KR20150020161A

KR20150020161A - 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리

Info

Publication number: KR20150020161A
Application number: KR1020147027816A
Authority: KR
Inventors: 케인 엠. 핀너티; 폴 드월드
Original assignee: 와트 퓨얼 셀 코퍼레이션
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2015-02-25
Also published as: WO2013130777A1; IN2014MN01870A; RU2577326C1; EP2820709A1; KR101775467B1; CA2865975C; CN104272514B; MX2014010291A; US20130230787A1; US9774055B2; JP5922267B2; EP2820709B1; JP2015508938A; AU2013225992A1; AU2013225992B2; MX347642B; CA2865975A1; CN104272514A; ZA201406265B

Abstract

튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리는 적어도 2 개의 튜브형 고체산화물 연료전지 유닛, 적어도 1 개의 공유 집전기 및 상기 연료전지 유닛들의 섹션 및 공유 집전기를 클로즈-피팅 관계로 리테이닝 하기 위한 리테이너를 포함한다.

Description

튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 디바이스{TUBULAR SOLID OXIDE FUEL CELL ASSEMBLY AND FUEL CELL DEVICE INCORPORATING SAME}

본 발명은 연료 전지에 관한 것이며, 더 구체적으로 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 디바이스에 관한 것이다.

연료 전지는 연료의 에너지 포텐셜을 전기화학 반응을 통하여 전기로 변환하는 전기 디바이스이다. 일반적으로, 연료 전지 유닛은 전해질에 의해 분리되는 한 쌍의 전극들(양극 및 음극)을 포함하여 구성된다. 상기 전해질은 특정 종류의 이온들만 이동하도록 한다. 상기 전해질을 가로지르는 이온들의 선택적 이동의 결과, 상기 2 개의 전극들 간의 포텐셜이 발생된다. 이 포텐셜은 유용한 일을 하는데 활용될 수 있다. 이 직접적 변환 프로세스는 발전기를 구동하는 내연기관 등의 전통적인 동력 발생 디바이스들에 필요한 기계적 단계들을 없애는 것에 의해 동력 발생의 효율성을 증가시킨다. 추가적으로, 더 높은 효율성과 전기화학 프로세스들의 조합은 전기적 동력의 에너지-효율적이고, 자원-보존적이고 친환경적인 원천을 제공한다.

주지된 유형의 고체산화물 연료 전지(SOFC)는 세 개의 기본적인 컴포넌트들을 갖는다: 전자를 발생시키는 양극 층, 전자를 소모하는 음극 층 및 이온들을 전도하나 전자가 통과하는 것을 막는 중간의 전해질 층. 작동시에, 수소, 탄화수소, 알코올, 일산화탄소 또는 이들 중의 혼합물과 같은 연료는 양극 층 내에서 산소 음이온들과 결합하여 물 및/또는 이산화탄소 및 전자를 발생시킨다. 상기 양극 층 내에서 발생된 전자는 외부 로드를 통해 이동하고 바람직하게 공기의 흐름으로 공급되는 산소가 상기 전자와 결합하여, 선택적으로 상기 전해질 층을 통과하여 상기 양극 층으로 유입되는 산소 음이온들을 제공하는 상기 음극 층으로 되돌아온다.

일반적으로 SOFC에 있어, 세 개의 구조형들이 있다: 박막의 세라믹 물질을 결합시켜 모놀리식 블록이 되는 것에 의해 형성된 허니컴 구조를 갖는 모놀리식 SOFC; 튜브형, 명칭에서 알 수 있듯이 바람직하게는 실린더형, 배열을 갖는 튜브형 SOFC; 및, 평평한, 평면-형 모양을 갖는 평면형 SOFC. SOFC들은 상당히 높은 온도, 예를 들어 850-1000℃ 정도의 고온에서 가동한다. 이러한 높은 가동 온도로 인하여, 평면형 SOFC는 크랙이 발생하는 경향이 있고, 열순환이 원인이 되는 실링에 관계된 문제가 발생한다. 이러한 측면에서 튜브형 SOFC가 일반적으로 더 잘 작동하지만, 작동 중에 전기적 접촉 표면들이 분리되어 일어나는 옴 손실(ohmic loss)과 같은, 집전을 어렵게 하는 문제가 있다. 모놀리식 SOFC는, 그 제조에 연관된 대다수의 소형 구성부품들, 층들 및 상호연결들로 인해서, 신뢰성에 관심이 집중되고 있다.

특히 튜브형 SOFC 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 디바이스들의 경우, 집전기 컴포넌트들이 작동 상태들 하에서 그들과 결합되는 상기 전극들로부터 움직이거나 분리되려는 경향성으로 인해, 온-오프 주기에서 야기되는 열적 스트레스가 옴 손실을 야기할 수 있다. 이로 인한 전기적 접촉면적의 감소는 대체로 상기 튜브형 SOFC 어셈블리의 세라믹 전극 컴포넌트들의 열팽창이 금속 또는 금속-함유 집전기 컴포넌트들의 열팽창과 차이가 있음에 기인한다. 상기 전극들 및 집전기들의 열팽창의 차이에서 기인하는 기계적 힘이, 비록 각각이 작을지라도, 시간에 따라 집전기들 및 세라믹 전극들 간 전기적 접촉 면적의 영구적이고 상당한 감소 및 이에 수반하는 동력을 빼앗는 옴 손실로 나타나는 누적 효과를 발생시킬 수 있다.

따라서, 튜브형 SOFC 어셈블리의 집전기 컴포넌트들에 대한 전술한 문제점이 있어서, 가동중에 연계된 전극에서 상기 집전기 컴포넌트들이 떼어내지거나 분리되는 것을 저지하는 것에 대한 필요가 튜브형 SOFC 어셈블리에 존재한다.

본 발명에 의하면 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리가 제공되며, 본 발명의 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리는

a) 제1 말단 섹션, 제2 말단 섹션 및 상기 말단 섹션들 사이의 중간 섹션과 내측 전극층, 외측 전극층 및 이 전극층들 사이의 전해질층을 포함하여 구성되는, 적어도 2 개의 축방향 에롱게이트형상(axially elongate) 튜브형 고체산화물 연료 전지 유닛;

b) 상기 적어도 2 개의 연료 전지 유닛이 공유하는 적어도 1개의 공유된 외부 집전기; 및

c) 상기 적어도 2 개의 연료 전지 유닛의 적어도 1개의 섹션과 상기 공유된 외부 집전기의 적어도 일부를 클로즈 피팅 관계로 리테이닝하는 구조로 된 적어도 한 개의 리테이너를 포함하여 구성되며;

상기 적어도 1개의 공유된 외부 집전기는 상기 적어도 2 개의 연료 전지 유닛의 전극층과 전기 접촉하고, 상기 집전기와 상기 집전기와 전기 접촉하는 각 전극층은 실질적으로 컨포밍하는(conforming) 전기 접촉 표면을 가지며, 상기 집전기는 상기 연료 전지 유닛의 열팽창 계수보다 더 큰 열팽창 계수를 가지고, 상기 리테이너는 상기 집전기의 열팽창 계수보다 작거나 같은 열팽창계수를 가져서, 열팽창시 상기 리테이너 내에 리테이닝된 집전기의 부분이 각 연료 전지 유닛의 전극 표면과 가압하에 전기접촉상태로 배치된다.

본 발명의 튜브형 SOFC 어셈블리를 장치한 연료 전지 디바이스의 가동 중에, 집전기가 전기적 접촉하는 연료 전지 유닛 열팽창의 열팽창 계수와 비교하여 더 큰 열팽창 계수를 갖는 집전기 컴포넌트의 열팽창은 상기 연료 전지 유닛들의 전극층의 전기적 접촉 표면에 가해지는 압축력을 일으킨다. 이 압축력의 결과로, 상기 집전기 및 이와 결합된 전극들 간 원래의 전기적 접촉면적은 많은 온-오프 작동 주기들을 거친 후에도 상당히 일정히 유지되어, 본 발명의 튜브형 SOFC 어셈블리를 포함하는 연료 전지 디바이스에서의 옴 손실을 제거 또는 감소시킨다.

첨부 도면들에서 같은 부분들은 같은 도면 참조부호들로 표시된다.
도 1A 는 본 발명에 따르는 튜브형 SOFC 유닛의 하나의 구체예의 사시도로서, 상기 유닛의 양 말단 섹션들에서 노출된 전극 표면을 보여준다.
도 1B 는 도 1A 의 상기 튜브형 SOFC 유닛의 말단 섹션의 확대도이다.
도 1C 는 말단 섹션들의 단면 형상이 중간 섹션의 단면 형상과 다른, 본 발명에 따르는 튜브형 SOFC 유닛의 또 다른 구체예의 사시도이다.
도 1D 는 도 1C 의 상기 튜브형 SOFC 유닛의 하나의 말단의 확대도로서, 상기 말단의 교호적인 볼록-오목 형상이 상기 연료 전지 유닛의 중간 섹션의 대체로 원형 단면 형상으로 전이(transition)하는 것을 보여준다.
도 2A는 도 1A 의 인접한 튜브형 SOFC 유닛들 한 쌍의 사시도로서, 상기 쌍에 있는 연료 전지 유닛들의 말단 섹션들과 전기적 접촉하는 환형상 집전기들을 보여준다.
도 2B는 도 1A 의 인접한 튜브형 SOFC 유닛들 쌍의 사시도로서, 상기 쌍에 있는 연료 전지 유닛들의 실질적인 전체 길이를 따라 연장하는 천공 튜브형상의 집전기를 보여준다.
도 2C 는 도 2A에 도시된 튜브형 SOFC 유닛들 쌍의 말단 섹션과 동일한 말단 섹션의 확대 말단도로서, 쌍으로 있는 일련의 연료 전지 유닛들에 전기적 연결을 제공하기 위하여, 상기 쌍으로 있는 연료 전지 유닛들이 공유 집전기들에 의해 내측 음극에서 외측 양극까지 전기적으로 연결됨을 보여준다.
도 2D 는, 도 2A 및 2C 에 나타난 것과 같이 일련으로 전기적 접촉되어 있는 한 쌍의 튜브형 SOFC 유닛을 포함하는 본 발명의 튜브형 SOFC 유닛 어셈블리의 확대 부분 종단면도가고, 쌍으로 있는 각 연료 전지 유닛의 말단 섹션들, 그들의 공유 집전기들 및 그들에 결합된 리테이너들 간 클로즈-피팅 관계를 나타낸다.
도 2E 는 도 2D 의 상기 튜브형 SOFC 어셈블리와 함께 그것의 2 개 리테이너들 중 한 개를 가상선으로 나타낸 사시 조립도의 부분이고, 상기 리테이너는 상기 어셈블리로부터 분리되어 연료 전지 섹션 및 공유 집전기를 리테이닝하는 내부 형상의 디테일을 더 잘 나타낸다.
도 2F 는 도 2E 에서 나타낸 상기 분리된 리테이너의 횡적인 단면도이다.
도 2G 및 2H 는 도 2A의 상기 튜브형 SOFC 유닛의 쌍의 확대 단면도이고, 병렬로 이루어진 상기 연료 전지 유닛들에 전기적 연결을 제공하기 위하여, 각각 상기 연료 전지 유닛들의 그들의 공유 집전기에 의한 한 쪽 말단에서 내측 음극까지의 전기적 연결 및 상기 연료 전지 유닛들의 그들의 공유 집전기에 의한 다른 쪽 말단에서 외측 양극에서 외측 양극까지의 전기적 연결을 나타낸다.
도 2I 는 도 2A 나타난 것과 같이 병렬로 전기적 접촉되어 있는 한 쌍의 튜브형 SOFC 유닛을 포함하는 본 발명의 튜브형 SOFC 유닛 어셈블리의 확대 부분 종단면도가고, 쌍으로 있는 각 연료 전지 유닛의 말단 섹션들, 그들의 공유 집전기들 및 그들에 결합된 리테이너들 간의 긴밀한 피팅 관계를 나타낸다.
도 3A 는 상기 튜브형 SOFC 어셈블리의 또 다른 구체예와 함께 그것의 2 개 리테이너들 중 한 개를 가상선으로 나타낸 사시 조립도의 부분이고, 상기 리테이너는 상기 어셈블리로부터 분리되어 연료 전지 섹션 및 공유집전기를 리테이닝하는 내부 형상의 디테일을 더 잘 나타낸다.
도 3B 는 도 3A 의 상기 분리된 리테이너의 종단면도이다.
도 3C 는 도 3A 의 상기 튜브형 SOFC 어셈블리의 확대 부분 종단면도로서, 편단접지 시리즈가 교대하는 관계로(in alternating single-ended series) 연료 전지 유닛들의 전기적 연결을 나타낸다.
도 4A_, 4B 및 4C 는 본 발명의 튜브형 SOFC 어셈블리의 다른 구체예들의 사시도이고, 그들의 리테이너 컴포넌트들의 배치를 나타낸다.
도 5A 는 본 발명에 따르는 연료 전지 유닛들의 또 다른 배열을 나타낸 사시도이다.
도 5B 는 도 5A 의 배열된 연료 전지 유닛들의 공유 집전기들 중 한 섹션을 나타낸 사시도이고, 상기 집전기들은 도 7G 의 확대 단면도에 나타낸 곡면의 평행사변형 형상을 갖는다.
도 5C 는 도 5A의 연료 전지 유닛들의 배열의 확대 부분 종단면도이다.
도 6A 는 본 발명의 튜브형 SOFC 어셈블리의 유닛들과 축방향으로 나란히 배치된 양극 공기 공급 튜브들을 가지는 상기 어셈블리의 또 다른 구체예의 조립 사시도이다.
도 6B 및 6C 는 각각, 도 6A 의 튜브형 SOFC 어셈블리의 확대 평면도 및 확대 부분 종단면도이고, 각 집전기 사이의 환상 공간 안에 상기 양극 공기 공급 튜브 섹션을 리텐션하는 것을 나타낸다.
도 7A-7I 는 본 발명에 따르는 연료 전지 유닛들의 몇몇 배열들 및 그들의 공유 집전기(들)의 단면도들이다.
도 8A 및 8B는 기류가 초기에 상기 연료 전지 유닛들의 길이방향 축들에 대체로 횡단하는 경로에서 상기 어셈블리를 통과하는 것을 보여주는, 본 발명에 따르는 튜브형 SOFC 어셈블리를 장치한 연료 전지 디바이스의, 부분적으로 단면도인, 사시도 및 평면도이다.
도 9는 초기에 상기 연료 전지 유닛들의 길이방향 축들에 대체로 평행한 경로에서 상기 어셈블리를 통과하는 기류를 보여주는, 본 발명에 따르는 양극 에어 튜브-포함 튜브형 SOFC 어셈블리를 장치한 본 발명의 연료 전지 디바이스의 평면도이다.
도 10A 및 10B 공지된 유형의 원 상태(예를 들어, 신품 상태)의 튜브형 SOFC 어셈블리의 단면도들로서, 주위 온도(20℃)에서의 단면도와, 보통의 작동 온도(600-850℃)에서 단면도이다.
도 10C(선행 기술) 는 상기 도 10B 의 튜브형 SOFC 어셈블리의 연료 전지 유닛들 중 한 개의 확대도이고, 금속 집전기와 그것에 결합된 세라믹 연료 전지 유닛의 열팽창 계수들의 미스매치로 인한 전기적 접촉 표면의 부분적인 분리를 나타낸다.
도 11A(선행 기술) 는 주위 온도(20℃) 및 본래 상태에서 공지된 또 다른 유형의 튜브형 SOFC 어셈블리의 한 포션의 단면도이다.
도 11B(선행 기술) 는 그것의 보통의 작동 온도(600-850℃) 에서 그것의 본래 상태의 도 11A 의 상기 튜브형 SOFC 어셈블리의 연료 전지 유닛들 중 한 개의 확대도이고, 금속 집전기와 그것에 결합된 세라믹 연료 전지 유닛의 열팽창 계수들의 미스매치로 인한 전기적 접촉 표면의 부분적인 분리를 나타낸다.

본 명세서에서 이해하여야 할 것은 여기서 설명하고 있는 특수한 처리절차들, 재료들 및 수정들로 제한되는 것이 아니며, 다르게 할 수도 있다는 것이다. 또한 이해하여야 할 것은 사용된 용어들은 특수한 구체예들을 설명할 목적의 용어들로서, 본 발명의 범위를 제한할 의도를 가진 것은 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다는 것이다.

본 명세서 및 특허청구범위에서, 하기 용어들 및 표현들은 다음에 나타낸 바와 같은 의미로 이해되어야 한다.

단수 형태 “하나 (a, an, the)”는 복수를 포함한다. 본 명세서에 기술된 모든 방법들은 달리 나타내지 않는 한, 또는 문맥상 명백하게 모순되지 않는 한 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있는 것이다. 본 명세서에서 제시되는 실시예들의 일부 또는 전부, 또는 예를 드는 뜻의 언어, 예를 들어, "~와 같은" 의 사용은 단지 본 발명을 보다 잘 이해할 수 있도록 의도한 것이지, 달리 특허청구되지 않는 한 본 발명의 범위에 제한을 부과하는 것은 아니다. 본 명세서에 표현된 것이 임의의 비청구 요소들을 본 발명의 실시에 필수적인 것으로서 명시한 것이라고 해석되어서는 아니 된다.

본 명세서에서 사용된, “포함하여 구성되는”, “포함하는”, "함유하는", "특징으로 하는" 및 이러한 표현들의 문법적 등가의 표현들은 포괄형 또는 개방형 용어로서, 추가의, 기재하지 않은 요소들 또는 방법 단계들을 배제하지 않는 것이나, 제한적 용어 “구성되는” 및 “본질적으로 구성되는”도 포함하는 것으로 이해하여야 한다.

"공유 집전기" 의 표현은 여기에서, 그것의 전기적 접촉 표면이 적어도 2 개의 연료 전지 유닛들의 전극층들의 전기적 접촉 표면과 전기적 접촉하는 집전기를 의미하는 것으로 이해하여야 한다.

작동예들 외에 또는 다른 곳에서 가리키는, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명에 기재된 물질들, 반응 상태들, 시간 지속들, 물질들의 양적 특성들의 양들 등등 을 표현하는 모든 숫자들은 모든 경우에 있어 "약" 이라는 단어와 함께 조정될 수 있다고 이해하여야 한다.

여기에서 "세라믹" 용어는, 해당 분야에서 인식되는 것에 추가적으로, 유리(glasses), 유리-세라믹(glass-ceramics) 및 서메트(cermets)를 포함한다.

본 명세서에 기재된 어떠한 수치범위도 그 범위 내의 아-범위를 포함하며, 이러한 범위 또는 아-범위의 다양한 종점 값들의 어떠한 조합도 포함하는 것임을 이해하여야 한다.

또한 구조적으로, 조성적으로, 및/또는 기능적으로 관계된 화합물들, 재료들 또는 물질들의 군에 속하는 것으로서, 본 명세서에 명확하게 또는 함축적으로 제시한, 및/또는 청구범위에 기재된 임의의 화합물, 재료 또는 물질은 상기 군의 개별적인 대표자이면서 그 모든 조합인 것으로 이해하여야 한다.

여기서 모든 선행 특허들, 계류중의 출원들 및 기타 비특허문헌들에서 인용한 내용 전부는 본 명세서에 통합됩니다.

비슷한 숫자들은 비슷한 파트들과 관련된 것인 도면들과 관련해서, 도 1A 및 1B 의 튜브형 연료 전지 유닛(100)은 본 발명에 따르는 튜브형 SOFC 어셈블리의 구조에서 이용될 수 있는 튜브형 연료 전지의 수 많은 구체예들 중 하나이다. 연료 전지 유닛(100) 은 상당히 동일한 제1 말단부(101), 제2 말단부(102), 중간 섹션(103) 및 상기 유닛의 전체 길이에 걸쳐 있는 오목한 표면(105) 과 교대 배열 되어 있는 볼록한 표면(104) 를 포함한다. 연료 전지 유닛(100) 의 말단부들(101,102) 의 포션은 그것의 내측 양극 층(106), 외측 음극 층(107) 및 중간 전해질 층(108) 의 배열을 더 잘 설명하기 위하여 벗겨진 상태로 나타내었다. 구멍(109) 는 연료 전지 유닛(100)의 구간을 통하는 연료의 흐름을 제공하고 내측 양극 층(106) 과 접촉한다. 상기 연료 전지 유닛(100) 의 단면이 일반적으로 대칭적이지만, 꼭 그러할 필요는 없으며 예를 들어서, 도 7I 의 구체예에서 보여지듯이 하나의 볼록한 곡면이 다른 볼록한 곡면보다 더 길 수도 있다고 이해하여야 한다.

도 1B 에서 나타나듯이, 연료 전지 유닛(100) 은 내측 양극 층(106) 의 노출된 전기적 접촉 표면(109) 을 나타내며, 상기 표면이 도 2C 및 2D 에서 나타나듯이 결합된 집전기의 들어맞는 전기적 접촉 표면과 전기적 접촉을 할 수 있게 한다. 양극 층(106) 의 노출된 전기적 접촉 표면(110) 은 연료 전지 유닛(100) 의 오목한 곡면(105) 구간의 한 포션, 예를 들어서 제1 말단부(101), 제2 말단부(102) 및/또는 중간 섹션(103) 에서만 연장될 수 있고, 또는 오목한 표면(105)의 전체 구간, 예를 들어서 제1 말단부(101) 부터 제2 말단부(102) 까지에 걸쳐 연장될 수 있다.

도 1C 의 튜브형 연료 전지 유닛의 구체예에서 나타나듯이, 연료 전지 유닛(120) 은 도 1A 의 연료 전지 유닛(100) 의 제1 말단부(101) 및 제2 말단부(102)와 동일한 단면 형상을 보여주는 제1 말단부(121) 및 제2 말단부(122)를 포함하고, 중간 섹션(123) 에서 대체로 원형 단면(124)을 갖는다.

따라서, 상기 유닛의 단면 외형이 그것의 전체 길이에 걸쳐서 필수적으로 균일한 연료 전지 유닛(100) 과는 달리, 연료 전지 유닛(120)의 단면 외형은 예를 들어서, 그것의 제1 말단부(121) 및 동일한 제2 말단부(122) (도시되지 않음) 의 단면들에서 그것의 중간 섹션(123) 구간에서의 일반적으로 원형 단면(124) 으로의 변이와 같이, 비-균일하다.

연료 전지 유닛들 (100,120) 및 그들의 다양한 변형들은 예를 들어서, 미국 특허 제6,228,521호, 제6,436,565호 및 제7,498,095호에 개시된 것과 같은 주지 또는 기존의 양극 층-형성, 전해질 층-형성 및 음극-층 형성 구조체들로부터 제조될 수 있다. 필요시에는, 하나 이상의 추가적인 층들, 예를 들어서, 도 5C의 튜브형 SOFC 어셈블리의 구체예 에서와 같은 선택적인 전기 전도층 및/또는 미국 특허 제5,993,989 층과 같이 분극 손실을 줄이기 위해 상기 음극 층 및 전해질 층 사이에 배치된 선택적인 계면층이 제공될 수 있다. 상기 연료 전지 유닛들은 또한, 예를 들어서, 미국 특허 출원 제 2009/0023050 호에 설명된 것과 같이 내부 개질 형( reforming type) 일 수도 있다.

튜브형 연료 전지 유닛들 (100,120) 은 압출, 사출 몰딩, 겔 캐스팅, 정밀 캐스팅, 딥-코팅(dip-coating), 등등과 같은 하나 이상의 주지 및 기존의 튜브형 세라믹 구조체-형성 프로세스들을 이용하여 제조할 수 있다. 도 1A 의 연료 전지 유닛(100) 및 연속적으로 균일한 단면의 다른 연료 전지 유닛들의 경우, 2011년 9월 1일에 출원된, 본 출원인의 계류중인 미국 특허 출원 제13/223,349호 및 제13 223,359호에 설명된 튜브형 세라믹 구조체를 제조하는 신규한 프로세스들이 특히 유리하다. 도 1D 의 연료 전지 유닛(120) 및 비-균일한 단면의 다른 연료 전지 유닛들을 제조하는 유용한 방법들 중에서 퓨지티브 몰드(fugitive mold)를 이용하는 미국 특허 제5,824,250호의 겔 캐스팅 몰딩 프로세스 및 희생 인서어트(sacrificial insert)를 이용하는 미국 특허 제6,547,210호의 세라믹 사출 몰딩 프로세스가 있다.

연료 전지 유닛들 (100,120) 은 내부 양극(연료 전극)-지지형 및 외부 음극 (공기 전극) 타입이다. 그러나, 내부 음극 층 및 외부 양극 층, 및 음극-지지형 및 전해질-지지형 튜브형 연료 전지 유닛 형상을 포함하여 구성되는 튜브형 연료 전지 유닛들도 또한 본 발명에 따르는 튜브형 SOFC 어셈블리의 구조에 고려되어진다.

도 2A 에 나타나듯이, 인접한 도 1A 연료 전지 유닛(100) 들의 한 쌍 (200) 은 상기 쌍의 연료 전지 유닛의 말단부(101) 및 말단부(102) 각각에 배치된 공유되는 환형 집전기들(201)을 포함한다. 각 집전기의 볼록한 전기적 접촉 표면(202)은, 각 연료 전지 유닛의 말단부(101) 및 말단부(102) 에서 전극들의 노출된 들어맞는 오목한 전기 접촉 표면들(203) 과 전기적 접촉한다.

도 2B의 인접한 연료 전지 유닛들(100) 의 단일 쌍 (210) 은, 연료 전지 유닛들의 말단 섹션들(101) 및 (102)에 배치된 환형상의 집전기들(201) 대신에 연료 전지 쌍(210) 이 상기 쌍의 전 구간에 걸쳐 연장된 단일의 공유 집전기(211) 를 갖는 것을 제외한다면, 도 2A의 연료 전지 쌍(200) 과 유사하다. 집전기(211) 은 예를 들어서, 종적인 슬릿들(212) 로 이롭게 천공되어, 양쪽 연료 전지 유닛들의 외부 양극 층들(107) 에 더 나은 공기 접촉을 가능케 한다.

이하 더 충분히 설명되어지는 바와 같이, 본 발명의 튜브형 SOFC 어셈블리의 연료 전지 유닛 컴포넌트들을 위하여 다양한 전기적 연결 배열들을 만들 수 있다.

도 2C 및 2D에 나타낸 것과 같이, 도 2A의 튜브형 연료 전지 쌍(200) 은 일련으로 전기적 연결되고, 공유되는 환형 집전기(201) 의 하나의 볼록한 전기적 접촉 표면(202) 은 내측 음극 층(106) 의 노출되고 컨포밍하고 오목한 전기적 접촉 표면(203) 과 접촉하고 집전기(201) 의 또 다른 볼록한 전기적 접촉 표면(202) 은 외측 양극 층(107) 의 노출되고 컨포밍한 오목한 전기적 접촉 표면(203) 과 접촉한다.

도 2D 는 추가적으로 도 2A의 일련으로-연결된 연료 전지 쌍(200) 이 튜브형 SOFC 어셈블리(220) 안에 포함된 것을 나타낸다. 쌍으로 된 각 연료 전지 유닛(100) 의 말단 섹션들(201,202) 에 각각 배치된 리테이너들 (221,222) 은 상기 말단 섹션들 및 그들이 공유하는 환형상의 집전기들(201) 을 그들 안에서 클로즈-피팅, 예를 들어서, 마찰적 피팅으로 리테이닝하기 위해 배치된다.

도 2E 및 2F 에서, 도 2D의 튜브형 SOFC 어셈블리(220) 의 리테이너(221) 의 내측 형상을 더 자세히 나타내었다. 리테이너(221) 은 각 연료 전지 유닛(100) 의 제1 말단 섹션(101) 을 리테이닝하기 위한 통로(223) 및 그들이 공유하는 집전기들(201) 을 전술한 클로즈-피팅 관계로 리테이닝하기 위한 인접한 리세스(recesses) (224) 를 포함한다. 비-공유 집전기에 인접해 위치하고 이에 전기적 연결되어 있는 슬롯(225) 이 외부 부하에 대한 도전성 리드들(도시되지 않음)을 위하여 제공된다.

상기 튜브형 SOFC 어셈블리의 리테이너 컴포넌트(들)는 몇몇의 필수적인 기능들을 수행한다. 상기 연료 전지 유닛들의 하나 이상의 섹션 및 이들과 클로즈-피팅 관계로 전기적 접촉하는 이들의 공유 집전기들의 적어도 한 포션을 유지하는 것에 의해서, 상기 리테이너 컴포넌트(들)는 상기 어셈블리 내에서 상기 연료 전지 유닛들 및 이들의 공유 집전기들을 움직이지 못하게 하고 그들의 서로에 대한 공간적 위치들을 고정시킨다. 추가적으로, 상기 집전기 컴포넌트(들)가 그들이 결합된, 예를 들어서, 인접한 연료 전지 유닛들의 열팽창 계수보다 큰 열팽창 계수 (CTE)를 갖고 상기 리테이너 컴포넌트(들)가 상기 연료 전지 유닛들의 열팽창 계수보다 작거나 같은 열팽창 계수를 갖기 때문에, 본 발명의 튜브형 SOFC 어셈블리를 포함하는 연료 전지 디바이스의 가동 중에, 리테이너에 의해 구속되는, 상기 집전기(들)의 열팽창은, 상기 연료 전지 유닛들의 결합된 전극 컴포넌트들의 전기적 접촉 표면들을 향해 가해지는 압축력을 야기하여, 상기 집전기들이 상기 전극들의 전기적 접촉 표면들로부터 분리되거나 떼어지려는 어떠한 경향성이라도 견디게 한다. 상기 압축력이 연료 전지 작동의 수많은 온-오프 주기들 이후에도 상기 집전기들이 이들이 결합된 전극 부분들과 상당히 완전한 전기적 접촉을 유지하도록 해준다.

일반적으로, 상기 집전기(들)의 열팽창계수는 800℃ 에서 1.6-2% 의 범위를 가질 수 있고, 상기 리테이너(들)의 열팽창계수는 800℃ 에서 0,6-0.72%의 범위를 가질 수 있고, 상기 연료 전지 유닛들의 열팽창계수는 800℃ 에서 1-1.22%의 범위를 가질 수 있다.

본 발명의 튜브형 SOFC의 상기 리테이너 컴포넌트(들)는, 물론, 상기 리테이너 컴포넌트(들)의 열팽창 계수가 상기 결합된 집전기 컴포넌트(들)의 열팽창 계수를 초과하지 않는다는 조건 하에서, 예를 들어서, 알루미나, 지르코니아-강화된 알루미나, 지르코니아, 이트리아 정방 지르코니아 다결정, 등과 같은 수 많은 주지 및 기존의 전기적으로 중성인 세라믹들인 상당히 전기적으로 비-전도성 물질로부터 제조될 수 있다. 상기 리테이너 컴포넌트(들)는 몰딩, 조합된 몰딩, 및 파이어링(firing)이 후속하는 그린 강도 물질(green strength material)의 몰딩 및 기계가공의 조합, 파이어링이 후속하는 다이-컷(die-cut) 또는 레이저-컷(laser-cut) 컷아웃을 가지는 그린 세라믹 테이프(green ceramic tape)의 섹션들의 라미네이션, 등등과 같은 몇몇 주지 및 기존의 프로세스들에 의해 제조될 수 있다.

도 2G, 2H 및 2I 는 본 발명에 따르는 튜브형 SOFC 어셈블리의 또 다른 구체예를 설명하며, 거기에서 상기 연료 전지 유닛들은 병렬로 전기적 연결되어 있다. 도 2G에서는, 도 2I에서 나타낸 것과 같이 연료 전지 쌍(230) 은 음극에서-양극으로 공유 집전기(201) 에 의해 제1 말단(231) 에서 전기적 연결되어 있고 도 2H 에서는, 도 2I 에서 나타낸 것과 같이 제2 말단(232) 에서 공유 집전기(201) 에 의해 양극에서-양극까지 전기적 연결되어 있다.

나아가 도 2I 에서 나타낸 것과 같이, 튜브형 SOFC 어셈블리(240) 의 말단 섹션들(243,244) 에 각각 배치된 리테이너들(241,242) 은 상기 말단 섹션들 및 이들의 공유 집전기들을 그들이 클로즈-피팅 관계에 있도록 리테이닝하기 위해 배열되며, 거듭 말하지만, 도 2D의 튜브형 SOFC 어셈블리(230) 의 경우와 같이, 전기적 접촉 표면들이 서로로부터 떨어지는 어떠한 상당한 상대적인 움직임을 예방하거나 막기 위함이며, 그렇지 않은 경우 동력-감소 옴 손실을 야기한다.

도 3 A 및 3C 의 튜브형 SOFC 어셈블리(300) 은 연료 전지 유닛들(100) 과 공유 집전기들(201) 이 편단접지 시리즈가 교대하는 관계로 전기적 연결되 있는 것을 나타낸다. 도 3B에 나타낸 것과 같이, 리테이너(301) 및 그것과 좌우대칭으로 상응하는 것 (mirror-image counterpart) 인 리테이너(302) 는 각 연료 전지 유닛(100) 의 제1 말단 섹션(101) 을 리테이닝 하기 위한 통로들(303) 및 공유되는 집전기(201) 를 서로 클로즈-피팅 관계에 있게 리테이닝 하기 위한 인접한 리세스들(304) 을 포함한다. 리테이너(302) 의 리세스(306) 내에 배치된 비-공유 집전기( 307)에 인접한 슬롯(305) 은 리드(308) 에 전기적으로 연결되고 (도 3C), 리드는 외부 부하(도시되지 않음)에 연결된다.

도 4A, 4B 및 4C 는 각 연료 전지 유닛의 한 쪽 말단에 배치된 단일 리테이너 (도 4A의 어셈블리 (400)), 각 연료 전지 유닛의 중간 섹션에 배치된 단일 리테이너 (도 4B의 어셈블리 (410)) 및 2 개는 각 연료 전지 유닛의 각각의 말단 섹션에 하나씩 그리고 나머지 하나는 각 연료 전지 유닛의 중간 섹션에 배치된 세 개의 리테이너들 (도 4C 어셈블리 (420)) 을 특징으로 하는 튜브형 SOFC 어셈블리의 구체예들을 설명한다.

도 5A 및 5C 는 본 발명의 튜브형 SOFC 어셈블리 (500)의 형상을 나타내고, 여기에서 하나의 연료 전지 유닛(100)의 볼록한 표면(104) 이 인접한 연료 전지 유닛(100) 의 오목한 표면(105)를 향해 배열되어 있고, 이들 사이에 공유되는 집전기 (501) 가 배치 되어 있다. 도5B 에 나타낸 것과 같이, 집전기(501) 는 곡면의 평행사변형 단면으로 정의된다. 도5C 는 나아가 외측 양극 층(107) 및 집전기(201) 사이에 삽입된 선택적인 전기적 전도 층(502) 을 나타낸다.

도 6 A, 6B 및 6C 는 본 발명의 튜브형 SOFC 어셈블리의 또 다른 구체예(600) 를 나타내고, 여기에서 양극 공기 전달 튜브들(601) 은 집전기들(201)의 환형 공간 내에 배치된다. 양극 에어 튜브들(601) 이 튜브형 SOFC 어셈블리(600) 에 있어서 그들의 적절한 기능을 위하여 집전기들(201) 및 리테이너(221) 를 너머 연장될 필요는 없지만, 일반적으로 인접한 연료 전지들(100) 의 길이의 적어도 반에 걸쳐 연장되는 것이 바람직하고, 상대적으로 차가운 공기가 그것으로부터 배출되는 포인트인 상기 길이의 2/3 정도 연장되는 것이 더 바람직하다. 튜브형 SOFC 어셈블리(600) 의 하나의 변형에서는, 도 6A-6C 에서 보여지는 것처럼 상기 어셈블리의 말단에 양극 에어 튜브들(601) 이 배치되는 것 대신에, 상기 튜브들은 상기 어셈블리의 다른 쪽 말단에 배치된다.

양극 에어 튜브들(601) 은 외부로부터 튜브형 SOFC 어셈블리(600) 로 처음 들어올 때 주위 온도인 공기를 상기 어셈블리 내로 들여와 통과시켜 상기 어셈블리의 작동에 있어서 산소를 공급한다. 상기 공기는 또한 상기 어셈블리의 작동 온도를 원하는 범위 내로 유지시키기 위한 냉각 매질로서 기능한다. 따라서, 양극 에어 튜브들(601) 을 통한 공기의 통과는 예를 들어서, 도 9의 연료 전지 디바이스(900) 과 같이, 튜브형 SOFC 어셈블리(600) 을 포함하는 연료 전지 디바이스의 배출 쪽을 위한 온도 제어를 제공할 수 있다. 주위 공기의 흐름은 또한 집전기들(201) 을 냉각하는데 유용하여 집전기들의 손상을 예방하거나 감소시킬 수 있다. 그러나 양극 에어 튜브들(601) 을 통한 기류의 또 다른 장점은, 그렇지 않은 경우 현실적인 것 또는 바람직한 것보다 튜브형 SOFC 어셈블리(600) 내에서 연료 전지 유닛들(100) 의 빽빽한 패킹을 가능케 하는 것이다. 연료 전지 유닛들의 패킹 밀도를 증가시키는 것은 상기 어셈블리의 부피를 감소시키고, 짧은 열 반응 시간 및 상기 어셈블리를 포함하는 연료 전지 디바이스의 증가된 열적 효율성을 야기한다.

도 7A-7I은 본 발명에 따르는 연료 전지 유닛-공유 집전기(들)의 다양한 배열들을 단면으로 나타낸 것이다.

본 발명의 튜브형 SOFC 어셈블리 내 연료 전지 유닛들의 개수는 비용, 제조의 적합성 및/또는 다른 현실적 고려사항들을 당연히 고려하여 최소 2개로부터 원하는 숫자까지 달라질 수 있고 원하는 방법 또는 패턴, 예를 들어서, 2개가 한 쌍인, 3개가 한 쌍인, 4개가 한 쌍인, 등등, 한 줄로, 여러 줄로, 등등, 으로 배열될 수 있다. 유사하게, 연료 전지 유닛들, 집전기들 및 리테이너의 모양 및 그들의 크기도, 기능적인 필요조건들만 만족된다면, 폭넓게 달라질 수 있다.

도 8A 및 8B에서, 본 발명의 튜브형 SOFC 어셈블리(890) 를 포함하는 연료 전지 디바이스(800) 는 그것의 내부 구조를 더 잘 보여주기 위하여 일부 생략하여 나타내었다. 연료 전지 디바이스(800) 는, 연료 포트(895) 를 통해 유입되는 예를 들어서, 가스상 탄화수소(들), 기화된 액체 탄화수소(들) 또는 알코올(들)의 가스상 연료와 섞이는 음극 공기의 흐름을 제공해주는 제1 블로우 시스템(blower system) (810) 을 포함하고, 그 결과의 연료-공기 혼합물은 이후 연료-공기 매니폴드(manifold) (820) 로 유입되고 거기에서부터 튜브형 SOFC 어셈블리 (890)의 각 연료 전지 유닛(100) 의 내경(bore) (109) 으로 들어와 통과하고, 상기 내경에서 내측 음극 층(106)과 접촉한다. 제2 블로우 시스템(830) 은 양극 공기의 흐름을 양극 공기 매니폴드(840) 에 제공하고, 양극 공기는 상기 매니폴드(840) 으로부터 배출구(850) 를 통해 배출되어, 상기 어셈블리의 각 튜브형 SOFC 유닛(100)의 외부 양극 층(107)을 위한 산소의 원천을 제공한다. 양극 공기 매니폴드(840) 에 유입되는 상기 공기는 말단 버너(860) 에서 배출되어 열 교환기(870) 로 유입되는 뜨거운 연소 가스로부터 열을 얻는다. 점선은 양극 공기 매니폴드(840) 의 배출구들(850) 을 빠져 나가는 가열된 공기의 흐름도를 나타내고, 일반적으로 상기 흐름은 튜브형 SOFC 어셈블리(890) 의 연료 전지 유닛들의 길이방향 축들에 대하여 횡방향이고, 상기 어셈블리를 통하여 말단 버너(860) 로 유입되며, 상기 말단 버너에서 공기의 흐름은 산소를 제공하여, 배기 가스로 존재하는 연료 전지 유닛들로부터 나와 배기 매니폴드(880) 로 유입되고, 상기 매니폴드로부터 말단 버너로 유입되는 소비되지 않은 연료의 연소를 돕는다. 마지막으로, 상기 뜨거운 연소 가스는 열 교환기(870) 로 진입하고 거기에서 제2 블로우 시스템(830) 에 의해 제공되어 들어오는 양극 공기를 예열한다. 블로우 시스템들(810,830) 은 유사한 구조이고, 그들의 작동은 2011년 6월 24일에 출원되고, 본 출원인의 계류중인 미국 특허출원 제13/168,280호에 상세히 설명되어 있다. 튜브형 SOFC 어셈블리(890) 의 가상선으로 표시된 리테이너 컴포넌트들(891,892) 은, 각각 배기 매니폴드(880) 및 연료-공기 매니폴드( 820) 의 내부에 배치되어 있고, 거기에서 상기 설명된 바와 같이 작동한다.

도 9에서, 연료 전지 디바이스(900) 는 양극 에어 튜브-포함하는 튜브형 SOFC 어셈블리(950) 를 포함하고, 도 6A-6C 에서 나타낸 것과 거의 유사하게, 가상의 선으로 표시되며, 처음에는 보통 연료 전지 유닛들(100) 의 길이방향 축들에 평행한 경로인 양극 공기의 흐름을 제공한다. 연료 전지 디바이스(900) 는 음극 공기의 흐름을 제공하는 제1 블로우 시스템(910) 을 더 포함하고, 상기 음극 공기는 그 뒤에 연료 포트(895) 를 통해 유입되는 예를 들어서, 가스상 탄화수소(들), 기화된 액체 탄화수소(들) 또는 알코올(들)을 포함하는 연료와 섞이고, 그 결과의 연료-공기 혼합물은 이후 연료-공기 매니폴드(920) 로 유입되고 거기에서부터 튜브형 SOFC 어셈블리(990) 의 각 연료 전지 유닛(100) 의 내경(109) 으로 들어와 통과하고, 상기 내경에서 내측 음극 층(106) 과 접촉한다. 제2 블로우 시스템(930) 은 가상선으로 표시되는 양극 공기의 흐름을 양극 공기 매니폴드(940) 에 제공하고, 거기에서부터 튜브형 SOFC 어셈블리(950) 의 각 양극 에어 튜브들 (951) 로 제공한다. 상기 양극 공기가 상기 어셈블리의 구간을 화살표들이 지시하는 것과 같이 이동하기에, 상기 공기는 연료 전지 유닛들(100) 에서 발생하는 연료-공기 반응으로부터 열을 흡수한다. 상기 가열된 공기는 가장 먼 거리를 이동하여 배기 매니폴드(980) 로 유입되고, 그곳에서 남아 있는 산소는 연료 전지 유닛들(100) 에서 나오는 소비되지 않은 연료의 연소를 돕는다. 최종적으로, 상기 뜨거운 연소 가스는 연료 전지 디바이스(900) 으로부터 배기 도관(990) 을 통하여 배출된다. 튜브형 SOFC 어셈블리(950) 의 리테이너 컴포넌트들(991) 및(992) 는 가상선으로 표시되고 상기 어셈블리의 양쪽 끝에 위치하게 된다.

본 발명의 튜브형 SOFC 어셈블리와 대조적으로, 공지의 튜브형 SOFC 어셈블리는 본 발명의 리테이너(들)과 같거나 비슷한 방식으로 기능을 하는 컴포넌트가 없다. 연료 전지 디바이스의 작동에 있어서의 이러한 차이 및 그 효과를 설명함으로써, 도 10A, 10B 및 10C 는 미국 특허출원 제2008/0063916호에 설명된 대표적인 튜브형 SOFC 어셈블리를 설명하고 도 11A 및 11B 는 미국 특허 제 6,379,831 호에 설명된 대표적인 튜브형 SOFC 어셈블리를 설명한다.

도 10A 및 10B에서, 단면으로 보여지는 튜브형 SOFC 어셈블리(100) 는 상기 어셈블리 내의 각 세라믹 연료 전지 유닛(12) 에 의해 공유되는 한 개의 금속 집전기(11) 를 포함한다. 본래의, 예를 들어서, 새로운, 상태 및 주위 온도에서, 여기에서 20℃ 라고 여겼을 때, 집전기(11) 의 전기적 접촉 표면과 각 연료 전지 유닛(12) 의 컨포밍한 전기적 접촉 표면들 사이에 끊어짐 없는 완전한 접촉이 있다. 그러나, 도 10B 및 10C 에서 나타낸 것과 같이, 튜브형 SOFC 어셈블리(10) 의 보통의 작동 온도인 600-850 ℃ 에서, 집전기(11) 및 연료 전지 유닛(12) 의 열팽창 계수들의 차이, 또는 미스매치가 이들 컴포넌트들의 전기적 접촉 표면의 부분적 분리를 야기한다. 상기 분리는 도 10C의 확대된 포션(13) 에서 갭(14) 로 더 상세히 보여진다.

도 10C 에서, 화살표들은 집전기(11) 및 연료 전지 유닛(12) 의 열팽창의 일반적인 방향을 나타낸다. 집전기(11) 이 연료 전지 유닛(12) 의 (15) 쪽을 향해 압축력을 가함에도 불구하고, 상기 집전기가 연료 전지 유닛(12) 의 매우 낮은 팽창과 비교하여 자신의 팽창에 구속받지 않기 때문에, 상기 집전기는 연료 전지 유닛의 반대(16) 쪽에서 연료 전지 유닛 12로부터 떼어지려는 경향이 있을 것이고 그로 인해 갭(14) 를 형성한다. 튜브형 SOFC 어셈블리(10) 을 포함하는 연료 전지 디바이스가 증가하는 횟수의 온-오프 주기들을 겪을수록, 집전기(11) 및 연료 전지 유닛(12) 간 전기 접촉 표면의 부분적 분리, 또는 갭(14) 는 옴 손실 및 수반하는 동력 감소를 야기하고 이들은 악화되는 경향을 띠게 된다. 집전기 컴포넌트(11) 이 상당한 탄성을 결여하기에, 온-오프 주기들의 숫자가 증가할수록, 집전기(11) 은 그것의 본래의 구조로 점점 덜 되돌아 오고, 가차없이 전기적 접촉 표면에 있어서 더욱 더 큰 캡 및 이와 상응하게 큰 옴/동력 손실을 야기한다. 이 결과가 보통의 출력율 보다 더 큰 초기 동력 출력율을 갖는 더 큰 연료 전지 유닛을 제조함으로써 상쇄되거나 보완될 수 있지만, 집전기 및 연료 전지 유닛 컴포넌트들의 열적 미스매치에 의해 야기된 상기 문제에 대한 그러한 해결책은 경제적으로 바람직하지 않은 것이다.

도 11A 에서 단면으로 나타낸 튜브형 SOFC 어셈블리(20) 및 도 11B 의 확대된 포션(23) 은 튜브형 고체산화물 연료 어셈블리의 또 다른 주지 형태이고, 작동 온도에서 결합된 세라믹 연료 전지 컴포넌트(22) 의 열팽창과 비교하여 금속 메쉬 집전기 컴포넌트(21) 의 상대적으로 자유로운 열팽창은(도11 B의 화살표들에 의해 나타내는 것과 같이) 갭(24) 의 형성 및 그 결과로서 그들의 전기적 접촉 표면들에서 옴 및 동력 손실을 야기한다.

본 발명에 따라, 상기 집전기(들) 및 그들의 결합된 연료 전지 유닛들이 클로즈-피팅 관계를 유지하도록 배열된 적어도 한 개의 리테이너 컴포넌트의 제공은 상기 집전기(들)의 팽창을 제한하고 상기 결합된 연료 전지 유닛의 전기적 접촉 표면에 대한 팽창력의 방향을 바꿈으로써, 전기적 접촉 표면의 전부에 가해지는 압축력을 야기하여 알려진 튜브형 SOFC 어셈블리 갭의 형성을 방지한다.

본 발명이 예증의 목적으로 상세하게 설명되어 있지만, 이러한 상세한 설명은 단지 상기한 목적으로 제공되는 것일 뿐이며, 당 분야의 기술자라면 청구범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어남이 없이 변형시킬 수 있는 것이다.

Claims

a) 제1 말단 섹션, 제2 말단 섹션 및 상기 말단섹션들 사이의 중간섹션과 내측 전극층, 외측 전극층 및 이 전극층들 사이의 전해질층을 포함하여 구성되는, 적어도 2 개의 축방향 에롱게이트형상(axially elongate) 튜브형 고체산화물 연료 전지 유닛;
b) 상기 적어도 2 개의 연료 전지 유닛이 공유하는 적어도 1개의 외부 공유 집전기; 및
c) 상기 적어도 2 개의 연료 전지 유닛의 적어도 1개의 섹션과 상기 외부 공유 집전기의 적어도 일부를 클로즈 피팅 관계로 리테이닝하는 구조로 된 적어도 한 개의 리테이너를 포함하여 구성되며;
상기 적어도 1개의 외부 공유 집전기는 상기 적어도 2 개의 연료 전지 유닛의 전극층과 전기 접촉하고, 상기 집전기와 전기 접촉하는 각 전극층은 실질적으로 서로 컨포밍한 전기 접촉 표면을 가지며,
상기 집전기는 상기 연료 전지 유닛의 열팽창 계수보다 더 큰 열팽창 계수를 가지고, 상기 리테이너는 상기 집전기의 열팽창 계수보다 작거나 같은 열팽창 계수를 가져서,
열팽창시 상기 리테이너 내에 리테이닝된 집전기의 부분이 각 연료 전지 유닛의 전극 표면과 가압하의 전기접촉상태로 놓여지는,
튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 내측 전극층이 음극이고 상기 외측 전극층이 양극인, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 외측 전극층과 전기 접촉하는 전기 전도층(v)을 더 포함하여 구성되는, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제1항에 있어서, 집전기가 인접한 연료 전지 유닛들에 의해서만 공유되는, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제1항에 있어서, 집전기가 인접 및 비-인접한 연료 전지 유닛들에 의해서 공유되는, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제5항에 있어서, 집전기가 상기 모든 연료 전지 유닛들에 의해서 공유되는, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 집전기가 적어도 2 개의 전기 접촉 표면을 가지며, 상기 접촉 표면과 전기 접촉상태에 있는 각 연료 전지 유닛 전극층의 대응 컨포밍 표면이 직선형 또는 만곡형인, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제7항에 있어서, 상기 집전기가 적어도 2 개의 볼록형 전기 접촉 표면을 가지며, 상기 접촉 표면과 전기 접촉상태에 있는 각 연료 전지 유닛 전극층의 대응 컨포밍 표면이 오목형인, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제7항에 있어서, 상기 집전기가 적어도 2 개의 오목형 전기 접촉 표면을 가지며, 상기 접촉 표면과 전기 접촉상태에 있는 각 연료 전지 유닛 전극층의 대응 컨포밍 표면이 볼록형인, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제7항에 있어서, 상기 집전기가 적어도 2 개의 전기 접촉 표면을 가지며, 상기 표면들 중 하나는 상기 연료 전지 유닛들 중 한 개의 전극층의 오목형 전기 접촉 표면과 전기 접촉하는 볼록형 표면이고, 상기 표면들 중 다른 하나는 인접하는 연료 전지 유닛의 전극층의 볼록형 전기 접촉 표면과 전기 접촉하는 표면이 오목형인, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제1항에 있어서, 2 개의 외부의, 공유 집전기들을 포함하여 구성되며, 상기 집전기들 중 하나는 각 연료 전지 유닛의 제1 말단 섹션에서 전극표면과 전기 접촉하는 전기 접촉 표면을 가지고, 상기 집전기들 중 다른 하나는 각 연료 전지유닛의 제2 말단 섹션에서 전극표면과 전기접촉하는 전기 접촉 표면을 가지며;
상기 어셈블리에 2 개의 리테이너가 있으며, 상기 리테이너들 중 하나는 각 연료 전지 유닛의 제1 말단 섹션 및 그들의 공유 집전기를 리테이닝하기 위한 것이고, 다른 하나는 각 연료 전지 유닛의 제2 말단 섹션 및 그들의 공유 집전기를 리테이닝하기 위한 것인,
튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 리테이너가 각 연료 전지 유닛의 섹션 및 인접한 리세스를 리테이닝 하기 위한 통로 또는 적어도 각 공유되는 집전기의 포션을 리테이닝하기 위한 통로를 포함하여 구성되는, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제11항에 있어서, 각 리테이너가 각 튜브형 고체산화물 연료 전지의 섹션 및 인접한 리세스를 리테이닝하기 위한 통로 또는 적어도 각 공유 집전기의 포션을 리테이닝하기 위한 통로를 포함하여 구성되는, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제4항에 있어서, 섹션에서 상기 인접한 연료 전지 유닛들의 전극들과 전기 접촉하는 상기 공유 집전기의 단면이 원형, 타원형, 오목형 볼록형 곡면들의 교대 배열 또는 곡면의 평행사변형으로 정의되는, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제4항에 있어서, 상기 공유 집전기와 전기 접촉하는 표면 이외의 표면에서 연료 전지 유닛의 단면이 원형, 타원형 또는 오목형 볼록형 곡면들의 교대 배열로 정의되는, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제15항에 있어서, 인접한 연료 전지 유닛들의 단면이 2 개의 오목형 곡면들과 교대하는 일련의 2 개의 볼록형 곡면들에 의해 정의되고;
한 개의 연료 전지 유닛의 상기 단면의 볼록형 곡면이 인접한 연료 전지 유닛의 단면의 상당히 컨포밍한 오목한 곡면을 향해 있으며;
상기 공유 집전기가 곡면의 평행사변형으로 정의되는 단면을 갖는,
튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제1항에 있어서, 다른 표면들의 접합부위가 열적으로 유발된 기계적 스트레스를 발산하거나 감소시키기 위하여 둥근 형태인, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 공유되는 집전기가 가스로 하여 그곳을 통해 순환하고 상기 외측 전극층과 접촉하도록 하는 천공된 튜브인, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 공유되는 집전기가 그 곳을 통하는 통로 및 상기 통로 내에 배치된 양극 에어 튜브를 갖는, 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리.
상기 제1항의 튜브형 고체산화물 연료 전지 어셈블리를 포함하는 연료 전지 디바이스.