KR20070022728A - 고온 고체 전해질 연료전지 및 그러한 연료전지를 사용하여구성된 연료전지 설비 - Google Patents

고온 고체 전해질 연료전지 및 그러한 연료전지를 사용하여구성된 연료전지 설비 Download PDF

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요하임 그로쎄
빌헬름 클린레인
홀스트 그레이너
노르베르트 랜드그라프
베르너 메츠
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

고온에서 동작하는 고체 세라믹 연료전지는 이미 종래기술에서 공지되어 있다. 이러한 타입의 연료전지는 특히 소위 고체 산화물 연료전지(SOFC)이다. 원칙적으로, 상기 SOFC는 평면형 컨셉 또는 관형 컨셉에 따라 구성될 수 있다. 관형 컨셉은 소위 HPD 구성으로 이미 개발되어 있다. 본 발명에 따르면, 델타 연료전지내 지지 구조의 표면이 증대된 전기화학적 활성 표면을 달성하기 위하여 기하학적으로 부분적으로 확대된다. 유리하게, 일 방향으로부터 다른 방향으로 공기를 편향시키기 위한 수단이 지지 구조 내로 통합되었다.

Description

고온 고체 전해질 연료전지 및 그러한 연료전지를 사용하여 구성된 연료전지 설비{HIGH TEMPERATURE SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL AND FUEL CELL INSTALLATION BUILT WITH SAID FUEL CELL}
본 발명은 고온 고체 전해질 연료전지에 관한 것이고, 특히 관형 또는 HPD 컨셉에 기초한 고온 고체 전해질 연료전지에 관한 것이다. 부가적으로 본 발명은 또한 연관된 연료전지 설비에 관한 것이고, 이러한 연료전지 설비는 상기와 같은 연료전지들로 구성된다.
특정 연료전지들은 전력 생성을 하는 것으로 알려져 있다. 특히, 이들은 고체-세라믹 전해질을 가진 고온 연료전지들이고, 이것은 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell; 고체 산화물 연료전지)로 언급된다.
SOFC 연료전지들은 평면형 형태 및 관 모양의 형태로 알려져 있고, 관 모양의 형태는 1999년 11월자, VIK 보고서 "연료전지(Fuel cells)", 제49쪽에 상세히 기술된다(이하 참조). 평면형 연료전지는 접힌 형태로 생산될 수 있고, 이 경우 스택 구조를 가진 연료전지 설비는 모놀리식 블록 내 다수 개의 접혀진 개별 연료전지들로부터 생성된다(연료전지 및 그 응용예 (VCH Verlagsgesellschaft mbH 1996년, E4, 도 E20.5)). 그러한 연료전지를 생산하는 것은 아직 가능하지 않다.
관형 연료전지의 경우에, 각각의 연료전지 튜브는 그룹으로 직렬로 그리고/또는 병렬로 전기적으로 연결된다. 소위 HPD(High Power Density; 고 전력 밀도) 연료전지는 관형 연료전지로부터 개발되어 왔고(문헌 참조: "The Fuel Cell World (2004)"-Proceedings, 제258-267쪽), 여기서 기능층들, 특히 고체-세라믹 전해질 및 애노드와 같은 기능층들이 평면 소결 바디(flat sintered body)의 외부에 부가되며, 상기 평면 소결 바디는 캐소드를 형성하고 평행한 리세스들을 갖는다. 내부 리세스들을 사용하여, 캐소드는 공기극(air electrode)으로서 사용되고, 애노드는 연료극(fuel electrode)로서 사용된다. 니켈 전극을 구비한 인터커넥터들이 복수 개의 상기 HPD 연료전지들의 접속을 위해 평평한 표면 상에 제공된다. 각각의 개별적인 관형 연료전지에 비하여, HPD 컨셉은 보다 강력하고 보다 컴팩트하며, 특히 보다 용이하게 취급될 수 있다.
부가하여, EP 0 320 087 B1은 연료전지 설비를 개시하고, 그러한 연료전지 설비를 위하여 지지 구조물의 지그재그 형상이 도 4에 도시된다. 특히, 설명은 가스 유도를 위한 중간 구조에 관한 것이다. 상기 문서는 그러한 연료전지 설비의 효율 및 전력 밀도에 대해서는 기술하지 않는다.
이러한 배경기술에 반하여, 본 발명의 목적은 관형 컨셉 또는 HPD 컨셉에 기초하여 전극 기반 고체 전해질 연료전지들의 부가적 성능 개선 및 실장 밀도(packing density)의 증가를 달성하고 연관된 연료전지 설비를 형성하고자 하는 것이다.
단일 연료전지와 관련하여, 본 발명의 목적은 청구범위 제1항의 특징들에 의해 달성된다. 연관된 연료전지 설비는 청구범위 제15항의 특징들에 의해 개시된다. 각각의 개선점들은 종속항들에 특정된다.
본 발명에서, 다공성 전기 전도 재료는 전기화학적으로 활성인 기능층들을 위한 지지 구조를 형성한다. 가스 유도 채널들은 이러한 지지 구조에 통합된다. 기능층들이 인가되는 지지 구조 표면의 그러한 부분은 형상화(shaping)에 의해 기하학적으로 증대되어, 이것은 증대된 전기화학적 활성 영역을 야기한다.
세라믹으로 구성된 평판형 막들은 소위 다채널 엘리먼트들을 형성하고 "Handbuch der Keramik"(DVS Verlag GmbH Duesseldorf 2004 [세라믹 매뉴얼], Group IIK 2.1.4, 시리즈 418)로부터 이미 명백히 공지되었다. 중공 채널을 구비한 주름형 구조는 이러한 목적을 위하여 평평한 평판형 바디에 인가된다. 그러한 막들은 특히 액체들의 여과를 위한 분리 수단으로서 사용된다. 이것은 전기화학적 컨버터 기능이 전혀 없는 순전히 물리적 필터 응용예에 관한 것이기 때문에 연료전지 기술로의 적용이 자명하지 않다. 이 경우, 경계 영역 크기에 부가하여, 전기적 그리고 이온 전도 및 전달 현상이 또한 요구되고, 900 내지 1000℃ 사이의 고온에 대한 전기 접속 기술 또한 요구된다.
다양한 실시예들의 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 이러한 것들을 상세히 살펴보면 이하와 같다.
- 표면 구조는 한 방향으로, 즉 형상화 동안의 가압 방향으로 균일한 형태를 갖는다. 표면 구조는 이러한 형태로 사출성형(extrude)될 수 있다. 대안적으로, 표면 구조는 2개의 압출재/막으로 구성될 수 있다.
- 표면 구조는 예를 들어, 형상화 이후에 더 증대될 수 있다.
- 표면 구조는 전기화학적으로 활성인 층들, 즉, 애노드, 전해질, 캐소드가 코팅 프로세스 또는 액침 프로세스(immersion process)에 의해, 가능하다면 후속적인 압축을 위한 소결 단계들과 관련하여 전체 영역에 걸쳐 인가될 수 있도록 형상화된다. 적절한 콘택 엘리먼트를 경유하여 인접한 셀과 접촉하기 위하여, 평평한 배후 표면 상에서 기능층들에는 단지 가스 기밀 인터커넥터 층만이 끼어 들고, 가스 기밀 인터커넥터 층은 마찬가지로 코팅 프로세스 또는 액침 프로세스를 사용하여 부가된다. 그리하여, 이것은 완전히 전기화학적으로 기능성인 개별 셀들을 야기한다.
- 본 발명에 대하여 매우 상이한 표면 구조들이 가능하다. 이러한 예로는 주름형 시트-금속 형태(델타), 쐐기형(V자형), 직육면체형(소위, "크레뉼레이션(crenulations, 톱니형)"), 반원형, 구불구불한 형태, 상향/하향 계단형 및 이들의 결합이 있다.
- 애노드 재료로 구성된 지지 구조는 캐소드 재료로 구성된 지지 구조에 대한 대안예로서 가능하다.
- 가스 침투성 지지 구조는 또한 전기화학적으로 중성일 수 있고, 예를 들어, 다공성 금속 또는 다공성 세라믹으로 구성된다.
본 발명에 따른 연료전지 설비의 경우에, 중요한 요소는 스택을 형성하기 위하여 콘택이 인터커넥터 층들을 경유하여 유연성있는 금속 몰딩을 사용하여 하나의 개별 연료전지로부터 또다른 개별 연료전지로 이루어진다는 것이다. 예를 들어, 콘택은 하나의 연료전지의 애노드로부터 인터커넥터 층을 경유하여 다른 연료전지의 캐소드로 이루어지고, 이러한 목적을 위하여 연료전지들 사이의 콘택 엘리먼트로서 예를 들어, 니켈, 니켈 합금 또는 크롬 합금으로 이루어진 예를 들어,금속 망, 그물, 편물, 펠트를 사용하는 것이 가능하다.
예를 들어, 특히 SOFC와 같은 고체 전해질 연료 전지의 생산을 위하여, 지지 구조는 예를 들어, 도핑된 LaCaMnO3(캐소드-지지) 또는 Ni-YSZ-서멧(애노드-지지)으로 구성된다. 전해질은 예를 들어, Y- 또는 Sc-안정화된 지르코늄 산화물로 구성된다.
본 발명의 경우에, 연료전지 스택은 유연성있는 콘택 몰딩을 사용하여 보드에 의해 함께 수용된 개별 연료전지들을 직렬 및/또는 병렬로 연결함으로써 형성될 수 있다. 이 경우, 매체는 특히 이하의 3가지 방식으로 안내될 수 있다.
- 평행, 즉, 연료전지 내부 상에는 공기, 연료전지 외부 상에는 천연 가스/연료(캐소드 지지), 또는 연료전지 내부 상에는 천연 가스/연료, 연료전지 외부 상에는 공기(애노드 지지)
- 대안적으로 연료전지 내의 각각의 연료전지 채널들 간의 "업(상향)/다운(하향)", 이것은 하나의 연료전지 단부에서 가스 유도 종결이 요구됨.
- 두 개의 인접한 연료전지에서의 "업/다운", 이것은 2개의 연료전지 사이의 연료전지 커넥터를 요구함.
본 발명에 따른 연료전지 설비의 경우에, 이하의 이점이 존재한다.
- 만약 연료전지들이 연료전지 내 공기 편향없이 공기/가스 공급 보드의 한 단부에서 밀봉되고("관류형") 나머지 단부에서 밀봉되지 않은 장치를 구비한다면, 갭들에 걸쳐 잔여 가스의 연소가 가능하고, 그 결과 연료전지들은 단지 하나의 단부에서 고정되어, 열적 부하의 경우에 어떠한 물리적 길이방향 응력도 인가되지 않는다.
- 만약 보드들의 연료전지들이 양 단부에서 밀봉된다면, 연료 및 공기 회로들은 분리되고, 이것은 예를 들어, 수소 또는 탄소-다이옥사이드 분리를 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 설비에 대하여,
- 연료 흐름은 평행으로(동일한 방향으로의 흐름), 반대 방향의 평행으로(반대의 흐름) 또는 공기에 대해 직각으로(교차 흐름) 유도되고,
- 하나의 연료전지로부터 인접한 연료전지로의 지지 구조는 스택을 형성하기 위하여 동일한 방향으로 또는 오프셋 배열된다.
본 발명의 목적을 위하여, 개별 연료전지 채널들 간의 교대하는 "업/다운" 흐름이 유리하게 연료전지 내에서 달성될 수 있고, 이것은 하나의 연료전지 단부에서 가스 유도 종결에 의해 보장된다. 이러한 맥락에서, WO 03/012907 A1은 이미 명백하게 HPD 연료전지들을 개시하였고, 여기서 공기 흐름의 방향은 각각의 경우에 인접 채널들에서 쌍으로 역전되며, 그 후 공기는 측면에서 방출된다. 그러나, 여기서 제안된 해결책은 평면형 평행 평판 연료전지 구조에 관한 것이므로, 본 명세서에서 기술되는 일 측면 상에서 구성된 연료전지의 기하구조에 적용될 수 없다.
이제 본 발명은 한 측면에서는 공기 유도 채널의 선택과 관련하여, 다른 측면에서는 다발을 형성하기 위하여 적층된 연료전지들을 구비한 연료전지 설비의 구성과 관련하여, 가장 폭넓게 가능한 설계 옵션을 제공한다. 특히, 컴팩트 모듈을 형성하기 위하여 앤드 피팅(end fitting)들로 인한 개별적인 연료전지의 단순한 적층 능력 및 그들의 가스 기밀 납땜은 종래기술에 비해 유리하다.
본 발명의 추가 세부사항 및 이점들은 도면에 기초하여 그리고 청구범위와 관련하여 예시적인 실시예들의 도면에 대한 이하의 설명으로부터 자명하다. 도면들은 각각의 경우에 개략적으로 도시된다.
도 1은 단면도의 형태로 신규한 연료전지의 세부사항을 도시한다.
도 2a는 종래기술을 도시하는 반면, 도 2b 내지 도 2g는 도 1에 도시된 연료전지의 단면도에 대한 상이한 대안예들을 도시한다.
도 3은 인터커넥터를 경유하여 연결된 적어도 2개의 연료전지를 구비하여 주기적인 구조를 야기하는 스택에 대한 구성을 도시한다.
도 4는 도 3에 대응하나, 이동된 연료전지 구조를 야기하는 스택의 구성을 도시한다.
도 5는 공기 편향을 위하여 폐쇄된 단부에 배열된 내부 수단을 구비한 연료전지에 대한 투시도를 보여준다.
도 6은 공기 편향을 위한 외부 수단을 구비한 도 5의 제 1 대안예를 보여준 다.
도 7은 모든 채널들을 연결하는 외부 수단을 구비한 도 5의 제 2 대안예를 보여준다.
도 8은 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같은 개별적인 연료전지들로 구성된 연료전지 다발의 개방 단부에 대한 투시도를 보여준다.
도 9는 연료전지 설비의 형성을 위하여 연료전지 다발의 전체 도면을 보여준다.
도 10은 공기 유입 및 유출을 위한 수단을 구비한, 도 9에 도시된 연료전지 다발의 개방 단부에서 몰딩을 관통한 단면도를 보여준다.
도 11은 유입 측면에서 바라본 도 9에 도시된 연료전지 다발의 평면도를 보여준다.
도 1은 단일 연료전지의 세부사항을 보여준다. 연료전지는 평평한 베이스(11) 및 베이스 상에 배치된 특정 형태를 가진 구조(12)를 구비한 세라믹 구조(10)를 포함한다. 이러한 특정 형태의 구조는 예를 들어, 파형 또는 삼각형 구조(델타)일 수도 있고, 특히, 이러한 구조의 꼭지각 α은 미리 결정된다. 예를 들어, 60, 45 또는 30°의 각이 제공될 수 있다.
베이스 부분(11) 및 구조(12)는 공통의 유닛을 형성할 수 있고 세라믹 재료로부터 함께 사출성형될 수 있다. 그러나 이러한 두 부분은 또한 별개로 생산하여 하나의 상부 위에 다른 하나를 배치할 수 있다.
이러한 방식으로 형성된 구조들 각각은 매체가 관통해 흐를 수 있는 내부 체적(13)을 에워싼다. 특히, 캐소드 지지된 연료전지를 제공하기 위하여, 세라믹 구조는 캐소드를 제공하고 LaCaMnO3 또는 LaCa(Sr)MnO3 중 하나로 구성되며, 부가의 기능층들이 상기 구조의 상부 표면에 부가된다. 특히, 이것은 Y- 또는 Sc-안정화된 지르코늄 옥사이드로 구성된 고체 전해질(15) 및 예를 들어, Ni-YSZ 서멧으로 구성된 애노드(30)이며, 이러한 특정 세라믹 재료들은 종래기술로부터 공지된다.
인터커넥터 스트립(40)은 제 1 연료전지를 제 2 연료전지로 연결하기 위하여 니켈 도금(41)을 가진 하부 표면 상에 배치되고, 이러한 맥락에서 이하의 도 3에 대한 설명을 참조한다.
도 1에 도시된 구조(델타)의 주요 특징은 전기화학적으로 활성인 표면이 평평한 표면을 가진 공지된 HPD 연료전지에 비해 증대된다는 것이다. 이것은 도 1에 도시된 바와 같은 파형 구조 또는 삼각형 구조에 의해 달성되고, 이 경우 측면(flank)은 표면을 부가적으로 증대시키기 위하여 계단형으로 구성될 수 있다.
도 2b 내지 도 2g는 여러 가지 적합한 형태들을 보여준다. 이에 대비적으로, 도 2a는 종래기술에 따른 HPD 연료전지의 기본 엘리먼트를 보여준다. 도 2b에 도시된 파 형태에 부가하여, 삼각형 형태 또한 도 2c에 도시된 바와 같이 특정될 수 있다. 부가하여, 도 2d에 도시된 사변형 형태 또한 가능하고, 이것은 소위 "크레뉼레이션(톱니형)"을 형성한다. 연속적으로 굴곡된 표면을 가진 부가의 형태들도 가능하고, 특히, 도 2e에 도시된 바와 같은 타원형(4)의 형태, 또는 도 2f에 도 시된 계단식 삼각형의 형태도 가능하다. 사변형 형태는 또한 도 2g에 도시된 바와 같이 구불구불한 형태일 수도 있다. 예를 들어, 각 및 언더컷을 가진 부가의 형태들도 가능하다.
도 2b 내지 도 2g에 도시된 모든 경우들은 도 2a에 도시된 종래기술의 활성 표면적에 비해 훨씬 증대된 활성 표면적을 야기한다.
도 3은 도 1에 도시된 바와 같은 2개의 세라믹 구조에 의해 형성된 스택을 도시하고, 각각은 하나의 단일 연료전지를 형성하며 동일 위상으로 적층이 수행된다. 유연성있는 편물(50), 특히 니켈로 구성된 편물(50)이 2개의 세라믹 구조들(10, 10') 사이에 배치되고, 인터커넥터 스트립(40) 상의 니켈 도금(41)과 애노드(30) 사이에 전기적 콘택을 형성한다(도 3에 상세히 도시되지는 않음).
인터커넥터(40)는 전자-전도 란탄 크롬산염으로부터 공지된 방식으로 형성되고, 전자-전도 란탄 크롬산염은 장기적 응용물들에 적합한 것으로 알려져 있으며, 특히 또한 산화에 저항성이 있는 것으로 발견되었다. 기계적 응력을 보상하기 위하여, 인터커넥터(40)는 콘택 바디(50)를 경유하여 인접한 연료전지 내에서 전기 전도성 콘택을 형성하고, 콘택 바디(50)는 금속망, 직물로 구성되거나 그 외 니켈로 구성된 펠트에 의해 형성된다.
다수의 개별적인 연료전지들(10, 10', ....)은 스택을 형성하고, 측면 보드들은 수용을 목적으로 제공된다. 이와 같은 스택은 전체 연료전지 설비의 코어를 형성한다. 이러한 경우, 연료 가스는 어떠한 가스 유도 구조도 없이 컨테이너 내 스택 둘레에서 흐른다.
스택을 형성하기 위하여, 그리고 위아래로 적층된 연료전지들 사이의 콘택 지점들을 분포시키기 위하여, 서로에 대해 주기적 구조의 절반만큼 두 개의 개별적인 연료전지를 오프셋시키는 것이 각 경우에 유리할 수 있다. 이것은 연료전지(20, 20', ...)에 대하여 도 4에 도시된다. 이러한 경우, 전체 스택의 동작 방법과 관련하여 어떠한 것도 변경되지 않는다.
특히, 도 4에 도시된 배열의 경우에, 물리적 응력은 모노리식 연료전지 또는 평면형 연료전지에 비해 회피된다. 금속 콘택 엘리먼트는 또한 매트, 현, 금속망, 압형/압인 몰딩 또는 그들의 결합/혼합된 형태일 수 있다.
이하의 표는 본 발명에 따른 연료전지 타입 델타 9-63° 및 9-78°과 이전의 연료전지 타입(관형, HPD4, HPD5, HPD10, HPD11)의 성능 비교를 보여준다. 이 경우, 지금까지 사용되어 오고 있는 관형 "튜브" 연료전지는 150 cm의 활성 길이를 갖는 반면, 모든 HPD 및 델타 연료전지는 50 cm의 활성 길이를 갖는다.
표:
튜브 150 cm HPD4 50 cm HPD5 50 cm HPD10 50 cm HPD11 50 cm 델타 9 63° 50 cm 델타 9 78° 50 cm
5kW당 연료전지 개수 40 57 28 26 25 16 14
연료전지 전력(W) 126 88 177 191 198 321 362
전력 대 중량비 (W/kg) 113 191 158 217 275 308 332
전력 대 부피비 (kW/m3) 136 297 262 394 447 542 563
상기 표의 행은 주요 비교 기준으로서 5kW당 연료전지 개수, 연료전지 전력, 전력 대 중량비 및 전력 대 부피비를 보여준다.
종래기술은 개별 튜브의 형태 또는 4개, 5개, 10개 또는 11개 중공 채널을 가진 HPD 연료전지와 같은 연료전지의 구성을 개시한다. 본 발명에 따른 실시예들은 마지막 두 열에 열거되고, 종래기술과 비교된다.
이전의 개발 사항은 튜브를 HPD 연료전지로 대체하는 것이 더 작은 컴포넌트를 유도하고 이것이 전력 대 중량비 및/또는 전력 대 부피비를 증가시킴을 이미 보여주었다. 이것을 넘어서, 새로운 기술 델타 9은 전력 수율을 더 증가시킨다.
결과적으로, 상기 표는 본 발명에 따른 연료전지에 대한 상당한 전력 증가를 보여준다. 더 개발된 사출성형 및 코팅 기술의 결과로서 상기와 같은 연료전지의 생산에 대한 노력은 이전의 연료전지의 경우와 거의 동일하기 때문에, 이것은 연료전지에 대하여 특히 유리한 가격 대 전력비를 야기한다.
도 5 내지 도 8은 델타 연료전지(100)를 보여준다. 이것은 평평한 베이스(101) 및 베이스 상에 배치된 특정 형태를 가진 구조(102)를 구비한 세라믹 구조를 포함한다. 예를 들어, 구조(102)는 파형 구조 또는 삼각형 구조일 수 있고, 이 경우 특히 상기 구조의 꼭지점 α는 미리 결정된다. 예를 들어, 60, 45 또는 30°의 각도가 미리 결정될 수 있다.
베이스 부분(101)과 구조(102)는 공통의 유닛을 형성하고, SOFC 연료전지에 적합한 세라믹 재료로부터 함께 사출성형된다.
도 1 및 도 5에 도시된 구조의 한 가지 주요한 특징은 전기화학적 활성 표면이 평평한 표면을 가진 공지된 HPD 연료전지에 비해 증대된다는 것이다. 이것은 예를 들어, 파형 또는 삼각형 구조로 달성되고, 이 경우 측면은 표면적을 부가적으로 증가시키기 위하여 계단형으로 구성될 수 있다.
앞서 기술된 델타 연료전지는 연료전지 설비를 형성하기 위하여 적층될 수 있다. 연료전지의 각각의 단부 영역들 내로 상보 구조를 삽입하는 것은 연료전지 다발이 적층될 수 있고 외부적으로 밀봉될 수 있으며 개선된 가스 연결 수단, 특히 한정된 가스 유입구/유출구를 갖도록 형성되게 한다. 그리하여 이것은 연료전지 설비에 대한 개별적인 모듈들을 야기한다.
본 명세서에서 기술된 연료전지의 경우에, 공기는 채널의 내부에서 운반되고 연료 가스는 연료전지들의 외부 상의 개방 채널에서 운반된다. 이러한 경우, 공기는 일반적으로 각각의 경우에 연료전지의 한 단부로부터 모든 교대하는 채널에서 유입되고, 연료전지의 전체 길이를 통과한 이후 편향되며 평행한 경로 상에서 되돌아 통과한다. 이것은 공기가 연료전지의 단부에서 180°로 편향되어야 함을 의미한다.
공기는 개방 단부에서 유리하게 측면에서 통과한다. 이것은 이러한 경우, 공기가 피드백되는 공기를 가진 채널들이 개방되도록 편향되고 인접한 연료전지의 연결 채널과 만남을 의미한다.
한 가지 주요한 특징은 연료전지의 폐쇄된 단부에서의 공기 편향이다. 다양한 대안예들이 이러한 목적을 위하여 가능하고, 이것은 도 5 내지 도 7을 참조하여 상세히 기술될 것이다.
도 5는 짝수 개의 유동 채널(111, 111',....), 예를 들어, 8개의 채널을 구비한 하나의 델타 연료전지를 보여준다. 이러한 경우, 2개의 인접한 채널들은 각 경우 서로 연관되고, 즉, 공기는 제 1 채널에서 개방 단부로부터 폐쇄 단부로 운반되며, 이 경우 공기는 인접 채널로 편향되고, 이 채널에 다시 공급된다.
만약 델타 연료전지가 모든 교대 싱크에서 두꺼운 연결 웹들을 사용하여 적합한 방식으로 사출성형되고 충분히 강건(robust)하다면, 2개의 인접 채널들(111, 111')은 횡방향 채널(112)에 의해 단순한 방식으로 연결될 수 있다. 이것은 도 2에 도시된 8개의 연료전지 채널들 중에서 2개의 인접 채널 각각이 폐쇄된 단부에서 횡방향 채널(112)을 가짐을 의미한다. 전체 장치는 플레이트(110)에 의해 단부에서 폐쇄된다.
도 5에 대한 대안예로서, 균일한 리세스들 및 임의의 목적하는 개수의 채널들을 구비한 연료전지가 선택될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 8개의 채널들(111, 111',...)은 일단 다시 커버(110)를 가진 연료전지(100)에 제공된다. 그러나, 이러한 경우, 몰딩(120, 120')은 각각의 리세스 내로 또는 파형 구조의 모든 교대하는 리세스 내로 도입된다. 각각의 몰딩(120, 120',...)은 횡방향 채널(121, 121', ...)을 구비한다. 개별적인 연료전지 채널들(111, 111',...)에서의 연관된 횡방향 채널들(121, 121')은 이 경우 제 1 공기 유도 채널(101)로부터 제 1 채널(121'), 횡방향 채널(113) 및 제 2 채널(121')을 경유하여 제 2 공기 유도 채널(101)로의 연결을 제공하기 위하여 사용된다.
도 5 및 도 6에 도시된 2가지 예시는 짝수 개의 공기 유도 채널들을 구비한다. 이것은 공기가 델타 연료전지의 2개의 에지 채널들에서 반대 방향으로 유도된다는 점에서 우수한 시스템 연결을 야기한다.
도 7에 도시된 부가의 대안적인 실시예에서, 연속적인 횡방향 채널(115)이 전체 델타 연료전지(100)의 단부 위에 도입된다. 이것은 모든 8개의 공기 유도 채널들(111 내지 111')이 유체 유동 목적을 위하여 서로 연결됨을 의미한다. 그리하여, 공기가 입력측으로부터 개별적인 채널들로 인가될 때, 공기가 하나 이상의 채널을 경유하여 흘러 나오고 임의의 목적하는 개수의 다른 채널들 내로 다시 흘러 들어가는 것이 가능하다. 이러한 경우, 다시 한 번 커버(110) 및 상보 몰딩(130)이 제공된다.
만약 일 부품이 도 6에 도시된 연료전지의 각 리세스내로 삽입되면, 연속적인 횡방향 채널 또한 이러한 실시예에서 가능하다. 생산 엔지니어링의 관점에서, 부품들은 동일한 기본 재료로 구성되고 별개의 환경제품(green product)으로서 삽입되며, 연료전지 구조와 함께 소결된다.
도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 상보적 부품(40)은 연료전지(100)의 입력 영역에서 파형 구조 상에서 마찬가지로 배치된다. 도 8에서, 공기가 아래로부터 공급되고 공기가 이산 유출구로서 개구(141, 141',...)를 관통하여 측면에서 운반되어 나가는 것이 유리하다. 연료전지(100)는 커버(150)에 의해 바닥에서 폐쇄되고, 커버(150)는 또한 베이스 플레이트로서 폐쇄된 상보적 부품(140)을 커버한다.
도 9는 도 8에 도시된 공기 유입구/유출구 및 도 7에 도시된 공기 편향을 갖 는 3개의 델타 연료전지(100, 100', 100'')를 포함하는 연료전지 다발을 도시한다. 이러한 경우, 연료전지들은 가스 유도 구조없이 컨테이너에서 연료 가스가 관통해 흐를 수 있게 하는 스택을 형성하기 위하여 동일한 위상으로 적층된다. 이와 같이 적층된 스택은 연료전지 설비의 코어를 형성한다.
도 9에 도시된 예시적인 실시예의 개별적인 연료전지(100, 100', 100'')는 각각 9개의 채널들을 구비하고, 그 결과 유동 조건들이 양쪽 에지에서 동일하며, 도 7에 도시된 바와 같은 적합한 유동 편향을 갖는다.
도 9에 도시된 장치에서, 공기는 명백히 바닥으로부터 상방향으로 흐르고("업"), 단부 부분에서 편향되어, 상부로부터 하방향으로 흐르며("다운"), 공기는 아래 단부에서의 측면에서 흘러 나간다.
원칙적으로, 연료전지 다발의 장치는 또한 반대 방향으로 지향될 수 있다. 수평으로 정렬된 장치 또한 가능한다.
도 10은 측면 공기 유출구의 평면 상에서 다발(125)을 관통하여 절단한 단면도를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 개별적인 델타 연료전지(100, 100', 100'')에서, 동일한 위상으로 적층된 연료전지(100, 100', 100'')의 모든 교대하는 열의 공기 유도 채널들(111ik)(i=1-m, k=1-n)이 각각 횡방향 채널(245)에 의해 서로 연결되고, 횡방향 채널(245)은 외부 유출구(141, 141', ...)로 유도된다. 이러한 예에서, 유입구들은 개별적인 공기 유입 채널로 단일 형태로 연결된다.
도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 하부 커버의 평면도는 개별적인 유입구 (241)들을 보여주고, 개별적인 유입구들은 개방 공기 유도 채널들(111i+1,k)에 대응한다.
도 9의 단부 부분들 또는 적층된 부분들은 글래스 솔더에 의해 가스 기밀 방식으로 서로에 대해 연결되고, 컴팩트한 연결 블록들을 형성한다. 연료전지 기능에 대해 불활성인 이러한 영역들은 도 10에서 층(215)에 의해 표시된 바와 같이 활성 연료전지의 전해질로 커버된다.
도 9에 대응하여, 연료전지 설비를 위한 연료전지 다발의 적층가능한 배열은 연결 블록들(230 및 240)을 사용하여 전체적으로 형성된다. 니켈(Ni) 또는 Ni-Cr 합금으로 구성된 펠트 또는 그물을 사용하여 공지된 방식으로 개별적인 델타 연료전지들을 전기적으로 연결하기 위하여 연결 블록들 사이에 충분한 공간이 존재한다.
만약 연료전지 설비가 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이 구성된다면, 컴팩트한 지지 부분들이 연료전지의 각 단부들에서 형성되는 것이 특히 유리하다. 이러한 부분들은 개별적인 델타 연료전지들의 불활성 영역들 및 파형 구조를 위한 상보적 부분들을 포함하고, 이 경우 이미 언급한 바와 같이, 개별적인 연료전지들은 이러한 영역에서 글래스 솔더를 사용하여 서로에 대해 연결되며, 각 경우 컴팩트 어셈블리는 연결 블록으로서 전해질 막에 의해 둘러싸인다.
이상에서 기술된 장치들은 공지된 지지 구조의 모든 변형예들에 적용될 수 있고, 정확하게는 캐소드 지지, 애노드 지지 또는 중립 구조들에 대해 적용될 수 있다. 앞서 기술된 연료전지의 파형 또는 삼각형 기하구조(델타)에 부가하여, 전술된 특징들은 또한 앞서 언급된 다른 기하구조에도 적용될 수 있다. 중요한 요소는 전기화학적으로 활성인 표면적의 증대 및 적절한 수단에 의해 공기 유도 채널의 공기 흐름의 특정 편향이다. 이것은 연료전지 단부에서의 방향 역전, 특히 180°의 방향 역전, 또는 유출구에서 90°의 방향 역전이 야기됨을 의미한다.

Claims (38)

  1. 고온 고체 전해질 연료전지, 특히, 관형 또는 HPD 컨셉에 기초한 고온 고체 전해질 연료전지로서,
    다공성 전도 지지 구조가 가스 라인에 대해 제공되고, 지지 구조 표면 상에서 통합된 가스 라인 중공 구조를 가진 상기 다공성 전도 지지 구조는 평평한 표면에 대해 형상화함으로써 부분적으로 기하학적으로 확대되고, 그리하여 상기 연료전지의 증대된 전기화학적 활성 표면을 야기하는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성 연료전지의 표면은 파형 구조인,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 채널 단면들은 삼각형인,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  4. 제3항에 있어서,
    꼭지점(α)은 150° 미만인,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 꼭지점(α)은 30°내지 90°인,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  6. 제4항에 있어서,
    코너들이 라운드형인,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 파형 구조 또는 삼각형 구조의 측면들은 계단형인,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 채널 단면들은 직사각형 형태("크레뉼레이션") 또는 구불구불한 형태를 갖는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 채널 단면들은 균일하게 굴곡된 형태, 특히 타원형 형태를 갖는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 지지 구조(10)는 캐소드(12)를 형성하고, 상기 캐소드(12)에 고체 전해질(15) 및 애노드(30)가 부가되는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 지지 구조는 애노드를 형성하고, 상기 애노드에 고체 전해질 및 캐소드가 부가되는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  12. 제1항에 있어서,
    캐소드, 고체 전해질 및 애노드가 부가된 상기 지지 구조는 전기화학적으로 중성인,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  13. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 인터커넥터 스트립(40)이 상기 지지 구조의 후방면에 전기적 콘택으로서 부가되는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  14. 제13항에 있어서,
    인접한 연료전지와의 전기적 콘택이 니켈 또는 Ni-Cr 합금 그물, 편물, 펠트 또는 다른 유연성있는 구조들을 통해 형성되는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  15. 제1항 또는 제2항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 고체 전해질 연료 전지를 적어도 2개 포함하는 연료전지 설비로서,
    상기 개별적인 연료전지의 활성 연료전지 표면이 평평한 표면에 비해 증대된 표면을 구비하고, 복수 개의 연료전지들(10, 10',...; 20, 20',...)이 스택을 형성하는,
    연료전지 설비.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 연료전지들(10, 10')은 스택을 형성하기 위하여 동일한 위상으로 주기적으로 적층되는,
    연료전지 설비.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 연료전지들(20, 20',...)은 스택을 형성하기 위하여 주기적 길이의 절반만큼 쌍으로 각각 이동된,
    연료전지 설비.
  18. 제16항에 있어서,
    2개의 연료전지(10,10';20,20')는 유연성있는 콘택 커넥터(50)를 경유하여 연결되는,
    연료전지 설비.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 콘택 커넥터(50)는 니켈 또는 Ni-Cr 합금으로 이루어진 그물, 편물 또는 펠트의 형태를 갖는,
    연료전지 설비.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택은 "보드들"에 의해 측면들에서 유지되는,
    연료전지 설비.
  21. 제20항에 있어서,
    연료 가스가 가스 유도 구조없이 컨테이너 내 상기 스택 둘레에서 흐르는,
    연료전지 설비.
  22. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 미리 설정된 유동 방향으로부터 부가의 유동 방향으로 통합된 공기 편향을 위한 수단이 제공되는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  23. 제22항에 있어서,
    제 1 유동 방향 및 제 2 유동 방향은 유동 역전을 포함하는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  24. 제22항에 있어서,
    제 1 유동 방향 및 제 2 유동 방향은 측면에서의 유출 유동을 포함하는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 유동 방향은 소위 "상향 유동"이고, 상기 제 2 유동 방향은 소위 "하향 유동"인,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 채널 단부에서의 유동 역전 및 적어도 하나의 평행 채널에서의 역전 유동 이후에 90°의 각으로 측면에서 유출 유동이 일어나는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  27. 제22항에 있어서,
    상기 지지 구조의 표면은 활성 연료전지 표면 상의 파형 구조인,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  28. 제22항에 있어서,
    2개의 인접한 유동 채널(101, 101', ...)은 각각 채널들(11, 111', ...)을 경유하여 유체 유동을 목적으로 연결되는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  29. 제22항에 있어서,
    모든 유동 채널들(101, 101',...)은 횡방향 그루브(131)를 경유하여 유체 유동을 목적으로 연결되는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 지지 구조와 동일한 재료로 구성되는 몰딩들(120, 120',...)이 공기 편향 수단으로서 제공되고, 유체 유동을 목적으로 인접한 유동 채널들(101, 101',...)을 연결하는 내부 채널(121, 121',..)을 갖는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  31. 제30항에 있어서,
    인접한 유동 채널들(111, 111',...)의 벽들은 상기 몰딩들(120,120',...)의 내부 채널(121, 121',...)에 연결되는 채널들(122, 122',...)을 갖는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  32. 제30항 또는 제31항에 있어서,
    상기 몰딩들(120, 120',...) 및 상기 연료전지들(100)은 하나의 컴포넌트를 형성하기 위하여 소결됨으로써 연결되는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  33. 제22항 또는 제23항 내지 제32항 중 어느 한 항에 따른 적어도 2개의 고체 전해질 연료전지를 포함하는 연료전지 설비로서,
    개별적인 연료전지의 활성 연료전지 표면은 평평한 표면에 비해 증대된 표면을 갖고, 복수 개의 연료전지들은 스택으로서 연료전지 다발을 형성하며, 개별적인 연료전지들(100, 100',...)은 서로 납땜되며, 블록들(130, 140)은 상기 연료전지들(100, 100',...)의 단부에 스페이서로서 삽입되며, 상기 연료전지 다발(200)의 폐쇄된 단부에서의 블록(130)은 내부 공기 편향을 위한 수단(112, 112',...; 121, 121',..., 122, 122',...; 115)을 포함하는,
    연료전지 설비.
  34. 제17항에 있어서,
    상기 연료전지들(100, 100',...)은 스택(200)을 형성하기 위하여 연료전지 다발과 동일한 위상으로 주기적으로 적층되는,
    연료전지 설비.
  35. 제18항에 있어서,
    연료 가스는 가스 유도 구조없이 컨테이너 내에서 상기 스택(200)을 통해 흐르는,
    연료전지 설비.
  36. 제19항에 있어서,
    유출 공기를 운반하는 공기 유도 채널들(111ik)은 개별적인 연료전지들(100, 100',...)의 유체 유동 연결을 위하여 횡방향 채널들(245)을 경유하여 서로 연결되 는,
    연료전지 설비.
  37. 제25항에 있어서,
    상기 제 2 "하향 유동"의 유동 방향은 상기 제 1 "상향 유동"의 유동 방향과 인접한 연료전지의 채널로 진행하는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
  38. 제25항 및 제15항에 있어서,
    상기 제 2 "하향 유동"의 유동 방향은 상기 제 1 "상향 유동"의 유동 방향에 인접한 연료 전지로 진행하는,
    고온 고체 전해질 연료전지.
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