KR101205618B1 - 연료 전지 스택의 미세한 움직임을 수용하는 매니폴드가스킷 - Google Patents

Abstract

매니폴더 가장자리와 스택 면의 밀봉을 위한, 적어도 하나의 외부적인 매니폴더된 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템에서의 사용 위한 가스킷. 본 발명에 따라, 상기 가스킷은 상기 가스킷과 상기 유전체와 상기 가스킷과 상기 스택 면 사이의 미끄러짐을 촉진함으로써 상기 스택과 매니폴드 사이의 미세한 움직임을 수용한다.

밀봉, 세라믹층, 스택 면, 유전성 절연기,

Description

연료 전지 스택의 미세한 움직임을 수용하는 매니폴드 가스킷{MANIFOLD GASKET ACCOMMODATING DIRRERENTIAL MOVEMENT OF FUEL CELL STACK}

본 발명은 적어도 하나의 연료 전지 스택과 외부의 매니폴드(manifold)를 구비한 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 특히, 적어도 하나의 외부에 매니폴드된 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템에서의 사용을 위한 가스킷과 관련된다. 더욱더 특히 본 발명은 상기 매니폴드를 상기 스택에 밀봉하고 상기 스택과 매니폴드 사이의 상호 접촉면에서 미끄러짐을 허용함으로써 그들 사이의 미세한 움직임을 수용하는 가스킷을 포함한다.

연료 전지는 연료 형태의 화학 에너지를 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지로 직접 전환하는 장치이다. 일반적으로 배터리와 같이 연료 전지는 양극과 음극 사이에서 전기적으로 이온화된 이온을 전도하는 전해질에 의해 분류되는 음의 전극(negative electrode) 또는 양극과 양의 전극(positive electrode) 또는 음극을 포함한다. 그러나 배터리와 달리, 연료 전지는 연료와 산화제가 양극과 음극에 각각 제공되는 한 전기를 계속해서 생성할 것이다.

유용한 양의 전기를 생성하기 위해, 각각의 연료 전지는 전형적으로 각각의 전지 사이에 전기적으로 전도성을 갖는 분리 평판을 구비하여 일련으로 스택 되는 관계로 배열된다. 연료 전지 스택은 내부적으로 매니폴드되는 스택 또는 외부적으로 매니폴드되는 스택으로 분류될 수 있다. 내부적으로 매니폴드되는 스택에서, 연료와 산화제를 전달하는 가스 통로는 연료 전지 평판 그 자체로 만들어진다. 외부적으로 매니폴드된 스택에서, 연료 전지 평판은 그들의 단부에서 개방된 채 놓이고 가스는 각각의 연료전지 면에 밀봉되는 매니폴드와 팬을 통해서 전달된다. 상기 매니폴드는 연료 전지에 연료와 산화 가스를 전달하고 그러한 가스가 환경이나 다른 매니폴드로 누수 되는 것을 방지하는 밀봉된 통로를 제공한다. 몇몇 연료 전지 스택 배열에서, 상기 스택은 포위부에 놓이고 포위부 환경은 처리 가스들 중 하나를 대표한다. 그러한 시스템에서, 적어도 세 개의 매니폴드가 상기 스택의 입구 및 출구 가스 통로를 제공하도록 요구되고 그들 각각은 스택에 밀봉되어야 한다. 어떠한 경우에는, 상기 매니폴드는 연료 전지 스택의 작동 및 그의 수명 동안 요구되는 조건에서 위의 기능을 수행해야한다.

외부적으로 매니폴드된 연료 전지 스택의 작동에서 중요한 면은 매니폴드 가장자리와 상기 스택 면 사이에 세워진 밀봉부이다. 금속으로부터 생성되는 매니폴드는 전형적으로 전기적으로 전도되고 그것의 길이 방향을 따라 전압 경사를 가지는 상기 스택 면으로부터 전기적으로 절연되어야 한다. 유전성 절연기는 전기적으로 매니폴드를 스택으로부터 절연하고 매니폴드가 스택을 합선시키는 것을 방지하기 위해 금속 매니폴드와 연료 전지 스택 사이에서 사용된다.

연료 전지 스택은 연료 전지 구성요소가 고온 고압에서 천천히 작동할 때, 대체로 연료 전지 스택은 그의 수명에 걸쳐 수축될 것이다. 연료전지 크 기(dimension)에서의 그러한 수축과 변화는 스택의 작동과정에서 상기 매니폴드의 조립부에 스트레스(stress)를 생성한다. 특히, 축 방향의 크기는 300 또는 그 이상의 연료 전지의 스택에서 2 ~ 3인치 만큼 변경될 수 있다. 상기 스택이 축 방향 크기에서 변경됨에 따라, 상기 스택 면의 상부와 하면에서 단부 평판을 따라 움직임을 수용하는 매니폴드 조립부 안의 유전성 절연기와 상기 스택 면 사이에서 밀봉부를 요구한다. 상기 유전체와 밀봉부 사이와 상기 밀봉부과 스택 면 사이에서의 마찰 계수에서의 차이는 밀봉부에 추가적인 스트레스(stress)를 제공하고 상기 밀봉부가 스택의 작동과정에서 마멸되게 하여 결국에는 고장 나게 된다. 그런 이유로, 가스 밀봉과 상기 스택으로부터 상기 매니폴드의 전기적인 절연을 유지하는 과정에서 그러한 크기의 변화를 더욱 수용할 수 있는 매니폴드 스택 밀봉부의 필요가 있다.

전형적으로 알루미나와 운모와 같은 부서지기 쉬운 세라믹 소재로 만들어진 유전성 절연체는 연료전지 스택 과정에서 매니폴드 시스템에 적용되는 열 및 기계적 스트레스에 의해 쉽게 손상될 수 있다. 상기 매니폴드와 상기 스택 사이에서 전기적인 절연을 유지하는 동안 매니폴드 시스템에 부여되는 스트레스를 지탱하기 위해, 매니폴드 및 매니폴드를 스택에서 절연하는데 사용되는 유전성 절연기에의 개선이 만들어졌다.

예를 들어, 일반적인 유전성 절연기 조립체는 상기 스택과 매니폴드사이의 미세한 움직임을 허용하는 이음매를 구비한 직사각형 프레임으로서 디자인된다. 그러한 구성은 상기 연료 전지 스택과 매니폴드의 벽을 구비하여 팽창 수축을 허용하 는 미끄러질 수 있는 스플라인 이음매에 의해 상호 연결된 복수의 부분을 갖는 직사각형 절연 프레임을 기재하는 미국 특허 번호 4,414,294에 기재되어 보인다. 연료 전지 스택의 미세한 움직임에 의해 유발되는 스트레스를 지탱하기 위해, 유전성 프레임은 높은 밀도의 세라믹으로부터 생성될 수 있다. 그러나 연료 전지 스택의 작동 과정에서 스택의 압축과 상기 스택 면에 대한 매니폴드의 압축은 상기 세라믹 유전체에 의해 완전히 수용되지 않고 여전히 그들에 손상을 줄 수 있는 기계적 스트레스를 유발한다. 이렇게 그러한 기계적 및 열적 스트레스를 더 잘 수용할 수 있고 세라믹 유전체가 부서지는 것을 방지하는 매니폴드 스택 밀봉에 대한 수요가 있다.

몇몇 현재의 매니폴드 시스템에서, 상기 스택의 크기에서의 변화가 발생할 때 상기 매니폴드와 스택 사이의 밀봉이 유지되도록 매니폴드 조립체가 상기 스택에 대하여 압축된다. 하나의 그러한 스택 매니폴드 압축 조립체가 연료 전지 스택에 끈으로 묶이거나 클램프로 고정된 외부의 반응 매니폴드를 기재하는 미국 특허 번호 4,467,018에 기재되고 보인다. 미국 특허 번호 6,461,756은 연료 전지 스택에 밀봉 관계에서 외부의 매니폴드를 유지하는 보유 장치(retention system)를 묘사한다. 상기 스택 형상을 따르고 작동 과정에서 스택의 움직임을 수용하는 유연한 매니폴드 시스템은 2002년10월4일 출원되고 동일양수인에게 양도된 현재 출원중인 미국 특허 출원 번호 10/264,866에 기재되어 있다.

추가로, 연료전지 스택과 매니폴드 밀봉 조립부의 다양한 다른 구성이 매니폴드와 스택 사이의 밀봉부의 한계에 초점을 맞추어져 추가로 향상되었다. 예를 들 어, 상기 유전성 프레임과 가스킷에 편평한 밀봉 표면을 제공하는 연료 전지에서 양극의 분리 평판의 향상된 디자인은 사용 과정에서 연료 전지의 두께에서의 변화에 맞춰질 수 있는 연료 전지 분리 평판을 설명하는 미국 특허 번호 4,514,475; 높은 부식 방지를 구비한 스테인리스 스틸 부재를 설명하는 미국 특허 번호 5,399,438; 및 전해질의 흡수와 분산을 위해 홈통(trough) 영역을 제공함으로써 전해질 처리를 도우는 향상된 양극의 분리 구조를 설명하는 미국 특허 번호 5,773,161을 포함하는 몇몇 특허에서 묘사된다. 연료 전지 스택의 초과 시간의 작동 과정에서 양극의 평판의 성장을 수용하는 가스킷 디자인은 2003년7월25일 출원하고 동일 양수인에게 양도된 현재 출원중인 미국 특허 출원 번호 10/627,035에 기재되어 있다. 특히, 압축성 가스킷과 유전체 가스킷은 상기 유전체와 매니폴드 사이에서 밀봉을 제공한다. 압축성 가스킷은 추가로 상기 유전성 이음매와 매니폴드의 불규칙에 상기 가스킷을 적용하는 그 안에 끼워진 유순한 부재를 제공한다. 2004년12월23일에 출원하고 동일 양수인에게 양도된 현재 출원중인 미국 특허 출원 번호 11/020,592에 기재된 세라믹 유전성 프레임은 유전성 절연체를 향상시키고 기계적 스트레스를 감소시키고 결합하는 가스킷에 마모를 방지하는 인터라킹 장치(interlocking arrangement)를 포함한다. 그러나 상기 매니폴드 조립부, 연료 전지 스택 구성 및 유전성 절연체 구성에서 이러한 개선은 상기 유전체와 밀봉부 사이와 상기 밀봉부와 스택 면과의 사이 접촉면에서의 마찰 계수에서의 차이와 상기 매니폴드 가스킷 위에 초래하는 마모에 초점이 맞추어져 있지 않다.

또 다른 고려는 연료 전지가 매우 높은 온도에서 작동한다는 것이다. 예를 들어 용융 탄산염 연료 전지는 대략 650℃에서 작동한다. 매니폴드 가스킷에서 사용되는 소재의 선택은 이러한 오랜 기간의 작동 온도를 책임지고 구성요소가 전형적으로 수년이 되는 연료 전지 스택의 수명 동안 지탱하는 것을 허용한다. 따라서 연료 전지 스택의 작동 온도를 수용하고 스택 크기(dimension)의 변화와 스택의 움직임을 수용할 수 있는 매니폴드 밀봉에 대한 수요가 있다.

상기 유전성 절연체와 상기 스택 면 사이의 밀봉의 또 다른 한계는 상기 연료 전지 스택의 양극 단부 또는 상부로부터 상기 스택의 음극 단부 또는 하부로 전해질의 바람직하지 않은 움직임을 허용하여 상기 스택의 음극 단부에서 전지를 오버 플로우(flood) 시키고 양극 단부의 전지에서 전해질을 고갈시키는 것이다. 상기 가스킷은 또한 상기 유전체를 통과하는 스택으로부터 상기 매니폴드에 전해질 이동을 허용할 수 있다. 연료 전지 시스템에서 전해질 이동을 감소하고 이동하는 장치 및 방법은 스택 전반에 걸쳐 용융된 전해질 함유량을 균등하게 하는 반대 단부에서 습기가 있는 전해질 심지 소재를 구비한 연료 전지 스택의 높이 방향을 따르는 통로를 기재하는 미국 특허 번호 4,643,954; 전해질 이동을 제한하는 낮은 전해질 보유를 구비한 구멍이 있는 밀봉 부재와 전해질 움직임의 나쁜 효과를 완화하는 상부 및 하부의 단부 부분에 비활성 전해질 저장소를 포함하는 전해질 연료 전지 스택을 설명하는 미국 특허 번호 4,761,348; 및 전해질 유동을 조절하고 전해질 이동을 감소 시키기 위해 그러한 유동을 지연하는 배리어(barrier) 수단과 전해질 유동을 지지하는 연장된 구멍 부재를 갖는 용융된 탄소염 연료 전지에 대한 매니폴드 가스킷을 설명하는 미국 특허 번호 5,110,692에서 검토되었다. 미국 특허 번호 6,514,636 에서 기재된 것과 같은 고도로 광택이 나는 세라믹은 프레임 표면 위에서 전해질 서행(creep)을 감소하고 방지함으로써 요구되는 전압 절연(voltage isolation)을 제공하기에 바람직하다.

이러한 이유로, 본 발명의 목적은 매니폴드와 스택 사이의 가스 밀봉을 유지하고 상기 매니폴드를 상기 스택으로부터 전기적으로 절연하게 유지하면서 상기 연료 전지 작동 과정에서 열 스트레스와 내부 연료 전지 압축으로부터 초래하는 미세한 움직임을 수용하는 용융된 탄산염 연료 전지 스택의 면에 매니폴드를 밀봉하기 위한 가스킷을 포함하는 조립체를 밀봉하는 연료 전지 매니폴드를 제공하는 것이다.

추가로 본 발명의 목적은 매니폴드와 연료 전지 스택 사이의 접촉면에서 미세한 움직임을 수용하고 상기 가스킷 조립체의 유전성 절연체의 성분에 스트레스를 줄이는 가스킷을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전해질 움직임을 제한하면서 상기 매니폴드와 연료전지 스택 사이의 접촉면에서 미세한 움직임을 수용하는 가스킷을 제공하는 것이다.

본 발명의 원칙에 따라 상기 및 다른 목적은 적어도 하나의 외부적으로 매니폴드된 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템에서 매니폴드 가장자리와 스택 면 사이에서의 가스킷에서 실현된다. 상기 가스킷은 상기 가스킷과 유전체 사이와 상기 가스킷과 상기 스택 면 사이의 접촉면에서 미끄저짐을 촉진함으로써 상기 스택과 매니폴드 사이의 미세한 움직임을 수용한다.

전형적인 매니폴드 가스킷 밀봉부에 관하여 위에서 기재한 것처럼, 상기 가스킷 또는 밀봉부는 연료 전지 스택 작동과정에서 상기 유전체에 적용되는 스트레스를 제한한다. 반대로, 유전체는 세라믹 유전체에서 이음매와 연료 전지 스택의 단부 평판 위를 움직이는 상기 가스킷의 오염을 방지하며 상기 매니폴드와 스택 사이에서의 미세한 움직임을 허용한다. 특히, 상기 가스킷은 전지 영역에서 스택에 고정하고 슬립 평면(slip plane)은 상기 유전체 프레임과 상기 가스킷 사이에 존재한다. 상기 스택의 하나 이상의 단부에서, 슬립 평면은 또한 상기 단부 평판과 상기 가스킷 사이에서 존재한다. 본 발명에 따라 가스킷 조립부는 이러한 슬립 평면에서 미끄러짐을 촉진한다.

본 발명의 상기 및 다른 특성과 국면은 수반되는 도면과 결합하여 다음의 상세한 설명을 읽으면 더욱 분명해 질 것이다.

도 1은 스택 수명 초기에서, 본 발명에 따르는 가스킷을 포함하는 매니폴드 밀봉 조립부의 분해도.

도 2는 스택 수명 말기에서, 본 발명에 따르는 가스킷을 포함하는 매니폴드 밀봉 조립부의 분해도.

도 3은 스택 수명 초기에서 가스킷의 일부분에 대한 상세 도식도.

도 3A는 세라믹 유전체에 의해 포착되는 가스킷을 보이는 라인 3A-3A을 따라 취해진 도 3에서 보이는 가스킷의 단면도.

도 3B는 세라믹 유전체에 의해 포착되는 가스킷을 보이는 라인 3B-3B을 따라 취해진 도 3에 보이는 가스킷의 단면도.

도 4는 스택 수명 말기에, 도 3에서 보이는 가스킷 부분의 상세 도식도.

도 5A는 도 3A에서 보이는 단면도의 추가적인 상세도.

도 5B는 도 3B에서 보이는 단면도의 추가적인 상세도.

본 발명은 스택의 수명 과정에서 발생하는 연료 전지 스택의 형태와 크기에서의 변화와 그러한 물리적인 변화로부터 발생하는 미세한 움직임을 수용하는 가스킷 또는 밀봉부를 제공한다. 이러한 움직임은 가열 또는 냉각과정에서 발생하거나 또는 작동 변수로부터 생성하는 열적인 움직임과 초기 준비과정과 구성요소의 보다 긴 시간의 서행 동안 발생하는 내부 전지 압축 움직임으로 분류된다. 이하 자세하게 기재된 가스킷은 두 가지 타입의 움직임을 허용하고 이로써 유전성 절연기에 부여되는 스트레스(stress)를 최소화한다.

특히, 상기 가스킷은 매니폴드 조합체와 스택의 구성요소 사이에서 팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 스트레스를 제한한다. 기재된 소재는 연료 전지 시동 과정에서 접촉하는 인접 표면들 사이의 상대적인 움직임을 자극하는 테스트로부터 평가되고 선택된다. 가스킷의 전개에서 중요한 점은 스택이 가열, 냉각 또는 압축될 때 세라믹 유전체에 전달되는 스트레스를 최소로 하는 것이다.

상기 매니폴드 가스킷의 특성은 상기 매니폴드와 스택이 한쪽 단부에 고정되는 연료 전지 스택과 관련하여 기재될 것이다. 움직임이 상기 스택의 한쪽 단부에 구속되는 경우, 매니폴드 조립부와 스택 사이의 최고 움직임은 반대쪽 단부에서 발생하고, 이는 상기 가스킷의 성질을 더욱 잘 설명한다. 그러나 여기서 제시되고 기재된 가스킷은 그와 같이 구속된 연료 전지 스택의 사용에 제한되지 않고 한쪽 단부에 고정되지 않는 한쪽을 포함하는 다른 스택 배열에 대한 매니폴드 시스템에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 가스킷(5)을 포함하는 매니폴드 밀봉 조립부(11)의 확대 분해도이다. 매니폴드 밀봉 조립부(11)는 스택 수명의 초기에("BOL") 연료 전지 스택(10)에 인접해서 보인다. 본 발명에 따르는 상기 매니폴드 밀봉 조립부(11) 구성요소는 매니폴드(1), 건식 유전체(2), 압축성 가스킷(3), 세라믹 유전성 절연기(4) 및 가스킷(5)을 포함한다. 상기 매니폴드 밀봉 조립부(11)는 상기 스택 가장자리(7)를 따라 단부 평판(6)의 고정 표면에서의 스택 면에 고정된다. 앞에서 지적하고 이하 더욱 자세히 기재하는 것처럼, 미끄러짐이 상기 스택(10)과 세라믹 유전체(4) 사이에서 요구되고 본 발명의 가스킷(5)에 의해 수용된다.

도 1에서 보이는 매니폴드 가스킷 조립부에서, 유전체 졀연기(4)는 건식 유전체(2)와 압축성 가스킷(3)에 의해 상기 매니폴드(1)로부터 구별된다. 상기 건식 유전체(2)는 금 운모와 같은 세라믹 소재로 만들어지고, 그것은 추가로 상기 스택으로부터 상기 매니폴드를 전기적으로 절연하는 기능을 제공한다. 압축성 가스킷(3)은 건식 유전체(2)와 건식 절연기(4) 사이에 놓인다. 미세한 스택 움직임을 수용하기 위한 매니폴드 조립체 구성요소로 만들어지는 개선에 관하여 위에서 검토된 것처럼, 가스킷(3)은 여러 층의 압축성 세라믹 펠트 즉, 지르코니아 펠트, 알루 미나 펠트 또는 유사한 압축성 필브로스 소재로 만들어지고, 스택의 크기에서 추가적인 변화를 수용하도록 그 안에 끼워 넣어진 탄성 부재를 가질 수 있다.

상기 가스킷(5)은 상기 유전성 절연기(4)와 상기 스택(10) 사이에서 유전성 절연기(4)의 반대 면에 놓인다. 상기 가스킷(5)은 지카 지르코니아(Zircar Zirconia)사로부터의 지르코니아 펠트 ZTF100과 같은 섬유 모양의 세라믹 소재로부터 만들어지고 아래 추가로 상세히 기재되는 것처럼 하나 이상의 층을 포함한다. 도 1에서 보이는 상기 매니폴드 조립부(11)의 구성은 연료 전지 스택(10)에 결합하고 부착 될 때, 본 발명의 대상이 되는 가스킷(5)에 의한 연료 전지 스택의 작동 과정에의 미세한 움직임의 수용을 더욱 잘 설명하기 위해 하부에 고정된다.

도 2는 스택의 수명 말기에("EOL") 연료 전지 스택(10)의 근처에서 가스킷(5)을 포함하는 매니폴드 실링 조립부(11)의 분해도이다. 도 1에서 보이는 상기 스택의 BOL에서의 이러한 구성요소의 조건과 비교하여, 특히 가스킷 부재(5)와 관련하여, 미끄러짐이 상기 스택의 작동 과정에서 상기 스택(10)과 세라믹 유전체(4) 사이에서 발생한다. 상기 스택과 유전체 사이에서의 미끄러짐은 본 발명의 가스킷(5)에 의해 촉진된다. 그러한 특성은 도 3, 3A, 3B 및 4와 관련하여 아래에서 더욱 자세히 보이고 기재된다.

도 3은 스택 수명의 초기의 가스킷(5)의 부분에 대한 상세한 개요도이다. 보이는 것처럼, 상기 가스킷(5)은 각각 지르코니아 펠트와 같은 2층의 세라믹 펠트 소재를 갖는 제1 및 제2 섹션(section)(15, 16)을 포함한다. 상기 가스킷은 각각 하나 이상의 세라믹 펠트 소재의 층을 갖는 일정수의 섹션으로 만들어질 수 있고, 본 발명의 가스킷은 여기서 보이고 기재되는 구성과 소재에 한정되지 않는다.

제1 섹션(15)은 연료 영역에서 상기 스택에 인접하여 놓이는 가스킷(5)의 부분에 상당한다. 상기 가스킷과 유전체 사이보다 더 큰 마찰력이 있는 연료전지 영역에서 가스킷이 상기 스택에 고정하므로 슬립(slip) 평면이 전체 프레임(도시되지 않음)과 제1 섹션(15) 사이에 존재한다. 한 층의 세라믹 클로스(ceramic cloth)(13)는 상기 유전체에 인접하여 상기 가스킷(5)의 제1섹션(15)의 표면에 놓인다. 상기 클로스(13)는 전형적으로 3M사에서 제조한 넥스텔 610과 같은 알루미나 클로스이거나 유사한 세라믹 클로스 소재가 놓이는 세라믹 펠트 층이 갖는 유전성 절연기에 상대적인 마찰계수보다 낮은 마찰 계수를 가지며 이로써 세라믹 클로스(13)와 유전성 절연기 사이의 경계면에서 미끄러짐을 촉진하는 유사한 세라믹 클로스 소재이다.

제2 섹션(16)은 스택의 단부 평판에 인접하여 놓이는 상기 가스킷(5)의 부분에 상응한다. 가스킷과 단부 평판 사이보다 유전체와 가스킷 사이에서 더 높은 마찰 계수를 가지므로 상기 가스킷 섹션은 유전성 절연기에 고정되어 슬립 평면은 단부 평판(도시되지 않음)과 제2 섹션(16) 사이에서 존재한다. 상기 유전체와 가스킷의 제2 섹션(16) 사이에서의 미끄러짐은 도 3A와 관련하여 이하 더 자세히 설명되는 것처럼, 가스킷이 상기 유전체에 의해 포착되기 때문에 전적으로 방지되지 않으면 추가로 제한된다.

한 층의 세라믹 클로스(12)는 클로스 층(13)의 반대편 상기 가스킷 표면에 놓인다. 특히 세라믹 클로스(12)는 단부 평판에 인접하는 제2 섹션(16)의 표면에 놓인다. 상기 가스킷의 제1 섹션(15)에 놓이는 세라믹 클로스(13)와 같이 세라믹 클로스 층(12)은 전형적으로 알루미나 클로스 또는 유사하게 짜여진(similar woven) 세라믹 소재로 만들어진다. 세라믹 클로스 층이 놓이는 세라믹 펠트 층이 단부 평판에 상대적으로 갖는 마찰계수보다 세라믹 클로스 층은 더 적은 마찰계수를 가지고 이로써, 세라믹 클로스(12)와 단부 평판 사이의 접촉면에서 미끄러짐을 촉진한다.

추가로, 스테인리스 단부 강판의 표면(도 3에 도시되지 않음)은 부식을 방지하기 위해 알루미늄 도금될 수 있다. 스테인리스 강판의 부식은 초과적으로 단부 평판의 표면 거칠기를 증가시키고 단부 평판과 가스킷 사이의 마찰 계수의 증가를 유도한다. 알루미늄 도금된 표면은 부식을 제한하고, 그로서 연료 전지 스택의 작동 과정에서 미끄러짐을 향상시킨다. 단부 평판은 열처리 동안 스테인리스 강판으로 확산되는 1-3mil 알루미늄 코팅을 추가함으로써 알루미늄 도금된다. 상기 알루미늄도금된 단부 평판은 스택 수명의 초기 또는 BOL에 처리되지 않은 스테인리스 강판과 비교하여 대등한 슬립면(slip plane)을 제공한다.

추가로 세라믹 클로스(12)와 단부 평판 사이에서 미끄러짐을 촉진하기 위해 흑연 코팅이 단부 평판에 인접하는 표면 위의 클로스에 적용될 수 있다.

흑연 코팅은 적어도 2가지 인자에 의해 마찰 계수를 낮추고 상기 스택 BOL과정에서 추가로 빠른 수축을 수용한다. 흑연 코팅은 연료 전지 스택 작동의 초기 과정에서 연소 될 수 있다. 상기 흑연 코팅은 이하 도 5A와 관련하여 더욱 상세히 기재될 것이다.

상기 가스킷(5)의 반대 표면에 놓이는 세라믹 클로스 층(12, 13)은 상기 스택이 작동을 시작하고 바로 연소되고 연료 전지 스택 수행에 영향을 주지 않는 임시의 풀(glue)과 같은 접착 소재로 세라믹 펠트에 적용된다. 세라믹 클로스 층(12, 13)은 상기 인접하는 유전체 또는 단부 평판과의 접촉 표면에서 미끄러짐을 촉진하면서, 상기 접착제가 연소된 후 상기 세라믹 클로스 층이 적용되는 세라믹 펠트에 고정된다.

도 3A는 세라믹 유전체(4)에 의해 포착되는 가스킷의 제2 섹션(16)을 보이는, 3A-3A 라인을 따라 취해진 도 3에 보이는 가스킷(5)의 단면도이다. 특히 상기 유전체(4)는 가스킷에 면하는 표면에서 그루브(groove)를 구비하여 형성된다. 상기 유전체(4)에서 형성된 그루브(9)는 가스킷과 같은 폭을 갖고, 상기 가스킷의 세라믹 펠트 층의 적어도 한 부분이 그루브(9)에 의해 포착되는 깊이를 갖는다. 보이는 것처럼 상기 유전체(4)의 그루브(9)안에 상기 가스킷의 제2 섹션(16) 부분의 포착은 제2 섹션(16)이 제2 섹션(16)의 길이 방향에 수직인 방향 또는 연료 전지 스택의 높이 방향에 평행한 방향에서 유전체에 독립적으로 움직이는 것을 방지한다. 추가로 섹션(16)이 유전체(4)에 독립적으로 움직이는 것을 방지하기 위해, 세라믹 코팅 또는 비즈가 유전체와의 접촉면에서 가스킷에 적용될 수 있다.

상기 유전체와 상기 가스킷 사이의 마찰을 증가시키는 소재의 예로서 지르카 지르코니아사(Zircar Zirconia, Inc)의 지르코니아 강화기와 코트로닉스 코퍼레이션(Cotronics Corporation)의 989 세라믹 시멘트이다.

따라서, 도 3A에서 보이는 유전체(4)의 부분이 작동과정에서 스택의 수축을 수용하는 연료 전지 스택의 높이 방향에 평행한 방향에서 움직일 때, 제2 섹션(16)은 단지 단부 평판(도시되지 않음)에 상대적인 방향에서 유전체와 함께 움직이는 것이 허용된다. 상기 유전체와 상기 가스킷(5)의 제2 섹션(16)의 구성은 이렇게 알루미나 클로스(cloth)(12)와 단부 평판 사이에서 미끄러짐을 촉진한다.

도 3B는 상기 세라믹 유전체(4)에 의해 포착되는 상기 가스킷 제1섹션(15)를 보이는 3B-3B라인을 따라 취해진 도 3에서 보인 가스킷(5)의 단면도이다. 도 3A에서 보이는 유전체의 부분과 같이, 도 3B에서 보이는 유전체(4)는 또한 상기 가스킷(5)에 직면하는 그루브(9)를 구비하여 형성된다. 상기 유전체(4)에 형성된 그루브(9)는 상기 가스킷과 같은 폭을 갖고 세라믹 클로스 층(13)와 상기 가스킷의 제1 섹션(15)의 세라믹 펠트 층의 적어도 하나 부분이 그루브(9)안에 포착되도록 하는 깊이를 갖는다.

이러한 경우, 유전성 절연기(4)에 형성된 상기 그루브(9)에 의한 가스킷의 포착은 상기 연료 전지 스택에 평행한 방향에서 상기 유전체와 상기 가스킷의 제1 섹션(15) 사이의 미끄러짐의 상대적인 움직임을 방해하지 않는다. 보이는 것처럼, 상기 유전체(4)의 그루브(9)에 상기 가스킷의 제1 섹션(15)의 일부분의 포착은 상기 연료 전지의 높이 방향과 평행하고 제1 섹션(15)의 높이 방향에 평행한 방향에서 세라믹 클로스(13)와 유전체(4) 사이에서 슬립 평면을 구속하는 것은 아니라 포위한다. 도 3B에 보이는 가스킷의 제1 섹션은 상기 스택 연료 영역(도시되지 않음)에 고정되고 작동 과정에서 수축되는 것과 같이 연료 전지 스택의 높이 방향에 평행한 방향에서 스택과 함께 움직일 때, 제1 섹션(15)은 유전체(4)에 상대적인 방향 에서 움직일 것이다. 이렇게 상기 유전체와 상기 가스킷(5)의 제1 섹션(15)의 이러한 구성은 알루미나 클로스(13)와 유전체(4) 사이에서 미끄러짐을 촉진한다.

도 4는 스택 수명의 말기(EOL)에 도 3에 보이는 가스킷(5)의 일부분에 대한 상세 도식도이다. 도 4에서 명확하지는 않으나, 스택의 EOL 시간까지는, 상기 스택의 수축이 스택 작동 과정에서 발생하면서 상기 가스킷의 제1 섹션(15)은 상기 유전체에 상대적으로 움직였다. 특히, 제1 섹션(15)은 길이 방향에서 짧아진다. 이는 상기 가스킷의 제1 섹션(15)이 스택의 작동과정에서 상기 스택의 수축을 수행하고; 상기 스택과 매니폴드 조립부는 반대 단면에 고정되므로 섹션(15)의 한쪽 단면은 단부가 부착되는 상기 유전체의 상응하는 부분에 상대적으로 더욱 짧게 되고; 클로스 층(13)에 의해 촉진되는 미끄러짐은 제1섹션(15)의 길이 방향에 평행하고 상기 연료 전지 스택의 높이 방향에 평행한 방향에서 유전체에 상대적으로 상기 가스킷의 제1 섹션(15)의 움직임을 허용하는 것에 기여한다.

추가로, 상기 가스킷의 제2 섹션(16)에 상대적으로 연료전지 스택의 단부 평판의 움직임이 있다. 특히, 상기 스택이 작동과정에서 수축되므로 단부 평판이 제2 섹션(16)의 길이 방향에 수직이고 상기 연료 전지 스택의 높이 방향에 평행한 방향에서 움직일때, 도 3A에서 보이는 유전체에 의해 포착된 제2 섹션(16)은 미끄러진다. 이러한 것은 상기 스택의 작동 과정에서 상기 스택의 수축과 상기 스택과 유전체 사이의 미세한 움직임; 상기 스택과 매니폴드 조립부가 반대 방향에서 고정되므로 상기 가스킷은 제2 섹션(16)과 상기 스택 한쪽 단부의 단부 평판 사이의 접촉면에서 미끄러짐을 허용함으로써 그와 같은 미세한 움직임을 수용하고; 상기 미끄러 짐은 상기 클로스 층(12)에 의해 촉진되고 흑연 코팅에 의해 더욱 향상되는 것에 기여한다.

BOL부터 EOL사이에서의 스택, 가스킷 및 유전체 사이의 미세한 움직임 과정에서 가스 누출을 제한하기 위해서, 도 4는 상기 가스킷에 형성된 간섭 이음매(interference joint)의 형태로 본 발명의 가스킷(5)의 추가적인 변형을 보인다.

특히, 경사진 노치(angled notch)(18)가 상기 가스킷의 제1 섹션(15)의 각각의 세라믹 펠트 층의 내부 면의 길이 방향에서 형성된다. 상기 가스킷의 제1 섹션(15)의 대부분에 걸쳐, 즉, 도 4에 보이는 노치(18)의 아래에서, 세라믹 펠트 층은 일정한 폭과 크기(dimension)를 갖는다. 그러나 도 4에서 보이는 것처럼, 노치(18)에서 상기 섹션의 끝 단부까지의 상기 섹션 15의 길이 방향에 걸쳐서, 상기 층들의 폭은 처음에 상기 노치에서 감소하고 다음에 점차 증가하며, 제2 가스킷 섹션(16)에 인접하는 펠트 층의 가장자리는 미묘하게 구부러지거나 경사져 있다. 추가로 제1 섹션(15)의 이러한 경사진 길이 방향에 인접하거나 또는 결합하는 제2 섹션(16)의 세라믹 펠트 층의 단부 또는 가장자리는 제1 섹션(15) 안에 맞추어지거나 제1 섹션의 경사를 따르도록 미묘하게 경사지어져 있다. BOL에서, 상기 가스킷의 제2 섹션(16)은 상기 노치(도시되지 않음)에 놓여있다. 도 4에서 보이는 것처럼 EOL에서는, 제2 섹션(16)은 상기 노치(18)로부터 멀리 떨어진 제1 섹션(15)으로 상대적으로 움직였다. 이렇게 간섭 이음매는 제1 및 제2 섹션(15, 16) 사이에서 스너그 피트(snug fit) 유지한다. 이로써 가스 누수를 막는다.

도 5A와 5B는 흑연 코팅과 강화기 코팅을 보이는 도 3A 및 3B에서 보이는 상 기 가스킷(5)의 단면도의 추가적인 상세도이다. 도 5A에서 보이는 것처럼, 흑연 코팅(40)은 단부 평판과 상호 접촉하는 세라믹 클로스(12)의 표면에 있다. 그러한 흑연 코팅은 BOL에서 스택의 신속한 수축을 수용하고 상기 클로스에 손상을 제한하는 유활유로서 작용함으로써 초기적인 미끄러짐을 향상한다. 상기 코팅(40)은 상기 세라믹 클로스(12) 또는 가스킷의 작동에 영향을 주지 않고 스택의 처음 100시간의 작동 후에 연소 된다.

도 5A에서, 지르카사로부터의 지르코니아 강화기와 같은 세라믹 강화기 코팅(41)은 클로스층(12)과 세라믹 펠트층(16) 사이에서 흑연 코팅(40)에 반대되는 세라믹 클로스 층(12)의 표면에 놓여있다. 이러한 강화기 코팅(41)은 세라믹 클로스(12)의 섬유를 함께 묶고 클로스를 강화함으로써 단부 평판에 대해 미끄러지는 동안 상기 클로스에 대한 손상을 제한한다. 강화기 코팅(41)은 상기 클로스(12)의 반대 표면으로 투과하지 않는 방식으로 펠트 층(16)에 인접하는 상기 클로스의 표면에서 상기 클로스(12)에 적용된다.

도 5B는 상기 클로스 층(13)와 세라믹 펠트 층(15) 사이의 접촉면에서 상기 유전체(4)에 반대되는 상기 세라믹 클로스 층(13)의 표면 위의 강화기 코팅(41)을 보인다. 이러한 세라믹 코팅(41)은 세라믹 클로스(13)의 섬유를 함께 묶고 상기 클로스를 강화함으로써 상기 유전체에 대한 미끄러짐 동안 상기 클로스에 대한 손상을 제한한다. 펠트 층(15)에 인접하는 상기 클로스의 표면 위의 상기 클로스(13)에 세라믹 코팅(41)의 적용과 관련하여, 코팅(41)은 처리되지 않은 세라믹 클로스(13)보다 더 큰 마찰 계수를 가지므로 상기 코팅(41)은 상기 크로스(13)의 반대 표면에 투과하지 않는 방식으로 적용되는 것이 특히 중요하다.

모든 경우에서 위에 기재된 배열은 본 발명의 적용을 대표하는 많은 가능한 구체적인 구성의 단순한 설명임이 이해된다. 매니폴드 조립부의 구성 성분의 다양한 구성과 다른 소재의 사용을 포함하는 수많은 다양한 다른 배열이 본 발명의 영역과 정신을 벗어나지 않고 본 발명의 원칙에 따라 쉽게 변경될 수 있다.

Claims (26)

1. 제1 및 제2의 대향 하는 외부 표면을 가지며 매니폴더를 연료 전지 스택에 밀봉하는 가스킷과 상기 가스킷의 상기 제1 및 제2의 외부 표면의 적어도 하나의 적어도 일부분에 놓여져 미끄러짐을 촉진하는 소재 층을 포함하는 것으로 구성되며; 상기 소재층은 상기 가스킷보다 낮은 마찰계수를 갖으며,

   상기 가스킷은 섬유모양의 세라믹층, 및 상기 소재는 세라믹 클로스를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
2. 삭제
3. 제1 및 제2의 대향 하는 외부 표면을 가지며 매니폴더를 연료 전지 스택에 밀봉하는 가스킷과 상기 제1 및 제2의 외부 표면의 적어도 하나의 적어도 일부분에 놓여져 미끄러짐을 촉진하는 소재 층을 포함하는 것으로 구성되는 조립체로서;

   상기 가스킷은 섬유 모양의 세라믹 층을 포함하고 상기 소재는 세라믹 클로스를 포함하고,

   상기 가스킷은 연료 전지 스택 면과 매니폴더와 스택 면 사이에 놓이는 유전성 절연기 사이에 놓이도록 적용되고;

   상기 스택 면은 연료 전지 스택의 단부 평판의 단부 면의 부분에 의해 형성되는 마주보는 제1 및 제2 주변부분과 연료 전지 스택의 연료 전지에서 양극의 분리 평판의 단부 면의 부분에 의해 형성되는 마주보는 제3 및 제4 주변 부분을 포함하고;

   상기 유전성 절연기는 상기 스택 면의 상기 제1 및 제2 주변 부분에 인접하여 놓이도록 적용되는 마주보는 제1 및 제2 프레임(frame) 부분과 상기 스택 면의 상기 제3 및 제4 주변 부분에 인접하여 놓이도록 적용되는 마주보는 제3 및 제4의 프레임 부분을 포함하고;

   상기 가스킷의 상기 제1 외부 표면은 상기 유전성 절연기의 상기 프레임 부분에 직면하도록 적용되고 상기 가스킷의 상기 제2 외부 표면은 상기 스택 면의 상기 주변 부분에 직면하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 조립체.
4. 제3항에 있어서,

   세라믹 클로스는 상기 유전성 절연기의 제3 및 제4의 프레임 부분에 직면하도록 적용되는 상기 가스킷의 제1 외부 표면의 일부분과 상기 스택 면의 제1 및 제2 주변 부분에 직면하도록 적용되는 상기 가스킷의 제2 외부 표면의 일부분에 놓이는 것을 특징으로 하는 조립체.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서,

   상기 섬유 모양의 세라믹층은 적어도 하나의 지르코니아 펠트(felt)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
7. 제6항에 있어서,

   상기 세라믹 클로스는 알루미나 클로스인 것을 특징으로 하는 조립체.
8. 제4항에 있어서,

   상기 가스킷은,

   상기 스택 면의 마주보는 제1 및 제2 주변 부분의 사이와 상기 유전성 절연기의 마주보는 제1 및 제2 프레임 부분의 사이에 놓이도록 적용되는 각각의 마주보는 제1 및 제2 부분; 과

   상기 스택 표면의 마주보는 제3 및 제4 주변 부분의 사이와 상기 유전성 절연기의 마주보는 제3 및 제4 프레임 부분의 사이에 놓이도록 적용되는 각각의 마주보는 제3 및 제4 부분; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1, 제2, 제3 및 제4의 상기 유전성 절연기의 프레임 부분은 상기 가스킷의 제1, 제2, 제3 및 제4의 부분에 대응하여 직면하는 상기 제1, 제2, 제3 및 제4의 그루브 각각을 포함하는 것으로 구성되며; 상기 가스킷의 제1, 제2, 제3 및 제4의 부분은 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 그루브에 의해 포착되도록 적용되는 것을 특징으로 하는 조립체.
10. 삭제
11. 제9항에 있어서,

    상기 가스킷의 상기 제3 및 제4 부분의 한 쌍의 상기 섬유 모양의 세라믹층, 상기 가스킷의 상기 제1 외부 표면의 상기 부분 및 상기 제1 외부 표면의 상기 부분에 놓이는 상기 세라믹 클로스는 각각 상기 제3 및 제4 그루브에 포착되도록 적용되고, 상기 가스킷의 상기 제1 및 제2 부분의 상기 섬유 모양의 세라믹층의 부분은 상기 제1 및 제2 그루브 각각에 의해 포착되도록 적용되는 것을 특징으로 하는 조립체.
12. 제8항에 있어서,

    간접 이음매가 가스킷의 내부 면의 길이 방향에서 형성되고 상기 가스킷의 마주보는 제3 및 제4 부분의 적어도 하나의 단부로부터 일정한 간격을 두고 배치되며, 상기 간섭 이음매 각각은 상기 가스킷의 마주보는 제3 및 제4부분의 상기 적어도 하나의 단부를 향하는 경사에서 진행하는 상기 내부 면의 상기 길이 방향에 의해 계속되는 상기 가스킷의 상기 마주보는 제3 및 제4 부분의 적어도 하나의 상기 내부 면의 상기 길이 방향에서 노치를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체
13. 제12항에 있어서,

    각각의 상기 간접 이음매는 상기 가스킷의 상기 제1 및 제2 부분의 한쪽 단부를 추가로 포함하고, 각각의 간섭 이음매의 상기 가스킷의 제1 및 제2 부분의 적어도 하나의 단부는 상기 간섭 이음매를 형성하는 상기 가스킷의 마주보는 제3 및 제4 부분의 적어도 하나의 내부 면의 상기 길이 방향의 경사에 경사지게 결합하는 것을 특징으로 하는 조립체.
14. 삭제
15. 제4항에 있어서,

    상기 가스킷의 상기 제2 외부 표면의 적어도 일부 위의 상기 세라믹 클로스의 표면에 대향하는 상기 세라믹 클로스 표면 위의 흑연 코팅을 추가로 포함하고/포함하거나,

    상기 가스킷의 상기 제1 외부 표면의 일부분 위의 상기 세라믹 클로스의 상기 표면과 상기 가스킷의 상기 제2 외부 표면의 일부분 위의 상기 세라믹 클로스의 상기 표면에 세라믹 강화기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
16. 삭제
17. 제15항에 있어서,

    상기 가스킷의 제1 외부 표면의 적어도 일부분 위의 상기 세라믹 클로스의 상기 표면 위의 세라믹 강화기를 마주보는 상기 가스킷의 상기 제2 외부 표면의 부분 위에 세라믹 강화기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
18. 삭제
19. 삭제
20. 제4항, 제9항, 제13항 또는 제19항 중 어느 한 항에 있어서,

    하나 이상의 상기 유전성 절연기, 상기 매니폴더 및 상기 스택을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
21. 삭제
22. 제1 및 제2의 대향 하는 외부 표면을 가지며 매니폴더를 연료 전지 스택에 밀봉하는 가스킷과 상기 제1 및 제2의 외부 표면의 적어도 하나의 적어도 일부분에 놓여져 미끄러짐을 촉진하는 소재 층을 포함하는 것으로 구성되는 조립체로서;

    상기 가스킷은 섬유 모양의 세라믹 층을 포함하고 상기 소재는 세라믹 클로스를 포함하고, 그리고

    상기 제1 및 제2 외부 표면의 적어도 하나의 적어도 일부분 위의 상기 세라믹 클로스의 표면 위에 세라믹 강화기 코팅을 추가로 포함하고/포함하거나,

    상기 제1 및 제2 외부 표면의 적어도 하나의 적어도 일부분 위의 상기 세라믹 클로스의 표면을 마주보는 상기 세라믹 클로스의 표면의 일부분 위의 흑연 코팅을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
23. 삭제
24. 제17항 또는 제22항에 있어서,

    상기 섬유 모양의 세라믹층은 적어도 하나의 지르코니아 펠트 층을 포함하고;

    상기 세라믹 클로스는 알루미나 클로스이고;

    상기 세라믹 강화기 코팅은 지르코니아를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
25. 제24항에 있어서,

    상기 매니폴더와 상기 스택을 추가로 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
26. 제1항에 있어서,

    하나 이상의 상기 매니폴더와 상기 스택을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.

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