KR102055514B1 - 전지 시스템용 조립 방법과 배열체 - Google Patents

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Abstract

본원의 목적은, 연료 전지 시스템 또는 전해조 전지 시스템에서 고체 산화물 전지들의 조립 배열체이다. 조립 배열체는 4 개의 각진 (120) 적어도 하나의 전지 적층 형성물 (103) 에 적어도 배열된 전지들 및 각각의 적어도 4 개의 각진 적층 형성물 (103) 의 적어도 하나의 플레인 부착 측면 (121) 을 포함하고, 상기 플레인 부착 측면은 적어도 4 개의 각진 적층 형성물의 적어도 2 개의 코너들 (120a, 120b) 사이에 실질적으로 플레인 부착 측면 (121) 에 적어도 하나의 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 을 포함한다. 상기 조립 배열체는 상기 조립 배열체에서 적어도 하나의 전지 적층 형성물을 부착하기 위해서 각각의 적층 형성물 (103) 의 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 에 대하여 장착될 전지 시스템에서의 공기 유동들을 제한하기 위한 적어도 하나의 유동 제한 구조물 (124), 및 상기 유동 제한 구조물 (124) 과 상기 적층 형성물 (103) 의 부착물에 배열되는 전기 절연체를 더 포함한다.

Description

전지 시스템용 조립 방법과 배열체 {ASSEMBLY METHOD AND ARRANGEMENT FOR A CELL SYSTEM}
세계의 대부분의 에너지는 석유, 석탄, 천연 가스 또는 원자력에 의해 생성된다. 이러한 제조 방법들 전부는, 예를 들어 가용성 및 환경에 대한 친화성과 관련하여 이들만의 특별한 문제점을 가진다. 환경과 관련하여, 특히 석유 및 석탄은 연소되면 오염을 유발한다. 원자력과 관련된 문제는, 적어도 폐연료의 저장이다.
특히, 환경 문제들로 인해서, 보다 친환경적이고 그리고 예를 들어 전술한 에너지 공급원들보다 더 나은 효율을 가진 새로운 에너지 공급원들을 개발하고 있다. 연료의 에너지, 예를 들어 바이오가스를 친환경 프로세스 및 전기를 연료를 전환시키는 전해조들에서 화학 반응을 통하여 전기로 직접 전환하는 연료 전지가 유망한 미래의 에너지 전환 디바이스들이다.
광전지 및 풍력과 같은 재생가능한 에너지 생성 방법들은, 이들의 전기 생성이 환경 영향으로 제한되기 때문에, 계절 생산 변동과 관련된 문제에 직면한다. 과생성되는 경우에, 미래의 에너지 저장 옵션들 중 하나로서 물 전기분해를 통하여 수소를 생성하는 것이 제안된다. 더욱이, 전해조 전지는 또한 재생가능한 바이오가스 저장소들로부터 고품질의 메탄 가스를 생성하는데 이용될 수 있다.
본 발명은 고체 산화물 연료 전지 (Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 적층체 또는 고체 산화물 전해조 전지 (Solid Oxide Electrolyzer Cell: SOEC) 적층체에서 유입 반응물 분배를 배열하는 것에 관한 것이다. 연료 전지는 전기를 생성하도록 애노드 전극상의 유입 반응물 연료 가스와 캐소드 전극상의 가스성 산화제 (산소) 를 반응시킨다. 전해조 반응들은 연료 전지로 역전 (reverse) 되고, 즉 전기는 연료 및 산소를 생성하는데 사용된다. SOFC 및 SOEC 적층체들은 샌드위치된 방식으로 적층된 전지 요소들 및 분리기들, 즉 유동장 플레이트들을 포함하고, 각각의 전지 요소는 전해질, 애노드측, 및 캐소드측을 샌드위치함으로써 구성된다. 반응물들은 유동장 플레이트들에 의해 다공성 전극들로 안내된다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 연료 전지는 애노드측 (100), 캐소드측 (102) 및 이들 사이의 전해질 재료 (104) 를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지들 (SOFC) 에서, 산소 (106) 는 캐소드측 (102) 에 공급되고 그리고 캐소드로부터 전극들을 수용함으로써 음의 산소 이온으로 환원된다. 음의 산소 이온은 전해질 재료 (104) 를 통하여 애노드측 (100) 으로 가고, 여기에서 전극들, 물 또한 통상적으로 이산화탄소 (CO2) 를 생성하는 연료 (108) 와 반응한다. 애노드 (100) 및 캐소드 (102) 는, 시스템 외부로 열과 함께 전기 에너지를 인출하는 연료 전지용 로드 (110) 를 포함하는 외부 전기 회로 (111) 를 통하여 연결된다. 메탄, 일산화탄소 및 수소 연료의 경우에 연료 전지 반응들은 이하에 도시된다:
애노드: CH4 + H2O = CO + 3H2
CO + H2O = CO2 + H2
H2 + O2- = H2O + 2e-
캐소드: O2 + 4e- = 2O2-
네트 반응들: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
CO + 1/2O2 = CO2
H2 + 1/2O2 = H2O
전기분해 작동 모드 (고체 산화물 전기분해 전지들 (SOEC)) 에서, 반응은 역전되고, 즉 공급원 (110) 으로부터 열 뿐만 아니라 전기 에너지는 전지에 공급되며, 여기에서 물 또한 종종 이산화탄소는 산소 이온들을 형성하는 애노드측에서 환원되며, 이는 전해질 재료를 통하여 캐소드측으로 이동하며, 여기에서 산소 이온의 산화 반응이 실시된다. SOFC 및 SOEC 모드들 둘 다에서 동일한 고체 전해질 전지를 사용할 수 있다. 이러한 경우에 그리고 이러한 설명과 관련하여, 전극들은 통상적으로 연료 전지 작동 모드에 기초하여 애노드 및 캐소드라고 칭하고, 반면 순수 SOEC 적용들에서, 산소 전극은 애노드라고 칭하며 그리고 반응물 전극은 캐소드라고 칭한다.
고체 산화물 전해조 전지들은, 고온 전기분해 반응이 실시되도록 하는 온도에서 작동하고, 상기 온도는 통상적으로 500 ~ 1000℃ 이지만 심지어 1000℃ 가 넘는 온도들이 유용할 수 있다. 이러한 작동 온도들은 SOFC 의 이러한 조건들과 유사하다. 네트 전지 반응은 수소 및 산소 가스들을 생성한다. 1 몰의 물에 대해 반응들은 이하로 도시되고, 애노드에서 물의 환원이 발생한다:
애노드: H2O + 2e- ---> 2 H2 + O2-
캐소드: O2- ---> 1/2O2 + 2e-
네트 반응: H2O ---> H2 + 1/2O2 .
고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 및 고체 산화물 전해조 (SOEC) 적층체들에서, 각각의 전지에서 내부적으로 애노드 가스에 대하여 캐소드 가스의 유동 방향 뿐만 아니라 인접한 전지들 사이의 가스들의 유동 방향은 적층체의 상이한 전지 층들을 통하여 결합된다. 더욱이, 캐소드 가스 또는 애노드 가스 또는 둘 다는 배출되기 전에 2 개 이상의 전지를 통과할 수 있고, 복수의 가스 스트림들은 일차 전지를 통과한 후 그리고 이차 전지를 통과하기 전에 분리되거나 합쳐질 수 있다. 이러한 결합은 전류 밀도를 증가시키고 그리고 전지들 및 전체 적층체에 걸쳐 열구배를 최소화하는데 사용된다.
SOFC 는 정상 작동시 대략 0.8V 의 전압을 전달한다. 전체 전압 출력을 증가시키기 위해서, 연료 전지들은 통상적으로 적층체들에 조립되고, 이 적층체에서 연료 전지들은 유동장 플레이트들, 즉 상호연결 플레이트들, 양극성 플레이트들, 분리기들을 통하여 전기적으로 연결된다. 원하는 전압 레벨은 필요한 전지들의 개수를 결정한다.
양극성 플레이트들은 인접한 전지 유닛들의 애노드측 및 캐소드측을 분리시키고 그리고 동시에 애노드와 캐소드 사이의 전극 전도를 가능하게 한다. 상호연결기들 또는 양극성 플레이트들에는 통상적으로 상호연결기 플레이트의 일측의 연료 가스와 타측의 산화제 가스를 통과시키는 복수의 채널들이 제공된다. 연료 가스의 유동 방향은 전지 유닛의 연료 유입부로부터 연료 유출부로의 실질적인 방향으로서 규정된다. 마찬가지로, 산화제 가스, 캐소드 가스의 유동 방향은 전지 유닛의 캐소드 유입부로부터 캐소드 유출부로의 실질적인 방향으로서 규정된다.
종래에, 전지들은 완전히 겹치도록 상하로 적층되어, 예를 들어 적층체의 일측의 모든 연료와 산화제 유입들 및 반대측의 모든 연료와 산화제 유출들을 가진 병류 (co-flow) 를 가진 적층체를 유발한다. 작동시 구조물의 온도에 영향을 주는 일 특징은 전지에 공급되는 연료의 증기 개질이다. 증기 개질은 흡열 반응이고 그리고 전지의 연료 유입 가장자리를 냉각시킨다.
전기화학 프로세스의 발열로 인해서, 유출 가스들은 유입 온도보다 더 높은 온도에서 나온다. 흡열 반응과 발열 반응이 SOFC 적층체에서 결합되면, 이 적층체에 걸쳐서 상당한 온도 구배가 발생된다. 큰 열구배는 적층체에서 열응력을 유도하고, 이는 매우 바람직하지 않으며 그리고 이러한 열응력은 전류 밀도와 전기 저항에서의 차이를 수반한다. 따라서, SOFC 적층체의 열적 관리의 문제점이 존재하는데: 허용불가능한 응력을 방지하기에 충분한 열구배를 저감시키고 그리고 균일한 전류 밀도 프로파일에 걸쳐서 전기 효율을 최대화하는 것이다.
선행 기술의 연료 전지 또는 전해조 전지는 전해질 요소에 걸쳐서 불균일한 가스 분포로 인한 열구배로 악화된다. 이는 전지의 더 낮은 충격비 (duty ratio) 를 유발하고, 불균일한 열적 및 작동 부하로 인한 열응력이 또한 전지를 열화시킨다.
연료 전지 시스템에서 단일의 최대 에너지 소모 디바이스로서는, 연료 전지 적층체의 캐소드 격실에 공기를 공급하는데 사용되는 공기 취입기 또는 압축기이다. 공기 공급 디바이스들의 전력 소모는 공기를 압축해야 하는 압력 레벨에 비례한다. 또한, 고체 산화물 전해조 시스템에서, 전해조 적층체의 열균형을 제어하고 그리고 애노드 격실에서 잘 규정된 산소 부분압을 유지하기 위해서, 공기는 통상적으로 애노드에 공급된다. 연료 전지 및 전해조 시스템에서 메인 압력 손실원들 중 하나는 적층체 그 자체이다.
공기 채널들이 공급 및 배출 격실로 개방된 적층체 구조와 연관된 문제로는, 메인 공기 유동이 적층체의 가장자리로부터 이 적층체를 통과하지 않고 공기 채널들을 통하여 안내되어야 한다는 것이다. 통상적으로, 적층체는 유동 제한 배열체에 의해 적층체의 가장자리들로부터 압축되어야 한다. 이러한 압축은 적층체의 가장자리와 유동 제한 구조물 사이에 주요 갭이 형성될 수 없음을 보장하기에 충분히 높아야 한다. 다른 한편으로는, 적층체의 온도가 실온에서부터 통상적으로 500 ~ 1000℃ 인 작동 온도까지 사이클링되면, 적층체가 모든 방향으로 자유롭게 팽창 및 수축될 수 있도록 압축은 충분히 낮아야 한다. 압축이 너무 낮으면, 적층체를 통한 공기 유동은 잘 알려져 있지 않고 그리고 예를 들어 디바이스의 국부적인 과열을 유발할 수 있다. 압축이 너무 높으면, 적층체 구조물은 열팽창에 의해 자유롭게 이동할 수 없고, 이는 디바이스의 기계적 파괴를 유발할 수 있다.
본원의 목적은, 압력 손실을 최소화하고 그리고 전지 구성을 또한 기하학적으로 보다 경제적으로 형성하도록, 연료 전지 적층체들 또는 전해조 전지 적층체들의 향상된 조립체를 달성하는 것이다.
이는, 연료 전지 시스템 또는 전해조 전지 시스템에서 고체 산화물 전지들의 조립 배열체에 의해 달성된다. 상기 조립 배열체는 적어도 하나의 사각형의 전지 적층 형성물에 적어도 배열된 전지들 및 각각의 적어도 하나의 사각형의 전지 적층 형성물의 적어도 하나의 실질적으로 플레인 부착 측면을 포함하고, 상기 플레인 부착 측면은 적어도 하나의 사각형의 전지 적층 형성물의 적어도 2 개의 코너들 사이에 실질적으로 플레인 측면에 적어도 하나의 기하학적 편향 부착 표면 구조물을 포함하며, 상기 조립 배열체는 상기 조립 배열체에서 적어도 하나의 전지 적층 형성물을 부착하기 위해서 각각의 적층 형성물의 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물에 대하여 장착되는 전지 시스템에서 공기 유동들을 제한하기 위한 유동 제한 구조물 및 상기 유동 제한 구조물과 상기 적층 형성물의 부착물에 배열되는 전기 절연체를 더 포함한다.
본원의 초점은, 연료 전지 시스템 또는 전해조 전지 시스템에서 고체 산화물 전지들의 조립 방법이다. 상기 조립 방법에서, 상기 전지들은 적어도 하나의 사각형의 전지 적층 형성물에 적어도 배열되고, 조립 배열체에서 적어도 하나의 전지 적층 형성물을 부착하기 위해서 각각의 적층 형성물의 실질적으로 플레인 측면에서 기하학적 편향 부착 표면 구조물에 대하여 장착되는 유동 제한 구조물에 의해 전지 시스템에서 공기 유동들이 제한되며, 그리고 상기 유동 제한 구조물과 상기 적층 형성물의 부착물이 전기적으로 절연된다.
본원은, 각각의 적어도 하나의 사각형의 전지 적층 형성물의 적어도 하나의 실질적으로 플레인 부착 측면이 적어도 하나의 사각형의 전지 적층 형성물의 적어도 2 개의 코너들 사이에 실질적으로 플레인 측면에 적어도 하나의 기하학적 편향 부착 표면 구조물을 포함하는 조립체 및 각각의 적층 형성물의 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물에 대하여 장착되는 전지 시스템에서 공기 유동들을 제한하기 위한 유동 제한 구조물을 달성하는데 기초로 한다.
본원의 이점은, 압력 손실을 최소화할 수 있고 그리고 재료를 절감함에 따라 적층체내에 공기가 내부적으로 매니폴드되는 방안에 비하여 적층체의 점유공간 (footprint) 이 저감될 수 있다는 것이다.
도 1 은 단일의 연료 전지 구조물을 도시한다.
도 2 는 연료 전지 적층체를 위한 유동장 플레이트들의 배열체를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 전지 적층 형성물을 도시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 전지 적층 형성물과 유동 제한 구조물을 도시한다.
도 5 는 하나의 전지 적층체의 예시적인 조립 배열체를 도시한다.
도 6 은 여러 개의 전지 적층체들의 예시적인 조립 배열체를 도시한다.
도 7 은 본 발명에 따른 하나의 예시적인 실시형태를 도시한다.
도 8 은 본 발명에 따른 다른 예시적인 실시형태를 도시한다.
본 발명에 따라서, 연료 전지 또는 전해조 적층체는 적어도 2 개의 단일의 반복 구조물들을 포함한다. 단일의 반복 구조물은, 애노드 전극측, 중간에 전해질, 및 캐소드 전극측을 포함하고 적어도 2 개의 유동장 플레이트들 사이에 전해질 요소 구조물의 애노드 전극측으로의 다른 분배 환원제 및 전해질 요소의 캐소드 전극측으로의 다른 분배 산화제가 배치된 적어도 하나의 전기화학 활성 전해질 요소 구조물과, 의도된 인클로저에서 가스 분위기를 밀봉하는 적어도 하나의 밀봉 수단을 포함한다.
서로 비교되는 전해질 요소상의 연료 및 산소 농후 가스 유동 방향들은, 가스 유동 둘 다가 본질적으로 동일한 방향을 갖는 소위 병류 배열체로 배열될 수 있거나, 가스 유동 방향들이 본질적으로 180°로 서로 다른 소위 역류 (counter-flow) 배열체로 배열될 수 있거나, 가스 유동 방향들이 본질적으로 90°로 서로 다른 소위 교차 유동 (cross-flow) 배열체로 배열될 수 있거나, 이러한 전술한 유동 배열 구조물 중 2 개 도는 3 개의 조합으로 배열될 수 있다.
이하에서, 본원은 주로 고체 산화물 연료 전지 기술에 대해서 설명한다. 고체 산화물 전해조 적층체는, 선행 기술에 기재된 바와 같이, 연료 전지 반응들에 대한 역반응들로 연료를 생성하기 위해 전기가 사용되는 방식에서 고체 산화물 연료 전지 적층체와 오직 상이하다.
도 2 에서는 연료 전지 적층체의 유동장 플레이트들 (121) 을 도시한다. 완성된 연료 전지 적층체는 도시된 방식으로 연속적으로 서로 배치되는 여러 개의 플레이트들 (121) 을 포함한다. 상기 실시형태에서 플레이트들은 직사각형이고 대칭적이다. 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 전해질 층을 포함하는 전해질 요소 구조물 (104) 은 일반적으로 플레이트 중간에 플레이트들 (121) 사이에 배치된다. 전해질 요소 구조물 (104) 은 어떠한 적합한 전해질 요소 구조물일 수 있고 그리고 그리하여 본원에서는 어떠한 추가의 상세를 설명하지 않는다. 유동장 플레이트들 (121) 과 전해질 요소 구조물 (104) 은 가스켓 구조물 (138) 에 의해 밀봉되고, 이 가스켓 구조물 (138) 은, 예를 들어 세라믹 재료인 압축성 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 가스켓 구조물들 (138) 은 전지들이 적층 형성물에 조립되면 압축된다. 2 개의 반대편의 유동장 플레이트들 (121) 및 전해질 요소 구조물 (104) 그리고 가스켓 구조물 (138) 은 이들 사이에 단일의 반복 구조물을 형성한다.
도 2 의 연료 전지 적층 배열체는 유동 분배 영역 (120) 과 유동 유출 영역 (131) 으로 개방되는 유동 제한 오리피스 (135, 136) 를 포함한다. 수단 (142) 은 연료 전지의 측면들 (146) 로부터 유동 분배 영역 (120) 으로 연료 공급 유동을 안내하는데 사용될 수 있다. 가스켓 구조물 (138) 은 유동 제한 오리피스들 (135, 136) 에 걸쳐 압축된다. 유동 제한 오리피스들 (135, 136) 은 유동 경로로의 추가의 압력 싱크를 형성함으로써 연료 전지 전극의 전체 활성 영역으로의 균일한 연료 유동 분포를 보장한다. 가스켓 구조물 (138) 은, 또한 연료 전지의 각각의 반복 구조물에 대한 균일한 연료 분배 특성들을 보장하는 연료 전지의 반복 구조물들 사이에 유사한 압력 손실 조건들을 형성하여, 연료 전지의 각각의 반복 구조물에 대하여 균일한 유동 분포 특징들을 보장한다. 연료 전지 적층체에서 균일한 유동 분포는 또한 연료 전지 적층체에 대한 균일한 열적 분포 조건들, 즉 적층체에서 전지들 사이의 유사한 열적 구배들을 보장한다. 따라서, 연료 전지 적층체의 충격비가 개선되고, 연료 전지 적층체의 수명은 더 길게 된다.
가스켓 구조물 (138) 의 목적은, 전기화학 활성 영역 내측에서의 연료 전지 반응들없이 산화제와 연료가 직접 혼합되지 않음을 보장하고, 연료와 산화제가 전기화학 전지들로부터 누출되지 않음을 보장하며, 인접한 전기화학 전지들이 서로 전자 접촉하지 않음을 보장하고, 그리고 산화제와 연료가 원하는 유동장 플레이트 평면들 (121) 에 공급됨을 보장하는 것이다. 유동장 플레이트 (121) 는 금속 합금, 세라믹 재료, 서멧 재료 또는 연료 전지에 존재하는 화학적, 열적 및 기계적 응력들을 견딜 수 있는 다른 재료로 제조되는 평평한 얇은 플레이트이다. 산소 농후 가스는, 측정가능한 양의 산소를 포함하는 어떠한 가스 또는 가스 혼합물일 수 있다.
유동장 플레이트들 (121) 의 윤곽 표면을 형성하기 위한 바람직한 제조 방법으로서는, 재료의 형상은 변경되지만 재료는 추가되거나 제거되지 않는 스탬핑, 가압 등과 같은 소성 변형을 사용하는 방법 또는 용접과 같이 재료가 추가되거나 에칭과 같이 재료가 제거되는 방법이 있다. 유동장 재료가 취성이면, 압출, 주조, 인쇄, 성형 등과 같은 다른 제조 방법들이 사용될 수 있다. 가스들용 오리피스들은 통상적으로 동일한 제조 단계로 형성될 수 있다.
각각의 유동장 플레이트 (121) 는 적층체 조립 구조물에서 유사하게 형성될 수 있고, 그리하여 원하는 양의 반복 전해질 요소 구조물들 (104) 을 가진 연료 전지 적층체를 생성하기 위해서는 오직 한가지 유형의 플레이트가 필요하다. 이는 구조물을 단순화시키고 그리고 연료 전지들의 제조를 용이하게 한다.
연료 전지 시스템에서 단일의 최대 에너지 소모 디바이스로서는, 연료 전지 적층체의 캐소드 격실에 공기를 공급하는데 사용되는 공기 취입기 또는 압축기이다. 공기 공급 디바이스들의 전력 소모는 공기를 압축해야 하는 압력 레벨에 비례한다. 또한, 고체 산화물 전해조 시스템에서, 전해조 적층체의 열균형을 제어하고 그리고 애노드 격실에서 잘 규정된 산소 부분압을 유지하기 위해서, 공기는 통상적으로 애노드에 공급된다. 연료 전지 및 전해조 시스템에서 메인 압력 손실원들 중 하나는 적층체 그 자체이다. 디바이스의 공기측이 주변의 분위기들로의 개방 채널들을 가지는 방식으로 디바이스를 설계하는 것이 유리하다. 이러한 구성에 있어서, 공기 공급 챔버 및 공기 배출 챔버는 압력 손실들이 최소화되도록 적층 디바이스로부터 개별적으로 설계될 수 있다. 이러한 설계는, 또한 재료를 절감함에 따라 적층체내에 공기가 내부적으로 매니폴드되는 방안에 비하여 적층체의 점유공간이 저감될 수 있기 때문에 시스템에 비용 절감적이다. 더욱이, 연료 전지의 측면들 (146) 에 연료 분배 채널들을 배치하는 것은, 연료 분배 채널들이 그 후에 적층체로의 공기 유동을 제한하지 않음에 따라, 연료 전지 적층체에 대한 균일한 공기 유동 분포를 보장하기 위해서, 바람직하게는 공기 유입측과 공기 유출측에 대하여 90°로 배치되는 것이다. 본 발명에 따른 실시형태들에서, 연료 분배 채널들은 또한 전술한 바와 같이 다르게 위치될 수 있다.
본 발명은, 적층체 가장자리가 유동 제한 구조물이 장착된 적어도 하나의 기하학적 구조물을 가지는 적층체 설계 특징에 기초로 한다. 유동 제한 구조물은 온도에 따라 적층체를 자유롭게 팽창 및 수축시키도록 충분히 느슨해질 수 있다. 다른 한편으로는, 유동 제한 구조물이 중공의 구조물 (122) (도 3) 내측에 배치되거나 적층체 가장자리의 돌출 표면 (122) (도 8) 에 부착된 중공의 구조물을 갖기 때문에, 공기는 유동 제한 구조물 (124) 을 보다 자유롭게 바이패스할 수 없다. 전기 절연물이 유동 제한 구조물 및 적층체의 부착물에 배열된다.
도 3 에서는 본 발명에 따른 전지 적층 형성물 (103) 을 도시한다. 전지 적층 형성물은, 예를 들어 연료 전지 시스템 또는 전해조 전지 시스템에서 고체 산화물 전지들의 조립 배열체에서 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 조립 배열체는, 사각형의 적층 형성물 (103) 에서 적어도 하나의 실질적으로 플레인 부착 측면 (121) 및 사각형의 전지 적층 형성물 (103) 에 바람직하게 배열된 전지들을 포함한다. 상기 부착 측면은, 사각형의 전지 적층 형성물 (103) 의 적어도 2 개의 코너들 (120a, 120b) 사이에 실질적으로 플레인 측면 (121) 에서 적어도 하나의 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 을 포함한다. 도 3 의 실시예에서, 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 은 적층 형성물 (103) 의 실질적으로 플레인 부착 측면들 (121) 에 만입 (intruding) 한다. 도 4 에는, 도 3 의 전지 적층 형성물 (103) 및 전지 적층 형성물 (103) 의 만입 부착 표면 구조물 (122) 에 대하여 장착될 전지 시스템에서 공기 유동을 제한하기 위해 본 발명에 따른 예시적인 유동 제한 구조물 (124) 이 도시된다. 바람직하게는 유동 제한 구조물 (124) 의 적어도 표면 (126) 은 전기 절연된다. 전기 절연체는 또한 다르게, 예를 들어 유동 제한 구조물 (124) 과 적층 형성물 (103) 사이의 별개의 절연체에 의해 및/또는 적층 형성물의 표면상의 절연체에 의해 배열될 수 있다.
도 3 및 도 4 의 실시예들에서, 적층 형성물 (103) 내의 만입 부착 표면 (122) 은 사각형의 전지 적층 형성물의 적어도 2 개의 코너들 (120a, 120b) 사이의 바람직하게는 실질적으로 중간에 위치되고, 만입 부착 표면 (122) 은 실질적으로 직사각형 형상들을 포함한다. 따라서, 또한 유동 제한 구조물 (124) 은 도 3 및 도 4 의 실시예들에서 실질적으로 직사각형 형상들로 구성된다.
도 5 에서는, 기하학적 편향 부착 표면 구조물들 (122) 이 적층 형성물 (103) 의 실질적으로 플레인 부착 측면들 (121) 로부터 돌출하는 하나의 전지 적층 형성물 (103) 의 예시적인 조립 배열체를 도시한다. 전지 시스템에서 공기 유동들을 제한하기 위한 유동 제한 구조물들 (124) 은 적층 형성물의 돌출 부착 표면 구조물들 (122) 사이에 장착되고, 유동 제한 구조물 (124) 의 다른 단부는 도 5 의 조립 배열체에서 연료전지 케이싱의 측면 구조물들 (130) 의 돌출 부착 표면 구조물들 (122) 사이에 부착된다.
도 6 은 여러 개의 전지 적층 형성물들 (103) 의 예시적인 조립 배열체를 도시하고, 이 적층 형성물들은 각각의 전지 적층 형성물 (103) 의 2 개의 반대 측 (121) 에서 기하학적 편향 부착 표면 구조물들 (122) 을 포함한다. 전지 시스템에서 공기 유동들을 제한하기 위한 유동 제한 구조물들 (124) 은 다른 전지 적층 형성물에 각각의 전지 적층 형성물 (103) 을 부착하기 위해서 만입 부착 표면 구조물들 (122) 에 대하여 장착된다. 바람직하게는, 단부 위치된 전지 적층 형성물들 (103) (비도시) 은 측면 구조물의 만입 또는 돌출 부착 구조물들에 의해 조립 배열체에서 연료전지 케이싱의 측면 구조물 (130) (도 5) 에 부착된다.
도 7 에서는, 유동 제한 구조물 (124) 이 압입 로드 (132) 가 삽입되도록 안내하는 적어도 하나의 도입부 (lead-in) 를 포함하는 본 발명에 따른 예시적인 일 실시형태를 도시한다. 유동 제한 구조물들 (124) 은 적층 형성물들 (103) 사이에 전체적인 유동 제한 구조물 (124) 을 형성하도록 제한 구조물들 (124) 의 부분들을 부착하기 위한 부착 구조물들 (134) 을 포함한다. 즉, 유동 제한 구조물 (124) 은 본 발명에 따른 실시형태들에서 적어도 2 부분들로 될 수 있다.
도 8 에서는, 적어도 3 개의 전지 적층 형성물들 (103) 을 조립하도록 조립 배열체가 배열되고 그리고 이 적층 형성물들은 각각의 전지 적층 형성물 (103) 의 2 개의 반대측에서 적어도 하나의 기하하적으로 돌출 부착 표면 구조물 (122) 을 포함하는 본 발명에 따른 다른 예시적인 실시형태를 도시한다. 전지 시스템에서 공기 유동들을 제한하기 위한 유동 제한 구조물들 (124, 138) 은 원형의 조립 배열체를 형성하도록 각각의 전지 적층 형성물 (103) 을 다른 전지 적층 형성물에 부착하기 위해 돌출 부착 표면 구조물들 (122) 사이에 장착된다. 표면 구조물 (122) 에 부착된 유동 제한 구조물 부분들 (124) 은, 예를 들어 도 8 에 도시된 바와 같이 유동 제한 구조물의 일부로서 부착 플레이트 (138) 를 사용하는 적어도 2 개의 부분들로 될 수 있다.
예시적인 도 7 및 도 8 에서는 또한 실시형태에 따라서 공급 또는 배출하기 위한 연료 파이프 (136) 를 도시한다.
따라서, 바람직한 실시형태에 적용되는 바와 같이 본원의 기초적인 신규한 특징들을 도시하고 설명하고 지적하는 바와 같이, 본원의 형태와 상세에서의 다양한 생략, 대체 및 변경은 본원의 사상을 벗어나지 않는 한 당업자가 실시할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 명시적으로, 실질적으로 동일한 결과들을 실시하는 이러한 요소들의 모든 조합들이 본원의 사상범위내인 것으로 의도된다. 전술한 일 실시형태로부터의 요소들을 다른 실시형태로 대체하는 것은 완전히 의도되고 상정될 수 있다. 또한, 도면들은 실측대로 반드시 도시하지 않았지만 실제로 단지 개념적인 것으로 이해해야 한다. 따라서, 이러한 의도는 첨부된 청구범위의 범위에 의해 기재된 바와 같이 제한된다.

Claims (6)

  1. 연료 전지 시스템 또는 전해조 전지 시스템에서 고체 산화물 전지들의 조립 배열체로서,
    상기 조립 배열체는, 적어도 하나의 사각형의 전지 적층 형성물 (103) 에 배열된 전지들 및 각각의 적어도 하나의 상기 사각형의 전지 적층 형성물 (103) 의 적어도 하나의 플레인 부착 측면 (121) 을 포함하고,
    상기 플레인 부착 측면은 적어도 하나의 상기 사각형의 전지 적층 형성물의 적어도 2 개의 코너들 (120a, 120b) 사이에 플레인 부착 측면 (121) 에 적어도 하나의 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 을 포함하며,
    상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 은 상기 적어도 하나의 플레인 부착 측면 (121) 에 만입 (intruding) 하거나 상기 적어도 하나의 플레인 부착 측면 (121) 으로부터 돌출 (extruding) 하며,
    상기 조립 배열체는, 적어도 하나의 유동 제한 구조물 (124), 및 상기 유동 제한 구조물 (124) 과 상기 전지 적층 형성물 (103) 의 부착물에 배열되는 전기 절연체를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 유동 제한 구조물 (124) 은 상기 연료 전지 시스템에서의 공기 유동들을 제한하기 위해 구성되고, 각각의 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 에 대하여 장착되고, 각각의 전지 적층 형성물 (103) 을 다른 전지 적층 형성물에 부착하기 위해, 그리고 전지 적층 형성물 (103) 들의 라인의 단부에 위치된 각각의 전지 적층 형성물을 상기 조립 배열체에서 측면 구조물 (130) 의 단부에 부착하기 위해 구성되고,
    상기 적어도 하나의 유동 제한 구조물 (124) 은 상기 적어도 하나의 사각형의 전지 적층 형성물 (103) 이 온도에 따라 자유롭게 팽창 및 수축될 수 있도록 장착되고,
    (i) 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 이 상기 적어도 하나의 플레인 부착 측면 (121) 에 만입하는 경우, 상기 적어도 하나의 유동 제한 구조물 (124) 은 만입된 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 내로 연장되고,
    (ii) 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 이 상기 적어도 하나의 플레인 부착 측면 (121) 으로부터 돌출하는 경우, 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 이 상기 적어도 하나의 유동 제한 구조물 (124) 내로 연장되는 것을 특징으로 하는, 조립 배열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조립 배열체는 적어도 2 개의 전지 적층 형성물들 (103) 을 조립하도록 배열되고, 상기 전지 적층 형성물들은 각각의 전지 적층 형성물 (103) 의 2 개의 반대측들에서 적어도 하나의 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122), 및 각각의 상기 전지 적층 형성물 (103) 을 다른 전지 적층 형성물에 부착하고 그리고 전지 적층 형성물 (103) 에 위치된 각각의 단부를 또한 상기 조립 배열체에서 측면 구조물 (130) 에 부착하기 위해서 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 에 대하여 장착될 상기 연료 전지 시스템에서의 공기 유동을 제한하는 유동 제한 구조물 (124) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 조립 배열체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조립 배열체는 적어도 3 개의 전지 적층 형성물들 (103) 을 조립하도록 배열되고, 상기 전지 적층 형성물들은 각각의 상기 전지 적층 형성물 (103) 의 2 개의 반대측들에서 적어도 하나의 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122), 및 각각의 상기 전지 적층 형성물 (103) 을 다른 전지 적층 형성물에 부착하여 원형의 조립 배열체를 형성하도록 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 에 대하여 장착될 상기 연료 전지 시스템에서의 공기 유동을 제한하는 유동 제한 구조물 (124) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 조립 배열체.
  4. 연료 전지 시스템 또는 전해조 전지 시스템을 위한 고체 산화물 전지들의 조립 방법으로서,
    상기 전지들은 적어도 하나의 사각형의 전지 적층 형성물 (103) 에 배열되고,
    기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 은 적어도 하나의 플레인 부착 측면 (121) 에 만입하거나 이로부터 돌출하며, 그리고 각각의 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 에 대하여 장착되고, 각각의 전지 적층 형성물 (103) 을 다른 전지 적층 형성물에 부착하기 위해, 그리고 전지 적층 형성물 (103) 들의 라인의 단부에 위치된 각각의 전지 적층 형성물을 조립 배열체에서 측면 구조물 (130) 의 단부에 부착하기 위해 구성되는 유동 제한 구조물 (124) 에 의해 상기 연료 전지 시스템에서 공기 유동들이 제한되며,
    그리고 상기 유동 제한 구조물 (124) 및 상기 전지 적층 형성물 (103) 의 부착물이 전기적으로 절연되며,
    상기 유동 제한 구조물 (124) 은 상기 적어도 하나의 사각형의 전지 적층 형성물 (103) 이 온도에 따라 자유롭게 팽창 및 수축될 수 있도록 장착되고,
    (i) 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 이 상기 적어도 하나의 플레인 부착 측면 (121) 에 만입하는 경우, 상기 적어도 하나의 유동 제한 구조물 (124) 은 만입된 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 내로 연장되고,
    (ii) 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 이 상기 적어도 하나의 플레인 부착 측면 (121) 으로부터 돌출하는 경우, 상기 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 이 상기 적어도 하나의 유동 제한 구조물 (124) 내로 연장되는 것을 특징으로 하는, 조립 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 조립 방법에서, 각각의 상기 전지 적층 형성물 (103) 을 다른 전지 적층 형성물에 부착하고 그리고 상기 전지 적층 형성물 (103) 에 위치된 각각의 단부를 또한 상기 전지 적층 형성물들 (103) 의 조립체에서 측면 구조물 (130) 에 부착하기 위해서, 각각의 상기 전지 적층 형성물 (103) 의 2 개의 반대측들에서 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 에 대하여 상기 유동 제한 구조물들 (124) 을 장착함으로써 적어도 2 개의 전지 적층 형성물들 (103) 이 조립되는 것을 특징으로 하는, 조립 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 조립 방법에서, 상기 유동 제한 구조물들 (124) 에 의해 적어도 3 개의 전지 적층 형성물들 (103) 이 조립되고, 상기 유동 제한 구조물들은 각각의 상기 전지 적층 형성물 (103) 을 다른 전지 적층 형성물에 부착하여 상기 전지 적층 형성물들 (103) 의 원형 조립체를 형성하도록, 각각의 상기 전지 적층 형성물 (103) 의 2 개의 반대측들에서 기하학적 편향 부착 표면 구조물 (122) 에 대하여 장착되는 것을 특징으로 하는, 조립 방법.
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