KR20140009137A - 동축류 / 대향류 연료 전지 또는 전기분해 전지 - Google Patents

동축류 / 대향류 연료 전지 또는 전기분해 전지 Download PDF

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KR20140009137A
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크레스텐 유엘 니콜라지 라우트 옌센
스텐 웨이첼
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토프쉐 푸엘 셀 에이/에스
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Abstract

연료 전지 또는 전기분해 전지로서 작동하기에 적합한 전지를 갖는 전지 스택은 각 전지의 제 1부분에 캐소드 가스에 대해 애노드 가스의 대향류, 그리고 각 전지의 제 2부분에 동축류를 갖는 전지를 포함하는데, 이것은 동축류 또는 대향류 전지에 대해 전지 및 전지 스택의 온도 프로파일을 같아지게 한다.

Description

동축류 / 대향류 연료 전지 또는 전기분해 전지{CO-FLOW / COUNTER-FLOW FUEL CELL OR ELECTROLYSIS CELL}
본 발명은 전지 스택, 특히 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 스택 또는 고체 산화물 전기분해 전지(SOEC) 스택에 관한 것인데, 각 전지에서 내부로 애노드(anode) 가스에 대해 캐소드(cathode) 가스의 흐름 방향은 각 전지가 대향류뿐만 아니라 동축류를 가지도록 조합된다. 게다가 복수의 가스 스트림은 각 전지의 제 1부분을 통과한 후 합쳐진 다음, 가스 스트림은 다시 분할되고 각 전지의 제 2부분으로 운반된다.
하기에서, 본 발명은 SOFC에 대하여 설명된다. 따라서, SOFC에서 캐소드 가스는 산화 가스이고, 애노드 가스는 연료 가스이다. 그러나, 본 발명은 이미 언급된 바와 같이 SOEC와 같은 전지의 다른 타입 또는 심지어 중합체 전해질 연료 전지(PEM) 또는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)를 위해 또한 사용될 수 있다.
SOFC는 산소-이온 전도 전해질, 산소가 환원되는 캐소드, 그리고 수소가 산화되는 애노드를 포함한다. SOFC의 전체 반응은 수소 및 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기, 열 및 물을 생성하는 것이다. SOFC에 대한 작동 온도는 550 내지 1000℃, 바람직하게는 약 650 내지 850℃ 범위이다. SOFC는 약 0.8V의 전압을 일반 작동으로 전달한다. 총 전압 출력을 증가시키기 위해, 연료 전지는 연료 전지들이 인터커넥터 플레이트를 통해 전기적으로 연결되는 스택으로 조립된다.
필요한 수소를 생성시키기 위해, 애노드는 탄화수소, 특히 천연 가스를 스팀 개질하기 위한 촉매 활성을 통상적으로 지니고, 이로써 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소가 발생된다. 천연 가스의 주성분인, 메탄의 스팀 개질은 하기 식에 의해 설명될 수 있다:
CH4+H20
Figure pct00001
CO + 3H2
CH4+CO2
Figure pct00002
2CO + 2H2
CO + H20
Figure pct00003
CO2+H2
작동 동안 공기와 같은 산화제는 캐소드 영역의 고체 산화물 연료 전지에 공급된다. 수소와 같은 연료는 연료 전지의 애노드 영역에 공급된다. 대안으로, 메탄과 같은 탄화수소 연료는 애노드 영역에 공급되고 여기서 그것은 상기 반응에 의해 수소 및 탄소 산화물로 전환된다. 수소는 다공성 애노드를 통해 통과하고, 캐소드 면에서 발생되고 전해질을 통해 전도된 산소 이온과 애노드/전해질 계면에서 반응한다. 산소 이온은 전지의 외부 회로로부터 전자를 수용한 결과로서 캐소드 면에서 만들어진다.
인터커넥트는 인접한 전지 장치의 애노드 면과 캐소드 면을 분리하고 동시에 애노드와 캐소드 사이의 전류 전도를 가능하게 하는 역할을 한다. 인터커넥트는 인터커넥트의 한 면에 애노드 가스(연료), 그리고 다른 면에 캐소드 가스(산화제 가스)의 통과를 위해 복수의 채널을 통상적으로 구비한다. 애노드 가스의 흐름 방향은 전지 장치의 애노드 가스 입구 영역으로부터 애노드 가스 출구 영역으로의 실질적인 방향으로 정의된다. 마찬가지로 캐소드 가스의 흐름 방향은 전지 장치의 캐소드 가스 입구 영역으로부터 캐소드 가스 출구 영역으로의 실질적인 방향으로 정의된다. 따라서, 내부적으로 전지는 애노드 가스 흐름 방향이 캐소드 가스 흐름 방향과 실질적으로 동일하면 동축류, 또는 애노드 가스 흐름 방향이 캐소드 가스 흐름 방향에 실질적으로 수직이면 교차류, 또는 애노드 가스 흐름 방향이 캐소드 가스 흐름 방향과 실질적으로 반대이면 대향류를 가질 수 있다.
종례에는, 전지는 완전한 오버랩으로 서로의 상부에 스택되어 예를 들어 스택의 한 면에 모든 애노드 가스 및 캐소드 가스 입구, 그리고 반대 면에 모든 애노드 가스 및 캐소드 가스 출구를 가지는 동축류를 갖는 스택을 가져온다. 전기화학적 공정의 전체 발열성으로 인해, 출구 가스는 입구 온도보다 높은 온도에서 떠난다. 예를 들어 750℃에서 작동하는 SOFC 스택에 조합될 때, 스택을 가로질러 상당한 온도 구배가 발생된다. 스택을 가로질러 이들 온도 구배는 공기 냉각이 온도 구배에 비례하기 때문에 스택을 냉각시키기 위해 어느 정도 필요하지만, 큰 열 구배는 스택에서 열 응력을 유도하는데 이것은 매우 바람직하지 못하고 전류 밀도 및 전기 저항의 차이를 수반한다. 그러므로 SOFC 스택의 열 관리의 문제는, 허용되지 않는 응력을 피하기에 충분한 열 구배를 감소시키고, 상기 가스로 스택을 냉각시킬 수 있는 충분히 큰 열 구배를 가지기 위해 존재한다.
스택을 냉각시키기에 필요한 열 구배는 전지 스택이 얻을 수 있는 전기 효과를 제한한다. 높은 평균 전지 온도는 전기 효과에 관해 이롭고, 평균 전지 온도는 전지 및 전지 스택의 재료에 대한 최대 한계에 가까워져야 한다. 그러나 온도 구배는 스택을 냉각시키기에 필요하기 때문에, 평균 전지 온도는 이러한 최대 한계 온도보다 실제로 낮다. 전지의 면비저항(area specific resistance)(ASR)은 낮은 평균 전지 온도로 더 높고, 따라서 전기 효과는 낮은 평균 전지 온도로 낮아진다.
미국 제6,830,844호는, 연료 전지 조립체의 열 관리를 위한 시스템, 특히, 캐소드를 가로질러 공기 흐름 방향을 주기적으로 역전시키고, 이로써 캐소드의 공급 및 배기 가장자리를 교대로 놓음으로써 캐소드를 가로질러 200℃ 이상의 온도 구배를 방지하기 위한 시스템을 기재한다.
미국 제6,803,136호는 스택에 포함되는 전지들 사이에 부분 오버랩을 가져서 전지의 전체 나선형 구조를 가져오는 연료 전지 스택을 기재한다. 전지는 서로 각을 이루어 오프셋되는데 이것은 매니폴딩(manifolding) 및 열 관리의 편의를 제공한다.
본 발명의 목적은 최소화된 ASR를 가져오는 높은 평균 전지 온도를 갖는 전지 스택, 특히 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공하고, 이로써 최신 전지 스택과 비교해 전지 및 전지 스택 전기 효과를 개선시키는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 전지 출구 온도가 전지 및 스택 부품의 내구성에 대하여 전지의 최대 온도와 가깝거나 또는 동일하여 이로써 캐소드 가스 및 애노드 가스의 냉각 효율이 개선되는 전지 스택, 특히 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전지 스택에서 각 전지로부터 애노드 가스 스트림이 각 전지의 일부를 통과한 후 수집되고 혼합된 다음 각 전지의 남은 부분에 걸쳐 분할되고 통과되어 이로써 연료 활용이 최적화되는 애노드 가스의 네트워킹을 갖는 전지 스택, 특히 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 각 전지의 흐름이 전지의 제 1부분의 대향류로부터 각 전지에서 캐소드 가스에 대해 애노드 가스의 전지의 제 2부분의 동축류로 변화되는 전지 스택, 특히 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공하는 것인데, 이것은 열 분포를 각 전지에서 그리고 전체로서 전지 스택에서 최적화한다.
본 발명의 추가 목적은, 대향류 / 동축류 영역 비율이 특정 원하는 작동 지점을 맞추도록 달라질 수 있는 전지 스택, 특히 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적이 본 발명에 의해 해결된다.
따라서, 본 발명자들은 서로 평행한 평면에 서로의 상부에 층으로 배열된 복수의 평면 전지를 포함하는 전지 스택, 특히 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공하며, 각 전지 장치는 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함하고, 인접한 전지의 애노드 및 캐소드는 인터커넥트에 의해 서로 분리된다. 전지 스택의 각 전지는 적어도 하나의 애노드 가스 입구 영역, 적어도 하나의 캐소드 가스 입구 영역; 적어도 하나의 애노드 가스 출구 영역 및 적어도 하나의 캐소드 가스 출구 영역을 가진다. 스택에서 각 전지의 애노드 부분 또는 캐소드 부분은 적어도 제 1부분 및 제 2부분으로 분할된다. 이들 두 경우 중 어떤 것에서, 각 전지는 따라서 적어도 제 1부분 및 제 2부분으로 분할된다. 전지 스택에서 각 전지는 전지의 제 1부분에서 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 대향류를 가지고; 전지의 제 2부분에서 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 동축류를 가진다.
최신 연료 전지에서, 대향류 및 동축류의 이점들 사이의 선택이 각각 만들어져야하며, 이점은:
대향류 이점: 전지의 낮은 면비저항(ASR)을 가져오는 높은 평균 전지 온도,
동축류 이점: 애노드 및 캐소드 가스의 출구 온도는 거의 스택의 최대 온도 만큼 높거나 그와 동일하다(이것은 대향류에서는 불가능함). 이것은 캐소드 가스 및 애노드 가스의 냉각 효율을 최대화한다. 시스템 수준에서 이러한 증가는 가스 취입기에 대한 낮은 기생 손실 및 감소된 열 교환기 용량 요건을 의미한다.
그러나 전지의 제 1부분은 대향류로 작동하고 전지의 제 2부분은 동축류로 작동하는 본 발명에 따르는 흐름 패턴에서, 대향류 및 동축류의 이점이 조합된다. 이와 같이, 반응물 가스의 낮은 ASR 및 최대화된 냉각 효율은 흐름 형태 둘 다가 동시에 달성되기 때문에, 전지 스택에서 특정 전지들의 각각에서 조합하여 달성된다. 이것은 특히 개질 즉, 냉각 애노드 가스로 작동할 때 그러하다. 높은 평균 전지 온도는 전지에서 따라서 스택에서 최적화된 열 분포에 의해 달성된다. 이러한 최적화된 열 분포는 스택의 차등 온도가 낮아지기 때문에, 내부 응력이 낮아지는 것을 또한 의미한다. 그렇지 않으면, 내부 응력은 스택에 대한 상당한 압축력을 요구하여, 스택의 손상을 가져올 수 있다.
스택에서 각 전지의 대향류 영역과 동축류 영역 사이의 실제 비율은 애노드 가스의 타입, 작동 파라미터, 스택-특이적 특징 등에 따라 다양하여, 특히 ASR 및 냉각 효율에 관해 가장 좋은 작동 효율을 달성할 수 있다. 본 발명의 구체예에서, 전지의 대향류 영역은 전지의 활성 영역의 약 80%인 반면, 동축류 영역은 전지의 활성 영역의 약 20%이다. 본 발명의 추가 구체예에서, 대향류 영역은 각 전지의 85% 내지 70%, 또는 각 전지의 95% 내지 50%이다.
기술된 대향류/동축류 전지의 이들 원리를 전지의 캐소드 면뿐만 아니라 전지의 애노드 면에 적용하는 것이 가능하다. 즉, 캐소드 가스는 실질적으로 한 방향으로 흐르는 반면, 애노드 가스는 먼저 캐소드 가스의 실질적으로 반대 방향으로 그리고 그 후 캐소드 가스와 실질적으로 동일한 방향으로 흐르거나; 또는, 애노드 가스는 실질적으로 한 방향으로 흐르는 반면, 캐소드 가스는 먼저 애노드 가스의 실질적으로 반대 방향으로 그리고 그 후 애노드 가스와 실질적으로 동일한 방향으로 흐른다. 그러나 애노드 가스(연료)의 흐름 방향을 변화시키는 것이 캐소드 가스에 대해 애노드 가스의 더 작은 흐름 속도로 인하여 통상적으로 더 단순하다.
따라서, 본 발명의 한 구체예에서, 캐소드 가스는 전지 스택에서 복수의 전지 각각의 실질적으로 전체 전기화학적 활성 캐소드 부분을 가로질러 제 1방향으로 흐르고, 애노드 가스는 각 전지의 제 1애노드 부분을 가로질러 제 1방향의 실질적으로 반대인 제 2방향으로 흐른 다음 각 전지의 제 2애노드 부분을 가로질러 상기 제 1방향으로 실질적으로 흐른다.
본 발명의 구체예에서, 상기 언급된 흐름 패턴은 전지의 제 1가장자리 근처에 캐소드 가스 입구 영역, 그리고 전지의 제 2가장자리 근처에 캐소드 가스 출구 영역을 위치시킴으로써 얻어진다. 전지의 실질적인 전체 활성 영역은 전지의 상기 제 1 및 상기 제 2가장자리 사이에 위치되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 캐소드 가스는 제 1전지 가장자리 근처에서 입구 영역을 통해 들어가고, 캐소드의 활성 영역에 걸쳐 제 1방향으로 흐른 다음, 제 2전지 가장자리 근처에서 캐소드 가스 출구를 통해 나간다.
전지의 반대 면, 즉 애노드 영역에서, 애노드 가스는 전지의 상기 제 1 및 제 2가장자리 사이에 위치된 제 1애노드 가스 입구 영역을 통해 들어간다. 그 다음 애노드 가스는 상기 제 1방향에 실질적으로 반대인 제 2방향으로 흐르는 제 1애노드 가스 흐름 통과를 수행한 후, 전지의 제 1가장자리 근처에 위치된 제 1애노드 가스 출구 영역을 통해 나간다. 이와 같이, 전지의 제 1부분을 가로질러 이러한 제 1애노드 가스 흐름 통과에서, 애노드 및 캐소드 가스는 대향류를 가진다. 제 1애노드 가스 출구 영역을 통해 나간 후, 애노드 가스는 내부 또는 외부 덕팅(ducting)/매니폴딩을 통해 운반되고, 전지의 제 1 및 제 2가장자리 사이에 또한 위치된 제 2애노드 가스 입구 영역을 통해 전지의 애노드 부분에 다시 들어간다. 그 다음 애노드 가스는 전지의 제 2부분을 가로질러 제 2애노드 가스 입구 영역으로부터 제 1방향으로 제 2흐름 통과를 수행하고, 전지의 제 2가장자리 근처에 위치된 제 2애노드 가스 출구 영역을 통해 나간다. 이와 같이, 전지의 이러한 제 2부분에서, 애노드 가스 및 캐소드 가스는 동축류로 흐른다.
전지는 최신기술에 잘 기술된 바와 같이, 내부 또는 외부 가스 매니폴딩 또는 이 두 가지의 조합을 가질 수 있다. 한 구체예에서, 캐소드 가스는 캐소드 가스 입구 영역이 전지의 제 1가장자리의 실제로 거의 전체 부분이도록, 스택에서 외부 매니폴딩에 의해 전지의 캐소드 부분으로 그리고 그로부터 운반될 수 있다. 이 구체예에서, 애노드 가스는 스택에서 내부 매니폴딩, 예컨대 인터커넥트의 구멍에 의해 전지의 애노드 부분으로 그리고 그로부터 운반될 수 있다.
본 발명의 구체예에서, 전지 스택에서 각 전지 밖으로 스트리밍하는 중간체 애노드 가스는 네트워크된다. 본원에 "중간체"는 제 1흐름 통과를 수행하고, 제 2흐름 통과를 수행하기 전인 가스를 의미한다. 제 1애노드 가스 출구 영역을 통해 각 전지를 나가는 애노드 가스는 매니폴딩에서 수집되고 실질적으로 균질한 중간체 공통 애노드 가스 혼합물로 혼합된 후, 스택에서 각 전지의 각 제 2애노드 가스 입구 영역으로 분할되고 더 운반된다. 중간체 애노드 가스 스트림의 이러한 네트워킹은 전지 연료 이용의 차이를 보충하고 따라서 더 높은 전체 연료 이용을 제공한다.
본 발명의 추가 구체예에서, 각 전지에 걸쳐 대향류와 동축류의 조합은 복수의 가스 입구 및 출구 영역 외의 다른 수단에 의해 제공된다. 대신에 인터커넥트의 가스 흐름 채널은 인터커넥트의 제 1면에서 실질적으로 제 1방향으로 가스 흐름, 그리고 인터커넥트의 제 2면의 제 1부분에서 제 2의 실질적으로 반대 방향으로 가스 흐름, 그뿐만 아니라 인터커넥트의 제 2면의 제 2부분에서 상기 제 1방향으로 가스 흐름을 제공하기에 적합하다. 이 구체예는 또한 애노드 가스 또는 캐소드 가스 중 하나가 단지 한 방향으로 흐르기에 적합할 수 있다. 다시, 캐소드 가스 흐름이 애노드 가스 흐름보다 일반적으로 크기 때문에, 캐소드 가스가 실질적으로 단지 한 방향으로 흐르는 반면, 애노드 가스는 예를 들어 압력 손실을 고려하여 실질적으로 두 방향으로 흐르도록 인터커넥트 가스 흐름 채널을 구축하는 것이 이로울 수 있다.
본 발명의 특징
1. 연료 전지 또는 전기분해 전지로서 작동하기에 적합하고, 전지 스택에 복수의 전지 층을 형성하도록 서로의 상부에 스택된 복수의 전지를 포함하는 전지 스택으로서, 상기 전지의 각각은,
- 애노드,
- 전해질, 및
- 캐소드를 포함하며,
각 전지는 평평하고,
- 적어도 하나의 가장자리,
- 적어도 하나의 애노드 가스 입구 영역,
- 적어도 하나의 애노드 가스 출구 영역,
- 적어도 하나의 캐소드 가스 입구 영역, 및
- 적어도 하나의 캐소드 가스 출구 영역을 가지며,
전지의 각 층은 각 면, 즉 인접한 전지의 애노드 면을 향하고 애노드 가스 흐름을 제공하는 제 1면, 및 인접한 전지의 캐소드 면을 향하고 캐소드 가스 흐름을 제공하는 제 2면에서 가스 흐름 채널을 갖는 인터커넥트에 의해 분할되며, 각 전지의 제 1부분은 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 대향류를 가지고, 각 전지의 제 2부분은 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 동축류를 가지는, 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
2. 특징 1에 있어서, 캐소드 가스는 각 전지의 실질적으로 전체 캐소드 부분을 가로질러 제 1방향으로 흐르고, 애노드 가스는 각 전지의 제 1애노드 부분을 가로질러 제 1방향의 반대인 제 2방향으로 흐르고 각 전지의 제 2애노드 부분을 가로질러 상기 제 1방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
3. 특징 2에 있어서,
- 캐소드 가스 입구 영역은 전지의 제 1가장자리 근처에 위치되고,
- 캐소드 가스 출구 영역은 전지의 제 2가장자리 근처에 위치되고,
- 제 1애노드 가스 입구 영역은 전지의 제 1 및 제 2가장자리 사이에 위치되고,
- 제 1애노드 가스 출구 영역은 전지의 제 1가장자리 근처에 위치되고,
- 제 2애노드 가스 입구 영역은 전지의 제 1 및 제 2가장자리 사이에 위치되고,
- 제 2애노드 가스 출구 영역은 전지의 제 2가장자리 근처에 위치되는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
4. 특징 3에 있어서, 각 전지의 제 1애노드 가스 출구 영역으로부터 애노드 가스를 수집하고 혼합하고, 혼합된 애노드 가스를 추가로 각 전지의 제 2애노드 가스 입구 영역으로 분포시키기에 적합한 매니폴딩을 포함하며, 이로써 애노드 가스는 캐소드 가스에 대해 대향류로 제 1흐름 통과를 수행하고, 상기 수집, 혼합 및 분포 후, 상기 애노드 가스는 캐소드 가스에 대해 동축류로 제 2흐름 통과를 수행하는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
5. 특징 1 또는 특징 2에 있어서, 각 전지의 애노드 면을 향하는 가스 흐름 채널은 각 전지의 제 1부분을 가로질러 제 1방향으로 애노드 가스 흐름을 제공하기에 적합하고, 각 전지의 제 2부분을 가로질러 제 1방향의 반대인 제 2방향으로 애노드 가스 흐름을 제공하기에 적합한 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
6. 특징 1에 있어서, 애노드 가스는 각 전지의 실질적으로 전체 애노드 부분을 가로질러 제 1방향으로 흐르고, 캐소드 가스는 각 전지의 제 1캐소드 부분을 가로질러 제 1방향의 반대인 제 2방향으로 흐르고 각 전지의 제 2캐소드 부분을 가로질러 상기 제 1방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
7. 특징 6에 있어서,
- 애노드 가스 입구 영역은 전지의 제 1가장자리 근처에 위치되고,
- 애노드 가스 출구 영역은 전지의 제 2가장자리 근처에 위치되고,
- 제 1캐소드 가스 입구 영역은 전지의 제 1 및 제 2가장자리 사이에 위치되고,
- 제 1캐소드 가스 출구 영역은 전지의 제 1가장자리 근처에 위치되고,
- 제 2캐소드 가스 입구 영역은 전지의 제 1 및 제 2가장자리 사이에 위치되고,
- 제 2캐소드 가스 출구 영역은 전지의 제 2가장자리 근처에 위치되는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
8. 특징 7에 있어서, 각 전지의 제 1캐소드 가스 출구 영역으로부터 캐소드 가스를 수집하고 혼합하고, 혼합된 캐소드 가스를 추가로 각 전지의 제 2캐소드 가스 입구 영역으로 분포시키기에 적합한 매니폴딩을 포함하며, 이로써 캐소드 가스는 애노드 가스에 대해 대향류로 제 1흐름 통과를 수행하고, 상기 수집, 혼합 및 분포 후, 상기 캐소드 가스는 애노드 가스에 대해 동축류로 제 2흐름 통과를 수행하는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
9. 특징 1 또는 특징 6에 있어서, 각 전지의 캐소드 면을 향하는 가스 흐름 채널은 각 전지의 제 1부분을 가로질러 제 1방향으로 캐소드 가스 흐름을 제공하기에 적합하고, 각 전지의 제 2부분을 가로질러 제 1방향의 반대인 제 2방향으로 캐소드 가스 흐름을 제공하기에 적합한 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
10. 상기 특징 중 어느 하나에 있어서, 대향류를 가지는 각 전지의 제 1부분은 동축류를 가지는 각 전지의 제 2부분보다 크며, 상기 제 1부분은 바람직하게는 각 전지의 50% 내지 95% 또는 바람직하게는 각 전지의 70% 내지 85%인 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
11. 상기 특징 중 어느 하나에 있어서, 전지는 고체 산화물 연료 전지 또는 고체 전기분해 전지인 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
12. 복수의 전지를 포함하는 적어도 하나의 전지 스택의 작동 방법으로서, 상기 전지는 연료 전지 또는 전기분해 전지로서 작동하기에 적합하고 적어도 하나의 전지 스택에 복수의 전지 층을 형성하도록 서로의 상부에 스택되며, 상기 전지의 각각은 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함하고, 각 전지는 평평하고 적어도 하나의 가장자리, 적어도 하나의 애노드 가스 입구 영역, 적어도 하나의 애노드 가스 출구 영역, 적어도 하나의 캐소드 가스 입구 영역 및 적어도 하나의 캐소드 가스 출구 영역을 가지며, 전지의 각 층은 각 면, 즉 인접한 전지의 애노드 면을 향하고 애노드 가스 흐름을 제공하는 제 1면, 및 인접한 전지의 캐소드 면을 향하고 캐소드 가스 흐름을 제공하는 제 2면에서 가스 흐름 채널을 갖는 인터커넥트에 의해 분할되며, 상기 방법은,
- 총 전지 영역의 절반 이상을 가로질러 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 대향류를 제공하는 단계, 및
- 총 전지 영역의 절반 미만을 가로질러 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 동축류를 제공하는 단계를 포함하는 복수의 전지를 포함하는 적어도 하나의 전지 스택의 작동 방법.
13. 특징 12에 있어서,
- 애노드 및 캐소드 가스 흐름 둘 다에 대하여 직렬 연결되는 2개의 전지 스택 중 제 1전지 스택에 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 대향류를 제공하는 단계, 및
- 애노드 및 캐소드 가스 흐름 둘 다에 대하여 직렬 연결되는 2개의 전지 스택 중 제 2전지 스택에 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 동축류를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 적어도 하나의 전지 스택의 작동 방법.
14. 특징 12에 있어서, 특징 1 내지 특징 11 중 어느 한 항에 따르는 복수의 전지를 포함하는 적어도 하나의 전지 스택을 작동하는 방법이며, 상기 방법은,
- 적어도 하나의 전지 스택에서 각 전지의 제 1부분에 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 대향류를 제공하는 단계, 및
- 적어도 하나의 전지 스택에서 각 전지의 제 2부분에 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 동축류를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 적어도 하나의 전지 스택의 작동 방법.
15. 고체 산화물 연료 전지 스택 또는 고체 산화물 전기분해 전지 스택으로서 작동하도록 특징 1 내지 특징 11 중 어느 하나에 따르는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택의 사용.
위치 숫자 개요
101, 201 - 전지, 애노드 표면
102, 202 - 전지의 제 1애노드 부분
103, 203 - 전지의 제 2애노드 부분
104, 204 - 캐소드 가스 입구 영역
105, 205 - 캐소드 가스 출구 영역
106, 206 - 제 1애노드 가스 입구 영역
107 - 제 2애노드 가스 입구 영역
108, 208 - 제 1애노드 가스 출구 영역
109 - 제 2애노드 가스 출구 영역
110, 210 - 제 1가스 흐름 방향
111, 211 - 제 2가스 흐름 방향
도 1은 애노드 가스 흐름 원리, 그뿐만 아니라 반대로 보이지 않는 표면의 캐소드 가스 흐름 원리를 나타내는 본 발명의 구체예에 따르는 전지의 애노드 표면의 상면도이다.
도 2는 애노드 가스 흐름 원리, 그뿐만 아니라 반대로 보이지 않는 표면의 캐소드 가스 흐름 원리를 나타내는 본 발명의 대안의 구체예에 따르는 전지의 애노드 면의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 구체예에 따르는 전지의 캐소드 가스 흐름 방향에서 전지 온도와 전지 위치의 상관관계를 나타내는 그래프의 도면이다.
도 4는 최신 동축류 전지에서 전지의 캐소드 가스 흐름 방향에서 전지 온도와 위치의 상관관계를 나타내는 그래프의 도면이다.
도 1은 대향류 및 동축류가 하나의 캐소드 가스 흐름 방향 및 2개의 애노드 가스 흐름 방향에 의해 전지에 적용되고, 하나의 애노드 가스 흐름 방향은 캐소드 가스 흐름 방향과 같이 실질적으로 동일한 방향이고, 다른 애노드 가스 흐름 방향은 실질적으로 반대인, 본 발명의 한 구체예에 따르는 가스 흐름 패턴을 나타낸다. 본문에서, 전지의 국부 영역에서, 애노드 또는 캐소드 가스의 정밀한 흐름 방향은 2개의 전체 반대 흐름 방향에서 벗어날 수 있지만, 전체로서 전지의 명시된 부분에서, 한 방향 또는 반대 방향으로 실제 캐소드 또는 애노드 가스 흐름이 있다는 것을 실질적으로 의미한다.
도 1은 단일 연료 전지의 애노드 표면(101)을 나타내고, 이로써 애노드 가스 흐름은 실선 및 파선으로서 나타내고, 나타낸 전지의 반대로 보이지 않는 표면의 캐소드 가스 흐름은 점선으로서 예시한다. 애노드 가스는 전지에서 구멍으로서 형성된 제 1애노드 가스 입구 영역(106)을 통해 전지의 애노드 표면에 먼저 들어간다. 거기로부터, 애노드 가스는 제 2가스 흐름 방향(111)으로 전지의 제 1애노드 부분(102)에 걸쳐, 전지에서 구멍으로서 또한 형성된 제 1애노드 가스 출구 영역(108)으로 흐른다.
제 1애노드 가스 출구 영역을 여기할 때, 전지 스택의 같은 전지의 각각으로부터 부분적으로 반응된 애노드 가스는 공통 중간체 애노드 가스 스트림으로 수집되고(나타내지 않음) 혼합되고, 이어서 이 가스 스트림은 제 2애노드 가스 입구 영역(107)을 통해 다시 분할되고 각 연료 전지에 다시 들어간다. 애노드 가스는 실질적으로 제 1가스 흐름 방향(110)으로 전지의 제 2애노드 부분(103)을 가로질러 제 2흐름 통과를 수행하고, 마지막으로 배기된 애노드 가스가 배기된 캐소드 가스와 혼합하는 전지의 가장자리에 의해 단순히 형성된 제 2애노드 가스 출구 영역(109)을 통해 나간다. 전지의 반대로 보이지 않는 캐소드 표면에서, 캐소드 가스는 전지의 실질적으로 전체 활성 영역을 가로질러, 즉 캐소드 가스 입구 영역(104)으로부터 캐소드 가스 출구 영역(105)으로 전지의 제 1 및 제 2부분 둘 다를 가로질러, 실질적으로 제 1가스 흐름 방향(110)으로 흐르고 있다. 이와 같이, 제 1가스 흐름 방향이 제 2가스 흐름 방향에 반대이기 때문에, 본 발명의 이 구체예에 따르는 전지가 애노드 및 캐소드 가스에 대하여 전지의 제 1부분에 대향류, 그리고 전지의 제 2부분에 동축류를 가지는 도 1로부터 나타낼 수 있다.
도 2는 단지 하나의 애노드 가스 입구 영역(206) 및 하나의 애노드 가스 출구 영역(208)이 있고, 둘 다 본 분야에 알려진 바와 같이 내부 매니폴딩(나타내지 않음)에 의해 전지에서 구멍으로서 형성되는 본 발명의 다른 구체예를 나타낸다. 전지 애노드 표면(201)은 애노드 가스가 제 1애노드 가스 입구 영역(206)을 통해 들어가는 것을 나타낸다. 애노드 가스는 전지의 제 1애노드 부분(202)을 가로질러 제 2가스 흐름 방향(211)으로 흐른다. 그 다음, 인터커넥트를 향하는 가스 흐름 채널(나타내지 않음)에 의해, 애노드 가스는 반대인, 전지의 제 2애노드 부분(203)의 제 1가스 흐름 방향(210)으로 흐르도록 강제된 후, 제 1애노드 가스 출구 영역(208)을 통해 나간다. 전지의 반대로 보이지 않는 캐소드 면에서, 캐소드 가스는 캐소드 가스 입구 영역(204)을 통해 들어가고, 제 1가스 흐름 방향(210)으로 전지의 활성 캐소드 표면의 실질적으로 전체 부분을 가로질러 통과하고, 마지막으로 캐소드 가스 출구 영역(205)을 통해 나간다. 캐소드 가스 입구 및 출구 영역은 둘 다 본 분야에 알려진 외부 매니폴딩(나타내지 않음)에 의해 전지의 제 1 및 제 2가장자리로서 형성된다. 따라서, 애노드 가스는 제 1부분을 가로질러 제 2가스 흐름 방향으로 그리고 전지의 제 2부분을 가로질러 제 1가스 흐름 방향으로 흐르고, 캐소드 가스는 전지의 제 1 및 제 2부분 둘 다를 가로질러 제 1가스 흐름 방향으로 흐름에 따라, 전지는 애노드 및 캐소드 가스에 대하여 전지의 제 1부분을 가로질러 대향류 그리고 제 2부분을 가로질러 동축류를 가진다.
도 3의 도면은 작동 동안에 전지에서 따라서 전체 전지 스택에서 내부 온도 사이의 상관관계를 나타낸다. X-축에서, 캐소드 가스 흐름 방향에서 전지의 위치가 나타난다. 따라서, 위치 "0"은 상기에 언급된 전지의 제 1가장자리이고, 위치 (약) "8"은 캐소드 가스가 외부 매니폴딩을 통해 공급되고 따라서 전지의 전체 제 1 및 제 2가장자리에 의해 형성된 입구 및 출구 영역을 통해 전지에 들어가고 나가는 구체예에서 전지의 제 2의, 반대 가장자리이다. 도면의 Y-축은 섭씨 온도로 전지의 온도를 나타낸다. 전지는 본 발명에 따르는 캐소드 가스에 대해 애노드 가스의 조합된 대향류 및 동축류를 가진다.
이 조합된 흐름 패턴은 도 3에 나타낸 온도 프로파일로부터 명백하다: 전지의 제 1부분에서, 즉 약 위치 "0"부터 위치 "5.5"에서, 전지는 대향류를 가진다; 캐소드 가스는 제 1방향으로 흐르는 반면, 애노드 가스는 반대인 제 2방향으로 흐른다. 이것은 비교적 냉온 캐소드 가스가 전지에 들어가는 위치 "0" 근처에 비교적 낮은 온도로서 그래프에서 나타낼 수 있다. 비교적 고온 애노드 가스가 또한 위치 "0"에서 전지를 나가지만, 캐소드 가스 흐름이 애노드 가스 흐름보다 크기 때문에, 결과되는 온도는 이 위치에서 비교적 낮다.
위치 "0"부터 약 위치 "3.5"에서 계속, 캐소드 가스가 전지에서 전기화학 반응에 의해 가열됨에 따라, 전지 온도는 서서히 올라간다. 그 후, 들어가는 애노드 가스가 비교적 냉온이기 때문에, 제 1애노드 입구 영역이 접근됨에 따라, 전지 온도는 서서히 떨어지고, 따라서 전지의 결과되는 온도가 낮아진다. 그러나, 제 1애노드 가스 입구(약 위치 "5.5") 근처 위치에서 국부 최저 결과되는 온도는, 다시 애노드 가스 흐름이 캐소드 가스 흐름보다 작기 때문에, 위치 "0" 근처에 최저 결과되는 온도만큼 낮지 않고, 이로써 결과되는 온도에 비교적 낮은 영향을 가진다. 여기까지, 위치 "0"부터 약 위치 "5.5"에서, 전지 온도 프로파일은 최신 대향류 전지에 대응한다.
위치 "5.5" 근처에서, 위치 "0" 근처에 제 1애노드 가스 출구 영역을 통해 전지를 나간 애노드 가스는 제 2애노드 가스 입구 영역을 통해 전지에 다시 들어가고 제 2흐름 통과를 수행한다. 이제, 애노드 가스는 제 1가스 흐름 방향으로 흐르고, 이와 같이, 약 위치 "5.5"부터 약 위치 "8"에서, 전지는 캐소드 가스에 대해 애노드 가스의 동축류를 가진다. 결과는 온도 그래프에 명백히 나타난다: 약 위치 "5.5"부터 "8"에서, 애노드 가스 및 캐소드 가스 둘 다 전지의 제 1부분에서 흐름 통과 동안 이미 사전-가열됨에 따라, 온도는 신속히 증가한다. 전지의 제 2부분에 들어갈 때, 제 1경사가 대략 캐소드 가스의 수준 및 애노드 가스 온도로 증가한 후, 결과되는 온도는, 결과되는 온도가 장비의 내구성을 고려한 스택의 최대 허용가능 온도에 가깝거나 또는 동일한 최대 온도에 도달한, 위치 "8" 근처에 전지의 제 2가장자리의 모든 통로를 더욱 서서히 증가시킨다. 온도 프로파일의 이러한 제 2부분(초기 경사 온도 증가를 무시할 때)은 최신 동축류 전지의 온도 프로파일에 대응한다. 초기 경사 온도 증가는 순수 수소 영역(즉, 동축류 부분)에 발달된 많은 양의 열이 동축류 부분의 입구 영역에 퍼지는 효과를 가지는 인터커넥트에서 상당한 수평 열 전도에 의해 야기된 다른 것들 중 하나이다.
도 4에서, 비교를 위해, 이러한 동축류 전지에 대한 온도 프로파일이 나타날 수 있다. 둘 다 냉각 효율을 최소화하는 언급된 이점을 가지는 동일한 최대 온도에 대략 도달하는데, 이것은, 예를 들어 가스 취입기에 대한 기생 손실을 최소화한다. 그러나 전체 전지의 평균 온도는 도 4에 나타낼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르는 조합된 대향류 / 동축류 전지보다 동축류 전지가 상당히 낮다. 이것은 도 3 및 도 4를 비교할 때 명백하다. 따라서, 도 3에 나타낸 바와 같이 조합된 흐름 전지의 온도 프로파일은 비교적 높은 평균 전지 온도뿐만 아니라 가스의 높은 출구 온도를 가지고, 이로써 비교적 낮은 ASR 및 비교적 높은 냉각 효율 둘 다의 이점을 가진다.
실시예
고체 산화물 연료 전지 스택에 대해, 동축류, 대향류 및 조합된 역-동축류를 위한 전력 밀도는 하기 조건하에서 계산된다:
연료 타입: 사전에 개질된 천연 가스
연료 활용: 86%
공기 활용: 25%(경우 1-3에 대해, 경우 4-5는 다양함)
공기 및 연료 입구 온도: 700℃
스택의 최대 온도: 825℃
전지 타입: 1(LSM 캐소드)
이들 특정 조건하에서, 대향류에 대한 실질적인 총 활성 영역의 66%, 그리고 동축류에 대한 실질적인 총 활성 영역의 34%로, 전지 영역의 제 1영역으로의 분할은, 전력 밀도를 최소화할 때, 본 발명에 따르는 최적에 가깝다. 조합된 역-동축류 경우는 순수 대향류 및 순수 동축류 최신 스택과 비교된다:
Figure pct00004
동일한 공기 활용에서, 상당한 전력 밀도 증가는, 대향류와 비교해 10%의 전기 효율의 강하를 야기하는 약간 낮은 전지 전압의 결과를 갖는 조합된 역-동축류 형태로 얻어진다.
작동 사양을 757mV의 고정 전지 전압(고정 전기 효율을 의미함)으로 변화시키면, 대향류 및 동축류 스택의 전류 밀도는, 공기 활용이 감소되면, 증가될 수 있다. 이러한 효과가 경우 4 및 5에 의해 나타난다.
조합된 흐름 형태로서 동일한 효율 및 전력 밀도를 가지는 대향류와 비교하면, 조합된 흐름 경우의 공기 흐름은 40% 더 낮아져, 예를 들어 취입기 전력 및 열 교환기 비용을 최소화한다. 이것은 또한, 취입기가 대부분의 시스템에서 가장 큰 기생 손실로 구성되기 때문에 가장 중요하다.
조합된 역-동축류 경우를 동축류 경우와 비교하면, 조합된 경우가 명백히 더 나은 선택이다. 동일한 전기 효율(전지 전압)을 가지면, 동축류 스택의 전력 밀도는 22% 더 낮고, 공기 흐름은 약간 더 높다.
전형적인 작동 조건, 개질 연료 및 특정 전지 타입으로 분할하는 전지 영역에 대해 대부분의 공통 범위는 동축류 영역의 20 내지 40%이다.
예를 들어, 더 큰 전지 또는 더 빠른 개질의 경우에서, 대향류 부분의 출구 온도는 더 낮아지고, 동축류 부분은 총 전지 영역의 더 큰 부분으로 구성되어야한다. 이것은 변화된 작동 파라미터(공기 활용, 연료 활용, 입구 및 출구 온도, 그리고 연료 조성)의 경우에서 일반적인 규칙이다; 대향류 부분 출구가 비교적 낮거나, 또는 동축류 부분의 네른스트 전위(Nernst potential)가 낮으면, 동축류 부분은 전지의 더 큰 부분, 예를 들어 40 내지 50%로 구성되어야 한다.
역으로, 대향류 부분 출구 온도 또는 동축류 부분의 네른스트 전위를 비교적 높은 수준으로 증가시키기 위해 동일한 작동 파라미터 및 전지 특징을 사용하는 것이 또한 가능하다. 그러한 경우에서, 동축류 부분은 전지 영역의 단지 작은 부분, 예를 들어 5 내지 20%로 구성될 수 있다. 작은 동축류 부분은, 동축류 스택이 낮은 전지 전압에서 작동될 수 있기 때문에, 직렬 연결의 2개의 스택의 경우에서 또한 관련되어, 더 많은 열을 발생시킨다.

Claims (15)

  1. 연료 전지 또는 전기분해 전지로서 작동하기에 적합하고, 전지 스택에 복수의 전지 층을 형성하도록 서로의 상부에 스택된 복수의 전지를 포함하는 전지 스택으로서, 상기 전지의 각각은,
    - 애노드,
    - 전해질, 및
    - 캐소드를 포함하며,
    각 전지는 평평하고,
    - 적어도 하나의 가장자리,
    - 적어도 하나의 애노드 가스 입구 영역,
    - 적어도 하나의 애노드 가스 출구 영역,
    - 적어도 하나의 캐소드 가스 입구 영역, 및
    - 적어도 하나의 캐소드 가스 출구 영역을 가지며,
    전지의 각 층은 각 면, 즉 인접한 전지의 애노드 면을 향하고 애노드 가스 흐름을 제공하는 제 1면, 및 인접한 전지의 캐소드 면을 향하고 캐소드 가스 흐름을 제공하는 제 2면에서 가스 흐름 채널을 갖는 인터커넥트에 의해 분할되며, 각 전지의 제 1부분은 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 대향류를 가지고, 각 전지의 제 2부분은 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 동축류를 가지는, 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
  2. 제 1항에 있어서, 캐소드 가스는 각 전지의 실질적으로 전체 캐소드 부분을 가로질러 제 1방향으로 흐르고, 애노드 가스는 각 전지의 제 1애노드 부분을 가로질러 제 1방향의 반대인 제 2방향으로 흐르고 각 전지의 제 2애노드 부분을 가로질러 상기 제 1방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
  3. 제 2항에 있어서,
    - 캐소드 가스 입구 영역은 전지의 제 1가장자리 근처에 위치되고,
    - 캐소드 가스 출구 영역은 전지의 제 2가장자리 근처에 위치되고,
    - 제 1애노드 가스 입구 영역은 전지의 제 1 및 제 2가장자리 사이에 위치되고,
    - 제 1애노드 가스 출구 영역은 전지의 제 1가장자리 근처에 위치되고,
    - 제 2애노드 가스 입구 영역은 전지의 제 1 및 제 2가장자리 사이에 위치되고,
    - 제 2애노드 가스 출구 영역은 전지의 제 2가장자리 근처에 위치되는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
  4. 제 3항에 있어서, 각 전지의 제 1애노드 가스 출구 영역으로부터 애노드 가스를 수집하고 혼합하고, 혼합된 애노드 가스를 추가로 각 전지의 제 2애노드 가스 입구 영역으로 분포시키기에 적합한 매니폴딩을 포함하며, 이로써 애노드 가스는 캐소드 가스에 대해 대향류로 제 1흐름 통과를 수행하고, 상기 수집, 혼합 및 분포 후, 상기 애노드 가스는 캐소드 가스에 대해 동축류로 제 2흐름 통과를 수행하는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 각 전지의 애노드 면을 향하는 가스 흐름 채널은 각 전지의 제 1부분을 가로질러 제 1방향으로 애노드 가스 흐름을 제공하기에 적합하고, 각 전지의 제 2부분을 가로질러 제 1방향의 반대인 제 2방향으로 애노드 가스 흐름을 제공하기에 적합한 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
  6. 제 1항에 있어서, 애노드 가스는 각 전지의 실질적으로 전체 애노드 부분을 가로질러 제 1방향으로 흐르고, 캐소드 가스는 각 전지의 제 1캐소드 부분을 가로질러 제 1방향의 반대인 제 2방향으로 흐르고 각 전지의 제 2캐소드 부분을 가로질러 상기 제 1방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
  7. 제 6항에 있어서,
    - 애노드 가스 입구 영역은 전지의 제 1가장자리 근처에 위치되고,
    - 애노드 가스 출구 영역은 전지의 제 2가장자리 근처에 위치되고,
    - 제 1캐소드 가스 입구 영역은 전지의 제 1 및 제 2가장자리 사이에 위치되고,
    - 제 1캐소드 가스 출구 영역은 전지의 제 1가장자리 근처에 위치되고,
    - 제 2캐소드 가스 입구 영역은 전지의 제 1 및 제 2가장자리 사이에 위치되고,
    - 제 2캐소드 가스 출구 영역은 전지의 제 2가장자리 근처에 위치되는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
  8. 제 7항에 있어서, 각 전지의 제 1캐소드 가스 출구 영역으로부터 캐소드 가스를 수집하고 혼합하고, 혼합된 캐소드 가스를 추가로 각 전지의 제 2캐소드 가스 입구 영역으로 분포시키기에 적합한 매니폴딩을 포함하며, 이로써 캐소드 가스는 애노드 가스에 대해 대향류로 제 1흐름 통과를 수행하고, 상기 수집, 혼합 및 분포 후, 상기 캐소드 가스는 애노드 가스에 대해 동축류로 제 2흐름 통과를 수행하는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
  9. 제 1항 또는 제 6항에 있어서, 각 전지의 캐소드 면을 향하는 가스 흐름 채널은 각 전지의 제 1부분을 가로질러 제 1방향으로 캐소드 가스 흐름을 제공하기에 적합하고, 각 전지의 제 2부분을 가로질러 제 1방향의 반대인 제 2방향으로 캐소드 가스 흐름을 제공하기에 적합한 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 대향류를 가지는 각 전지의 제 1부분은 동축류를 가지는 각 전지의 제 2부분보다 크며, 상기 제 1부분은 바람직하게는 각 전지의 50% 내지 95% 또는 바람직하게는 각 전지의 70% 내지 85%인 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 전지는 고체 산화물 연료 전지 또는 고체 전기분해 전지인 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택.
  12. 복수의 전지를 포함하는 적어도 하나의 전지 스택의 작동 방법으로서, 상기 전지는 연료 전지 또는 전기분해 전지로서 작동하기에 적합하고 적어도 하나의 전지 스택에 복수의 전지 층을 형성하도록 서로의 상부에 스택되며, 상기 전지의 각각은 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함하고, 각 전지는 평평하고 적어도 하나의 가장자리, 적어도 하나의 애노드 가스 입구 영역, 적어도 하나의 애노드 가스 출구 영역, 적어도 하나의 캐소드 가스 입구 영역 및 적어도 하나의 캐소드 가스 출구 영역을 가지며, 전지의 각 층은 각 면, 즉 인접한 전지의 애노드 면을 향하고 애노드 가스 흐름을 제공하는 제 1면, 및 인접한 전지의 캐소드 면을 향하고 캐소드 가스 흐름을 제공하는 제 2면에서 가스 흐름 채널을 갖는 인터커넥트에 의해 분할되며, 상기 방법은,
    - 총 전지 영역의 절반 이상을 가로질러 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 대향류를 제공하는 단계, 및
    - 총 전지 영역의 절반 미만을 가로질러 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 동축류를 제공하는 단계를 포함하는, 복수의 전지를 포함하는 적어도 하나의 전지 스택의 작동 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    - 애노드 및 캐소드 가스 흐름 둘 다에 대하여 직렬 연결되는 2개의 전지 스택 중 제 1전지 스택에 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 대향류를 제공하는 단계, 및
    - 애노드 및 캐소드 가스 흐름 둘 다에 대하여 직렬 연결되는 2개의 전지 스택 중 제 2전지 스택에 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 동축류를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 적어도 하나의 전지 스택의 작동 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따르는 복수의 전지를 포함하는 적어도 하나의 전지 스택을 작동하는 방법이며, 상기 방법은,
    - 적어도 하나의 전지 스택에서 각 전지의 제 1부분에 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 대향류를 제공하는 단계, 및
    - 적어도 하나의 전지 스택에서 각 전지의 제 2부분에 캐소드 가스 흐름 방향에 대해 애노드 가스 흐름 방향의 동축류를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 전지를 포함하는 적어도 하나의 전지 스택의 작동 방법.
  15. 고체 산화물 연료 전지 스택 또는 고체 산화물 전기분해 전지 스택으로서 작동하도록 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따르는 복수의 전지를 포함하는 전지 스택의 사용.
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