KR20080110656A - 고온 연료 셀 스택 - Google Patents

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KR20080110656A
KR20080110656A KR1020087026359A KR20087026359A KR20080110656A KR 20080110656 A KR20080110656 A KR 20080110656A KR 1020087026359 A KR1020087026359 A KR 1020087026359A KR 20087026359 A KR20087026359 A KR 20087026359A KR 20080110656 A KR20080110656 A KR 20080110656A
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안드레아스 라이너트
미카엘 로주멕
우베 베르크만
옌스 하페마이슈터
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에너다이 게엠베하
스탁세라 게엠베하
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Abstract

본 발명은 임시 유지 장치에 의해 유지되는 고온 연료 셀 스택(10)에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 임시 유지 장치(12, 14, 16, 18, 20, 22)가 고온 연료 셀 스택(10)의 작동 온도보다 낮은 온도에서 연소하는 플라스틱재로 구성되는 것이 고려된다.
본 발명은 또한 고온 연료 셀 스택(10)을 임시로 유지하는 방법과, 고온 연료 셀 스택(10)의 임시 유지 장치(12, 14, 16, 18, 20, 22)를 제거하는 방법에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 고온 연료 셀 스택(10)을 위한 임시 유지 장치로서의 그 자체로 공지되어 있는 플라스틱 요소(12, 14, 16, 18, 20, 22)의 사용에 관한 것이다.

Description

고온 연료 셀 스택{HIGH TEMPERATURE FUEL CELL STACK}
본 발명은 임시 유지 장치에 의해 유지되는 고온 연료 셀 스택(high temperature fuel cell stack)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 고온 연료 셀 스택을 임시로 유지하는 방법과, 고온 연료 셀 스택의 임시 유지 장치를 제거하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 플라스틱 구성 요소의 특정 사용에 관한 것이다.
예컨대, SOFC 스택과 같은 고온 연료 셀 스택은 규정 구속하에서 제조 또는 결합된다. 상기 구속은 영구적으로 유지되어야 한다. 즉, 충분한 구속이 없는 경우에는 고온 연료 셀 스택에서 사용되는, 열팽창 계수가 약간 다른 구성 요소 및 재료와, 냉각 상태에 있어서의 주위 온도와, 예컨대 850 ℃의 작동 및 결합 온도의 온도차로 인해 내부 장력이 초래되고, 이로 인해 예컨대, 접촉층의 박리, 시일의 크랙킹(cracking), 그리고 이에 따라 연료 셀 스택의 성능의 악화를 야기할 수 있다. 구속의 영구적인 영구 유지는, 예컨대 이 구속이 고온 연료 셀 스택을 제조하는 동안, 오븐에서 제거하는 동안, 고온 연료 셀 스택을 이송하는 동안, 개별 장치에 고온 연료 셀 스택을 설치하는 동안, 최종 장치의 유지 장치로 구속을 전이하는 동안, 및 장치에서 고온 연료 셀 스택을 작동시키는 동안에 유지되어야 한다는 것을 의미할 수 있다. 이러한 다른 단계들에 대해서, 유지력을 인가하는 다른 기술 이 알려져 있다. 고온 연료 셀 스택을 제조하는 동안에 구속은, 예컨대 하중을 인가하는 것에 의해 이루어질 수 있다. DE 103 34 129 A1에는, 하나 이상의 액츄에이터에 의한 고온 연료 셀 스택의 전력 및/또는 경로 제어식 결합이 공지되어 있다. 타이 앵커(tie anchor) 또는 탄성 요소에 의한 영구적인 내부 연료 셀 스택 구속 또는 일체형 열팽창 기구를 포함하는 강성 유지 요소에 의한 구속(예컨대, WO 2004102706 A2 또는 CA 2453061 A1 참고)을 이용하는 경우, 상기 구속은 오븐으로부터의 제거에서부터 고온 연료 셀 스택의 작동을 포함하여 고온 연료 셀 스택의 작동까지 이용될 수 있다. 그러나, 내열성이 높은 강으로 이루어진 타이 앵커를 사용하는 것은 비용이 매우 많이 들고, 추가적으로 크리프 이벤트(creep event)로 인해 장기간에 걸쳐 균일한 구속이 유지될 수 없다는 위험을 내포한다. 예컨대, 850 ℃의 작동 온도에서 견디는, 크리프 이벤트를 상쇄하는 탄성 요소 또한 고가이거나 또는 심지어는 이용할 수 없다. 따라서, 크리프 이벤트를 상쇄하는 탄성 요소는 종종 고온 연료 셀 스택의 단열재 외측에 배치된다. 이러한 목적을 위해 여러 경우에 단열재에 개구가 요구되는데, 이것은 열손실의 원인이 될 수 있다.
DE 103 08 382 B3에는 오븐에서의 냉각후에 연료 셀 스택을 우선 임시 유지 장치를 사용하여 유지한 후, 연료 셀 스택의 단열재를 제공하며, 단열재의 외측에 최종 유지 장치를 마련하고, 다음에 임시 유지 장치를 제거하는 것이 공지되어 있다. 이에 따라, DE 103 08 382 B3의 교시에 따르면 임시 유지 장치를 제거하기 위해 단열재에는 개구가 마련되어야 하며, 그 후 대응하는 오리피스가 단열 재료로 채워져야 한다. 다음에, 연료 셀 스택이 작동될 수 있다. 이러한 해결책은 임시 유지 장치의 수동 제거와, 단열재에 있는 오리피스의 실링(sealing)으로 인해 지출과 비용이 초래되고, 단열재의 기능성과 통합성에 분리하다는 단점이 있다. 그 이외에도, 연료 셀 스택은 임시 유지 장치를 제거하는 동안에 쉽게 손상될 수 있다.
본 발명은 이러한 단점들을 제거하는 목적에 주안점을 두고 있다.
상기 목적은 독립항에 명기되어 있는 특징부에 의해 해결된다
본 발명의 유리한 실시예 및 다른 양태는 종속항으로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택은 임시 유지 장치가 고온 연료 셀 스택의 작동 온도보다 낮은 온도에서 연소하는 플라스틱재로 구성되는 일반적인 당업계의 현황에 기초한다. 이러한 해결책으로 인해, 최종 유지 장치를 바람직하게는 그 사이에 단열재의 외측에 마련한 후에 고온 연료 셀 스택의 간단한 작동에 의해, 바람직하게는 무잔여물 연소(residue-free combustion)에 의해 임시 유지 장치를 제공하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 예컨대 DE 103 08 382 B3의 복잡하고 위험한 임시 유지 장치 제거 방법이 삭제된다.
이러한 관계에 있어서, 플라스틱재가 고분자 플라스틱재(polymeric plastic material), 특히 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌을 포함하는 것을 고려하는 것이 유리할 수 있다. 폴리프로필렌은, 예컨대 132 ℃의 용융 온도를 가질 수 있는 한편, 폴리에틸렌은 예컨대 163 ℃의 용융 온도를 가질 수 있다. 양자의 고분자 플라스틱재는 고온에서 연소한다.
본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택의 바람직한 실시예의 경우에, 임시 유지 장치가 적어도 하나의 플라스틱 스크루, 적어도 하나의 플라스틱 너트, 적어도 하나의 플라스틱 스트립, 적어도 하나의 플라스틱 쉘(shell), 적어도 하나의 플라스틱 로드 및/또는 수축 호일을 포함하는 것이 고려된다. 기본적으로, 구속에 필요한 힘을 인가하는 데 적절하고 고온 연료 셀 스택의 작동 온도보다 낮은 온도에서 연소하는 모든 플라스틱 요소가 적합하다.
본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택의 바람직한 다른 양태에 따르면, 고온 연료 셀 스택이 임시 유지 장치에 의해 서로를 향하게 클램핑되는 적어도 거의 평행한 2개의 단부판을 포함하고, 임시 유지 장치가 단부판을 넘어 돌출하지 않거나 단지 약간만 단부판을 넘어 돌출하는 것이 고려된다. 단부판의 코너 구역에는, 예컨대 융기 플랩이 마련될 수 있으며, 이 융기 플랩에는 구멍들이 마련되며, 이 구멍들 중 2개의 구멍은 각각 서로에 대해 정렬되고 원추형으로 넓혀진 헤드 스크루의 헤드를 수용하도록 구성된다. 이 경우, 복수 개의 그러한 고온 연료 셀 스택을 문제 없이 적층하는 것을 가능하게 하는, 고온 연료 셀 스택의 실질적으로 평탄한 상면 및 저면을 제공하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택을 임시로 유지하는 방법은 고온 연료 셀 스택의 작동 온도보다 낮은 온도에서 연소하는 플라스틱재로 구성되는 임시 유지 장치에 의해 고온 연료 셀 스택을 유지하는 단계에 의해 특징 지워진다.
이러한 방식으로, 이하에서 설명되는 본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택의 임시 유지 장치를 제거하는 방법의 실행에 관한 원리가 제공된다.
본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택을 임시로 유지하는 방법과 관련하여, 플라스틱재는 고분자 플라스틱재, 특히 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌을 포함하는 것도 바람직하다.
본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택의 임시 유지 장치를 제거하는 방법은 고온 연료 셀 스택의 작동과 이와 동시에 일어나는 임시 유지 장치의 연소 단계에 의해 특징 지워진다.
이러한 해결책에 있어서, DE 10 308 382 B3에 공지되어 있는 임시 유지 장치를 제거하는 위험한 조치가 회피된다.
본 발명에 따른 임시 유지 장치를 제거하는 방법과 관련하여, 플라스틱재는 고분자 플라스틱재, 특히 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌을 포함하는 것도 바람직하다.
본 발명은 또한 고온 연료 셀 스택을 위한 임시 유지 장치로서 적어도 하나의 플라스틱 스크루, 적어도 하나의 플라스틱 너트, 적어도 하나의 플라스틱 스트립, 적어도 하나의 플라스틱 쉘, 적어도 하나의 플라스틱 로드 및/또는 수축 호일을 사용하는 것에 관한 것이다.
이와 관련해서도, 플라스틱재는 고분자 플라스틱재, 특히 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌을 포함하는 것도 바람직하다.
이하에서, 예로서 관련 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하겠다.
도 1은 본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택을 임시로 유지하는 방법이 적용되 고, 본 발명에 따른 임시 유지 장치를 제거하는 방법을 시행하기 위해 준비되는, 본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택의 실시예의 사시도이고,
도 2a 내지 도 2e는 고온 연료 셀 스택을 위한 임시 유지 장치로서 사용 가능한 본 발명에 따른 다양한 플라스틱 요소를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 고온 연료 셀 스택
12 : 플라스틱 쉘
14 : 플라스틱 스크루
16 : 플라스틱 너트
18 : 플라스틱 스트립/플라스틱 케이블 바인더
20 : 수축 호일
22 : 플라스틱 로드
24 : 반복적인 요소
26, 28 ; 단부판
30 : 플랩
도 1에는 본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택(10)의 실시예의 사시도가 도시되어 있다. 도시한 연료 셀 스택은 그 자체로 공지되어 있는 방식으로, 상부 단부판(26)과 저부 단부판(28) 사이에 배치된 복수 개의 반복적인 요소(24)를 포함한다. 상부 단부판(26)과 저부 단부판(28)은 그 각각의 코너에 플랩(30)을 포함하 며, 이 플랩(30)에는 원추형으로 넓혀진 구멍이 마련된다. 도 1에 도시한 실시예에서, 임시 유지 장치는 암나사부가 마련된 4개의 쉘(12)- 이들 중 3개만 볼 수 있음 -과 원추형으로 넓혀진 헤드가 마련된 8개의 스크루(14)에 의해 형성된다. 스크루(14)뿐만 아니라 암나사부가 마련된 쉘(12)은, 예컨대 850 ℃일 수 있는 고온 연료 셀 스택의 작동 온도보다 낮은 온도에서, 바람직하게는 잔여물 없이 연소하는 플라스틱재로 형성된다. 플라스틱재는, 예컨대 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌과 같은 고분자 플라스틱재를 포함할 수 있다.
도 1에 도시한 상태의 고온 연료 셀 스택을 얻기 위해서, 예컨대 DE 103 34 129 A1- 그 내용이 본 명세서의 개시물의 일부라는 것을 이해해야 함 -에 설명되어 있는 바와 같이, 우선 고온 연료 셀을 가열하면서 결합하였다. 이에 따라, 연료 셀 스택은 제조 중에, DE 103 08 382 B3에 공지되어 있는 바와 같이 하중을 인가하는 것에 의해 규정된 압력에 노출되는 것이 아니라, 전력 액츄에이터에 의해 규정된 압력에 노출된다. 더욱이, 상기 전력 액츄에이터는 해제 경로를 모니터링하고 압박력의 변화에 의해 해제 경로에 영향을 미치는 옵션을 갖는다. 이러한 방식으로 인가되는 힘은 결합 공정(실링 재료의 융해 및 전기 컨택트의 결합) 중에, 주위 온도로 냉각하는 동안에, 그리고 상기 결합 및 냉각 후에, 예컨대 본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택을 임시로 유지하는 방법을 실시하는 것에 의해 임시 유지 장치로 구속을 전이할 때까지 이용된다.
임시 유지 장치는 연료 셀 스택이 제조지로부터 연료 셀 장치의 최종 종착지까지 안전하게 이송되고 취급될 수 있게 한다. 연료 셀 장치에 설치한 후, 최종 유지 장치가 제공된다. 최종 유지 장치는 그 자체로 공지되어 있는 방식으로, 예컨대 DE 195 066 690 A1, DE 103 08 382 D3 또는 JP 11007975 A에 특정되어 있는 것과 같이 형성될 수 있다. 임시 유지 장치 둘레에 배치되는 단열재에 의한 구속이 특히 바람직하다.
다음에, 본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택의 임시 유지 장치를 제거하는 방법을 실시할 수 있다. 이러한 목적을 위해서, 고온 연료 셀 스택을 작동시키는 것만이 필요하다. 예컨대 850 ℃의 작동 온도로 가열하는 동안에, 임시 유지 장치가 연소되고, 최종 유지 장치가 필요한 구속을 전담한다.
도 2a 내지 도 2e에는 임시 유지 장치를 형성할 수 있는 가능한 플라스틱 요소가 도시되어 있다. 도 2a에는 암나사부가 마련된 쉘이 도시되어 있다. 도 2b에는 육각형 너트(16)뿐만 아니라, 수나사부가 마련되고 편평한 헤드를 지닌 스크루가 도시되어 있다. 도 2c에는 상용 케이블 바인더(18) 형태인 스트립 형상의 유지 요소가 도시되어 있다. 도 2d에는 수축 호일(20) 단편이 개략적으로 도시되어 있는데, 그 이유는 수축 호일도 임시 유지 장치로 사용될 수 있기 때문이다. 마지막으로, 도 2e에는 적어도 단부 부분에 수나사부가 마련된 플라스틱 로드(22)가 도시되어 있다.
사실상, 임시 유지 장치를 위해 플라스틱재를 사용하는 것은 특히 다음 장점을 갖는다. 플라스틱 부품은 매우 낮은 탄성 계수를 갖고, 대응하는 치수 결정에 의해 탄성의 한계를 넘는 하중을 인가하고, 이에 따라 최대 유지력을 설정하는 가능성을 제공하기 때문에 정밀하게 조정 가능하다. 이러한 방식으로, 스프링의 사 용이 불필요할 것이고, 과도한 유지력으로 인한 손상이 확실하게 회피된다. 더욱이, 임시 유지 장치가 결국 절연되고 이에 따라 단락을 야기할 수 없기 때문에 임시 유지 장치를 제거하는 것이 불필요하다. 그 외에도, 임시 유지 장치는 고온 연료 셀 스택의 작동시에 분해되어 가스상으로 장치 환경을 떠난다. 상기 가스(예컨대, CO2 및 H2O)는 장치 환경과 연료 셀에 해롭지 않다. 이러한 관계에 있어서, 임시 구속에서 최종 구속으로의 유지력의 전이는 자동으로 발생하고, 어떠한 다른 취급 활동도 요구되지 않는다. 임시 구속에서 최종 구속으로의 전이 동안에 취급 에러로 인해 손상을 야기할 위험은 존재하지 않는다. DE 195 066 690 A1, DE 103 08 382 D3 또는 JP 11007975 A에 따른 최종 외부 유지 시스템을 사용하는 경우, 복잡하고 비용이 많이 드는 임시 유지 장치의 제거와 단열재에 있는 오리피스의 실링을 생략할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 고온 연료 셀 스택은 상하방으로 돌출하는 유지 요소를 구비하지 않으며, 이에 따라 용이하게 장치 내에 설치할 수 있다. 또한, 문제 없이 완전한 연료 셀 스택(60개 또는 90개의 셀)을 형성하도록 복수 개의 서브 스택(sub-stack)(30개 셀의 모듈)을 적층하는 것이 가능하다.
도시하지는 않았지만, 임시 유지 장치가 적어도 부분적으로 및/또는 부분적으로 고온 연료 셀 스택(10)의 반복적인 유닛을 통해 연장할 수 있으며, 이것은 본 발명의 범위 내에 속한다.
청구 범위뿐만 아니라 전술한 설명과 도면에 개시되어 있는 본 발명의 특징 은 개별적으로 본 발명을 구현하는 데 있어서 뿐만 아니라 임의의 조합으로 구현하는 데 있어서 중요할 수 있다.

Claims (10)

  1. 임시 유지 장치에 의해 유지되는 고온 연료 셀 스택(high temperature fuel cell stack)(10)으로서,
    상기 임시 유지 장치(12, 14, 16, 18, 20, 22)는 고온 연료 셀 스택(10)의 작동 온도보다 낮은 온도에서 연소하는 플라스틱재로 구성되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 셀 스택.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라스틱재는 고분자 플라스틱재(polymeric plastic material), 특히 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 셀 스택.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 임시 유지 장치(12, 14, 16, 18, 20, 22)는 적어도 하나의 플라스틱 스크루(14), 적어도 하나의 플라스틱 너트(16), 적어도 하나의 플라스틱 스트립(18), 적어도 하나의 플라스틱 쉘(12), 적어도 하나의 플라스틱 로드(22) 및/또는 수축 호일(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 셀 스택.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 연료 셀 스택(10)은 임시 유지 장치(12, 14, 16, 18, 20, 22)에 의해 서로를 향하게 유지되는 2개의 적 어도 거의 평행한 단부판(26, 28)을 포함하고, 상기 임시 유지 장치(12, 14, 16, 18, 20, 22)는 단부판(26, 28)을 넘어 돌출하지 않거나, 단지 약간만 단부판(26, 28)을 넘어 돌출하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 셀 스택.
  5. 고온 연료 셀 스택(10)을 임시로 유지하는 방법으로서,
    상기 고온 연료 셀 스택(10)의 작동 온도보다 낮은 온도에서 연소하는 플라스틱재로 구성되는 임시 유지 장치(12, 14, 16, 18, 20, 22)에 의해 고온 연료 셀 스택(10)을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 플라스틱재는 고분자 플라스틱재, 특히 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 고온 연료 셀 스택(10)의 임시 유지 장치(12, 14, 16, 18, 20, 22)를 제거하는 방법으로서,
    상기 고온 연료 셀 스택(10)을 작동시키고, 이와 동시에 상기 임시 유지 장치(12, 14, 16, 18, 20, 22)를 연소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 플라스틱재는 고분자 플라스틱재, 특히 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 고온 연료 셀 스택(10)을 위한 임시 유지 장치(12, 14, 16, 18, 20, 22)로서의 적어도 하나의 플라스틱 스크루(14), 적어도 하나의 플라스틱 너트(16), 적어도 하나의 플라스틱 스트립(18), 적어도 하나의 플라스틱 쉘(12), 적어도 하나의 플라스틱 로드(22) 및/또는 수축 호일(20)의 사용.
  10. 제9항에 있어서, 상기 플라스틱재는 고분자 플라스틱재, 특히 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용.
KR1020087026359A 2006-03-31 2007-03-30 고온 연료 셀 스택 KR20080110656A (ko)

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