KR101803751B1 - 연료전지 스택용 압축 케이싱 및 연료전지 스택용 압축 케이싱의 제조 방법 - Google Patents

연료전지 스택용 압축 케이싱 및 연료전지 스택용 압축 케이싱의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

연료전지 또는 전해전지 스택은 한쪽은 평면이고 한쪽은 볼록한 모양을 가진 힘 분배 부재를 가지며, 이것은 적어도 스택의 윗면과 아랫면에 적용되고, 한 구체예에서는 2개의 측면에도 적용된다. 압축 매트와 추가의 고정된 강성 칼라가 스택과 힘 분배 부재를 둘러싸고, 이로써 스택은 적어도 윗면과 아랫면 그리고 잠재적으로는 또한 2개의 측면에 압축력을 받게 된다. 이 조립체는 기본적으로 난형 또는 원형 모양을 가지며, 축 방향으로 실질적으로 기밀이고, 기밀 단부 플레이트를 구비함으로써 강고한 기체 입구 및 출구 다기관이 형성될 수 있다.

Description

연료전지 스택용 압축 케이싱 및 연료전지 스택용 압축 케이싱의 제조 방법{COMPRESSION CASING FOR A FUEL CELL STACK AND A METHOD FOR MANUFACTURING A COMPRESSION CASING FOR A FUEL CELL STACK}
본 발명은 전지 스택의 압축에 관한 것이며, 더 구체적으로는 연료전지 스택 또는 전해전지 스택용 압축 케이싱, 및 이러한 압축 케이싱의 제조, 특히 고체 산화물 연료전지(SOFC) 스택 또는 고체 산화물 전해전지(SOEC) 스택의 압축 케이싱의 제조에 관한 것이다.
이후, 본 발명은 SOFC 스택과 관련해서 설명될 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 압축 케이싱은 폴리머 전해질 연료전지(PEM)나 직접 메탄올 연료전지(DMFC)와 같은 다른 타입의 연료전지에도 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 고체 산화물 전해전지와 같은 전해전지 및 이러한 전지 스택에도 사용될 수 있다.
연료전지나 전해전지의 전기화학 반응 및 기능은 본 발명의 본질이 아니며, 따라서 이것은 당업자가 잘 알고 있다는 생각하에 상세히 설명되지 않을 것이다.
SOFC에 의해 생기는 전압을 증가시키기 위해 몇 개의 전지 유닛을 조립하여 스택을 형성하며, 이들은 인터커넥트에 의해서 함께 연결된다. 스택의 이러한 층들은 가장자리의 일부분이나 전체 가장자리를 따라 유리와 같은 내열성 시일로 기밀(gas tight) 방식으로 함께 실링된다. 인터커넥트는 인접 전지 유닛의 애노드(연료) 측과 캐소드(공기/산소) 측을 분리하기 위한 기체 장벽으로 작용하며, 동시에 이들은 인접한 전지들 사이에, 즉 여분의 전자들을 가진 한 전지의 애노드와 환원 과정을 위해 전자가 필요한 이웃 전지의 캐소드 사이에 전류를 유도할 수 있다. 인터커넥트와 그것의 이웃 전극 사이의 전류 유도는 인터커넥트 영역 전체에 분포된 복수의 접촉점을 통해 가능해진다. 접촉점은 인터커넥트의 양측에서 돌출부로서 형성될 수 있다. 연료전지 스택의 효율은 이들 접촉점들 각각에서의 접촉 양호성에 좌우되며, 따라서 적당한 압축력이 연료전지 스택에 적용되는 것이 중요하다. 이런 압축력은 전기적 접촉이 확보될 만큼 충분히 커야 하며 연료전지 면적 전체에 균일하게 분포되어야 하지만, 전해질, 전극, 인터커넥트가 손상되거나, 또는 연료전지 위를 흐르는 기체 흐름을 방해할 정도로 커서는 안 된다. 연료전지의 압축은 또한 스택을 기밀 상태로 유지하기 위한 스택 층들 간의 시일에도 중요하다.
이 문제의 해결책이 WO 2008089977에서 제안되었는데, 여기서는 연료전지 스택이 스택과 면해 있는 직사각형의 평면측과 볼록한 모양의 반대측을 가진 열적으로 절연되는 단부 블럭을 구비하는 방식을 설명한다. 스프링이 단부 블록의 볼록한 모양의 면에 대해 가요성 시트를 팽팽하게 함으로써, 스프링의 힘이 스택 단부 영역 전체에 균일하게 분포된다.
DE 10250345에서는 SOFC를 둘러싼 하우징이 제공되는데, 스택과 하우징 사이의 압축 매트가 방사상으로 그리고 축상으로 전지에 압축력을 제공한다.
WO 2006012844는 스프링을 통해서 스택이 인장되는 방식을 설명하는데, 스프링은, 예를 들어 열적으로 절연되는 요소에 대해 반구 모양의 압력 분배 요소에 힘을 가한 다음, 스택 위로 더 가압한다.
WO 2008003286에서는 스택이 열적으로 절연되는 요소에 의해 압축되는데, 이 요소는 탄성 슬리브에 의해 스택에 대해 가압된다. 슬리브는, 예를 들어 실리콘이나 천연 생고무로 제조될 수 있다.
또 다른 스택 압축 원리가 DE 19645111에 제시된다.
연료전지 스택의 압축 문제에 대한 제시된 공지의 해결책들이 있음에도 이들은 모두 어느 정도 고유의 문제들을 가진다:
- 압축 시스템에 포함된 구성요소들이 많을수록 생산 비용이 많이 들고 재료 비용이 높아진다. 또한, 구성요소의 수가 증가할수록 기능장애의 위험이 일반적으로 증가한다.
- 스택을 압축하기 위한 금속 스프링의 사용이 비용을 증가시키며, 특히 열에 노출될 경우 금속 스프링은 성능이 저하되는 경향이 있으므로, 시간이 흐를수록 스프링 특성과 그에 따른 압축력이 변화한다.
- 압력 발생장치로서 생고무를 사용하는 해결책은, 예를 들어 주변 시스템과의 기계상의 그리고 공정상의 연결을 가능하게 하고, 압축 조립체를 보호하기 위해서 금속에 추가의 고정형 하우징을 필요로 할 수 있다.
- 볼록한 힘 분배 부재를 사용하지 않는 해결책은 스택 면적 전체적으로 압력이 불균일해질 위험과 그에 따라서 전기적 접촉이 불충분하게 되고, 연료전지 스택 구성요소들의 적층이 흐트러지게 될 위험이 있다.
- 기밀 상태가 아닌 압착 해결책의 경우, 기체 분포를 위한 가외의 구성요소로서 다기관(manifold)이 필요한데, 이것은 고가이며, 부착에 정밀한 기술이 필요하고, 특히 몇 개의 스택이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어야 할 경우에는 연료전지 시스템을 복잡하게 만든다.
- 밀착된 강한 외부 표면을 사용하지 않는 해결책은 취급, 공급 및 작동시에 손상되기 쉽다.
본 발명의 목적은 하나 이상의 전지 스택을 위한 새로운 압축 케이싱 조립체를 제공함으로써 언급된 문제를 해결하는 것이다.
더 구체적으로, 본 발명의 목적은 전지 스택을 압축하기 위한 금속 스프링의 필요성이 제거된 압축 케이싱 조립체 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 예를 들어 터빈 시스템에 존재하는 압력을 견딜 수 있는 내압 용기를 형성하는 압축 케이싱 조립체 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 높은 주변 온도를 견딜 수 있는 압축 케이싱 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전지 스택의 적어도 네 측면에 실질적으로 기밀인 엔클로져를 제공하는 압축 케이싱 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전지 스택의 대향하는 두 측면에 실질적으로 기밀인 분리를 제공하는 압축 케이싱을 제공하는 것이며, 한 구체예에서 이것은 전지 스택의 산화 기체 유입측과 산화 기체 출구측의 분리이다.
본 발명의 다른 목적은 전지 스택에서 연료전지 또는 전해전지의 면적 전체에 균일한 압력 분포 또는 잘 규정된 압력 분포를 제공하는 압축 케이싱 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전지 스택을 열적으로 절연하는 압축 케이싱 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전지 스택의 진동 감폭 및 보호를 제공하는 압축 케이싱 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 소수의 안정한 구성요소들로 구성된 압축 케이싱 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 압축 시스템과 다기관이 조립체에 통합됨으로써 연료전지를 보호하고 용이한 취급과 장착을 제공하는 강고하며 내구성 있는 용접 가능한 압축 케이싱 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 둘 이상의 스택의 밀착된 내구성 있는 직렬 및 병렬 캐소드 플로우 연결이 용이하게 가능한 압축 케이싱 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공정 기체나 유체의 여분의 주입을 위한 간단한 연결이 본래 가능한 압축 케이싱 조립체를 제공하는 것이다.
이들 목적 및 다른 목적들이 아래 설명된 본 발명에 의해서 달성된다.
따라서, 특히 고체 산화물 연료전지 또는 고체 산화물 전해전지는 물론이고 잠재적으로는 이미 언급된 다른 공지의 전지 타입의 스택에 적합한 압축 케이싱 조립체가 제공된다. 본 발명의 본질은 압축 케이싱 조립체이며, 전지 안에서 일어나는 전기화학 반응이 아니므로, 이후 연료전지 스택 또는 전해전지 스택은 블랙박스로서 간주될 것이다. 이에 따라, 연료전지의 경우, 블랙박스는 산화 기체와 연료 기체가 공급되었을 때 전기와 열을 발생시키거나, 또는 전해전지의 경우, 블랙박스는 전기가 공급되었을 때 산화 기체와 연료 기체를 발생시키고, 전기 부하에 따라서 블랙박스가 열을 생산하거나 열을 소비한다. 연료전지 스택이나 전해전지 스택의 기능과 내부 구성요소들은 공지기술이라고 사료되며, 본 발명의 대상이 아니다.
연료전지나 전해전지 스택은 여러 가지의 물리적 형태를 가질 수 있으며, 본 발명을 제한하지는 않지만, 본 발명의 명세서를 간단히 하고자, 이후의 설명 및 실시예에서는 상자 모양의, 즉 6개의 직사각형 면과 8개의 모서리와 3개씩 실질적으로 직각으로 연결되어 배치된 12개의 가장자리 변을 가진 전지 스택을 출발점으로서 선택할 것이다. 이후, 전지 스택은 윗면, 아랫면 및 다수의 측면을 갖는 것으로서 특정된다. 따라서, 본 발명의 전제조건은 적어도 윗면과 아랫면에 윗면이 아랫면을 향해 가압되는 방식으로 압축력이 필요하다는 것이다. 선택적으로, 스택의 추가의 대향하는 두 측면에도 서로에 대한 압축력이 필요하며, 어떤 경우에는 추가의 대향하는 두 측면에도 서로에 대한 압축력이 필요하다.
압축력을 분포시키고, 선택적으로 또한 열적 절연을 제공하기 위해서, 한쪽은 평면이고 한쪽은 볼록한 모양을 가진 강성의 힘 분배 부재가 스택의 윗면에 대해 배치되고, 하나는 스택의 아랫면에 대해 배치된다. 선택적으로, 측면들 중 둘 이상의 측면에도 또한 힘 분배 부재가 적용될 수 있다. 스택과 힘 분배 부재의 조립체 둘레에 가요성 압축력 매트가 적용되며, 이것은 압축력이 가해졌을 때 압축될 수 있다는 특징을 가진다. 압축 거리는 압축력 크기와 관련되며, 따라서 힘 분배 부재와 나아가 스택에 적용되어야 하는 필요한 압축력은 가요성 압축력 매트를 상응하는 거리만큼 압축시킴으로서 달성될 수 있다. 가요성 압축력 매트의 압축은 스택과 힘 분배 부재와 가요성 압축력 매트의 압축 케이싱 조립체 둘레에 고정된 강성 칼라를 적용함으로써 유지된다. 이와 관련하여, "강성"은 견인력에 대해 강성인 것을 의미하며, 따라서 얇은 금속 시트는 견인력에 대해 충분히 강성이어서 필요한 고정을 적용할 수 있다. 고정된 칼라는 필요한 압축 거리 또는 관련된 압축력에 도달될 때까지 가요성 압축력 매트 둘레에서 팽팽하게 되고, 이후 칼라가 이 팽팽하게 된 위치에서 고정된다. 고정된 칼라는 하나 이상의 구획을 포함할 수 있으며, 이들은 모두 고정된다.
1. 복수의 연료전지 또는 전해전지로 제조된 적어도 하나의 전지 스택을 위한 압축 케이싱 조립체로서, 적어도 하나의 전지 스택은
- 윗면
- 아랫면
- 복수의 측면
- 연료 기체 입구 및 출구 다기관과 연통하도록 적합하게 된 연료 기체 입구 및 출구
- 산화체(oxidant) 기체 입구 및 출구 다기관과 연통하도록 적합하게 된 산화체 기체 입구 및 출구
를 포함하고,
상기 압축 케이싱 조립체는 적어도 하나의 강성 힘 분배 부재, 적어도 하나의 가요성 압축력 매트 및 내면, 외면 및 제 1 및 제 2 사이드 엣지(side edge)를 포함하는 적어도 하나의 고정된 강성 칼라를 포함하고,
적어도 하나의 힘 분배 부재는
- 전지 스택의 윗면에 면해 있는 제 1 평면형 표면과 고정된 칼라의 내면을 향한 방향으로 면해 있는 상기 제 1 평면형 표면과 대향하는 기본적으로 볼록한 모양의 제 2 표면을 가진 상부 부분
- 전지 스택의 아랫면에 면해 있는 제 1 평면형 표면과 고정된 칼라의 내면을 향한 방향으로 면해 있는 상기 제 1 평면형 표면과 대향하는 기본적으로 볼록한 모양의 제 2 표면을 가진 하부 부분
을 포함하며,
상기 고정된 강성 칼라가 적어도 상기 윗면, 상기 아랫면 및 상기 측면들 중 2개의 측면에서 적어도 하나의 전지 스택, 적어도 하나의 힘 분배 부재 및 적어도 하나의 가요성 압축력 매트를 둘러싸고 있으며,
고정된 강성 칼라가 미리 팽팽하게 됨으로써, 둘러싼 고정된 강성 칼라에 수직인 압축력이 적어도 하나의 가요성 압축력 매트와 적어도 하나의 힘 분배 부재에 의해서 상기 윗면, 상기 아랫면 및 상기 2개의 측면에 기본적으로 수직인 방향으로 적어도 하나의 전지 스택에 전달되고,
이로써, 적어도 하나의 힘 분배 부재의 상기 상부 부분 및 하부 부분의 기본적으로 볼록한 모양의 제 2 표면이 적어도 하나의 전지 스택의 적어도 윗면과 아랫면에 균일하게 분포된 표면 압력을 제공하는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
2. 상기 특징 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 힘 분배 부재와 상기 적어도 하나의 가요성 압축력 매트가 칼라의 축 범위의 적어도 일부분에서 적어도 하나의 전지 스택의 상기 윗면, 아랫면 및 2개의 측면과 상기 둘러싼 고정된 강성 칼라의 내면 사이에 실질적으로 기밀인 실링을 형성하는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
3. 상기 특징 2에 있어서, 제 1 단부 플레이트가 상기 제 1 사이드 엣지 근처에서 상기 칼라에 고정되고, 제 2 단부 플레이트가 상기 제 2 사이드 엣지 근처에서 상기 칼라에 고정되며, 이로써 칼라와 제 1 단부 플레이트와 제 2 단부 플레이트가 기밀 내압 용기를 형성하는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
4. 상기 특징 3에 있어서, 칼라의 제 1 엣지 구역과 조합되어 상기 제 1 단부 플레이트에 의해 캡슐화된 부피는 제 1 기체 측면 다기관을 형성하며, 제 1 기체 개구를 구비하고, 칼라의 제 2 엣지 구역과 조합된 상기 제 2 단부 플레이트는 제 2 기체 측면 다기관을 형성하며, 적어도 하나의 전지 스택을 위한 제 2 기체 개구를 구비하는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
5. 상기 특징 3에 있어서, 적어도 하나의 전지 스택을 위하여, 상기 제 1 단부 플레이트는 제 1 기체 개구를 구비하여 제 1 기체 측면 다기관을 형성하고, 상기 제 2 단부 플레이트는 제 2 기체 개구를 구비하여 제 2 기체 측면 다기관을 형성하는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
6. 상기 특징 1-5 중 어느 것에 있어서, 상기 칼라는 얇은 금속 시트, 바람직하게는 페라이트계 또는 오스테나이트계 스테인리스 스틸 또는 니켈 합금, 바람직하게는 인코넬(inconel)로 제조되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
7. 상기 특징 1-6 중 어느 것에 있어서, 상기 단부 플레이트는 용접, 스레드 연결(thread connection), 클램프 연결(clamp connection), 리벳, 비딩(beading), 아교(glue) 또는 플랜지 연결(flange connection)에 의해서 상기 칼라에 고정되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
8. 상기 특징 1-7 중 어느 것에 있어서, 둘 이상의 상기 전지 스택이 나란히 및/또는 아랫면에서 부터 윗면을 향하여 매트릭스 패턴으로 배치되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
9. 상기 특징 1-8 중 어느 것에 있어서, 상기 압축 케이싱 조립체의 상기 제 2 사이드 엣지를 후속 조립체의 제 1 사이드 엣지에 연결함으로써 둘 이상의 압축 케이싱 조립체가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
10. 상기 특징 9에 있어서, 직렬로 연결된 압축 케이싱 조립체들의 중간에서 연결된 엣지 구역에 퍼지 기체, 연료 및/또는 냉매의 유입을 위한 개구들이 제공되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
11. 상기 특징 1-10 중 어느 것에 있어서, 상기 적어도 하나의 힘 분배 부재는 열적으로 절연되며, 세라믹, 유리, 금속 또는 이들의 조합, 바람직하게는 다공질 규산칼슘 또는 유리섬유 강화 규산칼슘으로 제조되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
12. 상기 특징 1-11 중 어느 것에 있어서, 상기 적어도 하나의 가요성 압축력 매트는 진동 감폭 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
13. 상기 특징 1-12 중 어느 것에 있어서, 상기 적어도 하나의 가요성 압축력 매트 재료는 내화성 세라믹 섬유 또는 유리섬유, 바람직하게는 마그네시아-실리카 섬유, 실리카를 어느 정도 함유하는 알루미나 섬유, 산화물인 지르코니아, 크로미아 또는 티타니아 중 하나 이상을 함유하는 저 알칼리 알루미노실리케이트 조성물 또는 질석을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
14. 상기 특징 1-13 중 어느 것에 있어서, 상기 조립체는 스택의 윗면, 아랫면 및 2개의 측면에 적용된 힘 분배 부재를 가지며, 기본적으로 원형 단면을 가지거나, 또는 상기 조립체는 스택의 윗면과 아랫면에 적용된 힘 분배 부재를 가지며, 기본적으로 난형(oval), 타원형(elliptic) 또는 경주트랙형(racetrack) 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
15. 상기 특징 1-14 중 어느 것에 따른 적어도 하나의 조립체의 제조 방법으로서, 상기 방법은
- 복수의 연료전지 또는 전해전지를 포함하는 적어도 하나의 전지 스택을 제공하는 단계
- 적어도 하나의 강성 힘 분배 부재 및 적어도 하나의 가요성 압축력 매트를 제공하는 단계
- 스택의 적어도 윗면, 아랫면 및 2개의 측면에서 고정된 강성 칼라로 상기 스택, 힘 분배 부재 및 가요성 압축력 매트를 둘러싸는 단계
- 상기 칼라를 팽팽하게 함으로써 상기 가요성 압축력 매트를 압축하고, 이로써 스택에 압축력을 적용하는 단계
- 팽팽하게 된 상태에서 상기 칼라를 고정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 상기 특징 15에 있어서,
- 제 1 및 제 2 단부 플레이트를 제공하는 단계
- 상기 제 1 단부 플레이트를 칼라의 제 1 사이드 엣지 근처에서 칼라에 고정하고, 상기 제 2 단부 플레이트를 칼라의 제 2 사이드 엣지 근처에서 칼라에 고정하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 상기 특징 15에 있어서,
- 둘 이상의 상기 압축 케이싱 조립체를 제공하는 단계
- 상기 압축 케이싱 조립체의 제 2 사이드 엣지를 후속 압축 케이싱 조립체의 제 1 사이드 엣지에 고정함으로써 조립체들을 직렬로 연결하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 적어도 하나의 연료전지 스택 또는 전해전지 스택의 진동 감폭 및 보호를 위한 특징 1-14 중 어느 것에 따른 압축 케이싱 조립체의 사용.
본 발명은 본 발명의 구체예의 실례들을 도시하는 첨부한 도면에 의해 더 예시된다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 케이스에 넣어진 전지 스택을 포함하는 압축 케이싱 조립체의 단부 단면도이다.
도 2는 본 발명의 구체예에 따른 케이스에 넣어진 전지 스택을 포함하는 압축 케이싱 조립체의 측면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 구체예에 따른 케이스에 넣어진 전지 스택을 포함하는 압축 케이싱 조립체의 단부 단면도이다.
도 4는 기체 다기관인 단부 플레이트, 방사상으로 연장된 연료 기체 파이프 및 축 연장된 산화 기체 파이프를 구비한 압축 케이싱 조립체의 등각투영도이다.
도 5는 기체 다기관인 단부 플레이트, 방사상으로 연장된 연료 기체 파이프 및 방사상으로 연장된 산화 기체 파이프를 구비한 압축 케이싱 조립체의 등각투영도이다.
도 6은 기체 다기관인 단부 플레이트, 축 연장된 연료 기체 파이프 및 축 연장된 산화 기체 파이프를 구비한 압축 케이싱 조립체의 등각투영도이다.
도 7은 2개의 스택이 2개의 고정된 칼라의 엣지-엣지 연결에 의해 직렬 캐소드 플로우로 연결된 압축 케이싱 조립체의 측면 단면도이다.
도 8은 4개의 스택이 병렬 캐소드 플로우로 연결된 압축 케이싱 조립체의 단부 단면도이다.
부재 번호:
101, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801: 고정된 강성 칼라
102, 202, 302, 702, 802: 상부 강성 힘 분배 부재
103, 203, 303, 703, 803: 하부 강성 힘 분배 부재
104, 804: 제 1 측면 강성 힘 분배 부재
105, 805: 제 2 측면 강성 힘 분배 부재
106, 206, 306, 706, 806: 가요성 압축력 매트
109, 209, 309, 709, 809: 전지 스택, 상자형
210, 410, 510, 610, 710: 산화 기체 입구 다기관
211, 411, 511, 611, 711: 산화 기체 입구 파이프
212, 712, 812: 산화 기체 출구 다기관
213, 413, 513, 613, 713: 산화 기체 출구 파이프
421, 521, 621: 연료 기체 입구 파이프
422, 522, 622: 연료 기체 출구 파이프
731: 중간 산화 기체 다기관
도 1과 관련하여, 한 구체예에서, 압축될 전지 스택(109)은 상자형이며, 내부 다기관과 외부 다기관이 조합된 전지 스택이다. 연료 파이프(도시되지 않음)에 연결된 내부 다기관을 통해 연료 기체가 전지에 공급되고 그로부터 제거된다. 산화 기체는 전지(앞서 설명된 연료전지나 전해전지)의 한쪽 가장자리로 공급되어 전지 면적을 지나 흐른 다음, 전지의 다른 쪽 가장자리로부터 제거된다. 전지가 스택형일 때, 이러한 평행한 가장자리들이 스택의 두 측면을 형성하고, 이 두 측면이 2개의 외부 다기관에 연결되어야 한다. 도 1에서는 상자형 전지 스택(109)을 산화 기체 입구측에서 본 것이다. 이 구체예에서는, 강성이며 열 절연되는 힘 분배 부재(102, 103, 104, 105)가 전지 스택의 4개 측면, 즉 산화 기체를 위한 개구가 없는 두 측면에 더하여 위아래 측면에 적용된다.
도 1에서 볼 수 있는 대로, 4개의 힘 분배 부재는 각각 전지 스택과 접하는 표면은 평면이지만, 각 힘 분배 부재의 반대쪽 표면은 한 차원에서는 볼록한 모양을 가지고, 볼록한 곡선의 축에 평행하는 차원에서는 선형 모양을 가진다. 이 구체예에서는, 힘 분배 부재의 볼록한 곡선이 원형 호 형상, 더 구체적으로 원의 4/1을 이루는 호 형상을 가진다. 이에 따라, 4개의 힘 분배 부재가 각각 스택에서 이들의 상응하는 면에 배치될 때, 4개의 볼록한 모양의 표면들이 함께 원통형 모양을 형성하고, 힘 분배 부재와 스택 사이에는 실질적으로 어떠한 틈도 없게 된다. 힘 분배 부재는 용도에 관한 특정 요구사항들(열 절연, 기체 불투과성, 강성, 추가적 기능들)에 따라서 광범위한 재료로 제조될 수 있다. 힘 분배 부재를 위한 재료의 예는 세라믹, 유리, 금속 또는 이들의 조합, 다공질 규산칼슘 또는 유리섬유 강화 규산칼슘이다. 어떤 용도에서는 열 절연이 힘 분배 부재의 바람직한 특성이지만, 다른 용도에서는 열 절연이 반드시 요구되는 것은 아니다. 힘 분배 부재는 심지어 애노드 열 교환기와 같은 활성 구성요소일 수도 있다.
가요성 압축력 매트는 전지 스택과 4개의 힘 분배 부재의 조립체 둘레에 배치된다. 가요성 압축력 매트는 조립체를 밀착하여 둘러싸며, 매트 단부들은, 예를 들어 버트 엔드형(butt end) 고정이나 사개물림(tongue and groove) 방식으로 조립됨으로써 서로 단단히 맞물린다. 가요성 압축력 매트는 고온 조건하에 SOFC의 압축에 매우 상당히 적합하다는 특징을 가진다. 그것은 실질적으로 기밀이고, 내열성이며, 압축되는 길이가 길수록 압축 방향에 대해 발휘되는 압축력이 더 커지는 방식으로 압축될 수 있다. 가요성 압축력 매트는 적합한 거리가 압축되었을 때 전지 스택에 압축력을 발휘하기 때문에, 금속성 압축 스프링이 필요 없게 된다. 이 "적합한 거리"는 가요성 압축력 매트의 기지의 탄성률에 의해서, 또는 간단히 반복 실험에 의해서 결정될 수 있다. 전제조건은 압축에 필요한 스택의 요건인데, 이것은 실험적으로 결정되고, 해당 전지 스택의 타입별로 특정하다. 스택 압축력은 스택 둘레의 가요성 압축력 매트를 필요한 힘으로 팽팽하게 함으로써 얻어진다. 가요성 압축력 매트의 적합한 압축 거리를 결정하는 다른 방법은 스택 상자 표면과 힘 분배 부재 사이에 힘 측정 장치를 설치한 다음, 힘 측정 장치에 따라 스택에서 원하는 압축력이 얻어질 때까지 둘러싼 가요성 압축력 매트를 압축하는 것이다. 일단 이 실험이 수행된 후에는, 이 데이터에 기초하여 유사한 특징의 가요성 압축력 매트를 사용하여 추가의 압축 조립체들이 생산될 수 있다. 가요성 압축력 매트에 필요한 특징은 당업자에게 공지된 일군의 재료들을 사용하여 얻어질 수 있으며, 이들 중 일부는 내화성 세라믹 섬유 또는 유리섬유, 마그네시아-실리카 섬유, 실리카를 어느 정도 함유하는 알루미나 섬유, 산화물인 지르코니아, 크로미아 또는 티타니아 중 하나 이상을 함유하는 저 알칼리 알루미노실리케이트 조성물 또는 질석이다.
압축 케이싱 조립체는 스택, 힘 분배 부재 및 압축 매트를 둘러싼 고정된 강성의 칼라로 완성된다. 고정된 칼라는 몇 가지 목적에 소용되는데, 가장 중요한 것은 스택에 필요한 압축력을 제공하는데 필요한 원하는 압축 상태로 가요성 압축력 매트를 고정한다는 점이다. 고정된 칼라는 금속, 플라스틱, 복합 재료, 유리섬유, 탄소섬유 또는 당업자에게 공지된 다른 적합한 재료들과 같은 일군의 재료들로 제조될 수 있다. 예를 들어, 고정된 칼라가 스틸로 제조된 경우라면, 그것은 얇은 시트로서 조립체 둘레에 적용되어, 호스 클램프 등에 의해 원하는 압축력만큼 팽팽하게 될 수 있다. 원하는 치수에 도달했을 때, 시트가 가장자리를 따라 용접될 수 있으며, 이로써 가요성 압축력 매트, 힘 분배 부재 및 스택을 둘러싼 밀착 고정된 원통형 칼라가 형성된다. 고정된 칼라는 또한 전지 스택의 보호를 위해 사용된다. 스택이 설명된 대로 캔에 넣어졌을 때, 그것은 열에 대해 보호되고, 가요성 압축력 매트에 의해서 충격 및 진동에 대해 보호되며, 칼라에 의해서 찌그러짐, 스크래치 등에 대해 잘 보호된다.
또한, 칼라는 산화 기체 입구 및 출구 다기관의 일부분으로써 소용될 수 있다. 좁은 공차로 장착되었을 때, 전지 스택, 힘 분배 부재, 압축 매트 및 고정된 칼라는 스택의 산화 기체 입구측과 스택의 산화 기체 출구측 사이에 실질적으로 기밀인 장벽을 형성한다. 소량의 산화 기체가 입구측으로부터 출구측으로 압축 조립체를 통과하도록 되더라도 이것은 전지 스택 성능에 불리한 효과만을 가질 것이다.
도 2와 관련하여, 고정된 칼라의 치수가 연료전지 스택(206)(또는 전해전지 스택)과 그것 주변의 힘 분배 부재(202, 203)와 가요성 압축력 매트(206)보다 더 크고 더 넓은 경우에는, 조립체가 산화 기체 입구측과 산화 기체 출구측 양쪽에 엔클로징 림을 구비한다는 것을 알 수 있다. 이 림에 캡이 구비된 경우, 매우 단순한 입구 다기관(210) 및 출구 다기관(212)이 달성된다. 캡은 고정된 칼라와 동일한 스틸 재료로 제조될 수 있고, 2개가 함께 용접될 수 있으며, 이로써 개별 시일과 장착 시스템에 의해 고정되어야 하는 공지된 기술인 외부 다기관과 비교했을 때 기밀이며 매우 강고한 다기관이 제공된다. 이와 같이, 압축 케이싱 조립체는, 예를 들어 터빈 시스템에서 볼 수 있는 것 같은 실질적인 과잉 압력을 견딜 수 있는 치수로 쉽게 제작될 수 있는 압력 용기로서 형성된다. 이러한 승압에 의해 연료전지 스택을 작동시키면 네른스트 전위가 증가하고, 이것이 연료전지 스택의 전기 효율 상당히 증가시킨다는 것이 또한 큰 이점이다. 산화 기체는 산화 기체 입구 파이프(211)를 통해 입구 다기관에 제공되고, 산화 기체 출구 파이프(213)를 통해 출구 다기관으로부터 빠져나온다. 연료 기체는 본 분야에 공지된 내부 다기관(도시되지 않음)과 연료 입구 및 출구 파이프(도시되지 않음)을 통해 스택에 제공되고 그로부터 빠져나오며, 고정형 칼라, 압축 매트 및 더 나아가 힘 분배 부재(도시되지 않음)를 통해서 개구를 통해서 스택의 내부 다기관에 제공된다. 연료 기체 파이프는 공지된 기술과 용접, 납땜 등과 같은 재료에 의해 고정된 칼라와 압축 매트와 힘 분배 부재에 실링될 수 있다.
도시되지 않은 추가의 구체예에서, 하나 이상의 스택을 포함하는 압축 케이싱 조립체는 강고할 수 있으며, 칼라가 스택, 힘 분배 부재 및 압축 매트 조립체보다 더 넓지 않은 경우에도 측면 다기관을 구비할 수 있다. 칼라가 상기 조립체의 나머지 부분과 실질적으로 동일하다면, 단부 플레이트 역시 어떤 적합한 기술에 의해서 칼라에 쉽게 장착될 수 있다. 단부 플레이트는 약간 볼록한 모양이고, 다기관 체적은 전지들 사이에 산화 기체를 분포시킬 수 있도록 형성될 것이며, 단부 플레이트는 금속이 사용된 경우라면, 도 2에 따른 해결책과 유사하게, 칼라에 간단히 용접되거나, 리벳이 사용되거나, 납땜되거나 또는 비딩될 수 있고, 이로써 기밀이며 내압성이며 매우 강고한 조립체가 형성된다.
도 2에 따른 압축 케이싱 조립체는 이처럼 간단하고 기밀이며 안정하고 강고한 전지 스택 유닛을 형성한다.
연료전지 효율을 증가시키기 위해서는 스택을 직렬로 연결하는 것이 유리할 수 있다. 도 7에 도시된 대로, 본 발명의 압축 케이싱 조립체는 이 목적에 매우 적합한데, 주 스택(709)의 출구 다기관(712)과 상기 스택(709)의 뒤따른 입구 다기관(710)이 생략될 수 있고, 이로써 2개의 고정형 칼라가 간단히 함께 용접되기 때문이다.
이 방식에서, 둘러싼 고정형 칼라(701)가 스택보다 더 넓을 경우 체적이 있는 중간 다기관(731)이 직렬로 연결된 2개의 스택 사이의 엣지구역에 생긴다. 파이프들이 중간 다기관(731)에 연결될 수 있으며, 이로써 보충 산화 기체, 스팀, 물안개 또는 다른 공정 기체나 유체의 주입이 가능해진다. 다시, 본 발명의 압축 케이싱 조립체는 다수의 연료전지 스택의 간단하고 강고하며 내압성이고 기밀인 직렬 연결이 가능한 간단하며 튼튼한 유닛을 제공한다.
도 8에 도시된 대로, 연료전지 스택 또는 전해전지 스택의 병렬 연결도 또한 본 발명에 따라서 달성될 수 있다. 2개 이상의 스택(809)이 서로 위에 또는 나란히 배치될 수 있다. 많은 스택이 병렬로 배치된다 해도, 힘 분배 부재(802, 803, 804, 805)가 스택 주변에 장착될 수 있고, 가요성 압축력 매트(806)가 스택 사이에 배치되어 틈을 채우고 불규칙성을 고르게 할 수 있다. 이 방식에서는 2개 이상의 스택이 병렬로 배치되는 경우에도, 간단하고 튼튼하며 내압성이고 기밀인 압축 케이싱 조립체가 달성될 수 있다.
도 3과 관련하여, 전지 스택(309)의 위와 아래에만 힘 분배 부재(302, 303)가 적용된 구체예가 도시된다. 스택의 측면에는 가요성 압축력 매트(306)만 적용되며, 이것은 압축하기 위한 목적이 아니라, 단지 스택의 기밀 엔클로저를 달성하기 위한 것이다. 이 구체예는 전지 스택은 하단부에 대한 상부의 압축이 주로 필요하며, 측면 압축은 스택의 내구성 및 효능에 덜 중요하다는 사실을 이용한다. 따라서, 이 구체예에서는 측면 힘 분배 부재뿐만 아니라 상당한 양의 공간도 절약된다.
도 4, 5 및 6은 연료 입구(421, 521, 621)와 출구 파이프(422, 522, 622)가 캔에 넣어진 연료전지 스택 또는 전해전지 스택에 어떻게 연결될 수 있는지를 도시한다. 파이프들은 칼라(401, 501, 601)와 나아가 압축력 매트 및 힘 분재 부재(도 4, 5, 및 6에서는 볼 수 없음)를 통해서 전지 스택의 내부 다기관 위로 연장된다. 어떤 구체예에서, 파이프는 어떤 재료, 예를 들어 스틸로 제조될 수 있으며, 이것은 칼라에 용접되거나 납땜될 수 있고, 이로써 강고하며 기밀인 전지 조립체가 얻어진다. 도 4는 도 1 및 도 2에 따른 구체예와 유사하고, 상이한 해결책이 도 5에 도시되며, 산화 기체 파이프(511, 513)가 또한 칼라 원통 측면에 장착되고, 이들은 원통 중심축에 실질적으로 직교하여 연장된다. 이 구체예는 전지 조립체의 한 측면에만 배관이 있는 것이 바람직한 용도에서 유리할 수 있다. 도 6에서는 산화 기체(611, 613) 및 연료 기체(621, 622) 파이프들이 모두 산화 기체 다기관을 거쳐서 원통 축에 실질적으로 평행하게 연장된 구체예가 도시된다.

Claims (18)

  1. 복수의 연료전지 또는 전해전지로 이루어진 적어도 하나의 전지 스택을 위한 압축 케이싱 조립체로서, 적어도 하나의 전지 스택은
    - 윗면
    - 아랫면
    - 복수의 측면
    - 연료 기체 입구 및 출구 다기관과 연통하도록 적합하게 된 연료 기체 입구 및 출구
    - 산화체 기체 입구 및 출구 다기관과 연통하도록 적합하게 된 산화체 기체 입구 및 출구
    를 포함하고,
    상기 압축 케이싱 조립체는 적어도 하나의 강성 힘 분배 부재, 적어도 하나의 가요성 압축력 매트 및 내면, 외면 및 제 1 및 제 2 사이드 엣지(side edge)를 포함하는 적어도 하나의 고정된 강성 칼라를 포함하고,
    적어도 하나의 힘 분배 부재는
    - 전지 스택의 윗면에 면해 있는 제 1 평면형 표면과 고정된 칼라의 내면을 향한 방향으로 면해 있는 상기 제 1 평면형 표면과 대향하는 기본적으로 볼록한 모양의 제 2 표면을 가진 상부 부분
    - 전지 스택의 아랫면에 면해 있는 제 1 평면형 표면과 고정된 칼라의 내면을 향한 방향으로 면해 있는 상기 제 1 평면형 표면과 대향하는 기본적으로 볼록한 모양의 제 2 표면을 가진 하부 부분
    을 포함하며,
    상기 고정된 강성 칼라가 적어도 상기 윗면, 상기 아랫면 및 상기 측면들 중 2개의 측면에서 적어도 하나의 전지 스택, 적어도 하나의 힘 분배 부재 및 적어도 하나의 가요성 압축력 매트를 둘러싸고 있으며,
    고정된 강성 칼라가 미리 팽팽하게 됨으로써, 둘러싼 고정된 강성 칼라에 수직인 압축력이 적어도 하나의 가요성 압축력 매트와 적어도 하나의 힘 분배 부재에 의해서 상기 윗면, 상기 아랫면 및 상기 2개의 측면에 기본적으로 수직인 방향으로 적어도 하나의 전지 스택에 전달되고,
    이로써, 적어도 하나의 힘 분배 부재의 상기 상부 부분 및 하부 부분의 기본적으로 볼록한 모양의 제 2 표면이 적어도 하나의 전지 스택의 적어도 윗면과 아랫면에 균일하게 분포된 표면 압력을 제공하며,
    상기 적어도 하나의 힘 분배 부재와 상기 적어도 하나의 가요성 압축력 매트가 칼라의 축 범위의 적어도 일부분에서 적어도 하나의 전지 스택의 상기 윗면, 아랫면 및 2개의 측면과 상기 둘러싼 고정된 강성 칼라의 내면 사이에 기밀인 실링을 형성하고,
    제 1 단부 플레이트가 상기 제 1 사이드 엣지 근처에서 상기 칼라에 고정되고, 제 2 단부 플레이트가 상기 제 2 사이드 엣지 근처에서 상기 칼라에 고정되며, 이로써 칼라와 제 1 단부 플레이트와 제 2 단부 플레이트가 기밀 내압 용기를 형성하는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 칼라의 제 1 엣지 구역과 조합되어 상기 제 1 단부 플레이트에 의해 캡슐화된 부피는 제 1 기체 측면 다기관을 형성하며, 제 1 기체 개구를 구비하고, 칼라의 제 2 엣지 구역과 조합된 상기 제 2 단부 플레이트는 제 2 기체 측면 다기관을 형성하며, 적어도 하나의 전지 스택을 위한 제 2 기체 개구를 구비하는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 전지 스택을 위하여, 상기 제 1 단부 플레이트는 제 1 기체 개구를 구비하여 제 1 기체 측면 다기관을 형성하고, 상기 제 2 단부 플레이트는 제 2 기체 개구를 구비하여 적어도 하나의 전지 스택을 위한 제 2 기체 측면 다기관을 형성하는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 칼라는 얇은 금속 시트로 제조되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 단부 플레이트는 용접, 스레드 연결, 클램프 연결, 리벳, 비딩, 아교 또는 플랜지 연결에 의해서 상기 칼라에 고정되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서, 둘 이상의 상기 전지 스택이 나란히 또는 아랫면에서부터 윗면을 향하여 매트릭스 패턴으로 배치되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 압축 케이싱 조립체의 상기 제 2 사이드 엣지를 후속 조립체의 제 1 사이드 엣지에 연결함으로써 둘 이상의 상기 조립체가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서, 직렬로 연결된 압축 케이싱 조립체들의 중간에서 연결된 엣지구역에 퍼지 기체, 연료 또는 냉매의 유입을 위한 개구들이 제공되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 힘 분배 부재는 열적으로 절연되며, 세라믹, 유리, 금속 또는 이들의 조합으로 제조되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가요성 압축력 매트는 진동 감폭 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가요성 압축력 매트 재료는 내화성 세라믹 섬유 또는 유리섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 압축 케이싱 조립체는 스택의 윗면, 아랫면 및 2개의 측면에 적용된 힘 분배 부재를 가지며, 기본적으로 원형 단면을 가지거나, 또는 상기 압축 케이싱 조립체는 스택의 윗면과 아랫면에 적용된 힘 분배 부재를 가지며, 기본적으로 난형, 타원형 또는 경주트랙형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 압축 케이싱 조립체.
  15. 제 1 항에 따른 적어도 하나의 압축 케이싱 조립체의 제조 방법으로서, 상기 방법은
    - 복수의 연료전지 또는 전해전지를 포함하는 적어도 하나의 전지 스택을 제공하는 단계
    - 적어도 하나의 강성 힘 분배 부재 및 적어도 하나의 가요성 압축력 매트를 제공하는 단계
    - 스택의 적어도 윗면, 아랫면 및 2개의 측면에서 고정된 강성 칼라로 상기 스택, 힘 분배 부재 및 압축력 매트를 둘러싸는 단계
    - 상기 칼라를 팽팽하게 함으로써 상기 압축력 매트를 압축하고, 이로써 스택에 압축력을 적용하는 단계
    - 팽팽하게 된 상태에서 상기 칼라를 고정하는 단계
    를 포함하고,
    - 제 1 및 제 2 단부 플레이트를 제공하는 단계
    - 상기 제 1 단부 플레이트를 칼라의 제 1 사이드 엣지 근처에서 칼라에 고정하고, 상기 제 2 단부 플레이트를 칼라의 제 2 사이드 엣지 근처에서 칼라에 고정하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제 15 항에 있어서,
    - 둘 이상의 상기 압축 케이싱 조립체를 제공하는 단계
    - 상기 압축 케이싱 조립체의 제 2 사이드 엣지를 후속 조립체의 제 1 사이드 엣지에 고정함으로써 압축 케이싱 조립체들을 직렬로 연결하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 적어도 하나의 연료전지 스택 또는 전해전지 스택의 진동 감폭 및 보호방법으로서, 상기 방법이 적어도 하나의 연료전지 스택 또는 전해전지 스택의 진동 감폭 및 보호를 위하여 청구항 제 1 항, 제 4 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 압축 케이싱 조립체를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 또는 전해전지 스택의 진동 감폭 및 보호방법.
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