, 상기 전해질과 일체화하는 세라믹 재료 (ceramic material)를 포함하고, 상기 재료 조성은 상기 영역 중 하나 이상에서 애노드 또는 캐소드 재료의 첨가 (addition)를 포함한다;

(b) 상기 서라운딩 지지구조는 상기 애노드와 일체화하는 애노드 재료를 포함하고, 상기 재료 조성은 상기 영역 중 하나 이상 내에서 전해질 또는 캐소드 재료의 첨가를 포함한다;

(c) 상기 서라운딩 지지구조는 상기 캐소드와 일체화하는 캐소드 재료를 포함하고, 상기 재료 조성은 상기 영역 중 하나 이상 내에서 전해질 또는 애노드 재료의 첨가를 포함한다;

(d) 상기 활성구조 내에 존재하지 않는 상기 재료 조성에 무기 수축 제어 재료 (inorganic shrinkage control material)의 첨가;

(e) 상기 활성구조에 사용되는 재료의 입자 크기보다 상기 재료 조성에 사용되는 입자크기의 증가;

(f) 상기 활성구조에 사용되는 재료의 입자 크기보다 상기 재료 조성에 사용되는 입자 크기의 감소; 또는

(g) 상기 활성구조 내에 존재하는 것보다 더 많은 함량으로 또는 상기 활성구조 내에 존재하지 않는 상기 재료 조성에 유기 퓨지티브 (fugitive) 재료의 첨가, 상기 유기 퓨지티브 재료는 상기 서라운딩 지지구조 내에 포어 또는 보이드를 형성하도록 상기 재료 조성의 베이킹 및/또는 소결하는 동안에 제거된다 (an addition of an organic fugitive material to the material composition that is not present in the active structure or in an amount greater than present in the active structure, which organic fugitive material is removed during baking and/or sintering of the material composition to form pores or voids in the surrounding support structure.)

다른 구현예에에서, 본 발명은 연료전지 장치를 제공하고, 상기 연료전지 장치는, 대향 관계의 애노드, 캐소드 및 이들의 전해질을 갖는 활성구조; 장치의 외부 표면의 제1 부분을 정의하고, 상기 전해질과 일체화하는 비활성 서라운딩 지지구조 (an inactive surrounding support structure monolithic with the electrolyte and defining a first portion of an outer surface of the device); 를 포함하고, 상기 비활성 (inactive)서라운딩 지지구조는 대향 관계의 상기 애노드 및 캐소드가 없고, 상기 활성구조는 상기 외부 표면의 제2 부분에서 노출되는 상기 애노드, 및 상기 외부 표면의 제3 부분에서 노출되는 상기 캐소드와 함께 상기 비활성 서라운딩 지지구조 내에 있다. 상기 장치는, 상기 외부 표면의 제1 부분 위로 연장하고, 상기 노출된 애노드와 전기적 접촉 (electrical contact) 상태의 상기 외부 표면의 제2 영역 상에 제1 표면 컨덕터 (first surface conductor), 상기 외부 표면의 제1 부분 위로 연장하고, 상기 노출된 캐소드와 전기적 접촉 상태의 상기 외부 표면의 제3 부분 상에 제2 표면 컨덕터(second surface conductor), 및 상기 제1 부분 위로 연장하는 상기 제1 및 제2 표면 컨덕터와 상기 활성구조 사이에 비전도성, 절연성 배리어층 (non-conductive, insulating barrier layer)을 더 포함한다.

다른 구현예에서, 본 발명은 연료 전지 시스템을 제공하는 것으로, 상기 연료 전지 시스템은, 연료전지 장치, 열원 및 절연재료 (insulating material)를 포함한다. 상기 연료전지 장치는, 대향 관계의 애노드, 캐소드 및 이들 사이에 전해질을 갖는 활성구조 및 상기 대향 관계의 애노드 및 캐소드가 없고, 상기 전해질과 일체화한 비활성 서라운딩 지지구조를 포함하는 활성구조를 포함하는, 이들 사이에 긴 몸체 (elongate body)를 갖는 제1 및 제2 대향 단부 (first and second opposing ends)를 포함하고, 상기 활성구조는 상기 비활성 서라운딩 지지구조 내에 존재하고, 상기 제1 대향 단부에 인접한 상기 비활성 서라운딩 지지구조는, 상기 제1 대향 단부에서 제1 확장된 접착표면 (first enlarged attachment surface)을 형성하도록 상기 긴 몸체의 잔여부 (remainder)와 비교하여 적어도 하나의 디멘션이 더 크다. 상기 활성구조를 포함하는 상기 긴 몸체의 제1 부분의 적어도 하나는 상기 연료전지 장치에 열을 제공하기 위한 열원 내에 존재하고, 상기 제1 확장된 접착표면을 포함하는 상기 제1 대향 단부를 포함하는 상기 긴 몸제의 제2 부분의 적어도 하나는 상기 열원의 외부에 존재하며, 상기 절연재료는 상기 열원으로부터 상기 제1 대향 단부를 실딩하는 상기 긴 몸체의 제1 및 제2 부분 사이에 있다.

다른 구현예에서, 본 발명은, 제1 및 제2 대향 단부 사이에서 두께 및 폭 보다 더 큰 길이의 긴 몸체를 정의하는 제1 및 제2 대향 단부 (first and second opposing ends defining an elongate body therebetween of length greater than width and thickness); 대향하는 애노드, 캐소드 및 이들 사이의 전해질을 갖는 상기 긴 몸체 내의 활성구조; 및 상기 대향 관계의 애노드 및 캐소드가 없고, 상기 전해질과 일체화하는 비활성 서라운딩 지지구조; 를 포함하고, 상기 활성구조는 상기 비활성 서라운딩 지지구조 내에 존재하고, 상기 애노드 및 캐소드 중 하나 또는 둘 다의 폭이 상기 활성구조 내의 상기 긴 몸체의 길이에 따라 점진적으로 변화하는 연료전지 장치를 제공한다.

다른 구현예에서, 본 발명은 연료전지 장치를 제공하고, 상기 연료전지 장치는, 대향 관계의 전극층 및 전극층들 사이에 전해질을 포함하는 다층활성구조; 상기 전극층은 상부 (top) 전극층에서 하부 (bottom) 전극층까지 극성으로 교차하고 (alternating in polarity); 상부 표면, 하부 표면 (bottom surface) 및 대향하는 측면 (opposing side surfaces)을 포함하는 상기 장치의 외부 표면을 정의하고, 상기 전해질과 일체화하는 비활성 서라운딩 지지구조, 상기 비활성 서라운딩 지지구조는 대향 관계의 상기 전극층이 없고, 상기 활성구조는 대향하는 측면 중 하나에서 노출된 각 극성의 전극층 중 적어도 하나와 함께 상기 비활성 전이영역 서라운딩 지지구조 내에 존재한다; 를 포함한다. 제1 표면 컨덕터는 하나의 극성의 노출된 전극층과 전기적 접촉 상태의 상기 외부 표면 상에 존재하고, 제2 표면 컨덕터는 다른 하나의 극성의 노출된 전극층과 전기적 접촉 상태의 상기 외부 표면 상에 존재하며, 상기 제1 및 제2 표면 컨덕터는 사용시 지정극성 (designated polarity)을 갖도록 구성되며, 상기 제1 및 제2 표면 컨덕터 중 하나 또는 둘 다는 상기 상부 또는 하부 표면상으로 연장하고, 상부 전극층의 극성은, 상기 제1 및 제2 표면 컨덕터 중 하나 또는 둘 다가 상기 탑 표면상으로 연장할 때, 지정극성과 동일하며, 상기 하부 전극층의 극성은, 상기 제1 및 제2 표면 컨덕터 중 하나 또는 둘 다가 상기 하부 표면상으로 연장할 때, 상기 지정 극성과 동일하여, 상기 비활성 서라운딩 지지구조 내에 상기 전극층 및 상기 표면 컨덕터 (surface conductors) 사이에 극성 부조화를 방지한다.

다른 구현예에서, 본 발명은 연료전지 장치를 제공하고, 상기 연료전지 장치는, 대향 관계의 애노드, 캐소드 및 애노드 및 캐소드 사이에 전해질을 갖는 활성구조; 상기 활성구조에 연료를 공급하는 상기 애노드에 인접한 연료 통로; 상기 활성구조에 공기를 공급하는 상기 캐소드에 인접한 통풍로 (air passage); 상기 캐소드 및 상기 통풍로 사이 및 상기 애노드 및 연료 통로 사이에 다공성 세라믹층, 상기 다공성 세라믹층은 각 연료 및 통풍로로부터 공기 및 연료를 각 애노드 및 캐소드에 수송하도록 구성된 다공성을 갖음; 및 상기 전해질 및 상기 다공성 세라믹층과 일체화하는 비활성 서라운딩 지지구조;를 포함하고, 상기 비활성 서라운딩 지지구조는 상기 대향 관계의 애노드 및 캐소드가 없고, 상기 활성구조는 상기 비활성 서라운딩 지지구조 내에 존재한다.

다른 구현예에서, 본 발명은, 연료 전지 시스템을 제공하고, 상기 연료 전지 시스템은, 장치가 길이와 같은 공간을 차지하는 (coextensive) 도미넌트축을 따라 열팽창 (thermal expansion)을 나타내는 가장 큰 디멘션으로 대향하는 제1 및 제2 단부 사이에 길이를 갖는 연료전지 장치; 상기 길이의 제1 부분을 따르는 활성 가열 영역 (active heated region); 대향하는 제1 및 제2 단부 중 하나 또는 둘 다에 인접한 상기 길이의 제2 부분을 따르는 비활성 저온영역; 상기 제1 부분 및 상기 제2 영역 사이에 상기 길이의 제3 부분을 따르는 비활성 전이영역 (inactive transition region); 및 상기 활성 가열 영역 내에서 애노드 및 캐소드 사이에 배치된 전해질; 을 포함하고, 상기 애노드 및 캐소드는 각각 전기적 접속 (electrical connection)을 위한 상기 비활성 저온영역의 외부표면 (exterior surface)으로 연장하는 전기적 패스웨이 (electrical pathway)를 갖는다. 상기 시스템은, 내벽 (inner wall) 및 외벽 (outer wall)을 포함하는 이중벽 퍼니스 (double wall furnace)를 더 포함하고, 상기 내벽은 내부에서 내부 챔버 (inner chamber)를 정의하고, 상기 외벽 (outer wall)은 외부 챔버를 정의하며, 상기 연료전지 장치는 상기 퍼니스 외부에서 상기 길이의 제2 영역 및 상기 외부 챔버 내에 상기 길이의 제3 부분 및 상기 내부 챔버 내에 상기 길이의 제1 부분과 배치된다. 제1 발열체 (heating element)는 그 안에서 발생하도록 연료전지 반응에 대한 임계온도 (threshold temperature) 이상의 온도로 상기 활성 가열 영역을 가열하는 상기 내부 챔버와 커플링되고, 제2 발열체는, 상기 활성 가열 영역이 임계온도 이상일 때 상기 비활성 전이영역이 상기 임계온도 이하의 온도를 갖는 오프 포지션 (off position) 및 상기 비활성 전이영역이 상기 비활성 전이영역 내에 가스통로를 클리닝하는 상기 임계온도 이상의 온도를 갖는 온 포지션 (on position) 간의 스위칭 작동이 가능하는 상기 외부 챔버와 커플링된다. 제어 시스템 (control system)은 상기 제1 및 제2 발열체에 커플링되고, 실시간 측정 (real time measurements)에 의해 작동되는 클리닝 스케줄 (cleaning schedule) 또는 예정된 클리닝 스케줄 중 하나를 기반으로 오프 및 온 포지션 간에 상기 제2 발열체를 스위칭하도록 구성된다.

본 발명의 상세한 설명의 일부를 구성하고, 협력되는 첨부된 도면은, 본 발명의 구현예를 예시하고, 상기 제시한 본 발명의 일반적인 서술과 하기에 제시한 구체적인 서술과 함께 본 발명에 대한 설명을 제공한다.
도 1은 종래의 평판형 고체산화물 연료전지 장치의 개략도이다.
도 2는 종래의 고체산화물 연료전지 스틱™ 장치의 개략적 측면 횡단면도이다.
도 3 및 4는 활성구조 및 벌크 재료 (bulk material) 간의 수축 부조합의 감소에 대해 도시한 측면 개략도이다.
도 5a는 예상되는 전압 및 측정된 전압 간의 차이점을 극복하기 위한 구현예의 개략적 단면도이다.
도 5b-5d는 도 5a 것에 대한 대안적 구현예의 단면도를 도시하였다.
도 6a 및 6b는 절연 (insulation)을 위한 내부 비전도성층 (internal)을 묘사한 횡단면도이다.
도 7a 및 7b는 다중층 (multi-layer)활성구조 또는 별개의 활성층 (discrete active layer)을 피딩하는 작은 인풋 홀(input hole)로 가스를 피딩하는 가스 공급 튜브를 도시한 부분 사시도이다.
도 8a 및 8b는 다중층 구조 내에서 애노드 및 캐소드 간에 상호접속 (interconnections)을 형성하는 각 구현예에 대한 횡단면도 및 개략적 단면도를 도시하였다.
도 9a-9b, 10a-10b, 11, 12a-12e 및 13은 부착 용도의 긴 단부 (enlarged end)를 포함하는 다양한 구현예를 도시하였다.
도 14는 부착표면을 갖는 구현예의 사시도이다.
도 15는 플렉스 회로 (flex circuit)를 사용하는 회로판에 연결된 상기 도 14의 장치의 사시도이다.
도 16은 4 개의 종단부 (terminating ends)로 십자형태를 갖는 장치의 개략적 평면도이다.
도 17a 및 17b는 유로 (flow path)의 길이 아래로 활성 구역 (active zone)의 증가하는 폭을 도시하는, 연료 통로를 향하는 애노드를 통한 횡단면도이다.
도 18a 및 18b는 각각 상기 긴 몸체로부터 연장하는 다중 개별 가스 아웃풋 위치를 도시하는 개략적 평면 및 측면도이다.
도 18c 및 18d는 핫존 (hot zone)에 관련해서 아웃풋 연장의 대안적 배열을 개략적으로 도시하였다.
도 19는 본 발명의 장치에서 가스통로 (gas passage)에 촉매 재료 (catalyst material)를 첨가하는 방법을 개략적으로 도시하였다.
도 20a 및 20b는 내부 전극 및 외부 표면 컨덕터 사이에 극성 부조합을 해결하는 구현예를 도시한 측단면도이다.
도 21은 둥근 코너들을 갖는 전극 (electrodes)이 장착된 장치를 건축하는 방법에 대한 측단면으로 개략적으로 도시하였다.
도 22는 긴 백본 섹션 (elongate backbone section) 및 이들로부터 연장하는 별개의 긴 활성섹션 (elongate active sections)를 갖는 장치의 개략적 사시도를 도시하였다.
도 23a 및 23b는 직렬 및 병렬 외부 접속을 제조하는, 각각의 구현예를 개략적 상면도 및 단부 횡단면도로 개략적으로 도시하였다.
도 24는 전극 표면에 결합하는 장치 내부를 침투하는 외부적 금속화 (external metallization penetrating inside)를 갖는 구현예에 대한 단부 횡단면도를 도시하였다.
도 25는 외부 접속 패드의 리세싱 (recessing)을 부분적 단부 횡단면도로 도시하였다.
도 26a-26c는 접촉 패드를 리세싱하는 방법을 횡단면으로 개략적으로 도시하였다.
도 27은 접촉 패드를 리세싱하는 대안적 방법을 횡단면으로 개략적으로 나타내었다.
도 28a-28d은 전극의 표면과 결합된 장치 내로 관통하는 리세스된 접속 패드를 사용하여 직렬연결 (series connection)을 형성하는 방법을 개략적 횡단면으로 도시하였다.
도 29는 직렬로 장치를 연결하는 방법을 개략적으로 도시하였다.
도 30은 전극 상에 활성구조의 상부 및 하부에 첨가된 다공성 세라믹 (porous ceramic)을 갖는 구현예의 부분적 횡단면도이다.
도 31은 본 발명의 장치 작동 및 클리닝을 위한 이중벽 퍼니스의 개략도이다.

참조는, 참조로서 본 발명에 협력되는 내용으로, 다층 연료전지 스틱^TM 장치(10) (외)의 다양한 구현예를 기술하는, 동일한 발명자에 의한 다음의 공개로 이루어진다: U.S. 특허 번호 7,981,565, 7,842,429, 7,838,137, 7,883,816, 8,293,415, 8,029,937, 8,227,128, 및 8,278,013; 및 PCT 공개번호 WO2007/056518, WO2007/134209 및 WO2008/141171. 본 발명에서 개시된 발명적 구조 및/또는 개념은 상기 참조의 공개된 출원에서 개시된 구현예 중 하나 이상에 적용될 수 있다.

하나의 구현예에서, 추가 강도(extra strength)는, 장치(10)의 사이드와 통합하는 지역의 엣지 (edge) 근처의 활성층 (active layer)에 제공되는 것이다. 상기 활성층 (또는, 활성구조)은, 일반적으로 본 발명에서 전해질, 애노드 및 캐소드의 조합을 의미한다. 비슷한 두께의 애노드 및 캐소드가 이용될 수 있고, 예를 들어, 25 또는 50 ㎛ 두께, 상기 전해질은 10 ㎛ 내지 125 ㎛ 내에서 변화될 수 있다. 그러나, 이런 디멘션 (dimensions)이 제한적인 것으로 의도되지 않으며, 즉, 이러한 구현예의 개념은, 상기 캐소드 또는 애노드 중 적어도 하나가 다른 두 개의 층보다 더 두꺼운 애노드 또는 캐소드 지지구조와 양립될 수 있다. 또한, 애노드, 캐소드 및 전해질로 3층의 이용이 함께 기술되지만, 예를 들어, 하나의 층은 가스 수송 (gas transport) 특성으로 강조되고, 반면에, 다른 층은 전기 전도도 특성으로 강조되도록, 다공성 (porosity) 또는 전도성 (conductivity)의 다양한 정도 (compatible materials)를 갖는 두 개의 애노드 층으로 제조된 애노드와 같이, 상기 애노드 또는 캐소드가 바람직한 성능을 제공하기 위해 적합한 재료 (compatible materials)의 다중층 (multiple layers)으로 각각 제조될 수 있는 수많은 다른 조합이 있다. 이에, 상기 활성층을 형성하는 세 개의 "층" 중 어느 것은 다중층을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 애노드 및 캐소드는 과거에 이용된 구조들과 구별되는 많은 첨가제 (additives)를 포함할 수 있다. 상기 활성층이 다층 연료전지 내의 사이드 구조 또는 마진 (margin)에 접근하는, 벌크 구조에 의해 둘러싸이고, 위 및 아래에 가스 통로 (gas pathways)를 갖는, 장치(10) 내의 단일 활성층에 관련해서, 상기 애노드 및 캐소드가 더 얇아지는 약한 부위가 있을 수 있다. 이는 전체 디자인에서 원하지 않으나, 정렬 문제(alignment issues)로 인하여 발생할 수 있다. 상기 활성층이 상기 연료전지의 벽을 터치하기 이전에, 상기 애노드 및/또는 상기 캐소드가 종결되기 때문에 약한 스팟 (weak spot)이 발생할 수 있으므로, 자체적으로 더 큰 활성층보다 상기 벽 근처의 활성 지역 (active area)의 엣지가 실질적으로 더 얇다. 이러한 얇은 영역은 제조 또는 이용 기간 동안에 크랙 (crack), 깨짐 (break) 또는 찢어짐 (tear)이 발생할 수 있는 약한 부위를 생성하고, 이는 연료 전지의 가스의 누출 및 성능 (performance) 감소의 원인이 된다.

상기 활성층은, 상기 활성층 구조의 강도를 증가시키기 위해서 연료전지의 벽 (서라운딩 지지구조) 내로 이동하도록 디자인될 수 있다. 이는 특정 이점을 가질 수 있으나, 원하는 강도를 얻기에는 충분하지 않을 수 있다. 전체 활성층 구조가 상기 벽 내로 연장하기 때문에 상기 활성층이 이 영역에서 얇지는 않지만, 상기 벽 내에서 상기 활성층의 이러한 전이 부위의 스트레스의 집중 부위가 있을 수 있다.

따라서, 하나의 해결책은 추가 재료의 이용을 통하여 상기 활성층의 두께를 추가하는 것이다. 상기 추가 재료는, 상기 전해질 또한, 상기 장치의 벽에 사용된 동일한 재료인, 지르코니아로 제조된 세라믹 테이프일 수 있다. 상기 추가 재료는 상기 전해질과 동일 또는 더 두꺼운, 또는 더 얇은 두께일 수 있다. 중요 변수는, 활성 지역 구조의 전체 두께와 비교해서, 전체 두께이다. 하나의 구현예에서, 상기 애노드 및 캐소드는 상기 구조의 벽 내로 끼워 넣지 (stick) 않는다; 다른 구현예에서, 상기 애노드 및 캐소드는 상기 구조의 벽 내로 끼워 넣는다.

스트레스 집중을 최소화하기 위해서, 첨가된 재료의 경계 (boundary)는 최대 (full) 두께에서 제로까지 점진적으로 감소될 수 있다. 이는 여러 방법에서 이루어질 수 있고, 예를 들어, 엇갈릴 수 있는 (staggered) 테이프 또는 인쇄된 재료의 다중층의 이용을 통하여, 또는 라미네이션 동안에 변형하는 소프트한 재료의 이용에 의한 것이다. 상기 테이프를 그 자체로 지속적으로 감소하는 재료 특성의 선택을 통한 여러 방법으로 이루어질 수 있고, 비슷한 두께가 상기 활성층의 다른 영역 내에 추가될 수 있다. 하나의 예는, 셀들 사이의 영역일 수 있다. 외부 엣지 (outer edges)가 상기 장치의 벽 내로 연장하는 반면에, 중심 영역 (center regions)은 지지되지 않을 수 있다 (unsupported). 첨가되는 상기 추가 재료는 통상적으로 지르코니아로 제조될 수 있을 뿐 아니라, 선택 가능하다. 다른 세라믹 및 세라믹의 조합을 포함하는, 많은 다양한 재료가 원하는 강도를 제공할 수 있다. 이러한 재료들은 강하게 덴스 (dense)하거나 또는 다공성일 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 연료전지 장치는 애노드(24) 및 캐소드(26)가 대향 관계에 있고, 이들 사이에 전해질(28)이 있는 하나 이상의 활성구조(50)(또는 셀) 및 장치(10)의 벽을 형성하는 서라운딩 지지구조(29)를 포함한다. 서라운딩 지지구조(29)는 전극 재료 (electrode materials)(예를 들어, 애노드-지지구조) 중 하나 일 수 있고, 보다 일반적으로, 이들이 함께 동시 소결 (co-sintered)하여 활성구조(50) 내에 전해질(28)과 일체화 (monolithic)하는 세라믹 재료이다. 긴 구조 (elongate structure)에서, 서라운딩 지지구조(29)는 임의의 인터포저층 (interposer layers)(58) 뿐만 아니라 사이드 마진 (side margins)(56), 하부 커버 (bottom cover)(54) 및 상부 커버 (top cover) (52)를 포함하고, 장치(10)의 벌크를 구성한다. 이전에 보고된 바와 같이, 벌크 구조 재료 (designated as ceramic, 29, 도 2)는 동일 또는 상이한 재료일 수 있으나, 전해질 (28)에 이용되는 재료보다 적합한 재료일 수 있다. 본 발명의 구현예에 따라, 서라운딩 지지구조 (29)에 이용되는 벌크 재료는, 하나 이상의 영역에서 변형될 수 있고, 이는 하기에 제시한 바와 같은 하나 이상의 이점을 이룰 수 있다.

수축 차이 (shrinkage differences)는 일반적으로, 연료전지 장치(10)를 구성하는데 이용되는 재료에 존재한다. 연료전지 장치(10)는 다른 층들 위로 프린팅 그린 재료 (printing green materials) 및/또는 그린 테이프 재료 (green tape materials)를 층상화하고 (layering), 다음으로 층상구조 (layered structure)를 프레스 (pressing)하고 소결하여 구성될 수 있다. 상이한 층들의 재료 간의 수축 차이는, 약 1300 ℃ 내지 1500 ℃의 소결 단계 동안 또는 몇백 ℃의 범위에서 베이크 아웃 (bake out) 동안과 같은, 다양한 공정 온도에서 나타날 수 있다. 애노드(24), 전해질(28) 및 캐소드(26)가 조합된 활성구조(50)처럼, 여러 종류의 재료가 서로 조화될 때 (matched together), 수축은, 상기 서라운딩 지지구조(29)를 형성하는 상기 층들의 수축 행동 (shrinkage behavior)과 상이할 수 있다. 각 재료의 수축이 입자크기의 선택, 하소 (calcining) 또는 유기물질부하 (organic loading)에 의해 변형될 수 있으나, 여전히 이러한 특성들은 정확하게 맞출 수 없다.

본 발명의 하나의 구현예에서, 상기 활성구조(50) 및 상기 서라운딩 지지구조(29)의 수축을 더 좋게 맞추기 위해서, 상기 활성구조(50)에 이용되는 하나 이상의 재료는, 상기 서라운딩 지지구조(29)의 하나 이상의 영역에 이용되는 재료에 첨가된다. 하나의 예에서, 일반적으로 애노드에 이용되는, NiO 풍부 재료 (NiO rich material)는 대부분 지르코니아로 제조된 서라운딩 지지구조 내에 첨가된다. NiO 풍부 재료는 대기 분위기 (air atmosphere)에서 발화(fired) 될 때 비전도성이 되는 이점을 가지며, 이는 장치(10) 내에서 전기적 문제 (electrical problem)를 일으키지 않는다. 이러한 재료의 첨가를 통하여, 벌크 재료 층의 수축은 상기 활성구조의 층의 수축에 더 가깝게 맞추기 위해서 변형될 수 있다. 상기 NiO 풍부 재료는, 접착력 (adhesion)을 증가시키고, 화학적 양립성(chemical compatibility)을 얻기 위해 YSZ를 포함할 수 있다.

도 3에서 파선으로 표시된 상기 벌크층에 첨가된 재료는, 상기 인터포저층(58) 내에 나타낸 바와 같이, 단지 좁은 영역을 커버할 수 있거나 또는 상부 커버(52)에 나타낸 바와 같이, 전체 구조 (entire structure)와 동일한 공간 (co-extensive)을 차지할 수 있고, 또는 상기 하부 커버(54)에 나타낸 바와 같이, 상기 활성구조(50)의 영역과 단지 그 자체로 일치할 수 있다. 미도시 하였으나, 상기 첨가는 또한, 상기 활성 지역보다 영역 면에서 더 작을 수 있다.

일부 연료전지 장치에서, 서라운딩 지지구조(29)의 벌크 재료는 주로 지르코니아 (zirconia)일 수 있고, 상기 벌크재료의 수축은, 상기 활성구조(50) 내의 층들보다 더 높을 수 있다. 그러나 다른 면에서, 입자크기, 하소 및 유기물질부하 (및, 다른 인자)와 같이, 상기 기술된 바와 같은 인자에 의존하는 것도 가능하다. 연료전지 장치(10) 부분의 상대 수축 (relative shrinkage)은, 공정 중에 벌크 재료를 더 수축하거나, 또는 수축을 더 낮추기 위해서, 지지구조 (support structure)(29)의 사이드 마진(56) 및 커버 (covers)(52, 54) 내로의 활성 물질의 첨가에 의해서, 본 발명에 따라 변형될 수 있다. 또한, 다른 재료는 상기 지지구조(29) 내에 존재하는 성분 중 하나가 아닌 다른 물질이 수축을 조절하기 위해 첨가될 수 있다. 예를 들어, 알루미나 (alumina)가 첨가될 수 있다.

서라운딩 지지구조(29)는 교차하는 재료의 다중층으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 각각 조성물을 형성하도록 첨가되는 약간의 YSZ (전해질 재료)를 포함하는 NiO (애노드 재료) 및 LSM (캐소드 재료)의 교차 복합층(alternating composite layers)은 상기 활성구조(50)의 조성을 최상으로 모사 (best mimic)하는데 이용될 수 있다. 실질적으로 첨가된 재료의 하나 또는 두 개의 층 이상이 이용될 수 있다. 연료전지 장치(10)의 커버(52, 54)에서, 각각 하나 이상의 재료의 5층은 상기 활성구조(50)에 상당한 매칭 (substantial matching)을 제공하도록 첨가될 수 있다.

수축 차이를 해결하는 본 발명의 다른 구현예에서, 상기 서라운딩 지지구조(29)의 벌크 재료는 활성구조(50)의 층에 이용되는 입자크기 보다 더 크고 또는 더 작은 입자크기를 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 벌크 재료가 지르코니아로 제조된 장치(10)에서, 전해질(28) 및 상기 서라운딩 지지구조(29)에 이용되는 표준 지르코니아 재료와 비교될 때, 더 크고 또는 더 작은 입자크기는 교차 수축 행동을 제공할 수 있다. 동일한 개념은, SOFCs에 이용되는 전해질의 종류를 교체하거나 또는 다양하게 도핑된 지르코니아 포뮬라 (예를 들어, 상이한 수준의 이트리아)를 포함하는, 지르코니아 외에 다른 재료로 적용될 수 있다. 이러한 개념은 애노드-지지 또는 캐소드-지지 방법으로 구성된 장치에 더 적용될 수 있다 (애노드 또는 캐소드형 재료가 커버(52, 54), 사이드 마진(56), 및 인터포저층(58)을 형성함).

장치 재료를 변형하는 다른 구현예는, 상기 벌크 재료의 수축을 변형할 수 있는 산화물을 제거하거나 또는 첨가하는 것이다. 예를 들어, 낮은 백분율 (0.05 % 내지 0.5 % 범위 내에서, 가능한 더 높거나 또는 더 낮은)로 지르코니아에 대한 첨가제로서 알루미나는 상기 지르코니아를 저온에서 소결 가능하게 할 수 있다. 이러한 모디파이어 (modifier)는, 예를 들어, 수축을 변경하기 위해, 상기 벌크 재료뿐만 아니라 상기 활성구조(50) 내로 첨가될 수 있다. 유사한 방법으로 작업하기 위해, 알루미나 대신에, 다른 첨가제가 이용될 수 있다.

상기 서라운딩 지지구조(29)의 수축을 변형하는 다른 구현예는 상기 벌크 재료로 이용되는 세라믹 테이프에 유기 재료 (organic material)를 더 첨가하는 것이다. 테이프 캐스팅을 위해, 상기 유기 재료는 일반적으로 비닐 또는 아크릴 (acrylic)로 제조될 수 있으나, 많은 다른 유기 재료가 적절할 수 있다. 상기 벌크 재료로 이용되는 상기 테이프에서 추가 유기 성분은 서라운딩 지지구조 재료를 더 수축되게 할 수 있다. 세라믹 테이프가 장치(10)를 빌드업하는 유일한 방법이 아니지만 유용하고, 예를 들어, 일부 재료는 테이프 공정 (tape process)을 이용하는 대신에 스크린 프린트되고, 또한, 이러한 방식에서 더 많은 유기성분의 첨가는 더 높은 수축특성을 이끌 수 있다.

다른 구현예에서, 상기 서라운딩 지지구조(29)로 이용되는 벌크 재료는 상기 장치(10)에서 추가 강도 (additional strength)를 획득하도록 변형된다. 특히, 다른 재료는 상기 서라운딩 지지구조(29)에 고강도 (higher strength)를 제공하기 위해 상기 활성층에 이용되는 것보다 상기 서라운딩 지지구조(29)를 위해 선택된다. 이러한 설명은 지르코니아에 집중될 수 있으나, 유추에 의해 다른 재료 시스템도 적용 가능하다.

8 % 이트리아 (8 % YSZ) 첨가된 지르코니아는 SOFC 활성층으로 좋은 성능을 제공하는 것으로 산업 분야에서 알려져 있으며, 이는 고율 (high rate)에서 산소 이온을 수송하는 것을 의미한다. 그러나, 3 % 이트리아 (3 % YSZ) 첨가된 지르코니아는 강도에 대해서 좋은 성능을 제공하는 것으로 알려져 있고, 이는 기계적 사용 (mechanical uses)을 위한 구조적 지르코니아 조각 (pieces)을 제조하는데 자주 이용된다. 본 발명의 특정 구현예에서, 이러한 두 종류의 재료는 하나의 장치 고안으로 결합되므로, 8 % YSZ를 이용하는 상기 활성구조(50)는 높은 이온 전도성을 갖고, 반면에, 3 % YSZ를 이용하는 서라운딩 지지구조(29)는 더 높은 기계적 강도(mechanical strength)를 가지며, 전체 시스템 내구성에 이점을 제공한다. 상기 3 % YSZ이 일반적으로 높은 강도를 가지는 것으로 알려져 있으나, 상기 8 % YSZ의 강도가 약한 것을 의미하는 것은 아니다; 실질적으로 상당히 강하고, 그러나 전체적 시스템 내구성은 본 기술을 이용하여 개선될 수 있다.

추가 이점은 서라운딩 지지구조(29)에서 지르코니아의 함량을 줄여서 획득될 수 있다. 지르코니아가 상대적으로 고가의 재료이므로, 비용 절감이 하나의 이점이 될 수 있다.

하나의 구현예에서, 공기 갭 (air gaps)은 대략적 횡단면도로 도 4에 묘사된 바와 같이, 지르코니아의 위치 내에서 서라운딩 지지구조(29)의 벌크 재료 내로 도입된다. 애노드(24) 또는 캐소드(26)의 제조에서, 포어-형성 재료 (pore-forming materials)는 가스 패스웨이를 생성하도록 여기에 첨가될 수 있다; 퓨지티브 재료을 이용하는 유사한 접근은, 비록 다른 목적이지만, 벌크 재료와 함께 이루어질 수 있다.

다양한 유기 재료는 세라믹 재료로부터 깨끗하게 태워서 보이드 (void)를 남기는데 이용될 수 있다. 소결 이후에, 보이드가 빈 공간을 남길 수 있는 임의의 재료가 선택 가능하다. 이러한 유기 재료는, 폴리머 볼 (polymer balls), 그라파이트, 또는 임의의 다른 퓨지티브 재료를 포함하고, 다양화될 수 있으나, 바람직한 선택은 폴리머 비드 (polymer bead), 예를 들어, Sekisui(Japan)에 의해 제조된 것이다. 이러한 폴리머 비드 또는 입자는 베이크 또는 소결 프로파일 동안에 세라믹에서 깨끗하게 태워지고, 이들은 용매에서 용이하게 용해되지 않는 재료를 이용하여 제조되는 이점을 가진다 (폴리머 비드가, 예를 들어, 용매-기반 테이프 캐스팅에서 유용한, 입자 용해를 포함하지 않는 용매 환경에서 성공적으로 처리될 수 있음을 의미한다.).

이러한 입자 또는 비드가 애노드(24) 또는 캐소드(26) 내의 포어 형성에 이용될 때, 일반적으로 목적은 0.1 ㎛ 내지 15 ㎛의 스케일 내에 있는 포어를 갖는 것이다. 장치(10)의 서라운딩 지지구조(29) 내에 이용되는 지르코니아의 함량을 줄이기 위해서 형성된 포어는, 예를 들어, 약 10 ㎛, 약 50 ㎛, 또는 약 250 ㎛ 단위로 동일한 크기 또는 더 클 수 있다. 각각의 형성된 포어는 지르코니아 등가의 함량을 절약한다.

추가적으로 질량 절약(및 이와 함께, 비용 절약)에서, 추가 이점은 상기 벌크 서라운딩 지지구조(29)에서 장치(10)의 열식 질량(thermal mass)을 감소시키는 것이다. 이러한 감소는, 더 빠르고, 원하는 작동 온도를 획득하는데 추가되는 열을 줄여서 상기 장치를 가열하게 한다. 낮은 질량으로, 제공되는 장치는 더 신속하게 가열하거나 또는 냉각할 수 있으므로, 열충격에 대해 더 강한 저항력이 있을 수 있다. 또 다른 이점은 항공 분야 적용을 포함하는, 다양한 적용분야에서 유용할 수 있는 전체 시스템 무게의 감소이다.

포어 대신에, 알루미나는 일반적으로 지르코니아 보다 비싸지 않으므로, 비용 절감의 목적을 위해, 지르코니아의 일부분 또는 전체에 대한 대체물 (substitute)로 상기 서라운딩 지지구조(29)에 이용될 수 있다. 상기 벌크 재료는 알루미나에서 캐스트된 테이프로 제조될 수 있고, 다음으로, 층상화된 어셈블리에 이용된다. 상기 재료가 부서지지 않도록 (come apart), 상기 활성구조(50) 내에서 지르코니아와 매치하는 알루미나를 갖는데 주의가 필요하다. 하나의 방법은 상기 재료를 매치하는 것을 돕도록 상기 알루미나에 특정 백분율의 지르코니아를 첨가하는 것이다. 상기 지르코니아 절약은 지르코니아에 대해 대체된 알루미나의 함량에 비례할 수 있다. 또한, 알루미나에서 높은 영역과 지르코니아에서 높은 영역 간의 접착력을 제공하는 경계층이 유용할 수 있다. 이러한 경계 영역은 대략 절반의 지르코니아 - 절반의 알루미나로부터 형성될 수 있다. 상기 지르코니아 및 상기 알루미나 재료 시스템은 예로서 이용되고, 그러나, 원리는 SOFC 장치에 이용되는 다른 재료 시스템으로 용이하게 확대할 수 있다.

상기 언급된 바와 같이, 지르코니아는 일반적으로 연료 전지에 이용되는 재료이다. 지르코니아가 이온성 컨덕터이기 때문에, 전압은 하나의 측면에 비해 다른 하나 측면에서 산소 부족이 있을 때 이러한 재료의 벌크를 걸쳐 측정될 수 있다. 한편으로, 이는 SOFC의 기초 원리이다: SOFC 층의 하나의 측면 상에서 연료는 산소 부족을 제공하고, 대향하는 다른 하나의 측면에서 공기 또는 O₂의 부족을 제공하여, 상기 연료 전지에 대한 추진력을 제공한다. 본 발명의 다중층 장치에서, 이는 도전을 제공할 수 있다. 컨덕터가 상기 장치의 외부 표면 상에 위치될 때, 상기 활성구조 내에서 내부 패스웨이 (inside pathways) 및 외부 표면 사이에서 측정되는 네트 전압 (net voltage)이 있을 수 있다. 그 결과는, 완전한 작동 상태 (fully functioning)에서, 1.0 V 내지 1.3 V의 범위 내의 개로 전압 (open circuit voltage, OCV)을 제공하고, 저압 (lower voltage)이 측정될 수 있는 최적 장치 (optimal device)이다. 실무적 관점에서, 최적 (측정된 바와 같이) OCV의 부족은 상기 장치 상의 외부 컨덕터 (outside conductor)와 내부 컨덕터 (internal conductor) 간의 전압강하 (voltage drop)에 의한 것으로 보인다. 예를 들어, 1.1 V OCV 측정하는 것 대신에, 상기 측정은 0.85 V OCV 부근 일 수 있다.

본 발명은, 상기 장치가 최적 기준으로 작동하는 것인지에 대해서 아는 것이 어렵기 때문에, 개발 중에 실제적 문제점을 갖는다. 추가로, 이러한 문제점은 자동화된 시스템이 작동 시 상기 장치를 적절하게 모니터하는 것을 어렵게 만들 수 있다. 파워는 전압 곱하기 전류와 동일하므로, 만약, 상기 전압이 적절하게 예측되지 않는다면, 상기 파워는 적절하게 예측될 수 없다. 추가로, 이러한 셀 상의 손실을 갖는 것은, 비록 이것이 확실한 것으로 언급되지 않으나, 작동에 대한 추진력을 감소시키는 것과 같이, se 당 성능 (performance per se)을 저하시키는 것이 가능하다.

도 5a에 개략적 단면도에 묘사된 바와 같이, 전압의 예상 및 측정 간의 차이를 극복하기 위해서, 장치(10)의 표면의 일부분은, 표면 컨덕터(44)가 위치될 수 있지만, 상기 표면 상에 노출된 캐소드(26) 및 애노드(24)와 직접적으로 접촉하지 않는 최소한의 영역 내에서 서라운딩 지지구조(29)와, 상기 표면 컨덕터 또는 접촉 패드(44)의 사이에 표면 비전도성층(60)을 형성하도록 소결 이전 또는 이후에 유리 또는 다른 비전도성, 절연재료로 코팅될 수 있다. 비전도성에 의해서, 참조는, 예를 들어, 산소 또는 몇몇의 다른 원자 성분의 비수송과 같은, 이온의 비전도 및/또는 전통적인 센서 내에서 전압 및 전류의 비전도를 이룬다.

비록 투명한 유리도 적절하지만, 유색화된 유리는 백색 세라믹 (white ceramic) 위의 커버리지 (coverage)로서, 더 용이한 조사 (easier inspection)가 가능하기 위한 콘트라스트를 제공하는데 이용될 수 있다. 또한, 상기 장치가 산화분위기 (예를 들어, 서라운딩 가스 (surrounding gas)가 공기이다), 또는 공기 분위기에서 이용될 때, 비전도성 세라믹 (non-conducting ceramics), 예를 들어, NiO이 이용될 수 있다. 상기 비전도성 세라믹과 함께, 다른 산화물은 접착력과 같이, 특정 특징을 제공하도록 첨가될 수 있다. 예를 들어, 지르코니아의 작은 프락션이 서라운딩 지지구조(29)에 이용되는 벌크 지르코니아와 접착력을 위해 NiO에 첨가될 수 있고, 또는 알루미늄 옥사이드(알루미나)는 상기 논의된 바와 같이, 벌크 재료 내에 지르코니아의 일부분 또는 전체에 대해 대체물로도 이용될 때, 서라운딩 지지구조(29)와 접착력을 위해 첨가될 수 있다. 다수의 다른 재료가 이용될 수 있으므로, 이들은 상기 표면 컨덕터(44) 및 상기 서라운딩 지지구조(29) 사이의 비전도성 배리어를 제공하는 특성을 제시할 수 있다.

다른 종류의 재료 사용을 기초로 하여, 이러한 표면 비전도성층(60)의 어셈블리는 하소 이전 또는 이후에 발생할 수 있다. 예를 들어, 상기 세라믹의 소결 온도 이하의 연화점 (softening point)을 포함하는 유리는, 연화점 이상에서 상기 유리의 높은 모빌리티 (high mobility)로 인하여 소결 공정 이후에 구조 상에서 최적으로 배치된다. 제한되지 않고, 예시로서, 대략 1300-1400 ℃ 부근에서 소결한 이후에, 상기 유리는 상기 표면 상으로 스크린 프린팅으로 첨가될 수 있고, 다음으로, 대략 800 ℃ 부근의 온도에서 하소한다.

도 5a에서, 다층활성구조(50)는, 애노드(24)가 사이드 마진(56)의 왼쪽에 노출되고, 캐소드(26)는 장치(10)의 오른쪽 사이드 마진(56)에 교차적으로 노출되는 것을 보여준다. 접촉 패드(44)는 노출된 애노드(24) 또는 캐소드(26)와 접촉되지 않도록, 상부 커버(52) 및 각 사이드 마진(56)에 적용된다. 표면 비전도성층(60)은, 이들 사이에 배리어를 제공하도록, 상기 접촉 패드(44)를 적용하기 이전에, 상기 서라운딩 지지구조(29)의 상부 커버(52)의 표면에 적용된다. 표면 비전도성층(60)은, 접촉 패드(44)가 상기 노출된 애노드(24) 및 캐소드(26)와 전기적 접촉을 만들어야 하는 영역을 피하기 위해서 사이드 마진(56) 상에 적용되지 않고, 여기서 배리어가 필요하지 않는 것처럼, 상기 접촉 패드(44)가 적용되지 않는 상기 하부 커버(54)에 적용되지 않는다.

도 5b-5d에서, 도 5a와 비슷한 실현 가능한 코팅 배열의 변형이 제시되며, 이는 예식적 방법일 뿐 제한 적이지 않다. 도 5b의 부분적 횡단면도에서, 상기 상부 커버(52)는, 상기 장치(10)의 상부에서 상기 애노드(24)의 작은 표면 (small surface)을 노출하기 위해 장치(10)의 사이드로 완전하게 연장하지 않는다. 이와 동일한 것으로, 미도시된 상기 장치(10)의 하부에서 캐소드(26)에 대해 이루어질 수 있다. 다음으로, 표면 비전도성층(60)은 상부 및 하부 커버(52, 54)에 적용되고, 상기 접촉 패드(44)는 상기 비전도성 표면층(60) 위로 적용되며, 노출된 애노드(24) (및 캐소드(26))를 커버하기 위해 사이드로 연장한다. 상기 사이드 마진(56)은 비코팅 상태로 남겨진다. 본 구현예는 상기 전체 장치 (entire device)(10)를 형성하는 테이프 캐스팅 방법이 적합하다. 상기 상부 표면에 노출된 애노드(24)에 관한 도 5b와 유사한, 도 5c에서 상기 접촉 패드(44)는, 예를 들어, 상부 커버(52)가 시작되는 부위까지 도금조 내로 사이드를 딥핑하거나 또는 스크린-프린팅 (screen-printing)에 의해서, 노출된 애노드(24) (및 캐소드(26))를 커버함으로써, 상기 상부 및 하부 상으로 조금 연장하고, 상기 사이드 마진(56)에 적용된다. 표면 비전도성층(60)은 접촉 패드(44)를 적용하기 위해서, 사이드 마진(56)에 먼저 적용되고, 또한, 하부 커버(54)에 적용될 수 있다. 도 5d에서, 상기 표면 비전도성층(60)은, 테이프 캐스팅 (tape casting)에 의해 용이하게 이루어질 수 있는, 상기 애노드 및 캐소드가 상기 사이드 마진에서 노출되는 것을 제외한 전체 표면에 적용되고, 다음으로, 상기 장치(10)의 사이드 마진(56)은 상기 접촉 패드(44)를 적용하도록 도금조 내에 딥핑되거나 또는 스크린 프린팅된다.

대안적 예에서, NiO는 상기 전체 장치(10)의 소결 이전에 상기 서라운딩 지지구조(29)의 표면에 첨가될 수 있다. 균일하게 얇은 표면 비전도성층(60)을 제공하는 단순한 공정을 제공하도록, 이러한 NiO은 테이프 형태로 제조될 수 있고, 다음으로, 상기 표면 상으로 라미네이트된다. 대안적 방법은 스크린 프린팅 (screen printing)과 같은, 그린 장치 상으로 상기 NiO를 접착하기 위해 이용될 수 있다. 이는 당업자에 이해될 수 있는 것으로, 소결 단계 이전 또는 이후에 첨가 단계를 포함하는, 표면 비전도성층(60)을 제공하는 다양한 방법이 있다. 이와 유사하게, 상기 접촉 패드(44)는 하소 이후에 상기 표면에 첨가될 뿐만 아니라 동시 소성 컨덕터 (co-fired conductors)가 이루어질 수 있다. 동시 소성 컨덕터에 관하여, 백금과 같은 귀금속, 또는 LSM와 같은 전도성 산화물이 이용될 수 있다. 재료의 광범위한 다양성은 컨덕터로서 양립가능하고, 상기 표면 비전도성층(60) 재료는 서라운딩 지지구조(29) 및 상기 접촉 패드(44)로 이용되는 재료를 기초로 하여 선택될 수 있다.

다른 구현예에 따라, 절연화 목적을 달성하기 위한 다른 방법은, 제조시 장치 내부에 비전도성층을 장착하는 것이다. 이는 상기에서 기술된 NiO 코팅과 유사한 것이지만, 접촉 패드(44)가 있는 표면(들) 및 활성구조(50) 사이에 벌크 재료의 연속성 (continuity)을 효과적으로 해지하기 위해서, 도 6a에 나타낸 바와 같이, 내부 비전도성층(62)으로 서라운딩 지지구조(29) 내부에 놓여 질 수 있다. 상기 NiO는 단지 예시적이며, 다른 많은 재료는 전자, 이온, 또는 동시에 이들 둘 다에 비전도성이 되는, 유사한 방법의 요구 사항을 만족시킬 수 있다. 표면에 사용하는 것 대신에, 장치 내로 비전도성층(62)의 도입으로 몇 가지 이점을 얻을 수 있다. 산화물층이, 단지 하나의 사이드 대신에 서라운딩 지지구조(29)의 벌크 재료의 양사이드로 커버될 수 있으므로, 표면과 재료의 접착력 관련 문제가 완화될 수 있다. 또한, 장치(10)의 외관은, 전체 흰색 외관의 지르코니아 몸체처럼, 균일한 스타일을 유지할 수 있다. 더욱이, 산화물층은, 내부 디자인 (internal design)의 부분을 형성하여 제조공정에서 더 용이하게 자동화될 수 있다 (an oxide layer can be more easily automated into the manufacturing process by making it part of the internal design). 최종적으로, 구조(29) 내로 비전도성층(62)을 설치하는 이점은, 상기 재료가 장치(10) 내의 임의의 장소에 배치될 수 있고, 함량을 줄일 수 있고, 따라서, 상기에서 기술된 바와 같이, 벌크 재료의 비용을 줄 일 수 있다. 추가 예로서, 도 3의 파선은 내부 비전도성층을 나타낼 수 있다.

상기 전극 (애노드(24) 또는 캐소드(26)) 또는 내부 컨덕터가 상기 장치의 엣지에서 돌출되고, 예를 들어, 상기 컨덕터는, 내부 애노드(24) 또는 캐소드(26)로부터 접촉 패드(44)를 향하여 연장하며, 공기에 노출되는 상기 비활성 영역 내에 전극 또는 내부 컨덕터 아래에 패시베이션을 갖는데 유용할 수 있다(또는 연료, 상기 장치 외부의 대기 분위기가 무엇이든지). 그러나, 이러한 전극이 상기 장치의 초기 녹색 구성 (initial green construction)의 일부로서 장착될 때, 열화 전극 (fired electrode) 하에서 패시베이션 (passivation)을 첨가하는 것이 불가능하다(상기 장치의 외부 상에 다른 영역과 달리, 상기 비전도성층이 먼저 코팅될 수 있고, 다음으로 상기 컨덕터를 추가하는). 그러므로, 도 6b는, 스틱 (예를 들어, 상기 YSZ)의 벌크 재료로부터 컨덕터를 분리하기 위해, 상기 서라운딩 지지구조(29)의 사이드 마진(56) 내에서 전극 (애노드(24)로 나타낸) 아래로 상기 장치 내로 장착된 (built into) 내부 비전도성층(62)을 보여준다.

산화니켈 (nickel oxide)은 구조 전체에서 두 가지 다른 화학적 상태로 이용됨을 강조한다. NiO가 상기 애노드에 사용될 때, 환원성 가스 환경 (reducing gas present)이 있고, NiO의 일부 상당한 부분은 Ni 금속으로 환원하여, 전기적 도전재료를 제공한다. 다른 면에서, NiO이 지르코니아 재료 내에 또는 이의 표면 상에서 전기 절연체로 이용될 때, 환원성 분위기 (또는, Ni 상태로 전환하기 위한 적어도 실질적인 환원성 분위기가 아님)가 없으므로, 상기 NiO는 비전도성 산화물로 남을 수 있다.

상기 참조된 공개는, 전형적으로, 라미네이션 (lamination) 이후에 와이어의 제거 또는 희생층 (sacrificial layer)의 번아웃(burn-out)에 의해 형성된, 상대적으로 큰 오프닝으로 묘사되고, 가스통로(14, 20)의 입구 (entry points)에 접근할 수 있는 장치의 단부 위로 배치되는 상대적으로 큰 튜브의 사용을 개시하였다. 대안으로, 오프닝이 더 큰 가스통로(14, 20)에 유체적 (fluidicly)으로 커플링되는, 유입하는 가스를 위한 장치의 말단에 다중 소형 오프닝을 설치하는 것이다. 이러한 디자인에서, 다음으로 큰 튜브가 생성된 작은 홀 전체로 가스를 통과시킨다. 예를 들어, 라텍스 튜브 또는 금속 튜브가 이용될 수 있고, 이러한 튜브는 글루, 접착제 또는 에폭시로 밀봉될 수 있다.

대안적 구현예에서, 도 7a-7b에 묘사된, 작은 인풋 홀(70)은 다중 가스 공급 튜브(72)를 사용하는 장치(10) 내에 개별 활성층 또는 다중층 활성구조에 각각 따로 가스를 공급하는데 이용될 수 있다. 테스트 과정에서 하나의 이점이 있고, 장치(10) 내에 리크 (leak)를 확인하는 것이 중요하다. 가스가 단지 다중 활성층 중 하나 또는 다중 다중층 활성구조 중 하나에 커플링되는 하나의 홀에 투입된다면, 가스가 다른 하나의 홀로부터 배출되는 것을 알 수 있다. 이용 중에, 장치(10)는, 원한다면, 인풋 홀(70)의 전체 보다 적은 부분으로 가스를 흘려서, 이용 가능한 활성층 또는 구조 보다 적은 양으로 작동될 수 있다.

예를 들어, 인풋 홀(70)은 대략 0.040 인치인 와이어 (미도시)로 생성된다. 상기 와이어는 그린 상태 (green state)에서 제거된다. 소결 이후에, 인풋 홀 직경은 균일한 0.032 인치이다. 테스트 중에, 빈번하게 외부 직경 0.030 인치를 갖는 스테인리스강으로 제조된 작은 금속 튜브가 이용될 수 있다. 이러한 튜브는 일반적으로 다변화된 길이 및 직경을 갖는 분산 적용 (dispensing applications)에 이용되고, 적절하게는 가스 공급 라인 (gas supply line)과 용이하게 짝이 될 수 있는 아답터를 포함할 수 있다. 튜브는 장치(10) 상에 하나의 인풋 홀(70) 내로 끼워지고, 실런트 (sealant)가 적용된다. 상기 실런트는 다양한 재료들로 제조될 수 있다: 라텍스 러버시멘트 (latex rubber cement) 또는 글루 (glue)와 같은 유기 접착제; 실리콘과 같은 유기 접착제; 또는 유리형 재료와 같은 고온 실런트.

이러한 방법은 가스 공급 튜브 (gas supply tubes)(72)가 퍼니스의 외부의 인풋 홀(70) 내로 밀봉되는, 도 7a에서 나타낸, 퍼니스 (furnace)(76) 외부로 연장하는 적어도 하나의 저온 단부 (11a)를 갖는 장치(10)를 작용하는데 이용될 수 있다. 대안적으로, 이 방법은, 도 7b에서 제시한 바와 같이, 다수의 튜브 (tubes)(72)가 퍼니스(76) 내부에서 핫 다층 연료전지 구조 (hot multilayer fuel cell structure)와 연결을 형성할 수 있고, 단지, 가스 공급 튜브(72)가 퍼니스(76) 밖으로 나갈 수 있는, 퍼니스(76)에서 연장하지 않는 장치(10')와 함께 이용될 수 있다. 실시예에서, 가스 공급 튜브(76)의 단부에서 실런트는 유리 형태와 같은, 고온형일 수 있다. 파선은 퍼니스 벽과 같이, 열화된 영역의 경계선을 나타낸다. 추가적으로, 이러한 구현예에서, 튜브는 서라운딩 지지구조(29)와 동시 소결될 수 있는 세라믹으로 제조될 수 있다. 대안적으로, 만약, 가스 공급 튜브(72)가 금속으로 제조된다면, 이들은 즉시 가스를 운반하고, 전류 및/또는 전압을 운반할 수 있다.

도 8a는, 다층 구조에서 애노드(24) 및 캐소드(26) 사이의 상호접속을 형성하는 하나의 구현예를 묘사하였다. 상기 참조된 관련 출원에서, 상호접속 재료가, 가장 일반적으로 YSZ인 장치의 벌크 재료를 통하여 애노드 및 캐소드 둘 다로 확장할 수 있는 부분 중 하나를 포함하는, 애노드 및 캐소드의 상호접속 (interconnecting)에 대한 여러 방법들이 제시되었다. 많은 다양한 종류가 이러한 구조에서 가능하며, 예를 들어, 상기 도전재료는 귀금속 (Pt, Pd, Ag, Au, 또는 합금 및 이러한 금속 중 하나 이상을 포함하는 이의 조합)으로 제조될 수 있고, 또는, (LSM 또는 다른 전도성 세라믹 또는 스테인리스강, 또는 다른 비산화금속 (non-oxidizing metals)과 같은) 대안적 비귀금속 (non-precious metal)으로 제조될 수 있다. 그러나, 귀금속은 현재까지 전도도 면에서 최상으로 알려져 있다. 더 중요하게는, 상호접속 컨덕터 (interconnect conductor)에 사용되는 재료는 하나의 사이드 상에 환원 (이의 산소를 버리는) 및/또는 다른 하나의 사이드 상에서 산화에 대해 저항성이어야 한다. 이러한 재료가 산화성 및 환원성 분위기에서 좋은 안정성을 가지며, 고전도성은 전체 시간을 거쳐 생성될 수 있는 것으로 예상된다. 또한, 상호접속 컨덕터는 벌크 세라믹 (YSZ)과 접착력 및 전도성 둘 다를 제공하는 귀금속 및 YSZ의 블렌드로서, 전도성 및 비전도성 재료의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 귀금속이 사용된 금속의 함량을 줄이는 방법으로, 세라믹 입자 주위로 코팅될 수 있다.

상호접속 컨덕터인 귀금속 이용에 대한 중요 도전 중에 하나는 가격을 낮추기 위해서, 가능한 큰 금속 함량을 줄이는 것이다. 하나의 구현예에서, 도 8a에서 횡단면으로 제시된, 대안적 해결책은 애노드(24) 및 캐소드(26) 오버랩을 갖는 것과, 이들 사이에 얇은 상호접속 컨덕터(80)를 제공하는 것이다. 이 디자인에서, 상호접속 컨덕터(80)는 산화성 및 환원성 분위기를 분리하도록 비다공성일 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 이의 비용을 제외하고, 다양한 방법 면에서 이점이 되는 귀금속과 함께, 귀금속 또는 비귀금속 컨덕터가 이용될 수 있다. 또한, 만약, 이들의 금속 특성이 작업 상태의 현실성 (reality)을 다룰 수 있고, 또는, 상호접속 컨덕터(80)가 함량의 절약, 즉 비용을 절약하기 위해서 비전도성 코어 상으로 코팅된 귀금속, 재료의 혼합일 수 있고, 또는 애노드(24) 및/또는 캐소드(26)와의 접착력에 도움을 주기 위해 첨가된 세라믹 부분을 포함할 수 있다면, 다른 합금 또는 전도성 세라믹이 작업할 수 있다. 몇몇 경우에, 상호접속 컨덕터(80)는 산화성 및 환원성 분위기를 분리하도록 비다공성 및 연속적 (continuous)일 수 있다.

또한, 중간 개재 (intervening)상호접속 컨덕터(80)와 함께 오버랩 (overlapping)하는 이러한 애노드 및 캐소드 영역이, 필수적으로 이러한 상호접속 주변 영역에서 활성층으로 작용하는 애노드(24) 및 캐소드(26)가 아님을 알 수 있다. 애노드 및 캐소드 재료는, 하나의 구현예에서, 활성구조(50)에서 벗어나 상호 접속에 기여하는 영역으로 향하는 애노드 및 캐소드 재료의 확장이 있다. 하나의 이점은 공기 및 연료의 함량이 상당할 정도는 아닌 것이다(즉, 공기 및 연료의 함량이 활성 지역에서 캐소드(26) 및 애노드(24)의 상태를 줄이거나 또는 산화성을 유지하는데 충분한 경우에, 가스는 상호 접속 영역 내에 많은 함량으로 흐르지 않는다. ). 이는, 재료가 완벽하게 비다공성이될 가능성이 없는 것처럼, 상호접속 컨덕터(80)에 대해 원하는 것이 애노드(24) 및 캐소드(26) 사이의 배리어 시일 (barrier seal)로 작용하기 때문에 유용한다. 작은 홀이 존재할 수 있다. 예상되는, 그러나, 평형 (equilibrium)은, 이러한 재료를 적절한 산화/환원 상태로 유지하여 달성될 수 있다.

도 8b는 이러한 오버랩된 영역이 더 큰 장치 디자인과 상호작용하는 방법을 대략적으로 묘사하였다. 이런 경우에, 오버랩된 애노드(24), 캐소드(26) 및 중간 개재 상호접속 컨덕터(80)가 직렬로 활성구조(50) 또는 셀을 연결하는데 작용한다 (즉, 하나의 셀의 캐소드(26)와 다음의 셀의 애노드(24)를 연결한다.). 애노드 또는 캐소드 구성에서 다양한 재료 변화를 갖는 것이 더 가능하고 이로운 것이다. 이온 전도도, 전기 전도성 및 다공성과 같은 특성은, 애노드 또는 캐소드의 특정 지역에서 모두 최적화될 수 있다. 예를 들어, 동종의 재료 (homogeneous material)의 묘사를 통하여, 상호접속 지역 내로 연장하는 부분은 활성구조(50) 내에서 애노드(24) 또는 캐소드(26)의 부분에서 다양한 조성 (variable composition)을 가질 수 있다.

알 수 있는 바와 같이, 본 발명 및 관련 출원에서 언급된 연료전지 장치에 대한 다양한 디자인은 상대적으로 크거나 또는 작게 제조될 수 있다. 큰 단부에서, 이들은 큰 파워의 수송선에 이용 가능하도록 구상될 수 있다. 작은 단부에서, 이들은, 예를 들어, 폰 및 다른 전자 가젯 (gadget)과 같은, 소형 전자 장치로 파워 축소 장치 (miniature devices)에 이용가능할 수 있다. 축소 연료전지 장치로 더 나은 이용을 위해서, 하기에서 대부분 논의된 바와 같이, 특정 개선 또는 변형이 이루어질 수 있다.

도 9a는 대향 단부 (opposing ends, 11a, 11b)들 사이에 긴 몸체를 갖는, 이전에 기술된 장치(10)와 유사 하지만, 여러 변형을 갖는 장치(10)를 나타내었다. 하나의 단부(11a)는, 만약, 상기 긴 몸체의 스케일이 원하는 기판에 간편한 부착을 허용하지 않는 경우에 유용할 수 있는, 장치(10)의 긴 몸체보다 더 크게 제조된다. 예를 들어, 긴 몸체가 0.5 mm의 두께 z를 가진다면, 이는 부착점에 고강도를 제공 및/또는 용이한 부착을 허용하도록 2-4mm의 단부에 두께 Z를 갖는데 유용할 수 있다. 단부(11a)의 부착표면(88)은, 도 9b에서 제시한 바와 같이, 기판(92)에 부착 가능하도록 부착표면(88) 상의 접착제 또는 접착 재료 (attachment material)(90)를 더 나타내었다. 인풋 홀(70)은, 원하다면 기판을 통해 장치(10)에 들어오는 가스를 위한 진입점 (entry point)을 제공한다.

활성구조(들)(50) (서킷 (circuit) 무늬로 나타낸 바와 같이)이 존재하는 긴 몸체가, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 단부(11a)의 폭 Y 포다 폭 y이 더 좁을 수 있을 뿐 아니라, 장치(10)의 단부(11a)보다 더 얇은 것으로 나타내었다. 예를 들어, 장치(10)의 활성구조(50)는 열충격의 가능성을 줄이고, 빠른 가열을 유도하기 위해서 필요한 것보다 더 크지는 않다. 장치(10)는 큰 단부(11a) 상에 높게 세워질 수 있고, 접착 재료(90)는 제자리에서 이를 고정할 수 있다. 인풋 홀(70)은 접착 재료(90)에 의해 둘러 싸여질 수 있고, 접착 재료(90)가 가스 진입점 둘레로 실링 메카니즘 (sealing mechanism)을 제공할 뿐만 아니라 기계적 부착 (mechanical attachment)을 제공한다. 도 9a에서 추가로 나타낸 바와 같이, 장치의 큰 단부 (large end)(11a)는, 퍼니스 또는 핫박스 (hot box)와 같이, 열원(76)의 외부에 위치된 저온 단부일 수 있고, 절연재료, 퍼니스 벽과 같이, 절연재료에 의해 열원(76)으로부터 실드되고, 활성구조(들)(50)를 포함하며, 더 작은 디멘션을 갖는 긴 몸체의 부분은, 연료전지의 활성 반응 부위를 형성하도록 퍼니스(76)의 내부에 포함될 수 있다.

도 10a-10b는, 화살로 표시되고, 추가로 장치(10) 내로 가스의 흐름을 공급하고, 장치에 대한 접착 메카니즘으로 가스 공급 튜브(72)의 이용을 더 제시하고 있다. 가스 공급 튜브(72)는, 장치(10)를 지지하기 위한 충분한 구조 보전 (structural integrity)을 가지는, 유기 또는 무기, 금속 또는 세라믹, 많은 재료로부터 제조될 수 있고, 장치(10)의 단부(11a) 내로 끼워질 수 있다. 만약, 가스 공급 튜브(72)가 또한, 전도성이라며, 이들은, 활성구조로 전기를 전도하는 추가적 목적을 실행할 수 있다. 접착 재료(90), 납땜 (solder), 접착제, 또는 글루와 같은, 접착 재료(90)는 튜브(72)를 부분적으로 끼워서 밀봉할 수 있다. 접착 재료(90)는 장치(10) 내로 연장할 수 있으므로, 튜브(72)가 장치(10)의 내부 벽에 부착된다. 도 10a에 더 묘사된 바와 같이, 소형 장치(10)는 시동 (start up) 및 작동 동안에 열을 제공하도록 장치(10)의 표면 상에 저항성 발열체 (resistance heating elements)(94)를 가질 수 있다. 저항성 발열체(94)는 직선일 수 있거나 또는 균등한 가열을 위해 사형 패턴 (serpentine pattern)을 가질 수 있다. 저항성 발열체(94)에 대한 접촉단부 (end contacts)(96)는 용이한 연결을 위해서, 다중층 장치(10)의 저온 단부 (cold end)(11a)로 향해 나갈 수 있다. 장치(10)는 도 9a에서 제시한 것과 유사한, 퍼니스 또는 다른 열원(76) 내로 연장하는 긴 몸체와 함께 배치된다. 접촉단(96)은 이후에 나타내고, 논의되는 것으로, 회로판에 납땜을 사용하여 부착될 수 있다.

도 11은 회로판과 같은 기판(92)에 마운트된 대형 저온 단부 (large cold end)(11a)의 부착표면(88), 및 내부단열재 (inside insulation)(98)를 포함하는 고온 반응영역 (hot reaction zone) 및 고온 단부 (hot end)(11b)를 갖는 더 작은 긴 몸체를 포함하는 장치(10)를 보여준다. 단열재(98)는 알루미나-실리케이트 세라믹 또는 대부분 몇몇의 다른 적절한 단열재를 포함하는 세라믹 섬유 단열재로 제조될 수 있고, 상기 기판(92)은 화살표로 표시되고, 상기 장치(10) 내로 가스 흐름을 제공하도록 구성될 수 있다.

표면 마운팅 (surface mounting)을 위해, 장치(10)는 도 12a에서 개략적으로 묘사한 바와 같이, 긴 단부(11a, 11b) 둘 다에 부착표면(88)을 갖는, 아치와 유사한 형태일 수 있다. 각 단부(11a, 11b)는 퍼니스 또는 다른 열원(76)으로부터 실드되고, 또는 기판 외부에 마운팅하기 위한 저온 단부이고, 이들 사이에 활성구조(50)를 포함하는 상기 긴 기판의 부분이 상기 열원(76)에 노출된다. 두 개의 포인트 부착은 여러 경우에 좋은 기계적 안정성을 제공하고, 기판의 유연성 (flexibility)은 장치(10) 내에서 크랙을 제공할 수 있다. 상기 접착 재료(90)는 전도성 또는 비전도성 재료일 수 있다. 납땜은, 예를 들어, 도전재료이다. 상기 접착 재료(90)는, 상기 기술된 바와 같이, 상기 연료전지 및 상기 가스-실링 부착 (gas-sealing attachment) 둘 다에 전기적 부착(electrical attachment)을 제공할 수 있다. 단부 11a은 접착 재료(90) 및 인풋 홀(70)을 포함하는, 가장 세부적으로 부착표면 (attachment surface)(88)을 보여주도록 확대되었다. 도 12b에서 대략적으로 묘사된 대안적 구현예에서, 큰 단부(11a, 11b)의 부분 및 긴 몸체는, 기판에 부착하기 위한 퍼니스(76) 외부를 연장하는 큰 단부(11a, 11b)의 부착표면(88)을 포함하는 부분을 구비하여, 상기 퍼니스 또는 열원(76) 내에 존재한다. 도 12c-12e는 부착표면(88)을 갖는 단부(11a, 11b) 둘 다를 구비한 장치(10)의 또 다른 대안적 구현예를 개략적으로 묘사한다. 도 12c는 코너 (corner)에서 직각인 대신에 곡선형 아치 (curved arch)이다. 상기 아치 곡선 형태는, 모양이 형성된 표면 (shaped surface) 상에 특수한 라미네이션 또는 가공 (machining) 중 어느 하나를 통하여 또는 몇몇의 다른 방법에 의해 다층 세라믹 장치(10) 내에서 용이하게 얻을 수 있다. 상기 아치 곡선 형태는, 가열 및 냉각이 이루어진 장치(10) 내에 기계적 스트레스 (mechanical stress)를 줄일 수 있다. 도 12d 및 12e는 장치(10)와 유사하고, 낮은 수직방향 프로파일 (vertical profile)을 묘사하는 도 12d 및 높은 수직방향 프로파일을 묘사하는 도 12e와 함께, 상기 단부(11a, 11b)로부터 수직으로 연장하는 긴 몸체에 의해 도 12a의 장치(10)와 상이하다.

도 13에서 대략적으로 묘사된, 장치(10)는, 서로 간에 분리된 부착표면의 부분들을 유지하도록 부착표면(88) 내에 기계적 노치(100)를 가질 수 있다 (예를 들어, 패드들 사이에 솔더 윅킹 (wicking)을 방지). 추가로, 긴 단부(11a)로부터 긴 몸체까지 티닝 (thinning) 및/또는 내로우잉 (narrowing)이 곡선화될 수 있고, 이는 도시된 바와 같이, 엣지 형태를 피하기 위한 것이다.

도 13에 더 나타낸 바와 같이, 장치(10)는, 기판에 기계적 부착을 위한 부착표면(88)과 분리되고 연료전지 내로 가스 주입을 위한 가스 공급 튜브(72)의 부착을 위한 긴 단부(11a) 내에 인풋 홀(70)을 가질 수 있다. 추가로, 접착 재료 및 가스 공급 튜브(72) 중 하나 또는 둘 다는 연료전지 내로 전기적 접속을 제공하도록 전도성일 수 있다. 더욱이, 하나 이상의 접착 재료(90)의 영역이 이용될 수 있다. 예를 들어, 장치는 둘 이상의 개별적 내부 연료전지 영역 (distinct internal fuel cell regions)을 제공하는데 유용할 수 있는 접착 재료(90)의 영역의 둘 또는 넷을 가질 수 있다. 이에, 전도성 가스 공급 튜브의 이용 및/또는 접착 재료의 다중 전도성 영역은 장치(10)에 추가 전기적 부착점을 제공할 수 있다.

도 9a-13는 활성 반응 구역 (active reaction zone)에 대한 활성구조(들)(50)를 포함하는, 긴 기판의 중요 부분 (main portion)에 관련된 접착 목적을 위한 길어진 단부(11a, 11b) 중 하나 또는 둘 다에 중점을 둔다. 그러나, 이러한 구현예에서 기술된 특정 특징은, 또한, 하나의 단부(11a)에서 다른 하나의 단부(11b)까지의 균일한 높이, 길이, 폭을 가지도록 고안된 긴 기판에 유용할 수 있다. 도 14는, 균일상으로 인하여 제조가 더 용이할 뿐만 아니라 장치(10)의 오직 하나의 단부(11a) 상에 부착표면을 포함할 수 있는 균일한 디멘션의 장치(10)를 묘사하였다. 기판을 마운트하는 부착표면(88)은 전도성 접착 재료(90)의 사용에 인하여 전기적 접속 및 가스 주입을 위한 인풋 홀(70)을 포함한다. 대향 단부(11b) 및 활성구조(들)(50)를 포함하고, 이와 인접한 긴 기판 부분은 열원(76) 내에서 연장하거나 또는 열원(76)에 노출된다.

하나의 구현예에서, 도 15에서 대략적으로 나타낸 바와 같이, 인풋 홀(70)에 가스공급은, 플렉스 회로(110)로 달성될 수 있다. 플렉스 회로는 모던 마이크로일렉트로닉스에 사용되고, 이들의 유연성에 의해 구별될 수 있다. 이들은 대부분 통상적으로, 좋은 온도 안정성을 갖는, DuPont사의 Kapton®과 같은, 폴리이미드 테이프 (polyimide tape)로 제조된다. 이러한 재료가 다중층이 되고/또는 모양을 용이하게 형성할 수 있기 때문에, 플렉스 회로(110)는 플렉스 회로(110) 내에 개방 패스웨이 (open pathway)(112)를 포함하도록 제조될 수 있다. 이러한 패스웨이(112)는 축소된 연료전지 장치(10)에 가스를 운송할 수 있고, 또한, 전도성 접착 재료(90) 및 전기적 접속(114)을 운반할 수 있다. 플렉스 회로(110)는, 예를 들어, 도 14의 장치(10)에 부착될 수 있다. 플렉스 회로(110)에 가스 피드는 납땜되거나 또는 접착된 연결의 다른 세트 (set)로부터 생성될 수 있다. 플렉스 회로(110)는 전기 회로 및 가스 흐름 제공기 (gas flow provider)로서 이의 듀얼룰(dual role)로 인하여 본 발명에서 유일한 것이다.

추가로, 플렉스 회로는 연료전지 장치(10)를 작동하는데 모든 필수적인 전기회로 (circuitry)의 조절 및 프로세싱을 포함할 수 있다. 커넥터(connector)는, 장치(10) 내에서 다른 회로를 연결할 수 있고, 다른 커넥터는 연료전지 장치(10)의 추가 조절을 위해 서모커플을 부착할 수 있다. 가스공급 (gas supply)은 글루 또는 납땜을 사용해서 플렉스 회로(110)에 부착되거나 또는 플렉스 회로와 짝짓는 영역이 가스공급 위치 내로 클램핑 (clamped)되는, 일시적 부착 수단 (temporary attachment means)을 통하여 이루어질 수 있다. 플렉스 회로 방법의 하나의 이점은, 연료전지 장치(10)가 강접 (rigid connections)에 프리한 것이고, 그러므로, 크랙 또는 물리적 손상 (physical damage)에 대한 더 좋은 저항성을 갖는다.

대안적 구현예에서, 장치(10')는 도 16의 개략도로 묘사하였다. 장치(10')은 제1 및 제2 대향 단부(11a, 11b) 사이에 연장하는 긴 기판 및, 전체로 내부 지지구조 내에 및 이들 사이에 활성구조(들)(50)를 포함한다. 긴 기판은, 열확산(thermal expansion)이 길이 방향으로 우세한 가장 큰 디멘션인 길이를 갖는다. 그러나, 단부(11a, 11b)를 포함하는 긴 몸체는, 퍼니스와 같이, 열원(76) 내에 포함된다. 장치(10')는 저온 단부(11a', 11b') 내에서 종결하는, 열원(76)을 벗어나고, 긴 몸체로부터 폭 방향으로 표면상으로 연장하는 돌출부분 (projecting portion)을 포함한다. 저온 단부(11a', 11b')의 사이에 길이는 고온 단부 (11a, 11b) 사이의 길 보다 더 작고, 그러나 여전히, 단부(11a', 11b') 사이의 섹션의 두께 및 폭 보다 더 크다. 이에, 장치(10')는 온도 안정성을 겪는 핫존 내부에 장치(10)의 가장 큰 영역 및 디멘션을 구비한, 4개의 종단부의 십자형 및, 열원(76)에서 방출하는 길이 방향에 따른 온도기울기를 겪는 두 개의 작은 종단부 (terminating ends)를 갖는다. 이러한 디자인에 의해서, 가스는, 저온 접속 (cold connections)에서 열원(76) 외부의 단부(11a', 11b') 까지 장치(10) 내로 피드되고, 전기적 접속도 이와 마찬가지로 열원(76)의 외부에서 형성되고, 반면에, 활성구조(들)(50)를 포함하는 장치(10')의 대부분은 열원(76) 내에 존재하고, 여분의 가스는 핫 영역 내의 장치(10')를 나간다.

관련된 U.S. 출원 No. 12/607,384에서, 도 163 및 관련된 논의는 효과적인 개선에 관한 것으로, 가스통로(14, 20)의 형태가, 부피 감소를 제공하도록 활성 구역(33b)의 길이를 따라 변화하고, 따라서, 가스가 활성 구역(33b)의 길이 아래로 진행하는 것과 같이, 가스 조성에서 점진적인 차이를 처리하기 위해 가스통로(14, 20) 내에 유속을 증가시킨다. 예를 들어, 산소가 공기보다 높게 사용되는 바와 같이 (is used up from air), 정해진 활성 구역(33b)에 산소와 유사한 함량(또한, CO₂ 및 H₂O에 의해 교체되고, 연료 통로(14) 내에서 연료의 소모에 해당)을 제공하도록 더 많은 기류량 (flow volume)이 산화제 통로(20)에서 요구될 수 있다. 이에, 도 163의 것에서, 유로의 폭은 더 높은 유속을 얻기 위해서 좁혀진다.

본 발명의 구현예에서, 연료 통로(14)를 향하는 방향으로 애노드(24)를 통과하는 횡단면도로 도 17a에 묘사되며, 에너지 효율은, 예를 들어, 유로의 길이 아래로 활성 구역(33b)의 폭의 증가와 같이, 활성 구역(33b)의 길이 아래로 애노드(24) (및/또는 캐소드(26))의 영역을 확대시키는 대신에 장치(10)으로 개선될 수 있다. 가스 유속이 측정에 따라 더 늦어지므로, 드웰시간(dwell time)은 애노드(24) (및/또는 캐소드(26))의 영역의 증가로 인하여 서서히 증가하고, 이러한 드웰시간의 증가는 연료 (및 산소) 분자의 더 높은 활용을 이끌 수 있다.

도 17b에서 묘사된 구현예에서, 유사한 개념이 직렬 연결된 다중 활성구조(50)로 나타내었고, 여기서 연속 조합 (series combination)의 길이를 줄인 각 활성 연료 셀이 이전의 셀 보다 약간 더 크게 제조되었다. 이런 방식으로, 유로에 따른 활성 셀은, 이어서 동일한 양의 파워와 함께 제공되므로, 점진적으로 더 커지는 셀들은 점진적인 가스 조성의 감소와 함께 더 긴 드웰 시간을 가질 수 있다. 다른 면에서, 공기 및 연료가 통로에서 흘러내리는 것처럼, 이러한 가스에서 유용한 성분은 열화된다. 길이가 짧아진 각각의 셀은, 예를 들어, 저압 및/또는 낮은 전류, 이전 셀 보다는 더 낮은 파워를 제공할 수 있는 것으로 여길 수 있으나, 그러나, 이전보다 각각의 셀이 더 크게 제조되기에, 이러한 경향은 셀들 사이의 파워 아웃풋의 더 향상된 균일성에 대응되는 것이다 (counteracted). 이와 함께, 도 17a 및 17b는, 연료 이용률 또는 총파워에 관련된 바람직한 특성을 제공하기 위해서, 더 크거나 또는 더 작게, 가스의 흐름 방향과 비교할 때, 활성구조의 영역이 점진적으로 사이즈 면에서 불균일한 것을 인식한다. 활성구조의 디멘션은 가스의 변화 특성에 맞추기 위해서, 장치 내에서 유용한 가스 변화 농도로서, 감소하거나 또는 증가할 수 있다.

하나의 구현예에서, 본 발명의 장치(10)는 다중 공기 및/또는 연료 아웃풋 위치를 포함한다. 다중 아웃풋은, 예를 들어, 개별 활성층의 파워 또한, 상기 층에 대한 가스 유속을 측정하기 원한다면, 테스트 및 개발 중에 증가된 정보를 제공할 수 있다. 다중 아웃풋은, 또한, 장치(10)를 통과하여 흐른 이후에 가스를 개별적 방향 내로 보내는데 유용할 수 있다.

도 18a-18b에서, 장치(10)는 각각, 가스 흐름 방향과 동일한 세 개의 아웃풋 위치 및 장치(10)의 각각의 단부(11a, 11b)에서 하나의 큰 가스 주입을 갖는 도시적 측면도 및 도시적 상부도에서 나타내었다. 도 18b에서 나타낸 바와 같이, 장치(10)는, 예를 들어, 개별적 연료 아울렛(16a, 16b, 16c)을 갖는 각각의 연료 통로(14) 및 개별적 산화제 아울렛(22a, 22b, 22c)을 갖는 각각의 산화제 통로(20)를 구비한, 세 개의 개별 활성층을 포함할 수 있다. 대안적으로, 각각의 아웃풋은 서빙 (serving) 다중층일 수 있다.

도 18a에서 묘사된 바와 같이, 핫존은, 콜드존 (cold zone)(30)에서 아울렛(16a-c, 22a-c)와 전체 아웃풋 확장 및 장치의 단부(11a, 11b)를 갖는 장치의 중심 내에 있을 수 있다. 이러한 배열은 장치(10)를 벗어나기 이전에 가스를 냉각하기 위한 것이고, 이에, 낮은 온도 연결로 배출가스를 수집하도록 한다. 도 18c에서, 핫존(32)은, 아웃풋 확장이 핫존(32) 내에 부분적으로 이루어지도록 배열될 수 있으며, 그러나, 배출가스가 여전히 퍼니스의 외부에서 수집되는 것으로 개별적으로 나타나지만, 가스는 적절하게 냉각되지 않을 수 있다. 또 다른 대안으로, 도 18d에 묘사된 것으로, 아웃풋(16a-c, 22a-c)은 핫존(32) 내에 완전하게 포함될 수 있다.

U.S. 출원번호 No. 2011/0117471에서, 컨덕터 금속 (conductor metal)이 희생 섬유를 제거한 이후에, 공기 및 연료 통로에 이용되는 희생 섬유 (sacrificial fibers)에 첨가될 수 있다는 것을 개시하였다. 상기 전도성 금속은 장치의 외부로 흐르는 전자에 대한 더 놓은 전도성 패스 (path)를 제공하는 전극 재료에 소결된 통로 (passages)로 남는다. 통로 내에 재료를 위치시키는 유사한 개념은 연료를 개질 (reforming)하는 목적을 위한 촉매의 사용을 포함한다. 개질은 더 작은 탄소 사슬 (carbon chains)로 긴 탄소 사슬을 자르는 것을 의미하고, 이는 열 및 스팀의 첨가에 의해서 잘 이루어진다. 개질에 대한 하나의 문제는, 예를 들어, 퍼니스의 벽 표면 상의 재 (ash) 형태와 같이, 탄소의 퇴적 (deposition)일 수 있다. 촉매는 이러한 탄소 누적 (carbon accumulation)을 방지하는데 도움을 주고, 반응 개선 (reforming reaction)을 촉진시킬 수 있다. 알려진 많은 촉매는 니켈, 백금, 팔라듐 및 로듐을 포함하고, 상기 촉매는 합금 또는 다른 지지재료의 상부 상에 촉매성 재료일 수 있다.

가스통로에 촉매 재료를 첨가하는 하나의 방법은, 예를 들어, 연료 통로(14), 도 19에서 대략적으로 나타낸 바와 같이, 활성구조(50)를 피딩하는 가스통로를 형성하는데 이용되는 와이어 (wire)(42)의 외부에 촉매(46)의 입자를 첨가하는 단계를 포함한다. 예를 들어. 상기 입자는 예를 들어, 부착을 위해서 바인더로 사용되는, 표면상에 칠해질 수 있다. 와이어는, 다음으로, 종래에 관련된 출원에서 논의된 것처럼, 장치(10) 내로 설치되고, 다음으로, 구조는 라미네이트된다. 와이어(42)가 제거될 때, 촉매(46)은 형성된 통로(14) 내의 위치에 남겨 진다. 장치(10)의 소결 이후에, 통합된 촉매 영역이 존재한다.

이와 유사하게, 촉매는, 전체로 참조에 의해 본 발명과 결합된 U.S. 출원번호 No. 2011/0117471의 도 12, 13a 및 13b로 나타낸, 퓨지티브 (fugitive) 또는 희생 재료에 의해 형성된 갭 내로 제조될 수 있다. 갭 테이프 또는 섬유(41)은, 촉매 입자를 포함하는 영역으로 형성될 수 있고, 다음으로, 상기 촉매를 소결한 이후에 제자리에 남겨질 수 있다.

촉매(46)의 위치는 작동 장치를 걸쳐 존재하는 온도기울기와 비교시 최적화되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 촉매(46)에 대해 하나의 원하는 위치는 장치(10)의 핫존(32) 내에 있을 수 있다. 대안적으로, 상기 촉매는, 온도가 저온에서 고온으로 전환하는 전이 부위 (transition zone)(31) 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 촉매 입자는, 퍼니스(76)의 벽을 통과하는 장치의 부분을 포함할 수 있는, 실질적으로 낮은 영역으로부터 실질적으로 고온인 영역까지 연장하는 영역을 따라 포함될 수 있다. 촉매의 존재는 전이 부위(31) 내의 탄소 재료의 빌드업을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에서, 장치는 내부 전극 및 외부 표면 컨덕터 사이에 극성 부조합을 해결하기 위해 제공된다. 상기 논의된 바와 같이, 도 5a로 참조하며, 전압강하는, 장치(10)가 최적 (측정된) OCV가 없는 것으로 나타내도록, 내부 컨덕터 또는 전극(24), 및 장치(10) 상의 외부 컨덕터(44) 사이에 발생할 수 있다. 상기 구현예에서, 비전도성 표면층(60)은 문제점을 해결하기 위한 하나의 방법이다. 이러한 문제를 해결하기 위한 다른 방법은 장치를 작동하는 중에 분위기를 고려하는 것이다. 산소 또는 산화성 분위기에서 작동하는 연료전지 장치에 대해서, 장치의 외부 및 몇몇의 내부 위치 사이에 존재하는 극성은, 외부 공기표면 (air surface) 및 내부 연료 표면 (fuel surface) 사이의 극성일 수 있다. 이와 유사하게, 만약 장치가 환원성 분위기 (예를 들어, 순수 니켈 또는 장치의 외부 상에 구리 컨덕터의 이용을 용이하게 하기 위해) 내에서 작동된다면, 다음으로, 존재하는 극성은 외부-연료 표면 및 내부-공기표면에 의한 것일 수 있다.

표면 컨덕터(44) 및 대향적 내부 전극 간의 상호반응을 줄이기 위해서, 장치(10)는 이런 두 가지 포인트 사이에 실딩을 제공하도록 배열될 수 있다. 퍼니스(76) 내에서 대기 분위기에 대해 측단면도에서 묘사된 도 20a에서, 장치(10)는 활성구조(50)로 시작하고, 캐소드(26)(예를 들어, 셀의 공기 측면)로 끝나고, 가스통로로 시작하고, 산화제 통로 20으로 끝나도록 배열된다. 공기에 노출되는 장치(10)의 외부, 및 캐소드(26)와 근접하고, 공기를 운반하는 근접한 내부 통로 (closest internal passage)(20)의 사이의 극성은 이러한 제작기법으로 최소화될 수 있다. 도 20에서 제시한 바와 같이, 표면 컨덕터(44)는, 예를 들어 패시베이션층 (passivation layers)표면 비전도성층(60) 또는 세라믹 서라운딩 지지구조(29) 상에 있을 수 있고, 예를 들어 도 5a를 참조하여 기술되 바와 같이 이들 사이에 이용될 수 있다. 추가로, 활성구조(50)가 표면 컨덕터(44)에 가장 근접한 연료 통로(14) 및 애노드(24)를 갖는 것과 같이, 활성구조(50)는, 분위기가 환원성인 퍼니스(76)의 분위기가 연료의 일부 함량을 포함하는 것을 반전시킬 수 있다. 일반적으로, 이런 디자인은, 극성 면에서 내부 활성구조(50)이 표면과 조정될 수 있기 때문에, 표면 컨덕터(44)를 장치(10)의 상부 및 하부 표면 둘 다에 위치되도록 한다.

대안적으로, 활성구조(50)는 공기로 시작되고 연료로 끝나는 것으로 배열될 수 있고, 그러나, 이어서, 표면 컨덕터(44)가 교감 극성 (sympathetic polarity)을 갖는 표면 상에만 배치된다 (즉, 대기 분위기 퍼니스 내에 존재하는 장치 내에서, 표면 컨덕터는 통풍로(20)에 가장 근접한 표면 상에만 배치될 수 있는). 다른 대안으로, 도 20b에서 묘사된 측단면도에서, 내부 디자인은 도 20a의 것과 유사하지만, 공기는, 장치(10)의 하나의 단부(11a)로부터 들어가고, 연료는 다른 단부(11b)로부터 들어가며, 그러나, 모든 과량 또는 배출가스는 장치(10)의 중식으로부터 방출된다. 이런 경우에, 표면 컨덕터(44)는 장치(10)의 일부 교감 부분 (sympathetic portion) 위로 배치될 수 있고, 제시된 예시에서 상부 및 하부 표면를 포함한다. 장치(10)에서 다른 인자가 여전히 측정면에서 잘못 인도된 전압강하의 일부 함량을 이끌 수 있지만, 상기 언급된 구현예는 이러한 문제를 감소하는데 도움을 줄 수 있다.

활성구조(50)의 층의 수축 및 애노드(24), 전해질(28) 및 캐소드(26)를 함께 소결하는 활동은 도전이다. 각각의 다른 것과 재료를 맞추기 위해 다양한 노력이 기술되었으나, 여전히 도전은 존재한다. 이러한 문제점들을 완화하는 하나의 방법은, 임의의 한점으로 스트레스 집중을 줄이기 위해서, 그린 스택을 빌드업할 때, 애노드(24) 및 캐소드(26)의 코너를 곡선화하는 것이다. 도 21은 둥근 코너를 갖는 층으로 이루어진 활성구조(50)의 빌드업을 대략적으로 묘사하였다. 날카로운 부위 또는 각도 90도 부위를 제거하여 코너에서 스트레스를 최소화하는 다른 형태도 가능한다. 추가로, 애노드(24) 및 캐소드(26)의 재료 및 관련된 집전 장치 (current collectors)(84, 86)는, 도 21에 묘사된 바와 같이, 정밀한 패턴 (exact pattern)으로 서로 위로 라인업(line up)하지 않도록 분산될 수 있다. 예를 들어, 애노드(24)는 이의 관련 집전 장치 84 보다 더 클 수 있다 (두 부분 전극, 화학적 활성에 대해 최적화된 한 부분 및 전류 이동을 위해 최적화된 다른 한 부분). 발생하는 임의의 부조합을 통하여, 이러한 차이가 재료와 관련된 포스 (forces)를 분산시키기 때문에 이로움이 있다. 이러한 차이점은, 다른 패턴의 상부 상에 하나의 패턴에 대한 완벽한 레지스트레이션 (perfect registration)과 비교해서, 큰 영역을 걸쳐 스트레스를 확산한다. 유사한 효과는 도 21에서 나타낸 바와 같이 캐소드(26) 위로 애노드(24)의 정렬 불량 (misalignment)을 제공할 경우에 발견될 수 있다.

진행 동안에 스트레스 및 확장 문제를 줄이기 위해서, 장치(200)는, 전체로 본 발명에 참조로 결합된 공동 계류중인 U.S. 출원번호 No. 2010/0104910의 도 120 및 131a에 도시된 것과 유사한 도 22를 나타내었다. 도 22의 장치(200)는, 각 연료 인렛(12) 및 산화제 인렛(18)에 대한 활성 구역(30) 내에서 저온의 대향 인풋 단부 (opposing input ends)(11a, 11b)를 갖는 긴 백본 섹션(202)을 포함한다. 고온에서, 활성 구역(32), 다수의 긴 활성섹션(204a, b, c) 등 (집합적으로 204로 명시된)은 하나의 사이드(11c) (또는, 사이드(11c, 11d) 둘 다에서, 미도시)로부터 연장하고, 배출연료 (exhaust fuel) 및 산화제 아울렛(16, 22) 내에서 단부(206)에서 종결된다. 하나의 고체 조각 (solid piece)이고, 동일한 전체 영역을 갖는 다른 하나의 디자인 위로 하나의 디자인이 있는 이점은, 신속하게 가열하는데 더 쉽게 조정 가능한 시간을 가질 수 있다. 더 작은 긴 활성섹션(204) 내로 디자인의 브레이킹 업 (breaking up)에 의해, 증가율은 하나의 큰 범위로, 유사한 질량의 장치(10) 상에 증가율보다 더 빠를 수 있다.

각각의 긴 활성섹션(204)은, 하나 이상의 활성 셀을 포함할 수 있다. 하나의 긴 활성섹션(204)에 따른 셀은 다른 긴 활성섹션(204) 내에서 셀에 의한 직렬 또는 병렬조합으로 연결될 수 있다. 긴 백본 섹션(202)은 추가 활성구조를 포함할 수 있고, 또는 상기 직접적으로 참조된 공개에서 기술된, 동맥형 (artery) 유로와 같이, 단지 가스 분산 통로를 포함할 수 있다. 긴 활성섹션(204b)에 대해 묘사된 직각형 또는 정사각형 외에, 화소되지 않은 연료에 의해 가열로부터 팁 (tips)에서의 확장을 줄이기 위해서 과량의 연료 (excess fuel)가 발산되는 영역의 디멘션을 줄이도록, 긴 활성섹션(204)의 단부(206)는, 긴 활성섹션(204a)으로 나타낸 것처럼 스캘롭 방식 (scalloped fashion), 또는 긴 활성섹션(204c)으로 나타낸 것처럼 포인트 방식 (pointed fashion)으로 점점 가늘어질 수 있다 (tapered). 디자인 면에서 더 복합하지만, 가스통로는 장치(200)에서 다른 곳으로 방출하기 위해 긴 백본 섹션(202) 내로 되돌아 흘러가게 (flow back)할 수 있다. 예를 들어, 두 종류의 가스는 단부(11a)에서 주입되고, 각 활성섹션(204)을 통하여 나아가고, 단부(11b)로부터 방출한다.

상기 참조된 관련 출원에서 논의된 바와 같이, 구현예에서, 예를 들어, 병렬 및 직렬 연결과 같이, 다른 전극 사이에 접촉 또는 전기적 접속을 형성하기 위해 장치(10)의 사이드에 따라 적용되는 접촉 패드 또는 표면 컨덕터(44)를 포함한다. 다음으로, 외부 연결 (external connection) 형성에 대한 구현예를 추가적으로 포함한다.

도 23a 및 23b에서, 두 개의 활성구조(50) 각각에 따른 애노드(24) 또는 캐소드(26)는, 장치(10)의 사이드 (엣지)로 연장될 수 있고, 이들 위로 적용된 통상적 접촉 패드(44)는 이들 사이에서 직렬 또는 병렬 연결 (직렬 연결로 나타냄)을 형성한다. 도 23a에서, 상면도는 장치(10)의 길이 아래로 직렬의 세 개의 활성구조(50)를 갖는 장치(10)를 묘사하였다. 도 23b에서, 횡단면은, 직렬로 연결되고, 장치(10)에 수직적으로 스택된 두 개의 활성구조(50)를 묘사하였다. 길이형 방식 (length-wise fashion) 및 수직 스택형 둘 다로 배열된 활성구조(50)는 장치(10)의 파워를 증가시키기 위해 병렬 및/또는 직렬 배열로 연결되고 조합될 수 있다.

하나의 구현예에서, 도 23b 및 24에 제시한 바와 같이, 가스-형성 재료 (미도시)는, 라미네이션 및 소결 이후에 장치(10)의 엣지에서 큰 보이드를 생성하는 그린 구조를 빌드업 할 때 전극의 엣지에서 이용되므로, 장치(10)의 엣지 내로 흐를 수 있다. 갭 내로 들어가는 이러한 침투성 금속(44a)은 더 낮은 ESR를 제공할 수 있는, 전극 상으로 3-디멘션적 결합을 형성할 수 있다. 도 24에서, 비교 대상에 대해, 애노드(24)가 가스-형성 재료가 사용되지 않는 것을 보여주고, 이로써, 접촉이 애노드(24)의 측면 또는 엣지에서만 이루어지고, 반면에, 캐소드(26)는, 캐소드(26)의 표면에 결합하고, 갭을 채우는 침투성 금속 (penetrating metal) (44a)과 함께 나타내었다. 이러한 침투성 금속(44a) 없이, 애노드(24)는 고저항성을 가질 수 있는 것처럼, 장치(10)의 엣지에서 점접촉 (point contact)을 형성한다. 가능한 낮은 저항성을 갖는 것은, 이러한 접촉이 정상적인 작동 동안에, 대전류 또는 중간 전류를 운반한다는 점에서 이익이고, 만약 저항성이 높다면, 이들은 실패 (번오픈, burn open)할 수 있다. 추가로, 접촉 패드(44)에서 일부 저항성 손실은 전체적 시스템에 의해 사용될 수 있는 파워를 버릴 수 있다. 이에, 엣지에 형성된 갭을 갖으나, 장치(10)의 엣지가 되는 전극을 포함하는 이점이 있고, 이로써, 접촉 패드(44)에 사용된 금속은 전극의 표면 또는 전극의 측면에 닿을 수 있다.

장치(10)의 사이드가 다중 개별 (multiple distinct) 접촉 패드(44)를 포함할 수 있는 부위에 대한 특정 이용에 대한 다른 구현예로서, 접촉 패드(44)는 장치(10)의 엣지 내로 리세스된다. 다른 면에서, 엣지에 이르는 쌍전극 (두 개의 인접 셀의 각각에 하나의 전극) 은 큰 보이드(45) 안에 있고, 도 25에서 대략적 횡단면으로 나타낸 바와 같이, 접촉 패드(44)는 보이드(45) 내에 적용된다. 이러한 구현예의 이점은, 서로 근접하게, 그러나 쇼팅(shorting) 없이 개별 엣지 연결들을 형성하는 가능성이다. 다음에, 이는 장치(10)의 하나의 사이드 상에 여러 번 반복되고, 상기 전극은 쇼팅하지 않는다. 반복에 따라, 이런 구조의 스케일은 매우 작게 제조될 수 있다.

도 26a-26c는 리세스된 접촉 패드(44)를 생성하는 하나의 방법을 대략적으로 묘사하였다. 도 26a에서, 보이드(45)는 장치(10)의 사이드에서 생성된다. 도 26b에사서, 보이드(45)는 금속으로 장치(10)의 사이드를 코팅하기 위해서 오버필링된다 (over-filling). 도 26c에서, 장치(10)의 사이드는 과량의 재료를 제거하기 위해서 샌딩 (sanded) 또는 그라운드 (ground)된다. 소결단계는 오버필링 및 샌딩 단계 사이에서 이루어지고, 이는 필수적이지 않다. 또한, 과량의 금속을 갖는 것이 필수적이지 않으며, 예를 들어, 오버 필링 단계 대신에 필링 단계 (filling step)일 수 있으며, 그러나, 오버 필링하고, 하소 이후에 사이드 엣지 (side edg)를 세척하는 것이 더 편리하다. 또한, 금속이 장치(10)의 엣지에서 갭으로 침투하기 때문에, 다음의 폴리싱 또는 세척단계에 따라, 장치(10)는, 장치(10)의 엣지를 따르는 매우 뚜렷한 금속화선을 남긴다. 샌딩 또는 폴리싱 단계에서, 매우 개끗한 최종 외관을 위해서, 장치(10)의 몸체 또는 세라믹 서라운딩 지지구조(29)의 소량을 제거하는 것도 바람직하다.

도 26a-c에서 묘사된 방법에 대한 또 다른 변형으로, 보이드(45)는 빌드업 공정 중에 장치(10)의 엣지의 내부에서 생성될 수 있고, 디라미네이션의 가능성을 피하기 위해서, 장치(10)가 소결된 이후에 상기 엣지에 단지 노출만 된다. 소결 동안의 스트레스는 다중층 구조의 엣지를 당긴다. 스타터 갭 (starter gap)이 존재한다면, 디라미네이션이 일어날 수 있다. 이에, 도 27에서 나타낸 바와 같이, 가스-형성 재료 (gap-forming material)는, 상기 엣지 근처의 장치(10)의 내부에 내부 보이드(45)를 형성하도록 세라믹 층 내에서 이용될 수 있고, 다음으로, 점선까지 세라믹 서라운딩 지지구조(29)를 제거하는 폴리싱 또는 제거 공정을 통하여 보이드(45)를 노출시킨다. 이는 제조공정을 통하여 장치(10)가 최대 강도를 갖는 것을 보장한다. 다음으로, 도 26a-c의 단계는 리세스된 접촉 패드(44)를 생성하도록 수행될 수 있다.

도 28a-28d는, 인접한 활성구조(50)의 캐소드(26)에 하나의 활성구조(50)의 애노드(24)를 직렬로 연결하는 것을 포함하고, 층 및 갭-형성 재료가 이러한 구조를 형성하기 위해 조합하는 방법을 포함하는, 도 24 및 26c의 개념들을 조합하는 장치(10)의 형성에 대한 구현예를 묘사하였다. 도 28a에서, 지지구조 29를 형성하기 위한 세라믹층, 애노드(24) 및 캐소드(26)에 대한 층, 갭 형성 재료층(66)은 그린 녹색 스택 내로 어셈블리되고, 상기 스택은 압력 적용하여 라미네이트된다. 도트 시리즈는 두 개의 활성구조 중 각각에 대한 잔여부를 형성하는 추가 층의 존재를 나타내고, 그러나, 시각적 단순화를 위해 묘사에서 누락된다. 도 28b는 라미네이션 이후에 상기 구조의 사이드 마진(56)을 개략적으로 나타내었다. 다음으로, 가열이 상기 그린 재료를 소결하기 위해 적용되고, 이어서, 층(29)에 따른 세라믹 재료는 상기 사이드 마진(56)에서 점선까지 폴리싱으로 제거한다. 도 28c는 소결 이후의 구조 및 보이드(45)를 노출하도록 엣지 재료를 폴리싱 오프 (polishing off)를 묘사하였다. 도 28d는 금속화 이후에 장치 및 전극 및 직렬 연결 금속화 (series connection metallization) 간의 강한 결합을 형성하도록, 각각의 애노드(24) 및 캐소드(26)의 표면에 결합되는 오목한 접속 패드(44)를 형성하기 위한 여분의 금속 일부에 대한 폴리싱 제거를 묘사하였다.

도 29에 나타낸 것과, 다른 구현예에 따라, 장치(10)의 스택은 니켈 펠트 (nickel felt)와 같은 전도성 금속 펠트(48)를 이용하여 형성된다. 하나의 구현예에 따라, 각각의 장치(10)는 핫존(32)에서, 각각의 하부 사이드 및 상부 사이드 상에 표면 컨덕터(44)를 갖는다. 이러한 표면 컨덕터(44) 중 하나는 양극 (positive polarity)을 가지고, 다른 하나는 음극 (negative polarity)을 갖는다. 다수의 이러한 장치(10)는, 다음으로, 서로 함께 스택되고, 높은 총전력 (total power)을 제공하는 번들 (bundle)을 형성한다. 전도성 금속 펠트(48)은 하나의 장치의 양극 단자 (positive terminal) 및 다음 장치의 음극 단자 (negative terminal) 사이에 배치됨으로, 이러한 두 개의 장치는 직렬 연결이 된다. 다른 재료는 니켈 외에 이용될 수 있고, 예를 들어, 구리, 귀금속 또는 다른 비귀금속을 포함한다. 전도성 금속 펠트(48)로 니켈과 같은 특정 금속의 이용은, 퍼니스(76)가 환원성 분위기에서 작용되는 것을 요구하고, 즉, 니켈과 같은 금속을 산화니켈과 같은 금속 산화물로의 전환을 방지하는 정도로 네트-연료 풍부 분위기가 있다. 추가로, 장치(10)들 사이의 표면 컨덕터(44)는 퍼니스(76)의 외부로 연장할 필요가 없고, 반면에, 스택 상태의 상부 및 하부 장치(10) 상에서, 통상적 표면 컨덕터 (conventional surface conductor)(44)는 퍼니스(76)의 외부로 전기를 처리하도록 표면 상에 존재해야 한다. 전도성 금속 펠트(48)의 이용에 대한 이점은, 만약 각 장치(10)가 퍼니스(76)의 외부가 되는 연결을 가지는 경우보다 상기 장치들(10) 간의 연결은 더 낮은 저항성을 가질 수 있는 것이다. 그러므로, 이러한 기술은 낮은 시스템 손실을 제공할 수 있다.

장치(10)의 활성구조(50)에 고강도 및 강성의 제공에 대해, 설계 고려사항에서 경쟁 요인이 있다. 전해질(28)이 최상의 이온 수송을 제공하기 위해 유리하게 매우 얇은 것이 하나의 인자이다. 다른 인자는 애노드(24) 및 캐소드(26)의 두께이다. 이들이 너무 얇으면, 다음에 이들은 이온 또는 전자를 충분히 전달할 수 있다; 그러나, 이들의 너무 두꺼우면, 이들은 가스 수송을 느려지게 할 수 있거나, 또는 이들이 장치(10) 내의 다른 재료와 부조합 문제를 야기시킬 수 있다.

도 30에서 부분적 횡단면으로 묘사된, 하나의 구현예에 따라, YSZ (또는, 등가물)와 같은 다공성 세라믹 (64)는, 상기 전극 상에서 활성구조(50)의 하부 및 상부에 첨가된다. 활성구조(50)에 두께를 추가하는 이러한 방법의 사용으로, 전해질(28)을 전체적 활성구조(50)의 약화 (weakening) 없이 가능한 얇게 만들 수 있다. 추가로, 전체적 구조의 강도와 같은 다른 고려 사항에 관련 없이 상기 애노드(24) 또는 캐소드(26)의 두께를 최적화하도록 한다. 또한, 여분의 세라믹의 첨가 없이, 3층의 활성구조(50) (애노드(24)/전해질(28)/캐소드(26))의 전체적 양립가능성, CTE (coefficient of thermal expansion) 및 수축과 같은 사안은, 애노드(24) 및 캐소드(26)에 의해 주도될 수 있으나, 이러한 기술은, 예를 들어, 비다공성 또는 다공성인 YSZ와 같은 세라믹의 동일 종류가 상기 서라운딩 지지구조(29)의 제조에 이용되는 벌크 재료의 일부분 또는 전체를 형성한다면, 상기 다공성 세라믹(64)의 특징으로 되돌리는 방향으로 밸런스를 이동시킨다.

다공성 세라믹(64)의 다공성은, 포어를 통하여 가스 수송이 이루어져야 하므로, 활성구조(50)의 기능에 중요하다. 상기 포어는, 상기 언급된 바와 같이, 다양한 유기입자 또는 섬유 (fibers), 포어-형성 재료의 이용에 의해서 생성될 수 있으므로, 상기 포어의 네트워크는 애노드(24) 위에 나타낸 바와 같이, 다공성 세라믹(64) 전체에 걸쳐서 생성된다. 또한, 상기 포어는 펀칭방법 (punching techniques)에 따른 이용으로 형성될 수 있으므로, 상기 포어는 캐소드(26)의 아래에 나타낸 바와 같이, 실질적으로 크고, 버티컬 오프닝 (vertical openings)이다. 또한, 다공성 세라믹(64)는 소성된 세라믹 (예를 들어, YSZ) 입자 또는 단순하게 매우 큰 세라믹 입자에 의해 획득될 수 있으므로, 이들은 전체적으로 장치(10)를 소결하는데 이용되는 온도에서 소결되지 않는다. 이러한 방법의 조합은 동시에 이용될 수 있다.

작동 가스 및 온도에 의존하는 본 발명의 장치(10) 중 일부는, 예를 들어, 전이 부위(31)와 같이, 저온에서 고온으로 향하는 온도 전이 영역, 개질이 발생하는 영역, 또는 콜드존 (cold zone)(30) 내의 진입 통로 (entry passages) 내와 같이, 가스통로 진행로 내에서 탄소 빌드업이 발생하는 것이 가능할 수 있다. 탄소 빌트업에 대한 두 가지 해결책은 일시적으로 탄소의 세척 및/또는 일시적으로 클리닝 단계에서 가스 조성 변경하기 위해 진입로 (entryway)에서 증가 되는 온도 기울기 (temperature gradient)의 제공을 포함한다.

탄소가 임계온도를 초과하는 온도에서 공기에서 효과적으로 제거되는 것으로 이해할 수 있으나, 상기 임계온도 이하에서, 탄소는 세라믹 구조 내에 남겨지는 것이 가능하며, 전이 부위 31 및/또는 퍼니스(76)의 벽과 같이, 장치(10)의 전이 온도 (transitional temperature)가 상기 임계온도 이하인 장치(10)의 영역 내에 탄소가 빌드업 (build up)되는 것을 예상할 수 있다. 반면에, 상기 핫존(32)은 상기 임계온도 이상에서 작동한다. 이에 핫존(32)은 클리닝 단계에 대한 전이 부위(31)를 둘워싸는 더 큰 영역으로 연장하도록 제조될 수 있다. 하나의 구현예에서, 도 31에 개략적으로 묘사된, 퍼니스(76)를 포함하는 장치(10)는, 두 개의 벽(77, 78) 사이에 배치된 발열체 (미도시)와 함께, 핫존(32)을 둘러싸는 내벽(78) 및 전이 부위(31)의 전체 또는 일부분을 둘러싸는 외벽(77)을 갖는 이중벽을 갖는다. 장치(10)가 연료 전지 모드로 작동될 때, 벽(77, 78) 사이의 발열체가 켜지지 않으므로, 상기 전이 부위(31)는 저온에서 고온 (및 고온에서 저온으로)으로의 온도 전이 영역을 의도하도록 작동한다. 장치(10)가 클리닝 모드로 작동될 때, 상기 발열체는 일부 카본 빌드업을 제거하기 위해서 상기 임계온도 이상으로 추가 밀폐된 (enclosed) 영역을 가열하도록 켜지고, 이로써 상기 핫존의 외부 통로를 클리닝한다.

다른 구현예에서, 상기 장치에 도입하는 연료 가스 스트림 (fuel gas stream)의 조성은, 상기 연료 스트림 (fuel stream)에서 ppm (parts per million)의 산소 함량을 변경시켜 변형될 수 있다. ppm으로 측정되는, 상기 연료 스트림의 산소의 부분압력 (partial pressure)은, 예를 들어, 상기 연료 가스의 수증기 (water vapor)에 첨가하여 변형될 수 있다. 탄소 및 일산화탄소 (C/CO) 간의 안정성 밸런스 (stability balance)는 온도 및 ppm의 산소 존재에 의존한다. 통로 내의 온도의 변경 및/또는 산소 함량을 변경에 의해, 평형 (equilibrium)은 탄소를 일산화탄소로 전환하기 위해 이동될 수 있다. 이와 유사하게, 온도 및 ppm의 O₂에 의존하는 Ni/NiO 간의 평형이 있으며, 여기서, 변형이 상기 애노드에서 니켈 금속을 산화니켈로 전환하지 않도록 선택될 수 있다.

최종적으로, 전체 장치는 내부 통로를 세척하는 정기적 (periodic basis)으로 고온에서 베이크될 수 있다. 장치(10)는, 예를 들어, 900 ℃의 최적 사용온도 (usage temperature)를 가질 수 있고, 다음으로, 클리닝 베이크 온도는, 예를 들어, 1000 ℃의 최적 사용 온도 이상으로 설정될 수 있다. 이러한 고온은 장치(10)의 원하지 않는 물질을 세척하는데 도움이 될 수 있다. 그러나, 예를 들어, 고온 베이크에 우려될 수 있는 일부 저온 커넥션 (low temperature connection)의 제거와 같이, 완전한 장치 베이크 (full-device bake)를 실행하기 이전에 주의가 필요할 수 있다.

상기 기술된 클리닝 작동에 대해, 제어 시스템은, 예를 들어, 발생된 파워의 양 또는 작동 시간을 기반으로 하여, 몇몇의 예비 지정된 스케줄로 자동적으로 클리닝 공정을 수행하거나 또는 측정된 실제 시간을 기반으로 하여 상기 공정을 수행할 수 있다. 상기 클리닝 공정은 들어오는 연료 스트림의 화학적 조성의 변화 또는, 상기 장치의 부분 또는 전체에서 온도의 변화 중 하나 또는 둘 다를 다시 조합할 수 있다.

본 발명은, 하나 이상의 구현예의 설명으로 기술되고, 상기 구현예가 상당히 세부적으로 설명되었지만, 이러한 세부 사항으로 첨부된 청구항의 범위를 제한하는 임의의 방식이거나 또는 한정하는 것으로 이해되지 않는다. 그러므로, 추가 이점 및 변형은 당업자에 의해 쉽게 제시될 수 있고, 이의 광범위한 측면에서 본 발명은 특정 세부 사항, 제시한 장치, 및 도시되고, 설명된 실례적 예시 및 방법에 의해 제한되지 않는다. 따라서, 시작은 일반적인 발명 착상의 범위를 벗어나지 않는 이와 같은 세부 사항에서부터 이루어질 수 있다.

Claims

이들 사이의 전해질 (28)과 대향 관계에 있는 애노드 (24) 및 캐소드 (26)를 갖는 활성구조 (50);
연료전지 장치(10)의 외부 표면의 제1 부분을 정의하고, 상기 전해질 (28)과 일체화하는 비활성 서라운딩 지지구조 (an inactive surrounding support structure (29) monolithic with the electrolyte (28) and defining a first portion of an outer surface of the device), 상기 비활성 (inactive) 서라운딩 지지구조 (29)는 대향 관계의 상기 애노드 (24) 및 캐소드 (26)가 없고 (lacks), 상기 활성구조 (50)는 상기 외부 표면의 제3 부분에서 노출되는 상기 캐소드 (26) 및 상기 외부 표면의 제2 부분에서 노출되는 상기 애노드 (24)와 함께 상기 비활성 서라운딩 지지구조 (29) 내에 있음;
상기 외부 표면의 제1 부분 위로 (over) 연장하고, 상기 노출된 애노드 (24)와 전기적 접촉 (electrical contact) 상태의 상기 외부 표면의 제2 영역 상에 제1 표면 컨덕터 (first surface conductor, 44); 상기 외부 표면의 제1 부분 위로 연장하고, 상기 노출된 캐소드 (26)와 전기적 접촉 상태의 상기 외부 표면의 제3 부분 상에 제2 표면 컨덕터 (second surface conductor, 44);
상기 제1 부분 위로 연장하는 제 1 및 제2 표면 컨덕터 (44)와 상기 활성구조 사이의 비전도성, 절연성 배리어층 (non-conductive, insulating barrier layer, 60, 62); 을 포함하는,
연료전지 장치 (10).
제1항에 있어서,
상기 비전도성, 절연성 배리어층은, 상기 제1 부분 위로 연장하는 상기 제1 및 제2 표면 컨덕터 (44)와 상기 외부 표면의 제1 부분 사이에 위치해 있는 표면층 (surface layer, 60)인 것인, 연료전지 장치 (10).
제1항에 있어서,
상기 비전도성, 절연성 배리어층은, 상기 활성구조 (50)와, 상기 제1 및 제2 표면 컨덕터 (44)가 위로 연장하는 상기 외부 표면의 제1 부분 사이의 상기 서라운딩 지지구조 (29) 내에 위치해 있는 내부층 (62)인 것인 (wherein the non-conductive, insulating barrier layer is an internal layer (62) that lies within the surrounding support structure (29) between the first portion of the outer surface over which the first and second surface conductors (44) extend and the active structure (50)), 연료전지 장치 (10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비전도성, 절연성 배리어층은 유리 또는 비전도성 세라믹인 것인, 연료전지 장치 (10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비활성 서라운딩 지지구조 (29) 내의 상기 노출된 애노드 (24) 및 상기 노출된 캐소드 (26) 중 하나 또는 둘 다에 인접한 내부 비전도성 패시베이션층 (internal non-conductive passivation layer, 62)을 더 포함하는, 연료전지 장치 (10).
전극층들 사이의 전해질 (28)과 대향관계에 있는 적어도 한쌍의 전극층 (electrode layer, 24, 26)을 갖는 다층활성구조 (50), 상기 한쌍의 전극층 (24, 26)의 각 전극이 상기 다층활성구조 (50) 내의 상부 전극층에서 상기 다층활성구조 (50) 내의 하부 전극층까지 극성이 교차하여 구성됨;
상부 표면 (top surface, 52), 하부 표면 (bottom surface, 54) 및 대향하는 측면 (opposing side surfaces, 56)을 포함하는 연료전지 장치 (10)의 외부 표면을 정의하고, 상기 전해질 (28)과 일체화한 비활성 서라운딩 지지구조 (29), 상기 비활성 서라운딩 지지구조 (29)는, 대향 관계의 상기 전극층 (24, 26)이 없고, 상기 다층활성구조 (50)는, 상기 대향하는 측면 (56) 중 하나에 노출된 각 극성 (polarity)의 전극층 (24, 26) 중 적어도 하나 갖는 비활성 서라운딩 지지구조 내에 존재함;
하나의 극성의 노출된 전극층 (24)과 전기적 접촉 상태의 상기 외부 표면 상에 제1 표면 컨덕터 (44);
다른 하나의 극성의 노출된 전극층 (26)과 전기적 접촉 상태의 상기 외부 표면 상에 제2 표면 컨덕터(44); 를 포함하고,
상기 제1 및 제2 표면 컨덕터 (44)는 사용시 지정 극성 (designated polarity)을 갖도록 구성되며, 상기 제1 및 제2 표면 컨덕터 (44) 중 하나 또는 둘 다가 상기 상부 또는 하부 표면 (52, 54) 상으로 연장하고, 상기 비활성 서라운딩 지지구조 (29) 내에 상기 표면 컨덕터 (44) 및 상기 전극층 (24, 26) 사이에서 극성 부조화를 예방하기 위해서, 상기 제1 및 제2 표면 컨덕터 (44) 중 하나 또는 둘 다가 상기 상부 표면 (52)으로 연장할 때, 상기 상부 전극층의 극성은 상기 지정 극성과 동일하고, 상기 제1 및 제2 표면 컨덕터 (44) 중 하나 또는 둘 다가 상기 하부 표면 (54) 상으로 연장할 때, 상기 하부 전극층의 극성은 상기 지정 극성과 동일한 것인, 연료전지 장치 (10).
대향 관계의 애노드 (anode, 24), 캐소드 (cathode, 26) 및 이들 사이의 전해질 (electrolyte, 28)을 갖는 활성구조 (active structure, 50); 및
상부 커버 영역(52), 하부 커버 영역 (bottom cover region, 54), 대향하는 측면 마진영역 (opposing side margin regions, 56), 및 임의의 인터포즈층 영역 (optional interposer layer regions, 58)을 포함하는 서라운딩 지지구조 (surrounding support structure, 29), 상기 서라운딩 지지구조 (29)는 상기 애노드 (24), 캐소드(26) 또는 전해질 (28) 중 하나와 일체화함 (monolithic); 를 포함하고,
상기 서라운딩 지지구조 (29)에 사용되는 재료 조성은, 상기 서라운딩 지지구조 (29)의 수축특성을 변경하도록 구성된 변형을 포함하여 변형이 없을 때보다 상기 활성구조 (50)의 수축특성에 더 근접하게 맞추고 (wherein a material composition used for the surrounding support structure (29) includes a modification configured to alter the shrinkage properties of the surrounding support structure (29) to more closely match shrinkage properties of the active structure (50) than in the absence of the modification), 상기 변형은,
(a) 상기 서라운딩 지지구조 (29)는 상기 전해질 (28)과 일체화하는(monolithic with) 세라믹 재료 (ceramic material)를 포함하고, 상기 재료 조성은 상기 영역 (52, 54, 56, 58) 중 하나 이상에서 캐소드 재료 또는 애노드의 첨가 (addition)를 포함함;
(b) 상기 서라운딩 지지구조 (29)는 상기 애노드 (24)와 일체화하는 애노드 재료를 포함하고, 상기 재료 조성은 상기 영역 (52, 54, 56, 58) 중 하나 이상에서 캐소드 재료 또는 전해질의 첨가를 포함함;
(c) 상기 서라운딩 지지구조 (29)는 상기 캐소드 (26)와 일체화하는 캐소드 재료를 포함하고, 상기 재료 조성은 상기 영역 (52, 54, 56, 58) 중 하나 이상에서 애노드 재료 또는 전해질의 첨가를 포함함;
(d) 상기 활성구조 (50)에 존재하지 않는 상기 재료 조성에 무기 수축 제어 재료 (inorganic shrinkage control material)의 첨가;
(e) 상기 활성구조 (50)에 사용되는 재료의 입자 크기 보다 상기 재료 조성에 사용되는 입자 크기의 증가;
(f) 상기 활성구조 (50)에 사용되는 재료의 입자 크기 보다 상기 재료 조성에 사용되는 입자 크기의 감소; 또는
(g) 상기 활성구조 (50) 내에 존재하는 것보다 더 많은 함량으로, 또는 상기 활성구조 (50) 내에 존재하지 않는 상기 재료 조성에 유기 퓨지티브 재료의 첨가 (an addition of an organic fugitive material to the material composition that is not present in the active structure (50) or in an amount greater than present in the active structure (50)), 상기 유기 퓨지티브 재료는 상기 재료 조성의 베이킹(baking) 및/또는 소결 중에 제거되어 상기 서라운딩 지지구조 (29) 내에서 기공 또는 공간 (pores or voids)를 형성함;
중 하나 이상의 변형을 포함하는,
연료전지 장치 (10).
제7항에 있어서,
변형 (a)를 포함하고,
상기 첨가는, 각각 전해질 재료와 혼합된, 애노드 재료 및 캐소드 재료의 교차 복합층 (alternating composite layers)을 포함하는 것인, 연료전지 장치 (10).
애노드 및 캐소드 사이의 전해질 (28)과 대향 관계에 있는 애노드 (24) 및 캐소드 (26)를 포함하는 활성구조 (50);
상기 활성구조(50)에 연료 공급을 위한 상기 애노드 (24)에 인접한 연료 통로 (fuel passage, 14);
상기 활성구조(50)에 공기를 공급하기 위한 상기 캐소드 (26)에 인접한 통풍로 (air passage, 20);
상기 애노드 (24) 및 연료 통로(14) 사이, 및 상기 캐소드 (26) 및 상기 통풍로 (20) 사이에 다공성 세라믹층 (64), 상기 다공성 세라믹층 (porous ceramic layer, 64)은, 각 상기 연료 통로(14) 및 통풍로 (20)로부터 각 상기 애노드 (24) 및 상기 캐소드 (26)에 연료 및 공기의 수송을 허용하도록 구성된 다공성 (porosity)을 포함함;
상기 전해질 (28) 및 상기 다공성 세라믹층 (64)과 일체화한 비활성 서라운딩 지지구조 (29); 를 포함하고,
상기 비활성 서라운딩 지지구조 (29)는, 상기 대향 관계의 상기 애노드 (24) 및 캐소드 (26)가 없으며, 상기 활성구조 (50)는 상기 비활성 서라운딩 지지구조 (29) 내에 존재하는, 연료전지 장치 (10).
제9항에 있어서,
상기 다공성 세라믹층 (64) 및 상기 비활성 서라운딩 지지구조 (29)는, 동일하거나 또는 상이한 다공성을 갖는 동일한 종류의 세라믹 재료를 포함하는 것인, 연료전지 장치 (10).
제1 및 제2 대향 말단 사이의 폭 및 두께 보다 더 큰 길이의 긴 몸체를 정의하는 제1 및 제2 대향 말단 (11a, 11b)(first and second opposing ends (11a, 1 1b) defining an elongate body therebetween of length greater than width and thickness);
애노드 및 캐소드 사이의 전해질 (28)과 대향 관계의 애노드 (24) 및 캐소드 (26)를 갖는 상기 긴 몸체 내의 활성구조 (50); 및
대향 관계의 상기 애노드 (24) 및 캐소드 (26)가 없고, 상기 전해질 (28)과 일체화하는 비활성 서라운딩 지지구조 (29), 상기 활성구조 (50)는 상기 비활성 서라운딩 지지구조 (29) 내에 존재함; 를 포함하고,
상기 애노드 (24) 및 캐소드 (26) 중 하나 또는 둘 다의 폭은 상기 활성구조 (50) 내에서 상기 긴 몸체의 길이를 따라 점진적으로 변화하는 것인, 연료전지 장치 (10).
제11항에 있어서,
상기 폭은 지속적으로 증가하는 것인, 연료전지 장치 (10).
제11항에 있어서,
상기 활성구조 (50)는, 직렬로 전기적으로 연결된 (electrically connected in series) 다수의 셀(50)을 포함하고, 각각은, 애노드 및 캐소드 사이의 전해질과 대향 관계의 상기 애노드 (24) 및 캐소드 (26)를 포함하고, 각 셀(50)에 대한 폭은 길이에 따라 점진적으로 변화하는 것인, 연료전지 장치 (10).
제13항에 있어서,
각 셀(50)의 폭은 이전 셀 (preceding cell, 50) 보다 더 큰 것인, 연료전지 장치 (10).
애노드 및 캐소드 사이의 전해질 (28)과 대향 관계의 애노드 (24) 및 캐소드 (26)를 갖는 활성구조 (50), 및 상기 대향 관계의 애노드 (24) 및 캐소드 (26)가 없고, 상기 전해질 (28)과 일체화한 비활성 서라운딩 지지구조 (29)를 포함하는, 이들 사이에 긴 몸체(elongate body)를 갖는 제1 및 제2 대향 말단(11a, 11b)을 포함하는 연료전지 장치 (10), 상기 활성구조 (50)는 상기 비활성 서라운딩 지지구조 (29) 내에 존재하고, 상기 제1 대향 말단 (first opposing end, 11a)에 인접한 상기 비활성 서라운딩 지지구조 (29)는, 상기 제1 대향 말단 (11a)에서 제1 확장된 접착 표면 (enlarged attachment surface, 88)을 형성하도록, 상기 긴 몸체의 잔여부에 상응하는 폭 크기 또는 상응하는 두께 크기에 비하여 폭 크기 및 두께 크기 중 적어도 하나가 더 큼;
상기 연료전지 장치 (10)에 열을 가하기 위한 열원 (heat source, 76), 상기 활성구조 (50)의 긴 몸체의 제1 부분의 적어도 하나는, 상기 열원(76) 내에 존재하고, 상기 제1 확장된 접착표면 (88)을 포함하는 상기 제1 대향 말단 (11a)을 포함하는 상기 긴 몸체의 제2 부분의 적어도 하나는 상기 열원(76)의 외부에 존재함; 및
상기 열원(76)으로부터 상기 제1 대향 말단 (11a)을 실딩하는 (shielding) 상기 긴 몸체의 제1 및 제2 부분 사이에 절연재료; 를 포함하는, 연료전지 시스템.
제15항에 있어서,
상기 열원 (76)의 외부에 존재하는 상기 긴 몸체의 표면 상에서 접촉단 (96)과 커플링되고, 상기 열원 (76) 내에 존재하는 상기 긴 몸체 부분의 표면 상에서 하나 이상의 저항성 발열체 (94) (one or more resistance heating elements (94) on a surface of the portion of the elongate body residing within the heat source (76) and coupled to end contacts (96) on a surface of the elongate body residing outside the heat source (76))를 더 포함하는, 연료전지 시스템.
제15항에 있어서,
상기 제2 대향 말단 (11b)에 인접한 상기 비활성 서라운딩 지지구조 (29)는, 상기 긴 몸체의 잔여부 (remainder)에 비하여 적어도 하나의 디멘션이 더 길어 상기 제2 대향 말단 (11b)에서 제2 확장된 접착표면 (88)을 형성하고, 상기 제2 확장된 접착표면 (88)을 포함하는 제2 대향 말단 (11b)을 포함하는 상기 긴 몸체의 제3 부분은, 상기 열원 (76)으로부터 상기 제2 대향 말단 (11b)을 실딩하는 상기 긴 몸체의 제1 및 제3 부분 사이에 추가 절연재료로 상기 열원 (76)의 외부에 존재하는 것인(a third portion of the elongate body including the second opposing end (1 lb) containing the second enlarged attachment surface (88) resides outside the heat source (76) with the insulating material further between the first and third portions of the elongate body shielding the second opposing end (1 lb) from the heat source (76)), 연료전지 시스템.
연료전지 장치 (10)가 길이와 함께 동일한 확대를 갖는 (coextensive) 도미넌트축을 따라 열팽창 (thermal expansion)을 나타내는 가장 큰 디멘션으로, 대향하는 제1 및 제2 말단 (11a, 11b) 사이의 길이, 상기 길이의 제1 부분을 따르는 활성 가열 영역 (active heated region, 32), 대향하는 제1 및 제2 말단 (11a, 11b) 중 하나 또는 둘 다와 인접한 상기 길이의 제2 부분을 따르는 비활성 저온영역 (inactive cold region, 30), 상기 제1 부분 및 상기 제2 영역 사이의 상기 길이의 제3 부분을 따르는 비활성 전이영역 (inactive transition region, 31), 및 상기 활성 가열 영역 (32) 내 애노드 (24) 및 캐소드 (26) 사이에 배치된 전해질 (28)을 포함하는 연료전지 장치 (10), 상기 애노드 (24) 및 캐소드 (26)는 각각 전기적 접속 (electrical connection)을 위한 상기 비활성 저온영역 (30)의 외부표면 (exterior surface)으로 연장하는 전기적 패스웨이(electrical pathway)를 포함함;
내벽 (inner wall, 78) 및 외벽(outer wall, 77)을 포함하는 이중벽 퍼니스 (double wall furnace, 76), 상기 내벽(78)은 그 안에서 내부 챔버를 정의하고, 상기 외벽(77)은 외부 챔버를 정의함, 상기 연료전지 장치 (10)는, 상기 내부 챔버 (inner chamber) 내에서 상기 길이의 제1 부분, 상기 외부 챔버 내에서 상기 길이의 제3 부분 및 상기 퍼니스(76)의 외부에서 상기 길이의 제2 영역으로 배치됨; 및
그 안에서 발생하도록 연료 전지 반응 (fuel cell reaction)에 대한 임계온도 (threshold temperature) 이상의 온도로 상기 활성 가열 영역 (32)을 가열하는 상기 내부 챔버에 커플링된 제1 발열체;
상기 활성 가열 영역이 상기 임계온도일 때 상기 비활성 전이영역 (31)이 상기 임계온도 이하의 온도를 갖는 오프 포지션과, 상기 비활성 전이영역이 상기 비활성 전이영역 (31) 내에서 가스통로를 클리닝하기 위한 임계온도 이상의 온도를 갖는 온 포지션 간의 스위칭(switch) 작동이 가능하고 상기 외부 챔버에 커플링된 제2 발열체;
실시간 측정에 의해 작동되는 클리닝 스케줄 또는 예정된 클리닝 스케줄 중 하나를 기반으로 오프 및 온 포지션 간에 상기 제2 발열체를 스위칭하도록 구성되고, 제1 및 제2 발열체에 커플링된 제어 시스템 (control system); 을 포함하는, 연료전지 시스템.