KR20120009427A - 연료전지 스택 또는 전해전지 스택에서 연료전지 또는 전해전지를 위한 압축 설비 - Google Patents

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KR20120009427A
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라르스 키일스토프테 한센
예페 라스-한센
옌스 울리크 니엘센
클라우스 라스무센
입 스키움
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토프쉐 푸엘 셀 에이/에스
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Abstract

연료전지 스택 또는 전해전지 스택은 복수의 전지를 포함하며, 이들은 내부 접촉을 확보하고 유지하기 위해 압축되어야 한다. 전기화학적 활성 영역 전체적으로 압축력을 균일하게 분포시키기 위해서 중앙에 구멍을 가진 프레임이 탄성 플레이트와 상부 플레이트 사이에서 전지 스택의 상부에 위치된다. 둘러싸인 구멍은 압축 챔버를 형성하고, 여기에 캐소드 입구로부터 가압된 기체가 제공되며, 이로써 균일하게 분포된 힘이 탄성 플레이트에 의해 전지 스택의 전기화학적 활성 영역에 적용된다.

Description

연료전지 스택 또는 전해전지 스택에서 연료전지 또는 전해전지를 위한 압축 설비{COMPRESSION ARRANGEMENT FOR FUEL OR ELECTROLYSIS CELLS IN A FUEL CELL STACK OR AN ELECTROLYSIS CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택 또는 전해전지 스택의 압축에 관한 것이며, 더 구체적으로는 연료전지 스택 또는 전해전지 스택, 특히 고체 산화물 연료전지(SOFC) 또는 고체 산화물 전해전지(SOEC) 스택을 위한 기체 압축 설비에 관한 것이다.
이후, 본 발명은 SOFC 스택과 관련해서 설명될 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 압축 설비는 폴리머 전해질 연료전지(PEM) 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)와 같은 다른 타입의 연료전지에도 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 고체 산화물 전해전지 스택과 같은 전해전지에도 사용될 수 있다.
연료전지나 전해전지의 전기화학 반응 및 기능은 본 발명의 본질이 아니며, 따라서 이것은 당업자가 잘 알고 있다는 생각하에 상세히 설명되지 않으며, 설명을 간단히 하기 위해서, 이후 본 발명에 대한 설명에서는 SOFC 만 언급될 것이나, 언급된 대로 본 발명은 SOEC나 다른 타입의 연료전지에도 사용될 수 있다.
평면 타입의 SOFC 스택은 다수의 평탄한 평판 고체 산화물 연료전지들로 구축된다. SOFC에 의해 생기는 전압을 증가시키기 위해 다수의 전지 유닛이 서로의 위에 적층되어 스택이 형성되고, 인터커넥트에 의해 함께 연결된다. 스택은 2개의 평면 단부 플레이트 사이에 삽입된다. 스택의 측면으로부터 기체가 누출되는 것을 방지하기 위해 고체 산화물 연료전지는 그 가장자리가 전형적으로 유리나 다른 취약한 재료로 된 기체 시일에 의해 실링된다. 이에 따라, 각 연료 전지는 시일 영역과 전기화학적 활성 영역으로 나눠지는데, 시일 영역은 최소화되는 것이 좋고, 전기화학적 활성 영역은 전지의 효율이 전체 전지 면적에서 이 활성 영역의 크기에 의존하므로 연료전지 면적에서 가능한 큰 부분이어야 한다.
인터커넥트는 인접 전지 유닛의 애노드(연료) 측과 캐소드(공기/산소) 측을 분리하기 위한 기체 장벽으로 작용하며, 동시에 이들은 인접한 전지들 사이에, 즉 여분의 전자들을 가진 한 전지의 애노드와 환원 과정을 위해 전자가 필요한 이웃 전지의 캐소드 사이에 전류를 유도할 수 있다. 인터커넥트와 그것의 이웃 전극 사이의 전류 유도는 인터커넥트 영역 전체에 분포된 복수의 접촉점을 통해 가능해진다. 접촉점은 인터커넥트의 양측에서 돌출부로서 형성될 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 효율은 이들 접촉점들 각각에서의 접촉 양호성에 좌우되며, 따라서 적당한 압축력이 연료전지 스택에 적용되는 것이 중요하다. 이런 압축력은 전기적 접촉이 확보될 만큼 충분히 커야 하며 연료전지 면적 전체에 균일하게 분포되어야 하지만, 전해질, 전극, 인터커넥트가 손상되거나, 또는 연료전지 위를 흐르는 기체 흐름을 방해할 정도로 커서는 안 된다.
작동되는 동안에 SOFC 스택은 약 1000℃까지의 고온에 노출될 수 있고, SOFC 스택 내에 온도 구배가 생기며, 이로써 SOFC 스택의 상이한 성분들이 상이한 열 팽창을 나타내게 된다. 최대 팽창을 나타내는 SOFC 스택의 구획은 작동 조건에 따라 다르며, 예를 들어 스택의 중심에 위치할 수도 있고, 또는 예를 들어 모서리 부분에서 스택의 가장자리에 위치할 수도 있다. 이러한 열 팽창은 SOFC 스택 내 상이한 층들 간의 전기적 접촉을 감소시킬 수 있다. 또한, 열 팽창은 상이한 층들 사이의 기체 시일에 균열을 일으켜 누출을 야기할 수 있고, SOFC 스택의 기능을 저하시켜 전기 출력을 감소시킬 수 있다.
연료전지 스택의 압축에 대한 이런 문제를 해결하기 위해서 기계적 스프링을 사용하는 것이 잘 알려져 있다. US 7001685에서는 스프링을 사용하여 스택의 전체 표면에 압축을 제공하고, 전기적 연속물에 놓인 두 스택의 높이의 차이를 없앤다. 그러나, 기계적 스프링은, 특히 온도가 높아지면 스프링 재료가 변형되므로 시간이 지날수록 압축력이 변하고, 또한 압축 거리의 함수로서 압축력이 변한다는 단점이 있다.
기계적 스프링과 관련된 문제를 해결하기 위해서 기체 압력을 이용하여 스택을 압축하는 것이 제안되었다. 이것은 US 20080090140에 설명되는데, 여기서는 동적 단부 플레이트가 기체 압력에 의해 스택의 단부에 대해 가압된다. 기체 압력을 이용한 해결책은 US 5419980, US 20080166598, US 20050136316 및 WO 2008026715에서도 설명된다.
그러나, 스택의 단부 플레이트에 압축력을 제공하기 위해 기계적 스프링 또는 기체 압력을 사용하는 것은 작동 조건에 의해 지시되는 바대로 연료전지 스택의 상이한 구획들이 개별적으로 그리고 비교적 다른 구획에 독립적으로 팽창될 수 없다는 또 다른 단점을 가진다. 언급된 참고자료들 중 일부는 복잡한 용액보다는 각 전지 사이에 기체 압력 챔버를 통합함으로써 이 문제를 해결하려고 한다.
더욱 간단한 해결책이 EP 1879251에 설명되는데, 여기서는 전지 스택의 시일 영역과 활성 영역에 독립적인 압축력이 제공되며, 압축력은 스택의 단부에만 적용된다. 또한, 기계적 스프링의 변형 문제를 해결하려고 하는데, 이것은 도 3에 도시된 대로 압축 공기를 사용하여 전지의 활성 영역을 압축함으로써 해결될 수 있으며, 이로써 균일한 압축력에 의해 여전히 압축된 채로 전지의 상이한 구역들이 상이하게 팽창될 수 있게 된다. 또, 도 4 또는 5에 도시된 일단의 기계적 스프링 또는 압축 공기원을 이용한 해결책은 간단성, 효능, 비용 및 신뢰성에 있어서 개선의 여지가 남아 있다.
따라서, 연료전지 스택의 압축 문제에 대한 제시된 공지의 해결책들이 있음에도 이들은 모두 어느 정도 고유의 문제들을 가진다:
- 압축 시스템에 포함된 구성요소들이 많을수록 생산 비용이 많이 들고 재료 비용이 높아진다. 또한, 구성요소의 수가 증가할수록 기능장애의 위험이 일반적으로 증가한다.
- 스택을 압축하는데 기계적 스프링의 사용은 비용을 증가시키고, 특히 열에 노출되었을 때 기계적 스프링은 변형하려는 경향이 있어 시간이 지날수록 스프링의 특성이 변한다.
- 스택을 압축하는데 외부 압축 공기의 사용에는 이러한 외부 공기원과 배관 연결이 필요하고, 이것은 시스템의 복잡성을 증가시키고 비용 및 작동 손실을 증가시킨다.
본 발명의 목적은 연료전지 스택을 위한 신규 압축 설비를 제공함으로써 언급된 문제를 해결하는 것이다.
더 구체적으로, 본 발명의 목적은 연료전지 스택을 압축하는데 기계적 스프링 및 가외의 외부 기체 압력의 필요성을 없앤 압축 케이싱 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연료전지 스택의 시일 영역과 전기화학적 활성 영역에 차등적인 압축력을 허용하는 압축 설비를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단하고 비용 효과적인 방식으로 연료전지의 상이한 구역들에 불균일한 팽창을 허용하면서 연료전지 스택의 전체 전기화학적 영역에는 균일하게 분포된 압축력을 유지하는 압축 설비를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반응성 기체 흐름, 압력, 온도 및 전기 부하와 같은 직접적인 작동 조건을 자동 조정하는 압축 설비를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스택 조립 동안 소수의 조립 과정 및 소수의 스택 구성요소를 필요로 하는 압축 설비를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 경시적으로 압축 매체의 열화가 없는 압축 설비를 제공하는 것이다.
이들 목적 및 다른 목적들이 아래 설명된 본 발명에 의해서 달성된다.
따라서, 특히 고체 산화물 연료전지를 위한 압축 설비가 제공되지만, 잠재적으로는 이미 언급된 대로 다른 공지된 연료전지 타입에도 해당된다. 이후, 연료전지 스택은 산화 기체와 연료 기체가 공급되었을 때 전기와 열을 발생시키는 블랙박스로서 주로 간주될 것이다. 연료전지 스택의 기능 및 내부 구성요소들은 공지 기술로서 생각되며, 본 발명의 대상이 아니다.
본 발명에 따른 압축 설비는 스택 내 연료전지들의 전기화학적 활성 영역과 우선 관련된다. 연료전지의 시일 영역은 활성 영역보다 더 큰 압력을 요하며, 따라서 본 발명에서는 기계적 스프링 또는 가요성 압축 매트와 같은 어떤 적합한 최신기술에 의해 압축되는 것으로 가정된다. 연료전지의 시일 영역은 주로 연료 전지의 가장자리를 따라 그리고 내부 다기관 연관 둘레에 위치된다. 연료전지가 기체 입구와 출구용으로 둘 이상의 측면 다기관을 갖는 경우, 이들 가장자리는 실링되지 않고, 실링점 또는 접촉점으로 적용될 수 있다.
시일 영역의 압축을 전기화학적 활성 영역의 압축과 분리하기 위해서 연료전지 스택에 구멍이 있는 프레임이 적용되며, 이 경우 프레임은 실질적으로 시일 영역을 덮고, 구멍은 실질적으로 활성 영역을 덮는다. "실질적으로"는 프레임이 시일 영역과 정확하게 동일한 치수를 가질 필요는 없다는 것과, 더 나아가 비교적 높은 압축력을 발휘하는 프레임이 실용상의 이유 때문에 전기화학적 활성 영역의 일부 부분만을 덮도록 선택될 수 있음을 의미한다는 것이 이해된다.
프레임은 조립된 연료전지 스택의 상부에 놓인 평면 단부 플레이트 위에 놓인다. 단부 플레이트, 어떤 구체예에서 스틸 플레이트는 탄성이며, 따라서 그것의 단면적에서 상이한 구획들의 변형을 허용한다. 프레임의 상부에 상부 플레이트가 있고, 단부 플레이트와 프레임 사이에, 그리고 프레임과 상부 플레이트 사이에 시일이 제공되며, 이로써 스택 내 연료전지의 전기화학적 활성 영역과 실질적으로 동일한 단면적을 가진 기밀 압축 챔버가 형성된다.
하나 이상의 기체 압력 채널이 압축 챔버에 제공된다. 압력 채널(들)은 압축 챔버를 기체 입구 채널이나 다기관 중 하나에 연결하고, 기체 입구는 캐소드 기체 입구 또는 애노드 기체 입구 중 어느 하나일 수 있다. 연료전지 스택이 내부에 다기관을 구비한 경우, 압력 채널(들)은 입구 다기관 연관 중 하나 이상에 연결될 수 있다. 연료전지 스택이 측면에 다기관을 구비한 경우, 압력 채널(들)은 입구 기체 다기관에 연결될 수 있거나, 또는 어떤 경우에는 압력 채널이 프레임의 입구로부터 입구 기체 파이프의 임의의 위치까지 연결된 별도의 파이프에 의해서 바람직한 입구 기체에 연결될 수 있다.
작동시 입구 기체는 압축 챔버와 연료전지 스택으로 보내질 것이다. 입구(들)만이 있고 압축 챔버로부터의 출구가 없기 때문에 입구 기체에 임의의 압력이 걸리게 될 것이다. 연료전지에서, 입구 기체는 그것이 캐소드 기체든 애노드 기체든 전기화학적 활성 영역을 가로질러 분포되고 출구를 통해 배출된다. 전기화학적 활성 영역의 통과는 입구와 출구 사이에 압력 강하를 일으킨다. 따라서, 압축 챔버의 입구(들)는 압력 채널을 통해 스택의 기체 입구 측에 연결되고, 활성 영역을 가로지른 압력 강하에 의해서 압축 챔버에 활성 영역을 가로지른 압력 강하와 동일한 크기로 기체 출구 채널의 압력에 비하여 과압력이 발생하게 된다. 적용 분야에 따라서, 스택은 낮거나 높은 내부 기체 압력을 받을 수 있음은 물론, 낮거나 높은 외부 주변 압력도 받을 수 있다.
활성 영역을 가로질러 흐르는 기체의 압력 손실에 의해 발생된 스택 내의 큰 내부 압력은 적층된 전지들을 서로 이격시키는 경향을 나타내며, 이것은 전기적 접촉을 감소시켜고, 심지어 적층이 분리될 수도 있다. 또한, 상이한 열 팽창으로 인한 스택 내부의 열 유도된 기계적 응력도 이러한 문제를 수반한다. 그러나, 본 발명에 따르면, 연료전지 스택에서 상승된 내부 압력이나 열 유도된 기계적 응력이 압축 챔버 내의 상승된 압력에 의해 발생된 상승된 압축력에 의해 상쇄되어 균형이 이루어질 것이다.
따라서, 압축 챔버를 최대 압력을 가진 캐소드 또는 애노드 입구 기체에 연결하는 것이 유리할 수 있지만, 본 발명은 양쪽 모두에 적합하며, 여러 사항을 고려하여 압축 챔버를 캐소드 또는 애노드 입구 기체에 연결하는 것이 바람직한지의 여부를 결정할 수 있다.
상기 설명된 구체예에서, 스택의 하부는 본 분야에 공지된 대로 하부 플레이트 위에 놓인다. 다른 구체예에서, 압축 설비는 이전에 언급된 구체예와 유사하게 연료전지 스택의 하부에 적용될 수 있고, 프레임이 탄성 플레이트와 하부 플레이트 사이에 적용될 수 있다.
다른 구체예에서, 설명된 압축 설비는 연료전지 스택의 상부와 하부 모두에 적용될 수 있으며, 이 경우 연료전지 스택의 독립적인 국소적 구역 팽창에 대한 허용성이 더욱 증가되면서, 전지의 전기화학적 활성 영역 전체에 균일하게 분포된 압축력이 유지된다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 압축 설비는 임의의 위치에서 연료전지 스택 내부에 적용될 수 있으며, 이때는 하나 이상의 연료전지가 압축 설비의 각 측면에 위치된다. 이 구체예에서, 프레임은 하나의 탄성 플레이트 및 상부 또는 하부 플레이트 중 어느 하나와 기밀 상태로 연결되지 않는다. 대신에, 그것은 2개의 탄성 중간 플레이트와 기밀 상태로 연결되며, 이것은 이후 간단히 탄성 플레이트라고 칭한다. 따라서, 이 구체예에서, 프레임의 구멍이 탄성 플레이트에 의해 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 압축 챔버가 형성된다. 압축 설비는 어느 측면이든 실질적으로 균등한 수의 전지를 가진 스택의 중앙에 위치될 수 있거나, 또는 다른 측면보다 한 측면에 더 많은 수의 전지를 가진 스택에서 임의의 적합한 위치에 위치될 수 있다. 또한, 이 구체예는 스택 내부에 하나보다 많은 압축 설비를 포함할 수 있으며, 이것은 이미 언급된 구체예와 조합될 수 있는데, 즉 스택은 스택의 상부, 하부 또는 상부와 하부 모두에 있는 압축 설비와 조합하여 스택 내부에 본 발명에 따른 하나 이상의 압축 설비를 가질 수 있다.
본 발명의 특징:
1. 복수의 전지로 이루어진 연료전지 스택 또는 전해전지 스택용 압축 설비로서, 전지 스택은
- 각각 시일 영역과 전기화학적 활성 영역을 가진 복수의 적층된 전지
- 하부 플레이트
- 상부 플레이트
- 적어도 하나의 탄성 플레이트
- 중앙에 구멍이 있는 적어도 하나의 프레임
- 전지의 기체 입구 측과 유체 연통되는 적어도 하나의 기체 입구 채널
- 전지의 기체 출구 측과 유체 연통되는 적어도 하나의 기체 출구 채널
을 포함하고,
상기 적어도 하나의 프레임은
- 상부 플레이트와 상기 탄성 플레이트
- 하부 플레이트와 상기 탄성 플레이트
- 스택 내부에 위치된 상기 탄성 플레이트들 중 2개
중 적어도 하나 사이에 기밀 연결되어 배치되고,
이로써 상기 플레이트들에 의해 프레임의 구멍이 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 적어도 하나의 압축 챔버가 형성되고,
상기 압축 챔버는 기체 입구 채널로부터 상기 압축 챔버까지 연결된 압력 채널에 의해서 입구 기체와 유체 연결되고,
상기 압축 챔버의 단면적은 상기 전지의 전기화학적 활성 영역에 실질적으로 상응하는 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
2. 특징 1에 있어서, 전지 스택이 고체 산화물 연료전지 스택 또는 고체 산화물 전해전지 스택인 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
3. 특징 1 또는 2에 있어서, 입구 기체가 캐소드 기체인 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
4. 특징 1 또는 2에 있어서, 입구 기체가 애노드 기체인 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
5. 특징 1-4 중 어느 하나에 있어서, 압축 설비가 스택의 중앙에 위치되며, 압축 설비의 각 측면에 실질적으로 동일한 수의 전지가 배치된 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
6. 특징 1-4 중 어느 하나에 있어서, 압축 설비는 스택 내부에 위치되며, 압축 설비의 다른 측면에 비해서 압축 설비의 한 측면에 상이한 수의 전지가 배치된 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
7. 특징 1-4 중 어느 하나에 있어서, 제 1 압축 설비는 스택의 상부에 위치되고, 제 1 프레임의 구멍이 상부 플레이트와 제 1 탄성 플레이트에 의해 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 제 1 압축 챔버가 형성되며, 제 2 압축 설비가 스택의 하부에 위치되고, 제 2 프레임의 구멍이 하부 플레이트와 제 2 탄성 플레이트에 의해 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 제 2 압축 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
8. 특징 1-4 중 어느 하나에 있어서, 제 1 압축 설비가 스택의 상부에 위치되고, 제 1 프레임의 구멍이 상부 플레이트와 제 1 탄성 플레이트에 의해 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 제 1 압축 챔버가 형성되며, 제 2 압축 설비가 스택의 하부에 위치되고, 제 2 프레임의 구멍이 하부 플레이트와 제 2 탄성 플레이트에 의해 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 제 2 압축 챔버가 형성되며, 하나 이상의 추가의 압축 설비가 스택 내부에 위치되고, 하나 이상의 추가의 프레임이 구멍이 추가의 탄성 플레이트에 의해 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 압축 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
9. 특징 1-8 중 어느 것에 있어서, 기체 출구 채널의 압력에 비하여 압축 챔버의 과압력이 20-1000mbar, 바람직하게는 40-500mbar, 바람직하게는 60-300mbar인 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
10. 특징 1-9 중 어느 것에 따른 압축 설비를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택 또는 고체 산화물 전해전지 스택.
본 발명은 본 발명의 구체예의 예를 예시하는 첨부된 도면에 의해 더 예시된다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 고체 산화물 연료전지의 압축 설비의 단부 단면도이다.
부재번호
100 - 고체 산화물 연료전지 스택
101 - 탄성 플레이트 (상부)
102 - 중앙에 구멍이 있는 프레임 (상부)
103 - 압축 챔버
104 - 상부 플레이트
105 - 하부 플레이트
106 - 압력 채널
107 - 캐소드 기체 내부 입구 연관
108 - 캐소드 기체 내부 출구 연관
109 - 고체 산화물 연료전지
110 - 인터커넥트
본 발명의 한 구체예가 도 1에 도시된다. 이 구체예는 인터커넥트에 의해서 분리되어 적층된 다수의 고체 산화물 연료전지를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택과 관련하여 본 발명의 압축 설비를 도시한다. 도시되지는 않았지만 스택 구성요소들 사이에 시일이 제공된다.
본 발명은 압축 설비나 연료전지 타입 및 이들의 구성에 관해서 본 구체예에 제한되지 않는다. 이미 언급된 대로, 본 발명에 따른 압축 설비는 연료전지 스택의 상부, 하부, 상부와 하부 모두에, 그리고 연료전지 스택 내부에 조합하여 적용될 수 있고, 연료전지 스택은 상이한 타입의 연료전지를 포함할 수 있으며, 이들은 다시 내부 또는 외부 기체 다기관의 상이한 조합을 가질 수 있다.
도 1과 관련하여, 고체 산화물 연료전지 스택(100)은 다수의 고체 산화물 연료전지(109)를 포함한다. 연료전지는 전해질, 캐소드 및 애노드를 포함한다. 이와 관련하여, 연료전지의 상세한 사항은 중요하지 않으며, 시일 영역과 전기화학적 활성 영역을 가진 유닛으로서 간주될 것이다. 연료전지는 중간에 인터커넥트(110)를 두고 서로의 위에 적층된다. 공기와 같은 산화 캐소드 기체 흐름이 연료전지의 캐소드 측을 지나가야 하고, 적합한 종류의 연료 기체인 애노드 기체 흐름이 연료전지의 애노드 측을 지나가야 한다. 인터커넥트는 두 기체 흐름을 분리하고, 전지들 사이에 전기적 접촉을 제공한다.
연료전지 스택은 강성의 하부 플레이트(105)와 상부 플레이트(104) 사이에서 압축된다. 탄성 플레이트(101)와 프레임(102)이 연료전지 스택과 상부 플레이트 사이에서 연료전지 스택의 상부에 위치된다. 프레임은 중앙에 구멍을 가지고, 단면적은 연료전지의 전기화학적 활성 영역에 실질적으로 상응하며, 상응하여 이는 연료전지 스택을 덮는 프레임의 일부가 연료전지의 시일 영역에 실질적으로 상응한다는 것을 의미한다.
하부 플레이트, 연료전지, 인터커넥트, 탄성 플레이트, 프레임 및 상부 플레이트는 유리 실링 또는 다른 적합한 재료에 의해 모두 함께 실링된다. 이에 따라, 탄성 플레이트, 구멍 내부의 프레임 및 상부 플레이트 사이에 기밀 공동이 형성된다. 어떤 적용에서, 허용되는 기밀도는 실링 재료 없이도 달성될 수 있다. 전술한 설명으로부터, 이 기밀 공동의 단면적이 연료전지의 전기화학적 활성 영역에 실질적으로 상응한다는 것이 이해된다. 이 기밀 공동 내부의 압력이 주변 압력 이상일 때, 탄성 플레이트가 전기화학적 활성 영역에서는 연료전지의 상부를 가압하고, 프레임은 본 분야에 공지된 압축 수단(도시하지 않음)에 의해서 시일 영역을 가압할 것이다. 이 방식에서, 기밀 공동은 압축 챔버(103)를 형성한다.
연료전지의 전기화학적 활성 영역에 충분한 압축력을 제공하기 위해서 압축 챔버에 필요한 과압력은 외부 압력원에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 실험에서는 예상외로 입구 캐소드 기체에 의해 제공된 압력이 연료전지 스택의 연료전지 층들 사이의 접촉을 유지할 수 있을 만큼 충분한 압축력을 생산하는 것으로 나타났다. 따라서, 스택에 압축 기체를 제공하기 위한 가외의 외부 장치 대신에 단지 캐소드 입구 기체와 연결하는 것이 필요하다. 도 1의 도시된 구체예에서, 적어도 하나의 압력 채널(106)이 압축 챔버와 캐소드 기체 입구 채널 사이의 유체 연결을 제공한다. 압축 챔버에 출구가 없기 때문에, 캐소드 기체 출구 채널의 압력에 비해서 압축 챔버의 과압력은 캐소드 기체 입구(107)로부터 캐소드 기체 출구(108)까지 연료전지의 캐소드 측을 지날 때의 압력 손실과 동일할 것이다.
실시예
본 발명에 따른 실험이 몇 개의 고체 산화물 연료전지 스택을 가지고 수행되었다. 스택은 상기 설명된 대로 설계되었고, 캐소드 기체가 단부 플레이트에 있는 구멍으로부터 프레임으로 들어간다(구멍은 캐소드 기체 입구 측을 향해서 위치되었다). 스택은 10개의 연료전지로 이루어졌다. 압력계를 프레임의 개구에 연결하여 프레임의 압력을 측정했다. 하기 작동 조건에서 시험이 수행되었다:
캐소드 흐름: 960 Nl/h 공기
스택 온도: 76O ℃
960 Nl/h 공기의 캐소드 흐름은 캐소드 기체 출구 채널의 압력에 비하여 프레임에 83 내지 89 mbar의 과압력을 만들었고, 이는 전기화학적 활성 영역에 발휘되는 76,5N 내지 82N의 힘에 상응한다.
시험하는 동안 접촉 문제는 관찰되지 않았다.
이미 언급된 대로, 압축 설비는 또한 연료전지 스택의 하부에, 또는 상부와 하부 모두에, 또는 스택 내부에 제공될 수 있다. 또한, 캐소드 기체 대신에 애노드 기체가 압축 매체로서 사용될 수 있다. 압축 챔버 입구는 압축 챔버에 충분한 압력이 유지되는 한 상이한 방식으로 설계될 수 있다.

Claims (10)

  1. 복수의 전지로 이루어진 연료전지 스택 또는 전해전지 스택용 압축 설비로서, 전지 스택은
    - 각각 시일 영역과 전기화학적 활성 영역을 가진 복수의 적층된 전지
    - 하부 플레이트
    - 상부 플레이트
    - 적어도 하나의 탄성 플레이트
    - 중앙에 구멍이 있는 적어도 하나의 프레임
    - 전지의 기체 입구 측과 유체 연통되는 적어도 하나의 기체 입구 채널
    - 전지의 기체 출구 측과 유체 연통되는 적어도 하나의 기체 출구 채널
    을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프레임은
    - 상부 플레이트와 상기 탄성 플레이트
    - 하부 플레이트와 상기 탄성 플레이트
    - 스택 내부에 위치된 상기 탄성 플레이트들 중 2개
    중 적어도 하나 사이에 기밀 연결되어 배치되고,
    이로써 상기 플레이트들에 의해 프레임의 구멍이 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 적어도 하나의 압축 챔버가 형성되고,
    상기 압축 챔버는 기체 입구 채널로부터 상기 압축 챔버까지 연결된 압력 채널에 의해서 입구 기체와 유체 연결되고,
    상기 압축 챔버의 단면적은 상기 전지의 전기화학적 활성 영역에 실질적으로 상응하는 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
  2. 제 1 항에 있어서, 전지 스택이 고체 산화물 연료전지 스택 또는 고체 산화물 전해전지 스택인 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 입구 기체가 캐소드 기체인 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 입구 기체가 애노드 기체인 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 설비가 스택의 중앙에 위치되며, 압축 설비의 각 측면에 실질적으로 동일한 수의 전지가 배치된 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 설비는 스택 내부에 위치되며, 압축 설비의 다른 측면에 비해서 압축 설비의 한 측면에 상이한 수의 전지가 배치된 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 압축 설비가 스택의 상부에 위치되고, 제 1 프레임의 구멍이 상부 플레이트와 제 1 탄성 플레이트에 의해 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 제 1 압축 챔버가 형성되며, 제 2 압축 설비가 스택의 하부에 위치되고, 제 2 프레임의 구멍이 하부 플레이트와 제 2 탄성 플레이트에 의해 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 제 2 압축 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 압축 설비가 스택의 상부에 위치되고, 제 1 프레임의 구멍이 상부 플레이트와 제 1 탄성 플레이트에 의해 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 제 1 압축 챔버가 형성되며, 제 2 압축 설비가 스택의 하부에 위치되고, 제 2 프레임의 구멍이 하부 플레이트와 제 2 탄성 플레이트에 의해 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 제 2 압축 챔버가 형성되며, 하나 이상의 추가의 압축 설비가 스택 내부에 위치되고, 하나 이상의 추가의 프레임의 구멍이 추가의 탄성 플레이트에 의해 양쪽 측면에서 폐쇄됨으로써 압축 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 출구 채널의 압력에 비하여 압축 챔버의 과압력이 20-1000mbar, 바람직하게는 40-500mbar, 바람직하게는 60-300mbar인 것을 특징으로 하는 전지 스택용 압축 설비.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 압축 설비를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택 또는 고체 산화물 전해전지 스택.
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