KR20160137573A - 연료 전지 스택 배열 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 개선된 연료 전지 스택 조립체 배열에 관련된다.
Description
본 발명은 개선된 연료 전지 스택 조립체 배열에 관한 것이다.
연료 전지, 연료 전지 스택, 연료 전지 스택 조립체 및 열교환기 시스템, 배열 및 방법들의 가르침은 당업자에게 잘 공지되어 있으며, 특히 WO02/35628, WO03/07582, WO2004/089848, WO2005/078843, WO2006/079800, WO2006/106334, WO2007/085863, WO2007/110587, WO2008/001119, WO2008/003976, WO2008/015461, WO2008/053213, WO2008/104760, WO2008/132493, WO2009/090419, WO2010/020797, WO2010/061190, 및 WO2015/004419를 포함한다. 상기 문서들 및 이들의 인용 내용들은 본원에 참고로 인용될 수 있다. 본원에서 사용되는 용어들의 정의는 상기 공보에서 필요한 대로 찾을 수 있다. 특히, 본 발명은 WO2007/085863 및 WO2008/104760호에 개시된 시스템 및 방법들을 개선하고자 한다.
연료 전지의 온도 변화, 작동 개시 및 중지
작동 개시, 다이내믹 작동 및 작동 중지에 부응하는 효과적인 방식으로 작동할 것이 요구되는 SOFC(고체 산화물 연료 전지) 스택(stack), 특히 IT-SOFC (중온(intermediate temperature) 고체 산화물 연료 전지) 스택을 디자인할 때, 기계적, 전기적 및 열적 설계에서 상당한 도전에 직면해 있다. 모든 SOFC 스택들의 특징 중 하나는 이들의 작동 성능이 작동하는 온도에 영향을 받는다는 것이며, 그리하여 이들이 작동하는 환경적인 온도에 크게 영향을 받을 수 있다는 것이다. 이는 주로 SOFC 전기화학적 반응이 일어나는 속도 및 이에 따른 출력 전압, 전류 및 효율을 결정하는 중요한 요인인 온도 때문이다.
평판형 SOFC 스택 배열에서, 전지 스택은 일반적으로 스택의 일 단부(예컨데, 베이스 플레이트 단부)로부터 반대쪽 일 단부(예컨데, 엔드 플레이트 단부)까지의 스택 방향으로 배치된다. 이러한 배열에서, 연료 전지들/어느 한 쪽 단부에 위치하는 연료 전지 스택 반복 층들의 작동 성능은 SOFC 스택의 단부들의 온도에 의해 영향을 받는다. 작동을 할 때, SOFC 스택은 주변의 온도와는 다른 온도를 갖는 것이 일반적이다. 연료 전지 스택에서 연료전지의 평판형(planar) 배열은 연료전지가 바로 인접한 층의 온도에 영향을 받는 작동 온도를 갖고 있음을 의미한다. 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트의 상대적으로 큰 열적 질량은 일반적인 작동 개시 동안에 열적 싱크로 작용하고 일반적인 작동 중지 동안에는 열적 소스로 작용하며, 작동하는 동안에는 연료전지들보다 열적으로 동적으로 더 느리다. 따라서, 인접하는 연료 전지들의 작동 온도가 감소 또는 증가된다.
작동 개시 후에 연료전지 스택 조립체를 작동할 때에는, 인접한 구성 요소들보다 더 높은 온도에서 작동하는 것이 일반적이며, 따라서 엔드 및 베이스 플레이트들은 연료전지 스택 단부 셀들의 작동 온도를 낮추면서 열 싱크로서 작용할 수 있다. 이것은 연료전지 스택의 단부에서 몇몇 연료전지 층들의 온도를 감소시킬 수있다.
따라서, 연료 전지 스택의 중심에 있는 연료전지들의 주변 작동 온도는 연료전지 스택의 단부에 있는 연료 전지들의 온도와 다를 수 있다.
이 "엔드 효과(end effect)"는 연료전지 스택의 단부에 있지 않는 부분들과 비교할 때, 연료전지 스택의 말단에 있는 연료전지들의 전기화학적 작동 성능 저하(특히, 전압 강하)를 초래할 수 있다. 그리하여, 이것은 연료전지 스택 전체의 효율을 감소시킨다.
연료전지 스택의 각각의 다른 부분(예컨데, (a) 상부와 하부에서, (b) 중간에서)에서의 연료전지들 사이의 온도 변화는 연료전지 스택 내의 각각의 연료전지들의 다양한 온도 때문에 스택의 온도를 제어하는 것을 어렵게 할 수 있다. 따라서, 최적의 전체 효율을 달성하기 위한 온도를 최적화하는 것은 어려울 수 있다.
금속층이 전류 및 열적 에너지의 효과적인 전도체 역할을 하게 되는 금속 기반 SOFC 설계에서, 이러한 엔드 효과는 상당할 수 있다. 따라서, 예를 들어, IT-SOFC의 경우에, 중심 셀들 및 단부 셀들 사이의 작동 온도는 80DegC까지 변화폭이 있을 수 있다. 예를 들어, 100개의 층으로 된 금속 기반 IT-SOFC 스택과 정상 상태 작동점에 있는 중심 셀들과 함께, 중앙에 있는 셀들과 단부에 있는 셀들 사이에 온도 차이는 중앙 셀들과 단부 셀들 사이의 작동 전압 차인 ~150mV (이하 실험에서 최대 345mV까지)보다 더 커질 수 있다.
연료전지 스택 전압과 전력 출력의 문제를 야기하는 연료전지 스택의 개별적인 연료전지 셀들 사이의 온도 차이의 문제뿐만 아니라, 문제점들이 "열적 지연(thermal lag)"의 형태로 발생하는데, 여기서 연료전지 스택 구성요소들(예를 들어, 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트)의 열 질량(thermal mass)(즉, 열용량)은 연료전지 구성요소들에 인접한 연료전지 셀들과 연료전지 스택 내부(예: 중간)의 연료전지 셀들 사이의 열적 지연 및 그에 따른 성능 지연을 초래한다. 이러한 열적 지연은 빠른 작동개시를 억제(작동 중지와 다이내믹한 작동 변화도 마찬가지)하고, 따라서 특히, 예를 들어 잦은 전력 사이클링을 필요로 하는 국내 중앙 난방/CHP 시스템에서는 바람직하지 않다. 신속한 작동 시동은 대체 전력 공급기(예컨대, 배터리)에 대한 자격요건을 감소시키고 따라서 관련된 시스템 비용을 감소시키므로 유사한 문제들이 신속한 작동 시동이 매우 바람직한 보조 전원 장치들 및 긴급 백업 발전기들 등에 맞닥뜨려진다.
열적 지연은 연료전지 스택에서 인식된 문제이며, 광 연료전지 스택 압력 플레이트, 집전기 플레이트를 제공하는 것과, 또한 상기 집전기 및 압력 플레이트들 사이에 고정된 열 절연기를 제시한 US2003/0211379에 의해 논의된다. WO2013/ 164573는 또한 연료전지 셀들에 존재하는 열적 지연 문제를 지적하고, 스택의 초기 및 최종 연료전지 셀들이 과도한 열적 지연없이 균일하게 동작할 수 있도록 고성능 히터를 이용하는 것을 제시하고 있다. 히터를 추가하는 것은 추가적인 구성품들, 추가적인 측정 및 제어, 증가하는 비용 및 추가적인 히터 전력 소비로 인한 시스템 효율의 감소를 요구한다.
따라서, 셀의 위치(예를 들어, 스택의 한 단부에서 다른 단부로, 예를 들어 스택의 베이스 플레이트 단부에서 엔드 플레이트 단부로)에 관계없이 전체 스택에 걸쳐 더 균일한 전지 작동 성능을 가능하게 하는, 전체 스택에 걸쳐 더 균일한 전지 작동 온도를 가능케 하는 스택 디자인을 갖는 것이 매우 바람직하며, 그리하여 특히 스택 작동 개시 및 작동 중지시의 셀 위치 대 셀 성능의 상관 관계(즉, 이들 사이의 관계)를 감소시킨다.
스택 내의 개별적인 연료전지 셀들 사이의 온도 차이를 감소시키고 그리하여 출력 전기 전압 및/또는 전력 레벨의 변동을 저감시킴으로써, 스택의 온도상승시, 동적 작동시 및 냉각 시에, 작동성능(특히 정상 상태 작동성능) 또는 비용에 대한 심각한 영향을 주지 않고서 스택에 걸쳐 더 빠른 열적 밸런스가 얻어지게 함으로써 연료 전지 스택의 더 빠른 작동 개시 및 중지를 가능하게 한다.
다른 공개 공보들은 JPS62241267, JPH0722049, CA2428959, US2004265667, US2009148746, US2006110649, US2010233564, US2009004532, JP2007213882, JP2007250338, JP2008130350, JP2008226713, EP2426772, DE102007061061, JP2010073448, CN102468512, KR20130075992, EP2775557, JPH10228918 및 US2003 /215693을 포함한다.
EP2426772는 스택의 한 단부에 하나의 더미 층(dummy layer)(86)을 갖는 연료전지 스택 장치를 개시하고 있다. 이 더미 층은 로드를 흡수하고 다른 연료전지 스택 층들의 전해질 전극 조합체에 손상을 줄이며, 인접한 리포머(adjacent reformer)(16)로부터 스택의 활성층의 열적 절연을 개선시키기 위하여 추가된 것이다(단락[0012]). 더미 층에 걸쳐서 연료 흐름이 단절되고 전력 테이크 오프(도 8)는 엔드 플레이트(88a, 88b)로부터이다. 더미 층이 더미 전해질 전극 조립체를 포함하는 것은 뚜렷하다. 더미 전해질 전극 조립체로 및 더미 전해질 전극 조립체로부터의 전기 흐름은 표면 대 표면 금속 연결에 의한다. 관련 금속 표면들은 상품의 수명 동안에 주요한 산화 및/또는 부식의 대상이며, 그리하여 이들 사이에 전기적 저항이 상당하거나 또는 실질적으로 증가하는 문제로 이어지고 있다. 따라서, 더미 층의 전체에 걸쳐 있는 전기적 저항의 상당한 증가는 상품의 전 수명에 걸쳐 나타나며, 효율 및 전력 출력의 감소를 초래한다.
본 발명은 종래 기술을 개선 및/또는 종래 기술의 단점들 중 적어도 하나를 해결 또는 극복하거나 완화시키기 위한 것이다.
본 발명은 종래 기술의 문제점들 중 적어도 하나를 해결, 극복 또는 완화하기 위함이다.
본 발명에 따르면, 중온 고체 산화물 연료 전지(IT-SOFC) 스택 조립체는,
(i) 베이스 플레이트;
(ⅱ) 상기 베이스 플레이트 상에 장착된 적어도 하나의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택;
(ⅲ) 엔드 플레이트; 및
(ⅳ) 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이의 적어도 하나의 연료 전지 스택에 압축력을 발휘하도록 하는 클램핑 수단을 포함하며,
각각의 연료전지 스택은, 제1 및 제2 엔드를 가지며, 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 장착되도록 배열되며, 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 및 아래 (a)와 (b) 중 적어도 하나를 포함하며,
(a) 상기 베이스 플레이트와 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 위치한 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층; 및
(b) 상기 엔드 플레이트와 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 위치한 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층;
각각의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층은, 금속 기판과, 상기 금속 기판에 장착된 애노드, 전해질, 캐소드 층들과, 금속 상호연결 플레이트를 포함하고, 산화제 입구로부터 배출 산화제 출구까지의 산화제 유동 경로와 연료 입구로부터 배출 연료 출구까지의 연료 유동 경로를 한정하고,
각각의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은, 전기화학적 기능을 수행할 수 없도록 형성되고, 금속 기판과, 금속 상호연결 플레이트를 포함하고, 산화제 입구로부터 배출 산화제 출구까지의 산화제 유동 경로와 연료 입구로부터 배출 연료 출구까지의 연료 유동 경로 중 적어도 하나를 한정한다.
이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 각각의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층은 상기 금속 기판과 상기 금속 상호연결 플레이트 사이에 위치하는 금속 스페이서를 더 포함하고, 각각의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은, (a) 상기 금속 기판과 상기 금속 상호연결 플레이트 사이에 위치하는 금속 스페이서를 더 포함하고, (b) 산화제 입구로부터 배출 산화제 출구까지의 산화제 유동 경로를 한정한다. 더욱 바람직하게는, 각각의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 연료 입구로부터 배출 연료 출구까지의 연료 유동 경로를 한정하지 않는다.
전형적으로, 각각의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층에서의 연료 유동 경로는, 금속 기판, 금속 상호연결 플레이트 및 어떤 금속 스페이서 플레이트 사이에 한정된 용적을 통하여 연료 출구로부터 배출 연료 출구까지이다. 전형적으로, 각각의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층의 산화제 유동 경로는, 금속 기판과 인접한 플레이트, 즉 인접한 금속 상호연결 플레이트, 예를 들어, 인접한 연료 전지 스택 반복 층 또는 전원 테이크오프 플레이트/엔드폴 사이에 한정된 용적을 통하여 산화제 입구로부터 산화제 출구까지이다.
전형적으로, 각각의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층에서의 산화제 유동 경로는, 금속 기판 및 인접한 플레이트, 즉, 인접한 금속 상호연결 플레이트, 예를 들어 인접한 연료 전지 스택 반복 층 또는 전원 테이크오프 플레이트/엔드폴 사이에 한정된 용적을 통하여 산화제 입구로부터 배출 산화제 출구까지이다.
중온 고체 산화물 연료 전지(IT-SOFC) 스택 조립체(intermediate-temperature solid oxide fuel cell stack assembly)는 또한 중온 고체 산화물 연료 전지(IT-SOFC) 스택 배열(intermediate-temperature solid oxide fuel cell stack arrangement)로도 불려질 수 있다.
이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명은 작동 성능에서 매우 상당한 발전을 달성했으며, 실험에서는 시스템 수준에서 연료의 소비없이 전체 전력 출력에서 약 6%의 증가를 보여왔고, 개별적인 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층의 작동 전압에서 차이점들이 크게 감소되었다. 작동 전압에서의 이 감소된 범위는 스택 전압에 대한 스택을 조절하는 것이 단순화되었음을 의미한다. 전지 셀의 손상을 막기 위하여, 고체 산화물 연료 전지들은 임의의 (안전한) 셀 작동 전압 이하로 작동하지 않는 것이 바람직하다. 각각의 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 최저 작동 스택 전압을 650~750mV 사이로 세팅하는 것은 흔하게 이루어지고 있다. 시스템 효율을 증가시키기 위하여, 더 높은 전지 셀 전압에서 작동시키는 것이 바람직하다. 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들을 포함하는 연료 전지 스택의 경우에, 각각의 반복 층의 작동 전압은 상대적으로 유사하여서 결과적으로는 스택 전압을 작동시키는 것이 더 단순화되어지고, 모든 전지 셀들은 최저 전지 셀 전압 이상에서 작동된다. 주어진 스택 작동점에서의 전지 셀 작동 전압에서 더 큰 차이값들이 생기는 대조적인 상황에서, 연료 전지 스택, 최소 전압, 그리고 스택으로부터 이끌어낼 수 있는 전력량에 손상을 방지하는 것은 최소 셀 작동 전압에 의해 제한된다. 아래에서 설명되는 예에서, 전지 셀 전압값들의 편차의 감소와 평균 셀 전압의 결과적 증가는 6%의 더 많은 전력이 동일한 작동점을 위한 스택으로부터 이끌어질 수 있음을 의미한다. 이것이 같은 규격의 스택으로부터 전력면에서의 상당한 이점을 주는 동안, 동일한 스택 전력 정격을 위한 스택에 사용되는 전기화학적 활성 연료 전지 셀들(즉, 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복층들)의 개수를 줄이기 위해, 따라서 스택 비용을 줄이면서, 전력 포텐셜에서의 이 증가를 이용하는 것이 또한 가능하다.
(전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(들)의 사정에서) "전기화학적 기능을 수행할 수 없음"은 연료 전지 스택 조립체의 작동 동안에 각각의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층이 설계된 SOFC 전기화학적 반응을 수행할 수 없음을 의미한다. 바람직하게는, 전기화학적 변환에 의해 연료를 산화시키는 것으로부터 직접 전기를 생산하는 것은 불가능하다. 그리하여, 층들은 전기화학적으로 비활성이 되도록 만들어지거나 또는 적용되는 것으로, 즉 전기화학적 기능을 수행할 수 없도록 적용되거나 또는 구성된다고 할 수 있다.
특정의 또는 각각의 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 "더미" 또는 "버퍼" 층으로 또한 지칭될 수 있다.
연료 전지 베이스 플레이트들 및 엔드 플레이트들은 본 기술 분야에서 잘 알려진 바이다. 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트를 위한 적절한 물질로는 연료 전지 스택 조립체 작동 온도를 넘어서는 범위에서도 그 단단한 성질을 유지할 수 있는 것들을 포함하도록 한다. IT-SOFC 스택에서, 스택 작동 온도는 전형적으로 450~650DegC 이다. 물질로는 스테인레스 스틸 3CR12가 가능하며 그러나 이에 국한되지는 않는다.
바람직하게, 금속 기판 및/또는 전원 테이크오프 플레이트는 스테인레스 스틸로 만들며, 더욱 바람직하게는 페라이트계(ferritic) 스테인레스 스틸로 만든다.
클램핑 수단은 베이스 플레이트, 엔드 플레이트 및 적어도 하나의 연료 전지 스택에 힘을 발휘하도록 한다. 적절한 클램핑 수단으로는, 예를 들어 타이 볼트/타이바(tiebars)/텐션 로드(tension rods)가 있으며, 이들은 베이스 플레이트와 엔드 플레이트를 함께 당기도록 작용하여 이들 구성요소들, 즉 적어도 하나의 연료 전지 스택 간에 압축력를 발휘하도록 한다. 그리하여, 이 압축력은 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트 사이의 구성요소들, 즉 적어도 하나의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택에 작용된다고 또한 말할 수 있다. 클램핑 수단에 대해서는 당업계에서 잘 알려져 있고, 예를 들어, WO 2007/085863에서 지시하는 것들을 포함할 수 있다. 다른 클램핑 수단은 본 기술의 당업자들에게 잘 알려져 있을 것이다.
타이바(tiebar)는 특정한 작동 범위 및 환경에 걸쳐서 화학적, 기계적 및 열적으로 안정한 물질로 만들 수 있다. 어떤 경우에 있어서는, 주변의 활성 및 비활성 연료 전지 스택 반복 층 금속 부분에 산화물 성장(oxide growth) 및 회로 단락(short circuiting)을 방지하기 위하여, 표면에 전기적으로 절연 코팅을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
각각의 연료 전지 스택은 제1 및 제2 엔드들, 즉 연료 전지 스택에서의 마주하는 양 단부들을 규정한다. 그리하여, 연료 전지 스택의 제1 엔드는 베이스 플레이트의 주변 또는 중심에 가까운 단부를 말할 수 있고, 제2 엔드는 엔드 플레이트의 주변 또는 중심에 가까운 단부를 말할 수 있다.
각각의 연료 전지 스택은 베이스 플레이트와 엔드 플레이트 사이에 배열 장착된다. 아래에 기술되는 바와 같이, 부가적인 구성요소들이 베이스 플레이트와 연료 전지 스택 사이에 위치될 수 있고, 엔드 플레이트와 연료 전지 스택 사이에 배치될 수 있다. 이러한 구성요소들은 전기적 절연 가스켓, 열적 절연 가스켓, 상호연결 플레이트, 엔드폴, 모노폴 및 전원 테이크오프 플레이트가 있을 수 있으며, 이에 국한되지는 않는다. 그리고, 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트는 적어도 하나의 연료 전지 스택에 의해 직접 접촉되어 있을 필요는 없다. 베이스 플레이트 및 적어도 하나의 연료 전지 스택 사이와, 엔드 플레이트 및 적어도 하나의 연료 전지 스택 사이에서의 부가적인 구성요소들의 존재와 함께, 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트는 적어도 하나의 연료 전지 스택에 중심근접(proximal), 순서근접(proximate) 또는 가까운(adjacent) 위치에 있는 것으로 이해할 수 있다. 그러므로, 바람직하게, 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체는 베이스 플레이트와 적어도 하나의 연료 전지 스택 사이, 및 엔드 플레이트와 적어도 하나의 연료 전지 스택의 사이 중 적어도 하나에 장착되는 열적 전기적 절연 가스켓을 포함한다.
그리고, 바람직하게, 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트는 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층으로부터 전기적으로 단절(isolated)된다. 바람직하게, 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트는 적어도 하나의 중온 고체 화합물 연료 전지 스택으로부터 전기적으로 단절된다. 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층으로부터의 베이스 플레이트와 엔드 플레이트의 전기적인 단절은, 보수관리 또는 테스팅 중에 사람들에 의해 접촉되기 쉬운 연료 전지 스택 조립체들의 구성 요소들이 연료 전지 스택으로부터 전기적으로 단절된다는 점에서 중요한 안정감의 장점을 제공하고, 베이스 플레이트 또는 엔드 플레이트에 접촉하는 다른 전기적 도체 구성요소들이 전기적으로 살아나는 것을 방지하는 간단한 방법이고, 제품 내의 그런 구성 요소들의 효율적인 안정적인 접지를 허용한다.
전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 및 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들의 배열은 3가지의 가능성을 가져온다.
1. 베이스 플레이트
적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층
적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층
적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층
엔드 플레이트
2. 베이스 플레이트
적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층
적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층
엔드 플레이트
3. 베이스 플레이트
적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층
적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층
엔드 플레이트
1번의 선택이 가장 바람직하다.
그러므로, 바람직하게 각각의 연료 전지 스택은, 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층과,
(a) 상기 베이스 플레이트와 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 위치한 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층; 및
(b) 상기 엔드 플레이트와 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 위치한 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층을 모두 포함하는 것이 바람직하며,
더욱 바람직하게는, 각각의 연료 전지 스택은, 상기 베이스 플레이트로부터 상기 엔드 플레이트로의 방향으로 배열되는,
(A) 제1의 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층;
(B) 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층; 및
(C) 제2의 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층을 포함한다.
바람직하게, 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 연료 전지 셀의 애노드 측을 가로지르는 연료 유동을 막도록 적용된다. 아래 특정한 실시예에서 보이는 바와 같이, 임의의 실시예들에서, 이것은 연료 입구로부터 배출 연료 출구까지의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층에 걸쳐 연료 유동을 막는 차단물에 의할 수(즉, 영향받을 수)도 있고, 즉, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 연료 입구 및/또는 배출 연료 출구를 포함할 수는 있지만, 전기화학적 비활성 연료 전지 반복 층의 애노드 측을 지나치는, 그 입구 및/또는 출구로부터의 유동은 차단된다. 예를 들어, 그러한 차단물은 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층에 또는 그 바로 근처에 존재할 수 있다. 그러므로, 그런 실시예에서, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층으로부터 근처의 연료 전지 스택 반복 층으로 매니폴딩(manifolding)을 통해 연료가 통과하는 것이 가능할 수도 있다. 그리하여, 연료는, 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층에 있는 매니폴딩을 통과하면서 스택의 바닥(bottom)에서 연료 전지 스택으로 들어갈 수 있고, 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층으로 통과할 수 있다. 유사하게, 이러한 차단물은 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 연료 출구에 또는 바로 근처에 존재할 수 있다.
바람직하게, 연료 전지 스택 반복 층의 연료 입구들은, 하나의 연료 전지 스택 연료 입구로부터 각각의 연료 전지 스택 반복 층 연료 입구들까지의 연료 유동 경로를 정의하는 연료 입구 매니폴드(manifold)의 일부이다. 바람직하게, 연료 전지 스택 반복 층의 배출 연료 출구들은, 각각의 연료 전지 스택 반복 층 배출 연료 출구로부터 하나의 연료 전지 스택 배출 연료 출구까지의 연료 유동 경로를 정의하는 배출 연료 출구 매니폴드의 일부이다. 그리하여, 유체 유동 경로는 하나의 연료 전지 스택 입구로부터 연료 입구 매니폴드를 통하여 연료 전지 스택 반복 층 연료 입구들까지, (연료 유동이 차단되지 않는) 연료 전지 스택 반복 층들의 애노드측을 거쳐 연료 전지 스택 반복 층 배출 연료 출구들까지, 배출 연료 출구 매니폴드를 거쳐 연료 전지 스택 배출 연료 출구까지 정의될 수 있다.
바람직하게, 연료 전지 스택 반복 층들의 산화제 입구들은 개방형으로 매니폴드화될(manifolded) 수 있다. 대안적으로는, 이들은 연료 전지 스택 산화제 입구로부터 각각의 연료 전지 스택 반복 층 산화제 입구들까지의 연료 유동 경로를 정의하는 산화제 입구 매니폴드의 일부가 될 수 있다. 바람직하게, 연료 전지 스택 반복 층들의 배출 산화제 출구들은 각각의 연료 전지 스택 반복 층 배출 산화제 출구로부터 연료 전지 스택 배출 산화제 출구까지의 유체 유동 경로를 정의하는 배출 산화제 출구 매니폴드의 일부가 될 수 있다. 그리하여, 개방형 매니폴드화된 산화제 입구를 갖는 시스템에서는 임의의 유체 유동 경로가 연료 전지 스택 반복 층 산화제 입구들(즉, 개방형 매니폴드화된 산화제 입구들)로부터 (그런 연료 유동이 차단되지 않는) 연료 전지 스택 반복 층들의 캐소드 측을 거쳐 연료 전지 스택 반복 층 배출 산화제 출구들까지, 배출 산화제 출구 매니폴드를 통해 연료 전지 스택 배출 산화제 출구까지 정의될 수 있다. 대안적으로, 내부로 매니폴드화된 산화제 입구를 갖는 시스템에서, 유체 유동 경로는 연료 전지 스택 산화제 입구로부터 산화제 입구 매니폴드를 거쳐 연료 전지 스택 반복 층 산화제 입구들까지, (그러한 유체 유동이 차단되지 않는) 연료 전지 스택 반복 층들의 캐소드 측을 거쳐, 연료 전지 스택 반복 층 배출 산화제 출구들까지, 배출 산화제 출구 매니폴드에 의해 연료 전지 스택 배출 산화제 출구까지 정의될 수 있다.
바람직하게, 연료 전지 스택 반복 층들은 연료 입구 매니폴드, 배출 연료 출구 매니폴드, (개방형 매니폴드화된 또는 내부로 매니폴드화된) 산화제 입구 매니폴드(들) 및 배출 산화제 출구 매니폴드를 한정한다.
그리고, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 애노드 측을 거쳐 유체 흐름이 차단되는 실시예에서, (a) 배출 연료 출구 또는 배출 연료 출구 매니폴드로부터 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 상호연결부와 금속 기판(및 임의의 금속 스페이서) 사이에 정의된 내부 용적/보이드(volume/void)까지, 또는 (b) 연료 입구 또는 연료 입구 매니폴드로부터 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 상호연결부와 금속 기판(및 임의의 금속 스페이서) 사이에 정의된 내부 용적/보이드까지의 유체 흐름은 가능하지 않을 수 있다.
대안적으로, 임의의 실시예에서는, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층이 연료 입구를 포함하지 않을 수 있다. 그러므로, 그러한 실시예에서는, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층을 통과하는 연료 유동이 가능하지 않을 수 있다. 그리고, 이러한 층은 스택으로의 연료 입구에 대한 스택의 반대쪽 단부에서 사용되는 것도 가능하다. 예를 들어, 스택의 상부에 있는 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 연료 입구를 포함하지 않을 수 있다. 그리하여, 그러한 층(또는 그것 아래에 위치하는 층들)으로의 연료 유동은 일어나지 않을 것이다. 이러한 층들은 또한 배출 연료 출구를 포함하지 않을 수 있어서, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들로의 배출 연료 흐름을 막을 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 전기화학적 비활성 더미 연료 전지 스택 층(적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층)은,
바람직하게, 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(예를 들어, 모든 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들)은 상기 금속 기판상에 장착되는, 안정적이며 전기화학적으로 전도성있는 층을 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 금속 기판 상에 직접적으로, 즉, 그 어떤 중간 개입 층들 또는 물질이 없이, 장착될 수 있다. 상기 "안정적"의 의미는 일반적인 작동 조건하에서 그것의 화학적 또는 물리적 특성들을 크게 변화시키지 않는다는 것을 말한다. 더욱 바람직하게는, 캐소드 층이 상기 금속 기판 상에, 더욱 바람직하게는 비다공성 금속 기판 상에 장착된다. 특히, 이것은, 캐소드 물질이 전기적으로 전도성(이들은 또한 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들 상에 사용됨)이고 제품의 수명주기에 걸쳐 전기적 저항의 중요하고도 실질적인 증가의 대상이 아님을 의미하는, 제품의 수명주기에 걸쳐 산화 상태의 중요하고도 실질적인 변화의 대상이 아니라는 장점이 있다. 대안으로는, 상기 금속 기판 상에 장착되는 안정적인 전기화학적 전도성 층이 애노드 층이 될 수 있다.
이상에서 기술한 바와 같이, 상기 캐소드 물질은 전기적으로 전도성이며, 이러한 전기적 전도성 층은 또한 열적으로 절연일 수 있고, 즉 열적 효과를 완충시킬 수 있다. 상기 캐소드를 위한 다른 물질들도 제공될 수 있다. 상기 다른 물질들은 전기적으로 전도성이며 낮은 열적 전도도를 보이는 물질이다.
전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들 사이의 접촉이 (이하에서 설명된) 전기적으로 전도성일 필요는 없는 경우에, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 상기 금속 기판 상에 장착된 전기적 절연 층을 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 전기적 절연 층은 상기 기판 상에 직접적으로, 즉 그 어떤 중간 개입 층들 또는 물질이 없이, 장착될 수 있다. 그리하여, 비활성 층들 사이의 전기적 전도성은 막아질 수 있고, 즉 비활성 층들 서로가 전기적으로 절연될 수 있다. 이러한 전기적 절연 층은 또한 열적으로 절연될 수 있다. 예를 들어, 전기적 절연 층은 전기적 절연되는 고온 가스켓 물질일 수 있다.
임의의 실시예에서, 제1 세트의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들(즉, 전형적으로 베이스 플레이트에 있는 연료 전지 스택 조립체로의 연료 입구와 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들 사이에 위치하는 제1의 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층)로의 연료 입구는 연료가 반복 층의 다른 편에서의 산화제의 흐름 방향에 반대로 흐르도록 배열된다. 이러한 제1 세트의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들은 비활성 연료 스택 반복 층으로부터의 배출 연료 출구를 통해 빠져나오는 연료가 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들 세트의 연료 입구로 공급되도록 매니폴드화될 수 있다. 그리하여, 이러한 제1 세트의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 기판은 연료 및 산화제 흐름 사이 간에 역전류 열교환기로서 작동될 수 있다. SOFC 스택에서 연료 가스 공급이 연료가 연료 전지 스택으로 들어가기 전에 예열되도록 하는 것은 흔하고, 이 방식으로 비활성 층을 통해 흐를 때에는, 연료 가스 공급은 나아가 베이스 플레이트와 엔드 플레이트의 열적 효과를 완충하면서 비활성 층들에 열을 공급할 수 있다.
베이스 플레이트와 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이의 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층의 제1 엔드(end)와 베이스 플레이트 사이에 위치하는 것으로 이해될 수 있다. 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층으로부터 멀리 떨어진 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 엔드(end)(즉, 베이스 플레이트의 중심부에 가까운)는 연료 전지 스택의 제1 엔드로 정의될 수 있다.
베이스 플레이트와 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층이 없는 경우에는, 베이스 플레이트의 중심부에 가까운 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층의 엔드가 연료 전지 스택의 제1 엔드로 정의될 수 있다.
엔드 플레이트와 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이의 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은, 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층의 제2 엔드와 엔드 플레이트 사이에 위치하는 것으로 이해될 수 있다. 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층으로부터 멀리 떨어진 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 엔드(즉, 엔드 플레이트의 중심부에 가까운)는 연료 전지 스택의 제2 엔드로 정의될 수 있다.
엔드 플레이트와 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층이 없는 경우에는, 엔드 플레이트의 중심부에 가까운 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층의 엔드가 연료 전지 스택의 제2 엔드로 정의될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 각각의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층은 금속 기판, 금속 기판 상에 장착되는 애노드, 전해질, 캐소드 층들, 및 금속 상호연결 플레이트를 포함하며, 산화제 입구, 배출 산화제 출구, 연료 입구, 배출 연료 출구를 가지며, 산화제 입구로부터 배출 산화제 출구로까지 산화제 유동 경로를 한정하고, 연료 입구로부터 배출 연료 출구로까지 연료 유동 경로를 한정한다. 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들은 또한 "전기화학적 활성 금속 연료 전지 스택 반복 층들"로 지칭될 수 있다.
상기 애노드, 전해질, 캐소드 층들은 함께 연료 전지 셀을 나타내는 것으로 이해된다.
바람직하게, 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층의 상기 애노드, 전해질, 캐소드 층들은 두께를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 다수의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들이 있는 경우에는, 이 두께가 각각의 층에서 동일하거나 또는 평균값의 ±20%의 범위, 더욱 바람직하게는 ±10%, 더욱 바람직하게는 ±5%의 범위 내에서 가변하도록 한다. 연료 전지의 캐소드 측에서의 전류 컬렉터(current collector)(캐소드 물질로부터 전류를 모음)들이 예를 들어 인접한 연료 전지 스택 반복 층의 상호연결들 또는 전원 테이크오프 플레이트/엔드폴 사이의 특정 거리의 추정 하에서 제조될 수 있기 때문에 연료 전지에 대한 제어된 두께를 갖게 하는 것은 유리하다.
바람직하게, 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층의 애노드, 전해질, 캐소드 층들은 50~200마이크론, 더욱 바람직하게는 80~150마이크론, 더욱 바람직하게는 90~100마이크론의 두께를 갖는다. 바람직하게, 애노드 층은 약 20마이크론의 두께를 가지며, 전해질 층은 약 15마이크론의 두께를 가지며, 캐소드 층은 약 65마이크론의 두께를 가진다.
바람직하게, 연료 전지 스택 산화제 입구는 개방형 매니폴드화 된다. 바람직하게, 배출 산화제 출구는 내부로 매니폴드화된다.
바람직하게, 연료 전지 스택 연료 입구는 내부로 매니폴드화 된다. 바람직하게, 배출 연료 출구는 내부로 매니폴드화된다.
바람직하게, 상기 금속 기판은 쉬트(sheet) 또는 포일(foil)로부터 형성된다. 더욱 바람직하게는, 상기 금속 기판은 일반적으로 편평하거나(flat) 평면이며(planar), 더욱 바람직하게는 편평하다(flat). 이것은, 예를 들어, 기판이 그 표면으로부터 돌출된 형태를 가지는 제품들보다도 기술적으로 상당한 이점을 제공하는데, 편평한/평면형의 금속 기판을 형성하는 것은 포일을 규격대로 절단하고 그 일부가 비다공성 영역에 의해 둘러싸인 다공성 영역을 갖는 금속 기판을 한정하도록 레이저 드릴링 같은 것에 의해 구멍이 뚫리는 것이 요구되는 간단하고 복잡하지 않은 공정이다. 이와 대조적으로, 돌출된 특징을 갖는 금속 기판들은 복잡한 다단계 형성 또는 스탬핑(stamping) 과정들을 요구한다. 예를 들어, 스탬핑으로 돌출된 특징들을 성형하는 것은, 돌출을 한정하기 하기 위해 금속이 얇게 되는 결과를 불가피하게 초래하며, 결국 잠정적으로, 돌출부위에서는 금속 기판이 약해지는 것을 초래하거나/초래하고, 스탬핑으로 발생할 문제점들을 줄이기 위해서 더 두꺼운 금속 기판 물질의 사용을 초래하여 재료 사용의 비용이 증가하고 최종생산물의 열적 질량(thermal mass)이 증가하며, 결과적으로 기능 수행에 손상을 가져온다.
바람직하게, 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 금속 기판은 비다공성 영역에 의해 둘러싸인 다공성 영역을 포함하며, 애노드, 전해질, 캐소드 층들이 다공성 영역에 증착된다. 따라서, 연료 유동 경로를 지나는 연료는 이 다공성 영역을 통과하여 애노드 층으로 갈 수 있으며, 연료 전지 셀 애노드 및 전해질 층들과 상호작용할 수 있다. 반응된 연료 가스들은 다공성 영역을 통해 돌아갈 수 있다.
바람직하게, 다공성 영역은 금속 기판의 마주하는 상대면들/표면들(즉, 제1 및 제2 면들/표면들) 사이에 연장되는(즉, 사이에서 한정되는) 다수의 천공(perforations)/관통구멍(through apertures)을 포함한다.
특정 실시예에서, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들의 금속 기판은 다공성 영역을 포함하지 않으며, 더욱 바람직하게는 비다공성 영역에 의해 둘러싸인 다공성 영역을 포함하지 않는다.
바람직하게는, 각각의 연료 전지 스택 반복 층은 상기 금속 기판 및 상기 금속 상호연결 플레이트 사이에 위치하는 금속 스페이서를 선택적으로 부가적으로 포함한다. 상기 스페이서는 또한 매니폴딩층 또는 매니폴딩 플레이트로 지칭될 수 있다. 이하의 특정 실시예들에서 기술하는 바와 같이, 금속 상호연결 플레이트, 매니폴딩 플레이트 및 금속 기판의 조합은 이들 사이에 보이드(void)를 규정할 수 있고, 이들과 함께, 연료 입구로부터 배출 연료 출구로까지의 연료 유동 경로를 정의할 수 있다. 자연스럽게, 다른 배열들은 당업자에게 확실히 잘 이해될 것이다.
임의의 실시예들에서, 연료 유동 경로는 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층에서는 연료 입구로부터 배출 연료 출구까지 정의되지 않는다. 이러한 실시예들에서는, 연료 입구가 없어서(또는 어떠한 연료 입구도 막혀 있음), 연료 유동 경로가 보이드에서 규정되지 않든지, 또는 연료 유동이 연료 입구로부터 보이드에서는 있지만 (연료 입구와는 구별되는) 그 어떤 연료 출구도 규정되어 있지 않거나 또는 그 어떤 연료 출구도 막혀 있다.
금속 스페이서는 금속 기판 및 상호연결물 사이에 보이드를 규정하며, 보이드에서의 가스의 낮은 열 전도도는 이 지점에서 열적 전도도를 크게 감소시키며, 즉 상기 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층에 걸쳐서 열적 전도도가 감소되며, 그리하여 열적 브레이크(thermal break)를 제공하는 것으로 이해될 수 있다.
열적 브레이크는 또한 "열적 장벽(thermal barrier)", "열적 버퍼(thermal buffer)"으로, 또 "열적 버퍼링(thermal buffering)"을 가지는 것으로 지칭될 수 있다.
연료 유동의 차단은 연료 전지 매니폴딩 플레이트의 적절한 변형물로 쉽게 달성될 수 있다. 그리하여, 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 상기 연료 입구로부터 상기 배출 연료 출구까지의 연료 유동을 봉쇄하도록 형성된 금속 스페이서를 포함할 수 있다. 다른 연료 전지 스택 반복 층 구성요소들(상호연결물, 기판 및 가스켓 등)은 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 구성요소들과 동일할 수 있다. 그러므로, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들의 제조는 단일 구성요소(매니폴딩 플레이트)를 단순히 변형함으로써 쉽게 달성될 수 있다. 금속 기판의 레이져 드릴링 및 금속 기판 상으로 애노드, 전해질, 캐소드 층들을 증착하는 단계들과 같은 다른 단계들은 또한 생략될 수 있고, 결과적으로 연료 전지 스택 장치의 성능에서 획기적인 개선을 가져오는, 구성요소에 대한 단순하고 편리하고 저비용인 제조공정을 가져온다.
바람직하게, 각각의 연료 전지 스택 반복 층과 이의 주변 연료 전지 스택 반복 층 또는 층들 사이에 적어도 하나의 전기적 절연 가스켓이 위치한다. 대안으로 또는 부가적으로, 바람직하게는 각각의 연료 전지 스택 반복 층은 적어도 하나의 전기적 절연 가스켓을 추가 포함한다. 바람직하게는, 이러한 적어도 하나의 전기적 절연 가스켓은 금속 상호연결 플레이트로부터 멀리 떨어진 금속 기판 상에, 즉 금속 상호연결 플레이트에 마주하는 금속 기판의 일편의 반대편 상에 장착된다. 가스켓은 또한 입구 및 출구 측 연료 가스와 출구 측 공기 가스에 가스 밀봉을 제공한다.
그리하여, 바람직하게는 상기 애노드, 전해질, 캐소드 층들은 상기 금속 기판의 제1 면에 장착되고, 적어도 하나의 전기적 절연 가스켓은 그 금속 기판의 같은 면에 장착된다.
그리하여, 바람직하게는 상기 애노드, 전해질, 캐소드 층들은 상기 금속 기판의 제1 면에 장착되고, 금속 상호연결 플레이트는 상기 애노드, 전해질, 캐소드 층들이 있는 면의 반대쪽 금속 기판 상에 장착 또는 결합 또는 부착되도록(바람직하게는 용접처럼 녹여서) 한다.
대안으로 또는 부가적으로, 바람직하게는, 적어도 하나의 주변 연료 전지 스택 반복 층을 갖는 각각의 연료 전지 스택 반복 층은 부가적으로 이와 그 주변 연료 전지 스택 반복 층 사이에 전기적 절연 가스켓을 포함한다.
산화제 유동 경로는 전형적으로 기판과 주변 연료 전지 스택 반복 층의 금속 상호연결 플레이트 사이에, 또는 주변 연료 전지 스택 반복 층이 없는 경우에는 기판과 추가적인 주변 금속 상호연결 플레이트 사이에 형성된다. 금속 기판 상의, 또는 제1 반복 층의 금속 기판 및 주변 반복 층의 금속 상호연결 플레이트 사이의 상기 적어도 하나의 전기적 절연 가스켓은 이들을 분리시키는 역할을 하며, 그리하여 산화제 유동 경로에 필요한 보이드를 한정한다. 그리하여, 산화제 유동 경로는 구성요소들이 함께 접촉, 결합, 인접, 또는 배치될 때 한정된다.
각각의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 전기화학적 기능을 수행할 수 없도록 설계된다. 바람직하게는, 각각의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 금속 기판 및 금속 상호연결 플레이트를 포함하고, 산화제 입구로부터 배출 산화제 출구까지의 산화제 유동 경로를 한정한다.
바람직하게는, 적어도 하나의(예를 들어, 각각의) 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 연료 입구로부터 배출 연료 출구까지의 연료 유동 경로가 형성되지 않도록 만들어진다. 예를 들어, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 특징은 연료 입구로부터 배출 연료 출구까지의 연료 유동을 막을 수(즉, 차단할 수) 있다.
대안으로, 적어도 하나의(예를 들어, 각각의) 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 산화제 입구로부터 배출 산화제 출구까지의 산화제 유동 경로가 형성되지 않도록 만들어진다. 예를 들어, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 특징은 산화제 입구로부터 배출 산화제 출구까지의 산화제 유동을 막을 수(즉, 차단할 수) 있다.
대안으로, 적어도 하나의(예를 들어, 각각의) 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 산화제 입구로부터 배출 산화제 출구까지의 산화제 유동 경로 및 연료 입구로부터 배출 연료 출구까지의 연료 유동 경로 모두를 정의할 수도 있으나, 그와 달리 전기화학적으로 비활성이 되도록 형성할 수도 있다. 예를 들어, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 금속 기판 상에 장착된 애노드, 전해질, 캐소드 층들을 포함할 수 있으나, 연료가 애노드 층으로 흐르도록 하는 유동 경로를 형성하지 않을 수도 있다.
특정의 실시예에서는, 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 금속 기판은 다공성 영역을 포함하지 않는다. 대안으로 또는 부가적으로, 특정 실시예에서는, 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 금속 기판은 그 위에 장착된 애노드, 캐소드, 및/또는 전해질 층들을 가지지 않는다.
사용되는 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들의 수는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트의 엔드들에서 요구되는 열적 완충(buffering)에 의존한다. 예를 들어, 1kW 스택의 경우에, 실험들은 적어도 하나의 연료 전지 스택의 각 엔드에 있는 2~4개의 그런 층들이 스택의 높이에 걸쳐 열적 변화를 최소화하는데 비용 대비 효율적인 결과를 제공한다는 것을 확인시켜 준다. 이것은 아래의 특정 실시예에서 더 상세하다.
그리고, 바람직하게는, 연료 전지 스택 조립체는 적어도 하나, 둘, 셋, 넷, 다섯, 또는 열 개의 제1 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들을 포함한다. 바람직하게는, 연료 전지 스택 조립체는 적어도 하나, 둘, 셋, 넷, 다섯, 또는 열 개의 제2 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들을 포함한다.
더욱 바람직하게는, 연료 전지 스택 조립체는 적어도 둘, 셋, 또는 네 개의 제1 및 제2 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들을 포함한다.
사용되는 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 수는 요구되는 출력 전력에 의존한다. 예를 들어, 1kW의 출력 전력의 연료 전지 스택 조립체에서, 본원의 연료 전지 스택 조립체는 5~120개의 활성 연료 전지 스택 반복 층들 사이에서 각 연료 전지 셀의 활성 영역 및 전력 밀도에 따라 96~120개 사이의 활성 연료 전지 스택 반복 층들을 포함할 수 있고, 더 전형적으로 70~110개 사이의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성 연료 전지 층당 10~15W가 나올 때, 적어도 99, 100, 105, 110 또는 115개의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들을 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게, 99~115개 사이 또는 100~110개 사이의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들을 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 99개의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들을 포함할 수 있다.
여기에서 연료 전지 스택 전력 출력에 대한 언급은 연료 전지 시스템 전력 출력과는 다르고, 예를 들어 제어 수단 및 블로어(blower) 등에 대한 연료 전지 시스템 그 자체에 의해 소비되는 전력은 포함하지 않는다.
바람직하게는, 연료 전지 스택은 추가적으로 제1 및 제2 전원 테이크오프 플레이트(음전원 테이크오프 플레이트 및 양전원 테이크오프 플레이트)를 포함할 수 있고, 또한 여기서는 엔드폴들(endpoles)로 지칭될 수 있다. 음전원 테이크오프 플레이트는 또한 "모노폴(monopole)"로, 양전원 테이크오프 플레이트는 "엔드폴"로 또한 지칭될 수 있다.
자연스럽게, 엔드폴들은 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층과 전기적 접촉을 한다.
상기 제1 전원 테이크오프 플레이트(즉, 제1 엔드폴)는 연료 전지 스택 제1 엔드에 위치할 수 있다. 그것은 연료 전지 스택 제1 엔드와 한 세트의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 인접한 엔드(즉, 제1 엔드) 사이에, 즉, 연료 전지 스택 제1 엔드와 가장 가까운 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 위치할 수 있다. 바람직하게, 제1 전원 테이크오프 플레이트는 한 세트의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 제1 엔드에 위치한다.
상기 제2 전원 테이크오프 플레이트(즉, 제2 엔드폴)는 연료 전지 스택 제2 엔드에 위치할 수 있다. 그것은 연료 전지 스택 제2 엔드와 한 세트의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 인접한 엔드(즉, 제2 엔드) 사이에, 즉, 연료 전지 스택 제2 엔드와 가장 가까운 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 위치할 수 있다. 바람직하게는, 제2 전원 테이크오프 플레이트는 한 세트의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 제2 엔드에 위치한다.
바람직하게는, 상기 제1 전원 테이크오프 플레이트(즉, 엔드폴)는, 그 세트 또는 제1 세트의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복층들(즉, 제1 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층)과 그 세트의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들(즉, 그 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층) 사이에, 예를 들어 그 세트의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 제1 엔드에 위치할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제2 전원 테이크오프 플레이트는, 그 세트 또는 제2 세트의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들(즉, 제2 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층)과 그 세트의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들 사이에, 즉, 그 세트의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 제2 엔드에 위치할 수 있다. 그리고, 전기 회로의 전체 전기 저항은, 전류가 제1 및 제2 세트의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들로는 흐를 필요가 없기 때문에 감소된다. 이 배열은 비활성 전지 셀들을 통하는 스택 전류로부터 초래되는 전력 손실을 제거하기 때문에 선호된다.
하나 또는 그 이상의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들을 통하여 전류를 흘리는 것은 전류가 연료 전지 스택 반복 층들 사이의 접점들을 통하여 흘리는 것을 요구하며, 예를 들어 금속 접촉면들 상에 형성된 산화층에서 특히 전기 저항이 마주할 수 있다.
더구나, 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트(즉, 엔드 플레이트들)에서 연료 전지 스택 배열로부터 전력을 이끌어 내는 것은 스택 배열의 엔드들이 전기적으로 활동하게 되는 위험부담의 장애 또는 디자인을 나타낸다. 엔드 플레이트들이 금속이며 후드 주변이 금속인 스택 디자인에서 어떤 그러한 장애나 디자인은 직접적인 전기 쇼트(short)를 초래한다. 스택 층 디자인 내에(즉, 적어도 하나의 연료 전지 스택 내에) 엔드폴들을 위치시키는 것은:
(i) 인적 상해 또는 시스템 장애를 초래할 수 있을 특정의 장애 모드를 극복하여 스택 디자인을 개선시키고,
(ⅱ) 전기적 전도성 후드 물질의 사용을 허용하고(그리하여 적절한 전기적 비전도성 후드 물질과 대비하여 비용을 감소시키면서),
(ⅲ) 스택 디자인에 접촉 관련 전기적 손실을 감소시킨다.
엔드폴들의 위치에 의존하여, 엔드폴들이 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층과 전기적 접촉이 되도록 하기 위해 비활성 층 접촉들에 대한 몇몇 또는 전체의 비활성 층은 전기적으로 전도성일 필요는 없다. 그리하여, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들의 세트가 다수의 반복 층들을 포함하는 경우에, 일단 전원 테이크오프가 발생하면(즉, 엔드폴이 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층으로부터 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층으로의 방향으로 이르렀을 때), 비활성 층들 간의 접촉은 전기적으로 전도성일 필요는 없다.
바람직하게는, 예를 들면 그 회로의 부하로의 유용한 전기적 일을 제공하도록 전기적 연결들은 제1 및 제2 전원 테이크오프 플레이트들(즉, 엔드폴들)과 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체의 바깥에 있는 전원 회로 사이에 제공된다.
특정 실시예들에서, 제1 및 제2 전원 테이크오프 플레이트들(예를 들어, 엔드폴들)은 연료 전지 스택에 의해 생산된 전류가 전원 회로에 공급될 수 있도록, 베이스 플레이트로 연장되고, 베이스 플레이트 구성들 또는 특징들(예를 들어, 숫 또는 암 구성들, 소켓들, 구멍 또는 홈들)과 결합하는 아암(arms)을 포함한다. 자연스럽게, 베이스 플레이트는 전형적으로 금속으로(즉, 전기 전도성) 이루어지고, 제1 및 제2 전원 테이크오프는 전기적으로 전도성을 가지고 있으면서, 베이스 플레이트로의 및/또는 전원 테이크오프들 간의 단락 회로를 회피하기 위하여 베이스 플레이트에 또는 제1 및 제2 전원 테이크오프들에 전기 절연 구성요소들을 제공하는 것에 필요하며, 적절한 구성요소들은 당업자에게 쉽게 잘 이해될 것이다.
그리고, 바람직하게, 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체는 부가적으로 아래 (a)와 (b) 중 적어도 하나를 포함한다:
(a) 상기 제1 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층 및 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 중의 어느 하나에 또는 이들 사이에 위치하는 엔드폴: 및
(b) 상기 제2 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층 및 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복층 중의 어느 하나에 또는 이들 사이에 위치하는 엔드폴.
엔드폴들은 물리적으로 많은 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서는, 연료 전지 스택 반복 층들로부터 분리된/구별되는 물리적 플레이트의 형태이다. 다른 실시예들에서는, 그것들은 연료 전지 스택 반복 층들로의 전기적인 커넥터일 수 있는데, 예를 들어, 연료 전지 스택 반복 층으로부터 연장되는, 예를 들어, 반복 층 금속 상호연결 플레이트 또는 금속 기판으로부터 연장되는 아암(arm)과 같은 림브(limb)일 수 있다. 자연히, 엔드폴과 다른 형태가 원하는 대로 사용될 수 있다.
특정 실시예들에서, 전원 테이크오프 플레이트들(즉, 엔드폴들) 및/또는 이들과 외부 회로 사이의 전기적 연결은, 제1 전원 테이크오프가 베이스 플레이트를 통과하고, 제2 전원 테이크오프가 엔드 플레이트를 통과할 수 있도록 형성될 수 있다. 전원 공급구 형태는 필요하고 적절한 대로 관련 구성요소들, 즉 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트에 형성될 수 있다. 전원 테이크오프를 위한 다른 배열들/구성 형태들은 당업자에게 쉽게 잘 이해될 것이다.
그리고, 바람직하게, 연료 전지 스택 조립체는 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층과 전기적으로 접촉하고 있는 제1 및 제2 엔드폴들(즉, 전원 테이크오프들)을 부가적으로 더 포함하며, 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트는 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층으로부터 전기적으로 단절되도록 한다. 바람직하게는, 엔드폴들은 연료 전지 스택 반복 층들과 물리적인 접촉하거나 또는 이들로부터 연장되어 있다. 바람직하게, 엔드폴들은 연료 전지 스택 반복 층들과 융합된다.
바람직하게, 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 금속 기판 상에, 바람직하게는 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층의 금속 기판 상에 장착된 애노드-전해질-캐소드 구조의 위치에 상응하는 위치에 있는 금속 기판 상에 장착된 전기적 전도성 물질을 포함한다. 이것은 또한 캐소드 측에 있는 것으로, 또는 산화제 입구와 배출 산화제 출구 사이의 연료 유동 경로에 있는 산화제 측에 있는 것으로 묘사될 수 있다.
바람직하게는, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 전기 전도성 물질은 낮은 열적 전도도를 갖는다.
바람직하게는, 전기 전도성 물질의 두께는 상기 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 애노드, 전해질, 캐소드 층들의 두께와 같다. 이것은 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층에서 사용된 것과 같은 전류 컬렉터(current collectors)가 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층에서도 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 동시에, 상기 물질이 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층에 걸쳐서 열적 절연을 제공한다, 즉 열적 버퍼링/열적 브레이크를 생성에 보조한다.
이것은 전체 연료 전지 스택(전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들을 포함하는)에 압축력을 효과적으로 전달하도록 하여 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층으로부터 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층까지의 효과적인 전기적 접촉이 달성되게 한다.
금속 기판에서 다공성 영역이 없는 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 전기 전도성 물질은 캐소드 물질이다. 이 캐소드 물질은 전기화학적 활성 연료 전지 반복 층에서 사용된 것과 같은 캐소드 물질이 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 전기화학적 활성 연료 전지 반복 층에서 사용된 것과 같은 벌크(bulk) 캐소드 물질이다.
대체 실시예들에서는, 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 전기 전도성 물질은 애노드, 전해질, 캐소드 층들이다.
이전에 설명한 바와 같이 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층이 다공성인 연료 전지 금속 기판을 포함하는 경우에, 그것은 낮은 열적 전도성을 가지는 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 측 상에 전기 전도성 물질을 더 포함할 수 있고, 그 두께는 상기 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 애노드, 전해질 및 캐소드 층들의 두께와 같다.
바람직하게는, 전기적으로 서로 연결되는 연료 전지 스택 반복 층의 금속 요소들은 함께 융합, 예를 들어, 용접되어 있다. 예를 들어, 연료 전지 스택 반복 층들의 금속 상호결합 플레이트 및 금속 기판은 함께 융합될 수 있거나, 금속 상호결합 플레이트, 금속 스페이서 및 금속 기판은 함께 융합될 수 있다. 그리하여, 이들 사이에 표면 대 표면 접촉 저항 손실이 일어나지 않고, 그들 간의 전자 흐름은 주로 융합/용접 경로를 통하여서이다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택은 평판형 연료 전지 스택이다.
바람직하게, 연료 전지 스택 조립체는 부가적으로 상기 적어도 하나의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택을 둘러싸는 후드 배열 구조를 포함한다. 그리고, 바람직하게, 상기 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체는 상기 적어도 하나의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택을 갖는 후드 용적을 정의할 후드를 부가적으로 포함한다. 후드 장치들은 예를 들어, WO 2008/104760에 개시되어 있다. 바람직하게는, 후드 용적은 베이스 플레이트, 엔드 플레이트 및 후드 사이에 형성된다.
바람직하게, 상기 후드는 베이스 플레이트에 밀봉하여 부착되고, 상기 베이스 플레이트와 후드 사이에 상기 후드 용적을 규정한다. 바람직하게는, 후드는 엔드 플레이트에 밀봉하여 부착되고, 상기 베이스 플레이트, 엔드 플레이트 및 후드 사이에 상기 후드 용적을 규정한다.
바람직하게, 베이스 플레이트 및/또는 엔드 플레이트에는, 후드가 고정되고 장착되고 인접해 있을 수 있는, 그 둘레를 넘어서 연장되는 돌출부(protrusion) 또는 스커트(skirt)와 같은 특징들이 제공될 수 있고, 후드와 베이스 플레이트 사이 및 후드와 엔드 플레이트 사이에는 가스 밀봉이 (예를 들어, 가스 밀봉 용접으로) 얻어진다.
바람직하게, 후드는 전기적으로 전도성이다. 더욱 바람직하게, 후드는 금속 후드이다. 이것은 베이스 플레이트를 후드에 용접을 포함하여 알려진 금속 결합 및 밀봉 기술에 의해 간단하고 편리하게 부착할 수 있기 때문에, 특히 유용하다. 이것이 위에서 상세히 기술된 바와 같이 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터 전기적으로 단절된 베이스 플레이트를 가지는 장점을 강조하는데, 만약 베이스 플레이트가 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터 전기적으로 단절되어 있지 않다면, 후드는, (활동하는, live) 적어도 하나의 연료 전지 스택과 전기적으로 접촉될 것이고 후드의 크게 노출된 표면 영역에 의한 심각한 안전성 위험 및 사람에 의한 접촉, 다른 구성요소들을 접촉시켜 합선을 일으키는 위험을 제기할 것이기 때문에 금속 후드를 사용하는 것이 가능하지 않을 것이다. 베이스 플레이트 또는 엔드 플레이트가 전기적으로 활동하는 디자인의 경우에도, 그 활동하는 부분에 접촉하는 어떤 전기 전도성 구성요소도 그 자체로 활동해진다. 베이스 플레이트, 엔드 플레이트 및 후드로부터 활성 연료 전지 스택 반복 층들을 전기적으로 절연시킴으로써, 제품 내에 접지하는 간단한 구성요소를 제공하는 사람은 물론 작동중인 연료 전지 스택 상에서 또는 주변에서 수리나 유지보수를 수행하는 사람을 보호한다.
바람직하게는, 베이스 플레이트 및 후드는, 후드 용적의 범위 내에 있는, 베이스 플레이트의 표면 영역과 용적을 최소화시키도록 배열되고, 따라서 후드 용적 내의 유동체들과 베이스 플레이트 사이에 열 전달의 기회를 최소화시킨다. 바람직하게는, 베이스 플레이트의 상면만이 주로 후드 용적에 속하게 된다. 바람직하게, 베이스 플레이트의 측벽들은 후드 용적에 속하지 않으며, 후드 용적 내의 유체 유동(즉, 가스 유동)은 측벽으로 확장되지 않는다. 베이스 플레이트의 측벽으로의 유체 유동은 완벽히 막지는 못한다면, 유체 유동을 한정하거나 예를 들어 베이스 플레이트의 측벽들까지 후드를 근접시킴으로써 다르게 제한하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 가스 밀봉 용접은 후드와 베이스 플레이트 사이에 이루어질 수 있고, 여기서 후드는 베이스 플레이트의 돌출부 또는 스커트 등에 인접한다. 이러한 스커트 또는 돌출부는 베이스 플레이트의 가장 낮은 지점, 즉 적어도 하나의 연료 전지 스택이 장착되는 상면으로부터 멀리 떨어진 지점에 있을 수 있다. 후드가 베이스 플레이트의 측벽을 덮거나 측벽을 따라 연장될 때, 추가적인 가스 밀봉 용접이 베이스 플레이트와 베이스 플레이트의 상면을 향한 후드 사이에 이루어질 수 있어서 가스가 베이스 플레이트의 측벽 및 후드 사이로 흐르는 것이 차단된다. 대안으로, 베이스 플레이트와 후드 사이의 마찰 결합이 베이스 플레이트 측벽과 후드 사이의 가스 유동을 막거나 최소화시키는데 충분한 것으로 고려될 수 있다.
동일한 배열이 엔드 플레이트에 이루어져서 후드 볼륨 내에 있는 베이스 플레이트의 표면 영역과 용적을 최소화하고 따라서 후드 용적 내의 유동체들과 베이스 플레이트 사이의 열 전달의 기회를 최소화할 수 있다.
이러한 결과는 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트 전체가 후드 용적 내의 작동 온도를 "보지(see)" 않는다는 것이며, 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트는 일반적으로 더 차가운 환경 속에 있게 된다. 이것은 정상 상태, 시동 및 중지 상태를 포함하여 모든 단계에서 연료 전지 스택의 성능을 보조할 것이다.
특히, 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트의 부분들에서의 이런 작동 온도의 감소는 특별히 클램핑 수단을 위해 유용할 수 있다. 예를 들어, 클램핑 수단이 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트에 부착된 타이바들을 포함하는 경우에, 이 타이바들만이 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트에 장착될 필요가 있다. 그러므로, 예를 들어 나사산과 같은 장착 수단들은 후드 용적의 더 높은 작동 온도를 보지 않고, 그리하여 더 차가운 환경에서 작동하게 된다. 이러한 더 차가운 환경은, 예를 들어 타이바 물질의 항복점(yield point) 이하의 온도에서 가능하다. 이 타이바들은, 적층 방향에서 적어도 하나의 연료 전지 스택의 것과 같은 팽창 및 수축률에서의 열역학 방식(thermo-mechanical way)으로 작동하도록 설계될 수 있어서, 타이바 인장(tension)을 유지하고, 따라서 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체의 작동 범위를 넘어서도 적어도 하나의 연료 전지 스택의 압축을 유지할 수 있다.
작동에서, 각각의 연료 전지 스택 반복 층은 열 흐름과 마찬가지로 전기 전류 흐름을 생산해낸다. 여기서 설명하는 대로, 환경 온도는 전지 셀의 전력 생산에 영향을 주고, 엔드 반복 층 활성 전지 셀은 스택의 중간지점에 있는 반복 층 전지 셀들보다 더 낮은 환경 온도를 보여준다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 상기 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 층들은 이 비활성 반복 층들에 걸쳐 산화제(즉, 공기) 및/또는 연료의 유동을 허락하도록 만들어져서, 열적 에너지의 소스를 제공한다. 이렇게 함으로써, 이러한 비활성 반복 층들은 활성 층들의 엔드(end)에서 열적 버퍼(즉, 열적 차단)로서 역할을 한다.
바람직하게는, 작동 개시 시에, 입구 산화제(공기) 및/또는 연료는 연료 전지 스택 조립체에 들어가기 전에 프리 히터(pre-heater)를 통과하고, 이것은 가열된 공기 및/또는 연료가 비활성 연료 전지 스택 반복 층들에 걸쳐 유체 유동 경로를 따라 통과하도록 하고, 그 결과 이들이 가열되어서, 전기화학적 활성 층들의 엔드(end)에 열적 완충(buffering)을 제공하게 된다.
그러므로, 바람직하게는, 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체는 부가적으로 프리 히터를 포함한다. 유사하게, 적어도 하나의 열 교환기가 입구 산화제를 가열하는데 효과를 주기 위해 제공될 수 있으며, 이 가열은 예를 들어, 작동 개시, 정상 상태, 및/또는 작동 중지의 그 어떤 작동 단계에서도 효과를 줄 수 있다. 적절한 프리 히터, 열 교환기, 버너(burner), 테일 가스 버너(tail-gas burner), 연소기(combustor) 및 이들의 배열은 본 발명의 기술분야에 잘 알려져 있고, 예를 들어, WO 2008/104760에 개시되어 있다.
그러므로, 예를 들어, 상기 조립체는 부가적으로 배출 가스 유동과 입구 가스 유동 사이에 열을 교환하도록 설계 또는 배열된 적어도 하나의 열 교환기를 더 포함한다. 배출 가스 유동은, 예를 들어 배출 산화제 유동, 배출 연료 유동, 또는 버너 또는 연소기 배출 유동, 즉 테일 가스 버너 배출 유동일 수 있다. 그리하여, 적어도 하나의 열 교환기는 산화제 또는 연료 입구와 배출 출구, 예를 들어, 산화제 배출 출구, 연료 배출 출구, 또는 버너 배출 출구, 사이에 위치하거나 배치될 수 있다.
작동 개시 동안에는, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들은 더 큰 열적 질량을 가진 엔드 플레이트로부터 금속 지지기반 전지 셀들의 모드 동적 열용량(mode dynamic heating capacity)을 분리하여서, 더 빠른 속도의 작동 개시를 허용한다. 그리하여, 전기화학적 활성 층들과 베이스 플레이트/엔드 플레이트들 사이에 전기화학적 비활성 층들을 도입하는 것은 이들을 열적으로 분리시키는 역할을 하고, 즉 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트의 큰 열적 질량 및 이들의 대응하는 더 높은 열적 관성(thermal inertia)이 낮은 열적 질량 연료 전지 셀들 및 전기화학적 활성 반복 층들로부터 분리된다. 이것은 특별히 부가적인 열적 소스가 프리 히터로부터 열의 형태로 주어지는 경우에 뚜렷하다. 그리하여, 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 반복 층에 인접하거나 중심에 가까운 전기화학적 활성 반복 층들로부터의 열손실이 감소되는 것으로 나타날 뿐만 아니라, 산화제 또는 연료의 가열된 입구 유동이 추가적으로 적어도 하나의 전기화학적 비활성 반복 층의 가열에 효과를 주고, 그리하여 근접한 또는 중심에 가까이 위치한 전기화학적 활성 반복 층들의 가열에도 효과를 준다.
베이스 플레이트 및 엔드 플레이트 열적 질량들의 시간 지연 효과를 줄여주게 되면 전기화학적 활성 전지 셀의 온도들이 연료 전지 셀 작동을 허가하도록 요구되는 수준 이상으로 연료 전지 물질 손상이나 탄소 증착 또는 연관된 탄소 상호작용 없이 더욱 빠르게 다다르게 된다. 이것은 더 빠른 작동 개시가 필요한 경우 또는 전력이 상당하게 큰 단계로 증가할 것을 요구하는 경우들에 유용하다. 동일한 디커플링 효과(de-coupling effect)가 작동 중지(shut-down)를 도울 수 있고, 여기서 활성 연료 전지 층들의 온도가 전지 셀의 손상을 막기 위하여 특정한 온도 이하로 될 것이 요구될 수도 있다.
전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들은 또한, 스택의 중심에 있는 활성 반복 층들과 스택의 엔드에 있는 활성 반복 층들 사이에서의 작동 환경 온도 차이를 감소시키며, 작동 개시 및 동적 작동 동안에 스택 엔드 냉각 효과를 감소시킨다. 활성 연료 전지 반복 층의 작동 온도 하강은 그 전지 셀의 작동 성능에 영향을 줄 수 있으며 이것은 활성 반복 층들의 작동 전압의 감소로 측정될 수 있다. 이하 실험에서 상세히 설명되는 바와 같이, 더미 층들(전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들)이 없이, 그 차이점은 345mV만큼이나 되었고, 반면에 더미 층들이 있는 경우에는, 이것이 75mV 이하로 감소되었다.
아래의 실험 데이터는 99개의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들을 포함하는 비교 대상 연료 전지 스택들 - 전기화학적 비활성 반복 층들이 없는 일 스택 및 활성 스택의 각 엔드에 3개의 전기화학적 비활성 반복 층들이 있는 일 스택 - 에서 얻었다. 0.5kW 출력에서의 동일한 공칭 안정 상태 작동점에 대해, 전기화학적 비활성 반복 층들을 가진 스택은, (전기화학적 비활성 반복 층들을 가지지 않은 스택과 비교할 때) 평균 스택 전압이 6% 까지나 증가했고, 셀 전압 표준 편차는 70mV 에서 8mV로 상당하게 감소했으며, 셀 전압 차이도 345mV로부터 71mV 로 감소했음을 보였다.
아래 특정한 실시예에서 설명되는 바와 같이, 본 발명의 연료 전지 스택 조립체는 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 평균 전압에서 증가를 가져올 수 있고, 증가한 최대 전압, 상당히 증가한 최소 전압 및 감소한 표준 편차의 결과를 가져온다.
바람직하게는, 연료 전지 스택 조립체는, 베이스 플레이트와 적어도 하나의 연료 전지 스택의 제1 엔드 사이에 위치한 적어도 하나의 전기 절연(즉, 비 전도성) 가스켓을 포함한다. 바람직하게는, 연료 전지 스택 조립체는, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 제2 엔드와 엔드 플레이트 사이에 위치한 적어도 하나의 전기 절연 가스켓을 포함한다.
바람직하게, 상기 적어도 하나의 전기 절연 가스켓은 또한 열적으로 절연이다. 바람직하게, 상기 적어도 하나의 전기 절연 가스켓은 또한 가스 밀봉 가스켓이다. 그리하여, 바람직하게, 상기 적어도 하나의 전기 절연 가스켓은 전기적으로 및 열적으로 절연된 가스 밀봉 가스켓이다.
바람직하게, 상기 전기 절연 가스켓은, 화학적으로 안정적이며, 스택 작동 온도에서(더욱 상세하게는, 450 ~ 650 DegC 온도 범위에서) 낮은 또는 작아서 무시해도 될 정도로의 크리프(creep)를 가지며, 열적으로 절연이고, 연료 전지 스택 구성요소 부분 치수의 변동에 대하여도 유연하고 제한된 내성을 제공한다.
특정 실시예에서, 본원의 연료 전지 스택 조립체는 베이스 플레이트와 적어도 하나의 연료 전지 스택의 제1 엔드 사이에 위치한 적어도 둘, 셋, 넷 또는 다섯개의 전기 절연 가스켓을 포함한다.
특정 실시예에서, 본원의 연료 전지 스택 조립체는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 제2 엔드와 및 엔드 플레이트 사이에 위치한 적어도 둘, 셋, 넷 또는 다섯개의 전기 절연 가스켓을 포함한다.
전기 절연 가스켓을 위한 적절한 물질로는 버미쿨라이트(vermiculite) 또는 마이카(mica)를 포함하고, 바람직하게는 마이카이다. 공급자로는 플렉시탈릭(Flexitallic)(www.flexitallic.com; Flexitallic Ltd.,UK) 및 가록(Garlock)(www.garlock.com; EnPro Industries, Inc., NC, USA)이 있다.
바람직하게는, 엔드 플레이트는 베이스 플레이트와 마주하는(즉, 연료 전지 스택 반복 층들 쪽으로 마주하는) 측에 편평한 표면을 가진다. 바람직하게는, 엔드 플레이트는 압축 수단에 안전하고 단단한 엔드(end)를 가지도록 설계된다.
특정 실시예들에서, 각각이 엔드 플레이트를 가지는 다수의 연료 전지 스택들은 베이스 플레이트 상에 장착된다. 특정 실시예들에서, 공용되는 엔드 플레이트를 가지는 다수의 연료 전지 스택들은 베이스 플레이트 상에 장착된다. 특정 실시예들에서, 이러한 다수의 연료 전지 스택들 및 엔드 플레이트들의 조합이 제공된다.
바람직하게, IT-SOFC 스택 조립체는 부가적으로 적어도 하나의 연료 전지 스택 제1 엔드와 적어도 하나의 연료 전지 스택 제2 엔드 사이에 전기 회로를 형성하며 전기 커넥터들 및 전기 부하(electrical load)를 부가적으로 포함한다. 예를 들어, 전기 커넥터들 및 전기 부하는 전원 테이크오프들(엔드폴) 사이에 있을 수 있다.
바람직하게, 연료 전지 스택 조립체는, 연료측 밀봉 조립체, 산화제측 밀봉 조립체, 연료 전지 스택 절연, 및 전기적이고 조절/모니터링 연결체들(connections) 중 적어도 하나를 부가적으로 포함한다.
여기서 사용된 바와 같이 용어 "연료 전지 스택 시스템 조립체"는 시스템 전자 장치들과 함께하는 연료 전지 스택 조립체를 의미한다. 다른 선택적 구성요소로는 (입구 연료가 리폼된다면) 리포머(reformer)와, 물 재생 시스템와, 스팀 발생 유니트(unit)와, 열 교환기 스트림들(streams), 시스템 전자 장치, 및 시스템 제어 수단 중 하나의 상변화를 선택적으로 겪게 하는 적어도 하나의 열교환기와, 열 절연기와, 작동 개시 버너와, 테일 가스 연소기와, 조합된 개시와 테일 가스 버너를 포함한다. 선택적 구성요소는 조합된 개시 및 오프 가스 버너를 포함한다. 다른 선택적 구성요소는 적어도 하나의 산화제 블로어(blower), 적어도 하나의 연료 블로어, 산화제 프리 히터 및 연료 프리 히터를 포함한다.
바람직하게, 연료 전지 스택 조립체는, 더욱 특별하게 적어도 하나의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택은, 어떤 주변의 인접한 리포머, 버너 또는 연소기, 예를 들어, 개시 버너 또는 테일 가스 연소기로부터 열적으로 절연된다. 물론, 이러한 구성요소들에 의해 가열된 유체(가스)의 흐름에 의해 이러한 구성요소들로부터의 열 전달이 있을 것이다. 그러나, 연료 전지 스택 조립체, 특히, 적어도 하나의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택은 이들로부터 직접적인 열 전달을 줄이기 위하여 열적으로 절연될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따라 또한 제시된 것은, 본 발명에 따른 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체를 포함한 연료 전지 스택 시스템 조립체이다.
대안으로, 본 발명의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체는 위에서의 적어도 하나의 연료 전지 스택 시스템 조립체 구성요소들 중 적어도 하나를 부가적으로 포함할 수 있다.
본 발명에 따라 또한 제시되는 것은, 본 발명에 따른 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체를 작동하는 방법이며, 상기 방법은,
(a) 연료 및 산화제를 상기 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체로의 연료 입구 및 산화제 입구로 각각 공급하는 단계; 및
(b) 상기 산화제로 상기 연료를 산화시키고 전기를 생성하기 위하여 상기 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체를 작동시키는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 산화제는 가열된다. 더욱 바람직하게는, 상기 산화제는 개시 버너, 프리 히터 또는 연소기에 의해 작동 개시 시에 가열된다.
본 발명에 따르면, 종래 기술의 문제점들 중 적어도 하나를 해결, 극복 또는 완화하기 위한 개선된 연료 전지 스택 조립체가 제시된다.
도 1은 연료 전지 스택 조립체(assembly)의 분해도이다.
도 2는 후드와 함께 한 도 1의 연료 전지 스택 조립체의 분해도이다.
도 3은 도 2의 연료 전지 스택 조립체의 상부 사시도이다.
도 4는 도 2의 연료 전지 스택 조립체의 하부 사시도이다.
도 5는 전기 화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(repeat layer)의 분해도이다.
도 6은 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 분해도이다.
도 7은 다른 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 분해도이다.
도 8은 실시예 3의 연료 전지 스택 조립체의 분해도이다.
도 9는 (A) 연료 전지 스택에서 전기 화학적 활성 반복층의 상부와 하부에 3개의 전기 화학적 비활성 '버퍼(buffer)' 반복층들, 및 (B) 연료 전지 스택에서 전기 화학적 활성 반복층의 상부 또는 하부에 그 어떤 전기 화학적 비활성 '버퍼' 반복층들이 없는 경우로 이루어진 99개 층의 스택에서 전지 전압의 비교를 보여주는 도면이다. X축은 셀 층을 나타내고, Y축은 셀 전압(mV)을 나타낸다. (약 790mV에서 시작하는) 두꺼운 검은색 실선은 "버퍼 비활성 층이 있는 경우"이다. (약 600mV에서 시작하는) 두꺼운 검은색 점선은 "버퍼 비활성 층이 없는 경우"이다. (약 180mV에서 시작하는) 검은색 점선은 "차이"이다. (약 840mV에서 시작하는) 얇은 검은색 실선은 "버퍼 비활성 층이 있는 경우의 평균"이다. (약 810mV에서 시작하는) 얇은 검은색 점선은 "버퍼 비활성 층이 없는 경우의 평균"이다.
도 10은 실시예 1과 도 1의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체의 예시적인 단면도이다.
도 11은 실시예 3 및 도 8의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체의 예시적인 단면도이다.
도 12는 전기 화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층의 예시적인 단면도이다.
도 13은 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 예시적인 단면도이다.
도 14는 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 예시적인 단면도이다.
도 2는 후드와 함께 한 도 1의 연료 전지 스택 조립체의 분해도이다.
도 3은 도 2의 연료 전지 스택 조립체의 상부 사시도이다.
도 4는 도 2의 연료 전지 스택 조립체의 하부 사시도이다.
도 5는 전기 화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(repeat layer)의 분해도이다.
도 6은 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 분해도이다.
도 7은 다른 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 분해도이다.
도 8은 실시예 3의 연료 전지 스택 조립체의 분해도이다.
도 9는 (A) 연료 전지 스택에서 전기 화학적 활성 반복층의 상부와 하부에 3개의 전기 화학적 비활성 '버퍼(buffer)' 반복층들, 및 (B) 연료 전지 스택에서 전기 화학적 활성 반복층의 상부 또는 하부에 그 어떤 전기 화학적 비활성 '버퍼' 반복층들이 없는 경우로 이루어진 99개 층의 스택에서 전지 전압의 비교를 보여주는 도면이다. X축은 셀 층을 나타내고, Y축은 셀 전압(mV)을 나타낸다. (약 790mV에서 시작하는) 두꺼운 검은색 실선은 "버퍼 비활성 층이 있는 경우"이다. (약 600mV에서 시작하는) 두꺼운 검은색 점선은 "버퍼 비활성 층이 없는 경우"이다. (약 180mV에서 시작하는) 검은색 점선은 "차이"이다. (약 840mV에서 시작하는) 얇은 검은색 실선은 "버퍼 비활성 층이 있는 경우의 평균"이다. (약 810mV에서 시작하는) 얇은 검은색 점선은 "버퍼 비활성 층이 없는 경우의 평균"이다.
도 10은 실시예 1과 도 1의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체의 예시적인 단면도이다.
도 11은 실시예 3 및 도 8의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체의 예시적인 단면도이다.
도 12는 전기 화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층의 예시적인 단면도이다.
도 13은 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 예시적인 단면도이다.
도 14는 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 예시적인 단면도이다.
용어 "시스템 전자 장치"는 제어 전자 장치 및/또는 임의의 전원 전자 장치를 포함하며, 연료 전지 스택 조립체 내에 또는 부근에, 선택적으로 함께 또는 별개로 배치되는 적어도 하나의 전자 보드 및/또는 유니트(unit)가 있을 수 있다.
용어 "시스템 제어 수단"은 가스 및 유체 제어 밸브 및 펌프, 에어 송풍 유니트(unit) 및 안전 장치를 포함한다.
문맥이 달리 지시되지 않는 한, 단어 "포함하다", "포함하고", "포함하는" 등은 철저한 의미보다는 오히려 포괄적인 의미로, 즉 해석하면 "포함하지만 이에 국한되지 않음"으로 이해하여야한다. 이 표현들은 더 이상의 구성 요소가 존재하지 않는 실시예들을 포함한다.
"배출 산화제 출구" 및 이를 통해 흐르는 산화제는 또한 "캐소드 오프-가스(cathode off-gas)"로 지칭될 수 있다. 유사하게, "배출 연료 출구" 및 이를 통해 흐르는 배출 연료는 "애노드 오프-가스(anode off-gas)"로 지칭될 수 있다.
본 발명의 특별한 및 바람직한 측면은 첨부된 독립 청구항에 명시되어 있다. 종속 청구항들로부터 특징들의 조합은 독립 청구항의 특징과 원하는 대로 적절하게 그러나 단순히 청구항들에 명시된 대로는 아니게 조합될 수 있다.
최상의 모드를 포함하여 기술 분야의 통상의 기술자에게 실시가능한 본 발명에 대한 개시가 본 명세서의 나머지 부분에서 더 구체적으로 설명된다. 본 발명의 실시예들 및 그 실시예들에 대한 하나 이상의 예들에 대하여 상세하게 설명된다. 각각의 예는 본 발명을 제한하는 것이 아니라 본 발명의 설명을 위한 방법으로 제공된다.
본원에 사용된 도면 부호들의 목록은 특정 실시예 끝에 제공된다. 본 명세서 및 도면들에서 기호들의 반복적인 사용은 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내기 위한 것이다.
다양한 수정 및 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명에서 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 일 실시예의 부분은 또 다른 실시예를 생성하기 위해 다른 실시예에서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 이러한 변형 및 변경을 포함한다.
단지 설명을 위하여 수치는 단일의 연료 전지 또는 단일의 연료 전지 스택 반복층을 단지 나타낼 수 있다. (도시되지 않은) 다양한 실시예들에서, 다수의 연료 전지가 제시된다. (도시되지 않은) 다양한 실시예들서, 다수의 연료 전지 스택의 반복층이 제시된다. (도시되지 않은) 또 다른 실시예들에서, 다수의 연료 전지 스택이 제시되며, 또 다른 실시예들에서, 각각이 다수의 연료 전지들을 가지는 다수의 연료 전지 스택이 제시된다. 애노드 및 캐소드 입구, 출구(오프-가스), 덕팅(ducting), 매니폴딩(manifolding) 및 온도 센서와 이들의 구성은 이러한 실시예들을 위하여 적절하게 수정되는 것으로 이해될 것이며, 당업자에게 명백할 것이다.
이하의 실시예에서, 공기가 산화제로 이용된다. 따라서, 이하의 실시예에서 "산화제"를 언급하는 것은 "공기"를 언급하는 것 또한 그 반대로도 해석될 수 있다.
실시예
1
본 실시예는, WO 2007/085863에 기초하여 변형된 압축 시스템을 이용하고 있으며, WO 2008/104760에 기초하여 변형된 후드(hood) 배열, 연료 전지, 매니폴딩(manifolding) 배열을 사용한다. 프리-히터/시동 버너 및 열교환기는 일반적으로 WO 2008/104760에서 교시된 대로이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 중온(intermediate-temperature) 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체(10)는 다음을 포함한다.
(i) 베이스 플레이트(20);
(ⅱ) 베이스 플레이트(20) 상에 탑재된 중온 고체 산화물 연료 전지 스택(30);
(ⅲ) 엔드 플레이트(40); 및
(ⅳ) 베이스 플레이트(20)와 엔드 플레이트(40) 사이의 연료 전지 스택(30)에 압축력을 발휘하도록 하는 클램핑 수단(50).
베이스 플레이트(20) 및 엔드 플레이트(40)는 스테인리스 스틸 3CR12로 만들어진다.
연료 전지 스택(30)은 제1 및 제2 엔드(end)(31, 32)를 포함하고, 상기 베이스 플레이트(20)와 상기 엔드 플레이트(40) 사이에 탑재 배치되고, 베이스 플레이트(20)로부터 엔드 플레이트(40)의 방향으로 배열되는,
(a) 3개의 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들(70)의 제1 세트(60);
(b) 전기 화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들(90)의 세트(80); 및
(c) 3개의 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들(70)의 제2 세트(100) 를 포함한다.
각각의 전기 화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(90)은 하나의 연료 전지 셀(91)(다른 실시예(도시되지 않음)에서, 각각의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(90)은 복수 개의 연료 전지 셀들(91)을 가짐)을 포함한다. 각각의 연료 전지 셀(91)은, 금속 기판(110) 위에 장착되고, 금속 기판 비다공성 영역(110B)에 의해 둘러싸인 금속 기판 다공성 영역(110A)을 커버링하는, 애노드(120), 전해질(130) 및 캐소드(140)를 포함한다. 금속 기판(110)은 전기 전도성 금속 상호연결 플레이트(150) 위에 장착되고, 연료 흐름을 위한 매니폴딩(manifolding)을 제공한다.
각각의 연료 전지 스택 반복 층들(70, 90)은 또한 전기 절연 가스 밀봉 가스켓(gasket)(430, 440)을 포함한다.
상기 전기 절연 가스켓(430, 440)에 의하여, 제1 연료 전지 스택 반복 층(90 또는 70)의 금속 기판(110)은 인접한 금속 상호연결 플레이트(150)(예를 들어, 제2의 인접한 연료 전지 스택 반복 층(90 또는 70)의)와 직접적으로 전기 접촉을 하게 되는 것이 방지된다. 산화제 유동 경로(160)가 각각의 제1 연료 전지 스택 반복 층(90, 70)의 금속 기판 (110)과 그 인접한 금속 상호접속 플레이트(150)(예를 들어, 제2의 인접한 연료 전지 스택 반복 층(90 또는 70)의) 사이에 형성되고, 개방형 매니폴드된(manifolded) 산화제 입구(170)로부터 내부로 매니폴드된 배출 산화제 출구(180)까지 지나간다.
연료 유동 경로(190)는 금속 기판(110) 및 금속 상호연결 플레이트(150) 사이에서 내부로 매니폴드된 연료 입구(200)로부터 내부로 매니폴드된 배출 연료 출구(210)까지 형성된다.
각각의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)은 전기화학적 기능을 수행할 수 없도록 적용되며, 금속 기판(220) 및 금속 상호연결 플레이트(150)를 포함하며, 산화제 입구(170)로부터 배출 산화제 출구(180)로까지의 산화제 유동 경로(160)를 형성하고 있다.
베이스 플레이트(20)는 산화제 입구(260), 연료 입구, 배출 산화제 출구(280) 및 배출 연료 출구(290)를 포함한다. 베이스 플레이트(20)는 또한 타이바(tiebar)(310)의 나사 엔드(310A, 310B)(나사는 미도시)를 수용하도록 형성된 4개의 나사홈(300) 한 세트를 포함한다.
타이바(tiebar)(310)는 하스텔로이(RTM) C-276 (헤인즈 인터내셔널사, www.haynesintl.com)으로부터 제조되고, 회로 단락을 방지하기 위해 전기 절연성 코팅을 갖는다. 타이바(310)의 제조를 위한 다른 적합한 재료는 인코넬(RTM) 합금 718(스페셜 메탈 코포레이션;www.specialmetals.com)이 있다.
타이바(310)의 나사 엔드(end)(310A)는 베이스 플레이트(20)에 있는 나사홈(300)에 나사 결합된다. 타이바(310)는 베이스 플레이트(20)에 직교하며 연료 전지 스택(30)의 조립을 위한 가이드로 역할한다.
연료 전지 스택(30)의 구성 요소들이 조립하는 중에 타이바(310)를 통해 미끄러질 때(특히 타이바(310)의 나사 엔드(310B)를 통해 미끄러질 때) 손상되는 것을 방지하여 위하여, 나사 보호 장치("벌릿 엔드 나사 보호 장치(bullet end thread protection devices")(420)가 타이바(310)의 나사 엔드(310B)에 나사결합되어, 연료 전지 스택(30)을 조립하는 중에 구성 요소들(특히, 반복층(70 및 90))이 타이바(310)를 수월하게 통과할 수 있도록 할 수 있다.
이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, 연료 전지 스택 조립체(10)는, 6개의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)(3개의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 제1 세트(60) 및 3개의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 제2 세트(100))과 더불어, 99개의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(90)을 포함하고, 약 1Kw의 지속적인 전력 출력을 달성할 수 있다. 더 작은 개수의 연료 전지 스택 반복 층들(70, 90)로 조립된 연료 전지 스택의 다른 실시예(예컨대, 20개 미만의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복층(90)을 갖는 경우, 미도시)에서는, 적합한 재료로 에프티코트 800(포에톤 인더스트리사, 영국 www.poeton.co.uk)으로 또는 이와 동등한 알루미나 기반 코팅 재료로 코팅된 인코넬(RTM; 스페셜 메탈 코포레이션, 미국) 타이바를 또한 포함한다.
베이스 플레이트(20)는 그 위에 연료 전지 스택(30)이 장착될 편평한 상부면(20A)을 일반적으로 포함한다. 전기적 열적 절연 운모계 가스켓(320)이 베이스 플레이트(20)의 상부면(20A)에 장착되고, 이 절연 운모계 가스켓(320)은 베이스 플레이트(20)와 그 위에 배치되는 연료 전지 스택 층들과의 사이에 전기적 열적 절연을 제공한다.
그리고 3 개의 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)의 제1 세트(60)는 전기적 열적 절연 가스켓(320)의 상부 상에 위치한다. 앞서 상세히 설명한 바와 같이, 각각의 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)은 금속 기판(220), 금속 상호연결 플레이트(150) 및 이들 사이에 비활성 연료 전지 스페이서(151)를 포함한다. 또한, 전기 절연 가스 밀봉 가스켓(430, 440)이 포함된다.
위에서 설명한 바와 같이, 산화제 유동 경로(230)는 산화제 입구(240)로부터 배출 산화제 출구(250)에 이르기까지 한정된다.
비활성 연료 전지 스페이서(151)는 (연료 흐름을 금속 기판 (220)과 상호연결 플레이트(150) 사이에서 배출 연료 출구(210) 방향으로 한정된 보이드(void)(220A)를 통해 가능하도록 할) 연료 입구(200)를 포함하지는 않는다. 대신에, 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)의 인접한 구성 요소들(금속 기판(220) 및 상호연결 플레이트(150))로의 연료 유동 및 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)의 인접한 구성 요소들(금속 기판(220) 및 상호연결 플레이트(150))로부터의 연료 유동은 허락하면서, 보이드(220A)로의 연료 유동을 방지하는 연료 가스 유동 매니폴드(200A)를 포함한다.
전기 화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(90)의 금속 기판(110)과는 달리, 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)의 금속 기판(220)은 다공성 영역(110A)를 갖지 않으며, 애노드(120), 전해질(130) 및 캐소드(140) 층들을 갖는 연료 전지 셀(91)을 포함하지 않는다.
음전원 테이크오프 플레이트(330)는 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)의 제1 세트(60)의 상부 상에 위치하고, 이로부터 연장되어 베이스 플레이트(20)에 있는 베이스 플레이트 전력 공급구(340)와 짝을 이루는 음전원 테이크오프(331)를 가진다.
음전원 테이크오프 플레이트(330)는 그레이드(grade)(441)와 같은 페라이트계 스테인리스 스틸로 만들어진다. 그 두께는 200 마이크론이다.
IT-SOFC의 작동을 위하여 적합한 금속은 당업자에게 명백할 것이다.
다른 실시예에서, 전원 테이크오프 플레이트는 200~500 마이크론의 두께를 갖는다.
전기 절연 가스 밀봉 가스켓(430, 440)은 음전원 테이크오프 플레이트(330)의 상부에 위치하는데, 이는 다음의 연료 전지 스택 반복 층들(70 ,90)의 금속 상호연결 플레이트(150)의 하부면 전류 컬렉터 돌기들(150A)을 위한 충분한 공간을 제공하기 위해서이다.
그리고, 99개의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(90)의 세트(80)가 모노폴(monopole)(330)의 상부에 배치된다. 각각의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(90)은 금속 상호연결 플레이트(150), 전기화학적 활성 연료 전지 스페이서(152), 금속 기판(110), 및 금속 기판(110) 위에 장착되는 애노드(120), 전해질 (130) 및 캐소드(140) 층들을 갖는 연료 전지 셀(91)을 포함한다.
산화제 유동 경로(160)는 산화제 입구(170)로부터 배출 산화제 출구(180)까지 형성된다.
전기화학적 활성 연료 전지 스페이서(152)는 연료 입구(200)를 포함하며, 금속 기판(220) 및 금속 상호연결 플레이트(150) 사이에 형성된 보이드(void)(220A)를 거쳐 배출 연료 출구(210)를 향해 연료 흐름이 가능하게 한다. 그리하여, 연료 유동 경로(190)가 연료 입구(200)에서 배출 연료 출구(210)까지 형성된다.
그리고, 엔드폴(endpole)(350)은 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(90)의 세트(80)의 상단에 배치되고, 이로부터 연장되어 베이스 플레이트(20)의 베이스 플레이트 전력 공급구(360)와 짝을 이루는 양전원 테이크오프(351)를 갖는다.
3개의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)의 제2 세트(100)는 엔드폴(350)의 상부에 위치하며, 연료 전지 스택 제2 엔드(32)를 정의한다.
그리고, 전기 및 열적 절연 가스켓(370)이 연료 전지 스택 제2 엔드(32) 상부에 위치하게 된다. 전기 및 열적 절연 가스켓(370)은 전기 및 열적 절연 가스켓(320)에 따르며 이들 양쪽 가스켓은 전기 및 열적 절연을 제공한다(즉, 제한된 열전도성을 가짐).
후드(400)는 연료 전지 스택(30)을 감싸도록 배치되고, 베이스 플레이트(20)의 둘레 및 그 둘레를 넘어 연장되는 스커트(20B)에 인접한다.
엔드 플레이트(40)는 전기 및 열적 절연 가스켓(370)의 상부에 배치된다.
(미도시의) 제어된 단축 프레스가 엔드 플레이트(40)와 베이스 플레이트(20) 사이에 소정의 압축력을 연료 전지 스택(30)에 발휘하도록 사용되어, 구성 요소들 간의 필요한 가스 밀봉과 전기 전도성을 달성한다. 이 상태에서, 연료 전지 스택 조립체(10)의 압축 높이(즉, 베이스 플레이트(20)로부터 엔드 플레이트(40)까지의 거리)를 얻게 된다.
일단 필요한 압축이 달성되면, 제어된 단축 프레스에 의해 필요한 압축이 유지되고, 벌릿 엔드 나사 보호 장치(420)가 타이바(310)의 나사 엔드(310B)로부터 제거되고, 락킹 돔 너트(390) 및 와셔(380)가 타이바(310)의 나사 엔드(310B)에 위치하게 된다. 락킹 돔 너트(390)는 압축 높이를 유지하기 위하여 죄여진다. 그리고, 단축 프레스에 의해 생성된 압축은 제거된다.
클램핑 수단(50)에 의해 계속되는 제1 압축력에 의해 생성된 어떠한 초기 인장 완화를 보정하기 위해 락킹 돔 너트(390)의 견고함을 확인하고자 한다면, 단축 프레스에 의한 압축력을 재인가할 수도 있고 그 어떤 필요한 조치/변화를 취할 수 있다.
타이바들(310)은 엔드 플레이트(40)를 통해 연장되고, 그 후, 와셔(380) 및 락킹 돔 너트(390)는 타이바(310)의 나사 엔드에 위치하게 된다. 압축력이 발휘되도록 락킹 돔 너트(390)들은 죄여진다.
따라서, 클램핑 수단(50)은 베이스 플레이트(20)의 나사 홈(300), 타이바(310), 및 락킹 돔 너트(390)를 포함한다.
엔드 플레이트(40)는 또한 엔드 플레이트(40)의 둘레 및 그 둘레를 넘어 연장되는 스커트(40A)를 포함한다. 엔드 플레이트(40)가 전기 및 열적 절연 가스켓(370)의 상부에 위치하고 클램핑 수단(50)이 연료 전지 스택(30)으로 압축력을 발휘하면서, 후드(400)는 스커트(40A)에 인접하게 된다.
후드(400)는 가스 밀봉을 제공하기 위해 베이스 플레이트(20) 및 엔드 플레이트(40)에 용접된다. 후드 용적(410)이 베이스 플레이트(20), 엔드 플레이트(40) 및 후드(400) 사이에 한정된다.
음전원 테이크오프(331) 및 양전원 테이크오프(351)가 이들과 베이스 플레이트(20) 사이에 전기적 연결이 없도록 베이스 플레이트(20)를 통과한다. 이는 전기 절연 인서터(inserts)(미도시)의 사용으로 달성된다. 이들 인서트들은 기밀(gas tight)하며, 연료 전지 스택 작동 온도를 넘는 범위에서는 화학적으로 비활성이다.
제조 단계에서, 전기 및 가스 유동 검사는 조립체 적합성 검사를 위하여 연료전지 스택 조립체(10) 상에서 이루어진다.
상기 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)은 연료 입구로부터 배출 연료 출구까지의 연료 유동 경로를 한정하지 않으며, 따라서 이들 사이에는 어떠한 연료 유동도 없다. 이것은 결과적으로 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(90)에서 발견되는 그 어떤 다른 구성요소들 또는 구조물들의 존재에 상관없이, 연료 전지 스택 반복 층(70)은 전기화학적으로 비활성인 것을 의미한다.
여기서, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)은 또한 "더미 셀"로 지칭된다.
작동에 있어서는, 먼저 시동 시에 프리 히터(pre-heater)(미도시)가 사용되어, 상기 전기화학적 비활성 반복 층(70) 및 상기 전기화학적 활성 반복 층(90) 모두에 공급되는 입구 산화제를 가열하며, 이는 전기화학적 활성 반복 층(90)을 작동 온도로 끌어올리기 위하여 이들 양쪽을 모두 가열하고 또한 전기화학적 활성 반복 층(90)으로부터의 열 손실을 줄이는 효과를 가져온다.
열교환기(미도시)는 배출되는 유체/가스로부터 주입되는 유체/가스로 열을 전달하는 효과를 준다. 특히, 배출 가스와 주입 산화제 사이에 열 교환이 일어나며 이는 가열된 산화제가 산화제 입구(170)로 공급되는 결과를 제공한다.
실시예
2
이 특정 실시예에서, 일반적인 연료 전지 스택 조립체(10)는 예 1에서의 경우에 따른다. 그러나, 제2 세트의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(100) 중의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)은 변형되어 그들 내에서의 연료 유동이 방지된다.
이 실시예에서, 비활성 연료 전지 스페이서(151)는 비활성 연료 전지 스페이서(151A)로 대체된다.
도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층 스페이서(151A)는 그 어떠한 연료 매니폴딩(manifolding)를 포함하지 않는다. 즉, 연료 가스 유동 매니폴드(200A)를 포함하지 않으며, 배출 연료 출구(210)를 포함하지 않는다.
이러한 반복 층 스페이서들(151A)은 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 세트(80B)의 제2 단부를 넘어있기 때문에, 연료가 역류하거나 이들을 통과하여 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들로까지 흐르도록 되지 않는다. 그러므로, 이들의 연료 매니폴딩(manifolding)의 부족이 연료 전지 조립체(10)의 작동에 악영향을 끼치지 않는다.
실시예
3
이 특정 실시예에서, 구성 요소들은 일반적으로 실시예 1에서 보인 바와 같다. 그러나, 도 8에 도시된 바와 같이, 음전원 테이크오프 플레이트(330) 및 양전원 테이크오프 플레이트(350)는 연료 전지 스택 제1 엔드(31)와 전기 및 열적 절연 가스켓(320) 사이와, 연료 전지 스택 제2 엔드(32)와 전기 및 열적 절연 가스켓(370) 사이에 각각 위치한다.
실시예
4
이 특정 실시예에서, 구성 요소들은 실시예 1의 것과 동일하며(또한 예 2 또는 3과 동일), 후드(400)가 연료 전지 스택(30) 위에 위치하고, 락킹 돔 너트(390)가 적용된 후에, 베이스 플레이트(20) 및 엔드 플레이트(40)에 밀봉하여 부착된다. 베이스 플레이트(20)와 엔드 플레이트(40)의 모양 및/또는 크기와 후드(400)의 모양은 그에 따라 변형된다. 가스 밀봉은 앞서 설명한 실시예들에서와 같이 베이스 플레이트(20)와 엔드 플레이트(40)의 대응하는 에지 특징 부분들에 대한 가스 기밀 용접으로 달성된다.
다양한
실시예들
전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층이 도 12에 도시되어 있다. 도 13은 비활성 연료 전지 매니폴딩 플레이트(151)와 함께 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 모양을 도시하고 있다. 도 14는 다른 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 모양을 도시하고, 여기에서, 금속 기판(110)은 다공성 영역(110A)을 포함하지 않으며, (애노드, 전해질 및 캐소드 층들(120, 130, 140)을 갖는)연료 전지 셀(91)은 제공되지 않는다. 다른 연료 전지 스택 반복 층들에 대한 매니폴딩(manifolding)은 보여지지 않는다.
다양한 실시예들에서, 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(70)의 금속 기판(220)에는, 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(90)의 애노드(120), 전해질(130) 및 캐소드(140) 층들의 두께와 같은 두께로 벌크 캐소드 물질 층이 제공된다.
예 1
연료 전지 스택 조립체에서 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들의 결합 효과를 확인하기 위해, 비교 데이터가 제1 및 제2 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체들에서 얻어졌다.
제1 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체("버퍼 비활성 층 유"로 칭함)는 (위의) 실시예 1에 따른 연료 전지 스택 조립체이다.
제2 중온 고체 산화물 연료전지 스택 조립체("버퍼 비활성 층 무"로 칭함)는, 그 어떤 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들을 포함하지 않는 것을, 즉 제1 세트의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층을 포함하지 않고 제2 세트의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층을 포함하지 않음을 제외하고는 상기 제1 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체와 동일하다.
실험에서는 두 스택 조립체들은 동일한 밸런스-오브-플랜트(balance-of-plant) 장비 및 동일한 테스트/측정 장비를 갖는 스택 테스트 설비로 정상 상태 조건 하에서 운행되었다. 연료는 증기 개질 천연 가스로써, 두 스택 조립체들로의 연료 및 산화제 공급은 동일했다. 연료 전지 스택에 걸린 외부 전기 부하는 0.5kW이었다.
표준 시동 절차 후, 두 스택들은 48시간 동안 0.5kW 테스트 포인트에서 정상 상태 조건으로 작동되었다. 스택 전압은 전체 시험 시간 동안 모니터링되었다.
정상 상태 결과 요약이 표 1(아래)에 주어진다. 상세한 정상 상태 결과는 도 9에 나타나는 바와 같다.
결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 평균 반복 층 전압에서 상당한 증가가 있다. 최소 반복 층 전압에서 매우 실질적이고 상당한 증가가 있고, 반복 층 전압 범위에 상응하는 감소가 나타나는 동안에, 반복 층 최대 전압도 또한 크게 증가한다. 이에 따라, 반복 층 전압의 표준 편차가 감소한다.
전반적으로, 연료 전지 스택의 성능에서 매우 크게 향상이 나타난다.
현저하게, 연료 전지 스택의 단부에 있는 반복 층들의 연료 전지 셀들이 더 잘 작동되기 때문에, 그들은 더 많은 연료를 더 잘 소비할 수 있고, 스택을 빠져나오는 사용되지 않은 연료를 줄이고, 연료 전지 스택의 전기 효율을 1~2%까지 증가시키는 결과를 가져옴으로써 전반적으로 시스템 효율을 향상시킨다.
테스트 시스템 구성은 공칭 0.5kW의 전력 출력 테스트 포인트를 갖는, 더미 반복 층이 없는 연료 전지 스택에 대해서 설정되었고, 고정 전류 부하로 동작되었고, 스택 및 셀 전압을 모니터링하였다. (동일한 고정 전류 부하를 포함하는) 동일한 시스템 구성이 더미 반복 층이 있는 연료 전지 스택에서도 사용되었는데, 같은 전류 측정 포인트에서 셀 전압들의 변화된 효과로서 전력 출력에 변화가 나타난다. 결과는 더미 반복 층이 있는 연료 전지 스택의 경우 약 3.5%의 총 전력 출력 증가를 나타낸다.
동일한 실험은 공칭 1kW의 전력 출력 테스트 포인트에 대해 반복되었고, 결과(미도시)는 더미 반복 층이 있는 연료 전지 스택의 경우 약 6%의 총 전력 출력 증가를 나타낸다.
| 버퍼 비활성 층 유 (mV) | 버퍼 비활성 층 무 (mV) | 차이 | |
| 평균 | 837.3 | 809.0 | -28.3 |
| SD | 7.9 | 69.7 | 61.8 |
| 최고 | 851 | 835 | -16 |
| 최저 | 780 | 490 | -390 |
| 범위 | 71 | 345 | 274 |
참조 부호들은 이해를 쉽게 하기 위한 목적으로 청구항에 포함되고, 특허 청구의 범위를 제한하지 않는다. 본 발명은 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 다른 실시예들은 첨부된 청구항의 범위 내에서 당업자에게 명백할 것이다.
10: 연료 전지 스택 조립체(fuel cell stack assembly)
20: 베이스 플레이트(base plate)
20A: 베이스 플레이트 상면(base plate upper surface)
20B: 스커트(skirt)
30: 연료 전지 스택(fuel cell stack)
31: 연료 전지 스택 제1 엔드(fuel cell stack first end)
32: 연료 전지 스택 제2 엔드(fuel cell stack second end)
40: 엔드 플레이트(end plate)
40A: 스커트(skirt)
50: 클램핑 수단(clamping means)
60: 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들의 제1 세트(first set of electrochemically inactive fuel cell stack repeat layers)
70: 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(electrochemically inactive fuel cell stack repeat layer)
80: 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 세트(set of electrochemically active fuel cell stack repeat layers)
80A: 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 세트의 제1 엔드(first end of the set of electrochemically active fuel cell stack repeat layers)
80B: 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 세트의 제2 엔드(second end of the set of electrochemically active fuel cell stack repeat layers)
90: 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(electrochemically active fuel cell stack repeat layer)
91: 연료 전지 셀(fuel cell)
100: 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들의 제2 세트(second set of electrochemically inactive fuel cell stack repeat layers)
110: 금속 기판(metal substrate)
110A: 금속 기판 다공성 영역(metal substrate porous region)
110B: 금속 기판 비다공성 영역(metal substrate non-porous region)
120: 애노드 층(anode layer)
130: 전해질 층(electrolyte layer)
140: 캐소드 층(cathode layer)
150: 금속 상호연결 플레이트(metal interconnect plate)
150A: 전류 컬렉터 돌기(current collector protrusions)
151: 비활성 연료 전지 매니폴딩 플레이트(inactive fuel cell manifolding plate)
151A: 비활성 연료 전지 매니폴딩 플레이트(inactive fuel cell manifolding plate)
152: 전기화학적 활성 연료 전지 매니폴딩 플레이트(electrochemically active fuel cell manifolding plate)
160: 산화제 유동 경로(oxidant flow path)
170: 산화제 입구(oxidant inlet)
180: 배출 산화제 출구(exhaust oxidant outlet)
190: 연료 유동 경로(fuel flow path)
200: 연료 입구(fuel inlet)
200A: 연료 가스 유동 매니폴드(fuel gas flow manifold)
210: 배출 연료 출구(exhaust fuel outlet)
220: 금속 기판[전기화학적 비활성 연료 전지 반복 층의](metal substrate[of electrochemically inactive fuel cell stack repeat layer])
220A: 보이드(void)
260: 산화제 입구(oxidant inlet)
270: 연료 입구(fuel inlet)
280: 배출 산화제 출구(exhaust oxidant outlet)
290: 배출 연료 출구(exhaust fuel outlet)
300: 나사 홈(threaded recess)
310: 타이바(tiebar)
31OA: 나사 엔드(threaded end)
310B: 나사 엔드(threaded end)
320: 전기적 열적 절연 가스켓(electrically and thermally insulating gasket)
330: 음전원 테이크오프 플레이트(negative power take off plate)
331: 음전원 테이크오프(negative power take off)
340: 베이스 플레이트 전력 공급구(baseplate electrical power feed-through)
350: 양전원 테이크오프 플레이트(positive power take off plate)
351: 양전원 테이크오프(positive power take off)
360: 베이스 플레이트 전력 공급구(baseplate electrical power feed-through)
370: 전기적 열적 절연 가스켓 (electrically and thermally insulating gasket)
380: 와셔(washer)
390: 락킹 돔 너트(locking dome nut)
400: 후드(hood)
410: 후드 용적(hood volume)
420: 벌릿 엔드 나사 보호 장치(bullet end thread protection device)
430: 전기 절연 가스 밀봉 가스켓(electrically insulating gas seal gasket)
440: 전기 절연 가스 밀봉 가스켓(electrically insulating gas seal gasket)
20: 베이스 플레이트(base plate)
20A: 베이스 플레이트 상면(base plate upper surface)
20B: 스커트(skirt)
30: 연료 전지 스택(fuel cell stack)
31: 연료 전지 스택 제1 엔드(fuel cell stack first end)
32: 연료 전지 스택 제2 엔드(fuel cell stack second end)
40: 엔드 플레이트(end plate)
40A: 스커트(skirt)
50: 클램핑 수단(clamping means)
60: 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들의 제1 세트(first set of electrochemically inactive fuel cell stack repeat layers)
70: 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층(electrochemically inactive fuel cell stack repeat layer)
80: 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층들의 세트(set of electrochemically active fuel cell stack repeat layers)
80A: 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 세트의 제1 엔드(first end of the set of electrochemically active fuel cell stack repeat layers)
80B: 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 세트의 제2 엔드(second end of the set of electrochemically active fuel cell stack repeat layers)
90: 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층(electrochemically active fuel cell stack repeat layer)
91: 연료 전지 셀(fuel cell)
100: 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층들의 제2 세트(second set of electrochemically inactive fuel cell stack repeat layers)
110: 금속 기판(metal substrate)
110A: 금속 기판 다공성 영역(metal substrate porous region)
110B: 금속 기판 비다공성 영역(metal substrate non-porous region)
120: 애노드 층(anode layer)
130: 전해질 층(electrolyte layer)
140: 캐소드 층(cathode layer)
150: 금속 상호연결 플레이트(metal interconnect plate)
150A: 전류 컬렉터 돌기(current collector protrusions)
151: 비활성 연료 전지 매니폴딩 플레이트(inactive fuel cell manifolding plate)
151A: 비활성 연료 전지 매니폴딩 플레이트(inactive fuel cell manifolding plate)
152: 전기화학적 활성 연료 전지 매니폴딩 플레이트(electrochemically active fuel cell manifolding plate)
160: 산화제 유동 경로(oxidant flow path)
170: 산화제 입구(oxidant inlet)
180: 배출 산화제 출구(exhaust oxidant outlet)
190: 연료 유동 경로(fuel flow path)
200: 연료 입구(fuel inlet)
200A: 연료 가스 유동 매니폴드(fuel gas flow manifold)
210: 배출 연료 출구(exhaust fuel outlet)
220: 금속 기판[전기화학적 비활성 연료 전지 반복 층의](metal substrate[of electrochemically inactive fuel cell stack repeat layer])
220A: 보이드(void)
260: 산화제 입구(oxidant inlet)
270: 연료 입구(fuel inlet)
280: 배출 산화제 출구(exhaust oxidant outlet)
290: 배출 연료 출구(exhaust fuel outlet)
300: 나사 홈(threaded recess)
310: 타이바(tiebar)
31OA: 나사 엔드(threaded end)
310B: 나사 엔드(threaded end)
320: 전기적 열적 절연 가스켓(electrically and thermally insulating gasket)
330: 음전원 테이크오프 플레이트(negative power take off plate)
331: 음전원 테이크오프(negative power take off)
340: 베이스 플레이트 전력 공급구(baseplate electrical power feed-through)
350: 양전원 테이크오프 플레이트(positive power take off plate)
351: 양전원 테이크오프(positive power take off)
360: 베이스 플레이트 전력 공급구(baseplate electrical power feed-through)
370: 전기적 열적 절연 가스켓 (electrically and thermally insulating gasket)
380: 와셔(washer)
390: 락킹 돔 너트(locking dome nut)
400: 후드(hood)
410: 후드 용적(hood volume)
420: 벌릿 엔드 나사 보호 장치(bullet end thread protection device)
430: 전기 절연 가스 밀봉 가스켓(electrically insulating gas seal gasket)
440: 전기 절연 가스 밀봉 가스켓(electrically insulating gas seal gasket)
Claims (18)
- (i) 베이스 플레이트;
(ⅱ) 상기 베이스 플레이트 상에 장착된 적어도 하나의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택;
(ⅲ) 엔드 플레이트; 및
(ⅳ) 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이의 적어도 하나의 연료 전지 스택에 압축력을 발휘하도록 하는 클램핑 수단을 포함하고,
각각의 연료 전지 스택은, 제1 및 제2 엔드를 가지며, 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 장착되도록 배열되며, 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 및 아래 (a)와 (b) 중 적어도 하나를 포함하도록 하며,
(a) 상기 베이스 플레이트와 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 위치한 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층; 및
(b) 상기 엔드 플레이트와 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 위치한 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층,
각각의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층은 금속 기판과, 상기 금속 기판에 장착된 애노드, 전해질, 캐소드 층들과, 금속 상호연결 플레이트와, 상기 금속 기판과 상기 금속 상호연결 플레이트 사이에 위치하며 산화제 입구로부터 배출 산화제 출구까지의 산화제 유동 경로 및 연료 입구로부터 배출 연료 출구까지의 연료 유동 경로를 한정하는 금속 스페이서를 포함하며,
각각의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 전기화학적 기능을 수행할 수 없도록 형성되며, 금속 기판과, 금속 상호연결 플레이트와, 상기 금속 기판과 상기 금속 상호연결 플레이트 사이에 위치하며 산화제 입구로부터 배출 산화제 출구까지의 산화제 유동 경로를 한정하는 금속 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 1 항에 있어서,
각각의 연료 전지 스택은, 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층;
(a) 상기 베이스 플레이트와 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 위치한 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층; 및
(b) 상기 엔드 플레이트와 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 위치한 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 2 항에 있어서,
각각의 연료 전지 스택은 상기 베이스 플레이트로부터 상기 엔드 플레이트로의 방향으로 배열되는,
(A) 제1 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층;
(B) 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층; 및
(C) 제2 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 기판은 쉬트(sheet) 또는 포일(foil)로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 4 항에 있어서,
적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층은 상기 연료 입구로부터 상기 배출 연료 출구로까지의 연료 유동을 막도록 구성된 금속 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 연료 전지 스택 반복 층은 인접한 연료 전지 스택 반복 층을 가지며, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 반복 층은 상기 인접한 연료 전지 스택 반복 층과의 사이에 적어도 하나의 전기적 절연 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 6 항에 있어서,
각각의 연료 전지 스택 반복 층은 적어도 하나의 인접한 연료 전지 스택 반복 층을 가지며, 각각의 연료 전지 스택 반복 층과 상기 적어도 하나의 인접한 연료 전지 스택 반복 층 사이에 적어도 하나의 전기적 절연 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
(a) 상기 제1 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층과 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 위치하는 엔드폴(endpole); 및
(b) 상기 제2 적어도 하나의 전기화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층과 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층 사이에 위치하는 엔드폴(endpole) 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 중온 고체 산화물 연료 전지 스택은 평판형 연료 전지 스택인 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 중온 고체 산화물 연료전지 스택을 함유하는 후드 용적을 한정하는 후드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 10 항에 있어서,
상기 후드는, 상기 베이스 플레이트에 밀봉 부착되고, 상기 베이스 플레이트와 상기 후드 사이의 상기 후드 용적을 한정하는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 11항에 있어서,
상기 후드는, 상기 엔드 플레이트에 더 밀봉 부착되고, 상기 베이스 플레이트, 상기 엔드 플레이트, 상기 후드 사이의 상기 후드 용적을 한정하는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
(a) 상기 베이스 플레이트와 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 사이; 및
(b) 상기 엔드 플레이트와 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 사이
중 적어도 하나에 장착되는 열적 전기적 절연 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베이스 플레이트 및 상기 엔드 플레이트는 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층으로부터 전기적으로 단절되어 있는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층과 전기적으로 연결된 제1 및 제2 엔드폴을 더 포함하며, 상기 베이스 플레이트 및 상기 엔드 플레이트는 상기 적어도 하나의 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층으로부터 전기적으로 단절되어 있는 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 15 항에 있어서,
상기 제1 엔드폴은 상기 베이스 플레이트에 가장 가까운 전기화학적 활성 연료 전지 스택 반복 층의 일부임을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 15 항 또는 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 엔드폴은 상기 엔드 플레이트에 가장 가까운 전기화학적 활성 연료전지 스택 반복 층에 인접한 전기 화학적 비활성 연료 전지 스택 반복 층의 일부인 것을 특징으로 하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체. - 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체를 작동하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
(a) 연료 및 산화제를 상기 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체로의 연료 입구 및 산화제 입구로 각각 공급하는 단계; 및
(b) 상기 산화제로 상기 연료를 산화시키고 전기를 생성하기 위하여 상기 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체를 작동시키는 단계를 포함하는 중온 고체 산화물 연료 전지 스택 조립체를 작동하는 방법.
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