KR20200040790A - 연료 전지 유닛 - Google Patents

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토마슈 도만스키
존 하만
알란 로버트슨
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Abstract

본 발명은 개선된 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛, 연료 전지 스택, 연료 전지 스택 어셈블리 및 제조 방법에 관한 것이다.

Description

연료 전지 유닛
본 발명은 개선된 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛, 연료 전지 스택, 연료 전지 스택 어셈블리 및 제조 방법에 관한 것이다.
연료 전지, 연료 전지 스택, 연료 전지 스택 어셈블리 및 열 교환기 시스템의 교시, 배열 및 방법은 당업자에게 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, WO2015/004419, WO2015/136295, WO2016/124929, WO2016/124928, WO2016/128721 및 WO2016/083780을 포함한다. 본원에서 참조된 모든 간행물 및 그 참고 문헌은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 본원에 사용된 용어의 정의는 상기 공보에서 필요에 따라 찾을 수 있다.
연료 전지 스택, 연료 전지 스택 어셈블리, 연료 전지 유닛(연료 전지 스택 층 포함), 및 연료 전지 스택 유닛 및 연료 전지 스택 층 내의 연료 전지의 배열은 잘 알려져 있다.
본 발명은 종래 기술을 개선하고자 한다. 본 발명은 개별 연료 전지 유닛(연료 전지 스택 층) 내의 연료 분배 및 연료 흐름을 개선시키는 것을 추구한다. 특히, 연료 전지 유닛 내의 연료 속도 개선, 연료 체류 시간 감소, 연료 분배 개선, 및 연료 전지 유닛에서의 연료 압력 강하 감소 중 하나 이상을 수행하고자 한다.
본문 내에 포함되어 있음.
본 발명의 제 1 측에 따르면,
a) 제 1 및 제 2 대향 표면을 정의하는 금속 기판, 하나 이상의 고체 산화물 연료 전지가 상기 금속 기판의 상기 제 2 표면 상에 배치됨;
b) 금속 스페이서, 제 1 및 제 2 대향 표면을 정의하며, 상기 금속 스페이서는:
(i) 외부 주변부,
(ii) 연료 유입 포트를 정의하는 적어도 하나의 연료 유입 내부 주변부,
(iii) 컷 아웃을 정의하는 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부 및
(iv) 연료 출구 포트를 정의하는 적어도 하나의 연료 출구 내부 주변부를 포함함,
상기 금속 기판의 상기 제 1 표면은 상기 금속 스페이서의 상기 제 2 표면에 부착됨; 및
c) 제 1 및 제 2 대향 표면을 정의하는 금속 인터커넥트 플레이트, 상기 금속 인터커넥트 플레이트의 상기 제 2 표면은 상기 금속 스페이서의 상기 제 1 표면에 밀봉식으로 부착됨;을 포함하고,
연료 유입 포트 체적은 상기 금속 기판의 상기 제 1 표면, 상기 금속 스페이서의 각각의 하나 이상의 연료 유입 내부 주변부와 상기 금속 인터커넥트 플레이트의 상기 제 2 표면 사이에 정의되고,
컷 아웃 체적은 상기 금속 기판의 상기 제 1 표면, 상기 금속 스페이서의 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부와 상기 금속 인터커넥트 플레이트의 상기 제 2 표면 사이에 정의되고,
연료 출구 포트 체적은 상기 금속 기판의 상기 제 1 표면, 상기 금속 스페이서의 각각의 적어도 하나의 연료 출구 내부 주변부와 상기 금속 인터커넥트 플레이트의 상기 제 2 표면 사이에 정의되며,
상기 금속 인터커넥트 플레이트는 상기 적어도 하나의 연료 유입 포트 체적으로부터 상기 적어도 하나의 컷 아웃 체적까지 그리고 상기 적어도 하나의 연료 출구 포트 체적까지 유체 유로를 정의하는 복수의 브릿지 부분을 포함하는,
금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛이 제공된다.
따라서, 연료 유입 포트를 정의하는 복수의 연료 유입 내부 주변부를 포함하는 실시 예에서, 복수의 연료 유입 포트 체적이 존재한다.
따라서, 컷 아웃을 정의하는 복수의 컷 아웃 내부 주변부를 포함하는 실시 예에서, 복수의 컷 아웃 체적이 존재한다.
따라서, 연료 출구 포트를 정의하는 복수의 출구 포트 내부 주변부를 포함하는 실시 예에서, 복수의 연료 출구 포트 체적이 존재한다.
따라서, 금속 스페이서에 정의된 각각의 연료 유입 포트, 각 컷 아웃 및 각각의 연료 출구 포트는 서로 분리되어 있으며, 즉 서로 분리되어 있다. 따라서, 내부 주변부는 금속 스페이서에서 서로 사이의 디바이더를 정의한다. 또한 서로 분할되어 불연속적인 것으로 설명할 수 있다. 바람직하게는, 유체 유동 통로는 임의의 연료 유입 포트, 컷 아웃 및 연료 출구 포트 사이의 금속 기판에 정의되지 않는다.
바람직하게는, 금속 스페이서는 일반적으로 평평하고, 즉 일반적으로 평면이다. 바람직하게는, 금속 기판은 일반적으로 평평하고, 즉 일반적으로 평면이다.
브릿지 부분은 인접한 체적 사이, 예를 들어 (a) 연료 유입 포트 볼륨과 인접한 컷 아웃 볼륨 사이, (b) 인접한 컷 아웃 볼륨 사이, 및 (c) 컷 아웃 볼륨과 연료 유출 포트 볼륨 사이의 유체 유동 브릿지 또는 채널(즉, 유체 유동 경로)을 정의하도록 작용한다.
바람직하게는 인접한 체적 사이에 복수의 브릿지 부분이 존재한다. 바람직하게는 인접 체적 사이, 보다 특히 방향 연료 유입 포트에서 연료 출구 포트로의 인접 체적 사이에 3 개 이상의 브릿지 부분, 보다 바람직하게는 4 개 이상이 있다. 바람직하게는 연료 유입 포트 체적과 컷 아웃 체적 사이, 보다 바람직하게는 각각 사이에 복수의 브릿지 부분이 있다. 바람직하게는, 컷 아웃 체적과 연료 출구 포트 체적 사이, 보다 바람직하게는 각각 사이에 복수의 브릿지 부분이 존재한다. 바람직하게는 인접한 컷 아웃 체적 사이, 다 바람직하게는 각각의 사이에 복수의 브릿지 부분이 존재한다. 보다 바람직하게는, 연료 유입 포트 체적으로부터 연료 출구 포트 체적까지의 경로, 또는 직접 또는 최단 경로에서 인접한 컷 아웃들 사이에, 특히 연료 유입 포트 방향으로 연료 출구 포트 방향으로 인접한 컷 아웃들 사이에 복수의 브릿지 부분이 존재한다.
금속 스페이서의 연료 유입 내부 주변부와 함께 금속 인터커넥트 플레이트에 브릿지 부분 제공은 적어도 하나의 연료 유입 포트로부터 적어도 하나의 컷 아웃으로, 및 적어도 하나의 컷 아웃으로부터 적어도 하나의 연료 유출 포트로의의 유체 유동 분배를 제공할 수 있는 복잡한 연료 유입 및 유출 포트를 제공할 수 있게 한다. 예를 들어 연료 전지 유닛 내에서 다 균일한 연료 분배를 가능하게 하여 연료 전지 유닛 작동을 최적화하는 것을 돕는다.
바람직하게는, 브릿지 부분은 금속 인터커넥트 플레이트의 제 1 표면으로부터 바깥쪽으로, 금속 인터커넥트 플레이트의 제 2 표면으로부터 멀어지게 연장된다. 더욱 바람직하게는, 브릿지 부분은 금속 인터커넥트 플레이트의 제 1 표면으로부터의 돌출부를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 브릿지 부분은 금속 인터커넥트 플레이트의 제 2 표면에 오목한 부분 및 금속 인터커넥트 플레이트의 제 1 표면으로부터의 대응하는 돌출부를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 브릿지 부분은 딤플을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 브릿지 부분은 연장 딤플을 포함한다. 따라서, 브릿지 부분은 예를 들어 마름모꼴 형상을 가질 수 있다. 다른 형태는 당업자에게 쉽게 명백할 것이다.
바람직하게는, 브릿지 부분은 금속 스페이서의 제 1 표면과 금속 인터커넥트 플레이트의 제 2 표면 사이의 체적을 정의한다.
바람직하게는, 금속 인터커넥트 플레이트는 연료 유입 포트 체적과 컷 아웃 체적 사이의 유체 유동 채널을 정의하는 적어도 하나의 연료 유입 브릿지 부분 및 컷 아웃 체적과 연료 출구 포트 체적 사이의 유체 흐름 채널을 정의하는 하나 이상의 연료 출구 브릿지 부분을 포함한다. 복수의 컷 아웃을 포함하는 실시 예에서, 바람직하게는 금속 인터커넥트 플레이트는 인접한 컷 아웃 사이의 유체 유동 채널을 정의하는 적어도 하나의 컷 아웃 브릿지 부분을 포함한다.
바람직하게는, 금속 스페이서는 2 개 이상의 연료 유입 포트를 정의하는 2 개 이상의 연료 유입 내부 주변부를 포함한다. 바람직하게는, 금속 스페이서는 2 개 이상의 컷 아웃을 정의하는 2 개 이상의 컷 아웃 내부 주변부를 포함한다. 바람직하게는, 금속 스페이서는 2 개 이상의 연료 출구 포트를 정의하는 2 개 이상의 연료 출구 내부 주변부를 포함한다.
바람직하게는, 각각의 금속 스페이서 연료 포트(각 연료 유입 포트 및 각 연료 유출 포트)는 연료 덕트 영역, 복수의 연료 스로트 영역 및 대응하는 복수의 연료 분배기 채널 영역(즉, 연료 분배기 채널 영역으로 이어지는 각각의 연료 스로트 영역)을 포함한다. 바람직하게는, 금속 스페이서 연료 포트의 연료 덕트 영역은 금속 기판 및 금속 인터커넥트 플레이트의 연료 포트와 정렬된다.
복수의 연료 스로트 영역 및 연료 분배기 채널 영역의 제공은 또한 막힘으로 인한 연료 고갈의 위험을 감소시킨다.
바람직하게는, 각각의 연료 분배기 채널 영역과 인접한 컷 아웃 사이에 적어도 하나의 브릿지 부분이 존재한다.
CFD(계산 흐름 역학) 분석 결과는(예를 들어, 도 16b(종래 기술) 및 16c(본 발명) 비교), 연료 전지 유닛 내의 연료 속도(특히, 적어도 하나의 컷 아웃 체적을 가로질러)는 연료 전지의 코너에서 적은 연료 부족 영역을 갖는 종래 기술의 제품과 비교하여 본 디자인에서 보다 일정하게 유지되고, 상기 연료 전지 내에서 발생하는 화학 반응을 개선시키는 연료가 상기 전지에 걸쳐 보다 균일한 방식으로 촉진된다.
CFD 분석은 또한 표준화된 연료 체류 시간이 종래 기술 장치(예를 들어, 도 17a(종래 기술) 및 17b(본 발명)와 비교)에 비해 감소됨을 보여준다. 이것은 연료 전지에서의 화학 반응에 더 낮은 농도의 수소가 필요하다는 것을 의미한다. 즉, 연료 전지에서 화학 반응이 일어나기 위해서는 더 적은 연료가 필요하므로, 본 발명은 종래 기술의 장치보다 더 효율적이다.
CFD 분석은 또한 종래 기술의 장치와 비교하여 연료 전지의 활성 영역에 걸친 개선된 유동 분포를 보여준다. CFD 분석은 또한 종래 기술의 장치와 비교하여 본 발명에 의해 유입 및 출구 포트 사이의 압력 강하가 적다(즉, 개선됨). 전지를 가로 지르는 압력 강하를 최소화하는 것은 스택을 따라 압축을 유지하는 데 유리하다.
복수의 연료 스로트는 연료 덕트 영역으로부터의 유체 흐름을 제한(즉, 제어)하도록 치수 설정된다. 바람직하게는, 각각의 연료 분배기 채널 영역은 상응하는 연료 스로트보다 더 넓다(즉, 더 큰 단면적을 갖는다). 바람직하게는, 연료 스로트는 유체 유동 축을 정의하고, 유체 유동 축에 수직인 연료 스로트의 폭(단면)은 유체 유동 축에 수직인 대응하는 연료 분배기 채널의 폭(단면)보다 작다.
바람직하게는, 각각의 연료 스로트 영역은 연료 덕트 영역과 대응하는 연료 분배기 채널 영역 사이에 일정한 폭 "W"를 갖는다. 사용시, 이것은 연료 덕트 영역에서 대응하는 연료 분배기 채널 영역으로 고속(즉, 고속)으로 연료가 전달될 수 있게 하며, 이는 연료 고갈의 위험을 감소시킨다.
특정 실시 측에서, 모든 연료 스로트 영역은 동일한 폭을 갖는다.
바람직하게는, 각각의 연료 분배기 채널 영역은 연료 스로트 영역에 근접한 연료 분배기 채널로부터 인접한 컷 아웃 내부 주변부에 근접한 연료 분배기 채널의 끝까지 증가하는 폭을 갖는다. 바람직하게는, 각각의 연료 분배기 채널 영역은 상기 연료 분배기 채널 영역의 폭인 곡선 형상을 갖는다. 보다 바람직하게는, 연료 스로트 영역의 폭 "W"로부터 시작하여 거리(da, db, dc)와 동일한 폭(da<db<dc)으로 마무리되는 것이 증가한다.
바람직하게는, 각각의 컷 아웃 내부 주변부(및 이에 의해 정의된 각각의 컷 아웃)는 복수의 코너 영역을 갖는다. 연료 전지의 코너 영역으로의 연료 흐름은 어려운 것으로 알려져 있으며, 이러한 코너 영역으로의 연료 흐름을 최적화하는 것이 매우 바람직하다. 바람직하게는, 복수의 연료 스로트 및 대응하는 연료 분배기 채널 영역을 포함하는 금속 스페이서 연료 포트를 구비하고, 코너 구역(또는 코너)에 가장 근접한(즉, 인접하거나 인접한) 연료 분배기 채널 영역은 다른 연료 분배기 채널 영역의 폭보다 작은 최종 폭(인접한 컷 아웃 내부 주변부에 가장 근접하거나 인접하는 지점에서의 폭)을 갖는다. 보다 바람직하게는, 복수의 연료 분배기 채널 영역이 순서대로 배열된 경우 :
코너 영역(즉, 코너)에 가장 가까운 연료 분배기 채널 영역
코너 영역(가장자리)에서 가장 먼 연료 분배기 채널 영역,
각각의 연료 분배기 채널 영역은 선행 연료 분배기 채널 영역의 것보다 큰 최종 폭을 갖는다.
바람직하게는, 인접한 컷-아웃 내부 주변부에 인접한 연료 분배기 채널 영역의 가장자리에서의 폭(또는 거리)(d)은 셀의 중간 영역을 따라 연료를 균일하게 촉진시키기 위해 셀의 중심에 가까운 영역보다 더 크고(즉, 더 길고), 이는 상기 중앙 영역에 연료 부족 문제가있는 이전 설계의 연료 분배에 따라 개선된다.
바람직하게는, 각각의 연료 스로트 영역은 길이("L")를 갖는다. 보다 바람직하게는, 본 발명의 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택 어셈블리(아래)에서, 연료 스로트 영역(44b)은 하나의 고체 산화물 연료 전지 유닛의 인터커넥트부와 다음 고체 산화물 연료 전지 유닛의 기판 층 사이에 위치된 압축 개스킷의 크기와 관련된다. 더욱 바람직하게는, 개스킷은 인터커넥트 포트를 둘러싸는 토로이드 형상을 포함한다. 연료 스로트 영역의 길이 "L"은 바람직하게는 외부 반경에서 압축 가스켓의 내부 반경을 뺀 것과 일치한다(에 상응하고 이에 관련된다). 이러한 배열은 압력 강하를 감소시키거나 최소화하는 것을 도울 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 제품에 사용되는 연료는 탄화수소 연료이다. 적합한 탄화수소 연료에는 탄화수소 연료 탈황, 애노드 오프-가스(즉, 연료 전지 유닛의 연료 출구 측으로부터의 애노드 측 배기 가스)와 혼합된 개질 또는 개질이 포함된다. 유사하게, 사용된 연료는 연료 전지 유닛으로부터 가스를 시동 또는 차단할 수 있고, 보다 특히 애노드 오프-가스(즉, 연료 전지 유닛의 연료 출구 측으로부터의 애노드 측 배기 가스)를 시동 또는 차단할 수 있다.
"배치된" 및 "부착된"이라는 용어는 본원에서 상호 교환적으로 사용된다.
바람직하게는, 금속지지 고체 산화물 연료 전지 유닛은 연료 전지 스택 층, 더욱 바람직하게는 금속지지 고체 산화물 연료 전지 스택 층이다. 따라서, 복수의 연료 전지 유닛이 고체 산화물 연료 전지 스택을 형성하도록 조립될 수 있다.
바람직하게는, 금속 기판(또는 금속 스페이서가 적어도 하나의 금속 스페이서 플레이트를 포함하는 실시 예에서), 각 금속 기판 플레이트(또한 "연료 전지 플레이트"라고도 함)는 적어도 하나의 다공성 영역을 포함한다. 바람직하게는, 하나 이상의 다공성 영역은 비 다공성 영역으로 둘러싸인다. 보다 바람직하게는, 각각의 금속 기판 또는 각각의 금속 기판 플레이트는 하나의 다공성 영역을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 다공성 영역 또는 각각의 다공성 영역은 천공 영역이다. 바람직하게는, 제 1 표면으로부터 제 2 표면까지(즉, 제 1 표면과 제 2 표면 사이에) 연장되는 복수의 천공을 포함한다(즉, 이에 의해 정의됨). 더욱 바람직하게는, 천공은 레이저 드릴된 천공이다. 바람직하게는, 금속 스페이서 또는 각각의 금속 기판 플레이트의 하나 이상의 비 다공성 영역이 금속 스페이서에 부착된다. 바람직하게는, 각각의 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부는 상기 금속 기판에 의해 완전히 중첩된다.
바람직하게는, 적어도 하나의 다공성 영역은 금속 기판의 대응하는 컷 아웃 내부 주변부와 일치(즉, 연장 또는 중첩), 즉 컷 아웃 내부 주변부의 경계까지 연장된다. 이는 금속 기판 플레이트가 단일 다공성 영역을 포함하는 실시 예에서 특히 바람직하다.
바람직하게는, 금속 기판 플레이트 상에 배치된 각각의 고체 산화물 연료 전지는 금속 기판 플레이트의 다공성 영역 위에 증착된(본딩된) 애노드 층, 양극 층 위에 증착된(본딩된) 전해질 층, 및 전해질 층 위에 증착된 캐소드 층을 포함한다. 바람직하게는, 전해질 층은 애노드 위로 연장되어 애노드를 둘러싸는 금속 기판 플레이트의 비 천공 영역에 밀봉적으로 부착된다.
특정 실시 측에서, 금속 기판은 단일 성분으로서 제공된다. 다른 실시 예에서, 금속 기판은 복수의 개별 컴포넌트로서 제공된다.
특정 실시예에서, 금속 기판은 적어도 하나의 금속 기판 플레이트(보다 바람직하게는, 적어도 2 개의 금속 기판 플레이트) 및 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트를 포함하고, 각각의 금속 기판 플레이트는 제1 및 제2 대향 표면을 정의하고 각각의 블랭킹 플레이트는 제1 및 제2 대향 표면을 정의하고, 하나 이상의 고체 산화물 연료 전지가 각각의 금속 기판 플레이트의 상기 제 2 표면 상에 배치되고, 각각의 금속 기판 플레이트의 상기 제 1 표면 및 각각의 블랭킹 플레이트의 상기 제 1 표면은 상기 금속 스페이서의 상기 제 2 표면에 부착되고, 상기 금속 스페이서의 각각의 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부는 금속 기판 플레이트에 의해 완전히 중첩된다.
따라서, 금속 스페이서에 부착된 복수의 금속 기판 플레이트는 함께 금속 스페이서에 부착된 금속 기판("기판 층"또는 "금속 기판 층"이라고도 함)을 정의한다. 따라서, 각각의 연료 전지 유닛은 금속 기판, 금속 스페이서 및 금속 인터커넥트 플레이트를 포함한다.
금속 기판 플레이트는 바람직하게 블랭킹 플레이트와 동일한 평면 사이에 배치된다. 블랭킹 플레이트는 바람직하게는 일반적으로 직사각형 형상이다. 바람직하게는, 각각의 블랭킹 플레이트는 연료 포트를 정의하는, 즉 적어도 하나의 연료 포트를 정의하는 적어도 하나의 내부 주변부를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 각각의 블랭킹 플레이트는 2 개의 연료 포트를 정의한다.
바람직하게는, 금속 기판 플레이트와 블랭킹 플레이트는 서로 접촉하지 않으며, 즉 서로 인접하지 않는다. 따라서, 바람직하게는 블랭킹 플레이트(예를 들어, 제 1 블랭킹 플레이트)는 인접한 금속 기판 플레이트(예를 들어, 제 1 금속 기판 플레이트)와 인접하거나 접촉하지 않는다. 따라서, 바람직하게는 인접한 금속 기판 플레이트는 서로 인접하거나 접촉하지 않는다. 따라서, 바람직하게는 제 2 블랭킹 플레이트는 인접한 제 2 금속 기판 플레이트와 접하거나 접촉하지 않는다.
블랭킹 플레이트 및 금속 기판 플레이트가 금속 스페이서에 부착되고 서로 인접하거나 접촉하지 않도록 함으로써, 이것은 그들 사이에 "공차 갭(tolerance gap)"이 정의될 수 있게 하고, 제조 공정 동안 부품들의 위치 결정에 있어서 가변성을 허용한다. 이는 제조 공정 측면에서 상당한 기술적 이점을 제공하며 예를 들어 증가된 제조 공정 속도, 비용 감소, 연료 전지 유닛의 신뢰성 증가 및/또는 연료 전지 유닛의 수명 증가를 지원한다.
바람직하게는, 블랭킹 플레이트는 금속 블랭킹 플레이트이다. 더욱 바람직하게는, 블랭킹 플레이트는 금속 기판 플레이트와 동일한 금속으로 만들어진다. 바람직하게는, 블랭킹 플레이트는 금속 기판 플레이트와 동일한 두께이다.
바람직하게는, 금속 스페이서는 각각 연료 포트를 정의하는 적어도 2 개의 내부 주변부를 포함한다. 보다 바람직하게는, 각각의 금속 스페이서는 제1 단부에서 두 개의 연료 포트를 정의하고(바람직하게는, 연료 유입 단부, 즉 2 개 이상의 연료 유입 포트를 정의함) 제2 단부에서 두 개의 연료 포트를 정의한다(바람직하게는, 배기 연료 출구 단부, 즉 2 개 이상의 연료 출구 포트를 정의함).
각각의 금속 기판 플레이트는 컷 아웃 내부 주변부, 즉 컷 아웃 위와 완전히 중첩되어 부착된다. 따라서, 각각의 금속 기판 플레이트는 컷 아웃을 덮는다. 각각의 금속 기판 플레이트는 컷 아웃을 정의하는 적어도 하나의 내부 주변부와 금속 스페이서의 외부 주변부 사이에서 금속 스페이서에 부착된다.
바람직하게는, 금속 기판은 용접에 의해, 보다 바람직하게는 라인 용접에 의해 금속 스페이서에 부착된다(또는 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트 및 적어도 하나의 금속 기판 플레이트).
바람직하게는, 각각의 금속 기판 플레이트는 컷 아웃을 정의하는 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부와 금속 스페이서의 외부 주변부 사이에서 금속 스페이서에 부착된다. 보다 바람직하게는, 각 금속 기판 플레이트는 컷 아웃을 정의하는 컷 아웃 내부 주변부와 금속 스페이서의 외부 주변부 사이에서 금속 스페이서에 부착된다.
바람직하게는, 금속 인터커넥트 플레이트는 용접에 의해 금속 스페이서에 밀봉 부착된다.
바람직하게는, 금속 인터커넥트 플레이트는 (a) 금속 스페이서의 외부 주변부와 (b) 금속 스페이서의 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부 사이에 배치된 라인을 따라 금속 스페이서에 밀봉식으로 부착된다. 바람직하게는, 라인은 금속 스페이서의 외부 주변부에 근접한다. 보다 바람직하게는, 라인은 금속 스페이서의 외부 주변부에 인접한다. 보다 바람직하게는, 라인은 금속 스페이서의 외부 주변부의 10mm 이내, 보다 바람직하게는 5mm 이내, 더욱 바람직하게는 4mm 이내, 더욱 바람직하게는 3mm 이내, 더욱 바람직하게는 2mm 이내이다.
보다 바람직하게는, 금속 기판(또는 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트 및 적어도 하나의 금속 기판 플레이트)을 금속 스페이서에 부착시키는 용접부(들) 및 금속 인터커넥트 플레이트를 금속 스페이서에 밀봉식으로 부착하는 용접부는 중첩되지 않는다.
바람직하게는, 각각의 금속 기판 플레이트의 제 1 표면 및 각각의 블랭킹 플레이트의 제 1 표면은 금속 스페이서의 제 2 표면 상에 배치되어 부착된다.
바람직하게는, 금속 인터커넥트 플레이트의 제 2 표면은 금속 스페이서의 제 1 표면 상에 배치되고 밀봉되어 부착된다.
바람직하게는, 총 2 개의 블랭킹 플레이트가 존재한다.
바람직하게는, 금속 인터커넥트 플레이트는 제 1 표면으로부터 바깥쪽으로 연장되고 제 2 표면으로부터 멀어지는 복수의 딤플을 포함한다. 바람직하게는, 금속 인터커넥트 플레이트는 제 1 표면으로부터 바깥쪽으로 연장되고 제 2 표면으로부터 멀어 지도록 연장되는 복수의 딤플, 및 제 1 표면으로부터 멀어지게, 제 2 표면으로부터 바깥쪽으로 연장되는 복수의 딤플을 포함한다. 바람직하게는, 딤플이 번갈아 나타난다. 따라서, 바람직하게는, 딤플은 금속 인터커넥트 플레이트의 제 1 표면으로부터 및 제 2 표면으로부터 멀어 지도록 연장되는 것 사이에서 교번된다.
바람직하게는, 연료 전지 유닛은 하나 이상의 조합된 금속 기판 플레이트를 포함하고, 각각의 조합된 금속 기판 플레이트는(결합된) 블랭킹 플레이트 및 하나 이상의 금속 기판 플레이트를 포함한다. 따라서, 베이스 플레이트와 적어도 하나의 금속 기판 플레이트는 서로 결합되어 단일 구성 요소(결합 금속 기판 플레이트)를 형성하거나, 결합된 금속 기판 플레이트가 금속 스페이서에 부착되기 전에 처음부터 단일 구성 요소로서 일체로 형성된다. 보다 바람직하게는, 연료 전지 유닛은 2 개의 조합된 금속 기판 플레이트를 포함한다. 보다 바람직하게는, 연료 전지 유닛은 조합된 금속 기판 플레이트, 하나 이상의 금속 기판 플레이트 및 블랭킹 플레이트를 포함한다. 대안적으로, 연료 전지 유닛은 2 개의 조합된 금속 기판 플레이트 및 하나 이상의 금속 기판 플레이트를 포함한다.
하나 이상의 조합된 금속 기판 플레이트를 포함하는 실시 예에서, 조합된 금속 기판 플레이트는 바람직하게는 인접한 금속 기판 플레이트 또는 결합된 금속 기판 플레이트와 접하거나 접촉하지 않는다.
블랭킹 플레이트 사이에 2x1 시리즈(선형) 배열로 금속 기판 플레이트를 제공할 뿐만 아니라, 다른 배열 및 다수의 금속 기판 플레이트가 제공될 수 있다. 예를 들어, 금속 기판 플레이트는 블랭킹 플레이트 사이에 1x2(병렬) 배열로 제공될 수 있다. 대안적으로, 금속 기판 플레이트는 2x2, 3x2 또는 4x2 배열로 제공될 수 있고 동일한 블랭킹 플레이트가 다양한 배열로 사용될 수 있다. 유사하게, 연료 전지 유닛에는 동일한 블랭킹 플레이트를 사용하여 2x3, 3x3 또는 4x3 배열로 금속 기판 플레이트가 제공될 수 있다. 다른 배열도 쉽게 알 수 있다.
복수의 금속 기판 플레이트의 사용은 금속 기판 플레이트가 모듈 방식으로 결합되어 원하는 연료 전지 유닛 크기 및 출력 범위를 얻을 수 있게 하고, 예를 들어 더 큰 연료 전지 유닛 크기 및 더 큰 전력 출력을 포함한다. 금속 스페이서에 금속 기판 플레이트의 부착은 또한 연료 전지 유닛 내에서 연료 전지의 굽힘 가능성을 감소시킬 수 있고, 따라서 연료 전지가 구부러 질 때 발생할 수있는 전기 전도성 및 가스 밀봉의 위험을 감소시킨다. 금속 기판 플레이트의 사용은 또한 주어진 금속 기판 플레이트가 다수의 상이한 연료 전지 유닛 제품에서 제조되고 사용될 수 있음을 의미한다. 따라서, 예를 들어 단지 2 개의 금속 기판 플레이트를 포함하는 연료 전지 유닛에 사용될 수있다. 대안적으로, 이는 4, 6, 8, 9, 10 또는 12 개의 금속 기판 플레이트를 갖는 것과 같은 더 큰 연료 전지 유닛에 사용될 수 있다. 이는 금속 기판 플레이트(및 그 적어도 하나의 연료 전지)의 제조 비용, 속도, 품질 및 신뢰성을 증가시키도록 작용할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 하나는 금속 기판의 한쪽 단부, 즉 하나는 금속 기판의 제 1 단부에, 다른 하나는 금속 기판의 제 2 단부에 배열된(금속 스페이서에 부착한 경우) 2 개의 블랭킹 플레이트가 제공된다. 다른 실시 예에서, 블랭킹 플레이트는 제 1 및 제 2 부분, 즉 제 1 블랭킹 플레이트 부분 및 제 2 블랭킹 플레이트 부분으로 분할될 수 있다. 따라서, 제 1 블랭킹 플레이트는 제 1 블랭킹 플레이트 부분 및 제 2 블랭킹 플레이트 부분을 포함할 수 있다. 유사하게, 제 2 블랭킹 플레이트는 제 1 블랭킹 플레이트 부분 및 제 2 블랭킹 플레이트 부분을 포함할 수 있고, 각각의 블랭킹 플레이트 부분은 금속 스페이서에 부착된다.
연료 전지 유닛에는 내부 연료 매니 폴드가 있다. 복수의 연료 전지 유닛이 스택으로 조립될 때, 개방 매니폴드 산화제(공기) 유동 통로는 (a) 제 1 연료 전지 유닛의 금속 인터커넥트 플레이트의 제 1 표면와 (b) 인접한 제 2 연료 전지 유닛의 금속 기판(또는 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트 및 적어도 하나의 금속 기판 플레이트)의 제 2 표면 사이에 정의된다. 바람직하게는, 금속 인터커넥트 플레이트는 제 1 표면으로부터 바깥쪽으로 연장되고 제 2 표면으로부터 멀어지는 복수의 딤플을 포함한다. 바람직하게는, 제 1 연료 전지 유닛의 딤플은 인접한 제 2 연료 전지 유닛의 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 캐소드 층에 인접하고 집 전체로서 작용한다.
상기 선택적 및 바람직한 특징은 이하에서 상세히 설명되는 본 발명의 다른 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따라 또한 본 발명에 따른 복수의 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택이 제공된다.
바람직하게는, 고체 산화물 연료 전지 유닛은 압축 개스킷에 의해 서로 분리된다.
또한 본 발명에 따라 베이스 플레이트, 단부 플레이트, 제12항에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택, 및 상기 베이스 플레이트 및 상기 단부 플레이트에 부착되는 스커트를 포함하고 상기 연료 전지 스택 내에 포함된 상기 단부 플레이트, 상기 베이스 플레이트 및 상기 스커트 사이의 체적을 정의하는, 고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리가 .
또한 본 발명에 따르면, 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛의 조립 방법이 제공되며, 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛은:
a) 제 1 및 제 2 대향 표면을 정의하는 금속 기판, 하나 이상의 고체 산화물 연료 전지가 상기 금속 기판의 상기 제 2 표면 상에 배치됨;
b) 금속 스페이서, 제1 및 제2 대향 표면을 정의하고, 상기 금속 스페이서는:
(i) 외부 주변부,
(ii) 연료 유입 포트를 정의하는 적어도 하나의 연료 유입 내부 주변부,
(iii) 컷 아웃을 정의하는 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부, 및
(iv) 연료 출구 포트를 정의하는 적어도 하나의 연료 출구 내부 주변부;
를 포함하고,
상기 조립 방법은
(i) 상기 금속 기판의 상기 제 1 표면을 상기 금속 스페이서의 상기 제 2 표면에 부착하는 단계; 및
(ii) 상기 금속 인터커넥트 플레이트의 상기 제 2 표면을 상기 금속 스페이서의 상기 제 1 표면에 밀봉식으로 부착하는 단계;
를 포함하고,
연료 유입 포트 체적은 상기 금속 기판의 상기 제 1 표면, 상기 금속 스페이서의 각각의 하나 이상의 연료 유입 내부 주변부와 상기 금속 인터커넥트 플레이트의 상기 제 2 표면 사이에 정의되고,
컷 아웃 체적은 상기 금속 기판의 상기 제 1 표면, 상기 금속 스페이서의 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부와 상기 금속 인터커넥트 플레이트의 상기 제 2 표면 사이에 정의되고,
연료 출구 포트 체적은 상기 금속 기판의 상기 제 1 표면, 상기 금속 스페이서의 각각의 적어도 하나의 연료 출구 내부 주변부와 상기 금속 인터커넥트 플레이트의 상기 제 2 표면 사이에 정의되고,
상기 금속 인터커넥트 플레이트는 상기 적어도 하나의 연료 유입 포트 체적으로부터 상기 적어도 하나의 컷 아웃 체적까지 그리고 상기 적어도 하나의 연료 출구 포트 체적까지 유체 유로를 정의하는 복수의 브릿지 부분을 포함한다.
금속 기판이 2 개 이상의 블랭킹 플레이트 및 1 개 이상의 금속 기판 플레이트(바람직하게는, 복수의 금속 기판 플레이트)를 포함하는 실시 예에서, 바람직하게, 단계(i)는 금속 스페이서를 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트 및 적어도 하나의 금속 기판 플레이트에 클램핑하고 금속 스페이서를 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트 및 적어도 하나의 금속 기판 플레이트에 부착하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계(ii)는 금속 인터커넥트 플레이트를 금속 스페이서에 클램핑하고 금속 인터커넥트 플레이트를 금속 스페이서에 부착하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계(i) 및 단계(ii) 중 적어도 하나는 용접에 의한 부착을 포함한다. 보다 바람직하게는, 단계(i) 및(ii) 모두 용접에 의한 부착을 포함한다.
바람직하게는, 하나 이상의 금속 기판 플레이트 및 복수의 블랭킹 플레이트는 금속 스페이서와 정렬되고 금속 인터커넥트 플레이트와 정렬된다.
바람직하게는, 위치 결정 수단(위치 결정 수단이라고도 함)은 조립 공정 동안 다양한 구성 요소를 위치시키는 데 사용된다. 적합한 위치 수단은 데이텀 엣지, 고정 다월 및 스프링 다월을 포함한다. 다른 위치 수단은 당업자에게 명백할 것이다.
바람직하게는, 고체 산화물 연료 전지 유닛은 금속 기판(또는 하나 이상의 금속 기판 플레이트 및 블랭킹 플레이트)이 금속 스페이서에 부착됨으로써 금속 기판(또는 하나 이상의 금속 기판 플레이트)이 금속 스페이서에서 절단된 적어도 하나 위에 부착되도록 조립된다. 금속 기판(또는 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트 및 적어도 하나의 금속 기판 플레이트) 및 금속 스페이서는 바람직하게는 제 1 클램핑 플레이트를 사용하여 함께 클램핑된다. 바람직하게는, 금속 기판(또는 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트 및 적어도 하나의 금속 기판 플레이트)은베이스 플레이트 상에 위치되고, 금속 스페이서 플레이트는 상부에 위치된다. 바람직하게는, 제 1 클램핑 플레이트는 금속 스페이서 위에 위치된다. 더욱 바람직하게는, 클램핑 수단은베이스 기판과 제 1 클램핑 플레이트 사이의 금속 기판(또는 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트 및 적어도 하나의 금속 기판 플레이트) 및 금속 스페이서를 클램핑한다. 보다 바람직하게는, 제 1 클램핑 플레이트는 금속 기판(또는 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트 및 적어도 하나의 금속 기판 플레이트)이 금속 스페이서에 용접되는 용접 슬롯을 정의한다.
바람직하게는, 금속 인터커넥트 플레이트는 용접에 의해 금속 스페이서에 부착된다. 바람직하게는, 금속 인터커넥트 플레이트는 금속 기판이 이미 부착된(또는 적어도 하나의 금속 기판 플레이트 및 블랭킹 플레이트가 이미 부착된) 금속 스페이서 위에 배치된다. 바람직하게는, 제 2 클램핑 플레이트는 금속 인터커넥트 플레이트 위에 위치된다. 더욱 바람직하게는, 클램핑 수단은 베이스 기판과 제 2 클램핑 플레이트 사이의 금속 기판(또는 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트 및 적어도 하나의 금속 기판 플레이트), 금속 스페이서 및 금속 인터커넥트 플레이트를 클램핑한다. 바람직하게는, 제 2 클램핑 수단은 개구를 정의한다. 보다 바람직하게는, 금속 인터커넥트 플레이트는 개구부를 통해 금속 기판에 용접된다. 바람직하게는, 용접은 금속 기판의 외부 주변부와 금속 인터커넥트 플레이트와 금속 스페이서의 내부 주변부 사이에 있다. 보다 바람직하게는, 용접은 금속 인터커넥트 플레이트, 금속 기판, 및 금속 기판(또는 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트 및 적어도 하나의 금속 기판 플레이트)을 통해 연장된다.
금속 스페이서에 부착된 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트 및 적어도 하나의 금속 기판 플레이트는 함께 금속 기판을 정의한다.
바람직하게는, 금속 기판(또는 적어도 2 개의 블랭킹 플레이트, 적어도 하나의 금속 기판 플레이트), 금속 스페이서 및 금속 인터커넥트 플레이트는 데이텀 엣지에 의해 조립 동안 정렬된다.
당업자에게 본 발명의 가능한 개시가 여기에 제공된다. 이하, 하나 이상의 예가 제시된 본 발명의 실시 예를 상세히 참조할 것이다. 각 예는 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니라 본 발명을 설명하기 위해 제공된다.
본문 내에 포함되어 있음.
도면들 중:
도 1은 실시 예 1의 연료 전지 유닛 구성 요소의 분해 사시도를 도시한다
도 2는 어셈블리 베이스 플레이트에 있는 금속 기판 구성 요소의 평면도이다
도 3은 도 2의 금속 기판 구성 요소의 상부에 위치된 금속 스페이서의 평면도를 도시한다
도 4는 용접 목적으로 도 3의 금속 스페이서의 상부에 위치된 제 1 클램핑 플레이트의 평면도를 도시한다
도 5는 제 1 클램핑 수단의 용접 및 제거 후 도 3의 금속 스페이서의 평면도를 도시한다
도 6은 도 5의 금속 스페이서의 상부에 위치한 금속 인터커넥트 플레이트의 평면도를 도시한다
도 7은 용접 목적으로 도 6의 금속 인터커넥트 플레이트의 상부에 위치된 제 2 클램핑 플레이트의 평면도를 도시한다
도 8은 제 2 클램핑 수단의 용접 및 제거 및 어셈블리 베이스 플레이트로부터의 제거 후의 도 6의 금속 인터커넥트 플레이트의 평면도를 도시한다
도 9는 금속 기판 플레이트를 통한 단면을 도시한다
도 10은 실시 예 2의 연료 전지 유닛의 분해 사시도를 도시한다
도 11은 실시 예 4의 연료 전지 유닛의 분해 사시도를 도시한다
도 12는 실시 예 5의 연료 전지 유닛의 연료 전지 유닛의 구성 부품의 평면도를 도시한다
그림 13은 금속 스페이서의 일부 평면도를 도시한다
도 14는 금속 인터커넥트 플레이트의 일부 평면도를 도시한다
도 15는 실시 예 1의 연료 전지 유닛의 연료 흐름을 도시한 분해 사시도이다
도 16a는 종래 기술 장치에서 연료 속도를 보여주는 CFD 이미지이다
도 16b는 종래 기술 장치에서의 연료 속도를 나타내는 CFD 이미지이다(음영은 m.s^-1 단위의 연료 중간면 속도를 나타낸다)
도 16C는 본 발명에 따른 장치에서 연료 속도를 나타내는 CFD 이미지이다(음영은 m.s^-1단위의 연료 중간면 속도를 나타낸다)
도 17a는 종래 기술 장치에서 정규화된 연료 체류 시간(연료의 나이)을 보여주는 CFD 이미지이다
도 17b는 본 발명에 따른 장치에서 정규화된 연료 체류 시간(연료의 수명)을 보여주는 CFD 이미지이다
본 명세서에서 사용된 참조 부호의 목록은 특정 실시 예의 끝에 제공된다. 본 명세서 및 도면에서 참조 부호의 반복 사용은 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내는 것으로 의도된다.
첨부된 청구 범위의 범주를 벗어나지 않고 본 발명에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 일 실시 예의 일부로서 설명된 특징은 다른 실시 예에서 사용되어 또 다른 실시 예를 생성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위 및 그 등가물의 범주 내에 있는 그러한 수정 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 측면은 본 명세서의 나머지 부분에 개시되어 있다. 본 논의는 단지 예시적인 실시 예에 대한 설명이며, 본 발명의 더 넓은 측을 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 보다 넓은 측은 예시적인 구성으로 구현되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예 1
금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1)의 제조가 도면에 도시되어 있다. 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1)은 고체 산화물 연료 전지 스택 층으로서 사용하기 위한 것이다.
이 실시 예에서, 금속지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1)은 금속 기판(65)("기판 층" 또는 "금속 기판 층"으로도 지칭됨), 금속 스페이서(30) 및 금속 인터커넥트 플레이트(20)를 포함하여 제조된다.
금속 기판 플레이트(70a 및 70b)는 각각 제 1 표면(71)과 제 2 표면(72) 사이에서 연장되는 레이저 드릴된 천공(78a)에 의해 정의된 다공성 영역(78)을 포함한다. 연료 전지(79)는 금속 기판 플레이트(70a 및 70b)의 제 2 표면(72)상의 다공성 영역(78) 위에 증착되며, 금속 기판 플레이트(70a, 70b)의 다공성 영역(78) 위에 증착된(본딩된) 애노드 층, 애노드 층 위에 증착된(본딩된) 전해질 층, 및 전해질 층 위에 증착된 캐소드 층을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 어셈블리베이스 플레이트(80)는 고정 다월(83a, 83b, 83c, 83d, 83e, 83f, 83g) 및 스프링 장착 다월(84a, 84b, 84c, 84d, 84e, 84f, 84g)을 포함한다. 어셈블리 베이스 플레이트(80)는 또한 데이텀 엣지(81)를 정의(포함)한다.
금속 기판 플레이트(70a 및 70b), 및 블랭킹 플레이트(50a 및 50b)는 어셈블리 베이스 플레이트(80) 상에 정렬되고, 고정 다월(83a, 83b, 83c, 83d, 83e, 83f, 83g), 스프링 장착 다월(84a, 84b, 84c, 84d, 84e, 84f, 84g) 및 데이텀 엣지(81)에 의해 정렬이 달성된다.
블랭킹 플레이트(50a)의 제 2 표면(52)은 어셈블리 베이스 플레이트(80) 상에 배치된다(즉, 접촉/접합). 블랭킹 플레이트(50a)의 제 2 엣지(58)는 고정 다월(83g)에 의해 데이텀 엣지(81) 상에 정렬되고, 블랭킹 플레이트(50a)의 제 1 엣지(57)는 고정 다월(83a) 및 스프링 장착 다월(84a)에 정렬된다. 블랭킹 플레이트(50a)의 만곡된 엣지(55)는 스프링 장착 다월(84g)에 의해 정렬된다.
블랭킹 플레이트(50b)의 제 2 표면(52)은 어셈블리베이스 플레이트(80) 상에 배치된다(즉, 접촉/접합). 블랭킹 플레이트(50b)의 제 2 엣지(58)는 고정 다월(83c)에 의해 데이텀 엣지(81) 상에 정렬되고, 블랭킹 플레이트(50b)의 제 1 엣지(57)는 고정 다월(83b) 및 스프링 장착 다월(84d)에 정렬된다. 블랭킹 플레이트(50b)의 만곡된 엣지(55)는 스프링 장착 다월(84e)과 정렬된다.
금속 기판 플레이트(70a)의 제 2 표면(72)은 어셈블리 베이스 플레이트(80) 상에 배치된다(즉, 접촉/접합).
금속 기판 플레이트(70a 및 70b)는 블랭킹 플레이트(50a 및 50b) 사이의 어셈블리베이스 플레이트(80) 상에 위치된다. 금속 기판 플레이트(70a)의 제 2 단변(75)은 고정 다월(83f, 83e)에 의해 데이텀 엣지(81) 상에 정렬된다. 금속 기판 플레이트(70a)의 제 1 단변(74)은 스프링 장착 다월(84b)에 의해 정렬된다.
금속 기판 플레이트(70b)의 제 2 단변(75)은 고정 다월(83d) 및 스프링 장착 다월(84f)에 의해 데이텀 엣지(81) 상에 정렬된다. 금속 기판 플레이트(70b)의 제 1 단변(74)은 스프링 장착 다월(84c)에 의해 정렬된다.
금속 기판 플레이트(70a)의 외부 장변(76)은 블랭킹 플레이트(50a)의 내부 엣지(59)에 평행하게 정렬되어, 금속 기판 플레이트(70a)와 블랭킹 플레이트(50a) 사이의 공차 갭(82a)을 정의한다.
금속 기판 플레이트(70b)의 외부 장변(76)은 블랭킹 플레이트(50b)의 내부 엣지(59)에 평행하게 정렬되어 금속 기판 플레이트(70b)와 블랭킹 플레이트(50b) 사이의 공차 갭(82b)을 정의한다.
공차 갭(82c)은 금속 기판 플레이트(70a)의 내부 장측(77)과 금속 기판 플레이트(70b)의 내부 장측(77) 사이에 정의된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 금속 스페이서(30)는 블랭킹 플레이트(50a), 금속 기판 플레이트(70a), 금속 기판 플레이트(70b) 및 블랭킹 플레이트(50b)의 상부에 배치된다.
금속 스페이서(30)의 제 2 표면(32)은 블랭킹 플레이트(50a)의 제 1 표면(51), 금속 기판 플레이트(70a)의 제 1 표면(71), 금속 기판 플레이트(70b)의 제 1 표면(71) 및 블랭킹 플레이트(50b)의 제 1 표면(51) 상에 배치(접촉/접합)된다.
금속 스페이서(30)는 고정 다월(83e), 스프링 장착 다월(84a, 84d, 84e, 84f 및 84g) 및 데이텀 엣지(81)에 의해 블랭킹 플레이트(50a), 금속 기판 플레이트(70a), 금속 기판 플레이트(70b) 및 블랭킹 플레이트(50b)와 정렬된다.
금속 스페이서(30)의 제 2 연장 엣지(38)는 블랭킹 플레이트(50a 및 50b)의 데이텀 엣지(81) 및 제 2 엣지(58) 및 고정 다월(83e) 및 스프링 장착 다월(84f)을 사용하여 금속 기판 플레이트(70a 및 70b)의 제 2 단변(75)과 정렬된다. 금속 스페이서(30)의 제 1 세 장형 엣지(37)는 스프링 장착 다월(84a, 84d)을 사용하여 블랭킹 플레이트(50a 및 50b)의 제 1 엣지(57) 및 금속 기판 플레이트(70a 및 70b)의 제 1 단변(74)과 정렬된다.
블랭킹 플레이트(50a), 금속 기판 플레이트(70a), 금속 기판 플레이트(70b) 및 블랭킹 플레이트(50b)의 외부 주변부는 금속 스페이서(30)의 외부 주변부(33)를 넘어 연장되지 않는다.
금속 스페이서(30)는 컷 아웃 내부 주변부(39a 및 39b)를 포함하고, 각각의 내부 주변부는 각각의 컷 아웃(40a 및 40b)을 정의하고, 그들 사이의 크로스 부재(41)를 포함한다. 금속 기판 플레이트(70a 및 70b)는 금속 스페이서(30)의 컷 아웃 내부 주변부(39a 및 39b)와 완전히 중첩되며, 즉 금속 기판 플레이트(70a 및 70b)는 컷 아웃(40a 및 40b)을 완전히 커버한다.
금속 스페이서(30)는 또한 연료 포트(34a, 34b, 34c 및 34d)를 정의하는 복수의 연료 유입 내부 주변부(33a, 33b) 및 연료 출구 내부 주변부(33c, 33d)를 포함한다. 각각의 연료 포트는 다수의 영역-연료 덕트 영역(44a), 연료 스로트 영역(44b) 및 연료 분배기 채널 영역(44c)을 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 클램핑 플레이트(90)는 금속 스페이서(30)의 상부, 즉 금속 스페이서(30)의 제 1 표면(31)에 접촉/접합된다.
제 1 클램핑 플레이트(90)는 오리피스(92a 및 92b)를 정의한다. 스프링 장착 다월(84h)은 오리피스(92a)를 통해 돌출하고, 고정 다월(83e)은 오리피스(92b)를 통해 돌출되어, 제 1 클램핑 플레이트(90)가 금속 스페이서(30)(따라서 또한 블랭킹 플레이트(50a), 금속 기판 플레이트(70a), 금속 기판 플레이트(70b) 및 블랭킹 플레이트(50b))와 정렬될 수 있게 한다.
클램핑 수단(미도시)은 제 1 클램핑 플레이트(90) 및 어셈블리베이스 플레이트(80), 즉 클램핑 금속 스페이서(30), 블랭킹 플레이트(50a), 금속 기판 플레이트(70a), 금속 기판 플레이트(70b) 및 블랭킹 플레이트(50b)를 클램핑한다.
제 1 클램핑 플레이트는 또한 용접 슬롯(91a, 91b 및 91c)을 정의한다.
용접 수단(미도시)은 금속 스페이서(30)와 블랭킹 플레이트(50a) 사이의 라인 용접 이음부(100a), 금속 스페이서(30)와 금속 기판 플레이트(70a) 사이의 라인 용접 이음부(100b 및 100c), 금속 스페이서(30)와 금속 기판 플레이트(70b) 사이의 라인 용접 이음부(100d 및 100e), 금속 스페이서(30)와 블랭킹 플레이트(50b) 사이의 라인 용접 이음부(100f)를 생성하는데 사용된다.
금속 기판 플레이트(70a, 70b)의 비 다공성 영역(78b)은 금속 스페이서(30)에 부착된다.
금속 스페이서(30)에 부착된 블랭킹 플레이트(50a), 금속 기판 플레이트(70a), 금속 기판 플레이트(70b) 및 블랭킹 플레이트(50b)는 금속 기판(65), 즉 금속 스페이서(30)에 부착된 금속 기판(65)을 형성/정의한다.
그 후, 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 클램핑 플레이트(90)가 제거된다(고정 다월(83e) 및 스프링 장착 다월(84a, 84d 및 84f는 도시되지 않음)).
도 6에 도시된 바와 같이, 금속 인터커넥트 플레이트(20)는 금속 스페이서(30)의 상부에 배치된다.
금속 인터커넥트 플레이트(20)의 제 2 표면(22)은 금속 스페이서(30)의 제 1 표면(31) 상에 배치된다(즉, 접촉/접합).
금속 인터커넥트 플레이트(20)는 고정 다월(83e), 스프링 장착 다월(84a, 84d, 84f) 및 데이텀 엣지(81)에 의해 금속 스페이서(30)(따라서 또한 블랭킹 플레이트(50a), 금속 기판 플레이트(70a), 금속 기판 플레이트(70b) 및 블랭킹 플레이트(50b))와 정렬된다. 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 제 2 엣지(28)는 데이텀 엣지(81), 고정 다월(83e) 및 스프링 장착 다월(84f)에 인접한다.
금속 인터커넥트 플레이트(20)는 복수의 딤플(110) 및 제 1 표면(21)으로부터 외측으로 연장되는, 즉 제 2 표면(22)으로부터 멀어지고 금속 스페이서(30) 및 금속 스페이서(30)에 부착된 금속 기판(65)으로부터 멀어지는 연장 브릿지 딤플(120, 121)을 포함한다.
딤플(110)은 금속 기판 플레이트(70a, 70b)의 연료 셀(79)의 위치에 대응하는 영역을 포함하는 다수의 영역에 형성되어, 스택 내에 복수의 연료 전지 유닛(1)을 포함하는 연료 전지 스택 배열에서 딤플(110) 제 1 연료 전지 유닛(1)의 연료 전지 유닛(1)은 적층된 인접 연료 전지 유닛(1)의 연료 전지(79)와 접촉한다. 따라서, 딤플(110)은 연료 전지 셀(79)의 외부(캐소드) 표면과 전기적 연결을 형성하며, 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 제 1 표면(21)으로부터 인접한 연료 전지 유닛(1)의 인접한 연료 전지/연료 전지(79)의 캐소드 층으로 전류가 흐른다.
이후에보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 연장 브릿지 딤플(120, 121)은 최종 연료 전지 유닛(1)의 개별 구역/영역/볼륨 사이의 유체 흐름 브릿지로서 작용한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제 2 클램핑 플레이트(95)는 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 상부, 즉 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 제 1 표면(21)에 접촉/접합된다.
제 2 클램핑 플레이트(95)는 오리피스(98a 및 98b)를 정의한다. 스프링 장착 다월(84h)은 오리피스(98a)를 통해 돌출되고, 고정 다월(83e)은 오리피스(98b)를 통해 돌출되어, 제 2 클램핑 플레이트(95)가 금속 인터커넥트 플레이트(20)(따라서 또한 금속 스페이서(30), 블랭킹 플레이트(50a), 금속 기판 플레이트(70a), 금속 기판 플레이트(70b) 및 블랭킹 플레이트(50b))와 정렬될 수 있게 한다.
제 2 클램핑 플레이트(95)는 개구(96a)를 정의하는 내부 주변부(96)를 포함한다.
클램핑 수단(미도시)은 제 2 클램핑 플레이트(95) 및 어셈블리베이스 플레이트(80), 즉 클램핑 금속 인터커넥트 플레이트(20), 금속 스페이서(30), 블랭킹 플레이트(50a), 금속 기판 플레이트(70a), 금속 기판 플레이트(70b) 및 블랭킹 플레이트(50b)를 클램핑한다.
용접 수단(미도시)은 금속 인터커넥트 플레이트(20), 금속 스페이서(30) 및 블랭킹 플레이트(50a), 금속 기판 플레이트(70a), 금속 기판 플레이트(70b) 및 블랭킹 플레이트(50b) 사이에 연속적인 주변부 용접 이음부(101)를 생성하는데 사용된다.
이어서, 제 2 클램핑 플레이트(95)가 제거되고, 완성된 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1)이 어셈블리 베이스 플레이트(80)로부터 제거된다.
완성된 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1)에서, 연료 덕트(130)는 연료 포트(24), 연료 포트(34a-d)의 연료 덕트 영역(44a)에 의해 정의되며, 이들 모두는 서로 정렬된다. 연료 덕트(130)는 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 제 1 표면(21)과 블랭킹 플레이트(50a, 50b)의 제 2 표면(52) 사이에서 연장된다.
연료 전지 유닛(1)의 제 1 단부(2)(예를 들어도 3 참조)에서, 제 1 체적(연료 유입 포트 체적(35a))은 블랭킹 플레이트(50a)의 제 1 표면(51), 금속 스페이서(30)의 연료 유입 내부 주변부(33a, 33b) 및 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 제 2 표면(22) 사이에 정의된다.
제 2 체적(컷-아웃 체적(35b))은 금속 기판 플레이트(70a)의 제 1 표면(71), 금속 스페이서(30)의 컷-아웃 내부 주변부(39a) 및 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 제 2 표면(22) 사이에 정의된다.
제 3 체적(컷-아웃 체적(35b))은 금속 기판 플레이트(70b)의 제 1 표면(71), 금속 스페이서(30)의 컷-아웃 내부 주변부(39b) 및 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 제 2 표면(22) 사이에 정의된다.
연료 전지 유닛(1)의 제 2 단부(3)에서, 제 4 체적(연쵸 유출 포트 체적(35c))은 블랭킹 플레이트(50b)의 제 1 표면(51), 금속 스페이서(30)의 연료 출구 내부 주변부(33c 및 33d)와 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 제 2 표면(22) 사이에 정의된다.
연료 전지 유닛(1)의 제 1 단부(2)에서, 연장 딤플(120)은 제 1 및 제 2 체적 사이의 유체 유동 통로를 정의하도록 작용한다. 즉, 제 1 및 제 2 체적 사이의 유체 유동 브릿지로서 작용한다. 유체 흐름 브릿지는 연장 딤플(120)과 금속 스페이서(30) 사이의 체적이다.
연장 딤플(121)은 제 2 및 제 3 체적 사이(즉, 인접한 컷 아웃 체적(35b) 사이)의 유체 유동 통로를 정의하도록 작용한다. 유체 흐름 브릿지는 연장 딤플(121)과 금속 스페이서(30) 사이의 체적이다.
연료 전지 유닛(1)의 제 2 단부(3)에서, 연장 딤플(120)은 제 3 및 제 4 체적 사이의 유체 유동 통로를 정의하도록 작용하고, 즉 제 1 및 제 2 체적 사이의 유체 유동 브릿지로서 작용한다. 유체 흐름 브릿지는 연장 딤플(120)과 금속 스페이서(30) 사이의 체적이다.
따라서, 유체 유동 경로는(연료 유입 포트 체적(35a), 컷 아웃 체적(35b), 연료 유출 포트 체적(35c) 및 유체 유동 브릿지를 사용하여) 다음과 같이 정의된다:
(1) 연료 포트(34a, 34b)의 연료 덕트 영역(44a), 로
(2) 연료 포트(34a, 34b)의 연료 스로트 영역(44b), 로
(3) 연료 포트(34a, 34b)의 연료 분배기 채널 영역(44c), 로
(4) 연료 전지 유닛(1)의 제 1 단부(2)에서 연장 딤플(120), 로
(5) 금속 기판 플레이트(70a)의 제 1 표면(71), 금속 스페이서(30)의 컷 아웃 내부 주변부(39a) 및 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 제 2 표면(22) 사이에 정의된 제 2 체적, 로
(6) 연장 딤플(121), 로
(7) 금속 기판 플레이트(70b)의 제 1 표면(71), 금속 스페이서(30)의 컷 아웃 내부 주변부(39b) 및 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 제 2 표면(22) 사이에 정의된 제 3 체적, 로
(8) 연료 포트(34c, 34d)의 연료 분배기 채널 영역(44c), 로
(9) 연료 포트(34c, 34d)의 연료 스로트 영역(44b), 로
(10) 연료 포트(34c, 34d)의 연료 덕트 영역(44a).
따라서, 유체 유로(140)(즉, 연료 유로)는 제 1 단부(2)의 연료 덕트(130)로부터 제 2 단부(3)의 연료 덕트(130)까지 연료 전지 유닛(1) 내에 정의된다.
유체 유로(140)는 도 15에 도시되어 있다.
도 13 및 14에서 알 수 있는 바와 같이, 금속 인터커넥트 플레이트(20)는 연료를 하나의 연료 분배기 채널(44c1)로부터 컷 아웃(40a)으로 전달하는 하나의 연장 브릿지 딤플(120a)을 포함한다. 마찬가지로, 금속 인터커넥트 플레이트(20)는 하나의 연료 분배기 채널(44c2)로부터 컷 아웃(40a)으로 연료를 전달하는 2 개의 연장 브릿지 딤플(120b)을 포함한다. 또한, 금속 인터커넥트 플레이트(20)는 하나의 연료 분배기 채널(44c3)로부터 컷 아웃(40a)으로 연료를 전달하는 3 개의 연장 브릿지 딤플(120c)을 포함한다.
연장 브릿지 딤플 ra, rb 및 rb1의 폭은 일정하게 유지된다. 그러나, 연장 브릿지 딤플(연장 브릿지 딤플(120c)의 직사각형 단면 형상의 최단면의 길이)의 폭(rc, rc1 및 rc2)은 연장 브릿지 딤플(120c)이 연료 전지 유닛의 중심에 가까워질수록 증가한다. 즉, rc2> rc1> rc, 연료 전지의 중앙에 더 가까운 연장 브릿지 딤플(120c) 내부에 둘러싸인 유동 영역이 점차 커지도록, 상기 연료 전지의 중심에서 연료 고갈을 피하면서 연료 전지의 중심으로 연료가 균일하게 추진된다.
도 14는 또한 교호 딤플(110 및 122)을 도시하며, 딤플은 금속 인터커넥트 플레이트의 제 1 표면으로부터 및 제 2 표면으로부터 멀어지도록 연장된다. 의심의 여지를 피하기 위해, 연장 딤플(120, 120a, 120b, 120c 및 121)은 교대하지 않고 대신에 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 제 1 표면(21)으로부터 제 2 표면(22)으로부터 멀어 지도록 연장된다.
도 13은 금속 스페이서(30)의 연료 포트(34a, 34b, 34c 및 34d)의 배열을 도시한다. 연료 스로트 영역(44b)은 연료 포트(34a)와 대응하는 연료 분배기 채널 영역(44c)(연료 분배기 채널 영역(44c1, 44c2, 44c3)) 사이의 일정한 폭 "W"를 포함하며, 연료는 이러한 연료 포트(34a)로부터 상응하는 연료 분배기 채널 영역은 연료 고갈의 위험을 감소시킨다.
또한, 연료 분배기 채널 영역(44c(44c1, 44c2, 44c3)은 연료 스로트 영역(44b)의 폭 "W"로부터 시작하여 거리(da, db, dc), 여기서(da< db< dc)와 동일한 폭으로 마무리되는, 상기 연료 분배기 채널 영역(44c)의 폭이 점차 증가하는 곡면 형상을 포함한다.
연료 분배기 채널 영역(44c)의 가장자리에서의 거리 d(da, db, dc)는 연료 전지 유닛(1)의 중심에 가까운 영역에서 더 길어 연료 전지 유닛(1)의 중간 영역을 따라 연료를 균일하게 촉진시켜서 연료 분배를 향상시킨다.
연료 전지 스택 어셈블리에서, 연료 스로트 영역(44b)의 길이 "L"은 하나의 고체 산화물 연료 전지 유닛(1)의 금속 인터커넥트 플레이트(20)와 다음 고체 산화물 연료 전지 유닛(1)의 기판 층(65) 사이에 위치된 압축 개스킷의 크기와 관련되고, 개스킷은 인터커넥트의 하나의 포트를 둘러싸는 토 로이드 형상을 포함한다.
추가적인 딤플(122)은 이러한 측면 연장 브릿지 딤플(120)과 함께 딤플(110)과 연장 브릿지 딤플(120) 사이에 위치된다. 또한, 추가 딤플(122)은 딤플(110)과 연장 브릿지 딤플(121) 사이에 위치된다. 딤플(122)은 추가 딤플(122)이 위치하는 영역에서 연료 차단을 피하면서 인터커넥트(20)와 금속 기판(65) 사이의 간극을 유지한다.
연장 브릿지 딤플(120c)은 직사각형 단면 형상의 최단면을 따라 쐐기 형상을 포함하며, 이러한 쐐기 형상은 연료 분배 채널 영역(44c3)을 연장 브릿지 딤플(120c)에 연결하는 측에 위치된다. 연료 전지 스택 어셈블리에서, 쐐기 형상은 금속 인터커넥트 플레이트(20)와 다음 연료 전지 유닛(1) 사이의 간극을 유지하여, 인접한 두 개의 고체 산화물 연료 전지 유닛(1) 사이의 단락 위험을 감소시킨다.
도 16a, 16b 및 16c는 종래 기술의 장치와 비교하여 본 발명(도 16c)으로 달성된 연료 속도의 현저한 개선을 보여준다. 특히, 항구 주변에서 연료 속도가 크게 증가한다. 연료 속도는 연료 전지 유닛(1)의 코너에서 연료 부족 영역이 적고, 연료 전지 유닛(1)을 가로 질러 균일하게 추진된 연료와 함께, 본 발명(도 16c)에서 더욱 일정하게 유지되고, 연료 전지 내에서 발생하는 화학 반응을 개선한다.
도 17a 및 17b 및 표 1은 본 발명에서 표준화된 연료 체류 시간이 종래 기술에 비해 감소되었음을 나타내며, 이는 화학 반응을 위해 더 적은 농도의 수소가 요구됨을 의미한다. 즉, 화학 반응이 일어나기 위해 더 적은 연료가 필요하므로, 본 발명의 효율은 종래 기술에 비해 개선된다.
Figure pct00001
표 2는 연료 전지 유닛 1 활성 영역에서의 유동 균일성을 예시하고 - 계수가 높을수록 활성 영역에 걸쳐 더 나은 유량 분포를 나타내므로, 본 출원에서 연료는 전지에 걸쳐 더 잘 분포된다.
Figure pct00002
표 3은 작동 지점에서의 압력 강하를 보여준다. 연료의 더 나은 분배로 인해, 본 발명에서 유입 및 출구 포트 사이의 압력 강하는 종래 기술에 비해 감소되었다. 셀을 가로 지르는 압력 강하를 최소화하는 것은 스택을 따라 압축을 유지하는 데 유리하다.
Figure pct00003
다양한 구성 요소에 적합한 재료는 다음과 같다(표 4):
Figure pct00004
실시예 2
도 10에 도시된 바와 같이, 실시 예 2는 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛 1을 제외하고는 실시 예 1에 따른 것이다.
(i) 블랭킹 플레이트(50a) 및 금속 기판 플레이트(70a)는 결합된 금속 기판 플레이트(170a)로서 형성되고,
(ii) 블랭킹 플레이트(50b) 및 금속 기판 플레이트(70b)는 결합된 금속 기판 플레이트(170b)로서 형성된다.
제조 및 작동은 실시 예 1의 것과 동일하다.
실시예 3
WO2015/136295에 따르면, 연료 전지 스택 어셈블리는 복수의 연료 전지 유닛(1)을 사용하여 형성된다. 보다 상세하게는, 연료 전지 유닛(1)의 스택은 금속 베이스 플레이트(페라이트 계 스테인리스 강 3CR12)의 상부에 조립되며, 인접 연료 전지 유닛(1)으로부터 베이스 플레이트를 전기적으로 절연하는 테르미큘라이트(Thermiculite) 866 개스킷과 함께, 동력 인출 장치는 테리미큘라이트 866 가스켓과 인접 연료 전지 유닛(10) 사이에 위치한다. 테리미큘라이트 866 가스켓은 인접한 연료 전지 유닛(1)의 제 1 단부(2) 사이 및 인접한 연료 전지 유닛의 제 2 단부(3) 사이에 위치된다. 그 후, 동력 인출 장치가 상부 연료 전지 유닛(1) 상에 배치되고, 테르미튤라이트 866 가스켓이 동력 인출 장치의 상부에 배치되고, 금속 단부 플레이트(페라이트 계 스테인리스 강 3CR12)가 테르미큘라이트 가스켓 상에 배치된다. 이어서, 압축력은 베이스 플레이트와 단부 플레이트 사이의 압축 수단, 및 베이스 플레이트와 단부 플레이트에 부착된 스커트가 연료 전지 스택과 그 연료 전지 유닛을 포함하는 이들 사이의 체적을 정의하기 위한 스커트에 의해 발휘된다.
실시예 4
도 11에 도시된 바와 같이, 실시 예 4는 고체 산화물 연료 전지 유닛 1을 제외하고는 실시 예 1에 따른 것이다.
(i) 블랭킹 플레이트(50a), 금속 기판 플레이트(70a), 금속 기판 플레이트(70b) 및 블랭킹 플레이트(50b)는 단일 결합된 금속 기판 플레이트(180)(금속 기판)로서 형성된다.
(ii) 금속 스페이서(30)는 단일 컷 아웃을 정의하는 단일 컷 아웃 내부 주변부(39a)를 갖는다.
제조 및 작동은 실시 예 1의 것과 동일하다.
실시예 5
도 12에 도시된 바와 같이, 연료 전지 유닛(1)은 실시 예 1에 따라 제조된다. 이 실시 예에서, 총 6 개의 금속 기판 플레이트(70) 및 6 개의 대응하는 컷 아웃(40)이 존재한다.
실시예 6
이 실시 예는 금속 기판 플레이트(180)가 단일 다공성 영역(78)을 포함하는 것을 제외하고는 실시 예 4에 따른 것이고, 단일 연료 전지(79)가 금속 기판 플레이트(180)의 제 2 표면(72) 상에 제공되고, 다공성 영역 및 연료 전지는 단일 컷 아웃 내부 주변부(39a)의 주변부로 연장된다.
연료 전지 유닛(1)을 제조할 때, (금속 기판(65/70) 구성 요소가 금속 스페이서(30)에 용접되는) 제 1 용접 단계는 필요하지 않다. 대신에, 3 개의 층을 통한 주변부 주위의 단일 용접이 수행된다.
첨부된 청구 범위의 범주를 벗어나지 않고 다양한 수정, 개조 및 대안적인 실시 예가 당업자에게 명백할 것이다. 참조 부호는 이해를 돕기 위해서만 청구 범위에 포함되며, 청구 범위의 범위를 제한하지 않는다.
참조 부호:
1 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛
2 제1 단부
3 제2 단부
20 금속 인터커넥트 플레이트
21 (금속 인터커넥트 플레이트(20)의) 제1 표면
22 (금속 인터커넥트 플레이트(20)의) 제2 표면
23 (금속 인터커넥트 플레이트(20)의) 외부 주변부
24 (금속 인터커넥트 플레이트(20)의) 연료 포트
27 (금속 인터커넥트 플레이트(20)의) 제1 엣지
28 (금속 인터커넥트 플레이트(20)의) 제2 엣지
30 금속 스페이서
31 (금속 스페이서(30)의) 제1 표면
32 (금속 스페이서(30)의) 제2 표면
33 (금속 스페이서(30)의) 외부 주변부
33a 연료 유입 내부 주변부
33b 연료 유입 내부 주변부
33c 연료 유출 내부 주변부
33d 연료 유출 내부 주변부
34a 연료 포트
34b 연료 포트
34c 연료 포트
34d 연료 포트
35a 연료 유입 포트 체적
35b 컷-아웃 체적
35c 연료 유출 포트 체적
37 (금속 스페이서(30)의) 제1 연장 엣지
38 (금속 스페이서(30)의) 제2 연장 엣지
39a 컷-아웃 내부 주변부
39b 컷-아웃 내부 주변부
40 컷-아웃
40a 컷-아웃
40b 컷-아웃
41 크로스 부재
44a 연료 덕트 영역
44b 연료 스로트 영역
44c 연료 분배기 채널 영역
50a 블랭킹 플레이트
50b 블랭킹 플레이트
51 (블랭킹 플레이트의) 제1 표면
52 (블랭킹 플레이트의) 제2 표면
54 (블랭킹 플레이트의) 연료 포트
55 (블랭킹 플레이트의) 만곡된 엣지
57 (블랭킹 플레이트의) 제1 엣지
58 (블랭킹 플레이트의) 제2 엣지
59 (블랭킹 플레이트의) 내부 엣지
65 금속 기판
70 금속 기판 플레이트
70a 금속 기판 플레이트
70b 금속 기판 플레이트
71 (금속 기판 플레이트의) 제1 표면
72 (금속 기판 플레이트의) 제2 표면
74 (금속 기판 플레이트의) 제1 단측
75 (금속 기판 플레이트의) 제2 단측
76 (금속 기판 플레이트의) 외부 장측
77 (금속 기판 플레이트의) 내부 장측
78 (금속 기판 플레이트의) 다공성 영역
78a 천공
78b (금속 기판 플레이트의) 비-다공성 영역
79 고체 산화물 연료 전지
80 어셈블리 베이스 플레이트
81 데이텀 엣지
82a 공차 갭
82b 공차 갭
82c 공차 갭
83a 고정 다월
83b 고정 다월
83c 고정 다월
83d 고정 다월
83e 고정 다월
83f 고정 다월
83g 고정 다월
84a 스프링 장착 다월
84b 스프링 장착 다월
84c 스프링 장착 다월
84d 스프링 장착 다월
84e 스프링 장착 다월
84f 스프링 장착 다월
84g 스프링 장착 다월
84h 스프링 장착 다월
90 제1 클램핑 플레이트
91a 용접 슬롯
91b 용접 슬롯
91c 용접 슬롯
92a 오리피스
92b 오리피스
95 제2 클램핑 플레이트
96 내부 주변부
96 개구
98a 오리피스
98b 오리피스
100a 라인 용접 이음부
100b 라인 용접 이음부
100c 라인 용접 이음부
100d 라인 용접 이음부
100e 라인 용접 이음부
100f 라인 용접 이음부
101 주변부 용접 이음부
110 딤플
120 연장 브릿지 딤플
121 연장 브릿지 딤플
130 연료 덕트
170a 조합된 금속 기판 플레이트
170b 조합된 금속 기판 플레이트
180 결합 금속 기판 플레이트
da 거리
db 거리
dc 거리
rc1 폭
rc2 폭
rc3 폭
L 길이(연료 스로트 영역 44b)
W 폭(연료 스로트영역 44b)

Claims (14)

  1. a) 제 1 및 제 2 대향 표면(65a, 65b)을 정의하는 금속 기판(65), 하나 이상의 고체 산화물 연료 전지(79)가 상기 금속 기판(65)의 상기 제 2 표면(65b) 상에 배치됨;
    b) 금속 스페이서(30), 제 1 및 제 2 대향 표면(31, 32)을 정의하며, 상기 금속 스페이서(30)는:
    (i) 외부 주변부(33),
    (ii) 연료 유입 포트(34a, 34b)를 정의하는 적어도 하나의 연료 유입 내부 주변부(33a, 33b),
    (iii) 컷 아웃(40a, 40b)을 정의하는 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부(39) 및
    (iv) 연료 출구 포트(34c, 34d)를 정의하는 적어도 하나의 연료 출구 내부 주변부(33c, 33d),를 포함함,
    상기 금속 기판(65)의 상기 제 1 표면(65a)은 상기 금속 스페이서(30)의 상기 제 2 표면(32)에 부착됨; 및
    c) 제 1 및 제 2 대향 표면(21, 22)을 정의하는 금속 인터커넥트 플레이트(20), 상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 상기 제 2 표면(22)은 상기 금속 스페이서(30)의 상기 제 1 표면(31)에 밀봉식으로 부착됨;을 포함하고,
    연료 유입 포트 체적(35a)는 상기 금속 기판(65)의 상기 제 1 표면(65a), 상기 금속 스페이서(30)의 각각의 하나 이상의 연료 유입 내부 주변부(33a, 33b)와 상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 상기 제 2 표면(22) 사이에 정의되고,
    컷 아웃 체적(35b)는 상기 금속 기판(65)의 상기 제 1 표면(65a), 상기 금속 스페이서(30)의 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부(39)와 상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 상기 제 2 표면(22) 사이에 정의되고,
    연료 출구 포트 체적(35c)는 상기 금속 기판(65)의 상기 제 1 표면(65a), 상기 금속 스페이서(30)의 각각의 적어도 하나의 연료 출구 내부 주변부(33c, 33d)와 상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 상기 제 2 표면(22) 사이에 정의되며,
    상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)는 상기 적어도 하나의 연료 유입 포트 체적(35a)으로부터 상기 적어도 하나의 컷 아웃 체적(35b)까지 그리고 상기 적어도 하나의 연료 출구 포트 체적(35c)까지 유체 유로(140)를 정의하는 복수의 브릿지 부분을 포함하는,
    금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1).
  2. 제1항에 있어서,
    유체 유로(140)는 적어도 하나의 연료 유입 포트(34a, 34b)로부터 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부(39)까지 그리고 브릿지 부분을 통해 적어도 하나의 연료 출구 포트(34c, 34d)까지 정의되는,
    금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    인접한 체적 사이에 복수의 브릿지 부분이 있는,
    금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1).
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에서,
    각각의 금속 스페이서 연료 유입 포트(34a, 34b) 및 각각의 금속 스페이서 연료 출구 포트(34c, 34d)는 연료 덕트 영역(44a), 복수의 연료 스로트 영역(44b) 및 대응하는 복수의 연료 분배기 채널 영역(44c)을 포함하는,
    금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브릿지 부분은 상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 상기 제 2 표면(22)으로부터 멀어지고 상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 상기 제 1 표면(21)으로부터 바깥쪽으로 연장되는,
    금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브릿지 부분은 연장 딤플(120, 121)을 포함하는,
    금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브릿지 부분은 상기 금속 스페이서(30)의 상기 제 1 표면(31)과 상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 상기 제 2 표면(22) 사이의 체적을 정의하는,
    금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 스페이서(30)는 2 개 이상의 연료 유입 포트(34a, 34b)를 정의하는 2 개 이상의 연료 유입 내부 주변부(33a, 33b)를 포함하는,
    금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 스페이서(30)는 적어도 2 개의 컷 아웃(40a, 40b)을 정의하는 적어도 2 개의 컷 아웃 내부 주변부(39a, 39b)를 포함하는,
    금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 스페이서는 2 개 이상의 연료 출구 포트(34c, 34d)를 정의하는 2 개 이상의 연료 출구 내부 주변부(33c, 33d)를 포함하는,
    금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1).
  11. 제1항에 있어서,
    상기 금속지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1)은 금속지지 고체 산화물 연료 전지 스택 층인,
    금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 복수의 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1)을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택.
  13. 베이스 플레이트, 단부 플레이트, 제12항에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택, 및 상기 베이스 플레이트 및 상기 단부 플레이트에 부착되는 스커트를 포함하고 상기 연료 전지 스택 내에 포함된 상기 단부 플레이트, 상기 베이스 플레이트 및 상기 스커트 사이의 체적을 정의하는,
    고체 산화물 연료 전지 스택 어셈블리.
  14. 금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1)의 조립 방법에 있어서, 금속지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1)은:
    a) 제 1 및 제 2 대향 표면(65a, 65b)을 정의하는 금속 기판(65), 하나 이상의 고체 산화물 연료 전지(79)가 상기 금속 기판(65)의 상기 제 2 표면(65b) 상에 배치됨;
    b) 금속 스페이서(30), 제1 및 제2 대향 표면(31, 32)을 정의하고, 상기 금속 스페이서(30)는:
    (i) 외부 주변부(33),
    (ii) 연료 유입 포트(34a, 34b)를 정의하는 적어도 하나의 연료 유입 내부 주변부(33a, 33b),
    (iii) 컷 아웃(40a, 40b)을 정의하는 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부(39), 및
    (iv) 연료 출구 포트(34c, 34d)를 정의하는 적어도 하나의 연료 출구 내부 주변부(33c, 33d);
    를 포함하고,
    상기 조립 방법은
    (i) 상기 금속 기판(65)의 상기 제 1 표면(65a)을 상기 금속 스페이서(30)의 상기 제 2 표면(32)에 부착하는 단계; 및
    (ii) 상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 상기 제 2 표면(22)을 상기 금속 스페이서(30)의 상기 제 1 표면(31)에 밀봉식으로 부착하는 단계;
    를 포함하고,
    연료 유입 포트 체적(35a)는 상기 금속 기판(65)의 상기 제 1 표면(65a), 상기 금속 스페이서(30)의 각각의 하나 이상의 연료 유입 내부 주변부(33a, 33b)와 상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 상기 제 2 표면(22) 사이에 정의되고,
    컷 아웃 체적(35b)는 상기 금속 기판(65)의 상기 제 1 표면(65a), 상기 금속 스페이서(30)의 적어도 하나의 컷 아웃 내부 주변부(39)와 상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 상기 제 2 표면(22) 사이에 정의되고,
    연료 출구 포트 체적(35c)는 상기 금속 기판(65)의 상기 제 1 표면(65a), 상기 금속 스페이서(30)의 각각의 적어도 하나의 연료 출구 내부 주변부(33c, 33d)와 상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)의 상기 제 2 표면(22) 사이에 정의되고,
    상기 금속 인터커넥트 플레이트(20)는 상기 적어도 하나의 연료 유입 포트 체적(35a)으로부터 상기 적어도 하나의 컷 아웃 체적(35b)까지 그리고 상기 적어도 하나의 연료 출구 포트 체적(35c)까지 유체 유로(140)를 정의하는 복수의 브릿지 부분을 포함하는,
    금속 지지 고체 산화물 연료 전지 유닛(1)의 조립 방법.
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