KR20220165655A - 연료 플레넘 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 - Google Patents

연료 플레넘 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 Download PDF

Info

Publication number
KR20220165655A
KR20220165655A KR1020220067281A KR20220067281A KR20220165655A KR 20220165655 A KR20220165655 A KR 20220165655A KR 1020220067281 A KR1020220067281 A KR 1020220067281A KR 20220067281 A KR20220067281 A KR 20220067281A KR 20220165655 A KR20220165655 A KR 20220165655A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
plate
inlet
discharge
manifold
Prior art date
Application number
KR1020220067281A
Other languages
English (en)
Inventor
에드먼스턴 데이비드
페트루차 마이클
페리 마틴
고트만 마티아스
실바 빅터
베임 조슈아
Original Assignee
블룸 에너지 코퍼레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 블룸 에너지 코퍼레이션 filed Critical 블룸 에너지 코퍼레이션
Publication of KR20220165655A publication Critical patent/KR20220165655A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H01M8/2485—Arrangements for sealing external manifolds; Arrangements for mounting external manifolds around a stack
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0215—Glass; Ceramic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0282—Inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0286—Processes for forming seals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

연료 전지 스택 연료 플레넘은, 유입 구멍과 방출 구멍을 포함하는 베이스 플레이트, 상기 베이스 플레이트 상에 배치되고, 유입 구멍과 방출 구멍을 포함하는 유전체층, 상기 유전체층 상에 배치되고, 유입 구멍과 방출 구멍을 포함하는 커버 플레이트, 상기 커버 플레이트 상에 배치되고, 유입 구멍과 방출 구멍을 포함하는 밀봉 플레이트, 및 상기 밀봉 플레이트 상에 배치되는 매니폴드 플레이트를 포함한다. 상기 매니폴드 플레이트는, 상기 매니폴드 플레이트의 하부 표면에 형성되는 하부 유입 구멍 및 하부 방출 구멍, 상기 매니폴드 플레이트의 상부 표면의 대향하는 측들에 형성되는 상부 방출 구멍들 및 상부 유입 구멍들, 상기 상부 방출 구멍들을 상기 하부 유입 구멍에 유체 연결하는 방출 채널, 및 상기 상부 유입 구멍들을 상기 하부 방출 구멍에 유체 연결하는 유입 채널을 포함한다.

Description

연료 플레넘 및 이를 포함하는 연료 전지 스택{FUEL PLENUM AND FUEL CELL STACK INCLUDING SAME}
본 개시내용은 일반적으로 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 특히 연료 전지 스택을 위한 연료 플레넘 및 이를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것이다.
가령, 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템과 같은 고온 연료 전지 시스템에서, 연료 흐름이 연료 전지의 애노드측을 통과하는 동안 연료 전지의 캐소드측을 통해 산화 흐름(oxidizing flow)이 통과한다. 산화 흐름은, 일반적으로 공기인 반면, 연료 흐름은 가령, 메탄, 천연 가스, 펜탄, 에탄올 또는 메탄올과 같은 탄화수소 연료일 수 있다. 750℃ 내지 950℃ 사이의 일반적인 온도에서 작동하는 연료 전지는, 음전하를 띤 산소 이온을 캐소드 흐름 스트림에서 애노드 흐름 스트림으로 전달하는 것을 가능하게 하고, 여기서 이온은 탄화수소 분자의 자유 수소 또는 수소와 결합하여 수증기를 형성하거나, 및/또는 일산화탄소와 반응하여 이산화탄소를 형성한다. 음전하를 띤 이온으로부터의 과잉 전자는, 애노드와 캐소드 사이에서 완성된 전기 회로를 통해 연료 전지의 캐소드측으로 다시 라우팅되어서, 회로를 통해 전류가 흐르도록 한다.
연료 전지 스택은, 연료 및 공기를 위해 내부적으로 또는 외부적으로 매니폴드될 수 있다. 내부적으로 매니폴드된(internally manifolded) 스택에서, 연료와 공기는 스택 내에 포함된 라이저(riser)를 사용하여 각 셀에 분배된다. 다시 말해서, 가스는 각 전지의 가스 흐름 분리기 및 가령, 전해질 층과 같은, 각 연료 전지의 지지층의 개구부 또는 구멍을 통해 흐른다. 외부적으로 매니폴드된 스택에서, 스택은 연료 및 공기 유입구 및 방출구 측에서 열려 있으며, 스택 하드웨어와는 독립적으로 연료와 공기가 도입 및 수집된다. 예를 들어, 유입구 및 방출구 연료와 공기는, 스택이 위치한 매니폴드 하우징 및 스택 사이의 별도 채널에서 유동한다.
연료 전지 스택은, 평면 요소, 튜브, 또는 다른 기하학적 형태의 다수의 전지로부터 흔히 구축된다. 연료와 공기는, 거대할 수 있는 전기화학적 활성 표면에 제공되어야 한다. 연료 전지 스택의 한 구성 요소는, 스택의 개별 셀을 분리하는 소위 가스 흐름 분리기(평면 스택에서 가스 흐름 분리기 플레이트이라고 함)이다. 가스 흐름 분리 플레이트는, 스택의 인접한 전지의 공기 전극(즉, 캐소드)으로 흐르는, 가령 공기와 같은 산화제로부터, 스택의 하나의 전지의 연료 전극(즉, 애노드)으로 흐르는, 가령 수소 또는 탄화수소 연료와 같은 연료를 분리한다. 종종, 가스 흐름 분리 플레이트는, 한 전지의 연료 전극을 인접한 전지의 공기 전극에 전기적으로 연결하는 상호접속부로도 사용된다. 이 경우, 상호접속부 역할을 하는 가스 흐름 분리 플레이트는, 전기 전도성 물질로 만들어지거나 이를 포함한다.
본 개시내용의 다양한 실시예에 따르면, 연료 플레넘을 포함하는 연료 전지 스택 연료 유동 구조가 제공되며, 상기 연료 플레넘은: 유입 구멍 및 방출 구멍을 포함하는 베이스 플레이트; 유입 구멍 및 방출 구멍을 포함하고, 상기 베이스 플레이트 상에 배치된 유전체층; 유입 구멍 및 방출 구멍을 포함하고, 상기 유전체층 상에 배치된 커버 플레이트; 유입 구멍 및 방출 구멍을 포함하고, 상기 커버 플레이트 상에 배치된 밀봉 플레이트; 및 상기 밀봉 플레이트 상에 배치되는 매니폴드 플레이트를 포함하고, 상기 매니폴드 플레이트는: 매니폴드 플레이트의 하부 표면에 형성되는, 하부 유입 구멍 및 하부 방출 구멍; 매니폴드 플레이트의 상부 표면의 대향하는 측들에 형성되는 상부 방출 구멍 및 상부 유입 구멍; 상부 방출 구멍들을 하부 유입 구멍에 유체 연결하는 방출 채널들; 및 상부 유입 구멍들을 하부 방출 구멍에 유체 연결하는 유입 채널들을 포함한다. 베이스 플레이트, 커버 플레이트, 밀봉 플레이트 및 매니폴드 플레이트의 유입 구멍들은 유입 도관 통로를 형성하도록 정렬되며, 베이스 플레이트, 커버 플레이트, 밀봉 플레이트 및 매니폴드 플레이트의 방출 구멍들은 방출 도관 통로를 형성하도록 정렬된다.
본 개시내용의 다양한 실시예들에 따르면, 연료 플레넘과, 연료 플레넘 상에 적층된 교차류 상호접속부(cross-flow interconnect); 및 상호접속부들 사이에 배치된 고체 산화물 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택이 제공된다.
본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은, 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하며, 상기 주어진 일반적인 설명 및 아래에 주어진 상세한 설명과 함께 본 발명의 특징을 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 종래의 연료 전지 칼럼의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 칼럼에 포함된 하나의 역류(counter-flow) 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 스택의 사시도이고, 도 1c는 도 1B의 스택의 일부의 측단면도이다.
도 2a는 도 1b의 스택의 종래의 상호접속부의 공기측의 평면도이고, 도 2b는 종래의 상호접속부의 연료측의 평면도이다.
도 3a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 연료 전지 스택의 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 스택의 일부의 분해 사시도이고, 도 3c는 도 3a의 스택에 포함된 상호접속부의 연료측의 평면도이며, 도 3d는 도 3a의 스택에 포함된 연료 전지의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 도 3c의 교차류 상호접속부(cross-flow interconnect)의 공기측 및 연료측을 각각 도시하는 평면도이다.
도 5a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 연료 유동 구조의 상부 분해 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 연료 유동 구조의 하부 분해 사시도이다.
도 6a는 도 5a 및 5b의 밀봉 플레이트의 평면도이고, 도 6b는 도 6a의 선(L3)을 따르는 단면도이다.
도 7a는 도 5a 및 5b의 매니폴드 플레이트의 저면도이고, 도 7b는 도 7a의 선(L4)에 따른 단면도이며, 도 7c는 도 7a의 매니폴드 플레이트의 개략적인 평면도이다.
도 8a는 도 5a의 선(L1)에 따른 수직 단면도이고, 조립된 연료 플레넘 및 유입 도관을 도시하고, 도 8b는 도 5a의 선(L2)을 따른 수직 단면도이며, 조립된 연료 플레넘 및 방출 도관을 도시한다.
다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 도면은 반드시 축척에 맞춰진 것은 아니며, 본 발명의 다양한 특징을 예시하기 위한 것이다. 가능한 경우라면, 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호가 동일하거나 유사한 부분을 지칭하는데 사용된다. 특정 실시예 및 구현예에 대한 참조는, 예시를 위한 것이며, 본 발명 또는 청구항들의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
본 명세서에서 범위는, "약(about)" 하나의 특정 값에서 및/또는 "약" 다른 특정 값까지로 표현될 수 있다. 그러한 범위가 표현될 때, 실시예는 하나의 특정 값에서 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 값이 근사치로 표현될 때, 선행사 "약" 또는 "실질적으로"를 사용함으로써, 특정 값이 또 다른 양태를 형성한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, "약 X"의 값은, +/- 1% X의 값을 포함할 수 있다. 각각의 범위의 종점은, 다른 종점과 관련하여 그리고 다른 종점과 독립적으로, 모두 유의하다는 것이 추가로 이해될 것이다.
도 1a는 종래의 연료 전지 칼럼(30)의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 칼럼(30)에 포함된 하나의 역류(counter-flow) 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 스택(20)의 사시도이고, 도 1c는 도 1b의 스택(20)의 일부의 측단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 컬럼(30)은: 하나 이상의 스택(20), 연료 유입 도관(32), 애노드 배출 도관(34), 및 애노드 공급/회수 어셈블리(anode feed/return assemblies; 36)(예를 들어, 애노드 스플리터 플레이트(ASP; 36))를 포함할 수 있다. 컬럼(30)은 또한, 측면 배플(side baffles; 38) 및 압축 어셈블리(40)를 포함할 수 있다. 측면 배플(38)은, 세라믹 커넥터(39)에 의해, 압축 어셈블리(40) 및 아래에 놓인 스택 컴포넌트(도시되진 않음)에 연결될 수 있다. 연료 유입 도관(32)은, ASP(36)에 유체 연결되고, 각 ASP(36)에 연료 공급물을 제공하도록 구성되며, 애노드 배기 도관(34)은 ASP(36)에 유체 연결되며, 각 ASP(36)로부터 애노드 연료 배기를 수신하도록 구성된다.
ASP(36)는 스택들(20) 사이에 배치되고, 스택(20)에 연료 공급물을 함유하는 탄화수소 연료를 제공하며, 스택(20)으로부터 애노드 연료 배기를 수용하도록 구성된다. 예를 들어, ASP(36)는 후술하는 바와 같이 스택(20)에 형성된 내부 연료 라이저 채널(22)에 유체 연결될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 스택(20)은, 가스 흐름 분리 플레이트 또는 바이폴라 플레이트로도 지칭될 수 있는, 상호접속부(10)에 의해 분리되는 다중 연료 전지(1)를 포함한다. 각 연료 전지(1)는, 캐소드 전극(3), 고체 산화물 전해질(5), 및 애노드 전극(7)을 포함한다.
각각의 상호접속부(10)는 스택(20)에서 인접한 연료 전지(1)를 전기적으로 연결한다. 특히, 상호접속부(10)는, 하나의 연료 전지(1)의 애노드 전극(7)을 인접한 연료 전지(1)의 캐소드 전극(3)에 전기적으로 연결할 수 있다. 도 1c는 하부 연료 전지(1)가 2개의 상호접속부(10) 사이에 위치하는 것을 도시한다.
각각의 상호접속부(10)는, 연료 채널(8A) 및 공기 채널(8B)을 적어도 부분적으로 정의하는 리브(ribs; 12)를 포함한다. 상호접속부(10)는 스택 내의 하나의 전지의 연료 전극(즉, 애노드(7))으로 흐르는, 가령 탄화수소 연료와 같은 연료를, 스택의 인접 전지의 공기 전극(즉, 캐소드(3))으로 흐르는, 가령 공기와 같은 산화제로부터 분리하는, 가스-연료 분리기로서 작동할 수 있다. 스택(20)의 양 단부에는, 단부 전극에 각각 공기나 연료를 제공하기 위한 공기 단부 플레이트 또는 연료 단부 플레이트(미도시)가 있을 수 있다.
도 2a는 종래의 상호접속부(10)의 공기측의 평면도이고, 도 2b는 상호접속부(10)의 연료측의 평면도이다. 도 1c 및 2a를 참조하면, 공기측은 공기 채널(8B)을 포함한다. 공기는 공기 채널(8B)을 통해, 인접한 연료 전지(1)의 캐소드 전극(3)으로 흐른다. 특히, 공기는, 화살표로 표시된 바와 같은 제1 방향(A)으로 상호접속부(10)를 가로질러 흐를 수 있다.
링 밀봉부(23)는, 연료가 캐소드 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위해 상호접속부(10)의 연료 구멍(fuel holes; 22A)을 둘러쌀 수 있다. 주변 스트립형 밀봉부(24)는, 상호접속부(10)의 공기측의 주변 부분들 상에 위치된다. 밀봉부(23, 24)는 유리 재료로 형성될 수 있다. 주변 부분은, 리브 또는 채널을 포함하지 않는 융기된 플래토(elevated plateau) 형태일 수 있다. 주변 영역의 표면은, 리브(12)의 상부와 동일 평면에 있을 수 있다.
도 1c 및 2b를 참조하면, 상호접속부(10)의 연료측은 연료 채널(8A) 및 연료 매니폴드(28)(예를 들어, 연료 플레넘)를 포함할 수 있다. 연료는, 연료 구멍(22A) 중 하나에서 인접한 매니폴드(28)로, 연료 채널(8A)을 통해, 인접한 연료 전지(1)의 애노드(7)로 흐른다. 과잉 연료는, 다른 연료 매니폴드(28)로 흐른 이후에 인접한 연료 구멍(22A)으로 흐를 수 있다. 특히, 연료는, 화살표로 표시된 바와 같은 제2 방향(B)으로 상호접속부(10)를 가로질러 흐를 수 있다. 제2 방향(B)은 제1 방향(A)에 수직일 수 있다(도 2a 참조).
프레임 형상 밀봉부(26)는, 상호접속부(10)의 연료 측의 주변 영역에 배치된다. 주변 영역은, 리브 또는 채널을 포함하지 않는 융기된 플래토(plateau)일 수 있다. 주변 영역의 표면은, 리브(12)의 상부와 동일 평면에 있을 수 있다.
따라서, 도 1a, 1b, 1c, 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 종래의 역류 연료 전지 컬럼은, 복잡한 연료 분배 시스템(연료 레일(fuel rails) 및 애노드 스플리터 플레이트)을 포함할 수 있다. 또한, 내부 연료 라이저의 사용은, 연료 전지에 구멍과 이에 상응하는 밀봉부들을 필요로 할 수 있으며, 이는 활성 영역을 감소시킬 수 있고, 연료 전지(1)의 세라믹 전해질에 균열을 일으킬 수 있다.
연료 매니폴드(28)는 상호접속부(10)의 비교적 큰 영역을 점유할 수 있고, 이는 상호접속부(10)와 인접한 연료 전지 사이의 접촉 면적을 대략 10%까지 감소시킬 수 있다. 연료 매니폴드(28)는 또한, 연료 매니폴드(28)가 상호접속부(10)의 비교적 얇은 영역을 나타내도록 비교적 깊다. 상호접속부(10)는 일반적으로 분말 금속 압축 공정(powder metallurgy compaction process)에 의해 형성되기 때문에, 연료 매니폴드 영역의 밀도는 상호접속부 재료의 이론적인 밀도 한계에 접근할 수 있다. 이와 같이, 고밀도 연료 매니폴드 영역이 더 압축될 수 없기 때문에, 압축 공정에 사용되는 압축 프레스(compaction press)의 스트로크 길이가 제한될 수 있다. 그 결과, 상호접속부(10)의 다른 곳에서 달성된 밀도는, 압축 스트로크에 대한 제한에 의해 더 낮은 수준으로 제한될 수 있다. 발생된 밀도 변화는, 상호접속부(10)와 연료 전지(1) 사이의 접촉량을 감소시킬 수 있고, 더 낮은 스택 수율 및/또는 성능을 초래할 수 있는, 지형적 변화를 초래할 수 있다.
연료 전지 시스템 설계에서 또 다른 중요한 고려 사항은, 작동 효율성의 영역에 있다. 연료 활용을 극대화하는 것은, 운영 효율성을 달성하는 핵심 요소다. 연료 이용률은, 연료 전지에 공급되는 연료량에 대한, 작동 중 소비되는 연료량의 비율이다. 연료 전지 사이클 수명을 보존하는 중요한 요소는, 연료를 활성 영역에 적절하게 분배하여 연료 전지 활성 영역의 연료 고갈을 방지하는 것일 수 있다. 일부 유동장(flow field) 채널이 해당 채널 영역에서 발생할 수 있는 전기화학 반응을 지원하기에 불충분한 연료를 받는 것과 같이 연료 분포가 잘못된 경우, 해당 채널에 인접한 연료 전지 영역에서 연료 고갈이 발생할 수 있다. 연료를 보다 균일하게 분배하기 위해, 기존의 상호접속부 설계에는, 유동장 전반에 걸친 채널 깊이 변화가 포함된다. 이는 제조 공정에서 복잡성을 유발할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 치수를 정확하게 측정하기 위해 복잡한 계측이 필요할 수도 있다. 다양한 채널 기하학은, 연료가 연료 구멍과 분배 매니폴드를 통해 분배되는 방식에 의해 제한될 수 있다.
이러한 복잡한 기하학적 구조 및 연료 매니폴드를 제거하기 위한 한 가지 가능한 해결방안은, 연료 유동장에 걸쳐 훨씬 더 균일한 연료 분포를 보장하기 위해 더 넓은 연료 개구를 갖는 것이다. 연료 매니폴드 형성은 밀도 변화의 요인이기 때문에, 연료 매니폴드를 제거하면 보다 균일한 상호접속부 밀도와 투과율이 가능해진다. 따라서, 연료 전지와의 균일한 접촉을 제공하면서 또한, 종래의 연료 매니폴드를 사용하지 않고도 연료 전지에 연료를 균일하게 분배하는, 개선된 상호접속부가 필요하다.
연료 전지 시스템의 고온 박스의 크기 확장에 대한 전반적인 제한으로 인해, 고온 박스의 풋프린트(footprint)를 증가시키지 않으면서, 연료 이용 및 연료 전지 활성 영역을 최대화하도록 설계된 개선된 상호접속부가 또한, 필요하다.
교차류 연료 전지 시스템
도 3a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 연료 전지 스택(300)의 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 스택(300)의 일부의 분해 사시도이고, 도 3c는 스택(300)에 포함된 상호접속부(400)의 연료측의 평면도이고, 도 3d는 스택(300)에 포함된 연료 전지의 개략도이다.
도 3a 내지 3d를 참조하면, ASP가 없기 때문에 연료 전지 칼럼으로도 지칭될 수 있는 연료 전지 스택(300)은, 상호접속부(400)에 의해 분리되는 다수의 연료 전지(310)를 포함하며, 이들은 또한, 가스 흐름 분리기 플레이트 또는 바이폴라 플레이트로 지칭될 수 있다. 하나 이상의 스택(300)은, 공통 인클로저(enclosure) 또는 "고온 박스"에서 연료 전지 발전 시스템의 다른 구성요소(예를 들어, 하나 이상의 애노드 테일 가스 산화기, 연료 개질기, 유체 도관 및 매니폴드 등)와 열적으로 통합될 수 있다.
상호접속부(400)는 전기 전도성 금속 재료로 만들어진다. 예를 들어, 상호접속부(400)는 Cr-Fe 합금과 같은 크롬 합금을 포함할 수 있다. 상호접속부(400)는 일반적으로 Cr-Fe 분말 또는 Cr-Fe 합금 분말의 혼합물일 수 있는, Cr-Fe 분말을 압축 및 소결하여, 원하는 크기 및 모양(예컨대, "그물 모양" 또는 "그물 모양에 가까운" 공정)으로 Cr-Fe 상호접속부를 형성하는 것을 포함하는, 분말 야금 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 전형적인 크롬-합금 상호접속부(400)는: 중량 기준으로 가령, 약 94% 내지 96%(예를 들어, 95%)의 크롬과 같이, 약 90% 초과의 크롬을 포함한다. 상호접속부(400)는 또한, 약 10 중량% 미만의 철, 예컨대 약 4 내지 6 중량%(예를 들어, 5 중량%)의 철을 함유할 수 있고, 잔류물 또는 불가피한 불순물뿐 아니라, 가령 이트리움 또는 이트리아와 같은 다른 물질을 약 2 중량% 미만, 예컨대 약 0 내지 1 중량% 함유할 수 있다.
각각의 연료 전지(310)는, 고체 산화물 전해질(312), 애노드(314), 및 캐소드(316)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드(314) 및 캐소드(316)는 전해질(312) 상에 인쇄될 수 있다. 다른 실시예에서, 가령 니켈 메쉬와 같은 전도성 층(318)은, 애노드(314) 및 인접한 상호접속부(400) 사이에 배치될 수 있다. 연료 전지(310)는, 가령 종래의 연료 전지의 연료 구멍과 같은, 관통 구멍(through holes)을 포함하지 않는다. 따라서, 연료 전지(310)는, 이러한 관통 구멍의 존재로 인해 발생할 수 있는 균열(crack)을 방지한다.
스택(300)의 최상부 상호접속부(400) 및 최하부 상호접속부(400)는 인접한 단부 연료 전지(310)에 각각 공기 또는 연료를 제공하기 위한 특징부를 포함하는 공기 단부 플레이트 또는 연료 단부 플레이트 중 상이한 플레이트들일 수 있다. 여기서, "상호접속부"는 2개의 연료 전지(310) 사이에 위치하는 상호접속부, 또는 스택의 말단에 위치하고 오로지 하나의 연료 전지(310)에 바로 인접한 단부 플레이트를 지칭할 수 있다. 스택(300)은 ASP 및 이와 관련된 단부 플레이트를 포함하지 않기 때문에, 스택(300)은 2개의 단부 플레이트만을 포함할 수 있다. 결과적으로, 컬럼 내부의 ASP의 사용과 관련된 스택 치수의 변화가 회피될 수 있다.
스택(300)은 측면 배플(302), 연료 플레넘(350), 및 압축 어셈블리(306)를 포함할 수 있다. 측면 배플(side baffles; 302)은 세라믹 재료로 형성될 수 있고, 적층된 연료 전지(310) 및 상호접속부(400)를 수용하는, 연료 전지 스택(300)의 대향 측면 상에 배치될 수 있다. 측면 배플(302)은 연료 플레넘(350)과 압축 어셈블리(306)를 연결할 수 있어서, 압축 어셈블리(306)가 스택(300)에 압력을 가할 수 있다. 측면 배플(302)은, 만곡된(curved) 배플 플레이트들일 수 있어서, 각 배플 플레이트가 연료 전지 스택(300)의 3개의 측면들의 적어도 일부를 덮도록 할 수 있다. 예컨대, 하나의 배플 플레이트는, 스택(300)의 연료 유입 라이저측을 완전히 덮고, 스택의 인접한 전면 및 후면 측면을 부분적으로 덮는 한편, 다른 배플 플레이트는 스택의 연료 배출 라이저측을 완전히 덮고, 스택의 전면 및 후면의 인접한 부분들을 부분적으로 덮는다. 스택의 전면 및 후면에 대한 나머지 덮이지 않은 부분은 공기가 스택(300)을 통해 흐를 수 있도록 한다. 만곡된 배플 플레이트는, 스택의 일측만을 덮는 기존의 배플 플레이트(38)에 비해, 스택을 통한 향상된 공기 흐름 제어를 제공한다. 연료 플레넘(fuel plenum; 350)은 스택(300) 아래에 배치될 수 있고, 스택(300)에 수소-함유 연료 공급물을 제공하도록 구성될 수 있고, 스택(300)으로부터 애노드 연료 배기를 수용하도록 구성될 수 있다. 연료 플레넘(350)은, 연료 플레넘(350) 아래에 위치하는 연료 유입 및 배출 도관(320)에 연결될 수 있다.
각각의 상호접속부(400)는 스택(300)에서 인접한 연료 전지(310)를 전기적으로 연결한다. 특히, 상호접속부(400)는 하나의 연료 전지(310)의 애노드 전극을, 인접한 연료 전지(310)의 캐소드 전극에 전기적으로 연결할 수 있다. 도 3c에 도시된 것처럼, 각각의 상호접속부(400)는, 공기가 인접한 연료 전지(310)의 캐소드에 제공될 수 있도록, 공기를 제1 방향(A)으로 채널링하도록 구성될 수 있다. 각각의 상호접속부(400)는 또한, 연료가 인접한 연료 전지(310)의 애노드에 제공될 수 있도록, 연료를 제2 방향(F)으로 채널링하도록 구성될 수 있다. 방향(A 및 F)는 수직이거나 실질적으로 수직일 수 있다. 이와 같이, 상호접속부(400)는 교차류 상호접속부로 지칭될 수 있다.
상호접속부(400)는, 상호접속부(400)를 통해 연장되고, 연료 분배를 위해 구성된 연료 구멍을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 구멍은, 하나 이상의 연료 유입구(402) 및 하나 이상의 연료(예컨대, 애노드 배기) 방출구(404)를 포함할 수 있으며, 이는 애노드 배기구(404)로도 지칭될 수 있다. 연료 유입구 및 방출구(402, 404)는 연료 전지(310)의 주변부 밖에 배치될 수 있다. 이와 같이, 연료 전지(310)는 연료 흐름을 위한 대응하는 관통 구멍 없이 형성될 수 있다. 연료 유입구(402)의 결합된 길이 및/또는 연료 방출구(404)의 결합된 길이는, 상호접속부(400)의 대응하는 길이, 예를 들어 방향 A로 취한 길이의 적어도 75%일 수 있다.
일실시예에서, 각각의 상호접속부(400)는, 도 3b에 도시된 바와 같이 상호접속부(400)의 목 부분(412)에 의해 분리된 2개의 연료 유입구(402)를 포함한다. 그러나, 2개 내지 4개의 목 부분(412)에 의해 분리된 3개 내지 5개의 유입구와 같이, 2개보다 많은 연료 유입구(402)가 포함될 수 있다. 일실시예로, 각각의 상호접속부(400)는 도 3b에 도시된 것처럼, 상호접속부(400)의 목 부분(414)에 의해 분리된 2개의 연료 방출구(404)를 포함한다. 그러나, 2개 내지 4개의 목 부분(414)에 의해 분리된 3개 내지 5개의 방출구와 같이 2개보다 많은 연료 방출구(404)가 포함될 수 있다.
인접한 상호접속부(400)의 연료 유입구(402)는, 스택(300)에서 정렬되어, 하나 이상의 연료 유입구 라이저(403)를 형성할 수 있다. 인접한 상호접속부(400)의 연료 방출구(404)는 스택(300)에서 정렬되어 하나 이상의 연료 방출구 라이저(405)를 형성할 수 있다. 연료 유입구 라이저(403)는 연료 플레넘(350)으로부터 수용된 연료를 연료 전지(310)로 분배하도록 구성될 수 있다. 연료 방출구 라이저(405)는 연료 전지(310)로부터 수용된 애노드 배기를 연료 플레넘(350)에 제공하도록 구성될 수 있다.
도 1a의 평평한 관련 기술의 측면 배플(38)과 달리, 측면 배플(302)은 상호접속부(400)의 가장자리 주위에서 만곡될 수 있다. 특히, 측면 배플(302)은, 상호접속부의 연료 유입구(402) 및 방출구(404) 주위에 배치될 수 있다. 따라서, 측면 배플은, 측면 배플(302) 사이에 노출되고, 도 4a 및 도 4b와 관련하여 상세히 설명되는, 상호접속부(400)의 공기 채널을 통한 공기 흐름을 보다 효율적으로 제어할 수 있다.
다양한 실시예에서, 스택(300)은 연료 라이저(403, 405)만을 사용하여 연료가 제공될 수 있는, 적어도 30개, 적어도 40개, 적어도 50개, 또는 적어도 60개의 연료 전지를 포함할 수 있다. 즉, 기존의 연료 전지 시스템과 비교하여, 교차 흐름 구성은, 도 1a에 도시된 외부 도관(32, 34)과 같은 외부 스택 연료 매니폴드 또는 ASP을 필요로 하지 않고, 많은 수의 연료 전지에 연료를 제공할 수 있다.
각각의 상호접속부(400)는 전지 내의 고체 산화물 전해질과 유사한 열 팽창 계수를 갖는(예컨대, 0 내지 10%의 차이) 가령, 금속 합금(예컨대, 크롬-철 합금)과 같은 전기 전도성 재료로 만들어지거나 이를 포함할 수 있다. 예컨대, 상호접속부(400)는, 금속(예컨대, 크롬-철 합금, 가령 4 내지 6 중량%의 철, 선택적으로 1중량% 이하의 이트리움 및 균형 크롬 합금)을 포함할 수 있고, 하나의 연료 전지(310)의 연료측 또는 애노드를, 인접 연료 전지(310)의 공기측 또는 캐소드에 전기적으로 연결할 수 있다. 가령, 니켈 접촉층(예를 들어, 니켈 메쉬)과 같은 전기 전도성 접촉층은, 애노드와 각각의 상호접속부(400) 사이에 제공될 수 있다. 캐소드 전극과 각각의 상호접속부(400) 사이에 또 다른 선택적인 전기 전도성 접촉층이 제공될 수 있다.
작동 중, 가령 상호접속부(400)의 캐소드-대향 측면과 같은 산화 환경(예컨대, 공기)에 노출되는 상호접속부(400)의 표면은, 상호접속부 상의 크롬 산화물 표면층의 성장 속도를 감소시키고, 연료 전지 캐소드를 오염시킬 수 있는 크롬 증기 종의 증발을 억제하기 위해, 보호 코팅층으로 코팅될 수 있다. 전형적으로, 란탄 스트론튬 망가나이트(LSM)와 같은 페로브스카이트를 포함할 수 있는 코팅층은, 스프레이 코팅 또는 침지 코팅(dip coating) 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 대안적으로, 가령, 스피넬, 가령 (Mn, Co)3O4 스피넬(MCO)과 같은 다른 금속 산화물 코팅이 LSM 대신에 또는 LSM에 추가하여 사용될 수 있다. Mn2-xCo1+xO4(0 ≤ x ≤ 1), 또는 z(Mn3O4) + (1-z)(Co3O4), 여기서 (1/3 ≤ z ≤ 2/3), 또는 (Mn, Co)3O4 로 표현될 수 있는 임의의 스피넬(spinel)이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, LSM 및 MCO의 혼합층 또는 LSM 및 MCO 층들의 스택이 코팅층으로 사용될 수 있다.
도 4a 및 4b는, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 교차류 상호접속부(400)의 공기측 및 연료측을 각각 도시하는 평면도이다. 도 4a를 참조하면, 상호접속부(400)의 공기측은, 위에 배치된 연료 전지(310)의 캐소드에 공기를 제공하도록 구성된 공기 채널(408)을 적어도 부분적으로 정의하도록 구성된 리브(406)를 포함할 수 있다. 상호접속부(400)의 공기측은, 공기 채널(408)을 포함하는 공기 유동장(420), 및 공기 유동장(420)의 2개의 대향 측면에 배치된 라이저 밀봉 표면(422)으로 분할될 수 있다. 라이저 밀봉 표면(422) 중 하나는 연료 유입구(402)를 둘러쌀 수 있고, 다른 라이저 밀봉 표면(422)은 연료 방출구(404)를 둘러쌀 수 있다. 공기 채널(408) 및 리브(406)는, 공기 채널(408) 및 리브(406)가 상호접속부(400)의 대향하는 주변 가장자리에서 종단되도록, 상호접속부(400)의 공기측을 완전히 가로질러 연장될 수 있다. 다시 말해서, 스택(300)으로 조립될 때, 공기 채널(408)과 리브(406)의 대향 단부들은, 스택의 대향하는(예를 들어, 전면 및 후면) 외부 표면에 배치되어서, 불어난 공기가 스택을 관통하여 흐를 수 있도록 한다. 따라서 스택은 공기를 위해 외부적으로 매니폴드될 수 있다.
라이저 밀봉부(424)는 라이저 밀봉부 표면(422) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 하나의 라이저 밀봉부(424)는 연료 유입구(402)를 둘러쌀 수 있고, 하나의 라이저 밀봉부(424)은 연료 방출구(404)를 둘러쌀 수 있다. 라이저 밀봉부(424)는 연료 및/또는 애노드 배기가, 공기 유동장(420)에 진입하고 연료 전지(310)의 캐소드와 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 라이저 밀봉부(424)는 또한, 연료가 연료 전지 스택(100)으로부터 누설되는 것을 방지하도록 동작할 수 있다(도 3a 참조).
도 4b를 참조하면, 상호접속부(400)의 연료측은, 위에 배치된 연료 전지(310)의 애노드에 연료를 제공하도록 구성된 연료 채널(418)을 적어도 부분적으로 정의하는 리브(416)를 포함할 수 있다. 상호접속부(400)의 연료측은, 연료 채널(418)을 포함하는 연료 유동장(430), 및 연료 유동장(430)과 연료 유입 및 방출구(402, 404)를 둘러싸는 주변 밀봉부 표면(432)으로 분할될 수 있다. 리브(416) 및 연료 채널(418)은, 공기측 채널(408) 및 리브(406)가 연장되는 방향에 수직 또는 실질적으로 수직인 방향으로 연장될 수 있다.
프레임 형상의 주변 밀봉부(434)는 주변 밀봉부 표면(432) 상에 배치될 수 있다. 주변 밀봉부(434)는, 공기가 연료 유동장(430)에 들어가고, 인접한 연료 전지(310) 상의 애노드와 접촉하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 주변 밀봉부(434)는 또한, 연료가 연료 라이저(403, 405)를 빠져나오고, 연료 전지 스택(300) 밖으로 누출되는 것을 방지하도록 작동할 수 있다(도 3a 및 3b 참조).
밀봉부(424, 434)는 유리 또는 세라믹 밀봉 재료를 포함할 수 있다. 밀봉 재료는 낮은 전기 전도성을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉부(424, 434)는, 상호접속부(400) 상에 밀봉 재료의 하나 이상의 층을 인쇄한 후, 소결함으로써 형성될 수 있다.
연료 유동 구조
도 1a에 도시된 바와 같이, 종래의 연료 전지 시스템에서, 연료 및 연료 배기는, 금속 애노드 스플리터 플레이트들(36)을 통해, 연료 전지 스택에 제공되고, 이로부터 수용된다. 애노드 스플리터 플레이트들(36)은, 연료 유입 도관(32) 및 애노드 배기 도관(34)에 의해 서로 유체 연결된다. 도관(32, 34)은, 애노드 스플리터 플레이트(36) 및 유전체 차단부(dielectric breaks)로서 작용하는 세라믹 컴포넌트들에 용접된 금속 튜브를 포함한다. 이와 같이, 애노드 스플리터 플레이트(36)를 유체 연결하는 것은, 값비싼 유전체 컴포넌트들 및 상당한 양의 현장 용접에 의존한다. 따라서, 연료 전지 스택에 연료를 제공하고, 연료 전지 스택으로부터 연료 배기를 수용하기 위한 보다 비용-효율적인 방법이 필요하다.
도 5a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 연료 유동 구조(500)의 상부 분해 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 연료 유동 구조(500)의 하부 분해 사시도이다.도 5a 및 5b를 참조하면, 연료 유동 구조(500)는 연료 도관(320) 및 연료 플레넘(350)을 포함한다. 연료 플레넘(350)은, 밀봉 링(seal ring; 354), 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356), 베이스 플레이트(360), 유전체층(364), 커버 플레이트(366), 밀봉 플레이트(370), 및 매니폴드 플레이트(380)를 포함할 수 있다.
연료 플레넘(350)은, 연료 도관(320)과 유체-기밀(fluid-tight) 연결을 형성하도록 구성될 수 있다. 연료 도관(320)은 연료 플레넘(350)에 연료를 제공하도록 구성된 유입 도관(320A), 및 연료 플레넘(350)으로부터 연료 배기를 수용하도록 구성된 방출 도관(320B)을 포함할 수 있다. 연료 도관(320)은 금속 튜브(322), 금속 벨로우즈(324) 및 유전체 링(326)을 포함할 수 있다. 금속 튜브(322)는, 예컨대 브레이징, 용접 또는 압입(press-fitting)에 의해 벨로우즈(324) 및 유전체 링(326)에 결합될 수 있다. 벨로우즈(324)는, 응력을 흡수하도록 변형함으로써 연료 전지 컴포넌트들 간의 열 팽창 계수의 차이를 보상하는 역할을 할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 금속 튜브(322)는, 금속 튜브/벨로우즈(322)가 유전체 링(326)과 직접 결합될 수 있도록, 벨로우즈(324)와 결합되기 보다는, 자체적으로 벨로우즈를 포함하거나, 전체가 벨로우즈로 만들어질 수 있다. 유전체 링(326)은, 전류가 연료 도관(320)을 통해 전도되고, 연료 플레넘(350)에 배치된 연료 전지 스택을 전기적으로 단락시키는 것을 방지하기 위해, 유전체 차단부로서 작동한다.
베이스 플레이트(360), 유전체층(364), 및 커버 플레이트(366)는, 각각의 플레이트 및 층을 통해 연장되는 관통 구멍(through-holes)일 수 있는, 유입 구멍(361A, 365A, 367A) 및 방출 구멍(361B, 365B, 367B)을 각각 포함할 수 있다. 베이스 플레이트(360)는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 세라믹 커넥터(39)와 짝을 이루도록 구성된 돌출부(362)를 포함할 수 있다. 베이스 플레이트(360) 및 커버 플레이트(366)는 고밀도 유전 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트(360) 및 커버 플레이트(366)는, 다연 알루미나, 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)(예를 들어, 3%의 이트리아 안정화 지르코니아) 등의 실질적으로 비-다공성이고, 전기적으로 절연시키는 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 베이스 플레이트(360) 및 커버 플레이트(366)는, 유전체층(364)에 대한 지지를 제공하도록 구성된 강성 플레이트일 수 있다.
일부 실시예에서, 유전체층(364)은 베이스 플레이트(360) 및/또는 커버 플레이트(366)의 세라믹 재료보다 높은 유전 상수를 갖는 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 즉, 유전체층(364)은, 베이스 플레이트(360) 및 커버 플레이트(366)보다 전기적 파괴(electrical breakdown) 없이, 더 높은 최대 전기장을 견딜 수 있고, 전기적으로 전도성이 될 수 있다(즉, 더 높은 파괴 전압을 가질 수 있다). 예를 들어, 유전체층(364)은, 고온에서 고도로 전기 절연성인 하나 이상의 층들의 다공성 세라믹 원사 또는 직물, 가령 3M 사에서 입수가능한 Nextel 세라믹 직물 번호 312, 440 또는 610으로 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 유전체층(364)은, 세라믹 매트릭스 복합재(CMC), 또는 높은 표면적 대 부피 비율을 갖기 때문에 높은 유전 강도를 갖는, 임의의 유사한 재료로 형성될 수 있다. CMC는, 예를 들어 산화 알루미늄(예를 들어, 알루미나), 산화 지르코늄 또는 탄화 규소의 매트릭스를 포함할 수 있다. 다른 매트릭스 재료도 또한, 선택될 수 있다. 섬유는: 알루미나, 탄소, 탄화 규소, 또는 임의의 다른 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 일실시예에서, 매트릭스 및 섬유 둘 다는, 알루미나를 포함할 수 있다. 따라서, 유전체층(364)은, 연료 플레넘(350)을 통한 전기 전도를 방지하기 위해, 유전체 차단부로서 작동하도록 구성될 수 있다.
커버 플레이트(366) 및 베이스 플레이트(360)는, 유전체층(364)보다 더 높은 밀도를 가질 수 있다. 예를 들어, 커버 플레이트(366) 및/또는 베이스 플레이트(360)는, 가령 97% 내지 99.5% 밀도의 알루미나 등과 같은, 완전히 조밀한 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 커버 플레이트(366)는 밀봉 플레이트(370)를 유전체층(364)으로부터 분리하도록 구성된다. 이와 같이, 커버 플레이트(366)는, 밀봉 플레이트(370)로부터 유전체층(364)으로의 금속종(metal species)의 확산을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 커버 플레이트(366)는, 크롬종이 유전체층(364)의 유전 강도를 감소시키거나, 및/또는 유전체층(364)의 구조적 무결성을 저하시키는 것을 방지하기 위해, 밀봉 플레이트(370)로부터 유전체층(364)으로 크롬종(예를 들어, 크롬 산화물)의 확산을 감소 및/또는 방지할 수 있다.
밀봉 플레이트(370) 및 매니폴드 플레이트(380)는, 연료 도관(320)에 용이하게 용접될 수 있는 스테인레스 스틸과 같은, 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 플레이트(370) 및/또는 매니폴드 플레이트(380)는, 446 스테인리스 스틸 등으로 형성될 수 있다. 446 스테인리스 강은: 23 내지 27 중량%의 Cr, 1.5 중량% 이하의 Mn, 1 중량% 이하의 Si, Ni, C, P 및/또는 S 중의 하나 이상, 및 나머지(balance) Fe를 포함한다. 일부 실시예에서, 밀봉 플레이트(370) 및/또는 매니폴드 플레이트(380)는, 다수의 금속 서브 플레이트를 함께 납땜함으로써 형성될 수 있다. 금속 서브-플레이트를 사용하여 형성된 실시예에서, 각각의 서브-플레이트는, 브레이징 프로세스 이전 또는 이후에 가령, 구멍 및/또는 채널과 같은 다양한 구조를 형성하도록 절단될 수 있다. 일부 실시예에서, 레이저 절단 등이 그러한 구조를 절단하는데 사용될 수 있다.
밀봉 플레이트(370) 및 매니폴드 플레이트(380)는, 서로 대향하는 플레이트(370, 380)의 적어도 측면들과 같이, 일측 또는 양측 상에 코팅들(372, 382)을 각각 포함할 수 있다. 코팅(372, 382)은: 약 75 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 예컨대 약 100 ㎛ 내지 약 175 ㎛, 약 110 ㎛ 내지 약 140 ㎛, 또는 약 120 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 전형적으로, 코팅(372, 382)은, 가령 페로브스카이트 물질, 예를 들어 란탄 스트론튬 망가나이트(LSM)와 같은 금속 산화물 물질을 포함할 수 있다. 대안적으로, 다른 금속 산화물 코팅들, 가령 스피넬, 가령 (Mn, Co)3O4 스피넬 (MCO)이 LSM 대신에 또는 LSM에 추가하여 사용될 수 있다. Mn2-xCo1+xO4(X는 0 이상, 1 이하임)의 조성을 갖거나, z(Mn3O4) + (1-z)(Co3O4)(Z가 1/3 이상 2/3 이하임)으로 기재되거나, 또는 (Mn, Co)3O4으로 기재될 수 있는 임의의 스피넬이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, LSM과 MCO의 혼합층, 또는 LSM과 MCO층들의 스택이 코팅(372, 382)으로서 사용될 수 있다. 코팅(372, 382)은 스프레이 코팅 또는 침지 코팅 공정을 사용하여 형성될 수 있고, 밀봉 플레이트(370) 및 매니폴드 플레이트(380)의 실질적으로 모든 외부 표면에 도포될 수 있다.
밀봉 플레이트(370)는 상부 표면과 하부 표면 사이에서 연장되는 관통 구멍일 수 있는, 유입 구멍(374A) 및 유출 구멍(374B)을 포함할 수 있다. 상기 매니폴드 플레이트(380)는, 매니폴드 플레이트(380)의 대향하는 측들 상에, 하부 표면에 형성된 하부 유입 구멍(384A) 및 하부 방출 구멍(384B)과, 상부 표면에 형성될 수 있는 상부 유입 구멍(390A) 및 상부 방출 구멍(390B)을 포함할 수 있다. 3개의 상부 유입 구멍들(390A)과 3개의 상부 방출 구멍들(390B)이 도시되지만, 본 개시내용은 임의의 특정 개수의 상부 방출 및 유입 구멍들(390A, 390B)로 제한되지 않는다. 예를 들어, 매니폴드 플레이트(380)는 2개, 4개, 5개 또는 그 이상의 상부 유입 구멍(390A)을 포함할 수 있고, 해당 연료 전지 스택의 상호접속부(400)에 포함된 연료 유입구 및 방출구의 개수에 따라, 2개, 4개, 5개 이상의 상부 방출 구멍(390B)을 포함할 수 있다. 상호접속부가 3개의 유입구와 3개의 방출구를 갖는다면, 매니폴드 플레이트(380)는 3개의 유입 구멍(390A) 및 3개의 방출 구멍(390B)을 갖는다.
베이스 플레이트(360), 유전체층(364), 커버 플레이트(366), 밀봉 플레이트(370), 및 매니폴드 플레이트(380)는, 유입 구멍(361A, 365A, 367A, 374A, 384A)이 정렬되어 유입 도관 통로(352B)를 형성하고, 방출 구멍(361B, 365B, 367B, 374B, 384B)이 정렬되어 방출 도관 통로(352B)를 형성하게끔 서로와 적층될 수 있다. 유입 및 방출 도관들(320A, 320B)은, 유입 및 방출 도관(320A, 320B)의 단부(328)가 밀봉 플레이트(370)의 상부 표면까지 및/또는 이를 지나 연장될 수 있도록 각각의 유입 및 방출 도관 통로(352A, 352B) 내로 삽입될 수 있다.
도 6a는 밀봉 플레이트(370)의 평면도이고, 도 6b는 도 6a의 선(L3)을 따르는 단면도이다.
밀봉 플레이트(370)의 상부 표면에 코팅(372)이 도포되지 않은 영역 내에서, 유입 구멍(374A) 및 방출 구멍(374B)의 주위에, 유입 밀봉 영역(378A) 및 방출 밀봉 영역(378B)이 각각 형성될 수 있다. 이와 같이, 유입 및 방출 밀봉 영역(378A, 378B)은, 코팅(372)의 두께와 동일한 두께(D2), 가령 약 120㎛의 깊이(D2)를 가질 수 있다.
도 7a는 매니폴드 플레이트(380)의 저면도이다. 도 7b는 도 7a의 선(L4)에 따른 단면도이고, 도 7c는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 매니폴드 플레이트(380)의 개략적인 평면도이다. 도 7a 내지 7c를 참조하면, 유입 및 방출 리세스들(386A, 386B)은, 각각 하부 유입 및 방출 구멍(384A, 384B)을 둘러싸는, 매니폴드 플레이트(380)의 하부 표면에 형성될 수 있다. 유입 및 방출 리세스(386A, 386B)는, 약 0.5 mm 내지 약 6 mm 범위의 깊이(D3)를 가질 수 있다.
유입 및 방출 밀봉 영역(388A, 388B)은, 코팅(382)이 매니폴드 플레이트(380)의 하부 표면에 도포되지 않는 영역에서, 유입 및 방출 리세스(386A, 386B) 주위에 각각 형성될 수 있다. 이와 같이, 유입 및 방출 밀봉 영역(388A, 388B)은 코팅(382)의 두께와 같은 깊이(D4), 가령 약 120 ㎛의 깊이(D4)를 가질 수 있다.
매니폴드 플레이트(380)는 또한, 내부 유입 채널(392A) 및 방출 채널(392B)을 포함할 수 있다. 유입 채널(392A)은, 하부 유입 구멍(384A)을 각각의 상부 유입 구멍(390A)에 유체 연결할 수 있다. 방출 채널(392B)은, 하부 방출 구멍(384B)을 각각의 상부 방출 구멍(390B)에 유체 연결할 수 있다. 유입 채널(392A)은, 실질적으로 동일한 양의 연료(예를 들어, 동일한 연료 유량)가, 공통 하부 유입 구멍(384A)으로부터 각각의 상부 유입 구멍(390A)으로 제공되도록 구성될 수 있다. 방출 채널(392B)은, 실질적으로 동일한 양의 연료 배기가, 각각의 상부 방출 구멍(390B)으로부터 공통 하부 방출 구멍(384B)으로 제공되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 매니폴드 플레이트(380)는 전기 접촉부(381)를 포함할 수 있다. 매니폴드 플레이트(380)는 연료 전지 스택의 하부와 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 전기 접촉부(381)는, 매니폴드 플레이트(380)로부터 측방향으로 연장될 수 있고, 매니폴드 플레이트(380)를 전류 수집 회로에 연결하기 위한 연결 지점을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 8a는 도 5a의 선(L1)을 따르는 수직 단면도이고, 조립된 연료 플레넘(350) 및 유입 도관(320A)을 도시하며, 도 8b는 도 5a의 선(L2)을 따르는 수직 단면도이고, 조립된 연료 플레넘(350) 및 방출 도관(320B)을 도시한다.
도 5a, 5b, 8a 및 8b를 참조하면, 베이스 플레이트(360), 유전체층(364), 커버 플레이트(366), 밀봉 플레이트(370), 및 매니폴드 플레이트(380)가 서로 적층되어서, 유입 도관 통로(352A) 및 방출 도관 통로(352B)를 형성한다. 유입 도관(320A)은, 하부 유입 구멍(384A)을 향하여, 입구 도관 통로(352A)에 삽입될 수 있다. 방출 도관(320B)은, 하부 방출 구멍(384B)을 향하여, 방출 도관 통로(352B)에 삽입될 수 있다.
제1 밀봉 링(354A)은, 매니폴드 플레이트(380)의 하부 표면 상에 그리고, 유입 도관(320A) 주위에서, 유입 리세스(386A) 내에 배치될 수 있다. 제2 밀봉 링(354B)은, 매니폴드 플레이트(380)의 하부 표면 상에 그리고 방출 도관(320B) 주위에서, 방출 리세스(386B) 내에 배치될 수 있다. 유입 및 방출 도관(320A, 320B)은 밀봉 플레이트(370)에 용접될 수 있다. 특히, 용접 프로세스는, 제1 및 제2 밀봉 링(354A, 354B)을 유입 및 방출 도관(320A, 320B)에 용접하고, 제1 및 제2 밀봉 링(354A, 354B)을 밀봉 플레이트(370)의 표면에 용접하는 것을 포함할 수 있어서, 유입 및 방출 도관(320A, 320B)과 밀봉 플레이트(370) 사이에서 유체 기밀한 밀봉이 형성되는 것을 보장할 수 있다.
제1 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356A)는 밀봉 플레이트(370)의 입구 밀봉 영역(378A)에 배치될 수 있고, 제2 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356B)는 매니폴드 플레이트(380)의 유입 밀봉 영역(388A)에 배치될 수 있다. 제3 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356C)는 밀봉 플레이트(370)의 방출 밀봉 영역(378B)에 배치될 수 있고, 제4 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356D)는, 매니폴드 플레이트(380)의 방출 밀봉 영역(388B)에 배치될 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서, 단일 유리 또는 유리 세라믹 밀봉이 사용될 수 있다. 밀봉부(356A-356D)는, 밀봉부(356A-356D)가 밀봉 플레이트(370)를 매니폴드 플레이트(380)에 물리적으로 연결하는, 유체-기밀한 연결을 형성하게끔, 밀봉부(356A-356D)를 연화시키도록 가열될 수 있다.
유입 밀봉 영역(378A, 388A)은 중첩되어서, 유입 밀봉 영역(358A)을 형성할 수 있고, 방출 밀봉 영역(378B, 388B)은 중첩되어서 방출 밀봉 영역(358B)을 형성할 수 있다. 제1 및 제2 밀봉부(356A, 356B)는 유입 밀봉 영역(358A)에서 서로의 위에 적층될 수 있고, 제3 및 제4 밀봉부(356C, 356D)는 방출 밀봉 영역(358B)에서 서로의 위에 적층될 수 있다. 코팅들(372, 382)이 서로의 위에 적층될 수 있다. 이와 같이, 유입 및 방출 밀봉 영역들(358A, 358B)의 높이는, 코팅(372, 382)의 결합된 두께와 동일할 수 있다.
유입 및 방출 밀봉 영역(358A, 358B)은, 연료 전지 시스템 작동 온도로 가열될 때, 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356A-356D)가 측방향으로 연장될 공간을 제공함으로써, 시간이 지남에 따른 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356A-356D)에 가해지는 응력을 감소시킨다. 또한, 밀봉 플레이트(370)와 매니폴드 플레이트(380)는 동일한 재료로 형성될 수 있으므로, 밀봉 플레이트(370)와 매니폴드 플레이트(380)는 일치하는 열팽창 계수(CTE)를 가질 수 있다. 따라서, 시간이 지남에 따라 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356A-356D)에 가해지는 응력이 더 감소될 수 있다.
유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356A-356D)는, 가령 규산염 또는 알루미노 실리케이트 유리 또는 유리 세라믹 재료와 같은, 고온 유리 또는 유리 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356A-356D)는: SiO2, BaO, CaO, Al2O3, K2O, 및/또는 B2O3를 포함하는 실리케이트 유리 또는 유리 세라믹 밀봉 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 재료는 중량 기준으로: 약 45% 내지 약 55%와 같은, 약 40% 내지 약 60% 범위의 양의 SiO2; 약 10% 내지 약 35%, 예컨대 약 15% 내지 약 30% 범위의 양의 BaO; 약 5% 내지 약 20%, 예컨대 약 7% 내지 약 16% 범위의 양의 CaO; 약 10% 내지 약 20%, 예컨대 약 13% 내지 약 15% 범위의 양의 Al2O3; 및 약 0.25% 내지 약 7%, 예컨대 약 0.5% 내지 약 5.5% 범위의 양의 B2O3를 포함한다. 일부 실시예에서, 밀봉 재료는, 약 0.5% 내지 약 1.5%, 예컨대 약 0.75% 내지 약 1.25% 범위의 양으로 K2O를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 유리 또는 유리 세라믹 밀봉(356A-356D)은: SiO2, B2O3, Al2O3, CaO, MgO, La2O3, BaO, 및/또는 SrO를 포함하는 실리케이트 유리 또는 유리 세라믹 밀봉 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 재료는 중량 기준으로: 약 35% 내지 약 55%와 같이, 약 30% 내지 약 60% 범위의 양의 SiO2; 약 0.5% 내지 약 15%, 예컨대 약 1% 내지 약 12% 범위의 양의 B2O3; 약 0.5% 내지 약 5%, 예컨대 약 1% 내지 약 4% 범위의 양의 Al2O3; 약 2% 내지 약 30%, 예컨대 약 5% 내지 약 25% 범위의 양의 CaO; 약 2% 내지 약 25%, 예컨대 약 5% 내지 약 20% 범위의 양의 MgO; 및 약 2% 내지 약 12%, 예컨대 약 5% 내지 약 10% 범위의 양의 La2O3를 포함한다. 일부 실시예에서, 밀봉 재료는: BaO를 약 0% 내지 약 35%, 예를 들어 약 0% 내지 약 30%, 또는 약 20% 내지 약 30% 포함하여, 약 0.5% 내지 약 30%, 및/또는 SrO를 약 0% 내지 약 20%, 예컨대 약 0% 내지 약 15%, 또는 약 10% 내지 약 15%를 포함하여, 약 0.5% 내지 약 15%로 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉 재료는 BaO 및/또는 SrO 중의 적어도 하나를, 0.5 중량% 이상과 같이 0이 아닌 양으로, 예를 들어, 가령 약 0.5 중량% 이상과 같이 0이 아닌 양으로 BaO 및 SrO 둘 다를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 적절한 밀봉 재료가 사용될 수 있다.
도 3a 내지 3c의 연료 전지 스택(300)과 같은, 연료 전지 스택에 조립되는 경우, 도 4a에 도시되는 것처럼, 상부 유입 구멍(390A)은 스택(300)의 상호접속부(400)의 연료 유입구(402)에 유체 연결될 수 있고, 상부 방출 구멍(390B)은 상호접속부(400)의 연료 방출구(404)에 유체 연결될 수 있다. 예를 들어, 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(424)는, 인접한 상호접속부(400)의 상부 유입 구멍(390A) 및 연료 유입 구멍(402) 사이에 배치될 수 있고, 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(424)는, 유체-기밀한 연결들을 제공하기 위해, 인접한 상호접속부(400)의 상부 방출 구멍(390B) 및 연료 방출구(404) 사이에 배치될 수 있다.
고체 산화물 연료 전지들이 앞선 다양한 실시예들에서 설명되었지만, 실시예들은 임의의 다른 연료 전지들, 가령 용융 탄산염, 인산 또는 PEM 연료 전지들을 포함할 수 있다.
전술한 방법에 대한 설명은, 오로지 예시적인 실시예로서 제공되며, 다양한 실시예의 단계들이 제시된 순서대로 수행되어야 한다고 요구되거나 이를 암시하도록 의도되지 않는다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 전술한 실시예에서 단계들의 순서는, 임의의 순서로 수행될 수 있다. 가령 "이후에(thereafter)", "이후(then)", "다음에(next)" 등과 같은 단어는, 반드시 단계의 순서를 제한하려는 것이 아니고, 이 단어들은 방법에 대한 설명을 통해 독자를 안내하는데 사용될 수 있다. 또한, 예를 들어 관사 "하나의(a)", "하나의(an)" 또는 "상기(the)"를 사용하는, 단수의 청구항 구성요소에 대한 참조는, 구성요소를 단수형으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
또한, 본 명세서에 기술된 임의의 실시예의 임의의 단계 또는 구성요소는, 임의의 다른 실시예에서 사용될 수 있다.
개시된 양태의 앞선 설명은, 당업자가 본 발명을 제조하거나 사용할 수 있도록 제공된다. 이러한 양태에 대한 다양한 수정사항들이 당업자에게 용이하게 명백할 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 양태들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 도시된 양태에 제한되도록 의도되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범위가 부여되어야 한다.

Claims (20)

  1. 연료 플레넘(fuel plenum)을 포함하는 연료 전지 스택 연료 유동 구조로서, 상기 연료 플레넘은:
    유입 구멍과 방출 구멍을 포함하는 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 상에 배치되고, 유입 구멍과 방출 구멍을 포함하는 유전체층;
    상기 유전체층 상에 배치되고, 유입 구멍과 방출 구멍을 포함하는 커버 플레이트;
    상기 커버 플레이트 상에 배치되고, 유입 구멍과 방출 구멍을 포함하는 밀봉 플레이트; 및
    상기 밀봉 플레이트 상에 배치되는 매니폴드 플레이트
    를 포함하고,
    상기 매니폴드 플레이트는:
    상기 매니폴드 플레이트의 하부 표면에 형성되는 하부 유입 구멍 및 하부 방출 구멍;
    상기 매니폴드 플레이트의 상부 표면의 대향하는 측들에 형성되는 상부 방출 구멍들 및 상부 유입 구멍들;
    상기 상부 방출 구멍들을 상기 하부 유입 구멍에 유체 연결하는 방출 채널; 및
    상기 상부 유입 구멍들을 상기 하부 방출 구멍에 유체 연결하는 유입 채널
    을 포함하고,
    상기 베이스 플레이트, 상기 커버 플레이트, 상기 밀봉 플레이트 및 상기 매니폴드 플레이트의 유입 구멍들은, 유입 도관 통로를 형성하도록 정렬되고,
    상기 베이스 플레이트, 상기 커버 플레이트, 상기 밀봉 플레이트 및 상기 매니폴드 플레이트의 방출 구멍들은 방출 도관 통로를 형성하도록 정렬되는, 연료 유동 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입 도관 통로에 배치되고, 상기 매니폴드 플레이트의 하부 유입 구멍에 연료를 제공하도록 구성되는 유입 도관; 및
    상기 방출 도관 통로에 배치되고, 상기 매니폴드 플레이트의 하부 방출 구멍으로부터 연료 배기를 수용하도록 구성되는 방출 도관을 더 포함하는, 연료 유동 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 매니폴드 플레이트는:
    상기 매니폴드 플레이트의 하부 표면 내에 형성되고, 상기 매니폴드 플레이트의 유입 구멍을 둘러싸는 유입 리세스(inlet recess); 및
    상기 매니폴드 플레이트의 하부 표면 내에 형성되고, 상기 매니폴드 플레이트의 방출 구멍을 둘러싸는 방출 리세스를 포함하는, 연료 유동 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료 유동 구조는:
    상기 유입 리세스 내에 배치되고, 상기 유입 도관 및 상기 밀봉 플레이트에 용접되는 제1 밀봉 링; 및
    상기 방출 리세스 내에 배치되고, 상기 방출 도관 및 상기 밀봉 플레이트에 용접되는 제2 밀봉 링을 더 포함하는, 연료 유동 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밀봉 플레이트를 덮는 제1 코팅; 및
    상기 매니폴드 플레이트를 덮는 제2 코팅
    을 더 포함하는, 연료 유동 구조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 코팅 및 상기 제2 코팅은: 금속 산화물 물질을 포함하고, 약 75 μm 내지 약 200 μm 범위의 두께를 갖는, 연료 유동 구조.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 밀봉 플레이트는:
    상기 유입 구멍을 둘러싸고, 상기 제1 코팅을 통해 노출되는 유입 밀봉 영역; 및
    상기 방출 구멍을 둘러싸고, 상기 제1 코팅을 통해 노출되는 방출 밀봉 영역
    을 포함하는, 연료 유동 구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 밀봉 플레이트의 유입 밀봉 영역 내에 배치된 제1 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부; 및
    상기 밀봉 플레이트의 방출 밀봉 영역 내에 배치된 제2 유리 또는 유리 세라믹 밀봉 링(seal ring)을 더 포함하고,
    제1 및 제2 유리 또는 유리 세라믹 밀봉들은, 상기 밀봉 플레이트 및 상기 매니폴드 플레이트를 유체 연결하도록 구성되는, 연료 유동 구조.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 매니폴드 플레이트는:
    상기 유입 구멍을 둘러싸고, 상기 제2 코팅을 통해 노출되는 유입 밀봉 영역; 및
    상기 방출 구멍을 둘러싸고, 상기 제2 코팅을 통해 노출되는 방출 밀봉 영역을 포함하고,
    상기 연료 유동 구조는:
    상기 매니폴드 플레이트의 유입 밀봉 영역에 배치되는 제3 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부; 및
    상기 매니폴드 플레이트의 방출 밀봉 영역에 배치되는 제3 밀봉 링을 더 포함하고,
    상기 제3 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부는, 상기 제1 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부 상에 적층되고, 제4 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부는, 상기 제2 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부 상에 적층되며, 제1, 제2, 제3 및 제4 유리 또는 유리 세라믹 밀봉들은 상기 밀봉 플레이트 및 상기 매니폴드 플레이트를 유체 연결하도록 구성되는, 연료 유동 구조.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 유입 도관 및 방출 도관은 각각, 금속 튜브, 금속 벨로우즈(metal bellows) 및 유전체 링(dielectric ring)을 포함하는, 연료 유동 구조.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은, 상기 커버 플레이트 및 상기 베이스 플레이트보다 높은 유전 강도(dielectric strength)를 갖는 세라믹 매트릭스 복합재(ceramic matrix composite material)를 포함하는, 연료 유동 구조.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트 및 상기 커버 플레이트는, 약 97% 내지 약 99.5% 범위의 밀도를 갖는 세라믹 재료를 포함하는, 연료 유동 구조.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트 및 상기 커버 플레이트는 알루미나를 포함하는, 연료 유동 구조.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 커버 플레이트는, 크롬종들(chrome species)이 상기 밀봉 플레이트로부터 상기 유전체층 내로 확산하는 것을 방지하도록 구성되는, 연료 유동 구조.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉 플레이트 및 상기 매니폴드 플레이트는, 23 내지 27 중량%의 크롬을 함유하는 스테인리스강 재료를 포함하는, 연료 유동 구조.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 밀봉 플레이트 및 상기 매니폴드 플레이트 각각은: 서로 납땜되는 각각의 스테인리스강 서브-플레이트를 포함하는, 연료 유동 구조.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는, 연료 전지 스택의 세라믹 커넥터와 짝을 이루도록(mate with) 구성된 돌출부를 포함하고;
    상기 매니폴드 플레이트는, 상기 매니폴드 플레이트를 집전 회로에 연결하기 위한 연결 지점을 제공하도록 구성된 전기 접촉부를 포함하는, 연료 유동 구조.
  18. 연료 전지 스택으로서,
    청구항 제1항의 연료 플레넘;
    상기 연료 플레넘 상에 적층된 상호접속부들; 및
    상기 상호접속부들 사이에 배치된 연료 전지들
    을 포함하는, 연료 전지 스택.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 연료 전지들은 고체 산화물 연료 전지들을 포함하고,
    상부 방출 구멍들은 상기 상호접속부들의 연료 유입구들에 유체 연결되고,
    상부 유입 구멍들은 상기 상호접속부들의 연료 방출구들에 유체 연결되는, 연료 전지 스택.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 유입 도관 통로에 배치되고, 상기 매니폴드 플레이트의 하부 유입 구멍에 연료를 제공하도록 구성되는 유입 도관; 및
    상기 방출 도관 통로에 배치되고, 상기 매니폴드 플레이트의 하부 방출 구멍으로부터 연료 배기를 수용하도록 구성되는 방출 도관
    을 더 포함하는, 연료 전지 스택.
KR1020220067281A 2021-06-08 2022-06-01 연료 플레넘 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 KR20220165655A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163208178P 2021-06-08 2021-06-08
US63/208,178 2021-06-08

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220165655A true KR20220165655A (ko) 2022-12-15

Family

ID=81878056

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220067281A KR20220165655A (ko) 2021-06-08 2022-06-01 연료 플레넘 및 이를 포함하는 연료 전지 스택

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220393219A1 (ko)
EP (1) EP4135082A1 (ko)
JP (1) JP2022187996A (ko)
KR (1) KR20220165655A (ko)
CN (1) CN115458786A (ko)
TW (1) TW202308201A (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230069014A (ko) * 2021-11-11 2023-05-18 블룸 에너지 코퍼레이션 내장형 유전체 레이어를 갖는 연료 전지 매니폴드 및 이의 제조 방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008103241A (ja) * 2006-10-20 2008-05-01 Toyota Motor Corp 燃料電池
EP2823526B1 (en) * 2012-03-09 2015-11-18 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell stack and seal plate used for the same
US10211478B2 (en) * 2015-10-07 2019-02-19 Bloom Energy Corporation Fuel cell stack column including stress-relief components

Also Published As

Publication number Publication date
TW202308201A (zh) 2023-02-16
EP4135082A1 (en) 2023-02-15
US20220393219A1 (en) 2022-12-08
CN115458786A (zh) 2022-12-09
JP2022187996A (ja) 2022-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11916263B2 (en) Cross-flow interconnect and fuel cell system including same
US8268502B2 (en) Fuel cell stack components
US7329471B2 (en) Methods and apparatus for assembling solid oxide fuel cells
KR20220138336A (ko) 연료 전지 스택을 위한 유리 세라믹 밀봉 재료
EP4135082A1 (en) Fuel plenum and fuel cell stack including same
US11870121B2 (en) Fuel cell column including stress mitigation structures
US20220336828A1 (en) Glass ceramic seal material for fuel cell stacks
EP4181244A2 (en) Fuel cell manifold having an embedded dielectric layer and methods of making thereof
US20230238546A1 (en) Fuel cell stacks including improved dielectric layers