고체 산화물 연료 전지 및 시스템, 이의 사용 방법과 제조방법 document_id A220623107898

세라믹 튜브는 고체 산화물 연료 전지(SOFCs)의 생산에 있어서 용도가 발견되고 있다. 연료 전지의 몇 가지 유형이 있는데, 각각은 연료와 공기를 변환하여 연소없이 전기를 생산하는 상이한 메카니즘을 제공한다. SOFCs에서 연료와 전지 사이의 차단 층("전해질")은 세라믹 층이며, 산소 원자가 이러한 층을 통하여 이동하여 화학 반응을 완성하도록 한다. 세라믹은 실온에서 산소 원자의 불량한 전도체이기 때문에, 연료 전지는 700℃ 내지 1000℃에서 작용하고, 세라믹 층은 가능한 한 얇게 만들어 진다. 초기의 관형 SOFCs는 길고 꽤 큰 지름을 가진 지르코니아 세라믹의 압출 성형된 튜브를 사용하여 웨스팅하우스 코포레이션(Westinghouse Corporation)에 의해 제조되었다. 전형적인 튜브 길이는 길이가 수 미터였고, 튜브의 지름은 1/4 인치 내지 1/2 인치의 범위였다. 연료 전지의 완성된 구조는 전형적으로 대략 10개의 튜브를 함유했다. 시간이 지나면서, 연구원들과 산업 관계자 그룹은 8몰%의 Y2O3를 함유하는 지르코니아 세라믹에 대한 구조식(formula)을 정립했다. 이 물질은 다른 것들 중에서 생산물 TZ-8Y와 같이 일본의 토소(Tosoh)에 의해 만들어진다. SOFCs를 만드는 다른 방법은 다른 애노드(anode)와 캐소드(cathode)를 함께 적층된 지르코니아의 플랫 플레이트(flat plate)들을 사용하여 연료 전지 구조를 완성한다. 웨스팅하우스에 의해 계획된 높고 얇은 장치와 비교하여, 이러한 플랫 플레이트 구조물은 전체가 함께 적층되도록 고정된 클램핑 메카니즘(clamping mechanism)을 가진 모서리가 6 내지 8인치인 큐브 모양일 수 있다. 여전히 새로운 방법이 매우 얇은 벽을 가진 작은 지름 튜브의 더 큰 양을 사용하여 계획된다. 얇게 둘러싼 세라믹의 용도는 산소 이온의 전환율이 거리와 온도에 의해 제한되기 때문에 SOFCs에서 매우 중요하다. 지르코니아의 얇게 하는 층이 사용되는 경우, 최종 장치는 동일한 효능을 유지하는 동안 낮은 온도에서 작동될 수 있다. 문헌은 150μm 또는 미만의 벽 두께에서 세라믹 튜브를 만드는 용도를 기재한다. SOFCs의 성공적인 수행이 방해되는 몇 가지의 주된 기술적 문제들이 있다. 하나의 문제는 가열하는 동안 세라믹 요소들의 열분해를 방지할 필요성이다. 이를 위해, 관형 SOFC 접근은 튜브가 본질적으로 1-원이기 때문에 "스택(stack)" 유형(큰, 플랫 세라믹 플레이트로 만들어짐)과 비교하는 것보다 더 낫다. 튜브는 예를 들어, 중간에서 뜨거워질 수 있고 확장되지만 금이 가지는 않는다. 예를 들어, 튜브 용광로(tube furnace)는 지름이 4"이고 길이가 36"인 알루미나 튜브를 가열할 수 있고, 중심에서 빨갛게 가열되고, 끝 부분은 만질 수 있을 정도로 충분히 차게 될 것이다. 튜브가 중간 부분에서 고르게 가열되기 때문에, 중간 부분은 튜브를 더 길게 만들면서 확장되지만, 금이 가지는 않는다. 단지 중심만 가열된 세라믹 플레이트는 중심이 외부가 동일한 사이즈로 유지되는 동안 확장되기 때문에 빠르게 조각으로 부서진다. 튜브의 중요한 본질은 단축(uniaxial) 또는 1-원이다. 두 번째 중요한 본질은 SOFC에 접촉되도록 만드는 것이다. SOFC는 이상적으로 고온(전형적으로 700-1000℃)에서 작동하지만, 또한 공기와 연료를 바깥으로 연결할 필요가 있고 또한 전기적 연결을 만들 필요가 있다. 이상적으로는, 실온에서 연결하는 것이다. 고온에서 연결하는 것은 유기 물질이 사용될 수 없기 때문에 문제를 일으키고 따라서 유리 또는 기계 봉인(seals)을 사용해야만 한다. 이러한 것들은 팽창 문제 때문에 부분적으로 신뢰할 수 없다. 또한 이들은 고가일 수 있다. 따라서, 이전 SOFC 시스템은 적어도 상기한 두 개 이상의 문제점들을 갖는 어려움을 가진다. 플레이트 기술은 또한 가스 포트(gas port)를 밀봉하는 데 있어서 플레이트의 모서리에 어려움을 가지고 있으며 빠른 가열뿐만 아니라 크래킹(cracking)에 어려움이 따른다. 상기 튜브 접근법은 균열되는 문제를 해결하지만 여전히 다른 문제들을 가진다. SOFC 튜브는 단지 가스 콘테이너로서 유용하다. 실행하기 위해서는 더 큰 공기 콘테이너 안에 사용되어져야 한다. 이것은 부피가 크다. 튜브를 사용하는 중요한 본질은 튜브 밖으로 열과 공기를 모두 적용시키고 공기는 반응을 위해 O2를 제공하고, 열은 반응을 촉진시킨다. 대개 열은 연료를 연소시키는데 적용되고 따라서 20% O2를 가진 공기(일반적임)를 적용하는 것 대신에 공기는 실제로 부분적으로 줄어들고(부분적으로 열을 제공하기 위해 연소됨) 이는 전지의 전동력을 낮춘다. SOFC 튜브는 또한 확장성(scalability)에서 제한된다. 더 높은 kV를 성취하기 위해서, 더 많은 튜브들이 추가되어야 한다. 각 튜브는 단일 전해질 층이기 때문에, 부피가 커진다. 고체 전해질 튜브 기술은 성취할 수 있는 전해질 가늘기(thinness)의 면에서 추가로 제한된다. 전해질이 얇을수록 더욱 효율적이다. 2μm 또는 심지어 1μm 두께의 전해질은 고 전력을 위해 최적이겠지만, 고체 전해질 튜브를 성취하는 것은 매우 어렵다. 단일 연료 전지 영역이 약 0.5 내지 1 볼트를 생산하지만(이는 본래 화학 반응의 구동력 때문이며, 같은 방식에서 배터리(battery)가 1.2 볼트를 방출함), 전류 및 따라서 전력은 몇 가지 요소에 의존한다. 주어진 시간에 전해질을 통해 더 많은 산소 이온을 이동시키는 요소로부터 더 높은 전류가 생성될 것이다. 이러한 요소에는 고온, 더 얇은 전해질 및 더 넓은 면적이 있다. 발명의 요약 하나의 양태에서, 본 발명은 신장 기판(elongate substrate)이 최대 치수인 길이를 가져서, 이 신장 기판이 상기 길이와 동축으로 연장되는(coextensive) 단지 하나의 우성 축(dominant axis)만을 갖는 열 팽창 계수를 갖는, 신장 기판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치를 제공한다. 반응 영역은 길이의 제 1 부분을 따라 제공되고, 작동 반응 온도로 가열되도록 배치되고 하나 이상의 냉각 영역(cold zone)이 길이의 제 2 부분을 따라 제공되며, 반응 영역이 가열되는 경우 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지되도록 배치된다. 전해질은 반응 영역에서 애노드와 캐소드 사이에 배치되고, 애노드와 캐소드는 각각 작동 반응 온도 이하의 저온에서 전기적 연결을 위한 하나 이상의 냉각 영역의 외부 표면으로 신장하는 전기적 경로를 가진다. 본 발명은 추가로 다수의 연료 장치를 통합한 연료 전지 시스템을 제공하고, 각 장치는 가열 영역 체임버(hot zone chamber) 내에 제 1 부분을 가지고 위치하며, 이 가열 영역 체임버 외부로 신장하는 하나 이상의 냉각 영역을 가진다. 열 공급원은 가열 영역 체임버와 결합되고, 장치의 반응 영역을 가열 영역 체임버 내에 작동 반응 온도로 가열하도록 개조된다. 이 시스템은 애노드들 중의 하나 이상의 전기적 경로와 전기적 접촉하는 냉각 영역의 외부 표면 각각에 대한 연결, 및 하나 이상의 캐소드들의 전기 경로들 중의 하나 이상과 전기적 접촉하는 냉각 영역의 외부 표면 각각에 대한 연결을 포함한다. 다른 양태에 따르면, 본 발명은 신장 기판이 최대 치수인 길이를 가져서, 당해 신장 기판이 상기 길이와 같이 동축으로 연장되는 단지 하나의 우성 축만을 갖는 열 팽창 계수를 갖는 신장 기판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치를 제공한다. 반응 영역은 길이의 제 1 부분을 따라 제공되고 작동 반응 온도로 가열되도록 배치되고 하나 이상의 냉각 영역이 길이의 제 2 부분을 따라 제공되며 반응 영역이 가열되는 경우 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지되도록 배치된다. 다수의 연료 통로와 산화제 통로는 하나 이상의 냉각 영역에서부터 반응 영역까지 연장되는 신장 기판에서 제공되는데, 각 연료 통로는 반응 영역에서 결합된 애노드를 가지고, 각 산화제 통로는 하나의 결합된 애노드와 반대로 위치한 반응 영역에서 결합된 캐소드를 가진다. 전해질은 반응 영역에서 각각의 반대되는 애노드와 캐소드 사이에 배치된다. 본 발명은 추가로 다수의 연료 장치를 통합한 연료 전지 시스템을 제공하고 각 장치는 가열 영역 체임버(hot zone chamber) 내에 제 부분을 가지고 위치하며 이 가열 영역 체임버 외부로 연장되는 하나 이상의 냉각 영역을 가진다. 열 공급원은 가열 영역 체임버와 결합되고, 장치의 반응 영역을 가열 영역 체임버 내에 작동 반응 온도로 가열하도록 개조된다. 시스템은 연료 통로 내부로 연료 유동을 제공하는 연료 통로를 가진 유체 연결에서 가열 영역 체임버 외부를 하나 이상의 냉각 영역과 결합하는 연료 공급원을 추가로 포함한다. 다른 양태에 따르면, 본 발명은 제 1 말단과 인접한 제 1 냉각 말단 영역(region)을 가지고, 제 2 말단과 인접한 제 2 냉각 말단 영역을 가지며, 제 1과 제 2 냉각 말단 영역 사이의 가열 반응 영역을 가지는 신장 기판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치를 제공하며, 여기서 가열 반응 영역은 작동 반응 온도로 가열되도록 배치되고, 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역은 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지하도록 배치한다. 연료 투입구는 제 1 냉각 말단 영역에 위치되고 각각의 연료 출구는 하나의 가열 반응 영역 또는 제 2 냉각 말단 영역에 위치되고 연료 투입구와 연료 출구는 신장 기판 내에 가열 반응 영역을 통해 적어도 부분적으로 연장되는 신장 연료 통로에 의해 이들 사이에 결합된다. 유사하게, 산화제 투입구는 제 2 냉각 말단 영역에 위치하고 각각의 산화제 출구는 하나의 가열 반응 영역 또는 제 1 냉각 말단 영역에 위치하며, 산화제 투입구와 산화제 출구는 신장 연료 통로에 대하여 반대로 평형하게 신장 기판 내에 가열 반응 영역을 통하여 적어도 부분적으로 연장하는 신장 산화제 통로에 의해 이들 사이에 결합된다. 애노드는 신장 기판 내에 가열 반응 영역에서 연료 통로와 인접하게 위치하며, 하나 이상의 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역에서 신장 기판 위에 제 1 외부 접촉 표면과 전기적으로 결합된다. 캐소드는 신장 기판 내에 가열 반응 영역에서 산화제 통로와 인접하게 위치하고, 하나 이상의 제1 및 제2 냉각 말단 영역에서 신장 기판 위에 제 2 외부 접촉 표면과 전기적으로 결합된다. 고체 전해질은 애노드와 캐소드 사이에 위치하며, 음성 전기적 연결은 제 1 외부 접촉 표면으로 이루어지고, 양성 전기적 연결은 제 2 외부 접촉 표면으로 이루어진다. 본 발명은 추가로 다수의 연료 장치를 통합한 연료 전지 시스템을 제공하고, 각 장치는 가열 반응 영역을 가지고 가열 영역 체임버에 위치되며 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역은 가열 영역 체임버 외부로 신장한다. 열 공급원은 가열 영역 체임버와 결합되고, 장치의 반응 영역을 가열 영역 체임버 내에 작동 반응 온도로 가열하도록 개조된다. 시스템은 연료 통로 내부로 연료 유동을 공급하는 연료 통로를 가진 유체 연결에서 제 1 냉각 말단 영역으로 가열 영역 체임버 외부와 결합된 연료 공급을 추가로 포함하고, 산화제 통로 내부로 공기 유동을 제공하는 산화제 통로를 가진 유체 연결에서 제 2 냉각 말단 영역으로 가열 체임버 외부에 결합된 공기 공급원을 추가로 포함한다. 여전히 다른 양태에서, 본 발명은 이들 사이에 인접한 길이를 가진 제 1 말단과 이와 반대편의 제 2 말단을 가진 신장 기판, 제 1 말단과 인접한 길이의 제 1 부분을 따른 냉각 영역, 및 제 2 말단과 인접한 길이의 제 2 부분을 따른 가열 반응 영역(여기에서, 가열 반응 영역은 작동 반응 온도로 가열되도록 배열되고, 냉각 영역은 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지되도록 배열됨)을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치를 제공한다. 연료 투입구는 제 1 말단에 인접한 각각의 연료 출구로 신장 기판 내에 가열 반응 영역을 통해 연장하는 신장 연료 통로와 결합한 냉각 영역에 위치된다. 유사하게, 산화제 투입구는 제 1 말단에 인접한 각각의 산화제 출구에 대한 신장 연료 통로에 대하여 평행 및 대향하는 신장 기판 내의 가열 반응 영역을 통해 연장되는 신장 산화제 통로에 결합된 냉각 영역에 위치한다. 애노드는 신장 기판 내에 가열 반응 영역에서 연료 통로와 인접하게 위치하며, 냉각 영역에서 신장 기판 위에 제 1 외부 접촉 표면과 전기적으로 결합된다. 캐소드는 신장 기판 내에 가열 반응 영역에서 산화제 통로와 인접하게 위치하고, 하나 이상의 제1과 제2 냉각 말단 영역에서 신장 기판 위에 제 2 외부 접촉 표면과 전기적으로 결합된다. 고체 전해질은 애노드와 캐소드 사이에서 위치하며, 음성 전기적 연결은 제 1 외부 접촉 표면으로 이루어지고 양성 전기적 연결은 제 2 외부 접촉 표면으로 이루어진다. 본 발명은 추가로 다수의 연료 장치를 통합한 연료 전지 시스템을 제공하고, 각 장치는 가열 영역 체임버에 위치한 가열 반응 영역, 및 가열 영역 체임버 외부로 연장하는 냉각 영역과 함께 위치한다. 열 공급원은 가열 영역 체임버와 결합되고, 장치의 반응 영역을 가열 영역 체임버 내에 작동 반응 온도로 가열하도록 개조된다. 이 시스템은 연료 통로 내부로 연료 유동을 공급하는 연료 통로를 가진 유체 연결에서 냉각 영역으로 가열 영역 체임버 외부와 결합된 연료 공급원을 추가로 포함하고, 산화제 통로 내부로 공기 유동을 공급하는 산화제 통로를 가진 유체 연결에서 냉각 영역으로 가열 영역 체임버 외부에 결합된 공기 공급원을 추가로 포함한다. 다른 양태에 따르면, 본 발명은 고체 산화물 연료 전지 장치의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 가장 긴 치수인 길이를 가지는 신장 모놀리식 소결된 세라믹 기판(elongate monolithic sintered ceramic substrate)을 제공하는 것을 포함하고, 이 신장 기판은 상기 길이를 따라 같이 신장되는 단지 하나의 우성 축만을 갖는 열 팽창 계수를 갖고, 신장 기판은 다수의 제 1 통로와 다수의 제 1 통로들 중 하나의 각각에 대하여 반대로 위치한 다수의 제 2 통로를 포함한다. 제 1 통로는 이후에 애노드 입자와 제 1 액체를 포함하는 유체 애노드 물질로 충전시킨 다음, 제 1 액체를 제거시켜 제 1 통로의 각각의 표면에 애노드 입자의 층을 형성시킨다. 제 2 통로는 또한 캐소드 입자와 제 2 액체를 포함하는 유체 캐소드 물질로 충전시킨 다음, 제 2 액체는 제거시켜 제 2 통로의 각각의 표면에 애노드 입자의 층을 형성시킨다.