KR101145597B1 - 통합형 단부 플레이트 조립체를 가진 연료 전지 스택 - Google Patents

통합형 단부 플레이트 조립체를 가진 연료 전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명의 연료 전지 스택(30)은 스택의 단부 전지(36)에 인접하여 고정된 집전기(40)를 가진 통합형단부 플레이트 조립체와, 진접기(40)에 인접하여 고정된 압력 플레이트(42)와, 플레이트(42) 내에 형성된 백본 지지 평면(44) 내에 고정된 백본(60)을 포함한다. 백본(60)의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)는 백본 지지 평면(44)과 압력 플레이트(42) 내에 형성된 편향 평면(50) 사이에 형성된 갭(84) 위로 연장되어, 타이 로드 단부는 로드(78, 80)의 조임시에 갭(84) 내에서 편향된다. 백본의 편향은 백본(60)이 작동시에 연료 전지 스택(30)의 제한된 팽창을 허용할 수 있게 하고, 백본(60)은 스택(30)의 작동상의 역학적 한계를 넘어선 스택(30)의 팽창을 방지하기에 충분한 휘어짐 강도를 갖는다.
연료 전지 스택, 통합형 단부 플레이트 조립체, 백본, 압력 플레이트, 집전기

Description

통합형 단부 플레이트 조립체를 가진 연료 전지 스택 {FUEL CELL STACK HAVING AN INTEGRATED END PLATE ASSEMBLY}
본 발명은 운송용 차량, 휴대용 파워 플랜트 또는 고정형 파워 플랜트에 사용하기에 적합한 연료 전지에 관한 것이며, 특히 집전기, 경량의 압력 플레이트 및 압력 플레이트 위에 놓인 단단한 백본(backbone)의 조합을 사용함으로써 낮은 열 용량을 갖는 통합형 단부 플레이트를 갖는 연료 전지 스택에 관한 것이다.
연료 전지는 잘 알려져 있으며, 장치 탑재형 우주선, 운송용 차량 또는 빌딩용 현장 발전기와 같은 전기 장치에 전력을 공급하기 위해 반응 유체를 환원 및 산화시켜 전기 에너지를 발생시키는데 일반적으로 사용된다. 일반적으로 복수의 평면형 연료 전지가 전기 절연성 프레임 구조물에 의해 둘러싸인 전지 스택 내에 배열되고, 전기 절연성 프레임 구조물은 연료 전지 파워 플랜트의 일부로서 환원제, 산화제, 냉각제 및 유체 생성물의 유동을 안내하는 매니폴드를 형성한다. 각각의 개별 연료 전지는 대체로 전해질에 의해 분리된 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함한다. 연료 전지는 또한 잘 알려진 바와 같이 물 운반 플레이트 또는 분리 플레이트를 포함할 수 있다.
연료 전지 스택은 환원 유체 및 처리 산화제 스트림으로부터 전기를 발생시 킨다. 도 1의 종래 기술의 연료 전지 스택의 개략도에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 연료 전지 스택(10)은 공지된 방식으로 전기를 발생시키는, 서로 인접하여 적층된 복수의 연료 전지(14)로 형성된 반응부(12)를 포함한다. 복수의 연료 전지(14)는 연료 전지 스택(10)의 반응부(12)의 양 단부에 제1 단부 전지(16) 및 대향하는 제2 단부 전지(18)를 포함한다. 제1 및 제2 압력 플레이트(20, 22)는 단부 전지(16, 18)들 위에 배치되고, 일반적으로 복수의 타이 로드(도시되지 않음)에 의해 서로 고정되어, 스택에 압축 하중을 가함으로써 스택(10) 내의 복수의 압축 실(seal)을 밀봉한다. 대부분의 공지된 압력 플레이트(20, 22)는 큰 전도성 금속 재료로 만들어진다.
그러한 연료 전지 스택(10)의 작동시에, 스택(10)에 의한 열의 생성 및 스택(10)을 통한 압축된 유체의 유동은 연료 전지 스택(10)의 작동상의 역학적 한계 내에서 스택(10)의 치수의 팽창 및 수축을 발생시킨다. 따라서, 그러한 한계 내에서 스택(10)의 팽창을 허용하기 위해, 공지의 연료 전지 스택(10)은 하중 추종 시스템(load follow-up system)을 사용한다. 일반적인 하중 추종 시스템은 스택(10)의 각각의 타이 로드에 고정되는 하나 이상의 접시형 와셔(도시되지 않음)를 타이 로드 고정 너트(도시되지 않음)와 압력 플레이트(20, 22) 사이에 포함한다. 그러한 하중 추종 시스템은 스택(10)의 작동상의 역학적 한계 내에서의 제한된 팽창을 제공하는 한편, 스택(10)에 일정한 최소 하중을 가한다. 전통적으로, 효과적인 하중 추종 시스템을 얻기 위해서, 공지된 연료 전지 스택(10)은 하중 추종 시스템의 일부로서 크고 무거운 금속 압력 플레이트(20, 22)를 사용해 왔다.
그러한 공지의 연료 전지 스택(10)은 큰 압력 플레이트(20, 22)의 높은 열 용량과 관련된 많은 문제점을 발생시킨다. 예를 들어, 빙점하 조전으로부터의 "부트스트랩(bootstrap)" 시동시에는, 바람직하게는 보조적인 가열된 유체가 연료 전지 스택(10)에 가해지지 않고, 수소와 같은 환원 유체 및 산소 또는 공기와 같은 산화제가 연료 전지(14)에 공급된다. 전해질로서 양자 교환 멤브레인(PEM: proton exchange membrane)을 사용하는 연료 전지(14)에서는, 수소가 애노드 전극의 촉매 표면에서 전기화학적으로 반응하여 수소 이온 및 전자를 생성한다. 전자들은 외부 부하 회로로 전도되고, 그 후 캐소드 전극으로 복귀하지만, 수소 이온은 전해질을 통해 캐소드 전극으로 이송되고, 거기에서 산화제 및 전자와 반응하여 물을 생성하고 열 에너지를 방출한다. 연료 전지(14)에 의해 생성된 전기는 전도성 압력 플레이트(20, 22) 내로 그리고/또는 그를 통해 유동한다.
그러한 "부트스트랩" 시동시에, 스택(10)의 중심 영역에 있는 연료 전지(14)는 스택(10)의 양 단부에 인접한 단부 전지(16, 18)에 비해 빠르게 승온된다. 단부 전지(16, 18)는 더 느리게 가열되는데, 그 이유는 단부 전지(16, 18)에 의해 발생되는 열이 대형의 전도성 금속 압력 플레이트(20, 22)로 빠르게 전도되기 때문이다. 단부 전지(16, 18)의 온도가 섭씨 0도 이상으로 빠르게 상승하지 않으면, 스택(10) 내의 물 운반 플레이트 내의 물이 빙결 상태로 유지됨으로써, 생성된 물의 제거를 방해하고, 이는 단부 전지(16, 18)들이 연료 전지에서 생성된 물로 넘치게 한다. 단부 전지(16, 18)의 범람은 반응 유체가 단부 전지(16, 18)의 촉매에 도달하는 것을 방해하여, 단부 전지(16, 18)에 음전압을 발생시킬 수 있다. 단부 전 지(16, 18)의 음전압은 캐소드 전극에서의 수소 가스 발생 및/또는 전지(16, 18)의 전극의 탄소 지지층의 부식을 야기할 수 있다. 그러한 것들은 연료 전지 스택(10)의 성능 및 장기적인 안정성을 떨어뜨릴 수 있다.
그러한 문제점들을 해소하기 위해 많은 노력이 있어왔다. 예를 들어, 모로우(Morrow) 등에게 2004년 7월 20일자로 허여된 미국 특허 제6,764,786호는 전기적으로 비전도성인 비금속 섬유 보강 복합 재료로 만들어진 압력 플레이트를 개시하고 있으며, 따라서 압력 플레이트는 가볍고 작으며 낮은 열 용량을 갖는다. 유사하게, 레이저(Reiser) 등에게 2004년 11월 30일자로 허여된 미국 특허 제6,824,901호는 압력 플레이트와 단부 전지 사이에 단열 스페이서를 가진 연료 전지 스택을 개시한다. 이들 특허는 모두 본원의 양수인 소유이다. 공지된 연료 전지 스택은 큰 금속 압력 플레이트의 높은 열 용량과 관련된 그러한 문제점들을 억제하였지만, 여전히 그러한 연료 전지 스택은 특히, 운송용 차량에 동력을 공급할 때와 같이 변화하는 주변 조건에서 빈번한 시동-정지 사이클을 겪는 연료 전지 스택 내의 PEM 전해질 기반 연료 전지에서 효율적인 작동에 상당한 문제를 나타낸다.
따라서, 빙점하 조건에서의 시동시에 가능한 한 신속히 0℃ 이상으로 단부 전지의 온도가 상승될 수 있고 또한 효율적인 하중 추종 시스템을 제공할 수 있는 단부 전지를 가진 연료 전지 스택에 대한 요구가 존재한다.
본원의 개시 내용은 환원 유체 및 처리 산화제 반응물 스트림으로부터 전기를 발생시키는 연료 전지 스택이다. 스택은 연료 전지 스택의 반응부를 형성하도록 서로 인접하여 적층된 복수의 연료 전지를 포함한다. 단부 전지는 연료 전지 스택의 반응부의 외측 단부에 고정된다. 스택은 또한 단부 전지에 인접하여 고정된 통합형 단부 플레이트 조립체를 포함한다. 조립체는 단부 전지에 인접하여 고정되고 단부 전지와 전기적으로 연통하는 집전기와, 집전기에 인접하여 고정되고 단부 전지 위에 놓이는 압력 플레이트를 포함한다. 압력 플레이트는 전기적으로 비전도성인 비금속 복합 재료로 만들어진다. 압력 플레이트는 압력 플레이트의 중심과 압력 플레이트의 외주연부 사이의 거리의 약 30퍼센트 내지 약 80퍼센트의 거리만큼 압력 플레이트의 중심으로부터 연장되는 백본 지지 평면을 형성한다. (본원에서, "약"이라는 표현은 ±20퍼센트를 의미한다.) 압력 플레이트는 또한 백본 지지 평면과 압력 플레이트의 외주연부 사이에서 연장되는 편향 평면을 한정한다. 편향 평면은 또한 백본 지지 평면과 집전기에 인접한 압력 플레이트의 접촉 표면 사이에 형성된다.
통합형 단부 플레이트 조립체는 또한 연료 전지 스택의 주연부에 인접하여 타이 로드를 수용하고 고정하도록 구성된 관통 보어를 형성하는 복수의 타이 로드 단부를 가진 백본을 포함한다. 백본은 타이 로드 단부들 사이에서 연장되는 적어도 하나의 빔을 포함한다. 백본은 압력 플레이트의 백본 지지 평면에 인접하여 고정되고, 압력 플레이트가 백본과 집전기 사이에 고정되도록 빔이 백본 지지 평면에 접촉하고 그것을 따라 연장된다. 백본의 타이 로드 단부는 압력 플레이트의 편향 평면 위에 놓임으로써, 타이 로드 단부와 편향 평면 사이에 갭을 형성한다. 백본은 스택의 작동상의 역학적 한계 내에서 연료 전지 스택의 팽창을 허용하기에 충분한 가요성을 가지며, 또한 백본은 스택의 작동상의 역학적 한계를 넘어선 연료 전지 스택의 팽창을 방지하기에 충분한 휘어짐 강도를 갖는다. 편향 평면은 백본의 타이 로드 단부와 편향 평면 사이에 형성된 갭 내에서 백본의 휘어짐을 허용하도록 백본 지지 평면으로부터 충분한 거리를 두고 압력 플레이트 내에 형성된다.
백본을 다중 평면 압력 플레이트와 통합함으로써, 본 발명의 연료 전지 스택은 무겁고 높은 열 질량을 가진 공지된 연료 전지 스택 없이도 효율적인 추종 하중 시스템을 달성한다. 압력 플레이트의 편향 평면에 인접한 갭 내에서의 백본의 타이 로드 단부의 편향을 통해, 백본은 외팔보처럼 작용하여 압력 플레이트의 대향 주연부들 사이에서 연장되어, 타이 로드 단부로부터 압력 플레이트의 중심을 통해 클램핑 하중을 재분배하고, 또한 전지 스택을 위한 하중 추종 시스템을 제공하기 에 충분한 편향을 제공한다.
연료 전지 스택의 조립시에는, 타이 로드 너트가 타이 로드를 조여서 스택에 압축 하중을 가함에 따라, 타이 로드 단부는 갭 안으로 휘어지거나 편향되지만, 압력 플레이트의 편향 평면과 접촉하지는 않는다. 연료 전지 스택의 작동시에, 타이 로드 단부는 스택의 상이한 작동 온도 및 조건에서 약간 편향되어 스택의 작동상의 역학적 한계 내에서 스택의 팽창을 허용할 것이다. 백본은 그러한 한계를 넘어선 스택의 팽창을 방지하기에 충분한 휘어짐 강도를 갖도록 구성된다. 백본의 편향은 또한 시간이 지남에 따라 점점 감소하는데, 그 이유는 연료 전지 구성요소가 압축 크립으로 인해 약간 더 얇아지기 때문이다. 백본의 외팔보형 편향에 의해 제공되는 이러한 추종 하중 시스템에서는 스택 두께에 있어서의 특정한 변화에 대한 연료 전지 스택의 전체적인 하중 변화가 스택 두께에 있어서의 유사한 변화에 대한 공지된 대형의 금속 압력 플레이트를 가진 연료 전지 스택의 하중 변화에 비해 현저히 적다. 바람직한 실시예에서, 백본은 스테인리스강으로 만들어진다.
따라서, 본 발명의 대체적인 목적은 종래 기술의 결점을 극복한 통합형 단부 플레이트 조립체를 가진 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.
더 구체적인 목적은 연료 전지 스택의 주연부로부터 스택의 중심을 통해 클램핑 하중을 분배하고 스택의 제한된 팽창이 가능하도록 효율적인 추종 하중 시스템을 제공하는, 낮은 열 질량의 통합형 단부 플레이트 조립체를 갖는 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.
이상의 내용 및 통합형 단부 플레이트 조립체를 가진 본 발명의 연료 전지 스택의 다른 목적 및 이점은 다음의 상세한 설명과 첨부된 도면을 통해 더욱 명확히 이해될 것이다.
도 1은 종래 기술의 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따라 구성된 통합형 단부 플레이트 조립체를 가진 연료 전지 스택의 개략적인 측면 단면도이다.
도 3은 압력 플레이트 내에 고정된 백본을 도시하는 도 2의 연료 전지 스택의 평면도이다.
도 4는 도 3의 백본의 평면도이다.
도 5는 플레이트 내에 형성된 백본 지지 평면 및 편향 평면을 도시하는 도 3 의 압력 플레이트의 평면도이다.
도면을 상세히 참고하면, 통합형 단부 플레이트 조립체를 가진 연료 전지 스택의 단면도가 도 2에 도시되어 있고, 이것은 포괄적으로 도면 부호 30으로 표시된다. 연료 전지 스택(30)은 환원 유체 및 처리 산화제 반응물 스트림으로부터 전기를 발생시키기 위한 연료 전지 스택(30)의 반응부(34)를 형성하기 위해 서로 인접하게 적층된 복수의 연료 전지(32)를 포함한다. 단부 전지(36)는 연료 전지 스택(30)의 반응부(34)의 외측 단부에 고정된다. 연료 전지 스택(30)은 또한 단부 전지(36)에 인접하여 고정된 통합형 단부 플레이트 조립체(38)를 포함한다.
통합형 단부 플레이트 조립체(38)는 단부 전지(36)에 인접하여 고정되고 단부 전지(36)와 전기적으로 연통하여 전류의 흐름을 연료 전지(32, 36)로부터 스택(30) 외부로 내보내는 전기 전도성 집전기(40)를 포함한다. 단부 전지(36)와 접촉하는 집전기(40)의 표면에 대향하는 집전기(40)의 표면에서 집전기(40)에 인접하여 압력 플레이트(42)가 고정된다. 압력 플레이트는 또한 단부 전지(36) 위에 놓일 수 있다. 압력 플레이트(42)는 또한 스택(30)의 연료 전지(32, 36)에 고른 압축 하중을 가하기에 충분한 강도를 가지며, 전기 전도성인 비금속 복합 재료로 만들어질 수 있다.
압력 플레이트(42)는 도 5에 도시된 백본 지지 평면(44)을 형성한다. 백본 지지 평면(44)은 압력 플레이트(42)의 중심(46)과 압력 플레이트(42)의 외주연부(48) 사이의 거리의 약 30퍼센트 내지 약 80퍼센트, 또는 바람직하게는 약 50퍼세트 내지 약 60퍼센트의 거리만큼 압력 플레이트(42)의 중심(46)으로부터 연장된다. 백본 지지 평면(44)의 최적 연장 거리는 약 55퍼센트이다. 이 거리는 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 압력 플레이트(42)의 바람직하지 않은 뒤틀림을 최소화하는 한편, 백본 지지 평면(44)에 인접하여 지지되는 백본(60)의 편향을 최적화하도록 성립된 것이다. 압력 플레이트(42)는 또한 압력 플레이트(42)의 외주연부(48)와 백본 지지 평면(44) 사이에서 연장되는 편향 평면(50)을 형성한다. 압력 플레이트(42) 내에는 백본 지지 평면(44)과 편향 평면(50) 사이에 복수의 램프(ramp; 52A, 52B, 52C, 52D) 또는 에지가 또한 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 편향 평면(50)은 도 5에 도시된 직사각형 압력 플레이트(42)의 네 모서리와 같은, 압력 플레이트(42)의 외주연부(48)의 복수의 개소에 형성될 수 있다. 편향 평면(50)은 또한 집전기(40)에 인접한 압력 플레이트(42)의 접촉 표면(54)과 백본 지지 평면(44) 사이에 형성된다. "백본 지지 평면(44)" 및 "편향 평면(50)"이라는 문구의 사용은, 두 구성요소가 상이한 평면 상에 존재하며, 따라서 동일 평면 상에 있지 않다는 것을 의미한다. 그러나, 그러한 문구들은 "백본 지지 평면(44)" 및 "편향 평면(50)"이 각각의 표면적 전체에 걸쳐 반드시 평면형이거나, 또는 서로에 대해 또는 연료 전지 스택(30)의 임의의 다른 구성요소에 대해 평행한 평면들에 반드시 존재한다는 것을 의미하지는 않는다. 바람직한 실시예에서, 백본 지지 평면(44) 및 편향 평면(50)은 그들의 표면적 전체에 걸쳐 평면형일 수 있고, 또한 평행한 평면들에 존재할 수 있지만, 그것이 본 발명의 요건은 아니다. 압력 플레이트(42)는 또한 백본 지지 평면(44) 및/또는 편향 평면(50)에 인접하고 집전기(40)로부터 멀어지는 방향으로 일어선 복수의 벽(56A, 56B, 56C, 56D)을 형성할 수 있다. 압력 플레이트(42)는 또한 플레이트(42)의 제작에 있어서의 재료 요구량을 최소화하기 위해 복수의 절결부(58)를 형성할 수 있다.
통합형 플레이트 조립체(30)는 또한 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 백본(60)을 포함한다. 백본(60)은 복수의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)를 포함하고, 각각의 타이 로드 단부(62)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 전지 스택(30)의 주연부에 인접하여 타이 로드(78, 80)를 수용하고 고정하도록 구성된 관통 보어(70, 72, 74, 76)를 형성한다. 도 2는 연료 전지 스택(30)의 일 단부만을 도시하지만, 본 발명은 연료 전지 스택(30)의 대향 단부(도시되지 않음)에 본원에 설명된 것과 동일하거나 또는 유사한 구조물을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 백본(60)은 또한 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)들 사이에서 연장되는 적어도 하나의 빔(82)을 포함한다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 백본(60)은 압력 플레이트(42)의 백본 지지 평면(44)에 인접하여 고정되고, 빔(82)은 백본(60)과 집전기(40) 사이에 압력 플레이트(42)를 고정하기 위해 백본 지지 평면(44)과 접촉하고 백본 지지 평면(44)을 따라 연장되도록 구성된다. 바람직한 실시예에서, 빔(82)은 압력 플레이트(42) 전체에 걸친 타이 로드(78, 80) 클램핑력의 분배를 촉진하기 위해 압력 플레이트(42)의 중심(46) 위를 지나간다.
백본(60)의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)는 압력 플레이트(42)의 편향 평면(50) 위에 놓이도록 구성되어, 도 2에 도시된 바와 같이 타이 로드 단부와 편향 평면(50) 사이에 갭(84)을 형성한다. 백본(60)은 연료 전지 스택(30)의 작동상의 역학적 한계 내에서 스택(30)의 팽창을 허용하기에 충분한 가요성을 갖도록 구성되고, 백본(60)은 연료 전지 스택(30)의 작동상의 역학적 한계를 넘어선 스택(30)의 팽창을 방지하기 위해 충분한 휘어짐 강도를 갖는다. 편향 평면(50)은 상술한 바와 같은 갭(84) 내에서의 백본(60)의 편향을 허용하기 위해 백본 지지 평면(44)으로부터 충분한 거리를 두고 압력 플레이트(42) 내에 형성된다.
연료 전지 스택(30)은 또한 체결구(88A, 88B)에 의해 압력 플레이트(42)에 고정되는 집전기 리드(86)를 포함하고, 이것은 전기적 연통 관계로 집전기(40)에 고정되어 집전기(40)로부터 압력 플레이트(42)의 외측 표면(92)에 고정될 수 있는 전류 단자(90A, 90B)까지 전류를 안내한다. 도 3 및 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 압력 플레이트(42) 내에 그리고 백본 지지 평면(44) 및/또는 편향 평면(50)에 인접하여 형성된 벽(56A, 56B, 56C, 56D)은 백본 지지 평면(44) 상의 백본(60)에 인접하도록 구성된다. 이로써, 벽(56A, 56B, 56C, 56D)은 압력 플레이트(42)의 접촉 표면(54)에 의해 형성된 평면에 대략 평행한 어떠한 방향으로도 백본(60)의 측방향 이동을 방지한다.
백본 지지 평면(44) 및 편향 평면(50)을 모두 가진 압력 플레이트(42)와 백본(60)을 통합함으로써, 연료 전지 스택(30)은 종래 기술의 연료 전지 스택(10)의 무겁고 높은 열 질량을 갖는 압력 플레이트(20, 22)를 사용하지 않고도 효율적인 추종 하중 시스템으로서 기능한다. 백본(60)은 상술한 기능을 달성하기에 충분히 강한 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 백본(60)에 바람직한 재료는 스테인리스강이며, 바람직한 스테인리스강은 316L 스테인리스강이다. 바람직한 집전기(40)는 금 도금된 주석 또는 금 도금된 316L 스테인리스강으로 구성된다. 고강도 재료를 통해 백본(60)의 전체적인 질량을 감소시킴으로써, 단부 전지(36)에 인접한 연료 전지(32)에 의한 상술한 열 손실의 불리함이 사라지거나 또는 최소화되는 한편, 상술한 추종 하중 시스템을 또한 제공한다. 바람직한 실시예에서, 압력 플레이트(42)의 접촉 표면(54)에 평행한 평면에서의 백본(60)의 최대 평면 단면적은 압력 플레이트(42)의 접촉 표면(54)에 평행한 평면에서의 압력 플레이트(42)의 평면 단면적의 약 50퍼센트보다 크지 않다.
통합형 단부 플레이트 조립체(30)를 가진 연료 전지 스택(30)의 사용시에는, 타이 로드(78, 80)가 백본(60)의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68) 상에 조여지기 때문에, 타이 로드(78, 80)는 스택(30)에 압축 하중을 가한다. 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)는 갭(84) 안으로 휘어지거나 편향되지만, 압력 플레이트(42)의 편향 평면(50)과 접촉하지는 않는다. 연료 전지 스택(30)의 작동시에, 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)는 스택(30)의 상이한 작동 온도 및 상태에서 약간 편향되어 스택(30)의 작동상의 역학적 한계 내에서 스택(30)의 팽창을 허용할 것이다. 백본(60)의 편향은 시간이 갈수록 점점 감소하는데, 그 이유는 연료 전지 스택(30)의 구성요소들이 압축 크립으로 인해 약간 더 얇아지기 때문이다. 갭(84) 내에서의 백본(60)의 외팔보형 편향에 의해 제공되는 추종 하중 시스템에서는 스택(30)의 두께에 있어서의 특정한 변화에 대한 연료 전지 스택(30)의 전체적인 하중 변화가 종래 기술의 스택(10)의 두께에 있어서의 유사한 변화에 대한 공지된 대형의 금속 압력 플레이트(20, 22)를 가진 종래 기술의 연료 전지 스택(10)의 하중 변화에 비해 현저히 적다.
본 발명은 또한 연료 전지 스택(30) 내에 연료 전지(32, 36)를 동적으로 고정하는 방법을 포함하며, 이 방법은 플레이트(42)의 중심과 플레이트(42)의 외주연부(48) 사이의 거리의 약 30퍼센트 내지 약 80퍼센트의 거리만큼 압력 플레이트(42)의 중심(46)으로부터 연장되는 백본 지지 평면(44)을 압력 플레이트(42) 내에 형성하는 단계와; 백본 지지 평면(44)과 압력 플레이트의 외주연부(48) 사이에서 그리고 백본 지지 평면(44)과 압력 플레이트(42)의 접촉 표면(54) 사이에서 연장되는 편향 평면(50)을 압력 플레이트(42) 내에 형성하는 단계와; 집전기(40)에 인접하게 압력 플레이트(42)를 고정하는 단계와; 스택(30)의 단부 전지(36)에 인접하게 집전기(40)를 고정하는 단계와; 백본(60)의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)가 압력 플레이트(42) 내에 형성된 편향 평면(50) 위로 연장되도록 백본(60)을 백본 지지 평면(44) 내에 고정하는 단계와; 백본(60)의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68) 내에서 타이 로드(78, 80)를 조임으로써 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)와 편향 평면(50) 사이에 형성된 갭(84) 내에서 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)를 편향시키는 단계를 포함한다. 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)가 갭(84) 안으로 편향되도록 타이 로드(78, 80)를 조임으로써, 연료 전지(32, 36)를 연료 전지 스택(30) 내에 동적으로 고정하는 방법은 외주연부(48)에 인접한 타이 로드(78, 80)의 압축 하중을 압력 플레이트(42)를 통해 플레이트(42)의 중심(46)까지 재분배하고, 또한 상술한 추종 하중 시스템을 제공한다.
본 발명은 설명 및 도시된 통합형 단부 플레이트 조립체(38)를 가진 연료 전 지 스택(30)과 관련하여 기술되어 있지만, 본 발명은 그러한 대체예 및 개시예에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 발명은 인산 연료 전지, 양자 교환 멤브레인 연료 전지 등을 포함하는 임의의 연료 전지에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위를 결정하기 위해서는 상술한 설명이 아닌 다음의 청구범위를 주로 참고하여야 한다.

Claims (10)

  1. 환원 유체 및 처리 산화제 반응물 스트림으로부터 전기를 발생시키는 연료 전지 스택(30)이며,
    a. 연료 전지 스택(30)의 반응부(34)를 형성하도록 서로 인접하여 적층된 복수의 연료 전지(32)로서, 연료 전지 스택(30)의 반응부(34)의 외측 단부에 단부 전지(36)를 구비하는 복수의 연료 전지(32)와,
    b. 단부 전지(36)에 인접하여 고정되는 통합형 단부 플레이트 조립체(38)를 포함하고,
    상기 통합형 단부 플레이트 조립체(38)는
    i. 단부 전지(36)에 인접하여 고정되고 단부 전지(36)와 전기적으로 연통하는 집전기(40)와,
    ii. 집전기에 인접하여 고정되고 단부 전지(36) 위에 놓이는 압력 플레이트(42)로서, 압력 플레이트(42)는 압력 플레이트(42)의 중심(46)과 압력 플레이트(42)의 외주연부(48) 사이의 거리의 10퍼센트 내지 100퍼센트의 거리만큼 압력 플레이트의 중심(46)으로부터 연장되는 백본 지지 평면(44)을 형성하고, 압력 플레이트(42)는 백본 지지 평면(44)과 압력 플레이트(42)의 외주연부(48) 사이에서 연장되는 편향 평면(50)을 형성하며, 편향 평면(50)은 또한 백본 지지 평면(44)과 집전기(40)에 인접한 압력 플레이트(42)의 접촉 표면(54) 사이에 존재하는, 압력 플레이트(42)와,
    iii. 압력 플레이트(42)의 외주연부(48)에 인접하여 타이 로드(78, 80)를 수용하고 고정하도록 구성된 관통 보어(70, 72, 74, 76)를 형성하는 복수의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)를 구비하는 백본(60)으로서, 백본(60)은 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)들 사이에서 연장되는 적어도 하나의 빔(82)을 구비하고, 백본(60)은 백본 지지 평면(44)에 인접하여 고정되고 백본 지지 평면(44)에 접촉하여 백본 지지 평면(44)을 따라 연장되도록 구성되며, 백본(60)의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)는 편향 평면(50) 위에 놓이고 편향 평면(50)과의 사이에 갭(84)을 형성하도록 구성되고, 백본(60)은 스택(30)의 작동상의 역학적 한계 내에서 연료 전지 스택(30)의 팽창을 허용하기에 충분한 가요성을 갖도록 구성되고 스택(30)의 작동상의 역학적 한계를 넘어선 스택(30)의 팽창을 방지하기 위해 미리 결정된 휘어짐 강도를 갖는, 백본(60)을 포함하고,
    iv. 편향 평면(50)은 갭(84) 내에서의 백본(60)의 휘어짐을 허용하기 위해 백본 지지 평면(44)으로부터 미리 결정된 거리를 두고 압력 플레이트(42) 내에 형성되는
    연료 전지 스택.
  2. 제1항에 있어서, 백본 지지 평면은 압력 플레이트(42)의 중심(46)과 압력 플레이트(42)의 외주연부(48) 사이의 거리의 30퍼센트 내지 80퍼센트의 거리만큼 압력 플레이트의 중심(46)으로부터 연장되는
    연료 전지 스택.
  3. 제1항에 있어서, 백본(60)의 빔(82)은 압력 플레이트(42)의 중심(46)을 가로질러 연장되는
    연료 전지 스택.
  4. 제1항에 있어서, 압력 플레이트(42)의 접촉 표면(54)에 대해 평행한 평면에서의 백본(60)의 최대 평면 단면적은 압력 플레이트(42)의 접촉 표면(54)에 대해 평행한 평면에서의 압력 플레이트(42)의 평면 단면적의 70퍼센트보다 크지 않은
    연료 전지 스택.
  5. 제1항에 있어서, 압력 플레이트(42)는 백본(60)에 인접하고 집전기(40)로부터 멀어지는 방향으로 일어선 복수의 벽(56A, 56B, 56C, 56D)을 형성하고, 복수의 벽(56A, 56B, 56C, 56D)은 압력 플레이트(42)의 접촉 표면(54)에 의해 형성된 평면에 대해 평행한 어떠한 방향으로도 백본(60)의 측방향 이동을 방지하도록 구성되는
    연료 전지 스택.
  6. 연료 전지 스택(30) 내에 연료 전지(32, 36)를 동적으로 고정하는 방법이며,
    a. 압력 플레이트(42)의 중심(46)과 압력 플레이트(42)의 외주연부(48) 사이의 거리의 10퍼센트 내지 100퍼센트의 거리만큼 압력 플레이트(42)의 중심(46)으로부터 연장되도록 구성되는 백본 지지 평면(44)을 압력 플레이트(42) 내에 형성하고, 백본 지지 평면(44)과 압력 플레이트(42)의 외주연부(48) 사이에서 연장되고 백본 지지 평면(44)과 압력 플레이트(42)의 접촉 표면(54) 사이에서 연장되는 편향 평면(50)을 압력 플레이트(42) 내에 형성하는 단계와,
    b. 집전기(40)에 인접하게 압력 플레이트(42)의 접촉 표면(54)을 고정하는 단계와,
    c. 스택(30)의 단부 전지(36)에 인접하게 집전기(40)를 고정하는 단계와,
    d. 백본(60)의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)가 압력 플레이트(42) 내에 형성된 편향 평면(50) 위로 연장되도록 백본(60)을 백본 지지 평면(44) 내에 고정하는 단계와,
    e. 백본(60)의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68) 내에서 타이 로드(78, 80)를 조임으로써 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)와 편향 평면(50) 사이에 형성된 갭(84) 내에서 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)를 편향시키는 단계를 포함하는
    연료 전지 고정 방법.
  7. 연료 전지 스택(30) 내에 연료 전지(32)를 동적으로 고정하는 방법이며,
    a. 낮은 열 질량의 통합형 단부 플레이트 조립체(38)를 형성하기 위해 연료 전지 스택(30)의 단부 전지(36)에 인접하여 고정된 집전기(40)에 결합되는 다중 평면 압력 플레이트(42) 내에 백본(60)을 통합하는 단계와,
    b. 다중 평면 압력 플레이트(42)의 편향 평면(50)에 인접한 갭(84) 내에서 백본(60)의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)를 편향시키는 단계와,
    c. 다중 평면 압력 플레이트(42)의 대향하는 외주연부(48)들 사이로 백본(60)의 빔(82)을 연장시키는 단계와,
    d. 백본(60)의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)로부터 다중 평면 압력 플레이트(42)의 중심(46)을 통해 클램핑 하중을 재분배하는 단계와,
    e. 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)가 편향 평면(50)과의 접촉이 없이 미리 결정된 값까지 갭(84) 내에서 편향되는 하중 추종 하중을 제공하는 단계를 포함하는
    연료 전지 고정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 변화하는 연료 전지 온도에 응답하여 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)를 갭(84) 내로 편향시켜서, 연료 전지 스택(32)의 작동상의 역학적 한계 내에서 연료 전지 스택(32)의 팽창을 허용하는 단계를 더 포함하는
    연료 전지 고정 방법.
  9. 제7항에 있어서, 연료 전지 스택(32)의 작동상의 역학적 한계를 넘어선 연료 전지 스택(32)의 팽창을 방지하기 위해 미리 결정된 휘어짐 강도를 갖도록 백본(60)을 구성하는 단계를 더 포함하는
    연료 전지 고정 방법.
  10. 제7항에 있어서, 압축 크립으로부터 발생되는 연료 전지(32)의 얇아짐에 응답하여 백본(60)의 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)의 편향을 점점 감소시켜서, 타이 로드 단부(62, 64, 66, 68)의 감소하는 편향에 응답하여 추종 하중을 유지하는 단계를 더 포함하는
    연료 전지 고정 방법.
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