KR100773654B1 - 연료 전지 및 연료 전지 스택 - Google Patents

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Abstract

연료 전지(10)는 전해질 전극 접합체(26) 및 세퍼레이터(28)를 포함한다. 세퍼레이터(28)는 서로 적층되어 있는 제1 내지 제3 플레이트(30, 32, 34)를 포함한다. 연료 가스 공급 통로(36)에 연결된 연료 가스 채널(76)은 제1 및 제3 플레이트(30, 34) 사이에 형성되어 있다. 연료 가스 채널(76)은 제1 및 제3 원형 디스크(42, 70) 사이에 연료 가스 압력 챔버(86)를 형성한다. 또한, 산소 함유 가스 공급 통로(50)에 연결된 산소 함유 가스 채널(84)은 제2 및 제3 플레이트(32, 34) 사이에 형성되어 있다. 산소 함유 가스 채널(84)은 제2 및 제3 원형 디스크(56, 70) 사이에 산소 함유 가스 압력 챔버(88)를 형성한다.

Description

연료 전지 및 연료 전지 스택{FUEL CELL AND FUEL CELL STACK}
본 발명은, 전해질 전극 접합체 및 세퍼레이터를 교대로 적층함으로써 형성되는 연료 전지에 관한 것이다. 전해질 전극 접합체는 어노드, 캐소드, 및 어노드와 캐소드 사이에 끼워진 전해질을 포함한다. 또한, 본 발명은 연료 전지를 적층함으로써 형성되는 연료 전지 스택에 관한 것이다.
통상적으로, 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 안정화 지르코니아 등의 이온 도전성의 고체 산화물의 전해질을 사용한다. 전해질은 어노드와 캐소드 사이에 끼워져서 전해질 전극 접합체(유닛 전지)를 형성한다. 전해질 전극 접합체는 세퍼레이터(바이폴라 플레이트) 사이에 끼워져 있다. 사용 시에, 사전 결정된 수의 유닛 전지 및 세퍼레이터가 서로 적층되어 연료 전지 스택을 형성한다.
연료 전지에 있어서, 산소 함유 가스 또는 공기가 캐소드에 공급되어 진다. 산소 함유 가스에서 산소가 캐소드 및 전해질 사이에 인터페이스에서 이온화되고, 산소 이온(O2 -)이 전해질을 통해서 어노드를 향하여 이동한다. 수소 함유 가스 또는 CO 등의 연료 가스가 어노드로 공급된다. 산소 이온은 수소 함유 가스에서의 수소와 반응하여 물을 생성하거나 CO와 반응하여 CO2를 생성한다. 반응에서 나오는 전자 는 외부 회로를 통하여 캐소드로 유동하고 직류 전기 에너지를 생성한다.
예를 들어, 전해질 전극 접합체에서 생성되는 전기 에너지가 세퍼레이터에 설치된 집전장치를 통하여 터미널 플레이트에 전달된다. 따라서, 집전장치 및 전해질 전극 접합체 사이의 바람직한 접촉 상태가 유지될 필요가 있다. 그러나, 집전장치의 높이 또는 전해질 전극 접합체의 두께에서의 변형이, 제작 정밀도 등의 인자로 인하여, 용이하게 발생한다. 특히, 집전장치의 강성이 높아서, 전해질 전극 접합체는 바라지 않는 손상이 생길 수 있다.
문제를 처리하려는 시도로, 예를 들어 일본 공개 특허공보 제2001-68132호는 고체 산화물 연료 전지를 개시한다. 도 21에 나타낸 바와 같이, 일본 공개 특허공보 제2001-68132호에 있어서, 복수의 고체 산화물 연료 전지(1)가 서로 적층되어 있다. 고체 산화물 연료 전지(1)는, 평탄한 유닛 전지(2), 제1 스페이서(3), 제2 스페이서(4) 및 집전판(5)을 포함한다. 집전판(5)은, 금속 평판(6)의 양 표면에 설치된 금속 박판(7) 및 금속 평판(6)을 포함한다. 돌기(7a)가 금속 박판(7) 상에 형성되어 있다. 돌기(7a)는 유닛 전지(2)의 공기 전극 또는 연료 전극의 표면과 접촉한다.
개시에 있어서, 돌기(7a)는 적당한 탄성을 가진다. 따라서, 초과 힘이 돌기(7a)에 적용되더라도, 돌기(7a)는 돌기(7a)와 접촉하는 공기 전극 또는 연료 전극의 손상을 방지하기 위해서, 적절하게 변형되고 적용되는 하중을 흡수한다.
그러나, 일본 공개 특허공보 제2001-68132호에 있어서, 집전판(5)은, 금속 평판(6)의 양 표면 상에 부착된 금속 박판(7) 및 금속 평판(6)을 포함한다. 금속 플레이트(6)의 양 표면에 설치된 금속 박판(7)은 각각 돌기(7a)를 가진다. 작은 범위로 변형되는 집전장치의 부분에서 표면 압력은 작고, 큰 범위로 변형되는 집전장치의 부분에서 표면 압력은 크다. 따라서, 집전장치에서의 표면 압력은 일정하지 않다.
또한, 금속 박판(7)의 탄성이 이용되어도, 탄성은 열 등의 영향으로 낮아질 수 있다. 따라서, 바람직한 응력 흡수 기능이 달성될 수 없다.
또한, 탄성의 변화로 인한 금속 박판(7)의 변형은 각각의 유체 통로의 일정하지 않은 형상을 초래한다. 이 경우에, 반응물 가스 등의 일정한 유동을 얻기가 어렵다.
본 발명의 통상적인 목적은, 전해질 전극 접합체 및 집전장치 사이의 일정한 표면 압력이 유지되고, 반응물 가스 등의 유동이 일정한, 단순하고 간편한 구조를 가지는, 연료 전지 스택 및 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명에 있어서, 전해질 전극 접합체 및 세퍼레이터는 교대로 적층되어 진다. 전해질 전극 접합체는 어노드, 캐소드 및 어노드와 캐소드 사이에 끼워진 전해질을 포함한다. 세퍼레이터는 서로 적층되어 있는 제1 및 제2 플레이트를 포함한다. 연료 가스를 어노드에 공급하기 위한 연료 가스 채널 및 산소 함유 가스를 캐소드에 공급하기 위한 산소 함유 가스 채널은 제1 및 제2 플레이트 사이에 형성되어 있다.
연료 가스 채널은 어노드의 전극 표면에 걸쳐 설치되어 있고, 제1 플레이트는 연료 가스 채널과 어노드 사이에 끼워져서 연료 가스 압력 챔버를 형성하여 연료 가스가 연료 가스 압력 챔버로 공급될 때 제1 플레이트가 압력 하에서 어노드와 단단히 접촉하도록 되어 있다. 산소 함유 가스 채널이 캐소드의 전극 표면에 걸쳐 설치되어 있고, 제2 플레이트는 산소 함유 가스 채널과 캐소드 사이에 끼워져서 산소 함유 가스 압력 챔버를 형성하여 산소 함유 가스가 산소 함유 가스 압력 챔버로 공급될 때, 제2 플레이트가 압력 하에서 캐소드와 단단히 접촉하도록 되어 있다.
또한, 제1 플레이트는, 연료 가스를 연료 가스 압력 챔버로부터 어노드의 중앙 영역을 향하여 공급하기 위해서, 연료 가스 입구를 가지고, 제2 플레이트는, 산소 함유 가스를 산소 함유 가스 압력 챔버로부터 캐소드의 중앙 영역을 향하여 공급하기 위해서, 산소 함유 가스 입구를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 제3 플레이트가, 제1 및 제2 플레이트 사이의 공간을 연료 가스 채널 및 산소 함유 가스 채널로 구획하기 위해서 제1 및 제2 플레이트 사이에 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 연료 가스 공급 통로 및 연료 가스 채널을 연결하기 위한 연료 가스 분배 통로는 제1 및 제3 플레이트 사이에 형성되어 있고, 소모 전의 연료 가스는 전해질 전극 접합체 및 세퍼레이터의 적층 방향으로 연료 가스 공급 통로를 통하여 공급되는 것이 바람직하고, 산소 함유 가스 공급 통로 및 산소 함유 가스 채널을 연결하기 위한 산소 함유 가스 분배 통로는 제2 및 제3 플레이트 사이에 형성되어 있고, 소모 전의 산소 함유 가스는 적층 방향으로 산소 함유 가스 공급 통로를 통하여 공급되는 것이 바람직하다.
또한, 세퍼레이터가, 전해질 전극 접합체 및 세퍼레이터의 상기 적층 방향으로 배기 가스로서 전해질 전극 접합체에서의 반응에 공급되고 소모되는 산소 함유 가스 및 연료 가스를 방출하기 위한 배기 가스 채널을 더 포함하고, 연료 가스 채널을 형성하고 전해질 전극 접합체를 지지하기 위한 연료 가스 채널 부재, 및 산소 함유 가스 채널을 형성하고 상기 전해질 전극 접합체를 지지하기 위한 산소 함유 가스 채널 부재가 배기 가스 채널에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 제1 및 제2 플레이트가, 상이한 방향으로 돌출하는 제1 및 제2 돌기를 포함하고, 하나의 세퍼레이터의 제1 돌기 및 다른 세퍼레이터의 제2 돌기가 전해질 전극 접합체를 사이에 끼우는 것이 바람직하다. 또한, 제1 및 제2 돌기가, 전해질 전극 접합체에서 생성된 전기 에너지를 집전하기 위한 집전장치로서 기능하는 것이 바람직하다.
또한, 제3 플레이트가 제1 플레이트를 향하여 돌출하는 제3 돌기를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 연료 가스 채널로 공급되는 연료 가스는 연료 가스 압력 챔버로 유동할 때, 연료 가스 압력 챔버에서의 내압은 증가하고, 연료 가스 압력 챔버가 팽창되어 제1 플레이트는 압력 하에서 어노드와 단단히 접촉한다. 마찬가지로, 산소 함유 가스 채널로 공급되는 산소 함유 가스가 산소 함유 가스 압력 챔버로 유동할 때, 산소 함유 가스 압력 챔버에서의 내압은 증가하고, 산소 함유 가스 압력 챔버가 팽창되어 제2 플레이트는 압력 하에서 캐소드와 단단히 접촉한다.
따라서, 세퍼레이터 및 전해질 전극 접합체의 변형이 흡수된다. 단순하고 간편한 구조로, 집전장치로서 제1 및 제2 플레이트와 전해질 전극 접합체 사이에 적용되는 일정한 표면 압력을 유지하는 것이 가능하다. 또한, 집전장치가 일정한 표면 압력으로 전해질 전극 접합체의 전극의 전체 표면과 단단히 접촉한다. 집전장치의 접촉 저항이 감소한다. 따라서, 발전 효율에 있어서의 향상이 용이하게 얻어진다.
또한, 초과 압력이 전해질 전극 접합체에 국부적으로 가해지지 않기 때문에, 전해질 전극 접합체의 손상이 바람직하게 방지된다. 또한, 전해질 전극 접합체를 체결하기 위해서 요구되는 표면 압력이 외부 체결 수단 없이 생성된다.
또한, 전해질 전극 접합체 및 집전장치 사이에 형성된 각 유체 통로의 일정한 형상이 유지된다. 따라서, 반응물 가스 등의 유동이 일정하고, 발전 효율에 있어서의 향상이 얻어진다.
본 발명의 상기한 그리고 다른 목적, 특징 및 장점은, 본 발명의 바람직한 실시예가 예시를 통하여 도시되어 있는 첨부 도면과 함께, 다음의 설명으로부터 명백해진다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 의한 복수의 연료 전지를 적층함으로써 형성되는 연료 전지 스택을 개략적으로 도시하는 사시도이다;
도 2는 연료 전지를 도시하는 분해 사시도이다;
도 3은 연료 전지에서의 가스 유동을 도시하는 부분 분해 사시도이다;
도 4는 연료 전지의 제2 플레이트를 도시하는 전면도이다;
도 5는, 부분적으로 생략한, 연료 전지의 제3 플레이트의 일면을 도시하는 도면이다;
도 6은, 부분적으로 생략한, 제3 플레이트의 다른 면을 도시하는 도면이다;
도 7은 연료 전지의 연료 가스 공급 통로 근방의 영역을 도시하는 확대 단면도이다;
도 8은 연료 전지의 산소 함유 가스 공급 통로 근방의 영역을 도시하는 확대 단면도이다;
도 9는 연료 전지의 동작을 개략적으로 도시하는 단면도이다;
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 의한 복수의 연료 전지를 적층함으로써 형성되는 연료 전지 스택을 개략적으로 도시하는 사시도이다;
도 11은, 연료 전지 스택이 케이싱에 배치되어 있는, 연료 전지 시스템의 일부를 도시하는 단면도이다;
도 12는 연료 전지의 세퍼레이터를 도시하는 분해 사시도이다;
도 13은 연료 전지의 가스 유동을 도시하는 부분 분해 사시도이다;
도 14는 세퍼레이터의 제3 플레이트의 일면을 도시하는 도면이다;
도 15는 연료 전지의 중앙 영역을 도시하는 확대 단면도이다;
도 16은 연료 전지의 외주 영역을 도시하는 확대 단면도이다;
도 17은 연료 전지의 동작을 개략적으로 도시하는 단면도이다;
도 18은 본 발명의 제3 실시예에 의한 복수의 연료 전지를 적층함으로써 형 성된 연료 전지 스택을 개략적으로 도시하는 사시도이다;
도 19는 연료 전지를 도시하는 분해 사시도이다;
도 20은 연료 전지의 동작을 도시하는 분해 사시도이다; 그리고
도 21은 일본 공개 특허공보 제2001-68132호에 개시된 고체 산화물 연료 전지를 도시하는 단면도이다.
도 1은, 화살표 A로 지시되는 방향에서, 본 발명의 제1 실시예에 의한 복수의 연료 전지(10)를 적층함으로써 형성되는 연료 전지 스택(12)을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
연료 전지(10)는 고정형 및 이동형 적용을 포함하는 다양한 적용에서 사용되는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)이다. 연료 전지는 차량에 장착된다. 도 2 및 3에 나타낸 바와 같이, 연료 전지(10)는 전해질 전극 접합체(26)를 포함한다. 전해질 전극 접합체(26)는 캐소드(22), 어노드(24) 및 캐소드(22)와 어노드(24) 사이에 끼워진 전해질(전해질 플레이트)(20)을 포함한다. 예를 들어, 전해질(20)은 안정화 지르코니아 등의 이온 전도성 고체 산화물로 제조된다. 전해질 전극 접합체(26)는 원형의 디스크 형상을 가진다.
연료 전지(10)는 한 쌍의 세퍼레이터(28) 사이에 전해질 전극 접합체(26)를 끼워서 형성되어 진다. 세퍼레이터(28)는 제1 및 제2 플레이트(30, 32) 및 제1 및 제2 플레이트(30, 32) 사이에 끼워진 제3 플레이트(34)를 포함한다. 예를 들어, 제1 내지 제3 플레이트(30, 32, 34)는 스테인레스 합금 등의 금속판이다. 제1 플레이 트(30) 및 제2 플레이트(32)는 예를 들어, 브레이징(brazing)에 의해서 제3 플레이트(34)의 양 표면에 결합된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 플레이트(30)는 제1 소경 단부(小徑 端部)(38)를 가진다. 화살표 A로 지시되는 방향으로 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 공급 통로(36)가 제1 소경 단부(38)를 통하여 연장한다. 제1 소경 단부(38)는, 좁은 브리지(40)를 통하여 상대적으로 큰 직경을 가지는 제1 원형 디스크(42)와 일체로 되어 있다. 전해질 전극 접합체(26)의 어노드(24)와 제1 원형의 디스크(42)는 실질적으로 같은 크기를 가진다.
외주(外周) 영역에 근접한 중앙 영역에서, 많은 수의 돌기(44)가 어노드(24)와 접촉하는 제1 원형 디스크(42)의 표면 상에 형성되어 있다. 실질적으로 링 형상의 돌기(46)가 제1 원형 디스크(42)의 외주 영역에 설치되어 있다. 제1 돌기(44) 및 실질적으로 링 형상의 돌기(46)가 집전장치로서 공동으로 기능한다. 실질적으로 어노드(24)의 중앙 영역을 향하여 연료 가스를 공급하기 위해서, 연료 가스 입구(48)가 제1 원형 디스크(42)의 중앙에 설치되어 있다. 제1 돌기(44)는, 실질적으로 링 형상의 돌기(46)의 표면과 같은 면에 있는 표면에 복수의 홈을 만들어서 형성될 수 있다.
제2 플레이트(32)는 제2 소경 단부(52)를 가진다. 화살표 A로 지시되는 방향으로 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 함유 가스 공급 통로(50)가 제2 소경 단부(52)를 통하여 연장한다. 제2 소경 단부(52)는, 좁은 브릿지(54)를 통하여 상대적으로 큰 직경을 가지는 제2 원형 디스크(56)와 일체로 되어 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 복수의 제2 돌기(58)가, 전해질 전극 접합체(26)의 캐소드(22)와 접촉하는 제2 원형 디스크(56)의 전제 표면 상에 형성된다. 제2 돌기(58)는 집전장치로서 기능한다. 산소 함유 가스 입구(60)는, 실질적으로 캐소드(22)의 중앙 영역을 향하여 산소 함유 가스를 공급하기 위해서 제2 원형 디스크(56)의 중앙에 설치되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 제3 플레이트(34)는 제3 소경 단부(62) 및 제4 소경 단부(64)를 포함한다. 연료 가스 공급 통로(36)는 제3 소경 단부(62)를 통해서 연장하고, 산소 함유 가스 공급 통로(50)는 제4 소경 단부(64)를 통하여 연장한다. 제3 및 제4 소경 단부(62, 64)는, 각각 좁은 브릿지(66, 68)를 통하여 상대적으로 큰 직경을 가지는 제3 원형 디스크(70)와 일체로 되어 있다. 제1 내지 제3 원형 디스크(42, 56, 70)는 같은 직경을 가진다.
도 2 및 5에서 나타내는 바와 같이, 제3 플레이트(34)는, 제1 플레이트(30)와 마주하는 표면 상에, 제3 소경 단부(62)에서 반지름 방향으로 형성되는 복수의 슬릿(72)을 가진다. 슬릿(72)은 연료 가스 공급 통로(36)에 연결되어 있다. 또한, 슬릿(72)은, 제3 소경 단부(62)의 외주 영역에서 형성된 홈(74)에 연결되어 있다. 홈(74)은, 슬릿(72) 및 홈(74) 내부의 구역으로 브레이징 물질이 진입하는 것을 방지한다. 연료 가스 채널(76)은 브릿지(66) 및 제3 원형 디스크(70)의 표면에서 형성되어 있다. 연료 가스는 연료 가스 공급 통로(36)로부터 연료 가스 채널(76)로 슬릿(72)을 통하여 유동한다. 복수의 제3 돌기(78)가 제3 원형 디스크(70) 상에 형성되어 있고, 제3 돌기(78)는 연료 가스 채널(76)의 일부이다.
도 6에서 나타낸 바와 같이, 제3 플레이트(34)는, 제2 플레이트(32)와 접촉하는 표면 상에, 제4 소경 단부(64)에 반지름 방향으로 형성된 복수의 슬릿(80)을 가진다. 슬릿(80)은 산소 함유 가스 공급 통로(50)에 연결되어 있다. 또한, 슬릿(80)은 홈(82)에 연결되어 있다. 홈(82)은, 슬릿(80) 및 홈(82) 내부의 구역으로 브레이징 물질이 진입하는 것을 방지한다. 산소 함유 가스 채널(84)은 제3 원형 디스크(70)에 형성되어 있다. 산소 함유 가스는 슬릿(80)을 통하여 제3 원형 디스크(70)로 유동한다. 산소 함유 가스 채널(84)은 제3 원형 디스크(70)의 외주 영역에 의해 폐쇄되어 진다.
제1 플레이트(30)가 브레이징으로 제3 플레이트(34)에 결합되어 제1 및 제3 플레이트(30, 34) 사이에서 연료 가스 공급 통로(36)에 연결된 연료 가스 채널(76)을 형성한다. 제1 플레이트(30)의 브릿지(40) 및 제3 플레이트(34)의 브릿지(66)는 서로 결합되어 연료 가스 채널 부재를 형성하고, 연료 가스 채널(76)의 일부로서 연료 가스 분배 통로(76a)는 연료 가스 채널 부재에 형성되어 있다(도 7 참조).
연료 가스 채널(76)은, 어노드(24)의 전극 표면에, 제1 및 제3 원형 디스크(42, 70) 사이에 설치되어 있다. 제1 원형 디스크(42)가 연료 가스 채널(76)과 어노드(24) 사이에 설치되어 있고, 연료 가스가 연료 가스 채널(76)로 공급된다. 즉, 제1 원형 디스크(42)가 압력 하에서 어노드(24)와 단단히 접촉하도록 연료 가스 압력 챔버(86)가 형성되어 있다(도 7 및 8 참조).
제2 플레이트(32)는 브레이징으로 제3 플레이트(34)에 결합되어 제2 및 제3 플레이트(32, 34) 사이에서 산소 함유 가스 공급 통로(50)에 연결된 산소 함유 가 스 채널(84)을 형성한다(도 8 참조). 제2 플레이트(32)의 브릿지(54) 및 제3 플레이트(34)의 브릿지(68)가 서로 결합되고, 산소 함유 가스 채널(84)의 일부로서 산소 함유 가스 분배 통로(84a)가 산소 함유 가스 채널 부재에서 형성되어 진다.
산소 함유 가스 채널(84)은, 캐소드(22)의 전극 표면에, 제2 및 제3 원형 디스크(56, 70) 사이에 설치되어 있다. 제2 원형 디스크(56)는 산소 함유 가스 채널(84)과 캐소드(22) 사이에 설치되어 있고, 산소 함유 가스가 산소 함유 가스 채널(84)로 공급된다. 즉, 제2 원형 디스크(56)가 압력 하에서 캐소드(22)와 단단히 접촉하도록 산소 함유 가스 압력 챔버(88)가 형성되어 있다(도 7 및 8 참조).
연료 가스 공급 통로(36)를 밀봉하기 위한 절연 씰(insulating seal)(89a) 및 산소 함유 가스 공급 통로(50)을 밀봉하기 위한 절연 씰(89b)이 세퍼레이터(28) 사이에 설치되어 있다. 예를 들어, 절연 씰(89a, 89b)은 운모 물질 또는 세라믹 물질로 제조되어 진다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 스택(12)은 적층 방향으로 연료 전지(10)의 대향 단부에 설치된 단부 플레이트(90a, 90b)를 포함한다. 단부 플레이트(90a) 또는 단부 플레이트(90b)는 체결 볼트(98)로부터 전기적으로 절연되어 있다. 제1 파이프(92) 및 제2 파이프(94)는 단부 플레이트(90a)를 통하여 연장한다. 제1 파이프(92)는 연료 가스 공급 통로(36)에 연결되어 있고, 제2 파이프(94)는 산소 함유 가스 공급 통로(50)에 연결되어 있다. 단부 플레이트(90a, 90b)는 연료 가스 공급 통로(36) 및 산소 함유 가스 공급 통로(50) 위와 아래에 볼트 구멍(96)을 가진다. 체결 볼트(98)가 각각의 볼트 구멍(96)에 삽입되고, 연료 전지 스택(12)을 체결하기 위해서 각 체결 볼트(98)의 선단이 너트(99)로 고정되어 진다.
다음으로, 연료 전지 스택(12)의 작동이 아래에 기술될 것이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 연료 전지(10)를 결합할 때, 우선, 세퍼레이터(28)의 제1 플레이트(30)가 제3 플레이트(34)의 일면에 결합되고, 제2 플레이트(32)가 제3 플레이트(34)의 다른 면에 결합된다. 따라서, 제3 플레이트(34)는 세퍼레이터(28)에서 공간을 구획하여 연료 가스 공급 통로(36)에 연결된 연료 가스 채널(76) 및 산소 함유 가스 통로(50)에 연결된 산소 함유 가스 채널(84)을 각각 형성한다(도 3 참조).
또한, 연료 가스 압력 챔버(86)가 제1 및 제3 원형 디스크(42, 70) 사이에서 형성되고, 산소 함유 가스 압력 챔버(88)가 제2 및 제3 원형 디스크(56, 70) 사이에서 형성된다(도 9 참조).
그 후, 세퍼레이터(9) 및 전해질 전극 접합체(26)가 교대로 적층되고, 단부 플레이트(90a, 90b)가 적층 방향으로 대향 단부에 설치된다. 단부 플레이트(90a) 또는 단부 플레이트(90b)는 체결 볼트(98)로부터 전기적으로 절연되어 있다. 체결 볼트(98)가 단부 플레이트(90a, 90b)의 각각의 볼트 구멍으로 삽입되고, 연료 전지 스택(12)을 형성하도록 체결 볼트(98)의 선단이 너트(99)로 고정된다(도 1 참조).
연료 가스(예를 들어, 수소 함유 가스)가 단부 플레이트(90a)에 연결된 제1 파이프(92)에 공급되고, 연료 가스는 제1 파이프(92)로부터 연료 가스 공급 통로(36)로 유동한다. (이후에 공기로서도 언급되는) 산소 함유 가스가 단부 플레이트(90a)에 연결된 제2 파이프(94)에 공급되고, 산소 함유 가스는 제2 파이프(94)로 부터 산소 함유 가스 공급 통로(50)로 유동한다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 연료 가스가 연료 가스 공급 통로(36)로 유동한 후, 연료 가스는 화살표 A로 지시되는 적층 방향으로 유동하고 각각의 연료 전지(10)의 세퍼레이터(28)에서의 연료 가스 채널(76)로 공급된다. 연료 가스는 연료 가스 채널(76)을 따라서 유동하고, 제1 및 제3 원형 디스크(42, 70) 사이의 연료 가스 압력 챔버(86)로 유동한다. 연료 가스는 제3 돌기(78) 사이에서 유동하고, 제1 원형 디스크(42)의 중앙 위치의 연료 가스 입구(48)로 유동한다.
연료 가스 입구(48)는, 각각의 전해질 전극 접합체(26)에서 어노드(24)의 중앙 위치에 대응하는 위치에 설치되어 있다. 따라서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 연료 가스 입구(48)로부터 연료 가스가 어노드(24)로 공급되고, 어노드(24)의 중앙 영역으로부터 어노드(24)의 외주 영역을 향하여 유동한다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 산소 함유 가스가 산소 함유 가스 공급 통로(50)로 유동한 후, 산소 함유 가스는 세퍼레이터(28)에서 산소 함유 가스 채널(84)을 통하여 유동하고, 제2 및 제3 원형 디스크(56, 70) 사이의 산소 함유 가스 압력 챔버(88)로 공급된다. 산소 함유 가스는 제2 원형 디스크(56)의 중앙 위치의 산소 함유 가스 입구(60)로 유동한다.
산소 함유 가스 입구(60)는, 각각의 전해질 전극 접합체(26)에서 캐소드의 중앙 위치에 대응하는 위치에 설치되어 있다. 따라서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 산소 함유 가스 입구(60)로부터 산소 함유 가스는 캐소드(22)로 공급되고 캐소드(22)의 중앙 영역으로부터 캐소드(22)의 외주 영역으로 유동한다.
따라서, 각각의 전해질 전극 접합체(26)에서, 전기를 생성하기 위해서, 연료 가스가 어노드(24)의 중앙 영역으로부터 어노드(24)의 외주 영역으로 공급되고, 산소 함유 가스가 캐소드(22)의 중앙 영역으로부터 캐소드(22)의 외주 영역으로 공급된다. 연료 가스 및 산소 함유 가스가 발전에서 소비된 후, 연료 가스 및 산소 함유 가스는 배기 가스로서 제1 내지 제3 원형 디스크(42, 56, 70)의 외주 영역으로 부터 방출된다.
제1 실시예에 있어서, 세퍼레이터(28)에서, 연료 가스 압력 챔버(86)가 어노드(24)의 전극 표면에, 제1 및 제3 원형 디스크(42, 70) 사이에 형성되어 제1 원형 디스크(42)가 연료 가스 압력 챔버(86)과 어노드(24) 사이에 끼워지고, 산소 함유 가스 압력 챔버(88)가, 캐소드(22)의 전극 표면에, 제2 및 제3 원형 디스크(56, 70) 사이에 형성되어 제2 원형 디스크(56)가 산소 함유 가스 압력 챔버(88)과 캐소드(22) 사이에 끼워진다.
도 9에서 나타낸 바와 같이, 연료 가스 채널(76)에 공급된 연료 가스는 연료 가스 압력 챔버(86)로 유동한다. 연료 가스가 연료 가스 입구(48)의 작은 개구를 통하여 유동할 때, 연료 가스 압력 챔버(86)에서의 내압은 증가하고, 연료 가스 챔버(86)가 팽창되어서 박판으로 제조된 제1 원형 디스크(42)는 압력하에서 어노드(24)와 단단히 접촉한다. 마찬가지로, 산소 함유 가스 채널(84)에 공급된 산소 함유 가스는 산소 함유 가스 압력 챔버(88)로 유동한다. 산소 함유 가스가 산소 함유 가스 입구(60)의 작은 개구를 통하여 유동할 때, 산소 함유 가스 압력 챔버(88)에서의 내압은 증가하고, 산소 함유 가스 압력 챔버(88)가 팽창되어서 박판으로 제 조된 제2 원형 디스크(56)는 압력하에서 캐소드(22)와 단단히 접촉한다.
따라서, 세퍼레이터(28) 및 전해질 전극 접합체(26)의 치수 변화가 흡수되고, 간단하고 간편한 구조로, 집전장치로서 제1 및 제2 원형 디스크(42, 56) 및 전해질 전극 접합체(26) 사이에 적용되는 일정한 표면 압력을 유지하는 것이 가능하다. 또한, 제1 및 제2 원형 디스크(42, 56)가, 일정한 표면 압력으로 캐소드(22) 및 어노드(24)의 전체 표면과 단단히 접촉한다. 집전장치의 접촉 저항이 감소한다. 따라서, 발전 효율에서의 향상이 용이하게 달성된다.
또한, 초과 표면 압력이 전해질 전극 접합체(26)에 국부적으로 적용되지 않기 때문에, 전해질 전극 접합체(26)의 피해가 바람직하게 방지된다. 또한, 전해질 전극 접합체(26)과 집전장치 사이에 형성된 산소 함유 가스 채널(84) 및 연료 가스 채널(76)의 형상이 일정하게 유지된다. 연료 가스 채널(76) 및 산소 함유 가스 채널(84)의 일정한 유동이 얻어지고, 발전 효율이 향상된다.
제1 실시예에서, 제3 플레이트(34)가 제1 및 제2 플레이트(30, 32) 사이에 끼워져 있다. 제3 플레이트(34)가 제1 및 제2 플레이트(30, 32) 사이의 공간을 구획하여 연료 가스 채널(76) 및 산소 함유 가스 채널(84)을 형성한다. 따라서, 연료 가스 압력 챔버(86) 및 산소 함유 가스 압력 챔버(88)가 신뢰할 수 있게 분리된다. 연료 가스가 연료 가스 압력 챔버(86)로 공급될 때, 연료 가스 압력 챔버(86)에서의 내압은 증가하고, 산소 함유 가스가 산소 함유 가스 압력 챔버(88)로 공급될 때, 산소 함유 가스 압력 챔버(88)에서의 내압은 증가한다.
또한, 도 9에서 나타낸 바와 같이, 연료 가스는 연료 가스 입구(48)로부터 어노드(24)의 중앙 영역을 향하여 유동하고, 산소 함유 가스는 산소 함유 가스 입구(60)로부터 캐소드(22)의 중앙 영역을 향하여 유동한다. 연료 가스 및 산소 함유 가스는 어노드(24) 및 캐소드(24)의 중앙 영역으로부터 외주 영역으로 각각 유동한다. 따라서, 가스 이용 비율이 효과적으로 향상된다.
또한, 제3 플레이트(34)가 제1 플레이트(30)을 향하여 돌출하는 돌기(78)을 가진다. 산소 함유 가스 채널(84)에서의 압력이 연료 가스 채널(76)에서의 압력보다 더 높아도, 제3 플레이트(34)에서 변형이나 뒤틀림이 발생하지 않고, 따라서, 연료 가스 채널(76)의 형상이 유지되고 연료 가스는 안정하게 공급된다.
도 10은, 화살표 A 방향으로 발명의 제2 실시예에 의한 복수의 연료 전지(100)을 적층함으로써 형성되는 연료 전지 스택(102)를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 11은, 연료 전지 스택(102)이 케이싱(104)에 배치되어 있는 연료 전지 시스템(106)의 일부를 도시하는 단면도이다.
제1 실시예에 의한 연료 전지(10)의 구성 요소와 동일한 것은 같은 참조 부호를 붙이고, 이들의 설명은 생략될 것이다. 이하에 기술될 제3 실시예에 있어서, 제1 실시예에 의한 연료 전지(10)의 구성 요소와 동일한 것은 같은 참조 부호를 붙이고, 이들의 설명은 생략될 것이다.
도 12 및 도 13에 나타낸 바와 같이, 복수의, 예를 들어 8 개의, 전해질 전극 접합체(26)가, 한 쌍의 세퍼레이터(108) 사이에 끼워져서 연료 전지(100)를 형성한다. 전해질 전극 접합체(26)는 세퍼레이터(108)의 중앙을 통하여 연장하는 연료 가스 공급 통로(36)와 중심이 같다.
각 세퍼레이터(108)는 서로 적층되는 제1 및 제2 플레이트(110, 112) 및 제1 및 제2 플레이트(110, 112) 사이에 끼워진 제3 플레이트(114)를 포함한다. 제1 내지 제3 플레이트(110, 112, 114)는 금속판, 예를 들어, 스테인레스 합금이다.
제1 플레이트(110)는 제1 소경 단부(116)를 가진다. 연료 가스 공급 통로(36)는 제1 소경 단부(116)의 중앙을 통하여 연장한다. 제1 소경 단부(116)는 복수의 브릿지(118)를 통하여 상대적으로 큰 직경을 가진 제1 원형 디스크(120)와 일체로 되어 있다. 브릿지(118)는 제1 소경 단부(116)로부터 반지름 방향으로 외부를 향하여 같은 각도(간격)으로 연장하고 있다. 배기 가스 채널(122)이 제1 원형 디스크(120)로부터 내부, 그리고 주위 구역에 형성되어 있다.
각 제1 원형 디스크(120)는, 전해질 전극 접합체(26)의 어노드(24)와 접촉하는 표면 상의 실질적으로 링 형상의 돌기(46) 및 복수의 제1 돌기(44)를 가진다. 연료 가스 입구(48)가 제1 원형 디스크(120)의 중앙에 설치되어 있다.
제2 플레이트(112)는 굴곡된 외부(curved outer portions)(124)를 가진다. 굴곡된 외부(124)의 각 원호부는, 원호부로부터 내부로 연장하는 브릿지(126)를 통하여 상대적으로 큰 직경을 가지는 각 제2 원형 디스크(128)와 일체로 되어 있다. 제1 플레이트(110)의 제1 원형 디스크(120)도 마찬가지이다. 제2 원형 디스크(128)의 수는 8개이고, 제2 원형 디스크(128)는 같은 각도(간격)으로 설치되어 있다. 각 제2 원형 디스크(128)는 전해질 전극 접합체(26)의 캐소드(22)와 접촉하는 표면 상에 복수의 제2 돌기(58)를 가진다. 산소 함유 가스 입구(60)는 각 제2 원형 디스크(128)의 중앙에 설치되어 있다.
제3 플레이트(114)는 제2 소경 단부(130)를 가진다. 연료 가스 공급 통로(36)는 제2 소경 단부(130)의 중앙을 통하여 연장한다. 8개의 브릿지(132)가 제2 소경 단부(130)로부터 반지름 방향으로 연장하고, 브릿지(132)의 단부는 상대적으로 큰 직경을 가지는 각 제3 원형 디스크(134)와 일체로 되어 있다. 브릿지(136)가 브릿지(132)의 연장선에(와 일직선이 되어) 설치되어 있다. 모든 브릿지(136)는 제3 플레이트(114)의 굴곡된 외부(138)와 일체로 되어 있다.
복수의 제3 돌기(78)가 제1 플레이트(110)와 마주하는 제3 원형 디스크(134)의 전체 표면 상에 형성되어 있다. 슬릿(72) 및 홈(74)이 제2 소경 단부(130)에 형성되어 있다. 또한, 연료 가스 채널(76)의 일부로서 연료 가스 분배 통로(76a)가 각 브릿지(132)에 형성되어 있다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 제3 플레이트(114)의 굴곡된 외부(138)는, 제2 플레이트(112)를 마주하는 표면 상에, 각 제3 원형 디스크(134)에 대응하는 위치에 공기 흡수 통로로서 복수의 슬릿(140)을 가진다. 또한, 브레이징 물질의 유동을 방지하기 위한 홈(142)이 굴곡된 외부(138)의 윤곽(profile)을 따라 형성되어 있다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 제1 플레이트(110)가 브레이징으로 제3 플레이트(114)에 결합될 때, 각각의 브릿지(118, 132)는 서로 결합되어 연료 가스 채널 부재를 형성한다. 연료 가스 채널(76)의 일부로서 연료 가스 분배 통로(76a)가 연료 가스 채널 부재에 형성되어 있다. 연료 가스 채널(76)은 제1 및 제3 원형 디스크(120, 134) 사이에서 연료 가스 압력 챔버(86)를 형성한다.
도 16에 나타낸 바와 같이, 제2 플레이트(112)가 브레이징으로 제3 플레이 트(114)에 결합될 때, 각각의 브릿지(126, 136)는 서로 결합되어 산소 함유 가스 채낼 부재를 형성한다. 산소 함유 가스 채널(84)의 일부로서 산소 함유 가스 분배 통로(84a)가 산소 함유 가스 채널 부재에 형성되어 있다. 산소 함유 가스 채널(84)은 제2 및 제3 원형 디스크(128, 134) 사이에서 산소 함유 가스 압력 챔버(88)를 형성한다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 연료 가스 공급 통로(36)을 밀봉하기 위한 절연 씰(144)이 세퍼레이터(108) 사이에 설치되어 있다. 또한, 도 16에 나타낸 바와 같이, 절연 씰(146)이 굴곡된 외부(124, 138) 사이에 설치되어 있다. 예를 들어, 전연 실(144, 146)은 운모 물질, 또는 세라믹 물질로 제조된다.
도 10 및 11에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 스택(102)은, 적층 방향으로 연료 전지(100)의 대향 단부에 설치된 원형 디스크 형상의 단부 플레이트(150a, 150b)를 포함한다. 단부 플레이트(150a)는 절연되어 있고, 연료 가스 공급구(152)가 단부 플레이트(150a)의 중앙에 형성되어 있다. 연료 가스 공급구(152)가 각각의 연료 전지(100)를 통하여 연장하는 연료 가스 공급 통로(36)에 연결되어 있다.
단부 플레이트(150a)는 두개의 볼트 삽입 구멍(154a)을 가지고, 연료 가스 공급구(152)가 볼트 삽입 구멍(154a) 사이에 위치되어 진다. 볼트 삽입 구멍(154a)은 연료 전지 스택(102)의 배기 가스 채널(122)에 설치되어 있다. 또한, 단부 플레이트(150a)는, 각각의 전해질 전극 접합체(26) 사이의 위치에 8개의 볼트 삽입 구멍(156a)을 가진다.
단부 플레이트(150b)는 전기적으로 도전성인 물질로 제조된다. 도 11에 나타 낸 바와 같이, 단부 플레이트(150b)는 연결 터미널(160)을 가진다. 연결 터미널(160)은 단부 플레이트(150b)의 중앙 영역으로부터 축방향으로 연장한다. 또한, 단부 플레이트(150b)는 두 개의 볼트 삽입 구멍(154b)를 가진다. 연결 터미널(160)은 볼트 삽입 구멍(154b) 사이에 위치되어 진다. 볼트 삽입 구멍(154a)는 볼트 삽입 구멍(154b)과 직선이 된다. 두 개의 볼트(162)가 볼트 삽입 구멍(154a, 154b)을 통하여 삽입되고, 볼트(162)의 선단은 너트(164)로 고정된다. 볼트(162)는 단부 플레이트(150b)로부터 전기적으로 절연되어 있다.
또한, 단부 플레이트(150b)는 단부 플레이트(150a)의 볼트 삽입 구멍(156a)과 직선이 되는 8개의 볼트 삽입 구멍(156b)을 가진다. 볼트(166)가 각각의 볼트 삽입 구멍(156a, 156b)에 삽입되고, 볼트(166)의 선단이 너트(168)로 고정된다. 볼트(166)의 두부는 도전성 배선(170)을 통하여, 출력 터미널(172a)에 전기적으로 연결되어 있고, 연결 터미널(160)은 도전성 배선(174)을 통하여 출력 터미널(172a)에 전기적으로 연결되어 있다.
출력 터미널(172a, 172b)은 서로 근접하여 평행하게 배열되어 있다. 출력 터미널(172a, 172b)은 케이싱(104)에 고정되어 있다. 케이싱(104)은 출력 터미널(172a, 172b) 사이에 위치된 공기 공급구(176)를 가진다. 또한, 배기 가스구(178)가 케이싱(104)의 다른 단부에 설치되어 있다. 연료 가스 공급구(180)는 배기 가스구(178)에 근접하여 설치되어 있다. 연료 가스 공급구(180)는, 필요하면 개질기(reformer)(182)를 통하여 연료 가스 공급 통로(36)에 연결된다. 열교환기(184)가 개질기(182) 주위에 설치된다. 2중 구조부(186)는 케이싱(104)에 설치되 고, 연료 전지 스택(102)이 2중 구조부(186)에 배치된다.
연료 전지 스택(102)의 작동이 아래에 기술될 것이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 연료 전지(100)을 결합할 때, 우선, 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(112)가, 예를 들어 브레이징으로 세퍼레이터(108)의 제3 플레이트(114)의 양 표면에 결합된다. 또한, 링 형상의 절연 씰(144)이 브레이징으로 연료 가스 공급 통로(36) 주위에 제3 플레이트(114) 또는 제1 플레이트(110)에 설치된다(도 15 참조). 또한, 굴곡된 절연 씰(146)이 제3 플레이트(114)의 굴곡된 외부(138) 또는 제2 플레이트(112)의 굴곡된 외부(124)에 설치된다(도 16 참조).
이런 방식으로, 세퍼레이터(108)가 제작된다. 제3 플레이트(114)는, 제1 및 제2 플레이트(110,112) 사이의 공간을 구획하여 연료 가스 채널(76) 및 산소 함유 가스 채널(84)을 형성한다(도 17 참조). 또한, 연료 가스 채널(76)은 연료 가스 분배 통로(76a)를 통하여 연료 가스 공급 통로(36)에 연결되고, 산소 함유 가스 채널(76)은 슬릿(140)을 통하여 외부에 개방되어 있다. 산소 함유 가스는 슬릿(140)을 통하여 산소 함유 가스 채널(84)로 공급된다.
그 후, 8개의 전해질 전극 접합체(26)가 세퍼레이터(108) 사이에 끼워진다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 전해질 전극 접합체(26)는 세퍼레이터(108) 사이, 즉 하나의 세퍼레이터(108)의 제1 원형 디스크(120)와 다른 세퍼레이터(108)의 제2 원형 디스크(128) 사이에 위치된다. 연료 가스 입구(48)는 각각의 어노드(24)의 중앙에 위치되고, 산소 함유 가스 입구(60)는 각각의 캐소드(22)의 중앙에 위치된다.
상기와 같이 결합된 연료 전지(100)가 화살표 A로 지시되는 방향으로 적층되 고, 단부 플레이트(150a, 150b) 사이에서 서로 체결되어 연료 전지 스택(102)을 형성한다(도 10 참조). 도 11에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 스택(102)이 케이싱(104)에 장착되어 진다.
그 후, 연료 가스가 케이싱(104)의 연료 가스 공급구(180) 내부로 공급되고, 공기가 케이싱(104)의 공기 공급구(176) 내부로 공급된다.
연료 가스는 필요하면 개질기(182)를 통하여 유동하고, 연료 전지 스택(102)의 연료 가스 공급 통로(36)로 공급된다. 연료 가스는 화살표 A로 지시되는 적층 방향으로 유동하고, 각 연료 전지(100)의 세퍼레이터(108)에서 연료 가스 분배 통로(76a)를 통하여 유동한다(도 15 참조).
연료 가스가 연료 가스 분배 통로(76a)를 따라서 연료 가스 압력 챔버(86)로 유동한다. 연료 가스가 연료 가스 입구(48)가 작은 개구를 통하여 유동할 때, 연료 가스 압력 챔버(86)에서의 내압은 증가한다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 연료 가스 입구(48)로부터의 연료 가스는 전해질 전극 접합체(26)의 어노드(24)의 중앙 영역을 향하여 유동한다. 연료 가스는 어노드(24)의 중앙 영역으로부터 어노드(24)의 외주 영역으로 유동한다.
산소 함유 가스는 각 연료 전지(100)의 외주 영역으로부터 공급된다. 산소 함유 가스는 각 세퍼레이터(108)의 외주 영역에서 형성된 슬릿(140)을 통하여 유동하고, 산소 함유 가스 채널(84)로 공급된다(도 16 참조). 산소 함유 가스 채널(84)로 공급된 산소 함유 가스는 산소 함유 가스 압력 챔버(88)로 유동한다. 산소 함유 가스가 산소 함유 가스 입구(60)의 작은 개구로 유동할 때, 산소 함유 가스 압력 챔버(88)에서의 산소 함유 가스의 내압은 증가한다. 산소 함유 가스 입구(60)로부터의 산소 함유 가스는 캐소드(22)의 중앙 영역을 향하여 유동한다. 산소 함유 가스는 캐소드(22)의 중앙 영역으로부터 캐소드(22)의 외주 영역으로 유동한다(도 17 참조).
따라서, 전해질 전극 접합체(26)에서, 연료 가스는 중앙 영역으로부터 어노드(24)의 외주 영역으로 공급되고, 산소 함유 가스는 중앙 영역으로부터 캐소드(22)의 외주 영역으로 공급된다(도 17 참조). 이 때, 화학 반응에 의해 전기를 생성하기 위해서, 산소 이온이 전해질(20)을 통해서 어노드(24)를 향하여 유동한다.
연료 전지(100)는 화살표 A로 지시되는 적층 방향으로 직렬로 연결되어 있다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 하나의 극이 전기적으로 도전성인 단부 플레이트(150b)의 연결 터미널(160)으로부터 도전성의 배선(174)을 통해 출력 터미널(172b)에 연결되어 있다. 다른 극은 볼트(166)로부터 도전성의 배선(170)을 통하여 출력 터미널(172a)에 연결되어 있다. 따라서, 전기에너지는 출력 터미널(172a, 172b)로부터 집전될 수 있다.
연료 가스 및 산소 함유 가스가 반응으로 소모된 후, 연료 가스 및 산소 함유 가스는 각각의 전해질 전극 접합체(26)의 외주 영역을 향하여 유동하고, 서로 혼합된다. 혼합 가스는 세퍼레이터(108)를 통하여 연장하는 배기 가스 채널(122)로 배기 가스로서 유동하고, 적층 방향으로 유동한다. 그 후, 배기 가스는 배기구(178)로부터 케이싱(104)의 외부로 방출된다.
제2 실시예에서, 제1 및 제3 플레이트(110, 114)가 서로 결합되어 제1 및 제3 플레이트(110, 114) 사이의 연료 가스 공급 통로(36)에 연결된 연료 가스 채널(76)을 형성한다. 연료 가스 채널(76)은, 서로 결합되는 제1 및 제3 원형 디스크(120, 134) 사이의 연료 가스 압력 챔버(86)를 형성한다.
따라서, 연료 가스 채널(76)로 공급되는 연료 가스는 연료 가스 압력 챔버(86)로 유동한다. 연료 가스가 연료 가스 입구(48)의 작은 개구를 통하여 유동할 때, 연료 가스 압력 챔버(86)에서의 내압은 증가하고, 연료 가스 압력 챔버(86)가 팽창되어 전해질 전극 접합체(26)의 어노드(24)를 향하여 제1 플레이트(110)의 제1 원형 디스크(120)에 압력을 가한다(도 17 참조).
마찬가지로, 제2 및 제3 플레이트(112, 114)는 서로 결합되어 제2 및 제3 플레이트(112, 114) 사이에 산소 함유 가스 채널(84)을 형성한다. 또한, 산소 함유 가스 압력 챔버(88)는 제2 및 제3 원형 디스크(128, 134) 사이에 형성된다. 따라서, 산소 함유 가스 채널(84)에 공급되는 산소 함유 가스는 산소 함유 가스 압력 챔버(88)로 유동한다. 산소 함유 가스가 산소 함유 가스 입구(60)의 작은 개구를 통하여 유동할 때, 산소 함유 가스 압력 챔버(88)에서의 내압은 증가하고, 산소 함유 가스 압력 챔버(88)가 팽창되어 캐소드(22)를 향하여 제2 플레이트(112)의 제2 원형 디스크(128)에 압력을 가한다.
따라서, 세퍼레이터(108) 및 전해질 전극 접합체(26)의 크기가 변하여도, 제1 원형 디스크(120)의 전체 표면이 어노드(24)의 전극 표면과 단단히 접촉하고 제2 원형 디스크(120)의 전체 표면이 캐소드(22)의 전극 표면과 단단히 접촉한다. 따라 서, 간단하고 간편한 구조로, 전해질 전극 접합체(26) 및 제1 및 제2 원형 디스크(120, 128) 사이에 적용되는 일정한 압력을 유지하는 것이 가능하다.
또한, 제1 및 제2 원형 디스크(120, 128)가 일정한 표면 압력으로 전해질 전극 접합체(26)의 전체 전극 표면을 단단히 접촉한다. 집전장치의 접촉 저항이 감소한다. 따라서, 발전 효율에 있어서의 향상이 용이하게 얻어진다.
또한, 연료 가스 및 산소 함유 가스를 누수 없이 분리하기 위해서, 제3 플레이트(114)는 제1 및 제2 플레이트(110, 112) 사이의 공간을 구획한다. 따라서, 발전 효율에 있어서의 향상이 용이하게 얻어진다. 또한, 연료 가스 및 산소 함유 가스는 각각 어노드(24) 및 캐소드(22)의 중앙 영역으로 유동한다. 따라서, 연료 가스 및 산소 함유 가스가 효과적으로 이용되고, 가스 이용 비율이 향상된다.
또한, 배기 가스 채널(122)이 세퍼레이터(108)에서 각 전해질 전극 접합체(26) 주위에 형성된다. 따라서, 배기 가스 채널(122)로 배출되는 배기 가스의 열이 이용되어 전해질 전극 접합체(26)를 따뜻하게 한다. 따라서, 열효율에 있어서의 향상이 용이하게 얻어진다.
또한, 복수의 제1 및 제2 돌기(44, 58)가 집전장치로서 제1 및 제2 원형 디스크(120, 128)에 설치되어 있다. 따라서, 집전 효율에 있어서의 향상이 얻어진다. 또한, 제1 플레이트(110)를 향하여 돌출하는 제3 돌기(78)가 제3 플레이트(114)에 설치되어 있다. 따라서, 산소 함유 가스 채널(84)에서의 압력이 연료 가스 채널(76)에서의 압력보다 높아도, 제3 플레이트(114)에서 뒤틀림 또는 변형이 발생하지 않아서, 연료 가스 채널(76)의 형상이 유지되고, 연료 가스가 안정하게 공급된 다. 또한, 각 챔버(86, 88)에서의 내압이 증가하고, 압력 챔버(86, 88)가 팽창되어 전해질 전극 접합체(26)에 압력을 가하도록 압력 하중을 생성한다. 따라서, 외부 체결 수단 없이 전해질 전극 접합체(26)를 체결하기 위해서 요구되는 표면 압력이 생성된다.
도 18은, 화살표 A로 지시되는 방향으로 본 발명의 제3 실시예에 의해 복수의 연료 전지(200)를 적층함으로써 형성된 연료 전지 스택(202)을 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 19는 연료 전지(200)을 도시하는 분해 사시도이다.
연료 전지(200)는, 한 쌍의 세퍼레이터(208) 사이에 복수의, 예를 들어 15개의, 전해질 전극 접합체(26)를 포함한다. 각각의 세퍼레이터(208)는 서로 적층되어 있는 제1 및 제2 플레이트(210, 212) 및 제1 및 제2 플레이트(210, 212) 사이에 끼워진 제3 플레이트(214)를 포함한다. 제1 내지 제3 플레이트(210, 212 및 214)는 ,예를 들어, 스테인레스 합금으로 제조된다.
제1 플레이트(210)는 제1 소경 단부(215)를 가진다. 연료 가스 공급 통로(36)는 제1 소경 단부(215)를 통하여 연장한다. 제1 소경 단부(215)는 좁은 브릿지(216)를 통하여 제1 원형 디스크(218)와 일체로 되어 있다. 제1 원형 디스크(218)는 화살표 A로 지시되는 적층 방향에 수직인 방향으로 배열된다. 3개의 제1 원형 디스크(218)는 화살표 B로 지시되는 방향으로 배열되고, 5개의 제1 원형 디스크(218)는 화살표 C로 지시되는 방향으로 배열된다. 전체로, 제1 원형 디스크(218)의 개수는 15개이다. 제1 원형 디스크(218)는 브릿지(220)에 의해 연결되어 있다.
실시예에 있어서, 화살표 B로 지시되는 방향으로 대향 단에 있는 제1 원형 디스크(218)는, 브릿지(220)만으로 화살표 B로 지시되는 중앙 위치에 설치된 제1 원형 디스크(218)에 연결되어 있다. 대신에, 근방의 제1 원형 디스크(218)는, 브릿지(220)에 의해서 화살표 C로 지시되는 방향으로 서로 연결될 수 있다.
각각의 제1 원형 디스크(218)는, 전해질 전극 접합체(26)를 마주하는 면 상에 실질적으로 링 형상의 돌기(46) 및 복수의 제1 돌기(44)를 가진다. 연료 가스 입구(48)가 제1 원형 디스크(218)의 표면의 중앙에 설치되어 있다.
제2 플레이트(212)는 제2 소경 단부(222)를 가진다. 산소 함유 가스 공급 통로(50)는 제2 소경 단부(222)를 통하여 연장한다. 제2 소경 단부(222)는 좁은 브릿지(224)를 통하여 제2 원형 디스크(226)와 일체로 되어 있다.
제2 원형 디스크(226)는 브릿지(228)에 의해 연결되어 있다. 제1 원형 디스크(218)과 마찬가지로, 제2 원형 디스크(218)는 화살표 A로 지시되는 적층 방향에 수직인 방향으로 배열되어 있다. 3개의 제2 원형 디스크(226)가 화살표 B로 지시되는 방향으로 배열되고, 5개의 제2 원형 디스크(226)가 화살표 C로 지시되는 방향으로 배열되어 있다. 전체로, 제2 원형 디스크(226)의 개수는 15개이다. 각각의 제2 원형 디스크(226)는 캐소드(22)와 접촉하는 표면 상에 제2 돌기(58)를 가진다. 산소 함유 가스 입구(60)가 제2 원형 디스크(226)의 표면의 중앙에 설치되어 있다.
제3 플레이트(214)는 제3 소경 단부(230) 및 제4 소경 단부(232)를 가진다. 연료 가스 공급 통로(36)는 제3 소경 단부(230)를 통하여 연장하고, 산소 함유 가스 공급 통로(50)는 제4 소경 단부(232)를 통하여 연장한다. 제3 원형 디스크(238)는 브릿지(234, 236)를 통하여 제3 및 제4 소경 단부(230, 232)에 연결 되어 있다.
3개의 제3 원형 디스크(238)는 화살표 B로 지시되는 방향으로 배열되고, 5개의 제3 원형 디스크(238)는 화살표 C로 지시되는 방향으로 배열된다. 전체로, 제3 원형 디스크(238)의 개수는 15개이다. 제3 원형 디스크(238)는 브릿지(240)로 연결되어 있다. 각각의 제3 원형 디스크(238)는 제1 플레이트(210)를 마주하는 그 표면 상에 복수의 제3 돌기(78)을 가진다.
제1 플레이트(210)는 예를 들어, 브레이징으로 제3 플레이트(214)에 결합되어 제1 플레이트 및 제3 플레이트(214) 사이에 연료 가스 채널(76)을 형성한다. 연료 가스 채널(76)은, 브릿지(216, 234) 사이에 연료 가스 분배 통로(76a) 및 제1 및 제3 원형 디스크(218, 230)사이에 연료 가스 압력 챔버(86)를 포함한다(도 20 참조).
제2 플레이트(212)는, 예를 들어 브레이징으로 제3 플레이트(214)에 결합되어 제2 플레이트(212) 및 제3 플레이트(214) 사이에 산소 함유 가스 채널(84)를 형성한다. 산소 함유 가스 채널(84)는, 브릿지(224, 236) 사이에 산소 함유 가스 분배 통로(84a) 및 제2 및 제3 원형 디스크(226, 238) 사이에 산소 함유 가스 압력 챔버(88)를 포함한다(도 20 참조).
도 18에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 스택(202)은, 적층 방향으로 연료 전지(200)의 대향 단부에 설치된 실질적으로 직사각형인 단부 플레이트(242a, 242b)를 포함한다. 제1 파이프(244) 및 제2 파이프(246)는 단부 플레이트(242a)를 통하여 연장한다. 제1 파이프(244)는 연료 가스 공급 통로(36)에 연결되어 있고, 제2 파이프(246)는 산소 함유 가스 공급 통로(50)에 연결되어 있다. 볼트 삽입 구 멍(248)이 단부 플레이트(242a, 242b)를 통하여 연장한다. 연료 가스 공급 통로(36)은 두 개의 볼트 삽입 구멍(248) 사이에 위치되고, 산소 함유 가스 공급 통로(50)는 두개의 볼트 삽입 구멍(248) 사이에 위치된다. 단부 플레이트(242a) 또는 단부 플레이트(242b)는 볼트(250)으로부터 전기적으로 절연되어 있다. 볼트(250)는 볼트 삽입 구멍(248)에 삽입되고, 볼트(250)의 선단은 연료 전지 스택(202)의 연료 전지(200)를 서로 체결하도록 너트로 고정된다.
제3 실시예에 있어서, 제1 및 제3 플레이트(210, 214)는 서로 결합되어 제1 및 제3 원형 디스크(218, 238) 사이에 연료 가스 압력 챔버(86)를 형성한다. 또한, 제2 및 제3 플레이트(212, 214)는 서로 결합되어 제2 및 제3 원형 디스크(226, 238) 사이에 산소 함유 가스 압력 챔버(88)를 형성한다.
따라서, 연료 가스 공급 통로(36)로부터의 연료 가스는 연료 가스 채널(76)을 통하여 유동하고, 연료 가스 압력 챔버(86)로 유동한다. 연료 가스 압력 챔버(86)에서의 내압은 증가하고, 연료 가스 압력 챔버(86)가 팽창된다. 따라서, 제1 원형 디스크(218)가 압력 하에서 전해질 전극 접합체(26)의 어노드(24)의 전체 전극 표면과 단단히 접촉한다. 마찬가지로, 산소 함유 가스 공급 통로(50)로부터의 산소 함유 가스는 산소 함유 가스 채널(84) 및 산소 함유 가스 압력 챔버(88)를 통하여 유동한다. 산소 함유 가스 압력 챔버(88)의 내압은 증가하고, 산소 함유 가스 압력 챔버(88)은 팽창된다. 따라서, 제2 원형 디스크(226)가 압력 하에서 캐소드(22)의 전체 전극 표면과 단단히 접촉한다.
따라서, 단순하고 간편한 구조로, 제1 및 제2 실시예와 같은 장점이 얻어질 수 있다. 예를 들어, 전해질 전극 접합체(26) 및 제1 및 제2 원형 디스크(218,226) 사이에 적용되는 일정한 표면 압력이 유지된다. 따라서, 발전 효율에 있어서의 향상이 용이하게 얻어진다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조로 하여 특히 기술되었고 도시되었고, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된 발명의 범위 및 정신으로부터 출발함이 없이 당업자에 의해 변형 및 변경이 영향받을 수 있음이 이해될 것이다.
본 발명은 전해질 전극 접합체 및 집전장치 사이의 일정한 표면 압력이 유지되고, 반응물 가스 등의 유동이 일정한, 단순하고 간편한 구조를 가지는, 연료 전지 스택 및 연료 전지를 제공한다.

Claims (9)

  1. 전해질 전극 접합체(26) 및 세퍼레이터(separators)를 교대로 적층함으로써 형성되는 연료 전지로서,
    상기 전해질 전극 접합체(26)는 어노드(24), 캐소드(22) 및 상기 어노드(24)와 상기 캐소드(26) 사이에 끼워진 전해질(20)을 포함하고,
    상기 세퍼레이터(28)는 서로 적층되는 제1 및 제2 플레이트(30, 32)를 포함하고;
    상기 제1 및 제2 플레이트(30, 32) 사이에, 연료 가스를 상기 어노드(24)에 공급하기 위한 연료 가스 채널(76) 및 산소 함유 가스를 상기 캐소드(26)에 공급하기 위한 산소 함유 가스 채널(84)이 형성되어 있고;
    상기 연료 가스 채널(76)이 상기 어노드(24)의 전극 표면에 걸쳐 설치되어 있고, 상기 제1 플레이트(30)가 상기 연료 가스 채널(76)과 상기 어노드(24) 사이에 끼워져서 연료 가스 압력 챔버(86)를 형성하여, 상기 연료 가스 압력 챔버(86)가 연료 가스가 공급되는 것에 따라 팽창하여 상기 제1 플레이트(30)가 상기 어노드(24)와 압력 하에서 단단히 접촉하도록 되어 있고;
    상기 산소 함유 가스 채널(84)이 상기 캐소드(22)의 전극 표면에 걸쳐 설치되어 있고, 상기 제2 플레이트(32)가 상기 산소 함유 가스 채널(84)과 상기 캐소드(22) 사이에 끼워져서 산소 함유 가스 압력 챔버(88)를 형성하여, 상기 산소 함유 가스 압력 챔버(88)가 산소 함유 가스가 공급되는 것에 따라 팽창하여 상기 제2 플레이트(32)가 상기 캐소드(22)와 압력 하에서 단단히 접촉하도록 되어 있는 연료 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 플레이트(30)는, 상기 연료 가스 압력 챔버(86)로부터 상기 어노드(24)의 중앙 영역을 향하여 상기 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 입구(48)를 가지고;
    상기 제2 플레이트(32)는, 상기 산소 함유 가스 압력 챔버(88)로부터 상기 캐소드(22)의 중앙 영역을 향하여 상기 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 함유 가스 입구(60)를 가지도록 되어 있는 연료 전지.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 및 제2 플레이트(30, 32) 사이의 공간을 상기 연료 가스 채널(76) 및 상기 산소 함유 가스 채널(84)로 구획하기 위해서, 제3 플레이트(34)가 상기 제1 및 제2 플레이트(30, 32) 사이에 설치되어 있는 연료 전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    연료 가스 공급 통로(36) 및 상기 연료 가스 채널(76)을 연결하기 위한 연료 가스 분배 통로(76a)가 상기 제1 및 제3 플레이트(30, 34) 사이에 형성되어 있고, 소모 전의 상기 연료 가스는, 상기 전해질 전극 접합체(26) 및 상기 세퍼레이터(28)의 적층 방향으로 상기 연료 가스 공급 통로(36)를 통하여 공급되고;
    산소 함유 가스 공급 통로(50) 및 상기 산소 함유 가스 채널(84)를 연결하기 위한 산소 함유 가스 분배 통로(84a)가 상기 제2 및 제3 플레이트(32, 34) 사이에 형성되어 있고, 소모 전의 상기 산소 함유 가스는, 적층 방향으로 상기 산소 함유 가스 공급 통로(50)를 통하여 공급되는 연료 전지.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 세퍼레이터(28)가, 상기 전해질 전극 접합체(26) 및 상기 세퍼레이터(28)의 상기 적층 방향으로 배기 가스로서 상기 전해질 전극 접합체(26)에서의 반응에 공급되어 소모되는 상기 산소 함유 가스 및 상기 연료 가스를 방출하기 위한 배기 가스 채널(122)을 더 포함하고;
    상기 연료 가스 채널(76)을 형성하고 상기 전해질 전극 접합체(26)를 지지하기 위한 연료 가스 채널 부재, 및 상기 산소 함유 가스 채널(84)을 형성하고 상기 전해질 전극 접합체를 지지하기 위한 산소 함유 가스 채널 부재가 상기 배기 가스 채널(122)에 형성되어 있는 연료 전지.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 및 제2 플레이트(30, 32)가 상이한 방향으로 돌출하는 제1 및 제2 돌기(44, 58)를 포함하고;
    상기 세퍼레이터(28)의 어느 하나의 상기 제1 돌기(44) 및 상기 세퍼레이터(28)의 다른 하나의 상기 제2 돌기(58)가 상기 전해질 전극 접합체(26)를 사이에 끼우도록 되어 있는 연료 전지.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 및 제2 돌기부(44, 58)가, 상기 전해질 전극 접합체(26)에서 생성되는 전기 에너지를 집전하기 위한 집전장치(current collectors)로서 기능하는 것인 연료 전지.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제3 플레이트(34)가 상기 제1 플레이트(30)를 향하여 돌출하는 제3 돌기(78)를 가지도록 되어 있는 연료전지.
  9. 서로 적층되는 복수의 연료 전지(10) 및 상기 연료 전지(10)의 적층 방향으로 대향하는 단부에 설치된 단부 플레이트(90a, 90b)를 포함하는 연료 전지 스택으로서, 상기 연료 전지(10)는 전해질 전극 접합체(26) 및 세퍼레이터(28)를 교대로 적층함으로써 각각 형성되고, 상기 전해질 전극 접합체(26)는 어노드(24), 캐소드(22) 및 상기 어노드와 상기 캐소드 사이에 끼워진 전해질(22)을 포함하고,
    상기 세퍼레이터(28)는 서로 적층되는 제1 및 제2 플레이트(30, 32)를 포함하고;
    상기 제1 및 제2 플레이트(30, 32) 사이에, 연료 가스를 상기 어노드(24)에 공급하기 위한 연료 가스 채널(76) 및 산소 함유 가스를 상기 캐소드(22)에 공급하기 위한 산소 함유 가스 채널(84)이 형성되어 있고;
    상기 연료 가스 채널(76)은 상기 어노드(24)의 전극 표면에 설치되어 있고, 상기 제1 플레이트(30)가 상기 연료 가스 채널(76)과 상기 어노드(24) 사이에 끼워져서 연료 가스 압력 챔버(86)를 형성하여, 상기 연료 가스 압력 챔버(86)가 연료 가스가 공급되는 것에 따라 팽창하여 상기 제1 플레이트(30)가 상기 어노드(24)와 압력 하에서 단단히 접촉하도록 되어 있고;
    상기 산소 함유 가스 채널(84)은 상기 캐소드(22)의 전극 표면에 설치되어 있고, 상기 제2 플레이트(32)가 상기 산소 함유 가스 채널(84)와 상기 캐소드(22) 사이에 끼워져서 산소 함유 가스 압력 챔버(88)를 형성하여, 상기 산소 함유 가스 압력 챔버(88)가 산소 함유 가스가 공급되는 것에 따라 팽창하여 상기 제2 플레이트(34)가 상기 캐소드(22)와 압력 하에서 단단히 접촉하도록 되어 있는 연료 전지 스택.
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