KR20050096960A - 고체 산화물 연료 셀 스택을 위한 유연한, 스트레인 허용오차를 갖는 상호 연결부 - Google Patents

고체 산화물 연료 셀 스택을 위한 유연한, 스트레인 허용오차를 갖는 상호 연결부 Download PDF

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선일 지. 워리어
진 야마니스
웨이드 알. 슈미트
레이몬드 씨. 벤
존 지. 스메그질
벤케터 알. 벤듈라
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유티씨 퓨얼 셀즈, 엘엘씨
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Abstract

고체 산화물 연료 셀(12)을 위한 상호 연결부(30, 32)는 분리기 플레이트 접촉부 구역을 판정하는 제1 부분과 전극 접촉부 구역을 한정하는 제2 부분을 갖는 유연한 초구조를 포함하고, 상기 초구조는 통기성이다. 일 실시예에서, 초구조는 직조된 구조를 한정하도록 제1 방향으로 제공된 복수의 유연한 하부 구조와 제2 방향으로 제공된 복수의 유연한 하부 구조에 의해 한정된다.

Description

고체 산화물 연료 셀 스택을 위한 유연한, 스트레인 허용 오차를 갖는 상호 연결부 {COMPLIANT, STRAIN TOLERANT INTERCONNECTS FOR SOLID OXIDE FUEL CELL STACK}
본 발명은 고체 산화물 연료 셀(SOFC) 스택과, 보다 구체적으로 SOFC 스택의 수명을 증가시키는 상호 연결부에 관한 것이다
[관련된 출원의 상호 참조]
본 출원은, 앞서 출원된 가출원 특허인, 2003년 1월 31일에 출원된 "유연한, 스트레인 허용 오차를 갖는 상호 연결부와 고체 산화물 연료 셀 스택을 위한 시일부"라는 표제의 미국 특허 제60/444,025호와, 2003년 3월 14일에 출원된 "유연한 상호 연결부와 고체 산화물 연료 셀 스택을 위한 시일부"라는 표제의 미국 특허 제60/454,899호에 우선권을 주장하고, 이는 2002년 11월 27일에 출원된 미국 특허 제10/307,008의 연속 출원이다.
연료 셀은 직류 전류를 발생시키도록 산화제와 연료를 전기 화학적으로 반응시키는 장치이다. 연료 셀은 캐소드, 전해질 및 애노드를 일반적으로 포함하고, 전해질은 캐소드와 애노드 재료 사이에 위치된 비통기성 재료이다. 바람직한 전압 레벨을 달성하도록, 그러한 연료 셀은 일반적으로, 연료와 산화제 유체가 통과하는, 스택 또는 연료 셀 스택을 형성하도록 상호 연결부 또는 이중 극성 플레이트를 사용하여 함께 연결된다. 전기 화학적 변환은 DC 전기 출력을 생산하도록 산화제와 전기 화학적으로 반응하는 연료로써 발생된다.
SOFC 스택의 캐소드 측면 상에서 상호 연결부 재료에 대한 기본적이고 가장 중요한 필요 조건은 스택 작동 온도에서 공기에 대한 충분한 산화 및 부식 저항성, 충분한 전자 전도성 및 세라믹 셀과 거의 정합하는 열 팽창 거동이다. 금속성 상호 연결부의 경우에서, 충분한 전자 전도성에 대한 필요 조건은 산화물 스케일이 제한된 산화 저항성을 갖는 경향이 있기 때문에, 금속 표면 상에 형성된 산화물 스케일의 전자 전도성에 대한 필요 조건과 실질적으로 동등하다. 현재, 스택의 캐소드 측면에 대해 안정되고, 긴 수명(> 40,000 시간)의 금속성 상호 연결부의 부재(lack)는, 현재의 금속 합금이 열 팽창성, 산화 저항성 및 전자 전도성 필요 조건을 동시에 충족시킬 수 없기 때문에 평면의 고체 산화물 연료 셀의 심각한 단점이다.
최근까지 사용되고 있는 캐소드 상호 연결부 재료는 희티탄석계 세라믹(perovskite based ceramic), 예를 들면, 란탄 크롬철석, 고온 크롬계 합금 또는 그 복합재를 포함하고, 니켈계 합금 또는 금속간 화합물은 800 내지 1000 ℃ 범위에서 작동되는 셀을 위해 일반적으로 사용되고 있다.
종래 기술 분야의 란탄 크롬철석과 같은 세라믹계 상호 연결부에서는, 이러한 재료가 적절한 고온 전도성과 셀과 정합하는 열 팽창 거동 모두를 나타낸다는 것을 보여준다. 그러나, 세라믹은 매우 비싸고, 낮은 인성을 갖고 그리고 적절한 상호 연결부를 제조하는 데 어려움을 갖는다. 크롬계 상호 연결부 재료도 유사한 단점을 갖는다.
보다 낮은 작동 온도(650 내지 850 ℃)에서는, 평면의 애노드 지지 셀에서 Ni계 합금보다 셀과 보다 양호한 열 확장 계수(CTE) 정합을 갖는 페라이트 스테인리스와 같은 보다 낮은 비용의 재료를 사용하는 것이 가능하다. 상업적 등급의 페라이트 스틸은 부하 중 시간이 지남에 따라 산화물 스케일을 걸쳐 오옴 저항을 증가시키기 때문에, 약 600 ℃보다 낮은 온도에서 또는 짧은 수명 동안 적절한 산화 저항성을 가질 수도 있지만, 40,000 시간 이상동안 지속되는 바람직한 산화 저항성을 갖지 못한다.
이러한 문제점을 갖는 대부분의 종래 기술 분야에서는 산화물 스케일에 의해 발생되는 단점을 방지하거나 개량하려는 시도가 행해져 왔다. 구체적으로, 보다 값싸고 바람직한 페라이트 스틸의 CTE을 이용함으로써, 소수의 합금 부가물 및/또는 표면 코팅제가 산화 저항성과 전도성을 개선시키도록 연구되어 왔다. Mn과 같은 임의의 요소는 산화물 스케일의 전도성을 증가시키는 망간 크롬철광을 형성한다는 점에서 이점을 나타내지만, 전도성과 산화 저항성 모두가 오랜 기간의 적용 기간 동안 충분히 지속되는 지를 판별하기 위해서는 보다 많은 데이터가 요구된다. 그러나, Al 및 Si와 같은 산화 저항성을 개선하는 것으로 공지된 요소는 또한 바람직하지 못하게 산화물 전도성을 감소시키고 합금의 CTE를 증가시키는 경향을 갖는다. Fe-Cr-Al-Y 타입 스틸에서, 우수한 산화 저항 성능은 최종 알루미늄 필름의 높은 저항성으로 인해 보강된다. 따라서, 낮은 비용의 Fe-Cr계 스틸과 관련된 현재 최첨단 기술은 긴 기간의 접촉과 산화 문제를 완전히 해결하지 못한다.
Ni-Cr 또는 Ni-Cr-Fe계 합금과 같은, 다른 재료는 설계에 의해 양호한 산화/부식 저항을 갖지만, 세라믹 셀의 CTE와 보다 양호하게 정합하는 페라이트 스틸의 약 12 ppm/℃과 비교하여, 일반적으로 15 내지 18 ppm(parts per million)/℃의 CTE 값을 갖는다.
바람직한 산화물 제거 및/또는 Ag, Au, Pt 및 Rh와 같은 희귀 금속에 의한 합금 표면의 코팅/도핑은 상호 연결부의 접촉부 지점 내부에 산소 확산을 감소시킴으로써 전도성 손실을 완화시키는 데 사용되지만, 희귀 금속은 발전소 및 상업적 적용예에서 사용되기에는 너무 비싸다.
산화 저항성은 상호 연결부의 캐소드/산화제 측면 상에서 맹백히 중대한 사안이다. 그러나, 애노드/연료 전극에서 산소의 부분적인 압력은 또한 Cr2O3를 형성하기에 충분히 높을 수도 있고, 산화물은 상호 연결부의 캐소드 측면 상에서보다 더욱 두꺼워질 수도 있어서(전기 화학적으로 형성된 물의 존재로 인해), 상호 연결부의 저항성이 모든 측면 상에 증가할 수도 있다. 니켈 애노드 접촉부와 접촉하는 페라이트 스틸 상호 연결부의 경우에, 스틸과 니켈 사이에 형성된 용접 지점이 시간이 지남에 따라 성능을 악화시키는 얇은 전기적 절연 Cr2O3층을 형성한다고 종래 기술에서 개시하고 있지만, 상호 연결부의 애노드 측면 상의 구성 재료는 캐소드와 동일할 수도 있다.
배경 기술 분야의 상기 재검토로부터, 열 순환 중 CTE 오정합으로 발생된 인터페이스 스트레인을 실질적으로 제거하면서, 상기 재료가 산화물 스케일을 걸쳐 긴 기간의 산화 저항성과 높은 전자 전도성을 제공하는, 인접한 셀 사이에 실질적으로 개선된 상호 연결부에 대한 필요성이 여전히 남아 있다는 것은 명백하다.
따라서, 본 발명의 주 목적은 상기 언급된 필요성을 충족시키는 상호 연결부 또는 이중 극성 플레이트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도1은 본 발명에 따른 연료 셀 스택 조립체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도2는 청구항 제1항의 연료 셀 스택 조립체의 부분을 개략적으로 도시한 도면이다.
도3은 본 발명의 상호 연결부의 바람직한 실시예를 도시한 도면이다.
도4 및 도5는 본 발명의 상호 연결부의 다른 바람직한 실시예를 도시한 도면이다.
도6은 본 발명의 상호 연결부의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도7은 본 발명의 상호 연결부의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도8은 본 발명의 상호 연결부의 또 실시예를 도시한 도면이다.
도9는 본 발명에 따른 유연성 루프를 갖는 와이어 구조를 도시한 도면이다.
도10은 본 발명의 상호 연결부의 다른 바람직한 실시예를 도시한 도면이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적 및 이점은 용이하게 달성될 수 있다.
본 발명은 캐소드보다 높은 열 팽창성과 산화 저항성을 갖는 상호 연결부 금속 및/또는 합금에 의해 일반적으로 발생되는 열 팽창 오정합으로 인한 응력 집중을 경감하는 유연한 통기성 상호 연결부를 갖는 고체 산화물 연료 셀 설계를 제공한다.
본 발명의 상호 연결부는 바람직하게 분리기 플레이트보다 높은 열 팽창성과 산화 저항성을 갖는 금속 또는 합금을 사용하는 것을 가능하게 한다.
추가로 본 발명의 상호 연결부는 바람직하게 상호 연결부가 모든 삼차원에서 유연하고 치수 편차를 수용하도록 응력 집중의 증가를 최소화함으로써 변위를 허용하기 때문에, 스택 구성 요소에 대해 보다 덜 엄격한 치수 허용 오차를 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 모든 3차원에서 유연하고, 분리기 플레이트 접촉부 구역을 한정하는 제1 부분과 상기 제1 부분으로부터 이격되고 전극 접촉부 구역을 한정하는 제2 부분을 갖는 유연한 통기성 부재를 포함하는 상호 연결부가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면, 고체 산화물 연료 셀을 위한 상호 연결부 조립체가 제공되고, 상기 조립체는 두 개의 대향된 표면을 갖는 분리기 플레이트와, 적어도 하나의 상기 두 개의 대향된 표면에 인접하게 위치되고, 모든 삼차원에서 유연하고 분리기 플레이트 접촉부 구역을 한정하는 제1 부분과 상기 제1 부분으로부터 이격되고 전극 접촉부 구역을 한정하는 제2 부분을 갖는, 유연한 통기성 부재를 포함하는 적어도 하나의 상호 연결부를 포함한다.
또한 추가의 본 발명에 따르면, 상호 연결부 조립체는 하나 이상의 층을 포함할 수 있고, 그 중 적어도 하나는 본원에서 설명된 바와 같이 유연하다. 본 실시예에서, 유연한 층은 분리기 플레이트 또는 전극과 접촉할 수도 있고 접촉하지 않을 수도 있다.
또한 추가의 본 발명에 따르면, 스택 내에 배열된 복수의 연료 셀과, 상기 스택의 인접한 셀 사이에 위치된 복수의 상호 연결부 조립체를 포함하는 고체 산화물 연료 셀 조립체가 제공되고, 상기 상호 연결부 조립체는 두 개의 대향된 표면을 갖는 분리기 플레이트와, 적어도 하나의 상기 두 개의 대향된 표면에 인접하게 위치되고, 모든 삼차원에서 유연하고 분리기 플레이트 접촉부 구역을 한정하는 제1 부분과 상기 제1 부분으로부터 이격되고 전극 접촉부 구역을 한정하는 제2 부분을 갖는, 유연한 통기성 부재를 포함하는 적어도 하나의 상호 연결부를 포함한다.
특히 바람직한 상호 연결부의 구성은 와이어 직조부 또는 다른 유연한 하부 구조로 만들어진 삼차원의 유연한 초구조를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 아래에 개시된다.
본 발명은 연료 셀 조립체와, 보다 구체적으로 산화 저항성 및 산화물 스케일 전자 전도성과 같은 다른 필요 조건으로부터, 다른 스택 구성 요소와의 양호한 열 팽창 계수(CTE) 정합에 대한 필요성을 제거시킨 개선된 금속성 상호 연결부를 갖는 고체 산화물 연료 셀(SOFC) 스택에 관한 것이다.
본 발명은 추가로 연료 셀 스택에 관한 것이고, 보다 구체적으로 인접한 연료 셀 스택 구성 요소 사이에, 그리고 구체적으로 캐소드 또는 애노드 상호 연결부 및 인접한 연료 셀 또는 분리기 플레이트 사이에 열팽창 계수의 차이로 인한 응력집중이 최소화되어, 안정 상태 및 열 순환 하에서 증가된 연료 셀 스택의 수명과 내구성을 제공하는, 개선된 상호 연결부를 갖는 고체 산화물 연료 셀 스택에 관한 것이다.
응력 집중의 감소는 유연한 하부 구조로부터 제공된 유연한 상호 연결부 초구조를 통해 달성되고, 상호 연결부 초구조는 한 측면 상에 분리기 플레이트와 다른 측면 상에 연료 셀의 전극을 접촉시키기 위한 이격된 접촉부 구역을 한정하는 외형을 갖도록 제공되고, 하부 구조는 와이어 메쉬 내에 존재하는 바와 같이 매우 유연한 미리 굽어진 구조로써 제공된다. 본 발명에 따른 이격된 접촉부 구역을 제공하는, 두 개의 유연한 초구조와 유연한 하부 구조의 조합은, 유체 유동과 연료 셀의 전기 기능성을 개선하면서, 스택의 다양한 구성 요소 사이에서, 그러한 구성 요소 또는 결합부 또는 그 사이의 다른 타입의 연결부에 과도한 응력을 받지않게 CTE 오정합을 바람직하게 허용한다.
본원에 설명된 유연한 상호 연결부는 높은 값의 평면 내의 유연성 그리고 평면 외부의 유연성 모두가 달성되도록 설계된다. 본 기술 분야에 숙련된 자는 허용 가능한 레벨의 평면 내의 유연성 또는 평면 외부의 유연성 각각 또는 이 모두를 제공하는 임의의 그러한 상호 연결부가 본 발명의 포괄 범위 내에 포함된다는 것을 알 것이다. 바람직하게, 유연한 초구조는 적어도 세 개의 수직축 내에서 유연하고, 임의의 방향으로부터 인가된 부하에 대해 유연하다. 이를 달성하기 위한 다양한 접근법은 상기 설명된 바와 같은 와이어 직조부 기초의 초구조와, 3 차원 니트 와이어 구조와, 미리 굽어진 높은 유연성의 하부 구조로써 제공된 경사진 헬리컬 코일을 포함하는 다양한 구성의 헬리컬 코일과, 내장된 매우 유연한 유연성 루프를 갖는 와이어와, 시트 금속, 포일, 기포 또는 초구조 내부에 형성된 팽창된 금속 등으로 만들어진 유사한 상호 연결부를 포함한다. 바람직한 유연성 값은 5 x 10-6 ㎟/N(스트레인/응력 단위)이고 실온에서 일반적인 상호 연결부보다 높다. 보다 바람직한 상호 연결부의 유연성 값은 5 x 10-5 ㎟/N이고 일반적인 상호 연결부보다 높다. 가장 바람직한 상호 연결부의 유연성 값은 5 x 10-4 ㎟/N이고 일반적인 상호 연결부보다 높지만, 본 기술 분야에서 숙련된 자는 다른 유연성 값이 허용될 수도 있고 이는 본 발명의 범위 안에 포함된다는 것을 알 것이다.
도1로 돌아가면, 본 발명에 따른 연료 셀 스택 조립체(10)가 개략적으로 도시된다. 조립체(10)는 바람직하게 그 사이에 위치된 이중 극성 플레이트(14)를 갖는 스택 내에 배열된 복수의 연료 셀(12)를 포함한다.
연료 셀(12)는 일반적으로 전해질(16), 전해질(16)의 한 측면 상에 위치된 캐소드 층(18) 및 전해질(16)의 다른 측면 상에 위치된 애노드 층(20)을 포함한다. 결합 또는 전류 운반 층(22)은 두 측면 상에 사용될 수도 있다.
본 발명에 따른 이중 극성 플레이트(14)는 바람직하게 캐소드를 향하는 표면(26)과 애노드를 향하는 표면(28)을 갖는 분리기 플레이트(24)와, 캐소드를 향하는 표면(26)과 인접한 연료 셀(12)의 캐소드 층[(18), 또는 층(22)] 사이에 위치된 캐소드 측면 상호 연결부(30) 및 애노드를 향하는 표면(28)과 인접한 연료 셀(12)의 애노드 층[(20), 또는 층(22)] 사이에 위치된 애노드 측면 상호 연결부(32)를 포함한다. 상호 연결부(30, 32)는 바람직하게 전자 전도성 재료로 제공되고 분리기 플레이트(24)와 전기 소통한다.
도2를 참조하면, 본 발명의 특정 태양이 캐소드 측면과 애노드 측면 상호 연결부(30, 32)의 설계도로써 도시되고, 상호 연결부는 전극 접촉부 구역을 한정하는 복수의 제1 부분(34, 38)과 전극 접촉부 구역으로부터 이격된 분리기 플레이트 접촉부 구역을 한정하는 복수의 제2 부분(36)을 갖도록 형성된 직조된 와이어 재료의 시트로서 제공된다.
또한 도2를 참조하면, 본 발명에 따른 상호 연결부(30, 32), 특히 캐소드 측면 상호 연결부(30)는 제1 및 제2 부분(34, 36)을 한정하는 삼차원 초구조를 갖도록, 유연한 하부 구조, 바람직하게 예를 들면 다이 스탬핑, 압연, 벤딩 등을 통해 형성된 상기 설명된 바와 같은 와이어 직조부 재료를 포함한다.
본 발명에 따른 상호 연결부(30, 32)의 유연한 와이어 직조부 하부 구조는 바람직하게 상호 연결부(30, 32)의 유연성을 증가시키는 미리 굽어진 구조를 제공하도록 도2에 도시된 바와 같은 와이어 직조부가 바람직하다. 이러한 유연성은 열 순환 중 제2 부분(36)에 대한 제1 부분(34)의 응력 집중 없이 이동 또는 휨을 가능하게 하고, 이는 바람직하게 다양한 구성 요소 사이의 CTE 오정합에 의해 발생된 응력 집중을 제거하는 작용을 한다. 또한 그러한 하부 구조와 초구조로부터 형성된 유연한 상호 연결부는 바람직하게 조립 중 응력 집중 없이 제2 부분(36)에 대해 제1 부분(34) 사이로의 이동을 가능하게 함으로써, 보다 큰 치수 허용 오차의 편차를 허용한다.
본 발명에 따르면, 도2에 도시된 바와 같은 와이어 직조부는 복수의 제1 와이어 또는 한 방향으로 배치된 하부 구조 및 복수의 제2 와이어 또는 다른 방향으로 배치된 하부 구조를 포함하고, 따라서 작동 연료 셀 가스 재료에 대해 통기성이고 다른 방향에서 원하는 바대로 유연한 직조된 와이어 구조를 한정할 수도 있다.
도3은 바람직한 하부 구조와 그 초구조를 추가로 설명하는 상호 연결부(30, 32)의 사시도를 도시한다.
도1, 도2 및 도3은 실질적으로 사인 곡선 단면을 갖는 부재로서, 상호 연결부(30, 32)를 도시하고, 중앙선(40)의 한 측면 상에 피크(38)는 전극 접촉부 구역을 한정하고, 중앙선(40)의 다른 측면 상에 피크(42)는 분리기 플레이트 접촉부 구역을 한정한다. 본 발명의 바람직한 태양에 따르면 도3에 도시된 것과 같이, 파상의 또는 수직한 외형 형상의 상호 연결부(30, 32)는 일련의 이격된 피크(38, 42)를 한정하도록 도1 및 도2에 도시된 단면에 대해 횡단하는 방향으로 연장하고, 이들 피크의 각각은 상기 설명된 이격된 접촉부 구역을 한정하도록 중앙선(40)으로부터 대향 방향으로 연장한다.
물론, 본 발명의 포괄 범위 내에서, 원한다면 본 발명에 따라, 구성 요소 사이의 바람직한 응력 집중의 감소를 제공하는 유연한 부재에 의해 연결된 이격된 접촉부 구역을 동등하게 제공할 수 있는 다른 구성도, 상호 연결부(30, 32)를 위해 제공될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
예를 들면, 도4는, 유연한 하부 구조 재료, 바람직하게 와이어 직조부로 만들어진, 실질적으로 수직한, 예를 들면, 정사각형 또는 직사각형 채널 패턴으로, 성형된 유연한 초구조를 갖는 상호 연결부(30, 32)를 도시하고, 상호 연결부는 단면도에서 이격된 접촉부 구역을 형성한다. 도4는 본 발명에 따른 바람직한 와이어 직조부 구조를 추가로 도시한다. 도5는 이중 극성 플레이트(14) 상의 그러한 상호 연결부(30, 32)의 사시도를 도시한다.
다른 실시예인 도6은 단면 및 횡단 방향 모두에서 존재하는 이격된 접촉부 구역을 갖는 실질적으로 정사각형 채널의 초구조 상호 연결부(30, 32)를 도시한다.
다른 실시예인, 도7은 유연한 하부 구조로부터 만들어진 실질적으로 사다리꼴형의 초구조 상호 연결부(30, 32)를 도시한다.
다른 실시예인, 도8은 원형 또는 헬리컬형으로, 바람직하게 경사진 구조로 만들어진 초구조 상호 연결부(20, 32)를 도시하고, 미리 굽어진 와이어 또는 와이어 직조부와 같은 유연한 하부 구조는 삼차원 초구조를 형성한다.
도9는 와이어(52)에 상기 설명된 바와 같은 유연성 루프(54)가 제공된 실시예를 도시한다. 이러한 구조는 다른 CTE에 대응하도록 그리고 또한 바람직한 제조 허용 오차를 제공하도록 요구될 때, 탄성적으로 변형되는 와이어의 능력을 증가시키도록 작용한다. 이러한 유연성 루프 구조는 본 발명의 상호 연결부의 하부 구조 및/또는 초구조 내에 합체될 수 있다.
도10은 유연한 하부 구조로 만들어진 실질적으로 모래 시계 형상의 초구조 상호 연결부(30, 32)를 도시한다.
이러한 실시예에서 상호 연결부(30, 32)는 도1 내지 도4와 연결하여 상기 설명된 실시예와 유사한 방식으로 스택의 구성 요소 사이에 위치될 수 있다.
명백하게, 본 기술 분야에서 숙련된 자는 복수의 그러한 유연한 하부 구조 뿐만 아니라 초구조의 패턴 및 배열이 존재하고 이는 본 발명의 포괄 범위 내에 모두 포함된다는 것을 알 수 있을 것이다.
다른 재료 및 구성은 애노드 측면 상호 연결부(32)보다 캐소드 측면 상호 연결부(30)에 대해 바람직할 수도 있다.
캐소드 측면 상호 연결부(30)는 상기 설명된 바와 같은 그리고 도1 및 도2에 설명된 바와 같은 구성을 갖도록 제공되는 것이 바람직하다.
애노드 측면 상호 연결부(32)는 바람직하게 동일한 구성을 갖도록 또는 기포 셀을 한정하는 기포 구성을 갖도록 제공될 수 있고, 기포 셀은 분리기 플레이트(24)와 한 측면 상의 그리고 연료 셀(12)의 애노드와 다른 측면 상의 접촉을 위한 접촉부 구역을 자체 한정한다.
또한, 캐소드 주위에, 산화 저항성 및 전도성 재료, 바람직하게 선택된 스테인리스 스틸, 스테인리스 스틸 합금 및 Ni-Cr, Ni-Cr-Fe-, Fe-Cr-, Fe-Cr-Ni 및 Co계 합금 뿐만 아니라 Cr계 합금 및 희귀 금속/합금을 포함하는 초합금 그룹으로부터 선택된 재료의 캐소드 측면 상호 연결부(30)가 제공되는 것이 바람직하다. 그러한 초합금은 본 발명에서 바람직하다고 여겨지는, HAYNES® 합금 230, HAYNES® 합금 230-W, 하스텔로이 X(Hastelloy X)를 포함한다. 다른 재료는 적어도 2개의 재료, 예를 들면 상기 설명된 임의의 금속과 합금을 포함하는 금속과 세라믹의 복합재를 포함한다. 다른 세트의 재료는 희귀 금속 코팅 초합금을 포함한다.
애노드 측면 상호 연결부(32)에는 Ni, Ni-Cu, Ni-Cr-, Ni-Cr-Fe-, Fe-Cr-, Fe-Cr-Ni 및 Co계 합금 뿐만 아니라 Cr계 합금 및 희귀 금속/합금 및 초합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료와, Ni, Cu 또는 Ni-Cu 뿐만 아니라 희귀 금속으로써 코팅된 그러한 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료가 제공되는 것이 바람직하다. 다른 재료는 상기 설명된 임의의 금속과 합금을 포함하는 금속 및 세라믹의 복합재를 포함한다.
본 발명에 따르면, 도1 및 도2의 구성을 갖도록 제공될 때 상호 연결부(30, 32)는 바람직하게 초구조를 한정하고, 여기서 피크(38, 42)는 0.1 mm와 100 mm 사이의 초구조 파장과, 0.1 mm 내지 50 mm 사이의 초구조 진폭과, 일정하거나 랜덤일 수도 있는 초구조 주기를 한정한다.
또한, 본 발명에 따른 상호 연결부(30, 32)의 와이어 직조부 하부 구조는 0.05 mm 내지 5 mm 사이의 와이어 직경과, 0.05 mm 내지 50 mm 사이의 하부 구조 직조부 파장과, 0.05 mm 내지 50 mm 사이의 직조부 진폭과, 정사각형, 평직, 새틴(satin), 능직(twill) 또는 다른 패턴일 수도 있는 직조부 패턴과, 일정하거나 또는 랜덤일 수도 있는 직조부 주기를 갖도록 제공되는 것이 바람직하다.
또한, 상호 연결부(30, 32)의 와이어 직조부 하부 구조는 기능성을 촉진하도록 다른 장소 내에서 다른 직경 및/또는 합금의 와이어를 포함할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 분리기 플레이트(24)는 바람직하게 그 사이에 고강도 인터페이스를 생산하도록 다양한 방법으로써 애노드 측면 상호 연결부(32)와 캐소드 측면 상호 연결부(30)에 결합될 수 있다. 예를 들면, 그러한 조인트 또는 구성 요소는 함께 결합되거나, 용접되거나 또는 납땝될 수 있고, 본 기술 분야에서 숙련된 자에게는 널리 공지된 다른 방법으로 함께 고정될 수 있다. 또한, 본 발명의 포괄 범위 내에서 그 사이에 임의의 결합없이 서로 인접하게 이러한 구성 요소를 위치시킬 수 있다.
본 발명에 따른 상호 연결부의 와이어 직조부 하부 구조와 삼차원 초구조는 바람직하게 애노드와 캐소드 인터페이스에서 응력 집중을 경감하고, 인터페이스와 셀 자체의 파괴를 최소화시키는 작용을 한다.
추가로 본 발명에 따르면, 도1에 설명된 것과 같이, 유연한 시일부가 이중 극성 플레이트(14)와 인접한 연료 셀(12)의 에지 사이에서 시일을 위해 추가로 제공되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 시일부 설계는 그루브(46)를 그 안에서 한정하는 레일 또는 스페이서(44) 및 그 사이에 바람직한 시일을 제공하도록 그루브(46) 내에 위치되고 이중 극성 플레이트(14)와 인접한 연료 셀(12) 사이에서 압축되는 시일 부재(48)의 형태로 제공된다. 압축 정지부(50)는 유연한 시일부의 휨의 양을 제어하고 유연한 상호 연결부, 유연한 시일부 및 스택의 다른 요소를 바람직하게 조립하도록 제공된다.
추가로 본 발명에 따르면, 시일 부재(48)는 적절한 재료로 형성된 유연한 또는 압축 가능한 부재, 바람직하게 알루미나 섬유로서 제공되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 알루미나는 유리, 유리 세라믹 등과 같은 통상적으로 사용되는 다른 시일 재료와 같이 연료 셀을 오염시키지 않기 때문에, 가장 바람직하다.
따라서, 본 발명에 따라, 시일 부재(48)는 바람직하게 실질적으로 가스 불투과성이지만 그 유연성 또는 압축성을 허용하는 시일 부재(48)를 제공하도록 선택된 다른 재료를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 시일 부재(48)는 지르코니아, 알루미나, 이트륨 알루미늄 가넷, 알루미노 실리케이드 및 마그네슘 실리케이트 세라믹 및 유사한 산화물 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하고, 시일 부재(48)는 가스 투과성을 감소시키도록 제공되는 것이 바람직하다.
시일 부재(48)는 바람직하게 토우, 얀, 섬유 직조부 구성 등과 같은 섬유 구성을 갖도록 제공될 수 있다. 그러한 구성은 바람직한 시일 특성을 제공하도록 상기 설명된 섬유 내부에 보조 입자를 포함할 수 있다. 또한, 레일/스페이서(44) 및 압축 정지부(50)는 관련된 통상적으로 요구되는 다양한 변수의 부가적인 제거를 제공하도록 선택된 높이와 그루브 깊이를 갖게 제공된다.
중요한 변수는 도1에서 개략적으로 설명된 바와 같은 연료 셀 스택에 인가되야만 하는 클램핑 압축 부하에 대한 상호 연결부와 시일의 반응성이다.
도1은 조립체(10)의 상단 및 바닥에 인가된 압축 부하를 도시하고, 그러한 압축 부하는 열적 오정합으로 인한 응력 집중을 경감하고 상호 연결부의 압축성 크리프를 감소시키도록 시일 영역 내에서 미세 활주를 가능하게 하지만 바람직하게 충분한 상호 연결부 결합과 그리고 시일부 내에서 충분히 감소된 누출을 제공하도록 선택된다.
제조 관점에서, 본 발명의 시스템은 상호 연결부가 평면 외부의 유연성을 제공하고, 따라서 증가된 치수 자유도를 제공하기 때문에 보다 덜 엄격한 치수 허용 오차를 갖는 셀과 상호 연결부를 제공한다. 또한, 고정된 두께의 레일/스페이서(44) 및 압축 정지부(50)의 설비는 시일부와 상호 연결부의 필요 조건을 제거하고, 따라서 안정성과 호환성 재료에 기초된 스택을 내장하기 위한 실질적인 가요성을 제공하는 것을 보장한다.
본 발명에 따르면, 바람직하게 고체 산화물 연료 셀 스택의 제조와 조립에서 허용 오차의 엄격성을 완화시키는 것을 가능하게 하고, 추가로 스택의 다양한 구성 요소 사이로 전달되는 응력 집중을 감소시킴으로써, 바람직하게 다른 설계의 스택에 대한 우려를 제거시키고 긴 스택 수명을 제공하도록 재료를 선택하는 것이 가능한 상호 연결부 초구조와 유연한 시일 조립체가 제공된다.
본 발명은 본 발명을 실시하는 최적의 모드로 단지 도해적으로 설명되었지만, 이는 본원에 설명되고 도시된 설명에 제한되지 않으며, 부품의 형태, 크기, 배열 및 작동의 상세의 변경이 용이하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 그 사상과 범위 안에서 행해진 그러한 모든 변경을 포함하도록 의도된 것이다.

Claims (52)

  1. 고체 산화물 연료 셀을 위한 상호 연결부 조립체이며,
    두 개의 대향된 표면을 갖는 분리기 플레이트와,
    분리기 플레이트와 전기 소통하는 적어도 하나의 전자 전도성의 유연한 상호 연결부를 포함하고,
    유연한 상호 연결부는 분리기 플레이트 접촉부 구역을 한정하는 제1 부분과 전극 접촉부 구역을 한정하는 제2 부분을 갖는 유연한 초구조를 포함하고, 초구조는 작동 연료 셀 가스 재료에 대해 통기성인 상호 연결부 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 3개의 수직축 내에서 유연한 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 임의의 방향으로부터 인가된 부하에 대해 유연한 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 직조된 구조를 한정하도록 제1 방향으로 배치된 복수의 유연한 제1 하부 구조와 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 배치된 복수의 유연한 제2 하부 구조를 포함하는 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 적어도 하나의 유연한 하부 구조는 미리 굽어진 조립체.
  6. 제4항에 있어서, 상기 유연한 하부 구조는 와이어를 포함하고, 상기 직조된 구조는 와이어 직조부인 조립체.
  7. 제4항에 있어서, 상기 유연한 하부 구조는 미리 굽어진 와이어를 포함하고, 상기 직조된 구조는 와이어 직조부인 조립체.
  8. 제4항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 파형이고(dimpled), 추가로 복수의 제1 파형부는 상기 분리기 플레이트 접촉부 구역을 한정하고 복수의 제2 파형부는 상기 전극 접촉부 구역을 한정하는 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 제1 파형부는 상기 복수의 제2 파형부에 실질적으로 대향되어 연장하는 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 상호 연결부는 캐소드 측면 상호 연결부인 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 상호 연결부는 애노드 측면 상호 연결부인 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 초구조는 적어도 약 5 x 10-6 ㎟/N의 유연성을 갖는 조립체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 초구조는 적어도 약 5 x 10-5 ㎟/N의 유연성을 갖는 조립체.
  14. 제1항에 있어서, 상기 초구조는 적어도 약 5 x 10-4 ㎟/N의 유연성을 갖는 조립체.
  15. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 하나의 실질적으로 수직인 채널을 포함하도록 성형되는 조립체.
  16. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 하나의 실질적으로 경사진 채널을 포함하도록 성형되는 조립체.
  17. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 하나의 실질적으로 정사각형 채널을 포함하도록 성형되는 조립체.
  18. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 하나의 실질적으로 직사각형 채널을 포함하도록 성형되는 조립체.
  19. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 하나의 실질적으로 사인 곡선형 채널을 포함하도록 성형되는 조립체.
  20. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 하나의 실질적으로 모래 시계형 채널을 포함하도록 성형되는 조립체.
  21. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 스테인리스 스틸, 스테인리스 스틸 합금 또는 스테인리스 초합금을 포함하는 조립체.
  22. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 크롬계 합금을 포함하는 조립체.
  23. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 희귀 금속계 합금을 포함하는 조립체.
  24. 제1항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 두 개의 재료의 복합재를 포함하는 조립체.
  25. 고체 산화물 연료 셀을 위한 상호 연결부이며,
    분리기 플레이트 접촉부 구역을 한정하는 제1 부분과 전극 접촉부 구역을 한정하는 제2 부분을 갖는 유연한 초구조를 포함하고, 초구조는 작동 연료 셀 가스 재료에 대해 통기성인 상호 연결부.
  26. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 3개의 수직축 내에서 유연한 상호 연결부.
  27. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 임의의 방향으로부터 인가된 부하에 대해 유연한 상호 연결부.
  28. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 직조된 구조를 한정하도록 제1 방향으로 배치된 복수의 유연한 제1 하부 구조와 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 배치된 복수의 유연한 제2 하부 구조를 포함하는 상호 연결부.
  29. 제28항에 있어서, 적어도 하나의 유연한 하부 구조는 미리 굽어진 상호 연결부.
  30. 제28항에 있어서, 상기 유연한 하부 구조는 와이어를 포함하고, 상기 직조된 구조는 와이어 직조부인 상호 연결부.
  31. 제28항에 있어서, 상기 유연한 하부 구조는 미리 굽어진 와이어를 포함하고, 상기 직조된 구조는 와이어 직조부인 상호 연결부.
  32. 제28항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 파형이고, 추가로 복수의 제1 파형부는 상기 분리기 플레이트 접촉부 구역을 한정하고 복수의 제2 파형부는 상기 전극 접촉부 구역을 한정하는 상호 연결부.
  33. 제32항에 있어서, 상기 복수의 제1 파형부는 상기 복수의 제2 파형부에 실질적으로 대향되어 연장하는 상호 연결부.
  34. 제25항에 있어서, 상기 상호 연결부는 캐소드 측면 상호 연결부인 상호 연결부.
  35. 제25항에 있어서, 상기 상호 연결부는 애노드 측면 상호 연결부인 상호 연결부.
  36. 제25항에 있어서, 상기 초구조는 적어도 약 5 x 10-6 ㎟/N의 유연성을 갖는 상호 연결부.
  37. 제25항에 있어서, 상기 초구조는 적어도 약 5 x 10-5 ㎟/N의 유연성을 갖는 상호 연결부.
  38. 제25항에 있어서, 상기 초구조는 적어도 약 5 x 10-4 ㎟/N의 유연성을 갖는 상호 연결부.
  39. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 하나의 실질적으로 수직인 채널을 포함하도록 성형된 상호 연결부.
  40. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 하나의 실질적으로 경사진 채널을 포함하도록 성형된 상호 연결부.
  41. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 하나의 실질적으로 정사각형 채널을 포함하도록 성형된 상호 연결부.
  42. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 하나의 실질적으로 직사각형 채널을 포함하도록 성형된 상호 연결부.
  43. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 하나의 실질적으로 사인 곡선형 채널을 포함하도록 성형된 상호 연결부.
  44. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 하나의 실질적으로 모래 시계형 채널을 포함하도록 성형된 상호 연결부.
  45. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 스테인리스 스틸, 스테인리스 스틸 합금 또는 스테인리스 초합금을 포함하는 상호 연결부.
  46. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 크롬계 합금을 포함하는 상호 연결부.
  47. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 희귀 금속계 합금을 포함하는 상호 연결부.
  48. 제25항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 두 개의 재료의 복합재를 포함하는 상호 연결부.
  49. 고체 산화물 연료 셀 스택이며,
    전기 접촉부 내에 적어도 세 개의 연료 셀 조립체를 포함하고, 적어도 하나의 연료 셀 조립체는, 전극, 분리기 플레이트 및 전극과 분리기 플레이트 사이에 위치된 유연한 상호 연결부를 포함하고, 유연한 상호 연결부는 분리기 플레이트 접촉부 구역을 한정하는 제1 부분과 전극 접촉부 구역을 한정하는 제2 부분을 갖는 유연한 초구조를 포함하고, 초구조는 작동 연료 셀 가스 재료에 대해 통기성인 고체 산화물 연료 셀 스택.
  50. 제49항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 적어도 세 개의 수직축 내에서 유연한 고체 산화물 연료 셀 스택.
  51. 제49항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 임의의 방향으로부터 인가된 부하에 대해 유연한 고체 산화물 연료 셀 스택.
  52. 제49항에 있어서, 상기 유연한 초구조는 직조된 구조를 한정하도록 제1 방향으로 배치된 복수의 유연한 제1 하부 구조와 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 배치된 복수의 유연한 제2 하부 구조를 포함하는 고체 산화물 연료 셀 스택.
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