KR20080110654A - 대체 가능한 스택 및 패킷 모듈을 구비한 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리 - Google Patents

대체 가능한 스택 및 패킷 모듈을 구비한 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리 Download PDF

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토마스 디 케참
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은, 연료 셀 스택 내에서 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법으로서, (i) 연료 셀 스택의 전력을 낮추는 단계; (ii) 연료 셀 패킷 모듈을 외부 전력 로드로부터 전기적으로 접속 해제하는 단계; (iii) 연료 셀 패킷 모듈을 연료 셀 스택으로부터 기계적으로 접속 해제하는 단계; 및 (iv) 상기 연료 셀 패킷 모듈을 스택으로부터 제거하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법을 제공한다.
Figure P1020087026315
셀, 합금, 절연부, 패킷, 연료 가스, 애노드, 어셈블리.

Description

대체 가능한 스택 및 패킷 모듈을 구비한 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리{SOLID OXIDE FUEL CELL ASSEMBLY WITH REPLACEABLE STACK AND PACKET MODULES}
본 출원은, 참조로 그 내용이 본 명세서에 통합된 Badding et al 등에 의한, "솔리드 옥사이드 연료 셀용 패킷 설계"로 명명된 2001년 11월 21일 출원된 US 임시 출원 번호 제60/332,521호 및 "솔리드 옥사이드 연료 셀 스택 및 패킷 설계"로 명명된 2002년 8월 27일 출원된 미국 출원 번호 제60/406,518호를 우선권으로 하며, 그 장점을 청구하는 2002년 10월 21일 출원된 미국 출원 번호 제10/277,563호로부터의 CIP이다.
본 발명은, 솔리드 옥사이드 연료 셀(SOFC)에 관한 것으로, 특히 전력 생성 엘리먼트가 하나 또는 복수의 대체 가능한 자체 패킷을 구비하며, 이 패킷이 패킷 내부에 가스 연료를 도입하기 위한 수단에 접속되는 SOFC의 설계에 관한 것이다.
다수의 관형 SOFC의 설계가 공지되어 있다. 이들은, Siemens AG에 의해 제안된 바와 같은 길고/길거나 평탄한 튜브 설계, 미츠비스 코포레이션에 의해 채용된 바와 같은 전압 구축 어레이를 형성하기 위해서 밴드 스트립을 구비하는 지르코니아 튜브(zirconia tubes) 및 Rolls-Rouce PLC에 의해 제안된 바와 같은 다중 셀 평탄화 튜브 설계를 포함한다.
또한, 평판 전해질을 사용하는 다양한 SOFC 설계가 공지되어 있다. 전형적으로, 이들은 플레이트 각각을 위해, 두께 (0.10mm)의 전해질 플레이트와 단일의 애노드 및 캐소드 전극을 채용하고 있다. 통상, 반복하는 셀 유닛은, 공기/연료 세퍼레이터 플레이트로서 기능하는 대규모 전류 콜렉터를 포함한다. 각 셀의 애노드는 다음 셀의 캐소드와 대면하고, 세퍼레이터 플레이트는 가스 연료와 공기가 혼합되지 않게 한다.
보다 새로운 평면 설계는, 대략 5-50마이크론 두께의 보다 얇은 전해질층을 지지하는 0.3-1마이크론 두께의 두꺼운 애노드 지지 플레이트와 통합되는데, 보다 양호한 단일 셀 성능을 제공한다. 또한, 이들은 대규모 전류 콜렉터-공기/연료 세퍼레이터 플레이트를 포함하는 반복하는 셀 유닛을 사용한다. 다시, 애노드는 다음 셀의 캐소드와 대면하고, 세퍼레이터/상호 접속 플레이트는 가스 연료와 공기가 혼합되지 않게 한다. 이들 및 그 밖의 솔리드 옥사이드 연료 셀 및 매니폴드 설계의 검토를 위해서, Minh, N.Q., "세라믹 연료 셀(Ceramic Fuel Cells)", J. Am. Ceram. Soc, 76, 563-588(1993)이 참조된다.
최근의 발전은, 얇은 세라믹 전해질 시트와 통합하는 연료 셀 스택 설계를 포함한다. 예로서, 미국 특허 번호 제5,273,837호는, 채널 구조를 형성하기 위해서 결합된 얇은, 가요성 세라믹 물질의 주름 시트를 구비하는 연료 셀 스택 설계를 개시한다. 금속, 세라믹 또는 서멧 도전체가 이들 가요성 시트에 직접 접착되고, 애노드 및 캐소드 구조와 인접하여 대면하는 다수의 시트가 연료 셀 스택 내에 배치된다. 가요성 전해질에 근거한 그 밖의 설계는 미국 특허 번호 제6,045,935호에 개시되어 있는데, 전해질이 비 평면 구성으로 제공되어, 열 사이클링 및 열 효과에 대한 어셈블리의 기계적인 내구성을 개선시키고 있다.
바디 내의 급격한 온도 변화 및 온도 구배에 기인하는 세라믹 바디의 파손은, 세라믹 물질에 대한 중요한 실패 모드이다. 따라서, 심각한 열 쇼크 환경에서 사용하기 위한 세라믹 제품은, 스트레스를 회피하기 위해서, 낮은 열팽창 계수로 제작되고 있다. 충분한 강도를 갖는 얇은 세라믹 시트는, 버클링(buckling)으로 열 쇼크를 경감시킬 수 있다. 주름의 얇은 세라믹 시트는 주름 패턴을 통해서 버클링을 제어할 수 있다.
미국 특허 번호 제5,519,191호는, 유체 히터 및 그 밖의 열 쇼크 저항 구조로서, 얇은, 주름의 세라믹 구조의 사용을 개시하고 있다. 이들은, 적합하게는, 미국 특허 번호 제5,089,455호에 개시된 것과 같은 가요성의 얇은 세라믹으로 형성되는데, 연료 셀에 대한 전해질로서 사용되는 것도 유용하다. 평면내 내변형(strain tolerance)을 위한 세라믹 시트의 주름이, 유럽 특허 출원 제EP1113518호에 개시된다.
SOFC시스템의 대규모 파손 비용은, 진전된 코어 아이템, 예를 들면 셀 자체의 효과적인 동작을 위해 요구되는 광대한 주변 또는 지지 시스템에 존재하게 된다. 전형적으로, 연료 셀 스택의 비용은, 일부 스택 비용만을 구성하는 액티브 셀 자체와 함께, 시스템 비용의 50%에 육박할 수 있다. 대부분의 스택 비용은, 절연, 파이핑, 플레이트 등과 같은 비액티브 셀 컴포넌트에 기인한다. 경제적인 측면에서, 셀은, 비액티브 셀 컴포넌트의 상당한 "오버 헤드"를 수반하고 있다.
전형적인 평면 SOFC 설계에 있어서, 개별적인 셀 플레이트가 실패하면, 스택 내에서의 셀과 바이폴라 상호 접속 사이의 상호 접속의 영구적인 특성에 기인해서, 셀 플레이트의 대체가 어렵게 된다. 그러므로, 셀 플레이트와 연관된 비셀 컴포넌트의 중복으로 이루어지는 전체 서브 스택은 정상적으로는 대체되어야 한다. 비셀 컴포넌트의 최소 교환만으로, 셀 포함 패킷 자체가 대체될 수 있는 연료 셀 스택 설계는, 충분히 경제적인 장점을 제공하게 된다.
평면 SOFC를 위한 스택 설계는, 다양하고 상호 접속된 방안을 포함한다. Siemens AG, Munich, DE에 의한 최근의 설계에 있어서는, 어레이 내의 다수의 분리 셀 각각이 프레임 내에서 분리 윈도우에 첨부되어, 병렬로 동작한다. 프레임은 옥사이드-분배-강화의 "플랜시(Plansee)" Cr-Fe 합금(Metallwerke Plansee, Reutte, AT로부터의 크롬-철-이트리아(yttria) 합금)으로 형성되며, 이 합금은 셀 상호 접속에 사용되어, 바이폴라 셀 설계(Blum et al, Solid Oxide Fuel Cells IV, pg 163, 1995)에 있어서, 지르코니아-기반의 솔리드 옥사이드 연료 셀을 프레이밍(framing)하고, 공기와 연료를 분리한다. 프레임에 대한 셀의 밀봉은, 몇몇 연료 셀 스택 설계에서 금속 프레임 및 Tokyo Gas Co., Ltd., Tokyo, JP(Yasuda et al, Fuel Cells-Powering the 21st Century, Fuel cell seminar, October 2000, Portland, OR, Courtesy Associates (Washington, DC), p. 574)로부터의 상호 접속과 통합되는 유리 밀봉 물질로 달성된다.
개시된 바와 같은 본딩 접근을 사용하는 평면 솔리드 옥사이드 연료 셀의 어셈블리는, 세라믹 전해질이 적합한 열팽창을 갖는 지지 프레임에 기반하는 것을 요 구한다. 3mole%-이트리아(yttria)-부분적으로-안정화된 지르코니아(zirconia) 합성물은, 25-750℃의 온도 범위에서, 대략 11.0ppm/℃의 평균 선형 열팽창 계수(CTE)를 갖는다. 요구 CTE와 함께, 750℃의 높은 온도를 사용하는 물질은 드물다. 대표적인 크롬-철 및 Cr-Ni 합금 모두는, 상호 접속 및 프레이밍 물질로, 연료 셀 장치의 종래 기술에 있어서 사용이 공지되어 있다. 이들 합금 패밀리는, 상기된 플랜시 합금뿐 아니라, 타입 466 고(high) 크롬 스테인리스 스틸(Piron et. al., Solid Oxide Fuel Cells VII (2001). p. 811), 10-12ppm/℃의 평균 CTE를 갖는 페라이트 스테인리스스틸도 포함한다(Metals Handbook (1948). 예로서, 타입 430 스테인리스 스틸은 14-18% Cr, 나머지 Fe, 대략 11.2ppm/℃의 보고된 CTE, 대략 815℃의 최대 사용 온도를 포함하고, 타입 446 스테인리스 스틸은 23-27% Cr, 나머지 Fe, 대략 11.0ppm/℃의 보고된 CTE, 대략 1100℃의 최대 사용 온도를 포함한다. Plansee 합금은, 거의 11.0ppm/℃의 CTE를 갖지만, 이트리아 그레인 경계 피닝(yttria grain boundary pinning)에 기인하여, 보다 높은 온도를 사용한다.
연료 셀에 있어서, 크롬 스틸 합금의 한가지 단점은, 크롬이 연료 셀의 전극에 대해서 "포이즌(poison: 독)"으로 작용하는 경향이다. 연료 셀 내의 셀 동작 온도에서, 크롬이 대기와 반응하여, 전극에 증착하는 휘발성 종(species)을 형성하는 것은 널리 공지되어 있다. 이러한 증착은, 연료 셀 캐소드의 포이즈닝으로 귀결되어, 셀의 성능을 감소시키고, 궁극적으로 파손되게 한다. 이 문제에 대해서 제안된 해결책은, LaCrO3 커버층이나 과잉 La2O3를 La0.9Sr0.1Mn03 캐소드 층에 게 터(getter) 물질로서 인가하는 것을 포함한다(Miyake et al, Solid Oxide Fuel Cells (1995), p. 100).
크롬 이슈에 추가해서, 700-750℃ 연료 동작 범위에서의 "시그마(sigma)" 포메이션이 가능한 고 크롬 페라이트 스테인리스 스틸의 장기간의 안정성에 대한 관심이 있다. 시그마는, 기저 합금 합성에 의존하는 가변하는 Fe/Cr 비의 FeCr 위상이다. 관심 합금에 대해서, 전형적인 시그마 합성은, 대략 50% Cr 및 50% Fe이다. 시그마 포메이션의 전체 온도 범위는 매우 넓으며, 예를 들면 565-980℃이지만, 700-810℃에서 가장 빠르다. 위상 용해(phase dissolution)가 어닐링에 의해 수행될 수 있음에도 불구하고, 이들 온도 범위에서 시그마가 열역학적으로 안정한 위상이기 때문에, 포메이션이 일어난다.
특성에 대한 시그마 포메이션의 중요한 충격은, 연성(ductility)과 경성(toughness)의 감소이다. 이 연성의 감소는, 낮은 온도에서 가장 현저해진다. 동작 온도와 실온 사이의 연료 셀의 열 사이클링은, 자유 이동에 대한 소정의 제한이 일어나면, 금속 지지 구조의 크래킹으로 귀결될 수 있다. 또한, 시그마 포메이션은, Cr의 벌크 금속을 고갈시킴으로써, 합금의 부식 저항을 감소시키며, 기저 금속의 합성에 있어서 변화로 규결되어, 열팽창에 충격을 주게 된다. 불행하게도, 즉시 이용할 수 있는 계괄적인 금속은, 본 명세서에서 논의된 것과 다른 25-750℃의 온도 범위에 걸친 안정적인 지코니아 전해질 물질에 가까운 CTE 값을 갖는 매우 소수의 금속이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 연료 셀 스택 내에서 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법으로서, (i) 연료 셀 스택의 전력을 낮추는 단계와, (ii) 연료 셀 패킷 모듈을 외부 전력 로드로부터 전기적으로 접속 해제하는 단계와, (iii) 연료 셀 패킷 모듈을 연료 셀 스택으로부터 기계적으로 접속 해제하는 단계와, (iv) 상기 연료 셀 패킷 모듈을 스택으로부터 제거하는 단계를 구비한다. 바람직하게는, 연료 셀 스택 내에서 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법은, 제거된 연료 셀 패킷 모듈에 대응하는 위치 내에 새로운 연료 셀 패킷 모듈을 삽입하고, 나머지 스택에 새로운 연료 셀 패킷 모듈을 기계적으로 접속하며, 외부 전력 로드에 연료 셀 패킷 모듈을 전기적으로 접속하고, 연료 셀 스택의 전력을 높이는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 연료 셀 스택 내에서 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법으로서, (i) 어느 연료 셀 모듈이 대체되는 지를 결정하기 위해서, 인디케이터를 사용하는 단계와, (ii) 나머지 연료 셀 스택으로부터 상기 연료 셀 패킷의 접속을 해제하는 단계와, (iii) 나머지 연료 셀 스택으로부터 상기 연료 셀 모듈을 제거하는 단계와, (iv) 이 연료 셀 모듈을 다른 연료 셀 모듈로 대체하는 단계를 구비한다. 일 실시형태에 따르면, 상기 연료 셀 스택은 연료 셀 시스템 내에 존재하는 복수의 스택 중 하나이고, 적어도 하나의 다른 연료 셀 스택이 동작하는 동안 하나의 연료 셀 스택 내에서 패킷 대체가 수행된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료 셀 시스템을 수리하는 방법으로서, 상기 연료 셀 시스템이 복수의 연료 셀 스택을 포함하고, 상기 방법이, 연속적인 연료 셀 시스템 동작을 제공하기 위해서, 적어도 하나의 다른 연료 셀 스택이 동작하는 동안, 수리를 위해 적어도 하나의 연료 셀 스택의 전력을 내리는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, a) 하나 이상의 솔리드 옥사이드 시트 섹션에 의해 적어도 부분적으로 형성된 둘러싸인 내부를 갖는 제거 가능한 패킷 모듈과, b) 둘러싸인 내부 내에 배치되어, 솔리드 옥사이드 시트 섹션의 내부 표면 상에 지지되는 적어도 하나의 애노드와, c) 일반적으로 내부 표면 상의 적어도 하나의 애노드와 대향하는 위치에서, 컴플라이언트 솔리드 옥사이트 시트 섹션의 외부 표면 상에 지지되는 적어도 하나의 캐소드와, d) 연료 가스를 둘러싸인 내부로 공급하는 연료 전달 어셈블리와, e) 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리로부터 전류를 끌어내기 위해서, 애노드와 캐소드에 접속된 적어도 하나의 전기 도전체를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리를 제공한다.
본 발명은 도면을 참조로 상세히 이해될 수 있다.
도 1-1b는 본 발명에 따라 제공된 SOFC 패킷의 개략적인 평면도 및 측단면도,
도 2-2b는 본 발명에 따른 프레이밍된 SOFC 연료 패킷의 개략적인 평면도 및 측단면도,
도 3은 도 2-2b의 기본 패킷 설계에 근거한 프레이밍된 SOFC 패킷의 전개도,
도 4는 패킷 어셈블리의 밀봉된 엘리먼트의 전개도,
도 5는 도 4의 패킷 어셈블리의 사시도,
도 6은 도 5에 나타낸 바와 같은 패킷 어셈블리와 통합되는 연료 셀 패킷 스택의 사시도,
도 7은 조립된 연료 셀 패킷 스택의 도면,
도 8은 연료 패킷 프레임의 사시도,
도 9는 패킷 어셈블리를 위한 공기 프레임의 사시도,
도 10은 연료 패킷 어셈블리의 연료 챔버를 통한 가스 흐름 속도의 플롯,
도 11은 연료 패킷에 의해 지지된 제1프레임의 밀봉부의 개략적인 도면,
도 12는 연료 패킷에 의해 지지된 제2프레임의 밀봉부의 개략적인 도면,
도 13은 연료 패킷 어셈블리로부터의 전력 출력의 플롯,
도 14-14c는 스탬핑된 프레임 패킷 어셈블리의 개략적인 도면,
도 15는 대안적으로 스탬핑된 프레임 패킷 어셈블리의 개략적인 도면,
도 16a 및 16b는 제거 가능한 연료 셀 패킷 모듈을 포함하는 연료 셀 스택의 제2실시형태를 나타낸 도면,
도 17은 도 16a 및 16b의 연료 셀 스택의 개략적인 단면도,
도 18 및 18b는 도 16a, 도 16b, 도 17의 연료 셀 스택에서 사용되는 연료 셀 모듈,
도 19는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 튜브(517, 517B)가 어떻게 튜브(517A', 517B') 내측에 고정되는 지를 개략적으로 나타낸 도면,
도 20은 튜브(517, 517B)를 튜브(517A', 517B')에 접속하는 대안적인 방법을 나타낸 도면,
도 21은 튜브(517, 517B)를 튜브(517A', 517B')에 접속하는 다른 대안적인 방법을 나타낸 도면,
도 22a, 도 22b는 일례의 전력/전력 테이크오프(takeoff) 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면,
도 23a는 절연된 연료 셀 스택을 나타낸 도면,
도 23b는 복수의 연료 셀 스택을 사용하는 연료 셀 시스템을 개략적으로 나타낸 도면,
도 24는 본 발명의 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면,
도 25 및 도 26은, 도 24의 실시형태의 연료 분배 챔버를 형성하는 일례의 하우징을 개략적으로 나타낸 도면,
도 27은, 도 24 및 도 25에 나타낸 것과 다른 전기적 접속 방안을 사용하는 대안적인 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면,
도 28은 대체 가능한 다중-셀 시트 장치를 사용하는 대안적인 실시형태의 개략적인 도면,
도 29 및 도 30은, 본 발명의 2개의 추가적인 실시형태를 나타낸 도면이다.
본 발명은, 바람직하게는, 컴플라이언트(compliant) 전해질 시트에 근거한 SOFC를 위한 새로운 설계를 제공한다. 이들 설계는, 고 전력 밀도 및 개선된 설계 유연성을 제공하며, 후자는 모듈화 조립 방식의 접근으로부터 달성된다. 본 발명 의 SOFC 설계에 있어서, 셀의 전력 섹션의 기본 빌딩 블록은, 연료-공급의 대체 간능한 "패킷" 또는 패킷 모듈이다. 이들 패킷 모듈은 하나, 2개 및 4개 이상의 솔리드 옥사이드 시트로 형성된 전력-생성의 어셈블리이다. 패킷이 단지 하나 또는 2개의 솔리드 옥사이드 시트를 갖는다면, 연료 셀용의 애노드는 패킷 내부에 놓여지는데, 어셈블리용의 전해질 층으로서 사용되는 솔리드 옥사이드 시트에 의해 추가적으로 지지된다. 그 다음, 연료 셀 캐소드는, 패킷의 외측에 놓이며, 일반적으로 옥사이드 시트의 외부 표면 상의 애노드에 대향하는 위치에서 지지된다. 어셈블리 내의 각각의 패킷은, 가스 연료를 SOFC 어셈블리에 도입하기 위한 연료 매니폴드로부터의 연료 도관에 접속된다. 전형적으로 "2개의 시트" 패킷 모듈이 다른 패킷 모듈과 통합되어 조립(또는 다른 패킷 모듈에 밀봉)될 수 있으므로, 4개의 솔리드 옥사이드 연료 셀 장치를 갖는 패킷을 형성하며, 2개의 연료 내부와 1개의 옥시던트(산화제) 내부를 갖게 된다. 이러한, 1, 2, 4 장치 패킷 모듈은 제거 가능하고 대체 가능하다.
각각의 패킷 내에 통합된 전해질 시트는 다중 캐소드 및 애노드 섹션을 지지하여, 각각의 시트 상에 다중 전류 생성 셀을 형성하게 된다. 바람직한 실시형태에 있어서, 각각의 전해질 시트의 각각의 측면 상에 나란이 놓인 애노드 및 캐소드 섹션은, 시트 상에서 다른 셀과 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결된 좁은 전류-생성 셀의 어레이를 형성하는 좁은 병렬 전극 또는 스트립 전극의 어레이로서 배열된다. 이들 어레이의 셀 및 시트 조합은, 다중-셀-시트(솔리드 옥사이드 연료 셀) 장치로 불리며, 본 발명의 연료 패킷의 다른 설계 엘리먼트와의 효과적인 협동을 보장하는데 적합하다.
다중 쌍의 전극과 통합되는 패킷 어셈블리의 전압 및 전류 캐패시티(capacity)를 구축하기 위해서, 각각의 시트 섹션 상에서 애노드 및/또는 캐소드 사이의 직렬 또는 병렬 접속을 제공하는 전기적으로 도전성인 상호 접속(interconnects)을 채용하는 것이 유용하다. 예를 들면, 셀 전압을 구축하기 위해서, 솔리드 옥사이드 전해질 시트의 두께를 통한, 소위 비어(via)를 충전 및 교차하는 전기적으로 도전성인 세그먼트(segment)로 형성된, 전기적으로 도전성인 상호 접속이, 전기적으로 직렬인 시트 상의 애노드-캐소드 쌍을 링크할 수 있다.
솔리드 옥사이드 연료 셀용의 전력-생성 어셈블리는, 상기된 바와 같은 패킷 모듈에 근거한다. 패킷 모듈은, 바람직하게는 하나 이상의 컴플라이언트 솔리드 옥사이드 시트 섹션에 의해 적어도 부분적으로 형성된 적어도 하나인, 그리고 바람직하게는 하나만인 둘러싸인 내부를 갖는다.
어셈블리로부터의 전력은, 둘러싸인 내부 내에 배치되어, 컴플라이언트 솔리드 옥사이드 시트 섹션의 표면을 대면하는 내부 상에서 지지되는 하나 또는 복수의 애노드를 경유해서 생성되며, 하나 또는 복수의 캐소드는 시트 섹션의 대향하는 외부 표면 상에서 지지된다. 캐소드 및 애노드는, 일반적으로, 시트의 대향하는 측면 상에서 서로 대향하는 위치에 위치되며, 전극의 겹침 정도는 패킷 어셈블리의 액티브 전기-생성 영역을 결정한다.
또한, 이들 전력-생성 어셈블리의 부분으로서, 수소와 같은 연료 가스를 패킷의 둘러싸인 내부로 공급하기 위한 연료 전달 도관과 같은 연료 전달 수단이 포 함된다. 또한, 전형적으로, 애노드 및 캐소드에 전기적으로 접속된 전기적으로 도전성인 전류-반송 수단은, 어셈블리로부터 전류를 끌어내기 위해서 구비된다.
상기된 바와 같은 다중 전력-생성 패킷을 통합하는 솔리드 옥사이드 연료 셀(SOFC) 스택 설계는, 축적된 전력-생성 연료 셀 어레이 또는 연료 셀 스택 내에 조립된다. 이들 스택 설계에 있어서, 각각의 패킷 모들은 다중 셀 및 상호 접속을 갖는 2개의 다중-셀-시트 장치(또한, 다중-셀-시트 전력 엘리먼트로 언급됨)를 통합하는 서브-스택을 형성한다. 따라서, 전력-생성 서브-스택은, 실질적인 전압 및 전력을 생성할뿐 아니라, 소정의 다중-셀-시트 전력 엘리먼트 또는 그 지지하는 전기 또는 가스 분배 구조가 전기적으로 실패(파손)되는 경우, 용이하게 대체할 수 있게 한다.
통상적으로, 이러한 연료 셀 스택의 구조는, 각각의 패킷 엘리먼트의 둘러싸인 내부가 단단(rigid)하거나 다소-단단한(semi-rigid) 프레이밍 엘리먼트에 대향하는 다중-셀-시트 전력 엘리먼트를 에지 밀봉함으로써 형성되는 패킷이나 서브 스택을 사용하는 본 발명에 따라, 용이하게 된다. 따라서, 이러한 설계에 있어서, 각각의 서브-스택은 자신의 복수의 전력-생성 애노드 및 캐소드를 지지하고, 각각의 프레이밍 엘리먼트(framing element)는 다중-셀-시트 연료 셀 장치를 물리적으로 지지할뿐 아니라, 축적된 연료 셀 어레이에 있어서, 연료 및 옥시던트 가스의 각각의 서브 스택에 대한 공급 및 배출용의 도관 수단을 정의한다.
이전 접근에 대한 대체 가능한 모듈화 패킷(바람직하게는, 2개의 다중-셀 장치만을 포함한 것) 접근의 장점은, 다수이다. 평판 플레이트 전해질을 채용하는 종래 기술 설계와 비교해서, 연료 가스 공급 및 공기 공급 사이에 세퍼레이터가 필요 없게 된다. 대신, 효과적인 연료-공기 분리가, 전해질 시트 자체와 시트의 양 측면에 전극을 접속하는 도전체를 매개로 한 가스-기밀(gas-tight)에 의해 달성된다. 이 단순성은, 신뢰성을 상당히 증가시키면서, 가스 챔버와 밀봉을 반으로 감소시킨다. 추가적으로, 본 명세서에 기재된 바와 같이 설계된 각각의 패킷은, 개별적으로 테스트 되어, 다중-어셈블리 연료 셀 스택에 통합되기 전에 자체 성능을 결정할 수 있다. 한편, 솔리드 옥사이드 연료 셀로 본 발명의 실시형태가 개시되고 있지만, 본 발명은 다른 타입의 연료 셀에도 사용할 수 있음은 명백하다.
이하, 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 패킷 어셈블리에 통합되는 다중-셀 시트 장치는, 각각의 스택으로부터의 유용한 전력 출력을 달성하기 위해서, 필요에 따라 스케일(scale)될 수 있다. 일반적으로, 10watt를 초과하며, 보다 전형적으로는 25watt를 초과하며, 바람직하게는 50watt 또는 200watt를 초과하는 패킷 출력이 채용되는데, 최대 출력의 보다 높은 전류에 대해서, 20volt 이상의 전압 레벨이 적합하게 된다. 일반적으로, 이들 설계의 패킷은, 650-700℃를 초과하는 온도에서 동작하기 위해서, 다수의 (적어도 5) 열적 사이클 후, 최소로, 이들 레벨의 전력 출력을 유지한다.
유용하게는, 본 발명에 따른 패킷 어셈블리의 구축을 위해서, 다수의 다른 프레임 설계가 채용될 수 있다. 예를 들면, 프레임은 기계 가공된 금속 파트로 구축될 수 있는데, 스탬핑된 금속 프레이밍이 사용될 수 있다. 더욱이, 금속 및/또는 세라믹 물질(유리, 유리-세라믹 및/또는 세라믹)의 조합과 통합되는 라미네이트 된 프레임이나 프레이밍 엘리먼트가, 전해질 시트와 매칭하는 보다 양호한 열팽창 또는 패킷 어셈블리 또는 패킷의 다른 엘리먼트와의 보다 양호한 호환성을 위해 사용될 수 있다.
사용시, 금속 산화 및/또는 연료 셀 오염을 방지하기 위해서, 산화 저항 코팅이 금속 프레이밍 엘리먼트 또는 그 적당한 부분에 적용될 수 있다. 특히, 이러한 코팅은, 셀 내에 지지된 전극에 크롬이 전송되는 것을 지연하거나 방지할 수 있다. 적합한 코팅의 예로서는, 바나듐산염, 니오브산염 및 탄탈산염으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 화합물로 구성되는 코팅을 포함한다. 또한, 니켈 산화물, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, Y 및 Sc와 같은 희토류 산화물, 칼슘 산화물, 바륨 산화물 및/또는 스트론튬 산화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 산화물로 형성된 코팅이 적합하다.
프레이밍 엘리먼트 내의 리세스(recess: 홈)는, 예를 들면 프레임에 전해질 시트 에지를 밀봉하거나, 열 손상으로부터 시트를 보호하기 위해 패킷 구성 내에서 사용되는 필요한 밀봉 물질 또는 선택적인 열 절연 물질을 위한 청결성을 제공하거나 또는 파트를 상호 접속하는 기계 가공된 스택을 위한 청결성을 제공할 수 있다. 프레이밍 엘리먼트 내의 주름 또는 만곡은, 패킷 또는 스택 가열 또는 냉각 동안, 치수 변화를 완충하는데 도움을 줄 수 있다.
프레임 리세스 또는 열 절연 물질의 사용은, 패킷 어셈블리 및 어셈블리 스택 내에서의 열 구배 제어를 위한 효과적인 능동 메커니즘을 구성한다. 전해질 시트가 이러한 리세스의 보다 깊은 레벨로 에지 밀봉되는 다중 리세스 레벨의 사용 은, 매우 효과적이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 연료 챔버 내로 프레임 개구를 향하는 전해질 시트와 프레임 사이에 증가하는 공간을 제공하는 리세스 설계를 갖는 프레임이 사용될 수 있다. 시트와 프레임 사이의 리세스 내에 절연이 사용되는 곳에서, 프레임 개구로부터의 공간이 증가함에 따라, 절연의 두께는 감소될 수 있다.
프레이밍된 패킷 어셈블리 내에서의 열적 스트레스를 제어하기 위한 다른 방법은, 스트레스 컴플라이언스(stress compliance: 응력 순응)를 제공하기 위해서, 프레임 또는 다중-셀 시트 장치 내의 만곡의 사용을 구비한다. 프레임의 경우에 있어서, 프레임과 다중-셀 시트 어셈블리의 전해질 시트 사이에 주름진 금속 섹션을 삽입하는 것이, 바람직할 수 있다. 이들 섹션은, 얇은 프레임의 연장 또는 분리 프레이밍 엘리먼트를 구비할 수 있다. 주름의 사용은, 단축 또는 2축 스트레인 완화 패턴이나, 동심 스트레인 완화 패턴 또는 반경 스트레인 완화 패턴을 제공할 수 있다.
또한, 전해질 시트 및/또는 다중-셀 시트 장치 내에서의 만곡은, 유용하다. 이들 어셈블리에 있어서, 소정의 프레임 물질, 다중-셀 시트 장치 구성, 전해질 시트를 프레임에 에지-밀봉하기 위해 사용된 물질, 에지 밀봉을 위해 사용되는 밀봉 온도, 프레임, 장치 또는 밀봉 물질의 열팽창 계수 및, 이들의 소정의 조합이, 최종 패킷 어셈블리에서의 전해질 시트에 만곡을 부여하기 위해 사용될 수 있다. 바람직하게는, 시트에 부여된 만곡은, 전해질 시트의 중간점으로부터 에지-밀봉된 그 주변까지 측정된 높이 대 길이 비율을 갖게 하는데, 1:600 내지 1:6 또는 대략 50 내지 100마이크론 깊이의 범위에 있게 된다. 만곡은, 전해질 시트의 애노드 측면이나 캐소드 측면을 향할 수 있다. 만곡의 대안으로서, 주름지거나 에지-주름진 전해질 시트가 사용될 수 있다.
패킷 어셈블리(예를 들면, 패킷 모듈)가 결합되어, 연료 셀 설치를 위한 패킷 스택(본 명세서에서는 연료 셀 스택으로도 언급됨)을 형성함에 따라, 스택을 위한 공기 및 연료 가스의 공급을 위한 매니폴딩(manifolding)이 제공되어 진다. 이러한 매니폴딩은, 바람직하게는 프레이밍 어셈블리 내부 또는 외부일 수 있고, 내부 및 외부 공기 및/또는 연료 매니폴딩의 소정의 조합이 사용될 수 있다. 추가적으로, 몇몇 설계를 위해서는, 패킷 또는 패킷 스택을 인클루저(enclosure)나 콘테이너로 둘러싸서, 어셈블리를 이탈할 수 있는 소정의 공기 또는 연료 가스를 트랩해서 리사이클링(재생)하는 것이 유용할 수 있다.
공기 및 연료 흐름율 및 압력은, 바람직하게는 스택의 효과적인 동작을 보장하기 위해서 조정될 수 있다. 압력 펄스 또는 흐름 인터럽트로부터의 시스템의 스트레스를 회피하기 위해서, 벨로우즈 또는 그 밖의 압력 펄스 감소 장치가 스택 설계에 포함될 수 있다. 또한, 다중-셀 시트 장치의 에지를 따른 흐름 제어 수단은, 시스템 내에 있어서의 압력 펄스의 효과를 최소화하는데 도움을 줄 수 있다.
다중-셀-시트 설계의 근거한 모듈화 연료 셀 패킷(10)을 위한 기본 구성이, 도 1-1b에 도시되는데, 도 1은 패킷의 평면도이고, 도 1b는 측단면도이다. 나타낸 구성은, 부분적으로 안정화된 지르코니아 전해질 시트(12)에 의해 지지되는 4개의 셀의 셀 시트 설계이며, 셀은 4쌍의 실버/팔라듐 합금 전극(16-16a)을 구비한다. 전해질 시트는, 제2지르코니아 백킹 시트(14)에 대해서 한 에지를 제외한 모든 에지를 따라 에지-밀봉되며, 밀봉은, 통상적인 열-소결 가능한 세라믹 밀봉 합성으로 형성되는 가스-기밀(gas-tight) 밀봉(18)이다.
이 설계에 있어서, 전해질 시트에 부착된 각각의 합금 전극 쌍(16-16a)은, 내부 연료 전극 또는 애노드(16a)와 외부 공기 전극 또는 캐소드(16)를 포함하며, 이들 전극은 시트의 대향하는 측면 상의 대부분 겹치는 위치 내에 있게 된다. 이들 애노드-캐소드 전극 쌍은, 도 1b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 시트의 내부 또는 연료 측면 상의 각각의 애노드의 연장하는 에지로부터 시트의 공기 측면 상에 후속하는 다음의 이어지는 캐소드의 연장하는 에지까지 시트를 가로지르는 전기적으로 도전성인 금속 합금 비어(20)에 의해 직렬로 접속된다.
패킷의 한 에지는, 세라믹 밀봉 합성으로 지르코니아 시트에 부착된 섬유질의 알루미나 매트(24)의 길이로 형성되는 벤팅(venting) 밀봉(22)과 통합된다. 연료 가스를 내부 연료 전극(16a)에 공급하기 위한 수단은, 그 길이를 따라 복수의 가스 전달 개구(26a)를 구비하는 천공된 스틸 전달 튜브를 포함한다. 이 단순화된 구성에 있어서, 패킷은 하나의 다중-셀 시트와만 통합되지만, 지지하는 지르코니아 전해질 시트 상에 내부로 대면하는 애노드와 외부로 대면하는 캐소드를 갖는 제2다중-셀-시트 어셈블리로 지르코니아 백킹 시트가 대체되는 단순하게 구성된 장치가 구축될 수도 있다.
상기된 다중-셀-시트 SOFC 설계의 접근은, 각각의 다중-셀-시트 장치로부터 유용한 전력을 생성하기 위해서 급속히 전압을 구축하는 능력을 포함해서, 중대한 전력-생성의 장점을 갖는다. 예를 들면, 100 전극 쌍을 구비한 시트가 주어지면, 액티브 셀 영역의 0.5W/cm2 및 500cm2의 최대 전력 밀도가 -50V 및 5A에서 250W를 생성할 수 있다. 이 비교적 높은 전력 레벨에서의 전력 출력은, I2R 손실이 최소화 되므로, 예를 들면 비교적 작은 단면의 와이어가 사용될 수 있음을 의미한다.
다중-셀-시트 연료 셀 설계의 특별한 장점은, 상호 접속 구성을 통한 자체 평면에 있어서의 상호 접속 구성의 고유한 스케일 능력(scalability)인데, 이는 큰-액티브-영역 시트의 제작을 단순화시킨다. 이들 큰-영역 시트의 전압-구축 능력은, 각각의 패킷으로부터의 비교적 작은 전력 리드의 사용을 허용하므로, 작은 리드를 갖는 비교적 큰 전력 엘리먼트가 개별 전력 엘리먼트의 리드만의 사이에서의 접속을 통해, 큰 연료 셀 스택 내에 통합될 수 있게 된다. 중대한 구조적인 접속이 패킷 전력 엘리먼트의 상호 접속에 대해 요구되지 않으므로, 이들은 적합한 설계와 함께, 근복적으로 "스탠드-어론(stand-alone)" 전력 소스로서 처리될 수 있으며, 물리적으로 분리되는 것이 용이하며, 따라서 연료 셀 스택으로부터 개별 전력 엘리먼트를 제거하거나 대체하는 것이 용이하게 된다.
상기된 바와 같이, 모듈화 SOFC 스택 구성은, 적합한 가스, 금속, 합성물 또는 그 밖의 밀봉에 의해 기계적으로 지지하는, 예를 들면 단단하거나 다소-단단한 프레이밍 멤버에 탑재된 대향하는 다중-셀-시트 장치로 이루어지는 에지-밀봉 또는 근접-에지 밀봉된 패킷을 사용하여 단순화된다. 이러한 프레임은, 패킷 캐소드에 대한 공기의 액세스를 용이하게 하기 위해서, 공기 챔버링(air chambering)을 위한 패킷 사이의 개방 공간을 제공할 수 있다. 바람직하게는, 프레임은, 가스를 패킷의 내부 및 외부 표면에 공급하기 위한 연료 및/또는 공기 도관을 수용하기 위해서, 적합한 밀봉을 갖는 내부 매니폴딩을 포함할 수도 있다. 따라서, 프레임 내의 채널은, 연료 셀 스택 내의 다수의 프레이밍된 패킷 사이에 가스 매니폴드 상호 접속을 제공하기에 충분한 단순한 외부 매니폴딩으로, 튜브 및 그 밖의 도관 수단을 통해서 수소-함유 연료 가스의 패킷에 대한 도입 및 배출을 용이하게 할 수 있다. 다시, 이는, 몇몇 경우에는 전체 스택을 공급하는 단일의 연료, 공기 및 배출 라인을 갖는 소정의 미리 결정된 사이즈 및 전력 출력의 큰 내부적으로 매니폴드된 SOFC 스택으로의 전력 생성 패킷 어셈블리의 조립을 용이하게 한다.
이러한 어셈블리에 사용될 수 있는 프레이밍된 다중-셀-시트 설계의 도시된 예가 도 2-2b에 개략적으로 도시된다. 특히, 도 2를 참조하면, 내화 페로(ferrous) 금속 합금으로 형성된 프레임 엘리먼트(30)는, 예4의 전극/시트 모듈의 설계 및 구성과 유사한 제1의 10-셀 전극/시트 모듈(32)과, 프레임의 대향하는 측면에 부착된 동일 설계의 제2시트 모듈(32a)을 포함하는 연료 셀 패킷을 위한 지지체로서 사용된다. 각각의 시트는, 외측으로 대면하는 자체의 캐소드 어레이(34)와 프레임 및 부착된 시트에 의해 형성된 연료 챔버(8) 내로 대면하는 자체의 애노드 어레이(34a)와 함께 에지 밀봉(44)을 통해서 프레임에 에지-밀봉된다.
프레이밍 엘리먼트(30)가 공기 도관(36) 및 연료 도관(38-38a)을 구비함에도 불구하고, 이들 도관은, 패킷 어셈블리(시트 및 프레임)에 공기 및 연료를 제공하기 위한, 매니폴드 컴포넌트로서 동작한다. 공기 도관(36)은, 내부적인 측면 포 팅(porting) 없이 프레임 엘리먼트(30)를 가로지르므로, 공기 및 산소 흐름이, 그곳으로의 액세스 없이도, 통과한 연료 챔버(8)에 채널 연결된다. 연료 도관(38-38a)은, 연료 챔버(8)를 통해 다중-셀-시트(32 및 32a) 사이에 연료 가스 흐름을 채널 연결한다. 이 도관 배열에 의해, 도관(38)을 통해 챔버(8)로 진입하는 연료 가스는 화살표 5 방향으로 챔버를 가로지르며, 이 챔버에서 연료 산화가 일어나며, 소모된 연료 부산물은 배출 도관(38a)을 통해서 연료 챔버(8)로부터 배출된다.
도 2-2b에 도시된 바와 같은 프레임-지지된 패킷을 사용하는 패킷 또는 연료 셀 스택의 구축은, 중간 프레임 또는 스페이서에 의해 각각이 다른 패킷과 분리된 프레이밍된 패킷을 간단히 축적할 수 있게 되는데, 이는 각각의 패킷의 양쪽 측면 상에 노출된 캐소드에 대한 공기 또는 산소 액세스를 허용한다. 특히, 산소 또는 그 밖의 옥시던트가 캐소드 표면에 공급되는 곳에서, 세퍼레이터는, 챔버에 옥시던트를 전달하기 위해 제공되는 내부 또는 외부 매니폴드와 함께, 옥시던트 챔버를 형성하기 위해 둘러싸는 "공기" 프레임으로 이루어질 수 있다. 한편, 각각의 패킷은, 인접하는 패킷과의 필요한 분리를 제공하기 위해서, 패킷 프레임의 한쪽 또는 양쪽 표면 상에 통합된, 매니폴드된 공기 프레임 구조를 구비할 수 있다.
상기된 패킷 및 패킷 스택 배열은, 다수의 바람직한 설계 원리를 반영한다. 우선, 다중-셀-시트 연료 셀 어레이를 사용하는 패킷 스택 접근은, 바이폴라 매니폴딩을 요구하지 않는다. 장치 쌍은, 밀봉 물질에 근거한 유리, 유리-세라믹, 금속, 유리-금속 또는 서멧을 사용해서, 서로 밀봉되거나, 프레임 또는 에지 서포트에 밀봉되어, 근본적으로 단단한 밀봉으로 밀봉된 연료 "챔버"를 생성한다. 그러 므로, 본딩된 2개의 장치는, 장치와 2개의 장치 플러스 선택적인 프레임 사이에 놓이는 연료 챔버를 생성한다. 이는, 통상적인 상호 접속 구조 및 부가된 공기/연료 세퍼레이터에 대한 필요를 소멸시킨다.
상기된 바와 같이, 패킷 프레임은, 함께 가스 및 공기 양쪽을 위한 분배 매니폴드를 제공할 수 있는 내부 채널을 수반할 수 있다. 가스는, 분배 채널 내의 오리피스(orifice)가 연료 또는 공기 공동으로의 액세스를 제공하는 것과 함께, 엔드 플레이트에 부착된 내부 또는 외부 순환(plenums)으로부터 이들 분배된 채널로 공급될 수 있다. 따라서, 패킷은 스택 내에 용이하게 조립되고, 테스트나 수리를 위해 용이하게 분해될 수 있으며, 동시에 스택을 통한 공기 및 연료의 분배가 컴포넌트 프레임의 기하 형상에 의해 보장된다.
본 발명의 패킷 및 스택 설계의 다른 형태는, 장치상의 동작 스트레스를 제한하는 중요한 역할을 한다. 이들 장치를 사용하는 과정에서 발생하는 중요 스트레스는, 열적-기계적 및 압력-차이-유도 스트레스를 포함하는데, 특히 열적-기계적 스트레스는 장치의 스타트-업 및 셧-다운 동안 문제가 된다. 열적-기계적 스트레스의 소스는, 열팽창이 패킷 컴포넌트 열적 래그(서멀 매스(thermal mass) 때문에, 프레임이 나머지 장치보다 느리게 가열한다), 장치 동작으로부터의 열 구배 중 어느 하나와 부정합하는 것을 포함한다. 누출은, 바람직하지 않은 연료 연소가 국부적인 핫 스폿이나 일반적인 가열을 생성하는, 열기계적인(thermomechanical) 스트레스의 소스일 수 있다.
장치에 걸친 최대 온도 차이는, 공기 및 연료 가스를 위한 카운터-플로우 분 배 방안을 채용함으로써, 효과적으로 감소될 수 있다. 이 방안은, 패킷의 배출 단부에 대해서, 피크 패킷 온도를 물리적으로 이동시킬 수 있다. 패킷에 걸친 최대 온도 차이의 결과적인 감소는, 매우 좁은 동작 온도 윈도우의 유지를 용이하게 하므로, 셀 성능을 최대화하고, 물질적인 저하를 최소화시킨다. 특히, 이는 과도 온도에서의 셀 동작에 의해 악영향을 받는 실버나 그 밖의 물질과 통합하는 전극 설계에 도움을 준다. 더욱이, 연관 패킷에서의 최대 온도의 회피는, 2축 스트레스를 감소시키는데, 이 2축 스트레스는 기하학적인 설계 측정을 통한, 패킷에 있어서의 다중-셀-시트 전극 어레이의 상기 주름을 제어하기 어렵게 한다.
카운터-플로우 설계의 또 다른 장점은, 멤브레인(membrane)을 가로지르는 산소 부분 압력이 최대인 공기 입구 패킷 단부에서 연료가 결핍되므로, 시트에 걸쳐서 보다 균일한 전기 기계적으로 구동하는 힘을 제공하는 것이다. 또한, 카운터-플로우 설계는, 스택의 입구 및 출구 영역에서의 2가지 기능을 할 수 있으므로, 잠재적으로는 비용이 적게 든다.
이들 장치에서의 열기계적인 스트레스 감소를 위한 다수의 전략 중 하나 임에도 불구하고, 다중-셀-시트 장치의 주름 또는 그 밖의 적합하게 설계된 기하 형태는 스트레스 관리를 위한 중요한 도구로 남게 된다. 그룹으로서, 이들 기하 형상은, 다중-셀 시트의 오일러 버클링(Euler buckling)을 용이하게 하는데 특징을 가질 수 있다. 공지된 바와 같이, 오일러 버클링은, 압축 부하(또는 플레이트의 경우, 평면내 시어(sheer))에 대한 플레이트 또는 빔의 응답으로, 인가된 스트레스를 굽힘 스트레스로 전환한다. 굽힘 반경이 임계 굽힘 반경보다 크면, 플레이트는 파손되지 않고, 전체 스트레스는 효과적으로 감소된다. 전해질 주름에 의해 촉진되는 오일러 버클링은, 평면내 응력이나 압축을 감소시키고, 열적으로 유도된 스트레스가 최대인 프레임의 평면에서 내변형을 증가시키기 때문에, 특히 다중-셀-시트 장치에 있어서의 평면내 스트레스를 감소시키는데 효과적으로 도움을 준다.
자연스럽게는, 이들 장치가 인가된 스트레인(strain)에 대해 전체적으로 자유롭게 되는 것이 선호되지만, 할 수 없으므로, 버클링이 스트레스 완화의 주요 형태인 것을 보장하도록 장치는 압축을 유지하게 된다. 이는, 평판의 주름지지 않은 시트의 버클링이 순수하게 장력 인가된 스트레스를 완화시키지 않기 때문에, 중요하다. 상기된 금속 프레이밍에 근거한 패킷 내의 버클링 및 따라서 시트 압축의 몇몇 수준의 유지는, 프레임에 대한 시트의 본딩이 장치의 최대 동작 온도 또는 바로 위의 온도에서 수행되면 바람직하다. 이 방법에 있어서, 보다 높은 팽창 프레임의 열팽창은, 이러한 온도에서의 셀 동작 동안, 대부분 세라믹인 다중-셀-시트에는 응력이 부가된다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 패킷 구성을 위해 사용된 금속 프레임은, 채용된 전해질의 동일 계수보다 큰 적어도 1.5ppm/℃와 동일하거나 미만인 선형 열팽창 계수를 갖게 된다.
버클링의 몇몇 수준이 유지되는 것을 보장하는 것을 넘어서, 버클링 시트 섹션의 만곡 반경은 최대화되어야 하며, 가능한 곳에서는 복잡한 만곡이 최소화된다. 2차원의 얇은 플레이트의 버클링의 이론이 완전히 개발되지 않음에도 불구하고, 버클링을 제한하거나 높은 주파수의 보다 작은-만곡 버클링 모드를 부가하는 설계 파라미터로서, 예리한 만곡 반경(바람직하게는, 사각형 코너와 같은)이 부가되는 설 계 엘리먼트는 회피되는 것이 선호된다. 한편, 다중-셀-시트 장치와 패킷 프레임 사이의 밀봉 설계를 위한 밀봉 기하 형상 및 프레임 기하 형상 파라미터가, 다중-셀-시트 장치에 버클링 오목부 및 볼록부를 미리 부여하기 위해서 선택될 수 있다. 이들은, 도움을 줄 수 있는 예리한 방향성 변화가 없는 매끄러운 만곡을 추적하는 밀봉 경계의 사용에도 불구하고, 스트레스 감소를 위한 버클링 수단의 유용성 및 예측 가능성을 상당히 개선시킨다.
미국 특허 번호 제6,045,935호는, 솔리드 옥사이드 연료 셀 설계에 있어서, 주름진 세라믹 엘리먼트의 사용에 적용할 수 있는 몇몇 설계 원리 및 몇몇 동일한 기본 설계 원리로부터 이끌어낸 다중-셀-시트 장치를 위한 전류 설계를 개시한다. 일반적으로, 장치가 얇을수록, 스트레스 감소를 위한 버클링 메커니즘은 보다 효과적이 된다. 이는, 부분적으로는, 세라믹 필름과 같은 얇은 플레이트의 굽힘하에서 굽힘 반경을 제한하는 임계적인 틈(flaw)의 사이즈가 두꺼운 플레이트에 대한 것보다 상당히 클 수 있다는 사실에 기인한다. 실제로, 장치의 임계 굽힘 반경을 받아 들일 수 없을 정도로 감소시키지 않고, 전해질 시트를 통한 비교적 큰 라운드의 비어홀(via hole)을 사용할 수 있게 하고, 그들의 지지하는 금속 패킷 프레임에 시트 장치를 본딩하기 위해서, 가요성 밀봉 보다 단단한 밀봉을 사용할 수 있게 하는 것은 다중-셀-시트 장치의 얇은 단면이다. 그럼에도 불구하고, 현제의 이용 가능한 시트 제작 물질에 대해서는, 스트레스 감소의 효과적인 수단으로서의 버클링을 보존하는 것은, 대략 50마이크론을 초과하지 않는 전해질 두께 및 대략 150마이크론을 초과하지 않는 전해질/전극 두께를 일반적으로 요구된다.
상기된 바와 같이, 본 발명에 따른 패킷 프레임의 제작을 위해 선택된 물질은, 바람직하게는 부착된 다중-셀-시트 장치를 약간의 압축으로 위치시키는, 적합한 열팽창 계수로 선택되어야 한다. 이는, 여전히 다양하게 이용 가능한 솔리드 물질 중 하나로부터의, 대안적으로는 혼합된 프레임 합성물뿐 아니라 스탬핑 또는 단조(forging)로 형성된 두껍거나 얇은 프레임-형성 플레이트의 라미네이트를 포함하는 물질의 조합으로부터의 프레임 제작을 허용한다. 적합한 프레임 구성 방법은, 파우더 야금 처리나, 유리 또는 세라믹 프레이밍 멤버의 경우, 용융, 주조, 프레싱, 소결과 같은 통상적인 세라믹 처리 기술를 포함한다. 예를 들면, 프레임에 있어서, 낮은 열 도전성이 괜찮거나 요구되는 경우, 유리, 세라믹 또는 그 밖의 비금속 프레임이나 프레임 컴포넌트가 선택될 수 있다. 금속의 라미네이트로 형성된 프레임 멤버는, (CTE와 같은) 열 특성 또는 (내구성과 같은) 화학적인 성질을 제단하는데 유용하다. 낮은 열 도전성이나 향상된 고온 산화 저항이 요구될 수 있는 곳에서 지르코니아 서포트 및/또는 알루미나 섬유질 매트가 사용될 수 있음에도 불구하고, 현제의 바람직한 프레임은 금속이다.
일반적으로, 스탬핑된 얇은 금속 플레이트는 경제적이고, 3차원 구조(부조)로 형성될 수 있으므로, 가스 도관 및/또는 가스 팽창 챔버가 형성된 프레임의 통합된 부분으로서 플레이트 라미네이션에 사용될 수 있다. 추가적으로, 플레이트의 부조는 열교환을 위한 구조 또는 정확한 선회뿐아니라 가스 흐름을 위한 구조를 형성할 수 있다.
얇은 낮은 서멀 매스 프레임의 사용은, 프레임과 장치 사이의 감소된 서멀 래그(thermal lag)와 고속의 전체 시스템 가열의 부가적인 이득을 제공한다. 두껍고 얇은 플레이트, 스탬핑된 컴포넌트, 및 인서트가, 라미네이트된 플레이트로 형성된 입구와 단일 층 플레이트로 형성된 에지 프레임과 같은 다양한 조합에 사용될 수 있다. 프레임 또는 프레임 컴포넌트를 위한 인서트는, 특히 정확한 기하학적인 공차가 필요한 곳에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 가스 입구 오리피스는, 각각의 패킷 내로의 가스의 균일한 흐름을 보장하기 위한 정확한 형성으로부터 이득이 될 수 있다. 또한, 패킷 간의 밀봉은, 인서트로부터 이득이 될 수 있다. 또한, 프레임은, 얇은 주름진 영역과 같은 압력 펄스의 충격을 완화하도록 설계된 컴플라이언트 구조를 포함할 수 있다.
또한, 얇은 스탬핑된 프레임의 사용은, 기계 가공 비용을 최소화시키며, 공간이 금속이 아닌 공기로 충전되는 비용 효과적인 접근일 수 있다. 즉, 절연 및 하우징 비용이 어느 정도 높게 됨에도 불구하고, 상당한 매니폴딩 비용을 발생시키지 않고, 보다 큰 챔버 단면이 채용될 수 있다.
본 명세서에 기재된 바와 같은 스택을 위한 각각의 패킷이, 주로 단일의 다중-셀-시트 장치만을 포함함에도 불구하고, 대안적으로 장치의 다중 쌍이 단일 프레임 멤버와 결합될 수 있다. 가장 전형적으로, 이는 다중 장치를 단일 프레임 내에 구비된 분리의 "윈도우" 내에 밀봉함으로써 달성된다. 바람직하게는, 이러한 패킷 설계를 위한 프레임 멤버는, 프레임 내의 각각의 "윈도우"를 위한 가스 입구와 출구를 위한 분리 매니폴딩이나 피드스루(feedthroughs)를 구비하는데, 다른 경우, 윈도우는 서로 절연된다. 이 모듈화 접근은, 프레임 내에서의 다중-셀-시트 장치 중 하나에서의 크랙이나 그 밖의 물리적인 실패의 경우, 스택 손상의 가능성을 최소화시킨다.
프레이밍 멤버의 구축을 위한 가장 통상적이고 경제적인 금속 합성물 중에는, 니켈 기반의 합금과 페로 합금(ferrous alloy)이 있는데, 열적으로 내구성이 있고, 대략적인 팽창이 연료 셀 전해질 시트에 정합된다. PlanseeTM 합금 및 고 크롬 스틸은 이러한 금속 합금의 대표적인 예이다. 특히, 스테인리스 스틸 합금은, 중간 온도(~800℃ 이하)에서 동작하는 솔리드 옥사이드 연료 셀 스택에 대한 매력적인 구조 물질이다. 예로서, 타입(Type) 430 및 446과 같은 고 크롬 금속 스테인리스 스틸이 있는데, 이들은 매우 안정적인 것으로 증명되고 있다.
물론, 패킷 구성에 사용하기 위해 선택된 프레임 물질은, 원하지 않는 오염물의 소스로서, 스택 동작 온도에 작용하지 않는다: 알카리, 불소 ,크롬 또는 시간에 걸쳐서 장치 성능을 감소할 수 있는 그 밖의 종. 프레임 물질로부터의 크롬에 의한 셀 오염의 잘 알려진 문제는, 니켈-바나듐과 니켈-니오브 옥사이드 프레임 코팅과 같은 조치의 사용을 통해 해결될 수 있는데, 이들은 실질적으로 크롬 포메이션에 대한 타입 420의 스테인리스 스틸 합금의 저항을 개선시킨다. 한편, 실리카-기반의 유리 또는 유리-세라믹 코팅이 크롬을 패시베이트(passivate)하기 위해서 채용될 수 있는데, 이들은, 잠재적으로 휘발성인 크롬 종 보다 실질적으로 덜 휘발성인 패킷의 공기 측면 상에서, 특히 유용하다. 무전해 도금을 통해 증착될 수 있는 니킬-기반의 코팅이, 특히 매력적이며, 니켈-니오브 코팅은 몇몇 적용에 대해서 코팅의 산화에 우수한 것으로 보인다.
패킷 프레임 엘리먼트로서의 라미네이트된 구조의 사용은, 열팽창의 추가적인 장점을 제공하는데, 예를 들면 비교적 넓은 온도 범위에 걸쳐서 다중-셀-시트 장치에 매칭하는 클로즈 열팽창의 장점을 제공한다. 적합한 설계에 따라, 2개(또는 이상)의 금속의 라미네이트가 제작될 수 있는데, 목표 값을 브라캐팅(bracketing)하는 팽창 계수로 금속을 선택함으로써, 바람직한 합성 CTE를 갖게 된다. 또한, 주어진 세트의 금속에 대해서, 금속의 상대 두께는, 라미네이트의 열팽창 계수를 미세 조정하기 위해 변화될 수 있다. 이 설계 옵션의 제한은, 팽창동안 평탄성을 유지하기 위한, 자체 두께의 중심에 대한 라미네이트 스트레스 대칭이다. 이 목적을 위해서, 개별 금속 두께는, 요구되는 프레임 팽창 계수 CTE, 개별 금속의 팽창 계수 및 영률(Young's moduli)에 근거해서 결정된다.
패킷 프레이밍 구조로서 사용될 수 있는 특정한 라미네이트의 예는, 니켈 코어와 Kovar® 합금 표면 층을 구비하는 Kovar® 합금과 니켈의 라미네이트이다. 25-800℃로부터의 온도 범위에 걸쳐서 11.5ppm/℃의 평균 선형 열팽창 계수를 생성하도록 계산된 층 두께로 설계될 때, 목표의 평균 계수가 실질적으로 모든 범위에 걸쳐서 달성되었다. 범위의 하단(450℃ 이하)에서의 약간 낮은 팽창과 상단에서의 약간 높은 팽창은, Kovar®합금의 비선형 팽창에 기여한다. 필요하면, 보다 선형의 열팽창 행동을 갖는 금속 또는 합금을 채용함으로써, 이 성능은 개선될 수 있는 한편, 이러한 라미네이트의 열적 내구성은, 열팽창 행동에 있어서 서로에 보다 밀 접하게 정합된 팽창-브라캐팅 금속의 선택을 통해 개선될 수 있다.
라미네이트된 프레임 엘리먼트의 사용을 따르는 다른 장점은, 라미네이트 외부 층으로서 상당히 불활성인 금속을 사용함으로써, 금속/세라믹 전해질 및 금속/전극 상호 접속을 방지하는 능력을 포함한다. 이러한 층 형성(layering)은, 라미네이트 하층에 의한 셀 오염을 효과적으로 막을 수 있다. 또한, 다중-셀-시트 장치의 개선된 본딩은, 세라믹 밀봉 물질에 대한 향상된 본딩을 제공하는 표면화 층(surfacing layers)의 선택을 통해 용이하게 될 수 있다.
솔리드 옥사이드 연료 셀 설계에서의 밀봉의 중요성은 널리 이해되고 있다. 가장 중요한 것은, 연료 셀의 캐소드 측 "워킹" 영역 내로의 연료의 탈출이 회피됨에도 불구하고, 패킷 내부에서 연료 챔버내로의 공기 누출을 방지하도록 사용되는 밀봉이다. 즉, 연료/애노드 밀봉은, 특히 강건할 필요가 있지만, 공기/캐소드 밀봉은 타이트할 필요가 없으며, 패킷의 공기 측 상의 밀봉이 최소이거가 없게 되는 설계가 고려될 수 있다. 공기/캐소드 밀봉을 위한 간단한 하나의 상기 설계는, 공기로 가압된 밀봉되거나 덜-밀봉된 하우징 내의 스택 어셈블리를 둘러싸므로, 패킷으로부터의 공기의 손실만이 하우징으로부터의 공기 누출을 통해 이루어지 것을 포함한다. 이러한 접근의 부가 이득으로서는, 이런 종류의 인클루저가 스택의 열 관리에 있어서 도움을 주는 역할을 할수도 있는 것이다.
각각의 패킷 내의 애노드 어레이로부터의 공기 배출을 위한 가장 결정적인 밀봉은, 각각의 다중-셀-시트 장치와 장치가 부착된 프레임 구조 사이에 만들어진 것이다. 실제로, 이 밀봉에 인접한 프레임 구조는, 스택 동작 동안 패킷 내에서 전개되는 열 구배로부터 발생하는 밀봉 스트레스를 제어하는 중요한 역할을 한다. 이들 장치의 얇은 세라믹 전해질 시트를 높은 서멀 매스의 프레임에 연결하고 밀봉하기 위해 가장 효과적인 것은, 열전도율 또는 열용량이 열적으로 그레이드된 열 쇼크 저항 조인트 설계이다.
자체로 시트-프레임 밀봉을 형성하기 위한 유용한 물질은, 함께 양립하거나 물리적으로 양립할 수 없는 금속 및 세라믹 물질을 본딩하기 위한 종래 기술에서 공지된 유리, 유리-세라믹, 금속, 유리-금속, 그레이드된 금속 대 유리, 그레이드된 금속 대 세라믹 밀봉 중 소정의 것을 포함할 수 있다. 그런데, 스트레스를 제한하기 위한 밀봉 팽창의 그레이딩 및 기계적인 특성은, 매우 바람직하다. 적합하게 그레이드된 밀봉의 예로서는, 프레임 표면에서의 모든 금속으로부터, 중간 두께의 금속/유리 혼합물로의, 다중-셀-시트 표면에서의 모든 유리로의, 모든 세라믹으로의 또는 모든 유리-세라믹 혼합물로의 그레이드된 밀봉이 있다. Duralco 230 시멘트와 같은 열 경화된 합성 시멘트는, 혼합된 금속/유리 합성의 일례이다.
추가적으로, 조인트 설계 형태는, 다중-셀-시트 장치의 에지에 대한 변형, 셀 시트/프레임 경계의 합성 또는 형상에 대한 변경 및/또는 프레임 자체의 합성에 대한 변경을 포함한다. 시트/프레임 경계에서의 열 구배 제어를 위한 하나의 특별하게 유용한 기술은, 프레임 어셈블리 자체 내로 프레임/시트 조인트를 리세스시키므로, 시트 에지의 온도가 둘러싸는 프레임부의 온도와 밀접하게 정합되게 하는 것이다. 이러한 접근의 예는 도 11 및 도 12에 도시되어 있는데, 각각의 프레임 어셈블리(203 및 203a) 내의 리세스는, 프레이밍 어셈블리의 엘리먼트에 의해 전해질 시트(214 및 215)의 에지의 미리 결정된 폭의 돌출로 귀결된다. 최상의 성능을 위해서, 이 리세스는 평탄 에지부의 전체 폭을 커버하는 충분한 깊이로 되며, 바람직하게는 주름진-전해질-기반의 다중-셀-시트 장치가 사용되는 시트의 부분이 된다.
다른 유용한 밀봉 설계 접근은, 내화 섬유질 매트와 같은 매트 열 절연 물질을 프레임과 시트 사이의 접합에 적용하는 것이다. 주름진 셀 시트의 경우, 일반적으로 절연 커버리지는, 시트의 전체 평판 경계에 걸쳐서, 주름진 시트 섹션 내에도 역시 연장된다. 도 12는 이러한 접합을 개략적으로 도시하고 있는데, 여기서 절연 섬유질 매트, 예를 들면 매트 세그먼트(221)는, 셀 시트(214 및 215)의 노출된 상부 및 하부 에지 표면을 내부 패킷 프레임 멤버(206)뿐 아니라 상부 및 하부 패킷 프레임 멤버(205 및 207)의 내측 에지 표면으로부터 방호하기 위해서 사용된다. 이 절연은, 프레임과 시트 에지 간의 온도 구배를 감소시키고, 합당한 거리에 걸치 주름의 굽힘/폄에 의해 시트 내의 열적 수축이 완화되게 한다.
이들 조인트 보호 전략 모두는, 열적 환경을 그레이딩함으로써, 다른 가열 및 냉각율로부터 발생하는 스트레스 집중을 효과적으로 "라운드(round)" 시키므로, 열팽창/수축 스트레인을 보다 큰 체적에 걸쳐서 퍼트린다. 큰 반경의 라운드된 코너/넉넉한 필렛(fillet)을 사용함으로써, 스트레이스 집중을 촤소화하는 것은, 널리 공지된 공학 원리이다. 예로서는, Robert L. Norton의 "스트레스 집중을 회피하기 위한 설계(Designing to Avoid Stress Concentrations)"가 있고, Machine Design , An Integrated Approach . Section 2, p. 235, Prentice-Hall Inc., Simon & Schuster, Upper Saddle River NJ (1998)은, "예리한 코너를 완전히 회피하고, 다른 도관 표면 사이에 가장 큰 가능 이송 반경을 제공한다(Avoid sharp corners completely and provide the largest possible transition radii between surfaces of different contours.)"고 지시하고 있고, 더욱이 S. Timoshenko and Gleason H. MacCullough in "Elements of Strength of Materials", p. 29, Van Nostrand, New York (1940)은 "...깨지기 쉬운 물질의 경우, 스트레스 집중의 포인트는 커다란 역효과이고, 이러한 곳은 제거되거나 또는 양호한 필렛을 사용함으로써 감소된다. 스트레스를 반전하는데 종속되는 부재에 있어서, 항상 스트레스 집중은, 물질이 전성이 있더라고 이러한 포인트에서 시작하기 쉬운 크랙을 진행시키는 것으로서 관리되어야 한다(in the case of brittle materials, points of stress concentration may have a great weakening effect and such places should be eliminated or the stress concentration reduced by using generous fillets. In members subjected to reversal of stress, the stress concentration must always be considered as progressive cracks are likely to start at such points even if the material is ductile.)"의 내용을 가리키며, 최종적으로 그리고 가장 명료하게는, J. Den Hartog in "Advanced Strength of Materials", p. 48, McGraw-Hill, N.Y. (1952)는, "(코너를 라운드 시키시오)Round Your Corners!"라고 간단히 충고하고 있다. 이 원리는, 본 명세서에 기재된 설계에 직접 적용된다.
현저하게는, 이들 스트레스 감소 전략 모두는, 프레임 및 시트 물질이 양립할 수 있는 열팽창 계수를 가질 때, 가장 효과적으로 동작한다. 후자의 상태는 시트 에지의 부분이 대부분 스트레스 받지 않거나 약간 가압된 프레임 사이의 조인트 내에 실제적으로 매립된 시트 에지의 부분을 허용한다. 설계는, 상당한 인장 스트레스 하에 있는 세라믹 시트 에지가 회피되는 설계이다.
패킷 스택 구성의 다른 중요한 측면은, 인접한 패킷 프레임 사이 또는 패킷 프레임과 패킷 스택을 통한 연료 가스의 분배에 포함된 인접한 공기 프레임 또는 다른 구조 사이의 만족스러운 밀봉을 얻는 것을 포함한다. 특히, 패킷과 공기 프레임 멤버의 어셈블리에 의해 스택 내에 형성된 연속적인 연료 채널의 밀봉은, 중요하다.
이들 금속 프레이밍 멤버 사이의 밀봉은, 인접한 프레임 멤버 사이의 "팽창 밀봉(expansion seals)"의 사용을 포함해서, 다수의 방법으로 만들어질 수 있다. 이러한 밀봉의 특별한 예는, 타입 316 스테인리스 스틸 링 인서트가 타입 446 스테인리스 스틸의 패킷 프레임의 스택 내에서의 인접한 연료 채널 개구 사이에 가교 개구로서 위치되는 것이다. 타입 316 스틸은 타입 446 스테인리스 스틸(11.5ppm/℃)보다 높은 열팽창(18ppm/℃)을 가지므로, 스택 동작 온도 725℃에서, 패킷 프레임의 연료 매니폴드 채널 벽에 대한 링 인서트의 팽창은, 패킷 사이의 가스-기밀 밀봉(gas-tight seal)을 생성시킨다. 이 타입의 밀봉에 있어서, 밀봉 링은 베어 메탈(bare metal)로 형성될 수 있으며 또는, 기밀 밀봉을 보장하기 위해서, 니켈 또는 골드와 같은 내부식성 희귀 금속과 같은 그 밖의 금속으로 코팅될 수 있다.
스택 밀봉의 대안적인 접근은, 세라믹이나 유리 세라믹 물질로 형성되는 유사 밀봉 링의 사용을 포함한다. 이들 물질은, 고온에서의 경과 시간동안 인서트의 일드(yield) 및 크립(creep)이 중요하지 않게 되는 장점을 제공한다. 소정의 경 우, 연료 가스 매니폴드 밀봉 상의 이들 접근 중 하나에 초점을 맞추는 것이, 효과적이고, 비용 효과적이며, 공기/연료 혼합의 유사도 및 가능한 범위가 연료 매니폴드 밀봉의 유용성에 비례하는 방향으로 감소시킨다.
압축 밀봉이 스택 구성의 선택된 방법인 곳에서의 중요한 고려 사항은, 패킷 프레임의 에지 평탄도, 소정의 추가적인 공급 프레임 멤버 및 패킷 밀봉 근방의 다중-셀-시트 에지이다. 소정의 이들 컴포넌트의 평탄도에 있어서의 결함은, 전극 어레이를 지지하는 얇은 전해질 시트에서의 크랙 전개를 증가시킬 수 있다. 충분히 평탄한 프레이밍 멤버를 이용할 수 없으며, 적합한 대안적인 밀봉 접근이 적합한 세라믹 프레임 상의 다중-셀-시트 장치에 탑재되어야 하며, 그 후 프레이밍된 장치를 금속 케이스 내의 슬롯 내로 삽입해야 한다.
본 발명에 따른 연료 셀 스택 내로 배열하기 위해 적합한 특정 프레임 구성 및 프레임 어셈블리의 도면이, 도 3 내지 도 9에 도시된다. 도 3은, 이 설계의 하나 또는 다수의 프레임-지지된 패킷을 연료 셀 스택 내로 매니폴딩하기 위한 프레이밍 어셈블리(40)의 분해된 측면도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 프레이밍 엘리먼트(30)는, 프레이밍 엘리먼트(30)와 전해질 시트(32) 및 에지 밀봉(44)의 어느 측면 상에 어셈블리를 결합하기 위해 위치되는 공기 플레이트(42)를 갖는 전해질 시트(32) 사이에 위치된다. 그 다음, 엔드 플레이트(46)는, 프레이밍 엘리먼트, 전해질 시트 및 공기 플레이트를 통합 어셈블리 내에 결합하기 위해 사용되는데, 통합 어셈블리 내에서, 프레임 도관(46a)은 연료 및 공기를 도입하고, 어셈블리로부터 배출 가스를 배출하기 위한 매니폴딩 수단을 제공한다.
도 4는, 도 5에 나타낸 바와 같은 타입의 다중-셀-시트 패킷 모듈의 기본 컴포넌트의 실제 배율이 아닌 스케일된 분해 사시도인데, 특히 모듈은 연료 셀 스택을 형성하기 위한 동일 설계의 그 밖의 모듈을 갖는 어셈블리에 적용된다. 도 4의 도시에 있어서는, 2개의 다중-셀-시트 장치(101 및 102)가 기계 가공된 연료 패킷 프레임(103)에 인접하여 위치되므로, 다중-셀-시트 장치(101 및 102)가 프레임(103)의 대향하는 면에 밀봉될 때, 프레임 및 시트 장치에 의해 정의된 공간 내의 위치(105)에 연료 챔버가 형성된다. 장치(101 및 102)는, 각 장치의 애노드가 연료 챔버 내로 대면하도록 배향된다.
모듈용의 공기 프레임으로서 사용되는 기계 가공된 플레이트(104)로 이루어지는 추가적인 모듈 컴포넌트는, 조립될 때, 프레임 개구(107)에 의해 정의된 공간 내에서 공기 챔버를 형성한다. 이 챔버 내로 들어가는 공기는, 105에서 연료 챔버로부터 외측으로 대면하는 장치(102)의 표면 상에 배치되는 캐소드를 가로질러 흐른다. 공기 플레이트(104)는, 바람직하게는 패킷 연료 프레임(103)에 영구적으로 본딩되거나 되지 않을 수 있다.
도 5의 모듈(108)로서 나타낸 조립된 패킷 모듈은, 연료 셀 스택을 위한 기본 반복 유닛을 형성한다. 이들 기본 반복 유닛(108)은, 도 6에 나타낸 바와 같이 함께 축적되어, 연료 셀 스택(116)을 형성하는데, 도 6은 이러한 스택의 실재 배율이 아닌 스케일된 분해 사시도이다. 최종 어셈블리에 있어서, 스택은, 엔드 플레이트(111 및 112)를 추가적으로 구비하게 되는데, 이들은 관통-볼트(115)와 같은 수단으로 다수의 모듈(108)을 따라, 단일 어셈블리 내로, 바운드(속박)된다.
적합하게는, 이 스택 내의 패킷을 위한 공기는, 이들 프레임(도 5) 내의 공기 입구(119)를 경유해서 공기 프레임 개구(107)의 공기 챔버 내로 전달되는데, 배출 출구(120)를 통해 배출하는 챔버로부터의 산소-고갈의 배출 가스와 함께 배출된다. 이하 보다 명확히 기술되는, 공기 프레임(104)의 대면하는 표면의 절제된(relieved) 부분은, 가스 교통을 제공하고, 공기 입구/출기(119/120)와 공기 챔버 사이에 공기 팽창 존(챔버)를 형성한다. 유사하게, 연료 가스는, 각각 도관(109 및 110)에 의해 패킷 프레임 개구(105) 내에서의 연료 챔버로 전달되고, 연료 챔버부터 배출되며, 다시 이하 기재된 바와 같이 흘러 팽창된다. 공기 챔버 내로 소정의 연료 가스가 누출되는 것을 방지하기 위해서, 팽창 와셔 A6(도 6 및 도 7)가 스택 내의 인접한 공급 프레임 A4와 연료 패킷 프레임 A3 사이의 상호 접속 연료 도관 A9 및 110에 제공된다.
공기 및 연료 가스는, 순환 챔버로서도 사용할 수 있는, 예를 들면 큰 외부 매니폴드/분배 튜브에 의해 연료 셀 스택의 양쪽 단부에 공급되는데, 순환 챔버에서 입구 가스 압력은, 스택을 통한 적합한 가스 흐름을 보장하기 위해서 연료 및 공기 챔버에 대해 특정된 압력을 충분히 상회하게 된다. 공기 공급은 매니폴드 튜브(114)를 통해 수행되는데, 이로부터 보다 작은 공급 분배 튜브(118; 도 7)가 스택 양 단부의 공기 입구(119)에 접속된다. 도관(120)으로부터의 배출 공기는, 작은 공기 콜렉션 튜브(132) 및 큰 매니폴드 튜브(134)를 통해 퇴거된다.
스택으로의 연료 공급은 매니폴드 튜브(113)를 통해 수행되는데, 이로부터 보다 작은 연료 분배 튜브(도시 생략)가 스택 양 단부의 연료 입구 A9에 접속된다. 연료 배출 도관(110)으로부터 배출된 연료는, 작은 연료 콜렉션 튜브(117: 도 7) 및 큰 매니폴드 튜브(133)를 통해 퇴거된다.
이 경우, 몇몇 매니폴딩이 스택 외부임에도 불구하고, 내부 또는 외부 매니폴딩의 선택은, 스택 설계를 위해 취해진 밀봉 접근뿐 아니라 시스템 비용 고려와 같은 문제에 의존할 수 있다. 도 6 내지 도 9에 나타낸 설계에 있어서, 큰 체적의 외부 매니폴딩은, 바람직하게는, 압력 펄스를 벨로우즈 또는 팽창 챔버와 같은 장치가 압력 펄스를 균일하게 하기 위해서, 추가적으로 또는 대안적으로 채용됨에도 불구하고, 공급 압력의 변화(가스 압축성에 기인하는)를 제공하기 위한 상당한 정도의 버퍼링을 추가하기 하기 위해서, 충분한 순환 능력을 제공한다.
도면에 나타낸 설계에 있어서, 내부 연료 및 공기 분배 도관(109-110 및 119-120)은, 패킷 사이의 균일한 분배를 가능하게 하고, 순환 튜브로부터 패킷으로의 압력 강하를 제한할 수 있게 하는 충분한 단면 이상으로 된다. 도 6 내지 도 9에 나타낸 가능한 대안적인 분배 설계는, 추가적인 튜브들과 함께 큰 순환 튜브로부터 각각의 패킷으로 직접 가스를 반송하게 되는데, 이는 매니폴딩을 위한 내부 도관을 제거시키게 된다.
바람직하게는, 스택에서의 연료 및 공기 챔버 내로의 공기 및 연료 가스의 흐름은, 다중-셀-시트 장치의 전체 캐소드 및 애노드 표면을 비교적 균일하게 가로지른다. 각각으로 패킷에 대한 흐름을 규제하고, 충분한 흐름 및 패킷 대 패킷의 균일한 흐름 모두를 보장하기 위해서, 연료 및 공기 도관과 연료 및 공기 챔버 사이의 프레임 내에 팽창 가스 챔버 또는 존을 제공하는 것이 도움이 된다. 이러한 존은, 가스 속도를 감소시키고, 입구 가스의 플로우 필드(flow field)를 넓히는 기능을 할 수 있으므로, 공기 및 연료 챔버를 가로지르는 균일한 분배를 제공하고, 따라서 가스가 챔버로 들어가기 전에 각 장치를 가로지르게 된다. 근본적인 목적은, 스택 내에서 입구-대-출구 및 챔버-대-챔버 압력 강하를 최소화시키고, 비교적 균일한 이송-멤브레인 압력 및 흐름을 제공하므로, 스타트-업 및 셧-다운 시, 예측할 수 있고 제한된 압력 스윙을 수립하게 되는 것이다. 추가적인 목적은, 패킷 내부에서가 아니라 입구 및 출구 오리피스 단면 및 수반하는 팽창 챔버에 의해 가스 압력 및 흐름을 제한하는 것이다. 따라서, 패킷 상의 압력 펄스의 충격은 감소된다.
연료 패킷 프레임을 위한 가스 팽창 존 및 챔버를 위한 하나의 적합한 설계가, 도 4의 프레임(103)의 확대 사시도인 도 8에 도시된다. 그 프레임 설계에 있어서, 팽창 챔버는 프레임 개구(105)를 정의하는 입력 프레임 에지로의 비스킷 컷(125: biscuit cuts)을 구비하는데, 이들 에지는 연료 챔버의 주변 에지로서 작용한다. 제공된 비스킷 컷은, 프레임 에지의 폭으로 충분히 연장되는 깊이를 갖는데, 도관(109) 내의 슬롯 개구(121)의 예와 같이, 이들은 교차하고, 연료 도관(109 및 110)과의 흐름 교통을 제공한다.
채널 그루브(131)는, 프레임에 탑재된 다중-셀-시트 장치에 전류 리드용의 패스(pass)를 제공하는데, 이러한 리드는, 이하 보다 상세히 기재되는 바와 같이, 인서트(inserts) 또는 인케이스먼트(encasements)를 사용해서 적합하게 절연된다. 리세트(130)가, 충분한 깊이를 갖는 패킷 프레임의 내부 에지 주변에 제공되므로, 다중-셀-시트 장치가 프레임 내에 밀봉될 수 있지만, 인접하는 공기 프레임과 접촉하기 위해서, 프레임 표면의 평면 위쪽으로 연장하지 않게 된다. 따라서, 프레임과 겹치는 셀 장치와 함께, 일반적으로, 장치의 에지 또는 근방에 리세스 영역이 만들어진다.
패킷 프레임의 내부 표면은, 균일한 흐름에 영향을 주는 패킷 내에서의 가스 상에 마찰 항력(frictional drag)을 유도할 수 있다. 이는, 과도 바이패스 없이 액티브 영역 내의 흐름 중단을 회피시키기 위해서, 흐름 제한 에지 구조(도 8의 에지 123)가 충분히 다중-셀-시트 장치의 액티브 영역의 외측에 있는 것을 보장함으로써 간단히 해결된다.
공기 프레임으로부터의 개선된 공기 흐름을 위한 가스 팽창 존 또는 챔버가, 도 4의 공기 프레임(104)의 확대 사시도인 도 9에 도시된다. 그 설계에 있어서는, 절제된 부분(128)은 공기 입구 도관(119)을 통한 공기 챔버 내로의 공기 흐름을 균일하게 분배시키는데 도움을 주는 한편, 절제된 부분(129)은 배출 도관(120) 내로의 배출 공기의 콜렉션을 위한 팽창된 존을 제공한다. 이들 패킷 프레임과 공기 프레임 예 모두에 있어서, 팽창 존의 쇄기 또는 "비스킷" 형상은 존으로부터 연료 또는 공기 챔버로의 출구에서의 균일한 흐름을 보장하기 위해서, 충분한 마찰 항력을 부가하게 된다.
상기된 바와 같은 다중 팽창 챔버의 사용은, 설계 유연성을 개선하고, PEM 설계 및 이전의 SOFC 매니폴딩 방안을 위한 통상적인 타입의 복잡한 내부 채널의 요구를 제한한다. 이러한 접근의 유용성은, 도 10에 개략적으로 도시되는데, 도 10 은, 도 8에 나타낸 설계의 도관 및 팽창 챔버로부터 패킷 프레임(103) 내에 연료 챔버(105)를 통해 흐르는 연료 가스를 위한 계산된 플로우 필드의 그레이 스케일 흐름도이다. 또한, 동일한 접근은, 도면의 스택(116) 내에 도시된 바와 같이, 공기-연료 카운터 흐름 가스 공급 배열(패킷의 대향하는 단부로부터 공급된 연료 및 공기)을 용이하게 한다. 이는, 정상적으로 채용된 것보다 매우 큰 SOFC 장치에 대해서도 실용적인 카운터-흐름 설계를 만든다. 따라서, 12cm, 18cm 또는 보다 큰 폭의 다중-셀-시트 장치가, 여기서는 다중 채널 및 챔버가 효과적으로 스케일-업 유용성을 제공하는 스택에 채용될 수 있다.
실질적으로, 연료 셀 동작의 과정에서 발생하는 압력-차이-유도 스트레스에 견디기 위한 필요에 의해, 패킷 및 스택 설계는 조밀해야 한다. 일반적으로, 패킷이나 스택 내에서 전개되는 최대 가스 압력 스트레스를 제한하는 것은, 균일한 가스 흐름 상태와 적합하게 설계된 가스 챔버를 제공함으로써 해결된다. 보다 작은 공간이 연료 또는 옥시던트 가스의 주어진 체적을 위한 보다 높은 가스 속도 및 압력을 포함하는데 있어서, 패킷 내 및 패킷 사이의 시트-대-시트 공간은 중요한 역할을 한다. 또한, 높은 가스 흐름률에서의 압력 차이에 충격을 줄 수 있는 다중-셀-시트 장치 내의 표면 만곡의 존재 또는 부재는 팩토가 된다.
미국 특허 번호 5,273,837호는, 스택 내의 연료 셀 층을 분리하기 위한 주름진 세퍼레이터의 사용을 개시한다. 공간 층과 같은 현제의 스택은, 몇몇 경우에 있어서, 공기 챔버 또는 보다 바람직하게는 연료 챔버 내에서 장점이 될 수 있지만, 일반적으로 요구되지는 않고, 다중-셀 시트 장치 부분에 대한 대량 전송의 부 가된 항력(drag) 및 방해의 단점을 부가적으로 수반한다. 주의 깊은 설계는, 이러한 스택에 있어서의 세퍼레이터의 소정의 필요를 신속하게 제거시킬 수 있다.
도 6 내지 도 11에 나타낸 바와 같은 스택의 동작에 있어서, 스택의 양쪽 단부에서의 연료 순환(113)으로부터의 연료는, 엔드 플레이트(111 및 112)에 부착된 튜브에 의해 스택에 공급된다. 그 다음, 연료는, 공기 프레임 및 연료 패킷을 통해 정렬된 채널에 의해 형성된 분배 채널 내로 통과하는데, 여기서 흐름-제한 오리피스(121), 가스 팽창 챔버(122)를 통과하고, 연료 챔버(105) 내로 진행하여, 다중-셀-시트 장치 상의 애노드 어레이에 공급된다. 부분적으로, 소모된 연료는 연료 챔버를 나가는데, 가스 팽창 존(125)을 통해 프레임 내에 정렬된 채널에 의해 형성된 배출 도관으로 배출된다. 이 방법에 있어서, 모든 패킷으로부터의 배출은 수집되고, 117과 같은 튜브를 경유해서 배출 순환(133) 내로 진행한다.
유사하게, 공기는 공기 순환부(114)를 통해 스택으로 들어가고, 118과 같은 튜브를 통해, 엔드 플레이트를 통해, 공기 프레임 내에 정열된 개구(119)에 의해 형성된 채널 내로 진행한다. 그 다음, 공기는, 오리피스(126) 및 팽창 존(128)을 통과해서, 공기의 산소가 부분적으로 결핍되는 공기 챔버(107)로 진행한다. 그 다음, 결핍된 공기는 가스 콜렉션 존(129 및 127)을 통해 공기 프레임 내에 정렬된 채널(120)에 의해 형성된 배출 채널로 배출되며, 이로부터 엔드 플레이트(132)를 통해 튜브(132)를 경유하여 결핍 공기 순환(134)으로 배출된다.
스탬프되거나 레이저 절단된 프레임 또는 프레임 컴포넌트의 사용은, 이하 기재되는 연료 셀 스택을 위한 패킷 프레임을 제작하기 위한 효과적인 수단이다. 예를 들면, 5개의 얇은 금속 또는 합성 층을 구비하는 라미네이트된 프레임이, 도 8에 나타낸 바와 같은 패킷 연료 프레임을 대체할 수 있는데, 얇은 플레이트는 정렬될 때, 상기된 것과 유사한 도관 구조를 형성하는 천공으로 축적된다. 즉, 천공은, 축적될 때, 모든 플레이트를 통과하는 공기 및 연료 분배 채널을 형성하기 위해 결합된다. 이들 도관에 의해 분배된 연료 및 공기 스트림을 위한 압축 오리피스는, 다중-셀-시트 장치를 수취하여 지지하기 위한 리세스와 프레임에 이들 장치를 탑제하기 위해 사용된 밀봉 물질로서, 제공될 수 있다.
도 11에 존재하는 도 5의 단일 어셈블리에 대한 기능적인 형성이 유사한 라미네이트-프레임된 연료 패킷 어셈블리의 하나의 에지(203)의 개략적인 사시도이다. 이 도면에 있어서, 다중-셀-시트 장치(214 및 215)는 라미네이트된 연료 프레임 서브-어셈블리(205-206-207)에 부착된다. 프레임에 포함된 표면화 플레이트(211 및 212)는, 프레임 표면화 층(205 및 207)에 시트 장치를 밀봉하는 시트 장치와 밀봉(216)을 위한 리세스를 제공한다. 플레이트(205 및 207)는, 납땜, 용융, 용접, 레이저 용접, 유리 또는 세라믹 프릿 또는 기본적으로 단일 구조를 제공하기에 적합한 소정의 다른 수단에 의해 플레이트(211 및 212)에 밀봉될 수 있는데, 205, 206, 207 사이의 밀봉은 프레이밍된 연료 패킷의 요구에 따라 기밀로 된다. 모든 경우에 있어서, 라미네이트된 구조와 함께 본딩되는 밀봉은, 플레이트 사이 또는 플레이트의 에지에 제공될 수 있다.
추가적으로, 플레이트는 이 연료 패킷 서브-어셈블리에 본딩될 수 있는데, 예를 들면 스택으로부터의 개별 어셈블리의 용이한 대체 및 테스트를 용이하게 하 기 위해서 모듈화 반복 설계를 제공한다. 도 11의 패킷 어셈블리(203)에 있어서는, 예를 들면 패킷 서브-어셈블리의 한 측면 상에 공기 챔버를 제공하기 위한 인터그랄 공기 프레임이, 라미네이트된 플레이트(217,218,219)에 의해 형성된다. 이 설계의 유용한 형태는, 207, 212, 및 217의 조합에 의해 형성된 리세스(220)의 존제인데, 여기서 층(217)은, 공기 및 연료 챔버 내의 시트 장치와 이 리세스 내에 위치된 밀봉 사이의 열 구배를 제어하기 위한 돌출 프레임부를 제공한다. 공기 프레임 층의 서멀 매스는, 상기 리세스의 부재시 전개되는 것보다 점진적인 온도 구배를 생성한다.
공기 및 연료 프레임 서브-어셈블리의 상기된 어셈블리는, 소정의 바람직한 사이즈의 연료 셀 스택의 구성을 위한 완전한 구조 및 기능적인 반복 유닛을 형성한다. 이 구성에 있어서, 패킷 어셈블리는 완전한, 자체 포함된 유닛이므로, 큰 스택 구성에서 사용되기 전에, 누설 및 다른 단점에 대한 각각의 어셈블리의 100% 독립적인 검사를 수행하는 것이 실질적이고 바람직하다.
대안적인 라미네이트된 패킷 프레임 어셈블리의 에지 섹션(230a)이, 개략적인 측면도인 도 12에 도시된다. 그 배열에 있어서, 다중-셀-시트 장치(214 및 215)가 밀봉되는 라미네이트된 연료 패킷 프레임은, 층(205-211-206-212-207)을 구비하는데, 리세스는 층(211 및 212)의 두께에 의해 층(206)의 양 측면 상에 형성된다. 그런데, 이 설계에 있어서, 밀봉 영역 내의 열 구배는 각각의 리세스 내에 절연 물질(221)의 세그먼트를 삽입함으로써 더 감소된다. 추가적인 장점은, 이 설계의 밀봉(216)은 패킷 어셈블리의 공기 측면 상에 위치되는 것이다. 이 구성은, 밀 봉 물질이 장기간의 사용에 걸친 애노드 성능에 잠재적인 악영향을 갖게 되는 경우에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료 셀 스택 어셈블리용의 공기 및 연료 패킷 프레임 어셈블리는, 많은 그 밖의 설계에서 이용할 수 있는 것보다 열관리 및 연료 스트림 처리를 위한 옵션의 넓은 어레이를 제공한다. 예를 들면, 스택으로부터의 폐열이, 연료 매니폴드 내로의 또는 근방의 열교환기와 통합됨으로써, 입구 가스를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 열 교환기를 통한 냉각 연료 가스는, 스택 내의 연료 챔버로 도입되기에 앞서 예비 가열된다.
통상적으로, 예를 들면, 연료 가스 개질을 위한 내부 열 교환기 또는 그 밖의 가스 챔버는 프레임 층으로서 금속 스탬핑을 사용하는 것을 통해 공기 또는 패킷 프레임 내에 통합될 수 있다. 예를 들면, 연료 패킷 프레임은, 가스 팽창 챔버와 연료 챔버 사이에 챔버 공간을 제공하는 연장된 입구 섹션을 구비할 수 있는데, 이 챔버 공간은 프레임 표면 상에 지지된 개질 촉매 또는, 증가된 표면 영역, 대량 수송 또는 가스 혼합을 위한 다공질 셀룰라 물질, 울, 펠트 또는 고 표면 영역 하니콤(honeycomb)을 포함하는 촉매를 구비할 수 있다. 유사한 배열은, 부분적인 촉매 산화 개질, 유사-자동-열적 개질 및/또는 스팀 개질을 위한 촉매와 통합될 수 있다. 소정의 흡열 반응을 위한 열이, 카운터-흐름 연료-공기 분배를 특징이 있는 스택 설계에 있어서 가열된 배출 공기에 의해 제공된다. Ni 금속, 귀금속, 페로브스카이트(perovskites) 및, 헥사알루미네이트와 같은 베이스 금속 촉매가 채용될 수 있다.
유사하게, 연료 배출 챔버의 연장은, 입구 공기의 부분적인 예열을 위한 수단을 제공한다. 핀과 같은 구조가, 열 교환을 개선하기 위해 프레임 챔버 또는 도관 내에 제공되거나, 사출된 하니콤 섹션이 그것 내에 탑재될 수 있다.
프레임 도관을 가로지르는 가스를 위한 우회로의 내부 패스를 형성하기 위해서, 프레임 라미네이트를 스탬핑함으로써, 열 교환기가 개선될 수 있다. 이와 같이 형성된 가스 패스는, 다중-셀-시트 장치의 고속의 균일한 가열을 보장하도록, 프레임의 입구 또는 출구 단부나 측면을 따라서 놓일 수 있다. 또한, 예를 들면, 셀룰라 물질, 펠트, 울 또는 사출된 금속 모놀리스와 같은 적합한 물질을 삽입하므로써, 열 교환이, 가스 분배 챔버 내에서 수행될 수도 있다. 매니폴드 피더 튜브(manifold feeder tubes) 또는 호일의 유사한 변경이, 열 교환 및 열 관리를 개선하기 위해 사용될 수 있다.
부분적으로 사용된 연료는, 추가의 내부 배출 챔버에 수집되거나, 대안적으로는 공기로 연소되어 열을 생성하게 된다. 콜렉션 접근은, 폐열 발전/HVAC 적용 또는 결합된 사이클 적용에서 스팀이 채용되는 동안, 몇몇 또는 모든 소모되지 않은 연료 및 스팀의 재생을 가능하게 하는데, 여기서 열 생성은 스팀 설계의 중요한 기능이다. 배출 챔버 또는 도관 표면은, 촉진될 수 있는데, 사용된 연료 열 생성이 최소화될 필요가 있는 오염물의 발산을 감소시키기 위해 코팅된 펠트 또는 하니콤과 같은 촉진된 기질이 채용될 수 있다. 이들 스택의 고전압 콤팩트 특성은, 포터블 전력용의 APU와 같은 모바일 적용에 대해 스택이 이상적이 되게 한다. 얇은, 서멀 매스 다중-셀-시트 장치와 결합된 매스 프레임 컴포넌트의 채용은, 스타트-업 시간이 최소화되어야 하는 이들 적용에 대해서 중요하다.
다중-셀-시트 장치의 구축을 위해 사용된 물질은, 고온 솔리드 옥사이드 연료 셀 제작을 위해 적합한 소정의 공지되거나 확인된 물질 및 포메이션을 포함한다. 그런데, 바람직하게는, 이들 스택을 위해 채용된 특정 물질이, 이상에서 기재된 효과적인 모듈화 SOFC 설계에 필요한 가요성 전극 에지-밀봉 및 프레이밍 접근과의 최적의 호환성을 위해 채용된다.
일반적으로, 컴플라이언트 다중-셀-시트 구성의 구축을 위해 채용된 전해질 시트는, 45마이크론 이하의 두께, 바람직하게는, 30마이크론 이하의 두께, 가장 바람직하게는, 4-25마이크론 범위 내의 두께, 가장 바람직하게는, 4 또는 5 내지 20마이크로의 두께를 유지하게 된다. 가요성의 다결정 세라믹 전해질 시트는, 열 쇼크 저항 및 전기화학적인 성능을 개선시키는데, 일례의 시트가 참조로 본 발명에 통합된 Ketcham et al.,등에 의한 미국 특허번호 제5,089,45호에 개시되어 있다. 이러한 전해질을 위한 적합한 합성물의 예로서는, Y, Ce, Ca, Mg, Sc, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, In, Ti, Sn, Nb, Ta, Mo, 및 W의 산화물 및 그 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 첨가물로 도핑된 부분적으로 안정화된 지르코니아 또는 안정화된 지르코니아를 포함한다.
본 발명은, 전극, 전류 콜렉터 또는 셀 상호 접속 물질의 소정의 특정 패밀리에 제한되지 않는다. 따라서, 이러한 구조는, 전형적으로 백금, 백금 합금, 실버, 또는 귀금속, 니켈 또는 니켈 합금으로 형성된 와이어 또는 메쉬로 형성되거나, 스트론튬-도핑된 란탄 크롬 또는 내화 금속 서멧과 같은 물질 또는 이들 물질 의 코팅 또는 패턴된 층으로 형성된다. 이들 도전성 구조는, 전극 층의 상부, 아래 또는 측면을 따라 제공되는 전류 콜렉터로서 작용할 수 있고, 또는 층 사이의 상호 접속으로서 작용할 수 있다.
예비 소결된 전해질과의 조합에서 유용한 전극 물질 중에는, 니켈/이트리아 안정화된 지르코니아 서멧, 귀금속/이트리아 안정화된 지르코니아 서멧과 같은 서멧 물질이 있는데, 이들은, 특히 애노드 물질로서 사용에 제한이 없는 유용한 물질이다. 유용한 캐소드 물질은 스트론튬-도핑된 란탄 아망간산염과 같은 상기 세라믹 및 서멧 물질과, 그 밖의 알카리 어스(earth)-도핑된 휘코발트광 및 아망간산염뿐 아니라 귀금속/이트리아 안정화된 지르코니아 서멧을 포함한다. 물론, 상기 예는, 단지 사용될 수 있는 다양한 전극 및 상호 접속 물질을 도시한 것이다.
본 발명에 따른 연료 셀 구성을 위한 유용한 캐소드 및 애노드 물질은, 바람직하게는, 귀금속 및, 예를 들면 실버 합금과 같은 귀금속 중 및 귀금속 간의 합금과 같은 고 도전성이지만 비교적 내화 금속 합금으로 구성된다. 이 타입의 특정한 합금 전극 합성물의 예는, 실버-팔라듐, 실버-백금, 실버-골드 및 실버-니켈로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 실버 합금을 포함하는데, 가장 바람직한 합금은 실버-팔라듐 합금이다.
대안적인 전극 물질은, 이들 금속 또는 다결정 세라믹 필러 상과의 금속 합금의 블렌드(blend)로 형성된 서멧 전극을 포함한다. 이 사용을 위해 선호되는 다결정 세라믹 필러는, 안정화된 지르코니아, 부분적으로 안정화된 지르코니아, 안정화된 하프니아, 부분적으로 안정화된 하프니아, 지르코니아와 함께의 세리 아(ceria), 지르코니아와 함께의 비스무스, 가돌니늄(gadolinium) 및 게르마늄을 포함한다.
이들 연료 셀 패킷 내에 포함될 수 있는 다른 설계 엘리먼트의 예는, 어레이의 애노드 및/또는 캐소드와의 전류 접촉 내에 제공된 저저항 전류 콜렉팅 그리드 또는 그 밖의 도전성 구조이다. 이들은, 전극 내의 전류 분배 손실을 감소시킴으로써, 셀의 내부 저항을 감소시키도록 동작될 수 있는데, 그렇지 않으면 저항은 증가된다.
본 발명의 특정 실행에 있어서는, 패킷을 형성하기 위해서, 가요성의 부분적으로 안정화된 지르코니아(ZrO2- 3mol% Y2Cb) 시트를 사용하는 개별적인 열 쇼크에 내성이 있는 연료 셀 어셈블리를 조립하기 위해서, 시트 모듈화 패킷 접근이 사용된다. 각각의 패킷이 얇은 전극 시트 상에 지지된 상기된 실버 팔라듐 합성의 다중 전극과 통합될 때, 1000W를 초과하는 초과 전력 출력을 달성할 수 있는 연료 셀 스택이 용이하게 제공된다.
장치 사이의 전기적인 상호 접속은, 바람직하게는 외부적으로 또는 내부적으로 만들어질 수 있다. 그리고, 절연체 또는 도전체에 관계없이, 프레임은 스택의 회로 설계에 있어서 중요한 역할을 할 수 있다. 프레임이 유리 또는 유리-세라믹과 같은 절연체이면, 단락 없이, 전기적인 리드 삽입을 지지하게 된다. 프레임이 금속이면, 예를 들면 공통 그라운드를 제공함으로써 회로에 참가하거나, 코팅이나, 인서트, 절연된 튜브에 의해 전류 리드로부터 절연될 수 있다.
또한, 접속은 다수의 다중-셀-시트 장치 사이에서 만들어질 수 있다. 바람직하게는, 이들 장치의 높은 전압 출력에 의해 촉진되는 비교적 낮은 전류에 기인해서, 단지 약간의 단면만이 필요하게 된다. 금속 세라믹 합성 구조와 같은, 전극의 시트 사이의 전류 콜렉션 및 상호 접속에 대한 적합한 접근은, 미국 특허 번호 제6,045,935호에 개시된다. 세라믹 금속 라미네이트와 같은 그 밖의 구조는, 미국 특허 번호 제5,519,191호에 개시된다.
각각의 연료 패킷 내에서, 와이어, 리본, 펠트 또는 메쉬 형태의 Ni 금속이 2개 이상의 다중-셀-시트 장치를 직렬로 접속하는데 채용될 수 있다. 리드를 연료 패킷 내에 유지함으로써, 뜨거운 장치 시트로부터 콘택트의 쿨러 포인트로 전력을 가려오는데, 산화 Ni 또는 Ni 합금이 통상적으로 사용될 수 있다. 효과적으로는, 알루미나 또는 지르코니아 파우더와 같은 절연체로 충전된 튜브에 의해 콘택트의 쿨러 포인트를 제공하기 위해서, 연료 패킷이 연장될 수 있다. 이 패킹은, 패킷의 연료 누출을 제한한다. 튜브 구성을 위해 채용된 기술은, 절연된 밀봉 기구 가열 엘리먼트의 비용 효과적인 제조를 위해 현제 사용되는 것과 유사한데, 금속 튜브로부터의 도전체를 둘러싸고 분리하는 MgO 패킹을 포함하는 금속 튜브 내에 있는 도전체를 사용한다.
다중-셀-시트 장치 내의 리드 부착 실패를 가장 효과적으로 최소화하는 전기적인 리드 부착 방법은, 장치 전력이 장치의 주변 에지와의 접속을 테이크오프(takeoff)하는 것이고, 단단한 밀봉이 장치와 프레임 사이에서 만들어지는 영역을 통해 진행해 나가는 것이다. 예를 들면, 이들 밀봉 내 또는 근접한 포인트에서 의, 장치-대-프레임 밀봉에 의해 실질적으로 지지된 위치에서, 이들 리드와의 접속을 만드는 것은, 추가적인 지지의 리드 접속을 제공하여, 열팽창의 충격 또는 장치 자체에 작용하는 그 밖의 외력을 제한한다.
또한, 각각의 테이크오프를 통한 전류의 감소를 위해서, 각각의 시트 장치로부터의 전력 테이크오프의 하나 이상의 포인트를 채용하는 것이 바람직한데, 거리는 셀로부터 리드 접속으로 교차해야 한다. 낮은 전류에서, 테이크오프 및 리드의 단면은, 물질 비용 및 열적 스트레스를 제한하도록 감소될 수 있다. 또한, 패킷 단부보다 패킷의 에지를 따른 전력 테이크오프의 위치 조정은, 전극의 기하 형상에 의존함에도 불구하고 챔버의 입구 및 배출 개구에서의 가스 흐름 분배를 회피하는데 도움을 주는데, 이 배향은 셀 전극의 길이 축을 연료의 흐름에 평행하게 위치시킬 수 있다.
다중-셀-시트 장치의 예비 테스트에 있어서, 25W의 전력 출력은 5V의 전압 및 5A의 전류에서 용이하게 달성된다. 100W 장치임에도, 최대 전류는 이 값을 낮게 유지하는데, 이는 약간의 단면의 장치-대-장치 접속을 가능하게 한다. 이 장치는 고전압, 낮은 전류 형태 스택 구성에 대해 명백한 장점을 갖는데, 열 사이클링 환경에서의 비용 및 내구성 관점을 나타내는 통상의 SOFC 상호 접속 구조의 제거를 수반한다. 금속-충전된 비어 및 약간의 단면의 장치-대-장치 접속의 비용은, 기준의 평면 상호 접속 구조의 추가된 비용 및 웨이트의 회피를 통해 더 복구된다. 공기와 연료 챔버 사이의 장기간의 누출 부재를 보장하기 위해 처리하는 비어 물질 및 장치의 선택은 주의해야 하는데, 기준 상호 접속 내구성 이슈(캐소드와 기준 상 호 접속 사이의 단단한 조인트의 산화 및 열 사이클링 안정성)는, 전체적으로 제거된다. 누출 관점은, 본 발명의 패킷 설계에 있어서, 비어 필러 포뮬레이션 내의 내화 귀금속의 사용 및 스택 구조에 대한 패킷 접근에 의해 가능한 것과 같은 패킷 어셈블리의 100% 품질 조사와 같은 측정을 통해 효과적으로 해결된다. 비어 필러 및 전극 상호 접속과 같은 이전의 세미-귀금속 또는 서멧의 사용이 흔히 선호된다. 가장 선호되는 것은, 금속, 금속 합금 및 실버, 골드, 백금 및 팔라듐으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속으로 구성되는 서멧이다.
공지된 바와 같이, 소정의 연료 셀 스택의 실재적인 성능 요구는, 스택이 사용되는 적용에 따라서 상당히 변화될 수 있다. 의도된 적용에 의해 가장 실질적으로 영향 받는 것은, 스택의 설계 수명 및 스택 설계가 충족해야 하는 연료 요구 조건이다. 40,000시간의 스택 수명을 보장하는 것은, 5000시간만의 수명보다 상당히 다른 물질 요구 조건을 부가한다. 예를 들면, Ag 합금이, 짧은 동작 시간 및/또는 낮은 스택 동작 온도에서, 이들 패킷 장치의 전극, 비어 및/또는 전류 콜렉터 컴포넌트의 적합한 컴포넌트이므로, 짧은 스택 수명만이 요구되는 보다 낮은 비용 해결책을 가능하게 한다. 한편, 실버 휘발성은, 높은 동작 온도에서의 셀 컴포넌트 수명을 제한할 수 있는데, 선택된 패킷 어셈블리의 주기적인 대체 또는, 골드, 백금 및 팔라듐으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속으로 이루어지는 합금 및 서멧과 같은 보다 내화성을 갖지만 고가의 금속의 사용을 채용할 수 있는 것을 필요로 하게 된다.
본 발명은, 본 발명을 제한하는 것이 아닌, 이하의 특정 예에 의해 보다 이 해될 수 있다.
예1
연료 셀 스택에서 사용하기 위한 프레임 패킷 어셈블리가, 도 6 내지 도 11에 도시된 바와 실질적으로 유사한 스택 어셈블리에 따른 스틸 프레이밍 멤버 및 다중-셀-시트 장치로부터 구성된다. 우선, 타입 446 스테인리스 스틸의 3/16"-두께 프레임을 미리 준비하며, 기재된 바와 같이, 이들 프레임은 연료 패킷 프레임 및 쌍의 공기 프레임 통합 입구 채널, 오리피스 및, 공기 또는 연료 챔버를 제공하기 위해서, 실질적으로 기계 가공된다.
다음에, 이렇게 제공된 기계 가공된 연료 프레임에 대해서, 한 쌍의 다중-셀-시트 장치가 부착된다. 이 부착을 위해 선택된 장치는, 전체 540 비어홀을 구비하는 3mol%Y2O3-부분적으로-안정화된 ZrO2 화합물의 가요성의 12cm 바이 15cm 전해질 시트로 이루어진다. 이들 시트 각각의 제1 또는 애노드 측면 상에는, 10 애노드의 어레이가 퇴적되는데, 각각은 6마이크론 두께의 Ni/ZrO2 촉매 층 및 세라믹-파우다-충전된 90%Ag/10%Pd 실버 합금의 20마이크론 두께의 층으로 구성되며, 파우더 필러는 3mol%Y2O3/ZrO2의 웨이트 40%로 이루어진다.
각각의 가요성 전해질 시트의 제2 또는 캐소드 측면 상의 애노드는, 10 캐소드의 퇴적된 어레이가 대향하는데, 각각은 3mol%Y2O3/ZrO2 필러의 웨이트 40%를 포함하는 6마이크론 두께 층과, 필러로서 DyBiO3 파우더의 웨이트 40%를 구비하는 Ag/Pd의 20마이크론 두께 층으로 이루어진다. 각각의 애노드의 선단 에지 다음의 이어지는 애노드-캐소드 쌍의 캐소드의 후단부에 연결하는 비어는 90%Ag/10%Pd 합금으로 충전된다. 전극 어레이로부터의 리드는, 짜여진 섬유질 튜브 절연체 내의 실버 와이어이다. 그러면, 하나의 전해질 시트는, 이와 같이 형성된 연료 챔버 내로 대면하는 애노드 어레이를 갖는 연료 프레임의 각각의 페이스에 밀봉되는데 Duralco 230 열경화성 시멘트가 밀봉을 형성하는데 사용된다.
다음에, 이와 같이 제공된 조립된 연료 패킷에 대해서, 2개의 스테인리스 스틸 공기 프레임이 부착되는데, 하나는 연료 패킷의 각각의 페이스에 부착된다. 그 다음, 타입 446 스테인리스 스틸로부터 기계 가공되고, 공기 프레임 내에 공기 및 연료 도관과 정렬되어 위치된 도관을 갖는 엔드 플레이트가, 이들 공기 프레임에 부착된다. 연료 프레임에 부착된 다중-셀-시트 장치의 표면의 외측으로 대면하는 표면 상에 캐소드 어레이를 둘러싸는 대향하는 공기 챔버가 형성된다. 최종적으로, 공기 및 연료 가스의 어셈블리로의 공급을 위해서, 연료 공기 순환 튜브가 연료 및 공기 도관의 개구에 부착된다.
이 어셈블리에 있어서, 흡입 및 배출 모두를 위한 연료 및 공기 순환이, 스택의 양쪽 단부에 제공되어, 분배 채널 내의 압력 균일성을 개선하며, 순환은 압력 균일성을 유지하기 위해서 충분한 단면을 갖는다. 따라서, 공기 챔버로부터 연료 챔버로의 챔버 입구로부터 출구로의 최소 압력 하강과 함께, 가요성 다중-셀-시트 장치가 존재한다.
챔버 입구로부터 출구로의 압력 강하에 영향을 주는 변수는, 챔버의 단면, 챔버의 길이 및 가스 흐름을 포함한다. 압력 가스의 유효 효과 때문에, 높은 가스 속도로 구동하는 것은 바람직하지 않다. 그런데, 개선된 대량 수송(작은 갭)과 압력 강하(큰 갭) 사이의 절충안으로서, 장치 간의 갭이 선택된다. 예를 들면, 축적된 얇은 금속 플레이트의 구성 물질 및 수단이, 큰 설계 자유도를 허용하도록 시스템 비용의 이 갭의 충격을 제한하기 위해 선택된다.
이 특별한 스택 설계의 모델링은, 6리터/분의 최대 공기 흐름율에서, 공기 측면으로부터 연료 측면으로의 압력 강하가 27P 미만으로 제한하는 것을 예측하고, 입구로부터 출구으로 최대 2.4P의 공기 및 연료 챔버 각각을 가로지른다. 낮은 압력 강하는, 연료 챔버의 큰 흐름 단면의 부분에 기인하는데, 이는 12cm X 32cm 장치 표면 영역에 대한 대략 3.2mm 높이다. 또한, 이 설계는, 기본적으로 모든 압력 강하가 분배 도관으로부터의 입구에서 프레임 내의 흐름 압박 오리피스를 가로지르도록, 공기 및 연료 챔버 내에서 소정의 수직 마찰 엘리먼트를 제거한다(전형적으로, 기준 평면 장치의 상호 접속 방안으로 필요하게 된다). 즉, 오리피스로부터 오리피스로의 전체 압력 강하는, 상기된 바와 같이, 60P 대 2.4P이 챔버를 가로지르도록 모델링된다. 결과는, 장치에 의해 필요로 되며 가능하게 되는, 상당히 낮은 마찰력이며, 따라서 낮은 압력 강하이다.
이 스택의 성능을 평가하기 위해서, 입구 순환 및 접속되는 튜브를 포함하는 전체 어셈블리는, 전기로 내에 위치되고, 725℃의 스택 동작 온도로 가열된다. 그 다음, 720℃에서의 형성 가스(6%H2 나머지 N2)의 상태 흐름이, 연료 챔버를 통해 개 시되고, 짧은 상태 간격 후, 100%의 수소가 도입된다.
연료 및 공기 흐름에 대한 이 패킷의 응답은, 725℃의 노 온도에서 측정되는데, 데이터는, 화학량론적인 제한 근방에서 유지되는 공기 흐름과 함께 최대 특정 흐름 전달 압력에서 35% 연료 이용을 나타낸다. 이 상태 항의 연료 배출 온도는, 가스 출구 오리피스에서, 대략 735℃이다.
이들 동작 상태 하에서, 이 스택으로부터 관찰되는 피크 전력 레벨은, 대략 54W인데, 이 출력은 시트 당 5V의 전압 레벨, 5.4A의 전류 레벨, 대략 2리터/분의 수소 가스 흐름률, 대략 3.3리터/분의 공기 흐름률이 된다. 도 13에 도시된 공기 및 연료 흐름에 의존하는 전력은, 누출 및 연료/공기 크로스오버 없는 잘 밀봉된 스택을 가리킨다.
다중-셀-시트 장치의 사이즈 및 큰 스택 내에 결합될 수 있는 다수의 패킷 어셈블리 모두에 대한 이 패킷 어셈블리 설계의 확장성은, 광범위한 정지 또는 모바일 적용을 위한 충분한 전력 출력과 함께, 단일 스택 사이즈에 대한 용이한 팽창을 허용한다. 예를 들면, 12cm 폭 및 70cm 길이의 전해질 시트 사이즈를 사용하는 것은, 시트를 교차하는 10cm 폭과 시트를 따른 0.5cm 길이의 100 전극을 수용할 수 있게 하여, 각 쌍의 전극 사이에 2mm를 허용하게 한다. 0.5W/cm2의 전극 전력 밀도에서, 전력 출력은 각각의 다중-셀 시트 장치로부터 250W에 도달하거나 각각의 패킷 어셈블리(예를 들면, 각각의 패킷 모듈로부터)로부터 500W에 도달하게 된다. 전기적인 상호 접속으로 결합될 때, 적합한 전극 섀시 내의 어셈블리의 외측을 만 드는 상기된 대략 12 패킷 어셈블리 미만을 구성하는 스택은, 대략 5kW의 전력 생성 능력을 갖게 된다. 그러므로, 12개의 대체 가능한 패킷 어셈블리(또한, 패킷 어셈블리는 패킷 모듈로서도 언급된다)에 의해 5kW 연료 셀 스택이 제공될 수 있다. 하나의 패킷 모듈과 다른 패킷 모듈을 용이하게 대체하기 위해서, 패킷 모듈이 식별되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 패킷 어셈블리 사이의 상호 접속은, 전기 섀시에 용이하게 액세스 할 수 있는 핫 존 "외측"에서 일어나는 것이 바람직하다. 개별 패킷 모듈은 스택 내에 이동 가능하게 배치되도록 구축되고, 바람직하게는 각각의 패킷이 용이한 제거를 위한 자체 연료 소스(연료 순환)로부터 접속 해제될 수 있도록 구성된다. 대체에 필요한 패킷 어셈블리를 식별하기 위해 요구됨에 따라, 성능 상태를 식별하기 위해서, 각각의 패킷 어셈블리 위 또는 내에 접속되는 센서에 통합하는 것이 바람직하다. 이러한 센서는, 예를 들면 누출을 식별하는 산소 센소만 아니라 전압, 전류 및/또는 성능을 모니터하기 위한 온도 센서일 수 있다. 이러한 패킷 어셈블리는 충분히 크게 되므로, 패킷 어셈블리 당(또는 kW 베이스 당) 비용이 상대적으로 낮게 된다.
예2
도 1에 묘사된 장치의 구성과 유사한 부분적으로 안정화된 지르코니아(지르코니아-3mol% 이트리아) 전해질 지지 시트와 통합되는 4개의-셀 패킷이, 우선 제공된다. 도 1을 참조하면, 이 패킷(10)을 제공하기 위해서, 대략 10cm X 6cm 디멘전 및 4 쌍의 실버/팔라듐 합금 전극(16-16a)의 제1의 예비-소결된 지르코니아-3mol% 이트리아 전해질 시트(12)가, 백킹 시트로서, 제2의 예비-소결된 지르코니아-3mol% 이트리아 전해질 시트의 상부 에지에 고착된다. 고착은, 상업적으로 이용 가능한 물질인 Duralco:954 Durabond 시멘트 혼합의 70:30(웨이트에 의한 부: 중량부)로부터 형성된다.
제1시트에 부착된 각각의 합금 전극 쌍(16-16a)은, 내부 연료 전극 또는 애노드(16a)와 외부 공급 전극 또는 캐소드(16)를 포함하며, 이들은 대부분 시트의 대향하는 측면의 위치에서 겹친다. 이들 전극 각각은, 대략 0.8 X 8cm 사이즈로 된다. 이들 어레이를 구성하는 대향하는 애노드-캐소드 전극 쌍은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 내부 또는 시트의 연료측의 각각의 애노드의 연장하는 에지로부터 시트의 공기 측면 상의 이어지는 다음 연속 캐소드의 연장하는 에지로, 시트를 가로지르는 실버-팔라듐 합금의 도전성 비어(20)로 직렬로 접속된다.
이렇게 시멘트된 시트는 실온에서 경화되어진 후, 제2Duralco/Durabond 에지 밀봉(22)이 2개의-시트 어셈블리의 대향하는 에지를 따라 형성된다. 이 제2밀봉은, 패킷에 대한 가스-침투 가능 바닥 밀폐를 제공하기 위해서, 지르코니아의 상부 및 바닥을 다공 알루미나 섬유질 매트(24)에 시멘팅함으로써 형성된다.
다음에, 튜브의 엔드 섹션의 길이를 따라 드릴링된 1mm 직경 가스 전달 개구(26a)로 천공된 예비 형성된 스테인리스 스틸 가스 전달 튜브(26)가 형성된다. 이 튜브는 2개의 지르코니아 시트 사이에 삽입되므로, 가스 전달 홀이 시트 사이의 공간 내에 위치되고, 경화된 상부 Duralco/Durabond 밀봉에 대해서 가압된다. 밀봉이 경화되므로, 튜브는 상부 밀봉에 부착되지 않지만, 대신 도시되지 않은 컴플라이언트 알루미나 펠트 스페이서에 의해 그로부터 분리된다. 가스 전달 튜브가 패킷 내에 위치된 후, 패킷의 나머지 개방 단부는 Duralco/Durabond 시멘트 혼합으로 밀봉되어 경화된다.
패킷 밀봉에 수반해서, 실버 메쉬 전극 리드가 선단 캐소드(가스 공급 튜브에 인접한)에 다중 포인트에서 부착되고, 후속하는 애노드에 접촉된 비어에 부착된다. 리드 부착은, 유기 용액 내의 지르코니아-3mol%이트리아 파우더의 27wt% 부가와 함께 80:20 Pd:Ag 합금 파우더를 포함하는 80/20/27 실버-팔라듐-지르코니아 서멧 잉크에 의해 수행된다. 이 잉크는, 합금 솔리드를 용융하기 위해서 가열에 의해 경화되고, 그 다음 최종 패킷은 테스트를 위해 노 내로 삽입된다.
이 장치의 테스트는, 노의 공기 대기에 있어서 패킷이 725℃의 동작 온도로 가열됨에 따라, 가스 공급 튜브를 경유해서 수소-함유 연료 가스를 패킷 내로 흐르게 함으로써 수행된다. 그 온도에서, 연료 가스 내의 수소는 애노드에서 산화되어, 패킷의 상부 측면 상의 실버 메쉬 접촉을 통해서 전자를 외부 회로에 방출한다. 이 테스트 동안 생성된 전형적인 전력 레벨은, 연료로서 6% 포밍 가스를 사용하는 725℃의 애노드/캐소드 오버랩 영역의, 대략 0.25W/cm2이다. 연료 가스로서, 순수한 수소와 함께, 이 예의 4-전자-쌍 시트를 위한 대략 9.2W의 전력 레벨이 이 온도에서 도달한다.
또한, 2개의 상기 애노드/캐소드 어레이(패킷 표면 각각에 대해 하나)와 통합되는 패킷 모듈을 형성하기 위해서 2개의 전극-포함 시트가 함께 에지-밀봉된 유사하게 구성된 장치가 제공될 수 있다.
예3
대략 3mm의 폭과 대략 8cm의 길이를 갖는 각각의 전극으로 8 애노드-캐소드 쌍을 구비하는 8개의-셀 패킷이, 예I에 기재된 바와 같이 준비된다. 전해질 지지 시트는, 대략 25마이크로미터 두께의 가요성의 지르코니아(지르코니아-3mol% 이트리아) 세라믹 시트로 준비된다. 전해질 경계 저항을 감소하기 위한 시트의 표면 거칠기를 증가시키기 위해서, 핫 플레이트 상의 시트를 가열하는 동안, 시트에 이트리아-지르코니아 교질 용액을 스프레잉함으로써, 이트리아-안정화된 지르코니아 나노-크리스탈이 시트의 표면에 인가된다.
이와 같이 코팅된 시트의 표면에 실크-스크리닝에 의해 전극이 인가되는데, 예I에서 채용된 지르코니아-충전된 실버-팔라듐 합금으로 형성된다. 예I에서와 같은 전극 상의 직렬 상호 접속을 위한 시트를 통한 비어가, 동일한 실버 팔라듐 합금으로 형성된다.
그 다음, 지르코니아-3mol% 이트리아 세라믹으로 형성된 가요성 패킷 백킹 전해질 시트가 제공되는데, 이 시트는, 연료 전달 및 배출 개구를 제공하기 위해서, 자체 두께를 통해 펀칭된 가스 분배 홀을 갖는다. 패킷을 조립하기 위해서, 이 백킹 시트는, 유리 파우더 슬러리로 에지 충만된 알루미나 매트에 의해 시트가 서로 이격되는 동안 전극 시트로 에지 정렬된다. 그 다음, 상기 정렬된 시트 및 매트는, 가벼운 웨이트가 패킷 에지에 인가되는 동안 900℃ 온도로 가열되어, 유리를 용해해서, 매트에 대해서 시트 에지를 밀봉한다. 이렇게 형성된 패킷 내의 오픈 챔버는, 대략 1-5mm 범위의 높이를 갖게 된다.
다음에, 스틸 가스 입구 튜브가 패킷 백킹 시트 내의 연료 개구 내에 밀봉되고, 연료로서 6% H2 포밍 가스를 갖는 예I로서 테스트 된다. 700℃의 연료 셀 동작 온도에서, 패킷 전극 어레이는 7.5V를 초과하는 전기 포텐셜을 전개한다. 전극 표면 영역의 0.08과 0.11W/cm2 사이의 패킷 전력 출력은, 800℃의 동작 온도에서 이 패킷으로 전개될 수 있다.
예4
각각이 넓은 이트리아-지르코니아 전극 시트 상에 2개의 4-셀 컬럼 내에 배열된 8개의 셀을 갖는 2개의 다중-셀 패킷 모듈이 조립된다. 각각의 셀의 애노드는 니켈 지르코니아 서멧과 란탄 스트론튬 아망간산염의 캐소드로 형성된다. 각각의 전극은 오버레이된 전류-콜렉팅 실버-팔라듐 합금 그리드를 구비하는데, 자체 콜렉션 포인트에서 각각의 모듈 상에 직렬로 접속된 단일 실버-팔라듐-충전된 비어에 접속된다.
따라서, 이와 같이 제공된 2개의 셀-지지 시트가 단단한 알루미나 프레이밍 멤버의 대향하는 측면 상에 탑재되므로, 양쪽 시트의 애노드는 프레임에 의해 형성되고 시트에 탑재된 챔버에 노출되는 전체 애노드와 안쪽으로 대면하게 된다. 시트는, 그 에지 주변에서 프레임에 시멘팅됨으로써 밀봉되어, 가스만이 프레임의 한쪽 단부의 연료 가스 입구 포트와 프레임의 다른 단부의 연료 가스 배출 포트로 이루어지는 챔버에 액세스하게 된다.
이렇게 제공된 전체 셀 패킷은, 예1에서와 같이, 연료 가스를 스틸 가스 전 달 튜브를 통해 공급하는 동안 노 내에서 테스트된다. 연료로서 수소를 사용해서 800℃에서 측정될 때, 대략 8V의 전기 포텐셜이 직렬로 접속된 2개의 다중-셀 모듈에 의해 전개된다.
예5
일반적으로, 도 1에서와 같이 단일 열의 병렬 배열로 전극이 배열된 10개의-셀 전극/시트 장치를 채용하지만 예4의 패킷팅 처리에 따라 구성된 2개의 셀 패킷이, 테스트를 위해서 어레이된다. 이들 다중-셀 시트 장치 내의 모든 전극은, Ag/Pd 합금으로 구성되고, 0.8mm의 폭으로 되며, 각각의 패킷 내에서 2개의 10-셀 시트 각각에 대해 대략 0.8cm2의 액티브 셀 영역을 생성한다. 이들 패킷을 위한 패킷 프레임 구조는 밀봉-본딩된 섬유질의 알루미나로 형성된다.
이들 2개의 패킷을 구성하는 패킷 어레이는, 예를 들면 2개의 패킷 연료 입구 포트 각각에 접속된 연료를 포함하는 매니폴드된 수소 가스 공급 라인인 연료 경유 외부 매니폴딩으로 공급된다. 알루미나 섬유질 가스킷으로 이루어지는 압축 밀봉이, 각각의 전달 도관에 대해서 이들 포트에 제공된다. 연료로서 수소 가스를 사용하는 이 배열 내에서 테스트될 때, 하나의 직렬 접속된 10-셀 시트 모듈은 개방 회로에서 대략 9V의 포텐셜과 최적의 전류 출력에서 13W의 전력을 전개한다.
예6
일반적으로, 보다 진전된 솔리드 프레이밍을 사용하지만 예1의 것과 같은 패킷 어레이는, 작은 체적으로부터 상당한 전력 출력을 달성할 수 있는 또 다른 장점 을 제공할 수 있다. 금속 프레임에 의해 제공된 하나의 특별한 장점은, 통상적인 내부 연료, 옥시던트 및 배출 매니폴드의 장점이다. 화학적인 호환성 및 열팽창에 관한 지르코니아 전해질 시팅에 적합하게 매치된 적합하게 설계된 프레임 엘리먼트 어셈블리와 함께,전체 어레이를 공급하기 위해서 단일 연료, 공기 및 배출 라인만을 요구하는 패킷의 연장된 어레이를 지지하게 되는 내부 연료, 공기 및 배출 매니폴딩이 제공될 수 있다.
도 2는 이러한 어셈블리 내에서 사용할 수 있는 프레이밍 엘리먼트의 특정 예를 도시한다. 특히, 도 2를 참조하면, 내화 페로 금속으로 형성된 프레임 엘리먼트는, 제1의 10-셀 전극/시트 모듈(32)과 프레임의 대향하는 측면에 부착된 동일 설계의 제2시트 모듈(도시 생략)을 포함하는 연료 셀 패킷을 위한 서포트로서 사용되는데, 모듈은 예1의 전극/시트 모듈의 설계 및 구성에서와 유사하다. 각각의 시트는, 자체의 캐소르 어레이(34)가 외측으로 대면하고, 자체의 애노드 어레이(도시 생략)가 프레임 및 부착된 시트로 형성된 연료 챔버(도시 생략) 내로 대면하는 프레임에 에지-밀봉된다.
프레이밍 엘리먼트(30)가 공기 도관(36) 및 연료 도관(38-38a)을 제공함에도, 이들 도관은 공기 및 연료를 갖는 패킷 어셈블리(시트 및 프레임)를 사용하기 위한 매니폴드 컴포넌트로서 동작한다. 공기 도관(36)은 내부 측면 도관 없이 프레임 엘리먼트(30)를 가로지르므로, 공기 흐름이 그곳으로의 접속 없이, 연료 챔버를 통과해서 채널 연결된다. 연료 도관(38-38a)은 연료 챔버 내로의 가스 흐름을 보호하기 위해서, 시트 모듈(32) 아래의 연료 챔버에 접속되는 포트(39-39a)와 같 은 측면 포트에 접속된다. 이 매니폴딩 배열과 함께, 도관(38)을 가로지르는 연료는 포트(39)를 통해서 연료 챔버 내로 분배되는 한편, 소모된 연료 부산물은 배출 포트(39a) 및 도관(38a)을 통해 연료 챔버로부터 배출될 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같은 프레임-지지된 패킷은, 예를 들면 예1의 모듈과 동일 합성 및 설계의 대향하는 전극/전해질 시트 모듈에 밀봉된 2.5mm 두께의 스테인리스 스틸 프레임을 사용해서 구성될 수 있다. 시트 모듈은, 규산염 유리 밀봉을 사용하는 프레임에 밀봉될 수 있다. 프레임과 전해질/시트 모듈의 공기 또는 캐소드 측면 사이에 대부분 형성된 규산염 밀봉의 사용은, 연료 셀 애노드의 규산염 오염을 감소시키는데 도움을 준다.
상기된 패킷을 위해, 외부 공기, 연료 및 전기 접속이 제공되며, 패킷은 노 내에서 725℃로 가열된다. 6% H2포밍 가스가 전극의 시트 사이의 연료 공간 내로 도입될 때, 전극 영역의 0.2W/cm2 이상의 전력 밀도에서, 20V 이상의 전기 포텐셜이 개방 회로에서 전개되고, 10V가 최대 전력에서 전개된다. 순수 H2가 연료로서 사용될 때, 패킷 전력은 대략 10V에서 0.3W/cm2에 걸쳐서 증가한다.
스택 구성을 위해 기계 가공된 금속 프레이밍의 사용에 대한 유용하고 경제적인 하나의 대안은, 스탬핑된 시트 금속 프레이밍 엘리먼트로 형성된 패킷 어셈블리를 구비하는 것이다. 이들은 소정의 적합한 금속으로 형성될 수 있고, 그 다음 기밀 밀봉을 형성하는 소정의 방법으로 함께 결합된다. 바람직하게는, 기계 가공 된 가스 분배 컴포넌트가 어셈블리 내에 포함될 수 있는데, 예를 들면 스탬핑된 금속부에 의해 제공될 수 있는 최종 스택 어셈블리에 대해서 밀접하게 디멘전 공차를 충족시킨다.
도 14-14c는 하나의 이러한 어셈블리를 나타낸다. 이 도시에 있어서, 에지 심(seam)에서 서로 결합된 상부 및 하부 프레이밍 쉘(330t 및 330b)로 이루어지는 스탬핑된 금속 패킷 프레임(330)은, 기계 가공된 연료 피드 인서트(338)를 구비한다. 스탬핑된 프레임은, 전력 생성 다중-셀 장치(332)로 연료 피드를 접속하는 통합적으로 형성된 채널(338')을 구비한다. 또한, 3개의 연료 출구(338a)가 스탬핑된 프레임 내에 통합된다. 밀봉(318)은, 예를 들면 프레이밍 쉘(330t 및 330b) 상에 다중-셀 장치(332)를 유지하는 팽창-정합된 유리-세라믹 밀봉 물질로 형성된다. 프레임의 2개의 스탬핑된 하프(halfs)는, 용접되거나, 그렇지 않으면 패킷을 형성하기 위해서 본딩될 수 있다.
도 15는, 스탬핑된 금속 프레이밍 멤버와 통합되는 대안적인 패킷 설계를 구비한다. 이 설계에 있어서, 각각의 공기 홀과, 연료 피드 홀 및 비스켓-컷 연료 피드 채널에 대해 기계 가공된 인서트가 제공된다. 이 실시형태에 있어서, 프레임은 각각의 다중-셀 시트 장치와 기계 가공된 인서트 각각을 위한 리세스와 통합되는데, 기계 가공된 인서트는 인접한 패킷의 기계 가공된 인서트 사이의 양호한 밀봉을 보장하도록 스케일된다.
특히, 도 15를 참조하면, 스탬핑된 플레이트 패킷 프레임(430)은, 2개의 기계 가공된 인서트(444 및 444a)와 통합된다. 인서트(444)는 연료 피드 채널(438) 을 구비한다. 공급되는 연료는 비스킷 컷 연료 포트(438a')를 통해서 다중-셀 시트 장치(432)로 공급된다. 인서트(444a)는 소모된 연료의 배출을 위해 연료 출구 포트(438a') 및 출구 채널(438a)에 통합된다. 또한, 3개의 공기 입구 홀(436)이 인서트(444a) 내에 제공되는데, 공기 출구는 인서트(444) 내의 홀(436a)에 의해 제공된다. 유리-세라믹과 같은 밀봉 물질로 형성된 실(418)이, 다중-셀 시트 장치를 스탬핑된 프레임 내에 밀봉하기 위해서 사용된다. 각각의 다중-셀 시트 장치(432)는, 스택 어셈블리를 용이하게 하기 위해서, 스탬핑된 프레임 내의 리세스(431) 내에 배치된다. 기계 가공된 인서트(444 및 444a)는 리세스를 가지므로, 스탬핑된 프레임은 기계 가공된 표면의 밀봉과 간섭되지 않게 된다. 2개의 스탬핑된 프레임 하프는, 용접되거나, 그렇지 않으면 기밀 패킷 어셈블리를 제공하는 소정의 수단과 함께 결합될 수 있다.
예7
도 6a, 16b, 17 및 18을 참조하면, 연료 셀 스택(516)은, 바람직하게는, 복수의 용이하게 제거 가능한 연료 셀 패킷 모듈(508)을 포함할 수 있다. 따라서, 패킷 모듈의 성능 저하가 허용 레벨을 넘어서면, 실패의 패킷 모듈을 제거해서, 다른 패킷 모듈(508)로 대체할 수 있다.
특히, 도 16a, 16b는 연료 셀 스택(516)의 실시형태의 분해도이다. 도 16a, 16b는 2개의 다중-셀 시트 장치 사이에 놓인 절연된 개별 연료 챔버와 통합되는 평면 FC(solid oxide fuel cepp) 스택 설계를 사용하는 연료 셀 스택(516)을 도시한다(다중-셀 시트 장치 및 그 연관된 프레임의 각각의 세트는 패킷 모듈(508)을 형 성한다). 또한, 도 16a, 16b는, 패킷 모듈(508)의 분해도를 나타낸다. 도 17은 도 16a, 16b의 연료 셀 스택 어셈블리의 개략적인 단면도이다. 도 18a는 도 16a, 16b 및 17의 연료 셀 스택 내에서 사용된 하나의 연료 셀 패킷 모듈(508)의 사시도이다. 도 18b는 도 18a의 연료 셀 패킷 모듈의 개략적인 단면도이다.
이 실시형태의 각각의 패킷 모듈(508)은: (a) 연료 패킷 프레임(503)과, (b) 2개의 평면 전해질-지지된 다중-셀 시트 장치(501)를 포함하는데, 이들은 프레임(503)에 의해 지지된다. 본 발명의 실시형태에 개시된 연료 셀이 동일한 구성을 가짐에도, 전해질 시트 당 셀의 수가 (1 내지 수백의 범위에서) 다를 수 있고, 복수의 셀이 각각의 시트 상에 위치하면, 셀은 다른 형상, 사이즈 애스펙트 비를 가질 수 있고, 다른 거리로 서로 이격될 수 있으므로, 패킷 내에서의 온도 구배 및 패킷 동작 성능을 최적화한다. 연료 패킷 프레임(503)은, (i) 관통 볼트(515: 도시를 위해 하나만 나타냄)용의 측면 홀(520B)과 중앙 홀(520B')을 포함하는 복수의 정렬 픽스처(520: fixtures)와, (ii) 프레임 도관(546, 546a)을 포함한다. 프레임 도관은, 연료가 다중 시트 장치(501) 사이의 프레임으로부터 나와 프레임(503) 내로 흐르게 하고, 그후 프레임(503)을 통해 흘러 나가게 하는 프레임(503) 내의 중공 채널이다. 각각의 평면 전해질-지지된 다중-셀 시트 장치(501)는, 전해질 시트와 전해질 시트의 양 측면에 배열된 복수의 전극을 구비한다. 하나의 장치의 애노드 측면(501A)이 다른 장치의 애노드 측면(501A)과 대면하고, 2개의 장치(501)와 조합된 연료 패킷 프레임(503)이 연료 챔버(508')를 정의하도록, 장치(501: 예를 들면, 본 명세서에 나타낸 다중-셀 시트 장치(501))가 배열된다. 또한, 이 실시형 태의 연료 셀 패킷 모듈(508)은, 프레임 도관(546, 546a)에 직접 접속된 입구 패킷 튜브(517A')와 연료 출구 패킷 튜브(517B')를 포함한다. 연료 입구 패킷 튜브(517A')와 연료 출구 패킷 튜브(517B')는 L-형상 패널(511: 이하에 개시됨) 넘어로 연장된다.
연료 셀 스택(516)은, 패킷 모듈(508)을 둘러싸는 메인 인클루저(550)를 포함한다. 이 실시형태의 메인 인클루저(550)는, 2개의 L-형상 패널(엔드 플레이트:508)을 구비한다. L-형상 패널은, (i) 적합한 위치의 패킷 모듈(508)에 체결하기 위한 정렬 슬롯(520')과, (ii) 접속 튜브(517A, 517B)용 및/또는 연료 패킷 튜브(517A', 517B')용의 슬롯(또는 홀:527)을 포함한다. (도 16b를 보자) 연료 패킷 튜브(517A')는, 패킷 모듈(508)의 연료 챔버(508') 내로의 연료 제공을 허용하나. L-형상 패널(엔드플레이트:511)은, 옥시던트 챔버(555)의 벽을 형성하고, 이 옥시던트 챔버(555) 내에서 복수의 이격된 패킷 모듈(508)을 둘러싸므로, 복수의 패킷 모듈(508)이 그들 사이에서 복수의 옥시던트 채널(560)을 형성하도록 한다. (도 17을 보자) 또한, 스택(516)은, 각각의 옥시던트 채널(560)의 한 측면(입구 측면)에 동작적으로 접속되는 입구 옥시던트 매니폴드(순환 매니폴드:514)와, 옥시던트 채널(560) 각각의 다른 측면(출구 측면)에 동작적으로 접속된 출구 옥시던트 매니폴드(534)를 포함한다. 또한, 인클루저는, 메인 인클루저의 측벽을 형성하는 적어도 하나이고 바람직하게는 2개인 제거 가능한 리스트릭터 플레이트(570, 570B)를 포함한다. 리스트릭터 플레이트는, 예를 들면 옥시던트 채널(560)과 함께 정렬된 슬롯(570')인 복수의 개구를 포함한다. 나머지 메인 인클루저(550)와 접합되는 리 스트릭터 플레이트 및 패킷 모듈(508)은, 옥시던트 챔버(555) 내측에 위치된 복수의 옥시던트 채널(560)을 형성한다.
이 실시형태에 있어서, 옥시던트 입구 매니폴드 순환(514)는, 입구 리스트릭터 플레이트(570)에 접속되고, 옥시던트 출구 매니폴드(534)는 출구 리스트릭터 플레이트(570B)에 선택적으로 접속된다. 따라서, 옥시던트는, 옥시던트 입구 매니폴드 순환(514)으로부터, 제1리스트릭터 플레이트(570)를 통하고, 옥시던트 채널을 통한 후, 제2(선택적인) 리스트릭터 플레이트(570B)를 통해서 옥시던트 출구 매니폴드 튜브(534) 내로 흐른다.
특히, 입구 옥시던트 매니폴드(순환 매니폴드(514)에 의해 제공된 옥시턴트는, (화살표 A 방향으로) 리스트렉터 플레이트(570)의 리스트릭터 플레이트 슬롯(570')을 통해 연료 셀 모듈(508)에 의해 형성되고, 옥시던트 출구 매니폴드(534) 내에 존재하는 옥시던트 채널(560)로 흐른다(선택적인 출구 리스트릭터 플레이트(570B)를 통해). 옥시던트 (입구) 리스트릭터 플레이트(570)는, 옥시던트 입구 매니폴드(514) 내에 압력을 구축하여, 연료 셀 스택 어셈블리의 길이 L 아래로 옥시던트를 균일하게 분배한다. 선택적인 출구 옥시던트 리스트릭터 플레이트(570B)가 옥시던트 채널(560) 내측의 압력을 제어하기 위해 사용된다. 따라서, 옥시던트는 옥시던트 챔버(555) 내로 흐르고, 입구 옥시던트 순환 매니폴드(514) 및 제거 가능한 리스트릭터 플레이트(570)를 통해, 옥시던트 채널(560)로 진입한다. 출구 옥시던트 매니폴드(534)는, 옥시던트 채널(560) 각각의 다른 측면(출구 측면)에 동작적으로 접속된다. 제2리스트릭터 플레이트(570B)가 채널(560)을 나온 옥시던트 흐름을 제어하는데 사용되면, 옥시던트는 제2리스트릭터 플레이트(570B: 옥시던트 채널(560)의 배출 측면 상에 위치됨)를 통해 계속 흐르고, 이 제2리스트릭터 플레이트(570B)에 인접하게 위치되는 출구 매니폴드(534)를 통해 배출된다.
스택(516)은, 입구 연료 순환(513)과, 배출 순환 매니폴드로서도 언급되는 출구 연료 순환(533)을 포함한다. 입구 연료 순환(513)은, (i) 프레임 도관(546: 도 16a를 보자) 또는 (ii) 연료 입구 패킷 튜브(517A':도 16b를 보자)에 방출할 수 있게 접속되고, 따라서 프레임 도관(546)을 통해 연료 챔버(508') 각각의 입구 측면에 접속된다. 도 16b는, 출구 연료 순환(533)이 연료 출구 패킷 튜브(517B')( 및 따라서, 프레임 도관(546A)을 통해 연료 챔버(508') 각각의 다른 측면에 접속)에 방출 가능하게 접속하는 배출 콜렉션 튜브(517B)를 갖는 것을 도시한다. 따라서, 도 16b는, 입구 튜브(517A)가 패킷 튜브(517A')에 방출 가능하게 부착된 것을 도시한다. 콜렉션 튜브(517B)는 출구 패킷(517B')에 방출 가능하게 부착된다.
이 실시형태에 있어서, 연료 셀 스택(516)과 함께 사용하는 연료는, 예를 들면 튜브(517A 및 517A')을 통해 프레임(503)을 향해 공급된다. 이 실시형태의 패킷 프레임(503)은 입구 및 배출 도관(546, 546A)을 포함한다. 연료는, 입구 연료 순환(513)으로부터 튜브(517A, 517A')를 통해 패킷 프레임(503)의 입구 프레임 도관(546) 내로 통과한 후, 프레임(503)을 통해서 내부 연료 분배 노즐(504)을 경유해서 연료 챔버(508': 2개의 전해질 시트로 형성된 애노드 챔버)로 흐른다(도 18b의 화살표 방향). 배출된 연료는, 연료 챔버(508')로부터 프레임 배출 도관(546A)으로의 프레임(503)의 내부 연료 분배 노즐로 통과하고, 접속 도관(517B)을 경유해 서 출구 연료 순환(533:예를 들면 배추 순환) 내로 배출된다.
연료 입구 패킷 튜브(517A' 또는 517B)를 통한 튜브(517A)의 패킷 모듈(508)로의 커플링 또는 연료 출구 패킷 튜브(517B')를 통한 패킷 모듈(508)로의 커플링은, 이하 다수의 다른 방법으로 달성된다. 튜브(517A 및 517B)의 튜브(517A' 또는 517B')로의 접속 방법 및 이 접속의 다수의 밀봉 방법이, 이하의 몇몇 예에 기재된다.
일 실시형태에 있어서, 튜브(517A 및 517B)는 튜브(517A' 및 517B')보다 큰 외측 직경을 갖고, 튜브(517A', 517B')을 수용하는 사이즈의 내측 직경을 가지므로, 튜브(517A, 517B)와 튜브(517A', 517B') 사이의 미끄럼 고정이 있게 된다. 추가적으로, 기계적인 클램프(529)는 튜브(517A')에 부착된 튜브(517A) 및 (517B')에 부착된 튜브(517B)를 유지한다. 이는 도 19에 도시되어 있는데, 튜브(517A')는 튜브(517A) 내측을 고정한다. 대안적으로, 기계적인 클램프(529)를 사용하는 대신, 유리 밀봉, 브레이즈 또는 그 밖의 적합한 밀봉이, 접속하는 튜브를 함께 유지하고 밀봉하는데 사용될 수 있다.
다른 실시형태의 튜브(517A 및 517A' 및 튜브(517B 및 517B')) 모두는, 실질적으로 동일한 열팽창을 갖고, 동일한 기계 가공된 내측 직경을 갖는다. 양쪽 튜브(517A 및 517A')는, 기계 가공된 외측 직경의 플러그 튜브(523)를 수용하는데, 이 튜브는 튜브(517A, 517A')의 내측에 밀접하게 고정된다. 플러그 튜브(523)는 보다 높은 열팽창 물질로 만들어지므로, 연료 셀 스택 어셈블리가 가열될 때, 플러그 튜브(523)가 튜브(517A 및 517A' 또는 517B 및 517B')의 사이즈 보다 팽창하여, 기밀 밀봉을 형성하도록 한다. 이는 도 20에 도시된다.
한편, 튜브(517A, 517B)가 튜브(517A', 517B')에 결합될 때, 압축 밀봉이 형성되도록 밀봉 물질이 사용될 수 있다. 예를 들면, 튜브(517A, 517B)가, 나이프 에지 내에서 종료되는 기계 가공된 외측 직경으로 기계 가공될 수 있다. 이들 튜브는, 평탄 에지내에서 종료하는 기계 가공된 내측 직경을 갖는 튜브(517A', 517B')에 각각 결합되어, 튜브(517A와 517A') 사이 및 튜브(517B와 517B') 사이에 미끄럼 고정이 있게 되도록 한다. 소프트 금속 와셔(525)가 튜브(517A', 517B') 대향 보어 플랜지 내에 삽입된다. 나이프 에지가 소프트 금속 와셔(525) 내로 압축될 때, 기밀 밀봉이 만들어진다(도 21을 보자). 나이프 에지는, 디스크(594)를 하프 클램쉘(592)의 중공 영역(592') 내로 삽입한 후, 하프 클램쉘의 다른 하프(도시 생략)에 부착함으로써, 소프트 금속 와셔(525) 내로 압축되어, 튜브(517A) 및 디스크(594)가 회전될 때, 이들이 나이프 에지를 와셔(525) 내로 힘을 받도록 한다.
또한, 튜브(517A, 517B)가 Swagelok 타입 피팅을 사용하는 입구 튜브(517A' 및 517B')에 결합될 수 있다. 한편, 튜브(517A 및 517A')는 동일한 내측 및 외측 직경을 가지며, 서로 벗(but) 밀봉될 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, 튜브(517A 및 517A', 517B 및 517B')는 동일한 내측 직경 및 동일한 외측 직경을 갖는다. 튜브(517A 또는 517A'; 517B와 517B')의 외측 직경의 슬리브보다 큰 내측 직경의 슬리브가 튜브에 걸쳐 미끄럼 고정되므로, 튜브(517A 및 517A', 517B와 517B')가 서로 결합된다. 슬리브 단부는 밀봉된다. 이 접근은, 브레이즈(braze: 납땜) 온도에 의존하는 핫 접속 커플링이나 콜드 접속 커플링에 사용될 수 있다. 예를 들면, 브레이즈 온도는 700℃ 정도의 높이가 될 수 있다. 물론, 상기의 추가적인 조합이 다른 기계적인 접합 설계로서 대체할 수 있으며, 이들은 단지 예로서 나타낸 것이다.
한편, 입구 튜브(517A)는 프레임 (입구) 도관(546) 내로 집적 고정되는 사이즈로 될 수 있다. 유사하게, 출구 튜브(517B)는 프레임 (배출) 도관(546A) 내로 직접 고정되는 사이즈로 될 수 있다. 이 경우, 튜브(517A와 517B)는 프레이밍 물질의 것 보다 높은 열팽창을 가지므로, 고온(연료 셀 스택의 동작 온도)에서 용접 밀봉(a hermetic seal)을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 이 밀봉은, 다른 밀봉 물질로 증대될 수 있다.
상기된 옥시던트 및 연료 흐름은, 옥시던트 흐름 및 연료 흐름이 패킷(508)을 통한/따른 대향 방향으로 이동하기 때문에, 카운터-진행이 된다. 다른 실시형태는 함께 흐르는(co-flowing:코-플로윙) 옥시던트 및 연료 흐름 방향뿐 아니라 교차 흐름(cross flowing:크로스-플로윙)의 것을 사용할 수 있다.
추가적으로, 스택(516)은 각각의 패킷(508) 및 판독 인디케이터(610)와 연관되는 복수의 전력 테이크오프 리드(600)를 포함하는데, 각각의 연료 셀 패킷(508)에 동작적으로 접속된다. 각각의 리드(600)는, 다중-셀 시트 장치(501)에 전기적으로 접속되고, 연료 셀 패킷 프레이밍 멤버(503)으로부터 전기적으로 절연된다. 판독 인디케이터(610)는, 각각의 연료 셀 패킷 모듈(508)의 동작 상태를 나타낸다. 판독 인디케이터(610)는 패킷 모듈(508)이 서브-기준 범위에서 동작하고, 패킷 모 듈(508)이 제거되며, 새로운 패킷 모듈로 대체되는 것을 가리킨다.
도 22a, 22b는 연료 패킷 프레임(503), 다중-셀 시트 장치(501), 전기 도전성 리드(600) 스트레인 완화 패스너(630), 도전성 접합 물질(640: 예를 들면 실버 팔라듐 페이스트) 및, 프레임 배출 개구(546A)를 포함하는 일례의 전력/전류 리드 테이크오프 어셈블리를 도시한다.
전력은 도전성 전력 테이크오프 리드(600)를 통해 연료 셀 패킷 모듈(508)로부터 이송된다(도 16a, 16b, 22a, 22b를 보자). 특히, 각각의 패킷 모듈(508)은 복수의 전극 리드(600)를 갖는다. 각각의 리드(600)는 다중-셀 시트 장치(501)에 전기적으로 접속되고, 예를 들면 절연 패드(도시 생략)를 통해 연료 셀 어레이 프레이밍 부재(예를 들면, 연료 패킷 프레임(503))로부터 전기적으로 절연된다. 리드(600)에 대한 외부 전기 커플러(620) 사이의 접속은, 예를 들면, (바람직하게는, >100℃ 및 보다 바람직하게는 >150℃)의 고온 폴리머의 외측 커버와의 메일 및 피메일 접합(암수 접합)의 신속한 접속 해지에 의해 달성될 수 있다. 다른 타입의 전기 접속이 사용될 수 있다. 예를 들면: 스프링 부하의 클램프 타입, 스프링 부하의 콘택트-투-패드 접속; 메일 및 피메일 미끄럽 상호 접속; 핀 타입 메일 및 피메일 접속이 있다. 또한, 도전성 리드(600)의 콜드 단부를 전기적 부하로부터 오는 전기 커플러(620)에 커플링하는데 너트 및 볼트가 사용될 수 있다. 볼트 및 너트를 통한 이 커플링은, 예를 들면 도전성 리드(600) 내의 리드 홀(600') 및 전기 커플러(620) 내의 유사한 홀을 통해 위치된 볼트를 통해 달성될 수 있다(SOFC는 제1 및 실온에서 전력 다운을 필요로 한다). 그 다음, 이 접속은 볼트로 고정될 수 있다. 대안적으로는, 와어어를 리드에 접속하기 위해서, 고온 브레이즈, 실버 솔더 또는 실버 브레이즈가 사용될 수 있고; 배터리 타입 클램프에서와 같이, 솔더 및 브레이즈가 전기 커플러(620)를 도전성 리드(600)에 커플링 할 수도 있다. 그 밖의 도전성 접합이 사용될 수도 있다.
센서, 예를 들면 판독 인디케이터(610)의 실행은, 전압, 전류 및 온도 중 소정의 원리 또는 3가지 원리 모두에 근거해서 동작할 수 있다.
연료 셀 패킷 모듈(508)은, 검사 또는 대체(연료가 공간(508') 내에서 둘러싸이므로, 메인 인클루저(550)는 밀봉되지 않아야 한다.)를 위해서, 바람직하게는 연료 셀 스택(516)의 셧다운(바람직하게는, <150℃) 후 이하의 단계를 사용하여, 용이하게 제거될 수 있다:
(전력 다운 전) 적어도 하나의 판독 인디케이터를 조사하고(예를 들면, 패킷 당 하나, 패킷이 사용되지 않으면 장치당 하나 또는, 상태를 위해 각각의 패킷을 스캔/인터로게이트하는 단일 판독 인디케이터를 사용), 어느 연료 셀 패킷 모듈(506)이 대체되거나 제거되는지를 결정;
쿨링 다운 동안, 외부 전극 부화의 접속 해제;
챔버(508')로부터 밖으로 연료 가스 펌핑: >600℃의 온도이면, 예를 들면, 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스로 수세(flushing)하거나, 시스템을 실온 근방으로 냉각하고 실온 공기로 수세;
리드(600)로부터 외부 전력 커플러(620) 접속 해제; 스택 주변의 절연(590) 넘어로 전력 커플러(620)를 연장(도 23);
프레임 도관(526)으로부터 입구 연료 순환(513)의 튜브(517A) 접속 해제(예를 들면, 패킷으로부터 입구 연료 매니폴드의 접속 해제); 패킷 튜브가 사용되면, 패킷 튜브(517A')가 스택 주변의 절연(590) 넘어로 연장된다; 실시형태가 솔더 글래스 브레이즈 또는 압축 밀붕 물질을 사용하면, 열은 튜브(517A)를 접속 해제하기 전에, 밀봉 물질을 용해/부드럽게 한다.
프레임 도관(526A)으로부터 출구 연료 순환(533)의 튜브(517B) 접속 해제(예를 들면, 패킷으로부터 출구 연료 매니폴드의 접속 해제); 패킷 튜브가 사용되면, 연료 출구 패킷 튜브(517B')가 스택 주변의 절연(590) 넘어로 연장된다; 실시형태가 솔더 글래스 브레이즈 또는 압축 밀붕 물질을 사용하면, 열은 튜브(517B)를 접속 해제하기 전에, 밀봉 물질을 용해/부드럽게 한다.
L-형상 엔드 플레이트(511)의 상부 및 바닥의 열 절연(590)을 제거한다(도 23a를 보자).
수직으로 당기므로써, 바닥 엔드 플레이트(511)를 제거하면, 하나 이상의 패킷을 제거할 수 있다;
엔드 플레이트(511) 외부에 위치된 너트(519)를 제거하고, 정렬 픽스처(520) 및 패킷 사이의 스페이서 튜브(521)로부터의 복수의 관통-볼트(515: 적어도 상부 및 바닥)를 슬라이딩한다;
연료 셀 패킷 모듈(508)을 정렬 슬롯(520') 밖으로 당기고 연료 셀 스택(516)을 자유롭게 한다;
그 다음, 새로운 패킷 모듈(508)을 제거된 패킷 모듈 대신 삽입하고, 연료 셀 스택(516)을 상기된 것과 반대로 재조립한다. 도 16b는 패킷(508)의 동일 측면의 리드(600)와 튜브(517A'와 517B')를 나타내고 있지만, 대안적으로 리드(600)가 대향하는 측면 상의 튜브(517A와 517B) 상에 있을 수 있다. 바람직하게는, 적어도 하나의 패킷(508)을 리드 및 튜브의 대향하는 측면으로부터 용이하게 제거할 수 있도록, 모든 접속은 한 측면 상에 어레이된다.
상기된 2개의 전형적인 패킷 모듈은 함께 조립되고/밀봉될 수 있어, 제1과 제2 쌍의 연료 셀 장치 사이의 옥시던트 챔버를 포함하는 보다 큰 패킷 모듈을 형성하게 된다. 이러한 큰 패킷 모듈은, 여기서 사용된 패킷의 한정 내에 있고, 상기된 방법으로 제거 및/또는 대체될 수 있다.
연료 셀 시스템(599: 도 23b)은 복수의 분리된 연료 셀 스택(516)을 사용하여, 하나의 연료 셀 스택만이 패킷 대체를 위한 전력 다운에 요구될 수 있도록 하므로, 패킷 대체 및/또는 패킷 또는 스택 수리 동안 연료 셀 시스템의 나머지가 동작할 수 있게 허용한다. 바람직하게는, 연료 셀 스택(516)은 전기적 및/또는 열적으로 서로 절연된다. 연료 셀 시스템이 다수의 전기적 셧오프 스위치(516A)를 갖는 것이 선호되는데, 각각은 하나의 스택(516)에 대응되므로, 각각의 스택이 다른 스택으로부터 전기적으로 접속 해제 되게 한다. 따라서, 일실시형태에 따르면, 연료 셀 시스템(여기서, 상기 연료 셀 시스템은 복수의 연료 셀 스택을 포함한다.)을 수리하는 방법은, 적어도 하나의 다른 연료 셀 스택이 동작하는 동안, 수리를 위해 적어도 하나의 연료 셀 스택의 전력을 다운하는 단계를 포함하므로, 연속적인 연료 셀 시스템 동작을 제공한다.
예8
도 24를 참조하면, 본 실시형태의 패킷 모듈(708)은, 패킷 프레임(703)의 내부와 대면하는 캐소드 측으로, 패킷 프레임(703)에 본딩되는 다중-셀 시트 장치(701)를 포함한다. 이 캐소드-대면-캐소드 구성에 있어서, 애노드용이 연료가 다중-셀 시트 장치(701)의 애노드 대면 측면 상의 이들 챔버의 외측에 공급되는 동안, 옥시던트는 (하니콤) 패킷 프레임(703) 내에 위치된 병렬 채널(752)을 통해 내부 캐소드 챔버(780')에 공급된다. 특히, 옥시던트는 옥시던트 입구(790)를 통해 공급되어, 연료 셀 옥시던트 중앙 채널(752)로 들어간다. 연료 셀 옥시던트 채널(752)의 단부 또는 근방에서의 턴어라운드는, 중앙 옥시던트 입구 채널로부터 옥시던트를 캐소드(730)에 공급하는 주변 채널(752)로 옥시던트를 분배한다. 배출된 옥시던트는 옥시던트 배출 애퍼처(785)를 통해 밖으로 향한다.
도 24, 25, 26은, 연료 분배 챔버(702)를 형성하는 하우징(700)을 도시한다. 패킷 프레임(703) 및 이에 본딩된 다중-셀 시트 장치(701)가 챔버(702) 내측에 위치되어, 연료가 다중-셀 시트 장치(701)의 애노드(740)와 접촉하도록 한다. 또한, 2개의 연료 셀 어레이(701) 사이의 전기 접속은, 프레임(703) 주변을 따르는 제1 어레이의 애노드(740) 포션 및 제2어레이(701)의 캐소트 콘택트에 부착된 Ag 또는 Ni 와이어 또는 Ag 또는 Ni 리본과 같은 전기 접속(741)을 포함할 수 있다. 하우징(700)은, 연료 순환(713)에 접속된 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 연료 가스 입구(712)를 갖는다. 연료는, 하우징(700) 내에 위치된 하나 이상의 연료 가스 배출 애퍼처(707)를 통해 챔버(702)로부터 배출된다. 배출된 연료 및 옥시던트는 연 소 챔버 내에서 결합되어, 도입되는 연료를 원하는 온도로 데우기 위해서, 연료 스택에서 사용할 수 있는 열을 생성할 수 있다. 도 24, 25, 26에 도시된 단일 패킷을 갖는 본 실시형태의 연료 셀 스택(716)은, 패킷 프레임(703) 및 부착된 다중-셀 시트 장치(701: 예를 들면 연료 셀 모듈)가 모듈의 하나의 단부에서만 밀봉(715)에 의해 하우징(700)에 기계적으로 고정되기 때문에, 개선된 서머-미케니컬한 내구성의 장점을 갖는다. 도면에 도시된 바와 같이 패킷 프레임(703) 및 부착된 다중-셀 시트 장치(701)는, 하우징(700)과 패킷 모듈(708) 사이에 위치된 입구측 밀봉(715)에 의해 지지된다.
그런데, 대안적인 구성에 있어서, 패킷 프레임(703) 및 부착된 다중-셀 시트 장치(701)는, 컴플라이언트 서포트(720) 상에 안착될 수 있다(점선으로 도 27에 개략적으로 나타낸다). 컴플라이언트 서포트(720)은, 챔버(702) 내측에 위치된, 예를 들면 금속 폼(metal foam)일 수 있으며, 설치 동안, 루즈 가이드 시트(a loose guide seat)로서 패킷 모듈(708)을 받아들이게 되는 컵 디자인을 갖는다.
바람직하게는, 도 24, 25에 나타낸 바와 같이, 전력은, 절연 볼트(742: 예를 들면, 세라믹)를 통해, 다중-셀 시트 장치(701) 상의 최종 애노드(740)로의 실란트에 의해, 프레임(703)의 바닥에 부착된 Ag이나 Ni 와이어 또는 Ag 이나 Ni 리본과 같은 금속으로 구성되는 전기 커넥터(743)를 통해서, 연료 셀 패킷 모듈(708)로부터 이용 가능하다. 절연 물질(727')은, 커넥터(743)와 프레임 물질에 의존하는 프레임(703) 사이에 위치될 수 있다. 패킷 모듈(708)의 웨이트에 기인해서 커넥터(743)는 도전성 리드(725')에 영구적으로 안착되며, 하우징(700)의 외부와의 전 기 접속이 만들어진다. 리드(725')는, 설치 동안 루즈 가이드 시트를 제공함으로써, 패킷 모듈(708)의 도전성 및 기계적인 정렬의 2중 목적으로 사용되는 섹션형 컵 형상(커넥트(743)의 쇼트를 회피하기 위해서)이다. 리드(725')는, 코어에 고온의 저저항 금속(바람직하게는, Ni 또는 Ni 합금)을 포함하는데, 이는 대기를 감소시키는데 유용한 알루미나 또는 마그네시아와 같은 고온의 전기 절연체에 의해 둘러싸인다. 외측 시스(sheath)는, 하우징(700)에 용접/브레이즈될 수 있는 금속인데, 핫 존 외측(및 하우징 절연 넘어)의 최종 밀봉은 금속 시스 및 고온 도전체를 덮는 유지 밀봉(725A)이다.
한편, 도 21에 나타낸 바와 같이, 연료 셀 패킷 모듈(708)로부터 도전성 프레임 패드(721)를 통한 전력을 이용할 수 있는데, 패드는 패드와 프레임 사이의 전기 절연(727)과 함께 패킷 프레임(703)으로부터 약간 돌출한다. 고온의 금속 합금 전기 접속이, 유지 또는 유리-세라믹 전기 절면 밀봉을 사용하는 고온 연료 챔버를 통해 공급되는데, 이는 유리 또는 유리-세라믹 물질에 대해 바람직하다. 또한, 다른 세라믹이 사용될 수 있다. 하우징(700)의 연료 측 상에는, 딱딱한 고온 금속 커넥터(725)가 있는데, 이는 하우징(700)의 외부 측면에도 접속된다. 금속 커넥터(725)의 연료 측은, 금속 스프링(723)에 접속되는데, 이는 상기된 프레임 패드(721)에 접속한다. 바람직하게는, 커넥터(725)는 적어도 부분적으로 하우징(700)의 내측에 위치되어, 모듈(708)이 밖으로 당겨질 때, 스프링(723)은 소정의 애노드 표면과 접촉하지 않게 된다. 또한, 세라믹 및 유리 스프링이 공지되어 있지만, 상대적으로 고가인 도전성 금속으로 코팅될 수 있다. 또한, 핫 챔버 접속을 위해서, 이 스프링 및 패드 실시형태가 사용될 수 있다.
연료 셀 패킷 모듈(708)은 검사 또는 대체를 위해, 이하의 단계를 사용하여, 용이하게 제거될 수 있다:
(전력 다운 전) 적어도 하나의 판독 인디케이터(610)를 조사하고(예를 들면, 패킷 당 하나, 패킷이 사용되지 않으면 장치당 하나 또는, 상태를 위해 각각의 패킷을 스캔/인터로게이트하는 단일 판독 인디케이터를 사용), 어느 연료 셀 패킷 모듈(708)이 제거되는지를 결정;
쿨링 다운 동안, 외부 전극 부화의 접속 해제;
챔버(702)로부터 밖으로 연료 가스 펌핑: (>600℃의) 고온이면, 예를 들면 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스로 수세(flushing)하거나, 시스템을 실온 근방으로 냉각하고 실온 공기로 수세;
밀봉(715)을 브레이킹(breaking)하고, 수취 컵(720)상부 또는 섹션의 컵 형상 도전성 리드(725': 실시형태에 따른) 상부 밖으로, 워블을 방지하기 위해서 패킷(708)을 가이드 로드(도시 생략)를 따라 상부 밖으로 그리고 하우징(700) 밖으로 당긴다.
그 다음, 새로운 패킷 모듈(708)이 제거된 패킷 모듈 대신 삽입되고, 밀봉(715)이 다시 적용되고, 나머지 처리 단계가 상기와 역으로 수행된다.
물론, 패킷 모듈은 도시된 사각형 기하 형상을 갖지 않아도 된다. 원형, 육각형 도는 그 밖의 형상이 될 수 있다. 마찬가지로, 패킷 모듈은 중심 패턴 내에 배열될 수 있다. 또한, 상기된 바와 같이, 패킷 모듈은 4개의 연료 셀 장치를 포 함할 수 있다. 예를 들면, 4개의 연료 셀 장치는 사각형 단면의 패킷의 4개의 벽을 형성하도록 배열된다.
한편, 패킷 모듈 대신 스탠드-어론 연료 셀 장치가 사용되면, 동일한 프로시져가 수반됨에 따라, 스탠드-어론 장치의 대체가 여전히 일어날 수 있다. 도 28은 스탠드-어론 장치 및 압축 밀봉 접근을 사용하는 본 발명의 실시형태를 나타낸다. 스탠드-어론 연료 셀 장치(908: 본 명세서에서는 제거 가능한 엘리먼트로서도 언급됨)는 다중-셀 시트 장치(901: 전해질 시트, 전극 및/또는 전기 또는 이어 접속을 포함한다)와, 예를 들면 U-형상 도전성 압축 플레이트(902)로 형성될 수 있는 프레임 및 압축 펠트 또는 마이카 밀봉(915')을 구비한다. 이 실시형태에 있어서, 압축 펠트 또는 마이카 밀봉(915')과 스페이서(981: 연료용의 도시 생략된 입구 또는 출구를 갖는)가 제1셀 장치(908)와 제2셀 장치(908) 사이에 삽입되고, 도전성 브리지(941A)가 플레이트(902)에 걸쳐 미끄러진다. 내부와 대면하는 애노드 측면(940)을 갖는 제2연료 셀 장치(908)는, 압축을 통해 내부와 대면하는 애노드 측면(940)을 갖는 제1의 연료 셀 장치(908)에 동작적으로 접속되어, 연료 챔버(908')를 형성한다. 2개의 연료 셀 장치(908), 도전성 브리지(915A) 및 스페이서(981)는, 패킷 모듈(708)에 의해 제공되는 동일 기능을 수행한다. 물론, 2개의 연료 셀 장치(908)의 다수의 그룹이, 추가적으로, 볼팅에 의해 동작적으로 더 접속될 수 있다.
도 28에 나타낸 일례의 실시형태는, 하나 또는 2개 이상의 연료 셀 장치(908)를 동시에 제거하는 것이다. 그러면, 개별 연료 셀 장치가 대체되고, 새로 운 단일 장치가 하우징에 재삽입되거나 다수의 장치 그룹이 하우징에 재삽입된다.
예9
도 29, 30은 (실시형태에 따라서) 2개의 연료 셀 패킷 모듈(808: 각각은 2개의 다중-셀 시트 장치(801)가 패킷 프레임(803)의 양 측면에 본딩됨)이 하우징(800)에 의해 형성된 가스 분배 챔버(802) 내측에 위치되는 것을 도시한다. 하우징(800)은, 연료 입구(850)를 통해 연료 셀 스택(816)에 들어가는 연료의 분배를 허용하는 관통 홀(812)과 함께 연료 분배 플레이트(845)를 포함한다. 연료는 압력차에 기인해서, 하우징(800)의 플레이트(855) 내의 좁은 슬릿(885)을 통해 배출되고, 챔버(802)로부터 연료 챔버(860)로 들어간다. 플레이트(855)는 연료 챔버(802)로부터 연소 챔버(860)를 분리한다. 옥시던트는 입구(865)를 통해 공급되어, 패킷 프레임(803)의 흐름 채널(890)을 통해 연료 셀 패킷 모듈(808')로 들어간다. 밀봉(871)은, 연소 챔버(860) 내로의 신선한 옥시던트 침범을 감소시킨다. 도시되지 않은 옥시던트 분배 기하 형상은, 도 24-26 및 27에 도시한 것과 유시하다. 하니콤의 바닥 단부에서의 턴어라운드는, 하니콤의 내부 입구 채널로부터 셀을 공급하는 주변 채널로 옥시던트를 분배한다. 궁극적으로, 옥시던트는 배출 슬릿(870)을 통해 배출된다. 배출된 옥시던트는 배출된 연료와 혼합되어, 연소 챔버 밖에 위치된 연소 배출(875)을 통해 배출된 연소 부산물을 제공한다. 한편, 제2배출은, 챔버 내의 875 바로 위에 위치되어, 측면 대향 옥시던트 입구(865) 상의 옥시던트 챔버를 나오게 되며, 플로우 밸런싱(flow balancing)이 제어될 수 있다. 도 29는, 섹션의 컵 형상 도전성 리드(825') 내에 안착된 패킷 모듈(808)을 나타낸 다. 전기 콘덕터(841)은 2개의 다중-셀 시트 장치(801)를 접속하고, 전기 콘덕터(843)는 다중-셀 시트 장치(801)의 마지막 애노드로부터 프레임(803)의 바닥에 접속된다(843과 801 사이의 전기 절연은 도시 생략). 절연 볼트(842)는 프레임(803)에 콘덕터(843)를 접속시킨다. 패킷 모듈(808)이 스택(816) 내로 삽입될 때, 리드(825')로의 전기 접속이 만들어진다. 모듈의 웨이트는 양호한 전기 접속을 보장한다. 리드(825')는 실버 또는, 도전성을 유지하는 브레이즈된 콘택트를 갖는, 예를 들면 Ni 합금, 고Cu 합금, AlCuFe 합금인 내화 금속으로 구성될 수 있다. 도 30은, 컵 형상 서포트(820) 내에 안착되는 패킷 모듈(808)을 나타낸다. 전기 콘덕터(841)는 2개의 다중-셀 시트 장치(801)를 접속하고, 전기 콘덕터(841')는 다중-셀 시트 장치(801)의 마지막 애노드를 프레임 패드(821)에 접속한다. 전기 절연 패드(도시 생략)가 프레임 패드(821)와 프레임(803) 사이에 있다. 금속 스프링(823)은, 패킷 모듈(808)이 스택(816)에 삽입될 때, 패드(821)과 리드(825) 사이의 전기 접속을 보장한다.
연료 셀 패킷 모듈(808)은 검사 또는 대체를 위해, 이하의 단계를 사용하여, 연료 셀 스택 하우징(800)으로부터 용이하게 제거될 수 있다:
(전력 다운 전) 적어도 하나의 판독 인디케이터를 조사하고(예를 들면, 패킷 당 하나, 패킷이 사용되지 않으면 장치당 하나 또는, 상태를 위해 각각의 패킷을 스캔/인터로게이트하는 단일 판독 인디케이터를 사용): 도시 생략), 어느 연료 셀 패킷 모듈(808)이 제거 또는/ 대체되는지를 결정;
쿨링 다운 동안, 외부 전극 부화의 접속 해제;
챔버(802)로부터 밖으로 가스 수세 또는 펌핑: >600℃의 고온이면, 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스로 수세(flushing)하거나, 시스템을 실온 근방으로 냉각하고 실온 옥시던트로 수세;
박스 리드(864)를 제거한 후, 플레이트(864')를 제거하여, 브레이킹 밀봉(871);
수취 컵(820) 상부 또는 섹션의 컵 형상 도전성 리드(825': 실시형태에 따른) 상부 밖으로, 워블을 방지하기 위해서 가이드 로드(도시 생략)를 따라 패킷(808)을 당김으로써, 패킷을 전기적으로 접속 해제한다.
그 다음, 새로운 패킷 모듈(808)이 제거된 패킷 모듈 대신 삽입되고, 밀봉(871)이 다시 적용되고, 나머지 처리 단계가 상기와 역으로 수행된다. 상기된 바와 같이, 패킷 모듈은 2 내지 4개의 연료 셀 장치를 포함할 수 있다.
물론, 상기 서술 및 실시예는 본 발명의 일예이며, 당업자에 있어서는, 이하의 청구항에 따른 본 발명의 실시를 위해, 특정 물질, 장치 및 방법의 다수의 변형 및/또는 변경이 가능한 것은 주지되어 있다.

Claims (19)

  1. 연료 셀 스택 내에서 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법으로서,
    (i) 연료 셀 스택의 전력을 낮추는 단계;
    (ii) 연료 셀 패킷 모듈을 외부 전력 로드로부터 전기적으로 접속 해제하는 단계;
    (iii) 연료 셀 패킷 모듈을 연료 셀 스택으로부터 기계적으로 접속 해제하는 단계; 및
    (iv) 상기 연료 셀 패킷 모듈을 스택으로부터 제거하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    스택 내에서의 특정 연료 셀 패킷 모듈의 실패를 검출하기 위한 인디케이터를 사용하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 연료 셀 모듈로부터 연료 셀 패킷 모듈을 기계적으로 접속 해제하기에 앞서, 패킷 모듈로부터 연료 가스를 수세(flushing)하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 스택으로부터 상기 연료 셀 패킷을 제거하기에 앞서, 연료 셀 스택 주변으로부터 적어도 절연부를 제거하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 제거된 연료 셀 패킷 모듈에 대응하는 위치 내에 새로운 연료 셀 패킷 모듈을 삽입하고, 나머지 스택에 새로운 연료 셀 패킷 모듈을 기계적으로 접속하며, 연료 셀 스택의 전력을 높이는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법.
  6. 연료 셀 스택 내에서 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법으로서,
    (i) 연료 셀 모듈이 대체되는 지를 결정하기 위해서, 인디케이터를 사용하는 단계;
    (ii) 나머지 연료 셀 스택으로부터 상기 연료 셀 패킷의 접속을 해제하는 단계;
    (iii) 나머지 연료 셀 스택으로부터 상기 연료 셀 모듈을 제거하는 단계; 및
    (iv) 상기 연료 셀 모듈을 다른 연료 셀 모듈로 대체하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스택은 연료 셀 시스템 내에 존재하는 복수의 스택 중 하나이고, 적어도 하나의 다른 연료 셀 스택이 동작하는 동안 하나의 연료 셀 스택 내에서 패킷 대체가 수행되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 패킷 모듈을 대체하는 방법.
  8. 연료 셀 시스템을 수리하는 방법으로서,
    상기 연료 셀 시스템이 복수의 연료 셀 스택을 포함하고,
    상기 방법이, 연속적인 연료 셀 시스템 동작을 제공하기 위해서, 적어도 하나의 다른 연료 셀 스택이 동작하는 동안, 수리를 위해 적어도 하나의 연료 셀 스택의 전력을 내리는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 패킷을 수리하는 방법.
  9. a) 하나 이상의 솔리드 옥사이드 시트 섹션에 의해 적어도 부분적으로 형성된 둘러싸인 내부를 갖는 제거 가능한 패킷 모듈;
    b) 둘러싸인 내부 내에 배치되어, 솔리드 옥사이드 시트 섹션의 내부 표면 상에 지지되는 적어도 하나의 애노드;
    c) 일반적으로 내부 표면 상의 적어도 하나의 애노드와 대향하는 위치에서, 컴플라이언트 솔리드 옥사이트 시트 섹션의 외부 표면 상에 지지되는 적어도 하나의 캐소드;
    d) 연료 가스를 둘러싸인 내부로 공급하는 연료 전달 어셈블리; 및
    e) 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리로부터 전류를 끌어내기 위해서, 애노드와 캐소드에 접속된 적어도 하나의 전기 도전체를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서, 패킷 엘리먼트의 둘러싸인 내부가 에지-밀봉된 솔리드 옥사이드 시트 섹션과 대향해서 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 생성 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서, 솔리드 옥사이드 전해질 시트 섹션이 컴플라이언트이고, 50㎛ 미만 두께인 것을 특징으로 하는 전력 생성 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리.
  12. 제9항에 있어서, 각각의 솔리드 옥사이드 시트 섹션은 복수의 애노드 및 캐소드를 지지하고, 상기 솔리드 연료 셀 어셈블리로부터 전류를 끌어내기 위해서, 상기 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리가 상기 애노드 및 캐소드에 접속된 복수의 전기 도전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리.
  13. 제9항에 있어서, 연료 전달 어셈블리가 패킷의 둘러싸인 내부에 연료 가스 를 공급하기 위한 연료 도관을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리.
  14. 제12항에 있어서, 연료 전달 어셈블리가 패킷의 둘러싸인 내부에 연료 가스를 공급하기 위한 연료 도관을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리.
  15. 적어도 하나의 솔리드 옥사이드 멀티 셀 시트 장치를 구비하고, 하나 이상의 솔리드 옥사이드 시트 섹션에 의해 적어도 부분적으로 형성된 둘러싸인 내부를 갖는 제거 가능한 패킷 엘리먼트를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리.
  16. 제15항에 있어서, 상기 솔리드 옥사이드 시트 섹션이 컴플라이언트인 것을 특징으로 하는 전력 생성 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리.
  17. 제15항에 있어서, 솔리드 옥사이드 시트 섹션을 에지 지지하는 프레임 엘리먼트;
    둘러싸인 내부 내에 배치되고, 컴플라이언트 솔리드 옥사이드 시트 섹션의 내부 표면 상에 지지되는 하나 또는 복수의 애노드;
    일반적으로 내부 표면 상의 애노드와 대향하는 위치에서, 컴플라이언트 솔리 드 옥사이드 시트 섹션의 외부 표면 상에 지지되는 하나 또는 복수의 캐소드;
    연료 가스를 둘러싸인 내부로 공급하기 위한 프레임 엘리먼트를 통한 연료 전달 도관; 및
    어셈블리로부터 전류를 끌어내기 위해서, 애노드와 캐소드에 접속되는 전기 도전체를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리.
  18. 제15항에 있어서, 상기 어셈블리는 복수의 제거 가능한 멀티 셀 시트 장치를 구비하고, 상기 멀티 셀 시트 장치는 서로 물리적으로 분리 가능하므로, 적어도 하나의 상기 멀티 셀 시트 장치가 제거되고, 다른 멀티 셀 시트 장치와 대체될 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 생성 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리.
  19. 제17항에 있어서, 프레임이 소결 금속이나, 세라믹 또는 서멧으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 생성 솔리드 옥사이드 연료 셀 어셈블리.
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