연료 전지 스택 또는 전기분해 전지 스택에서의 조합된 흐름 패턴{COMBINED FLOW PATTERNS IN A FUEL CELL STACK OR AN ELECTROLYSIS CELL STACK}

본 발명은 전지 스택, 특히 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide 연료 전지: SOFC) 스택 또는 고체 산화물 전기분해 전지(Solid Oxide Electrolysis Cell: SOEC) 스택에 관련되는데, 여기서 인접 전지들 간의 기체의 흐름 방향 뿐만 아니라 각 전지에서 내부적으로 애노드 기체에 대한 캐소드 기체의 흐름 방향은 스택의 다른 전지 층들을 통해 조합되어 있다. 또한 캐소드 기체 또는 애노드 기체 또는 둘다는 그것이 소모되기 전에 하나 보다 많은 전지를 통과할 수 있고 복수의 기체 스트림은 1차 전지를 통과한 후 및 2차 전지를 통과하기 전에 분할되거나 합병될 수 있다. 이들 조합은 전류 밀도를 증가시키는 역할을 하고 전지들과 전체 스택을 가로지르는 열 구배를 최소화하는 역할을 한다.

다음에서, 본 발명을 SOFC와 관련하여 설명한다. 따라서, SOFC에서 캐소드 기체는 산화 기체이고 애노드 기체는 연료 기체이다. 그러나, 본 발명은 또한 이미 언급한 바와 같은 SOEC와 같은 다른 유형의 전지들에 대해서도 사용될 수 있고 또는 중합체 전해질 연료 전지(Electrolyte Fuel Cells: PEM) 또는 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cells: DMFC)로도 사용될 수 있다.

SOFC는 산소-이온 전도 전해질, 산소가 환원되는 캐소드 및 수소가 산화되는 애노드를 포함한다. SOFC에서의 전체 반응은 수소 및 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기, 열 및 물을 생성하는 것이다. SOFC에 대한 작동 온도는 650 내지 1000℃, 바람직하게는 750 내지 850℃의 범위이다. SOFC는 정상적인 작동에서 대략 0.8V의 전압을 전달한다. 전체 전압 출력을 증가시키기 위해, 연료 전지들은 연료 전지들이 상호연결자 판을 통해 전기적으로 연결되는 스택으로 조립된 것과 같은 것이다.

필요한 수소를 생산하기 위해, 애노드는 보통 탄화수소의 스팀 개질을 위한 촉매 활성을 지니고, 이로써, 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소가 발생된다. 천연 가스의 주성분인 메탄의 스팀 개질은 다음 식으로 기술될 수 있다.

작동 동안에 공기와 같은 산화제는 캐소드 영역에서 고체 산화물 연료 전지로 공급된다. 수소와 같은 연료는 연료 전지의 애노드 영역에서 공급된다. 대안으로 메탄과 같은 탄화수소 연료는 애노드 영역에서 공급되는데 여기서 그것은 상기 반응에 의해 수소와 탄소 산화물로 변환된다. 수소는 다공질 애노드를 통과하고 캐소드 측 상에서 발생되고 전해질을 통해 전도된 산소 이온과 애노드/전해질 계면에서 반응한다. 전지의 외부 회로로부터 전자를 수용한 결과 산소 이온이 캐소드 측에서 만들어진다.

상호연결자는 인접 전지 유닛의 애노드 및 연료 측을 분리하는 역할을 하고 동시에 애노드와 캐소드 사이의 전류 전도를 가능하게 한다. 상호연결자는 보통 상호연결자의 한쪽에 연료 기체의 통과와 다른 쪽에 산화제 기체의 통과를 위해 복수의 채널을 구비하고 있다. 연료 기체의 흐름 방향은 전지 유닛의 연료 입구 부분으로부터 연료 출구 부분으로의 실질적인 방향으로서 정의된다. 마찬가지로, 캐소드 기체인 산화제 기체의 흐름 방향은 전지 유닛의 캐소드 입구 부분으로부터 캐소드 출구 부분으로의 실질적인 방향으로서 정의된다. 따라서, 내부적으로 전지는 연료 기체 흐름 방향이 캐소드 기체 흐름 방향과 실질적으로 같으면 동축류(동축류)를 가질 수 있고, 또는 연료 기체 흐름 방향이 캐소드 기체 흐름 방향과 실질적으로 수직이면 직교류(cross-flow)를 가질 수 있고, 또는 연료 기체 흐름 방향이 캐소드 기체 흐름 방향과 실질적으로 반대이면 향류(향류)를 가질 수 있다.

종래에는, 전지들은 서로의 위에 하나씩 완전한 중첩으로 쌓아 올려 예를 들어서 스택의 한쪽에 모든 연료와 산화제 입구를 가지며 반대쪽에 모든 연료와 산화제 출구를 갖는 동축류를 갖는 스택을 가져온다. 전기화학적 공정의 발열성으로 인해, 출구 기체들은 입구 온도보다 높은 온도에서 떠난다. 예를 들어서 750℃에서 작동하는 SOFC 스택으로 조합될 때 스택을 가로질러 상당한 온도 구배가 발생된다. 스택의 냉각을 위해 어느 정도 필요할지라도, 공기 냉각은 온도 구배에 비례하고, 큰 온도 구배는 크게 바람직하지 않은 스택에서의 열 응력을 유발하고 그것들은 전류 밀도와 전기 저항의 차이를 동반한다. 그러므로 SOFC 스택의 열 취급의 문제는 허용되지 않는 응력을 회피하기에 충분한 열 구배를 감소시키기 위해 존재하나, 상당히 큰 온도 구배 - 상기 기체들로 스택을 냉각시킬 수 있는 입구 기체 온도와 비교한 출구 온도 차이를 갖는다.

US 6,830,844는 연료 전지 어셈블리에서 열 취급을 위한 시스템을 기술하는데, 특히 캐소드를 가로지르는 공기류 방향을 주기적으로 역전시켜, 이로써 캐소드의 공급 및 배기 가장자리를 교대로 일어나게 함으로써 캐소드를 가로질러 200℃보다 위의 온도 구배를 방지하기 위한 것이다.

US 6,803,136은 전지들 사이의 부분적인 중첩을 가지므로 전지들의 전면적인 나선상 구조를 가져오는 연료 전지 스택을 기술한다. 전지들은 서로에 각을 이루어 중심을 벗어나는데(angularly offset) 이것은 매니폴드화(manifolding) 및 열 취급의 용이함을 제공한다.

본 발명의 목적은 연료 전지 스택, 특히 스택을 가로질러 개선된 열 취급을 갖는 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.

본 발명의 더 이상의 목적은 최신 기술의 SOFC 스택과 비교하여 감소된 전기 저항을 갖는 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 더욱 추가의 목적은 종래의 SOFC와 비교하여 스택에서 각 전지의 더 큰 부분에 걸쳐 더 큰 전력 출력을 갖는 SOFC 스택을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 더욱 추가의 목적은 연료 기체의 분할 또는 합병과 함께 또는 없이 1차 연료 전지 흐름 통과 후의 연료 흐름을 2차 연료 전지 흐름 통과로 재분산하는 것에 의해 달성된 종래의 SOFC스택과 비교하여 더 큰 최대 연료 이용 계수를 갖는 SOFC 스택을 제공하기 위한 것이다.

이들 목적 및 다른 목적들이 본 발명에 의해 해결된다.

본 발명자들은 US 6,803,136의 나선상 스택 시스템이 스택을 가로지르는 온도 구배를 감소시키는데 매우 효과적이지 않으며, 이것은 명백히 스택에서의 각 전지가 인접 전지들에 대하여 단지 약간만 회전되기 때문이라는 것을 발견하였다.

따라서, 본 발명자들은 서로에 평행한 평면들로 서로의 상단 위에 층들로 배치된 복수의 평탄한 전지들을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공하는데, 여기서 각 전지 유닛은 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함하고 인접 전지들의 애노드와 캐소드는 각 전지로 연료 기체와 산화제 기체의 통과를 위해 입구 부분과 출구 부분을 구비한 상호연결부에 의해 서로 분리되어 있고, 여기서 인접 전지들 간의 내부적으로 각 전지에서의 연료 및 산화제 기체의 동축류 및 향류 패턴의 조합이 제공되고 연료 및 캐소드 기체는 단지 1차 연료 전지만을 그것이 소모되기 전에 통해서 흐르거나 아니면 그것은 1차 전지를 통해 흐른 다음 2차 전지를 통해 그것이 소모되기 전에 흐를 수 있고; 하나 이상의 1차 전지들을 통과할 때 연료 및 캐소드 기체는 복수의 흐름 스트림을 단일 스트림으로 합병할 수도 있고 아니면 하나 내지 복수의 흐름 스트림을 분할한 후 스택에서 하나 이상의 2차 전지들로 계속되게 할 수 있다.

이와 관련하여, "조합(combination)"은 스택에서의 각 전지가 내부적으로 동축류, 향류 또는 직교류의 어떤 패턴도 가질 수 있으며, 스택에서의 각 전지가 인접 전지들에 대해 교대 순서로 배치되어 인접 전지들이 그것의 인접 전지들에 대해 동축류, 향류 또는 직교류를 경험하도록 할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 스택에서의 모든 전지들이 예를 들어서 내부적으로 연료와 캐소드 기체 사이에 동축류를 가질 수 있는 한편, 각 스택에서의 각 인접 전지가 교대 순서로 배치되어 전지가 그것의 인접 전지들에 대해 향류를 경험하도록 할 수 있다.

따라서, 본 발명은 SOFC 스택에서 넓은 범위의 흐름 패턴을 제공한다. 그 결과 스택을 가로지르는 개선된 열 취급이 얻어진다.

본 발명에 따르는, 인접 전지들 사이에서 각 전지에서 내부적으로 흐름 패턴의 조합과 또한 하나 이상의 전지들 사이의 단일 및 복수의 기체 흐름 통과의 조합 더하기 기체 흐름 스트림의 분할 및 합병의 조합은 완전한 스택을 가로질러 개개 전지를 가로질러 유리한 온도 프로파일 및 전류 출력 프로파일을 얻는 가능성을 제공한다. 따라서, 크고 비교적 뜨거운 영역으로부터 전류가 추출되기 때문에 낮은 면적 비저항(Area Specific Resistance: ASR)이 얻어지고, 동시에 높은 캐소드 기체 출구 온도를 보장함으로써 캐소드 기체로 효과적인 냉각이 얻어진다. 게다가 일부 조합된 흐름 패턴은 스택, CMR에서 내부적으로 연료 기체 흐름을 혼합함으로써 또는 대안으로 각 개개 전지의 압력 강하에 있어서의 변동을 연료 기체 측에 직렬로 연결된 2개 이상의 전지들로 분산시킴으로써 개선된 최대 연료 이용 계수를 제공한다.

최신 기술에서 알려진 바와 같이 연료 전지 스택에서 내부적으로 동축류, 향류 또는 직교류는 각각 다른 특징 및 이점을 갖는다. 교차류는 주어진 최대 스택 온도에서 동축류 및 향류 둘다 보다 더 작은 전류 밀도를 갖는데, 주로 동축류 및 향류가 전지들을 가로질러 온도 및 전류 출력을 더 양호하게 분포시키기 때문이다. 향류와 동축류를 비교할 때, 그것들은 각각 그것들의 이점을 갖는다. 동축류 스택보다 더 높은 정도로 향류 스택은 그것의 전류 출력을 갖는데 이때 그것은 비교적 뜨겁고 이것은 비교적 낮은 내부 저항(ASR-면적 비저항)을 의미하는 한편, 동축류 스택은 캐소드 기체 입구 온도와 비교하여 더 높은 캐소드 기체 출구 온도(△T)를 가지며 따라서 가장 효과적인 냉각을 갖고, 전류 출력을 크게 가지며 이때 그것은 비교적 차갑고, 더 큰 ASR을 의미한다.

설명한 대로 본 발명에 따르면, 다른 이점들이 스택에서 전지들에서 내부적으로 스택을 통해 일반적으로 흐름 패턴들을 조합함으로써 조합될 수 있다. 또한 기체 흐름 스트림의 1회 보다 많은 전지 통과 뿐만아니라 기체 흐름 스트림의 논의된 합병 또는 분할은 더 높은 연료 이용 계수의 추가의 이점을 제공한다. 따라서, 본 발명의 3가지 주 이점은 다음과 같이 정해질 수 있다:

이점 1: 더 뜨거운 지대에서 특히, 전지의 더 큰 부분으로부터의 전류 출력에 의한 전지들에서 내부적으로 감소된 전기 저항 (세라믹 도체에서 더 낮은 전기 저항 및 전극에서 더 낮은 분극 저항).

이점 2: 캐소드 입구 기체 온도와 비교한 높은 캐소드 출구 기체 온도 , △T, 이것은 스택이 캐소드 기체에 의해 냉각될 때 개선된 냉각을 제공한다.

이점 3: 1차 및 2차 기체 흐름 사이에 흐름 스트림의 분할 또는 합병을 가능하게 포함하는 하나 보다 많은 연료 전지 흐름 통과로의 연료의 재분산에 의해 더 높은 최대 연료 이용 계수 .

이들 이점은 종래에는 각각 다음 셋업들: 향류, 동축류 및 직렬 연결된 스택 중 하나에 관련되었다. 그러나 본 발명은 모든 세가지 이점들이 조합될 수 있는 해결책을 제공하며 향류의 이점은 최신 기술을 한층 능가하여 개선될 수 있다.

설명한 바와 같이, 본 발명은 스택에서 인접 전지들 사이에서 뿐만 아니라 각 전지에서 내부적으로 기체 흐름 스트림 합병, 분할 및 전지 통과 횟수와 또한 기체 흐름 방향 패턴(동축류, 직교류 및 향류)의 어떤 조합도 또한 제공한다. 다음에서 본 발명에 따르는 일련의 구체예들을 실시예들로 기술하고 그것들의 이점을 분석한다.

1. 서로의 상단 위에 층들로 배치된 복수의 연료 전지들 또는 전기분해 전지들을 포함하는 전지 스택으로서, 상기 전지들의 각각은 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함하며, 전지들의 각 층은 복수의 상호연결부에 의해 각 전지 사이에 하나씩으로 서로 나뉘어져 있고, 상호연결부는 인접 전지의 애노드 또는 캐소드 측에 면하는 각 측면 상에 기체 채널을 구비하며, 기체 채널은 상기 전지들의 입구 부분으로부터 출구 부분으로 이어지고, 각 전지의 애노드 측의 애노드 입구 부분으로부터 애노드 출구 부분으로의 실질적인 방향은 각 전지의 애노드 기체 흐름 방향을 한정하고, 각 전지의 캐소드 측의 캐소드 입구 부분으로부터 캐소드 출구 부분으로의 실질적인 방향은 각 전지의 캐소드 기체 흐름 방향을 한정하고, 스택에서의 각 전지는

?캐소드 기체 흐름 방향에 대한 애노드 기체 흐름 방향의 내부 동축류 또는

?캐소드 기체 흐름 방향에 대한 애노드 기체 흐름 방향의 내부 직교류 또는

?캐소드 기체 흐름 방향에 대한 애노드 기체 흐름 방향의 내부 향류 중 하나를 가지며,

상호연결부의 각 측면에서 인접 전지들의 계면(interfacing sides)은

?상호연결부 동축류

?상호연결부 직교류

?상호연결부 향류 중 하나로 배향되며,

여기서 스택을 이룬 전지들은 각 개개 전지 및 인접 전지들이 각 개개 전지에서 내부적으로 캐소드 기체 흐름 방향에 대한 애노드 기체 방향의 상기 내부 동축류, 내부 직교류 또는 내부 향류의 조합을 갖고 인접 전지들의 두 계면 사이에 상기 상호연결부 동축류, 상호연결부 직교류 또는 상호연결부 향류의 조합을 갖도록 배치된다.

2. 특징 1에 따르는 전지 스택으로서, 상기 전지들은 고체 산화물 연료 전지이다.

3. 특징 1에 따르는 전지 스택으로서, 상기 전지들은 고체 산화물 전기분해 전지이다.

4. 전술한 특징 중 어느 것에 따르는 전지 스택으로서, 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 한 세트의 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 애노드 출구 기체는 적어도 하나의 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 재분포되어, 이로써 1차 애노드 출구 기체는 제 2의 전지 흐름 통과를 수행한다.

5. 특징 1 내지 3 중 어느 것에 따르는 전지 스택으로서, 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 한 세트의 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 캐소드 출구 기체는 적어도 하나의 2차 전지의 캐소드 입구 부분으로 재분포되어, 이로써 1차 캐소드 출구 기체는 제 2의 전지 흐름 통과를 수행한다.

6. 특징 1 내지 3 중 어느 것에 따르는 전지 스택으로서, 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 한 세트의 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 애노드 출구 기체는 적어도 하나의 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 재분포되고 적어도 하나의 1차 전지의 캐소드 출구 기체는 적어도 하나의 2차 전지의 캐소드 입구 부분으로 재분포되어, 이로써 1차 애노드 출구 기체 및 1차 캐소드 출구 기체는 제 2의 전지 흐름 통과를 수행한다.

7. 특징 4 내지 6 중 어느 것에 따르는 전지 스택으로서, 모든 1차 전지들의 애노드 출구 기체가 수집되고, 혼합되며, 모든 2차 전지들의 애노드 입구 기체 부분으로 재분포되거나, 또는 모든 1차 전지들의 캐소드 출구 기체가 수집되고, 혼합되며, 모든 2차 전지들의 캐소드 입구 기체 부분으로 재분포되거나, 또는 둘다로서 모든 1차 전지들의 애노드 출구 기체가 수집되고, 혼합되며, 모든 2차 전지들의 애노드 입구 기체 부분으로 재분포되고 모든 1차 전지들의 캐소드 출구 기체가 수집되고, 혼합되며, 모든 2차 전지들의 캐소드 입구 기체 부분으로 재분포되어, 이로써 1차 애노드 출구 기체 또는 1차 캐소드 출구 기체 또는 1차 애노드 출구 기체와 1차 캐소드 출구 기체 둘다는 제 2의 전지 흐름 통과를 수행한다.

8. 특징 4 내지 6 중 어느 것에 따르는 전지 스택으로서, 각 1차 전지의 애노드 출구 기체가 적어도 하나의 인접 2차 전지의 애노드 입구 기체 부분으로 재분포되거나, 또는 각 1차 전지의 캐소드 출구 기체가 적어도 하나의 인접 2차 전지의 캐소드 입구 기체 부분으로 재분포되거나, 또는 둘다로서 각 1차 전지의 애노드 출구 기체가 적어도 하나의 인접 2차 전지의 애노드 입구 기체 부분으로 재분포되고 각 1차 전지의 캐소드 출구 기체가 적어도 하나의 인접 2차 전지의 캐소드 입구 기체 부분으로 재분포되어, 이로써 각 1차 전지의 1차 애노드 출구 기체 또는 1차 캐소드 출구 기체 또는 1차 애노드 출구 기체와 1차 캐소드 출구 기체 둘다는 적어도 하나의 인접 2차 전지에서 제 2의 전지 흐름 통과를 수행한다.

9. 특징 7 또는 8에 따르는 전지 스택으로서, 상기 적어도 하나의 1차 전지의 애노드 및 캐소드 기체 입구 및 출구 부분은 적어도 하나의 1차 전지가 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 애노드 기체 흐름 방향에 대해 제 2의 실질적으로 반대 방향으로 캐소드 기체 흐름을 갖도록 배향되어 상기 1차 전지가 내부적으로 향류를 가지며 상기 적어도 두개의 인접 2차 전지들이 상기 제 2 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 2 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 2개의 인접 2차 전지들이 내부적으로 동축류를 갖도록 되어 있다("I").

10. 특징 7 또는 8에 따르는 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 애노드 출구 기체는 적어도 하나의 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 향하여, 이로써 1차 애노드 출구 기체는 상기 2차 전지를 통해 제 2의 흐름 통과를 수행하고, 이로써 적어도 하나의 1차 전지가 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 애노드 기체 흐름 방향에 대해 제 2의 실질적으로 반대 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 1차 전지가 내부적으로 향류를 가지며 상기 적어도 하나의 2차 전지가 상기 제 2 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 2 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 2차 전지가 내부적으로 동축류를 갖도록 되어 있다("H").

11. 특징 1 내지 3의 어느 것에 따르는 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지는 제 2 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 애노드 기체 흐름 방향에 대해 제 1의 실질적으로 반대 방향으로 캐소드 기체를 가지므로 상기 1차 전지가 내부적으로 향류를 가지며 상기 적어도 하나의 인접 2차 전지가 상기 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 2차 전지가 내부적으로 동축류를 갖도록 되어 있다("C").

12. 특징 1 내지 3의 어느 것에 따르는 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지는 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 캐소드 기체를 가지므로 상기 1차 전지가 내부적으로 동축류를 가지며 상기 적어도 하나의 인접 2차 전지가 상기 제 1 방향에 실질적으로 반대인 제 2 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 2 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 2차 전지가 내부적으로 동축류를 갖도록 되어 있다("A").

13. 특징 1 내지 3의 어느 것에 따르는 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지는 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 캐소드 기체를 가지므로 상기 1차 전지가 내부적으로 동축류를 가지며 상기 적어도 하나의 인접 2차 전지가 상기 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향에 실질적으로 반대인 제 2 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 2차 전지가 내부적으로 향류를 갖도록 되어 있다("B").

14. 특징 7 또는 8에 따르는 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 두개의 1차 전지들의 애노드 출구 기체는 하나의 1차 애노드 출구 기체 흐름으로 합병되고 적어도 하나의 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 향하여, 이로써 1차 애노드 출구 기체는 상기 2차 전지를 통해 제 2의 흐름 통과를 수행하고, 적어도 두개의 1차 전지들이 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향에 실질적으로 반대인 제 2 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 1차 전지들이 내부적으로 향류를 가지며 상기 적어도 하나의 2차 전지가 상기 제 2 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 2 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 2차 전지가 내부적으로 동축류를 갖도록 되어 있다("J").

15. 특징 9 내지 14의 어느 것에 따르는 전지 스택으로서, 특징 9 내지 14의 어느 것에 따르는 전지 세트는 복수의 세트들을 조합하여 포함하는 스택으로 조합되어 있다.

16. 서로의 상단 위에 층들로 배치된 복수의 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택으로서, 상기 연료 전지들의 각각은 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함하며, 여기서 연료 전지들의 각 층은 복수의 상호연결부에 의해 각 연료 전지 사이에 하나씩으로 서로 나뉘어져 있고, 상호연결부는 하나의 연료 전지로부터 인접 전지(들)로의 전기적 접촉을 제공하며, 여기서 상기 상호연결부는 각 측면 상에 기체 채널, 상기 상호연결부의 한 측면 상에 애노드 기체 채널 그리고 상기 상호연결부의 다른 측면 상에 캐소드 기체 채널을 구비하며, 여기서 기체 채널은 상기 상호연결부의 입구 부분으로부터 출구 부분으로 이어지고, 각 상호연결부의 애노드 측의 애노드 입구 부분으로부터 애노드 출구 부분으로의 실질적인 방향은 각 상호연결부의 애노드 기체 흐름 방향을 한정하고, 각 상호연결부의 캐소드 측의 캐소드 입구 부분으로부터 캐소드 출구 부분으로의 실질적인 방향은 각 상호연결부의 캐소드 기체 흐름 방향을 한정하고, 여기서 스택에서의 각 연료 전지는

?캐소드 기체 흐름 방향에 대한 애노드 기체 흐름 방향의 동축류 또는

?캐소드 기체 흐름 방향에 대한 애노드 기체 흐름 방향의 직교류 또는

?캐소드 기체 흐름 방향에 대한 애노드 기체 흐름 방향의 향류 중 하나를 가지며,

여기서 인접 연료 전지들의 계면은

?동축류

?직교류

?향류 중 하나로 배향되며,

여기서 스택을 이룬 연료 전지들은 각 개개 전지 및 인접 전지들이 각 개개 전지에서 캐소드 기체 흐름 방향에 대한 애노드 기체 방향의 상기 동축류, 직교류 또는 향류의 조합을 갖고 인접 전지들의 두 계면 사이에 상기 동축류, 직교류 또는 향류의 조합을 갖도록 배치된다.

17. 특징 16에 따르는 연료 전지 스택으로서, 상기 연료 전지들은 평탄한 연료 전지이고 연료 전지들의 각 연속 층은 하나의 연료 전지의 애노드 측이 인접 연료 전지의 캐소드 측에 면하고 하나의 연료 전지의 캐소드 측이 인접 전지의 애노드 측에 면하도록 배치되고, 인접 연료 전지들의 계면인 애노드 및 캐소드 측면은

?캐소드 기체 흐름 방향에 대한 애노드 기체 흐름 방향의 동축류

?캐소드 기체 흐름 방향에 대한 애노드 기체 흐름 방향의 직교류

?캐소드 기체 흐름 방향에 대한 애노드 기체 흐름 방향의 향류 중 하나로 배향되며,

여기서 스택을 이룬 연료 전지들은 각 개개 전지 및 인접 전지들이 인접 전지들의 두 계면들 사이에서 각 개개 전지에서 캐소드 기체 흐름 방향에 대한 애노드 기체 방향의 상기 동축류, 직교류 또는 향류의 조합을 갖도록 배치된다.

18. 특징 16 또는 17에 따르는 연료 전지 스택으로서, 상기 연료 전지들은 고체 산화물 연료 전지이다.

19. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 한 세트의 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 애노드 출구 기체는 적어도 하나의 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 재분포되어, 이로써 1차 애노드 출구 기체는 제 2의 연료 전지 흐름 통과를 수행한다.

20. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 한 세트의 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 캐소드 출구 기체는 적어도 하나의 2차 전지의 캐소드 입구 부분으로 재분포되어, 이로써 1차 캐소드 출구 기체는 제 2의 연료 전지 흐름 통과를 수행한다.

21. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 한 세트의 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 애노드 출구 기체는 적어도 하나의 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 재분포되고 적어도 하나의 1차 전지의 캐소드 출구 기체는 적어도 하나의 2차 전지의 캐소드 입구 부분으로 재분포되어, 이로써 1차 애노드 출구 기체 및 1차 캐소드 출구 기체는 제 2의 연료 전지 흐름 통과를 수행한다.

22. 특징 19 내지 21 중 어느 것에 따르는 연료 전지 스택으로서, 모든 1차 전지들의 애노드 출구 기체가 수집되고, 혼합되며, 모든 2차 전지들의 애노드 입구 기체 부분으로 재분포되거나, 또는 모든 1차 전지들의 캐소드 출구 기체가 수집되고, 혼합되며, 모든 2차 전지들의 캐소드 입구 기체 부분으로 재분포되거나, 또는 둘다로서 모든 1차 전지들의 애노드 출구 기체가 수집되고, 혼합되며, 모든 2차 전지들의 애노드 입구 기체 부분으로 재분포되고 모든 1차 전지들의 캐소드 출구 기체가 수집되고, 혼합되며, 모든 2차 전지들의 캐소드 입구 기체 부분으로 재분포되어, 이로써 1차 애노드 출구 기체 또는 1차 캐소드 출구 기체 또는 1차 애노드 출구 기체와 1차 캐소드 출구 기체 둘다는 제 2의 연료 전지 흐름 통과를 수행한다.

23. 특징 19 내지 21 중 어느 것에 따르는 전지 스택으로서, 각 1차 전지의 애노드 출구 기체가 적어도 하나의 인접 2차 전지의 애노드 입구 기체 부분으로 재분포되거나, 또는 각 1차 전지의 캐소드 출구 기체가 적어도 하나의 인접 2차 전지의 캐소드 입구 기체 부분으로 재분포되거나, 또는 둘다로서 각 1차 전지의 애노드 출구 기체가 적어도 하나의 인접 2차 전지의 애노드 입구 기체 부분으로 재분포되고 각 1차 전지의 캐소드 출구 기체가 적어도 하나의 인접 2차 전지의 캐소드 입구 기체 부분으로 재분포되어, 이로써 각 1차 연료 전지의 1차 애노드 출구 기체 또는 1차 캐소드 출구 기체 또는 1차 애노드 출구 기체와 1차 캐소드 출구 기체 둘다는 적어도 하나의 인접 2차 연료 전지에서 제 2의 연료 전지 흐름 통과를 수행한다.

24. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 애노드 출구 기체는 적어도 하나의 인접 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 재분포되어, 이로써 1차 애노드 출구 기체는 제 2의 연료 전지 흐름 통과를 수행한다.

25. 특징 24에 따르는 연료 전지 스택으로서, 적어도 하나의 1차 전지의 애노드 출구 기체는 분할되고 적어도 두개의 인접 2차 전지들의 애노드 입구 부분으로 재분포된다.

26. 특징 24에 따르는 연료 전지 스택으로서, 적어도 두개의 1차 전지들의 애노드 출구 기체는 합병되고 적어도 하나의 인접 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 재분포된다.

27. 전술한 특징 중 어느 것에 따르는 연료 전지 스택으로서, 적어도 한 세트의 1차 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 캐소드 출구 기체는 적어도 하나의 인접 2차 전지의 캐소드 입구 부분으로 재분포되어, 이로써 1차 캐소드 출구 기체는 제 2의 연료 전지 흐름 통과를 수행한다.

28. 특징 27에 따르는 연료 전지 스택으로서, 적어도 하나의 1차 전지의 캐소드 출구 기체는 분할되고 적어도 두개의 인접 2차 전지들의 캐소드 입구 부분으로 재분포된다.

29. 특징 27에 따르는 연료 전지 스택으로서, 적어도 두개의 1차 전지들의 캐소드 출구 기체는 합병되고 적어도 하나의 인접 2차 전지의 캐소드 입구 부분으로 재분포된다.

30. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 애노드 출구 기체는 두개의 1차 애노드 출구 기체 흐름으로 분할되고 상기 적어도 하나의 1차 전지의 각 측면에 배치된 적어도 두개의 인접 2차 전지들의 애노드 입구 부분으로 향하여, 이로써 1차 애노드 출구 기체는 상기 2차 연료 전지들을 통해 제 2의 흐름 통과를 수행한다.

31. 특징 30에 따르는 연료 전지 스택으로서, 상기 적어도 하나의 1차 연료 전지의 애노드 및 캐소드 기체 입구 및 출구 부분은 적어도 하나의 1차 연료 전지가 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 애노드 기체 흐름 방향에 대해 제 2의 실질적으로 반대 방향으로 캐소드 기체 흐름을 갖도록 배향되어 상기 1차 연료 전지가 내부적으로 향류를 가지며 상기 적어도 두개의 인접 2차 연료 전지들이 상기 제 2 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 2 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 2개의 인접 2차 연료 전지들이 내부적으로 동축류를 갖도록 되어 있다("I").

32. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 애노드 출구 기체는 적어도 하나의 인접 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 향하여, 이로써 1차 애노드 출구 기체는 상기 2차 연료 전지를 통해 제 2의 흐름 통과를 수행하고, 이로써 적어도 하나의 1차 연료 전지가 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 애노드 기체 흐름 방향에 대해 제 2의 실질적으로 반대 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 1차 연료 전지가 내부적으로 향류를 가지며 상기 적어도 하나의 인접 2차 연료 전지가 상기 제 2 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 2 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 2차 연료 전지가 내부적으로 동축� ��를 갖도록 되어 있다("H").

33. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 연료 전지는 제 2 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 애노드 기체 흐름 방향에 대해 제 1의 실질적으로 반대 방향으로 캐소드 기체를 가지므로 상기 1차 연료 전지가 내부적으로 향류를 가지며 상기 적어도 하나의 인접 2차 연료 전지가 상기 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 2차 연료 전지가 내부적으로 동축류를 갖도록 되어 있다("C").

34. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 연료 전지는 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 캐소드 기체를 가지므로 상기 1차 연료 전지가 내부적으로 동축류를 가지며 상기 적어도 하나의 인접 2차 연료 전지가 상기 제 1 방향에 실질적으로 반대인 제 2 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 2 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 2차 연료 전지가 내부적으로 동축류를 갖도록 되어 있다("A").

35. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 연료 전지는 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 캐소드 기체를 가지므로 상기 1차 전지가 내부적으로 동축류를 가지며 상기 적어도 하나의 인접 2차 전지가 상기 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향에 실질적으로 반대인 제 2 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 2차 전지가 내부적으로 향류를 갖도록 되어 있다("B").

36. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 애노드 출구 기체는 적어도 하나의 인접 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 향하여, 이로써 1차 애노드 출구 기체는 상기 2차 연료 전지를 통해 제 2의 흐름 통과를 수행하고, 이로써 적어도 하나의 1차 연료 전지가 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 1차 연료 전지가 내부적으로 동축류를 가지며 상기 적어도 하나의 인접 2차 연료 전지가 상기 제 1 방향에 대해 제 2의 실질적으로 반대 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 2차 연료 전지가 내부적으로 향류를 갖� �록 되어 있다("D").

37. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 1차 전지의 애노드 출구 기체는 적어도 하나의 인접 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 향하고 상기 1차 전지의 캐소드 출구 기체는 상기 2차 전지의 캐소드 입구로 향하여, 이로써 1차 애노드 및 캐소드 출구 기체는 상기 2차 연료 전지를 통해 제 2의 흐름 통과를 수행하고, 이로써 적어도 하나의 1차 연료 전지가 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 1차 연료 전지가 내부적으로 동축류를 가지며 상기 적어도 하나의 인접 2차 연료 전지가 상기 제 1 방향에 대해 제 2의 실질적으로 반대 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 2 방향으로 캐� �드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 2차 연료 전지가 내부적으로 동축류를 갖도록 되어 있다("E").

38. 특징 30에 따르는 연료 전지 스택으로서, 상기 적어도 하나의 1차 연료 전지의 애노드 및 캐소드 기체 입구 및 출구 부분은 적어도 하나의 1차 연료 전지가 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 캐소드 기체 흐름을 갖도록 배향되어 상기 1차 연료 전지가 내부적으로 향류를 가지며 상기 적어도 두개의 인접 2차 연료 전지들이 상기 제 1 방향에 실질적으로 반대인 제 2 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 2개의 인접 2차 연료 전지들이 내부적으로 향류를 갖도록 되어 있다("F").

39. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 두개의 1차 전지들의 애노드 출구 기체는 하나의 1차 애노드 출구 기체 흐름으로 합병되고 상기 적어도 두개의 1차 전지들 사이에 배치된 적어도 하나의 인접 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 향하여, 이로써 1차 애노드 출구 기체는 상기 2차 연료 전지를 통해 제 2의 흐름 통과를 수행하고 적어도 두개의 1차 연료 전지들이 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 1차 연료 전지들이 내부적으로 동축류를 가지며 상기 적어도 하나의 인접 2차 연료 전지가 상기 제 1 방향에 실질적으로 반대인 제 2 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향으로 � �소드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 인접 2차 연료 전지가 내부적으로 향류를 갖도록 되어 있다("G")

40. 특징 16 또는 17 또는 18에 따르는 연료 전지 스택으로서, 상기 스택은 적어도 한 세트의 1차 전지들 및 인접 2차 전지들을 포함하며, 여기서 적어도 두개의 1차 전지들의 애노드 출구 기체는 하나의 1차 애노드 출구 기체 흐름으로 합병되고 상기 적어도 두개의 1차 전지들 사이에 배치된 적어도 하나의 인접 2차 전지의 애노드 입구 부분으로 향하여, 이로써 1차 애노드 출구 기체는 상기 2차 연료 전지를 통해 제 2의 흐름 통과를 수행하고, 적어도 두개의 1차 연료 전지들이 제 1 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 1 방향에 실질적으로 반대인 제 2 방향으로 캐소드 기체 흐름을 가지므로 상기 1차 연료 전지들이 내부적으로 향류를 가지며 상기 적어도 하나의 인접 2차 연료 전지가 상기 제 2 방향으로 애노드 기체 흐름을 갖고 상기 제 2 방향으로 캐� ��드 기체 흐름을 가지므로 상기 적어도 하나의 인접 2차 연료 전지가 내부적으로 동축류를 갖도록 되어 있다("J").

41. 특징 30 내지 40 중 어느 것에 따르는 연료 전지 스택으로서, 특징 30 내지 40의 어느 것에 따르는 연료 전지 세트는 복수의 세트들을 조합하여 포함하는 스택으로 조합되어 있다.

본 발명을 첨부 도면을 참고하여 이하에 더욱 상세히 기술한다.
도 1은 최신 기술의 내부 동축류 연료 전지의 반복 요소의 기체 흐름 원리를 나타내는 개략도이다.
도 2는 최신 기술의 내부 향류 연료 전지의 반복 요소의 기체 흐름 원리를 나타내는 개략도이다.
도 3 내지 도 12는 본 발명에 따르는 다른 흐름 패턴 조합들, 조합 "A" 내지 "D" 및 "F" 내지 "J"의 반복 요소를 나타낸다.
도 13은 원료로서 천연 가스를 갖고 흐름 패턴 조합 "A" 내지 "D" 및 "F" 내지 "J"를 갖는 스택들에서 전지당 전력 출력을 나타낸다.
도 14는 원료로서 수소 가스를 갖고 흐름 패턴 조합 "A" 내지 "D" 및 "F" 내지 "J"를 갖는 스택들에서 전지당 전력 출력을 나타낸다.
도 15는 원료로서 천연 가스를 갖고 흐름 패턴 조합 "A" 내지 "D" 및 "F" 내지 "J"를 갖는 스택들에서 ASR을 나타낸다.
도 16은 원료로서 수소 가스를 갖고 흐름 패턴 조합 "A" 내지 "D" 및 "F" 내지 "J"를 갖는 스택들에서 ASR을 나타낸다.
도 17은 원료로서 천연 가스를 갖고 흐름 패턴 조합 "A" 내지 "D" 및 "F" 내지 "J"를 갖는 스택들에서 캐소드 기체에 대한 △T(캐소드 기체 출구 온도 마이너스 캐소드 기체 입구 온도)를 나타낸다.
도 18은 원료로서 수소 가스를 갖고 흐름 패턴 조합 "A" 내지 "D" 및 "F" 내지 "J"를 갖는 스택들에서 캐소드 기체에 대한 △T를 나타낸다.
도 19는 원료로서 천연 가스를 갖고 흐름 패턴 조합 "A" 내지 "D" 및 "F" 내지 "J"를 갖는 스택들에서 평균 전지 전압을 나타낸다.
도 20은 원료로서 수소 가스를 갖고 흐름 패턴 조합 "A" 내지 "D" 및 "F" 내지 "J"를 갖는 스택들에서 평균 전지 전압을 나타낸다.
도 21은 연료로서 천연 가스를 갖는 종래의 동축류 및 종래의 향류 전지 스택과 비교한 흐름 패턴 조합 "C"에 대한 흐름 방향에 따르는 전지 온도를 나타낸다.
도 22는 연료로서 천연 가스를 갖는 종래의 동축류 및 종래의 향류 전지 스택과 비교한 흐름 패턴 조합 "C"에 대한 흐름 방향에 따르는 전류 밀도를 나타낸다.
도 23은 연료로서 천연 가스를 갖는 종래의 동축류 및 종래의 향류 전지 스택과 비교한 흐름 패턴 조합 "H"에 대한 흐름 방향에 따르는 전지 온도를 나타낸다.
도 24는 연료로서 천연 가스를 갖는 종래의 동축류 및 종래의 향류 전지 스택과 비교한 흐름 패턴 조합 "H"에 대한 흐름 방향에 따르는 전류 밀도를 나타낸다.
도 25는 연료로서 천연 가스를 갖는 종래의 동축류 및 종래의 향류 전지 스택과 비교한 흐름 패턴 조합 "I"에 대한 흐름 방향에 따르는 전지 온도를 나타낸다.
도 26은 연료로서 천연 가스를 갖는 종래의 동축류 및 종래의 향류 전지 스택과 비교한 흐름 패턴 조합 "I"에 대한 흐름 방향에 따르는 전류 밀도를 나타낸다.
도 27은 두개의 1차 및 두개의 2차 연료 전지들을 갖는 CMR (Collect, Mix, Redistribute)(수집, 혼합, 재분포)의 원리 도면을 나타낸다.
도 28은 두개의 1차 및 두개의 2차 전지들의 애노드 측의 직렬 연결의 원리 도면을 나타낸다.

다음에서, 일련의 조합된 흐름 패턴들, 즉, 기체 흐름의 합병 또는 분할과 함께 또는 없이 스택으로부터 기체의 배기 전에 단지 단일 전지 또는 복수의 직렬 연결된 전지들을 통한 캐소드 기체 및 애노드 기체 흐름 통과들의 조합 뿐만 아니라 조합된 전지 내부 흐름 패턴, 스택에서 인접 전지들 사이의 교류 흐름 패턴들이 제공된다. 패턴 "A" 내지 "J"의 본 발명의 이하의 구체예들이 많을지라도, 그것들은 무한하다. 독립 청구항 1에 따르는 본 발명은 흐름 패턴의 넓은 범위의 조합을 망라하고 구체예의 다음의 예들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다.

도 1 및 도 2는 연료 전지의 두가지 종래의 기체 흐름 원리를 나타낸다. 즉, 캐소드 기체, 예를 들어서, 공기는 연속선 화살표로 나타내고 애노드 기체, 예를 들어서 천연 가스 및 수소 기체는 점선 화살표로 나타낸다. 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함하는 연료 전지는 실선으로 나타낸다. 이들 원리 도면에서 보는 바와 같이, 애노드 기체 및 캐소드 기체는 연료 전지의 반대 쪽에서 흐른다. 애노드 및 캐소드 기체 입구는 본 발명의 필수적인 부분은 아니므로 나타내지 않았다. 중요한 것은 캐소드 기체에 대한 애노드 기체의 실질적인 흐름 방향이다. 실질적인 흐름 방향은 입구 부분으로부터 출구 부분으로의 실질적인 방향으로서 정의된다. 이와 관련하여 "실질적인"이라는 용어를 사용할 때 입구 부분 및 출구 부분은 반드시 단일 지점이 아니며, 예를 들어서 측 매니폴드화를 사용할 때 어떠한 크기를 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러므로 흐름 방향은 한 지점에서 다른 지점으로 항상 정확히 정의될 수는 없으나, 오히려 입구 및 출구 부분 내에서 입구의 평균 중앙 지점 및 출구의 평균 중앙 지점으로부터 "실질적인" 방향으로서 정의될 수 있다. 여전히 "실질적인" 흐름 방향은 애노드 기체 및 캐소드 기체가, 본 발명을 정의하기에 실질적인 동축류, 향류 또는 직교류의 개념들에 대응하는, 전체적인 같은 방향으로 흐르는지, 반대 방향으로 흐르는지 또는 수직 방향으로 흐르는지 결정하기에 충분히 정확히 정의된다. 따라서 도 1은 종래의 동축류 연료 전지를 나타내는 한편 도 2는 종래의 향류 연료 전지를 나타내며, 각각 이미 설명한 바와 같은 고유의 특징 및 이점을 갖는다.

복수의 연료 전지들을 스택으로 조립할 때, 각 연료 전지는 (특히) 한 전지의 애노드 흐름 기체를 그것의 인접 전지의 캐소드 흐름 기체로부터 분리하는 역할을 하는 상호연결부에 의해 분리된다. 종래의 연료 전지 스택에서와 같이, 도 1에 나타낸 바와 같은 복수의 동축류 전지들을 쌓아올리는 것은 각 전지에서 내부적으로 동축류 및 상호연결부의 각 측면 상의 인접 전지들의 동축류(이후 상호연결부 동축류라고 부름)를 갖는 스택을 가져온다. 대응하여, 도 2에 따르는 복수의 향류 전지들을 쌓아올릴 때 그것은 내부 전지 향류 및 상호연결부 향류를 갖는 스택을 가져온다.

도 3 내지 도 12는 모두 본 발명의 다른 구체예들을 나타내며, 여기서 기체 스트림의 동축류와 향류와 또한 복수의 기체 흐름 통과(재분포), 합병 및 분할이 조합되어 있다. 도 3에서 1차 전지와 2차 인접 전지가 상호연결부(좁은 점선으로 나타냄)에 의해 분리되어 있는 것으로 나타낸다. 1차 전지와 또한 2차 전지는 내부 동축류를 갖는다. 그러나, 1차 전지의 흐름 방향은 인접 2차 전지의 흐름 방향에 반대이다. 그러므로, 도면에서 보는 바와 같이, 두개의 전지들은 상호연결부 향류를 갖는다. 그리고 전체적으로, 도 3에 따르는 흐름 패턴 조합 "A"는 내부 동축류 및 상호연결부 향류와 조합된 내부 동축류를 갖는다. 흐름 패턴 조합 "A"는 따라서 이점 1 및 이점 2를 조합하는 것으로 기대되어야 하는데, 이점 1은 특히 향류와 관련되고 이점 2는 특히 동축류와 관련되기 때문이다. 마찬가지로, 이러한 스택의 높은 전력 출력을 기대할 수 있는데, 낮은 ASR은 스택에서 낮은 전력 손실을 가져오기 때문이다. 낮은 ASR은 비교적 평탄한 온도 프로파일 및 높은 평균 온도에 기인하는데, 이것은 1차 및 2차 전지들의 온도 프로파일을 평균하는 결과이다. 그러나, 시험 결과에 따르면, 이러한 스택으로부터의 전력 출력은 비교적 낮은데, 조합 "A"에 대한 낮은 △T는 캐소드 공기에 의한 너무 낮은 열 제거를 가져오기 때문이다. 그러므로, 조합 "A"는 이점 2를 결핍하나 분명한 이점 2를 갖는다. 이와 같이 다른 가능한 흐름 패턴 조합들의 효과 및 이점들을 예측하는 것은 간단하지 않으며, 단지 시험 결과는 어느 조합이 연료 전지 스택의 최적 성능을 얻는지를 밝힐 수 있을 뿐이다. 이하에서 알게 되는 바와 같이, 이점들은 더 복잡한 흐름 패턴 조합들로 더욱더 복합 최적화될 수 있다.

도 3에 나타낸 원리는 전체 스택에 적용될 수 있어서, 흐름 방향이 스택에서 각 상호연결부의 반대 측면 상에서 변화할 때 복수의 스택을 이룬 전지들(2개 보다 많음)이 내부 동축류 및 상호연결부 향류를 가질 수 있도록 한다는 것을 이해해야 한다. 또한, 도 3의 흐름 원리는 도 1 내지 2 및 4 내지 12에서 흐름 원리의 어떤 것과도 조합될 수 있다.

도 4는 흐름 패턴 조합 "B"를 나타내는데 여기서는 내부 향류를 갖는 1차 전지가 내부 동축류를 갖는 2차 전지에 인접되어 있고, 분리하는 상호연결부의 각 측면 상의 흐름 스트림은 나타낸 2개의 연료 전지들 상에서 같은 실질적인 방향으로 이어진다. 그러나, 조합 "B"에 따라 더 많은 전지 세트를 쌓아 올릴 때, 일부는 상호연결부 동축류를 갖고 일부는 상호연결부 향류를 갖는다. 따라서, 흐름 패턴 조합 "B"는 내부 동축류와 조합되고 상호연결부 동축류 및 상호연결부 향류와 조합된 내부 향류를 갖는다. 다시, 모든 나타낸 흐름 패턴 조합들에 대한 경우와 같이, 도 4에서 두개의 전지들에 대해 나타낸 원리는 복수의 전지들을 포함하는 스택을 통해 반복될 수 있고, 또는 예를 들어서 이전 도면 및 이후 도면들에서 나타낸 바와 같이 다른 흐름 패턴 조합들과 조합될 수 있다.

도 5에서, 흐름 패턴 조합 "C"를 나타내는데 여기서는 "C"가 교류 애노드 흐름 방향을 갖는 한편, "B"는 교류 캐소드 흐름 방향을 갖는 점에서 조합 "B"와 다르다.

도 6에 나타낸 흐름 패턴 조합 "D"는 연료 측에서 직렬 연결로 두개의 전지들을 갖는 원리는 포함한다. 예시된 바와 같이, 애노드 기체는 1차 전지를 통해 제 1 통과를 수행한 다음 인접 2차 전지를 통해 제 2 통과를 수행한 후 애노드 기체를 내보낸다. 이런 식으로 연료 이용 계수는 더 높은 정도의 연료가 연료 전지 스택을 통해 산화됨에 따라 증가된다. 따라서, "D"는 내부 동축류, 내부 향류 및 애노드 기체 재분포의 조합을 갖는다.

"D"에 관한 더 이상의 구체예, 특히 흐름 패턴 조합 "E"를 도 7에 나타내는데, 여기서 또한 캐소드 기체 스트림은 애노드 기체 측 상에서 뿐만아니라, 캐소드 기체 측 상에서도 2차 전지에 직렬 연결되도록 재분포된다. 그러나 조합 "E"에서 두 전지들은 전체 조합 "E"가 내부 동축류, 상호연결부 향류, 애노드 기체 재분포 및 캐소드 기체 재분포를 갖도록 내부 동축류를 갖는다.

도 8은 흐름 패턴 조합 "F"를 나타내는데 여기서 더이상의 가능성, 즉 1차 기체 흐름 스트림을 제 1의 흐름 통과 후 두 스트림으로 분할한 다음 두 스트림을 두개의 인접 2차 전지들을 통해 제 2의 흐름 통과를 수행하도록 재분포하는 원리가 이용된다. 조합 "F"에서 이것은 애노드 기체 상에서 수행된다. 나타낸 바와 같이, 모든 조합 "F"에서 모두, 내부 동축류, 내부 향류, 상호연결부 동축류, 상호연결부 향류 및 애노드 기체 분할 및 재분포를 조합하여 포함한다.

도 9는 "F"에 대략 반대인 구체예 즉, 두개의 1차 애노드 기체 스트림을 그것들이 두개의 1차 연료 전지들을 통해 제 1의 전지 흐름 통과를 수행한 후 하나의 스트림으로 합병한 다음에, 합병된 애노드 기체 스트림을 2차 연료 전지로 이끌어 이때 그것이 제 2의 흐름 통과를 수행하는 흐름 패턴 조합 "G"를 나타낸다. 예시한 바와 같이, 두개의 1차 전지들은 캐소드 기체에 대한 애노드 기체의 내부 동축류를 가지며, 2차 연료 전지는 향류를 갖는다. 따라서, 조합 "G"는 내부 동축류 및 내부 향류, 상호연결부 향류 및 상호연결부 동축류 그리고 애노드 기체 합병 및 재분포를 갖는다. 복수의 전지들을 포함하는 전체 스택에 조합 "G"의 원리를 적용할 때, 1차 전지들의 쌍들은 상호연결부에 의해 분리된 서로에 인접한다는 것이 이해된다. 용도에 따라, 이들 1차 전지들은 상호연결부 동축류나 아니면 향류를 가질 수 있다.

흐름 패턴 조합 "H"를 도 10에 나타낸다. 여기서 1차 전지로부터 2차 전지로애노드 기체 재분포는 1차 전지에서 내부 향류와 조합되고, 2차 전지에서 내부 동축류와 조합된다.

도 11에서, 조합 "I"를 나타내는데, 여기서는 1차 연료 전지 애노드 기체 흐름 스트림이 1차 연료 전지를 통과한 후 두개의 2차 스트림으로 분할된다. 그 다음 두개의 2차 애노드 기체 흐름 스트림은 두개의 2차 연료 전지들을 통해 제 2의 흐름 통과를 수행한 후 내보내진다. 1차 연료 전지는 내부 향류를 갖는 한편, 2차 연료 전지들은 내부 동축류를 갖는다. 요약하면, 조합 "I"는 따라서 1차 전지들에서 내부 향류, 2차 전지들에서 내부 동축류, 상호연결부 동축류, 상호연결부 향류 및애노드 기체 분할 및 재분포를 포함한다.

도 12는 본 발명에 따르는 예시된 구체예들의 마지막 구체예를 나타낸다. 조합 "J"는 두개의 1차 애노드 기체 흐름 스트림의 하나의 2차 애노드 기체 흐름 스트림으로의 합병을 갖는다. 또한 "J"는 1차 연료 전지들의 내부 향류, 2차 연료 전지의 내부 동축류 및 상호연결부 동축류와 또한 상호연결부 향류를 갖는다.

흐름 패턴 조합 "A" 내지 "J"의 성능을 비교할 수 있기 위해, 고정된 공정 파라미터를 - 고정된 연료 이용 계수 및 캐소드 기체 이용 계수에서 다음과 같이 선택하였다:

캐소드 기체 입구 온도: T _in = 700℃

최대 온도: T _max = 827℃

이들 고정된 작동 파라미터에 대해, 흐름 패턴 조합들의 각각에 대한 결과된 전류 출력, I 및 평균 전지 전압 U 를 관찰한다. 결과는 또한 전지당 평균 전력 P = U*I 및 ASR (면적 비저항)로서 언급될 수 있다. 개질 및 비개질 연료 둘다에 대해 이들 결과를 얻는 것은 흥미롭다. 따라서, 다른 흐름 패턴 조합들의 결과가 연료로서 천연 가스 및 수소 둘다에 대해 관찰된다. 조합 "E"에 대한 시험 결과는 이 조합에 대한 △T가 의미있는 시험 결과를 제공하기에는 너무 낮기 때문에 나타내지 않았다는 것이 주목된다.

본 발명의 중요한 목적은 연료 전지당 가장 높은 가능한 전력을 달성할 수 있다는 것이고, 이로써 일정한 전력 출력을 얻기 위해 스택당 더 적은 전지들이 필요하고, 따라서 낮은 비용이 든다. 흐름 패턴 조합 "A" 내지 "J"의 각각의 전력 출력과 또한 두개의 종래 기술의 참고예 "RefCof"(동축류 패턴에 대한 참고예) 및 "RefCou"(향류 패턴에 대한 참고예)를 애노드 기체로서 천연 가스에 대해 도 13에 나타내고, 수소 기체에 대해 도 14에 나타낸다. 전력은 막대 챠트의 Y-축에 연료 전지당 와트, W/cell로 표시한다. 최고의 전력 출력을 제공하는 흐름 패턴 조합들은 주로 두가지 이유, 즉, "이점 1"과 관련된 낮은 ASR과 "이점 2"와 관련된 높은 △T(캐소드 출구 마이너스 캐소드 입구 온도) 때문에 주로 그렇게 된다.

도 15 내지 18에서, 다른 흐름 패턴 조합들에 대한 ASR 및 △T를 각각 천연 가스 및 수소에 대해 나타낸다. 도 15 및 16에서, ASR은 천연 가스, "ng" 및 수소"H2"에 대해 밀리오옴 제곱 센티미터(mΩ ㎠)로 Y-축에 표시한다. 흐름 패턴 조합 "D" - "J"는 연료 CMR의 추가의 이점, 특히 "이점 3"을 갖는다.

도 17 및 18은 애노드 기체로서 천연 가스, "ng" 및 수소"H2"에 대해 다른 나타낸 흐름 패턴 조합들에 대한 기체 출구 온도 및 기체 입구 온도 간의 차이, △T 를 deg. C(degrees Celsius)로(Y-축에) 나타낸다.

도 19 및 20은 애노드 기체로서 천연 가스, "ng" 및 수소"H2"에 대해 다른 나타낸 흐름 패턴 조합들에 대한 평균 전지 전압을 볼트로(Y-축에) 나타낸다.

도 13 내지 20에 나타낸 바와 같이, 흐름 패턴 조합들 "C", "H", "I" 및 "J"는 종래의 흐름 패턴 동축류 및 향류보다 더 큰 전력 출력을 갖는다. 애노드 기체로서 천연 가스로, 조합 "I"는 종래의 동축류보다 15% 더 높고 향류보다 31% 더 높은 전력 밀도를 갖는다. "H", "I" 및 "J"는 그것들이 스택에서 내부적으로 연료 CMR을 허용한다는 점에서 추가의 이점을 갖는다("이점 3").

이들 이점을 이해하기 위한 예는 도 13 내지 20의 데이터를 비교할 때 알 수 있다. 예를 들어서 동축류와 향류 간의 하이브리드인 조합 "C"를 볼때 알 수 있다. 전류 출력은 종래의 향류에 대한 경우와 같이 가장 뜨거운 지대로부터 가장 큰 전류 출력을 달성하기 위해 적당히 분포된다. 이것은 낮은 ASR, (동축류보다 낮고, 향류보다는 크나 유의하지는 않다 - "이점 1")을 가져온다. 동시에 조합된 흐름 패턴은 캐소드 기체에 대해 더 높은 △T를 가져오는데 이것은 전지들의 더 효과적인 냉각을 의미한다("이점 2"). 더 효과적인 냉각은 고정된 T _max 가 달성되기 전의 더 큰 전류 출력을 의미한다.

예시하기 위해, 조합 "C"에 대한 온도 및 전류 밀도 분포를 종래의 동축류 및 향류와 비교하여 도 21 및 22에 나타낸다. "이점 1"은 전류 출력의 넓은 분포로서 보여주는데, 이것은 동시에 온도 분포와 양호한 수렴을 갖는다(OutA 및 OutB는 조합 "C"의 1차 및 2차 전지를 나타내며 Y-축은 각각 캘빈(K) 온도와 전류 밀도를 제곱미터당 암페어, A/m ² 로 계산한다). "이점 2"는 향류와 비교하여 증가되는 캐소드 기체 출구 온도로서 알 수 있다.

도 23 내지 26은 단지 이제 조합 "H" 및 "I"에 대해서만 같은 온도 및 전류 밀도 분포를 나타낸다. 또한 이들 두 조합에 대해서 넓게 분포된 전류 밀도가 관찰되는데 이것은 온도 분포("이점 1") 및 높은 T _out 때문에 효과적인 냉각("이점 2")과 잘 수렴한다. 두 조합 "H" 및 "I"는 또한 연료 CMR("이점 3")을 갖는다. 도면들로부터 조합 "I"는 "H"보다 약간 더 양호한 성능을 갖는 것으로 나타나 있다. "I" 및 "H"가 거의 같은, 낮은 ASR을 갖기 때문에, "I"의 더 양호한 성능은 약간 더 효과적인 냉각에 주로 기인하는 것임에 틀림없다.

흐름 패턴 조합들 "C", "H", "I" 및 "J"는 애노드 기체로서 천연 가스 및 수소로 동축류가 갖는 것보다 같거나 더 높은 전지 전압을 갖는다. 그러므로 또한 "C", "H", "I" 및 "J"가 더 높은 평균 전력 밀도를 가질지라도 동축류에 대한 경우보다 더 낮은 전지 열화가 예상됨에 틀림없다. 향류와 비교할 때, "C", "H" 및 "I"는 상당히 더 높은 평균 전력 밀도를 가지나 또한 더 낮은 전지 전압을 갖는다. 이것은 T _in 및 T _max 가 일정하다는 사전비교조건으로 인해서이고, 한편 전압과 전류는 다양하다. 그러므로 더 높은 열화 속도는 또한 이들 작동 파라미터의 효과라는 것이 가능하다.

본 발명에 따르는 조합된 흐름 패턴들의 명백한 결점은 연료 전지 스택에 대한 더 복잡한 기체 매니폴드화 시스템에 대한 명백한 필요인데, 이것은 연료 전지들의 더 낮은 활성 면적을 동반할 것이다. 그러나, 간단한 기하학적 고려사항은 이 감소된 효율이 전력 밀도의 획득으로부터의 이득보다 더 작다는 것을 나타낸다. 더 나아가서, 두 조합 "C", "H", "I" 및 "J"는 캐소드 기체 측 매니폴드로 실현될 수 있다.

조합 "A" 및 "B"는 또한 비개질 연료(예를 들면, 수소)로 낮은 ASR("이점 1")의 가능성을 제공한다는 것이 현저하다. 이것은 1차 및 2차 전지들의 마주하는 캐소드 흐름 방향에 기인하는데, 이것은 차례로 평탄한 온도 프로파일을 이끈다. 캐소드 기체 이외의 다른 수단에 의한 냉각과 조합하여, 이것은 특히 비개질 연료들로, 더 높은 전기적 효율 및 고수율을 제공할 수 있다.

도 27 및 28은 더 높은 최대 연료 이용 계수를 가능하게 하는 두가지 구체예를 나타낸다. 도 27은 CMR (Collect, Mix, Redistribute)을 나타내는데, 여기서는 복수의 전지들로부터 기체 출구 흐름 스트림이 하나의 공통 중간 기체 흐름 스트림으로 수집된 후 다시 복수의 기체 흐름 스트림으로 분할되고 이것이 복수의 2차 연료 전지들을 통해 제 2의 흐름 통과를 수행한다. 이것은 스택의 일부 단일 전지들에 대한 연료 공급에 있어서의 드믈지만 심각한 고장에 대한 스택 허용오차를 개선시킨다.

도 28은 개별 1차 전지들로부터 개별 2차 전지들로 직렬 연결로 흐르는 구체예를 나타내는데, 전지를 가로지르는 제2의 흐름 통과는 기체에 의해 수행된다. 따라서, 직렬 연결로 두 전지들에 대한 연료 공급은 관련된 두 전지들에 대한 전체 압력 손실에 의존하고 따라서 개개 전지의 압력 손실의 변동의 부분적인 균등화가 달성된다. 이 구체예는 덜 심각하지만 더 빈번한 고장에 대한 스택 허용오차를 개선시킨다.