KR20200060727A - 전력 전송 시스템 - Google Patents

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KR20200060727A
KR20200060727A KR1020207010808A KR20207010808A KR20200060727A KR 20200060727 A KR20200060727 A KR 20200060727A KR 1020207010808 A KR1020207010808 A KR 1020207010808A KR 20207010808 A KR20207010808 A KR 20207010808A KR 20200060727 A KR20200060727 A KR 20200060727A
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transmission system
porous metal
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KR1020207010808A
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토마스 프리드리히
마르쿠스 하이든
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플란제 에스이
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Abstract

본 발명은 스택을 전력 라인 또는 인접 스택과 전기적으로 접촉시키기 위한 전력 전송 시스템에 관한 것으로, 스택은 복수의 평면형 전기화학 모듈들로 구성되며 스택 측 전력 전송 플레이트에 의해 단부면들의 각각에서 폐쇄된다. 접촉될 전력 라인은 라인 측 전력 전송 플레이트로 끝난다. 전력 전송 시스템은 접촉될 스택의 스택 측 전력 전송 플레이트와 전력 라인의 라인 측 전력 전송 플레이트 또는 인접 스택의 스택 측 전력 전송 플레이트 사이에 배치되며 이들 전력 전송 플레이트들에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 다공성 금속 바디를 포함한다. 추가로, 다공성 금속 바디는 폐쇄된 둘레방향 시일에 의해 기밀 방식으로 밀봉된다.

Description

전력 전송 시스템
본 발명은 청구항 제1항에 청구된 바와 같은 전력 전송 시스템(power transmission system)에 관한 것이다.
전력 전송 시스템은 전기화학 모듈(electrochemical module), 예를 들어 고온 연료전지(high-temperature fuel cell) 또는 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell)(SOFC), 고체산화물 수전해전지(solid oxide electrolyzer cell)(SOEC) 또는 가역 고체산화물 연료전지(reversible solid oxide fuel cell)(R-SOFC)로 이루어진 스택(stack)의 전기 접촉(electrical contacting)에 사용된다. 전기화학 모듈은 스택을 형성하기 위해 적절한 구성 요소들(인터커넥트, 하우징 부품, 가스 도관 등)과 함께 층층이 배치되며 전기적으로 직렬로 접촉된다. 전기 화학 모듈은 일반적으로 편평한 개별 요소들로 구성되고 가스 투과성 애노드(gas-permeable anode)와 가스 투과성 캐소드(gas-permeable cathode) 사이에 배치된 기밀 고체 전해질(gastight solid electrolyte)을 포함한다. SOFC로서 전기화학 모듈의 작동에서, 연료(예를 들어 수소 또는 메탄, 천연 가스, 바이오 가스 등과 같은 통상적인 탄화수소, 선택적으로 완전히 또는 부분적으로 예비개질된)는 애노드에 공급되고 전자 방출에 의해 촉매적으로 산화된다. 전자들은 연료 셀 밖으로 안내되며 전기 부하를 통해 캐소드로 흐른다. 캐소드에서, 도입된 산화제(예를 들면, 순수한 산소, 그러나 일반적으로 공기)는 전자들을 받아들임에 의해 환원된다. 전기 회로는 산소 이온들에 대해(또는 보다 최근 세대의 SOFC의 경우에는, 양성자들에 대해) 전도성이 있는 전해질을 통해 애노드로 흐르는 그리고 해당 경계면들(interfaces)에서 연료와 반응하는 캐소드에 형성된 산소 이온들(양성자들)에 의해 폐쇄된다.
고체산화물 수전해전지(solid oxide electrolysis cell)(SOEC)로서 전기화학 모듈의 작동에서, 전력, 예를 들어 물의 수소 및 산소로의 전환을 사용하여 산화 환원 반응이 유도된다. SOEC의 구조는 본질적으로 상술한 SOFC의 구조에 상응하며, 캐소드 및 애노드의 역할이 교환된다. 가역 고체산화물 연료전지(R-SOFC)는 SOEC 및 SOFC로서 둘 다 작동될 수 있다.
본 발명은 이러한 스택 장치(배치)의 전기적 접촉에 관한 것이다. 스택(stack) 내의 전기화학 모듈들 사이의 전기적 연결은 소위 상호연결들(interconnects)을 통해 달성되는 반면, 전기 전도성 전력 전송 플레이트들(electrically conductive power transmission plates)(베이스 및 커버링 플레이트)은 하나의 스택으로부터 인접한 스택으로 전력을 추가로 전송하기 위해 플랜트의 스택의 단부면들에 또는 외부 전원 라인에 제공된다. 이를 통해 스택에서 전원을 공급 받거나 스택으로 전원을 공급할 수 있으며 추가적으로 기계적으로 스택을 강화할 수 있다. 이들 스택(적층) 측 전력 전송 플레이트들(stack-side power transmission plates)은 자주 분말 야금학적으로 제조되므로 기계적 후처리 가공(post-processing)이 어렵고 전기적으로 접촉하기 어렵다. 이러한 전기적 접촉을 달성하기 위해, 예를 들어 전기 전도성 유리(DE 43 07 666 C1)에 의해 전원 콘센트 탭 또는 플레이트가 베이스 또는 커버링 플레이트에 용접 또는 납땜 될 수 있거나, 또는 전기 전도성 세라믹 코팅의 적용에 의해 전기적 연결이 이루어질 수 있는 것이 공지된다. DE 10 2004 008 060 A1에서, 그 스트랜드들(strands)이 스택의 베이스 또는 커버링 플레이트의 구멍에 스탬핑된 스트랜드 케이블(stranded cable)을 통해 전력 연결이 이루어진다. 전기화학 모듈이 최대 1000 ℃의 작동 온도에서 작동하고 따라서 전기 접촉 수단이 산화 분위기 (일반적으로 대기)에서 상응하게 높은 온도에 노출되기 때문에 스택의 전기 접촉은 어렵다. 또한 상대적으로 높은 전류가 비교적 낮은 전압에서 흐른다(단일 SOFC는 대략 1V 정도의 전압을 제공하고 최대 500 mA/cm2의 전류 밀도가 발생하며, 대략 100 cm2 또는 그 이상 정도의 면적을 갖는 전기화학적 활성층을 갖는 SOFC가 일반적으로 사용됨). 전기 접촉의 문제점은 전기화학 모듈 분야의 추가 발전으로 인해 방금 설명한 것보다 현저히 더 높은 전류 밀도가 예상되기 때문에 전기 접촉의 문제는 미래에 더욱 중요해질 것이다.
본 발명의 목적은 전기화학 모듈로 구성된 스택을 위한 전력 전송 시스템을 더욱 개발하는 것이며, 이는 최대 1000℃의 스택의 높은 작동 온도에서 스택의 사실상 무손실 전기 접촉(loss-free electrical contacting)을 저렴하고 신뢰성 있게 구현할 수 있다. 전력 전송 시스템은 스택의 인접한 스택과의 직접적인 전기적 접촉과 플랜트의 외부 전원 라인과의 스택의 전기적 접촉을 모두 가능하게 해야 한다.
상기 목적은 청구항 제1항의 특징들을 갖는 전력 전송 시스템에 의해 해결된다. 본 발명의 유리한 실시형태들은 종속 청구항들에 명시된다.
본 발명의 전력 전송 시스템은 전력선(전력 라인), 특히 케이블 형 전력선, 예를 들어 외부 전력 케이블과 스택을 전기적으로 접촉 시키거나, 스택을 인접한 스택과 직접 전기적으로 접촉시키는 역할을 한다. 여기서, 접촉될 스택은 각각의 경우 적어도 하나의 평면형 전기화학 모듈, 특히 고체산화물 연료전지(SOFC), 고체산화물 수전해전지(SOEC) 또는 가역 고체산화물 연료전지(R-SOFC)로 구성된 스택의 형태이다. 이러한 스택은 일반적으로 복수의 전기화학 모듈로 구성된다. 스택은 각각의 경우에베이스 또는 커버링 플레이트라고도 기술되거나 지칭되는 스택 측 전력 전송 플레이트에 의해 그 단부면들에서 폐쇄되며, 그 전기적 기능과는 별도로 보통 스택의 일반적으로 많은 개별 전기화학 모듈들의 기계적 결합(접합)을 또한 발생시킨다. 스택이 전력 라인과 접촉되는 경우, 전력 라인의 단부는 라인 측 전력 전송 플레이트에 전기적으로 연결된다. 전력 전송 플레이트는 전기 전도성이고 특히 금속성이다. 스택 측 전력 전송 플레이트는 일반적으로 분말 야금학적으로 제조되어 왔지만, 라인 측 전력 전송 플레이트는 용융 야금학적으로 제조될 수 있으며, 예를 들어 내열강으로 제조될 수 있다. 케이블 형 전력 라인은 분말 야금학적으로 제조된 스택 측 전력 전송 플레이트가 직접 접촉될 때보다 예를 들면 용접된 연결에 의해 용융 야금학적으로 생성된 전력 전송 플레이트와 상당히 더 쉽고 더 신뢰 가능하게 연결될 수 있다.
전력 전송 시스템은, 2 개의 스택들이 서로 직접 접촉되어야 하는 경우, 접촉될 제1 스택의 스택 측 전력 전송 플레이트와 접촉될 인접한 제2 스택의 스택 측 전력 전송 플레이트 사이에 배치되거나 또는, 전력 라인이 접촉되는 경우, 접촉될 스택의 스택 측 전력 전송 플레이트와 접촉될 전력 라인의 라인 측 전력 전송 플레이트 사이에 배치되는 적어도 하나의 다공성의 금속성 바디(본체)를 포함한다. 다공성의 금속성 바디는 각각의 전력 전송 플레이트에 전기적으로 연결되고, 특히 주변 공기와 같은 산화 환경에 대해 폐쇄된 둘레방향 시일(seal)(밀봉부)에 의해 기밀 방식으로 밀봉된다. 따라서 다공성 금속 바디는 접촉될 전력 전송 플레이트들 사이에서 전력을 전송하는 역할을 한다. 다공질 금속 바디는 바람직하게는 접촉될 전력 전송 플레이트들과는 별개의(분리된) 구성 요소로서 구성된다. 그것은, 특히, 전력 전송 플레이트들에 매칭되는 표면을 갖는 시트형이다. 시트형 접촉은 스택에서 스택으로 또는 스택에서 전력 라인으로 주어진 전류 흐름에서 발생하는 전류 밀도가 더 작기 때문에 유리하다. 본 개시의 목적을 위해, 다공성 금속 바디는 반드시 분말 야금학적으로 제조된 다공성 금속 바디일 필요는 없다. 다공성(porosity)이라는 용어는 여기에서 일반적인 용어로 해석되어야 하며, 고체 물질로 구성되지 않고 그 구조가 어떤 공극 또는 중공 공간을 갖는 임의의 몸체를 포함한다. 다공성 금속 바디는 예를 들어 메시(mesh) 형, 부직포 형 또는 스펀지 형 구조를 가질 수 있다. 특히, 다공체는 금속 메시, 거즈, 직물, 성형 루프 니트(formed-loop knit), 드론 루프 니트(drawn-loop knit), 부직포, 스펀지 등으로 만들어진 인서트일 수 있다.
대안으로서, 다공성 금속 바디는 분말 야금학적으로 제조된 구성 요소일 수있다. 분말 야금학적으로 제조된 바디의 기공과 같은 공극에도 불구하고, 다공성 바디의 구조는 접촉될 전력 전송 플레이트들 사이에 적어도 하나의 전기 전도성 경로를 가지며; 매우 많은 수의 전기 전도성 경로들이 분명히 유리하다. 따라서, 분말 야금학적으로 제조된 바디의 경우 본체(바디)의 구조는 그 전기 전도성과 관련하여 침투하고 있다.
고체 물질로 만들어진 바디와 비교하여, 다공성은 온도가 증가할 때 물질이 팽창할 수있는 추가 공간을 제공하여, 다른 열팽창 계수로 인한 열응력이 전력 전송 시스템에서 소산될 수 있고 그리고 그에 의해 다공성 바디가 그 산화 환경에 대해 보호되는 기밀성은 열에 의해 유발되는 응력에 의해 위험에 처해지지 않는다. 주변 공기와 같은 산화 환경에 대한 다공성 바디의 기밀 밀봉(gastight sealing)은 다공성 금속 바디를 빙 둘러 진행하며 이를 둘러싸는 시일(밀봉부)에 의해 생성된다. 시일(seal)은 바람직하게는 접촉될 전력 전송 플레이트들 사이에서 연장되고, 각각의 경우에 접촉될 전력 전송 플레이트들에 대한 재료-대-재료 접합(material-to-material bond)을 형성하고, 그 결과 접촉될 전력 전송 플레이트들 사이의 기계적 연결이 동시에 형성된다. 시일(밀봉부)을 위해 적합한 재료는 특히 유리 솔더, 운모 또는 고온 접착제로서, 충분히 내열성이 있고 계획된 작동 온도까지의 그 접착 특성을 유지한다. 밀봉 재료, 예를 들어 유리 솔더는 접촉될 전력 전송 플레이트들 중 하나의 표면 또는 접촉될 전력 전송 플레이트들의 양 표면들에 디스펜서를 사용하여 점성 형태로 적용될 수 있다. 부분적으로 또는 완전히 결정질인 유리 솔더의 경우, 밀봉 재료는 접촉될 전력 전송 플레이트들의 두 표면들 사이의 접합 공정 후에 경화된다. 따라서 2 개의 전력 전송 플레이트들의 기계적 연결은 환경으로부터의 기밀 분리에 추가로 달성된다. 시일은 또한 예를 들어 유리 솔더 시트로 구성된 스탬핑된 둘레 프레임으로서 고체 형태로 접촉될 전력 전송 플레이트 상에 배치될 수 있으며 이어서 접촉될 제2 전력 전송 플레이트의 표면에 결합될 수 있다. 사용된 시일 재료(밀봉재)에 따라, 기계적 하중의 적용은 기계적 하중이 전력 전송 플레이트에 의해 밀봉부에 가해져 결합 과정 동안 및/또는 그 후에 유리할 수 있다. 이러한 기계적 하중은 예를 들어 공압 피스톤, 중량 또는 스택의 고유 중량에 의해 발생하거나 적용될 수 있다. 시일(밀봉)의 결과로서, 전력 전도성 요소를 위한 재료, 즉 다공성의 금속성 바디의 선택은 고가의 귀금속 또는 다른 특히 내식성 또는 내산화성 재료로 제한되지 않고, 대신에 또한 1000℃ 이하의 작동 온도에서 주변 공기와 같은 산화 분위기에서 표면에 산화 보호되지 않은 보다 저렴한 재료를 사용하여 전기 절연 층을 형성하는 것이 가능하다. 다공체에 적합한 금속들로서, 니켈, 구리, 크롬, 철, 몰리브덴 및 텅스텐이 언급 될 수있다. 니켈의 사용은 스택의 다른 구성 요소들에서 임의의 경우에 니켈이 사용되며 비교적 높은 분압에서만 산화되며 산화 니켈 층이 완전히 전기 절연되지 않기 때문에 특히 바람직하다. 상기 언급된 금속들 중 하나에 기초한 합금, 아연, 주석 또는 납에 기초한 내고온성 합금 또는 크롬의 합금 함량이 높은 강철과 같은 고온 내성 강철(≥ 20 중량 %의 크롬) 또는 니켈의 합금 함량이 높은 강철(≥ 20 중량 %의 니켈)을 사용하는 것도 당연히 가능하다.
제시된 전력 전송 시스템의 큰 장점은 전력 케이블의 재료 또는 라인 측 전력 전송 플레이트의 재료와 스택 측 전력 전송 플레이트의 재료 사이의 열 팽창 거동의 불가피한 차이가 버퍼로서 사이에 배치된 구성 요소들에 의해 보다 쉽게 보상 될 수 있다는 것이다. 납땜 또는 용접 전원 콘센트 탭 또는 플레이트의 경우에 종래 기술에서 발생할 수 있는 크랙 형성 등의 위험은 본 발명에 의해 상당히 감소된다.
접촉될 2 개의 전력 전송 플레이트들이 접합되는 동안 및 그 이후에 접촉될 전력 전송 플레이트들이 바람직하게는 접촉될 전력 전송 플레이트들 사이에 배치되는 적어도 하나의 스페이서에 의해 서로 분리되도록 접촉되는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 적어도 하나의 스페이서(spacer)는, 심지어 비교적 높은 온도에서도, 결합된 전력 전송 플레이트들의 정의된 간격 및 특히 평행 배향을 보장해야 한다. 또한, 스페이서가 완전히 강성 거동을 갖지 않고 전력 전송 플레이트들의 평면에 수직인 방향으로 일정한 탄성을 나타내는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 스페이서로서, 세라믹 또는 금속판, 핀, 펠트, 부직포 등을 사용하는 것이 가능하다. 스페이서(들)는 별도의 구성 요소로서 구성될 필요는 없지만 2 개의 전력 전송 플레이트들 중 하나의 구성 요소(필수 요소)로서 구성될 수도 있다. 다공성 금속 바디, 스페이서 또는 스페이서들 및 시일의 치수는 분명히 서로 매칭되어야 한다. 스페이서의 높이(전기 연결 방향으로)는 일반적으로 mm 정도이다.
유리한 실시형태에서, 다공성 금속 바디는 특히 메시 형, 부직포 형 또는 스펀지 형 구조로 구성되는 경우 압축 가능하고 접촉될 2 개의 전력 전송 플레이트들 사이에 압력하에 클램핑 되거나 또는 놓인다. 다공성 바디의 압축 및 다공성 금속 바디와 전력 전송 플레이트 사이에 가해지는 상응하는 힘은 다공성 바디의 전체 접촉 영역에 걸쳐 전력 전송 플레이트들과 낮은 옴 전기 접촉(low-ohm electrical contact)을 형성할 수 있다.
밀봉재의 열팽창 계수는 다공성 금속 바디의 재료의 열팽창 계수와 매칭되어야 하며, 두 열 팽창 계수들은 바람직하게는 10 * 10-6 K-1 이하, 특히 바람직하게는 6 * 10-6 K-1 이하 만큼 차이가 난다. 열팽창 계수들 사이의 차이를 피하는 것이 가능하지 않는 경우, 다공성의 금속 바디의 재료는 반대인 경우보다는 온도가 증가 할 때 밀봉재보다 약간 더 팽창하여, 비교적 고온에서도 다공성 바디의 비교적 작은 팽창에 의해 전기적 접촉이 중단되지 않는다. 다공성 바디에 대한 상기 언급된 기계적 압력에 의해 밀봉재의 임의의 약간 더 큰 열팽창이 특정 온도 범위에 걸쳐 보상될 수 있다.
전기적 연결 방향으로 필요한 높이를 달성하기 위해, 복수의 다공성의 금속성 바디가 전기적 연결 방향으로 층층히 적층될 수 있다. 적층은 느슨하게(loosely) 수행될 수 있거나, 또는 예를 들어 점용접에 의해 재료 대 재료 접합(material-to-material bond)에 의해 보조될 수 있다. 일 예로서, 금속 메시, 거즈, 부직포, 스펀지 등으로 구성된 인서트들이 층층히 적층되고 접촉될 전력 전송 플레이트들 사이에서 부드럽게 압축되며 그리고 선택적으로 점용접에 의해 서로 결합되는 것이 언급될 수 있다. 더 큰 단면적에 걸쳐 전류를 분배하기 위해, 유리한 실시형태에서, 다수의 다공성 금속 바디들이 전기적으로 접촉될 2 개의 전력 전송 플레이트들 사이에서 전력 전송 플레이트들의 연장의 주요 평면을 따라 서로 공간적으로 분리 배치되는 것이 가능하다. 개별적인 다공성의 금속 바디들은 각 경우 폐쇄된 둘레방향 밀봉에 의해 기밀 방식으로 밀봉되어 전기적으로 병렬 연결된 독립적인 전력 전송 유닛들을 형성한다. 이러한 방식으로, 개별 전력 전송 유닛들이 더 높은 옴 저항을 얻거나 실패하는 경우에 전류 밀도가 감소되고 동시에 리던던시(redundancy)가 달성된다.
유리한 실시형태에서, 다공성 금속 바디를 갖는 밀봉된 내부 공간은 접촉될 스택 측 전력 전송 플레이트를 통해 이웃하는 전기화학 모듈의 연료 가스 공간으로 개방되며, 따라서 연료 가스 공간의 환원 분위기와 가스 교환이 가능하게 된다. 이것은, 예를 들어 전력 전송 시스템의 제조로부터 밀봉된 내부 공간에 남아있는 잔류 산소가 시간이 지남에 따라 다공성 금속 바디를 산화시키는 것을 방지한다.
전기화학 모듈에 공정 가스를 공급하기 위해, 예를 들어 연료 가스를 공급하거나 오프가스를 배출하기 위해 파이프들이 스택 내에 제공된다. 유리한 실시형태에서, 이들은 스택 측 또는 라인 측 전력 전송 플레이트들을 통과한다. 이를 위해, 관통 개구들은 스택 측 전력 전송 플레이트들 및/또는 라인 측 전력 전송 플레이트들에 통합된다.
요약하면, 본 발명의 전력 전송 시스템은 플랜트의 스택을 외부 전력 케이블에 연결하기 위한 저렴하고 신뢰성있는 솔루션을 제공한다. 또한, 전력 전송 시스템은 2 개의 인접한 스택들을 스택 측 전력 전송 플레이트들에 직접 연결하는 것을 가능하게 만든다. 물론 인접 스택들은 또한 그들 사이에 연결된 전력 케이블을 통해 간접적으로 접촉될 수 있으며, 전력 케이블은 각 단부에서 라인 측 전력 전송 플레이트에 연결되고, 이어서 해당 스택 측 전력 전송 플레이트와 접촉된다.
본 발명은 전기화학 모듈로 구성된 스택을 위한 전력 전송 시스템을 더욱 개발하여 최대 1000℃의 스택의 높은 작동 온도에서 스택의 사실상 무손실 전기 접촉(loss-free electrical contacting)을 저렴하고 신뢰성 있게 구현할 수 있다. 전력 전송 시스템은 스택의 인접한 스택과의 직접적인 전기적 접촉과 플랜트의 외부 전원 라인과의 스택의 전기적 접촉을 모두 가능하게 한다.
본 발명의 추가적인 이점들은 첨부 도면을 참조하여 다음의 작동 실시예들의 설명으로부터 도출될 수 있으며, 도면들에서는 본 발명의 도시의 목적을 위해, 크기 비율들은 항상 정확히 축척으로 도시되지는 않는다. 다양한 도면들에서, 대응하는 구성 요소들에 대해 동일한 참조 번호가 사용된다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시형태에 따르는 전력 전송 시스템의 개략적인 사시도를 도시하며;
도 1b는 도 1a의 전력 전송 시스템의 분해도를 도시하며;
도 1c는 선 I-II를 따르는 도 1a의 전력 전송 시스템의 개략적인 단면도를 도시하며;
도 2는 본 발명의 제2 실시형태에 따르는 전력 전송 시스템의 개략적인 단면도를 도시하며;
도 3a는 본 발명의 제3 실시형태에 따르는 전력 전송 시스템의 개략적인 사시도를 도시하며;
도 3b는 도 3a의 전력 전송 시스템의 분해도를 도시하며;
도 3c는 선 I-II를 따르는 도 3a의 전력 전송 시스템의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 1a 내지 도 3c는 각각 본 발명의 전력 전송 시스템의 제1, 제2 및 제3 실시형태의 사시도 또는 대응하는 단면도를 도시한다. 도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 2는 전력 전송 시스템을 포함하는 스택(stack)을 개략적으로 도시하며 이에 의해 전력 케이블이 접촉되며(전력 케이블은 도시되지 않으며, 홀(21)을 통해 라인 측 전력 전송 플레이트(15)와 전기적으로 접촉 될 수 있음), 반면에 도 3a, 도 3b 및 3c는 직접 인접한 스택들이 서로 전기적으로 직접 연결된 전력 전송 시스템을 도시한다. 도시된 스택들(11, 11')은 층층히 적층되며 전기적으로 직렬로 연결되는 전기화학 모듈(12), 예를 들면 SOFC들로 각각 구성되며 그리고 스택들은 스택 측 전력 전송 플레이트(베이스 또는 커버링 플레이트)(13, 13', 13", 13'")에 의해 두 단 부면들의 각각에서 폐쇄된다. 스택 측 전력 전송 플레이트들은 95 중량 %의 원소 크롬 분말 및 0.8 중량 %의 이트륨을 갖는 철로 구성된 5 중량 %의 프리합금 분말(prealloy powder)로 구성된 분말 배치(powder batch)로부터 분말 야금학적으로 제조되었다.
케이블 형 전력 라인과의 접촉을 형성하기 위해, 전력 라인(미도시)의 단부는 라인 측 전력 전송 플레이트(15)의 홀(21) 내로 푸시되며 이에 전기적으로 연결된다. 라인 측 전력 전송 플레이트(15)는 X1CrWNbTiLa22-2 (상표명 Crofer® 22 H로 입수 가능) 또는 X1CrTiLa22 (Crofer® 22 APU로 입수 가능)와 같은 내고온성, 용융 야금학적으로 제조된 강으로 구성되며 따라서 마찬가지로 전기 전도성이다. 라인 측 전력 전송 플레이트(15)는 니켈 거즈를 통해 스택 측 전력 전송 플레이트(13)에 전기적으로 연결되며, 그 사이에 다공성 금속 바디(16)가 배치된다. 전력 전송 플레이트들(13; 15)과 금속 거즈(16)의 전체 접촉 영역에 걸쳐 신뢰성 있고 낮은-옴 접촉(low-ohm contacting)을 형성하기 위해; 금속 거즈(16)는 접촉될 두 전력 전송 플레이트들(13, 15) 사이에 놓여져, 부드럽게 함께 가압되고, 상부에 놓인 라인 측 전력 전송 플레이트(15)는 결합 공정 동안 중량으로 하중을 받는다. 단일 거즈 대신에, 복수의 거즈들을 층층히 적층하는 것이 또한 가능하다. 전력 전도 요소(power-conducting element)(16)는 반드시 거즈로 구성될 필요는 없지만, 대신에 금속성 메시, 직물, 성형 루프 니트(formed-loop knit), 드론 루프 니트(drawn-loop knit), 부직포, 스펀지 등으로 구성된 인서트 또는 분말 야금학적으로 제조된 다공성 구성 요소를 사용하는 것이 또한 가능하다. 금속 거즈(16) 또는 층층히 배치된 복수의 거즈들의 스택은 폐쇄된 둘레방향 시일(seal)(밀봉부)(17)에 의해 주위로부터 기밀 방식으로 밀봉된다. 시일(17)을 위한 재료로서, 2 개의 전력 전송 플레이트들 중 하나의 표면 또는 2 개의 전력 전송 플레이트들의 표면에 디스펜서를 사용하여 점성 형태로 적용되는 유리 솔더가 사용되었다. 유리 솔더는 접촉될 2 개의 전력 전송 플레이트들(13, 15)의 결합 후 경화되고, 재료-대-재료 본딩에 의해 접촉될 2 개의 전력 전송 플레이트들(13, 15) 사이의 기계적 연결을 또한 형성한다. 사용된 유리 솔더의 열팽창 계수 α(20-950)는 약 8·10-6 K-1이며 따라서 니켈의 열팽창 계수(at 20°C: 13.4·10-6 K-1)보다 약간 낮다. 시일(17)로 인해, 전력 전도 요소 (16)는 고가의 귀금속으로 제조될 필요가 없고, 또는 다른 방법으로 특히 내식성 또는 내산화성 재료로 만들어질 필요가 없으며 니켈과 같은 저렴한 재료로의 전환이 이루어질 수 있다. 선택적인 스페이서들(18)은 결합된 전력 전송 플레이트들(13, 15)의 평행 배향(parallel orientation)을 보장한다. 세라믹 또는 금속 플레이트, 핀, 펠트 등이 스페이서(18)로서 유용한 것으로 밝혀졌다. 이러한 방식으로 실현 된 전력 전송 시스템은 공간을 절약하며 또한 우선 저렴한 재료를 사용할 수 있고 또한 제조 공정이 적은 작업 단계들로 이루어지기 때문에 매우 저렴하게 실현될 수 있다. 전력 전송 플레이트로부터 또는 전력 전송 플레이트로의 전력의 추가 전도를 위해 하나의 전력 전송 유닛 대신에 병렬로 전기적으로 연결된 복수의 전력 전송 유닛들을 사용하는 것도 당연히 또한 생각할 수 있다. 이는 개별 전력 전송 유닛들이 더 높은 옴 저항을 얻거나 실패할 경우에 대해 리던던시(redundancy)를 생성한다.
도 2에 도시된 실시형태는 제1 실시형태와 비교하여 약간 수정된다: 거즈 (16)를 갖는 밀봉된 내부 공간은 스택-측 전력 전달 플레이트(13)를 통해 이웃 전기화학 모듈의 연료 가스 공간으로 홀(20)에 의해 개방되며, 따라서 연료 가스 공간의 환원분위기와 가스 교환을 가능하게 만든다. 이는 2 개의 전력 전송 플레이트들(13, 15)의 결합시 밀봉된 내부 공간에 남아있는 잔류 산소가 제1 작동 과정 동안 이동된다는 이점을 갖는다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 스택 (11)이 전력 케이블과 접촉되지 않고 바로 인접한 스택(11')과 직접 접촉되는 전력 전송 시스템을 도시한다. 시트형 다공성 금속 바디(16)는 인접한 스택의 2 개의 스택 측 전력 전송 플레이트들(13, 13") 사이에 클램핑된다. 도 3a에서, 스택 측 전력 전송 플레이트(13)에서 가스 통로 개구들(19)을 보는 것이 또한 가능하며, 상기 개구들을 통해 공정 가스들(연료 가스 또는 오프 가스)이 하나의 스택(11)으로부터 인접한 스택(11')으로 이송된다. 이들 가스 통로 개구들(19)은 마찬가지로 유리 솔더에 의해 환경으로부터 밀봉된다. 인접한 스택들(11, 11')은 작동 실시예 1과 유사한 방식으로 사이에 위치한 전력 케이블에 의해 간접적으로 당연히 또한 접촉될 수 있다.

Claims (15)

  1. 스택(11)을 전력 라인 또는 인접 스택(11')과 전기적으로 접촉시키기 위한 전력 전송 시스템으로서,
    접촉될 전력 라인은 라인 측 전력 전송 플레이트(15)로 끝나며 접촉될 스택(11)은 각 경우 스택 측 전력 전송 플레이트(13, 13')에 의해 단부면들의 각각에서 폐쇄되는 적어도 하나의 평면형 전기화학 모듈(12)의 스택으로 구성되며,
    전력 전송 시스템은 접촉될 스택(11)의 스택 측 전력 전송 플레이트(13, 13')와 전력 라인의 라인 측 전력 전송 플레이트(15) 또는 인접 스택(11')의 스택 측 전력 전송 플레이트(13") 사이에 배치되며 이들 전력 전송 플레이트들에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 다공성 금속 바디(16)를 포함하며 그리고 다공성 금속 바디(16)는 폐쇄된 둘레방향 시일(17)에 의해 기밀 방식으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    접촉될 전력 전송 플레이트들(13, 13', 13", 13"'; 15)은 적어도 하나의 스페이서(18)에 의해 서로 거리를 두고 유지되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    다공성 금속 바디(16)는 분리된 구성 요소로서 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항들 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 다공성 금속 바디(16)는 접촉될 전력 전송 플레이트들(13, 13', 13", 13"'; 15) 사이에 클램핑되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항들 중 어느 한 항에 있어서,
    둘레방향 시일(17)은 접촉될 전력 전송 플레이트들(13, 13', 13", 13"'; 15) 사이의 다공성 금속 바디(16)를 빙 둘러 둘레방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항들 중 어느 한 항에 있어서,
    다공성 금속 바디(16)는 분말 야금학적으로 제조되며 전기 전도성과 관련하여 침투 구조(percolating structure)를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  7. 제1항 내지 제5항들 중 어느 한 항에 있어서,
    다공성 금속 바디(16)는 메시 형, 부직포 형 또는 스펀지 형인 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항들 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 다공성 금속 바디들(16)은 전기적으로 접촉될 2 개의 전력 전송 플레이트들(13, 13', 13", 13"'; 15) 사이에서 전기 연결 방향으로 서로 층층히 적층되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항들 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 다공성 금속 바디들(16)은 전기적으로 접촉될 2 개의 전력 전송 플레이트들(13, 13', 13", 13"'; 15) 사이에 배치되며 서로 공간적으로 분리되며 각 경우 폐쇄된 둘레방향 시일에 의해 기밀 방식으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항들 중 어느 한 항에 있어서,
    다공성 금속 바디(16)는 니켈, 구리, 크롬, 철, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 망간, 니오븀, 탄탈, 티타늄, 코발트 또는 이들 금속들 중 적어도 하나는 포함하는 합금으로 구성되는 군으로부터의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항들 중 어느 한 항에 있어서,
    폐쇄된 둘레방향 시일(16)은 유리 솔더, 운모 또는 고온 접착제로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항들 중 어느 한 항에 있어서,
    다공성 금속 바디(16)는 시일(17)의 재료보다 더 높은 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항들 중 어느 한 항에 있어서,
    시일(17)의 재료의 열팽창 계수와 다공성 금속 바디(16)의 재료의 열팽창 계수는 10 * 10-6 K-1 이하 만큼 서로 차이가 나는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항들 중 어느 한 항에 있어서,
    공정 가스들의 도입 또는 배출을 위한 관통 개구들(19)은 스택의 스택 측 전력 전송 플레이트들(13, 13', 13", 13"') 및/또는 전력 라인의 라인 측 전력 전송 플레이트(15)에 통합되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항들 중 어느 한 항에 있어서,
    전기화학 모듈에서 환원분위기에서 작동되는 밀봉된 공정 가스 공간과의 가스 교환을 가능하게 하도록 시일에 의해 둘러싸이는 영역 내에서 스택의 접촉될 스택 측 전력 전송 플레이트(13, 13', 13", 13"')에 관통 개구(20)가 제공되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
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