KR101078524B1 - 연료 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1, 2 면들을 정의하며, 제1 전극 상에 설치되어 그와 전기 화학적으로 접촉하는 상기 제1 면과 제2 전극 상에 설치되어 그와 전기 화학적으로 접촉하는 상기 제2 면을 가진 전해질 층; 및 상기 제2 전극과 결합되거나 또는 그 위 또는 안에 설치되는 전기 전도성의 집전체(current collector)를 포함하고, 상기 전기 전도성 집전체는 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 경계의 외부로 확장되는 적어도 하나의 확장부를 가지는 연료 전지에 관한 것이며, 동일한 것을 포함하는 연료 전지 스택 조립체들 및 그의 제조 방법들에 관한 것이다.
Description
본 발명은 연료 전지들을 위한 향상된 집전체들(current collectors), 그리고 그를 포함하는 연료 전지들 및 연료 전지 스택 조립체들(stack assemblies)에 관한 것이다.
연료 전지들 및 연료 전지 스택 조립체(이 용어는 하나 이상의 연료 전지들을 가지는 스택들을 포함한다)들은 전류가 각 연료 전지의 양극 및 음극으로부터 효율적으로 수집되기 위해 디자인된다. 연료 전지 스택 조립체는 일반적으로 직렬로 연결된 복수의 연료 전지들을 포함하고, 인접한 연료 전지들 사이의 연결은 첫번째 연료 전지의 전극(양극이나 음극)를 두번째 연료 전지의 반대 전극(즉, 음극이나 양극)에 차례로 전기적으로 연결되는 인접한 배선 판(interconnect plate)에 연결하는 전기 전도성 매체(집전체)에 의해 구현될 수 있다. 상기 전류가 상기 스택에 있는 연료 전지의 전기 쇼트(short) 없이 상기 집전체를 통해 상기 스택으로 제어되는 방법으로 흐르는 것을 보증하기 위해, 상기 인접한 연료 전지 층 또는 인접한 배선 층(interconnect layer)으로부터 각 연료 전지 층을 분리시키는 각 연료 전지 층의 경계 주위에 비전도성 층이 일반적으로 제공된다. 상기 배선 판을 가지는 전기 전도성 매체의 접촉 영역은 일반적으로 상기 전극을 가지는 상기 전기 전 도성 매체의 접촉 영역과 평행하며 동일한 공간에 위치한다. 부가적인 연료 전지들도 유사하게 연결된다. 상기 연료 전지가 생성했던 전류를 제거하기 위한 낮은 전기 저항 연결을 제공하기 위해, 상기 연결 매체는 상기 접촉된 연료 전지 표면상에 접촉 압력(contact pressure)을 가하고, 그에 따라 상기 연결 매체와 상기 전극 사이의 전기적 접촉의 가장 큰 영역을 보장하고, 각각의 전류 흐름들의 저항을 감소시킬 수 있다.
연료 전지 스택 내부에서 접촉 압력을 가하는 것은 상기 스택에 압축 하중(compressive load)를 생성하도록 하는 스택 구조를 형성함에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 사용되는 하나의 기술은 상기 연료 전지 스택의 각 말단에 고체의, 단단한 종판들(endplates)을 가지는 연료 전지 스택을 생성하는 것이며, 상기 각 종판은 폭과 나비(width and breadth)를 횡단하여 위치되며 적어도 하나의 연료 전지 및 배선 판과 동일 평면상에 위치되고, 상기 스택의 폭과 나비를 지나 상기 스택을 통해 아래로 대체로 균일한 압축력을 가하는 압축 시스템을 가진다. 그러한 압축 시스템들은 조이는 압축 시스템들(claimping compression systems)뿐 아니라 내부적 및 외부적으로 조이는 장치들(bolting arrangements)을 포함하며, 그들 모두는 상기 스택 층들을 압축하는 작용을 한다.
상기 연료 전지 스택 전체에 충분한 크기의 대체로 균일한 힘을 가하는 것은 상기 연료 전지 스택 컴포넌트들, 스택 조립체 및 연료 전지 스택 동작 조건들에 있어 중요한 기술 및 디자인 문제들과 생산 공정 오차 한계들을 지닌다. 예를 들어 스택 층 폭 및 나비를 지나는 배선 판 두께에 있어서의 매우 작은 변동들, 배선 판 편평도(flatness)의 변동들, 압축 하중 적용의 변동들, 상기 연료 전지 스택의 동작 범위에서 물질 및 컴포넌트 열팽창의 변동들, 밀봉(seal)들에서의 물질 압축의 변동들, 개스킷(gasket) 두께의 변동들 및 배선 두께의 변동들은 일반적으로 중요한 변동들 및/또는 컴포넌트들에 의해 보여지는 내부 압력(stress)들을 발생시킬 수 있다. 이러한 압력 레벨들은(그리고 그들에 있어서의 상기 변동), 그들이 매우 크다면, 연료 전지 스택 컴포넌트가 오동작하게 할 수 있으며; 또는, 그들이 작다면, 배선 층, 상기 집전체 및 상기 두번째 전극들 사이에서 불충분한 접촉 압력이 생성되게 할 수 있으며, 그로 인해 전기 접촉 저항을 증가시키며 동작시 연료 전지 성능을 감소시킬 수 있다. 이러한 변동들에 대한 허용치, 그리고 이러한 변동들에의 종합적인 영향들은 상기 스택 컴포넌트들의 디자인 및 생산(예를 들어, 변동들을 최소화하기 위해 매우 정밀하게 작업 된 컴포넌트들의 형성에서), 그리고 상기 스택의 조립체, 사용되는 상기 조립 프로세스, 그리고 시동, 종료 및 사용하는 동작 기간 동안 그것이 열팽창 및 수축을 견디는 것과 같은 상기 스택의 동작으로 고려될 필요가 있다.
연료 전지 스택 조립체의 이러한 형태는, 일반적으로 사용되지만, 요구되는 단단한 컴포넌트의 허용 오차들에 의해 가해지는 공정 제한들로부터 기인한 비용 증가 및 복잡성의 문제, 그것의 구성에 대해 결과되는 기술 제한들, 상기한 바와 같이 상기 변동들이 상기 다양한 스택 층들 내부에서 초과 또는 부족한 압력을 일으키는 것과 같은 상기 연료 전지 스택과 연료 전기 스택 컴포넌트들의 동작 성능의 저하의 문제가 있다.
연료 전지 스택 조립체들에 대한 선행 기술의 예들은 전기 전도성의 배선(interconnect)에 의해 분리되는 연료 전지들, 첫번째 복수의 필라멘트(filament)들에 의해 배선에 연결되는 첫번째 연료 전지의 양극(anode), 두번째 복수의 필라켄트들에 의해 인접한 연료 전지의 음극(cathod)에 연결되는 상기 배선을 개시하는 US 2003/0235743의 그것들을(30번 단락을 보시오)을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전기 비전도성 스페이서들(spacers, 36, 38)은 상기 연료 전지들, 세라믹 전해질들(ceramic electrolyte, 14), 및 상기 스페이서들(36, 38) 상으로 확장되는 음극들(18) 및 양극들(16)의 영역들을 분리한다. 상기 스페이서들을 가지고 상기 전해질들, 음극 및 양약을 밀봉(seal)하는 것의 의미들은 알려지지 않으며, 압축력이 효과적인 밀봉을 위해 사용된다면 그것은 상기 전해질 및 음극에 손상을 줘 수명을 단축시킬 것이 예상된다. 더 나아가, 상기 연료 전지의 외부에 노출되는 상기 전해질 및 음극을 가지는 경우, 상기 전해질을 지나 상기 연료 전지의 외부로의 수소 이온(hydrogen ion)의 흐름이 방지된다는 것에 대해 개시된 것이 없다. 또한, 많은 수의 "필라멘트들"이 어떻게 상기 대응되는 양극들, 음극들 및 배선들에 연결되어 지는지에 대해 개시된 것이 없으며, 이것은 복잡하고 불편한 동작으로 나타날 수 있다. 특히, 상기 필라멘트들은 상기 양극/음극의 경계의 외곽까지 확장되지 않으며, 상기 필라멘트들은 영구적으로 상기 배선들에 연결된다. US 2003/0235743에 기재된 "집전체들(current collectors)"은 상기 "덮개 판들(cover plates)" 및 여기서 언급된 "종판들(endplates)"에 상응하며, 여기서 기재되는 "집전체"에는 상응하지 아니함을 주의해야 한다.
EP 1434294 / US2004/0101742는 전기 전도성의 배선 판에 연결되는 전기 전동성의 메쉬형(mesh) 스페이서들에 의해 분리되는 개별적인 연료 전지들을 가지는 연료 전지 스택 조립체를 개시한다. 상기 연료 전지 스택의 조립체에서, 상기 스페이서들은 인접한 연료 전지들의 상기 양극들과 음극들에 접촉됨에 의해 압축되고, 그에 따라 전기적 연결을 위해 상기 양극들 및 음극들 상에 압축력을 가한다.
연료 전지들의 일반적인 구성은 상기 기술에서, 예를 들어 . Leah, RT, Brandon, NP, Aguiar, P, Journal of Power Sources, 2005, 145(2): 336-352; WO 02/35628; WO 03/07538; GB 2394114; WO 2004/089848; GB 2400723; GB 2405028; 및 WO 2005/078843와 같은, 알려질 수 있다. 여기서 언급되는 참조들 각각의 내용들은, 여기서 인용되는 참조들을 포함하여, 여기서는 그들 전체에 있는 참조와 합쳐진다.
따라서 좋은 집전 특성들을 가지는 향상된 연료 전지 스택 조립체를 제공하기 위한 요구가 있으며, 이는 상기 선행 기술들의 단점들을 말한다.
상기 선행 기술들의 단점들을 극복하는 것이 본 발명의 목적이다. 특히 상기 접촉 압력 및 상기 연료 전지의 동작 영역들 안에서 상기 컴포넌트 허용 오차들과 동작 허용 오차 변동들로부터의 연료 전지 스택에 대한 밀봉 요구를 분리하는 디자인을 제공하여, 상기 압축 하중 조건들을 상기 하중이 개스킷 밀봉만을 위해 요구되도록 상기 연료 전지 스택의 외부로 이동시키고, 그 결과 요구되는 상기 스택 압축 하중의 감소 및 향상된 동작 성능을 가진 더 낮은 제조 비용의 스택 조립체를 만들 수 있다.
본 발명에 따르면,
(i) 제1 및 제2 면들(faces)을 정의하는 전해질층, 상기 제1 면은 제1 전극상에 설치되고 상기 제1 전극과 전기 화학적으로 접촉되며, 상기 제2 면은 제2 전극상에 설치되고 상기 제2 전극과 전기 화학적으로 접촉되고; 및
(ii) 상기 제2 전극에 결합되거나 상기 제2 전극상 또는 내부에 설치되며 상기 제2 전극과 전기적으로 접촉되는 전기 전도성의 집전체, 상기 전기 전도성 집전체는 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 경계의 외곽들로 확장되는 적어도 하나의 확장부를 가지는;을 포함하는 연료 전지가 제공된다.
따라서, 상기 전극들 및 전해질의 경계 밖으로 확장되는 상기 집전체를 가짐에 의해, 상기 경계 밖의 적어도 하나의 확장부를 가지는 상기 집전체와의 전기적 접촉을 만듦에 의해 상기 연료 전지와의 전기적인 접촉을 생성하는 것이 가능하며, 이는 상기 제2 전극 또는 상기 전해질 상에 압력을 가하는 것을 요구하지 않는다. 이는 따라서 상기 전기적인 접촉이 상기 연료 전지 전극들 상 또는 안에 있는 영역에 접촉함에 의해 만들어지는 선행 기술의 연료 전지 디자인들에서 사용되는 것들에 비해, 상기 연료 전지 및 연료 전지 스택 컴포넌트들을 위한 엄격한 디자인 및 공정 오차들을 위한 조건들을 감소시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 전극은 전기 전도성의 기판(substrate) 상에 설치된다. 상기 전기 전도성 기판은 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 경계 밖으로 확장된다. 이 전기 전도성 기판은 바람직하게는 전기 전도성을 가지는 배선 판(interconnect plate)에 연결된다. 그에 따라, 상기 연료 전지는 바람직하게는 추가적으로 전기 전도성의 배선 판을 포함한다. 따라서, 본 발명을 사용하는 경우, 어떤 압축력을 상기 전극들이나 상기 전해질상에 가하지 아니하고 연료 전지에 전기적 접촉이 만들어질 수 있다. 그러한 실시예에 있어서, 본 발명의, 상기 연료 전지는 추가적으로 인접한 연료 전지 스택 층의 집전체가 결합되는 전기 전도성의 배선을 포함한다.
바람직하게는, 상기 전기 전도성 기판은 금속판, 또는 비투과성(non-porous) 영역에 의해 경계 지어진 투과성 영역을 가지는 포일(foil)이다.
바람직하게는, 상기 전기 전도성 기판은 제1 전극, 전해질 및 제2 전극이 설치된 가스 투과 영역을 정의하며, 상기 투과 영역은 가스 투과성이 없는(non gas-porous) 영역에 의해 둘러싸여 있다.
바람직하게는, 상기 전해질은 상기 제1 전극상에 가스 밀봉(gas seal)을 제공하기 위해 상기 제1 전극 상으로 확장된다.
바람직하게는, 상기 제1, 2 전극들 및 전해질은 상기 전기 전도성 기판에 밀봉되어 부착된다.
바람직한 실시예들에서, 상기 전기 전도성 기판은 복수의 영역들을 정의하며, 각 영역은 그 위에 설치된 상기 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 가진다. 그러한 실시예들에서, 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 상기 경계는 바람직하게는 대개 상기 연료 전지 영역들에 대해 고려되는 가장 외곽의 경계이다. 보다 바람직하게는, 각 영역들은 가스 투과성이 없는 영역에 의해 둘러싸인 가스 투과 영역을 정의한다.
바람직하게는, 상기 연료 전지는,
(i) 전기 전도성의 배선(intrconnec);
(ii) 상기 제1 전극, 상기 전해질, 상기 제2 전극 및 상기 전기 전도성의 집전체가 설치되는 전기 전도성의 기판, 그로부터 상기 적어도 하나의 집전체 확장부가 확장되는; 및
(iii) 사용되는 경우 그것의 상단에 위치된 컴포넌트들을 위한 기계적인 지지(support)를 제공하는 적어도 하나의 전기 비전도성 구조(예를 들어, 스페이서 또는 개스킷)을 더 포함한다.
그러한 연료 전지는 또한 연료 전지 스택 층(fuelcell stack layer)으로도 불려질 수 있다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 전기 비전도성 구조(iii)는 상기 연료 전지의 쇼트(short)를 방지하고 기계적인 지지를 제공하기 위해 상기 전기 전도성 기판과 상기 적어도 하나의 집전체 확장부 사이에 위치하는 전기 비전도성 스페이서를 포함한다.
그러한 연료 전지는 상기 전기 전도성 배선(i)으로부터 상기 전기 전도성 기판으로, 상기 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 지나 상기 집전체 및 상기 적어도 하나의 집전체 확장부로의 전기적인 흐름 경로(flow path)를 정의한다. 전기적인 흐름은 그런 후 상기 연료 전지의 상단에 위치된 컴포넌트, 예를 들어 전기 전도성 종판 또는 상기 전기 전도성의 인접한 연료 전지 스택 층과의 배선, 를 지날 수 있다.
연료 전지 스택이 본 발명에 따른 연료 전지의 다수의 층들을 포함하는 경우, 제1(더 낮은) 연료 전지 스택 층의 상기 집전체 적어도 하나의 확장부와 상기 인접한 연료 전지 스택 층의 상기 전기 전도성 배선 사이의 좋은 전기 접촉을 만듦을 통해 제1 또는 제2 전극들 또는 상기 제1 연료 전지 스택 층 상에 압력을 가할 필요없이 인접하는 연료 전지 스택 층들 사이의 전기적인 접촉을 이루는 것이 가능하다. 따라서, 연료 전지 스택 층으로부터 인접한 연료 전지 스택 층으로의 상기 전기적 연결은 상기 인접한 연료 전지 스택 층상에 하나의 연료 전지 스택 층을 압축하기 위한 요구에 독립하여 만들어질 수 있다. 특히, 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 영역 안에서 본 발명의 연료 전지와의 전기적 접촉을 생성할 필요가 전혀 없다. 특히, 본 발명의 상기 집전체들은 영구적으로 인접한 배선에 부착되거나 그에 매달려 있지 않을 수 있다.
상기 제1, 2 전극들 및 전해질의 경계 밖의 영역에서 상기 적어도 하나의 집전체 확장부의 가장 상위 부분은 바람직하게는 상기 제1, 2 전극들 및 전해질의 경계 내부의 영역에 있는 상기 집전체의 가장 상위 영역보다 수직으로 더 높게 위치한다.
상기 적어도 하나의 집전체 확장부와 인접하는 전기 전도성의 배선 또는 종판 사이의 전기적 접촉은 다양한 수단들에 의해, 용접(welding), 스폿 용접(spot welding), 납땜(brazing), 마찰 용접(friction welding), 접착(gluing), 전도성 접착제(conductive pastes)들을 사용하여 및 볼트로 조이는 것(bolting)과 같은 것을 포함하나 그에 한정되지 않는, 만들어질 수 있다.
또 다른 전기적 접촉 기술은 제1 연료 전지 스택 층의 상기 적어도 하나의 집전체 확장부를,
(i) 상기 제1, 2 전극들 및 전해질에 의해 정의되는 상기 제1 연료 전지 스택 층의 경계 밖의 영역에서 인접하는 제2 연료 전제 스택 층의 상기 전기 전도성 배선; 및
(ii) 상기 제1, 2 전극들 및 전해질에 의해 정의되는 상기 제1 연료 전지 스택 층의 경계 밖의 영역에서 상기 제1 연료 전지 스택 층 상에 위치하는 전기 전도성의 구조물 사이에 끼우거나 또는 고정하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 연료 전지는 바람직하게는 추가적으로 상기 전기 전도성 기판과 상기 집전체 사이에 설치되는 전기 비전도성의 구조물을 더 포함한다. 보다 바람직하게는, 상기 전기적 비전도성 구조물은 상기 제1 전극 또는 제2 전극 또는 상기 전해질과 접촉하지 않는다. 보다 바람직하게는, 그것은 상기 제1, 2 전극들 및 전해질에 의해 정의되는 상기 경계 밖에, 요컨데 상기 전기 전도성 기판과 상기 적어도 하나의 확장부 사이에 위치된다.
따라서, 하나의 연료 전지 스택 층으로부터 인접한 연료 전지 스택 층으로의 좋은 전기적 접촉을 이루기 위해 상기 연료 전지 스택에서 요구되는 압축은 어떤 상기 연료 전지 스택 층들의 상기 양극, 전해질 및 음극 구조물들에 적용되기 위한 압축력을 필요로 하지 않는다.
상기 전기 비전도성 구조물은 어떤 실시예들에서는 그들을 포함하는 공간(volume)를 정의하기 위해 연속적이며 상기 집전체, 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질을 둘러싼다. 상기 전기 비전도성 구조물은 또한 상기 공간과의 유동적인 교류(fluid communication)를 허용하기 위한 적어도 하나의 구멍(orifice), 특히 상기 연료 전지 전극들 중 하나 또는 다른 것 또는 둘 다에 제공되는 가스들의 입구 또는 출구를 정의할 수 있다. 다른 실시예들에서는, 상기 전기 비전도성 구조물은 불연속적이며 단지 부분적으로만 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질을 둘러싼다.
그에 따라, 상기 적어도 하나의 구멍 또는 불연속적인 비전도성 구조물은 적어도 하나의 매니폴드(manifold)를 정의할 수 있다. 바람직하게는, 그러한 다기관들은 적어도 하나의 연료 입구, 적어도 하나의 연료 출구 및 적어도 하나의 산화제(oxidant) 출구를 정의한다.
상기 전기 비전도성 구조물 및 상기 집전체 둘의 수치적 및 물질적 특성들은 원하는 고정 효과(clamping effects)를 달성하고, 열 팽창 효과(thermal expansion effects)를 허용하며, 조립 동안 및 연료 전지 스택 조립체의 동작 수명에 걸쳐 하나의 연료 전지 스택 층과 상기 인접한 연료 전지 스택 층 사이의 적어도 하나의 효과적인 집전 경로를 보증하기 위해 맞춰진다.
전기 비전도성 구조물들에 대한 예들은 전기 비전도성 스페이서들 및 전기 비전도성 개스킷들을 포함한다. 바람직하게는, 상기 전기 비전도성 구조물은 적어도 하나의 전기 비전도성 스페이서 및/또는 적어도 하나의 전기 비전도성 개스킷을 포함한다. 바람직하게는, 그것은 상기 전기 전도성 기판과 상기 적어도 하나의 집전체 확장부 사이에 위치하는 적어도 하나의 전기 비전도성 스페이서, 그리고 적어도 하나의 전기 비전도성 개스킷을 포함한다.
전기 비전도성 스페이서들로 사용되기에 적합한 디자인들의 예들은 일반적으로 두 개의 매우 평평한 표면들을, 사용시 각 표면이 전기 전도성의 배선 또는 전기 전도성의 종판과 같은 인접한 컴포넌트 밑의 적어도 하나의 확장 영역이나 상기 전기 전도성 기판에 마주하는, 가지는 다양한 형태들을 포함할 수 있다.
전기 비전도성 스페이서의 적절한 형태들은 스트립들(strips), 블록들(blocks), 원반(disc), 타원형(oval) 및 마름모꼴들(lozenges)을 포함한다.
상기 전기 비전도성 스페이서 형태의 디자인들은 상기 전극으로부터 나와, 상기 적어도 하나의 확장부를 지나 상기 인접한 전기 전도성 배선으로의 전류 흐름이 넓은 영역에서 발생하고 전기 저항과 작은 임의의 영역을 통해 큰 전류가 흐름에 의해 발생하는 국부적인 열을 감소시키기 위해 바람직하게는 상단이 평평하다(flat-topped).
바람직하게는, 상기 전기 비전도성 스페이서는 적어도 하나의 구역에서, 예를 들어 1, 2, 3, 4, 또는 5 구역들, 제공된다. 상기 구역들의 수는 상기 집전체 디자인에 대한 조건들; 확장부 당 단지 하나, 각 끝에 하나, 몇 ㎜ 마다, 몇 ㎝ 마다, 또는 상기 연료 전지의 각 코너에 또는 그 주변에, 에 의존한다. 이하에서 설명되는 본 발명의 또 다른 실시예들에서, 연료 전지 스택 조립체는 바람직하게는 연료 전지당 적어도 하나의 전기 비전도성 스페이서 구역을 포함한다.
상기 전기 비전도성 구조물은 테이프 캐스트(tape cast) 또는 적절한 장소에 인쇄(print)되거나 상기 기판상에 부착되어 위치된 스크린(screen)일 수 있다.
상기 전기 비전도성 스페이서의 두께는 상기 최종 연료 전지 컴포넌트들의 두께, 상기 연관된 전극 상의 공간 간격(volume gap), 상기 전기 전도성 배선의 하측 상의 상기 부분들의 깊이, 상기 연료 전지를 지나는 사용되는 가스의 설계된 압력 강하, 상기 전기 비전도성 스페이서의 압축률(compressibility), 및 상기 적어도 하나의 확장부의 압축률을 포함하는 다수의 팩터들에 의해 결정된다.
바람직한 실시예에서, 전기 전도성 기판은 그 위에 설치된 상기 집전체를 포함하는 양극, 전해질 및 음극 구조물을 가지도록 제공되며, 상기 구조물의 높이는 0.15 ㎜이며, 상기 집전체는 0.1 ㎜의 두께를 가진다.전기 비전도성 스페이서는 상기 전지가 소결되어(sintered) 상기 압축된 스택 상태(compressed stack state)에 있는 경우 0.4-0.55 ㎜의 높이를 가지도록 설계될 수 있다. 이 경우, 이는 0.35-0.50 ㎜의 간격이 상기 제2 전극과 상기 인접한 전기 전도성 배선의 상기 하측 사이에 존재하도록 할 수 있다.
그러한 전기 비전도성 구조물은 적절한 장소에 인쇄된 스크린일 수 있다. 상기 전기 비전도성 스페이서는 또한 상기 기판상에 위치할 수 있도록 전기 비전도성 스페이서를 주형(moulding) 또는 주조(casting) 또는 압출 성형(extruding)함에 의해 형성될 수 있다.
상기 전기 비전도성 구조물은 바람직하게는 비전도성 압축 개스킷을 포함한다. 개스킷 물질에 대한 실시예들은 Flexitallic XJ766 vermiculite 타입 개스킷과 같은 유연한(flexible) 전기 비전도성 개스킷들을 포함한다. 상기 전기 전도성 기판에 부착되도록 디자인된(예를 들어 스크린-인쇄) 비전도성 구조물의 경우, 상기 열 팽창 특성들이 상기 전기 전도성 기판의 그것과 매우 가깝게 일치하여야 한다. 따라서, 가돌리늄으로 도핑된 세륨 산화물(CGO, ceria gadolinium oxide) 기반 연료 전지의 전기 전도성 기판, 여기서 상기 전기 전도성 기판은 페라이트계 스테인레스 강(ferritic stainless steel)으로 만들어진다, 의 경우 상기 전기 비전도성 기판은 주로 세륨 또는 CGO로 만들어 질 수 있다. 상기 전기 비전도성 구조물이 상기 기판에 부착될 필요가 없는 경우, 그것의 구성을 위해 적절한 물질들은 CGO 또는 이트륨으로 도핑된 지르코늄 산화물 전해질(YSZ, Yttria-stabilized zirconia) 또는 글라스 프릿(glass flit)을 포함할 수 있다.
전기 비전도성 구조물들은 가스 비투과성 또는 가스 투과성일 수 있다. 전기 비전도성 구조물들은 압축력이 있거나(compressive) 또는 압축력이 없을 수(non-compressive) 있다. 전기 비전도성 구조물들은 환전히 또는 부분적으로 상기 제1, 2 전극 및 상기 전해질에 의해 정의되는 상기 연료 전지의 경계를 둘러쌀 수 있다.
상기 전기 비전도성 스페이서 물질은 바람직하게는 상기 전기 비전도성 개스킷 물질과 다르다. 그와 같이, 상기 전기 비전도성 스페이서와 상기 전기 비전도성 개스킷 사이 그들이 만나거나 또는 만나는 지점에 가까운 부분에서의 간격에는 엄격한 허용 오차가 요구될 수 있다. 이러한 허용 오차는 바람직하게는 상기 간격을 통해 최소한의 가스가 통과되며 그러나 그와 동시에 조립 또는 동작 시 상기 접촉 영역 상에 가해지는 압력을 강화시키는 간섭이 존재하지 않도록 제어된다. 바람직하게는, 상기 전기 비전도성 스페이서 및 개스킷 중 하나 이상은 스택 조립 시 상기 컴포넌트들 사이 및 서로에 대한 상기 컴포넌트들의 위치들 사이의 간격을 제어하기 위해 오목한 홈들(dimples) 또는 니플(nipple)과 같은 위치 형상부들(location features)을 제공받을 수 있다.
상기 전기 전도성 기판과 상기 적어도 하나의 집전체 확장부 사이에 전기 비전도성 구조물이 위치하지 않는 경우들에 있어서, 상기 적어도 하나의 집전체 확장부는 상기 인접한 배선과 다양한 방법, 용접, 스폿 용접, 납땜, 마찰 용접, 접착, 전도성 접착제들을 사용하여 및 볼트로 조이는 것 또는 상기 두 컴포넌트들 사기 또는 컴포넌트 돌출부(pinch point) 또는 구멍(slot)에 억지로 끼워맞추는(interference fit) 컴포넌트들이나 다른 엄격한 허용 오차(tight tolerance) 컴포넌트에 맞추는 디자인들을 이용하는 조이는 장치들과 같은 전통적인 금속 접합/결합 기술들을 포함하나 그에 한정되지 않는 다양한 방법으로 결합될 수 있다.
그러한 구조들의 예는 상기 연료의 공급 흐름과 반응되는 연료 흐름이 상기 비전도성의 압축력이 있는 개스킷들을 이용하여 상기 스택 내부에서 집배되는(manifolded) 오픈-매니폴디드(open-manifolded) 음극 스택 디자인이며, 상기 산화제 가스는 개방적으로 상기 제2 전극 측을 가로질러 흐르며 상기 스택을 지나 집배되지 않는다.
상기 연료 전지는 바람직하게는 또한 연료 및 산화제를 그 안으로 제공하기 위한 연료 및 산화제 입구를 포함한다.
어떤 실시예들에서는, 상기 전기 전도성 배선이 하나의 컴포넌트 부분(single component part)으로 제공된다. 다른 실시예들에서는, 그것은 분리된 컴포넌트들, 즉 전기 전도성의 배선 및 상기 전기 전도성 배선과 상기 전기 전도성 기판 사이에 위치하는 전기 전도성 스페이서로 제공된다. 모든 실시예들에서, 그것은 가스가 상기 전기 전도성 기판으로 흐르도록 하는 공간을 정의한다. 바람직하게는, 상기 전기 전도성 배선은 전기적으로 전도성을 가지는 배선 판(interconnection plate)이다. 바람직하게는, 상기 전기 전도성 스페이서는 전기 전도성 스페이서 판(spacer plate)이다.
상기 전기 전도성 기판과 상기 전기 전도성 배선 둘 모두 페라이트계 스테인레스 강(ferritic stainless steel)으로 만들어지는 바람직한 실시예에서, 전기 전도성 스페이서도 또한 그와 동일한 또는 유사한 페라이트계 스테인레스 강으로부터 만들어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 전기 전도성 스페이서는 상기 전기 전도성 배선과 동일한 물질로 만들어질 수 있으며, 상기 전기 전도성 배선, 상기 전기 전도성 스페이서 및 상기 전기 전도성 기판의 결합은 레이저 용접과 같은 하나의 결합 프로세스에서 수행될 수 있다.
상기 전기 전도성 배선, 상기 전기 전도성 스페이서 및 상기 전기 전도성 기판을 위한 바람직한 물질들은 금속, 페라이트계 스테인레스 강 및 전도성 세라믹을 포함하는 그룹 중 독립적으로 선택될 수 있다. 이하에서 정의되는 연료 전지 또는 연료 전지 조립체의 공정 방법에서, 그러한 컴포넌트들의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의한 하나의 단계(single step)로 이루어져, 하나의 금속 결합 프로세스를 사용하는 장점들을 주고, 프로세싱 타임을 감소시키며, 공정 비용을 감소시키고, 가스 누출의 위험을 감소시킨다.
본 발명의 바람직한 연료 전지들을 위해, 상기 전기 전도성 기판은 일반적으로 0.1-0.3 ㎜의 두께를 가지고, 상기 전기 전도성 스페이서는 0.1-0.3 ㎜의 두께를 가지고, 상기 전기 전도성 배선은 0.1-0.5 ㎜의 두께를 가진다. 보다 바람직하게는, 상기 전기 전도성 기판, 스페이서 및 배선은 각각 0.2 ㎜의 두께를 가진다.
바람직하게는, 상기 전기 전도성 배선의 상측과 상기 전기 전도성 기판의 하측은 연료, 탄화 수소(hydrocarbon), 수소(hydrogen) 또는 공기 또는 산소와 같은 산화제, 가 통과할 수 있는 제1 공간을 정의한다. 연료 및 산화제의 다른 것들은 상기 전기 전도성 기판의 상측, 상기 전기 비전도성 구조물 및 인접한 전기 전도성 배선의 하측에 의해 정의되는 제2 공간에 있는 상기 제2 전극을 자나 통과될 수 있다.
연료 전지 스택 조립체(이하)에서, 이는 그에 따라 연료 및 산화제가 통과되는 분리된 공간들이 정의되어 상기 연료 전지가 동작될 수 있는 것을 의미한다. 출구/배출(oulet/exhaust) 수단들이 또한, 어떤 장치들에서는 그들을 불필요하지만, 제공될 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시예들에서 하나의 구멍이 공기 주입을 위한 흐름 및 공기와 배출 가스가 연료 전지로부터 나가는 흐름을 위해 제공될 수도 있다. 연료 및 산화제의 적절한 통과를 위한 상기 연료 전지들 및 그들의 컴포넌트 부분들의 구성은 본 기술 분야의 어느 곳에서나 넓게 설명되며, 일반적인 기술을 가지는 자에게 쉽게 명백할 것이며 따라서 여기서는 더 이상 언급하지 않는다.
상기 본 발명은 전류 수집이 상기 전극 표면을 지나는 압축 하중을 가하지 아니하고 발생할 수 있도록 하나, 하중이 발생하는 상황들이 있을 수 있다. 그러한 경우들은 상기 연료 전지 스택이 자동차가 울퉁불퉁한 도로를 따라 달리는 경우와 같이 상기 전극 표면과 평행하지 않은 평면에서 빠르게 물리적으로 이동하게 되는 경우를 포함한다. 이러한 경우들에 있어서, 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질(또한 상기 연료 전지의 "유효 영역(active area)" 에 대응되는)을 지지하도록 하는 것이 바람직하다.
이는 상기 길을 펼치는 동안 사이에 낀 컴포넌트들의 이동을 제한하기 위해 오목한 홈들(dimples)과 같은 돌출부들(protusions)을 상기 연료 전지의 유효 영역 밑의 상기 전기 전도성 기판의 영역 및 인접한 전기 전도성 배선의 하측에 제공하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 실제로, 상기 전기 전도성 배선이 두 측들 상에 오목한 홈들을 가지도록 하는 것이 가능하다. 상기 오목한 홈들을 형성하기 위한 용이한 방법은, 하나 또는 두 단계의 프로세스이든지, 금속에 의한 것이다. 상기 오목한 홈들은 전류 수집을 위해 디자인되지는 않으나, 최소한의 압력 강하를 도모하고 그들이 상기 연료 전지의 제2 전극 표면과 접촉하게 되는 경우 의도하지 않은 압력을 발생시키지 않도록 하기 위해 디자인된다.
상기 오목한 홈들의 높이는 상기 연료 전지를 지나는 상기 압력 강하에 영향을 미친다. 상기 상측으로 확장하는 오목한 홈들의 높이는 상기 전기 전도성 배선과 상기 전기 전도성 기판 사이에 정의되는 간격의 높이 이하이다.
상기 연료 전지가 전기 전도성 스페이서를 포함하는 경우, 상기 상측으로 확장하는 오목한 홈들의 높이는 상기 전기 전도성 스페이서의 높이보다 작은 것이 바람직하다. 상기 하측으로 확장하는 오목한 홈들의 높이는 상기 제2 전극까지의 거리 이하이다.
상기 오목한 홈들의 횡측 간격(lateral spacing)은 바람직하게는 상기 기대되는 사용시 하중 및 휨 특성들(deflection characteristics)에 맞춰진다. 이는 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자 및 그에 따라 위치되는 오목한 홈들에 의해 쉽게 만들어질 수 있다. 따라서, 상기 오목한 홈들의 패턴은 일반적일 필요가 없다.
바람직한 연료 전지 디자인들에 있어, 상기 상측으로 향하는 오목한 홈들은 상기 연료 전지로의 연료 흐름의 중단을 최소화하기 위해 뾰족하거나 둥근 상단들을 가진다. 상기 연료 전지의 제2 전극과 마주하는 상기 하측으로 향하는 오목한 홈들은 바람직하게는 평평한 상단을 가지도록 제공되며, 그에 따라 그들은 상기 연료 전지의 제2 전극에 보다 쉽게 접촉할 수 있고, 상기 평평한 상단은 둥글거나 각진 오목한 홈에 의한 것보다 더 넓은 영역에 걸쳐 접촉 하중을 펼침에 의해 국부적인 압력을 감소시킨다.
상기 오목한 홈들은 추가적으로 상기 배선 판의 양측, 즉 산화제와 연료 둘 모두의, 상에서의 비선형적인 가스들의 흐름을 촉진할 수 있으며, 그에 따라 연료와 반응된 연료 가스들 및 산화제와 반응된 산화제 가스들의 혼합을 강화할 수 있다.
실제로, 상기 돌출부의, 예를 들어 오목한 홈들의, 크기 및 배치는 상기 연료 전지;의 대응되는 측을 지나는 요구되는 압력 강하, 상기 전기 전도성 배선 판의 두께 및 물질 및 상기 연료 전지 스택 조립체의 기대되는 동작 환경에 의해 지시될 수 있다.
상기 적어도 하나의 집전체 확장부는 바람직하게는 상기 제1, 2 전극 및 상기 전해질의 평면과 일반적으로 평행한 평면에서 상기 제1, 2 전극 및 상기 전해질로부터 확장된다. 그에 따라, 수직 측(Z) 상에서 상기 제1 전극 층, 상기 전해질, 상기 제2 전극 층 및 상기 집전체의 순서로 배열된 연료 전지에서, 상기 적어도 하나의 확장부는 상기 X/Y 축들 상에서 제1 전극, 상기 전해질, 상기 제2 전극에 의해 정의되는 경계로부터 확장, 즉 상기 경계 밖으로 확장하거나 경계로부터 돌출되는, 된다. 물론, 상기 집전체는 또한 상기 Z-축 상에서 확장될 수 있다. 여기서 축들에 대한 참조는 기하학적인 축들이다.
따라서, 상기 X/Y-축들 상에서 상기 연료 전지로부터 확장되는 상기 집전체에 있어, 상기 제2 전극과의 전기적 접촉들은(예를 들어 인접한 전기 전도성 배선에 의한) 상기 집전체의 상기 제2 전극으로부터의 적어도 하나의 확장부를 통해 이뤄지고, 그에 따라 상기 제2 전극에 압력(즉, 압축력)을 가하지 않고 수행될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 상기 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)이다. 다른 실시예들에서는, 상기 연료 전지는 프로톤 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC), 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 또는 알카라인 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) 또는 양극-전해질-음극 구조의 다른 연료 전지 타입들일 수 있다.
상기 전기 전도성 배선은 다른 연료 전지 컴포넌트들에 대한 지지(support)역할을 하고, 또한 연료와 산화제 가스 흐름을 분리하기 위한 역할을 한다.
상기 제1 전극은 상기 음극이나 양극일 수 있다, 바람직하게는, 그것은 양극이다.
상기 제1 전극은 상기 전기 전도성 배선을 상기 연료 전지(또는 연료 전지 스택 조립체)의 제2 전극에 연결함에 의해 전기 회로가 형성되는 것과 같이 상기 제1 전극은 상기 전기 전도성 배선과 전기적으로 접촉된다. 자연히, 전기적인 하중이 연료 전지 동작 시 상기 회로를 가로질러 위치될 수 있다. 일반적으로, 상기한 바와 같이 상기 가장 위의 전극을 가장 아래의 전극 또는 그 근처에 연결하는 회로를 가지는 상기 전기 회로 연결을 만들기 전에 여러 연료 전지들이 전기적인 직렬로 연결된다.
상기 전해질은 적절한 연료 전지 전해질이다. 대표적인 전해질은 이트륨으로 도핑된 지르코늄 산화물(YSZ, Yttria-stabilized zirconia) 전해질들 및 가돌리늄으로 도핑된 세륨 산화물(CGO, ceria gadolinium oxide) 전해질들에 기반한 것들을 포함한다. 다른 연료 전지 전해질들도 잘 알려져 있으며, 본 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 쉽게 명백할 것이다.
상기 제2 전극은 상기 전해질에 의해 상기 제2 전극으로부터 전기적으로 절연된다.
바람직하게는, 상기 집전체는 금속성이며, 바람직하게는 강철(steel), 보다 바람직하게는 페라이트계 스테인레스 강(ferritic stainless steel)이다.
상기 집전체는 바람직하게는 구부리기 쉽고, 전기 전도성을 가지는 금속 구조물이다. 적당한 금속 구조물은 메쉬들(meshes), 특히 엮여지거나 짜여진 메쉬들, 구멍이 난 금속(금속 포일 또는 시트와 같이), 레이저 천공된 또는 레이저 작업된 금속 포일 또는 시트, 화학적으로 식각된 금속 컴포넌트들, 확장된 금속, 금속 발포체(foam), 금속 울(wool), 적어도 하나의 금속 선 가닥(wire strand), 및 그러한 것들의 조합들을 포함한다. 집전체의 다른 형태들은 금속 선 가닥 또는 레이온(rayon)의 유연한 시트로 엮어진 가닥들 또는 유사한 물질과 같이 전기적으로 비전도성을 가지는 투과성 구조들 안에서 계속하여 전기 전도성을 가지는 성분을 혼합할 수 있다.
상기 집전체는 엮여진, 짜여진, 찍여진, 화학적으로 식각된, 형성된, 천공된, 레이저 작업된, 또는 형상으로 형성된 물일 수 있다.
상기 집전체의 적어도 하나의 확장부는 구부려질 수 있도록 배치될 수 있다. 이 구역에 대한 상기 구부려질 수 있는 디자인은 연료 전지 층 또는 연료 전지 스택 조립체의 용이한 조립을 가능케 하며, 이는 상기 집전체 및 연료 전지 및 배선이 연료 전지의 시동, 동작 및 종료 시 열 팽창 변화들을 수용할 수 있고 동작 시 다른 기계적인 하중들을 흡수할 수 있음을 의미한다. 그러한 유연성은 접음(folding), 상기 구부러진 영역에서 증가된 공극율(porosity), 확장된 연결부들(joints), 상기 유연한 부분들에서 상기 금속을 얇게 함, 상기 구부러진 부분에서 다른 전기 전도성 물질들을 사용 또는 혼합하는 것(화학적으로 식각된 포일에 용접되어 상기 전극 영역 밖으로 돌출되는 가닥들 또는 가닥을 가진 상기 전극과 접촉되는 상기 포일을 이용하는 것과 같이)을 포함하나 그에 한정되지 않는 복수의 방법들에 의해 이뤄질 수 있다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 집전체 확장부에 접촉하는 상기 전기 전도성 배선의 하측의 영역은 평평하거나 적어도 하나의 봉우리(ridge) 영역을 포함한다. 상기 봉우리 또는 봉우리들은(예를 들어, 적어도 1, 2, 3, 4, 5 봉우리들) 바람직하게는 하측으로 확장된다.
하중 및 온도 하에서 평평한 영역은 구부려질 수 있으며, 그에 따라 상기 접촉 영역을 감소시키고 상기 적어도 하나의 집전체 확장부와 상기 전기 전도성 배선 판 사이의 상기 전기적 접합부에서 보이는 전기 저항을 증가시킬 수 있다. 이러한 효과를 극복하기 위해, 상기 접촉 영역은 상기 봉우리의 단단함(stiffness)이 상기 구부러지려는 잠재력에 의해 영향받지 않는 올려진 봉우리들의 집합으로 만들어 질 수 있다.
실제로, 상기 봉우리들의 형상 및 수는 상기 전기 전도성 배선 물질 판의 두께, 압축 하중, 동작 온도, 상기 적어도 하나의 집전체 확장부의 적용 범위의 영역, 상기 연료 전지로부터 시작되어 상기 스택을 지나는 상기 전류, 및 상기 전기 비전도성 스페이서의 압축율(compressibility) 및 형상에 의해 지시된다.
일 실시예에서, 상기 전기 비전도성 스페이서는 8 ㎜의 폭을 가지며, 상기 적어도 하나의 집전체 확장부는 일반적으로 상기 8 ㎜의 폭을 덮는다. 상기 배선 판의 반대 면은 상기 전기 비전도성 스페이서의 라인에 평행하게 놓이며 상기 봉우리들의 평평한 영역이 상기 적어도 하나의 집전체 확장부의 충분한 영역을 덮어 그에 따라 상기 전기 비전도성 스페이서의 폭을 덮을 수 있도록 배열되는 그 위의 일련의 3개의 봉우리들을 가진다.
이러한 경우, 0.2-2.0 ㎜ 높이의 제1 봉우리는 상기 전기 비전도성의 스페이서의 모서리와 일직선에서 시작되고 1.2-2.0 ㎜의 폭을 가진다. 그러면, 0.2-1.0 ㎜ 사이의 공간이 그것과 일반적으로 상기 제1 봉우리와 동일한 형상의 제2 봉우리 사이에 존재한다. 그러면, 상기 제1 간격과 일반적으로 동일한 형상의 제2 간격과 상기 제1 봉우리와 일반적으로 동일한 형상의 제3 봉우리가 있게 된다.
상기 봉우리들은 상기 배선 판의 찍기(stamping), 또는 상기 판의 공정-다듬질(machining) 또는 주형(moulding) 동안 다른 형성 프로세스들에 의해 형성될 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서는, 상기 전기 전도성 배선 판의 금속 확장부들의 집합이 간단히 상기 배선 판 밑에서 접혀 있으며, 그들이 상기 전기 비전도성 스페이서의 방향을 따라 일직선이 되도록 접혀있다.
또 다른 바람직한 실시예에서는, 상기 봉우리들은 상기 전기 비전도성 스페이서 내부로 디자인되어 형성된다. 상기 봉우리진 전기 비전도성의 스페이서는 바람직하게는 상기 전기 전도성 기판상에 위치하도록 형상화된 전기 비전도성 스페이서를 주형(moulding) 또는 주조(casting) 또는 압출 성형(extruding)함에 의해 형성된다.
상기 집전체는 상기 연료 전지와의 프로세싱을 위해 준비된 형상으로 잘려 미리 형성되거나, 스택 조립에 앞서, 그것은 상기 연료 전지로 부착 시 원위치에 형성된다.
상기 제2 전극과 접촉하는 상기 집전체 영역은 부분적이거나 전체적으로 상기 제2 전극에 내장된다. 상기 적어도 하나의 집전체 확장부는 상기 제2 전극 위에 수직으로 확장되고, 물론 그래야 하지만, 상기와 같이, 상기 제2, 2 전극들 및 상기 전해질의 경계 밖에서 상기 제2 전극으로부터 나와 확장된다.
상기 집전체사 금속 구조물인 경우, 바람직한 금속들은 스테인레스 강들, 특히 페라이트계 스테인레스 강들을 포함한다. 상기 집전체가 비금속 구조물인 경우, 바람직한 구조물들은 유연한(flexible), 그래파이트(graphite) 타입 구조물들을 포함하는 전도성 물질들로부터 만들어진다.
상기 적어도 하나의 집전체 확장부는 상기 집전체와 동일한 물질 및 구조이거나, 또는 다른 전자적으로 전도성 물질들로 이루어지거나, 및/또는 다른 구조일 수 있다. 그러한 예들은 상기 집전체를 위한 구멍이 뚫린(perforated) 금속 시트(Crofer 22 APU(Fe-기반 페라이트계 스테인레스 강 - 22% Cr, Al, Si, Mn, Ti 및 La의 가공된 첨가물들을 가지는 - ThyssenKrupp VDM GmbH, DE로부터 이용가능한)와 같은) 및 상기 집전체의 일측에 용접된 하나의 Crofer 22 APU 가닥 메쉬 탭(wire mesh tab)을 포함하며, 이는 상기 집전체 확장부로도 이용될 수 있다. 대체물들은 상기 집전체의 하나 이상의 측들 상에 동일한 포일 구조물로부터 확장되는 식각된 손가락 모양의 돌기들(fingers)인 적어도 하나의 집전체 확장부를 가지는 포일 집전체를 포함한다.
상기 집전체를 상기 연료 전지의 제2 전극 상에, 또는 부분적으로는 내부에, 위치시키거나, 또는 상기 집전체를 상기 연료 전지 안에 내장하는 단계는 소성 프로세스에 추가적인 이득을 일으키며, 상기 제2 전극 물질은 상기 집전체와의 결합하여, 상기 제2 전극과 상기 집전체 사이의 접촉 저항을 감소시켜 능률적이고 효과적인 전류 수집 경로를 제공할 수 있으며, 그에 따라 선행 기술의 연료전지; 조립체 타입들에 비해 향상된 전지 파워 출력을 이룰 수 있다. 상기 집전체는 바람직하게는 투과(porous) 및 비투과(non-porous)의 영역들을 가지도록 디자인될 수 있다.
상기 투과 영역들은 가스들이 상기 집전체가 부착되는 상기 전극 안으로 또는 밖으로 통과되도록 한다. 상기 비투과 영역들은 상기 전류가 상기 적어도 하나의 진접체 확장부로 통과되도록 하며, 상기 전극 물질이 결합하기 위한 표면을 제공한다. 상기 투과 및 비투과 영역들의 공간 및 크기는 상기 전극의 횡측 전류 전도율(conductivity)과 관련해 전류 수집을 최적화시키도록 디자인될 수 있다. 매우 높은 전도성의(낮은 저항의) 횡측 전도율을 가지는 전극은 더 큰 구멍들(pores) 또는 더 작은 비투과 영역을 가질 수 있다. 낮은 전도성의(높은 저항의) 횡측 전도율을 가지는 전극은 바람직하게는 집전체로부터 전극 물질까지의 거리를 감소시키기 위해 더 작은 구멍들의 더 높은 밀집도(density)를 가질 것이다. 이러한 구멍 및 비투과 디자인은 상기 전극의 타입 및 두께들 및 사용된 상기 집전체 물질 및 디자인- 예를 들어 전극 안에 내장된 전도성 메쉬의 두 층들로 구성된 집전체, 에 따라 2 또는 3 차원상에서 확장될 수 있다.
상기 집전체의 열 팽창 특성들은 바람직하게는 상기 연료 전지의 가열 및 냉각시 상기 제2 전극 또는 전해질 또는 제1 전극 또는 상기 집전체에 가해져 그들 중 어느 것에 손상을 입힐 수 있는 기계적인 하중이 가해지지 않거나 최소화되도록 상기 제2 전극의 그 것들과 맞춰진다.
상기 집전체는 바람직하게는 예를 들어 상기 제2 전극 또는 다른 전기 전도성의 물질들과의 접촉 저항을 감소시키기 위해, 또는 동작시간에 걸쳐 그것의 성능을 떨어뜨릴 수 있는 해로운 금속 종류들 또는 요소들의 상기 연료 전지로의 흐름을 방해하기 위해 처리(treatment) 또는 코팅(coating)될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제공되는 연료 전지 스택 조립체는,
(a) 본 발명에 따른 적어도 하나의 연료 전지, 적어도 하나의 연료 전지 스택을 정의하는; 및
(b) 상기 적어도 하나의 스택의 둘레에 배치되는 커버 수단들을 포함한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택은 서로 전기적으로 직렬로 배열되는 적어도 두 개의 연료 전지들을 포함한다.
커버 수단들의 예들은 상기 연료 전지 스택의 끝단(end)들 안에 또는 그에 위치하는 적어도 하나의 종판(endplate)을 포함하고, 이는 하중 분배(load distribution), 억제(containment), 전기적인 픽업(pick-up), 가스 집배(manifolding), 열 차단(thermal break), 및 가스 밀봉(gas sealing) 중 적어도 하나를 수행하거나 도움을 줄 수 있다.
상기와 같이, 상기 적어도 하나의 연료 전지는 바람직하게는 전기 전도성 기판상에 또는 안에 결합 또는 설치된 상기 제1 전극을 포함한다. 그에 따라, 이는 예를 들어 상기 전극이 상기 전기 전도성 기판에 결합하지 않고 그 대신 상기 전극 및 전기 전도성 기판에 가해진 압축력에 의해 상기 전기 전도성 기판에 전기적으로 접촉되어 위치되는 저온 연료 전지들까지 확장한다. 상기 전기 전도성 기판은 바람직하게는 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 경계 밖으로 확장된다. 이러한 전기 전도성 기판은 바람직하게는 상기 전기 전도성 배선 판에 연결된다. 그에 따라, 본 발명을 이용하여, 전기적 접촉이 어떤 압축력을 상기 전극들이나 상기 전해질에 가하지 아니하고 연료 전지에 만들어질 수 있다.
상기 연료 전지 스택의 상기 적어도 하나의 연료 전지는 따라서 전기적인 회로를 정의하도록 연결될 수 있다. 한 실시예에서 상기한 바와 같이, 복수의 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택은 직렬로 배열된 각 연료 전지를 가지며, 상기 각 연료 전지의 집전체는 그 위에 위치하는 상기 연료 전지의 상기 전기 전도성 배선 판과 전기적으로 접촉된다.
상기 적어도 하나의 연료 전지는 적어도 하나의 매니폴드(manifold)를 정의할 수 있다. 바람직한 실시예들에서, 입구 연료 매니폴드는 연료 가스가 상기 연료 전지 스택의 상기 적어도 하나의 연료 전지에 제공되도록 제공되며, 출구 연료 매니폴드는 반응된 연료 가스가 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되도록 하기 위해 제공된다. 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 매니폴드는 또한 상기 연료 전지 스택을 지나 상기 산화제의 상기 적어도 하나의 연료 전지로의 흐름을 위해, 그리고 상기 적어도 하나의 연료 전지로부터의 상기 반응된 산화제 가스의 배출을 위해 제공된다. 보다 바람직한 실시예에서는, 상기 적어도 하나의 연료 전지는 산화제 입구가 상기 연료 전지 스택을 둘러싸는 상기 공간으로부터 제공되며 상기 연료 전지 스택을 지나 배출 산화제 매니폴드를 통해 배출되는 개방된 산화제 입구를 정의한다.
보다 바람직한 실시예에서, 상기 연료 전지 스택 조립체는 상기 산화제 가스가 공급될 수 있는 가스에 엄격하게 열적으로 절연된 인클로져(gas-tight thermally insulated enclosure)안에 위치하며, 그러면 상기 산화제 가스는 상기 연료 전지 스택 주위로부터 상기 개방 집배된(open manifolded) 산화제 입구 영역으로 흐를 수 있다.
상기 커버 수단들은 종판들을 포함한다. 상기 커버 수단들은 바람직하게는 상기 제1 및 마지막 연료 전지 스택 층들과 각각 전기적으로 접촉한다. 상기 적어도 하나의 연료 전지를 통해 통과하는 그들 사이의 전기적인 회로(electrical cuiuit)를 정의하도록, 전기적인 접촉이 상기 커버 수단들 사이에서 만들어질 수 있다. 하중이 물론 상기 회로를 지나 위치될 수 있다.
대안으로, 상기 커버 수단들은 상기 제1 및/또는 마지막 연료 전지 스택 층들 각각으로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 상기 적어도 하나의 연료 전지를 통해 통과하는 그들 사이의 전기적인 회로를 정의하도록, 전기적인 접촉이 상기 커버 수단들을 가지고 만들어질 수 있다. 이 경우, 상기 커버 수단들과 상기 제1 및/또는 마지막 스택 층 사이의 전기적인 절연은 바람직하게는 또한 열 차단으로서 작용한다.
본 발명의 상기 연료 전지 스택 조립체들은 종래의 연료 전지 스택 조립체들에 비해 여러 장점들을 가진다. 특히, 그들은 상기 연료 전기 세라믹 층들의 표면들 위에 또는 그 내부로의 손상을 주는 접촉 압력을 유도하지 않고 동작할 수 있다.
상기 연료 전지 스택은 바람직하게는 또한 상기 커버 수단들을 지나 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질의 상기 경계 밖의 상기 적어도 하나의 연료 전지 상에 압축력을 가하여 각 적어도 하나의 집전체 확장부과 각 인접한 전기 전도성 배선 사이의 좋은 전기적인 접촉을 만들기 위해 적합한 압축 수단들을 포함한다.
전극, 집전체 및 인접한 배선 판(또는 동등한 전기 전도성 구조물) 사이의 좋은 직접적인 전기 접촉을 만들 필요가 있는 종래의 연료 전지 스택 조립체들에 있어서는, 그러면 연료 전지 스택 층들을 통해 가로질러 상기 스택의 한쪽 끝단으로부터 다른 끝단으로의 접촉 압력에서의 변동들은, 스택 압축력들 및 컴포넌트 제조에서의 불일치들(inconsistencies) 및 프로세싱 허용 오차로부터 기인하는, 스택 제조 및 사용시 동작 성능에 커다란 영향을 미친다. 이러한 접촉 압력 성분들에 있어서의 변동들의 영향들을 감소시키는 것은 더욱 엄격한 컴포넌트 및 프로세싱 허용 오차들, 더 복잡한 연료 전지 스택 생성, 및 더욱 제어되는 동작 파라미터들(연료 전지 스택 온도에서의 가열 및 냉각율 또는 허용될 수 있는 변화율과 같은)을 중요하게 요구한다. 상기 제2 전극 및 상기 집전체 및 상기 인접한 전기 전도성 비선 판 사이의 좋은 직접적인 전기적 연결을 만들기 위한 필요성을 제거하는 것은 연료 전지 컴포넌트들 및 연료 전지 스택 층들을 위해 요구되는 상기 프로세싱 및 제조의 허용 오차를 완화하도록 한다. 이는 상기 연료 전지 전극들에 의해 정의되는 상기 영역들이 상기 집전체 및 인접한 배선 판과의 좋은 직접적인 전기적 접촉을 만들 수 있을 필요가 없게 되며 그럼에도 연료 전지 스택 제조 및 사용시 동작 싸이클들을 가능하게 함으로써 본 발명에서는 가능하다; 상기 전기적 접촉은 대신에 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질의 상기 경계 밖으로 빼내지며 감소된 상기 인접한 배선 판으로의 접촉 영역을 사용하여 만들어진다. 크게 감소된 영역에 의해 원하는 전기적 및 밀봉 효과들을 달성하기 위해 요구되는 스택 압축력이 작아진다. 상기 스택 압축력은 그에 따라 단지 충분한 연료 전지 스택 층 대 층 전기적 연결을, 상기 집전체 확장부들을 통한, 을 제공하기 위해 요구되며, 그리고 요구된다면, 압축 개스킷 밀봉 또는 접촉을 위해 요구된다. 따라서, 그러한 적당한 전기적인 연결들을 제공하기 위해 상기 압축력이 가해지도록 요구되는 영역에 있어서의 감소는 존재하는 선행 기술들에 비해 크게 감소된 압축력 조건을 결과로서 이를 수 있다.
따라서 본 발명은 상기 종래 기술의 단점들을 극복하기 위해 상기 압축력 및 연료 전지 스택의 밀봉 조건을 상기 컴포넌트 허용 오차들 및 상기 연료 전지의 유효 영역(active area)들에서의 동작 허용 오차 변동들로부터 분리하고, 그로 인해 상기 압축 하중 조건들을 상기 하중이 단지 개스킷 밀봉을 위해서만 요구되도록 상기 연료 전지 스택의 외부 영역들로 이동시켜, 요구되는 상기 스택 압축 하중의 크기가 감소되도록 한다; 따라서 컴포넌트 제조의 허용 오차들 및 종판의 단단한 조건들을 완화시키며, 그로 인해 향상된 동작 성능을 가진 저비용의 스택 조립체를 만들 수 있다.
본 발명으로부터 기인하는 상기 감소된 스택 압축력 장점들은 상기 커버 수단이 적절하게 형성되도록 하며, 상기 연료 전지 스택 조립체의 전체 구성에 기인하여, 그들이 원하는 영역들에서 상기 연료 전지에 압력을 가하고 상기 전극들 또는 전해질에는 가하지 않는다. 종래의 연료전지 스택 조립체들처럼, 단단한(solid) 종판이 사용될 수 있다. 대안으로, 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질의 상기 경계 안의 영역에 상응하는 단단한 중앙 영역을 가지지 않는 종판들이 사용될 수도 있다. 이러한 단단하지 않은 동판들은 그래서 더 가볍고(그래서 더 낮은 열량(thermal mass)을 가지는), 그래서 요구된다면 상기 동등한 단단한 디자인들보다 더 빨리 가열되고 냉각될 수 있다. 부가하여, 상기 종판들이 그러한 큰 압축 하중을 버티도록 요구되지 않기 때문에, 그들은 보다 간단한 디자인 및 감소된 사양의 물질로부터 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료 전지 스택 조립체는 추가적으로 압축력을 상기 커버 수단들에 가하기 위해 적당한 클램핑 수단들(clamping means)dmf 포함한다. 상기 연료 전지 스택 및 상기 클램핑 수단들은 바람직하게는 상기 압축력이 단지 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질의 외부에만 가해지도록 배열된다. 상기 클램핑 및 커버 수단들은 바람직하게는 단단하지 않은(non-solid) 종판들 또는 클램핑 프레임 구조를 가진다. 클램핑 수단들의 예들은 상기 종판들(즉, 커버 수단들)에 압축적인 압력을 가하는 볼트들을 포함한다, 상기 볼트들은 상기 연료 전지 스택 경계의 내부적으로 또는 외부적으로 배열될 수 있다. 상기 스택 내부의 감소된 압축력의 한 장점은 그것이 감소된 사양의 보트로 조이는 재료들 및/또는 사용되는 볼트의 감소된 직경을 가능케 하면서도 주어진 온도들에 대한 상기 원하는 압축 동작적 성능을 달성할 수 있는 것이다. 이러한 장점은 상기 스택 조립체를 위한 감소된 비용의 컴포넌트들로 이끈다.
상기한 바와 같이, 종래의 연료 전지 장치들에서는, 컴포넌트 제조 및 프로세싱으로부터 기인하는 컴포넌트 허용 오차들의 변동 및 연료 전지 스택 동작시 컴포넌트 열 팽찬 변동들 때문에 스택 조립 및 스택 동작 시 연료 전지의 표면에 걸쳐 균일한 접촉 압력을 얻기 어렵다. 컴포넌트 열 팽창 변동들의 예들은 연료 전지 전극-전해질-전극 편평도(flatness) 및 두께, 판(plate)의 편평도의 변화(variability), 압축 하중 적용에 있어서의 변화, 상기 연료 전지 스택 밀봉들에 있어서의 물질 압축 변화, 및 개스킷 두께, 배선 두께, 종판 두께 및 편평도, 다른 스택 컴포넌트의 편평도의 변화를 포함한다. 복수 층의 스택을 만드는 경우 이러한 허용 오차들은 엄격하게 제어되어야 한다. 스택 제조 또는 스택 동작시 이러한 종종 엄격한 컴포넌트 허용 오차 조건들 밖에 있는 것은 과도하게 전반적이고 국부적인 압력 레벨을 상기 스택 및 상기 연료 전지 스택 층들 내부에서 유도할 수 있고, 이는 상기 연료 전지 세라믹 층들의 오동작으로 이끌며, 또는 상기 집전체 와 상기 인접한 배선 판 사이의 접촉 압력이 충분하지 못하기 때문에, 상기 전류 수집의 전기적 경로에서의 저항을 증가시킨다. 연료 전지 스택이 동작하는 동안, 상기 연료 전지 스택 컴포넌트들은 시동시, 동작시 및 종료시에 열사이클들(thermal cycles)을 겪는다. 이러한 단계들 동안, 상기 연료 전지 스택의 상기 컴포넌트들은 상기 스택 안의 온도가 시간과 함께 및 X-, Y- 및 Z-축들에서 변함에 따라 다른 비율들 및 시간들에서 열 팽창 및 수축한다. 과도한 압력으로부터 기인하는 연료 전지의 크래킹(cracking)의 결과는 연료 전지 성능을 약화시키거나 국부적인 가열 또는 상기 연료와 산화제 흐름들의 혼합에 의한 매우 큰 오동작도 발생시킬 수 있다. 컴포넌트 부분들 및 그들의 제조 방법들에 대한 허용 오차 조건들에 놓여진 요구들을 상당히 감소시킴에 의해, 또는 완화시키더라도, 연료 전지 스택들은 보다 간단하고 보다 비용 효율적인 제고 프로세스들을 이용해 만들어진 컴포넌트들을 가지는 보다 간단한 제조 프로세스들을 이용하여 조립될 수 있으며, 그로 인해 연료 전지 스택 구조들의 품질 인증 통과 비율(quality assurance pass rate)을 증가시키며 사용시 연료 전지 스택의 동작적 실패 매커니즘들이 감소되도록 할 수 있다.
무엇보다도, 상기 종래의 디자인들에 있어서는, 상기 집전체와 연료 전지 전극의 접촉 압력 조건들이 스택 종판들의 디자인에 있어 어려움을 발생시켰다. 상기 스택 전체에서 상기 전극의 상기 중앙 연료 전지 영역 상으로의 전체적으로 균일한 하중을 적용하는 것은 무게(mass)와 복잡성(complexity)을 증가시키는 단단한 종판들을 필요로 한다. 본 발명은, 상기 하중 조건을 상기 스택의 주변(periphery)으로 이동시켜 그것의 크기를 감소시킴에 의해, 상기 종판의 단단함을, 그럼에 따라 무게를, 상당히 감소시킬 수 있으며, 더욱 가볍고 간단하며 감소된 비용의 컴포넌트의 사용을 가능케 한다. 상기 종판들의 무게를 감소시키는 것은 상기 연료 전지 스택의 열용량(thermal capacity)이 또한 감소될 수 있음을 의미하고, 상기 스택이 차가움 것으로부터 그것의 최적의 동작 온도까지 기존의 종판들을 포함하는 연료 전지 스택들보다 더욱 빠르게 데워질 수 있음을 의미하는, 그에 따라 스택 대응성(responsiveness) 및 유용성(usefulness)를 향상시킨다. 하중 크기의 감소는 또한 요구되는 상기 압축력을 감소시키며, 그에 따라 상기 연료 전지 스택 압축 시스템의 크기 밀 디자인의 어려움들, 그것의 복잡도 및 비용을 감소시킨다. 예를 들어, 상기 압축 하중 조건들을 감소시키는 것은 동작 온도에 따라 더 낮은 등급의 사양의 물질들로부터 만들어질 수 있는 감소된 직경의 볼트들을 사용할 수 있게 한다.
연료 전지 스택에서 배열될 때, 상기 연료 전지들은 바람직하게는 그들이 전기적으로 서로 직렬로 또는 병렬로 연결되도록 배열된다. 가장 일반적으로, 상기 스택의 연료 전지들은 어떤 전도성 수단들을 통해 어느 한 연료 전지의 음극(negative electrode)이 인접하는 연료 전지의 양극(positive electrode)에 부착되도록 직렬로 연결된다.
상기 적어도 하나의 집전체 확장부를 사용하는 것은 전기적인 회로에서 병렬로 연료 전지들을 상기 용이하고 간단하게 배열하는 것을 가능케 한다. 연료 전지들이 병렬로 연결되는 경우, 복수의 양극들이 하나의 전류 전도체(current conductor)에 연결되고, 복수의 음극들이 또 다른 전류 전도체에 연결된다. 일반적으로, 상기 양극들 모두는 하나의 전류 전도체에 연결되고, 상기 음극들 모두는 또 다른 전류 전도체에 연결된다. 그러나, 병렬 및 직렬의 전기적인 연결들의 혼합으로 배열된 복수의 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택을 가지는 것이 요구될 수도 있으며, 이는 본 발명에 의해 쉽게 달성될 수 있다.
그에 따라, 본 발명에 따른 연료 전지 스택 조립체는,
(a) 적어도 하나의 연료 전지 스택을 정의하는 본 발명에 따른 적어도 두 개의 연료 전지들; 및
(b) 상기 적어도 하나의 스택 둘레에 배치되는 커버 수단들을 포함하고, 상기 적어도 두 개의 연료 전지들은 서로 전기적으로 병렬로 배열된다.
바람직하게는, 상기 연료 전지 스택 조립체는 부가적으로 상기 적어도 두 개의 연료 전지들과 전기적으로 직렬로 배열되는 적어도 하나의 추가적인 연료 전지를 포함한다.
상기 연료 전지 스택 조립체는 추가적으로 제1, 2 전류 전도체들을 포함할 수 있으며, 각 연료 전지는 양극 및 음극을 정의하며, 상기 양극들은 사기 제1 전류 전도체와 병렬로 연결되며, 상기 음극들은 상기 제2 전류 전도체와 병렬로 연결된다.
두 개보다 많은 연료 전지들을 가지는 연료 전지 스택 조립체들에서, 직렬 및 병렬 배열들의 조합이 적용될 수 있다.
상기 연료 전지들의 병렬 전기적 배열은 전기적으로 제1 전지의 상기 집전체를 인접한 전지의 상기 전기 전도성 배선으로부터 전기적으로 절연시킴에 의해 본 발명의 상기 연료 전지들에 있어 용이하게 달성될 수 있다.
예를 들어, 두 개의 비전도성 개스킷의 배열은 제1, 2 전기 비전도성 개스킷 영역들 사이를 통과하는 제1 연료 전지의 상기 적어도 하나의 집전체 확장부를 가지고 사용될 수 있으며, 상기 제1 비전도성 개스킷 영역은 상기 전기 전도성 기판의 상측 표면에 접촉되고, 그리고 상기 제2 비전도성 개스킷 영역은 인접한 연료 전지의 상기 전기 전도성 배선의 하측 표면에 접촉한다. 따라서, 상기 집전체는 상기 비전도성 개스킷 영역들 사이에서 상기 인접한 전기 전도성 배선 판으로부터 전기적으로 절연된다. 전기적인 접촉은 상기 적어도 하나의 집전체 확장부로부터 상기 비전도성 개스킷 영역들의 외부의 전류 전도체로 만들어질 수 있으며, 복수의 연료 전지들은 유사하게 상기 집전체와 전기적으로 접촉되어 병렬로 배열될 수 있다. 유사하게, 상기 배선 판들은 다른 전류 전도체와 전기적으로 접촉하여 병렬로 배열될 수 있으며, 전기적인 회로가 상기 전류 전도체들 사이의 또 다른 전기적인 접촉을 만듦에 의해 만들어질 수 있다.
보다 상세하게는, 병렬 연결을 위해 상기 적어도 하나의 집전체 확장부는 상기 전극 표면으로부터 벗어나 상기 인접한 연료 전지 스택 층 배선에 연결되지 않는다. 대신에 그것은 하나의 비전도성 스페이서 층이 상기 적어도 하나의 집전체 확장부와 상기 기판 사이의 공간을 차지하고 다른 비전도성 스페이서 층은 상기 적어도 하나의 집전체 확장부와 상기 인접한 연료 전지 스택 층 배선 사이의 공간을 차지하는 두 개의 비전도성 스페이서 층들 사이를 통과할 수 있다. 이러한 배열은 따라서 하나의 연료 전지 스택 층을 상기 인접한 스택 층들로부터 전기적으로 절연시킨다. 각각의 적어도 하나의 집전체 확장부는, 이는 상기 제2 전극에 연결되는, 그러면 모선(bus-bar)과 같은 공통 전류 전도체(common current condductor)에 연결될 수 있다. 유사하게 상기 제1 전극들은 전기적으로 상기 전도성 배선 판에 연결되고, 그에 따라 상기 대신의 전류 전도체(alternative current condductor)가 또 다른 모선과 같이 상기 모든 배선판들을 공통 전류 전도체 상으로 함께 연결함에 의해 형성된다.
이러한 두 배열들을 가지고, 하나 이상의 연료 전지 스택들 안에서 병렬 및 직렬의 혼합을 위한 배열이 가능하다.
하나의 연료 전지 스택 층을 또 다른 연료 전지 스택 층으로부터 전기적으로 절연시키는 또 다른 방법은 상기 적어도 하나의 집전체 확장부를 비전도성 구조물을 통해 통과시키는 것이다. 이의 한 예는 하나 이상의 전도성 요소(전선(conductive wire)와 같이)를상기 적어도 하나의 집전체 확장부에 부착하고 상기 비전도성 층 안의 하나 이상의 구멍(hole)을 통해 상기 선 및 선들을 공급하는 것이다. 이러한 선들은 상기 공통 전류 전도체에 부착될 수 있다.
따라서 본 발명의 연료 전지 스택에서는 전기 수집 및 하나의 연료 전지 스택 층과 인접한 연료 전지 스택 층들로부터의 전기적인 접촉을 위해 상기 양극들 또는 음극들 또는 상기 전해질에 압축력을 제공하는 것이 요구되지 않는다. 더욱이, 상기 각각의 연료 전지들의 성질 및 상기 연료 전지 스택을 형성하기 위한 그들의 배열은 상기 연료 전지 스택이 미리 제작된 영역들, 각각의 연료 전지들을 포함하는, 로부터 용이하게 조립될 수 있음을 의미한다. 이는 종래의 연료 전지 스택 디자인들에 비해 완화된 제조 허용 오차들을 가지는 컴포넌트 부분들을 사용함에 의해, 특히 본 발명이 상기 연료 전지 전극 표면 전체에 대해 균일한 압축력을 가할 필요를 피하기 때문에, 수행될 수 있다. 본 발명의 상기 연료전지 스택 조립체들은 또한 상기 압축력이 단지 상기 개스킷의 영역들에서 충분한 가스 밀봉 개스킷 압축력만을 제공할 것을 요구되고 상기 연료 전지 전극 영역을 가로질러 좋은 접촉 저항 하중을 제공하는 것이 요구되지 않기 때문에 동등한 종래의 연료 전지 스택들보다 상기 필요한 전기적인 전도성을 달성하기 위해 그들에 적용되는 전체적인 압축력이 일반적으로 더 낮게 요구된다.
본 발명의 상기 연료전지 및 연료 전지 스택들에서, 상기 제2 전극은 물론 복수의 층들로 제공되거나 복수의 컴포넌트 부분들로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 유효한 전극 층은 일반적으로 동일 또는 유사 또는 상이한 구성 및/또는 미세구조를 가지는 추가적인 전도성 코팅을 제공받을 수 있다. 상기한 바와 같이, 상기 집전체는 상기 제2 전극 층들 상에 또는 부분적으로 그 안에 또는 내부에 위치할 수 있다.
집전체 압축을 제공하는 조건을 상기 제2 전극 영역 밖으로 이동시키는 것은 상기 인접한 배선 판 밑의 상기 제2 전극 영역 바로 위의 공간을 해방시킨다. 이는 여러 이익들을 제공한다. 첫번째로, 그것은 상기 연료 전지를 가로지르는 상기 가스의 유압 강하를 감소시키는 더 큰 공학 범위를 가능케 하며, 그로 인해 상기 연료 전지 스택을 지나 흐르는 가스들과 관련된 상기 시스템의 기생 손실들(parastic losses)을 감소시켜 전체 시스템의 효율을 향상시킨다. 상기 제2 전극 상의, 그에 따라 상기 전해질 및 상기 양극 상의 상기 압축 하중을 감소시킴에 의해, 그것은 상기 연료 전지 구조들이 많이 기계적으로 강할 필요가 없으며, 따라서 더 얇고, 간단하고 감소된 비용의 컴포넌트들이 그것의 구성에 있어 사용될 수 있음을 의미한다.
또한 본 발명에 따라 제공되는 연료 전지의 제조 방법은,
(i) 제1, 2 면을 정의하며, 상기 제1 면은 제1 전극 상에 설치되어 전기 화학적으로 접촉되고, 상기 제2 면은 제2 전극 상에 설치되어 전기 화학적으로 접촉되는 전해질 층을 제공하는 단계; 및
(ii) 상기 제2 전극과 전기적으로 접촉하도록 전기 전도성의 집전체를 상기 제2 전극에 결합 또는 상기 제2 전극 상 또는 내부에 설치하는 단계를 포함하고, 상기 전기 전도성 집전체는 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 경계의 외부로 확장된다.
또한 본 발명에 의해 제공되는 연료 전지 스택 조립체의 제조 방법은,
(a) 적어도 하나의 연료 전지 스택을 정의하는 본 발명에 따른 적어도 하나의 연료 전지를 제공하는 단계; 및
(b) 상기 적어도 하나의 스택 둘레에 커버 수단들을 배치하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 적어도 두 개의 연료 전지들이 서로 전기적으로 직렬로 배열되어 제공된다.
또한 본 발명에 의해 제공되는 연료 전지 스택 조립체의 제조 방법은,
(a) 적어도 하나의 연료 전지 스택을 정의하는 본 발명에 따른 적어도 두 개의 연료 전지들을 제공하는 단계;
(b) 상기 적어도 하나의 스택 둘레에 커버 수단들을 배치하는 단계; 및
(c) 상기 적어도 두 개의 연료 전지들을 서로 전기적으로 병렬로 배열하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 추가적인 연료 전지가 상기 적어도 두 개의 연료 전지와 전기적으로 직렬로 배열되어 제공된다.
상기 방법은 바람직하게는 또한 상기 적어도 하나의 스택과 커버 수단들을 클램핑 수단(claimping means)을 가지고 죄는 단계를 포함한다.
상기 연료 전지들 및 연료 전지 스택 조립체들에 관한 본 발명의 다양한 특성들은 연료 전지들 및 연료 전지 스택들의 제조 방법에 대해서도 동등하게 적용된다.
전도성 기판을 가지지 않는 연료 전지에 제공되는 양극이나 음극과 같은 연료 전지들의 실시예들에서는, 상기 연료 전지 층 전극들은 전도성 배선과 접촉하여 위치될 수 있다. 이러한 경우들에 있어, 한 연료 전지 스택 층과 인접한 연료 전지 스택 층 사이의 접촉은 상기 한 연료 전지 스택 층의 집전체와 그것의 배선 층 사이에 비전도성 구조물을 위치시킴으로써 만들어질 수 있다. 하나의 연료 전지 스택 층으로부터 인접한 연료 전지 스택 층으로의 효율적인 전기적 접촉은 그러면 상기 스택이 압축되는 경우 만들어진다.
상기한 바와 같이, 상기 연료 전지들은 전기적으로 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결되기 위해 연료 전지 스택 안에서 배열된다.
일반적으로, 높아진 온도들(750-1000℃)에서의 고온 연료 전지의, 고체 산화물 연료 전지와 같은, 연장된 동작 및 소결 온도들(sintering temperatures)에서의 프로세스는 전극(특히 음극)과 스테인레스 강과 같은 금속 사이에서 본 발명에 의해 달성될 수 있는 충분한 접촉을 방해할 수 있다. 그러한 온도들에서, 상기 강철 표면이 산화가 발생하고, 휘발성의 금속 종류들의, 특히 예를 들어 페라이트계 스테인레스 강과 같은 스테인레스 강들에서 쉽게 발견되는 크롬(chromium), 일반적인 음극 및/또는 전해질 및/는 양극 재료들로의 이동이 상기 연료 전지 성능의 손실을 가져오는 것으로 알려져 있다. 이러한 문제들을 극복하기 위해, 사용되는 금속은 본질적으로 신종(그에 따라 비싼)이어야만 할 것이며 및/또한 산화물의 성장및/또는 금속 종류들의 이동 및 전극 및/또는 전해질의 분해를 발생시키는 것을 늦추거나 방지하기 위한 특정 금속들로 코팅되어야만 할 것이다. 상기 연료 전지 층들과 접촉하는 상기 금속들을 코팅하는 이러한 요구는, 물론, 증가된 금속들의 프로세싱 비용들로부터 기인하여 상기 연료 전지들 및 연료 전지 스택들을 위한 제조 비용을 증가시킨다.
그러나, US6794075에 언급된 상기 금속이 제공된 고체 산화물 연료 전지(SOFC)에 적용되는 본 발명의 경우, 더 낮은 등급의 금속들의 사용이 상기 특별히 낮은 연료 전지 소결 온도들(<1000℃) 및 감소된 연료 전지 동작 온도(500-600℃)에 의해 가능하게 된다. 이러한 더 낮은 동작 온도들 및 상기 소결 온도들(<1000℃)에서 소비되는 비교적 짧은 시간에서, 상기 금속 산화물 성장 및 금속 종류들의 이동은 최소화된다.
바람직하게는, 상기 제2 전극 층은 습식 전극 층(set electrode layer)의 형태이며, 상기 제2 전극 상에 또는 내부에 전기 전도성 집전체를 설치하는 단계는,
(A) 상기 습식 제2 전극 층을 상기 전기 전도성의 집전체와 연결시키는 단계, 상기 전지 전도성 집전체는 확장된 형태로 그것이 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 경계 외부로 확장되도록 치수화되는; 및
(B) 상기 집전체를 상기 제2 전극에 결합하도록 상기 연료 전지를 소결 프로세스에서 소성시키는 단계를 포함한다.
상기 방법은 바람직하게는 전기 전도성 배선을 제공하는 추가적인 단계를 포함한다.
상기 방법은 바람직하게는 전기 전도성 구조물을 상기 전기 전도성 기판과 상기 적어도 하나의 집전체 확장부 사이에 위치시키고, 전기 비전도성 구조물을 상기 집전체와 상기 인접한 배선 사이에 위치시키는 추가적인 단계를 포함한다.
상기 전기 전도성 기판과 상기 적어도 하나의 집전체 확장부 사이에 위치되는 상기 전기 비전도성 구조물은 바람직하게는 그것이 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 경계 외부로 확장되도록 치수화된다.
따라서, 본 발명의 방법에서는, 제1 전극(바람직하게는 양극) 및 덮는 전해질(covering electrolyte)은 차례로 상기 투과 영역을 덮는 제1 전극을 덮는 상기 전해질을 가지는 비투과 영역에 의해 둘러싸인 투과 영역을 가진 전기 전도성 금속 기판에 의해 포함되어(예를 들어, 결합되어) 제공될 수 있다. 상기 제2 반대 전극(counter electrode, 바람직하게는 음극)은 상기 전해질 상에 배치된다. 이는 electrophoretic deposition(EPD), 스크린-인쇄, 분무(spraying) 또는 유사한 것에 의해 달성될 수 있다. 이는 "습식(wet)" 전극 세라믹 층의 형성을 이룬다. 상기 금속 구조물 형태의 집전체는 상기 습식 전극 세라믹 층상에 또는 부분적으로 그 안에 또는 완전히 그 안에 채용된다. 이는 바람직하게는 상기 집전체 물질이 철을 함유한 경우 자기적 또는 중력적인 끓어 당김에 의해 상기 집전체 물질을 상기 습식 전극 세라믹 층상으로 가볍게 누르거나 또는 상기 집전체를 상기 습식 전극 세라믹 층 안으로 끌어당겨 달성될 수 있다. 대안으로, 상기 금속 집전체 구조물의 내장을 초래하도록 상기 습식 전극 세라믹 층 표면 장력이 이용될 수 있다. 선택적으로, 추가적인 코팅이 사용시 가스 교환을 촉진하고 그 이상 상기 구조물을 끼워넣는 투과 층(porous layer)를 제공하기 위해 상기 집전체의 상단에 적용될 수 있다. 바람직하게는, 그러한 추가적인 코팅들은 상기 전극 물질 또는 유사한 전극 물질들을 포함한다. 상시 배열은 적당한 온도, 바람직하게는 <1000℃에서 소성된다.
본 발명의 방법에 대한 대체적인 실시예에서는, 금속 구조물 형태의 집전체는 그 후에 상기 전극 물질들이 상단에 배치되는 준비된 전해질 표면상에, 스크린 인쇄 또는 분무와 같은 것에 의해, 위치된다. 상기 배치는 그러면 상기와 같이 소성된다.
본 발명의 방법에 대한 대체적인 실시예에는, 금속 구조물 형태의 집전체는 상기한 바와 같이 위치되며, 상기 전극, 전해질 및 반대-전극의 프로세싱이 뒤를 잇는다.
상기한 바와 같이, 상기 전기 전도성 집전체는 일반적으로 금속성을 가지며 바람직하게는 이하의 타입들: 메쉬들(엮여지거나 짜여진), 구멍이 난 금속(뚫거나 화학적 식각에 의해 생산되는), 확장된 금속, 금속 발포체(foam), 금속 울(wool), 적어도 하나의 금속 선 가닥(wire strand), 및 그러한 것들의 조합들로 만들어진다. 부가적으로, 상기 집전체는 비전도성 구조물 안에서 계속적으로 전도성을 가지는 요소로 존재하는 형태일 수 있다.
더욱이, 상기 전기 전도성 집전체는 바람직하게는 찍혀지거나 또는 천공되거나 또는 식각되거나, 레이저로 잘리거나 또는 레이저로 천공되거나 및/또는 그 것의최종 형태로 형성된다. 대안으로, 그것은 기계적으로 형성되거나 또는 형성되지 않은채 종료된 구조물로 제공될 수 있다.
상기 연료 전지 층들 둘레의 상기 비전도성 구조물을 덮기 위한 상기 적어도 하나의 집전체 확장부의 형성이 상기 집전체를 상기 습식 전극 세라믹 층상에 배치하는 것에 앞서, 또는 소결(sintering) 후에, 발생할 수 있으며, 또는 그들은 형성 도구로서 상기 비전도성 구조물 및 상기 다른 연료 전기 컴포넌트들을 손상하지 않고 음극 성능을 달성하기 위해 소결된 전체 구조물을 사용하여 그들의 최종 위치로 형성될 수 있다.
상기 비전도성 스페이서는 상기 집전체를 적소에 내장시키는 것에 앞서 배치될 수 있다. 미리 형성되는 비전도성 스페이서들을 위해 그들은 상기 연료 전지 구조의 상기 요구되는 영역들과 배열시키는 위치 특성들(location features)을 이용하여 간단히 배치될 수 있다.
본 발명의 모든 실시예들에서, 상기 집전체는 상기 적절한 전극으로의 적당한 가스 보급을 보증하고 대량 수송 제한(mass transport limitation)을 피하기에 충분한 개방 및 투과성을 가진다. 상기 투과 영역들은 가스들이 상기 집전체가 부착된 전극 안으로 및 밖으로 통과하도록 한다. 상기 비투과 영역들은 상기 전류가 상기 적어도 하나의 집전체 확장부로 통과되도록 하며, 상기 전극 물질이 결합되기 위한 표면을 제공한다. 상기 투과 및 비투과 영역들의 공간 및 크기는 상기 전극의 횡측 전류 전도율(conductivity)과 관련해 전류 수집을 최적화시키도록 디자인될 수 있다. 매우 높은 전도성의(낮은 저항의) 횡측 전도율을 가지는 전극은 더 큰 구멍들(pores) 또는 더 작은 비투과 영역을 가질 수 있다. 낮은 전도성의(높은 저항의) 횡측 전도율을 가지는 전극은 바람직하게는 집전체로부터 전극 물질까지의 거리를 감소시키기 위해 더 작은 구멍들의 더 높은 밀집도(density)를 가질 것이다. 이러한 구멍 및 비-구멍(non-pore) 디자인은 상기 전극의 타입 및 두께들 및 사용된 상기 집전체 물질 및 디자인- 예를 들어 전극 안에 내장된 전도성 메쉬의 두 층들로 구성된 집전체, 에 따라 2 또는 3 차원상에서 확장될 수 있다.
전처리들(pre-treatments) 또는 코팅들이 또한 접촉 저항을 더욱 감소시키고 및/또는 상기 집전체로부터 상기 제2 연료 전지 전극으로의 해로운 요소들의 흐름을 방지하기 위해 상기 집전체에 적절하도록 적용될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 전극 물질의 부분 또는 전부는 바람직하게는 상기 연료 전지 층들의 남은 부분과의 결합 및 상기 이후의 소성 단계에 앞서 상기 집전체 상에 배치된다.
본 발명에 의해 언급된 바와 같은 상기 집전체의 사용, 그리고 직접적인 압력이 상기 제2 전극 영역의 상기 영역 위에 가해질 필요가 없는 결과되는 이득은, 상기 제2 전극 영역의 표면과 상기 인접한 배선 판 사이에 존재하는 빈공간(void)을 발생시킨다. 이러한 틈은 하나 이상의 공급 지점들로부터, 상기 가스가 작은 저항의 경로들을 따라 흐르는 하나 이상의 배출 지점까지의 상기 영역으로 가스가 공급되는 채널링(channelling)으로 이끈다.
본 발명의 다양한 실시예들에 있어서, 상기 연료 전지들 및 연료 전지 스택 조립체들은 또한 상기 제2 전극을 지나는 상기 가스의 흐름의 균잉한 채널링을 감소시키거나 또는 최소화하기 위해 상기 제2 전극을 지나는 가스 흐름을 최적화하도록 구성될 수 있다. 균일한 채널링은 상기 동작을 낳을 수 있으며, 그에 따라 충분한 가스 흐름을 입력받지 못하는 영역들(소위 "죽은(dead)" 또는 "낮은 흐름(low flow)" 영역들)에서의 감소된 연료 전지의 전기 화학적인 활동도에 의해 상기 연료 전지의 효율이 저하된다.
언급된 바와 같은 상기 가스들의 발생가능한 채널링을 극복하기 위해, 상기 연료 전지들 및 연료 전지 조립체들은 상기 제2 전극 위에 또는 인접하여 확산 구조물(diffuser structure)을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 상기 연료 전지들은 추가적으로 상기 제2 전극 위 또는 인접하여 위치된 확산기를 포함할 수 있다. 상기 확산기 또는 확산기들은 상기 제2 전극 위로의, 일반적으로 동일한 방법으로 상기 제2 전극의 표면의 대부분 위로의 가스 흐름을 일으키기 위해 구성되고 위치된다.
그러한 실시예들에 있어, 상기 확산기는 상기 제2 전극의 표면 위로 위치되는 메쉬와 유사한(mesh-loke) 구조물을 포함한다. 사용시, 상기 메쉬와 유사한 구조물은 적어도 부분적으로 상기 제2 전극과 상기 인접한 배선 또는 종판 사이에서 정의되는 상기 빈공간(예를 들어 공간(volume))을 채우며, 상기 제2 전극에 압축력을 가하지 않거나 또는 상기 제2 전극에 상당한 압축력(substantial aompressive force)을 가하지 않도록 한다. "상당한 압축력"은 상기 제2 전극 또는 연료 전지에 손상 또는 붕괴(degradation)을 일으킬 수 있는 힘의 량을 의미한다.
따라서 상기 메쉬와 유사한 구조물은 배선 판에 부착될 수 있으며, 상기 집전체의 부분에는 부착되지 않거나 부착될 수도 있다.
다른 실시예들에서는, 상기 확산기는 복수의 메쉬, 엮여진 물질(woven material) 또는 발포체 구조물의 복수의 층들을 포함한다.
다른 실시예들에서는, 상기 확산기는 상기 집전체 구조물의 확산부이다.
모든 실시예들에서, 상기 확산기는 연료 전지 동작 중 경험되는 열사이크ㅋ링(thermal cycling)으로부터 기인하는 어떤 반대의 산화 효과 또는 기계적인 오동작 효과 없이 상기 연료 전지의 동작 조건들을 잘 견딜 수 있다.
어떤 실시예들에서는, 상기 확산기는 상기 제2 전극 또는 상기 집전체와 필수적으로 접촉되지 않는 모습으로 형성되고, 예를 들어 상기 배선 판 및/ 또는 상기 종판의 모습으로 형성된다. 따라서 상기 배선 자체의 상기 형성 및 구조는 가장 직접적인 루트(route)로부터 나와 배출 영역으로의 가스 흐름을 촉진시킬 수 있으며, 소위 "비균일(non-uniform) 채널링"을 생성할 수 있으며, 그에 따라 어떤 "죽은" 또는 "낮은 흐름의" 가스 영역들이 상기 제2 전극 위에 존재할 수 있는 가능성을 감소시킬 수 있으며, 그로 인해 연료 전지의 동작 및 성능을 향상시킬 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 이렇게 형성된 구조는 스텝 제한부(step restriction, 또한 "차폐(baffle)" 또는 "둑(weir)"에 대응되는)이며, 다른 실시예들에서는 V-형의 교차-영역 또는 복수로 형성된 영역들을 가지는 확장된 영역의 형태이다. 상이한 유출율들(flow rates), 가스 성분들 및 동작 온도들에서 공급되는 일반적인 또는 보다 균일한 흐름을 이루기 위해 필요한 다른 기하학적 변경들(permutations)은 통상의 기술을 가진 자들에게는 용이하게 명백할 수 있으며, 3 차원의 교환적인 유체 역학 모델들(3 dimensional commutational flow dynamics models)과 같은 분석 도구들을 이용한 반복적인 디자인 프로세스를 사용하여 용이하게 달성될 수 있다. 연료 전지에서 하나 이상의 흐름 제한부(restrictor)를 포함하는 것이 가능하며, 각 흐름 제한부는 상기 특정 연료 전지의 배열의 조건들에 따라 동일하거나 또는 상이한 형상을 가진다.
상기 스텝 제한부(step restriction)은 상기 제2 전극의 제1 끝단에 가스 입구를 가지며 상기 제2 전극의 다른 끝단에 가스 출구를 가지는 연료 전지 안에 형성되고, 길이는 상기 가스 입구 및 가스 출구 사이에서 정의되고, 폭은 일반적으로 상기 길이에 수직하게 정되며, 상기 제한 단계는 상기 연료 전지의 폭을 가로질러 상기 가스 입구에 인접하게 배치되는 부분적인 차단물(blockage)의 형태이고, 그에 따라 전체적으로 균일한 가스 흐름을 일으킨다. 상기 연료 전지의 상기 가스 출구에 인접하여, 또 다른 스텝 제한부가 상기 연료 전지의 상기 폭을 가로질러 배열되는 부분적인 차단물의 형태로 제공될 수 있다. 상기 스텝 제한부는 상기 제2 전극 및 상기 어떤 전기 전도성 기판의 상측 표면과 전기 전도성 배선과 같은 상기 인접한 컴포넌트의 하측 사이의 상기 수직 높이에 있어 감소되는 형태일 수 있다.
스텝 제한부들은 그들이 상기 전극을 가로지르는 가스 압력의 상대적으로 작은 전체 강하를 일으키는 동시에 상기 요구되는 일반적인 균일한 가스 흐름을 달성할 수 있는 한 특히 유용할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 제조 방법이 본 발명에 따라 제공된다. 또한 본 발명의 연료전지 스택 조립체의 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지의 동작 방법이 제공된다. 또한, 본 qkfaudd의 연료 전지 스택 조립체의 동작 방법이 제공된다. 바람직하게는, 그러한 방법은 상기 연료 전지의 제1 사용 전기 단자(in-use electrical terminus)로부터 상기 연료 전지의 제2 사용 반대 전기 충전 단자(in-use oppositely electrically charged terminus)까지의 전기적인 회로를 제공하는 단계, 상기 회로에 전기적인 하중을 가하는 단계, 상기 연료 전지의 동작에 적당한 조건들 하에서 상기 연료 전지의 입구 측으로의 연료 및 산화제 공급을 제공하는 단계, 연료 및 산화제가 상기 연료 전지를 가로질러 흐르도록 상기 연료 전지를 동작시키는 단계들을 포함하며, 상기 연료는 상기 산화제에 의해 산화되고, 상기 전기적인 전류는 상기 연료 전지를 가로질러 생성되며, 상기 전기적인 회로는 상기 제1 단자로부터 전기 전도성의 배선으로 상기 제1 전극, 상기 전해질, 상기 제2 전극, 상기 집전체 및 상기 적어도 하나의 집전체 확장부가 설치되는 전기 전도성 기판으로 형성되고, 상기 회로는 상기 전기 전도성 기판으로부터 상기 제1 전극, 상기 전해질, 상기 제2 전극, 상기 집전체로 상기 적어도 하나의 집전체 확장부로 상기 제2 단자로 형성되며, 상기 선(wire)를 통해 상기 제1 단락으로 형성된다.
본 발명은 전극 및 전해질이 제공되는 고체 산화물 연료 전지들(solid oxice fuel cells), 또는 고분자 전해질 연료 전지들(polymer electrolyte membrane fuel cells), 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cells), 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cells), 알카라인 연료 전지들(alkaline fuel cells), 용융 탄산염 연료 전지들(molten carbonate fuel cells)과 같은 다른 연료 전지들, 또는 그와 동일한 구조의 산소 발생기들(oxygen generator) 및 전해조들(electrolysers)에도 동등하게 적용될 수 있다.
따라서, 또한 본 발명에 따른 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 산소 발생기가 본 발명에 따라 제공된다.
따라서, 또한 본 발명에 따른 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 전해조가 본 발명에 따라 제공된다.
본 발명은 첨부되는 도면들을 참조하는 이하의 예로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 제2 전극 층에 내장되는 금속 집전체와 전기 비전도성의 절연 개스킷과 전기 전도성의 배선 판 사이에 조여진 집전체 확장부들을 가지는 연료 전지를 나타낸다.
도 2는 집전 셀 층에 내장되는 금속 집전체와 전기 비전도성 절연 개스킷과 전기 전도성 배선 판 사이에 압축된/조여진 집전체 확장부들을 가지는 연료 전지를 나타낸다.
도 3은 유효 전극 층에 내장되는 금속 집전체와 전기 전도성의 배선 판에 결합된 집전체 확장부들을 가지는 연료 전지를 나타낸다.
도 4는 전기 전도성 기판상의 연료 전지의 부분 절삭도를 나타낸다.
도 5는 그 위에 연료 전지가 배치되는 전기 전도성 기판(베이스)을 가지는 최초의 연료 전지 제조 단계를 나타내며, 상기 전기 전도성 기판은 상기 제1, 2 전극들 및 전해질의 상기 경계의 외부로 스택 형상부들(stack features)을 가진다.
도 6은 소성되어 상기 최상단 (습식) 연료 전지 층에 내장되는 집전체 메쉬를 가지는 다음의 제조 단계에서 도 5의 상기 전기 전도성 기판과 연료 전지를 나타낸다.
도 7은 개스킷의 배치를 가능케 하는 수직으로 접혀진 상기 집전체 확장부들을 가지는 도 6의 상기 소성된 연료 전지를 나타낸다.
도 8은 상기 전기 전도성 기판의 상단에 삽입된 전기 비전도성 개스킷 및 상기 전기 비전도성 개스킷 위에서 접어 올려진 상기 집전체 확장부를 가지는 도 7의 상기 소성된 연료 전지를 나타낸다.
도 9는 연료 전지 스택 조립체를 지나는 단면도를 나타낸다.
도 10은 배선 판으로부터 확장되는 스텝 제한 확산기(step restriction diffuser)를 가지는 제1 연료 전지 스택 조립체의 단면도를 나타낸 것이다.
도 11은 상기 도 10의 X-X 라인을 따라 얻어진 영역을 나타낸다.
도 12는 V-형상의 제한부를 가지는 제2 연료 전지 스택 조립체의 단면도를 나타낸다.
도 13은 도 12의 부분적인 확대도를 나타낸다.
도 14는 흐름 제한부(restrictor)를 가지지 않는 연료 전지의 개략도, 가스 흐름 경로와 가스 입구로부터 가스 출구로의 채널링 효과(channelling effect)를 나타내는 화살표를 나타낸다.
도 15는 도 10 및 도 11의 제1 연료 전지에 대한 개략도, 가스 흐름 경로와 전체적으로 균일한 상기 전극 표면상에서의 가스 흐름을 나타내는 화살표를 나타낸다.
도 16은 각 연료 전지들의 병렬 전기적 연결을 위해 구성되는 연료 전지 스택의 측면도를 나타낸다.
도 17은 각 연료 전지들의 직렬 전기적 연결을 위해 구성되는 연료 전지 스택의 측면도를 나타낸다.
도 18은 인접한 전기 전도성 배선 판과, 여기서 상기 전기 전도성 기판과 상기 전기 전도성 배선 판의 중간에 전기 전도성 스페이서 층을 가진 전기 전도성 금속 배선 판 상에 차례로 설치되는 전기 전도성 기판상에 양극-전해질-음극 구조물이 설치되며, 상기 전기 비전도성 스페이서와 인접한 전기 전도성 배선 판의 밑면 상의 평평한 영역 사이에 고정된 상기 적어도 하나의 집전체 확장부를 가지는 연료 전지 스택 층의 측면도를 나타낸다.
도 19는 인접한 전기 전도성 배선 판을 가진 연료 전지 스택 층의 측면도를 나타내며, 여기서 그들의 중간에 전기 전도성 스페이서 층을 가진 전기 전도성 금속 배선 판 상에 차례로 설치되는 전기 전도성 기판상에 양극-전해질-음극 구조물이 설치되며, 상기 적어도 하나의 집전체 확장부는 상기 전기 비전도성 스페이서와 복수의 오목한 홈들(dimples)을 상기 하측(전극)와 상측(기판) 면들 모두에 가지는 인접한 전기 전도성 배선 판의 밑면 상의 봉우리진 영역(ridged area) 사이에 고정 된다.
도 20은 도 19에서와 같으나 상기 봉우리들이 상기 전기 전도성 배선 상이 아닌 상기 전기 비전도성 스페이서의 일부분인 연료 전지의 측면도의 한 영역을 나타낸다.
도 21은 도 19에서와 같으나 집전체 확장 영역들에 대한 상기 전기 전도성 배선을 위해 적용되는 상이한 고정 형상들이 있는 연료 전지의 측면도의 한 영역을 나타낸다.
도 22는 본 발명의 바람직한 연료 전지 조립체의 부분적으로 분리된 영역들에 대한 투시도를 나타낸다.
상기 도면들에서, 상기 실선 화살표들은 공기 흐름의 영역들을 나타내며, 상기 점선 화살표들은 연료 흐름 영역들을 나타낸다.
제1 실시예에서, 양극(1a) 및 덮는 전해질(1e)이 금속 기판(4)에 의해 놓여져 제공된다. 음극(1c)은 "습식(wet)" 층을 형성하기 위해 스크린 인쇄에 의해 상기 전해질 위에 배치되며, 엮여진 금속 메쉬(woven metal mesh)의 형태인 상기 집전체(20)가 상기 습식 층(1c)으로 삽입된다. 상기 집전체는 적당한 크기로 잘릴 수 있기 위해 미리 준비될 수 있으며, 상기 집전체들의 돌출된 측면들이 수직 위치를 향하여 접혀져 있다. 상기 집전체의 상기 음극으로의 삽입은 상기 구조물을 상기 습식 층(1c) 안으로 가볍게 압력을 가함에 의해 달성될 수 있다. 상기 배열은 1000℃ 미만의 온도에서 소성 된다.
상기 미리 형성된 엮여진 메쉬(2)는 상기 프로세스 및 그것의 소결(sintering)에 의해 상기 연료 전지의 음극(1c)에 접착된다. 상기 전지의 조립을 완성하기 위해, 상기 양극, 전해질 및 음극(1a, 1e, 1c)의 경계 외부로 확장되는 상기 집전체(2)의 확장부들(상기 돌출되는 영역들)(상기 집전체 확장부들)은 수직 위치 안쪽으로 유지되고, 전기 비전도성 개스킷(5)은 금속 기판(4)의 상단에 위치된다. 상기 집전체(2)의 확장부들은 개스킷(5) 위에서 접혀 올려지며, 상기 전기 전도성 배선 판(3)을 포함하는 상기 인접한 연료 전지 스택 층은 상기 인접한 배선 판과 상기 집전체(2) 확장부들이 전기적으로 접촉할 수 있도록 상기 개스킷(5)과 상기 인접한 배선 판(3) 사이에 끼워진 상기 돌출되는 집전체(2) 확장부들을 가지는 상단에 위치된다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 이러한 전기적 접촉은 양극(1a), 전해질(1e) 또는 음극(1c)에 압력을 가하지 않고 달성될 수 있다.
상기의 조립 프로세스는 도 5 내지 8에서 순차적으로 나타내어 진다.
상기 연료 전지는 도 4에 도시된 바와 같이 구성된다. 특히, 양극(1a) 및덮는 전해질(1e)은 단단한(비투과성의) 영역(4s)에 의해 둘러싸인 투과 영역(4p)으로 구성되는 금속 기판(4) 상에 놓여져 제공된다. 음극은 소위 "습식(wet)" 층을 제공하기 위해 스크린 인쇄에 의해 전해질(1e) 상에 배치된다. 집전체(2)를 상기 습식 음극 층(1c)으로 가볍게 압력을 가함에 의해 집전체(2)가 상기 습식 음극 층(1c)에 내장된다. 상기 배열은 1000℃ 미만의 온도에서 소성 된다.
제2 실시예에서는(도 2), 음극(1c)이 두 개의 층들의 형태로 제공된다. 층(1c)는 이온 전달을 일으키는 유효 전극 층이며, 반면 층(1f)은 전기 전도성 서 멧(cermet)인 높은 횡측 전도성을 제공하는 기능성 전극 층이며 상기 층 안에서 동질성의 전류 분배 및 상기 집전체와의 더 낮은 저항 연결을 촉진하는 상기 유효 전극 층과 전기적으로 연결된다.
제3 실시예에서는(도 3), 집전체(2)가 상기 인접한 연료 전지 스택 층의 배선 판(4)에 직접 접착되고, 그에 따라 낮은 저항의 전기적인 연결을 제공하면서 전류 수집 경로를 달성하기 위해 개스킷(5)에 대한 요구를 제거한다.
연료 전지 스택(도 9)을 형성하기 위해, 도 1 또는 2의 복수의 연료 전지들이 하나의 스택으로 조립되며, 각 스택 조립체 층은 이전 스택 조립체 층의 상기 연료 전지의 상단에 직접 배치되는 연료 전지에 의해 형성된다. 상기 전체 스택 배열은 종판들(6) 사이에서 조여지며, 압축력이 종판들(6) 및 그에 따른 개스킷들(5), 베이스들(4), 집전체들(2) 확장부들 및 배선들(3)에 타이 볼트들(tie bolts)을 포함하는 압축 시스템에 의해 가해진다.
그 다음의 실시예들에서(미도시), 상기 굽은 선들을 따르는 상기 집전체(2)의 단단함(stiffness)을 감소시킴에 의해(예를 들어, 전선 가닥들(wire strands)을 생략하거나 상기 굽은 선들 또는 상기 추가된 굽은 선들 또는 식각된 굽은 선들의 투과성을 증가시킴에 의해), 집전체(2)는 상기 집전체 확장부들이 쉽게 형성되도록 구성된다. 다른 실시예들에서는, 단단한 금속 스트립(strip)이상기 집전체 확장부들에 결합되어(스팟 용접 또는 다른 일반적인 결합 수단들에 의해), 그dp 따라 접촉 영역들을 증가시키고 더 나아가 상기 스택 내부의 전기 저항을 감소시킨다.
스택 조립을 용이하게 하기 위해, 금속 기판(4) 및 개스킷(5)은 볼트 구멍들 을 가지고 형성된다. 스택 조립을 완성하기 위해, 종판들(7)은 상기 스택의 맨 위 및 맨 아래의 연료 전지들 상에 배치되고, 그런 후 볼트들(7)이 상기 조립체 상에 압축력을 가하기 위해 사용된다.
도 10 및 11에서 볼 수 있듯이, 한 쌍의 흐름 제한부(3a)를 가지는 제1 연료 전지 조립체는 상기 실시예들에 따라, 금속 기판(4) 상에 배치된 양극, 전해질 및 음극 배열(1), 연료 흐름-경로(A) 및 공기 흐름 경로(B), 그리고 전기 절연성의 개스킷들(5)을 가진다. 간략화를 위해 집전체들은 도 10 내지 13에서는 도시되지 않는다. 상기 연료 전지는 공기 입구 포트(inlet port, C) 및 출구 포트(outlet port, D)를 가진다(도 15). 점선은 상기 제2 전극의 경계를 나타낸다. 사용시, 공기는 포트 C를 통해 상기 연료 전지로 들어오고, 출구 포트 D를 향해 이동한다. 그러나, 스텝 제한부(3a)는 상기 가스 흐름이 상기 연료 전지의 폭을 가로질러 퍼지도록 하며, 그에 따라 상기 제2 전극 영역을 가로질러 전체적으로 균일한 가스 흐름을 생성한다. 상기 연료 전지의 상기 출구 포트 D에서, 제2 스텝 제한부(3a)는 상기 연료 전지의 중앙 영역과 다른 가스의 배출을 제한하여, 상기 연료 전지의 비-중앙 영역들로부터의 가스가 배출될 수 있도록 하여 상기 제2 전극 영역을 가로질러 전체적으로 균일한 가스 흐름을 유지한다.
도 14에서 볼 수 있듯이, 스텝 제한부들(3a)과 같은 제한이 없는 실시예에서는, 가스 흐름이 상기 연료 전지의 상기 중앙 영역을 따라 차별적으로 발생하여, 상기 연료 전지의 상기 중앙 영역 외부의 "죽은(dead)" 지역들을 발생시킨다. 상기 연료 전지의 전기 화학적 활동성은 이러한 "죽은" 지역의 영역들에서 심각하게 제 한된다.
특히 도 10, 11 및 14의 상기 스텝 제한부들은 대체적인 실시예들(아래의)와 비교시 매우 감소된(1000 Pa 밑의) 전극 영역 압력 강하를 제공할 수 있다.
도 12 및 13에 도시된 실시예에서는, 상기 음극과 상기 배선 판(3) 사이의 공기 역학적인 간격(aerodynamic gap)은, 개스킷(5)에 의해 정의되는, 0.6 ㎜이다. 상기 형성된 제한부(3a)는 이 간격을 중앙에서 0.3 ㎜까지 좁히며, 모서리들에서 최대 0.6 ㎜까지 가늘어진다. 다른 실시예들에서(미도시), 좁혀지는 정도 및 수반되는 치수는 상기 특정 응용들에 대해 적당하게 수정된다.
연료 전지 스택들에서 연료 전지들의 병렬 및 직렬의 전기적 배열들의 예들은 도 16 및 17에 보여진다. 도 16은 연료 전지 스택의 일부분의 단면을 나타내며, 보여지는 바와 같이 상기한 바와 같은 상기 일반적인 배열들은 제1 금속 기판(전기 전도성 베이스/배선)(4) 상에 배치된 양극(1a), 전해질(1b) 및 음극(1c)(합쳐서 참조번호 1에 대응되는)을 가지고 이용되며, 이는 투과 영역을 통해 상기 맨 밑의 층(즉, 상기 양극(1a))으로의 연료 흐름을 제공하며, 그리고 전기 비전도성 개스킷들(5), 상기 제1 금속 기판(4) 및 인접한 제2 금속 기판(4)/종판(미도시)은 그 내부에서 상기 산화제가 흐르고 상기 위 층(즉, 음극(1c))에 접촉하는 공간을 정의한다.
각 집전체(2)는 음극(1c) 상에 배치되고, 위에서의 상기 제2 금속 기판(4)/종판(미도시)과 직접 전기적으로 접촉하는 대신에, 그것은 실제로는 상기 개스킷(5)을 지나 전류 전도체(11)로 확장된다. 따라서, 상기 집전체들(2)의 각각은 전 류 전도체(11)와 병렬로 연결된다.
상기 금속 기판 층들(4)은 유사하게 상기 개스킷들(5) 외부로 확장되며 전류 전도체(10)와 병렬로 연결된다. 전기적인 회로가 전류 전도체들(10, 11) 사이에 형성되고, 그 결과 병렬로 배열된 연료 전지들을 가지는 회로를 이룬다.
도 17은 상기 연료 전지들이 전기적으로 직렬로 배열되는 대체적인 배열을 나타낸다. 전류 전도체(10)는 전기적으로 맨 밑의 금속 기판(4)과 연결되고, 상기 연료 전지 스택의 각 층은 제1 금속 기판(전기 전도성 베이스/배선)(4) 상에 배치된 양극(1a), 전해질(1b) 및 음극(1c)(합쳐서 참조번호 1에 대응되는)을 가지고 배열되며, 이는 투과 영역을 통해 상기 맨 밑의 층(즉, 상기 양극(1a))으로의 연료 흐름을 제공하며, 그리고 전기 비전도성 개스킷들(5), 상기 제1 금속 기판(4) 및 인접한 제2 금속 기판(4)/종판(미도시)은 그 내부에서 상기 산화제가 흐르고 상기 위 층(즉, 음극(1c))에 접촉하는 공간을 정의한다.
각 집전체(2)는 음극(1c) 상에 배치되고 위에서의 상기 제2 금속 기판(4)/종판(미도시)과 직접 전기적으로 접촉하는 개스킷(5) 안으로 확장된다. 상기 연료 전지 스택의 맨 위층으로부터, 상기 집전체는 전류 전도체(11)와 직접 전기적으로 접촉한다.
전기적인 회로가 전류 전도체들(10, 11) 사이에 형성되고, 그 결과 직렬로 정열된 연료 전지들을 가지는 회로를 이룬다.
도 18은 인접한 배선 판(105)을 가지며 상기 압력이 없는 집전체의 상기 투과 영역을 가지며 금속 기판(101) 상에 상기 양극(102), 전해질(103) 및 음극(104) 이 설치되는 연료 전지 스택 층의 측면의 단면을 나타낸다. 상기 금속 기판(101)은 투과 영역들(112) 및 비투과 영역들(113)을 포함하여 구성된다. 금속 기판(101)은 상기 기판(1101)과 용접 형태의 용접 밀봉(107)이 이들 층들과 함께 결합되는 상기 배선 판(105) 중간의 스페이서 층(106)과 함께 금속 배선 판(105) 상에 설치된다. 집전체 확장부(109)는 비전도성 스페이서(108)과 배선판(105) 상의 평평한 영역 사이에 고정된다. 상기 구조는 공간(111)이 기판(101)과 배선판(105) 사이에 형성되도록 하며, 공간(110)이 무압(pressureless) 집전체(104)의 투과 영역을 포함하는 상기 전극(2)과 배선 판(105) 사이에 형성되도록 한다. 사용시, 공간(110)은 상기 산화제 가스를 함유한다.
도 19는 도 18에 도시된 것과 동일한 배치이나 배선판(105)과 집전체 확장부(109) 사이의 접촉 영역(interface)에 대한 대체적인 디자인을 나타낸다. 배선 판(105)은 연속되는 평평한 면의 봉우리들(114)을 가지며, 이들은 압축 하중의 결과로 상기 배선 판(105)의 접촉 영역이 구부러지지 않고 압축력이 스택 층들 사이의 상기 스택을 통해 아래로 전달되도록 디자인된 그것의 표면 안쪽으로 형성된다. 이 도면은 또한 상기 배선판의 양쪽 면들 상에 형성된 오목한 홈(dimple)의 구조들을 나타낸다. 이러한 실시예에서는, 상기 제2 전극 측 상에서 나타나는 평평한 상단을 가지는 오목한 홈(115)이 있으며, 배선 판(105)과 상기 금속 기판(101) 사이의 일 측에 보여지는 돔 형태의 오목한 홈(116)이 있다. 상기 오목한 홈들은 서로 마주보며, 상기 마주보는 표면들에 접촉하지 않는다.
도 20은 도 18에 도시된 것과 동일한 특징을 가지나 도 19의 배선판 상에 보 여지는 것과 같은 상기 봉우리진 형상부들이 대신에 전기 비전도성의 스페이서(117) 안으로 넣어진 것을 나타낸다. 상기 전기 비전도성의 스페이서(117)는 주조(casting), 주형(moulding) 또는 압출성형(extruding)에 의해 형성된다.
도 21은 단지 상기 배선판의 접촉 영역들의 형상이 상기 연료 전지 스택 안에서 상기 배선 판의 위치에 따라 변화하는 점에서 도 18에 도시된 것과 동일한 특징을 나타낸다.
도 22는 연료 전지 스택 시스템 조립체(1000)의 부분에 대한 부분적으로 분해된 투과도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 반복되는 층 구조는,
- 전기 전도성 배선 판(1001);
- 전기 전도성 스페이서(1004);
- 그 위에 양극, 전해질, 음극 및 전기 전도성 집전체(1012)가 설치된 전기 전도성 기판(1003); 및
- 전기 비전도성 스페이서(1010), 연료 입구 개스킷(1005) 및 배출-측 개스킷(1002)를 포함하는 전기 비전도성 구조물의 반복들을 포함하여 제공된다.
전기 전도성 배선판(1001), 전기 전도성 스페이서(1004), 전기 전도성 기판(1003)은 페라이트계 스테인레스 강으로 제작된다. 유사하게, 연료 입구 개스킷(1005) 및 출구-측 개스킷도 페라이트계 스테인레스 강으로 제작된다.
전기 비전도성 스페이서는 가돌리늄으로 도핑된 세륨 산화물(CGO, ceria gadolinium oxide)이다. 개스킷들(1003, 1005)은 질석(vermiculite) 이다.
상기 양극은 니켈 CGO이다. 상기 전해질은 CGO이다, 상기 음극은 LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)이다.
상기 연료 전지 스택 시스템 조립체(1000)은 입구 측과 출구 측을 가진다. 입구 측에서는, 연료 입구 매니폴드가 잘라내진 구멍들(cut-out openings, 1001A, 1004A, 1003A, 1005A)에 의해 정의된다. 연료는 상기 구멍(1001A)에서 전기 전도성 배선판(1001)의 상측 표면, 전기 전도성 스페이서(1004) 및 전기 전도성 금속 기판(1003)의 하측에 의해 정의되는 공간으로 흐른다. 이 공간으로의 유입시, 상기 연료 가스의 흐름은 상기 공간 내부에서의 비선형적 가스 흐름을 촉진하는 배플(baffle, 1017)과 만난다. 전기 전도성 배선판(1001)은 또한 상측으로 향하는 오목한 홈들(1014) 및 하측으로 향하는 오목한 홈들(1015)를 가지고 제공된다. 하측으로 향하는 오목한 홈들(1015)은, 기계적인 충격/압력 발생시 그들이 연료 전지 층들의 상단 표면 및 내장된 집전체(1012)에 접촉하는 경우 그들이 접촉 압력 및 손상을 최소화하면서 상기 연료 전지 스택 조립체를 기계적으로 안정시키도록 하기 위한, 전체적으로 평평한 면을 가지고 제공된다. 오목한 홈들(1014, 1015)은 또한 상기 연료 전지를 기계적으로 안정시키고 비선형적인 가스 흐름을 촉진하도록 하며, 그로 인해 연료 전지 스택 조립체(1000)의 동작 성능을 향상시킨다.
상기 양극으로의 연료 흐름은 전기 전도성 금속 기판(1003)에 있는 구멍들을 통해 이뤄지며, 반응된 연료는 상기 언급된 공간 안으로 배출된다.
출구 측에서는, 배출 가스 매니폴드가 잘려나간 구멍들(1001B, 1002B, 1003B 및 1004B)에 의해 정의된다. 따라서 닫힌 연료 전지 흐름 경로(closed fuel flow path) 및 공간(plenum)이 정의된다.
도 22에서, 연료 흐름은 화살표들(1007(연료 유입 흐름), 1009(반응된 연료 배출 흐름)에 의해 표시된다.
산화제 흐름과 관련하여, 열린 산화제 흐름 경로(open oxidant flow path)가 제공된다 - 상기 입구 측에 산화제 흐름을 위한 매니폴딩이 없으며, 대신에 산화제는 자유롭게 상기 입구 측에서 상기 연료 전지 스택 시스템 조립체 외부의 공간으로부터 전기 전도성 금속 기판(1003)의 하측 표면, 상기 연료 입구 개스킷(1005), 상기 배출-측 개스킷(1002) 및 상기 전기 전도성 배선판(1001)의 하측 사이에서 정의되는 공간으로 흐를 수 있다.
출구 측에서, 배출 산화제 매니폴드가 잘려진 구멍들(1001C, 1002C, 1003C, 1004C)에 의해 정의된다.
도 22에서, 산화제 흐름은 화살표들(1006(산화제 측 유입 흐름), 1008(산화제 측 배출 흐름)에 의해 표시된다.
따라서, 분리된 연료 및 산화제 흐름들이 정의되고, 특별히 상기 산화제 흐름 경로는 열린 산화제 입구를 포함하여, 연료 전지 스택 조립체들에 의해 요구되는 많은 양의 산화들의 간단하고 편리한 흐름을 가능케 하며, 종래의 연료 전지 스택 조립체들에서 발생되는 대량 흐름(mass flow) 문제들, 송풍기들(blowers)의 공급에서 많은 양의 전력 소비가 필요한 문제들을 감소시킨다.
상기 연료 전지 스택 조립체(100)가 동작항 때, 잠재적인 편차가 상기 양극, 전해질 및 음극들을 가로질러 발생된다. 특히, 상기 양극(미도시)은 상기 전기 전 도성 기판(1003)의 상기 상측의 투과성 표면과 전기적으로 접촉한다. 상기 전해질(미도시)은 그것의 밑에 있는 상기 양극 및 그것의 위에 있는 상기 음극과 전기적으로 접촉한다. 상기 음극은 상기 집전체(미도시)와 전기적으로 접촉한다. 전류는 상기 양극, 음극 및 전해질에 의해 정의되는 경계 외부에서 상기 양극, 음극 및 전해질의 평면과 전체적으로 평행한 평면에서 상기 양극, 음극 및 전해질로부터 확장되어 나가는 집전체 확장부들(1011)을 지나서 상기 음극 및 집전체로부터 제거된다.
상기 집전체 확장부들(1011)을 전기 전도성 기판(100)으로부터 전기적으로 절연하기 위해, 전기 비전도성 스페이서(1010)가 그들 사이에 배치된다.
전기 전류는 그러면 상기 전기 전도성 배선 판을 따라 상기 입구 측으로부터 상기 출구 측까지 경도 방향으로(longitudinally) 확장하는 복수의 봉우리들을 포함하는 전기 전도성 봉우리들(1013)을 통해 인접한 전기 전도성 배선 판(1001)로 전달된다.
각 봉우리(1013)는 그것이 집전체 확장부들(1011)에 접촉하도록 전기 전도성 배선(1001)으로부터 아래로 확장한다. 상기 복수의 봉우리들(1013)의 사용은 좋은 전기적인 접촉을 발생시키기 위해 요구되는 점 압력들(point pressures)을 제공하는 것을 도우며, 또한 상기 연료 전지 스택 조립체(1000) 내부에서의 가스 흐름이 잘 제어되도록 하기 위해 좋은 가스 밀봉이 달성되는 것을 보증하는 것을 돕는다.
밀봉을 더욱 향상시키기 위해, 상기 배출 측 개스킷의 배치는 상기 연료 전지 스택 조립체(1000)의 열 사이클 동안 발생할 수 있는 접촉 및 그에 따른 어떠한 접촉 압력들을 최소화하면서 상기 인접한 전기 비전도성 스페이서(1010) 및 집전체 확장부들(1011)과의 필요한 접촉을 제공할 수 있는 니플들(nipples)의 제공에 의해 거들어 질 수 있다.
전기 전도성 종판들(미도시)은 상기 연료 전지 스택 조립체의 양 쪽 끝에 제공될 수 있으며, 이는 양쪽 끝에서 상기 연료와 산화제의 흐름 경로 공간들을 정의하고 전기 전류가 빠지도록 한다.
전기적인 회로는 선(wire, 1020)(미도시)에 의해 상기 종판들(미도시) 사이에서 완성된다. 하중(미도시)은 이 전기적인 회로 상에 위치된다.
다른 연료 전지 스택 조립체(1000)의 컴포넌트들을 위한 열 차단을 제공하기 위해, 열 절연체가 상기 연료 전지 스택 조립체의 양 끝에 배치된다.
마지막으로, 상기 연료 전지 스택 조립체(1000)는 상기 양극, 음극 및 전해질의 경계 내부의 영역에 상응하는 단단하지 않은(non-solid) 중앙 영역을 가지는 단단하지 않은 압축 프레임의 제공에 의해 압축되며, 그것의 단단한 영역은 각 연료 전지 스택 조립체의 상기 양극, 음극 및 전해질에 의해 정의되는 영역의 경계 외부로 확장되고, 그것은 그에 따라 상기 전기 비전도성 스페이서들(1010), 집전체 확장부들(1011) 및 전기 전도성 봉우리들(1013) 위로 확장된다. 압축 볼트들이 압축 시스템의 유입 구멍들(1016) 및 (출구 측에서) 잘려나간 구멍들(1001C, 1002C, 1003C, 1004C)에서 제공된다. 압축력은 상기 연료 전지 스택 조립체(1000) 상에 가해진다. 특히, 종래 기술의 압축 판들(compession paltes)로 압축 프레임의 본 발명에 의한 사용은 열식 질량(thermal mass)을 감소시키며, 이는 상기 연료 전지 스 택 조립체(1000)가 종래 기술의 장치들보다 더욱 빠르게 순환될 수 있음을 의미한다. 이러한 시스템은 또한 상기 스택을 지나서 가해져야 하는 압축력을 감소시키고, 그에 따라 컴포넌트 비용을 감소시키며, 제조를 간략화한다.
이 압축력은 상기 요구되는 밀봉을 제공한다. 상기 사용되는 압축 볼트들은 상기 연료 전지 스택 조립체의 쇼트를 방지하기 위해 상기 각각의 컴포넌트들(1001, 1002, 1003, 1004, 1005)로부터 전기적으로 절연된다.
그에 따라, 전기적인 접촉이 상기 연료 전지 스택 조립체(1000) 층의 상기 양극, 전해질 또는 음극과 접촉하거나 그에 압력을 가할 어떤 필요도 없이 상기 집전체 확장부들을 가지고 만들어질 수 있으며, 반면 동시에 가스 흐름(특히 산화제 흐름)이 촉진되며, 오목한 홈들(1014, 1015)은 사용시 충격에 대한 저항(shock-resistance)을 제공한다.
본 발명을 단지 상기한 실시예들에 의해 한정하도록 의도되지 않는 것으로 인정될 것이며, 본 발명의 다른 형태들은 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나지 아니하고 본 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 용이하게 명백하다.
Claims (40)
- (a) (i) 제1, 2 면들을 갖는 전해질 층으로서, 상기 제 1 면은 제1 전극 상에 설치되어 상기 제 1 전극과 전기 화학적으로 접촉하고, 상기 제 2 면은 제2 전극 상에 설치되어 상기 제 2 전극과 전기 화학적으로 접촉하는 전해질 층; 및ii) 상기 제2 전극과 결합되거나 또는 그 위 또는 안에 설치되어 상기 제2 전극과 전기적으로 접촉되며, 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 경계의 외부로 확장되는 적어도 하나의 확장부를 갖는 전기 전도성의 집전체(current collector);를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 스택;(b) 상기 적어도 하나의 스택 주위에 배치되는 커버 수단들; 및(c) 상기 커버 수단들 상에 압축력을 가하도록 구성되는 클램핑 수단들을 포함하고,상기 압축력이 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질의 상기 경계 외부의 상기 적어도 하나의 연료 전지 상에만 가해지도록 배열되는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,서로 전기적으로 직렬로 배열된 적어도 두 개의 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- (a) (i) 제1, 2 면들을 갖는 전해질 층으로서, 상기 제 1 면은 제1 전극 상에 설치되어 상기 제 1 전극과 전기 화학적으로 접촉하고, 상기 제 2 면은 제2 전극 상에 설치되어 상기 제 2 전극과 전기 화학적으로 접촉하는 전해질 층; 및ii) 상기 제2 전극과 결합되거나 또는 그 위 또는 안에 설치되어 상기 제2 전극과 전기적으로 접촉되며 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 경계의 외부로 확장되는 적어도 하나의 확장부를 갖는 전기 전도성의 집전체;를 포함하는 적어도 두 개의 연료 전지들을 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 스택;(b) 상기 적어도 하나의 스택 주위에 배치되는 커버 수단들; 및(c) 상기 커버 수단들 상에 압축력을 가하도록 구성되는 클램핑 수단들을 포함하고,상기 압축력이 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질의 상기 경계 외부의 상기 연료 전지들 상에만 가해지도록 배열되며,상기 적어도 두 개의 연료 전지들은 서로 전기적으로 병렬로 배열되는 연료 전지 스택 조립체.
- 제3항에 있어서,상기 적어도 두 개의 연료 전지들 중 적어도 하나와 전기적으로 직렬로 배열되는 적어도 하나의 추가적인 연료 전지를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 클램핑 및 커버 수단들은 단단하지 않은(non-solid) 종판들 또는 클램핑 프레임 구조물을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 전해질 층, 제1 전극, 제2 전극 및 집전체는 제1 축(axis) 상에 배열되고, 상기 집전체는 상기 제1 축에 수직한 축 상에서 상기 제2 전극으로부터 확장하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극이 결합 또는 설치되는 전기 전도성 기판을 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제7항에 있어서,상기 전기 전도성 기판과 상기 적어도 하나의 집전체 확장부 사이에 설치되는 전기 비전도성 구조물을 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제8항에 있어서,상기 전기 비전도성 구조물은 전체적으로 또는 부분적으로 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질을 둘러싸는 연료 전지 스택 조립체.
- 제8항에 있어서,상기 전기 비전도성 구조물은: 전기 비전도성 스페이서(spacer), 전기 비전도성 개스킷(gasket), 및 전기 비전도성 압축성 개스킷과 전기 비전도성 비압축성 개스킷으로부터 선택되는 전기 비전도성 개스킷으로 구성되는 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극이 상단에 설치되는 전기 전도성 배선(interconnection)을 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제11항에 있어서,상기 전기 전도성 배선은 전기 전도성 배선 플레이트 및 전기 전도성 스페이서를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제11항 또는 제12항에 있어서,상기 제1 전극이 결합 또는 설치되는 전기 전도성 기판을 더 포함하고,상기 전기 전도성 배선 및 상기 전기 전도성 기판은 금속, 페라이트계 스테인레스 강(ferritic stainless steel) 및 전도성 세라믹을 포함하는 그룹으로부터 독립적으로 선택된 물질들로부터 제조되는 연료 전지 스택 조립체.
- 제11항 또는 제12항에 있어서,상기 전기 전도성 배선은 상측 및 하측 표면들을 가지며, 상기 상측 표면은 상기 제1 전극 방향으로 향하고, 상기 상측 및 하측 표면들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 돌출부를 가지고 제공되는 연료 전지 스택 조립체.
- 제14항에 있어서,상기 적어도 하나의 돌출부는 오목한 홈(dimple)을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 집전체는 금속성의, 강철(steel)로 구성되는, 페라이트계 스테인레스 강으로 구성되는, 페라이트계 스테인레스 강으로 구성되는, 전기 전도성 요소를 포함하는 물질로 구성되는 것으로부터 선택된 그룹 중 하나인 연료 전지 스택 조립체.
- 제16항에 있어서,상기 집전체는 메쉬(mesh), 엮여진(woven) 메쉬, 짜여진(knitted) 메쉬, 구멍이 난(perforated) 금속, 기계적으로 구멍이 난 금속, 화학적으로 식각된(etched) 금속, 확장된(expanded) 금속, 금속 발포체(foam), 금속 울(wool), 적어도 하나의 개별적인 선 가닥(strand of wire), 또는 그러한 것들의 조합들의 형태인 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 집전체는 유연한(flexible) 영역을 가지며, 상기 유연한 영역은 접음(folding), 증가된 공극율(porosity), 확장 조인트들(expansion joints)의 제공, 상기 집전체의 물질을 얇게 함(thining), 및 상기 집전체의 유연한 영역에 상이한 전기 전도성 집전체 물질을 도입 또는 사용함을 포함하는 그룹 중 어느 하나에 의해 제공되는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,열린(open) 산화제 입구, 그리고 닫힌(closed) 산화제 배출 매니폴드(maifold) 및 닫힌 연료 입구 및 배출 매니폴드들을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- (a) (i) 제1, 2 면들을 갖는 전해질 층으로서, 상기 제 1 면은 제1 전극 상에 설치되어 상기 제 1 전극과 전기 화학적으로 접촉하고, 상기 제 2 면은 제2 전극 상에 설치되어 상기 제 2 전극과 전기 화학적으로 접촉하는 전해질 층을 제공하는 단계; 및ii) 상기 제2 전극과 전기적으로 접촉되고 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 경계의 외부로 확장되는 적어도 하나의 확장부를 갖는 전기 전도성의 집전체를 상기 제2 전극 상 또는 안에 설치하는 단계에 의해,제공되는 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 스택을 제공하는 단계;(b) 상기 적어도 하나의 스택 주위에 커버 수단들을 배치하는 단계; 및(c) 상기 커버 수단들 상에 압축력을 가하도록 구성되는 클램핑 수단들을 제공하는 단계를 포함하고,상기 압축력이 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질의 상기 경계 외부의 상기 적어도 하나의 연료 전지 상에만 가해지도록 배열되는 연료 전지 스택 조립체의 제조 방법.
- 제20항에 있어서,서로 전기적으로 직렬로 배열된 적어도 두 개의 연료 전지들을 제공하는 단계를 포함하는 연료 전지 스택 조립체의 제조 방법.
- (a) (i) 제1, 2 면들을 갖는 전해질 층으로서, 상기 제 1 면은 제1 전극 상에 설치되어 상기 제 1 전극과 전기 화학적으로 접촉하고, 상기 제 2 면은 제2 전극 상에 설치되어 상기 제 2 전극과 전기 화학적으로 접촉하는 전해질 층을 제공하는 단계; 및ii) 상기 제2 전극과 전기적으로 접촉되고 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 경계의 외부로 확장되는 적어도 하나의 확장부를 갖는 전기 전도성의 집전체를 상기 제2 전극 상 또는 안에 설치하는 단계에 의해,제공되는 적어도 두 개의 연료 전지들을 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 스택을 제공하는 단계;(b) 상기 적어도 하나의 스택 주위에 커버 수단들을 배치하는 단계;(c) 상기 적어도 두 개의 연료 전지들을 서로 전기적으로 병렬로 배열하는 단계; 및(d) 상기 커버 수단들 상에 압축력을 가하도록 구성되는 클램핑 수단들을 제공하는 단계를 포함하고,상기 압축력이 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질의 상기 경계 외부의 상기 연료 전지들 상에만 가해지도록 배열되는 연료 전지 스택 조립체의 제조 방법.
- 제22항에 있어서,상기 적어도 두 개의 연료 전지들 중 적어도 하나와 전기적으로 직렬로 배열되는 적어도 하나의 추가적인 연료 전지를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체의 제조 방법.
- 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제2 전극 층은 습식(wet) 전극 층의 형태이며, 상기 제2 전극 상 또는 안에 전기 전도성 집전체를 설치하는 단계는,(A) 상기 습식 제2 전극 층을 상기 전기 전도성 집전체와 접촉시키는 단계 (상기 전기 전도성 집전체는 상기 적어도 하나의 집전체 확장부가 상기 제1, 2 전극들 및 상기 전해질에 의해 정의되는 경계 외부로 확장되는 치수를 가짐); 및(B) 상기 집전체와 상기 제2 전극을 결합하도록 소결(sintering) 프로세스에서 상기 연료 전지를 소성하는 단계를 포함하는 연료 전지 스택 조립체의 제조 방법.
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