KR101899114B1 - 스택 조립체 - Google Patents

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자콥 브레이너
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할도르 토프쉐 에이/에스
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Abstract

고체산화물 연료전지 또는 고체산화물 전해전지 스택 조립체(203)는 개선된, 단순한, 비용이 감소한 및 견고한 압축 시스템, 하우징 및 가요성-인터페이스-고정부(204)를 가진 단일 측면부 시스템 인터페이스를 가지며, 가요성-인터페이스-고정부는 작동중이지 않을 때는 하우징에 적어도 하나의 전지 스택을 고정하기에 충분히 강성이고, 작동중일 때는 적어도 하나의 전지 스택을 통해서, 더 나아가 시스템의 인터페이스 대응부를 향해서 하우징(201)의 상부 폐쇄된 단부에서 가요성 압축 매트(211)로부터 압축력의 전단을 허용하기에 충분히 가요성이다.

Description

스택 조립체{STACK ASSEMBLY}
본 발명은 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택 또는 고체산화물 전해전지(SOEC) 스택을 위한 조립체, 더 구체적으로 이러한 스택에 대한 보호와 압축 및 상기 조립체와 SOFC 또는 SOEC 시스템의 연결을 위한 개선된 인터페이스를 제공하는 봉쇄 케이싱에 관한 것이다.
본 발명은 스택 자체의 외부 특징부에 관한 것이며, 이것은 SOFC와 SOEC 모두에 사용될 수 있다. 그러나 이후 본 발명은 단순화를 위하여 주로 SOFC와 관련하여 설명될 것이다. 이후 주로 SOFC 스택 또는 SOEC 스택은 단순히 전지 스택으로 언급될 것이다.
연료전지의 전기화학 반응 및 기능은 본 발명의 본질이 아니므로 이것은 상세히 설명되지 않으며, 당업자에게 알려져 있다고 간주될 것이다.
SOFC에 의해서 생성된 전압을 증가시키기 위하여, 스택을 형성하기 위한 몇 개의 전지 유닛이 조립되고, 인터커넥트에 의해서 함께 연결된다. 스택의 이런 층들은 일부 또는 전체 가장자리를 따라 유리와 같은 내열성 시일로 기밀 상태로 함께 실링된다. 인터커넥트는 인접 전지 유닛의 애노드(연료) 측과 캐소드(공기/산소) 측을 분리하기 위한 기체 장벽으로 작용하며, 동시에 이들은 인접 전지 사이에서, 즉 여분의 전자를 가진 하나의 전지의 애노드와 환원 과정을 위해 전자가 필요한 이웃 전지의 캐소드 사이에서 전류 전도를 가능하게 한다. 인터커넥트와 그것의 이웃 전극 사이에서 전류 전도는 인터커넥트의 면적 전체의 복수의 접촉 지점을 통해서 가능하다. 접촉 지점은 인터커넥트의 양측에 돌출부로서 형성될 수 있다. 연료전지 스택의 효율은 이들 지점 각각에서의 양호한 접촉에 의존하며, 따라서 적합한 압축력이 연료전지 스택에 적용되는 것이 중요하다. 이런 압축력은 전기 접촉을 보장하도록 연료전지 면적 전체에서 충분히 크고 균일하게 분포되어야 하나, 전해질, 전극, 인터커넥트를 손상시키거나 또는 연료전지를 거치는 기체 유동을 방해할 정도로 너무 크지는 않아야 한다. 연료전지의 압축은 또한 스택을 기밀 상태로 유지하기 위한 스택의 층들 사이의 시일에도 중요하다.
본 발명은 내부 매니폴드 구조를 가진 전지 스택 및 외부(측면부) 매니폴드 구조를 가진 스택에 관한 것이다. 내부 매니폴드 구조는 기체 입구 또는 출구로부터 전지 스택 내의 전지들 각각으로 또는 각각으로부터 공정 기체 분포가 실질적으로 박스형 전지 스택에 물리적으로 내부에 위치된/통합된 매니폴드에 의해서 제공된다는 의미이고, 외부 매니폴드 구조는 기체 입구 또는 출구로부터 전지 스택 내의 전지들 각각으로 또는 각각으로부터 공정 기체 분포가 실질적으로 박스형 전지 스택에 인접한, 물리적으로 외부에 위치된 매니폴드에 의해서 제공된다는 의미이다.
외부 매니폴드 구조의 전지 스택은 내부 매니폴드 구조의 전지 스택보다 높은 성능을 갖지만, 이들은 기체를 전지 스택으로 그리고 전지 스택에서 멀리 인도하는 기체 매니폴드를 필요로 한다. 외부 매니폴드의 누출이 적은 실링을 얻는 것은 공지된 기술적 문제이며, 기체 누출이 시스템 효율에 부정적인 영향을 가지므로 해결해야 할 중요한 문제이다.
외부 매니폴드 구조 전지 스택은 일반적으로 고체산화물 연료전지(또는 고체산화물 전해전지) 시스템과 연결하는 것이 어려운 인터페이스를 가진다. 고체산화물 연료전지 시스템(또는 고체산화물 전해전지 시스템)은 전지 스택이 작동하는데 필요한 주변 부품, 즉 공정 기체 전처리(공기 송풍기, 열교환기, 기체 개질기 등) 및 송달, 공정 기체 회수 및 후처리, 전력 인출, 열 절연, 진동 감쇠, 측정 장비 등을 의미한다. 이것은 외부 매니폴드 구조 전지 스택이 통상 실질적으로 박스형 전지 스택의 세 상이한 측면부에 공정 기체 연결부를 가진다는 사실에 의해서 야기된다. 이들은 주로 4개의 튜브가 고체산화물 연료전지 시스템의 튜빙과 개스킷, 클램프 등으로 개별적으로 고정되어야 하는 매니폴드 디자인을 가져온다. 이런 종류의 튜브 연결부는 몇 가지 문제를 낳는다:
- 튜브 연결부가 공간을 점유 소모하여 대형 고체산화물 연료전지 시스템이 된다. 대형 고체산화물 연료전지 시스템은 더 큰 열 손실, 더 많은 양의 필수 열 절연, 및 일반적으로 더 많은 생산 비용을 가져온다. 이것에 더하여, 제한된 양의 공간을 지닌 제품, 예를 들어 트럭에 고체산화물 연료전지 시스템을 고정하기 위하여 치밀도(compactness)가 중요한 변수가 된다.
- 튜브 연결부를 모두 장착하고, 튜브 연결부 모두에 대해 긴 수명 및 타이트한 고정부를 얻기 위해서, 작업 조건으로 인한 제조 과정 및/또는 열 팽창 차이에 의해서 야기되는 튜브에서 튜브까지 상대적 치수 편차를 보상하기 위하여 튜브 전체에 또는 일부에 보정기(compensator)가 설치되어야 한다. 이것은 보정기가 고가이고, 벽이 얇아 기계적으로 취약하며, 공간을 차지하고, 열 손실이 많기 때문에 문제가 된다.
- 연결부의 수와 함께 기능장애(누출)의 위험이 증가한다.
- 4개의 개별 고정부는 장착에 시간이 소모된다.
- 공지된 튜브 연결부는 금속 부품들이 함께 고착되는 경향이 있으므로 사용 후 해제하는 것이 어려울 수 있다.
매니폴드 및 압축 구조는 주로 많은 수의 부품을 필요로 한다. 이것은 기능장애의 위험과 전체 비용을 증가시킨다.
압축 구조는 전지 스택을 설치할 때 다루기가 곤란하다고 알려져 있다. 많은 압축 구조는 전지 스택이 시스템에 설치될 때 하나의 압축 구조에서 다른 압축 구조로의 이동을 필요로 한다. 두 개의 압축 구조로부터 힘의 중복이 원하는 압축력 간격을 유지하는 것을 어렵게 한다. 이런 설치는 주로 수동으로 행해지며 시간이 소모되는 다루기 곤란한 일로서, 너무 많은 압축력이 제공되거나, 너무 적은 압축력이 제공되거나, 및/또는 압축력이 잘 분포되지 않을 위험을 함유한다.
이것에 더하여, 압축 구조의 장애는 연료전지 시스템의 공지된 오차 원인이다.
SOFC 및 SOEC 시스템 시동 시간은 시스템 및 스택 질량을 감소시킴으로써 감소될 수 있다는 것이 알려져 있다.
전기 단락은 알려진 장애 상황이다. 전지 스택 측면부가 시스템의 나머지 부분에 비해 전기 전위로 충전됨으로써 전기 단락에 관해 취약하게 된다. 연료전지 스택의 전기적으로 양인 측면부가 또한 단락으로부터 보호되어야 한다.
연료전지 스택의 기능장애가 발생한 경우, 연료 누출이 안전성 문제를 초래할 수 있다. 전지 스택의 심각한 기능장애는 전지 스택을 용융시킬 수 있으며, 주변 구성요소들을 손상시킬 가능성이 있다.
이들 문제들 중 일부에 대한 해결책이 US 2010143814에 제안되었는데, 이것은 개선된 연료전지 스택 조립체, 및 연료전지 스택 조립체의 작동 방법, 특히 개선된 기체 유동 및 열 관리와 관련된다.
DE 10124853에서는 유닛이 실링된 하우징을 구비하며, 여기에 연료전지의 스택이 존재한다. 작동 동안 전지에 기체가 공급되는데, 기체는 포트를 통해서 들어오고 나간다. 생성된 전류는 단자를 통해서 회수된다. 하우징은 기밀 시일을 제공하기 위하여 레이저 용접된 금속판으로부터 제조된다.
US 2002168560 A는 복수의 고체산화물 연료전지 스택을 수납하는 복수의 수납 영역; 매니폴드 연료 입구 포트와 복수의 스택 연료 입구 포트 사이에 배치된 연료 입구 통로; 매니폴드 산화제(oxidant) 입구 포트와 복수의 스택 산화제 입구 포트 사이에 배치된 산화제 입구 통로; 복수의 스택 연료 출구 포트와 매니폴드 연료 출구 포트 사이에 배치된 연료 출구 통로; 및 복수의 스택 산화제 출구 포트와 매니폴드 산화제 출구 포트 사이에 배치된 산화제 출구 포트를 포함하는 모듈형 고체산화물 연료전지 조립체를 위한 기본 매니폴드를 설명한다.
WO 10102815는 적어도 상면과 하면에, 한 구체예에서는 또한 측면 중 두 면에 적용된 하나의 평면 모양과 하나의 볼록 모양의 힘 분포 부재를 구비한 연료전지 또는 전해전지를 개시한다. 압축 매트와 또한 강성 고정 칼라가 스택 및 힘 분포 부재를 둘러싸며, 이로써 스택은 적어도 상면과 하면에서, 잠재적으로 또한 두 측면에서 압축력에 노출된다. 이 조립체는 주로 타원형 또는 원형 모양의 축 방향에서 실질적으로 기밀이며, 기밀 단부 판과 함께 고정되어 견고한 기체 입구 및 출구 매니폴드를 형성할 수 있다.
US 2003235743 A는 일렬로 연결되어 두 개의 스택이 헤드-테일 구성으로 나란히 배치되고, 한쪽 단부를 가로질러 일렬로 연결되며, 캐소드 및 애노드 집전기가 나머지 단부에서 스택 베니스 위에 나란히 장착된 복수의 연료전지를 구비한 고체산화물 연료 전지 스택을 개시한다. 각 집전기는 스택 점유공간으로부터 연장된 평판이다. 스택을 둘러싸는 커버-실링 플랜지가 있으며, 이로써 커버가 제자리에 있을 때 열 재킷이 스택 주변에 형성된다. 집전기는 개스킷에 의해서 실링 플랜지 및 커버로부터 전기적으로 절연되고, 플랜지로부터 바깥쪽으로 연장되어 부하에 전기적으로 부착된다. 이 부착에 의해서 스택은 완전히 조립될 수 있으며, 전기 리드를 이후 실링되어야 하는 커버의 개구를 통과시킬 필요 없이 스택 커버가 제자리에 고정되어 실링될 수 있다.
US 2010062297 A는 열적으로 절연된 용기를 포함하며, 제1 재료의 적어도 하나의 절연층에 의해서 봉쇄된 적어도 하나의 고온 연료전지 시스템 구성요소가 용기에 배치되고, 절연층에 작용하는 클램핑 수단이 있는 장치에 관한 발명을 설명한다. 이 발명에 따르면, 클램핑 수단이, 용기 하우징에 의해서 지지되고 절연층에 작용하는, 제1 재료는 변형되지 않는 접촉 압력에서 탄성 변형되는 제2 재료로 제조된 하나 이상의 판-모양 요소를 포함하는 것이 제공된다.
US 2004072059는 연료전지 용기, 복수의 구멍을 구비한 격리판, 연료전지 용기의 기체를 방출하는 배기관, 및 압축 공기를 연료전지 용기로 수송하는 압축공기관을 포함하는 연료전지를 위한 용기 구조를 설명한다. 이 용기 구조에서 연료전지 용기의 내부는 배기 매니폴드 유닛과 격리판에 의해서 연료전지를 수용하는 전지 하우징 유닛으로 분리되고, 배기관은 부착되어 배기 매니폴드 유닛 상에 제공된 배기 포트와 차량의 표면에 제공된 배기 출구를 연결하며, 배기 매니폴드 유닛 내의 공기 압력은 대기압으로 설정되고, 전지 하우징 유닛 내의 공기 압력은 압축공기관에 의해서 연료전지 기체 압력 이하이고 대기압 이상이 되도록 설정된다.
연료전지 또는 전해전지 스택의 압축, 봉쇄 및 인터페이스 문제에 대한 제시된 공지된 해결책에도 불구하고, 이들 중 어느 것도 이후 본 발명에서 설명된 것처럼 제시된 문제들 전부에 대해서 개선된 해결책을 제시하지 않는다.
본 발명의 목적은 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 시스템과의 연결에 적합한, 적어도 하나의 전지 스택을 위한 신규 SOFC 또는 SOEC 스택 조립체를 제공함으로써 언급된 문제들을 해결하는 것이다.
이후에, 연료전지 스택은 산화 기체와 연료 기체가 공급되었을 때 전기와 열을 생성하는 블랙박스로서 간주될 것이다. 연료전지 스택의 기능 및 내부 구성요소들은 본 분야에 공지된 것으로서 생각하며, 본 발명의 주제는 아니다.
SOFC 또는 SOEC 스택은 많은 물리적 모양을 가질 수 있으며, 본 발명을 제한하는 것은 아니지만, 본 발명의 개시를 단순화하기 위하여 이후의 설명 및 실시예들은 시작점으로서 실질적으로 상자 모양을 가진, 즉 6개의 직사각형 측면부, 8개의 모서리 및 세 개씩 실질적으로 직사각형 연결부에 배치된 12개의 가장자리를 가진 전지 스택을 택할 것이다. 이후에, 전지 스택은 이와 같이 상면, 하면 및 복수의 측면을 갖는 것으로서 특정될 것이다. 적어도 상면과 하면은 상면이 하면을 향해 가압되도록 압축력을 필요로 한다. 선택적으로, 스택의 추가의 두 대향하는 측면은 서로에 대한 압축력을 필요로 하고, 일부 경우 두 대향하는 측면이 더 서로에 대해 압축력을 필요로 한다. 적어도 하나의 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택은 연료 기체 입구, 연료 기체 출구, 산화제 기체 입구 및 산화제 기체 출구를 더 포함한다. SOFC 또는 SOEC 스택 조립체는 하나의 실질적으로 폐쇄된 상단부, 실질적으로 폐쇄된 단부에 대향하는 하나의 개방된 하부 인터페이스 단부 및 적어도 하나의 측면부를 가진 강성 하우징을 더 포함한다. 하우징은 적어도 하나의 스택 상면과 복수의 측면을 실질적으로 봉쇄하고, 개방된 하부 인터페이스 단부는 상기 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 시스템의 인터페이스 대응부와 연결되도록 개조되어 적어도 하나의 스택과 SOFC 또는 SOEC 시스템 사이에 연료 기체와 산화제 기체를 위한 인터페이스를 제공한다. 적어도 하나의 스택에 필요한 압축력을 제공하기 위하여 적어도 하나의 가요성 압축력 매트가 적어도 하나의 스택 상면과 하우징의 실질적으로 폐쇄된 상단부 사이에서 하우징의 내부에 위치된다. 적어도 하나의 가요성 압축력 매트는 전기적으로 고립되고 또한 열적으로 절연될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 가요성 고정 매트가 복수의 스택 측면 중 적어도 하나와 하우징의 적어도 하나의 측면부 사이에서 하우징의 내부에 위치된다. 적어도 하나의 가요성 고정 매트도 역시 전기적으로 고립되며 또한 열적으로 절연될 수 있다.
하우징에 스택을 고정하고, SOFC 또는 SOEC 스택 조립체의 인터페이스의 적어도 일부를 SOFC 또는 SOEC 시스템을 향해서 제공하기 위하여, 조립체는 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부에 인접 위치된 가요성-인터페이스-고정부를 더 포함한다. 가요성-인터페이스-고정부는 하우징 내에서 적어도 하나의 스택을 부분적으로 봉쇄하고, 적어도 하나의 스택의 하면을 적어도 부분적으로 커버한다. 가요성-인터페이스-고정부의 가요성은 스택이 작동중이지 않을 때는 하우징에 적어도 하나의 스택을 고정하기에 충분히 강성인 것으로 규정되는데, 즉 압축된 압축력 매트로부터의 힘에 의해서 하우징을 벗어난 방향으로 가압되는 스택에 대항하는 저항력을 제공할 수 있으면서, 적어도 하나의 스택이 작동중일 때는 가요성-인터페이스-고정부는 여전히 적어도 하나의 스택을 통해서, 더 나아가 가요성-인터페이스-고정부를 통해서 그리고 SOFC 또는 SOEC 시스템의 인터페이스 대응부에 대하여 압축력 매트로부터 압축력의 적어도 일부의 전달을 허용하기에 충분히 가요성이다.
가요성 대 강성의 이런 반대-작용 목적을 달성하는 것이 어려워보일 수 있음에도 이 일은 적어도 하나의 스택이 작동중일 때와 작동중이지 않을 때 가요성-인터페이스-고정부의 온도 사이에 큰 차이가 있다는 사실에 의해서 상당히 촉진된다. 따라서, 일군의 재료가 상기 언급된 특징을 제공할 수 있는데, 예를 들어 금속판은 800℃의 온도에서보다 약 20℃의 온도에서 훨씬 더 강성이다(실시예). 상기 설명된 발명의 중요한 고유한 이점 중 일부는 SOFC 또는 SOEC 스택 조립체의 열 질량이 공지된 인터페이스 기초 판과 비교하여 상대적으로 얇은 가요성-인터페이스-고정부에 의해서 상당히 감소될 수 있고, 압축력 매트가 적어도 하나의 스택의 압축력뿐만 아니라 SOFC 또는 SOEC 시스템 인터페이스 대응부를 향한 가요성-인터페이스-고정부의 압착력(packing force)을 제공하기 때문에 구성요소의 수도 감소된다는 점이다.
본 발명의 구체예에서, 필요한 가요성은 20℃ 온도에서 0,01Nm(Nm은 뉴턴 미터이다) 내지 5000Nm, 바람직하게 0.1Nm 내지 1000Nm, 바람직하게 1Nm 내지 500Nm의 휨 강성을 지닌 가요성-인터페이스-고정부에 의해서 달성된다. 이런 가요성은 SOEC 또는 SOFC 시스템과 연결되지 않았을 때 하우징에 전지 스택을 고정 및 압축하는데 필요한 강성을 보장하고, 동시에 가요성 압축력 매트로부터 작동중인 SOFC 또는 SOEC 시스템의 인터페이스 대응부로 압축력의 적어도 일부를 전달하는데 필요한 가요성을 보장한다. 휨 강성의 범위는 물론 실제 전지 스택 및 시스템의 요구에 따라 변하며, 이것은 스택 사이즈, 스택 종류 및 추가의 변수들에 따라 광범하게 변할 수 있다. 따라서, 가요성은 구체적인 시스템 요구와 관련된 휨 강성의 계산에 의해서 또는 심지어 반복 실험에 의해서 당업자에 의해서 선택되어야 한다.
상기 설명된 본 발명의 한 구체예에서, 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부와 상기 가요성-인터페이스-고정부는 평면이며, 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 시스템의 인터페이스 대응부에 연결되었을 때 실질적으로 동일한 평면이 되는 외부 인터페이스 표면을 가진다. 이것은 SOFC 또는 SOEC 시스템에 대한 조립체의 인터페이스 및 연결부를 단순하게 하고, 제조 비용을 감소시킨다. 가요성-인터페이스-고정부가 압축력 매트의 압축력을 받기 때문에 조립체가 SOFC 또는 SOEC 시스템의 인터페이스 대응부에 연결되지 않았을 때는 인터페이스 표면이 평면이 아니라는 점이 이해되어야 한다.
본 발명의 다른 구체예에서, SOFC 또는 SOEC 시스템에 대한 조립체의 연결은 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부에 플랜지를 제공함으로써 더 단순화된다. 플랜지는 하우징의 일체화된 부분일 수 있고(즉, 한 조각으로 주조됨), 용접, 브레이싱과 같은 어떤 공지된 방식으로, 나사에 의해서, 또는 루즈 플랜지로 알려진 것으로서 하우징에 부착될 수 있으며, 하우징의 기계적 멈춤쇠 또는 가장자리에 대해 작용한다. 어떤 경우, 플랜지는 SOFC 또는 SOEC 시스템의 인터페이스 대응부와의 연결에 적합하다.
본 발명의 특정한 구체예에서, 가요성-인터페이스-고정부는 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부에 연결된 강판(예를 들어, inconel, 253 MA 등)이다. 이것은 용접, 브레이싱, 기계적 맞물림(mechanical fit) 등과 같은 어떤 공지된 수단에 의해서 하우징에 부착될 수 있다. 또한, 강판의 두께는 주어진 용도에 맞는 가요성에 대한 요건과 구체적으로 일치하도록 선택될 수 있다. 용도는 전지 스택의 사이즈, 전지의 수, 작동 온도, 전지 종류 등에 따라 변할 수 있다. 본 발명의 한 구체예에서, 가요성-인터페이스-고정부의 두께는 0.1-5mm의 범위, 바람직하게 0.5-3mm의 범위이다. 가요성-인터페이스 고정부는 그것이 얇고 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부 전체를 커버할 필요가 없으므로 공지된 하우징 기초 판에 비해 낮은 열 질량을 가진다. 전지 스택이 작동중이지 않고, 조립체가 SOFC 또는 SOEC 시스템의 인터페이스 대응부에 연결되지 않았을 때는 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부는 물론 가요성-인터페이스-고정부가 보호 커버로 커버될 수 있으며, 이것은 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부 전체를 커버함으로써 하우징 내의 전지 스택을 보호한다. 한 구체예에서, 보호 커버는 강성이고, 하우징의 플랜지 연결부와 맞물리도록 개조될 수 있으며, 이로써 하우징에 대한 타이트한 맞물림 및 전지 스택의 압축이 가능하다.
본 발명의 한 구체예에서, 압축력 매트로부터 전지 스택으로, 더 나아가 가요성-인터페이스-고정부로 전달된 압축력은 실링 힘의 적어도 일부를 적어도 하나의 스택의 하면과 가요성-인터페이스-고정부 사이에 제공된 개스킷에 제공하기 위하여 이용되며, 이로써 조립체가 상기 시스템의 인터페이스 대응부에 연결되고 적어도 하나의 스택이 작동중일 때, 적어도 하나의 스택의 적어도 하나의 연료 또는 산화제 기체 입구 또는 출구와 가요성-인터페이스-고정부 사이에 실링을 제공할 수 있다. 개스킷은 적어도 하나의 전지 스택으로/으로부터 공정 기체 연결부의 각각이 기밀인 것을 보장하며, 이로써 공정 기체는, 성능을 감소시키고, 잠재적으로 또한 위험하거나 손상을 일으킬 수 있는, 의도치 않은 혼합이 없게 된다.
적어도 하나의 전지 스택이 산화 기체용 외부 매니폴드 구조 및 연료 기체용 내부 매니폴드 구조를 갖는 한 구체예에서, 이 구체예는 임계 연료 기체에 대해 잘 규정된 실링 압력을 더 보장하는데, 이 압력은 압축력 매트에 의해서 적어도 부분적으로 제공되고, 따라서 조립체가 SOFC 또는 SOEC 시스템의 인터페이스 대응부에 연결되는 힘에 덜 민감하다. 이 구체예에서, 적어도 하나의 스택의 하나의 측면은 외부 매니폴드 산화제 기체 입구를 갖고, 적어도 하나의 스택의 하나의 측면은 외부 매니폴드 산화제 기체 출구를 가지며, 적어도 하나의 스택의 하면은 내부 매니폴드 연료 기체 입구와 내부 매니폴드 연료 기체 출구를 가진다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 적어도 하나의 스택은 산화제 기체 입구 및 출구와 연료 기체 입구 및 출구 모두를 위한 외부 매니폴드 구조를 가지며, 여기서 적어도 하나의 가요성 고정 매트가 적어도 하나의 스택의 기체 입구 및 출구 중 적어도 둘 사이에 기체 실링을 제공할 수 있다. 이 구체예는 가요성 고정 매트가 고정, 기체 실링 및 열 절연의 더 많은 목적으로 사용되기 때문에 재료 비용 및 구성요소의 수를 감소시킨다.
다른 구체예에서, 적어도 하나의 스택은 산화제 기체 입구 및 출구와 연료 기체 입구 및 출구 모두를 위한 내부 매니폴드 구조를 가질 수 있다.
조립체의 하우징은 주조, 딥-드로잉, 선택적 레이저 용융 또는 용접과 같은 어떤 종래의 제조 방법에 의해서 제조될 수 있으며, 보강 및 강화 외부 및/또는 내부 리브가 제공될 수 있다. 또한, 이런 리브들의 적어도 일부는 산화제 또는 연료 기체의 적어도 일부의 유동 안내를 제공하도록 개조될 수 있다. 이것은 적어도 하나의 전지 스택으로/으로부터 공정 기체의 균일한 분포를 보장하는데 유익할 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 하우징의 보강 및 강화는 하우징의 적어도 하나의 측면부 중 적어도 하나 상에 형성된 윤곽에 의해서 제공될 수 있다. 이런 윤곽은 집전기와 같은 상기 언급되지 않은 조립체의 추가 필요 요소를 위한 공간을 제공할 수도 있기 때문에 해당 목적 이상의 역할을 할 수 있다.
적어도 하나의 압축력 매트와 또한 적어도 하나의 고정 매트를 위한 재료는, 제한되는 것은 아니지만, 다음의 재료 중 어느 것일 수 있다: 세라믹, 유리, 금속 또는 이들의 조합, 바람직하게 다공질 규산칼슘 또는 유리섬유 강화된 규산칼슘 또는 내화 세라믹 섬유 또는 유리섬유, 바람직하게 마그네시아-실리카 섬유, 일정량의 실리카를 갖거나 갖지 않는 알루미나 섬유, 다음의 산화물: 지르코니아, 크로미아 또는 티타니아 중 하나 이상을 함유하는 저 알칼리 알루미노실리케이트 조성물 또는 질석.
설명된 발명은 공지된 선행기술을 능가하는 일군의 이점을 가지며, 이들 중 일부는 다음과 같다:
- 큰 열 질량을 가진 강성의 무거운 기초 판이 전지 스택 조립체로부터 단순히 생략된다. 대신에, 강성 기초 및 적어도 하나의 스택의 압축에 필요하고, 시스템 인터페이스 대응부에 조립체를 실링하는데 필요한 반대힘이 동일한 시스템 인터페이스 대응부에 의해서 제공된다. 작동중이지 않을 때 및/또는 시스템 인터페이스 대응부에 연결되지 않았을 때 하우징에 적어도 하나의 스택을 고정하기 위해서 단지 열 질량이 적은 가요성-인터페이스 고정부만 제공된다.
- 모든 공정 기체 연결부가 전지 스택 조립체의 하나의 인터페이스 측면부에 위치된다. 한 구체예에서, 이 인터페이스는 플랜지 연결부를 지닌 평면 표면이고, 실링 압력은 압축력 매트에 의해서 제공되기 때문에 잘 규정된다. 이것은 시스템 인터페이스 대응부에 대한 전지 스택 조립체의 연결을 단순, 확실하게 하고, 비용을 감소시킨다.
- 하우징의 열 질량은 강화 리브 및/또는 윤곽의 사용에 의해서 재료 사용 및 강도를 최적화함으로써 감소된다.
- 조립체의 일체화된 부분인 외부 매니폴드 구조가 낮은 압력 손실을 제공하며, 이로써 에너지 및 공정 기체 송풍기 용량이 절약된다. 동시에, 외부 매니폴드 구조의 구축의 단순화가 비용을 감소시키고, 장애를 최소화한다.
- 인터페이스 대응부에 실링되는 인터페이스 측면부를 제외한 모든 측면부에서 전지 스택이 하우징에 의해서 봉쇄되기 때문에 전지 스택 조립체로부터 공정 기체의 누출이 최소화된다.
- 약한 돌출 부분이 생략되고, 보호 헬멧과 동일한 원리인 충격흡수층 및 하드 쉘로 스택이 봉쇄되기 때문에 조립체는 거친 취급 및 진동에 대해서 견고하다.
- 부품의 수를 최소화함으로써 재료 비용 및 제조/조립 시간을 절약할 수 있어 낮은 원가가 얻어진다.
발명의 특징:
1. 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 시스템에 연결하는데 적합한 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 상기 조립체는
- 적어도 하나의 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택, 상기 적어도 하나의 스택은 복수의 연료전지 또는 전해전지를 포함하며, 상기 적어도 하나의 스택은 상면, 하면, 복수의 측면, 연료 기체 입구, 연료 기체 출구, 산화제 기체 입구 및 산화제 기체 출구를 포함하고,
- 하나의 실질적으로 폐쇄된 상단부, 실질적으로 폐쇄된 단부에 대향하는 하나의 개방된 하부 인터페이스 단부 및 적어도 하나의 측면부를 가진 강성 하우징, 상기 하우징은 적어도 하나의 스택 상면과 복수의 측면을 실질적으로 봉쇄하며, 상기 개방된 하부 인터페이스 단부는 상기 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 시스템의 인터페이스 대응부와 연결되도록 개조되어 적어도 하나의 스택과 상기 시스템 사이에 연료 기체와 산화제 기체를 위한 인터페이스를 제공하고,
- 적어도 하나의 스택 상면과 하우징의 실질적으로 폐쇄된 상단부 사이에서 하우징 내부에 위치된 적어도 하나의 가요성 압축력 매트, 상기 압축력 매트는 적어도 하나의 스택에 압축력을 제공하고,
- 복수의 스택 측면 중 적어도 하나와 하우징의 적어도 하나의 측면부 사이에서 하우징 내부에 위치된 적어도 하나의 가요성 고정 매트
를 포함하며,
상기 조립체는 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부에 인접 위치된 가요성-인터페이스-고정부를 더 포함하고, 이로써 그것은 하우징 내에 적어도 하나의 스택을 적어도 부분적으로 봉쇄하며, 적어도 하나의 스택의 하면을 적어도 부분적으로 커버하고, 상기 가요성-인터페이스-고정부는 적어도 하나의 스택이 작동중이지 않을 때는 상기 하우징에 적어도 하나의 스택을 고정하기에 충분히 강성이지만, 적어도 하나의 스택이 작동중일 때는 적어도 하나의 스택을 통해서, 더 나아가 가요성-인터페이스-고정부를 통해서 그리고 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 시스템의 인터페이스 대응부에 대하여 압축력 매트로부터 압축력의 적어도 일부의 전달을 허용하기에 충분히 가요성인 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
2. 특징 1에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 가요성-인터페이스-고정부의 휨 강성이 20℃에서 0.01Nm 내지 5000Nm, 바람직하게 0.1Nm 내지 1000Nm, 바람직하게 1Nm 내지 500Nm인 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
3. 선행 특징 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 하우징의 상기 개방된 하부 인터페이스 단부 및 상기 가요성-인터페이스-고정부는 평면이고, 평행하며, 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 시스템의 인터페이스 대응부와 연결되었을 때 실질적으로 동일한 평면이 되는 외부 인터페이스 표면을 갖는 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
4. 선행 특징 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 하우징의 상기 개방된 하부 인터페이스 단부에 시스템의 인터페이스 대응부와의 연결에 적합한 플랜지가 제공되며, 상기 플랜지는 하우징의 일체화된 부분일 수 있거나, 또는 그것은 용접, 브레이싱, 나사에 의해서 하우징에 부착될 수 있거나, 또는 하우징 주변에 기계적으로 맞물리는 루즈 플랜지일 수 있는 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
5. 선행 특징 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 가요성-인터페이스-고정부가 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부에 연결된 강판인 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
6. 선행 특징 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 가요성-인터페이스-고정부가 용접, 브레이싱, 나사 또는 기계적 맞물림에 의해서 하우징에 연결된 강판인 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
7. 선행 특징 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 가요성-인터페이스-고정부의 두께는 0.1-5mm의 범위, 바람직하게 0.5-3mm의 범위인 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
8. 선행 특징 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 가요성-인터페이스-고정부의 너비가 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부의 내부 너비에 상응하며, 이로써 가요성-인터페이스-고정부가 하우징의 상기 개방된 하부 인터페이스 단부 내부에 장착될 수 있는 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
9. 선행 특징 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 적어도 하나의 개스킷이 적어도 하나의 스택의 하면과 가요성-인터페이스-고정부 사이에 제공되어 적어도 하나의 스택의 적어도 하나의 연료 또는 산화제 기체 입구 또는 출구와 가요성-인터페이스-고정부 사이에 실링을 제공하며, 여기서 상기 개스킷의 기밀 시일을 제공하는데 필요한 압력은 조립체가 상기 시스템의 인터페이스 대응부에 연결되고, 적어도 하나의 스택이 작동중일 때 가요성 압축력 매트에 의해서 적어도 부분적으로 제공되는 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
10. 선행 특징 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 적어도 하나의 스택은 산화제 기체용 외부 매니폴드 구조 및 연료 기체용 내부 매니폴드 구조를 가지며, 적어도 하나의 스택의 하나의 측면은 외부 매니폴드 산화제 기체 입구를 갖고, 적어도 하나의 스택의 하나의 측면은 외부 매니폴드 산화제 기체 출구를 가지며, 적어도 하나의 스택의 하면은 내부 매니폴드 연료 기체 입구와 내부 매니폴드 연료 기체 출구를 갖는 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
11. 특징 1-8 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 적어도 하나의 스택은 산화제 기체 입구 및 출구와 연료 기체 입구 및 출구 모두를 위한 외부 매니폴드 구조를 가지며, 여기서 적어도 하나의 가요성 고정 매트가 적어도 하나의 스택의 기체 입구 및 출구 중 적어도 둘 사이에 기체 실링을 제공하는 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
12. 특징 1-8 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 적어도 하나의 스택이 산화제 기체 입구 및 출구와 연료 기체 입구 및 출구 모두를 위한 내부 매니폴드 구조를 갖는 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
13. 선행 특징 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 하우징은 주조, 딥-드로잉, 레이저 소결 또는 용접에 의해서 제조되며, 하우징에 보강 및 강화 외부 및/또는 내부 리브가 제공된 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
14. 특징 13에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 하우징은 적어도 내부 보강 및 강화 리브를 가지며, 여기서 상기 리브의 적어도 일부는 산화제 또는 연료 기체의 적어도 일부의 유동 안내를 제공하도록 개조된 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
15. 선행 특징 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 하우징의 적어도 하나의 측면부 중 적어도 하나는 적어도 하나의 보강 및 강화 윤곽으로서 형성된 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
16. 특징 14에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 상기 윤곽(들)의 적어도 하나는 집전기와 같은 조립체의 추가 요소를 위한 공간을 제공하는 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
17. 선행 특징 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체로서, 적어도 하나의 압축력 매트 및 적어도 하나의 고정 매트는 다음의 재료: 세라믹, 유리, 금속 또는 이들의 조합, 바람직하게 다공질 규산칼슘 또는 유리섬유 강화된 규산칼슘 또는 내화 세라믹 섬유 또는 유리섬유, 바람직하게 마그네시아-실리카 섬유, 일정량의 실리카를 갖거나 갖지 않는 알루미나 섬유, 다음의 산화물: 지르코니아, 크로미아 또는 티타니아 중 하나 이상을 함유하는 저 알칼리 알루미노실리케이트 조성물 또는 질석 중 하나 이상으로 제조된 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
본 발명의 특정 구체예들이 본 발명의 구체예들의 실시예들을 도시하는 첨부한 도면에 의해서 더 예시된다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 전지 스택 조립체의 등측 하부 단부도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 전지 스택 조립체의 절단 측면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 전지 스택 조립체의 등측 상부 단부도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 전지 스택 조립체의 절단 측면도를 도시한다.
도 5a는 본 발명의 한 구체예에 따른 도 5b에 도시된 전지 스택 조립체의 절단 측면도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 SOFC 또는 SOEC 시스템에 장착되었을 때 전지 스택 조립체의 절단 측면도를 도시한다.
위치 번호 개요
100, 200, 300, 400, 500 및 600: 전지 스택 조립체(SOFC 또는 SOEC).
101, 201, 301, 401, 501, 601: 하우징.
102, 202, 302, 402, 502, 602: 플랜지.
103, 203, 403, 503, 603: 전지 스택(SOFC 또는 SOEC).
104, 204, 404, 504, 604: 가요성-인터페이스-고정부.
105, 505: 산화제 기체 출구.
106, 506: 산화제 기체 입구.
107, 507: 연료 기체 입구.
108, 508: 연료 기체 출구.
209, 409, 509, 609: 개스킷.
110, 210, 410, 610: 가요성 고정 매트.
211, 411, 511, 611: 가요성 압축력 매트.
112, 312, 412, 512, 612: 보강 및 강화 리브.
650: SOFC 또는 SOEC 시스템.
652: 시스템 플랜지.
659: 시스템 개스킷.
도 1을 참조하면, 연료전지 스택 조립체(100)의 한 구체예가 도시된다. 하우징(101)은 개방된 하부 인터페이스 단부가 위쪽으로 향하여 도시된다. 이 단부는 플랜지(102)를 구비하며, 이로써 전지 스택 조립체가 단순하고 안전하며 기밀인 방식으로 SOFC 시스템(미도시)의 인터페이스 대응부에 연결될 수 있다.
연료전지 스택(103)은 하우징에 위치되고, 하우징 내부에 위치된 두 개의 가요성 고정 매트(110)에 의해서 제자리에 고정되는데, 매트 중 하나는 하우징의 하나의 측면부와 연료전지 스택의 인접 측면 사이에, 나머지 하나는 하우징의 대향하는 측면부와 연료전지 스택의 그것의 인접 측면에 위치된다. 이런 방식에서, 연료전지 스택은 두 가요성 고정 매트 사이에서 압박되어 마찰력에 의해서 적어도 어느 정도 제자리에 유지된다. 이 연료전지 스택은 연료전지 스택의 상단부와 상면 사이에서 하우징 내부에 위치된 가요성 압축력 매트(미도시)에 의해서 하우징 내 해당 위치에 더 고정된다. 압축력 매트는 하우징의 대향하는 개방된 하부 인터페이스 단부를 향해서 연료전지 스택을 가압하며, 이 경우 얇은 강판 형태의 가요성-인터페이스-고정부(104)가 그것의 가요성으로 인해 외측으로 어느 정도 휘면서 반대힘으로 압축력에 대응한다. 이 구체예에서, 가요성-인터페이스-고정부는 플랜지의 내부 너비에 상응하는 너비를 가진다. 도 1에 도시된 대로, 연료전지 스택은 작동중이 아니며, 따라서 가요성-인터페이스-고정부 판의 가요성은 온도가 상당히 높은 경우인 작동 상태와 비교하여 상대적으로 적다.
도 1에 도시된 구체예의 연료전지 스택은 조합된 외부(공기) 및 내부(연료) 매니폴드 구조 스택이다. 주변 공기와 같은 산화제 기체는 산화제 기체 입구(106)을 거쳐 연료전지 스택의 측면부 매니폴드 구조 산화제 기체 입구로 인도되고, 산화제 기체 출구(105)를 거쳐 연료전지 스택으로부터 떨어진 곳으로 인도된다. 이 조립체는 실제 외부 매니폴드가 필요하지 않기 때문에 그것의 구성이 단순하며 견고하다. 가요성 고정 매트는 연료전지 스택을 고정할 뿐만 아니라, 하우징 측면부와 연료전지 스택 사이에 기밀 시일을 보장하며, 이로써 외부 매니폴드가 하우징의 측면부와 연료전지 스택의 외부 매니폴드 측면부 사이의 공극에 의해서 구성된다. 연료는 연료 기체 입구(107)와 연료 기체 출구(108)를 거쳐 연료전지 스택으로/으로부터 인도된다. 볼 수 있는 대로, 모든 공정 기체 연결부는 조립체의 동일한 측면부, 하우징의 인터페이스 단부 상에 위치된다. 도시된 인터페이스는 평면 표면이며, 이 경우 플랜지 측면부와 가요성-인터페이스-고정부의 외부 측면부가 동일한 평면에 위치된다. 하우징과 플랜지는 하우징 벽과 플랜지의 두께를 모두 감소시키는 것을 가능하게 하는 보강 및 강화 리브(112)에 의해서 보강되며, 이로써 열 질량 및 재료 비용이 감소된다.
도 2로 돌아가서, 이제 본 발명의 동일한 구체예가 조립체의 절단 측면도로 도시되는데, 이것은 가요성 압축력 매트(211)의 도시를 가능하게 한다. 연료 기체 개스킷(209)이 연료전지 스택(203) 상면과 가요성-인터페이스-고정부(204) 사이에 위치된 것을 볼 수 있다. 가요성-인터페이스-고정부는 여기서 평면으로 도시된다. 언급된 대로, 이것은 작동중일 때는 더 가요성이어서 더 많은 힘을 전달하지만, 작동중이 아닐 때에도 역시 도시되지는 않지만 여전히 약간 휘는 것이 가능하다. 연료 개스킷은 가요성 압축력 매트로부터의 압축력에 의해서 압축된다. 언급된 대로, 가요성 고정 매트(210)가 연료전지 스택 측면 중 두 면과 하우징(201) 측면부 중 둘 사이에 위치되어 산화 기체 입구 측과 산화 기체 출구 측 사이의 기체 실링 및 고정을 보장한다. 이 구체예에서, 하우징은 가요성-인터페이스-고정부를 위치시키기 위해서 개방된 하부 인터페이스 단부에 홈을 가진다.
도 3에서 하우징(301)의 외부 상단부와 하우징 측면부 중 둘을 볼 수 있다. 하우징과 SOFC 시스템 인터페이스 대응부와의 연결을 위한 플랜지(302)는 일체화되며, 보강 및 강화 리브(312)도 마찬가지이다. 이 구체예는 주조된 강 하우징을 가질 수 있다. 연료전지로부터의 전력 출력을 제공하는 집전기는 도시되지 않는다. 집전기를 위한 단자가 하우징의 상단부에 위치될 수 있다. 그러나, (모든 접속부를 동일한 측면부에 유지하기 위한) 조립체의 측면부 또는 인터페이스 측면부와 같은, 전류 단자의 다른 위치도 또한 가능하다.
도 4는 도 2와 같은 조립체(400)의 절단 측면도를 도시하지만, 여기서는 가요성-인터페이스-고정부(404)의 편향이 도시된다. 이 구체예에서, 가요성-인터페이스-고정부는 강판이다. 이것은 전지 스택(403)과 개스킷(409)을 통해 가요성 압축력 매트(411)로부터의 힘에 노출되며, 이 판의 열 질량이 낮게 유지되므로 이 힘이 판을 휘게 한다. 도 4에서 보이는 대로, 이 구체예에서 하우징(401)은 판을 위치시키기 위한 홈을 갖지 않는다. 대신에, 판은 하우징의 내부에 맞물리고, 가요성-인터페이스-고정부의 표면이 도시된 대로 플랜지(402)와 평면이 되는 위치에서 용접될 수 있다. 또한, 두 개의 가요성 고정 매트(410)가 도시되며, 하우징의 두 측면부와 폐쇄된 상단부 주변을 둘러싼 보강 및 강화 리브(412)도 도시된다. 보강 및 강화 리브는 또한 리브가 없는 하우징과 비교하여 하우징의 열 질량과 그에 따라 두꺼운 벽에 대한 필요성을 낮추는 역할을 하며, 리브는 하우징을 위한 냉각 리브로서의 역할을 할 수 있다.
도 5a에는 도 5b의 전지 스택 조립체(500)의 절단 측면도가 도시된다. 가요성 압축력 매트(511)로부터의 힘으로 인한 가요성-인터페이스-고정부(504)의 편향이 그것의 최대인 곳에서 절단이 이루어지며, 따라서 플랜지(502)의 표면에서 가요성-인터페이스-고정부의 표면까지의 거리가 이 절단 도면에서 잘 보인다. 가요성-인터페이스-고정부와 전지 스택(503) 사이에 실링 개스킷(509)이 있다. 이 구체예의 전지 스택은 공-유동 스택이며, 이것은 산화제 기체 유동 방향이 연료 기체 유동 방향과 같다는 것을 의미하며, 이 경우 도 5a의 왼쪽에서 오른쪽이다. 여기서, 산화제 기체 입구(506)와 연료 기체 입구(507)는 조립체의 좌측에 위치되고, 산화제 기체 출구(505)와 연료 기체 출구(508)는 조립체의 우측에 위치된다. 도 5a에서 보이는 대로, 전지 스택은 조합된 내부 및 외부 매니폴드 구조 스택이며, 스택의 연료 기체 측(애노드)는 내부 매니폴드 구조를 갖고, 스택의 산화제 기체 측(캐소드)은 외부 매니폴드 구조를 가진다. 본 발명에 따라서, 외부 매니폴드는 단순히 전지 스택과 하우징(501) 사이의 공극이다. 보강 및 강화 리브(512)의 일부는 하우징의 두 측면부와 폐쇄된 상단부를 주변을 둘러싸고, 나머지는 단지 플랜지에 인접하여 위치된다. 이들은 하우징을 보강 및 강화할 뿐만 아니라, 플랜지를 보강 및 강화하는 역할을 하는데, 그렇지 않으면 플랜지는 더 큰 치수로 제조되어야 했을 것이다. 따라서, 열 질량도 낮게 유지된다.
도 6에는 전지 스택 조립체(600)가 SOFC 또는 SOEC 시스템(650)에 연결된 인터페이스와 함께 절단 측면도로 도시되며, 이로써 가요성-인터페이스-고정부(604)가 평면이고, 플랜지(602)가 시스템 플랜지(652)와 연결되었을 때 플랜지(602)와 동일한 평면이 되고, 가요성 압축력 매트(611)로부터의 힘의 적어도 일부가 시스템 플랜지로부터의 연결/압착력에 의해서 상쇄되는 방식을 예시한다. 설명된 대로, 가요성 압축력 매트로부터의 힘은 전지 스택(603)을 통해 가요성-인터페이스-고정부로 전달되며, 이로써 그것은 개스킷에 실링 힘을 제공할 뿐만 아니라, 스택 압축력도 제공한다. 앞에서 이미 설명된 개스킷(609)과 별도로, 시스템 개스킷(659)이 또한 도시되며, 두 개스킷은 모두 플랜지와 기체 연결부 사이에 실링을 제공한다. 따라서, 가요성-인터페이스-고정부의 가요성 성질로 인해 연결된 시스템에 의해서 반대-압력이 제공되기 때문에 상당한 열 질량이 생략되며, 이것은 어느 경우든 실링 힘을 제공하기에 충분히 강성인 것이 필요하다. 도 6의 절단된 측면은 또한 전지 스택과 하우징(601) 사이의 두 개의 가요성 고정 매트(610)를 도시하는데, 이것은 스택을 정확한 위치에 고정하고, 산화 기체 입구와 출구 측 사이에 기체 시일을 제공하는 역할을 한다. 앞서 설명된 보강 및 강화 리브(612)가 또한 도시된다.
실시예
120x120mm 전지 치수를 가진 SOFC 스택에 대해서, 0.1mm 내지 5mm 두께의 강판 형태의 가요성-인터페이스-고정부에 대해 다음과 같은 계산이 이루어졌다:
가요성-인터페이스-고정부의 휨 강성. 이 강성은 판 방정식에 기초한다:
Figure 112014044871979-pct00001
여기서, E는 선택된 강판의 탄성 계수이고, h는 강판의 두께이며, v는 푸아송 비이다.
3mm의 가요성-인터페이스-고정부 두께를 가지고 실험을 수행했으며, 만족스러운 전지 스택 압축 및 실링을 모두 나타냈다.

Claims (17)

  1. 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 시스템에 연결하기 위한 전지 스택 조립체(100, 200, 300, 400, 500, 600)로서, 상기 전지 스택 조립체는
    - 적어도 하나의 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택(103, 203, 403, 503, 603), 상기 적어도 하나의 스택은 복수의 연료전지 또는 전해전지를 포함하며, 상기 적어도 하나의 스택은 상면, 하면, 복수의 측면, 연료 기체 입구(107, 507), 연료 기체 출구(108, 508), 산화제(oxidant) 기체 입구(106, 506) 및 산화제 기체 출구(105, 505)를 포함하고,
    - 하나의 폐쇄된 상단부, 폐쇄된 단부에 대향하는 하나의 개방된 하부 인터페이스 단부 및 적어도 하나의 측면부를 가진 강성 하우징(101, 201, 301, 401, 501, 601), 상기 하우징은 적어도 하나의 스택 상면과 복수의 측면을 봉쇄하며, 상기 개방된 하부 인터페이스 단부는 상기 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 시스템의 인터페이스 대응부와 연결되도록 개조되어 적어도 하나의 스택과 상기 시스템 사이에 연료 기체와 산화제 기체를 위한 인터페이스를 제공하고,
    - 적어도 하나의 스택 상면과 하우징의 폐쇄된 상단부 사이에서 하우징 내부에 위치된 적어도 하나의 가요성 압축력 매트(211, 411, 511, 611), 상기 압축력 매트는 적어도 하나의 스택에 압축력을 제공하고,
    - 복수의 스택 측면 중 적어도 하나와 하우징의 적어도 하나의 측면부 사이에서 하우징 내부에 위치된 적어도 하나의 가요성 고정 매트(110, 210, 410, 610)를 포함하며,
    상기 전지 스택 조립체는 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부에 인접 위치된 가요성-인터페이스-고정부(104, 204, 404, 504, 604)를 더 포함하고, 이로써 그것은 하우징 내에 적어도 하나의 스택을 적어도 부분적으로 봉쇄하며, 적어도 하나의 스택의 하면을 적어도 부분적으로 커버하고, 상기 가요성-인터페이스-고정부의 두께는 0.1-3mm의 범위이고, 상기 가요성-인터페이스-고정부는 0.01Nm 내지 5000Nm의 휨 강성을 가지는, 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 스택 조립체.
  2. 제 1항에 있어서, 가요성-인터페이스-고정부의 휨 강성이 20℃에서 0.1Nm 내지 1000Nm인 전지 스택 조립체.
  3. 제 1항에 있어서, 가요성-인터페이스-고정부의 휨 강성이 20℃에서 1Nm 내지 500Nm인 전지 스택 조립체.
  4. 제 1항에 있어서, 하우징의 상기 개방된 하부 인터페이스 단부 및 상기 가요성-인터페이스-고정부는 평면이고, 평행하며, 고체산화물 연료전지 또는 전해전지 시스템의 인터페이스 대응부와 연결되었을 때 동일한 평면이 되는 외부 인터페이스 표면을 갖는 전지 스택 조립체.
  5. 제 1항에 있어서, 하우징의 상기 개방된 하부 인터페이스 단부에 시스템의 인터페이스 대응부와의 연결을 위한 플랜지(102, 202, 302, 402, 502, 602)가 제공되며, 상기 플랜지는 하우징의 일체화된 부분이거나, 또는 그것은 용접, 브레이싱, 나사에 의해서 하우징에 부착되거나, 또는 하우징 주변에 기계적으로 맞물리는 루즈 플랜지인 전지 스택 조립체.
  6. 제 1항에 있어서, 가요성-인터페이스-고정부가 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부에 연결된 강판인 전지 스택 조립체.
  7. 제 1항에 있어서, 가요성-인터페이스-고정부가 용접, 브레이싱, 나사 또는 기계적 맞물림에 의해서 하우징에 연결된 강판인 전지 스택 조립체.
  8. 제 1항에 있어서, 가요성-인터페이스-고정부의 너비가 하우징의 개방된 하부 인터페이스 단부의 내부 너비에 상응하며, 이로써 가요성-인터페이스-고정부가 하우징의 상기 개방된 하부 인터페이스 단부 내부에 장착될 수 있는 전지 스택 조립체.
  9. 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 개스킷(209, 409, 509, 609)이 적어도 하나의 스택의 하면과 가요성-인터페이스-고정부 사이에 제공되어 적어도 하나의 스택의 적어도 하나의 연료 또는 산화제 기체 입구 또는 출구와 가요성-인터페이스-고정부 사이에 실링을 제공하며, 여기서 상기 개스킷의 기밀 시일을 제공하는데 필요한 압력은 상기 전지 스택 조립체가 상기 시스템의 인터페이스 대응부에 연결되고, 적어도 하나의 스택이 작동중일 때 가요성 압축력 매트에 의해서 적어도 부분적으로 제공되는 전지 스택 조립체.
  10. 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 스택은 산화제 기체용 외부 매니폴드 구조 및 연료 기체용 내부 매니폴드 구조를 가지며, 적어도 하나의 스택의 하나의 측면은 외부 매니폴드 산화제 기체 입구를 갖고, 적어도 하나의 스택의 하나의 측면은 외부 매니폴드 산화제 기체 출구를 가지며, 적어도 하나의 스택의 하면은 내부 매니폴드 연료 기체 입구와 내부 매니폴드 연료 기체 출구를 갖는 전지 스택 조립체.
  11. 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 스택은 산화제 기체 입구 및 출구와 연료 기체 입구 및 출구 모두를 위한 외부 매니폴드 구조를 가지며, 여기서 적어도 하나의 가요성 고정 매트가 적어도 하나의 스택의 기체 입구 및 출구 중 적어도 둘 사이에 기체 실링을 제공하는 전지 스택 조립체.
  12. 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 스택이 산화제 기체 입구 및 출구와 연료 기체 입구 및 출구 모두를 위한 내부 매니폴드 구조를 갖는 전지 스택 조립체.
  13. 제 1항에 있어서, 하우징은 주조, 딥-드로잉, 선택적 레이저 용융 또는 용접에 의해서 제조되며, 하우징에 보강 및 강화 외부 및/또는 내부 리브(112, 312, 412, 512, 612)가 제공된 전지 스택 조립체.
  14. 제 13항에 있어서, 하우징은 적어도 내부 보강 및 강화 리브를 가지며, 여기서 상기 리브의 적어도 일부는 산화제 또는 연료 기체의 적어도 일부의 유동 안내를 제공하도록 개조된 전지 스택 조립체.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 압축력 매트 및 적어도 하나의 고정 매트는 다음의 재료: 세라믹, 유리, 금속 또는 이들의 조합 중 하나 이상으로 제조된 전지 스택 조립체.
  16. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 압축력 매트 및 적어도 하나의 고정 매트는 다음의 재료: 다공질 규산칼슘, 유리섬유 강화된 규산칼슘, 내화 세라믹 섬유 또는 유리섬유 중 하나 이상으로 제조된 전지 스택 조립체.
  17. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 압축력 매트 및 적어도 하나의 고정 매트는 다음의 재료: 마그네시아-실리카 섬유; 일정량의 실리카를 갖거나 갖지 않는 알루미나 섬유; 다음의 산화물: 지르코니아, 크로미아 또는 티타니아 중 하나 이상을 함유하는 저 알칼리 알루미노실리케이트 조성물; 또는 질석 중 하나 이상으로 제조된 전지 스택 조립체.
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