KR100729974B1 - 연료전지 스택, 연료전지 시스템 및 연료전지 스택의 제조방법 - Google Patents

연료전지 스택, 연료전지 시스템 및 연료전지 스택의 제조방법 Download PDF

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고이치 누마타
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Abstract

본 발명의 기술은 붕괴를 발생시키지 않고 얇은 전해질층을 준비한다. 전해질 멤브레인 (30) 은 조밀한 기재 (31) 상에 형성된 조밀한 무기 전해질층 (36) 을 포함한다. 각 단위 연료전지는 전해질 멤브레인 (30), 연료 전극 및 산소 전극을 포함한다. 다수의 단위 연료전지는 직렬로 적층되어 연료전지 스택을 완성한다.
연료전지

Description

연료전지 스택, 연료전지 시스템 및 연료전지 스택의 제조 방법{FUEL CELL STACK, FUEL CELL SYSTEM, AND METHOD FOR PRODUCING FUEL CELL STACK}
기술분야
본 발명은 연료전지 스택, 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템, 및 연료전지 스택의 제조 방법에 관한 것이다.
배경기술
공지의 연료전지는 JP 10-294117A 에 개시된 바와 같은 고체 중합체 전해질 멤브레인의 전해질층 상에 형성된 수소 분리층을 포함한다. 수소 분리층은 낮은 가스 투과성을 가지고, 전해질층에 홀 (이하 크랙이라 한다) 이 존재하는 경우에도 가스 투과량을 낮은 레벨로 제어한다. 따라서, 이 구조는 충분히 얇은 전해질층을 허용한다.
그러나, 통상의 얇은 전해질층에 나타나는 크랙은 멤브레인 저항을 증가시키고, 바람직하지 못하게 연료전지의 성능을 감소시킨다.
발명의 개시
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 제거하고, 크랙을 발생시키기 않고 얇은 전해질층을 준비하는 것이다.
전술한 목적 및 관련된 또 다른 목적의 적어도 일부를 달성하기 위해, 본 발명은 다수의 단위 연료전지의 적층체를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다. 각 단위 연료전지는: 수소 투과성 재료로 구성된 기재 및 기재의 하나 이상의 단부에 위치한 조밀한 무기 전해질층을 포함하는 전해질 멤브레인; 전해질 멤브레인의 제 1 단부에 위치되고, 수소 함유 연료 가스의 공급을 수용하는 연료 전극; 및 제 1 단부의 반대편인 전해질 멤브레인의 제 2 단부에 위치되고, 산소 함유 산화 가스의 공급을 수용하는 산소 전극을 가진다.
본 발명의 연료전지 스택에서는, 조밀한 무기 전해질층 및 조밀한 기재의 통합 구조가 전해질층의 크랙을 발생시키지 않고 전해질층 두께를 충분히 감소시킨다. 이러한 배열은 바람직하게는 전해질층의 멤브레인 저항을 감소시킨다. 따라서, 고온 연료전지를 포함하는 상기와 같이 생성된 연료전지 스택은 상대적으로 낮은 동작 온도 범위에서 동작할 수 있다. 다수의 단위 연료전지의 적층은 바람직하게는 연료전지 스택의 총 전력 출력을 강화시킨다.
전해질층은 세라믹 재료, 예를 들어, BaCeO3 또는 SrCeO3 와 같은 고체 산화물 재료로 제조될 수도 있고, 또는 고체 중합체 재료 또는 또 다른 전해질로 제조될 수도 있다. 기재는, 수소 투과성을 가지는 금속 재료, 예를 들어, 바나듐, 니오븀, 탄탈룸, 이러한 원소의 적어도 일부를 포함하는 다양한 합금, 및 팔라듐과 같은 희귀 금속 또는 팔라듐 합금과 같은 희귀 금속 합금 중 임의의 것으로 제조될 수도 있다. 전해질층은 기재의 일 단일면 상에만 형성될 수도 있고, 또는 기재의 2 면 상에 형성될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 연료전지 스택은: 인접 단위 연료전지의 각 쌍 사이에 개재되는 분리기; 및 분리기에 접촉하고, 산화 가스를 산소 전극에 공급하기 위해 유로 (flow path) 를 형성하는 개스킷을 더 포함한다. 유로는, 유로의 개구부를 유지하고 산소 전극에 집전하도록 기능하는 도전 소자를 포함한다.
이러한 바람직한 구조에서, 도전 소자는 산소 전극에 전력을 효과적으로 집전하고, 개스킷과 분리기의 결합은 산화 가스의 유로를 용이하게 규정한다.
분리기, 개스킷 및 도전 소자를 장착한 연료전지 스택에서는, 도전 소자가, 다수의 단위 연료전지의 적층 방향에서 외력의 인가에 의해 탄성적으로 변형가능한 형태로 형성된 금속 부재인 것이 바람직하다.
전해질 멤브레인의 전해질층 및 다른 층은 극히 얇다. 금속은 집전을 위해 전해질 멤브레인과 접촉한다. 전해질 멤브레인의 내구성은 개스킷의 붕괴에 의해 영향받는다. 그러나, 이러한 바람직한 구조에서, 도전 소자는 개스킷의 붕괴에 의한 압력을 효과적으로 흡수하도록 탄성적으로 변형가능하다. 즉, 도전 소자는 전해질 멤브레인을 손상시키지 않는다.
금속 부재는 금속 박판일 수도 있다. 금속 박판은 주름질 수도 있다. 이러한 단순한 구조는 집전 기능 및 탄성적 변형을 달성한다.
금속 부재는 얇은 금속 와이어 또는 얇은 금속 와이어를 위빙 (weaving) 하고 탱글링 (tangling) 함으로써 얻어지는 금속 스폰지일 수도 있다. 이러한 단순한 구조는 집전 기능 및 탄성적 변형을 달성한다.
도전 소자는 산화방지 특성을 가지도록 표면 처리된 금속 부재인 것이 바람 직하다. 이러한 구조는, 바람직하게는 도전 소자가 유로를 통한 산화 가스의 흐름에 의해 산화되는 것을 방지한다.
개스킷은 절연 재료로 제조될 수도 있다. 개스킷의 절연은 개스킷으로부터 전자가 방출되는 것을 효과적으로 방지하여, 각 전극에서의 반응을 가속시킨다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 연료전지 스택은, 인접한 단위 연료전지의 각 쌍 사이에 개재되고, 전해질 멤브레인으로부터 외부로 돌출되고, 높은 열전도성을 가진 재료로 제조되어 방사핀으로서의 돌출기능을 수행하는 분리기를 포함한다. 이러한 실시형태는 연료전지 스택에 복잡한 독립적 냉각 유닛을 요구하지 않으며, 따라서 연료전지 스택의 일반 구조를 단순화시킨다.
전술한 실시형태의 연료전지 스택은: 연료전지 스택을 피복하는 절연 케이싱; 및 케이싱과 통합되어 분리기의 돌출부에 냉각 매체의 통로를 형성하는 냉각 매체 유로를 더 포함할 수도 있다. 케이싱 및 냉각 매체 유로의 통합은 연료전지 스택의 일반 구조를 더 단순화시킨다.
본 발명의 연료전지 스택에서, 기재는 펀칭판에 주입된 수소 투과성 재료를 가지는 것이 바람직하고, 펀칭판은 수소 투과성 재료와는 다른 상이한 금속 재료로 제조된다. 이러한 구조는 상이한 금속 재료로 둘러싸인 수소 투과성 재료의 전체 체적을 감소시킨다. 수소 투과성 재료의 감소된 체적은 기재 내 수소의 잠재적인 확장을 회피하여, 기재가 박리되는 것을 방지한다.
기재는 수소 투과성 재료와 스테인레스강의 혼합물로 제조될 수도 있다. 그렇지 않으면, 기재는 수소 투과성 재료와 구리의 혼합물로 제조될 수도 있다. 스테인레스강 및 구리는 저품질의 합금을 형성하지 않도록 수소 투과성 재료와 적절하게 혼합되며, 따라서, 수소 투과성 재료와 혼합되는 상이한 금속 재료만큼 우수하다.
인접한 단위 연료전지의 각 쌍 사이에 개재되고, 전해질 멤브레인으로부터 외부로 돌출되고 높은 열전도성을 가지는 재료로 제조되어 방사핀으로서의 돌출기능을 수행하는 분리기를 가지는 전술한 실시형태의 구조에서, 연료전지 시스템은: 냉각 매체를 분리기의 돌출부에 공급하는 냉각 매체 공급관; 및 냉각 매체 공급관을 통해 공급된 냉각 매체를 가열 매체로 전환하는 냉각 가열 전환 모듈을 더 포함할 수도 있다.
이러한 단순한 구조는 냉각 효율을 강화하기 위해, 냉각 매체의 흐름을 분리기의 돌출부에 공급한다. 냉각 매체는 필요에 따라 가열 매체로 전환될 수도 있다. 이러한 단순한 구조는 저온 환경에서의 동작 성능을 강화시킨다.
또한, 본 발명은 연료전지 스택의 제조 방법에 관한 것이다. 이 제조 방법은: (a) 인접 단위 연료전지의 쌍을 직렬로 접속시키는 금속 분리기를 제공하는 단계; (b) 조밀한 수소 투과성 재료를 포함하는 기재를 금속 분리기에 접착하는 단계; (c) 기재의 하나 이상의 단부에 조밀한 무기 전해질층을 형성하는 단계; (d) 하나의 단위 연료전지를 완성하기 위해, (b) 단계에서 기재에 접착된 금속 분리기의 극성과 상이한 극성을 가지는 또 다른 금속 분리기를 전해질층의 외부 단부에 접착하는 단계; (e) (a) 내지 (d) 단계를 반복하여 다수의 단위 연료전지를 형성하고 적층하여 적층체를 형성하는 단계; 및 (f) 클램핑 부재로 다수의 단위 연료전지의 적층체를 클램핑하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이러한 제조 방법은 크랙을 발생시키지 않고 충분히 얇은 전해질층을 가지는 연료전지 스택을 용이하게 제조한다. 이러한 배열은 바람직하게는 전해질층의 멤브레인 저항성을 감소시킨다. 그 결과 얻어진 고온의 연료 전지를 포함하는 연료전지 스택은 상대적으로 낮은 동작 온도 범위에서 동작할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에서 연료전지 스택 (1) 의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 연료전지 스택 (1) 의 각 단위 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 3 은 케이싱 (60) 의 구조를 도시한다.
도 4 는 연료전지 스택 (1) 의 제조 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 5 는 가능한 변형예로서 전해질 멤브레인의 다양한 적층 구조를 도시하는 표이다.
도 6 은 하나의 변형된 예에서 도전 소자 (224) 의 구조를 도시한다.
도 7 은 또 다른 변형된 예에서 기재로서 판 (231) 의 구조를 도시하는 평면도이다.
도 8 은 또 다른 변형예에서 그루빙된 (grooved) 금속 분리기에 형성된 공기 유로 및 연료 유로의 구조를 도시한다.
도 9 는 또 다른 변형 예에서 코어 어셈블리에 배열된 냉각 가스 유로의 구조를 도시한다.
도 10 은 본 발명의 제 2 실시형태에서 연료전지 시스템 (500) 의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 11 은 시작 제어 루틴을 도시하는 흐름도이다.
발명을 수행하는 최상의 모드
이하, 본 발명의 특성, 양태 및 효과를 명확하게 하기 위해, 본 발명을 수행하는 일부 모드를 바람직한 실시형태로서 설명한다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에서의 연료전지 스택의 구조를 개략적으로 도시한다. 도 2 는 연료전지 스택 (1) 각각의 단위 연료전지의 구조를 도시한다. 본 실시형태의 단위 연료전지는 고체 산소 연료전지에 포함된다. 우선, 단위 연료전지 (이하, 단위전지라 한다) 의 구조를 도 2 의 단면도를 참조하여 설명한다. 단위전지는 주로 2 개의 금속 분리기 (10 및 20) 사이에 배치된 전해질 멤브레인 (30) 을 포함한다.
하나의 금속 분리기 (10) 는 수소가 풍부한 연료가스의 공급을 위한 유로 (12) 를 가지고, 유로 (12) 는 도 2 의 시트면에 수직한 방향에서 연장된 다수의 직선 홈 (groove) 을 포함한다. 또 다른 금속 분리기 (20) 는 산화 가스로서 공기의 공급을 위한 유로 (22) 를 가진다. 유로 (22) 는 금속 분리기 (20), 전해질 멤브레인 (30) 및 개스킷 (40) 에 의해 규정되는 공간 내에 형성된다. 금속 분리기 (10 및 20) 는 금속 재료로 제조되며, 예를 들어, 구리 또는 알루미늄과 같은 높은 열전도도를 가지는 금속으로 구성되는 것이 바람직하다. 개스킷 (40) 은 고무 재료, 플라스틱 재료 또는 고무가 부분적으로 주입된 높은 내열성 파이버와 같은 절연 재료로 제조된다. 유로 (22) 는 다음에 설명하는 바와 같이 금속판 (24) 에 의해 다수의 흐름 통로로 분할된다.
전해질 멤브레인 (30) 은 바나듐 (V) 의 조밀한 기재 (31) 를 포함하는 6 층의 구조를 가진다. 기재 (31) 는 2 개의 조밀한 금속 확산 제어층 (32 및 33) 사이에 개재되며, 금속 확산 제어층은 2 개의 팔라듐 (Pd) 코팅 (34 및 35) 에 의해 더 샌드위치된다. 기재 (31) 의 재료는 바나듐에 한정되지 않으며, 바나듐-구리 (Cu) 합금 및 바나듐-니켈 (Ni) 합금과 같은 바나듐 합금, 팔라듐과 같은 희귀 금속, 팔라듐 합금과 같은 희귀 금속 합금, 및 니오븀 (Nb) 및 탄탈룸 (Ta) 과 같은 5A 원소를 포함하는 조밀한 수소-투과성 재료 중 임의의 것일 수도 있다. 코팅 (34 및 35) 은 Pd 대신에, 촉매 기능을 가지는 Pd-Ag 합금으로 제조될 수도 있다. 연료 전극으로서 금속 분리기 (10) 의 측면 상에 형성되는 코팅 (34) 은 금속 분리기 (10) 에서 유로 (12) 의 각 홈에 배치되는 섬 형상으로 분할된다.
금속 확산 제어층 (32 및 33) 은 텅스텐 산화물 (WO3) 로 제조되고, 기재 (31) 와 코팅 (34 및 35) 간의 상호 금속 확산을 제어하도록 기능한다. 텅스텐 산화물과 다른 금속 확산 제어층 (32 및 33) 의 가용 재료에는 양자 전도체, 혼합 전도체, 세라믹 및 그 복합 재료, 및 예를 들어, 지르코늄 산화물, 몰리브덴 산화물, 및 Y2O3SiO2 와 같은 경사 재료가 포함된다.
전해질층 (36) 의 박막은 금속 분리기 (20) 의 측면 상에서 코팅 (35) 의 외부에 형성된다. 전해질층 (36) 은 양자 전도성을 가지는 고체 산화물로서 BaCeO3 또는 SrCeO3 와 같은 페로브스카이트 (perovskite) 복합 산화물 (ABO3) 로 제조된다. 전해질층 (36) 의 재료는 페로브스카이트 복합 산화물에 한정되지 않으며, 양자 전도성을 가지는 다른 고체 산화물, 예를 들어, 파이로클로르 (pyrochlore) 복합 산화물 (A2B2O7) 및 스피넬 (spinel) 복합 산화물 (ABO4) 을 포함하는 조밀한 무기 전해질 재료 중 임의의 것일 수도 있다.
이 실시형태의 구조에서, 기재 (31), 금속 확산 제어층 (32 및 33), Pd 코팅 (34 및 35) 및 전해질층 (36) 의 두께는 각각, 100 ㎛, 1 ㎛, 0.75 ㎛ 및 0.1 ㎛ 이다. 각 층의 두께는 이 값들에 한정되지 않으며, 임의로 설정될 수도 있다. 기재 (31) 는 브레이징층 (37; brazied layers) 을 통해 금속 분리기 (10) 와 브레이징된다.
전극 (38) 은 전해질층 (36) 의 외부면 상에 형성된다. 전극 (38) 은 다공성 발포 금속 또는 금속 메시판 (mesh plate) 으로 제조된다. 예를 들어, 팔라듐 (Pd) 또는 백금 (Pt) 과 같은 촉매가 전극 (38) 에 지원되어, 전력 생성 프로세스에서의 반응을 가속한다. 전극 (38) 의 두께는 수십 또는 수백 ㎛ 범위에 있다.
공기 유로 (22) 는 전극 (38) 의 외부면 상에 배치되고, 다수의 금속판 (24) 에 의해 다수의 흐름 통로로 분할된다. 금속판 (24) 각각은, 전해질 멤브레인 (30) 에 접하는 금속 분리기 (20) 의 평면에 하나의 단부면이 종축방향으로 브레이징되고, 다른 단부가 전극 (38) 의 외부면에 접하는 주름진 박판이다. 이러한 구조의 금속판 (24) 은 산소 전극 상에 집전하는 기능을 한다. 금속판 (24) 은 전극 (38) 의 외부면에 브레이징되거나 접착될 수도 있지만, 이 실시형태의 구조에서는 전극 (38) 의 외부면에 접촉만 하고 접착되지는 않는다. 금속판 (24) 은 예를 들어, 와이어 메시, 소결체, 또는 전자 도전성을 가진 부직포로 제조되고, 예를 들어, 0.5 mm 의 두께를 가진다. 금속판 (24) 의 표면은 도금되거나 산화방지를 위한 또 다른 처리가 된다. 산화방지 처리는 유로 (22) 를 통해 흐르는 공기에 의한 금속판 (24) 의 산화를 방지한다.
전술한 바와 같이 구성된 단위전지의 전력 생성 프로세스에서, 금속 분리기 (10) 의 유로 (12) 로 공급되는 연료 가스에 포함되는 수소는 양자와 전자로 분리된다. 양자는 전해질층 (36) 을 통해 이동하고 산소에 결합되어 전극 (38) 에서 물을 생성한다. 수소와 산소의 결합이 물 및 전기를 생성한다. 전술한 구조의 단위전지에서, 연료 가스를 위한 유로 (12) 를 가진 금속 분리기 (10) 는 연료 전극에 대응하고, 전극 (38) 은 산소 전극에 대응한다.
연료전지 스택 (1) 은 또 다른 전지 상에 배치되는 다수의 단위전지를 포함한다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택 (1) 에서, 금속 분리기 (10), (개스킷 (40) 을 포함하는) 전해질 멤브레인 (30), 및 금속 분리기 (20) 를 각각 포함하는 다수의 단위전지가 층에 이 순서로 적층된다. 수소 전극으로서의 금속 분리기 (10) 및 산소 전극으로서의 금속 분리기 (20) 가 인접하는 단위전지들 사이에 필수적인 금속 분리기로서 통합된다. 도면에는 3 개의 단위전지만 포함되어 있지만, 통상적으로 연료전지 스택 (1) 은 100 내지 400 개의 단위전지를 포함한다.
금속 분리기 (10 및 20) 는 전해질 멤브레인 (30) 및 개스킷 (40) 의 구조체로부터 외부로 돌출되어 있다. 금속 분리기 (10 및 20) 는 볼트 홀을 가지고, 이 볼트 홀을 통해 삽입되는 볼트 (50) 에 의해 서로 클램핑된다. 절연 칼라 (collar; 미도시됨) 가 각 볼트 (50) 와 대응하는 볼트 홀 사이에 위치된다. 절연 와셔 (52) 가 각 볼트 (50) 의 헤드의 아래 및 각 너트 (51) 의 아래에 위치된다. 이로서 금속 분리기 (10 및 20) 사이에 절연이 보장된다.
연료전지 스택 (1) 은 유로 메니폴드를 가진 케이싱 (60) 으로 피복된다. 도 3 은 케이싱 (60) 의 구조를 도시한다. 이 도면에서는, 코어 어셈블리 (61) 가 가설적으로 케이싱 (60) 으로 도시되어 있다. 케이싱 (60) 은 스테인레스강 (SUS) 과 같은 절연 재료로 제조되고, 육각형의 코어 어셈블리 (61), 코어 어셈블리 (61) 의 2 측상에 제공되는 냉각 가스 유로 (62 및 63), 코어 어셈블리 (61) 의 전방 및 후방에 각각 제공되는 연료 가스 입구 (64) 및 연료 가스 출구 (65), 및 코어 어셈블리 (61) 의 후방 및 전방에 각각 제공되는 공기 입구 (66) 및 공기 출구 (67) 를 포함한다.
케이싱 (60) 은 2 개의 분리부, 즉 상부 및 하부를 가진다. 연료전지 스택 (1) 은 이 2 개의 분리부 사이에 개재되고, 케이싱 (60) 에 수용된다. 전해질 멤브레인 (30) 및 개스킷 (40) 은 코어 어셈블리 (61) 내에 위치되며, 금속 분 리기 (10 및 20) 의 연장부, 즉 전해질 멤브레인 (30) 및 개스킷 (40) 으로부터의 돌출부가 냉각 가스 유로 (62 및 63) 에 위치된다. 연료전지 스택 (1) 은 케이싱 (60) 내에 위치되어, 도 3의 A-A 라인으로 절단된 도 1 의 단면 (케이싱 (60) 은 생략) 을 가진다. 냉각 가스 유로 (62 및 63) 는 연료전지 스택 (1) 의 볼트 (50) 를 수용하기 위한 홀 (62h) 를 가진다. 금속 분리기 (10 및 20) 의 돌출부는 냉각 가스 유로 (62 및 63) 로 완전하게 연장된다. 홀 (62h) 을 통해 삽입된 볼트 (50) 는 연료전지 스택 (1) 과 케이싱의 상부 및 하부를 클램핑하고 고정시킨다.
냉각 가스 유로 (62 및 63) 는 전방 입구 (62a 및 63a) 및 후방 출구 (62b 및 63b) 를 가진다. 입구 (62a 및 63a) 및 출구 (62b 및 63b) 는 연료전지 스택 (1) 에 적층된 단위전지의 수에 대응하는 다수의 개구부를 가진다. 냉각 가스의 흐름은 입구 (62a 및 63a) 의 개구부에 의해 분기되고, 연료전지 (1) 내 금속 분리기 (10 및 20) 의 돌출부를 통과하고, 출구 (62b 및 63b) 로부터 배출된다. 따라서, 돌출부는 냉각 가스를 송풍하는 방사핀으로서 기능한다.
연료 가스 입구 (64) 및 연료 가스 출구 (65) 는 각각 우측 전방 및 좌측 후방에 위치된다. 공기 입구 (66) 및 공기 출구 (67) 는 각각 우측 후방 및 좌측 전방에 위치된다. 코어 어셈블리 (61) 의 구조에서, 연료 가스의 흐름은 금속 분리기 (10) 에 형성된 유로 (12) 의 다수의 홈에 대응하는 브랜치 통로 (68) 에 의해 분기된다. 공기의 흐름은 금속 분리기 (20) 에 형성된 유로 (22) 의 다수의 흐름 통로에 대응하는 브랜치 통로 (69) 에 의해 분기된다. 연료 가스의 흐 름 및 공기의 흐름은 코어 어셈블리 (61) 의 상이한 높이에서 연료전지 스택 (1) 을 통과하여 서로 교차한다. 연료 가스 흐름 및 공기 흐름은 역흐름으로써; 연료 가스는 전방으로부터 후방으로 흐르고, 공기는 후방으로부터 전방으로 흐른다. 변형된 구조에서는, 공기 입구 및 공기 출구의 위치가 코어 어셈블리 (61) 의 전방 및 후방에서 반전될 수도 있다 (또한, 연료 가스 입구 및 연료 가스 출구의 위치가 코어 어셈블리 (61) 의 후방 및 전방에서 반전될 수도 있다). 변형된 구조에서, 연료 가스 흐름 및 공기 흐름은 동일한 방향으로 흐르는 평행한 흐름이다. 브랜치 통로 (68 및 69) 를 갖는 면 이외의 코어 어셈블리 (61) 의 나머지 면은 코어 어셈블리 (61) 의 지지 및 가스 밀봉을 위해 절연 매트 (해치 영역으로 도시된 알루미늄 매트) 로 피복된다.
도 4 는 연료전지 스택 (1) 의 제조 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 우선, 제조 프로세스에서는 수소 전극으로서의 금속 분리기 (10) 에 기재 (31) 를 브레이징한다 (단계 S100). 기재 (31) 의 단일면 상의 주변부를 금속 분리기 (10) 에 브레이징한다 (도 2 의 브레이징층 (37) 참조). 기재 (31) 의 단일면은 그에 따라 브레이징층 (37) 사이에 스왈로우 갭을 가진다. 그 후, 제조 프로세스에서는 기재 (31) 의 2 면 상에 금속 확산 제어층 (32 및 33) 을 형성한다 (단계 S110). 금속 확산 제어층 (32 및 33) 은 도금되거나, 이온 도금되거나, 또는 기재 (31) 의 2 면 상에 적층될 수도 있다. 금속 확산 제어층 (32) 은 금속 분리기 (10) 측면 상의 기재 (31) 의 단일면 상에서 스왈로우 갭에 형성된다.
제조 프로세스에서는 금속 확산 제어층 (32 및 33) 각각의 외부면을 Pd 코팅 (34 및 35) 으로 도금한다 (단계 S120). 코팅 (34) 은 금속 분리기 (10) 에 형성된 유로의 다수의 홈에 위치된다.
제조 프로세스에서는 후속적으로 금속 분리기 (20) 측면 상의 코팅 (35) 의 외부면 상에 전해질층 (36) 을 형성한다. 전해질층 (36) 은 예를 들어, 물리적 적층, 화학적 적층 또는 스퍼터링과 같은 다양한 기술 중 임의의 기술에 의해 전해질을 수용함으로써 형성된다. 조밀한 기재 (31) 는 충분히 얇은 전해질층 (36) 의 형성을 허용한다. 제조 프로세스에서는 전해질층 (36) 의 외부면 상에 전극 (38) 을 더 형성한다 (단계 S140). 전극 (38) 은 물리적 적층, 화학적 적층 또는 스퍼터링과 같은 다양한 기술 중 임의의 기술에 의해 형성될 수도 있다. 그 후, 다수의 금속판 (24) 이 산소 전극으로서의 금속 분리기 (20) 에 브레이징되고 접착된다 (단계 S150).
단계 S100 내지 S150 의 프로세스가 하나의 단위전지를 완성시킨다. 다수의 단위전지가 개스킷 (40) 의 개재에 의해 적층되어, 각각의 기재 (31) 와 접촉한다 (단계 S160). 그 후, 제조 프로세스에서는 절연 매트를 통해 적층을 케이싱 (60) 으로 피복한다 (단계 S170). 케이싱 (60) 으로 피복된 적층은 볼트 (50), 너트 (51), 절연 와셔 (52) 및 절연 칼라로 클램핑된다 (단계 S180). 이로써 연료전지 스택 (1) 이 완성된다. 이러한 연료전지 스택 (1) 의 사용시에, 전기적 부하 (70) 가 최하부 금속 분리기 (10) 와 최상부 금속 분리기 (20) 사이에 접속된다 (도 1 참조).
전술한 연료전지 스택 (1) 에서, 조밀한 무기 전해질층 (36) 과 조밀한 기재 (31) 의 통합 구조는 전해질층 (36) 에서 크랙의 발생을 방지하면서 전해질층 (36) 두께를 충분히 감소시킨다. 이러한 배열이 바람직하게는 전해질층 (36) 의 멤브레인 저항을 감소시키고, 고체 산화 연료전지의 동작 온도를 예를 들어, 400 내지 600 ℃ 범위까지 낮춘다. 다수의 단위 연료전지의 일련의 적층은 연료전지 시스템의 총 출력 전력을 효과적으로 강화시킨다.
본 실시형태의 구조에서는, 개스킷 (40) 및 금속 분리기 (20) 가 공기 유로 (22) 를 용이하게 규정한다. 통상의 구조에서, 금속 분리기 (20) 는 수소 전극의 금속 분리기 (10) 와 같은 다수의 홈을 가지고, 평탄한 전극 (38) 으로부터 전자를 수용한다. 전해질 멤브레인 (30) 의 주변에 개스킷 (40) 을 가지는 통상의 구조에서는, 볼트 (50) 로 연료전지 스택 (1) 을 클램핑함으로써 개스킷 (40) 이 붕괴된다. 그 후, 금속 분리기 (10) 의 유로의 홈 사이에서 리브 (rib) 가 전극 (38) 에 대해 압박된다. 이것은 전극 (38) 및 전해질층 (36) 을 손상시킬 수도 있다. 반면, 본 실시형태의 구조에서는, 주름진 금속 박판 (24) 이 변형되어 연료전지 스택의 클램핑 방향, 즉, 단위전지의 적층 방향에서 클램핑 압력에 대해 스프링과 같은 기능을 한다. 금속판 (24) 은 그에 따라 클램핑 압력을 흡수하여 잠재적인 손상으로부터 전해질층 (36) 및 전극 (38) 을 보호한다.
금속판 (24) 은 제 1 실시형태의 구조에서는 주름져 있다. 그러나, 주름진 형태는 한정적인 것이 아니며, 금속판 (24) 은 연료전지의 적층 방향에서 압력에 대해 임의의 탄성적으로 변형가능한 형태로 형성될 수도 있다.
본 실시형태의 구조에서, 개스킷 (40) 은 절연 재료로 제조되고, 전자의 방 출를 허용하지 않는다. 이러한 배열이 각 전극 상에서의 반응을 보장한다.
본 실시형태의 구조에서, 각 쌍의 인접 단위전지의 경계상에 위치되는 금속 분리기 (10 및 20) 는 전해질 멤브레인 (30) 및 개스킷 (40) 으로부터 돌출되고, 예를 들어, 구리 또는 알루미늄과 같은 높은 열전도성을 가진 재료로 제조된다. 따라서, 이러한 돌출부가 방사핀으로서 기능하고, 바람직하게는 연료전지 스택 (1) 내의 복잡한 냉각 메카니즘의 요구 없이, 구조를 단순화시킨다. 케이싱 (60) 의 형태는 금속 분리기 (10 및 20) 의 돌출부가 냉각 가스에 직접 노출되게 한다. 이러한 단순한 구조가 냉각 효율을 강화시킨다.
이하 제 1 실시형태의 일부 가능한 변형예를 설명한다.
도 5 는 가능한 변형예로서 전해질 멤브레인의 다양한 적층 구조를 도시하는 표이다. 예 A 는 본 실시형태의 구조 (도 2 에 도시) 에 대응한다. 예 A 의 구조에서, 기재 (31) 는 금속 확산 제어층 (32 및 33) 사이에 개재되고, Pd 코팅 (34 및 35) 으로 더 코팅되며, 전해질층 (36) 은 산소 전극 측면 상의 Pd 코팅 상에 형성된다.
제 1 실시형태의 연료전지 스택 (1) 에서는, 각 단위전지의 전해질 멤브레인이 조밀한 수소 투과성 재료의 기재 및 전해질층을 가지도록 요구된다. 예 B 는 산소 전극 측면상의 코팅 (35) 을 배제한다. 또한, 연료 전극 측면상의 코팅 (34) 은 연료 가스의 수소를 양자 및 전자로 분할하도록 기능한다. 양자는 전해질층 (36) 을 통과하여 전지 반응을 트리거한다.
2 개의 금속 확산 제어층 (32 및 33) 은 예 C 의 구조로서 생략될 수도 있 다. 금속 확산 제어층 (32 및 33) 중 하나는 예 D 및 E 의 구조로서 생략될 수도 있다. 금속 확산 제어층 (32 및 33) 이 개재되어, Pd 코팅 (34 및 35) 과 기재 (31) 사이의 상호 금속 확산을 방지한다. 따라서, 금속 확산 제어층 (32 및 33) 은 일부 금속 확산이 허용되는 경우에는 생략될 수도 있다. 예 C 내지 E 의 구조에 포함되는 코팅 (35) 은 예 B 의 구조에서와 같이 생략될 수도 있다.
전해질 멤브레인은, 조밀한 수소 투과성 재료로 제조된 기재의 2 면 상에 형성된 전해질층을 포함할 수도 있다. 전해질층 (36) 과 동일한 추가 전해질층이 본 실시형태의 구조에서 기재 (31) 와 금속 확산 제어층 (32) 사이에 형성된다. 또한, 변형된 구조는 전해질층의 두께를 충분히 감소시키고 고체 산화 연료전지의 동작 온도를 낮춘다.
제 1 실시형태의 구조에서, 고체 산화물로 제조된 전해질층 (36) 은 금속 분리기 (20) 측면상의 코팅 (35) 의 외부면 상에 형성된다. 하나의 변형된 과정에서는 전해질층 (36) 의 박막을 코팅 (35) 상에 도포할 수도 있다. 이 변형예에서, 조밀한 멤브레인 (31) 및 전해질층 (36) 의 박막의 통합 구조는 전해질층 (36) 의 두께를 충분히 감소시킨다.
제 1 실시형태의 구조에서, 도전 소자로서의 금속판 (24) 은 용이한 탄성적 변형을 위해 주름지어 진다. 하나의 변형된 구조에서, 주름진 금속판 (24) 은 전극 (38) 과 접촉하는 각 단부 상에 스프링 메카니즘을 가진 평탄한 금속판에 의해 대체될 수도 있다. 이러한 스프링 메카니즘은 단위전지의 적층 방향에서 외력에 의해 탄성적으로 변형될 수 있다. 도 6 은 이러한 변형된 구조의 도전 소 자 (224) 를 도시한다. 도전 소자 (224) 는, 전극 (38) 과 접촉하며 리프 스프링으로서 기능하는 후크단 (224a; hook end) 을 가진다. 이 변형된 구조에서, 도전 소자 (224) 의 후크단 (224a) 은 단위전지의 적층 방향에서의 클램핑 압력에 의해 스프링과 같은 기능을 가지도록 변형된다. 이러한 배열은 클램핑 압력을 효과적으로 흡수하여, 전해질층 (36) 및 전극 (38) 을 잠재적인 손상으로부터 보호한다.
제 1 실시형태의 구조에서는, 금속 박판 (24) 이 도전 소자 (24) 로서 사용된다. 또한 도전 소자는 예를 들어, 니켈 또는 스테인레스강 (SUS) 으로 제조된 얇은 금속 와이어일 수도 있고, 예를 들어, 0.1 mm 의 직경을 가진다. 다수의 얇은 금속 와이어는 금속 분리기 (20) 와 전극 (38) 사이에서 연장된다. 얇은 금속 와이어는 본 실시형태의 금속판 (24) 과 같이 물결 모양으로 휘는 것이 바람직하다. 얇은 금속 와이어의 표면은 산화 방지 특성을 가지도록 처리되는 것이 바람직하다.
또 다른 변형 구조는, 금속판 (24) 을 배제하고, 얇은 금속 와이어를 위빙하거나 탱글링함으로써 얻어지는 금속 스폰지로 개스킷 (40) 에 의해 둘러싸인 공기 유로 (22) 를 충전할 수도 있다. 금속 스폰지는 단위전지의 적층 방향에서의 클랭핑 압력을 효과적으로 흡수하고, 바람직하게는 전해질층 (36) 과 전극 (38) 을 잠재적인 손상으로부터 보호한다. 금속 스폰지의 얇은 금속 와이어 표면은 산화 방지 특성을 가지도록 처리되는 것이 바람직하다. 제 1 실시형태 및 이러한 변형된 예의 도전 소자는 공기 유로 (22) 의 개구부를 충분히 유지한다.
제 1 실시형태 및 그 변형된 예에서, 평탄한 전극 (38) 은 전해질층 (36) 의 표면 상에 형성되고, 도전 소자와 접촉하여, 금속 분리기 (20) 에 집전한다. 하나의 변형된 구조에서는 전극 (38) 이 생략되어, 도전 소자를 전해질층 (36) 에 직접 노출시킬 수도 있다. 도전 소자는 박판 또는 얇은 와이어로 제조되고, 전술한 바와 같이 스프링과 같은 형태로 형성된다. 따라서, 도전 소자의 전해질층 (36) 으로의 직접 노출이 전해질층 (36) 을 손상시킬 가능성은 거의 없다. 잠재적인 손상을 더 효과적으로 방지하는 또 다른 변형 구조에서는, 펀칭 금속판이 금속 분리기 (20) 측면 상의 전극 (38) 표면 상에 위치되고, 도전 소자는 이 펀칭 금속판과 접촉한다.
제 1 실시형태의 구조에서 개스킷 (40) 은 도 2 의 형태에 한정되지 않으며, 공기 유로 (22) 에서 충분한 보호 성능을 달성하는 임의의 다양한 형태일 수도 있다.
제 1 실시형태의 구조에서, 기재 (31) 는 조밀한 수소 투과 재료로 제조된다. 수소 투과 재료는 수소의 투과동안 연장되고 수소의 비투과동안 수축된다. 반복적인 시스템 활성 및 비활성에 의한 빈번한 확장 및 수축은 기재 (31) 를 박리시킬 수도 있다. 이하, 이러한 단점을 제거하기 위한 일부 사용가능한 구조를 변형된 예로서 제시한다.
(a) 제 1 변형예에서는 펀칭판에 수소 투과성 재료를 주입하여 기재를 형성한다. 도 7 은 본 구조의 기재로서 판 부재 (231) 의 평면도이다. 판 부재 (231) 는 바나듐 (V) 보다 높은 용융점을 가지는, 예를 들어, 몰리브덴 (Mo) 또는 텅스텐 (W) 과 같은 금속 재료로 제조된 펀칭판 (240) 을 포함한다. 펀칭판 (240) 의 홀 (240a) 은 바나듐 (V) 으로 충전된다. 제조 과정에서는 금속 재료의 펀칭판 (240) 을 제공하고, 열간 등압 성형 기술 (HIP) 에 의해 바나듐 (V) 을 펀칭판 (240) 의 홀 (240a) 로 주입하고, 펀칭판 (240) 을 연소시킨다. 이 방법은 펀칭판 (240) 의 홀 (240a) 이 바나듐 (V) 으로 타이트하게 충전되도록 한다. 판 부재 (231) 는 수소 투과성 재료의 영역을 감소시키고, 수소 투과성 재료를 또 다른 금속에 의해 둘러싸이게 한다. 이 배열은 기재의 잠재적인 수소 확장을 방지한다.
(b) 제 2 변형예에서는 바나듐 (V) 파우더를 스테인레스강 (SUS) 의 펀칭판에 주입하고, 열간 등압 성형 기술 (HIP) 에 의해 V 주입 펀칭판을 가압하여 기재를 형성한다. 제 1 변형예 (a) 에서와 같이, 이 변형 구조는 수소 투과성 재료의 영역을 감소시키고, 수소 투과성 재료를 또 다른 금속에 의해 둘러싸이게 한다. 이러한 배열은 기재의 잠재적 수소 확장을 방지한다. 펀칭판의 재료는 스테인레스강 (SUS) 에 한정되지 않으며, 수소 투과성 재료와는 다른 Cu 와 같은 또 다른 재료일 수도 있다.
(c) 제 3 변형예에서는 바나듐 (V) 의 얇은 와이어를 SUS 로 인벨로프 캐스팅 (envelope-cast) 하고, SUS 캐스팅된 V 의 얇은 와이어를 롤링하여 기재를 형성한다. 제조 과정은 V 핀 홀더를 제공하고, V 보다 낮은 용융점을 가지는 금속 재료 (예를 들어, SUS 또는 Cu) 를 V 핀 홀더의 갭으로 주입하고, 금속이 주입된 V 핀 홀더를 캐스팅하고 롤링하여 기재를 완성한다. 이러한 변형 구조는 수소 투 과성 재료의 영역을 감소시키고, 수소 투과성 재료를 또 다른 금속에 의해 둘러싸이게 한다. 이러한 배열은 기재의 잠재적인 수소 확장을 효과적으로 방지한다.
(d) 제 4 변형예는 Cu 와 V 를 혼합하여 작은 V 입자로 둘러싸인 Cu 입자를 확대하고, 열간 등압 성형 기술 (HIP) 에 의해 이 혼합물을 가압하여 기재를 형성한다. 이 구조는 제 3 변형예와 유사한 효과를 나타낸다.
(e) 변형예 (c) 및 (d) 에서, 기재는 수소 투과성 재료와 스테인레스강의 혼합물, 및 수소 투과성 재료와 구리의 혼합물로 제조된다. 이러한 혼합물은 변형예 (c) 및 (d) 와는 다른 방법에 의해 기재로 형성될 수도 있다. 스테인레스강 및 구리는 저품질 합금을 형성하지 않도록 수소 투과성 재료와 적절하게 혼합되고, 따라서 수소 투과성 재료와 혼합될 다른 금속 재료만큼 우수하다.
제 1 실시형태의 구조에서, 공기 유로 (22) 는 금속 분리기 (20), 전해질 멤브레인 (30) 및 개스킷 (40) 에 의해 규정된 공간에 형성된다. 또한 공기 유로는 연료 유로 (12) 와 동일한 방식으로, 금속 분리기에 의해 형성된 다수의 홈에 의해 형성될 수도 있다. 도 8 은 또 다른 변형예에서 그루빙된 금속 분리기에 형성된 공기 유로 및 연료 유로의 구조를 도시한다. 이 도시된 구조에서, 산소 전극 측면 상의 금속 분리기 (320) 는 산소 전극 측면 상의 금속 분리기 (10) 와 같은 다수의 직선 홈 (322) 을 가진다. 홈간의 리브는 전극 (38) 과 접촉한다 (유사한 부호는 제 1 실시형태의 구성요소와 유사한 구성요소를 나타낸다).
이 변형예의 구조는 금속판 (24) 의 효과를 제외하고는 제 1 실시형태의 효과와 유사한 효과를 나타낸다.
제 1 실시형태의 구조에서, 금속 분리기 (10 및 20) 는 전해질 멤브레인 (30) 및 개스킷 (40) 으로부터 돌출된다. 이 돌출부는 냉각 가스 유로 (62 및 63) 에 위치되도록 연장된다. 도 9 에 도시된 또 다른 변형 구조에서는, 냉각 가스 유로가 전해질 멤브레인 (30) 및 개스킷 (40) 내부에 위치될 수도 있다. 이 변형된 구조에서, 연료 가스를 위한 금속 분리기 (410) 는 2 면 상에 다수의 홈을 가지며, 연료 가스 유로 (412) 및 냉각 가스 유로 (419) 를 형성한다. 금속 분리기 (410) 는 공기 유로 (422) 를 가진 또 다른 금속 분리기 (420) 에 브레이징되고 접착된다. 코어 어셈블리 내 냉각 가스 유로의 형성은 바람직하게는 연료전지 스택의 총 크기 감소를 보장한다.
이하, 본 발명의 제 2 실시형태를 설명한다. 제 2 실시형태는, 제 1 실시형태에서 설명한 연료전지 스택 (1) 및 연료전지 스택 (1) 을 위한 냉각 시스템을 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다. 도 10 은 본 발명의 제 2 실시형태에서 연료전지 시스템 (500) 의 구조를 도시한다. 연료전지 시스템 (500) 은 제 1 실시형태의 연료전지 (1) 를 포함한다. 냉각 공기 공급관 (502) 은 연료전지 스택 (1) 의 케이싱 상에 형성되어 있는 냉각 가스 입구 (62a 및 63a) 에 접속된다. 공기 송풍기 (504) 는 냉각 공기 공급관 (502) 의 또 다른 단부에 접속되어, 공기가 냉각 공기 공급관 (502) 을 통해 연료전지 스택 (1) 으로 흐르게 한다.
물 공급 유닛 (506) 은 냉각 공기 공급관 (502) 의 중앙에 물을 공급한다. 물 공급 유닛 (506) 은 전자 제어 유닛 (510; ECU) 으로부터 제어 신호를 수신하여 물 공급을 시작하고 정지시킨다. 물 공급 유닛 (506) 으로부터의 물 공급은, 냉각 공기 공급관 (502) 을 통해 연료전지 스택 (1) 으로, 공기를 함유한 액체 또는 미스트 워터 (mist water) 와 같이 흐른다. 이러한 냉각 매체는, 분리기 (10 및 20) 의 돌출부가 위치되는 연료전지 스택 (1) 의 냉각 가스 유로 (62 및 63) 를 통과한다. 공기에 포함된 액체 또는 미스트 워터는 연료전지 스택 (1) 의 열에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 증발된다. 증발의 잠열이 효과적으로 연료전지 스택 (1) 을 냉각시킨다.
히터 (512) 는 냉각 공기 공급관 (502) 의 중앙에 위치되어 냉각 공기 공급관 (502) 을 통해 흐르는 공기를 가열한다. 히터 (512) 는, ECU (510) 로부터 제어 신호를 수신하여 가열용 히터 (512) 를 활성화 및 비활성화시키는 중계기 (514) 에 접속된다.
온도 센서 (516) 는 연료전지 스택 (1) 의 특정 위치에 부착되어 연료전지 스택 (1) 의 온도를 측정하고, 측정된 온도를 나타내는 출력 신호를 ECU (510) 에 전송한다. 또한, ECU (510) 는, 조작자의 스위치 조작에 대응하여 연료전지 시스템 (500) 를 활성화 및 비활성화시키는 시스템 스위치 (520) 에 접속된다. 연료전지 시스템 (500) 은, 연료전지 스택 (1) 의 연료 가스 입구 (64) 및 공기 입구 (66) 에 각각 연료 가스 및 공기를 공급하는 연료 공급 시스템 및 공기 공급 시스템을 구비한다 (도 3 참조). 이러한 시스템은 도 10 의 도면에서 생략되어 있다. 또한, 일부 부하 (미도시) 가 연료전지 스택 (1) 에 접속되어 있다.
ECU (510) 는 CPU, ROM 및 RAM 을 포함하는 마이크로컴퓨터이다. ECU (510) 는 연료전지 시스템 (500) 의 시작 제어 루틴을 실행한다.
도 11 은, 소정의 시간 간격에서 반복적으로 실행되는 시작 제어 루틴을 도시하는 흐름도이다. 시작 제어 루틴에서, ECU (510) 의 CPU 는 시스템 스위치 (520) 가 턴온되었는지 여부를 우선 결정한다 (단계 S600). 시스템 스위치 (520) 의 온 동작에 응답하여, CPU 는 공기 송풍기 (504) 를 작동시키고 (단계 S605), 온도 센서 (516) 로부터 측정된 온도 T 를 판독하고 (단계 S610), 측정된 온도 T 가 소정 레벨 T0 (예를 들어, 0℃) 보다 높지 않은지 여부를 결정한다 (단계 S620).
단계 S620 에서의 답이 긍정적이면, 즉, 측정된 온도 T 가 소정 레벨 T0 보다 높지 않으면, CPU 는 중계기 (514) 를 온 시키고 (단계 S630) 제어 루틴을 단계 S620 으로 되돌린다. 반면, 단계 S620 에서의 답이 부정적이면, 즉, 측정된 온도 T 가 소정 레벨 T0 보다 높은 경우, CPU 는 중계기 (514) 를 오프 시키고 (단계 S640) 이 제어 루틴을 종료시키기 위해 RETURN 으로 진행한다.
단계 S600 에서의 답이 부정적인 경우, 시작 제어 루틴은 RETURN 으로 진행하여 즉시 종료된다.
시작 제어 루틴은 시스템 스위치 (520) 의 온 동작에 응답하여 공기 송풍기 (504) 를 작동시키고 중계기 (514) 를 온 시켜, 가열된 공기를 연료전지 스택 (1) 의 냉각 가스 유로 (62 및 63) 를 통해 흐르도록 하여 연료전지 스택 (1) 을 가열한다.
미도시된 제어 루틴에 따르면, 온도 센서 (516) 에 의해 측정된 온도 T 가 소정 기준 레벨 T1 (≥ T0) 을 초과하는 경우, 물 공급 유닛 (506) 이 작동된다. 소정 기준 레벨 T1 보다 높은 온도 T 에서, 물 공급 유닛 (506) 으로부터의 물 공급은 냉각 공기 공급관 (502) 을 통해 흐르고, 증발의 잠열을 이용하여 전술한 바와 같이 연료전지 스택 (1) 을 냉각시킨다.
제 2 실시형태의 단순한 구조에서, 냉각 매체는 연료전지 스택 (1) 의 금속 분리기 (10 및 20) 의 돌출부를 통해 흘러 냉각 효율성을 강화시킨다. 냉각 매체는 요건에 따라 가열 매체로 전환될 수도 있다. 따라서, 이러한 단순한 구조는 추운 환경에서 작동 성능을 강화시킨다.
전술한 실시형태 및 변형예는 예시적인 양태로 간주되어야 하며, 한정적인 것이 아니다. 본 발명의 주요 특징의 범주 또는 사상을 벗어나지 않고, 다양한 변형, 변경 및 대체가 존재할 수도 있다. 예를 들어, 전해질 멤브레인은 예를 들어, 중합체 전해질 멤브레인과 같은 또 다른 다양한 전해질 멤브레인으로 대체될 수도 있다.

Claims (18)

  1. 다수의 단위 연료전지의 적층체를 구비하는 연료전지 스택으로서,
    상기 단위 연료전지 각각은,
    조밀한 수소 투과성 재료를 포함하는 기재 및 상기 기재의 하나 이상의 단부에 위치한 조밀한 무기 전해질 층을 포함하는 전해질 멤브레인;
    상기 전해질 멤브레인의 제 1 단부에 위치되고 수소 함유 연료 가스의 공급을 수용하는 연료 전극; 및
    상기 제 1 단부의 반대편인, 상기 전해질 멤브레인의 제 2 단부 상에 위치되고, 산소 함유 산화 가스의 공급을 수용하는 산소 전극을 구비하는, 연료전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    인접한 단위 연료전지의 각 쌍 사이에 개재되는 분리기; 및
    상기 분리기와 접촉하고, 산화 가스를 상기 산소 전극에 공급하기 위해 유로를 형성하는 개스킷을 더 구비하며,
    상기 유로는, 상기 유로의 개구부를 유지하고 상기 산소 전극 상에서 집전하도록 기능하는 도전 소자를 포함하는, 연료전지 스택.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전 소자는, 상기 다수의 단위 연료전지의 적층 방향에서 외력의 인가 에 의해 탄성적으로 변형가능한 형태로 형성되는 금속 부재인, 연료전지 스택.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속 부재는 금속 박판인, 연료전지 스택.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속 박판은 주름져 있는, 연료전지 스택.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속 부재는 얇은 금속 와이어인, 연료전지 스택.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 부재는 상기 얇은 금속 와이어를 위빙 (weaving) 하고 탱글링 (tangling) 함으로써 얻어지는 금속 스폰지인, 연료전지 스택.
  8. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전 소자는 산화방지 특성을 가지도록 처리된 표면을 가지는 금속 부재인, 연료전지 스택.
  9. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개스킷은 절연 재료를 포함하는, 연료전지 스택.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접한 단위 연료전지의 각 쌍 사이에 개재되는 분리기를 더 구비하며,
    상기 분리기는 상기 전해질 멤브레인으로부터 외부로 돌출하고 높은 열 전도성을 가지는 재료로 제조되어 방사핀으로 기능하는 돌출부를 형성하는, 연료전지 스택.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택을 피복하는 절연 케이싱; 및
    상기 절연 케이싱과 통합되어 상기 분리기의 돌출부에 냉각 매체의 통로를 형성하는 냉각 매체 유로를 더 구비하는, 연료전지 스택.
  12. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기재는, 상기 수소 투과성 재료가 아닌 다른 금속 재료로 제조되는 펀칭판에 매입된 상기 수소 투과성 재료를 구비하는, 연료전지 스택.
  13. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기재는 상기 수소 투과성 재료와 스테인레스강의 혼합물을 포함하는, 연료전지 스택.
  14. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기재는 상기 수소 투과성 재료와 구리의 혼합물을 포함하는, 연료전지 스택.
  15. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 전해질층은 세라믹 재료를 포함하는, 연료전지 스택.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 무기 전해질층은 고체 산화물 재료를 포함하는, 연료전지 스택.
  17. 제 10 항에 있어서,
    냉각 매체를 상기 분리기의 돌출부에 공급하는 냉각 매체 공급관; 및
    상기 냉각 매체 공급관을 통해 공급된 냉각 매체를 가열 매체로 전환하는 냉각 가열 전환 모듈을 구비하는, 연료전지 스택.
  18. (a) 인접한 단위 연료전지의 쌍을 직렬로 접속시키는 금속 분리기를 제공하는 단계;
    (b) 상기 금속 분리기에 조밀한 수소 투과성 재료를 포함하는 기재를 접착하는 단계;
    (c) 상기 기재의 하나 이상의 단부에 조밀한 무기 전해질층을 형성하는 단계;
    (d) 하나의 단위 연료전지를 완성하기 위해, 상기 (b) 단계에서의 상기 기재에 접착된 금속 분리기의 극성과 상이한 극성을 가지는 또 다른 금속 분리기를 상기 전해질층의 외부 단부에 접착하는 단계;
    (e) 상기 (a) 단계 내지 (d) 단계를 반복하여, 다수의 단위 연료전지를 형성하고 적층하여 적층체를 형성하는 단계; 및
    (f) 상기 다수의 단위 연료전지의 적층체를 클램핑 부재로 클램핑하는 단계를 포함하는, 연료전지 스택의 제조 방법.
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