KR20160136409A - 연료 전지 또는 전해조 전지 스택을 위한 접촉 방법 및 배열체 - Google Patents

연료 전지 또는 전해조 전지 스택을 위한 접촉 방법 및 배열체 Download PDF

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Abstract

본 발명의 대상은 고체 산화물 전지들의 접촉 배열체이고, 각각의 고체 산화물 전지는 전지에서 가스 유동들을 배열하기 위한 적어도 두개의 유동 필드 플레이트들 (121), 및 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 애노드 측과 캐소드 측 사이에 전해질 요소 (104) 를 포함하는 활성 전극 구조 (130) 를 포함한다. 접촉 배열체는 고체 산화물 전지에서 밀봉 기능들을 수행하기 위한 개스킷 구조 (128) 및 유동 필드 플레이트들 (121) 과 활성 전극 구조 (130) 사이에 위치된 접촉 구조 (132) 를 포함하고, 상기 접촉 구조는 유동 필드 플레이트들 (121) 의 구조에 따라 그리고 활성 전극 구조 (130) 의 구조에 따라 맞춰진 적어도 부분적으로 가스 투과성 구조이다.

Description

연료 전지 또는 전해조 전지 스택을 위한 접촉 방법 및 배열체{CONTACTING METHOD AND ARRANGEMENT FOR FUEL CELL OR ELECTROLYZER CELL STACK}
세계의 에너지의 대부분은 오일, 석탄, 천연 가스 또는 원자력에 의해 생성된다. 모든 이들 생성 방법들은 예를 들면 환경 유용성 및 친환경에 관한 한 그 구체적인 문제점을 갖는다. 환경에 관한 한, 특히 오일 및 석탄은 그것들이 연소될 때 오염물을 발생시킨다. 원자력에 있어서의 문제점은 적어도, 사용된 연료의 저장이다.
특히 환경적 문제점들로 인해, 보다 친환경적이고, 예를 들면, 상기 언급된 에너지 소스들보다 양호한 효율을 갖는 새로운 에너지 소스들이 개발되고 있다. 친환경적 프로세스에서 화학적 반응을 통해 연료, 예를 들면 바이오의 에너지가 전기로 직접 변환되는 연료 전지 및 전기가 연료로 변환되는 전해조들은 촉망받는 에너지 변환 디바이스들이다.
광전지 및 풍력과 같은 재생 가능한 에너지 생성 방법들은 그 전력 생산이 환경적 영향들에 의해 제한받기 때문에 계절적 생성 편차들에서 문제점에 직면한다. 과잉 생성의 경우에, 물 전기 분해를 통한 수소 생성은 미래 에너지 저장 옵션들 중 하나로 제안되고 있다. 추가로, 전기 분해 전지는 또한 재생 가능한 바이오 가스 저장부들로부터 고품질 메탄 가스를 생성하는 데 이용될 수 있다.
본 발명은 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 스택 또는 고체 산화물 전해조 전지 (SOEC) 스택에서 입력 반응물 분배를 배열하는 것에 관한 것이다. 연료는 전지 애노드 전극에서 입력 반응물 연료 가스 및 캐소드 전극에서 가스형 산화제 (산소) 를 반응시켜서 전기를 생성한다. 전해조 반응들은 연료 전지에 역반응이며, 즉 전기가 연료 및 산소를 생성하는 데 사용된다. SOFC 및 SOEC 스택들이 샌드위치 방식으로 스택된 전지 요소들 및 세퍼레이터들을 포함하고 각각의 전지 요소는 전해질, 애노드 측 및 캐소드 측을 샌드위칭함으로써 구성된다. 반응물들은 다공성 전극들로 유동 필드 플레이트들에 의해 안내된다.
도 1 에 제공된 바와 같은 연료 전지는 애노드 측 (100) 및 캐소드 측 (102) 및 그 사이에 전해질 재료 (104) 를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지들 (SOFCs) 에서 산소 (106) 는 캐소드 측 (102) 으로 공급되고 음의 산소 이온으로 환원된다. 음의 산소 이온은 전자들, 물 및 또한 전형적으로 이산화탄소 (CO2) 를 생성하는 연료 (108) 와 반응하는 애노드 측 (100) 으로 전해질 재료 (104) 를 통과한다. 애노드 (100) 및 캐소드 (102) 는 시스템으로부터 열과 함께 전기적 에너지를 회수하는 연료 전지를 위한 부하 (110) 를 포함하는 외부의 전기 회로 (111) 를 통해 연결된다. 메탄, 일산화탄소 및 수소 연료의 경우에 연료 전지 반응들은 아래와 같이 나타내어진다:
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
전기 분해 작동 모드 (고체 산화물 전해조 전지들 (SOEC)) 에서 반응은 역반응이고, 즉 소스 (110) 로부터의 전기적 에너지 뿐만 아니라 열은, 산소 산화 반응이 발생하는 애노드 측으로 전해질 재료를 통해 이동하는 산소 이온들을 형성하는 캐소드 측에서 물 및 종종 또한 이산화탄소가 환원되는 전지로 공급된다. 양쪽 SOFC 및 SOEC 모드들에서 동일한 고체 전해질 전지를 사용하는 것이 가능하다.
고체 산화물 전해조 전지들은 고온 전기 분해 반응을 발생시키도록 허용하는 온도들에서 작동하고, 상기 온도들은 전형적으로 500-1000℃ 이지만, 심지어 1000℃ 보다 높은 온도들이 사용될 수 있다. 이들 작동 온도들은 SOFCs 의 그러한 조건들과 유사하다. 네트 전지 반응은 수소 및 산소 가스들을 생성한다. 1 몰의 물에 대한 반응들은 다음과 같이 나타내어진다:
캐소드: H2O + 2e- ---> 2 H2 + O2-
애노드: O2- ---> 1/2O2 + 2e-
네트 반응: H2O ---> H2 + 1/2O2.
고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 및 고체 산화물 전해조 (SOE) 에서 스택들에서 인접한 전지들 사이에 가스의 유동 방향들 뿐만 아니라 각각의 전지에 내부에서 애노드 가스에 대한 캐소드 가스의 유동 방향이 스택의 상이한 전지 층을 통해 조합된다. 추가로, 캐소드 가스 또는 애노드 가스 또는 양쪽은 그것이 소모되기 전에 하나보다 많은 전지를 통해 통과하고 복수의 가스 스트림들은 1 차 전지를 통과한 후 그리고 2 차 전지를 통과하기 전에 분할되거나 또는 합쳐질 수 있다. 이들 조합들은 전지들 및 전체 스택을 가로질러 열적 구배들을 최소화시키고 전류 밀도를 증가시키는 역할을 한다.
SOFC 는 거의 0.8V 의 전압을 일반적인 작동에서 산출한다. 총 전압 출력을 증가시키도록, 연료 전지들은 연료 전지들이 유동 필드 플레이트들 (또한: 상호 연결기 플레이트들, 양극성 플레이트들) 을 통해 전기 연결되는 스택들에 일반적으로 조립된다. 원하는 레벨의 전압은 요구되는 전지들의 수를 결정한다.
양극성 플레이트들은 인접한 전지 유닛들의 애노드 및 캐소드 측들을 분리하고 동시에 애노드와 캐소드 사이에서 전자 전도를 가능하게 한다. 상호 연결부들, 또는 양극성 플레이트들에는 일반적으로 상호 연결 플레이트의 일측에서 연료 가스 및 다른 측에서 산화제 가스의 통로를 위한 복수의 채널들이 제공된다. 연료 가스의 유동 방향은 전지 유닛의 연료 유입구 부분로부터 연료 유출구 부분으로 실질적인 방향으로서 규정된다. 산화제 가스의 유동 방향과 마찬가지로 캐소드 가스는 전지 유닛의 캐소드 유입구 부분으로부터 캐소드 유출구 부분으로 실질적인 방향으로서 규정된다.
종래에, 전지들은 완전한 오버랩으로 포개져 스택되어 스택을 생성시키고 예를 들면 병행-유동은 스택의 일측에서 모든 연료 및 산화제 유입구들 및 대향 측에서 모든 연료 및 산화제 유출구들을 갖는다. 작동에서 구조의 온도들에 영향을 주는 하나의 특징은 전지 내로 공급되는 연료의 스팀 재형성이다. 스팀 재형성은 흡열 반응이고 전지의 연료 유입구 에지를 냉각시킨다. 전기 화학적 프로세스의 발열로 인해, 유출구 가스들은 유입구 온도보다 높은 온도로 나간다. 흡열 및 발열 반응들이 SOFC 스택에서 조합될 때에 스택을 가로질러 현저한 온도 구배가 발생된다. 큰 열적 구배들은 아주 바람직하지 못한 스택에서 열적 스트레스를 유도하고 그것들은 전류 밀도 및 전기적 저항에서 차이를 일으킨다. 따라서 SOFC 스택의 열적 매니지먼트의 문제점은 허용할 수 없는 스트레스들을 회피하는 데 충분하도록 열적 구배들을 감소시키고 균질한 전류 밀도 프로파일을 통해 전기 효율을 최대화시키는 데 있다.
금속의 부식을 느리게 하도록 유동 필드 플레이트들을 보호 코팅하는 것은 종종 종래 기술 분야의 실시형태들에서 필수적이다. 일반적으로 고체 산화물 연료 전지들 및 전해조들의 열화를 발생시키는 두개의 부식 매카니즘이 존재한다. 하나는 금속 표면 상에 전기를 불량하게 전도하는 산화물 층의 형성이고 또 다른 것은 활성 재료의 전기 화학적, 화학적, 전기적 전도성 및/또는 가스 투과 특성들을 약화시키는 전기 화학적 활성 재료들과의 반응 및 단위 전지의 활성 표면에서 금속으로부터 증착되는 크롬 화합물들의 침착이다. 산화물 구조들은 일반적으로 한편으로 금속의 표면 상에 산화제 확산 및 다른 한편으로 산화물 구조를 통해 합금 원자들 및 화합물의 확산을 느리게 하는 보호 코팅들로서 사용된다. 보호 코팅의 가격은 전형적으로 전지 스택의 총 비용들 내에서 상당하고 보호 코팅의 비용은 한편으로 보호 코팅을 위해 사용되는 제조 프레세스, 보호 코팅될 재료 및 표면에 의해 영향을 받는다. 부가적으로 전지 스택을 밀봉하는 데 사용되는 영역들로 보호 코팅들을 연장하는 것은 바람직하지 않는 데, 왜냐하면 밀봉제들로서 일반적으로 사용되는 글라스, 세라믹 재료들 또는 미네랄들은 예를 들면 증가된 가스 누출들 및/또는 증가된 전기 전도성으로 인해 보호 코팅과 반응하여 전지 스택 구조들에 열화 효과들을 발생시킬 수 있기 때문이다.
종래 기술 분야의 연료 전지 스택들 또는 전해조 전지 스택들은 스택들에서 전지 구조들 사이의 전해질 요소 구조 두께에서 허용 오차 편차들을 갖는다. 예를 들면 세라믹 재료들이 사용되는 전지 스택 구조에서, 단지 마이크로미터들의 측정에서의 두께 편차들은 종래 기술 분야의 실시형태들에서 적절할 것이다. 이는 예를 들면 전지들 사이에서 상이한 유동 저항 조건들을 발생시켜 스택의 감소된 파워 밀도 및 전지들 사이에서 열적 구배를 발생시키는 스택 구조에서 전지 전압 프로파일을 변화시키고 활성 전해질 요소와 유동 필드 플레이트 사이에 고르지 못한 압축 특징들로 인해 접촉 특성들을 변화시킨다. 따라서 예를 들면 스택 교체 시간이 연료 전지 시스템에서 줄어들고 전기의 비용이 전해조 스택에서 증가되기 때문에, 양쪽 스택들의 듀티비는 감소되고, 스택들의 수명은 짧아져서, 처음에는 생성된 전기 파워 출력 당 스택의 자본 비용을 증가시키고 나중에는 스택의 구조의 작동 비용을 증가시킨다.
종래 기술 분야의 연료 전지 스택들 또는 전해조 전지 스택들은 또한 고압 손실 특징들을 발생시키는 캐소드 재료와 같은 활성 전극 재료와 유동 필드 플레이트 사이에 낮은 가스 채널 조건들로 인해 제한된 유동 조건들의 단점을 갖는다. 상호 연결을 위한 최적의 구조는 플레이트의 양쪽 측들에서 유동 영역을 최대화하도록 가능한 직사각형에 가까운 채널 형태로 유동 채널들 높이를 최대화할 것이다. 유동 필드 플레이트 채널의 상단에서 성형된 활성 전극과 상호 연결 플레이트 구조 사이의 접촉 표면은 두개의 구조들 사이에서 양호한 접촉 표면을 형성하도록 가능한 플랫형으로 되어야 한다. 접촉 표면에 대한 그리고 채널의 폭에 대한 최적의 치수들은 전기 전도성 및 가스 투과성과 같은 활성 전해질 재료의 특성에 전형적으로 종속되지만 전형적으로 밀리미터 범위이다. 종래 기술의 상호 연결 구조들은 시트 금속 플레이트들로부터 성형 프로세스들로 제조된다. 금속의 최대 성형성은 그 기계적 특성들에 의해 제한되고 전형적으로 양쪽 채널 영역 및 접촉 표면들은 상기 설명된 바와 같이 최적이 아니다. 성형 프로세스들과 관련된 제한으로 인해, 상호 연결 플레이트 구조들은 주요한 압력 손실 특징들을 발생시키고 그리고/또는 접촉 표면은 연료 전지에서 전자 전달을 제한하여 양쪽 연료 전지 또는 전해조 스택의 듀티비에 제한들을 발생시킨다.
본 발명의 목적은 개선된 가스 유동 조건들 특징들 및 개선된 허용 오차 특징들을 갖는 진보된 고체 산화물 전지 구조를 달성하는 것이다. 이는 고체 산화물 전지들의 접촉 배열체에 의해 달성되고, 각각의 고체 산화물 전지는 전지에서 가스 유동들을 배열하기 위한 두개의 유동 필드 플레이트들, 및 애노드 측, 캐소드 측, 및 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질 요소를 포함하는 활성 전극 구조를 포함한다. 접촉 배열체는 고체 산화물 전지에서 밀봉 기능들을 수행하기 위한 개스킷 구조 및 유동 필드 플레이트들과 활성 전극 구조 사이에 위치된 접촉 구조를 포함하고, 상기 접촉 구조는 유동 필드 플레이트들의 구조들에 따라 그리고 활성 전극 구조의 구조에 따라 맞춰진 적어도 부분적으로 가스 투과성 구조이다.
본 발명의 초점은 또한 고체 산화물 전지들의 접촉 방법에 집중되고, 상기 방법에서는 전지에서 가스 유동이 배열된다. 방법에서 고체 산화물 전지에서 밀봉 기능들이 수행되고, 활성 전극 구조와 전지에서 가스 유동들 사이에 접촉 구조가 확립되고 상기 접촉 구조는 전지에서 가스 유동들에 따라 그리고 활성 전극 구조의 구조에 따라 가스 투과성 구조에 의해 적어도 부분적으로 맞춰진다.
본 발명은 유동 필드 플레이트들와 활성 전극 구조 사이에 위치시키기 위한 접촉 구조를 달성하고, 유동 필드 플레이트들의 구조들에 따라 또는 활성 전극 구조의 구조에 따라 또는 그들 양쪽의 구조들에 따라 맞춰지는 가스 투과성 구조를 달성하는 데 기초된다.
본 발명의 이점은 종래 기술 분야의 실시형태들과 비교되는 바와 같이 고체 산화물 전지들의 작동의 보다 양호한 듀티비가 달성되고 보다 긴 수명의 고체 산화물 전지들이 달성될 수 있고, 따라서 전체 전지 시스템의 파워 작동을 보다 양호하게 만들고 보다 경제적으로 만들 수 있다는 점이다.
도 1 은 단일한 연료 전지 구조를 제공한다.
도 2 는 본 발명에 따른 바람직한 고체 산화물 전지 구조를 제공한다.
도 3a-도 3b 는 A) 종래 기술 분야의 전지 구조와 B) 본 발명에 따른 전지 구조 사이의 예시적인 비교를 제공한다.
도 4 는 예시적인 개스킷 구조를 제공한다.
도 5 는 예시적인 유동 필드 플레이트들을 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료 전지 또는 전해조 스택은 적어도 하나의 단일한 반복성 구조를 포함한다. 단일한 반복성 구조는 적어도 두개의 유동 필드 플레이트들 사이에 위치된 연료 측, 중간에 전해질, 및 산소 풍부 측을 포함하는 적어도 하나의 전기 화학적으로 활성 전해질 요소 구조로서, 상기 두개의 유동 필드 플레이트들의 한쪽은 전해질 요소 구조의 산소 풍부 측에서 산소 풍부 가스를 분배하고 다른쪽은 전해질 요소의 연료 측에서 연료 가스를 분배하는, 상기 적어도 하나의 전기 화학적으로 활성 전해질 요소 구조, 및 그 의도된 엔클로져에서 가스 분위기를 밀봉하는 적어도 하나의 밀봉 수단을 포함한다. 유동 필드 플레이트는 연료 가스 및/또는 산소 풍부 가스를 위한 적어도 하나의 유입 개구들 및 사용된 연료 가스 및/또는 산소 풍부 가스를 위한 적어도 하나의 유출 개구들을 갖는다.
윤곽진 (예로서: 파형의) 표면을 형성하기 위한 바람직한 제조 방법들은 재료의 형상이 변하지만 어떠한 재료도 부가되지 않거나 제거되지 않는, 스탬핑, 프레싱 등과 같은 소성 변형을 사용하는 방법, 또는 재료가 용접과 같이 부가되거나 또는 에칭과 같이 제거되는 방법들이다. 유동 필드 재료가 취성이라면 압출, 캐스팅, 프린팅, 몰딩 등과 같은 다른 제조 방법들이 이용될 수 있다. 연료 및 공기를 위한 오리피스는 일반적으로 동일한 제조 단계에서 제조될 수 있다.
각각의 유동 필드 플레이트 (121) 는 스택 어셈블리 구조로 유사하게 제조될 수 있고, 따라서 단지 하나의 타입의 플레이트만이 원하는 양의 반복성 전해질 요소 구조들 (104) 을 갖는 연료 전지 스택을 제조하는 데 요구된다. 이는 구조를 간단화시고 연료 전지들의 제조를 용이하게 한다.
연료 전지 및 전해조 시스템들에서 가장 중요한 구성 기능들 중 하나는 전기 생산의 효율성을 최대화하는 것이다. 이는 한편으로 연료 전지의/전해조의 자체 내부 효율에 의해 상당히, 뿐만 아니라 가스들을 공급하기 위해 요구되는 에너지에 의해 상당히 영향을 받는다. 가스들 및 특히 공기를 공급하기 위해 요구되는 에너지는 시스템에 의해 발생되는 배압에 의해 규정되고 일반적으로 시스템들에서 가장 중요한 압력 손실을 발생시키는 구성 요소는 연료 전지/전해조 자체이다. 따라서 일반적으로 필드 유동 플레이트 (121), 즉 유동 채널 시스템 플레이트의 압력 손실을 감소시키도록 추구되고 있다. 이는 유동 영역의 메인 유동 방향에 수직한 표면적을 최대화함으로써 달성된다. 단지 단위 전지의 활성 영역을 통해서만 가스들을 지향시키는 것이 주로 요구되기 때문에, 압력 손실은 전형적으로 채널 시스템의 높이를 증가시킴으로써 상당히 감소될 수 있다.
다른 한편으로 하나의 전극으로부터 또 다른 전극으로 발생되고 요구되는 전자들을 전달하는 것이 유동 채널 시스템에 대한 요구 조건이다. 따라서 유동 채널 시스템의 재료는 전기를 잘 전도하는 재료로 제조될 필요가 있다. 부가적으로 전극으로부터 상호 연결 플레이트 구조로 전자들 수집부는 오옴 손실의 일부가 활성 전극의 영역에서 가능한 작게 되는 방식으로 배열될 필요가 있다. 활성 영역의 전류 수집부에서 손실의 일부는 활성 영역 재료의 전도성, 재료의 두께, 뿐만 아니라 유동 채널 플레이트로부터 활성 전극의 표면으로 그리고 활성 전극의 표면으로부터 반응 위치 또는 각각 그 반대로 전달될 때에 전자가 이동하는 거리에 의해 규정된다. 또한 너무 큰 활성 영역의 상단에서의 유동 채널 플레이트 내측에서 전류 수집 영역은 바람직하지 않는 데, 왜냐하면 이때 반응 표면으로의 가스들에 대한 접근이 방해받기 때문이다. 전자들의 이동 뿐만 아니라 반응 표면으로의 가스의 공급이 최적화되고 연료 전지의/전해조의 성능 및 효율이 따라서 최적화될 수 있을 때에, 유동 채널 플레이트와 활성 전극 사이에 접촉 표면의 사이즈에 대해 최적값을 찾는 것이 가능하다.
유동 필드 플레이트들 (121), 즉 유동 채널 플레이트들 및 상호 연결 플레이트 구조는 그 충분한 전기적 전도성, 내부식성, 단위 전지과 유사한 열팽창 계수 및 양호한 성형 특성들로 인해 일반적으로 스틸로 제조된다. 스틸 플레이트가 성형될 때에, 재료는 늘어나고 따라서 성형된 영역들의 위치들에서 얇아진다. 각각의 재료는 성형 특성에 대해 그 자체 특징 최대치를 갖고 그것을 초과한다면, 파열되고 공동들이 재료에 형성된다. 부가적으로 재료의 과도한 성형은 베이스 재료를 과도하게 얇게 만들어 재료 부식성을 증가시키고 연료 전지/전해조의 수명을 단축시킬 수 있다. 따라서 재료에서 부드러운 그리고 라운딩된 형상을 성형하는 것이 열망되고 있다. 성형은 채널의 구성의 경계부들을 설정하기 때문에, 채널의 높이 또는 접촉 표면은 종종 너무 작게 유지되어 따라서 전지 스택의 내부의 오옴 손실들 및/또는 유동 압력 손실들을 증가시킨다.
도 2 에서는 본 발명에 따른 고체 산화물 전지 구조의 바람직한 접촉 배열체가 제공된다. 고체 산화물 전지는 연료 전지 또는 전해조 전지일 수 있다. 고체 산화물 전지의 구조는 본 발명에 따른 바람직한 실시형태들에서 평면형지만, 본 발명은 또한 다른 종류의 고체 산화물 전지 구조들에서 이용될 수 있다. 애노드 지원형 고체 산화물 전지 구조에서 애노드의 두께는 전형적으로 200 마이크로미터 이상이고, 전해질의 두께는 전형적으로 1-10 마이크로미터이고 캐소드의 두께는 전형적으로 30-100 마이크로미터이다. 전해질 지원형 고체 산화물 전지 구조에서 애노드의 두께는 전형적으로 30 마이크로미터 이상이고, 전해질의 두께는 전형적으로 30 마이크로미터 이상이고 캐소드의 두께는 전형적으로 30-100 마이크로미터이다. 각각의 고체 산화물 전지는 전지에서 가스 유동들을 배열하기 위한 적어도 두개의 유동 필드 플레이트들 (121), 및 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질 요소 (104) 를 포함하는 도 1 에 보다 상세하게 제공되는 활성 전극 구조 (130) 를 포함한다. 접촉 배열체는 고체 산화물 전지에서 밀봉 기능들을 수행하기 위한 개스킷 구조 (128) 및 유동 필드 플레이트들 (121) 와 활성 전극 구조 (130) 사이에 위치되는 접촉 구조 (132) 를 포함한다. 접촉 재료는 금속 또는 세라믹들과 같은 전기 전도성 재료로 제조될 수 있다. 접촉 구조 (132) 는 유동 필드 플레이트들 (121) 의 구조들에 따른 그리고 활성 전극 구조 (130) 의 구조에 따른 가스 투과성 구조에 의해 적어도 부분적으로 맞춰진다. 본 발명에 따른 바람직한 실시형태들에서 접촉 구조 (132) 는 평면형이고 판형이고, 또한 다른 형태들도 이용될 수 있다.
도 3a-도 3b 는 A) 종래 기술 분야의 전지 구조와 B) 본 발명에 따른 전지 구조 사이의 예시적인 비교를 제공한다. 도면 부호 136 은 유동 필드 플레이트 (121) 의 웨이브 형태 구조로 성형된 가스 유동 채널 (136) 의 높이를 나타낸다. 가스 유동 채널 (136) 의 높이는 고체 산화물 전지의 가스 유동 특징들을 개선하도록 본 발명의 실시형태에서 증가될 수 있다. 가스 유동 채널들 (136) 의 가스 유동 저항은 가스 유동 채널들의 높이 및 형상의 최적화를 기초로 최소화될 수 있다. 예를 들면 증가된 채널 높이는 구조에서 증가된 오옴 손실들을 발생시키는 제한들을 형성하기 때문에, 유동 저항을 감소시키지만 동시에 상호 연결 플레이트에서 전류 수집 영역의 거리를 증가시킨다.
본 발명에 따른 바람직한 배열체들에서 접촉 구조 (132) 는 유동 필드 플레이트들 (121) 와 활성 전극 구조 (130) 의 캐소드 측 (102) 사이에 위치되고, 또한 다른 위치들도 본 발명의 다른 실시형태들에서 이용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 접촉 구조 (132) 는 다음의 특징들 중 적어도 하나를 이용함으로써 가스 투과성 구조에 의해 맞춰진다: 구멍들의 형태, 구멍들의 사이즈, 구멍들 사이의 거리, 구조 (132) 의 공극율 및 구조 (132) 의 만곡성. 도 2 에서는 접촉 구조가 직사각형 구멍들을 포함하는 바람직한 실시형태가 제공되고, 상기 직사각형 구멍들은 예를 들면 상기 두개의 인접한 가스 유동들의 가스 유동들 사이의 차이들을 균등하게 함으로써 가스 분배 특징들을 개선하도록 두개의 인접한 가스 채널들로 연장될 수 있다. 가스 유동 채널들 (136) 로부터 활성 전극 구조 (130) 로의 가스 분배는 구멍들의 사이즈를 증가시킴으로써, 그리고 두개의 인접한 구멍들 사이의 거리를 최소화시킴으로써 개선될 수 있다. 구조의 전기 전도성, 열 전달 특징들 및 기계적 지지부는 다른 한편으로 두개의 인접한 구멍들 사이의 거리를 증가시킴으로써 그리고 구멍들의 사이즈를 최소화시킴으로써 개선될 수 있다.
접촉 구조 (128) 의 재료는 크롬의 증착을 방지하도록, 바람직하게 예를 들면 유동 필드 플레이트들 (121) 와 활성 전극 구조 (130) 사이에 보호 코팅된 금속, 또는 전기적으로 전도성 가스 투과성 세라믹 소결 구조를 포함한다. 접촉 구조 (132) 의 두께는 다음의 특징들 중 적어도 하나에 따라 최적화될 수 있다: 열 전달 특징들, 접촉 배열체의 전기적 특징들 및 가스 분배 특징들. 개스킷 구조 (128) 의 두께는 접촉 구조 (132) 의 두께에 따라 맞춰져서 고체 산화물 전지들의 두께에 대해 보다 큰 허용 오차 편차들을 허용할 수 있다. 접촉 구조 (132) 는 다양한 제조 방법들에 의해 제조되고 프로세싱될 수 있는 데, 예를 들면 네트 구조, 다공성 소결 구조 및/또는 확장된 메시를 천공, 다이 커팅, 에칭, 몰딩, 룰렛팅 (rouletting) 함으로써 가스 투과성 접촉 구조 (132) 가 형성된다. 천공은 작은 구멍들의 열들 및 행들을 커팅하는 것을 의미한다. 다이 커팅은 낮은 강도 재료들의 웨브들을 전단하도록 다이를 사용하는 프로세스, 즉 클릭킹 또는 딘킹 (dinking) 을 의미한다. 확장된 메시는 동시에 슬릿팅 및 스트레칭함으로써 확장된 금속, 시트 또는 플레이트를 제조하는 것을 의미한다. 룰렛팅은 접촉 구조 재료에 작은 수평 및 수직 커트들을 수행하는 것을 의미한다.
도 4 에서 본 발명에 따른 실시형태에서 사용될 수 있는 예시적인 개스킷 구조가 제공된다. 개스킷 구조 (128) 는 바람직하게 가스 기밀성 특징들을 갖는 압축성 재료로 제조된다. 본 발명에 따른 개스킷 구조들 (128) 은 전지들이 스택 형성으로 조립될 때에 압축된다. 개스킷 구조들은 또한 적어도 유동 파트들 (140) 로부터 사전 압축될 수 있다. 유동 제한 오리피스들 (126, 136) 의 높이들은 전해질 요소 (104) 구조 두께에서 허용 오차 편차들을 갖는 스택의 반복성 구조들에서 유동 분배를 안정화시키도록 유동 유출구 영역 및 유동 분배 영역의 바닥의 적어도 하나로부터 개스킷 구조 (128) 의 바닥으로의 거리에 의해 결정된다. 전지들 사이에 유사한 압력 손실 조건들은 스택의 전지들 사이에서 고른 열적 분배, 즉 유사한 열적 구배들을 달성하도록 적어도 유동 파트들 (140) 로부터 압축되고 또한 사전 압축될 수 있는 개스킷 구조 (128) 에 의해 달성된다. 따라서 고체 산화물 전지 스택의 듀티비 (duty ratio) 가 개선되고, 고체 산화물 전지 스택의 수명이 보다 길어진다.
본 발명의 몇몇 실시형태들에서 또한 전해질 요소의 중간 영역에서 보다 큰 유동 덕트들 (즉 유동 채널들) 및 전해질 요소의 측 영역들에서 보다 작은 유동 덕트들이 배열되는 배열체가 이용될 수 있다 또한 본 발명의 몇몇 실시형태들에서 적어도 하나의 단일한 반복성 구조에서 연료 가스 및 산소 풍부 가스 중 적어도 하나의 가스의 유동 방향은 유입 개구로부터 가스의 이용 및 유입 개구와 상이한 유출 개구 및 적어도 또 다른 단일한 반복성 구조에서 유출 개구로 반응 생성물 가스의 운반을 가능하게 하는 밀봉 수단을 적용함으로써 적어도 또 다른 단일한 반복성 구조과 비교하여 변경될 수 있다.
서로 비교되는 전해질 요소에서 연료 및 산소 풍부 가스 유동 방향들은 양쪽 가스 유동들이 본질적으로 동일한 방향을 갖는 소위 병행 (co-flow) 배열체 또는 가스 유동 방향들이 180°만큼 본질적으로 서로 상이한 소위 카운터-유동 배열체에 배열될 수 있다.
도 5 는 연료 전지의 예시적인 유동 필드 플레이트들 (121a, 121b, 121c) 을 도시한다. 완전한 연료 전지 스택은 도시된 방식으로 서로에 연속적으로 위치된 몇개의 플레이트들 (121) 를 포함한다. 본 실시형태에서 플레이트들은 직사각형 및 대칭형이다. 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질 층을 포함하는 전해질 요소 구조 (104) 는 일반적으로 플레이트의 중간에 플레이트들 (121) 사이에 위치된다. 전해질 요소 구조 (104) 는 임의의 적합한 전해질 요소 구조일 수 있고 따라서 임의의 추가의 상세로 본원에서 설명되지 않는다. 유동 필드 플레이트들 (121) 및 전해질 요소 구조 (104) 는 밀봉 수단 (3-6) 으로 밀봉된다. 밀봉 수단 (3-6) 의 목적은 산화제 및 연료가 전기 화학적으로 활성 영역 내측으로 연료 전지 반응들 없이 직접 혼합되지 않고, 연료 및 산화제가 전기 화학적 전지들로부터 외부로 누출되지 않고, 인접한 전기 화학적 전지들이 서로 전자적 접촉하지 않고, 산화제 및 연료가 원하는 유동 필드 플레이트 평면들 (121) 로 공급되는 것을 보장하는 것이다. 두개의 대향하는 유동 필드 플레이트들 (121a, 121b, 121c) 및 전해질 요소 구조 (104) 는 그 사이에 단일한 반복성 구조를 형성한다. 유동 필드 플레이트 (121) 는 연료 전지에 존재하는 화학적, 열적 및 기계적 스트레스들에 저항할 수 있는 금속 합금, 세라믹 재료, 서밋 재료 또는 다른 재료로 제조된 평면형 얇은 플레이트이다. 본 발명에 따르면, 유동 필드 플레이트 (121) 는 플레이트 (121) 의 에지들에 위치된 유입 및 유출 오리피스들을 포함한다. 이러한 예에서 플레이트 (121) 는 직사각형이고 유동 오리피스들은 약간 보다 짧은 에지들 (19) 에 위치된다. 에지들 (19) 의 양쪽은 네개의 오리피스들, 산소 풍부 가스 (다음의 예시적인 실시형태에서 : 공기) 를 위한 하나의 유입 오리피스 (7, 11), 공기를 위한 하나의 유출 오리피스 (10, 14), 연료를 위한 하나의 유입 오리피스 (8, 12), 및 연료를 위한 하나의 유출 오리피스 (9, 13) 를 갖는다. 산소 풍부 가스는 측정 가능한 양의 산소를 포함하는 임의의 가스 또는 가스 혼합물일 수 있다. 에지들 (19) 의 양쪽에서 오리피스들은 처음에 공기 인 (7, 11), 다음에 연료 인 (8, 12), 다음에 연료 아웃 (9, 13), 및 다음에 공기 아웃 (10, 14) 을 갖는 순서로 배열된다. 유동 필드 플레이트의 에지들 주위에 제 1 면 (20) (도면에서 상단 표면) 및 제 2 면 (21) (아래 표면, 도시 생략) 의 표면들은 효율적인 밀봉을 허용하는 형상이고 전해질 요소들 (104) 의 표면에 거쳐 연료 가스 및 공기를 안내하기 위한 구체적인 윤곽을 갖는 유동 필드 플레이트의 중간에서 윤곽진 표면들 (15-18) 을 한정한다. 도 1 에서 가스 유동 루트들을 예시하는 밀봉 수단 (3-6) 과 관련하여 화살표들로 도시한 도면 부호들 15-18 은 또한 논의되는 밀봉 요소 또는 구조를 마주보는 밀봉 수단 (3-6) 을 향해 마주보는 유동 필드 플레이트 (121a, 121b, 121c) 의 면 및 윤곽진 표면 (15-18) 을 칭하는 데 사용된다는 것에 주목해야 한다.
연료 전지 스택에서 가스 유동들을 배열하기 위한 오리피스의 수 뿐만 아니라 가스 유동들이 배열되는 방식은 변할 수 있다. 기본 사상은 포개진 유동 필드 플레이트들 (121) 에서 오리피스들 (7-14) 은 그 위치들이 매칭되고 동일한 라인에서 오리피스들이 스택을 통해 가스 매니폴드 채널을 형성하도록 배열된다는 것이다. 밀봉 수단 (3-6) 은 전해질 요소들과 유동 필드 플레이트들 사이에 이상있는 층들로 연료 및 공기의 공급을 방지하는 데 사용된다. 밀봉 수단은 유동 필드 플레이트 (121) 에서 각각의 오리피스 (7-14) 을 둘러싸도록 배열된다. 유동 필드 플레이트 (121) 및 밀봉 요소들 (3-6) 는 전체 연료 전지 스택을 통과하는 덕트들 (즉 채널들) 을 형성하는 데 사용된다. 유동 필드 플레이트들에서 오리피스들은 그러한 덕트를 형성하도록 중첩된다.
본 발명은 또한 전해질 요소 배치가 연료 전지 스택 또는 전기 분해 전지 스택의 조립 프로세스 중에 용이하게 되는 것을 가능하게 한다. 개스킷 구조는 이때 상기 연료 전지 및 전해조 스택 작동 중에 전해질 요소를 위한 지지부를 부여할 뿐만 아니라 어셈블리 프로세스 중에 그 원하는 위치 양쪽에서 전해질 요소를 로킹하는 개스킷 구조에서의 구멍에 전해질 요소가 배치될 수 있도록 형상을 갖는다.
따라서, 그 바람직한 실시형태에 적용되는 바와 같이 본 발명의 기본적인 새로운 특징들이 도시되고 설명되고 지적되지만, 본 발명의 형태 및 상세들에서 다양한 생략들 및 대체들 및 변경들은 본 발명의 사상으로부터 벗어니지 않고 본 기술 분야에 당업자에게 행해질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 실질적으로 동일한 결과들을 수행하는 그러한 요소들의 모든 조합들은 본 발명의 범위 내에 있도록 명백히 의도된다. 하나의 설명된 실시형태로부터 또 다른 실시형태로의 요소들의 대체들은 또한 전체적으로 의도되고 고려된다. 또한 도면들은 반드시 축척으로 도시될 필요가 없고 그것들은 오로지 현실적으로 개념적이라는 것이 이해되어야만 한다. 따라서, 본 발명은 단지 본원에 첨부된 청구 범위에 의해 나타낸 것에만 제한되도록 의도된 것이다.

Claims (12)

  1. 고체 산화물 전지들의 접촉 배열체로서,
    각각의 고체 산화물 전지는 상기 고체 산화물 전지에서 가스 유동들을 배열하기 위한 적어도 두개의 유동 필드 플레이트들 (121), 및 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 상기 애노드 측과 상기 캐소드 측 사이의 전해질 요소 (104) 를 포함하는 활성 전극 구조 (130) 를 포함하고,
    상기 접촉 배열체는 상기 고체 산화물 전지에서 밀봉 기능을 수행하기 위한 개스킷 구조 (128) 및 상기 유동 필드 플레이트들 (121) 과 상기 활성 전극 구조 (130) 사이에 위치된 접촉 구조 (132) 를 포함하고,
    상기 접촉 구조는 상기 유동 필드 플레이트들 (121) 의 구조들에 따라 그리고 상기 활성 전극 구조 (130) 의 구조에 따라 맞춰진 적어도 부분적으로 가스 투과성 구조인, 고체 산화물 전지들의 접촉 배열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉 구조 (132) 는 구멍들 (134) 의 형태, 상기 구멍들 (134) 의 사이즈, 상기 구멍들 (134) 사이의 거리, 상기 접촉 구조 (132) 의 공극률 및 상기 접촉 구조 (132) 의 만곡성 (tortuosity) 중 적어도 하나에 의한 맞춤형 (adaptively) 가스 투과성인, 고체 산화물 전지들의 접촉 배열체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉 구조 (132) 의 재료는 보호 코팅된 금속을 포함하고,
    상기 보호 코팅된 금속은 상기 유동 필드 플레이트들 (121) 과 상기 활성 전극 구조 (130) 사이에 위치되는, 고체 산화물 전지들의 접촉 배열체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉 구조 (132) 의 두께는 상기 접촉 배열체의 열 전달 특징들, 전기적 특징들 및 가스 분배 특징들 중 적어도 하나에 따라 최적화되는, 고체 산화물 전지들의 접촉 배열체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 개스킷 구조 (128) 의 두께는 상기 접촉 구조 (132) 의 두께에 따라 맞춰져서 고체 산화물 전지들의 두께에 대해 허용 오차 편차들을 허용하는, 고체 산화물 전지들의 접촉 배열체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉 배열체는 상기 유동 필드 플레이트들 (121) 과 상기 활성 전극 구조 (130) 의 상기 캐소드 측 (102) 사이에 위치되는 상기 접촉 구조 (132) 를 포함하는, 고체 산화물 전지들의 접촉 배열체.
  7. 고체 산화물 전지들의 접촉 방법으로서,
    상기 방법에서 상기 고체 산화물 전지에 가스 유동들이 배열되고,
    - 상기 고체 산화물 전지에서 밀봉 기능들이 수행되고, 활성 전극 구조와 상기 고체 산화물 전지에서의 상기 가스 유동들 사이에서 접촉 구조가 확립되고,
    - 상기 접촉 구조 (132) 는 상기 고체 산화물 전지에서의 상기 가스 유동들에 따른 그리고 상기 활성 전극 구조 (130) 의 구조에 따른 가스 투과성 구조에 의해 적어도 부분적으로 맞춰지는, 고체 산화물 전지들의 접촉 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 방법에서, 구멍들 (134) 의 형태, 상기 구멍들 (134) 의 사이즈, 상기 구멍들 (134) 사이의 거리, 상기 접촉 구조 (132) 의 공극율 및 상기 접촉 구조 (132) 의 만곡성 중 적어도 하나에 기초하여 맞춤형으로 상기 접촉 구조 (132) 의 가스 투과성 구조가 이용되는, 고체 산화물 전지들의 접촉 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 접촉 구조 (132) 의 보호 코팅된 금속은 유동 필드 플레이트들 (121) 과 상기 활성 전극 구조 (130) 사이에 위치되는, 고체 산화물 전지들의 접촉 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 방법에서 상기 접촉 구조 (132) 의 두께는 상기 접촉 배열체의 열 전달 특징들, 전기적 특징들 및 가스 분배 특징들 중 적어도 하나에 따라 최적화되는, 고체 산화물 전지들의 접촉 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 방법에서 상기 접촉 구조 (132) 의 두께에 개스킷 구조 (128) 의 두께를 맞춤으로써 고체 산화물 전지들의 두께에 대한 허용 오차 편차가 허용되는, 고체 산화물 전지들의 접촉 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 접촉 구조 (132) 는 유동 필드 플레이트들 (121) 과 상기 활성 전극 구조 (130) 의 캐소드 측 (102) 사이에 위치되는, 고체 산화물 전지들의 접촉 방법.
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