가열 부분과 냉각 부분을 갖는 신장 기판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치 document_id A220623108899

세라믹 튜브가 고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 제조에 사용되는 것으로 밝혀졌다. 연료 전지에는 몇 가지 유형이 있는데, 각각은 연료와 공기를 변환하여 연소없이 전기를 생산하는 상이한 메카니즘을 제공한다. SOFC에서, 연료와 공기 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 작동하며, 세라믹 층은 가능한 한 얇게 만들어진다. 초기의 관형 SOFC는 길고 상당히 큰 직경을 가진 지르코니아 세라믹의 압출 튜브를 사용하여 웨스팅하우스 코포레이션(Westinghouse Corporation)에 의해 제조되었다. 전형적인 튜브 길이는 수 피트이고, 튜브의 직경은 1/4 인치 내지 1/2 인치의 범위이다. 연료 전지의 완성된 구조는 전형적으로 대략 10개의 튜브를 함유한다. 시간이 지나면서, 연구자들과 산업 관계자 그룹은 8몰%의 Y2O3를 함유하는 지르코니아 세라믹에 대한 구조식(formula)을 정립하였다. 이 물질은 다른 것들 중에서 일본의 토소(Tosoh)에 의해 제품 TZ-8Y로서 제조되었다. SOFC를 만드는 다른 방법은 다른 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)와 함께 적층된 지르코니아의 평판(flat plate)을 사용하여 연료 전지 구조를 달성한다. 웨스팅하우스에 의해 계획된 크고 좁은 장치와 비교하여, 이러한 평판 구조는 전체가 함께 적층되도록 고정된 클램핑 메카니즘(clamping mechanism)을 가진, 모서리가 6 내지 8인치인 큐브(cube) 모양일 수 있다. 매우 얇은 벽을 가진 직경이 작은 튜브를 다량으로 사용하는 새로운 방법이 여전히 계획된다. 얇은 벽을 가진 세라믹의 사용은 산소 이온의 이동 속도가 거리와 온도에 의해 제한되기 때문에 SOFC에서 매우 중요하다. 보다 얇은 층의 지르코니아가 사용되는 경우, 최종 장치는 동일한 효능을 유지하면서 낮은 온도에서 작동될 수 있다. 문헌에는 150μm 이하의 벽 두께에서 세라믹 튜브를 만드는 것이 필요하다고 기재되어 있다. SOFC의 성공적인 수행을 방해하는 몇 가지의 주된 기술적 문제점들이 있다. 이러한 문제점들 중의 하나는 가열 동안 세라믹 요소들의 열분해를 방지할 필요가 있다는 것이다. 이를 위해, 관형 SOFC 방법이 경쟁적 "스택(stack)" 유형(큰 평판 세라믹으로 만들어짐)보다 더 양호한데, 그 이유는 튜브가 본질적으로 1차원이기 때문이다. 튜브는, 예를 들어, 중간에서 점점 뜨거워질 수 있고, 팽창되지만 균열되지는 않는다. 예를 들어, 튜브 로(tube furnace)는 직경이 4"이고 길이가 36"인 알루미나 튜브를 가열할 수 있고, 중심에서는 빨갛게 가열되고, 말단에서는 만질 수 있을 정도로 충분히 냉각될 것이다. 튜브가 중간 구획에서 고르게 가열되기 때문에, 중간 구획이 팽창하여 튜브를 더 길게 만들 수 있지만 균열되지는 않는다. 단지 중심만 가열된 세라믹 플레이트는, 중심은 팽창되지만 외부는 동일한 사이즈로 유지되기 때문에, 빠르게 산산 조각난다. 튜브의 중요한 본질은 이것이 단축(uniaxial) 또는 1차원이라는 것이다. 두 번째 중요한 본질은 SOFC에 접촉되도록 만드는 것이다. SOFC는 이상적으로는 고온(전형적으로 700-1000℃)에서 작동하지만, 또한 공기와 연료를 외계에 연결할 필요가 있고 또한 전기적 연결을 만들 필요가 있다. 이상적으로는, 실온에서 연결시킨다. 유기 물질이 사용될 수 없기 때문에 고온에서 연결하는 것은 문제를 일으키고, 따라서 유리 또는 기계적 밀봉부(seal)를 사용해야 한다. 이러한 것들은 팽창 문제 때문에 부분적으로는 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 가장자리에 어려움을 가지고 있으며 빠른 가열 뿐만 아니라 크래킹(cracking)에 어려움이 따른다. 상기 튜브 접근법은 크래킹 문제를 해결하지만 여전히 다른 문제들을 가진다. SOFC 튜브는 단지 가스 용기로서 유용하다. 실행하기 위해서는 더 큰 공기 용기 내에서 사용해야 한다. 이것은 부피가 크다. 튜브를 사용하는 중요한 본질은 튜브 밖으로 열과 공기를 모두 적용시키고, 반응을 위해 O2를 제공하도록 공기를 적용시키며, 반응을 촉진시키기 위해 열을 적용해야 한다는 것이다. 통상적으로, 열은 연료를 연소시킴으로써 적용되고, 따라서 20% O2를 가진 공기(일반적임)를 적용하는 것 대신에, 공기는 실제로 부분적으로 감소되며(부분적으로 열을 제공하기 위해 연소됨), 이것은 전지의 전동력을 낮춘다. SOFC 튜브는 또한 확장성(scalability)에 있어서 제한된다. 더 큰 kV 출력을 달성하기 위해서, 더 많은 튜브들이 추가되어야 한다. 각 튜브는 단일 전해질 층이기 때문에, 부피가 커진다. 고체 전해질 튜브 기술은 달성할 수 있는 전해질 박층화(thinness)의 측면에서 추가로 제한된다. 전해질이 얇을수록 더욱 효율적이다. 2μm 또는 심지어 1μm 두께의 전해질이 고 전력을 위해 최적이겠지만, 고체 전해질 튜브에서는 달성하기가 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 이에 따라 전력은 몇 가지 요소에 의존한다. 주어진 시간내에 전해질을 통해 더 많은 산소를 이동시키는 요소로부터 더 높은 전류가 생성될 것이다. 이러한 요소에는 고온, 더 얇은 전해질 및 더 넓은 면적이 있다. 발명의 요약 본 발명은 작동 반응 온도로 가열되도록 배치된 제1 길이방향 부분을 따라 있는 반응 영역, 및 반응 영역이 가열되는 경우에 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지되도록 배치된 제2 길이방향 부분을 따라 있는 하나 이상의 냉각 영역을 지닌 신장 튜브를 갖는 고체 산화물 연료 전지 장치를 제공한다. 다수의 연료 및 산화제 통로가 각각의 연료 및 산화제 투입구에서 각각의 연료 및 산화제 출구까지 각각의 제1 및 제2 길이방향 부분의 적어도 일부를 따라 길이방향으로 연장된다. 애노드는 각각의 연료 통로와 연결되어 있고, 캐소드는 적어도 반응 영역에서 각각의 산화제 통로와 연결되어 있으며, 애노드와 캐소드는 서로 대향하는 관계로 배치되어 있고, 대향하는 애노드와 캐소드 사이에는 고체 전해질이 배치되어 있다. 한 가지 양태에서, 본 발명은 제1 튜브 말단 및 대향하는 제2 튜브 말단 사이에 한정된 튜브 길이를 가지며, 제1 튜브 말단에 인접한 제1 냉각 말단 영역, 제2 튜브 말단에 인접한 제2 냉각 영역 및 제1 및 제2 냉각 말단 영역 사이의 반응 영역을 지닌 나선형-롤링된 신장 튜브를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치를 제공한다. 반응 영역은 작동 반응 온도로 가열되도록 배치되고, 제1 및 제2 냉각 말단 영역은 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지되도록 배치된다. 신장 튜브는 신장 튜브내 반응 영역을 통해 적어도 부분적으로 연장되는 신장 연료 통로에 의해 연결되어 있는, 제1 냉각 말단 영역에 있는 연료 투입구 및 반응 영역에 있는 각각의 연료 출구, 신장 연료 통로에 평행하는 대향하는 관계에 있는 신장 튜브내 반응 영역을 통해 적어도 부분적으로 연장되는 신장 산화제 통로에 의해 연결되어 있는, 제2 냉각 말단 영역에 있는 산화제 투입구 및 반응 영역에 있는 각각의 산화제 출구를 추가로 갖는다. 애노드는 신장 튜브내 반응 영역에서 연료 통로에 인접하여 존재하며 제1 및 제2 냉각 말단 영역 중의 하나 이상에서 신장 튜브 위의 제1 외부 접촉면에 전기적으로 연결(electrically coupling)되어 있고, 캐소드는 신장 튜브내 반응 영역에서 산화제 통로에 인접하여 존재하며 제1 및 제2 냉각 말단 영역 중의 하나 이상에서 신장 튜브 위의 제2 외부 접촉면에 전기적으로 연결되어 있으며, 애노드와 캐소드 사이에 고체 전해질이 배치되어 있다. 또 다른 양태에서, 본 발명은 제1 튜브 말단 및 대향하는 제2 튜브 말단 사이에 한정된 튜브 길이를 가지며, 제1 튜브 말단에 인접한 제1 냉각 말단 영역, 제2 튜브 말단에 인접한 제2 냉각 말단 영역 및 그 사이의 반응 영역을 지닌 신장 튜브를 제공한다. 반응 영역은 작동 반응 온도로 가열되도록 배치되고, 제1 및 제2 냉각 말단 영역은 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지되도록 배치된다. 신장 튜브는 제1 튜브 말단에서 적어도 부분적으로 반응 영역을 통해 제2 말단 튜브로 연장되는 다수의 간격이 있는 동심성 환상 연료 통로, 및 제2 튜브 말단에서 적어도 부분적으로 반응 영역을 통해 다수의 연료 통로와 교효적으로 동심성 관계로 제2 튜브 말단을 향해 연장되는 다수의 간격이 있는 동심성 환상 산화제 통로를 추가로 갖는다. 연료 출구는 다수의 연료 통로 중의 맨안쪽에서 신장 튜브의 외부면으로 연장되는 제2 냉각 말단 영역 또는 반응 영역 중의 하나에 존재하고, 다수의 연료 통로 각각에 대해서는 유동학적으로 개방되고 다수의 산화제 통로에 대해서는 유동학적으로 폐쇄되며, 산화제 출구는 다수의 산화제 통로 중의 맨안쪽에서 신장 튜브의 외부면으로 연장되는 제1 냉각 말단 영역 또는 반응 영역 중의 하나에 존재하고, 다수의 산화제 통로 각각에 대해서는 유동학적으로 개방되고 다수의 연료 통로에 대해서는 유동학적으로 폐쇄된다. 애노드는 반응 영역 및 제1 냉각 말단 영역에서 다수의 연료 통로 각각에 라이닝되어 있고 제1 냉각 말단 영역에서 제1 외부 접촉면에 전기적으로 연결되어 있으며, 캐소드는 반응 영역 및 제2 냉각 말단 영역에서 다수의 산화제 통로 각각에 라이닝되어 있고 제2 냉각 말단 영역에서 제2 외부 접촉면에 전기적으로 연결되어 있다. 환상 고체 전해질 층은 대향하는 애노드 및 캐소드를 분리하는 각각의 인접한 연료 및 산화제 통로 사이에 배치되어 있다. 추가로, 본 발명은 상기한 양태의 다수의 연료 전지 장치를 통합한 연료 전지 시스템을 제공하며, 여기서 각각의 장치는 가열 영역 체임버에 있는 반응 영역 및 가열 영역 체임버 외부로 연장되는 제1 및 제2 냉각 말단 영역을 갖도록 배치된다. 열 공급원은 가열 영역 체임버에 연결되어 있으며 가열 영역 체임버 내에서 반응 영역을 작동 반응 온도로 가열하는 데 적합하다. 상기 시스템은 연료 및 공기 통로로 연료 및 공기 유동을 공급하기 위해 각각의 제1 및 제2 냉각 말단 영역에 가열 영역 체임버 바깥에 연결된 연료 및 공기 공급기를 추가로 포함한다. 장치 및 시스템의 사용방법도 제공된다. 또한, 본 발명은 최대 치수의 길이를 가짐으로써 상기 길이, 길이를 따라 대향하는 제1 및 제2 측면과 동축으로 연장하는 단지 하나의 우성 축을 가지는 열 팽창 계수를 갖고, 작동 반응 온도로 가열되도록 배치된 제1 길이방향 부분을 따라 있는 반응 영역 및 반응 영역이 가열되는 경우에 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지되도록 배치된 제2 길이방향 부분을 따라 있는 하나 이상의 냉각 영역을 지닌 신장 기판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치를 제공한다. 상기 장치는, 반응 영역에 신장 기판 내의 다수의 캐소드와 대향하는 관계인 다수의 애노드 및 각각의 대향하는 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질을 포함하는 제1 다층 애노드-캐소드 구조를 추가로 포함한다. 다수의 애노드와 캐소드는 각각 신장 기판내에서부터 대향하는 제1 및 제2 측면 중의 하나로 연장되어 다수의 노출된 애노드 및 캐소드 표면으로의 전기적 경로를 형성하는 하나 이상의 탭(tab) 부분을 가지며, 노출된 애노드와 캐소드 표면 위의 대향하는 제1 및 제2 측면 중의 하나 또는 둘 다에 다수의 외부 접촉 패드가 배치되어 애노드와 캐소드를 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 연결한다. 또 다른 양태에서, 본 발명은 최대 치수인 크기를 가짐으로써 상기 길이와 동축으로 연장하는 단지 하나의 우성 축만을 가지는 열 팽창 계수를 갖고, 작동 반응 온도로 가열되도록 배치된 제1 길이방향 부분을 따라 있는 반응 영역 및 반응 영역이 가열되는 경우에 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지되도록 배치된 제2 길이방향 부분을 따라 있는 하나 이상의 냉각 영역을 지닌 신장 기판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치를 제공한다. 상기 장치는, 신장 기판의 지지 구조를 형성하는 다공성 지지 전극 물질, 및 하나 이상의 냉각 영역에서 제1 유체 투입구에 연결되고 적어도 부분적으로 반응 영역을 통해 반응 영역 또는 대향하는 냉각 영역 중의 하나에서 제1 유체 출구로 연장되는 다공성 지지 전극 물질내의 하나 이상의 제1 유체 통로를 추가로 포함한다. 전해질은 하나 이상의 제1 유체 통로에 라이닝되고 제1 전극 물질은 전해질에 라이닝됨으로써, 전해질은 주변의 다공성 지지 전극 물질로부터 하나 이상의 제1 유체 통로에서 제1 전극 물질을 분리한다. 다공성 지지 전극 물질은 애노드 물질 또는 캐소드 물질 중의 하나이며, 제1 전극 물질은 애노드 물질 또는 캐소드 물질 중의 다른 하나이다. 제1 전기 접촉면은 제1 전극 물질에 전기적으로 연결되며 하나 이상의 냉각 영역의 제1 외부면에 존재하고, 제2 전기 접촉면은 다공성 지지 전극 물질에 전기적으로 연결되며 하나 이상의 냉각 영역의 제2 외부면에 존재하고, 이들 각각은 작동 반응 온도 이하의 저온에서의 전기적 연결을 위한 것이다. 또한, 본 발명은 상기한 양태의 다수의 연료 전지 장치를 통합한 연료 전지 시스템을 제공하며, 여기서 각각의 장치에는 가열 영역 체임버에 있는 반응 영역 및 가열 영역 체임버 외부로 연장되는 하나 이상의 냉각 영역을 갖도록 배치되어 있다. 열 공급원은 가열 영역 체임버에 연결되어 있으며 가열 영역 체임버 내에서 반응 영역을 작동 반응 온도로 가열하는 데 적합하다. 상기 시스템은 연료 및 공기 통로로 연료 및 공기 유동을 공급하기 위해 하나 이상의 냉각 영역에 가열 영역 체임버 바깥에 연결된 연료 및 공기 공급기를 추가로 포함한다. 장치 및 시스템의 사용방법도 제공된다.