KR101092274B1 - 연료 전지 - Google Patents

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다다시 츠노다
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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 (10) 는 전해질 전극 조립체 (26) 및 세퍼레이터 (28) 를 포함한다. 환상 부재 (90) 및 링 박 (92) 이 세퍼레이터 (28) 사이에 제공된다. 환상 부재 (90) 는 전해질 전극 조립체 (26) 의 외주부 주위에 제공되고, 애노드 (24) 에서 사용된 제 1 배기 가스 (FGoff) 를 전해질 전극 조립체 (26) 의 외부로 배출하기 위한 홈 (96) 을 포함한다. 링 박 (92) 은 캐소드 (22) 에 인접하게 제공되고, 전해질 전극 조립체 (26) 의 외측 단부와 세퍼레이터 (28) 사이의 위치로부터 환상 부재 (90) 와 세퍼레이터 (28) 사이의 위치까지 이어진다.

Description

연료 전지{FUEL CELL}
본 발명은 전해질 전극 조립체 및 세퍼레이터를 적층시킴으로써 형성되는 연료 전지에 관한 것이다. 전해질 전극 조립체는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 끼워지는 전해질을 포함한다.
전형적으로, 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 는 안정화 지르코니아와 같은 이온전도성 고체 산화물의 전해질을 사용한다. 전해질은 전해질 전극 조립체를 형성하도록 애노드와 캐소드 사이에 끼워진다. 전해질 전극 조립체는 세퍼레이터 (양극 플레이트) 사이에 끼워진다. 실제 사용시에, 소정 수의 전해질 전극 조립체 및 세퍼레이터가 연료 전지 스택을 형성하도록 함께 적층된다.
연료 전지에 있어서, 무밀봉 구조가 종종 채택된다. 무밀봉 구조에 있어서, 수소가스와 같은 연료가스가 애노드에 공급되고, 공기와 같은 산소함유가스가 캐소드에 공급된다. 발전 반응에서의 사용 후에 남아있는 연료가스 (오프 가스: off gas) 및 산소함유가스는 연료 전지의 외주 부분으로부터 외부로 배출된다. 이때, 연료전지의 외부로 배출되는 공기에서, 애노드로의 역 확산이 일어날 수도 있다. 그 결과, 역으로 확산되는 공기 및 애노드로 공급되는 연료가스가 바람직하지 않은 연소 반응을 일으킬 수도 있다.
이와 관련하여, 예컨대, 일본특허공개공보 제 2005-85521 호에 개시된 고체 산화물 연료 전지가 공지되어 있다. 도 22 에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지는 고체 전해질 층 (1a), 및 고체 전해질 층 (1a) 의 양 표면에 있는 연료 전극 층 (1b) 및 산화가스 전극 층 (1c) 을 포함하는 발전 셀 (1) 을 포함한다. 또한, 연료 전극 집전기 (2) 및 산화가스 전극 집전기 (3) 가 발전 셀 (1) 을 위해 제공되고, 세퍼레이터 (4) 가 무밀봉 구조를 갖는 연료 전지를 형성하도록 연료 전극 집전기 (2) 및 산화가스 전극 집전기 (3) 의 외측에 제공된다. 가스 배출 구멍 (5a) 을 구비하는 절연 덮개 (5) 가 연료 전극 층 (1b) 및 연료 전극 집전기 (2) 의 외주 부분을 덮도록 제공된다.
상기 개시에 따르면, 절연 덮개 (5) 는 연료 전극 집전기 (2) 의 외주면을 덮기 때문에, 오프 가스는 연료 전극 집전기 (2) 의 외주 부분으로부터 가스 배출 구멍 (5a) 을 통해서만 배출되고, 발전 반응에 기여하지 않는 연료가스의 배출량을 억제할 수 있다.
그러나, 종래의 기술에 있어서, 연료 전극 집전기 (2) 의 외주 부분으로부터 배출되는 연료가스와 산화가스 전극 집전기 (3) 의 외주 부분으로부터 배출되는 산소함유가스가 발전 셀 (1) 의 외주 부분 부근의 영역에서 쉽게 접촉한다. 그러므로, 연료가스 및 산소함유가스는 발전 셀 (1) 의 외주 부분 부근에서 연소하고, 국부적인 열 증가 등이 발생한다. 그 결과, 발전 셀 (1) 이 바람직하지않게 손상될 수도 있다. 또한, 절연 덮개 (5) 는 발전 셀 (1) 의 재료 또는 산화가스 전극 집전기 (3) 의 재료에 대해 이종의 재료로 만들어진다. 따라서, 선팽창 계수의 차로 인해, 균열 또는 접촉 불량에 의한 접촉 저항이 증가한다. 그 결과, 발전 효율 및 내구성이 바람직하지않게 저하될 수도 있다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 만들어졌으며, 본 발명의 목적은 반응에 사용된 연료가스 및 산소함유가스가 전해질 전극 조립체 부근의 영역에서 서로 접촉하지 않고, 발전 효율 및 내구성이 배기 가스의 연소로 인해 저하되는 것을 확실하게 방지할 수 있는 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 전해질 전극 조립체 및 세퍼레이터를 적층시킴으로써 형성되는 연료 전지에 관한 것이다. 전해질 전극 조립체는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 삽입되는 전해질을 포함한다. 연료 전지는 전해질 전극 조립체의 외측 단부와 세퍼레이터 사이의 위치로부터 세퍼레이터의 외주로 이어지는 밀봉 부재를 포함한다. 밀봉 부재는 애노드 및 캐소드 중 일 전극에서 사용된 제 1 배기 가스가 애노드 및 캐소드 중 타 전극으로 들어가는 것을 방지하며, 타 전극에서 사용된 제 2 배기 가스가 전해질 전극 조립체의 외부로 배출될 수 있게 한다.
바람직하게는, 밀봉 부재는 타 전극에 인접하게 제공되고, 환상 부재는 일 전극에서 사용된 제 1 배기 가스를 전해질 전극 조립체의 외부로 배출하기 위한 개구부를 구비하며, 세퍼레이터 사이에 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 연료 전지는 전해질 전극 조립체의 외주 부분 주위에서 세퍼레이터 사이에 제공되는 환상 부재를 포함한다. 환상 부재는 애노드 및 캐소드 중 일 전극에서 사용된 제 1 배기 가스를 전해질 전극 조립체의 외부로 배출하기 위한 개구부를 구비한다. 밀봉 부재가 애노드 및 캐소드 중 타 전극에 인접하게 제공된다. 밀봉 부재는 전해질 전극 조립체의 외측 단부와 세퍼레이터 사이의 위치로부터 환상 부재와 세퍼레이터 사이의 위치까지 이어진다. 밀봉 부재는 제 1 배기 가스가 타 전극으로 들어가는 것을 방지하고, 타 전극에서 사용된 제 2 배기 가스가 전해질 전극 조립체의 외부로 배출될 수 있게 한다.
또한, 바람직하게는 세퍼레이터는 애노드의 표면에 중심 영역으로부터 외주 영역으로 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 채널을 포함하고, 캐소드의 표면에 중심 영역으로부터 외주 영역으로 산소함유가스를 공급하기 위한 산소함유가스 채널을 포함한다. 상기 구조에 있어서, 연료가스 및 산소함유가스는 균일하게 흐른다. 따라서, 균일한 발전 반응이 달성되고, 열 왜곡의 발생이 감소되며, 연료가스 이용율의 향상이 달성된다.
또한, 바람직하게는 세퍼레이터는 함께 적층되는 제 1 플레이트, 제 2 플레이트, 및 제 3 플레이트를 포함하고, 연료가스 채널은 제 1 플레이트와 애노드 사이에 형성되고, 산소함유가스 채널은 제 3 플레이트와 캐소드 사이에 형성된다.
또한, 바람직하게는 압력하에 연료가스로 채워질 수 있는 연료가스 압력 챔버, 및 애노드의 표면의 중심 영역에 대응하는 위치에서 연료가스 압력 챔버 및 연료가스 채널을 연결하는 연료가스 입구가 제 1 플레이트와 제 2 플레이트 사이에 형성되어 있으며, 압력하에 산소함유가스로 채워질 수 있는 산소함유가스 압력 챔버, 및 캐소드의 표면의 중심 영역에 대응하는 위치에서 산소함유가스 압력 챔버 및 산소함유가스 채널을 연결하는 산소함유가스 입구가 제 2 플레이트와 제 3 플레이트 사이에 형성되어 있다.
또한, 바람직하게는 환상 챔버는 환상 부재의 내면과 전해질 전극 조립체의 외면 사이에 제 1 배기 가스가 보유될 수 있는 챔버를 형성하도록 전해질 전극 조립체의 외주면으로부터 이격되어 전해질 전극 조립체 주위에 제공된다. 상기 구조에 있어서, 환상 부재는 전해질 전극 조립체와 직접 접촉하지 않고, 그 결과 환상 부재와 전해질 전극 조립체 사이의 열 팽창 차로 인한 변형 및 손상을 방지할 수 있다. 또한, 챔버의 제 1 배기 가스의 압력을 외부 압력보다 더 높은 수준으로 유지시킬 수 있다. 또한, 외부의 대기가 챔버로 역확산되는 것이 방지된다.
또한, 바람직하게는 환상 부재는 절연 부재이다. 또한, 바람직하게는 절연 부재는 절연체, 절연층을 포함하는 금속 부재, 또는 절연체 및 금속의 복합 부재이다. 또한, 바람직하게는 절연체는 환상 부재와 세퍼레이터 사이, 또는 환상 부재 사이에 삽입된다. 단순한 구조로, 애노드와 캐소드 사이의 단락을 방지할 수 있다.
또한, 바람직하게는 밀봉 부재는 금속 박 링 부재이다. 상기 구조에 있어서, 밀봉 부재는 환상 부재에 의해 연료 전지에 가해지는 하중을 받음으로써 위치결정된다. 밀봉 부재에 하중을 가함으로써, 밀봉 부재는 전해질 전극 조립체, 세퍼레이터, 및 환상 부재에 밀착된다. 따라서, 밀봉 성능 및 집전 성능의 향상이 달성된다.
또한, 바람직하게는 절연층이 금속 박 링 부재의 일부에 제공된다. 또한, 바람직하게는 절연층은 전해질, 애노드, 및 캐소드 중 어느 하나와 접촉한다.
연료가스가 발전 반응을 위해 애노드에 공급된 이후에, 연료가스는 배기 가스로서 애노드로부터 배출되고, 배기 가스는 미반응 가스를 함유한다. 미반응 가스를 함유하는 배기 가스를 오프가스라 한다.
본 발명에 따르면, 일 전극에서 사용된 이후의 제 1 배기 가스는 타 전극으로 흐르는 것이 방지되고, 타 전극에서 사용된 이후의 제 2 배기 가스는 제 1 배기 가스와 접촉되는 일 없이 전해질 전극 조립체의 외부로 배출된다.
또한, 본 발명에 따르면, 일 전극에서 사용된 이후의 제 1 배기 가스는 환상 부재의 개구부를 통해 전해질 전극 조립체의 외부로 배출되고, 타 전극에서 사용된 이후의 제 2 배기 가스는 밀봉 부재를 통해 제 1 배기 가스와 접촉하는 일 없이 전해질 전극 조립체의 외부로 배출된다.
따라서, 전해질 전극 조립체 부근의 영역에서의 제 1 배기 가스 및 제 2 배기 가스의 연소는 확실하게 방지되고, 전해질 전극 조립체의 발전 효율 및 내구성을 적절하게 향상시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지를 적층시킴으로써 형성되는 연료 전지 스택을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 2 는 연료 전지를 보여주는 분해 사시도이다.
도 3 은 연료 전지에서의 가스 흐름을 보여주는 부분 분해 사시도이다.
도 4 는 연료 전지의 제 2 플레이트를 보여주는 정면도이다.
도 5 는 연료 전지의 작동을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 6 은 상이한 구조를 갖는 전해질 전극 조립체를 포함하는 연료 전지를 보여주는 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지를 보여주는 분해 사시도이다.
도 8 은 연료 전지의 작동을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 9 는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료 전지를 보여주는 분해 사시도이다.
도 10 은 연료 전지의 작동을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 11 은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료 전지를 보여주는 분해 사시도이다.
도 12 는 연료 전지의 작동을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 13 은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 연료 전지를 보여주는 분해 사시도이다.
도 14 는 연료 전지의 작동을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 15 는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 연료 전지를 개략적으로 보여주는 분해 사시도이다.
도 16 은 연료 전지의 작동을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 17 은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 연료 전지를 적층시킴으로써 형성되 는 연료 전지 스택을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 18 은 연료 전지의 세퍼레이터를 보여주는 분해 사시도이다.
도 19 는 연료 전지에서의 가스 흐름을 보여주는 부분 분해 사시도이다.
도 20 은 세퍼레이터의 제 2 플레이트의 일 표면을 보여주는 도면이다.
도 21 은 연료 전지의 작동을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 22 는 종래의 고체 산화물 연료 전지를 보여주는 단면도이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 복수의 연료 전지 (10) 를 화살표 A 로 나타낸 방향으로 적층시킴으로써 형성된 연료 전지 스택 (12) 을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
연료 전지 (10) 는 고정용 및 가동용을 포함하여 다양한 분야에 사용되는 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 이다. 예컨대, 연료 전지 (10) 는 차량에 장착된다. 도 2 및 도 3 에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지 (10) 는 전해질 전극 조립체 (26) 를 포함한다. 전해질 전극 조립체 (26) 는 캐소드 (22), 애노드 (24), 및 캐소드 (22) 와 애노드 (24) 사이에 삽입되는 전해질 (전해질 플레이트) (20) 을 포함한다. 예컨대, 전해질 (20) 은 안정화 지르코니아와 같은 이온전도성 고체 산화물로 만들어진다. 전해질 전극 조립체 (26) 는 원형 디스크 형상을 갖는다. 산소함유가스의 누설을 방지하기 위해 캐소드 (22) 의 외주면에 치밀화 처리를 한다.
연료 전지 (10) 는 전해질 전극 조립체 (26) 를 한 쌍의 세퍼레이터 (28) 사 이에 끼움으로써 형성된다. 각각의 세퍼레이터 (28) 는 제 1 플레이트 (30), 제 2 플레이트 (32) 및 제 3 플레이트 (34) 를 포함한다. 예컨대, 제 1 플레이트 ~ 제 3 플레이트 (30, 32, 34) 는 예컨대 스테인리스 합금의 금속 플레이트이다. 제 1 플레이트 (30) 및 제 3 플레이트 (34) 는 예컨대 납땜에 의해 제 2 플레이트 (32) 의 양쪽 표면에 결합된다 (도 2 및 도 4 참조).
도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 플레이트 (30) 는 제 1 소직경단부 (38) 를 구비한다. 화살표 A 로 나타낸 방향으로 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급 통로 (36) 가 제 1 소직경단부 (38) 를 통해 이어진다. 제 1 소직경단부 (38) 는 좁은 교가부 (40) 를 통해 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 1 원형 디스크 (42) 와 연결된다. 제 1 원형 디스크 (42) 의 직경은 전해질 전극 조립체 (26) 의 애노드 (24) 의 직경보다 소정의 치수만큼 더 크다.
외주 영역에 인접한 중심 영역에서 애노드 (24) 와 접촉하는 제 1 원형 디스크 (42) 의 표면에 다수의 볼록부 (44) 가 형성되어 있다. 실질적으로 링 형상인 볼록부 (46) 가 볼록부 (44) 를 둘러싸도록 제 1 원형 디스크 (42) 의 외주 영역에 제공된다. 볼록부 (44) 및 실질적으로 링 형상인 볼록부 (46) 는 집전기로서 공동으로 작용하는 제 1 돌기부 (47) 이다. 도 5 에 도시되어 있는 바와 같이, 볼록부 (44) 및 링 형상인 볼록부 (46) 는 볼록부 (44), 링 형상인 볼록부 (46) 및 애노드 (24) 사이에 연료가스의 통로로서 연료가스 채널 (49) 을 형성하도록 애노드 (일 전극) (24) 쪽으로 돌출한다.
실질적으로 애노드 (24) 의 중심 영역 쪽으로 연료가스를 공급하기 위해 제 1 원형 디스크 (42) 의 중심에 연료가스 입구 (48) 가 제공된다. 볼록부 (44) 는 실질적으로 링 형상인 볼록부 (46) 의 표면과 동일한 평면에 있는 표면에 복수의 홈을 만듦으로써 형성될 수도 있다.
도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 제 3 플레이트 (34) 는 제 2 소직경단부 (52) 를 구비한다. 산소함유가스를 화살표 A 로 나타낸 방향으로 공급하기 위한 산소함유가스 공급 통로 (50) 가 제 2 소직경단부 (52) 를 통해 이어진다. 제 2 소직경단부 (52) 는 좁은 교가부 (54) 를 통해 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 2 원형 디스크 (56) 와 연결된다. 제 2 원형 디스크 (56) 의 직경은 캐소드 (22) 보다 소정의 치수만큼 더 크다.
복수의 제 2 볼록부 (58) 가 전해질 전극 조립체 (26) 의 캐소드 (22) 와 접촉하는 제 2 원형 디스크 (56) 의 전체 표면에 형성되어 있다. 제 2 볼록부 (58) 는 집전기로서 작용한다. 도 5 에 도시되어 있는 바와 같이, 제 2 볼록부 (58) 는 제 2 볼록부 (58) 와 캐소드 (22) 사이에 산소함유가스 채널 (59) 을 형성하도록 캐소드 (타 전극) (22) 쪽으로 돌출한다. 실질적으로 캐소드 (22) 의 중심 영역 쪽으로 산소함유가스를 공급하기 위해 제 2 원형 디스크 (56) 의 중심에 산소함유가스 입구 (60) 가 제공된다.
도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 제 2 플레이트 (32) 는 제 3 소직경 단부 (62) 및 제 4 소직경단부 (64) 를 포함한다. 연료가스 공급 통로 (36) 는 제 3 소직경단부 (62) 를 통해 이어지고, 산소함유가스 공급 통로 (50) 는 제 4 소직경단부 (64) 를 통해 이어진다. 제 3 소직경단부 (62) 및 제 4 소직경단부 (64) 는 각각 좁은 교가부 (66, 68) 를 통해 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 3 원형 디스크 (70) 와 연결된다. 제 1 원형 디스크 ~ 제 3 원형 디스크 (42, 56, 70) 는 동일한 직경을 갖는다.
제 2 플레이트 (32) 는 제 1 플레이트 (30) 를 향하는 표면에 제 3 소직경단부 (62) 에 반경방향으로 형성된 복수의 슬릿 (72) 을 구비한다. 슬릿 (72) 은 연료가스 공급 통로 (36) 에 연결된다. 또한, 슬릿 (72) 은 제 3 소직경단부 (62) 의 외주 영역을 따라 형성된 홈 (74) 에 연결된다. 홈 (74) 은 납땜 재료가 슬릿 (72) 및 홈 (74) 의 내측 영역으로 진입하는 것을 방지한다. 연료가스 공급 채널 (76) 이 교가부 (66) 및 제 3 원형 디스크 (70) 의 표면에 형성되어 있다 (도 2 ~ 도 5 참조). 연료가스는 슬릿 (72) 을 통해 연료가스 공급 통로 (36) 로부터 연료가스 공급 채널 (76) 로 흐른다. 복수의 제 3 볼록부 (78) 가 제 3 원형 디스크 (70) 에 형성되어 있으며, 제 3 볼록부 (78) 는 연료가스 공급 채널 (76) 의 일부이다.
도 4 에 도시되어 있는 바와 같이, 제 2 플레이트 (32) 는 제 3 플레이트 (34) 와 접촉하는 표면에 제 4 소직경단부 (64) 에 반경방향으로 형성된 복수의 슬릿 (80) 을 구비한다. 슬릿 (80) 은 산소함유가스 공급 통로 (50) 에 연결된다. 또한, 슬릿 (80) 은 홈 (82) 에 연결된다. 홈 (82) 은 납땜 재료가 슬릿 (80) 및 홈 (82) 내측 영역으로 진입하는 것을 방지한다. 산소함유가스 공급 채널 (84) 이 제 3 원형 디스크 (70) 에 형성되어 있다. 산소함유가스는 슬릿 (80) 을 통해 산소함유가스 공급 통로 (50) 로부터 제 3 원형 디스크 (70) 로 흐른다. 산소함유가스 공급 채널 (84) 은 제 3 원형 디스크 (70) 의 외주 영역에 의해 닫힌다.
제 1 플레이트 (30) 는 제 1 플레이트 (30) 와 제 2 플레이트 (32) 사이의 연료가스 공급 통로 (36) 에 연결된 연료가스 공급 채널 (76) 을 형성하도록 납땜에 의해 제 2 플레이트 (32) 의 일 표면에 결합된다.
연료가스 공급 채널 (76) 은 애노드 (24) 의 전극 표면 위에서 제 1 원형 디스크 (42) 와 제 3 원형 디스크 (70) 사이에 제공된다. 제 1 원형 디스크 (42) 는 연료가스 공급 채널 (76) 과 애노드 (24) 사이에 제공된다. 즉, 연료가스가 연료가스 공급 채널 (76) 에 공급될 때 압력에 의해 제 1 원형 디스크 (42) 가 애노드 (24) 와 밀착하도록 연료가스 압력 챔버 (86) 가 형성된다 (도 5 참조). 연료가스 압력 챔버 (86) 는 연료가스 입구 (48) 를 통해 연료가스 채널 (49) 에 연결된다.
제 2 플레이트 (32) 는 산소함유가스 공급 통로 (50) 에 연결된 산소함유가스 공급 채널 (84) 을 제 2 플레이트 (32) 와 제 3 플레이트 (34) 사이에 형성하도록 납땜에 의해 제 3 플레이트 (34) 에 결합된다 (도 5 참조).
산소함유가스 공급 채널 (84) 은 캐소드 (22) 의 전극 표면 위에서 제 2 원형 디스크 (56) 와 제 3 원형 디스크 (70) 사이에 제공된다. 제 2 원형 디스크 (56) 는 산소함유가스 공급 채널 (84) 과 캐소드 (22) 사이에 제공된다. 즉, 산소함유가스가 산소함유가스 공급 채널 (84) 에 제공될 때 압력에 의해 제 2 원형 디스크 (56) 가 캐소드 (22) 에 밀착하도록 산소함유가스 압력 챔버 (88) 가 형성 된다. 산소함유가스 압력 챔버 (88) 는 산소함유가스 입구 (60) 를 통해 산소함유가스 채널 (59) 에 연결된다.
도 2 및 도 5 에 도시되어 있는 바와 같이, 링 형상 환상 부재 (90) 및 링 박 (밀봉 부재) (92) 이 한 쌍의 세퍼레이터 (28) 사이에 제공된다. 환상 부재 (90) 는 전해질 전극 조립체 (26) 의 외주부 주위에 제공된다. 링 박 (92) 은 전해질 전극 조립체 (26) 의 외측 단부와 세퍼레이터 (28) 사이의 위치로부터 환상 부재 (90) 와 세퍼레이터 (28) 사이의 위치까지 이어진다.
환상 부재 (90) 는 알루미나 재료, 니켈 재료, 스테인리스 재료 등과 같은 금속에 절연체를 임베딩 (embedding) 하거나, 또는 세라믹 등의 절연 코팅을 상기 금속에 제공함으로써 형성된다. 소정의 치수 (H) 를 갖는 링 형상 챔버 (94) 가 환상 부재 (90) 의 내면 (90a) 과 전해질 전극 조립체 (26) 의 외면 사이에 형성된다. 애노드 (24) 에서 사용된 후의 연료가스 (제 1 배기 가스) 가 챔버 (94) 에 보유될 수 있다. 챔버 (94) 로부터 연료 전지 (10) 의 외부로 제 1 배기 가스를 배출하기 위해 복수의 홈 (개구부) (96) 이 소정의 간격으로 형성되어 있다.
링 박 (92) 의 재료로서, 니켈, 스테인리스강, 및 백금과 같은 귀금속이 사용될 수 있다. 링 박 (92) 의 내측 단부는 전해질 전극 조립체 (26) 의 캐소드 (22) 의 외측 단부와 접촉하고, 링 박 (92) 의 외측 단부는 환상 부재 (90) 와 접촉한다. 환상 부재 (90) 는 강체 구조를 가지며, 링 박 (92) 은 가요성 구조를 갖는다.
링 박 (92) 으로서 사용되는 금속 박은 절연층을 포함할 수도 있다. 절연층은 링 박 (92) 과 같은 종류의 절연체로 만들어지는 박 부재를 포함할 수도 있고, 또는 금속 박에 절연체를 직접 코팅함으로써 형성될 수도 있다. 절연층은 전극 (20) 또는 캐소드 (22) 의 외측 단부와 접촉한다.
도 5 에 도시되어 있는 바와 같이, 전해질 전극 조립체 (26) 는 애노드 (24) 의 두께가 전해질 (20) 의 두께 및 캐소드 (22) 의 두께보다 상당히 더 큰 애노드 지지 셀 (ASC) 을 채택한다. 산소함유가스의 누설을 방지하기 위해서 캐소드 (22) 의 외주면에 치밀화 처리를 한다. 도 6 에 도시되어 있는 바와 같이, 대안적으로는, 캐소드 (22) 의 직경은 전해질 (20) 의 직경보다 더 작을 수도 있다. 상기 구조에 있어서, 링 박 (92) 은 전해질 (20) 의 외측 단부와 직접 접촉한다.
연료가스 공급 통로 (36) 를 밀봉하기 위한 절연 밀봉부 (98a) 및 산소함유가스 공급 통로 (50) 를 밀봉하기 위한 절연 밀봉부 (98b) 가 세퍼레이터 (28) 사이에 제공된다 (도 2 및 도 5 참조). 예컨대, 절연 밀봉부 (98a, 98b) 는 운모 재료 또는 세라믹 재료로 만들어진다.
도 1 에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지 스택 (12) 은 함께 적층된 복수의 연료 전지 (10), 및 적층 방향으로 양 단부에 제공된 단부 플레이트 (100a, 100b) 를 포함한다. 단부 플레이트 (100a) 또는 단부 플레이트 (100b) 는 체결 볼트 (108) 로부터 전기적으로 절연된다. 제 1 파이프 (102) 및 제 2 파이프 (104) 는 단부 플레이트 (100a) 를 통과해 이어진다. 제 1 파이프 (102) 는 연 료가스 공급 통로 (36) 에 연결되고, 제 2 파이프 (104) 는 산소함유가스 공급 통로 (50) 에 연결된다. 단부 플레이트 (100a, 100b) 는 연료가스 공급 통로 (36) 의 상하 위치와 산소함유가스 공급 통로 (50) 의 상하 위치에 볼트 구멍 (106) 을 구비한다. 체결 볼트 (108) 는 각각의 볼트 구명 (106) 에 삽입되고, 각각의 체결 볼트 (108) 의 첨단부는 연료 전지 스택 (12) 을 체결하기 위해 너트 (110) 에 조여진다.
다음으로, 연료 전지 스택 (12) 의 작동을 이하에서 설명할 것이다.
도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지 (10) 의 조립에 있어서, 우선 세퍼레이터 (28) 의 제 1 플레이트 (30) 는 제 2 플레이트 (32) 의 일 표면에 결합되고, 제 3 플레이트 (34) 는 제 2 플레이트 (32) 의 타 표면에 결합된다. 따라서, 제 2 플레이트 (32) 는 연료가스 공급 통로 (36) 에 연결된 연료가스 공급 채널 (76) 및 산소함유가스 공급 통로 (50) 에 연결된 산소함유가스 공급 채널 (84) 을 형성하도록 세퍼레이터 (28) 의 공간을 나눈다 (도 3 참조).
또한, 연료가스 압력 챔버 (36) 는 제 1 원형 디스크 (42) 와 제 3 원형 디스크 (70) 사이에 형성되어 있고, 산소함유가스 압력 챔버 (88) 는 제 2 원형 디스크 (56) 와 제 3 원형 디스크 (70) 사이에 형성되어 있다 (도 5 참조).
그 다음에, 세퍼레이터 (28) 및 전해질 전극 조립체 (26) 는 교대로 적층되고, 환상 부재 (90) 가 세퍼레이터 (28) 의 제 1 원형 디스크 (42) 에 제공된다. 링 박 (92) 은 환상 부재 (90), 및 전해질 전극 조립체 (26) 의 캐소드 (22) 의 외측 단부 (또는 도 6 에 도시된 전해질 (20) 의 외측 단부) 에 놓인다.
그 다음에, 소정 수의 연료전지 (10) 가 함께 적층되고, 단부 플레이트 (100a, 100b) 는 적층 방향으로 양쪽 단부에 제공된다. 체결 볼트 (108) 는 단부 플레이트 (100a, 100b) 의 각각의 볼트 구멍 (106) 에 삽입되고, 체결 볼트 (108) 의 첨단부는 연료 전지 스택 (12) 을 형성시키도록 너트 (110) 에 조여진다 (도 1 참조).
제 1 실시예에 있어서, 도 5 에 도시되어 있는 바와 같이, 환상 부재 (90) 및 링 박 (92) 은 세퍼레이터 (28) 사이에 제공되고, 링 박 (92) 은 전해질 전극 조립체 (26) 의 외측 단부와 세퍼레이터 (28) 사이의 위치로부터 환상 부재 (90) 와 세퍼레이터 (28) 사이의 위치까지 이어진다.
상기 구조에 있어서, 적층 하중이 체결 볼트 (108) 를 통해 연료 전지 스택 (12) 에 가해질 때, 우선 거의 모든 체결 하중이 강체 구조를 갖는 환상 부재 (90) 에 전달된다. 그러므로, 세퍼레이터 (28) 사이의 구성요소는 적절하게 위치될 수 있고, 세퍼레이터 (28) 사이에 원하는 밀봉 성능이 유지된다.
또한, 링 박 (92) 은 가요성 구조를 가지기 때문에, 링 박 (92) 은 상대적으로 작은 하중에 의한 압력하에서도 변형가능하다. 즉, 링 박 (92) 에 약간의 체결 하중을 더 가함으로써, 링 박 (92) 은 전해질 전극 조립체 (26) 와 세퍼레이터 (28) 사이, 그리고 환상 부재 (90) 와 세퍼레이터 (28) 사이에 밀착되게 삽입되고, 원하는 체결 성능이 달성된다.
도 1 에 있어서, 연료가스 (즉, 수소함유가스) 는 단부 플레이트 (100a) 에 연결된 제 1 파이프 (102) 에 공급되고, 제 1 파이프 (102) 로부터 연료가스 공급 통로 (36) 로 흐른다. 산소함유가스 (이하, "공기" 라고도 함) 는 단부 플레이트 (100a) 에 연결된 제 2 파이프 (104) 에 공급되고, 산소함유가스는 제 2 파이프 (104) 로부터 산소함유가스 공급 통로 (50) 로 흐른다.
도 5 에 도시되어 있는 바와 같이, 연료가스가 연료가스 공급 통로 (36) 로 흐른 후에, 연료가스는 화살표 A 로 표시된 적층 방향으로 흐르고, 각각의 연료전지 (10) 의 세퍼레이터 (28) 의 연료가스 공급 채널 (76) 에 공급된다. 연료가스는 연료가스 공급 채널 (76) 을 따라 흐르고, 제 1 원형 디스크 (42) 와 제 3 원형 디스크 (70) 사이의 연료가스 압력 챔버 (86) 로 흐른다. 연료가스는 제 3 볼록부 (78) 사이를 흐르고, 제 1 원형 디스크 (42) 의 중심 위치에서 연료가스 입구 (48) 로 흐른다.
연료가스 입구 (48) 는 각각의 전해질 전극 조립체 (26) 의 애노드 (24) 의 중심 위치에 대응하는 위치에 제공된다. 그러므로, 연료가스 입구 (48) 로부터 오는 연료가스는 연료가스 채널 (49) 에 공급되고, 애노드 (24) 의 중심 영역으로부터 애노드 (24) 의 외주 영역 쪽으로 흐른다.
산소함유가스가 산소함유가스 공급 통로 (50) 로 흐른 이후에, 산소함유가스는 산소함유가스 공급 채널 (84) 을 통해 세퍼레이터 (28) 로 흐르고, 제 2 원형 디스크 (56) 와 제 3 원형 디스크 (70) 사이의 산소함유가스 압력 챔버 (88) 로 공급된다. 산소함유가스는 제 2 원형 디스크 (56) 의 중심 위치에 있는 산소함유가스 입구 (60) 로 흐른다.
산소함유가스 입구 (60) 는 각각의 전해질 전극 조립체 (26) 의 캐소드 (22) 의 중심 위치에 대응하는 위치에 제공된다. 그러므로, 산소함유가스 입구 (60) 로부터오는 산소함유가스는 산소함유가스 채널 (59) 에 공급되고, 캐소드 (22) 의 중심 영역으로부터 캐소드 (22) 의 외주 영역으로 흐른다.
따라서, 각각의 전해질 전극 조립체 (26) 에 있어서, 연료가스는 애노드 (24) 의 중심 영역으로부터 애노드 (24) 의 외주 영역으로 공급되고, 산소함유가스는 캐소드 (22) 의 중심 영역으로부터 캐소드 (22) 의 외주 영역으로 공급되어, 전기를 발생시킨다. 오프가스로서 발전에 사용된 연료가스 (이하, "제 1 배기 가스 (FGoff)" 라 함), 및 발전에 사용된 산소함유가스 (이하, "제 2 배기 가스 (OGoff)" 라 함) 는 제 1 원형 디스크 ~ 제 3 원형 디스크 (42, 56, 70) 의 외주 부분으로부터 배출된다.
제 1 실시예에 있어서, 도 5 에 도시되어 있는 바와 같이, 챔버 (94) 는 전해질 전극 조립체 (26) 의 외주와 환상 부재 (90) 의 내면 (90a) 사이에 형성되어 있다. 전해질 전극 조립체 (26) 의 애노드 (24) 로부터 배출되는 제 1 배기 가스 (FGoff) 는 챔버 (94) 에 일시적으로 보유된다.
전해질 전극 조립체 (26) 의 캐소드 (22) 로부터 배출되는 제 2 배기 가스 (OGoff) 는 전해질 전극 조립체 (26) 의 외측 단부와 밀착되는 링 박 (92) 과 세퍼레이터 (28) 의 제 2 원형 디스크 (56) 사이의 공간을 통해 연료 전지 스택 (12) 의 외부로 흐른다. 또한, 챔버 (94) 의 제 1 배기 가스 (FGoff) 는 환상 부재 (90) 에 형성된 홈 (96) 을 통해 연료 전지 스택 (12) 의 외부로 흐른다.
상기 구조에 있어서, 애노드 (24) 로부터 배출되는 제 1 배기 가스 (FGoff) 는 환상 부재 (90) 의 홈 (96) 을 통해 챔버 (94) 로부터 전해질 전극 조립체 (26) 의 외부로 흐르고, 캐소드 (22) 로부터 배출되는 제 2 배기 가스 (OGoff) 는 링 박 (92) 을 통해 제 1 배기 가스 (FGoff) 와 접촉하는 일 없이 전해질 전극 조립체 (26) 의 외부로 배출된다.
따라서, 전해질 전극 조립체 (26) 부근의 영역에서, 제 1 배기 가스 (FGoff) 및 제 2 배기 가스 (OGoff) 의 연소를 확실하게 방지할 수 있고, 전해질 전극 조립체 (26) 의 발전 효율 및 내구성을 적절히 향상시킬 수 있다.
또한, 환상 부재 (90) 및 링 박 (92) 은 서로 전기적으로 절연된다. 따라서, 애노드 (24) 와 캐소드 (22) 사이의 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 세퍼레이터 (28) 는 애노드 (24) 의 표면에 중심 영역으로부터 외주 영역으로 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 채널 (49) 을 구비하고, 캐소드 (22) 의 표면에 중심 영역으로부터 외주 영역으로 산소함유가스를 공급하기 위한 산소함유가스 채널 (59) 을 구비한다. 그러므로, 연료가스 및 산소함유가스는 균일하게 흐른다. 그 결과, 바람직하게는 균일한 발전 반응이 달성되고, 열 왜곡이 감소되며, 연료가스 이용율이 향상된다.
또한, 연료가스 압력 챔버 (86) 및 산소함유가스 압력 챔버 (88) 는 세퍼레이터 (28) 에 제공된다. 연료가스가 연료가스 압력 챔버 (86) 에 공급될 때, 제 1 원형 디스크 (42) 는 압력에 의해 애노드 (24) 를 누르게 된다. 또한, 산소함유가스가 산소함유가스 압력 챔버 (88) 에 공급될 때, 제 2 원형 디스크 (56) 는 압력에 의해 캐소드 (22) 를 누르게 된다. 그러므로, 연료가스 및 산소함유 가스가 연료가스 압력 챔버 (86) 및 산소함유가스 압력 챔버 (88) 로 각각 흐를 때, 압력에 의해 링 박 (92) 에 가해지는 하중은 증가하며, 링 박 (92) 에 의한 밀봉 성능의 향상이 달성된다. 따라서, 제 1 배기 가스 (FGoff) 및 제 2 배기 가스 (OGoff) 는 적절하게 분리된다.
또한, 환상 부재 (90) 가 적층 방향으로 연료 전지 스택 (12) 에 가해지는 체결 하중의 대부분을 받기 때문에, 전해질 전극 조립체 (26) 에 가해지는 하중은 감소된다. 따라서, 연료 전지 스택 (12) 에 큰 체결 하중이 가해지는 경우에도, 전해질 전극 조립체 (26) 는 손상되지 않고, 그 결과 작동 성능의 향상이 달성되며, 밀봉 성능의 향상이 쉽게 달성된다.
또한, 제 1 실시예에 있어서, 환상 부재 (90) 는 전해질 전극 조립체 (26) 의 외주면과 환상 부재 (90) 의 내면 (90a) 사이에 챔버 (94) 를 형성하도록 전해질 전극 조립체 (26) 의 외주면으로부터 이격되어 있다. 따라서, 환상 부재 (90) 는 전해질 전극 조립체 (26) 와 직접 접촉하지 않고, 환상 부재 (90) 와 전해질 전극 조립체 (26) 사이의 열 팽창 차이로 인한 변형 또는 손상을 회피할 수 있다.
또한, 챔버 (94) 에 일시적으로 보유되는 제 1 배기 가스 (FGoff) 의 압력은 외부 압력에 비해 높은 수준으로 유지된다. 그러므로, 제 1 배기 가스 (FGoff) 는 환상 부재 (90) 의 홈 (96) 으로부터 외부로 균일하게 배출되고, 외부 대기가 챔버 (94) 로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 (120) 를 보여주는 분해 사시도이다. 도 8 은 연료 전지 (120) 의 작동을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
제 1 실시예에 따른 연료 전지 (10) 와 동일한 구성 요소는 동일한 도면부호 나타내며, 그 설명은 생략될 것이다. 또한, 하기와 같은 제 3 내지 제 7 실시예에서, 제 1 실시예에 따른 연료 전지 (10) 와 동일한 구성 요소는 동일한 도면부호로 나타내며, 그 설명은 생략될 것이다.
연료 전지 (120) 에 있어서, 제 1 실시예의 경우와는 반대로, 환상 부재 (90) 가 링 박 (92) 에 제공된다. 링 박 (92) 의 내측 단부는 세퍼레이터 (28) 의 제 1 플레이트 (30) 와 전해질 전극 조립체 (26) 의 애노드 (24) 의 외측 단부 사이에 밀착되게 삽입되고, 링 박 (92) 의 외측 단부는 환상 부재 (90) 와 제 1 플레이트 (30) 사이에 밀착되게 삽입된다.
제 1 플레이트 (30) 는 링 박 (92) 과 홈 (122) 사이의 공간으로부터 오프가스를 배출하기 위한 홈 (122) 을 구비한다. 환상 부재 (90) 의 홈 (96) 은 세퍼레이터 (28) 의 제 3 플레이트 (34) 의 외측 단부에 제공된다. 챔버 (94) 는 홈 (96) 을 통해 외부로 개방된다.
전해질 전극 조립체 (26) 는 캐소드 (22) 의 두께 및 애노드 (24) 의 두께에 비해 상당히 큰 두께를 갖는 전해질 (20) 을 포함한다. 연료가스의 누설을 방지하기 위해 애노드 (24) 의 외주면에 치밀화 처리를 한다.
제 2 실시예에 있어서, 캐소드 (22) 에서의 사용 이후에, 제 2 배기 가스 (OGoff) 는 캐소드 (22) 의 외주 단부 표면으로부터 챔버 (94) 안으로 흐르고, 환 상 부재 (90) 의 홈 (96) 을 통해 연료 전지 (120) 의 외부로 흐른다. 또한, 애노드 (24) 에서의 사용 이후에, 제 1 배기 가스 (FGoff) 는 링 박 (92) 과 제 1 플레이트 (30) 사이의 공간을 통해 연료 전지 (120) 의 외부로 흐른다.
따라서, 제 1 배기 가스 (FGoff) 는 챔버 (94) 로 들어가지 않는다. 제 1 배기 가스 (FGoff) 및 제 2 배기 가스 (OGoff) 의 연소를 가능한 많이 방지할 수 있다. 따라서, 제 1 실시예에서와 동일한 이점이 달성될 수 있다. 예컨대, 전해질 전극 조립체 (26) 의 발전 효율 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 9 는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료 전지 (130) 를 도시하는 분해 사시도이다. 도 10 은 연료 전지 (130) 의 작동을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
연료 전지 (130) 는 전해질 전극 조립체 (26) 를 한 쌍의 세퍼레이터 (132) 끼움으로써 형성된다. 세퍼레이터 (32) 는 제 1 플레이트 (30), 제 2 플레이트 (32) 및 제 3 플레이트 (134) 를 포함한다. 제 3 플레이트 (134) 는 캐소드 (22) 를 바라보는 표면에 도전성 메쉬 부재 (136) 를 구비한다. 예컨대, 메쉬 부재 (136) 는 스테인리스강 (SUS 재료) 등의 와이어 로드로 만들어지며, 원통형 형상을 갖는다.
메쉬 부재 (136) 의 두께는, 적층 방향의 하중이 메쉬 부재 (136) 에 가해질 때, 메쉬 부재 (136) 가 바람직하게 변형되도록 결정된다. 메쉬 부재 (136) 는 제 2 원형 디스크 (56) 의 표면에 직접 접촉하고, 산소함유가스 채널 (59) 이 메쉬 부재 (136) 에 형성된다.
제 3 실시예에 있어서, 도 10 에 도시되어 있는 바와 같이, 메쉬 부재 (136) 에 형성된 산소함유가스 채널 (59) 에 공급되는 산소함유가스는 반응에 사용되고, 그 다음 사용 이후의 산소함유가스는 메쉬 부재 (136) 를 통해 연료 전지 (130) 의 외부로 배출된다. 이때, 링 박 (92) 은 메쉬 부재 (136) 와 챔버 (94) 사이에 차폐물로서 제공된다. 그러므로, 제 2 배기 가스 (OGoff) 는 챔버 (94) 로 흐르지 않는다. 따라서, 챔버 (94) 에서의 연소가 적절하게 방지된다. 그 결과, 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 경우에서와 동일한 이점이 획득될 수 있다.
도 11 은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료 전지 (140) 의 분해 사시도이다. 도 12 는 연료 전지 (140) 의 작동을 보여주는 단면도이다.
연료 전지 (140) 는 전해질 전극 조립체 (26) 를 한 쌍의 세퍼레이터 (142) 사이에 끼움으로써 형성된다. 세퍼레이터 (142) 는 제 1 플레이트 (144), 제 2 플레이트 (32) 및 제 3 플레이트 (146) 를 포함한다. 제 1 메쉬 부재 (148), 및 제 1 메쉬 부재 (148) 와 연결되는 링 부분 (150) 이 애노드 (24) 를 바라보는 제 1 플레이트 (144) 의 표면에 제공되고, 제 2 메쉬 부재 (152) 가 캐소드 (22) 를 바라보는 제 3 플레이트 (146) 의 표면에 제공된다.
제 1 메쉬 부재 (148) 및 제 2 메쉬 부재 (152) 각각은 원통형 디스크 형상을 가지며, 스테인리스강 (SUS 재료) 등의 와이어 로드 재료로 만들어진다. 연료가스 채널 (49) 이 제 1 메쉬 부재 (148) 에 형성되고, 산소함유가스 채널 (59) 이 제 2 메쉬 부재 (152) 에 형성된다. 환상 부재 (154) 및 링 박 (92) 은 세퍼레이터 (142) 사이에 제공된다.
예컨대, 환상 부재 (154) 는 니켈 (금속) 에 세라믹 코팅을 제공함으로써 형성되고, 복수의 홈 (158) 이 소정의 간격으로 형성된다. 환상 부재 (154) 는 링 부분 (150) 에 대응하여 제 1 플레이트 (144) 의 제 1 원형 디스크 (42) 에 제공된다. 링 박 (92) 은 환상 부재 (154) 에 놓인다.
제 4 실시예에 있어서, 애노드 (24) 에서의 사용 이후에, 연료가스는 제 1 배기 가스 (FGoff) 로서 제 1 메쉬 부재 (148) 로부터 챔버 (94) 로 흐르며, 그 다음 연료가스는 환상 부재 (154) 의 홈 (158) 을 통해 흐르고 연료 전지 (140) 의 외부로 배출된다. 캐소드 (22) 에서의 사용 이후에, 산소함유가스는 제 2 배기 가스 (OGoff) 로서 제 2 메쉬 부재 (152) 를 통해 흐르고, 연료 전지 (140) 의 외부로 배출된다. 이때, 제 2 배기 가스 (OGoff) 가 챔버 (94) 로 누설되는 것이 링 박 (92) 에 의해 방지된다. 따라서, 챔버 (94) 에서의 연소가 가능한 많이 방지된다.
도 13 은 본 발명의 제 5 실시예에 다른 연료 전지 (170) 를 보여주는 분해 사시도이다. 도 14 는 연료 전지 (170) 의 작동을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
환상 부재 (172), 절연 링 (174), 및 링 박 (92) 이 세퍼레이터 (28) 사이에 제공된다. 예컨대, 환상 부재 (172) 는 니켈로 만들어지고, 절연 링 (174) 은 운모 재료 등으로 만들어진다. 환상 부재 (172) 는 링 박 (92) 으로부터 전기적으로 절연된다.
제 5 실시예에 있어서, 환상 부재 (172), 절연 링 (174), 및 링 박 (92) 은 적층된 세퍼레이터 (28) 사이에 제공된다. 따라서, 세퍼레이터 (28) 사이의 전기 절연이 확실하게 실행될 수 있다.
도 15 는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 연료 전지 (180) 를 보여주는 분해 사시도이다. 도 16 은 연료 전지 (180) 의 작동을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
연료 전지 (180) 에 있어서, 환상 부재 (182), 절연 링 (184), 및 링 박 (92) 은 세퍼레이터 (28) 사이에 제공된다. 예컨대, 환상 부재 (182) 는 니켈로 만들어지고, 안쪽으로 돌출하는 내측 플랜지 (186) 를 구비한다. 절연 링 (184) 은 상대적으로 얇으며, 내측 플랜지 (186) 에 놓인다. 또한, 링 박 (92) 은 절연 링 (184) 에 놓인다.
상기 구조에 있어서, 환상 부재 (182) 는 얇은 절연 링 (184) 을 링 박 (92) 에 적절하게 누르며, 바람직하게는 전기 절연이 더 향상된다.
도 17 은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 연료 전지 (200) 를 적층시킴으로써 형성되는 연료 전지 스택 (202) 을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 18 및 도 19 에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지 (200) 는 복수, 예컨대 8 개의 전해질 전극 조립체 (26) 를 한 쌍의 세퍼레이터 (208) 에 끼움으로써 형성된다. 8 개의 전해질 전극 조립체 (26) 는 가상의 동심원을 따라 배치되고, 연료가스 공급 통로 (36) 가 세퍼레이터 (208) 의 중심을 통해 이어진다.
세퍼레이터 (208) 는 함께 적층되는 제 1 플레이트 (210), 제 2 플레이트 (212), 및 제 3 플레이트 (214) 를 포함한다. 예컨대, 제 1 플레이트 ~ 제 3 플레이트 (210, 212, 214) 는 예컨대 스테인리스 합금의 금속 플레이트이다.
제 1 플레이트 (210) 는 제 1 소직경단부 (216) 를 구비한다. 연료가스 공급 통로 (36) 가 제 1 소직경단부 (216) 의 중심을 통해 이어진다. 또한, 제 1 플레이트 (210) 는 각각 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 1 원형 디스크 (220) 를 포함한다. 제 1 소직경단부 (216) 는 복수의 교가부 (218) 를 통해 제 1 원형 디스크 (220) 와 연결된다. 교가부 (218) 는 제 1 소직경단부 (216) 로부터 반경방향 외측으로 동일한 간격 (각도) 으로 이어진다. 또한, 배기가스 채널 (222) 이 제 1 원형 디스크 (220) 주위의 안쪽 영역에 형성되어 있다.
각각의 제 1 원형 디스크 (220) 는 전해질 전극 조립체 (26) 의 애노드 (24) 와 접촉하는 표면에 제 1 돌기부 (47) 를 구비한다. 제 1 돌기부 (47) 는 복수의 볼록부 (44) 및 링 형상 볼록부 (46) 를 포함한다. 연료가스 입구 (48) 가 제 1 원형 디스크 (220) 의 중심에 형성되어 있다. 연료가스 입구 (48) 는 연료가스 채널 (49) 에 연결된다.
제 3 플레이트 (214) 는 곡선형 외측 구역 (224) 을 구비한다. 곡선형 외측 구역 (224) 의 각각의 원호 부분은 원호 부분으로부터 내부로 이어지는 교가부 (226) 를 통해 각각 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 2 원형 디스크 (228) 와 연결된다. 제 1 플레이트 (210) 의 제 1 원형 디스크 (220) 의 경우에서와 같이, 8 개의 제 2 원형 디스크 (228) 가 동일한 간격 (각도) 으로 배치된다. 제 2 원형 디스크 (228) 각각은 전해질 전극 조립체 (26) 의 캐소드 (22) 와 접촉하는 표면에 복수의 제 2 볼록부 (58) 를 구비한다. 산소함유가스 입구 (60) 가 제 2 원형 디스크 (228) 각각의 중심에 형성된다. 산소함유가스 입구 (60) 는 산소함유가스 채널 (59) 에 연결된다.
제 2 플레이트 (212) 는 제 2 소직경단부 (230) 를 구비한다. 연료가스 공급 통로 (36) 는 제 2 소직경단부 (230) 의 중심을 통해 이어진다. 8 개의 교가부 (232) 가 제 2 소직경단부 (230) 로부터 반경방향으로 이어진다. 교가부 (232) 의 전방 단부는 각각 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 3 원형 디스크 (234) 와 연결된다. 제 3 원형 디스크 (234) 는 교가부 (232) 의 연장선을 따라 교가부 (236) 에 연결된다. 모든 교가부 (236) 는 곡선형 외측 구역 (238) 과 연결된다.
복수의 제 3 볼록부 (78) 가 제 1 플레이트 (210) 를 바라보는 제 3 원형 디스크 (234) 의 전체 표면에 형성되어 있다. 슬릿 (72) 및 홈 (74) 이 제 2 소직경단부 (230) 에 형성되어 있다. 연료가스 공급 채널 (76) 의 일부가 교가부 (232) 에 형성되어 있다.
도 20 에 도시되어 있는 바와 같이, 제 2 플레이트 (212) 의 곡선형 외측 구역 (238) 은 제 3 플레이트 (214) 를 바라보는 표면에서 각각의 제 3 원형 디스크 (234) 에 대응하는 위치에 공기 흡입 통로로서 복수의 슬릿 (240) 을 구비한다. 또한, 납땜 재료의 흐름을 방지하기 위한 홈 (242) 이 곡선형 외측 구역 (238) 의 프로파일을 따라 형성되어 있다.
제 1 플레이트 (210) 의 교가부 (218) 및 제 2 플레이트 (212) 의 교가부 (232) 는 연료가스 채널 부재를 형성하도록 납땜에 의해 함께 결합될 때, 연료가스 공급 채널 (76) 의 일부가 연료가스 채널 부재에 형성된다. 또한, 연료가스 공급 채널 (76) 은 제 1 원형 디스크 (220) 와 제 3 원형 디스크 (234) 사이에 연료가스 압력 챔버 (86) 를 포함한다.
제 2 플레이트 (212) 의 교가부 (236) 및 제 3 플레이트 (214) 의 교가부 (226) 가 산소함유가스 채널 부재를 형성하도록 납땜에 의해 함께 결합될 때, 산소함유가스 공급 채널 (84) 의 일부가 산소함유가스 채널 부재에 형성된다. 또한, 산소함유가스 공급 채널 (84) 은 제 2 원형 디스크 (228) 와 제 3 원형 디스크 (234) 사이에 산소함유가스 압력 챔버 (88) 를 포함한다.
환상 부재 (90) 는 각각의 세퍼레이터 (208) 의 제 1 원형 디스크 (220) 에 제공된다. 링 박 (92) 은 환상 부재 (90), 및 전해질 전극 조립체 (26) 의 캐소드 (22) 의 외측 단부에 놓인다.
연료가스 공급 통로 (36) 를 밀봉하기 위한 절연 밀봉체 (244) 가 세퍼레이터 (208) 사이에 제공된다. 절연 밀봉체 (246) 가 곡선형 외측 구역 (224, 238) 사이에 제공된다. 예컨대, 절연 밀봉체 (244, 246) 는 운모 재료 또는 세라믹 재료로 만들어진다.
도 17 에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지 스택 (202) 은 함께 적층된 복수의 연료 전지 (200), 및 적층 방향으로 양쪽 단부에 제공된 단부 플레이트 (250a, 250b) 를 포함한다. 단부 플레이트 (250a) 는 절연되고, 연료가스 공급 포트 (252) 가 단부 플레이트 (250a) 의 중심에 형성된다. 연료가스 공급 포트 (252) 는 각각의 연료 전지 (200) 에서 연료가스 공급 통로 (36) 에 연결된다. 단부 플레이트 (250a) 와 단부 플레이트 (250b) 사이의 구성요소는 볼트 (266) 를 사용하여 적층 방향으로 함께 체결된다.
다음으로, 연료 전지 스택 (202) 의 작동을 설명할 것이다.
도 18 에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지 (200) 의 조립에 있어서, 우선 제 1 플레이트 (210) 및 제 3 플레이트 (214) 가 세퍼레이터 (208) 의 제 2 플레이트 (212) 의 양쪽 표면에 예컨대 납땜에 의해 결합된다. 또한, 링 형상 절연 밀봉체 (244) 가 연료가스 공급 통로 (36) 주위에서 제 1 플레이트 (210) 또는 제 3 플레이트 (214) 에 제공된다. 또한, 곡선형 절연 밀봉체 (246) 가 제 2 플레이트 (212) 의 곡선형 외측 구역 (238) 또는 제 3 플레이트 (214) 의 곡선형 외측 구역 (224) 에 제공된다.
세퍼레이터 (208) 는 이와 같이 만들어진다. 도 21 에 도시되어 있는 바와 같이, 제 2 플레이트 (212) 는 연료가스 공급 채널 (76) 및 산소함유가스 공급 채널 (84) 을 형성하도록 제 1 플레이트 (210) 와 제 3 플레이트 (214) 사이의 공간을 나눈다. 또한, 연료가스 공급 채널 (76) 은 연료가스 공급 통로 (36) 에 연결되고, 산소함유가스 공급 채널 (84) 은 슬릿 (240) 을 통해 외부로 개방된다. 따라서, 산소함유가스는 연료 전지 스택 (202) 의 외부로부터 공급된다.
그 다음, 8 개의 전해질 전극 조립체 (26) 가 세퍼레이터 (208) 사이에 끼워진다. 도 18 에 도시되어 있는 바와 같이, 전해질 전극 조립체 (26) 는 세퍼레이터 (208) 사이, 즉 일 세퍼레이터 (208) 의 제 1 원형 디스크 (220) 와 타 세퍼레이터 (208) 의 제 2 원형 디스크 (228) 사이에 놓인다. 연료가스 입구 (48) 는 각각의 애노드 (24) 의 중심에 위치되고, 산소함유가스 입구 (60) 는 각각의 캐소드 (22) 의 중심에 위치된다.
환상 부재 (90) 는 각각의 세퍼레이터 (208) 의 제 1 원형 디스크 (220) 에 제공되고, 링 박 (92) 은 전해질 전극 조립체 (26) 의 캐소드 (22) 의 외측 단부 및 환상 부재 (90) 에 놓인다.
상기와 같이 조립되는 연료 전지 (200) 는 화살표 A 로 나타낸 방향으로 적층되고, 연료 전지 스택 (202) 을 형성하도록 단부 플레이트 (250a) 와 단부 플레이트 (250b) 사이에 함께 체결된다 (도 17 참조).
연료가스가 연료 전지 스택 (202) 의 연료가스 공급 통로 (36) 에 공급될 때, 연료가스는 화살표 A 로 나타낸 적층 방향으로 흐르고, 각각의 연료 전지 (200) 의 세퍼레이터 (208) 의 연료가스 공급 채널 (76) 로 흐른다 (도 21 참조).
연료가스가 연료가스 공급 채널 (76) 의 연료가스 압력 챔버 (86) 에 공급될 때, 연료가스는 좁은 연료가스 입구 (48) 로 흐르고, 연료가스 압력 챔버 (86) 의 연료가스의 내부 압력은 증가된다. 따라서, 연료가스는 연료가스 입구 (48) 로부터 연료가스 채널 (49) 로 공급된다. 연료가스는 연료가스 채널 (49) 내에서 애노드 (24) 의 중심 영역으로부터 외주 영역으로 흐른다.
산소함유가스는 각각의 연료 전지 (200) 의 외주측에 공급된다. 산소함유가스는 각각의 세퍼레이터 (208) 의 외주부에 형성된 슬릿 (240) 을 통해 산소함유가스 공급 채널 (84) 에 공급된다. 산소함유가스 공급 채널 (84) 에 공급된 산소함유가스는 좁은 산소함유가스 입구 (60) 로 흐르고, 산소함유가스 압력 챔버 (88) 의 산소함유가스의 내부 압력은 증가된다. 따라서, 산소함유가스는 산소함유가스 입구 (60) 로부터 산소함유가스 채널 (59) 로 공급된다. 산소함유가스는 산소함유가스 채널 (59) 내부에서 캐소드 (26) 의 중심 영역으로부터 캐소드 (22) 의 외주 영역으로 흐른다.
따라서, 전해질 전극 조립체 (26) 에 있어서, 연료가스는 애노드 (24) 의 중심 영역으로부터 외주 영역으로 흐르고, 산소함유가스는 캐소드 (22) 의 중심 영역으로부터 외주 영역으로 흐른다 (도 21 참조). 이때, 산소 이온은 전기화학 반응으로 전기를 발생시키기 위해 전해질 (20) 을 통해 애노드 (24) 쪽으로 흐른다.
제 7 실시예에 있어서, 제 1 실시예 ~ 제 6 실시예의 경우에서와 동일한 이점이 획득될 수 있다.

Claims (14)

  1. 전해질 전극 조립체 (26) 및 세퍼레이터 (28) 를 적층시킴으로써 형성되는 연료 전지 (10) 로서, 상기 전해질 전극 조립체 (26) 는 애노드 (24), 캐소드 (22), 및 상기 애노드 (24) 와 상기 캐소드 (22) 사이에 삽입되는 전해질 (20) 을 포함하며, 상기 연료 전지 (10) 는,
    상기 전해질 전극 조립체 (26) 의 외측 단부와 상기 세퍼레이터 (28) 사이의 위치로부터 상기 세퍼레이터 (28) 의 외주까지 이어지는 밀봉 부재 (92) 를 포함하고,
    상기 밀봉 부재 (92) 는 상기 애노드 (24) 및 상기 캐소드 (22) 중 일 전극에서 사용된 제 1 배기 가스가 상기 애노드 (24) 및 상기 캐소드 (22) 중 다른 전극으로 들어가는 것을 방지하고, 타 전극에서 사용된 제 2 배기 가스가 상기 전해질 전극 조립체 (26) 의 외부로 배출될 수 있게 하고
    상기 밀봉 부재 (92) 는 타 전극에 인접하게 제공되고, 일 전극에서 사용된 제 1 배기 가스를 상기 전해질 전극 조립체 (26) 의 외부로 배출하기 위한 개구부 (96) 를 구비하는 환상 부재 (90) 가 상기 세퍼레이터 (28) 사이에 제공되는 연료 전지 (10).
  2. 삭제
  3. 전해질 전극 조립체 (26) 및 세퍼레이터 (28) 를 적층시킴으로써 형성되는 연료 전지 (10) 로서, 상기 전해질 전극 조립체 (26) 는 애노드 (24), 캐소드 (22), 및 상기 애노드 (24) 와 상기 캐소드 (22) 사이에 삽입되는 전해질 (20) 을 포함하고, 상기 연료 전지 (10) 는,
    상기 전해질 전극 조립체 (26) 의 외주 부분 주위에서 상기 세퍼레이터 (28) 사이에 제공되는 환상 부재 (90) 를 포함하고, 상기 환상 부재 (90) 는 상기 애노드 (24) 및 상기 캐소드 (22) 중 일 전극에서 사용된 제 1 배기 가스를 상기 전해질 전극 조립체 (26) 의 외부로 배출하기 위한 개구부 (96) 를 구비하고;
    상기 애노드 (24) 및 상기 캐소드 (22) 중 다른 전극에 인접하게 제공된 밀봉 부재 (92) 를 포함하고, 상기 밀봉 부재 (92) 는 상기 전해질 전극 조립체 (26) 의 외측 단부와 상기 세퍼레이터 (28) 사이의 위치로부터 상기 환상 부재 (90) 와 상기 세퍼레이터 (28) 사이의 위치까지 이어지며,
    상기 밀봉 부재 (92) 는 제 1 배기 가스가 타 전극으로 들어가는 것을 방지하고, 타 전극에서 사용된 제 2 배기 가스가 상기 전해질 전극 조립체 (26) 의 외부로 배출될 수 있게 하는 연료 전지 (10).
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 환상 부재 (90) 의 강성은 상기 밀봉 부재 (92) 에 비해 높은 연료 전지 (10).
  5. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세퍼레이터 (28) 는 상기 애노드 (24) 의 표면에 중심 영역으로부터 외주 영역으로 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 채널 (49) 과, 그리고 상기 캐소드 (22) 의 표면의 중심 영역으로부터 외주 영역으로 산소함유가스를 공급하기 위한 산소함유가스 채널 (59) 을 포함하는 연료 전지 (10).
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 세퍼레이터 (28) 는 함께 적층되는 제 1 플레이트 (30), 제 2 플레이트 (32), 및 제 3 플레이트 (34) 를 포함하고;
    상기 연료가스 채널 (49) 은 상기 제 1 플레이트 (30) 와 상기 애노드 (24) 사이에 형성되어 있고, 상기 산소함유가스 채널 (59) 은 상기 제 3 플레이트 (34) 와 상기 캐소드 (22) 사이에 형성되어 있는 연료 전지 (10).
  7. 제 6 항에 있어서, 압력하에 연료가스로 채워질 수 있는 연료가스 압력 챔버 (86),및 상기 애노드 (24) 의 표면의 중심 영역에 대응하는 위치에서 상기 연료가스 압력 챔버 (86) 와 상기 연료가스 채널 (49) 을 연결하는 연료가스 입구 (48) 가 상기 제 1 플레이트 (30) 와 상기 제 2 플레이트 (32) 사이에 형성되어 있으며;
    압력하에 산소함유가스로 채워질 수 있는 산소함유가스 압력 챔버 (88) , 및 상기 캐소드 (22) 의 표면의 중심 영역에 대응하는 위치에서 상기 산소함유가스 압력 챔버 (88) 와 상기 산소함유가스 채널 (59) 을 연결하는 산소함유가스 입구 (60) 가 상기 제 2 플레이트 (32) 와 상기 제 3 플레이트 (34) 사이에 형성되어 있는 연료 전지 (10).
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 환상 부재 (90) 는 상기 전해질 전극 조립체 (26) 의 외주면으로부터 이격되어 있고, 상기 환상 부재 (90) 의 내면과 상기 전해질 전극 조립체 (26) 의 외면 사이에 제 1 배기 가스가 보유될 수 있는 챔버 (94) 를 형성하도록 상기 전해질 전극 조립체 (26) 주위에 제공되는 연료 전지 (10).
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 환상 부재 (90) 는 절연 부재인 연료 전지 (10).
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 절연 부재는 절연체, 절연층을 포함하는 금속 부재, 또는 절연체 및 금속의 복합 부재인 연료 전지 (10).
  11. 제 8 항에 있어서, 절연체 (174) 가 상기 환상 부재 (172) 와 상기 세퍼레이터 (28) 사이, 또는 상기 환상 부재 (172) 와 상기 밀봉 부재 (92) 사이에 제공되는 연료 전지 (10).
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 밀봉 부재 (92) 는 금속 박 링 부재인 연료 전지 (10).
  13. 제 12 항에 있어서, 절연층이 상기 금속 박 링 부재의 일부에 제공되는 연료 전지 (10).
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 절연층은 상기 전해질 (20), 상기 애노드 (24), 및 상기 캐소드 (22) 중 어느 하나와 접촉하는 연료 전지 (10).
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