KR102542635B1 - 콤팩트한 고온 전기화학 셀 스택 아키텍처 - Google Patents

Abstract

전기화학적 셀 유닛은 제1 산화제 전극 및 제1 연료 전극을 포함하는 제1 전기화학적 셀, 및 제2 산화제 전극 및 제2 연료 전극을 포함하는 제2 전기화학적 셀을 포함한다. 상호 연결부는 제1 전기화학적 셀과 제2 전기화학적 셀 사이에 삽입된다. 상호 연결부는 그 길이방향 축을 따라 길이 방향 채널을 정의하는 상호 연결부 메인 바디를 포함한다. 상호 연결부 메인 바디는 제1 전기화학적 셀을 대면하는 상호 연결부 메인 바디의 제1 표면 상에서 복수의 연료 채널들을 정의하는 복수의 주름들, 및 제2 전기화학적 셀을 대면하는 상호 연결부 메인 바디의 제2 표면 상의 복수의 산화제 채널들을 포함한다. 각각의 복수의 연려 채널들 및 복수의 산화체 채널들은 길이방향 채널 주위에 배치된다.

Description

콤팩트한 고온 전기화학 셀 스택 아키텍처{COMPACT HIGH TEMPERATURE ELECTROCHEMICAL CELL STACK ARCHITECTURE}

관련 원들에 대한 상호 참조

본 출원은 2017년 5월 4일 출원된, "High Power Density Compact SOFC Stack"이라는 제목의 미국 임시 특허 출원 번호 제62/501,633호의 우선권 및 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 본원에 참조로서 통합된다.

정부 권리 성명서

본 발명은 DOE에 의해 수여된 수상 번호 DE-FE0026093 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에서 일정 권리를 가진다.

기술분야

본 개시는 고온 연료 전지 스택들 및 전기분해 스택들에 관한 것으로, 특히 고체산화물(SOFC) 및 고체산화물 전기 분해 전지(SOEC) 스택들에 관한 것이며, 보다 자세하게는 높은 전력 밀도의 콤팩트한 SOFC 스택들에 관한 것이다.

고체산화물 연료 전지는 캐소드(cathode)와 애노드(anode) 사이에 삽입된 전해질(electrolyte)을 포함한다. 산소는 음극에서 전자와 반응하여 산소 이온을 형성하며, 이는 이온 전도성 세라믹 전해질을 통해 애노드로 전도된다. 애노드에서, 산소 이온은 이용 가능한 연료(예컨대, 수소 및 일산화탄소, 메탄, 임의의 다른 탄화수소 또는 다른 적합한 연료)와 결합하여 생성물(예컨대, 물 및 이산화탄소)을 형성함으로써 전자를 방출하여 전력을 생성한다. 이러한 기술은 또한 적절한 반응물(예를 들어, 물 및 이산화탄소) 및 전력이 제공될 때 연료 가스 및 산소를 형성하도록 전기 분해를 수행하기 위해 역으로 동작될 수 있다. 이러한 구현예에서, 이 기술은 고체산화물 전기 분해 전지로 지칭된다. SOFC 개발은 다양한 접근 방법(애노드, 캐소드 또는 전해질 지지, 모놀리식 세라믹 대 금속 상호 연결부, 평면 대 관형(tubular) 및 그 변형)을 보여왔다. 이 기술을 상용화하기 위한 주요 과제는 시장성 있는 가격, 합리적인 성능 및 유용한 수명을 동시에 달성하는 것이었다. 이러한 추진 요인들은 밀접하게 관련된다.

본 출원에 설명된 실시예들은 일반적으로 연료 전지 또는 전기 분해 전지와 같은 전기화학 셀에 관한 것으로, 특히 인접한 전기화학 셀들 사이에 삽입되고 그에 전기적으로 연결되는 주름진 상호 연결부들(corrugated interconnects)을 포함하는 전기화학 셀 스택에 관한 것으로, 상기 주름들은 일측에 복수의 연료 채널들을 형성하고 밀봉 부재들(sealing members)을 통해 유체적으로 격리되는 반대측에 복수의 산화제 채널들을 형성하며, 상호 연결부는 전기화학 셀 스택에 대한 컴플라이언스(compliance)를 제공하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 유닛은 제1 산화제 전극 및 제1 연료 전극을 포함하는 제1 전기화학적 셀, 및 제2 산화제 전극 및 제2 연료 전극을 포함하는 제2 전기화학적 셀을 포함한다. 상호 연결부는 제1 전기화학적 셀과 제2 전기화학적 셀 사이에 삽입된다. 상호 연결부는 그 길이방향 축을 따라 길이 방향 채널을 정의하는 상호 연결부 메인 바디를 포함한다. 상호 연결부 메인 바디는 제1 전기화학적 셀을 대면하는 상호 연결부 메인 바디의 제1 표면 상에서 복수의 연료 채널들을 정의하는 복수의 주름들, 및 제2 전기화학적 셀을 대면하는 상호 연결부 메인 바디의 제2 표면 상의 복수의 산화제 채널들을 포함한다. 각각의 복수의 연료 채널들 및 복수의 산화제 채널들은 길이방향 채널 주위에 배치된다.

일부 실시예들에서, 각각의 복수의 연료 채널들의 연료 채널 기저부는 제2 산화제 전극에 전기적으로 접촉하고, 각각의 복수의 산화제 채널들의 산화제 채널 기저부는 제1 연료 전극에 전기적으로 접촉한다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 유닛은 제1 표면 상의 상호 연결부의 외부 주변(outer perimeter)에 배치된 외부 밀봉 부재, 및 길이방향 채널 주위의 제2 표면 상의 상호 연결부의 내부 주변(inner perimeter)에 배치된 내부 밀봉 무재를 더 포함한다. 외부 밀봉 부재는 복수의 연료 채널들 또는 복수의 산화제 채널들 중 하나를 외부 주변 바깥쪽의 볼륨으로부터 유체적으로 밀봉하고, 내부 밀봉 부재는 복수의 연료 채널들 또는 복수의 산화제 채널들 중 다른 하나를 길이방향 채널로부터 유체적으로 밀봉한다. 일부 실시예들에서, 상기 상호 연결부 메인 바디는 각각의 상기 복수의 연료 채널들에 유체적으로 결합된 적어도 하나의 연료 유입구 채널 및 적어도 하나의 유체 배출구 채널을 정의하고, 각각의 상기 복수의 산화제 채널들에 유체적으로 결합된 적어도 하나의 산화제 유입구 채널 및 적어도 하나의 산화제 배출구 채널을 추가로 정의한다.

일부 실시예들에서, 외부 밀봉 부재는 외부 주변 바깥쪽의 볼륨으로부터 복수의 연료 채널들을 유체적으로 밀봉하고, 적어도 하나의 연료 유입구 채널 및 적어도 하나의 연료 배출구 채널은 길이방향 채널의 제1 부분으로부터 연료를 공급받고 길이방향 채널의 제2 부분으로 소모 연료를 배출하기 위해 길이방향 채널에 유체적으로 결합된다. 일부 실시예들에서, 내부 밀봉 부재는 길이방향 채널로부터 복수의 산화제 채널들을 유체적으로 밀봉할 수 있고, 적어도 하나의 산화제 유입구 채널 및 적어도 하나의 산화제 배출구 채널은 외부 주변 바깥쪽의 볼륨의 제1 부분으로부터 산화제를 공급받고 외부 주변 바깥쪽의 볼륨의 제2 부분으로부터 소모 산화제를 배출하기 위해 상호 연결부의 외부 주변에 유체적으로 결합된다. 일부 실시예들에서, 상호 연결부의 외부 주변에 근접한 각각의 제1 전기화학적 셀 및 제2 전기화학적 셀의 외부 엣지, 또는 길이방향 채널에 근접한 각각의 제1 전기화학적 셀 및 제2 전기화학적 셀의 내부 엣지 중 적어도 하나에 배치된 엣지 밀봉 부재를 더 포함한다.

일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 스택은 복수의 전기화학적 셀 유닛들의 스택을 포함한다. 각각의 복수의 전기화학적 셀 유닛들은 제1 산화제 전극 및 제1 연료 전극을 포함하는 제1 전기화학적 셀, 제2 산화제 전극 및 제2 연료 전극을 포함하는 제2 전기화학적 셀, 및 제1 전기화학적 셀과 제2 전기화학적 셀 사이에 삽입된 상호 연결부를 포함한다. 상호 연결부는 그 길이방향 축을 따라 길이 방향 채널을 정의하는 상호 연결부 메인 바디를 포함한다. 길이방향 채널은 전기화학적 셀 스택의 높이에 걸쳐 있다. 상호 연결부 메인 바디는 제1 전기화학적 셀과 대면하는 상호 연결부 메인 바디의 제1 표면 상의 복수의 연료 채널들을 정의하는 복수의 주름들, 및 제2 전기화학적 셀과 대면하는 상호 연결부 메인 바디의 제2 표면 상의 복수의 산화제 채널들을 포함하며, 각각의 복수의 연료 채널 및 복수의 산화제 채널은 길이방향 채널 주위에 배치된다.

일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 유닛은 제1 표면 상의 상호 연결부의 외부 주변에 배치된 외부 밀봉 부재, 및 길이방향 채널 주위의 제2 표면 상의 상호 연결부의 내부 주변에 배치된 내부 밀봉 부재를 더 포함한다. 외부 밀봉 부재는 복수의 연료 채널들 또는 복수의 산화제 채널들 중 하나를 상기 외부 주변 바깥쪽의 볼륨으로부터 유체적으로 격리시키고, 내부 밀봉 부재는 복수의 연료 채널들 또는 복수의 산화제 채널들 중 다른 하나를 길이방향 채널로부터 유체적으로 격리시킨다. 일부 실시예들에서, 각각의 복수의 전기화학적 셀 유닛들에 포함된 상호 연결부들은 전기화학적 셀 스택이 컴플라이언스(compliance)를 갖도록 벨로우즈형(bellows like) 구조를 협력하여 형성한다. 일부 실시예들에서, 길이방향 채널에 배치된 포스트를 더 포함하며, 포스트는 연료 또는 산화제 중 하나를 공급받도록 구성된 적어도 하나의 포스트 유입구 및 전기화학적 셀 스택으로부터 소모 연료 또는 소모 산화제 중 다른 하나를 공급 및 배출하도록 구성된 적어도 하나의 포스트 배출구를 정의하며, 포스트 유입구 및 포스트 배출구는 서로 유체적으로 격리된다.

일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 스택은 상단 플레이트와 상기 포스트 사이에 갭이 제공되도록 포스트 주위의 전기화학적 셀 스택의 상단에 배치된 상단 플레이트를 더 포함하며, 갭은 열 스트레스를 완화시키기 위해 그 안에서 포스트의 움직임을 허용하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 스택은 갭에 위치된 컴플라이언트 밀봉 부재를 더 포함하며, 컴플라이언트 밀봉 부재는 포스트의 움직임을 허용하도록 충분한 컴플라이언스를 제공한다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 스택은 상단 플레이에 배치된 상단 캡, 및 상단 플레이트와 상단 캡 사이에 삽입된 이차 밀봉 부재를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 상기 상단 플레이트는 포스트로부터 이격된 상단 플레이트의 표면으로부터 축 방향으로 연장되는 포스트 인터페이스 튜브를 포함하며, 포스트 인터페이스 튜브의 적어도 일부는 포스트의 일부 주위에 배치된다.

일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 스택은 상단에 대향되는 전기화학적 셀 스택의 하단에 배치되는 하단 플레이트를 더 포함한다. 상기 상단 플레이트는 상부 압축 플레이트 상에 배치된다. 바이어싱 부재는 전기화학적 셀 스택의 상단에 근접하게 배치되고, 복수의 전기화학적 셀 유닛들의 스택에 압축력을 가하도록 구성된다. 적어도 하나의 압축 부재는 상부 압축 플레이트에 결합되고, 상부 압축 플레이트로부터 하단 플레이트로 상기 압축력을 전송하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 스택은 전기화학적 셀 스택의 하단에 배치된 하부 압축 플레이트를 더 포함하며, 적어도 하나의 압축 부재는 상기 하부 압축 플레이트에 결합된다. 일부 실시예들에서, 바이어싱 부재는 상부 압축 플레이트와 상기 상단 플레이트 사이에 삽입된 벨빌(Belleville) 스프링들의 스택을 포함한다.

일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 스택은 전기화학적 셀 스택의 하단에 배치된 기저부 플레이트 어셈블리를 더 포함한다. 기저부 플레이트 어셈블리는 적어도 하나의 연료 포트 및 적어도 하나의 산화제 포트를 정의하는 하단 플레이트를 포함한다. 고강도 밀봉 플레이트는 하단 플레이트과 축 방향으로 정렬되고, 고강도 밀봉 플레이트로부터 하단 플레이트로 기계적 스트레스의 전달을 줄이기 위해 하단 플레이트에 대해 항복하도록(yield) 구성된다. 일부 실시예들에서, 고강도 밀봉 플레이트는 복수의 전기화학적 셀 유닛들의 스택과 하단 플레이트 사이에 배치되며, 기저부 플레이트 어셈블리는 고강도 밀봉 플레이트와 하단 플레이트 사이에 배치된 복수의 짧은 튜브들을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 하단 플레이트는 복수의 전기화학적 셀 유닛들의 스택과 고강도 밀봉 플레이트 사이에 배치되며, 기저부 플레이트 어셈블리는 고강도 밀봉 플레이트와 하단 플레이트 사이에 배치된 복수의 짧은 튜브들을 더 포함한다. 짧은 튜브들은 고강도 밀봉 플레이트가 하단 플레이트로의 스트레스 전달을 줄이기 위해 하단 플레이트에 대해 횡방향으로 이동하는 것이 자유롭도록 열 스트레스에 응답하여 항복하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 스택은 복수의 전기화학적 셀 유닛들의 스택 주위에 배치된 매니폴드를 포함한다. 매니폴드는 외부 주변 주위에 볼륨을 정의한다. 볼륨의 제1 부분은 연료 전지 스택(110)에 연료 또는 산화제 중 하나를 위한 유입구를 제공할 수 있고, 볼륨의 제2 부분은 전기화학적 스택으로부터 소모 연료 또는 산화제를 위한 배출구를 제공한다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 스택은 볼륨에 배치되고, 볼륨의 제2 부분으로부터 볼륨의 제1 부분을 유체적으로 밀봉하도록 구성된 유전체 밀봉 부재를 더 포함한다.

일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 어셈블리는 하우징 기저부를 포함하는 하우징을 포함한다. 전기화학적 셀 스택들의 어레이는 하우징 내의 하우징 기저부 상에 배치된다. 어레이에 포함된 각각의 전기화학적 셀 스택들은 복수의 전기화학적 셀 유닛들의 스택을 포함한다. 각각의 복수의 전기화학적 셀 유닛들은 제1 산화제 전극 및 제1 연료 전극을 포함하는 제1 전기화학적 셀, 제2 산화제 전극 및 제2 연료 전극을 포함하는 제2 전기화학적 셀, 및 제1 전기화학적 셀과 제2 전기화학적 셀 사이에 삽입된 상호 연결부를 포함한다. 상호 연결부는 그 길이방향 축을 따라 길이방향 채널을 정의하는 상호 연결부 메인 바디를 포함하며, 길이방향 채널은 전기화학적 셀 스택의 높이에 걸쳐 있다. 상호 연결부 메인 바디는 제1 전기화학적 셀과 대면하는 상호 연결부 메인 바디의 제1 표면 상의 복수의 연료 채널들을 정의하는 복수의 주름들, 및 제2 전기화학적 셀과 대면하는 상호 연결부 메인 바디의 제2 표면 상의 복수의 산화제 채널들을 포함하며, 각각의 복수의 연료 채널 및 복수의 산화제 채널은 길이방향 채널 주위에 배치된다.

일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 어셈블리는 각각의 전기화학적 셀 스택들 주위에 배치된 링 분리기(separator), 및 전기화학적 셀 스택들의 어레이에 포함된 네 개의 전기화학적 셀 스택들의 각 세트 사이에 배치된 교차 분리기를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 어셈블리는 대응되는 교차 분리기를 통해 네 개의 전기화학적 셀 스택들의 각 세트 사이에 배치된 산화제 예열 튜브를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 어셈블리는 하우징 기저부를 통해 전기화학적 셀 스택들의 어레이에 유체적으로 결합된 연료 유입구, 연료 배출구, 산화제 유입구 및 산화제 배출구를 더 포함한다. 하우징 기저부는 연료 유입구를 통해 하우징 기저부로 유입되는 연료와 연료 배출구를 통해 하우징 기저부를 빠져나오는 소모 연료 사이의 열 교환을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환 채널을 정의한다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 셀 어셈블리는 하우징 기저부를 통해 전기화학적 셀 스택들의 어레이에 유체적으로 결합된 연료 바이패스 유입구를 더 포함하며, 연료 바이패스 유입구는 적어도 하나의 열 교환 채널을 바이패싱한다.

전술한 내용은 본 개시의 요약이므로, 세부사항의 간략화, 일반화 및 생략이 필요하다. 결과적으로, 당업자는 요약이 단지 예시적이고 어떤 식으로든 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다. 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이, 본 출원에 설명된 장치 및/또는 프로세스의 다른 측면들, 특징들 및 이점들은 본 출원에 명시되고 첨부된 도면들과 함께 취해진 상세한 설명에서 명백해질 것이다.

본 개시의 상기 및 다른 특징들은 첨부 도면들과 함께 다음의 설명 및 첨부된 청구 범위로부터 더욱 명백해질 것이다. 이들 도면은 본 개시에 따른 몇 가지 구현예만을 도시하며, 따라서 그 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것을 이해하고, 본 개시는 첨부 도면들을 용하여 부가적인 특수성 및 세부 사항으로 설명될 것이다.
도 1a는 실시예에 따른, 기밀 밀봉된 연료 전지 유닛들을 갖는 연료 전지 스택 일부의 단면 사시도이다.
도 1b는 실시예에 따른, 도 1a의 전기화학적 셀 스택에 포함될 수 있는 연료 전지 유닛의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따라 생산된 연료 전지 스택의 전면도이다.
도 3은 잠재적인 연료 유입 내지 연료 배축 누출 경로를 나타내는, 내부 연료 매니폴드의 상부 개략도이다.
도 4a-4c는 실시예들에 따른 연료 전지 유닛의 상부 개략도들로서, 각각은 내부 및 외부 매니폴드 설계들의 상이한 조합들에 기초한, 연료 및 산화제 가스의 가능한 상이한 유동 경로들을 도시한다. 도 4a는 단일 연료 유입구, 단일 연료 배출구, 단일 산화제 유입구 및 단일 산화제 배출구를 갖는 연료 전지 유닛을 도시한다. 도 4b는 두 개의 연료 유입구들, 두 개의 연료 배출구들, 두 개의 산화제 유입구들 및 두 개의 산화제 배출구들을 갖는 연료 전지 유닛을 도시한다. 도 4c는 단일 연료 유입구, 단일 연료 배출구, 두 개의 산화제 유입구들 및 두 개의 산화제 배출구들을 갖는 연료 전지 유닛을 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른, 연료 전지 스택들의 어레이의 사시도이다.
도 6은 산화제 예열 튜브들을 보기 위해 일부 연료 전지 스택들이 제거된, 도 5에 도시된 어레이의 일부의 사시도를 도시한다.
도 7a 및 7b는 두 개의 상이한 실시예들에 따른, 연료 전지 스택들의 어레이의 사시도들이다.
도 7c는 도 7a에 도시된 연료 전지 스택의 점진적인 어레이에 기초한 40 ㎾ 내지 350 ㎾의 배치 스케일링을 도시한다.
도 8a 및 8b는 어레이의 연료 및 산화제 유입구들 및 배출구들을 나타내는, 도 7a 및 7b에 도시된 어레이의 기저부의 사시도들이다.
도 9a 및 9b는 산화제 예열 튜브들 및 스택 장착 지점들을 나타내는 도 7a 및 7b에 도시된 어레이들의 일부의 상면도들이다.
도 10은 종래 기술로 알려진 중첩되는 밀봉 설계를 가지는 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 상호 연결부의 단면 사시도이다.
도 12a 및 12b는 각각 도 11에 도시된 상호 연결부의 상면도 및 하면도이다. 도 12a는 상호 연결부의 상부 연료 측을 도시한다. 도 12b는 상호 연결부의 하부의 산화제 측을 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따른, 벨로우즈형 구조를 가지는 연료 전지 스택의 개략적인 단면도이다.
도 14는 전기화학적 셀의 엣지를 밀봉하기 위해 엣지 분사된 전기화학적 셀의 단면도를 나타내는 사진이다.
도 15a-15c는 세 개의 다른 실시예들에 따른, 스택의 길이방향 채널에 위치된 포스트를 나타내는, 연료 전지 스택의 일부의 상부 단면도들이다.
도 16a 및 16b는 각각 상부 플레이트 및 상부 캡을 따라 중심 포스트를 나타내는 도 15a 및 15c의 연료 전지 스택의 상부의 단면 사시도들이다.
도 17a-17c는 실시예들에 따른, 기저부 플레이트 어셈블리의 세 개의 상이한 설계들의 하부 사시도들이다.
도 18은 일 실시예에 따른, 상부 압축 플레이트 어셈블리의 메인 상부 플레이트 및 포스트 인터페이스 튜브의 상부 사시도이다.
도 19a 및 19b는 두 개의 상이한 실시예들에 따른 상부 압축 플레이트 어셈블리들의 상부 사시도들이다.
도 20a는 일 실시예에 따른, 도 19a의 상부 압축 플레이트 어셈블리에 사용될 수 있는 벨빌 스프링 팩의 스프링 응답을 나타내는 그래프이다. 20b는 다른 실시예에 따른, 도 19b의 상부 압축 플레이트 어셈블리에 사용될 수 있는 코일 스프링의 크리프를 나타내는 그래프이다.
21a 및 21b는 두 개의 상이한 실시예들에 따른, 외부 매니폴드를 포함하는 연료 전지 스택들의 하부 사시도들이다.
도 22는 일반적인 천역 가스 연소 시스템 어플리케이션을 대표하는 가스 조성물에서 동작하는 225-셀(~ 1㎾) 스택을 사용하여 테스트로부터 생성된 테스트 데이터를 도시한다.
도 23 은 스트림을 수소로 전환하는 전해조(electrolyzer)로서 동작하는, 7a의 연료 전지 스택 어레이에 따른 20-셀 구현예를 사용하여 수행된 테스트로부터 생성된 테스트 데이터를 도시한다.
도 24는 1년을 넘는 총 테스트 시간을 갖는, 다양한 순수한 수소 연료 전지 조건들을 실행하는, 도 7a의 연료 전지 스택 어레이에 따른 60-셀 구현예의 결과를 도시한다.
도 25는 0.25 A/㎠에서 전기화학적 셀 조건(전력 생성)을 실행하는, 도 7b의 연료 전시 스택 어레이에 따른 45-셀 구현예의 결과를 도시한다.
도 26은 1 A/㎠에서 전기 분해(수소 생성) 조건을 실행하는, 도 7b의 연료 전지 스택 어레이에 따른 45-셀 구현예의 결과를 도시한다.
다음의 상세한 설명 전체에 걸쳐 첨부 도면을 참조한다. 도면에서, 달리 지시하지 않는 한 유사한 기호는 일반적으로 유사한 구성 요소를 나타낸다. 상세한 설명, 도면 및 청구 범위에 설명된 예시적인 구현예는 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 본 출원에 제시된 주제의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다른 구현들예들이 이용될 수 있고, 다른 변경들이 이루어질 수 있다. 이 개시에서 일반적으로 설명되고 도면들에 설명된 바와 같이, 본 개시의 측면들은 매우 다양한 구성으로 배열, 대체, 결합 및 설계될 수 있으며, 이 모든 것이 명시적으로 고려되고 이 개시의 일부가 될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다.

본 출원에 설명된 실시예들은 일반적으로 연료 전지 및 전기 분해 전지와 같은 전기화학 셀에 관한 것으로, 특히 인접한 전기화학 셀들 사이에 삽입되고 그에 전기적으로 연결되는 주름진 상호 연결부들(corrugated interconnects)을 포함하는 전기화학 셀 스택에 관한 것으로, 상기 주름들은 일측에 복수의 연료 채널들을 형성하고, 밀봉 부재들(sealing members)을 통해 유체적으로 격리되는 반대측에 복수의 산화제 채널들을 형성하며, 상호 연결부는 전기화학 셀 스택에 대한 컴플라이언스(compliance)를 제공하도록 구성된다.

특정 실시예들에 따르면, 현재 스택 기술에 대해 전체 설계의 타당성(feasibility)을 유지(및 많은 경우 개선)하면서 스택 내의 재료 함량을 줄이는데 초점을 맞춘 설계 접근방식을 나타내는 기계적 스택 레이아웃(mechanical stack layout)이 제공된다. 특정 실시예들은 비교적 작은 일반적으로 환형의 고체산화물 연료 셀들(solid oxide fuel cells) 및 얇은 상호 연결부들을 사용하며, 이들의 통합(integration)은 전류 베이스라인에 걸친 전력 밀도(W/kg)의 크기 증가 정도를 산출한다. 이는 셀의 활성 영역(열 발생 위치)과 스택 환경 사이의 최대 열 통신을 보장하도록 신중한 열 설계(thermal design)에 의해 달성될 수 있다.

가격을 낮추기 위한 노력은 수명을 직접적으로 감소시키는 경향이 있거나 연료 셀을 더 열심히 작동시키는 전략을 수반하기 때문이다. 성능(높은 산출량)을 향상시키기 위한 노력은 수명과 효율성을 감소시키는 경향이 있다. 수명을 증가시키기 위한 노력은 종종 비싼 재료 및/또는 저전력 밀도에서의 실행을 수반하며, 이는 둘 다 가격을 상승시킨다. 예를 들어, 관형(tubular) 기술은 긴 기간(5+ 년)에 걸쳐 입증되었지만, 실질적인 시장 어플리케이션에서는 일반적으로 허용할 수 없는 것으로 인정되는 가격 및 성능 수준에서 입증되었다. 반대로, 평판 SOFC 기술은 가격 및 성능 타겟을 달성하는데 더 근접하지만, 실질적인 수명 타겟을 달성하는 데에는 어려움에 직면한다. 이 가격/성능/수명 차이를 메우기 위한 일반적인 중점 사항(focus)은 주로 제조 비용을 줄이기 위해 크기를 증가시키면서, 고성능 셀을 개발하는 것이다. 이는 표면적이 큰 튜브형 설계 또는 평면 설계의 개발이든 거의 모든 SOFC 개발 활동에서 명백해진다. 이러한 경향에 대한 예외는 마이크로 튜브 SOFC 셀의 형태로 존재하며, 대부분 대학 실험실에서 급속한 열 과도 현상(thermal transients )이 요구되는 어플리케이션을 옹호한다. 마이크로 튜브 시스템은 더 큰 규모의 시스템(일반적으로 수백 W 출력 최대 범위)을 위한 실행 가능한 솔루션으로 발전되지 않는다.

일반적으로 모바일 애플리케이션에 대한 추가 제한 조건이 존재한다. 현재 SOFC 기술 디스플레이의 부피 및 질량 인덱스 전력 밀도는 약 200 W/L 및 100 W/kg 정도이다. 따라서, 70㎾의 전원 장치는 ~ 350L을 차지하고 스택에만 약 700kg 중량이 나가며, 전체 전원 시스템에서는 훨씬 더 무겁다. 소형차는 이러한 중량과 부피로 SOFC 기반의 주 전력 시스템을 수용할 수 없었다. 자동차 애플리케이션의 두 번째 제약은 가열 시간이다 현재 스택은 주변에서 약 750 ℃의 동작 온도에 도달하기 위해 1 시간 정도가 소요된다. 실제 모바일 애플리케이션의 경우, 일반적으로 몇 초 정도의 시작 시간이 예상되며, 몇 분 정도의 시작 시간은 처음 몇 분의 동작 시간을 커버하기 위해 배터리와 같은 예상치 및/또는 2차 전원 변경으로 인해 허용될 수 있다.

마지막으로, 많은 연료 전지 기술의 주요 과제 중 하나는 폐열(waste heat) 및 스택 내 온도 분포를 관리하는 것이다. 스택 크기가 커짐에 따라 환경에 대한 직접적인 열 방출이 점점 줄어들고 있다. 대신 대형 스택은 흡열 반응 (개질) 및/또는 가스 스트림으로의 대류 냉각에 의존한다. 실제 경험에 따르면, 적절한 스택 내 온도 차이에서 대류 냉각이 실행되려면 유량이 높아야 한다.

본 출원에 설명된 실시예는 주요 과제를 해결하면서 전기화학적 셀(예를 들어, 연료 전지 또는 전기 분해 전지)의 충족 가격, 성능 및/또는 수명 목표에 대한 상이한 접근법을 제공한다. 본 출원에 설명된 실시예들은 또한 전기화학적 셀의 모바일 애플리케이션으로 인해 발생하는 중량 및 볼륨문제를 해결하면서, 가열 시간이 수 분 정도 예상될 수 있게 한다.

요약하면, 본 출원에 설명된 실시예들은 셀 크기 및 성능을 점진적으로 증가시키는 대신, 셀 크기를 감소시키고, 셀 성능에 대한 의존도를 감소시키며, 소형 셀로 동작하기 위해 최적화된 컴포넌트들의 긴밀한 통합에 초점을 맞추는 것을 제안한다. 신중한 통합에 의해, 본 출원에 설명된 특정 실시예들은 볼륨의 1/7 및 중량의 1/10 현재 스택과 동일하거나 더 큰 전력 출력의 스택을 초래할 수 있다.

본 출원에 설명된 다양한 실시예들은, 예를 들어: (1) 셀 성능의 증가를 요구하지 않고 단위 전력 출력 당 볼륨의 감소(예컨대, 7배 이상 감소); (2) 셀 성능의 증가를 요구하지 않고 단위 전력 출력 당 중량의 감소(예컨대, 10배 이상 감소); (3) 대략적인 비용 절감(예컨대, 10배 이상 감소)에 대한 해당 예상; (4) 급속한 과도 현상(예컨대, 현재 전기화학적 셀 스택들보다 10 배 정도 빠르며, 시간 대신 분 정도의 가열 시간을 제공함); (5) 예를 들어, 모바일 및 고정 어플리케이션 둘 다에 대해 동일한 스택으로 1㎾에서 많은 MW까지의 전력을 지원하는 모듈성 레벨; (6) 효율을 높이고 어플리케이션 가능성을 확대하기 위해 캐소드 누출에 대한 애노드의 상당한 감소; (7) 더 높은 전압 및 더 낮은 전류 출력(전력 전자 장치 내에서 더 나은 효율을 제공); (8) 더 큰 ㎾ 정격(예를 들어, 10㎾ 이상)에서 고유의 하중 공유 및 리던던시; (9) 환경으로 열이 거부되어 스택 내부의 간접 열 관리를 가능하게 하는, 스택 코어와 스택 에지 사이의 낮은 전도 거리; 및 (10) 더 낮은 공기 흐름, 더 쉬운 압축 요구 사항, 더 높은 전압/낮은 전류 전력 및/또는 더 짧은 과도 상태를 통해 플랜트 요구 사항의 균형 감소를 포함하는 이점들을 제공할 수 있다.

예를 들어, 본 출원에 기술된 실시예들은 물리적 하드웨어 및 테스트 결과가 이용될 수 있는 본 출원에 설명된 SOFC 스택의 두 개의 특정 크기 및 구현예들을 설명한다. 이들은 본 출원에 설명된 실시예들의 어플리케이션의 구체적인 예로서 제공되지만, 이들 실시예들의 크기 사이의 작은 변형, 큰 변형도 이와 유사하게 가능하다. 핵심 크기 고려사항은 셀 크기와 셀 수이다. 본 출원에 설명된 일부 실시예들은 21㎠ 또는 25㎠의 활성 영역을 갖는 셀들을 포함하고 스택 당 최대 234 셀들에서 입증되었다. 본 출원에 설명된 다른 실시예들은 81㎠의 활성 영역을 갖는 셀들을 가지며, 스택 당 350 셀들 위로 동작하도록 설계되고, 스택 당 최대 45 셀들에서 입증되었다.

본 출원에 설명된 다양한 실시예들은 각각 전기화학적 셀 유닛들 및 전기화학적 셀 스택들을 연료 전지 유닛들 및 연료 전지 스택들로서 지칭하지만, 본 출원에 설명된 전기화학적 셀 유닛들 및 전기화학적 셀 스택들의 다양한 실시예들은 전기 분해 전지 유닛들 및 전기화학적 셀 스택들을 포함하거나, 임의의 다른 전기화학적 셀 유닛 및 스택을 포함하기 위해 역 흐름으로 동작될 수 있음이 이해되어야 한다.

도 1a는, 실시예에 따른, 도 2에 도시된 연료 전지 스택(110)의 일부의 단면 사시도이다. 연료 전지 스택(fuel cell stack)(110)은 복수의 연료 전지 유닛들(150)의 스택을 포함하며, 보다 구체적으로, 실시예에 따른 기밀 밀봉된(hermetically sealed) 연료 전지 유닛들(110)을 포함한다. 연료 전지 스택(110)은 복수의 상호 연결부들(152)과 교번하는 복수의 고체산화물 연료 전지 유닛들(150)을 포함한다. 예를 들어, 도 1b는 연료 전지 스택(110)에 포함될 수 있는 연료 전지 유닛(150)의 개략도를 도시한다. 각 연료 전지 유닛(150)은 제1 연료 전극(153a)(예컨대, 애노드), 제1 산화제 전극(155a)(예컨대, 캐소드)를 포함하는 제1 전기화학적 셀(154a)을 포함하며, 제1 연료 전극(153a)과 제1 산화제 전극(155a) 사이에 삽입된 전해질(electrolyte)을 포함할 수 있다. 제2 전기화학적 셀(154b)은 또한 제2 연료 전극(153b), 제2 산화제 전극(155b)을 포함하며, 또한 제2 연료 전극(153a)과 제2 산화제 전극(155a) 사이에 삽입된 전해질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 애노드들은 선택적으로 애노드 지지체를 포함한다. 일부 실시예들에서, 연료 전지 스택(110)은 역류(reverse flow)로, 즉 전해질 셀 스택으로서 작동될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 전기화학적 셀들(154a/b)의 연료 전극들(153a/b)은 캐소드를 포함할 수 있으며, 전기화학적 셀들(154a/b)의 산화제 전극(155a/b)은 애노드를 포함할 수 있다.

상호 연결부(152)는 제1 전기화학적 셀(154a) 및 제2 전기화학적 셀(154b) 사이에 삽입된다. 상호 연결부(152)는 길이방향 축(longitudinal axis)(예컨대, 길이방향 채널(120)이 연료 전지 스택(110)에 걸치도록 전기화학적 셀 스택(110)의 길이방향 축)을 따라 길이방향 채널(120)을 정의하는 상호 연결부 메인 바디(152a)를 포함한다. 상호 연결부 메인 바디(152a)는 제1 전기화학적 셀(154a)을 대면하는 상호 연결부 메인 바디(152a)의 제1 표면 상의 복수의 연료 채널들(157)을 정의하는 복수의 주름들, 및 제2 전기화학적 셀(154b)을 대면하는 상호 연결부 메인 바디의 제2 ㅍ면 상의 복수의 산화제 채널들(159)을 포함한다. 각각의 복수의 연료 채널들(157) 및 복수의 산화제 채널들(159)은 길이방향 채널(120) 주위에, 예를 들어, 대칭으로 및/또는 환형(annular) 구성으로 배치될 수 있다. 각각의 복수의 연료 채널들(157)의 연료 채널 베이스는 제2 산화제 전극(155b)에 전기적으로 접촉할 수 있으며, 각각의 복수의 산화제 채널들(159)은 제1 연료 전극(153a)에 전기적으로 접촉할 수 있다.

예를 들어, 전기화학적 셀들(154a/b) 및 상호 연결부들(152)은, 연료 전지 스택(110)이 형성될 때 길이방향 채널(120)이 연료 전지 스택(110)을 통해 길이방향으로 연장되도록 형상화된다(shaped). 도 1a의 실시예에서, 전기화학적 셀들(154a/b) 및 상호 연결부들(152)은 환형의 형상을 가지며, 길이방향 채널(120)은 연료 전지 스택(110)의 축 중심에 위치되는 중심 채널이다. 환형의 형상을 갖는 것으로 설명되었지만, 연료 전지 스택(110)은, 길이방향 채널(120)이 연료 전지 스택(110)을 통해 길이방향으로 연장되는 한, 임의의 다른 적합한 형상, 예를 들어, 난형(ovular), 육각형(hexagonal), 정사각형(square) 또는 오프-사각형(off-square), 또는 임의의 다른 형상을 가질 수 있다. 또한, 길이방향 채널(120)은 연료 전지 스택(110)의 기하학적 중심을 따라 연장되는 것으로 설명되지만, 다른 실시예들에서, 길이방향 채널(120)은 길이방향 채널(120)이 연료 전지 스택(110)의 외부 엣지들과 오버랩되지 않는 한 연료 전지 스택(110)의 기하학적 중심으로부터 오프셋될 수 있다.

전기화학적 셀들(154a/b)은 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이 내부 및 외부 주변에서 번갈아 각 상호 연결부(152)에 밀봉된다. 이는 기밀 밀봉되어 있지만, 열 스트레스 형성(thermal stress buildup) 가능성을 줄이기 위해 단위 전지 레벨(unit cell level)을 따르는 구조체를 생산한다.

연료 또는 산화제 중 한 가스는 길이방향 채널(120)을 통해 연료 전지 유닛들(150)로 공급되고 연료 전지 유닛들로부터 추출되지만, 다른 가스는 연료 전지 스택(110)의 외부 주변에서 연료 셀 유닛들(150)로 공급되고 연료 전지 유닛들로부터 추출된다. 특정 실시예들에서, 연료는 길이방향 채널(120)로부터 공급 및 추출되며, 산화제는 연료 전지 스택(110)의 외부 주변에서 공급 및 추출된다. 밀폐된 전지 간 상호 연결부 밀봉은 가스의 혼합을 방지한다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 외부 밀봉 부재(158)는 제1 전기화학적 셀(154a)에 근접한 제1 표면 상의 상호 연결부(152)의 외부 주변에 배치될 수 있으며, 내부 밀봉 부재(156)는 길이방향 채널(120) 주위의 제2 전기화학적 셀(154b)에 근접한 제2 표면 상의 상호 연결부(152)의 내부 주변에 배치될 수 있다. 외부 밀봉 부재(158)은 복수의 연료 채널들(157) 또는 복수의 산화제 채널들(159) 중 하나를 연료 전지 스택(110)의 외부 주변 바깥쪽 볼륨으로부터 유체적으로 밀봉할 수 있고, 내부 밀봉 부재(156)는 복수의 연료 채널들(157) 또는 복수의 산화제 채널들(159) 중 다른 하나를 길이방향 채널(120)로부터 유체적으로 밀봉할 수 있다. 구체적으로, 도 1a에 도시된 바와 같이, 외부 밀봉 부재(158)는 외부 주변 바깥쪽 볼륨으로부터 연료 채널들(157)을 유체적으로 밀봉하고, 내부 밀봉 부재(156)는 길이방향 채널(120)로부터 산화제 채널들(159)을 유체적으로 밀봉한다.

연료 및 산화제 혼합 및 연소를 유발하는 누출을 방지함으로써, (i) 시스템에 대한 반응제 손실의 감소, (ii) 스택에 대한 열 부하(및 특히 스택 컴포넌트들에 손상을 줄 수 있는 국소 가열)의 감소, (iii) 산화제 전극에 상당한 저하 메커니즘이 될 수 있는, 크롬 휘발 및 수송을 감소시키는, 산화제 면의 증기(steam) 형성의 감소, 및 (iv) 더 적은 보호 커버 가스가 사용될 수 있도록 하는 가열 및 냉각 동안 교차 누출의 감소를 포함하여, 몇몇 이점들을 얻을 수 있다.

연료 전지 스택(110)은, 예를 들어, 너무 높은 종횡비로 제조 및 패키징 어려움이 나타날 수 있는 경우 완성된 스택의 종횡비(높이 대 직경 또는 너비)에 의해서만 제한되는, 20 내지 400개의 연료 전지 유닛들(150)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 종횡비는 4:1 내지 5:1의 범위에 있을 수 있지만, 더 짧은 스택은 특정 용도 및 개발 목적에 유용할 수 있다. 복수의 연료 전지 유닛들(150)은 중간 금속 상호 연결부(152)와 함께 수직으로 타워로 적층될 수 있다.

각 연료 전지 스택은 동작 상태 및 스택 크기에 따라 약 50W 내지 20㎾(예컨대, 그들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하여, 0.5㎾ 내지 20㎾, 1㎾ 내지 15㎾, 또는 5㎾ 내지 10㎾)의 전력 범위를 갖는다. 일 실시예에서, 스택은 약 7㎾의 전력 범위를 갖는다. 셀 수를 줄이고 동작 상태들을 조정함으로써 대략 50W 정도로 작은 실질적인 스택이 제조될 수 있을 것이다.

본 출원에 설명된 연료 전지 스택(110) 또는 임의의 다른 전기화학적 셀 스택은 적절한 기하학적 구조를 사용하여 전기화학절 전지 스택을 열적으로 제어하는 능력을 향상시키는 동시에, 전지의 제조 동안 그리고 추후의 스택 동작 동안 유도되는 기계적 스트레스를 감소시키는 전지 설계를 제공한다. 이러한 두 가지 이점들은 상호 연결부(152) 및 셀 둘 다 그 구조를 손상시키지 않고 박막화를 가능하게 한다.

상호 연결부들(152)의 두께는 0.05 내지 0.7 mm의 범위(예컨대, 그 사이의 모든 범위 및 값을 포함하여, 0.075 내지 0.4 mm, 또는 0.08 mm 내지 0.15 mm의 범위)일 수 있다. 전기화학적 셀 유닛들의 두께는 0.2 내지 0.4 mm의 범위일 수 있다. 특정 실시예들에서, 두께는 0.25 내지 0.35 mm의 범위일 수 있다. 1년에 걸쳐 0.12mm 상호 연결부들(152) 및 0.3mm 셀들을 통합한 이 설계의 스택에서의 동작이 입증되었다. 이는 대략적으로 상호 연결부의 재료 두께의 1/10이고, 일반적인 SOFC 스택 설계에 사용된 셀 두께의 1/2이다. 완전한 스택을 형성하는, 압축 시스템 및 모든 다른 파트들이 포함되는 경우, 일 실시예에서 제안된 스택 중량은 활성 영역 당 종래 스택 중량의 ~1/10으로 확인되었다.

즉, 전기화학적 셀 스택의 재료 함량이 감소되며, 감소는 현저하다. 이 설계는 임의의 신종 재료(exotic materials)의 사용을 요구하지 않으며, 많은 영역에서 종래 전기화학적 셀 스택에 비해 재료 요건을 단순화한다. 압축 시스템은 아래에 더 자세히 논의되는 바와 같이, 더 낮은 하중으로 인해 단순화될 수 있다. 매니폴드 또한 아래에도 더 자세히 논의된 바와 같이, 더 낮은 밀봉 요건들로 인해 단순화될 수 있다. 이러한 낮은 재료 함량은 전기화학적 셀 스택의 본래 비용(intrinsic cost)을 감소시킨다. ㎾ 당 부품 수가 증가하는 동안, 소형 부품들의 사용, 계층 당 다른 부분 수의 감소 및 오퍼레이터 개입이 필요한 큰 공차 부족으로 인해 자동화에 대한 부품 적합성 또한 증가된다. 따라서, 더 낮은 재료 함량의 비용 이점은 증가된 전체 부품 수의 결점을 충분히 보충한다.

도 2에 도시된 연료 전지 스택(110)은 234개의 셀들을 포함한다. 각 연료 전지 유닛(150)은 60mm 외부 셀 직경, 300 마이크론 두께 및 21㎠의 활성 영역을 갖는, 환형의 형태로 만들어졌다. 각 상호 연결부(152)는 100 마이크로 재료 두께 및 390 마이크론 유동 채널 높이의 스탬핑된 금속 상호 연결부(stamped metallic interconnect)였다. 연료 전지 스택(110)은 또한 복수의 연료 전지 유닛들(150)의 스택 주위에 배치된 매니폴드(112)를 포함하며, 연료 전지 스택(110)의 외부 주변의 연료 및 산화제 중 하나를 도입 및 배출하는데 사용될 수 있는 연료 전지 스택(1100의 외부 주변 주위에 볼륨을 정의할 수 있다. 예를 들어, 볼륨의 제1 부분은 연료 전지 스택(110)에 연료 또는 산화제 중 하나에 대한 입구를 제공하고, 볼륨의 제2 부분은 연료 전지 스택(110)으로부터의 소모 연료 또는 소모 산화제를 위한 출구를 제공할 수 있다.

본 출원에 설명된 실시예들은, 다른 이점들을 제공하면서, 예를 들어, 스택 및 시스템 레벨에서 ㎾ 당 비용을 줄이면서 크기 순서로 재료 함량을 줄일 수 있다. 열 레이아웃이 향상되면, 향상된 온도 제어를 통해 성능을 향상시키는 동시에 열화를 줄일 수 있다. 게다가, 본 출원에 설명된 실시예들은 전기화학적 셀 스택의 열 제어를 개선하여, 냉각 공기 흐름 및 유입구 온도를 낮추어 둘 다 설비 효율(plant efficiency)의 균형을 향상시킬 수 있다.

연료 유입구/배출구 밀봉 및 산화제 유입구/배출구 밀봉

연료 배출로부터의 연료 유입의 분리 및 산화제 배출로부터의 산화제 유입의 분리는 스택 코어로부터 분리되며, 압축 가능하고 스택 코어 및 매니폴더 사이의 상대적 움직임을 허용하는 컴플라이언트 밀봉(compliant seals)을 통해 밀봉되는 구조적으로 독립적인 매니폴드(예컨대, 매니폴드(112))를 통해 달성될 수 있다. 이는 전체 구조에서 열적으로 유도된 기계적 스트레스를 방지하거나 감소시킴으로써 개별 컴포넌트들을 보호하는 매니폴드와 상관없이 스택 코어가 열적으로 유도된 하중으로 인해 성장 및 벤딩될 수 있게 한다. 예를 들어, 세라믹 셀들은 지나치게 스트레스 받으면 부서지기 쉬운 균열에 취약할 수 있다. 컴플라이언트 밀봉은 동일한 가스 스트림의 유입구와 배출구 사이를 밀봉한다. 즉, 컴플라이언트 밀봉은 연료 배출구로부터 연료 유입구를 분리하고, 산화제 배출구로부터 산화제 유입구를 분리한다. 바람직하게는, 컴플라이언트 밀봉은 임의의 위치에서 연료 및 산화제 가스 사이를 밀봉하지 않는다. 컴플라이언트 고온 세라믹 밀봉은 그들이 일반적으로 다공성이 포함 및 연결되는 패킹된 세라믹 구조에 의해 컴플라이언스를 달성하기 때문에 누출이 있는 것으로 알려져 있다. 본 출원에 설명된 실시예들에서, 이러한 누출은 연소를 유발하지 않으며 누출률이 낮은 한(예컨대, 총 흐름의 ~5% 미만) 전체 효율에 미미한 영향만을 미칠 것이므로 허용 가능하다. 이는 비용, 중량 및 볼륨 이점들을 제공하는 외부 매니폴드 설계 접근방식을 유용하게 사용할 수 있도록 한다. 도 3은 연료 매니폴드(230), 예를 들어, 전기화학적 셀 스택의 길이방향 채널에 위치된 포스트(예컨대, 중앙 포스트) 및 그에 따른 연료 유입 대 연료 배출 누출 경로의 표현(representation)을 도시한다.

스택 주변 주위의 배출구 가스로부터 유입구 가스의 분리는 스택 코어("스택 코어(stack core)"는 반복된 스택 부분들 - 엔트 플레이트 외에, 셀, 상호 연결부, 밀봉들 -의 어셈블리를 의미함) 상에서 컴플라이언트 밀봉을 압축하는 시트 금속 매니폴드(예컨대, 매니폴드(112)) 구조를 통해 달성될 수 있다. 금속 가스 분리 컴포넌트들은 스택이 매니폴드로 단락되는 것을 방지하기 위해 유전체 코팅으로 코팅될 수 있다.

환형의 셀 설계는 셀의 열 발생 영역의 임의의 일부로부터 스택의 외부 표면으로의 최소한의 전도 경로를 유지하며, 이는 스택의 열 제어를 유지하는데 도움이 된다.

도 4a-4c는 다양한 실시예들에 따른 연료 전지 유닛들(250a/b/c)의 상부 개략도들로서, 각각은 내부 및 외부 매니폴드 설계들의 상이한 조합들에 기초한, 연료 및 산화제 가스의 가능한 상이한 유동 경로들을 도시한다. 다른 실시예들에서, 연료 전지 유닛들(250a/b/c)은 전기 분해(electrolysis) 전지 유닛들로서 동작하도록 역으로 동작되는 전기화학적 셀 유닛들을 포함할 수 있다. 도 4a는 단일 연료 유입구, 단일 연료 배출구, 단일 산화제 유입구 및 단일 산화제 배출구를 갖는 연료 전지 유닛(250a)을 도시한다. 도 4b는 두 개의 연료 유입구들, 두 개의 연료 배출구들, 두 개의 산화제 유입구들 및 두 개의 산화제 배출구들을 갖는 연료 전지 유닛(250b)을 도시한다. 도 4c는 단일 연료 유입구, 단일 연료 배출구, 두 개의 산화제 유입구들 및 두 개의 산화제 배출구들을 갖는 연료 전지 유닛(150c)을 도시한다. 이러한 상이한 유동 전력은 스택에 대한 상이한 열 및 압력 강하 프로파일들을 제공하며, 특정 어플리케이션에 가장 적합하도록 선택될 수 있다.

예를 들어, 각각의 연료 전지 유닛들(250a/b/c)에 포함된 상호 연결부들(예컨대, 상호 연결부들(152))의 상호 연결부 메인 바디(예컨대, 상호 연결부 메인 바디(152a))는 각각의 복수의 연료 채널들(예컨대, 연료 채널들(157))에 유체적으로 결합된 적어도 하나의 연료 유입구 채널 및 적어도 하나의 유체 배출구 채널을 정의할 수 있다. 상호 연결부 메인 바디는 각각의 복수의 산화제 채널들(예컨대, 산화제 채널들(159))에 유체적으로 결합된 적어도 하나의 산화제 유입구 채널 및 적어도 하나의 산화제 배출구 채널을 더 정의할 수 있다. 적어도 하나의 연료 유입구 채널 및 적어도 하나의 연료 배출구 채널은 길이방향 채널의 제1 부분으로부터 연료를 수신하고 길이방향 채널의 제2 부분으로 소모 연료를 배출하기 위해 길이방향 채널에 유체적으로 결합될 수 있다. 외부 밀봉 부재(예컨대, 외부 밀봉 부재(158))는 외부 주변 바깥쪽의 볼륨으로부터 복수의 연료 채널들을 유체적으로 밀봉할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 산화제 유입구 채널 및 적어도 하나의 산화제 배출구 채널은 외부 주변 바깥쪽의 볼륨의 제1 부분으로부터 산화제를 수신하고 외부 주변 바깥쪽의 볼륨의 제2 부분으로부터 소모 산화제를 배출하기 위해 상호 연결부의 외부 주변에 유체적으로 결합될 수 있다. 내부 밀봉 부재(예컨대, 내부 밀봉 부재(156))는 길이방향 채널로부터 복수의 산화제 채널들을 유체적으로 밀봉할 수 있다.

모듈식 어레이들

대형 시스템 스택의 경우, 예를 들어, 20㎾ 내지 250㎾ 또는 도 5의 어레이(100) 또는 도 7a에 도시된 어레이(200)에 도시된 바와 같은 대형 어레이들, 또는 도 7b의 어레이(300)으로 도시된 바와 같은 40㎾ 내지 500㎾ 어레이로 배치된, 모듈식 어레이들로 배치될 수 있을 것이다. 대형 시스템들은 복수의 어레이들로 구성될 수 있다. 스택 설계는 통합 압축 시스템, 통합 가스 연결부를 갖는 직접 볼트 연결부, 환경으로의 단락 전도 경로 및 고전압-저전류 출력으로 인해 배열된 레이아웃에 특히 적합하다. 스택 대 모듈 인터페이스들을 단순화하거나 제거함으로써, 스택은 대형 시스템들의 설계를 단순화할 수 잇는 잠재력을 갖는다. 도 2의 스택(110)에 기초한 스택 어레이에 대한 두 개의 실시예들이 아래에 설명된다. 스택들은 어플리케이션에 따라 상이한 패키지 크기들로 배열될 수 있다. 가능한 크기는 단일 스택(~1.2㎾)에서 15 x 15 스택 어레이(250㎾) 이상의 범위를 갖는다. 예로서, 10 x 10, 100㎾ 패키지는 압축, 전류 수집 및 덕팅(ducting)을 포함하여 대략 0.6 m x 0.6 m x 0.3 m (113 L)로 측정될 것이며, 이는 내연 기관에 뒤지지 않는다.

도 5는 일 실시예에 따른 연료 전지 스택들(1100의 어레이(100)의 사시도이다. 이 실시예에서, 연료는 연료 전지 스택(110)의 기저부(base)로부터 공급 및 추출되는 반면, 산화제 가스(예컨대, 공기)는 스택 위의 수용 볼륨으로 유입되고 연료 전지 스택(110)의 기저부로부터 추출된다. 공기는 일반적으로 높은 대류 열 용량(higher convective heat capacity)을 가지므로 전기화학적 셀 스택(110)을 냉각시키는 주요 수단으로 사용될 수 있다. 공기는 비교적 낮은 온도에서 연료 전지 스택(110) (또는 스택 어레이) 위로 유입되어, 연료 전지 스택(110) 위의 영역을 냉각시킨다. 스프링 압축 및 전류 수집은, 온도가 낮을수록 신종 재료의 사용 및/또는 전체적으로 더 적은 재료를 사용하면서 적당한 세기 및 전류 운송 능력을 유지할 수 있는, 이 영역으로 통합될 수 있다.

일부 실시예들에서, 공기는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 저온 영역으로부터, 산화제 예열 튜브들(116) 또는 유입구 튜브들을 통해, 스택(110)을 둘러싸는 볼륨으로 통과하는 동안 적절한 유입구 온도로 가열된다. 상부 구역과 스택 구역 사이의 밀봉은 완벽하지 않을 수 있으며, 전체 레이아웃을 상당히 단순화시킨다. 도 6은 개별 연료 전지 스택들(110)에 장착된 분리기들을 오버랩함으로써 상부 냉각 구역과 하부 스택 구역 사이의 분리가 이루어짐을 도시한다. 도 6에 도시된 실시예에서, 각 스택 주의의 링 분기리(114) 및 각각 그룹화된 네 개의 연료 전지 스택들(110) 사이에 얹혀진 교차 분리기(115)인, 두 개의 분리기 유형들이 있다. 예를 들어, 링 분리기(114)는 어레이(100)에 포함된 각각의 연료 전지 스택들(110) 주위에 배치될 수 있으며, 교차 분리기(115)는 어레이(100)에 포함된 네 개의 연료 전지 스택들(100)의 각 세트 사이에 배치될 수 있다. 산화제 예열 튜브(116)는 대응되는 교차 분리기(115)를 통해 위치될 수 있다.

분리기들(114, 115)은 산화제 예열 튜브들(116)에 우선적으로 가스를 보내기 위한 배리어를 제공하기 위해 중첩된다. 이 중첩되는 분리기 기하학적 구조는 연료 전지 스택들(100)의 측면 하중을 부가하거나 구역들 사이의 분리를 방해하지 않고 열 부하 하에서 흔들릴 수 있는 완전한 자유도(full freedom)를 유지한다. 산화제 예열 튜브들(116)은 산화제(예컨대, 공기)가 스택 공기 매니폴드에 직접 접촉하도록 하기 전에 뜨거운 연료 전지 스택들로부터의 방사선을 사용하여 유입구 공기를 가열하는, 복사열 전달 표면들(radiant heat transfer surfaces)로 작용할 수 있다. 연료 전지 스택(110)으로의 공기 유입구는 전체 수직면을 따르는 공기 매니폴드의 개구부일 수 있으며, 여기서 첫 번째로 상부 구역에서 예열되고, 두 번째로 산화제 예열 트뷰들(116)에서 예열되며, 세 번째로 스택 매니폴드와 집적 접촉하는 공기는 최종적으로 연료 전지 스택(110)에 적절히 들어가도록 허용된다. 대형 SOFC 스택들에 대한 핵심 과제인 스택 냉각은 산화제 유동을 가열함으로써 달성될 수 있다. 직접 대류 냉각과 달리, 다단계식 유입구 접근방법은 산화제(예컨대, 공기)가 연료 전지 스택(110) 코어에 직접 유입되는 경우 허용되는 것보다 훨씬 큰 온도 상승을 허용한다. 적절한 사이징을 통해, 종래 스택의 600˚C와 비교하여, 200˚C 정도의 유입구 온도가 달성될 수 있다. 이러한 큰 온도 델타 허용치는 공기 흐름을 낮추고 예열 부하를 줄이며, 어레이(100)를 포함하는 전기화학적 셀 어셈블리(예컨대, 연료 전지 어셈블리 또는 전기 분해 전지 어셈블리)의 컴포넌트들의 균형의 효율을 단순화 및 증가시킨다.

각 연료 전지 스택(110)은 공기 유입구 덕팅 및 배출구 절연을 제외하고 자급식(self-contained)일 수 있다. 본 출원에 설명된 패키징 솔루션은 복수의 연료 전지 스택들(110) 사이의 공기 유입구 및 배출구 절연 쉘(shell)을 공유함으로써 효율성을 제공한다. 일부 실시예들에서, 연료 전지 어셈블리(예컨대, 도 7a의 연료 전지 어셈블리(20)는 다음의 반복 유닛들을 포함할 수 있다: (1) 단위 셀(셀+상호 연결부): ~8W, ~0.8V; (2) 연료 전지 스택(수 백 개의 셀들+스택들, 인클로저, 절연 등): ~1200 W, 160 V 내지 250 V; (3) 어레이(가변, 최대 200+ 스택들, 인클로저, 절연 등): ~ 20 내지 250 + ㎾, kV 범위; 및 (4) 모듈들(가변, 부하 이송 가능 크기의 어레이 구조들): 1 MW+, kV 범위. 다른 실시예들에서, 연료 전지 어셈블리(예컨대, 도 7b의 연료 전지 어셈블리(40))는 다음의 반복 유닛들을 포함할 수 있다: (1) 단위 셀(셀+상호 연결부): ~ 20 W, ~ 0.8 V; (2) 스택(수 백 셀들+매니폴딩, 압축 등): 7,000 W, 160 V 내지 350 V; (3) 40 내지 350 + ㎾, kV 범위; (4) 모듈들(가변, 부하 이송 가능 크기의 어레이 구조들): 1 MW+, kV 범위.

대규모 전력 구현예(~10㎾ 이상)에서, 모듈 접근 방식은 부가적인 이점들을 제공한다. 첫째, 스택 전압은 병렬 또는 직렬-병렬 전기 구성으로 연결될 수 있을 정도로 충분히 높다. 이는 자동 부하 경감(automatic load shedding)을 제공한다. 성능이 저하된 임의의 스택은 전기적으로 병렬인 스택에 대해 자동으로 그 전류 부하를 경감시킬 것이다. 대형 멀티-스택 어레이에서 스택이 완전히 손실되면 거의 부정적인 영향이 거의 없을 것이다. 둘째, 파손된 스택은 다른 스택을 방해하지 않고 비교적 저렴함 비용으로 교체될 수 있다. 스택이 비교적 적은 종래 시스템의 경우 하나의(single) 약점 발생 시 크고 관리하기 어려운 스택의 제거 및 재정비(refurbishment)가 필요할 수 있으나, 작은 스택 어레이에서는 취약한 스택만 교체하여 국부적인 취약점이 더 작은 장치 및 더 빠르고 낮은 비용 프로세스로 수리될 수 있다.

도 7a 및 7b는 두 개의 상이한 실시예들에 따른 전기화학적 셀 스택들의 어레이를 포함하는 전기화학적 셀 어셈블리들의 사시도들이다. 이 실시예들은 유입구 공기를 포함하여 모든 가스 서비스가 하부로부터 공급된다는 점을 제외하면, 도 5 및 6의 실시예와 유사하다. 이는 스택 어레이의 상부에서의 복잡성을 감소시키며, 이는 초기 어셈블리 및 서비스에 대한 이점을 가져올 수 있다. 또한 시스템에 쉽게 통합할 수 있다는 장점이 있으며, 유입 및 유출 공기 스트림 사이의 추가적인 열 전달 가능성을 제공한다. 본 출원에 설명된 바와 같이, 도 7a 및 7b의 전기화학적 셀 어셈블리는 연료 전지 스택들의 어레이를 갖는 연료 전지 어셈블리를 포함한다. 다른 실시예들에서, 도 7a 및 7b의 전기화학적 셀 어셈블리는 전기 분해 셀 스택의 어레이를 포함하는 전기 분해 셀 어셈블리로서 동작되도록 하기 위해 역 흐름으로 동작될 수 있다.

도 7a는 일 실시예에 따른 연료 전지 어셈블리(20)를 도시한다. 연료 전지 어셈블리(20)는 하우징 기저부(30)를 가지는 하우징(22)을 포함한다. 연료 전지 스택들(예컨대, 전지화학적 전지 스택들(110))의 어레이(200)는 하우징 기저부(30) 상에 배치된다. 어레이(200)는 바닥으로부터 모든 가스 서비스를 갖는 6X6 연료 전지 스택들(40+ ㎾ 어레이)의 어레이를 포함한다. 도 7b는 다른 실시예에 따른 연료 전지 어셈블리(40)를 도시한다. 연료 전지 어셈블리(40)는 연료 전지 스택들(예컨대, 연료 전지 스택들(110))의 어레이(300)가 위치될 수 있는 하우징 기저부(50)를 가지는 하우징(42)을 포함한다. 어레이(300)는 모든 가스가 바닥으로부터 제공되는 8X5 어레이(280+ ㎾ 어레이)를 포함한다. 이러한 레이아웃에서, 하우징 기저부(30, 50)는 열 교환 기능들을 통합하고, 모든 연료 전지 스택들에게 균일하게 가스를 분배 및 수집한다. 도 8a는, 어레이의 연료 및 산화제 유입구들 및 배출구들을 나타내는, 도 7a에 도시된 연료 전지 어셈블리(20)의 기저부의 사시도이다. 도 7a의 좌측에서 두 개의 스택들이 생략되어서, 두 개의 산화제 예열 튜브들이 보일 수 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 전기화학적 셀 어셈블리(20)는 하우징 기저부(30)를 통해 전기화학적 셀 스택들의 어레이(200)에 유체적으로 결합된 연료 유입구(22), 연료 배출구(24), 산화제 유입구(26) 및 산화제 배출구(28)를 포함한다. 하우징 기저부(30)는 또한 연료 유입구(22)를 통해 하우징 기저부(30)로 들어가는 연료와 연료 배출구(24)를 통해 하우징 기저부(30)를 빠져나오는 소모 연료 사이의 열 교환을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환 채널(34)을 정의한다. 어레이(200)과 하우징 기저부(30)과 하나 이상의 가스 분배 채널들(36) 사이의 연료 및 산화제 통신을 위한 복수의 스택 인터페이스들(32)(예컨대, 관통 홀들)이 또한 하우징 기저부(30)에 제공될 수 있다. 또한, 연료 바이패스 유입구(29)는 연료 바이패스 유입구(29)가 적어도 하나의 열 교환 채널을 바이패스하도록 하우징 기저부(32)를 통해 전기화학적 셀 스택들의 어레이(200)에 유체적으로 결합된다. 따라서, 연료 유입구(22) 및 연료 바이패스 유입구(29)는 이중 연료 유입구들을 제공하며, 이들 중 연료 바이패스 유입구(29)는 연료 전시 스택들의 어레이(200)로 바로 이어지며, 연료 유입구(22)는 열 교환 및 개질 섹션들(reforming sections)을 통과한다. 이러한 이중 유입구들은 선택 상항이지만, 스택 유입구 온도 및 스택 내 개질에 대한 추가 제어성을 제공한다.

도 7c는 전체 모듈 단순성을 유지하면서 어레이 크기의 유연성을 도시한다.도 7b에 도시된 연료 전지 스택들의 어레이(300)에 기초하여, 40 ㎾ 내지 350 ㎾의 개념적 어레이가 도시된다.

도 8b는, 어레이(300)에 유체적으로 결합된 연료 유입구(42), 연료 배출구(44), 산화제 유입구(46) 및 산화제 배출구(48)를 나타내는, 도 7b에 도시된 연료 전지 어셈블리(40)의 기저부의 사시도이다. 이러한 실시예들에서, 하우징 기저부(50)의 상부는 연료 배출 열 교환 시 연료를 통합하고, 도한 연료 개질 섹션들을 포함할 수 있다. 복수의 스택 인터페이스들(52)은 또한 하우징 기저부(50)에 제공된다. 도 7b에 도시된 연료 전지 어셈블리(40)는 이중 유입구들을 갖지 않는다.

이러한 실시예들에서, 차가운 공기 유입구들은 바닥으로부터 스택 핫 존(hot zone)으로 진입한다. 도 9a는 산화제 예열 튜브들(216) 및 스택 장착 인터페이스들(32)를 나타내는 도 7a에 도시된 연료 전지 스택(200) 일부의 상면도이다. 도 9b는 산화제 예열 튜브들(316), 연료 예열 튜브들(318) 및 스택 장착 인터페이스들(52)를 나타내는 도 7b에 도시된 연료 전지 스택(300) 일부의 상면도이다. 도 9a 및 9b에 보이는 바와 같이, 이들 실시예들의 어레이들(200, 300)은 또한 연료 전지 스택들로부터 열을 흡수하고 이를 유입되는 가스를 예열하는데 사용하기 위한 복사열 표면들로 작용하는 산화제 예열 튜브들(316)을 포함한다. 그러나, 이러한 실시예들에서, 산화제 예열 튜브들(316)은 (어레이의 상부로부터 아래로 내려가지 않고) 핫 존으로 이어진다. 어레이의 이러한 실시예들에서, 상단 외부에 있는 연결부들은 상단 전류 수집 연결부들 뿐이다. 이는 각 스택에 의해 이송되는 작은 전류(연료 전지 동작의 경우 일반적으로 30a 미만이고, 전기 분해 동작의 경우 일반적으로 150A 미만)로 인해 상대적으로 단순한 연결부들이다.

상호 연결부 설계

작은 셀들의 경우 설계 시, 문제가 되는 영역들 중 하나는 밀봉이다. 밀봉 면적에 비례하고 누출 방향의 밀봉 두께와 반비례하는 일부 특징적인 누출이 있는 밀봉이 주어지면, 누출을 최소화하도록 설계하는 것이 더 큰 셀이 유리할 것이다. 첫째, 셀 활성 영역 대 엣지 길이(밀봉 길이)의 비율은 대략 셀 크기에 비례한다.

둘째, 대량 셀의 경우 주어진 밀봉 너비에 대해 밀봉에 비례하여 더 적은 활성 영역이 주어진다.

이는 더 작은 셀이 합리적인 활성 영역 비율을 유지하기 위해 더 좁은 밀봉을 필요로 하고, 또한 동일한 전체 누출율 유지하기 위해 단위 밀봉 길이 당 더 낮은 누출이 필요함을 의미한다.

이러한 제약은 작은 셀들을 기반으로 주위에 고성능, 낮은 누출 스택을 지원하기 위해 낮은 누출율을 갖는 좁은 밀봉이 바람직하다는 것을 의미한다. 이 유형의 밀봉은 유리-세라믹 밀봉, 납땜된 조인트 또는 용접된 조인트의 형태로 존재한다. 이러한 밀봉의 한가지 단점은 이들이 컴플라이언트하지 않다는 점이다. SOFC 스택은 넓은 온도 범위에 걸쳐 동작하기 때문에 컴플라이언스가 바람직할 수 있으며, 스택의 부분들은 스트레스의 손상 축적을 방지하기 위해 가열 동안 또는 동작 상태들의 변화 동안 서로에 대해 이동해야 한다. 일부 스택 설계는 단단한 조인트를 가능하게 하기 위해 시트 금속 상호 연결부들로 컴플라이언트 특징들을 구축하지만, 컴플라이언트 특징들 자체는 상대적으로 부피가 크며, 넓은 밀봉과 동일한 문제를 겪는다; 이들은 작은 셀 설계의 경우 비효율적인 공간이 된다.

도 10은 본 기술 분야에 알려진 중첩되는 밀봉 설계를 가지는 연료 전지 스택의 사시도이며, 교차 유동 스택 구성의 일반적은 컴플라이언스 문제를 예시한다. 논의를 위해, 연료는 좌측 하부에서 우측 상부로 흐르는 것으로 가정하고, 산화제는 우측 하부에서 좌측 상부로 흐르는 것으로 가정한다. 스택 외부의 산화제로부터 연료를 분리하는 매니폴드는 도시되지 않는다.

최상부 밀봉은 스택의 우측 하단에 맞서 있는 산화제로부터 셀에 걸쳐 이동되는 연료를 분리하는 연료 밀봉이다. 상단 셀 바로 아래는 좌측 엣지를 따르는 산화제 밀봉이 있다. 이는 좌측 엣지에 노출된 연료로부터 셀에 걸쳐 흐르는 산소를 분리시킨다. 수백개의 셀 층들을 포함할 수 있는 전체 스택에 걸쳐 이 패턴이 반복된다.

도 10의 전경에서와 같이, 밀봉들이 오버랩되는 경우 컴플라이언스 문제가 발생한다. 중심 전경에 있는 구조는 밀봉, 셀, 밀봉 및 상호 연결부의 반복 층들로 만들어진다. 하나 이상의 성분들을 항복하지 않고 이 영역에서 변형률(X, Y 또는 Z)을 흡수하는 능력은 없다. 비-컴플라이언트한 밀폐형 또는 거의 밀폐형 밀봉을 사용하는 것이 목표라면, 셀은 종종 구조의 가장 취약한 컴포넌트이다. 이러한 경우, 스트레스 증강은 대부분의 경우 항복하기 전에 셀이 파열되게 할 것이다. 이러한 유형의 구조는 실제 조건들에 견고하지 않다.

불가피한 열 스트레스를 완화하기 위해, 컴플라이언스는 스택 설계에 통합되어야 한다. 컴플라이언스를 통합하기 위한 두 가지 주요 접근방법들이 있다. 첫 번째 접근 방법에서, 밀봉은 종종 패킹된 섬유/분말 세라믹 복합재, 또는 컴포넌트들 사이의 스트레스를 이동 및 완화시킬 수 있는 플레이트형 재료(예컨대, 운모(mica))로서 컴플라이언트 되도록 이루어진다. 이러한 밀봉들은 구조의 결과로 필연적으로 누출되며, 따라서 누출이 성능을 지배하기 시작하기 전에 얼마나 작은 셀이 사용될 수 있는지를 제한한다. 두 번째 접근 방법에서, 컴플라이언스 특징들을 통합하는 특정 상호 연결부 또는 컴포넌트가 사용된다. 이는, 예를 들어, 셀에 박막 시트 금속 컴포넌트를 견고하게 밀봉하고, 셀 주변을 효율적으로 연장시킨 다음, 상호 연결부들에 이 셀 확장 컴포넌트를 레이저 용접함으로써 수행된다. 이 전략에서는, 주변 및 셀 조인트 둘 다로부터 멀리 떨어져 위치된 주변 밀봉 및 내부 포트 밀봉이 있을 것이다. 예를 들어, 주변 밀봉은 연료를 포함할 수 있으며, 포트 밀봉은 산화제를 포함할 수 있다. 이 컴플라이언트 부분에 필요한 추가된 주변은 작은 셀 크기가 선호되지 않음을 의미한다.

이에 반해, 본 출원에 설명된 실시예들에서, 상호 연결부 및 전체 구조는 밀봉 품질에 대해 타협하지 않고 설계에 추가 컴포넌트를 추가하거나 간격을 두지 않고 원하는 컴플라이언스를 직접 제공한다. 이 설계는 구조의 크기를 추가하지 않고 좁은 강성 밀봉의 사용을 허용하고, 컴플라이언트 벨로우즈형 구조를 달성한다. 작은 영역과 컴플라이언트 구조의 우수한 밀봉 조합은 작은 셀들을 효과적으로 사용할 수 있게 한다.

컴플라이언트 상호 연결부 설계는 많은 경쟁 설계 제약들을 가질 수 있다. 우선, (1) 셀 연료 전극 및 셀 산화제 전극 둘 다에 대한 제어된 흐름 분배를 제공하고; (2) 스트레스들을 흡수하기 위한 컴플라이언스를 제공하고; (3) 적절한 연료 및 산화제 압력 강하를 제공하고; (4) 적당한 전류 전도성 경로를 제공하고; (5) 스택 수명에 걸쳐 산화제 스트림으로부터 연료 스트림을 격리시키기 위한 상호 연결부에 바람직할 수 있다.

도 11은 일 실시예에 따른 상호 연결부(452)의 단면 사시도이다. 상호 연결부(452)는 복수의 연료 채널들(457) 및 복수의 산화제 채널들(459)을 정의하는 상호 연결부 메인 바디(452a)를 포함한다. 도 11에서, 연료 측이 상단에 있다. 연료 채널들(457)은 동시에 셀 산화제 전극에 대한 전기적 접촉 영역들을 형성한다 산화제 채널들(459)은 동시에 셀 연료 전극에 대한 전기적 접촉 영역들을 형성한다. 연료 채널들(457)은 상호 연결부(452)의 상부면의 리브(rib)에 의해 분리되는 반면, 산화제 채널들(459)은 상호 연결부(452)의 하부면의 리브에 의해 분리된다. 즉, 연료측 리브는 산화제 채널들(459)을 형성하고 그 반대도 마찬가지다. 도 12a 및 12b는 각각 그 기하학적 중심에서 그를 통해 설명된 길이방향 채널(420)을 가지는 도 11에 도시된 상호 연결부(452)의 상부 및 하부 도면들이다. 도 12a는 각각의 연료 채널들(457)에 유체적으로 결합된 연료 유입구 채널(463)(또는 흐름 방향에 따른 연료 배출구 채널)을 나타내는 상호 연결부의 연료 측 상단을 도시한다.도 12b는 산화제 유입구 채널(465)(또는 흐름 방향에 따른 산화제 배출구 채널)을 나타내는 상호 연결부의 산화제 측 하단을 도시한다. 도 12a 및 12b는 상호 연결부(452)의 연료 측(도 12a) 각 채널(457) 및 산화제 측(도 12b) 각 채널(459)에 의해 공급되는 유효 활성 영역을 도시한다. 상호 연결부(452)상에 중첩된 편평한 반원 영역은 각 상호 연결부 채널(457, 459)에 노출된 셀 활성 영역을 나타낸다. 활성 영역들은 각각 각 채널(457, 459)의 위치 및 크기 둘 다의 함수이다. 상호 연결부(452)는 해당 채널(457, 459)에 의해 제공되는 활성 영역에 비례하는 각 채널(457, 459) 아래로의 흐름들을 제공하도록 설계된다. 이는 두 셀 전극들로부터 적절한 전류 수집을 제공하는 크기 및 간격 제약들을 고려하면서 수행된다. 기하학적 구조에 대한 임의의 변화는 상화 연결부(452)의 양면의 흐름 및 전기적 특성들에 영향을 준다. 선택적으로, 전기적 접촉을 돕기 위해 각 셀과 각 상호 연결부(452) 사이에 접촉 중간층들(contact interlayers)이 추가될 수 있다.

도 12a및 12b에 도시된 예에서, 외부 밀봉 부재(458)는, 이 예에서는, 외부 주변(도 12a)에 있는 연료 밀봉 부재이다. 내부 밀봉 부재(456)는, 이 예에서는, 연료 셀 스택의 길이방향 채널(420) 주위의 내부 주변(도 12b)에 있는 산화제 밀봉 부재이다. 공간에서 산화제 밀봉 부재로부터 연료 밀봉 부재의 분리 및 주름진 상호 연결부 설계는 스택의 주변 또는 두께에 추가하지 않고 필요한 컴플라이언스를 제공한다. 물론, 산화제가 길이방향 채널(420)을 통해 흐르는 실시예들에서, 내부 밀봉 부재(456)는 연료 밀봉으로 작용하는 반면, 외부 밀봉 부재(458)는 산화제 밀봉으로 작용할 것이다.

상호 연결부(452)에 대한 기저부 재료는 1mm 두께(예컨대, 0.07 내지 0.13mm 두께) 정도이다. 이는 셀의 활성 영역이 낮고, 셀 상의 임의의 지점으로부터 엣지까지의 거리가 비교적 작아 스택 온도가 잘 제어되기 때문에 가능하다. 대형 스택의 경우, 또는 거리가 큰 경우, 스택 및 셀 온도의 제어를 유지하기 위해 충분한 열 전도성을 갖도록 상호 연결부 두께는 증가되어야 한다.

내부 밀봉 설계

상호 연결부(452)와 셀들 사이에 있고, 산화제 가스로부터 연료 가스를 분리하는 내부 밀봉은 어레이(100, 200 또는 300)에 포함된 전기화학절 전지 스택들에서 유리 세라믹 밀봉들로 구현될 수 있다. 그 위치는 벨로우즈형 구조를 생성하는 방식으로 내부 직경과 외부 직경 사이에서 교번될 수 있으며, 이는 상호 연결부(452)를 포함하고 상부 플레이트(440)와 하부 플레이트(460) 사이에서 압축되는 연료 전지 스택(410)을 포함하는 전기화학적 셀 스택의 개략도를 나타내는 도 13의 개략적인 단면도에서 볼 수 있다. 즉, 연료 전지 스택(410)에 포함된 복수의 상호 연결부들(452)은 연료 전지 스택(410)이 컴플라이언스를 갖도록 벨로우즈형 구조를 협력적으로 형성한다. 상호 연결부(452)는 0.1 mm 두께 정도일 수 있다. 유동장(flow field)을 발생시키는 주름들에 결합된 박막 재료는 해당 층 내의 스트레스를 쉽게 완화시키는 상호 연결부(452)를 만든다. 이는 스트레스가 층별로 축적되는 것을 방지하는 견고한 구조를 생성한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 스트레스 완화 기능을 제공하기 위해 추가적인 분리기들 또는 금속 컴포넌트들이 사용되지 않는 것이 바람직하다. 즉, 셀(454), 외부 밀봉(458), 상호 연결부(452) 및 내부 밀봉(446)을 교대로 하는 연료 전지 스택(410)의 벨로우즈형 구조가 만들어진다.

내부 밀봉(456) 및 외부 밀봉(458) 외에, 엣지 밀봉 부재(461)가 상호 연결부(452)의 외부 주변에 근접한 전기화학적 셀(454)(전기화학적 셀 유닛, 예컨대, 연료 전지 유닛 또는 전기 분해 전지 유닛에 포함된 각각의 제1 전기화학적 셀 및 제2 전기화학적 셀)의 외부 엣지 또는 길이방향 채널(420)에 근접한 전기화학적 셀(454)의 내부 엣지 중 적어도 하나에 배치될 수 있다. 예를 들어, 전지 애노드 지지체의 엣지는 일반적으로 다공성이다 도 13에 도시된 실시예에서, 엣지 밀봉 부재(461)는 연료 가스와 산화제 가스 사이의 추가적인 밀봉을 제공하기 위해 전기화학적 셀(454)의 외부 엣지에 배치된다. 도 14는 밀봉된 전기화학적 셀(예컨대, 도 1b에 도시된 전기화학적 셀(154a/b)에 대응되는 연료 전지의 단면도를 나타내는 사진이다.

포스트 설계

길이방향 채널을 통과하여 전기화학적 셀로 가는 가스(연료 또는 산화제)에 대한 매니폴드로서, 포스트(post)가 사용될 수 있다. 포스트는 길이방향 채널에 위치될 수 있으며, 길이방향 채널로부터 전기화학적 셀로 가스 유입구를 분리하고, 전기화학적 셀로부터 길이방향 채널로 가스 배출구를 분리하도록 구성된다. 포스트는 유입구과 배출구 스트림들 사이에 컴플라이언트 밀봉을 제공하기 위해 세라믹 슬러리(slurry), 페이스트(paste), 배팅(batting) 또는 그 조합으로 제자리에 밀봉될 수 있다. 포스트는 컴플라이언트 밀봉 재료가 추가되는 수직 채널을 형성하는 특징들을 갖는 기계 가공된 금속(machined metal), 멀티-파트 시트 금속(multi-part sheet metal), 브레이징(brazement) 또는 세라믹일 수 있다.

도 15a-15c는 세 개의 상이한 실시예들에 따른, 스택(510)의 길이방향 채널(520)에 위치된 다양한 포스트들을 나타내는, 연료 전지 스택(510) 일부의 상부 단면도들이다. 이러한 실시예들에서, 길이방향 채널(520)은 스택(510)의 축 중심을 따라 연장되는 중심 채널이며, 따라서 채널 내의 포스트는 “중심 포스트(center post)”로 지칭된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 포스트는 스택(510)의 중심으로부터 오프셋되는 채널 내에 위치될 수 있다. 이 실시예에서는, 또한 연료 가스가 길이방향 채널(420)을 통과하는 것으로 가정된다. 도 15a는 일 실시예에 따른 원형 포스트(530a)를 도시한다. 포스트(530)는 연료를 수신하도록 구성된 포스트 유입구(532a) 및 전기화학적 셀 스택(510)으로부터 소모 연료를 수신 및 배출하도록 구성된 포스트 배출구(534a)를 정의하기 위해 그 주변에 축대칭적으로 위치된 깊은 홈들(deep grooves)을 정의한다. 포스트 유입구(532a) 및 포스트 배출구(534a)는 밀봉 캐비티들(536a)을 통해 서로 유체적으로 격리된다. 도 15b는 길이방향 채널(520)에 배치된 다른 실시예에 따른 포스트(530b)를 도시한다. 포스트(530b)는 길이방향 채널(520)을 포스트 유입구(532b), 포스트 배출구(534b)로 분할하는 두 개의 평행한 플레이트들 및 포스트 배출구(534b)로부터 포스트 유입구(532b)를 유체적으로 격리시키는 밀봉 캐비티들(536)을 포함한다. 도 15a 및 15b의 실시예들에서, 중심 포스트들인 포스트(530a/b)는 하나의 연료 유입구 포트 및 하나의 연료 배출구 포트를 포함한다.

도 15c는 서로 대향되게 배치된 두 개의 연료 유입구 플레이트들(531c)을 포함하는 포스트 어셈블리(530c)를 도시한다. 두 개의 연료 배출구 플레이들(537c)은 서로 대향되는 두 개의 포스트 배출구들(534c)을 정의하기 위해 연료 유입구 플레이트들(531c)에 수직으로 배치된다. 도 15c의 실시예에서, 포스트(534c)는 중심 채널(533c), 예를 들어, 두 사이드 포스트 채널들(532c)(예컨대, 사이드 연료 포트들)로부터 분리되는 연료 유입구 포트를 포함한다. 연료는 중심 채널(533c)로 흐른 다음, 개구부들(535c)을 통해 사이드 포스트 채널(532c)로 흐른다. 이 실시예의 중심 포스트 어셈블리(535c)는 연료 배출구 포트들을 포함하는 두 개의 포스트 배출구들(534c)을 갖는다. 세라믹 코킹(caulking) 재료와 같은 밀봉 부재(539c)가 배출구 연료로부터 유입구 연료를 분리하기 위해 밀봉 캐비티들(536c)로 삽입된다. 이 밀봉은 누출 경로가 연료와 공기를 결합시키지 않기 때문에 밀페될 필요가 없다. 오히려, 이 밀봉을 통과한 누출이 영향은 스택 자체를 통한 연료 흐름을 감소시키는 것이다. 전체 흐름의 최대 2%에 이르는 중간 정도의 누출은 스택 성능에 큰 영향을 미치지 않을 것이다. 고체산화물 연료 전지 시스템은 일반적으로 연료 전극으로부터 반응 생성물(H₂O, CO₂ 등)을 스위핑(sweep)하기 위해 과잉 연료로 동작하기 때문에 중간 정도의 누출조차도 임의의 시스템 특성들에 현저한 영향을 미치지 않을 수 있다.

포스트(530c)에 사용된 밀봉 부재(539c) 재료는 구조 내에서 열 스트레스가 소진될 수 있게 하기 위해 다소 컴플라이언트 되도록 설계될 수 있다. 컴플라이언스 요건의 결과에 따라, 밀봉 부재(539c)는 전지 레이어들에 견고하게 접합되지 않으며, 밀페되지 않는다. 그러나, 연료가 밀봉을 통한 누출보다는 상호 연결부 주위에 우선적으로 흐르도록 컴플라이언스 되도록 하는 동시에 충분히 낮은 누출이 되도록 설계될 수 있다.

도 16a 및 16b는, 각각 상부 플레이트(540a/b) 및 상부 캡(542a/b)을 따르는 중심 포스트(530a, 530c)를 나타내는, 도 15a 및 15b의 연료 전지 스택(510)의 상부 일부의 단면 사시도들이다. 스택의 상부 및 하부 플레이들에 대한 직접 접합은 원하지 않는 열 스트레스를 유도할 수도 있을 것이다. 이를 방지하기 위해, 상부(및 선택적으로 하부) 접합부들은 컴플라이언트 핏으로 구조화된다. 중심 포스트와 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트 사이의 갭에 밀폐제(sealant)(예컨대, 포스트 면들에 사용된 것과 동일한 밀폐제)가 제공된다. 중심 포스트와 상부 플레이트 사이의 허용된 움직임은 열 스트레스를 완화시키기에 충분한 한 클 필요가 없다. 원하는 상대적 모션의 크기 정도 계산은 다음과 같다:

이 계산은 12E-6 K^-1의 SOFC 재료의 전형적인 열 팽창 평균 계수에서, 300 mm 높이의 스택은 중심 포스트가 평균 스택 온도보다 50°C 더 따뜻한(또는 차가운) 경우, 중심 포스트의 상단과 상부 플레이트 사이에 0.18 mm의 모션을 필요로 할 것임을 나타낸다. 이 계산은 임의의 특정 테스트 경우를 나타내지 않으며, 단지 발생할 수 있는 차동 열 팽창 크기 정도를 이해하기 위한 것으로 의도된다.

더 확장하면, 도 16a 및 16b에 도시된 바와 같이, 상부 플레이트(540a/c)는 갭(541a/c)이 상단 플레이트(540a/c)와 포스트(530a/c) 사이에 제공되도록 포스트(530a/c) 주위의 연료 전지 스택(510)의 상단에 배치된다. 갭(541a/c)은 열 스트레스를 완화시키기 위해 그 안에서 포스트(530a/c)의 움직임을 허용하도록 구조화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴플라이언트 밀봉 부재는 갭(541a/c)에 위치될 수 있다. 예를 들어, 도 16b는 포스트 어셈블리(530c) 위의 갭(541a/c)에 배치된 컴플라이언트 밀봉 부재(543c)를 도시한다. 컴플라이언트 밀봉 부재(543c)는 갭(541a/c) 내에서 포스트(530c)의 움직임을 허용하기 위해 충분한 컴플라이언스를 제공하도록 구성될 수 있다. 상단 캡(542a/c)은 예를 들어 스택을 폐쇄하기 위해 상단 플레이트(540a/c) 상에 배치될 수 있다. 이차 밀봉 부재(544a/c)는 상단 플레이트(540a/c)와 상단 캡(542a/c) 사이에 삽입될 수 있다.

중심 포스트(530a/c)와 상부 플레이트(540a/c) 및/또는 하부 플레이트 사이의 컴플라이언트 밀봉 부재(543a/c)가 누출될 수 있다. 이차 밀봉 부재(544a) 및 상단 캡(542a/c)은 포스트(530a/b) 위에 추가된다. 이차 밀봉 부재(544a)로부터 컴플라이언스가 요구되지 않을 수 있으므로, 견고하고 누출이 없을 수 있다.

엔드 플레이트 설계

본 출원에 설명된 전기화학적 셀 스택(예컨대, 연료 전지 스택들 또는 전기 분해 전지 스택들)은 또한 상단 플레이트(예컨대, 상단 플레이트(540a/b)) 외에 하단 플레이트를 포함할 수 있다. 하단 플레이트는 스택을 기계적으로 지지하고 반응물(연료 및 산화제 가스)을 위한 가스 연결부들을 제공한다. 하단 플레이트는 연료 스택 및/또는 어레이 인터페이스의 다른 밀봉들에 대한 밀봉 표면을 제공하고, 스택 외부 매니폴드(예컨대, 산화제 매니폴드) 및 포스트를 위한 밀봉 표면을 추가로 제공한다. 하단 플레이트는 장착을 위한 허용치를 제공하고, 밀봉 면들 및 볼트 위치들에서 유도된 스트레스로부터 스택 코어(셀들, 상호 연결부들 및 밀봉들)를 격리시킨다. 하단 플레이트는 또한 압축 하중을 압축 시스템으로부터 스택으로 전송한다. 또한, 하단 플레이트는 스택을 위한 전기적 연결 지점들 중 하나로 작용할 수 있다.

도 17a-17c는 실시예들에 따른, 기저부 플레이트 어셈블리들(660a/b/c)의 세 개의 상이한 설계들의 하부 사시도들이다. 각각의 기저부 플레이트 어셈블리들(660a/b/c)은 적어도 하나의 연료 포트(666a/b/c) 및 적어도 하나의 산화제 포트(668a/b/c)를 정의하는 하단 플레이트(662a/b/c), 및 고강도 밀봉 플레이트(664a/b/c)를 포함한다. 고강도 밀봉 플레이트(664a/b/c)는 고강도 밀봉 플레이트(664a/b/c)에서 하단 플레이트(662a/b/c)로 기계적 스트레스의 전달을 줄이기 위해 하단 플레이트(662a/b/c)와 축 방향으로 정렬된다. 복수의 부착 지점들(665a/b/c)은 전기화학적 셀 스택(예컨대, 연료 전지 또는 전기 분해 전지 스택)의 결합을 허용하도록 하단 플레이트(662a/b/c)에 제공될 수 있다.

도 17a 및 17b의 실시예들에서, 고강도 밀봉 플레이트(664a/b)는 (예를 들어, 헤인즈(Haynes) 230과 같은 고강도 수퍼 합금으로 만들어진) 고강도 밀봉 표면을 가지는 최상부이다. 이는 압축 밀봉 부재를 갖는 인터페이스에 필요한 표면 강도를 제공한다. 그러나, 고강도 수퍼 합금은 일반적으로 스택 컴포넌트에 허용될 수 있는 것보다 더 높은 열 팽창 계수를 갖는다. 따라서, 고강도 밀봉 표면과 스택의 나머지 사이의 격리가 제공된다. 도 17a는 고강도 밀봉 플레이트(664a)가 가해진 열 스트레스 하에서 항복하도록 설계되어 스택으로 열 스트레스의 전달을 제한하는 짧은 튜브(663a)에 의해 하단 플레이트(662a)로부터 분리되는 기저부 플레이트 어셈블리(660a)를 도시한다.

도 17b는 고강도 밀봉 플레이트(660b)가 하단 플레이트(662b)를 통해 스택으로 스트레스를 전달하기에 충분한 강도를 갖지 않도록 하는 항복 지점들을 포함하는 기저부 플레이트 어셈블리(660b)를 도시한다. 도 17a 및 17b에 도시된 실시예들에서, 하나의 산화제 포트는 두 개의 연료 포트들과 같이, 하단 플레이트(662a/b)를 통해 라우팅된다. 하단 플레이트를 장착하도록 하는 나사형 부재들이 도입된다. 나사형 부재들은 그들이 스택 구조에 스트레스를 전달하는 것을 방지하기 위해 설계 내에서 격리된다. 엔드 플레이트들의 내부 구조는 압축 시스템에서 스택으로 하중을 이송하도록 설계된다. 하단 플레이트와 시스템 사이의 연결부에서 0.1% 미만의 전류 수집 손실이 이 설계로 입증되었다. 상단 플레이트는 산화제 매니폴드 및 포스트에 대한 밀봉 표면을 제공한다. 또한 압축 시스템으로부터 스택으로 압축 하중을 전달하고, 압축 시스템에 의해 유도된 스트레스들로부터 스택 코어(셀들, 상호 연결부들, 밀봉들)를 격리시킨다. 상단 플레이트는 포스트의 상단에 컴플라이언트 슬라이딩 접합을 제공한다. 상단 플레이트는 또한 스택에 대한 전기적 연결 지점들 중 하나로 작용할 수 있다.

도 17c는 고강도 밀봉 플레이트(665c)가 기계적으로 분리되지만 하단 플레이트(662c) 내에 포함됨으로써, 열 팽창 계수(CTE) 불일치를 통해 스택 구조에 열 스트레스를 구동하지 않고 스택과 그것이 부착되는 매니폴드 사이의 밀봉을 달성하기 위해 필요한 강도를 제공하는 기저부 플레이트 어셈블리(660c)를 도시한다. 즉, 하단 플레이트(662c)는 복수의 연료 전지 유닛들의 스택과 고강도 밀봉 플레이트(664c) 사이에 삽입된다. 복수의 부착 지점들(665c)은 고강도 밀봉 플레이트(664c) 상에 제공될 수 있다. 고강도 밀봉 플레이트(664c)는 그로의 스트레스 전달을 감소시키기 위해 하단 플레이트(662a)에 대해 횡방향으로 움직이는 것이 자유롭지만, 시스템에서 정합되는 매니폴드에 볼트로 고정될 때 그 자체와 정합되는 매니폴드 시스템 사이에서 하단 플레이트(662c)의 일부를 캡쳐한다. 따라서, 밀봉을 위한 기계적 강도는 고강도 밀봉 플레이트(664c)로부터 나오는 반면, 정합되는 매니폴드로부터 스택으로의 가스의 수송은 기계적으로 분리되고 열 팽창 매칭된 하단 플레이트(662c)를 통해 발생한다. 고강도 밀봉 플레이트(664c)와 캡쳐된 낮은 강도의 저 CTE 하단 플레이트(662c) 사이의 마찰은 세라믹 릴리즈 층에 의해 부분적으로 완화될 수 있지만, 하단 플레이트(662c)의 캡쳐된 부분은 스택 구조로 열 팽창 스트레스들을 전달하기 위한 가능성을 최소화하기 위해 고강도 밀봉 플레이트(664c) 및 하단 플레이트(662c)에 인접하여 위치된 복수의 낮은 항복 튜브들(예컨대, 짧은 저강도 튜브들)을 통해 고강도 밀봉 플레이트(664c)로부터 추가로 격리된다.

도 18은 상단 플레이트가 전기화학적 셀 스택(예컨대, 연료 전지 또는 전기 분해 전지 스택) 상에 위치될 때 포스트로부터 이격된 상단 플레이트(740)의 표면으로부터 축 방향으로 연장되는 포스트 인터페이스 튜브(748)를 포함하는 상단 플레이트(740)의 상부 사시도이다. 상단 플레이트(740)는 일부 실시예들에 따른, 상부 압축 플레이트 어셈블리에 포함될 수 있다. 포스트 인터페이스 튜브(748)의 적어도 일부는 포스트(예컨대, 중심 포스트) 주위에 위치될 수 있다. 포스트 인터페이스 튜브(748)는 포스트와 상단 플레이트(740) 사이의 약간의 상대적 움직임을 허용하기 위한 슬립 평면(slip plane)을 제공할 수 있다.

일부 실시예들에서, 스택은 통합된 압축 시스템을 포함한다. 이는 어레이로의 스택의 통합을 단순화한다. 작은 셀 영역과 유리-세라믹 밀봉의 이점들 중 하나는 압축 하중이 상대적으로 작을 수 있다는 것이다. 예를 들어, 도 7a의 어레이(200)에 사용된, 도 2에 도시된 스택은 3.5kgf 내지 9kgf(34N 내지 88N) 사이로 동작하도록 설계되며, 예를 들어, 도 7b의 어레이(300)에 사용된 또 다른 스택은 각각 공지된 121㎠ 내지 550㎠ 스택들의 경우, 360 kgf 내지 900 kgf와 비교하여 9 kgf 내지 36 kgf로 동작하도록 설계된다. 이는 압축 성분 설계 및 압축 플레이트 설계 둘 다를 단순화한다. 우선, 높은 수준에서의 압축 플레이트 강도(stiffness)를 고려한다: 피닝-피닝 종단 연결부들이 있는 균일하게 로딩된 2D 빔의 최대 편향은 다음과 같이 주어진다:

이는 주어진 허용 가능한 최대 편향(예컨대, 전기적 접촉부에 큰 영향을 주지 않으면서 허용 가능한 편향)의 경우, 빔 강도가 홍 하중(W0L)에 직접적으로 비례하고 빔의 길이의 3차 전력으로 증가해야 한다는 것을 나타낸다. 결국, 주어진 스택에 대한 빔 길이는 셀 활성 영역의 제곱근으로 근사될 수 있다. 따라서, 두 스택들은 비율로 비교될 수 있다.

이는 단지 크기 정도의 비교일 뿐이라는 것에 주의하여, 상기 식은 종래 550㎠ 스택의 요건과 압축 플레이트 강성 요건들을 비교하는데 사용될 수 있다. 도 2의 연료 전지 스택(110) 또는 예를 들어 25㎠의 활성 영역을 갖는 도 7a의 어레이(200)에 포함된 연료 전지 스택들은 동일한 최대 편향을 주어지는 동안 대략 10,000 배 덜한 강성일 수 있는 반면, 예를 들어 도 7b의 어레이(300)에 포함된 연료 전지 스택은 동일한 최대 편향에 대해 대략 440 배 덜한 강성일 수 있다. 이는 압축 레이트 설계에 대한 상당한 단순화를 허용한다. 최대 허용 가능한 편향은 전기적 접촉의 손실을 초래하기 때문에 기본적으로 셀 크기에 무관하다는 것에 유의한다.

도 19a 및 19b는 두 개의 상이한 실시예들에 따른 상부 압축 플레이트 어셈블리들(870a/b)의 상부 사시도들이다. 각각의 상부 압축 플레이트 어셈블리들(870a/b)은 전기화학적 셀 스택 및 기저부 플레이트 어셈블리(예컨대, 기저부 플레이트 어셈블리(660a/b/c))의 상단에 배치될 수 있거나, 또는 하단 플레이트(예컨대, 하단 플레이트(662a/b/c))가 상단에 대향되는 전기화학적 셀 스택의 하단에 배치될 수 있다. 상부 압축 플레이트 어셈블리들(870a/b)은 상단 플레이트(840a/b) 및 상단 플레이트(840a/b) 상에 배치된 상부 압축 플레이트(872a/b)를 포함한다. 바이어싱 부재(876a/b)는 전기화학적 셀 스택의 상단에 근접하게 배치되며, 복수의 전기화학적 셀 유닛들의 스택에 압축력을 가하도록 구성된다. 게다가, 적어도 하나의 압축 부재(879a/b)는 기저부 플레이트 어셈블리, 예를 들어, 기저부 플레이트 어셈블리의 고강도 밀봉 플레이트와 같은 하단 압축 플레이트에 압축 플레이트(872a/b)를 결합시키고, 상단 압축 플레이트(872a/b)로부터 기저부 플레이트 어셈블리로 압축력을 전송하도록 구성된다.

더 확장하면, 도 19a는, 도 7a의 어레이(200)에 포함된 연료 전지 스택에 전개된 실시예에 따른, 상부 압축 플레이트(872a)를 따르는 상단 플레이트(840a) 및 포스트 인터페이스 튜브(848a), 바이어싱 부재(876a)(예컨대, 스프링 팩) 및 압축 부재(879a)를 포함하는 상부 압축 플레이트 어셈블리(870)의 상부 사시도이다. 상단 플레이트(840)는 본 출원에서 이전에 설명된 바와 같이, 그들 사이에 갭이 존재하도록 포스트(830a) 주위에 배치된다. 컴플라이언트 밀봉 부재(843a)는 포스트(830a) 위의 갭에 배치된다. 이 실시예에서, 바이어싱 부재(876a)는 상부 압축 플레이트(872a)와 상단 플레이트(840a) 사이에 삽입된 고온 벨빌(Belleville) 스프링들의 스택이다. 다른 실시예들은 코일 스프링 또는 다양한 형태의 웨이브 와셔(wave washer)를 사용할 수 있을 것이다. 바이어싱 부재(876a)는 스택을 압축하기 위한 압축력을 생성한다. 두 개의 압축 부재들(879a)(예컨대, 텐션 로드(tension rods))은 힘을 스택의 상부에서 하부로 이송하며, 압축 플레이트(도시되지 않음)가 하중을 하단 플레이트로 전달한다. 바이어싱 부재(876a)의 개별 벨빌 스프링들은 벨빌 스프링들을 측면으로 드리프트하거나 과도하게 압축할 수 없도록 스프링 팩을 정렬하고 가이드하는 가이드 심(guide shims)으로 분리된다. 벨빌 스프링들은 동작 온도에서 스트레스가 낮도록 설계된다. 압축 부재(879a)는 온도에서 높은 강도를 갖는 수퍼 합금으로 만들어진다. 이들은 스택보다 더 높은 열 팽창 계수를 가지며, 스프링 팩은 가열 시 약간 방출되는 효과가 있다.

도 19b의 상부 압축 플레이트 어셈블리(870b)는, 도 19b의 압축 플레이트 어셈블리(870b)의 바이어싱 부재(876b)가 벨빌 스프링 팩이 아닌 복수의 코일 스프링 세트들(이 실시예서는 8개)을 포함하다는 것을 제외하면, 도 19a의 상부 압축 플레이트 어셈블리와 유사하다. 15C. 또한, 포스트(830b)는 도 15c를 참조하여 설명된 포스트 어셈블리(530c)와 유사할 수 있는 포스트 위에 배치된 컴플라이언트 밀봉 부재(843b)를 갖는다. 상부 압축 플레이트 어셈블리(870b)는 도 7b의 어레이(300)에 포함된 연료 전지 스택에 구현되었다.

도 20a는 일 실시예에 따른 도 19a의 상부 압축 플레이트 어셈블리(870a)에 사용될 수 있는 벨빌 스프링 팩의 스프링 응답을 나타내는 그래프이다. 도 20b는 다른 실시예에 따른 도 19b의 상부 압축 플레이트 어셈블리에 사용될 수 있는 코일 스프링의 크리프(creep)를 나타내는 그래프이다. 텐션 로드에 대한 스택의 차등 성장은 가열 동안 스택을 언로딩(unloading)하는 효과를 갖는다. 이는 설계에 의한 것이며, 온도가 차갑고 재료 크리프가 중요하지 않은 경우 운송중 더 많은 스택 압축을 제공한다는 부수 이점이 있다. 기하학적 구조는 동작 시 압축이 타겟 압축으로 완화되도록 선택된다. 원은 최대 힘 지점을 나타내며, 또한 스프링이 불안정한 곳이다. 이 한계까지 밀면, 스프링은 힘 변위 그래프의 좌측 아래로 스스로 반전될 위험이 있다. 이 경우 스프링은 더 이상 스택에 유용한 하중을 제공하지 않으며, 분해하지 않고 복구할 수 없다.

따라서, 설계는 스택이 차가울 때 상위 다이아몬드 포인트(약 97 뉴턴) 이하로 변위를 제한한다. 스택이 가열됨에 따라, 차등 열 팽창은 스프링 세트가 하위 다이아몬드 포인트로 완화될 수 있게 하며, 여기서 스택은 82 뉴톤까지 로딩되며 스프링 스트레스는 특정 수퍼-합금(예컨대, 와스팔로이(Waspalloy), 헤인즈 282)의 크리프 한계 내에 있는 50 MPa 미만으로 강하된다. ‘+’ 포인트는 텐션 로드에서 0.5% 크리프 후 스택에 남아있는 압축 하중을 나타낸다. 하중은, 스프링의 최대 스트레스가 10 MPa로 강하되는 지점에서, 이러한 크리프 이후 허용 가능한 18 뉴톤으로 유지된다. 스프링과 압축 부재들의 이러한 언로딩은 전체 시스템의 순 크리프 속도를 느리게 할 것이다. 스프링 특성들을 최대한 활용하기 위해 재료 크리프가 중요하지 않은 실온에서 더 높은 스트레스를 경험할 수 있게 한다. 제공된 숫자는 특정 경우를 예시한다. 일반적으로, 냉온 대 고온 조건들을 설계하고 동작 시 시스템 크리프를 설명하기 위한 전략은 모든 설계에 적용될 것이지만, 세부사항들은 특정 스택의 목표와 요구사항들에 따라 달라질 것이다.

유사한 방식으로, 도 19b의 코일 스프링은 더 높은 설계 하중 저온을 가질 수 있으며 동작 중 고온 압축 타겟으로 이완될 수 있다. 도 20b는 1.5년에 걸쳐 순수한 크리프에서 동작 온도에서 샘플 코일 스프링의 테스팅을 도시한다. 이 스프링에 대한 바람직한 동작 범위는, 고온에서, 9kgf 내지 36kgf이다. 이 테스트는 29kgf에서 일부 크리프가 발생하지만, 하중이 21kgf로 감소함에 따라 스프링은 추가 크리프에 대해 안정적이라는 것을 보여준다. 이러한 결과들은 타겟 요구사항에 대항하는 고온 스프링 설계를 입증한다.

매니폴드 설계

외부 매니폴드는 각 단위 셀로부터 기저부 플레이트로 산화제 포트들을 연결하며, 산화제는 연료 연결부들에 인접한 산화제 연결부로(또는 로부터) 라우팅될 수 있다. 스택의 대향면들은 산화제가 모든 셀들로부터(또는 로) 직접 흐를 수 있는 환경에 개방되어 있다. 예를 들어, 도 21a(연료 전지 스택(110) 및 어레이(200)에 포함된 연료 전지 스택) 및 도 21b(어레이(300)의 전기화학적 셀 스택)는 외부 매니폴드(912a/b)를 포함하는 전기화학적 셀 스택(910a/b)(예컨대, 연료 전지 스택 또는 전기 분해 전지 스택)의 하부 사시도들이다.

도 21a는 두 개의 유입구들(전면 및 후면) 및 두 개의 배출구들(기저부 연결 지점으로 라우팅되는, 좌측면 및 우측면)을 갖는 구성을 도시한다. 하단 플레이트(962a)는 전기화학적 셀 스택(910a)의 기저부에 배치되며, 하부 압축 플레이트(982a)는 하단 플레이트(962a) 아래에 배치된다. 압축 부재들(979a)은 전기화학적 셀 스택(910a)을 고정하기 위해 하부 압축 플레이트(982a)를 가압하여 하단 플레이트(962a)가 전기화학적 셀 스택(910)을 향하도록 상부 압축 플레이트에서 하부 압축 플레이트(982a)로 압축력을 전송한다. 도 21b는 도 21a에 도시된 구조의 대안적인 구현예를 도시한다. 다른 구성을 제외하고는 동일한 기능적 부분들이 존재하여, 도 21a의 실시예에서 도시된 바와 같이, 부착 볼트(983b)가 하부에서 위로 올라오는 것이 아니라 하부 압축 플레이트(982b)의 상부에서 아래로 내려오게 되도록 한다. 도 21a-b를 참조하면, 매니폴드(912a/b)는 시트 금속으로 만들어지며, 볼트 클립(bolted clips)에 의해 제자리에 고정된다. 매니폴드(912a/b)와 엔드 플레이트 및 스택 코어 사이에는 전기화학적 셀 스택 주위의 매니폴드(912a/b)에 의해 정의된 볼륨에 배치된 유전체 밀봉 부재(914a/b)가 있으며, 볼륨의 제2 부분으로부터 볼륨의 제1 부분을 유체적으로 밀봉하도록 구성된다. 유전체 밀봉 부재(914a/b)는 산화제 배출구로부터 산화제 유입구를 분리한다. 유전체 밀봉 부재(914ab)에 의해 형성된 밀봉에 걸쳐 작은 누출은 스택 동작에 손상 없이 허용 가능할 수 있다.

도 21b에 도시된 특정 예에서, 산화제 배출구(또는 유입구) 포트는 두 개로 분할되고 하부 압축 플레이트(982b)와 전기화학적 셀 스택(910b) 사이에 배치된 하단 플레이트(도시되지 않음)의 좌측 하부 및 우측 상부 개구부들로 구성된다. 이들은 전기화학적 셀 스택(910b)의 좌측 및 우측 상의 매니폴드(982b)에 정의된 볼륨으로 하단 플레이트 내에서 라우팅된다. 이 특정 예에서, 산화제 흐름에서 낮은 기생 압력 강하를 제공하는 두 개의 포트들이 도시된다. 나머지 포트들(좌측 및 우측 개구부들)은 연료 유입 및 연료 배출 포트들이며, 필요에 따라 그 위치는 상호 교환될 수 있다.

어플리케이션에 따라, 개방 또는 폐쇄 매니폴드가 바람직할 수 있다.도 21a에 도시된 개방 매니폴드(912a)는 환경에 대한 열 결합을 돕는다. 이는, 예를 들어, 전기화학적 셀 스택(910a)이 환경으로부터 열을 흡수해야 하는 동작 조건들이 있는 전기 분해 시스템 또는 에너지 저장 시스템에 유용하다. 개질이 스택이 순 열적으로 실행되는 레벨로 제한되는 순수한 전기화학적 셀 시스템에서는, 전체 매니폴드가 바람직할 수 있다.

전체(폐쇄) 매니폴드는 그 환경으로부터 동작 스택 코어를 효과적으로 절연시킨다. 발열 동작 조건들의 경우, 이는 주변 온도를 잠재적으로 100 °C까지 낮추도록 할 수 있다. 이는 스택 또는 스택 어레이 주위의 절연 요구사항들을 줄이고, 스택 주위에 더 낮은 등급의 재료를 사용할 수 있도록 하는 측면에서 상당한 이점을 제공할 수 있다. 이는 시스템 레벨의 비용 절감을 초래할 수 있다. 이는 또한, 크롬 휘발과 같은 다른 시스템 레벨의 문제들, 및 다른 재료 운송 또는 재료 산화 문제들을 줄일 수 있다.

다음의 섹션은 본 출원에 설명된 실시예들에 따른 다양한 전기화학적 셀 스택들의 성능의 예들을 설명한다. 이러한 예들은 단지 예시를 위한 것일 뿐이며, 본 출원에 설명된 컨셉의 범위를 제한하려는 것은 아니다.

실험 예들

컴포넌트 크기를 줄임으로써 전체 전력 밀도(kg 당 및 L 당)가 증가될 수 있다는 것은 현재 지식과 상반된다. 전력 밀도를 높이고 비용을 낮추는 길은 부품 수를 줄이면서 각 부품을 더 크게 만드는 것이라는 것이 통념이다. 이는 스택 볼륨 및 비용이 스택의 비활성 부분들(밀봉 영역둘, 엔드 플레이트들, 압축 등)에 의해 크게 좌우되고, 더 큰 셀로 이동함으로써 전체 스택 비용에 대한 이러한 비활성 영역들의 기여도가 떨어진다는 것을 예상한다. 셀들이 박막 세라믹 컴포넌트들인 평면 SOFC의 경우 대량 셀들을 생산하기가 어렵다. SOFC 셀 크기를 늘리기 위해 많은 노력이 계속 소모되고 있다.

대조적으로, 본 출원에 설명된 실시예들은 신규한 설계를 통해 더 작은 부품들이 더 높은 전력 밀도 및 더 낮은 비용에 대한 잠재력으로 이어질 수 있음을 보여준다. 현재 지식에 반하여, 더 작은 셀로 이동하면 비활성 컴포넌트들이 전체 활성 영역 또는 전력 출력에 비례하여 고려하더라도 더 큰 컴포넌트들보다 더 작고 더 단순하게 함으로써 비활성 컴포넌트들의 비용을 줄일 수 있음을 보여준다.

일 실시예에 따른 세 개의 상이한 공지된 연료 전지 스택들과 예시적인 연료 전지 스택을 비교하는 실험이 수행되었다. 모든 스택은 동일한 기본 재료드을 사용하여 제작되었다. 각 스택은 평면 고체산화물 연료 전지 설계였다. 각 스택은 동일한 유형이지만 특정 스택에 적합한 크기 및 두께를 갖는, 애노드 지지 니켈-이트리아 안정화 지르코니아 셀들을 사용했다. 각 스택은 페라이트계 스테인리스 스틸로 만들어진 금속 상호 연결부들을 가졌다. 각 스택은 스택 동작에 필요한 압축력을 지원하기 위해 적절한 크기 및 강도의 엔드 플레이트들을 가졌다. 본 출원에 설명된 실시예들에 따라 제작된 스택들은 또한 압축 시스템을 포함하였다. 121㎠ 활성 영역 셀들을 갖는 베이스라인 28- 셀 스택은 390 mA/㎤에서 동작되며, 1200W의 전체 전력을 제공하였다. 이는 총 볼륨이 5.4 L이고, 중량이 17kg인 190 mm x 190 mm x 150 mm으로, 69 W/kg의 전력 대 중량비 및 225 W/L의 전력 대 볼륨비를 달성하는 것으로 측정된다. 550㎠의 활성 영역 셀들을 갖는 120 셀 스택은 290 mA/㎠에서 동작되며, 16,900W의 전체 전력을 제공하였다. 이는 총 볼륨이 96 L이고, 중량이 238kg인(엔드 플레이트를 갖는) 395 mm x 395 mm x 618 mm으로, 71 W/kg의 전력 대 중량비 및 176 W/L의 전력 대 볼륨비를 달성하는 것으로 측정된다. 이에 반해, 각각 25㎠의 활성 영역을 갖는 225 셀들로 된, 실시예에 따라 만들어진 스택은 0에서 동작되며, 1760W의 전체 전력이 제공된다. 이는 총 볼륨이 1.4 L이고, 중량이 2.4kg인 79 mm x 71 mm x 254 mm으로, 733 W/kg의 전력 대 중량비 및 1257 W/L의 전력 대 볼륨비를 달성하는 것으로 측정된다. 다른 스택 설계에 비해 상대적으로 시작된 지 얼마되지 않았지만, 이 실시예의 스택은 중량 기준으로 10 배의 전력 밀도와 부피로 약 7 배의 전력 밀도를 이미 달성하였다. 특히 전력 밀도를 높이고 비용을 낮추는 경로가 각 부품을 더 크게 만드는 동시에 부품 수를 줄이는 것이라는 통념 측면에서 이 결과는 예상치 못한 것이었다.

테스트 데이터의 선택이 도 22-24에 제시된다. 도 22는 일반적인 천연 가스 연소 시스템 어플리케이션을 대표하는 가스 조성으로 동작하는, 연료 전지 스택(110)의 실시예들에 따르며 어레이(200)에 포함된 225-셀(~1 ㎾) 스택을 도시한다. 가스 조건들은 유입 천연 가스를 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소로 전환하기 위해 대표적인 레벨들의 가스 이용률, 대표적인 전류 밀도 및 온도, 및 대표적인 레벨들의 스택 내 스트림 개질을 포함한다. 스택은 사용된 셀 재료로부터 예상되는 열화 속도와 함께, 5000 시간 이상 동안 안정적인 동작을 보였다. 즉, 스택 설계과 연계될 수 있는 열화 측면이 없다. 이는 스택 내 개질을 포함하여, 천연 가스 연소 시스템의 일반적인 흐름 및 열 조건을 처리하는 동시에 기본적인 반도 셀 재료의 모든 잠재력을 제공하는 스택의 능력을 보여준다.

도 23은 2 A/㎠의 매우 공격적인 전기 분해 조건을 실행하는 동일한 스택의 20-셀 구현예의 결과를 도시한다^. 플랜트 균형의 고장(스택으로 인한 것이 아님)로 인한 일부 테스트 중단은 테스트 초기에 발생했으며, 약 25, 125 및 250 시간의 경과 시간에 데이터가 급증하는 것으로 볼 수 있다. 테스트 중단으로 인해 발생할 수 있는 초기 열화(전기 분해 열화는 전압 증가로 나타남) 후, 스택은 공격적인 조건에도 불구하고 열화 없이 1000 시간 이상의 동작을 보여주었다. 이는 다양한 열 및 흐름 조건들에서 스택이 동작할 수 있는 유연성과 열화에 대한 상대적 내성을 보여준다.

도 24는 1년을 넘는 총 테스트 시간을 갖는, 다양한 순수한 수소 연료 전지 조건들을 실행하는, 동일한 스택의 60-셀 구현예의 결과를 도시한다. 변화되는 조건들로 열화율을 결정하기는 어렵지만, 스택은 고열성인 테스트 조건들을 포함하여 전체 테스트 기간에 걸쳐 높은 안정성(낮은 열화)을 보였다. 이는 테스트 조건들의 변화에 대응하여 단계들이 변경되는 전압 곡선의 상대적 평탄도로 볼 수 있다. 이는 스택의 비교적 장기 안정성뿐만 아니라, 발열 모드에서 동작될 때 열을 거부하고 내부 개질 없이 해당 발열 중 일부를 흡수하는 능력을 보여준다.

도 23 및 24는 유리 세라믹 밀봉들의 사용에도 불구하고 스택의 열 순환 능력을 나타내는, 열 순환 전후의 성능 변화가 관찰되지 않는 열 순환을 포함하는 결과를 도시한다. 이는 밀봉이나 셀 고장의 원인이 될 수 있는 열 스트레스 증대를 방지하면서 밀봉 또는 거의 밀폐된 유리-세라믹 밀봉을 사용할 수 있도록 하는 본래의 컴플라이언트 구조의 성공을 보여준다.

도 25는 0.25 A/㎠에서 전기화학적 셀 모드에서 실행하는, 어레이(300)에 따른 전기화학적 셀 스택의 45-셀 구현예의 결과를 도시하며, 한 번의 열 순환 후 매우 낮은 열화를 보여준다. 이러한 결과는 다소 큰 전지 스택(81㎠의 활성 영역)이 열 스트레스를 거부하고 재료 세트로부터 전체 전위를 추출하는 능력을 방해하지 않았음을 보여준다.

도 26은 1 A/㎠에서 전기 분해 모드에서 실행하는, 어레이 (300)에 따른 연료 전지 스택의 개별 45-셀 구현예의 결과를 도시하며, 매우 낮은 열화를 보여주며, 실제로 1600 테스트 시간 후 전체 성능이 약간 개선됨을 보여준다. 이 테스트는 또한 스택 성능에 부정적인 영향을 미치지 않는 플랜트 장애(스택과 관련되지 않음)의 균형으로 인해 공격적인 열 순환을 겪으며, 공격적인 과도 현상(transients)에 대한 견고성을 보여준다.

상기에 설명된 통합 설계는 SOFC 기술과 현재 시장 사이의 많은 주요 장벽을 해결하는데, 부분적으로는 스택 레벨(재료 함량 감소 및 부품 자동화 용이성)과 시스템 레벨 둘 다에서 상당한 비용 절감 기회를 제공함으로써 해결하며, 스택 특성들은 시스템 단순화의 기회(고전압 출력, 저전류, 컴팩트한 패키징, 낮은 외부 열 교환 요건, 외부 압축 부하 요건 없음 등)를 제공한다.

모든 경우에, 전술한 구성은 단지 본 발명의 어플리케이션들을 나타내는 많은 가능한 특정 실시예들을 예시하는 것으로 이해된다. 상이한 전해질의 사용을 포함하여 다수의 다양한 다른 배열들이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 출원에 설명된 컨셉의 원리에 따라 쉽게 고안될 수 있다.

본 출원에 사용된 용어 "대략(approximately)", "약(about)", "실질적으로(substantially)" 및 유사한 용어는 이 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 공통적이고 수용되는 사용법과 조화를 이루는 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다. 본 개시를 검토하는 당업자는 이들 용어가 이들 특징의 범위를 제공된 정확한 수치 범위로 제한하지 않으면 서 기술되고 청구된 특정 특징들에 대한 설명을 허용하는 것으로 의도된다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 이들 용어는 설명되고 청구된 주제의 비 실질적이거나 결과적이지 않은 수정 또는 변경이 첨부된 청구 범위에 언급된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주됨을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.

본 출원에 사용된 "결합된(coupled)", "연결된(connected)"등의 용어는 두 구성원이 서로 직접 또는 간접적으로 결합되는 것을 의미한다. 이러한 결합은 고정식(예를 들어, 영구적) 또는 이동 가능(예를 들어, 제거 가능 또는 해제 가능)일 수 있다. 이러한 결합은 두 개의 부재 또는 두 개의 부재와 임의의 추가의 중간 부재가 서로 단일의 일체형으로 통합되어 형성되거나 또는 두 개의 부재 또는 두 개의 부재와 일체로 형성된 임의의 추가 중간 부재에 의해 달성될 수 있다.

본 출원에서 요소의 위치(예를 들어, "상부(top)", "하부(bottom)", "위(above)", "아래(below)" 등)에 대한 언급은 단지 도면에서 다양한 요소의 배향을 설명하기 위해 사용된다. 다양한 구성 요소들의 방향이 다른 예시적인 실시예들에 따라 달라질 수 있고, 이러한 변형들은 본 개시에 포함되도록 의도된다는 것을 주의해야 한다.

다양한 예시적인 실시예들의 구성 및 배열은 단지 예시적인 것임을 주의하는 것이 중요하다. 비록 본 개시에서 소수의 실시예들만이 상세하게 설명되었지만, 본 개시를 검토하는 당업자는 본 출원에 설명된 주제의 신규한 교시 및 장점을 실질적으로 벗어나지 않으면서, 많은 수정(예: 다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 모양 및 비율의 변화, 파라미터의 값, 장착 배열, 재료의 사용, 색상, 배향 등)이 가능하다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 일체로 형성된 것으로 도시된 요소는 다수의 부분들 또는 요소들로 구성될 수 있고, 요소들의 위치는 반대로 변경되거나 달리 변경될 수 있으며, 개별 요소들 또는 위치들의 성질 또는 수는 수정되거나 변경될 수 있다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계의 순서(order) 또는 서열(sequence)은 대안적인 실시예에 따라 변하거나 재서열(re-sequenced)될 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 예시적인 실시예의 설계, 작동 조건 및 배열로 다른 대체, 수정, 변경 및 생략이 또한 이루어질 수 있다. 예를 들어, 천공 배플(perforated baffles)은 데드 존(dead zones)을 생성하지 않고 체류 시간(residence time)을 늘리려는 의도를 달성하도록 추가로 최적화될 수 있다.

Claims (29)

1. 전기화학적 셀 스택용 기저부 플레이트 어셈블리로서,
   상기 기저부 플레이트 어셈블리는,
   연료 유입구 포트, 연료 배출구 포트 및 산화제 포트를 정의하는 하단 플레이트;
   상기 연료 유입구 포트, 상기 연료 배출구 포트 및 상기 산화제 포트와 정렬되는 개구부를 포함하는 고강도 밀봉 플레이트; 및
   상기 하단 플레이트와 상기 고강도 밀봉 플레이트 사이에 위치되는 복수의 튜브들
   을 포함하고,
   상기 튜브들은 상기 고강도 밀봉 플레이트로부터 상기 하단 플레이트로의 기계적 스트레스의 전달을 감소시키기 위해 항복(yield)하도록 구성되는 것인,
   전기화학적 셀 스택용 기저부 플레이트 어셈블리.
2. 제1항에 있어서, 상기 하단 플레이트는 복수의 나사형 부재들을 포함하고, 상기 나사형 부재들의 각각은 전기화학적 셀 어셈블리의 하우징 기저부에 상기 전기화학적 셀 스택을 장착하기 위한 볼트를 수용하도록 구성된 것인, 전기화학적 셀 스택용 기저부 플레이트 어셈블리.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 고강도 밀봉 플레이트는 복수의 개구부들을 포함하고, 상기 개구부들의 각각은 상기 볼트가 관통하여 연장하도록 구성된 것인, 전기화학적 셀 스택용 기저부 플레이트 어셈블리.
   
4. 제2항에 있어서, 상기 고강도 밀봉 플레이트는 복수의 개구부들을 포함하고, 상기 나사형 부재들의 각각은 상기 고강도 밀봉 플레이트의 상기 개구부들의 각각을 통해 연장되는 것인, 전기화학적 셀 스택용 기저부 플레이트 어셈블리.
   
5. 제2항에 있어서, 상기 나사형 부재들은 상기 고강도 밀봉 플레이트의 주변 외부에 위치되고, 상기 고강도 밀봉 플레이트는 상기 하단 플레이트에 대해 횡방향으로 이동하여 열팽창으로 인해 상기 고강도 밀봉 플레이트로부터 상기 하단 플레이트로의 기계적 스트레스의 전달을 더욱 감소시키도록 구성된 것인, 전기화학적 셀 스택용 기저부 플레이트 어셈블리.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 고강도 밀봉 플레이트와 상기 하단 플레이트 사이에 위치되는 세라믹 층을 추가 포함하는, 전기화학적 셀 스택용 기저부 플레이트 어셈블리.
   
7. 전기화학적 셀 스택의 상단과 인터페이스하도록 구성되고 포스트가 관통 연장되도록 구성된 중심 개구부를 포함하는 상단 플레이트;
   상기 상단 플레이트 상에 위치하는 상부 압축 플레이트;
   상기 상부 압축 플레이트의 주변에 결합된 복수의 스프링으로서, 상기 상부 압축 플레이트가 상기 상단 플레이트에 압축력을 가하도록 구성된 상기 복수의 스프링;
   상기 상단 플레이트에 결합되고 상기 중심 개구부 주위에 위치되는 포스트 인터페이스 튜브; 및
   상기 포스트 인터페이스 튜브에 위치된 순응성 밀봉 부재
   를 포함하고,
   상기 순응성 밀봉 부재는 상기 포스트의 제1 부분을 상기 포스트의 제2 부분으로부터 유체적으로 격리하도록 구성되고, 상기 순응성 밀봉 부재는 상기 포스트 인터페이스 내에서 상기 포스트의 이동을 허용하도록 충분한 순응성을 제공하는 것인,
   전기화학적 셀 스택용 상부 압축 플레이트 어셈블리.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 제7항에 있어서, 상기 스프링들은 상기 상부 압축 플레이트에 인장력을 가하도록 구성된 코일 스프링을 포함하는 것인, 전기화학적 셀 스택용 상부 압축 플레이트 어셈블리.
    
13. 삭제
14. 제7항에 있어서, 상기 상부 압축 플레이트는 개구부를 포함하고, 상기 포스트 인터페이스 튜브는 상기 개구부를 통해 연장되는 것인, 전기화학적 셀 스택용 상부 압축 플레이트 어셈블리.
    
15. 제7항에 있어서,
    상기 포스트 인터페이스 튜브의 말단에 위치한 상단 캡; 및
    상기 상단 캡과 상기 포스트 인터페이스 튜브 사이에 위치하는 이차(secondary) 밀봉 부재
    를 추가 포함하는, 전기화학적 셀 스택용 상부 압축 플레이트 어셈블리.
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