KR20220104707A - 금속-지지된 전지 단위체 - Google Patents

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KR20220104707A
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유안 노르만 하베이 프리맨
토마즈 도만스키
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Abstract

적어도 하나의 전지 쌍(110a, 110b)을 포함하고, 각각의 전지(110a, 110b)가 제1 및 제2 측면 및 상기 측면 사이의 유체 소통을 제공하는 다공성 영역(124)을 갖는 금속 기재(120a, 120b), 제1 측면 상의 다공성 영역(124) 상에 코팅되거나 증착되고, 이에 의해 지지되는 연료 전극, 전해질 및 공기 전극층을 포함하는 평면 전지 화학층(111, 112, 113)을 포함하고, 금속 기재(120)는 이들의 전지 화학층(111, 112, 113)이 서로 중첩된 적층된 배열로 있어, 이들의 양측 제1 측면 또는 이들의 양측 제2 측면이 공간을 두고 대향하는 관계로 내향으로 대면하여, 내향으로 대면하는 측면이 연료 또는 산화제 중 하나에 대해 이들 사이에 공통 제1 유체 용적(140)을 정의하는, 금속-지지된, 평면 전지 배열(200).

Description

금속-지지된 전지 단위체
본 발명은 개선된 전지 단위체 및 복수의 이러한 전지 단위체를 포함하는 전지 스택뿐 아니라, 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 더욱 구체적으로 금속-지지된 전지 단위체 및 이의 스택, 및 더욱 더 구체적으로 금속-지지된 고체 산화물 연료 전지(MS-SOFC) 단위체 및 이의 스택 및 금속-지지된 고체 산화물 전해조 전지(MS-SOEC) 단위체 및 이의 스택에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지
연료 전지 단위체는 연료를 산화시켜 전기를 생산하는 전기화학적 변환 과정을 사용한다. 이들은 구성이 관 또는 평면일 수 있다. 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 캐소드로부터 전해질의 대향측 상에 위치한 애노드로 음성 산소 이온을 전도하는 고체 산화물 전해질을 기초로 한다. 이를 위해, 연료 또는 개질된 연료는 애노드(연료 전극)와 접촉하고 산화제, 예컨대 공기 또는 산소 풍부 유체는 캐소드(공기 전극)와 접촉한다.
SOFC 스택을 설계할 때, 기계, 전기 및 열 설계에서 상당한 도전에 부딪힌다. 예를 들어, 평면 SOFC 스택 배열에서, 전지 스택은 통상적으로 스택의 하나의 단부로부터(예를 들어, 기본 플레이트 단부로부터) 다른 단부로(예를 들어, 말단 플레이트 단부로)의 적층 방향으로 배열된다. 연료 전지/연료 전지 스택 반복층의 작동 성능은 온도 및 다른 요인에 의해 영향을 받는다.
금속 지지된 고체 산화물 연료 전지
전통적인 세라믹-지지된(예를 들어, 애노드-지지된) SOFC는 낮은 기계적 강도에 시달리고 균열에 취약하다. 금속 기재 상에 지지된 활성 연료 전지 성분층을 갖는 금속-지지된 SOFC(MS-SOFC)가 최근 개발되었다. 이들 전지에서, 세라믹층은 매우 얇을 수 있고, 이는 이들이 전기화학적 기능만을 수행하기 때문이다(즉, 이들은 자가-지지가 아님). 이러한 금속 지지된 SOFC 스택은 더욱 튼튼하고, 낮은 비용을 갖고, 또한 양호한 열 특성을 나타낸다. 이들은 또한 전통적인 금속 용접 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
WO2015/136295호는 전기화학적 활성층(또는 활성 연료 전지 성분층)이 각각 금속 지지 플레이트(120)(예를 들어, 박(foil)) 상에 증착되고, 이에 의해 지지된 애노드, 전해질 및 캐소드 층을 포함하는 금속-지지된 SOFC를 기재한다. 도 1a 내지 1c에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 반복 단위체(90)는 3 개의 플레이트 또는 평면 구성요소 - 금속 지지 플레이트(120), 세퍼레이터 플레이트(또는 상호연결)(150) 및 이들 사이에 샌드위치된 스페이서 플레이트(130)를 포함한다. 이는 또한 산화제 또는 연료에 대한 유체 포트(188, 200)를 갖는다. 3 개의 플레이트는 서로의 상부에 적층되고 스페이서 플레이트(130)를 통해 용접(함께 결합)되어, 스페이서 플레이트(130) 내에 제공된 공간에 의해 정의된 중앙에 유체 용적(140)을 갖는 단일 금속-지지된 고체 산화물 연료 전지 단위체(90)를 형성한다. 연료 전지 스택 반복층(90)의 금속 구성요소는 서로 전기적으로 접촉되고, 이들 사이의 전자 흐름은 우선적으로 결합/용접 경로를 통하여, 표면-대-표면 접촉 저항 손실을 회피한다.
MS-SOFC에서, 금속 기재는 본질적으로 분말 금속 전구체로부터 형성된 다공성 금속 기재(예를 들어, 테이프 캐스팅에 의함)일 수 있거나, 더욱 바람직하게는 비-다공성(무지(solid)) 영역에 의해 둘러싸인 관통 홀 또는 작은 구멍의 형태의 다공성 영역이 제공된 금속 지지 플레이트로부터 형성된다. 다공성 영역(124)이 금속 지지 플레이트(120)를 통해 제공되고, 애노드 층(113)(또는 전기화학적 활성층(110)의 극성 방향에 따라 캐소드(111))이 상기 영역 상에 코팅된 다음에, 연속층이 상단에 코팅되며, 따라서, 상기 층은 금속 지지 플레이트(120)에 의해 지지된다. 나타낸 바와 같이, 전해질 층은 보통 최내측 전극의 측면 모서리 상에 코팅되고 금속 기재 상에 연장되어, 다공성 영역 및 최내측 전극 내의 가스를 밀봉한다. 다공성 영역은 유체 용적(140)(인접 플레이트(120, 150) 및 스페이서 플레이트(130)에 의해 정의됨)이 작은 구멍을 통해 지지 플레이트(120) 상의 전기화학적 활성층(110)과 유체 소통되게 한다. 나타낸 바와 같이, 전해질 층은 보통 최내측 전극의 측면 모서리 상에 코팅되고 금속 기재(연장된 층(123)으로서) 상에 연장되어, 다공성 영역 및 최내측 전극 내의 가스를 밀봉한다.
세퍼레이터 플레이트(150)에서, 상부 및 하부 주름이 제공되어, 이 연료 전지 단위체 상에 적층된 후속 연료 전지 단위체(90)의 캐소드 (111)(또는 전기화학적 활성층(110)의 극성 방향에 따라 애노드(113))로 상향 연장되고, 그 자신의 연료 전지 단위체의 금속 지지 플레이트(120)로 하향 연장된다. 이는 스택의 인접한 연료 전지 단위체(90) 사이를 전기적으로 연결하여, 스택의 전기화학적 활성층(110)(보통 각각의 연료 전지 단위체 상의 하나)이 서로 직렬이 되게 한다. 다른 압축된 3차원 특징부, 예컨대 각각의 측면으로부터 연장된 원형 또는 연장 홈(또는 골 및 피크)이 또한 전기적 접촉 및 구조적 지지(스택 압축력에 대한 저항)를 제공하기에 적합할 것이다.
연료 전지, 연료 전지 스택, 연료 전지 스택 조립체, 및 열 교환기 시스템, 배열 및 방법의 다른 교시는 WO2002/35628호, WO2003/07582호, WO2004/089848호, WO2005/078843호, WO2006/079800호, WO2006/106334호, WO2007/085863호, WO2007/110587호, WO2008/001119호, WO2008/003976호, WO2008/015461호, WO2008/053213호, WO2008/104760호, WO2008/132493호, WO2009/090419호, WO2010/020797호, WO2010/061190호, 및 WO2015/004419호에서 찾아볼 수 있다.
고체 산화물 전해조 전지(SOEC)는 SOFC와 동일한 구조를 가질 수 있지만, 본질적으로 재생 방식으로 작동하여, 고체 산화물 전해질의 사용에 의한 물 및/또는 이산화탄소의 전기분해를 달성하여, 수소 가스 및/또는 일산화탄소 및 산소를 생산하는 고체 산화물 연료 전지이다. SOFC 연료(예를 들어, 수소 가스)는 연료 포트에 의해 제공되고 전지에 의해 사용되는 반면에, SOEC에서 전지는 예를 들어, 수소 가스를 생산하며, 이는 연료 포트에서 수집된다.
본 발명은 SOEC 또는 SOFC로서 사용하기에 적합한 구조를 갖는 스택 반복 고체 산화물 전지 단위체에 관한 것이다. 편의를 위해, SOEC 또는 SOFC 전지 단위체는 둘 다 이후에 "전지 단위체"(즉, SOEC 또는 SOFC 전지 단위체를 의미함)로서 지칭될 것이다.
연료 전지의 비용-효율성을 증가시키려는 계속된 추진이 있다 - 이들의 제조 비용 감소는 연료 전지 에너지 생산의 진입 비용을 감소시키기 위해 상당한 이득일 것이다.
양태에 따르면, 금속-지지된, 평면 전지 배열이 기재되어 있으며, 금속-지지된, 평면 전지 배열은 적어도 하나의 전지 쌍을 포함하고, 각각의 전지는 제1 및 제2 측면 및 상기 측면 사이의 유체 소통을 제공하는 다공성 영역을 갖는 금속 기재, 제1 측면 상의 다공성 영역 상에 코팅되거나 증착되고, 이에 의해 지지되는 연료 전극, 전해질 및 공기 전극층을 포함하는 평면 전지 화학층을 포함하고, 금속 기재는 이들의 전지 화학층이 서로 중첩된 적층된 배열로 있어, 이들의 양측 제1 측면 또는 이들의 양측 제2 측면은 공간을 두고 대향하는 관계로 내향으로 대면하여, 내향으로 대면하는 측면이 연료 또는 산화제 중 하나에 대해 이들 사이에 공통 제1 유체 용적을 정의한다.
본 발명은 금속-지지된, 평면 전지 배열, 다시 말해, 전지 화학층이 평면(단일 평면으로만 연장됨)이고 비 자가-지지인, 즉 이들이 다공성 금속 기재에 상에 각각 증착되고 이에 의해 (내장되어) 지지된 얇은 코팅 또는 필름으로서만 존재하는 전지 배열에 관한 것이다. 이는 전지 화학층이 단독으로 존재할 수 있고 다른 지지 구조에 장착되거나 부착될 수 있는 뻣뻣한, 자가-지지 타일을 형성하는 애노드-지지된, 또는 캐소드-지지된, 또는 전해질-지지된 전지와 반대이다. 본 발명은 특히 금속 지지된, 고체 산화물 연료 전지 "MS-SOFC" 또는 고체 산화물 전해질 전지 "MS-SOEC"에 관한 것이다.
다공성 금속 기재는 이의 제1 측면 상의 전지 화학층만을 지지하며; 각각의 기재의 제2 측면은 임의의 전지 화학층을 지지하지 않고, 오히려 제2 측면은 서로 대면하고 제1 유체가 각각의 제1 측면 상의 최내측 전극(지지 금속 기재에 가장 근접한 것)에 공급되게 할 수 있는 이들 사이의 공통 용적 또는 공간에 노출된다.
(활성) 전지 화학층은 평면이며, 따라서 상기 화학물질을 지지하는 금속 기재의 적어도 일부 또한 평면이다. 전지 화학층은 각각의 영역 상에 동일한 순서로 놓여, 금속 기재는 각각의 전지가 지지 금속 기재에 가장 근접한 연료 전극을 갖는 연료 용적으로서 작용할 수 있거나, 각각의 전지가 지지 금속 기재에 가장 근접한 공기 전극을 갖는 산화제 용적으로서 작용할 수 있는 공통 제1 유체 용적을 정의한다. 적층된 배열 내에서, 전지 화학층은 서로의 상부 및 하부에 놓이고(예를 들어, 평행한 평면), 보통 서로 측면으로 정렬될 것이다(즉, 서로 정합됨(in register with)).
2 개의 연료 전극은 전기적으로 연결될 수 있고 전지 쌍의 2 개의 공기 전극은 전기적으로 연결될 수 있다. 보통, 최내측 전극(지지 금속 기재에 가장 근접한 것)은 2 개의 각각의 대향하는 금속 기재 사이의 전기적 연결로 인해 전기적으로 연결된다. 2 개의 최외측 전극은 최외측 전극 상의 2 개의 각각의 집전 장치 사이의 연결에 의해 연결된다.
금속 기재는 이의 주변부 주위에서 함께 밀봉하여 연결된다.
바람직하게는, 금속 기재의 쌍은 직접적으로 또는 간접적으로 함께 연결되어 적층된 배열을 형성하는 2 개의 별도 금속 플레이트를 포함하여, 예를 들어 각각의 금속 플레이트 자체는 내장된 다공성 영역(비-다공성 영역에 의해 결합됨)을 갖고 다공성 영역 상에 코팅된 전지 화학층을 지지한다. 보통, 2 개의 별도의 금속 플레이트는 동일하다.
일 실시양태에서, 2 개의 금속 플레이트는 간접적으로 함께 연결되어, 적층된 배열을 형성하고, 선택적으로 (평평한) 금속 스페이서 플레이트가 이들 사이에 배치된다. 2 개의 금속 플레이트 및 중간 금속 스페이서 플레이트는 예를 들어, 모든 3 개의 구성요소를 통한 용접에 의해 적어도 이의 주변부의 주위에서 함께 밀봉하여 연결될 수 있다.
스페이서가 2 개의 별도의 금속 플레이트 사이에 배치될 때, 이는 추가 구성요소가 스택에서 요구되는 약점을 갖지만, 전지 화학층이 전통적인 코팅 또는 분무 증착 기술에 의해 편리하게 직접 놓일 수 있는 평평한 평면 금속 플레이트가 사용될 수 있다는 이점을 갖는다. 스페이서는 평평한 금속 기재 사이에 샌드위치되고 제1 유체 용적에 대한 용적을 생성하고, 이를 밀봉하여 둘러싸는 프레임 또는 평평한 주변부 구성요소(활성 전지 화학물질 영역 너머에 위치함)를 포함할 수 있다.
보통, 흐름을 방해할 유체 용적 내의 임의의 상당한 구조가 없어야 하지만, 기재(또는 화학물질)를 지지하고/하거나 이에 접촉할 수 있는 전지 화학물질이 제공되는 개구 또는 매우 투과성인 구조의 형태의 추가 스페이서 구성요소가 제공될 수 있다.
대안적으로(기재의 간접 연결에 대해), 2 개의 금속 플레이트는 직접적으로 함께 연결될 수 있어, 이들은 서로 인접하여, 적층된 형태를 형성하고, 금속 플레이트 중 하나 또는 둘 다는 플레이트 사이에 제1 유체 용적을 생성하는 고유의 성형 특징부(예를 들어, 플랜지형 주변 특징부)를 갖는다. 2 개의 금속 플레이트는 예를 들어, 용접에 의해 적어도 이의 주변부의 주위에서 함께 직접적으로 밀봉하여 연결될 수 있다. 이는 스페이서가 요구되지 않기 때문에, 구성요소의 수를 감소시켜, 재료 낭비를 감소시킨다. 이는 또한 2 개의 금속 플레이트를 편리하게 전기적으로 연결할 수 있다.
대안적으로(별도의 기재에 대해), 금속 기재는 전지 화학층의 쌍이 각각 다공성 영역 상에 코팅되거나 증착된 제1 측면을 갖는 단일 연속 금속 기재로서 형성되고, 연속 금속 기재는 전지 화학층 사이에서 (180 도로) 절곡되어, 이들이 서로 중첩되어, 연료 또는 산화제 중 하나에 대한 제1 유체 용적을 정의하는 절곡된 전지 쌍을 형성한다. 편리하게는, 최내측 전극(즉, 지지 금속 기재에 가장 근접한 것)은 연속 금속 기재로 인해 전기적으로 연결된다. 이러한 설계는 또한 적은 구성요소 및 적은 용접/밀봉을 고유하게 요구한다.
연속 금속 기재는 180 도로 절곡될 수 있고, 180 도 절곡은 연속 금속 기재의 짧은 섹션에 의해 분리된 2 개의 90 도 절곡의 형태를 취할 수 있으며, 이는 결국 연속 금속 기재에 의해 둘러싸인 공통 유체 용적을 정의하는 것을 돕는다. 다른 곳에 기재된 바와 같이, 성형 특징부 또는 스페이서가 제공되어, 기재를 지지하고 개방 공통 유체 용적을 유지할 수 있다.
바람직하게는, 배열은 전지 뱅크에서 서로 인접하여 적층된 다수의 절곡된 전지 쌍을 추가로 포함한다. 뱅크에서, 최내측 전극(지지 금속 기재에 가장 근접한 것)은 연속 금속 기재로 인해 전기적으로 연결될 수 있고, 최외측 전극은 집전 구조의 수단에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 집전 구조는 투과성 지지 구조일 수 있고, 이의 표면 영역 상의 동일한 유체 환경인 하나의 유체 환경에만 노출될 필요가 있을 수 있다. 이는 집전 구조의 열 및 화학적 요건을 감소시킨다.
바람직하게는, 뱅크에서, 각각의 절곡된 전지 쌍은 별도의 각각의 금속 기재로부터 형성되고, 기재가 한번 절곡되어, 하나의 절곡된 단부만을 갖고, 제1 유체 용적은 절곡된 기재 내부에 배치된다.
대안적으로(별도의 기재에 대해), 뱅크에서 인접한 절곡된 전지 쌍은 공통 연속 금속 기재로부터 형성되고, 기재가 다수회 절곡되어, 다수의 대향 절곡된 단부를 갖는다. 이러한 기재는 연료 또는 산화제 중 하나에 대한 다수의 각각의 제1 유체 용적을 정의할 수 있다. 이러한 용적은 연료 또는 산화제 중 나머지에 대한 각각의 제2 유체 용적과 교번될 수 있다.
바람직하게는, 금속 기재 중 적어도 하나는 플랜지형 주변 특징부를 포함하고, 금속 기재는 플랜지형 주변 특징부 주위에서 함께 밀봉되어, 이들 사이에 공통 제1 유체 용적을 형성한다. 플랜지형 주변 특징부는 기재를 오목한 구성으로 압축함으로써 형성될 수 있다. 전지 쌍의 금속 기재 중 둘 다는 플랜지형 주변 특징부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 보통 적어도 하나의 유입 포트 및 적어도 하나의 배출 포트인 적어도 하나의 유체 포트는 금속 기재 각각을 통한 개구로서 제공되고, 각각의 유체 포트는 적층 방향으로 공통 제1 유체 용적과 소통하여 서로 정렬된다. 대안적으로, 적어도 하나의 유체 포트는 공통 제2 유체 용적과 소통한다. 대안적으로, 적어도 제1 유체 포트는 공통 제1 유체 용적과 소통하고 적어도 제2 유체 포트는 공통 제2 유체 용적과 소통한다. 적어도 제1 유체 포트 및 적어도 제2 유체 포트는 각각 제1 유체 용적에 제1 유체를 전달할 수 있고 제2 유체 용적에 제2 유체를 전달할 수 있다. 적어도 제1 배기 포트는 공통 제1 유체 용적과 소통할 수 있고, 적어도 제2 배기 포트는 공통 제2 유체 용적과 소통할 수 있다. 적어도 제1 배기 포트 및 적어도 제2 배기 포트는 제1 유체 용적으로부터 제1 배기 유체를 추출할 수 있고 제2 유체 용적으로부터 제2 배기 유체를 추출할 수 있다.
바람직하게는, 금속 기재 중 적어도 하나에 공통 제1 유체 용적 내에서 내향으로 연장되는 이의 포트 주위에 형성된 성형 포트 특징부가 제공되고, 성형 포트 특징부의 요소는 서로 측면으로 공간을 두어, 포트로부터의 요소 사이에 유체 경로를 정의하여, 포트로부터 공통 제1 유체 용적으로 유체의 통과를 가능하게 한다. 성형 포트 특징부는 또한 바람직하게는 압축에 의해 형성된다.
금속 기재 중 적어도 하나에 공통 제1 유체 용적으로부터 외향으로 연장되는 이의 포트 주위에 형성된 성형 포트 특징부가 제공될 수 있다. 다수의 이러한 전지 쌍이 서로 인접하여 적층되는 경우, 이러한 특징부는 측면으로 제공되어, 전지 쌍 사이에 제공된 밀봉 가스킷을 위치시킬 수 있거나, 이러한 특징부는 인접한 플레이트와 접속하여, 전지 쌍 사이에 제공된 가스킷의 압축을 제한하기 위한 하드 스톱(hard stop)을 형성할 수 있거나, 밀봉이 밀봉 페이스트 등로부터 제자리에 형성될 수 있는 표면을 형성할 수 있다. 전지 뱅크 내에서, 금속 기재는 함께 전기적으로 연결될 수 있어, 이러한 성형 포트 특징부는 인접한 전지의 성형 포트 특징부에 용접되어, 양측에 전기적 연결을 편리하게 제공하고 포트/매니폴드의 밀봉을 가능하게 할 수 있다.
지지 구조는 대향하는 각각의 내향으로 대면하는 측면 사이의 공간 유지를 돕기 위해 공통 제1 유체 용적 내에 제공될 수 있고, 이때 전류 수집을 위한 압축력은 낮거나 전지는 충분히 뻣뻣하다.
지지 구조는 투과성 지지 구조일 수 있고, 이의 표면 영역 상의 동일한 유체 환경인 하나의 유체 환경에만 노출될 필요가 있을 수 있다. 이는 지지 구조의 열 및 화학적 요건을 감소시킨다. 최내측 전극(지지 금속 기재에 가장 근접한 것)은 금속 기재로 인해 전기적으로 연결될 수 있고, 최외측 전극은 집전 구조의 수단에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 집전 구조는 투과성 지지 구조일 수 있고, 이의 표면 영역 상의 동일한 유체 환경인 하나의 유체 환경에만 노출될 필요가 있을 수 있다. 이는 집전 구조의 열 및 화학적 요건을 감소시킨다.
예를 들어, 공통 제1 유체 용적이 연료 용적일 때, 내부 개질을 촉진하기 위해 공통 제1 유체 용적 내의 지지 구조에 촉매가 제공될 수 있다. 지지 구조가 공통 제1 유체 용적 내에 제공되지 않는 경우, 이러한 촉매는 예를 들어, 공통 제1 유체 용적이 연료 용적일 때, 금속 기재 표면 상에 제공될 수 있다.
바람직하게는, 내향으로 대면하는 측면은 연료에 대한 제1 유체 용적을 정의한다. 내향으로 대면하는 측면은 보통 금속 기재의 제2 측면이다. 상기 배열에서, 전지 화학물질은 외향으로 대면하고 전류는 최외측 전극으로부터 편리하게 수집될 수 있다.
보통, 연료 전극층이 금속 기재의 제1 측면 상에 증착된 전지 화학층의 제1 층일 것이다. 내향으로 대면하는 측면이 연료에 대한 제1 유체 용적을 정의하는 경우(SOFC로서 작동될 때), 따라서 내향으로 대면하는 측면은 금속 기재의 제2 측면일 것이고, 연료 가스는 다공성 영역을 통해 제2 측면으로부터 제1 측면으로 통과하여, 연료 전극층에 접촉할 것이다.
대안적 전지 배열에서, 내향으로 대면하는 측면은 산화제에 대한 제1 유체 용적을 정의한다. 이 경우에, 다시 연료 전극층이 금속 기재의 제1 측면 상에 증착된 전지 화학층의 제1 층인 경우, 따라서 내향으로 대면하는 측면은 제1 측면일 것이어서, 전지 화학층은 공통 제1 유체 용적 내에 있고, 공기 전극층은 산화제에 대한 제1 유체 용적에 노출될 것이다. 상기 배열에서, 최외측 전극은 기재 내에 위치하여, (대향 퍼텐셜에서) 기재 자체로부터 전류를 수집하는 임의의 장치의 신중한 절연이 필요하다.
바람직하게는, 다수의 전지 쌍은 서로 인접하여 적층되어, 전지 뱅크를 형성하고, 이에 의해 적어도 하나의 제2 유체 용적이 인접한 전지 쌍 사이에 정의되고, 제1 유체 용적은 연료 또는 산화제에 대한 것이고, 적어도 하나의 제2 연료 용적은 연료 또는 산화제 중 나머지에 대한 것이다. 이는 제1 및 제2 유체 용적의 교번이 적층 방향에 따라 정의된다는 것을 의미한다. 따라서, 뱅크의 각각의 전지 쌍에서 외향으로 대면하는 금속 기재의 다른 각각의 측면은 인접한 각각의 전지 쌍에서 대응부와 공간을 두고 대향하는 관계에 있다. 보통, 제1 유체 용적은 전지 쌍에서 금속 기재 사이에 정의되고, 제2 유체 용적은 인접한 쌍 사이에 정의된다.
뱅크에서, 인접한 제1 유체 용적은 각각의 금속 기재를 통해 제공된 개구를 통해 서로 유체 소통할 수 있고, 개구는 적층 방향으로 정렬되어, 뱅크 내에 내부 통로(매니폴드)를 형성한다. 이는 제2 유체 용적에 적용될 수 있다. 그러나, 2 개의 유체 용적 중 하나는 외향으로 매니폴드된 유입 및/또는 배출 포트를 가질 수 있다. 내부 통로는 뱅크에서 전지 쌍 사이에 제공된 가스킷에 의해 밀봉되어 정의될 수 있다.
지지 구조는 공통 제1 유체 용적 내에 존재할 수 있고 예를 들어, 내부 개질을 촉진하기 위해 촉매가 제공될 수 있다. 지지 구조가 공통 제1 유체 용적 내에 제공되지 않는 경우, 이러한 촉매는 예를 들어, 공통 제2 유체 용적이 연료 용적일 때, 금속 기재 표면 상에 제공될 수 있다.
바람직하게는, 뱅크에서 연료 전극 전부는 전기적으로 연결되고/되거나 뱅크에서 공기 전극 전부는 전기적으로 연결된다. 이는 하나의 유형의 전극이 병렬로 연결된다는 것을 의미한다. 이는 뱅크의 전류 출력의 상대적 증가를 야기한다.
고도로 바람직한 배열에서, 뱅크에서 각각의 전지 쌍 전부는 함께 용접되고, 따라서 기재 전부는 전기적으로 연결된다. 용접은 각각의 전지가 스택에 추가되는 레이업(layup) 동안 수행될 수 있다.
바람직하게는, 금속 기재 및 전지 화학층은 측면 모서리로 배치되고, 연결된 연료 전극 및/또는 공기 전극은 동일한 측면 모서리를 따라 연결된다.
바람직하게는, 하나의 뱅크에서 연료 전극은 다음 인접한 뱅크의 공기 전극에 직렬로 연결된다. 이는 연료 전지의 뱅크의 전압 출력의 상대적 증가를 야기한다.
바람직하게는, 절연 시트는 인접한 뱅크 사이에 배치되어, 인접한 뱅크(예를 들어, 이의 최외측 전극) 사이의 직접 전기 접촉을 예방한다. 예를 들어, 직렬로 연결된 뱅크로 하나의 뱅크의 최종 기재와 인접한 뱅크의 최외측 전극 사이의 전기적 연결이 있을 수 있다.
일 실시양태에서, 단일 전지가 뱅크의 단부에 제공되고, 상기 전지는 인접한 뱅크와(예를 들어, 단일 전지의 기재와 인접한 뱅크의 최외측 전극 사이에) 직접 전기 접촉을 이루어, 인접한 뱅크와 직렬로 연결된다.
이러한 단일 또는 비페어링된 전지는 그 상부에 비-다공성 금속 시트에 부착되어 단부 쿠폰(coupon)을 형성(예를 들어, 용접에 의해 둘러싸인 유체 용적을 갖는 단부 쿠폰을 형성함)하는 활성 전지 화학층을 갖는 금속 기재를 포함할 수 있다. 금속 시트는 예를 들어, 비드릴링된(undrilled) 금속 기재일 수 있으며, 이는 또한 평평하고 미형성될 수 있다. 유리하게는, 이 방식으로, 인접한 뱅크는 추가 전기적 연결에 대한 필요 없이 전지 영역의 큰 부분 상에 전면 대 전면 접촉으로 직렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 뱅크는 전부 병렬로 연결된 이의 상호연결기를 가질 수 있고 최외측 상호연결은 인접한 뱅크의 단부 쿠폰의 비-다공성 금속 시트에 (물리적으로 및 전기적으로) 접촉하고 이와 직렬 연결을 이룰 수 있다. 상기 인접한 뱅크에서, 비-다공성 금속 시트 및 기재는 동일한 퍼텐셜에 있고 뱅크에서 다른 금속 기재 전부에 병렬로 연결된다. 따라서, 인접한 뱅크에서 병렬로 연결된 기재는 제1 뱅크에서 병렬 연결된 상호연결기에 직렬 연결에 의해 연결된다.
추가 양태에 따르면, 금속-지지된, 평면 전지 배열의 조립 방법이 기재되고, 방법은 제1 및 제2 전지를 제공하는 단계로서, 각각이 제1 및 제2 측면 및 상기 측면 사이의 유체 소통을 제공하는 다공성 영역을 갖는 금속 기재, 제1 측면 상의 다공성 영역 상에 코팅되거나 증착되고, 이에 의해 지지되는 연료 전극, 전해질 및 공기 전극층을 포함하는 평면 전지 화학층을 포함하는 단계; 및 전지 중 하나를 다른 것에 대해 역전시켜, 금속 기재가 이들의 전지 화학층이 서로 중첩된 적층된 배열로 있어, 이들의 양측 제1 측면 또는 이들의 양측 제2 측면이 공간을 두고 대향하는 관계로 내향으로 대면하여, 연료 또는 산화제 중 하나에 대해 이들 사이에 공통 제1 유체 용적을 정의하여, 진지 배열을 형성하는 단계를 포함한다.
방법은 단위 전지 쌍의 2 개의 연료 전극 또는 2 개의 공기 전극을 전기적으로 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 연속 기재에서, 이러한 기재는 연결을 제공할 수 있다.
따라서, 전지 쌍을 포함하는 반복 단위체가 제조될 수 있으며, 이는 이들 사이에 공통 제1 유체 용적을 정의한다.
바람직하게는, 금속 기재는 단일 연속 금속 기재로서 형성되고, 역전은 전지 화학층 사이에서 연속 금속 기재를 절곡시켜, 이들이 서로 중첩되어, 연료 또는 산화제 중 하나에 대한 제1 유체 용적을 정의하는 절곡된 전지 쌍을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 절곡은 180 도일 수 있고, 제1 유체 용적의 소망하는 높이에 따라 공간을 둠으로써 분리된 2 개의 90 도 절곡을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 전지 쌍의 전지 화학층은 제1 측면의 다공성 영역 상에 각각 코팅되거나 증착되고, 이어서 금속 기재가 절곡된다. 코팅 또는 증착 후 절곡은 편리하게는 기재가 전지 쌍의 전지 화학층을 코팅하거나 증착하기 위해 뒤집어질 필요가 없다는 것을 의미하고, 전지 쌍의 전지 화학층이 동일한 제조 과정에서 코팅되거나 증착될 수 있다는 것을 의미한다.
바람직하게는, 예비-절곡은 전지 화학층을 코팅하거나 증착하기 전에 금속 기재 상에 생성된다. 예비-절곡은 절곡 또는 절곡들의 소망하는 위치에 위치한 절곡에 대한 전구체이고, 이어서 전지 쌍의 전지 화학층은 예비-절곡의 측면에 코팅되거나 증착된다. 예비-절곡은 금속 기재를 가로지르는 연속적이거나 비연속적인 선을 스탬핑하거나 스코어링함으로써 생성될 수 있다. 절곡이 2 개의 90 도 절곡을 포함하는 경우, 2 개의 예비-절곡 선이 생성된다. 추가 예비-절곡 선이 다수회 절곡된 기재에 대한 전구체로서 생성될 수 있다. 예비-절곡은 전지 화학층의 코팅 또는 증착 후에 절곡 단계 동안 이를 따라 기재가 더욱 절곡되기 쉬운 약한 선을 생성하며, 이는 기재를 절곡하는 과정에서 전지 화학층을 손상시킬 가능성을 감소시킨다. 즉, 예비-절곡은 약한 선을 생성한다.
평탄화의 단계가 예비-절곡을 생성하는 단계에 이어질 수 있다. 평탄화는 기재가 전지 화학층의 코팅 또는 증착을 위해 충분히 평평하도록 보장한다.
바람직하게는, 방법은 금속 기재 각각을 통한 개구를 절단하여, 적어도 하나의 유입 포트 및 적어도 하나의 배출 포트를 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
따라서, 유체 전달을 위한 포트가 각각의 금속 기재에 형성된다. 금속 기재의 절곡 및/또는 적층시, 각각의 유체 포트는 절곡 및/또는 적층의 방향에서 서로 정렬되고 공통 제1 유체 용적과 소통한다. 추가 포트가 제2 유체 용적과 유사하게 소통할 수 있다.
바람직하게는, 금속 기재 중 적어도 하나는 이의 포트 주위에서 압축되어, 공통 제1 유체 용적 내에서 내향으로 연장되거나 공통 제1 유체 용적으로부터 외향으로 연장되는 성형 포트 특징부를 형성한다.
후속 단계에서, 금속 기재는 플랜지형 주변부 또는 별도의 스페이서 구성요소에 의해 이의 주변부의 일부 또는 전부 주위에서(예를 들어, 1, 2, 3 또는 4 개 측면 전부의 주위에서) 함께 밀봉될 수 있다. 절곡된 연속 기재의 경우에, 절곡된 측면은 플랜지형 주변부를 요구하거나 그렇지 않을 수 있다. 플랜지 주위에 후속 용접 또는 납땜 단계가 사용될 수 있다. 주변부 주위의 이 용접 또는 납땜 단계는 제2 유체 용적과 소통하거나 그렇지 않을 수 있는 나머지 환경으로부터 제1 유체 용적을 밀봉한다.
압축 단계 또는 단계들은 제1 및/또는 제2 유체 용적을 위한 오목부를 제공한다. 주변부 주위의 플랜지 및 공통 제1 유체 용적 내에 내향으로 연장되는 성형 포트 특징부는 동일하거나 별도의 압축 단계에서 형성될 수 있다. 압축 및 절단 단계는 전지 화학층을 코팅하거나 증착하는 단계 전 또는 후에 이루어질 수 있으며; 바람직하게는, 압축 및 절단 단계는 전지 화학층을 코팅하거나 증착하는 단계 전에 이루어져, 전지 화학층에 대한 손상을 예방할 수 있다.
바람직하게는, 추가 전지 배열이 제1 전지 배열과 동일한 방식으로 제공되고, 전지 배열은 뱅크 내에 적층되고, 뱅크 내의 연료 전극, 및/또는 뱅크 내의 공기 전극 사이의 전기적 연결이 제공된다. 추가 단계는 각각의 전지 뱅크를 적층하여 전지 스택을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 절연체가 인접한 뱅크 사이에 제공되어, 인접한 뱅크에서 각각의 단부 전지는 직렬로 연결되지 않는다. 대안적으로, 단일 전지가 뱅크의 단부에 제공되는 인접한 뱅크는 직렬로 연결될 수 있다.
바람직하게는, 금속 기재는 일반적으로 직사각형이고, 포트 홀이 각각의 금속 기재 쌍으로부터 외향으로 대면하는 중앙 영역에서 전지 화학층을 갖는 이의 좌측 및 우측 단부에 제공되고, 전기 전도 및 유체 전도 스페이서는 화학층과 접촉하고 금속 기재로부터 분리된 최상단 화학층(최외측 전극) 상에 놓여, 적층된 배열에서 상단에 위치될 다른 전지의 화학층에 전기적 접촉을 제공하고, 스페이서에는 포트 홀의 배치와 수직으로 이의 전방 및/또는 후방 모서리에서 전기적 연결이 제공된다. 바람직하게는, 전도 스페이서는 중앙 영역을 둘러싸고 절연체로서 작용하는 전해질의 연장된 영역에 의해 하부 금속 기재로부터 분리된다.
도 1a는 선행 기술 고체 산화물 연료 전지 단위체의 분해도를 나타낸다.
도 1b는 도 1a에 대해 역전된 선행 기술 연료 전지 단위체의 단면도를 나타낸다.
도 1c는 스택 배열에서 선행 기술 연료 전지 단위체 중 2 개의 단면도를 나타낸다.
도 2는 외향으로 대면하는 활성 전지 화학층을 갖는 후면-대-후면 배열의 전지 단위체 쌍의 새로운 배열을 나타낸다.
도 3은 내향으로 대면하는 활성 전지 화학층을 갖는 전면-대-전면 배열의 전지 단위체 쌍의 대안적인 새로운 배열을 나타낸다.
도 4a는 각각의 쌍이 도 2에 따른 후면-대-후면 배열인 2 개의 전지 단위체 쌍을 포함하는 연료 전지 단위체 뱅크를 나타낸다.
도 4b는 대안적 공간 배열을 갖는 대안적 전지 단위체 뱅크를 나타낸다.
도 5는 각각의 뱅크가 도 4a에 따른 것인 뱅크 쌍이 인접한 뱅크 사이에 절연층을 갖고 서로의 상단에 적층되는 새로운 스택 배열을 나타낸다.
도 6은 뱅크 사이에 직렬 전기적 연결을 포함하는 도 5의 스택 배열을 나타낸다.
도 7a는 각각의 뱅크에서 3 개의 전지 단위체 쌍이 있고, 2 개의 뱅크가 인접한 뱅크 사이에 절연층을 갖고 서로의 상단에 적층되고, 뱅크가 직렬로 전기적으로 연결되는 대안적 스택 배열을 나타낸다.
도 7b는 뱅크 사이의 전기적 연결에 대한 대안적 배열을 나타낸다.
도 7c는 뱅크 사이의 전기적 연결에 대한 추가 대안적 배열을 나타낸다.
도 8a는 금속 기재 및 활성 전지 화학층을 포함하는 새로운 전지 단위체를 나타내고; 도 8b는 외향으로 대면하는 활성 전지 화학층을 갖는 후면-대-후면 배열의 2 개의 이러한 전지 단위체를 나타내고; 도 8c는 각각의 쌍이 도 8b에 따른 후면-대-후면 배열인 2 개의 전지 단위체 쌍을 포함하는 전지 단위체 뱅크를 나타낸다.
도 9a는 형성된 포트 특징부를 포함하는 새로운 전지 단위체를 나타내고; 도 9b는 외향으로 대면하는 활성 전지 화학층을 갖는 후면-대-후면 배열로 배열된 2 개의 이러한 전지 단위체를 나타내고; 도 9c는 각각의 쌍이 도 9b에 따른 후면-대-후면 배열인 2 개의 전지 단위체 쌍을 포함하는 전지 단위체 뱅크를 나타낸다.
도 10a는 형성된 포트 특징부를 포함하는 추가의 새로운 전지 단위체를 나타내고; 도 10b는 외향으로 대면하는 활성 전지 화학층을 갖는 후면-대-후면 배열로 배열된 2 개의 이러한 전지 단위체를 나타내고; 도 10c는 각각의 쌍이 도 10b에 따른 후면-대-후면 배열인 2 개의 전지 단위체 쌍을 포함하는 연료 전지 단위체 뱅크를 나타내고; 도 10d는 각각의 뱅크가 도 10c에 따른 2 개의 전지 단위체 쌍을 포함하는 2 개의 전지 단위체 뱅크를 포함하는 전지 배열을 나타내고; 도 10e는 뱅크 중 하나가 뱅크의 단부에 단일 전지 단위체를 갖는 2 개의 전지 단위체 뱅크를 포함하는 전지 배열을 나타낸다.
도 11은 상부로부터의 투시도인 전지 단위체의 제1 측면을 나타낸다.
도 12a는 이들의 각각의 금속 지지 기재가 플랜지형 주변부 주위에 함께 용접된, 도 11a에 따른 전지 단위체 쌍을 나타내고; 도 12b는 기재의 플랜지형 주변부로부터 굴뚝을 통한, 도 12a에 따른 전지 단위체의 단면도를 나타낸다.
도 13은 전지 단위체 상에 위치한 공기측 전도성 지지 구조를 갖는, 도 12에 따른 전지 단위체 쌍을 나타낸다.
도 14a는 상부에 제3 전지 단위체가 추가된, 도 13에 따른 전지 단위체 쌍 및 전도성 지지 구조를 나타내고; 도 14b는 기재의 플랜지형 주변부로부터 굴뚝을 통한, 도 14a에 따른 전지 단위체의 단면도이다.
도 15a는 전지 단위체 스택 및 전도성 지지 구조를 나타내고; 도 15b는 기재의 플랜지형 주변부로부터 굴뚝을 통한, 도 15a에 따른 전지 단위체 뱅크의 단면도이다. 도 15c는 각각의 뱅크가 도 15a에 따른 것인 뱅크 쌍이 인접한 뱅크 사이에 절연층을 갖고 서로의 상단에 적층되는 스택 배열을 나타낸다.
도 16a는 단일, 절곡된 기재에 의해 지지된, 외향으로 대면하는 활성 전지 화학층을 갖는 후면-대-후면 배열의 전지 쌍의 대안적인 새로운 배열을 나타내고; 도 16b는 각각의 쌍이 도 16a에 따른 후면-대-후면 배열인 2 개의 전지 단위체 쌍을 포함하는 전지 단위체 뱅크를 나타내고; 도 16c는 형성된 포트 특징부를 포함하는, 도 16a에 따른 전지 단위체를 도식적으로 나타낸다.
도 17a는 각각의 쌍이 외향으로 대면하는 활성 전지 화학층을 갖는 후면-대-후면 배열인 2 개의 연료 전지 쌍의 배열을 포함하고, 2 개의 전지 쌍이 단일, 절곡된 기재에 의해 지지되는 대안적인 새로운 전지 단위체를 나타내고; 도 17b는 형성된 포트 특징부를 포함하는, 도 17a에 따른 전지 단위체를 도식적으로 나타낸다.
본원에 사용된 참조 부호의 목록은 구체적인 실시양태의 마지막에 제공된다. 본 명세서 및 도면에서 참조 기호의 반복 사용은 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내는 것으로 의도된다.
다양한 변형 및 변경이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명에서 이루어질 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 명확할 것이다. 예를 들어, 일 실시양태의 일부로서 기재된 특징은 다른 실시양태에 대해 사용되어, 또 추가의 실시양태를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 이들의 등가물의 범위 내에서 나오는 이러한 변형 및 변경을 커버하는 것으로 의도된다.
다음 설명에서, 공기는 산화제로서 사용된다. 따라서, 다른 곳에서 "산화제"에 대한 임의의 참조는 "공기"에 대한 참조로서 구성될 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다.
도 2를 참고하면, 후면-대-후면으로 배열된 전지 단위체 쌍의 배열(200)이 나타나 있다. 전지 단위체 쌍(200)은 제1 금속 지지 플레이트(120a)에 의해 지지된 제1 전지 단위체(110a) 및 제2 금속 지지 플레이트(120b)에 의해 지지된 제2 전지 단위체(110b)를 갖는다. 각각의 금속 지지된 전지 단위체(110a, 110b)는 금속 기재(120) 상에 증착되거나 코팅되어 전기화학적 활성층(110)을 형성하는 전지 화학층(111, 112, 113)을 포함한다. 애노드 층(113), 전해질 층(112) 및 캐소드 층(111)은 다공성 영역(124) 상에 연속으로 놓여 있다. 그러나, 일부 전지 배열에서, 상기 순서는 (캐소드 층이 기재에 가장 근접하도록) 역전될 수 있다.
도 1에서와 같이, 금속 기재(120)는 금속 박, 보통 페라이트계 스테인리스강이다. 다공성 영역(124)은 금속 기재(120)의 제1 측면(125)으로부터 대향 측면(제2 측면(126))으로 연장되는 드릴링(또는 다른 수단, 예를 들어 에칭)에 의해 형성된 관통-홀의 배열을 포함하며, 다공성 영역은 비-다공성(무지) 영역에 의해 둘러싸여 있다.
애노드 층(113), 전해질 층(112), 및 캐소드 층(111)은 증착, 예를 들어 화학 기상 증착, 정전 증착, 분무 증착, 스핀-온 증착(spin-on deposition), 분말 증착 등에 의해 평면 금속 기재(120) 상에 형성될 수 있다. 과정은 2-단계 과정일 수 있고, 분말 또는 과립 재료의 증착 후, 소결 또는 다른 처리가 이어져, 고체 산화물 전지의 층 각각을 형성한다. 각각의 층은 얇은 층이어서, 어떠한 층도 자가-지지가 아니고; 다시 말해, 금속 기재는 고체 산화물 화학층에 지지를 제공하도록 요구된다. 다른 장벽층, 예를 들어 연장된 전해질 층(123)이 또한 제공될 수 있다. 선행 기술 전지와 같이, 전해질 층은 최내측 전극의 측면 모서리 상에 코팅되고 금속 기재 상에 연장되어, 다공성 영역 및 최내측 전극 내의 가스를 밀봉한다.
도 2에서, 각각의 금속 기재(120a, 120b)는 제1 측면(125) 및 제2 측면(126)을 갖고, 다공성 영역(124)이 이들 사이로 연장된다. 다공성 영역(124)은 금속 기재(120)의 제2 측면(126) 상의 유체가 전기화학적 활성층(110)의 하나의 측면(도면에 나타낸 바와 같은 애노드 층)에 도달하게 한다. 전기화학적 활성층(110)(애노드 층(113), 전해질 층(112), 및 캐소드 층(111)을 포함함)은 다공성 영역(124)에 의해 지지된다. 2 개의 금속 기재(120a, 120b)의 제2 측면(126)은 하나 이상의 스페이서(130)의 대향 측면에 부착되어, 전지 단위체는 후면-대-후면 배열에 위치한 유사-측면을 갖는다. 이 배열은 금속 기재(120a, 120b) 쌍 사이에 제1 유체 용적(140)을 형성한다. 지지 구조(131)는 요구되는 압축 하중에 반응하고, 있는 경우, 최외측 전극으로부터의 전류 수집을 위해 금속 기재 쌍 사이에 배치될 수 있다(도 4a 설명 참고). 이 방식에서, 2 개의 전지 단위체의 애노드 층(113)은 제1 유체 용적(140)을 가로질러 서로 대면한다. 2 개의 전지 단위체의 애노드 층(113)(또는 연료 전극)은 제1 유체 용적(140)을 가로질러 서로 대면하고, 금속 기재 쌍은 연료 용적을 감쌀 것이고 지지 구조(131)는 연료에만 노출될 것이다. 이 경우에, 지지 구조는 연료의 내부 개질을 위해 요구되는 촉매에 대한 지지를 제공하는 이차적인 기능을 제공할 수 있다. 상기 용적은 연료 가스가 산화제 가스와 접촉되지 않을 수 있도록 밀봉될 필요가 있을 것이다.
설명을 위해, 연료(예를 들어, 수소 또는 탄화수소 가스)는 전지 단위체의 연료 전극 또는 애노드(SOFC에서) 측면과 접촉할 필요가 있고 산화제(예를 들어, 공기 또는 산소)는 전지 단위체의 공기 전극 또는 캐소드 측면에 접촉할 필요가 있다. 따라서, 애노드가 금속 기재에 인접할 때, 지지 플레이트 사이의 유체 용적(이 경우에, "제1 유체 용적")은 바람직하게는 연료에 대한 것이다. 그러나, 후면-대-후면 배열에서, 캐소드 층(111)이 대신 첫번째로 증착된 경우, 제1 유체 용적은 산화제 유체 용적일 필요가 있을 것이다.
지지 구조(131)는 도 1b의 상호연결(160) 또는 도 1c의 상호연결(150a)과 유사할 수 있지만, 이 경우에, 이는 스페이서(130)에 대해 모든 방향으로 연장될 필요가 없다. 또한, 도 2의 지지 구조(131)는 하나의 환경(연료 또는 산화제)에만 노출되며 2 개의 환경을 분리할 필요는 없다. 따라서, 지지 구조에 대해 놓인 화학적, 열적 및 기계적 요구는 선행 기술 설계에서에 비해 적다. 또한, 지지 구조(131)는 유체가 지지 구조(131)의 하나의 측면으로부터 다른 측면으로 통과하도록 충분히 개방되어야 한다.
지지 구조(131)는 전도성일 필요는 없으나, 이는 전도성일 수 있다. 이는 스페이서(130)(전지 단위체 쌍의 배열에서 2 개의 금속 기재를 분리함)가 전도성일 수 있어, 2 개의 금속 기재 사이의 전기적 연결을 허용할 수 있기 때문이다. 스페이서(130)를 통한 전기적 연결은 금속 기재 및 스페이서를 통한 용접 또는 납땜에 의해 도움을 받을 수 있다. 이 용접 또는 납땜은 또한 제1 및 제2 유체 용적을 밀봉한다. 또한, 전지 사이의 전기적 상호연결은 지지 구조(131)와 금속 기재(120) 사이의 전기적 연결에 의존하지 않기 때문에, 지지 구조를 통한 압축 하중(및 따라서 지지 구조의 강도)은 도 1의 상호연결(150)과 비교하여 감소될 수 있다. 지지 구조(131)는 물결 모양의 요소로서 도식적으로 나타나 있지만, 다른 압축된 3-차원 특징부, 메시 구조 또는 익스팬디드 메탈(expanded metal)이 사용될 수 있다.
명확성의 이유로, 도 2에서(및 후속 도 3-7에서) 제1 유체 용적(140)에 유체(통상적으로 연료) 전달을 허용하는, 금속 기재(120)에 제공된 포트는 나타나 있지 않다. 금속 기재(120)를 통한 포트는 가스킷 또는 금속 기재와 스페이서 플레이트(130) 사이의 용접에 의해 밀봉될 수 있다. 포트 및 스페이서(또는 포트 주위의 형성된 특징부)는 함께 스택을 통한 제1 유체의 수송을 위한 굴뚝을 형성한다. 포트 특징부 또는 매니폴드는 유체의 일부가 굴뚝을 빠져나가 제1 유체 용적(140)에 들어가게 한다. 굴뚝 중 하나 이상은 제1 유체 용적(140)으로부의 배기 가스의 출구를 제공한다.
도 3은 전지 단위체 쌍(300)의 대안적인 전면-대-전면 배열을 나타낸다. 배열은 제1 금속 기재(120a)에 의해 지지된 제1 전기화학적 활성층(110a) 및 제2 금속 기재(120b)에 의해 지지된 제2 전기화학적 활성층(110b)을 포함한다. 전기화학적 활성층의 쌍(110a, 110b) 각각은 상기 기재된 바와 같이 캐소드 층(111), 전해질 층(112) 및 애노드 층(113)을 포함하는 전지 화학층을 갖는다. 금속 기재(120a, 120b) 각각은 제1 측면(125) 및 제2 측면(126)을 포함하고, 이들 사이로 연장된 다공성 영역(124)을 갖고 상부에 전기화학적 활성층(110a, 110b)이 지지된다. 금속 기재(120a, 120b)의 제1 측면(125)은 하나 이상의 스페이서 플레이트(130)의 대향 측면에 부착되어, 전기화학적 활성층(110a, 110b)이 전면-대-전면 배열로 서로 내향으로 대면한다. 이 배열은 금속 기재(120a, 120b)의 쌍 사이에 제1 유체 용적을 형성한다. 전도성 지지 구조(310)는 금속 기재의 쌍 사이에 배치될 수 있다. 즉, 2 개의 전지 단위체의 캐소드 층(111)은 제1 유체 용적(141)을 가로질러 서로 대면하여, 제1 유체 용적(141)을 형성한다. 이 경우에, 제1 유체 용적(141)은 통상적으로 산화제(공기 또는 산소) 용적이다. 전도성 지지 구조(310)는 전도성 지지 구조(310)가 집전 장치로서 작용하여, 전류를 금속 기재(120)로부터 멀리 있는 (최외측) 전극층, 이 경우에 캐소드 층(111)으로부터 전도한다는 것을 제외하고 지지 구조(131)와 유사하다.
지지 구조(131) 및 전도성 지지 구조(310)는 물결 모양 요소로서 도식적으로 나타나 있지만, 또 다른 압축된 3차원 특징부가 사용될 수 있다. 이들은 인접한 전지 단위체 사이에 전기적 연결을 제공하기 위해 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 지지 구조 및 전도성 지지 구조는 하나의 측면 상에서 금속 기재의 좌굴 또는 뒤틀림에 저항하기 위해 제공된다. 지지 구조(131) 및 전도성 지지 구조(310)는 바람직하게는 도표에서 좌에서 우로(또는 우에서 좌로 또는 전방에서 후방으로 또는 후방에서 전방으로) 및 도표에서 상부에서 하부로(또는 하부에서 상부로 또는 금속 기재를 향하거나 이로부터 멀어지며) 이들을 통한 유체의 자유로운 순환을 위해 갭(나타낸 단면에서 보이지 않음)을 가지며, 즉 이들은 투과성이다.
도 4a는 2 개의 고체 산화물 전지 쌍(200a, 200b)을 포함하는 전지 단위체의 뱅크(400)를 나타내고, 각각의 쌍은 도 2의 임의의 것에 따라 후면-대-후면으로 장착된다. (뱅크는 제1 쌍의 전기화학적 활성층(110a, 110b) 및 제2 쌍의 전기화학적 활성층(110c, 110d)을 포함한다.) 2 개(또는 그 이상)의 전지 단위체 쌍은 이들 사이에 하나 이상의 가스킷(180a, 180b)을 갖고 서로의 상부에 적층된다. 가스킷(180a, 180b)은 인접한 전지 쌍의 제1 유체 용적을 연결하는 한편, 제2 유체 용적으로부터 제1 유체 용적을 밀봉한다. 최외측 전극 상의 집전 장치(310)는 제2 유체 용적(430) 내에 위치하고, 이전에 기재된 바와 같이 전도성 지지 구조(310)와 유사할 수 있다. 이는 무압력 집전 장치로서 제공될 수 있다.
도 4b는 도 4a의 것과 유사하지만, 지지 구조(131)가 제1 유체 용적(140a, 140b) 내부에 위치한 짧은 스페이서로서 나타나 있는 전지 단위체 뱅크를 나타낸다. 지지 구조(131)는 전기적으로 전도성이서, 이의 측면 상의 각각의 금속 기재를 전기적으로 연결한다(그러나, 이들은 그럴 필요가 없으며 - 이 기능은 기재될 바와 같이, 모서리에서 제공될 수 있음). 지지 구조(131)는 금속 기재(120)와 별도의 구성요소일 수 있거나, 금속 기재의 압축되거나 형성된 특징부에 의해 형성될 수 있으며, 단 이들은 전지 화학물질의 외부이다. 지지 구조(131)는 또한 전류 수집을 위해 요구되는 압축력의 결과로서 금속 기재(120)의 휘어짐 또는 굽힘을 예방하기 위해 작용할 수 있다.
도 4b에서, 일반 세퍼레이터 층(440)이 전도성 지지 구조(310)를 대신해 나타나 있다. 세퍼레이터 층(440)은 메시, 익스팬디드 메탈, 또는 이의 조합을 포함한다. 이는 제2 유체 용적(430) 내부에 위치하여, 제1 전지 단위체 쌍(200a)의 제2 전지 단위체(110b)와 제2 전지 단위체 쌍(200b)의 제1 전지 단위체(110c) 사이에 상호연결을 제공한다. 층(440)은 산화제(또는 경우에 따라 연료)의 순환을 위한 공간 또는 공극을 갖는다.
도 5는 서로의 상부에 적층된 전지 단위체(200a, 200b)의 2 이상의 뱅크(400a, 400b)를 포함하는 전지 단위체의 스택(500)을 나타낸다. 각각의 뱅크(400a, 400b)는 도 4a 또는 도 4b의 뱅크(400)와 유사하다. 스택은 뱅크(400a, 400b)의 각각의 쌍 사이에 배치된 절연층(510)을 추가로 포함하여, 뱅크를 서로 전기적으로 절연시킨다. 전도성 지지 구조(530)가 제공되어, 전기화학적 활성층(110)에 접촉하여, 집전 장치(제1 유체 용적이 연료 용적(예를 들어, SOFC에 대해 수소)이고 제2 유체 용적이 산화제 용적인 경우에, 캐소드 층에 대한 것)로서 작용한다. 전도성 지지 구조(530) 및 절연층(510)을 반복함으로써 추가 뱅크가 스택에 추가될 수 있다.
2 개의 전지 단위체 쌍이 도 5의 각각의 뱅크(400a, b)에 나타나 있다. 그러나, 하나의 전지 단위체 쌍 또는 2 개 초과의 쌍이 또한 사용될 수 있다. 표 1을 참고한다(아래).
도 6은 도 4a, 4b, 및 도 5의 것과 유사한 2 개의 전지 단위체 뱅크의 스택(600)을 나타낸다. (더 많은 이러한 뱅크가 있을 수 있으나, 2 개만이 나타나 있다.) 버스바(610, 615, 620)가 제공된다. 버스바(610)는 제1 뱅크(400a)의 각각의 전지 단위체 쌍의 금속 기재(120) 사이의 전도성 스페이서 플레이트(130)(및 그 뒤의 이들의 금속 기재)에 연결된다. 따라서, 통상적으로 버스바(610)는 제1 뱅크에서 애노드를 전기적으로 연결한다. 버스바(615)는 제2 뱅크(400b)의 전기화학적 활성층(120) 사이의 전도성 지지 구조(630)에 연결된다. 따라서, 통상적으로 버스바(615)는 제2 뱅크에서 캐소드를 전기적으로 연결한다. 버스바(620)는 제1 뱅크(400a)의 전도성 지지 구조(630)를 제2 뱅크의 전도성 스페이서 플레이트(130)에 연결한다. 따라서, 통상적으로 버스바(620)는 제1 뱅크에서의 캐소드와 제2 뱅크에서의 애노드를 전기적으로 연결한다. 버스바는 바람직하게는 이들의 각각의 세퍼레이터 플레이트(130) 및 전도성 지지 구조(630)에 용접된다. 세퍼레이터 플레이트(130)는 외향으로 연장되어, 버스바(610, 620)와 만나는 것으로 나타나 있고, 대안적으로 금속 기재(120)가 연장되어 버스바(610, 620)와 만나고 전기적으로 연결될 수 있다. 버스바(610 및 615)는 인접한 뱅크(나타내지 않음)의 추가 전지 단위체에 연결될 수 있으므로, 버스바(620)와 유사한 배열을 가질 수 있다. 대안적으로, 버스바(610, 615)는 인접한 전지 단위체 뱅크에 연결되지 않을 수 있고, 대신에 전력 취출 장치에 연결되어, 외부 사용을 위해 스택의 외부로 전력을 전송할 수 있다.
이 방식에서, 전지 단위체의 병렬-직렬 배열이 제공된다. 특정 뱅크의 애노드 전부는 병렬로 연결된다. 유사하게는, 특정 뱅크의 캐소드 전부는 병렬로 연결된다. 이는 전지 단위체의 스택에 대한 전류 요건 충족을 돕는다. 하나의 뱅크의 전지 단위체는 인접한 뱅크의 전지 단위체와 직렬로 연결된다. 뱅크(예를 들어, 제1 뱅크(400a))의 캐소드는 인접한 뱅크(예를 들어, 제2 뱅크(400b))의 애노드와 직렬로 연결된다. 이는 스택에 대한 전압 요건 충족을 돕는다. 더 많은 뱅크가 추가되어, 전압을 추가로 증가시킬 수 있다.
도 7a는 전지 단위체의 2 개의 뱅크(710a, 710b)의 스택(700)을 더욱 도식적으로 나타낸다. 스택은 뱅크(710a, 710b)의 각각의 쌍 사이에 위치한 절연층(510)을 갖고 서로의 상부에 적층된 전지 단위체 뱅크를 포함한다. 추가 뱅크가 절연층(510) 및 뱅크(710)를 반복함으로써 스택(700)에 추가될 수 있다.
각각의 뱅크는 다수의 전지 단위체 쌍을 포함한다. 나타낸 실시예에서, 각각의 뱅크에 대해 3 개의 전지 단위체 쌍이 있다. 그러나, 1, 2, 또는 3 초과의 전지 단위체 쌍이 또한 사용될 수 있다. 표 1을 참고한다(아래).
도 7a는 뱅크 사이의 전지 단위체의 전기적 연결을 나타내기 위해 도 6에 대해 간소화된다. 다시, 특정 뱅크의 애노드 전부는 병렬로 연결된다. 유사하게는, 특정 뱅크의 캐소드 전부는 병렬로 연결된다. 이는 전지 단위체의 스택에 대한 전류 요건 충족을 돕는다. 하나의 뱅크의 전지 단위체는 인접한 뱅크의 전지 단위체와 직렬로 연결된다. 뱅크(예를 들어, 제1 뱅크(710a))의 캐소드는 인접한 뱅크(예를 들어, 제2 뱅크(710b))의 애노드와 직렬로 연결된다. 이는 스택에 대한 전압 요건 충족을 돕는다.
도 7b는 도 6 및 도 7a에 대해 기재된 뱅크와 유사한 전지 단위체의 2 개의 뱅크의 스택을 나타낸다. 이는 인접한 전지 단위체 쌍의 금속 기재 사이에 제공된 전도성 가스킷(730a 및 730b)을 추가로 포함하여, 전지 쌍 사이에 연료를 전달한다. 전도성 가스킷(730)은 전지 단위체 뱅크의 애노드를 전기적으로 연결시 도 6에서 버스바(610)의 역할을 수행한다. 그 다음에, 버스바(720)가 사용되어, 제1 뱅크에서의 캐소드를 제2 뱅크에서의 애노드와 연결한다. 버스바(715)는 통상적으로 제2 뱅크에서 캐소드를 전기적으로 연결한다(또한 추가 뱅크(나타내지 않음)에서 애노드에 연결될 수 있음).
각각 3 개의 전지 단위체 쌍을 갖는 2 개의 뱅크가 도 7b에 나타나 있다. 그러나, 1, 2 또는 3 초과의 전지 단위체 쌍이 각각의 뱅크에 존재할 수 있고, 다수의 뱅크를 갖는 스택이 형성될 수 있다.
도 7c는 도 7b에 대해 기재된 바와 같은 전지 단위체의 2 개의 뱅크의 스택(750)을 나타내고 이들 자체가 각각의 전지 단위체 쌍 사이에 있는 전도성 지지 구조(630) 사이에 위치한 고체 블록(731)을 추가로 포함한다. 고체 블록(731)은 이전에 기재된 바와 같이 전지 단위체의 제1 및 제2 뱅크를 전기적으로 연결하고, 버스바 및 전지 단위체 스택에 대한 버스바의 용접에 대한 필요성을 제거한다.
Figure pct00001
표 1은 전지 단위체가 MS-SOFC 단위체로서 작동될 때, 뱅크에서 전지 단위체의 수의 함수로서 도 1의 선행 기술 설계에 대해 체적 전력 밀도에서의 증가를 나타낸다. MS-SOFC 방식으로 작동되는 경우, 단지 2 개의 전지 단위체의 뱅크(후면-대-후면 또는 전면-대-전면 배열의 하나의 전지 단위체 쌍)를 가짐으로써 체적 전력 밀도에서 19% 증가가 있다. 이는 하나의 유체 용적이 이제 2 개의 금속 기재(120) 상의 2 개의 전기화학적 활성층에 의해 공유되기 때문이다. 따라서, 공유된 유체 용적 높이는 그 다음에 선행 기술 설계에서 2 개 유체 용적의 조합된 높이와 비교하여 감소될 수 있으며, 이는 유체 용적의 벽에서 마찰 효과로 인한 점성 손실의 양이 감소되기 때문이다.
통상의 기술자는 이들 이점이 MS-SOEC 단위체로서 전지 단위체를 작동시키기는 것에 동등하게 적용된다는 것을 이해할 것이다.
체적 전력 밀도에서의 증가는 4 개의 전지를 갖는 뱅크(즉, 후면-대-후면 또는 전면-대-전면 배열의 2 개의 전지 단위체 쌍)에 대해 증가한다. 이는 스택에서 전지의 주어진 수에 대해, 뱅크 사이에 덜 분리된 층(스택 높이를 증가시킴)이 요구되기 때문이다.
체적 전력 밀도에서의 증가는 뱅크 당 2 개의 전지 단위체 쌍으로부터 3 개의 전지 단위체 쌍 등으로 증가시 덜 두드러진다. 또한, 뱅크 당 전지 단위체의 수가 증가할수록, 뱅크에 의해 생산된 전류도 증가한다. 이는 고전류 적용에서 유리할 수 있지만, 큰 저항성 손실을 야기하고 저항성 가열을 견디거나 완화시키기 위해 구성요소가 더욱 얇거나, 더욱 전도성인 재료로 이루어질 것을 요구할 수 있다.
금속 기재는 완전히 평평하여, 단일 평면으로 완전히 놓일 수 있거나, 아래 기재된 바와 같이 전지 화학층 너머에서 기재는 3D 특징부를 갖도록 압축되거나 형성될 수 있으며, 이러한 특징부는 전지 화학물질의 증착 전 또는 후에 생성될 수 있다.
무스페이서 전지 단위체 쌍 변형
도 8 내지 10의 다음 실시양태는 본 발명에 따른 전지 단위체 쌍을 나타내고, 이때 전지 단위체는 함께 직접 연결되어, 이들은 서로 인접하고 이들 쌍은 무스페이서 전지 단위체 쌍으로서 지칭될 수 있다. 전지 단위체 사이에 요구되는 공통 유체 용적을 달성하기 위해, 각각의 금속 기재는 평평하지 않고, 오히려 형성된(예를 들어, 압축되거나 스탬핑된) 3D 특징부를 가지며, 이는 전지 단위체 사이의 유체 용적을 생성하기 위한 스페이서에 대한 필요성을 제거한다. 이들 실시예는 예시로 후면-대-후면 배열로 나타나 있다. 도 8 내지 도 10의 무스페이서 전지 단위체 쌍은 축적으로 나타내지 않고, 오히려 활성 전지 화학물질에서 불연속부가 있어(완전히 나타나지 않음), 포트가 있는 단부가 더욱 상세히 나타날 수 있다. 금속 기재(120)를 통한 실제 포트는 명확성의 이유로 나타나 있지 않다.
도 8a는 금속 기재(120) 상에 증착되거나 코팅된 전기화학적 활성층(110)을 포함하는 전지 단위체(810)를 나타낸다. (도면에서, 활성층 및 기재는 모서리에 초점을 맞추기 위해 중앙에서 짧아진다.) 얇은 전기화학적 활성층(110)은 다시 이전에 기재된 바와 같이 지지 금속 기재(120) 상에 놓인다. 금속 기재(120)의 제2 측면(126)은 형성된(예를 들어, 압축되거나 스탬핑된) 특징부 또는 이의 표면으로부터 외부로(나타낸 바와 같이 하부로) 연장된 돌출부(840)를 갖는다. 돌출부(840)는 삼각형(즉, 3차원으로 원뿔 또는 피라미드)으로 나타나 있지만, 돔 또는 범프(bump)와 같은 다른 단면 형상을 가질 수 있고 피크를 가질 수 있다. 돌출부(840)는 포트(나타내지 않음) 주위에 분포되어, 유체가 포트로부터 제1 유체 용적으로 또는 제1 유체 용적으로부터 포트로 흐르게 한다(즉, 유체는 포트와 유체 용적 사이에 전달됨). 이 방식에서, 돌출부는 포트 주위에 스택 압축 하중을 전달하는 한편, 유체 굴뚝으로부터 제1 유체 용적으로 요구되는 유체 채널 개방을 유지한다.
돌출부(또는 기재에 형성된 특징부)(840)의 꼭지 또는 피크는 제2 측면(126)으로부터 떨어져 연장된다. 금속 기재(120)는 이의 주변부에 플랜지(850)를 포함하는 형성된 특징부를 추가로 포함한다. 플랜지는 금속 기재(120)의 주요 평면에 대해 평행하고 이로부터 수직으로 분리된(표시된 방향에서 이에 비해 낮은) 평면에서 배향된다. 금속 기재(120)의 주요 평면은 전기화학적 활성층(110)을 지지하는 평면이다. 돌출부(840) 및 플랜지(850)는 평면 금속 기재를 압축하거나, 스탬핑하거나, 이와 달리 형성함으로써 금속 기재(120)에 형성된다. 다공성 영역 및 전기화학적 활성층(110)은 돌출부(840) 및 플랜지(850)의 형성 전 또는 후에 형성될 수 있지만, 바람직하게는 돌출부(840) 및 플랜지(850)는 전기화학적 활성층(110)을 증착하기 전에 형성되어, 상기 층에 대한 손상의 기회를 감소시킨다.
도 8b는 후면-대-후면 배열의 전지 단위체의 무스페이서 쌍(805)을 나타내고, 각각의 전지 단위체(810a, b)는 도 8a에 대해 기재된 바와 같다. 나타낸 바와 같이, 쌍은 제1 및 제2 전지 단위체를 포함한다. 제1 전지 단위체(810a) 및 제2 전지 단위체(810b)는 후면 대 후면으로 연결되고, 돌출부의 피크(840a)는 제1 전지 단위체로부터 연장되어 제2 전지로부터 연장된 돌출부(840)에 접촉하거나 인접한다. 전지 단위체 쌍(805)은 제1 및 제2 금속 기재 사이에 연속 유체 용적(140)을 형성한다. 용적은 주변 플랜지(850) 주위에서 용접, 납땜 또는 유사한 기술에 의해 밀봉된다. 도 8b로부터 명확한 바와 같이, 돌출부(840) 및 플랜지(850)는 후면-대-후면 배열의 전지 단위체 쌍(805)에서 전지 단위체(810a, b) 사이의 스페이서(예를 들어, 도 4의 실시예 스페이서(130))에 대한 필요성을 제거한다.
도 8c는 전지 단위체의 2 개의 무스페이서 쌍을 포함하는 전지 단위체의 뱅크(870)를 나타내고, 각각의 전지 단위체 쌍(805a, b)은 도 8b에 대해 기재된 바와 같다. 이전에 기재된 바와 같이, 각각의 뱅크에 전지 단위체의 하나의 쌍, 또는 2 초과의 쌍이 있을 수 있다. 전지 단위체 쌍(805a, b)은 적층된 배열로 위치한다: 각각 서로의 상하부에 있고, 하나 이상의 가스킷(180)이 이전에 기재된 바와 같이 인접한 쌍의 제1 유체 용적 사이에 유체 연결을 제공한다. 이전에 기재된 바와 같이, 이들 가스킷은 전기적으로 전도성일 수 있고 인접한 전지 쌍의 기재를 전기적으로 연결할 수 있다. 전도성 지지 구조(440)가 인접한 전지 단위체 쌍 사이에 제공되어, 금속 기재(120)로부터 먼 전기화학적 활성층의 전면을 전기적으로 연결한다(예를 들어, 제1 전지 단위체 쌍(805a)의 캐소드(최외측 전극)를 제2 전지 단위체 쌍(805b)의 캐소드와 연결함). 전도성 지지 구조(440)는 이전에 기재된 전도성 지지 구조(440)와 유사하고, 이는 메시, 익스팬디드 메탈을 포함할 수 있고, 대안적으로 이는 전도성 지지 구조(310)와 유사할 수 있다. 지지 구조(131)는 선택적으로, 이전에 기재된 바와 같이 유체 용적(140) 내에 제공될 수 있다.
도 9a-c는 도 8a-c의 전지 단위체에 대한 변형을 나타낸다. 도 9a의 전지 단위체에는 유체 포트(980)를 둘러싼 융기된 포트 특징부(910)가 제공된다. 융기된 포트 특징부는 바람직하게는 고리형이다. 융기된 포트 특징부는 금속 기재(120)의 주요 평면에 대해 평행하고 이로부터 수직으로 분리된(표시된 방향에서 이에 비해 높은) 평면을 포함한다. 융기된 포트 특징부(910)의 평면은 금속 기재의 주요 평면으로부터 플랜지(850)의 평면에 대해 반대 방향에 있다. 즉, 금속 기재는 3 개 수준을 갖고, 이들 각각은 평면이고 수직으로 분리되어 있다: 융기된 포트 특징부(910)의 평면은 그 자체가 플랜지(850)의 평면 상부에 있는 금속 기재의 주요 평면 상부에 있다. 융기된 포트 특징부(910)는 돌출부(840) 및 플랜지(850)와 유사하게, 바람직하게는 이와 동시에 평면 금속 기재를 압축하거나, 스탬핑하거나 형성함으로써 금속 기재(120)에 형성된다. 돌출부(840) 및 융기된 포트 특징부(910)는 포트 주위의 스택 압축 하중을 전달하는 한편, 유체 굴뚝으로부터 제1 유체 용적(140)으로 요구되는 유체 채널 개방을 유지하기 위해 배열된다.
도 9b는 도 9a에 기재된 바와 같은 전지 단위체 쌍(905)을 나타낸다. 제1 및 제2 전지 단위체는 후면-대-후면으로 배열되고, 돌출부(840)의 피크는 제1 전지 단위체의 제2 측면으로부터 연장되어 제2 전지 단위체의 제2 측면으로부터 연장된 돌출부(840)에 접촉하거나 인접한다. 전지 단위체의 쌍은 제1 및 제2 금속 지지 플레이트 사이의 제1 유체 용적(140)을 둘러싼다. 제1 유체 용적(140)의 높이는 돌출부(840) 및 플랜지(850)에 의해 정의되고, 플랜지(850) 주위의 용접에 의해 밀봉된다.
도 9c는 2 개의 전지 단위체 쌍을 포함하는 전지 단위체의 뱅크(900)를 나타내고, 각각의 전지 단위체 쌍(905a, b)은 도 9a에 나타낸 바와 같다. 이전에 기재된 바와 같이, 각각의 뱅크에 전지 단위체의 하나의 쌍, 또는 2 초과의 쌍이 있을 수 있고, 뱅크는 이전에 기재된 바와 같이 적층되고 전기적으로 연결될 수 있다. 전지 단위체 쌍(805a, b)은 적층된 배열로 위치한다: 각각 서로의 상하부에 있고, 스택 배열은 인접한 전지 단위체 쌍 사이에 제2 유체 용적(430)을 형성한다.
인접한 전지 쌍의 융기된 포트 특징부(910)는 인접한 전지 단위체 쌍의 공간에 접속하고 제2 유체 용적(430)을 생성한다. 융기된 포트 특징부의 높이는 제2 유체 용적을 생성하기에 충분하므로, 제1 전지 단위체 쌍에서 전지 단위체의 전기화학적 활성층(110)을 인접한 제2 전지 단위체에서 전지 단위체의 전기화학적 활성층(110)으로부터 또한 이격시킨다. 융기된 포트 특징부(910) 및 포트(980)는 제1 유체 용적(140)으로의 유체의 전달(또는 이로부터의 배기)을 위한 유체 굴뚝을 형성한다.
제1 전지 단위체의 융기된 포트 특징부의 표면은 제2 전지 단위체의 융기된 포트 특징부의 대응하는 평면과 접속하고, 제2 전지 단위체는 제1 전지 단위체에 대해 인접한 전지 단위체 쌍이다. 따라서, 이전에 기재된 전지 단위체와 반대로, 융기된 포트 특징부(910)는 제2 유체 용적을 생성하기 위한 인접한 전지 단위체 쌍 사이의 가스킷(예컨대, 도 4에 대해 기재된 가스킷(180))에 대한 필요성을 제거하고 이를 이격시킨다. 이들 전지 단위체 쌍은 무가스킷, 무스페이서 전지 쌍으로 지칭될 수 있으며, 이는 더 적은 부품 수를 갖는 스택으로 형성될 수 있다.
제1 전지 단위체의 융기된 포트 특징부의 평면과 제2 전지 단위체의 융기된 포트 특징부의 대응하는 평면 사이의 접속은 굴뚝을 밀봉하고, 제1 및 제2 유체 용적에서 유체의 혼합을 예방하기 위해 밀봉되어야 한다. 밀봉은 가스킷: 사전형성된 가스킷을 사용하거나, 바람직하게는 제자리 밀봉을 형성하는 밀봉 접촉 페이스트 또는 액체를 사용하여 이루어질 수 있다. 후자는 접속 평면 중 하나 또는 둘 다에서 고리형 홈에 배치될 수 있다. 소망하는 경우, (예를 들어, 압축가능) 고리형 가스킷이 융기된 포트 특징부의 외부 주위에 추가로 위치할 수 있다 - 사실은 위치 고정될 수 있다. 대안적으로, 및 유리하게는, 밀봉은 융기된 포트 특징부의 접속 평면 주위의 밀봉을 용접함으로써 이루어질 수 있고, 이는 부품 수를 추가로 감소시킨다.
도 10a는 도 9a의 전지 단위체에 대한 변형을 나타낸다. 융기된 포트 특징부(1050)는 도 9의 융기된 포트 특징부(910)와 비교하여, 포트(980)의 둘레로부터 외향으로 방사상으로 이동된다. 이는 융기된 포트 특징부(1050)의 평면이 (포트(980)에 대해) 이들의 방사상 내향 및 방사상 외향 측면 상에서 돌출부(840, 1040)에 의해 지지될 수 있게 한다. 융기된 포트 특징부(1050)는 양측면 상에서 지지되는 고리형 고리이다. 추가 돌출부(1040)가 나타나 있으며, 이는 이들이 포트(980)와 융기된 포트 특징부(1050) 사이에 배치된 것을 제외하고 돌출부(840)와 유사한 한편, 돌출부(840)는 (포트(980)에 대해) 융기된 포트 특징부(1050)의 방사상 외향에 배치된다. 융기된 포트 특징부(1050)는 돌출부(840 및 1040)를 통해 전지 스택을 통한 압축을 전달한다. 이 방식에서, 융기된 포트 특징부(1050)는 포트 주위의 뱅크(도 10d 참고) 사이에 가스킷의 밀봉을 위해 요구되는 스택 압축 하중을 전달하는 한편, 유체 굴뚝으로부터 제1 유체 용적(140)으로 요구되는 유체 채널 개방을 유지하기 위해 정렬된다.
도 10b는 추가 돌출부(1040)가 서로에 대해 (돌출부(840)와 유사한 방식으로) 인접하고 금속 기재 사이에 분리를 제공하여, 유체가 유체 굴뚝 및 포트(980)로부터 제1 유체 용적(140)에 들어가게 하도록 어떻게 이러한 전지 단위체 쌍이 후면-대-후면으로 배열되는지를 나타낸다.
돌출부(1040)는 제1 유체 용적(140) 내로 돌출되는 것으로 나타나 있다. 이들은 교번 방식으로 상기 용적 내로 및 이로부터 떨어져 돌출될 수 있다. 이는 아래에 기재된다. 이들이 유체 용적(140)으로부터 떨어져 돌출되는 경우, 이들은 융기된 포트 특징부(1050)와 동일한 수준으로 돌출되어, 융기된 포트 특징부(1050)와 스택 압축 하중을 공유하기 위해 제공된다. 돌출부(840)가 마찬가지로 교번될 수 있다.
도 10c는 이러한 전지 단위체의 뱅크를 나타내고 어떻게 하나의 전지 단위체 쌍의 융기된 포트 특징부(1050a)가 인접한 전지 단위체 쌍의 융기된 포트 특징부(1050b)와 인접하는지를 나타낸다. 융기된 포트 특징부는 도 9c에 대해 기재된 바와 같이 접속되고 밀봉되어, 굴뚝을 정의한다.
도 10d는 적층된 배열의 전지 단위체 쌍의 2 개의 뱅크를 나타낸다. 전지 단위체의 뱅크 사이에, 융기된 포트 특징부(1050)의 인접한 평면을 분리하고 전기적으로 분리시키는 절연층(1070)이 제공된다. 절연층(1070)(예를 들어, 전해질 층)은 절연층(510)(이전에 도 5에 대해 기재된 바와 같음)과 유사할 수 있거나, 절연 페이스트의 형태일 수 있다. 추가 가스킷(1080)이 굴뚝 내부에 제공되고, 인접한 뱅크의 대향하는 융기된 포트 특징부(1050a 및 1050b)의 (포트(980)에 대해) 방사상 내향에 위치하고 돌출부(1040) 상부에 배치되어, 이를 밀봉하고 스택을 통한 압축력을 전달할 수 있다. 대안적으로, 고리형 절연체(1080)가 굴뚝 외부에 제공되고, 인접한 뱅크의 대향하는 융기된 포트 특징부(1050a 및 1050b)의 (포트(980)에 대해) 방사상 외향에 위치하고 돌출부(840) 상부에 배치되어, 스택을 통한 압축력을 전달할 수 있다. 절연층(1070) 및 절연 가스킷(1080)은 함께 또는 개별적으로 작용하여, 유체 굴뚝을 밀봉하고(제1 유체 용적을 정의하고, 제2 유체 용적에 대해 분리함), 뱅크 사이의 전기적 분리를 제공하고, 스택을 통한 압축력을 전달할 수 있다. 절연층은 이들 요건 전부를 충족하도록 선택될 수 있고, 가스킷(1080)은 부품 수를 추가로 감소시키기 위해 생략될 수 있다. 도 9a-c의 전지 단위체는 도 10d의 것과 유사한 뱅크 배열로 형성될 수 있다. 또한, 도 10d의 뱅크 배열에서 뱅크는 도 6 내지 7c에 대해 기재된 방식으로 전기적으로 연결될 수 있다.
도 10e는 적층된 배열의 전지 단위체 쌍의 2 개의 뱅크 사이의 대안적인 전기적 연결을 나타낸다. 이 배열에서, 단일 전지 단위체(1020)가 뱅크의 단부에 제공된다(나타낸 바와 같은 뱅크의 상단 또는 하단에 있을 수 있음). 단일 전지 단위체(1020)는 도 10a에 대해 기재된 전지 단위체와 유사하다. 단일 전지 단위체(1020)는 비-다공성 금속 시트(1021)에 부착되어(예를 들어, 용접 또는 납땜에 의함), 단일 전지 단위체(1020)와 비-다공성 금속 시트(1021) 사이에 둘러싸인 유체 용적을 형성한다(즉, 포트가 전지 단위체(1020)에서의 포트에 대응하는, 비-다공성 금속 시트(1021)를 통한 포트를 통하는 것 이외에 비-다공성 금속 시트(1021)의 일 측면으로부터 비-다공성 금속 시트(1021)의 다른 측면으로의 유체 소통이 없음). 스페이서(131)가 단일 전지 단위체(1020)와 비-다공성 금속 시트(1021) 사이의 둘러싸인 유체 용적 내에 배치되고, 스페이서(131)는 이전에 기재된 바와 같다. 비-다공성 금속 시트(1021)는 활성 전지 화학층을 갖지 않는 비드릴링된 금속 기재이다. 비-다공성 금속 시트(1021)는 전지 단위체(1020)와의 유체 대응에서 포트를 형성하기 위한 홀을 포함한다. 비-다공성 금속 시트(1021)는 평평한, 비형성된 시트로 나타나 있지만, 전지 단위체(1020)와 유사한 형성된 포트 특징부를 동등하게 가질 수 있다.
도 10e로부터 명확한 바와 같이, 도 10d와 반대로, 이들의 폭을 가로질러 뱅크를 분리하는 절연층(1070)이 없고; 제1 뱅크의 단부에서 전도성 지지 구조(세퍼레이터(440))가 인접한 제2 뱅크의 단부에서 비-다공성 금속 시트(1021)와 직접 접촉한다. 전도성 지지 구조(세퍼레이터(440))는 이전에 기재된 바와 같다. 제1 뱅크의 단부에서 전지 단위체의 융기된 포트 특징부(1050) 상에 배치된 절연층 또는 절연 가스킷(1071)은 인접한 제2 뱅크의 단부에서 비-다공성 금속 시트(1021)로부터 융기된 포트 특징부(1050)를 전기적으로 분리하고 매니폴드 내부의 유체를 밀봉한다. 따라서, 인접한 뱅크는 직렬로 연결되고, 전지 영역의 많은 부분 상에서 전면 대 전면 접촉을 갖고(세퍼레이터(440)를 통함), 추가 전기적 연결에 대한 필요성이 없다. 예를 들어, 하나의 뱅크는 전부 병렬로 연결된 이의 전도성 지지 구조(또는 상호연결기)를 가질 수 있고 최외측 전도성 지지 구조(세퍼레이터(440) 또는 상호연결)는 인접한 뱅크의 단위체의 단부 쌍(비-다공성 금속 시트(1021) 및 전지 단위체(1020)를 포함하는 쌍)의 비-다공성 금속 시트와 (물리적으로 및 전기적으로) 접촉하고 직렬 연결을 이룰 수 있다. 상기 인접한 뱅크에서, 비-다공성 금속 시트 및 기재는 동일한 퍼텐셜에 있고 상기 뱅크에서 다른 금속 기재 전부와 병렬로 연결된다. 따라서, 인접한 뱅크에서 병렬 연결된 기재는 제1 뱅크에서 병렬 연결된 상호연결기에 직렬 연결에 의해 연결된다.
뱅크의 단위체의 단부 쌍(도 10e에 따른 비-다공성 금속 시트(1021) 및 전지 단위체(1020)를 포함하는 쌍)은 도 2 내지 9에 대해 기재된 전지 단위체 쌍의 뱅크에서 사용될 수 있다. 도 6 및 7a-b에 대해 기재된 배열에서, 단일 또는 비페어링된 전지의 사용은 짧은 버스바(610, 615, 620, 710, 715, 720)를 야기하며, 이는 상기 버스바가 인접한 뱅크에 전기적으로 상호연결될 필요가 없기 때문이다. 상기 버스바는 이전에 기재된 바와 같이 각각의 뱅크에서 전지 단위체 쌍을 연결한 채로 유지된다.
조립 방법(무스페이서 전지 단위체 쌍에 대한 것)
예로서, 전지 단위체의 무스페이서 쌍의 새로운 배열의 하나의 바람직한 조립 방법이 이제 도 11 내지 15에 대해 기재될 것이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 전지 단위체는 금속 기재(120)를 포함하고, 금속 기재는 최상부의 제1 측면 및 그 하부의 제2 측면을 갖는다. 금속 기재는 그 하부에 전기화학적 활성층을 갖는 다공성 영역(124)을 포함한다. 전기화학적 활성층은 이전에 기재된 바와 같이 캐소드 층, 전해질 층 및 애노드 층을 포함한다. 도 11은 전지 단위체의 부분을 나타내고, 단위체의 규모가 명확성을 위해 (나타낸 바와 같이 우측에서) 절단되어 있고, 단위체의 작업 버전이 이미지의 우측을 지나 계속되고, 연장된 금속 기재 및 전기화학적 활성층을 갖고, 전지 단위체의 연속 주변부를 형성하는 플랜지에 의해 둘러싸인다는 것이 인식될 것이다. 추가 포트가 또한 존재할 수 있다.
2 개의 포트(980a 및 980b)가 전지 단위체에 나타나 있고; 포트는 금속 기재(120)를 통한 홀이다. 각각의 포트로부터 방사상 외향은 고리형 융기된 포트 특징부(1050)이다(골 또는 눌린 고리의 형태로 도 11에 나타냄). 돌출부(1040)는 융기된 포트 특징부(1050)의 방사상 내향에 제공된다. 돌출부(1040)는 상향 및 하향으로 교번하고 평정 피라미드(flat-topped pyramid)로서 성형된 것으로 나타나 있지만, 다른 단면 형상, 예컨대 원뿔, 돔 또는 범프를 가질 수 있고 둥근 상단을 가질 수 있다. 융기된 포트 특징부(1050)는 융기된 포트 특징부(1050)의 주위 및 방사상 외향에서 상향 돌출부(840)에 의해 추가로 둘러싸인다. 돌출부(840)는 융기된 범프 또는 돔으로서 나타나 있지만, 다른 단면 형상, 예컨대 원뿔 평정 피라미드를 가질 수 있다(또한 하향 돌출부로 배치될 수 있음).
전지 쌍 조립 과정은 금속 기재를 포트 홀 주변 플랜지(850), 돌출부(840 및 1040), 및 융기된 포트 특징부(1050) 형상으로 스탬핑하거나 압축하거나 형성함으로써(돌출부(840)가 플랜지(850)와 동일한 측면 상에/동일한 방향으로 돌출되고 융기된 포트 특징부(1050)가 반대 측면 상에/반대 방향으로 돌출됨) 제1 전지 단위체(이전 실시양태에 기재된 바와 같음)를 형성하는 단계로 시작한다.
다공성 영역(124) 및 전기화학적 활성층(120)은 이전에 도 1 및 2에 대해 기재된 방법에 의해 금속 기재를 스탬핑하거나 압축하기 전 또는 그 후(후자가 바람직함)에 형성될 수 있다.
포트 홀은 또한 연료 포트로서 지칭될 수 있으며, 이는 MS-SOFC로서 작동되는 경우, 이들이 연료(예를 들어, 수소 가스)를 제1 유체 용적으로 전송하고; MS-SOEC로서 작동되는 경우, 이들이 가스, 예를 들어 수소 가스(MS-SOEC 전지 단위체의 생산물로서)를 제1 유체 용적으로부터 전송하기 때문이다.
도 12a 및 12b에 나타낸 바와 같이, 이러한 제2 전지 단위체가 제공되고, 제1 전지 상에 역전시키고 위치시켜, 후면-대-후면 배열의 제1 전지 단위체 쌍을 형성한다. 도 12a 및 12b는 제1 금속 기재(120a) 및 제1 금속 기재(120a) 상부에 배치된 제2 금속 기재(120b)를 나타낸다. 2 개의 금속 기재(120a, b)는 플랜지(850) 상의 용접선(1210)을 따라 함께 용접되어, 전지 단위체 쌍을 형성한다. 선택적으로, 스페이서(예컨대, 스페이서(131))는 제2 전지 단위체가 제1 전지 단위체 상에 제공되기 전에 제1 유체 용적에 위치한다.
도 12b는 도 12a의 전지 단위체 쌍의 포트 영역을 통한 단면이다. 돌출부(1040)는 전지 단위체의 스택을 통한 압축력을 전달하기 위해 방향이 교번된다(전지 단위체 쌍을 이루는 금속 기재(110a, b) 사이의 갭을 향하고 이로부터 멀어짐).
밀봉되면, 제1 및 제2 전지 단위체에서 고리형 융기된 포트 특징부(1050)의 내부 둘레 주위의 내향으로 돌출된 돌출부(1040)는 도 12b의 단면도(일반적으로 원(1200)으로 나타낸, 제1 유체 용적으로의 유입 또는 이로부터의 배기를 제공하는 굴뚝의 단면)에 나타낸 바와 같이 서로 반대로 및 대향 관계로 접촉한다. 이는 각각의 고리형 융기된 포트 특징부(1050)의 외부 둘레 주위의 돌출부(840)에 대해 적용된다.
이전 실시양태 중 임의의 것에 이전에 기재된 바와 같은 전지 뱅크의 조립 방법은 도 13 내지 14의 순서에 따른다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 전지 단위체 뱅크는 도 11-12에 대해 기재된 방법을 사용하여 형성된 하나 이상의 전지 단위체 쌍을 포함한다.
뱅크 조립 과정은 전도성 지지 구조(310)를 제1 전지 쌍 조립체 상에 위치시키는 단계, 전기화학적 활성층(110)을 접촉시켜, 전기화학적 활성층(110)의 상부 층에 대한 전기적 연결을 제공하는 단계로 시작한다. 전도성 지지 구조(310)는 이들의 하나 이상의 측면에서 금속 기재의 모서리 너머로 연장되고 포트 및 융기된 포트 특징부에 의해 형성된 굴뚝을 방해하지 않도록 배열된다.
전도성 지지 구조는 이전에 기재된 전도성 지지 구조(310)와 유사한 스탬핑된 금속 플레이트일 수 있고, 이는 전기적 전도성 메시 또는 유사한 것(세퍼레이터(440)에 대해 상기 기재된 바와 같음)의 형태일 수 있다.
도 14a는 제3 전지 단위체를 나타내고, 금속 기재(120c)를 갖고, 제1 전지 쌍 조립체 상에 위치하여, 전도성 지지 구조(310)가 제3 전지 단위체의 전기화학적 활성층에 접촉한다. 제3 전지 단위체의 고리형 융기된 포트 특징부(1050c) 및 외향 돌출부(1040)는 제1 전지 쌍 조립체의 대응하는 고리형 융기된 포트 특징부 및 외향 돌출부(1040)와 접촉한다. 도 14b는 도 14a의 전지 단위체의 포트 영역을 통한 단면을 나타낸다. 그 다음에, 제3 전지 단위체는 용접선을 따라 접촉 융기 고리형 포트 특징부(1050b 및 1050c) 주위에서 제1 전지 쌍 조립체에 용접되어, 제1 전지 쌍 조립체 및 제3 전지 단위체에서 포트 홀(980a 및 980b) 사이에 밀봉을 생성한다.
도 15a에 나타낸 바와 같이 모서리 탱(tang)(1510)이 제공되어, 전지 기재 주변부 외부의 인접한 전도성 지지 구조(310)를 전기적으로 연결한다. 인접한 전도성 지지 구조의 모서리 탱 사이의 전기적 연결은 모서리 탱의 표면 접속을 통한 용접에 의해 개선될 수 있다.
뱅크가 전지 단위체 쌍의 소망하는 수에 도달할 때까지 추가 전지 단위체가 도 11-14에 대해 기재된 방식으로 추가될 수 있다. 이러한 뱅크에서, 전지 쌍 사이의 유체 포트 주위에 밀봉을 생성하기 위한 가스킷이 요구되지 않으며 전지는 완전 용접된 조립체를 형성한다. 도 14에서 단일 전지 단위체의 추가에 대해 대안적으로, 전지 단위체 쌍(도 12에 나타낸 바와 같음)은 각각의 전도성 지지 구조(310) 상에 위치할 수 있지만, 이는 유체 포트 주위의 용접을 더욱 어렵게 한다.
도 15a는 상기 방법을 사용하여 형성된 3 개의 전지 단위체 쌍을 포함하는 전지 단위체 뱅크를 나타낸다. 도 15b는 도 15a의 전지 단위체 뱅크의 굴뚝 영역을 통한 단면이다.
전도성 지지 구조(310)는 바람직하게는 도 14b에 나타낸 바와 같은 탱(금속 핑거)(311)을 포함한다. 탱은 평평한 금속 시트의 외부의 열에서 압축된다. 예를 들어, 열에서 대안적 탱이 시트의 평면의 외부에서 상향 및 하향으로 압축된다. 탱은 대면 전기화학적 활성층의 전면을 전기적으로 상호연결하기 위한 전기적 접촉으로서 작용한다.
전지 스택 조립 방법에서 추가 단계가 도 15c에 대해 기재된다. 도 15c에 나타낸 바와 같이, 전지 단위체 스택은 이전에 도 11 내지 15b에 대해 기재된 바와 같이 형성된 다수의 뱅크 조립체를 포함한다. 전도성 지지 구조, 절연층, 및 제2 전도성 지지 구조는 도 15의 전지 단위체 뱅크 상에 배치되고, 제2 전지 단위체 뱅크(도 15의 것과 유사함)가 이의 상부에 배치된다. 도 15c는 도 10d와 유사한 절연층(1070)에 의해 분리된 2 개의 전지 단위체 뱅크를 나타낸다. 뱅크 사이의 고리형 융기된 포트 특징부 및 돌출부는 또한 도 10d에 나타낸 것과 많이 유사하게 전기적으로 분리된다. 제1 전지 단위체 뱅크의 모서리 탱은 도 6-7과 유사한 제2 전지 단위체 뱅크의 모서리 탱에 연결되지 않는다.
절곡에 의해 형성된 전지 단위체 쌍
도 16 내지 17은 후면-대-후면 또는 전면-대-전면(나타내지 않음) 배열을 갖는 전지 쌍을 형성하기 위한 대안적 배열을 나타낸다. 이 배열에서, 적어도 하나의 전지 단위체 쌍은 금속 기재를 절곡함으로써 형성되어, 대향하는 전지 단위체의 각각의 활성층은 공통 기재 상에 배치되고 이에 의해 지지된다. 금속 기재는 전도성이기 때문에, 금속 기재에 가장 근접한 전극은 전기적으로 연결되고 동일한 전기적 퍼텐셜에 있다.
도 16a는 금속 기재(120)가 U-형상의 형태인 배열의 절곡된 전지 단위체 쌍(1600a, b)을 나타낸다. 금속 기재(120)는 단일 금속 플레이트, 또는 연속 금속 기재로부터 형성되며, 이는 절곡 영역(1620)에서 180 도로 절곡된다. 금속 플레이트에는 2 개의 다공성 영역 및 금속 플레이트의 제1 측면(125) 상의 2 개의 각각의 위치에서 상기 영역을 밀봉하여 중첩하는 2 개의 전기화학적 활성층(110a, 110b)이 제공되고, 2 개의 전기화학적 활성층(110a, 110b) 사이에 절곡 영역(1620)을 갖는다. SOFC에 대해, 2 개의 다공성 영역 및 연관된 전기화학적 활성 영역(110)은 분리되어 있고, 즉 별개이고; 즉, 전기화학적 활성 영역(110)은 절곡 영역(1620)의 영역에 증착되지 않으며, 이는 전기화학적 활성 영역(110)이 비유연성이기 때문이다.
도 16a에 나타낸 바와 같이, 절곡 영역(1620)에서 180 도로 절곡되면, 전기화학적 활성층은 중첩되고 서로에 대해 정합되고, 후면-대-후면(또는 전면-대-전면) 배열로 실질적으로 평행한 각각의 (평평한) 평면을 차지한다. 절곡된 전지 단위체 쌍의 절곡된 단부에서 절곡 영역(1620)은 이들 사이에 짧은 섹션을 갖는 2 개의 90 도 절곡을 포함할 수 있고, 짧은 섹션은 제1 유체 용적(140)의 높이를 제공한다.
포트는 전기화학적 활성 영역(110)과 절곡 영역(1620) 사이(및 절곡된 기재의 다른 단부, 전기화학적 활성 영역(110)과 기재의 단부 사이)에서 기재(120)에 형성되어, 제1(및/또는 제2) 유체 용적을 공급(및/때는 배기)하기 위한 굴뚝을 형성할 수 있고; 따라서, 제1(제2) 유체 용적은 내부로 매니폴드될 수 있다.
제1 유체 용적(140)은 (예를 들어, 전도성) 스페이서, 예컨대 도 16b에 대해 추가로 기재된 바와 같은 금속 기재(120)에 용접된 스페이서(130)를 사용하여 다른 단부(1630)(즉, 절곡 영역(1620)으로부터 먼 단부)에서 밀봉될 수 있다.
전지 단위체 쌍(1600)의 배열은 반복 단위체를 형성하고 도 4-10에 대해 기재된 전지 뱅크에서 전지 쌍(200) 대신에 사용될 수 있다.
이전에 기재된 바와 같이, 고체 산화물 전지에 대해 사용되는 경우, 보통 전기화학적 활성층은 다공성 영역(124) 상에 증착된 애노드 층(113), 전해질 층(112), 및 캐소드 층(111)을 포함하고, 연장된 전해질 코팅(123)이 또한 존재할 수 있다. 금속 기재는 (최내측 전극과 동일한 극성에서) 전기적 연결(나타내지 않음)에 연결될 수 있다.
도 16b는 어떻게 각각의 절곡된 전지 단위체 쌍(1600a, 1600b)이 서로의 상부에 적층되어, 전지 단위체 뱅크(1640)를 형성할 수 있는지를 나타낸다. 뱅크(1640)는 도 4-10에 대해 기재된 뱅크와 유사하다. 절곡된 전지 단위체 쌍(1600a, 1600b)은 각각 제1 유체 용적(140)을 밀봉하는 스페이서(130) 또는 가스킷 밀봉을 갖는다. 가스킷(180a, b)(이전에 기재된 바와 같이 전도성일 수 있음) 및 전도성 지지 구조(310)는 인접한 절곡된 쌍(1600a, 1600b) 사이에 위치한다. 쌍 사이에서, 가스킷(180a, b)은 제1 유체 용적에 대한 인접한 전지 쌍 사이의 유체 소통을 제공하는 내부 매니폴드를 밀봉한다. 전도성 지지 구조(310)는 인접한 절곡된 단위체(1600a, 1600b)의 전기화학적 활성층(110)의 최외측 전극과의 전기적 접촉을 제공하고, 이는 금속 기재에 대한 반대 극성의 것이고, 전기적 연결기(예를 들어, 전력 취출 장치에 대한 것)에 연결될 수 있다. 지지 구조(나타내지 않음)는 제1 유체 용적(140)에 제공되어, 금속 기재(120)의 휘어짐에 저항할 수 있다. 2 이상의 뱅크(1640)는 도 5-10에 대해 이전에 기재된 바와 같이 배열될 수 있다.
도 16c는 후면-대-후면 배열의 절곡된 전지 단위체 쌍(1650)을 나타내고 형성된 포트 특징부(840, 910, 1040), 및 주변 플랜지(850)를 포함한다. 형성된 포트 특징부는 제1 유체 용적(140)의 전달 및 배기를 위한 굴뚝을 유지하여 가스킷(180a, b)에 대한 필요성을 제거한다. 따라서, 배열은 내부로 매니폴드된 제1 유체 용적을 갖는다(즉, 포트 및 형성된 포트 특징부는 각각의 전지 단위체 쌍의 제1 유체 용적(140)으로의 입구, 및 이로부터의 출구를 정의함). 제2 유체 용적은 i) 추가 포트 및 형성된 포트 특징부가 제2 유체 용적(나타내지 않음)으로의 입구, 및 이로부터의 출구를 제공하는 방식에 의해 유사하게 내부로 매니폴드될 수 있거나 ii) 전지 단위체 쌍 주위의 제2 유체 흐름의 방식에 의해 외부로 매니폴드될 수 있다.
절곡된 전지 단위체 쌍(1650)은 주변 플랜지(850)의 하나의 단부에 절곡 영역(1620)이 있다는 것을 제외하고, 도 9b, 10b, 및 16a에 대해 기재된 전지 단위체 쌍과 실질적으로 유사할 수 있다. 절곡 영역(1620)은 주변 플랜지(850)의 하나의 단부를 대신하는 것으로 나타나 있다. 주변 플랜지(850)는 적어도 절곡 영역(1620)에 대향하는 단부에, 바람직하게는 (예를 들어, 직사각형) 전지의 3 개의 모서리 전부의 주위에 존재한다. 대안적으로, 주변 플랜지(850)는 전지의 모든 모서리(예를 들어, 직사각형 전지의 4 개의 모서리 전부)에 보유되고, 절곡 영역(1620)은 플랜지(850)(도 17b에 나타낸 바와 같음)에 포함되고, 용접이 주변 플랜지(850) 주위에 이루어져, 제1 유체 용적(140)을 밀봉한다.
전지 단위체 쌍(1650)은 절곡 영역(1620)에서 절곡되는 형성된 특징부를 갖는 금속 시트로부터 형성된다. 형성된 특징부는 평면 금속 시트를 압축함으로써 제조된다. 형성된 특징부는 굴뚝 주위의 돌출부(840)(홈의 형태), 굴뚝 돌출부(910)(고리형일 수 있고 가스킷과 함께 또는 가스킷 없이 사용되어, 굴뚝을 밀봉할 수 있음), 및 굴뚝 외부에 있는 돌출부(1040)를 포함한다. 돌출부(840 및 1040)는 스택 압축력에 저항함으로써 제1 유체 용적(140)을 정의하는 것을 돕는다. 지지 구조(131)는 기재(120)의 다공성 영역 사이에 위치하여, 기재(120)의 휘어짐을 예방하여, 제1 유체 용적(140)을 정의할 수 있다. 전기화학적 활성층(110)은 금속 시트를 절곡하기 전 또는 후에 금속 기재(120)의 다공성 영역(124) 상에 증착될 수 있다.
도 17a는 4 개의 전기화학적 활성 영역(110)이 동일한 금속 기재(120)를 공유하는 전지 단위체(1700)의 대안적 배열을 나타낸다. 금속 기재(120)는 단일 금속 플레이트, 또는 연속 금속 기재로부터 형성되며, 이는 절곡 영역(1720a, 1720b, 및 1720c)에서 절곡된다. 단일 금속 플레이트에는 그 상부에 4 개의 전기화학적 활성 영역(110)이 각각 제1 측면(125) 상에 증착되는 4 개의 다공성 영역이 제공된다. SOFC 또는 SOEC에 대해, 4 개의 다공성 영역 및 전기화학적 활성 영역(110)은 별개이다. 금속 기재(120)는 단일 금속 플레이트를 제1 절곡 영역(1720a)에서 제1 방향(도 17a에 나타낸 바와 같이 시계 방향)으로 180 도 절곡하고, 단일 금속 플레이트를 제2 절곡 영역(1720b)에서 제2 방향(도 17a에 나타낸 바와 같이 반-시계 방향)으로 180 도 절곡하고, 단일 금속 플레이트를 제3 절곡 영역(1720c)에서 제1 방향(도 17a에 나타낸 바와 같이 시계 방향)으로 180 도 절곡함으로써 형성된다. 도 17a에 나타낸 바와 같이, 후면-대-후면 배열이 생성된다. 반대 방향(즉, 제1 및 제3 절곡 영역에서 반-시계 방향, 제2 절곡 영역에서 시계 방향)으로 절곡함으로써, 전면-대-전면 배열이 생산될 수 있다. 따라서, 금속 기재(120)는 지그-재그의 형태이다. 제1 및 제3 절곡 영역(1720a, 1720c)은 제1 유체 용적(140)을 정의하고 제2 절곡 영역(1720b)은 제2 유체 용적(430)을 정의한다. 각각의 절곡 영역(1720)은 이들 사이에 짧은 섹션을 갖는 2 개의 90 도 절곡을 포함할 수 있고, 짧은 섹션은 각각 제1 및 제2 유체 용적(140, 430)의 높이를 제공한다.
지지 구조(131)는 인접한 전기화학적 활성층(110)으로부터의 대향 전극을 접속하는 것을 도울 수 있지만, 이들의 주요 역할은 제1 유체 용적(140)을 정의하는데 있다. 집전 장치(310)는 인접한 전기화학적 활성층(110)으로부터의 대향(최외측) 전극으로부터 전류를 수집하고 제2 유체 용적(430)을 정의한다(지지 구조는 제1 유체 용적에 나타나 있지 않지만, 도 17a에서 제2 유체 용적에 나타나 있고, 이때 이들은 활성층의 최외측 전극을 전기적으로 연결함(선택적으로 접촉 페이스트 이용)). 통상의 기술자는 단일 금속 플레이트에 실질적으로 임의의 수의 전기화학적 활성 영역 및 대응하는 수의 절곡 영역이 제공되어, 대응하는 수의 페어링된 전지 단위체를 갖는 지그-재그 전지를 제공할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 제한 요인은 보통 공통 기재 상의 다수의 전지로부터 유래될 수 있는 전류의 양일 것이다.
단일 금속 기재(120) 상의 전지 단위체(1700)의 배열에는 단부에 스페이서(130) 또는 가스킷이 제공되어, 제1 유체 용적(140)을 밀봉할 수 있고 이는 단일 뱅크로서 사용될 수 있다. 다수의 뱅크는 이전에 기재된 바와 같이 전지 단위체의 스택을 형성하도록 배열될 수 있다.
도 17b는 후면-대-후면 배열의 전지 단위체(1750)의 배열을 나타내고 형성된 포트 특징부(840, 910, 1040) 및 주변 플랜지(850)를 포함한다. 전지 단위체(1750)의 쌍은 도 9b, 10b, 및 17a에 대해 기재된 전지 단위체 쌍과 실질적으로 유사하다. 절곡 영역(1720)은 주변 플랜지(850)의 일부를 형성하는 것으로 나타나 있고; 대안적으로, 이들은 주변 플랜지의 일부를 대체할 수 있다(도 16c에서 절곡 영역(1620)에 대해 나타낸 바와 같음). 주변 플랜지는 제1 및 제3 절곡 영역(1720a, 1720c)에서 용접될 필요가 없지만, 제2 절곡 영역(1720b)에 인접한 플랜지는 제1 유체 용적(140)을 밀봉하기 위해 용접된다.
도 17b에 나타낸 바와 같이, 전지 단위체(1750)의 2 개의 쌍은 절곡 영역(1720)에서 절곡되는 형성된 특징부를 갖는 단일 금속 시트로부터 형성된다. 형성된 특징부는 평면 금속 시트를 압축함으로써 제조된다. 형성된 특징부는 굴뚝 주위의 돌출부(840)(홈의 형태), 굴뚝 돌출부(910)(고리형일 수 있고 가스킷과 함께 또는 가스킷 없이 사용되어, 굴뚝을 밀봉할 수 있음), 및 굴뚝 외부에 있는 돌출부(1040)를 포함한다. 돌출부(840 및 1040)는 스택 압축에 저항함으로써 제1 유체 용적(140)을 정의하는 것을 돕는다. 굴뚝은 전지 단위체가 SOFC로서 작동될 때, 연료(예를 들어, 수소 가스)를 제1 유체 용적(140)에 전달하고, 전지 단위체가 MS-SOEC로서 작동될 때, 제1 유체 용적으로부터 배기(예를 들어, 수소 가스)시키기 위해 사용된다. 제2 굴뚝은 전지 단위체가 MS-SOFC로서 작동될 때, 제1 유체 용적을 배기시키고, 전지 단위체가 MS-SOEC로서 작동될 때, 유체를 제1 유체 용적에 제공하기 위해 사용될 수 있다. 전도성 지지 구조(310a)는 기재(120)의 다공성 영역 사이에 위치하여, 기재(120)의 휘어짐을 예방하여, 제1 유체 용적(140)을 정의할 수 있다. 전도성 지지 구조(310b)는 전기화학적 활성층(110) 사이에 위치하여, 이들 사이의 전기적 상호연결을 돕고 기재(120)의 휘어짐을 예방하여, 제2 유체 용적(430)을 정의할 수 있다. 전기화학적 활성층(110)은 금속 시트를 절곡하기 전에 금속 기재(120)의 다공성 영역(124) 상에 증착될 수 있다. 도 17b에 대해 기재된 전지 단위체(1750)의 2 개의 쌍은 단일 전지 단위체 뱅크로서 사용될 수 있고 다수의 뱅크는 이전에 본원에 기재된 바와 같이 스택을 형성하도록 배열될 수 있다.
절곡된 전지 단위체 쌍의 스택은 내부로 매니폴드되고, 즉 이들은 금속 기재(120) 내에 포트를 가져, 내부 매니폴드(들) 또는 굴뚝을 형성하며, 이는 각각의 전지 단위체 쌍의 제1 유체 용적(140)을 연결한다.
참조 부호:
선행 기술 - 도입 섹션 단독
90 연료 전지 반복 단위체
110 전기화학적 활성층
111 캐소드 층
112 전해질 층
113 애노드 층
120 금속 기재
124 다공성 영역
130 스페이서 플레이트
140 제1 유체 용적
150 상호연결
160 큰 공간/구멍
180a, b 가스킷
188 산화제 포트/매니폴드
200 포트/매니폴드
도 2-17
110 전기화학적 활성층
111 캐소드 층
112 전해질 층
113 애노드 층
120 금속 기재
123 연장된 전해질 코팅
124 다공성 영역
125 금속 기재의 제1 측면
126 금속 기재의 제2 측면
130 스페이서
131 지지 구조
140 제1 유체 용적
141 제1 유체 용적
180 가스킷
200 전지 단위체 쌍
300 전지 단위체 쌍
310 전도성 지지 구조/집전 장치
311 상호연결의 탱
400 전지 단위체 뱅크
430 제2 유체 용적
440 전도성 지지 구조
500 전지 단위체 스택
510 절연층
530 전도성 지지 구조
610 애노드에 전기적으로 접촉하는 버스바
615 캐소드에 전기적으로 접촉하는 버스바
620 애노드 및 캐소드에 전기적으로 접촉하는 버스바
630 전도성 지지 구조
700 전지 단위체 스택
710 전지 단위체 뱅크
711 애노드 및 캐소드에 전기적으로 접촉하는 버스바
715 애노드에 전기적으로 접촉하는 버스바
720 애노드 및 캐소드에 전기적으로 접촉하는 버스바
730 전도성 가스킷
731 전도성 가스킷
750 전지 단위체 스택
805 전지 단위체 쌍
810 형성된 전지 단위체
840 돌출부
850 플랜지
870 전지 단위체 뱅크
905 전지 단위체 쌍
910 융기된 포트 특징부
980 유체 포트
1020 전지 단위체
1021 비-다공성 금속 시트
1040 굴뚝 내부의 돌출부
1050 융기된 포트 특징부
1070 절연층
1071 절연층/절연 가스킷
1080 절연 가스킷
1200 굴뚝
1210 용접 경로
1600 전지 단위체 쌍
1620 절곡 영역
1630 전지 단위체 쌍의 단부
1640 전지 단위체 뱅크
1650 전지 단위체 쌍
1700 전지 단위체
1720 절곡 영역
1750 전지 단위체

Claims (31)

  1. 적어도 하나의 전지 쌍을 포함하고,
    각각의 전지가 제1 및 제2 측면 및 상기 측면 사이의 유체 소통을 제공하는 다공성 영역을 갖는 금속 기재, 제1 측면 상의 다공성 영역 상에 코팅되거나 증착되고, 이에 의해 지지되는 연료 전극, 전해질 및 공기 전극층을 포함하는 평면 전지 화학층을 포함하고,
    금속 기재는 이들의 전지 화학층이 서로 중첩된 적층된 배열로 있어, 이들의 양측 제1 측면 또는 이들의 양측 제2 측면이 공간을 두고 대향하는 관계로 내향으로 대면하여, 내향으로 대면하는 측면이 연료 또는 산화제 중 하나에 대해 이들 사이에 공통 제1 유체 용적을 정의하는,
    금속-지지된, 평면 전지 배열.
  2. 제1항에 있어서,
    금속 기재의 쌍이 직접적으로 또는 간접적으로 함께 연결되어 적층된 배열을 형성하는 2 개의 별도 금속 플레이트를 포함하는, 전지 배열.
  3. 제2항에 있어서,
    2 개의 금속 플레이트가 간접적으로 함께 연결되어, 적층된 배열을 형성하고, 선택적으로 금속 스페이서 플레이트가 이들 사이에 배치되는, 전지 배열.
  4. 제2항에 있어서,
    2 개의 금속 플레이트가 직접적으로 함께 연결되어, 이들이 서로 인접하여 적층된 배열을 형성하고, 금속 플레이트 중 하나 또는 둘 다가 플레이트 사이에 제1 유체 용적을 생성하는 성형 특징부를 갖는, 전지 배열.
  5. 제1항에 있어서,
    금속 기재는 전지 화학층의 쌍이 각각 다공성 영역 상에 코팅되거나 증착된 제1 측면을 갖는 단일 연속 금속 기재로서 형성되고, 연속 금속 기재가 전지 화학층 사이에서 절곡되어, 이들이 서로 중첩되어, 연료 또는 산화제 중 하나에 대한 제1 유체 용적을 정의하는 절곡된 전지 쌍을 형성하는, 전지 배열.
  6. 제5항에 있어서,
    전지 뱅크에서 서로 인접하여 적층된 다수의 절곡된 전지 쌍을 포함하는, 전지 배열.
  7. 제6항에 있어서,
    뱅크에서 각각의 절곡된 전지 쌍이 별도의 각각의 금속 기재로부터 형성되고, 기재가 한번 절곡되어, 제1 유체 용적을 감싸는 하나의 절곡된 단부만을 갖는, 전지 배열.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    뱅크에서 인접한 절곡된 전지 쌍이 공통 연속 금속 기재로부터 형성되고, 기재가 다수회 절곡되어, 다수의 대향 절곡된 단부를 갖고 연료 또는 산화제 중 하나에 대한 다수의 각각의 제1 유체 용적을 정의하는, 전지 배열.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속 기재 중 적어도 하나가 플랜지형 주변 특징부를 포함하고, 금속 기재가 플랜지형 주변 특징부 주위에 함께 밀봉되어, 이들 사이에 공통 제1 유체 용적을 형성하는, 전지 배열.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 유체 포트가 금속 기재 각각을 통한 개구로서 제공되고, 각각의 유체 포트가 적층 방향으로 공통 제1 유체 용적과 소통하여 서로 정렬되는, 전지 배열.
  11. 제10항에 있어서,
    금속 기재 중 적어도 하나에 공통 제1 유체 용적 내에서 내향으로 연장되는 이의 포트 주위에 형성된 성형 포트 특징부가 제공되고, 성형 포트 특징부의 요소가 서로 측면으로 공간을 두어, 포트로부터의 요소 사이에 유체 경로를 정의하여, 포트로부터 공통 제1 유체 용적으로 유체의 통과를 가능하게 하는, 전지 배열.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    금속 기재 중 적어도 하나에 공통 제1 유체 용적으로부터 외향으로 연장되는 이의 포트 주위에 형성된 성형 포트 특징부가 제공되는, 전지 배열.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    내향으로 대면하는 측면이 연료에 대한 제1 유체 용적을 정의하는, 전지 배열.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    내향으로 대면하는 측면이 금속 기재의 제2 측면인, 전지 배열.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 전지 쌍이 서로 인접하여 적층되어, 전지 뱅크를 형성하고, 이에 의해 적어도 하나의 제2 유체 용적이 인접한 전지 쌍 사이에 정의되고, 적어도 하나의 제2 유체 용적이 연료 또는 산화제 중 나머지에 대한 것인, 전지 배열.
  16. 제15항에 있어서,
    인접한 제1 유체 용적이 각각의 금속 기재를 통해 제공된 개구를 통해 서로 유체 소통하고, 개구가 적층 방향으로 정렬되어, 뱅크 내에 내부 통로(매니폴드)를 형성하는, 전지 배열.
  17. 제16항에 있어서,
    내부 통로가 뱅크에서 전지 쌍 사이에 제공된 가스킷에 의해 밀봉되어 정의되는, 전지 배열.
  18. 제15항에 있어서,
    뱅크에서 연료 전극 전부가 서로 전기적으로 연결되고/되거나 뱅크에서 공기 전극 전부가 서로 전기적으로 연결되는, 전지 배열.
  19. 제15항에 있어서,
    뱅크에서 각각의 전지 쌍 전부가 함께 용접되고, 기재 전부가 전기적으로 연결되는, 전지 배열.
  20. 제15항에 있어서,
    서로의 상부에 적층된 다수의 전지 뱅크를 포함하고, 하나의 뱅크에서 연료 전극이 다음 인접한 뱅크의 공기 전극에 직렬로 연결되는, 전지 배열.
  21. 제15항에 있어서,
    서로의 상부에 적층된 다수의 전지 뱅크를 포함하고, 절연 시트가 인접한 뱅크 사이에 배치되어, 인접한 뱅크 사이의 직접 전기 접촉을 예방하는, 전지 배열.
  22. 제15항에 있어서,
    서로의 상부에 적층된 다수의 전지 뱅크를 포함하고, 단일 전지가 뱅크의 단부에 제공되고, 상기 전지가 인접한 뱅크의 인접한 전지와 직접 전기 접촉을 이루어, 인접한 뱅크와 직렬로 연결되는, 전지 배열.
  23. 제1 및 제2 전지를 제공하는 단계로서, 각각의 전지가 제1 및 제2 측면 및 상기 측면 사이의 유체 소통을 제공하는 다공성 영역을 갖는 금속 기재, 제1 측면 상의 다공성 영역 상에 코팅되거나 증착되고, 이에 의해 지지되는 연료 전극, 전해질 및 공기 전극층을 포함하는 평면 전지 화학층을 포함하는 것인 단계; 및
    전지 중 하나를 다른 것에 대해 역전시켜, 금속 기재가 이들의 전지 화학층이 서로 중첩된 적층된 배열로 있어, 이들의 양측 제1 측면 또는 이들의 양측 제2 측면이 공간을 두고 대향하는 관계로 내향으로 대면하여, 연료 또는 산화제 중 하나에 대해 이들 사이에 공통 제1 유체 용적을 정의하여, 전지 배열을 형성하는 단계
    를 포함하는, 금속-지지된, 평면 전지 배열의 조립 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    제1 전지 배열과 동일한 방식의 적어도 하나의 추가 전지 배열을 제공하는 단계, 각각의 전지 배열을 적층하여 전지 뱅크를 형성하는 단계, 및 뱅크 내의 연료 전극 전부 또는 뱅크 내의 공기 전극 전부를 전기적으로 연결하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    각각의 전지 뱅크를 적층하여 전지 스택을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  26. 제23항 내지 제25항 중 어느 하나에 있어서,
    금속 기재가 단일 연속 금속 기재로서 형성되고, 역전이 전지 화학층 사이에서 연속 금속 기재를 절곡시켜, 이들이 서로 중첩되어, 연료 또는 산화제 중 하나에 대한 제1 유체 용적을 정의하는 절곡된 전지 쌍을 형성하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    연속 금속 기재가 절곡에 의해 역전되어 절곡된 쌍을 형성하기 전에 전지 쌍의 전지 화학층이 제1 측면 상에 각각 코팅되거나 증착되는 것인, 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    전지 화학층을 코팅하거나 증착하기 전에 금속 기재 상에 예비-절곡을 생성하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  29. 제23항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속 기재 각각을 통한 개구를 절단하여, 적어도 하나의 유입 포트 및 적어도 하나의 배출 포트를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    금속 기재 중 적어도 하나를 이의 포트 주위에서 압축하여, 공통 제1 유체 용적 내에서 내향으로 연장되고/되거나 공통 제1 유체 용적으로부터 외향으로 연장되는 성형 포트 특징부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  31. 제23항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    전지를 역전시키기 전에 금속 기재 중 적어도 하나를 압축하여 플랜지형 주변 특징부를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
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