KR20110139705A - 고온형 연료 전지의 양극과 인터커넥터 사이의 전기 전도성 연결용 접촉 요소 - Google Patents

고온형 연료 전지의 양극과 인터커넥터 사이의 전기 전도성 연결용 접촉 요소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온형 연료 전지의 양극과 인터커넥터(interconnector) 사이의 전기 전도성 연결용 접촉 요소에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 고온형 연료 전지의 양극과 연결되는 인터커넥터(interconnector) 사이를 장기 안정성을 가지고 믿을 수 있게 전기 전도성 연결을 달성하는 것이다. 본 발명에 따른 접촉 요소는 고온형 연료 전지의 양극 및 인터커넥터 사이에 배열된다. 접촉 요소는 두 면적 전기 전도성 부분 요소로 형성된다. 이 점에서, 한 부분 요소는 양극과 접촉상태에 있고 다른 부분 요소는 인터커넥터와 접촉상태에 있다. 개구부는 부분 요소에 형성되고 부분 요소는 서로 열팽창계수가 다른 물질로 형성된다.

Description

고온형 연료 전지의 양극과 인터커넥터 사이의 전기 전도성 연결용 접촉 요소{CONTACT ELEMENT FOR AN ELECTRICALLY CONDUCTIVE CONNECTION BETWEEN AN ANODE AND AN INTERCONNECTOR OF A HIGH-TEMPERATURE FUEL CELL}
본 발명은 고온형 연료 전지의 양극과 인터커넥터(interconnector) 사이의 전기 전도성 연결용 접촉 요소에 관한 것이다.
고온형 연료 전지에 있어서, 개별 연료 전지를 적층하고 전기 전도 방식으로 서로에 연결하는 것이 관례적이다. 이러한 목적으로, 또한 양극 플레이트라고 불리는, 인터커넥터(interconnector)가 개별 연료 전지의 전극 사이에서 배열된다. 따라서 전류는 한 연료 전지의 한 전극에서 근접한 연료 전지의 반대 극의(oppositely poled) 전극으로 흐를 수 있다.
그러나, 연료 또는 산화제가 전극으로 움직일 필요가 있기 때문에, 이 목적을 위해서 전기 전도도에 영향을 주는 침투성(permeability) 또는 공극성(porosity)이 요구된다.
따라서 이전부터 다르게 형성된 집전 장치(current collector)가 전극 및 각각 배열된 인터커넥터(interconnector) 사이에서 사용되었다. 이의 예로서 섬유(fiber)로 형성된 네트워크 또는 집전 장치(current collector)를 들 수 있다(DE 102 32 093 A1).
고온형 연료 전지에 있어서 일반적으로 고려해야 할 다른 문제는 연료 전지의 높은 작동 온도로 인한 열팽창(thermal expansion)이다. 이런 이유로, 고체 전해질의 열팽창계수를 고려하도록 대개 연료 전지의 모든 필수적인 개별 요소의 재질, 즉 전극 및 인터커넥터(interconnector)의 재질, 및 부분적으로 집전 장치(current collector)의 재질을 선택한다. 이 측면에서 작은 편차(deviation)만이 허용되어야 한다.
양극 및 거기에 연결된 인터커넥터(interconnector) 사이의 전기 전도성 연결을 제공하는 집전 장치(current collector)는 대체로 니켈로 형성된다. 그러나, 니켈의 열팽창계수는 상당히 크다. 작동 온도에서 실내 온도로 고온형 연료 전지를 냉각시키면, 양극 접촉(anode contacting)에서 길이 결손(length deficit)이 형성된다. 이것은 음극의 세라믹 접촉(ceramic contacting)에 인장 변형(tensile strain)을 발생하여 음극의 접촉이 찢어질 수 있다. 그로 인하여 전기 손실(electrical loss)이 발생하고 달성할 수 있는 전력이 감소한다.
기계적 변형(mechanical strain) 및 생성시의 공차(production tolerance)가 니켈의 연성(ductility)에 의해 보상되어야 하기 때문에 양극과 인터커넥터(interconnector) 사이에서 니켈로 형성된 그런 전기 전도성 연결부의 두께를 감소하는 것이 방책이 아니다.
네트 또는 섬유 구조를 이용하여 양극과 인터커넥터(interconnector) 사이의 접촉을 형성하면, 연료 전지를 작동하는 동안 국부적으로 차별된 변형(differentiated deformation)이 발생하여, "핫 스팟(hot spot)"이라고 불리는 전기 전도도가 증가한 점(spot)이 생성된다. 많은 부분의 전류가 거기에서 흐른다.
이 과정에서 이들 위치에서 전류가 방해되면, 전기 전도도가 감소하고 전기 저항이 증가하게 된다. 큰 전류가 양극과 인터커넥터(interconnector) 사이에서 국부적으로 제한되어 흐를 수 있는 것을 통해 이 시간 동안 적어도 이렇게 형성된 집전 장치(current collector)에 그런 접촉이 존재하기 때문에 이것은 이전에 공급이 끊긴(deenergized) 연료 전지의 재시동(restarting)에 특히 불리한 효력을 가진다.
그러므로 본 발명의 목적은 고온형 연료 전지의 양극 및 결합된 인터커넥터(interconnector) 사이의 장기 안정성을 가지고 믿을 수 있는 전기 전도성 연결을 달성하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1의 특징을 가지는 접촉 요소에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 구체예 및 다른 개선안은 종속항에서 지정되는 기술적 특징을 이용하여 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 접촉 요소는 2개의 면적 전기 전도성 부분 요소(areal electrically conductive part element)로 형성된다. 이 점에서, 하나의 부분 요소는 양극과 접촉 상태에 있고 다른 부분 요소는 각각의 인터커넥터와의 접촉 상태에 있다. 개구부가 부분 요소에 형성되며 이 개구부를 통해 연료가 접촉 요소를 통과할 수 있고 이 목적을 위해 접촉 요소는 침투성이다. 두 부분 요소 모두 열팽창 계수가 서로 다른 물질로 형성된다.
부분 요소 및 전체 접촉 요소 또한 다공성(porous)일 수 있다.
접촉 요소는 또한 2개 이상의 부분 요소로 형성될 수 있다. 이 과정에서 열팽창계수를 아날로그 방법으로 고려할 것이다.
열팽창계수가 다르기끼 때문에 온도 변화에 따라 변형이 일어난다. 그로 인하여 접촉 요소에서 유도되는 압축 변형(compressive strain)에 의해 전기 전도성 접촉이 안정될 수 있다. 전기 전도성 접촉은 접촉 요소의 표면에 분배된다. 그로 인하여 전류는 양극과 인터커넥터(interconnector) 사이의 이용가능한 표면 위에 대응하여 국부적으로 분배되어 흐를 수 있다.
변형되면, 표면에 분배되어 배열되는 최고점(peak) 및 최저점(trough)이 접촉 요소에 형성될 수 있다. 이 측면에서 최저점(trough)은 바람직하게 개구부의 위치에서 발생한다. 고온형 연료 전지의 작동 온도에서 냉각시키면, 발생하는 접촉 요소의 변형은 변형에 의해 양극을 향하여 압축된 영역 및 변형에 의해 인터커넥터(interconnector)를 향하여 압축된 영역으로 이용될 수 있다. 그로 인하여 전기 접촉(electrical contact)이 향상될 수 있다.
이 효력은 모든 다른 온도 변화에서 다시 이용될 수 있다.
적어도 1 ppm/K까지 팽창률이 차이가 날만큼 두 부분 요소를 형성하는 물질의 열팽창계수가 차이가 나야 한다. 이것은 적어도 700℃와 고온형 연료 전지의 작동 온도 사이의 온도 범위에서 유지되어야 한다.
접촉 요소에 연료가 침투할 수 있고 하나의 부분 요소에서의 각 개구부가 다른 부분 요소의 각 개구부와 연결되도록 형성된 개구부가 부분 요소에 배열되어야 한다.
부분 요소를 형성하는 물질의 선택 및 두 부분 요소가 동일한 크기이거나 고온형 연료 전지의 작동 온도보다 적어도 100K 낮은 온도에서 동일한 크기일 수 있는 두 부분 요소의 치수를 고려할 수 있다.
부분 요소는 그들의 표면의 모양 및 크기에 관하여 부분 요소의 외부 가장자리가 적어도 고온형 연료 전지의 작동 온도보다 100 K 낮은 온도에 주변에 형성된 가장자리 요소에 접촉하도록 유리하게 크기를 정할 수 있다. 그러나, 이것은 실내 온도에서도 만족할 수 있다.
그러나, 접촉 요소의 부분 요소의 외부 가장자리를 또한 단독으로 또는 가장자리 요소와 주변에서 이전에 형성된 표시부(indication)와 함께 고정될 수 있고 및/또는 부분 요소가 그들의 외부 가장자리에서 적어도 서로 연결될 수 있다.
본 발명에서 유용한 변형은 유리하게 이 측정에 의해 온도 변화에 따라 접촉 요소의 표면에서 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 접촉 요소는 유연하게(flexibly) 변경가능해야 하며 가스가 침투할 수 있어야 한다; 이 목적을 위해서 부분 요소는 유연하게 변형가능하고, 관통되는 필름으로 형성될 수 있다.
이런 측면에서 부분 요소는 Ni, Cu, Fe 및 Co에서 선택되는, 다른 금속, 또는 그들의 합금에서 각각 형성될 수 있다.
접촉 요소의 전체 두께는 최대 2㎜에 달해야 한다.
본 발명에 따른 접촉 요소의 두 부분 요소의 두께는 다를 수 있다. 이 측면에서, 각각의 열팽창계수, 기계적 성질(예를 들면, 연성) 또한 각각의 전기 전도도를 고려할 수 있다.
연료를 충분히 교환할 수 있고 전기 전도도를 높게 유지하는 것을 보장하기 위해 부분 요소의 개구부는 양극 표면의 및/또는 인터커넥터 표면의 20 내지 90%, 바람직하게 40 내지 60%를 형성해야 한다.
개구부는 규칙적으로 그리고 서로에 대하여 등거리로 배열되어야 하고 각각의 개구부는 동일한 크기 및 윤곽이어야 하며, 이것은 적어도 중앙 영역에 적용된다. 외부 가장자리는 선택적으로 중앙 영역과 다르거나 전체적으로 개구부가 없을 수 있다.
열팽창계수가 큰 부분 요소는 양극을 마주보는 접촉 요소 쪽에 배열되어야 하며 열팽창계수가 작은 부분 요소는 인터커넥터(interconnector)를 마주보는 접촉 요소 쪽에 배열되어야 한다.
본 발명은 다음에서 예로서 더 자세히 설명될 것이다. ]
도 1은 본 발명에 따른 접촉 요소를 가지는 고온형 연료 전지의 단면도이다;
도 2는 본 발명에 따른 접촉 요소의 일 실시예의 부분 요소의 도면이다.
도 1에 고온형 연료 전지의 단면도를 도시한다. 이 측면에서, 인터커넥터(3) 위의 접촉 요소(1)가 인터커넥터 및 양극(2) 사이에서 배열된다. 고체 전해질(4) 및 음극(5)이 양극(2) 위에 배열된다.
접촉 요소(1)는 여기서 두 부분 요소(1.1, 1.2)로서 2개의 필름으로 형성된다. 이 측면에서, 인터커넥터 쪽에 배열된 부분 요소(1.1)는 순수한 구리(20℃에서의 α= 16.5 * 10-3 K-1)로 형성되며, 부분 요소(1.1)의 두께는 290㎛이다. 양극 쪽에 배열된 제2 부분 요소(1.2)는 순수한 니켈( 20℃에서의 α=13.0 * 10-3 K-1 )로 형성되며, 제2 부분 요소(1.2) 필름의 두께는 120㎛이다.

Claims (12)

  1. 고온형 연료 전지의 양극 및 인터커넥터 사이의 전기 전도성 연결(electrically conductive connection)용 접촉 요소로서,
    상기 접촉 요소는 상기 양극 및 인터커넥터 사이에 배열되며,
    상기 접촉 요소(1)는 두 면적 전기 전도성 부분 요소(areal electrically conductive part element; 1.1 및 1.2)로 형성되며, 한 부분 요소(1.1)는 상기 양극(2)과 접촉하며 다른 부분 요소(1.2)는 인터커넥터(3)에 접촉하고;
    상기 부분 요소(1.1 및 1.2)에 각각 개구부가 형성되며;
    상기 부분 요소(1.1 및 1.2)는 서로 다른 열팽창계수를 가지는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉 요소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부분 요소(1.1 및 1.2)에 형성된 개구부는 상기 접촉 요소(1)에 연료가 침투할 수 있도록 배열되는 것을 특징으로 하는 접촉 요소.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부분 요소(1.1 및 1.2)는 상기 고온형 연료 전지의 작동 온도보다 적어도 100K 낮은 온도에서 동일한 크기인 것을 특징으로 하는 접촉 요소.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온형 연료 전지의 작동 온도보다 적어도 100K 낮은 온도에서 상기 부분 요소(1.1 및 1.2)는 주변에 형성된 가장자리 요소와 접촉하는 것을 특징으로 하는 접촉 요소.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 요소(1)의 상기 부분 요소(1.1 및 1.2)의 외부 가장자리가 주변에서 가장자리 요소에 고정되고 및/또는 적어도 부분 요소의 외부 가장자리에서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 접촉 요소.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 요소(1)는 유연하게 변형가능한 것을 특징으로 하는 접촉 요소.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분 요소(1.1 및 1.2)는 유연하게 변형가능하고, 관통되는 필름인 것을 특징으로 하는 접촉 요소.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분 요소(1.1 및 1.2)는 Ni, Cu, Fe 및 Co에서 선택되는 금속 또는 Ni, Cu, Fe 및 Co의 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉 요소.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분 요소(1.1) 및 상기 부분 요소(1.2)는 다른 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 접촉 요소.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분 요소(1.1 및 1.2)의 개구부는 상기 양극 표면 및/또는 상기 인터커넥터 표면의 20 내지 90%를 차지하는 것을 특징으로 하는 접촉 요소.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구부는 규칙적으로 서로 대하여 등간격으로 배열되며, 각 개구부는 동일한 크기 및 윤곽을 가지는 것을 특징으로 하는 접촉 요소.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극 쪽에 배열되는 상기 부분 요소(1.2)의 열팽창계수는 상기 인터커넥터(3)를 마주보는 쪽에 배열되는 상기 부분 요소(1.1)의 열팽창계수보다 큰 것을 특징으로 하는 접촉 요소.
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