KR20070091310A - 연료 전지 적층 조립체 - Google Patents

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퐁 디에프
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Abstract

일실시예에 따른 연료 장치 조립체는 (i) 각각이 (a) 프레임과 (b) 2개의 평면 전해질-지지 연료 전지 어레이를 포함하며, 하나의 상기 연료 전지 어레이의 양극측이 다른 상기 연료 전지 어레이의 양극측과 마주보고 있도록 상기 어레이들이 배열되어 있으며, 상기 프레임이 상기 어레이들과 연계되어 연료 챔버를 형성하는 복수의 연료 전지 패킷; (ⅱ) 상기 패킷들을 에워싸서 상기 복수의 패킷이 복수의 산화물 챔버를 형성하도록 하는 주외장; (ⅲ) 상기 주외장과 연계하여 상기 복수의 산화물 챔버를 형성하는 제거가능한 연소 억제 플레이트; (ⅳ) 상기 산화물 챔버들의 일측에 연결되어 있는 입구 산화물 난연 다기관; (ⅴ) 상기 산화물 챔버들의 다른측에 연결되어 있는 출구 산화물 난연 다기관; (ⅵ) 상기 연료 챔버의 일측에 연결되어 있는 입구 연료 다기관; 및 (ⅶ) 상기 연료 챔버의 다른측에 연결되어 있는 출구 연료 다기관을 포함하고 있다.
연료 전지, 연료 전지 적층 조립체, 패킷, 전지, 어레이, 다기관

Description

연료 전지 적층 조립체{Fuel cell stack assembly}
본 발명은 다중 연료 전지 어레이들과 결합된 연료 전지 적층에 관한 것이다. 본 출원은 U.S.C §119(e)에 따라 2004년 11월 30일에 제출된 미국 임시출원번호 60/632042호의 우선권의 이익을 청구한다.
최근 상당한 양의 연구의 주제는 고체산화물 연료전지의 사용에 대한 것이었다. 고체산화물 연료전지(SOFC)의 일반적인 성분은 두 전극 사이에 끼워진 음으로 하전된 산화-이온 전도성 전해질(negatively-charged oxygen-ion conducting electrolyte)을 포함한다. 전류는 이런 전지에서 전해질을 통해 전도된 산화이온과 반응하는 일예로 수소와 같은 연료물질이 양극에서 산화되어 생성된다. 산화이온은 음극에서 분자형 산소의 감소에 의해 형성된다.
미국특허공개 US2002/0102450와 2001/0044041호에는 개선된 전극-전해질 구조를 포함하는 고체 전해질 연료 전지에 대하여 설명하고 있다. 이 구조는 얇은 연성 무기 전해질 시트의 대응면에 부착되어 있는 다수의 양음극들과 결합되어 있는 고체전해질시트를 포함한다. 전극이 전해질 시트상에 연속층들을 이루지 않은 대신 에 개별 전지를 형성하는 다수의 분리된 영역 또는 대역을 한정하는 일예가 예시되어 있다. 이 영역들은 전해질시트에 있는 비아(vias)를 관통하여 연장되고 접촉된 전기 되어 있는 전기 전도체에 의하여 전기적으로 연결되어 있다. 비아들은 전기 전도성 물질(비아 상호연결물)로 채워져 있다.
미국특허5,085,455호에는 얇고 부드러운 무기 소결 시트가 개시되어 있다. 개시된 소결 시트는 넓은 온도 범위에 걸쳐 뛰어난 안정성뿐만 아니라 부러짐이 없이 휨을 허용하는 강성과 연성을 가지고 있다. 개시된 얼마의 합성물, 일예로 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia;YSZ(Y2O3-ZrO2))는 연료 전지의 전해질로 사용될 수 있다. 충분한 온도(일예로 약 725℃와 그 이상)에서 지르코니아 전해질은 좋은 이온 전도도와 매우 낮은 전자 전도도를 보여준다. 미국특허 5,273,837호는 내열 충격성 고체 산화물 연료 전지를 형성하기 위한 그러한 합성물의 사용을 개시하고 있다.
미국특허공개 US2001/0044043호는 거친 경계 표면층을 가지고 있는 실질적으로 평평하고, 완만한 전해질 시트를 사용하는 고체 전해질 연료 전지를 개시하고 있다. 이 특허공개에서는 45마이크로미터보다 작은 두께를 가지고 있는 전해질 시트에 대하여 개시하고 있다. 세라믹 전해질 시트는 그러한 두께에서 유연하다.
더욱이, 연료 전지는 전해질 시트에 열 응력을 일으키는 열주기와 큰 열경사를 견딜 수 있다. 추가적으로, 적층된 전해질 시트는 그 프레임의 영팽창율과 다른 열팽창율을 가지며, 그러한 다른 열팽창율은 전해질 시트의 크랙(cracking)을 일으킨다. 전해질 시트의 결함은 전체 전지 또는 전해질 장치의 교체를 필요로 한다.
판형 고체 산화물 연료 전지에서 종종 금속 합금이 분리기로 사용되는 것은 잘 알려져 있다. 그러한 구성의 일예는 Solid state Ionic 132(2000)지의 271-278페이지에 실린 요시도 마츄자키(Yoshido Matsuzaki)와 이사미 야수다(Isami Yasuda)에 의해 집필된 "Electromagnetic properties of a SOFC cathode in contact with a chromium-containing alloy separator"라는 주제의 논문에 잘 설명되어 있다.
고체 산화물 연료 전지는 일예로 미국특허 5,486,428호에 개시된 다공질 지지대에 의해 또한 지지될 수 있다. 다공질 지지대의 내부는 산소와 연료의 통로를 형성하는 파형 세라믹 판에 의해 밀봉되어 있다. 특히, 미국특허 5,486,428호는 복수의 전극을 지지하는 다공성 기판을 가지고 있는 연료 전지 모듈들을 개시하고 있다. 전해질 층은 그러한 전극들에 걸쳐 위치하고 있으며, 다른 전극층은 전해질 층에 위치하고 있다. 다공질 지지대는 이러한 층과 통합되어 있으며 그러한 층으로부터 분리될 수 없도록 형성된다. 위의 미국특허는 연료 전지층이 다공성 지지대에 직접 접합되어 있어 제조시에 연료 전지 구성의 한계가 제한되는 것에 대하여 개시하고 있다. 예를 들면, 전지 층은 일반적으로 다른 온도에서 내화된다. 일반적으로, 양극과 전해질은 1400℃ 또는 그 이상에서 소결되는데 반하여, 음극은 이상적으로 1200℃ 또는 그 이하에서 소결된다. 따라서, 연료 전지 층은 증가된 차수의 내화 온도를 가지면서 적층된다. 그러나, 제조 한계로 인한 제한을 고려하지 않고 연료 전지 어레이의 다른 구성을 설계할 수 있는 유익이 있다. 더욱이, 다공성 지지대는 상대적으로 두껍고 그 결과 제조하기에 비용이 많이 든다. 미국특허번호 6,194,095호는 전해질 멤브레인을 통하여 전지간의 전기적 접속이 제공되는 다공성 플라스틱 유전체 시트로 포화된 전해질에 형성된 연료 전지 어레이들을 포함하는 연료 전지 적층을 개시하고 있다. 개시된 설계에서는 연료 전지 어레이들을 조립하기 위하여 연료 다기관 유닛뿐만 아니라 공기 유동 다기관을 사용한다. 추가적으로 공기와 연료 다기관 유닛을 구비하여 연료 전지 어레이들의 사이를 그들을 사용하여 조립하기 때문에 복잡성과 연료 전지 적층체의 비용을 증가시킨다.
미국특허번호5,416,057에는 도포된 교류 열교환 장치와 그 제조방법에 개시되어 있다. 열교환기는 세라믹 몸체에 위치하는 복수개의 통로로 구성되어 있다. 이 특허에서는 연료 전지 응용에 대한 개시된 장치의 사용에 대하여 개시하고 있지 않다.
본 발명에 따른 연료 전지 적층 조립체는, (ⅰ)각각이 (a) 프레임과 (b) 2개의 평면 전해질-지지 연료 전지 어레이를 포함하며, 하나의 상기 연료 전지 어레이의 양극측이 다른 상기 연료 전지 어레이의 양극측과 마주보고 있도록 상기 어레이들이 배열되어 있으며, 상기 프레임이 상기 어레이들과 연계되어 연료 챔버를 형성하는 복수의 연료 전지 패킷; (ⅱ)상기 복수의 패킷들을 에워싸서 상기 복수의 패킷이 복수의 산화물 챔버를 형성하도록 하는 주외장; (ⅲ)상기 주외장과 연계하여 상기 복수의 산화물 챔버를 형성하는 적어도 하나의 제거가능한 연소 억제 플레이트; (ⅳ)상기 산화물 챔버들의 일측에 연결되어 있는 입구 산화물 난연 다기관; (ⅴ)상기 산화물 챔버들의 다른측에 연결되어 있는 출구 산화물 난연 다기관; (ⅵ) 상기 연료 챔버의 각각의 일측에 연결되어 있는 입구 연료 다기관; 및 (ⅶ)상기 연료 챔버의 각각의 다른측에 연결되어 있는 출구 연료 다기관을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
발명의 다른 특징과 이점은 다음의 상세한 설명에 기재될 것이고, 부분적으로 상기 설명으로부터 당업자에게 명백하거나 여기에 기술된 다음의 상세한 설명, 청구범위 및 첨부한 도면을 포함하는 발명을 실시함으로써 인지될 것이다.
앞의 개론적인 설명과 다음의 상세한 설명 모두는 본 발명의 실시예에 있으며 청구된 발명의 본질과 특징을 이애하기 위한 개요나 틀을 마련하고자 한다. 첨부한 도면은 발명을 보다 잘 이해하기 위해 포함되었고, 본 명세서의 일부에 포함되고 일부를 구성하고 있다. 도면은 발명의 여러 실시예를 예시하고 있고, 상세한 설명과 함께 발명의 원리와 작동을 설명하는 역할을 하고 있다.
도 1A는 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 적층의 개략적인 분해도.
도 1B는 도 1A에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 적층의 개략적인 단면도.
도 1C는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 적층의 개략적인 분해도.
도 2A는 도 1A와 1C의 연료 전지 적층에 사용되는 하나의 연료 전지 패킷의 사시도.
도 2B는 내부 연료 분배 노즐을 가지고 있는 패킷 프레임을 포함하는 도 2A의 연료 전지 패킷의 개략적인 단면도.
도 3A-3C는 패킷 튜브와 다기관 튜브의 결합의 다양한 실시예를 보여주는 개략적인 도면.
도 4A와 도 4B는 연료 전지 적층의 실시예의 2개의 사시도.
도 5는 일실시예에 따른 연료 전지 어레이를 포함하는 전력/전류 리드 인출 조립체를 개략적으로 나타내는 도면.
도 6은 도 5에 도시된 전력/전류 리드 인출의 개략적인 단면도.
첨부된 도면에 예시된 예들을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 가능한 경우에는, 같은 도면 부호가 도면 전체를 통해 같거나 유사한 부분을 지칭하는데 사용될 것이다.
도 1A와 도1B는 본 발명의 일실시예를 보여주는 도면이며, 참조부호 100은 전체를 지시하고 있다. 도 1A는 연료 전지 적층 조립체(100)를 개략적으로 도시하고 있는 분해도이다. 도 1B는 도 1A에 도시된 연료 전지 적층 조립체(100)를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도 1A는 또한 연료 전지 패킷(110)을 개략적으로 나타낸 분해도이다. 특히, 도 1A는 패킷(110)안에 위치하고 있고 절연된 개개의 연료 챔버에 결합되어 있으며 연료 전지 어레이의 쌍 사이에 형성된 고체 산화물 연료 전지(SOFC:solid oxide fuel cell) 적층 설계를 이용하는 연료 전지 적층 조립체(100)의 개략도이다. 도 2는 도 1A의 연료 전지 적층을 사용하는 연료 전지 패킷(110)의 사시도이다.
도 1A와 1B는 연료 전지 적층 조립체(100)의 일실시예에서는 복수의 연료 전지 패킷(110)을 포함하고 있다. 각각의 연료 전지 패킷(110)은 (a) 관통볼트(120C)(도시의 편의를 위하여 하나만 도시하였음)을 위한 홀들(120B)과, 패킷 프레임 연료 입구와 배기구(121, 121')을 포함하는 패킷 프레임(120); (b)각각이 전해질 시트와 전해질 시트의 양측에 있는 복수의 전극을 포함하는 2개의 평면 전해 지지 연료 전지 어레이(125)를 포함하고 있다. 너트 세트(120D)는 볼트(120C)에 결합되며, 압축력을 제공하며 각 위치에서 패킷을 고정한다. 연료 전지 어레이(125)는 하나의 연료 전지 어레이(125)의 양극측(125A)이 다른 연료 전지 어레이(125)의 양극측(125A)에 마주보도록 배열된다. 패킷 프레임(120)은 2개의 연료 전지 어레이(125)와 결합하여 연료 챔버(130)를 형성한다.
이 실시예에서 주외장(150)은 산화제(일예로, 공기) 챔버(155)의 벽을 형성하는 2개의 L형 패널(단판)을 포함한다. 주외장(150)은 산화제 챔버(155)안에 있는 복수의 전지 패킷(110)을 에워싸며, 그 결과 복수의 패킷(110)은 복수의 산화제 채널(160)을 형성한다. L형 패널(152)은 적절한 위치에 연료 전지 패킷을 결합하기 위한 정렬 슬롯(220')과 연료 전지 패킷(110)안에 있는 연료 챔버(130)에 연료 공급이 가능하도록 하는 연료 패킷 튜브 홀을 포함한다. 주외장(150)은 또한 적어도 하나, 바람직하게 두개의 제거가능한 연소억제 플레이트(170)을 포함하고 있다. 연소 억제 플레이트(170)은 주외장의 측벽을 형성하며, L형 패널(단판)(170)과 결합하여 산화물 챔버(155)를 형성한다. 연소억제 플레이트(170)은 산화물 챔버(160)의 각각에 대응되는 복수의 슬롯(172)을 포함한다. 따라서, 실시예에서 연소 억제 플레이트는 주외장(150)의 나머지 부분과 결합하여 공기 챔버(155)에 위치하는 복수의 산화물 챔버(160)을 형성한다.
도 1A와 도 1B의 연료 전지 적층 조립체(100)는 입구와 출구 산화물 다기관(180,190)과, 입구와 출구 연료 다기관(200, 210)을 포함한다. 패킷(110)은 입구 산화물 다기관(180) 그리고 출구 산화물 다기관(190)과 연계하여 산화물이 입구 다기관(180)으로부터 직접 연료 전지 패킷(110) 사이를 흘러 출구 산화물 난연 다기관(190)으로 흘러 들어가도록 한다. 입구 산화물 난연 다기관(180)은 제거가능한 연소 억제 플레이트(170)에 근접하게 위치하고 있으며 산화물 채널(160)의 각각의 입구측에 연결되어 작동한다. 입구 산화물 다기관(180)은 연소 억제 플레이트(170)의 연속 억제 플레이트 슬롯(172)을 통하여 연료 전지 패킷(110)에 의해 형성된 산화물 채널(160)에 산화물을 제공한다(화살표 A방향에 따라 흐른다). 따라서, 산화물은 입구 산화물 다기관(180)과 제거가능한 연소 억제 플레이트(170)을 통하여 주외장(170)으로 유입되며, 산화물 채널(160)로 들어간다. 출구 산화물 난연 다기관(190)은 산화물 채널(160)의 각각의 다른측(배기측)에 연결되어 있다. 제2 연소 억제 플레이트(170)(미도시)가 채널(160)로부터 산화물을 배출하는 것을 제어하기 위하여 사용될 수 있다면, 산화물은 제2 연소 억제 플레이트(170)(산화물 채 널(160)의 배기측에 위치함)을 통하여 계속 흐르며, 제2 연속 억제 플레이트(170)에 인접한 출구 다기관 난연(190)을 통하여 배출된다.
입구 연료 다기관(200)은 L형 단판(152)의 상부 영역에 인접하여 있으며 연료 챔버(130)(연료 전지 패킷(110)의 내부에 위치함)의 각각의 패킷 프레임 입구에 연료 다기관 입구 튜브(70A)를 통하여 연결된다. 출구 연료 다기관(210)의 연결 튜브(출구 튜브)(70B)는 프레임 배기구(121')을 통하여 연료 챔버(130)의 각각의 다른측(배기 연료측)에 연결되어 있다.
연료 전지 장치 조립체(100)에 사용되기 위한 연료는 일예로 용접 또는 적절한 밀봉재(미도시)를 통하여 패킷 프레임(120)에 밀봉된 가스 분배 입구 튜브(70A)를 통하여 프레임(120)에 주입된다. 실시예에 따른 패킷 프레임(120)은 입구와 배기구(121, 121')을 포함한다. 특히, 연료(화살표로 도시된 바와 같이)는 입구 연료 다기관(200)으로부터 가스 분배 입구 튜브(70A)을 통하여 패킷 프레임(120)의 입구 프레임 개구(121)로 들어가며, 프레임(120)을 통하고 내부 연료 분배 노즐(122)(도 2B에 도시됨)을 경유하여 연료 챔버(130)(두개의 전해질 시트에 의해 형성된 다른 챔버)로 들어간다. 배기 연료는 연료 챔버(130)을 통하여 프레임(120)의 내부 연료 분배 노즐(122)로 들어가고, 배기구(121')로 들어가며, 연결 튜브(70B)를 통하여 출구 연료 다기관(210)으로 배출된다.
입구 튜브(70A)는 입구 개구(121)에 알맞은 크기를 가지고 있다. 유사하게, 출구 튜브(70B)는 배기구(121')에 알맞은 크기를 가지고 있다. 실시예에서, 튜브(70A, 70B)는 프레임 재료의 열팽창보다 높은 열팽창을 가지고 있으며, 높은 온 도에서(연료 전지 적층의 동작 온도에서) 헤메틱 밀봉을 형성하고 있다. 이러한 밀봉은 다른 밀봉재를 사용하여 수행될 수 있다.
위에서 언급된 산화물과 연료 유동은 패킷(110)을 통하여/따라서 같은 방향으로 움직이기 때문에 동시에 발생된다. 다른 실시예에서는 산화물 유동과 연료 유동이 서로 교차가 되도록 하거나 반대가 되도록 할 수 있다.
다른 방법으로는 입구 연료 다기관(200)은 연료 다기관 입구 튜브(70A)에 연결된 선택적인 연료 입구 패킷 튜브(70A')를 사용하여 연료 챔버(130)의 각각의 패킷 프레임 입구(121)에 연결될 수 있다. (도 1C에 도시된 바와 같이) 실시예에서는 출구 연료 다기관(210)과 각각의 패킷(110)을 연결하기 위하여 각각의 패킷(110)에서 돌출되어 연결 튜브(70B)에 연결된 연료 출구 패킷 튜브(70B')을 사용한다. 실시예에서, 연료는 입구 연료 다기관(200), 다기관 입구 튜브(70A) 그리고 연료 입구 패킷 튜브(70A')을 통하여 연료 챔버(130')에 들어가게 되어 주외장으로 유동한다. 연료는 출구 패킷 튜브(70B')와 다기관 출구 튜브(70B)를 통하여 배기(출구) 연료 다기관(210)으로 흘러들어가게 되어 계속 유동하게 된다.
도 1C에 도시된 바와 같은 실시예에서 연료는 연료 난연(200)과 튜브(70A)를 통하여 연료 전지 패킷(110)으로 공급된다. 튜브(70A)를 연료 입구 패킷 튜브(70A')를 경유하여 연료 전지 패킷(110)에 접속하거나 또는 튜브(70B)를 연료 출구 패킷 튜브(70B')을 통하여 연료 전지 패킷 모듈(110)에 접속하는 것은 아래에 설명한 바와 같이 어려가지 방법을 통하여 가능하다. 튜브 70A와 70B를 튜브 70A'과 70B'에 연결하는 방법은 여러 가지 방법이 있으며, 이러한 연결을 밀봉하는 방 법도 여러 가지 있으며, 아래에서 그점에 대하여 설명한다.
일실시예에서, 튜브들(70A, 70B)은 튜브(70A', 70B')의 외경보다 큰 외경을 가지고 있으며 수용 튜브(70A', 70B')의 크기의 내경을 가지고 있어, 튜브(70A, 70B)와 튜브(70A',70B') 사이에는 작은 간격밖에 없다. 추가적으로, 도 3A에 도시된 바와 같이 기계적인 클램프(79)는 튜브(70A)가 튜브(70A')에 튜브(70B)가 튜브(70B')에 부착되어 있도록 한다. 도 3A에 도시된 바와 같이 튜브(70A')이 튜브(70A)의 안에 부착될 수 있도록 한다. 선택적으로, 기계적인 클램프(79)를 사용하는 것 대신에 유리 밀봉, 블레이즈 그리고 다른 적절한 밀봉재를 연결된 튜브들을 밀봉하고 유지하기 위하여 사용할 수 있다.
다른 실시예에서, 튜브70A와 튜브 70A'(튜브 70B와 튜브 70B'을 포함하여) 는 실질적으로 같은 열팽창을 가지고 있으며 동일한 기구적인 내경을 가지고 있도록 제조된다. 수용 플러그 튜브(73)의 외경은 튜브70A와 튜브 70B의 내경과 거의 유사하다. 플러그 튜브(73)는 높은 열팽창 재료로 만들어져 있으며, 그 결과 연료 전지 적층 조립체가 가열될 때 플러그 튜브(73)은 튜브 70A와 튜브 70A'(또는 튜브 70B와 70B')보다 크게 팽창하여 가스 밀폐성을 제공한다. 이러한 점에 대하여 도 3B에 도시되어 있다.
선택적으로, 밀봉제가 사용될 수 있으며, 그 결과 튜브(70A, 70B)가 튜브(70A', 70B')에 결합될 때 압축밀봉이 형성된다. 예를 들면, 튜브(70A, 70B)는 나이프 에지를 제거하기 위하여 가공된 외경으로 가공된다. 이러한 튜브는 평평한 에지를 게거하기 위하여 가공된 외경을 가지고 있는 튜브(70A', 70B')의 각각에 연 결되며 튜브(70A, 70A')와 튜브(70A. 70A') 사이에 얇은 간격을 갖는다. 소프트 메탈 워셔(soft metal washer)(525)는 튜브(70A, 70B)의 반대편 구경 플랜지에 삽입된다. 가스 밀폐성은 나이프 에지가 소프트 메탈 워셔(525)에 끼워질 때 형성된다(도 3C참조). 나이프 에지는 디스크(594)를 반 클램쉘(592)의 공동 영역(592)에 삽입되어 소프트 메탈 워셔(525)에 끼워지고, 디스크(594)를 반 클램쉘(592)(미도시)의 공동 영역(592)에 삽입하여 소프트 메탈 워셔(525)에 부착되며 튜브(70A)와 디스크(594)가 회전되게 되며, 그결과 나이프 에지가 워셔(525)에 삽입되도록 한다.
튜브(70A,70B)는 스웨거락형 고정구(Swagelok type fitting)을 이용하여 입구 튜브(70A, 70B')에 연결될 수 있다. 선택적으로, 튜브(70A, 70A')는 같은 외경과 내경을 가지고 있기 때문에 맛대기 밀봉(butt seal)을 가능하도록 한다.
다른 실시예에 있어서, 튜브들(70A, 70A', 70B, 70B')은 같은 외경과 내경을 가지고 있다. 튜브들(70A 또는 70A')의 외경의 슬리브보다 내경의 슬리브가 더 크기 때문에 튜브들에 걸져 조립될 수 있으며 튜브들(70A,70A',70B, 70B')이 결합될 수 있다. 슬리브 말단은 밀봉된다. 이러한 접근은 블레이즈 온도에 의존하여 연결되는 온 결합 또는 냉 결합의 둘다에 사용될 수 있다. 일예로 블레이즈 온도는 700℃까지 높다.
전력은 연료 전지 패킷(110)으로부터 전기 전도성 전력 인출 리드(300)에 전달된다(도 2와 4를 참조). 각각의 패킷(110)은 복수의 전력 리드(300)를 가지고 있다. 각각의 리드(300)는 연료 전지 어레이(125)에 전기적으로 연결되어 있으며 일예로 전열 패드(미도시)를 사용하여 연료 전지 어레이 프레임 부재, 즉 패킷 프레 임(120)으로부터 절연되어 있다. 외부 전기 커플러(320)과 리드(300)의 접속은 예를 들면 높은 온도(바람직하게 >100℃, 더 바람직하게 >150℃)의 폴리머의 외부 커버를 가지고 있는 암수 접합(도 1C를 참조)을 사용하여 퀵디스커넥터(Quick disconnect)를 사용하여 이루어진다. 이러한 폴리머는, 예를 들면 실리콘 또는 폴리세케톤(polyetherketone)이다. 다른 유형의 전기적 접속도 사용가능하다. 그러한 예로서, 스프링 부하 클램프형 클립, 스프링 부하 접촉 패드 접속, 암수 슬라이드 상호 접속, 핀형 암수 접속 등이 있다. 너트와 볼트는 전기 부하로부터 유도된 전기 커플러(320)에 전기 전도 리드(300)의 냉단부를 연결하기 위하여 사용된다. 이러한 결합은 볼트와 너트를 통하여 이루어지며 일예로 볼트는 전도 리드(300)의 리드 홀(300')과 전기 커플러(320)(SOFC는 처음 전력이 감압될 수 있고 여유 온도로 떨어질 수 있다).의 유사한 홀에 위치한다. 이러한 결합은 볼트에 의해 안정된다. 선택적으로, 높은 온도 블레이즈, 은 솔더 또는 은 블레이즈는 선을 리드에 연결할 때 사용할 수 있으며, 솔더와 블레이즈는 배터리형 클램프로서 전도 리드(300)에 전기 커플러(320)를 연결할 수 있다. 다른 전기적 전도성 접속이 사용될 수 있다.
연료 전지 적층 조립체(100)의 실시예에 있어서 각각의 연료 전지 패킷(110)은 프레임(120)에 부착된 2개의 전해질 시트(126)을 포함한다. 연료 전지 어레이(125)는 전해액 지지 연료 전지 어레이이다. 실시예에서 연료 전지 어레이(125)는 45㎛보다 작은 두께를 가지는, 바람직하게는 20㎛보다 작은 두께를 가지는 전해질 시트(126)을 포함하고 있다. 전해질 시트는 전해질 시트의 일측(125A)에 있는 복수의 양극(127)과 다른측(125B)에 있는 복수의 음극(128)을 지지한다. 양극(127) 과 음극(128)은 전해질 시트(126)의 비아홀에 위치하는 상호 연결(129)(미도시)에 의해 연결된다. 바람직하게, 프레임(120)은 열응력을 최소화하기 위하여 전해질 시트(126)의 CTE에 근접한 CTE를 가지고 있다. 전해질 시트(126)은 부분적으로 안정화된 지르코니아(일예로, 3YSZ)을 사용하여 만들어지며, 바람직하게 프레임(120)은 약 9 내지 13ppm/℃, 더 바람직하게는 10 내지 12 ppm/℃의 CTE(CTE=△L/L△T)를 가지고 있다.
밀봉재(60)은 전해질 시트(126)을 프레임(120)에 접합시킨다. 바람직하게 밀봉재는 헤메틱 밀봉재, 예를 들면 프리트 유리 밀봉재 또는 메탈 블레이즈이다. 다른 헤메틱 밀봉제 또한 사용가능하다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 프레임(120)은 금속 프레임이다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 프레임은 세라믹 프레임이다. 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 주외장은 금속 합금으로 만들어져 있다.
패킷(110)은 모든 패킷들에 공통인 단일 공기(산화물) 챔버(155)에 느슨하게 연결되어 있다. 공기 챔버(155)는 연료 전지로 작동하도록 공기 또는 산화물을 음극(128)에 제공한다. 연료 입구와 출구 다기관(200,210)과 L형 단판(152)은 패킷(110)에 기계적 지지를 제공한다. 패킷(110)은 패킷(110) 사이에 원하는 간격을 제공하기 위한 일예로 봉, 볼트, 너트등을 포함하는 정렬 기구(220)를 포함하고 있다. 산화물 챔버(155)안에 연료 패킷을 정렬하게 되면, 다른 패킷(110)으로부터 분리된 다중 산화물 채널로 산화물 유동이 분리된다. 패킷(110)에 인접한 연료 전지 어레이의 음극측(125B)는 산화물 채널(160)의 측벽을 형성하기 위하여 다른측과 마 주보고 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 연료 전지 적층 조립체(100)은 주외장(150)과 연계되어 복수의 산화물 채널(160)을 형성하는 제거가능한 연소 억제 플레이트(170)를 포함한다. 실시예에 있어서, 연소 억제 플레이트(170)은 산화물 채널(160)의 공기 압력을 제한하거나 동일하게 하는데 사용하기 위한 복수의 슬롯(172)을 포함한다.
공기 유동율과 압력 강하는 부분적으로 연료 패킷의 간격에 의해 결정되며 단판(152)의 설계의 변형에 의해 쉽게 조정가능하다. 산화물 챔버(155)는 연료 전지 적층 조립체(100)에서 최후 공기 유동율과 압력 강하를 한정할 수 있도록 하기 위하여 입구와 출구 난연 다기관(180, 190)(각각 산화물 채널(160)의 입구와 출구에 연결된)을 사용한다. 입구 난연 다기관(180)은 복수의 산화물 채널(160)의 공기 압력과 공기 유동을 평활하게 하기 위하여 그러한 방법으로 설계된다. 난연 다기관 설계는 연소 억제 플레이트를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 입구 난연 다기관(180)은 도 1A와 1B에 도시된 바와 같이, 각각의 산화물 채널(160)의 입구에 연결되어 있는 금속 합금 시트에 있는 좁은 슬릿 또는 홀의 연속인 유동 연소 억제층(172)를 포함하는 연소 억제 플레이트(170)에 인접해 있다.
도 4A와 4B는 입구와 출구 난연 다기관(180,190), 2개의 L형 단판(152) 그리고 3개의 연료 전지 패킷(110)을 포함하는 주외장(150)을 포함하는 연료 전지 적층 조립체(100)의 2개의 사시도이다. 도 4A는 패킷 프레임(120)의 부가적인 정렬 기구(220)를 수용하기 위한 L형 단말(152)의 정렬 슬롯(220')의 12개 세트를 포함하는 L형 단판(152)을 도시하고 있다. 따라서, L형 단판(152)는 공통 산화물 챔 버(155)에 있는 12개의 패킷을 지자할 수 있다. 도 4A에 3개의 패킷이 도시되어 있다. 패킷(110)의 표시는 정렬 슬롯(220')에서 돌출된 정렬 기구(220)에 의해 지시되어 있다. 공기 주입 난연(바닥)(180)과 배기 난연(상부)(190)이 도시되어 있다. 연료 입구(200)는 숨겨저 있으며, 공기 입구 난연 다기관(180)은 분명하지 않다. 도 4B는 도 4A에 도시된 연료 전지 적층 조립체(100)(내부에 3개의 패킷을 가지고 있음)의 다른 사시도이다. 이 도면은 연료 주입(200), 연료 배기(210), 공기 배기 난연(190), 그리고 공기 주입 난연(180)(자세하지 않게)을 보여준다.
도 5는 일실시예에 따른 패킷 프레임(120), 연료 전지 어레이(125), 전기 전도성 리드(300), 조임 완화 패스너(자세하게 도시되지는 않음)(330)을 포함하고 있는 전력/전류 리드 인출 조립체를 도시하고 있다. 실시예에서, 전기 전도 결합 물질은 전기 전도와 양극과 음극의 둘다에 소통하는 리드 물질들과 패드들의 기계적 접착이라는 두가지 역할을 제공한다. 전기 전도 리드(300)은 전기 전도성 물질(일예로, Ag-Pd 도성합금(cermet))을 사용하여 전기 전도성 구조(양극 또는 음극과 소통하는 음극 또는 공기 채널)에 결합되어 있다. 전기 전도성 리드(300)는 또한 조임 완화 패스너(330)과 봉(320)을 사용하여 전기 절연체/스페이서(310)에 부착되어 있다. 조임 완화 패스너(330)은 봉(320)에 부착되어 있으며 고정 장비(일예, 너트와 볼트) 또는 결합 접착제(일예로, 도성합금 또는 유리)를 사용하여 전기 전도성 리드(300)에 조임 완화를 제공한다.
도 6은 도 5에 도시되어 있는 패킷 프레임(120), 두개의 연료 전지 어레이(125), 전기 전도성 리드(300), 조임 완화 패스너(330), 세라믹 절연체(310), 결 합 물질(350) 그리고 전기 전도성 결합 물질(340)을 포함하고 있는 전력/전류 리드 인출에 대한 개략적인 단면도이다. 전기 전도성 리드(300)은 (i) 전기 전도성 물질(일예로, Ag-Pd 도성합금)을 자기고 있는 전기 전도성 구조(음극 또는 양극고 소통하는 음극 또는 공기 채널측)와, (ii) 조임 완화 패스너(330)과 봉(320)을 사용하는 전기 절연체/스페이서에 결합된다. 조임 완화 패스너(330)은 봉에 부착되며 고정 장비(일예, 너트와 볼트) 또는 결합 접착제(일예로, 도성합금 또는 유리)를 사용하여 전기 전도성 리드(300)에 조임 완화를 제공한다.
도 6을 참조하면, 일실시예에서 전기 전도성 리드(300)은 밀봉(60)을 걸쳐 연로 전지 어레이(125)의 부분까지 확장되어 있는 전기 전도성 구조에 결합되어 있다. 이것은 또한 전기 결합과 물질(340)에 추가적인 기계적인 안정성을 제공한다. 선택적으로, 전기 전도성 리드(300)은 연료 전기 어레이(125)의 밀봉(60) 영역에서 멀리 떨어져 있는 전기 전도성 구조에 결합되어 있다. 선택적으로, 봉(320)은 전도성 물질(일예로, 스테인리스 스틸 또는 Ag)로 만들어지며 그 결과 전기 리드(300)은 전기적으로 공통단자가 된다.
본 발명은 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정되고 변경될 수 있음이 당업자에게 명백하다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위와 그 균등물의 범위 안에서 발명의 수정예와 변경예를 포함하고자 한다.

Claims (7)

  1. (ⅰ) 각각이 (a) 프레임과 (b) 2개의 평면 전해질-지지 연료 전지 어레이를 포함하며, 하나의 상기 연료 전지 어레이의 양극측이 다른 상기 연료 전지 어레이의 양극측과 마주보고 있도록 상기 어레이들이 배열되어 있으며, 상기 프레임이 상기 어레이들과 연계되어 연료 챔버를 형성하는 복수의 연료 전지 패킷;
    (ⅱ) 상기 패킷들을 에워싸서 상기 복수의 패킷이 복수의 산화물 챔버를 형성하도록 하는 주외장;
    (ⅲ) 상기 주외장과 연계하여 상기 복수의 산화물 챔버를 형성하는 제거가능한 연소 억제 플레이트;
    (ⅳ) 상기 산화물 챔버들의 일측에 연결되어 있는 입구 산화물 난연 다기관;
    (ⅴ) 상기 산화물 챔버들의 다른측에 연결되어 있는 출구 산화물 난연 다기관;
    (ⅵ) 상기 연료 챔버의 일측에 연결되어 있는 입구 연료 다기관; 및
    (ⅶ) 상기 연료 챔버의 다른측에 연결되어 있는 출구 연료 다기관을 포함하여 이루어진 연료 전지 적층 조립체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 연료 전지 어레이들은 45㎛보다 작은 두께의 전해질 두께를 가지고 있는 전해질 지지 연료 전지 어레이인 것을 특징으로 하는 연료 전 지 적층 조립체.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 프레임은 금속 프레임인 것을 특징으로 하는 연료 전지 적층 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임은 세라믹 프레임인 것을 특징으로 하는 연료 전지 적층 조립체.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 주외장은 금속 합금으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 적층 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 패킷은 상기 입구 산화물 난연 다기관과 상기 출구 산화물 난연 다기관에 연결되어 있어 산화물은 입구 산화물 난연 다기관에서 상기 패킷들을 거쳐 상기 출구 산화물 난연 다기관으로 유동하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 적층 조립체.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 패킷들은 상기 연료 전지 어레이들에 전기적으로 접속되어 있고 상기 연료 전지 어레이 프레임 부재로부터 전기적으로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 적층 조립체.
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