KR20120112386A - 상이한 열팽창 계수를 갖는 두 구성부재 사이의 밀봉재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서로 다른 열팽창 계수를 갖는 두 개의 구성부재(4', 6) 사이에 삽입된 밀봉재(10)에 관한 것이다. 그 밀봉재는, - 축상적층방향(8)을 따라 이격되고 반경방향(20)에 대해 직교하는 제1 및 제2 금속접촉부(16a, 16b); 상기 제1 및 제2 금속접촉부(16a, 16b) 사이에서 반경방향을 따라 상대적인 움직임을 허용해주는, 상기 제1 및 제2 금속접촉부(16a, 16b) 사이를 이어주는 기밀성 연결수단(14); 및 - 상기 반경방향을 따라 병진할 수 있게 상기 제1 및 제2 금속 접촉부(16a, 16b)들과 각각 결합되고, 서로에 대해 상기 반경방향을 따라 슬라이드할 수 있도록 적층된 제1 및 제2 슬라이딩부재(24a, 24b)를 각각 구비한다.

Description

상이한 열팽창 계수를 갖는 두 구성부재 사이의 밀봉재 {SEAL BETWEEN TWO ELEMENTS HAVING SEPARATE THERMAL EXPANSION COEFFICIENTS}

본 발명은 일반적으로 상이한 열팽창계수를 갖는 임의의 두 구성부재들 사이에 삽입되게 구성된 밀봉재(seal)에 관한 것이다.

본 발명은 보다 구체적으로는 전기화학 전지 시스템(electrochemical cell systems), 바람직하게는 고온 전해조(high-temperature electrolyser: HTE) 타입 시스템, 및/또는 연료전지 타입 시스템, 바람직하게는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells: SOFC)와 같은 고온에서 동작하는 것에 관한 것이나 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.

고온 증기 전해조는 수소를 만들어내기 위한 것으로 알려져 있다. 이러한 목적을 위해, 그것은 복수의 적층(stacked) 전기화학 전지들을 구비하며, 각 전지에는 다공성 양극과 다공성 음극, 그리고 이와 더불어 상기 양극과 상기 음극 사이에는 배치된 전해질이 제공된다. 나아가, 각 전기화학 전지는, 양극과 음극에 각각 접속되고 각각은 상기 전해질과 밀접하게 접촉되어 있는 연관된 양극 인터커넥터(anodic interconnector)와 음극 인터커넥터를 가진다.

증기가 공급된 전해조의 상기 다공성 음극상에서, 물분자 해리가 일어난다. 적절한 전압을 인가함으로써, 상기 전극들과 재결합하기 위해 이온들이 주로 세라믹으로 만든 고체 전해질을 통해 이동해온다(migrate).

수소와 산소의 재결합을 방지하기 위해, 상기 전해질과 상기 음극 인터커넥터 사이의 연결부분 및 상기 전해질과 상기 양극 인터커넥터 사이의 연결부분을 밀폐하는 것을 예상할 수 있고, 이와 동시에 가스가 그 전해조 밖으로 새나가서 가스 혼합물이 형성되는 것을 방지할 수 있게 해준다.

이러한 측면에서, 연료전지가 전해조와 반대의 원리로 동작하는 것을 고려하면, 고온에서 동작하는 연료전지에 관해 실질적으로 유사한 디자인을 찾아볼 수 있음에 주목한다.

위에서 언급된 기밀성을 제공하기 위해, 많은 제약사항들이 지켜질 필요가 있는데, 특히 깨지기 쉬운 세라믹 전해질을 손상시키거나/파손시키는 것을 피하기 위해 각 밀봉재를 조이는 힘을 약하게 가할 필요가 있다.

나아가, 기밀성(tightness)은 온도 상승 및 하강 단계 동안에 지켜져야 하는데, 이는 각 인터커넥터와 상기 전해질 사이에서 생기는 차등적인 팽창 현상 때문에 엄청나게 어렵다. 실제로, 밀봉재를 끼워 맞춰 조인 후 상기 시스템이 동작 온도에 이르도록 온도 상승이 가해지는 동안에, 그 인터커넥터는 그 전해질에 비해 반경방향으로 더 많이 변형되는 경향이 있다. 기존에 알려진 전면적 밀봉(integral seal) 타입 솔루션들의 이러한 차등적 팽창은 이들 양자 간의 상대적인 슬라이딩 때문에 상기 밀봉재와 상기 인터커넥터 간의 기밀성(tightness)의 훼손을 낳는다. 동일한 현상이 온도 감소 동안에도 발생한다.

이런 유형의 문제는 전기화학 전지 시스템에만 적용되는 것일 뿐만 아니라, 일반적으로는 서로 다른 열팽창계수를 가지며 자신들의 사이에 밀봉재(seal)가 삽입되는 두 개의 구성부재들을 구비하는 임의의 조립체에도 적용된다.

그러므로 본 발명의 목적은 종래 기술 실시예들에 관해 앞서 언급한 단점들을 적어도 일부라도 고치는 것이다.

이런 목적을 위해, 본 발명은 우선 서로 다른 열팽창계수를 갖는 물질들로 각각 만들어진 제1 및 제2 구성부재들 사이에 삽입되도록 된 밀봉재에 관한 것으로서, 상기 밀봉재는, - 상기 밀봉재의 반경방향에 직교하는(orthogonal) 축상적층방향(an axial stacking direction)을 따라 이격되어 있으며, 상기 제1 및 제2 구성부재들과 각각 기밀하게(tightly) 접촉하도록 된 제1 및 제2 금속접촉부; - 상기 반경방향을 따라 상기 제1 및 제2 금속접촉부 사이의 상대적인 움직임을 허용해주는 상기 제1 및 제2 금속접촉부 사이의 기밀성 연결수단; 및 - 상기 축상적층방향을 따라 적층되어 있고, 상기 반경방향을 따라 병진할 수 있게 자신들이 삽입되는 상기 제1 및 제2 금속 접촉부들과 각각 결합되어서, 서로에 대해 상기 반경방향을 따라 슬라이드할 수 있는 제1 및 제2 슬라이딩부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.

제안하는 설계구조는 온도 상승 및 하강 단계 동안에 기밀성을 유지할 수 있게 해준다는 점에 특징이 있다. 실제로, 상기 밀봉재를 끼워 맞춰 꽉 조인(clamping) 후 가해지는 온도 상승 동안에, 상기 밀봉재의 어느 한 측면에 위치해 있는 상기 두 개의 구성부재들 중 하나는 나머지 하나에 비해 반경방향으로 더 많이 변형되려는 경향이 있다. 그러나 종래기술에서 부딪힌 것처럼 상기 금속접촉부 및 이와 연관된 구성부재 사이에서 슬라이딩하는 대신, 상기 밀봉재 코어에 이런 목적으로 제공된 두 개의 슬라이딩부재들 사이에서 슬라이딩이 발생한다. 따라서 제1 및 제2 접촉부들은, 특히 상기 적합한 연결수단 때문에, 그 상기 제1 및 제2 구성부재 위에서 슬라이딩이 발생하지 않고, 기밀한 접촉을 그대로 유지하는 것에 의해, 상기 제1 및 제2 구성부재들의 변형을 각각 따를 수 있다. 온도 하강 동안에도 동등한 현상이 발생한다.

나아가, 상기 제1 및 제2 슬라이딩부재들 사이의 그 상대적인 움직임은 무엇보다도 그들의 인터페이스 평면의 모든 방향으로 가능하며, 바람직하게는 상기 축상적층방향에 직교하는 방향으로 향한다. 이런 식으로, 상기 상대적인 운동은 반경방향뿐만 아니라, 반경에 수직인 방향(orthoradial direction) 즉, 소위 접선/원주 방향으로도 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 및 제2 슬라이딩 부재들은 서로 접촉되어 있으며, 선택적으로는 슬라이딩을 좋게 하는 코팅이 되어 있을 수 있다. 같은 목적으로, 삽입부재가 상기 제1 및 제2 슬라이딩부재 사이에 상기 축상적층방향으로 삽입될 수도 있다.

바람직하게, 상기 제1 및 제2 금속접촉부들 각각은 상기 축상적층방향으로 상기 밀봉재의 바깥쪽으로 돌출된 적어도 하나의 기밀성 접촉부재와, 그리고 상기 축상적층방향으로 상기 밀봉재의 안쪽을 향해 돌출하고, 자신과 연관된 슬라이딩부재에 만들어져 있는 상보구멍(complementary orifice) 안에 수납된 적어도 하나의 병진결합부재(translational coupling member)를 가진다.

바람직하게, 상기 제1 및 제2 금속접촉부들은 강철, 크롬과 알루미늄의 합금, 예컨대 FeCrAlloy^® 상표의 제품으로 만들어진다.

바람직하게, 상기 제1 슬라이부재는 Ni 원소를 최소한 72%, Cr을 14% 내지 17%, 그리고 Fe를 6% 내지 10%의 비율로 포함하는 합금, 예를 들어 Inconel^® 600으로 알려진 계열에 속하는 합금들로 만들어진 것이다. 일반적으로 전기화학 전기 인터커넥터에 관한 경우처럼, 만약 상기 구성부재가 니켈 기반 초합금으로 만든 것이라면, 위와 같은 성분으로 구성된 것은 상기 제1 슬라이딩부재가 움직임 추종대상 구성부재의 열팽창계수와 비슷하거나 동일한 열팽창계수를 가지는 것을 가능하게 해준다.

바람직하게, 상기 제2 슬라이딩부재는 이트리아-안정화 산화지르코늄(yttria-stabilised zirconia) 또는 Macor^®로 즉, 산화지르코늄 11.10-6 와 비슷한 팽창계수를 가지며 다음과 같은 성분을 가지는 기계가공이 쉬운 유리세라믹(easy-to-machine vitroceramic)으로 만든다: SiO₂ (46%), MgO (17%), Al₂O₃ (16%), K₂O (10%), B₂O₃ (7%), F (4%). 이는 유익하게도, 일반적으로 전기화학 전기 전해질에 관한 경우처럼, 만약 상기 구성부재가 세라믹으로 만든 것이라면, 상기 제2 슬라이딩부재는 자신이 추종하기로 되어 있는 움직임을 하는 구성부재의 열팽창계수와 비슷하거나 동일한 열팽창계수를 가지는 것을 가능하게 해준다.

바람직하게, 상기 기밀성 연결수단은 강철, 크롬과 알루미늄 합금, 예컨대 FeCrAlloy^® 상표 제품으로 만든다. 무엇보다도, 상기 연결수단은 상기 제1 및 제2 접촉부와 동일한 재질로 만든다.

채용된 바람직한 실시예에 상관없이, 상기 밀봉재는 무엇보다도 실질적으로 환형으로 되어 있는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 제1 슬라이딩부재의 두께와 상기 제1 금속접촉부의 두께 간의 비는 2에서 5 사이이고; 이와 비슷하게, 상기 제2 슬라이딩부재의 두께와 상기 제2 금속접촉부의 두께 간의 비도 2에서 5 사이이다.

본 발명은 또한, 서로 다른 열팽창계수를 갖는 물질들로 각각 만들어진 제1 및 제2 구성부재 사이에 삽입된 위에서 기술된 것과 같은 적어도 하나의 밀봉재를 구비함과 더불어, 예컨대 전기화학 전지 시스템의 부품을 구성하는 조립체에 관한 것이다.

바람직하게, 상기 밀봉재의 상기 제1 및 제2 슬라이딩부재 각각은 상기 제1 및 제2 구성부재의 열팽창계수와 비슷하거나 동일한 열팽창계수를 갖는다. 전반적으로, 이런 점은 상기 밀봉재로 하여금 상기 제1 및 제2 구성부재들의 열변형을 더 잘 추종할 수 있게 해주는데, 그 이유는 이들과 각각 연관되어 있는 상기 제1 및 제2 슬라이딩부재들이 비슷한 크기로 변형되기 때문이다. 이런 식으로, 온도 상승과 하강 단계 동안에, 기밀성의 유지는 더욱 강화된다.

예를 들어, 상기 제1 및 제2 구성부재들은 금속과 세라믹으로 각각 만들어지는 바, 이는 고온 전해조 및/또는 연료전지들과 같은 전기화학 전지 시스템들의 대부분의 경우와 같다.

이런 측면에서, 본 발명은 또한 위에서 기술된 적어도 하나의 밀봉재를 구비하는 전기화학 전지 시스템에 관한 것이다. 바람직하게, 상기 전기화학 전지 시스템은 양극, 음극, 그리고 그 양극과 음극 사이에 배치된 전해질이 제공된 적어도 하나의 전기화학 전지; 상기 전기화학 전지와 연관되어 있고 상기 양극 및 상기 음극에 각각 연결되어 있는 양극 인터커넥터와 음극 인터커넥터를 구비하며, 상기 전기화학 전지 시스템은 또한 상기 전해질과 상기 양극 인터커넥터 사이 및/또는 상기 전해질과 상기 음극 인터커넥터 사이에 위치하는 위에서 기술된 것과 같은 적어도 하나의 밀봉재도 구비한다. 바람직하게, 두 개의 별도의 밀봉재가 위에서 언급된 두 곳에 각각 제공된다.

위에서 언급된 것처럼, 상기 제1 및 제2 슬라이딩부재 각각은 바람직하게는 상기 양극 및 음극 인터커넥터들과 상기 전해질 중 자신과 연관되어 있는 구성부재와 유사하거나 동일한 열팽창계수를 가진다.

바람직하게, 상기 양극 및 음극 인터커넥터들은 금속이고 상기 전해질은 세라믹이다.

위에서 언급된 것처럼, 상기 전지 시스템은 고온 전해조 또는 고온 연료전지, 예를 들면 SOFC 타입일 수도 있다.

본 발명의 다른 장점들과 특징들은 이하에서 비제한적으로 제시되는 구체적인 설명에서 드러날 것이다.

본 발명에 의하면, 온도 상승 또는 온도 하강 동안에, 상기 금속접촉부 및 이와 연관된 구성부재 사이에서 슬라이딩하는 대신, 상기 밀봉재 코어에 제공된 두 개의 슬라이딩부재들 사이에서 슬라이딩이 발생하므로, 제1 및 제2 접촉부들이 상기 제1 및 제2 구성부재 위에서 슬라이딩하지 않고 기밀한 접촉을 그대로 유지하는 것에 의해, 상기 제1 및 제2 구성부재들의 변형을 각각 따를 수 있다. 그리고 밀봉재의 제1 및 제2 슬라이딩부재 각각은 상기 제1 및 제2 구성부재의 열팽창계수와 비슷하거나 동일한 열팽창계수를 갖는다. 이런 점 때문에 본 발명의 밀봉재는 제1 및 제2 구성부재들의 열변형을 더 잘 추종할 수 있게 되어, 온도 상승과 하강 단계 동안에, 기밀성의 유지가 이루어진다.

본 발명에 관한 설명은 첨부도면을 참조하여 이루어질 것이다;
- 도 1은 본 발명에 따른 두 개의 밀봉재를 통해 인터커넥터들과 어느 하나의 면에서 맞물리는 고온 전해조의 전기화학 전지의 개략적 단면도를 보여주고,
- 도 2는 도 1에 도시된 두 개의 밀봉재 중 하나의 상세한 반-단면도를 나타내며, 상기 밀봉재는 본 발명의 바람직한 실시예의 형태이면서 비제한적 설계로 되어 있으며,
- 도 3a는 이전 도면에서 도시된 그 밀봉재를 조임처리 이후 상태로 도시한 것이며,
- 도 3b는 이전 도면에서 도시된, 팽창 동작 상태에 있는 그 밀봉재를 나타낸다.

먼저 도 1을 참조하면서, 고온 전해조의 전기화학 전지(1)의 평면기하학적(2차원적) 구조를 개략적으로 알 수 있다.

그것의 일반적인 디자인은 알려져 있다. 즉, 그것은 다공성 양극(2), 다공성 음극(4), 그리고 그 양극과 음극 사이에 접촉하면서 배치된 전해질(6)을 구비한다. 이들 부품들은, 바람직하게는 원형으로 되어 있고, 그것의 축(8)에 해당하는 축상적층방향(an axial stacking direction)으로 적층되어 있다.

이 전지(1)는 그 양극에 압력을 가하고, 그 양극과 함께 액체가 관통하여 흐를 수 있는 양극 챔버 또는 구획공간(2")을 규정하는 연관된 양극 인터커넥터(2')를 가진다. 비슷하게, 그 음극에 대해 압력을 가하고, 그 음극과 함께 액체가 관통하여 흐를 수 있는 음극 챔버 또는 구획공간(4")을 규정하는 음극 인터커넥터(4')가 제공된다.

통상적으로, 인터커넥터(2', 4')들은 금속으로 만드는 반면, 그 고체 전해질은 세라믹으로 만든다. 보다 좋기로는, 상기 인터커넥터들은 니케-기반 초합금, 예를 들면 상표 Haynes 230^® 로 출시된 것들, 또는 페라이트계 철강, 예를 들면 상표 CroFer^®로 출시된 것들로 만들 수도 있다.

구획공간(2", 4")의 기밀성을 보장하기 위해, 전해질(6)과 인터커넥터(2') 사이에 밀봉재(10)가 제공되고, 이와 함께 다른 하나의 밀봉재(10)는 동일하거나 유사하게 설계되어 있으면서 전해질(6)과 인터커넥터(4') 사이에 제공된다. 이들 밀봉재들은 바람직하게는 환형이며, 축(8)을 가지고, 그 적층물의 주위에 배치되며, 보다 구체적으로는 그 양극과 음극에 대하여 반경방향의 바깥쪽에 배치된다.

본 발명의 특징은 이들 밀봉재(10)의 설계에 있으며, 그 중 하나는 바람직한 실시예에 의해 이하에서 설명하기로 한다.

우선, 밀봉재(10)의 반-단면도(half-section view)를 나타내는 도 2를 참조하면, 밀봉재는 제1 및 제2 금속 접촉부(16a, 16b)를 가짐을 알 수 있으며, 이들 제1 및 제2 금속접촉부(16a, 16b)는 화살표(20)로 나타내진 상기 밀봉재의 반경방향과 직교하는(orthogonal) 축상적층방향(8)을 따라 이격되어 있다. 이들 두 접촉부(16a, 16b)는 상기 음극 인터케넥터(4')의 바닥면과 전해질(6)의 상면에 대하여 각각 외적인 접촉을 갖도록 되어 있고, 그 기밀한 접촉점들은 바람직하게는 선형이고, 더욱 바람직하게는 원형이며, 상기 축(8)에 대해서는 직교하도록(orthogonal) 하도록 하는 것이 좋다.

이를 위해, 각 접촉부(16a, 16b)는 상기 축상적층방향으로, 상기 밀봉재 바깥쪽에, 그들과 연관된 구성부재(4', 6)를 향해 돌출된 기밀성 접촉부재(18a, 18b)를 구비한다. 이 부재는 축(8)상에 중심을 둔 환형 리브(rib)이거나 또는 그 동일 축에 대하여 원주방향을 따라 분포된 다수의 핀일 수도 있다. 이 두 가지 경우에 있어서, 각각의 기밀성 접촉부재(18a, 18b)는 축(8)을 포함하는 반지름 평면(radial plane)에 있어서 일반적으로 끝이 뾰족한 단면(tapered cross-section)을 가지며, 접촉되어야 하는 음극 인터커넥터(4')와 전해질(6) 쪽으로 항해 있다. 이런 방식으로, 상기 기밀성 접촉부재(18a, 18b)의 가장 끝이 뾰족한 부분, 즉 그 기밀성부재(18a, 18b)의 연관 구성부재(4', 6)와 접촉되어 있는 부분은 축(8)에 관하여 직교하는 평면상에서 작은 단면을 가지며, 소성 변형 때문에 상당한 압축이 생길 것을 예상케한다(favouring).

나아가, 각 접촉부(16a, 16b)는 또한 상기 축상적층방향으로 상기 밀봉재의 안쪽을 향하여 돌출된 병진(竝進, translational) 결합부재(22a, 22b)를 구비한다. 여기서 다시, 병진결합부재(22a, 22b)는 축(8)을 중심으로 하는 환형 리브(rib)이거나 또는 그 동일 축에 대하여 지름방향으로 분포된 다수의 핀 일 수 있다. 나아가, 예컨대 접촉부재(18a, 18b)는 동일한 부품(16a, 16b) 상에 위치해 있는 병진결합부재(22a, 22b)와는 직각으로 위치해 있는 점이 예상된다.

따라서 우선적으로는 이들 접촉부(16a, 16b) 각각은 축(8)을 중심으로 하는 일반적인 얇은 디스크 형태인 것이 좋고, 철, 크롬과 알루미늄의 합금, 예를 들면 FeCrAlloy^® 상표 제품으로 만들어진다.

금속접촉부(16a, 16b)는 기밀성 연결수단에 의해 서로 연결되어 있으며, 이 경우 그 연결수단은 외향 반경방향으로(radially outwards) 개방된 내부 구조체(14)의 형태로 되어 있으며, 그 내부 구조체(14)의 단부에는 상기 두 개의 접촉부(16a, 16b)가 바람직하게는 용접에 의해 견고하게 연결된다. 그 내부 구조체(14)는 반경방향(20)으로 유연성을 나타내는데, 이는 지지된 상기 두 개의 접촉부(16a, 16b) 사이에서 같은 반경방향으로 상대적인 움직임을 허용하기 위함이다. 이와 같은 유연성을 제공하기 위해, 바람직하게는 축(8)을 중심으로 하는 이 환형 내부 구조체(14)는 일반적으로 도 2에 도시된 것처럼 C 또는 U-형상 단면을 가지며, 외향 반경방향으로 개방되어 있는 것이 확실하다. 이와 같은 설계안에 있어서, 상기 U 또는 C-형상의 기저부는 이하에서 설명될 상기 밀봉재의 다른 구성부재들에 대하여 기밀성 장벽으로서 작용하며, 두 가지부는 상기 두 접촉부(16a, 16b)를 각각 받쳐준다(bear).

도시된 실시예에서, 그 U 또는 C-형상은 예컨대 용접이나 당업자에게 잘 알려진 다른 기술로 서로 연결한 두 개의 환형 반-구조체로 만든다. 그렇지만, 모든 솔루션(integral solution)을 빠짐없이 다 예상할 수는 없다. 나아가, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 그와 같은 유연성을 제공하는 다른 형상들이 고려될 수도 있다.

원하는 유연성을 제공하는 그 얇은 내부 구조체(14)는 철, 크롬 알루미늄 합금, 예를 들면 FeCrAlloy^® 상표의 제품을 이용하여 만들 수도 있음은 물론이다.

본 발명의 구체적인 특징들 중의 하나는 상기 두 개의 접촉부(16a, 16b) 사이의 상기 밀봉재 내에, 상기 축상적층방향(8)으로 적층된 제1 및 제2 슬라이딩부재(24a, 24b)를 조립하는 것이다. These two parts are annular, centred on the axis　8. 이들 두 슬라이딩 부재들은 환형이며 축(8)을 중심으로 한다. 제1 슬라이딩부재(24a)는 제1 접촉부(16a)의 바닥표면과 면접촉을 이루는 반면, 제2 슬라이딩부재(24b)는 제2 접촉부(16b)의 상부표면과 면접촉을 이룬다. 이들 인터페이스 각각에는, 병진결합부재(22a, 22b)가 문제의 그 제1 및 제2 슬라이딩부재(24a, 24b)의 표면상에 제공되어 있는 상보구멍(complementary orifice:　26a, 26b) 속으로 침투해 들어가 있다. 이것은 반경방향(20)을 따라서, 제1 접촉부(16a)와 제1 슬라이딩부재(24a) 사이 및 제2 접촉부(16b)와 제2 슬라이딩부재(24b) 사이에서 병진결합을 제공한다.

또한, 그 두 슬라이딩 부재(24a, 24b)는 서로를 눌러 압력을 가하고, 바람직하게는 그 축(8)에 관한 상기 직교평면상에 위치하여, 반경방향(20)을 따라 그리고 필요하다면 접선/원주 방향에 해당하는 그 반경에 수직인 방향(orthoradial direction)을 따라 서로에 대해 슬라이드 할 수 있도록 한다. 그것들은 슬라이딩에 유리한 코팅제 처리가 되어 있을 수도 있고, 그리고 바람직하게는 서로 접촉된다.

만약 인터커넥터(4')가 니켈 기반 초합금이면, 제1슬라이딩부재(24a)는 같은 재질로 만들거나 또는 덜 비싼 Inconel^® 600로 알려진 합금으로 만드는 것이 바람직하다. 반면에, 그 인터커넥터(4')가 예를 들어 CroFer^®와 같은 상표로 시판되는 페라이트계 철강으로 만들면, 제1 슬라이딩부재(24a)는 우선적으로 동일한 물질로 만드는 것이 바람직하다.

또한, 제2 슬라이딩부재(24b)는 이트리아-안정화 산화지르코늄(yttria-stabilised zirconia) 또는 Macor^®로 만든다.

어느 경우에나, 상기 밀봉재의 상기 제1 및 제2 슬라이딩부재는 각각 인터커넥터(4')와 전해질(6)의 열팽창계수들과 비슷하거나 동일한 열팽창계수를 가져 이하에서 구체적으로 설명하는 바와 같이 그들의 열변형을 더 잘 따를 수 있음이 확실하다.

더욱이, 그 두 개의 슬라이딩부재(24a, 24b)가 고온 즉, 500°C 이상인 경우에서도 축(8)의 방향으로 그 밀봉재의 강성을 제공하도록 하는 방식으로 만들어진다.

바람직하게는, 제1 슬라이딩부재(24a)의 두께와 제1 금속접촉부(16a)의 두께 간의 비는 2에서 5 사이이다. 이와 유사하게, 제2 슬라이딩부재(24b)의 두께와 제2 금속접촉부(16b)의 두께 간의 비도 2 에서 5 사이이다. 보다 우선적으로, 제1 및 제2 금속접촉부(16a, 16b)의 두께는 가능하면 얇은 것이 좋고, 단지 가공기의 능력에 의해 제한될 뿐이다. 이 경우, 구성부재들(16a, 16b, 24a, 24b)의 두께는, 돌출부/공동(18a, 18b, 22a, 22b, 26a, 26b)들이 제공된 그들의 영역은 별도로 하고, 적층방향으로 그들의 평균 두께가 되도록 취하여야 한다.

밀봉재(10)를 전해질(6)과 인터커넥터(4') 사이에 조립하기 위한 방법은, 도 2에 개략적으로 도시된 것처럼, 먼저 이들 두 구성부재 사이에 이들을 냉각상태로 설치(cold positioning) 함으로써 시작된다. 이 단계에서는 밀봉재(10)와 구성부재(4', 6) 중 어느 하나 사이에 작은 공차가 존재할 수도 있다.

그리고 나서 밀봉재 조임(clamping) 작업을 예를 들어 20°C 에 가까운 온도에서 또는 더 높은 온도에서 수행한다. 이 작업 동안에, 도 3a에 도시된 화살표(27)에 개략적으로 나타낸 것처럼, 예를 들어 프레스로 축방향 부하(axial load)가 상기 밀봉재에 가해진다.

이와 같은 조임 작업 동안에, 밀봉재(10)는 인터커넥터(4')와 전해질(6)의 마주보는 표면들로부터 압력을 받는다. 이는 기밀성 접촉부(18a, 18b)들을 그들의 연관 구성부재인 인터커넥터(4')와 전해질(6) 쪽으로 압박한다. 이로 인해 접촉부(16a, 16b)가 인터커넥터(4')와 전해질(6)에 각각 견고하게 뿌리박게(anchor) 한다. 예로서, 상기 밀봉재와 직각으로 원형 라인을 따라 가해진 압력 부하는, 3 N/mm정도 일 수 있다.

그런 다음, 그 조립체는 그 압력부하를 계속 받는 상태로 노에 넣고 그 시스템의 동작 온도, 예를 들어 800°C 에 이르도록 온도를 올린다.

이러한 온도 상승 동안에, 그 조립체의 여러 가지 부품들은 그것의 열적 팽창계수에 의해 정의되는 크기에 따라 열적으로, 특히 반경방향으로 팽창한다.

이 방식으로 하면, 그 두 구성부재(4', 6)의 차등적 열팽창이 반경방향(20)으로 일어나는 것을 알 수 있으며, 축방향으로의 이러한 차등적 열팽창은 무시할 수 있다.

더욱 구체적으로, 도 3b에서 명료하게 할 목적으로 자진해서 과장되게 개략적으로 나타낸 것처럼, 인터커넥터(4')는 화살표(29)로 개략적으로 표현한 것과 같이 전해질(6)보다 축(8)으로부터 더 멀리 이동하려는 경향이 있다.

그럼에도 불구하고, 이런 경향성은 앞서 언급한 뿌리박음(anchoring)을 훼손시키지는 못한다. 왜냐하면, 금속 접촉부(16a, 16b)와 그들의 연관된 구성부재(4', 6)들 사이에서 슬라이딩하는 대신, 상기 밀봉재의 코어에서 이런 목적으로 제공된 두 슬라이딩부재(24a, 24b) 사이에서 슬라이딩이 발생하고, 그 두 슬라이딩부재(24a, 24b)는 동일하거나 유사한 열팽창계수 때문에 각각 그들과 연관된 구성부재(4', 6)들과 비슷한 크기(amplitudes)로 변형되기 때문이다.

달리 말하면, 특히 그 유연성 내부 구조체(14)의 변형 때문에, 상기 구성부재(4', 6)들 상에서의 슬라이딩 없이 즉, 기밀성을 제공하는 그 뿌리박음 상태를 유지하는 것에 의해, 제1 및 제2 접촉부(16a, 16b)는 인터커넥터(4')와 전해질(6)의 변형을 각각 추종하게 된다.

그래서 도 3b에 도시된 것처럼, 전기화학 전지 시스템은 압축된 그 밀봉재(10)로도 여전히 동작할 수 있는 것이다.

끝으로, 제2 밀봉재(10)는 위에서 설명한 것과 유사한 설계구조를 가지며, 양극 인터커넥터(2')와 전해질(6) 사이에 반대 방식으로 위치한다.

명백하게, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 위의 설명에 의거하여 여러 가지 변형을 만들어 낼 수 있을 것이며, 그 변형들은 비제한적 예에 불과하다.

1: 전기화학 전지 2: 다공성 양극
4: 다공성 음극 6: 전해질
8: 축상적층방향 2": 양극 챔버 또는 구획공간
2': 양극 인터커넥터 4": 음극 챔버 또는 구획공간
4': 음극 인터커넥터 10: 밀봉재
14: 환형 내부 구조체 16a, 16b: 제1 및 제2 금속 접촉부
18a: 18b: 기밀성 접촉부재
20: 반경방향 22a, 22b: 병진결합부재
24a, 24b: 제1 및 제2 슬라이딩부

Claims (16)

1. 서로 다른 열팽창계수를 갖는 물질들로 각각 만들어진 제1 및 제2 구성부재(4', 6)들 사이에 삽입되도록 된 밀봉재(10)로서,
   - 축상적층방향(an axial stacking direction)(8)을 따라 이격되어 있으며, 상기 제1 및 제2 구성부재들과 각각 기밀하게(tightly) 접촉하도록 된 제1 및 제2 금속접촉부(16a, 16b);
   - 상기 밀봉재의 반경방향(20)을 따라 상기 제1 및 제2 금속접촉부(16a, 16b) 사이의 상대적인 움직임을 허용해주는 상기 제1 및 제2 금속접촉부(16a, 16b) 사이의 기밀성 연결수단(14); 및
   - 상기 축상적층방향(8)을 따라 적층되어 있고, 상기 반경방향(20)을 따라 병진할 수 있게 자신들이 삽입되는 상기 제1 및 제2 금속 접촉부(16a, 16b)와 각각 결합되어서, 서로에 대해 상기 반경방향(20)을 따라 슬라이드할 수 있는 제1 및 제2 슬라이딩부재(24a, 24b)를 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 밀봉재.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 슬라이딩 부재(24a, 24b)는 서로 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 밀봉재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속접촉부(16a, 16b)들 각각은 상기 축상적층방향으로 상기 밀봉재의 바깥쪽으로 돌출된 적어도 하나의 기밀성 접촉부재(18a, 18b), 그리고 상기 축상적층방향으로 상기 밀봉재의 내부를 향해 돌출하고, 자신과 연관된 슬라이딩부재에 만들어져 있는 상보구멍(26a, 26b)에 수납된 적어도 하나의 병진결합부재(translational coupling member)(22a, 22b)를 가지는 것을 특징으로 하는 밀봉재.
4. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속접촉부(16a, 16b)들은 강철, 크롬과 알루미늄의 합금으로 만들어진 것을 특징으로 하는 밀봉재.
5. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 슬라이딩부재(24a)는 Ni 원소를 최소한 72%, Cr을 14% 내지 17%, 그리고 Fe을 6% 내지 10%의 비율로 포함하는 합금으로 만들어진 것을 특징으로 하는 밀봉재.
6. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 슬라이딩부재(24b)는 이트리아-안정화 산화지르코늄(yttria-stabilised zirconia)으로 만들어진 것을 특징으로 하는 밀봉재.
7. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 기밀성 연결수단(14)은 상기 제1 및 제2 금속접촉부(16a, 16b)와 같은 재질로 만들어진 것을 특징으로 하는 밀봉재.
8. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 슬라이딩부재(24a)의 두께와 상기 제1 금속접촉부(16a)의 두께의 비는 2에서 5 사이 이고, 상기 제2 슬라이딩부재(24b)의 두께와 상기 제2 금속접촉부(16b)의 두께의 비도 2에서 5 사이 인 것을 특징으로 하는 밀봉재.
9. 서로 다른 열팽창계수를 갖는 물질들로 각각 만들어진 제1 및 제2 구성부재(4', 6) 사이에 삽입된, 선행 청구항들 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 밀봉재(10)를 구비하는 조립체.
10. 제9항에 있어서, 상기 밀봉재의 상기 제1 및 제2 슬라이딩부재(24a, 24b)는 각각 상기 제1 및 제2 구성부재의 열팽창계수와 비슷하거나 동일한 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 조립체.
11. 제8항 또는 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 구성부재는 금속과 세라믹으로 만들어진 것을 특징으로 하는 조립체.
12. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 밀봉재(10)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 시스템(1).
13. 제12항에 있어서, 상기 전기화학 전지 시스템은, 양극(2), 음극(4), 그리고 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 전해질(6)이 제공된 적어도 하나의 전기화학 전지(1); 상기 전기화학 전지(1)와 연관되어 있고 상기 양극과 상기 음극에 각각 연결되어 있는 양극 인터커넥터(2')와 음극 인터커넥터(4')를 구비하며, 상기 전기화학 전지 시스템은 또한 상기 전해질(6)과 상기 양극 인터커넥터(2') 사이 및/또는 상기 전해질(6)과 상기 음극 인터커넥터(4') 사이에 위치하는, 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 밀봉재(10)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 시스템.
14. 제13항에 있어서, 각 밀봉재에 있어서 상기 제1 및 제2 슬라이딩부재 (24a, 24b) 각각은 상기 양극 및 음극 인터커넥터들과 상기 전해질 중 자신과 연관되어 있는 구성부재의 열팽창계수와 유사하거나 동일한 열팽창계수를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 시스템.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 하나에 있어서, 상기 양극 및 음극 인터커넥터들은 금속이고 상기 전해질은 세라믹인 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 시스템.
16. 제12항 내지 제15항 중 어느 하나에 있어서, 상기 전기화학 전지 시스템은 고온 전해조 또는 고온 연료전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 시스템.

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