KR20200021994A - 연료 전지 스택 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개선된 연료 전지 스택 어셈블리(10)에 관한 것으로, 적어도 하나의 연료 전지 스택(30) 및 금속 엔드 플레이트(40)가 장착되는 금속 베이스 플레이트(20)를 포함하고, 각각의 스택은 적어도 하나의 연료 전지(101, 102) 및 적어도 하나의 전기 절연 압축 개스킷(110)을 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 스택 층(50)을 포함하고, 스커트(130)는 스택을 둘러싸는 베이스 및 엔드 플레이트에 부착되고 스택을 통한 압축력을 유지하기 위해 그 사이의 장력 하에 있게 하여, 타이-바(tie-bar)의 필요성을 제거한다.

Description

연료 전지 스택 어셈블리
본 발명은 개선된 연료 전지 스택 어셈블리 장치(fuel cell stack assembly arrangements), 보다 구체적으로 연료 전지 스택 압축 장치(fuel cell stack compression arrangement) 및 이를 형성하는 방법에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell), 연료 전지 스택(fuel cell stack), 연료 전지 스택 어셈블리(fuel cell stack assembly) 및 열 교환기 시스템(heat exchanger system)의 교시, 장치(arrangement) 및 방법은 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, WO2015/004419, WO2015/136295, WO2016/124929, WO2016/124928, WO2016/128721 및 WO2016/083780를 포함하여, 당업자에게 공지되어 있다. 본원에서 참조된 모든 간행물 및 그 참고 문헌은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 본원에 사용된 용어의 정의는 상기 공보에서 필요에 따라 찾을 수 있다. 특히, 본 발명은 WO2015/136295에 개시된 시스템 및 방법을 개선하고자 한다.
스택은 전기 연결, 가스 실링 및 조립, 이동 및 작동을 위한 구조적 무결성 유지를 위해 압축 상태가 되어야 하므로 상당한 열 사이클링을 거치며 수명 기간 동안 무결성을 유지해야 하므로, SOFC(고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell)) 스택을 설계할 때 기계, 전기 및 열 설계에서 중요한 문제가 발생한다.
금속 지지 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리(Metal supported solid oxide fuel cell stack assembly)는 전형적으로 금속 베이스 플레이트(metal base plate), 베이스 플레이트 상에 장착된 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지 스택(solid oxide fuel cell stack), 금속 엔드 플레이트(metal end plate), 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 장착되어 배치된 각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택(one fuel cell stack), 및 적어도 적어도 하나의 연료 전지 스택 층(fuel cell stack layer)을 포함하는(각각 적어도 하나의 연료 전지 스택), 적어도 하나의 연료 전지 및 적어도 적어도 하나의 전기 절연 압축 개스킷(electrically insulating compression gasket)을 포함하는 각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택 층(fuel cell stack layer)을 포함한다.
각각의 적어도 하나의 연료 전지는 전형적으로 금속 기판 상에 지지된 애노드, 전해질 및 캐소드 층을 포함한다.
금속 지지 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 스택 어셈블리의 이러한 고체 산화물 연료 전지 구성 요소는 종종 적어도 하나의 연료 전지 스택의 가이드 홀(guide hole)을 통해 및 잠금 너트(locking nut)로 고정되어 있는 곳의 엔드 플레이트를 통해, 베이스 플레이트로부터 연장되는 다수의 타이-바(tie-bar)를 사용하여 압축 상태로 유지된다.
타이-바가 가이드 홀의 가장자리(즉, 적어도 하나의 연료 전지 스택에서 가이드 구멍을 형성하는 금속 구성 요소의 가장자리)에 근접으로 인하여, 증기, 반응 및 미 반응 탄화수소 및 공기를 포함하는 잠재적 혼합 환경에서 구성 요소가 고온에서 팽창할 때 타이-바와 스택 사이에 단락 위험이 있으므로 신중한 설계 고려가 필요하다.
연료 전지 스택 어셈블리를 제조하는 동안, 어셈블리 바(타이-바보다 큰 직경을 갖는)는 스택이 먼저 조립되는 동안 연료 전지의 정렬을 달성하기 위해 적어도 하나의 연료 전지 스택의 가이드 홀을 통해 삽입된다. 그런 다음 어셈블리 바를 제거하고 어셈블리 바보다 직경이 작은 타이-바로 교체한다. 그 후 엔드 플레이트는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 상부에 추가되고, 압축 수단은 연료 전지 스택 어셈블리를 압축하기 위해 사용된다. 연료 전지 스택 어셈블리가 압축되면 잠금 너트가 추가된다. 그런 다음 압축 하중(compressive load)이 스택에서 제거되어, 스택 압축을 유지하기 위해 타이-바가 남겨진다. 연료 전지 스택의 작동 온도 범위에 걸쳐 압축 하중을 유지하는 것은 필요한 압축 하중, 연료 전지 스택 층 수 및 그에 따른 타이-바 길이 및 타이-바를 만드는 데 적합한 재료에 따라 문제가 될 수 있다. 상이한 스택 설계에 대한 상이한 디자인의 타이-바를 갖도록 하는 것은 복잡성과 비용이 추가될 수 있다.
본 발명은 종래 기술을 개선 및/또는 종래 기술 단점 중 적어도 하나를 해결, 극복 또는 완화하고자 한다.
본 발명에 따르면, 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리(metal supported solid oxide fuel cell stack assembly)를 형성하는 방법이 제공된다:
(a) 다음 구성을 조립하는 단계:
(i) 금속 베이스 플레이트(metal base plate);
(ii) 상기 베이스 플레이트(base plate) 상에 장착된 적어도 하나의 연료 전지 스택(fuel cell stack); 및
(iii) 금속 엔드 플레이트(metal end plate);
각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택(fuel cell stack)은 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 장착되어 배치되고, 및 적어도 하나의 연료 전지 스택 층(fuel cell stack layer)을 포함하고, 각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택 층은 적어도 하나의 연료 전지 및 적어도 하나의 전기 절연 압축 개스킷(electrically insulating compression gasket)을 포함하고,
(b) 압축 수단(compression means)을 사용하여 적어도 하나의 연료 전지 스택을 통해 압축력을 가하는 단계;
(c) 적어도 하나의 연료 전지 스택을 둘러싸도록 베이스 플레이트와 엔드 플레이트의 사이 및 베이스 플레이트와 엔드 플레이트에 스커트(skirt)를 부착하는 단계; 및
(d) 적어도 하나의 연료 전지 스택 상에 압축 하중(compressive load)이 스커트의 인장력(tensile forces)을 통해 유지되도록 압축 수단을 제거하는 단계를 포함한다.
스커트(skirt)에서 인장력을 통해 적어도 하나의 연료 전지 스택에 압축 하중을 유지함으로써, 타이-바(tie-bar)의 필요성이 제거된다. 타이-바를 제거하면 연료 전지 스택 어셈블리(fuel cell stack assembly)의 열 질량이 감소하여 연료 전지 스택 어셈블리의 성능이 향상되며, 특히, 적어도 하나의 연료를 얻는 데 필요한 에너지를 줄일 수 있으며, 전지를 작동 온도까지, 즉 작동 온도에 도달하는 데 걸리는 시간을 줄일 수 있다. 이는 연료 전지 스택 어셈블리의 작동 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 제조 공정이 간소화되고 부품이 단순화되며 최종 제품에서 단락이 발생할 위험이 줄어든다.
바람직하게는, 압축력(compressive force)은 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트에 적용된다. 바람직하게는, 압축력은 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트를 통해 가해진다.
바람직하게는, 압축 수단(compression means)이 제거될 때, 스커트는 적어도 하나의 연료 전지 스택 상에 압축 하중을 유지하기 위해 베이스 플레이트와 엔드 플레이트의 사이의 및 베이스 플레이트와 엔드 플레이트의 장력 하에 있다.
적어도 하나의 연료 전지 스택에 타이-바(tie-bar)를 위한 가이드 홀이 없어서, 애노드, 전해질 및 캐소드 층이 배치될 수 있는 금속 기판의 이용 가능한 표면적의 증가가 존재하는데, 즉 적어도 하나의 연료 전지는 더 큰 표면적을 가질 수 있고 따라서 전력 출력이 증가될 수 있다.
바람직하게는, 스커트는 금속 스커트(metal skirt)이다. 아래에 설명된 대로,(금속) 스커트는 용접에 의해 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트에 부착될 수 있다.
바람직하게는, 스커트는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion)보다 큰 열 팽창 계수를 가지며, 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리(solid oxide fuel cell stack assembly)는 베이스 플레이트와 엔드 플레이트 사이에 위치된 적어도 하나의 팽창 플레이트(expansion plate)를 추가로 포함하고, 적어도 하나의 팽창 플레이트는 스커트의 열팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 갖는다.
특정 실시예에서, 연료 전지 스택 어셈블리는 복수의 팽창 플레이트를 포함한다.
바람직하게는, 열 팽창 계수는(면적 팽창 또는 몸체 팽창과 대조적으로) 선형 열 팽창 계수(즉, 면적 팽창 또는 몸체 팽창)이다.
기존의 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리에서(metal supported solid oxide fuel cell stack assembly), 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리가 작동하는 고온으로 인해 부품이 팽창된다. 타이-바는 전형적으로 금속 구조이고 적어도 하나의 연료 전지 스택의 다른 구성 요소, 특히 전기 절연 압축 개스킷 보다 더 큰 열팽창 계수(CTE)를 갖는다. 이러한 어셈블리에서, CTE에서의 이러한 차이의 결과는 작업 조건(일반적으로 450-800 DegC, 보다 일반적으로 약 450-650 DegC)에서 연료 전지 스택 어셈블리의 팽창이 발생하고, 연료 전지 스택 어셈블리의 다른 구성 요소, 특히 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지 스택에 비해 타이-바의 더 큰 팽창으로 인해 적어도 하나의 연료 전지 스택에 대한 압축력이 감소된다. 압축력의 작은 감소 조차도 가스 밀봉 손실 및 연료 전지 스택 구성 요소, 특히 연료 전지 스택 층 및 인접 구성 요소(예를 들어, 다른 연료 전지 스택 층, 또는 전력 인출 장치(electrical power take-off)) 사이의 전기 전도성을 저하시킬 수 있다. 이는 결국 적어도 하나의 연료 전지 스택의 작업 효율을 감소시킬 수 있고, 결국 적어도 하나의 연료 전지 스택의 고장을 초래할 수 있다.
스커트는 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트에 부착되므로, 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트의 열 팽창은 또한 적어도 하나의 연료 전지 스택에 가해지는 압축력에 영향을 미친다. 바람직하게는, 적어도 하나의 팽창 플레이트의 열팽창 계수는 베이스 플레이트의 열팽창 계수 및 엔드 플레이트의 열팽창 계수보다 크다. 바람직하게는, 스커트의 CTE는베이스 플레이트, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 엔드 플레이트의 전체 CTE보다 크다(또한 "전체 CTE" 또는 "베이스 플레이트, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 엔드 플레이트의 CTE"라고도 함). 보다 바람직하게는, 베이스 플레이트, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 엔드 플레이트의 전체 CTE가 참조되는 경우, 결과적인 CTE는 길이(또는 상대 길이) 또는 베이스 플레이트, 엔드 플레이트 및 적어도 하나의 연료 전지 스택의 함수이다. 또한, 바람직하게는 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트의 길이(또는 상대 길이)가 베이스 플레이트, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 엔드 플레이트의 전체 CTE를 결정하기 위해 사용되는 경우, 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트의 길이는, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 스커트가 베이스 플레이트 또는 엔드 플레이트에 부착되어 있는 지점에 인접한, 베이스 플레이트 또는 엔드 플레이트의 단부로부터 베이스 플레이트와 엔드 플레이트의 길이로 결정된다.
바람직하게는, 팽창 플레이트는 엔드 플레이트와 인접한 연료 전지 스택 층 사이에 위치된다. 특정 실시예에서, 단지 하나의 팽창 플레이트가 존재한다. 다른 실시예에서, 다수의 팽창 플레이트가 있으며, 예를 들어, 베이스 플레이트와 인접하는 연료 전지 스택 층 사이에 위치된 제1 팽창 플레이트, 및 엔드 플레이트와 인접하는 연료 전지 스택 층 사이에 위치된 제2 팽창 플레이트가 있다. 특정 실시예에서, 연료 전지 스택 어셈블리는(순서대로) 엔드 플레이트, 압축 플레이트, 전기 절연 압축 개스킷 및 적어도 하나의 연료 전지 스택을 포함한다.
특정 실시예에서, 적어도 하나의 팽창 플레이트는 연료 전지 스택 층들 사이에, 예를 들어 연료 전지 스택 어셈블리의 중심, 중앙 또는 중간 영역에 위치된다.
바람직하게는, 열팽창 계수는 베이스 플레이트와 엔드 플레이트 사이에 정의된 축을 따라 베이스 플레이트의 일반 평면 및 엔드 플레이트의 일반 평면에 수직인 선형 열 팽창 계수이다.
바람직하게는, 스커트는 베이스 플레이트와 엔드 플레이트 사이에 정의된 길이 방향(세로 방향 팽창(longitudinal direction of expansion))을 따라 그리고 베이스 플레이트의 일반 평면 및 엔드 플레이트의 일반 평면에 수직으로 팽창된다. 바람직하게는, 그러한 팽창(expansion)은 세로 방향 팽창(longitudinal direction of expansion)을 따라 스커트의 길이의 확대(enlarging length of the skirt)를 정의한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 팽창 플레이트는 세로 방향 팽창을 따라 길이의 확대(enlarging length)를 정의한다. 바람직하게는, 확대 방향(enlarging direction)을 따라 적어도 하나의 팽창 플레이트의 길이의 확대는 확대 방향을 따라 스커트의 길이의 확대를 보상한다. 바람직하게는, 보상은 450 내지 650
Figure pct00001
의 온도에서 이루어진다. 바람직하게는, 보상은 적어도 하나의 연료 전지 스택의 길이의 확대(enlarging length)(또는 베이스 플레이트, 적어도 하나의 연료 전지 스택, 및 엔드 플레이트의 길이의 확대)와 비교하여 스커트의 길이의 확대의 적어도 50 % 이다. 보다 바람직하게는, 보상은 적어도 60, 70, 80, 90 또는 95 % 이다.
바람직하게는, 적어도 하나의 팽창 플레이트(expansion plate)이 제1 및 제2 인접 고체 산화물 연료 전지 스택 층 사이에 위치된다.
바람직하게는, 적어도 하나의 팽창 플레이트가 금속 엔트 플레이트에 부착되어 위치된다.
따라서, 스커트의 팽창은 적어도 하나의 팽창 플레이트의 팽창에 의해 보상되며, 이는 결국 적어도 하나의 연료 전지 스택에 압축 하중이 유지되도록 하여, 연료 전지 사이의, 특히 인접한 연료 전지 스택 층들 사이의 가스 밀봉 및 전기 전도성을 유지하는 것을 돕는다.
기존 어셈블리에서, 스택 압축 하중(및 그에 따른 연료 전지 스택 정렬)을 유지하기 위해 타이-바를 사용함으로써 많은 층 또는 더 큰 활성 영역 연료 전지가 있는 스택에서, 압축 하중 또는 스택의 높이(즉, 베이스 플레이트에서 엔드 플레이트까지 측정된 스택의 길이)는 타이-바의 직경과 길이가 스택 어셈블리 및 압축 하중 적용 기준(compression load application basis)으로 관리하기 어려워 짐을 의미한다는 것이 더욱 명백해 진다.
따라서, (a) 연료 전지 스택 어셈블리로부터 타이-바를 제거하고, (b) 적어도 하나의 팽창 플레이트를 통합함으로써, 연료 전지 스택 어셈블리의 전체 성능 및 수명이 증가된다.
바람직하게는, 스커트에서 인장력에 의해 유지되는 적어도 하나의 연료 전지 스택 상의 압축 하중(compressive load)은 개스킷(gasket) 밀봉 하중이며, 즉 각각의 적어도 하나의 전기 절연 압축 개스킷과 인접한 구성 요소 즉 현재 연료 전지 스택 층 및 인접한 구성 요소, 예를 들어 다른 연료 전지 스택 층 또는 전력 인출 플레이트(power take off plate)(또한 "현재 수집기" 또는 "엔드 극"이라고도 함) 사이에 가스 밀봉을 유지하기에 충분하다.
바람직하게는, 각각의 연료 전지 스택 층은 적어도 하나의 연료 전지, 금속 스페이서 층 및 금속 인터컨넥트 플레이트가 장착되는 금속 기판을 포함한다. 바람직하게는, 각각의 적어도 하나의 연료 전지는 애노드, 전해질 및 캐소드 층을 포함한다. 바람직하게는, 산화제 유로(oxidant flow path)(즉, 유체 유로)는 산화제 유입구(oxidant inlet)로부터 배기 산화제 출구(exhaust oxidant outlet)로 정의되고, 연료 유로(fuel flow path)(즉, 유체 유로)는 연료 유입구에서 배기 연료 출구(exhaust fuel outlet)로 정의된다. 바람직하게는, 각각의 연료 전지는(순서대로) 금속 인터컨넥트 플레이트(metal interconnect plate), 금속 스페이서 층(metal spacer layer), 금속 기판, 및 상기 금속 기판 상에 장착된 애노드, 전해질 및 캐소드 층을 포함한다.
바람직하게는, 연료 유입구로부터 배기 연료 출구로의 연료 유로 경로는 내부 매니폴드(internally manifolded), 즉 적어도 하나의 연료 전지 스택 내에서 매니폴드 된다. 바람직하게는, 산화제 유입구로부터 배기 산화제 출구로의 산화제 유로는 외부 매니폴드, 즉 적어도 하나의 연료 전지 스택 외부의 매니폴드이다. 보다 바람직하게는, 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부 및 연료 전지 스택 어셈블리의 내부에 매니폴드 된다. 보다 바람직하게는, 몸체(volume)는 베이스 플레이트, 엔드 플레이트, 스커트 및 적어도 하나의 연료 전지 스택 사이에 형성된다. 이러한 몸체는 산화제 매니폴드 몸체 인 것으로 간주될 수 있다.
아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 복수의 이러한 연료 전지 스택 층을 포함하는 연료 전지 스택에서, 제1 층의 적어도 하나의 전기 절연 압축 개스킷(electrically insulating compression gasket)은 제1 층의 금속 기판과 인접한 제2 연료 전지 스택 층(second fuel cell stack layer)의 금속 인터컨넥트 플레이트 사이에 끼워진다.
바람직하게는, 적어도 하나의 연료 전지 스택 상의 압축 하중은 0.5 kN 이상이다.
바람직하게는 각각의 적어도 하나의 전기 절연 압축 개스킷 상의 압축 하중은 실온 및 압력(RTP)에서 적어도 제곱 센티미터 당 15 MPa(즉, 15 MPa.cm ^ -2)이다. 보다 바람직하게는, RTP에서의 압축 하중은 적어도 25kN, 보다 바람직하게는 적어도 30kN, 더욱 바람직하게는 30 내지 40kN, 더욱 바람직하게는 30 내지 35kN이다.
단계(a)(조립 단계)에서, 연료 전지 스택은 종래의 방법론을 사용하여 조립되며, 예를 들어 타이-바가 없지만 WO2015/136295와 같은 종래 기술의 공개된 바와 같다.
바람직하게는, 단계(a)는 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부 표면과 상기 스커트의 인접한 내부 표면 사이에 위치된 적어도 하나의 전기 절연 개스킷(예를 들어, 운모 개스킷(mica gasket))을 삽입하는 단계를 추가로 포함한다. 이는 산화제 유입구로부터 배기 산화제 출구로의 산화제 유로가 외부 매니폴드 인 실시 양태에서 특히 바람직하다.
바람직한 전기 절연 압축 개스킷 재료는 질석(vermiculite), 더욱 바람직하게는 테르미큘라이트(Thermiculite), 더욱 바람직하게는 테르미큘라이트 866이다. 바람직한 전기 절연 개스킷 재료는 운모(mica)이다.
바람직하게는 단계(b)에서 압축력(compressive force)은 압축 수단을 사용하여 베이스 플레이트, 엔드 플레이트 및 적어도 하나의 연료 전지 스택을 통해 가해진다. 따라서, 단계(a)에서 베이스 플레이트, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 엔드 플레이트를 조립한 후에 압축력이 가해질 수 있다.
바람직하게는, 스커트는 복수의 스커트 섹션(skirt sectio)을 포함한다. 보다 바람직하게는, 스커트는 제1 및 제2 스커트 섹션을 포함한다. 바람직하게는 각각의 스커트 섹션은 일반적으로 U 자형 단면을 가지며 일반적으로 U 자형 단면에 직각으로 연장되며, 즉 아치형 또는 볼트형(vault-shaped), 보다 특히 배럴-볼트형(barrel-vault shaped)이다. 바람직하게는 일반적으로 U 자형 단면은 조립된 금속 베이스 플레이트, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 금속 엔드 플레이트의 일부, 즉 금속 베이스 플레이트, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 금속 엔드 플레이트 각각의 일부에 적합하도록, 즉 수용하도록 형상화된다.
따라서, 베이스 플레이트와 엔드 플레이트 사이에 길이 방향이 정의되어, 각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택 층은 길이 방향에 수직으로 연장되고, 각 스커트 섹션의 U 자형 단면은 길이 방향에 수직이다.
따라서, 제1 스커트 섹션은 베이스 플레이트와 엔드 플레이트에(및 사이에) 부착되고, 유사하게 제2 스커트 섹션은 베이스 플레이트와 엔드 플레이트에(및 사이에) 부착된다.
따라서, 몸체는 베이스 플레이트, 엔드 플레이트 및 스커트(단일 스커트 섹션 또는 복수의 스커트 섹션을 갖는 스커트) 사이에 정의되며, 그 안에 적어도 하나의 연료 전지 스택이 포함된다. 따라서, 스커트는 적어도 하나의 연료 전지 스택을 둘러싼다.
스커트는 바람직하게는 용접에 의해 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트에 부착된다. 바람직하게는, 용접은 필렛 용접(fillet welding), 특히 TIG 용접에 의한 것이다. 다른 유형의 용접, 예를 들어 용접이 수행될 수도 있으며, 예를 들어 레이저 랩 용접(laser lap welding) 및 브레이징(brazing)이다.
스커트가 복수의 스커트 섹션을 포함하는 경우, 바람직하게는 스커트 섹션이 함께 용접된다. 다시, 바람직하게는 용접은 필렛 용접이다. 보다 바람직하게는, 용접(예를 들어 필렛 용접)은 TIG 용접을 사용하여 수행된다. 다른 유형의 용접이 또한 수행될 수 있으며, 예를 들어 레이저 클랩 용접(laser klap welding) 및 브레이징이다. 스커트(또는 각 스커트 섹션)는 길이 방향으로(즉, 각 스커트 섹션의 U 자형 단면에 수직인) 상이한 섹션 및 재료로 구성될 수 있다. 이러한 섹션들 및 재료들은 비용 및/또는 CTE 설계 이유로 선택될 수 있다.
특정 실시예에서, 조립 단계(a)는 2 개 이상의 연료 전지 스택을 조립하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 연료 전지 스택은 적절하게 위치된 전력 인출 장치(power take-offs)(엔드 폴)와 함께 백투백 쌍(back-to-back pair)으로 조립된다. 따라서, 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 및 제2 연료 전지 스택이 제공되며, 각각의 연료 전지 스택 층은 단일 연료 전지를 포함하고, 상기 연료 전지 스택은 연속적(back-to-back)으로 배열된다. 따라서, 연료 전지 스택 어셈블리(fuel cell stack assembly)는 베이스 플레이트, 제1 연료 전지 스택, 제2 연료 전지 스택(제1 연료 전지 스택과 반대로 배향된) 및 엔드 플레이트를 포함한다(순서대로). 제1 및 제2 연료 전지 스택을 연속적으로 배열함으로써, 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 단일 포지티브 전력 인출 플레이트(single positive power take-off plate)가 제공될 수 있고, 베이스 플레이트에 인접한 제1 연료 전지 스택의 말단에 제1 네가티브 전력 인출 플레이트(negative power take off plate)가 제공될 수 있고, 제2 네가티브 전력 인출 플레이트가 엔드 플레이트에 인접한 제2 연료 전지 스택의 단부에 제공될 수 있다.
연료 전지 스택 어셈블리가 다수의 개별 연료 전지 스택을 포함하는 이러한 연속적인 구성(back-to-back configuration)(예를 들어, 실시예 3 참조)은 각 연료 전지 스택이 보다 한정된 전압(및/또는 전력 출력) - 동일한 총 수의 연료 전지 스택 층을 포함하는 단일 연료 전지 스택의 전압 및/또는 전력 출력보다 낮은 - 에서 작동할 수 있게 한다. 특히, 이는 병렬 전기 배열을 제공하고 제한(constraining)(즉, 한계(limiting)) 전압(직렬 배열과 비교하여)을 제공하고 증가된 전력 출력(직렬 배열과 비교하여)을 제공하는 데 유용하다. 이런 식으로, 예를 들어 60V 이하에서 각각 작동하는 다수의 연료 전지 스택을 단일 연료 전지 스택 어셈블리에 효율적으로 패키징 하는 것이 가능하다. 이것은, 예를 들어, 규정 및 설계 기준이 60V 이상의 전압 레벨에서 추가 요구 사항을 제시하는 자동차 애플리케이션에서 특히 유용하다. 예를 들어, 이러한 연료 전지 스택 어셈블리는 48V의 출력 전기 전압을 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 단일 연료 전지 스택이 제공되며, 각각의 연료 전지 스택 층은 제1 및 제2 연료 전지를 포함한다.
다른 실시예에서, 제1 및 제2 연료 전지 스택이 제공되며, 각각의 연료 전지 스택 층은 제1 및 제2 연료 전지를 포함한다.
다른 실시예에서, 제1, 제2, 제3 및 제4 연료 전지 스택이 제공된다. 보다 바람직하게는, 이러한 배열에서 각각의 연료 전지 스택 층은 제1 및 제2 연료 전지를 포함한다.
바람직하게는, 이러한 배열은 두 쌍의 연료 전지 스택 - 제1 쌍을 형성하는 제1 및 제2 연료 전지 스택 -, 및 제2 쌍을 형성하는 제3 및 제4 연료 전지 스택을 포함한다. 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에는 포지티브 전력 인출 플레이트가 제공되고, 제3 및 제4 연료 전지 스택 사이에는 추가적인 포지티브 전력 인출 플레이트가 제공된다. 제1 및 제2 연료 전지 스택 쌍 사이, 즉 제2 및 제3 연료 전지 스택 사이에는 네가티브 전력 인출 플레이트가 제공된다.
바람직하게는, 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트는 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터 전기적으로 격리되거나 절연된다. 바람직하게는, 전기 절연 압축 개스킷(예를 들어, 테르미큘라이트(866))은 베이스 플레이트와 적어도 하나의 연료 전지 스택 사이에 위치하고, 전기 절연 압축 개스킷은 단부 플레이트와 적어도 하나의 연료 전지 스택 사이에 위치된다.
본 발명에 따르면, 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리를 형성하는 방법이 추가로 제공되며, 그 단계는:
(a) 다음 구성을 조립하는 단계:
(i) 금속 베이스 플레이트;
(ii) 베이스 플레이트 상에 장착된 적어도 하나의 연료 전지 스택; 및
(iii) 금속 엔드 플레이트;
각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택은 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 장착되어 배치되고, 및 적어도 하나의 연료 전지 스택 층을 포함하고, 각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택 층은 적어도 하나의 연료 전지 및 적어도 하나의 전기 절연 압축 개스킷을 포함하고,
(b) 적어도 하나의 연료 전지 스택을 통해 제1 압축력을 가하는 단계;
(c) 적어도 하나의 연료 전지 스택을 둘러싸도록 베이스 플레이트와 엔드 플레이트 사이에 및 베이스 플레이트와 엔드 플레이트에 스커트를 부착하는 단계; 및
(d) 적어도 하나의 연료 전지 스택 상에 압축 하중(예를 들어, 제2 압축력)이 스커트의 인장력을 통해 유지되도록 제1 압축력을 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따라 또한 본 발명의 방법에 따라 제조된 연료 전지 스택 어셈블리가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 금속지지 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리는:
(i) 금속 베이스 플레이트;
(ii) 상기 베이스 플레이트 상에 장착된 적어도 하나의 연료 전지 스택; 및
(iii) 금속 엔드 플레이트;
를 포함하고,
각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택은 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 장착되어 배치되고, 및 적어도 하나의 연료 전지 스택 층을 포함하고, 각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택 층은 적어도 하나의 연료 전지 및 적어도 하나의 전기 절연 압축 개스킷을 포함하고,
스커트는 적어도 하나의 연료 전지 스택을 둘러싸기 위해 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트의 사이에 및 베이스 플레이트와 엔드 플레이트에 부착되고, 적어도 하나의 연료 전지 스택을 통하여 압축력을 유지하기 위하여 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트의 사이의 및 베이스 플레이트와 엔드 플레이트의 장력 하에 있는 것을 특징으로 한다.
문맥이 달리 지시하지 않는 한, 본 발명의 방법의 양태 및 특징은 제품에 동일하게 적용되며, 그 반대도 마찬가지이다.
유지되는 압축력과 관련하여, 본 발명의 방법을 사용하여 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리를 형성/제조함으로써, 제조 공정 동안 압축력이 가해지고, 최종 제품에서 스커트(베이스 플레이트와 엔드 플레이트 사이에 및 베이스 플레이트와 엔드 플레이트에 부착되어 있음)는 적어도 하나의 연료 전지 스택을 통해 압축력을 유지한다.
따라서, 바람직하게는 스커트는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 열 팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 가지며, 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리는 베이스 플레이트와 엔드 플레이트 사이에 위치된 적어도 하나의 팽창 플레이트를 추가로 포함한다. 적어도 하나의 팽창 플레이트는 스커트의 열팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 갖는다. 바람직하게는, 스커트는 베이스 플레이트 및 엔드 플레이트의 CTE보다 큰 CTE를 갖는다. 바람직하게는, 스커트는 베이스 플레이트, 적어도 하나의 연료 전지 스택 및 엔드 플레이트의 전체 CTE보다 큰 CTE를 갖는다.
바람직하게는, 적어도 하나의 팽창 플레이트가 베이스 플레이트 또는 엔드 플레이트와 접촉하거나 이에 부착된다. 바람직하게는, 팽창 플레이트는 엔드 플레이트와 접촉하거나 엔드 플레이트에 부착된다.
따라서, 바람직하게는 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리는 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부 표면과 상기 스커트의 인접한 내부 표면 사이에 위치된 적어도 하나의 전기 절연 개스킷을 추가로 포함한다.
바람직하게는, 각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택은 엔드 폴(전력 인출 장치)과 전기적으로 접촉하고, 상기 베이스 플레이트 및 상기 엔드 플레이트는 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터 전기적으로 격리된다. 따라서, 예를 들어, 제1 실시예에서 제1 및 제2 연료 전지 스택이 제공되며, 각각의 연료 전지 스택 층은 단일 연료 전지를 포함하고, 상기 연료 전지 스택은 연속적(back-to-back)으로 배열된다. 따라서, 연료 전지 스택 어셈블리는 베이스 플레이트, 제1 연료 전지 스택, 제2 연료 전지 스택(제1 연료 전지 스택과 반대로 배향된) 및 엔드 플레이트를 포함한다(순서대로). 제1 및 제2 연료 전지 스택을 연속적으로 배열함으로써, 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 단일의 포지티브 전력 인출 플레이트가 제공될 수 있고, 베이스 플레이트에 인접한 제1 연료 전지 스택의 단부에 제1 네가티브 전력 인출 플레이트가 제공될 수 있고, 엔드 플레이트에 인접한 제2 연료 전지 스택의 단부에 제2 네가티브 전력 인출 플레이트가 제공될 수 있다. 바람직하게는, 베이스 플레이트와 적어도 하나의 연료 전지 스택 사이, 및 엔드 플레이트와 적어도 하나의 연료 전지 스택 사이에 위치된 전기 절연 압축 개스킷은 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터 베이스 플레이트와 엔드 플레이트의 전기적 격리를 제공한다.
문맥이 달리 지시하지 않는 한, "포함하다(comprise)", "포함하다(comprises)", "포함하는(comprising)" 등의 단어는 철저한 의미가 아니라 포괄적인 의미, 즉 "포함하지만 이에 제한되지 않는"의 의미로 해석되어야 한다. 상기 용어는 다른 구성 요소가 존재하지 않는 실시예를 포함한다.
"배기 산화제 출구" 및 이를 통해 흐르는 산화제는 "캐소드 오프-가스(cathode off-gas)"로 지칭될 수 있다. 유사하게, "배기 연료 출구" 및 이를 통해 흐르는 배기 연료는 "애노드 오프-가스(anode off-gas)"로 지칭될 수 있다
본 발명의 구체적이고 바람직한 측면은 첨부된 독립항에 제시되어 있다. 종속항으로부터의 특징의 조합은 단지 청구항에서 명시적으로 제시된 것이 아니라 원하는 대로 적절하고 독립항들의 특징들과 조합될 수 있다.
아래의 다양한 도면은 연료 전지 스택 어셈블리를 세로 방향으로 보여준다. 수평 방향과 같은 다른 방향도 동일하게 적용할 수 있다.
당업자에게 본 발명의 가능한 개시가 여기에 제공된다. 이하, 적어도 하나의 예가 제시된 본 발명의 실시예를 상세히 참조할 것이다. 각 예는 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니라 본 발명을 설명하기 위해 제공된다. 도면은:
[13]
도 1은 실시예 1의 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리를 통한 단면을 도시한다;
도 2는도 1의 연료 전지 스택 층을 통한 단면을 도시한다;
도 3은 실시예 2의 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리를 통한 단면도이다;
도 4는 실시예 3의 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리를 통한 단면을 도시한다;
도 5는 실시예 4의 연료 전지 스택 층을 통한 단면도이다;
도 6은 실시예 4의 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리를 통한 단면을 도시한다;
도 7은 실시예 4의 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리를 통한 도 6의 섹션에 수직인 섹션을 도시한다;
도 8은 실시예 5의 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리를 통한 단면을 도시한다;
도 9는 연료 및 산화제(공기) 유동을 갖는 연료 전지 스택 층의 분해 사시도이다;
도 10은 도 9의 연료 전지 스택 층의 분해 사시도이다;
도 11은 연료 전지 스택 어셈블리의 제조 단계를 도시한다;
도 12는 연료 전지 스택 어셈블리의 제조 단계를 도시한다;
도 13은 연료 전지 스택 어셈블리의 제조 단계를 도시한다;
도 14는 연료 전지 스택 어셈블리의 제조 단계를 도시한다; 및
도 15는 완성된 연료 전지 스택 어셈블리의 사시도이다.
본 명세서에서 사용된 참조 부호의 목록은 특정 실시예의 끝에 제공된다. 본 명세서 및 도면에서 참조 부호의 반복 사용은 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내도록 의도된다.
실시예 1
이 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리(solid oxide fuel cell stack assembly)(10)는 연료 전지 스택(fuel cell stack)(30)이 장착된 금속 베이스 플레이트(metal base plate)(20) 및 금속 엔드 플레이트(metal end plate)(40)를 포함한다. 연료 전지 스택(Fuel cell stack)(30)은 복수의 연료 전지 스택 층(fuel cell stack layer)(50)을 포함한다.
네가티브 전력 인출 플레이트(Negative power take off plate)(140)는 베이스 플레이트(20)와 연료 전지 스택(30) 사이에 위치되고, 포지티브 전력 인출 플레이트(positive power take off plate)(150)는 연료 전지 스택(30)과 엔드 플레이트(40) 사이에 위치된다.
테르미큘라이트 개스킷(Thermiculite gasket)(160)(Thermiculite 866으로 제조됨; 전기 절연 압축 개스킷)은 네가티브 전력 인출 플레이트(140)와 베이스 플레이트(20) 사이에 위치된다. 추가적인 테르미큘라이트 개스킷(160)은 포지티브 전력 인출 플레이트(150)와 엔드 플레이트(40) 사이에 위치된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 연료 전지 스택 층(fuel cell stack layer)(50)은 금속 스페이서(metal spacer)(70)가 장착된 금속 인터컨넥트 플레이트(metal interconnect plate)(60) 및 금속 기판(metal substrate)(80)을 포함한다.
금속 기판(80)은 레이저로 천공된(다공성) 영역(laser-driller perforated(porous) region)(91, 92), 및 다공성 영역(porous region)(91, 92) 위에 각각 증착된 제1 및 제2 연료 전지(first and second fuel cell)(101, 102)를 갖는다.
각각의 연료 전지(101, 102)는(각각) 다공성 영역(91, 92) 상에 증착된 애노드 층, 애노드 층 위에 증착된 전해질 층, 및 전해질 층 위에 증착된 캐소드 층을 포함한다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 금속 인터컨넥트 플레이트(metal interconnect plat)(60)는 연료 유동 오리피스(fuel flow orifice)(61, 62)를 정의하도록 형성된다. 금속 스페이서(70)는 연료 유동 오리피스(71, 72)를 정의하도록 형성된다. 금속 기판(80)은 연료 유동 오리피스(81, 82)를 정의하도록 형성된다. 금속 스페이서(70)는 연료 유동 공간(73)을 정의하고, 연료 유동 오리피스(71, 72)와 연료 유동 공간(73) 사이에 개구(opening)(71a 및 72a)를 정의하도록 추가로 형성된다.
금속 인터컨넥트 플레이트(60)와 금속 기판(80) 사이에 금속 스페이서(70)가 끼워진 상태에서, 따라서, 연료 유동 공간(73)에 대응하는 연료 유동 공극(fuel flow void)(74)은 금속 인터컨넥트 플레이트(60)의 제1(내부) 표면(first(inner) surface)(63), 금속 기판(80)의 제1(내부) 표면(83) 및 금속 스페이서(70) 사이에 형성된다. 금속 인터컨넥트 플레이트(60)의 제1(내부) 표면(63)은 금속 기판(80)의 제1(내부) 표면(83)을 향해 연장되는 딤플(dimple)을 갖는다. 사용중인 딤플은 연료 전지 스택(30)이 압축 하중을 받을 때 연료 유동 공극(74) 내의 유체 유동을 지원하고 연료 유동 공극(74)을 유지하는 것을 돕는다.
연료 전지(101, 102)는 금속 기판(80)의 제2(외부) 표면(84) 상에 증착된다.
테르미큘라이트 개스킷(Thermiculite gasket)(전기 절연 압축 개스킷)(110)은 연료 유동 오리피스(81, 82) 주위의 금속 기판(80)의 제2(외부) 표면(84)에 위치된다.
따라서, 각각의 연료 전지 스택 층(50)은 연료 유동 오리피스(61, 71, 81), 개구부(71a), 연료 유동 공간(73), 개구부(72a) 및 연료 유동 오리피스(62, 72, 82) 사이의 연료 유로(유체 유로)를 형성한다.
오리피스(61, 71, 71a 및 81)는 연료 유입구 오리피스/개구이며, 연료 전지 스택 층(50)의 연료 유입구 및 연료 전지 스택 층(50)에 대한 연료 유입구 측(fuel inlet side)(또는 단부)을 형성한다. 오리피스(62, 72, 72a 및 82)는 배기 연료 출구 오리피스/개구이며, 연료 전지 스택 층(50)의 배기 연료 출구 및 연료 전지 스택 층(50)에 대한 배기 연료 출구 측(exhaust fuel outlet side)(또는 단부)을 형성한다.
도 9에서 점선으로 표시된 화살표(700)는 연료 유체 유로를 도시한다. 도 9의 굵은 점선(710)은 산화제(oxidant)(공기) 유체 유동 경로를 도시한다.
금속 인터컨넥트 플레이트(60)의 제2(외부) 표면(64)은 복수의 외향 연장 딤플(outwardly extending dimple)(65)을 포함한다. 연료 전지 스택 층(50)이 함께 적층될 때, 제1 연료 전지 스택 층의 금속 인터컨넥트 플레이트(60)는 테르미큘라이트 개스킷(110) 및(외향 연장 딤플(65)에 의해) 제1 연료 전지(101) 및 제2 연료 전지(102)의 캐소드 층과 접촉한다. 테르미큘라이트 개스킷(110)의 배열 및 외향 연장 딤플(65)은 제1 연료 전지 스택 층(50)의 금속 인터컨넥트 플레이트(60)와 인접한 제2 연료 전지 스택 층(50)의 금속 기판(80) 사이에 산화제 유로가 형성된다. 이 산화제 유로는 외부 매니폴드다. 따라서, 각각의 연료 전지 스택 층(50)은 외부 매니폴드 산화제 유입구 및 출구를 갖는다.
금속 베이스 플레이트(20)와 금속 엔드 플레이트(40) 사이에 장착된 연료 전지 스택(30)과 함께, 압축 수단(600)(도 12)은 금속 베이스 플레이트(20)와 금속 엔드 플레이트(40) 사이에서 연료 전지 스택(30)에 압축력을 가하기 위해 사용되며, 즉 압축 수단(600)에 의해 압축된다. 운모 개스킷(Mica gasket)(120)(전기 절연 개스킷(electrically insulating gasket))은 연료 전지 스택(20)의 측면을 따라 배치된다. 이어서, 제1 스커트 반부(first skirt half)(131) 및 제2 스커트 반부(second skirt half)(132)가 베이스 플레이트(20)(도 13), 연료 전지 스택 어셈블리(30), 금속 엔드 플레이트(40) 및 운모 개스킷(120) 주위에 배치된다. 이어서, 제1 스커트 반부(131) 및 제2 스커트 반부(132)는 용접 포인트(weld point)(190)에서 금속 베이스 플레이트(20) 및 금속 엔드 플레이트(40)에 TIG 용접을 사용하여 필렛 용접된다. 이어서, 제1 스커트 반부(131) 및 제2 스커트 반부(132)는 필렛 용접되어 스커트(130)를 형성한다. 따라서, 몸체는 베이스 플레이트(20), 엔드 플레이트(40)와 스커트(130) 사이에 정의되며, 그 안에 연료 전지 스택(30)이 포함된다.
압축 수단(Compression means)(600)은 연료 전지 스택 층(50)의 구부러짐을 감소시키거나 최소화하기 위해 금속 베이스 플레이트(20) 및 금속 엔드 플레이트(40)의 에지 주위(즉, 주변 둘레)에 압축력을 가하도록 배치된다. 금속 베이스 플레이트(20) 및 금속 엔드 플레이트(40)에 용접된(즉, 금속 베이스 플레이트(20) 및 금속 엔드 플레이트(40) 주위에 용접된) 제1 스커트 반부(131) 및 제2 스커트 반부(132)에 의해, 압축 수단(600)이 제거될 때 에지 주위의 이러한 압축이 유지된다.
압축 수단(600)은 이후 제거되고(도 14), 연료 전지 스택(30)상의 압축 하중은 스커트(130)의 인장력을 통해 유지된다. 따라서, 연료 전지 스택 어셈블리(10)의 압축에 영향을 주도록 타이-바의 사용이 요구되지 않는다. 이는 타이-바를 포함하는 대응하는 연료 전지 스택 어셈블리와 비교하여 열 질량을 감소시키고 연료 전지 스택 어셈블리(10)의 성능을 개선시킨다. 타이-바를 갖지 않음으로써, 연료 전지가 증착될 수 있는 이용 가능한 금속 기판(80)의 표면적이 증가되어 타이-바를 포함하는 대응하는 연료 전지 스택 어셈블리에 비해 성능이 추가로 향상된다.
사용시, 연료 전지 스택 어셈블리(10)는 병류(co-flow)(도 9) 또는 역류(counter-flow) 방식으로 작동하도록 쉽게 구성될 수 있다.
실시예 2
이 실시예(도 3 참조)에서, 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리(solid oxide fuel cell stack assembly)(200)의 구성 및 조립은 일반적으로 제1 실시예에 따른 것이다. 그러나, 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리(10)는 팽창 플레이트(expansion plate)(181, 182)을 추가로 포함한다. 제1 팽창 플레이트(181)은 베이스 플레이트(20)와 테르미큘라이트 개스킷(Thermiculite gasket)(160) 사이에 위치하고, 제2 팽창 플레이트(182)은 엔드 플레이트(40)와 테르미큘라이트 개스킷(160) 사이에 위치된다.
본원에 상세하게 설명된 다양한 실시예에서 사용된 물질은 하기 표 1에 제시되어 있다:
요소(Element) 재료(Material) CTE @ 650 DegC(
Figure pct00002
)
베이스 플레이트(20) 페라이트 스테인레스 스틸3CR12(ferritic stainless steel 3CR12) 11.9
엔드 플레이트(40) 페라이트 스테인레스 스틸3CR12 11.9
금속 인터컨넥트 플레이트(60) 페라이트 스테인레스 스틸, 그레이드 441(ferritic stainless steel, grade 441) 10.5
금속 스페이서(70) 페라이트 스테인레스 스틸, 그레이드 441 10.5
금속 기판(80) Crofer 22 APU(VDM Metals GmbH) 11.4
테르미큘라이트 개스킷(110) 테르미큘라이트 866(Thermiculite 866)(Flexitallic Ltd., UK) 8.04
운모 개스킷(120) 운모(mica) 8.7
스커트(130) 페라이트 스테인레스 스틸, 그레이드 441 10.5
테르미큘라이트 개스킷(160) 테르미큘라이트 866(Thermiculite 866) 8.04
팽창 플레이트(181) 오스텐틱 스테인레스 시틸316(austentic stainless steel 316) 18
팽창 플레이트(182) 오스텐틱 스테인레스 시틸316 18
표 1에서 볼 수 있듯이, 다양한 구성 요소의 CTE(열팽창 계수)는 크게 다르다. 각각의 연료 전지 스택 층(50)에 존재하는 적어도 하나의 전기 절연 압축 개스킷(테르미큘라이트 개스킷(Thermiculite gaket)(110))의 결과로서, 스커트(130)의 CTE 값은 연료 전지 스택 층(50)의 CTE 값보다 크다. 최종 결과는 연료 전지 스택 어셈블리의 온도가 증가함에 따라, 스커트(130)(베이스 플레이트(20)와 엔드 플레이트(40) 사이)의 팽창이 연료 전지 스택(30) 및 베이스 플레이트(20)와 엔드 플레이트(40) 사이(특히 테르미큘라이트 개스킷(160) 및 테르미큘라이트 개스킷(110))에 조립된 다른 구성 요소의 팽창보다 크다는 것으로, 즉 열팽창에 차이가 있다. 이는 연료 전지 스택 어셈블리(10)의 온도가 증가함에 따라 연료 전지 스택(30)에 가해지는 압축력의 감소를 초래한다.
이 실시예에서, 팽창 플레이트(181, 182)은 압축력의 이러한 감소를 감소시켜서 연료 전지 스택 어셈블리(200)의 성능을 향상시킨다.
팽창 플레이트(181, 182)는 스커트(130)보다 큰(및 베이스 플레이트(20) 및 엔드 플레이트(40)의 CTE보다 큰) CTE를 가지며, 차등 열 팽창을 보상하도록 크기가 정해진다.
팽창 플레이트(181, 182)은 연료 전지 스택 어셈블리(200)에서 연료 전지 스택 층(50)의 수에 따라 크기가 정해진다. 팽창 플레이트의 사이즈/치수에 대한 이러한 접근법은 일반적으로 본 발명의 모든 실시예에 적용 가능하다.
실시예 3
이 실시예에서(도 4 참조), 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리(300)는 제1 및 제2 연료 전지 스택(171, 172)의 연속 배열을 포함한다.
구성 및 조립은 일반적으로 제2 실시예에 따른 것이다.
그러나, 제1 실시예에서, 포지티브 전력 인출 플레이트(150)는 테르미큘라이트 개스킷(160)과 접촉하며, 즉:
(a) 연료 전지 스택 층(50)의 제1 연료 전지(101), 제2 연료 전지(102) 및 테르미큘라이트 개스킷(110), 및
(b) 테르미큘라이트 개스킷(160)
사이에 끼워진다.
대신에, 이 제2 실시예에서 포지티브 전력 인출 플레이트(150)는:
(a) 제1 연료 전지 스택(171) 및
(b) 제2 연료 전지 스택(172)
사이에 끼워진다.
따라서, 포지티브 전력 인출 플레이트(150)는:
(a) 제1 연료 전지 스택(171)의 연료 전지 스택 층(50)의 제1 연료 전지(101), 제2 연료 전지(102) 및 테르미큘라이트 개스킷(110), 및
(b) 제2 연료 전지 스택(172)의 연료 전지 스택 층(50)의 제1 연료 전지(101), 제2 연료 전지(102) 및 테르미큘라이트 개스킷(110)
사이에 끼워진다
이러한 배열은 동일한 어셈블리 설계 및 압축 프로세스 내에서 더 큰 전력 출력의 이점을 제공한다.
실시예 4
이 실시예(도 5-7 참조)에서, 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리(400)의 구성 및 조립은 일반적으로 실시예 2에 따른 것이다. 그러나, 제1 및 제2 연료 전지(실시예 2에서 각각 101, 102)를 포함하는 각각의 연료 전지 스택 층(50a) 대신에, 각각의 연료 전지 스택 층(50a)은 단일 연료 전지(410)를 포함한다.
도 7(이 실시예를 도시함)은 본 발명의 다양한 실시예에서 연료 전지 스택(30, 171, 172)의 측면을 스커트(130)의 인접한 내부 표면으로부터 전기적으로 절연시키는 데 사용되는 운모 개스킷(120)을 도시한다. 따라서, 운모 개스킷(120)은 스커트(130)와 연료 전지 스택(30, 171, 172) 사이에 끼워지고 이들 사이의 유체 유동을 제한(또는 차단/방지)한다. 이는 연료 전지 스택 어셈블리 내에서 산화제(공기) 유동의 외부 매니폴드(manifold)를 돕고, 연료 전지 스택 어셈블리로의 산화제 유입구 단부(oxidant inlet end)를 정의하는 것을 도우며, 이는 적어도 하나의 연료 전지 스택(30, 171, 172 등)의 외부 및 연료 전지 스택 어셈블리(10, 200, 300, 40, 500)의 내부에 매니폴드 되어 있다. 유사하게, 이는 적어도 하나의 연료 전지 스택(30, 171, 172 등)의 외부에 그리고 연료 전지 스택 어셈블리(10, 200, 300, 400, 500)의 내부에 매니폴드 되어 있는 연료 전지 스택 어셈블리의 배기 산화제 출구 단부(outlet end)를 정의하는 것을 돕는다.
실시예 5
이 실시예에서(도 8 참조), 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리(500)의 구성 및 조립은 일반적으로 실시예 3에 따른 것이다. 그러나, 실시예 4에 따라 각각의 연료 전지 스택 층(50a)은 단일 연료 전지(410)를 포함한다. 또한, 단일 팽창 플레이트(183)만이 제공되며, 이 팽창 플레이트(183)은 금속 엔드 플레이트(40)에 부착된다.
모든 실시예
도 9 및 도 10은 연료 전지 스택 층(50 및 50a)의 분해 사시도를 제공하고, 이들 내 및 이들의 유체 유동 경로를 도시한다.
연료 전지 스택 층(50, 50a) 내로의 연료 유체 유로(700)는 금속 기판(80) 내의 연료 유동 오리피스(fuel flow orifice)(81), 금속 스페이서(70) 내의 연료 유동 오리피스(71) 및 개구(71a)를 통하여(즉, 연료 전지 스택 층(50)의 연료 유입구 측 상에서), 그리고 금속 기판(80)의 제1(내부) 표면(83)과 금속 인터컨넥트 플레이트(60)의 제1(내부) 표면(63)을 통과하는 금속 기판(80), 금속 스페이서(70) 및 금속 인터컨넥트 플레이트(60) 사이의 연료 유동 공간(fuel flow space)(73)에 정의된 연료 유동 공극(fuel flow void)(74)으로 이다. 연료 전지/연료 전지들(101, 102, 410)(실시예에 따라)은 금속 기판(80)의 제2(외부) 표면(84)에 위치하고 연료 전지/연료 전지들로의(및 로부터의 배기 연료(exhaust fuel)의 복귀) 연료 유동은 레이저로 천공된 다공성 영역(laser-drilled perforated porous region)(91, 92, 93)을 통한다(실시예에 따라).
배기 연료는 개구(72a) 및 금속 스페이서(70) 내의 연료 유동 오리피스(72) 및 금속 기판(80) 내의 연료 유동 오리피스(82)(즉, 연료 전지 스택 층(50, 50a)의 배기 연료 출구 측)를 통해 연료 전지 스택 층(50, 50a)을 빠져나간다.
금속 인터컨넥트 플레이트(60)의 오리피스(61, 62) 및 테르미큘라이트 개스킷(110)은 유체 유동 경로(fluid flow path)를 인접한 연료 전지 스택 층(50, 50a)으로 추가로 연장한다.
연료 유체 유로(Fuel fluid flow path)(700)는 내부에 매니폴드 되어 있다.
산화제 유로(Oxidant flow path)(710)는 연료 전지 스택 층(50, 50a)의 외부 및 연료 전지 스택 어셈블리(10, 200, 300, 400, 500)의 내부에 매니폴드 되어 있다. 몸체는 금속 베이스 플레이트(20), 금속 엔드 플레이트(40), 스커트(130) 및 연료 전지 스택(들)(30, 171, 172)(실시예에 따라) 사이에 정의된다. 연료 전지 스택 층(50, 50a)의 산화제 유입구 단부로부터 인접하는 연료 유동 오리피스(81, 71, 61)(즉, 인접한 연료 유입구 측)로부터 연료 전지 스택 층(50, 50a)의 배기 산화제 출구 단으로의 연료 유동 오리피스(82, 72, 62)(즉, 인접 배기 연료 출구 측)는 인접한 연료 전지 스택 층(50, 50a) 사이, 즉 제1 연료 전지 스택 층(50, 50a)의 금속 인터컨넥트 플레이트(60)와 인접한 제2 연료 전지 스택 층(50, 50a)의 금속 기판(80) 사이에 있다.
연료 전지 스택(30, 171, 172) 외부(즉, 연료 전지 스택 층(50, 50a) 사이 이외의) 주위의 산화제 유입구 단부로부터 배기 산화제 출구 단부로의 산화제 유동은 산화제 유입구 단부로부터 배기 산화제 출구 단부까지의 스커트(130)와 연료 전지 스택(30, 171, 172) 사이에 위치된 운모 개스킷(120)에 의해 방지된다.
도 9는 연료와 산화제 유동의 병류(co-flow) 작동을 보여준다. 역류 작동이 동일하게 가능하며, 즉, 연료 유동 오리피스(82, 72, 62)에 인접한(즉, 인접한 배기 연료 출구 측) 연료 전지 스택 층(50, 50a)의 산화제 유입구 단부에서 연료 유동 오리피스(81, 71, 61)에 인접한(즉, 인접한 연료 유입구 측) 연료 전지 스택 층(50, 50a)의 배기 산화제 출구 단부로, 산화제 유동은 연료 유동과 반대이다.
스택 조립 방법
연료 전지 스택(30)은 금속 엔드 플레이트(40) 상에 연료 전지 스택 층(50)을 조립함으로써 형성된다(도 11). 그 후 금속 베이스 플레이트(20)는 연료 전지 스택(30)의 상부에 배치된다.
이어서, 제거 가능한 압축 수단(600)이 엔드 플레이트(40), 연료 전지 스택(30) 및 베이스 플레이트(20)를 통해 압축력(610)을 가하기 위해 사용된다(도 12).
압축력(compressive force)(610)이 여전히 연료 전지 스택(30)(도 13)을 통해 가해지는 상태에서, 스커트 제1 반부(131) 및 스커트 제2 반부(132)는 엔드 플레이트(40), 연료 전지 스택(30) 및 베이스 플레이트(20) 주위에 배치된다.
스커트 제1 반부(131) 및 스커트 제2 반부(132)는 TIG 용접에 의해 베이스 플레이트(20), 엔드 플레이트(40)에 부착된다. 스커트 제1 반부(131)와 스커트 제2 반부 또한 필렛 용접부(fillet weld)(133)로 스커트(130)를 형성하기 위해 서로 TIG 용접된다. 따라서, 연료 전지 스택(30)은 베이스 플레이트(20), 엔드 플레이트(40) 및 스커트(130)에 의해 형성된 몸체 내에 봉입된다. TIG 용접은 스커트 제1 반부(131), 스커트 제2 반부(132), 베이스 플레이트(20) 및 엔드 플레이트(40) 사이에 기밀 밀봉을 형성한다.
압축 수단(600)은 이후 제거되고(도 14) 연료 전지 스택(30)상의 압축 하중(610)은 스커트(130)에서 인장력(620)을 통해 유지되며, 즉, 연료 전지 스택(30)은 연료 전지 스택(30)을 통한 압축력을 유지하기 위해 베이스 플레이트(20)와 엔드 플레이트(40) 사이에 및 베이스 플레이트(20)와 엔드 플레이트(40)에 장력을 받고있다. 참조 부호는 이해를 돕기 위해서만 청구 범위에 포함되며, 청구 범위의 범위를 제한하지 않는다. 본 발명은 상기 실시예들에만 제한되지 않으며, 다른 실시예도 첨부된 청구 범위의 범주를 벗어나지 않고 당업자에게 명백할 것이다.
10 - 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리(solid oxide fuel cell stack assembly)
20 - 금속 베이스 플레이트(metal base plate)
30 - 연료 전지 스택(fuel cell stack)
40 - 금속 엔드 플레이트(metal end plate)
50 - 연료 전지 스택 층(fuel cell stack layer)
50a - 연료 전지 스택 층(fuel cell stack layer)
60 - 금속 인터컨넥트 플레이트(metal interconnect plate)
61 - 연료 유동 오리피스(fuel flow orifice)
62 - 연료 유동 오리피스(fuel flow orifice)
63 - 금속 인터컨넥트 플레이트(60)의 제1(내부) 표면
64 - 금속 인터컨넥트 플레이트(60)의 제2(외부) 표면
65 - 외향 연장 딤플(outwardly extending dimple)
70 - 금속 스페이서(metal spacer)
71 - 연료 유동 오리피스(fuel flow orifice)
71a - 개구(opening)
72 - 연료 유동 오리피스(fuel flow orifice)
72a - 개구(opening)
73 - 연료 유동 공간(fuel flow space)
74 - 연료 유동 공극(fuel flow void)
80 - 금속 기판(metal substrate)
81 - 연료 유동 오리피스(fuel flow orifice)
82 - 연료 유동 오리피스
83 - 금속 기판(80)의 제1(내부) 표면
84 - 금속 기판(80)의 제2(외부) 표면
91 - 레이저로 천공된(다공성) 영역(laser-drilled perforated(porous) region)
92 - 레이저로 천공된(다공성) 영역
93 - 레이저로 천공된(다공성) 영역
101 - 제1 연료 전지
102 - 제2 연료 전지
110 - 테르미큘라이트 개스킷
120 - 운모 개스킷(mica gasket)
130 - 스커트(skirt)
131 - 스커트 제1 반부(skirt first half)
132 - 스커트 제2 반부(skirt second half)
133 - 필렛 용접(fillet weld)
140 - 네가티브 전력 인출 플레이트(negative power take off plate)
150 - 포지티브 전력 인출 플레이트(positive power take off plate)
160 - 테르미큘라이트 개스킷
171 - 제1 연료 전지 스택
172 - 제2 연료 전지 스택
181 - 제1 팽창 플레이트
182 - 제2 팽창 플레이트
183 - 팽창 플레이트(expansion plate)
190 - 용접 포인트(weld point)
200 - 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리
300 - 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리
400 - 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리
410 - 연료 전지
500 - 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리
600 - 압축 수단(compression mean)
610 - 압축력(compressive forces)
620 - 인장력(tensile forces)
700 - 연료 유체 유로(fuel fluid flow path)
710 - 산화제 유체 유로(oxidant fluid flow path)
720 - 연료 유입구 측(fuel inlet side)
730 - 배기 연료 출구 측(exhaust fuel outlet side)
740 - 산화제 유입구 측(oxidant inlet side)
750 - 배기 산화제 출구 측(exhaust oxidant outlet side)

Claims (14)

  1. 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서,
    (i) 금속 베이스 플레이트;
    (ii) 상기 베이스 플레이트 상에 장착된 적어도 하나의 연료 전지 스택; 및
    (iii) 금속 엔드 플레이트;
    를 포함하고,
    각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택은 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 장착되어 배치되고, 및 적어도 하나의 연료 전지 스택 층을 포함하고, 각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택 층은 적어도 하나의 연료 전지 및 적어도 하나의 전기 절연 압축 개스킷을 포함하고,
    스커트는 적어도 하나의 연료 전지 스택을 둘러싸기 위해 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 및 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트에 부착되고, 적어도 하나의 연료 전지 스택을 통하여 압축력을 유지하기 위하여 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이의 및 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트의 장력 하에 있는
    것을 특징으로 하는
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스커트는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 열 팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 가지며,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리는 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 위치된 적어도 하나의 팽창 플레이트를 추가로 포함하며, 적어도 하나의 팽창 플레이트는 스커트의 열 팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 갖는
    장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부 표면과 상기 스커트의 인접한 내부 표면 사이에 위치된 적어도 하나의 전기 절연 개스킷
    을 더 포함하는
    장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지 스택과 전기적으로 접촉하는 제1 및 제2 엔드 극을 추가로 포함하고,
    상기 베이스 플레이트 및 상기 엔드 플레이트는 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터 전기적으로 격리되는
    장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스커트는 금속 스커트인
    장치.　
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스커트는 용접에 의해 베이스 플레이트와 엔드 플레이트 사이에 및 베이스 플레이트와 엔드 플레이트에 부착되는
    장치.
  7. 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리를 형성하는 방법에 있어서,
    (a) 다음 구성을 조립하는 단계:
    (i) 금속 베이스 플레이트;
    (ii) 상기 베이스 플레이트 상에 장착된 적어도 하나의 연료 전지 스택; 및
    (iii) 금속 엔드 플레이트;
    각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택은 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 장착되어 배치되고, 및 적어도 하나의 연료 전지 스택 층을 포함하고, 각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택 층은 적어도 하나의 연료 전지 및 적어도 하나의 전기 절연 압축 개스킷을 포함하고,

    (b) 압축 수단을 사용하여 적어도 하나의 연료 전지 스택을 통해 압축력을 가하는 단계;

    (c) 적어도 하나의 연료 전지 스택을 둘러싸도록 베이스 플레이트와 엔드 플레이트 사이에 및 베이스 플레이트와 엔드 플레이트의에 스커트를 부착하는 단계; 및

    (d) 적어도 하나의 연료 전지 스택 상에 압축 하중이 스커트의 인장력을 통해 유지되도록 압축 수단을 제거하는 단계
    를 포함하는
    방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스커트는 적어도 하나의 연료 전지 스택의 열 팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 가지며,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리는 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 위치된 적어도 하나의 팽창 플레이트를 추가로 포함하고,
    적어도 하나의 팽창 플레이트는 상기 스커트의 열팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수를 갖는
    방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    단계(a)는
    상기 적어도 하나의 연료 전지 스택의 외부 표면과 상기 스커트의 인접한 내부 표면 사이에 위치된 적어도 하나의 전기 절연 개스킷을 삽입하는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스커트는 복수의 스커트 섹션을 포함하는
    방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스커트는 제1 및 제2 스커트 섹션을 포함하는
    방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스커트는 금속 스커트인
    방법.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스커트는 용접에 의해 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 및 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트에 부착된다
    방법.
  14. 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리를 형성하는 방법에 있어서,
    (a) 다음 구성을 조립하는 단계:
    (i) 금속 베이스 플레이트;
    (ii) 상기 베이스 플레이트 상에 장착된 적어도 하나의 연료 전지 스택; 및
    (iii) 금속 엔드 플레이트;
    각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택은 상기 베이스 플레이트와 상기 엔드 플레이트 사이에 장착되어 배치되고, 및 적어도 하나의 연료 전지 스택 층을 포함하고, 각각의 적어도 하나의 연료 전지 스택 층은 적어도 하나의 연료 전지 및 적어도 하나의 전기 절연 압축 개스킷을 포함하고,

    (b) 적어도 하나의 연료 전지 스택을 통해 제1 압축력을 가하는 단계;

    (c) 적어도 하나의 연료 전지 스택을 둘러싸도록 베이스 플레이트와 엔드 플레이트 사이에 및 베이스 플레이트와 엔드 플레이트에 스커트를 부착하는 단계; 및

    (d) 적어도 하나의 연료 전지 스택 상에 압축 하중이 스커트의 인장력을 통해 유지되도록 제1 압축력을 제거하는 단계
    를 포함하는
    방법.
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