KR20050019083A

KR20050019083A - Solid Oxide Fuel Cell System

Info

Publication number: KR20050019083A
Application number: KR10-2004-7018975A
Authority: KR
Inventors: 사카르파르토; 노홍상; 로니 조한손
Original assignee: 알베르타 리써치 카운실 인코포레이티드
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2005-02-28

Abstract

본 발명은 외부 환형 고체 산화 연료셀, 외부 연료셀의 내측에 위치한 고체 상 다공성 매트릭스, 및 상기 매트릭스 내에 삽입되는 적어도 하나의 내부 환형 고체 산화 연료 셀로 이루어지는 연료셀 시스템에 관련된다.The present invention relates to a fuel cell system consisting of an outer annular solid oxide fuel cell, a solid phase porous matrix located inside the outer fuel cell, and at least one inner annular solid oxide fuel cell inserted into the matrix.

상기 외부 연료셀은 제1반응물 유체를 수용하도록 배치된 내부 전극 층, 제2반응물 유체를 수용하도록 배치된 외부 전극 층, 및 전극 층 사이에 끼인 전해질층을 가진다.The outer fuel cell has an inner electrode layer disposed to receive the first reactant fluid, an outer electrode layer disposed to receive the second reactant fluid, and an electrolyte layer sandwiched between the electrode layers.

상기 내부 연료셀은 제1반응물 유체를 수용하도록 배치된 외부 전극층, 제2반응물 유체를 수용하도록 배치된 내부 전극층, 및 내부 및 외부 전극 층 사이에 끼인 전해질 층을 가진다.The inner fuel cell has an outer electrode layer disposed to receive the first reactant fluid, an inner electrode layer disposed to receive the second reactant fluid, and an electrolyte layer sandwiched between the inner and outer electrode layers.

상기 매트릭스는 상기 내부 연료셀을 지지하도록 충분한 기계적 강도와, 상기 제1반응물 유체가 상기 매트릭스를 관통하여 각각 상기 내부 및 외부 연료셀을 관통하는 흐름을 가능하게 하는 충분한 다공도를 가진다.The matrix has sufficient mechanical strength to support the inner fuel cell and sufficient porosity to allow flow of the first reactant fluid through the matrix and through the inner and outer fuel cells, respectively.

Description

고체 산화 연료셀 시스템{Solid Oxide Fuel Cell System}Solid Oxide Fuel Cell System

본 발명은 환형 고체 산화연료 셀 스택을 가진 연료 셀 시스템과 관련된다.The present invention relates to a fuel cell system having an annular solid oxide fuel cell stack.

일반적으로, 환형 산화 연료 셀(SOFC)은 세라믹 고체-상 전극으로 분리된 한 쌍의 전극(양극 및 음극)으로 이루어져 있다. 그러한 세라믹 전극에서 적절한 이온 전도도를 달성하기 위해서는, SOFC는 상승된 온도, 전형적으로는 약 1000C의 정도에서 작동해야 한다. 전형적인 SOFC 전극에서의 물질은 완전 고밀도(즉, 비공성의)의 이트라-안정화된 지르코니아(yttria-stabilized zirconia (YSZ))인데, 이것은 고온에서는 음성으로 대전된 산소 이온의 훌륭한 전도체이다.Generally, an annular oxidizing fuel cell (SOFC) consists of a pair of electrodes (anode and cathode) separated by ceramic solid-phase electrodes. To achieve proper ionic conductivity in such ceramic electrodes, the SOFC must operate at elevated temperatures, typically on the order of about 1000C. The material in a typical SOFC electrode is fully high density (ie nonporous) yttria-stabilized zirconia (YSZ), which is a good conductor of negatively charged oxygen ions at high temperatures.

전형적인 SOFC는 다공성 니켈/지르코니아 시켄트로부터 만들어지는 반면, 전형적인 음극들은 magnesium 도핑된 lanthanum manganate(LaMnO(3)), 또는 a strontium 도핑된 lanthanum manganate (또는 lanthanum strontium manganate, (LSM))으로부터 만들어진다.Typical SOFCs are made from porous nickel / zirconia secant, while typical cathodes are made from magnesium doped lanthanum manganate (LaMnO (3)), or a strontium doped lanthanum manganate (or lanthanum strontium manganate, (LSM)).

작동시, 양극 위를 지나는 연료 스트림에서 연료 산소 또는 일산화탄소는 물 및/또는 이산화탄소 및 이온을 발생시키기 위해 전극을 통해 전도되는 산화 이온화 함께 반응한다. 전자는 외부회로를 통해 양극으로부터 연료셀의 바깥쪽으로 회로상의 부하를 관통하여 흐르며, 공기스트림으로부터 산소가 전자를 받는 음극로 되돌아 가며, 전극으로 삽입되는 이온 전자로 변환된다. 일어나는 SOFC 반응은 다음을 포함한다.In operation, the fuel oxygen or carbon monoxide in the fuel stream passing over the anode reacts with oxidative ionization conducted through the electrode to generate water and / or carbon dioxide and ions. Electrons flow through an external circuit from the anode to the outside of the fuel cell, passing through the circuit load, returning from the air stream to the cathode receiving the electrons, and converting them into ion electrons that are inserted into the electrodes. SOFC reactions that occur include:

양극 반응:Anode reaction:

H₂ + O⁼ -> H₂0 + 2e^- _{^{H 2 + O = -> H}} 2 0 + 2e -

CO+0⁼-> C0₂+2e^- ^{_{CO + 0 = -> C0 2}} + 2e -

CH₄ +40⁼-> 2H₂0 +C0₂ + 8e^- _{^{_{CH 4 +40 = -> 2H 2}}} 0 + C0 2 + 8e -

음극반응:Cathodic Reaction:

0₂+4e^- -> 20⁼ 0 ₂ + 4e ^-- > 20 ⁼

알려진 SOFC 디자인은 평면 및 환형 연료 셀들을 포함한다. 본 출원인의 PCT 출원 제 PCT/CA01/00634은 전기영동 증착(electrophoretic deposition, EDP)에 의해 환형 연료셀을 생성하는 방법을 개시한다. 연료셀은 다중 동심 층들, 즉 내측 전극 층, 중간 전극층, 및 외부 전극층으로 이루어진다. 내외부 전극은 각각의 양극 및 음극인 것이 적당하고, 그리고 그러한 경우, 연료는 튜브를 통해 양극으로 공급되며, 공기는 튜브의 외부 표면을 지나서 음극에 공급된다. Known SOFC designs include planar and annular fuel cells. Applicant's PCT application PCT / CA01 / 00634 discloses a method for producing an annular fuel cell by electrophoretic deposition (EDP). The fuel cell consists of multiple concentric layers, namely an inner electrode layer, an intermediate electrode layer, and an outer electrode layer. The inner and outer electrodes are suitably the respective anodes and cathodes, and in such cases, fuel is supplied to the anode through the tube, and air is supplied to the cathode past the outer surface of the tube.

전기 출력을 증가시키기 위해 복수개의 환형 연료 셀을 배열 또는 스택(stack) 배치하는 것은 공지되어 있다. 근본적으로 자기-지지(self-supporting)되는 상대적으로 큰 직경(25mm)의 두꺼운 벽의 환형 연료셀을 함께 스택하는 것이 제안된다. 예를 들어 그리드 형태의 패턴에서 직경을 가지는 대직경(≥5mm)의 환형 연료셀을 스택하는 것과 니켈 펠트 스페이스(nickel felt spacers)를 가지는 연료 셀을 연결하는 것은 공지되어 있다. 큰 직경의 자기 지지하는 환형 연료 셀을 위한 이것 및 다른 알려진 디자인은 작은 직경 연료셀(≤5mm)에게는 적합하지 않으며, 특히 그러한 작은 직경 연료 셀이 조밀하게 팩된 배열에서는 더욱 그러하다. 그러므로 복수개의 작은 직경의 환형 연료셀 및 그러한 스택을 위한 시스템의 조밀한 패킹을 가능하게 하는 개선된 스택 디자인을 제공하는 것이 요구된다.It is known to arrange or stack a plurality of annular fuel cells to increase the electrical output. It is proposed to stack together a relatively large diameter (25 mm) thick wall annular fuel cell that is essentially self-supporting. For example, it is known to stack large diameter (≧ 5 mm) annular fuel cells having a diameter in a grid pattern and to connect fuel cells having nickel felt spacers. This and other known designs for large diameter self supporting annular fuel cells are not suitable for small diameter fuel cells (≦ 5 mm), especially in arrangements where such small diameter fuel cells are densely packed. It is therefore desirable to provide an improved stack design that allows for dense packing of a plurality of small diameter annular fuel cells and systems for such a stack.

도 1 은 환형 고체 산화 연료셀(SOFC)의 도해적인 종축 단면도이다.1 is a schematic longitudinal cross-sectional view of an annular solid oxide fuel cell (SOFC).

도 2 는 연료셀 내부에서 다공성 매트릭스 구조를 가지는 환형 SOFC의 도해적인 종축 단면도이다.2 is a schematic longitudinal cross-sectional view of an annular SOFC having a porous matrix structure inside a fuel cell.

도 3 은 일단에서의 환형SOFC의 도해적인 종축 단면도이다.3 is a schematic longitudinal cross-sectional view of the annular SOFC at one end.

도 4 는 복수개의 전도성 양극 탭을 가지며 양 단에서 환형 SOFC 개구의 도해적인 종축 측면도이다.4 is a schematic longitudinal side view of the annular SOFC opening at both ends with a plurality of conductive anode tabs.

도 5 는 복수개의 전기 전도성 양극 탭을 가진 도 3의 환형 SOFC의 도해적인 종축 측면도이다.5 is a schematic longitudinal side view of the annular SOFC of FIG. 3 with a plurality of electrically conductive positive electrode tabs.

도 6 은 다공성 매트릭스에 삽입된 양극 전류 컬렉터 로드와 한 쌍의 환형 SOFC의 도해적인 측단면도이다.6 is a schematic side cross-sectional view of a pair of annular SOFCs with an anode current collector rod inserted in a porous matrix.

도 7 은 분기된 산화제 이동 통로를 가진 다공성 매트릭스에 삽입된 한 쌍의 환형 SOFC를 가진 연료셀 시스템의 도해적인 측단면도이다.7 is a schematic side cross-sectional view of a fuel cell system having a pair of annular SOFCs inserted into a porous matrix with branched oxidant migration passages.

도 8 은 다공성 매트릭스안에 삽입되며 횡축 양극 전류 컬렉터 평판에 부착된 한쌍의 연료셀의 도해적인 측단면도이다.8 is a schematic side cross-sectional view of a pair of fuel cells embedded in a porous matrix and attached to a transverse bipolar current collector plate.

도 9 는 양극 전류 컬렉터 평판을 횡단하며 음극 전류 컬렉터 평판을 횡단하도록 부착된 한쌍의 연료 셀의 도해적인 측단면도이다.9 is a schematic side cross-sectional view of a pair of fuel cells attached across a positive current collector plate and attached across a negative current collector plate.

도 10 은 양극 전류 컬렉퍼 평판들을 횡단하며 음극 전류 컬렉터 평판들을 횡단도록 부착되며 다공성 매트릭스에 삽입되는 한쌍의 연료셀의 도해적인 측단면도이다.10 is a schematic side cross-sectional view of a pair of fuel cells inserted across a cathode current collector plate and inserted across a cathode current collector plate and inserted into a porous matrix.

도 11 및 12 는 매트릭스(도 11)에서 삽입되는 복수개의 환형 연료셀 및 매트릭스(도 12)에 삽입되는 복수개의 연료셀 및 연료셀의 서브 스택으로으로 구성되는 연료 셀 스택의 도해적인 배면도(end view)이다. 11 and 12 are schematic rear views of a fuel cell stack consisting of a plurality of annular fuel cells inserted in a matrix (FIG. 11) and a plurality of fuel cells and sub-stacks of fuel cells inserted in a matrix (FIG. 12) (FIG. end view).

도 13 및 14 는 두 개의 연료셀 스택의 도해적인 배면도로, 각각은 폼 형태의 다공성 매트릭스안에 삽입되며 외부 연료셀의 안쪽에 위치하는 복수개의 내측 환형 연료셀로 구성된다. 13 and 14 are schematic rear views of two fuel cell stacks, each consisting of a plurality of inner annular fuel cells that are inserted into a porous matrix in the form of foam and located inside the outer fuel cell.

도 15 및 16 은 두 개의 다른 연료셀 스택 디자인의 도해적인 배면도로, 각각은 폼 형태의 다공성 매트릭스에 삽입되며 외부 환형 연료셀의 내측에 위치하는 복수개의 연료 셀 서브 스택 및 내측 환형 연료셀들로 이루어진다. 15 and 16 are schematic rear views of two different fuel cell stack designs, each with a plurality of fuel cell sub-stacks and inner annular fuel cells inserted into a porous matrix in the form of foam and located inside the outer annular fuel cell; Is done.

도 17 및 18 은 두 개의 연료셀 디자인의 도해적인 배면도로, 각각은 폼 형태의 다공성 매트릭스 내에 삽입되며 대직경 외부 환형 연료셀의 내측에 위치된 복수개의 소직경 및 중간 직경 연료 셀로 구성된다.17 and 18 are schematic back views of two fuel cell designs, each consisting of a plurality of small diameter and medium diameter fuel cells inserted into a porous matrix in the form of a foam and located inside a large diameter outer annular fuel cell.

도 19 는 도 17 의 복수개의 연료셀 스택으로 이루어지는 연료 셀 시스템의 도해적인 배면도이다.FIG. 19 is a schematic rear view of a fuel cell system consisting of a plurality of fuel cell stacks of FIG. 17.

도 20 은 다공성 폼 형태의 매트릭스내에 삽입되는 복수개의 내부 환형 연료 셀을 가지는 연료셀 스택의 도해적인 종축 단면도이다 20 is a schematic longitudinal cross-sectional view of a fuel cell stack having a plurality of internal annular fuel cells inserted into a matrix in porous foam form;

도 21 은 매트릭스에서 복수개의 종축 연료 흐름 채널을 가지는 도 20의 연료셀 스택의 도해적인 종축 단면도이다.21 is a schematic longitudinal cross-sectional view of the fuel cell stack of FIG. 20 having a plurality of longitudinal fuel flow channels in a matrix.

도 22 는 매트릭스에서 복수개의 횡축의 연료 흐름 채널을 가진 도 20의 연료셀 스택의 도해적인 종축 단면도이다.22 is a schematic longitudinal cross-sectional view of the fuel cell stack of FIG. 20 with a plurality of transverse fuel flow channels in the matrix.

도 23 은 비연속 다공성 폼 형태 매트릭스 내에 삽입되는 복수개의 환형 연료셀을 가지는 연료셀 스택의 도해적인 종축 단면도이다.23 is a schematic longitudinal cross-sectional view of a fuel cell stack having a plurality of annular fuel cells inserted into a discontinuous porous foam form matrix.

도 24 는 다공성 폼 형태의 매트릭스 내에 삽입되는 복수개의 환형 연료셀 및 매트릭스 내의 복수개의 종축 유체 흐름 채널을 가지는 연료셀 스택의 도해적인 배면도이다.24 is a schematic rear view of a fuel cell stack having a plurality of annular fuel cells inserted into a matrix in porous foam form and a plurality of longitudinal fluid flow channels in the matrix.

도 25 는 각각이 그 안에 복수개의 환형 연료셀을 가지는 복수개의 6 각 서브 스택을 가지는 연료셀 스택의 도해적인 배면도이다.25 is a schematic rear view of a fuel cell stack with a plurality of hexagonal sub-stacks each having a plurality of annular fuel cells therein.

도 26 은 각 일 단부에 밀폐된 환형 SOFC의 스택을 가지며 시스템 바닥에 산화제 입구 채널을 가지는 연료셀 시스템의 도해적인 측단면도이다.FIG. 26 is a schematic side cross-sectional view of a fuel cell system having a stack of annular SOFCs sealed at each end and an oxidant inlet channel at the bottom of the system.

도 27 은 각각 일 단부에서 밀폐되는 환형 SOFC 스택을 가지며 스택을 둘러싸는 연료 가스 개량기를 가지는 연료셀 시스템의 도해적인 측 단면도이다.FIG. 27 is a schematic side cross-sectional view of a fuel cell system having an annular SOFC stack each sealed at one end and having a fuel gas modifier surrounding the stack.

도 28 은 각각 일 단부에서 밀폐되는 환형의 SOFC 스택 및 스택 주위를 둘러싸는 연료 가스 개량기 튜브를 가지는 연료셀 시스템의 도해적인 측 단면도이다.FIG. 28 is a schematic side cross-sectional view of a fuel cell system having an annular SOFC stack each sealed at one end and a fuel gas modifier tube surrounding the stack.

도 29 는 열 전도성 매트릭스 구조물에 삽입된 개량기 튜브를 가진 도 30 시스템의 도해적인 측단면도이다.29 is a schematic side cross-sectional view of the FIG. 30 system with an enhancer tube inserted in a thermally conductive matrix structure.

도 30 은 각각 양단에서 개방된 환형 SOFC스택 및 스택 주위를 둘러싼 연료 가스 개량기 튜브를 가지는 연료셀 시스템의 도해적인 측단면도이다. 도 31 및 32는 매트릭스에서 연료셀 그룹을 삽입하기 위한 장치의 도해적인 정면 및 측면도이다. 도 33 은 다공성 폼 형태의 내부 코어를 가진 연료셀의 도해적인 종축 단면도이다.30 is a schematic side cross-sectional view of a fuel cell system, each having an annular SOFC stack open at both ends and a fuel gas improver tube surrounding the stack. 31 and 32 are schematic front and side views of an apparatus for inserting a group of fuel cells in a matrix. 33 is a schematic longitudinal cross-sectional view of a fuel cell with an inner core in the form of a porous foam.

도 34 는 도 33 의 내부 코어의 도해적인 횡단면도이며, 도 35는 산재된(interspersed) 반응물 흐름 채널을 가진 도 34 의 내부 코어를 보여준다.FIG. 34 is a schematic cross-sectional view of the inner core of FIG. 33, and FIG. 35 shows the inner core of FIG. 34 with interspersed reactant flow channels.

도 36 은 내부코어에 삽입된 부가적인 전기 전도성 와이어를 가지는 도 33에서의 연료셀의 도해적인 측면도이다.FIG. 36 is a schematic side view of the fuel cell in FIG. 33 with additional electrically conductive wires inserted into the inner core. FIG.

도 37 은 도 36 의 내부 코어의 도해적인 횡 단면도이며, 도 38 은 산재된 반응물 흐름 채널을 가진 도 37 의 내부코어를 보여준다.FIG. 37 is a schematic transverse cross-sectional view of the inner core of FIG. 36, and FIG. 38 shows the inner core of FIG. 37 with interspersed reactant flow channels.

도 39 는 전극 내부 표면에 물리적 전기적으로 접촉하는 종축으로 연장된 평판 시리즈를 가진 내부 코어의 도해적인 배면도이다.FIG. 39 is a schematic rear view of an inner core with a series of longitudinally extending plates in physical and electrical contact with the electrode inner surface. FIG.

도 40 은 중심 컨덕터 로드 및 로드를 둘러싸며 전극 내부 표면을 물리적 전기적으로 접촉하는 복수개의 필라멘트를 가진 내부코어의 도해적인 종축 도면이다. 40 is a schematic longitudinal view of an inner core having a central conductor rod and a plurality of filaments surrounding the rod and in physical electrical contact with the electrode inner surface.

도 41 은 복수개의 전기 전도성 와이어가 삽입된 도 34 의 내부 코어의 도해적인 배면도이다.FIG. 41 is a schematic rear view of the inner core of FIG. 34 with a plurality of electrically conductive wires inserted;

본 발명의 일 측면에 의하면, 외부 환형 고체 산화 연료셀, 외부 연료셀의 내측에 위치되며 그 내측의 전극 층에 부착되는 고체 상 다공성 매트릭스, 및 상기 외부 연료셀의 실질적인 내측으로 상기 매트릭스에 삽입되는 적어도 하나의 내부 환형 고체 산화 연료 셀로 구성되는 연료셀 시스템이 제공된다. 외부 연료 셀은 제1반응물 유체(reactant fluid)를 받을 수 있도록 배치되는 내부 전극층, 제2반응 물 유체를 받도록 배치된 외부 전극 층, 및 전극층 사이에 끼인 전해질 층을 가진다. 내측 전극층은 제1반응물 유체를 받도록 배치된 외부 전극 층, 제2반응물 유체를 받도록 배치된 내부 전극층 및 내, 외부 전극 층 사이에 끼인 전해질 층을 가진다.According to one aspect of the invention, an external annular solid oxide fuel cell, a solid phase porous matrix positioned inside an external fuel cell and attached to an electrode layer therein, and inserted into the matrix substantially inward of the external fuel cell. A fuel cell system is provided that consists of at least one internal annular solid oxide fuel cell. The outer fuel cell has an inner electrode layer arranged to receive the first reactant fluid, an outer electrode layer arranged to receive the second reactant fluid, and an electrolyte layer sandwiched between the electrode layers. The inner electrode layer has an outer electrode layer disposed to receive the first reactant fluid, an inner electrode layer disposed to receive the second reactant fluid, and an electrolyte layer sandwiched between the inner and outer electrode layers.

매트릭스는 외부 연료 셀 내부의 내부 연료 셀을 지지하도록 충분한 기계적 강성 및, 제1반응물 유체를 매트릭스를 통해 외부 연료 셀의 내부 전극 층 및 내부 전극 셀의 외부 전극 층으로 흐름을 가능하게 하는 충분한 다공성을 가진다. 매트릭스는 고체상 다공성 폼(foam)이거나 또는 금속성 메쉬(mesh)일 수 있다. 매트릭스가 폼일 때, 그것은 전기적 또는 혼성적(전기적 및 이온적) 전도성 물질일 수 있으며, 그리고 내부 및 외부 연료 셀의 음극에 전기적으로 결합될 수 있다.The matrix has sufficient mechanical stiffness to support the inner fuel cell inside the outer fuel cell and sufficient porosity to allow flow of the first reactant fluid through the matrix to the inner electrode layer of the outer fuel cell and the outer electrode layer of the inner electrode cell. Have The matrix may be a solid porous foam or a metallic mesh. When the matrix is a foam, it can be an electrically or hybrid (electrically and ionic) conductive material, and can be electrically coupled to the cathodes of the inner and outer fuel cells.

폼의 조성은 다음과 같이 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그이상의 물질을 포함할 수 있다: lanthanum strontium manganate, La_1-xSr_xCrO₃, La_1-xCa_xCrO₃, La_1-xMg_xCrO₃, LaCr(Mg)0₃, LaCa_1-xCr_-yO₃, stainless steel 316 and 316L, Ni-Yittria 안정화된 zirconia, Ni 및 도핑된 zirconia 시멘트, Ni 도핑된 -Ce0₂ 시멘트, Cu 도핑된-ceria cermet, silver-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트, silver-(Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트; silver-합금-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트; silver-합금- (Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트; silver 및 그 합금들, Inconel 강 및 모든 초경합금, ferritic 강, SiC, 및 MoSi₂.The composition of the foam may comprise one or more substances selected from the group consisting of: lanthanum strontium manganate, La _1-x Sr _x CrO ₃ , La _1-x Ca _x CrO ₃ , La _1-x Mg _x CrO ₃ , LaCr (Mg) 0 ₃ , LaCa _1-x Cr _-y O ₃ , stainless steel 316 and 316L, Ni-Yittria stabilized zirconia, Ni and doped zirconia cement, Ni doped -Ce0 ₂ cement, Cu doped Cer-ceria cermet, silver- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide cement, silver- (Y-Ba-Cu-O) -oxide cement; silver-alloy- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide cement; silver-alloy- (Y-Ba-Cu-O) -oxide cement; silver and its alloys, Inconel steel and all cemented carbides, ferritic steels, SiC, and MoSi ₂ .

내부 전극 셀의 내부 전극 층은 양극 일 수 있으며, 이 경우 그 외부 전극 층은 음극이다. 대응하여, 외부 전극 셀의 내부 전극 층은 음극 일수 있으며, 그 외부 전극은 양극이다. 그러한 배치에서, 제1 반응물은 연료이고 제2반응물은 산화제(oxident)이다.The inner electrode layer of the inner electrode cell may be an anode, in which case the outer electrode layer is a cathode. Correspondingly, the inner electrode layer of the outer electrode cell may be a cathode, the outer electrode of which is an anode. In such a batch, the first reactant is a fuel and the second reactant is an oxident.

내부 전극 셀은 10μm 및 10,000 μm 사이의 직경을 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 10μm에서 5,000μm 사이이다.The inner electrode cell may have a diameter between 10 μm and 10,000 μm, more specifically between 10 μm and 5,000 μm.

매트릭스는 산화제를 내부 및 외부 연료 셀로의 이동을 증진시키기 위한 적어도 하나의 긴 구멍(void)를 포함할 수 있다. 이것은 또한 산화제 소스로 유체적으로 연결가능한 입구 및 매트릭스에 유체적으로 결합되는 복수개의 출구를 가지는 산화제 디퓨져(diffuser)일 수 있다.The matrix may include at least one elongated void to promote the movement of the oxidant into the internal and external fuel cells. It may also be an oxidant diffuser having an inlet fluidly connectable to the oxidant source and a plurality of outlets fluidly coupled to the matrix.

연료시스템은 또한 외부 전극 및 내부 연료셀의 전해질 층을 통과하며, 그리고 가스-투과성, 전기전도성 탭이 그안에 위치되고 각 개구를 실링하는 복수개의 탭 개구들(tab openings)를 포함할 수 있다. 탭 개구들은 내부 연료 셀의 길이방향으로 이격된다. 각 탭은 내부 연료셀의 내부 전극 층과 전기적으로 연결되며, 외부 회로에 전기적으로 연결가능하다. 각 탭은 SOFC 작동 조건하에 사용에 적당한 비활성 금속 코팅일 수 있다. 적어도 하나의 전기 컬렉터 로드는 매트릭스에 삽입될 수 있으며 적어도 탭들 중 하나에 전기적으로 연결되고, 외부 회로에 전기적으로 연결가능하다. 또는, 전기 컬렉터 평판은 내부 연료셀의 내측 매트릭스 안에 횡축으로(transversly) 삽입가능하다.상기 평판은 평판과 매트릭스 사이의 고온 절연 물질 또는 플레이트와 매트리스 사이의 갭에 의해 메트릭스로부터 전기적으로 절연되거나 또는 고립된다. 플레이트는 반응물 유체를 내부 연료셀의 외부 전극 층 및 외부 연료셀의 내부 전극층으로 흐름을 가능하게 하는 천공(perforation) 및 내부 연료셀을 받아들이기 위한 개구를 가진다. 이 경우에서 전류 컬렉터 플레이트는 탭들의 적어도 하나와 전기적으로 연결되고 외부 회로와 전기적으로 결합가능하다.The fuel system may also include a plurality of tab openings that pass through the electrolyte layer of the outer electrode and the inner fuel cell, and in which gas-permeable, electrically conductive tabs are located and seal each opening. The tab openings are spaced in the longitudinal direction of the inner fuel cell. Each tab is electrically connected to an inner electrode layer of the inner fuel cell and is electrically connectable to an external circuit. Each tab may be an inert metal coating suitable for use under SOFC operating conditions. At least one electrical collector rod may be inserted into the matrix and electrically connected to at least one of the tabs and electrically connectable to an external circuit. Alternatively, the electrical collector plate can be transversly inserted into the inner matrix of the internal fuel cell. The plate is electrically insulated or isolated from the matrix by the high temperature insulating material between the plate and the matrix or the gap between the plate and the mattress. do. The plate has perforations and openings for receiving the internal fuel cells that enable flow of reactant fluid to the outer electrode layer of the inner fuel cell and the inner electrode layer of the outer fuel cell. In this case the current collector plate is in electrical connection with at least one of the tabs and in electrical connection with an external circuit.

연료 셀 시스템은 비 개량된 연료 소스와 유체적으로 연결하는 연료입구 및 내부 및 외부 연료셀의 양극과 유체적으로 연결되는 연료출구를 가지는 개량기 쳄버를 가지는 연료 개량기(reformer)를 포함한다. 개량기 쳄버는 연료셀의 적어도 하나와 열적으로 결합되어 연료셀 반응으로 인해 생성된 열이 비개량 연료를 개량하는데 사용되도록 한다. 개량기 챔버는 이중 벽 컵을 가지고 있으며, 이 경우 연료셀은 컵의 공동(cavity)의 내측에 위치한다. 촉매 코팅 고체 상 다공성 매트릭스(catalyst-coated solid state porous matrix)가 개량기 쳄버의 내측에 제공된다.The fuel cell system includes a fuel reformer having a reformer chamber having a fuel inlet fluidly connected to a non-improved fuel source and a fuel outlet fluidly connected to the anodes of internal and external fuel cells. The improver chamber is thermally coupled with at least one of the fuel cells such that the heat generated by the fuel cell reaction is used to improve unimproved fuel. The reformer chamber has a double wall cup, in which case the fuel cell is located inside the cavity of the cup. A catalyst coated solid state porous matrix is provided inside the improver chamber.

또는 개량기 쳄버는 외부 연료셀 주위에 코일된 개량기 튜브일 수 있다; 연료 입구 및 출구는 튜부의 반대쪽 단부에 위치한다. 개량기 튜브는 개량기 튜브의 내측을 따라 분산되는 촉매성 물질을 포함할 수 있다.Or the improver chamber may be an improver tube coiled around an external fuel cell; The fuel inlet and outlet are located at opposite ends of the tubing. The improver tube may include a catalytic material dispersed along the inside of the improver tube.

내측 연료셀은 그 내측 전극 층에 전기적으로 결합되며 그리고 제 2 반응물 유체의 전류 컬렉터를 관통하며 그리고 내부 연료셀의 내부 전극 층으로의 흐름을 가능할 만큼 충분한 다공성을 가지는, 내부 연료셀의 내측에 위치된 다공성 전기 전도성 전류 컬렉터를 더 구비할 수 있다.The inner fuel cell is located inside the inner fuel cell, electrically coupled to the inner electrode layer and having sufficient porosity to penetrate the current collector of the second reactant fluid and to allow flow of the inner fuel cell to the inner electrode layer. It may further comprise a porous electrically conductive current collector.

본 발명의 다른 면에 의하면, 적어도 하나의 환형 고체 산화 연료셀, 연료 셀의 내부에 위치한 다공성 전기 전도체 전류 컬렉터, 및 연료 셀이 삽입되는 고체 상 다공성지지 매트릭스를 구비한다. 연료셀은 제 1 반응물 유체를 받도록 배치된 외부 전극 층, 제1 반응물 유체를 받도록 배치된 내부 전극 층, 및 전극 층 사이에 끼인 전해질 층을 구비한다. 전류 컬렉터는 내부 전극층에 전기적으로 결합하며, 그리고 제1제(반응물 유체를 전류 컬렉터를 관통하며 및 내부 전극층으로의 흐름을 가능하게 하는 충분한 다공성을 가진다. 지지 메트릭스는 시스템 내측의 연료셀을 지지하도록 충분한 기계적 강도를 가지며, 그리고 제 1 반응물 유체를 매트릭스를 관통하며 외부 전극 층으로의 흐름을 가능하게 하는 충분한 다공성을 가진다.According to another aspect of the present invention, there is provided at least one annular solid oxide fuel cell, a porous electrical conductor current collector located inside the fuel cell, and a solid phase porous support matrix into which the fuel cell is inserted. The fuel cell has an outer electrode layer disposed to receive the first reactant fluid, an inner electrode layer disposed to receive the first reactant fluid, and an electrolyte layer sandwiched between the electrode layers. The current collector is electrically coupled to the inner electrode layer and has sufficient porosity to allow the first agent (reactant fluid to pass through the current collector and flow into the inner electrode layer. The support matrix is adapted to support the fuel cell inside the system. It has sufficient mechanical strength and has sufficient porosity to allow the first reactant fluid to pass through the matrix and to flow to the outer electrode layer.

전류 컬렉터는 내부 전극 층의 표면의 적어도 부분에서 고체 상 다공성 매트릭스일수 있다.The current collector may be a solid phase porous matrix at at least a portion of the surface of the inner electrode layer.

또는 전류 컬렉터는 다음 중 하나일 수 있다:Alternatively, the current collector can be one of the following:

-겹치는 금속, 세라믹 또는 시멘트 섬유(fibers)의 묶음(bundle);A bundle of overlapping metal, ceramic or cement fibers;

-금속, 세라믹, 또는 시멘트 울(wool)의 묶음; A bundle of metal, ceramic, or cement wool;

-모서리(edge)에서 내부 전극 층의 표면에 부착된 복수개의 다공성 시트; 또는 A plurality of porous sheets attached to the surface of the inner electrode layer at the edges; or

-전기 전도성 로드 또는 연료셀의 내부를 종축으로(longitudinally) 관통하여 연장되는 와이어 그리고 컬렉터 로드 및 내부 전극 층 사이에 일반적으로 횡축으로(transversly) 연장된 복수개의 전기 전도성 필라멘트A wire extending longitudinally through the interior of the electrically conductive rod or fuel cell and a plurality of electrically conductive filaments generally transversly extending between the collector rod and the inner electrode layer.

전류 컬렉터는 25 및 95% 사이, 더욱 구체적으로는 40에서 95% 사이, 더 더욱 구체적으로는 약 60%의 다공성을 가질 수 있다.The current collector may have a porosity of between 25 and 95%, more specifically between 40 and 95%, even more specifically about 60%.

전류 컬렉터는 촉매 물질로 코팅될 수 있다. 적어도 하나의 전류 컬렉터 로드 또는 와이어는 연료 셀 내부의 전류 컬렉터 매트릭스에 삽입될 수 있다. 로드 또는 와이어는 외부 회로에 전기적으로 연결가능한 적어도 일 단부를 가질 수 있다. 전류 컬렉터 매트릭스는 매트릭스를 관통하는 반응체 흐름을 증진시키는 적어도 하나의 긴 구멍을 포함할 수 있다.The current collector can be coated with a catalytic material. At least one current collector rod or wire may be inserted into the current collector matrix inside the fuel cell. The rod or wire may have at least one end that is electrically connectable to an external circuit. The current collector matrix may include at least one elongated hole that enhances the reactant flow through the matrix.

전류 컬렉터 매트릭스는 고체 상태 폼일 수 있다; 폼은 다음의 그룹중에서 선택된 하나 또는 그 이상의 물질에서 만들어 질 수 있다: lanthanum strontium manganate, La_1-xSr_xCrO₃, La_1-xCa_xCrO₃, La_1-xMg_xCrO₃, LaCr(Mg)0₃, LaCa_1-xCr_-yO ₃, La_1-xSr_xFeO₃, (La_1-xSr_x)(Fe_1-yCo_y)O ₃, stainless steel 316 and 316L, Ni-Yittria 안정화된 zirconia, Ni 및 도핑된 zirconia 시멘트, Ni 도핑된 -Ce0₂ 시멘트, Cu 도핑된-ceria cermet, silver-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트, silver-(Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트; silver-합금-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트; silver-합금- (Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트; silver 및 그 합금들, Inconel 강 및 모든 초경합금, ferritic 강, SiC, 및 MoSi₂.The current collector matrix can be in solid state form; The foam may be made from one or more materials selected from the following groups: lanthanum strontium manganate, La _1-x Sr _x CrO ₃ , La _1-x Ca _x CrO ₃ , La _1-x Mg _x CrO ₃ , LaCr (Mg) 0 ₃ , LaCa _1-x Cr _-y O ₃ , La _1-x Sr _x FeO ₃ , (La _1-x Sr _x ) (Fe _1-y Co _y ) O ₃ , stainless steel 316 and 316L, Ni-Yittria stabilized zirconia, Ni and doped zirconia cement, Ni doped -Ce0 ₂ cement, Cu doped -ceria cermet, silver- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide cement, silver- (Y -Ba-Cu-O) -oxide cement; silver-alloy- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide cement; silver-alloy- (Y-Ba-Cu-O) -oxide cement; silver and its alloys, Inconel steel and all cemented carbides, ferritic steels, SiC, and MoSi ₂ .

지지 매트릭스는 고체 상 폼일 수 있다. 지지 폼은 또한 전기적 또는 혼성적(전자 및 이온적) 전도성 다공성 고체 상 매트릭스로 만들어 질 수 있으며, 내부 연료셀의 외부 전극 층 및 외부 전극층의 내부 전극 층에 전기적으로 결합된다. 지지 폼은 전류 컬렉터 폼과 같은 동일한 물질로 만들어 질 수 있다.The support matrix may be a solid phase foam. The support foam can also be made of an electrically or hybrid (electronic and ionic) conductive porous solid phase matrix and is electrically coupled to the outer electrode layer of the inner fuel cell and the inner electrode layer of the outer electrode layer. The support foam can be made of the same material as the current collector foam.

본 발명의 다른 면에 의하면 다음과 같은 연료 셀 시스템이 제공된다. (a) 연료 셀의 각각에 부착된 스택지지 구조물과 복수개의 환형 고체 산화 연료셀을 구비하며, 각 연료셀은 각각 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 끼인 전해질을 가지는 연료 셀 스택; (b)연료 소스에 유체적으로 결합가능한 개량기 연료 입구와 적어도 하나의 연료 셀의 양극에 유체적으로 결합하는 개량기 연료 출구를 가진 개량기 챔버를 포함하는 연료 개량기 튜브; (c)외부 전기 회로에 전기적으로 결합가능하며 적어도 하나의 연료셀의 양극 및 음극에 전기적으로 결합하는 외부 회로 전기적 리드(external circuit electrical leads및d) 스택 및 개량기 튜브를 밀봉하고, 개량기(reformer) 연료 입구에 유체적으로 결합하는 연료 입구, 적어도 하나의 연료셀의 양극에 유체적으로 결합하는 연료출구, 및 적어도 하나의 연료 셀의 음극에 유체적으로 결합하는 산화제 입구 및 출구를 포함하는 열적 밀봉 어셈블리.According to another aspect of the present invention, the following fuel cell system is provided. (a) a fuel cell stack having a stack support structure attached to each of the fuel cells and a plurality of annular solid oxide fuel cells, each fuel cell having an anode, a cathode, and an electrolyte sandwiched between the anode and the cathode; (b) a fuel improver tube comprising an improver chamber having an improver fuel inlet fluidly coupleable to a fuel source and an improver fuel outlet fluidly coupled to an anode of at least one fuel cell; (c) external circuit electrical leads (d) electrically coupled to an external electrical circuit and electrically coupled to the positive and negative poles of at least one fuel cell, sealing and reforming the stack and enhancer tubes. A thermal seal comprising a fuel inlet fluidly coupled to the fuel inlet, a fuel outlet fluidly coupled to the anode of the at least one fuel cell, and an oxidant inlet and outlet fluidically coupled to the cathode of the at least one fuel cell assembly.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 적어도 하나의 환형 고체 산화 연료 셀, 외부 회로에 전기적으로 결합하기 위한 전기 전도성 탭 및 각 연료 셀에 부착되는 스택지지 구조를 포함하는 연료셀 시스템이 제공된다. 연료셀은 전극 내부 층, 전극 외부 층, 전극 층 사이에 끼인 전해질 층 및 전극 외부 층을 관통하는 탭 개구와 깔리는(underlying) 전해질 층을 포함한다. 탭은 내부 층의 노출된 부분을 코팅하는 전기 전도성 물질을 포함한다. According to another aspect of the present invention, a fuel cell system is provided that includes at least one annular solid oxide fuel cell, an electrically conductive tab for electrically coupling to an external circuit, and a stack support structure attached to each fuel cell. The fuel cell includes an electrode inner layer, an electrode outer layer, an electrolyte layer sandwiched between the electrode layers and an tabing electrolyte layer and an underlying electrolyte layer through the electrode outer layer. The tab includes an electrically conductive material that coats the exposed portion of the inner layer.

정의 Justice

본 발명을 기술할 때, 다음의 단어는 다르게 표시되지 않은 한 다음과 같은 의미를 가진다. 여기에 기재되지 않은 모든 단어는 당 분야에서 인식되는 일반적인 의미를 가진다.In describing the present invention, the following words have the following meanings unless indicated otherwise. All words not described herein have the general meaning recognized in the art.

단어 "섬유(fiber)"또는 "필라멘트(filament)"는 섬유질 물질의 단일 끈(strand)을 의미한다; "섬유 줄(tow)"또는 "섬유 묶음(bundle)"은 다중 필라멘트 얀(yarn) 또는 섬유의 배열을 의미한다; 그리고 "섬유코어"는 섬유, 필라멘트, 섬유 줄, 또는 섬유 번들을 의미한다. 모든 경우에서, 섬유 코어는 전기 전도성이거나, 전극으로서의 사용을 가능하게 하는 전기 전도성으로 취급된다. The word "fiber" or "filament" means a single strand of fibrous material; "Fiber tow" or "fiber bundle" means an arrangement of multiple filament yarns or fibers; And “fiber core” means fibers, filaments, fiber strings, or fiber bundles. In all cases, the fiber core is either electrically conductive, or treated as electrically conductive, which allows its use as an electrode.

단어 "세라믹"은 우세적으로 공유 또는 이온결합을 가진 비유기 비금속 고체물질로, 금속 산화물(예를들어, aluminum, silicon, magnesium, zirconium, titanium, chromium, lanthanum, hafnium, yttrium의 산화물 및 그 혼합물), 그리고 carbides(예를 들어, titanium tungsten, boron, silicon), silicides(예를들어, molybdenum disicilicide), 니트라이드(예를들어, boron, aluminum, titanium, silicon) 및 borides (예를들어 tungsten, titanium, uranium) 그리고 그들의 혼합물을 포함하나 이에 한정하지 되지 않는다;spinels, titanates (예를들어 barium titanate, lead titanate, lead zirconium titanates, strontium titanate, iron titanate), ceramic super conductors, zeolites, 및 ceramic solid ionic conductors (예를들어 yittria stabilized zirconia, beta-alumina and cerates). The word "ceramic" is a nonorganic nonmetallic solid substance with predominantly covalent or ionic bonds, such as oxides of metals (eg, aluminum, silicon, magnesium, zirconium, titanium, chromium, lanthanum, hafnium, yttrium and mixtures thereof) ), And carbides (e.g. titanium tungsten, boron, silicon), silicides (e.g. molybdenum disicilicide), nitrides (e.g. boron, aluminum, titanium, silicon) and borides (e.g. tungsten, titanium, uranium) and mixtures thereof; spinels, titanates (e.g. barium titanate, lead titanate, lead zirconium titanates, strontium titanate, iron titanate), ceramic super conductors, zeolites, and ceramic solid ionic conductors (eg yittria stabilized zirconia, beta-alumina and cerates).

단어"시멘트"는 전형적이지만 필수적인지는 않은 소결 금속등과 결합하는, 그리고 전형적으로 나타나는 온도, 부식 및 마모에 고저항을 나타나는 세라믹을 포함한 복합물질을 의미한다.The word "cement" refers to a composite material comprising a ceramic which binds to a typical but not essential sintered metal or the like and which typically exhibits high resistance to temperature, corrosion and wear.

빈 세라믹, 금속, 및 시멘트 멤브레인(membrane)의 문맥에서의 단어"다공성(porous)"은 구멍을 함유하는 재료를 의미한다. 그러므로 다공성 물질의 밀도는 이론적인 물질의 밀도보다 낮다. 다공성 맴브레인 및 매트릭스에서의 구멍은 연결되거나(예를들어 채널 타입) 또는 비연결(예를 들어 고립)될 수 있다. 빈 멤브레인 또는 매트릭스에서, 구멍의 대부분은 연결된다. 멤브레인과 관련하여 여기에서 다공성으로 고려되기 위해서는, 멤브레인은 큰 경우 물질의 이론적인 밀도의 약 95%인 농도를 가져야 한다. 다공성의 양은 다공성 물질의 부피농도를 측정하고 다공성 몸체에서 이론적인 물질 농도로부터 결정될 수 있다. 구멍 크기와 다공성 몸체에서 그 분배는 당 분야에서 잘 알려진 바와 같이 수은 또는 비수은 천공계측기(porosimeters), BET 또는 미세구조적 이미지 분석기(microstructural image analysis)로서 측정될 수 있다. The word "porous" in the context of hollow ceramics, metals, and cement membranes means a material containing pores. Therefore, the density of the porous material is lower than the density of the theoretical material. The pores in the porous membrane and the matrix can be connected (eg channel type) or unconnected (eg isolated). In an empty membrane or matrix, most of the holes are connected. In order to be considered porosity herein with respect to the membrane, the membrane must have a concentration that is, in large cases, about 95% of the theoretical density of the material. The amount of porosity can be determined from the theoretical concentration of materials in the porous body by measuring the volume concentration of the porous material. The pore size and its distribution in the porous body can be measured as mercury or non-mercury porosimeters, BET or microstructural image analysis, as is well known in the art.

본 명세서에서 밑, 위, 위로, 아래로 등과 같은 방향 단어는 편리한 참조를 위해서만 사용되며 여기에서 기재되는 제품의 조립이나 사용을 한정하도록 해석될 수 없는 것으로 이해되어야 한다. It is to be understood that directional words such as bottom, up, up, down, etc. are used herein for convenience only and should not be construed to limit the assembly or use of the products described herein.

도 1 을 참조하면, 소직경 환형 고체 산화 연료셀(12)는 다중 멤브레인 구조를 형성하기 위해 각각 연속적으로 접촉하는 세 개의 동심 공동 비유기체 멤브레인(HIM)으로 구성된다. 내측 멤브레인 층은 양극 (14)이며, 외부 멤브레인은 음극(16)이고, 그리고 중간 멤브레인은 전해질 (18)이다. 양극(14) 또는 음극 (16) 멤브레인은 당 분야에서 알려진 바와 같이 각각 단 층이거나 또는 다중 층일 수 있다. 후자의 경우 다중 층은 기능적 또는 전기 화학적 활성 전극 서브 층 및 전극 전류 컬렉터 서브 층(둘다 미도시)을 포함할 수 있다. 전류 컬렉터 서브 층은 전극 서브 층의 전 표면을 커버할 수 있거나 도는 스트림의 형태일 수 있다. 전류 컬렉터 서브 층은 Ni, Cu, Ag, Au 또는 Cu-Ni-합금, Ag-Ni 합금 또는 다른 금속 또는 전기 전도체로 만들어질 수 있다. Referring to FIG. 1, a small diameter annular solid oxide fuel cell 12 is composed of three concentric cavity inorganic membranes (HIM) that are in continuous contact with each other to form a multi-membrane structure. The inner membrane layer is the anode 14, the outer membrane is the cathode 16, and the intermediate membrane is the electrolyte 18. The anode 14 or cathode 16 membranes may each be single or multiple layers, as known in the art. In the latter case the multiple layers may comprise a functional or electrochemically active electrode sublayer and an electrode current collector sublayer (both not shown). The current collector sublayer may cover the entire surface of the electrode sublayer or may be in the form of a stream. The current collector sublayers can be made of Ni, Cu, Ag, Au or Cu-Ni-alloys, Ag-Ni alloys or other metals or electrical conductors.

전극으로 작용하기 위해, 내부 및 외부 멤브레인(14,16)은 다공성, 촉매성, 그리고 전기 및 이온적 전도성 물질로 만들어 진다. 이것은 전극 (14,16)이 전기적 전류를 모으고, 반응물이 전해질 (18)로 흐름을 허용하며 전기화학 반응을 촉진하고, 전해질 (18)을 통해 스며드는 이온을 전달하는 것을 가능하게 한다. 이 실시예에서 양극 (14)는 니켈 및 지르코니아 시멘트로 만들어진다.양극 (14)는 선택적으로 시멘트 층의 내부 표면상에 얇은 니켈 층을 가질 수 있어 두개 층의 양극 구조가 제공된다. 음극 (16)은 LSM으로 만들어진다. 전해질 (18)은 지르코니아 세라믹 물질로 만들어진다. 음극 (14)는 바람빅하게는 1μm에서 800μm 사이의 두께를 가진다. 음극 (16)은 바람직하게는 1μm에서 200μm 사이의 두께를 가진다. 전해질 (18)은 바람직하게는 0.5μm에서 25μm 사이의 두께를 가진다. 연료셀 (12)의 전체 직경은 바람직하게는 10μm에서 3000μm를 가지나, 10,000μm만큼 클 수도 있다. 연료셀 길이는 50X 직경보다 같거나 크다(≥) To act as electrodes, the inner and outer membranes 14 and 16 are made of porous, catalytic, and electrically and ionic conductive materials. This makes it possible for the electrodes 14, 16 to collect electrical currents, to allow the reactants to flow into the electrolyte 18, to facilitate the electrochemical reaction, and to deliver ions that permeate through the electrolyte 18. In this embodiment the anode 14 is made of nickel and zirconia cement. The anode 14 can optionally have a thin nickel layer on the inner surface of the cement layer, providing a two layer anode structure. The cathode 16 is made of LSM. The electrolyte 18 is made of zirconia ceramic material. The cathode 14 preferably has a thickness between 1 μm and 800 μm. The cathode 16 preferably has a thickness between 1 μm and 200 μm. Electrolyte 18 preferably has a thickness between 0.5 μm and 25 μm. The total diameter of the fuel cell 12 preferably has 10 μm to 3000 μm, but may be as large as 10,000 μm. Fuel cell length is greater than or equal to 50X diameter (≥)

환형 연료셀(12)에 이러한 특징을 제공하기 위해, 그리고 특히 원하는 치수와 함께, 내부 음극 층(14)는 전기 전도성 코어(미도시, 일반적으로 증착 전극으로 표시) 상에 세라믹 물질을 증착함으로써 형성된다. 전해질 층 (18)은 EPD에 의해 내부 전극 층(14) 상에 YSZ 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다. EDP에 의해 내부 전극 및 전해질을 생성하기 위한 하나의 적절한 방법은 본 출원인의 PCT 출원 제 PCT/CA01/00634호에 기재되어 있다. 본 분야에서 알려진 딥-코칭 또는 페인팅 중 하나, 또는 EPD에 의하여 전해질 (18) 상에 LSM 층을 적용하는 것에 의하여 외부 전극 층 (15)은 형성될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 소결(sintering) 단계는 전도성 코어를 연소하는데 수행된다.In order to provide this feature to the annular fuel cell 12, and in particular with the desired dimensions, the inner cathode layer 14 is formed by depositing a ceramic material on an electrically conductive core (not shown, generally indicated as a deposition electrode). do. Electrolyte layer 18 may be formed by depositing an YSZ material on inner electrode layer 14 by EPD. One suitable method for producing internal electrodes and electrolytes by EDP is described in Applicant's PCT Application No. PCT / CA01 / 00634. The outer electrode layer 15 can be formed by applying an LSM layer on the electrolyte 18 by one of dip-coaching or painting known in the art, or by EPD. One or more sintering steps are performed to burn the conductive core.

특정 상업 응용에서는 상대적으로 높은 전력 밀도 즉, 높은 전력 대 부피 비(power-to-volume ratio)를 제공하는 연료셀 시스템을 가지는 연료셀 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 그러한 높은 전력 밀도는 연료셀 스택(10)을 생성하기 위해 서로 가까운 근접도로 연료셀 (12)를 조립함으로써 달성할 수 있다. 또한 보다 높은 전력 밀도는 시스템의 단위 부피당 활성 표면적을 증가시킴으로서 달성할 수 있다; In certain commercial applications it is desirable to provide a fuel cell system having a fuel cell system that provides a relatively high power density, that is, a high power-to-volume ratio. Such high power density can be achieved by assembling the fuel cells 12 in close proximity to each other to produce the fuel cell stack 10. Higher power densities can also be achieved by increasing the active surface area per unit volume of the system;

예를 들어 단위 부피당 활성 표면적은 각 환형 연료셀(12)의 직경을 줄이고, 그럼으로 주어진 부피에서 스택될 수 있는 연료셀(12)의 수를 증가시킴으로서 가능하다.그러므로 10-10,000μm 사이, 보다 바람직한 경우 10과 5,000μm 사이의 직경을 가지는 소직경 환형 연료셀 (12)을 채택하는 것이 바람직하다. 그러한 소직경 연료셀(12)는 특히 세라믹이나 그들의 복합재로 만들어진 경우에 어느정도 취약한 경향이 있고, 조밀하게 포장 배열안으로 조립되는 경우 손상에 상대적으로 취약하다; 즉, 브리틀(brittle)한 세라믹 구조는 재앙적으로 실패되는 경향이 있다.박막의 긴 세라믹구조는 특히 깨지기 쉽고 그리고 세라믹의 파괴 강도를 초과한 벤딩 힘이나 진동이 부가되는 경우 실패될 수 있다. 그러므로 연료셀(12)는 고체 상 다공성 폼 매트릭스 (20, 예를 들어 도 6에 도시)에 삽입된다. 본 명세서에서 사용되는 "매트릭스"는 본 실시예에서 사용되는 고체 상 폼이나 메탈 메쉬와 같은 다른 금속이 포함되는 고체 상 물질을 의미한다.For example, the active surface area per unit volume is possible by reducing the diameter of each annular fuel cell 12 and thereby increasing the number of fuel cells 12 that can be stacked in a given volume. Thus, between 10-10,000 μm, more It is preferable to employ a small diameter annular fuel cell 12 having a diameter between 10 and 5,000 μm, if desired. Such small diameter fuel cells 12 tend to be somewhat vulnerable, especially when made from ceramics or their composites, and are relatively vulnerable to damage when densely assembled in a packed arrangement; That is, brittle ceramic structures tend to fail catastrophically. The long ceramic structures of thin films are particularly fragile and can fail if bending forces or vibrations are added that exceed the breaking strength of the ceramic. The fuel cell 12 is therefore inserted in a solid phase porous foam matrix 20 (eg shown in FIG. 6). As used herein, "matrix" refers to a solid phase material that includes other metals, such as solid phase foams or metal meshes used in this example.

매트릭스 (20)은 세라믹이나 전형적인 SOFC 운용온도를 견딜 수 있는 다른 물질, 즉 강이나 초경합금(superalloy)으로 만들어진다. 매트릭스 (20)은 그것이 약 (1000)C 이상에서 작동될 수 있으며 전류를 모을 수 있고 산소를 산화 이온으로 이온하시키고 그리고 이러한 이온을 전해질로 안내하는 것을 가능하도록 LSM으로 만들어진다. 매트릭스(20)은 연료셀(12) 사이의 공간을 채우고 각 연료셀 (12), 즉 각 연료셀 (12)의 음극 층 (16)을 의 외부 표면을 접촉한다. 매트릭스가 음극 층(16)과 같은 물질로 만들어지고 연료셀들 (12) 사이의 연속적인 전도성 통로를 제공하기 때문에, 매트릭스(20)는 음극 (16)의 효율적인 표면영역을 증가시키도록 작용하고, 그럼으로서 전자를 모으는 영역을 증가시키며, 산소를 이온화한다.Matrix 20 is made of ceramic or other materials that can withstand typical SOFC operating temperatures, such as steel or superalloy. The matrix 20 is made of LSM so that it can be operated above about 1000 C and can collect current and ionize oxygen into oxide ions and guide these ions into the electrolyte. The matrix 20 fills the space between the fuel cells 12 and contacts the outer surface of each fuel cell 12, ie, the cathode layer 16 of each fuel cell 12. Since the matrix is made of the same material as the cathode layer 16 and provides a continuous conductive passage between the fuel cells 12, the matrix 20 acts to increase the effective surface area of the cathode 16, This increases the area of electron gathering and ionizes oxygen.

LSM 대신, 매트릭스 (20)은 또한 어느 적절한 전자적 또는 혼성적(전자적 또는 이온적) 전도성 다공성 고체 상 물질로 만들어질 수 있다. 전자 전도성 물질(예를들어, 금속)으로부터 만들어질 때, 매트릭스(20)은 전자 이동(transportation)에 의하여 전기를 운반할 수 있다. 혼성적 전도성 물질(예를들어, LSM 또는 금속/세라믹 복합물)로 만들어질 때, 매트릭스 (20)은 전자 및 이온 이동에 의해 전기를 운반할 수 있다. 이온적 전도성 물질(예를들어, Yttria 도핑된 zirconia)로 만들어질 때, 매트릭스(20)은 이온 이동에 의하여 전기를 운반할 수 있다.Instead of the LSM, the matrix 20 may also be made of any suitable electronic or hybrid (electronic or ionic) conductive porous solid phase material. When made from an electron conductive material (eg, metal), the matrix 20 can carry electricity by electron transport. When made of a hybrid conductive material (eg, LSM or metal / ceramic composite), the matrix 20 can carry electricity by electron and ion transport. When made of an ionically conductive material (eg, Yttria doped zirconia), the matrix 20 can carry electricity by ion transport.

매트릭스의 적절한 대체물질은 다음을 포함한다.Suitable substitutes for the matrix include:

도핑된 LaCr0₃ (예를들어 La_1-xSr_xCr0₃,La_1-xCa _xCrO₃, La_1-xMg_xCrO₃, LaCr (Mg) 0₃,LaCa_1-xCr_yO₃), stainless steel (예를들어 316,316L), 다음과 같은 cement: Ni-Yittria 안정화된 zirconia, Ni 및 도핑된 zirconia cement, Ni 도핑된-Ce0₂ cermet, Cu 도핑된-ceria cermet, silver- (Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide cermet, silver- (Y-Ba-Cu-O)-oxide cermet; silver-합금- (Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide cermet; silver-alloy- (Y-Ba-Cu-O)-oxide cermet; silver 및 그 합금, Inconel steel 또는 어떠한 초경합금, ferritic steel, SiC, 및 MoSi₂.Doped LaCr0 ₃ (e.g. La _1-x Sr _x Cr0 ₃ , La _1-x Ca _x CrO ₃ , La _1-x Mg _x CrO ₃ , LaCr (Mg) 0 ₃ , LaCa _1-x Cr _y O ₃ ), stainless steel (eg 316,316L), cement as follows: Ni-Yittria stabilized zirconia, Ni and doped zirconia cement, Ni doped-Ce0 ₂ cermet, Cu doped-ceria cermet, silver- (Bi -Sr-Ca-Cu-O) -oxide cermet, silver- (Y-Ba-Cu-O) -oxide cermet; silver-alloy- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide cermet; silver-alloy- (Y-Ba-Cu-O) -oxide cermet; silver and its alloys, Inconel steel or any cemented carbide, ferritic steel, SiC, and MoSi ₂ .

또는, 연료셀의 외부 표면이 양극(14)일 때 매트릭스(20)은 다음으로 부터 만들어진다: Ni/YSZ, Ni/tri-or divalent cation 도핑된 cerium oxide, cermet, Ni, Cu, 또는 Cu/YSZ, Cu/tri-or divalent cation 도핑된 cerium oxide. Alternatively, when the outer surface of the fuel cell is the anode 14, the matrix 20 is made from: Ni / YSZ, Ni / tri-or divalent cation doped cerium oxide, cermet, Ni, Cu, or Cu / YSZ Cu / tri-or divalent cation doped cerium oxide.

매트릭스 (20)이 전체적으로 금속 또는 초경합금으로 만들어질 때, 그것은 전류 컬렉터로 작용할 뿐 아니라 하나의 셀을 함께 고정하는 기계적 지지도 제공하도록 작용할 수 있다. 만일 매트릭스 (20)이 촉매제 코팅된 초경합금 또는 강으로 만들어지면, 그것은 기계적 지지를 제공하고, 전류를 모으며, 그리고 이온화 같은 화학적 반응을 증진하도록 작용할 수 있다. 만일 매트릭스 (20)이 촉매제 코팅된 초경합금 또는 강 및 이온적 또는 혼성적 전도체로 만들어지면, 그것은 기계적 지지를 제공하고, 전류를 모으며, 그리고 이온적 전도성 통로를 제공하도록 작용할 수 있다.When the matrix 20 is made entirely of metal or cemented carbide, it can act not only as a current collector but also to provide mechanical support for holding one cell together. If the matrix 20 is made of catalyst coated cemented carbide or steel, it can act to provide mechanical support, collect current, and promote chemical reactions such as ionization. If the matrix 20 is made of catalyst coated cemented carbide or steel and ionic or hybrid conductors, it can act to provide mechanical support, collect current, and provide ionic conductive passages.

매트릭스(20)은 스택(10)을 관통하며, 각 연료셀(12)의 외부 음극 층(16)으로 산화제 흐름을 허용하도록 다공성이다. 매트릭스(20)의 다공성은 비율(rate)에 걸쳐 충분한 산화제 흐름 및 연료셀 스택(10)을 위한 지지구조로 작동하도록 충분한 기계적 강도를 제공하기 위해 선택된다. 이와 관련하여 매트릭스(20)은 25에서 95% 사이, 더욱 바람직하게는 약 60%의 다공도를 가진다. 이 실시예에서 매트릭스(20)은 포밍 제(foaming agent)를 가지는 폼 슬러리를 소결함에 의해 만들어지는 고체 폼(foam)이다. 또는, 연료셀(12) 주위를 둘러싼 금속 와이어, 연료 셀이 삽입되는 세멘트, 세라믹 또는 금속으로 만들어지는 울, 또는 시각적으로 "커튼 캔드(cotton candy, 미도시)"를 닮은 복수개의 뒤얽힌 섬유 로 이루어진 섬유질 다발과 같은 다른 구조들이 매트릭스(20)를 대체할 수 있다. Matrix 20 penetrates stack 10 and is porous to allow oxidant flow to the outer cathode layer 16 of each fuel cell 12. The porosity of the matrix 20 is chosen to provide sufficient oxidant flow over the rate and sufficient mechanical strength to act as a support for the fuel cell stack 10. In this regard the matrix 20 has a porosity of between 25 and 95%, more preferably about 60%. In this embodiment the matrix 20 is a solid foam made by sintering a foam slurry with a foaming agent. Or a metal wire wrapped around the fuel cell 12, a cement into which the fuel cell is inserted, a wool made of ceramic or metal, or a plurality of intertwined fibers that visually resemble a "cotton candy (not shown)". Other structures, such as a fiber bundle, may replace the matrix 20.

선택적으로, 도 2를 참조하면 연료셀(12)는 다공성 전기 전도성 양극 매트릭스 (21)을 가진 그 내부 표면에 채워질 수 있다(lined). 양극 매트릭스 (21)은 다음의 재료로부터 만들어 질 수 있다:(a) 예를 들어 은, 니켈, 구리, 스테인레스 스틸, 초경합금과 같은 다공성 금속. 주된 기능: 전류를 모은다.Optionally, with reference to FIG. 2, fuel cell 12 may be lined to its inner surface with porous electrically conductive anode matrix 21. The anode matrix 21 can be made from the following materials: (a) Porous metals such as silver, nickel, copper, stainless steel, cemented carbide, for example. Main function: Collect current.

(b) 촉매제로 커버된 다공성 금속. 주된 기능: 전류 모으며, 화학 반응 증진한다(b) a porous metal covered with a catalyst. Main function: current collection, improve chemical reaction

(c) 촉매재 및 이온 또는 혼성적 전도체로 코팅된 다공성 금속. 주된 기능: 전류 모으고, 화학반응 증진하며, 이온적 전도 통로 제공한다.(c) A porous metal coated with a catalyst material and an ion or hybrid conductor. Its main functions are: current collection, chemical reaction enhancement, and ionic conduction pathways.

(d) 예를 들어, 니켈/지르코니아 시멘트(nickel/zirconia cermet)같은 양극 물질로서 시멘트는 양극 층보다 높은 공극도와 연료 가스 흐름 통로를 제공하는데 충분한 공극도를 가진다. 주된기능: 전류를 모으고, 화학반응을 증진하며, 이온적 전도 통로를 제공한다. (d) An anode material, for example nickel / zirconia cermet, which has a higher porosity than the anode layer and sufficient porosity to provide fuel gas flow passages. Main function: gather current, enhance chemical reaction, and provide ionic conduction pathway.

본원 발명에서 연료셀(12)는 긴 실린더식 튜브이나, 다른 횡단면도를 가지거나 종형의 형태를 가진 연료셀(12)도 본 발명의 범위에 속하도록 이해되어야 한다; 예를 들어 연료셀 (12)는 "U" 형태 또는 코일 형태를 가진다. 원형 단면도 튜브로는, 도 1 및 2에서 보여지는 바와 같이, 연료셀(12)는 양단에서 개방되거나, 도는 도 3에서 보여지는 바와 같이 일단에서 밀폐된다. 만일 양단에서 개방되면, 연료는 연료셀(12)의 입구 단부(22)를 통해 공급되며, 튜브 길이를 따라 이동함에 따라 화학적으로 반응된다. 미 반응된 연료와 반응 생산물은 연료셀 (12)의 반대측 출구 단부 (24)에서 배출된다. 오직 일 단부에서 개방된 연료셀로는, SOFC 작동 조건을 견딜 수 있는 니켈, 스테인레스 스틸, 또는 초경합금과 같은 금속으로 만들어지며, 연료를 수용하는 입구 (28)과 연료셀(12)의 밀폐 단부의 바닥에 가까운 출구를 가진다. 튜브 (26)은 전류를 모을 뿐 아니라 가스를 전달하도록 작동한다; 연료는 공급 튜브 입구(28)로 공급되며, 공급 튜브 (26)의 밑바닥쪽으로 이동하며, 여기에서 튜브의 꼭대기를 향하여 위로 이동하기 위한 출구(29)에서 배출된다. 연료가 위로 이동함에 따라, 양극(14)에서 전기화학적으로 반응한다. 미반응된 연료와 반응 생산물은 연료셀의 꼭대기, 즉 연료셀(12)의 개방단부에서 배출된다. 또는, 공급튜브(26)은 세라믹 물질(예를 들어 알루미나)로 만들어 지며 튜브의 그 바깥쪽은 SOFC 작동 조건을 견딜 수 있도록 선택된 전자적 전도 물질로 만들어 질 수 있다. 그러한 배출 튜브(26)은 전류를 모을 뿐 아니라 가스를 전달하도록 작용한다.It is to be understood that the fuel cell 12 in the present invention is an elongated cylindrical tube, but the fuel cell 12 having another cross-sectional view or in the form of a bell is also within the scope of the present invention; For example, the fuel cell 12 has a "U" shape or a coil shape. With the circular cross-sectional tube, as shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell 12 is open at both ends or closed at one end as shown in FIG. 3. If open at both ends, fuel is supplied through the inlet end 22 of the fuel cell 12 and chemically reacts as it travels along the tube length. Unreacted fuel and reaction product are discharged at the outlet end 24 opposite the fuel cell 12. The fuel cell, which is open only at one end, is made of a metal such as nickel, stainless steel, or cemented carbide that can withstand SOFC operating conditions, and has a closed end of the fuel cell 12 and the inlet 28 containing fuel. Has an exit close to the floor. Tube 26 operates to deliver gas as well as collect current; The fuel is fed to the feed tube inlet 28, which moves downward to the bottom of the feed tube 26, where it exits the outlet 29 to move up towards the top of the tube. As the fuel moves up, it reacts electrochemically at the anode 14. Unreacted fuel and reaction products are discharged from the top of the fuel cell, ie, the open end of the fuel cell 12. Alternatively, feed tube 26 may be made of a ceramic material (eg alumina) and the outside of the tube may be made of an electrically conductive material selected to withstand SOFC operating conditions. Such discharge tube 26 acts to deliver gas as well as collect current.

양극 층의 하나 또는 양측 단부는 전류 전달을 위한 외부 회로에 전자적으로 결합될 수 있다. 그러나 전류를 모으는 동안 I²R저항을 줄이기 위해서는 일련의 전류 컬렉터 탭(30)이 연료 셀(12)의 길이를 따라 산재된다. 도 4 및 5를 참조하면, 이러한 탭(30)은 전기적 통로 길이을 줄이고 그럼으로서 손실을 줄이기 위해서 연료셀(12)의 길이를 따라 이격된다. 탭 (30)은 SOFC 운용 조건하에서 사용하는 데 적합한 노출된 양극 층 부분 상에 코팅된 다른 비활성 금속 또는 은이다.One or both ends of the anode layer may be electronically coupled to an external circuit for current transfer. However, in order to reduce the I ² R resistance while collecting current, a series of current collector taps 30 are scattered along the length of the fuel cell 12. 4 and 5, these tabs 30 are spaced along the length of the fuel cell 12 in order to reduce the electrical passage length and thereby reduce the losses. Tab 30 is another inert metal or silver coated on the exposed anode layer portion suitable for use under SOFC operating conditions.

탭(30)은 다음과 같이 제조된다; 전해질 층(18)이 양극 층(14)상에서 증착된 후, 그러나 외부 음극 층(16)을 전해질 (18)에 적용되기 전에, 그리고 전해질(18)을 소결하기 전에, 전해질 층(18)의 부분이 부준 또는 내측 양극 층(14)를 노출시기위해 제거된다.The tab 30 is made as follows; After electrolyte layer 18 is deposited on anode layer 14, but before outer cathode layer 16 is applied to electrolyte 18, and before sintering electrolyte 18, part of electrolyte layer 18. This sublime or inner anode layer 14 is removed to expose.

전해질 층 부분은 마찰 종이, 커튼(cotton) 등을 사용함으로서 건조될 때 제거될 수 있거나, 또는 젖은 또는 건조된 커튼, 종이 등으로 부드럽게 부빔으로서 완전히 건조되기 전에 제거될 수 있다. The electrolyte layer portion may be removed when it is dried by using friction paper, curtains, or the like, or may be removed before it is completely dried as a soft bulge with wet or dried curtains, paper, and the like.

양극 및 전해질 층 (14,18)을 소결한 후, 노출된 양극 부분은 은 페인트(또는 다른 전기적 전도성 물질)로 코팅된다. 탭 개구가 가스를 비투과하도록 코팅이 적용된다. 그 후, 건조와 소결 단계가 노출된 양극 표면에 은을 결속시키도록 적용된다. 그 후, 외부 음극 층(12)가 전해질 (18)에 적용되며, 그리고 탭-베어링 연료셀(12)가 700와 1300C 사이에서 소결된다.After sintering the anode and electrolyte layers 14, 18, the exposed anode portion is coated with silver paint (or other electrically conductive material). The coating is applied such that the tab opening is impermeable to gas. Thereafter, a drying and sintering step is applied to bind the silver to the exposed anode surface. Thereafter, an outer cathode layer 12 is applied to the electrolyte 18, and the tap-bearing fuel cell 12 is sintered between 700 and 1300C.

연료셀 (12)는 연료 셀 스택(10)을 형성하기 위해 매트릭스(20)에서 다른 연료셀(12)에 삽입될 수 있다. 도 6)에서 도시되는 바와 같은 하나의 선택적인 일 실시예에서, 또한 양극 전류 컬렉터 로드 (32)가 매트릭스 (20) 내에 삽입된다; 컬렉터 로드(32)는 전기 전도성의 적절한 금속으로부터 만들어 지며 SOFC 작동 조건을 견딜 수 있다. 적절한 물질은 스테인레스 스틸, 초경합금 그리고 은을 포함한다. 컬렉터 로드 (32)는 양극 탭(30)에 전기적으로 결합된다. 컬렉터 로드 (32)는 탭(30)으로부터 외부회로까지 모아진 전류를 이동시기기 위한 외부회로(미도시)에 결합가능하다. 탭 (30)과 로드 (32)는 탭 (30)과 로드 (32)를 음극 (16) 및 음극 (16)에 전기적으로 접촉하는 매트릭스(20)의 부분으로부터 전기적으로 분리하기 위한 전기적 절연체 (31)안에서 감싸진다Fuel cell 12 may be inserted into another fuel cell 12 in matrix 20 to form fuel cell stack 10. In one optional embodiment as shown in FIG. 6), also the anode current collector rod 32 is inserted into the matrix 20; Collector rod 32 is made from a suitable metal of electrical conductivity and can withstand SOFC operating conditions. Suitable materials include stainless steel, cemented carbide and silver. The collector rod 32 is electrically coupled to the positive electrode tab 30. The collector rod 32 is connectable to an external circuit (not shown) for moving the current collected from the tab 30 to the external circuit. Tab 30 and rod 32 are electrically insulators 31 for electrically separating tab 30 and rod 32 from a portion of matrix 20 that is in electrical contact with cathode 16 and cathode 16. I am wrapped in

도 7을 참조하면, 매트릭스 (20)은 각 연료셀(12)의 음극(16)으로의 산화제/공기의 이동을 증진하도록 작용하는 수개의 산화제 분배 채널(33)을 선택적으로 가질 수 있다. 그러한 분배 채널(33)은 매트릭스(20)의 형성동안 매트릭스 물질내에서 긴 연소 코어를 삽입함으로서 생성될 수 있다; 산화제 또는 공기는 디퓨져(35)를 거쳐 분배채널 (33)으로 공급될 수 있다. 그러한 디퓨져(35)는 매트릭스(20)에서 스택의 일단부에서 횡적으로 연장되며, 매트릭스 (20)안으로 산화제 또는 공기를 배출하며 부가적으로 분배체널(33)으로 산화제 또는 공기를 분배하기 위한 천공(perforation) 및 산화제 공급원에 연결된 입구를 가진다. 사용된 산회제 및 반응 생산품은 출구(37)을 통해 배출된다.Referring to FIG. 7, the matrix 20 may optionally have several oxidant distribution channels 33 which serve to promote the movement of oxidant / air to the cathode 16 of each fuel cell 12. Such distribution channel 33 can be created by inserting a long combustion core in the matrix material during formation of the matrix 20; Oxidizer or air may be supplied to the distribution channel 33 via the diffuser 35. Such a diffuser 35 extends laterally at one end of the stack in the matrix 20 and discharges oxidant or air into the matrix 20 and additionally perforates the distribution of the oxidant or air to the distribution channel 33. perforation) and an inlet connected to the oxidant source. The used ash and reaction products are withdrawn via outlet 37.

도 8내지 10를 참조하면, 각 연료셀 (12)의 양극으로부터 전류를 모으기 위한 다른 방법이 도시된다. 이러한 다른 방법에서, 일련의 양극 전류 모음 플레이트(34)는 탭(30)에 부착되어 평판 (34)가 각 연료셀 (12)의 길이방향으로부터 횡적으로 연장된다. 평판 (34)는 전기적으로 전도성이며 SOFC 작동조건을 견딜 수 있는 적절한 물질로부터 만들어진다: 적절한 물질은 스테인레스 강, 초경합금, 및 은을 포함한다. 평판 (34)는 각 연료셀을 수용하기 위한 이격된 개구들(미도시)과 공기/산화제 가스가 평판 (34)를 관통하여 흐를 수 있도록 허용하는 천공들을 가진다. 평판 (34)는 튜브 (30)으로부터 전류를 모으고 전류를 평판 (34)의 모서리 바깥쪽으로 연결된 외부 전기 회로(미도시)로 전류를 이동시키도록 작용한다.8-10, another method for collecting current from the anode of each fuel cell 12 is shown. In this alternative method, a series of positive current collection plates 34 are attached to the tab 30 so that the flat plate 34 extends laterally from the longitudinal direction of each fuel cell 12. Plate 34 is made from a suitable material that is electrically conductive and capable of withstanding SOFC operating conditions: Suitable materials include stainless steel, cemented carbide, and silver. The plate 34 has spaced openings (not shown) for receiving each fuel cell and perforations that allow air / oxidant gas to flow through the plate 34. The plate 34 acts to collect current from the tube 30 and to direct the current to an external electrical circuit (not shown) connected outside the edge of the plate 34.

평판 (34)는 또한 그러한 물성을 가지도록 제조되며, 평판 (34)가 매트릭스(20도 8)과 (10)과 같이)에 의해 제공되는 지지를 수행하는 연료셀(12)에 구조적 지지를 제공하는 방법으로 각 연료셀 (12)에 물리적으로 부착될 수 있다. 평판 (34)는 각 평판(34)의 양 표면을 커버하는 다공성 전기 절연 층(36)에 의해 매트릭스(20)으로부터 전기적으로 절연된다; 평판 (34)가 각 연료셀(12)의 양극(14)에 오직 전기적 물리적으로 연결되는 반면, 매트릭스 (20)은 그럼으로서 오직 각 연료셀(12)의 음극(16)에 물리적 전기적으로 결합된다.The plate 34 is also manufactured to have such properties and provides structural support to the fuel cell 12 where the plate 34 performs the support provided by the matrices (such as 20 and 8) and 10. Can be physically attached to each fuel cell 12. The plate 34 is electrically insulated from the matrix 20 by a porous electrically insulating layer 36 covering both surfaces of each plate 34; The plate 34 is only electrically and physically connected to the anode 14 of each fuel cell 12, while the matrix 20 is thereby physically and electrically coupled only to the cathode 16 of each fuel cell 12. .

또는, 도 9에 도시된 바와 같이 횡단 평판은 즉 평판들이 매트릭스 (20)을 지지하도록 연료셀(12)를 위한 전체 구조적 지지를 제공하도록 작용한다. 그러한 경우, 물리적 전기적으로 각 연료셀(12)의 음극 (16)에 연결하는 음극 평판 (35)이 제공된다. 양극 평판 (34)와 마찬가지로, 음극 평판(35)는 전기적으로 전도성이며 SOFC 작동 조건을 견딜 수 있고, 그리고 거기에 산화제/공기 가스를 관통하도록 허용하는 천공과 연료셀 (12)를 수용하는 이격된 개구들을 가진 적절한 물질로 만들어 진다.Alternatively, as shown in FIG. 9, the transversal plate acts to provide overall structural support for the fuel cell 12, ie the plates support the matrix 20. In such a case, a negative plate 35 is provided which physically and electrically connects to the negative electrode 16 of each fuel cell 12. As with the positive plate 34, the negative plate 35 is electrically conductive and can withstand SOFC operating conditions, and is spaced apart to receive the fuel cell 12 with perforations that allow it to penetrate the oxidant / air gas. Made of a suitable material with openings.

음극 평판(35)는 외부 평판을 거쳐 각 전기화학작용을 위해 각 연료셀(16)의 음극(16)에게 되돌아가기 위한 외부 회로에 전기적으로 연결된다. The negative plate 35 is electrically connected to an external circuit for returning to the negative electrode 16 of each fuel cell 16 for each electrochemical reaction via an external plate.

도 11 내지 25를 참조하면, 복수개의 연료셀(12)가 상업적으로 유용한 전기적 힘 레벨을 생성하기 위해 스택 (10)안으로 조립될 수 있다. 이러한 그림은 특정 성능 요건에 특별히 적합한 스택 배치를 보여준다.11 through 25, a plurality of fuel cells 12 may be assembled into stack 10 to produce commercially useful electrical force levels. These figures show stack arrangements that are particularly suited to specific performance requirements.

도 11을 참조하면, 연료셀 스택(10)은 매트릭스(20)에 삽입된 복수개의 연료 셀(12)를 구비한다. 매트릭스(20)이 전기적으로 전도성이며 스택(10)에서 각 연료셀(12)의 음극(16)에 전기적으로 결합되기 때문에 이 스택(10)에서의 각 연료셀(12)는 평행으로 연결된다. 결과적으로, 스택(10)의 유효 전압은 가장 높은 전압의 스택(10)의 하나의 연료 셀(12)의 전압과 같으며, 스택(10)의 유효 전류는 각 연료셀(12)에 의해 생성되는 전류의 부가적인 합이다.Referring to FIG. 11, the fuel cell stack 10 includes a plurality of fuel cells 12 inserted into the matrix 20. Because the matrix 20 is electrically conductive and electrically coupled to the cathode 16 of each fuel cell 12 in the stack 10, each fuel cell 12 in this stack 10 is connected in parallel. As a result, the effective voltage of the stack 10 is equal to the voltage of one fuel cell 12 of the highest voltage stack 10, and the effective current of the stack 10 is generated by each fuel cell 12. It is an additional sum of the currents.

다른 스택 배치가 도 12에 도시된다. 여기에서 스택 셀 스택 (10)은 매트릭스 (20)에 모두 삽입된 연료 셀 스택과 각 연료셀(12)의 혼합으로 이루어진다. 연료 셀 서브스택(40)은, 서브 스택 (40)이 스택 (10)에서 연료셀 (12) 또는 다른 서브 스택과 직렬로 전기적으로 연결될 수 있도록, 스택 (10)에서 다른 연료셀(12)로부터 전기적으로 고립된 하나 또는 그 이상의 연료셀(12)이다. 각 서브스택 (40)은 전기적 또는 열적 및 전기적 절연기(42) 내에서 포장되어 있다.Another stack arrangement is shown in FIG. 12. Here, the stack cell stack 10 consists of a mixture of fuel cells stacks and respective fuel cells 12 all inserted into the matrix 20. The fuel cell substack 40 is separated from other fuel cells 12 in the stack 10 such that the sub stack 40 can be electrically connected in series with the fuel cell 12 or other sub stacks in the stack 10. One or more fuel cells 12 that are electrically isolated. Each substack 40 is packaged in an electrical or thermal and electrical insulator 42.

절연기(42)는 서브스택 (40)("서브 스택 매트릭스")의 내측 매트릭스 (20)을 서브스택 (40, "스택 매트릭스")의 외측 매트릭스 (40)에 전기적으로 접촉하는 것을 방지하고, 그럼으로써 내측 서브스택 (40)의 연료셀(12)를 스택(10)에서의 서브스택(40) 또는 다른 연료셀(12)와 함께 단락되는 것을 방지한다. 전류는 각 연료셀(12)의 단부들로부터 모아진다. 절연기 (42)는 서브스택 (40) 주위를 감싸는 유연한 시트이다; 시트는 연료셀(12)의 길이를 연장하며, Al(203)(고밀도이거나 다공성), 세라믹 펠트, 또는 세라믹 라이닝을 절연하는 내부를 가진 외부 금속 셀의 복합재가 될 수 있다. 또는 절연기(42)는 금속 라이닝을 안내하는 내부와 외부 세라믹 층을 가진 딱딱한 두 개 층 셀이 될 수 있다.The insulator 42 prevents electrical contact of the inner matrix 20 of the substack 40 (“sub stack matrix”) with the outer matrix 40 of the substack 40 (“stack matrix”), This prevents the fuel cell 12 of the inner substack 40 from being shorted with the substack 40 or other fuel cells 12 in the stack 10. Current is collected from the ends of each fuel cell 12. Isolator 42 is a flexible sheet that wraps around substack 40; The sheet extends the length of fuel cell 12 and may be a composite of Al 203 (high density or porous), ceramic felt, or an outer metal cell with an interior that insulates the ceramic lining. Alternatively, the insulator 42 may be a rigid two layer cell with inner and outer ceramic layers guiding the metal lining.

다른 스택 배치는 도 13)에 보여진다. 여기에서, 스택 (44)는 도(11)과 같이 보여지는 것과 유사한 병렬 전기 연결에서 매트릭스 (20)에 삽입된 복수개의 소직경 환형 연료셀(12)를 구비한다. 그러나, 이 스택배치는 소직경 연료셀(12)(" 내부 연료셀")이 대직경 환형 연료셀(13)("외부 연료셀")내에 위치된다는 점에서 도(11)에서 보여지는 점과 다르다. 외부 연료셀 (13)은 동일한 물질 및 내부 연료셀과 같이 동일한 방법(이하 기술됨)에 의해, 또는 예를 들어 압출에 의한 대직경 연료셀을 만들기 위한 본 분야에서 알려진 기술 및 물질에 의해 만들어 질 수 있다. 외부 연료셀은, 내부 전극 층이 매트릭스 (20)에 물리적 및 전기적으로 연결된 음극(16)이며, 그리고 다른 전극 층은 양극 (14)인 점에서, 내부 연료셀(12)와 다르다. 컨테이너 (46)은, 공간이 컨테이너 내부 벽과 외부 연료셀(13)의 양극 표면사이에 제공되어 외부 연료셀(13)의 양극으로 연료의 흐름을 위한 연료 전달 통로(48)을 형성하도록, 외부 연료셀(13)을 포함한다. 이격자(미도시)는 컨테이너(46)에 스택 (10)을 붙이도록 제공된다.Another stack arrangement is shown in FIG. 13). Here, the stack 44 has a plurality of small diameter annular fuel cells 12 inserted into the matrix 20 in a parallel electrical connection similar to that shown in FIG. 11. However, this stack arrangement is similar to that shown in FIG. 11 in that the small diameter fuel cell 12 ("internal fuel cell") is located in the large diameter annular fuel cell 13 ("external fuel cell"). different. The external fuel cell 13 may be made by the same material and the same method (described below) as the internal fuel cell, or by techniques and materials known in the art for making large diameter fuel cells, for example by extrusion. Can be. The outer fuel cell differs from the inner fuel cell 12 in that the inner electrode layer is the cathode 16, which is physically and electrically connected to the matrix 20, and the other electrode layer is the anode 14. The container 46 is configured such that a space is provided between the container inner wall and the anode surface of the outer fuel cell 13 to form a fuel delivery passageway 48 for the flow of fuel to the anode of the outer fuel cell 13. And a fuel cell 13. Spacers (not shown) are provided to attach the stack 10 to the container 46.

도 14에서 보여지는 연료셀 스택(50)은, 다공성 매트릭스 물질이 연료 전달 채널(48)에서 스페이서를 대체하는 점을 제외하고는 도 13)의 스택 (44)와 동일하다. The fuel cell stack 50 shown in FIG. 14 is identical to the stack 44 of FIG. 13, except that the porous matrix material replaces the spacers in the fuel delivery channel 48.

만일 컨테이너(46)이 도 13,14의 연료 셀스택(10)으로부터 제거된다면, 스택(10)은 "일 튜브 내의 튜브(tube-within-a-tube)" 연료 셀 어셈블리를 닮고, 알려진 연료셀 시스템에서 사용되는 대직경 환형 연료 셀을 대체할 수 있다. 대직경 연료 셀(13) 내의 복수개의 소직경 연료셀(12) 때문에, 일 튜브 내 튜브 연료셀 어셈블리는 종래의 하나의 환형 대직경 연료셀보다 높은 전력을 제공할 것으로 기대된다.If the container 46 is removed from the fuel cell stack 10 of FIGS. 13 and 14, the stack 10 resembles a "tube-within-a-tube" fuel cell assembly and is known fuel cell assembly. It can replace the large diameter annular fuel cells used in the system. Because of the plurality of small diameter fuel cells 12 in the large diameter fuel cell 13, the tube fuel cell assembly in one tube is expected to provide higher power than one conventional annular large diameter fuel cell.

도 15 및 16은 다른 쌍의 스택 배열 (52,54)를 도시한다. 본질적으로 일 튜브 내 튜브 디자인이다; 그러나, 여기에서 소직경 연료셀(12)는 도 12에서 보여지는 것과 동일한 방법으로 정렬된다. 도 15에서 보여지는 스택(10)은 스페이서에 의해 컨테이너 (46)에 부착되고, 도 16에서 보여지는 스택 (10)은 다공성 매트릭스 물질에 의해 컨테이너 (46)에 의해 부착된다.15 and 16 show another pair of stack arrangements 52, 54. It is essentially a tube design within one tube; However, here the small diameter fuel cells 12 are aligned in the same way as shown in FIG. The stack 10 shown in FIG. 15 is attached to the container 46 by spacers, and the stack 10 shown in FIG. 16 is attached by the container 46 by porous matrix materials.

도 17 및 18은 다른 일 튜브 내 튜브 연료셀 어셈블리 (56,58)을 도시한다. 일 튜브 내 튜브 연료 셀 어셈블리(56,58)는 도 15 및 16에 도시되는 것과 일반적으로 동일한 방법으로 정렬된 연료 셀 서브 스택 (60) 및 복수개의 소직경 연료셀(12)로 구성된다. 그러나, 이러한 배치의 서브스택(60)은 도 15 및 16에서 보여지는 서브 스택과 다르다. 연료셀(12)를 둘러싸는 절연기(42) 대신, 각 서브 스택(60)은, 대직경 외부 연료셀(13)보다 작은 직경을 가지며 소직경 내부 연료셀(12)보다 큰 직경을 가진 중간 직경 연료셀(15) 내측에 밀봉된다. 17 and 18 illustrate tube fuel cell assemblies 56, 58 in another tube. The tube fuel cell assemblies 56, 58 in one tube consist of a fuel cell sub-stack 60 and a plurality of small diameter fuel cells 12 that are generally aligned in the same way as shown in FIGS. 15 and 16. However, the substack 60 in this arrangement is different from the sub stack shown in FIGS. 15 and 16. Instead of the insulator 42 surrounding the fuel cell 12, each sub-stack 60 has a diameter smaller than the large diameter outer fuel cell 13 and a medium having a diameter larger than the small diameter internal fuel cell 12. It is sealed inside the diameter fuel cell 15.

연료 셀 스택(56,58)은 각각 스택(52,54)와 동일한 방법으로 컨테이너(46)의 내측에 위치한다. 또는 컨테이너(46)이 없는 스택(56,58)은 일 튜브 내 튜브 연료 셀 어셈블리로서 작용할 수 있으며 위에서 논의된 종래의 대직경 환형 연료셀에서 다른 스택으로 조립될 수 있다. 도 19는 보다 큰 열적 밀봉 내에서 직렬 또는 병렬로 정렬된 도 17 및18의 연료 셀 어셈블리의 스택을 보여준다.The fuel cell stacks 56 and 58 are located inside the container 46 in the same manner as the stacks 52 and 54, respectively. Alternatively, stacks 56 and 58 without container 46 can act as tube fuel cell assemblies in one tube and can be assembled into other stacks in the conventional large diameter annular fuel cells discussed above. 19 shows the stack of fuel cell assemblies of FIGS. 17 and 18 aligned in series or in parallel within a larger thermal seal.

도 20-24를 참조하면, 소직경 연료 셀 (12)는, 각 내부 연료셀(12)의 단부들이 스택(10)의 각 단부에서 개방되고 매트릭스 물질이 없으며, 그리고 외부 회로에 전기적으로 연결되도록 스택(10)의 길이를 연장한다.20-24, the small diameter fuel cell 12 is such that the ends of each internal fuel cell 12 are open at each end of the stack 10, free of matrix material, and electrically connected to an external circuit. Extend the length of the stack 10.

도 21내지 22를 참조하면, 매트릭스 (20)은, 매트릭스(20)을 관통하고 각 소직경 연료셀(12, 또한 도 7에서 보여지는 바와 같이)의 전극 표면으로의 반응물 흐름을 증진하는 분배채널(33)이 제공된다; 도 21은 소직경 연료셀(12, 또한 도 24)를 참조)와 본질적으로 평행한 일련의 종축의 분배채널(33)을 도시하며, 도 22는 소직경 연료셀(12)와 수직한 일련의 횡적 분배 채널(33)을 도시한다. 아래에서 언급하는 것처럼, 이러한 채널(33)은, 소결 처리동안 타버려 채널 (33)의 배후에 남겨지는 연소성 물질을 삽입함에 의해 형성될 수 있고, 도 23에서 보여지는 바와 같이 연료셀 (12)의 길이를 따라 불연속인 다공성 매트릭스 구조에 의해 남겨진 갭으로부터 형성될 수도 있다. 연료셀(12) 내부에 산재된 일련의 종축으로 연장된 채널(33)의 평면도가 도 24에서 보여진다. 21-22, the matrix 20 penetrates the matrix 20 and distributes the reactant flow to the electrode surface of each small diameter fuel cell 12 (also shown in FIG. 7) to the electrode surface. 33 is provided; FIG. 21 shows a series of longitudinal axes of the distribution channels 33 which are essentially parallel to the small diameter fuel cell 12 (see also FIG. 24), and FIG. 22 is a series of perpendicular to the small diameter fuel cell 12. The transverse distribution channel 33 is shown. As mentioned below, this channel 33 can be formed by inserting a combustible material that burns during the sintering process and remains behind the channel 33 and, as shown in FIG. 23, the fuel cell 12 It may be formed from gaps left by a discontinuous porous matrix structure along the length of. A plan view of a channel 33 extending in a series of longitudinal axes interspersed within the fuel cell 12 is shown in FIG.

도 25를 참조하면, (25) 서브 스택을 가지는 6각 형상 연료셀 스택(62)가 제공된다. 각 서브스택 (6)는 7개의 단독 연소셀(12)를 가진다. 도시적인 예로서, 각 연료셀(12)이 0.7 V, 1.43A 및 1W이면, 각 7셀 서브 스택(64)는 7W를 생성한다. 7 셀 서브스택 (64)에서 단독 셀이 병렬적으로 연결됨에 따라, 서브스택 (64)에서의 전압출력은 단위 셀(12), 즉 0.7V에서의 전압과 동일하며, 전류는 단위셀(12)에서 생성되는 전류의 부가적인 합, 즉 1.43 X7 = 10A이다. Referring to Fig. 25, a hexagonal fuel cell stack 62 having a (25) sub stack is provided. Each substack 6 has seven single combustion cells 12. As an illustrative example, if each fuel cell 12 is 0.7V, 1.43A, and 1W, each 7 cell sub stack 64 generates 7W. As single cells are connected in parallel in the seven cell substack 64, the voltage output at the substack 64 is equal to the unit cell 12, i.e., the voltage at 0.7V, and the current is the unit cell 12. ) Is an additional sum of the currents generated, i.e., 1.43 X 7 = 10 A.

서브 스택 (64)가 전기적으로 다른 것과 고립되도록 주어지면, 스택(62)는 다른 출력을 생성하기 위해 다른 방법으로 전기적으로 연결될 수 있다. 전기적 결합은 각 셀의 단부에서 형성되며, 당 업계에서 알려졌다.Given that sub-stack 64 is electrically isolated from one another, stack 62 may be electrically connected in other ways to produce different outputs. Electrical bonds are formed at the ends of each cell and are known in the art.

일실시예에서 모든 25 서브스택 (64)는 병렬로 연결되고 그러한 실시예에서, In one embodiment all 25 substacks 64 are connected in parallel and in such embodiments,

스택 전력 7W X 25 서브 스택= 175W Stack Power 7W X 25 Substack = 175W

스택 전압 0.7V Stack voltage 0.7V

스택 전류 10A X 25 서브 스택= 250A Stack Current 10A X 25 Substack = 250A

다른 실시예에서, 스택(62)는 전기적으로 고립되며, 각 그룹이 5 서브 스택을 가진 5서브그룹으로 나누어질 수 있다. 각 그룹에서 5 서브 스택은 병렬적으로 연결되며 5그룹은 직렬적으로 연결된다. 그러한 경우, 각 서브 스택은 7W, 0.7V 및 10A을 생성하며, 각 그룹은 35W, 0.7V 및 50A 생성하고, In another embodiment, stack 62 is electrically isolated and can be divided into five subgroups, each group having five sub-stacks. In each group, the 5 sub stacks are connected in parallel and the 5 groups are connected in series. In that case, each substack produces 7W, 0.7V, and 10A, each group produces 35W, 0.7V, and 50A,

스택 전력 35W X 5 그룹= 175W Stack Power 35W X 5 Groups = 175W

스택 전압 0.7V X 5 그룹 = 3.5V Stack voltage 0.7V X 5 groups = 3.5V

스택 전류 50A Stack Current 50 A

다른 실시예로, 각 그룹의 5 서브 스택이 직렬로 연결되며, 그 후 각 그룹당 전력 출력은 35W이며, 전압은 3.5V 그리고 전류는 10A이다. 만일 그룹이 직렬로 연결되면,In another embodiment, five substacks of each group are connected in series, after which the power output per group is 35W, the voltage is 3.5V and the current is 10A. If the groups are connected in series,

스택 전력 35W X 5 그룹= 175W Stack Power 35W X 5 Groups = 175W

스택 전압 3.5V X 5 그룹 = 17.5V Stack voltage 3.5V X 5 groups = 17.5V

스택 전류 10A Stack current 10A

만일 그룹이 병렬로 연결되면,If groups are connected in parallel,

스택 전력 35W X 5 그룹= 175W Stack Power 35W X 5 Groups = 175W

스택 전압 3.5V Stack voltage 3.5V

스택 전류175W / 3.5V = 50A Stack Current 175 W / 3.5 V = 50 A

도 26에서 30은 위에서 기술된 연료 셀 스택 배치의 하나를 결합하는 여러개의 연료셀 시스템을 보여준다. 일반적으로 말해서, 연료셀 시스템은 산화제 및 연료 전달 및 배출수단, 연료셀 스택, 스택을 위한 열적 밀봉, 및 외부 전자회로에 스택을 연결하기 위한 전기적 리드(lead)를 포함한다.26 to 30 show several fuel cell systems combining one of the fuel cell stack arrangements described above. Generally speaking, a fuel cell system includes an oxidant and fuel delivery and discharge means, a fuel cell stack, a thermal seal for the stack, and electrical leads for connecting the stack to external electronic circuitry.

도 26은 매트릭스(20)에서 삽입된 일단부 연료셀(12)의 스택(10)을 가진 단순한 연료셀시스템(70) 디자인을 보여준다. 스택(10)은 Saffil같은 섬유질 세라믹과 같은 다른 것 또는 세라믹 펠트, 다공성 세라믹과 같은 다른 것 또는 에어로겔과 같은 적절한 세라믹 물질로 만들어진 컵 형태의 절연기 층(72) 내부로 저장된다(contained).스택 (10) 및 절연층(72)는 컵 형태 케이싱 (74)의 안쪽에 저장된다. 케이싱 (74)를 위한 적절한 물질은 알루미나, 지르코니아, 알루미나-지르코니아 복합물, 스핀엘, 실리카, 세라믹 에어로겔, 또는 구멍이 연결되지 않은 천공성 세라믹이다.FIG. 26 shows a simple fuel cell system 70 design with a stack 10 of one end fuel cell 12 inserted in a matrix 20. The stack 10 is contained within a cup-shaped insulator layer 72 made of another such as a fibrous ceramic such as Saffil or another such as a ceramic felt, a porous ceramic or a suitable ceramic material such as an airgel. 10 and the insulating layer 72 are stored inside the cup-shaped casing 74. Suitable materials for the casing 74 are alumina, zirconia, alumina-zirconia composites, spinel, silica, ceramic aerogels, or perforated ceramics.

케이싱 (74)는 두 개의 층을 가질 수 있는데, 외부 층은 알루미늄이나 강으로 만들어지고, 내부층은 세라믹으로 만들어진다. 공기 입구 및 출구 컨덕트(76 및 78)은, 스택(10)을 향하거나 그곳으로부터 공기/산화제의 전달을 위한 케이싱 (74) 및 절연기(72)를 관통하여 제공된다.Casing 74 may have two layers, the outer layer being made of aluminum or steel, and the inner layer being made of ceramic. Air inlet and outlet conductors 76 and 78 are provided through casing 74 and insulator 72 for delivery of air / oxidant towards or from stack 10.

케이싱(74)는 케이싱(74)의 림(rim) 주위의 외부로 연장되는 원형 립(80)을 가진다. 립 (80)은, 전기적으로 비전도성인 복수개의 패스너(84)를 통해 립(82)의 장착을 가능하게 하여 유체 실링이 립(82)와 케이싱(74) 사이에 형성된다. 립(82)는 절연층(72)에 유사한 구조의 열 및 전기 절연층(86), 및 절연층(86)과 인접 접촉하는 반응물 비침투 전기 전도성 금속층(88)을 가진다. 메탈 층(88)은 양극 커넥터(90)을 거쳐 각 연료셀의 양극에 전기적으로 연결되며, 양극 리드(91)을 거쳐 외부 회로에 전기적으로 연결된다. 케이싱(74)은 음극 리드(92)를 거쳐 외부 전기회로에 전기적으로 연결되며, 음극 커넥터 (94)를 거쳐 각 연료셀(12)의 음극에 전기적으로 결합하며, 이것은 매트릭스(20) 및 케이싱 (74)에 전기적으로 연결된다.Casing 74 has a circular lip 80 extending outwardly around the rim of casing 74. The lip 80 enables mounting of the lip 82 via a plurality of electrically nonconductive fasteners 84 such that a fluid seal is formed between the lip 82 and the casing 74. Lip 82 has a thermal and electrical insulating layer 86 having a structure similar to insulating layer 72, and a reactant non-penetrating electrically conductive metal layer 88 in close contact with insulating layer 86. The metal layer 88 is electrically connected to the anode of each fuel cell via the anode connector 90, and is electrically connected to an external circuit via the anode lead 91. The casing 74 is electrically connected to an external electrical circuit via the cathode lead 92, and electrically coupled to the cathode of each fuel cell 12 via the cathode connector 94, which is the matrix 20 and the casing ( 74) electrically connected.

돔형태의 연료 배출챔버 커버(96)은, 커버(96) 및 리드(82) 사이의 유체 실을 형성하기 위해 패스너(84)를 거쳐 리드(82) 상에 잠겨진다. 커버(96)은 각 연료셀(12)의 배출통로(26)을 수용하는 개구 및 연료 배출 출구(98)이 제공된다. 연료 배출 챔버(99)는 립(82) 및 커버 (96)의안쪽 공간에 의해 정의된다. 챔버 (99)는 각 연료셀(12) 에 유체적으로 결합한다.The dome shaped fuel discharge chamber cover 96 is immersed on the lid 82 via a fastener 84 to form a fluid seal between the cover 96 and the lid 82. The cover 96 is provided with an opening for receiving the discharge passage 26 of each fuel cell 12 and a fuel discharge outlet 98. The fuel discharge chamber 99 is defined by the inner space of the lip 82 and the cover 96. Chamber 99 is fluidly coupled to each fuel cell 12.

작동시, 연료는 각 연료셀 공급 튜브(26)의 입구(28)을 거쳐 시스템(70)의 각 연료셀(12)안으로 공급된다. 산화제는 산화제 공급튜브(76)을 거쳐 매트릭스(20)안으로 공급된다. 연료 및 산화제는 각 연료셀(12)의 양극 및 음극에서 각각 전기화학적으로 반응된다. 사용되지 않은 연료 및 반응 생산품은 연료 배출구 챔버(99) 안으로 연료셀(12)를 빠져나가며, 연료배출 출구(98)을 거쳐 연료셀 시스템으로부터 배출된다. 미사용된 산화제 및 반응 생산물은 출구 채널(98)을 통하여 배출된다. 전기 화학적 반응의 결과로 생산된 전기적 전류는 양극 및 음극 리드(91,92)를 거쳐 전기 회로 사이로 안내된다.In operation, fuel is supplied into each fuel cell 12 of the system 70 via an inlet 28 of each fuel cell supply tube 26. The oxidant is fed into the matrix 20 via an oxidant feed tube 76. Fuel and oxidant are electrochemically reacted at the anode and cathode of each fuel cell 12, respectively. Unused fuel and reaction products exit fuel cell 12 into fuel outlet chamber 99 and exit from fuel cell system via fuel outlet outlet 98. Unused oxidant and reaction product are discharged through the outlet channel 98. The electrical current produced as a result of the electrochemical reaction is guided between the electrical circuit via the anode and cathode leads 91,92.

이제 도 27을 참조하면, 다음과 같은 주목할만한 차이를 제외하고, 도 26)에서 도시된 시스탬(70)과 유사한 디자인을 가지는 연료셀 시스템(100)이 제공된다. 첫째, 공기/산화제 입구(102)는 시스템(100)의 꼭대기로부터 매트릭스(20)안으로 연장된다. 둘째, 연료 가스 개량기(104)는 적절한 공급연료(예를들어, 천연가스)를 수소로 개량하기 위하여 제공된다. 공급 연료는 유체적으로 결합된 연료 공급 입력 도관(106)을 거쳐 개량기(104)에 전달된다; 연료 공급 입력 도관(106)은 개량기(104)의 바닥으로 연료를 배출하는 복수개의 천공으로 구성된 배출부를 가진다. 개량기 (104)는 두 개의 컵 모양의 층, 즉, 절연기 층(72) 및 컵 형태의 금속 전류 컬렉팅 층 (108) 사이의 공간인 개량기 챔버를 가진다. 개량기 챔버의 꼭대기는 립(82)에 의해 밀폐된다. 챔버는 산화제 코팅된 폼 형태의 다공성 매트릭스 구조로 채워진다.Referring now to FIG. 27, a fuel cell system 100 is provided having a design similar to the system 70 shown in FIG. 26, with the following notable differences. First, the air / oxidant inlet 102 extends into the matrix 20 from the top of the system 100. Second, a fuel gas modifier 104 is provided for reforming the appropriate feed fuel (eg natural gas) to hydrogen. The feed fuel is delivered to the improver 104 via a fluidly coupled fuel supply input conduit 106; The fuel supply input conduit 106 has a discharge consisting of a plurality of perforations for discharging fuel to the bottom of the improver 104. The improver 104 has an improver chamber, which is a space between two cup-shaped layers, that is, the insulator layer 72 and the cup-shaped metal current collecting layer 108. The top of the improver chamber is closed by a lip 82. The chamber is filled with a porous matrix structure in the form of an oxidant coated foam.

연료 공급 덕트(114) (도 27에서 점선 안이며 개량기 출구 (110)에 결합된 것으로 보여지는)를 거쳐 개량기 챔버로부터 연료 공급챔버(112)로 개량된 연료를 배출하는 개량기 출구(110)이 개량기(104)의 꼭대기 림 근처에 있다. 연료 공급 쳄버(112)는 돔 형태의 연료 공급 챔버커버 (11) 및 연료 배출챔버 커버(96) 사이의 공간이다.The improver outlet 110 for discharging the improved fuel from the improver chamber to the fuel supply chamber 112 via a fuel supply duct 114 (shown in dashed line in FIG. 27 and shown to be coupled to the improver outlet 110). It is near the top rim of 104. The fuel supply chamber 112 is a space between the dome-shaped fuel supply chamber cover 11 and the fuel discharge chamber cover 96.

음극 전류 컬렉팅 층(108)은 연료 셀 스택(10)에 인접하여 접촉하며, 더욱 구체적으로는 지지구조(20)에 전기적으로 접촉한다. 음극 전류 컬렉팅 층(108)은 또한 음극 리드(92)에 전기적으로 연결된다. 스택(10), 음극 전류 컬렉팅 층(108), 개량기(104) 및 절연층(72)는 외부 케이싱(74) 및 립(82)의 내부에 모두 밀봉된다.The cathode current collecting layer 108 is in close contact with the fuel cell stack 10 and more specifically in electrical contact with the support structure 20. The cathode current collecting layer 108 is also electrically connected to the cathode lead 92. The stack 10, the cathode current collecting layer 108, the enhancer 104 and the insulating layer 72 are all sealed inside the outer casing 74 and the lip 82.

작동시, 천연가스(또는 다른 적절한 수소카본 연료) 공급 연료는 연료 입구 덕트(106)에 의해 개량기 챔버의 바닥으로 전달된다. 연료가 개량기 챔버에서 촉매제 코팅된 매트릭스를 통하여 위쪽으로 이동함에 따라, 수소로 변환되며 개량기 출구(110)을 통과하여 연료 공급 챔버(112) 안으로 개량기 (104)로부터 배출된다. 그 후, 연료 공급 챔버(112)에서의 수소 연료는 공급 튜브(26)을 거쳐 각 연료셀(12)로 공급된다. 전기화학반응에서의 열은 천연가스 공급 연료를 수소로 개량한다; 이러한 관련되어, 전기 컬렉터 레이어(108)은 양질의 열 전도체인 물질로서 만들어진다. 개량과정이 흡열과정이므로, 개량기(104)는 스택(10)을 냉각하는 부가적인 유요한 기능을 한다. 시스템 작동의 넘지는 도 26)에서 보여지는 바와 같은 시스템 (70)과 유사하다.In operation, natural gas (or other suitable hydrocarbon fuel) feed fuel is delivered by the fuel inlet duct 106 to the bottom of the reformer chamber. As the fuel moves upwards through the catalyst coated matrix in the reformer chamber, it is converted to hydrogen and exits the reformer 104 through the reformer outlet 110 into the fuel supply chamber 112. Thereafter, the hydrogen fuel in the fuel supply chamber 112 is supplied to each fuel cell 12 via the supply tube 26. Heat in the electrochemical reaction converts the natural gas feed fuel into hydrogen; In this regard, the electrical collector layer 108 is made of a material that is a good thermal conductor. Since the retrofit process is an endothermic process, the retrofitter 104 has an additional useful function of cooling the stack 10. The overflow of the system operation is similar to the system 70 as shown in FIG. 26).

다른 연료셀 시스템(120)이 도 28에 도시된다. 이 시스템(120)은 개량기 챔버 주위를 감는 개량기 채널(122)이 제공되는 점을 제외하고 도 27에서 보여지는 시스템과 유사하다. 이러한 형태는 개량기 통로를 늘리도록 계획적으로 선택되며, 그럼으로서 개량 절차의 효율성을 증가시킨다. 개량기 채널(122)의 업스트림(upstream) 단부에 유체적으로 연결되는 유체 공급 입구(124)는 도 27)에 보여지는 연료 공급 입구(106)을 대체한다. 개량기 채널(122)의 다운스트림 단부는 연료 공급 챔버(112)에 유체적으로 결합된다.Another fuel cell system 120 is shown in FIG. 28. This system 120 is similar to the system shown in FIG. 27 except that an improver channel 122 is provided that winds around the improver chamber. This type is deliberately chosen to increase the retrofitter passage, thereby increasing the efficiency of the retrofit procedure. A fluid supply inlet 124 fluidly connected to an upstream end of the enhancer channel 122 replaces the fuel supply inlet 106 shown in FIG. 27. The downstream end of the improver channel 122 is fluidly coupled to the fuel supply chamber 112.

도 29에 도시되는 연료셀 시스템(130)은, 개량기 채널(122)가 개량기 구내(構內, enclosure)으로부터 개량기 채널(122)까지의 열 전도를 증가시기기 위해 매트릭스 물질 (132)내에 삽입되는 점을 제외하고 도 28에 도시된 시스템(120)에 동일하다.The fuel cell system 130 shown in FIG. 29 includes an enhancer channel 122 inserted into the matrix material 132 to increase thermal conduction from the enhancer enclosure to the improver channel 122. The same is true for the system 120 shown in FIG.

도 30은 매트릭스(20)에 삽입된 긴 두 양단 연료셀(12)의 스택(10)을 가진 다른 연료셀 시스템(140) 디자인을 도시한다. 스택(10)의 단부는 연료 전달 매니폴더(142) 및 연료 배출 매니폴더 (144)에 의해 캡(cap)된다. 매니폴도 (142,144)는, 유체 실이 각 연료셀(12)의 내부와 각 매니폴더(142,144) 사이에 형성되도록 스택(10)에서 각 연료 셀(12)의 단부를 수용하는 개구를 가진다. 이것은 입구(145) 및 출구(147)을 거치는 산화제 통로로부터의 유체 고립에서 각 연료셀(12)를 향하거나 그곳으로부터 연료가 공급되는 것을 가능하게 한다.FIG. 30 shows another fuel cell system 140 design with a stack 10 of two long fuel cells 12 inserted into the matrix 20. The ends of the stack 10 are capped by the fuel delivery manifold 142 and the fuel discharge manifold 144. Manifold diagrams 142 and 144 have openings to receive the ends of each fuel cell 12 in stack 10 such that a fluid chamber is formed between each fuel cell 12 and between each manifold 142 and 144. This enables fuel to be supplied to or from each fuel cell 12 in fluid isolation from the oxidant passageway through inlet 145 and outlet 147.

산화제는 각각 산화제 입구(146) 및 출구(148)을 거쳐 산화셀 스택으로 및 그곳으로부터 공급된다. 스택은 실린더 형태의 절연기(72) 및 외부 케이싱 (74)에 의해 둘러싸인다. 스파이럴 개량기 채널(122)가 절연기와 금속 음극 전류 컬렉팅 층(108) 사이에 있다.The oxidant is fed to and from the oxide cell stack via oxidant inlet 146 and outlet 148, respectively. The stack is surrounded by an insulator 72 and an outer casing 74 in the form of a cylinder. A spiral improver channel 122 is between the isolator and the metal cathode current collecting layer 108.

제조Produce

환형 연료셀(12)를 제조 및 이러한 환형 연료셀을 다공성 매트릭스안으로 삽입하는 방법이 다음에 기재된다.A method of manufacturing the annular fuel cell 12 and inserting such an annular fuel cell into the porous matrix is described next.

A. 환형 연료셀의 형성A. Formation of Annular Fuel Cell

위에서 기재된 바와 같이 EPD에 의한 전해질 및 내부 전극을 생산하는 것에 의한 소직경 환형 SOFC를 만드는 절차는 본 출원인의 PCT 출원 제PCT/CA01/00634에 기재되어 있다. 연료 셀의 외부 전극은 EPD 또는 본 분야에서 알려진 페인트, 딥-코팅 중 하나에 의해 전해질(18) 상에 LSM 층을 적용하는 것에 의해 형성될 수 있다.The procedure for making small diameter annular SOFCs by producing electrolyte and internal electrodes by EPD as described above is described in Applicant's PCT Application No. PCT / CA01 / 00634. The outer electrode of the fuel cell may be formed by applying an LSM layer on the electrolyte 18 by EPD or one of the paints, dip-coatings known in the art.

B. 연료셀의 스택 또는 서브스택의 생산B. Production of Stacks or Substacks of Fuel Cells

복수개의 연료셀은 연료 셀 시스템에서 사용을 위해 스택(10) 또는 서브스택(40)안으로 조립될 수 있다. 연료셀(12)를 자리에 고정시기기 위해, 연료셀(12)는 상대적으로 단단하지만, 그러나 지지 구조로 작용하는 다공성 고체 상 폼 매트릭스(20)에 삽입된다. 특정 물질로 만들어질 때, 매트릭스(20)은 또한, 전류를 모으며 및 산소(산화) 이온을 전해질(18)로 유도하는(conducting) 것에 의해 음극((16))의 부분으로 역할할 수 있다. 다공성 매트릭스에 연료셀을 삽입하는 몇가지 다른 과정들이 있다. 제1 과정에 의하면, 도 31및32를 참조하며, 매트릭스 물질의 슬러리에서 복수개의 연료셀(12)를 담그기 위한 기구 (152)가 제공된다. 기구는 세라믹, 초경합금 또는 소결을 견딜 수 있는 다른 물질로 만들어 진 한 쌍의 단부 평판(154), 연소가능한 유연 시트(156), 및 컨테이너(미도시)에 슬러리를 공급하기 위한 수단으로 구비된다. 단부 평판 (154)는 각각 그들의 면 중 하나에 복수개의 인덴테이션(indentation 158)을 가지고 있다; 인덴테이션은 연료 셀의 단부를 받아들일 수 있는 형상 및 크기이다. 유연 시트(156)은 종이보드나 적절한 플라스틱 물질로 만들어 질 수 있다. 소결시(아래에서 기술됨), 유연 시트(156)은 타버린다. 또는 유연 시트(156)은 알루미나, 지르코니아, 또는 금속과 같은 세라믹의 비 연소성 컨테이너 벽으로 대체될 수 있다. 그러한 컨케이너는 열처리/소결동안 슬러리를 저장할 수 있는 역할을 하며, 도한 연료셀 스택(10)의 집합 요소로서 작용할 수 있다.The plurality of fuel cells may be assembled into stack 10 or substack 40 for use in a fuel cell system. In order to secure the fuel cell 12 in place, the fuel cell 12 is inserted into a porous solid phase foam matrix 20 that acts as a relatively rigid but serving structure. When made of a particular material, the matrix 20 may also serve as part of the cathode 16 by collecting current and conducting oxygen (oxidation) ions into the electrolyte 18. There are several different procedures for inserting fuel cells into a porous matrix. 31 and 32, a mechanism 152 for immersing a plurality of fuel cells 12 in a slurry of matrix material is provided. The apparatus is provided as a means for supplying a slurry to a pair of end plates 154, a combustible flexible sheet 156, and a container (not shown) made of ceramic, cemented carbide or other material capable of withstanding sintering. The end plates 154 each have a plurality of indentations 158 on one of their faces; The indentation is of a shape and size that can accept the end of the fuel cell. The flexible sheet 156 may be made of paperboard or a suitable plastics material. Upon sintering (described below), the flexible sheet 156 burns out. Alternatively, the flexible sheet 156 may be replaced with a non-combustible container wall of ceramic such as alumina, zirconia, or metal. Such a container serves to store the slurry during heat treatment / sintering and may also serve as an assembly element of the fuel cell stack 10.

각 연료셀(12)의 각 단부는 슬러리로부터 단부를 지키기 위한 적절한 연소성 코팅 또는 보호성 마스킹 테입(미도시)에 의해 테입(taped)되어 있다. 그 후, 각 단부 평판(154)은 위치에서 각 연료셀(12)를 고정하며, 각 연료셀(12)의 각 단부에 클램프된다. 그 후, 유연시트(156)은 연료셀(12) 주위에 감겨진다; 시트 (156)은 연료셀(12) 주위를 완전히 감고 각 단부 평면 (154)에 부착되기에 충분할 정도로 크다. 감겨지면, 시트(156) 및 단부 평판(154)는 연료셀(12)를 밀봉하는 실린더형 컨테이너를 형성한다.Each end of each fuel cell 12 is taped with a suitable combustible coating or protective masking tape (not shown) to protect the end from the slurry. Each end plate 154 then holds each fuel cell 12 in position and is clamped to each end of each fuel cell 12. Thereafter, the flexible sheet 156 is wound around the fuel cell 12; The seat 156 is large enough to completely wind around the fuel cell 12 and attach to each end plane 154. Once wound, the seat 156 and the end plate 154 form a cylindrical container that seals the fuel cell 12.

슬러리는 매트릭스 물질, 물 또는 유기체 용매, 분산제, 포밍제(foaming agent), 유기질 단량체(monomer) 및 기폭제의 부유물(suspension) 이다. Slurries are suspensions of matrix materials, water or organic solvents, dispersants, foaming agents, organic monomers and initiators.

본 실시예에서의 매트릭스 물질은 LSM(lanthanum strontium manganate)이나, 다음과 같은 물질일 수 있다: 도핑된LaCr0₃, ( 예를들어, La_1-xSr_xCrO ₃, La_1-xCa_xCrO₃, La_1-xMg_xCrO₃, LaCr(Mg)0 ₃, LaCa_1-xCr_-yO₃))와 같은 세라믹 그리고/또는 메탈 파우더, stainless steel (예를 들어 316,316L), 다음과 같은 cermets : Ni-Yittria 안정화된 zirconia, Ni 및 도핑된 zirconia 시멘트, Ni 도핑된 -Ce0₂ 시멘트, Cu 도핑된-ceria cermet, silver-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트, silver-(Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트; silver-합금-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트; silver-합금- (Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트; silver 및 그 합금들, Inconel 강 및 모든 초경합금, ferritic 강, SiC, 및 MoSi₂.The matrix material in this embodiment may be lanthanum strontium manganate (LSM), but may be: Doped LaCr0 ₃ , (e.g., La _1-x Sr _x CrO ₃ , La _1-x Ca _x CrO ₃ , La _1-x Mg _x CrO ₃ , LaCr (Mg) 0 ₃ , LaCa _1-x Cr _-y O ₃ )) and / or metal powder, stainless steel (eg 316,316L), Cermets such as: Ni-Yittria stabilized zirconia, Ni and doped zirconia cement, Ni doped -Ce0 ₂ cement, Cu doped -ceria cermet, silver- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide cement, silver -(Y-Ba-Cu-O) -oxide cement; silver-alloy- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide cement; silver-alloy- (Y-Ba-Cu-O) -oxide cement; silver and its alloys, Inconel steel and all cemented carbides, ferritic steels, SiC, and MoSi ₂ .

유기질 단량체는 mehty methacrylate, butyl arcylate, acrylamide, 또는 다른 acrylates 일 수 있다. 포밍제는 Tergiton TMN(10) 또는 TritonX(114)일 수 있다. 기폭제는 ammoniumpersulphate (APS)일 수 있다. 열처리상의 슬러리는 다공성 구조를 가진 폼을 생성할 수 있는데, 구멍의 대부분은 연속적인 유체 통로를 제공하기 위하여 내부적으로 연결된다. 소결시, 이 폼은 고체 상 다공성 매트릭스(20)이 된다.The organic monomer can be mehty methacrylate, butyl arcylate, acrylamide, or other acrylates. The foaming agent may be Tergiton TMN 10 or TritonX 114. The initiator may be ammoniumpersulphate (APS). The slurry on the heat treatment can produce a foam with a porous structure, with most of the holes connected internally to provide a continuous fluid passageway. Upon sintering, the foam becomes a solid phase porous matrix 20.

포밍제에 부가하거나 이를 대신하여, 연소성 부가물은, 폴리머 파우더, 유기질 파우더, 톱겨 및 유기질과 같은 슬러리에 부가될 수 있다. 연소성 부가물를 연소할 만큼 뜨거운 온도에서의 소결시, 부가물은 타버리고 폼 형태의 다공성 미세구조를 가진 고체 상 매트릭스(20)을 뒤에 남긴다. In addition to or instead of the foaming agent, combustible adducts may be added to slurries such as polymer powders, organic powders, sawdust and organics. Upon sintering at a temperature hot enough to combust the combustible adduct, the adduct burns out and leaves behind a solid phase matrix 20 having a porous microstructure in the form of a foam.

포밍제 및 연소성 부가물을 부가하거나 대신하여, 다공성 폼 형태의 미세구조는 빈 세라믹 분자를 사용함으로써 형성될 수 있다. 상업적으로 유용한 알루미나 버블(Al203)과 같은 구형 세라믹 분자는, 예를 들어 슬러리와 함께 분자를 스프레이 하거나 디핑함으로써, 또는 분자상에 매트릭스 물질을 코팅하는 비전자(electroless) 코팅에 의하여 먼저 매트릭스 물질로 코팅된다. 코팅된 분자는 원하는 스택 배치에 정렬되는 복수개의 환형 분자셀을 가진 컨테이너에 위치된다. 컨테이너는 환형 연료셀이 위치에서 안전하게 고정될 수 있도록 분자로 패킹된다. 그 후, 립은 컨테이너 상에 위치되고, 채워진 컨테이너는 코팅이 분자를 결속하며 분자를 물리적으로 연결하는 소결 절차를 가진다. In addition to or in place of foaming agents and combustible adducts, microstructures in the form of porous foams can be formed by using hollow ceramic molecules. Spherical ceramic molecules such as commercially available alumina bubbles (Al203) are first coated with the matrix material, for example by spraying or dipping the molecules with the slurry, or by an electroless coating that coats the matrix material on the molecule. do. The coated molecules are placed in a container with a plurality of cyclic molecular cells aligned in the desired stack arrangement. The container is molecularly packed so that the annular fuel cell can be secured in position. The lip is then placed on a container and the filled container has a sintering procedure in which the coating binds the molecules and physically connects the molecules.

슬러리는 컨케이너가 채워지고 연료셀(12)가 슬러리로 채워질 때 까지 슬러리 포트(60)을 관통하여 부어지거나 삽입된다. 슬러리는 주변 온도(또는 약 120C 까지 상승된)에서 완벽히 건조되도록 남겨진다.The slurry is poured or inserted through the slurry port 60 until the container is filled and the fuel cell 12 is filled with the slurry. The slurry is left to dry completely at ambient temperature (or elevated to about 120C).

슬러리가 건조되면, 컨테이너 및 그 내용물은 소결된다. 소결 사이클은 우선 온도를 주변온도에서 200C까지증가시키고 그 온도에서 1-10시간 동안 유지시키며, 그 후, 온도를 500C 까지 증가시키고 그 온도에서 1-10시간 동안 유지시키며, 그 후, 온도를 650C 까지 증가시키고 그 온도에서 1-10시간동안 유지시키며, 그 후, 온도를 900C까지 증가시키고 그 온도에서 1-10시간 동안 유지시키며, 그 후 마지막으로 온도를 1000-1400C로 온도를 올리며 그 온도에서 5시간 동안 고정시키는 것을 포함한다. 각 단계에서 온도 증가 비는 20-300C 사이 이다. 온도는 그 후, 약 60-300C의 비율로 주변온도로 떨어지도록 허용된다. Once the slurry is dried, the container and its contents are sintered. The sintering cycle first increases the temperature to 200C at ambient temperature and maintains at that temperature for 1-10 hours, then increases the temperature to 500C and maintains at that temperature for 1-10 hours, after which the temperature is 650C. Increase to and hold at that temperature for 1-10 hours, then increase the temperature to 900C and hold at that temperature for 1-10 hours, then finally raise the temperature to 1000-1400C and at that temperature Fixation for 5 hours. The temperature increase ratio at each stage is between 20-300C. The temperature is then allowed to drop to ambient temperature at a rate of about 60-300C.

소결시, 연소성 유연물질 (56)은 타버리며, 고체화된 다공성 매트릭스(20)에 끼워진 연료셀(12)를 가진 서브스택(40) 또는 연료셀 스택(10)을 뒤에 남긴다. 단부 평판(54)는 그 후 제거되며, 그리고 스택(10)은 연료셀 시스템을 생성하기 위한 다른 요소로 결합되기 위해 준비되거나, 또는 스택(10)을 형성하기 위한 다른 서브 스택과 결합하기 위해 준비된다.Upon sintering, the combustible flexible material 56 burns away, leaving behind a substack 40 or fuel cell stack 10 with fuel cells 12 sandwiched in the solidified porous matrix 20. The end plate 54 is then removed, and the stack 10 is ready to be joined to another element to create a fuel cell system, or to be joined with another sub stack to form the stack 10. do.

본 발명의 다른 실시예에 의하면(미도시), 스택 또는 서브 스택은 각 연료셀을 슬러리로 코킹한 후, 평판 상에 슬러리 코팅된 연료 셀을 스태킹하여 각 연료 셀의 슬러리 코팅이 인접한 연료셀의 슬러리 코팅에 접촉하도록 하는 것에 의해 형성될 수 있다. 코팅은 딥 코팅이나, 스프레이나 또는 다른 적절한 공지 수단에 의해 달성될 수 있다. 연소성 스페이서는 스택에서 연료셀 사이의 원하는 분리를 유지하기 위해 스태킹 동안 연료셀사이에 위치될 수 있다. 스페이서는 예를 들어 6각형 삽입이 벌집과 유사한 배치의 연료셀의 스택을 형성하는 것과 같이, 원하는 스택의 기하학적 배치에 따라 다른 기하 형상을 가질 수 있다. 그 후, 스택셀이 건조되도록 허용되며 위에서 기술된 소결단계에 의해 소결되어 다공성 매트릭스에 끼워지는 연료 셀을 가진 서브스택이 형성되도록 소결된다. 소결시, 연소성 스페이서는, 있다면 태워진다. 또는 스페이서는 금속과 같은 비 연소성 물질로 만들어질 수 있다; 그러한 스페이서는 고 결후 연료셀과 함께 남으며, 그러한 경우 반응물이 스페이서를 관통한 흐름을 허용하는 채널이 제공된다.According to another embodiment of the present invention (not shown), a stack or sub-stack caulk each fuel cell into a slurry and then stack the slurry coated fuel cells on a plate so that the slurry coating of each fuel cell is in the vicinity of the adjacent fuel cells. By contacting the slurry coating. Coating can be accomplished by dip coating, spraying or other suitable known means. Combustible spacers may be located between fuel cells during stacking to maintain a desired separation between fuel cells in the stack. The spacer may have a different geometry depending on the geometry of the desired stack, such as, for example, a hexagonal insert forming a stack of fuel cells in a honeycomb-like arrangement. The stack cell is then allowed to dry and sintered to form a substack with fuel cells sintered by the sintering step described above to fit into the porous matrix. At sintering, the combustible spacers are burned, if any. Or the spacer may be made of a noncombustible material such as metal; Such spacers remain with the fuel cells after fixing, in which case a channel is provided that allows the reactants to flow through the spacers.

본 발명의 다른 실시예(미도시)에 의하면, 스택 또는 서브 스택은 먼저 각 연료셀을 슬러리에 코팅하고, 그 후 각 연료셀 상의 슬러리 코팅이 인접 연료 셀의 슬러리 코팅과 접촉하도록, 유연한 종이 시트, 플라스틱, 또는 다른 적절한 유연 물질 상에 슬러리 코팅된 연소셀을 스태킹하는 것에 의해 형성될 수 있다. 다시말하면, 연소성 스페이서는 연료 셀 사이에 삽입될 수 있다. 유연 시트는 접히거나 굽히거나 또는 원하는 서브스택 형태 즉, 시트가 실린더 형 또는 스택 또는 서브스택을 형성할 수 있는 다른 원하는 형태로 굽혀질 수 있는 것과 같이 가공될 수 있다. 위에서 기재된 단계에 의하면, 연료셀, 슬러리, 및 시트는 그 후 건조되고 소결된다. 시트는 소결시 연소되는 연소성 물질로 만들어질 수 있다.According to another embodiment of the invention (not shown), the stack or sub-stack first coats each fuel cell to a slurry, and then the flexible paper sheet such that the slurry coating on each fuel cell contacts the slurry coating of adjacent fuel cells. By stacking a slurry coated combustion cell onto a plastic, or other suitable flexible material. In other words, a combustible spacer can be inserted between fuel cells. The flexible sheet may be machined as folded or bent or bend in the desired substack form, ie the sheet may be cylindrical or in any other desired form that may form a stack or substack. According to the steps described above, the fuel cell, slurry, and sheet are then dried and sintered. The sheet may be made of a combustible material that burns upon sintering.

본 발명의 다른 방법(미도시)에 의하면, 스택 또는 서브스택은 슬러리를 컨테이너안으로 붇고, 그 후 하나 또는 그 이상의 연소성 로드 또는 다른 적절한 긴 부재를 슬러리 안에 삽입하는 것에 의하여 형성될 수 있다. 슬러 및 로드는 그 후 위에서 기술된 단계에 따라 건조되고 소결되며, 그 후 막대는 타벼린 막대에 대응하는 채널을 가진 다공성 매트릭스를 남긴다. 그 후, 채널에 대응하는 형상과 크기의 연료셀이 각 채널에 삽입된다. 만일 연료셀이 안전하게 채널에 삽입되지 않으면, 부가적인 슬러리는 연소셀 및 채널 사이에 부어넣어질 수 있고, 부가적인 건조 및 소결 단계는 슬러리를 고형화 하고 연료셀을 위치에 고정시키도록 수행될 수 있다. According to another method (not shown) of the present invention, a stack or substack may be formed by drawing the slurry into a container and then inserting one or more combustible rods or other suitable elongate members into the slurry. The slurs and rods are then dried and sintered according to the steps described above, after which the rods leave a porous matrix with channels corresponding to the shaped rods. Thereafter, fuel cells of a shape and size corresponding to the channel are inserted into each channel. If the fuel cell is not safely inserted into the channel, additional slurry may be poured between the combustion cell and the channel, and additional drying and sintering steps may be performed to solidify the slurry and lock the fuel cell in position. .

서브스택을 생성하는 위 방법 중 어느 것도 선택적으로, 건조되기 전에 슬러리에 연소성 로드, 필라멘트, 섬유질, 토우, 또는 다른 적절한 긴 부재를 삽입하는 단계를 더 구비하여, 슬러리가 연소성 삽입불을 태우고 매트릭스로 슬러리를 고형화시키기에 충분한온도에서 슬러리가 건조되고 소결되는 때 매트릭스에서의 채널이 형성된다. 이러한 채널은 평행, 수직 또는 연료셀을 기준으로 다른 방향일 수 있다.Either of the above methods of producing a substack optionally further comprises inserting a combustible rod, filament, fiber, tow, or other suitable elongate member into the slurry prior to drying, such that the slurry burns the combustible insert and into the matrix. Channels in the matrix are formed when the slurry is dried and sintered at a temperature sufficient to solidify the slurry. These channels can be parallel, vertical or in other directions relative to the fuel cell.

본 발명의 다른 방법(미도시)에 의하면, 스택 또는 서브 스택은 주형(template) 처리 기술을 이용하여 생성될 수 있다. 이 기술은 먼저, 연료 셀이 위치에서 안전하게 고정되도록 스폰지, 카폰 펠트, 또는 인산 펠트와 같은 적절한 주형 물질 속으로 연료 셀을 삽입하고, 그 후 주형 물질이 슬러리 속에 내포된다. 그 후 주형을 저장하는 연료셀 및 슬러리가 건조되고 소결된다. 소결동안 주형 물질은 타버리며 폼 형태의 다공성 매트릭스를 남긴다.According to another method (not shown) of the present invention, a stack or sub-stack may be created using a template processing technique. This technique first inserts a fuel cell into a suitable mold material such as a sponge, carpon felt, or phosphate felt so that the fuel cell is securely held in position, and then the mold material is embedded in the slurry. The fuel cell and slurry that store the mold are then dried and sintered. During sintering the mold material burns away leaving a porous matrix in the form of a foam.

만일 연료셀이 주형 물질속에 직접 삽입하는 것을 견딜 수 없을 정도로 취약하다면, 금속 또는 플라스틱 튜브(적어도 연료 셀 외부 직경만킁의 내부 직경을 가진)가 먼저 주형 물질로 삽입되고, 그 후 연료셀이 튜브로 삽입된다. 튜브는 그후 주형물질로부터 철수되고, 삽입된 주형 셀이 뒤에 남겨진다. 또는 연소성 튜브 또는 로드가 주형 물질속으로 삽입될 수 있다. If the fuel cell is susceptible to inserting directly into the mold material, a metal or plastic tube (with an inner diameter of at least the outer diameter of the fuel cell) is first inserted into the mold material and then the fuel cell is inserted into the tube. Is inserted into. The tube is then withdrawn from the mold material and the inserted mold cell is left behind. Alternatively, combustible tubes or rods may be inserted into the mold material.

주형이 그 후 슬러리로 주입되며, 건조되고 소결된다. 소결시 연소성 튜브/로드는 타버리며 연소셀이 주형 물질로 삽입되는 것을 가능하게 하는 채널을 뒤로 남긴다.The mold is then poured into the slurry, dried and sintered. Upon sintering the combustible tubes / rods burn out and leave behind channels that allow the combustion cells to be inserted into the mold material.

연소셀이 이러한 채널 내부로 안전하게 고정되지 않으면, 부가적인 슬러리가 더해질 수 있고, 건조 및 소결시 연료셀이 위치에서 고정된다. 주형은 전기적으로 전도성 금속 펠트와 같은 비 연소성 물질일 수 있다. 금속 펠트는 스택의 성능을 향상시키기 위해 이온적으로 전도성이거나 그리고/또는 촉매성인 슬러리로 채워질 수 있다. 이 경우 결합 슬러리는 펠트와 펠트에 삽입되는 연료 셀 사이에 부가될 수 있다. 열처리시, 결합 슬러리는 연소셀을 금속 펠트제에 고정하고, 펠트 및 연소셀 사이의 전기 전도성을 개선한다. 결합 슬러리는 펠트제와 동일한 금속 도는 음극 물질로 제조될 수 있다. 부가적인 결합 슬러지에 부가하거나 대체하는 것으로, 펠트 내장된 연료 셀은 열적 전기적으로 고립된 컨테이너 안쪽에 위치될 수 있으며, 적절한 접촉이 펠트와 연료셀사이에 형성될 때까지 컨테이너에 의해 가압될 수 있다. If the combustion cell is not securely secured into this channel, additional slurry can be added and the fuel cell is secured in position during drying and sintering. The mold may be a noncombustible material, such as an electrically conductive metal felt. The metal felt can be filled with a slurry that is ionically conductive and / or catalytic in order to improve the performance of the stack. In this case a binding slurry can be added between the felt and the fuel cell inserted into the felt. In the heat treatment, the bonding slurry fixes the combustion cell to the metal felt and improves the electrical conductivity between the felt and the combustion cell. The bonding slurry can be made of the same metal or negative electrode material as the felt. In addition to or in place of additional binding sludge, the felt embedded fuel cell may be located inside a thermally electrically isolated container and pressurized by the container until a suitable contact is formed between the felt and the fuel cell. .

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 소직경 환형 연료셀의 연료셀 스택은 금속 와이어에서 각 단독 셀을 감싸는 것에 의하여 형성된다. 단독 와이어로 셀을 감싸는 것에 의해 두 개 또는 그이상의 셀이 기계적으로 내부연결된다. 와이어는 전류 컬렉터 뿐 아니라 연료셀을 위한 지지구조로서 작용한다. 만일 와이어가 촉매성 물질로 코팅되면, 와이어는 연료셀 스택의 촉매 활동을 증진시킬 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a fuel cell stack of small diameter annular fuel cells is formed by wrapping each single cell in a metal wire. By wrapping the cells in a single wire, two or more cells are mechanically interconnected. The wire acts as a support structure for the fuel cell as well as the current collector. If the wire is coated with a catalytic material, the wire can enhance the catalytic activity of the fuel cell stack.

본 발며의 다른 실시예에 의하면, 소직경 환형 연료셀의 연료셀스택은 금속 메쉬에서 각 단독 셀을 감쌈으로서 형성된다. 두 개 또는 그 이상의 셀은 금속 메쉬의 단독 스트립을 가진 셀을 감쌈으로서 내부연결될 수 있다. 메쉬는 전류 컬렉터 뿐만 아니라 연료 셀을 위한 지지구조로도 작용한다. 만일 메쉬가 촉매성 물질로 코팅되면, 메쉬는 연료셀 스택의 촉매 활동을 증진시킬 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the fuel cell stack of the small diameter annular fuel cell is formed by wrapping each individual cell in a metal mesh. Two or more cells may be interconnected by wrapping the cells with a single strip of metal mesh. The mesh serves as a support for the fuel cells as well as the current collector. If the mesh is coated with a catalytic material, the mesh can enhance the catalytic activity of the fuel cell stack.

본 발명의 다른 실시에에 의하면, 도 33-40을 참조하며, 연료셀(12)의 내측은 다공성 전류 전도체(106)에 의해 채워질 수 있다(lined). 특히, 전류 컬렉터는 다공성 전기 전도체 내부 폼 코어(162)일 수 있다. 폼 코어(162)는 연료셀(12)의 양극 표면(14)에 전기적으로 결합되며, 연료셀(12)를 위한 기계적 지지를 제공하고 전류를 모으도록 작용한다. 폼 코어(162)의 다공도는 연료가 폼 코어(162)를 관통하여 흐르고 연료셀(12)의 음극 표면(14)를 도달하는 것을 허용하는 데 충분하게 선택된다. 폼 코어(162)는 전기화학 반응을 증진시키는 촉매제 물질로 코팅될 수 있다. 도 36 내지 38에서 보여지는 것처럼, 금속 와이어(164)는 일 단부가 연료셀(12)의로부터 연장되고 외부 회로에 전기적으로 결합 가능하도록 코어(162)의 중심에 삽입될 수 있다. 그러한 와이어(164)는 전류를 모으도록 작용한다. 또는 도(41)을 참조하면, 다중 와이어(164)는 전극 표면에서 폼 코어(162)의로 삽입된다. 복수개의 흐름 채널(166)은 반응물의 관통 흐름을 증진시키기 위해 코어(162)에서 형성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, with reference to FIGS. 33-40, the inside of fuel cell 12 may be lined by porous current conductor 106. In particular, the current collector can be a porous core inner foam core 162. Foam core 162 is electrically coupled to anode surface 14 of fuel cell 12 and acts to provide mechanical support for fuel cell 12 and to collect current. The porosity of the foam core 162 is chosen sufficiently to allow fuel to flow through the foam core 162 and reach the cathode surface 14 of the fuel cell 12. Foam core 162 may be coated with a catalyst material to enhance the electrochemical reaction. As shown in FIGS. 36-38, the metal wire 164 may be inserted in the center of the core 162 so that one end extends from the fuel cell 12 and is electrically coupled to an external circuit. Such wire 164 acts to collect current. Or referring to FIG. 41, multiple wires 164 are inserted into the foam core 162 at the electrode surface. A plurality of flow channels 166 may be formed in the core 162 to enhance the through flow of reactants.

도 39를 참조하면, 내부 폼 코어(162) 대신, 전류 컬렉터가 전류를 모으는 것 뿐 아니라 연료셀(12)에 기계적 지지를 제공하도록 각 연료셀(12)의 내부에 삽입되는 일련의 다공성 금속 시트(168)일 수 있다. 금속 시트는 종축 모서리에서 연료셀(12)의 양극 벽에 부착된다.Referring to FIG. 39, instead of the inner foam core 162, a series of porous metal sheets inserted inside each fuel cell 12 so that the current collector not only collects current but also provides mechanical support to the fuel cells 12. 168. The metal sheet is attached to the anode wall of the fuel cell 12 at the longitudinal axis edge.

도 40을 참조하면, 내부 폼 코어(162) 대신, 전류 컬렉터는 필라멘트가 양극 내부 벽을 접촉하도록 중심 와이어로 횡축으로 연장되도록, 종축 연장된(연료셀(12)에 평행하게) 중심 금속성 와이어의 주위를 감싸는, 복수개의 금속 필라멘트(170)이다. Referring to FIG. 40, instead of the inner foam core 162, the current collector is of longitudinally extending (parallel to the fuel cell 12) longitudinally extending such that the filament extends transversely with the center wire to contact the anode inner wall. A plurality of metal filaments 170 are wrapped around.

본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 기재되었지만, 본 발명의 범위와 정신을 벗어나지 않고 다양한 변형이 만들어지는 것으로 이해될 수 있다.While the preferred embodiments of the invention have been shown and described, it will be understood that various modifications may be made without departing from the scope and spirit of the invention.

Claims

(a)제1 반응물 유체를 수용하도록 배치된 내부 전극 층, 제2반응물 유체를 수용하도록 배치된 외부 전극 층, 및 전극 층 사이에 끼인 전해질 층을 구비하는 외부 환형 산화 연료 셀;(a) an outer annular oxidizing fuel cell having an inner electrode layer disposed to receive a first reactant fluid, an outer electrode layer disposed to receive a second reactant fluid, and an electrolyte layer sandwiched between the electrode layers;

(b) 상기 내부 전극층에 부착되고 외부 전극층에 위치되는 고체상 다공성 매트릭스(a solid phase porous matrix) 및 (b) a solid phase porous matrix attached to the inner electrode layer and positioned in the outer electrode layer;

(c)제1반응물 유체를 수용하도록 배치된 외부 전극 층, 제2반응물 유체를 수용하도록 배치된 내부 전극층, 및 내부와 외부 전극 층 사이에 끼인 전해질 층을 가지는 내부 연료층, 외부 연료 층의 본질적인 내측의 매트릭스에 삽입되는(embeded) 적어도 하나의 내부 환형 산화 연료 셀;을 구비하며,(c) an inner fuel layer having an outer electrode layer disposed to receive the first reactant fluid, an inner electrode layer disposed to receive the second reactant fluid, and an electrolyte layer sandwiched between the inner and outer electrode layers, essentially the outer fuel layer At least one internal annular oxidant fuel cell embedded in the inner matrix;

상기 외부 연료 세 내부의 내측 연료 셀을 지지하는데 충분한 기계적 강도, 및 외부 연료셀의 내부 전극 층으로 및 내부 연료 셀의 외부 전극 층으로 매트릭스를 관통하여 제1 반응물 유체가 흐름을 가능하게 하는 충분한 다공성을 가진 매트릭스를 가지는 연료셀 시스템.Sufficient mechanical strength to support the inner fuel cells inside the outer fuel three and sufficient porosity to allow the first reactant fluid to flow through the matrix to the inner electrode layer of the outer fuel cell and to the outer electrode layer of the inner fuel cell Fuel cell system having a matrix with.

제1항에 있어서, 상기 매트릭스는 고체 상 다공성 폼(a solid state porous foam)인 연료셀 시스템.The fuel cell system of claim 1, wherein the matrix is a solid state porous foam.

제2항에 있어서, 상기 폼은 전기적 또는 혼성적(전기적 및 이온적) 전도성 물질이며, 내부 및 외부 전기셀의 음극에 전기적으로 결합한 연료셀 시스템.3. The fuel cell system of claim 2, wherein the foam is an electrically or hybrid (electrically and ionic) conductive material and electrically coupled to the cathodes of the inner and outer electrical cells.

제 3항에 있어서, 폼(foam)의 조성이 다음의 그룹으로 부터 선택된 하나 또는 그 이상의 물질을 포함하는 연료셀 시스템: lanthanum strontium manganate, La_1-xSr_xCrO₃, La_1-xCa_xCrO₃, La_1-xMg_xCrO₃, LaCr(Mg)0₃, LaCa_1-xCr_-yO₃, stainless steel 316 and 316L, Ni-Yittria 안정화된 zirconia, Ni 및 도핑된 zirconia 시멘트, Ni 도핑된 -Ce0₂ 시멘트, Cu 도핑된-ceria cermet, silver-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트, silver-(Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트; silver-합금-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트; silver-합금- (Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트; silver 및 그 합금들, Inconel 강 및 모든 초경합금, ferritic 강, SiC, 및 MoSi₂.4. The fuel cell system of claim 3, wherein the composition of the foam comprises one or more materials selected from the group: lanthanum strontium manganate, La _1-x Sr _x CrO ₃ , La _1-x Ca _x CrO ₃ , La _1-x Mg _x CrO ₃ , LaCr (Mg) 0 ₃ , LaCa _1-x Cr _-y O ₃ , stainless steel 316 and 316L, Ni-Yittria stabilized zirconia, Ni and doped zirconia cement, Ni Doped -Ce0 ₂ cements, Cu doped -ceria cermet, silver- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide cements, silver- (Y-Ba-Cu-O) -oxide cements; silver-alloy- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide cement; silver-alloy- (Y-Ba-Cu-O) -oxide cement; silver and its alloys, Inconel steel and all cemented carbides, ferritic steels, SiC, and MoSi ₂ .

제1항에 있어서, 상기 매트릭스는 금속 메쉬, 금속, 세라믹 또는 세라믹 울 다발, 및 금속, 세라믹 또는 섬유질 다발 얽힌 시멘트로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 연료셀 시스템.The fuel cell system of claim 1, wherein the matrix is selected from the group consisting of metal mesh, metal, ceramic or ceramic wool bundles, and cements entangled in metal, ceramic or fibrous bundles.

제2항 내지 제5항 중 어느 한항에 있어서, 내부 연료셀의 내부 전극 층은 양극이고, 내부 연료셀의 외부 전극층은 음극이며, 외부 연료셀의 내부 전극층은 음극이고, 외부 연료셀의 외부 전극은 양극이며, 제1 반응물은 연료이고 그리고 제2반응물은 산화제인 연료셀 시스템The inner electrode layer of the inner fuel cell is an anode, the outer electrode layer of the inner fuel cell is a cathode, the inner electrode layer of the outer fuel cell is a cathode, and the outer electrode of the outer fuel cell. Is an anode, the first reactant is a fuel and the second reactant is an oxidant

제6항에 있어서, 상기 내부 연료셀은 10μm 및 10,000μm 사이의 직경을 가지는 연료셀 시스템.The fuel cell system of claim 6, wherein the internal fuel cell has a diameter between 10 μm and 10,000 μm.

제7항에 있어서, 상기 내부 연료 셀은 10μm에서 5,000μm 사이인 직경을 가지는 연료셀 시스템.The fuel cell system of claim 7, wherein the internal fuel cell has a diameter between 10 μm and 5,000 μm.

제6항에 있어서, 상기 매트릭스는 상기 내부 및 외부 연료셀의 음극으로 산화제의 전달을 증진하기 위한 긴 구멍을 적어도 하나 가지는 연료셀 시스템.7. The fuel cell system of claim 6, wherein the matrix has at least one elongate hole for enhancing delivery of oxidant to cathodes of the inner and outer fuel cells.

제6항에 있어서, 산화제 공급원에 유체적으로 결합가능한 입구를 가지는 산화제 대퓨져(diffuser), 및 상기 매트릭스에 유체적으로 결합된 복수개의 출구를 가지는 연료셀 시스템.7. The fuel cell system of claim 6, having an oxidant diffuser having an inlet fluidly coupled to an oxidant source, and a plurality of outlets fluidly coupled to the matrix.

제1항에 있어서, 상기 내부 연료셀 전해질 층 및 외부 전극을 관통하며, 상기 내부셀의 길이를 따라 이격된 복수개의 탭 개구; 및 The battery pack of claim 1, further comprising: a plurality of tab openings penetrating the inner fuel cell electrolyte layer and the outer electrode and spaced apart along the length of the inner cell; And

외부 회로에 전기적으로 연결가능하고 내부 연료셀의 내부 전극층에 전기적으로 결합가능한 각 탭을 실링하며 그 내부에 위치하는 가스-비투과, 전기 전도성 탭을 더 구비하는 연료셀 시스템.And a gas-non-transmissive, electrically conductive tab positioned therein for sealing each tab that is electrically connectable to an external circuit and electrically coupled to an inner electrode layer of the inner fuel cell.

제11항에 있어서, 각 탭은 SOFC 작동 조건하에서 사용에 적절한 비활성 금속 코팅인 연료셀 시스템.12. The fuel cell system of claim 11, wherein each tab is an inert metal coating suitable for use under SOFC operating conditions.

제11항에 있어서, 상기 매트릭스에 삽입되고, 외부 회로에 전기적으로 연결가능하며 상기 탭의 적어도 하나에 전기적으로 연결가능한 적어도 하나의 전류 컬렉터 로드를 더 구비하는 연료셀 시스템. 12. The fuel cell system of claim 11, further comprising at least one current collector rod inserted into the matrix and electrically connectable to an external circuit and electrically connectable to at least one of the tabs.

제 11항에 있어서, 상기 외부 연료셀의 내측 매트릭스에 횡축으로 삽입되는 적어도 하나의 전류 컬렉터 평판을 더 구비하며,12. The apparatus of claim 11, further comprising at least one current collector plate inserted transversely into the inner matrix of the external fuel cell,

상기 평판은 평판과 매트릭스 사이의 고온 절연물질에 의하거나 또는 평판과 매트릭스 사이의 갭에 의해 매트릭스로부터 전기적으로 절연되거나 고립되고,The plate is electrically insulated or isolated from the matrix by a high temperature insulating material between the plate and the matrix or by a gap between the plate and the matrix,

상기 평판은 상기 내부 연료셀을 수용하기 위한 개구, 및 상기 외부 연료셀의 내부 전극 층 및 내부 연료 셀의 외부 전극 층으로 반응물 유체의 관통 흐름을 가능하게 하는 천공(perforations)을 가지며, The plate has an opening for receiving the inner fuel cell, and perforations that enable a through flow of reactant fluid into the inner electrode layer of the outer fuel cell and the outer electrode layer of the inner fuel cell,

전류 컬렉터 평판은 외부 회로에 전기적으로 연결가능하며 적어도 하나의 탭에 전기적으로 연결가능한 연료셀 시스템.And a current collector plate is electrically connectable to external circuitry and electrically connectable to at least one tab.

제1항에 있어서, 비 개량(reform)된 연료 공급원에 유체적으로 결합하기 위한 연료 입구 및 상기 내부 및 외부 연료셀의 양극에 유체적으로 결합된 연료 출구를 가진 개량기 챔버를 더 구비하며,2. The apparatus of claim 1, further comprising an improver chamber having a fuel inlet for fluidly coupling to a reformed fuel source and a fuel outlet fluidly coupled to the anodes of the inner and outer fuel cells,

상기 개량기 챔버는 연료 셀 반응에 의해 생성된 열이 비 개량된 연료를 개량시키는 데 사용하도록, 연료 셀의 적어도 하나에 열적으로 결합된 연료셀 시스템. And the reformer chamber is thermally coupled to at least one of the fuel cells such that the heat generated by the fuel cell reaction is used to improve unimproved fuel.

제15항에 있어서, 상기 개량기 챔버는 2중벽 컵이며, 상기 연료 셀은 상기 컵의 공동(空洞, cavity)의 안쪽에 위치하는 연료셀 시스템.16. The fuel cell system of claim 15, wherein the reformer chamber is a double wall cup, and the fuel cell is located inside a cavity of the cup.

제15항에 있어서, 개량기 챔버 내측의 촉매체-코팅된 고체 상 다공성 매트릭스을 더 구비하는 연료셀 시스템.16. The fuel cell system of claim 15, further comprising a catalyst-coated solid phase porous matrix inside the reformer chamber.

제15항에 있어서, 상기 개량기 챔버는 상기 튜브의 반대측에 있는 연료 입구 및 출구, 상기 외부 연료셀 주위를 감는 개량기 튜브인 연료셀 시스템.16. The fuel cell system of claim 15, wherein the reformer chamber is a fuel inlet and outlet opposite the tube, and an enhancer tube wound around the external fuel cell.

제18항에 있어서, 상기 개량기 튜브는 상기 개량기 튜브의 내측을 따라 산재된 촉매성 물질을 포함하는 연료셀 시스템.19. The fuel cell system of claim 18, wherein the enhancer tube comprises a catalytic material interspersed along the inside of the improver tube.

제 1항에 있어서, 상기 내부 연료셀은, 상기 내부 연료셀 내부에 위치하며, 그 내부 전극 층에 전기적으로 결합되고, 그리고 제2 반응물 유체의 상기 전류 컬렉터를 관통하여 상기 내부 연료셀의 내부 전극 층으로 흐름을 가능하도록 충분한 다공도를 가진 다공성 전기 전도성 전류 컬렉터를 더 구비하는 연료셀 시스템 The inner electrode of claim 1, wherein the inner fuel cell is located within the inner fuel cell, electrically coupled to the inner electrode layer, and penetrates through the current collector of a second reactant fluid. A fuel cell system further comprising a porous electrically conductive current collector with sufficient porosity to enable flow into the layers.

(a)제1반응물 유체를 수용하도록 배치된 외부 전극 층, 제2반응물 유체를 수용하도록 배치된 내부 전극 층, 및 상기 전극 층 사이에 끼인 전해질 층을 구비하는 연료 셀로서, 적어도 하나의 환형 고체 산화 연료 셀;(a) a fuel cell having an outer electrode layer disposed to receive a first reactant fluid, an inner electrode layer disposed to receive a second reactant fluid, and an electrolyte layer sandwiched between the electrode layers, the fuel cell comprising at least one annular solid Oxidizing fuel cells;

(b)상기 연료 셀 내부에 위치하며, 상기 내부 전극 층에 전기적으로 결합하고, 제2반응물 유체가 상기 전류 컬렉터를 관통하고 상기 내부 전극 층으로 관통하여 흐르는 것을 가능하게 하는 충분한 다공성을 가진 다공성 전기 전도성 전류 컬렉터; 및(b) porous electricity having sufficient porosity located within the fuel cell and electrically coupled to the inner electrode layer and allowing a second reactant fluid to flow through the current collector and through the inner electrode layer Conductive current collector; And

(c)시스템 안쪽으로 상기 연료셀을 지지하는데 충분한 기계적 강도를 가지며, 제1반응물 유체가 상기 매트릭스를 관통하여 상기 외부 전극 층으로 흐름을 가능하게 할 정도의 충분한 다공도를 가지는 매트릭스로서, 상기 연료셀이 삽입되는 고체 상 다공성지지 매트릭스를 구비하는 연료셀 시스템.(c) a matrix having sufficient mechanical strength to support the fuel cell inside the system, and having a sufficient porosity to permit a first reactant fluid to flow through the matrix to the outer electrode layer, the fuel cell A fuel cell system having a solid phase porous support matrix inserted therein.

제22항에 있어서, 상기 전류 컬렉터는 상기 내부 전극 층의 표면적의 적어도 부분을 채우는 고체 상 다공성 매트릭스인 연료셀 시스템.23. The fuel cell system of claim 22, wherein the current collector is a solid phase porous matrix that fills at least a portion of the surface area of the inner electrode layer.

제22항에 있어서, 상기 전류 컬렉터 매트릭스는 고체 상 폼인 연료셀 시스템.23. The fuel cell system of claim 22, wherein the current collector matrix is a solid phase foam.

제 23항에 있어서, 상기 전류 컬렉터 폼은 다음과 같이 이루우지는 그룹으로 부터 하나 또는 그이상의 재료를 선택하여 만들어지는 연료셀:24. The fuel cell of claim 23, wherein the current collector form is made by selecting one or more materials from the group consisting of:

lanthanum strontium manganate, La_1-xSr_xCrO₃, La_1-xCa_xCrO₃, La_1-xMg_xCrO₃, LaCr(Mg)0₃, LaCa_1-xCr_-yO₃, La_1-xSr_xFeO ₃, (La_1-xSr_x)(Fe_1-yCo_y)O₃, stainless steel 316 and 316L, Ni-Yittria 안정화된 zirconia, Ni 및 도핑된 zirconia 시멘트, Ni 도핑된 -Ce0₂ 시멘트, Cu 도핑된-ceria cermet, silver-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트, silver-(Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트; silver-합금-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트; silver-합금- (Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트; silver 및 그 합금들, Inconel 강 및 모든 초경합금, ferritic 강, SiC, 및 MoSi₂.lanthanum strontium manganate, La _1-x Sr _x CrO ₃ , La _1-x Ca _x CrO ₃ , La _1-x Mg _x CrO ₃ , LaCr (Mg) 0 ₃ , LaCa _1-x Cr _-y O ₃ , La _{1 -x} Sr _x FeO ₃ , (La _1-x Sr _x ) (Fe _1-y Co _y ) O ₃ , stainless steel 316 and 316L, Ni-Yittria stabilized zirconia, Ni and doped zirconia cement, Ni doped- Ce0 ₂ cement, Cu doped-ceria cermet, silver- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide cement, silver- (Y-Ba-Cu-O) -oxide cement; silver-alloy- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide cement; silver-alloy- (Y-Ba-Cu-O) -oxide cement; silver and its alloys, Inconel steel and all cemented carbides, ferritic steels, SiC, and MoSi ₂ .

제 21항에 있어서, 상기 전류 컬렉터는 겹치는 금속, 전기적 전도성 세라믹 또는 시멘트 섬유질의 다발인 연료셀 시스템.22. The fuel cell system of claim 21, wherein the current collector is a bundle of overlapping metal, electrically conductive ceramic or cement fibre.

제21항에 있어서, 상기 전류 컬렉터는 금속, 전기적 전도성 세라믹 또는 시멘트 울의 묶음인 연료셀 시스템.22. The fuel cell system of claim 21, wherein the current collector is a bundle of metal, electrically conductive ceramic or cement wool.

제21항에 있어서, 상기 전류 컬렉터는 내부의 전극 층의 표면에 그 모서리가 부착된 복수개의 천공된 시트인 연료셀 시스템. 22. The fuel cell system of claim 21, wherein the current collector is a plurality of perforated sheets whose edges are attached to a surface of an electrode layer therein.

제21항에 있어서, 상기 전류 컬렉터는 연료셀 내부를 종축으로 관통하여 연장된 전기 전도성 로드 또는 와이어 및22. The method of claim 21, wherein the current collector is electrically conductive rod or wire extending longitudinally through the interior of the fuel cell and

컬렉터 전류 및 그 내부 전극 층 사이로 일반적으로 횡축 연장된 복수개의 전기 전도성 필라멘트로 구비되는 연료셀 시스템.A fuel cell system comprising a plurality of electrically conductive filaments generally transversely extending between a collector current and an inner electrode layer thereof.

제21항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류 컬렉터는 25에서 95% 사이의 다공도(porosity)를 가진 연료셀 시스템.29. The fuel cell system of claim 21, wherein the current collector has a porosity between 25 and 95%.

제29항에 있어서, 상기 전류 컬렉터는 40에서 95%사이의 다공도를 가진 연료셀 시스템30. The fuel cell system of claim 29, wherein the current collector has a porosity between 40 and 95%.

제30항에 있어서, 상기 전류 컬렉터는 약 60% 다공성을 가진 연료셀 시스템.31. The fuel cell system of claim 30, wherein the current collector has about 60% porosity.

제21항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류 컬렉터는 촉매제 물질로 코팅된 연료셀 시스템.29. The fuel cell system of any of claims 21-28, wherein the current collector is coated with a catalyst material.

제22항에 있어서, 상기 연료셀 내측으로 상기 전류 컬렉터에 삽입된 적어도 하나의 와이어 또는 전류 컬렉터 로드를 더 구비하며, 상기 로드 또는 와이어는 외부 호로에 전기적으로 연결가능한 적어도 하나의 단부를 가지는 연료셀 시스템.23. The fuel cell of claim 22, further comprising at least one wire or current collector rod inserted into the current collector inside the fuel cell, the rod or wire having at least one end electrically connectable to an external arc. system.

제22항에 있어서, 상기 전류 컬렉터 매트릭스는 상기 매트릭스를 관통하여 반응물의 흐름을 증진시키기 위한 적어도 하나의 긴 구멍을 포함하는 연료셀 시스템.23. The fuel cell system of claim 22, wherein the current collector matrix comprises at least one elongate hole for enhancing the flow of reactants through the matrix.

제21항에 있어서, 상기 지지 매트릭스는 고체 상 폼인 연료셀 시스템.22. The fuel cell system of claim 21, wherein the support matrix is a solid phase foam.

제 35항에 있어서, 상기 지지 폼은 전기적 또는 혼성적(전기적 및 이온적) 전도성 다공성 고체 상 물질로 만들어지며, 상기 내부 연료셀으 외부 전극 층 및 외부 연료 셀의 내부 전극 층에 전기적으로 결합된 연료셀 시스템.36. The fuel of claim 35, wherein the support foam is made of an electrically or hybrid (electrically and ionic) conductive porous solid phase material, the fuel electrically coupled to the inner fuel layer and the inner electrode layer of the outer fuel cell. Cell system.

제36항에 있어서, 상기 지지 폼은 다음 그룹으로부터 선택된 물질로 만들어지는 연료 셀:37. The fuel cell of claim 36, wherein the support foam is made of a material selected from the following group:

lanthanum strontium manganate, La_1-xSr_xCrO₃, La_1-xCa_xCrO₃, La_1-xMg_xCrO₃, LaCr(Mg)0₃, LaCa_1-xCr_-yO₃, La_1-xSr_xFeO ₃, (La_1-xSr_x)(Fe_1-yCo_y)O₃,lanthanum strontium manganate, La _1-x Sr _x CrO ₃ , La _1-x Ca _x CrO ₃ , La _1-x Mg _x CrO ₃ , LaCr (Mg) 0 ₃ , LaCa _1-x Cr _-y O ₃ , La _{1 -x} Sr _x FeO ₃ , (La _1-x Sr _x ) (Fe _1-y Co _y ) O ₃ ,

stainless steel 316 and 316L, Ni-Yittria 안정화된 zirconia, Ni 및 도핑된 zirconia 시멘트, Ni 도핑된 -Ce0₂ 시멘트, Cu 도핑된-ceria cermet, silver-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트, silver-(Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트; silver-합금-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트; silver-합금- (Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트; silver 및 그 합금들, Inconel 강 및 모든 초경합금, ferritic 강, SiC, 및 MoSi₂.stainless steel 316 and 316L, Ni-Yittria stabilized zirconia, Ni and doped zirconia cement, Ni doped -Ce0 ₂ cement, Cu doped -ceria cermet, silver- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide Cement, silver- (Y-Ba-Cu-O) -oxide cement; silver-alloy- (Bi-Sr-Ca-Cu-O) -oxide cement; silver-alloy- (Y-Ba-Cu-O) -oxide cement; silver and its alloys, Inconel steel and all cemented carbides, ferritic steels, SiC, and MoSi ₂ .

제1항에 있어서, 상기 매트릭스는 본질적으로 상기 외부 연료셀의 내부를 채우는 연료셀 시스템.The fuel cell system of claim 1, wherein the matrix essentially fills the interior of the external fuel cell.

제22항에 있어서, 상기 전류 컬렉터 매트릭스는 상기 연료셀의 내부를 본질적으로 채우는 연료셀 시스템.23. The fuel cell system of claim 22, wherein the current collector matrix essentially fills the interior of the fuel cell.