KR20140125362A - 전기 에너지 축전지용 스택 - Google Patents

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볼프강 드렌칸
호르스트 그라이너
요한 로트피셔
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 저장 셀(storage cell)(4)을 포함하는 전기 에너지 축전기용 스택과 관련되며, 상기 저장 셀은 급기 장치(28)에 접속된 공기 전극(34) 및 저장 전극(38)을 포함하고, 상기 급기 장치(28)는 공기 분배판(48)을 포함하며, 상기 스택(2)은 또한 상기 저장 전극(38)과 접촉하는 수증기 공급 장치(70)를 포함하고, 상기 공기 분배판(48)은 상기 수증기 공급 장치(70)의 적어도 하나의 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기 에너지 축전지용 스택{STACK FOR AN ELECTRICAL ENERGY ACCUMULATOR}
예를 들어, 재생 가능한 에너지원에 의해 또는 최적 수준의 효율성을 갖는 지역에서 동작하고 일시적으로 전력 공급 시스템의 요구 조건이 없는 발전소(power plant)에 의해 전류가 생성될 때 발생되는 과전류를 저장하기 위해 다양한 기술적 대안이 이용되고 있다. 상기 대안 중 하나는 재충전 가능한 산화물 배터리(ROB)이다. ROB는 일반적으로 600℃와 800℃ 사이의 온도에서 동작하고, 이 공정에서, 전기셀의 공기 전극(air electrode)에 공급되는 산소는 산소 이온으로 변환되고, 고체 전해질(electrolyte)에 의해 운반되어 대향 저장 전극(storage electrode)으로 이동된다. 거기에서는 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나며, 상기 산화 환원 반응은 충전 공정이 일어나고 있는지 방전 공정이 일어나고 있는지에 따라 전류를 수신하거나 발생한다. 이러한 공정에 고온이 필요함으로 인해, 사용되는 셀 재료용 소재 및 셀 컴포넌트의 구성 및 또한 저장 매체의 배열의 선택이 매우 복잡하다. 특히, 개개의 컴포넌트는 상기 동작 온도에서 실행되는 몇 번의 산화 환원 사이클 후에 악영향을 받는다.
그러므로, 본 발명의 목적은 종래 기술과 비교하여 전기 에너지 축전지가 조립 및 내온도성(temperature-resistant) 측면에서 비용 효과적이고 간단한 스택 또는 저장 셀의 설계를 보장하는 ROB에 기반한 전기 에너지 축전지를 제공하는데 있다.
상기 목적은 특허 청구항 1의 프리앰블에 청구한 바와 같은 전기 에너지 축전지로 달성된다.
특허 청구항 1에 따른 전기 에너지 축전지(accumulator)용 스택은 적어도 하나의 저장 셀(storage cell)을 갖고, 이 저장 셀은 저장 전극(음극) 및 공기 전극(양극)을 포함한다. 이 경우, 상기 공기 전극은 급기(air supply) 장치에 접속되고, 상기 급기 장치는 공기 분배판(air distribution plate)을 포함한다. 본 발명에 따른 상기 스택은 상기 스택이 상기 저장 전극과 접촉하는 수증기 공급 장치를 추가로 포함하고, 상기 공기 분배판은 상기 수증기 공급 장치의 적어도 하나의 소자를 추가로 포함한다는 점에서 구별된다.
본 발명의 이점은 공기 분배판이 동시에 수증기 공급 장치를 포함한다는 점이다. 즉, 공기 분배 시스템 및 수증기 분배 시스템은 결합되고 하나의 컴포넌트에 통합된다. 이러한 점은 상기 스택의 조립을 분명히 간략화한다. 결과적으로, 조립 비용이 상당히 감소될 수 있다. 또한, 필요한 설치 공간 역시 상당히 축소된다. 이러한 점은 요구되는 설치 공간의 단위 체적 당 더 많은 에너지를 저장할 수 있도록 한다. 따라서, 상기 전기 에너지 축전지는 비용면에서 더 효과적인 방식으로 제조될 수 있고 더 작은 공간을 필요로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 공기 분배판은 서로 분리되고 각각 작동 매체(working medium)를 공급하거나 작동 매체를 배출하는 홀(hole)이 제공된 적어도 두 개의 홈(recesses)을 갖는다. 상기 분리된 홈은 공기를 공급하거나 수증기를 공급하는 기능을 한다. 따라서, 상기 홈은 상기 급기 장치 또는 상기 수증기 공급 장치의 구성 부분이다. 이 경우, 작동 매체는 매우 일반적으로 필요한 공기 또는 필요한 수증기의 공급을 말하지만, 작동 매체는 질소 또는 질소/수증기 혼합물과 같은 플러싱(flushing) 가스 또한 포함할 수 있고; 공정 상태에 따라 다른 작동 매체가 상기 홀을 통해 상기 급기 장치 또는 상기 수증기 공급 장치로 인도된다. 이 경우, 상기 급기 장치 및 또한 상기 수증기 공급 장치 둘 다가 각각 상기 공기 분배판에 홀을 갖는 두 개의 홈을 갖는 것이 편리할 수 있고, 각 홈들 중 하나는 작동 매체를 공급하는 기능을 하고 다른 하나는 작동 매체를 배출하는 기능을 한다.
상기 스택의 다른 유리한 실시예에서, 상기 실시예는 바닥판 및 적어도 하나의 소위 상호접속기(interconnector) 판(통합 컴포넌트)을 추가로 갖는다. 이 경우, 상기 바닥판 및 또한 상기 상호접속기 판 또는 상기 통합 컴포넌트는 각각 상기 판들이 스택된 경우 조립된 스택 내에 각각 적어도 하나의 공기 채널 및 적어도 하나의 수증기 채널을 형성하는 적어도 두 개의 수직으로 연속적인 컷아웃(cutouts)을 갖는다.
이 경우, 각 경우에 상기 공기 분배판의 하나의 홈은 상기 공기 채널에 접속되고, 상기 공기 분배판의 제2 홈은 상기 수증기 채널에 접속된다.
원리적으로, 적어도 두 개의 수증기 채널이 제공된 경우 상기 수증기 채널은 각 경우에 상기 공기 분배판의 하나의 홈에 접속되는 것이 편리하다. 이 경우, 상기 수증기 채널들은 특히 수증기를 공급하는 수증기 채널, 및 수증기를 배출하는 수증기 채널이다.
바람직하게는, 상판(top plate)이 더 제공되며, 상기 상판은 공기 전극에 접속된다. 상기 상판은 상기 스택의 종단판(termination plate)이고, 이는 다시 상기 공기 채널에 접속된 홈들을 갖고 홈의 적어도 하나의 홀이 상기 공기 전극과 직접 접촉하는 채널로 이어지는 것이 바람직하다. 이러한 배열은 상기 상판, 즉 상기 스택의 종단판을 상기 공기 전극에 걸쳐 공기를 공급하는 상기 채널의 경로를 정하고 나아가 상기 채널의 경로를 변경하고 상기 채널을 추가 채널에서 다시 상기 공기 분배판으로 방향 전환하는 데 사용되도록 한다.
본 발명의 다른 실시예 및 다른 특징은 다음의 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 이 경우 여러 실시예에서 동일한 명칭을 갖는 특징부에는 동일한 참조 부호가 부여된다. 이러한 실시예는 보호 범위를 한정하지 않는 순전히 예시적인 실시예에 불과하다.
도 1은 ROB의 동작 방식의 개략적인 예시를 도시한다.
도 2는 ROB의 스택을 설계하는 분해 예시를 도시한다.
도 3은 대향 관측 방향에서의 도 2의 분해 예시를 도시한다.
도 4는 저장 셀(storage cell)의 상세 예시의 층 구조를 도시한다.
도 5는 급기(air supply)측을 본 통합 컴포넌트를 도시한다.
도 6은 저장(storage)측을 본 통합 컴포넌트를 도시한다.
도 7은 통합 컴포넌트의 단면 예시를 도시한다.
도 8은 급기 및 급수(water supply) 장치를 갖는 베이스판(base plate)의 평면도를 도시한다.
도 9는 도 8에 따른 베이스판의 대안 실시예를 도시한다.
도 10은 상판을 도시한다.
도 11 내지 도 16은 상이한 급기 흐름 방향을 도시한다.
후술하는 본 발명의 설명에 필요한 한 도 1을 참조하여 ROB의 동작 방식에 대해 개략적인 방식으로 설명될 것이다. 통상적인 ROB 설계는 공정 가스, 특히 양극(positive electrode)에 걸쳐 가스 공급(28)을 통해 들어오는 공기를 수반하며, 그 공기로부터 산소가 얻어진다. 이러한 이유로, 양극을 다음의 문맥에서는 공기 전극(air electrode)이라고 한다. 산소는 산소 이온(O2 -) 형태로 양극에 존재하는 고체 전해질(36)을 통해 음극(negative electrode)(38)으로 전달된다. 음극에는 동작 상태(충전/방전)에 따라 원소 형태 또는 산화물 형태로 존재하는 다공성(porous) 물질 형태의 저장 매체가 배열되며, 상기 다공성 물질은 기능적으로 활성인 산화성 물질, 특히 금속, 예를 들어, 철(iron)을 함유한다. 이러한 이유로, 음극을 저장 전극이라고도 하며, 이 용어는 다음의 문맥에서 사용된다.
고체 전해질을 통해 운반된 산소 이온은 저장 매체로 기능하는 다공체(porous body) 내의 기공 채널(pore channels)을 통해 배터리의 동작 상태에서 가스인 산화 환원 쌍, 예를 들어 H2/H20에 의해 산화성 물질, 즉 금속으로 운반되거나 유도된다. 충전 공정이 일어나고 있는지 방전 공정이 일어나고 있는지에 따라, 금속 또는 금속 산화물이 산화 또는 환원되고 이러한 목적에 필요한 산소는 가스 산화 환원 쌍 H2/H20에 의해 전달되거나 고체 전해질로 다시 운반된다(이러한 기구를 셔틀 기구라고 한다).
이제 이러한 목적을 위해 일반적으로 복수의 스택이 결합된 것으로, 다시 한번 그 전체가 전기 에너지 축전지의 구성 부분인 스택의 설계에 대해 도 2 및 도 3을 참조하여 설명될 것이다. 도 2에서 분해 예시는 도면이 각 저장 셀(4)의 급기(air supply)측(18)을 향하는 방식으로 구성되고, 여기서 저장측(20)은 각각 숨겨져 있다. 대조적으로, 도 3은 단지 180°회전한 도 2의 도면을 도시한다. 도 3은 아래에서 위로 본, 제조 관점에서 유리한 조립 순서를 보여준다. 이하 개개의 컴포넌트에 대해 도 2를 참조하여 아래에서 위로 설명될 것이다. 먼저 상판(42)이 제공되며, 상기 상판 위에는 급기용 채널(24)이 만들어져 있다. 베이스판(42)에 관하여 보이는 전기 저장 셀(4) 측을 급기측(18)이라고 한다. 베이스판(42)은 밀봉부(seal)(46)가 배치되는 평평한 면(50)을 갖는다. 밀봉부(46)는, 예를 들어, 600℃와 800℃ 사이의 대응 온도에서 필요한 밀봉 특성을 갖는 유리막을 포함한다. 밀봉부(46) 위에는 전극 구조체(22)가 배치되고, 이 경우 양극(34)은 아래로 채널(24)을 가리킨다. 전극 구조체의 동작 방식에 대해서는 나중에 도 4를 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.
전극 구조체(22) 위에는 통합 컴포넌트(16)(상호접속기 판(interconnector plate)이라고도 하며, 이 용어는 다음의 문맥에서 사용된다)가 장착되며, 홈(recesses)(13) 형태의 저장 매체(14)용 리셉터클(receptacles)(12)이 전극 구조체(22) 방향으로 만들어져 있다. 상기 방향은 도 3에 따른 역분해 예시에서 유사하게 볼 수 있는 상호접속기 판(16)의 저장측(20)이다.
상호접속기 판(16)은 다시 후면 상에 베이스판(42)의 급기측(18)과 유사하게 구성된 급기측(18)을 갖는다. 이와 같은 급기측(18)은 또한 다시 밀봉부(46)가 설치되는 평평한 면(50)을 갖고, 센서 유닛에 뒤이어 추가 전극 구조체(22) 및 그 다음 이 경우 다시 홈(13) 형태의 저장 매체(14)용 리셉터클(12)을 갖는 바닥판(44)이 온다. 공기 분배판(48)이 상기 바닥판(44)에 설치되고, 상기 공기 분배판은 공정 가스, 구체적으로 공기가 스택(2)에 들어가도록 하는 기능을 한다.
이 경우, 공기 분배판(48)은 홈(56, 56')을 갖고 있으며, 상기 홈은 공정 가스로 기능하는 공기가 들어가게 하거나(56) 나가게 하는(56') 기능을 한다. 또한, 공기 분배판(48)은 수증기를 스택(2)으로 보낼 수 있고 수증기를 스택 내에 분배하는 홈(58, 58')을 갖는다. 홈(56, 56') 및 홈(58, 58')은 모두 작동 매체(working medium)를 공급하는 기능을 하는 홀(60 및 62)을 갖는다. 공기 및 수증기 또는 플러싱(flushing) 가스는 특히 작동 매체로 기능한다. 도 3에 따르면, 공기 분배판(48)에 뒤이어 바닥판(44)이 오는데, 이는 접합 방법에 의해, 특히 핫 납땜(hot-soldering) 방법에 의해 상기 바닥판에 점착(cohesively) 접속되는 것이 바람직하다. 그러므로, 공기 분배판(48) 및 바닥판(44)은 조립된 스택(6) 내에 단일 접합 컴포넌트를 형성한다. 바닥판(44)은 도 3에 따른 분해 예시에서 볼 수 있는 바와 같이 급기용 각 홈(56) 및 급수용 홈(60, 60') 위에 배치된 컷아웃(cutouts)(64 및 65)을 갖는다.
따라서, 홈(56)에 의해 스택에 도입된 공기는 바닥판(44)의 가장자리 영역에서 컷아웃(64)을 통해 위로 흐른다. 상기 급기용 컷아웃(64)은 도 2에 따른 사시도에서, 더 구체적으로는 도 5 및 도 7에서 볼 수 있는 홀(26)을 갖는다. 상기 홀(26)은 공기를 공기 전극(34)에 접속된 채널(24)로 도입하는 기능을 한다. 따라서, 공기는 컷아웃(64)으로부터 홀(26)로 분기되고 그래서 해당 공기 전극(34)에 공급된다.
설명된 공기의 흐름 방향은 단지 일례에 불과하다. 원리적으로, 공기는 반대 방향으로도 보내질 수 있다. 또한, 열적(thermal) 이유로 필요하다면, 상당한 기술적 비용 없이 조립이 비교적 간단한 기본적인 유리한 스택 설계를 유지하면서 설명된 공기 분배판을 이용하여 다른 공기 분배 시스템을 생성하는 것이 가능하다.
셀에서 일어나는 화학 반응으로 인해, 공정 가스, 즉 공기는 또한 바람직하지 않은 경우에 흐름 프로파일(flow profile) 전체에 걸쳐 상당한 온도 기울기(gradient)를 갖는다. 이와 같은 온도 기울기는 다시 예를 들어 상호접속기 판(16)과 같은 개개의 컴포넌트에서 열 응력(thermal stresses)을 초래할 수 있다. 이러한 열 응력을 회피하거나 저감하기 위해, 공기의 흐름 프로파일은 그에 대응하여 조절된다. 열 관점에서 셀(4)의 개수 및 개개의 층 시퀀스(54, 54')에서의 상기 셀의 기하학적 배열에 따라 다양한 공기 흐름 경로가 편리할 수 있다. 설명된 예시적인 실시예는 기본적으로 공기 채널(24)의 방향 및 저장 매체(14)용 홈(13)의 방향(도 11 내지 도 16에서 점선 화살표)이 서로에 대해 90°각도로 진행하기 때문에 교차 흐름(cross-flow)을 수반한다. 이와 같은 교차 흐름은, 예를 들어, 도 11 내지 도 13에 표시된 바와 같이 진행할 수 있다. 이것과 상반된 것은 도 14에 도시된 바와 같이 홈(13) 및 채널(24)이 상호접속기 판(16) 상에서 병렬로 진행하도록 된 경우 병류(co-current flow)이다. 도 15 및 도 16은 병류 또는 역류(countercurrent flow)로 유도될 수 있는 공기 흐름의 곡류(meandering) 프로파일을 설명한다. 상이한 흐름 프로파일이 도 11 내지 도 16에서 명시적으로 예시되지 않은 수증기 공급 장치 및 급기 장치(28)의 컴포넌트의 대응하는 조절을 필요로 한다는 것은 물론이다.
상호접속기 판(16)(또는 통합 컴포넌트(16))은 바닥판(44) 위에 설치되고, 상기 상호접속기 판은 마찬가지로 베이스판(44)의 컷아웃(64)과 함께 공기 채널을 형성하는 컷아웃(64, 64')을 갖는다. 도 2 및 도 3에 따른 공기 채널은 컷아웃(64)을 스택함으로써 형성되고 전체적으로 볼 수 없기 때문에, 그 공기 채널에는 참조 부호가 역시 부여되지 않는다. 상기 공기 채널은 상호접속기 판을 통해 더 진행하고 바닥판(44) 및 상호접속기 판(16)처럼, 공기 또는 수증기가 흐를 수 있고 마찬가지로 부분적으로 공기 채널을 형성하는 상기 각 합동(congruent) 컷아웃(47)을 마찬가지로 갖는 밀봉부(46)를 통해 진행한다.
스택(2)의 구성에 따라, 이제 복수의 상호접속기 판(16)이 뒤이어 올 수 있고, 그 중 소위 상판(42)이 뒤이어 오는 하나의 상호접속기 판(16)만이 각 경우에 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 상판(42)은 다시 급기 장치용 홈(66)을 갖는다. 상판(42)의 홈(66)은 마찬가지로 다시 전기 에너지 저장 셀(4, 4')의 공기 전극(34)에 마찬가지로 접속된 채널(24)로 이어진 홀(26)을 갖는다. 따라서, 스택(2)의 공기 채널은 공기가 개개의 저장 셀(4)을 지나 흘러 홀(26)을 통해 개개의 셀(4)의 각 공기 전극(34)으로 분기되는 방식으로 구성된다. 상판(42)에서, 공기는 그에 대응하여 경로가 변경되고, 본 실시예에서 각 판, 즉 바닥판(44), 상판(42) 또는 상호접속기 판(16)의 중심에 배열되고, 다시 공기 채널을 형성하는 홈(64')을 통해 공기 분배기 판(48)으로 다시 보내진다. 상기 공기 분배기 판(48)에서, 상기 홈 및 상기 공기 채널은 공기 분배기 판의 홈(56')에 접속되고 공기는 홀(60')에 의해 다시 스택 외부로 보내진다.
홈(56)은 그에 따라 스택에 도입된 공기를 개개의 공기 채널로 그리고 각 스택 레벨에 대해 몇 개가 있을 수 있는 개개의 저장 셀(도 3 및 도 4의 예에 따라 레벨 당 네 개의 저장 셀이 존재)로 더 분배하는 기능을 한다. 홈(56')은 공기 채널로부터 되돌아온 공기를 수집하고 아마도 상기 공기를 스택 외부로 다시 보내도록 하는 기능을 한다. 원리적으로, 공기는 또한 홈(56')으로부터 적어도 부분적으로 해당 회로로 다시 한번 공급될 수 있다.
급기용 전체 시스템은 그에 따라 홀(60, 60'), 홈(56, 56'), 채널(24)에 대한 홀(26), 컷아웃(64, 64') 및 또한 홈(66, 66')을 포함하고, 이들은 함께 참조 부호가 부여되지 않는 공기 채널을 형성한다. 이와 같은 전체 시스템을 급기 장치(28)라고 한다. 또한, 용어 "매니폴드(manifold)"는 기술 용어에서 흔하다.
방금 설명한 급기 장치(28)와 유사하게, 이제 수증기 공급 장치(70)에 대해 더 설명될 것이다. 이와 관련하여, 특히 도 3을 주목해야 할 것이며, 이 도면에서 시작점은 다시 한번 마찬가지로 홈(60)을 갖는 공기 분배판(48)이고 이 홈에 의해 수증기 또는 플러싱 가스가 홀(62, 62')을 통해 스택에 도입될 수 있다. 상기 수증기는 홈(60)에 의해 바닥판(44) 또는 상호접속기 판(16)의 컷아웃(65)으로 보내진다. 상기 컷아웃(65)은 다시 참조 부호가 부여되지 않은 수증기 라인에 대한 채널인, 수증기 채널을 형성한다. 이 경우, 수증기는 공기처럼 공기 채널에서 흐르지 않고, 그보다 수증기는, 예를 들어, 주위 압력에 대해 20 mbar의 초과 압력에서 고정(stationary)되는 것이 바람직하다. 수증기 채널 또는 수증기 공급 장치(70) 전체의 역할은 특히 저장 매체(14)에 대한 수증기 압력을 가능한 일정하게 유지하는 것이다. 수증기 압력이 떨어진다면, 그것은 수증기 공급 장치에 의해 외부적으로 재조절될 수 있다. 수증기 채널은 특히 상호접속기 판(16)의 저장측(20) 상의 홈(13)에 그리고 저장 매체(14)에 직접 접속된다.
스택 내 수증기 대기를 고려하여, 공기 분배기 판(48)의 홈(58, 58')은 마찬가지로 수증기를 각 개별 저장 셀(4)에 공급하는 스택의 수증기 채널로 수증기를 분배하는 기능을 한다. 공기 분배기 판(48)의 특수 기능은, 공기 분배 시스템 이외에, 수증기 분배 시스템 역시 상기 공기 분배기 판에 통합되어, 스택의 전체 설계를 덜 복잡하게 하고 조립을 간략화하는 것이다.
원리적으로, 공기 분배기 판(48)은 급기 장치(28) 또는 수증기 공급 장치(70)용 두 개 또는 세 개의 홈을 반드시 포함하지 않아도 된다. 공기는 또한 공기 분배판(48)의 대향측 상의, 여기에 예시되지 않은 추가 판에 의해 스택(2)으로부터 배출될 수 있다. 그러나, 여기에 설명된 설계는 조립 측면에서 매우 편리하고, 공간 절약형 및 컴포넌트 절약형이고 매우 비용 효과적이다.
도 8 및 도 9는 공기 분배판(48)의 확대 예시를 다시 한번 상세히 도시하며, 상기 예시는 동일한 효과를 갖는 공기 분배판(48)의 두 개의 대안 실시예이다. 도 10은 상판(42)의 확대 예시를 도시한다.
이 경우, 수증기 공급 장치(70)는 특히 참조 부호가 부여되지 않은, 바닥판(44) 또는 상호접속기 판(16)의 컷아웃(65)으로 형성된 수증기 채널, 및 또한 공기 분배판(48)의 홈(58, 58') 및 공기 분배판(48)의 홀(62)을 포함한다.
이제 스택(2)의 조립에 대해 다음의 문맥에서 간략하게 설명될 것이다. 이미 언급한 바와 같이, 먼저 공기 분배판(48)이 바닥판(44)에 납땜된다. 이제 이들 두 개의 판은 단일 점착 접속된 컴포넌트를 형성한다. 평평한 면(50) 상에 있는 전극 구조체(22), 및 또한 밀봉부(46)는 이제 저장측(20)에 의해 위로 향하는 상기 컴포넌트 상에 장착된다. 이들 다음에는 상호접속기 판(16)이 오는데, 이 경우 공기측은 아래로 향하고 전극측은 위로 향한다. 상기 상호접속기 판 다음에는 다시 전극 구조체(22, 22') 및 또한 밀봉부(46)가 온다. 마지막으로, 아마도 추가 상호접속기 판(16), 전극 구조체(22) 및 밀봉부(46)의 추가 층 시퀀스(54) 다음에, 상판(42)이 배치된다. 이러한 방식으로 조립된 상기 스택(2)은 이제 특정 온도, 바람직하게는 800℃ 이상에서 열처리된다. 이 공정에서, 예를 들어 유리 프릿(frit)을 포함하는 밀봉부(46)는 적어도 부분적으로 용해되고 그래서 개개의 컴포넌트, 즉 상호접속기 판(16) 및 상판(42), 바닥판(44)을 서로 접착 결합하고 상기 컴포넌트들을 밀봉한다. 이 경우, 밀봉부(46)는 비결정질 및 결정질 컴포넌트를 동시에 형성하는 것이 바람직하며, 그런 이유로, 이 경우 소위 유리 세라믹에 대해 말할 수 있다. 이러한 조립 방법으로 인해, 일반적으로 스택의 스크류 접속은 생략될 수 있다.
따라서, 상호접속기 판(16)은 각 경우에 셀(4) 및 또한 제2 셀(4')의 하우징 판을 효율적으로 구성한다. 상기 상호접속기 판은 각 측 상에 평평한 면(50)을 가지며, 상기 평평한 면은 완전한 통합 컴포넌트, 또는 상기 통합 컴포넌트로 둘러싸인 셀(4)을 간단하면서 효율적인 방식으로 밀봉하는데 적합하다. 여기서, 스택(2)의 각 층은 복수의 셀(4)을 포함할 수 있다는 점을 알아야 한다. 본 예에서, 각 경우에 네 개의 저장 셀(4)에 대한 구조체가 바닥판(42) 또는 상호접속기 판(16) 및 상판(44) 상에 장착된다. 따라서, 바닥판(44), 밀봉부(46), 전극 구조체(22) 및 상호접속기 판(16)의 각 층 시퀀스(54)는 네 개의 개별 저장 셀(4, 4')을 제공한다.
도 2 및 도 3에 따른 예시에서, 각 경우에 명확성의 이유로 하나의 상호접속기 판(16)을 이용하는 단지 하나의 시퀀스만 예시되었다. 원리적으로, 스택(2)은 유리하게 더 많은 수의 상호접속기 판(16)을 이용하는 셀(4 및 4')로 이루어진 복수의 층 시퀀스(54, 54')를 포함할 수 있음은 물론이다. 이 경우 공기 분배 시스템의 공정 관련 복잡도를 고려하여 각 경우에 층 시퀀스(54) 당 두 개 내지 여덟 개의 셀(4)을 갖는 셀(4, 4')로 이루어진 많은 열 개의 층 시퀀스(54)가 편리할 수 있다.
도 4는 조립 상태에 있는 스택(2)의 상세한 단면 예시이며, 여기서는 전극 구조체(22)의 개개의 층이 더 상세히 예시된다. 그러나, 상기 예시는 어떤 식으로든 실제 축척대로 고려되지 않은 매우 개략적인 예시이다. 파선(52)은 도 4에 따른 층 구조를 통해 횡방향으로 도시되며, 상기 파선은 참조 부호(4 및 4')를 갖는 중괄호를 통해 외부에 제공되며, 상기 두 개의 파선(52, 52')은 셀(4) 또는 층 시퀀스(54)의 종단을 예시한다. 이 경우, 파선(52)은 설명된 바와 같이 각 경우에 두 개의 연속적인 셀(4, 4')의 구성 부분인 상호접속기 판(16)을 통해 횡방향으로 진행한다. 이제 본 설명은 파선(52)에서 시작하여 상호접속기 판(16)을 통해 평평한 면(50)에 평행하게 진행하는 레벨을 설명할 것이다. 채널(24)은 파선(52) 위로 진행하고, 상기 채널은 홀(26)에 의해 도 4에 예시되지 않은 급기 장치(28)에 접속된다. 채널(24)을 통해 흐르는 공기는 산소 원자가 이온화되어 산호 이온을 형성하는 공기 전극(34)과 직접 접촉하며, 상기 산소 이온 O2 -는 고체 전해질(36)을 통해 저장 전극(38)으로 이동한다. 예를 들어 이트륨 강화 산화 지르코늄(yttrium-reinforced zirconium oxide)과 혼합된 니켈(nickel)로 이루어진 저장 전극(38)은 저장 전극(38)과 실질적으로 동일한 화학 조성을 갖지만 그의 공극률(porosity) 및 그의 미세 구조 측면에서 상기 저장 전극과 다른 기판 구조체(40) 상에 장착된다. 기판 구조체(40)는 수 ㎛의 매우 얇은 범위를 갖는 전극(34, 38) 및 고체 전해질(36)을 운반하는 기능을 한다. 원리적으로, 기판 구조체(40)는 또한 공기 전극측 상에 설치될 수 있다.
따라서, 산소 이온은 다공성 음극(38)에서 분자 수소와 접촉되고, 산화되어 수분을 형성한다. 수분은 기판 구조체(40) 내의 공극(pores)을 통해 저장 매체(14)용 리셉터클(12)로 확산된다. 저장 매체(14)용 리셉터클(12)은 도 6에 더 상세히 예시된 바와 같이 채널형 홈(13) 형태로 구성된다. 상기 홈(13)은 특히 2 mm 이상, 바람직하게는 대략 6-10 mm의 깊이를 갖는다. 철 또는 산화철로 이루어진 압착핀이 상기 홈(13)에 삽입된다. 상기 철 또는 산화철(충전 또는 방전의 동작 상태에 따라 산화 또는 환원 상태가 존재한다)은 저장 매체(14)로 기능한다. 상기 압착핀은 다공성 구성을 가지므로, 수증기는 모든 공극에 들어갈 수 있고 그래서 저장 매체(14)의 모든 표면에 도달할 수 있다. 따라서, 수증기 대기가 홈(13)에 널리 퍼져 있다.
도 5 내지 도 7은 각각 상호접속기 판(16)의 상세한 예시를 도시한다. 이 경우, 도 5는 상호접속기 판(16)의 급기측(18) 도면을 도시하고, 각 경우에 네 개의 개별 저장 셀에 대한 급기 시스템은 본 실시예에서 상호접속기 판(16)의 판 상에 설치된다. 상호접속기 판(16)의 급기측(18)은 개개의 채널(24)을 갖고, 채널(24)은 홀(26)에 의해 스택(2)의 전체 급기 장치(28)에 접속됨을 알 수 있다. 본 실시예에서, 상기 채널은 각각 입구에 홀(26) 및, 또한 여기에 예시되지 않지만 일반적으로 나타낸 급기 장치(28) 내의 공기 출구용 추가 홀을 갖는 개별 직선 채널(24)이다.
도 6은 도 4에 따른 급기측(18)의 후면 상에 배열된 상호접속기 판(16)의 저장측(20)을 도시한다. 저장측은 마찬가지로 여기에 예시되지 않은 저장 매체(14)용 리셉터클(12)로 기능하는 채널형 홈(13)을 갖는다. 도 5 및 도 6은 모두 밀봉부(46)가 배치되고 그래서 각 측, 즉 급기측(18) 및 또한 저장측(20)을 주변 영역으로부터 밀봉하는 평평한 밀봉면(50)을 도시한다. 그러므로, 홈(13) 내에 고도의 밀봉을 달성하고, 따라서 저장 매체 내에 일정한 함량의 수증기를 보장할 수 있다.
도 7은 상호접속기 판을 통과하는 단면을 더 도시하고, 그 단면으로부터 도 4 및 도 5와 관련하여 설명된 본 예시의 특징이 이해될 수 있다.
통합 컴포넌트의 열 팽창 계수는 기판 구조체(40)의 팽창 계수 근처에 있는 것이 바람직하다. 팽창 계수는 12 x 10-6 K-1 - 14 x 10-6 K-1 사이, 특히 13 x 10-6 K-1이어야 한다. 그러므로, 통합 컴포넌트에 적합한 재료는 15 중량%와 30 중량% 사이의 크롬 함량을 갖는 페라이트계 강(ferritic steel)이다.

Claims (7)

  1. 적어도 하나의 저장 셀(storage cell)(4)을 갖는 전기 에너지 축전지(accumulator)용 스택 - 상기 저장 셀은 급기(air supply) 장치(28)에 접속된 공기 전극(34) 및 저장 전극(38)을 포함하고, 상기 급기 장치(28)는 공기 분배판(air distribution plate)(48)을 포함함 - 으로서,
    상기 스택(2)은 상기 저장 전극(38)과 접촉하는 수증기 공급 장치(70)를 추가로 포함하고, 상기 공기 분배판(48)은 상기 수증기 공급 장치(70)의 적어도 하나의 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 스택.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공기 분배판(48)은 서로 분리되고 각각 작동 매체(working medium)를 공급하거나 작동 매체를 배출하는 홀(hole)(60, 62)이 제공된 적어도 두 개의 홈(recesses)(56, 56', 58, 58')을 갖는 것을 특징으로 하는 스택.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 바닥판(44) 및 적어도 하나의 상호접속기 판(interconnector plate)(16)이 추가로 제공되고, 상기 판들은 각각 상기 판들이 스택된 경우 상기 스택(2) 내에 각각 적어도 하나의 공기 채널 및 적어도 하나의 수증기 채널을 형성하는 적어도 두 개의 수직으로 연속적인 컷아웃(cutouts)(64, 65)을 갖는 것을 특징으로 하는 스택.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 제1 홈(56, 56')은 상기 공기 채널에 접속되고, 제2 홈(58, 58')은 상기 수증기 채널에 접속되는 것을 특징으로 하는 스택.
  5. 제4항 또는 제5항에 있어서, 적어도 두 개의 수증기 채널이 제공되고, 상기 수증기 채널은 각 경우에 하나의 홈(58, 58')에 접속되는 것을 특징으로 하는 스택.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상판(42)이 제공되고, 상기 상판은 상기 공기 전극(34) 중 하나에 접속되는 것을 특징으로 하는 스택.
  7. 제7항에 있어서, 상기 상판(42)은 상기 공기 채널에 접속된 홈을 가지며, 그의 적어도 하나의 홀(26)은 상기 공기 전극(34)과 직접 접촉하는 채널(24)로 이어지는 것을 특징으로 하는 스택.
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