KR100990465B1 - 연료 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 모듈은 통합 애노드 플레이트, 캐소드 플레이트, 어레이 멤브레인 전극 조립체(어레이 MEA) 및 사전 성형 접착 플레이트를 포함한다. 통합 애노드 플레이트는 유동 판을 포함한다. 단위 애노드 전하 집전체의 굽힐 수 있는 돌출부를 수용하기 위하여 요부가 유동 판의 일 측에 배치된다. 굽힐 수 있는 돌출부는 캐소드 판에 있는 캐소드 전하 집전체에 전기적으로 연결된다. 어레이 MEA 는 복수개의 MEA 유니트들 및 양자 교환 멤브레인을 포함한다. 사전 성형 접착 플레이트는 대응하는 MEA 유니트들을 수용하기 위한 개구들을 가진다. 사전 성형 접착 플레이트는 2 개의 접착 층들 사이에 끼워진 중간의 단단한 프레임을 가진다.
연료 전지, 집전체, 애노드, 캐소드

Description

연료 전지 모듈{Fuel cell module}
본 발명은 전체적으로 연료 전지 기술 분야에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 연료 누설 문제를 해결할 수 있는 평탄 패널 직접 메탄올 연료 전지 모듈에 관한 것이다.
연료 전지는 연료 산화 반응으로부터 초래된 자유 에너지의 변화가 전기 에너지로 변환되는 전기화학적 전지이다. 메탄올을 연료로서 이용하는 연료 전지는 통상적으로 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel cells;DMFCs)로 지칭되는데, 이것은 기체 또는 수성 메탄올을 공기와 결합시킴으로써 전기를 발생시킨다. DMFC 기술은 존립할 수 있는 연료 전지 기술로서 널리 수용되고 있으며, 이러한 기술은 전자 장치, 차량, 군사 장비, 항공 우주 산업등과 같은 많은 적용 분야들에 제공되고 있다.
DMFC는 보통의 배터리들과 같이 2 개의 전기화학적 반응들로부터 전기를 제공한다. 이러한 반응들은 전극(또는 극)들에서 발생하며 전극들에 반응물이 연속적으로 공급된다. 음극(애노드)은 메탄올을 공급함으로써 유지되는데 반해, 양극(캐소드)은 공기의 공급으로 유지된다. 전류를 제공할 때, 메탄올은 전자를 발생시키 도록 애노드 전기적 촉매에서 전기화학적으로 산화되는데, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드 전기 촉매로 이동하고 캐소드 전기 촉매에서 전자들은 산소와 함께 환원 반응으로 소비된다. 회로는 전지 안에서 전해질내 양자(proton)들의 도전(conduction)에 의해 유지된다. 메탄올(CH3OH)의 한 분자 및 물(H2O)의 한 분자는 수소의 6 개 원자들을 함께 저장한다. 혼합물로서 DMFC 로 공급되었을 때, 이들은 전류의 흐름을 발생시키는 6 개의 전자들, 6 개의 양자들(H+) 및, 한 분자의 CO2 를 발생시키도록 반응한다. 메탄올과 물에 의해 발생된 양자들 및 전자들은 산소와 반응하여 물을 발생시킨다. 메탄올-물 혼합물은 액체 또는 기체 수소를 저장 탱크 안에 저장하는 것보다 훨씬 우수하게 수소를 저장하고 수송하는 수단을 제공한다.
DMFC 모듈은 항상 전류 집전체(또는 전하 집전체 판으로서 지칭된다) 및 유동 판을 구비하는데, 이들은 모두 중요한 역할을 한다. 전류 집전체는 전기-화학 반응으로부터 발생되는 전자들을 집전시키고, 유동 판은 연료의 분포를 관리 및 제어한다. 과거에는, 유동 판의 설계가 연료 채널을 통하여 멤브레인 전극 조립체(MEA) 안으로 연료를 원활하게 통과시킬 수 있는 것에 초점이 맞춰졌다.
이제까지, 평탄-패널 직접 메탄올 연료 전지는 완성된 단계로 개발되어 왔으며 상대적으로 높은 성능과 신뢰성을 가진다. 그러나, 종래 기술의 평탄-패널 직접 메탄올 연료 전지는 여전히 연료 누설과 같은 몇가지 단점을 가진다. 상기의 종래 기술의 문제점들을 해결할 수 있는 향상된 평탄-패널 직접 메탄올 연료 전지 모듈을 제공할 필요가 있다.
상기의 이유 때문에, 본 발명의 주 목적은 연료 전지 모듈의 안전을 증진시키기 위하여 향상된 연료 전지 모듈을 제공하는 것이다.
청구된 발명에 따르면, 연료 전지 모듈은 통합 애노드 플레이트, 캐소드 플레이트, 어레이 멤브레인 전극 조립체(array MEA) 및 사전-성형 접착 플레이트를 포함한다. 통합 애노드 플레이트는 유동 판을 포함한다. 단위 애노드 전하 집전체의 굽힐 수 있는 돌출부를 수용하기 위한 요부가 유동 판의 일 측에 배치된다. 굽힐 수 있는 돌출부는 캐소드 전하 집전체 또는 캐소드 판에 전기적으로 연결된다. 어레이 MEA 는 복수개의 MEA 유니트들 및 양자 교환 멤브레인을 포함한다. 사전 성형 접착 플레이트는 대응하는 MEA 유니트들을 수용하기 위한 개구들을 가진다. 사전 성형 접착 플레이트는 2 개의 접착 층들 사이에 끼워진 중간의 단단한 프레임을 가진다.
다른 측면에서, 연료 전지 모듈은, 경직-유연성(rigid-flexible) 판으로 제작된 애노드 판으로서, 애노드 전하 집전체 및 굽힐 수 있는 도전성 돌출부를 포함하고 복수개의 관통 구멍들이 애노드 전하 집전체상에 제공되는 애노드 판; 복수개의 유동 채널들을 가지는 유동 판; 적어도 하나의 캐소드 전하 집전체를 포함하는 캐소드 판; 애노드 판과 캐소드 판 사이에 개재된 어레이 멤브레인 전극 조립체(array MEA)로서, 적어도 하나의 멤브레인 전극 조립체 및 양자 교환 멤브레인을 포함하는 어레이 멤브레인 전극 조립체; 및, 애노드 판과 어레이 MEA 사이 및 캐소드 판과 어레이 MEA 사이에 개재되고 MEA 에 대응하는 개구를 가지는 접착 층;을 포함한다.
본 발명의 상기 목적들 및 다른 목적들은 다양한 도면들에 도시된 바람직한 구현예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하게 될 것이다.
본 발명은 안전성이 향상된 연료 전지 모듈을 제공하는 장점등을 가진다.
이전에 언급된 바와 같이, 평탄-패널 직접 메탄올 연료 전지는 완전히 발달된 상태로 개발되었으며 상대적으로 높은 성능 및 신뢰성을 가진다. 그러나, 종래 기술의 평탄-패널 직접 메탄올 연료 전지는 여전히 연료 누설과 같은 단점을 가진다. 누설의 경로는 MEA(membrane electrode assembly; 멤브레인 전극 조립체)와 프리프레그(prepreg) 중간 접착층 사이의 솔기(seam)인 것으로 믿어진다. 연료 누설은 항상 MEA 측에서 발생한다. 솔기는 MEA 와 프리프레그 중간 접착층 사이의 불량한 접착으로부터 초래된 디라미네이션(delamination)에 의해 야기된다.
실제의 적용예에 있어서, 연료 누설은 또한 애노드 전하 집전체(anode charge collector;ACC) 측에 근접하여 발생된다는 점이 밝혀졌다. 이러한 경우에 가능성이 있는 누설 경로는 전하 집전용 시이트와 근접 접착 물질 사이의 계면(interface)일 수 있다. ACC 측에 근접한 그러한 누설 경로의 형성 원인에는 금속 과 접착 물질 사이의 CTE(coefficients of thermal expansion; 열팽창 계수)의 차이와 상호 연결 돌출부들의 굽힘으로부터 기원된 응력이 포함될 수 있다. 상기의 계면은 IEC 표준에 따른 열 충격 실험을 수행할 때 손상될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1 은 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 연료 전지 모듈(1)을 도시하는 개략적인 분해도(2W 전지를 예로서 든 것이다)이고, 도 2 는 도 1 의 연료 전지 모듈의 조립 이후의 측면도를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 연료 전지 모듈(1)은 통합 애노드 유동 판(10), 캐소드 판(12)(공기와 접촉됨), 사전 성형(pre-molded) 접착 플레이트(14) 및, 어레이 MEA(array MEA, 16)를 포함하며, 이들은 함께 라미네이트된다.
상기의 통합 애노드 유동 판(10)은 애노드 판과 유동 판의 조합체이다. 통합 애노드 유동 판(10)의 구조에 대한 상세한 내용은 이후에 설명될 것이다. 캐소드 판(12)은 PCB(인쇄 회로 기판) 공정에 의해 제조될 수 있거나, 또는 흑연이나 금속들로 제조될 수 있으며, 그러나 그에 제한되는 것은 아니다.
사전 성형 접착 플레이트(14) 및 어레이 MEA(16)는 함께 라미네이트되고, 라미네이트된 사전 성형 접착 플레이트(14)와 어레이 MEA(16)는 통합 애노드 유동 판(10)과 캐소드 판(12) 사이에 개재된다. 사전 성형 접착 플레이트(14)는 어레이 MEA(16)의 대응하는 MEA 유니트(116)를 수용하기 위한 개구들을 가짐으로써, 작동 중에 각각의 MEA 유니트(116)의 2 개의 반대편 측들이 통합 애노드 유동 판(10)의 애노드 전하 집전체(110) 및 캐소드 판(12)의 캐소드 전하 집전체(120)와 각각 직 접적으로 접촉한다.
애노드 전하 집전체(110)는 연료의 메탄올을 산화시킴으로써 발생된 전자들을 집전시키는 것을 담당하며 집전된 전자들은 전하 집전체들과 캐소드 판(12)에 연결된 회로를 통하여 도전된다. 관통 구멍들이 전하 집전체상에 제공되는데, 이들은 연료 전지의 반응물 및 산물을 위한 채널로서의 기능을 한다.
애노드 전하 집전체(110)는 금, 백금, 은, 알루미늄, 크롬, 티타늄, 카드뮴 또는 그와 유사한 것과 같은 금속, 금속 산화물, 다양한 스테인레스 스틸과 같은 금속 합금들로 제작될 수 있다. 더욱이, 애노드 전하 집전체(110)는 카본, 흑연, FR4, FR5 또는 그 어떤 적절한 복합 재료와 같은 비금속 재료로 제작될 수 있다. 애노드 전하 집전체(110a,110b)들의 제조는 전기 도금, 무전해 도금, 스퍼터링, 또는 그 어떤 적절한 화학적 또는 물리적 증착 방법들에 의해서라도 기판상으로 도전층을 증착시키는 것을 포함할 수 있다.
사전 성형 접착 플레이트(14)는 통합 애노드 유동 판(10)의 기판 재료 및 캐소드 판(12)의 기판 재료 양쪽에 대하여 우수하고 안정적인 접착 능력을 가진다. 애노드 유동 판(10) 및 캐소드 판(12)의 기판 재료는 통상적으로 유리 섬유 또는 플라스틱 기판을 포함한다. 사전 성형 접착 플레이트(14)의 바람직한 예들은 열-가압(thermal-pressing) 유형의 프리프레그 접착을 포함하는데, 이것은 고온에서 용융되어 통합 애노드 유동 판(10) 및 캐소드 판(12)을 접합시킨다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따라서, 사전 성형 접착 플레이트(14)는 중간 프레임(141) 및 접착 필름(142)들을 포함한다. 중간 프레 임(141)은 2 개의 접착 필름(142)들 사이에 끼워지게(sandwich)된다. 바람직스럽게는, 중간 프레임(141)은 FR5 또는 그와 유사한 밀도 높은 재료로 만들어진다.
사전 성형 접착 플레이트(14)는 우수한 접착 특성을 제공할 뿐만 아니라 MEA 압축 제어에서도 중요한 역할을 한다. 연료 전지 모듈에서 이용된 사전 성형 접착 플레이트(14)의 총 개수 또는 사전 성형 접착 플레이트(14)의 중간 프레임(141)의 두께를 조절함으로써, MEA 유니트의 압축은 잘 제어될 수 있다. 접착 필름(142)이 바람직스럽게는 유동 판, 전극 플레이트 및 MEA 에 대하여 우수하고 안정된 접착 능력을 가지는 열-가압 유형의 접착 재료이다. 접착 필름(142)의 바람직스러운 예들은 프리프레그, 에폭시 수지, 폴리우레탄(PU) 수지 또는 실리콘 수지들을 포함하며, 그러나 이것들에 제한된 것은 아니다.
바람직스러운 구현예에 따르면, 어레이 MEA(16)는 복수개의 MEA 유니트(116)를 포함하는데, 상기 MEA 유니트는 듀퐁(Dupont)의 Nafion (불화물 유형) 멤브레인과 같은 하나의 단일 양자 교환 멤브레인(16a)상에 정렬된 어레이 방식으로 모두 통합되어 있다. 양자 교환 멤브레인(16a)은 탄화수소 유형 양자 교환 멤브레인일 수 있다는 점이 이해된다. 이러한 어레이 MEA(16)는 정렬, 라미네이션 및 가압을 용이하게 하고, 조립중에 정렬의 정확도를 향상시킨다. 더욱이, 그러한 독특한 어레이 MEA(16)를 이용함으로써, MEA 유니트(116)들 외측의 접착을 위한 표면적이 증가되고, 그에 의해서 연료 전지 모듈의 신뢰성이 향상된다.
바람직한 구현예에 따르면, 대응하는 위치 선정용 관통 구멍(202)들이 통합 애노드 유동 판(10), 캐소드 판(12), 사전 성형 접착 플레이트(14) 및 어레이 MEA(16)상에 제공되며, 예를 들면, 위치 선정 관통 구멍(202)들은 각각의 층의 모서리들에 배치된다. 이러한 위치 선정 관통 구멍(202)들은 연료 전지 모듈의 각각의 층의 정렬을 용이하게 한다.
더욱이, 도 9 에 도시된 바와 같이, 어레이 MEA(16)의 크기와 형상은 실질적으로 연료 전지 모듈의 다른 층들과 같다. 따라서, 어레이 MEA(16)는 접착을 위한 더 많은 표면 부위를 제공할 수 있다. 어레이 MEA(16)와 사전 성형 접착 플레이트(14) 사이의 계면 접합을 향상시키기 위하여, 복수개의 통공(126)들이 각각의 MEA 유니트(116)의 주변을 따라서 양자 교환 멤브레인(16a)상에 배치될 수 있다. 통공(126)들은 가압 및 라미네이션 공정중에 접착 또는 글루(glue)가 그 안에서 유동하는 것을 허용한다.
본 발명의 연료 전지 모듈(1)의 다른 특유의 특징은 통합된 애노드 유동 판(10)이 연료 누설을 회피할 수 있는 향상된 디자인을 가진다는 점이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 도 4 는 도 1 에 도시된 통합된 애노드 유동 판(10)의 개략적인 분해 사시도이고, 도 5 는 조립 이후에 도 4 의 통합된 애노드 유동 판(10)의 측면도이다.
도 4 및 도 5 에 도시된 바와 같이, 통합 애노드 유동 판(10)은 유동 판(102), 접착 필름(104a,104b), 애노드 전하 집전체(110) 및 프레임(108)을 포함하고, 이들은 라미네이트되고 함께 고온 가압된다.
각각의 애노드 전하 집전체(110)는 외측으로 돌출하는 돌출부(110a)를 가지는데, 이것은 굽혀질 수 있고 결국에는 캐소드 판(12)에 전기적으로 연결된다. 조 립 이후에, 돌출부(110a)를 굽힘으로써 연료 전지 모듈(1)의 단위 전지들은 직렬 또는 병렬 연결의 구성을 만들 수 있다. 접착 필름(104a, 104b)들은 프리프레그 또는 에폭시 수지들을 포함할 수 있다. 접착 필름(104a, 104b)들 및 프레임(108)들은 애노드 전하 집전체(110)가 가압 및 라미네이션 이후에 노출될 수 있게 하는 대응 개구들을 가진다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 도 6 은 본 발명에 따른 유동 판(102)의 측면도이고, 도 7 은 애노드 전하 집전체(110)들과 조합된 유동 판(102)의 측면도이다. 도 6 및 도 7 에 도시된 바와 같이, 본 발명은 애노드 전하 집전체(110)의 돌출부(110a)의 위치에 대응하여 유동 판(102)상에 요부(102a)가 제공되는 것을 특징으로 한다. 요부(102a)를 제공함으로써, 돌출부(110a)는 유동 판(102)상에 단단하게 박혀서 고정될 수 있다.
도 8 은 본 발명에 따라서 유동 판상의 요부와 돌출부를 도시하는 개략적인 단면도이다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 돌출부(110a)는 요부(102a)내에서 접착 필름(104a, 104b)들 사이에 끼워진다. 접착 필름(104a,104b)들은 요부(102a) 안에 돌출부(110a)를 엔캡슐레이션(encapsulation) 시킨다. 돌출부(110a)와 접착 필름(104a,104b)들과 유동 판(102) 사이의 표면 접합은 향상될 수 있으며, 그에 의해서 연료 누설 문제를 회피시킨다.
도 10 은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 캐소드 판의 일부를 도시하는 사시도이다. 도 10 에 도시된 바와 같이, 캐소드 판(12)은 캐소드 전하 집전체(120) 및 전지 유니트들에 병렬 또는 직렬 연결되기 위한 회로 트레이스(circuit trace)를 포함하는데, 여기에서 캐소드 전하 집전체(120)의 표면은 부식 방지 방법으로 처리됨으로써 캐소드 전하 집전체(120)의 표면이 전기-화학적 부식에 저항성을 가진다. 캐소드 판(12)은 표준적인 인쇄 회로 기판(PCB) 공정들과 양립할 수 있는 방법들에 의해 제조된다. 예를 들면, 캐소드 판(12)을 제조하기 위한 방법은 구리 클래드 라미네이트(copper clad laminate; CCL) 기판을 소망되는 크기로 절단하고, 캐소드 전하 집전체(120)상에 관통 구멍(120)들을 드릴 가공하는데 여기에서 바람직스럽게는 관통 구멍(120a)의 조합된 면적이 캐소드 충전 집전체(120)의 표면적의 약 40 % 가 되도록 하고, 이후에 CCL 기판 및 관통 구멍(120a)의 내부 표면상에 화학적 구리-도금층을 증착시키고, 캐소드 전하 집전체(120)를 노출시키는 드라이 필름(dry film)으로 CCL 기판을 마스킹(masking)하고, 드라이 필름(dry film)을 도금 마스크로서 이용하여, 드라이 필름으로 덮히지 않은 영역들에 구리 층 및 Sn/Pb 층을 도금하고, 드라이 필름을 벗겨내고, Sn/Pb 층으로 덮히지 않은 영역들로부터 화학적 구리-도금 층 및 구리 층을 에칭시키고, Sn/Pb 층을 에칭시키는 것을 포함한다. 차후의 납땜 공정중에 기판 손상 또는 단락을 회피하도록, 솔더 레지스트(solder resist)가 적용될 수 있다. 이후에, Ni/Au, Sn/Pb 또는 화학적 은(chemical silver)와 같은 보호층이 전극들상에 도금된다.
열을 방사시키기 위한 금속 패턴(230)은 캐소드 판(12)위에 배치된다. 금속 패턴(230)은 큰 표면적을 가지는 그 어떤 더미(dummy)의 금속 패턴일 수 있다. 금속 패턴(230)은 다층 기판의 그 어떤 구리 층으로도 이루어질 수 있다. 더욱이, 금속 패턴(230)은 DMFC 를 제어하는 에너지 관리 시스템(energy managment system; EMS)과 통합되기 위한 함입된 능동 회로(embedded active circuit)로서 이용될 수 있다. 바람직스럽게는, 회로의 배치가 연료 전지의 기능적인 요구에 따라서 조절될 수 있다.
더욱이, 캐패시터, 레지스터, 인덕터 또는 IC 칩들과 같은 전자 소자(240)는 캐소드 판(12)의 표면 내에 또는 그 표면상에 함입될 수 있다. 본 구현예에 따라서, 전자 소자(240)는 연료 전지들의 온도를 모니터할 수 있거나 또는 회로 단락 방지 기능을 가진다.
도 11 은 본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따른 연료 전지 모듈(1a)의 부분들을 도시하는 분해 사시도이다. 도 11 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 모듈(1a)은 유동 판(102), 애노드 판(10a), 캐소드 판(12), 접착 층(104) 및 어레이 MEA(16)를 포함하는 적층 조립체를 포함한다. 연료 전지 모듈(1)과 연료 전지 모듈(1a) 사이의 차이는 연료 전지 모듈(1a)의 유동 판(102)과 애노드 판(10a)이 함께 통합되지 않는다는 점이다. 이렇게 함으로써, 애노드 판(10a) 위에서 전하 집전 면적의 구멍 개구 비율은 유동 판의 인자를 고려할 필요 없이 개별적으로 설계될 수 있다.
유동 판의 설계는 본 발명의 전극 플레이트들이 회로 판 또는 금속 전하 집전 플레이트로부터 제작되기 때문에 보다 융통성이 있다. 유동 판은 MEA 지지 문제 및 전기 전류 도전 문제들을 고려할 필요 없이 능동 및 피동 연료 전지 유형 양쪽의 요건을 충족시킬 수 있다. 예를 들면, 유동 판은 바아(bar) 유형이거나 또는 구불 구불한(serpentine) 유형일 수 있으며, 그러나 그것에 제한되지 않는다. 더욱 이, 본 발명의 유동 판(102)은 단일 측면이거나 또는 이중 측면일 수 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 유동 판(102)의 동체 기판은 사출 성형 가능 폴리머 재료를 가지고 사출 성형 방법들에 의하여 제작될 수 있는데, 사출 성형 가능 폴리머 재료들은 상기 사출 성형 방법들을 이용하여 성형될 수 있는 것으로서, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리설폰(PSU), 액정 폴리머(LCP), 폴리머 플라스틱 기판 또는 엔지니어링 플라스틱의 화합물과 같은 것이다. 상기 언급된 사출 성형 가능 폴리머 재료들은 충전재(filler)와 함께 사출될 수 있다. 상기 언급된 충전재는 개질제(modifier), 부유 작용제(floating agent), 몰드 분리 작용제(mold-release agent)등이다.
도 11 에 있어서, 접착 층(104)은 열-가압 유형 접착 시이트이며, 유동 판(102), 애노드 판(10), 캐소드 판(12) 및 어레이 MEA(16)의 양자 교환 멤브레인에 대한 양호하고 안정된 접착 능력을 가진다. 접착 층(104)의 바람직한 예들에는 프리프레그 접착제, 에폭시 수지, 폴리우레탄(PU) 수지 또는 실리콘 수지가 포함된다. 접착 층(104)은 MEA 영역들에 대응하는 개구들을 가진다. 접착 층(104)이 도 3 에 도시된 사전 성형 접착 플레이트(14)로 대체될 수 있다는 점이 이해된다.
도 12 는 도 11 의 연료 전지 모듈(1a)의 애노드 판(10a)을 도시하는 사시도이다. 도 12 에 도시된 바와 같이, 애노드 판(10a)은 전지 유니트들에 병렬 또는 직렬로 연결하기 위한 회로 트레이스들 및 애노드 전하 집전체(310)를 포함한다. 애노드 판(10a)은 표준적인 PCB 프로세서들과 양립할 수 있는 방법에 의해 제조된다. 예를 들면, 애노드 판(10a)을 제조하기 위한 방법은, CCL 기판을 소망의 크기 로 절단하고, 애노드 전하 집전체(310)상에 관통 구멍(320a)을 드릴 가공하고, 여기에서 바람직스럽게는 관통 구멍(320a)의 합쳐진 면적이 애노드 전하 집전체(310)의 표면적의 약 40 % 이고, 이후에 화학적 구리-도금 층을 CCL 기판 및 관통 구멍(320a)의 내측 표면상에 증착시키고, 애노드 전하 집전체(310)를 노출시키도록 CCL 기판을 드라이 필름으로 마스킹(masking)하고, 드라이 필름을 도금 마스크로 이용하고, 드라이 필름으로 덮히지 않은 영역들에 구리 층 및 Sn/Pb 층을 도금하고, 드라이 필름을 벗겨내고, Sn/Pb 층으로 덮히지 않은 영역들로부터 구리 층 및 화학적 구리 도금 층을 에칭시키고, Sn/Pb 층을 에칭시키는 것을 포함한다.
본 발명에 따라서, 애노드 판(10a)은 유연성 보드, 경직성 보드, 또는 경직-유연성(rigid-flexible) 보드로 제조될 수 있다. 애노드 보드(10a)는 굽힐 수 있는 도전성 돌출부(310a)를 더 포함한다. 바람직스럽게는, 도전성 돌출부(310a)가 전지 유니트 사이의 병렬 또는 직렬 연결을 용이하게 하는 유연성 판으로 이루어진다. 물론, 상기의 굽힐 수 있는 도전성 돌출부(310a)에 더하여, 전지 유니트들 사이의 병렬 또는 직렬 연결이 금속 플레이트, 와이어 포인트 납땜 또는 종래의 납땜 방법들을 이용함으로써 달성될 수 있으며, 와이어 포인트 납땜(wire point soldering)이 바람직스럽다. 금속 플레이트가 이용될 경우, 금속 플레이트가 처음에 굽혀지고, 다음에 포인트 납땜되어 고정되고 도전된다. 별도의 금속이 이용되는 경우에, 거리가 짧다면 직접 납땜이 이용될 수 있다. 거리가 먼 경우에, 와이어와 같은 도전성 부재가 주석과 같은 도전성 금속들과 납땜된다. 예를 들면, 와이어의 일 단부는 플레이트의 가장자리로 당겨지고 전지 유니트들 사이의 병렬 또는 직렬 연결을 달성하도록 납땜된다. 평탄 패널 연료 전지의 전지 유니트들의 병렬 또는 직렬 연결은 문제가 된다. 본 발명은 캐소드 또는 애노드 판을 제조하는 PCB 공정을 이용하여 그러한 문제를 해결할 수 있다.
도 13 은 본 발명의 연료 전지 시스템(400)의 조립에 대한 개략도이다. 도 13 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(400)은 복수개의 연료 전지 모듈(1a)로 이루어진다. 리벳, 나사 또는 그 어떤 적절한 물리적인 잠금 및 고정 수단과 같은 잠금 부재(402)는 복수개의 연료 모듈(1a)들을 고정시키도록 이용된다. 잠금 부재(402)는 연료 전지 모듈(1a)들의 각각의 모서리에 배치된 대응 관통 구멍을 통하여 지나간다. 잠금 부재(402)는 연료 전지 모듈(1a) 사이에 소망의 간격을 유지할 수 있다. 잠금 부재(402)는 연료 전지 모듈(1a)들 사이에 전류를 도전시키는데 이용될 수 있다. 연료 전지 모듈(1a)이 도 2 의 연료 전지 모듈(1)로 대체될 수 있다는 점이 이해된다. 더욱이, 본 발명의 연료 전지 모듈은 수소, 메탄올 또는 그와 유사한 다양한 연료들에 적용될 수 있다.
당업자는 본 발명의 장치 및 방법의 여러 가지 변형 및 변경이 본 발명의 사상을 유지하면서 이루어질 수 있다는 점을 용이하게 이해할 것이다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 연료 전지 모듈을 도시하는 개략적인 분해 사시도이다.
도 2 는 도 1 의 연료 전지 모듈의 측면도를 조립 이후에 도시하는 개략적인 도면이다.
도 3 은 도 1 의 사전 성형 접착 플레이트를 도시하는 개략적인 분해도이다.
도 4 는 도 1 의 통합 애노드 유동 판을 도시하는 개략적인 분해도이다.
도 5 는 도 4 의 통합 애노드 유동 판의 측면도를 조립 이후에 도시한 개략적인 측면도이다.
도 6 은 본 발명에 따른 유동 판의 측면도이다.
도 7 은 애노드 전하 집전체들과 결합된 유동 판의 측면도이다.
도 8 은 본 발명에 따른 유동 판상의 요부와 돌출부를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 9 는 본 발명에 따른 어레이 MEA 의 개략적인 평면도이다.
도 10 은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 캐소드 판의 일부를 도시하는 사시도이다.
도 11 은 본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따른 연료 전지 모듈(1a)의 부분들을 도시하는 분해도이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >
1. 연료 전지 모듈 10. 통합 애노드 유동 판
12. 캐소드 판 14. 사전 성형 접착 플레이트
16. 어레이 MEA 110. 애노드 전하 집전체

Claims (28)

  1. 유동 판을 구비하는 통합된 애노드 유동 판으로서, 애노드 전하 집전체의 외측으로 돌출하는 도전성 돌출부를 수용하도록 요부가 유동 판의 측부에 형성되어 있는, 애노드 유동 판;
    적어도 하나의 캐소드 전하 집전체를 포함하는 캐소드 판으로서, 애노드 전하 집전체의 도전성 돌출부가 굽혀질 수 있고 캐소드 판에 전기적으로 연결되는, 캐소드 판;
    적어도 하나의 MEA 유니트 및 양자 교환 멤브레인을 포함하고, 통합된 애노드 유동 판과 캐소드 판 사이에 배치된, 어레이 멤브레인 전극 조립체(array MEA); 및,
    통합된 애노드 유동 판과 어레이 MEA 사이 및 캐소드 판과 어레이 MEA 사이에 배치된 사전 성형 접착 플레이트(pre-molded adhesive plate)로서, MEA 유니트를 수용하기 위한 개구를 가지고, 2 개의 접착 층들 둘레에 끼워지는 중간 프레임으로 이루어지는, 사전 성형 접착 플레이트;를 포함하는, 연료 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 접착 필름은 유동 판과 도전성 돌출부 사이의 요부에 배치되고, 제 2 접착 필름 및 제 1 접착 필름은 도전성 돌출부가 요부 안에 박히도록 엔캡슐레이션(encapsulation)시키는, 연료 전지 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    통합 애노드 유동 판은 제 2 접착 필름상에 라미네이트된 프레임을 더 포함하는, 연료 전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    접착 층들은, 프리프레그(prepreg), 에폭시 수지, 폴리우레탄(PU) 수지 및 실리콘 수지들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 임의의 하나로부터 형성되는, 연료 전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    양자 교환 멤브레인은 불화물 유형(fluoride type)의 양자 교환 멤브레인들 또는 탄화 수소 유형의 양자 교환 멤브레인들을 포함하는, 연료 전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    MEA 유니트는 양자 교환 멤브레인에 고정되는, 연료 전지 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    위치 선정 구멍이 통합된 애노드 유동 판, 캐소드 판, 어레이 MEA 및 사전 성형 접착 플레이트상의 대응 위치에 제공되는, 연료 전지 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    MEA 유니트의 압축은 사전 성형 접착 플레이트의 중간 프레임의 두께를 조절함으로써 제어되는, 연료 전지 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    MEA 유니트의 압축은 연료 전지 모듈에서 이용된 사전 성형 접착 플레이트들의 총 개수를 조절함으로써 제어되는, 연료 전지 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    열을 방사시키기 위한 더미 금속 패턴(dummy metal pattern)이 캐소드 판 상에 배치되는, 연료 전지 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    전자 소자는 캐소드 판상에 함입(embed)되는, 연료 전지 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    전자 소자는 능동 전자 소자들 또는 피동 전자 소자들을 포함하는, 연료 전지 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    유동 판은 복수개의 유동 채널들을 포함하고, 유동 채널들은 바아(bar) 유형이거나, 또는 구불 구불한(serpentine) 유형의 유동 채널인, 연료 전지 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    유동 판의 동체 기판은 사출 성형 방법들에 의해서 만들어지는, 연료 전지 모듈.
  15. 제 1 항에 있어서,
    유동 판은 사출 성형 가능 폴리머 재료(injection moldable polymer materials)로 만들어지는, 연료 전지 모듈.
  16. 제 15 항에 있어서,
    사출 성형 가능 폴리머 재료는, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리설폰(PSU), 액정 폴리머(LCP), 폴리머 플라스틱 기판 및 엔지니어링 플라스틱의 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 임의의 하나인, 연료 전지 모듈.
  17. 제 1 항에 있어서,
    캐소드 전하 집전체는 PCB 공정들에 의해 제조되는, 연료 전지 모듈.
  18. 경직-유연성 판(rigid-flex board)으로 제작된 애노드 판으로서, 애노드 판 은 애노드 전하 집전체 및 굽힐 수 있는 도전성 돌출부를 포함하고, 복수개의 관통 구멍들이 애노드 전하 집전체상에 제공되는, 애노드 판;
    복수개의 유동 채널들을 가지는 유동 판;
    적어도 하나의 캐소드 전하 집전체를 포함하는 캐소드 판;
    애노드 판과 캐소드 판 사이에 개재된 어레이 멤브레인 전극 조립체(array MEA)로서, 적어도 하나의 멤브레인 전극 조립체 및 양자 교환 멤브레인을 포함하는, 어레이 멤브레인 전극 조립체(array MEA); 및,
    애노드 판과 어레이 MEA 사이 및 캐소드 판과 어레이 MEA 사이에 개재되고, MEA 에 대응하는 개구를 가지는 접착 층;을 포함하는, 연료 전지 모듈.
  19. 제 18 항에 있어서,
    도전성 돌출부는 유연성 판, 금속 시이트 또는 별도의 금속들로 만들어지는, 연료 전지 모듈.
  20. 제 18 항에 있어서,
    열을 방사시키기 위한 더미 금속 패턴이 캐소드 판위에 배치되는, 연료 전지 모듈.
  21. 제 18 항에 있어서,
    전자 소자는 캐소드 판에 함입되는, 연료 전지 모듈.
  22. 제 21 항에 있어서,
    전자 소자는 능동 전자 소자들 및 피동 전자 소자들을 포함하는, 연료 전지 모듈.
  23. 제 18 항에 있어서,
    유동 판은 복수개의 유동 채널들을 포함하고, 유동 채널들은 바아(bar) 유형이거나 또는 구불구불한(serpentine) 유형의 유동 채널들인, 연료 전지 모듈.
  24. 제 18 항에 있어서,
    유동 판의 동체 기판은 사출 성형 방법들에 의해서 만들어지는, 연료 전지 모듈.
  25. 제 18 항에 있어서,
    유동 판은 사출 성형 가능 폴리머 재료들로 만들어지는, 연료 전지 모듈.
  26. 제 25 항에 있어서,
    사출 성형 가능 폴리머 재료는, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리설폰(PSU), 액정 폴리머(LCP), 폴리머 플라스틱 기판 및 엔지니어링 플라스틱의 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 임의의 하나인, 연료 전지 모듈.
  27. 제 18 항에 있어서,
    애노드 전하 집전체는 인쇄 회로 기판(PCB) 공정에 의해 제조되는, 연료 전지 모듈.
  28. 제 18 항에 있어서,
    캐소드 전하 집전체는 PCB 공정에 의해 제조되는, 연료 전지 모듈.
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