KR20030051764A - Improved solid oxide fuel cells - Google Patents

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KR20030051764A
KR20030051764A KR10-2003-7006035A KR20037006035A KR20030051764A KR 20030051764 A KR20030051764 A KR 20030051764A KR 20037006035 A KR20037006035 A KR 20037006035A KR 20030051764 A KR20030051764 A KR 20030051764A
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KR10-2003-7006035A
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조지 제이. 토마스
지. 비. 컬비 미챔
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마이클 에이. 코브 앤드 컴퍼니
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Abstract

본 발명은 함께 본딩되고 어셈블링될 때 통과를 위해 대기 및 가스에 대한 튜브형 통로를 한정하는 단일 벌집형 구조를 형성하는 얇은 전해질 코팅, 애노드 및 상호연결 재료를 가지며 여러 구성 및 기하로 캐소드 흐름 통로의 평면 시트(11)를 통합하는 고체 상태 전자화학 장치에 관한 것이다. 대기는 셀 플레이트내의 캐소드 흐름 통로를 통해 흐를 것이지만, 연료는 인접한 셀사이에 형성된 통로를 통해 흐를 것이다. 연료 및 대기를 개별적으로 유지하도록 설계된 절연된 매니폴드는 대기 및 연료를 벌집형의 적절한 통로에 주입하도록 벌집 단일체의 각 단부에서 본딩된다. 연료 셀 스택 및 매니폴드는 매니폴드의 외부 벽을 제공하고, 패키지를 완료하며 연료 셀 전력 생성 시스템에서 단일로 또는 그룹으로 이용하기 위해 개별 연료 셀 모듈을 한정하도록 금속 하우징 또는 커버로 둘러싸인다.The present invention has a thin electrolyte coating, anode and interconnect material that forms a single honeycomb structure that defines a tubular passageway to the atmosphere and gas for passage when bonded and assembled together and has a variety of configurations and geometries of the cathode flow passageway. A solid state electrochemical device incorporating a planar sheet (11). The atmosphere will flow through the cathode flow passage in the cell plate, but the fuel will flow through the passage formed between adjacent cells. Insulated manifolds designed to hold the fuel and the atmosphere separately are bonded at each end of the honeycomb monolith to inject the atmosphere and fuel into a suitable honeycomb passage. The fuel cell stack and manifold are surrounded by a metal housing or cover to provide an exterior wall of the manifold, complete the package, and define individual fuel cell modules for use singly or in groups in a fuel cell power generation system.

Description

개선된 고체 산화물 연료 셀{IMPROVED SOLID OXIDE FUEL CELLS}IMPROVED SOLID OXIDE FUEL CELLS

연료셀은 연료 가스 및 산화제 가스를 전극의 표면상에서 화학적으로 반응시켜 전기를 발생시키는 전기화학 시스템이다. 기존에, 하나의 연료셀의 컴포넌트들은 양극, 음극, 전해질, 및 상호접속 물질을 포함한다. 고체 산화물 연료셀(SOFC)와 같은 고체상태 연료셀에서, 전해질은 고체 상태이고 양극 및 음극을 서로 전자 흐름에 대해 절연시키고, 산소 이온들이 음극으로부터 양극으로 흐르도록 하여주며, 상호접속 물질은 전기적으로 하나의 셀의 양극과 인접 셀의 음극과 직렬로 연결시켜 어셈블리된 연료셀 스택으로부터 유용한 전압을 발생시키도록 하여준다. 자연 또는 합성 연료 가스(즉, 수소, 일산화탄소 또는 메탄을 포함하는 가스)를 포함하는 SOFC 처리 가스들 및 산화제(즉, 산소 또는 공기)는 셀의 활성 전극 표면에서 반응하여 전기 에너지, 수증기, 및 열을 발생시킨다.A fuel cell is an electrochemical system that generates electricity by chemically reacting fuel gas and oxidant gas on the surface of an electrode. Conventionally, components of one fuel cell include an anode, a cathode, an electrolyte, and an interconnect material. In solid state fuel cells, such as solid oxide fuel cells (SOFCs), the electrolyte is solid and insulates the anode and cathode from each other against electron flow, allowing oxygen ions to flow from cathode to anode, and the interconnect material is electrically The anode of one cell and the cathode of an adjacent cell are connected in series to generate a useful voltage from the assembled fuel cell stack. SOFC process gases and oxidants (ie, oxygen or air), including natural or synthetic fuel gases (ie, gases comprising hydrogen, carbon monoxide, or methane) react at the surface of the active electrode of the cell to produce electrical energy, water vapor, and heat. Generates.

튜브형, 평판형, 및 일체식 디자인을 포함하여 고체 상태 연료셀를 위한 수개의 구성들이 개발되었다. 튜브형 디자인에서, 각각의 하나의 연료셀은 전극 및 다공성 지지 튜브의 원주에 인가되는 전해질 계층들을 포함한다. 내부 음극 계층들은 상기 지지 튜브의 내부를 완전히 둘러싸고, 고체 전해질 및 외부 양극 계층들은 인접, 병렬 셀들의 외부 표면에 하나의 연료 셀의 내부의 전기적 상호접속을 위한 공간을 제공하기 위해 비연속적이다. 연료 가스는 튜브형 셀들의 외부방향으로 지향되고, 산화제 가스는 튜브형 셀의 내부를 통해 지향된다.Several configurations have been developed for solid state fuel cells, including tubular, flat, and integral designs. In the tubular design, each one fuel cell includes electrolyte layers applied to the circumference of the electrode and the porous support tube. The inner cathode layers completely surround the interior of the support tube, and the solid electrolyte and outer anode layers are discontinuous to provide space for the electrical interconnection of the interior of one fuel cell to the outer surface of adjacent, parallel cells. The fuel gas is directed outwardly of the tubular cells and the oxidant gas is directed through the interior of the tubular cells.

평판형 디자인은 양극 및 음극 물질 계층들의 반대편에 코딩된 전해질 시트(sheet)들의 사용을 통합한다. 늑골형 분배기(ribbed distributor)가 또한 반응 가스들에 대한 흐름 채널을 형성하기 위해 코딩된 전해질 시트의 반대편에 제공될 수 있다. 기존의 크로스 흐름 패턴이 코-플로우(co-flow) 패턴들의 반대편 상에 존재하는 경우에 구성되고, 여기서 연료 가스 및 산화제 가스를 위한 흐름 채널들은 병렬적이고, 보다 간단하고 보다 양식화된 매니폴드(manifold)들이 연료셀의 구조내에 통합될 수 있도록 하여준다. 매니폴드 시스템은 반응 가스들을 어셈블리된 연료셀에 전달한다. 코딩된 전해질 시트들 및 평판형 디자인의 분배기들은 전류가 도전되는 바이폴라 플레이트들 사이에서 견고하게 스택된다. 대안적인 평판형 디자인에서, 코딩되지 않은 전해질 시트들은 양극, 음극, 및 상호접속 물질들의 다공 플레이트들 사이에서 스택되고, 가스 전달 튜브들은 이러한 구조를 통해 확장된다.Flat design incorporates the use of coded electrolyte sheets on opposite sides of the positive and negative material layers. Ribbed distributors may also be provided opposite the coded electrolyte sheet to form a flow channel for the reactant gases. It is constructed when the existing cross flow pattern is on the opposite side of the co-flow patterns, where the flow channels for fuel gas and oxidant gas are parallel, simpler and more stylized manifold ) Can be integrated into the structure of the fuel cell. The manifold system delivers reactant gases to the assembled fuel cell. The coded electrolyte sheets and the distributors of the flat design are firmly stacked between the current-conducting bipolar plates. In an alternative planar design, the uncoded electrolyte sheets are stacked between the porous plates of anode, cathode, and interconnect materials, and gas delivery tubes extend through this structure.

일체식 고체 산화물 연료셀(MSOFC) 디자인은 연속적인 구조내에 함께 융합된 벌집(honeycomb) 구성으로 특징지워진다. MOSFC 는 테이프 캐스팅 또는 셀의 시트 컴포넌트들의 칼렌더 롤링에 의해 특징지워지고, 이는 양극-전해질-음극(A/E/C) 물질 및 양극-상호접속-음극(A/I/C) 물질의 박막 합성물들을 포함한다. 이러한 시트컴포넌트들은 코-플로우 채널들을 형성하기 위해 물결모양으로 주름지고(corrugated), 여기서 유동성 가스는 양극 계층들에 의해 형성된 채널들을 통해 흐르고, 산화제 가스는 음극 계층들에 의해 형성된 병렬 채널들을 통해 흐른다. 다수의 싱글 셀 계층들을 포함하는 일체식 구조는 그린 또는 우화(unfired) 상태 및 공동-소결된(co-sintered) 상태로 어셈블리되어 이러한 물질들을 강직성, 치수적으로 안정된 SOFC 코어로 융해시킨다.The integrated solid oxide fuel cell (MSOFC) design is characterized by a honeycomb configuration that is fused together in a continuous structure. MOSFCs are characterized by tape casting or calendar rolling of the sheet components of a cell, which is characterized by thin film composites of anode-electrolyte-cathode (A / E / C) materials and anode-interconnect-cathode (A / I / C) materials. Include. These sheet components are corrugated to form co-flow channels, where the fluent gas flows through the channels formed by the anode layers and the oxidant gas flows through the parallel channels formed by the cathode layers. . A monolithic structure comprising a plurality of single cell layers is assembled in a green or unfired and co-sintered state to melt these materials into a rigid, dimensionally stable SOFC core.

이러한 기존의 디자인들은 보다 높은 전력밀도를 달성하기 위해 종래기술 상에서 개선되었다. 전력밀도는 보다 작은 싱글 셀 높이들 및 보다 짧은 셀간 전기 도전 경로들을 통합하므로써 증가된다. 따라서, SOFC 디자인들은 연속적이고, 본딩된(bonded) 구조를 형성하기 위해 함께 융합되는 박막 컴포넌트들을 통합한다. 그러나, 다수의 작은 컴포넌트들, 계층들, 상호접속들 및 복합 구성 단계들은 작동 연료셀의 신뢰성을 감소시킨다. 또한, 임의의 주어진 연료셀 디자인은 대안적 전력 발생 장치로서 상업적으로 유용하여야 하고, 따라서 전체 자본 및 운영비용과 같이 전기화학적 활동에 의한 전력 발생의 경제성에 영향을 미치는 인자들은 기존의 전력 발생 시스템에 견줄만 하여야 한다.These existing designs have been improved over the prior art to achieve higher power densities. Power density is increased by incorporating smaller single cell heights and shorter intercell electrical conduction paths. Thus, SOFC designs incorporate thin film components that are fused together to form a continuous, bonded structure. However, many small components, layers, interconnects and complex configuration steps reduce the reliability of the working fuel cell. In addition, any given fuel cell design should be commercially available as an alternative power generation device, and thus factors affecting the economics of power generation by electrochemical activities, such as overall capital and operating costs, may be incorporated into existing power generation systems. It must be comparable.

연료 전기용 패키지는 공지되지만, 일반적으로 고체 산화물 연료셀의 스택 주변에 간단한 박스이다. 예를 들어 USP 4,824,724;4827,606; 및 4,943,494 는 튜브형 연료셀 디자인을 위한 박스 장치를 개시하고 있다. USP 5,238,754; 5,268,241; 및 5,527,634 는 엔드 플레이트, 타이 바 및 연료셀 플레이트들을 함께 홀딩하기 위한 스프링 장착 고정기들을 개시하고 있다.Packages for fuel electricity are known, but are generally simple boxes around a stack of solid oxide fuel cells. See, eg, USP 4,824,724; 4827,606; And 4,943,494 disclose box devices for tubular fuel cell designs. USP 5,238,754; 5,268,241; And 5,527,634 disclose spring loaded fasteners for holding the end plate, tie bar and fuel cell plates together.

본원발명은 고체 산화물 연료 셀에 관한 것으로서, 특히 이에 대한 개선을 제공하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to providing an improvement thereto.

첨부된 청구항들은 본원발명을 특징짓는 신규한 특성들을 제시한다. 그러나 본원발명의 추가적인 목적 및 장점들과, 본원발명 그 자체는 하기 실시예 및 첨부된 도면을 통해 보다 용이하게 이해될 수 있다.The appended claims present novel features that characterize the invention. However, the additional objects and advantages of the present invention, and the present invention itself may be more readily understood through the following examples and the accompanying drawings.

도1은 통합적으로 접속된 튜브형 연료셀들의 평면 시트들을 스택하고, 매니폴드를 부착시키고, 하우징내에 어셈블리를 집어넣음으로써 구성되는 어셈블리된 연료셀 스택을 보여주는 도이다.1 shows an assembled fuel cell stack constructed by stacking planar sheets of integrally connected tubular fuel cells, attaching a manifold, and inserting the assembly into the housing.

도2는 도1의 어셈블리된 연료셀의 분해도이다.2 is an exploded view of the assembled fuel cell of FIG.

도3은 도1에서 제시된 평면 시트의 횡단면도이다.3 is a cross sectional view of the planar sheet shown in FIG.

도4는 통합적으로 접속된 튜브들의 하나의 평면 시트의 예를 보여주는 도이다.4 shows an example of one flat sheet of integrally connected tubes.

도5는 도4에서 제시된 튜브 시트의 횡단면도이다.FIG. 5 is a cross sectional view of the tube sheet shown in FIG. 4. FIG.

도6은 단일체(monolith)를 형성하기 위해 함께 소결되고 코팅된 도4 및 5에서 제시되는 튜브 시트들의 스택을 보여주는 도이다.FIG. 6 shows a stack of tube sheets presented in FIGS. 4 and 5 sintered and coated together to form a monolith.

도7 및 8은 연료 및 공기를 각각의 단일체 통로에 제공하기 위해 통로들 및 구멍들을 갖는 분해 및 어셈블리된 외부 매니폴드를 보여주는 도이다.7 and 8 show disassembled and assembled external manifolds with passages and holes to provide fuel and air to each monolithic passage.

도9는 도8에서 제시되는 어셈블리 및 부착된 매니폴드의 횡단면도이다.9 is a cross-sectional view of the assembly and attached manifold shown in FIG. 8.

도10은 내부 매니폴드 구성과 결합된 상이한 튜브 구성을 보여주는 도이다.10 shows a different tube configuration combined with an internal manifold configuration.

도11은 비대칭 튜브 시트를 보여주는 도이다.11 shows an asymmetric tube sheet.

도12는 일체식 스택 어셈블리를 형성하기 위해 어셈블리된 도11의 일련의 튜브 시트들을 보여주는 도이다.12 shows the series of tube sheets of FIG. 11 assembled to form an integrated stack assembly.

도13은 활성 표면 영역을 증가시키기 위해 사인파-같은 리플들 또는 봉우리들을 통합하는 튜브 모양을 보여주는 도이다.Figure 13 shows a tube shape incorporating sinusoidal-like ripples or peaks to increase the active surface area.

도14는 일체식 어셈블리에서 사인파-같은 리플들 또는 봉우리들을 통합하는 튜브 모양을 보여주는 도이다.14 shows a tube shape incorporating sinusoidal-like ripples or peaks in an integrated assembly.

도15는 일체식 어셈블리에서 내부 및 외부 매니폴드들을 통합하는 압출 시트로서 다른 튜브 모양을 분해도로서 보여주는 도이다.Figure 15 is an exploded view of another tube shape as an extruded sheet incorporating inner and outer manifolds in an integrated assembly.

도16 및 17은 모델링된 부착 매니폴드를 갖는 공동-압출 처리과정에 의해 형성되는 튜브 시트를 보여주는 도이다.16 and 17 show tube sheets formed by a co-extrusion process with modeled attachment manifolds.

도19는 분해도이고 도20은 도16 및 17에서 제시된 튜브 시트를 통합하는 연료셀의 어셈블리된 모습을 보여주는 도이다.FIG. 19 is an exploded view and FIG. 20 shows an assembled view of a fuel cell incorporating the tube sheets shown in FIGS. 16 and 17.

도21은 일시적 몰딩(fugitive molding) 처리과정을 사용하여 만들어지는 몰드 어셈블리를 보여주는 도이다.Figure 21 shows a mold assembly made using a fugitive molding process.

도22는 일시적 몰딩 처리과정을 사용하여 만들어진 튜브 시트들의 스택을 보여주는 도이다.Figure 22 shows a stack of tube sheets made using a temporary molding process.

도23은 도22에서 제시되는 스택을 확대해서 보여주는 도이다.FIG. 23 is an enlarged view of the stack shown in FIG.

도24는 분해도이고 도25는 도16 및 17에서 제시된 튜브 시트 또는 도22 및 23에서 제시된 튜브 시트를 통합하는 연료셀의 어셈블리된 모습을 보여주는 도이다.FIG. 24 is an exploded view and FIG. 25 shows an assembled view of a fuel cell incorporating the tube sheet shown in FIGS. 16 and 17 or the tube sheet shown in FIGS. 22 and 23.

본원발명은 결합시에 일체식 벌집 구조와 유사한 평면 시트 스택일 수 있는 고체 산화물 연료셀 구조용 하우징 또는 커버를 포함하는 개선된 고체 산화물 연료셀 구조에 관한 것이다. 본원발명은 또한 전체 시스템을 최적화하는데 유리한 추가적인 개선들을 포함한다. 또한, 평면 연료셀용 셀 디자인의 다양한 개선들 및 이를 만드는 처리과정들이 개시된다.The present invention is directed to an improved solid oxide fuel cell structure comprising a housing or cover for a solid oxide fuel cell structure that may be a flat sheet stack similar to an integral honeycomb structure when bonded. The present invention also includes additional improvements that are beneficial for optimizing the overall system. In addition, various improvements in cell design for planar fuel cells and the processes for making them are disclosed.

본원발명은 전해질, 양극 및 상호접속 물질들의 박막 코팅을 통해 다양한 구성 및 기하학에서 음극 흐름 통로들의 평면 시트들을 통합하는 고체 상태 전기화학 장치에 관한 것으로서, 이러한 시트들이 함께 어셈블리 및 본딩되어 공기 및 공기를 관통하는 가스에 대한 튜브형 통로들을 한정하는 일체식 벌집 구조를 형성하게 된다. 공기는 음극 흐름 통로를 통해 셀 플레이트 내부로 흐르고, 연료는 인접셀들 사이의 공간에 의해 형성된 통로들을 통해 흐른다. 연료 및 공기를 분리하여 유지하도록 설계된 전기적 절연 매니폴드들이 고체 산화물 연료셀 구조의 각 끝단에 본딩되어 공기 및 연료가 구조내의 적절한 경로들로 전달되도록 한다. 마지막으로, 연료 셀 스택 및 매니폴드들은 메탈 하우징 또는 커버내에 넣어져서 매니폴드들의 외부 벽들을 제공하고, 패키지를 완성하고, 단독으로 또는 그룹으로 연료셀 전력 발생 시스템에서 사용될 수 있는 개별 연료셀 모듈을 한정한다.The present invention relates to a solid state electrochemical device incorporating planar sheets of cathode flow passages in various configurations and geometries through a thin coating of electrolyte, anode and interconnect materials, the sheets being assembled and bonded together to form air and air. This results in an integral honeycomb structure defining the tubular passages for the gas passing therethrough. Air flows through the cathode flow passages into the cell plate, and fuel flows through the passages formed by the spaces between adjacent cells. Electrically insulating manifolds designed to separate fuel and air are bonded to each end of the solid oxide fuel cell structure to allow air and fuel to be delivered to the appropriate paths within the structure. Finally, the fuel cell stack and manifolds are encased in a metal housing or cover to provide the outer walls of the manifolds, complete the package, and use individual fuel cell modules that can be used alone or in groups in a fuel cell power generation system. It is limited.

따라서, 본원발명의 목적은 연료 분배를 개선하고 연료셀 어셈블리내의 고열점(hot spot)들의 형성을 제거하는 병렬 음극 물질 튜브들의 어레이를 통합하는 고체 상태 연료셀 디자인을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a solid state fuel cell design that incorporates an array of parallel cathode material tubes that improve fuel distribution and eliminate the formation of hot spots in a fuel cell assembly.

본원발명의 또 다른 목적은 어셈블리된 연료셀 스택의 전체 전력 밀도가 극적으로 개선되도록 단위 연료셀당 활성 표면 영역을 증가시키는 독특한 병렬 음극 물질 튜브 어레이를 통합하는 고체 상태 연료셀 디자인을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a solid state fuel cell design incorporating a unique parallel cathode material tube array that increases the active surface area per unit fuel cell such that the overall power density of the assembled fuel cell stack is dramatically improved.

본원발명의 또 다른 목적은 셀 플레이트들의 통합 부분으로서 매니폴드들을 형성하고 연료 측면부들을 형성하기 위한 제2 동작들을 제거하는 것이다.Yet another object of the present invention is to eliminate the second operations for forming manifolds and fuel side portions as an integral part of the cell plates.

본원발명의 주요한 장점은 제2 동작을 제거하고 컴포넌트들을 통합하면서 공동 압출(hollow extruded) 플레이트 개념의 모든 장점을 제공하게 된다.The main advantage of the present invention is to provide all the advantages of the hollow extruded plate concept while eliminating the second motion and integrating the components.

추가적인 목적및 장점들은 첨부된 도면을 참고로 하여 하기 실시예에서 상술될 것이다. 본원발명의 목적 및 장점들은 청구항들에서 제시된 구현들 및 그들의 조합에 의해 실현 및 달성될 것이다.Further objects and advantages will be detailed in the following examples with reference to the accompanying drawings. The objects and advantages of the invention will be realized and attained by means of the embodiments set forth in the claims and combinations thereof.

본원발명은 증가된 활성 표면 영역을 제공하고 처리 가스를 분배를 개선시키는 고체 상태 전기화학적 장치에 관한 것이다. 본원발명은 고체 산화 전해질을 갖는 고체 상태 연료셀(고체 산화 연료 셀(SOFC))의 동작시에 그 응용의 상세한 설명을 통해 기술된다. 그러나 당업자는 본원발명이 전해 셀, 열 교환기, 화학 교환 장치, 및 산소 발생기 등을 포함하여 임의의 전기화학 시스템에 적용될 수 있음을 잘 이해할 것이다.The present invention relates to a solid state electrochemical device that provides increased active surface area and improves the distribution of process gas. The present invention is described through a detailed description of its application in the operation of a solid state fuel cell (solid oxide fuel cell (SOFC)) having a solid oxide electrolyte. However, those skilled in the art will appreciate that the present invention may be applied to any electrochemical system, including electrolytic cells, heat exchangers, chemical exchange devices, oxygen generators, and the like.

본원발명은 독특한 고체 산화물 연료셀 구조 디자인을 갖는 고체 상태 연료셀에서 이용가능한 활성 영역 및 처리 가스 분배를 개선하는 것에 관한 것이다. 이러한 연료셀 구조 개념에서 연료 및 공기는 하나의 표면에서 스택으로 들어가고 근접 공간 병렬 통로들을 통해 제2 표면으로 흐르고 여기서 함께 소진된다. 이러한 스택은 전해질 박막 코팅을 갖는 음극 물질 셀 플레이트, 양극 및 상호접속 물질들로 구성된다. 이러한 셀 플레이트들은 함께 본딩되어 일체식 벌집 구조와 유사한 구조를 형성하지만, 이로 한정되지는 않는다. 공기는 통로들을 통해 셀 플레이트 내부로 흐른다. 연료는 인접 셀 플레이트들에 의해 형성된 통로들을 통해 흐른다. 네일(nail) 전류 집전기 멤버들은 각 셀 플레이트 내에 위치되어 연료셀 스택의 활성 표면 영역을 상당히 증가시켜줄 수 있다.The present invention is directed to improving the active area and process gas distribution available in solid state fuel cells having a unique solid oxide fuel cell structure design. In this fuel cell structure concept, fuel and air enter the stack at one surface and flow through the near space parallel passages to the second surface where they are exhausted together. This stack is composed of a cathode material cell plate, anode and interconnect materials with an electrolyte thin film coating. These cell plates are bonded together to form a structure similar to an integral honeycomb structure, but not limited thereto. Air flows through the passages into the cell plate. Fuel flows through the passageways formed by adjacent cell plates. Nail current collector members can be located in each cell plate to significantly increase the active surface area of the fuel cell stack.

이러한 장치는 공동(hollow) 셀 플레이트 내에 공기를 격리시키고 연료를 통해 셀 플레이트를 둘러싼다. 벌집 일체식 구조의 끝단에 본딩되는 전기적으로 절연되는 매니폴드들을 제공함으로써, 공기 및 연료의 적절한 흐름이 반응제들의 크로스-흐름의 필요성 없이 용이하게 이뤄진다. 이러한 매니폴드들은 연료 및 공기를 분리하여 유지시키고, 이들에 벌집과 같은 구조에서 적절한 구멍에 전달시키도록 디자인된다. 또한, 이러한 디자인들은 연료 또는 공기 측면들 형태로 내부 매니폴드들을 허용하여 준다. 이들은 공기 및 연료의 순환을 위해 플레이트들을 통해 개방된다. 이러한 디자인 개선들은 연료셀내에 고열점들을 감소시켜주고, 표면들이 연속적일 수 있기 때문에 전기적인 연속성을 제공할 수 있다.Such devices isolate air in hollow cell plates and surround the cell plates with fuel. By providing electrically insulated manifolds bonded to the ends of the honeycomb integral structure, proper flow of air and fuel is readily accomplished without the need for cross-flow of reactants. These manifolds are designed to keep fuel and air separate and deliver them to appropriate holes in a honeycomb-like structure. These designs also allow internal manifolds in the form of fuel or air sides. They are opened through the plates for circulation of air and fuel. These design improvements reduce the hot spots in the fuel cell and can provide electrical continuity because the surfaces can be continuous.

비대칭 튜브 일체식 실시예는 병렬 음극 물질 튜브들의 어레이틀 통한 공기의 흐름을 가능케 하고, 연료는 튜브들 사이의 통로들에서 병렬적으로 흐른다. 이러한 튜브들은 상호접속 영역을 제외하고 전해질 및 음극 물질 계층들로 코팅된다. 이러한 상호접속 영역은 도전성 세라믹 필름으로 코팅된다. 음극 튜브들은 주 구조 엘리먼트들이고, 양극 계층은 이들을 함께 본딩하여 쉽게 처리되고 스택될 수있는 유니필드 셀 플레이트들을 형성한다. 이러한 셀 플레이트들은 번-인(burn-in) 기간동안 함께 본딩되어 일체식 벌집과 같은 구조를 형성한다.The asymmetric tube integral embodiment enables the flow of air through the array of parallel cathode material tubes, with fuel flowing in parallel in the passages between the tubes. Such tubes are coated with electrolyte and negative electrode layers except for the interconnect area. This interconnect area is coated with a conductive ceramic film. Cathode tubes are the main structural elements, and the anode layer bonds them together to form unifield cell plates that can be easily processed and stacked. These cell plates are bonded together during a burn-in period to form an integral honeycomb-like structure.

전해질 계층을 통해 양극으로부터 음극으로의 전류가 흐르고, 그리고 나서 상호 접속을 통해 다음 셀 계층의 양극으로 흐른다. 양극 계층이 상호접속 영역을 제외하고 음극을 둘러싸고 있다는 사실은 전기적인 연속성을 제공하여 플레이트의 꼭대기 및 바닥 표면들 모두를 만든다.Current flows from the anode to the cathode through the electrolyte layer and then through the interconnect to the anode of the next cell layer. The fact that the anode layer surrounds the cathode except the interconnect area provides electrical continuity, making both the top and bottom surfaces of the plate.

매니폴드들은 압출부(extrusion)들에 추가되어 완전한 셀 플레이트들을 형성한다. 흡입(inlet) 매니폴드는 셀 플레이트들이 스택될 때 그 경계 주위의 실(seal)을 통해 수직 공기 주입 통로를 형성한다. 공기 공급 홀들은 공기 흡입 통로로부터 압출부내의 각 공기 튜브로 인도된다. 이러한 스택은 플레눔(plenum) 내에 있고 연료 흡입 통로를 통해 각 사이드로부터 플레이트들 사이에서 흐르는 연료에 의해 둘려싸여진다. 연료는 연료 미터링 노치들을 통해 각 연료 통로내로 흐른다. 혼합된 배기 매니폴드는 셀 플레이트들이 스택되는 경우에 경계 외부 주위의 실을 통해 수직 배기 통로를 형성한다. 공기 배기가스는 공기 배기 홀들을 통해 혼합된 배기 매니폴드내로 흐르고 연료 배기가스는 연료 배기 노치들을 통해 혼합된 배기 매니폴드내로 흐른다.Manifolds are added to the extrusions to form complete cell plates. The inlet manifold forms a vertical air injection passage through a seal around its boundary when the cell plates are stacked. Air supply holes are led from the air intake passage to each air tube in the extrusion. This stack is enclosed by fuel that is in the plenum and flows between the plates from each side through the fuel intake passage. Fuel flows into each fuel passage through fuel metering notches. The mixed exhaust manifold forms a vertical exhaust passage through the seal around the boundary when the cell plates are stacked. Air exhaust gas flows through the air exhaust holes into the mixed exhaust manifold and fuel exhaust gas flows through the fuel exhaust notches into the mixed exhaust manifold.

이러한 장치는 흡입 매니폴드내의 공기, 음극 공기 튜브, 및 혼합된 배기 매니폴드를 격리시킨다. 이러한 컴포넌트들은 세라믹이고 산화의 영향을 받지 않는다. 스택은 연료에 의해 둘러싸여져서, 동력 인출장치, 압력 플레이트 및 타이 바들과 같은 메탈 컴포넌트들이 사용될 수 있는 감소 환경을 발생시킨다.This device isolates the air in the intake manifold, the cathode air tube, and the mixed exhaust manifold. These components are ceramic and are not affected by oxidation. The stack is surrounded by fuel, creating a reducing environment in which metal components such as power take-offs, pressure plates and tie bars can be used.

셀 플레이트들은 음극, 양극 및 전해질 계층을 포함하고, 압출 공정을 사용하여 만들어진다. 매니폴드들은 음극 물질들로 몰딩되고 그린 상태에서 압출성형물의 각 끝단에서 본딩된다. 그리고 나서 그린 셀 플레이트 에셈블리는 바인더 및 일시적 물질들을 제거하고 음극 및 전해질 계층들을 공고히 하기 위해 파이어(fire)된다. 매니폴드들은 플레이트의 유니필드 파트가 된다. 그리고 나서 세라믹 상호접속 물질이 뒤이은 파이어링 없이 완전히 농축된 계층을 형성하는 플라즈마 스프레이 처리를 사용하여 특정 영역에 인가된다. 그리고 나서 플레이트들은 스택된다. 초기 번-인은 양극 니켈 금속 산화물을 감소시키고 일체식 구조를 형성하기 위해 플레이트들을 함께 소결시킨다. 완전한 어셈블리는 비반복 특징이 도면의 도시를 고려하여 평가될 수 있다.Cell plates comprise a cathode, an anode and an electrolyte layer and are made using an extrusion process. The manifolds are molded with cathode materials and bonded at each end of the extrudate in the green state. The green cell plate assembly is then fired to remove binder and transient materials and to solidify the cathode and electrolyte layers. The manifolds become the unifield part of the plate. The ceramic interconnect material is then applied to a particular region using a plasma spray treatment to form a fully concentrated layer without subsequent firing. The plates are then stacked. Initial burn-in sinters the plates together to reduce the anode nickel metal oxide and form an integral structure. The complete assembly may be evaluated in consideration of the illustration of the non-repeating feature.

도 1은 조립된 연료 셀(1)를 도시하고, 이러한 연료 셀은 연료 셀의 엘리먼트를 밀폐하고 지지하기 위한 하우징 커버(2)를 포함한다. 연료 셀 패키지는 연료 주입부(3), 연료 배출구(4), 공기 배출구(6) 및 연료 셀의 상부와 하부에 위치하는 단자(8)를 가진다.1 shows an assembled fuel cell 1, which comprises a housing cover 2 for sealing and supporting the elements of the fuel cell. The fuel cell package has a fuel inlet 3, a fuel outlet 4, an air outlet 6 and terminals 8 located above and below the fuel cell.

도 2는 연료 셀 패키지의 조립도이고, 이는 추가로 조립체를 도시한다. 커버(2)는 상부 섹션(9)과 하부 섹션(10)을 포함하고, 이들은 모두 연료 셀 스택(11)을 밀폐한다. 조립될 때, 연료 셀 스택(11)은 니켈 펠트 층과 전류 콜렉터 판 사이에 위치하고, 이는 도 3에 도시된 연료 셀 조립체의 단면에 가장 잘 도시되어 있다. 펠트는 13으로 표시된다. 마지막으로, 세라믹 절연체층(14)이 전류 콜렉터 판상에 위치한다. 두 개의 반부품(9, 10)이 조립될 때, 이들은 예를 들면 두 피스의 금속 셀을 용접함으로써 제위치에 유지되어 조립체를 함께 단단히 고정할 수 있도록 한다. 이는 셀 커버의 하부에서 스페이서(14)를 사용함으로써 용이하게 수행된다. 연료 셀 스택내 공기 및 연료 통로는 연료 스택의 각각의 단부에 부착된 분기관 조립체에 의해 공급되고 배출된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 주입 분기관(15)은 연료 셀 스택에 부착되고 주입부 갤러리(16)를 한정한다. 분기관(17)은 연료 배출 갤러리(22)를 한정하고 공기 배출구(6)를 가진다. 두 개의 분기관(15, 17)은 주입부 커버(19)와 배출부 커버(20)가 커버 반부품과 함께 조립될 때 분기관을 제위치에 밀봉하기 위해 분기관 주위에 패킹 그루브(18)를 가질 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 공기는 주입부(21)를 통해 연료 셀에 들어가지만 연료는 주입부(3)를 통해 들어간다. 연료는 연료 주입부 갤러리(16)를 통해 분산되고 연료 셀 스택(11)을 통해 흐르며, 연료 배출 갤러리(22)를 통해 스택으로부터 배출되어 연료 배출 플레넘(23)으로 흐르고, 마지막으로 배출구(14)를 통해 배출된다. 공기는 연료 셀 스택내 공기 튜브를 통해 흐르고 스택내 연료 흐름 통로를 통해 배출된다.2 is an assembly view of a fuel cell package, which further illustrates the assembly. The cover 2 comprises an upper section 9 and a lower section 10, both of which enclose a fuel cell stack 11. When assembled, the fuel cell stack 11 is located between the nickel felt layer and the current collector plate, which is best shown in the cross section of the fuel cell assembly shown in FIG. 3. The felt is marked 13. Finally, a ceramic insulator layer 14 is placed on the current collector plate. When the two half parts 9, 10 are assembled, they are held in place, for example by welding two pieces of metal cells so that the assembly can be held firmly together. This is easily accomplished by using the spacer 14 at the bottom of the cell cover. Air and fuel passages in the fuel cell stack are supplied and exhausted by branch pipe assemblies attached to each end of the fuel stack. As shown in FIG. 2, an injection branch 15 is attached to the fuel cell stack and defines an injection gallery 16. Branch pipe 17 defines a fuel discharge gallery 22 and has an air outlet 6. The two branch tubes 15, 17 are provided with a packing groove 18 around the branch tube to seal the branch tube in place when the inlet cover 19 and outlet cover 20 are assembled with the cover half. Will have As shown in FIG. 3, air enters the fuel cell through the inlet 21 but fuel enters through the inlet 3. The fuel is dispersed through the fuel inlet gallery 16 and flows through the fuel cell stack 11, exits the stack through the fuel discharge gallery 22 and flows to the fuel discharge plenum 23 and finally the outlet 14 Is discharged through). Air flows through the air tubes in the fuel cell stack and exits through the fuel flow passages in the stack.

연료 셀 스택은 도 4와 도 5에 도시된 튜브 시트(30)와 같은 압출 튜브 시트의 조립체를 포함한다. 도 4는 일체형으로 연결된 튜브(31)의 개별 평탄한 튜브 시트(30)를 도시한다. 시트(30)는 적정 연료 셀 부품 재료로 구성되고 캐소드, 애노드, 전해질 및 상호연결 재료 또는 이들의 조합을 포함할 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 캐소드 재료(32)는 공기 통로(33)를 한정하고 압출 캐소드 또는 이와 함께 압출된 전해질 및 애노드 코팅(34)을 가진다. 추가로, 공기 통로를 한정하는 공기층이 상호연결되고 애노드 코팅(35)된다.The fuel cell stack includes an assembly of extruded tube sheets, such as the tube sheet 30 shown in FIGS. 4 and 5. 4 shows an individual flat tube sheet 30 of tubes 31 integrally connected. The seat 30 is composed of a suitable fuel cell component material and will include a cathode, anode, electrolyte and interconnect material or a combination thereof. As shown in FIG. 5, the cathode material 32 defines an air passage 33 and has an extrusion cathode or electrolyte and anode coating 34 extruded therewith. In addition, the air layers defining the air passages are interconnected and anode coated 35.

도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 평탄한 시트(50)가 연료 통로를 한정하기 위해 적층된다. 바람직하게, 시트(30)는 단일 압출 단계에서 캐소드 재료로 구성되거나 또는 캐소드 재료 및 전해질과 애노드 혼합물을 공동 압출함으로써 제조될 수 있다. 비록, 이들이 캐소드 재료를 압출하고 이어 평탄하며 시트의 길이를 따라 연장하는 길이방향으로 정렬된 튜브의 평행 열로 구성된 튜브를 코팅함으로써 제조될 수 있다. 비록 튜브가 삼각형인 것으로 도시되지만, 튜브는 임의의 단면을 가질 수 있으며 대칭 또는 비대칭일 수 있다. 예를 들면, 단면은 삼각형, 직사각형, 사다리꼴, 원형 및 다각형일 수 있다.As shown in FIG. 6, a number of flat sheets 50 are stacked to define a fuel passage. Preferably, the sheet 30 may be composed of cathode material in a single extrusion step or may be produced by coextrusion of the cathode material and the electrolyte and anode mixture. Although they can be prepared by extruding the cathode material and then coating the tubes consisting of parallel rows of longitudinally aligned tubes extending flat and extending along the length of the sheet. Although the tube is shown as being triangular, the tube can have any cross section and can be symmetrical or asymmetrical. For example, the cross section may be triangular, rectangular, trapezoidal, circular and polygonal.

도 7과 도 8에 도시된 바와 같이, 벌집형 스택으로 설명되는 조립된 스택은 벌집 단일체의 면에 본딩되는 외부 분기관 또는 판형 구조물과 조립된다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 공기 통로(33)와 연료 통로(36)는 분기관 구조물(37, 38)에 본딩된다. 분기관 구조물(37)은 연료 셀 단일체내에서 각각 공기 통로(33)와 연료 통로(36)에 연결되는 공기 비아 통로(39) 및 연료 비아 통로(40)의 분배기이다. 헤더(38)가 분배기(37)와 연결되어 공기 통로(39, 33)와 정렬된 공기 구멍(41)을 처리하여 공기가 개구(41, 39)를 통해 연료 셀 스택내 공기 통로로 통과하도록 한다. 헤더(38)와 분배기(37)는 공기 통로(39)가 헤더(38)에 의해 밀봉되는 연료 갤러리(47)를 한정한다. 커버 또는 하우징(2, 3)이 제자리에 위치할 때, 밀봉부는 밀봉 그루브(18)내에 적정 밀봉 재료를 위치시킴으로써 헤더(38)와 함께 형성된다. 밀봉부는 내화성 광섬유 로프이다. 밀봉부는 세라믹 스택과 금속성 스택 오염물 구조 사이에 형성된 다른 열팽창에 의한 응력을 방지하기 위한 충분한 컴플라이언스를 제공한다.As shown in FIGS. 7 and 8, the assembled stack, described as a honeycomb stack, is assembled with an outer branch or plate structure bonded to the face of the honeycomb monolith. For example, as shown in FIG. 7, the air passage 33 and the fuel passage 36 are bonded to the branch pipe structures 37, 38. The branch pipe structure 37 is a distributor of the air via passage 39 and the fuel via passage 40, which are connected to the air passage 33 and the fuel passage 36, respectively, in the fuel cell monolith. The header 38 is connected with the distributor 37 to treat the air holes 41 aligned with the air passages 39 and 33 to allow air to pass through the openings 41 and 39 into the air passages in the fuel cell stack. . The header 38 and distributor 37 define a fuel gallery 47 in which an air passage 39 is sealed by the header 38. When the cover or housing 2, 3 is in place, the seal is formed with the header 38 by placing the appropriate sealing material in the sealing groove 18. The seal is a fire resistant fiber optic rope. The seal provides sufficient compliance to prevent stress due to other thermal expansions formed between the ceramic stack and the metallic stack contaminant structure.

도 9에 도시된 외부 분기관 배치는 분배기(37)를 44에서 스택(44)에 연결시키고 45에서 분배기에 헤더(38)를 연결시킴으로써 공기 통로(41, 39, 36)를 연결시킨다. 연료 갤러리(43)는 개구(40)를 통해 통로(36)로 분배된다. 공기 통로는 헤더 판의 외측 평면 표면으로부터 스택으로 곧장 통과된다. 연료는 스택의 측면들을 감싸고 연료 갤러리를 통해 스택 연료 통로로 공급된다. 상술된 바와 같이, 공기 통로와 시트의 형상은 중요하지 않다.The outer branch arrangement shown in FIG. 9 connects the air passages 41, 39, 36 by connecting the distributor 37 to the stack 44 at 44 and the header 38 to the distributor at 45. The fuel gallery 43 is distributed to the passage 36 through the opening 40. The air passage passes straight through the stack from the outer planar surface of the header plate. Fuel surrounds the sides of the stack and is fed to the stack fuel passageway through the fuel gallery. As mentioned above, the shape of the air passage and the seat is not critical.

도 10에 도시된 바와 같이, 튜브 시트(50)는 8각형 통로로 구성되고, 여기서 8각형은 캐소드 재료가 전해질, 애노드 및/또는 상호연결 재료로 코팅 또는 공동 압출되는 연료 통로(52)를 튜브 시트의 스택이 한정하는 것이고 조합된 튜브 사이의 공기 통로(51)와 스페이스를 한정하는 캐소드 재료이다. 추가의 특성은 공기 통로를 한정하는 튜브 사이의 연결 재료가 연료 측면(53)을 형성하도록 제거되는 내부 분기관을 사용하는 것이다. 연료 측면은 연료 셀의 연료 셀의 레벨 사이의 연료의 등가를 용이하게 하고 동작시 핫 스폿의 발생을 방지한다.As shown in FIG. 10, the tube sheet 50 consists of an octagonal passageway, where the octagonal tube forms a fuel passageway 52 in which the cathode material is coated or coextruded with electrolyte, anode and / or interconnect material. The stack of sheets is the defining and cathode material defining the air passage 51 and space between the combined tubes. A further property is the use of an internal branch pipe in which the connecting material between the tubes defining the air passages is removed to form the fuel side 53. The fuel side facilitates the equivalent of fuel between the levels of the fuel cells of the fuel cell and prevents the occurrence of hot spots in operation.

도 11은 비대칭 튜브 구조를 사용하는 튜브 시트를 도시한다. 도시된 바와 같이, 튜브 시트(54)는 개별 튜브를 압출하고 단일체를 형성하도록 가열되기 전에 튜브를 연결함으로써 형성되는 비대칭 형상으로 캐소드 재료의 단일 압출할 수 있다.11 shows a tube sheet using an asymmetric tube structure. As shown, the tube sheet 54 may be a single extrusion of the cathode material into an asymmetrical shape formed by extruding individual tubes and connecting the tubes before being heated to form a monolith.

도 12에 도시된 바와 같이, 캐소드 재료는 공기 통로(55)를 한정하지만 튜브시트가 적층될 때는 조립체는 튜브 스택내에 전자에 대한 연속 경로가 존재하도록 연료 통로(56)를 한정하고, 층(58)은 애노드 재료이며, 층(58)은 전해질 재료이고, 층(59)은 상호연결 재료이다.As shown in FIG. 12, the cathode material defines an air passage 55 but when the tubesheets are stacked the assembly defines a fuel passage 56 such that there is a continuous path for electrons within the tube stack and layer 58. ) Is an anode material, layer 58 is an electrolyte material, and layer 59 is an interconnect material.

도 13에 도시된 다른 특징은 압출된 캐소드 재료(60)가 공기 통로(61)를 한정하고 그 상부에 전해질과 애노드 재료(62) 및 상호연결 재료(63)가 코팅되는 불규칙 튜브 구성을 사용한다. 튜브가 조립될 때, 도 14에 도시된 바와 같이 튜브(60)는 연료 통로(64)를 한정한다. 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 작은 사인형 리플이 애노드에 대한 활성 영역의 1.5배로 증가되어 재료 비용의 상승이 없도록 한다.Another feature shown in FIG. 13 uses an irregular tube configuration in which the extruded cathode material 60 defines an air passage 61 and is coated thereon with an electrolyte and anode material 62 and interconnect material 63. . When the tube is assembled, the tube 60 defines a fuel passage 64 as shown in FIG. 14. As shown in Figures 13 and 14, the small sinusoidal ripple is increased to 1.5 times the active area for the anode so that there is no increase in material cost.

도 15는 압출에 의해 형성되며 공기 통로가 68이고 연료 통로가 69인 다른 튜브 형상을 도시한다. 이러한 설계는 캐소드의 표면 영역을 증가시킬 것이다. 튜브 스택은 연료 셀 스택 사이의 연료 흐름을 용이하게 하는 연료 측면(70)을 가진다. 추가로, 헤더(71)는 공기 통로(68)를 통한 공기의 분배와 연료 통로 그루브(72)를 통한 연료의 분배를 용이하게 하도록 연료 스택에 연결된다.FIG. 15 shows another tube shape formed by extrusion and with 68 air passages and 69 fuel passages. This design will increase the surface area of the cathode. The tube stack has a fuel side 70 that facilitates fuel flow between the fuel cell stacks. In addition, the header 71 is connected to the fuel stack to facilitate the distribution of air through the air passage 68 and the distribution of fuel through the fuel passage groove 72.

연료 셀를 조립하기 위한 다른 방법이 도 16, 도 17 및 도 18애 도시된 공동 압출된 스택이고, 여기서 공기 통로는 압출된 튜브(75)이고 연료 통로는 노치 또는 그루브(76)이다. 도 19와 도 10에 도시된 바와 같이 조립될 때 시트(77)는 그루브(76)와 튜브 시트의 다음 층의 하부 표면이 연료 셀 통로를 한정하도록 한다. 헤더는 튜브 시트를 분리하여 몰딩하고 "용접"함으로서 부착될 수 있다. "용접"은 세라믹 재료로 본딩 혼합물이 더욱 영구적인 본드가 생성되도록 가열될 수있을 때까지 함께 부품을 유지 또는 본딩하는데 사용된다. 예를 들어, 주입구 공간(78)을 한정하는 유입구 헤더(77)와 연료 주입구 통로(79)는 판(77)의 주입구 단부에 부착될 수 있고, 배출구 분기관(80)은 판(77)의 배출구 단부에 부착된다. 배출구는 정합 통로 구멍(75)와 연료 통로(76)용 그루브를 가진다. 배출된 공기와 연료는 배출 분기관(80)내 개구(81)를 통해 함께 배출될 것이다. 전기 판(77)이 적층될 때, 예를 들어 56개의 셀 판이 적층될 때 분기관은 0.75v/셀에서 42vDC를 제공하도록 적층될 수 있다. 활석 또는 분말형 운모가 누설을 감소시키기 위해 분기관 밀봉 영역에서 사용될 수 있다. 스택은 단부판(84, 85) 사이에서 단자(86, 87)을 가지는 것으로 도 20에 도시된 바와 같이 조립되고, 세라믹 전기 절연판(88, 89)이 단부판과 베이스판(92)과 단부판(93)으로부터 분말 탈착판을 분리시킨다.Another method for assembling a fuel cell is the coextruded stack shown in FIGS. 16, 17 and 18, where the air passage is an extruded tube 75 and the fuel passage is a notch or groove 76. When assembled as shown in FIGS. 19 and 10, the sheet 77 causes the groove 76 and the lower surface of the next layer of the tube sheet to define the fuel cell passageway. The header can be attached by detaching, molding and " welding " the tube sheet. "Welding" is used to hold or bond parts together with a ceramic material until the bonding mixture can be heated to produce a more permanent bond. For example, inlet header 77 and fuel inlet passage 79 defining inlet space 78 may be attached to the inlet end of plate 77 and outlet branch 80 may be attached to plate 77. It is attached to the outlet end. The outlet has a matching passage hole 75 and a groove for the fuel passage 76. The discharged air and fuel will be discharged together through the opening 81 in the discharge branch 80. When electrical plates 77 are stacked, for example when 56 cell plates are stacked, branch tubes may be stacked to provide 42vDC at 0.75v / cell. Talc or powdered mica can be used in the branch seal region to reduce leakage. The stack is assembled as shown in FIG. 20 with terminals 86 and 87 between end plates 84 and 85, and ceramic electrical insulation plates 88 and 89 are end plates and base plates 92 and end plates. The powder desorption plate is separated from (93).

클램핑 로드가 한 쌍의 티에바와 스프링에 의해 로딩된 베이스판에 의해 제공된다. 세라믹 전기절연판은 분말 탈착판을 단부판 및 베이스판으로부터 분리시킨다. 판은 예를 들면 헤스테로이 X 캐스팅 또는 장시간의 견고한 알루미나 코팅 합금일 수 있다. 티에바와 스프링은 예를 들면 인코넬(716)일 수 있다. 티에바는 스프링이 핫 존 외부에 위치하도록 압출될 수 있다. 인코넬 스프링은 대략 600℃의 사용상 한계를 가진다. 반응 기체 유입 및 배출 흐름은 단부판내 포트를 통한다. 단부판은 전기적으로 접지되고 연결부는 분말 탈착판 러그에 볼팅 또는 용접되어 형성된다.Clamping rods are provided by a pair of tiebars and a base plate loaded by a spring. The ceramic electrical insulating plate separates the powder desorption plate from the end plate and the base plate. The plate can be, for example, Hesterloy X casting or a long time tough alumina coated alloy. The tiebar and spring may be, for example, Inconel 716. The tieva may be extruded such that the spring is located outside the hot zone. Inconel springs have a usage limit of approximately 600 ° C. The reaction gas inlet and outlet flows through the ports in the endplates. The end plates are electrically grounded and the connections are formed by bolting or welding to the powder release plate lugs.

튜브 시트를 압출하고 몰딩된 헤더를 조립하는 다른 예는 퓨저티브 코어 재료를 사용하여 튜브 시트를 몰딩하는 것이다. 도 21, 도 22 및 도 23에 도시된 바와 같이, 일체형 헤더를 가진 튜브 시트가 몰드 조립체(도 21에 도시)에 의해 제조될 수 있고, 이는 하부 캐소드 프리폼(100), 상부 캐소드 프리폼(101) 및 하부 캐소드 프리폼(100)과 상부 캐소드 프리폼(101) 사이에 위치하여 캐소드 재료가 캐소드 단일체를 형성하도록 용융될 때 공기 통로를 형성하는 퓨저티브 코어 재료(102)를 포함한다. 퓨저티브 코어가 연소되면, 남겨진 스페이스는 공기 통로(103)를 한정하고, 분기관은 몰딩된 재료(104)에 의해 한정되며, 연료 주입 통로는 스페이스(105)에 의해 한정되고, 연료 통로는 스페이스(106)에 의해 한정되며, 연료 측면은 스페이스(107)에 의해 한정된다. 스페이스는 108에서 공기 측면을 형성한다.Another example of extruding a tube sheet and assembling a molded header is to mold the tube sheet using a fused core material. As shown in FIGS. 21, 22 and 23, a tube sheet with an integral header can be produced by a mold assembly (shown in FIG. 21), which is the lower cathode preform 100, the upper cathode preform 101. And a fuzzy core material 102 positioned between the lower cathode preform 100 and the upper cathode preform 101 to form an air passageway when the cathode material is melted to form a cathode monolith. When the core is combusted, the remaining space defines the air passage 103, the branch pipe is defined by the molded material 104, the fuel injection passage is defined by the space 105, and the fuel passage is space Defined by 106, the fuel side is defined by space 107. The space forms an air side at 108.

상부 및 하부 캐소드 프리폼은 압착 몰딩 또는 유사 적정 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 퓨저티브 코어는 중합체 왁스, 탄소 분말 혼합물 또는 증발, 증기화, 분해하는 다른 재료로부터 압착 또는 사출성형에 의해 제조되고, 어떠한 여분도 남김없이 열에 의해 제거된다. 그린 상부 및 그린 하부 캐소드 프리폼은 퓨저티브 코어로 조립되며, 조립체는 다이내 퓨저티브 코어와 함께 압착되어 프리폼을 코어를 감싸는 단일 그린 캐소드 셀 판으로 연결시킨다. 조립체는 다음으로 건조되고 가열되어 캐소드를 다공성 세라믹으로 강화시킨다. 코어는 가열 사이클의 초기 동안 캐소드 재료를 지지하고 다음으로 증발 또는 열분해에 의해 제거된다. 결과적으로 유입구 및 배출구 분기관을 가진 완전한 중공 캐소드가 형성되고, 전해질, 상호연결 및 애노드 층을 부가하기 위한 후속 처리가 준비된다. 시트는 완전한 연료 셀를 제공하기 위해 도 19와 도 20에 도시된 바와 같은 유사한 방식으로조립될 수 있다.The upper and lower cathode preforms can be formed by compression molding or similar titration processes. Fused cores are prepared by compression or injection molding from polymer waxes, carbon powder mixtures or other materials that evaporate, vaporize, and decompose and are removed by heat without leaving any excess. The green upper and lower green cathode preforms are assembled into a fusitive core, the assembly being pressed together with the intra die cores to connect the preforms into a single green cathode cell plate surrounding the core. The assembly is then dried and heated to reinforce the cathode with the porous ceramic. The core supports the cathode material during the beginning of the heating cycle and is then removed by evaporation or pyrolysis. As a result, a complete hollow cathode with an inlet and outlet branch is formed, and subsequent processing for adding the electrolyte, interconnect and anode layer is prepared. The seat can be assembled in a similar manner as shown in FIGS. 19 and 20 to provide a complete fuel cell.

도 24와 도 25는 도 19와 도 20에 도시된 것에 대한 선택적인 패키지 설계를 도시한다. 도 24는 조립도이고 도 25는 도 1-3에 도시된 것과 유사한 패키징의 조립도를 도시한다. 도 24와 도 25에 도시된 바와 같이, 상부 커버(111)와 하부 플레넘이다. 부품들은 연료 스택을 단단히 고정하고 조립된 상태를 유지하기 위해 적정 수단에 의해 클램핑, 용접 또는 고정된다. 이는 하부 커버 또는 연료 플레넘(112)내에 위치하는 메쉬 스프링 팩(116)의 사용을 용이하게 한다. 세라믹 절연체(117, 118)를 포함한 조립체가 완성될 때, 전류 콜렉터 판(119, 120)은 단자(121)를 통해 흐르는 전류를 생성한다. 공기는 122에서 하우징에 공급되고 고정된 배출구가 123에 위치한다. 연료는 연료 유입구(124)를 통해 플레넘으로 공급된다.24 and 25 illustrate alternative package designs for those shown in FIGS. 19 and 20. FIG. 24 is an assembly view and FIG. 25 shows an assembly view of a packaging similar to that shown in FIGS. 1-3. As shown in FIGS. 24 and 25, the upper cover 111 and the lower plenum. The parts are clamped, welded or fixed by appropriate means to securely hold the fuel stack and remain assembled. This facilitates the use of the mesh spring pack 116 located in the bottom cover or fuel plenum 112. When the assembly including the ceramic insulators 117 and 118 is completed, the current collector plates 119 and 120 generate a current flowing through the terminal 121. Air is supplied to the housing at 122 and a fixed outlet is located at 123. Fuel is supplied to the plenum through fuel inlet 124.

도 3에 도시된 바와 같은 연료 셀 스택을 취하고 이들을 결합 헤더를 사용하여 단부끼리 결합하여 저온 처리를 위한 하부 섹션과 고온 처리를 위한 제 2 섹션을 가진 조립체를 제공한다. 또한, 여러 단일체가 금속 펠트 패드 및/또는 큰 패키지를 형성하기 위한 전기 연결부와 직렬인 모듈을 연결함으로써 단일 패키지 모듈로 조합될 수 있다.Taking a fuel cell stack as shown in FIG. 3 and combining them end to end using a coupling header to provide an assembly having a lower section for low temperature treatment and a second section for high temperature treatment. In addition, several units can be combined into a single package module by connecting modules in series with electrical connections to form metal felt pads and / or large packages.

연료 셀은 병렬 이격한 통로를 통해 공기 및 기체를 흘림으로써 동작한다. 연료는 셀판 사이의 연료 유입 통로를 통해 각측면으로부터 흐른다. 다음으로 연료 계측 슬롯을 통해 흐르고, 셀판 사이에서 셀 스택의 배출 단부로 흐른다. 연료는 전력을 발생시키기 위해 내부 공기 통로를 통해 흐르는 공기와 반응한다. 연료측면은 확장된 반응성 표면 영역 및 셀판의 상부와 하부 측사이의 전기 연결을 제공한다. 공기 측면은 단일 직선 동기 통로에 비해 반응성 층으로 공기의 접근을 개선한다. 이들은 퓨저티브 코어의 처리를 용이하게 한다. 연료 및 공기 통로는 배출 분기관(즉, 공기 유입 분기관과 유사한 내부 분기관)으로 소강되고 혼합된다.The fuel cell operates by flowing air and gas through parallel spaced passages. Fuel flows from each side through fuel inflow passages between the cell plates. It then flows through the fuel metering slot and between the cell plates to the discharge end of the cell stack. The fuel reacts with the air flowing through the internal air passages to generate power. The fuel side provides an extended reactive surface area and an electrical connection between the upper and lower sides of the selpan. The air side improves the access of air to the reactive layer compared to a single straight synchronous passage. These facilitate the processing of the fused cores. The fuel and air passages are quenched and mixed into the exhaust branch (i.e., the inner branch similar to the air inlet branch).

본 발명에 대한 이상의 실시예가 예시와 설명을 위해 제공되었다. 이러한 설명 및 실시예는 설명된 형태에 본 발명을 한정하는 것이 아니라 상기한 설명의 견지에서 가능한 많은 변경 및 변화가 가능하다. 실시예들은 본 발명의 원리 및 그 실제적 응용을 가장 잘 설명하기 위해 선택된 것이고, 이에 따라 당업자가 여러 실시예로 본 발명을 가장 잘 사용하고 특정 사용에 적합한 다른 변경이 가능하도록 한 것이다. 본 발명은 이하의 청구항에 의해 한정된다.The foregoing embodiments of the present invention have been provided for purposes of illustration and description. These descriptions and examples do not limit the invention to the forms described, but many modifications and variations are possible in light of the above teachings. The embodiments are chosen to best illustrate the principles of the invention and its practical application, and thus enable those skilled in the art to make the best use of the invention in various embodiments and that other modifications suitable for a particular use are possible. The invention is defined by the following claims.

Claims (16)

A. 공기 및 연료통로를 한정하며 캐소드층, 전해질층 및 애노드층을 포함하는 병렬셀 통로스택과;A. A parallel cell passage stack defining an air and fuel passage and comprising a cathode layer, an electrolyte layer and an anode layer; B. 상기 연료셀 스택의 입력단부에 부착되고 상기 공기 및 연료통로에 공기 및 연료를 분배하는 매니폴드 수단;B. Manifold means attached to the input end of the fuel cell stack and distributing air and fuel to the air and fuel passages; C. 상기 연료 셀 스택에서 발생된 전자에 대한 전류 수집수단과;C. current collecting means for electrons generated in the fuel cell stack; D. 상기 전류 수집수단으로부터 전류로써 상기 전자를 끌어들이는 단자 수단과;D. terminal means for drawing said electrons as current from said current collecting means; E. 상기 매니폴드 수단에 연료를 공급하는 인입수단과;E. drawing means for supplying fuel to said manifold means; F. 상기 매니폴드 수단에 공기를 공급하는 인입수단과;F. drawing means for supplying air to said manifold means; G. 상기 스택으로부터의 배출을 수집하여 비우는 배출 매니폴드 수단과;G. discharge manifold means for collecting and emptying discharge from said stack; H. 상기 연료 셀 시스템으로부터의 배출을 제거하는 배출수단과;H. discharge means for removing emissions from said fuel cell system; I. 상기 연료셀을 밀봉하고, 상기 입력 매니폴드 수단의 외부벽을 한정하여 장력하에서 상기 스택을 유지하는 하우징 수단을 포함하는 고체 산화물 연료셀 시스템.I. A solid oxide fuel cell system comprising housing means for sealing said fuel cell and defining said outer wall of said input manifold means to maintain said stack under tension. 제 1항에 있어서, 상기 병렬 셀 통로 스택은 소결 벌집형 구조인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.The solid oxide fuel cell system of claim 1, wherein the parallel cell passage stack has a sintered honeycomb structure. 제 1항에 있어서, 상기 병렬셀 통로 스택은 벌집형 단일체이며, 상기 단일체는 상기 단일체를 통해 상기 공기 및 상기 가스를 분배하는 내부수단을 가지는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.2. The solid oxide fuel cell system of claim 1, wherein the parallel cell passage stack is a honeycomb monolith, the monolith having internal means for distributing the air and gas through the monolith. 제 1항에 있어서, 상기 하우징 수단은 용접에 의해 함께 결합되는 적어도 두개의 피스를 가진 금속셸인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.2. The solid oxide fuel cell system of claim 1, wherein the housing means is a metal shell having at least two pieces joined together by welding. 제 1항에 있어서, 상기 셀 스택은 탄성수단에 의하여 지지되며, 이에 따라 상기 셀 스택은 상기 하우징의 범위내에서 확장할 수 있는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.2. The solid oxide fuel cell system of claim 1, wherein the cell stack is supported by elastic means, so that the cell stack can extend within the range of the housing. 제 1항에 있어서, 상기 병렬 셀 통로는 상기 캐소드 재료를 통해 상기 공기통로를 생성하기 위하여 캐소드 재료를 밀어냄으로써 만들어지며, 상기 시트는 상기 연료셀을 동작시키는 공기 및 연료통로를 한정하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.The method of claim 1, wherein the parallel cell passage is made by pushing the cathode material to create the air passage through the cathode material, wherein the seat defines an air and fuel passage for operating the fuel cell. Solid oxide fuel cell system. 제 1항에 있어서, 상기 병렬셀 통로 스택은 퓨지티브 코어 몰딩 프로세스에 의하여 만들어지며, 상기 퓨지티브 코어는 공기통로를 남기기 위하여 기화 또는 분해하며, 상기 스택이 어셈블리될때 어셈블리는 연료 통로를 한정하고 다공성 세라믹내로 캐소드를 통합하기 위하여 가열되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.The method of claim 1, wherein the parallel cell passage stack is made by a positive core molding process, wherein the positive core vaporizes or disassembles to leave an air passage, and when the stack is assembled, the assembly defines a fuel passage and is porous. And heated to integrate the cathode into the ceramic. 제 7항에 있어서, 상기 병렬셀 통로의 스택은 퓨지티브 코어 몰딩 프로세스에 의하여 만들어지며, 상기 몰딩 프로세스는 일체형 인입 매니폴드 및 배출 매니폴드 구조를 야기하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.8. The solid oxide fuel cell system of claim 7, wherein the stack of parallel cell passageways is made by a positive core molding process, wherein the molding process results in an integral inlet manifold and outlet manifold structure. 제 7항에 있어서, 상기 병렬셀 통로 스택은 상기 스택의 각 절반을 몰딩한후 일체형 인입 및 배출 매니폴드를 가진 전체셀 스택을 발생시키기 위하여 상기 절반을 결합함으로써 만들어지는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.8. The solid oxide fuel of claim 7, wherein the parallel cell passage stack is made by molding each half of the stack and then combining the half to generate a full cell stack with integral inlet and outlet manifolds. Cell system. 제 1항에 있어서, 상기 병렬셀 통로 스택은 병렬셀 통로 시트를 형성하기 위하여 세라믹 조성물을 밀어낸후 상기 밀어낸 셀 스택에 인입 및 배출 매니폴드를 용접함으로써 만들어지는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.10. The solid oxide fuel cell system of claim 1, wherein the parallel cell passage stack is made by extruding a ceramic composition to form a parallel cell passage sheet and then welding the inlet and outlet manifolds to the extruded cell stack. . 제 1항에 있어서, 상기 니켈 펠트층은 탄성 도전층을 발생시키기 위하여 단일체 스택의 상부 및 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.The solid oxide fuel cell system of claim 1, wherein the nickel felt layer is disposed above and below the monolithic stack to generate an elastic conductive layer. 제 1항에 있어서, 상기 병렬 셀 통로는 기하학적 형상을 가지며, 상기 애노드 코팅은 전류흐름 방향에서 두께를 증가시키는 반면에 캐소드는 두께가 감소하는것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.2. The solid oxide fuel cell system of claim 1, wherein the parallel cell passageway has a geometry and the anode coating increases thickness in the direction of current flow while the cathode decreases in thickness. 제 1항에 있어서, 상기 병렬셀 통로는 상기 캐소드, 전해질 및 애노드층을 가로지르는 전류경로수단을 포함하며, 상기 전자는 전류경로의 방향으로의 전자의 흐름을 용이하게 하기 위히여 셀을 통해 이동하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.The method of claim 1, wherein the parallel cell passage includes current path means for traversing the cathode, electrolyte, and anode layers, and the electrons move through the cell to facilitate the flow of electrons in the direction of the current path. Solid oxide fuel cell system, characterized in that. 제 1항에 있어서, 상기 병렬셀 통로는 원형, 8변형, 6각형, 직사각형 및 삼각형으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 기하학적 형상의 단면을 가진 튜브를 한정하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.The solid oxide fuel cell system of claim 1, wherein the parallel cell passageway defines a tube having a cross section of a geometric shape selected from the group consisting of circular, octagonal, hexagonal, rectangular and triangular. 제 1항에 있어서, 상기 셀 통로는 비대칭 다각형 기하학적 형상의 단면을 가진 튜브를 한정하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.The solid oxide fuel cell system of claim 1, wherein the cell passageway defines a tube having a cross section of an asymmetric polygonal geometry. 제 1항에 있어서, 상기 병렬셀 통로의 스택은 상기 스택의 층간을 상호접속하는 수단을 포함하며, 이에 따라 전류는 스택의 층사이에서 흐를 수 있는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료셀 시스템.The solid oxide fuel cell system of claim 1, wherein the stack of parallel cell passageways comprises means for interconnecting the layers of the stack, such that current can flow between the layers of the stack.
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