KR20130121075A

KR20130121075A - 연료 전지 스택 또는 전해 전지 스택을 위한 힘 분산장치

Info

Publication number: KR20130121075A
Application number: KR1020137000809A
Authority: KR
Inventors: 마르틴 레프슬룬드 니엘센; 토마스 헤이레달-크라우센
Original assignee: 토프쉐 푸엘 셀 에이/에스
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2013-11-05
Also published as: DK2583343T3; EP2583343A1; CN103348523A; US20130089803A1; AU2011267434B2; CA2801102A1; WO2011157351A1; EA201390005A1; EP2583343B1; ES2464066T3; WO2011157351A4; AU2011267434A1

Abstract

연료 전지 또는 전해 전지 스택이 적어도 부분적으로 가요성인 층(102)과 돌출한 접촉 영역(103)을 포함하는 힘 분산장치(102, 103)를 가지며, 이로써 스택 압축력이 잠재적 치수 관용성 차이에도 불구하고 스택(104)으로 균일하게 전달된다.

Description

연료 전지 스택 또는 전해 전지 스택을 위한 힘 분산장치{FORCE DISTRIBUTOR FOR A FUEL CELL STACK OR AN ELECTROLYSIS CELL STACK}

본 발명은 전지 스택의 압축에 관한 것이며, 더 구체적으로는 연료 전지 스택 또는 전해 전지 스택, 특히 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 스택 또는 고체 산화물 전해 전지 스택(SOEC)을 위한 힘 분산장치에 관한 것이다.

이후 본 발명은 SOFC 스택과 관련하여 설명될 것이다. 그러나 본 발명에 따른 힘 분산장치는 폴리머 전해질 연료 전지(PEM), 용융 탄산염 연료 전지(MCFC) 또는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)와 같은 다른 타입의 연료 전지들에도 또한 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 고체 산화물 전해 전지와 같은 전해 전지 및 이러한 전지 스택에도 사용될 수 있다.

연료 전지나 전해 전지의 전기화학 반응과 기능은 본 발명의 본질이 아니므로 상세히 설명되지는 않을 테지만 당업자는 알고 있는 바라고 생각된다.

SOFC에 의해 생기는 전압을 높이기 위해서 몇 개의 전지 유닛을 조립하여 스택을 형성하며, 이들은 인터커넥트에 의해 함께 연결된다. 이러한 스택 층들은 가장자리의 일부 또는 전체를 따라 유리와 같은 내열성 시일을 사용하여 기밀 상태로 함께 밀봉된다. 인터커넥트는 인접 전지 유닛의 애노드(연료) 측과 캐소드(공기/산소) 측을 분리하는 기체 장벽을 작용하며, 동시에 이들은 인접 전지들 간의, 즉 환원 과정에서 전자가 남는 한 전지의 애노드와 전자가 필요한 이웃한 전지의 캐소드 간의 전류 전도를 가능하게 한다. 전극들을 분리하는 인터커넥트를 통한 이웃한 전극들 간의 전류 전도는 인터커넥트의 영역 전체에서 복수의 접촉 지점을 통해서 가능하게 된다. 접촉 지점은 인터커넥트의 양측에 돌출부로서 형성될 수 있다. 연료 전지 스택의 효율은 이들 지점에서의 양호한 접촉에 의존하며, 따라서 적합한 압축력이 연료 전지 스택에 적용되는 것이 중요하다. 이 압축력은 전기적 접촉을 보장할 만큼 충분히 커야 하고 연료 전지의 영역 전체에 균일하게 분산되어야 하지만, 전해질, 전극, 인터커넥트를 손상시키거나, 또는 연료 전지의 기체 흐름을 방해할 정도로는 크지 않아야 한다. 또한, 연료 전지의 압축은 스택 층들 간의 시일이 스택을 기밀 상태로 유지하는데도 중요하다. 또한, 상이한 전지 스택 영역에는 상이한 압축력이 필요할 수 있으며, 전지 스택의 전기화학적 활성 영역은 실링 영역보다 낮은 압축력을 요할 수 있다. 따라서, 압축력은 일부 영역에 균일하게 분산되어야 하며, 제1 크기의 압축력은 전지 스택의 일부 표면 영역에 균일하게 적용되고, 제2, 제3 및 더 많은 크기의 압축력은 해당 영역의 특정한 압축 요건에 따라서 전지 스택의 다른 표면 영역에 균일하게 적용될 수 있도록 압축력을 재단할 필요가 있을 수도 있다.

이 문제에 대한 해결책이 WO 2008089977에 제안되었는데, 여기서는 연료 전지 스택이 스택과 면하는 한 직사각형 평면 쪽과 볼록 모양의 반대쪽을 지닌 열 절연 단부 블록을 갖는 방식을 설명한다. 스프링이 단부 블록의 볼록 모양 면에 대고 가요성 시트를 조여서 스프링 힘이 스택 단부 영역 전체에 균일하게 분산된다.

DE 10250345에서는 SOFC를 둘러싼 하우징이 제공되며, 스택과 하우징 사이의 압축가능한 매트가 전지에 방사상과 축상으로 압축력을 제공한다.

WO 2005045982는 다기능 단부 플레이트 조립체를 사용하여 연료 전지 스택의 어떤 영역을 우선적으로 압축할 수 있는 방식을 설명한다.

WO 2008003286에서는 탄성 슬리브에 의해 스택에 대해 가압되는 열 절연 요소에 의해 스택이 압축된다. 슬리브는 예를 들어 실리콘 또는 천연 생고무로 제조될 수 있다.

또 다른 스택 압축 원리가 DE 19645111에 제시된다.

제시된 공지 기술은 연료 전지 스택의 압축 문제에 대한 해결책을 개시한다. 이들은 힘 제공의 문제를 다루고 있는 것이지, 본 발명에서 다루는 힘 분산은 얘기하지 않는다. 따라서, 이들은 모두 고유한 문제를 어느 정도 가진다.

- 거칠음이 없는 힘 제공 단부 플레이트를 만드는데 비용이 많이 들고 어려우므로, 거칠음이 스택의 제한된 영역에 압축력 집중을 수반하며, 스택이 손상되거나 스택의 성능이 감소할 위험이 따른다.

- 스택에 균일한 압축력을 제공할 만큼 충분히 평면인 힘 제공 단부 플레이트를 만드는데 비용이 많이 든다. 단부 플레이트가 충분히 평면인 경우에도 특히 온도 및 압력 조건의 변화로 인해서 작동 및 시동/중단 기간 동안 불균일하게 될 수 있다. 거칠음은 물론 거칠음과 불균일성이 조합되어 주로 발생할 수 있으므로 불균일성은 스택의 손상이나 성능 감소를 가져올 수 있다.

- 공지 기술의 단부 플레이트의 필요한 강성을 달성하기 위해서는 튼튼한 재료로 제작해야 하는데, 그러면 커지고 무거워지고 비용이 많이 들게 된다.

- 전지 스택의 단부 근처에 있는 연료 전지나 전해 전지는 임계치의 큰 지점 힘이 전지 스택 단부 표면의 국소 영역에 집중될 경우 제동이 걸리게 되고, 이것은 공지 기술의 단부 플레이트의 기하 관용성, 강성 및 순도에 큰 손상을 수반한다.

- 공지 기술의 단일 유닛 단부 플레이트는 전지 스택 단부 표면의 상이한 영역에 상이한 크기의 힘을 적용할 수 없으며, 따라서 압축력이 전지 스택의 상이한 영역의 상이한 요건에 맞춰 재단될 수 없다.

- 큰 단부 플레이트는 느린 열 반응을 가지며, 이것은 작동 변수들이 변화되고 조정될 때 문제가 된다.

본 발명의 목적은 전지 스택을 위한 새로운 힘 분산장치를 제공함으로써 언급된 문제들을 해결하는 것이다.

더 구체적으로, 본 발명의 목적은 힘 제공장치의 어떤 불순물, 거칠음, 평탄성의 부족 및 강성의 부족을 보상하는 힘 분산장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 힘 제공장치가 덜 무겁고, 부피가 작고, 비용이 적게 들 수 있게 하는 힘 분산장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전지 스택의 구성요소들을 손상으로부터 보호하는 힘 분산장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 힘 제공장치로부터 전지 스택에 균일하게 분산된 압축력을 제공하는 힘 분산장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전지 스택의 국소 표면 영역의 요건에 맞춰 압축력을 재단하는 힘 분산장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전지 스택 조립체가 기존의 무거운 단부 플레이트 전지 스택에 비해 빠른 열 반응을 할 수 있게 하는 힘 분산장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 힘 분산장치의 적어도 일부에 측면 기체 매니폴드의 실링을 일체화한 힘 분산장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전지 스택의 진동 감쇠 및 보호를 제공하는 힘 분산장치를 제공하는 것이다.

이들 목적과 다른 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의해서 달성된다.

본 발명의 상기 목적에 따라서, 전지 스택을 위한 힘 분산장치가 제공된다. 힘 분산장치는 전지 스택의 단부면과 힘 제공장치로서 작용하는 단부 플레이트 중간에서 전지 스택의 적어도 한 단부에 위치되며, 전지 스택에 압축력을 제공한다. 힘 제공장치는 평탄한 스틸 단부 플레이트와 연결된 타이트닝 로드와 같은 일정 범위의 형태를 가질 수 있는데, 그것은 하나 이상의 스택을 압축하는 프레임의 형태일 수 있고, 매니폴드 또는 타이트닝 클램프, 다른 인접 스택, 다른 인접 힘 분산장치 등일 수 있다. 힘 제공장치는 전지 스택에 압축력을 제공하는 어떤 것으로서 정의된다.

힘 분산장치는 하부 단부 플레이트와 스택의 하단부 사이에 그리고 상부 단부 플레이트와 스택의 상단부 사이에서 전지 스택의 양쪽 단부에 위치될 수 있다. 또한, 스택의 분리된 전지들 사이에서 스택 내부에 힘 분산장치를 위치시키는 것이나, 또는 힘 분산장치가 전지 스택의 한 단부 또는 양쪽 단부에 위치되는 것은 물론 전지 스택 내부의 하나 이상의 위치에 위치하도록 조합하는 것도 가능하다. 어떤 구체예에서, 힘 분산장치 자체가 전지 스택에서 단부 플레이트로서 작용하며, 이것은 단부 플레이트와 힘 분산장치가 하나의 일체형 유닛일 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 힘 분산장치는 전지 스택을 향해서 배향된 평탄면과 예를 들어 스틸 시트에 의해 둘러싸인 힘 제공 타이트닝 클램프 또는 힘 제공 가요성 매트와 연결된 볼록한 대향면을 가질 수 있다.

힘 분산장치는 적어도 부분적으로 가요성인 플레이트 또는 보디를 포함하며, 선택적으로 적어도 전지 스택을 향해 배향된 플레이트의 면에 돌출한 접촉 영역들이 존재한다. 돌출한 접촉 영역의 필요성은 힘 분산장치의 부분적 가요성에 의존한다. 이들은 전지 스택을 향해 배향된 힘 분산장치 면이 너무 가요성이어서 힘이 기체 흐름 채널이 있는 영역에 분산되지 않게 되어 기체 채널이 막히고 전지 부품이 손상될 위험이 있을 때 필요하다. 가요성은 E-모듈이 전지 스택의 힘 제공장치의 E-모듈 미만인 것으로서 정의된다. 이와 관련하여, E-모듈은 플레이트의 전체 가요성 부분을 말하며, 개별적으로는 더 큰 E-모듈을 가질 수 있는 입자라고 보는 가요성 재료 구성요소 자체를 말하는 것은 아니다.

한 구체예에서, 힘 분산장치는 제1 층은 가요성이고, 제2 층은 강성인 적어도 2개의 층을 포함할 수 있다. 가요성은 상기와 같이 정의되고, 강성은 E-모듈이 전체 가요성 층보다 높은 것으로서 정의된다. 가요성 층은 힘 제공장치와 면한다. 힘 분산장치와 면하는(그리고 또한 전지 스택과 면하는) 힘 제공장치의 표면은 이상적으로는 평면인 표면이다. 그러나 힘 제공장치는 기하 관용성 하에 제작되며, 이것은 절대적인 이상적 평면 표면으로부터의 편차를 수반한다. 또한, 열기계적 응력 또는 불균일한 힘 전달로 인한 힘 제공장치의 거칠음, 불순물 및 편향이 힘 제공장치의 이상적인 평면 표면으로부터 편차를 일으킨다. 또한, 예를 들어 힘 제공 구조에서 열기계적 응력으로 인한 힘 제공장치의 진동이나 임의의 방향으로의 물리적 모멘트도 전지 스택에 있어서 잠재적으로 중요한 문제를 지닌다. 힘 분산장치의 가요성 층은 이들 편차, 진동 및 모멘트를 흡수할 수 있고, 따라서 힘 제공장치로부터 비교적 불균일하게 분산되는 압축력을 수용해서 그것을 비교적 더 균일하게 분산되는 압축력으로서 제2 강성 층에 전달한다. 힘 분산장치의 제2 강성 층은 압축력을 전지 스택으로 보낸다. 전지 스택과 면하는 힘 분산장치의 제2 층의 면은 평면 표면일 수 있다. 제2 층의 제한된 두께 때문에 기하 관용성이 좁은 면을 갖도록 제2 층을 제작하는 것이 가능하다. 또한, 힘 분산장치의 얇은 제2 층에서는 종래의 두꺼운 단부 플레이트에서보다 열기계적 응력이 적어진다. 그러나 바람직하게 전지 스택과 면하는 힘 분산장치의 면은 압축력을 전달할 수 있는 돌출한 접촉 영역들을 포함하며, 이로써 전지 스택의 요건에 맞춰 압축력이 재단된다.

본 발명의 구체예에서, 힘 분산장치의 제1 층은 상기 설명된 대로 단부 플레이트와 일체화되거나, 또는 단부 플레이트로서 작용할 수 있으며, 이것은 제조 및 취급 비용을 줄일 수 있다. 본 발명의 다른 구체예에서, 힘 분산장치의 제1 층은 힘 분산장치의 제2 층과 일체화될 수 있다.

본 발명의 다른 구체예에서, 힘 분산장치 제2 층의 전지 스택을 향한 면은 돌출한 힘 분산장치 접촉 영역들을 포함할 수 있다. 이 구체예에서, 압축력은 단지 돌출한 접촉 영역이 있는 영역에서 하부의 전지 스택에만 분산될 것이다. 따라서, 압축력은 전지 스택의 반응 기체 흐름 채널 영역과 같은 일부 영역에서는 생략될 수 있으며, 시일 영역과 인터커넥트 접촉 영역은 압축력을 수용할 것이다. 돌출한 접촉 영역은 심지어 면적 및 높이를 변경할 수 있어서 하부의 전지 스택의 특정 영역에 맞춰 압축력을 재단할 수 있다. 예를 들어, 돌출한 영역은 더 큰 면적을 가질 수 있고, 하부의 전지 스택이 시일 영역을 가지는 경우 더욱 돌출할 수 있다.

본 발명의 다른 구체예에서, 힘 분산장치 제2 층의 힘 제공장치를 향한 면은 둘출한 힘 분산장치 접촉 영역들을 포함할 수 있다. 힘 분산장치의 이 면에서 표면 디자인은 또한 돌출한 힘 분산장치 접촉 영역들의 상대적 높이를 변경하는 것이 가능하기 때문에 전지 스택의 압축 요건에 맞춰 재단될 수 있다. 따라서, 실링 영역 위의 힘 분산장치 영역의 상응하는 접촉 영역을 전지 스택의 접촉 영역 위의 힘 분산장치 영역보다 높게 만듦으로써 전형적으로 최대 압축력이 필요한 시일 영역이 전지 스택 접촉 지점보다 큰 압축력을 수용할 수 있다. 최고 압축력은 돌출한 접촉 영역이 가장 높은 영역에서 이들 영역이 제1 층에 최고 국소 압축을 제공할 것이므로 힘 분산장치의 제1 가요성 층으로부터 제2 강성 층으로 분산될 것이다.

본 발명의 다른 구체예는 제2 강성 층의 양쪽 면에 돌출한 힘 분산장치 접촉 영역이 존재하는 힘 분산장치에서 전술한 두 구체예를 조합한다. 이러한 돌출한 영역을 가진 구체예들에서 돌출한 접촉 영역들 사이에 형성된 공간은 인터커넥트의 기체 흐름 채널에 상응하도록 개조될 수 있으며, 이것은 이들 기체 흐름 채널이 방해받지 않도록 보장한다. 또한, 상기 공간은 센서, 냉각 또는 가열 채널을 함유하도록 개조될 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 힘 분산장치의 제2 층은 전기 전도성이며, 이로써 전지 스택의 집전판이 생략되거나 지원될 수 있으므로 구성요소 및 비용이 절약될 수 있다. 이 구체예가 힘 분산장치의 제1 층이 압력판과 일체화된 구체예와 협력된 경우, 종래의 전지 스택에서보다 더 많은 수의 구성요소 없이도 힘 분산장치의 이점이 달성될 수 있다.

제1 힘 분산장치 층은 규산칼슘, 마이크로 포러스 절연체, 운모, 금속 또는 섬유 매트로 이루어질 수 있다. 제1 힘 분산장치 층은 가요성이지만, 또한 이 층의 재료 특징을 이용해서 전지 스택의 진동 감쇠 및 반응 기체 측면 매니폴드와 전지 스택의 실링을 제공할 수도 있다. 제2 힘 분산장치 층은 금속 합금 또는 세라믹 또는 다른 공지된 적합한 재료로 이루어질 수 있다.

1. 적어도 하나의 전지 스택용 힘 분산장치로서, 상기 전지 스택은

- 복수의 연료 전지 또는 전해 전지,

- 돌출한 접촉 영역들을 포함하는 적어도 하나의 인터커넥트 플레이트,

- 전지 스택 상부면,

- 전지 스택 하부면,

- 적어도 하나의 전지 스택 측면,

- 적어도 하나의 힘 제공장치

를 포함하고, 상기 힘 분산장치는 적어도 하나의 힘 제공장치를 향해 가요성 부분이 배향된 적어도 부분적으로 가요성인 보디를 포함한다.

2. 특징 1에 따른 힘 분산장치로서, 적어도 부분적으로 가요성인 보디는 적어도 전지 스택을 향해 배향된 플레이트의 면에 돌출한 접촉 영역들을 포함한다.

3. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 상기 힘 분산장치는 힘 제공장치를 향해 배향된 볼록면을 포함한다.

4. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 상기 힘 분산장치는 제1 및 제2 힘 분산장치 층을 포함하고, 각 층은 제1 및 제2 힘 분산장치 면을 가지며, 상기 제1 힘 분산장치 층은 가요성 층이고, 상기 제2 힘 분산장치 층은 강성 층이다.

5. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 상기 제1 힘 분산장치 층은 힘 제공장치의 E-모듈보다 높은 E-모듈을 가진다.

6. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 상기 힘 분산장치는 상기 전지 스택 상부면과 상기 적어도 하나의 힘 제공장치 사이의 위치 또는 상기 전지 스택 하부면과 상기 적어도 하나의 힘 제공장치 사이의 위치 중 적어도 하나에 위치되고, 상기 힘 분산장치는 제2 힘 분산장치 층이 전지 스택과 면한 상태로 위치된다.

7. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 상기 힘 분산장치 중 적어도 하나는 상기 전지 스택 내부에 위치된다.

8. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 상기 적어도 하나의 힘 제공장치가 제1 힘 분산장치 층과 일체화된다.

9. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 돌출한 접촉 영역이 전지 스택의 실링 영역 또는 인터커넥트 접촉 영역 중 적어도 하나에 상응한다.

10. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 상기 돌출한 접촉 영역들 사이에 형성된 공간 중 적어도 하나가 센서를 함유하도록 개조된다.

11. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 상기 돌출한 접촉 영역들 사이에 형성된 공간 중 적어도 하나가 냉각 또는 가열 채널을 형성하도록 개조된다.

12. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 상기 제2 힘 분산장치 층이 전기 전도성이다.

13. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 힘 분산장치는 규산칼슘, 마이크로 포러스 절연체, 운모, 금속, 섬유 매트, 내화 세라믹 섬유 또는 유리섬유, 마그네시아-실리카 섬유, 일정량의 실리카를 함유하는 알루미나 섬유, 산화물 지르코니아, 크로미아 또는 티타니아 중 하나 이상을 함유하는 저 알칼리 알루미노실리케이트 조성물 또는 버미큘라이트 중 적어도 하나를 포함한다.

14. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 힘 분산장치는 금속 합금 또는 세라믹 중 적어도 하나를 포함한다.

15. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 힘 분산장치로서, 상기 힘 분산장치의 적어도 일부가 상기 전지 스택과 측면 입구 기체 매니폴드 또는 측면 출구 기체 매니폴드 중 적어도 하나 사이에 시일을 형성한다.

16. 전술한 특징들 중 어느 것에 따른 적어도 하나의 힘 분산장치를 포함하는 전지 스택으로서, 상기 전지 스택은 고체 산화물 연료 전지 스택 또는 고체 산화물 전해 전지 스택이다.

본 발명은 본 발명의 구체예의 예들을 도시하는 첨부한 도면들에 의해 더 예시된다.

도 1은 본 발명의 제1 구체예에 따른 힘 분산장치를 포함하는 전지 스택 조립체의 측면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제2 구체예에 따른 힘 분산장치를 포함하는 전지 스택 조립체의 측면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제3 구체예에 따른 힘 분산장치를 포함하는 전지 스택 조립체의 측면도를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 구체예에 따른 제2 힘 분산장치 층의 절단 측면도를 도시한다.
도 4b는 본 발명의 구체예에 따른 제2 힘 분산장치 층의 절단 평면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 구체예에 따른 힘 분산장치와 힘 제공장치의 일부의 상세도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 구체예에 따른 힘 분산장치를 포함하는 전지 스택의 상부 부분을 도시한다.
도 7은 본 발명의 다른 구체예에 따른 힘 분산장치를 포함하는 전지 스택 조립체의 측면도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 힘 분산장치를 포함하는 전지 스택 조립체의 측면도를 도시한다.
도 9는 선행 기술에 따른 전지 스택 조립체의 측면도를 도시한다.
도 10은 선행 기술에 따른 전지 스택 조립체의 측면도를 도시한다.
위치 번호:
101, 201, 301, 501, 601, 701, 801, 901, 1001: 힘 제공장치
102, 202, 302, 502, 602, 702, 802: 제1 힘 분산장치 층, 가요성
103, 203, 303, 403, 503, 603, 703, 803: 제2 힘 분산장치 층, 강성
104, 204, 304, 504, 704, 804, 904, 1004: 전지 스택
605: 집전판
606: 전지
607: 인터커넥트
808: 힘 분산장치에 있는 천공

하기 설명된 도면에서 평면 표면의 거칠음과 편차(불균일성)의 상세한 설명은 이해를 돕기 위해 다소 과장된 것이다.

도 1과 관련해서, 한 구체예에서 압축될 전지 스택(104)은 상자 모양이다. 이 도면에서 전지 스택은 인터커넥트, 전극 및 전해질과 같은 개별 구성요소의 상세한 설명 없이 전체로서 도시되며, 또한 도 1은 스택의 상부에 본 발명이 적용된 것만을 도시하지만, 도시되지 않은 유사한 시스템이 스택의 하부에 선택적으로 적용될 수도 있다. 전지 스택에 압축력을 적용하기 위해서 힘 제공장치(101)가 전지 스택의 상부에 위치된다. 공지 기술에서는 이 힘 제공장치가 집전판과 같은 전지 스택의 최상부 구성요소를 직접 가압한다. 그러나 본 발명에 따르면 힘 분산장치가 힘 제공장치와 전지 스택 사이에 위치된다. 본 발명에 따른 힘 분산장치는 가요성인 제1 힘 분산장치 층(102)과 강성인 제2 힘 분산장치 층(103)의 2개 층을 포함한다. 도시된 대로, 가요성 제1 힘 분산장치 층은 힘 제공장치와 면하여 기하 관용성, 강성, 순도 및 가능한 열기계적 응력에 있어서 힘 제공장치의 가능한 불규칙성을 보상한다. 도면에서 볼 수 있는 대로, 스택과 면하는 힘 제공장치의 면에서 불순물과 불규칙성은 가요성 제1 힘 분산장치 층에 의해 흡수된다. 강성인 제2 힘 분산장치 층은 전지 스택과 면한다. 도 1에 도시된 구체예에서, 제2 힘 분산장치 층은 전지 스택과 면하는 돌출한 영역들을 가지며, 이것은 전지 스택의 실링 표면(도시되지 않음) 및 인터커넥트의 접촉 지점(도시되지 않음)에 상응한다. 따라서, 힘 분산장치는 힘 제공장치의 힘 표면 압력에 있어서의 어떤 불규칙성을 안정화할 수 있을 뿐 아니라, 전지 스택의 요건에 따라서 힘 분산을 재단할 수 있는데, 이 요건은 특히 실링 표면과 접촉 지점에는 비교적 높은 압력이 필요하고, 기체 분포 채널 위의 영역에는 비교적 낮은 압력이 필요하거나 전혀 필요하지 않다는 것이다.

도 2에서, 제1 힘 분산장치 층(202)과 제2 힘 분산장치 층(203)이 하나의 일체형 유닛인 본 발명의 구체예가 도시된다. 따라서, 다른 구체예(도시되지 않음)는 제1 힘 분산장치 층과 힘 제공장치(201)가 하나의 일체형 유닛인 경우이다. 설명을 돕고 단순화하기 위해서, 도 2는 특히 힘 분산장치가 힘 제공장치의 거칠음을 보상하는 방식을 도시한다. 관련된 구체예가 도 7에 도시되는데, 이것도 역시 제2 힘 분산장치 층(702)과 제2 힘 분산장치 층(703)이 하나의 일체형 유닛이다. 도 7의 구체예는 특히 힘 분산장치가 힘 제공장치의 단부 표면에서 평면인 표면으로부터의 편차를 보상하는 방식을 도시하며, 이 도면에서 볼 수 있는 대로 힘 제공장치의 단부 표면은 약간 곡선화된다. 많은 경우 힘 분산장치가 힘 제공장치의 거칠음과 불균일성을 양쪽 다 보상한다는 것, 즉 도 2와 7의 구체예들이 조합된다는 것이 이해되어야 한다.

추가의 구체예가 도 3에 도시된다. 여기서 제2 힘 분산장치 층(303)은 전지 스택을 향한 면뿐 아니라 제1 힘 분산장치 층(302)을 향한 면에도 돌출한 영역들을 가진다. 도 1에 도시된 구체예와 관련하여, 이 구체예는 제1 힘 분산장치 층의 동일한 가요성 하에 기체 흐름 채널에 제공된 힘에 반하여 실링 영역과 접촉 지점에 제공된 힘 사이에 심지어 더 큰 차이를 제공한다. 또한, 도 3에 도시된 구체예는 힘 분산이 하부의 전지 스택의 요건에 맞춰 더욱더 명확히 재단될 수 있도록 하는데, 이 요건은 제1 힘 분산장치 층을 향한 제2 힘 분산장치 층의 면에 있는 돌출 영역의 높이가 서로 독립적으로 변경될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 실링 영역 위의 돌출 영역은 접촉 지점 위의 돌출 영역의 높이보다 더 높은 높이를 가질 수 있으며, 이로써 전지의 활성 영역의 압축력보다 상대적으로 큰 실링 영역 압축력이 제공된다. 이것은 전지 스택을 향한 접촉 영역을 형성하는 전지 스택을 향한 제2 힘 분산장치 층 면의 돌출 영역들이 전지 스택 구성요소의 손상을 피하기 위해서 평면 표면을 형성해야 하는 경우, 제1 힘 분산장치 층을 향한 제2 힘 분산장치 층의 돌출 영역이 불균등한 높이를 가질 수 있고, 이러한 불균등한 높이들은 필수적으로 가요성 층에 의해 흡수되어 이들 영역에서 더 높은 국소 압축력을 생성하기 때문에 가능하다. 이와 관련하여, 제1 및 제2 힘 분산장치 층에 관한 용어 "가요성"과 "강성"이 상대적인 용어임을 기억하는 것이 중요하다. 강성 층은 가요성 층에 비해 강성이지만 절대적으로 강성은 아니다. 강성 층은 약간 구부러져서 가요성 층으로부터의 상이한 국소 압축력을 전지 스택 단부 표면의 상이한 국소 압축력으로 전달할 수 있지만, 전지 스택을 향한 본질적으로 평면인 표면을 유지할 수 없을 정도로는 충분히 강성이며, 이로써 전지 스택 구성요소의 손상 및 균열을 피할 수 있다.

다른 구체예(도시되지 않음)에서, 전지 스택을 향한 제2 힘 분산장치 층의 면은 평면일 수 있으며, 즉 돌출한 영역이 없고, 제1 힘 분산장치 층을 향한 면은 도 3에 도시된 구체예와 유사한 돌출한 영역을 가질 수 있다. 이것은 도 1에 도시된 구체예와 반대의 상황이다. 이것은 전지 스택에 상이한 국소 압축력을 가능하게 하며 취약한 평면 전지 스택 구성요소를 향한 평면 표면을 유지한다는 이점을 가지며, 이로써 전지 스택 구성요소의 손상 위험이 더 최소화된다.

도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 구체예에 따른 제2 힘 분산장치 층(403)을 더 상세히 도시한다. 제2 힘 분산장치 층의 양쪽 면이 모두 돌출한 영역을 가지며, 더 큰 연속 돌출 영역은 전지 스택의 실링 영역에 상응하고, 다수의 분리된 돌출 영역들은 전지 스택의 인터커넥트의 접촉 지점에 상응한다.

힘 제공장치(501)의 조립체를 더 상세히 나타낸 도 5에는 도 3에 도시된 본 발명의 구체예에 상응하는 제1 힘 분산장치 층(502)과 제2 힘 분산장치 층(503)이 도시된다. 제1 힘 분산장치 층은 한 면에서는 힘 제공장치의 표면을 개조하고, 다른 면에서는 제2 힘 분산장치 층의 돌출한 영역들의 충돌에 대해 구부러지며, 이것은 돌출한 영역이 없는 곳에서보다 돌출한 영역에서 더 큰 국소 압축력을 유도한다.

도 6에는 전지(606), 인터커넥트(607), 집전판(605), 제1 및 제2 층(602, 603)을 지닌 힘 분산장치 및 힘 제공장치(601)를 포함하는 전지 스택의 상부 부분이 도시된다. 단순화를 위해서 가요성 제1 힘 분산장치 층은 스택에 힘이 적용되지 않은 상황에 상응하여 변형 없이 도시된다. 그러나 이 도면에서는 제2 힘 분산장치 층의 양쪽 면의 돌출한 영역들이 집전판과 인터커텍트의 돌출한 영역들과 정확히 상응하는 방식이 분명히 나타난다. 단순화를 위해서 참고로 도 6은 전지 스택의 상부 부분만을 도시하며, 추가의 전지 및 인터커넥트가 전지 스택에 제공될 수 있을 뿐 아니라, 전지 스택의 다른 쪽 단부에는 집전판, 힘 분산장치 및 힘 제공장치가 제공될 수 있음이 이해된다.

도 8에는 힘 분산장치(802, 803)의 돌출한 영역이 돌출한 영역들 사이의 영역을 제거함으로써 형성된 구체예가 도시된다. 힘 분산장치가 돌출부가 없는 영역에서 천공(808)되는 방식이 도시된다. 도 8에서 볼 수 있는 대로, 이 구체예는 힘 분산장치의 가요성 층(802)과 강성 층(803)을 일체화한다.

도 9와 도 10은 모두 선행 기술을 도시한다. 힘 제공장치(901)의 거칠음과 힘 제공장치(1001)의 불균일성이 전지 스택(904, 1004)의 요소들로 전달된다. 선행 기술로부터 이 방식의 전지 스택은 이미 논의된 대로 손상, 폐색 및 다른 문제를 가져올 수 있다는 것이 알려져 있다.

실시예

힘 분산장치의 제1 (가요성) 층의 경우:

실시예 1:

"촉매적 전환장치 매트"라고 알려진 섬유 매트. 예를 들어 내화 세라믹 섬유 또는 유리섬유, 바람직하게는 마그네시아 실리카 섬유, 일정량의 실리카를 함유하는 알루미나 섬유, 산화물 지르코니아, 크로미아 또는 티타니아 중 하나 이상을 함유하는 저 알칼리 알루미노실리케이트 조성물 또는 버미큘라이트.

"Unifrax의 CC-Max® 4 HP 기판 지지 매트"가 적합한 상업용 매트의 일례이다. 이 매트의 탄성은 도 1a에 설명된다.

실시예 2:

대략 10GPa의 E-모듈을 가진 규산칼슘으로 이루어진 다공질 재료 또는 박리된 버미큘라이트로 이루어진 다공질 재료.

실시예 3:

고온 개스켓 재료. 개스켓 재료는 버미큘라이트, 운모, 미네랄 울, 울라스토나이트, 규산칼슘, 또는 기타 또는 언급된 몇 가지의 혼합물.

힘 분산장치의 제2 (강성) 층의 경우:

실시예 4:

강성 부분의 예는 약 140GPa의 E-모듈과 스택의 열 팽창 계수와 일치하는 열 팽창 계수를 갖는 페라이트계 스틸이다.

Claims

적어도 하나의 전지 스택용 힘 분산장치로서, 상기 전지 스택은
- 복수의 연료 전지 또는 전해 전지,
- 돌출한 접촉 영역들을 포함하는 적어도 하나의 인터커넥트 플레이트,
- 전지 스택 상부면,
- 전지 스택 하부면,
- 적어도 하나의 전지 스택 측면,
- 적어도 하나의 힘 제공장치
를 포함하고, 상기 힘 분산장치는 적어도 하나의 힘 제공장치를 향해 가요성 부분이 배향된 적어도 부분적으로 가요성인 보디를 포함하는 힘 분산장치.
제 1 항에 있어서, 적어도 부분적으로 가요성인 보디는 적어도 전지 스택을 향해 배향된 플레이트의 면에 돌출한 접촉 영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 힘 분산장치는 힘 제공장치를 향해 배향된 볼록면을 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘 분산장치는 제1 및 제2 힘 분산장치 층을 포함하고, 각 층은 제1 및 제2 힘 분산장치 면을 가지며, 상기 제1 힘 분산장치 층은 가요성 층이고, 상기 제2 힘 분산장치 층은 강성 층인 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 힘 분산장치 층은 힘 제공장치의 E-모듈보다 높은 E-모듈을 갖는 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘 분산장치는 상기 전지 스택 상부면과 상기 적어도 하나의 힘 제공장치 사이의 위치 또는 상기 전지 스택 하부면과 상기 적어도 하나의 힘 제공장치 사이의 위치 중 적어도 하나에 위치되고, 상기 힘 분산장치는 제2 힘 분산장치 층이 전지 스택과 면한 상태로 위치된 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘 분산장치 중 적어도 하나는 상기 전지 스택 내부에 위치된 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 힘 제공장치는 제1 힘 분산장치 층과 일체화된 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 돌출한 접촉 영역이 전지 스택의 실링 영역 또는 인터커넥트 접촉 영역 중 적어도 하나에 상응하는 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌출한 접촉 영역들 사이에 형성된 공간 중 적어도 하나가 센서를 함유하도록 개조된 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌출한 접촉 영역들 사이에 형성된 공간 중 적어도 하나가 냉각 또는 가열 채널을 형성하도록 개조된 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 힘 분산장치 층은 전기 전도성인 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 힘 분산장치는 규산칼슘, 마이크로 포러스 절연체, 운모, 금속, 섬유 매트, 내화 세라믹 섬유 또는 유리섬유, 마그네시아-실리카 섬유, 일정량의 실리카를 함유하는 알루미나 섬유, 산화물 지르코니아, 크로미아 또는 티타니아 중 하나 이상을 함유하는 저 알칼리 알루미노실리케이트 조성물 또는 버미큘라이트 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 힘 분산장치는 금속 합금 또는 세라믹 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘 분산장치의 적어도 일부는 상기 전지 스택과 측면 입구 기체 매니폴드 또는 측면 출구 기체 매니폴드 중 적어도 하나 사이에 시일을 형성하는 것을 특징으로 하는 힘 분산장치.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 힘 분산장치를 포함하는 전지 스택으로서, 상기 전지 스택은 고체 산화물 연료 전지 스택 또는 고체 산화물 전해 전지 스택.