KR20230069014A - 내장형 유전체 레이어를 갖는 연료 전지 매니폴드 및 이의 제조 방법 - Google Patents

내장형 유전체 레이어를 갖는 연료 전지 매니폴드 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 스택용 매니폴드 플레이트는, 하부 매니폴드 부분, 상부 매니폴드 부분, 하부 매니폴드 부분과 상부 매니폴드 부분 사이에 개재된 유전체 레이어, 하부 매니폴드 부분의 하단 표면에 형성된 하단 유입 홀 및 하단 배출 홀 - 하단 유입 홀 및 하단 배출 홀은 유전체 레이어를 통해 연장됨 -, 상부 매니폴드 부분의 상단 표면의 대향 측들에 형성된 상단 배출 홀들 및 상단 유입 홀들, 상단 배출 홀들을 하단 유입 홀에 유체적으로 연결하는 배출 채널들, 및 상단 유입 홀들을 하단 배출 홀에 유체적으로 연결하는 유입 채널들을 포함한다.

Description

매립형 유전체 레이어를 갖는 연료 전지 매니폴드 및 이의 제조 방법{FUEL CELL MANIFOLD HAVING AN EMBEDDED DIELECTRIC LAYER AND METHODS OF MAKING THEREOF}
본 개시 내용은 일반적으로 연료 전지 스택들에 관한 것으로, 특히 연료 전지 매니폴드에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC) 시스템과 같은 고온 연료 전지 시스템에서, 산화 흐름이 연료 전지의 캐소드 측을 통과하는 한편, 연료 흐름이 연료 전지의 애노드 측을 통과한다. 산화 흐름은 전형적으로 공기인 한편, 연료 흐름은 탄화수소 연료, 예를 들어 메테인, 천연 가스, 펜테인, 에탄올, 또는 메탄올일 수 있다. 750 ℃ 내지 950 ℃ 사이의 전형적인 온도에서 동작되는 연료 전지는 캐소드 흐름 스트림으로부터 애노드 흐름 스트림으로의 음으로 하전된 산소 이온의 수송을 가능하게 하고, 이온은 탄화수소 분자 내의 수소 또는 자유 수소와 결합되어 수증기를 형성하고 및/또는 일산화탄소와 결합되어 이산화탄소를 형성한다. 음으로 하전된 이온으로부터의 잉여 전자는, 애노드와 캐소드 사이에서 완성된 전기 회로를 통해 연료 전지의 캐소드 측으로 다시 전달되고, 그에 따라 회로를 통한 전류 흐름을 초래한다.
연료 전지 스택들은 연료 및 공기를 위해서 내부적으로 또는 외부적으로 매니폴드될(manifolded) 수 있다. 내부적으로 매니폴드된 스택들에서, 연료 및 공기는 스택 내에 포함된 라이저(riser)들을 이용하여 각각의 전지로 분배된다. 다시 말해서, 가스는 각각의 전지의 가스 흐름 분리기, 및 전해질 레이어와 같은 각각의 연료 전지의 지지 레이어의 개구부들 또는 홀들을 통해서 흐른다. 외부적으로 매니폴드된 스택들에서, 스택은 연료 및 공기 유입구 및 배출구 측들에서 개방되어 있으며, 연료 및 공기는 스택 하드웨어와 독립적으로 도입되고 수집된다. 예를 들어, 유입구 및 배출구 연료 및 공기는 스택과 스택이 위치하는 매니폴드 하우징 사이의 분리된 채널들 내에서 흐른다.
연료 전지 스택들은 흔히 평면형 요소의 형태, 튜브의 형태, 또는 기타의 기하학적 형태의 복수의 전지들로 구축된다. 연료 및 공기는, 클 수 있는, 전기화학적 활성 표면에 제공되어야 한다. 연료 전지 스택의 하나의 구성 요소는, 스택 내의 개별 전지들을 분리하는, (평면형 스택 내의 가스 흐름 분리기 플레이트로 지칭되는) 소위 가스 흐름 분리기이다. 가스 흐름 분리기 플레이트는 스택 내의 하나의 전지의 연료 전극(즉, 애노드)으로 흐르는 수소 또는 탄화수소 연료와 같은 연료를, 스택 내의 인접 전지의 공기 전극(즉, 캐소드)으로 흐르는 공기와 같은 산화제로부터 분리한다. 흔히, 가스 흐름 분리기 플레이트는 또한, 하나의 전지의 연료 전극을 인접 전지의 공기 전극에 전기적으로 연결하는 인터커넥트로서 이용된다. 이러한 경우에, 인터커넥트로서 기능하는 가스 흐름 분리기 플레이트는 전기 전도성 재료로 제조되거나 이러한 재료를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 연료 전지 스택용 매니폴드 플레이트는, 하부 매니폴드 부분, 상부 매니폴드 부분, 및 하부 매니폴드 부분과 상부 매니폴드 부분 사이에 개재된 유전체 레이어를 포함한다. 매니폴드 플레이트는 하부 매니폴드 부분의 하단 표면에 형성된 하단 유입 홀 및 하단 배출 홀 - 하단 유입 홀 및 하단 배출 홀은 유전체 레이어를 통해 연장됨 -; 및 상부 매니폴드 부분의 상단 표면의 대향 측들에 형성된 상단 배출 홀들 및 상단 유입 홀들을 더 포함할 수 있다. 매니폴드 플레이트는 상단 배출 홀들을 하단 유입 홀에 유체적으로 연결하는 배출 채널들 및 상단 유입 홀들을 하단 배출 홀에 유체적으로 연결하는 유입 채널들을 더 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 연료 전지 스택용 매니폴드 플레이트의 제조 방법은, 하부 매니폴드 부분 및 상부 매니폴드 부분을 제공하는 단계, 유전체 레이어를 제공하는 단계, 및 유전체 레이어가 하부 매니폴드 부분과 상부 매니폴드 부분 사이에 개재되도록 하부 매니폴드 부분, 상부 매니폴드 부분 및 유전체 레이어를 매니폴드 플레이트로 조립하는 단계를 포함한다.
본원에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 개시 내용의 예시적인 실시 예들을 묘사하며, 전술한 일반적인 설명 및 후술되는 구체적인 설명과 함께, 본 개시 내용의 특징들을 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 통상적인 연료 전지 컬럼의 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 컬럼 내에 포함된 하나의 역류 고체 산화물 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 1c는 도 1b의 스택의 일부의 측면 단면도이다.
도 2a는 도 1b의 스택의 통상적인 인터커넥트의 공기 측의 상면도이다.
도 2b는 도 1b의 스택의 통상적인 인터커넥트의 연료 측의 상면도이다.
도 3a는 다양한 실시 예들에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 3b는 다양한 실시 예들에 따른 도 3a의 스택의 일부의 분해 사시도이다.
도 3c는 다양한 실시 예들에 따른 도 3a의 스택 내에 포함된 인터커넥트의 연료 측의 상면도이다.
도 3d는 다양한 실시 예들에 따른 도 3a의 스택 내에 포함된 연료 전지의 개략도이다.
도 4a는 다양한 실시 예들에 따른 도 3c의 교차-흐름 인터커넥트의 공기 측을 도시하는 평면도이다.
도 4b는 다양한 실시 예들에 따른 도 3c의 교차-흐름 인터커넥트의 연료 측을 도시하는 평면도이다.
도 5a는 다양한 실시 예들에 따른 연료 흐름 구조의 분해 상단 사시도이다.
도 5b는 다양한 실시 예들에 따른 도 5a의 연료 흐름 구조의 분해 하단 사시도이다.
도 6a는 다양한 실시 예들에 따른 도 5a 및 도 5b의 연료 흐름 구조의 밀봉 플레이트의 상면도이다.
도 6b는 다양한 실시 예들에 따른 도 6a의 선(L3)을 따라 취한 도 6a의 밀봉 플레이트의 단면도이다.
도 7a는 다양한 실시 예들에 따른 도 5a 및 도 5b의 연료 흐름 구조의 매니폴드 플레이트의 저면도이다.
도 7b는 다양한 실시 예들에 따른 도 7a의 선(L4)을 따라 취한 도 7a의 매니폴드 플레이트의 단면도이다.
도 7c는 다양한 실시 예들에 따른 도 7a의 매니폴드 플레이트의 개략적인 상면도이다.
도 8a는 도 5a의 선(L1)을 따라 취한 도 5a 및 도 5b의 연료 흐름 구조의 수직 단면도로서, 다양한 실시 예들에 따른 조립된 연료 플레넘 및 유입 도관을 도시한다.
도 8b는 도 5a의 선(L2)을 따라 취한 도 5a 및 도 5b의 연료 흐름 구조의 수직 단면도로서, 다양한 실시 예들에 따른 조립된 연료 플레넘 및 배출 도관을 도시한다.
도 9의 (a)는 다양한 실시 예들에 따른 매립형 유전체 레이어를 갖는 연료 전지 매니폴드 플레이트의 3차원 상단 사시도이다.
도 9의 (b)는 다양한 실시 예들에 따른 도 9의 (a)의 연료 전지 매니폴드 플레이트의 3차원 분해도이다.
도 10a는 다양한 실시 예들에 따른 연료 전지 매니폴드 플레이트용 유전체 레이어의 형성에 이용되는 중간 구조를 도시한다.
도 10b는 다양한 실시 예들에 따른 연료 전지 매니폴드 플레이트용 유전체 레이어의 형성에 이용되는 추가적인 중간 구조를 도시한다.
도 10c는 다양한 실시 예들에 따른 연료 전지 매니폴드 플레이트용 유전체 레이어의 형성에 이용되는 추가적인 중간 구조를 도시한다.
도 10d는 다양한 실시 예들에 따른 연료 전지 매니폴드 플레이트용 유전체 레이어를 도시한다.
도 11은 다양한 실시 예들에 따른 도 9의 (a)의 선(L5)을 따라 취한 도 9의 (a)의 매니폴드 플레이트의 단면도이다.
도 12a는 다양한 실시 예들에 따른 도 9의 (a) 및 도 9의 (b)의 매니폴드 플레이트를 포함하는 도 5a 및 도 5b의 연료 흐름 구조와 유사한 연료 흐름 구조의 수직 단면도이다.
도 12b는 다양한 실시 예들에 따른 도 12a의 연료 흐름 구조의 수직 단면도이다.
첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예들이 상세히 설명된다. 도면은 반드시 실제 축척인 것이 아니고, 본 개시 내용의 다양한 특징들을 예시하기 위한 것이다. 가능한 한, 동일한 또는 유사한 부분들을 지칭하기 위해서, 도면 전체를 통해서 동일한 참조 번호가 이용될 것이다. 특정 예들 및 구현들에 대한 언급은 예시를 위한 것이고, 본 개시 내용 또는 청구범위의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
본 명세서에서 범위(range)는 "약(about)" 하나의 특정 값 및/또는 "약" 다른 특정 값으로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현되는 경우, 예들은 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 마찬가지로, 값들이 근사치로 표현되는 경우, 선행사 "약" 또는 "실질적으로"의 사용에 의해 특정 값이 다른 양상을 형성한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 일부 실시 예들에서, "약 X"의 값은 +/- 1% X의 값들을 포함할 수 있다. 범위들 각각의 종점은 다른 종점과 관련하여 그리고 다른 종점과는 독립적으로 중요하다는 것이 더 이해될 것이다.
도 1a는 통상적인 연료 전지 컬럼(30)의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 컬럼(30) 내에 포함된 하나의 역류(counter-flow) SOFC 스택(20)의 사시도이며, 도 1c는 도 1b의 스택(20)의 일부의 측면 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 컬럼(column; 30)은 하나 이상의 스택(stack; 20), 연료 유입 도관(fuel inlet conduit; 32), 애노드 배출물 도관(anode exhaust conduit; 34), 및 애노드 공급/회수 조립체들(anode feed/return assemblies; 36)(예를 들어, 애노드 분배기 플레이트(anode splitter plate; ASP)(36)들을 포함할 수 있다. 컬럼(30)은 또한 측면 배플들(side baffles; 38) 및 압축 조립체(compression assembly; 40)를 포함할 수 있다. 측면 배플들은 세라믹 커넥터들(ceramic connectors; 39)에 의해 압축 조립체(40) 및 하부의 스택 구성 요소(미도시)에 연결될 수 있다. 연료 유입 도관(32)은 ASP(36)에 유체적으로 연결되고 각각의 ASP(36)에 연료 공급물을 제공하도록 구성되며, 애노드 배출물 도관(34)은 ASP(36)에 유체적으로 연결되고 각각의 ASP(36)로부터 애노드 연료 배출물(anode fuel exhaust)을 공급받도록 구성된다.
ASP들(36)은 스택들(20) 사이에 배치되고, 연료 공급물을 포함하는 탄화수소 연료를 스택(20)에 제공하도록 그리고 스택(20)로부터 애노드 연료 배출물을 공급받도록 구성된다. 예를 들어, ASP들(36)은, 후술되는 바와 같이, 스택(20) 내에 형성된 내부 연료 라이저 채널들(internal fuel riser channels; 22)에 유체적으로 연결될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 스택(20)은, 가스 흐름 분리기 플레이트들(gas flow separator plates) 또는 바이폴라 플레이트들(bipolar plates)로도 지칭될 수 있는 인터커넥트들(interconnects; 10)에 의해 분리된 복수의 연료 전지들(fuel cells; 1)을 포함한다. 각각의 연료 전지(1)는 캐소드 전극(cathode electrode; 3), 고체 산화물 전해질(solid oxide electrolyte; 5), 및 애노드 전극(anode electrode; 7)을 포함한다.
각각의 인터커넥트(10)는 스택(20) 내의 인접 연료 전지들(1)을 전기적으로 연결한다. 특히, 인터커넥트(10)는 하나의 연료 전지(1)의 애노드 전극(7)을 인접 연료 전지(1)의 캐소드 전극(3)에 전기적으로 연결할 수 있다. 도 1c는 하부 연료 전지(1)가 2개의 인터커넥트들(10) 사이에 위치된 것을 도시한다.
각각의 인터커넥트(10)는 연료 채널들(8A) 및 공기 채널들(8B)을 적어도 부분적으로 정의하는 리브들(ribs; 12)을 포함한다. 인터커넥트(10)는, 스택 내의 하나의 전지의 연료 전극(즉, 애노드(7))으로 흐르는 탄화수소 연료와 같은 연료를 스택 내의 인접 전지의 공기 전극(즉, 캐소드(3))으로 흐르는 공기와 같은 산화제로부터 분리하는, 가스-연료 분리기로서 동작할 수 있다. 스택(20)의 양 단부에는, 단부 전극에 공기 또는 연료를 각각 제공하기 위한 공기 단부 플레이트 및 연료 단부 플레이트(미도시)가 존재할 수 있다.
도 2a는 통상적인 인터커넥트(10)의 공기 측(air side)의 상면도이고, 도 2b는 인터커넥트(10)의 연료 측(fuel side)의 상면도이다. 도 1c 및 도 2a를 참조하면, 공기 측은 공기 채널들(8B)을 포함한다. 공기는 공기 채널들(8B)을 통해 인접 연료 전지(1)의 캐소드 전극(3)으로 흐른다. 특히, 공기는, 화살표로 표시된 바와 같이, 제 1 방향(A)으로 인터커넥트(10)에 걸쳐 흐를 수 있다.
연료가 캐소드 전극과 접촉되는 것을 방지하기 위해서, 링 밀봉부들(ring seals; 23)이 인터커넥트(10)의 연료 홀들(fuel holes; 22A)을 둘러쌀 수 있다. 주변 스트립-형상의 밀봉부들(24)이 인터커넥트(10)의 공기 측의 주변 부분들(peripheral portions)에 위치된다. 밀봉부들(23, 24)은 유리 재료로 형성될 수 있다. 주변 부분들은, 리브들 또는 채널들을 포함하지 않는 상승된 고원부(elevated plateau)의 형태일 수 있다. 주변 영역들의 표면은 리브들(12)의 상단부들과 공면(coplanar)을 이룰 수 있다.
도 1c 및 도 2b를 참조하면, 인터커넥트(10)의 연료 측은 연료 채널들(8A) 및 연료 매니폴드들(fuel manifolds; 28)(예를 들어, 연료 플레넘(fuel plenum))을 포함할 수 있다. 연료는 연료 홀들(22A) 중 하나로부터 인접 매니폴드(28) 내로, 연료 채널들(8A)을 통해서, 그리고 인접 연료 전지(1)의 애노드(7)까지 흐른다. 과잉 연료는 다른 연료 매니폴드(28) 내로 그리고 이어서 인접 연료 홀(22A) 내로 흐를 수 있다. 특히, 연료는, 화살표로 표시된 바와 같이, 제 2 방향(B)으로 인터커넥트(10)에 걸쳐 흐를 수 있다. 제 2 방향(B)은 제 1 방향(A)(도 2a 참조)에 수직일 수 있다.
프레임-형상의 밀봉부(26)가 인터커넥트(10)의 연료 측의 주변 영역에 배치된다. 주변 영역은, 리브들 또는 채널들을 포함하지 않는 상승된 고원부일 수 있다. 주변 영역의 표면은 리브들(12)의 상단부들과 공면을 이룰 수 있다.
따라서, 도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은, 통상적인 역류(counter-flow) 연료 전지 컬럼은 복잡한 연료 분배 시스템들(연료 레일들 및 애노드 분배기 플레이트들)을 포함할 수 있다. 또한, 내부 연료 라이저의 이용은 연료 전지들 내의 홀들 및 대응하는 밀봉부들을 필요로 할 수 있고, 이는 그 활성 면적을 감소시킬 수 있고 연료 전지(1)의 세라믹 전해질 내에서 균열을 유발할 수 있다.
연료 매니폴드들(28)은 인터커넥트(10)의 비교적 큰 영역을 차지할 수 있고, 이는 인터커넥트(10)와 인접 연료 전지 사이의 접촉 면적을 약 10%만큼 감소시킬 수 있다. 연료 매니폴드들(28)은 또한 비교적 깊어서, 연료 매니폴드들(28)은 인터커넥트(10)의 비교적 얇은 영역들을 나타낸다. 인터커넥트(10)가 일반적으로 분말 야금 압밀(powder metallurgy compaction) 공정에 의해서 형성되기 때문에, 연료 매니폴드 영역들의 밀도는 인터커넥트 재료의 이론적 밀도 한계에 접근할 수 있다. 따라서, 압밀 공정에서 이용되는 압밀 프레스의 행정의 길이는, 더 압밀될 수 없는 고밀도 연료 매니폴드 영역들로 인해서, 제한될 수 있다. 결과적으로, 압밀 행정에 대한 제한으로 인해서, 인터커넥트(10) 내의 임의의 곳에서 달성되는 밀도가 낮은 레벨로 제한될 수 있다. 결과적인 밀도 변동은 지형적인(topographical) 변동을 초래할 수 있고, 이는 인터커넥트(10)와 연료 전지(1) 사이의 접촉의 양을 감소시킬 수 있고 낮은 스택 수율(yield) 및/또는 성능을 초래할 수 있다.
연료 전지 시스템 설계에서의 다른 중요한 고려 사항은 동작 효율의 영역에 있다. 연료 활용도를 최대화하는 것은 동작 효율을 달성하기 위한 중요 인자이다. 연료 활용도는, 얼마나 많은 연료가 연료 전지에 전달되는지에 대한, 얼마나 많은 연료가 동작 중에 소비되는지의 비율이다. 연료 전지 사이클 수명을 보존하는데 있어서 중요한 인자는, 연료를 활성 영역들에 적절히 분배함으로써 연료 전지 활성 영역들 내에서 연료 결핍(fuel starvation)을 방지하는 것일 수 있다. 연료가 잘못 분배되고 그에 따라 일부 흐름 필드 채널들(flow field channels)이 이 채널의 영역 내에서 발생되는 전기화학적 반응을 지원하기에 충분하지 않은 연료를 공급받는 경우에, 이는 이 채널에 인접한 연료 전지 영역들 내에서 연료 결핍을 초래할 수 있다. 연료를 보다 균일하게 분배하기 위해서, 통상적인 인터커넥트 설계는 흐름 필드에 걸친 채널 깊이 변동을 포함한다. 이는, 제조 공정에서 복잡성을 생성할 뿐만 아니라, 이러한 치수를 정확하게 측정하기 위한 복잡한 계측법을 필요로 할 수 있다. 다양한 채널 기하학적 형태는, 연료가 연료 홀들 및 분배 매니폴드들을 통해서 분배되는 방식에 의해서 제약을 받을 수 있다.
이러한 복잡한 기하학적 형태 및 연료 매니폴드를 제거하기 위한 하나의 가능한 해결책은 더 넓은 연료 개구부를 갖는 것이고, 그에 따라 연료 흐름 필드(fuel flow field)에 걸쳐 훨씬 더 균일한 연료 분배를 보장하는 것이다. 연료 매니폴드 형성이 밀도 변동(density variation)에서의 인자이기 때문에, 연료 매니폴드의 제거는 더 균일한 인터커넥트 밀도 및 투과도를 가능하게 할 것이다. 따라서, 통상적인 연료 매니폴드를 이용하지 않으면서 연료를 연료 전지들에 균일하게 분배하면서도, 연료 전지들과의 균일한 접촉을 제공하는 개선된 인터커넥트들이 필요하다.
연료 전지 시스템의 핫 박스(hotbox)의 크기 확장의 전반적인 제한으로 인해서, 핫 박스의 풋프린트(footprint)를 증가시키지 않으면서, 연료 활용도 및 연료 전지 활성 영역을 최대화하도록 설계된 개선된 인터커넥트가 또한 필요하다.
도 3a는 다양한 실시 예들에 따른 연료 전지 스택(300)의 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 스택(300)의 일부의 분해 사시도이고, 도 3c는 스택(300) 내에 포함된 인터커넥트(400)의 연료 측의 상면도이고, 도 3d는 스택(300) 내에 포함된 연료 전지의 개략도이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, ASP를 포함하지 않음으로 인해서 연료 전지 컬럼으로도 지칭될 수 있는 연료 전지 스택(300)은, 인터커넥트들(400)에 의해 분리된 복수의 연료 전지들(310)을 포함하고, 인터커넥트(400)는 가스 흐름 분리기 플레이트 또는 바이폴라 프레이트로 지칭될 수도 있다. 하나 이상의 스택(300)가 공통 외장 또는 "핫 박스(hotbox)" 내에서 연료 전지 전력 생성 시스템의 다른 구성 요소들(예를 들어, 하나 이상의 애노드 테일 가스 산화기(anode tail gas oxidizer), 연료 개질기(fuel reformer), 연료 도관 및 매니폴드 등)와 열적으로 통합될 수 있다.
인터커넥트들(400)은 전기 전도성 금속 재료로 제조된다. 예를 들어, 인터커넥트들(400)은, Cr-Fe 합금과 같은, 크로뮴 합금을 포함할 수 있다. 인터커넥트들(400)은 전형적으로, 원하는 크기 및 형상(예를 들어, "최종 형상(net shape)" 또는 "거의 최종적인 형상(near net shape)" 공정)으로 Cr-Fe 인터커넥트를 형성하기 위해서, Cr 분말 및 Fe 분말의 혼합물 또는 Cr-Fe 합금 분말일 수 있는, Cr-Fe 분말을 프레스(pressing)하는 것 및 소결(sintering)하는 것을 포함하는 분말 야금 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 전형적인 크로뮴-합금 인터커넥트(400)는 약 90 중량% 초과의 크로뮴, 예를 들어 약 94 내지 96 중량%(예를 들어, 95 중량%)의 크로뮴을 포함한다. 인터커넥트(400)는 또한 약 10 중량% 미만의 철(iron), 예를 들어 약 4 내지 6 중량%(예를 들어, 5 중량%)의 철을 포함할 수 있고, 약 2 중량% 미만, 예를 들어 약 0 내지 1 중량%의 다른 재료들, 예를 들어 이트륨 또는 이트리아뿐만 아니라 잔류하는 또는 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
각각의 연료 전지(310)는 고체 산화물 전해질(312), 애노드(314), 및 캐소드(316)을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 애노드(314) 및 캐소드(316)는 전해질(312)에 인쇄(print)될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 전도성 레이어(318), 예를 들어 니켈 메시(nickel mesh)가 애노드(314)와 인접 인터커넥트(400) 사이에 배치될 수 있다. 연료 전지(310)는, 통상적인 연료 전지의 연료 홀들과 같은 관통 홀들을 포함하지 않는다. 그에 따라, 연료 전지(310)는, 그러한 관통 홀들의 존재로 인해서 발생될 수 있는 균열을 방지한다.
스택(300)의 최상부 인터커넥트(400) 및 최하부 인터커넥트(400)는, 공기 또는 연료를 각각 인접 단부 연료 전지(310)에 제공하기 위한 특징부(feature)를 포함하는 공기 단부 플레이트 또는 연료 단부 플레이트 중의 상이한 단부 플레이트들일 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "인터커넥트(interconnect)"는 2개의 연료 전지들(310) 사이에 위치된 인터커넥트, 또는 스택의 단부에 위치되고 하나의 연료 전지(310)에만 직접 인접하는 단부 플레이트를 지칭할 수 있다. 스택(300)이 ASP들 및 그와 연관된 단부 플레이트들을 포함하지 않기 때문에, 스택(300)은 2개의 단부 플레이트들만을 포함할 수 있다. 결과적으로, 컬럼 내(intra-column) ASP들의 이용과 관련된 스택의 치수적 변동을 피할 수 있다.
스택(300)은 측면 배플들(302), 연료 플레넘(350), 및 압축 조립체(306)를 포함할 수 있다. 측면 배플들(302)은 세라믹 재료로 형성될 수 있고, 적층된 연료 전지들(310) 및 인터커넥트들(400)을 포함하는 연료 전지 스택(300)의 대향 측들에 배치될 수 있다. 측면 배플들(302)은, 압축 조립체(306)가 스택(300)에 압력을 가할 수 있도록, 연료 플레넘(350) 및 압축 조립체(306)를 연결할 수 있다. 측면 배플들(302)은 곡선형 배플 플레이트들일 수 있고, 각각의 배플 플레이트는 연료 전지 스택(300)의 3개의 측들의 적어도 일부를 덮는다. 예를 들어, 하나의 배플 플레이트가 스택(300)의 연료 유입구 라이저 측을 완전히 덮고 스택의 인접한 전방 측 및 후방 측을 부분적으로 덮을 수 있는 한편, 다른 배플 플레이트는 스택의 연료 배출구 라이저 측을 완전히 덮고 스택의 전방 측 및 후방 측의 인접한 부분을 부분적으로 덮을 수 있다. 스택의 전방 측 및 후방 측의 덮이지 않은 남은 부분들은 공기가 스택(300)을 통해서 흐를 수 있게 한다. 곡선형 배플 플레이트들은, 스택의 하나의 측만을 덮는 통상적인 배플 플레이트들(38)에 비해서, 스택을 통한 개선된 공기 흐름 제어를 제공한다. 연료 플레넘(350)은 스택(300)의 아래에 배치될 수 있고, 수소 함유 연료 공급물을 스택(300)에 제공하도록 구성될 수 있으며, 스택(300)로부터의 애노드 연료 배출물을 공급받을 수 있다. 연료 플레넘(350)은, 연료 플레넘(350)의 아래에 위치하는 연료 유입 및 배출 도관들(320)에 연결될 수 있다.
각각의 인터커넥트(400)는 스택(300) 내의 인접 연료 전지들(310)을 전기적으로 연결한다. 특히, 인터커넥트(400)는 하나의 연료 전지(310)의 애노드 전극을 인접 연료 전지(310)의 캐소드 전극에 전기적으로 연결할 수 있다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 각각의 인터커넥트(400)는 제 1 방향(A)으로 공기를 전달하도록 구성될 수 있고, 그에 따라 공기는 인접 연료 전지(310)의 캐소드에 제공될 수 있다. 각각의 인터커넥트(400)는 또한 연료를 제 2 방향(F)으로 전달하도록 구성될 수 있고, 그에 따라 연료는 인접 연료 전지(310)의 애노드에 제공될 수 있다. 방향(A) 및 방향(F)은 수직일 수 있거나, 실질적으로 수직일 수 있다. 따라서, 인터커넥트들(400)은 교차-흐름(cross-flow) 인터커넥트로 지칭될 수 있다.
인터커넥트(400)는, 인터커넥트(400)를 통해 연장되고 연료 분배를 위해 구성된 연료 홀들(fuel holes)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 홀들은 하나 이상의 연료 유입구(402), 및 애노드 배출물 배출구(404)로도 지칭되는 하나 이상의 연료(예를 들어, 애노드 배출물) 배출구(404)를 포함할 수 있다. 연료 유입구들 및 배출구들(402, 404)은 연료 전지들(310)의 주변의 외측에 배치될 수 있다. 따라서, 연료 전지들(310)은, 연료 흐름을 위한 대응하는 관통 홀들이 없이 형성될 수 있다. 연료 유입구들(402)의 조합된 길이 및/또는 연료 배출구들(404)의 조합된 길이는 인터커넥트(400)의 대응하는 길이, 예를 들어 방향(A)을 따라서 취한 길이의 적어도 75%일 수 있다.
일 실시 예에서, 각각의 인터커넥트(400)는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 인터커넥트(400)의 넥 부분(neck portion; 412)에 의해 분리된 2개의 연료 유입구들(402)을 포함한다. 그러나, 2개 내지 4개의 넥 부분들(412)에 의해 분리된 3개 내지 5개의 유입구들과 같은, 2개 초과의 연료 유입구들(402)이 포함될 수 있다. 일 실시 예에서, 각각의 인터커넥트(400)는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 인터커넥트(400)의 넥 부분(414)에 의해 분리된 2개의 연료 배출구들(404)을 포함한다. 그러나, 2개 내지 4개의 넥 부분들(414)에 의해 분리된 3개 내지 5개의 배출구들과 같은, 2개 초과의 연료 배출구들(404)이 포함될 수 있다.
인접한 인터커넥트들(400)의 연료 유입구들(402)은 스택(300) 내에서 정렬되어 하나 이상의 연료 유입구 라이저(fuel inlet riser; 403)를 형성할 수 있다. 인접한 인터커넥트들(404)의 연료 배출구들(404)은 스택(300) 내에서 정렬되어 하나 이상의 연료 배출구 라이저(fuel outlet riser; 405)를 형성할 수 있다. 연료 유입구 라이저(403)는 연료 플레넘(350)으로부터 공급되는 연료를 연료 전지들(310)에 분배하도록 구성될 수 있다. 연료 배출구 라이저(405)는 연료 전지들(310)로부터 공급되는 애노드 배출물(anode exhaust)을 연료 플레넘(350)에 제공하도록 구성될 수 있다.
도 1a의 편평한 관련된 기술의 측면 배플들(38)과 달리, 측면 배플들(302)은 인터커넥트(400)의 에지들(edges) 주위에서 곡선화될 수 있다. 특히, 측면 배플들(302)은 인터커넥트들(400)의 연료 유입구들(402) 및 배출구들(404) 주위에 배치될 수 있다. 따라서, 측면 배플들은, 측면 배플들(302) 사이에서 노출되고 도 4a 및 도 4b와 관련하여 구체적으로 설명되는, 인터커넥트들(400)의 공기 채널들을 통한 공기 흐름을 더 효율적으로 제어할 수 있다.
다양한 실시 예들에서, 스택(300)은, 연료 라이저들(403, 405)만을 이용하여 연료가 공급될 수 있는, 적어도 30개, 적어도 40개, 적어도 50개, 또는 적어도 60개의 연료 전지들을 포함할 수 있다. 다시 말해서, 통상적인 연료 전지 시스템과 비교할 때, 교차-흐름 구성은, ASP들 또는 외부 스택 연료 매니폴드들, 예를 들어 도 1a에 도시된 외부 도관들(32, 34)을 필요로 하지 않고, 많은 수의 연료 전지들이 연료를 공급받을 수 있게 한다.
각각의 인터커넥트(400)는, 전지들 내의 고체 산화물 전해질의 열 팽창 계수와 유사한 열 팽창 계수를 갖는(예를 들어, 차이가 0 내지 10%인) 금속 합금(예를 들어, 크로뮴-철 합금)과 같은 전기 전도성 재료로 제조되거나 그러한 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 인터커넥트들(400)은 금속(예를 들어, 크로뮴-철 합금, 예를 들어 4 내지 6 중량% 철, 선택적으로 1 이하의 중량%의 이트륨 및 잔량의 크로뮴 합금)을 포함할 수 있고, 하나의 연료 전지(310)의 애노드 측 또는 연료 측을 인접 연료 전지(310)의 캐소드 측 또는 공기 측에 전기적으로 연결할 수 있다. 니켈 접촉 레이어(예를 들어, 니켈 메시)과 같은 전기 전도성 접촉 레이어가 애노드와 각각의 인터커넥트(400) 사이에 제공될 수 있다. 기타의 선택적인 전기 전도성 접촉 레이어가 캐소드 전극들과 각각의 인터커넥트(400) 사이에 제공될 수 있다.
동작 동안 인터커넥트(400)의 캐소드 대향 측과 같은 산화 환경(예를 들어, 공기)에 노출되는 인터커넥트(400)의 표면은, 인터커넥트 상에서의 크로뮴 산화물 표면 레이어의 성장률을 감소시키기 위해서 그리고 연료 전지 캐소드에 유해할 수 있는 크로뮴 증기 종들(species)의 증발을 억제하기 위해서, 보호 코팅 레이어로 코팅될 수 있다. 전형적으로, LSM과 같은 페로브스카이트(perovskite)를 포함할 수 있는 코팅 레이어가 분무 코팅 또는 침지 코팅 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 대안적으로, 기타의 금속 산화물 코팅, 예를 들어 스피넬(spinel), 예를 들어 (Mn, Co)3O4 스피넬(MCO)이 LSM 대신에 또는 LSM에 더하여 이용될 수 있다. Mn2-x Co1+x O4 (0 ≤ x ≤ 1)의 조성을 갖는 또는 z(Mn3 O4) + (1-z)(Co3 O4) (여기서, 1/3 ≤ z ≤ 2/3)로 표기되는, 또는 (Mn, Co)3 O4 로 표기되는 임의의 스피넬이 이용될 수 있다. 다른 실시 예들에서, LSM 및 MCO의 혼합 레이어, 또는 LSM 레이어 및 MCO 레이어의 스택이 코팅 레이어로서 이용될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 다양한 실시 예들에 따른 교차-흐름 인터커넥트(400)의 공기 측 및 연료 측을 각각 도시하는 평면도들이다. 도 4a를 참조하면, 인터커넥트(400)의 공기 측은, 그 위에 배치된 연료 전지(310)의 캐소드(cathode)에 공기를 제공하도록 구성된 공기 채널들(408)을 적어도 부분적으로 정의하도록 구성된 리브들(ribs; 406)을 포함할 수 있다. 인터커넥트(400)의 공기 측은 공기 채널들(408)을 포함하는 공기 흐름 필드(air flow field; 420), 및 공기 흐름 필드(420)의 2개의 대향 측들에 배치된 라이저 밀봉 표면(riser seal surface; 422)으로 구획될 수 있다. 라이저 밀봉 표면들(422) 중 하나는 연료 유입구들(402)을 둘러쌀 수 있고, 다른 라이저 밀봉 표면(422)은 연료 배출구들(404)을 둘러쌀 수 있다. 공기 채널들(408) 및 리브들(406)은, 공기 채널들(408) 및 리브들(406)이 인터커넥트(400)의 대향되는 주변 에지들에서 종료되도록, 인터커넥트(400)의 공기 측에 완전히 걸쳐 연장될 수 있다. 다시 말해서, 스택(300)으로 조립되는 경우, 공기 채널들(408) 및 리브들(406)의 대향 단부들은 스택의 외부 표면들에 대향되게(예를 들어, 전방 및 후방으로) 배치되고, 그에 따라 송풍된 공기가 스택을 통해서 흐를 수 있게 한다. 따라서, 스택은 공기를 위해서 외부적으로 매니폴드될 수 있다.
라이저 밀봉부들(riser seals; 424)은 라이저 밀봉 표면(422) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 하나의 라이저 밀봉부(424)는 연료 유입구들(402)을 둘러쌀 수 있고, 하나의 라이저 밀봉부(424)는 연료 배출구들(404)을 둘러쌀 수 있다. 라이저 밀봉부들(424)은 연료 및/또는 애노드 배출물이 공기 흐름 필드(420)에 진입하는 것 그리고 연료 전지(310)의 캐소드와 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 라이저 밀봉부들(424)은 또한 연료가 연료 전지 스택(100)의 외부로 누설되는 것을 방지하도록 동작할 수 있다(도 3a 참조).
도 4b를 참조하면, 인터커넥트(400)의 연료 측은, 그 위에 배치된 연료 전지(310)의 애노드에 연료를 제공하도록 구성된 연료 채널들(418)을 적어도 부분적으로 정의하는 리브들(416)을 포함할 수 있다. 인터커넥트(400)의 연료 측은 연료 채널들(418)을 포함하는 연료 흐름 필드(430), 및 연료 흐름 필드(430) 및 연료 유입구들 및 배출구들(402, 404)을 둘러싸는 주변 밀봉 표면(perimeter seal surface; 432)으로 구획될 수 있다. 리브들(416) 및 연료 채널들(418)은, 공기 측 채널들(408) 및 리브들(406)이 연장되는 방향에 수직인 또는 실질적으로 수직인 방향으로 연장될 수 있다.
프레임-형상의 주변 밀봉부(perimeter seal; 434)가 주변 밀봉 표면(432)에 배치될 수 있다. 주변 밀봉부(434)는 공기가 연료 흐름 필드(430)에 진입하는 것 그리고 인접 연료 전지(310) 상의 애노드에 접촉하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 주변 밀봉부(434)는 또한 연료가 연료 라이저들(403, 405)을 빠져 나가는 것 그리고 연료 전지 스택(300)의 외부로 누설되는 것을 방지하도록 동작할 수 있다(도 3a 및 도 3b 참조).
밀봉부들(424, 434)은 유리 또는 세라믹 밀봉 재료를 포함할 수 있다. 밀봉 재료는 낮은 전기 전도성을 가질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 밀봉부(424, 434)는 밀봉 재료의 하나 이상의 레이어를 인터커넥트(400) 상에 인쇄하는 것, 그리고 이어서 소결하는 것에 의해서 형성될 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 통상적인 연료 전지 시스템에서, 연료 및 연료 배출물은, 금속 애노드 분배기 플레이트들(36)를 통해, 연료 전지 스택에 제공되고 그리고 연료 전지 스택으로부터 공급된다. 애노드 분배기 플레이트들(36)은 연료 유입 도관(32) 및 애노드 배출물 도관(34)에 의해 서로 유체적으로 연결된다. 도관들(32, 34)은 애노드 분배기 플레이트들(36) 및 유전체 차단부들(dielectric breaks)로서 기능하는 세라믹 구성 요소들에 용접되는 금속 튜브들을 포함한다. 이와 같이, 애노드 분배기 플레이트들(36)을 유체적으로 연결하는 것은 비싼 유전체 구성 요소들 및 상당한 양의 현장 용접에 의존한다. 따라서, 연료 전지 스택에 연료를 제공하고 연료 전지 스택으로부터 연료 배출물을 제공받기 위한 보다 비용 효율적인 방법이 요구된다.
도 5a는 본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따른 연료 흐름 구조(500)의 분해 상단 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 연료 흐름 구조(500)의 분해 하단 사시도이다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 연료 흐름 구조(fuel flow structure; 500)는 연료 도관들(320) 및 연료 플레넘(350)을 포함한다. 연료 플레넘(350)은 밀봉 링(seal ring; 354), 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부들(glass or glass ceramic seals; 356), 베이스 플레이트(base plate; 360), 유전체 레이어(dielectric layer; 364), 커버 플레이트(cover plate; 366), 밀봉 플레이트(seal plate; 370) 및 매니폴드 플레이트(manifold plate; 380)를 포함할 수 있다.
연료 플레넘(350)은 연료 도관들(320)과 유체-기밀(fluid-tight) 연결을 형성하도록 구성될 수 있다. 연료 도관들(320)은 연료 플레넘(350)에 연료를 제공하도록 구성된 유입 도관(320A) 및 연료 플레넘(350)으로부터 연료 배출물을 공급받도록 구성된 배출 도관(320B)을 포함할 수 있다. 연료 도관들(320)은 금속 튜브들(metal tubes; 322), 금속 벨로우즈들(metal bellows; 324), 및 유전체 링들(dielectric rings; 326)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 튜브들(322)은 브레이징(brazing), 용접(welding) 또는 압입(press-fitting)에 의해 벨로우즈(324) 및 유전체 링들(326)에 결합될 수 있다. 벨로우즈(324)는 응력을 흡수하도록 변형됨으로써 연료 전지 구성 요소들 간의 열 팽창 계수의 차이를 보상하도록 작용할 수 있다. 대안적인 실시 예들에서, 금속 튜브들(322)은, 금속 튜브들/벨로우들(322)이 유전체 링(326)에 직접적으로 결합될 수 있도록 벨로우즈(324)에 결합되기 보다는, 그 자체가 벨로우즈들을 포함하거나 또는 전체적으로 벨로우즈들로 만들어질 수 있다. 유전체 링들(326)은, 전류가 연료 도관들(320)을 통해 도전되고 연료 플레넘(350) 상에 배치된 연료 전지 스택을 전기적으로 단락시키는 것을 방지하기 위해, 유전체 차단부들로서 동작할 수 있다.
베이스 플레이트(360), 유전체 레이어(364) 및 커버 플레이트(366) 각각은, 개별 플레이트들 및 레이어를 통해 연장되는 관통 홀들일 수 있는 유입 홀들(inlet holes)(361A, 365A, 367A) 및 배출 홀들(outlet holes)(361B, 365B, 367B)을 포함할 수 있다. 베이스 플레이트(360)는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 세라믹 커넥터들(39)과 정합(mate)하도록 구성된 돌출부(362)를 포함할 수 있다. 베이스 플레이트(360) 및 커버 플레이트(366)는 치밀화된(densified) 유전체 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트(360) 및 커버 플레이트(366)는, 예를 들어 알루미나, 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia; YSZ)(예를 들어, 3% 이트리아 안정화 지르코니아) 등과 같은, 실질적으로 비-다공성의 전기 절연성 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 베이스 플레이트(360) 및 커버 플레이트(366)는 유전체 레이어(364)에 대한 지지를 제공하도록 구성된 강성 플레이트들일 수 있다.
일부 실시 예들에서, 유전체 레이어(364)는 베이스 플레이트(360) 및/또는 커버 플레이트(366)의 세라믹 재료보다 더 높은 유전율을 갖는 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 즉, 유전체 레이어(364)는, 베이스 플레이트(360) 및 커버 플레이트(366)보다, 절연 파괴(electrical breakdown) 없이 더 높은 최대 전기장을 견딜 수 있고 전기 전도성이 될 수 있다(즉, 더 높은 파괴 전압을 가질 수 있음). 예를 들어, 유전체 레이어(364)는, 회사(3M Co.)로부터 입수 가능한 Nextel 세라믹 직물 번호 312, 440 또는 610과 같이, 고온에서 전기적으로 매우 절연성인 다공성 세라믹 원사(yarn) 또는 직물의 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.
다른 실시 예들에서, 유전체 레이어(364)는, 표면적 대 부피 비가 높기 때문에, 세라믹 매트릭스 복합체(ceramic matrix composite; CMC) 재료 또는 높은 유전 강도를 갖는 임의의 유사한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, CMC는 알루미늄 산화물(예를 들어, 알루미나), 지르코늄 산화물 또는 실리콘 카바이드(silicon carbide)의 매트릭스(matrix)를 포함할 수 있다. 기타의 매트릭스 재료들도 선택될 수 있다. 섬유들은 알루미나, 탄소, 실리콘 카바이드, 또는 임의의 기타의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 일 실시 예에서, 매트릭스 및 섬유들 모두는 알루미나를 포함할 수 있다. 따라서, 유전체 레이어(364)는 연료 플레넘(350)을 통한 전기적 도전(electrical conduction)을 방지하기 위해 유전체 차단부로서 동작하도록 구성될 수 있다.
커버 플레이트(366) 및 베이스 플레이트(360)는 유전체 레이어(364)보다 더 높은 밀도를 가질 수 있다. 예를 들어, 커버 플레이트(366) 및/또는 베이스 플레이트(360)는, 예를 들어 97% 내지 99.5% 치밀한 알루미나 등과 같은, 완전 치밀한 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 커버 플레이트(366)는 유전체 레이어(364)로부터 밀봉 플레이트(370)를 분리하도록 구성된다. 이와 같이, 커버 플레이트(366)는 금속 종들(metallic species)이 밀봉 플레이트(370)로부터 유전체 레이어(364)로 확산되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 커버 플레이트(366)는, 크로뮴 종들이 유전체 레이어(364)의 유전 강도를 감소시키는 것 및/또는 다른 방식으로 유전체 레이어(364)의 구조적 무결성을 저하시키는 것을 방지하기 위해, 크로뮴 종들(예를 들어, 크로뮴 산화물들)이 밀봉 플레이트(370)로부터 유전체 레이어(364)로 확산되는 것을 감소 및/또는 방지할 수 있다.
밀봉 플레이트(370) 및 매니폴드 플레이트(380)는 연료 도관들(320)에 용이하게 용접될 수 있는 스테인리스강과 같은 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 플레이트(370) 및/또는 매니폴드 플레이트(380)는 446 스테인리스강 등으로 형성될 수 있다. 446 스테인리스강은 23 내지 27 중량%의 Cr, 1.5 중량% 이하의 Mn, Si, Ni, C, P 및/또는 S 중 하나 이상의 1 중량% 이하, 및 잔량의 Fe를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 밀봉 플레이트(370) 및/또는 매니폴드 플레이트(380)는 복수의 금속 서브 플레이트들을 함께 브레이징함으로써 형성될 수 있다. 금속 서브 플레이트들을 이용하여 형성되는 실시 예들에서, 서브 플레이트들 각각은 브레이징 공정 이전 또는 이후에, 예를 들어 홀들 및/또는 채널들과 같은 다양한 구조들을 형성하도록 절단될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 이러한 구조들을 절단하기 위해 레이저 절단 등이 이용될 수 있다.
밀봉 플레이트(370) 및 매니폴드 플레이트(380) 각각은 일 측 또는 양 측들 상에, 예를 들어 적어도 서로 대향하는 플레이트들(370, 380)의 측부들 상에, 코팅(372, 382)을 포함할 수 있다. 코팅들(372, 382)은 약 75 μm 내지 약 200 μm 범위의, 예를 들어 약 100 μm 내지 약 175 μm 범위, 약 110 μm 내지 약 140 μm 범위, 또는 약 120 μm의 두께를 가질 수 있다. 전형적으로, 코팅들(372, 382)은 금속 산화물 재료, 예를 들어 페로브스카이트 재료, 예를 들어 란타늄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite; LSM)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 기타의 금속 산화물 코팅들, 예를 들어 스피넬, 예를 들어 (Mn, Co)3O4 스피넬(MCO)이 LSM 대신에 또는 LSM에 부가하여 이용될 수 있다. Mn2-xCo1+xO4 (0 ≤ x ≤ 1)의 조성을 갖는 또는 z(Mn3O4) + (1-z)(Co3O4) (여기서, 1/3 ≤ z ≤ 2/3)로 표기되는, 또는 (Mn, Co)3O4 로 표기되는 임의의 스피넬이 이용될 수 있다. 다른 실시 예들에서, LSM 및 MCO의 혼합 레이어, 또는 LSM 레이어 및 MCO 레이어의 스택이 코팅들(372, 382)로서 이용될 수 있다. 코팅들(372, 382)은 분무 코팅 또는 딥 코팅 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 밀봉 플레이트(370) 및 매니폴드 플레이트(380)의 실질적으로 모든 외부 표면들에 도포될 수 있다.
밀봉 플레이트(370)는 이의 상단 표면과 하단 표면 사이에서 연장되는 관통 홀들일 수 있는 유입 홀(374A) 및 배출 홀(374B)을 포함할 수 있다. 매니폴드 플레이트(380)는, 매니폴드 플레이트(380)의 대향 측들 상에, 이의 하단 표면에 형성된 하단 유입 홀(384A) 및 하단 배출 홀(384B)과, 이의 상단 표면에 형성될 수 있는 상단 유입 홀들(390A) 및 상단 배출 홀들(390B)을 포함할 수 있다. 3개의 상단 유입 홀들(390A) 및 3개의 상단 배출 홀들(390B)이 도시되어 있지만, 본 개시 내용은 상단 배출 및 유입 홀들(390A, 390B)의 특정 개수에 국한되지 않는다. 예를 들어, 매니폴드 플레이트(380)는 대응하는 연료 전지 스택의 인터커넥트들(400)에 포함된 연료 유입구들 및 배출구들의 개수에 따라, 2개, 4개, 또는 5개 이상의 상단 유입 홀들(390A)을 포함할 수 있고, 2개, 4개, 또는 5개 이상의 상단 배출 홀들(390B)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 인터커넥트들이 3개의 유입구들 및 3개의 배출구들을 갖는 경우, 매니폴드 플레이트(380)는 3개의 유입 홀들(390A) 및 3개의 배출 홀들(390B)을 갖는다.
베이스 플레이트(360), 유전체 레이어(364), 커버 플레이트(366), 밀봉 플레이트(370) 및 매니폴드 플레이트(380)는 서로 적층될 수 있고, 이에 따라 유입 홀들(361A, 365A, 367A, 374A, 384A)은 유입 도관 통로(352A)를 형성하도록 정렬되고, 배출 홀들(361B, 365B, 367B, 374B, 384B)은 배출 도관 통로(352B)를 형성하도록 정렬된다. 유입 및 배출 도관들(320A, 320B)은, 유입 및 배출 도관들(320A, 320B)의 단부들(328)이 밀봉 플레이트(370)의 상부 표면까지 및/또는 이를 지나 연장될 수 있도록, 개별 유입 및 배출 도관 통로들(352A, 352B) 내로 삽입될 수 있다.
도 6a는 밀봉 플레이트(370)의 상면도이고, 도 6b는 도 6a의 선(L3)을 따라 취한 단면도이다. 밀봉 플레이트(370)의 상단 표면에 코팅(372)이 도포되지 않은 영역들에서, 유입 및 배출 홀들(374A, 374B) 주변에 유입구 밀봉 영역(378A) 및 배출구 밀봉 영역(378B)이 각각 형성될 수 있다. 따라서, 유입구 및 배출구 밀봉 영역들(378A, 378B)은 코팅(372)의 두께와 동일한 깊이(D2), 예를 들어 약 120μm의 깊이(D2)를 가질 수 있다.
도 7a는 매니폴드 플레이트(380)의 저면도이고, 도 7b는 도 7a의 선(L4)을 따라 취한 단면도이며, 도 7c는 본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따른 매니폴드 플레이트(380)의 개략적인 상면도이다. 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 매니폴드 플레이트(380)의 하단 표면에는 각각 하단 유입 및 배출 홀들(384A, 384B)을 둘러싸는 유입구 및 배출구 리세스들(inlet and outlet recesses)(386A, 386B)이 형성될 수 있다. 유입구 및 배출구 리세스들(386A, 386B)은 약 0.5 mm 내지 약 6 mm 범위의, 예를 들어 약 1 cm 내지 약 3 cm 범위, 예를 들어 약 0.5 cm 내지 약 2 cm 범위, 또는 약 1 cm의 깊이(D3)를 가질 수 있다.
유입구 및 배출구 밀봉 영역들(388A, 388B)은, 매니폴드 플레이트(380)의 하단 표면에 코팅(382)이 도포되지 않은 영역들에서, 유입구 및 배출구 리세스들(386A, 386B) 주변에 각각 형성될 수 있다. 따라서, 유입구 및 배출구 밀봉 영역들(388A, 388B)은 코팅(382)의 두께와 동일한 깊이(D4), 예를 들어 약 120μm의 깊이(D4)를 가질 수 있다.
매니폴드 플레이트(380)는 또한 내부 유입 채널들(392A) 및 배출 채널들(392B)을 포함할 수 있다. 유입 채널들(392A)은 하단 유입 홀(384A)을 개별 상단 유입 홀들(390A)에 유체적으로 연결할 수 있다. 배출 채널들(392B)은 하단 배출 홀(384B)을 개별 상단 배출 홀들(390B)에 유체적으로 연결할 수 있다. 유입 채널들(392A)은, 공통의 하단 유입 홀(384A)로부터 각각의 상단 유입 홀(390A)에 실질적으로 동일한 양의 연료(예를 들어, 동일한 연료 유량)가 제공되도록, 구성될 수 있다. 배출 채널들(392B)은, 각각의 상단 배출 홀(390B)로부터 공통의 하단 배출 홀(384B)에 실질적으로 동일한 양의 연료 배출물이 제공되도록, 구성될 수 있다.
또한, 매니폴드 플레이트(380)는 전기 접점(electrical contact; 381)을 포함할 수 있다. 매니폴드 플레이트(380)는 연료 전지 스택의 하단에 전기적으로 연결될 수 있고, 전기 접점(381)은 매니폴드 플레이트(380)로부터 횡방향으로 연장될 수 있으며, 매니폴드 플레이트(380)를 집전(current collection) 회로에 연결하기 위한 연결점을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 8a는 도 5a의 선(L1)을 따라 취한 수직 단면도로서 조립된 연료 플레넘(350) 및 유입 도관(320A)을 도시하며, 도 8b는 도 5a의 선(L2)을 따라 취한 수직 단면도로서 조립된 연료 플레넘(350) 및 배출 도관(320B)을 도시한다.
도 5a, 도 5b, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 베이스 플레이트(360), 유전체 레이어(364), 커버 플레이트(366), 밀봉 플레이트(370) 및 매니폴드 플레이트(380)가 서로 적층되어 유입 도관 통로(352A) 및 배출 도관 통로(352B)를 형성한다. 유입 도관(320A)은 유입 도관 통로(352A)에 삽입되어 하단 유입 홀(384A)과 마주할 수 있다. 배출 도관(320B)은 배출 도관 통로(352B)에 삽입되어 하단 배출 홀(384B)과 마주할 수 있다.
제 1 밀봉 링(354A)은 유입 도관(320A) 주위에 그리고 매니폴드 플레이트(380)의 하단 표면 상의 유입구 리세스(386A)에 배치될 수 있다. 제 2 밀봉 링(354B)은 배출 도관(320B) 주위에 그리고 매니폴드 플레이트(380)의 하단 표면 상의 배출구 리세스(386B)에 배치될 수 있다. 유입 및 배출 도관들(320A, 320B)은 밀봉 플레이트(370)에 용접될 수 있다. 특히, 용접 공정은 제 1 및 제 2 밀봉 링들(354A, 354B)을 유입 및 배출 도관들(320A, 320B)에 용접하고, 제 1 및 제 2 밀봉 링들(354A, 354B)을 밀봉 플레이트(370)의 표면에 용접하는 것을 포함할 수 있으며, 이에 따라 유입 및 배출 도관들(320A, 320B)과 밀봉 플레이트(370) 사이에 유체-기밀 밀봉이 형성되는 것이 보장될 수 있다.
밀봉 플레이트(370)의 유입구 밀봉 영역(378A)에는 제 1 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356A)가 배치될 수 있으며, 매니폴드 플레이트(380)의 유입구 밀봉 영역(388A)에는 제 2 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356B)가 배치될 수 있다. 밀봉 플레이트(370)의 배출구 밀봉 영역(378B)에는 제 3 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356C)가 배치될 수 있고, 매니폴드 플레이트(380)의 배출구 밀봉 영역(388B)에는 제 4 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(356D)가 배치될 수 있다. 그러나, 다른 실시 예들에서, 단일 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부가 이용될 수 있다. 밀봉부들(356A 내지 356D)은 밀봉부들(356A 내지 356D)을 연화시키기 위해 가열될 수 있고, 이에 따라 밀봉부들(356A 내지 356D)은 밀봉 플레이트(370)를 매니폴드 플레이트(380)에 물리적으로 연결하는 유체-기밀 연결부들을 형성한다.
유입구 밀봉 영역들(378A, 388A)은 유입구 밀봉 영역(358A)을 형성하도록 중첩될 수 있고, 배출구 밀봉 영역들(378B, 388B)은 배출구 밀봉 영역(358B)을 형성하도록 중첩될 수 있다. 제 1 및 제 2 밀봉부들(356A, 356B)은 유입구 밀봉 영역(358A)에서 서로 적층될 수 있고, 제 3 및 제 4 밀봉부들(356C, 356D)은 배출구 밀봉 영역(358B)에서 서로 적층될 수 있다. 코팅들(372, 382)은 서로 적층될 수 있다. 따라서, 유입구 및 배출구 밀봉 영역들(358A, 358B)의 높이는 코팅들(372, 382)의 조합된 두께와 동일할 수 있다.
유입구 및 배출구 밀봉 영역들(358A, 358B)은 연료 전지 시스템의 작동 온도로 가열되는 경우 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부들(356A 내지 356D)이 횡방향으로 팽창할 수 있는 공간을 제공할 수 있고, 이에 의해 시간 경과에 따라 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부들(356A 내지 356D)에 가해지는 응력을 감소시킬 수 있다. 또한, 밀봉 플레이트(370)와 매니폴드 플레이트(380)는 동일한 재료로 형성될 수 있으므로, 밀봉 플레이트(370)와 매니폴드 플레이트(380)는 일치되는 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion; CTE)를 가질 수 있다. 따라서, 시간 경과에 따라 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부들(356A 내지 356D)에 가해지는 응력이 더욱 감소될 수 있다.
유리 또는 유리 세라믹 밀봉부들(356A 내지 356D)은 고온 유리 또는 유리 세라믹 재료, 예를 들어 실리케이트 또는 알루미노실리케이트 유리 또는 유리 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부들(356A 내지 356D)은 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 40% 내지 약 60% 범위의, 예를 들어 약 45% 내지 약 55% 범위의 양의 SiO2; 약 10% 내지 약 35% 범위의, 예를 들어 약 15% 내지 약 30% 범위의 양의 BaO; 약 5% 내지 약 20% 범위의, 예를 들어 약 7% 내지 약 16% 범위의 양의 CaO; 약 10% 내지 약 20% 범위의, 예를 들어 약 13% 내지 약 15% 범위의 양의 Al2O3; 및 약 0.25% 내지 약 7% 범위의, 예를 들어 약 0.5% 내지 약 5.5% 범위의 양의 B2O3 를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 밀봉 재료는 약 0.5% 내지 약 1.5% 범위의, 예를 들어 약 0.75% 내지 약 1.25% 범위의 양의 K2O 를 추가적으로 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부들(356A 내지 356D)은 SiO2, B2O3, Al2O3, CaO, MgO, La2O3, BaO, 및/또는 SrO 를 포함하는 실리케이트 유리 또는 유리 세라믹 밀봉 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 재료는, 중량 기준으로: 약 30% 내지 약 60% 범위의, 예를 들어 약 35% 내지 약 55% 범위의 양의 SiO2; 약 0.5% 내지 약 15% 범위의, 예를 들어 약 1% 내지 약 12% 범위의 양의 B2O3; 약 0.5% 내지 약 5% 범위의, 예를 들어 약 1% 내지 약 4% 범위의 양의 Al2O3; 약 2% 내지 약 30% 범위의, 예를 들어 약 5% 내지 약 25% 범위의 양의 CaO; 약 2% 내지 약 25% 범위의, 예를 들어 약 5% 내지 약 20% 범위의 양의 MgO; 및 약 2% 내지 약 12% 범위의, 예를 들어 약 5% 내지 약 10% 범위의 양의 La2O3 를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 밀봉 재료는 약 0% 내지 약 35% 범위의, 예를 들어 약 0% 내지 약 30% 범위의, 또는 약 0.5% 내지 약 30% 범위의, 예를 들어 약 20% 내지 약 30% 범위의 BaO, 및/또는 약 0% 내지 약 20% 범위의, 예를 들어 약 0% 내지 약 15% 범위의, 또는 약 0.5% 내지 약 15% 범위의, 예를 들어 약 10% 내지 약 15% 범위의 SrO를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 밀봉 재료는 BaO 및/또는 SrO 중 적어도 하나를 0이 아닌 양(예를 들어, 적어도 0.5 중량%)으로, 예를 들어 BaO 및 SrO 둘 다를 0이 아닌 양(예를 들어, 적어도 0.5 중량%)으로 추가로 포함할 수 있다. 그러나, 기타의 적합한 밀봉 재료들도 이용될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c의 연료 전지 스택(300)과 같은 연료 전지 스택으로 조립되는 경우, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상단 유입 홀들(390A)은 스택(300)의 인터커넥트(400)의 연료 유입구들(402)에 유체적으로 연결될 수 있고, 상단 배출 홀들(390B)은 인터커넥트들(400)의 연료 배출구들(404)에 유체적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(424)는 상단 유입 홀들(390A)과 인접 인터커넥트(400)의 연료 유입구들(402) 사이에 배치되고, 유리 또는 유리 세라믹 밀봉부(424)는 상단 배출 홀들(390B)과 인접 인터커넥트(400)의 연료 배출구들(404) 사이에 배치되어, 유체-기밀 연결들을 제공할 수 있다.
도 9의 (a)는 다양한 실시 예들에 따른 매립형 유전체 레이어(396)를 갖는 연료 전지 매니폴드 플레이트(380)의 3차원 상단 사시도이고, 도 9의 (b)는 다양한 실시 예들에 따른 도 9의 (a)의 연료 전지 매니폴드 플레이트(380)의 3차원 분해도이다. 유전체 레이어(396)의 존재는 연료 전지 매니폴드 플레이트(380)를 통한 누설 전류를 감소시킬 수 있고, 이는 매니폴드 플레이트(380) 및 기타 구조물들의 부식을 감소시키도록 작용할 수 있다. 유전체 레이어(396)는 또한, 시스템의 오작동 및/또는 시스템 구성 요소들에 대한 손상을 야기할 수 있는 단락 연결들을 방지할 수 있다.
도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 연료 전지 매니폴드 플레이트(380)는 상부 매니폴드 부분(380a) 및 하부 매니폴드 부분(308b)을 포함할 수 있다. 유전체 레이어(396)는 제 1 유전체 레이어 부분(396a) 및 제 2 유전체 레이어 부분(396b)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 유전체 레이어(396)는 분할선(396c)을 따라 분할될 수 있다. 분할선(396)의 존재는 상부 매니폴드 부분(380a) 및 하부 매니폴드 부분(308b)의 CTE에 대한 유전체 레이어(396)의 CTE의 차이로 인해 유전체 레이어(396)에 유도되는 열적 응력/변형을 감소시킬 수 있다. 연료 전지 매니폴드 플레이트(380)는 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 유전체 레이어(396)의 상하에 배치되는 밀봉부들(398)을 더 포함할 수 있다. 밀봉부들(398)은 전기 절연성(예를 들어, 유리 또는 유리-세라믹) 재료를 포함할 수 있고, 링 형상(즉, "도넛 형상")의 기하학적 구조를 가질 수 있다. 다른 실시 예들에서, 밀봉부들(398)은 기타의 형상들을 가질 수 있고, 기타의 재료들을 포함할 수 있다. 밀봉부들(398)은 각각의 제 1 및 제 2 유전체 레이어 부분들(396a, 396b) 및 하부 매니폴드 부분(380b)을 통해 연장되는 하단 유입 홀(384A) 및 하단 배출 홀(384B)을 둘러싼다. 밀봉부들(398)은 상부 매니폴드 부분(380a), 하부 매니폴드 부분(308b) 및 유전체 레이어(396) 사이에서 연료 및/또는 공기의 누설을 방지할 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 다양한 실시 예들에 따른 도 9의 (b)의 유전체 레이어(396)의 형성에 이용되는 중간 구조들을 도시하고, 도 10d는 다양한 실시 예들에 따른 유전체 레이어(396)을 도시한다. 도 10a 내지 도 10c의 중간 구조들은 제 1 유전체 레이어 부분(396a) 및 제 2 유전체 레이어 부분(396b) 중 하나의 형성을 예시한다. 도 10a의 중간 구조는 제 1 유전체 심(shim)(1002a) 위에 전기 절연성 밀봉부(1006)를 배치함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 밀봉부(1006)는 절연성(예를 들어, 유리 또는 유리-세라믹) 재료를 포함할 수 있고, 링 형상(즉, "도넛 형상")의 기하학적 구조를 가질 수 있다. 다른 실시 예들에서, 밀봉부(1006)는 기타의 형상들을 가질 수 있고, 기타의 재료들을 포함할 수 있다. 제 1 심(1002a)은 전술한 바와 같은 유입 도관 통로(352A) 및 배출 도관 통로(352B) 중 하나의 일부를 형성하도록 구성된 제 1 홀(1004f)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1홀(1004f)은 전술한 하단 유입 홀(384A) 또는 하단 배출 홀(384B)의 상부 부분을 포함할 수 있다.
예시적인 일 실시 예에서, 제 1 유전체 심(1002a)은 세라믹 재료, 예를 들어 알루미나를 포함할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 제 1 유전체 심(1002a)은 기타의 재료들을 포함할 수 있다. 제 1 유전체 심(1002a)은 0.5mm 내지 5mm의 두께, 예를 들어 2mm 내지 3mm의 두께를 가질 수 있다. 도 10b의 중간 구조는 제 1 유전체 심(1002a) 위에 직물(1008)을 배치함으로써 형성될 수 있다. 직물(1008)은 고온에서 안정한 절연 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 직물(1008)은 유리 섬유(fiberglass)를 포함할 수 있다. 직물의 두께는 0.25 mm 내지 1 mm, 예를 들어 약 0.5 mm 일 수 있다. 다른 실시 예들에서, 직물(1008)은 기타의 재료들을 포함할 수 있고, 기타의 두께를 가질 수 있다. 직물(1008)은, 제 2 홀(1004s)이 직물(1008)을 통해서도 연장되도록, 제 1 유전체 심(1002a)의 형상으로 절단된다. 직물(1008)은, 직물(1008)의 제 2 홀(1004s)이 밀봉부(1006) 및 제 1 홀(1004f)과 정렬되도록, 밀봉부(1006) 주위에 배치된다.
도 10c의 중간 구조는 직물(1008) 위에 제 2 유전체 심(1002b)을 배치함으로써 형성될 수 있다. 예시적인 일 실시 예에서, 제 2 유전체 심(1002b)은 세라믹 재료, 예를 들어 알루미나를 포함할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 제 2 유전체 심(1002b)은 기타의 재료들을 포함할 수 있다. 제 2 심(102b)은 제 1 심(102a)과 동일한 두께 또는 상이한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 심(1002a) 및 제 2 심(1002b)의 두께는 각각 약 2mm 일 수 있다. 다른 실시 예들에서, 제 1 심(1002a) 및 제 2 심(1002b)은 기타의 두께를 가질 수 있다. 제 3 홀(1004t)은 제 2 심(1002b)을 통해 연장된다.
일 실시 예에 따르면, 도 10c의 중간 구조는 이후 800 °C 내지 1200 °C에서, 예를 들어 1000 °C에서, 1 °C/분 내지 5 °C/분의 속도로, 예를 들어 2 °C/분의 속도로 기계적 부하(mechanical load) 하에 소결되고, 최소 3 시간 동안, 예를 들어 3 내지 10 시간 동안 침지되고, 1 °C/분 내지 5 °C/분의 속도로, 예를 들어 2 °C/분의 속도로 실온으로 냉각되어, 밀폐형 샌드위치 조립체를 형성할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 도 10c의 중간 구조는 기타의 방식으로 처리될 수 있다. 결과적인 밀폐형 샌드위치 어셈블리는 유전체 레이어(396)의 제 1 유전체 레이어 부분(396a) 및 제 2 유전체 레이어 부분(396b) 중 하나를 형성할 수 있다.
도 10d에 도시된 바와 같이, 제 1 유전체 레이어 부분(396a) 및 제 2 유전체 레이어 부분(396b)은 서로 거울상(mirror images)으로 형성되고 서로 이웃하여 배치되어, 제 1 유전체 레이어 부분(396a) 및 제 2 유전체 레이어 부분(396b) 사이의 간극으로서 형성될 수 있는 분할선(396c)에 의해 분리될 수 있다. 제 1 유전체 레이어 부분(396a) 및 제 2 유전체 레이어 부분(396b)은, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 상부 매니폴드 부분(380a)과 하부 매니폴드 부분(308b) 사이에 끼워넣어질(nested) 수 있다. 전술한 바와 같이, 분할선(396)(즉, 제 1 유전체 레이어 부분(396a)과 제 2 유전체 레이어 부분(396b) 사이의 간극)의 존재는, 유전체 레이어(396), 상부 매니폴드 부분(380a) 및 하부 매니폴드 부분(308b)의 CTE 간의 불일치로 인한 열적 응력/변형을 완화시킬 수 있다.
개별 제 1 유전체 레이어 부분(396a) 및 제 2 유전체 레이어 부분(396b) 각각은 전술한 하단 유입 홀(384A) 및 하단 배출 홀(384B)의 상부 부분들을 포함할 수 있는 개별 홀(1004a, 1004b)을 포함한다. 따라서, 제 2 홀(1004s)을 포함하는 전기 절연성 직물(1008)은 제 1 전기 절연성 심(1002a)과 제 2 전기 절연성 심(1002b) 사이에 배치되어, 제 1, 제 2 및 제 3 홀들(1004f, 1004s, 1004t)이 서로 정렬되어 연속적인 홀(예를 들어, 1004a 또는 1004b)을 형성하는 조립체(예를 들어, 절연층(396)의 제 1 또는 제 2 부분)를 형성한다.
도 11은 다양한 실시 예들에 따른 도 9의 (a)의 선(L5)을 따라 취한 도 9의 (a)의 매니폴드 플레이트(380)의 단면도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 매니폴드 플레이트(380)는 제 1 유전체 레이어 부분(396a)이 상부 매니폴드 부분(380a)과 하부 매니폴드 부분(308b) 사이에 개재된(sandwiched) 유전체 레이어(396)를 포함할 수 있다. 매니폴드 플레이트(380)의 나머지 구조적인 세부 사항은 도 7b를 참조하여 전술한 바와 유사하다.
도 12a는 다양한 실시 예들에 따른 도 9의 (a) 및 도 9의 (b)의 매니폴드 플레이트(380)를 포함하는 도 8a의 연료 흐름 구조와 유사한 연료 흐름 구조의 수직 단면도이다. 이 예에서, 단면은 도 9의 (a)의 선(L5)을 따라 취해졌다. 도시된 바와 같이, 유체 흐름 구조는 상부 매니폴드 부분(380a)과 하부 매니폴드 부분(308b) 사이에 개재된 제 1 유전체 레이어 부분(396a)을 포함한다. 도 12a의 연료 흐름 구조의 나머지 구조적인 세부 사항은 도 8a를 참조하여 전술한 바와 유사하다.
도 12b는 다양한 실시 예들에 따른 도 9의 (a)의 L6 선을 따라 취한 도 12a의 연료 흐름 구조의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 유체 흐름 구조는 상부 매니폴드 부분(380a)과 하부 매니폴드 부분(308b) 사이에 개재된 제 2 유전체 레이어 부분(396b)을 포함한다. 도 12b의 연료 흐름 구조의 나머지 구조적인 세부 사항은 도 8b를 참조하여 전술한 바와 유사하다.
고체 산화물 연료 전지 인터커넥트들, 단부 플레이트들, 전해질들 및 매니폴드 플레이트들이 다양한 실시 예들로 설명되었지만, 실시 예들은 임의의 기타의 연료 전지 구성 요소들, 예를 들어 용융 탄산염, 인산 또는 PEM 연료 전지 전해질들, 인터커넥트들 또는 단부 플레이트들, 또는 연료 전지 시스템과 관련되지 않은 임의의 기타 형상의 금속 또는 금속 합금 또는 압축된 금속 분말 또는 세라믹 물체를 포함할 수 있다.
전술한 설명들은 단지 예시적인 예들로서 제공되며, 다양한 실시 예들의 동작들이 제시된 순서대로 수행되어야 한다는 것을 요구하거나 암시하기 위한 것이 아니다. 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 전술한 실시 예들의 동작들의 순서는 임의의 순서로 수행될 수 있다. "이후에, "이어서", "다음에" 등과 같은 단어가 동작들의 순서를 반드시 제한하기 위한 것이 아니며; 이러한 단어들은 방법에 관한 설명을 통해 독자를 안내하는 데 이용될 수 있다. 또한, 예를 들어 관사들("a," "an," "the")을 이용한, 단수형의 요소를 청구하는 임의의 언급이 그 요소를 단수형으로 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 또한, 본 명세서에 설명된 임의의 실시 예의 임의의 동작 또는 구성 요소는 임의의 다른 실시 예에서 이용될 수 있다.
개시된 양상들에 관한 전술한 설명은 당업자가 개시된 실시 예들을 제조 및/또는 이용할 수 있게끔 하기 위해 제공된다. 이러한 양상들에 대한 다양한 수정들이 당업자에게 매우 자명할 것이고, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않고 다른 양상들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 실시 예들은 본 명세서에 제시된 양상들로 제한되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리들 및 신규한 특징들에 일치되는 가장 넓은 범위를 따른다.

Claims (20)

  1. 연료 전지 스택용 매니폴드 플레이트로서,
    하부 매니폴드 부분;
    상부 매니폴드 부분;
    상기 하부 매니폴드 부분과 상기 상부 매니폴드 부분 사이에 개재된 유전체 레이어;
    상기 하부 매니폴드 부분의 하단 표면에 형성된 하단 유입 홀 및 하단 배출 홀 - 상기 하단 유입 홀 및 상기 하단 배출 홀은 상기 유전체 레이어를 통해 연장됨 -;
    상기 상부 매니폴드 부분의 상단 표면의 대향 측들에 형성된 상단 배출 홀들 및 상단 유입 홀들;
    상기 상단 배출 홀들을 상기 하단 유입 홀에 유체적으로 연결하는 배출 채널들; 및
    상기 상단 유입 홀들을 상기 하단 배출 홀에 유체적으로 연결하는 유입 채널들;
    을 포함하는, 매니폴드 플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 레이어는:
    제 1 유전체 레이어 부분; 및
    제 2 유전체 레이어 부분;
    을 포함하고,
    상기 제 1 유전체 레이어 부분 및 상기 제 2 유전체 레이어 부분은, 상기 제 1 유전체 레이어 부분과 상기 제 2 유전체 레이어 부분 사이에 형성된 간극에 의해 분리되는,
    매니폴드 플레이트.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체 레이어 부분과 상기 제 2 유전체 레이어 부분은 서로 거울상인,
    매니폴드 플레이트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체 레이어 부분과 상기 제 2 유전체 레이어 부분은 공통 평면에서 서로 인접하게 위치하는,
    매니폴드 플레이트.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체 레이어 부분 및 상기 제 2 유전체 레이어 부분 각각은 다중 레이어 구조를 포함하고,
    상기 다중 레이어 구조는:
    제 1 전기 절연성 심;
    제 2 전기 절연성 심; 및
    상기 제 1 전기 절연성 심과 상기 제 2 전기 절연성 심 사이에 개재된 전기 절연성 직물;
    을 포함하는,
    매니폴드 플레이트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체 레이어 부분 및 상기 제 2 유전체 레이어 부분 각각은, 상기 제 1 전기 절연성 심과 상기 제 2 전기 절연성 심 사이에 개재된 절연성 밀봉부들을 더 포함하는,
    매니폴드 플레이트.
  7. 제 5 항에 있어서,
    각각의 밀봉부는, 상기 유전체 레이어의 각각의 홀을 둘러싸는 유리 또는 유리-세라믹 링 밀봉부를 포함하는,
    매니폴드 플레이트.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 전기 절연성 심 및 상기 제 2 전기 절연성 심 각각은, 세라믹 재료를 포함하는,
    매니폴드 플레이트.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 전기 절연성 심 및 상기 제 2 전기 절연성 심 각각은, 알루미나를 포함하는,
    매니폴드 플레이트.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 전기 절연성 직물은 유리 섬유를 포함하는,
    매니폴드 플레이트.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1유전체 레이어 부분과 상기 제 2유전체 레이어 부분 사이에 형성된 간극은, 상기 하부 매니폴드 부분 및 상기 상부 매니폴드 부분의 열 팽창 계수에 대한 상기 유전체 레이어의 열 팽창 계수의 불일치로 인한 열적 응력 및 변형을 완화하도록 구성되는,
    매니폴드 플레이트.
  12. 연료 전지 스택의 연료 흐름 구조로서,
    유입 홀 및 배출 홀을 포함하는 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 상에 배치되고, 유입 홀 및 배출 홀을 포함하는 제 1 유전체 레이어;
    상기 제 1 유전체 레이어 상에 배치되고, 유입 홀 및 배출 홀을 포함하는 커버 플레이트;
    상기 커버 플레이트 상에 배치되고, 유입 홀 및 배출 홀을 포함하는 밀봉 플레이트; 및
    상기 밀봉 플레이트 상에 배치된 제 1 항의 매니폴드 플레이트;
    를 포함하는, 연료 전지 스택의 연료 흐름 구조.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트, 상기 제 1 유전체 레이어, 상기 커버 플레이트, 상기 밀봉 플레이트, 상기 하부 매니폴드 부분, 상기 제 2 유전체 레이어 및 상기 상부 매니폴드 부분의 유입 홀들은 유입 도관 통로를 형성하도록 정렬되고, 그리고 상기 베이스 플레이트, 상기 제 1 유전체 레이어, 상기 커버 플레이트, 상기 밀봉 플레이트, 상기 하부 매니폴드 부분, 상기 제 2 유전체 레이어 및 상기 상부 매니폴드 부분의 배출 홀들은 배출 도관 통로를 형성하도록 정렬되거나; 또는
    상기 베이스 플레이트, 커버 플레이트, 밀봉 플레이트 및 매니폴드 플레이트의 유입 홀들은 유입 도관 통로를 형성하도록 정렬되고, 그리고 상기 베이스 플레이트, 커버 플레이트, 밀봉 플레이트 및 매니폴드 플레이트의 배출 홀들은 배출 도관 통로를 형성하도록 정렬되는,
    연료 전지 스택의 연료 흐름 구조.
  14. 연료 전지 스택으로서,
    제 12 항의 연료 전지 스택의 연료 흐름 구조;
    상기 연료 전지 스택의 연료 흐름 구조 상에 적층된 인터커넥트들; 및
    상기 인터커넥트들 사이에 배치된 연료 전지들;
    을 포함하는, 연료 전지 스택.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연료 전지들은 고체 산화물 연료 전지들을 포함하고;
    상기 상단 배출 홀들은 상기 인터커넥트들의 연료 유입구들에 유체적으로 연결되며;
    상기 상단 유입 홀들은 상기 인터커넥트들의 연료 배출구들에 유체적으로 연결되는,
    연료 전지 스택.
  16. 연료 전지 스택용 매니폴드 플레이트의 제조 방법으로서,
    하부 매니폴드 부분 및 상부 매니폴드 부분을 제공하는 단계;
    유전체 레이어를 제공하는 단계; 및
    상기 유전체 레이어가 상기 하부 매니폴드 부분과 상기 상부 매니폴드 부분 사이에 개재되도록, 상기 하부 매니폴드 부분, 상기 상부 매니폴드 부분 및 상기 유전체 레이어를 상기 매니폴드 플레이트로 조립하는 단계;
    를 포함하는, 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 유전체 레이어를 제공하는 단계는:
    제 1 홀을 포함하는 제 1 전기 절연성 심을 제공하는 단계;
    제 3 홀을 포함하는 제 2 전기 절연성 심을 제공하는 단계; 및
    상기 제 1 전기 절연성 심과 상기 제 2 전기 절연성 심 사이에 제 2 홀을 포함하는 전기 절연성 직물을 배치하여, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 홀들이 서로 정렬되는 조립체를 형성하는 단계;
    를 포함하는,
    제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전기 절연성 심이 상기 제 2 홀을 둘러싸도록, 상기 제 1 전기 절연성 심과 상기 제 2 전기 절연성 심 사이에 전기 절연성 밀봉부를 제공하는 단계; 및
    기계적 부하 하에서 상기 조립체를 소결하는 단계;
    를 더 포함하는, 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 유전체 레이어는 제 1 유전체 레이어 부분 및 제 2 유전체 레이어 부분을 포함하고;
    상기 제 1 유전체 레이어 부분 및 상기 제 2 유전체 레이어 부분은, 상기 제 1 유전체 레이어 부분과 상기 제 2 유전체 레이어 부분 사이에 형성된 간극에 의해 분리되며;
    상기 제 1 유전체 레이어 부분 및 상기 제 2 유전체 레이어 부분은 공통 평면에서 서로 인접하여 위치하는,
    제조 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 매니폴드 플레이트 위에 연료 전지 스택을 배치하는 단계;
    를 더 포함하는, 제조 방법.
KR1020220145739A 2021-11-11 2022-11-04 내장형 유전체 레이어를 갖는 연료 전지 매니폴드 및 이의 제조 방법 KR20230069014A (ko)

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