KR20170027858A - 고체 산화물 전지 스택들의 밀봉 배열체 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 대상은 고체 산화물 전지 스택들의 밀봉 배열체이고, 각각의 전지는 연료 측 (100), 산소 풍부 측 (102), 및 연료 측과 산소 풍부 측 사이의 전해질 요소 (104) 를 포함하고, 전지들은 스택을 형성하도록 배열되고, 고체 산화물 전지 스택은 전지에서 유동들을 배열하도록 각각의 전지를 위한 유동 필드 플레이트 (121), 유동 필드 플레이트 (121) 에서의 유동 분배 구역 (143), 유동 필드 플레이트 (121) 에서의 유동 유출 구역 (131), 유동 필드 플레이트 (121) 에서의 유동 구역 (143), 및 유동 분배 구역 (120) 및 유동 유출 구역 (131) 으로 개방된 유동 오리피스들 (126, 136) 을 반복성 구조들 (138) 에서 포함한다. 밀봉 배열체는 유동 필드 플레이트와 전해질 요소 (104) 사이에, 그리고 상기 반복성 구조들 (138) 의 유동 필드 플레이트들 (121) 사이에 위치되는 적어도 하나의 개스킷 구조 (128) 를 포함하고, 제 1 밀봉 층들 (140a) 은 유동 필드 플레이트 (121) 및 개스킷 구조 (128) 와 접촉하고, 제 1 밀봉 층들은 유동 필드 플레이트 (121) 의 선택된 구역 (142a) 에 걸쳐 그리고 개스킷 구조 (128) 의 선택된 구역에 걸쳐 오버레이되고, 선택된 구역들은 부식 최소화 기준들에 기초하여 그리고 밀봉 기능 기준들에 기초하여 선택된다.

Description

고체 산화물 전지 스택들의 밀봉 배열체 및 방법{SEALING ARRANGEMENT AND METHOD OF SOLID OXIDE CELL STACKS}
세계의 대부분의 에너지는 오일, 석탄, 천연 가스 또는 원자력에 의해 생성된다. 모든 이러한 생성 방법들은, 예를 들면, 환경에 대한 친화성 및 유용성에 관한 한 그들 자체의 특별한 문제점을 갖는다. 환경에 관한 한, 특히 오일 및 석탄은 그것들이 연소될 때 오염물을 발생시킨다. 원자력에 있어서의 문제점은 적어도, 사용된 연료의 저장이다.
특히 환경적 문제점들로 인해, 보다 환경 친화적이고, 예를 들면 상기 언급된 에너지 소스들보다 양호한 효율을 갖는 새로운 에너지 소스들이 개발되고 있다. 환경 친화적 프로세스에서 화학적 반응을 통해 연료, 예를 들면 바이오가스의 에너지가 전기로 직접 변환되는 연료 전지들 및 전기가 연료로 변환되는 전해조들은 촉망받는 미래 에너지 해결 장치들이다.
광전지 및 풍력과 같은 재생 가능한 에너지 생성 방법들은 그 전력 생산이 환경적 영향들에 의해 제한받기 때문에 계절적 생성 편차들에서 문제점에 직면한다. 과잉 생성의 경우에, 물 전기 분해를 통한 수소 생성은 미래 에너지 저장 옵션들 중 하나로 제안되고 있다. 추가로, 전기 분해 전지는 또한 재생 가능한 바이오가스 저장부들로부터 고품질 메탄 가스를 생성하는 데 이용될 수 있다.
본 발명은 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 스택 또는 고체 산화물 전해조 전지 (SOEC) 스택에서의 밀봉 배열체에 관한 것이다. 연료 전지는 전지 애노드 전극에서 입력 반응물 연료 가스 및 캐소드 전극에서 가스형 산화제 (산소) 를 반응시켜서 전기를 생성한다.
전해조 반응들은 연료 전지와 반대이고, 즉 전기가 연료 및 산소를 생성하는 데 사용된다. SOFC 및 SOEC 스택들이 샌드위치 방식으로 스택된 전지 요소들 및 세퍼레이터들을 포함하고 각각의 전지 요소는 전해질, 애노드 측 및 캐소드 측을 샌드위칭함으로써 구성된다. 반응물들은 다공성 전극들로 유동 필드 플레이트들에 의해 안내된다.
도 1 에 제공된 바와 같은 연료 전지는 애노드 측 (100) 및 캐소드 측 (102) 및 그들 사이의 전해질 재료 (101) 를 포함한다. 여기서 구조는 전해질 요소 (104) (도 2, 도 3, 도 4) 로서 불리운다. 고체 산화물 연료 전지들 (SOFCs) 에서 산소 (106) 는 캐소드 측 (102) 으로 공급되고 캐소드로부터 전자들을 수용함으로써 음의 산소 이온으로 환원된다. 음의 산소 이온은 연료 (108) 와 반응하여 전자들, 물 및 또한 전형적으로 일산화탄소 (CO) 및 이산화탄소 (CO2) 를 생성하는 애노드 측 (100) 으로 전해질 재료 (101) 를 통해 전달된다. 애노드 (100) 및 캐소드 (102) 는 시스템으로부터의 열과 함께 전기 에너지를 회수하는 연료 전지를 위한 부하 (110) 를 포함하는 외부의 전기 회로 (111) 를 통해 연결된다. 메탄, 일산화탄소 및 수소 연료의 경우에 연료 전지 반응들은 아래에 도시된다:
애노드: CH4 + H2O = CO + 3H2
CO + H2O = CO2 + H2
H2 + O2- = H2O + 2e-
캐소드: O2 + 4e- = 2O2-
네트 반응들: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
CO + l/2O2 = CO2
H2 + l/2O2 = H2O
전기 분해 작동 모드 (고체 산화물 전해조 전지들 (SOEC)) 에서 반응은 반대이고, 즉 소스 (110) 로부터의 전기적 에너지 뿐만 아니라 열은 전지로 공급되고, 그곳에서 물 및 종종 또한 이산화탄소가 캐소드 측에서 환원되어 산소 이온들을 형성하고 산소 이온들은 산화 반응이 발생하는 애노드 측으로 전해질 재료를 통해 이동한다. SOFC 및 SOEC 모드들 모두에서 동일한 고체 전해질 전지를 사용하는 것이 가능하다. 그러한 경우 및 본 설명의 상황에서 전극들은 연료 전지 작동 모드에 기초하여 애노드 및 캐소드로 전형적으로 칭해지는 한편, 순전히 SOEC 적용예들에서만 산소 전극 애노드로 칭해지고, 반응 물질 전극은 캐소드로서 칭해질 수 있다.
고체 산화물 전해조 전지들은 고온 전기 분해 반응을 발생시키는 것을 허용하는 온도들에서 작동하고, 상기 온도들은 전형적으로 500-1000℃ 이지만, 상기 제한들과 상이한 온도들이 사용될 수 있다. 이들 작동 온도들은 SOFCs 의 그러한 조건들과 유사하다. 네트 전지 반응은 수소 및 산소 가스들을 생성한다. 1 몰의 물에 대한 반응들은 다음과 같이 나타내어지고 물의 환원은 애노드에서 발생한다:
캐소드: H2O + 2e- ---> 2 H2 + O2-
애노드: O2- -- > l/2O2 + 2e-
네트 반응: H2O -- > H2 + l/2O2.
일반적으로 여기서 고체 산화물 전지 스택으로 칭해지는, 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 및 고체 산화물 전해조 (SOE) 스택들에서, 인접한 전지들 사이에 가스의 유동 방향들 뿐만 아니라 각각의 전지에 내부에서 애노드 가스에 대한 캐소드 가스의 유동 방향이 스택의 상이한 전지 층을 통해 조합된다. 추가로, 캐소드 가스 또는 애노드 가스 또는 모두는 그것이 소모되기 전에 하나보다 많은 전지를 통해 통과하고 복수의 가스 스트림들은 1 차 전지를 통과한 후 그리고 2 차 전지를 통과하기 전에 분할되거나 또는 합쳐질 수 있다. 이들 조합들은 전지들 및 전체 스택에 걸쳐 열적 구배들을 최소화시키고 전류 밀도를 증가시키는 역할을 한다.
SOFC 는 거의 0.8V 의 전압을 일반적인 작동에서 산출한다. 총 전압 출력을 증가시키도록, 연료 전지들은 연료 전지들이 유동 필드 플레이트들 (또한: 세퍼레이터 플레이트들, 상호 연결 플레이트들, 상호 연결기 플레이트들, 양극성 플레이트들) 을 통해 전기 연결되는 스택들에 일반적으로 조립된다. 원하는 레벨의 전압은 요구되는 전지들의 수를 결정한다.
양극성 플레이트들은 인접한 전지 유닛들의 애노드 및 캐소드 측들을 분리하고 동시에 애노드와 캐소드 사이에서 전자 전도를 가능하게 한다. 상호 연결부들, 또는 양극성 플레이트들에는 일반적으로 상호 연결 플레이트의 일측에서 연료 가스 및 다른 측에서 산화 풍부 가스의 통로를 위한 복수의 채널들이 제공된다. 연료 가스의 유동 방향은 전지 유닛의 연료 유입 부분으로부터 연료 유출 부분으로 실질적인 방향으로서 규정된다. 마찬가지로, 산소 풍부 가스의 유동 방향은 전지 유닛의 그 유입 부분으로부터 그 유출 부분으로의 실질적인 방향으로서 규정된다.
종래에, 전지들은 완전한 오버랩으로 겹쳐서 스택되어 스택의 일측에서 모든 연료 및 산화제 유입들 및 반대 측에서 모든 연료 및 산화제 유출들을 갖는 예를 들면 동축류를 갖는 스택을 생성한다. 작동시에 구조의 온도들에 영향을 주는 하나의 특성은 전지 내로 공급되는 연료의 스팀 재형성이다. 스팀 재형성은 흡열성 반응이고 전지의 연료 유입 에지를 냉각한다.
전기 화학적 프로세스의 발열성으로 인해, 유출 가스들은 유입 온도보다 고온으로 나간다. 흡열성 및 발열성 반응들이 SOFC 스택에서 조합될 때에 스택에 걸쳐 현저한 온도 구배가 발생된다. 큰 열적 구배들은 스택에서 열적 스트레스들를 유도하고 이는 매우 바람직하지 못하며 그것들은 전류 밀도 및 전기 저항성에서 차이를 수반한다. 따라서 SOFC 스택의 열적 매니지먼트의 문제점은: 허용될 수 없는 스트레스들을 회피하고 균질한 전류 밀도 프로파일을 통해 전기 효율성을 최대화시키는 데 충분하도록 열적 구배들을 감소시는 데 있다.
종래 기술 분야의 연료 전지 스택들 또는 전해조 전지 스택들은 스택들의 전지 구조들 사이에서 전해질 요소 구조 두께의 허용 오차 편차들을 갖는다. 예를 들면 세라믹 재료들이 사용되는 전지 스택 구조에서, 단지 겨우 마이크로미터들의 측정에서 두께 편차들만이 종래 기술 분야의 실시형태들에서 알맞을 것이다. 이는 전지들 사이에서 상이한 유동 조건들을 발생시켜 스택 구조에서 전지 전압 프로파일을 변화시켜서 스택의 감소된 전력 밀도 및 전지들 사이에서 열적 구배들을 발생시킨다. 따라서 모두 스택들의 듀티 비는 감소되고 스택들의 수명이 감소되고, 전자는 생성된 전력 출력 당 스택의 자본비를 증가시키고 후자는 스택 구조의 작동 비용을 증가시키는 데, 왜냐하면 예를 들면 스택 교체 시간이 연료 전지 시스템에서 줄어들고 전기의 비용이 전해조 스택에서 증가되기 때문이다.
고온 고체 산화물 전지 스택들은 모든 연료 전지 및 전기 분해 모드에서 그들의 극도로 높은 효율성으로 인해 바람직한 변환 기술들이다. 이들 기술들과 관련된 고유한 문제점은 또한 고온으로부터 기인하는 재료들의 부식이며 이는 구조들에 대해 내부 저항들을 증가시켜 각각 연료 전지 및 전해조의 전기 생산 및 수소 생산 능력을 감소시킨다는 것이다.
부식 문제점들은 스택 구조의 다수의 장소에서 존재할 수 있지만 시스템들 중 다양한 재료를 포함하는 영역들에서 전형적으로 강조된다. 그러한 시스템은 금속 상호 연결 구조, 밀봉 구조와 산화 가스 사이의 3 상 (triple phase) 구역이다. 그러한 재료 시스템에서 예를 들면 그 양호한 내부식성으로 인해 페라이트 스테인레스 강 등급들로 전형적으로 제조되고 다른 스택 재료들 사이에서 열 팽창 특징들과 매칭하는 금속 상호 연결 재료는 예를 들면 금속의 결정 구조를 변경함으로써 또는 금속 표면의 보호성 산화물 구조를 변경함으로써 적어도 부분적으로 유리 재료로 전형적으로 제조된 밀봉 구조와 반응할 수 있고 이는 결국 평면에 걸쳐 강 재료의 산화에 이르게 하고 연료 및 산소에 대한 직접 경로로 발생시켜 구조의 돌발 고장을 혼합 발생시킨다.
본 발명의 목적은 연료 전지 또는 전해조 전지 스택의 신뢰성 및 수명을 개선시키는 것이다. 이는 고체 산화물 전지 스택들의 밀봉 배열체에 의해 달성되고, 각각의 전지는 연료 측, 산소 풍부 측, 및 연료 측과 산소 풍부 측 사이의 전해질 요소를 포함하고, 전지는 스택을 형성하도록 배열되고, 고체 산화물 전지 스택은 전지에서 유동들을 배열하도록 각각의 전지를 위한 유동 필드 플레이트, 유동 필드 플레이트에서의 유동 분배 구역, 유동 필드 플레이트에서의 유동 유출 구역, 유동 필드 플레이트에서의 유동 구역, 및 유동 분배 구역 및 유동 유출 구역으로 개방된 유동 오리피스들을 반복성 구조들에서 포함한다. 밀봉 배열체는 유동 필드 플레이트와 전해질 요소 사이에 그리고, 상기 반복성 구조들의 유동 필드 플레이트들 사이에 위치된 적어도 하나의 개스킷 구조를 포함하고, 제 1 밀봉 층들은 유동 필드 플레이트 및 개스킷 구조와 접촉하고, 제 1 밀봉 층들은 유동 필드 플레이트의 선택된 구역 및 개스킷 구조의 선택된 구역에 걸쳐 오버레이되고, 선택된 구역들은 부식 최소화 기준들에 기초하여 그리고 밀봉 기능 기준들에 기초하여 선택된다.
본 발명의 초점은 또한 고체 산화물 전지 스택들을 위한 밀봉 방법에 관한 것이고, 각각의 전지는 연료 측, 산소 풍부 측, 및 연료 측과 산소 풍부 측 사이의 전해질 요소를 포함하고, 전지들은 스택을 형성하도록 배열되고, 방법에서 전지에서 유동들이 유동 필드 플레이트를 사용함으로써 배열되고, 연료 공급물 유동이 유동 분배 구역으로 안내된다. 밀봉 방법에서 적어도 하나의 개스킷 구조가 유동 필드 플레이트와 전해질 요소, 그리고 반복성 구조들의 유동 필드 플레이트들 사이에 위치되고, 제 1 밀봉 층들이 유동 필드 플레이트 및 개스킷 구조와 접촉하게 위치되고, 방법에서 제 1 밀봉 층들이 유동 필드 플레이트의 선택된 구역에 걸쳐 그리고 개스킷 구조의 선택된 구역에 걸쳐 오버레이되고, 선택된 구역들은 부식 최소화 기준들에 기초하여 그리고 밀봉 기능 기준들에 기초하여 선택된다.
본 발명은 유동 필드 플레이트 및 개스킷 구조와 접촉하는, 그리고 전해질 요소 및 개스킷 구조와 접촉하는 밀봉 층 구조들의 사용에 기초된다. 밀봉 층들은 유동 필드 플레이트의 선택된 구역에 걸쳐, 개스킷 구조들의 선택된 구역에 걸쳐, 그리고 선택적으로 또한 전해질 요소의 선택된 구역에 걸쳐 오버레이된다. 선택된 구역은 접촉하는 재료들의 구조들에 기초하여, 그리고 연료 전지 스택 또는 전해조 스택의 기능 구조에 기초하여 결정된다.
본 발명의 이점은 전지 스택의 신뢰성이 개선되어 SOFC 및 SOEC 시스템들의 작동 비용을 감소시키고, 전지 스택의 수명이 보다 길어지고, 따라서 전체 전지 시스템의 파워 작동이 종래 기술 분야의 실시형태들과 비교하여 보다 양호하고 보다 경제적으로 된다는 것이다.
도 1 은 단일한 연료 전지 구조를 제공한다.
도 2 는 반복성 고체 산화물 전지 구조를 제공한다.
도 3 은 본 발명에 따른 예시적인 전지 구조를 제공한다.
도 4 는 본 발명에 따른 하나의 바람직한 밀봉 배열체의 단면도를 제공한다.
도 5 는 예시적인 개스킷 구조를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료 전지 또는 전해조 스택은 적어도 두개의 단일한 반복성 구조들을 포함한다. 단일한 반복성 구조는 하나가 전해질 요소 구조의 산소 풍부 측에서 산소 풍부 가스를 분배하고 다른 하나가 전해질 요소의 연료 측에서 연료 가스를 분배하는, 적어도 두개의 유동 필드 플레이트들 사이에 위치된 연료 측, 중간의 전해질, 및 산소 풍부 측을 포함하는 적어도 하나의 전기 화학적으로 활성 전해질 요소 구조, 및 그 의도된 엔클로져에서 가스 분위기를 밀봉하는 적어도 하나의 밀봉 수단을 포함한다. 유동 필드 플레이트는 연료 가스 및/또는 산소 풍부 가스를 위한 적어도 하나의 유입 개구들 및 사용된 연료 가스 및/또는 산소 풍부 가스를 위한 적어도 하나의 유출 개구들을 갖는다. 연료 가스 및 산소 풍부 가스의 유동 방향들은 모든 가스들이 전해질 요소의 각각의 측에서 동일한 방향으로 본질적으로 유동하는 동축류 배열로, 또는 유동 방향이 연료 가스와 산소 풍부 가스 사이에서 본질적으로 대향되는 대향류 배열로, 또는 연료 가스와 산소 풍부 가스 사이에서 본질적으로 90°각도인 크로스 유동 배열로, 또는 그들의 조합들로 배열될 수 있다.
다음에, 본 발명은 고체 산화물 연료 전지 기술와 관련하여 주로 설명된다. 고체 산화물 전해조 스택은 단지 전기가 종래 기술 분야에서 설명된 바와 같이 연료 전지 반응들에 역 반응들로 화학물질들을 제조하는 데 사용되는 방식이라는 점에서 고체 산화물 연료 전지 스택과 상이하다.
도 2 는 예시적인 반복성 고체 산화물 전지 구조를 제공한다. 고체 산화물 전지 스택은 도시된 방식으로 반복성 구조 (138) 에 위치된 몇개의 플레이트들 (121) 을 포함한다. 이러한 실시형태에서 플레이트들은 직사각형 및 대칭적이다. 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 전해질 층을 포함하는 전해질 요소 구조 (104) 는 일반적으로 플레이트의 중앙에서 플레이트들 (121) 사이에 위치된다. 전해질 요소 구조 (104) 는 임의의 적절한 전해질 요소 구조일 수 있고 따라서 본원에서 임의의 추가의 상세로 설명되지 않는다. 유동 필드 플레이트들 (121) 및 전해질 요소 구조 (104) 는 예를 들면 규산염 미네랄, 유리, 금속, 유리-세라믹, 세라믹 또는 그들의 복합 재료인 바람직하게 압축 가능한 재료로 제조되는 개스킷 구조 (128) 로 밀봉된다. 본 발명에 따른 개스킷 구조들 (128) 은 전지들이 스택을 형성하도록 조립될 때에 압축된다. 두개의 대향하는 유동 필드 플레이트들 (121) 및 전해질 요소 구조 (104) 및 그들 사이의 개스킷 구조 (128) 는 단일한 반복성 구조를 형성한다.
하나의 실시형태 (예를 들면 도 2) 에서 유동 오리피스들 (127, 137) 의 높이들은 스택의 반복성 구조들 (138) 에서 유동 분배를 안정화시키도록 유동 유출 구역 (131) 및 유동 분배 구역 (120) 의 바닥의 적어도 하나로부터 개스킷 구조 (128) 의 바닥으로의 거리만큼 결정될 수 있고, 이는 전해질 요소 구조 (104) 두께에서 허용 오차 편차들을 갖는다. 전지들 사이의 유사한 압력 손실 조건들은 스택의 전지들 사이에서 고른 열적 분배, 즉 유사한 열적 구배들을 달성하도록 적어도 유동 부분들 (150) 로부터 압축되고 또한 사전 압축될 수 있는 개스킷 구조 (128) 를 사용함으로써 달성된다. 따라서 고체 산화물 전지 스택의 듀티 비가 개선되고 또한 스택의 수명이 보다 길게 된다.
본 발명에 따른 전지 스택 배열체는 유동 분배 구역 및 유동 유출 구역으로 개방된 유동 제한 오리피스들을 포함할 수 있다. 하나의 실시형태에서 연료 전지의 측들로부터 유동 분배 구역으로 연료 공급물 유동을 안내하기 위한 수단이 사용될 수 있다. 개스킷 구조는 유동 제한 오리피스들에 걸쳐 압축된다. 유동 제한 오리피스들은 유동 경로에 부가적인 압력 싱크를 생성함으로써 연료 전지 전극의 전체 활성 구역으로 균질한 연료 유동 분배를 보장한다. 개스킷 구조는 또한 연료 전지의 각각의 반복성 구조에 대해 균질한 유동 분배 특징들을 보장하도록 연료 전지의 반복성 구조들 사이에서 유사한 압력 손실 조건들을 생성한다. 연료 전지 스택에서의 고른 유동 분배는 또한 연료 전지 스택에 대해 고른 열적 분배 조건들, 즉 스택의 전지 사이에서 유사한 열적 구배들을 보장한다. 따라서 연료 전지 스택의 듀티 비는 개선되고, 스택의 수명이 보다 길게 된다.
개스킷 구조의 목적은 산화제 및 연료가 전기 화학적으로 활성 구역 내측에서 연료 전지 반응들 없이 직접 혼합되지 않고, 연료 및 산화제가 전기 화학적 전지들로부터 외부로 누출되지 않고, 인접한 전기 화학적 전지들이 서로 전기 접촉하지 않고, 산화제 및 연료가 원하는 유동 필드 플레이트 평면들에 공급되는 것을 추가로 보장하는 것이다. 유동 필드 플레이트는 금속 합금, 세라믹 재료, 서밋 재료 또는 연료 전지에 존재하는 화학적, 열적 및 기계적 스트레스들에 저항할 수 있는 다른 재료로 제조되는 얇은 평면형 플레이트이다. 산소 풍부 가스는 측정 가능한 양의 산소를 포함하는 임의의 가스 또는 가스 혼합물일 수 있다.
유동 필드 플레이트들의 윤곽진 표면을 형성하기 위한 바람직한 제조 방법들은 재료의 형상이 변하지만 어떠한 재료도 부가되거나 제거되지 않는 스탬핑, 프레싱 등과 같은 소성 변형을 사용하는 방법들, 또는 재료가 용접과 같이 부가되거나 또는 에칭과 같이 제거되는 방법들이다. 압출, 캐스팅, 프린팅, 몰딩 등과 같이 다른 제조 방법들은 유동 필드 재료가 취성이라면 사용될 수 있다. 가스들을 위한 오리피스들은 동일한 제조 단계에서 일반적으로 제조될 수 있다.
각각의 유동 필드 플레이트는 스택 조립 구조에서 유사하게 제조될 수 있고, 따라서 단지 하나의 타입의 플레이트가 원하는 양의 반복성 전해질 요소 구조들을 갖는 연료 전지 스택을 제조하는 데 요구된다. 이는 구조를 간단화시키고 연료 전지들의 제조를 용이하게 한다.
연료 전지 시스템에서 단일한 가장 큰 에너지 소비 장치는 연료 전지 스택의 캐소드 구획에 공기를 공급하는 데 사용되는 공기 송풍기 또는 압축기이다. 공기 공급 장치들의 전력 소비는 그것들이 공기를 압축해야 하는 압력 레벨에 비례한다. 또한 고체 산화물 전해조 시스템에서, 공기는 전형적으로 애노드 구획에서 보다 양호하게 규정된 산소 분압을 지속시키고 전해조 스택의 열 밸런스를 제어하도록 애노드에 공급된다. 연료 전지 및 전해조 시스템에서 메인 압력 손실 소스들의 하나는 스택 자체이다. 장치의 공기 측이 주위의 대기들에 대해 개방된 채널들을 갖는 방식으로 장치를 구성하는 것이 유리하다. 이러한 구성에서, 공기 공급 및 배기 챔버들은 압력 손실들이 최소화되는 방식으로 스택 장치로부터 개별적으로 구성될 수 있다. 그러한 구성은 또한 공기가 스택의 내부로 매니폴딩되는 해결책과 비교하여 스택 풋프린트가 감소될 수 있어서 재료가 절감되기 때문에 시스템에 대해 비용 감소들을 허용한다. 추가로, 하나의 실시형태에서 연료 전지의 측들에 연료 분배 채널들의 배치부는 바람직하게 연료 분배 채널들이 연료 전지 스택으로 고른 공기 유동 분배를 보장하도록 공기 유입 및 유출 측들에 관해 90°로 위치되는 데 왜냐하면 이는 이때 스택으로의 공기 유동을 제한하지 않기 때문이다. 본 발명에 따른 실시형태들에서 연료 분배 채널들은 또한 상기 제공된 바와 다르게 위치될 수 있다.
도 3 에서 본 발명에 따르면 예시적인 밀봉 배열체 구조가 제공되고 도 4 에서 본 발명에 따른 상기 바람직한 밀봉 배열체의 단면도가 제공된다. 각각의 고체 산화물 전지는 연료 측 (100), 산소 풍부 측 (102), 및 연료 측과 산소 풍부 측 사이의 전해질 요소 (104) 를 포함한다. 고체 산화물 전지들은 연료 전지들 또는 전해조 전지들이다. 전지들은 스택을 형성하도록 배열되고, 상기 스택은 전지에서 가스 유동들을 배열하도록 각각의 전지를 위한 유동 필드 플레이트 (121), 유동 필드 플레이트 (121) 에서의 가스 유동 분배 구역 (120), 및 유동 필드 플레이트 (121) 에서의 가스 유동 유출 구역 (131) 을 반복성 구조들 (138) 에서 포함한다. 고체 산화물 전지 스택은 또한 유동 필드 플레이트 (121) 의 연료 측에서 유동 구역 (143) 및 유동 필드 플레이트 (121) 의 산소 풍부 측에서 유동 구역 (145), 및 유동 분배 구역 (120) 및 유동 유출 구역 (131) 으로 개방된 유동 오리피스들 (126, 136) 을 포함한다. 밀봉 배열체는 유동 필드 플레이트 (121) 와 전해질 요소 (104) 사이에 위치되고, 상기 반복성 구조들 (138) 의 유동 필드 플레이트들 (121) 사이에 위치되는 적어도 하나의 개스킷 구조 (128) 를 포함한다. 밀봉 배열체는 유동 필드 플레이트 (121) 및 개스킷 구조 (128) 와 접촉하는 제 1 밀봉 층들 (140a) 을 추가로 포함한다. 제 1 밀봉 층은 유동 필드 플레이트 (121) 의 선택된 구역 (142a) 에 걸쳐 그리고 개스킷 구조 (128) 의 선택된 구역에 걸쳐 오버레이된다. 바람직한 밀봉 배열체는 또한 전해질 요소 (104) 및 개스킷 구조 (128) 와 접촉하는 제 2 밀봉 층들 (140b) 을 포함한다. 제 2 밀봉 층들 (140a) 은 전해질 요소 (104) 의 선택된 구역에 걸쳐 그리고 개스킷 구조 (128) 의 선택된 구역에 걸쳐 오버레이된다. 선택된 구역들은 부식 최소화 기준들을 기초로 그리고 밀봉 기능 기준들을 기초로 선택된다. 밀봉 층들 (140a, 140b) 은 바람직하게 스크린 프린팅 기술에 의해 제조되고, 적어도 부분적으로 유리 재료, 유리-세라믹 재료, 또는 브레이징 합금 재료이다.
개스킷 구조 (128) 는 바람직하게 예를 들면 규산염 미네랄, 유리, 금속, 유리-세라믹, 세라믹 또는 그들의 복합 재료인 압축 가능한 재료로 제조된다. 본 발명에 따른 개스킷 구조들 (128) 은 전지들이 스택을 형성하도록 조립될 때에 두개의 압축 강도 표면들 사이에서 압축된다. 압축 표면들은 유동 필드 플레이트들 (121) 의 표면들, 또는 전해질 요소 (104) 의 표면 및 유동 필드 플레이트 (121) 의 표면이다. 개스킷 구조 (128) 는 바람직하게 개스킷 구조가 상기 오버레이된 밀봉 층들을 갖지 않는다면 적어도 유동 부분들 (150) 로부터 사전 압축된다. 개스킷 구조 (128) 는 밀봉 층들 (140a 및/또는 140b) 을 캡슐화하기 위해 그리고 밀봉 층들 (140a 및/또는 140b) 으로의 대류성 가스 유동들을 방지하도록 경계부들을 밀봉하기 위해 압축 가능한 재료로 적어도 부분적으로 제조된다. 상기 경계부들은 개스킷 구조 (128) 와 유동 필드 플레이트들 (121) 사이의 경계부들 및/또는 개스킷 구조 (128) 와 전해질 요소 (104) 사이의 경계부들이다. 상기 가스 유동들은 특히 산소 포함 가스들이고, 상기 산소 포함 가스들은 고온 조건들과 함께 유동 필드 플레이트 (121) 금속 및 개스킷 구조 (128) 재료의 접촉 표면들에 그리고 전해질 요소 (104) 재료와 개스킷 구조 (128) 재료 사이의 접촉 표면들에 부식을 발생시킬 수 있다. 선택된 구역, 즉 밀봉 층 (140a, 140b) 의 폭은 바람직하게 상기 캡슐화 및 산소 절연을 성공시키도록 개스킷 구조 (128) 의 폭보다 본질적으로 좁다. 바람직한 밀봉 배열체에서 개스킷 구조 (128) 는 유동 필드 플레이트들 (121) 사이에서 그리고/또는 유동 필드 플레이트들 (121) 과 전해질 요소들 (104) 사이에서 전기를 절연하기 위한 절연 재료를 포함한다.
도 5 에서 본 발명에 따른 개스킷 구조의 또 다른 바람직한 실시형태가 제공되고, 상기 개스킷 구조는 1/2 타원형의 기하학적 형상 (124) 을 갖는다. 전지 스택에서 상기 1/2 타원형의 기하학적 형상 (124) 또는 피드 인 (feed in) 유동들 및 피드 아웃 (feed out) 유동들을 위한 개스킷 구조 (128) 의 또 다른 형상들 (124) 을 갖는 유동 안내 배열체를 사용하는 배열체는 또 다른 실시형태들와 관련하여 상기에서 제공된 것과 상이하게 배열될 수 있다.
바람직하게 개스킷 구조 (128) 는 전해질 요소에 걸쳐 본질적으로 균질한 유동을 조정하기 위한 상기 적어도 하나의 기하학적 형상 (124) 을 포함한다. 기하학적 형상 (124) 은 예를 들면 적어도 부분적으로 타원형의, 예를 들면 1/2 타원형의 또는 1/4 타원형의 또는 타원형을 제외한 다른 기하학적 형상 (124) 이다. 도 5 에서 본 발명에 따른 개스킷 구조의 하나의 바람직한 실시형태가 제공되고, 상기 개스킷 구조는 또한 도 3 및 도 4 의 예시적인 실시형태들에서 도시된 1/4 타원형의 기하학적 형상 (124) 을 갖는다. 개스킷 구조 (128) 는 적어도 유동 부분들 (150) 로부터 사전 압축될 수 있는 바람직하게 압축 가능한 재료로 제조된다. 개스킷 구조는 예를 들면 규산염 미네랄, 유리, 금속, 유리-세라믹, 세라믹 또는 그들의 복합 재료로 제조된다. 상기 압축 및/또는 사전-압축에 기초하여 압력 손실 특징들은 보다 제어 가능하게 되고, 스택에서의 상이한 전지들 사이의 유동 조건들은 실질적으로 동일한 정도로 달성된다. 제한 오리피스들 구역 (127, 137) 에서 개스킷 구조는 개스킷 재료가 제한 오리피스들 구조에서 펼쳐지는 것을 방지하도록 그리고 따라서 개스킷 재료가 제한 오리피스들의 높이 특징들을 변경시키는 것을 방지하도록 양호하게-규정된 두께로 사전 압축될 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태들에서 또한 전해질 요소의 중앙 구역에서 보다 큰 유동 덕트들 (즉 유동 채널들) 및 전해질 요소의 측 구역들에서 보다 작은 유동 덕트들이 배열되는 배열체가 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 연료 전지 스택 또는 전기 분해 전지 스택의 조립 프로세스 중에 전해질 요소 배치가 용이하게 되는 것을 가능하게 한다. 개스킷 구조는 전해질 요소가 개스킷 구조에서의 구멍에 위치될 수 있도록 성형되고, 이때 개스킷 구조에서의 구멍은 조립 프로세스 중에 그 원하는 위치에 전해질 요소를 로킹하고 뿐만 아니라 상기 연료 전지 및 전해조 스택 작업 중에 전해질 요소에 대한 지지부를 제공한다.
따라서, 그 바람직한 실시형태로 적용되는 바와 같은 본 발명의 기본적인 새로운 특징들이 도시되고 설명되고 주목되는 한편, 본 발명의 상세들 및 형태에서 다양한 생략들 및 대체들 및 변경들이 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 본 기술 분야에 숙련된 자에 의해 행해질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 실질적으로 동일한 결과들을 수행하는 그러한 요소들의 모든 조합들은 본 발명의 범위 내에 있도록 명백히 의도된다. 하나의 설명된 실시형태로부터 또 다른 실시형태로 요소들의 대체들이 또한 전체적으로 의도되고 고려된다. 또한 도면들은 반드시 축척으로 도시될 필요는 없지만 그것들은 사실상 단지 개념적이라는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 본원에 첨부된 청구항들의 범위에 의해 나타낸 것에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims (14)

  1. 고체 산화물 전지 스택들의 밀봉 배열체로서,
    각각의 전지는 연료 측 (100), 산소 풍부 측 (102), 및 상기 연료 측과 상기 산소 풍부 측 사이의 전해질 요소 (104) 를 포함하고, 전지들은 스택을 형성하도록 배열되고, 고체 산화물 전지 스택은 상기 전지에서 유동들을 배열하도록 각각의 전지를 위한 유동 필드 플레이트 (121), 상기 유동 필드 플레이트 (121) 에서의 유동 분배 구역 (120), 상기 유동 필드 플레이트 (121) 에서의 유동 유출 구역 (131), 상기 유동 필드 플레이트 (121) 에서의 유동 구역 (143), 및 상기 유동 분배 구역 (120, 131) 및 상기 유동 유출 구역 (131) 으로 개방된 유동 오리피스들 (126, 136) 을 반복성 구조들 (138) 에서 포함하고,
    상기 밀봉 배열체는 상기 유동 필드 플레이트 (121) 와 상기 전해질 요소 (104) 사이에, 그리고 상기 반복성 구조들 (138) 의 유동 필드 플레이트들 (121) 사이에 위치된 적어도 하나의 개스킷 구조 (128) 를 포함하고,
    제 1 밀봉 층들 (140a) 은 상기 유동 필드 플레이트 (121) 및 상기 개스킷 구조 (128) 와 접촉하고, 상기 제 1 밀봉 층들은 상기 유동 필드 플레이트 (121) 의 선택된 구역 (142a) 에 걸쳐 그리고 상기 개스킷 구조 (128) 의 선택된 구역에 걸쳐 오버레이 (overlay) 되고, 상기 선택된 구역들은 부식 최소화 기준들에 기초하여 그리고 밀봉 기능 기준들에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들의 밀봉 배열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉 배열체는 상기 전해질 요소 (104) 및 상기 개스킷 구조 (128) 와 접촉하는 제 2 밀봉 층들 (140b) 을 포함하고, 상기 제 2 밀봉 층들 (140a) 은 상기 전해질 요소 (104) 의 선택된 구역에 걸쳐 그리고 상기 개스킷 구조 (128) 의 선택된 구역에 걸쳐 오버레이되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들의 밀봉 배열체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉 배열체는 두개의 압축 강도 표면들 사이에서 압축되는 상기 개스킷 구조 (128) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들의 밀봉 배열체.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 개스킷 구조 (128) 는 상기 밀봉 층들 (140) 을 캡슐화하고 상기 밀봉 층들 (140) 로의 대류성 가스 유동들을 방지하도록 경계부들을 밀봉하기 위해 압축 가능한 재료로 적어도 부분적으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들의 밀봉 배열체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 개스킷 구조 (128) 는 상기 유동 필드 플레이트들 (121) 사이에서 전기를 절연하기 위한 절연 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들의 밀봉 배열체.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 개스킷 구조 (128) 는 상기 유동 필드 플레이트들 (121) 과 상기 전해질 요소들 (104) 사이에서 전기를 절연하기 위한 절연 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들의 밀봉 배열체.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉 층들 (140a, 140b) 은 스크린 프린팅으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들의 밀봉 배열체.
  8. 고체 산화물 전지 스택들을 위한 밀봉 방법으로서,
    각각의 전지는 연료 측 (100), 산소 풍부 측 (102), 및 상기 연료 측과 상기 산소 풍부 측 사이에 전해질 요소 (104) 를 포함하고, 전지들은 스택을 형성하도록 배열되고,
    상기 밀봉 방법에서 상기 전지에서 유동들은 유동 필드 플레이트 (121) 를 사용함으로써 배열되고, 연료 공급물 유동은 유동 분배 구역 (143) 으로 안내되고,
    상기 밀봉 방법에서 적어도 하나의 개스킷 구조 (128) 는 상기 유동 필드 플레이트 (121) 와 상기 전해질 요소 (104) 사이에, 그리고 반복성 구조들 (138) 의 유동 필드 플레이트들 (121) 사이에 위치되고, 제 1 밀봉 층들 (140a) 은 상기 유동 필드 플레이트 (121) 및 상기 개스킷 구조 (128) 와 접촉하게 위치되고,
    상기 밀봉 방법에서 상기 제 1 밀봉 층들 (140a) 은 상기 유동 필드 플레이트 (121) 의 선택된 구역 (142a) 에 걸쳐 그리고 상기 개스킷 구조 (128) 의 선택된 구역에 걸쳐 오버레이되고, 상기 선택된 구역들은 부식 최소화 기준들에 기초하여 그리고 밀봉 기능 기준들에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들을 위한 밀봉 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 밀봉 방법에서 제 2 밀봉 층들 (140b) 은 상기 전해질 요소 (104) 및 상기 개스킷 구조 (128) 와 접촉하게 위치되고, 상기 제 2 밀봉 층들 (140a) 은 상기 전해질 요소 (104) 의 선택된 구역에 걸쳐 그리고 상기 개스킷 구조 (128) 의 선택된 구역에 걸쳐 오버레이되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들을 위한 밀봉 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 개스킷 구조 (128) 는 두개의 압축 강도 표면들 사이에서 압축되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들을 위한 밀봉 방법.
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 밀봉 방법에서, 상기 개스킷 구조 (128) 의 압축 가능한 재료에 의해, 상기 밀봉 층들 (140) 은 캡슐화되고 상기 밀봉 층들 (140) 로의 대류성 가스 유동들을 방지하도록 경계부들은 밀봉되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들을 위한 밀봉 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 밀봉 방법에서 상기 개스킷 구조 (128) 의 절연 재료를 사용함으로써 상기 유동 필드 플레이트들 (121) 사이에서 전기가 절연되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들을 위한 밀봉 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 밀봉 방법에서 상기 개스킷 구조 (128) 의 절연 재료를 사용함으로써 상기 유동 필드 플레이트들 (121) 과 상기 전해질 요소 (104) 사이에서 전기가 절연되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들을 위한 밀봉 방법.
  14. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 밀봉 층들 (140a, 140b) 은 스크린 프린팅 기술로 제조되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 전지 스택들을 위한 밀봉 방법.
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