KR20230005361A - 연료 전지 스택 어셈블리를 위한 유전체 분리기 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
연료 전지 컬럼은, 제1 및 제2 연료 전지 스택, 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 배치되고 제1 및 제2 연료 전지 스택에 연료를 제공하도록 구성된 연료 매니폴드, 및 연료 매니폴드와 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 위치하고, 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택을 연료 매니폴드로부터 전기적으로 절연하도록 구성되는 제1 및 제2 유전체 분리기를 포함한다. 제1 및 제2 유전체 분리기 각각은 세라믹 재료의 상부층, 세라믹 재료의 하부층, 상부층과 하부층 사이에 배치되고 상기 세라믹 재료보다 낮은 밀도 및 높은 유전 강도를 갖는 재료를 포함하는 중간층, 및 중간층을 상부층 및 하부층에 연결하는 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부를 포함한다.
Description
본 개시내용은 일반적으로 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 연료 전지 스택 어셈블리를 위한 유전체 분리기에 관한 것이다.
연료 전지는 연료에 저장된 에너지를 고효율로 전기 에너지로 전환할 수 있는 전기화학 장치들이다. 고온 연료 전지에는 고체 산화물 및 용융 탄산염 연료 전지가 포함된다. 이러한 연료 전지는 수소 및/또는 탄화수소 연료를 사용하여 작동할 수 있다. 가령, 고체 산화물 가역 연료 전지와 같은 연료 전지의 종류가 있으며, 이의 역 작동(reversed operation)도 가능하므로, 물 또는 다른 산화된 연료는 전기 에너지를 입력으로 사용하여 산화되지 않은 연료로 환원될 수 있다.
가령, 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템과 같은 고온 연료 전지 시스템에서, 산화 흐름은 연료 전지의 캐소드 측을 통과하는 한편, 연료 흐름은 연료 전지의 애노드 측을 통과한다. 산화 흐름은 일반적으로 공기인 반면 연료 흐름은 일반적으로 탄화수소 연료원을 개질하여 생성된 수소가 풍부한 가스이다. 750°C와 950°C 사이의 일반적인 온도에서 작동하는 연료 전지는, 캐소드 흐름 스트림에서 애노드 흐름 스트림으로 음으로 하전된 산소 이온의 수송을 가능하게 하고, 여기서 이온은 탄화수소 분자의 자유 수소 또는 수소와 결합하여, 수증기를 형성하거나 및/또는 일산화탄소와 결합하여 이산화탄소를 형성한다. 음으로 하전된 이온의 과잉 전자는, 애노드와 캐소드 사이에 완성된 전기 회로를 통해 연료 전지의 캐소드 측으로 다시 보내져서, 회로를 통해 전류가 흐른다.
연료 전지 스택은 연료 및 공기를 위해 내부적으로 또는 외부적으로 매니폴드될 수 있다. 내부 매니폴드 스택에서, 연료와 공기는 스택 내에 포함된 라이저(riser)를 사용하여 각 전지에 분배된다. 즉, 가스는 가령, 전해질층과 같은 각 연료 전지의 지지층과 각 전지의 가스 분리기의 개구부 또는 구멍을 통해 흐른다. 외부 매니폴드 스택에서, 스택은 연료 및 공기 유입구 및 방출구 측면에서 열려 있으며, 연료와 공기는 스택 하드웨어와 독립적으로 도입 및 수집된다. 예를 들어, 유입구 및 방출구 연료와 공기는, 스택과 스택이 위치한 매니폴드 하우징 사이의 별도 채널에서 유동한다.
연료 전지 스택은 평면형 요소, 튜브, 또는 다른 기하학적 형태의 다수의 전지들로부터 흔히 구축된다. 연료와 공기는, 클 수 있는 전기화학적 활성 표면에 제공되어야 한다. 연료 전지 스택의 하나의 구성 요소는, 스택의 개별 전지들을 분리하는 소위 가스 흐름 분리기(평면형 스택에서 가스 흐름 분리기 플레이트라고 함)이다. 가스 흐름 분리 플레이트는 스택의 한 전지의 연료 전극(즉, 애노드)으로 흐르는 가령, 수소 또는 탄화수소 연료와 같은 연료를, 스택의 인접한 전지의 공기 전극(즉, 캐소드)으로 흐르는 가령, 공기와 같은 산화제로부터 분리한다. 빈번하게, 가스 흐름 분리 플레이트는 하나의 전지의 연료 전극을 인접한 전지의 공기 전극에 전기적으로 연결하는 인터커넥트로도 사용된다. 이 경우, 인터커넥트 역할을 하는 가스 흐름 분리 플레이트는 전기 전도성 물질로 만들어지거나 이를 포함한다.
본 개시내용의 다양한 실시예에 따르면, 연료 전지 컬럼은 제1 및 제2 연료 전지 스택, 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 배치되고 제1 및 제2 연료 전지 스택에 연료를 제공하도록 구성된 연료 매니폴드, 및 연료 매니폴드와 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 위치되고, 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택을 연료 매니폴드로부터 전기적으로 분리하도록 구성된 제1 및 제2 유전체 분리기를 포함한다. 제1 및 제2 유전체 분리기는 각각 세라믹 물질의 상부층, 세라믹 물질의 하부층, 상부층과 하부층 사이에 배치되고 세라믹 물질보다 낮은 밀도 및 높은 유전 강도를 갖는 물질을 포함하는 중간층, 및 중간층을 상부 및 하부층에 연결하는 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 연료 전지 칼럼은 제1 및 제2 연료 전지 스택, 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 배치되고 제1 및 제2 연료 전지 스택에 연료를 제공하도록 구성된 연료 매니폴드, 제1 및 제2 연료 전지 스택, 및 연료 매니폴드와 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 위치되고, 연료 매니폴드로부터 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택을 전기적으로 분리하도록 구성된 제1 및 제2 유전체 분리기로서, 제1 및 제2 유전체 분리기는 각각 주변 프레임(peripheral frame), 상기 주변 프레임을 지지하도록 구성되고 프레임 내부에 배치되는 내부 지지부, 및 내부 지지부와 주변 프레임에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 내부 개구 및 연료 구멍들을 포함하는, 상기 제1 및 제2 유전체 분리기를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 연료 전지 칼럼은, 제1 및 제2 연료 전지 스택, 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 배치되고 제1 및 제2 연료 전지 스택에 연료를 제공하도록 구성된 연료 매니폴드, 및 연료 매니폴드와 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 위치되고, 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택을 연료 매니폴드로부터 전기적으로 분리하도록 구성된 제1 및 제2 유전체 분리기를 포함한다. 제1 및 제2 유전체 분리기 각각은, 세라믹 재료를 포함하는 상부층, 세라믹 재료를 포함하는 하부층, 공기 갭이 상부층과 하부층 사이에 위치하도록 하부층으로부터 상부층을 오프셋(offset)하는 적어도 하나의 돌출부, 및 상부층을 하부층에 연결하는 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 유전체 분리기를 형성하는 방법은, 유전체 재료를 포함하는 중간층, 그린(green) 세라믹 재료를 포함하는 상부층, 그린 세라믹 재료를 포함하는 하부층, 및 중간층과 각각의 상부 및 하부층 사이에 배치된 유리 또는 유리 세라믹 밀봉 재료를 포함하는 어셈블리를 형성하는 단계, 상부 및 하부층을 조밀화하기 위해 어셈블리를 소결하고 유리 또는 유리 세라믹 밀봉 재료를 리플로우하는 단계, 및 소결된 어셈블리를 절단하여 유전체 분리기를 형성하는 단계를 포함한다.
도 1은 종래 기술의 연료 전지 스택 어셈블리의 3차원 도면이다.
도 2a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 전기적으로 절연된 연료 매니폴드를 갖는 연료 전지 스택 어셈블리의 3차원도이고, 도 2b는 도 2a의 연료 전지 스택 어셈블리의 3차원 분해도이다.
도 3a는 도 2a의 연료 전지 스택 어셈블리의 일부의 3차원 클로즈업이고, 도 3b는 도 2a의 연료 전지 스택 어셈블리의 다른 부분의 3차원 클로즈업이다.
도 4a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 유전체 분리기의 부분 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 분리기의 분해 사시도이다.
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 에지 밀봉부를 포함하는 유전체 분리기의 평면도이다.
도 6은 본 개시내용의 대안적인 실시예에 따른, 유전체 분리기의 평면도이다.
도 7a는 본 개시내용의 다른 대안적인 실시예에 따른 유전체 분리기의 절단도이다.
도 7b는 도 7a의 B-B'선을 따른 유전체 분리기의 측단면도이다. 도 7b의 평면 A-A'는 도 7a의 절단 평면에 대응한다.
도 8a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 테이프 캐스팅에 의해 형성된 유전체 분리기 밀봉부를 도시하는 사진이고, 도 8b는 밀봉 재료 잉크를 디스펜싱(dispense)하여 형성된 밀봉부들을 도시하는 사진이다.
도 9는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 유전체 분리기의 제조 방법을 도시한 사시도이다.
도 2a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 전기적으로 절연된 연료 매니폴드를 갖는 연료 전지 스택 어셈블리의 3차원도이고, 도 2b는 도 2a의 연료 전지 스택 어셈블리의 3차원 분해도이다.
도 3a는 도 2a의 연료 전지 스택 어셈블리의 일부의 3차원 클로즈업이고, 도 3b는 도 2a의 연료 전지 스택 어셈블리의 다른 부분의 3차원 클로즈업이다.
도 4a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 유전체 분리기의 부분 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 분리기의 분해 사시도이다.
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 에지 밀봉부를 포함하는 유전체 분리기의 평면도이다.
도 6은 본 개시내용의 대안적인 실시예에 따른, 유전체 분리기의 평면도이다.
도 7a는 본 개시내용의 다른 대안적인 실시예에 따른 유전체 분리기의 절단도이다.
도 7b는 도 7a의 B-B'선을 따른 유전체 분리기의 측단면도이다. 도 7b의 평면 A-A'는 도 7a의 절단 평면에 대응한다.
도 8a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 테이프 캐스팅에 의해 형성된 유전체 분리기 밀봉부를 도시하는 사진이고, 도 8b는 밀봉 재료 잉크를 디스펜싱(dispense)하여 형성된 밀봉부들을 도시하는 사진이다.
도 9는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 유전체 분리기의 제조 방법을 도시한 사시도이다.
구성요소 또는 층이 다른 구성요소 또는 층의 "위에 있는(on)" 또는 "연결된" 것으로 언급되는 경우, 이는 다른 구성요소 또는 층 바로 위에 또는 이에 직접 연결될 수 있거나, 또는 중간의 구성요소 또는 층이 존재할 수 있다. 대조적으로, 구성요소가 다른 구성요소 또는 층의 "바로 위에" 또는 "직접 연결된" 것으로 언급되는 경우, 중간 구성요소 또는 층이 존재하지 않는다. 본 개시내용의 목적을 위해, "X, Y, 및 Z 중의 적어도 하나"는 X 단독, Y 단독, Z 단독, 또는 2개 이상의 항목들 X, Y, 및 Z(예컨대, XYZ, XYY, YZ, ZZ)의 임의의 조합으로 해석될 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 연료 전지 스택 어셈블리(100)를 도시한다. 도 1을 참조하면, 연료 전지 스택 어셈블리(100)는 연료 전지 스택 컬럼(140), 컬럼(140)의 양측에 배치된 사이드 배플(220), 하부 블록(53), 및 상부 블록(63)을 포함하는 압축 어셈블리(60)를 포함한다. 칼럼은, 8개의 연료 전지 스택(14), 연료 전지 스택(14) 사이에 배치된 연료 매니폴드(204), 및 컬럼(140)의 대향 단부에 배치된 종단 플레이트(27)를 포함한다. 연료 전지 스택(14)은 서로의 위에 적층되고 인터커넥트에 의해 분리되는 복수의 연료 전지들을 포함한다. 복수의 연료 전지 스택 어셈블리들(100)이 베이스에 부착될 수 있다.
예시적인 연료 매니폴드(204)가 미국 출원 제11/656,563호에 기술되어 있으며, 그 전문이 참조로 본 명세서에 통합된다. 원하는 경우, 연료 전지 스택(14)의 인접한 연료 전지의 인접한 단부 플레이트 사이에 임의의 수의 연료 매니폴드(204)가 제공될 수 있다.
측면 배플(220)은 압축 어셈블리(60)의 상부 블록(63)과 하부 블록(53)을 연결한다. 측면 배플(220), 압축 어셈블리(60) 및 하부 블록(53)을 통칭하여 "스택 하우징"으로 지칭할 수 있다. 스택 하우징은 컬럼(140)에 압축 하중을 가하도록 구성된다. 스택 하우징의 구성은 값비싼 피드-스루(feed-throughs) 및 결과적인 타이 로드 히트 싱크(tie rod heat sinks)를 제거하고, 두 가지 목적으로 동일한 부분(즉, 측면 배플(220))을 사용한다: 스택(14)에 대한 부하 배치 및 캐소드 공급 흐름 스트림의 유도(direct)(예를 들어, 스택의 링형 배열의 경우, 공기 또는 다른 산화제와 같은 캐소드 유입 스트림이 링형 배열 외부의 매니폴드로부터 스택을 통해 제공될 수 있고, 캐소드 배기 스트림으로서 링형 배열 내부에 위치한 매니폴드로 빠져나갈 수 있다). 측면 배플(220)은 또한, 시스템의 금속 구성요소로부터 연료 전지 스택(14)을 전기적으로 절연시킬 수 있다. 칼럼(140) 상의 부하(load)는, 측면 배플(220) 및 하부 블록(53)에 의해 제자리에 유지되는 압축 어셈블리(60)에 의해 제공될 수 있다. 즉, 압축 어셈블리(60)는 칼럼(140)의 스택들(14)을 하부 블록(53)을 향해 바이어싱할 수 있다.
측면 배플(220)은 쐐기형이 아닌 플레이트형일 수 있고, 배플 플레이트(202) 및 배플 플레이트(202)를 하부 블록(53) 및 압축 어셈블리(60)에 연결하도록 구성된 세라믹 인서트(46)를 포함한다. 특히, 배플 플레이트(202)는 인서트(46)가 배치되는 일반적으로 원형 컷아웃(circular cutouts; 52)을 포함한다. 인서트(46)는 컷아웃(52)을 완전히 채우지 않는다. 인서트(46)는 일반적으로 나비넥타이 형상이지만, 완전히 둥근 에지보다는 평평한 에지(flat edge; 51)를 포함한다. 따라서, 인서트(46) 위 또는 아래의 각각의 컷아웃(52)에 빈 공간이 남게 된다.
일반적으로, 측면 배플(220)은 알루미나 또는 다른 적절한 세라믹과 같은 고온 내성 재료로 제조된다. 다양한 실시예에서, 측면 배플(220)은 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)로 제조된다. CMC는 예를 들어, 산화 알루미늄(예를 들어, 알루미나), 산화 지르코늄 또는 탄화 규소의 매트릭스를 포함할 수 있다. 다른 매트릭스 재료도 선택될 수 있다. 섬유는 알루미나, 탄소, 탄화 규소, 또는 임의의 다른 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 하부 블록(53) 및 압축 어셈블리(60)도 또한, 동일하거나 유사한 재료로 제조될 수 있다. 압축 하우징을 위한 특정 재료의 선택은, 아래에서 자세히 설명한다.
매트릭스 및 섬유의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 또한, 섬유는 CMC의 피로 특성을 개선하도록 설계된 계면층으로 코팅될 수 있다. 원하는 경우, CMC 배플은 개별 인터로킹 배플 플레이트가 아닌 단일 CMC 재료 조각으로 만들 수 있다. CMC 재료는 배플 강도와 크리프 저항(creep resistance)을 증가시킬 수 있다. 배플이 알루미나 또는 알루미나 섬유/알루미나 매트릭스 CMC로 만들어진 경우, 이 재료는 일반적인 SOFC 작동 온도(예컨대, 700°C 이상)에서 비교적 우수한 열 전도체이다. 인접한 스택이나 칼럼의 열적인 분리가 필요한 경우, 배플은 단열 세라믹 또는 CMC 재료로 만들 수 있다.
하부 블록(53) 및 압축 어셈블리(60)와 같은 압축 하우징의 다른 구성요소들도 동일하거나 유사한 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 하부 블록(53)은, 측면 배플(220) 및 시스템 베이스에 (예를 들어, 인서트, 도브테일 또는 다른 도구에 의해) 별도로 부착되는, 가령 알루미나 또는 CMC와 같은 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 세라믹 블록 재료의 사용은, 히트 싱크의 생성을 최소화하고, 세라믹 배플을 금속 베이스에 연결하는 문제를 제거하여, 열팽창 인터페이스 문제를 유발한다. 압축 하우징의 구성요소에 대한 특정 재료 선택은 아래에서 자세히 설명한다.
연료 레일(214)(예를 들어, 연료 유입구 및 방출구 파이프 또는 도관)은 칼럼(140)의 스택(14) 사이에 위치한 연료 매니폴드(204)에 연결된다. 연료 레일(214)은 금속 튜브(218)에 납땜된 세라믹 튜브(216)를 포함한다. 금속 튜브(218)는 일실시예에서 압축성 벨로우즈 튜브를 포함한다. 연료 전지 레일(214)은, 연료 전지 매니폴드(204)를 통해 연료 전지 스택의 컬럼(140)에 있는 스택(14)의 각 쌍으로 연료를 전달하는 데 사용된다. 이러한 시스템에서, 세라믹 튜브(216)는 인접한 연료 매니폴드들(204) 사이에 위치하여서 스택(14)의 칼럼(140)의 인접 스택들(14) 사이의 단락을 방지한다. 세라믹 튜브(216)는 상대적으로 비싸고 금속 튜브(218)에 납땜하기 어렵다. 세라믹 튜브(216)는 또한, 연료 전지 시스템의 열 사이클링 동안 생성된 열 응력으로 인해 균열이 생기기 쉽다.
도 2a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 전기적으로 절연된 연료 매니폴드를 갖는 연료 전지 스택 어셈블리(200)의 3차원 도면이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 연료 전지 스택 어셈블리(200)의 분해도이다. 도 3a는 도 2a에 도시된 전기적으로 절연된 연료 매니폴드를 갖는 연료 전지 스택 어셈블리(200)의 일부의 클로즈업을 도시한다. 도 3b는 도 2a에 도시된 전기적으로 절연된 연료 매니폴드(204)를 갖는 연료 전지 스택 어셈블리(200)의 다른 부분의 클로즈업을 도시한다.
도 2a 내지 3b를 참조하면, 연료 매니폴드(204)에 의해 분리된 인접한 연료 전지 스택(14)의 쌍 사이에 전기적 절연을 제공하기 위해 연료 레일(214)의 전체 길이에 납땜 세라믹 및 금속 튜브를 사용하는 대신에, 유전체 분리기(400)가 연료 매니폴드(204) 및 인접 연료 전지 스택들(14) 사이에 제공된다. 유전체 분리기(400)는 가령, 알루미나, 세라믹 매트릭스 복합체 등과 같은 임의의 적절한 전기 절연 재료를 포함할 수 있다. 연료 레일(214)은, 생략될 수 있는 (예를 들어, 세라믹) 튜브(216) 유전체를 필요로 하지 않고 전적으로 금속으로 만들어질 수 있다. 일실시예에서, 연료 레일(214)은 금속 벨로우즈(218) 및 직선형 금속 튜브(219)만을 포함한다.
점퍼(jumper; 250)는, 전류가 연료 매니폴드(204)를 통해 흐르지 않고, 제1 연료 전지 스택(14)으로부터 연료 전지 스택 칼럼(140)의 연료 매니폴드(204)에 의해 제1 스택(14)으로부터 이격된 인접한 제2 연료 전지 스택(14)으로 흐를 수 있도록 제공될 수 있다. 점퍼(250)는 연료 매니폴드(204) 및 유전체 분리기(400) 주위에서 제1 및 제2 연료 전지 스택들(14)과 전기적으로 접촉하도록 배치될 수 있다. 점퍼(250)는 임의의 적절한 전도체, 예컨대, 금속 이나 금속 합금, 가령 Inconel 718(또는 다른 Inconel 합금) 또는 Cr-Fe 5 중량% 합금으로 제조될 수 있고, 다양한 구성요소를 쉽게 밀봉하기 위해, 스택(14) 및 유전체 분리기(400)의 열팽창 계수에 가까운 열팽창 계수를 가질 수 있다. 점퍼(250)는 일반적으로 상부 및 하부가 인접한 제1 및 제2 스택(14) 각각과 전기적으로 접촉하고, 상부 및 하부를 연결하는 점퍼(250)의 측면이 연료 매니폴드(204)를 둘러싸고, 연료 매니폴드(204)를 접촉하지 않는, "C"자 형상을 가질 수 있다. 일실시예에서, 매니폴드(204)를 향하는 점퍼(250)의 내부 표면은, 유전체 분리기(400) 또는 연료 매니폴드(204)의 표면 상의 유전체 분리기(400)의 코팅 대신에 또는 이에 추가로 유전체 재료로 코팅될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 유전체 분리기(400)에는 연료 매니폴드(204)로부터의 연료가 연료 전지 스택(14)으로 흐르도록 하는 연료 구멍(258)이 제공된다. 유리 밀봉부 또는 적절한 가스켓과 같은 밀봉부가 연료 구멍들(258) 주위에 형성될 수 있다. 일실시예에서, 열전쌍 슬롯(257)과 같은 다른 피처들이 유전체 분리기(400)에 제공되어서, 열전대(thermocouple)가 슬롯(257)을 통과할 수 있도록 한다. 도 3b에 도시된 실시예에서, 모듈 전압 와이어를 부착하는데 사용될 수 있는 탭(254)이 점퍼(250)에 제공된다.
유전체 분리기(Dielectric Separators)
도 4a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 유전체 분리기(400)의 부분 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 분리기(400)의 분해 사시도이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 분리기(400)는 도 2a의 연료 전지 스택 어셈블리(200)에 이용될 수 있다.
분리기(400)는: 상부층(402), 하부층(404), 중간층(406), 연료 구멍(408) 및 밀봉부(410)를 포함할 수 있다. 연료 구멍(408)은 상부, 하부 및 중간층(402, 404, 406)에 형성된 동심의 관통 구멍을 포함할 수 있다.
상부 및 하부층(402, 404)은 고밀도 유전체 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 및 하부층(402, 404)은, 예를 들어, 알루미나, 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 예컨대 3% 이트리아 안정화 지르코니아 등과 같은 실질적으로 비-다공성의 전기 절연 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 상부 및 하부층(402, 404)은 분리기(400)에 구조적 강성을 제공하기 위해 강성 플레이트의 형태일 수 있다.
또한, 상부 및 하부층(402, 404)은 크로미아(chromia)와 같은 인접한 연료 전지로부터 방출되는 유출물 종에 대해 실질적으로 불투과성일 수 있다. 따라서, 상부 및 하부층들(402, 404)은 유출 종들이 중간층(406)에 진입하여 그 유전 강도를 감소시키는 것을 방지할 수 있다.
중간층(406)은 상부 및 하부층(402, 404) 사이에 개재될 수 있고, 상부 및 하부층(402, 404)보다 높은 유전 강도를 갖는 다공성 및/또는 고표면적 재료로 형성될 수 있다. 다시 말해서, 중간층의 절연 재료는 전기 파괴 없이 더 높은 최대 전기장을 견딜 수 있고, 상부 및 하부층(402, 404)의 절연 재료보다 전기 전도성이 될 수 있다(즉, 더 높은 항복 전압을 가짐). 본 발명자들은, 이러한 세라믹 재료의 전도성을 증가시킬 수 있는, 가령 Na 이온들과 같은 알카리 이온의 존재로 인해, 이러한 세라믹 재료를 이용하면서 높은 유전체 강도를 유지하는 것이 연료 전지 시스템에서 어려울 수 있음을 발견하였다. 따라서, 중간층(406)은 분리기(400)의 총 유전 강도를 증가시키도록 작동할 수 있다.
일부 실시예에서, 중간층(406)은 3M Co.로부터 입수가능한 가령, Nextel 세라믹 직물 번호 312, 440 또는 610과 같이, 고온에서 전기 절연성이 높은 다공성 세라믹 원사(yarn) 또는 직물로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 중간층(406)은 세라믹 매트릭스 복합재(CMC) 층, 또는 높은 표면적 대 체적 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 선택될 수 있다. 섬유는 알루미나, 탄소, 탄화 규소, 또는 임의의 다른 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 일실시예에서, 매트릭스 및 섬유 모두는 알루미나를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 밀봉부(410)는 링 밀봉부일 수 있고, 고온 유리 또는 유리 세라믹 재료, 예를 들어 실리케이트 또는 알루미노실리케이트 유리 또는 유리 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 밀봉부(410)는 상부 및 하부층(402, 404)을 중간층(406)에 연결하도록 작동할 수 있고, 연료 구멍(408)을 기밀하게 밀봉할 수 있다.
분리기(400)의 개별 구성요소(예를 들어, 층(402, 404, 406) 및 선택적으로 밀봉부(410))를 위한 재료는, 각 구성요소의 주성분이 동일하도록 선택될 수 있다. 여기서, 주성분이란 구성성분 중에 가장 많이 존재하는 구성성분을 말한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 구성요소(402, 404, 406 및 선택적으로410)의 주성분은 알루미나일 수 있다. 동일한 주성분을 갖는 것은, 구성요소(402, 404, 406, 410)의 결합을 용이하게 할 수 있고, 연료 전지 컬럼(200)과 독립적으로 분리기(400)의 소결을 허용할 수 있다.
일부 실시예에서, 분리기(400)는 추가 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 분리기(400)는, 3개 이상의 조밀한 세라믹층들 사이에 배치된 2개 이상의 다공성 세라믹 직물 또는 CMC 층들을 포함할 수 있으며, 층들은 대응하는 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부에 의해 연결된다.
일부 실시예에서, 상부 및 하부층(402, 404)의 내부 표면에는, 추가의 공기 및/또는 밀봉 재료 포획(entrapment)을 제공하도록 구성된 조면화된(roughened) 또는 샤그형(shag-like) 텍스처가 제공될 수 있다. 연료 구멍(408)의 개선된 밀봉을 제공하기 위해, 연료 구멍(408)을 둘러싸는 상부 및 하부층(402, 404) 부분의 밀도는, 상부 및 하부층(402, 404)의 나머지 부분에 비해 증가될 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 구멍(408)을 둘러싸는 추가의 유리 링 밀봉부(412)가 상부층(402)의 상부 및 하부층(404)의 하부 상에 배치될 수 있다. 추가 밀봉부(412)는, 분리기(400)를 가령, 연료 전지 스택 또는 연료 매니폴드와 같은 인접한 연료 전지 칼럼 구성요소에 대해 밀봉하도록 사용될 수 있다.
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 에지 밀봉부(414)를 포함하는 분리기(400)의 평면도로서, 명료함을 위해 상부층(402)이 생략되어 있다. 도 5를 참조하면, 에지 밀봉부(414)는, 연료 구멍 밀봉부(410)에 추가로 포함될 수 있고 분리기(400)의 대향하는 에지를 따라 연장될 수 있다. 따라서, 에지 밀봉부(414)는, 분리기(400)의 층들 사이에 개선된 접착력을 제공할 수 있다. 에지 밀봉부(414)는 예를 들어, 테이프 캐스팅, 분배 또는 딥 코팅(dip coating)에 의해 형성될 수 있다.
도 6은 본 개시내용의 대안적인 실시예에 따른 유전체 분리기(600)의 평면도이다. 도 6을 참조하면, 분리기(600)는, 분리기(400)의 상부 및 하부층(402, 404)과 관련하여 전술한, 가령 고밀도 유전체 재료와 같은 고밀도 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 분리기(600)는 주변 프레임(602) 및 프레임(602) 내부에 배치된 내부 지지부(604)를 포함할 수 있다. 프레임(602) 및 지지부(604)는, 내부 개구(606) 및 연료 구멍(608)을 적어도 부분적으로 정의할 수 있다. 따라서, 분리기(600)는 분리기(400)의 복합 적층 구조와 반대로 단일체 구조를 가질 수 있다.
링 밀봉부(610)는, 연료 구멍(608)을 둘러싸는 분리기(600)의 상부 표면 및 하부 표면에 배치될 수 있다. 밀봉부(610)는 밀봉부(410)에 대해 전술한 것과 동일한 유리 재료로 형성될 수 있다. 밀봉부(610)는, 연료 전지 스택 및 연료 매니폴드와 같은 인접한 연료 전지 칼럼 구성요소에 분리기(600)를 밀봉하도록 구성된다. 분리기(600)는 선택적으로 열팽창 및 수축의 영향을 감소시키기 위해 분리기(600)가 절단되는 릴리프 절단부(relief cuts; RC)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 릴리프 절단부(RC)는, 인접한 금속 부품의 열 팽창으로 인해 유리 밀봉부(610)에 가해지는 응력을 감소시킬 수 있고, 이에 의해 열 사이클링 동안 유리 밀봉부(610)의 전단을 감소 및/또는 방지할 수 있다.
도 7a 및 7b는 본 개시내용의 다른 대안적인 실시예에 따른 유전체 분리기(400A)를 도시한다. 이 실시예에서, 중간층(406)은 생략되고 에어 갭(418)으로 대체된다. 공기는 상부층(402) 및 하부층(404)의 세라믹 재료보다 더 높은 유전 파괴 강도를 갖는다. 상부층(402) 또는 하부층(404)은, 상부층(402) 또는 하부층(404) 중 다른 하나와 마주하는 측면에 적어도 하나의 돌출부(416)를 포함한다. 적어도 하나의 돌출부(416)는, 에어 갭(418)이 상부층(402) 및 하부층(404) 사이에 위치하도록 상부층(402)을 하부층(404)으로부터 오프셋한다. 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(410)는 도 7a에 도시된 바와 같이 상부층(402)을 하부층(404)에 연결한다. 밀봉부(410)는, 전술한 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다.
일실시예에서, 적어도 하나의 돌출부(416)는, 하부층(404)의 상면을 향하는 상부층(402)의 하부 측면에 위치될 수 있다. 에어 갭(418)이 상부층(402)과 하부층(404) 사이에 위치하도록 적어도 하나의 돌출부(416)는 하부층(404)의 상부 측과 접촉한다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 돌출부(416)는 상부층(402)의 하부측을 향하는 하부층(404)의 상부측 상에 위치될 수 있다. 적어도 하나의 돌출부(416)는, 에어 갭(418)이 상부층(402)과 하부층(404) 사이에 위치하도록, 상부층(402)의 하부측과 접촉한다.
다른 실시예에서, 돌출부(416)는, 상부층(402)의 하부측 및 하부층(404)의 상부측 모두에 위치될 수 있다. 이 실시예에서, 상부층(402)의 하부측에 있는 적어도 하나의 돌출부(416)는, 하부층(404)의 상부측에 있는 적어도 하나의 돌출부(416)와 접촉할 수 있다. 대안적으로, 상부 및 하부층 상의 돌출부(416)가 서로로부터 오프셋될 수 있어서, 상부층(402)의 하부측 상의 적어도 하나의 돌출부(416)가 하부층(404)의 상부측과 접촉할 수 있고, 하부층(404)의 상부측 상의 적어도 하나의 추가 돌출부(416)가 상부층(402)의 하부측과 접촉하게 할 수 있다. 돌출부들(416)은, 상부층(402)과 하부층(404) 사이에 위치한 에어 갭(418)을 형성하도록 서로로부터 상부 및 하부층들을 수직으로 오프셋한다.
임의의 수의 돌출부(416)가, 상부층(402) 및/또는 하부층(404) 상에 위치될 수 있다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이, 4개의 돌출부(416)가 상부층(402)의 하부측 및/또는 하부층(404)의 상부측 상에 형성될 수 있다. 그러나, 1, 2, 3 또는 4개 이상의 돌출부(416)가 형성될 수 있다. 돌출부(416)는 가령, 알루미나, 지르코니아 또는 YSZ와 같은 상부층 및 하부층의 세라믹 재료와 동일한 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 돌출부(416)는 임의의 적절한 수평 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 돌출부(416)는, 원형 수평 단면 형상을 갖는 채워진 실린더를 포함한다. 그러나, 가령, 다각형(예를 들어, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 육각형 등), 타원형 또는 불규칙한 형상과 같은 다른 적절한 수평 단면 형상들이 사용될 수 있다. 돌출부(416)는, 임의의 적절한 세라믹 처리 방법을 사용하여 상부 또는 하부층과 동시에 형성될 수 있다.
유전체 분리기의 제조 방법(Dielectric Separator Fabrication Methods)
도 8a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 직물 중간층(406) 상에 테이프 캐스팅에 의해 형성된 유전체 분리기 밀봉의 밀봉부들을 보여주는 사진이고, 도 8b는 CMC 중간층(406) 상에 밀봉 재료 잉크(seal material ink)를 분배(dispense)함으로써 형성된 밀봉부를 보여주는 사진이다. 도 4a, 4b, 8a 및 8b를 참조하면, 일부 실시예에서, 분리기(400)는, 연료 구멍들(408)을 둘러싸고 밀봉부(410)를 형성하기 위해, 중간층(406)의 적어도 하나의 측면에, 또는 상부 및 하부층(402) 중 하나 또는 둘 모두에 밀봉 재료를 적용함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 재료는, 도 8a에 도시된 바와 같이 테이프 캐스팅(tape casting)에 의해 중간층(406)에 도포될 수 있다. 상부 및 하부층(402, 404)은 세라믹 재료를 테이프 캐스팅함으로써 형성된 세라믹 플레이트들일 수 있다. 따라서, 상부 및 하부층(402, 404)은 초기에 그린(green)(다공성(porous)) 상태에 있을 수 있다.
대안적으로, 도 8b에 도시된 바와 같이, 중간층(406)은 상부 및 하부층(402, 404) 중 하나 위에 배치될 수 있고, 가령 밀봉 재료 잉크와 같은 유체 밀봉 재료(410A)는, 연료 구멍(408) 주위에 하부층(404) 및/또는 중간층(406) 상에 분배될 수 있다. 밀봉 재료 잉크는, 실리케이트 또는 알루미노실리케이트 유리 또는 유리 세라믹 밀봉 재료, 용매, 및/또는 결합제(binder)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 밀봉 재료 또는 임의의 적합한 소결 보조제는, 도 5에 도시된 바와 같이, 예를 들어 테이프 캐스팅, 분배 또는 침지 코팅에 의해, 상부 및 하부층(402, 404)의 에지 사이에 도포될 수 있다.
그 다음, 층들(402, 404, 406)은 함께 적층되어 분리기(400)를 형성할 수 있다. 그 다음, 분리기(400)는, 밀봉 재료의 리플로우 온도보다 높은 온도에서 가열(예를 들어, 소결)될 수 있다. 예를 들어, 분리기(400)는, 유리 밀봉이 중간층(406) 안으로 및/또는 연료 구멍들(408) 주위로 유동하고, 상부 및 하부층(402, 404)의 표면들과 본딩하도록, 약 950℃ 이상, 가령 약 975℃ 내지 약 1000℃ 범위의 온도로 가열될 수 있다. 가열은 또한, 상부 및 하부층(402, 404)을 소결함으로써 상부 및 하부층(402, 404)을 조밀화(densify)할 수 있다. 일부 실시예에서, 분리기는 소결 과정에서 압축될 수 있다.
일부 실시예에서, 소결 전에 분리기(400)에 진공이 적용될 수 있다. 진공은 밀봉 재료를 중간층(406) 내로 및/또는 상부 및 하부층(402, 404)의 기공, 예를 들어 연료 구멍(408)에 인접한 기공 내로 이동(drive)하도록 작동할 수 있다. 예를 들어, 밀봉(410)은 액체 소결 보조제와 함께 또는 이 보조제 없이 진공 주조에 의해 형성될 수 있다.
중간층(406)이 CMC 플레이트인 실시예에서, 분리기(400)는 세라믹 분말을 중간층(406)의 대향하는 측면들 상에 플라즈마 분무함으로써 형성되어서, 상부 및 하부층(402, 404)을 형성할 수 있다. 플라즈마 분무 전 또는 후에 밀봉 재료가 중간층(406)에 도포될 수 있다. 그 다음, 분리기(400)가 가열되어 세라믹 분말을 조밀화하고, 상부 및 하부층(402, 404)을 중간층(406)에 접합할 수 있다. 가열은 또한, 밀봉 재료를 리플로우하는 것을 포함할 수 있다.
도 9는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 유전체 분리기(800)의 제조 방법을 도시하는 사시도이다. 도 9를 참조하면, 유리 밀봉 재료는 그린 상태일 수 있는 둘 이상의 세라믹 플레이트(802)에 적용될 수 있고/있거나 CMC층들 또는 세라믹섬유층들과 같은 하나 이상의 다공성 유전체 층(806)에 적용될 수 있다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 밀봉 재료는 후술하는 바와 같이 연료 구멍 및/또는 후속적으로 형성되는 분리기의 에지 영역에 대응하는 특정 위치에 적용될 수 있다. 세라믹 플레이트(802)는, 예를 들어, 알루미나, 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아 등과 같은 세라믹 재료를 테이프 캐스팅함으로써 형성될 수 있다.
그 다음, 유전체층(806)은 세라믹 플레이트들(802) 사이에 적층되어서, 적층 어셈블리(820)를 형성할 수 있다. 어셈블리(820)는 세라믹 플레이트들(802)을 조밀화하고, 밀봉 재료를 리플로우시키기에 충분한 온도, 예를 들어 약 950 내지 약 1000℃ 범위의 온도와 같은 온도에서 소결될 수 있다. 그 결과, 밀봉 재료는 어셈블리(820)의 층들을 물리적으로 연결할 수 있다. 일부 실시예에서, 유전체층(806)으로의 시일 재료의 함침(impregnation)을 용이하게 하기 위해, 소결 전 및/또는 소결 동안 어셈블리(820)에 진공이 적용될 수 있다.
그 다음, 소결된 어셈블리(820)는 절단 및/또는 형상화되어, 개별 유전체 분리기(800)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 어셈블리(820)는 분리기(400)의 주변 형상을 형성하고, 그 내부에 연료 구멍(408)을 형성하도록 절단될 수 있다.
도 9에는 3개의 세라믹 플레이트(802)와 2개의 다공성 유전체층(802)이 도시되어 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 2개의 세라믹 플레이트(802) 및 하나의 다공성 유전체층(806)이 어셈블리(820)를 형성하는 데 사용될 수 있거나, 어셈블리(820)가 4개 이상의 세라믹 플레이트(802) 및 3개 이상의 다공성 유전체층(806)을 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 세라믹 플레이트(802)는 유전체층(806)의 대향 측면 상에 세라믹 재료를 분무함으로써 형성될 수 있고, 어셈블리를 형성할 수 있다. 예를 들어, 세라믹 재료는 유전체 층(806) 상에 플라즈마 분무될 수 있다. 어셈블리는 세라믹 재료를 조밀화하고 세라믹 판(802)을 형성하기 위해 소결될 수 있다. 소결된 어셈블리는 개별 분리기(800)를 형성하도록 선택적으로 절단될 수 있다.
전술한 내용이 특정의 바람직한 실시예들을 언급하지만, 본 발명은 그렇게 제한되지는 않는다는 것이 이해될 것이다. 개시된 실시예들에 대해 다양한 수정이 이루어질 수 있고, 그러한 수정이 본 발명의 범위 내에 있도록 의도된다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 본 명세서에 인용된 모든 간행물, 특허출원 공보 및 특허 공보는 그 전체가 참조로 본 명세서에 통합된다.
Claims (20)
- 연료 전지 컬럼으로서,
제1 및 제2 연료 전지 스택;
상기 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 배치되고, 상기 제1 및 제2 연료 전지 스택에 연료를 제공하도록 구성된 연료 매니폴드; 및
상기 연료 매니폴드와 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 위치되고, 상기 연료 매니폴드로부터 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택을 전기적으로 절연하도록 구성된 제1 및 제2 유전체 분리기(dielectric separator)로서, 상기 제1 및 제2 유전체 분리기는 각각:
세라믹 재료를 포함하는 상부층;
상기 세라믹 재료를 포함하는 하부층;
상기 상부층과 하부층 사이에 위치하며, 상기 세라믹 재료보다 밀도가 낮고 유전 강도(dielectric strength)가 높은 재료를 포함하는 중간층; 및
상기 중간층을 상기 상부층 및 하부층에 연결하는 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부를 포함하는, 상기 제1 및 제2 유전체 분리기;
를 포함하는, 연료 전지 컬럼. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 유전체 분리기의 상부층, 중간층 및 하부층에 형성된 동심의 관통 구멍들(concentric through holes)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 유전체 분리기의 양 측면에 형성되는 연료 구멍들을 더 포함하고,
상기 밀봉부는, 중간층의 상부 및 하부 표면 상에 배치되고 상기 제1 및 제2 유전체 분리기 각각의 연료 구멍들을 둘러싸는 링 밀봉부를 포함하는, 연료 전지 컬럼. - 제2항에 있어서,
상기 중간층의 상부 및 하부 표면의 대향하는 에지를 따라 연장되고, 유리 재료를 포함하는 에지 밀봉부들을 더 포함하는, 연료 전지 컬럼. - 제1항에 있어서,
상기 중간층은 세라믹 직물을 포함하는, 연료 전지 컬럼. - 제1항에 있어서,
상기 중간층은 세라믹 매트릭스 복합재(ceramic matrix composite)를 포함하는, 연료 전지 컬럼. - 제1항에 있어서,
상기 중간층의 표면적 대 부피의 비율은, 상기 상부층 및 하부층의 표면적 대 부피의 비율보다 크며,
상기 세라믹 재료는 알루미나, 지르코니아 또는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 포함하는, 연료 전지 컬럼. - 제1항에 있어서,
상기 상부층, 중간층 및 하부층의 주성분이 동일한, 연료 전지 컬럼. - 제7항에 있어서,
상기 주성분이 알루미나 또는 지르코니아인, 연료 전지 컬럼. - 제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 유전체 분리기는 각각:
상기 상부층의 상부에 배치된 세라믹 직물 또는 세라믹 매트릭스 복합재의 제1 추가층;
상기 제1 추가층의 상부에 배치된 세라믹 재료의 제2 추가층; 및
상기 제1 추가층의 상부 및 하부 표면들 상에 배치되고, 상기 제1 추가층의 관통 구멍들을 둘러싸고, 유리 또는 유리 세라믹 재료를 포함하는 추가 링 밀봉부들을 더 포함하는, 연료 전지 컬럼. - 제1항에 있어서,
상기 연료 매니폴드와 제1 및 제2 유전체 분리기를 우회하는 전기 전도성 점퍼를 더 포함하고, 상기 전기 전도성 점퍼는 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에서 전기를 전도하도록 구성되는, 연료 전지 컬럼. - 제2항에 있어서,
상기 연료 구멍들은, 상기 연료 매니폴드의 연료 구멍과 상기 제1 및 제2 연료 전지 스택의 연료 구멍에 유체 연결되는, 연료 전지 컬럼. - 제1항에 있어서,
연료 전지 칼럼 내에서 인접한 연료 매니폴드에 상기 연료 매니폴드를 연결하는 전기 전도성 연료 레일(rail)을 더 포함하는, 연료 전지 컬럼. - 제12항에 있어서,
상기 전기 전도성 연료 레일은, 금속 합금 튜브 또는 직선형 금속에 연결된 금속 합금 벨로우즈 튜브 또는 금속을 포함하는, 연료 전지 컬럼. - 연료 전지 컬럼으로서,
제1 및 제2 연료 전지 스택;
상기 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 배치되고, 상기 제1 및 제2 연료 전지 스택에 연료를 제공하도록 구성된 연료 매니폴드; 및
상기 연료 매니폴드와, 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 위치되고, 연료 매니폴드로부터 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택을 전기적으로 절연하도록 구성된 제1 및 제2 유전체 분리기로서, 상기 제1 및 제2 유전체 분리기는 각각:
주변 프레임;
상기 주변 프레임의 내부에 배치되고, 상기 주변 프레임을 지지하도록 구성된 내부 지지부; 및
상기 주변 프레임 및 상기 내부 지지부에 의해 적어도 부분적으로 정의된 연료 구멍 및 내부 개구를 포함하는, 상기 제1 및 제2 유전체 분리기
를 포함하는, 연료 전지 컬럼. - 제14항에 있어서,
상기 분리기 각각은: 상기 주변 프레임 또는 상기 내부 지지부 중의 적어도 하나에 형성된 릴리프 컷(relief cuts)을 포함하는, 연료 전지 컬럼. - 연료 전지 컬럼으로서,
제1 및 제2 연료 전지 스택;
상기 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 배치되고, 상기 제1 및 제2 연료 전지 스택에 연료를 제공하도록 구성된 연료 매니폴드; 및
상기 연료 매니폴드와 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택 사이에 위치되고, 상기 연료 매니폴드로부터 각각의 제1 및 제2 연료 전지 스택을 전기적으로 절연하도록 구성된 제1 및 제2 유전체 분리기로서, 상기 제1 및 제2 유전체 분리기는 각각:
세라믹 재료를 포함하는 상부층;
상기 세라믹 재료를 포함하는 하부층;
공기 갭(air gap)이 상기 상부층과 하부층 사이에 위치되도록 상기 하부층으로부터 상기 상부층을 오프셋시키는 적어도 하나의 돌출부; 및
상기 상부층을 상기 하부층에 연결하는 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부를 포함하는, 연료 전지 컬럼. - 유전체 분리기를 형성하는 방법으로서,
유전체 재료를 포함하는 중간층, 그린(green) 세라믹 재료를 포함하는 상부층, 상기 그린 세라믹 재료를 포함하는 하부층, 및 상기 중간층과 상부층 및 하부층 각각 사이에 배치된 유리 또는 유리 세라믹 밀봉 재료를 포함하는 어셈블리를 형성하는 단계;
상기 상부층 및 하부층을 조밀화하고, 상기 유리 또는 유리 세라믹 밀봉 재료를 리플로우하기 위해 어셈블리를 소결하는 단계; 및
상기 유전체 분리기를 형성하기 위해 소결된 상기 어셈블리를 절단하는 단계
를 포함하는, 유전체 분리기를 형성하는 방법. - 제17항에 있어서,
상기 유전체 분리기를, 연료 매니폴드와 연료 전지 스택 사이의 연료 전지 컬럼 내에 배치하는 단계를 더 포함하는, 유전체 분리기를 형성하는 방법. - 제17항에 있어서,
상기 상부층, 중간층 및 하부층의 주성분이 동일한, 유전체 분리기를 형성하는 방법. - 제19항에 있어서,
상기 중간층은 세라믹 직물 또는 세라믹 매트릭스 복합재를 포함하는, 유전체 분리기를 형성하는 방법.
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