KR100392748B1 - 관형 폴리머 전해질 연료 전지 조립체 및 그 제조 방법 - Google Patents

관형 폴리머 전해질 연료 전지 조립체 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 조립체는 유체 투과성 물질로부터 제조된 다공성 관형 기판(12)과, 이 기판에 대하여 일렬로 권선된 복수개의 연장된 가요성 폴리머 전해질 연료 전지(14)로 제조된다. 각각의 연장된 전지는 중앙 양자 교환막, 상기 막의 일측에 장착된 캐소드 소자 및 상기 막의 타측에 장착된 애노드 소자를 포함한다. 바람직한 배치에 있어서, 제1 연장하여 권선 처리된 연료 전지의 애노드 소자는 인접하여 권선 처리된 연료 전지의 캐소드 소자와 전기적으로 접촉한다.

Description

관형 폴리머 전해질 연료 전지 조립체 및 그 제조 방법{TUBULAR POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL ASSEMBLY AND METHOD OF MANUFACTURE}
연료 전지는 고유의 열역학에 의해 제한되는 열 엔진으로의 에너지 전환에 대한 대안으로서 고려되고 있는 전기 화학적 에너지 전환 소자이다. 연료 전지의 개념은 연료 전지가 NASA 우주 프로그램의 제미니 부분(Gemini portion)에 에너지 기억 소자로서 도입된 1960년대 초기 이래로 잘 알려져 있다.
일반적인 연료 전지는 3개의 성분과 2개의 전극으로 구성된다. 즉, 캐소드 전극과 애노드 전극 및 이들 사이에 샌드위치된 가교 전해질로 구성된다. 일반적으로, 연료 전지는 이용된 전해질에 의해 분류되어 왔다. 현재, 연료 전지의 5개의 분류 즉, 폴리머 전해막(Polymer Electrolyte Membrane; PEM)(이하, 「양자 교환막 연료 전지」라 한다), 알칼라인 연료 전지(Alkaline Fuel Cells; AFC), 인산 연료 전지(Phosphoric Acid Fuel Cells; PAFC), 용융 카보네이트 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cells; MCFC) 및 고체 산화 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cells; SOFC)가 알려져 있다.
PEM형 연료 전지는 각종 이유 때문에 나머지 형태의 연료 전지에 비해 특정한 잇점이 있다. 하나의 잇점은 PAFC 및 AFCS에 있는 액체 전해질로부터 발생하는 동작의 복잡성을 최소화시키는, 전지에 이용된 전해질의 고체 성질에 있다. 또한, PEM형 연료 전지의 성질은 매우 높은 온도에서만 동작할 수 있는 MCFC와 SOFC 등의 다른 연료 전지의 형태와 비교할 때 상대적으로 낮은 온도(80 ℃)에서 동작 가능하게 한다. 게다가, 일반적으로 PEM형 연료 전지는 더욱 효율적이며, 작동 수명이 길고, 다른 형태의 연료 전지에서보다 높은 전력 밀도를 유지할 수 있다. 하지만, PEM형 연료 전지는 기존의 알려진 설계상의 제한에 기인하여 상업적으로 성공하지 못하고 있었다. 이러한 설계의 대부분은 소위 "판(plate)과 틀(frame)" 방식이라 부르는 병렬 배치로 조립되는 평탄판 기하학적 구성(flat plate geometries)을 이용하고 있다. 이러한 설계는 다소 복잡하고, 고가의 "반응성 흐름 판(reactant flow plate)" 설계를 이용하고 있다.
기존의 "판과 틀" 방식의 다른 단점으로서, 이를 이용한 연료 전지 조립체는 고도의 숙련된 기술자에 의해 수작업으로 제작되어야하기 때문에, 조립 비용과 시간의 소요가 증대되는 것에 있다.
또 다른 단점은 "판과 틀" 연료 전지 설계를 이용하여 생성되는 구조의 경직성(rigidity)과 거대성(bulkiness)에 있다. 즉, 적절한 전력을 생성하기 위하여, 일련의 판들은 서로 조립된 다음에 단단하고 큰 밀봉(enclosure)으로 보유되어야 한다. 그러한 밀봉은 랩 탑 컴퓨터등의 휴대용 장치에서는 쉽게 유지될 수 없다.
최종적으로, 기존의 연료 전지 설계는 효율성을 위한 열 관리를 필요로 한다. 비록 열 교환용 판과 틀 설계는 잘 알려져 있다할지라도 그러한 형태의 연료 전지의 구성은 전기 및 열 부하가 동시에 조정되어야 한다는 문제를 갖고 있다. 그 결과 추가의 냉각 판을 필요로하는 분리 냉각 회로가 요구되어 설계상의 부피 증대 뿐 아니라 제조 비용도 증대하게 된다.
현재 잘 알려진 개개의 PEM형 연료 전지는 소량의 전압을 생성한다. 상당한 양의 에너지를 생성하기 위하여, 전지는 소정의 방식으로 전기적으로 접속되어야만 한다. 연료 전지의 전기적 상호 접속 방법의 내용은 연료 전지가 서로의 상부에 적층되고 있는 미국 특허 제5,338,623호에 개시되어 있다. 이러한 형태의 연료 전지도 기존과 동일한 판과 틀 방식의 이용으로 부피가 증대되고 있다. 현재, 미국 특허 제5,336,570호에 개시된 바와 같은 잘 알려진 관형 전지의 구성은 기판상에 굴곡(wound)된 큰 횡단 구획 영역의 필요 때문에 전력 손실이 있게 된다.
결국, 일반적인 연료 전지는 소정의 전기 화학 반응을 생성하기 위하여 막(membrane)을 통한 이온 전송을 이용한다. 이러한 반응을 발생시키기 위하여, 반응물(통상 애노드에는 수소 가스와 캐소드에는 대기로부터의 산소)은 외부 소스(source)나 탱크(tank)로부터 막의 각 전극측에 공급되어야 한다.
본 발명의 목적은 개선된 구조의 연료 전지 특히, 폴리머 전해막(PEM) 형태의 연료 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 저렴한 제조 비용으로, 종래의 "판과 틀" 설계에 나타난 복잡성을 제거한 연료 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 자동화 대량 생산에 적합한 제조 방법으로 구현되는 연료 전지 조립체를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고전압 출력을 생성하기 위하여 분리 배치된 연료 전지 사이의 전기적 접속이 가능한 연료 전지 조립체를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 분리된 외부 반응 소스를 필요로하지 않는 연료 전지 설계를 제공함에 있다.
본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 특히 폴리머 전해질(Polymer Electrolyte) 연료 전지 또는 양자 교환막(Proton Exchange Membrane ; PEM) 연료 전지 등의 연료 전지 조립체의 개선된 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1의 바람직한 실시예에 따라 제조된 관형 연료 전지 조립체의 부분 절단 투시도.
도 2는 도 1에 따른 연료 전지 조립체의 계통도.
도 3은 도 1과 도 2의 조립체에 대한 개개의 다층화된 연료 전지의 부분 횡단면도.
도 4는 개개의 연료 전지 조립첼를 전기적으로 상호 접속시키는 바람직한 방법을 설명하는 도 1 내지 도 3의 연료 전지 조립체의 부분 절단면도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 조립체의 부분 절단면도.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 조립체의 부분 절단면도.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가스의 관통 확산이 가능한 관형 기판을 제공하는 단계와;
중앙의 양자 교환막, 상기 막의 일측에 장착된 캐소드 소자 및 상기 막의 반대측에 장착된 애노드 소자를 구비한 제1 연장된 연료 전지를 상기 관형 기판에 권선시키는 단계와;
복수개의 상기 연장된 연료 전지를 상기 제1 연장된 연료 전지와 일렬 배치로서 상기 관형 기판에 권선시키는 단계와;
상기 권선된 연장 연료 전지를 전기적으로 접속시켜 연료 전지 조립체를 생성하는 단계를 포함한 연료 전지 조립체의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 가스의 관통 확산이 가능한 물질로 구성된 관형 기판과;
일렬 방식으로 권선된 복수개의 연장된 가요성 폴리머 전해질 연료 전지를 포함하며, 상기 연료 전지는 중앙의 양자 교환막, 상기 막의 일측에 장착된 캐소드소자 및 상기 막의 반대측에 장착된 애노드 소자를 구비하고;
상기 조립체에 생성되는 전력을 향상시키기 위하여 제1 연장된 가요성 연료 전지의 상기 애노드 소자를 바로 인접한 전지의 상기 캐소드 소자에 전기적 접촉에 의해 접속시키는 수단을 포함하는 연료 전지 조립체가 제공된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 중앙의 양자 도전막, 상기 막의 일측에 부착된 애노드 소자, 상기 막의 타측에 부착된 캐소드 소자 및 상기 연료 전지를 지지하는 관형 횡단면을 갖는 지지 기판을 포함한 다층으로 구성된 적어도 하나의 연장된 가요성 연료 전지를 포함하는 연료 전지 조립체가 제공된다.
본 발명의 잇점은 일련의 가요성 연료 전지가 종래에 알려진 PEM형 연료 전지보다 더 작은 공간을 점유하는 방식으로 더 저렴하게 제조될 수 있다는 것이다.
본 발명의 다른 잇점은 전체적으로 자기 함유된(self-contained) 연료 전지 조립체가 제조될 수 있으며, 외부적으로 위치된 소스로부터 연료를 분리하여 파이핑(piping)하는 일 없이 적어도 하나의 연료 소스를 구비할 수 있다.
이 기술 분야의 숙련된 자는 이하에 첨부한 도면을 참조한 본 발명의 상세한 설명을 통해 본 발명의 추가의 목적, 잇점 및 특징을 명백히 알 수 있을 것이다.
이제, 본 발명을 임의의 특정한 실시예에 따라 설명한다. 하지만, 첨부된 특허청구의 범위의 사상 및 양태 내에서 다른 변경이 행해질 수 있음에 유의하여야 한다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 조립체의 제1 실시예를 설명한다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 조립체(10)는 부분적으로 절단하여 도시한 바와 같이, 가스 투광성 물질 예컨대, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 제조된 다공성 속빈 관형 기판(12)을 구비한다. 간단히 말해서, 본 실시예에 따르면, 관형 기판(12)은 기판의 외부 표면(19)으로 가요성 MEA를 테이프 포장(tape-wrapping)시키고, 상세하게 후술하는 바와 같은 완전한 전력 소스를 형성하기 위하여 일렬 방식으로 조립체를 배치시킨 복수개의 개개의 가요성 및 연장된 연료 전지 조립체(14)(이하, 「막 전극 조립체」 또는 「MEA」라 한다)를 위한 지지체를 형성한다.
도 2를 참조하면, 관형 기판(12)은 한쌍의 지지성 종단 캡(21, 23)을 구비한고정구(20) 내에 함유된다. 본 실시예에 따르면, 고정구은 원통형의 횡단면을 이루고 있지만, 다른 기하학적 모양도 좋다. 종단 캡(21) 중 하나는 입구(22)를 구비하고, 나머지 반대측에 위치된 종단 캡(23)은 출구(24)를 구비하며, 각각은 관형 기판(12)의 내부(18)로부터 연장한다. 동작 시, 입구(21)는 반응성 용액을 공급하는 외부 소스(도시하지 않았음)에 유체로 상호 접속된다. 이 때, 유체란 유리 및 액체로서 정의된다. 수소 가스(H2)는 본 발명의 목적을 위해 이용되고 있지만 예컨대, 메탄올과 같은 다른 반응물 또한 적절한 전기 화학 반응을 달성하는데 효과적으로 이용될 수 있다.
다시, 도 2를 참조하면, 대기 또는 임의의 다른 적절한 반응물은 고정구(20) 외부에서 순환된다. 즉, 본 발명에 따라 이용되는 산소 이온등을 마련하기 위하여 관형 기판(12)의 외부에는 전기 화학 반응용 전자가 제공된다.
도 3은 개개의 가요성의 연장된 MEA(14)의 횡단부를 도시한다. 조립체(14)는 조립체의 바닥으로부터 애노드 컬렉터 소자(30), 애노드 전극 소자(34), 이온 도전성 전해막(40), 캐소드 전극 소자(42) 및 캐소드 컬렉터 소자(46)를 구비한 복수개의 시트 모양 또는 스트립층을 포함한다. 캐소드 전극과 캐소드 컬렉터 소자(42, 46)는 이하에 설명하는 바와 같이 인접 위치된 MEA(14) 사이에 전기적 상호 접속이 가능하도록 조립체(14)의 애노드 전극과 애노드 컬렉터 소자(34, 30)에 대하여 엇갈리게 하는 것이 좋다.
예를들면, 이온 도전성 전해막(40)은 퍼플루오르술폰산 폴리머 (perfluorosulfonic acid polymer)(예컨대, 윌밍톤 델라웨어 소재의 E.I. DuPont de Nemours사에 의해 제조된 Nafion No. 117) 등의 약 0.1 ampere/㎠ 전류 밀도 이상의 양자 도전성 소자이다. 하지만, 기타의 잘 알려진 막 예컨대, Dow Chemical Co. Experimental XUS 13204.10 또한 이용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 막(40)은 각각의 면접측에 제공된 100 미크론 두께의 다공성 가스 확산층(도시하지 않았음)을 갖는 약 20 미크론 두께의 이오노머(ionomer)이다.
본 발명에 따른 애노드 전극과 캐소드 전극 소자(34, 42)는 각각 막(40)의 면접측 중 하나에 배치된 다공성 카본 또는 그래파이트 섬유 스트립으로 제조된다. 각 소자(42, 34)의 섬유는 이온 운반을 용이하게 하는 이온 도전성 물질과 촉매 성분층으로 함침(含浸)된다. 본 발명에 따르면, 백금 촉매제가 함침 물질로서 이용되고 있지만, 기타의 다른 촉매제 예컨대, 은, 팔라듐, 금과 구리 또는 그 산화물이 이용될 수 있다. 바람직하게는, 캐소드(40)와 애노드 시트(32) 각각의 배면측(41, 33)은 스프레이 코팅과 같은 잘 알려진 방법에 의해 제공된 폴리테트라플루오르에틸렌(Teflon plastic)등의 폴리머 코팅과 백금의 공동 증착에 의해 소수체(疎水體)로 제조된다. 본 실시예에 따른 각 소자(42, 34)의 두께는 약 5 미크론이며, 함침의 두께는 양자 도전 소자의 두께(즉, 20 미크론)와 거의 동일하지만, 다른 적절한 두께도 고려될 수 있다. 다양한 종류의 다른 물질 또는 물질의 조합 및 방법이 이 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 이러한 물질은 도전성이어야 하며, 전기 화학 반응을 달성하도록 계면 영역에서 유체 확산이 가능해야 된다.
관형 기판(12)으로의 개개의 연료 전지 조립체의 상호 접속을 설명하기에 앞서, 전술한 도 1 내지 도 3을 다시 참조하여 통상의 전기 화학 반응의 기구(機構)를 설명한다. 적어도 하나의 MEA(14)가 도 1의 절단부에 도시한 바와 같이 기판(12)의 외주에 권선 처리되어 있다는 가정이 주어진다.
전술한 바와 같이, 다량의 수소 반응 가스(H2)는 외부 소스로부터 다공성 관형 기판(12)의 내부(19)에 공급된다. 유체 투과성 물질로 제조된 기판(12)은 가스의 이동을 가능하게 하는데, 예를들어 산소는 조립체(10)의 외부로부터 내측의 전해막(40) 쪽으로 운반된다.
애노드 전극 소자(34) 상에 촉매 백금층이 존재하기 때문에, 애노드에 도달하는 수소 분자는 수소 원자로 분해되고, 그들의 전자는 제거되어 H+ 이온이 형성된다. 이러한 이온은 막(40)의 이온 투과성 전해층을 투과할 수 있다.
이와 유사하게, 산소 분자를 함유하는 대기는 캐소드 섬유 전극 소자(42)를 통하여 흐르게 된다. 캐소드 전극 소자(42)의 함침된 촉매(백금)층의 존재는 산소 분자가 산소 원자로 분해되게 하고 전자를 수용하게 하는 한편 전해막(40)에 도달한 H+ 이온과 반응하여 물 분자를 생성하게 한다.
잘 알려진 바와 같이, 수소 분자의 분해에 의해 생성된 전자는 고정구(20) 종단의 외부 회로(도시하지 않았음)에 운반된다. 진행중인 반응은 애노드 전극 소자(34)에 생성된 수소(H+) 이온을 캐소드 소자(42)의 촉매화된 부분으로 계속하여 끌어당긴다.
전술한 전기 화학 반응을 달성하기 위하여, MEA(14)는 소정의 전기적 도전성 물질의 함침성, 촉매성 및 물을 확산시키지 않고 가스만을 확산시키는 소수성 코팅을 갖는 섬유성 전극 소자(34, 42) 사이에 샌드위치된 극소의 막(40)으로 존재할 수 있다. 본 실시예에 따르면, MEA(14)는 관형 기판(12)의 외부에 테이프 포장이 가능한 스트립 모양의 형태로 개별적으로 제조된다. 하지만, 본 실시예에 따르면,반응의 결과로서 형성된 전자를 포집(捕集)할 필요가 있다.
도 3을 다시 참조하면, MEA(14)는 또한 애노드 전극(34)의 배면측(33)에 부착되는 애노드 컬렉터 스트립 또는 소자(30)를 구비하며, 애노드 전극(34)에서 반응 가스로부터 생성된 전하를 운반하는데 이용된다. 애노드 컬렉터 소자(34)는 편복선(編覆線), 편복관(編覆管) 또는 천공 포일로 제작될 수 있는 고 등급의 티타늄, 알루미늄, 티타늄 코팅 알루미늄, 스테인레스 강철 및 도전성 폴리머 복합물 등과 같은 도전성 물질로 제조된다.
이와 유사하게, 캐소드 컬렉터 소자(46)는 캐소드 전극 소자(42)의 배면측(41)에 인접하게 위치되어 이 분야에서 잘 알려진 방법으로 막(40)으로부터 이동되어 전술한 외부 회로(도시하지 않았음)로 지향되는 전자를 포집한다. 각 컬렉터(46, 30)는 캐소드와 애노드 전극 소자(42, 34)의 폭의 치수와 동일한 폭의 치수를 갖는다.
전술한 바와 같은 층에 더하여 다른 층을 갖는 별법(別法)으로 설계된 MEA(70)가 도 5에 도시되어 있다. 간결성을 위해, 동일한 부분은 동일한 참조 부호를 병기하였다. 전해막(40), 캐소드 전극과 애노드 전극(42, 34) 및 캐소드와 애노드 컬렉터(46, 30)에 더하여, MEA(70)는 관형 기판(12)(도시하지 않았음)의 외부를 포장할 때 그 외부를 도포하는 다공성 내부 스킨(skin)(50)과 캐소드 컬렉터 시트(46)의 배면측을 도포하는 상기와 유사한 다공성 외부 스킨(54)을 구비한다. PTFE 또는 다른 적합한 물질로 제조된 절연체 시트(60)는 또한 교차 회로를 방지하기 위하여 캐소드 전극 시트(42)와 캐소드 컬렉터 시트(46) 사이에 제공된다.
전술한 바와 같이, 개개의 MEA(14)는 도 1에 개략적으로 도시한 바와 같은 일렬 방식으로 관형 기판(12)에 배치되며, 각각의 조립체는 도 1 또는 도 5 중 어느 하나의 스트립 모양의 형태로 제조되며, 테이프 권선되거나 이와 달리 관형 기판(12)의 외부(19)에 포장된다. MEA(14)를 관형 기판(12)에 적용하기에 앞서 MEA(14)는 전체적으로 또는 부분적으로 조립될 수 있다는 점, 즉 조립체(14)는 부분 또는 전체로 부착된다는 점에 유의하여야 한다. 별법으로, 개개의 MEA(14)의 각 층은 일련의 연속적인 응용으로 원위치에서 관형 기판(12)에 적용될 수 있다.
다수개의 MEA(14)의 축적보다 관형 기판(12)의 외부로의 단일 포장이 가능한 전술한 폭의 치수보다 더 큰 폭의 치수를 갖는 단일의 MEA(14)가 이용될 수 있음에 유의하여야 한다. 조립체는 일련의 평탄 판으로서 교호로 배치될 수 있다.
하지만, 응용 방법, 즉 전체나 부분적인 개개의 MEA의 관형 기판(12)으로의 테이프 포장과 같은 개개 층의 응용과는 상관없이, 전원으로서 적합한 적절한 전기 전하를 축적하기 위하여 각각의 MEA(14)를 전기적으로 함께 접속시킬 필요가 있다.
단일의 MEA(14)가 관형 기판(12)에 배치되는 위치에 대하여, 포지티브(양극) 부분과 네가티브(음극) 부분은 관(도시하지 않았음)의 종단에서 병렬 배치로 각각 접속되고, 도 2의 종단 캡(21, 23)의 권선의 종단에 전기적으로 포집된다. 이러한 설계에서도 접속이 좋지 않다면 상당한 전력 손실이 있을 수 있다. 도 6은 단일 다중 전지 조립체로의 일렬 접속을 이용하는 별법의 설계를 도시하고 있으며, 이하에 보다 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 도 1 내지 도 3의 제1 실시예에 따라 인접하게 포장된 MEA(14) 사이의 바람직한 일련의 상호 접속을 도시하고 있다.
먼저, 본 실시예에 따르면, 애노드 컬렉터 스트립(30)은 작은 간극이 인접한 스트립에 제공되어 있는 도시한 바와 같은 간격의 관계로 다공성 관형 기판(12)에 권선된다. 스트립은 접착 방법이나 기타의 다른 방법에 의해 기판에 위치될 수 있다.
제2 권선 조작은 애노드와 캐소드 전극(34, 42) 사이에 샌드위치된 미리 제조된 막(40)을 구비한 MEA(14)의 설치에 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 MEA(14)는 지그재그의 배열로 구성되어 막(40)은 MEA의 폭을 가로질러 연장하는 폭의 치수를 가지게 되고 캐소드와 애노드 전극(40, 34)은 미리 설정된 양만큼 오프셋된다.
각각의 MEA(14)의 동일한 음극부(anodic portion)는 각각의 권선된 컬렉터 스트립(30)의 상단 에지(37)에 배치된다. 애노드 컬렉터 스트립(30)을 이격시킴으로써, 인접한 MEA의 음극부(51)는 양극부(53)와 접촉하여 위치된다.
최종적으로, 캐소드 컬렉터 스트립(46)은 스트립의 선두 에지(39)를 양극부(53)(노출된 캐소드 컬렉터 시트(42))와 배치되게 스트립의 선두 에지(39)를 포장함으로써 조립체(10)에 권선된다. 이러한 배치에 있어서, 단일 전지 조립체의 부분(53)은 다음의 전지 캐소드에 전기적으로 연결된다. 전술한 구성은 일렬 접속을 제공하며, 연료 전지 조립체(10)의 전압 출력을 향상시킨다. 통상적으로, 개개의 PEM형 연료 전지 유닛은 1 볼트 이하를 생성하므로, 전술한 바와 같은 일렬 접속의 제공은 매우 유익하며, 전체의 연료 전지 조립체의 전압을 상승시키는 단순한 방법이 된다.
도 6은 개개의 연료 전지 조립체 사이의 전기적 상호 접속을 제공하기 위한 다른 방법을 설명한다.
단일의 다중 전지 조립체(90)는 전해 매체에 부분적으로 함침되고, 애노드와 캐소드 전극 소자(96, 98) 사이에 샌드위치되는 다공성 막(92)을 구비한다. 하지만, 막(92)은 일련의 분리부의 부가에 의해 전기적 도전성이 주어진다. 막(92)은 이온 전송이 가능한 퍼플루오르술폰산 폴리머와 같은 물질로 함침되지만, 카본, 티타늄, 300 시리즈 스테인레스 강철 및 폴리아닐린 등의 도전성 폴리머와 같은 전기적 도전성 물질을 구비한 일련의 밴드부(banded portion)(94)를 구비한 다공성 물질로 제작될 수 있다. 도전성 물질은 잘 알려진 화학 증착이나 기계적 증착 방법에 의해 제공되는데, 예컨대 전기적 도전 물질의 미세하게 분리된 입자의 서스펜션은 잉크와 같은 액체 형태로 다공성 막에 혼합될 수 있다. 별법으로, 전기적 도전부(94)는 막(92)의 상부나 내부로 판금될 수 있다.
조립체(90)과 같은 연속성 시트의 제공은 연속한 개개의 연료 전지 사이에 완전한 조립체로 더 나은 봉합이 가능하게 된다.
또한, 애노드와 캐소드 전극(96, 98)의 선두 에지 각각에 대한 전기적 부분의 제공에 의해, 인접한 전지 사이에 보다 효과적인 전기적 접속이 제공된다. 전술한 바와 같이, 애노드와 캐소드 소자(96, 98)는 실크 스크린 처리나 다른 응용 기술을 통해 제공될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 막(92)은 대략 20미크론 두께이며, 따라서 그 막을 통해 전기적 전하를 운반하여 전기적 가교를 형성할 수 있다.
동작에 있어서, 전기 화학 반응은 전술한 바와 같은 방법으로 전극 소자를 통한 전하의 이동에 의해 발생한다. 일렬의 전기적 접속은 전해질 막에 전기적 도전 물질의 혼합에 의해 제공되어 전압 레벨이 성취된다. 다공성 전기적 필름층은 대략 100미크론 두께이며, 촉매 함유 전극의 두께는 각각 대략 5미크론이지만, 다른 두꺼운 두께가 적용될 수 있다. 또한, 전술한 실시예는 반응물이 반응하도록 촉매의 정상부에 적용되는 유체 확산층(도시하지 않았음)을 구비하는 것이 좋다.
다음의 청구항은 전술한 바 있는 본 발명을 한정한다. 본 발명의 사상과 정신의 범위 내에서 기타의 변경과 수정을 용이하게 상도해 낼 수 있다. 예를들면, 전술한 제1 실시예에 있어서, 만일 애노드 컬렉터 부분이 브레이드 와이어(braided wire)로 애노드 컬렉터를 제조한 것등에 의해 충분히 단단하다면, 다공성 관형 기판의 필요성은 제거될 수 있다.

Claims (30)

  1. 유체 투과성 물질로 제조된 관형 기판과;
    상기 기판에 일렬로 권선되고, 각각의 연료 전지가 중앙의 양자 교환막, 상기 교환막의 일측에 장착된 캐소드 소자 및 상기 교환막의 타측에 장착된 애노드 소자를 구비한 복수 개의 연장된 가요성 폴리머 전해질 연료 전지와;
    제1 연장된 연료 전지의 상기 애노드 소자를 바로 인접한 다음 전지의 상기 캐소드 소자와 전기적으로 접촉하도록 접속하는 수단
    을 포함하고,
    상기 중앙막은 전기 전도성 물질로 제조된 부분을 가지며, 상기 부분 중 적어도 일부는 전지의 애노드와 인접 전지의 캐소드 사이에 전기적 가교를 형성하는 것인 연료 전지 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각 전지의 캐소드 소자 및 애노드 소자는 길이 방향으로 연장되어 각 전지의 양자 교환막과 접촉하는 카본 시트를 함유하는 촉매로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 각 전지의 장착된 캐소드 소자 및 애노드 소자는 상기 양자 교환막과 접촉하고 있지 않는 상기 소자의 일측을 따라서 소수성 코팅을 함유하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 각 캐소드 소자에 장착된 가요성 캐소드 전하 컬렉터와 상기 각 애노드 소자에 장착된 가요성 애노드 전하 컬렉터를 포함하며, 상기 캐소드, 애노드 및 막은 상기 컬렉터 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전하 컬렉터는 상기 관형 기판에 권선될 수 있는 가요성의 전기적 도전 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체.
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서, 상기 전하 컬렉터는 중공 관의 스트랜드(strand)로 제조되며, 상기 전지로부터의 열을 보상하기 위하여 상기 관을 통해 유체를 이동시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 관형 기판에 장착된 대향하는 종단 캡들을 더 포함하며, 하나의 상기 종단 캡은 유체의 입구를 갖고 있고, 다른 종단 캡은 유체의 출구를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 각 전지의 외부 전하 컬렉터 상부에 놓여진 다공성 외부 스킨을 더 포함하며, 상기 스킨은 가요성 플라스틱 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 권선된 각 전지의 애노드는 상기 다공성 기판과 면접하고, 상기 다공성 기판을 통하여 반응성 유체를 통과시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체.
  11. 제4항에 있어서, 상기 캐소드 전하 컬렉터는 반응 유체에 노출되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체.
  12. 가스의 관통 확산이 가능한 관형 기판을 제공하는 단계와;
    중앙의 양자 교환막, 상기 교환막의 일측에 장착된 캐소드 소자 및 상기 교환막의 반대측에 장착된 애노드 소자를 구비한 제1 가요성의 연장된 연료 전지를 상기 관형 기판에 권선시키는 단계와;
    복수개의 가요성의 연장된 연료 전지를 상기 제1 권선된 연료 전지와 정렬되게 상기 관형 기판에 권선시키는 단계와;
    상기 중앙막이 전기 전도성 물질로 제조된 부분을 가지며, 상기 부분 중 적어도 일부는 전지의 애노드와 인접 전지의 캐소드 사이에 전기적 가교를 형성하는 수단에 의해 상기 연료 전지들을 전기적으로 접속시키는 단계
    포함하는 연료 전지 조립체의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 다공성 시트의 캐소드 소자 및 애노드 소자를 형성하고 상기 시트를 전기적 도전성 물질에 접촉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서, 소수성 물질로 상기 교환막으로부터 떨어져 면접하는 상기 각 소자의 배면측을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 각 소자를 다공성의 전기적 도전성 컬렉터로 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체의 제조 방법.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서, 상기 관형 메쉬(mesh)의 컬렉터를 제조하고 상기 관형 메쉬를 통해 냉각 유체를 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 최외주의 컬렉터를 다공성 외부 보호 스킨으로 감는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 다공성 기판의 내부를 통해 반응 유체를 통과시키고 상기 감겨진 연료 전지의 외부를 반응 유체에 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체의 제조 방법.
  20. 중앙의 이온 도전막이 애노드와 캐소드 시트 사이에 삽입된 다층 구조를 형성하는 적어도 하나의 연장된 가용성 연료 전지와, 이 연료 전지를 지지하는 가요성 유체 투과성 기판을 포함하는 연료 전지 유닛으로서,
    상기 중앙의 이온 도전막은 전기 전도성 물질로 제조된 부분을 가지며, 상기 부분 중 적어도 일부는 전지의 애노드와 인접 전지의 캐소드 사이에 전기적 가교를 형성하는 것인 연료 전지 유닛.
  21. 제20항에 있어서, 상기 기판은 상기 애노드와 캐소드 시트 중 하나에 접촉하는 제1 전하 컬렉터이며, 상기 애노드와 캐소드 시트의 다른 하나와 접촉하는 제2 전하 컬렉터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  22. 삭제
  23. 제20항에 있어서, 상기 이온 도전막은 양자 도전막인 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  24. 제21항에 있어서, 상기 시트는 정식화(formulations)되어 제조되고, 촉매 코팅과 접촉되는 카본과 외부의 소수성 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  25. 제24항에 있어서, 상기 컬렉터는 와이어 메쉬, 다공성 금속 포일, 폴리머 복합물 또는 브레이드된 관(braided tubing)을 포함하는 도전성 물질의 그룹으로부터 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  26. 제24항에 있어서, 반응 유체를 상기 카본 시트 중 하나에 확산 접촉시키며, 상기 반응 유체를 상기 카본 시트 중 다른 하나에 확산 접촉시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
  27. 삭제
  28. 제1항에 있어서, 상기 관형 기판은 상기 연료 전지에 대한 내부 반응 소스를 유지하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체.
  29. 제1항에 있어서, 상기 관형 기판은 횡단면에서 원통형인 것을 특징으로 하는 연료 전지 조립체.
  30. 제24항에 있어서, 상기 촉매 코팅은 백금인 것을 특징으로 하는 연료 전지 유닛.
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