KR20200033257A

KR20200033257A - 연료 전지 스택에서 열 관리를 위해 선택적으로 회전되는 유동장

Info

Publication number: KR20200033257A
Application number: KR1020207001768A
Authority: KR
Inventors: 케이시 클라우드레스 브라운; 쿤 봉 루크
Original assignee: 버사 파워 시스템스 리미티드
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2038-06-28
Also published as: CA3068567C; WO2019003192A1; EP3646405B1; US11335919B2; DK3646405T3; JP2020525980A; FI3646405T3; CN110832686A; EP3646405A1; CN110832686B; KR102343537B1; US20200127304A1; CA3068567A1; JP7064678B2

Abstract

전기 화학 전지 스택은 각각이 캐소드, 애노드 및 전해질을 포함하는 복수의 전기 화학 전지 유닛을 포함하고, 또한 복수의 인터커넥트를 포함한다. 인접한 전기 화학 전지 유닛들 사이에는 인터커넥트가 배치된다. 각각의 애노드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에는 연료 유입구 및 연료 유출구를 갖는 연료 채널이 획정된다. 각각의 캐소드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에는 산화제 유입구 및 유출구를 갖는 산화제 채널이 획정된다. 상기 복수의 전기 화학 전지 유닛 및 인터커넥트는 제1 연료 전지 유닛, 상기 제1 연료 전지 유닛에 인접한 제1 인터커넥트, 상기 제1 인터커넥트에 인접한 제2 연료 전지 유닛 및 상기 제2 연료 전지 유닛에 인접한 제2 인터커넥트를 포함 한다. 상기 제2 인터커넥트는 상기 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 상기 제1 인터커넥트로부터 순환적으로 오프셋된다.

Description

연료 전지 스택에서 열 관리를 위해 선택적으로 회전되는 유동장

관련 출원 상호 참조

본 출원은 2017년 6월 29일에 출원된 "Selectively Rotated Flow Field for Thermal Management in a Fuel Cell Stack(연료 전지 스택에서 열 관리를 위해 선택적으로 회전되는 유동장)"이라는 명칭의 미국 가 특허 출원 번호 62/526,683의 우선권 및 이익을 주장하며, 이 전체 개시 내용은 여기에 참고로 통합된다.

기술분야

본 개시는 고온 연료 전지 스택 및 전기 분해 스택, 특히 고체 산화물(SOFC) 및 고체 산화물 전기 분해 전지(SOEC) 스택에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열 관리를 포함하는 고 전력 밀도 소형 SOFC 스택에 관한 것이다.

고체 산화물 연료 전지는 캐소드와 애노드 사이에 개재되는 전해질을 포함한다. 산소는 캐소드에서 전자와 반응하여 산소 이온을 형성하며, 이는 이온 전도성 세라믹 전해질을 통해 애노드로 전도된다. 애노드에서, 산소 이온은 이용 가능한 연료(예를 들어, 수소 및 일산화탄소)와 결합하여 생성물(예를 들어, 물 및 이산화탄소)을 형성함으로써 전자를 방출하여 전력을 생성한다. 이 기술은 적절한 반응물(예를 들어, 물 및 이산화탄소) 및 전력이 공급될 때 연료 가스 및 산소를 형성하기 위해 역으로 동일하게 실행될 수 있다. 이 경우 이 기술은 고체 산화물 전기 분해 전지라고 한다. SOFC 개발은 다양한 접근법(애노드, 캐소드 또는 전해질 지지, 모놀리식 세라믹 대 금속 인터커넥트, 평면형 대 관형 및 그 변형)을 제시해왔다. 이 기술을 상용화하는 데 있어 주요 과제는 시장성 있는 가격, 합리적인 성능 및 유용한 수명을 동시에 달성하는 것이었다. 이러한 동인들이 밀접하게 관련된다.

본 출원인에 의해 2017년 5월 4일에 출원된 미국 가 출원 번호 62/501,633에 대한 우선권을 주장하는 2018년 5월 4일에 출원된 국제 특허 출원 번호 PCT/IB2018/053099는 완전 밀페된 연료 전지 유닛들을 갖는 연료 전지 스택을 설명한다. 연료 전지 유닛은 복수의 인터커넥트와 번갈아 나오는 복수의 고체 산화물 연료 전지를 포함한다. 각각의 연료 전지는 캐소드, 전해질, 애노드 및 임의로 애노드 지지체를 포함한다. 연료 전지 및 인터커넥트는 스택이 형성될 때 종 방향 채널이 연료 전지 스택을 통해 종 방향으로 연장되도록 성형된다. 일부 실시 예에서, 연료 전지 및 인터커넥트는 환형 형상을 갖고, 종 방향 채널은 스택의 축 방향 중심에 위치한 중앙 채널이다. 국제 특허 출원 번호 PCT/IB2018/053099("'099 출원")는 위에서 언급된 연료 전지 스택의 실시 예들에 관한 그 개시에 대한 것을 포함하여, 이에 의해 그 전체가 참고로 통합된다.

여기에 설명된 실시 예들은 개괄적으로 열 관리를 위해 구성된 전기 화학 전지 스택들, 특히, 상기 전기 화학 전지 스택의 복수의 전기 화학 전지 유닛의 각각 사이에 배치되는 인터커넥트를 포함하는 전기 화학 전지 스택들에 관한 것이다. 각각의 인터커넥트는 인접한 인터커넥트에 대해 순환적으로 오프셋되어 산화제 유입구 흡열을 더 큰 비율의 전기 화학 전지 영역에 걸쳐 확산시키고 복수의 전기 화학 전지 유닛에 걸친 온도차를 감소시킨다.

몇몇 실시 예에서, 전기 화학 전지 스택은 각각이 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는 복수의 전기 화학 전지 유닛을 포함한다. 상기 전기 화학 전지 스택은 또한 각각이 인접한 연료 전지 유닛들 사이에 배치되는 복수의 인터커넥트를 포함한다. 각각의 애노드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에는 연료 유입구 및 연료 유출구를 갖는 연료 채널이 획정된다. 각각의 캐소드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에는 산화제 유입구 및 산화제 유출구를 갖는 산화제 채널이 획정된다. 상기 복수의 전기 화학 전지 유닛 및 인터커넥트는 제1 연료 전지 유닛, 상기 제1 연료 전지 유닛에 인접한 제1 인터커넥트, 상기 제1 인터커넥트에 인접한 제2 연료 전지 유닛 및 상기 제2 연료 전지 유닛에 인접한 제2 인터커넥트를 포함한다. 상기 제2 인터커넥트는 상기 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 상기 제1 인터커넥트로부터 순환적으로 오프셋된다.

몇몇 실시 예에서, 상기 제2 인터커넥트는 상기 제1 인터커넥트로부터 10도 내지 170도 범위 내 각도만큼 순환적으로 오프셋된다. 특정 실시 예들에서, 상기 제2 인터커넥트는 상기 제1 인터커넥트로부터 60도 각도만큼 순환적으로 오프셋된다. 몇몇 실시 예에서, 상기 복수의 인터커넥트의 각 인터커넥트는 인접한 인터커넥트로부터 10도 내지 60도 각도만큼 순환적으로 오프셋된다. 몇몇 실시 예에서, 상기 복수의 인터커넥트의 각각은 상기 연료 유입구에 유동적으로 결합되는 연료 유입구 채널을 포함하며, 상기 연료 유입구 채널은 2도 내지 10도 범위 내 제1 각도로 내접되는 상기 전기 화학 전지 유닛의 아크 세그먼트를 가로질러 위치된다. 특정 실시 예들에서, 상기 제1 각도는 약 5도이다. 몇몇 실시 예에서, 상기 복수의 인터커넥트의 각각은 상기 산화제 유입구에 유동적으로 결합되는 산화제 유입구 채널을 포함하며, 상기 산화제 유입구 채널은 15도 내지 30도 범위 내 제2 각도로 내접되는 상기 전기 화학 전지 유닛의 아크 세그먼트를 가로질러 위치된다. 특정 실시 예들에서, 상기 제2 각도는 약 20도이다. 몇몇 실시 예에서, 상기 복수의 인터커넥트의 각각은 상기 종 방향 축을 따라 회전 패턴으로 순환적으로 오프셋되며, 상기 회전 패턴은 2 내지 10 인터커넥트의 그룹마다 반복된다.

몇몇 실시 예에서, 상기 복수의 인터커넥트의 각각은 복수의 연료 채널 및 복수의 산화제 채널을 포함한다. 상기 복수의 인터커넥트의 각각은 이의 종 방향 축을 따라 종 방향 채널을 획정하는 인터커넥트 메인 바디를 포함하고, 상기 인터커넥트 메인 바디는 상기 제1 전기 화학 전지 유닛을 향하는 상기 인터커넥트 메인 바디의 제1 표면상에 상기 복수의 연료 채널을 그리고 상기 제2 전기 화학 전지 유닛을 향하는 상기 인터커넥트 메인 바디의 제2 표면상에 복수의 산화제 채널을 획정하는 복수의 파상(corrugation)을 포함하며, 상기 복수의 연료 채널 및 상기 복수의 산화제 채널의 각각은 상기 종 방향 채널 주위에 위치된다. 상기 복수의 연료 채널의 각각의 연료 채널 기저가 대응하는 제2 전기 화학 전지 유닛의 애노드와 전기적으로 접촉하고, 상기 복수의 산화제 채널의 각각의 연료 채널 기저가 대응하는 제1 전기 화학 전지 유닛의 캐소드와 전기적으로 접촉한다. 상기 복수의 인터커넥트의 각각은 연료 유입구 채널, 연료 유출구 채널, 산화제 유입구 채널 및 산화제 유출구 채널을 포함하고, 상기 연료 유입구 채널 및 상기 연료 유출구 채널의 각각은 상기 복수의 인터커넥트의 대응하는 인터커넥트의 상기 복수의 연료 채널의 각각에 유동적으로 결합되며, 상기 산화제 유입구 채널 및 상기 산화제 유출구 채널의 각각은 상기 복수의 인터커넥트의 대응하는 인터커넥트의 상기 복수의 연료 채널의 각각에 유동적으로 결합된다.

다른 실시 예에서, 연료 전지 스택은 각각이 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는 복수의 연료 전지 유닛을 포함한다. 상기 연료 전지 스택은 또한 각각이 인접한 연료 전지 유닛들 사이에 배치되는 복수의 인터커넥트를 포함한다. 각각의 애노드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에는 연료 유입구 채널 및 연료 유출구 채널을 갖는 연료 채널이 획정된다. 각각의 캐소드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에는 산화제 유입구 채널 및 산화제 유출구 채널을 갖는 산화제 채널이 획정된다. 상기 복수의 연료 전지 유닛 및 인터커넥트는 제1 연료 전지 유닛, 상기 제1 연료 전지 유닛에 인접한 제1 인터커넥트, 상기 제1 인터커넥트에 인접한 제2 연료 전지 유닛 및 상기 제2 연료 전지 유닛에 인접한 제2 인터커넥트를 포함한다. 상기 제2 연료 전지 유닛에 대응하는 연료 유입구 채널은 상기 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 상기 제1 연료 전지 유닛에 대응하는 연료 유입구 채널로부터 순환적으로 오프셋된다.

다른 실시 예에서, 연료 전지 스택은 각각이 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는 복수의 연료 전지 유닛을 포함한다. 상기 연료 전지 스택은 또한 각각이 인접한 연료 전지 유닛들 사이에 배치되는 복수의 인터커넥트를 포함한다. 각각의 애노드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에는 연료 유입구 채널 및 연료 유출구 채널을 갖는 연료 채널이 획정된다. 각각의 캐소드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에는 산화제 유입구 채널 및 산화제 유출구 채널을 갖는 산화제 채널이 획정된다. 상기 복수의 연료 전지 유닛 및 인터커넥트는 제1 연료 전지 유닛, 상기 제1 연료 전지 유닛에 인접한 제1 인터커넥트, 상기 제1 인터커넥트에 인접한 제2 연료 전지 유닛 및 상기 제2 연료 전지 유닛에 인접한 제2 인터커넥트를 포함 한다. 상기 제2 연료 전지 유닛에 대응하는 산화제 유입구 채널은 상기 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 상기 제1 연료 전지 유닛에 대응하는 산화제 유입구 채널로부터 순환적으로 오프셋된다.

전술한 내용은 본 발명의 내용이므로, 간략화, 일반화 및 상세 생략을 포함할 필요가 있다. 결과적으로, 당업자는 발명의 내용이 단지 예시적이고 어떤 식으로든 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다. 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 여기에 설명된 장치 및/또는 프로세스의 다른 양태, 특징 및 이점은 여기에 제시되고 첨부 도면과 함께 취해지는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 명백해진다.

본 발명의 전술한 특징들 및 다른 특징들은 첨부 도면들과 함께 다음의 설명 및 첨부된 청구범위로부터 더욱 명백해질 것이다. 이러한 도면들은 본 개시에 따른 몇몇 구현 예만을 도시하고 그에 따라 그 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것을 이해하여, 본 개시는 첨부 도면들의 사용을 통해 추가적인 특이성 및 세부 사항으로 설명될 것이다.
도 1a는 일 실시 예에 따른, 기밀 봉착 연료 전지 유닛들을 갖는 연료 전지 스택의 일 부분의 단면 사시도이다.
도 1b는 일 실시 예에 따른, 도 1a의 연료 전지 스택에 포함될 수 있는 연료 전지 유닛의 개략도이다.
도 2a 내지 도 2d는 각각 내부 및 외부 매니폴드 설계들의 상이한 조합들에 기초하여, 연료 및 산화제 가스의 상이한 가능한 유로들을 도시하는, 일부 실시 예에 따른 연료 전지 유닛의 개략적인 상면도들이다. 도 2a는 단일 연료 유입구, 단일 연료 유출구, 단일 산화제 유입구 및 단일 산화제 유출구를 갖는 연료 전지 유닛을 도시한다. 도 2b는 두 개의 연료 유입구, 두 개의 연료 유출구, 두 개의 산화제 유입구 및 두 개의 산화제 유출구를 갖는 연료 전지 유닛을 도시한다. 도 2c는 단일 연료 유입구, 단일 연료 유출구, 두 개의 산화제 유입구 및 두 개의 산화제 유출구를 갖는 연료 전지 유닛을 도시한다. 도 2d는 두 개의 연료 유입구, 두 개의 연료 유출구, 단일 산화제 유입구 및 단일 산화제 유출구를 갖는 연료 전지 유닛을 도시한다.
도 3은 일 실시 예에 따른, 연료 전지 스택들의 어레이의 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 두 개의 상이한 실시 예에 따른, 연료 전지 스택들의 어레이의 사시도들이다.
도 5a 및 도 5b는 어레이의 연료 및 산화제 유입구들 및 유출구들을 도시하는 도 4a 및 도 4b에 도시된 어레이들의 기저 부분의 사시도들이다.
도 6은 일 실시 예에 따른, 인터커넥트의 단면 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시된 인터커넥트의 각각, 상면도 및 저면도이다. 도 7a는 인터커넥트의 상단, 연료 측을 도시한다. 도 7b는 인터커넥트의 하단, 산화제 측을 도시한다.
도 8은 일 실시 예에 따른, 벨로우즈와 같은 구조를 갖는 연료 전지 스택의 개략적인 단면도이다.
도 9a 내지 도 9c는 세 개의 상이한 실시 예에 따른, 스택의 종 방향 채널에 위치되는 포스트를 도시하는, 연료 전지 스택의 일 부분의 상단면도들이다.
도 10은 연료 유입구(α) 및 산화제 유입구(β)의 근사 각도의 일례를 도시하는 연료 전지 유닛 및 인터커넥트의 개략적인 상면도이다.
도 11은 단일 연료 유입구, 단일 연료 유출구, 단일 산화제 유입구 및 단일 산화제 유출구를 갖는 연료 전지 유닛의 흐름 축을 도시하는 연료 전지 유닛의 개략적인 상면도이다.
도 12a 내지 도 12f는 일 실시 예에 따른, 모든 다섯 개의 인터커넥트가 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 서로 순환적으로 오프셋되는, 도 11에 도시된 다섯 개의 연료 전지 유닛 및 인터커넥트의 일례를 도시한다. 도 12a 내지 도 12e는 각각 연료 전지 유닛을 개별적으로 도시하고, 도 12f는 도 12a 내지 도 12e의 다섯 개의 인터커넥트 모두의 연료 유입구 절반을 도시하는 컷어웨이 사시도이다.
도 13은 일 실시 예에 따른, 모든 다섯 개의 인터커넥트가 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 서로 순환적으로 오프셋되는, 각각이 단일 연료 유입구, 단일 연료 유출구, 두 개의 산화제 유입구 및 두 개의 산화제 유출구를 갖는, 다섯 개의 연료 전지 유닛 및 대응하는 인터커넥트를 갖는 연료 전지 스택의 일례를 도시한다.
도 14는 일 실시 예에 따른, 모든 다섯 개의 인터커넥트가 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 서로 순환적으로 오프셋되는, 각각이 단일 연료 유입구, 단일 연료 유출구, 두 개의 산화제 유입구 및 두 개의 산화제 유출구를 갖는, 다섯 개의 연료 전지 유닛 및 대응하는 인터커넥트를 갖는 연료 전지 스택의 일례를 도시한다.
도 15는 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 서로 순환적으로 오프셋되는 연료 전지 유닛들을 포함하는 연료 전지 스택의 열 전산 유체 역학(CFD, computational fluid dynamics)을 5 주기로 도시한다.
도 16은 1200 시간이 넘게 전기 분해 모드에서 2 A/cm2로 동작하는, 주기 2를 갖는 순환적으로 오프셋되는 레이어들을 통합하는 스택의 동작을 도시한다.
도 17은 1,000 시간이 넘게 연료 전지 모드에서 0.25 A/cm2로 동작하는, 주기 5를 갖는 순환적으로 오프셋되는 레이어들을 통합하는 스택의 동작을 도시한다.
도 18은 1,900 시간이 넘게 전기 분해 모드에서 1 A/cm2로 동작하는, 주기 5를 갖는 순환적으로 오프셋되는 레이어들을 통합하는 스택의 동작을 도시한다.
다음의 상세한 설명 전체에 걸쳐 첨부 도면들을 참조한다. 도면들에서, 달리 지시하지 않는 한 유사한 부호들은 통상적으로 유사한 구성요소들을 동일시한다. 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 도면 및 청구범위에 설명된 예시적인 구현 예들은 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 여기에 제시된 주제의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서, 다른 구현 예들이 이용될 수 있고, 다른 변경이 이루어질 수 있다. 여기에 일반적으로 설명되고 도면에 도시된 바와 같이, 본 개시의 양태들은 매우 다양한 상이한 구성으로 배열, 대체, 조합 및 설계될 수 있으며, 이들 모두는 본 개시의 부분으로 명백하게 고려되고 이루어짐을 쉽게 이해할 것이다.

전기 화학 전지 스택(여기서 "스택"으로도 지칭됨) 비용을 줄이기 위해, 스택의 재료 함량을 줄이는 전략이 추구되어 왔다. 그 결과적인 스택 플랫폼들은 비용 절감 전략으로서, 생성되는 kW당 재료 함량 및 볼륨의 감소를 달성한다. 그러나, 이는 전지 및 스택 내에 상대적으로 더 높은 열부하(단위 부피당 그리고 단위 질량당 열)를 부과하므로 열 관리를 위한 새로운 전략을 필요로 한다. 도 1 내지 도 10은 '099 출원에 설명된 스택 설계들을 도시한다.

도 1a는 일 실시 예에 따른, 연료 전지 스택(110)의 일 부분의 단면 사시도이다. 연료 전지 스택(110)은 일 실시 예에 따른, 복수의 연료 전지 유닛(150), 보다 구체적으로는 기밀 봉착 연료 전지 유닛(110)의 스택을 포함한다. 연료 전지 유닛(110)은 복수의 인터커넥트(152)와 번갈아 나오는 복수의 고체 산화물 연료 전지 유닛(150)을 포함한다. 예를 들어, 도 1b는 연료 전지 스택(110)에 포함될 수 있는 연료 전지 유닛(150)의 개략도를 도시한다. 각각의 연료 전지 유닛(150)은 제1 연료 전극(153a)(예를 들어, 애노드), 제1 산화제 전극(155a)(예를 들어, 캐소드)를 포함하는 제1 전기 화학 전지(154a)를 포함하고 제1 연료 전극(153a)과 제1 산화제 전극(155a) 사이에 개재되는 전해질을 포함할 수 있다. 제2 전기 화학 전지(154b)는 또한 제2 연료 전극(153b), 제2 산화제 전극(155b)을 포함하고, 또한 제2 연료 전극(153b)과 제2 산화제 전극(155b)사이에 개재되는 전해질을 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예에서, 각각의 애노드들은 임의로 애노드 지지체를 포함한다. 몇몇 실시 예에서, 연료 전지 스택(110)은 역류, 즉 전기 분해 전지 스택으로서 동작될 수 있다. 그러한 실시 예들에서는, 전기 화학 전지들(154a/b)의 연료 전극들(153a/b)이 캐소드를 포함할 수 있고, 전기 화학 전지들(154a/b)의 산화제 전극(155a/b)이 애노드를 포함할 수 있다.

제1 전기 화학 전지(154a)와 제2 전기 화학 전지(154b) 사이에는 인터커넥트(152)가 개재된다. 인터커넥트(152)는 이의 종 방향 축(예를 들어, 종 방향 채널(120)이 연료 전지 스택(110)에 걸쳐 이어질 수 있도록 하는 연료 전지 스택(110)의 종 방향 축)을 따라 종 방향 채널(120)을 획정하는 인터커넥트 메인 바디(152a)를 포함한다. 인터커넥트 메인 바디(152a)는 제1 전기 화학 전지 유닛(154a)을 향하는 인터커넥트 메인 바디(152a)의 제1 표면상에 복수의 연료 채널(157)을 그리고 제2 전기 화학 전지(154b)를 향하는 인터커넥트 메인 바디의 제2 표면상에 복수의 산화제 채널(159)을 획정하는 복수의 파상(corrugation)을 포함한다. 복수의 연료 채널(157) 및 복수의 산화제 채널(159)의 각각은 종 방향 채널(120) 주위에, 예를 들어, 대칭적으로 그리고/또는 환형 구성으로 위치될 수 있다. 복수의 연료 채널(157)의 각각의 연료 채널 기저는 제2 산화제 전극(155b)과 전기적으로 접촉할 수 있고, 복수의 산화제 채널(159)의 각각의 산화제 채널 기저는 제1 연료 전극(153a)과 전기적으로 접촉할 수 있다.

예를 들어, 전기 화학 전지들(154a/b) 및 인터커넥트들(152)은 연료 전지 스택(110)이 형성될 때, 종 방향 채널(120)이 연료 전지 스택(110)을 통해 종 방향으로 연장되도록 성형된다. 도 1a의 실시 예에서, 전기 화학 전지들(154a/b) 및 인터커넥트들(152)은 환형 형상을 갖고, 종 방향 채널(120)은 연료 전지 스택(110)의 축 방향 중심에 위치한 중앙 채널이다. 환형 형상을 갖는 것으로 설명되었지만, 연료 전지 스택(110)은 종 방향 채널(120)이 연료 전지 스택(110)을 통해 종 방향으로 연장되는 한, 임의의 다른 적합한 형상, 예를 들어, 난형, 육각형, 정사각형 또는 사각형 또는 임의의 다른 형상을 가질 수 있다. 또한, 종 방향 채널(120)이 연료 전지 스택(110)의 기하학적 중심을 따라 연장되는 것으로 설명되지만, 다른 실시 예들에서, 종 방향 채널(120)은 연료 전지 스택(110)이 연료 전지 스택(110)의 외측 모서리들과 중첩되지 않는 한 연료 전지 스택(110)의 기하학적 중심으로부터 오프셋될 수 있다.

전기 화학 전지들(154a/b)은 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 대안적으로 내외측 주변부에서 각각의 인터커넥트(152)에 봉착된다. 이는 기밀 봉착되지만, 열 응력이 생길 가능성을 줄이기 위해 단위 전지 레벨에 따르는 가요성 구조를 만든다.

연료 또는 산화제 중 어느 하나의 가스는 종 방향 채널(120)을 통해 연료 전지 유닛 (150)으로 진입되고 그로부터 추출되는 반면, 다른 가스는 연료 전지 스택(110)의 외주에서 연료 전지 유닛(150)으로 진입 및 그로부터 추출된다. 특정 실시 예들에서, 종 방향 채널(120)로부터 진입 및 추출되고, 산화제는 연료 전지 스택(10)의 외주에서 진입 및 추출된다. 기밀 전지 대 인터커넥트 봉착은 가스 혼합을 방지한다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 외측 봉착 부재(158)가 제1 전기 화학 전지(154a) 부근 제1 표면상의 인터커넥트(152)의 외주상에 위치될 수 있고, 내측 봉착 부재(156)가 종 방향 채널(120) 주위 제2 전기 화학 전지(154b) 부근 제2 표면상의 인터커넥트(152)의 내주상에 위치될 수 있다. 외측 봉착 부재(158)는 연료 전지 스택(110)의 외주 바깥쪽 볼륨으로부터 복수의 연료 채널(157) 또는 복수의 산화제 채널(159) 중 하나를 유동적으로 봉착시킬 수 있고, 내측 봉착 부재(156)는 종 방향 채널(120)로부터 복수의 연료 채널(157) 또는 복수의 산화제 채널(159) 중 다른 하나를 유동적으로 봉착시킬 수 있다. 특히, 도 1a에 도시된 바와 같이, 외측 봉착 부재(158)는 외주 바깥쪽 볼륨으로부터 연료 채널들(157)을 유동적으로 봉착시키고, 내측 봉착 부재(156)는 종 방향 채널(120)로부터 산화제 채널들(159)을 유동적으로 봉착시킨다.

연료 및 산화제 혼합 및 발화를 야기하는 누설을 회피함으로써, 다음을 포함하여 몇 가지 이점이 얻어진다, (i) 시스템에 대한 반응물 손실의 감소, (ii) 스택상의 열부하 감소(그리고 특히 스택 구성요소들을 손상시킬 수 있는 국소 가열), (iii) 산화제 측의 증기 형성 감소(이는 산화제 전극에 대한 현저한 감손 메커니즘일 수 있는 크롬 휘발 및 수송을 감소시킴), 그리고 (iv) 가열 및 냉각시 교차 누설 감소(이는 사용되는 보호 커버 가스의 볼륨을 줄임).

연료 전지 스택 (110)은 최종 스택의 종횡비(높이 대 직경 또는 폭)에 의해서만 제한되는(이때 너무 높은 종횡비는 제조 및 패키징 상의 어려움들을 나타낼 수 있다) 20 내지 400개의 연료 전지 유닛(150)을 포함할 수 있다. 다양한 실시 예에서, 종횡비는 4:1 내지 5:1의 범위 내일 수 있으나, 보다 짧은 스택들이 특정 응용에 그리고 개발 목적에 유용할 수 있다. 복수의 연료 전지 유닛(150)은 중간에 금속성 인터커넥트들(152)을 갖고 수직으로 적층되어 타워로 될 수 있다.

각각의 연료 전지 스택은 작동 조건들 및 스택 크기에 따라, 약 50 W 내지 약 20 kW의 전력 범위를 갖는다(예를 들어, 0.5 kW 내지 20 kW, 1 kW 내지 15 kW 또는 5 kW 내지 10 kW, 모든 범위 그리고 그 사이 값을 포함). 일 실시 예에서, 스택은 약 7 kW의 전력 범위를 갖는다. 전지 수를 줄이고 작동 조건들을 조절함으로써 대략 50 W만큼 작은 실제 스택들이 제조될 수 있다.

연료 전지 스택(110) 또는 여기에 설명된 임의의 다른 전기 화학 전지 스택은 전지의 제조 동안 그리고 이 후에 스택 동작 동안 유발되는 기계적 응력을 감소시키는 전지 설계를 제공하면서, 전기 화학 전지 스택을 열 제어할 수 있는 기능을 향상시키는 데 적절한 기하학적 구조를 이용할 수 있다. 이러한 두 가지 이점이 구조를 손상시키지 않으면 서 인터커넥트(152)와 전지 둘 다의 박형화를 가능하게 한다.

인터커넥트(152)의 두께는 0.05 내지 0.7 mm 범위(예를 들어, 0.075 내지 0.4 mm 또는 0.08 mm 내지 0.15 mm 범위, 모든 범위 및 그 사이 값을 포함) 내일 수 있다. 전기 화학 전지 유닛들의 두께는 0.2 내지 0.4 mm 범위 내일 수 있다. 특정 실시 예들에서, 그 두께는 0.25 내지 0.35 mm 범위 내일 수 있다. 0.12 mm 인터커넥트들(152) 및 0.3 mm 전지들 통합한 이러한 설계 스택에서 1년에 걸쳐 동작이 입증되었다. 이는 대략 통상적인 SOFC 스택 설계들에 사용되는 인터커넥트의 재료 두께의 1/10 그리고 전지 두께의 ½이다. 완전한 스택을 형성하는 단판, 압축 시스템 및 다른 모든 부품이 포함될 때, 일 실시 예에서 제안된 스택 중량은 작용 면적당을 기준으로 종래 스택의 중량의 ~1/10로 확인되었다.

다시 말해서, 전기 화학 전지 스택의 재료 함량이 감소되고, 그 감소가 상당하다. 본 설계는 실험적인 재료들의 사용을 요구하지 않고, 많은 영역에서 기존의 전기 화학 전지 스택에 비해 재료 요구 사항들을 단순화한다. 본 압축 시스템은 아래에서 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 보다 낮은 부하에 기인하여 단순화될 수 있다. 또한 아래에서 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 매니폴드들 또한 보다 적은 봉착 요구 사항들에 기인하여 간략화될 수 있다. 이렇게 낮아진 재료 함량은 전기 화학 전지 스택의 고유한 비용을 줄인다. kW당 부품 수가 증가하면서, 작은 부품들의 사용, 레이어당 부품 수 감소 그리고 작업자의 개입이 필요한 큰 공차가 없음에 기인하여 자동화에 대한 부품 적합성도 증가한다. 그에 따라, 낮아진 재료 함량의 비용 이점이 전체 부품 수 증가를 능가할 수 있다.

연료 유입구/유출구 봉착 및 산화제 유입구/유출구 봉착

연료 유입과 연료 유출 그리고 산화제 유입과 산화제 유출의 분리는 스택 코어와 매니폴드들 간 상대 운동을 허용하고 스택 코어와 떨어져 압축 가능한 가요성 봉착을 통해 그것에 봉착되는 유동적인 매니폴드들을 통해 이루어진다. 이는 열적 유도 부하에 기인하여 스택 코어가 성장 및 만곡될 수 있게 하며 이는 매니폴드들과 관계 없이 전체 구조에 열적 유도 기계적 응력을 방지 및 감소시킴으로써 개개의 구성요소들을 보호한다. 예를 들어, 세라믹 전지들은 과도하게 응력을 받을 경우 취성 파괴되기 쉽다. 동일한 가스 스트림의 유입구와 유출구 사이에 가요성 봉착부들이 봉착된다. 다시 말해서, 가요성 봉착부들이 연료 유입구와 연료 유출구 그리고 산화제 유입구와 산화제 유출구를 분리시킨다. 바람직하게는, 가요성 봉착부들은 임의의 위치에서 연료와 산화제 가스 사이를 봉착시키지 않는다. 가요성 고온 세라믹 봉착부들이 누설을 갖는 것으로 알려져 있지만, 그러한 누설은 그것이 발화를 일으키지 않고 누설률이 낮은 한(예를 들어: 총 흐름의 ~5% 미만) 단지 체 효율에 악영향만 미칠 것이기 때문에 용인할 만할 수 있다. 이는 외부 매니폴드 설계 접근법의 바람직한 사용을 가능하게 하며, 이는 용, 중량 및 볼륨 이점들을 제공한다.

스택의 주변부 주위 유출구 가스와 유입구 가스의 분리는 가요성 봉착부들을 스택 코어("스택 코어"는 반복되는 스택 부품들 - 전지, 인터커넥트, 봉착부들, 뿐만 아니라 단판들의 조립체를 의미)상에 압축하는 시트 개죠 매니폴드 구조를 통해 이루어진다. 금속 가스 분리 구성요소들은 스택의 매니폴드에 대한 단락으로부터 보호하기 위해 유전체 코팅으로 코팅될 수 있다.

환형 전지 설계는 전지의 열 발생 영역의 임의의 부분으로부터 스택의 외면으로의 전도 경로를 최소로 유지하여, 스택의 열 제어를 유지하도록 돕는다. 도 2a 내지 도 2d는 각각 내부 및 외부 매니폴드 설계들의 상이한 조합들에 기초하여, 연료 및 산화제 가스의 상이한 가능한 유로들을 도시하는, 다양한 실시 예에 따른 연료 전지 유닛들(250a/b/c/d)의 개략적인 상면도들이다. 도 2a는 단일 연료 유입구, 단일 연료 유출구, 단일 산화제 유입구 및 단일 산화제 유출구를 갖는 연료 전지 유닛을 도시한다. 도 2b는 두 개의 연료 유입구, 두 개의 연료 유출구, 두 개의 산화제 유입구 및 두 개의 산화제 유출구를 갖는 연료 전지 유닛을 도시한다. 도 2c는 단일 연료 유입구, 단일 연료 유출구, 두 개의 산화제 유입구 및 두 개의 산화제 유출구를 갖는 연료 전지 유닛을 도시한다. 도 2d는 두 개의 연료 유입구, 두 개의 연료 유출구, 단일 산화제 유입구 및 단일 산화제 유출구를 갖는 연료 전지 유닛을 도시한다. 이러한 예들은 가능한 레이아웃들을 제시하지만, 설계는 예를 들어 보다 많고 보다 짧은 유로를 가짐으로써 작동 압력 강하를 낮추기 위한, 특정 응용에 요구될 수있는 임의의 수의 연료 및 공기 유입구로 조정될 수 있다.

예를 들어, 각각의 연료 전지 유닛들(250a/b/c)에 포함되는 인터커넥트들(예를 들어, 인터커넥트들(152))의 인터커넥트 메인 바디(예를 들어, 인터커넥트 메인 바디(152a))가 복수의 연료 채널(예를 들어, 연료 채널(157))의 각각에 유동적으로 결합되는 적어도 하나의 연료 유입구 채널 및 적어도 하나의 연료 유출구 채널을 획정할 수 있다. 인터커넥트 메인 바디는 또한 복수의 산화제 채널(예를 들어, 산화제 채널들(159))의 각각에 유동적으로 결합되는 적어도 하나의 산화제 유입구 채널 및 적어도 하나의 산화제 유출구 채널을 획정할 수 있다. 적어도 하나의 연료 유입구 채널 및 적어도 하나의 연료 유출구 채널은 종 방향 채널의 제1 부분으로부터 연료를 수용하고 사용된 연료를 종 방향 채널의 제2 부분으로 배출하도록 종 방향 채널에 유동적으로 결합될 수 있다. 외측 봉착 부재(예를 들어, 외측 봉착 부재(158))는 외주 바깥쪽 볼륨으로부터 복수의 연료 채널을 유동적으로 봉착시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 적어도 하나의 산화제 유입구 채널 및 적어도 하나의 산화제 유출구 채널이 제1 부분으로부터 산화제를 수용하도록, 그리고 사용된 산화제를 외주 바깥쪽 볼륨의 제2 부분으로부터 배출하도록 인터커넥트의 외주에 유동적으로 결합될 수 있다. 내측 봉착 부재(예를 들어, 내측 봉착 부재(156))는 종 방향 채널로부터 복수의 산화제 채널을 유동적으로 봉착시킬 수 있다.

모듈식 어레이들

더 큰 시스템들에 대해, 스택들은 모듈식 어레이들로 배치, 예를 들어, 도 3의 어레이(100) 또는 도 4a에 도시된 어레이(200)에 도시된 바와 같이 20 kW 내지 250 kW 또는 보다 큰 어레이들로 또는 도 4b의 어레이(300)에 도시된 바와 같이 40 kW 내지 500 kW 어레이로 배치될 것이다. 보다 큰 시스템들은 다수의 어레이로 구성될 수 있다. 스택 설계는 그것의 통합 압축 시스템, 통합 가스 연결을 통한 직접 볼트 연결, 환경으로의 짧은 전도성 경로, 그리고 고전압 - 저 전류 출력에 기인하여 베열된 레이아웃들에 특히 적합하다. 스택 대 모듈 인터페이스들을 간략화 또는 제거함으로써, 스택은 보다 큰 시스템들의 설계를 간략화할 수 있다. 도 1a의 스택(110)에 기초한 스택 어레이의 두 개의 실시 예가 후술된다. 스택들은 응용에 따라 상이한 패키지 크기들로 배열될 수 있다. 가능한 크기들은 범위가 단일 스택(~1.2 kW)에서 15 x 15 스택 어레이들(250 kw) 그 이상에 이른다. 일례로, 10 x 10, 100 kW 패키지는 압축, 집전 및 덕팅을 포함하여 대략 0.6 m x 0.6 m x 0.3 m(113 L)로 측정되며, 이는 내연 기관들에 뒤지지 않는다.

도 3은 일 실시 예에 따른, 연료 전지 스택들(110)의 어레이(100)의 사시도이다. 이러한 실시 예에서, 연료는 연료 전지 스택(110)의 기저로부터 공급 및 추출되는 한편, 산화제 가스(예를 들어, 공기)는 스택 위 수용 볼륨 내로 진입되고 연료 전지 스택(110)의 기저로부터 추출된다. 공기가 일반적으로 더 높은 대류열용량을 가지고 그에 따라 연료 전지 스택(110)을 냉각시키는 주요 수단으로서 사용될 수 있다. 공기는 상대적으로 저온에서 연료 전지 스택(110)(또는 스택 어레이) 위로 진입되어, 연료 전지 스택들(110) 위 영역을 냉각시킨다. 스프링 압축 및 집전이 이 영역으로 통합될 수 있으며, 이때 낮아진 온도는 적절한 세기 및 전류 흐름 용량을 유지하면서 실험적인 재료의 사용 및/또는 전체적인 재료의 사용을 적게 한다.

큰 SOFC 스택들에 대한 주요 과제인 스택 냉각은 산화제 흐름을 가열함으로써 실현될 수 있다. 직접 대류 냉각과 달리, 다단계 유입구 접근법은 산화제(예를 들어, 가스)가 연료 전지 스택(110) 코어에 직접 진입될 경우 허용될 것보다 훨씬 더 높은 온도 증가를 허용한다. 적절한 사이징으로, 종래 스택의 600℃와 비교하여, 200℃(예를 들어, 150 내지 250℃) 정도의 유입구 온도가 달성될 수 있다. 이 큰 온도 델타 허용은 공기 흐름을 낮추고 예열 부하를 줄여, 어레이(100)를 포함하는 전기 화학 전지 조립체(예를 들어, 연료 전지 조립체 또는 전기 분해 전지 조립체)의 구성요소들의 균형의 효율을 간략화 및 증가시킨다.

각각의 연료 전지 스택(110)은 공기 유입구 덕팅 및 외측 절연을 제외하고는 자체로서 완비될 수 있다. 여기에 설명된 패키징 솔루션은 다수의 연료 전지 스택(110) 사이에서 공기 유입구 및 외측 절연 쉘을 공유함으로써 효율을 제공한다. 몇몇 실시 예에서, 연료 전지 조립체(예를 들어, 도 4a의 연료 전지 조립체(20))는 다음 반복 단위들을 포함할 수 있다: (1) 단위 전지(전지 + 인터커넥트): ~8W, ~0.8V; (2) 연료 전지 스택(수백 전지 + 매니폴딩, 압축 등): ~1200 W, 160 V 내지 250 V; (3) 어레이(가변, 최대 200+ 스택, 인클로저, 절연 등): ~20 to 250 + kW, kV 범위; 및 (4) 모듈들(가변, 도로 수송 가능한 크기들의 어레이들의 구조들): 1 MW+, kV 범위. 다른 실시 예들에서, 연료 전지 조립체(예를 들어, 도 4b의 연료 전지 조립체(40))는 다음 반복 단위들을 포함할 수 있다: (1) 단위 전지(전지 + 인터커넥트): ~ 20 W, ~ 0.8 V; (2) 스택(수백 전지 + 매니폴딩, 압축 등): 7,000 W, 160 V 내지 350 V; (3) 40 내지 350 + kW, kV 레인지; (4) 모듈들(가변, 도로 수송 가능한 크기들의 어레이들의 구조들): 1 MW+, kV 범위.

더 큰 전력 구현 예들(~ 10kW 이상)에서 모듈식 접근법은 추가 이점들을 제공한다. 첫째, 스택 전압들이 병렬 또는 직-병렬 전기 구성으로 연결될 수 있을 만큼 충분히 높다. 이는 자동 부하 차단(load shedding)을 제공한다. 성능이 저하된 임의의 스택은 그것에 전기적으로 병렬인 스택들에 그것의 전류 부하를 자동으로 차단할 것이다. 더 큰 다중 스택 어레이에서의 스택의 완전한 손실은 거의 부정적인 영향을 미치지 않을 것이다. 둘째, 결함이 있는 스택이 다른 스택들을 방해하지 않고 비교적 저렴한 비용으로 교체될 수 있다. 스택들이 상대적으로 적은 기존 시스템이 단일 취약점이 발생하여 크고 관리하기 어려운 스택을 제거하고 개조해야 할 경우, 작은 스택들의 어레이에서 약한 스택, 더 작은 장치만을 교체하고 더 빠르고 저렴한 비용 처리에 의해 국소 취약점이 수정될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 두 개의 상이한 실시 예에 따른, 전기 화학 전지 스택들의 어레이를 포함하는 전기 화학 전지 조립체들의 사시도들이다. 이러한 실시 예들은 유입구 공기를 포함하여 모든 가스 서비스가 하단으로부터 공급되는 것을 제외하고는, 도 3의 실시 예와 유사하다. 이는 스택 어레이 상단의 복잡성을 감소시켜, 초기 조립 및 서비스에 유리할 수 있다. 또한 시스템에 쉽게 통합할 수 있다는 이점들을 제공하고, 착신 및 발신 공기 스트림들 사이에 추가적인 열 전달 가능성을 제공한다. 여기에 설명되는 바와 같이, 도 4a 및 도 4b의 전기 화학 전지 조립체들은 연료 전지 스택들의 어레이를 갖는 연료 전지 조립체들을 포함한다. 다른 실시 예들에서, 도 4a 및 도 4b의 전기 화학 전지 조립체들은 전기 분해 전지 스택들의 어레이를 비롯한 전기 분해 전지 조립체들로서 동작되도록 역류로 동작될 수 있다.

도 4a는 일 실시 예에 따른, 연료 전지 조립체(20)를 도시한다. 연료 전지 조립체(20)는 하우징 기저(30)를 갖는 하우징(21)을 포함한다. 하우징 기저(30) 상에는 연료 전지 스택들(예를 들어, 연료 전지 스택들(110))의 어레이(200)가 배치된다. 어레이(200)는 모든 가스 서비스가 하단으로부터 오는 연료 전지 스택들의 6x6 어레이(40+ kW 어레이)를 포함한다. 도 4b는 다른 실시 예에 따른, 연료 전지 조립체(40)를 도시한다. 연료 전지 조립체(40)는 연료 전지 스택들(예를 들어, 연료 전지 스택들(110))의 어레이(300)가 위치되는 하우징 기저(50)를 갖는 하우징(41)을 포함한다. 어레이(300)는 모든 가스 서비스가 하단으로부터 오는 8x5 어레이(280+ kw 어레이)를 포함한다. 이러한 레이아웃들에서, 하우징 기저(30, 50)는 열 교환 기능들을 통합하고 모든 연료 전지 스택에 고르게 가스를 분배 및 수집한다. 도 5a는 어레이의 연료 및 산화제 유입구들 및 유출구들을 도시하는 도 4a에 도시된 연료 전지 조립체(20)의 기저 부분의 사시도이다. 도 4a의 좌측에서는 두 개의 스택이 생략되었으며, 그에 따라 두 개의 산화제 예열관을 볼 수 있다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 전기 화학 전지 조립체(20)는 하우징 기저(30)를 통해 전기 화학 전지 스택들의 어레이(200)에 유동적으로 결합되는 연료 유입구(22), 연료 유출구(24), 산화제 유입구(26) 및 산화제 유출구(28)를 포함한다. 하우징 기저(30)는 또한 연료 유입구(22)를 통해 하우징 기저(30)로 들어가는 연료와 연료 유출구(24)를 통해 하우징 기저(30)를 빠져 나가는 사용된 연료 사이 열 교환을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환 채널(34)을 획정한다. 하우징 기저(30)에는 어레이(200)와 하우징 기저(30) 사이에서 연료 및 산화제를 전달하기 위한 복수의 스택 인터페이스(32)(예를 들어, 관통 홀) 및 하나 이상의 가스 분배 채널(36)이 또한 제공될 수 있다. 또한, 하우징 기저(30)를 통해 전기 화학 전지 스택들의 어레이(200)에는 유체 우회 유입구(29)가 적어도 하나의 열 교환 채널을 우회하도록 유체 우회 유입구(29)가 유동적으로 결합된다. 그에 따라 연료 유입구(22) 및 유체 우회 유입구(29)가 이중 연료 유입구를 제공하며, 이중 유체 우회 유입구(29)는 연료 전지 스택들의 어레이(200)로 이어지고, 연료 유입구(22)는 열 교환 및 개질 섹션들을 통해 이동한다. 이러한 이중 유입구는 임의적이나, 스택 유입구 온도 및 스택 내 개질의 추가 제어 가능성을 제공한다.

도 5b는 어레이(300)에 유동적으로 결합되는 연료 유입구(42), 연료 유출구(44), 산화제 유입구(46) 및 산화제 유출구(48)를 도시하는 도 4b에 도시된 연료 전지 조립체(40)의 기저 부분의 사시도이다. 이러한 실시 예들에서, 하우징 기저(50)의 상측 부분(56)은 연료 유입 대 연료 유출 열 교한을 통합하고, 또한 연료 개질 섹션들을 포함할 수 있다. 하우징 기저(50)에는 복수의 스택 인터페이스(52)가 또한 제공된다. 도 4b에 도시된 연료 전지 조립체(40)는 이중 유입구를 갖지 않는다. 이러한 실시 예들에서, 냉각 공기 유입구들은 하단으로부터 스택 고온 존으로 들어간다.

인터커넥트 설계

도 6은 일 실시 예에 따른, 인터커넥트(452)의 단면 사시도이다. 인터커넥트(452)는 복수의 연료 채널(457) 및 복수의 산화제 채널(459)을 획정하는 인터커넥트 메인 바디(452a)를 포함한다. 도 6에서, 연료 측은 위에 있다. 연료 채널들(457)은 동시에 전지 산화제 전극과의 전기 접촉 영역들을 형성한다. 산화제 채널들(459)은 동시에 전지 연료 전극과의 전기 접촉 영역들을 형성한다. 연료 채널들(457)은 인터커넥트(452)의 상측상의 리브들에 의해 분리되는 한편, 산화제 채널들(459)은 인터커넥트(452)의 하측상의 리브들에 의해 분리된다, 즉 연료 측 리브들이 산화제 채널들(459)을 형성하고 그 반대로도 그렇다. 도 7a 및 도 7b는 기하학적 중심에 종 방향 채널(420)이 관통하여 설명되는 도 11에 도시된 인터커넥트(452)의 각각, 상면도 및 저면도이다. 도 7a는 각각의 연료 채널들(457)에 유동적으로 결합되는 연료 유입구 채널(463)(또는 흐름의 방향에 따라 연료 유출구 채널)을 도시하는 인터커넥트 상단의 연료 측을 도시한다. 도 7b는 산화제 유입구 채널(465)(또는 흐름의 방향에 따라 산화제 유출구 채널)을 도시하는 인터커넥트 하단의 산화제 측을 도시한다. 도 7a 및 도 7b는 인터커넥트(452)의 연료 측에 대한 각각의 채널(457)(도 7a) 및 산화제 측에 대한 각각의 채널(459)(도 7b)에 의해 공급 받는 유효 작용 면적을 도시한다. 인터커넥트(452)상에 덮어씌워져 있는 편평한 반원 영역들은 각각의 인터커넥트 채널(457, 459)에 노출되는 전지 작용 면적을 나타낸다. 작용 면적은 각각 각각의 채널(457, 459)의 위치 및 크기 양자의 함수이다. 인터커넥트(452)는 그러한 채널(457, 459)에 의해 서비스되는 작용 면적에 비례하는 각각의 채널(457, 459) 아래로 흐름을 제공하도록 설계된다. 이는 전지 전극들 양자로부터의 적절한 집전을 제공하는 크기 및 간격 제약들을 준수하면서 실현된다. 기하학적 구조에 대한 임의의 변화는 인터커넥트(452)의 양 측의 흐름 및 전기적 특성들에 영향을 미친다. 임의로, 전기 접촉을 돕기 위해, 접촉 중간층들이 각각의 전지과 각각의 인터커넥트(452) 사이에 추가될 수 있다.

도 7a 및 도 7b에 도시된 예에서, 외측 봉착 부재(458)는 이 예에서, 외주상에 있는 연료 봉착 부재이다(도 7a). 내측 봉착 부재(456)는 이 예에서, 연료 전지 스택의 종 방향 채널(420) 주위 내주상에 있는 산화제 봉착 부재이다(도 7b). 공간에서 산화제 봉착 부재와 연료 봉착 부재의 분리 및 파상 인터커넥트 설계는 스택의 둘레 또는 두께에 추가하지 않고 필요한 가요성을 제공한다. 물론, 산화제가 종 방향 채널(420)을 통해 흐르는 실시 예들에서, 내측 봉착 부재(456)는 연료 봉착으로 작용할 것인 한편, 외측 봉착 부재(458)는 산화제 봉착으로 작용할 것이다.

인터커넥트(452)의 기본 재료는 대략 0.1 mm 두께(예를 들어, 0.07 내지 0.13 mm 두께)이다. 이는 전지의 작용 면적이 적고, 전지상의 임의의 지점으로부터 모서리까지의 거리가 비교적 작기 때문에 가능하며, 이는 스택 온도가 잘 제어되게 한다. 더 큰 스택들의 경우 또는 거리가 더 큰 경우에는, 스택 및 전지 온도의 제어를 유지하기에 충분한 열 전도성을 갖도록 인터커넥트 두께가 증가되어야 한다.

내부 봉착 설계

인터커넥트(452)와 전지들 사이에 있고, 연료 가스와 산화제 가스를 분리하는 내부 봉착은 어레이(100, 200 또는 300)에 포함되는 전기 화학 전지 스택들에 유리 세라믹 봉착으로 구현될 수 있다. 그것들의 위치는 벨로우즈와 같은 구조를 생성하는 방식으로 내경과 외경 사이에 번갈아 나올 수 있으며, 이는 인터커넥트(452)를 포함하고 상판(440)과 저판(460) 사이에서 압축되는 연료 전지 스택(410)을 포함하는 전기 화학 전지 스택의 개략도를 도시하는도 8의 개략적인 단면도에서 보여질 수 있다. 다시 말해서, 연료 전지 스택(410)에 포함되는 복수의 인터커넥트(452)는 연료 전지 스택(410)이 가요성을 갖도록 벨로우즈와 같은 구조를 함께 형성한다. 인터커넥트(452)는 대략 0.1 mm 두께일 수 있다. 유동장을 발생시키는 파상들과 결합되는 얇은 재료는 그 층 내의 응력을 용이하게 완화시키는 인터커넥트(452)를 만든다. 이로 인해 응력이 층별로 쌓이지 않는 견고한 구조가 생성된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 응력 완화 기능을 제공하기 위해 추가적인 분리기 또는 금속 구성요소는 사용되지 않는 것이 바람직하다. 즉, 연료 전지 스택(410)의 벨로우즈와 같은 구조는 번갈아 나오는 전지(454), 외측 봉착(458), 인터커넥트(452) 및 내측 봉착(456)으로 이루어진다.

내측 봉착(456) 및 외측 봉착(458)에 더하여, 인터커넥트(452)의 외주에 근접한 전기 화학 전지들(454)(예를 들어, 전기 화학 전지 유닛에 포함되는 제1 전기 화학 전지 및 제2 전기 화학 전지의 각각)의 외측 모서리 또는 종 방향 채널(420)에 근접한 전기 화학 전지들(454)의 내측 모서리 중 적어도 하나상에 모서리 봉착 부재(461)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 전지 애노드 지지체의 모서리는 통상적으로 다공성이다. 도 8에 도시된 실시 예에서는, 연료 가스와 산화제 가스 사이에 추가 봉착을 제공하기 위해 전기 화학 전지들(454)의 외측 모서리상에 외측 봉착 부재(461)가 배치된다.

포스트 설계

종 방향 채널을 통해 전기 화학 전지들에 전달되는 가스(연료 또는 산화제 중 어느 하나)에 대한 매니폴드로서, 포스트가 사용될 수 있다. 포스트는 종 방향 채널에 위치될 수 있고, 종 방향 채널로부터 전기 화학 전지들로의 가스 유입구를 전기 화학 전지들로부터 종 방향 채널로의 가스 유출구와 분리시키도록 구성된다. 포스트는 유입구와 유출구 스트림들 사이에 가요성 봉착을 제공하기 위해 세라믹 슬러리, 페이스트, 배팅(batting) 또는 이들의 조합을 이용하여 제자리에 봉착될 수 있다. 포스트는 가요성 봉착 재료가 추가되는 수직 채널을 형성하는 특징부들을 갖는 기계 가공된 금속, 다중 부품 판금, 경납땜물 또는 세라믹일 수 있다.

도 9a 내지 도 9c는 세 개의 상이한 실시 예에 따른, 스택(5100의 종 방향 채널(520)에 위치되는 포스트를 도시하는, 연료 전지 스택(510)의 일 부분의 상단면도들이다. 이러한 실시 예들에서, 종 방향 채널(520)은 스택(510)의 축 방향 중심을 따라 연장되는 중앙 채널이고, 그에 따라 채널 내 포스트가 "중심 포스트"라 칭해진다. 그러나, 다른 실시 예들에서, 포스트는 스택(510)의 중심으로부터 오프셋되는 채널에 위치될 수 있다. 이러한 실시 예에서는, 연료 가스가 종 방향 채널(420)을 통해 전달된다는 것이 또한 가정된다. 도 9a는 일 실시 예에 따른 원형 포스트(530a)를 도시한다. 포스트(530)는 연료를 수용하도록 구성된 포스트 유입구(532a) 및 사용된 연료가 전기 화학 전지 스택(510)을 빠져 나가도록 구성된 포스트 유출구(534a)를 획정하기 위해 그것의 주변부상에 축대칭적으로 위치되는 깊은 홈들을 획정한다. 포스트 유입구(532a) 및 포스트 유출구(534a)는 봉착 공동들(536a)을 통해 서로 유동적으로 분리된다. 도 9b는 종 방향 채널(520)에 배치되는 다른 실시 예에 따른 포스트(530b)를 도시한다. 포스트(530b)는 종 방향 채널(520)을 포스트 유입구(532a), 포스트 유출구(534a) 및 포스트 유입구(532a)를 포스트 유출구(534a)와 유동적으로 분리시키는 봉착 공동들(536)로 나누는 두 개의 평행판을 포함한다. 도 9a 및 도 9b의 실시 예들에서, 중심 포스트들인 포스트(530a/b)는 하나의 연료 유입구 포트 및 하나의 연료 유출구 포트를 포함한다.

도 9c는 서로 다른 편에 위치되는 두 개의 연료 유입구 판(531c)을 포함하는 포스트 조립체(530c)를 도시한다. 두 개의 연료 유출구 판(537c)은 서로 다른 편에 두 개의 포스트 유출구(534c)를 획정하기 위해 연료 유입구 판들(531c)에 수직하게 위치된다. 도 9c의 실시 예에서, 포스트(534c)는 중앙 채널(533c), 예를 들어, 복수의 개구(535c)를 갖는 연료 유입구 판들(531c)에 의해 두 개의 측 포스트 채널(532c)(예를 들어, 측 연료 포트들)과 분리되는 연료 유입구 포트를 포함한다. 연료는 중심 채널(533c)로 흐른 다음 개구들(535c)을 통해 측 포스트 채널들(532c)로 흐른다. 이러한 실시 예의 중심 포스트 조립체(530c)는 연료 유출구 포트들을 포함하는 두 개의 포스트 유출구(534c)를 갖는다. 유입 연료를 유출 연료와 분리시키기 위해서는 봉착 부재(539c), 이를테면 세라믹 코킹 재료가 봉착 공동들(536c)에 삽입된다. 이러한 봉착은 누설 경로가 연료 및 공기를 조합시키지 않기 때문에, 밀폐일 필요는 없다. 그보다, 이러한 봉착을 지나는 누설의 영향은 스택 자체를 통한 연료 흐름을 감소시키기 위한 것이다. 총 흐름의 최대 2%에 이르는 중간 정도의 누설은 스택 성능에 큰 영향을 미치지 않는다. 고체 산화물 연료 전지 시스템들이 통상적으로 연료 전극으로부터 반응 생성물들(H2O, CO2 등)을 스위핑하기 위해 과잉 연료로 동작하기 때문에 중간 정도의 누설이라도 임의의 시스템 특성들에 현저한 영향을 미치지 않을 수 있다.

포스트(530c)에 사용된 봉착 부재(539c) 재료는 열 응력을 구조 내에서 소산시키기 위해 다소 가요성을 갖도록 설계될 수 있다. 가요성 요건의 결과로서, 봉착 부재(539c)는 전지 층들에 견고하게 접합되지 않고, 밀폐성이 아니다. 그러나, 그것은 연료가 봉착을 통한 누설보다는 인터커넥트 주위에서 우선적으로 유동하도록 동시에 가요성이고 충분히 낮은 누설을 갖도록 설계될 수 있다.

열 관리

상술된 연료 전지 스택들의 소형 설계는 전지 및 스택 내에 상대적으로 더 높은 열부하(단위 부피당 그리고 단위 질량당 열)를 부과하므로 열 관리를 위한 새로운 전략들이 바람직하다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 연료 유입구 채널(663a)이 2 내지 10도 범위 내 제1 각도(α)로 내접되는 전기 화학 전지 유닛(650)의 아크 세그먼트를 가로질러 위치될 수 있다. 연료 유입구 채널(663a) 또한 제1 각도(α)로 내접될 수 있다. 몇몇 실시 예에서, 전지 층으로의 연료 유입구 채널(663a)은 제1 각도(α)가 전체 전지 아크(360°)의 대략 5°에 이르도록 슬라이스를 가로질러 위치되며, 연료 유출구 채널(663b)도 그러하다. 몇몇 실시 예에서, 산화제 유입구 채널(665a) 및/또는 산화제 유출구 채널(665b)은 15도 내지 30도 범위 내 제2 각도(β)로 내접되는 전기 화학 전지 유닛(650)의 아크 세그먼트를 가로질러 위치된다. 특정 실시 예들에서, 제2 각도(β)는 전지 아크의 약 20°이다.

산화제 측상에서, 냉기는 열 관리를 위해 스택으로 흐를 수 있지만, 냉각의 대부분은 유입구들 부근에서 발생할 것이며, 이는 전체 전지 면적의 10% 미만을 차지할 수 있다.

연료 측상에서, 내부 개질은 연료 전지 스택에 추가 냉각을 공급할 수 있다. 내부 개질 연료 전지들에서, 개질 촉매는 연료 전지 스택 내에 배치되어 비싸고 복잡한 외부 개질 장비 없이 파이프 라인 천연 가스(CH4), 액화 천연 가스(LNG), 액화 석유 가스(LPG), 바이오-가스, 메탄 함유 석탄 가스 등과 같은 탄화수소 연료를 직접 사용할 수 있게 한다. 내부 개질기에서, 연료 전지에 의해 생성되는 물 및 열은 개질 반응에 의해 사용되고, 개질 반응에 의해 생성된 수소는 연료 전지에 사용된다. 연료 전지 반응에 의해 생성된 열은 흡열 개질 반응에 열을 공급한다. 그에 따라, 내부 개질은 연료 전지 스택을 냉각시키는 데 사용된다. 직접 내부 개질(DIR)이 사용될 경우, 개질 촉매는 연료 유입구의, 연료 전지의 활성 애노드 구획 내에 위치된다. 개질은 빠르나 즉각적인 반응은 아니다. 실제로, 개질 반응에 의해 부과되는 흡열은 연료 유입구 주위로 집중되고 약간의 유동 거리가 전지 내로 퍼진다. 정확한 관통 거리 및 개질 흡열 면적은 스택 기하학적 구조와 작동 조건들에 따라 달라진다. 일반적으로 개질 흡열은 주로 연료 유입구 주위에서 발생하고 냉각 효과의 대부분은 전지 영역의 처음 2% 내지 20% 내에서 발생한다.

본 출원에 설명된 하나의 개념은 전지에 걸친 온도 차이를 감소시키기 위해 개질 및 공기 유입구 흡열을 (모든 연료 전지 유닛을 통한 전체 스택 유입 돌출부에서) 더 큰 백분율의 전지 영역에 걸쳐 확산시키는 것이다. 전지에 걸친 온도 차이를 감소시키는 것은 스택 견고성(전지 또는 봉착 크래킹의 위험 감소), 전지 성능(보다 균일 한 온도로 인해 보다 효율적으로 전지 동작) 및 수명 연장(냉각 확산에 의해 핫스팟을 방지하여 연료 전지 유닛 재료들의 국소 감손율을 감소)에 중요하다.

도 11 내지 도 14는 다양한 실시 예에 따른, 상술된 문제들을 처리할 수 있는 구성들을 도시한다. 이러한 실시 예들에서 사용되는 일반적인 전략은 연료 전지 스택 내 인접한 인터커넥트들을 전략적으로 회전시키는 것이다. 예를 들어, 연료 전지 스택에 포함되는 복수의 전기 화학 전지 유닛 및 인터커넥트는 제1 전기 화학 전지 유닛, 제1 전기 화학 전지 유닛에 인접한 제1 인터커넥트, 제1 인터커넥트에 인접한 제2 연료 전지 유닛 및 제2 연료 전지 유닛에 인접한 제2 인터커넥트를 포함할 수 있으며, 제2 인터커넥트는 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 제1 인터커넥트로부터 순환적으로 오프셋된다. 이러한 전략은 특히 환형 및 원형 전지 설계들에 적합하나, 주기적인 회전 대칭성이 있는 다른 형상들과도 사용될 수 있다.

도 11은 단일 연료 유입구, 단일 연료 유출구, 단일 산화제 유입구 및 단일 산화제 유출구를 갖는 연료 전지 유닛의 흐름 축을 도시하는 연료 전지 유닛(750a)의 개략적인 상면도이다.

도 12a 내지 도 12e는 일 실시 예에 따른, 모든 다섯 개의 연료 전지 유닛이 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 서로 순환적으로 오프셋되는, 도 11에 도시된 다섯 개의 연료 전지 유닛(750a/b/c/d/e) 및 대응하는 인터커넥트의 일례를 도시한다. 다양한 실시 예에서, 제2 인터커넥트(예를 들어, 연료 전지 유닛(750b)에 포함되는 인터커넥트)는 10 내지 170도의 범위 내 각도만큼 제1 인터커넥트(예를 들어, 연료 전지 유닛(750a)에 포함되는 인터커넥트)로부터 순환적으로 오프셋될 수 있다. 도 12a 내지 도 12e에 도시된 실시 예에서, 각각의 인터커넥트는 적어도 약 60°만큼 인접한 양 연료 전지 유닛(예를 들어, 인접한 연료 전지 유닛들(750a 및 750c)을 갖는 연료 전지 유닛(750b))으로부터 순환적으로 오프셋된다. 그에 따라, 각각의 연료 전지 유닛에 대응하는 연료 유입구 채널 및 산화제 유입구 채널 양자가 마찬가지로 인접한 연료 전지 유닛들에 대응하는 연료 유입구 채널 및 산화제 유입구 채널로부터 적어도 약 60°만큼 순환적으로 오프셋된다.

열은 인접한 전지들 사이에 비교적 수직으로 분포되며, 통상적으로 대략 6개의 전지(설계 및 동작 조건들의 세부 사항들에 따를 수 있음)를 가로질러 유용하게 전달된다는 것이 알려져 있다. 도 12a 내지 도 12e에 도시된 실시 예에서, 임의의 층(5n)(연료 전지 유닛(750a))상의 개질 영역은 약 205° 내지 215°의 아크 섹션에, 약 265° 내지 275°의 영역 내 층(5n+1)(연료 전지 유닛(750b))상에, 약 325° 내지 335°의 5n+2(연료 전지 유닛(750c))상에, 약 235° 내지 245°의 5n+3(연료 전지 유닛(750c)), 그리고 약 295° 내지 305°의 5n+4(연료 전지 유닛(750d))상에 있다. 이러한 패턴은 스택에서의 다섯 개의 인접한 연료 전지 유닛의 그룹마다 반복될 것이다. 그에 따라, 스택을 통해 수직으로 대략 10 ° 대역 내에서 모든 개질이 발생하는 대신, 개질 흡열은 130°에 걸쳐 퍼진다. 산화제 유입구 채널들도 유사하게 분포된다.

도 12f는 도 12a 내지 도 12e의 다섯 개의 인터커넥트 모두의 연료 유입구 채널 절반을 도시하는 컷어웨이 사시도이다. 도 12e에 도시된 바와 같이, 연료 전지 유닛들(750a/b/c/d/e)에 포함되는 복수의 인터커넥트의 각각의 인터커넥트의 연료 유입구 채널들(763a/b/c/d/e)은 인접한 인터커넥트의 연료 유입구 채널들(763a/b/c/d/e)로부터 순환적으로 오프셋된다.

몇몇 실시 예에서, 복수의 인터커넥트의 각각(예를 들어, 연료 전지 유닛들(750a/b/c/d/e)에 포함되는 인터커넥트들)은 종 방향 축을 따라 회전 패턴으로 순환적으로 오프셋될 수 있으며, 회전 패턴은 2 내지 10 인터커넥트의 그룹마다 반복된다. 예를 들어, 인터커넥트들의 다양한 실시 예가 도 13 및 도 14에 도시되어 있다. 이러한 실시 예들 양자는 도 11 및 도 12의 실시 예에서의 단일 유입구 - 단일 유출구와 비교하여, 두 개의 산화제 유입구(좌우) 및 두 개의 산화제 유출구(위아래)를 갖는다. 도 13의 실시 예에서, 연료 유입구 및 연료 유출구는 각각 좌우에 있다. 도 14의 실시 예에서, 연료 유입구 및 연료 유출구는 각각 위아래에 있다. 함께, 도 12 내지 도 14는 동일한 개념의 세 개의 상이한 기능 구현 예를 도시하며, 각각 5의 주기(즉, 다섯 개의 인접한 연료 전지 유닛의 그룹마다 인터커넥트들의 회전 구성이 반복됨)를 갖는다. 그러나, 1을 초과하는 임의의 주기가 열 분산 이점들을 제공할 것이다. 예를 들어, 스택은 2 내지 10 또는 2 내지 8 또는 4 내지 6의 회전 패턴 또는 주기를 가질 수 있다.

위에서 설명된 바와 같이, 여기에 설명된 실시 예들은 특히 환형 또는 원형 연료 전지 유닛들에 적합한데, 이는 이러한 방식, 실시 예들이 각 층마다 동일한 반복 부분(인터커넥트 및 연료 전지 유닛)을 이용하여 구현도될 수 있기 때문이다. 즉, 스택 내 모든 연료 전지 유닛은 동일할 수 있고, 모든 인터커넥트가 동일할 수 있다. 스택은 스택을 제조할 때 각각의 연료 전지 유닛이 마지막에 관해 회전함으로써 제조될 수 있다. 그러나 다른 실시 예들에서, 인터커넥트들은 임의의 다른 형상이고 특히 제1 연료 전지 유닛에 대응하는 산화제 유입구가 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 인접한 제2 연료 전지 유닛에 대응하는 산화제 유입구로부터 순환적으로 오프셋되도록, 그리고/또는 제1 연료 전지 유닛에 대응하는 연료 유입구가 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 인접한 제2 연료 전지 유닛에 대응하는 연료 유입구 채널로부터 순환적으로 오프셋되도록 제조될 수 있다.

도 15는 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 서로 순환적으로 오프셋되는 연료 전지 유닛들을 포함하는 연료 전지 스택의 열 전산 유체 역학(CFD, computational fluid dynamics)을 5 주기로 도시한다. 이러한 모델은 선택적으로 회전된 인터커넥트 전략과 결합되는 수직 열 전도도가 (이 모델의 경우) 스택 유출구 온도 미만인 대략 300 ℃에서 유입 공기의 직접적인 충돌에도 불구하고 개질 및 냉기 유입구들 양자의 온도 영향을 효과적으로 완화시키는 역할을 한다.

도 16은 1200 시간이 넘게 전기 분해 모드에서 2 A/cm2로 동작하는, 주기 2를 갖는 순환적으로 오프셋되는 레이어들을 통합하는 스택의 동작을 도시한다. 이 스택은 기존 스택에 비해 체적 전력 밀도와 열부하가 상당히 높을뿐만 아니라, 공격적이고 발열이 심한 전기 분해 조건에서도 동작한다. 선택적으로 회전된 유동장의 통합 및 그 결과로 초래된 열 조건들의 평활화로 인해 전반적인 열 안정성으로 동작할 수 있었다. 도 17은 통상적인 연료 전지 응용에 예상되는 범위 내 열 부하는 나타내는, 1,000 시간이 넘게 연료 전지 모드에서 0.25 A/cm2로 동작하는, 주기 5를 갖는 순환적으로 오프셋되는 레이어들을 통합하는 스택의 동작을 도시한다. 이러한 스택의 안정성과 고성능 레벨(고전압)은 유동장의 선택적 회전으로 인한 열 평활화의 이점들을 보여준다. 도 18은 1,900 시간이 넘게 전기 분해 모드에서 1 A/cm2로 동작하는, 주기 5를 갖는 순환적으로 오프셋되는 레이어들을 통합하는 스택의 동작을 도시한다. 이는 다시 약간 흡열 동작 조건에서 달성되는 안정성과 고성능을 보여준다.

모든 경우에, 전술한 배열들은 본 발명의 응용을 나타내는 많은 가능한 특정 실시 예를 단지 예시하는 것으로 이해되어야 한다. 상이한 기저의 패턴 주기, 단일 스택 내 다양한 패턴 주기, 대안적인 기저 기하학적 구조 및 흐름 구성을 포함하는 다수의 다양한 다른 배열이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 여기에 설명된 개념들의 원리들에 따라 쉽게 고안될 수 있다.

여기서 이용될 때, 용어들 "대략", "약", "실질적으로" 및 유사한 용어들은 본 개시의 주제가 속하는 해당 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 일반적이고 허용되는 사용법과 조화되는 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다. 본 개시를 검토하는 해당 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 이러한 용어들이 이러한 특징들의 범위를 제공된 정확한 수치 범위들로 제한하지 않으면서 설명되고 청구된 특정 특징들에 대한 설명을 가능하게 하려는 의도라는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 용어들은 설명되고 청구된 주제의 비실질적이거나 결과적이지 않은 수정 또는 변경이 첨부된 청구범위에 언급된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주됨을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.

용어들 "결합된", "연결된" 등은 여기서 사용될 때 두 부재가 서로 직접 또는 간접적으로 결합되는 것을 의미한다. 그러한 결합은 고정식(예를 들어, 영구적) 또는 이동식(예를 들어, 착탈 가능 또는 해제 가능)일 수 있다. 그러한 결합은 두 개의 부재 또는 두 개의 부재 및 임의의 추가의 중간 부재들이 서로 일체형으로 일체로 형성되거나 또는 두 개의 부재 또는 두 개의 부재 및 임의의 추가의 중간 부재들이 서로 부착되어 이루어질 수 있다.

여기서 요소들의 위치들(예를 들어, "상단", "하단", "위", "아래" 등)에 대한 언급은 단지 도면에서 다양한 요소의 배향을 설명하기 위해 사용된다. 다양한 요소의 배향이 다른 대표적인 실시 예들에 따라 달라질 수 있고, 그러한 변형들은 본 개시에 의해 포함되도록 의도된다는 것을 유의해야 한다.

다양한 대표적인 실시 예의 구성 및 배열은 단지 예시적인 것임을 유의하는 것이 중요하다. 본 개시에서 단지 몇몇 실시 예만이 상세하게 설명되었지만, 본 개시를 검토하는 해당 기술분야의 통상의 기술자들은 많은 수정(예를 들어, 다양한 요소들의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율의 변화, 파라미터의 값, 장착 배열, 재료의 사용, 색상, 배향 등)이 여기에 설명된 신규한 기술들 및 주제의 이점들로부터 실질적으로 벗어나지 않고 가능하다는 쉽게 이해될 것이다. 예를 들어, 일체로 형성된 것으로 도시된 요소들은 다수의 부분 또는 요소로 구성될 수 있고, 요소들의 위치는 반전되거나 그 외 다른 식으로 변경될 수 있으며, 개별 요소들 또는 위치들의 성질 또는 수는 달라지거나 변경될 수 있다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 서열은 대안적인 실시 예들에 따라 변경되거나 재서열될 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 대표적인 실시 예의 설계, 작동 조건 및 배열에서 다른 대체, 수정, 변경 및 생략이 또한 이루어질 수 있다. 예를 들어, 천공된 배플들은 데드 존을 생성하지 않고 체류 시간을 늘리려는 의도를 달성하도록 추가로 최적화될 수 있다.

Claims

전기 화학 전지 스택으로서,
각각이 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는 복수의 전기 화학 전지 유닛; 및
각각이 인접한 전기 화학 전지 유닛들 사이에 배치되는 복수의 인터커넥트를 포함하며;
각각의 애노드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에 연료 유입구 및 연료 유출구를 갖는 연료 채널이 획정되고;
각각의 캐소드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에 산화제 유입구 및 산화제 유출구를 갖는 산화제 채널이 획정되며;
상기 복수의 전기 화학 전지 유닛 및 인터커넥트는 제1 전기 화학 전지 유닛, 상기 제1 전기 화학 전지 유닛에 인전한 제1 인터커넥트, 상기 제1 인터커넥트에 인접한 제2 전기 화학 전지 유닛 및 상기 제2 전기 화학 전지 유닛에 인접한 제2 인터커넥트를 포함하며, 상기 제2 인터커넥트는 상기 전기 화학 전지 스택의 종 방향 축에 대해 상기 제1 인터커넥트로부터 순환적으로 오프셋되는, 전기 화학 전지 스택.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 인터커넥트는 상기 제1 인터커넥트로부터 10도 내지 170도 범위 내 각도만큼 순환적으로 오프셋되는, 전기 화학 전지 스택.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 인터커넥트는 상기 제1 인터커넥트로부터 약 60도 각도만큼 순환적으로 오프셋되는, 전기 화학 전지 스택.
청구항 2에 있어서,
상기 복수의 인터커넥트의 각 인터커넥트는 인접한 인터커넥트로부터 10도 내지 170도 각도만큼 순환적으로 오프셋되는, 전기 화학 전지 스택.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 인터커넥트의 각각은 상기 연료 유입구에 결합되는 연료 유입구 채널을 포함하고, 상기 연료 유입구 채널은 2도 내지 10도 범위 내 제1 각도로 내접되는 상기 전기 화학 전지 유닛의 아크 세그먼트를 가로질러 위치되는, 전기 화학 전지 스택.
청구항 5에 있어서,
상기 제1 각도는 약 5도인, 전기 화학 전지 스택.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 인터커넥트의 각각은 상기 산화제 유입구에 결합되는 산화제 유입구 채널을 포함하고, 상기 산화제 유입구 채널은 15도 내지 30도 범위 내 제2 각도로 내접되는 상기 전기 화학 전지 유닛의 아크 세그먼트를 가로질러 위치되는, 전기 화학 전지 스택.
청구항 7에 있어서,
상기 제2 각도는 약 20도인, 전기 화학 전지 스택.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 인터커넥트의 각각은 상기 종 방향 축을 따라 회전 패턴으로 순환적으로 오프셋되며, 상기 회전 패턴은 2 내지 10 인터커넥트의 그룹마다 반복되는, 전기 화학 전지 스택.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 인터커넥트의 각각은 복수의 연료 채널 및 복수의 산화제 채널을 포함하고, 상기 복수의 인터커넥트의 각각은 이의 종 방향 축을 따라 종 방향 채널을 획정하는 인터커넥트 메인 바디를 포함하고, 상기 인터커넥트 메인 바디는 상기 제1 전기 화학 전지 유닛을 향하는 상기 인터커넥트 메인 바디의 제1 표면상에 상기 복수의 연료 채널을 그리고 상기 제2 전기 화학 전지 유닛을 향하는 상기 인터커넥트 메인 바디의 제2 표면상에 복수의 산화제 채널을 획정하는 복수의 파상(corrugation)을 포함하며, 상기 복수의 연료 채널 및 상기 복수의 산화제 채널의 각각은 상기 종 방향 채널 주위에 위치되는, 전기 화학 전지 스택.
청구항 10에 있어서,
상기 복수의 연료 채널의 각각의 연료 채널 기저가 대응하는 제2 전기 화학 전지 유닛의 애노드와 전기적으로 접촉하고, 상기 복수의 산화제 채널의 각각의 산화제 채널 기저가 대응하는 제1 전기 화학 전지 유닛의 캐소드와 전기적으로 접촉하는, 전기 화학 전지 스택.
청구항 10에 있어서,
상기 복수의 인터커넥트의 각각은 연료 유입구 채널, 연료 유출구 채널, 산화제 유입구 채널 및 산화제 유출구 채널을 포함하고, 상기 연료 유입구 채널 및 상기 연료 유출구 채널의 각각은 상기 복수의 인터커넥트의 대응하는 인터커넥트의 상기 복수의 연료 채널의 각각에 유동적으로 결합되며, 상기 산화제 유입구 채널 및 상기 산화제 유출구 채널의 각각은 상기 복수의 인터커넥트의 대응하는 인터커넥트의 상기 복수의 산화제 채널의 각각에 유동적으로 결합되는, 전기 화학 전지 스택.
청구항 1에 있어서,
상기 연료 전지 스택이 가요성(compliance)을 갖도록 상기 복수의 연료 전지 유닛의 각각에 포함되는 상기 인터커넥트들이 벨로우즈와 같은 구조를 함께 형성하는, 전기 화학 전지 스택.
연료 전지 스택으로서,
각각이 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는 복수의 연료 전지 유닛;
각각이 인접한 연료 전지 유닛들 사이에 배치되는 복수의 인터커넥트;
각각의 애노드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에 획정되는 연료 채널로서, 연료 유입구 채널 및 이에 유동적으로 결합되는 연료 유출구 채널을 갖는, 상기 연료 채널; 및
각각의 캐소드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에 획정되는 산화제 채널로서, 산화제 유입구 채널 및 이에 유동적으로 결합되는 산화제 유출구 채널을 갖는, 상기 산화제 채널을 포함하며;
상기 복수의 연료 전지 유닛 및 인터커넥트는 제1 연료 전지 유닛, 상기 제1 연료 전지 유닛에 인접한 제1 인터커넥트, 상기 제1 인터커넥트에 인접한 제2 연료 전지 유닛 및 상기 제2 연료 전지 유닛에 인접한 제2 인터커넥트를 포함하고, 상기 제2 연료 전지 유닛에 대응하는 연료 유입구 채널은 상기 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 상기 제1 연료 전지 유닛에 대응하는 연료 유입구 채널로부터 순환적으로 오프셋되는, 연료 전지 스택.
연료 전지 스택으로서,
각각이 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는 복수의 연료 전지 유닛;
각각이 인접한 연료 전지 유닛들 사이에 배치되는 복수의 인터커넥트;
각각의 애노드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에 획정되는 연료 채널로서, 연료 유입구 채널 및 이에 유동적으로 결합되는 연료 유출구 채널 갖는, 상기 연료 채널;
각각의 캐소드와 각각의 인접한 인터커넥트 사이에 획정되는 산화제 채널로서, 산화제 유입구 채널 및 이에 유동적으로 결합되는 산화제 유출구 채널을 갖는, 상기 산화제 채널을 포함하며;
상기 복수의 연료 전지 유닛 및 인터커넥트는 제1 연료 전지 유닛, 상기 제1 연료 전지 유닛에 인접한 제1 인터커넥트, 상기 제1 인터커넥트에 인접한 제2 연료 전지 유닛 및 상기 제2 연료 전지 유닛에 인접한 제2 인터커넥트를 포함하며, 상기 제2 연료 전지 유닛에 대응하는 산화제 유입구 채널은 상기 연료 전지 스택의 종 방향 축에 대해 상기 제1 연료 전지 유닛에 대응하는 산화제 유입구 채널로부터 순환적으로 오프셋되는, 연료 전지 스택.