KR20140098084A - 직접 탄소 전지화학 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직접탄소 연료전지(DCFC) 시스템(5)에 관한 것으로, 이 시스템은 전지화학 전지를 포함하고, 이 전기화학 전지(10)는 캐소드(30), 고체 상태 전해질(25), 및 애노드(20)를 포함하며, 이 시스템은 제 2 전해질(125)과 연료(120)를 담고 있는 애노드 챔버를 더 포함한다. 이 시스템은, 제 2 전해질로서 용융 탄산염을 사용할 때, 퍼지 기체 입구(60)를 통해 이산화탄소로 바람직하게 퍼지된다.

Description

직접 탄소 전지화학 전지{DIRECT CARBON ELECTROCHEMICAL CELL}
본 발명은 연료 전지와 같은, 전기화학 전지에 관한 것이다. 특히 본 발명은 직접 탄소 연료 전지에 관한 것이지만, 그것에만 국한되지는 않는다.
파워(power) 발생을 위해 탄소 연료들이 오랫동안 사용되어 왔고, 넓고 풍부한 범위의 탄소 매장량이 존재한다. 탄소 연료들의 예로는 바이오매스(biomass)(예를 들면, 목재, 야자각(coconut shell)들), 석탄, 석유 코크(정제시 증류 공정으로부터의 찌꺼기), 열분해 탄소, 및 도시 쓰레기들로부터 생긴 물질들이 있다.
고체 연료를 이용하여 동작하는 연료 전지들은 기체 연료를 이용하여 동작하는 연료 전지들보다 높은 에너지 밀도들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 고체 탄소는 메탄(4.2kWh/L), 수소(2.4kWh/L) 또는 디젤(9.8kWh/L))과 같은 기체 연료와 액체 연료들에 비해 단위 체적당 높은 에너지 밀도(즉, 20.0kWh/L)를 담고 있다.
이러한 점에서, 탄소가 전기로 직접 변환되는 직접 탄소 연료 전지들은 큰 희망을 보여준다. 탄소 연료 전지들의 전기 효율은, 일반적으로 약 30 내지 40%의 효율로 제한되는 일반적인 석탄을 때는 발전소들에 비해 100%에 가깝게 도달할 수 있다. 또한, 직접적인 탄소 연료 전지들에 의해 만들어진 탄소 산화 생성물(즉, 이산화탄소)은 석탄을 때는 발전소로부터의 배출물들에 비해 비교적 순수한데, 이러한 석탄을 때는 발전소로부터 나오는 배출물들은 질소 및 황 산화물들과 미세 먼지와 같은 바람직하지 않은 생성물들을 포함할 수 있다. 산화 생성물의 상대적 순수성은 고가의 많은 에너지를 소비하는 격리와 세정 공정들 없이, 더 간단한 격리를 허용한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 직접 탄소 연료 전지들은 애노드들에서의 산화체(oxidant)에 의해 전기화학적으로 산화되는 연료로서 탄소가 사용되는 전기화학 전지들이다. "직접(direct)"이라는 용어의 사용은 하나의 공정으로, 즉 크래킹(cracking)과 같은 외부 공정들 없이 연료의 직접적인 변환을 표시하는 의미로 사용된다. 예를 들면, 직접 반응은 하나의 챔버에서의 기체화 및 연료 전지 반응들을 포함할 수 있다. 게다가, 비록 연료 전지라는 용어가 사용되지만, 전기화학 전지는 연료 및/또는 산화체로 계속해서 채워질 필요가 없다는 점을 알게 된다. 전지의 적어도 하나의 애노드 및/또는 캐소드 측은 배터리에 좀더 가까운 단일 사용 공정이나 일괄(batch) 공정을 사용하여 동작될 수 있다는 점을 알게 된다.
용융염(molten salt) 전해질을 가지는 전지들, 고체 멤브레인(membrane)을 포함하는 전해질을 가지는 전지들, 및 그들 모두를 조합한 것을 가지는 전지들과 같은 다양한 타입의 직접 탄소 연료 전지가 이용 가능하다. 용융염 기반 전지들에서는, 탄산염들(CO3 2 -)이나 수산화물(OH-)이 주된 산화체 이온들인데 반해, 고체 전해질 시스템들에서는, O2 -와 같은 산소 음이온들이 주된 산화체이다.
용융염 시스템들은 부식과 관련된 문제들을 겪게 된다. 전해질이 완전히 고체 상태인 전지들은 고체 산화물 전해질과 연료 사이의 접촉시 감소로 인한 대량 수송(mass transport) 문제들을 겪을 수 있다.
직접 탄소 연료 전지들의 예들은 WO2006/061639호와 US2006/0019132호에 설명되어 있고, 이들은 고체 전해질들을 가지는 전지들과, 연료 및 액체 전해질을 포함하는 애노드들을 설명한다.
고체 산화 전해질을 포함하는 직접 탄소 연료 전지의 이상적인 반응에서, 탄소는 다음과 같이 이산화탄소로 직접 산화된다.
C+2O2 - → CO2+4e-
하지만, 실제 애노드 반응들은 좀더 복잡할 수 있다. 예를 들면, 일산화탄소에 대한 탄소의 부분적인 산화 또한 가능하다:
C+O2 - → CO+2e-
이들 반응은 고체/고체 상호작용을 필요로 하는데, 이는 O2 - 이온이 고체 전해질로부터 공급되기 때문이다. 하지만, 용융된 탄산염 전해질을 또한 가지는 직접 탄소 연료 전지들은 반응을 향상시킬 수 있는데, 이는 용융된 탄산염이 다음과 같이 매개자(mediator)로서 작용할 수 있기 때문이다.
C+2CO3 2 - → 3CO2+4e-
C+CO3 2 - → CO+CO2+2e-
이들 반응 다음에는 다음과 같이 탄산염 이온들의 재생성이 일어날 수 있다.
CO2+O2 - → CO3 2 -
탄소는 역 부다(reverse boudouard) 반응으로서 알려진 비(non) 전기화학 반응을 거쳐 변환될 수도 있다.
C+CO2 → 2CO
위 반응들 중 일부에서 생성된 일산화탄소는 다음과 같이, 직접 탄소 연료 전지의 애노드에서 일산화탄소의 전기화학적 산화를 거쳐 전력으로 변환될 수 있다:
CO+O2 - → CO2+2e-
비록, 전술한 직접 탄소 연료 전지 시스템들이 좋은 희망을 보여주지만, 본 발명의 적어도 하나의 목적은 직접 탄소 연료 전지 시스템들의 성능을 향상시키고/향상시키거나, 특히 상업적 또는 스케일이 업된(scaled up) 시스템들에 관해 직접 탄소 연료 전지 시스템들에서의 적어도 하나의 문제를 최소화하거나 제거하는 것이다.
특히, 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 적어도 하나의 목적은 널리 이용 가능한 폐기물을 포함하여 탄소 기반의 연료 자원들로부터 높은 파워 밀도를 제공할 수 있는 향상된 직접 탄소 연료 전지 시스템을 제공하고, 이로 인해 경쟁력 있는 성능과 내구성을 달성하는 실제 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 전기를 만들기 위한 전기화학적 시스템을 제공하고, 이러한 시스템은 전기화학 전지를 포함하며, 이러한 전기화학 전지는 캐소드, 고체 상태의 제 1 전해질, 및 애노드를 포함하고, 이 경우 시스템은 제 2 전해질과 연료를 수용하기 위한 애노드 챔버를 또한 포함한다.
이러한 시스템은 직접 탄소 연료 전지 시스템을 포함하거나 직접 탄소 연료 전지 시스템에 포함될 수 있다.
이러한 시스템은 600℃와 850℃ 사이의 온도 범위에서 동작 가능하거나 동작하도록 구성된다. 대조적으로, 고체 전해질을 포함하는 종래의 직접 탄소 연료 전지 시스템들은 통상적으로 1000℃까지의 온도에서 사용된다.
본 발명의 시스템은 하이브리드 연료 전지 시스템을 포함하거나 하이브리드 연료 전지 시스템에 포함될 수 있다. 제 2 전해질은 바람직하게는, 동작 조건, 예컨대 600℃와 850℃ 사이의 온도 범위에서 적어도 부분적으로 용융될 수 있다. 전해질은 동작 조건 하의 용융된 염을 포함할 수 있다. 연료는 고체일 수 있고, 가루 상태이거나 알갱이 형태로 있을 수 있다. 연료는 제 2 전해질에서 적어도 부분적으로 배치될 수 있다.
박막 공정을 이용하여 제 1 전해질 및/또는 애노드 및/또는 캐소드가 제공될 수 있다. 이 전해질은 더 두꺼운 전극, 통상적으로 애노드 상에서 지지된 박막 전해질일 수 있다. 이 전해질은 두께가 50㎛ 미만, 그리고 바람직하게는 10㎛ 미만일 수 있다. 0.2㎜ 내지 1㎜ 두께의 애노드 지지체가 일반적일 수 있다.
애노드 챔버는 애노드 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다. 이러한 애노드 하우징은 실린더와 같은 속이 빈 구조를 규정할 수 있는 적어도 하나의 애노드 챔버 벽을 포함할 수 있다. 이 애노드 챔버는, 예컨대 적어도 하나의 애노드 챔버 벽으로부터 연장할 수 있는 닫힘 부재에 의해 적어도 부분적으로 닫힐 수 있다. 애노드 하우징은 구멍을 규정할 수 있다. 애노드 하우징의 구멍은 전기화학 전지에 의해 닫히거나 닫혀질 수 있는데, 이는 애노드 챔버가 적어도 하나의 애노드 챔버 벽, 닫힘 부재, 및 전기화학 전지에 의해 규정되도록 이루어진다.
애노드 챔버는, 예컨대 퍼지 기체를 공급 및/또는 배출하기 위한 적어도 하나의 기체 입구 및/또는 출구를 포함할 수 있다. 이 시스템은 이산화탄소, 또는 헬륨, 아르곤 또는 질소와 같은 비활성 기체를 포함하거나 이들 기체로 이루어지거나 기체화를 돕기 위한 증기를 함유하는 퍼지 기체를 제공하도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 애노드 챔버 벽과 애노드 하우징의 닫힘 부재는 일체형으로 형성될 수 있다. 애노드 하우징은 SS316 그레이드(grade)의 스테인레스 스틸과 같은 스테인레스 스틸로부터 유리하게 형성될 수 있거나, 그러한 스테인레스 스틸을 포함한다. 애노드 챔버는 알루미나와 같은 세라믹 물질로부터 선택적으로 형성될 수 있거나, 그러한 세라믹 물질을 포함한다.
애노드 챔버에는 전기화학 전지를 지지하기 위한 적어도 하나의 지지 부재와 바람직하게는 복수의 지지 부재가 제공될 수 있다. 이러한 지지 부재들은 닫힘 부재 및/또는 적어도 하나의 챔버 벽으로부터 연장할 수 있다. 지지 부재들은 닫힘 부재 및/또는 챔버 벽과 일체로 될 수 있다. 지지 부재들은 기둥들을 포함할 수 있다. 이러한 지지 부재들은 애노드 챔버 벽의 끝, 즉 전기화학 전지에 가장 가까운 애노드 챔버 벽의 부분에 의해 규정된 구멍과 실질적으로 같은 레벨 또는 평면인 위치까지 연장할 수 있다. 사용시, 지지 부재들은 시스템의 적어도 하나의 동작 상태에서 전기화학 전지와 접촉, 전기화학 전지를 지지 및/또는 전기화학 전지에 압력을 가하도록 배치될 수 있다. 그러한 지지 부재들의 제공은 전기화학 전지의 변형을 방지할 수 있다.
이러한 시스템은 애노드 챔버 실(seal)을 포함할 수 있다. 애노드 챔버 실은 애노드 챔버 벽들의 원위(distal) 면(즉, 전기화학 전지에 가장 가까운 애노드 챔버 벽의 면) 상에 제공될 수 있다. 이러한 식으로, 애노드 챔버 실은 애노드 하우징과 전기화학 전지 사이에 제공되거나 제공될 수 있다. 애노드 챔버 실은 바람직하게는 평면 형상이고, 예컨대 링(ring)의 형태로 애노드 챔버 벽의 끝을 보완하도록 형상을 가질 수 있다.
애노드 챔버 실은 적어도 제 1 실과 제 2 실을 포함할 수 있다.
애노드측 전류 컬렉터가, 예컨대 애노드 챔버에 또는 애노드 챔버에 가장 가깝게 전기화학 전지의 애노드측 상에 제공될 수 있다. 애노드측 전류 컬렉터는 금속 와이어 및/또는 예컨대 니켈 메시(mesh) 또는 은 메시와 같은 메시를 포함할 수 있다. 애노드측 전류 컬렉터는 실질적으로 평면 형상인 하나 이상의 메시의 시트(sheet)를 포함할 수 있다. 전기적 접속기(electrical connector)가 애노드측 전류 컬렉터로부터 연장할 수 있고, 애노드측 전류 컬렉터로의 전기적 접속들이 이루어지는 것을 허용하도록 애노드 챔버로부터 외부적으로 연장하게 적어도 제 1 애노드 실과 제 2 애노드 실 사이에서 연장할 수 있다. 애노드측 전류 컬렉터는 적어도 하나의 애노드 챔버 벽과 전기화학 전지의 애노드 사이에서 고정될 수 있고, 바람직하게는 또한 제 1 애노드 실 부분과 제 2 애노드 실 부분 사이에서 실링될 수 있다.
애노드 하우징은 전기화학 전지가 제공, 고정 및/또는 애노드 하우징과 캐소드 하우징 사이에서 클램핑되도록 캐소드 하우징에 장착되거나 장착될 수 있는데, 이 경우 고체 애노드는 애노드 하우징 쪽으로 제공되고 캐소드는 캐소드 하우징 쪽으로 제공된다.
전지화학 전지는 적어도 하나의 지지 기판 및/또는 상호접속(interconnect) 층을 포함할 수 있다는 것을 알게 된다.
캐소드 하우징은, 예컨대 공기 및/또는 산소와 같은 산화체를 받아들이고/받아들이거나 배출하기 위한 하나 이상의 개구(opening)를 포함할 수 있다. 이러한 개구들은 기체 흐름 패턴을 형성할 수 있다. 캐소드 챔버는 스테인레스 스틸 316과 같은 스테인레스 스틸로부터 형성될 수 있다.
캐소드 챔버에는 캐소드측 전류 컬렉터가 제공될 수 있다. 이러한 캐소드측 전류 컬렉터는 금속 와이어 또는 은이나 스테인레스 스틸 메시와 같은 메시를 포함할 수 있고, 바람직하게는 은이 코팅된 스테인레스 스틸 메시를 포함할 수 있다. 은이 코팅된 전류 컬렉터는 캐소드측 전류 컬렉터의 내산화성(oxidation resistance)을 향상시킬 수 있다.
캐소드와 캐소드측 전류 컬렉터 사이에는 접속기(connector)가 제공될 수 있다. 이 접속기는 테이프 및/또는 페이스트(paste)를 포함할 수 있다. 이 접속기는, 예컨대 LSM(Lanthanum Strontium Manganite)과 같은 고체 산화물과 같은 캐소드 물질을 포함할 수 있다. 테이프는 두께가 200㎛와 400㎛ 사이에 있다. 캐소드와 캐소드측 전류 컬렉터 사이에 테이프를 제공하는 것은 캐소드로부터의 전류 수집을 향상시킬 수 있다.
전기화학 전지의 캐소드와 캐소드 하우징 사이에는 캐소드측 실이 제공될 수 있다. 이 캐소드측 실은 적어도 2개 그리고 바람직하게는 적어도 3개의 캐소드 실을 포함할 수 있다. 적어도 제 1 캐소드 실은 캐소드와 캐소드측 전류 컬렉터 사이에 제공될 수 있다. 적어도 하나의 그리고 바람직하게는 적어도 2개의 제 2 캐소드 실이, 캐소드측 전류 컬렉터와 캐소드 하우징 사이에 제공될 수 있다.
애노드 챔버 실 및/또는 캐소드측 실은 전기 절연 실들을 포함할 수 있다. 애노드 챔버 실 및/또는 캐소드측 실은 광물(mineral) 실을 포함할 수 있다. 애노드 챔버 실 및/또는 캐소드측 실은 동석(steatite), 질석(vermiculite) 및/또는 열적으로 및/또는 화학적으로 박리된 질석과 같은 박리된 질석과 같은 질석 유도체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 애노드 챔버 실 및/또는 캐소드 챔버 실은 바람직하게는 중합체가 없는 것일 수 있다. 이들 물질을 포함하는 실들은 높은 동작 온도(예를 들면, 600℃ 내지 850℃)에서 안정한 실을 제공할 수 있어서 직접 탄소 연료 전지들에서 사용하기에 특히 적합한 것으로 발견되었고, 동작 조건 하에서 제 2 전해질의 탄산염들에 의한 열화(degradation)에 저항성이 있음이 발견되었다. 또한 위에서 설명된 실링 설비는, 예컨대 애노드 및/또는 캐소드 하우징들과 전기화학 전지 사이의 열적 팽창 불합치(mismatch)와 연관된 문제들을 극복하는데 도움을 준다.
대안적이거나 추가적인 실시예에서, 위 실들 중 적어도 하나는 세라믹 및/또는 세라믹 접착제(adhesive)를 포함할 수 있다.
이러한 시스템은 실링되거나 실링될 수 있다. 예컨대, 적어도 하나의 그리고 바람직하게는 적어도 2개의 볼트 구멍이 애노드 하우징 및/또는 캐소드 하우징에 제공될 수 있다. 바람직하게는, 적어도 4개의 볼트 구멍이 제공될 수 있다. 볼트 구멍들은 마주보는 쌍들에 제공될 수 있다. 알루미나 튜브와 같은 전기 절연 물질의 슬리브(sleeve)가 적어도 하나의 그리고 바람직하게는 각각의 볼트 구멍에 제공되거나 제공될 수 있어, 절연 슬리브들이 애노드 하우징 및/또는 캐소드 하우징과 볼트 구멍들에 제공된 임의의 볼트들 사이에 위치할 수 있다. 이러한 식으로, 절연 슬리브들에 의해 전지의 단락이 방지되면서, 볼트들을 이용하여 애노드 하우징과 캐소드 하우징 사이에 충분한 압축 힘이 인가될 수 있다. 위에서 설명된 압축 실링 설비는 누설(leak)들을 방지하기에 특히 적합한 것으로 발견되었다.
전기화학 전지는 평면형(planar) 전지를 포함할 수 있다. 이 시스템은 스택(stack)을 형성하기 위해 복수의 유사한 시스템이 제공되도록 구성될 수 있다.
애노드 및/또는 캐소드는 동작 상태 하에서 고체 상태일 수 있다. 애노드, 전해질 및/또는 캐소드 중 적어도 하나는 고체 산화물 물질을 포함할 수 있다.
캐소드는 LSM(lanthanum strontium manganite), LSC(lanthanum doped strontium cobalt oxide)과 같은 고체 상태 금속 산화물, 또는 식 (A1- xSrx)1- yBO3 -γ를 가진 혼합된 이온/전기 전도성 세라믹 중 적어도 하나를 포함하고, 이 경우 A는 란탄 또는 바륨이고, B는 망간, 철, 코발트 또는 그것들의 조합일 수 있다. 캐소드는 위 캐소드 물질들 중 적어도 하나 외에 YSZ(yttria stabilised zirconia)를 포함할 수 있다.
시스템은 캐소드 상에 또는 캐소드에 인접하게 있을 수 있는 간층(interlayer)을 포함할 수 있다. 이 간층은 캐소드와 제 1 전해질 사이에 제공될 수 있다. 이 간층은 제 1 전해질과 캐소드 모두와 다른 물질 조성을 가질 수 있다. 그러한 간층의 사용은 캐소드와 제 1 전해질 사이의 반응을 방지함으로써, 최적의 캐소드와 전해질 물질들의 사용을 가능하게 할 수 있다. 간층에 사용될 수 있는 적합한 물질의 예에는 간돌리늄(gandolinium)으로 도핑된 세리아(ceria)가 있다.
고체 애노드는 고체 상태 금속 및/또는 니켈, 백금, 팔라듐, 아연, 철 또는 세리아와 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 이 금속 산화물은 탄소 연료에 의해 제자리에 감소될 수 있다. 애노드 물질들의 적합한 예들에는 복합 니켈 산화물 및 YSX, 니켈 서밋(cermet)이 포함된다.
제 1 전해질은 하프니아, 지르코니아, 알루미나, 이트리아, 세리아, 란타늄 갈레이트 등과 같은 고체 상태의 금속 산화물 전도성 산소 이온들을 포함할 수 있다.
제 1 전해질은 바람직하게, 그리고 유리하게 이트리아 안정화된 지르코니아(yttria stabilised zirconia)를 포함할 수 있고, 입방 결정 구조를 가질 수 있다.
제 2 전해질은 동작 조건 하에 용융될 수 있다. 제 2 전해질은 다음 금속 수산화물/금속 카보네이트들 즉, 수산화 리튬, 수산화 나트륨, 수산화 칼륨 또는 그것들의 혼합물; 탄산 리튬, 탄산 나트륨, 탄산 칼륨 또는 그것들의 혼합물 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 바람직하게, 제 2 전해질은 리튬과 탄산 칼륨의 혼합물을 62:38 몰%비로 포함할 수 있다.
애노드 챔버는 탄소질 연료(carbonaceous fuel)와 같은 고체 상태 연료 물질을 포함하거나 수용하도록 구성될 수 있다. 연료는 마이크로 또는 나노 입자 형태와 같은 입자 또는 가루 형태로 되어 있을 수 있다. 연료는, 예컨대 열분해 중밀도 섬유판(p-MDF), 석탄, 코크, 흑연, 카본 블랙 또는 활성탄 등을 포함할 수 있다.
전기화학 전지 시스템은 연료 및 제 2 전해질을 사용하여 동작 가능하고/가능하거나 애노드 챔버가 적어도 1:1의 중량비, 바람직하게는 적어도 2:1의 중량비, 및 가장 바람직하게는 적어도 4:1의 중량비로 연료 및 제 2 전해질을 포함 또는 수용하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 제 2 전해질은 연료에 대해 25wt% 이하로 유리하게 제공될 수 있다. 전기화학 전지 시스템은 동작 가능하고/동작 가능하거나 애노드 챔버가 80:20보다 큰 몰비로, 바람직하게는 90:10보다 큰 몰비로, 가장 바람직하게는 97:3과 같이 적어도 95:5의 몰비로 연료와 제 2 전해질을 포함 또는 수용하도록 구성될 수 있다.
애노드 챔버는 입자 또는 가루 형태일 수 있는 촉매를 포함하거나 또는 수용하도록 구성될 수 있다. 이 촉매는 니켈과 같은 금속을 포함할 수 있다. 촉매로서 사용될 수 있는 물질들의 다른 예들에는 백금, 팔라듐, 구리 및/또는 철이 포함된다. 전해질에 대해 적어도 10wt%, 바람직하게는 적어도 25wt%의 촉매가 제공될 수 있다.
애노드 챔버에는 교반기, 스터러(stirrer) 등이 제공되고 초음파파쇄(sonification)가 제공될 수 있다.
본 발명의 시스템은 연료 및/또는 제 2 전해질을 애노드 챔버에 공급하기 위한 피더(feeder)를 포함할 수 있다.
본 발명의 시스템은 연료 전지로서 동작 가능하거나 연료 전지에 포함되거나 포함될 수 있다.
본 발명의 시스템은 배터리로서 동작 가능하거나 배터리에 포함되거나 포함될 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면 제 1 양태의 적어도 2개의 시스템을 포함하는 스택 또는 조립체가 제공된다. 적어도 2개의 시스템은 공통 연료 공급 및/또는 배출 및/또는 공통 산화체 공급 및/또는 배출에 의해 링크될 수 있고/있거나 전기적으로 접속될 수 있다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 제 1 양태의 시스템과 사용하기 위한 애노드 하우징이 제공된다.
이러한 애노드 하우징은 애노드 챔버를 규정할 수 있다. 이러한 애노드 하우징은 적어도 하나의 챔버 벽을 포함할 수 있는데, 이러한 챔버 벽은 예컨대 적어도 하나의 챔버 벽으로부터 하우징의 끝에 적어도 부분적으로 가깝게 연장할 수 있는 닫힘 부재에 의해 적어도 부분적으로 닫힐 수 있다. 애노드 챔버는 열린 단부(open end)를 포함할 수 있다.
애노드 챔버에는 전기화학 전지를 지지하기 위한 적어도 하나 및 바람직하게는 복수의 지지 부재가 제공될 수 있다. 이러한 지지 부재들은 닫힘 부재 및/또는 적어도 하나의 챔버 벽으로부터 연장할 수 있다. 이러한 지지 부재들은 닫힘 부재 및/또는 챔버 벽과 일체로 되어 있을 수 있다. 이러한 지지 부재들은 기둥들을 포함할 수 있다. 이러한 지지 부재들은 애노드 하우징의 열린 단부와 실질적으로 같은 높이의 레벨 또는 평면상의 위치까지 연장할 수 있다.
애노드 챔버는 챔버 벽들의 주변 단부에서, 예컨대 닫힘 부재 반대측 단부와 같은 애노드 하우징의 열린 단부에서 제공될 수 있는 애노드 챔버 실을 포함할 수 있다. 애노드 챔버 실은 바람직하게는 평면 형상을 가지고, 예컨대 링(ring) 모양과 같이 애노드 챔버 벽의 주변 단부를 보완하도록 형상을 가질 수 있다.
애노드 챔버 실은 적어도 제 1 애노드 실과 제 2 애노드 실을 포함할 수 있다.
애노드 실들은 광물 실을 포함할 수 있다. 애노드 실들은 동석, 질석 및/또는, 예컨대 열적으로 및/또는 화학적으로 박리된 질석과 같은 박리된 질석과 같은 질석 유도체를 포함할 수 있다. 애노드 챔버 실들은 바람직하게는 중합체가 없는 것일 수 있다.
본 발명의 제 4 양태에 따르면, 제 1 양태의 직접 탄소 연료 전지 시스템을 조립하는 방법이 제공되는데, 이러한 방법은 제 3 양태의 애노드 챔버와 캐소드 하우징 사이의 전기화학 전지를 압축 실링하는 단계를 포함하고, 이 경우 적어도 하나의 실이 애노드 챔버 및/또는 전지화학 전지 및/또는 캐소드 챔버 사이에 제공된다.
이러한 실은 본 발명의 다른 양태들 중 임의의 것과 관련하여 설명된 실들의 적어도 하나의 특징을 포함할 수 있다.
본 발명의 제 5 양태에 따르면, 전력을 만들기 위해, 제 1 양태의 전기화학 전지 또는 제 2 양태의 스택 또는 조립체의 동작 방법이 제공된다.
이러한 방법은 전지화학 전지 및/또는 스택 또는 조립체를 전기적 부하(electrical load)에 연결하고/연결하거나 연료를 애노드 챔버에 공급하고/공급하거나 산화체를 캐소드에 공급하는 것을 포함한다.
이러한 방법은 퍼지 기체를 애노드 챔버에 공급하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 퍼지 기체는 질소나 아르곤을 포함할 수 있지만, 바람직하게는 이산화탄소를 포함하거나 이산화탄소로 이루어진다.
위 양태들 중 임의의 것과 관련하여 설명된 것과 유사한 특징들을 나머지 위 양태들 중 임의의 것에 적용 가능할 수 있다. 방법에 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 장치 및/또는 장치 특징들에 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방법 특징들이 또한 제공될 수 있다.
이제, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 다양한 양태들이 단지 예로서만 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 전지를 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 전기화학 전지의 애노드 챔버를 도시하는 도면.
도 3은 도 1의 전기화학 전지의 캐소드 챔버를 도시하는 도면.
도 4는 도 1의 전기화학 전지에서 사용하기 위한 연료의 일 예로서 p-MDF의 주사 전자 현미경 사진을 도시하는 도면.
도 5는 도 1의 전지의 개방 회로 전압을 시간에 따라 도시한 도면.
도 6은 온도 범위에 걸친 도 1의 전지에 관한 분극(polarisation) 및 파워 밀도 플롯들을 도시하는 도면.
도 7은 정전위적으로(potentiostatically) 650℃에서 동작될 때 전지에 관한 시간에 따른 전류의 변화를 도시하는 도면.
도 8은 정전위적으로 750℃에서 동작될 때 전지에 관한 시간에 따른 전류의 변화를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 전지를 도시하는 도면.
도 10의 (a)는 질소를 퍼지 기체로서 가지고, 전지가 1㎜ 두께의 고체 전해질을 가지며 캐소드가 LSM을 포함하는, 제 2 전해질이 없을 시의 750℃에서 도 9에 도시된 것과 유사한 전지를 사용하여 취해진 AC 임피던스 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 10의 (b)는 도 10의 (a)의 스펙트럼의 수집시 사용된 것에 대응하지만 제 2(용융된 카보네이트) 전해질을 가지는 전지를 사용하여 취해진 AC 임피던스 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 10의 (c)는 도 10의 (b)의 스펙트럼의 수집시 사용된 것과 유사하지만 5㎛의 두께를 가지는 박막 전해질을 가지는 전지를 사용하여 취해진 AC 임피던스 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 10의 (d)는 도 10의 (c)의 스펙트럼의 수집시 사용된 것과 유사하지만 퍼지 기체로서 이산화탄소를 사용하는 전지를 사용하여 취해진 AC 임피던스 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 10의 (e)는 도 10의 (d)의 스펙트럼의 수집시 사용된 것과 유사하지만 LSC를 포함하는 캐소드를 가지는 전지를 사용하여 취해진 AC 임피던스 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 11은 도 10의 (c) 및 도 10의 (d)에 관련하여 위에서 설명된 바와 같은 전지들을 사용하여 750℃에서 얻어진 전지 성능 플롯들을 도시하는 도면.
도 12의 (a)는 YSZ 전해질 상에서 복합 LSM/YSZ(50:50 중량비) 전극을 가지는 대칭 전지를 사용하여 수집되서 빼진 옴(ohmic) 저항을 지닌 AC 임피던스 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 12의 (b)는 Gd-도핑된 세리아 전해질 상의 LSC 전극을 가지는 대칭 전지를 사용하여 수집되서 빼진 옴 저항을 지닌 AC 임피던스 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 13은 LSC 캐소드, 5㎛ 두께의 YSZ 전해질, 니켓 서밋 애노드, 및 750℃에서 캐소드와 전해질 사이의 Ce0 .9Gd0 .1O2 간층을 가지는 전지의 전류-전압 특성들을 도시하는 도면.
도 14는 도 13에 관련하여 설명된 전지를 사용하여 얻어진 시간에 따른 전류 밀도의 플롯을 도시하는 도면.
도 15는 Ni/YSZ 애노드, 5㎛ 두께의 YSZ 전해질, 및 LSM/YSZ 복합 캐소드를 포함하는 전지의 단면 SEM 이미지를 도시하는 도면.
도 16의 (a)는 새롭게 준비된 YSZ의 표면의 SEM 이미지를 도시하는 도면.
도 16의 (b)는 700℃에서 10시간 동안 리튬과 탄산 칼륨으로 에칭된 후의 도 16의 (a)에 도시된 YSZ의 SEM 이미지를 도시하는 도면.
도 17은 700℃에서 10시간 동안 리튬과 탄산 칼륨으로 표면이 처리되고, 도 9의 전지에서 전해질로서 사용된 YSZ 멤브레인의 표면의 SEM 이미지와, 전지의 전기화학적 동작을 도시하는 도면으로서, 상기 멤브레인의 도시된 부분은 애노드의 가장자리 부근에 위치하는, 도면.
도 1은 직접 탄소 연료 전지 시스템(5)의 단면을 도시한다. 이 시스템(5)은 셀 하우징(15) 내에 제공된 고체 산화물 전기화학 전지(10)를 포함한다. 이 전기화학 전지(10)는 고체 산화물 애노드(20), 이온 도전성의(ionically conducting) 고체 산화물 전해질(25), 및 고체 산화물 캐소드(30)를 포함한다.
하우징(15)은 도 2와 도 3에 도시된 바와 같은 2개의 동일하지 않은 부분(35, 40), 즉 함께 압축 실링 가능한 애노드 하우징(35)과 캐소드 하우징(40)을 포함하고, 이들 애노드 하우징(35)과 캐소드 하우징(40) 사이에 전지(10)를 끼우며, 이 경우 전지(10)의 애노드(20)는 애노드 하우징(35)을 향하고, 전지(10)의 캐소드(30)는 캐소드 하우징(40)을 향한다. 사용시, 전지(10)는 애노드 하우징(35)이 시스템(5)의 상단부 또는 상면을 형성하고, 캐소드 하우징(40)이 시스템(5)의 하단부 또는 바닥면을 형성하도록 배치된다. 애노드 하우징(35)은 캐소드 하우징보다 크고, 연료, 촉매, 및 동작 온도들에서 용융되는 제 2 전해질의 혼합물을 보유하도록 구성된다.
애노드측 전류 컬렉터(85)는 애노드(20)와 인접하게 제공되고, 캐소드측 전류 컬렉터(100)는 캐소드(30)에 인접하게 제공된다. 애노드 하우징(35), 전지화학 전지(10), 및 캐소드 하우징(40) 사이에는 복수의 전기 절연성 실(75, 80, 95, 105)이 제공되어, 전기화학 전지(10)가 실(80, 105)과 전류 컬렉터(85, 100)하고만 접촉한다.
특히, 도 1에 예시된 전기화학 전지(10)에서는, 애노드(20)가 Ni 도핑된 이트리아 안정화된 지르코니아(Ni-YSZ)를 포함한다. 박막 전해질(25)은 YSZ로부터 형성되고, 애노드 상에 배치된다. 박막 캐소드(30)는 LSM(Lanthanum Strontium Manganite) 또는 LSM/YSZ 복합물(composite)을 포함하고, 전해질 상에 제공된다.
애노드(20)와 캐소드(30)는 더 작은 구멍이 많고, 전해질(25)보다 밀도가 치밀하지 않다. 적합한 애노드 복합물의 일 예는 60wt%의 니켈 산화물과, 40wt%의 YSZ이고, 적합한 캐소드 복합물의 일 예는 50wt%의 LSM과 50wt%의 YSZ이다. 본 예에서는, 애노드(20)가 1㎜의 두께를 가지고, 전해질(25)은 5㎛의 두께를 가진다. 하지만, 이들 치수와 조성은 변하거나 관련 분야에 공지된 다른 적합한 고체 산화물 전지 설비들로 대체될 수 있다는 점을 알게 된다. 그러한 박막 전지(10)들은 슬러리(slurry) 코팅 및/또는 스크린 인쇄(printing)과 같은 관련 분야에 알려진 기술들에 의해 만들어질 수 있다.
비록, 전지(10)가 평면 형상이거나 원통형일 수 있지만, 본 명세서에서 예시된 실시예에 관한 바람직한 전지 구성은 평면 형상이다. 다양한 실시예들에 따르면, 전지(10)는 애노드 지지된 전지이거나 전해질 지지된 전지일 수 있고, 이 경우 그 지지 성분은 일반적으로 전지에 추가적인 기계적 건전성(mechanical integrity)을 부여하기 위해 더 두껍게 만들어진다. 하지만, 도 1에 예시된 전지(10)는 유리하게는 애노드 지지된 전지이다. 더 나아가, 비록 전지(10)가 본 출원에 따라 정사각형이나 직사각형과 같은 임의의 적합한 형상으로 제공될 수 있지만, 본 명세서에서 설명된 실시예에서 전지(10)는 원형이다.
하우징(15)은 스테인레스 스틸 그레이드(grade) 316과 같은 스테인레스 스틸로부터 형성된다.
애노드 하우징(35)은 일반적으로 원통형 형태를 가지고, 속인 빈 실린더의 형태로 된 애노드 하우징 벽(45)을 포함하며, 애노드 하우징의 끝 벽(50)에 의해 제 1 (가장 가까운) 끝에서 닫힌다. 전지(10)는 제 2(원위) 끝을 닫도록, 끝 벽(50) 반대측에 있는 애노드 하우징 벽(45)의 제 2(원위) 끝(70)에 제공된다. 이러한 식으로, 애노드 하우징 벽(45), 끝 벽(50), 및 전지는 함께 애노드 챔버(52)를 규정한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 분리된 지지 기둥(55)이 애노드 하우징(35)의 끝 벽(50)으로부터 애노드 챔버(52) 내로 연장하여, 그것들의 원위 끝들이 전지(10)에 인접하는 애노드 챔버 벽(45)의 제 2(원위) 끝(70)과 같은 레벨 또는 동일 평면상에 있게 된다. 본 실시예에서는, 중앙 기둥(55)이 애노드 챔버(52)의 중앙에 제공되고, 중앙 기둥(55) 둘레의 하나 이상의 동심원에 복수의 추가 기둥(55)이 배치된다. 이러한 식으로, 시스템(5)이 조립될 때, 기둥(55)들은 전지(10)에 압력을 가할 수 있고/있거나 전지의 적어도 하나의 동작 상태에서 전지(10)에 추가적인 기계적 지지를 제공할 수 있다.
이러한 실시예에서, 애노드 챔버 벽(45)들, 애노드 하우징(35)의 끝 벽(50), 및 기둥(55)들이 일체로 형성되고, 단일 부분으로부터 유리하게 기계 가공되어 실링 요구 조건들을 최소화하고, 누설 기회를 줄인다. 하지만, 또 다른 실시예들에서는, 애노드 하우징(35)이 2개 이상의 분리된 부분으로부터 형성될 수 있다.
퍼지 기체 입구(60)와 퍼지 기체 출구(65)는 끝 벽(50)에 가까운 애노드 하우징(35)에 제공된다. 이러한 식으로, 애노드 챔버(52)에 퍼지 기체가 제공될 수 있다. 이러한 퍼지 기체는, 예컨대 이산화탄소, 질소, 또는 아르곤일 수 있다. 유리하게, 애노드 챔버(52)를 이산화탄소로 비워내는 것은 질소 퍼지 기체가 사용되는 상황에 비해 시스템(5)의 에너지 출력을 증가시킬 수 있다는 것이 발견되었다. 퍼지 기체가 공급되는 속도(rate)는 애노드 챔버(52)의 사이즈와 동작 상태에 따라 달라질 수 있지만, 단지 예로서만 본다면 대략 20㎖/분일 수 있다.
비록 도시되어 있지는 않지만, 애노드 하우징(35)에는 예컨대 연속적이거나 반(semi)연속적인 공정에서 요구에 따라 애노드 챔버(52)에 새로운 연료를 제공하기 위한 연료 입구 및/또는 출구가 제공될 수 있음을 알게 된다. 하지만, 시스템(5)은 또한 배터리와 유사한 단일 사용 시스템으로서 또는 일괄 모드에서 사용하도록 구성될 수 있는데, 이 경우 시스템(5)은 연료가 사용될 때까지 작동한다는 점을 알게 된다. 일괄 모드에서는 연료가 계속 공급되거나 주기적으로 대체될 수 있다. 도 1에 도시된 시스템(5)과 본 명세서에서 설명된 실험 결과들은 오직 예로서만 일괄 동작에 관련된다.
애노드 하우징(35)의 제 2(원위) 끝에서 전지(10)에 가장 가까운 애노드 하우징 벽(45)의 끝(70)에는 제 1 실(75)과 제 2 실(80)이 제공되고, 이러한 애노드 하우징(35)의 제 1 실(75)과 제 2 실(80) 각각은, 예컨대 Flexitalllic사의 상표명 Thermiculite
Figure pct00001
886 으로 상업적으로 이용 가능한 것과 같은, 전기 절연성의 중합체가 없는 화학적으로 박리된 질석과 동석을 포함한다. 유리하게, 일 실시예에서 각각의 실링 층은 300㎛ 내지 1㎜의 범위에 있는 두께를 가진다. 각각의 실(75, 80)은 애노드 하우징 벽(45)들의 원위 끝(70)의 형상을 보완하도록 링 형상으로 제공된다.
애노드측 전류 컬렉터(85)는 실들(75, 80)에 의해 적어도 부분적으로 지지되도록 전지(10)를 향하는 애노드 하우징(35)의 열린 제 2 끝(70)에 위치한 확장된 니켈 메시의 시트(sheet)를 포함한다. 외부 전기적 접속들이 이루어질 수 있도록, 애노드 전류 컬렉터(85)로부터 제 1 애노드 실(75)과 제 2 애노드 실(80) 사이의 애노드 챔버(52)까지 전기적 접속기가 연장한다. 애노드 전류 컬렉터(85)는 애노드(20)에 인접하게 제공되고, 전류 컬렉터의 일부는 액체 전해질의 누설을 방지하도록, 제 1 실(75)과 제 2 실(80)의 내부 부분들 사이에서 지지된다.
도 1과 도 3에 도시된 바와 같이, 캐소드 하우징(40)에는 공기 흐름이 캐소드(30)로 가고 공기 흐름이 캐소드(30)로부터 나오게 하는 공기 입구 및 공기 출구를 규정하는 공기 흐름 채널(90)들이 제공된다. 2개의 실링 층을 포함하는 제 4 실(105)이 캐소드 하우징(40)과 캐소드(30) 사이에 제공되고, 각각의 실링 층은 광물 기반의 물질(예컨대, 제 1 애노드 실과 제 2 애노드 실에 관련하여 설명된 바와 같은)을 포함한다. 제 4 실(105)은 캐소드 하우징(40)과 캐소드(30)에서의 공기 흐름 채널(90)들 사이의 공기 흐름을 허용하는 개구들을 규정하는 한편, 실(105)을 통해 시스템(5)의 사이드들로부터 공기가 빠져나가는 것을 방지한다.
캐소드측 전류 컬렉터(100)는 은으로 코팅된 스테인레스 스틸 확장된 메시를 포함하고, 제 4 실링 층(105)에 인접하게 제공된다. 은으로 코팅하는 것은 캐소드측 전류 컬렉터(100)의 부식을 방지하고, 이는 다시 말해 전류 컬렉터(100)의 저항을 증가시킬 수 있다. 구멍(aperture)을 규정하는 광물 기반의 링 형상 시트를 포함하는 제 3 실(95)이 캐소드측 전류 컬렉터(100)와, 애노드측 상의 제 2 실(80)과 전기화학 전지(5)의 캐소드(30) 모두 사이에 제공된다. 제 3 실(95)의 조성은 제 1 애노드 실과 제 2 애노드 실에 관련하여 위에서 설명한 바와 같다. 제 3 실은 전지(10)의 주위부 둘레를 실링하도록 형상과 사이즈가 정해진다. 캐소드측 전류 컬렉터(100)는 제 3 실(95)의 구멍에 의해 규정된 영역 위에서 적어도 부분적으로 연장하고, 캐소드측 전류 컬렉터의 일부는 제 3 실(95)과 제 4 실(105) 사이에서 지지된다. 전기적 접속기는 부하로의 전기적 접속이 이루어지는 것을 허용하도록, 캐소드측 전류 컬렉터(100)로부터 제 3 실(95)과 제 4 실(105) 사이의 하우징(15)까지 연장한다.
제 3 실(95)에 의해 규정된 구멍에는 도전성 테이프(110)가 제공되고, 테이프(110)가 도전성 상호 접속으로서 기능하도록 캐소드측 전류 컬렉터(100)와 캐소드(30) 사이에서 연장한다. 테이프(110)는 캐소드 물질(이 경우 LSM)을 포함하고, 예컨대 약 300미크론의 두께를 가진다.
애노드 하우징(35)과 캐소드 하우징(40) 모두에는 보완성 볼트 구멍(115)들이 제공된다. 이러한 볼트 구멍(115)들에는 알루미나 튜브들과 같은 절연성 슬리브들(미도시)이 제공되어, 애노드 하우징(35) 및 캐소드 하우징(40)과 실들(75, 80, 95, 105) 사이의 전지(10)를 압축 실링하기 위해, 볼트들(미도시)이 절연성 슬리브들과, 애노드 하우징(35)과 캐소드 하우징(40) 모두에 있는 볼트 구멍(115)들을 통해 지나갈 수 있게 되어 있다.
적합한 애노드 지지된 전기화학 전지의 준비의 일 예로서, 60:40의 중량비로 니켈 산화물과 YSZ가 볼 밀링(ball milling)에 의해 혼합되고, 1㎜ 두께의 애노드를 형성하도록 사용된다. 유기 용액, 바인더(binder), 및 중합체로 가루로 만들어진 볼이었던 YSZ의 슬러리(slurry)가 애노드 기판상에 코팅된다. 애노드와 고체 전해질을 포함하는 절반 전지(half cell)가, 예컨대 1350℃에서 5시간 동안 소결된다. 그런 다음 LSM 캐소드가 고체 전해질 상에서 스크린 인쇄된다. 선택적으로, 애노드와 캐소드는 은 페이스트(paste)로 부분적으로 코팅될 수 있다.
이러한 예에서, 입자상 카본의 형태로 된 고체 연료(120), 더 구체적으로는 열분해 중밀도 섬유판(p-mdf)이 애노드 챔버(52)에 제공된다. 이러한 구체적인 예에서, p-mdf는 거의 같은 양을 가지는 3개의 입자 사이즈들(10, 15, 및 20 메시)의 혼합물로서 제공된다. p-mdf의 주사 전자 현미경 사진이 도 4에 도시되어 있다.
용융된 전해질(125)은 시스템(5)의 동작 온도들(예컨대, 600℃와 800℃ 사이)에서 용융되는 탄산염들을 포함한다. 이러한 구체적인 예에서, 액체 전해질(125)은 62:38몰% 비로 탄산 리튬과 탄산 칼륨의 공융 혼합물이다. 용융된 전해질(125)을 형성하기 위해 용융될 물질은 필요로 하는 비율들로 탄산염들을 혼합한 다음 아세톤으로 볼 밀링함으로써 준비되었다.
애노드 챔버는 처음에 20몰.%의 전해질에 80몰.%의 연료를 혼합함으로써, 용융된 전해질(125)에 관한 물질과 연료(120)의 혼합물이 제공된다. 촉매 작용을 촉진하기 위해 액체 전해질/연료 혼합물에는 25중량%(전해질에 대해서)의 니켈 금속 파워가 또한 제공된다. 애노드(20)와 접촉하도록 애노드 챔버(52) 내에 연료/전해질/촉매 혼합물이 부어지고, 초과 연료(120)가 전해질/연료 층 위에 제공되면서 애노드(20)에 인접하게 전해질/연료/촉매 혼합물이 제공되도록, 애노드 챔버(52)는 추가 연료(120)를 가지고 퍼지 기체 입구(60)와 출구(65) 바로 아래 레벨까지 차오르게 된다. 퍼지 기체를 수용하기 위한 공간이 초과 연료(120) 위에 남는다.
사용시, 시스템(5)은 관련 분야에 공지된 바와 같이, 스택(stack)을 형성하기 위해 연속해서 반복된 복수의 유사한 시스템(5)으로 조합 가능하다는 것을 알게 된다. 게다가, 시스템(5)에는 관련 분야에 공지된 바와 같이 가열기들, 열 교환기들, 냉각 시스템들 등과 같은 보조적이고 환경적 제어 장치(미도시)가 제공된다. 시스템(5)은, 예컨대 전기 출력, 연료 및/또는 산화체의 공급, 퍼지 기체 공급 및 열 제어 중 적어도 하나를 제어하기 위한 제어기(미도시)를 사용하여 동작된다.
시스템 성능의 증명으로서, 일관 모드로 전술한 전지를 사용하는 동작 데이터의 예들이 본 명세서에 함께 제공된다.
4 와이어 측정 구성을 이용하여 전기화학적 측정이 수행되었다.
애노드 챔버(52)는 임의의 산소를 제거하기 위해 실온에서 질소로 씻어 내려진다. 시스템(5)은 0.7℃/분의 램프 레이트(ramp rate)로 500℃까지 가열되었고, 그 후 2℃/분의 램프 레이트로 600℃까지 가열되었다. 캐소드에 공기의 흐름이 공급되었다.
도 5는 애노드 챔버에서는 어떠한 공기의 흐름도 없는, 800℃에서 기록된 시스템의 개방 회로 전압(OCV)을 보여주고, 안정한 OCV가 이루어졌음을 보여준다. 애노드 챔버에서의 질소 흐름은 전지 전압에서의 약간의 감소를 유발한다. 하지만, 1V 이상의 OCV들이 얻어질 수 있음이 분명하다. 녹은 탄산염에서 니켈 촉매를 추가하는 것은 OCV를 증가시킨다.
도 6은 650℃ 내지 820℃ 범위의 상이한 온도들에서의 시스템(5)으로부터 얻어진 분극 곡선들과 연관된 파워 밀도들을 보여준다. 최대 파워 밀도는 72㎽/㎠이었고, 최대 파워는 1W를 초과하며(16㎠의 표면적을 가지는 전지의 경우), 770℃에서 얻어졌다. 도 6으로부터 OCV가 온도에 따라 증가함을 알 수 있다. 테스트된 각 온도에 관해서, OCV는 1V 위에 있었다.
도 7과 도 8은 일정한 온도에서의 일정한 부하(load) 아래의 전류의 단기간 진전(evolution)을 보여준다. 두 가지 측정 모두 시스템(5)이 선택된 온도에서 안정화되었을 때 이루어졌다. 도 7은 650℃에서의 시스템의 단기간 전류 진전을 보여준다. 이로부터 전류가 온도가 올라감에 따라 꾸준히 증가함을 알 수 있다. 도 8은 전류가 안정 값에 느리게 도달하기 전에 약간의 초기 강하(drop)를 겪는, 750℃에서의 단기간 전류 진전을 보여준다.
도 9에는 또 다른 하이브리드 직접 탄소 연료 전지 시스템(1000)이 도시되어 있고, 이는 시스템(1000)의 성능에 대한 특정 동작 파라미터들과 설계 옵션들의 영향을 예시하기 위해 사용된다.
시스템(1000)은 전기화학 전지(1015)를 포함하고, 이러한 전기화학 전지(1015)는 고체 애노드(1010), 고체 전해질(1045), 및 고체 캐소드(1030)를 포함한다. 애노드(1010), 전해질(1045), 및 캐소드(1030) 각각은 고체 산화물 물질들을 포함한다.
애노드 챔버(1020)를 형성하기 위해 전기화학 전지(1015)의 애노드(1010)에 제 1 알루미나 튜브(1005)가 실링된다. 제 1 알루미나 튜브(1005)는 세라믹 실(1040)들을 이용하여 전지(1015)에 실링된다. 예컨대, Aremco
Figure pct00002
Ceramabond
Figure pct00003
552와 같은 알루미나 기반의 페이스트로부터 적합한 실이 형성될 수 있다.
캐소드 챔버(1035)를 형성하기 위해 전지(1015)의 캐소드(1030)에 제 2 알루미나 튜브(1025)가 고정된다.
일 실시예에서, 전기화학 전지(1015)는 전해질 지원(supported) 전지로서, 이 경우 NiO-YSZ 애노드(60/40비로)(1010)와 LSM-YSZ 복합 캐소드(1030)가 건식 압착된 1㎜ 두께의 YSZ 전해질(1045)의 반대측들 상에 스크린 인쇄된다. 애노드(1010)와 전해질(1045)은 1350℃에서 2시간 동안 구워져서 석회로 된 다음 캐소드(1030)가 1100℃에서 2시간 동안 구워져서 석회로 되었다.
또 다른 실시예에서는, 전지(1015)가 전해질 지원된 전지와 동일한 애노드, 전해질, 및 캐소드 물질들을 가지는 애노드 지원된 전지이다. 애노드 지원된 전지(1015)는, 애노드 물질들이 가루로 만들어지고 1㎜ 두께의 기판으로 형성되는 슬러리 코팅에 의해 만들어진다. 유기 용액, 바인더, 및 중합체로 가루로 만들어진 볼인 YSZ의 슬러리는 애노드 기판상에 코팅된다. 애노드(1010)와 전해질(1045)은 이후 1350℃에서 5시간 동안 소결된다. 그런 다음 캐소드 물질이 애노드(1010)를 마주보는 전해질(1045) 측 상에 스크린 인쇄되고 구워져서 석회로 된다. 이 실시예에서, 애노드(1010)는 두께가 1㎜인데 반해, 전해질(1045)은 두께가 5㎛이다.
애노드 지원된 전지와 전해질 지원된 전지 모두의 경우, 전류 컬렉터로서 작용하기 위해, 애노드(1010)와 캐소드(1030) 모두에 은 페이스트(1050)가 도포되었다.
또한 알루미나 튜브(1055, 1060)가 애노드 챔버(1020)와 캐소드 챔버(1035) 내부에 삽입된다. 측정을 위한 외부 전기적 접속을 제공하기 위해, 은 와이어들(1065, 1070)이 각각의 전류 컬렉터(1050)들로부터 또 다른 알루미나 튜브들(1055, 1060)을 통해 이동한다. 서모커플(thermocouple)들과 같은 제어 센서(1076)들이 또한 또 다른 알루미나 튜브들(1055, 1060)을 통해 라우트(route)될 수 있다. 또한, 애노드측 상의 또 다른 알루미나 튜브(1055)를 통해 퍼지 기체(1080)도 제공될 수 있다.
애노드 챔버(1020)는 연료(1085)와 제 2 전해질(1090)의 혼합물로 채워진다. 연료(1085)는 열분해 중밀도 섬유판(p-mdf)이다. p-mdf는 10시간 동안 질소로 40℃에서 mdf를 열분해함으로써 만들어지고, 70.4%의 탄소, 4.6%의 질소, 3.5%의 질소, 나머지는 산소일 것으로 예상되는 조성을 가진다. 제 2 전해질(1090)은 동작 온도들(예컨대, 약 600℃ 내지 800℃의)에서 용융되는 금속 카보네이트들을 포함한다. 이 경우, 제 2 전해질(1090)은 리늄과 탄산 칼륨의 62:38의 몰비 공융 혼합물을 포함한다. 연료(1085)와 제 2 전해질(1090)은 4:1의 중량비로 제공된다.
시스템(1000)이 전해질 지원된 전지(1015)를 포함하고, 제 2 전해질(1090)이 없이, 즉 애노드 챔버(1020)가 연료(1085)만을 포함하도록 동작한다면, 전체적인 시스템 저항이 750℃에서 11Ω㎠을 넘는다. 이러한 시스템으로 수집된 AC 임피던스 스펙트럼이 도 10의 (a)에 도시되어 있다.
도 10의 (b)는 제 2 전해질(1090)이 제공될 때(즉, 시스템이 하이브리드 시스템인), 위 시스템을 이용하여 수집된 AC 임피던스 스펙트럼을 보여준다. 이 경우, 전체적인 전지 저항은 750℃에서 8.7Ω㎠까지 감소한다.
전술한 바와 같이, 전해질(1045)이 훨씬 더 얇도록(예컨대, 밀리미터보다는 미크론 정도로, 이 경우 5㎛), 전지(1015)가 전해질 지원된 전지보다는 애노드 지원된 전지라면, 동일한 조건 하에서 전해질 지원된 전지에 관한 70㎽.cm-2로부터 대응하는 애노드 지원된 전지에 관한 390㎽.cm-2까지 증가하는 것과 같이 성능이 현저히 향상된다. 애노드 지원된 전지(1015)를 가지는 시스템(1000)을 이용하여 수집된 AC 스펙트럼이 도 10의 (c)에 도시되어 있다.
위 측정들 각각에 관해, 사용된 퍼지 기체는 질소이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 퍼지 기체로서 이산화탄소가 질소를 대체하게 되면, 전지의 성능이 더 증가하는데, 이 경우 애노드 지원된 전지를 포함하는 시스템의 경우 390㎽.cm-2부터 500㎽.cm-2까지 증가한다. 이산화탄소로 퍼지될 때의 시스템(1000)의 AC 스펙트럼이 도 10의 (d)에 도시되어 있다. 임의의 특정 이론에 의해 한정되는 것을 원치 않으면서, 이산화탄소 하의 더 높은 성능은 강화된 전기화학 공정들 또는 탄산염 안정성에 기인할 수 있다.
본 발명의 발명자는 750℃에서 애노드 지원된 시스템의 총 저항의 큰 부분에 캐소드(1035)의 저항이 기여하고 있음을 발견하였다. 보호 간층(interlayer)을 지닌 LSC(lanthanum doped strontium cobalt) 캐소드를 가지는 전지가 SLM/YSZ의 복합물을 포함하는 캐소드를 가지는 대응하는 전지 대신 사용되면 전지 성능이 향상된다. 이 예에서, 간층은 가돌리늄(gadolinium) 도핑된 세리아를 포함한다. 보호 간층은 전해질의 LSC와 YSZ 사이의 반응을 방지하는 역할을 한다.
도 12의 (a)와 도 12의 (b)는 캐소드(1035)와 고체 전해질(1045) 물질이 선택 효과를 보여준다. 특히, 도 12의 (a)는 도 3에 도시된 일반적인 구조를 가지는 시스템(1000)의 AC 임피던스 스펙트럼을 보여주고, 이 경우 캐소드(1035)는 LSM인 (La0.8Sr0.2)0.95MnO3와 YSZ를 50:50의 중량% 비로 포함하는데 반해, 도 12의 (b)는 캐소드(1035)가 Ga 도핑된 세리아 간층과 함께, 란탄 도핑된 스트론튬 코발트인 La0.6Sr0.4CoO3-γ를 포함하는 대응하는 시스템을 보여준다. 도 13에 도시된 바와 같이, LSC 기반의 캐소드(1035)를 가지는 시스템(1000)은 유사한 조건 하의 대응하는 LSM 기반의 시스템(1000)에 의해 이루어진 500㎽.cm-2에 비해, 750℃에서 680㎽.cm-2의 향상된 성능을 가지는 것으로 발견되었다.
도 14는 연료(1085)의 단일 일괄(single batch)이 제공되고, 더 이상의 추가 연료(1085)가 공급되지 않는 "배터리 유사(battery-like)" 모드에서 이루어지는 단기간의 시스템(1000)의 안정성을 보여준다. 이는 시스템(1000)이 이러한 구성에서 1시간 동안 성능 저하 없이 300㎽.cm-2를 넘어 실행될 수 있음을 보여준다. 이 시각 이후에 성능은 떨어진다. 이러한 성능 저하는 탄소의 소비 속도에 의존적이다. 성능을 회복하기 위한 휘젓기(stirring) 또한 발견되었다. 그러므로, 연료 공급을 위한 수단 및/또는 제 2 전해질(1090)/연료(1085)를 교반하기 위한 수단을 가지는 시스템(100)들에 관해서는 더 긴 기간의 성능이 예상된다.
본 발명의 발명자들은 놀랍게도 두께가 10㎛ 미만인 얇은 YSZ 고체 전해질(1045)이 도 15에 도시된 바와 같이, 10시간의 동작 후 어떠한 상당한 변화 또는 고장도 보여주지 않음을 발견하였다. 관련 분야의 이해를 통해, 용융된 탄산염 전해질(1090)과 YSZ 전해질(1045)이, 예컨대 리튬 지르코네이트를 형성하기 위해 반응할 것이라는 점을 암시한다.
본 발명의 발명자들은 YSZ의 입방 구성들이 정방정계와 같은 다른 구성들에 디해 감소된 리튬 지르코나이트 구조를 가진다는 것을 발견하였다. 다시, 임의의 특별한 이론에 의해 한정되기를 바라지 않고, 이는 더 높은 이트륨 함유량 및/또는 정방정계 물질에 대한 입방 물질의 더 큰 알갱이 사이즈에 기인할 것일 수 있다.
또한, 용융된 탄산염들로 숙성될 때의 입방 지르코니아들(zirconias)(8몰%의 YSZ)은 도 16의 (a)와 도 16의 (b)에 도시된 바와 같이, 일부 에칭과 표면 재구성을 보여준다(도 16의 (a)는 입방 YSZ의 새롭게 준비된 표면의 SEM 이미지를 보여주고, 도 16의 (b)는 700℃에서 10시간 동안 리튬과 탄산 칼륨의 공융 혼합물에서의 에칭 후의 동일한 표면을 보여준다). 전기적 부하 하의 동작하에서 위 시스템(1000)에서 숙성된 해당 샘플들에 관해서는(예컨대, 전기화학적 측정을 겪은 전지에서 사용되고, 10시간 동안 공융 혼합물인 리튬/탄산 칼륨 전해질에 잠겨진 YSZ 멤브레인 표면의 SEM 이미지를 보여주는 도 17에 도시된 바와 같이), 표면 변화의 증거가 거의 탐지되지 않는다.
이와 같이, 더 높은 이트리아 함유량, 더 낮은 불순물 함유량, 두꺼운 애노드 지지체에서의 YSZ의 높은 이용 가능성(abailability), 및 전위(potential)의 및/또는 전류의 적용을 포함하는 다수의 인자가 YSZ를 안정화시키는데 도움이 될 수 있다고 여겨진다.
비록 연료 전지 시스템(5, 1000)의 다양한 실시예가 설명되었지만, 위 시스템들(5, 1000) 각각의 특징들은 상호 교환적이라는 점을 알게 된다. 예컨대, 도 9에 도시된 실시예들에 관련하여 설명된 퍼지 기체, 전해질 물질 및/또는 두께, 및/또는 캐소드 물질들과 같은 고려 사항들의 선택은 도 1에 관련하여 설명된 실시예들에 동등하게 적용되고, 도 1에 관련하여 설명된 실링 및 애노드 하우징 실시예들은 도 9에 관련하여 설명된 실시예들에 동등하게 적용될 수 있다. 유리하게, 도 1과 도 9에 관련하여 설명된 실시예들의 특징들은 오랜 작동 수명을 지닌 양호한 실링 및 전기적 성능 성질들을 보여주는 상업적 스케일(scale)의 연료 전지 시스템을 만들어내기 위해 결합될 수 있다.
당업자라면 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 개시된 설비들의 변형예들이 가능하다는 점을 알게 된다. 예컨대, 본 명세서에서 설명된 전지 하우징(15)은 원통형 구성을 하고 있는데 반해, 상자 모양의 구성과 같은 속인 빈 챔버를 규정하는 다른 구성들이 사용될 수 있음을 알게 된다. 게다가, 고체 애노드(20)가 Ni-YSZ를 포함하고, 전해질(25)이 YSZ를 포함하며, 캐소드(30)가 LSM을 포함하는 것으로 묘사되었지만, 다른 애노드, 전해질 및/또는 캐소드 케미스트리(chemistry)들이 사용될 수 있음을 알게 된다. 예컨대, 바람직하게는 캐소드와 전해질 사이에 가돌리늄이 도핑된 세리아와 같은 보호층을 두고, 애노드는 서밋을 포함하고/포함하거나 캐소드는 란탄이 도핑된 스트론튬 코발트 산화물을 포함할 수 있다. 더 나아가, 시스템(5)은 p-mdf의 형태로 된 탄소 연료(120)를 사용하는 측면으로 묘사되었지만, 석탄과 코크와 같은 다른 고체 연료들도 사용될 수 있다는 점을 알게 된다. 실제로, 이러한 시스템은 심지어 탄소를 함유하지 않는 고체 연료들로 생각할 수 있게 사용될 수 있음을 알게 된다. 따라서, 특정 실시예에 관한 위 설명은 단지 예로서 이루어진 것이고, 제한하려는 목적을 가지지 않는다. 당업자에게는 설명된 동작에 대한 상당한 변경 없이 사소한 수정이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다.

Claims (39)

  1. 직접 탄소 연료 전지 시스템으로서,
    상기 시스템은 전기화학 전지를 포함하고, 상기 전기화학 전지는 캐소드, 고체 상태의 제 1 전해질, 및 애노드를 포함하며,
    상기 시스템은 제 2 전해질과 연료를 포함 및/또는 수용하도록 적응되는 애노드 챔버를 더 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전해질과 연료는 상기 애노드 챔버에 제공되고, 상기 제 2 전해질의 양은 20몰% 미만 및/또는 상기 연료에 대해서 1:1 중량비 미만인, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 챔버는 스테인레스 스틸 및/또는 알루미나를 포함하는 애노드 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 전해질은 동작 조건 하에서 적어도 부분적으로 용융되고, 상기 전지는 600℃와 850℃ 사이의 온도에서 동작하도록 구성되는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드, 캐소드, 및 제 1 전해질은 고체 산화 물질을 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전해질 및/또는 애노드 및/또는 캐소드는 박막 공정을 사용하여 제공되는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 전해질은 50㎛ 미만의 두께를 가지는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 전지는 평면 형상의 전지인, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 챔버는 기체를 공급 및//또는 배출하기 위한 적어도 하나의 기체 입구 및/또는 출구를 포함하고, 상기 시스템은 적어도 하나의 이산화탄소, 헬륨, 아르곤 또는 질소를 포함하거나 적어도 하나의 이산화탄소, 헬륨, 아르곤 또는 질소로 이루어지는 기체 및/또는 증기를 함유하는 기체를 제공하도록 구성되는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 챔버는 애노드 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되고, 상기 애노드 챔버에는 상기 전기 화학 전지를 지지하기 위해 상기 애노드 하우징으로부터 연장하는 적어도 하나의 지지 부재가 제공되는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    각각의 지지 부재는 기둥을 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 지지 부재(들)는 상기 애노드 챔버의 벽의 끝에 의해 규정된 구멍과 거의 같은 레벨 또는 평면상에 있는 위치까지 연장하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 캐소드 하우징을 포함하고, 상기 전기 화학 전지는 상기 캐소드 하우징과 애노드 하우징 사이에서 고정 및/또는 클램핑되는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 애노드 하우징과 상기 전기 화학 전지 및/또는 캐소드 하우징 및/또는 캐소드 실 사이에 제공되거나 제공될 수 있는 적어도 하나의 애노드; 및/또는
    상기 캐소드 하우징과 상기 전기 화학 전지 및/또는 상기 애노드 하우징 및/또는 상기 애노드 실 사이에 제공된 적어도 하나의 캐소드 실을 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전기 화학 전지의 애노드측 상에 애노드측 전류 컬렉터가 제공되고, 적어도 제 1 애노드 실과 제 2 애노드 실 사이에서 전기적 접속기가 상기 애노드측 전류 컬렉터로부터 연장하여, 상기 애노드 챔버로부터 외부로 연장하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    캐소드측 전류 컬렉터를 더 포함하고, 상기 캐소드측 전류 컬렉터는 은 및/또는 은으로 코팅된 스테인레스 스틸 와이어 또는 메시를 포함하고/포함하거나 상기 캐소드와 상기 캐소드측 전류 컬렉터 사이에 접속기가 제공되며, 상기 접속기는 고체 상태 물질을 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 챔버 실 및/또는 캐소드 실은 전기 절연 실들을 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 애노드 챔버 실 및/또는 캐소드 실은 광물 실을 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 챔버 실 및/또는 캐소드 실은 동석, 질석 및/또는 질석 유도체 및/또는 세라믹 및/또는 세라믹 접착제 중 적어도 하나를 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지는 압축 실링되거나 실링될 수 있는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 애노드 및/또는 캐소드 하우징들에는 적어도 2개의 볼트 구멍이 제공되고, 적어도 하나의 볼트 구멍에 전기 절연 물질의 슬리브가 제공되어, 그러한 절연 슬리브가 상기 애노드 및/또는 캐소드 하우징과 상기 볼트 구멍들에 제공된 볼트들 사이에 위치하거나 위치할 수 있는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드는 LSM(lanthanum strontium manganite), LSC(lanthanum doped strontium cobalt) 산화물 또는 식 (A1- xSrx)1- yBO3 -γ를 가진 혼합된 이온/전기 전도성 세라믹 중 적어도 하나를 포함하고, 이 경우 A는 란탄 또는 바륨이고, B는 망간, 철, 코발트 또는 그것들의 조합 및/또는 YSZ(yttria stabilised zirconia)인, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 캐소드 상에 또는 상기 캐소드에 인접한 간층을 포함하고, 상기 간층은 상기 제 1 전해질 및 캐소드 모두와 상이한 물질 구성을 가지는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드는 니켈, 백금, 팔라듐, 아연, 철, 산화 세륨, 복합 니켈 산화물 및 YSZ, 니켈 서멧 중 적어도 하나를 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전해질은 하프니아, 지르코니아, 알루미나, 이트리아, 세리아, 란타늄 갈레이트 중 적어도 하나를 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 전해질은 YSZ를 포함하고, 입방 결정 구조를 가지는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  27. 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 전해질은 수산화 리튬, 수산화 나트륨, 수산화 칼륨 또는 그것들의 혼합물; 탄산 리튬, 탄산 나트륨, 탄산 칼륨 또는 그것들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  28. 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료는 열분해 중밀도 섬유판(p-MDF), 석탄, 코크, 흑연, 카본 블랙 또는 활성탄 중 적어도 하나를 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  29. 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 챔버는 니켈, 백금, 팔라듐, 그리 및/또는 철 중 적어도 하나를 포함하는 미립자로 된 또는 가루로 된 촉매를 함유하거나 또는 수용하도록 구성되는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서,
    전해질에 대한 촉매의 적어도 10중량%가 제공되는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  31. 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 챔버는 교반기, 스터러 등이 제공되고/제공되거나 초음파파쇄가 이루어지는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  32. 제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 애노드 챔버에 연료 및/또는 제 2 전해질을 공급하기 위한 피더를 포함하는, 직접 탄소 연료 전지 시스템.
  33. 제 1 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 2개의 시스템을 포함하는 스택 또는 조립체로서,
    상기 적어도 2개의 시스템은 공통 연료 공급 및/또는 배출 및/또는 공통 산화체 공급 및/또는 배출 장치에 의해 링크되고/링크되거나 전기적으로 접속되는, 스택 또는 조립체.
  34. 제 10 항 또는 제 10 항을 인용하는 임의의 종속항에 따른 시스템으로 사용하기 위한 애노드 하우징으로서,
    상기 애노드 하우징은 애노드 챔버를 규정하고, 상기 애노드 챔버에는 전기화학 전지를 지지하기 위한 적어도 하나의 지지 부재가 제공되는, 애노드 하우징.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 애노드 챔버는 상기 챔버 벽들의 주변 단부에 제공된 적어도 하나의 애노드 챔버 실을 포함하는, 애노드 하우징.
  36. 제 35 항에 있어서,
    각각의 노드 실은 광물 실을 포함하는, 애노드 하우징.
  37. 제 1 항 내지 제 32 항에 따른 직접 탄소 연료 전지 시스템을 조립하는 방법으로서,
    상기 방법은 제 34 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 따른 애노드 하우징과 캐소드 하우징 사이의 전기 화학 전지를 압축 실링하는 단계를 포함하고,
    상기 애노드 챔버 및/또는 상기 전기 화학 전지 및/또는 상기 캐소드 챔버 사이에 적어도 하나의 실이 제공되는, 조립 방법.
  38. 전력을 만들어내기 위해 제 1 항 내지 제 32 항에 따른 연료 전지 셀 또는 제 33 항의 스택 또는 조립체의 동작 방법으로서,
    상기 방법은 상기 전기 화학 전지 및/또는 스택 또는 조립체를 전기 부하에 연결하고/연결하거나 연료를 상기 애노드 챔버에 공급 및/또는 산화체를 상기 캐소드에 공급하는 단계를 포함하는, 연료 전지 셀 또는 스택 또는 조립체의 동작 방법.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 방법은 퍼지 기체를 상기 애노드 챔버에 공급하는 단계를 포함하고, 상기 퍼지 기체는 질소, 아르곤 또는 이산화탄소를 포함하는, 연료 전지 셀 또는 스택 또는 조립체의 동작 방법.
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