KR20190057016A - 다중 연료 전지 제2 인터커넥트 결합 패드 및 와이어 - Google Patents

다중 연료 전지 제2 인터커넥트 결합 패드 및 와이어 Download PDF

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KR20190057016A
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엘지 퓨얼 셀 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

연료 전지 시스템이 제공된다. 연료 전지 시스템은 세그먼트형 직렬 고체 산화물 연료 전지를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 제1 연료 전지 튜브, 제2 연료 전지 튜브 및 복수의 제2 인터커넥트들을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 연료 전지 튜브들은 제1 및 제2 단부, 및 상기 단부들 사이에서 연장되는 한쌍의 일반적으로 평면인 대향하는 주요 표면을 갖는 기판, 상기 주요 표면 중 하나의 표면 상에 배치된 복수의 연료 전지들(여기서, 상기 연료 전지는 전기적으로 서로 직렬로 커플링되어 있다), 기판의 단부 근처의 주요 표면 상에 배치된 연료 전지로부터 상기 주요 표면의 다른 표면 상의 위치로 전기 경로를 제공하는 제1 전기 전도체를 포함할 수 있다. 복수의 제2 인터커넥트들은 제1 및 제2 연료 전지 튜브들 사이에 전기 경로를 제공한다. 복수의 인터커넥트들은 각각의 튜브의 제1 전기 전도체에 커플링될 수 있다. 제1 연료 전지는 그의 주요 표면이 제2 연료 전지 튜브의 주요 표면으로부터 이격되어 이와 병렬로 위치될 수 있다.

Description

다중 연료 전지 제2 인터커넥트 결합 패드 및 와이어{MULTIPLE FUEL CELL SECONDARY INTERCONNECT BONDING PADS AND WIRES}
본 출원은 발명자 성명 에드. 다움(Ed Daum)의 도켓 번호 G3541-00245/FCA12023을 갖는 "연료 전지 잉크 트레이스 인터커넥트"란 제목의 2017년 11월 17일자로 출원된, 현재 출원되고 동시 계류중인 미국 출원 번호 제15/816,951호와 관련되고, 이의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.
기술 분야
본원의 개시내용은 일반적으로 고체 산화물 연료 전지와 같은 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지, 연료 전지 시스템, 및 연료 전지 와 연료 전지 시스템에 대한 인터커넥트는 관심 영역으로 남아있다. 일부 현존하는 시스템은 특정 적용과 비교하여 다양한 단점, 결점 및 약점을 갖는다. 따라서, 상기 기술분야에 추가로 기여할 필요가 있다.
본원의 개시내용은, 예를 들어, 집적된 평면 고체 산화물 연료 전지와 같은, 연료 전지에 대한 제2 인터커넥트를 기재한다.
본원의 개시내용의 일부 구현예에 따라, 연료 전지 시스템이 제공된다. 연료 전지 시스템은 세그먼트형 직렬 고체 산화물(segmented-in-series solid oxide) 연료 전지를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 제1 연료 전지 튜브, 제2 연료 전지 튜브 및 복수의 제2 인터커넥트를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 연료 전지 튜브는 제1 및 제2 단부, 및 상기 단부들 사이에서 연장되는 한쌍의 일반적으로 평면인 대향하는 주요 표면을 갖는 기판, 상기 주요 표면 중 하나의 표면 상에 배치된 복수의 연료 전지(여기서, 상기 연료 전지는 전기적으로 서로 직렬로 커플링되어 있다), 기판의 단부 근처의 주요 표면 상에 배치된 연료 전지로부터 주요 표면 중 다른 표면 상의 위치로 전기 경로를 제공하는 제1 전기 전도체를 포함할 수 있다. 복수의 제2 인터커넥트는 제1 및 제2 연료 전지 튜브 사이에 전기 경로를 제공한다. 복수의 인터커넥트는 각각의 튜브의 제1 전기 전도체에 커플링될 수 있다. 제1 연료 전지 튜브는 그 주요 표면이 제2 연료 전지 튜브의 주요 표면으로부터 이격되어 이와 병렬로 위치될 수 있다.
본원의 개시내용의 일부 구현예에 따라, 연료 전지 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 복수의 연료 전지 튜브 및 복수의 제2 인터커넥트를 포함할 수 있다. 각각의 튜브는 제1 및 제2 단부, 제1 및 제2 표면, 복수의 연료 전지 및 제1 및 제2 시트 전도체를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 표면은 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연속적으로 연장될 수 있다. 복수의 연료 전지는 제1 및 제2 표면 상에 배치될 수 있다. 임의의 표면 상에 배치된 연료 전지는 직렬로 하나 이상의 제1 인터커넥트에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 시트 전도체는 제1 표면 상에 배치된 연료 전지와 제2 표면 상에 배치된 연료 전지를 전기적으로 커플링할 수 있다. 시트 전도체는 튜브의 단부에 인접하게 위치할 수 있고, 여기서, 상기 제1 및 제2 시트 전도체는 튜브의 반대 단부에 있다. 시트 전도체는 제1 표면 상에 배치된 연료 전지가 제2 표면 상에 배치된 연료 전지와 병렬로 전기적으로 커플링되도록 정렬될 수 있다. 복수의 제2 인터커넥트는 제1 튜브를 제2 튜브에 커플링시키고, 각각의 제2 인터커넥트는 제1 튜브의 제1 시트 전도체와 제2 튜브의 제1 시트 전도체에 전기적으로 접촉한다.
본원의 개시내용의 일부 구현예에 따라, 연료 전지 시스템에서 연료 전지를 연결시키는 방법이 제공된다. 연료 전지 시스템은 복수의 튜브(각각의 튜브는 제1 및 제2 측면을 갖고, 각각의 측면은 제1 및 제2 단부 사이에서 연장하고, 복수의 연료 전지는 제1 측면과 제2 측면 상에 침적되어 있다), 및 제1 측면과 제2 측면 상에 연료 전지를 전기적으로 커플링시키는 시트 전도체를 포함할 수 있다. 상기 방법은 복수의 제2 인터커넥트를 사용하여 상기 복수의 제1 튜브 상에 침적된 연료 전지를 복수의 제2 튜브 상에 침적된 연료 전지에 전기적으로 커플링시킴을 포함할 수 있고, 각각의 제2 인터커넥트는 각각의 튜브의 제1 단부에 인접한 제1 및 제2 튜브의 시트 전도체와 전기적으로 접촉되어 있다.
하나의 양상에서, 본원의 개시내용은 적어도 제1 연료 전지 튜브 및 제2 연료 전지 튜브를 포함하는 연료 전지 시스템을 기재한다. 상기 제1 연료 전지 튜브는 기판, 연료 채널 및 상기 기판 상에 형성된 제1 연료 전지를 포함한다. 상기 기판은 연료 채널로부터 제1 연료 전지를 분리한다. 제1 연료 전지는 캐소드, 전해질, 전해질에 의해 캐소드로부터 분리된 애노드, 애노드에 인접한 제1 인터커넥트, 제1 인터커넥트에 의해 인접한 연료 전지의 애노드로부터 분리되어 있고 이에 전기적으로 커플링되는 캐소드 전도성 층, 및 캐소드 전도성 층 상에 형성되고 이에 전기적으로 커플링된 제2 인터커넥트를 포함한다. 상기 제2 인터커넥트는 상기 제1 연료 전지 튜브와 제2 연료 전지 튜브를 전기적으로 커플링시키도록 구성된다. 상기 캐소드 전도성 층은 제2 인터커넥트와 기판 사이에 배치된다.
또 다른 양상에서, 본원의 개시내용은 적어도 제1 연료 전지 튜브 및 제2 연료 전지 튜브를 포함하는 연료 전지 시스템을 기재한다. 상기 제1 연료 전지 튜브는 기판, 연료 채널 및 상기 기판 상에 형성된 제1 연료 전지를 포함한다. 상기 기판은 연료 채널로부터 제1 연료 전지를 분리한다. 제1 연료 전지는 캐소드, 전해질, 전해질에 의해 캐소드로부터 분리된 애노드, 애노드에 인접한 제1 인터커넥트, 제1 인터커넥트에 의해 애노드로부터 분리되어 있고 이에 전기적으로 커플링되는 제2 인터커넥트 전도성 층,및 제2 인터커넥트 전도성 층 상에 형성되어 이에 전기적으로 커플링된 제2 인터커넥트를 포함한다. 제2 인터커넥트는 제1 연료 전지 튜브와 제2 연료 전지 튜브를 전기적으로 커플링시키도록 구성된다. 상기 제2 인터커넥트 전도성 층은 제2 인터커넥트와 기판 사이에 배치된다.
또 다른 양상에서, 본원의 개시내용은 적어도 제1 연료 전지 튜브 및 제2 연료 전지 튜브를 포함하는 연료 전지 시스템을 기재한다. 상기 제1 연료 전지 튜브는 기판, 연료 채널 및 상기 기판 상에 형성된 제1 연료 전지를 포함한다. 상기 기판은 연료 채널로부터 제1 연료 전지를 분리한다. 제1 연료 전지는 캐소드, 전해질, 전해질에 의해 캐소드로부터 분리된 애노드, 애노드에 인접한 제1 인터커넥트, 제1 인터커넥트에 의해 애노드로부터 분리되어 있고 이에 전기적으로 커플링되는 캐소드 전도성 층 또는 제2 인터커넥트 전도성 층 중 적어도 하나, 캐소드 전도성 층 또는 제2 인터커넥트 전도성 층 상에 형성된 전도성 잉크 라인, 전도성 잉크 라인 상에 배치된 결합 패드 (또한 잉크 라인 트레이스로서 공지되어 있음), 결합 패드 상에 형성되어 이에 전기적으로 커플링되고 제1 연료 전지 튜브의 결합 패드와 제2 연료 전지 튜브의 결합 패드를 전기적으로 커플링시키도록 구성된 제2 인터커넥트, 및 연료 채널로부터 전도성 잉크 라인과 결합 패드 둘 다를 분리하고 연료 채널로부터 제2 인터커넥트로의 수소 이동을 억제하도록 구성된 밀집 장벽(barrier)을 포함한다.
본원의 개시내용은 첨부된 도면을 참조로 하고, 여기서, 참조 번호는 여러 도면 전반에 걸쳐 유사 부분을 나타낸다.
도 1은 본원의 개시내용에 따라 연료 전지 시스템의 예시적 부분을 도시하는 개략적 다이아그램이다.
도 2는 본원의 개시내용에 따라 연료 전지 시스템의 일부의 예시적 단면을 도시하는 개략적 다이아그램이다.
도 3은 본원의 개시내용에 따라 제2 인터커넥트 와이어를 갖는 연료 전지 튜브를 도시하는 개략적 다이아그램이다.
도 4는 제2 인터커넥트 와이어에 의해 전기적으로 커플링된 복수의 연료 전지 튜브를 도시하는 개략적 다이아그램이다.
도 5a-5b는 본원의 개시내용에 따라 연료 전지 시스템의 2개의 인접한 연료 전지 튜브의 일부의 예시적 단면을 도시하는 개략적 다이아그램이다.
도 6은 본원의 개시내용에 따라 2개의 연료 전지 튜브의 일부의 예시적 투시도를 도시하는 개략적 다이아그램이다.
도 7은 본원의 개시내용에 따라 연료 전지 시스템의 상면도를 도시하는 개략적 다이아그램이다.
도 8은 본원의 개시내용에 따라 연료 전지 시스템의 연료 전지 번들의 예를 도시하는 개략적 다이아그램이다.
도 9는 본원의 개시내용에 따라 연료 전지 시스템의 연료 전지 블록의 예를 도시하는 개략적 다이아그램이다.
도 10은 본원의 개시내용에 따라 연료 전지 시스템의 예를 도시하는 개략적 다이아그램이다.
도면을 참조로, 본원의 개시내용에 따른 연료 전지 시스템의 비제한적인 예의 일부 양상은 도식적으로 도시되어 있다. 도면에서, 본원의 개시내용의 예의 양상의 다양한 특징, 구성요소 및 이들 사이의 상호관계를 도시한다. 그러나, 본원의 개시내용은 도면에 도시되고 본원에 기재된 바와 같은 제공된 특정 예 및 구성요소, 특징 및 이들 사이의 상호관계에 제한되지 않는다.
상기한 바와 같이, 본원의 개시내용의 예는, 예를 들어, 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 및 집적된 평면 SOFC와 같은 연료 전지에 대한 예시적 제2 인터커넥트에 관한 것이다. 화학 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 연료 전지와 같은 전기화학적 전지는 구성요소로서 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함한다. 일부 예에서, 각각의 연료 전지는 연료 조성물에 따라 대략 하나의 전압을 제공할 수 있다. 각각의 전지는 연료 전지 면적, 내부 저항, 작동 전압 등에 따라 약 수백 밀리와트 내지 약 수백 와트의 전력을 생성할 수 있다.
보다 높은 전압을 제공하고 보다 많은 전력을 제공하기 위해, 개별 전지는 하나 이상의 인터커넥트를 통해 직렬로 연결될 수 있다. 인터커넥트는 하나의 전지로부터 또 다른 전지로의 전자 수송을 가능하게 하는 적합한 전기 전도체일 수 있다.
제1 인터커넥트는 제1 연료 전지를 제2 연료 전지에 연결시킬 수 있다. 예를 들어, 집적된 평면 SOFC에서, 모든 활성 연료 전지 층(예를 들어, 애노드, 전해질, 캐소드, 및 제1 인터커넥트)은 편평 튜브, 환형 튜브 등일 수 있는 불활성 다공성 세라믹 기판 상에 배치될 수 있다. 복수의 연료 전지는 기판 상에 배치될 수 있고, 여기서 각각의 개별 연료 전지는 제1 인터커넥트를 통해 적어도 하나의 인접한 연료 전지에 연결된다. 상기 디자인-제1 인터커넥트에 의해 연결된 복수의 연료 전지-는 또한 세그먼트형 직렬 SOFC로서 공지되어 있다. 기판이 평판 튜브인 경우, 활성 전지는 기판의 양 측면 상에 침적될 수 있다.
상대적으로 큰 연료 전지 시스템, 예를 들어, 1 킬로와트(kW) 내지 5 kW의 조합된 총 전력 아웃풋(열 및 전기)을 갖는 시스템 및 100 kW 내지 1 MW 이상의 총 전력 아웃풋을 갖는 분배 전원 시스템을 형성하기 위해, 다중 연료 전지 튜브는 연결되어 연료 전지 번들을 형성할 수 있고, 다중 연료 전지 번들이 연결되어 연료 전지 스트립을 형성할 수 있고, 다중 연료 전지 스트립은 연결되어 연료 전지 블록을 형성할 수 있고, 다중 연료 전지 블록은 연결되어 연료 전지 생성기 모듈을 형성할 수 있다. 다중 연료 튜브, 연료 전지 번들, 연료 전지 스트립 또는 연료 전지 블록을 연결하면 연료 전지 시스템이 보다 높은 전압 및 보다 많은 전력을 생성하도록 할 수 있다.
집적된 평면 SOFC에서, 연료 전지 튜브 사이의 연결은 제2 인터커넥트로 불리울 수 있다. 제2 인터커넥트라는 용어는 또한 동일한 연료 전지 튜브의 반대 측 상의 연료 전지 사이의 연결을 지칭할 수 있다. 다중 연료 전지 스트립, 다중 연료 전지 번들 또는 다중 연료 전지 블록 사이의 연결은 3차 인터커넥트로 불리울 수 있다.
연료 전지 시스템은, 예를 들어, 전도성 결합 페이스트를 사용하여 제2 인터커넥트를 애노드 전도성 층(애노드 집전 장치 또는 ACC)에 결합시키고 접촉점을 밀봉 유리로 커버함에 의해 연료 전지 튜브의 애노드 측면 상의 위치에서 제2 인터커넥트를 포함할 수 있다. 밀봉 유리는 기밀 장벽을 제공하여 연료 전지 시스템의 산화제 측면(공기 측면) 및 연료 측면(수소 유동 채널)을 분리할 수 있다.
하기된 바와 같이, 본원의 개시내용의 일부 예는 연료 전지 튜브 사이의 제2 인터커넥트 연결과 동일한 연료 전지 튜브의 2개 이상의 측면 상의 연료 전지 사이의 연결에 관한 것이다.
도 1은 본원의 개시내용에 따라 예시적 연료 전지 시스템(10)을 도시하는 개략적 다이아그램이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 시스템(10)은 기판(14) 상에 형성된 복수의 전기화학적 전지(12)("연료 전지(12)")를 포함한다. 연료 전지(12)는 제1 인터커넥트(16)에 의해 함께 직렬로 커플링되어 있다. 연료 전지 시스템(10)은 편평 다공성 세라믹 튜브 상에 침적된 세그먼트형 정렬이지만, 이것은 본원의 개시내용이 환형 다공성 세라믹 튜브와 같은 다른 기판 상에 세그먼트형 직렬 정렬에 동일하게 적용될 수 있는 것으로 이해된다. 다양한 예에서, 연료 전지 시스템(10)은 집적된 평면 연료 전지 시스템 또는 관형 연료 전지 시스템일 수 있다.
연료 전지 시스템(10)은 산화제 측면(18)을 포함한다. 산화제는 일반적으로 공기이지만 순수 산소(O2) 또는 다른 산화제일 수도 있고, 예를 들어, 하나 이상의 공기 재순환 루프를 통해 시스템(10) 내에 형성될 수 있는 희석된 공기를 포함한다. 산화제는 산화제 측면(18)으로부터 연료 전지(12)에 공급될 수 있다. 연료 전지(12) 작동 동안에, 산화제 측면(18)은 산화 대기를 한정할 수 있다. 산화 대기는 0.1 내지 0.9 bar 및 0.2 내지 0.6 bar의 산소 분압 및 700 내지 1000 섭씨 온도 및 800-900 섭씨 온도를 포함할 수 있다.
개질된 탄화수소 연료 또는 합성 가스와 같은 연료는 연료 측면(20)으로부터 연료 전지(12)에 공급된다. 연료는 다공성 기판(14)에서 연료 채널(나타내지 않음)을 통해 공급된다. 탄화수소 연료로부터 재형성될 수 있는 공기(산화제) 및 합성 가스(연료)가 일부 예에서 사용될 수 있지만, 다른 산화제 및 연료를 사용한 전기화학적 전지가, 예를 들어, 순수 수소 및 순수 산소와 같은 본원의 개시내용의 범위로부터 벗어나는 것 없이 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 추가로, 연료가 기판(14)을 통해 연료 전지(12)에 공급되지만, 일부 예에서 산화제가 다공성 기판을 통해 전기화학적 전지에 공급될 수 있는 것으로 이해된다.
기판(14)은 특이적 다공성을 갖는 세라믹 물질을 포함할 수 있고, 연료 전지 작업 조건에서 안정할 수 있고 다른 연료 전지 물질과 화학적으로 상용성일 수 있다. 일부 구현예에서, 기판(14)은 표면-개질된 물질, 예를 들어, 코팅 또는 다른 표면 개질을 갖는 다공성 세라믹 물질일 수 있고, 예를 들어, 이는 연료 전지(12) 층과 기판 튜브 사이에 상호작용을 방지하거나 감소시키도록 구성된다.
도 2는 본원의 개시내용에 따라 연료 전지 시스템(10)의 예시적 단면을 도시하는 개략적 다이아그램이다. 연료 전지 시스템(10)은 기판(14) 상으로 프린팅된 복수의 성분들로 구성될 수 있다. 상기 프린팅은 이를 통해 연료 전지 층이 침적되는 개구부를 갖는 부직 메쉬(woven mesh)가 기판(14) 상에 위치하도록 하는 프로세스를 포함할 수 있다. 스크린의 개구부는 프린팅된 층의 길이 및 너비를 결정한다. 스크린 메쉬, 와이어 직경, 잉크 고형물 로딩 및 잉크 레올로지는 프린팅된 층의 두께를 결정할 수 있다.
연료 전지 시스템(10) 층은 애노드 전도성 층(22) (또한 애노드 집전 장치 또는 "ACC"로서 칭함), 애노드(24), 전해질(26), 캐소드(28) 및 캐소드 전도성 층(30) (또한, 캐소드 집전 장치 또는 "CCC"로서 칭함)을 포함한다. 하나의 형태에서, 전해질(26)은 단일층일 수 있거나 임의의 수의 서브-층으로 구성될 수 있다. 도 2는 반드시 일정한 비가 아님을 이해할 것이다. 예를 들어, 수평 및 수직 차원은 명백한 도시를 위해 과장되어 있다.
각각의 연료 전지(12)에서, ACC(22)는 애노드(24)로부터 유리된 자유 전자들을 전도하고 상기 전자들을 제1 인터커넥트(16)를 통해 인접한 전지의 CCC(30)로 전도한다. CCC(30)는 전자를 캐소드(28)로 전도한다. 제1 인터커넥트(16)는 애노드 전도성 층(22) 및 캐소드 전도성 층(30)에 전기적으로 커플링된다.
SOFC를 위해, 제1 인터커넥트(16)는 바람직하게는 하나의 전기화학적 전지로부터 또 다른 전지로 전자를 수송하기 위해 전기적으로 전도성이고; 연료 전지 작동 동안에 산화 및 환원 둘 다의 환경하에 기계적 및 화학적으로 안정하고; 연료 및/또는 산화제의 인터커넥트를 통한 확산을 방지하기 위해 비다공성이다. 인터커넥트가 다공성인 경우, 연료는 산화제 측면으로 확산하고 연소하여 국소 고온 스팟(local hot spot)을 유도하여 물질의 분해 및 기계적 결함, 연료 전지 시스템의 감소된 효율, 또는 감소된 연료 전지 수명을 유발할 수 있다. 유사하게, 산화제는 연료 측면으로 확산되어 연료의 연소를 유도할 수 있다. 심한 인터커넥트 누설은 연료 활용 및 연료 전지의 성능을 상당히 감소시킬 수 있거나, 연료 전지 또는 적층의 심한 결함을 유발할 수 있다.
제1 인터커넥트(16)는, 예를 들어, Ag, Pd, Au, 또는 Pt를 포함하는 귀금속으로 형성될 수 있지만, 다른 물질들도 본원의 개시내용의 범위로부터 벗어나는 것 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 예에서, 대안적으로 다른 물질이 사용될 수 있는 것으로 고려되는데 이는 귀금속 합금, 예를 들어, Ag-Pd, Ag-Au, Ag-Pt, Au-Pd, Au-Pt, Pt-Pd, Ag-Au-Pd, Ag-Au-Pt, Ag-Au-Pd-Pt 뿐만 아니라 Pt-Pd-Au-Ag 계열에서 이원, 삼원 또는 사원 합금을 포함하고, 이는 최소 비-귀금속 부가물을 갖는 합금, 귀금속으로 구성된 서멧, 귀금속 합금, 및 불활성 세라믹 상, 예를 들어, 알루미나 또는 상당한 기생을 생성하지 않을 최소 이온 전도성을 갖는 세라믹 상, 예를 들어, YSZ(이트리아 안정화된 지르코니아, 또한, 이트리아 도핑된 지르코니아로서 공지됨, 여기서, 이트리아 도핑은 3-8 mol%, 바람직하게 3-5 mol%이다), ScSZ(스칸디아 안정화된 지르코니아, 여기서 스칸디아 도핑은 4-10 mol%, 바람직하게 4-6 mol%이다), 도핑된 세리아, 및/또는 전도성 세라믹, 예를 들어, 인터커넥트로서 적당한 상 안정성 및/또는 충분한 전도성을 성취하기 위해 A 또는 B-부위 치환 또는 도핑을 갖는 전도성 페로브스카이트를 포함하고, 예를 들어, 도핑된 스트론튬 티타네이트(예를 들어, LaxSr1 - xTiO3 -δ, x=0.1 내지 0.3), LSCM(La1 - xSrxCr1 -yMnyO3, x=0.1 내지 0.3 및 y=0.25 내지 0.75), 도핑된 이트륨 크로마이트(예를 들어, Y1- xCaxCrO3 -δ, x=0.1-0.3) 및/또는 다른 도핑된 란탄 크로마이트(예를 들어, La1-xCaxCrO3-δ, 여기서, x=0.15-0.3), 및 전도성 세라믹, 예를 들어, 도핑된 스트론튬 티타네이트, 도핑된 이트륨 크로마이트, LSCM(La1 - xSrxCr1 - yMnyO3), 및 다른 도핑된 란탄 크로마이트 중 적어도 하나를 포함한다. 하나의 예에서, 제1 인터커넥트(16)는 y(PdxPt1-x)-(1-y)YSZ로 구성될 수 있고, 여기서, x는 중량비가 0 내지 1이고 바람직하게 x는 보다 낮은 수소 유입에 대해 0 내지 0.5 범위에 있다. Y는 용적비가 0.35 내지 0.80이고, 바람직하게 y는 0.4 내지 0.6의 범위에 있다.
ACC(22)는 니켈 서멧, 예를 들어, Ni-YSZ(예를 들어, 여기서, 지르코니아 내 이트리아 도핑은 3-8 mol%이다), Ni-ScSZ(예를 들어, 여기서, 스칸디아 도핑은 4-10 mol%이고, 바람직하게 10 mol% 스칸디아-ZrO2에 대한 상 안정성을 위해, 예를 들어, 1 mol% 세리아인 제2 도펀트를 포함하는) 및/또는 Ni-도핑된 세리아(예를 들어, Gd 또는 Sm 도핑), 도핑된 란탄 크로마이트(예를 들어, A 부위 상의 Ca 도핑 및 B 부위 상의 Zn 도핑), 도핑된 스트론튬 티타네이트(예를 들어, A 부위 상에 La 도핑 및 B 부위 상의 Mn 도핑), La1 - xSrxMnyCr1 - yO3 및/또는 일반 화학식 (La1 -xSrx)n+1MnnO3n+1의 Mn-계 R-P 상으로 구성된 전극 전도성 층일 수 있다. 대안적으로, 애노드 전도성 층(22)에 대한 다른 물질은 부분적으로 또는 전반적으로 귀금속, 니켈 또는 둘 다를 기본으로 하는 서멧과 같이 사용될 수 있는 것으로 고려된다. 서멧 내 귀금속은, 예를 들어, Pt, Pd, Au, Ag, 및/또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 세라믹 상은, 예를 들어, 불활성, 비-전기 전도성 상을 포함할 수 있고, 예를 들어, YSZ, ScSZ 및/또는 하나 이상의 다른 불활성 상을 포함한다. 이들 하나 이상의 불활성 상은 기판(14) 및/또는 전해질(26)의 CTE와 일치하거나 보다 양호하게 일치하기 위해 ACC(22)의 조합된 CTE의 조절을 도와주는 열팽창 계수(CTE: coefficient of thermal expansion)를 가질 수 있다. 일부 예에서, 세라믹 상은 Al2O3 및/또는 NiAl2O4, MgAl2O4, MgCr2O4, 및 NiCr2O4과 같은 스피넬을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 세라믹 상은 전기 전도성일 수 있으며, 예를 들어, 도핑된 란탄 크로마이트, 도핑된 스트론튬 티타네이트 및/또는 LaSrMnCrO의 하나 이상의 형태 및/또는 일반 화학식 (La1-xSrx)n+1MnnO3n+1의 R-P 상일 수 있다
전해질(26)은 세라믹 물질로부터 제조될 수 있다. 하나의 형태에서, 양성자 및/또는 산소 이온 전도성 세라믹이 사용될 수 있다. 하나의 형태에서, 전해질(26)은 YSZ, 예를 들어, 3YSZ 및/또는 8YSZ로 구성된다. 일부 예에서, 전해질(26)은 ScSZ, 예를 들어, YSZ에 추가로 또는 이를 대신하여 4ScSZ, 6ScSz 및/또는 10Sc1CeSZ로 구성될 수 있다. 일부 예에서, 다른 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전해질(26)은 도핑된 세리아 및/또는 도핑된 란탄 갈레이트로 구성될 수 있는 것으로 고려된다. 임의의 경우에, 전해질(26)은 실질적으로 연료 전지 시스템(10)에 의해 사용되는 유체, 예를 들어, 연료로서 합성 가스 또는 순수 수소, 및 예를 들어, 산화제로서 공기 또는 O2의 그곳을 통한 확산에 불투과성이지만 산소 이온 또는 양성자의 확산은 가능하게 한다.
CCC(30)는 전도성 세라믹, 예를 들어, LaNixFe1 - xO3(예를 들어, LaNi0 . 6Fe0 . 4O3와 같은), La1 - xSrxMnO3(La0 . 75Sr0 . 25MnO3와 같은), La1 - xSrxCoO3 및/또는 Pr1 - xSrxCoO3, 예를 들어, Pr0 . 8Sr0 . 2CoO3 중 적어도 하나로 구성된 전극 전도성 층일 수 있다. 일부 예에서, CCC(30)는 다른 물질, 예를 들어, 귀금속 서멧으로 구성될 수 있지만, 다른 물질은 본원의 개시내용의 범위로부터 벗어나는 것 없이 사용될 수 있다. 귀금속 서멧 내 귀금속은, 예를 들어, Pt, Pd, Au, Ag, 및/또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 세라믹 상은, 예를 들어, YSZ, ScSZ 및 Al2O3, 또는 열팽창을 제어하기 위해 요구되는 바와 같은 다른 비-전도성 세라믹 물질을 포함할 수 있다.
임의의 적합한 기술은 도 1 및 2의 연료 전지 시스템(10)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, ACC(22) 및 전해질(26)의 일부분은 기판(14) 상으로 직접 프린팅될 수 있고 애노드(24)는 애노드 전도성 층(22) 상으로 프린팅될 수 있다. 전해질(26)의 일부는 애노드(24) 상으로 프린팅될 수 있고 전해질(26)의 다른 부분은 ACC(22) 및/또는 기판(14) 상으로 프린팅될 수 있다. 캐소드(28)는 전해질(26)의 상부 상에 프린팅된다. 캐소드(28)는 애노드(24)로부터 전해질 층(26)의 국소 두께 만큼 이격되어 있다. CCC(30)의 일부는 캐소드(28) 상으로 그리고 전해질(26) 상으로 프린팅된다. 제1 인터커넥트(16)은 ACC(22) 상으로 프린팅될 수 있다. CCC(30)의 일부는 인터커넥트(16) 상에 프린팅될 수 있다.
갭은 인접한 연료 전지의 애노드(24)를 분리할 수 있다. 유사하게, 갭은 인접한 연료 전지의 캐소드(28)를 분리할 수 있다. 각각의 연료 전지(12)는 전해질(26)의 일부 만큼 이격된 애노드(24)와 캐소드(28)에 의해 형성된다.
유사하게, ACC(22)(애노드 전도체 막으로도 공지된) 및 CCC(30)(캐소드 전도체 막으로도 공지된)는 인접한 ACC(22)와 CCC(30) 사이에 각각의 갭을 가질 수 있다. 용어 "애노드 전도성 층" 및 "애노드 전도체 막"은 상호교환적으로 사용될 수 있다.
일부 예에서, ACC(22)는 대략 5 내지 15 마이크론의 두께를 갖지만, 다른 값은 본원의 개시내용의 범위로부터 벗어나는 것 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 애노드 전도성 층은 대략 5 내지 50 마이크론 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 예에서, 상이한 두께는, 예를 들어, 특정 물질 및 적용에 따라 사용될 수 있다.
애노드(24)는 대략 5 내지 20 마이크론의 두께를 갖지만, 다른 값은 본원의 개시내용의 범위로부터 벗어나는 것 없이 사용될 수 있다. 일부 예에서, 애노드(24)는 대략 5 내지 40 마이크론 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 예에서, 상이한 두께는, 예를 들어, 특정 애노드(24) 물질 및 적용에 따라 사용될 수 있다.
전해질(26)은 대략 5-15 마이크론의 두께를 가질 수 있고 최소 개별 서브-층 두께는 대략 5 마이크론이다. 다른 두께 값은 본원의 개시내용의 범위로부터 벗어나는 것 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전해질(26)은 대략 5 내지 200 마이크론 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 예에서, 상이한 두께는, 예를 들어, 특정 물질 및 적용에 따라 사용될 수 있다.
캐소드(28)는, 예를 들어, 대략 5 내지 10 마이크론과 같은 대략 3 내지 30 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 다른 값은 본원의 개시내용의 범위로부터 벗어나는 것 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 캐소드(28)는 대략 10 내지 50 마이크론 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 예에서, 상이한 두께는, 예를 들어, 특정 캐소드(28) 물질 및 적용에 따라 사용될 수 있다.
CCC(30)는 대략 5 내지 100 마이크론의 두께를 갖지만, 다른 값은 본원의 개시내용의 범위로부터 벗어나는 것 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, CCC(30)는 대략 5 내지 100 마이크론 범위 미만 또는 그 초과의 두께를 가질 수 있다. 일부 예에서, 상이한 두께는, 예를 들어, 특정 CCC(30) 물질 및 적용에 따라 사용될 수 있다.
도 3은 제2 인터커넥트("SIC") 와이어(34)를 갖는 연료 전지 시스템(10)을 도시한다. 연료 전지 시스템(10)은 복수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 튜브를 갖고, 각각의 전지는 ACC(22), 애노드(24), 전해질(26), 캐소드(28) 및 CCC(30)를 포함한다. 연료 전지는 연료 채널(70)로부터 연료 전지를 분리하는 기판(14) 상에 침적되거나 프린팅될 수 있다. 인접한 연료 전지는 제1 인터커넥트 (또는 "I-Via") (16b)에 의해 전기적으로 커플링될 수 있다. 상기 연료 전지 튜브는 밀집 장벽(32), 화학적 장벽(38), 기판(14)을 추가로 포함할 수 있다. 밀집 장벽(32)은 기판(14)으로부터 제1 인터커넥트(16)의 적어도 일부를 분리하고 연료 또는 다른 가스의 제1 인터커넥트(16)로의 유동을 억제하는 기능을 한다. 화학적 장벽(38)은 제1 인터커넥트(16)와 애노드(24), ACC(22) 또는 둘 다 사이에 배치되고 이로부터 인터커넥트(16)가 ACC(22), 애노드(24) 둘 다로 구성되는 물질의 전달, 및/또는 이로부터 ACC(22)가 구성되는 물질, 이로부터 애노드(24)가 구성되거나 둘 다 인터커넥트(16)로 구성되는 물질의 전달을 억제하는 기능을 한다. 상기 연료 전지 튜브는 작업 동안에 전기화학적으로 활성인 연료 전지를 함유하는 "활성" 부분(33) 및 연료 전지 전기화학적 반응을 지지하기 위해 필요한 구조, 구성요소 또는 둘 다를 함유하지 않는 "불활성" 부분(31)으로 나누어질 수 있다.
SIC 와이어(34)는 전기적으로 커플링될 수 있고, SIC 와이어(34)를 전기화학적 활성 전지의 애노드(24)(또는 캐소드(28))에 전기적으로 커플링시키는 기능을 하는 ACC(22) 또는 다른 구성요소와 접촉될 수 있다. 이어서, SIC 와이어는 도 4에 도시된 바와 같이 전기화학적 활성 연료 전지를 동일한 튜브 상의 다른 측면 상의 연료 전지에, 또는 또 다른 튜브 상의 연료 전지에 커플링시키기 위해 사용될 수 있다.
도 4는 연료 전지 시스템(10)의 번들에서 정렬된 복수의 전기적 연료 전지 튜브(100)의 하나의 단부의 정면도(elevation view)를 도시한다. 복수의 SIC(34)는 번들에서 개별 연료 전지(나타내지 않음)를 전기적으로 커플링시킨다. 나타낸 바와 같이, 와이어(34a)는 연료 전지 튜브(100a)의 하나의 측면 상의 연료 전지에 커플링되고 와이어(34b)는 동일한 연료 전지 튜브(100a)의 다른 측면 상의 연료 전지에 커플링된다. 이어서, SIC(34a) 및 (34b)는, 예를 들어, 튜브(100a)의 상부 및 하부 표면 상의 연료 전지를 전기적으로 커플링시키기 위한 스폿 용접 또는 다른 기술에 의한 결합과 같이 서로 전기적으로 커플링될 수 있다. 유사하게, 와이어(34c)는 인접한 연료 전지 튜브(100b)의 하나의 측면 상의 연료 전지에 커플링되고 와이어(34d)는 동일한 인접한 연료 전지 튜브(100b)의 다른 측면 상의 연료 전지에 커플링된다. 이어서, SIC(34c) 및 (34d)는, 예를 들어, 튜브(100b)의 상부 및 하부 표면 상의 연료 전지를 전기적으로 커플링시키기 위한 점 용접 또는 다른 기술에 의한 결합과 같이 서로 전기적으로 커플링될 수 있다. 이어서, 이들 4개의 SIC 와이어(34a), (34b), (34c), 및 (34d)는, 예를 들어, 인접한 연료 전지 튜브(100a) 및 (100b) 상의 복수의 연료 전지를 서로 직렬로 전기적으로 커플링시키기 위해 점(232)에서 서로 스폿 용접되는 것과 같이 결합될 수 있다. 추가로, 임의의 연료 전지 튜브(100)의 하나의 측면 상의 연료 전지는 동일한 튜브(100)의 다른 측면 상의 연료 전지와 병렬로 전기적으로 커플링될 수 있다.
상기 디자인의 SIC는 연료 전지 시스템의 성능을 방해할 수 있는 챌린지를 제공한다. 예를 들어, SIC 와이어(34) 사이의 갭은 제어하기가 어렵다. 이 갭은 시스템의 취급 및 어셈블리 동안에 감소될 수 있고 이 감소는, 예를 들어, 이 단부에 전기적으로 커플링되지 않는, 도 4에서 (100c)와 (100d) 사이에서와 같은 한쌍의 전지 튜브의 하나의 단부에서 일어날 수 있다. 추가로, 연료 전지 작동은 고온에서 물질 에이징 및 크리이프로 인해 SIC 와이어(34) 이동을 유발할 수 있다. SIC 와이어 사이의 보다 작은 갭은 작동 동안에 아크 또는 단락을 유도할 수 있다. 심한 아크 또는 단락은 보다 높은 국소 전류를 유도하여 연료 고갈을 유발할 수 있다. 이어서, 연료 고갈은 국소 연소를 유발할 수 있는 산소 펌핑(즉, 산소 생성)을 유도하는 영향을 받은 전지의 작동 방식을 전환시킬 수 있다. 아크, 단락, 국소 연소 또는 임의의 이들에 의해 유발된 높은 국소 온도는 튜브의 다공성 기판에서 크랙을 생성할 수 있고 연료 전지 시스템에서 고장을 유발할 수 있다.
도 5a-5b는 본원의 개시내용의 일부 구현예에 따라 연료 전지 시스템(10)의 2개의 인접한 연료 전지 튜브 부분의 예시적 단면을 도시하는 개략적 다이아그램이다. 이러한 단면은 튜브의 엣지에서 취해질 수 있고, 여기서, 상기 엣지는 상부 연료 전지 튜브(80a) 및 하부 연료 전지 튜브(80b)의 말단 단부에 가장 인접해 있을 수 있다. 도 5a-5b에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 튜브(80a) 및 (80b)는 연료 채널(70a) 및 (70b), CCC 또는 제2 인터커넥트 층(72a) 및 (72b), 전해질(26a) 및 (26b), 전도성 잉크 라인(74a) 및 (74b), 결합 패드(76a) 및 (76b), 제2 인터커넥트(34)(이는 "SIC" 또는 "SIC 와이어"로서 알려져있을 수 있음), 밀봉 유리 (또는 다른 적합한 물질) (78a) 및 (78b), 및 절연층(79a) 및 (79b)을 포함할 수 있다.
밀봉 유리(78)는 연료 채널(70)로부터 제2 인터커넥트(34)로의 수소 또는 또 다른 연료의 이동을 억제할 수 있다. 밀봉 유리(78)는 유리, 유리-세라믹, 안정화된 지르코니아, 알루미나, La2Zr2O7 파이로클로어, SrZrO3, MgO, Y2O3-ZnO, 및 B2O3을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 밀봉 유리는 유리를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 밀봉 유리(78)는 일반적으로 10.5 내지 12 ppm/C의 범위, 바람직하게는 10.8 내지 11.3 ppm/C의 범위에서 상기 튜브가 부착된 기판 튜브와 밀집 세라믹 매니폴드(나타내지 않음)와 일치하는 CTE를 갖는 유리 또는 유리-세라믹을 포함할 수 있다. 유리-세라믹은 낮고 높은 pO2 둘 다 하에 700-1000 C에서, 예를 들어, 800-900 C에서 장기 작동 동안에 안정해야만 한다. 또한 시트 전도체 또는 잉크 라인 트레이스로서 칭할 수 있는 전도성 잉크 라인(74)은 동일한 튜브의 하나 이상의 측면 상의 연료 전지의 CCC 또는 제2 인터커넥트 전도성 층(72)에 전기적으로 커플링됨으로써 SIC 와이어의 사용 없이 연료 전지 튜브의 하나의 측면으로부터 다른 측면으로의 전기 경로를 제공할 수 있다. 전도성 잉크 라인(74)은 튜브의 엣지 근처에 적용될 수 있다.
전도성 잉크 라인(74)은 전도성 세라믹 또는 서멧을 포함할 수 있고 잉크-페이스트 분배 방법을 사용하여 연료 전지 튜브에 적용될 수 있다. 일부 구현예에서, 전도성 잉크 라인(74)은 전도성 접착 테이프를 통해 적용될 수 있다. 전도성 세라믹은 LSM, PSM, LNF, LSF, LSCF, LSC 등일 수 있다. 서멧의 세라믹 성분은 LSM, PSM, LNF, LSF, LSCF, LSC 등과 같은 전도성 세라믹, YSZ, CSZ, ScSZ, Al2O3, La2Zr2O7 등과 같은 불활성 세라믹, 또는 5 내지 70 v%의 서멧 중 유리-세라믹을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 유리는 20 내지 60 v%의 서멧을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 유리는 55 v%의 서멧을 포함할 수 있다. 서멧의 금속 성분은, 예를 들어, Pd, Ag, Pt, 및 Au와 같은 귀금속을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 금속 성분 서멧은 귀금속의 이원 또는 삼원 합금을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 금속 성분은 귀금속을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 금속 성분은 니켈 금속을 포함할 수 있다. 시트 전도체(74)는 니켈 서멧, 예를 들어, xNiO-(100-x)YSZ(여기서, 중량%로서 40 < x <80 ) 또는 yNiO - zTiO2 - (100-y-z)YSZ (여기서, 중량%로서 40 < y < 80 및 중량%로서 5 < z < 40)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 환원 후, Ni 금속의 용적 분율은 30 v% 이상이다.
연소 후, 시트 전도체(74)의 두께는 약 20 내지 100 마이크로미터 두께일 수 있다. 서멧의 전도성에 따라, 시트 전도체(74) 두께는 10 내지 200 마이크로미터의 범위일 수 있다. 전도성은 500 내지 10,000 S/cm의 범위일 수 있고 바람직하게는 4,000 S/cm 초과일 수 있다.
일부 예에서, 전도성 잉크 라인(74)은 CCC 또는 제2 인터커넥트 전도성 층(72)을 연장시킴으로써 형성될 수 있다. 일부 예에서, 전도성 잉크 라인(74)은 제2 인터커넥트(34)로부터 전도성 잉크 라인(74)으로 이동하는 전류를 확산시키도록 구성될 수 있다. 일부 예에서, 전도성 잉크 라인(74)은 전도성 잉크 라인(74)으로부터 제2 인터커넥트(34)로 이동하는 전류를 집중시키도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 제2 인터커넥트 와이어(34)는 약 0.05 내지 0.3 mm, 바람직하게 0.1 내지 0.2 mm의 직경을 가질 수 있다.
일부 예에서, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 전도성 잉크 라인(74)은 밀봉 유리(78) 상에 직접 배치될 수 있다. 일부 예에서, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 전기 절연층(79)은 전도성 잉크 라인(74)과 밀봉 유리(78) 사이에 배치될 수 있다. 절연층(79)은 안정화된 지르코니아(YSZ, 또는 ScSZ), 알루미나, La2Zr2O7, MgAl2O4와 같은 비-전도성 세라믹일 수 있고, 밀집성 또는 다공성일 수 있다. 바람직하게, 절연층(79)는 완전히 밀집성이 아니다. 절연층(79)은 밀봉 유리가 캐소드 물질을 증발시키고 오염시키지 못하도록 하여 전도성 잉크 라인(74)의 장기 내구성을 개선시킬 수 있다. 일부 예에서, 절연층(79)은 다중층을 포함할 수 있다. 절연 물질은 밀봉 유리 및 전도성 잉크 라인과 상호작용하는 것 없이 고온에서 작업 동안에 안정해야 하고 전기 저항이 보다 높아야 한다. 일부 예에서, 추가의 층은 전도층 잉크 라인(74) 상에 직접 배치될 수 있다.
전해질(26)은 연료 채널(70)로부터 제2 인터커넥트(34)로의 수소 또는 또 다른 연료의 이동을 억제하도록 구성될 수 있다.
결합 패드(76)는 전도성 잉크 라인(74)과 제2 인터커넥트(34)를 전기적으로 커플링시킬 수 있다. 일부 예에서, 결합 패드(76) 및 제2 인터커넥트 와이어(34)는 귀금속으로 형성될 수 있고, 예를 들어, IB족 금속(예를 들어, Cu, Ag, 또는 Au) 또는 VII족 금속(예를 들어, Pd 또는 Pt)과 같은 연료 전지의 산화제 환경에서 기계적으로 및 화학적으로 안정한 도판트와 함께 Pd 또는 Pd 합금을 포함한다. 일부 구현예에서, 결합 패드(76)는 다른 귀금속 또는, 예를 들어, Ag-Pd, Ag-Au, Ag-Pt, Au-Pd, Au-Pt, Pt-Pd, Ag-Au-Pd, Ag-Au-Pt, Ag-Au-Pd-Pt와 같은 귀금속 합금, 및 최소 비-귀금속 부가 또는 귀금속으로 구성된 서멧을 갖는 합금을 포괄하는 Pt-Pd-Au-Ag 계열 내 이원, 삼원 또는 사원 합금으로 구성될 수 있다. 제2 인터커넥트(34)는 페크알로이 또는 알루미나 형성 합금을 추가로 포함할 수 있다.
일부 예에서, 결합 패드(76)는 전도성 잉크 라인(74)의 작은 부분 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 결합 패드(76)는 0.1 평방 밀리미터(mm2) 내지 10 mm2의 표면적, 예를 들어, 0.5 내지 2 mm2의 표면적을 가질 수 있다. 일부 예에서, 결합 패드(76)는 세부적인 기하학적 형상을 가질 수 있다. 일부 예에서, 결합 패드(76)는 복수의 결합 패드일 수 있다. 일부 예에서, 결합 패드(76)는, 예를 들어, 전도성 잉크 라인(74)의 길이를 연장하는 스트립일 수 있다. 일부 예에서, 결합 패드(76)의 기하학적 구조는 전도성 잉크 라인(74)으로부터 제2 인터커넥트(34)로 이동하는 전류를 집중시키기 위해 선택될 수 있다. 일부 예에서, 결합 패드(76)의 기하학적 구조는 제2 인터커넥트(34)로부터 전도성 잉크 라인(74)으로 이동하는 전류를 확산시키도록 선택될 수 있다. 일부 예에서, 결합 패드(76)의 기하학적 구조는 결합 패드(76)와 제2 인터커넥트(34)의 계면에서 전류 밀도가 증강하지 못하도록 선택될 수 있다. 일부 예에서, 결합 패드(76)의 기하학적 구조는 결합 패드(76)와 전도성 잉크 라인(74)의 계면에서 전류 밀도가 증강하지 못하도록 선택될 수 있다.
도 5a 및 5b의 예에서, 제2 인터커넥트 와이어(34)는 결합 패드(76a), 전도성 잉크 라인(74a), 캐소드 전도성 층 또는 제2 인터커넥트 전도성 층(72a)에 전기적으로 커플링된다. 또한, 제2 인터커넥트 와이어(34)는 결합 패드(76b), 전도성 잉크 라인(74b), 캐소드 전도성 층 또는 제2 인터커넥트 전도성 층(72b)에 전기적으로 커플링된다. 이러한 방식에 있어서, 제2 인터커넥트(34)는 상부 연료 전지 튜브(80a)를 하부 연료 전지 튜브(80b)에 전기적으로 커플링시킨다. 일부 예에서, 상부 연료 전지 튜브(80a) 및 하부 연료 전지 튜브(80b)는 직렬로 전기적으로 커플링될 수 있다. 예를 들어, 캐소드 전도성 층 또는 제2 인터커넥트 층(72a)은 인접해 있을 수 있고 상부 연료 전지 튜브(80a)의 캐소드에 전기적으로 커플링될 수 있고 캐소드 전도성 층 또는 제2 인터커넥트 층(72b)은 인접해 있을 수 있고 하부 연료 전지 튜브(80b)의 애노드에 전기적으로 커플링될 수 있다. 일부 예에서, 상부 연료 전지 튜브(80a) 및 하부 연료 전지 튜브(80b)는 병렬로 전기적으로 커플링될 수 있다. 예를 들어, 캐소드 전도성 층 또는 제2 인터커넥트 층(72a)은 인접해 있을 수 있고 상부 연료 전지 튜브(80a)의 캐소드에 전기적으로 커플링될 수 있고 캐소드 전도성 층 또는 제2 인터커넥트 층(72b)은 인접해 있을 수 있고 하부 연료 전지 튜브(80b)의 캐소드에 전기적으로 커플링될 수 있다.
도 6은 본원의 개시내용의 일부 구현예에 따라 연료 전지 시스템(10)의 연료 전지 튜브 부분의 투시도를 도시하는 개략적 다이아그램이다. 도 6의 예에서, 각각의 연료 전지 튜브(80a) 및 (80b)는 상기된 바와 같이 전도성 잉크 라인(74a) 내지 (74b), 결합 패드(76a) 내지 (76f), 연료 전지(84a) 내지 (84f) 및 다른 구성요소들을 포함할 수 있다.
각각의 인접한 연료 전지 튜브는 전기적으로 커플링될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 나타낸 바와 같이, 제2 인터커넥트(34a)는 연료 전지 튜브(80a) 상에 전도성 잉크 라인(74a) 상의 결합 패드(76a) 및 연료 전지 튜브(80b) 상에 전도성 잉크 라인(74b) 상의 결합 패드(76d)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 유사하게, 연료 전지 튜브(80a) 및 (80b)는 각각 결합 패드 쌍(76b) 내지 (76e)와 (76c) 내지 (76f)에 전기적으로 커플링되는 제2 인터커넥트(34b) 및 (34c)를 통해 전기적으로 커플링될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 예를 들어, 2개의 인접한 연료 전지 튜브는 병렬 또는 직렬로 전기적으로 커플링될 수 있다.
결합 패드(76a) 내지 (76f)는 패드가 잉크 라인(74)의 표면 아래 위치되도록 시트 전도성 잉크 라인(74) 내 설정된 바와 같이 도시되지만, 결합 패드는 잉크 라인(74)의 외부 표면에 접착되거나 결합될 수 있거나 다르게는 잉크 라인(74)의 외부 표면으로부터 멀리 연장될 수 있는 것으로 이해되어야만 한다.
각각의 연료 전지 튜브는 제1 및 제2 단부(제2 단부은 나타내지 않음) 및 단부 사이에서 연장되는 한쌍의 일반적으로 평면인 대향하는 주요 표면을 갖는 기판을 포함할 수 있다. 연장은 단부 사이의 표면에서 어떠한 주요 붕괴도 없다는 점에서 연속적일 수 있다. 잉크 트레이스(74a) 및 (74b)는 동일한 단부에 인접한 주요 표면 중 다른 표면 상의 위치에 대해 튜브의 제1 단부에 인접한 주요 표면 중 하나의 표면 상에 배치된 연료 전지로부터 전기 경로를 제공하는 전기 전도체일 수 있고 상기된 물질을 포함할 수 있다. 제2 단부(나타내지 않음)는 또한 유사 기능을 수행하는 잉크 트레이스 전기 전도체를 가질 수 있다.
전기 전도체(74a) 및 (74b)는 기판 튜브의 엣지를 따라 축방향으로 연장하는 부분을 가질 수 있다. 튜브의 엣지는 상기 튜브의 주요 표면을 분리할 수 있다. 결합 패드(76a) 내지 (76f) 중 하나 이상은 이러한 축방향으로 연장하는 부분 상에 배치될 수 있다.
도 6에 나타내지 않았지만, 연료 전지 튜브(80a) 및 (80b)가 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있는 것으로 이해된다.
도 7은 본원의 개시내용에 따라 연료 전지 시스템(10) 부분의 예시적 상면도를 도시하는 개략적 다이아그램이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 연료 시스템(10)은 기판(14), 전해질(26), 캐소드 전도성 층(30), 제2 인터커넥트 전도성 층(40) 및 연료 전지를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 제2 인터커넥트 전도성 층(40a)은 캐소드-측면 상에 배치될 수 있고 제2 인터커넥트 전도성 층(40b)은 애노드-측면 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 애노드-측면 상에, 제2 인터커넥트 전도성 층(40b)은 전기화학적 불활성 전지 상에 배치될 수 있다. 반면, 캐소드-측면 상에서, 예를 들어, 제2 인터커넥트 전도성 층(40a)은 캐소드 전도성 층(30a) 상에 배치될 수 있다.
일부 예에서, 제2 인터커넥트 전도성 층(40a) 및 (40b)은, 예를 들어, 상기된 바와 같이 예에 따라 전기화학적으로 활성인 전지 상에 배치될 수 있다.
일부 예에서, 제2 인터커넥트 전도성 층(40)은 캐소드 전도성 층(30) 또는 연료 전지에 의해 한정된 경계선을 넘어 연장할 수 있고, 기판(14)에 의해 한정된 경계선(즉, 연료 전지 튜브 엣지)에 인접하여 연장할 수 있다. 예를 들어, 캐소드-측면 제2 인터커넥트 전도성 층(40a)은 캐소드 전도성 층(30a)에 의해 한정된 경계선을 넘어 연장할 수 있고 기판(14)에 의해 한정된 경계선에 인접하게 연장할 수 있다. 유사하게, 예를 들어, 애노드-측면 제2 인터커넥트 전도성 층(40b)은 연료 전지에 의해 한정된 경계선을 넘어 연장하고 기판(14)에 의해 한정된 경계선에 인접하게 연장할 수 있다.
도 8은 본원의 개시내용에 따라 연료 전지 시스템의 연료 전지 번들(130)의 예를 도시하는 개략적 다이아그램이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 번들(130)은 6개의 연료 전지 튜브(120a) 내지 (120f)를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 번들(130)은 6개 미만의 연료 전지 튜브(120)를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 번들(130)은 6개 초과의 연료 전지 튜브(120)를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 도 8에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 튜브(120)는 적층되거나 다르게는 서로 인접하게 배치되고 전기적으로 커플링되어 연료 전지 번들(130)을 형성할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 튜브(120)는 다른 배향으로 배치되어 연료 전지 번들(130)을 형성할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 튜브(120)는 전기적으로 버스 바(bus bar)에 커플링될 수 있거나 다르게는 전기적으로 병렬로 커플링될 수 있다.
도 9는 본원의 개시내용에 따라 연료 전지 시스템의 연료 전지 블록(150)의 예를 도시하는 개략적 다이아그램이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 블록(150)은 5개의 연료 전지 스트립(140a) 내지 (140e)를 포함할 수 있고, 여기서, 각각의 연료 전지 스트립(140a) 내지 (140e)는 12개의 연료 전지 번들(130)을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 스트립(140)은 12개 미만의 연료 전지 번들(130)를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 스트립(140)은 12개 초과의 연료 전지 번들(130)을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 블록(150)은 5개 미만의 연료 전지 스트립(140)을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 블록(150)은 5개 초과의 연료 전지 스트립(140)을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 번들(130)은 적층되거나 다르게는 서로 인접하게 배치되고 전기적으로 커플링되어 연료 전지 스트립(140)을 형성할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 번들(130)은 다른 배향으로 배치되어 연료 전지 스트립(140)을 형성할 수 있다. 일부 예에서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 스트립(140)은 서로 인접하게 배치될 수 있고 전기적으로 커플링되어 연료 전지 블록(150)을 형성할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 스트립(140)은 다른 배향으로 배치되어 연료 전지 블록(150)을 형성할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 튜브(120)는 전기적으로 버스 바에 커플링될 수 있거나 다르게는 전기적으로 병렬로 커플링될 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 번들(130)은 전기적으로 버스 바에 커플링될 수 있거나 다르게는 전기적으로 병렬로 커플링될 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 스트립(140)은 전기적으로 버스 바에 커플링될 수 있거나 다르게는 전기적으로 병렬로 커플링될 수 있다.
도 10은 본원의 개시내용에 따라 연료 전지 시스템의 예를 도시하는 개략적 다이아그램이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 생성기 모듈(160)은 9개의 연료 전지 블록(150)을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 생성기 모듈(160)은 9개 미만의 연료 전지 블록(150)을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 생성기 모듈(160)은 9개 초과의 연료 전지 블록을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 도 10에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 블록(150)은 서로 인접하게 배치될 수 있고 전기적으로 커플링되어 연료 전지 생성기 모듈(160)을 형성할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 블록(150)은 다른 배향으로 배치되어 연료 전지 생성기 모듈(160)을 형성할 수 있다. 일부 예에서, 도 10에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 모듈(160)은 연료 전지 모듈 용기(162)를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 블록(150)은 전기적으로 버스 바에 커플링될 수 있거나 다르게는 전기적으로 병렬로 커플링될 수 있다.
본원의 개시내용의 다양한 예가 기재되었다. 이들 및 다른 예는 하기의 청구항의 범위 내에 있다.

Claims (19)

  1. 세그먼트형 직렬 고체 산화물(segmented-in-series solid oxide) 연료 전지 시스템으로서,
    제1 및 제2 단부, 및 상기 단부들 사이에서 연장되는 한쌍의 일반적으로 평면인 대향하는 주요 표면을 갖는 기판;
    상기 주요 표면 중 하나의 표면 상에 배치된 복수의 연료 전지들로서, 상기 연료 전지가 직렬로 전기적으로 커플링되는, 복수의 연료 전지들; 및
    상기 기판의 상기 제1 단부에 인접한 상기 주요 표면 중 하나의 표면 상에 배치된 연료 전지로부터 상기 기판의 제1 단부에 인접한 상기 주요 표면의 다른 표면 상의 위치로 전기 경로를 제공하는 제1 전기 전도체를 포함하는 제1 연료 전지 튜브;
    제1 및 제2 단부, 및 상기 단부들 사이에서 연장되는 한쌍의 일반적으로 평면인 대향하는 주요 표면을 갖는 기판;
    상기 주요 표면 중 하나의 표면 상에 배치된 복수의 연료 전지로서, 상기 연료 전지가 직렬로 전기적으로 커플링되는, 복수의 연료 전지; 및
    상기 기판의 상기 제1 단부에 인접한 상기 주요 표면 중 하나의 표면 상에 배치된 연료 전지로부터 상기 기판의 제1 단부에 인접한 상기 주요 표면의 다른 표면 상의 위치로 전기 경로를 제공하는 제1 전기 전도체를 포함하는 제2 연료 전지 튜브;
    및
    상기 제1 및 제2 연료 전지 튜브들 사이에 전기 경로를 제공하는 복수의 제2 인터커넥트들로서, 상기 제1 연료 전지 튜브는 그의 주요 표면이 상기 제2 연료 전지 튜브의 주요 표면으로부터 이격되어 이와 병렬로 위치하며, 상기 복수의 제2 인터커넥트들은 상기 제1 및 제2 연료 전지 튜브들 각각의 상기 제1 전기 전도체에 전기적으로 커플링되는, 복수의 제2 인터커넥트들을 포함하는, 세그먼트형 직렬 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 연료 전지 튜브들 각각이 상기 주요 표면의 다른 표면 상에 배치된 복수의 연료 전지들을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지들이 전기적으로 직렬로 커플링되고, 여기서 상기 기판의 상기 제1 단부에 인접하게 배치된 상기 연료 전지가 상기 제1 연료 전지 튜브의 상기 제1 전기 전도체에 전기적으로 커플링되는, 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 연료 전지 튜브들 각각이 상기 기판의 제2 단부에 인접한 상기 주요 표면 중 하나의 표면 상에 배치된 연료 전지로부터 상기 기판의 상기 제2 단부에 인접한 다른 주요 표면 상에 배치된 연료 전지로 전기 경로를 제공하는 제2 전기 전도체를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 연료 전지 튜브의 상기 주요 표면 중 하나의 표면 상에 배치된 상기 복수의 연료 전지들이 상기 제1 및 제2 전기 전도체에 의해 상기 주요 표면의 다른 표면 상에 배치된 복수의 연료 전지들과 병렬로 전기적으로 커플링되는, 연료 전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    제1 및 제2 단부, 및 상기 단부들 사이에서 연장되는 한쌍의 일반적으로 평면인 대향하는 주요 표면을 갖는 기판;
    상기 주요 표면 중 하나의 표면 상에 배치된 복수의 연료 전지들로서, 상기 연료 전지가 직렬로 전기적으로 커플링되는, 복수의 연료 전지들;
    상기 기판의 제1 단부에 인접한 상기 주요 표면 중 하나의 표면 상에 배치된 연료 전지로부터 상기 기판의 상기 제1 단부에 인접한 상기 주요 표면의 다른 표면 상의 위치로 전기 경로를 제공하는 제1 전기 전도체; 및
    상기 기판의 상기 제2 단부에 인접한 상기 주요 표면 중 하나의 표면 상에 배치된 연료 전지로부터 상기 기판의 제2 단부에 인접한 상기 주요 표면의 다른 표면 상의 위치로 전기 경로를 제공하는 제2 전기 전도체를 포함하는 제3 연료 전지 튜브;
    및
    상기 제2 및 제3 연료 전지 튜브들 사이에 전기 경로를 각각 제공하는 복수의 제2 인터커넥트들로서, 상기 제3 연료 전지 튜브는 그의 주요 표면이 상기 제2 연료 전지 튜브의 주요 표면으로부터 이격되어 이와 병렬로 위치하며, 상기 복수의 제2 인터커넥트들은 상기 제2 및 제3 연료 전지 튜브들 각각의 상기 제2 전기 전도체에 전기적으로 커플링되는, 복수의 제2 인터커넥트들을 포함하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 전기 전도체가 시트 전도체를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 시트 전도체가 전도성 잉크 트레이스를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 연료 전지 튜브들의 상기 제1 전기 전도체 각각이 그의 상기 주요 표면을 분리하는 상기 각각의 기판의 엣지를 따라 축방향으로 연장하는 부분을 포함하며, 여기서 복수의 결합 패드들이 상기 부분 각각을 따라 위치되고, 제2 인터커넥트 각각이 상기 제1 전기 전도체의 상기 각 부분 상의 결합 패드에 전기적으로 커플링되는, 연료 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 전기 전도체 각각이 시트 전도체를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  10. 연료 전지 시스템으로서,
    복수의 연료 전지 튜브들로서, 상기 튜브들 각각이
    제1 단부 및 제2 단부;
    제1 표면 및 제2 표면으로서, 상기 제1 및 제2 표면의 각각이 상기 제1 및 제2 단부들 사이에서 연속적으로 연장되는 제1 표면 및 제2 표면;
    상기 제1 및 제2 표면들 상에 배치된 복수의 연료 전지들로서, 여기서 상기 제1 표면 상에 배치된 상기 연료 전지는 하나 이상의 제1 인터커넥트에 의해 서로 직렬로 전기적으로 커플링되고, 상기 제2 표면 상에 배치된 상기 연료 전지는 하나 이상의 제1 인터커넥트에 의해 서로 직렬로 전기적으로 커플링되는, 복수의 연료 전지;
    상기 제1 단부에 인접한 상기 제1 표면 상에 배치된 연료 전지를 상기 제1 단부에 인접한 상기 제2 표면 상에 배치된 연료 전지로 전기적으로 커플링시키는 제1 시트 전도체; 및
    상기 제2 단부에 인접한 상기 제1 표면 상에 배치된 연료 전지를 상기 제2 단부에 인접한 상기 제2 표면 상에 배치된 연료 전지로 전기적으로 커플링시키는 제2 시트 전도체; 및
    상기 복수의 제1 튜브를 상기 복수의 제2 튜브로 각각 전기적으로 커플링시키는 복수의 제2 인터커넥트들을 포함하며;
    여기서, 상기 제1 및 제2 시트 전도체들은 상기 제1 표면 상에 배치된 연료 전지가 상기 제2 표면 상에 배치된 연료 전지와 병렬로 전기적으로 커플링되도록 정렬되고,
    상기 제2 인터커넥트들 각각은 상기 제1 튜브의 제1 단부에 인접한 상기 제1 튜브의 제1 시트 전도체 및 상기 제2 튜브의 제1 단부에 인접한 상기 제2 튜브의 제1 시트 전도체와 전기적으로 접촉하는, 연료 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 복수의 제1 및 제2 튜브들이 직렬로 서로 전기적으로 커플링되는, 연료 전지 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 튜브들이 병렬로 서로 전기적으로 커플링되는, 연료 전지 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제2 인터커넥트 각각이
    상기 제1 튜브의 상기 제1 시트 전도체 상에 배치된 결합 패드와 전기적으로 접촉하는 제1 와이어; 및
    상기 제2 튜브의 상기 제1 시트 전도체 상에 배치된 결합 패드와 전기적으로 접촉하는 제2 와이어를 포함하고,
    여기서, 상기 제1 와이어가 상기 제2 와이어에 결합되는, 연료 전지 시스템.
  14. 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 제1 측면 및 제2 측면을 갖는 복수의 튜브들, 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 상에 침적된 복수의 연료 전지들, 및 시트 전도체(여기서, 상기 제1 측면 상에 침적된 상기 연료 전지는 상기 시트 전도체에 의해 상기 제2 측면 상에 침적된 상기 연료 전지에 전기적으로 커플링된다)를 포함하는 연료 전지 시스템 내에서 연료 전지를 연결하는 방법으로서,
    상기 제1 단부에 인접한 상기 제1 및 제2 튜브들의 시트 전도체와 전기적으로 각각 접촉하는 복수의 제2 인터커넥터들을 사용하여, 상기 복수의 제1 튜브 상에 침적된 연료 전지를 상기 복수의 제2 튜브 상에 침적된 연료 전지에 전기적으로 커플링시킴을 포함하는, 연료 전지 시스템 내에서 연료 전지를 연결하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 단부에 인접한 상기 제1 및 제3 튜브들의 시트 전도체와 각각 전기적으로 접촉하는 복수의 제2 인터커넥트들을 사용하여, 상기 제1 튜브 상에 침적된 연료 전지를 상기 복수의 제3 튜브 상에 침적된 연료 전지에 전기적으로 커플링시킴을 추가로 포함하는, 연료 전지 시스템 내에서 연료 전지를 연결하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 튜브의 상기 제2 측면 상의 상기 연료 전지와 상기 복수의 튜브들 중 적어도 하나의 상기 제1 측면 상의 상기 연료 전지를 병렬로 전기적으로 커플링시킴을 추가로 포함하는, 연료 전지 시스템 내에서 연료 전지를 연결하는 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 튜브의 상기 제2 측면 상의 상기 연료 전지와 상기 복수의 튜브들 중 적어도 하나의 상기 제1 측면 상의 상기 연료 전지를 직렬로 전기적으로 커플링시킴을 추가로 포함하는, 연료 전지 시스템 내에서 연료 전지를 연결하는 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 제1 튜브의 상기 연료 전지가 상기 제2 튜브의 상기 연료 전지에 직렬로 전기적으로 커플링되는, 연료 전지 시스템 내에서 연료 전지를 연결하는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 제1 튜브의 상기 연료 전지가 상기 제2 튜브의 상기 연료 전지에 병렬로 전기적으로 커플링되는, 연료 전지 시스템 내에서 연료 전지를 연결하는 방법.
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