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KR101484635B1 - 압축 어셈블리, 고체 산화물 연료전지 스택, 고체 산화물연료전지 스택의 압축 프로세스, 및 그 사용 - Google Patents

압축 어셈블리, 고체 산화물 연료전지 스택, 고체 산화물연료전지 스택의 압축 프로세스, 및 그 사용 Download PDF

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KR101484635B1
KR101484635B1 KR20070069623A KR20070069623A KR101484635B1 KR 101484635 B1 KR101484635 B1 KR 101484635B1 KR 20070069623 A KR20070069623 A KR 20070069623A KR 20070069623 A KR20070069623 A KR 20070069623A KR 101484635 B1 KR101484635 B1 KR 101484635B1
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solid oxide
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옌스 율릭 닐센
닐스 에릭스트러프
예스퍼 노르스크
크리스티안 올센
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토프쉐 푸엘 셀 에이/에스
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Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료전지에 외부 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리를 개시하는데, 상기 압축 어셈블리는 힘 분배 어셈블리가 고체 산화물 연료전지 스택과 함께 설치되었을 때, 외부의 압축 압력이 상기 힘 분배 플레이트에 가해지고, 힘 분배 레이어는 고체 산화물 연료전지와 마주하는 표면의 반대편에, 적어도 일 엔드 플레이트의 표면 옆에 제공되어 있고, 힘 분배 레이어는 고체 산화물 연료전지의 실링 영역 옆으로 뻗은 리지드 프레임을 가지도록, 힘 분배 플레이트 및 힘 분배 레이어를 포함하고, 고체 산화물 연료전지와 함께 설치된 압축 어셈블리가 사용될 때, 힘 분배 레이어는 실링 영역 및 전기화학적 활성영역에 걸쳐 동일하지 않은 압력을 제공하도록, 고체 산화물 연료전지 스택의 전기화학적 활성영역 옆에 위치되고, 상기 리지드 프레임에 의해 둘러싸인 공간 내에 놓인 하나 이상의 탄성 엘리먼트를 포함한다.
또한, 압축 어셈블리를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택이 제공되고, 고체 산화물 연료전지 스택을 압축하는 프로세스가 제공된다. 고체 산화물 연료전지 스택의 다른 상이한 사용이 서술되어 있다.
고체 산화물 연료전지 스택, 압축 어셈블리, 힘 분배 플레이트, 힘 분배 레 이어, 실링 영역, 전기 화학적 활성영역, 리지드 프레임, 탄성 엘리먼트.

Description

압축 어셈블리, 고체 산화물 연료전지 스택, 고체 산화물 연료전지 스택의 압축 프로세스, 및 그 사용{COMPRESSION ASSEMBLY, SOLID OXIDE FUEL CELL STACK, A PROCESS FOR COMPRESSION OF THE SOLID OXIDE FUEL CELL STACK AND ITS USE}
본 발명은 연료전지 스택(stack)의 압축 프로세스에 관한 것이고, 고체 산화물 연료전지 스택과 같은 고온의 연료전지 스택에 특히 유용한 압축 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 전기를 산출하는 전기화학 디바이스이다. 연료, 전형적으로 수소는 연료 애노드에서 산화되고, 산소, 전형적으로 공기는 전류를 산출하고 그 부산물로 물과 열을 형성하는 캐소드에서 환원된다. 수소는, 또한, 연료전지 내에 메탄과 같은 탄화수소의 내부적 재형성에 의해 유도될 수 있다. 전해질은 애노드 및 캐소드와 접촉되어야 하고, 이는 염기 또는 산성의 액체 또는 고체일 수 있다.
고체 산화물 연료전지(SOFC)에서 전해질은 고체의, 비다공성 금속 산화물이다. SOFC는 650-1000℃의 온도에서 작동하는 고온의 연료전지이다. 이들은 메탄과 같은 연료의 내부적 재형성을 위해 특히 유용하다.
발전에 있어, SOFC의 사용은 내연기관에서의 화석 연료의 연소와 같은 원료로 인한 발전과 비교하여 잠재적인 환경적 이점을 제공한다.
평면 타입의 SOFC는 복수의 플레이트형 고체 산화물 연료전지가 서로의 탑부에 스택되고, 제1고체 산화물 연료전지와 인접한 제1엔드 플레이트와 제2고체 산화물 연료전지와 인접한 제2엔드 플레이트로 이루어진 두 평면형 엔드 플레이트 사이에 삽입되어 구성된다. 고체 산화물 연료전지는 스택의 측면으로부터 가스의 누출을 막기 위해, 전형적으로 글라스 또는 브리틀(brittle) 재료의 가스 실(seal)에 의해 그 에지에서 실링된다. 각각의 개별 고체 산화물 연료전지 사이에, 전류 수집 및 가스 분배를 위한 상호연결이 존재한다.
SOFC 스택은 두 개의 엔드 플레이트에 힘을 가함으로써 기계적으로 압축될 수 있다. 엔드 플레이트는, 예컨대, 금속으로 이루어질 수 있다. 엔드 플레이트의 압축은 동작중 SOFC 전지의 에지에 존재하는 가스 실이 SOFC 스택의 상이한 레이어 사이의 전기 접촉, 및 기밀을 유지함을 보장할 만큼 충분한 강도인 동시에, SOFC 스택의 전기화학적 활성 컴포넌트가 과도하게 변형되지 않음을 보장할 만큼 낮은 강도이다.
동작 동안에, SOFC 스택은 SOFC 스택 내의 온도 그래디언트(gradient)를 일으켜, SOFC 스택의 상이한 컴포넌트들의 열 팽창을 일으키는 650℃ 내지 1000℃의 온도에 영향을 받을 수 있다. 최대 팽창을 겪게 되는 SOFC 스택 부분은 작동 조건에 의존하는데, 예컨대, 스택의 중심에 위치될 수 있고, 스택의 가장자리, 예컨대, 코너에 위치할 수 있다. 열 팽창의 결과로 SOFC 스택 내의 상이한 레이어 사이의 전기적 접촉이 감소될 수 있다. 열 팽창은, 또한, SOFC 스택의 기능 저하 및 파워 출력의 감소를 일으키는 상이한 레이어 사이의 가스 실(seal)에 크랙 및 누수를 일으킬 수 있다.
특정한 변형 특성을 가진 재료를 선택함으로써 이 문제를 해결하는 것은 SOFC 스택의 컴포넌트가 상이한 온도 프로파일에서 전기적 접촉을 유지함과 동시에 합리적인 수명을 가질 필요가 있기 때문에, 매우 어려운 것으로 증명되어 왔다.
이 문제를 해결하는 다른 방법은 SOFC 스택의 압축을 제공하기 위한 상이한 접근법을 포함한다. 기계적 스프링의 사용은 주지되어 있고, 예컨대, 스프링이 전기적으로 직렬로 놓인 두 스택의 높이 차이를 흡수하기 위해, 그리고 스택의 전체 표면에 압축을 제공하기 위해 사용되는, 미국특허 제7001685호를 참조하라.
그러나, 엔드 플레이트에 압축력을 제공하기 위한 스프링의 사용은 연료전지 스택의 상이한 부분들이 동작 조건에 의해 지정된 바와 같이 팽창하도록 할 수 없다는 단점이 있다. 이것은 전기적 컨택트의 손실, 또는 가스 실을 통한 가스의 누출을 일으킨다.
본 발명의 목적은 고체 산화물 연료전지 스택의 상이한 부분에 대하여 상이한 압축 압력이 동시에 스택에 가해지는 고체 산화물 연료전지 스택을 위한 압축 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기화학적 활성영역 및 고체 산화물 연료전지의 실링 영역에 대한 압축 압력이 동일하지 않은 압축 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 동작 동안 스택 내부에 우수한 전기적 접촉이 이루어지고 유지되는 고체 산화물 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
아래에, 다수의 기술 용어가 사용되었다. 이러한 용어의 사용은 그 용어의 보통의 사용과 상반된 것이 아니라, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위함이고, 몇몇 용어의 간단한 리스트는 그 단어의 의미의 지시와 함께 아래에 주어져 있다.
실링 영역: 연료로부터 산화제를 실링하는 스택 내의 전지 사이의 영역.
전기화학적 활성영역: 전기화학적 반응이 발생하는 고체 산화물 연료전지 스택 내의 하나 이상의 셀의 표면을 커버하는 영역.
압축 압력: 양의 압력, 즉, 이 압력은 고체 산화물 연료전지 스택 주변 환경의 압력보다 더 크고, 결과적으로, 압축 압력은 실제 가해진 압력과 고체 산화물 연료전지 스택 주변 환경의 압력의 차이로 말할 수 있다.
탄성 엘리먼트: 로딩될 때 변형되고, 언로딩될 때 회복되거나 또는 그 원래 형상을 거의 회복하는 능력을 가진 엘리먼트. 예를 들어, 압축공기가 탄성 엘리먼트로 사용될 수 있으나, 누수가 있다면, 그 원래 형상을 자연적으로 회복할 수는 없을 것이다. 다른 탄성 엘리먼트는 이에 가해진 압축 압력에 즉시 응답하지 않지만, 천천히 반응하거나, 또는 그 원래의 상태로 완전히 회복되지 않을 수 있는 것일 수 있다.
본 발명의 제1형태에 따라, 상기 목적 중 일부 및 다른 목적은 고체 산화물 연료전지 스택에 외부 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리를 제공함으로써 달성되는데, 이 압축 어셈블리는 압축 어셈블리가 고체 산화물 연료전지 스택과 함께 설치되었을 때, 외부 압축력이 상기 힘 분배 플레이트에 가해지고, 힘 분배 레이어는 고체 산화물 연료전지와 마주하는 표면의 반대편에, 적어도 하나의 엔드 플레이트에서의 표면 옆에 제공되어 있고, 힘 분배 레이어는 고체 산화물 연료전지의 실링 영역 옆으로 뻗은 리지드 프레임을 가지도록, 힘 분배 플레이트, 및 힘 분배 레이어를 포함하고, 고체 산화물 연료전지에 설치된 압축 어셈블리가 사용될 때, 힘 분배 레이어는 실링 영역과 전기화학적 활성영역에 걸쳐 동등하지 않은 압력 분포를 제공하도록, 고체 산화물 연료전지 스택의 전기화학적 활성영역 옆에 포지셔닝되고 리지드 프레임에 의해 둘러싸인 공간 내부에 놓인 하나 이상의 탄성 엘리먼트를 포함한다.
하나 이상의 탄성 엘리먼트에 의한 압축 어셈블리를 위한 압력 분포는 약 875파스칼일 수 있고, 고체 산화물 연료전지가 사용될 때, 예컨대, 2800㎠ 내지 21000㎠ 사이의 영역 상에 25kg 내지 200kg의 압축력일 수 있다.
압축 어셈블리는 하나 이상의 압축 엘리먼트가 힘 분배 레이어의 측면 부근에서 보다 힘 분배 레이어의 중심 내의 영역에서 0.1mm 내지 0.2mm, 예컨대, 0.1mm 더 큰 압축을 가능하게 하는 것일 수 있다.
압축 어셈블리 내의 하나 이상의 탄성 엘리먼트는, 또한, 하나 이상의 포지셔닝 엘리먼트 내에 배열된다. 또한, 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 압축공기, 섬유형 세라믹 재료, 및 섬유형 금속 재료의 그룹으로부터 선택된다. 대안으로써, 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 마이카를 기반으로 하는 재료를 포함할 수 있는데, 예컨대, 하나 이상의 탄성 엘리먼트 중 적어도 하나는 0.8-1.2mm의 두께를 가진 마이카로 만든 시트일 수 있다.
다른 대안으로 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 적어도 하나의 금속 스프링을 포함할 수 있다. 금속 스프링은 850℃에서 20000시간 이상 사용한 후에도 그 탄성을 유지할 수 있는, 내열성이 있어야 한다. 적어도 하나의 금속 스프링은 적어도 하나의 포지셔닝 엘리먼트 내에 배열될 수 있다. 포지셔닝 엘리먼트는, 예컨대, 적어도 하나의 금속 스프링이 하나 이상의 홀 내에 배열될 수 있도록 하나 이상의 홀과 함께 제공될 수 있다. 하나 이상의 포지셔닝 엘리먼트는, 예컨대, 포지셔닝 플레이트일 수 있다.
본 발명의 제2형태에서, 고체 산화물 연료전지 스택은 엔드 플레이트, 하나 이상의 고체 산화물 연료전지, 외부 힘이 가해지는 힘 분배 플레이트를 가진 압축 어셈블리, 및 하나 이상의 고체 산화물 연료전지와 마주한 표면에 반대편의 엔드 플레이트의 표면 옆에 제공되어 있고, 엔드 플레이트를 사이에 두고 고체 산화물 연료전지 스택의 실링 영역 상에 놓인 리지드 프레임을 포함하는 힘 분배 레이어를 포함하고, 고체 산화물 연료전지가 사용되고 있을 때, 힘 전달 레이어가 실링 영역 및 전기화학 활성영역에 걸쳐 동일하지 않은 압력 분포를 제공하도록, 고체 산화물 연료전지 스택의 전기화학적 활성영역 옆에 포니셔닝되고, 리지드 프레임에 의해 둘러싸인 공간 내부에 놓인 하나 이상의 탄성 엘리먼트를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 고체 산화물 연료전지 스택의 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 압축공기를 포함할 수 있다. 압축공기는, 예컨대, 100 내지 1000밀리바, 바람직하게는 100밀리바의 파지티브 압력일 수 있다. 대안으로써, 그것은 스택의 높이에 독립적으로, 250밀리바, 500밀리바, 또는 1000밀리바와 같은 250 내지 1000밀리바일 수 있다. 압축공기는 전기화학적 영역 내의 변화에 즉시 응답하기 때문에, 압축공기를 사용하는 것은 유리하다. 동일한 범위의 압축 압력이 전기화학적 영역에 독립적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 하나 이상의 탄성 엘리먼트가 힘 분배 레이어의 측면 부근보다 힘 분배 레이어의 중심 내의 영역 에서 0.1mm 내지 0.2mm 더 큰 압축을 가능하게 하는 고체 산화물 연료전지 스택이 존재한다. 예컨대, 힘 분배 레이어의 중심에서의 압력은 고체 산화물 연료전지 스택의 높이와 선형적으로 변할 수 있다. 힘 분배 레이어 중심에서의 압력은, 또한, 고체 산화물 연료전지 스택의 전기화학 영역 및 실링 영역 상의 온도 분포에 따라 변할 수 있다. 예컨대, 힘 분배 레이어 중심에서의 온도는 실링 영역 내의 온도보다 약 100℃ 더 높도록 변할 수 있다. 100mm 높이의 고체 산화물 연료전지 스택에 대하여, 이것은 전기화학 영역 및 실링 영역 내의 높이 사이에 0.12mm의 차이를 야기할 것이다.
예를 들어, 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 힘 분배 레이어의 측면 부근보다 중심에서 0.1mm 더 큰 압축을 가능하게 한다. 대략 75개의 연료전지를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택에 대하여, 차이는, 예컨대, 적어도 0.2mm일 수 있다.
고체 산화물 연료전지 스택의 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 하나 이상의 포지셔닝 엘리먼트 내에 배열된다. 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 섬유형 세라믹 재료 및 섬유형 금속 재료의 그룹으로부터 선택될 수 있다. 대안으로써, 하나 이상의 탄성 엘리먼트는, 예컨대, 프레임 내의 공간을 채울 수 있는, 마이카 기반의 재료를 포함할 수 있다. 하나 이상의 탄성 엘리먼트 중 적어도 하나는, 예컨대, 다수의 시트가 프레임 내의 공간을 채우도록 선택될 수 있는 마이카로 이루어진 시트이고, 마이카 시트는 다른 재료, 예컨대, 탄성에 필수적이지 않지만 전기화학적 영역 및 실링 영역의 중심부의 높이 차이에 따라 구부러질 수 있도록 플렉시블한 재료의 하나 이상의 시트로 결합될 수 있다. 다수의 마이카 시트는, 예컨대, 1-7장 일 수 있고, 그 두께는 0.8-1.2mm일 수 있다.
고체 산화물 연료전지 스택의 다른 실시예에서, 하나 이상의 탄성 엘리먼트는, 고체 산화물 연료전지가 사용될 때, 전기화학적 활성영역 내의 압축 압력이 0.25바 내지 2바, 예컨대, 0.5바 내지 1바이도록 하는 압력 분포를 제공한다.
고체 산화물 연료전지의 또 다른 실시예에서, 힘 전달 플레이트를 통한 리지드 프레임은 힘 전달 플레이트의 클램프 압력의 클램프 압력의 70%-90%, 예컨대, 85%인 클램프 압력을 받도록, 힘 전달 플레이트가 클램프 압력을 받는다. 예컨대, 힘 전달 플레이트는 205000파스칼 내지 818000파스칼, 예컨대, 409000파스칼인 클램프 압력을 가질 수 있다. 예컨대, 12×12㎠의 실링 영역 및 전기화학 영역을 가진 고체 산화물 연료전지 스택에의 클램프 힘은 300 내지 1200kg, 예컨대, 600kg일 수 있다.
본 발명의 제3태양에서, 스택의 양끝에서 고체 산화물 연료전지 스택을 압축하는 방법이 제공되어 있는데, 이 방법은, 복수의 고체 산화물 연료전지를 전기적으로 직렬로 적층하는 단계, 이로 인해, 전기화학적 활성영역 및 실링 영역을 제공하는 단계, 적어도 하나의 엔드 플레이트의 표면이 고체 산화물 연료전지의 실링 영역 및 전기화학적 활성영역 상의 하나 이상의 탄성 엘리먼트 및 리지드 프레임의 힘 분배 플레이트를 제공하는 고체 산화물 연료전지와 마주하는 표면에 반대편이도록, 고체 산화물 연료전지 스택의 각 끝부를 엔드 플레이트 표면에 인접하게 놓는 단계, 및 힘 분배 레이어에 외부 힘을 적용하는 단계를 포함하고, 이로 인해, 결과적인 압축 압력은 전기화학적 활성영역 및 실링 영역에 걸쳐 동일하지 않게 분배되고, 실링 영역 내에 가해진 압축 압력은 고체 산화물 연료전지의 전기화학적 활성영역에 가해진 압축 압력보다 더 크다.
본 발명의 제4태양에서, 고체 산화물 연료전지 스택의 사용은 발전용이다. 예컨대, 고체 산화물 연료전지 스택은 850℃ 이하의 온도에서 동작할 수 있다. 고체 산화물 연료전지 스택은, 또한, 전지 전류 밀도 내의 차이가 1분 내지 4분의 시간에 걸쳐 0.25 내지 0.5 A/㎠ 사이가 되도록 사용될 수 있다. 이것은, 예컨대, 하나 이상의 탄성 엘리먼트가 마이카를 포함할 때, 특히 흔하다.
상술한 목적 중 일부는 고체 산화물 연료전지 스택으로 외부 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리를 제공함으로써 달성되는데, 이 외부 압축력은 고체 산화물 연료전지 스택의 양 끝단에 가해지고, 고체 산화물 연료전지 스택은 전기적으로 직렬인 복수의 고체 산화물 연료전지를 포함하고, 일 엔드 플레이트 표면에 인접하여 설치된 고체 산화물 연료전지 스택의 각 끝은 엔드 플레이트 표면에 인접하여 놓이고, 여기서, 고체 산화물 연료전지와 마주한 표면에 반대편의 적어도 하나의 엔드 플레이트의 표면은 고체 산화물 연료전지의 실링 영역 위로 뻗은 리지드 프레임을 포함한 힘 분배 레이어와 함께 제공되고, 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 고체 산화물 연료전지 스택의 전기화학적 활성영역 상에 포지셔닝되고 프레임에 의해 둘 러싸인 공간 내에 놓이고, 힘 분배 레이어 상에 외부 압축 압력이 가해지는 힘 전달 플레이트가 놓인다.
이 목적은, 또한, 스택의 양끝에서 고체 산화물 연료전지 스택을 압축하는 프로세스를 제공함으로써 달성되는데, 이 프로세서는 전기적으로 직렬로 복수의 고체 산화물 연료전지를 적층하는 단계, 고체 산화물 연료전지의 각 끝단을 일 엔드 플레이트 표면에 인접하게 놓는 단계, 고체 산화물 연료전지 스택의 실링 영역 및 전기화학적 활성영역 상의 리지드 프레임 및 플렉시블 엘리먼트의 힘 분배 레이어를 가진 고체 산화물 연료전지와 마주한 표면에 반대편에 적어도 하나의 엔드 플레이트의 표면을 제공하는 단계, 및 힘 분배 레이어에 외부 힘을 적용하는 단계를 포함하고, 이로 인해, 결과적인 압축 압력은 전기화학적 활성영역 및 실링 영역에 걸쳐 동일하지 않게 분배되고, 실링 영역에 가해진 압축 압력은 고체 산화물 연료전지 스택의 전기화학적 활성영역에 가해진 압축 압력보다 크다.
본 발명의 다른 태양에 따라, 압축 어셈블리를 포함한 고체 산화물 연료전지 스택, 및 발전용 고체 산화물 연료전지 스택의 사용이 제공되어 있다.
본 발명의 다른 실시예는 고체 산화물 연료전지 스택에 외부의 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리이고, 외부 압축력은 고체 산화물 연료전지 스택의 양끝에 가해지고, 고체 산화물 연료전지 스택은 전기적으로 직렬인 복수의 고체 산화물 연료전지를 포함하고, 고체 산화물 연료전지 스택의 각 끝은 일 엔드 플레이트 표면에 인접하여 설치되고, 여기서, 고체 산화물 연료전지와 마주하는 표면에 반대편의 적어도 하나의 엔드 플레이트의 표면은 고체 산화물 연료전지 스택의 실링 영역 위로 뻗은 리지드 프레임을 포함하는 힘 분배 레이어와 함께 제공되고, 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 프레임에 의해 둘러싸인 공간 내에 놓이고, 고체 산화물 연료전지 스택의 전기화학 활성영역 위에 포지셔닝되고, 외부 압축력이 가해지는 힘 전달 플레이트는 힘 분배 레이어 상에 놓인다.
바람직한 실시예는 하나 이상의 탄성 엘리먼트가 본래 플렉시블하거나, 또는 하나 이상의 탄성 엘리먼트가 압축공기, 마이카 기반의 재료, 섬유형 세라믹 재료, 섬유형 금속 재료, 및 금속 스프링인 압축 어셈블리이다.
다른 바람직한 실시예는 프레임이 금속이거나, 또는 프레임이 힘 전달 플레이트와 통합된 압축 어셈블리이다.
또 다른 바람직한 실시예는 하나 이상의 탄성 엘리먼트가 전기화학적 활성영역 상의 홀과 함께 제공된 하나 이상의 포지셔닝 엘리먼트 내에 배열된 압축 어셈블리이다.
탄성 엘리먼트는 스프링이고, 포지셔닝 엘리먼트는 스프링 포지셔닝 플레이트인 것이 바람직하다.
본 발명은, 또한, 스택의 양 끝단에서 고체 산화물 연료전지 스택을 압축하는 프로세스를 제공하는데, 이 프로세서는 전기적으로 직렬로 복수의 고체 산화물 연료전지를 적층하는 단계, 고체 산화물 연료전지 스택의 각 끝부를 일 엔드 플레이트 표면에 놓는 단계, 고체 산화물 연료전지 스택의 실링 영역 및 전기화학적 활성영역 위의 플렉시블 엘리먼트 및 리지드 프레임의 힘 분배 레이어와 함께 고체 산화물 연료전지와 마주하는 표면의 반대 편의 적어도 하나의 엔드 플레이트 표면 을 제공하는 단계, 및 힘 분배 레이어에 외부 힘을 적용하는 단계를 포함하고, 이로 인해, 결과적인 압축 압력이 전기화학적 활성영역 및 실링 영역에 걸쳐 동일하지 않게 분배되고, 실링 영역에 가해진 압축 압력이 고체 산화물 연료전지 스택의 전기화학적 활성영역에 가해진 압축 압력보다 크다.
SOFC에서, 많은 실링 재료는 전기화학적 활성영역 상에 전기적 컨택트를 생성하기 위해 요구되는 압축 압력보다, 기밀의 실을 생성하기 위해 더 높은 압축 압력을 요구한다. 전기화학적 활성영역에 너무 강한 압축력을 가하는 것은 그것의 변형을 일으킨다. 본 발명의 압축 어셈블리를 사용할 때, 압축력은 몇 개의 영역으로 분리되어, 전기화학적 활성영역은, 예컨대, 실링 영역에 존재하는 압력보다 더 작은 압력으로 압축될 수 있다.
이것은 압축력의 분리가 실링 재료의 영역에서 요구되는 압축 압력에 독립적으로 전기화학적 활성영역에 대한 적합한 압축 압력의 선택이 가능하게 하는 장점이 있다.
이 독창적인 프로세스에 따라서, 연료전지 스택에의 전체 압축력은 연료전지 스택의 각각의 끝에 위치한 힘 전달 플레이트에 외부 힘을 가함으로써 제공된다. 이 외부 힘은 힘 전달 플레이트를 통해, 그리고, SOFC의 전기화학적 활성영역 상에 위치되고 프레임에 의해 둘러싸인 공간 내에 놓인 하나 이상의 탄성 엘리먼트, 및 SOFC의 실링 영역 내에서 확장된 프레임을 포함하는 힘 분배 레이어로 분배되기 위해 연료전지 스택의 하나 또는 양 끝부에서 전달된다. 힘 분배 레이어와 제1고체 산화물 연료전지 사이에, 엔드 플레이트가 놓인다.
프레임의 외부 치수, 즉, 길이 및 폭은 단일 고체 산화물 연료전지의 그것과 동일한 크기이다. 일 실시예에서, 내부 치수, 즉, 프레임의 내부 길이 및 폭은 고체 산화물 연료전지의 실링 면적에 상응하는 프레임에 의해 커버될 수 있는 표면적을 제공하도록 선택된다.
프레임은 하나 이상의 탄성 엘리먼트 보다 더 큰 강도의 재료로 이루어진다. 이것은 하나 이상의 탄성 엘리먼트를 통해 전기화학적 활성영역에 가해진 압력과 비교하여, 실링 영역 내의 프레임을 통해 더 큰 압축 압력의 인가가 가능하기 때문에 장점이 된다.
하나 이상의 탄성 엘리먼트는 프레임보다 더 플렉시블하다. 그로 인해, 힘 전달 플레이트에 가해진 힘은 프레임 및 탄성 엘리먼트 상에 상이한 압력으로 분리된 영역으로 나누어진다. 하나 이상의 탄성 엘리먼트에 대한 플렉시블한 재료는 프레임보다 더 플랙시블한 임의의 엘리먼트일 수 있다. 그 예로써, 마이카, 또는 세라믹 섬유를 기반으로 한 재료가 있다. 섬유형 금속 재료도 또한 적합하다. 압축공기, 또는 예컨대, 금속 스프링이 사용될 수 있다.
하나 이상의 탄성 엘리먼트는 프레임의 내측 치수에 대략 대응하는 표면을 커버해야 한다. 탄성 엘리먼트가 본래 플렉시블하기 때문에 임의의 두께가 선택될 수 있다.
이러한 방법으로 압축력을 분리하는 것은 온도 그래디언트가 SOFC 스택의 열 팽창을 일으킬 때와 같은 상황에서 압축력의 유지가 가능하게 하기 때문에, 유리하다. 이것은 SOFC 스택이 더 높은 온도 그래디언트, 예컨대, 더 높은 전류 밀도로 동작될 수 있게 하고, 이 스택은 더 많은 수의 전지로 이루어질 수 있다. 더 높은 전류 밀도 및 증가된 전지 개수는 SOFC 시스템의 전체 비용을 줄이고, 스택당 출력 전력을 증가시킨다. 그러므로, 본 발명의 압축 어셈블리를 포함한 SOFC 스택은 발전용으로 특히 적합하다.
본 발명의 일 실시예에서, 힘 분배 레이어는 스택 내의 제1고체 산화물 연료전지에 인접한 제1엔드 플레이트 상에만 존재한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 힘 분배 레이어는 SOFC 스택의 양 엔드 플레이트 상에 존재한다.
본 발명의 일 실시예에서, 힘 분배 레이어는 프레임 및 금속 스프링 형태의 하나 이상의 탄성 엘리먼트를 포함한다. 금속 스프링은 금속 스프링이 도입될 수 있는 전기화학적 활성영역 내의 틈 또는 홀과 함께 제공된 하나 이상의 포지셔닝 엘리먼트에 의해 지지될 수 있다. 금속 스프링은 프레임으로 부터 전달된 힘으로부터, 그리고, 하나 이상의 스프링 포지셔닝 엘리먼트를 통해 전달된 힘으로부터 분리된 압축력을 제공한다. 스프링 포지셔닝 엘리먼트는, 예컨대, 금속 스프링의 포지셔닝을 위해 전기화학적 활성영역 내의 틈 또는 홀과 함께 제공된 하나 이상의 플레이트일 수 있다.
전기화학적 활성영역에 가해질 수 있는 적합한 압축 압력은 0.05 내지 3바이다.
전지 실링 영역에 가해질 수 있는 적합한 압축 압력은 0.05 내지 40바이다.
이 압력은 상호연결 지오메트리, 실링 재료, 및 연료전지 동작 가스 압력에 의존한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 힘 분배 레이어는 프레임, 및 플렉시블 재료의 복수의 탄성 엘리먼트를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 힘 분배 레이어는 프레임, 및 복수의 스프링을 포함한다. 충분한 수의 스프링이 존재할 때, 스프링 포지셔닝 엘리먼트는 본 실시예에서 필요하지 않다. 적합한 스프링의 개수는 4 내지 100개이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 힘 분배 레이어는 프레임, 및 압축공기 또는 플렉시블 재료의 탄성 엘리먼트를 포함한다.
하기 도면에서, 본 발명을 설명하는 다양한 실시예가 서술되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOFC 스택의 다른 컴포넌트를 도시한다. 외부 압축 압력이 힘 전달 플레이트(1)에 가해진다. 그러므로, 이 힘은 프레임(2) 및 고체 산화물 연료전지(5)의 전기화학적 활성영역(18) 위에 포지셔닝된, 그리고, 프레임(2)에 의해 둘러싸인 공간(4) 내에 놓인 하나 이상의 탄성 엘리먼트(3)를 포함하는 힘 분배 레이어로 전달된다. 이 힘 분배 레이어는 평면의 엔드 플레이트(6)가 따르고, 차례로, 공간-상호연결 어셈블리(7)가 따르고, 마지막으로, 고체 산화물 연료전지(5)에 의해 따른다. 프레임(2)은 실링 영역(17)에 인접하여 포지셔닝되어, 외부 힘이 프레임(2)에 가해진 때, 그 일부가 실링 영역으로 전달되고, 다른 일부는 전기화학적 활성영역으로 전달된다. 고체 산화물 연료전지의 개수는 고체 산화물 연료전지 스택에 의해 산출되어야 하는 파워에 의존한다. 고체 산화 물 연료전지의 개수는, 예컨대, 5 내지 75개와 같은, 1 내지 75개일 수 있다. 결과적으로, 고체 산화물 연료전지 스택의 높이는 고체 산화물 연료전지의 개수에 의존한다. 예컨대, 75개의 연료전지를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택의 높이는 각각 약 1cm의 높이를 가진 리지드 프레임(2)을 제외하고 약 9cm일 수 있다. 전기화학적 영역은, 예컨대, 2000㎠과 15000㎠ 사이일 수 있고, 실링 영역은 800㎠과 6000㎠ 사이일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SOFC 스택 전체의 수직 단면을 도시한다. 힘 전달 플레이트(1)는 프레임(2) 및 탄성 엘리먼트(3)를 포함하는 힘 분배 레이어로 전달되고, 그로 인해, 전기적으로 직렬로 설치된 고체 산화물 연료전지(5) 및 공간-상호연결 어셈블리(7)로 전달되는 외부 압축력에 지배를 받는다. 각각의 공간-상호연결 어셈블리(7)는 각각 애노드 또는 캐소드로, 수소(또는 메탄과 같은 다른 연료), 산소, 또는 공기를 전달하기 위한 가스 채널을 포함한다.
본 발명의 이 실시예에서, 두 개의 힘 분배 레이어가 존재한다. 힘 분배 레이어는 두 개의 평면형 엔드 플레이트(6) 각각에 인접하여 설치된다. 탄성 엘리먼트(3)는 복수의 플렉시블 재료의 엘리먼트로 구성될 수 있다.
도 3은 프레임 및 압축공기의 탄성 엘리먼트를 포함하는 힘 분배 레이어를 보여주는 SOFC 스택 전체의 수직 단면이다. 이 실시예에서, 힘 전달 플레이트 및 프레임은 통합 프레임(8)을 형성하기 위해 통합된다. 통합 프레임(8)에 의해 둘러싸인 공간(4)으로의 압축공기를 위한 주입부(9)가 도시되어 있다. 예컨대, 100-1000 밀리바 게이지의 공기압이 사용될 수 있다.
도 4는 힘 분배 레이어가 프레임, 및 하나 이상의 금속 스프링(12) 형태의 탄성 엘리먼트를 포함하는, 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 전기화학적 활성영역 내의 틈 또는 홀(11)에 제공된 스프링 포지셔닝 플레이트(10)가 설치될 수 있다. 금속 스프링(12)은 스프링 포지셔닝 플레이트(10)로부터 전달된 힘과 프레임(2)으로부터 전달된 힘으로부터 분리된 압축력을 제공한다.
도 5는 힘 분배 레이어가 프레임(2)을 포함하고, 탄성 엘리먼트가 복수의 금속 스프링(12)인, 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 서로 지지하고 있는 많은 수의, 예컨대, 4 내지 100개의 금속 스프링이 존재함으로 인해, 스프링 포지셔닝 플레이트는 필요하지 않다.
도 6은 외부 힘(13)이 힘 전달 플레이트(1)에 가해졌을 때, 그로 인해 연료전지 스택에 압축 부하를 제공하는 SOFC 스택 내의 힘의 분포를 도시한다. 고체 산화물 연료전지의 상이한 부분에 대한 상이한 압축 압력은 스택에 동시에 가해진다. 화살표로 나타나 있는, 고체 산화물 연료전지의 실링 영역(14) 및 전기화학적 활성영역(15)에 대한 압축 압력은 동일하지 않다. 탄성 엘리먼트(3)에 가해진 압력은 프레임(2)에 가해진 압력보다 작고, 동작 동안 고체 산화물 연료전지 스택 내에 우수한 전기 접촉을 유지하고, 동시에 기밀 스택을 보장한다.
도 1은 본 발명의 SOFC 스택의 다양한 컴포넌트를 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에서의 SOFC 스택의 수직 섹션을 도시한다.
도 3은 탄성 엘리먼트가 공기인, 본 발명의 일 실시예에서 SOFC 스택의 수직 섹션 쓰로우를 도시한다.
도 4는 탄성 엘리먼트가 스프링인 본 발명의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 탄성 엘리먼트가 스프링인 본 발명의 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 SOFC 스택 내의 힘의 분포를 도시한다.

Claims (14)

  1. 고체 산화물 연료전지 스택에 외부의 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리로서,
    상기 압축 어셈블리는 힘 분배 레이어, 및 상기 힘 분배 레이어 상에 놓이는 힘 분배 플레이트를 포함하고,
    상기 압축 어셈블리가 상기 고체 산화물 연료전지와 함께 설치되어 있을 때, 상기 외부의 압축력은 상기 힘 분배 플레이트를 통해 상기 힘 분배 레이어 상에 가해지고 상기 힘 분배 레이어는 적어도 하나의 엔드 플레이트의 표면들 중에서 상기 고체 산화물 연료전지와 마주하는 표면의 반대편 표면 상에 놓이고,
    상기 힘 분배 레이어는 상기 엔드 플레이트를 사이에 두고 상기 고체 산화물 연료전지 스택의 실링 영역 상에 놓이는 리지드 프레임, 및 상기 리지드 프레임에 의해 둘러싸인 공간 안에 놓여서 상기 엔드 플레이트를 사이에 두고 상기 고체 산화물 연료전지 스택의 전기화학적 활성영역 상에 위치되는 하나 이상의 탄성 엘리먼트를 포함하고,
    상기 고체 산화물 연료전지와 함께 설치된 상기 압축 어셈블리가 사용될 때, 상기 힘 분배 레이어는 상기 실링 영역 및 상기 전기화학적 활성영역에 걸쳐 동일하지 않은 압력 분포를 제공하되 상기 실링 영역에 제공되는 압력분포가 상기 전기화학적 활성영역에 제공되는 압력분포보다 큰 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택에 외부의 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 탄성 엘리먼트에 의한 압력 분포는 고체 산화물 연료전지가 사용될 때 875파스칼인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택에 외부의 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 상기 힘 분배 레이어의 중심의 영역이 상기 힘 분배 레이어의 측면 부근보다 0.1mm 내지 0.2mm 더 압축되게 하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택에 외부의 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 하나 이상의 포지셔닝 엘리먼트 내에 정렬된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택에 외부의 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 압축공기, 섬유형 세라믹 재료, 및 섬유형 금속 재료의 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택에 외부의 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 마이카를 기반으로 하는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택에 외부의 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 하나 이상의 탄성 엘리먼트 중 적어도 하나는 마이카로 만든 시트인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택에 외부의 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 마이카 시트의 두께는 0.8-1.2mm 사이의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택에 외부의 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 적어도 하나의 금속 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택에 외부의 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 탄성 엘리먼트는 적어도 하나의 금속 스프링을 포함하고, 상기 적어도 하나의 금속 스프링은 하나 이상의 포지셔닝 엘리먼트 내에 정렬된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택에 외부의 압축력을 분배하기 위한 압축 어셈블리.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 따른 압축 어셈블리를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택.
  12. 고체 산화물 연료전지 스택으로서,
    하나 이상의 고체 산화물 연료전지;
    상기 하나 이상의 고체 산화물 연료전지 상에 놓이는 엔드 플레이트; 및
    상기 엔드 플레이트 상에 놓이는 압축 어셈블리를 포함하고,
    상기 압축 어셈블리는 상기 엔드 플레이트의 표면들 중에서 상기 하나 이상의 고체 산화물 연료전지와 마주하는 표면의 반대편 표면 상에 놓이는 힘 분배 레이어, 및 상기 힘 분배 레이어 상에 놓이는 힘 분배 플레이트를 가지고, 외부의 압축력은 상기 힘 분배 플레이트를 통해 상기 힘 분배 레이어로 가해지고,
    상기 힘 분배 레이어는 상기 엔드 플레이트를 사이에 두고 상기 고체 산화물 연료전지 스택의 실링 영역 상에 놓이는 리지드 프레임, 및 상기 리지드 프레임에 의해 둘러싸인 공간 안에 놓여서 상기 엔드 플레이트를 사이에 두고 상기 고체 산화물 연료전지 스택의 전기화학적 활성영역 상에 위치되는 하나 이상의 탄성 엘리먼트를 포함하고,
    상기 고체 산화물 연료전지가 사용될 때 상기 힘 분배 레이어는 상기 실링 영역 및 상기 전기화학적 활성영역에 걸쳐 동일하지 않은 압력 분포를 제공하되 상기 실링 영역에 제공되는 압력분포가 상기 전기화학적 활성영역에 제공되는 압력분포보다 큰 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 리지드 프레임이 상기 힘 분배 플레이트를 통해 상기 힘 분배 플레이트의 클램프 압력의 70%-90% 사이의 클램프 압력을 받도록, 상기 힘 분배 플레이트가 클램프 압력을 받는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택.
  14. 고체 산화물 연료전지 스택의 양 끝단들에서 상기 스택을 압축하는 방법으로서,
    복수의 고체 산화물 연료전지를 전기적으로 직렬로 적층하여 전기화학적 활성영역 및 실링 영역을 제공하는 단계;
    엔드 플레이트의 일 표면이 상기 고체 산화물 연료전지 스택을 마주하도록, 상기 고체 산화물 연료전지 스택의 각 끝단 상에 상기 엔드 플레이트를 놓는 단계;
    상기 엔드 플레이트를 사이에 두고 상기 고체 산화물 연료전지 스택의 실링 영역 상에 놓이는 리지드 프레임 및 상기 리지드 프레임에 의해 둘러싸인 공간 안에 놓여서 상기 엔드 플레이트를 사이에 두고 상기 고체 산화물 연료전지 스택의 전기화학적 활성영역 상에 위치되는 하나 이상의 탄성 엘리먼트로 구성되는 힘 분배 레이어를 제공하는 단계; 및
    상기 힘 분배 레이어 상에 제공되는 힘 분배 플레이트를 통해 상기 힘 분배 레이어에 외부 힘을 적용하는 단계를 포함하고,
    이로 인해, 결과적인 압축 압력은 상기 실링 영역 및 상기 전기화학적 활성영역에 걸쳐 동일하지 않게 분배되고, 상기 실링 영역에 가해진 압축 압력이 상기 고체 산화물 연료전지 스택의 전기화학적 활성영역에 가해진 압축 압력보다 더 큰 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지 스택을 압축하는 방법.
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