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KR20060118501A - 탄소 계열 연료 전지 - Google Patents

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KR20060118501A
KR20060118501A KR1020067010042A KR20067010042A KR20060118501A KR 20060118501 A KR20060118501 A KR 20060118501A KR 1020067010042 A KR1020067010042 A KR 1020067010042A KR 20067010042 A KR20067010042 A KR 20067010042A KR 20060118501 A KR20060118501 A KR 20060118501A
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KR
South Korea
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fuel cell
fuel
anode
cathode
electrochemical
Prior art date
Application number
KR1020067010042A
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English (en)
Inventor
스티븐 에스. 씨. 추앙
Original Assignee
더 유니버시티 오브 아크론
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 더 유니버시티 오브 아크론 filed Critical 더 유니버시티 오브 아크론
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Abstract

본 발명은 직접 전기화학적 산화 연료 전지 및 고체 상태 유기 연료로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법에 관한 것이다. 연료 전지는 캐소드에서 산소 함유원으로부터 산소 이온의 형성을 촉진시키는 전기화학적 환원 촉매가 제공된 캐소드, 전기 에너지를 생산하기 위해 산소 이온의 존재하에 고체 상태 유기 연료의 직접 전기화학적 산화를 촉진시키는 전기화학적 산화 촉매가 제공된 애노드, 및 캐소드에서 애노드로 산소 이온을 전달하도록 배치된 고체 산화물 전해질을 포함한다. 전기화학적 산화 촉매는 임의적으로 내황 물질을 포함할 수 있다.
연료 전지, 방법, 캐소드, 애노드

Description

탄소 계열 연료 전지{CARBON-BASED FUEL CELL}
본 출원은 2003년 11월 14일에 출원된 미국 가출원번호 60/520,155호 및 2004년 4월 2일에 출원된 미국 가출원번호 60/558,856호의 이익을 청구한다.
본 발명은 일반적으로 고체 상태 연료로부터 전기 에너지의 발생에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 고체 상태 유기 연료의 직접 전기화학적 산화에 따라 고체 상태 유기 연료로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 고체 산화물 연료 전지에 관한 것이다.
통상적인 고체 산화물 연료 전지는 애노드와 캐소드 사이에 위치되어 이들 사이에 이온의 이동을 촉진시키는 전해질을 이용한다. 일반적으로, 석탄과 같은 고체 상태 화석 연료는 고체 산화물 연료 전지에 도입하여 전기 에너지를 발생시키기 전에, 기체화되고 변형되어야 한다. 추가적인 공정 단계가 요구됨에도 불구하고, 전기를 발생시키기 위한 이러한 고체 상태 화석 연료가 사용되는데, 이러한 관심을 끄는 선택으로 이러한 연료의 높은 에너지 밀도가 일부 기인한다. 별도의 가스화 및 변형화 단계는 실질적인 열 에너지의 유입을 요구하고, 열 회수율이 낮으며, 이로인해 비효율적인 공정을 초래한다.
고체 산화물 연료 전지로 전기를 발생시키기 위한 공정 효율을 개선시키기 위한 시도로 연료 전지 장치에 변형 단계의 도입이 포함되었는데, 이는 1473 K 초과 온도에서 작동시키기 위해 연료 전지에 요구되는 것이다. 연료 전지내로 변형 단계를 도입하므로써, 화석 연료를 변형시키기 위해 요구되는 열의 일부 또는 전체는 회수될 수 있고, 전기 에너지 발생 공정 동안 이용될 수 있다. 그러나, 이러한 연료 전지는 전극에 제공되는 촉매의 표면상에 비산회, 고체 화석 연료의 점화로부터 생산된 부산물을 형성시키며, 따라서, 연료 전지의 성능을 감소시킨다. 비산회의 형성이 약 1473 K를 초과하는 연료 전지의 상승된 작동 온도로 인한 것으로 여겨지며, 이러한 온도는 비산회가 촉매의 표면상에 증착되기 전에 초과되는 비산회 용융성 온도보다 높다. 추가적으로, 이러한 통상적인 고온 연료 전지는 또한 촉매 표면상에 과량의 황 침전 및 높은 NOx 방출을 나타낸다.
대안적 설계로 CO의 생산을 최소화시키면서 고체 상태 화석 연료를 직접적으로 CO2 및 전기 에너지로 전환시키는 것이 제안되었다. 이러한 설계는 연료 전지를 여러 상이한 온도 구역으로 나누고, 각각의 개별적인 온도 구역에서 온도를 조절하기 위한 발열체를 제공하였다. 고체 전해질의 각각의 반대 측면상의 연료 전지 전극 모두는 동일한 귀금속 또는 동일한 혼합형 전도성 산화 물질로부터 형성되어 하기 반응식에 따라 탄소의 완전 산화를 촉진시킨다:
Figure 112006036084517-PCT00001
이러한 디자인은 고체 전해질에 의한 이온 전도에 대한 임피던스를 최소화하기 위해 충분하게 높은 온도를 제공하고 동시에 CO2로의 탄소의 완전 산화를 제공하 기 위해 충분하게 낮은 온도를 제공하기 위한 상이한 온도 구역의 요건으로 인해 다루기가 어렵다.
다른 통상적인 연료 전지 디자인은 여러 상이한 온도 구역을 제공하지 않으면서 화석 연료로부터 전기 에너지를 발생시키는 것을 시도하였다. 상술된 바와 같이, 석탄과 같은 고체 상태 화석 연료는 탄소가 산화되어 CO, H2 및 전기 에너지를 발생시키기 전에 고체 상태 연료를 가스화시키기 위한 가스화 특징을 갖는 연료 전지에 도입될 수 있다. 상이한 물질로 이루어진 전극은 고체 산화물 전해질에 인접하게 설치되어 하기 반응식에 따라 이온을 발생시키고 화석 연료의 부분 산화를 촉진시킨다:
Figure 112006036084517-PCT00002
이러한 연료 전지는 심지어 가스화 후에 화석 연료의 완전 산화의 제공을 방해하여 산화 전극에서 과량의 탄소를 요구하므로써 CO2를 생산한다.
따라서, 연료 전지 분야에서 고체 상태 화석 연료를 직접적이고 완전하게 산화시켜 CO2를 생산하는 반응의 생성물로서 전기를 생산할 수 있는 연료 전지가 필요하다. 연료 전지는 직접 산화 반응에 따라 소비되기 전 가스화 단계와 관련하여 비용 및 비효율성을 최소화시킬 것이다. 또한, 연료 전지는 CO 보다 CO2의 생산을 지지하기 위한 전해질 임피던스 및 직접 산화 반응의 경쟁 온도 요건을 제공할 것이다.
본 발명은 고체 상태 유기 연료로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 직접 전기화학적 산화 연료 전지를 제공하므로써 이러한 목적 및 기타 목적을 달성한다. 연료 전지는 캐소드에서 산소 함유원으로부터 산소 이온의 형성을 촉진시키는 전기화학적 환원 촉매가 제공되는 캐소드, 전기 에너지를 생산하기 위해 산소 이온의 존재하에 고체 상태 유기 연료의 직접 전기화학적 산화를 촉진시키는 전기화학적 산화 촉매가 제공되는 애노드, 및 캐소드로부터 애노드로 산소 이온을 전달하도록 배치된 고체 산화물 전해질을 포함한다. 애노드에서 직접 전기화학적 산화는 하기 반응식에 따라 이루어진다:
Figure 112006036084517-PCT00003
다른 양태에 따라, 본 발명은 고체 상태 유기 연료로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 직접 전기화학적-전기화학적 산화 연료 전지를 제공한다. 연료 전지는 캐소드에서 이온원으로부터 이온의 형성을 촉진시키는 전기화학적 환원 촉매가 제공되는 캐소드(cathode), 내황 물질을 포함하고 전기 에너지를 생산하기 위해 캐소드에서 형성된 이온의 존재하에 고체 상태 유기 연료의 전기화학적 산화를 촉진시키는 촉매가 제공된 애노드, 및 캐소드로부터 애노드로 이온을 이동시키도록 배치된 고체 산화물 전해질을 포함한다.
또 다른 양태에 따라, 본 발명은 고체 상태 유기 연료로부터 전력을 발생시키는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 캐소드에서 산소 함유원으로부터 산소 이온을 형성시키는 단계, 캐소드에서 형성된 산소 이온을 고체 산화물 전해질을 갖는 애노드로 이동시키는 단계, 및 산소 이온의 반응을 애노드에서 고체 상태 유기 연료를 직접 산화시키는 고체 상태 유기 연료로 촉매화시켜 CO2 및 전기 에너지를 포함하는 생성물을 생산하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따라, 본 발명은 고체 상태 유기 연료로부터 전기 에너지를 발생시키는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 캐소드와 고체 산화물 전해질을 갖는 애노드 사이에 이온 연결 채널을 설치하는 단계; 애노드에 내황 물질을 포함하는 전기화학적 산화 촉매를 제공하는 단계로서, 전기화학적 산화 촉매가 CO2 및 전기 에너지를 포함하는 생성물을 생산하기 위해 애노드에서 고체 상태 유기 연료의 직접 전기화학적 산화를 촉진시키는 단계; 캐소드에 전기화학적 환원 촉매를 제공하는 단계로서, 전기화학적 환원 촉매가 산소 함유원으로부터 산소 이온의 생산을 촉진시키는 단계; 전도성 채널을 형성시켜 캐소드로부터 전기 에너지를 전도시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 기술되는 특징과 기타 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 하기 설명을 통하여 본 발명에 관련된 당업자에게 명확하게 될 것이다.
도 1 은 본 발명의 한 구체예에 따른 직접 전기화학적 산화, 탄소 계열 연료 전지의 단면도,
도 2 는 연료로서 메탄과 함께 작동하는 연료 전지 및 연료로서 석탄과 함께 작동하는 연료 전지의 전압 대 전류 밀도에 대한 실험적으로 결정된 값을 플롯한 것,
도 3 은 본 발명에 따른 연료전지의 실험적 시험 작동을 위한 시스템을 나타낸 것,
도 4 는 전기 에너지 생산에 대한 석탄 가스의 분포를 평가하는데 사용되는 실험적 시스템을 나타낸 것,
도 5 는 서로 다른 세가지의 온도에서 작동하는 석탄-가스 연료 전지의 전압 대 전류 밀도의 실험적으로 결정된 값을 플롯한 것,
도 6 은 질량 분석기에 의해 측정된 본 발명에 따른 연료 전지에 의한 배기 스트림 산출에서 발견된 구성성분의 세기를 나타낸 것,
도 7 은 Pt 그리드(grid) 및 Pt 잉크(ink)가 제공된 연료 전지의 개략적인 측면도,
도 8 은 상이한 연료로 800℃의 온도에서 작동하는 연료 전지의 전압 대 전류밀도 특징을 비교한 도면,
도 9 는 상이한 연료로 900℃의 온도에서 작동하는 연료 전지의 전압 대 전류밀도 특징을 비교한 도면,
도 10 은 상이한 연료로 950℃의 온도에서 작동하는 연료 전지의 전압대 전류밀도 특징을 비교한 도면이다.
특정 술어는 본원에서 단지 편의를 위해에서 사용되고, 본 발명에서 제한하는 것으로 인식되지 않는다. 또한, 도면에서, 특정 특징은 다소 개략적인 형태로 나타내어질 수 있다.
도 1 은 예비 가스화 및 변형 단계를 요구하지 않고 고체 상태 유기 연료로부터 전기 에너지를 발생시키는 본 발명에 따른 직접 전기화학적 산화, 고체 산화물 탄소 계열 연료전지(10)의 개략도이다. 도 1 에 나타낸 바와 같이, 연료 전지(10)는 캐소드(12)에서 산소 함유원으로부터 산소 이온의 형성을 촉진시키는 전기화학적 환원 촉매가 제공된 캐소드(12), 전기 에너지를 생산하기 위해 산소 이온의 존재하에서 고체 상태 유기 연료의 직접 전기화학적 산화를 촉진시키는 전기화학적 산화 촉매가 제공된 애노드(14), 및 캐소드(12)로부터 애노드(14)로 산소 이온을 이동시키도록 배치된 고체 산화물 전해질(18)을 포함한다.
전기화학적 산화는 외부 전기 회로를 통해 하나 이상의 전자의 투과를 초래하는 산화로서 규정된다. 반대로, 통상적인 산화는 자유 전자의 투과에 상관없이 단지 산화되는 물질의 산화수를 증가시킨다.
고체 상태 유기 연료는 석탄과 같은 화석 연료, 흑연, 숯, 바이오매스, 폴리에틸렌과 같은 중합체, 및 대기압 및 실온에서 고체인 기타 탄화수소를 포함하는, 임의의 탄소-시리즈 연료 또는 하나 이상의 탄소 원자를 갖는 임의의 고체 물질일 수 있다. 바이오매스의 예로는 이탄, 왕겨 및 옥수수 수염 등을 포함한다. 유기 연료가 고체 상태이지만, 연료는 제분되거나, 잘려지거나, 그밖에 작은 입자 고체로 부수어서 미세 분말 유기 연료를 형성시킬 수 있다. 고체 상태 유기 연료의 미세 입자로의 분쇄는 애노드 표면 상에서 산소 이온의 존재하에 고체 상태 유기 연료를 보다 용이하게 산화시킬 수 있다. 본 발명의 대안적인 구체예는 유동화된 매질과 같이 충분히 작은 고체 연료 입자 크기로 작동한다. 이러한 구체예는 또한 비반응성 또는 불활성 가스 중에서 고체 상태 유기 연료의 미세한 입자를 운반하여 애노드(14)로 연료 입자의 이송을 촉진시킬 수 있다.
캐스드(12)는 하기 전기화학적 환원 반응에 따라 산소 함유원으로부터 산소 이온의 형성을 촉진시키는 전기화학적 환원 촉매를 포함한다:
Figure 112006036084517-PCT00004
산소 함유원은 캐소드 촉매의 존재하에서 O2-로 환원될 수 있는 산소를 포함하는, 공기와 같은 임의의 유체일 수 있다.
이온 전기전도성 물질은 이온이 흐름으로 인해 전류를 전도시키는 반면, 전자 전기전도성 물질은 전자의 흐름으로 인해 전류를 전도시킨다. 혼합형 이온 및 전자 전기전도성 물질은 이온, 전자 또는 둘 모두의 흐름으로 인해 전류를 전도시킬 수 있다.
캐소드(12)는 혼합형 이온 및 전자 전기전도성 물질로 이루어져 있고, 캐소드(12)에서 발생하는 전기화학적 환원 반응을 촉매화시키는, 본원에서 캐소드 촉매로서 혼용하여 언급되는 전기화학적 환원 촉매를 포함한다. 본 발명의 구체예에 따른 캐소드(12)는 이온성 전도 전해질 및 캐소드 촉매의 복합물인 혼합형 이온 및 전자 전도성 산화물일 수 있다. 캐소드 촉매는 예를 들어, 화학식 La0.95Sr0.05MnO3을 갖는 란탄 스트론튬 망간 산화물("LSMO") , 화학식 La0.8Sr0.2FeO3을 갖는 란탄 스트 론튬 페라이트("LSF"), 화학식 La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.203를 갖는 란탄 스트론튬 코발트 페라이드("LSCF"), 및 화학식 Sm0.5Sr0.5CoO3을 갖는 사마리아 스트론튬 코발트 산화물("SSC")일 수 있다. 캐소드 촉매로 제공되기에 적합한 기타 페로브스카이트(perovskite)는 YBa2Cu3Oy(여기서, y는 7 내지 9의 값을 갖는 정수임); La0.99MnO3; LaMnO3; LaxSryMn3; LaxCayMnO3(여기서, x는 0.6 내지 0.95의 값을 갖는 수이며, y는 0.1 내지 0.4의 값을 갖는 수임) 및 화학식 AxByCO3을 갖는 임의의 기타 물질(여기서, A는 La, Gd, Sm, Nd, Pr, Tb 및 Sr으로 구성된 군으로부터 선택되며, B는 Sr, Ce 및 Co로 구성된 군으로부터 선택되며, x는 0.6 내지 0.95의 값을 갖는 수이며, y는 0.1 내지 0.4의 값을 갖는 수임)를 포함한다. Ag와 같은 혼합형 전도성 산화물 이외의 물질은 또한 본 발명의 캐소드 촉매를 형성시키기에 적합하다.
캐소드(12)와 유사하게, 애노드(14)는 이온 전도성 전해질과 애노드 촉매의 복합물인 혼합형 이온 및 전자 전기전도성 물질로 이루어져 있다. 그러나, 전기화학적 환원 촉매 대신에, 애노드(14)는 전기 에너지를 생산하기 위해 캐소드(12)에서 발생된 산소 이온의 존재하에 고체 상태 유기 연료의 직접 전기화학적 산화를 촉진시키는 전기화학적 산화 촉매를 포함한다. 전기화학적 산화 촉매는 또한 본원에서 애노드 촉매로서 혼용하여 언급되며, 임의적으로 안정한 금속 술피드의 형성을 방지하는 내황 물질을 포함하여, 애노드 촉매 상에 황 중독의 효과를 최소화시킨다. 애노드 촉매는 Pt, Cu, Ag, Au, Pd, Ni과 같은, 귀금속, VIII족 금속/금속 산화물일 수 있으며, 기타 금속일 수 있으나, 비귀금속으로는 또한 Re, Mn, Mo, Ag, Cu 및 Au와 같은 내황 물질, 상술된 금속의 산화물 뿐만 아니라, Ce, Cr, Fe 및 Pb의 산화물, 이의 결합물, 다중 산화물 및 Cu 산화물-Pt 및 Re-NiO/YSZ(여기서, YSZ는 이트륨-안정화된 지르코니아를 나타냄)와 같은 하나 이상의 상술된 금속을 포함하는 결합물을 포함한다. 애노드(14)의 구체예는 실질적으로 바나듐 카르바이드가 결여된 조성물을 포함한다. 바나듐 카르바이드는 환경 오염물질인 것으로 간주되는 중금속으로서, 연료 전지에서 이의 사용을 배제하는 것이 바람직하다. 기타 적합한 애노드 촉매의 비제한적인 예로는 예를 들어, Sr0.6La0.4TiO3와 같은 페로브스카이트를 포함한다. 본 발명의 애노드 촉매는 이의 전기화학적 산화를 수행하기 전에 고체 상태 유기 연료의 가스화를 요구하지 않고, 애노드(14)에서 연료 전지(10)의 작동 온도내에서 고체 상태 유기 연료의 직접적이고 실질적으로 완전한 전기화학적 산화를 촉진시키는 고도의 활성 산화 촉매이다. 하기에서 상세하게 논의되는 바와 같이, 약 460℃ 내지 약 1000℃, 또는 약 600℃ 내지 1000℃, 또는 약 700℃ 내지 약 900℃ 범위의 임의의 온도에서 본 발명의 연료 전지(10)의 작동 온도의 유지는 하기 반응식에 따라 고체 상태 유기 연료의 직접 전기화학적 산화를 진행시킬 수 있다:
Figure 112006036084517-PCT00005
이론에 의해 한정되거나 제한되지 않는 한, 본 발명의 연료 전지(10)의 적당한 작동 온도는 비산회 용융성 온도 미만으로, 이는 비산회가 애노드 촉매의 표면에 축적되거나 부착되는 온도를 초과하는 온도인 것으로 여겨진다. 따라서, 약 1080℃인 비산회 용융성 온도 (즉, 갈탄 비산회의 초기 변형 온도, 비산회 중 가장 낮음)가 연료 전지(10)의 작동 온도에 대한 상한치로 설정한다. 추가로, 본 발명의 적당한 온도 범위는 연료 전지(10)의 최대 작동 온도를 초과하는 온도에서 생산되기 쉬운 NOx (여기서, x는 1, 2 및 3의 값을 갖는 정수임) 방출을 최소화한다. NOx의 생산에서 사용되는 대부분의 질소는 연료 전지(10)의 고체 상태 유기 연료내로 도입되며, 따라서 NOx 방출이, 연료 전지(10)에 이러한 연료를 도입하기 전에 고체 상태 유기 연료내의 질소 농도를 최소화시키므로써 추가로 감소될 수 있다.
상술된 물질 이외에, 캐소드 및 애노드 둘모두는 캐소드로부터 애노드로 산소 이온의 이동을 촉진시키기 위한 고체 산화물 전해질(18)을 형성시키는 물질을 추가로 포함한다.
고체 산화물 전해질(18)은 캐소드(12)로부터 애노드(14)로 산소 이온을 이송시키도록 배치된다. 고체 산화물 전해질(18)은 캐소드(12)와 애노드(14) 사이에 산소 음이온 O2- 이온-이송 메카니즘을 제공하는 매질이다. 고체 산화물 전해질(18)을 통한 전류 흐름은 통상적인 전류 흐름으로서 전자 운동 대신에 이온 운동으로 인한 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 고체 산화물 전해질(18)은 캐소드(12)와 애노드(14) 사이에 위치되고, 고체 산화물 전해질(18)의 반대 표면에 커플링된다. 적합한 고체 산화물 전해질(18)은 CaO 또는 MgO와 같은 알칼리토 산화물, 또는 Sc2O3, Y2O3, Yb2O3과 같은 희토류 산화물 등을 갖는 Bi, Zr, Hf, Th 및 Ce의 도핑된 산화물 로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 구체예는 Bi202, (Bi2O7)0.75(Y203)0.25, BaTh0.9Gd0.103, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.203, (Ce2)0.8(Gd0.5)0.2, (ZrO2)0.9(Sc2O3)0.1, (Zr02)0.9(Y203)0.1, (ZrO2)0.87(CaO)0.13, (La203)0.95(Sr0)0.05 등 중적어도 하나를 포함하는 고체 산화물 전해질을 포함한다.
전해질(18)에 각각의 촉매와 함께 캐소드(12) 및 애노드(14)의 도포는 각각의 촉매를 포함하는 페이스트로부터 캐소드(12) 및 애노드(14)를 형성시킴으로써 달성될 수 있다. 이후 각각의 페이스트는 캐소드(12)로부터 애노드(14)로 산소 이온의 이송을 촉진시키기 위해, 고체 산화물 전해질(18)의 적합한 표면 상에 필름으로서 도포된다. 임의의 통상적인 코팅 기술은 고체 산화물 전해질(18) 표면에 전극 페이스트를 코팅시키기 위해 사용될 수 있다. 고체 산화물 전해질(18)에 도포된 캐소드(12) 및 애노드(14) 각각의 두께는 연료 전지(10)의 작동 온도 범위 내에서 각각에 의해 나타나는 팽창으로부터 각각의 물질 상에 영향을 미치는 힘이 인접한 물질에 균열을 야기시키지 않도록 고체 산화물 전해질(18)의 두께와 함께 균형을 이루어야만 한다. 각각의 물질의 적합한 두께를 얻는 것은 당업자에 의한 기술적 판단에 의해 달성될 수 있다. 상기에서 사용되는 용어 "두께"는 캐소드(12) 및 애노드(14)와 고체 산화물 전해질(18) 사이의 경계면을 형성할 수 있는 1차 평면 표면에 대해 직각 방향의 각각의 물질의 치수를 칭하는 것이다.
와이어(22) 형태의 통상적인 전기 전도체는 캐소드(12) 및 애노드(14) 각각으로부터 연장되어 연료 전지에 의해 발생되는 전기 에너지를 전도시키고, 이에 의 해 전기 회로를 형성시킨다. 적합한 전기 전도성 물질의 예로는 약 1000℃ 미만의 온도에 대해 Pt, 약 600℃ 미만의 온도에 대해 Cu, 약 700℃ 미만의 온도에 대해 Ni, 약 800℃ 미만의 온도에 대해 Ag, 약 750℃ 미만의 온도에 대해 스테인레스 스틸, 임의의 합금 및 전기 전도성 산화물을 포함한다.
고체 산화물 전해질(18)에 부착된 캐소드(12) 및 애노드(14)를 포함하는 어셈블리는 고체 상태 유기 연료용 하우징으로서 작용하는 알루미나 튜브(24)에 조작적으로 커플링된다. 유입 포트(25) 및 출구 포트(28)는 알루미나 튜브(24)의 말단을 둘러싸는 봉인(32)에 형성된다. 연료 전지(10)는 별도의 단열 온도 구역을 형성하지 않고 전극(12, 14) 및 고체 산화물 전해질(18)에 인접한 일반적으로 일정한 온도를 발생시키는 발열체(도시되지 않음)에 의해 가열된다. 적합한 발열체의 예로는 내부 저항 가열기, 및 상승된 온도 환경에서 연료 전지(10)를 조절할 수 있는 로와 같은 환경적 가열기를 포함한다.
작동시에, 공기는 산소원으로서 캐소드(12)에 도입될 수 있으며, 이에 의해 공기 중 주변 산소를 이온화시키고 산소 음이온, O2-를 생성시킨다. 산소 음이온은 고체 산화물 전해질(18)을 통해 애노드(14)로 이송되며, 여기서 이는 전기화학적 산화 촉매의 표면 상에 고체 상태 유기 연료로부터의 탄소와 반응하여 하기 직접 전기화학적 산화 반응에 따라 외부 회로로 전자를 방출한다:
Figure 112006036084517-PCT00006
도 2 는 950℃의 온도에서 작동하고 유사한 작동 조건하에서 연료로서 메탄 을 사용하고 애노드 촉매로서 구리를 사용하는 연료 전지의 것과 비교한 오하이오(Ohio) 번호 5 석탄(표 1에 나타낸 조성을 가짐)을 사용하여 본 발명의 연료 전지(10)의 전압 대 전류 밀도 곡선의 비교를 제공한다. 도 2 는 고체 상태 유기 연료를 사용하는 연료 전지(10)가 제공된 전압에 대해 메탄을 사용하여 연료 전지에 의해 생산된 것 보다 높은 전류 밀도를 생산함을 기술되어 있다. 다시, 이론에 의해 한정하려하지 않는 한, 이러한 예상치 못한 결론은 석탄의 연소 생성물, 즉 CO2에 의해 전기화학적 산화 촉매 표면에서 석탄(고체 상태 유기 연료)의 희석의 거의 부재로 적어도 일부분 기인한 것으로 여겨진다. 메탄 연료 전지의 경우, 전기 에너지의 발생 동안 생산되는 CO2는 애노드 표면에서 메탄 연료 가스를 희석시킨다. 추가적으로, 하기 수학식에 의해 제공되는 연료 전지 효율성은 메탄 연료 전지의 것 보다 고체 상태 유기 연료로 연료화된 본 발명의 연료 전지(10)에 대해 보다 크다.
Figure 112006036084517-PCT00007
상기식에서,
E는 연료 전지 효율성이며,
△G0: 반응으로 인한 깁스 자유 에너지의 변화
△H0: 반응열
다시, 이론으로 제한하려 하지 않는 한, 이러한 결과는 가스 생성물을 생산하는 고체 상태 연료의 직접 전기화학적 산화로 적어도 일부분 기인한 것으로 여겨 진다. 이러한 반응의 이론적 효율성은 100% 를 초과하는데, 이는 명백하게 실질적이지 않다. 그러나, 본 발명의 연료 전지(10)의 높은 효율성은 연료 전지(10)에서 고체 탄소 함유 연료의 가스 CO2로의 전환에 의해 제공되는 엔트로피의 극적인 증가로 일부 기인될 수 있다.
표 1
개략 분석 원소 분석
%습도 4.15 % 탄소 83.99
건조% 재 4.80 % 수소 5.50
건조% 휘발성 물질 37.98 % 질소 1.88
건조% 고정 탄소 57.22 % 산소 8.63
황 형태
% 황동광 0.70% 유기체 1.21 발열량(BTU/lb) 14258
% 술페이트 0.01% 전체 1.92 평형 습도(%) 7.98
전기 에너지 이외에, 연료 전지(10)는 전기 에너지를 발생시키는 동안 가스성 배기 스트림을 포함하는 생성물을 생산한다. 배기 스트림은 주로 CO2를 포함하며, 본 발명의 구체예에 따라, CO2 농도는 50 몰% 이상이다. 일부 배기 스트림에서 CO2의 순도 때문에, 직접 CO2 처리기술(sequestration)은 배기 스트림 상에서 수행되어 CO2 생성물을 회수한다. 유사하게는, 배기 스트림 내의 NOx 농도는 연료 전지(10)의 작동 온도 범위내에서 최소화된다. 연료 전지(10)의 작동 온도가 일반적으로 NOx를 생산하는데 요망되는 온도 미만이며, 고체 상태 유기 연료에서 최소 질소 농도로 인해, 연료 전지(10)에 의해 생산되는 가스 생성물에서 NOx 농도는 일반적으로 약 1 몰% 미만이다.
연료 전지의 가스 생성물 중 CO의 생산은 또한 최소화되고, 일반적으로 가스 생성물 중 5 몰% 미만이다. 하기 반응식에 따른 가스 생성물 중 CO2의 환원은 애노드 촉매의 활성 전기화학적 산화 특성으로 인해 최소화된다:
Figure 112006036084517-PCT00008
가스 생성물내의 CO는 애노드 촉매의 활성 전기화학적 산화 성질로 인해 이의 형성하에서 거의 즉시 추가로 산화되어 10 몰% 이하의 CO를 포함하는 가스 생성물을 초래할 것이다.
본 발명의 개념에 이르기까지, 통상적으로 고체 상태 유기 연료의 제 1 가스화 및 임의적인 변형없이 고체 상태 유기 연료로부터 직접적으로 전기 에너지를 발생시키는 것이 불가능하다는 것이 받아들여졌다. 고체 상태 유기 연료, 특히 석탄은 인식되는 오염 및 황 중독 효과로 인해 석탄 및 얻어진 비산회가 애노드 촉매 상에 존재할 수 있기 때문에 연료로서 수용되지 않는 것으로 여겨졌다. 이러한 주제에 대한 주요한 문헌은 최근에, 석탄 및 오일과 같은 1차 연료를 직접적으로 사용한 연료 전지를 이용한 모든 시도는 촉매 표면의 오염으로 인해 성공적이지 못했다고 설명된 바 있다[참조: A.Hamnett and P. Christenses. "Electrochemical and Photoelectrochemical Energy Conversion," ed.N.Hall, Cambridge, 2000, 이는 본원에서 참고문헌으로서 전문이 포함된다.]. 대안적인 것은 석탄 또는 기타 고체 상태 연료를 연료 전지에 의해 소비되기에 적합한 상으로 가스화시키는 것이다. 예상외로, 애노드 촉매에 포함된 내황 물질은 연료 전지(10)의 작동 온도 범위내에서 안정적인 술피드를 형성시킬 수 없어 애노 촉매 상에 황 오염 효과를 최소화시키지 못함을 발견하였다. 따라서, 내황 물질로서 Ag 또는 Cu를 포함하는 애노드 촉매의 고려는 예를 들어, 하기 각각의 반잉식에 따라 금속 술피드의 형성을 최소화시킬 것이다:
Figure 112006036084517-PCT00009
유사한 반응은 임의의 내황 물질과 함께 일어나며, 이러한 물질은 연료 전지(10)의 작동 온도 범위 내에서 안정한 술피드를 형성시키지 않는 물질로서 상술되고 규정된다. 이러한 두개의 반응이 수행되는데 요구되는 반응 온도는 약 460℃로서, 탄소 계열 연료 전지(10)의 최소 작동 온도를 규정한다.
상술된 바와 같이, 통상적으로 애노드 촉매의 오염으로서 언급되는 애노드 촉매 표면에 비산회의 부착은 연료 전지(10)의 작동 온도가 비산회 용융성 온도 미만이기 때문에, 최소화된다.
본 발명은 하기 실시예와 관련하여 상세하게 기술될 것이며, 본원에서 청구된 본 발명을 제한하는데 제공되지 않는다.
< 실시예 1 >
본 발명의 연료 전지(10)를 포함하는 실험 어셈블리를 도 3 에 나타내었다. 연료 전지(10)는 전극(12, 14)를 형성하는 애노드 및 캐소드 촉매 물질의 박막으로 코팅된 조밀한 YSZ 디스크(토소사(Tosoh Corp.))로 구성된다. 촉매 제조에 수반되는 상세한 단계 및 연료 전지(10) 구조를 실시예 2 에서 설명하였다.
연료 전지(10)로부터의 전류 및 전압 산출 데이타 모두를 인터페이스 및 랩뷰(Labview™) 소프트웨어를 구비한 PC(50)로 획득하였다. 배기 가스 생성물을 SRI 8610C 가스 크로마토그래프(54) 및 페이퍼(Pfeiffer) QMS 200 질량 분석기(56)로 분석하였다. CO 및 CO2와 같은 가스 생성물의 분석은 연료 전환 효율 및 부산물 형성을 결정할 수 있다.
도 2 와 관련하여, 연료로서 순수한 CH4 및 오하이오 번호 5(Ohio No. 5) 석탄 (표 1)을 사용한 연료 전지(10)의 성능 (I-V 곡선)을 나타내었다. 고체 상태 유기 연료로서 석탄을 사용한 경우, 석탄을 유입 포트(25)를 통해 튜브형 하우징(24)에 로딩하고, 950℃까지 점차적으로 가열하였다. 연료로서 CH4를 사용한 경우, 순수한 CH4를 30 cm3/분으로 하우징(24)에 공급하였다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 연료 전지(10)에서 석탄의 사용은 연료로서 CH4를 사용하여 생산된 것 보다 높은 전류 밀도를 생산하였다. 예상외로, 석탄에 대한 전류-전압 (I-V) 곡선은 CH4에 대한 것 보다 높았다. 도 2 의 CH4 I-V 곡선과 문헌 값과의 비교는 CH4에 대한 전류 밀도가 직접 메탄-산화 연료 전지에 대한 보고된 최상의 데이타의 약 35%임을 알 수 있다[참조: Park, J. M. Vohs, R. L. Gorte, Nature 404 (2000) 265.; Ishihara, T. Yamada, T. Akbay, Y. Takita, Chem. Eng. Sci. 54 (1999) 1535; Horita, N. Sakai, T. Kawada, H. Yokokawa, M. Dokiya, J. Electrochem. Soc. 143 (1996) 1161; 및 S. A. Barnett in Handbook of Fuel Cells, eds: W Vielstich, A. Lamm, and H. A. Gasteiger, Wiley, 2003 (모든 문헌은 본원에서 문헌으로 총괄적으로 언급되었으며 본원에서 전문이 참고문헌으로 포함되었다)]. 이는 문헌에서 50 ㎛ 두께 전해질에 비해 연료로서 석탄을 사용한 연료 전지에서 보다 두꺼운 YSZ 고체 전해질 (예를 들어 1 mm 두께)의 사용으로 적어도 일부분에 기인한 것으로 여겨진다. 연료 전지(10)는 연료로서 CH4를 사용한 연료 전지에 대해 보고된 것 보다 약 75% 높은 전류 밀도를 생산하였다.
배기 가스 스트림의 분석은 석탄을 사용한 연료 전지(10)로부터 생산된 주생성물이 주로 5% 미만의 농도의 CO를 갖는 CO2인 것을 알 수 있었다. CO 농도는 분석을 위해 가스 생성물을 배출하는데 사용되는 Ar의 흐름속도를 감소시킴으로써 추가로 감소시킬 수 있다. SO2는 퍼지 가스에 의한 희석 효과 및 석탄의 낮은 황 함량 둘모두로 인해 관찰되지 않았다.
석탄으로부터 생산된 비산회는 애노드 촉매 표면에 부착되지 않았다. 이러한 관찰은 비산회 증착 및 슬래그화가 석탄-점화 보일러의 디자인에서 주된 개념임을 고려하여, 매우 놀란만한 것이다. 비산회의 물리적 성질의 실험 및 이의 형성 히스토리(history)는 애노드 촉매 표면 상에 비산회가 점착되지 않는 이유가 비산회 용융성 온도 보다 낮은 연료 전지(10)의 작동 온도로 적어도 일부분 기인한 것임으로 나타났다 [STEAM in generation and use, A Handbook of Babcock & Wilcox, 40th Edition, (1992); 이러한 문헌은 전문으로 본원에 참고문헌으로서 포함된다]. 갈브래스(Galbraith) 실험실에 의해 생산된 비산회의 분석은 비산회의 황 함량이 0.1% 미만임을 나타내었다. 이러한 실험의 반복으로 실질적으로 첫번째 구동에서와 동일한 수준의 전기 에너지를 생산하였다.
또한, Pt 전기화학적-산화 촉매의 성능을 연구하였다. 상술된 Cu 전기화학적 산화 촉매와 Pt 애노드 촉매의 비교는 전기화학적 산화 촉매로서 Cu의 사용이 Pt 보다 높은 전력 밀도 수준을 초래함을 알 수 있다.
고온 환경에 석탄의 노출은 석탄의 열분해를 초래하여, 석탄 가스를 생성시킬 수 있다. 제기될 수 있는 한 문제는 전력 발생에서 석탄 열분해로부터 발생되는 석탄 가스의 분포 정도이다. 도 4 는 석탄 가스의 분포를 평가하기 위해 사용되는 실험 설비를 나타낸 것으로, 실험 설비는 석탄 열분해 반응기 및 연료 전지(10)를 포함한다. 생산된 석탄 가스의 조성을 질량 분석기로 결정하였다. 도 4 는 30 cm3/분의 헬륨 흐름 하에서 석탄의 온도 프로그램된 가열 동안 석탄 열분해로부터 가스 생성물의 발생을 나타낸 것이다.
현저한 양의 CH4 및 CO는 500℃에서 석탄으로부터 생산되었다. 온도의 추가 증가는 증가된 H2 형성으로 제공하였다. 반응기 온도를 700℃, 750℃ 및 800℃로 유지시켜 연료로서 석탄 가스를 사용한 연료 전지(10)의 성능을 측정하였다. 700℃에서 I-V 측정 결과를 도 5 에 나타내었다. 도 5 의 I-V 곡선 1, 2 및 3은 도 6의 라인 1, 2 및 3에 대응하는 것으로, 도 6 은 측정된 도 5 의 각각의 I-V 곡선에서 조성을 확인하였다. 30분의 스팀에 대한 시간(time-on-stream) 후에, CO2를 석탄 가스 스트림에 첨가하였다. CO2의 첨가는 많은 양의 CO2가 존재하는 높은 전환 조건으로 모의 실험된 환경으로 애노드 촉매를 제공한다.
도 5 및 6 의 접근 실험 뿐만 아니라 750℃ 및 800℃에서 수득된 유사한 결과는 생산된 전류 밀도가 H2 농도에 직접적으로 비례함을 나타낸다. 이러한 결과는 널리 공지된 사실인, H2가 가스 연료 중에서 높은 전류 밀도를 생산함에 있어서 효과적인 연료임을 확증한다.
< 실시예 2 >
실험 디자인
1 mm 두께의 YSZ 디스크를 고체 산화물 전해질(18)로서 토소사(Tosoh Inc.)로부터 구입하였다. 애노드(14) 및 전기화학적 산화 촉매 조합물을 형성하기 위한 물질을 YSZ 섬유(지르카(Zircar)로부터 제공됨) 및 YSZ(토소로부터 제공됨)를 7:3의 비율로 Ni(N03)2 및 NH4ReO4와 함께 함침시켜 제조하였다. 애노드 물질상에 Ni 및 Re 의 공칭 중량 퍼센트는 각각 5 중량%(중량%는 중량 퍼센트를 나타냄) 및 2 중량%이다. 애노드/전기화학적 산화 촉매 물질을 글리세린을 사용하여 YSZ 디스크(1000 마이크론)의 표면 상에 페이스트화시키고, 1000℃에서 4 시간 동안 하소시켰다. 이러한 과정을 애노드(14)를 형성시키기 위한 박막을 제조하기 위해 2 회 반복하였다.
제 1 전극 물질을 란탄 스트론튬 망간 산화물(LSM-20, NexTech Materials) 및 YSZ 분말을 1:1 의 비율로 혼합하여 제조하였다. 제 1 전극 물질을 글리세린을 사용하여 YSZ 디스크 상에 페이스트화시켜 캐소드(12)를 형성시키고, 950℃에서 4 시간 동안 하소시켰다.
고체 산화물 연료 전지 어셈블리
캐소드(12) 및 애노드(14)를 Pt 잉크(62)(엥겔하드사(Engelhard Corp)로부터 제공됨)를 이용하여 Pt 그리드(grid, 58)(99.9%, 알파-애사르(Alfa-Aesar)로부터 제공됨)에 각각 연결시키고, 그리드(58)를 도 7 에 개략적으로 나타낸 바와 같이 전류를 이송시키기 위한 Pt 와이어(99.9%)(22)에 연결시켰다. Pt 그리드(58)를 Pt 잉크(62) 및 소량의 세라믹 페이스트(아렘코(Aremco)로부터 제공됨)로 제 위치에 고정시켰다. Pt 잉크(62)는 950℃에서 2 시간 동안 경화되는 반면, 세라믹 페이스트는 85℃에서 2 시간 이후 235℃에서 2 시간 동안 경화되었다. 전류 및 전압을 랩뷰 소프트웨어로 측정하였다. 연료 전지(10)를 세라믹 페이스트로 알루미나 튜브(24)에 부착하였다. 캐소드(12)는 대기를 받아들이며, 애노드(14)는 알루미나 튜브(24) 내부에 존재한다. 연료 전지(10)를 제 1 에너지로 제공되는 원유 코크스 3 그램으로 로딩하였다. 원유 코크스는 표 2에 기재된 원유 코크스의 조성에 나타낸 바와 같이, 매우 작은 양의 재(ash)와 함께 탄소 및 수소를 함유한다. H2, CH4 및 C7H16을 포함하는 가스 연료를 유입 포트(25)로서 작동하는 보다 작은 알루미나 튜브를 통해 알루미나 튜브(24)에 공급하고, 1500℃ 미만의 온도에서 열적으로 안정한 세라믹 페이스트를 이용하여 알루미나 튜브(24)를 실링하였다.
지연된 원유 코크스의 통상적인 성질(수득된 원소 분석, 중량%)
구성성분 평균 범위
탄소 79.74 75.0-86.0
수소 3.31 3.0-3.6
질소 1.61 1.3-1.9
황 4.47 3.4-5.3
재 0.27 0.0-0.6
산소 0.00 0.0-0.1
습기 10.60 5.5-15.0
HHV, MJ/kg 31.3 29.3-33.7
재 성질, ppm 평균 범위
바나듐 <2,000 500-2,000
니켈 336 250-450
철 84 50-250
휘발성 물질,% 10 8-16
연료 전지(10)의 성능을 800℃, 900℃ 및 950℃에서, 연료로서 원유 코크스, 코크스/CH4, 코크스/CH4/C7H16, 코크스/H2/H2S를 사용하여 측정하였다.
결과
도 8 은 800℃에서 관찰된 전압 대 전류 밀도 곡선(I-V 곡선)을 나타낸 것이다. 각각의 연료에 대한 측정된 전류 밀도는 하기 순서로 증가하였다: 코크스<코크스/CH4<코크스/H2/H2S<코크스/CH4/C7H16. 연료로서 코크스의 낮은 초기 전류 밀도는 Ni 애노드 촉매가 완전하게 환원되지 않음을 제시한 것이다. CH4 및 H2의 도입은 초기 NiO의 Ni로의 환원을 촉진시켰다. 800℃에서 900℃로의 연료 온도의 증가는 본 연구에서 사용된 모든 연료에 대한 전류 밀도의 증가를 초래하였다. 흥미롭게도, H2S는 애노드 촉매의 현저한 활성 저하를 초래하지 않았다.
900℃에서 가장 효과적인 연료는 도 9 에 나타낸 바와 같이, 코크스/CH4/C7H16이었다. 애노드 촉매를 현저하게 중독시키는 H2S의 부족은 아마도 Re의 존재에 기인한 것이다. Re는 원유 정제 공정에서 Ni 촉매에 황 내성을 부여하는 것으로 여겨진다.
950℃로의 연료 전지의 작동 온도 증가는 도 10 에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 전류 밀도의 추가 증가를 초래하였다. 950℃에서, I-V 곡선이 함께 통합되어, 거의 동일한 기울기를 갖는 것으로 관찰되었다. 이러한 결과는 고체 산화물 전해질(18)의 옴 저항이 이러한 온도에서 전하 흐름에 대한 저항을 지배함을 제시하는 것이다. 이는 큰 네가티브 기울기가 낮은 전류 밀도 지역에서 코크스의 I-V 곡선에 대해 관찰되는 900℃ 및 800℃에서의 결과와는 대조적이다. 큰 네가티브 기울기는 애노드 촉매의 활성화 분극으로 적어도 일부분 기인한 것으로 여겨진다. 활성화 분극은 전긱 상에서 전기화학적 반응의 속도와 직접적으로 관련된 전압 손실로서 규정된다. 활성화는 애노드/캐소드 촉매와 이들 구조의 조절의 적절한 선택, 작동 온도와 압력, 및 전류 밀도에 이해 개선될 수 있다. 이러한 결과는 애노드 촉매가 충분하게 활성화되지 않으며 따라서 낮은 온도에서 큰 활성화 분극을 초래함을 제시하는 것이다.
상기에서 논의된 실험으로부터, Re(레늄)이 애노드 촉매에 황 내성을 부여하기 위한 적합한 물질이며, Ni-Re가 석탄과 비슷한 발열량 및 비용을 갖는 원유 코크스의 직접 전기화학적 산화에 대한 활성을 나타내는 것으로 여겨진다.
본 발명의 상기 설명으로부터, 당업자는 개선점, 변경 및 변형을 인식할 것이다. 당해 분야에서 이러한 개선점, 변경 및 변형은 첨부된 청구항에 의해 보호되는 것으로 의도된다.

Claims (40)

  1. 고체 상태 유기 연료로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 직접-전기화학적-산화 연료 전지로서,
    캐소드에서 산소 함유원으로부터 산소 이온의 형성을 촉진시키는 전기화학적-환원 촉매가 제공되는 캐소드;
    전기 에너지를 생산시키기 위해 산소 이온의 존재하에 고체 상태 유기 연료의 직접 전기화학적 산화를 촉진시키는 전기화학적-산화 촉매가 제공되는 애노드; 및
    산소 이온을 캐소드로부터 애노드로 전달하도록 배치된 고체 산화물 전해질을 포함하며,
    애노드에서 직접 전기화학적 산화가 하기 반응식에 따라 발생하는 연료전지:
    Figure 112006036084517-PCT00010
  2. 제 1 항에 있어서, 캐소드에서 산소의 형성이 하기 반응식에 따라 발생하는 연료 전지:
    Figure 112006036084517-PCT00011
  3. 제 1 항에 있어서, 고체 상태 유기 연료가 석탄, 흑연, 바이오매스 또는 이 의 결합물인 연료 전지.
  4. 제 3 항에 있어서, 바이오매스가 이탄, 왕겨 및 옥수수 수염으로 구성된 군으로부터 선택된 연료 전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 애노드에서 직접 전기화학적 산화가 50 몰% 이상의 CO2 농도를 포함하는 생성물을 생성시키는 연료 전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 전기화학적-환원 촉매가 란탄 스트론튬 망간 산화물인 연료 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 전기화학적-환원 촉매가 LSF; LSCF; SSC; YBa2Cu3Oy (여기서, y는 7 내지 9의 값을 갖는 정수임); La0.99MnO3; LaMnO3; LaxSryMn3 및 LaxCayMnO3 (여기서, x는 0.6 내지 0.95의 값을 갖는 수이며, y는 0.1 내지 0.4의 값을 갖는 수임)로 구성된 군으로부터 선택된 연료 전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 전기화학적-환원 촉매가 화학식 AxByCO3 (여기서, A는 La, Gd, Sm, Nd, Pr, Tb 및 Sr로 구성된 군으로부터 선택되며, B는 Sr, Ce 및 Co로 구성된 군으로부터 선택되며, x는 0.6 내지 0.94의 값을 갖는 수이며, y는 0.1 내지 0.4의 값을 갖는 수임)을 갖는 물질로 구성된 군으로부터 선택된 연료 전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 애노드에 제공된 전기화학적-산화 촉매가 백금을 포함하는 연료 전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 전기화학적-산화 촉매가 레늄을 포함하는 연료 전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 전기화학적-전기화학적 산화 촉매가 Re-NiO/YSZ인 연료 전지.
  12. 제 10 항에 있어서, 전기화학적-산화 촉매가 Cu 산화물-Pt 인 연료 전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 고체 산화물 전해질이 CaO 또는 MgO와 같은 알칼리토 산화물, 또는 Sc2O3, Y2O3, Yb2O3 등과 같은 희토류 산화물을 갖는 Bi, Zr, Hf, Th 및 Ce의 도핑된 산화물로 구성된 군으로부터 선택되며, 예를 들어 Bi202, (Bi2O7)0.75(Y203)0.25, BaTh0.9Gd0.103, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.203, (Ce2)0.8(Gd0.5)0.2, (ZrO2)0.9(Sc2O3)0.1, (Zr02)0.9(Y203)0.1, (ZrO2)0.87(CaO)0.13, (La203)0.95(Sr0)0.05 중 적어도 하나를 포함하는 고체 산화물 전해질(18)을 포함하는 연료 전지.
  14. 제 1 항에 있어서, 고체 산화물 전해질이 이트륨-안정화된 지르코늄 및 비스무트 산화물로 구성된 군으로부터 선택된 연료 전지.
  15. 제 1 항에 있어서, 고체 상태 유기 연료를 수용하기 위해 애노드를 둘러싸는 하우징을 추가로 포함하는 연료 전지.
  16. 제 15 항에 있어서, 고체 상태 유기 연료가 하우징으로 삽입될 수 있는 연료 통로를 추가로 포함하는 연료 전지.
  17. 제 1 항에 있어서, 애노드에서 발생하는 전기화학적 산화가 5 몰% 미만의 NOx (여기서, x는 1 내지 3의 정수임) 농도를 포함하는 생성물을 생산하는 연료 전지.
  18. 제 17 항에 있어서, 연료 전지가 약 1200℃의 최대 작동 온도를 갖는 연료 전지.
  19. 제 1 항에 있어서, 캐소드에서 발생하는 직접 전기화학적 산화가 10 몰% 미만의 CO 농도를 포함하는 생성물을 초래하는 연료 전지.
  20. 제 19 항에 있어서, 연료 전지가 약 1200℃의 최대 작동 온도를 갖는 연료 전지.
  21. 제 1 항에 있어서, 연료 전지가 48 시간 이상의 지속적인 시간 동안 적어도 100 mA/㎠ 이상의 전류를 생산하는 연료 전지.
  22. 제 1 항에 있어서, 연료 전지의 연료 전환 효율이 950℃에서 적어도 30 몰% 이상인 연료 전지.
  23. 고체 상태 유기 연료로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 직접-전기화학적-전기화학적 산화 연료 전지로서,
    캐소드에서 이온원으로부터 이온의 형성을 촉진시키는 전기화학적 환원 촉매가 제공된 캐소드,
    내황 물질을 포함하고 전기 에너지를 생산하기 위해 캐소드에서 형성된 이온의 존재하에 고체 상태 유기 연료의 전기화학적 산화를 촉진시키는 전기화학적 산화 촉매가 제공된 애노드, 및
    캐소드로부터 애노드로 이온을 이동시키도록 배치된 고체 산화물 전해질을 포함하는 연료 전지.
  24. 제 23 항에 있어서, 내황 물질이 Re, Mn 및 Mo 중 적어도 하나를 포함하는 연료 전지.
  25. 제 24 항에 있어서, 내황 물질이 Re-NiO/YSZ, Cu 산화물-Pt로 구성된 군으로부터 선택된 연료 전지.
  26. 제 23 항에 있어서, 전기화학적 환원 촉매가 란탄 스트론튬 망간 산화물인 연료 전지.
  27. 제 23 항에 있어서, 전기화학적 환원 촉매가 LSF; LSCF; SSC; YBa2Cu3Oy (여기서, y는 7 내지 9의 값을 갖는 정수임); La0.99MnO3; LaMnO3; LaxSryMn3 및 LaxCayMnO3 (여기서, x는 0.6 내지 0.95의 값을 갖는 수이며, y는 0.1 내지 0.4의 값을 갖는 수임)로 구성된 군으로부터 선택된 연료 전지.
  28. 제 23 항에 있어서, 캐소드에서 형성된 이온이 하기 반응식에 따라 형성된 산소 이온인 연료 전지:
    Figure 112006036084517-PCT00012
  29. 제 23 항에 있어서, 고체 상태 유기 연료가 석탄, 흑연, 바이오매스, 중합체 또는 이의 결합물인 연료 전지.
  30. 제 29 항에 있어서, 바이오매스가 이탄, 왕겨 및 옥수수 수염으로 구성된 군으로부터 선택된 연료 전지.
  31. 제 23 항에 있어서, 고체 산화물 전해질이 CaO 또는 MgO와 같은 알칼리토 산화물, 또는 Sc2O3, Y2O3, Yb2O3과 같은 희토류 산화물을 갖는 Bi, Zr, Hf, Th 및 Ce의 도핑된 산화물로 구성된 군으로부터 선택되며, 예를 들어 Bi202, (Bi2O7)0.75(Y203)0.25, BaTh0.9Gd0.103, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.203, (Ce2)0.8(Gd0.5)0.2, (ZrO2)0.9(Sc2O3)0.1, (Zr02)0.9(Y203)0.1, (ZrO2)0.87(CaO)0.13, (La203)0.95(Sr0)0.05 중 적어도 하나를 포함하는 고체 산화물 전해질(18)을 포함하는 연료 전지.
  32. 제 31 항에 있어서, 고체 산화물 전해질이 이트륨-안정화된 지르코늄 및 비스무트 산화물로 구성된 군으로부터 선택된 연료 전지.
  33. 제 23 항에 있어서, 애노드에서 고체 상태 유기 연료의 전기화학적 산화가 50 몰% 이상의 CO2 농도를 갖는 생산물을 생성시키는 연료 전지.
  34. 제 33 항에 있어서, 연료 전지가 1200℃ 미만의 최대 작동 온도를 갖는 연료 전지.
  35. 제 23 항에 있어서, 애노드에서 고체 상태 유기 연료의 전기화학적 산화가 0.1 몰% 미만의 NOx 농도(여기서, x는 1 내지 3의 정수를 나타냄)를 갖는 생성물을 생산하는 연료 전지.
  36. 제 23 항에 있어서, 전기화학적 산화 촉매가 Pt, Cu, Ag, Au, Pd, Ni과 같은 귀금속, VIII 금속/금속 산화물, 상술된 내황 물질의 산화물, Ce, Cr, Fe 및 Pb의 산화물, 이의 결합물, 다중 산화물, 하나 이상의 상술된 금속을 포함하는 결합물, Cu 산화물-Pt 및 Re-NiO/YSZ로 구성된 군으로부터 선택되며, 비귀금속 물질을 포함하는 전기화학적 산화 촉매가 Re, Mn, Mo, Ag, Cu 및 Au로 구성된 군으로부터 선택된 내황 물질을 포함하는 연료 전지.
  37. 고체 상태 유기 연료로부터 전력을 발생시키는 방법으로,
    캐소드에서 산소 함유원으로부터 산소 이온을 형성시키는 단계;
    고체 산화물 전해질을 갖는 애노드로 캐소드에서 형성된 산소 이온을 통과시키는 단계; 및
    산소 이온과 고체 상태 유기 연료의 반응을 촉매화시켜서 애노드에서 고체 상태 유기 연료를 직접적으로 산화시켜 CO2 및 전기 에너지를 포함하는 생성물을 생성시키는 단계; 를 포함하는 방법.
  38. 제 37 항에 있어서, 산소 이온을 형성시키는 단계는,
    하기 반응식에 따라 란탄 스트론튬 망간 산화물 촉매를 갖는 캐소드에서 반응을 촉매화시키는 단계를 포함하는 방법:
    Figure 112006036084517-PCT00013
  39. 제 37 항에 있어서, 산소 이온의 반응을 촉매화시키는 단계는,
    애노드에 내황 물질을 포함하는 촉매를 제공하는 단계; 및
    하기 반응식에 따라 고체 상태 유기 연료를 직접 전기화학적으로 산화시키는 단계;를 더 포함하는 방법:
    Figure 112006036084517-PCT00014
  40. 고체 상태 유기 연료로부터 전력을 발생시키는 방법으로,
    캐소드와 고체 산화물 전해질을 갖는 애노드 사이에 이온 연결 채널을 설립하는 단계;
    애노드에 내황 물질을 포함하는 전기화학적 산화 촉매를 제공하는 단계로서, CO2 및 전기 에너지를 포함하는 생성물을 생산하도록 애노드에서 고체 상태 유기 연료의 직접 전기화학적 산화를 촉진시키는 전기화학적 산화 촉매를 제공하는 단계;
    캐소드에 산소 함유원으로부터 산소 이온의 생산을 촉진시키는 전기화학적 환원 촉매를 제공하는 단계; 및
    전도성 채널을 형성시켜 캐소드로부터 전력을 전도시키는 단계; 를 포함하는 방법.
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