KR20020062682A

KR20020062682A - 유효 표면적을 증가시키기 위한 수평 연료 개구부를구비하는 튜브형 전기화학 장치

Info

Publication number: KR20020062682A
Application number: KR1020017014849A
Authority: KR
Inventors: 토마스 제이. 조지; 지. 비. 컬비 메참
Original assignee: 마이클 에이. 코브 앤드 컴퍼니; 유나이티드 스테이츠 디파트먼트 오브 에너지 지씨-62 (포스틀)
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2002-07-29
Also published as: CA2385926A1; JP2003528439A; WO2001071841A3; EP1254487A2; US6423436B1; AU1789801A; WO2001071841A2

Abstract

본 발명은 전기화학 장치에 관한 것으로, 이러한 장치는 전기화학 장치를 통해 수평 및 수직 방향으로 처리 기체를 인도하여, 처리 기체가 제거되는 부적절-분포로 인한 문제점을 해결하도록 설계된다. 전기화학 장치의 구조는 평행하며 일체형으로 연결된 튜브(24)의 평탄한 시트(44)의 적층된 어셈블리를 포함하고, 튜브는 전기화학 장치를 통해 제 1 처리 기체를 수평으로 인도하며, 인접한 적층된 시트 사이에 한정된 통로(26)는 전기화학 장치를 통해 제 2 처리 기체를 수평으로 인도하며, 시트 사이의 인접하는 튜브 사이의 연결부에 형성된 새로운 개구부(42)가 전기화학 장치를 통해 제 2 처리 기체를 수직으로 인도한다.

Description

유효 표면적을 증가시키기 위한 수평 연료 개구부를 구비하는 튜브형 전기화학 장치 {TUBULAR ELECTROCHEMICAL DEVICES WITH LATERAL FUEL APERTURES FOR INCREASING ACTIVE SURFACE AREA}

연료 전지는 전극표면 상에서 산화제 기체와 연료기체를 화학적으로 반응시킴으로써 전류를 발생시키는 전기화학 시스템이다. 통상적으로, 단일 연료 전지의 성분은 애노드, 캐소드, 전해질 및 상호연결 재료를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지(SOFCs)와 같은 고체 연료 전지에 있어서, 전해질은 고체 상태로 있으며 전자 흐름에 대하여 캐소드와 애노드를 서로 절연시키는 반면, 산소이온을 캐소드에서 애노드로 흐르게 하며, 상호연결 재료는 한 전지의 애노드를 연속하여 인접하는 전지의 캐소드와 전기적으로 연결하여, 조립된 연료 전지 스택으로부터 유용 전압을 발생하게 한다. 자연 또는 합성의 연료 기체(즉, 수소, 일산화탄소 또는 메탄을 함유하는 기체) 및 산화제(즉, 산소 또는 공기)를 포함하는, 상기 SOFC 처리 기체는 전지의 유효 전극 표면 상에서 반응하여 전기 에너지, 수증기 및 열을 발생시킨다.

튜브형(tubular), 평판 및 모노리식 설계(monolithic design)을 포함하는,고체 연료 전지(즉, 고체 전해질을 가지는 연료 전지)를 위한 몇 가지 구성이 개발되고 있다. 튜브형 설계에 있어서, 각각의 단일 연료 전지는 전극과 다공성 지지관 주변에 도포된 전해질층을 포함한다. 내측의 캐소드층이 지지관의 내부를 완전히 둘러싸는 한편, 고체 전해질 및 외부 애노드층은 나란한, 인접 전지의 외부 표면에 단일 연료 전지의 전기적 상호연결을 위한 공간을 제공하도록 중도에 끊어져 있다. 연료기체는 튜브형 전지의 외부를 넘어 보내지며, 산화제 기체는 튜브형 전지의 내측을 통하여 보내진다.

평판 설계는 대향하는 수평 상에 애노드와 캐소드 재료층으로 덮인 전해질 시트의 사용을 포함한다. 골이 진 분포기(ribbed distributor)가 반응기체용 흐름 채널을 형성하도록 코팅된 전해질 시트의 대향하는 수평에 설치될 수도 있다. 종래의 크로스 플로우 패턴(cross flow pattern)은 전해질의 애노드측 상의 흐름 채널이 캐소드측 상의 흐름 채널과 수직인 경우에 형성된다. 연료기체와 산화제 기체용 흐름 채널이 평행한 코-플로우(co-flow) 패턴과는 반대로, 크로스 플로우 패턴은 보다 단순하고 좀더 많은 종래의 다기관이 연료 전지 구조물에 병합될 수 있게 한다. 다기관 시스템(manifold system)은 조립된 연료 전지에 반응기체를 전달한다. 평판 설계에 있어서 코팅된 전해질 시트와 분포기는 전류 전도 양극판 사이에서 단단히 적층된다. 또 다른 평판 설계에 있어서, 코팅되지 않은 전해질 시트가 애노드, 캐소드 및 상호연결 재료의 다공질 판 사이에 적층되며, 기체 전달 관은 상기 구조물을 통하여 연장된다.

모노리식 고체 산화물 연료 전지(MSOFC) 설계는 벌집모양 구조가 특징이다.상기 MSOFC는 전지의 시트 성분을 테이프 주조(tape cating)나 캘린더 압연(calendar rolling)에 의해 구성하며, 상기 전지는 애노드-전해질-캐소드(A/E/C) 재료과 애노드-상호연결-캐소드(A/I/C) 재료로 된 박형 복합물을 포함한다. 상기 시트성분은 코-플로우 채널을 형성하도록 물결 모양을 만들며, 상기 액체 기체는 애노드층에 의해 형성된 채널을 통하여 흐르며, 상기 산화제 기체는 캐소드층에 의해 형성된 평행한 채널을 통하여 흐른다. 여러 개의 단일 전지층을 구비하는 상기 모노리식 구조물은 그린(green) 또는 우화된 상태(unfired state)로 조립되고 함께 소결되어, 상기 재료가 단단하고, 치수적으로 안정한 SOFC 코어에 융합되게 한다.

이들 종전의 설계는 보다 높은 전력 밀도를 달성하기 위해 종래 기술을 개량해온 것이다. 전력밀도는 보다 작은 단일 유닛 전지 높이와 보다 짧은 전지마다의 전자 전도 경로를 통합함으로써 증가된다. 따라서, SOFC 설계는 연속적이며 결합된 구조물을 형성하도록 함께 융합된 박형의 성분들을 결합한다. 그러나, 복잡한 제조 단계뿐만 아니라, 다수의 소형 성분, 층들 및 상호연결 재료는 동작 가능한 연료 전지의 신뢰성을 감소시킨다. 게다가, 임의의 주어진 연료 전지 설계가 대체 전력 발생 장치로서 상업적으로 실행 가능하여야 하므로, 사용자에게 전반적으로 주요하며 사용 가능한 비용과 같이, 전기화학 작용에 의한 전력발생의 경제상태(경제학)에 영향을 미치는 요인은 종래의 전력 발생 시스템과 유사하여야 한다.

본 발명은 일반적으로 전기화학 장치에 관한 것으로서, 특히 고체 연료 전지내의 처리 기체 분포와 유용 가능한 유효 표면적을 개선하고자 하는 것이다.

도 1은 일체로 연결된 튜브의 평면 시트로부터 형성된 연료 전지 스택을 나타낸 도면이다.

도 2는 수평 연료 개구를 포함하는 일체로 연결된 튜브의 단일 평면 시트를 나타낸 도면이다.

도 3은 수평 연료 개구부(lateral fuel aperture)를 포함하는, 일체로 연결된 튜브의 평면 시트(planar sheet)로 구성된 조립 연료 전지 스택(assembled fuel cell stack)을 나타낸 도면이다.

도 4는 8각 단면(cross-section)을 갖는 수평 연료 개구부 및 튜브를 포함하는 일체로 연결된 튜브의 평면 시트로 구성된 조립 연료 전지 스택을 나타낸 도면이다.

도 5는 6각 단면을 갖는 수평 연료 개구부 및 튜브를 포함하는 일체로 연결된 튜브의 평면 시트로 구성된 조립 연료 전지 스택을 나타낸 도면이다.

도 6은 수평 연료 개구부 및 눈금이 새겨진(graduated) 전극 두께를 포함하는 일체로 연결된 튜브의 단일 평면 시트를 나타낸 도면이다.

본 발명은 단일의 평면 튜브-시트 설계를 구비하는 고체 연료 전지의 유용가능한 유효 표면적과 처리 기체 분포에 있어서의 개선을 지향하고자 한다. 따라서, 연료 전지 스택은 일체적으로 연결된, 평행한 튜브으로 된 개별의 평면 시트로 구성된다. 연료 전지 스택은 개별의 평면 튜브-시트를 적층함으로써 조립되어, 각 시트 내의 튜브는 연료 전지 스택을 통하여 수평으로 제 1 처리 기체를 전도하며, 인접하는 스택 시트 사이에 형성된 공간은 연료 전지 스택을 통하여 수평으로 제 2 처리 기체를 전도하기 위한 기체 흐름 통로를 한정한다. 각 개별 시트에 대하여, 일련의 천공이 인접 튜브 사이의 시트 재료내에 형성되어 인접 튜브를 연결한다. 각 튜브의 수평으로 연장하는 시트 재료 상의 그들의 배치로 인하여 본 명세서에서 "수평 연료 개구"로 언급되는 상기 천공은, 연료 전지 스택을 통하여 수직으로 제 2 처리 기체를 상당히 전도한다.

유리하게, 수평 연료개구는 연료 전지 스택 내의 연료 분포에 있어서 상당한 개선을 가져오게 하여, 유해한 핫스팟(hot spot)의 발생이 실질적으로 감소된다. 수평 연료 개구는 더 높은 파워 밀도, 및 연료 전지 활성 표면 영역을 최대화하기 위해 저비용 방법을 나타내는 각 튜브의 (상부에서 하부까지) 원주 둘레의 양극-전해질 연속성을 얻기 위해 연료 전지 스택 내에 대량의 활성 캐소드-전해질-양극 표면 영역을 제공한다. 이러한 고체 상태 연료 전지 설계는 미래의 상업상 설비를 위한 실행가능한 기술이다.

따라서, 본 발명의 목적은 연료 분배를 향상시키며 실질적으로 연료 전지 어셈블리 내에서 핫 스폿(hot spot) 형성을 제거하는 새로운 수평 연료 개구를 구체화하는 고체 상태 연료 전지 설계를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 단위 연료 전지 당 활성 영역을 증가시키는 새로운 수평 연료 개구를 구체화하는 고체 상태 연료 전지 설계를 제공하여, 어셈블리 연료 전지 스택의 전체 파워 밀도가 현저히 향상되도록 하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 연료 전지 스택을 통과하는 전류 흐름의 방향에 따라, 일체로 연결된 튜브의 평면 시트의 전극 구조의 두께를 정함으로써 연료 전지 시스템 내의 전류 흐름을 증가시키는 것이다.

본 발명의 추가의 목적, 장점 및 새로운 특징은 이하의 설명에서 기술될 것이며, 이하의 설명 중 일부의 예는 당업자에게 명백하거나 본 발명을 통해 알 수 있을 것이다. 본 발명의 목적 및 장점은 덧붙인 청구항에 의해 실현될 수 있다.

발명의 목적

요약하면, 본 발명은 일체로 연결된 평행 튜브의 평면 시트를 적층시킴으로써 구성된 모놀리식 연료 어셈블리로 수평 연료 개구를 결합하는 고체 상태 전기 화학 장치이다. 설계는 연료 전지 어셈블리 내에서 연료 분배를 향상시키며 더 큰 파워 밀도를 얻기 위해 단위 연료 전지 당 사용 가능한 활성 표면 영역을 증가시킨다.

각각의 평면 시트는 시트를 한정하기 위해 길이를 따라 일체로 연결된 평행하게 길이 방향으로 정렬된 일련의 튜브로 구성된다. 중요하게, 시트 내의 인접한 튜브는 소정의 간격으로 이격되며 연속적으로 수평으로 연장하는 시트 재료에 의해 서로 연결된다. 일체로 연결된 튜브의 각각의 평면 시트는 바람직하게 캐소드 재료로부터 제작되며 단일 압출 성형으로 쉽고 경제적으로 제작된다. 튜브는 전기화학적 처리 기체를 수용 및 방출시키기 위해 개구 단부를 갖는다. 전해질 재료의 층은 (이하에서 설명되듯이, 상호 결합 스트립은 제외하고) 캐소드 몸체부의 외부 면에 사용되며, 이어 전해질 표면은 애노드 재료로 코팅되어, 활성 캐소드-전해질-애노드 혼합 표면이 된다. 전해질 및 애노드 재료의 상부면 층은 각 튜브의 길이를 따라 평면 시트의 상부면에 사용된 상호 결합 스트립에 의해 분리된다.

고체 상태 전기 화학 장치는 각각의 평면 시트(모든 튜브는 평행함)를 균일하게 적층시킴으로써 형성되어, 인접한 시트 사이의 접점은 더 낮은 시트 접촉의 상호 결합 스트립에 제한되며, 상부 시트의 애노드 층에 의해 지지된다. 동작시, 튜브는 구성된 연료 전지 스택을 통해 평행하게 연장하는 산소 기체 흐름 통로를 한정한다. 인접하게 적층된 평면 시트 사이에 형성된 길이 방향의 통로는 구성된 연료 전지 스택을 통해 평행하게 연장하는 연료 기체 통로를 한정한다.

본 발명의 특징은 각 평면 시트 내의 인접한 튜브 사이의 연결 재료를 통과하는 수평 연료 개구이다. 수평 연료 개구는 바람직하게 평면 시트의 적층된 어레이를 통해 연료 기체를 수직으로 통하도록 구성된 구멍의 행이며, 어셈블리를 통해 연료 분배의 균일성을 향상시켜 연료의 일정하지 않고 불규칙적인 분배에 의해 야기된 악영향을 주는 핫 스폿을 방지한다. 수평 연료 개구는 인접한 시트 사이에 형성된 더 낮은 평행의 기체 흐름 통로를 인접한 시트 사이에 형성된 상부의 평행한 기체 흐름 통로와 연결시킨다. 수평 연료 개구는 수평 연료 스택의 구성 내에서 효과적으로 기계적 스트레스를 조절하기 위해 튜브의 일면에 엇갈리게 배치될 수도 있다. 게다가, 수평 연료 개구의 내부 캐소드 표면은 연료 전지 스택 내에추가의 캐소드-전해질-애노드 활성 표면을 제공하기 위해 전해질 및 애노드 층으로 코팅된다.

본 발명의 또다른 특징은 연료 전지 스택을 통해 아래로 향하는 전류 흐름의 방향을 따라, 평면 시트 내의 튜브의 둘레에 대해 캐소드 몸체부 및 애노드 층의 두께를 변화시키는 것이다. 전극 재료의 두께를 변화시키는 것은 전류 경로의 저항을 감소시킨다.

첨부한 청구항은 본 발명을 특징짓는 새로운 특징을 설명한다. 그러나, 본 발명 및 추가의 목적과 장점은 덧붙인 도면과 함께 실시예를 통해 보다 상세히 이해될 것이다.

본 발명은 조립 연료 전지 스택의 능동 캐소드-전해질-애노드 표면을 최적화하는 고체 상태 연료 전지 구조에 관한 것이다. 본 발명은 고체 산화물 전해질을 갖는 고체 상태 연료 전지 동작의 응용과 관련한 설명을 기술한다: 고체 산화물 연료 전지(SOFC). 그러나 당업자는 본 발명이 전해질 전지, 열 교환기, 화학 교환 장치 그리고 산소 발생기를 구비하는 임의의 전기화학 시스템에 적용될 수 있다는 것을 하기 설명에서 분명히 알 수 있다.

도 1은 모놀리스 연료 조립체(10)를 형성하도록 시트(12)를 적층(stack)함으로써 조립된 일체로 연결된 튜브(14)의 세 개의 개별 평면 시트(12)의 단면도를 도시한다. 각 평면 시트(12)는 일반 연료 전지 부재, 즉, 캐소드, 애노드, 전해질, 그리고 상호연결 재료로 구성되며, 그리고 바람직하게 튜브(14)를 포함하는 평면 시트(12)는 단일 분출(extrusion) 스텝에 의해 캐소드 재료로 구성된다. 전해질 층(16)은 평면 시트(12)의 상부 및 기저 외부면에 제공되고, 애노드 재료층(18)은 전기화학 반응을 촉진하기 위하여 능동 캐소드-전해질-애노드 합성 표면을 형성하도록 전해질층(16) 상에 제공된다.

상호연결 스트립(strip)(20)은 상부의 외부면에 각 튜브(14)의 길이를 따라제공된다(선택적으로, 상호연결 스트립은 각 튜브의 상부 및/또는 기저부에 제공될 수 있다). 상호연결 스트립(20)은 전해질 코팅 캐소드(14)를 인접한의 상부 시트(upper sheet)의 애노드 재료(18) 기저층에 연결한다. 상호연결 스트립(20)은 제공된 튜브(12)의 캐소드 재료와 접촉되어 있는 반면에, 동일한 시트(12)의 애노드층(18)과 전기적으로 절연되어 있다. 캐소드와 상호연결 재료 사이의 접촉점은 인접한의 평면 시트(12) 사이에서 전기적으로 접착(bond)되어 있다.

평면 시트(12)는 독특하게 설계되어 있는데, 개별 튜브 어프로치(approach)와 전기화학 장치 분야에 공지된 평면 또는 플랫면 구조(flat plate construction)뿐 아니라 새로운 면(novel aspect)을 조합한다. 본 발명에 따라서, 일체로 연결된 튜브(14)의 각 시트(12)는 사실상 평면이고 자체 구조 내에 평면 시트(12)의 길이를 연장하는 수직으로 정렬된 튜브(14)의 평행한 열(row)을 포함한다. 튜브(14)는 시트의 제 1 에지부에서 제 1 개구 단부를 가지며 시트(12)의 제 1 에지부와 마주보는 시트의 제 2 에지부에서 제 2 개구 단부를 갖는다. (튜브(14)의 단부와 시트(12)의 에지부는 도 1의 단면도에 도시안됨.) 중요하게, 각 튜브(14)는 자체의 길이를 따라 수평으로, 또는 튜브(12)의 적어도 일수평으로부터, 연장하는 시트 재료(22)에 의해 동일한 시트(12) 내의 인접한 튜브(14)에 연결되어 있다. 튜브(14)와 수평으로 연장한 시트 재료(22)는 연속되어 있고 일체로 연결된 튜브(14)의 평면 시트(12)를 함께 형성한다. 인접한 튜브들 사이의 공간, 즉, 수평으로 연장된 시트 재료(22)의 폭은 본 발명의 중요한 특징: 하기에 설명된 수평 연료 개구부(도시안됨)를 구현하기에 충분하다.

모놀리스 연료 전지 시스템(10)은 개별 시트(12)를 적층함으로써 조립되어 모든 튜브(14)가 평행하게 한다. 튜브(14)는 연료 전지 스택(10)을 통해 수평으로 제 1 처리 기체(옥시던트)를 이동시키기 위하여 제 1 기체 흐름 통로(24)를 한정한다. 인접한 적층된 시트(12) 사이에 형성된 공간은 연료 전지 스택(10)을 통해 수평으로 제 2 처리 기체(연료, 하이드로겐)를 이동시키기 위하여 제 2 기체 통로(26)를 한정한다.

일체로 연결된 튜브의 평면 시트 구조의 몇가지 방법은, 제 1 애노드 재료(캐소드, 애노드)의 분출과 전해질 및 튜브의 외부 또는 내부면 상의 제 2 전극 재료(애노드, 캐소드)층이 제공되는 것을 포함하도록 계획된다. 단일 분출 스텝의 모든 연료 전지 부재(애노드, 캐소드, 전해질, 상호연결부)의 분출은 제조 기술의 발달로 예견될 수 있다. 돌출에 의한 튜브 시트 제조는 연료가 경화(fire)될 수 있는 구조적으로 안정한 모놀리스를 유발하여, 전해질, 애노드 및/또는 상호연결 재료의 얇은 막이 연료가 공급된 구조를 코팅하고 연료 전지 재료의 두꺼운 층 제공이 방지도록 한다. 튜브는 추가로 튜브 구조의 2배 반으로 구조되고, 압력과 그린 상태(green state)의 조립 동작에 영향을 미친다.

일반적으로, 기체 흐름 통로의 바람직한 단면 영역은 연료 전지 스택에 걸리는 압력 강하 계산에 의하여 결정된다. 캐소드 튜브(14)의 두께는 적어도 0.50 mm이며, 바람직하게는 대략 1.0 mm 내지 대략 1.5 mm 의 범위를 갖는다. 전해질층(16)의 두께는 바람직하게 125 마이크론이다. 특정 평면 시트 형상은 다음의 연료 전지 스택(10)특성의 기능을 한다: 기체 흐름의 저항(압력 강하), 전류흐름의 저항, 제조 처리의 제한, 그리고 구조적 및 전기화학적 고려사항 등등.

도 2는 수평 연료 개구부(30,32)를 포함하는 일체로 연결된 튜브(14)의 단일 평면 시트(12)의 단면도를 도시한다.

인접하는 튜브형 셀(14) 사이에 옆으로 연장되는 연결 시트 재료(22)는 일련의 개구부(30,32)로 구멍이 형성되고, 상기 개구부는 인접하는 튜브형 셀(14)의 측면으로부터 옆으로 연장되어 연결되는 연결 시트 재료(22)를 관통하므로 측면 연료 개구부로 언급된다. 측면 연료 개구부(30, 32)는 인접하는 튜브(14) 사이의 연결 시트 재료(22)의 전체 두께를 관통하고, 그 결과 연료 가스는 연료 셀 부재내 적층된 시트 사이, 더 상세히는 인접하는 시트에 의해 그 사이로 한정되는 상부 및 하부 수평 가스 통로(26) 사이를 수직으로 흐를 수 있다. 측면 연료 개구부(30, 32)는 펀칭 또는 보링(boring) 작업에 의해 종래의 기술로써 형성될 수 있다. 측면 연료 개구부(30, 32)는 엇걸린(staggered) 형태, 즉 연료 셀 스택을 통해서 기계적 응력을 양호하게 분산시키기 위해 튜브(14)의 일 측면에 교차적으로 배열되는 것이 바람직하다. 인접 튜브(14) 사이의 옆으로 확장된 시트 재료(22)를 따라서, 개개의 측면 연료 개구부(30, 32) 사이의 공간 또는 거리는 균일할 수도 있고 균일하지 않을 수도 있다.

측면 연료 개구부에 의해 공급되는 수직의 연료 가스 흐름은 연료 셀 부재를 통해서 보다 균일하게 연료를 분배시키고, 연료 셀 스택의 동작동안 열점의 형성을 줄인다. 연료 셀 스택을 통해서 가스 분배 프로세스를 향상시키는 것 이외에, 일체로 연결된 튜브의 시트내에 측면 연료 개구부를 결합하는 기본적인 장점은 연료셀 스택의 유효 표면적(캐소드-전해물-애노드 인터페이스)을 증가시키는 것이다. 이는 측면 연료 개구부의 내부 표면을 전해물 및 애노드 재료로 코팅하여, 연속적인 애노드-전해물 화합물층이 튜브의 상부 표면에 인가된 애노드층을 튜브의 하부 표면에 인가된 애노드층과 접촉하게 함으로써 달성된다.

도 3은 일체로 연결된 튜브(46)의 평평한 시트(44)로서 구성된 단일(monolithic) 연료 셀 스택(40)의 사시도를 도시한 것으로, 인접하는 튜브(46) 사이의 연결 재료를 따라서 측면 연료 개구부(42)를 구비한다. 본 발명에 따르면, 연료는 연료 셀 스택(40)을 통해서 인접하는 스택 시트(44) 사이로 형성된 연료 통로(26)에 의해 수평으로 안내되고, 측면 연료 개구부(42)에 의해 또한 수직으로 안내된다. 도 3에 도시된 원형 단면 외에도, 튜브는 또한 연료 셀 스택내의 활성 단면적을 최적화하는 대안적인 형상으로 될 수도 있다. 예를 들면, 도 4는 측면 연료 개구부(42)가 있는 일체로 연결된 튜브(54)의 평평한 시트(52)를 적층(stack)하여 형성된 연료 셀 스택(50)을 도시하는데, 여기서 튜브(54)는 8각형의 단면을 가진다.

도 5는 6각형의 단면을 구비하는 일체로 연결된 튜브(74)의 평평한 시트(72)를 적층한 매우 밀집된 연료 셀 부재를 도시한 것이다. 연료 셀 부재(60)는 수평의 공기 통로(24), 수평의 연료 통로(26), 그리고 연료 셀 스택(60)을 통해서 수직으로 연료 가스를 안내하는 측면 연료 개구부(42)를 포함한다. 시트(72)는 캐소드 재료(64)로 구성되고, 캐소드 튜브형 몸체(74) 외부 표면(76)의 실질적 부분에 연속하여 인가된 전해물(66) 또는 애노드(68) 코팅을 가진다. 튜브(74)의 상부 외부표면(78)에는 상호연결 재료(62)가 인가되어, 하부 시트의 애노드층(68)이 소결(sintrerd) 연결(70)에 의해 인접하는 상부 시트의 상호연결 재료(62)과 접촉하게 한다.

본 발명의 또다른 특징에 의하면, 튜브형 연료 셀을 통해 흐르는 전류 방향에 따라서 평평한 시트의 애노드 및 캐소드 컴포넌트의 두께는 점차적으로 변화되어 있다. 도 1, 3, 4 및 5에 도시된 실시예에서, 상호연결 스트립을 통해서, 상부시트에서 하부시트로의 인접한 시트 사이에 연료 셀 화학적 반응 흐름에 의해 전자가 생성된다. 그러므로, 각 시트에 대하여, 애노드층은 전류의 흐름 방향으로 점점 두꺼워져서, (상부 애노드층, 하부 애노드층, 및 연결 에노드 코팅된 측면 연료 개구부 애노드층을 포함하는) 연속적인 애노드층은 상호연결 스트립 가장 가까이의 튜브 상부에서 최소의 두께를 가진다. 애노드층은 튜브의 원주를 따라서 점점 두꺼워지고, 튜브의 하부 표면을 따라서 베이스에서 최대의 두께를 가진다. 반대로, 시트내에 튜브를 구성하는 캐소드 재료는 시트를 통해 흐르는 전류의 방향으로 점점 얇아지고, 캐소드 재료는 상호연결 스트립 가장 가까이의 튜브 상부에서 최대의 두께를 가진다. 그리고, 튜브의 측면에서 점점 얇아져서, 튜브의 하부 표면을 따라서 베이스에서 최소의 두께를 가진다. 이러한 변화는 전류가 연료 셀 시스템을 통해 흐를 때 저항 손실을 감소시킨다.

도 6은 애노드 및 캐소드 컴포넌트의 두께 변화를 도시하고 있다. 애노드층(94)은 전류의 흐름 방향으로 점점 두꺼워져서, 평평한 시트의 상부 표면에 인가된 애노드층의 두께는 상호연결 재료(82)에 가장 가까운 지점(84)에서 최소가 되며, 점차적으로 증가하여 상호연결 재료(82)에 가장 먼 지점(86)에서 최대가 된다. 반대로, 튜브를 구성하는 캐소드 재료(96)의 두께는 상호연결 재료(82)에 가장 가까운 지점(90)에서 최대가 되고, 점차적으로 감소하여 상호연결 재료(82)에 가장 먼 지점(92)에서 최소가 된다.

전술한 설계는 다른 분야에도 적용이 가능하지만, 연료 셀, 전해 셀, 열 교환기, 화학적 교환 장치 및 산소 센서 등에 특히 유용하다는 것을 전기화학 장치 분야의 당업자는 알 것이다.

전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 단지 본 발명의 설명을 위한 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않으며, 이로부터 다양한 변형이 있을 수 있다는 것을 당업자는 알 것이다. 상기 실시예는 본 발명의 원리 및 실제 적용을 설명하고 있으며, 당업자는 상기 실시예를 기초로 하여 특정 용도에 적합하게 다양한 변형을 할 수 있을 것이다. 비록 본 발명이 전술한 실시예를 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 발명의 사상은 상기 실시예에 의해 제한되는 것이 아니라 하기의 특허청구범위에 의해 정의된다.

Claims

고체 상태 전기화학 장치로서,

상기 전기화학 장치를 통해 제 1 처리 기체를 인도(conduct)하기 위해 상기 전기화학 장치를 횡단(transverse)하는 다수의 제 1 수평 기체 유입 통로; 및

상기 제 1 처리 기체를 인도하기 위한 다수의 수직 기체 유입 통로를 포함하며, 상기 각각의 수직 기체 유입 통로는 상기 제 1 수평 기체 유입 통로와 연통하여, 상기 처리 기체가 상기 전기화학 장치를 통해 균일하게 분포되도록 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 장치는:

고채 상태 연료 전지(cell)를 통해 제 2 처리 기체를 인도하기 위한 다수의 제 2 수평 기체 유입 통로를 더 포함하며, 상기 제 2 수평 기체 유입 통로는 상기 다수의 수평 기체 유입 통로 또는 상기 다수의 수직 기체 유입 통로와 연통하지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 장치는:

개구 단부를 가지며 수평면내 정렬하는 평행 튜브 시리즈를 더 포함하는데, 인접하는 상기 튜브는 수직으로 연결되어 시트(sheet)를 형성하며, 상기 각각의 튜브는 상기 제 2 수직 기체 유입 통로이며;

상기 시트의 스택을 더 포함하는데, 상기 모든 튜브는 평행하며 상기 제 1수직 기체 유입 통로는 인접하는 시트 사이에 한정되며; 및

상기 시트중 하나내에 인접하는 튜브 사이의 상기 연결부내 적어도 하나의 개구부를 더 포함하며, 상기 개구부는 상기 수직 기체 유입 통로인 것을 특징으로 하는 장치.
제 3항에 있어서, 상기 장치는:

상기 튜브 및 상기 인접하는 튜브 사이의 상기 연결부를 포함하는 캐소드 재료;

상기 튜브의 어떠한 외부 표면에도 제공되고 상기 개구부내 어떠한 외부 표면도 구비하는 전해질 층;

상기 전해질 층 상에 제공된 애노드 층; 및

상기 스택내 상부 시트와 접촉하는 하우 시트를 포함하는 어떠한 튜브의 각각의 수직 표면에 제공되는 상호연결 스트립을 더 포함하며, 상기 각각의 상호연결 스트립은 상기 튜브의 상기 캐소드 재료와 접촉하며, 상기 상호연결 스트립은 전해질과 애노드 층상에 제공되고 이들로부터 절연되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3항에 있어서, 상기 튜브는 원형, 팔각형 및 육각형으로 구성된 그룹으로부터 선택된 기하학적 형상을 가진 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
제 4항에 있어서, 상기 애노드 층은 상기 스택을 통한 전류 방향으로 두께가증가되며, 상기 캐소드 재료는 상기 스택을 통한 전류 방향으로 두께가 감소되는 것을 특징으로 하는 장치.
고체 상태 연료 전지 어셈블리에 있어서,

캐소드 재료로 구성되며 제 1 에지부, 마주하는 제 2 에지부 및 외부 표면을 가진 수평의 평탄한 시트;

상기 시트내에 형성된 다수의 평행 선형 옥시던트 기체를 포함하는데, 상기 각각의 옥시던트는 인접 옥시던트 기체 통로에 수직으로 연결되며, 상기 각각의 옥시던트 기체 통로는 상기 제 1 에지부에서 제 1 개구 단부 및 상기 시트의 상기 제 2 에지부에서 제 2 개구 에지부를 가지며;

인접하는 상기 옥시던트 기체 통로 사이의 연결부를 따라 위치하는 수평 연료 개구부;

상기 시트의 외부 표면에 제공된 전해질 코팅;

상기 전해질 코팅을 덮도록 제공된 애노드 코팅;

상기 시트의 최상부 표면에 제공된 다수의 상호연결 스트립을 포함하며, 상기 상호연결 스트립은 상기 시트의 상기 제 1 에지부에서 제 1 단부 및 상기 시트의 상기 제 2 에지부에서 제 2 단부를 가지며, 상기 상호연결 스트립은 상기 시트내 상기 옥시던트 기체 통로 상부에 위치하며, 상기 상호연결 스트립은 상기 캐소드 재료와 접촉하고 상기 전해질 및 애노드 코팅으로부터 전기적으로 절연되며;

상기 시트가 함께 적층되어 자신들 사이에 전기적 결합을 형성하는 다수의적층된 시트를 포함하는데, 인접하는 상기 시트의 상기 옥시던트 기체 통로는 평행하며, 하부 시트의 상호연결 스트립은 인접하는 상부 시트의 애노드 코팅과 접촉하며; 및

인접하는 상기 시트 사이에 형성된 연료 기체 통로를 포함하며, 상기 수평 연료 개구부는 고체 산화물 연료 전지 어셈블리내 상기 연료 기체 통로 사이에 수직으로 연료 기체를 인도하는 어셈블리.
제 7항에 있어서, 상기 다수의 옥시던트 기체 통로는 원형, 팔각형 및 육각형으로 구성된 기하학적 형상으로부터 선택된 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
제 7항에 있어서, 전류는 상기 상호연결 스트립을 통해 상부 시트로부터 인접하는 하부 시트로 흐르고, 상기 애노드 코팅은 상기 고체 상태 연료 전지 어셈블리를 통한 전류 방향으로 두께가 증가되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
제 7항에 있어서, 상기 전류는 상기 상호연결 스트립을 통해 상부 시트로부터 인접하는 하부 시트로 흐르고, 상기 캐소드 재료는 상기 고체 상태 연료 전지 어셈블리를 통한 전류 방향으로 두께가 감소되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
고체 산화물 연료 전지로서,

애노드 층;

캐소드 층;

상기 애노드 층 및 상기 캐소드 층 사이에 위치하는 전해질 층; 및

상기 캐소드, 상기 전해질 및 상기 애노드 층을 횡단하는 전류 경로를 포함하며, 전자는 상기 전류 경로 방향으로 상기 고체 산화물 연료 전지를 통해 이동하고, 상기 애노드 층은 상기 전류 경로를 따라 두께가 증가하며 상기 캐소드 층은 상기 전류 경로를 따라 두께가 감소되는 것을 특징으로 하는 전지.