KR20080041679A - 휴대용 발전부를 위한 고체 산화물 연료 전지 적층체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휴대용 전원 시스템에서 사용하는 고체 산화물 연료 전지 모듈에 관한 것이다. 고체 산화물 연료 전지 모듈은 실질적으로 포위된 내부 공동을 형성하는 벽형 구조물을 갖는 하우징을 포함하며, 하우징은 외부 벽 표면 및 내부 벽 표면을 포함한다. 고체 산화물 연료 전지 모듈은 내부 공동과 유체 소통하도록 하우징의 외부 벽 표면으로부터 내부 벽 표면으로 벽형 표면을 통해 연장하는 구멍을 또한 포함한다. 3-층 고체 산화물 연료 전지가 하우징에 장착될 수 있고, 구멍을 실질적으로 덮도록 정렬될 수 있다.

고체 산화물 연료 전지 모듈, 하우징, 구멍, 3-층 고체 산화물 연료 전지, 내부 공동

Description

휴대용 발전부를 위한 고체 산화물 연료 전지 적층체{SOLID OXIDE FUEL CELL STACK FOR PORTABLE POWER GENERATION}

본 발명은 일반적으로 고체 산화물 연료 전지 적층체에 관한 것으로, 특히 표면-장착식 중간 온도 고체 산화물 연료 전지를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 적층체 구조에 관한 것이다.

고체 산화물 연료 전지(SOFC: solid oxide fuel cell)는 1 ㎾-이하의 출력 범위 내의 휴대용 전원을 제공하는 적절한 해결책으로서 추구되지 않았다. SOFC는 고온에서 동작하고, 통상 고정식 발전용에 적절한 것으로 여겨진다. 휴대용 전원 분야에서 SOFC를 사용하지 않은 하나의 이유는 수십 분의 단위로 측정될 수 있는 시간의 길이이며, 이것은 통상적으로 650 내지 900℃의 범위 내에 있을 수 있는 동작 온도까지 SOFC 시스템을 준비하는 데 걸린다. 반복된 열 사이클링(thermal cycling)으로부터 SOFC 내에서 일어날 수 있는 열화와 조합된 이러한 긴 시동 시간은 SOFC가 고정식 발전 분야 등의 정상-상태 동작 조건까지의 느린 가열이 용인되는 분야에 더 적절하게 한다.

휴대용 분야에서 SOFC를 사용하기 위해, 열 사이클링 열화에 높은 저항을 갖는 콤팩트한 적층체 구조가 개발되어야 한다. 세라믹 전극 지지식 설계를 기초로 하는 전형적인 SOFC는 요구되는 열 사이클링 내구성을 성취하기 위해 콤팩트한 적층체 구조를 위해 적절하지 않은 기하학적 형상을 요구할 수 있다.

금속-지지식 중간 온도 고체 산화물 연료 전지의 출현[브랜든 엔.(N. Brandon)등의 "500 내지 600℃에서의 동작을 위한 금속 지지식 고체 산화물 연료 전지의 개발", ASM 머티리얼즈 솔루션 컨퍼런스(ASM Materials Solution Conference), 2003년 10월 13일-15일, 미국 펜실베이니아주 피츠버그]은 콤팩트하고 열 사이클링 열화에 저항성인 적층체 구조를 가능케 한다. 1 ㎾-이하의 분야를 위해 적절한 적층체 구조가 본원에서 설명될 것이다.

본 발명은 휴대용 전원 시스템에서 사용하는 고체 산화물 연료 전지 모듈에 관한 것이다. 고체 산화물 연료 전지 모듈은 실질적으로 둘러싸인 내부 공동을 한정하는 벽형 구조물을 갖는 하우징을 포함하며, 하우징은 외부 벽 표면 및 내부 벽 표면을 포함한다. 고체 산화물 연료 전지 모듈은 내부 공동과 유체 소통하도록 하우징의 외부 벽 표면으로부터 내부 벽 표면으로 벽형 구조물을 통해 연장하는 구멍을 또한 포함한다. 3-층 고체 산화물 연료 전지가 하우징에 장착될 수 있고, 구멍을 실질적으로 덮도록 정렬될 수 있다.

본 발명은 도면을 참조하면 이해될 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지 적층체 내의 반복 유닛의 평면도이다.

도1A는 도1의 선 A-A를 따라 취해지는 부분 단면도이고, 도1의 반복 유닛을 도시하고 있다.

도1B는 도1의 선 B-B를 따라 취해지는 단면도이고, 도1의 반복 유닛을 도시하고 있다.

도1C는 본 발명의 또 다른 실시예의 선 B-B를 따라 취해지는 단면도이다.

도1D는 도1의 선 A-A를 따라 취해지는 단면도이고, 도1의 반복 유닛을 도시하고 있다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 금속 기판 상에 적층되는 고체 산화물 연료 전지의 하향 평면도이다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지를 지지하도록 구성되는 금속 기판의 상향 평면도이다.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 표면-장착식 고체 산화물 연료 전지를 지지하도록 구성되는 하우징의 평면도이다.

도4A는 선 A-A를 따른 도4의 하우징의 정사영 단면도이다.

도4B는 도4A의 하우징의 부분 B의 확대 단면도이다.

도5는 본 발명에 따른 연료 전지 적층체의 반복 유닛의 실시예의 평면도이다.

도5A는 도5의 선 A-A를 따른 단면도이다.

도6은 도5에 도시된 것과 같이 반복 유닛으로 구성되는 현수된 적층체의 사시도이다.

도7은 도6과 같은 현수된 고체 산화물 연료 전지 적층체를 사용하는 휴대용 발전 시스템의 개략도이다.

도1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적층체 반복 유닛(10)이 도시되어 있다. 적층체 반복 유닛(10)은 본원에서 설명되는 것과 같이 높은 비출력(specific power)을 발생시키고 급속한 열 사이클링을 견디도록 구성되는 표면-장착식 중간-온도 고체 산화물 연료 전지 적층체 구조를 위한 기초부를 형성한다. 적층체 반복 유닛(10)은 고체 산화물 연료 전지 모듈로서 또한 호칭될 수 있다.

적층체 반복 유닛(10)은 복수의 고체 산화물 연료 전지 조립체(SOFC) 조립체(14)를 지지하도록 구성되는 하우징(12)과 인접한 SOFC 조립체(14)와 커플링되고 인접한 SOFC 조립체(14)를 전기적으로 연결하는 전기 상호 연결부(16)를 포함할 수 있다. 각각의 SOFC 조립체(14)는 도1 및 도1A에 도시된 것과 같이 전기 상호 연결부(16)와의 전기 연결을 위해 커플링되는, 부착된 집전체(current collector)(18)를 포함한다. 각각의 SOFC 조립체(14)는 또한 고체 산화물 연료 전지를 위한 금속 지지부일 수 있는 집전체(22)를 포함한다.

하우징(12)은 벽형 구조물을 포함할 수 있다. 하우징(12)의 벽형 구조물은 내부 공동(26)을 형성할 수 있다. 하우징(12)의 벽형 구조물은 내부 표면(13) 및 외부 표면(15)을 포함할 수 있다.

도1에서, 하우징(12)은 연료 입구(20)를 통해 하우징(12)의 내부로 반응물 가스를 습기하고 배기물 출구(22)를 통해 사용된 반응물 가스를 배기하도록 구성될 수 있다. 하우징(12)은 도1A에 도시된 것과 같이 복수개의 구멍(24) 그리고 적어도 1개의 내부 공동(26)을 포함할 수 있다. SOFC 조립체(14)는 구멍(24)을 덮고 하우징(12)의 외부 표면의 일부와 중첩되도록 된 크기로 형성된다. 이 중첩은 아래에서 설명되는 것과 같이 하우징(12)에 SOFC 조립체(14)를 접합하는 데 적절할 수 있다. 하우징(12)은 도1B에 도시된 것과 같이 그 대향 측면들 상에 구멍(24)을 포함할 수 있다. SOFC 조립체(14)는 각각의 구멍(24)을 실질적으로 덮도록 위치될 수 있다.

하우징(12)은 당업계에서 공지되어 있는 상승된 온도에서의 산화 처리 후에 유전성 스케일을 형성하거나 적층되는 유전성 스케일을 갖는 금속 합금으로 제작될 수 있다. 예컨대, Fe-Cr-Al, 또는 알루크롬 Y(Aluchrom Y) 및 알루크롬 YHf 등의 상표명으로 구매 가능한 페클얼로이(fecralloy), 칸탈 합금, 18SR 스테인리스 강 그리고 산화에 의해 알루미나 스케일을 형성할 수 있는 다른 알루미늄 함유 합금이 하우징(12)을 위해 사용될 수 있다. 마찬가지로, 알루미나를 형성할 수 있거나 알루미나가 코팅될 수 있는 금속 합금, 또는 페라이트 스테인리스 강 등의 다른 유전성 재료, 그리고 적절한 열 팽창 계수를 갖는 니켈계 합금이 하우징(12)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 하우징(12)은 금속 합금으로 제작될 때에 얇은 시트 또는 포일로부터 형성될 수 있다. 하우징(12)의 유전성 스케일은 SOFC 조립체(14)들 사이의 전기 단락을 방지할 수 있다. 하우징(12)은 임의의 개수의 적절한 재료로 제작될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

하우징(12)은 세라믹 재료로 제작될 수 있다. 예컨대, 이트리아 안정화 지 르코니아 재료가 하우징(12)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 스트론튬-도핑식 바륨 티타네이트 세라믹이 또한 하우징(12)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 스트론튬-도핑식 바륨 티타네이트의 조성을 변화시키는 것이 SOFC 조립체(14)와 열 팽창 계수를 맞추는 데 사용될 수 있다. 하우징(12)은 유리-세라믹, 유전성 배리어 또는 스케일이 있거나 없는 금속 세라믹 조성물 재료로 또한 제작될 수 있다. 세라믹 재료 실시예의 하우징(12)에서, 적어도 1개의 내부 공동(26) 또는 반응물 가스 통로(도시되지 않음)에 의해 연결되는 복수개의 내부 공동이 공동(24)과의 소통을 통해 SOFC 조립체(14)에 반응물 가스를 공급하는 데 사용될 수 있다. 세라믹 실시예의 하우징(12)이 인접한 SOFC 조립체(14)들 사이의 단락을 고유하게 방지하는 전기 절연을 제공할 수 있다.

SOFC 조립체(14)는 도1A 및 도1B에 도시된 것과 같이 밀봉부(28)를 형성하기 위해 하우징(12)에 접합될 수 있다. 하우징(12)과 SOFC 조립체(14) 사이의 접합은 하우징(12)과 SOFC 조립체(14) 사이의 구멍(24)을 둘러싸는 중첩부에서 일어난다. 밀봉부(28)는 공동(26) 내부측의 반응물 가스가 하우징(12)의 외부측의 반응물 가스와 반응하는 것을 방지한다. 통상적으로, 동작 중, 수소를 함유하는 연료 가스가 공동(26) 내로 연료 입구(20)를 통해 유동한다. 공기 등의 산화 가스가 하우징(12)의 외부 표면 주위에서 유동한다. SOFC 조립체(14)는 이들의 이온 전도도 및 전자 전도도 때문에 제어식 전기-화학 반응이 일어날 수 있게 하고 전력이 이 제어식 반응으로부터 발생될 수 있게 한다. 직접적인 반응물 가스의 혼합이 시스템을 손상시킬 수 있는 연소 반응을 초래할 수 있다.

도1A는 적층체 반복 유닛(10)의 단면도를 도시하고 있다. SOFC 조립체(14)는 비-다공성 영역(32) 및 다공성 영역(34)을 갖는 금속 지지부(30)를 포함할 수 있다는 것이 도1A를 참조하면 이해될 것이다. SOFC 조립체(14)는 전극 층(36), 전해질 층(38) 및 전극 층(40)을 더 포함할 수 있다. SOFC 조립체(14)는 중간 온도 고체 산화물 연료 전지로서 문헌에서 공지되어 있는 고체 산화물 연료 전지 시스템의 분류에 속한다. 중간 온도 고체 산화물 연료 전지는 통상적으로 700℃ 이하의 온도에서 동작한다[브랜든 엔.(N. Brandon)등의 "500 내지 600℃에서의 동작을 위한 금속 지지식 고체 산화물 연료 전지의 개발", ASM 머티리얼즈 솔루션 컨퍼런스(ASM Materials Solution Conference), 2003년 10월 13일-15일, 미국 펜실베이니아주 피츠버그; 에이. 웨버 등, 전원 학회(J. Power Source), 볼륨 127, 273 (2004)].

금속 지지부(30)는 비-다공성 영역(32)이 다공성 영역(34)을 둘러싸도록 구성되는 임의의 적절한 합금일 수 있다. 비-다공성 영역(32)은 밀봉 재료를 사용하여 하우징(12)에 SOFC 조립체(14)를 접합 및 밀봉하기 위해 적절할 수 있다. 밀봉 재료의 예는 활성-금속 납땜, 반응성 산화물 성분을 갖는 금속 합금, 유리, 유리 세라믹 또는 당업계에서 공지되어 있는 다른 재료를 포함한다. 다공성 영역(34)은 화학적 식각, 레이저 드릴링, 전자 빔 드릴링, 와이어 전기-방전 기계 가공(EDM: electro-discharge machining) 그리고 당업계에서 공지되어 있는 다른 방법을 포함하는 임의의 개수의 방식으로 제조될 수 있다. 다공성 영역(34)은 내부 공동(26) 내의 반응물 가스가 전극 층(36)과 접촉하게 할 수 있고, 전기-화학 반응이 진행될 수 있다. 적절한 합금은 페라이트 스테인리스 강, 400 시리즈 스테인리스 강, 니켈계 초합금, 오스테나이트 강 그리고 크로미아 등의 전자 전도성 보호 스케일을 형성하는 다른 합금을 포함하지만 이들에 제한되지 않을 것이다. 적절한 2 성분 금속 재료(bimetallic material)가 또한 금속 지지부(30)로서 사용될 수 있다. 비-다공성 영역(32)에 의해 둘러싸인 다공성 영역(34)을 포함하는 금속 지지부(30)의 구조는 하우징(12)의 외부 표면으로의 SOFC 조립체(14)의 표면 장착을 가능케 한다.

전극 층(36)이 금속 지지부(30)의 다공성 영역(34) 상에 적층될 수 있다. 통상적으로, 전극 층(36)은 다공성 서멧 재료로 제작되는 애노드 전해질일 수 있다. 예컨대, 니켈, 구리, 루테늄 또는, 다른 금속 그리고 임의의 중간 온도 고체 산화물 전해질 시스템일 수 있는 전해질 재료가 사용될 수 있다. 또한, 애노드 시스템은 혼합된 전자/이온 전도성 재료로 제작될 수 있다. 예컨대, 소량의 금속 성분을 갖는 도핑된 티타네이트가 사용될 수 있다. 전극 층(36)은 캐소드 층일 수 있고 공동(26) 내의 반응물 가스는 산화 반응물일 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

고밀도의 전해질 층(38)이 전극 층(36) 상에 적층될 수 있으며, 그 결과 전해질이 전극 층(36)을 실질적으로 덮는다. 고밀도의 전해질 층(38)은 반응물 가스가 하우징(12)의 외부로 확산 및 누설될 임의의 가능한 경로를 폐쇄하기 위해 비-다공성 영역(32)과 어느 정도까지 중첩될 수 있다. 임의의 적절한 세라믹 적층 기술이 전해질 층(38)을 적층하는 데 사용될 수 있다. 통상적으로, 전해질 층(38)은 전기 이동 적층(electrophoretic deposition) 그리고 그에 후속하는 소고(consolidation) 및 소결(sintering)을 사용하여 적층될 수 있다. 전해질 층(38)은 희토류 도핑식 산화 세륨 그리고 바람직하게는 가돌리니아 도핑식 산화 세륨 재료일 수 있다. 다른 전해질 재료는 도핑된 란탄 갈레이트 재료 예컨대 마그네슘 및 스트론튬 도핑식 란탄 갈레이트의 계열을 포함하지만 이들에 제한되지 않을 것이다. 추가로, 박막 스칸듐 안정화 지르코니아가 전해질 층(38)으로서 사용될 수 있을 것이다. 통상적으로, 중간 온도 고체 산화물 전해질 시스템은 약 500 내지 700℃의 범위 내의 온도에서 바람직한 산소 이온 전도도를 달성할 수 있다.

전극 층(40)이 전해질 층(38) 상에 적층될 수 있다. 통상적으로, 전극 층(40)은 전해질 층(38) 및 전극 층(36)이 적층, 소성 또는 소결된 후에 적층된다. 전극 층(40)은 다공성 캐소드 전극일 수 있다. 다수개의 적절한 캐소드 시스템이 사용될 수 있다. 캐소드 시스템은 이온 및 전자의 양쪽 모두의 3-차원 침출(percolation)을 허용하는 미세 조직을 구비한 이온-전도성 상 및 전자-전도성 상을 갖는 복합 세라믹일 수 있을 것이다. 예컨대, 캐소드 전극 층(40)은 이온-전도성 상으로서의 가돌리니아-도핑식 산화 세륨 그리고 전자-전도성 상으로서의 도핑된 란탄 페라이트일 수 있다. 통상적으로, 이온-전도성 상은 전해질 시스템으로부터 유도될 수 있고, 전자-전도성 상은 양호한 전자 전도도와 산소 환원에 대한 양호한 활성을 갖는 임의의 적절한 무기 산화물일 수 있다. SOFC의 동작 온도 범위에서의 양호한 혼합된 이온 전자 전도체 재료가 전극으로서 단독으로 사용될 수 있으며, 그에 의해 이 층 내에서 이온-전도성 재료를 사용할 필요가 없다. 전극 층(40)은 애노드 전극일 수 있고 애노드에 공급된 반응물 가스는 수소 함유 연료일 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

집전체(18)는 반응물 연료가 요구되는 활성화 온도로 존재하는 SOFC 조립체(14)의 전기-화학 반응 중에 전극 층(40)으로 그리고 전극 층으로의 전자 흐름에 대한 낮은 저항 경로를 제공하도록 전극 층(40)에 부착될 수 있다. 전기 상호 연결부(16)가 하우징(12)의 외부 표면에 장착되는 인접한 SOFC 조립체(14)의 애노드와 캐소드 사이의 전기 링크를 형성할 수 있다. SOFC 조립체(14)의 표면-장착식 구성 때문에, 전기 상호 연결부(16)는 1개 이상의 SOFC 조립체(14)를 전기적으로 연결하기 위해 반응물 억제 배리어 또는 하우징 벽을 횡단할 필요가 없다.

도1A의 실시예에 따르면, SOFC 조립체(14)는 하우징(12)의 외부 표면에 장착된다. 위에서 언급된 것과 같이, 하우징(12)은 각각의 SOFC 조립체(14)에 전기 절연을 제공하는 적절한 유전성 스케일(42)을 가져야 한다. 유전성 스케일(42)은 SOFC 조립체(14)를 절연하여, 인접한 SOFC 조립체들 사이의 전류 경로만이 전기 상호 연결부(16)인 것을 보증한다. 전기 전도성이 아닌 하우징 예컨대 세라믹 하우징을 사용하는 본 발명의 실시예에서, 유전성 스케일(42)이 생략될 수 있다.

동작에서, 도1 및 도1A를 참조하면 이해되는 것과 같이, 반응물 가스 또는 수소 함유 연료가 연료 입구(20)를 통해 하우징(12) 내로 진입할 수 있고, 내부 공동(26), 구멍(24) 및 다공성 영역(34)을 통해 유동할 수 있으며, 그 결과 수소는 당업계에서 공지되어 있는 것과 같이 3중 지점 경계부(TPB: triple point boundary)에서 산소 이온과 반응할 수 있다. TPB 영역은 전극 층(36) 및 전해질 층(38)의 계면 근처에 있다. 통상적으로, 수소 함유 가스는 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질물이다. 산화제 또는 공기 가스 내의 산소는 산소 이온으로 전극 층(40)에서 환원되며, 그에 의해 집전체(18)에 의해 전달되는 전자를 픽업한다. 산소 이온은 TPB에서 수소와 반응하기 위해 전극 층(40) 및 전해질 층(38)을 통한 이온 전도 공정에 의해 운반될 수 있으며, 그에 의해 전자를 해제한다. 해제된 전자는 외부 부하를 갖는 회로를 완성하기 위해 예컨대 금속 지지부(30)로 전극 층(36)을 통해 그리고 그 다음에 다음의 SOFC 조립체(14)의 집전체(18)로 전기 상호 연결부(16)를 통해 이동한다. 애노드 층(36) 및 캐소드 층(40)을 역전시키는 것이 바람직할 수 있으며 이 경우에 하우징(12) 내부측 및 외부측에 존재하는 반응물 가스가 당업계에서 공지되어 있는 것과 같이 역전되어야 한다는 것이 이해될 것이다.

도1B는 더 낮은 제조 비용을 가져올 수 있는 하우징(12)의 대칭 설계를 도시하고 있다. 그러나, 다른 비-대칭 설계가 또한 본 발명의 범주 내에 있다. 집전체(18) 그리고 SOFC 조립체(14)의 세부 층은 도1B에서 도시를 간략화하기 위해 생략되었다. 내부 공동(26)은 공동 내의 반응물 가스가 하우징(12)의 대향 표면들 상에 장착되는 SOFC 조립체(14)와 유체 소통 상태에 있게 한다. 각각의 SOFC 조립체(14)는 반응물 가스가 SOFC 조립체(14)를 손상시킬 수 있는 방식으로 혼합되고 반응하는 것을 방지하는 밀봉부(28)를 형성하기 위해 하우징(12)에 접합될 수 있다. 하우징(12)의 평탄한 긴 박스형 구성은 일련의 SOFC 조립체(14)가 하우징(12) 의 대향 표면들 상에 장착될 수 있게 한다. 이것은 콤팩트한 크기를 갖고 다른 반복 유닛과 현수될 수 있는 적층체 반복 유닛(10)의 구성이 휴대용 발전 시스템의 전력 발생 부품이 되는 강력한 경량 적층체를 형성할 수 있게 한다. 내부 공동(26)은 완전히 비어 있을 수 있거나, 가스 재분포, 더 균일한 속도장(velocity field) 그리고 가스 정체 영역의 제거를 향상시키는 경량 구조를 포함할 수 있다.

도1D는 도1의 선 A-A를 따른 단면도를 도시하고 있고, 반복 유닛(10)의 완전한 전기 회로가 구성되는 방법을 표시하고 있다. 이 실시예에서, 연료 반응물은 반복 유닛의 내부 공동(26)을 통해 유동하고, 한편 공기 또는 산화제 가스는 반복 유닛에 대해 외부에서 유동한다. SOFC 조립체(14) 내에서의 전극의 역전 장착은 당업계에서 공지되어 있는 것과 같이 가스 유동 스트림의 역전을 요구할 것이다.

도1C는 본 발명에 따른 반복 유닛(110)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 반복 유닛(110)은 하우징(112), SOFC 조립체(114), 전기 상호 연결부(116), 집전체(118), 연료 입구(120), 배기물 출구(122), 구멍(124), 내부 공동(126), 밀봉부(128), 금속 지지부(130), 비-다공성 영역(132) 및 다공성 영역(134)을 포함한다. 다중의 SOFC 조립체(114), 다중의 연료 입구(120) 그리고 다중의 배기물 출구(122)가 본 발명의 범주 내에 있다는 것이 이해되어야 한다.

반복 유닛(110)은 하우징(112)의 내부 표면에 장착되는 SOFC 조립체(114)를 포함한다. 밀봉 재료는 금속 지지부(130)의 비-다공성 영역(132)과 하우징(112)의 내부 벽(115) 사이에 기밀 밀봉부(128)를 형성한다. 위에서 언급된 것과 같이, 하우징(112)은 SOFC 조립체(114)를 전기적으로 절연하는 유전성 스케일 또는 코 팅(112)을 포함할 수 있다. 하우징(112)은 유전성 스케일 또는 코팅을 요구하지 않는 전기 절연성 재료로 제작될 수 있다.

도2는 금속 지지부(30)에 의해 지지되고 그 상부 층으로서 관찰 가능한 전극(40)을 갖는 3-층 중간 온도 고체 산화물 연료 전지의 평면도를 도시하고 있다. 도2에서, 캐소드 전극 층(40)은 명확하게 관찰될 수 있다. 도3은 도2의 3-층 중간 온도 고체 산화물 연료 전지의 금속 지지부의 저면도를 도시하고 있다. 도3에 도시된 것과 같이, 금속 지지부(30)는 비-다공성 영역(32)에 의해 둘러싸인 다공성 영역(34)을 포함한다. 3-층 중간 온도 고체 산화물 연료 전지의 3개의 층은 도2에 도시된 캐소드 전극 층(40); 도시되지 않은 전해질 층; 그리고 도시되지 않은 애노드 전극 층이다. 3-층 전지의 모든 3개의 층은 금속 지지부(30)에 의해 지지된다. 3-층 구조물은 금속 지지부(30)의 다공성 영역(34)을 실질적으로 덮으며, 그에 의해 반응물 가스가 혼합되는 것을 방지한다.

도4는 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 적층체의 또 다른 실시예에 따른 하우징(212)을 도시하고 있다. 하우징(212)은 대칭 절반부 외피로 스탬핑되는 금속 합금의 2개의 얇은 시트로 형성될 수 있다. 대칭 절반부 외피는 하우징(212)을 형성하기 위해 함께 접합될 수 있다. 하우징(212)은 적어도 1개의 SOFC 조립체를 수용하도록 된 크기로 형성되는 길이를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 하우징(212)의 길이는 도1 및 도5에 도시된 것과 같이 그 길이를 따라 서로에 인접하게 위치되는 복수개의 SOFC 조립체를 수용하도록 된 크기로 형성된다. 하우징(212)은 그 폭 내에 적어도 1개의 SOFC 조립체를 수용하도록 된 크기로 형성되는 폭을 포함 할 수 있다. 하우징(212)은 그 폭을 따라 나란히 위치되는 복수개의 SOFC 조립체를 수용하도록 된 크기로 형성되는 폭을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 하우징(212)은 그 길이 및 폭에 비해 비교적 작은 두께를 포함할 수 있으며, 그에 의해 평탄한 박스형 구조를 형성한다. 하우징(212)은 가스 유동 및 분포 요건을 충족시키기 위해 1개 이상의 반응물 가스 입구(도시되지 않음) 그리고 1개 이상의 배기물 출구(도시되지 않음)를 가질 수 있다.

하우징(212)은 그 대향 측면들 상에 위치되는 복수개의 구멍(224)을 포함할 수 있다. 하우징(212)은 그 전방 측면 상의 제1 구멍 그리고 그 대향 후방 측면 상의 제2 구멍으로 쌍으로 정렬되는 구멍(224)을 갖도록 구성될 수 있다. 이 쌍 구성은 SOFC 조립체에 의해 덮인 비교적 큰 표면적을 갖는 콤팩트한 반복 유닛을 가능케 한다. 하우징(212)은 열 사이클링에 강력할 수 있고 많은 휴대용 발전 시스템 분야를 위해 충분한 출력 밀도를 제공할 수 있는 표면-장착식 적층체 구조를 가능케 한다.

하우징(212)은 그 코너에 위치되는 지지부(250)를 포함한다. 지지부(250)는 장착 구멍(252) 또는 프레임에 하우징을 부착하도록 구성되는 어떤 유사한 장착 구조물을 포함한다. 지지부(250) 및 장착 구멍(252)은 도6을 참조하여 아래에서 논의되는 것과 같이 프레임에 하우징(212)을 부착하는 데 사용될 수 있다. 임의의 적절한 장착 구조 예컨대 클램핑 부착부, 접합 부착부 또는 프레임과 하우징(212)을 커플링하는 체결구 부착부가 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도4에 도시된 것과 같이, 하우징(212)은 총 6개의 구멍(224)에 대해 측면당 3개의 구멍(224)을 포함한다. 구멍의 이 구성은 도6을 참조하여 아래에서 설명되는 것과 같이 SOFC 적층체 구조에서의 반복 유닛의 효율적인 패키징을 가능케 한다. 측면당 임의의 개수의 구멍이 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도4A는 도4의 선 A-A를 따라 취해지는 하우징(212)의 단면도를 도시하고 있다. 도4B는 도4A의 단면도의 일부의 확대도를 도시하고 있다. 도4B는 하우징(212)에 구조 강도를 제공하는 하우징(212) 내의 강화 굽힘부 또는 보강재(213)를 도시하고 있다. 다른 보강 구조물이 구조물의 변형 또는 와핑을 최소화하기 위해 하우징(212)의 평탄한 표면에 스탬핑, 엠보싱 또는 부착될 수 있다. 용접, 확산 접합, 마찰 용접, 납땜 그리고 당업계에서 공지되어 있는 다른 방법 등의 종래의 금속 공정이 하우징(212)의 절반부들을 접합하는 데 사용될 수 있다. 도4B는 하우징(212)을 용접, 납땜 또는 그렇지 않으면 밀봉하는 데 사용될 수 있는 중첩 플랜지(215)를 추가로 도시하고 있다. 하우징(212)은 2개의 스탬핑된 외피로 구성될 수 있다. 도시된 것과 같이, 하우징(212)은 구멍(224)과 유체 소통 상태에 있도록 그에 공급되는 반응물 가스를 제공하는 내부 공동(226)을 포함한다. 강화 굽힘부 또는 보강재(213)는 하우징(212)의 내부 공동 내에서의 가스 유동 재분포를 제공하도록 설계될 수 있다. 다른 재료 및 설계가 또한 가스 유동 분포에 영향을 미치는 데 사용될 수 있으며, 그 결과 속도장은 반복 유닛 폭을 횡단하여 의사-균일하거나 정체 영역이 실질적으로 없다. 이러한 재료 및 설계는 매우 높은 다공성의 세라믹 구조물, 유전성 코팅의 스케일을 갖는 주름형으로 확장된 금속, 유전성 코팅 또는 스케일을 갖는 와이어 메시(wire mesh) 또는 와이어 클로스(wire cloth) 또는 와이어 울(wire wool)을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다.

하우징(212)이 알루미나 형성 합금으로 제작될 때, 함께 하우징의 절반부들을 접합한 후, 하우징에는 접착성 알루미나 유전성 스케일을 유발하는 데 적절한 온도, 분위 및 시간으로 산화가 적용된다. 대체예에서, 절반부가 우선 접착성 알루미나 유전성 스케일을 유발하도록 산화될 수 있고, 그 다음에 산화물 표면 또는 유리 또는 유리-세라믹 재료에 접합되는 활성 금속 납땜 또는 금속 납땜을 사용하여 적절한 접합 공정에 의해 함께 접합될 수 있다. 하우징(212)이 비-알루미나 형성 합금으로 제작될 때, 유전성 코팅이 그 외부 표면에 가해질 수 있다.

도5에 도시된 구조는 본 발명의 실시예에 따른 적층체 반복 유닛(210)을 개략적으로 도시하고 있다. 도5는 도4를 참조하여 설명되는 것과 같은 하우징(212)의 평면도를 도시하고 있다. SOFC 조립체(214)는 하우징(212)에 접합될 수 있으며, 그에 의해 구멍(224)을 실질적으로 덮는다. SOFC 조립체(214)가 각각의 구멍(224) 위에 접합된 상태로, 하우징(212)은 그 내의 반응물 가스가 그로부터 외부로 누설되는 것을 방지하도록 밀봉될 수 있다.

도5A는 도5의 선 A-A를 따른 단면도를 도시하고 있고, 도1B를 참조하여 위에서 설명된 구조와 유사하다. 하우징(212)은 용접, 납땜, 확산 접합 등의 임의의 적절한 접합 공정에 의해 2개의 절반부들로부터 함께 접합될 수 있다. 하우징(212)은 그 표면 상에 유전성 스케일(242)을 유발 또는 적층하도록 산화 또는 그렇지 않으면 처리될 수 있다. SOFC 조립체(214)는 밀봉부(228)를 사용하여 하우 징(212)에 밀봉될 수 있다. 밀봉부(228)는 금속 납땜, 활성 금속 납땜, 유리, 유리 세라믹 또는 당업계에서 공지되어 있는 임의의 다른 밀봉 재료일 수 있다.

도6은 고체 산화물 연료 전지 적층체(270)를 도시하고 있다. 적층체(270)는 복수개의 적층체 반복 유닛(210)을 지지하도록 구성되는 프레임(272)을 포함한다. 프레임(272)은 임의의 적절한 재료일 수 있다. 예컨대, 프레임(272)은 스테인리스 강 또는 임의의 다른 적절한 금속 합금일 수 있다. 프레임(272)은 내충격성이고 기계적 충격, 요동(jolt) 또는 휴대용 발전 시스템으로의 다른 충격의 결과로서의 손상으로부터 적층체 반복 유닛(210)을 격리하도록 구성되는 것이 바람직할 수 있다. 추가로, 프레임(272)이 전기적으로 절연되는 것이 바람직할 수 있다. 도6에 도시된 것과 같이, 프레임(272)은 대체로 3-차원 직사각형의 평행 사변형 구조를 형성한다. 복수개의 반복 유닛(210)이 아래에서 설명되는 것과 같이 프레임(272)으로부터 현수될 수 있다. 스페이서(278)는 반복 유닛들 사이의 실질적으로 균일한 간격을 보증하기 위해 인접한 반복 유닛(210)들 사이에 개재되는 금속 또는 세라믹 와셔형 구조물일 수 있으며, 이것은 나중에 SOFC 조립체(214)의 외부 표면을 지나 유동하는 실질적으로 균일한 반응물 가스 분포를 제공하며 그에 의해 전기 화학 반응 및 냉각을 위해 SOFC 조립체(214)에 반응물 가스를 공급한다. 전기 절연성의 높은 다공성 재료가 필요에 따라 반응물 가스 유동 분포에 영향을 미치기 위해 인접한 반복 유닛들 사이에 위치될 수 있다.

프레임(272)은 적어도 1개의 현수 부재(274) 그리고 적어도 1개의 커플러 부재(276)를 포함한다. 현수 부재(274)는 휴대용 발전 시스템의 높은 온도의 섹션 내에 프레임(272) 그리고 복수개의 현수된 반복 유닛(210)을 고정하도록 구성될 수 있다. 현수 부재(274)는 반복 유닛(210)의 긴 치수를 넘어 연장할 수 있으며, 그에 의해 도7을 참조하여 아래에서 설명되는 것과 같이 휴대용 발전 시스템 내에서 SOFC 적층체(270)를 현수하는 구조를 제공한다.

도6에 도시된 것과 같이, 프레임(272)은 4개의 현수 부재(274)를 포함한다. 위에서 언급된 것과 같이, 프레임(272)은 반복 유닛(210)의 장착 구멍(252)에 프레임(272)을 부착하도록 구성되는 커플러 부재(276)를 더 포함한다. 한 쌍의 커플러 부재(276) 즉 반복 유닛(210)의 길이 치수의 각각의 단부에서의 커플러 부재는 반복 유닛(210)의 하우징(212)의 각각의 코너에 위치될 수 있는 장착 구멍(252)을 통과하는 로드형 루프 구조물의 형태를 취할 수 있다. 커플러 부재(276)는 임의의 적절한 접합 또는 부착 기구에 의해 현수 부재(272)에 부착될 수 있다. 커플러 부재는 다양한 체결구 그리고 다른 부착 수단을 포함하는 하우징(212) 상의 대응 구조물과 협력하도록 구성될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 스페이서(278)가 서로로부터 떨어지게 반복 유닛을 이격시키기 위해 인접한 반복 유닛(210)들 사이에서 사용될 수 있으며, 그에 의해 반응물 가스가 실질적으로 균일한 방식으로 하우징(212)을 지나 유동하게 한다.

도7은 낮은 열 질량의 적층체 구조를 기초로 하는 휴대용 발전기 시스템(300)을 개략적으로 도시하고 있다. 발전기 시스템(300)은 신속한 시동이 가능할 수 있고, 많은 휴대용 분야를 위해 충분한 전압 및 출력을 성취할 수 있다. 이 시스템은 연료 예컨대 부탄 또는 다른 탄화수소 연료를 H₂, CO, H₂O, CO₂ 그리고 공기 스트림으로부터의 질소를 주로 포함하는 개질물 가스 스트림으로 변환하기 위해 촉매 부분 산화(CPOX: catalytic partial oxidation) 공정을 기초로 할 수 있는 개질기(reformer)(302)를 포함한다. 발전기 시스템(300)은 SOFC 적층체(370)로부터 배기되는 잔류의 연소 가능한 가스의 연소를 용이하게 할 수 있는 촉매 버너(304)를 포함한다.

발전기 시스템(300)은 고온 구획부(306) 또는 높은 온도의 구획부 그리고 주변 온도 구획부(308)를 포함한다. 고온 구획부(306) 내에는 개질기(302), SOFC 전지 적층체(370), 촉매 버너(304) 그리고 1개 이상의 복열기(310)가 수납된다. 고온 구획부(306)는 그로부터의 열 손실을 방지하도록, 주변 온도 구획부(308)의 과열을 방지하도록 그리고 취급하기 용이하고 안전하게 하도록 열적으로 단열될 수 있다.

열 관리는 공기 예열 및 에너지 회수에 대해 높은 효율을 갖는 복열기(310)를 사용하여 성취될 수 있다. 추가로, 에어로젤(aerogel) 등의 극히-낮은 열 전도 절연재가 고온 구획부(306)를 단열하는 데 사용될 수 있다. 동작 중, 공정 가스는 열 지표(thermal signature)를 감소시키고 안전성을 개선시키기 위해 발전기 시스템(300)으로부터 배기되기 전에 주변 공기로 희석될 수 있다.

주변 온도 구획부(308)는 공기 처리 서브-시스템(314), 연료 제어부(316) 또는 선택 사항인 펌핑 서브-시스템(도시되지 않음), 재충전 가능한 배터리(320), 전 기 제어 및 배터리 충전을 위한 DC/DC 컨버터(322), 공정 제어기(324) 그리고 출력 조절 서브-시스템(326)을 포함한다.

공기 처리 서브-시스템(314)은 속도-제어식 공기 취입기(328)를 포함한다. 공기 취입기(328)는 희석 공기 이송물(330), 캐소드 공기 이송물(332) 및 개질기 공기 이송물(334)을 공급할 수 있다. 희석 공기 이송물(332)은 휴대용 전원 시스템의 열 지표를 경감시킬 수 있다. 캐소드 공기 이송물(332)은 연료 전지 적층체(370)의 캐소드측에 반응물 공기를 공급할 수 있다. 개질기 공급 이송물(334)은 CPOX 개질기(302) 내로 공기를 이송한다.

공기 취입기(328)는 주변 온도 챔버(308) 내에 위치될 수 있다. 희석 공기 이송물은 주변 공기 챔버(308)에서 유래할 수 있고, 복열기(310)로부터 배기되는 배기물과 혼합될 수 있고, 배기물을 희석 및 냉각할 수 있다. 마찬가지로, 캐소드 공기 이송물(332)은 주변 공기 온도 챔버(308)에서 유래할 수 있고, 연료 전지 적층체(370)의 캐소드측에 반응물 공기를 공급하기 전에 예열되도록 복열기(310)를 통해 진행할 수 있다. 유사한 방식으로, 개질기 공기 이송물은 주변 공기 챔버(308)에서 유래하고, 고온 챔버(306) 내의 개질기(302)에 공급된다.

부탄 연료 탱크(336)가 적층체(370)의 애노드측에 반응물 가스를 공급할 수 있다. 부탄은 적층체(370)에 반응물 가스 스트림을 제공하기 위해 그 높은 증기압으로 인해 자기-가압될 수 있다. 다른 종류의 연료는 개질기(302)에 연료를 제공하기 위해 속도-제어식 펌프(도시되지 않음)를 요구할 수 있다.

동작 중, 연료 전지 적층체(370)로부터 방출되는 임의의 잔류의 연소 가능한 가스가 촉매 버너(304) 내에서 연소될 수 있다.

발전기 시스템(300)을 위한 시동은 최대 약 100 C/분일 수 있는 적층체-가열 속도에 의해 제어될 수 있다. 가열은 CPOX 개질기(302) 또는 별도의 버너(도시되지 않음) 또는 전기 가열기(도시되지 않음)에 의해 제공될 수 있다. 재충전 가능한 배터리(320)가 부하(340)에 출력을 제공하는 데 그리고 공기 취입기(328) 및 시스템 제어기(324)에 초기 출력을 제공하는 데 사용될 수 있다.

출력 시스템(300)은 순간 출력을 위해 설계될 수 있다. 이러한 설계에서, 재충전 가능한 배터리(320)는 고온 챔버(306)를 가열하기 위해 그리고 공기 취입기(328) 및 시스템 제어기(324)를 구동시키기 위해 요구되는 출력뿐만 아니라 사용자에게 초기 출력을 제공하도록 된 크기로 형성될 수 있다. 시동 후, 적층체(370)로부터 취해지는 출력이 배터리(320)를 재충전할 수 있고, 공기 취입기(328), 시스템 제어기(324) 그리고 필요에 따라 시스템(300)의 다른 부품에 출력을 공급할 수 있다.

본 발명의 예시 실시예는 그 특정한 실시예 및 분야를 참조하여 도시 및 설명되었지만, 본원에서 설명된 것과 같은 본 발명에 대한 다수개의 변화, 변형 및 변경이 수행될 수 있으며 이들 중 어느 것도 본 발명의 사상 또는 범주로부터 벗어나지 않는다는 것이 당업자에게 명확할 것이다. 따라서, 모든 이러한 변화, 변형 및 변경은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로서 인정되어야 한다.

본 발명의 위의 설명은 그 특정한 실시예 및 분야를 참조하여 도시 및 설명되었지만, 이것은 도시 및 설명의 목적을 위해 제시되었고, 개시된 특정한 실시예 및 분야로 본 발명을 한정 또는 제한하고자 하지 않는다. 본원에서 설명된 것과 같은 본 발명에 대한 다수개의 변화, 변형 및 변경이 수행될 수 있으며 이들 중 어느 것도 본 발명의 사상 또는 범주로부터 벗어나지 않는다는 것이 당업자에게 명확할 것이다. 특정한 실시예 및 분야는 본 발명의 원리 그리고 그 실제 분야의 가장 좋은 설명을 제공하며 그에 의해 당업자가 다양한 실시예에서 그리고 고려된 특정한 용도에서 적합한 것과 같은 다양한 변형으로 본 발명을 이용할 수 있게 하기 위해 선택 및 설명되었다. 따라서, 모든 이러한 변화, 변형 및 변경은 정당하게, 합법적으로 그리고 공정하게 권리가 부여되는 폭에 따라 해석될 때에 첨부된 청구의 범위에 의해 결정되는 것과 같은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 인정되어야 한다.

Claims (28)

1. 실질적으로 둘러싸인 내부 공동을 형성하는 벽형 구조물을 포함하며, 외부 벽 표면 및 내부 벽 표면을 포함하는 하우징과,

   내부 공동과 유체 소통하도록 하우징의 외부 벽 표면으로부터 내부 벽 표면으로 벽형 구조물을 통해 연장하는 구멍과,

   하우징과 기밀 밀봉부를 형성하도록 하우징에 장착되고 구멍을 실질적으로 덮도록 정렬되는 3-층 고체 산화물 연료 전지를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
2. 제1항에 있어서, 3-층 고체 산화물 연료 전지는,

   금속 지지부 상에 적층되는 제1 전극 층과,

   제1 전극 층의 상부 상에 적층되는 전해질 층과,

   전해질 층의 상부 상에 적층되는 제2 전극 층을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
3. 제2항에 있어서, 제1 전극 층은 애노드 전극이고, 제2 전극 층은 캐소드 전극인 고체 산화물 연료 전지 모듈.
4. 제2항에 있어서, 제1 전극 층은 캐소드 전극이고, 제2 전극 층은 애노드인 고체 산화물 연료 전지 모듈.
5. 제2항에 있어서, 금속 지지부는 비-다공성 영역에 의해 경계가 형성되는 다공성 영역을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
6. 제5항에 있어서, 제1 전극 층, 전해질 층 및 제2 전극 층은 금속 지지부의 다공성 영역을 실질적으로 덮도록 된 치수로 형성되는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
7. 제1항에 있어서, 3-층 고체 산화물 연료 전지는 기밀 밀봉부를 형성하는 하우징의 외부 표면에 장착되고, 구멍을 실질적으로 덮도록 정렬되는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
8. 제7항에 있어서, 기밀 밀봉부는 유리 밀봉 재료를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
9. 제7항에 있어서, 기밀 밀봉부는 납땜 밀봉 재료를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
10. 제1항에 있어서, 3-층 고체 산화물 연료 전지는 기밀 밀봉부를 형성하도록 하우징의 내부 표면에 장착되고, 구멍을 실질적으로 덮도록 정렬되는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
11. 제10항에 있어서, 기밀 밀봉부는 유리 재료를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
12. 제10항에 있어서, 기밀 밀봉부는 납땜 밀봉 재료를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
13. 제6항에 있어서, 내부 공동과 유체 소통하도록 하우징의 외부 벽 표면으로부터 내부 벽 표면으로 벽형 구조물을 통해 연장하는 복수개의 구멍과,

    금속 지지부의 비-다공성 영역과 외부 벽 표면 사이에 실질적으로 가스 불투과성인 밀봉부를 형성하는 밀봉 재료에 의해 하우징에 접합되고, 각각의 복수개의 구멍과 각각 정렬되는 복수개의 3-층 고체 산화물 연료 전지를 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
14. 제13항에 있어서, 복수개의 3-층 고체 산화물 연료 전지 중 제1 3-층 고체 산화물 연료 전지의 제1 전극 층으로부터 복수개의 3-층 고체 산화물 연료 전지 중 제2 3-층 고체 산화물 연료 전지의 제2 전극 층으로의 전자 흐름 경로를 생성시키도록 구성되는 전기 상호 연결부를 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
15. 제14항에 있어서, 전기 상호 연결부는 하우징에 대해 실질적으로 외부에 있는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
16. 제15항에 있어서, 전기 상호 연결부는 복수개의 3-층 고체 산화물 연료 전지 중 제1 3-층 고체 산화물 연료 전지의 금속 지지부에 연결되고, 복수개의 3-층 고체 산화물 연료 전지 중 제2 3-층 고체 산화물 연료 전지에 부착되는 집전체에 연결되는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
17. 제1항에 있어서, 내부 공동과 유체 소통하도록 하우징의 외부 벽 표면으로부터 내부 벽 표면으로 벽형 구조물을 통해 연장하는 복수개의 구멍과,

    금속 지지부의 비-다공성 영역과 외부 벽 표면 사이에 실질적으로 가스 불투과성인 밀봉부를 형성하는 밀봉 재료에 의해 하우징에 접합되고, 각각의 복수개의 구멍과 각각 정렬되는 복수개의 3-층 고체 산화물 연료 전지를 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
18. 제17항에 있어서, 전기 상호 연결부는 하우징에 대해 실질적으로 외부에 있는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
19. 제18항에 있어서, 전기 상호 연결부는 복수개의 3-층 고체 산화물 연료 전지 중 제1 3-층 고체 산화물 연료 전지의 금속 지지부에 연결되고, 복수개의 3-층 고체 산화물 연료 전지 중 제2 3-층 고체 산화물 연료 전지에 부착되는 집전체에 연결되는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
20. 제17항에 있어서, 복수개의 3-층 고체 산화물 연료 전지 중 제1 3-층 고체 산화물 연료 전지의 제1 전극 층과 복수개의 3-층 고체 산화물 연료 전지 중 제2 3-층 고체 산화물 연료 전지의 제2 전극 층 사이에 전자 흐름 경로를 생성시키도록 구성되는 전기 상호 연결부를 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
21. 제1항에 있어서, 하우징의 긴 평탄-박스형 형상을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
22. 제21항에 있어서, 긴 평탄-박스형 형상은,

    적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지 조립체를 수용하도록 된 크기로 형성되는 폭과,

    내부 공동이 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지 조립체에 반응물 가스를 공급할 정도로 충분한 가스 투과성 공간을 갖도록 크기가 형성된 두께와,

    복수개의 나란한 고체 산화물 연료 전지 조립체를 수용하도록 크기가 형성된 길이를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈.
23. 적어도 1개의 고체 산화물 연료 전지 모듈과 커플링되도록 구성되는 프레임과,

    프레임과 커플링되는 고체 산화물 연료 전지 모듈을 포함하며,

    상기 고체 산화물 연료 전지 모듈은,

    반응물 가스 공동을 형성하고, 외부 표면, 및 프레임과 커플링되도록 구성되는 장착 구조물을 갖는 하우징과,

    하우징 내에 제공되고, 반응물 가스 공동 및 하우징의 외부 표면과 유체 소통하는 적어도 1개의 구멍과,

    하우징의 표면에 장착되고 구멍을 실질적으로 덮어서, 반응물 가스 공동을 밀봉하는 적어도 1개의 연료 전지 조립체를 포함하는, 연료 전지 적층체.
24. 제23항에 있어서, 프레임은,

    하우징에 프레임을 커플링하도록 구성된 하우징 커플러와,

    하우징 커플러에 부착되고 휴대용 발전 시스템 내에서 고체 산화물 연료 전지 적층체를 현수하도록 구성되는 적어도 1개의 현수 부재를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 적층체.
25. 제23항에 있어서, 적어도 1개의 연료 전지 조립체는,

    금속 지지부 상에 적층되는 제1 전극 층과,

    제1 전극 층의 상부 상에 배치되는 전해질 층과,

    전해질 층의 상부 상에 적층되는 제2 전극 층을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 적층체.
26. 제25항에 있어서, 금속 지지부는 비-다공성 영역에 의해 경계가 형성되는 다공성 영역을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 적층체.
27. 제25항에 있어서, 제1 전극 층, 전해질 층 및 제2 전극 층은 금속 지지부의 다공성 영역을 실질적으로 덮도록 치수가 형성된 고체 산화물 연료 전지 적층체.
28. 다공성 영역 및 비-다공성 영역을 갖는 금속 지지부와,

    금속 지지부 상에 적층되고, 애노드, 캐소드 및 전해질이 금속 지지부의 다공성 영역을 실질적으로 덮는 고체 산화물 연료 전지와,

    고체 산화물 연료 전지의 캐소드에 부착되는 집전체와,

    전자를 위한 전류 경로를 제공하도록 구성되는 집전체에 부착되는 전기 상호 연결부와,

    전류 흐름에 저항하도록 구성되는 절연 하우징을 포함하며,

    상기 절연 하우징은,

    금속 지지부의 다공성 영역과 대략 공동 경계를 이루도록 된 크기로 형성되는 적어도 1개의 개구를 포함하고,

    가스 유동을 전달하도록 구성되는 공동을 형성하고,

    금속 지지부의 비-다공성 영역은 절연 하우징에 접합되고, 금속 지지부의 다공성 영역은 가스 유동과 소통하는 연료 전지 적층체.

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