KR20180073390A - A stack compression apparatus having force homogenizing layer for a solid oxide fuel cell stack - Google Patents
A stack compression apparatus having force homogenizing layer for a solid oxide fuel cell stack Download PDFInfo
- Publication number
- KR20180073390A KR20180073390A KR1020160177157A KR20160177157A KR20180073390A KR 20180073390 A KR20180073390 A KR 20180073390A KR 1020160177157 A KR1020160177157 A KR 1020160177157A KR 20160177157 A KR20160177157 A KR 20160177157A KR 20180073390 A KR20180073390 A KR 20180073390A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- fuel cell
- solid oxide
- oxide fuel
- plate
- surface pressure
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
- H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y02E60/525—
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 고체산화물연료전지 스택의 면압판의 고온 변형에 의하여 발생하는 엔드판의 변형 및 스택 내부의 면압 불균일을 막기 위하여, 면압판과 상부 엔드판 사이에 면압균일화층을 구비한 가압장치에 관한 것이다.The present invention relates to a pressurizing apparatus having a surface pressure equalization layer between a surface plate and an upper end plate to prevent deformation of the end plate and uneven surface pressure inside the stack caused by high temperature deformation of the surface plate of the solid oxide fuel cell stack will be.
고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell, 이하 'SOFC')는 전기화학적 에너지 변환 장치로서, 산소 이온 전도성 전해질층과 그 양면에 위치한 공기극(양극) 및 연료극(음극)을 포함한다. 상기 SOFC의 공기극에 산소를 공급하고 연료극에 수소를 공급하면, 공기극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질층을 지나 연료극으로 이동한 후 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 연료극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as 'SOFC') is an electrochemical energy conversion device that includes an oxygen ion conductive electrolyte layer and an air electrode (anode) and an anode (cathode) located on both sides thereof. When oxygen is supplied to the air electrode of the SOFC and hydrogen is supplied to the fuel electrode, oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen in the air electrode move to the fuel electrode through the electrolyte layer, and then water reacts with hydrogen supplied to the fuel electrode. In this process, electrons generated in the anode are transferred to the external electrode during the process of transferring the electrons to the cathode, and the unit cell generates electric energy using the electron current.
SOFC는 모든 구성 요소가 고체로 이루어지기 때문에 다른 연료 전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매를 필요로 하지 않고, 직접적인 내부 개질을 통해 발전 효율이 높고, 스택의 온도 제어가 가능하다. 또한, SOFC는 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다.Since SOFC is composed of all the components in a solid state, it is simple in structure compared to other fuel cells, has no problem of electrolyte loss and corrosion, does not require a noble metal catalyst, has high power generation efficiency through direct internal reforming, Can be controlled. In addition, since SOFC emits high-temperature gas, it is possible to generate thermal hybrid power using waste heat.
공기극, 전해질막 및 연료극을 기본으로 하는 하나의 단위 전지에서 발생하는 전력은 상당히 제한적이기 때문에, 복수의 단위 전지를 적층하여 SOFC 단위 스택을 구성하고, 상기 단위 스택을 적층하여 SOFC 다단 스택을 구성함으로써 높은 기전력을 얻을 수 있다. 상기 적층을 위해서, 단위 전지의 공기극과 다른 단위 전지의 연료극은 전기적으로 직렬 연결되어야 한다. 그리고, 각 단위 전지에 연료와 공기를 공급할 수 있는 구조물이 필요하며, 이를 위해 금속 재질의 분리판(separator)이 사용된다.Since the power generated in one unit cell based on the air electrode, the electrolyte membrane and the fuel electrode is very limited, a plurality of unit cells are stacked to constitute an SOFC unit stack, and the unit stacks are stacked to constitute an SOFC multi- A high electromotive force can be obtained. For the above lamination, the air electrode of the unit cell and the fuel electrode of the other unit cell must be electrically connected in series. In addition, a structure capable of supplying fuel and air to each unit cell is required, and a metal separator is used for this purpose.
또한, 공기극 및 연료극의 전류를 균일하게 집전하여 분리판에 전달하기 위하여, 공기극 및 연료극에 페이스트, 폼(Foam), 메쉬(Mesh) 등 다양한 형태의 도전성 재료를 이용한 집전체가 삽입된다.Further, current collectors using various types of conductive materials such as paste, foams, and meshes are inserted into the air electrode and the fuel electrode to uniformly collect currents of the air electrode and the fuel electrode and to transfer the current to the separator.
이러한 SOFC 다단 스택에서, 연료 가스인 수소와 연소 가스인 공기의 혼합 방지, 스택 외부로의 가스 누출 방지 및 단위 전지간의 절연을 위하여 금속 분리판과 단위 전지의 구성 요소 사이를 밀봉한다. SOFC 스택은 통상 700 이상의 고온에서 작동하기 때문에 각 단위 스택의 분리판과 분리판 사이의 밀봉 및 절연을 위하여 유리계 밀봉재를 사용하여 밀봉하는 것이 일반적이다.In the SOFC multi-layer stack, the metal separator is sealed between the components of the unit cell to prevent mixing of hydrogen as a fuel gas and air as a combustion gas, prevention of gas leakage to the outside of the stack, and insulation between unit cells. Since the SOFC stack generally operates at a high temperature of 700 or more, it is common to seal with a glass-based sealing material for sealing and insulating between the separator plate and the separator plate of each unit stack.
SOFC 스택에서 집전 및 밀봉을 위해서는, 전처리 과정이나 시스템 운전 중에 일정 크기의 면압을 스택에 인가해 주어야 한다. 스택 전체에 걸쳐 면압 균일성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해서는 우선적으로 면압인가 시스템을 통하여 SOFC 스택의 엔드판에 균일한 면압이 전달되는 것이 매우 중요하다. For collecting and sealing in the SOFC stack, a certain amount of surface pressure must be applied to the stack during preprocessing or system operation. It is very important to ensure uniformity of surface pressure throughout the stack. For this purpose, it is very important that the uniform pressure is transferred to the end plate of the SOFC stack through the surface pressure application system.
그러나, SOFC 스택의 전처리 및 운전온도 영역인 700℃~850℃ 에서는 면압판의 고온 변형이 발생한다. 이러한 현상은 면압판에 걸리는 압력과 온도가 불균일하고, 면압판 소재의 변형량이 상기 온도의 함수이기 때문이다. 상기 면압판의 고온 변형의 정도와 형상은 면압판의 재질과 두께는 물론 면압 인가 방식, 다시 말해 일축 가압 방식과, 다축 당김 방식 등 면압 인가 시스템에 따라 크게 달라진다. However, at 700 ° C to 850 ° C, which is the pre-treatment and operating temperature range of the SOFC stack, high temperature deformation of the surface plate occurs. This phenomenon is because the pressure and temperature applied to the surface plate are uneven and the deformation amount of the surface plate material is a function of the temperature. The degree and shape of the high-temperature deformation of the surface pressure plate greatly depends on the material and the thickness of the surface pressure plate, as well as the surface pressure applying system, that is, the surface pressure applying system such as uniaxial pressing method and multi-
이러한 면압판 변형은 SOFC 스택의 상부 엔드판의 변형 및 스택 상부의 면압 불균일을 가속화하여 스택 상부의 금속 분리판의 변형에 의한 접촉손실 현상의 원인이 된다.Such deformation of the face plate plate accelerates the deformation of the upper end plate of the SOFC stack and unevenness of surface pressure on the stack top, thereby causing a contact loss phenomenon due to deformation of the metal separator plate on the stack.
예를 들어, 고체산화물 연료전지의 단위 스택을 가압하는 경우, 일축 가압인 경우에는 면압판의 중심 부분에 눌림 변형이 집중 발생하여 중심 방향으로 볼록하게 휨이 발생한다. 반대로, 다축 당김 구조에서는 면압판의 외각이 중심부 대비 당김방향으로 쳐지는 현상이 발생한다.For example, when the unit stack of the solid oxide fuel cell is pressed, in the case of the uniaxial pressing, the pressing deformation concentrates on the center portion of the surface pressure plate, and the bending occurs convexly toward the center. On the other hand, in the multi-shaft pulling structure, a phenomenon occurs in which the outer periphery of the surface pressure plate strikes against the central portion in the pulling direction.
본 발명에서는, SOFC 면압 시스템을 핵심적으로 구성하는 금속 재질 면압판의 고온 변형이 스택 상부의 엔드판 및 분리판에 그대로 전달되어, 스택 상부 구성요소의 변형과 면압 불균일을 가속화하여 발생하는 스택 최상부 셀 유닛의 접촉 손실을 억제하여, 스택 최상부 셀 유닛의 성능 저하 현상을 해결하고자 한다.In the present invention, the high temperature deformation of the metal surface pressure plate, which constitutes the core of the SOFC surface pressure system, is directly transferred to the end plate and the separator plate on the top of the stack, The contact loss of the unit is suppressed to solve the performance degradation of the stack top cell unit.
본 발명에서는, 면압판과 상부 엔드판 사이에 면압판의 변형을 보완하고 면압 전달을 균일화시킬 수 있는 면압균일화층을 삽입함으로써, SOFC 면압 시스템을 구성하는 금속 재질 면압판의 고온 변형이 스택 상부의 엔드판 및 분리판에 그대로 전달되는 것을 방지한다. 또한, 면압 불균일의 가속화를 억제하여 스택 최상부 셀 유닛의 접촉 손실에 의한 성능 저하를 방지하는 것이다.In the present invention, the high-temperature deformation of the metal surface pressure plate constituting the SOFC pressure system is compensated by the high-temperature deformation of the upper surface of the stack, by inserting a surface pressure uniformizing layer which can compensate the deformation of the surface pressure plate between the surface pressure plate and the upper end plate, End plate and separator plate. In addition, the acceleration of surface unevenness is suppressed to prevent the performance degradation due to the contact loss of the stack top cell unit.
구체적으로, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치는 면압판과 상부 엔드판 사이에 면압판의 변형을 완충하여 상부 엔드판에 균일한 면압을 전달하는 면압균일화층을 구비한다.Specifically, the pressure device for a solid oxide fuel cell stack according to the present invention has a surface pressure uniformizing layer which absorbs deformation of a surface pressure plate between a surface plate and an upper end plate to transmit a uniform surface pressure to the upper end plate.
상기 면압균일화층은 700℃ 내지 850℃ 범위의 고체산화물 연료전지의 전처리 온도 및 운전온도 영역에서 물리적 화학적으로 안정한 것이 바람직하다. 한편, 면압균일화층의 안정성을 높이기 위해, 면압균일화층의 일면 또는 양면에 반응 방지층을 추가로 포함할 수 있다.The surface pressure equalizing layer is preferably physically and chemically stable in the pre-treatment temperature and operating temperature range of the solid oxide fuel cell in the range of 700 ° C to 850 ° C. On the other hand, in order to enhance the stability of the pressure-equalizing layer, an anti-reaction layer may be further included on one side or both sides of the pressure-equalizing layer.
고체산화물 연료전지의 전처리 온도 및 운전온도 영역에서 면압균일화층의 점도는 108. 5 Pa·s에서 1011. 5 Pa·s 사이인 것이 바람직하다. 또한, 고체산화물 연료전지의 전처리 온도 및 운전온도 영역에서 점도의 팽창성 연화점(Dilatometric Softening Point)이 존재하는 것이 보다 바람직하다.The viscosity of the pressure equalizing layer in the region of the pretreatment temperature and the operating temperature of the solid oxide fuel cell is preferably in the range of 10 8 5 Pa · s to 10 11 5 Pa · s. Further, it is more preferable that a dilatometric softening point exists in the range of the pretreatment temperature and the operation temperature of the solid oxide fuel cell.
상기 면압균일화층은 유리로 구성되는 것이 바람직하며, 그 형상은 판상의 벌크 유리 또는 유리 분말인 것이 바람직하다. 상기 면압균일화층은 유리분말 또는 벌크 유리를 소결하여 형성될 수 있는데, 유리분말의 소결이 고체산화물 연료전지 스택의 전처리 또는 운전과정에서 수행될 수 있다. The surface pressure equalizing layer is preferably made of glass, and it is preferably a plate-shaped bulk glass or glass powder. The surface pressure equalizing layer may be formed by sintering a glass powder or a bulk glass, wherein sintering of the glass powder may be performed during the pre-treatment or operation of the solid oxide fuel cell stack.
또한, 상기 면압균일화층은 다양한 공정을 통해 그린시트를 제조하고, 이를 적층하여 제조될 수 있다.The surface pressure equalizing layer may be prepared by preparing green sheets through various processes and laminating them.
본 발명에 따라 면압판과 상부 엔드판 사이에 구비한 유리질로 구성된 면압균일화층을 삽입하면, 면압판이 SOFC 스택의 전처리 내지는 장기 운전시 발생하는 면압판의 변형을 보완하여, 상부 엔드판과의 면접촉을 유지할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 상기 유리층이 고온에서는 고점도의 액체와 같이 거동으로 면압을 균일하게 분배하는 역할을 함으로써, SOFC 스택 전체에 균일한 면압이 인가될 수 있도록 하여 스택의 내구성과 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.According to the present invention, by inserting the surface pressure equalizing layer formed of the glass material provided between the surface plate and the upper end plate, the surface pressure plate compensates the deformation of the surface pressure plate which occurs during the pre- Not only can the contact be maintained, but also the uniformity of the surface pressure can be applied to the entire SOFC stack by performing the function of uniformly distributing the surface pressure by the behavior like the high viscous liquid at the high temperature, so that the durability and reliability .
도 1은 종래 일축가압형 면압시스템을 도시한 것이다.
도 2는 종래 다축당김형 면압시스템을 도시한 것이다.
도 3은 종래 면압시스템에 따른 면압판의 변형을 예시적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 가압장치의 작용을 예시적으로 도시한 것이다.
도 5는 유리의 점도별 변형 특성을 도시한 것이다.1 shows a conventional uniaxial pressure type surface pressure system.
Fig. 2 shows a conventional multi-axial pulling type surface pressure system.
Fig. 3 exemplarily shows a modification of the surface pressure plate according to the conventional pressure application system.
Fig. 4 illustrates an example of the operation of the pressurizing device according to the present invention.
Fig. 5 shows the deformation characteristics of the glass by viscosity.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭이 사용되며, 이에 따라 중복되는 부가적인 설명은 아래에서 생락된다. 아래에서 참조되는 도면들에서는 축적비가 적용되지 않는다.In describing these embodiments, the same designations are used for the same configurations, and redundant additional descriptions will be omitted below. In the drawings referred to below, the accumulation ratio is not applied.
종래 기술에서는 일축가압형 면압시스템의 경우, 금속 면압판과 상부 엔드판 사이에 절연 목적의 운모판을 삽입하였을 뿐이고, 면압판 변형에 대한 인식 내지 대안을 제공하지 못했다. 상기 운모판은 절연 목적에 불과하여, 면압균일화층으로서의 역할은 기대할 수 없기 때문에 본 명세서의 도면 등에서는 표현하지 않았다. 도 1에 도시한 바와 같은 종래 일축가압형 면압시스템의 구성에서는, 금속 재질의 일축가압판의 휨에 의한 응력 집중이, 상부 엔드(END)판 및 최상부 분리판의 변형을 일으키고, 결국 전지의 성능 저하 및 파손을 초래하였다. In the prior art, in the case of a uniaxial pressure type surface pressure system, only a mica plate intended for insulation is inserted between the metal surface pressure plate and the upper end plate, and it is not possible to provide a recognition or an alternative to the surface pressure plate distortion. The mica plate is merely an object of insulation and its role as a surface pressure uniformizing layer can not be expected. In the configuration of the conventional uniaxial pressure type surface pressure system as shown in Fig. 1, stress concentration due to bending of the uniaxial pressure plate made of a metal causes deformation of the upper end plate and the uppermost separating plate, Resulting in damage.
또한, 다축 당김구조의 종래 기술 역시, 절연 기능의 운모판을 삽입하는 것 이외에, 면압판 변형에 대한 인식 내지 대안을 제공하지 못했다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 면압판 변형에 대한 해결책을 구비하지 않는 경우, 면압판의 휨에 의한 응력 집중이 상부 엔드판 및 최상부 분리판의 변형을 일으키고, 결국 전지의 성능 저하 및 파손을 초래하였다.Further, the prior art of multi-shaft pulling structure has also failed to provide a recognition or alternative to the surface plate distortion, in addition to inserting a mica plate of insulating function. As shown in FIG. 2, when the solution to the surface pressing plate deformation according to the present invention is not provided, the stress concentration due to the warping of the surface pressure plate causes deformation of the upper end plate and the uppermost separating plate, And breakage.
결론적으로, 두 가지 서로 다른 면압시스템 모두의 경우에, 면압판에 변형이 발생하면, 우선 상부 엔드판과 면압판의 면접촉이 선접촉 형태로 바뀌어 면압이 상기 접촉부에 집중 분포된다. 이러한 불균일한 면압분포가 상부 엔드판을 통하여 스택내부의 구성요소인 분리판, 집전체, 밀봉재, 셀 등에 그대로 전달되어 접촉손실을 발생하게 되고, 결국 전지의 성능 저하를 초래하는 것이다.Consequently, in the case of both different surface pressure systems, when deformation occurs in the face plate, the face contact between the upper end plate and the face plate is changed to a line contact form, so that the face pressure is concentrated on the contact portion. Such nonuniform surface pressure distribution is transmitted through the upper end plate as a separation plate, a current collector, a sealing material, a cell, etc., which are constituent elements of the stack, to cause a contact loss.
이러한 상황에서 근본적인 해결 방안은, 원천적으로 면압판의 변형을 방지하는 것이다. 그러나, 변형의 원인인 온도 및 면압이 균등하게 가해지지 않기 때문에, SOFC 스택의 전처리 및 작동온도인 700~850℃ 영역에서 장기적으로 변형이 없는 면압판은 현실적으로 구현하기 어렵다. A fundamental solution in this situation is to prevent the deformation of the face plate. However, since the temperature and surface pressure, which are the cause of deformation, are not applied uniformly, it is difficult to realistically realize a surface pressure plate that does not deform for a long period of time in the range of 700 to 850 DEG C, which is the pre-treatment and operating temperature of the SOFC stack.
따라서, 본 발명자는, 이러한 면압판 변형이 스택 상부의 접촉 손실을 일으키지 않도록 하기 위한 해결 방안을 고심한 결과, 상기 변형을 그대로 전달하지 않고, 원래의 면압이 유지되도록 하는 면압균일화층을 안출하였다. 이러한 해결 방안은 종래 면압시스템에 용이하게 적용할 수 있는 현실적인 방안이었다.Therefore, the inventor of the present invention has devised a solution to prevent such contact pressure plate deformation from causing contact loss on the stack. As a result, the inventors of the present invention have developed a surface pressure equalizing layer that maintains the original surface pressure without conveying the deformation as it is. This solution has been a realistic method that can be readily applied to conventional pressure systems.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 종래기술에서는 면압판이나 상부 엔드판의 변형 내지는 가공 공차를 흡수하기 위해서, 불연성 물질인 세라믹 매트, 펠트, 폼 등을 이용하기도 하였다. 이러한 물질을 면압판과 상부 엔드판의 상이에 배치하는 경우에, 면압판 변형을 형태적으로는 조절할 수 있어 면압판과 상부 엔드판의 면접촉은 유지 할 수 있었다. 그러나, 면압판 변형부와 접촉하는 부위에 국부적으로 응력 집중이 일어나서 부분적인 고밀도부를 형성하게 되므로, 면압 불균일은 그대로 상부 엔드판을 통하여 스택 상부에 전달될 수 밖에 없게 되는 구조였다. 결국, 이러한 방안은 여전히 적절한 해결방안이 될 수 없었다.Meanwhile, as shown in FIG. 3, ceramic mat, felt, foam, etc., which are non-combustible materials, have been used in the prior art in order to absorb deformation or machining tolerances of the surface plate and the upper end plate. In the case of placing these materials on the surface of the face plate and the top end plate, the face plate plate deformation can be morphologically adjusted, so that the surface contact between the face plate and the upper end plate can be maintained. However, since stress concentration locally occurs at a portion contacting the surface plate plate deformation portion to form a partial high density portion, the surface pressure unevenness can not be transmitted to the upper portion of the stack through the upper end plate. In the end, this approach was still not a viable solution.
이러한 문제를 종합적으로 고려하여, 본 발명은 면압판 변형에 따른 접촉부 소재의 국부적 눌림이 발생하지 않고 유체와 같이 압력을 분산시키는 효과가 있는 면압균일화층을 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 면압판과 상부 엔드판 사이의 면압 전달 과정에 유체와 같은 성질을 갖는 면압균일화층이 제공됨으로써, 상부 엔드판 전면에 골고루 압력이 분산될 수 있도록 하였다.In consideration of these problems, the present invention provides a pressure-equalizing layer having the effect of distributing pressure like a fluid without local pressing of the material of the contact portion due to the deformation of the face plate. According to the present invention, a pressure-equalizing layer having fluid-like properties is provided in the process of transferring the surface pressure between the surface plate and the upper end plate, so that even pressure can be distributed over the entire surface of the upper end plate.
본 발명에 따르면, SOFC 전처리 및 운전온도인 700℃~850℃ 범위의 고온 영역에서, 유체와 같은 거동을 하면서도, 상당한 점성을 보유하고 있어서 흘러내리지는 않는 소재로 구성된 면압균일화층을 제공하였다. 본 발명의 면압균일화층을 상부 엔드판과 면압판 사이에 제공하여 균일한 면압이 전달되도록 하였다. According to the present invention, a surface pressure homogenizing layer composed of a material having a considerable viscosity and not flowing down in a high temperature range of 700 ° C to 850 ° C, which is an SOFC pretreatment and operating temperature, has the same behavior as a fluid. The surface pressure equalization layer of the present invention is provided between the upper end plate and the surface pressure plate so that a uniform surface pressure is transmitted.
상기 특성을 갖는 면압균일화층의 소재로서, 본 발명에서는 적절한 유리층을 상기 면압균일화층으로 적용하였다. 유리는 상온에서는 일견 고체처럼 보이지만 정확하게는 과냉각액체, 다시 말해 매우 점도가 높은 액상으로 정의된다. 유리는 연화점 이상의 고온에서는 점도가 상당히 낮아지는데, 연화온도 이상의 SOFC 전처리 및 운전온도에서 면압판 변형에 대응하여 적절히 변형되므로, 면압판과 상부 엔드판 사이의 갭 발생을 억제할 수 있다. 또한, 면압판의 면압을 상부 엔드판에 전달하는 과정에서 유리층이 점성유체 역할을 함으로써, 상부 엔드판에 전달되는 면압을 균일하게 제어하는 기능을 한다. In the present invention, a suitable glass layer is applied as the surface pressure equalizing layer as the material of the surface pressure equalizing layer having the above characteristics. Glass appears to be a solid at room temperature, but is precisely defined as a supercooled liquid, that is, a very viscous liquid. The glass has a considerably lowered viscosity at a high temperature above the softening point. Since the glass is appropriately deformed corresponding to the deformation of the surface plate at the SOFC pretreatment and operating temperature higher than the softening temperature, the gap between the surface plate and the upper end plate can be suppressed. In addition, since the glass layer serves as a viscous fluid in the process of transmitting the surface pressure of the surface pressure plate to the upper end plate, the function serves to uniformly control the surface pressure transmitted to the upper end plate.
결과적으로, 세라믹 매트나, 펠트, 폼 등을 이용하는 종래의 기술에서는, 면압판 변형 부위에 발생하는 응력 집중을 해소하지 못하지만, 본 발명에 따른 면압균일화층은 면압판 변형에 맞추어 면압균일화층의 형상이 바뀔 뿐만 아니라, 면압균일화층(유리층)의 점성유동에 의하여 면압균일화층 내의 밀도가 계속 균일하게 유지된다. 또한, 면압균일화층이 점성 유동 특성을 갖기 때문에 면압판의 압력이 상부 엔드판 전면에 균일하게 분산되는 효과가 있다.As a result, in the conventional technique using a ceramic mat, a felt, a foam or the like, the stress concentration occurring in the deformed portion of the surface plate can not be solved, but the surface pressure equalizing layer according to the present invention is formed in the shape of the surface pressure equalizing layer As well as the density in the surface pressure uniformizing layer is kept uniform by the viscous flow of the pressure equalization layer (glass layer). In addition, since the pressure equalization layer has viscous flow characteristics, the pressure of the surface pressure plate is uniformly dispersed over the entire surface of the upper end plate.
이하에서는 본 발명의 면압균일화층으로 이용되는 유리에 대하여 설명한다. 기본적으로, SOFC 전처리 및 운전온도에서 화학적 및 물리적으로 불안정하여 스택의 성능과 수명에 악영향을 줄 수 있는 수준의 휘발과 분해가 일어나는 유리는 기본적으로 제외된다. 그러나, 상기와 같은 심각한 휘발성 및 물리적 불안정성은 없으나, 면압판 및 상부 엔드판의 소재와 직접 접촉하는 경우 스택의 성능과 수명에 영향을 줄 수 있는 수준의 계면반응이 문제가 되는 유리의 경우에는, 면압판 그리고 유리와 상부 엔드판과의 접촉부에 예를 들어 운모 필름과 같은 매우 얇은 반응 방지층을 부가하여 적용할 수 있다. 상기 두께는 0.05~0.2mm 범위 일 수 있다.Hereinafter, the glass used as the pressure-equalizing layer of the present invention will be described. Basically, glass that is chemically and physically unstable at the SOFC preprocessing and operating temperature is excluded, which causes volatilization and decomposition at a level that adversely affects the performance and lifetime of the stack. However, there is no serious volatility and physical instability as described above. However, in the case of glass in which direct contact with the material of the face plate and the upper end plate causes a problem of interfacial reaction at a level that can affect the performance and lifetime of the stack, A very thin reaction prevention layer such as a mica film may be added to the contact portion between the surface plate and the glass and the upper end plate. The thickness may range from 0.05 to 0.2 mm.
가장 중요한 것은, 유리의 고온 점도가 면압판 변형 및 면압 불균일을 해소할 만큼 낮으며, 면압에 의하여 압출(Squeeze out)되어 흘러내릴 수준 보다는 충분히 높아야 한다는 것이다. 도 5에 유리의 점도별 변형 특성을 요약하였다.Most importantly, the high temperature viscosity of the glass should be low enough to overcome the surface plate deformation and unevenness of surface pressure, and be sufficiently higher than the level of squeeze out and flow down by surface pressure. Fig. 5 summarizes the deformation characteristics of the glass by viscosity.
본 발명에 따른 면압균일화층에 적용되는 유리는, 도 5에 제시된 바와 같이, SOFC 전처리 및 운전온도 범위인 700~850℃에서 점도 범위가 108. 5 Pa·s에서 1011. 5 Pa·s 인 유리가 바람직하다. 또한, 유리는 고체산화물 연료전지의 전처리 온도 및 운전온도 영역에서 점도의 팽창성 연화점(Dilatometric Softening Point)이 존재하는 것이 바람직하다.As shown in Fig. 5, the glass to be applied to the pressure-equalizing layer according to the present invention has a viscosity range from 10 8 5 Pa s to 10 11 5 Pa s at 700 to 850 ° C, which is an SOFC pre- Is preferred. Also, it is desirable that the glass has a dilatometric softening point of viscosity in the region of the pretreatment temperature and the operation temperature of the solid oxide fuel cell.
본 발명에 따른 면압균일화층으로 제공되는 유리의 형태는 판상의 벌크 형태를 사용하는 것이 가능하다. 그러나, 형상 제조 및 초기 면압 인가시 판상의 벌크 유리의 파손 가능성등 단점을 보완하기 위해서, 동일 조성의 유리를 분말 형태로 제조하여 테이프 캐스팅, 압출, 롤 컴팩션 등의 방법으로 성형한 그린시트 및 그 적층체를 적용하는 방법 등을 이용할 수도 있다.The shape of the glass provided as the pressure-uniformizing layer according to the present invention can be a plate-like bulk form. However, in order to compensate for disadvantages such as the shape production and the possibility of breakage of the bulk glass in the plate upon application of the initial surface pressure, a green sheet formed by a method of tape casting, extrusion, roll compaction, A method of applying the laminate, or the like may be used.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be obvious to those of ordinary skill in the art.
Claims (12)
And a pressure-equalizing layer for uniformly applying a surface pressure to the upper end plate by buffering the deformation of the surface pressure plate between the surface plate and the upper end plate.
2. The solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein the pressure equalizing layer is physically and chemically stable in the region of the pretreatment temperature and the operating temperature of the solid oxide fuel cell.
The solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein the viscosity of the surface pressure equalizing layer in the region of the pretreatment temperature and the operation temperature of the solid oxide fuel cell is between 10 8 5 Pa · s and 10 11 5 Pa · s Pressurizing device
2. The solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein there is an intensifying softening point of viscosity in the region of the pretreatment temperature and the operating temperature of the solid oxide fuel cell.
5. The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 2 to 4, wherein the pretreatment temperature and the operating temperature range of the solid oxide fuel cell are in the range of 700 占 폚 to 850 占 폚.
The pressurizing apparatus for a solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein the pressure-equalizing layer is produced by laminating a green sheet
The pressurizing apparatus for a solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein the pressure equalizing layer is made of glass
The pressurizing apparatus for a solid oxide fuel cell stack according to claim 7, wherein the shape of the glass is a plate-shaped bulk glass or glass powder
The pressurizing apparatus for a solid oxide fuel cell stack according to claim 8, wherein the pressure equalization layer is formed by sintering glass powder or bulk glass
10. The solid oxide fuel cell stack of claim 9, wherein the sintering of the glass is performed during a pre-treatment or operation of the solid oxide fuel cell stack.
The pressurizing apparatus for a solid oxide fuel cell stack according to claim 1, further comprising an anti-reaction layer on one side or both sides of the pressure equalizing layer
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160177157A KR101998930B1 (en) | 2016-12-22 | 2016-12-22 | A stack compression apparatus having force homogenizing layer for a solid oxide fuel cell stack |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160177157A KR101998930B1 (en) | 2016-12-22 | 2016-12-22 | A stack compression apparatus having force homogenizing layer for a solid oxide fuel cell stack |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180073390A true KR20180073390A (en) | 2018-07-02 |
| KR101998930B1 KR101998930B1 (en) | 2019-07-10 |
Family
ID=62914316
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160177157A KR101998930B1 (en) | 2016-12-22 | 2016-12-22 | A stack compression apparatus having force homogenizing layer for a solid oxide fuel cell stack |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101998930B1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008060072A (en) * | 2006-07-14 | 2008-03-13 | Topsoee Fuel Cell As | Compression assembly, solid oxide fuel cell stack, compression method of solid oxide fuel cell, and its use |
| KR20110135286A (en) * | 2010-06-10 | 2011-12-16 | 주식회사 포스코 | Fastening apparatus for stack |
| KR101353839B1 (en) * | 2012-08-14 | 2014-01-21 | 주식회사 포스코 | Solid oxide fuel cell haivng excellent maintaining surface pressure uniformity and durability |
-
2016
- 2016-12-22 KR KR1020160177157A patent/KR101998930B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008060072A (en) * | 2006-07-14 | 2008-03-13 | Topsoee Fuel Cell As | Compression assembly, solid oxide fuel cell stack, compression method of solid oxide fuel cell, and its use |
| KR20110135286A (en) * | 2010-06-10 | 2011-12-16 | 주식회사 포스코 | Fastening apparatus for stack |
| KR101353839B1 (en) * | 2012-08-14 | 2014-01-21 | 주식회사 포스코 | Solid oxide fuel cell haivng excellent maintaining surface pressure uniformity and durability |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101998930B1 (en) | 2019-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101184486B1 (en) | A sealing element for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell employing the same | |
| US9054352B2 (en) | Solid oxide fuel cell stack with uniform flow distribution structure and metal sealing member | |
| US8431284B2 (en) | Low electrical resistance bipolar plate-diffusion media assembly | |
| US20120301808A1 (en) | Performance enhancing layers for fuel cells | |
| JP6521064B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
| JP2004363101A (en) | Structurally yieldable fuel cell seal | |
| US20100298119A1 (en) | Fuel cell electrode and method for producing the same | |
| JP5881594B2 (en) | Fuel cell stack and manufacturing method thereof | |
| JP2014060057A (en) | Fuel cell | |
| KR101998930B1 (en) | A stack compression apparatus having force homogenizing layer for a solid oxide fuel cell stack | |
| CN100442579C (en) | Fixture pallet apparatus for automated assembly of fuel cell material layers | |
| JP2007157438A (en) | Manufacturing method of cell of fuel cell and manufacturing equipment of the same | |
| JPH10289722A (en) | Solid macromolecular type fuel cell and manufacture therefor | |
| JP2017068908A (en) | Manufacturing method for resin frame-attached electrolyte membrane-electrode structure | |
| JP5615794B2 (en) | Manufacturing method of electrolyte membrane / electrode structure for fuel cell | |
| JP6273233B2 (en) | Method for manufacturing electrochemical reaction cell stack | |
| KR102468681B1 (en) | Compressing seal for solid oxide fuel cell with stress relaxation layer | |
| JP5619841B2 (en) | Method for producing polymer electrolyte fuel cell | |
| JP6926193B2 (en) | Flat plate electrochemical cell stack | |
| CN106784948B (en) | Polymer electrolyte membrane fuel cell based on electrostatic adsorption | |
| JP5378049B2 (en) | Fuel cell stack | |
| KR101836604B1 (en) | Inosculation device of material for fuel cell stack | |
| KR101235262B1 (en) | Solid oxide fuel cell | |
| JP2015164144A (en) | Fuel cell and method for manufacturing the same | |
| KR20220146147A (en) | Fuel cell stack system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |