KR20040066037A - 연료 전지 전극 물질에 대한 조성 및 구조 구배 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지(10)에 배치되어 작동하고 촉매적 활성 표면이 구비된 전극(16, 18)을 포함하는 연료 전지(10)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전극(16, 18)의 표면 상에 실질적으로 균일한 최대 촉매 활성을 유지시키기 위한 메카니즘을 포함한다.

Description

연료 전지 전극 물질에 대한 조성 및 구조 구배{COMPOSITIONAL AND STRUCTURAL GRADIENTS FOR FUEL CELL ELECTRODE MATERIALS}
본 발명은 연료 전지, 더욱 구체적으로는 조성 및/또는 구조 구배를 갖는 전극을 갖는 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 연료 및 산화제의 전기 및 열로의 전기화학 에너지 전환을 이용한다. 연료 전지는 휴대용 전력 공급원으로서 1차 및 2차 배터리를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 연료 전지에서, 연료(수소 또는 다른 산화가능한 화합물의 공급원 함유)는 산소 공급원에 의해 산화되어 물과 이산화탄소를 (1차적으로) 생성한다. 전자를 방출하는 애노드에서의 산화 반응과 전자를 소모하는 캐쏘드에서의 환원 반응의 결과 부하를 통해 유용한 전기적 전압 및 전류가 생성된다.
이와 같이, 연료 전지는 동력 장치, 전등, 전기 제품 등에 사용될 수 있는 직류(DC) 전압을 제공한다. 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 휴대용 제품뿐 아니라 많은 다른 제품에도 유용할 수 있는 연료 전지의 한 유형이다.
전극의 조성 및 다공성을 최적화시키는데 상당량의 노력을 쏟아 왔다. 전형적인 접근법은 일정한 조성 및 구조 형태를 갖는 물질로부터 형성된 전극과 관련된다. 더욱 최근에는, 전해질로부터 떨어진 방향으로의 전극의 구조 및/또는 조성 구배가 SOFC 시스템의 성능을 개선시키는데 어느 정도의 이점을 제공하는 것으로 나타난다. 불행하게도, 양쪽 모두의 경우, 작동 온도, 연료 전지 성능, 및 상기 한 형태를 갖는 물질의 사용시 연료 이용간에 필히 절충이 이루어져야 한다.
본 발명은, 연료 전지에 배치되어 작동하는 전극을 하나 이상 포함하고 촉매적 활성 표면이 구비된 연료 전지를 제공함으로써 상기 열거된 결점을 해결한다. 또한, 본 발명은 전극의 표면 상에 실질적으로 균일한 최대 촉매 활성을 유지시키기 위한 메카니즘을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시양태의 일부 개략적인 단면 투시도로서, 단일 챔버 연료 전지의 실시양태에서 연료 전지 조립물 및 기체 유동 통로를 보여준다.
도 1a는 단일 챔버 연료 전지의 다른 실시양태의 개략도이다.
도 1b는 단일 챔버 연료 전지의 또다른 실시양태의 개략도이다.
도 1c는 이중 챔버 연료 전지의 실시양태의 개략도로서, 연료 및/또는 공기에 대한 가상의 선택적 유입구(들) 다운스트림을 보여준다.
도 2는 단일 챔버 연료 전지에서 애노드 연료/공기 혼합물 구배의 실시양태의 블록 다이어그램으로서, 매니폴드(manifold) 및 가상의 유동 통로를 개략적으로 보여준다.
도 3은 애노드 조성 구배의 실시양태를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 4는 애노드 조성 구배의 추가의 실시양태를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 5는 애노드 구조 구배의 실시양태를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 6은 캐쏘드 조성 구배의 실시양태의 블록 다이어그램이다.
도 7은 캐쏘드 구조 구배의 실시양태의 블록 다이어그램이다.
도 8a는 연료 전지 스택의 애노드부의 실시양태의 블록 다이어그램이다.
도 8b는 연료 전지 스택의 캐쏘드부의 실시양태의 블록 다이어그램이다.
도 9는 조성 구배(들)를 갖는 애노드를 제조하는 방법의 실시양태의 개략적인 대표도이다.
본 발명의 목적, 특징 및 이점은 하기 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조하면 명백해질 것이다.
본 발명은, 기체 유입구로부터의 거리에 대해 연료 전지 전극(애노드/캐쏘드)의 조성 및/또는 구조를 변화시켜 유동 경로에 따른 기체의 조성과 관련된 특정 반응에 대한 촉매 활성을 최대화함으로써 및/또는 (조성 및/또는 구조 구배를 갖거나 갖지 않는) 전극의 촉매적 활성 표면 위에서 기체(연료 및/또는 산화제)의 조성을 변화시킴으로써 연료 전지의 성능이 개선될 수 있다는 예기치 않은 뜻밖의 발견에 기초한다.
명세서 전반에 걸쳐 "구조" 및/또는 "구조적"이라는 정의는 형태, 다공성, 결정성 구조 등을 포함하는 것을 의도하는 것으로 이해되어야 한다.
애노드에서, 유입구 근처의 연료는 주로 탄화수소이지만 유동 경로를 따라 개질(reforming) 또는 부분적 산화 공정이 일산화탄소 및 수소를 생성시킬 수 있으며, 이는 주요 기체중 추가적인 다운스트림일 수 있고, 특히 높은 연료 사용의 조건하에서 그러하다. 탄화수소 연료를 개질 또는 산화시키거나 부분적으로 산화시킬 수 있는 촉매는 전형적으로 일산화탄소, 수소 및/또는 다른 부분적인 산화 생성물을 산화시킬 수 있을지라도 이러한 기체에 있어 최적화되지 않는다. 반대로, 본 발명의 실시양태는, 유동 경로에서 애노드 또는 애노드의 개별 영역이 위치하는 곳에 따라 애노드의 촉매 활성을 증가시키도록 애노드 물질의 조성 및/또는 구조 구배를 선택한다.
캐쏘드와 관련하여, 유입구 근처의 공기는 산화제(예컨대 산소가 풍부함)가 아직 고갈되지 않은 반면, 추가의 다운스트림인 공기는 산화제가 부분적으로 고갈되거나 실질적으로 고갈된다. 본 발명의 실시양태는, 유동 경로에서 캐쏘드 또는 캐쏘드의 개별 영역이 위치하는 곳에 따라 캐쏘드의 촉매 활성을 증가시키도록 캐쏘드 물질의 조성 및/또는 구조 구배를 선택한다.
이제, 도 1을 참조하면, 본 발명의 연료 전지의 실시양태(10)가 개괄적으로 제시되어 있다. 연료 전지(10)는 화살표 A의 방향으로 통과하여 흐르는 기체 스트림을 갖는 유동 통로(24)를 포함한다. 연료 전지(10)는 유동 통로(24)에 배치되어작동하는 전극(16, 18)을 하나 이상 추가로 포함한다. 전극은 애노드(16) 및/또는 캐쏘드(18)일 수 있다. 전극(들)은 연료 전지 조립물(12)의 일부이며, 이러한 조립물은 전해질(14), 상기 전해질의 한 쪽에 배치된 애노드(16), 및 상기 전해질과 동일한 쪽 또는 다른 쪽에 배치된 캐쏘드(18)를 포함한다. 연료 전지(10)는 다수의 연료 전지 조립물(12)을 포함하는 것이 일반적으로 바람직하다.
연료 전지(10)는 고체 산화물 연료 전지, 양자 전도성 세라믹 연료 전지, 알칼리성 연료 전지, 중합체 전해질 멤브레인(Polymer Electrolyte Membrane, PEM) 연료 전지, 용융 탄산염 연료 전지, 고체 산 연료 전지, 및 직접 메탄올 PEM 연료 전지중 하나일 수 있는 것으로 이해된다. 본 발명의 실시양태에서, 연료 전지(10)는 고체 산화물 연료 전지이다.
도 1의 실시양태에서, 연료 전지(10)는 단일 챔버 연료 전지의 예이다. 단일 챔버 연료 전지에서, 더 많은 애노드(16) 및 캐쏘드(18)의 촉매적 활성 표면으로의 기체 수송을 촉진시키기 위해 연료 전지 조립물(12)과 인접하여 이격시키는 것이 바람직할 수 있다. 연료 전지의 적층 순서는 애노드(16)/기체 채널(46)/애노드(16); 또는 애노드(16)/기체 채널(46)/캐쏘드(18)일 수 있다. 달리 선택적으로는, 전지(10)는 인접한 연료 전지 조립물(12) 사이의 기체 채널(46) 없이 애노드(16)/전해질(14)/캐쏘드(18)/전해질(14)/애노드(16)/전해질(14) 등으로 적층될 수 있다.
전극(16, 18)은 개별적인 촉매 활성 영역을 하나 이상 갖는데 그 조성 및/또는 구조는 개별 영역이 노출되는 기체 스트림의 예상 조성에 기초하여 미리결정된다. 전극이 애노드(16)인 경우, 개별적인 촉매 활성 영역은 16', 16" 및 16"'로 나타낸다. 3개의 개별 영역(16', 16" 및 16'")이 도시되어 있지만, 애노드(16)는 목적에 따라 임의 개수의 개별적인 촉매 활성 영역을 포함할 수 있거나, 또는 지시되는 방향을 따라 지속적으로 변할 수 있는 것으로 이해된다. 전극이 캐쏘드(18)인 경우, 개별적인 촉매 활성 영역을 18', 18", 18'"로 나타낸다. 애노드(16)에서와 같이, 3개의 개별 영역(18', 18" 및 18'")이 도시되어 있지만, 캐쏘드(16)는 목적에 따라 임의 개수의 개별적인 촉매 활성 영역을 포함할 수 있거나, 또는 지시되는 방향을 따라 지속적으로 변할 수 있는 것으로 이해된다.
연료 전지(10)는 유동 통로(24)로의 입구와 인접한 유입구(20)를 추가로 포함하며, 이때 전극(16, 18)은 유입구(20)와 근접한 유입구 말단부(26)를 갖고, 개별 영역(16', 18')은 유입구 말단부(26)에 위치한다. 유입구(20)는 연료, 산화제 또는 연료와 산화제 모두에 대한 유입구일 수 있는 것으로 이해된다. 전극이 애노드(16)인 경우, 유입구 말단부(26)에서의 기체 스트림의 예상 조성물은 일반적으로 실질적으로 개질되지 않는 탄화수소 연료이다. 이에 따라, 본 발명의 실시양태에 따르면, 개별 영역(16')의 조성 및/또는 구조는 실질적으로 개질되지 않는 탄화수소 연료를 위해 최적화된다.
전극이 캐쏘드(18)인 경우, 유입구 말단부(26)에서의 기체 스트림의 예상 조성물은 산화제가 실질적으로 고갈되지 않은 기체 스트림이다. 이에 따라, 본 발명의 실시양태에 따르면, 개별 영역(18')의 조성 및/또는 구조는 산화제가 실질적으로 고갈되지 않은 기체 스트림을 위해 최적화된다.
연료 전지(10)는 유동 통로(24)로부터의 출구와 인접한 배출구(22)를 추가로 포함한다. 전극(16, 18)은 배출구(22)와 근접한 배출구 말단부(28)를 갖는다. 개별 영역(16"', 18"')은 배출구 말단부(28)에 위치한다.
전극이 애노드(16)인 경우, 배출구 말단부(28)에서의 기체 스트림의 예상 조성물은 실질적으로 개질되거나 부분적으로 개질된 탄화수소 연료, 그의 부산물 및 혼합물중 하나 이상이다. 이에 따라, 본 발명의 실시양태에 따르면, 개별 영역(16"')의 조성 및/또는 구조는 실질적으로 개질되거나 부분적으로 개질된 탄화수소 연료, 그의 부산물 및 혼합물중 하나 이상을 위해 최적화된다.
전극이 캐쏘드(18)인 경우, 배출구 말단부(28)에서의 기체 스트림의 예상 조성물은 산화제가 실질적으로 고갈된 기체 스트림이다. 이에 따라, 본 발명의 실시양태에 따르면, 개별 영역(18"')의 조성 및/또는 구조는 산화제가 실질적으로 고갈된 기체 스트림을 위해 최적화된다.
유동 통로(24)는 중간점(30)을 갖고, 전극(16, 18)은 중간점(30)에 근접한 중간부(32)를 갖는다. 개별 영역(16", 18")은 중간부(32)에 위치한다.
전극이 애노드(16)인 경우, 중간부(32)에서의 기체 스트림의 예상 조성은 실질적으로 개질되지 않거나 부분적으로 개질된 탄화수소 연료, 그의 부산물 및 혼합물중 하나 이상이다. 이에 따라, 본 발명의 실시양태에 따르면, 개별 영역(16")의 조성 및/또는 구조는 실질적으로 개질되지 않거나 부분적으로 개질된 탄화수소 연료, 그의 부산물 및 혼합물중 하나 이상을 위해 최적화된다.
전극이 캐쏘드(18)인 경우, 중간부(32)에서의 기체 스트림의 예상 조성은 산화제가 부분적으로 고갈된 기체 스트림이다. 이에 따라, 본 발명의 실시양태에 따르면, 개별 영역(18")의 조성 및/또는 구조는 산화제가 부분적으로 고갈된 기체 스트림을 위해 최적화된다.
본 발명에 따른 전기 디바이스는 전기적 부하(L), 및 상기 부하(L)와 연결된 연료 전지(10)를 포함한다. 연료 전지(10)를 사용하는 방법의 실시양태는 전기적 부하(L) 및/또는 전기적 저장 장치(S)와 연결하여 작동시키는 단계를 포함한다. 전기적 부하(L)는 임의의 또는 모든 컴퓨터, 휴대용 전자 제품(예컨대 휴대용 디지털 보조기(PDA), 휴대용 전동 공구 등), 및 휴대용 또는 그 외 민간 및 군용 통신 장치를 포함하지만 이에 한정되지 않는 수많은 디바이스를 포함한다. 전기적 저장 장치(S)는 비제한적인 예로서 임의의 또는 모든 캐패시터, 배터리 및 전력 조절 장치를 포함할 수 있다. 일부 예시적인 전력 조절 장치로는 무정전 전력 공급 장치, DC/AC 변환기, DC 전압 변환기, 전압 조정기, 전류 제한기 등을 포함한다.
또한, 본 발명의 연료 전지(10)는 일부 경우에 있어 운수 산업, 예컨대 전동차에, 또한 공공 설비 산업, 예컨대 발전소에 사용하는데 적합할 수 있다.
단일 챔버 연료 전지의 다른 실시양태는 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있다.
이제, 도 1c를 참조하면, 이중 챔버 연료 전지의 실시양태가 도시되어 있으며, 여기에서는 공기(산화제 공급원으로서)가 캐쏘드(18) 측으로 주입되고, 연료(반응물 공급원으로서)가 애노드(16) 측으로 주입된다. 선택적인 추가의 공기 유입구(42)가 유입구(20)으로부터의 가상적 다운스트림으로 도시되어 있으며, 선택적인 추가의 연료 유입구(44)는 유입구(20)으로부터의 가상적 다운스트림으로 도시되어있다. 하나의 추가적인 공기/연료 유입구(42, 44)만이 도시되어 있지만 임의 개수의 유입구(42, 44)가 목적에 따라 존재할 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 추가의 연료 유입구(들)(44)를 갖거나 갖지 않는 추가의 공기 유입구(들)(42)가 존재할 수 있으며, 그 반대로도 마찬가지이다. 유동 통로(24)의 애노드(16) 측 및/또는 유동 통로(24)의 캐쏘드(18) 측에 작동되고 유동되게 연결된 매니폴드 및/또는 유사 장치가 유입구(20) 다운스트림의 하나 이상의 영역에 산화제 및/또는 연료를 첨가하기 위해 제공될 수 있는 것으로 또한 이해된다. 이는 소정의 위치에서의 공기/연료 및 특정 전극 물질의 조성이 주어지는, 유입구(20)로부터의 효율적인 다운스트림 반응을 확보하는 것을 도울 수 있다. 유입구(20) 다운스트림인 캐쏘드(18) 측에서 상이한 위치에 여분의 공기(즉, 산소)를 첨가함으로써 연료의 부분 및 전체 산화가 제어될 수 있다. 이는 온도 구배를 감소시키고 연료 사용을 증가시키며 연료 전지(10)의 성능을 개선시킬 수 있다. 애노드(16)에서의 특정 위치에서 연료의 농도를 저감시킴으로써 코킹(Coking)을 제어할 수 있으며 또한 애노드(16)에서의 온도 구배를 감소시킬 수 있다. 코킹은 성능을 감소시키는 방식으로 촉매를 개질시키는 작은 쇄 탄화수소의 탄소 화합물의 불활성 층으로의 전환으로 정의될 수 있다.
이제, 도 2를 참조하면, 연료 전지(10)는 단일 챔버 연료 전지(도 3 내지 9는 단일 또는 이중 챔버 연료 전지에 관한 것일 수 있다)이며, 유입구(20) 다운스트림의 하나 이상의 영역에 산화제, 연료 및/또는 연료/공기 혼합물을 첨가하기 위한, 유동 통로(24)와 작동되고 유동되게 연결된 추가의 유입구 및/또는매니폴드(34)(도 2에 개략적으로 도시됨) 및/또는 유사 장치를 선택적으로 또한 포함할 수 있다. 이는 소정의 위치에서의 연료 및 특정 전극 물질의 조성이 주어지는, 유입구(20)로부터의 효율적인 다운스트림 반응을 확보하는 것을 도울 수 있다. 유입구(20) 다운스트림의 다른 위치에 여분의 공기(즉, 산소)를 첨가함으로써 연료의 부분 및 전체 산화가 제어될 수 있다. 이는 온도 구배를 감소시키고 연료 사용을 증가시키며 연료 전지(10)의 성능을 개선시킬 수 있다. 유입구(20) 다운스트림의 다른 위치에 여분의 연료 및/또는 공기/연료 혼합물을 첨가함으로써, (반응 생성물(들)의 탄화수소 연료의 생성에 의한) 희석 효과가 제어될 수 있다.
연료 경로를 따라, 연료는 반응하여 물, 이산화탄소, 일산화탄소 및 H2를 형성할 수 있다. 배출가스에서는 희석 효과가 나타날 것이며, 공기에는 또한 N2가 추가된다. 통상적인 연료 전지는 반응 경로를 따라 연료 대 공기의 단일 비율을 갖는 반면 본 발명의 실시양태에서는 연료 대 공기의 비율이 반응 경로를 따라 가변된다. 또한, 본 발명에 따른 연료 전지(10)의 단일 챔버 디자인은 애노드(16)/캐쏘드(18) 물질 모두, 및 (기체의 조성을 제어하는 공기 다운스트림을 추가하는) 기상 반응물의 조성 구배를 가질 수 있다.
이제, 도 3을 참조하면, 본 발명의 애노드(16)의 비제한적인 실시양태에서, 개별 영역(16')은 그의 주성분으로서 LaCr(Ni)O3을 갖고, 개별 영역(16")의 조성물은 그의 주성분으로서 La(Sr)CrO3을 갖고, 개별 영역(16"')의 조성물은 그의 주성분으로서 La(Sr)Cr(Mn)O3를 갖는다. 이는 연료를 더욱 완전히 사용하도록 하는 애노드 물질(16)의 조성 구배의 예이다. 촉매 및 생성 기체 조성을 조절함으로써 더욱 높은 성능이 수득될 수 있다. 도 3의 LaCrO3페로브스카이트 시스템은 본 발명의 실시양태에 따른 애노드(16)의 촉매 활성을 최적화시키는 하나의 비제한적인 예이다.
페로브스카이트 격자의 A 및 B 부위를 도핑시키면 관찰된 촉매 활성 및 선택성을 현저히 변화시킬 수 있다. 명명법으로는 A(C)B(D)O3에서 A 및 B는 페로브스카이트 구조에서의 특정 위치이고, C 및 D는 상기 위치에서의 도판트이다.
LaCr(Ni)O3은 메탄 전환 및 반응의 개질에 우수하며, La(Sr)CrO3는 일산화탄소 산화에 우수하고 La(Sr)Cr(Mn)O3는 수소 산화에 우수한 것으로 관찰되었다.
목적하는 특성 및 사용된 연료에 따라 본원에 기재된 것 이외의 물질 시스템이 또한 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
이제, 도 4를 참조하면, 본 발명의 애노드(16)의 다른 비제한적인 실시양태에서, 개별 영역(16"')의 조성물은 애노드 물질(예컨대 사마리아 도핑된 세리아(SDC))에서 제 1 양의 니켈을 포함하고, 개별 영역(16")의 조성물은 제 2 양의 니켈을 포함하고(이는 제 1 양의 니켈보다 적다), 개별 영역(16')의 조성물은 제 3 양의 니켈을 포함한다(이는 제 2 양의 니켈보다 적다).
니켈은 탄화수소의 반응을 보조한다. 그러나, 니켈(및/또는 탄화수소의 반응을 보조하는 다른 금속)은 연료 전지(10)의 크랙킹(cracking)을 유도할 수 있는 원치않는 온도 구배를 야기할 수 있다. 예컨대, Ni-SDC에서, 대부분의 반응은 연료 유입구에 근접하여 일어나고, 온도 구배를 발생시킨다(연료 전지 필름/필름 스택은 배출구(22)에서보다 유입구(20)가 더욱 고온이다). 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시양태는 연료 유입구(20)에서의 니켈의 양을 저감시킴으로써 애노드(16)/연료 전지(10)를 가로지르는 더욱 일정한 온도를 제공한다. 애노드 물질(16)의 조성 구배는 발열 반응 과정에서 애노드(16)를 더욱 균일하게 가열시켜 애노드(16)의 유입구 말단부(26)가 과열되지 않게 된다. 이는 연료 전지(10)의 상이한 영역에서의 상이한 열 팽창과 관련된 응력을 감소시킬 수 있다.
발열 반응에 의해 방출된 열에 대한 더욱 양호한 제어에 의해, 연료 전지(10)의 다른 성분은 더욱 낮은 온도의 작동을 위해 유리하게 최적화될 수 있다.
니켈 및/또는 다른 금속의 비율을 선택적으로 변화시키는 것에 부가하여 이와 달리, 세라믹 비율을 변화시키고, 도핑을 변화시키는 것은 본 발명의 범주내인 것으로 고려된다.
이제, 도 5를 참조하면, 애노드(16) 구조 구배의 비제한적인 실시양태가 도시되어 있다. 개별 영역(16"')의 구조는 기공(36)을 포함하고, 개별 영역(16"')의 구조는 개별 영역(16"')에서의 기공(36)보다 작은 기공(36)을 포함하고, 개별 영역(16')의 구조는 개별 영역(16")에서의 기공(36)보다 작은 기공(36)을 포함한다. 구조 구배, 다공성 뿐만 아니라 3상 경계 길이는 본 발명의 실시양태의 애노드(16)의 다양한 영역에서 제어될 수 있다. 더욱 다공성의 애노드(16)는 더욱 높은 배출 조성물을 갖는 영역에 사용되어 전기촉매 활성 영역으로의 반응 종의 수송시 확산 제약을 감소시킬 수 있으며, 예컨대 애노드(16)의 부분(16"')에서의 더욱 큰 기공은 애노드(16)에서의 3상 경계로의 (CO2및 H2O가 고농도로 존재하는) 연료의 수송과 관련된 확산 손실을 감소시킨다. 도 5는 매우 단순화된 예로 이해되어야 한다. 예를 들어, 구조 구배는 더욱 큰 기공(36)에 대해 단순히 더 작을 수 없으며, 이는 다양한 기공 크기 분포(들), 예컨대 더욱 빠른 확산을 위한 큰 수송 기공과 더욱 고농도의 촉매 중심을 갖는 나노기공의 조합일 수 있는 이중 분포를 갖는 애노드(16)일 수 있다.
이제, 도 6을 참조하면, 캐쏘드(18) 조성 구배의 비제한적인 실시양태가 도시되어 있다. 캐쏘드(18)에 대한 주요/기본 물질은 임의의 적합한 물질일 수 있으며, 예컨대 하기 열거된 캐쏘드 물질의 예로부터 선택될 수 있는 것으로 이해된다. 한 실시양태에서, 캐쏘드(18)에 대한 적합한 주요 물질의 예는 Sm(Sr)CoO3(SSCO)이다.
개별 영역(18"')의 조성물은 산소 분자의 전기화학적 환원에 대해 촉매적으로 더욱 활성인 제 1 양의 물질을 포함한다. 촉매적으로 더욱 활성인 물질은 고갈된 분위기에서 산소의 환원을 보조할 수 있다. 이러한 촉매적으로 더욱 활성인 물질은 임의의 적합한 물질일 수 있는 것으로 이해된다. 한 실시양태에서, 이러한 촉매적으로 더욱 활성인 물질은 백금, 루테늄, 로듐, 은, 이들의 혼합물 및 기타중하나 이상이다.
개별 영역(18")의 조성물은 촉매적으로 더욱 활성인 물질의 제 1 양보다 적은 제 2 양의 촉매적으로 더욱 활성인 물질을 포함하고, 또한 주요/기본 캐쏘드(18) 물질보다 촉매적으로 덜 활성인 물질의 제 1 양을 포함한다. 이러한 촉매적으로 덜 활성인 물질은 임의의 적합한 물질일 수 있는 것으로 이해된다. 한 실시양태에서, 이러한 촉매적으로 덜 활성인 물질은 철, 망간, 이들의 혼합물 및 기타 중 하나 이상일 수 있다.
개별 영역(18')의 조성물은 촉매적으로 덜 활성인 물질의 제 1 양보다 많은 제 2 양의 촉매적으로 덜 활성인 물질을 포함한다. 어떠한 이론에도 속박됨 없이, 촉매적으로 덜 활성인 물질의 첨가는 전형적으로 순수한 주요 물질(예컨대 SSCO)보다 덜 활성인 물질을 생성시킬 것이나 연료 전지(10)에서의 다른 성분의 열 팽창 특성에 더욱 잘 부합될 수 있는 것으로 여겨진다. 유입구가 통상 더욱 고온으로 작동되므로, 이는 전지에서의 박리 또는 다른 응력을 감소시키는 것을 도울 수 있다.
이제, 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시양태에 따른 캐쏘드(18) 구조 구배 의 실시양태를 도시한 것이다. 개별 영역(18"')의 구조는 기공(38)을 포함하고, 개별 영역(18")은 개별 영역(18"')에서의 기공(38)보다 작은 기공(38)을 포함하고, 개별 영역(18')의 구조는 개별 영역(18")에서의 기공(38)보다 작은 기공(38)을 포함한다. 유입구(20) 다운스트림의 기공(38) 크기를 증가시키는 것은 공기 스트림에서의 산소 분자의 농도가 (더욱) 낮을 때 캐쏘드(18)의 활성 영역으로 확산적 물질 수송을 더욱 높게 하는 것으로 여겨진다. 도 7은 매우 단순화된 대표적인 예이다. 예를 들어, 구조 구배는 더욱 큰 기공(36)에 대해 단순히 더 작을 수 없으며, 이는 다양한 기공 크기 분포(들), 예컨대 더욱 빠른 확산을 위한 큰 수송 기공과 더욱 고농도의 촉매 중심을 갖는 나노기공의 조합일 수 있는 이중 분포를 갖는 캐쏘드(18)일 수 있다.
본 발명의 실시양태에 따르면, 전극에 대한 조성 및/또는 구조 구배는 또한 연료 전지 스택으로 통합될 수 있다. 스택에서의 특정 애노드(16)/캐쏘드(18)의 조성 및/또는 구조는 기체 유동 경로를 따라 미리 결정될 수 있다. 이제, 도 8a 및 8b를 참조하면, 연료 전지 스택(40, 40')의 실시양태가 개략적인 블록 다이어그램으로 도시되어 있다. 애노드(들)(16)가 도시되어 있는 경우(도 8a에서와 같이), 이는 인접한 전해질(14) 및 캐쏘드(18)와 연결되어(비록 도시되지는 않았지만) 연료 전지 조립물(12)을 형성한다. 마찬가지로, 캐쏘드(들)(18)가 도시되어 있는 경우(도 8b에서와 같이), 이는 인접한 전해질(14) 및 애노드(16)와 연결되어 연료 전지 조립물(12)을 형성한다.
연료 전지 스택(40, 40')은 유입구(20), 배출구(22) 및 유입구(20)와 배출구(22) 사이에 배치되고 이를 통과하는 기체 스트림을 갖는 유동 통로(24)를 포함한다. 다수의 전극(16,18)이 유입구(20) 근접점으로부터 배출구(22) 근접점까지의 유동 통로(24)내 및 그 사이의 지점내에 위치하여 작동한다. 본 발명의 실시양태에 따르면, 각각의 다수의 전극(16, 18)의 구조 및/또는 조성은 전극이 위치되는 연료 전지 스택(40, 40')의 영역에 있는 기체 스트림의 예상 조성에 기초하여미리결정된다.
도 8a에서 각각의 다수의 전극은 애노드(16)이고, 도 8b에서 각각의 다수의 전극은 캐쏘드(18)이다. 비록 3개의 애노드/캐쏘드(A, B, C)가 도시되어 있지만, 연료 전지 스택(40, 40')은 특정 최종 용도에 의한 목적 및/또는 필요에 따라 임의 개수의 개별 애노드(16)/캐쏘드(18)를 포함할 수 있다. 비제한적인 예로서, 애노드/캐쏘드(A), 애노드/캐쏘드(B) 및 애노드/캐쏘드(C)는 다음과 같다.
본 발명의 실시양태에 따르면, 애노드(A)의 조성 및/또는 구조는 실질적으로 개질되지 않은 탄화수소 연료를 위해 최적화된다. 본 발명의 실시양태에 따르면, 캐쏘드(A)의 조성 및/또는 구조는 산화제가 실질적으로 고갈되지 않은 기체 스트림을 위해 최적화된다.
본 발명의 실시양태에 따르면, 애노드(C)의 조성 및/또는 구조는 실질적으로 개질되거나 부분적으로 개질된 탄화수소 연료, 그의 부산물 및 혼합물중 하나 이상을 위해 최적화된다. 본 발명의 실시양태에 따르면, 캐쏘드(C)의 조성 및/또는 구조는 산화제가 실질적으로 고갈된 기체 스트림을 위해 최적화된다.
본 발명의 실시양태에 따르면, 애노드(B)의 조성 및/또는 구조는 실질적으로 개질되지 않거나 부분적으로 개질된 탄화수소 연료, 그의 부산물 및 혼합물중 하나 이상을 위해 최적화된다. 본 발명의 실시양태에 따르면, 캐쏘드(B)의 조성 및/또는 구조는 산화제가 부분적으로 고갈된 기체 스트림을 위해 최적화된다.
애노드/캐쏘드(A, B, C)의 조성 및/또는 구조는 전술한 모든 예로부터 선택될 수 있는 것으로 이해된다. 비제한적인 예로서, 애노드(A)의 조성은 그의 주 성분으로서 LaCr(Ni)O3를 가질 수 있으며, 이는 개별 영역(16')에 관해 전술한 예이다. 캐쏘드(A)의 조성물은 캐쏘드(B)에서의 다량의 철보다 많은 다량의 철(개별 영역(18')에 관해 전술한 예이다)을 갖는 SSCO일 수 있다. 유사하게, 임의의 예 및/또는 그의 조합, 개별 영역(16'/18', 16"/18", 16"'/18"')에 대해 주어진 임의의 조성 및/또는 구조가 애노드/캐쏘드(A), 애노드/캐쏘드(B) 및 애노드/캐쏘드(C)에 대해 각각 사용될 수 있다.
또한, 애노드/캐쏘드(A, B, C)의 조성 및/또는 구조가 개별적으로 균일하다는 것에 부가하여(바로 앞서 기재된 바와 같이) 임의의 일부 또는 모든 애노드/캐쏘드(A, B, C)는 그에 대한 조성 및/또는 구조 구배를 가질 수 있다(예컨대 애노드(A)는 임의의 모든 또는 추가의 개별 영역(16', 16" 및 16"')을 포함할 수 있다).
이제, 도 9를 참조하면, 조성 구배를 갖는 애노드 물질을 성장시키는 방법중 하나가 제시되어 있다. 연료 전지 애노드(16)의 제조방법의 실시양태는 실질적으로 개질되지 않은 탄화수소 연료에 대해 우선적으로 촉매 활성을 갖는 제 1 필름을 기판의 제 1 말단부(16') 상에 침착시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 제 1 말단부(16') 반대쪽에 있는 기판의 제 2 말단부(16"') 상에, 실질적으로 개질되거나 부분적으로 개질된 탄화수소 연료, 그의 부산물 및 혼합물중 하나 이상에 대해 우선적으로 촉매 활성을 갖는 제 2 필름을 침착시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은, 제 1 말단부(16')와 제 2 말단부(16"')의 기판 중간부(16") 상에, 실질적으로 개질되지 않거나 부분적으로 개질된 탄화수소 연료, 그의 부산물 및 혼합물중 하나 이상에 대해 우선적으로 촉매 활성을 갖는 중간 필름을 침착시키는 단계를 선택적으로 추가로 포함할 수 있다.
도 9에서의 개별 영역(16', 16" 및 16"') 사이의 파선은 이러한 본 발명의 방법의 실시양태가 일반적으로 침착된 물질의 구배 분포(즉, 연속적인 비균질 분포)를 발생시킴을 나타내는 것으로 이해된다. 또한, 본원에 개시된 임의의 실시양태에서 개별 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')은 인접한 영역 사이의 구배 분포(즉, 연속적인 비균질 분포)도 가질 수 있는 것으로 이해된다.
본 발명의 방법의 실시양태에서, 제 1 필름, 중간 필름 및 제 2 필름 각각은 니켈-사마리아 도핑된 세리아 서멧을 주성분으로서 가지며, 상기 방법은 니켈의 함유물을 제 2 필름쪽으로 바이어싱하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 방법의 또다른 실시양태에서, 제 1 필름은 그의 주성분으로서 LaCr(Ni)O3를 갖고, 중간 필름은 그의 주성분으로서 La(Sr)CrO3를 갖고, 제 2 필름은 그의 주성분으로서 La(Sr)Cr(Mn)O3를 갖는다.
연료 전지 캐쏘드(18)를 제조하기 위한 본 발명의 방법의 실시양태는 기판의 제 1 말단부(18') 상에 제 1 필름을 침착시키는 단계를 포함하며, 이때 제 1 필름은 산화제가 실질적으로 고갈되지 않은 기체 스트림에 대해 우선적으로 촉매 활성을 갖는다. 상기 방법은, 제 1 말단부(18')의 반대쪽에 있는 기판의 제 2말단부(18"') 상에, 산화제가 실질적으로 고갈된 기체 스트림에 대해 우선적으로 촉매 활성을 갖는 제 2 필름을 침착시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은, 제 1 말단부(18')와 제 2 말단부(18"')의 기판 중간부(18") 상에, 산화제가 부분적으로 고갈된 기체 스트림에 대해 우선적으로 촉매 활성을 갖는 중간 필름을 침착시키는 단계를 추가로 선택적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 방법의 실시양태에서, 각각의 중간 필름 및 제 2 필름은 산소 분자의 전기화학적 환원에 대해 (주요/베이스 캐쏘드(18) 물질/기판보다) 촉매적으로 더욱 활성인 물질을 내부에 다량으로 갖는다(촉매적으로 더욱 활성인 물질의 적합한 일부 비제한적인 예는 앞서 기재된 바와 같다). 상기 방법은 제 2 필름에 대해 촉매적으로 더욱 활성인 물질(예: 백금)의 함유물을 바이어싱하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 실시양태에서, 각각의 제 1 필름 및 중간 필름은 주요/베이스 캐쏘드(18) 물질/기판보다 촉매적으로 덜 활성인 물질을 내부에 다량으로 갖는다(촉매적으로 덜 활성인 물질의 적합한 일부 비제한적인 예는 앞서 기재된 바와 같다). 상기 방법은 제 1 필름에 대해 촉매적으로 덜 활성인 물질(예: 철)의 함유물을 바이어싱하는 단계를 추가로 포함한다.
어떠한 이론에 속박되지 않으면서, 본 발명의 방법의 실시양태는 형태/구조 뿐만아니라 조성을 변화시킬 수 있는 것으로 여겨진다. 각 침착은 다수의 요인에 따라 다공성 물질을 형성할 수 있으며, 상기 요인중 두 가지는 흡착원자 운동성(물질 및 온도에 의존하며, 또한 기판의 표면에 도달하는 경우 흡착원자의 에너지에영향을 줄 수 있는 다른 매개변수에 의존함: 공정 압력, 전원, 기판 바이어스, 타겟-대-기판 거리 및 기타), 및 (낮은 침착 각으로 인한) 아일랜드(island)의 성장 및 핵생성으로 인한 자가-차단성이다.
이와 같이, 제 1, 중간 및 제 2 애노드 필름은 기공(36)(예컨대 도 5에 도시된 바와 같이 각각 개별 영역(16', 16" 및 16"')에서의 기공(36)), 및/또는 형태 면에서의 다른 변화를 또한 포함할 수 있다. 또한, 제 1, 중간 및 제 2 캐쏘드 필름은 기공(38)(예컨대 도 7에 도시된 바와 같이 각각 개별 영역(18', 18" 및 18"')에서의 기공(38)) 및/또는 형태 면에서의 다른 변화를 또한 포함할 수 있는 것으로 이해된다.
또한, 스퍼터링 침착, 함침, 딥-코팅(dip-coating) 또는 다른 수단 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 여러 다양한 방법들이 본 발명의 실시양태의 조성 구배를 만드는데 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 상기 방법은 비대칭 스크린 인쇄 및/또는 비대칭 테이프 캐스팅(tape casting)을 포함하지만 이에 한정되지 않으며, 둘 모두는 일반적으로 일 측 콜로이드 스프레이 침착 등으로부터 도판트 또는 기공 형성제를 전달한다. 실질적으로는, 모든 침착 방법은 본 발명의 범주내에 있는 것으로 간주되지만, 일부 불규칙성이 존재한다(즉, 상이한 조성을 갖는 2개 또는 그 이상의 공급원은 기판 상에 균질한 분포를 제공하지 않을 것이며, 예컨대 한 공급원은 한 말단으로 바이어싱되고 다른 공급원은 다른 말단으로 바이어싱된다).
전해질(14)은 임의의 적합한 물질로부터 형성될 수 있는 것으로 이해된다.본 발명의 한 실시양태에서, 전해질(14)은 산소 이온 유도 멤브레인, 양자 전도체, 탄산염(CO3 2-) 전도체, OH-전도체 및 그의 혼합물중 하나 이상이다.
다른 실시양태에서, 전해질(14)은 입방 형석 구조, 도핑된 입방 형석, 양자-교환 중합체, 양자-교환 세라믹 및 이들의 혼합물중 하나 이상이다. 추가의 다른 실시양태에서, 전해질(14)은 이트리아-안정화된 지르코니아, 사마륨 도핑된-세리아, 가돌리늄 도핑된-세리아, LaaSrbGacMgdO3-δ및 이들의 혼합물중 하나 이상이다.
특정 최종 용도에 의한 목적 및/또는 필요에 따라 애노드(16) 및 캐쏘드(18)는 임의의 적합한 물질로부터 형성될 수 있는 것으로 이해된다. 한 실시양태에서, 각각의 애노드(16) 및 캐쏘드(18)는 금속, 세라믹 및 서멧중 하나 이상이다.
본 발명의 실시양태에서, 애노드(16)에 적합할 수 있는 금속의 일부 비제한적인 예는 니켈, 백금, 팔라듐 및 이들의 혼합물중 하나 이상을 포함한다. 애노드(16)에 적합할 수 있는 세라믹의 일부 비제한적인 예는 CexSmyO2-δ, CexGdyO2-δ, LaxSryCrzO3-δ및 이들의 혼합물중 하나 이상을 포함한다. 애노드(16)에 적합할 수 있는 서멧의 일부 비제한적인 예는 Ni-YSZ, Cu-YSZ, Ni-SDC, Ni-GDC, Cu-SDC, Cu-GDC 및 이들의 혼합물중 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 실시양태에서, 캐쏘드(18)에 적합할 수 있는 금속의 일부 비제한적인 예는 은, 백금, 루비듐, 로듐 및 이들의 혼합물중 하나 이상을 포함한다. 캐쏘드(18)에 적합할 수 있는 세라믹의 일부 비제한적인 예는 SmxSryCoO3-δ,BaxLayCoO3-δ, GdxSryCoO3-δ및 이들의 혼합물중 하나 이상을 포함한다.
본원에 기재된 임의의 실시양태에서, 연료 전지(10)에 노출되는 기체는 반응물 및/또는 산화제 및/또는 이들의 혼합물을 포함한다. 한 실시양태에서, 반응물은 연료이고, 산화제는 산소, 공기 및 이들의 혼합물중 하나이다.
임의의 적합한 연료/반응물이 본 발명의 연료 전지(10)에 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 한 실시양태에서, 연료/반응물은 수소, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 메탄올, 에탄올, 고급 직쇄 또는 혼합된 탄화수소, 예컨대 천연가스 또는 가솔린(저황 탄화수소가 바람직할 수 있으며 그 예로는 저황 가솔린, 저황 케로센, 저황 디젤이 있다), 및 이들의 혼합물중 하나 이상으로부터 선택된다. 다른 실시양태에서, 연료/반응물은 부탄, 프로판, 메탄, 펜탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 적합한 연료는 내부 및/또는 직접 개질, 주요 작동 온도 범위내의 적합한 증기압 및 기타 매개변수에 대한 적합성에 따라 선택될 수 있다.
본원에 기재된 기체의 "예상 조성"은 비제한적인 것으로 예시적 목적으로 기재된 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 개별 영역(16'/18', 16"/18") 및/또는 개별 애노드/캐쏘드(A, B, C)는 선택된 어떠한 연료와 연료 유동 경로에 따른 그의 반응 및 결과적인 부산물을 위해 최적화되어야 하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 실시양태에서, 연료 전지(10)는 단일 챔버 연료 전지이다(도 1, 1a 및 1b). 도 2는 단일 챔버 연료 전지에 대한 애노드 연료/공기 혼합물 구배의예이다. 단일 챔버 연료 전지의 실시양태에서, 기체는 반응물과 산화제의 혼합물이다.
연료 전지(10)의 우수한 성능을 위해 단일 챔버 연료 전지에 관한 본 발명의 실시양태에서 공기, 연료 및 배출가스 사이에 누출 방지 격벽이 구비될 필요는 없는 것으로 이해되어야 한다. 연료, 공기 및/또는 배출가스를 혼합하는 경우, 연료 전지 스택에서의 치수를 화염의 전파에 요구되는 임계 길이 이하로 유지시키는 것이 바람직할 수 있으며, 예컨대 탄화수소의 경우에는 일반적으로 실온에서 화염이 존재하기 위해서는 약 1 내지 3㎜ 이상이 될 필요가 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, 과량(인화성 상한 초과)의 연료(예컨대 프로판에 대한 인화성의 상한은 9.6%이다)를 사용하여 작동하기 위해 공기-연료 혼합물을 조절하는 것이 바람직할 수 있으며, 따라서 산소가 이후에 스택에서 소모되는 경우 더욱 많은 공기를 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 과량의 연료를 갖고 작동하는 것과 달리, 과량(인화성 하한 미만)의 공기(예컨대 프로판에 대한 인화성의 하한은 2.2%이다)를 사용하여 작동하기 위해 공기-연료 혼합물을 조절하는 것이 바람직할 수 있으며, 따라서, 연료가 이후에 스택에서 소모되는 경우 더욱 많은 연료를 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 스택의 여러 지점에 연료를 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 여러 인화성 기체의 혼합물이 개별적으로 기체의 인화성 한계보다 상이한 인화성 한계를 가질 것이 명백한 것으로 여겨진다. 따라서, 예컨대 일산화탄소(반응 생성물로서)가 이후 전지에서 프로판(연료로서)과 합쳐지는 경우 혼합물의 인화성 하한은 3.3.%인 반면 상한은 르샤틀리에 원리에 따라 10.9%이다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 연료 전지(10)는 이중 챔버 연료 전지이다(도 1c). 이중 챔버 연료 전지의 실시양태에서, 기체는 반응물과 산화제중 하나이다. 산화제는 각각의 연료 전지 조립물(12)의 캐쏘드(18)로 운반되고, 반응물은 각각의 연료 전지 조립물의 애노드(16)로 운반된다.
특정 최종 용도에 의한 목적 및/또는 필요에 따라 기체 유동은 임의의 적합한 방향일 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 기체 유동 방향은 목적에 따라 화살표 A(도 1)로 지시된 것의 역 방향일 수도 있다. 이러한 기체 유동 방향이 역방향인 경우에는 유입구(20) 및 배출구(22)가 또한 도면에 도시된 것과 반대일 수 있으며, 개별 영역(16', 18' 및 16"', 18"')은 도면에 도시된 것과 반대일 수 있는 것으로 또한 이해된다.
애노드(16) 및/또는 캐쏘드(18)는 그에 노출되는 기체의 예상 조성에 따라 최적화되는 것으로 이해된다. 애노드(16)/캐쏘드(18)의 수많은 실시양태는 본 발명의 범주내에 있는 것으로 고려됨을 이해되어야 한다. 예를 들어, 애노드(16) 및/또는 캐쏘드(18) 각각은 개별 영역(16'/18', 16"/18" 및 16"'/18"')에 대한 임의의 적절한 구조 및/또는 조성 (뿐만 아니라 다른 적절한 구조/조성) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한 비제한적인 예로서, 애노드(16)의 개별 영역(16"')은 Niy:Ce1-xSmxO2로부터 형성될 수 있으며 또한 도 5에 도시된 바와 같이 큰 기공을 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 실시양태의 애노드(16)/캐쏘드(18)의 조성 및/또는 구조 구배 및/또는 기상은 연료 사용을 향상시키고, 연료 전지(10)/스택(40, 40')의 열적 안정성을 향상시키고 및 성능을 증강시킨다.
본 발명의 여러 실시양태가 상세히 기재되어 있지만, 개시된 실시양태는 수정될 수 있음을 당해 분야의 숙련자에게는 명백할 것이다. 따라서, 이전의 설명은 제한적이라기 보다는 예시적인 것으로 고려되며, 본 발명의 실제 범주는 하기 청구의 범위에 정의된 바와 같다.
본 발명의 연료 전지에서는, 기체 유입구로부터의 거리에 대해 연료 전지 전극(애노드/캐쏘드)의 조성 및/또는 구조를 변화시켜 유동 경로에 따른 기체의 조성관 관련된 특정 반응에 대한 촉매 활성을 최대화함으로써, 및/또는 (조성 및/또는 구조 구배를 갖거나 갖지 않는) 전극의 촉매적 활성 표면 위에서 기체(연료 및/또는 산화제)의 조성을 변화시킴으로써, 연료 전지의 성능이 개선된다.

Claims (20)

  1. 기체 스트림이 유동하여 통과되는 유동 통로(24); 및
    상기 유동 통로(24)에 배치되어 작동하고, 조성 및 구조를 갖는 하나 이상의 개별적인 촉매 활성 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')이 구비된 전극(16, 18)을 하나 이상 포함하고,
    상기 조성 및 구조중 하나 이상이 상기 하나 이상의 개별 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')이 노출되는 기체 스트림의 예상 조성에 기초하여 미리결정되는 연료 전지(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 통로(24)로의 입구에 인접한 유입구(20)를 추가로 포함하고, 상기 하나 이상의 전극(16, 18)이 유입구(20)에 근접한 유입구 말단부(26)를 갖고, 상기 하나 이상의 개별 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')이 유입구 말단부(26)에 위치하는 연료 전지(10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전극(16, 18)이 애노드(16)이며, 기체 스트림의 예상 조성이 실질적으로 개질되지 않은 탄화수소 연료를 포함하고, 이를 위해 상기 하나 이상의 개별 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')의 조성 및 구조중 하나 이상이 최적화되는 연료 전지(10).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전극(16, 18)이 캐쏘드(18)이며, 기체 스트림의 예상 조성이 산화제가 실질적으로 고갈되지 않은 기체 스트림을 포함하고, 이를 위해 상기 하나 이상의 개별 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')의 조성 및 구조중 하나 이상이 최적화되는 연료 전지(10).
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 통로(24)의 출구에 인접한 배출구(22)를 추가로 포함하고, 상기 하나 이상의 전극(16, 18)이 배출구(22)에 근접한 배출구 말단부(28)를 갖고, 상기 하나 이상의 개별 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')이 배출구 말단부(28)에 위치하는 연료 전지(10).
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전극(16, 18)이 애노드(16)이며, 기체 스트림의 예상 조성이 실질적으로 개질되거나 부분적으로 개질된 탄화수소 연료, 그의 부산물 및 혼합물중 하나 이상을 포함하고, 이를 위해 상기 하나 이상의 개별 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')의 조성 및 구조중 하나 이상이 최적화되는 연료 전지(10).
  7. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전극(16, 18)이 캐쏘드(18)이며, 기체 스트림의 예상 조성이 산화제가 실질적으로 고갈된 기체 스트림을 포함하고, 이를 위해 상기 하나 이상의 개별 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')의 조성 및 구조중 하나 이상이 최적화되는 연료 전지(10).
  8. 제 1 항, 제 2 항 및 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 통로(24)가 중간점(30)을 갖고, 상기 하나 이상의 전극(16, 18)이 상기 중간점(30)에 근접한 중간부(32)를 갖고, 상기 하나 이상의 개별 영역(16', 16", 16"', 18' 18", 18"')이 상기 중간부(32)에 위치되는 연료 전지(10).
  9. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항, 제 6 항 및 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전극(16, 18)이 애노드(16)이며, 기체 스트림의 예상 조성이 실질적으로 개질되지 않거나 부분적으로 개질된 탄화수소 연료, 그의 부산물 및 혼합물중 하나 이상을 포함하고, 이를 위해 상기 하나 이상의 개별 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')의 조성 및 구조중 하나 이상이 최적화되는 연료 전지(10).
  10. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 및 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전극(16, 18)이 캐쏘드(18)이며, 기체 스트림의 예상 조성이 산화제가 부분적으로 고갈된 기체 스트림을 포함하고, 이를 위해 상기 하나 이상의개별 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')의 조성 및 구조중 하나 이상이 최적화되는 연료 전지(10).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 개별적인 촉매 활성 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')의 적어도 일부의 구조가 큰 수송 기공(36, 38)과 나노기공(36, 38)의 조합을 포함하는 이중 분포를 비롯한 다양한 기공 크기 분포를 포함하는 연료 전지(10).
  12. 기체 스트림이 유동하여 통과되는 유동 통로(24);
    상기 유동 통로(24)의 한 말단에서 위치된 유입구(20);
    상기 유동 통로(24)에 배치되어 작동하며, 조성 및 구조를 갖는 하나 이상의 개별적인 촉매 활성 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')이 구비되어 있되, 상기 조성 및 구조중 하나 이상이 상기 하나 이상의 개별 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')이 노출되는 기체 스트림의 예상 조성에 기초하여 미리결정되는 하나 이상의 전극(16,18); 및
    상기 유입구(20) 다운스트림의 하나 이상의 영역에 반응물 및 산화제중 하나 이상을 첨가시키기 위한 것으로, 상기 유동 통로(24)에 작동되고 유동되게 연결된 매니폴드(34)를 포함하는 연료 전지(10).
  13. 유입구(20);
    배출구(22);
    상기 유입구(20)와 상기 배출구(22) 사이에 배치되고 기체 스트림이 유동하여 통과되는 유동 통로(24); 및
    각각 구조 및 조성을 갖고, 유입구(20)의 근접점으로부터 배출구(24)의 근접점까의 유동 통로(24)내 및 이들 사이의 지점(30)내에 위치하여 작동하는 다수의 전극(16, 18)을 포함하는 연료 전지 스택(40, 40')으로서,
    상기 다수의 전극(16, 18) 각각의 구조 및 조성중 하나 이상이 전극(16, 18)이 위치하는 연료 전지 스택(40, 40')의 영역에 있는 기체 스트림의 예상 조성에 기초하여 미리결정되는 연료 전지 스택(40, 40').
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 다수의 전극(16, 18) 각각이 애노드(16) 또는 캐쏘드(18)인 연료 전지 스택(40, 40').
  15. 상기 연료 전지(10)에 배치되어 작동하고 촉매적 활성 표면을 갖는 하나 이상의 전극(16, 18); 및
    상기 하나 이상의 전극(16, 18)의 표면 상에 실질적으로 균일한 최대 촉매 활성을 유지하기 위한 수단을 포함하는 연료 전지(10).
  16. 한 말단에 유입구(20)를 갖는 유동 통로(24);
    상기 유동 통로(24)에 배치되어 작동하고 촉매적 활성 표면을 갖는 하나 이상의 전극(16, 18);
    상기 하나 이상의 전극(16, 18)의 표면 상에 실질적으로 균일한 최대 촉매 활성을 유지하기 위한 수단; 및
    상기 유입구(20) 다운스트림의 하나 이상의 영역에 반응물 및 산화제중 하나 이상을 첨가시키기 위한, 유동 통로(24)에 작동되고 유동되게 연결된 수단을 포함하는 연료 전지(10).
  17. 실질적으로 개질되지 않은 탄화수소 연료에 대해 우선적으로 촉매 활성을 갖는 제 1 필름을 기판의 제 1 말단부 상에 침착시키는 단계; 및
    상기 제 1 말단부 반대쪽에 있는 기판의 제 2 말단부 상에, 실질적으로 개질되거나 부분적으로 개질된 탄화수소 연료, 그의 부산물 및 혼합물중 하나 이상에 대해 우선적으로 촉매 활성을 갖는 제 2 필름을 침착시키는 단계를 포함하는 연료 전지 애노드(16)의 제조방법.
  18. 산화제가 실질적으로 고갈되지 않은 기체 스트림에 대해 우선적으로 촉매 활성을 갖는 제 1 필름을 기판의 제 1 말단부 상에 침착시키는 단계; 및
    상기 제 1 말단부 반대쪽에 있는 기판의 제 2 말단부 상에, 산화제가 실질적으로 고갈된 기체 스트림에 대해 우선적으로 촉매 활성을 갖는 제 2 필름을 침착시키는 단계를 포함하는 연료 전지 캐쏘드(18)의 제조방법.
  19. 연료 전지(10)를 전기적 부하(L) 및 전기적 저장 장치(S)중 하나 이상에 연결하여 작동시키는 단계를 포함하는 연료 전지(10)의 사용방법으로서,
    상기 연료 전지(10)가, 기체 스트림이 유동하여 통과되는 유동 통로(24); 및 상기 유동 통로(24)에 배치되어 작동하고, 조성 및 구조를 갖는 하나 이상의 개별적인 촉매 활성 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')이 구비된 전극(16,18)을 하나 이상 포함하고, 상기 조성 및 구조중 하나 이상이 상기 하나 이상의 개별 영역(16', 16", 16"', 18', 18", 18"')이 노출되는 기체 스트림의 예상 조성에 기초하여 미리결정되는 것인,
    연료 전지(10)의 사용방법.
  20. 한 말단에 유입구(20)를 갖는 유동 통로(24);
    상기 유동 통로(24)에 배치되어 작동하고 촉매적 활성 표면을 갖는 하나 이상의 전극(16, 18); 및
    상기 유입구(20) 다운스트림의 하나 이상의 영역에 반응물 및 산화제중 하나 이상을 첨가시키기 위한, 유동 통로(24)에 작동되고 유동되게 연결된 수단을 포함하고,
    상기 첨가 수단이 하나 이상의 전극(16, 18)의 표면 상에 균일한 최대 촉매 활성을 실질적으로 유지시키는 연료 전지(10).
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