KR20040018971A

KR20040018971A - 연료 전지 적층체 및 연료 전지 모듈

Info

Publication number: KR20040018971A
Application number: KR1020030058965A
Authority: KR
Inventors: 부어지오이스리차드스캇; 톰슨안토니마크; 존슨커티스알란
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2004-03-04
Also published as: AU2003235149A1; US20050064273A1; EP1443583A3; JP2004087497A; EP1443583A2; US6844100B2; JP4651923B2; US20040043278A1; SG131763A1; CN1495955A; CA2437916A1

Abstract

연료 전지 적층체(10)는 적어도 하나의 연료 전지 유닛(20)과, 다수의 상호접속부(22)를 포함하며, 이 상호접속부(22)는 적어도 2개의 개구(24)를 규정하고 반응물을 유동시키기 위한 적어도 하나의 유동장(34)을 포함한다. 각 개구는 적어도 하나의 각각의 흡입 및 배출 연료 매니폴드(251, 252)를 포함하는 각각의 연료 매니폴드(25)를 규정한다. 연료 전지 유닛은 애노드(26), 캐소드(28), 및 그 사이에 배치된 전해질(27)을 포함한다. 애노드는, 흡입 및 배출 연료 매니폴드 사이의 연료 유동을 안내하는 유동장(34)을 구비하는 하나의 상호접속부에 인접하여 있고, 그와 전기 접속 및 유체 연통하고 있다. 캐소드는 산화제 유동을 안내하는 유동장(34)을 구비한 다른 상호접속부에 인접하여 있고, 그와 전기 접속 및 유체 연통하고 있다. 연료 전지 적층체는 각각의 상호접속부에 대해 전해질을 밀봉하도록 주변 격리 밀봉체(44) 및 적어도 2개의 내부 격리 밀봉체(45)를 포함한다.

Description

연료 전지 적층체 및 연료 전지 모듈{FUEL CELL STACK AND FUEL CELL MODULE}

본 발명은 일반적으로 발전용 연료 전지 적층체 및 모듈에 관한 것이며, 특히 분리된 반응물 흐름을 갖는 연료 전지 적층체 및 모듈에 관한 것이다.

연료 전지, 예를 들어 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 이온 전도층을 가로질러 연료 및 산화제를 전기화학적으로 화합함으로써 전기를 생성하는 에너지 변환 장치이다. 연료 전지 작동 온도는 이온 전도층을 형성하는 재료에 따라 달라진다. 바람직하게, 고온 연료 전지를 합체한 발전 시스템은 보다 높은 효율 및 전력 출력의 가능성을 갖는다. 예시적인 고온 연료 전지는 약 600℃ 이상의 작동 온도를 가지며, 예시적인 SOFC는 약 800℃ 내지 약 1000℃의 범위에서 작동한다.

전형적인 연료 전지는 약 1볼트(V) 미만의 전위에서 작동한다. 발전에 적용하기 위한 충분한 전압을 달성하기 위해, 다수의 개별 연료 전지는 보다 큰 구성요소로 일체화된다. 산화제 및 연료 흐름의 분리는 다단(multistaging)을 위해 또한 발전 시스템내의 다른 장치에 의한 반응 생성물의 사용을 위해 바람직하다. 예를 들어 약 200℃ 미만의 작동 온도를 갖는 보다 저온의 연료 전지에 있어서, 압축된 다수의 엘라스토머 밀봉체가 2개의 반응물을 분리하는데 사용될 수 있다. 엘라스토머 밀봉체는 고온 연료 전지의 작동 온도에 견딜 수 없으며, 그 결과 유리 세라믹과 같은 다른 재료가 밀봉체를 형성하는데 사용되어야 한다. 그러나, 밀봉 성능은, 고온 연료 전지, 특히 전지 에지 또는 코너의 밀봉을 필요로 하는 설계나, 또는 열 팽창 및 수축 사이클 동안에 일정 크기의 갭을 유지하는 것을 필요로 하는 다른 조인트 설계의 경우에는 문제가 많이 남아있다.

따라서, 저감된 개수의 밀봉체를 사용하여 반응물 흐름의 분리를 유지하는 연료 전지 적층체를 설계하는 것이 바람직하다. 또한, 여분의 전류 경로를 갖는 연료 전지 모듈에 연료 전지 적층체를 합체하는 것이 바람직하다.

요약하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 전지 적층체는 다수의 상호접속부를 포함한다. 각각의 상호접속부는 적어도 2개의 개구를 규정하며, 반응물을 유동시키기 위한 적어도 하나의 유동장(flow field)을 포함한다. 각 개구는 적어도 하나의 흡입 연료 매니폴드 및 적어도 하나의 배출 연료 매니폴드를 포함하는 각각의 연료 매니폴드를 규정한다. 연료 전지 적층체는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질을 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 유닛을 포함한다. 애노드는 상호접속부의 각 하나에 인접하여 위치되며, 각각의 상호접속부와 전기 접속 및 유체 연통하도록 구성된다. 각각의 상호접속부의 유동장은 흡입 연료 매니폴드로부터 배출 연료 매니폴드로 연료 유동을 안내하도록 구성된다. 캐소드는 상호접속부의 다른 각 하나에 인접하여 위치되며, 이 상호접속부와 전기 접속 및 유체 연통하도록 구성된다. 또한, 연료 전지 적층체는 애노드에 인접한 상호접속부의 각 하나 주위에 배치된 주변 격리 밀봉체를 포함한다. 주변 격리 밀봉체는 애노드에 면하는 상호접속부의 측면상에 배치되며, 상호접속부에 대해 전해질을 밀봉하도록 구성된다. 또한, 연료 전지 적층체는 적어도 2개의 내부 격리 밀봉체를 포함하며, 이 내부 격리 밀봉체는 캐소드에 인접하는 상호접속부의 각 하나상에 배치되고 캐소드에 면하는 각각의 상호접속부의 측면상에 배치된다. 하나의 내부 격리 밀봉체는 각각의 개구를 둘러싸며, 각각의 상호접속부에 대해 전해질을 밀봉하도록 구성된다.

또한, 연료 전지 모듈이 개시되어 있다. 연료 전지 모듈은 산화제를 각각 수용 및 배출하도록 구성된 입구 및 출구를 갖는 용기(vessel)를 포함한다. 또한, 연료 전지 모듈은 용기내에 링형으로 배열된 적어도 3개의 연료 전지 적층체를 포함한다. 연료 전지 적층체는 용기의 내측 용적부 및 외측 용적부를 분리하며, 이들 용적부는 연료 전지 적층체를 통해 유체 연통되어 있다. 적어도 하나의 연료 전지 적층체는 연료 유동을 각각 수용 및 배출하기 위한 연료 입구 및 연료 출구를 구비한다. 각 연료 전지 적층체는 연료 유동을 수용 및 배출하기 위한 적어도 2개의 연료 매니폴드와, 애노드, 캐소드, 및 애노드 및 캐소드 사이에 배치된 전해질을 포함하는 적어도 하나의 평판형 고온 연료 전지 유닛을 포함한다. 또한, 각 연료 전지 적층체는, 연료 매니폴드를 통해 캐소드와 연료 유동을 분리하고 그리고 애노드와 산화제를 분리하기 위한 다수의 압축 밀봉체를 포함한다. 또한, 연료 전지 모듈은 각 연료 전지 적층체를 적어도 하나의 다른 연료 전지 적층체에 전기 접속하기 위해 연료 전지 적층체 사이의 다수의 전지 접속부를 포함한다.

본 발명의 이들 및 다른 특징, 양상 및 장점은 하기의 상세한 설명을 첨부 도면을 참조하여 보는 경우에 보다 잘 이해될 것이며, 동일 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타낸다.

도 1은 평판형 연료 전지 유닛의 분해도,

도 2는 본 발명의 연료 전지 적층체의 단면도,

도 3은 직사각형 구성으로 배열된 다수의 연료 전지 적층체를 포함하는 예시적인 연료 전지 모듈의 도면,

도 4는 연료 전지 모듈의 육각형 실시예의 평면도,

도 5는 2개의 예시적인 연료 전지 적층체 사이의 다수의 전기 접속부를 도시하는 도면,

도 6은 도 3의 연료 전지 모듈의 평면도,

도 7은 직사각형 구성으로 배열된 다수의 연료 전지 적층체를 포함하는 예시적인 다른 연료 전지 모듈의 도면,

도 8은 인접하는 연료 전지 적층체상의 2개의 상호접속부 사이의 예시적인 전기 접속부를 도시하는 도면,

도 9는 도 1의 연료 전지 유닛용 예시적인 밀봉 장치를 도시하는 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 연료 전지 적층체20 : 연료 전지 유닛

22 : 상호접속부24 : 개구

25 : 연료 매니폴드26 : 애노드

27 : 전해질28 : 캐소드

34 : 유동장44 : 주변 격리 밀봉체

45 : 내부 격리 밀봉체60 : 연료 전지 모듈

62 : 용기64 : 내측 용적부

66 : 외측 용적부68 : 입구

70 : 출구72 : 연료 입구

74 : 연료 출구

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 연료 전지 적층체(10)의 실시예를 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지 적층체(10)는 다수의 상호접속부(22)를 포함하며, 각 상호접속부(22)는 그것(22)의 평면내에 적어도 2개의 개구(24)를 포함하며, 각 개구(24)는 각각의 연료 매니폴드(25)를 규정한다. 화살표로 도 1에 지시된 바와 같이, 연료 매니폴드(25)는 적어도 하나의 흡입 연료 매니폴드(251) 및 적어도 하나의 배출 연료 매니폴드(252)를 포함한다. 흡입 및 배출매니폴드(251, 252)는, 반대 방향으로 평행한 것으로 도 1에 도시되어 있지만, 동일 방향으로 평행하거나, 또는 직교할 수도 있다. 도 1에 도시된 특정 실시예에 있어서, 각 상호접속부는 연료 전지 적층체(10)내의 연료의 대칭적인 분포의 경우에 4개의 대칭적으로 배열된 개구(24)를 규정하며, 이 개구(24)는 4개의 연료 매니폴드(25)를 차례로 규정한다. 또한, 각 상호접속부(22)는 산화제 또는 연료와 같은 반응물을 상호접속부(22)를 가로질러 유동시키기 위한 적어도 하나의 유동장(34)을 포함한다. 예시적인 유동장(34)은 필요한 전기 전도율을 갖는 금속으로 형성되고, 산화를 방지하고, 기계적 강도를 유지하며, 연료 전지의 작동 조건하에서 화학적으로 안정하다. 예를 들면, 750℃ 내지 800℃ 이하의 작동 온도의 경우에, 유동장(34)은 페라이트 스테인리스강계 금속 조성물로부터 스탬핑될 수 있다. 또한, 예시적인 유동장(34)은 상호접속부(22)내의 채널내로 끼워맞춤되거나, 상호접속부(22)의 일체형 부분을 형성한다.

또한, 연료 전지 적층체(10)는 애노드(26), 캐소드(28), 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질(27)을 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 유닛(20)을 포함한다. 예시적인 전해질(27)은 연료 및 산화제 모두에 대하여 불투과성이다. 예를 들면, 양성자 교환막(PEM) 또는 SOFC 연료 전지(20)에서, 예시적인 전해질(27)은 이온-전도 세라믹 또는 중합체막과 같은 고체 전해질(27)이다. 하나의 예시적인 평판형 연료 전지 유닛(20)은 산화이트륨 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia; YSZ), 산화세륨-도핑 지르코니아(ceria-doped zirconia) 또는 란탄 스트론튬 갈륨 망간산염(lanthanum strontium gallium manganate; LSGM) 등의 고체 산화물 연료 전지(20)이다.

애노드(26)는 각 상호접속부(22)에 인접하여 위치되며, 상호접속부(22)와 전기 접속 및 유체 연통하도록 구성된다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 유동장(34)은 전기 접속부 및 유체 연통부 모두를 공급한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 이러한 각 상호접속부의 유동장(34)은 적어도 하나의 흡입 연료 매니폴드(251)로부터 적어도 하나의 배출 연료 매니폴드(252)까지 애노드의 표면을 통하여 연료 유동을 안내하도록 구성된다.

캐소드(28)는 각 상호접속부(22)에 인접하여 위치되며, 상호접속부(22)와 전기 접속 및 유체 연통하도록 구성된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 이러한 각 상호접속부(22)의 유동장(34)은 캐소드(28)에 전기 접속을 제공하며, 상호접속부(22)를 가로질러 캐소드(28)의 표면을 통하여 산화제 유동을 안내하도록 구성된다. 하나의 예시적인 산화제는 공기이다.

또한, 연료 전지 적층체(10)는 애노드(26)에 인접한 상호접속부(22) 주위에 배치된 주변 격리 밀봉체(44)를 포함한다. 도 1에 도시된 특정 실시예에 있어서, 또한 주변 격리 밀봉체(44)는 개구(24) 사이에서 내측으로 연장한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 주변 격리 밀봉체(44)는 애노드(26)에 면하는 상호접속부(22)의 측면상에 배치되며, 상호접속부(22)에 대해 전해질(27)을 밀봉하도록 구성된다. 유리하게, 주변 격리 밀봉체(44)는 평판형 연료 전지 유닛(20)을 둘러싸는 산화제로부터 애노드(26)를 보호한다. 연료 매니폴드를 통한 연료 유동으로부터 캐소드를 보호하기 위해, 또한 연료 전지 적층체(10)는 도 1에 나타낸 바와 같이 캐소드(28)에 인접한 상호접속부(22)상에 그리고 캐소드(28)에 면하는 상호접속부(22)의 측면상에 배치되는 적어도 2개의 내부 격리 밀봉체(45)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 하나의 내부 격리 밀봉체(45)가 각 개구(24)를 둘러싸며, 상호접속부(22)에 대해 전해질(27)을 밀봉한다. 유리하게, 도 1에 나타낸 바와 같이 밀봉체(44, 45)는 전형적인 평판형 적층체의 설계(도시되지 않음)에서 존재하는 에지 밀봉체(도시되지 않음)에 비하여 압축성이 있다. 용어 "압축성이 있는(compressive)"은, 적층체(10)의 중량 또는 타이 볼트와 같은 기계적인 수단에 의해 압축 상태에 배치된 경우에, 양호한 밀봉을 제공하기 위해 밀봉체(44, 45)가 변형하는 것을 의미한다. 적층체(10)를 가로질러 보다 큰 전압을 발생시키기 위해, 연료 전지 적층체(10)는 특정 실시예에 따라 수직 적층체로 배열된 다수의 평판형 연료 전지 유닛(20)을 포함한다. 본 기술 분야에 숙련된 자가 알 수 있는 바와 같이, 도 2에 도시된 3개의 평판형 연료 전지 유닛(20)의 특정 구성은 단지 예시의 목적을 위한 것이며, 적층체(10)내에 포함된 평판형 연료 전지 유닛(20)의 특정 개수는 적층체(10)의 전력 요구조건에 따라 변화할 것이다. 도 2에 도시된 특정 실시예에 있어서, 각각의 2쌍의 인접한 평판형 연료 전지 유닛(20)은 상호접속부(22)를 공유하며, 상호접속부(22)는 하나의 인접한 평판형 연료 전지 유닛(20)의 애노드(26) 및 다른 인접한 평판형 연료 전지 유닛(20)의 캐소드(28)에 인접하고, 그들에 전기적으로 접속되며, 그들과 유체 연통한다. 이러한 특정 실시예에 있어서, 인접한 평판형 연료 전지 유닛(20)에 의해 공유되는 상호접속부(22) 각각은 상호접속부(22)의 각 측면상에 유동장(34)을 포함하여, 이웃하는 평판형 연료 전지유닛(20)의 인접한 애노드(26) 및 캐소드(28)를 위한 전기 접속부 및 유체 연통부를 제공한다. 특정 실시예에 따르면, 각 평판형 연료 전지 유닛(20)은 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 다각형이다. 유리하게, 연료 전지 유닛(20)의 다각형 구성은 비교적 제조하기 용이하며 상술된 아주 작지만 견고한 밀봉 장치를 허용한다. 예를 들면, 도 3 및 도 4에 예를 들어 도시된 코너 적층체 밀봉체(43)는 완전하게 기밀할 필요는 없지만, 입구 및 출구 산화제 유동의 분리를 유지하도록 적층체(10)를 통한 반응물 유동에 대한 충분한 저항성을 제공하여야만 한다. 예를 들면, 코너 적층체 밀봉체(43)는 연료 및 산화제의 대부분이 코너 적층체 밀봉체(43)보다는 연료 전지 적층체를 통해서 유동하도록 연료 전지 적층체(10) 보다 높은 유동 저항성을 갖게 설계된 비기밀성 밀봉체인 "누설성 밀봉체(leaky seal)"이다. 예시적인 누설성 밀봉체는 압축가능한 천 또는 조밀한 폼으로 형성된다. 또한, 다각형 구성요소는 용기(62)내에 삽입하기 전에 연료 전지 적층체(10)를 형성하도록 적층되어 배열될 수 있다. 더욱이, 연료 전지 적층체(10)는 다각형 형상으로 제공된 각도로 인해 서로 적층될 때 자체 정렬된다. 도 3에 도시된 연료 전지 적층체에 있어서, 각 평판형 연료 전지 유닛(20)은 직사각형이다. 도 1 및 도 4의 연료 전지 적층체(10)에 있어서, 각 평판형 연료 전지 유닛(20)은 육각형이다. 특히, 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 각 상호접속부(22)는 4개의 개구(24)를 규정하며, 이 개구(24)는 상호접속부(22)의 2개의 대향 단부(52)상에 위치된 2개의 쌍(50)으로 배열되며, 각 쌍은 도 1에 화살표로 나타낸 바와 같이 흡입 연료 매니폴드(251) 및 배출 연료 매니폴드(252)를 규정한다. 유리하게, 개구(24)의 이러한 구성은 평판형 연료 전지 유닛(20)을 가로질러 연료의 대칭적인 분포를 용이하게 한다. 보다 특정한 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 평판형 연료 전지 유닛(20)은 육각형 고체 산화물 연료 전지(20)이다.

적층제를 밀폐하고 평판형 연료 전지 유닛(20)으로부터 전류를 집전하기 위해, 도 2에 도시된 연료 전지 적층체(10) 실시예는 평판형 연료 전지 유닛(20)중 상부 유닛 위에 배치된 상단부 플레이트(12)와, 평판형 연료 전지 유닛(20)중 하부 유닛 아래에 배치된 하단부 플레이트(14)를 더 포함한다. 단부 플레이트(12, 14)는 전류 집전에 적합하며, 예시적인 상단부 및 하단부 플레이트(12, 14)는 페라이트 스테인리스강으로 형성된다. 또한, 단부 플레이트(12, 14)는 연료 전지 적층체(10)를 덮어서 연료 및 산화제가 연료 전지 적층체(10)를 바이패스하는 것을 방지한다. 2개의 단부 플레이트 사이의 전위는 연료 전지 적층체(10)의 전체 전압이며, 각 전지(20)의 전압의 합계와 같다.

특정 실시예에 따르면, 전해질(27)은 반응물(이하, "실질적인 고체")에 대해 불투과성이며, 애노드(26) 및 상호접속부(22)의 각 하나상에 예를 들어 플라즈마 분사, 물리적 증착 또는 화학적 증착 기술에 의해 부착된다. 이러한 특정 실시예에 있어서, 주변 격리 밀봉체(44)는 전해질(27)을 포함하며, 각각의 상호접속부(22)상에 전해질(27)의 부착에 의해 형성된다. 전해질(27)을 포함하는 예시적인 주변 격리 밀봉체(44)가 도 9에 도시되어 있다. 도 9의 실시예에 있어서, 전해질은 활성 영역에서 보다 밀봉을 위한 비활성 영역에서 두껍다. 전해질(27)은 예를 들어 연료 전지 유닛(20)의 조립전에 부착 공정 동안에 마스킹에 의해 보다 두꺼워질 수 있다. 유리하게, 각각의 상호접속부에 전해질(27)의 직접 접합에 의해 형성된 이러한 주변 격리 밀봉체(44)는 실질적으로 평평하며, 그에 따라 일정한 갭 크기의 유지를 필요로 하지 않는다. 또한, 실질적인 고체 전해질(27)은 예를 들어 소결에 의해 애노드(26)에 접합될 수 있으며, 매개층(도시되지 않음)이 상호접속부(22)와 전해질(27) 사이의 접합을 강화하도록 부착된다. 다른 예시적인 밀봉체(44, 45)는 각각의 상호접속부(22)에 대해 전해질(27)을 밀봉하기 위해 예를 들어 상술된 부착 기술중 하나를 사용하여 각각의 상호접속부(22)상에 부착되는 유리, 유리 세라믹, 금속, 금속 땜납, 또는 그것의 조합체를 포함한다. 유리하게, 이들 밀봉체(44, 45)는 또한 실질적으로 평평하여, 특정 갭 크기의 유지를 불필요하게 한다.

도 3, 도 4, 도 5, 도 7 및 도 8을 참조하여 연료 전지 모듈(60)을 설명한다. 도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이, 연료 전지 모듈(60)은 산화제, 예를 들어 공기를 각각 수용 및 배출하도록 구성된 입구(68) 및 출구(70)를 갖는 용기(62)를 포함한다. 또한, 연료 전지 모듈(60)은 용기(62)내에 링형으로 배열된 적어도 3개의 연료 전지 적층체(10)를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 연료 전지 적층체(10)는 용기(62)의 내측 및 외측 용적부(64, 66)를 분리하며, 이들 용적부는 연료 전지 적층체(10)를 통해 유체 연통한다. 적어도 하나의 연료 전지 적층체(10)는, 도 6에 평면도로 나타낸 바와 같이 연료 입구(72) 및 연료 출구(74)를 구비하여, 연료 유동을 각각 수용 및 배출한다. 각 연료 전지 적층체(10)는 연료 유동을 수용 및 배출하기 위한 적어도 2개의 연료 매니폴드(25)를 포함하며, 적어도 하나의 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)을 더 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "고온" 연료 전지는 적어도 약 600℃의 작동 온도를 갖는 연료 전지, 예를 용융 탄산염 또는 고체 산화물 연료 전지를 지칭한다. 상술된 바와 같이, 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 애노드(26), 캐소드(28), 애노드(26)와 캐소드(28) 사이에 배치된 전해질(27)을 포함한다.

또한, 각 연료 전지 적층체(10)는 다수의 밀봉체(44, 45)를 포함하여, 캐소드(28)와 연료 매니폴드(25)를 통한 연료 유동을 분리하고, 애노드(26)와 산화제를 분리한다. 유리하게, 밀봉체(44, 45)는 도 1에 나타낸 바와 같이 전형적인 평판형 적층체 디자인(도시되지 않음)에서 알려진 에지 밀봉체(도시되지 않음)에 비하여 압축성이 있다.

또한, 연료 전지 모듈(60)은 각 연료 전지 적층체(10)를 적어도 하나의 다른 연료 전지 적층체(10)에 전기적으로 접속하기 위해 연료 전지 적층체(10) 사이에 다수의 전기 접속부(54)를 포함한다. 도 8에 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 전기 접속부(54)는 상호접속부(22)에 의해 제공된다. 또한, 점퍼선(54)은 도 5에 나타낸 바와 같이 연료 전지 적층체(10) 사이의 전기 접속부(54)를 제공하는데 사용될 수도 있다. 연료 전지 적층체(10)는 상이한 전압 및 여분(redundancy)을 갖도록 여러가지 방법으로 접속될 수 있다. 예를 들면, 적층체(10)가 쌍으로 병렬로 전기 접속되고, 2쌍의 적층체(10)가 도 3의 연료 전지 모듈(60)에 직렬로 전기 접속되는 경우, 연료 전지 모듈(60)은 병렬 전류 경로로 인해 2배의 여분을 갖고서 한쌍의 접속된 적층체(10)를 가로지르는 전압의 합계와 동일한 전압을 제공한다.유사하게, 4개의 적층체 모두가 도 3의 연료 전지 모듈(60)에 병렬로 접속되는 경우, 연료 전지 모듈(60)에 의해 공급되는 전압은 단일 적층체의 전압으로 제한되지만, 여분은 4배가 된다.

특정 실시예에 따르면, 용기(62)는 압력 용기(62)이다. 압력 용기(62)가 연료 전지 적층체(10)를 통해 산화제를 강제하여 산화제가 다공성 캐소드(28)와 접촉하도록 구성된다는 점에서 압력 용기(62)를 사용하는 것이 유리하다. 특정 압력이 발전 적용에 따라 변화한다. 그러나, 하나의 예시적인 압력 용기(62)는 약 3기압 내지 약 10기압의 범위에서 작동하도록 구성된다. 유리하게, 압력 용기(62)를 사용함으로써 보다 높은 압력의 반응물을 제공하여 보다 높은 연료 전지(20) 전압을 달성한다. 도 3에 도시된 특정 실시예에 있어서, 입구(68)는 용기(62)의 내측 용적부(64)내로 산화제를 수용하도록 구성되며, 출구(70)는 용기(62)의 외측 용적부(66)로부터 산화제를 배출하도록 구성된다. 이러한 실시예에 있어서, 각 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 용기(62)의 내측 용적부(64)로부터 외측 용적부(66)로 산화제를 이송하도록 구성된다. 도 3에 도시된 구성의 하나의 이점은 적층체(10) 사이의 파이프내의 연료가 고온 배출 산화제 유동에 의해 가열된다는 것이다. 도 7에 도시된 실시예에 있어서, 입구(68)는 용기(62)의 외측 용적부(66)내로 산화물을 수용하도록 구성되며, 출구(70)는 용기(62)의 내측 용적부(64)로부터 산화제를 배출하도록 구성된다. 도 7의 실시예에 있어서, 각 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 용기(62)의 외측 용적부(66)로부터 내측 용적부(64)로 산화제를 이송하도록 구성된다. 이러한 후자의 실시예는 유입되는 산화제 유동으로 적층체(10)를 냉각한다. 유리하게, 이들 구성 모두는 가스 터빈 적용용으로 현재 설계되는 것과 유사한 용기(62)내에 적층체(10)를 밀폐하는 것을 용이하게 한다.

예시적인 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 도 1을 참조하여 상술되었으며, 연료 매니폴드(25)를 규정하는 개구(24)를 형성하고 유동장(24)을 포함하는 상호접속부(22)를 포함한다. 또한, 도 1을 참조하여 상술된 바와 같이, 예시적인 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)에 있어서, 압축성 밀봉체(44, 45)는 주변 격리 밀봉체(44) 및 내부 격리 밀봉체(45)를 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 전기 접속부(54)는 예를 들어 도 8에 도시된 바와 같이 상호접속부(22) 사이에 형성되며, 각각의 연료 전지 적층체(10)내의 적어도 2개의 상호접속부(22)는 전기적으로 접속된다. 대안적으로, 각각의 연료 전지 적층체내의 상호접속부(22)는 점퍼선(54)과 같은 외부 커넥터(54)와 접속된다.

보다 높은 전압을 발생하기 위해서, 보다 특정한 실시예에서, 각 연료 전지 적층체(10)는 수직 적층으로 배열된 다수의 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)을 포함한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 각 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 각각의 평판(90)내에 배치된다. 이러한 실시예에 있어서, 각 전기 접속부(54)는 각각의 평판(90)내의 적어도 2개의 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)에 인접한 상호접속부(22)를 접속하도록 구성된다. 전기 접속부(54)는 도 8에 도시된 바와 같이 상호접속부(22)에 의해 제공될 수 있다. 도 2에 도시된 보다 특정한 실시예에 따르면, 각각의 연료 전지 적층체(10)내의 적어도 한쌍의 인접한 평판형 고온연료 전지 유닛(20)은 각각의 상호접속부(22)를 공유하며, 이 상호접속부(22)는 인접한 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)의 애노드(26) 및 다른 인접한 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)의 캐소드(28)에 인접하여 있고, 그들과 전기 접속 및 유체 연통하고 있다. 이러한 특정 실시예에 있어서, 인접한 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)에 의해 공유된 각각의 상호접속부(22)는 이웃하는 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)의 인접한 애노드(26) 및 캐소드(28)를 전기적으로 접속하고 그에 대해 유체 연통부를 제공하도록 상호접속부(22)의 각 측면상에 유동장(34)을 포함한다. 또한, 도 2를 참조하여 상술된 바와 같이, 예시적인 연료 전지 적층체(10)는 이 적층체(10)를 밀폐하도록 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)중 상부 유닛 위에 배치된 상단부 플레이트(12)와 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)중 하부 유닛 아래에 배치된 하단부 플레이트(14)를 포함한다.

상술된 바와 같이, 적층체(10)는 연료 전지 모듈(60)을 위한 소망의 전력 출력 및 여분에 따라 다수의 방식으로 접속될 수도 있다. 다수의 여분의 전류 경로를 제공하기 위해, 하나의 실시예에 있어서, 전기 접속부(54)는 적어도 하나의 평판(90)내의 모든 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)을 접속한다. 예를 들면, 도 3 및 도 7의 4개의 적층체(10) 구성에 있어서, 4개의 전기 접속부(54)는 하나의 평판(90)내의 4개의 평판형 고온 연료 전지 유닛을 접속하여, 4배의 전류 경로 여부를 제공하지만 4개의 적층체(10)중 단 하나를 가로지르는 전압으로 제한된 전압을 공급한다. 2배의 전류 경로의 여분을 제공하면서 연료 전지 모듈(60)의 전압 출력을 증대시키기 위해서, 다른 실시예에 있어서, 전기 접속부(54)는 연료 전지적층체(10)의 쌍(80)을 접속하며, 도 3 및 도 7의 4개의 적층체(10) 구성에 있어서, 다른 전기 접속부(54)는 연료 전지 적층체(10)의 제 2 쌍을 접속한다. 일정한 출력을 유지하기 위해, 하나의 연료 전지 유닛(20)이 기능하지 않는 경우에 병렬 경로의 고장난 전지 유닛의 레벨에서 잔류하는 적층체내의 전류가 적절하게 증가하여야 한다. 예를 들면, 그렇게 링크된 2개의 전지 유닛에 있어서, 잔존하는 전지의 전류는 2배가 된다. 6개의 적층체 구성에 있어서, 병렬 경로내의 각각의 잔존 전지는 추가적으로 20% 이상의 전류를 가져야 한다. 따라서, 그렇게 접속된 최소 개수의 적층체는 각각의 연료 전지 유닛(20)이 허용할 수 있는 추가적인 전류의 양에 의존하며, 이 전류의 양은 사용된 연료 전지의 타입에 부분적으로 의존한다.

부분적으로 반응된 연료의 배출을 하나의 적층체(10)로부터 다른 적층체(10)로 반송하기 위해, 다른 실시예에 따른 연료 전지 모듈(60)은 연료 전지 적층체(10)의 쌍(80)을 접속시키는 적어도 하나의 열교환기(56)를 더 포함한다. 도 3에 있어서, 예시적인 쌍(80)은 참조 부호(1, 2)로 표시된 연료 적층체(10)의 쌍과, 참조 부호(3, 4)로 표시된 연료 적층체(10)의 쌍을 포함한다. 예시적인 열교환기(56)는 파이프(56)를 포함하며, 파이프(56)는 핀(fin)(도시되지 않음)과 같은 열교환 보강 특징부를 구비하며, 열교환기(56)는 연료 전지 적층체의 하나의 쌍으로부터 연료 전지 적층체의 제 2 쌍으로 배출된 연료 유동을 공급하도록 구성된다. 도 7에 도시된 배열에 있어서, 열교환기(56)는 입구로부터 산화제에 의해 둘러싸여서, 유리하게 파이프(56)내의 배출 연료를 냉각하고 연료 전지 적층체(10)로 들어오는 산화제를 가열한다. 하류 적층체(10)[예를 들면, 적층체(1, 2) 쌍에서의적층체(2)]로 들어가는 연료의 연료 성분 및 입구 온도를 조절하기 위해, 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 하류 적층체(10)로 들어가기 전에 보다 많은 연료가 흐름에 추가될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 연료 전지 적층체(10)는, 상류 적층체(10)[예를 들면, 적층체(1, 2) 쌍에서의 적층체(1)]에서의 연료 이용이 하류 적층체에서의 연료 이용에 대하여 수정되어 적층체의 쌍에서 얻어진 전체 연료 이용을 최적화하도록 설계된다. 연료 이용, 즉 연료 전지 유닛(20)에 의해 실제로 반응되는 소정의 연료 전지 유닛(20)을 통과하는 연료의 비율은 연료 전지 유닛(20)내의 반응물의 분포 및 농도 등의 몇가지 설계 파라미터를 사용하여 제어된다. 도 3, 도 6 및 도 7에 도시된 연료 전지 모듈(60)의 특정 실시예에 있어서, 연료 전지 모듈(60)은 링형으로 배열된 4개의 연료 전지 적층체(10)와, 적어도 2개의 열교환기(56)를 포함하며, 이 열교환기(56)는 각각 연료 전지 적층체(10)의 쌍(80)을 접속시키며, 연료 전지 적층체(10)의 제 2 쌍(82)을 접속시킨다. 이들 실시예에 있어서, 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 직사각형이며, 연료 전지 적층체의 각 쌍은 연료 유동을 수용하기 위한 각각의 연료 입구(72)와, 연료 유동을 배출하기 위한 각각의 연료 출구(74)를 포함한다. 예시적인 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 평판형 SOFC 유닛(20)이다. 또한, 연료 전지 모듈(60)은 연료 입구(72)에 공급하도록 구성된 연료 공급 라인(76)과, 연료 출구(74)로 배출하도록 구성된 연료 배출 라인(78)을 더 포함한다. 사전 개질된 연료, 또는 적층체내에서 개질되어 수소(H₂) 및 일산화탄소(CO)를 형성하는 탄화수소로서의 연료가 연료입구(72)로 공급된다. 예를 들면, 연료는 흡입 연료 매니폴드(251)내에서 또는 애노드(26)내에서 개질된다. 다른 예에 있어서, 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 애노드(26) 앞에 내부 개질기(reformer)(도시되지 않음)를 포함한다. 유리하게, 연료 전지 유닛(20)내의 탄화수소 연료를 개질함으로써, 시스템 효율을 향상시킨다.

도 4에는 연료 전지 모듈(60)의 다른 실시예의 평면도가 도시되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 연료 전지 모듈(60)은 링형으로 배열된 6개의 연료 전지 적층체(10)와, 연료 전지 적층체(10)의 쌍(80)을 접속시키고 또한 연료 전지 적층체(10)의 제 2, 제 3 및 제 4 쌍(82, 84, 86)을 각각 접속시키는 적어도 4개의 열교환기(56)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 육각형이다. 예시적인 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 평판형 SOFC 유닛(20)을 포함한다. 또한, 연료 전지 적층체(10)의 쌍(80) 및 제 2 쌍(82) 모두는 연료 유동을 수용하기 위한 각각의 연료 입구(72)를 포함하며, 연료 전지 적층체(10)의 제 3 쌍(84) 및 제 4 쌍(86) 각각은 연료 유동을 배출하기 위한 각각의 연료 출구(74)를 포함한다. 또한, 연료 전지 모듈(60)은 연료 입구(72)에 공급하도록 구성된 연료 공급 라인(76)과, 연료 출구(74)로 배출하도록 구성된 연료 배출 라인(78)을 더 포함한다. 사전 개질된 연료, 또는 적층체내에서 개질된 탄화수소로서의 연료가 연료 입구(72)로 공급되며, 예를 들어 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 애노드(26) 앞에 내부 개질기(도시되지 않음)를 포함하여 탄화수소로부터 수소(H₂) 및 일산화탄소(CO)를 형성할 수 있다. 적층체(10)는 연료 전지 모듈(60)을 위한 소망의 전력 출력 및 여분에 따라 다수의 방식으로 접속될 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 전기 접속부(54)는 2개의 연료 전지 적층체(10)를 병렬로 서로 접속시키고, 다른 2개의 연료 전지 적층체(10)를 병렬로 서로 접속시키며, 나머지 2개의 연료 전지 적층체를 병렬로 서로 접속시킨다. 다른 실시예에 있어서, 전기 접속부(54)는 3개의 연료 전지 적층체(10)를 병렬로 서로 접속시키고, 다른 3개의 연료 전지 적층체(10)를 병렬로 서로 접속시킨다. 다른 실시예에서, 전기 접속부(54)는 각각의 연료 전지 적층체(10)를 서로 접속시켜, 6배의 전류 경로 여분을 제공한다. 상술된 바와 같이, 예시적인 전기 접속부(54)는 각각의 적층체(10)의 상호접속부(22) 사이에 형성된다.

본 발명의 일정 특징만이 본원에 도시되어 설명되었지만, 많은 변형 및 변경이 본 기술 분야에 숙련된 자에게서 이루어질 것이다. 예를 들면, 연료 및 공기 유동 경로의 위치가 변경될 수 있고 캐소드 및 애노드의 위치에 있어서도 적절한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 유사하게, 연료 전지 적층체 및 연료 전지 모듈은 내부적으로 복잡하게 된 산화제와 적층체를 둘러싸는 연료를 갖도록 조립될 수도 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 사상내에 있는 이러한 모든 변형 및 변경을 포함하고자 한다는 것은 이해되어야 한다.

본 발명에 따르면, 저감된 개수의 밀봉체를 사용하여 반응물 흐름의 분리를 유지하는 연료 전지 적층체를 제공하며, 또한 여분의 전류 경로를 갖는 연료 전지 모듈에 연료 전지 적층체를 합체하는 것을 가능하게 한다.

Claims

연료 전지 적층체(10)에 있어서,

다수의 상호접속부(22)로서, 각각의 상기 상호접속부는 적어도 2개의 개구(24)를 규정하며, 반응물을 유동시키기 위한 적어도 하나의 유동장(34)을 포함하며, 각각의 상기 적어도 2개의 개구는 각각의 연료 매니폴드(25)를 규정하며, 상기 연료 매니폴드는 적어도 하나의 흡입 연료 매니폴드(251) 및 적어도 하나의 배출 연료 매니폴드(252)를 포함하는, 상호접속부(22)와,

애노드(26), 캐소드(28), 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질(27)을 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 유닛(20)으로서, 상기 애노드는 상기 상호접속부중 각각의 하나에 인접하여 배치되고, 상기 상호접속부와 전기 접속 및 유체 연통하도록 구성되며, 상기 상호접속부의 유동장은 상기 적어도 하나의 흡입 연료 매니폴드로부터 상기 적어도 하나의 배출 연료 매니폴드로 연료 유동을 안내하도록 구성되며, 상기 캐소드는 상기 상호접속부의 다른 각각의 하나에 인접하여 배치되고, 상기 다른 상호접속부와 전기 접속 및 유체 연통하도록 구성되며, 상기 다른 상호접속부의 유동장은 상기 다른 상호접속부를 가로질러 산화제 유동을 안내하도록 구성되는, 연료 전지 유닛(20)과,

상기 애노드에 인접한 상기 상호접속부의 각각의 하나 주위에 배치되며, 상기 애노드에 면하는 상기 상호접속부의 측면상에 배치되고, 상기 상호접속부에 대해 상기 전해질을 밀봉하도록 구성되는 주변 격리 밀봉체(44)와,

상기 캐소드에 인접한 상기 상호접속부의 각각의 하나상에 또한 상기 캐소드에 면하는 상기 상호접속부의 측면상에 배치되며, 그 하나가 상기 개구의 각각을 둘러싸며, 상기 상호접속부에 대해 상기 전해질을 밀봉하도록 구성되는 적어도 2개의 내부 격리 밀봉체(45)를 포함하는

연료 전지 적층체.
제 1 항에 있어서,

수직 적층으로 배열된 다수의 평판형 연료 전지 유닛(20)을 포함하는

연료 전지 적층체.
제 2 항에 있어서,

적어도 한 쌍의 인접한 평판형 연료 전지 유닛(20)이 상기 상호접속부(22)중 하나를 공유하며, 상기 상호접속부는 하나의 상기 평판형 연료 전지 유닛의 애노드(26) 및 다른 상기 평판형 연료 전지 유닛의 캐소드(28)에 인접하여 있고, 그들과 전기 접속 및 유체 연통하고 있는

연료 전지 적층체.
연료 전지 모듈(60)에 있어서,

산화제를 수용 및 배출하도록 각각 구성된 입구(68) 및 출구(70)를 갖는 용기(62)와,

상기 용기내에 링형으로 배열된 적어도 3개의 연료 전지 적층체(10)로서, 상기 연료 전지 적층체는 상기 용기의 내측 용적부(64) 및 외측 용적부(66)를 분리하며, 상기 내측 및 외측 용적부는 상기 연료 전지 적층체를 통해 유체 연통하고 있으며, 적어도 하나의 상기 연료 전지 적층체는 연료 유동을 각각 수용 및 배출하기 위한 연료 입구(72) 및 연료 출구(74)를 구비하며,

각각의 연료 전지 적층체는 연료 유동을 수용 및 배출하기 위한 적어도 2개의 연료 매니폴드(25)를 포함하며, 애노드(26), 캐소드(28), 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 전해질(27)로 구성되는 적어도 하나의 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)을 더 포함하며, 각각의 연료 전지 적층체는 상기 캐소드와 상기 연료 매니폴드를 통한 연료 유동을 분리하고 또한 상기 애노드와 산화제를 분리하기 위한 다수의 압축성 밀봉체(44, 45)를 더 포함하는, 연료 전지 적층체(10)와,

각각의 연료 전지 적층체를 적어도 하나의 다른 상기 연료 전지 적층체에 전기 접속하기 위한 상기 연료 전지 적층체 사이의 다수의 전기 접속부(54)를 포함하는

연료 전지 모듈.
제 4 항에 있어서,

상기 용기(62)가 압력 용기(62)를 포함하며, 상기 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)이 평판형 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 장치(20)를 포함하는

연료 전지 모듈.
제 4 항에 있어서,

상기 입구(68)는 산화제를 상기 용기(62)의 외측 용적부(66)내로 수용하도록 구성되고, 상기 출구(70)는 산화제를 상기 용기의 내측 용적부(64)로부터 배출하도록 구성되며, 각각의 상기 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 상기 용기의 외측 용적부로부터 상기 내측 용적부로 산화제를 이송하도록 구성되는

연료 전지 모듈.
제 4 항에 있어서,

상기 입구(68)는 산화제를 상기 용기(62)의 내측 용적부(64)내로 수용하도록 구성되고, 상기 출구(70)는 산화제를 상기 용기의 외측 용적부(66)로부터 배출하도록 구성되며, 각각의 상기 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)은 상기 용기의 내측 용적부로부터 상기 외측 용적부로 산화제를 이송하도록 구성되는

연료 전지 모듈.
제 4 항에 있어서,

각각의 상기 연료 전지 적층체(10)는 다수의 상호접속부(22)를 더 포함하며, 각각의 상기 상호접속부는 적어도 2개의 개구(24)를 규정하며, 각 개구는 상기 연료 매니폴드(25)중 각각의 하나를 규정하며, 상기 연료 매니폴드는 적어도 하나의 흡입 연료 매니폴드(251) 및 적어도 하나의 배출 연료 매니폴드(252)를 포함하며,각 상호접속부는 반응물을 유동시키기 위한 적어도 하나의 유동장(34)을 더 포함하며,

각 애노드(26)는 상기 상호접속부(22)중 각각의 하나에 인접하여 위치되며, 상기 상호접속부와 전기 접속 및 유체 연통하도록 구성되며, 상기 상호접속부의 유동장은 상기 적어도 하나의 흡입 연료 매니폴드로부터 상기 적어도 하나의 배출 연료 매니폴드로 연료 유동을 안내하도록 구성되며,

각 캐소드(28)는 상기 상호접속부의 각각의 하나에 인접하여 위치되며, 상기 상호접속부와 전기 접속 및 유체 연통하도록 구성되며, 상기 상호접속부의 유동장은 상기 상호접속부를 가로질러 산화제 유동을 안내하도록 구성되고,

각각의 연료 전지 적층체내의 상기 상호접속부중 적어도 2개가 전기적으로 접속되어, 상기 연료 전지 적층체 사이에 상기 전기 상호 접속부(54)를 제공하는

연료 전지 모듈.
제 8 항에 있어서,

상기 밀봉체(44, 45)는,

상기 애노드(26)에 인접한 상기 상호접속부(22)의 각각의 하나 주위에 배치되며, 상기 애노드에 면하는 상기 상호접속부의 측면상에 배치되고, 상기 상호접속부에 대해 상기 전해질(27)을 밀봉하도록 구성되는 주변 격리 밀봉체(44)와,

상기 캐소드(28)에 인접한 상기 상호접속부의 각각의 하나상에 또한 상기 캐소드에 면하는 상기 상호접속부의 측면상에 배치되며, 그 하나가 상기 개구(24)의각각을 둘러싸며, 상기 상호접속부에 대해 상기 전해질을 밀봉하도록 구성되는 적어도 2개의 내부 격리 밀봉체(45)를 포함하는

연료 전지 모듈.
제 9 항에 있어서,

각각의 상기 연료 전지 적층체(10)는 수직 적층으로 배열된 다수의 평판형 고온 연료 전지 유닛(20)을 포함하며, 각각의 상기 평판형 고온 연료 전지 유닛은 각각의 다수의 평판(90)중 하나에 배치되며, 각각의 평판에서의 적어도 2개의 상기 평판형 고온 연료 전지 유닛의 상호접속부(22)가 전기 접속되는

연료 전지 모듈.