KR20220140726A - 통합된 인터커넥트와 스페이서를 포함하는 soc 스택 - Google Patents

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KR20220140726A
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토마스 헤이레달-클라우센
예페 라스-한센
토비아스 홀트 뇌르비
벵트 피터 구스타브 블레나우
레이네르 쿤가스
마르틴 레프슬룬트 니엘센
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토프쉐 에이/에스
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Abstract

고체 산화물 셀 스택은 통합된 인터커넥트와 스페이서를 가지며, 이것은 판의 잉여 부분을 180°굽힘으로써 형성되고, 이로써 인터커넥트의 상부 위로 스페이서 부분이 형성되며, 휨에 의해 적어도 인터커넥트에 연결된다.

Description

통합된 인터커넥트와 스페이서를 포함하는 SOC 스택
본 발명은 통합된 인터커넥트와 스페이서, 특히 단일 구성요소의 접힌 판금(sheet metal)으로 제조된 통합된 인터커넥트와 스페이서를 포함하는, 고체 산화물 셀(SOC) 스택, 특히 고체 산화물 전해 셀(SOEC) 스택 또는 고체 산화물 연료 셀(SOFC) 스택에 관한 것이다.
600℃ 내지 1000℃, 바람직하게는 600℃ 내지 850℃의 작동 온도를 갖는 SOC 스택에서는 몇 개의 셀 유닛을 조립하여 스택을 형성하며, 이들은 인터커넥트에 의해 함께 연결된다. 인터커넥트는 인접한 셀 유닛의 애노드 측과 캐소드 측을 분리하기 위한 가스 베리어로 작용하는 동시에, 인접한 셀 사이의, 즉 하나의 셀의 애노드와 이웃한 셀의 캐소드 사이의 전류 전도를 가능하게 한다. 또한, 인터커넥트는 일반적으로 인터커넥트의 양측에 공정 가스의 통로인 복수의 유로를 구비한다. SOC 스택의 성능을 최적화하려면 일군의 긍정적인 값은 최대화되면서 다른 범위의 관련된 부정적인 값은 최소화되어야 한다. 이들 값의 일부는 다음과 같다:
Figure pct00001
상기 목록에 있는 값은 거의 모두 상호관련되며, 이것은 하나의 값이 변하면 다른 값에 영향을 미친다는 것을 의미한다. 셀에서 공정 가스 흐름의 특징과 상기 값들 사이의 일부 관계가 여기 언급된다:
공정 가스 이용률:
인터커넥트의 유로는 스택의 각 셀에 같은 양의 공정 가스가 제공되도록 설계되어야 하며, 즉 스택에서 유량 "축소"가 없어야 한다.
과류손:
SOC 스택과 그것의 셀 유닛에서 공정 가스 유로는 유량 부피당 낮은 압력 손실을 달성하도록 설계되어야 하며, 이것은 송풍기로의 과류손을 감소시킬 것이다.
전기 효율:
인터커넥트는 이웃한 셀의 애노드 층과 캐소드 층 사이에 전류를 유도한다. 내부 저항을 감소시키기 위해 인터커넥트의 전기 전도 접촉점(이후 "접촉점"이라고 칭함)은 전극(애노드 및 캐소드)과 양호한 전기 접촉을 확립하도록 설계되어야 하고, 접촉점은 멀리 떨어져 있으면 안 되며, 그러면 전류가 전극의 더 긴 거리를 통해 흐르게 되어 내부 저항이 높아진다.
수명:
SOC 스택의 수명은 최대화되는 것이 바람직하며, 즉 SOFC 모드에서는 가능한 많은 전기를 생산하도록 사용될 수 있는 것이 좋고, SOEC 모드에서는 전해 생성물(예를 들어 H2 및/또는 CO)의 양이 최대화되는 것이 좋다. 스택 수명은 인터커넥트 및 스페이서의 선택, 인터커넥트의 양쪽 공정 가스 측에서의 유량 분포, 재료에 균일하게 분포된 보호 코팅, 작동 조건(온도, 전류 밀도, 전압 등), 셀 디자인 및 재료를 포함하는 여러 요인과 많은 다른 요인들에 의존한다.
비용:
인터커넥트(및 스페이서)의 비용에 대한 기여는 귀금속을 사용하지 않음으로써, 인터커넥트와 스페이서의 제조 시간을 줄임으로써, 구성요소의 수를 최소화함으로써, 그리고 재료 손실(제조 과정 동안 버려지는 재료의 양)을 최소화함으로써 감소될 수 있다.
치수:
인터커넥트 설계에 의해 활성 셀 면적의 높은 이용률이 보장될 때 연료 스택의 전체 치수가 감소된다. 공정 가스 유량이 적은 데드 에어리어가 감소되어야 하며, 실링 표면을 위한 비활성 구역이 최소화되어야 한다.
제조 시간:
인터커넥트와 스페이서 자체의 제조 시간이 최소화되어야 하고, 인터커넥트 설계가 또한 전체 스택의 신속한 조립에 기여해야 한다. 일반적으로, 모든 구성요소에 대해 인터커넥트 설계는 불필요하며, 이것은 제조 시간을 늘린다.
실패율:
인터커넥트 및 스페이서 제조 방법 및 재료는 인터커넥트 실패율(인터커넥트 가스 배리어에 원치않는 홀, 불균일한 재료 두께 또는 특성 등)을 낮출 수 있어야 한다. 또한, 인터커넥트 설계에 의해 조립될 구성요소의 전체 수가 감소되고 시일 표면의 길이 및 수가 감소될 때 조립된 셀 스택의 실패율이 감소될 수 있다.
구성요소의 수:
이미 언급된 대로, 오류 및 조립 시간을 최소화하는 것 외에, 구성요소의 수를 줄임으로써 비용이 감소된다.
SOC 스택에서 애노드 및 캐소드 가스 흐름이 분포되는 방식은 두 공정 가스 각각에 대한 공통의 매니폴드를 구비하는 것이다. 매니폴드는 내부 또는 외부 매니폴드일 수 있다. 매니폴드는 각 층으로의 채널에 의해 SOC 스택의 개별 층들에 공정 가스를 공급한다. 채널은 일반적으로 SOC 스택에 포함된 반복 요소의 하나의 층에 놓이는데, 즉 스페이서 또는 인터커넥트에 위치된다.
판금으로 제조된 인터커넥트와 스페이서는 일반적으로 판 재료의 두 분리된 부분으로 이루어지며, 이들이 SOC 스택에서 함께 실링된다. 이것은 인터커넥트와 스페이서 사이의 실링을 필요로 하고, 또한 제조시 분리된 구성요소의 취급이 필요하다. 또한, 두 분리된 판 조각은 주로 동일한 외부 치수를 갖기 때문에, 스페이서 판의 중심부 재료의 대부분이 제거될 때(예를 들어 찍어 낼 때) 많은 재료가 폐기된다.
US6492053은 인터커넥트 및 스페이서를 포함하는 연료 셀 스택을 개시한다. 인터커넥트와 스페이서는 모두 산소/연료의 흐름을 위한 입구 및 출구 매니폴드를 가진다. 입구 및 출구 매니폴드는 애노드 및 캐소드를 따른 산소/연료의 분포를 위해 그 표면에 홈/통로를 가진다. 그러나, 인터커넥트 및 스페이서의 홈/통로는 서로 정렬되지 않고, 따라서 이들의 기하구조는 다수의 입구 지점을 달성하기 위해 조합될 수 없다. 또한, 홈/통로가 인터커넥트와 스페이서의 표면에 있기 때문에, 다수의 입구 지점의 형성이 불가능하다.
US2010297535는 유로를 갖는 연료 셀의 양극판을 개시한다. 이 유로 판은 연료 셀의 활성 영역 사이에 유체를 균일하게 분포시키기 위한 다수의 채널을 가진다. 이 문헌에는 제2 층 및 그 내부의 유사한 채널은 기재되지 않는다.
US2005016729는 열 전도성 인터커넥트 판에 지지된 세라믹 연료 셀(들)을 개시하며, 복수의 판이 스택이라고 하는 전도성 히터를 형성한다. 복수의 스택을 연결하여 연료 셀의 스틱을 형성한다. 복수의 스틱의 끝과 끝을 연결함으로써 연료 셀의 스트링이 형성된다. 스트링 길이는 1,000피트 이상일 수 있고, 예를 들어 석유와 같은 지하 자원층을 뚫을 수 있는 크기일 수 있다. 예열기로 스트링을 700℃를 초과하는 작동 온도로 만든 다음, 연료 셀 연료와 산화제를 공급하고 배기 가스를 플래네터리 표면으로 전달하는 복수의 도관을 통해 연료 셀은 상기 온도를 유지한다. 복수의 도관을 연결하고 배기 가스와 산화제/연료 사이의 열 교환기로서 작용하도록 스트링과 플래네터리 표면 사이에 매니폴드가 사용될 수 있다.
상기 설명된 공지기술 중 어느 것도 상기 설명된 문제에 대한 간단하고 효율적이며 실패에 안전한 해결수단을 제공하지 않는다.
따라서, 상기 기재된 고려사항을 참조하여, SOC 스택을 위한 견고하고 간단하며 저렴하고 생산과 취급이 용이한 다중-채널 인터커넥트 및 스페이서에 대한 해결수단이 필요하다.
이들 및 다른 목적이 하기 설명된 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명은 스페이서 부분을 IC 판으로부터 판금의 한 면 위로 접음으로써 판금의 단일 구성요소(이것은 인터커넥트와 스페이서의 기능을 조합한다)를 제조하는 것이다. 접는 것(또는 구부리는 것)은 질량 보존 과정으로서 폐기물이 없다. 접힘 반경은 판 두께에 따르며, 본 발명에서와 같이 얇은 판 재료를 접을 때는 매우 작은 접힘 반경이 얻어질 수 있다.
인터커넥트 판금으로부터 스페이서를 접음으로써 몇 가지 문제가 해소된다:
- 스택에서 실링 면적이 감소하고 누출이 일어날 수 있는 장소가 적어지며, 동시에 인터커넥트-스페이서 조립체당 실링층이 절감된다.
- 제조시 취급되는 구성요소의 감소.
- 스페이서가 인터커넥트와 동일한 판금으로 제조되기 때문에, 인터커넥트와 스페이서의 두께가 동일하며, 이로써 스택 조립체에서 공차(tolerance) 문제가 감소된다.
- 스페이서가 별도의 판금으로 제조될 때는 실링 영역이 일반적으로 인터커넥트의 주변부에 위치되기 때문에 재료 사용이 많아진다. 따라서, 접는 해결방식은 접힌 부분이 인터커넥트 주변부에 포함되고, 스페이서의 "내부"가 인터커넥트에 사용되기 때문에 재료가 절약된다.
- 인터커넥트와 스페이서의 동일한 재료(및 실링 재료 없음)는 동일한 열 팽창 계수를 제공한다.
- 스페이서가 인터커넥트의 일부이므로, 별도의 스페이서 부분의 정렬이 제거된다.
- 접는 과정은 저렴하고 산업적으로 확장 가능하다.
통합된 인터커넥트와 스페이서를 제조하기 위해, 인터커넥트 기하구조는 스페이서를 포함하도록 확장되며, 이후 스페이서가 인터커넥트의 상부 위로 접힌다. 접는 과정은 간단하고 견고하며, 몇몇 산업(예를 들어 금속 캔)에서 사용되는 과정이다.
스페이서의 두께는 인터커넥트의 두께와 동일하다. 이것은 스택을 조립할 때 공차를 감소시킨다. 다른 과정에 의해서는 동일한 공차가 달성될 수 없으며, 즉 인터커넥트와 스페이서 사이의 실링의 에칭이 절약된다. 인터커넥트와 스페이서가 하나의 구성요소가 되기 때문에 구성요소의 취급이 절감된다. 스페이서는 일반적으로 인터커넥트의 주변부에 위치되므로 표준 해결방식에서는 중심부가 잘려나가 폐기된다. 스페이서가 인터커넥트의 일부일 때는 스페이서의 내부가 폐기되지 않아서 재료 폐기물이 감소한다.
청구항 1에 따른 본 발명은 복수의 적층된 셀 유닛을 포함하는 고체 산화물 셀 스택이다. 각각의 셀 유닛은 애노드, 캐소드 및 전해질을 갖는 셀 층 및 인터커넥트 층을 포함한다. 상기 층들은 교대로 적층되며, 이로써 하나의 인터커넥트 층이 셀 스택에서 하나의 셀 층을 인접한 셀 층으로부터 분리한다. 인터커넥터 층은 당업계에 공지된 바와 같은 별도의 스페이서를 갖는 대신 두께 T를 갖는 하나의 판으로 제조된 통합된 인터커넥트와 스페이서를 포함한다. 스페이서는 인터커넥트의 가장자리의 적어도 일부를 N번 180°굽힘으로써 형성되며, 이로써 인터커넥트의 가장자리의 적어도 일부를 덮는 스페이서가 제공된다. 굽힘은 180°이며, 굽힘 제조 공정에 고유하며 통상적인 공차를 나타내고, 이것은 또한 어느 정도 뒤로 굽히는 것을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 굽힘 전에 굽혀질 판 조각은 최종 통합된 인터커넥트와 스페이서보다 더 큰 치수를 가지며, 잉여 영역이 굽혀짐으로써 굽힘 후에 스페이서가 형성된다는 것이 이해되어야 한다. 굽힘 후, 스페이서와 인터커넥터는 함께 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 일부의 가장자리를 형성하고, 이때 두께는 판의 두께 T와 동일하거나 (1+N)배 미만이다. 두께는 재료 및 제조 공차에 따르며, 공차로 인해 판의 두께 T와 동일하거나 (1+N)배 미만인 정확한 두께를 약간 상회하거나 하회할 수 있고, 이것은 청구항의 범위 내이다. 그러나, 스페이서와 인터커넥트 사이의 개스킷이 생략되고, 굽힘 과정에 이어서 통합된 인터커넥트와 스페이서의 두께를 고르게 하는 정확한 가압(press)이 수행됨으로써 공차가 미세해질 수 있기 때문에, 굽힘 과정이 통상의 고체 산화물 셀 스택에서 공지된 것보다 더 높은 정확도를 제공할 수 있는 것도 본 발명의 일부이다. 통합된 인터커넥트와 스페이서에 의한 셀들 사이의 접촉은 굽혀진 가장자리와 통합된 인터커넥트와 스페이서의 표면 전체적인 접촉점에 의해 보장된다는 것이 이해되어야 한다. 접촉점은 굽혀진 부분과 인터커넥트의 동일한 면에 제공된 접촉 활성화 요소에 의해 제공될 수 있다. 접촉 활성화 요소는 네트, 가압된 접촉점 또는 임의의 다른 공지기술의 형태일 수 있다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 인터커넥트의 가장자리의 적어도 일부는 180°로 1번 굽혀지고, 이것은 판의 두께 T와 동일하거나 2배 미만인 두께를 갖는 인터커넥트와 스페이서를 제공한다.
굽혔을 때 통합된 인터커넥트와 스페이서는 매니폴딩을 위한, 즉 외부 매니폴딩과 관련하여 인터커넥트의 가장자리의 일부로부터 그리고 내부 매니폴딩과 관련하여 인터커넥트 영역 내부에 위치된 채널로부터 스택으로 공정 가스의 유입 및 유출을 위한 적어도 하나의 흐름 분포기를 형성할 수 있다. 굽혀질 가장자리가 형성될 수 있고, 이것은 공정 가스가 스택 내부로 흐르도록 하는 갭을 가지며, 유로는 흐름 분포기를 형성하는 가장자리의 형상에 의해 배향될 수 있다. 가장자리는, 예를 들어 공정 유체를 안내하도록 구성된 핀, 웨지 또는 임의의 다른 형상으로 형성될 수 있다. 이것은 당업계에 공지된 것과 같이 내부 매니폴딩과 외부 매니폴딩에 모두 사용될 수 있다.
또한, 스페이서는 적어도 부분적으로 연속된 유체 기밀 가장자리에 의해 형성될 수 있다. 유체 기밀 가장자리는 외부 매니폴드를 향하여 또는 내부 매니폴드 주변에 유체 기밀 시일을 형성하도록 구성될 수 있다. 접힘 자체와는 별도로, 스페이서는 스페이서의 가장자리 또는 표면의 적어도 일부에서 확산 접합(두 고체 금속 표면의 원자들은 시간이 지남에 따라 자체적으로 산재된다), 용접 또는 임의의 다른 적합한 연결 기술에 의해 인터커넥트에 더 연결될 수 있다.
본 발명의 한 실시형태에서, 굽힘 라인의 적어도 일부에서 인터커넥트의 한쪽 면, 나머지 면, 또는 양 면에 있는 홈에 의해 굽힘이 촉진되고 안내된다. 인터커넥트의 적어도 한쪽 면에 홈이 존재함으로써 공정 유체를 위한 흐름 구역(flow field)을 형성할 수 있다. 상기 홈은, 예를 들어 에칭에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 스택은 상기 언급된 작동 온도를 가진 고체 산화물 전해 셀 스택이다. 본 발명의 추가 실시형태에서, 스택은 고체 산화물 연료 셀 스택이다. 통합된 인터커넥트와 스페이서의 제조에 사용된 판금은 오스테나이트 강, 페라이트 강 또는 스택에 가장 적합한 임의의 합금일 수 있다.
본 발명의 한 실시형태에서, 상기 설명된 고체 산화물 셀 스택은 두께 T 및 인터커넥트 층의 면적보다 큰 면적을 갖는 하나의 판을 제공하는 것을 포함하는 단계에 의해 제조된다. 판의 가장자리의 적어도 일부가 N번 180°굽혀져서 스페이서가 형성된다. 이 하나의 판으로부터 스페이서와 인터커넥트는 함께 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 일부의 가장자리를 형성하며, 이때 두께는 판의 두께 T와 동일하거나 (1+N)배 미만이다.
특정 실시형태에서, 판은 한번 굽혀지고, 이로써 스페이서와 인터커넥트는 함께 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 일부의 가장자리를 형성하며, 이때 두께는 판의 두께 T와 동일하거나 2배 미만이다. 추가 단계는 통합된 인터커넥트와 스페이서의 두께의 보정을 수반할 수 있고, 이것은 판 자체의 공차(2배)보다 더 균일하게 공차를 최소화할 수 있다. 이것은 T의 (1+N)배 미만으로 설정되는 미리 정해진 정지점까지 통합된 인터커넥트와 스페이서를 가압함으로써 행해진다. 가압력은 통합된 인터커넥터와 스페이서의 소성 변형(재료에, 예를 들어 항복 강도를 초과하여, 예를 들어 압축을 야기하는 압축 응력이 가해졌을 때 발생하는 영구 변형)력보다 높게 설정된다.
발명의 특징
1. 복수의 적층된 셀 유닛을 포함하는 고체 산화물 셀 스택으로서, 각 셀 유닛은 셀 층 및 인터커넥트 층을 포함하고, 하나의 인터커넥트 층이 셀 스택에서 하나의 셀 층을 인접한 셀 층으로부터 분리하며, 인터커넥트 층은 두께 T를 갖는 하나의 판으로 제조된 통합된 인터커넥트와 스페이서를 포함하고, 스페이서는 인터커넥트의 가장자리의 적어도 일부를 N번 180°굽힘으로써 형성되며, 이로써 인터커넥트의 가장자리의 적어도 일부를 덮는 스페이서가 제공되고, 상기 스페이서와 인터커넥트는 함께 판의 두께 T와 동일하거나 (1+N)배 미만인 두께를 갖는 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 일부의 가장자리를 형성하는 것인 고체 산화물 셀 스택.
2. 제 1 항에 있어서, 인터커넥트의 가장자리의 적어도 일부는 1번 180°굽혀져서 인터커넥트의 가장자리의 적어도 일부를 덮는 스페이서를 제공하며, 이로써 상기 스페이서와 인터커넥트는 함께 판의 두께 T와 동일하거나 2배 미만인 두께를 갖는 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 일부의 가장자리를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 또한 매니폴딩을 위한 적어도 하나의 흐름 분포기를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 또한 외부 매니폴딩에 적합한 적어도 하나의 흐름 분포기를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 또한 내부 매니폴딩에 적합한 적어도 하나의 흐름 분포기를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 적어도 부분적으로 핀에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 적어도 부분적으로 공정 유체 흐름을 위한 흐름 가이드인 웨지로서 형성된 핀에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 적어도 부분적으로 연속된 유체 기밀 가장자리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 적어도 부분적으로 외부 매니폴드를 향하여 유체 기밀 시일을 형성하도록 구성된 연속된 유체 기밀 가장자리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 적어도 부분적으로 내부 매니폴드 주변에 유체 기밀 시일을 형성하도록 구성된 연속된 유체 기밀 가장자리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 스페이서는 굽혀진 부분에 의해서 인터커넥트에 연결될 뿐만 아니라 인터커넥트와 면하는 스페이서의 적어도 하나의 추가 가장자리 또는 표면에서도 인터커넥트에 연결되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 스페이서는 인터커넥트와 면하는 스페이서의 표면의 적어도 일부에서 확산 접합에 의해 인터커넥트에 연결되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 스페이서는 인터커넥트와 면하는 스페이서의 표면의 적어도 일부에서 용접에 의해 인터커넥트에 연결되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 인터커넥트는 적어도 한쪽 면에 180°굽힘을 촉진하고 안내하도록 구성된 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 인터커넥트는 적어도 한쪽 면에 공정 유체를 위한 흐름 구역을 형성하도록 구성된 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 인터커넥트는 적어도 한쪽 면에 공정 유체를 위한 흐름 구역을 형성하도록 구성된 에칭에 의해 형성된 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 산화물 셀 스택은 고체 산화물 전해 셀 스택인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
18. 복수의 적층된 셀 유닛을 포함하고, 각 셀 유닛은 셀 층 및 인터커넥트 층을 포함하며, 하나의 인터커넥트 층이 셀 스택에서 하나의 셀 층을 인접한 셀 층으로부터 분리하고, 인터커넥트 층은 하나의 판으로 제조된 통합된 인터커넥트와 스페이서를 포함하는, 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법으로서,
- 두께 T 및 인터커넥트 층의 면적보다 큰 면적을 갖는 하나의 판을 제공하는 단계,
- 상기 판의 가장자리의 적어도 일부를 N번 180°굽혀서 상기 스페이서를 형성하는 단계로서, 이로써 상기 스페이서와 인터커넥트가 함께 판의 두께 T와 동일하거나 (1+N)배 미만인 두께를 갖는 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 일부의 가장자리를 형성하는 단계
를 포함하는 방법.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 판의 가장자리의 적어도 일부는 1번 굽혀지며, 이로써 상기 스페이서와 인터커넥트는 함께 판의 두께 T와 동일하거나 2배 미만인 두께를 갖는 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 일부의 가장자리를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
- 통합된 인터커넥트와 스페이서의 가장자리의 균일한 두께를 보장하기 위해 통합된 인터커넥트와 스페이서에 대해 소성 변형력보다 큰 힘으로 미리 정해진 정지점까지 보정 가압을 수행하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 두께 T의 (1+N)배 미만인 통합된 인터커넥트와 스페이서의 가장자리의 균일한 두께를 보장하기 위해 통합된 인터커넥트와 스페이서에 대해 소성 변형력보다 큰 힘으로 미리 정해진 정지점까지 보정 가압을 수행하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
22. 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 판의 적어도 한쪽 면에 상기 180°굽힘을 촉진하고 안내하도록 구성된 홈을 제공하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 홈은 에칭에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
24. 제 18 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 굽힘 전 또는 후에 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 한쪽 면을 에칭하여 공정 유체를 위한 흐름 구역을 형성하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
25. 제 18 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 인터커넥트와 면하는 스페이서의 표면의 적어도 일부에서 스페이서와 인터커넥트의 확산 접합 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
26. 제 18 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 인터커넥트와 면하는 스페이서의 표면의 적어도 일부에서 인터커넥트에 스페이서를 용접하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
본 발명은 본 발명의 실시형태의 예를 도시한 첨부한 도면에 의해 더 예시된다.
도 1은 접히기 전의 통합된 인터커넥트와 스페이서의 등척 상부도를 도시한다.
도 2는 인터커넥트의 스페이서(잉여) 부분이 인터커넥트의 상부 위로 접힌, 도 1의 통합된 인터커넥트와 스페이서의 등척 상부도를 도시한다.
도 3은 도 2의 통합된 인터커넥트와 스페이서의 등척 하부도를 도시한다.
도 4는 도 2의 통합된 인터커넥트와 스페이서의 중심부 부분의 확대된 등척 상부도를 도시한다.
위치 번호
1. 통합된 인터커넥트와 스페이서
2. 스페이서
3. 외부 매니폴드에 적합한 흐름 분포기
4. 내부 매니폴드에 적합한 흐름 분포기
5. 핀
6. 연속된 유체 기밀 가장자리
도 1은 고체 산화물 셀 스택(미도시)용의 통합된 인터커넥트와 스페이서(01)를 도시한다. 도 1은 하나의 평평한 판금인 인터커넥트를 도시하며, 잉여 재료가 스페이서(02)를 형성하도록 구성되어 있고, 접힘 전에는 스페이서가 아직 형성되지 않은 상태이다. 6개 가장자리를 가진 통합된 인터커넥트와 스페이서의 형상은 단지 예로서 선택된다. 볼 수 있는 대로, 스페이서의 일부는 핀(05)의 형태이며, 이것은 하기 더 상세히 설명될 것이다.
도 2에서, 도 1에 도시된 인터커넥트의 잉여 재료가 인터커넥트의 상부 위로 180°접혀서 인터커넥터의 3개 가장자리 주변과 인터커넥트의 2개 스로-홀 주변에 스페이스를 형성한다. 3개 가장자리를 따라서 그리고 인터커넥트의 중심부 스로-홀 주변에서 스페이서는 핀으로서 형성되며, 이것은 공정 가스가 스페이서 핀 사이를 흐르도록 허용한다. 이로써, 3개 가장자리를 따라서 핀으로 형성된 스페이서는 외부 매니폴딩(03)에 적합한 흐름 분포기를 형성하고, 인터커넥트의 중심부 스로-홀 주변에서는 핀으로 형성된 스페이서가 내부 매니폴딩(04)에 적합한 흐름 분포기를 형성한다. 매니폴딩에 적합한 스페이서는 생성물 가스 흐름을 제어하고 그것을 인터커넥트로, 인터커넥트를 따라서, 인터커넥트로부터 보낼 수 있는 상이한 형상으로 형성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 도 2에서 하나의 스페이서는 연속된 유체 기밀 가장자리(06)와 함께 형성되며, 이것은 접혔을 때 인터커넥트의 주변부에서 스로-홀 주변에 가장자리를 형성하고, 이로써 스택에서 내부로의 생성물 가스 채널로 작용한다. 도 3은 인터커넥트의 반대(바닥) 측에서 본, 도 2에 도시된 것과 동일한 접힌 상태의 통합된 인터커넥트와 스페이서를 도시한다.
인터커넥트의 중심부 스로-홀 주변의 내부 매니폴드에 적합한 흐름 분포기로서 작용하는 접힌 핀이 도 4에 더 상세히 도시된다. 한 실시형태에서(미도시) 굽혀진 핀의 안내 및 공차는 판의 한쪽 면, 나머지 면 또는 양 면에서 핀의 굽힘 구간의 홈에 의해 증진될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 굽혀진 스페이서는 전체 가장자리 또는 웨지와 같은 핀 이외의 임의의 다른 형상 및 형태를 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (26)

  1. 복수의 적층된 셀 유닛을 포함하는 고체 산화물 셀 스택으로서, 각 셀 유닛은 셀 층 및 인터커넥트 층을 포함하고, 하나의 인터커넥트 층이 셀 스택에서 하나의 셀 층을 인접한 셀 층으로부터 분리하며, 인터커넥트 층은 두께 T를 갖는 하나의 판으로 제조된 통합된 인터커넥트와 스페이서를 포함하고, 스페이서는 인터커넥트의 가장자리의 적어도 일부를 N번 180°굽힘으로써 형성되며, 이로써 인터커넥트의 가장자리의 적어도 일부를 덮는 스페이서가 제공되고, 상기 스페이서와 인터커넥트는 함께 판의 두께 T와 동일하거나 (1+N)배 미만인 두께를 갖는 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 일부의 가장자리를 형성하는 것인 고체 산화물 셀 스택.
  2. 제 1 항에 있어서, 인터커넥트의 가장자리의 적어도 일부는 1번 180°굽혀져서 인터커넥트의 가장자리의 적어도 일부를 덮는 스페이서를 제공하며, 이로써 상기 스페이서와 인터커넥트는 함께 판의 두께 T와 동일하거나 2배 미만인 두께를 갖는 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 일부의 가장자리를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 또한 매니폴딩을 위한 적어도 하나의 흐름 분포기를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 또한 외부 매니폴딩에 적합한 적어도 하나의 흐름 분포기를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 또한 내부 매니폴딩에 적합한 적어도 하나의 흐름 분포기를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 적어도 부분적으로 핀에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 적어도 부분적으로 공정 유체 흐름을 위한 흐름 가이드인 웨지로서 형성된 핀에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 적어도 부분적으로 연속된 유체 기밀 가장자리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 적어도 부분적으로 외부 매니폴드를 향하여 유체 기밀 시일을 형성하도록 구성된 연속된 유체 기밀 가장자리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 인터커넥트와 스페이서의 스페이서는 적어도 부분적으로 내부 매니폴드 주변에 유체 기밀 시일을 형성하도록 구성된 연속된 유체 기밀 가장자리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 스페이서는 굽혀진 부분에 의해서 인터커넥트에 연결될 뿐만 아니라 인터커넥트와 면하는 스페이서의 적어도 하나의 추가 가장자리 또는 표면에서도 인터커넥트에 연결되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 스페이서는 인터커넥트와 면하는 스페이서의 표면의 적어도 일부에서 확산 접합에 의해 인터커넥트에 연결되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 스페이서는 인터커넥트와 면하는 스페이서의 표면의 적어도 일부에서 용접에 의해 인터커넥트에 연결되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 인터커넥트는 적어도 한쪽 면에 상기 180°굽힘을 촉진하고 안내하도록 구성된 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 인터커넥트는 적어도 한쪽 면에 공정 유체를 위한 흐름 구역을 형성하도록 구성된 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 인터커넥트는 적어도 한쪽 면에 공정 유체를 위한 흐름 구역을 형성하도록 에칭에 의해 형성된 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 산화물 셀 스택은 고체 산화물 전해 셀 스택인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택.
  18. 복수의 적층된 셀 유닛을 포함하고, 각 셀 유닛은 셀 층 및 인터커넥트 층을 포함하며, 하나의 인터커넥트 층이 셀 스택에서 하나의 셀 층을 인접한 셀 층으로부터 분리하고, 인터커넥트 층은 하나의 판으로 제조된 통합된 인터커넥트와 스페이서를 포함하는, 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법으로서,
    - 두께 T 및 인터커넥트 층의 면적보다 큰 면적을 갖는 하나의 판을 제공하는 단계,
    - 상기 판의 가장자리의 적어도 일부를 N번 180°굽혀서 상기 스페이서를 형성하는 단계로서, 이로써 상기 스페이서와 인터커넥트가 함께 판의 두께 T와 동일하거나 (1+N)배 미만인 두께를 갖는 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 일부의 가장자리를 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 판의 가장자리의 적어도 일부는 1번 굽혀지며, 이로써 상기 스페이서와 인터커넥트는 함께 판의 두께 T와 동일하거나 2배 미만인 두께를 갖는 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 일부의 가장자리를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    - 통합된 인터커넥트와 스페이서의 가장자리의 균일한 두께를 보장하기 위해 통합된 인터커넥트와 스페이서에 대해 소성 변형력보다 큰 힘으로 미리 정해진 정지점까지 보정 가압을 수행하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
  21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 두께 T의 (1+N)배 미만인 통합된 인터커넥트와 스페이서의 가장자리의 균일한 두께를 보장하기 위해 통합된 인터커넥트와 스페이서에 대해 소성 변형력보다 큰 힘으로 미리 정해진 정지점까지 보정 가압을 수행하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
  22. 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 판의 적어도 한쪽 면에 상기 180°굽힘을 촉진하고 안내하도록 구성된 홈을 제공하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 홈은 에칭에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
  24. 제 18 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 굽힘 전 또는 후에 통합된 인터커넥트와 스페이서의 적어도 한쪽 면을 에칭하여 공정 유체를 위한 흐름 구역을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
  25. 제 18 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 인터커넥트와 면하는 스페이서의 표면의 적어도 일부에서 스페이서와 인터커넥트의 확산 접합 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
  26. 제 18 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 인터커넥트와 면하는 스페이서의 표면의 적어도 일부에서 인터커넥트에 스페이서를 용접하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 셀 스택의 제조 방법.
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