KR101502356B1 - 개선된 연료전지 어셈블리 - Google Patents

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장 이브 로렝
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소시에떼 비아이씨
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Abstract

복수의 개별 연료전지들을 하나의 어레이로 정렬하는 연료전지 어셈블리가 개시된다. 상기 연료전지들은 하나의 프레임 내에 형성된 개구들 내로 배설된다. 상기 개구들은 행렬 등으로 상기 어레이 내로 정렬된다. 상기 프레임에 후방커버가 밀봉되게 부착되며, 이로써 상기 프레임과 상기 후방커버의 기부 간에 챔버를 형성하고, 이 챔버는 매니폴드로서 작용한다. 임의의 지지체가 상기 기부로부터 상기 연료전지들로 연장된다. 공극은 연료전지용 연료를 연료저장기로부터 상기 연료전지들로 분산하기 위한 유체 매니폴드를 형성한다. 또는, 상기 후방커버는 이와 상기 프레임간 빈틈의 공간을 격실들로 분리하며, 상기 격실들은 채널들에 의해 유동적으로 상호연결된다. 상기 어레이는 또한 전자기기에 전력을 공급하도록 구성된 연료전지들에 전기적으로 연결된 기능요소를 포함할 수 있다.
연료전지, 연료전지어셈블리, 수소가스공급원, 연료공급원

Description

개선된 연료전지 어셈블리 {IMPROVED FUEL CELL ASSEMBLY}
본 발명은 개선된 연료전지장치에 관한 것으로, 특히 비교적 균일한 애노드측 수소가스공급원을 지닌 연료전지 또는 막전극어셈블리(membrane electrode assemblies: MEA's)의 실질적으로 평면인 어레이를 수용하는 연료전지 어셈블리에 관한 것이다.
연료전지는 연료 및 산화제와 같은 반응물의 화학적 에너지를 직접 직류(DC) 전기로 변환하는 장치이다. 연료전지는 리튬 이온전지와 같은 휴대용 전력저장장치뿐만 아니라 화석연료의 연소와 같은 통상적인 전력발전보다도 더 효율적이어서 그 응용이 증가하고 있다.
일반적으로, 연료전지 기술은 알칼리 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체산화물 연료전지 및 효소 연료전지 등 다양한 종류의 연료전지를 포함한다. 오늘날 매우 중요한 연료전지로는 일반적으로 여러 종류로 나뉠 수 있는데, 즉 (i) 압축수소(H2)를 연료로서 사용하는 연료전지, (ii) 메탄올(CH3OH) 등의 알콜, 수소화붕소나트륨(NaBH4) 등의 금속 수소화물, 탄화수소(hydrocarbon), 또는 수소연료로 변환되는 기타 연료를 사용하는 양자 교환막(Proton Exchange Membrane: PEM) 연료전지, (iii) 비수소 연료를 직접 소비할 수 있는 PEM 연료전지 또는 직접산화형 연료전지(direct oxidation fuel cell), 그리고 (iv) 고온에서 탄화수소 연료를 직접 전기로 변환하는 고체산화물형 연료전지(solid oxide fuel cells: SOFC)가 그것이다.
일반적으로 압축수소는 고압 하에 보관되므로 다루기가 어렵다. 또한, 커다란 저장탱크가 일반적으로 요구되어 가전기기에 사용될 만큼 작게 만들 수도 없다. 통상적인 개질연료전지(reformat fuel cell)는 연료전지 내부에서 연료를 산화제와 반응하는 수소로 변환하기 위하여 개질기(reformer)와 기타 기화장치 및 부대장치들을 필요로 한다. 최근에는 개질기나 개질 연료전지가 더 발전되어 가전기기용으로 유망해졌다. 가장 일반적인 직접산화형 연료전지는 직접메탄올 연료전지(direct methanol fuel cells: DMFC)이다. 기타 직접산화형 연료전지는 직접형 테트라메틸 오소카보네이트 연료전지(direct tetramethyl orthocarbonate fuel cell)를 포함한다. DMFC는 메탄올이 연료전지 내부에서 직접 산화제와 반응하므로 가장 간단하고 가장 소형화될 수 있는 연료전지이고, 또한 가장 유망하게 가전기기용 전력에 적용될 수 있다. SOFC는 고온에서 부탄 등의 탄화수소 연료를 변환하여 전기를 생산한다. SOFC는 연료전지반응을 일으키기 위하여 1000℃ 범위의 비교적 고온을 필요로 한다.
연료전지 각각의 종류에 따라 전기를 생산하는 화학반응은 다르다. DMFC에 있어서, 각 전극에서의 화학-전기 반응 및 직접형 메탄올 연료전지의 전체 반응은 다음과 같다;
애노드에서의 반쪽 반응:
CH3OH ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e-
캐소드에서의 반쪽 반응:
1.5O2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → 3H2O
전체 연료전지 반응:
CH3OH ＋ 1.5O2 → CO2 ＋ 2H2O
수소이온(H+)은 PEM을 거쳐 애노드로부터 캐소드로 이동하고 자유전자(e-)는 PEM을 통과하지 못하기 때문에, 상기 전자는 외부회로로 흐르게 되고, 결국 외부회로를 통하여 전류가 발생한다. 이 외부회로로서는 이동전화, 휴대형 뮤직플레이어(portable music player), 계산기, PDA(personal digital assistant), 랩탑 컴퓨터 및 전동공구 등과 같은 유용한 가전기기가 될 수 있다.
DMFC는 미국특허 제4,390,603호 및 제4,828,941호에 기술되어 있다. 일반적으로, PEM은 듀퐁사의 Nafion®과 같은 폴리머로 제조되며, 이는 대략 0.05mm 내지 0.50mm 두께범위의 과플루오르화술폰산폴리머(perfluorinated sulfonic acid polymer) 또는 기타 적절한 막으로 제조된다. 애노드는 일반적으로 백금-루테늄과 같은 촉매 박층이 표면에 도포된 테플론화 카본페이퍼지지체(Teflonized carbon paper support)로 제조된다. 캐소드는 일반적으로 백금입자가 상기 막의 일 측면에 부착된 가스확산전극으로 된다.
화학적 금속수소화물 연료전지에 있어서, 수용성 수소화붕소나트륨은 다음과 같이 개질되고 반응한다:
NaBH4 ＋ 2H2O → (열 또는 촉매) → 4(H2) ＋ (NaBO2)
애노드에서의 반쪽반응:
H2 → 2H+ ＋ 2e-
캐소드에서의 반쪽반응:
2(2H+ ＋ 2e-) ＋ O2 → 2H2O
적합한 촉매로는 백금과 루테늄 등이 있다. 수소화붕소나트륨을 개질함으로써 얻는 수소연료는 O2 등의 산화제와 연료전지 내부에서 반응하여 전기(또는 전자의 흐름) 및 물 부산물을 생성한다. 또한, 붕산나트륨(NaBO2) 부산물도 이 개질공정으로 생성된다. 수소화붕소나트륨 연료전지는 미국특허 제4,261,956호에 기술되어 있다.
연료전지장치는 일반적으로 스택(stack)으로 배열된 복수의 연료전지를 구비한다. 이들 스택은 연료가 연료전지의 애노드측부으로 균일하게 유동하기가 어렵기 때문에 비교적 비효율적인 경향이 있다.
특허문헌들은 상기 스택에서의 연료유동을 개선하기 위한 시도를 하여 왔다. 일 예를 들면, 미국특허 제6,887,611 B2호에서는 가스밀봉을 유지하고 유전절연체 파손을 감소하면서도 상기 스택의 휨과 수축을 수용하도록 설계된 가요성 외부 연료전지 가스 매니폴드(gas manifold)를 개시한다.
미국특허출원공개공보 제2005/0196666 A1호에서는 실질적 평면배열로 조립된 연료전지를 개시한다. 이들 실질적 평면 연료전지 어레이는 요망 형상으로 외형주조(contour-mold)될 수 있거나, 또는 전체적으로 곡선형상을 갖는 탄력적으로 연결된 개별 연료전지들의 어레이나 유연한 연료전지로서 구축될 수 있다. 그러나, 이 공보에서는 연료를 상기 연료전지들에 분배하는 방법을 개시하지 않았으나, 가스투과성층을 통해 기화하는 연료겔(fuel gel)을 기술하고 있다.
또한, 미국특허출원공개공보 제2005/0255349 A1호에서는 실질적 평면 연료전지 어레이를 개시한다. 이 공보에서는 2개의 좁은 수소채널과 2개의 수소포트를 구비한 수소 매니폴드를 개시한다.
따라서, 연료를 연료전지로 배달하는 가스 매니폴드의 개선이 요구된다.
본 발명은 대체로 개선된 연료전지장치에 관한 것으로, 특히 비교적 균일한 애노드측 수소가스공급원을 지닌 연료전지 또는 막전극어셈블리의 실질적으로 평면인 어레이들을 수용하는 연료전지 어셈블리에 관한 것이다.
일 구현예에 있어서, 본 발명은 복수의 개구들을 갖는 프레임과, 상기 개구들 내에 배설된 연료전지들과, 적어도 하나의 연료인입구를 갖는 후방커버를 포함하며, 상기 연료인입구는 상기 프레임과 상기 후방커버 간에 연료챔버를 형성하기 위해 상기 프레임에 부착된다. 상기 참버는 연료가 모든 연료전지에 자유로이 접촉하게 될 수 있도록 개방될 수 있거나, 또는 연료의 유동을 조절하기 위해 그 내부에 배설된 채널들을 구비할 수 있다. 또한, 배출구가 상기 후방커버 내에 제공되어 미반응의 연료 또는 폐기물을 배출할 수 있다. 상기 연료전지들은 상호 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결됨이 바람직하다. 상기 프레임 및 커버는 상기 연료전지들이 복수평면 내에 구성될 수 있도록 하기 위해 가요성 물질로 제조되거나 또는 접착물을 사용할 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 본 발명은 기능요소에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 연료전지를 포함하는 전력모듈에 관한 것이다. 상기 기능요소는 상기 연료전지(들)로부터 전자기기로 전기를 전송할 수 있다. 상기 기능요소는 주문형반도체칩(ASIC chip: Application Specific Integrated Circuit chip)으로 됨이 바람직하다. 상기 전력모듈은 여기 기술된 연료전지 어셈블리를 사용하거나 또는 다른 공지된 연료전지 어셈블리를 사용할 수 있다.
또 다른 구현예에 있어서, 본 발명은 전기를 전자기기에 제공하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 연료를 연료공급원으로부터 기능요소에 전기적으로 연결된 연료전지로 전송하고, 상기 기능요소를 사용하여 상기 전류를 사용가능한 전류로 변환하고, 상기 사용가능한 전류를 전자기기로 전송하는 것을 포함한다.
본 발명의 특징, 측면 및 이점은 하술하는 설명을 이하 첨부되는 도면을 참조하며 살펴볼 때 더 잘 이해될 것이다. 여기서 도면부호는 도면 전체에 걸친 각 부분을 가리킨다.
도 1은 본 발명에 의한 연료전지 어셈블리의 부분사시도(명료함을 위해 여러 연료전지들을 생략함).
도 2는 도 1의 연료전지 어셈블리의 분해도.
도 3은 전기적 연결을 도시하는 도 1의 완전한 연료전지 어셈블리의 평면도.
도 4는 도 3의 4-4선에 따른 연료전지 어셈블리의 확대단면도.
도 5는 다른 수소저장기용 구조를 도시하는 본 발명에 의한 다른 연료전지 어셈블리의 사시도.
도 5a는 연료전지들이 복수의 평면들로 이동가능한 본 발명에 의한 다른 연료전지 어셈블리의 사시도.
도 5b는 도 5a의 5b-5b선에 따른 연료전지 어셈블리의 확대단면도.
도 6은 도 1의 연료전지 어셈블리용의 다른 후방커버의 평면도.
도 7은 집적회로칩을 특징으로 하는 본 발명에 의한 다른 연료전지 어셈블리의 사시도.
도 8은 도 7의 연료전지 어셈블리의 분해도.
도 9는 전기적 연결을 도시하는 도 7의 연료전지 어셈블리의 평면도.
도 10a는 다른 전기적 연결을 도시하는 도 1의 연료전지 어셈블리 일부의 평면도.
도 10b는 도 10a의 10a-10a선에 따른 연료전지 어셈블리의 확대단면도.
도 10c는 접착 또는 용접을 수행함으로써 프레임에 연결되는 단일 연료전지의 평면도.
도 10d는 와이어가 없이 전기적으로 연결되는 연료전지들을 도시하는 단면도.
도면과 아래에 상세히 기술되어있듯이, 본 발명은 도 1에 도시하는 바와 같이 복수의 연료전지(12)용 어셈블리(10)에 관한 것이다. 연료전지(12)는 캐소드와 애노드와 양자교환막(Proton Exchange Membrane: PEM)을 포함하는 해당 분야에 공지된 모든 연료전지로 될 수 있다. 어셈블리(10)은 각 연료전지(12)가 평면배열로 정렬되는 프레임(14)을 구비한다. 어셈블리(10)는 도 2에 도시한 프레임(14) 내에 형성된 개구들(15) 내로 연료전지들(12)을 밀봉하며 삽입함에 있어서 필요한 개수의 각 연료전지들(12)을 수용할 수 있다. 각 연료전지(12)가 연료원, 바람직하게는 수소에 접근하고 또한 수증기 등의 반응부산물이 모두 수용되거나 또는 처분을 위해 외부로 이송되도록, 연료전지들(12)은 어셈블리(10) 내부에 정렬된다. 프레임(14)은 연료전지 어셈블리(10) 등의 주위환경 내에서 발생할 수 있는 세균의 성장을 억제하기 위해 항박테리아제나 항미생물제를 포함할 수 있다. 도 3에 도시하듯이, 어셈블리(10)는 이를 통해 열전도 및 열발산을 돕는 히트싱크(heat sink: 23)를 포함할 수도 있다. 히트싱크(23)는 해당 분야에 공지된 모든 적합한 물질로 제조될 수 있으며, 또한 해당 분야에 공지된 모든 형상으로 될 수 있고 핀(fin)을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 부가적으로, 어셈블리(10)는 이의 내부에 연료전지들(12)의 배열에 관계없이 연료전지들(12)을 서로 연결하기 위한 직렬 전기연결부를 제공한다.
도 1 및 2를 다시 참조하면, 프레임(14)은 어셈블리(10)를 위한 지지구조를 제공하여 어셈블리(10)의 전체 외곽선을 형성하고 이 외곽선 내에서 내부로 연료전지들(12)을 수납하도록 구성된 다수의 개구(15)를 형성한다. 개구들(15)은 행(32) 및 열(30)로 정렬됨이 바람직하다. 개구들(15)은 연료전지들(12)을 수납하기 위한 크기와 용적으로 되고 이로써 연료전지들(12)이 이의 주변에 있는 개구(15) 내에서 밀봉될 수 있으며, 이는 해당 분야의 공지된 어떠한 형상으로도 될 수 있다. 도 4에 도시하듯이, 이하 더 상세히 설명하겠지만, 프레임(14) 내부의 개구(15)에 의해 형성된 측벽들(9)은 적어도 연료전지(12)의 두께와 함께 동일 공간에 연장되어 연료전지(12)를 지지함이 바람직하다. 후방커버(16)는 이로부터 직립하는 복수의 지지체(18)를 구비한다. 각 지지체(18)는 연료전지(12)의 기하학적 중심에서 연료전지(12)를 지지한다. 당업자라면 인식하겠지만, 9개의 개구(15)가 도면에 도시되어 있는데, 모든 개수의 개구(15) 및/또는 연료전지(12)는 프레임(14) 내에 포함될 수 있다. 개구(15)는 또한 연료전지(12)가 프레임(14) 전면으로부터 미끄러져 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 하나 이상의 유치구조를 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 에폭시나 기타 접착제가 개구(15) 내에서 연료전지(12)를 고정하기 위해 사용된다. 개구(15) 내에 연료전지(12)를 유치하기 위한 부가적인 장치 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이 개구(15)는 이 내부에서 연료전지(12)를 유치하기 위해 연료전지(12) 상으로 연장하는 임의의 탭(17)을 포함한다.
도 2에 도시하듯이, 프레임(14)은 이에 종속하는 스커트(skirt)나 측벽(21)을 구비할 수 있으며, 후방커버(16)가 프레임(14)에 밀봉되게 부착된다. 후방커 버(16)는 프레임(14)을 지지하며, 프레임(14) 내의 위치에서 연료전지(12)를 지지하고 연료를 연료전지(12)에 전달하기 위한 매니폴드(manifold)를 제공하는 역할을 한다. 도 4에 도시하듯이, 후방커버(16)는 프레임(14)에 부착될 때 매니폴드 공간 또는 챔버(20)가 후방커버(16)와 연료전지(12) 간에 형성되도록 구성된다. 다시 말해, 후방커버(16)가 프레임(14)에 부착될 때, 박스(box) 같은 구조가 형성되고 연료전지(12)는 상기 박스의 커버 상부에 위치됨으로써, 연료전지(12)의 애노드측부(11)가 상기 박스의 "내부"에 있는 반면, 연료전지(12)의 캐소드측부(13)는 상기 박스의 "외부"에 있게 된다. 당업자라면 인식하겠듯이, 어셈블리(10)는 모든 방향에서 사용될 수 있다. 다른 구현예에 있어서, 상기 박스를 형성하기 위해 프레임(14)은 비교적 얕고 후방커버(16)는 비교적 높은 측벽(21)을 포함할 수 있다. 부가적으로, 스페이서(spacer: 미도시)가 프레임(14)과 후방커버(16) 간에 밀봉되게 삽입되어 격리를 제공함으로써 챔버(20)를 형성할 수 있다.
후방커버(16)는 기부(19)와, 적어도 하나의 지지체(18)와, 연료인입구(22)를 포함한다. 도 4에서 가장 잘 볼 수 있듯이, 챔버(20)의 측면들은 후방커버(16)와, 측벽들(21)과, 프레임(14) 및 연료전지(12)의 측면(11)에 의해 이루어진다. 후방커버(16)에 형성된 연료인입구(22)는 챔버(20)에 유동적으로 연결되며, 도 1-4에 도시된 구현예에서는 프레임(14) 후방에 연속적인 유체분배통로 또는 매니폴드를 형성한다. 지지체(18) 이외의 다른 구조라도 연료인입구(22)로부터 챔버(20)로의 연료이송을 방해하지 않아 어셈블리(10) 내 각 연료전지(12)의 애노드측부(11)와 접촉하게 된다.
도 1-4의 구현예에 있어서, 후방커버(16)와 연료전지(12) 간의 분리는 지지체(18)와 측벽(21)에 의해 부분적으로 유지된다. 연료인입구(22)는 기부(19) 내의 개구로부터 형성된 공극으로 되며 프레임(14)으로부터 멀리 기부(19) 외부로 연장된다. 연료인입구(22)는 기부(19)와 함께 단일로 형성되거나 이와 별개로 형성되어 이에 밀봉되게 부착된다. 예를 들어, 기부(19)와 연료인입구(22)가 성형가능한 물질로 제조된 경우, 기부(19)와 연료인입구(22)는 별개로 형성되어 접착제로 상호 밀봉되게 부착될 수 있다. 또는, 기부(19)는 그 일부분으로서 연료인입구(22)와 함께 성형될 수 있다. 연료인입구(22)는 연료전지들(12)로 연료를 공급하기 위하여 연료카트리지나 연료원에 부착되도록 구성된다. 도 1 및 2에 도시하듯이, 연료인입구(22)는 후방커버(16)의 일 종단에 형성된 단일용기로 될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 구성에 제한되지 아니한다. 연료인입구(22)는 후방커버(16) 주위에 위치된 일련의 공극들로 될 수 있고, 이로써 연료가 더 신속하게 챔버(20) 내의 모든 연료전지들(12)로 분산될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시하듯이, 연료인입구(22)는 어셈블리(10)의 대향종단에 위치된 2개의 공극, 제1포트(22a) 및 제2포트(22b)로 나누어진다. 이러한 구조에서, 연료는 원형 형태로 챔버(20)를 거쳐 유동하기 쉽고 이는 챔버(20) 내에서 정체구간의 형성을 방지하며, 이로써 챔버(20)의 매니폴드를 거치는 연료의 분배가 향상된다. 당업자에 의해 인식되겠듯이, 연료인입구(22)를 위한 어떠한 개수의 구조라도 가능하다.
연료가 연료전지(12) 내에서 화학반응할 때, 일부 연료는 미반응인 채로 잔존할 가능성이 있다. 이리하여, 도 5에 도시하는 구현예는 포트(22a) 또는 포 트(22b)가 상기 미반응 연료가 재활용되거나 또는 함께 어셈블리(10)를 빠져나가도록 상기 미반응 연료를 챔버(20)로부터 이송해 내보낼 수 있는 연료배출구로 되도록 구성된다.
프레임(14)는 이에 해당분야의 모든 물질이 적합하지만 특히 연료전지(12)의 구조적 지지를 제공가능한 강성물질로 제조됨이 바람직하다. 프레임(14)은 비전도성 물질로 제조됨이 바람직하며, 이로써 연료전지(12)에 의해 생성된 전류가 수집되어 기기로 전송될 수 있다. 예를 들어, 프레임(14)은 수지, 플라스틱 및 폴리머 등의 성형가능한 물질, 세라믹스, 고무 및 실리콘 등의 가요성 물질로 제조될 수 있다. 이리하여, 연료전지(12)는 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결되면서도 어떠한 배열로도 정렬될 수 있다.
후방커버(16)는 어셈블리(10)에 구조적 지지를 제공하기 위해 강성물질로 제조됨이 바람직하다. 그러나, 해당분야에서 연료전지(12)에 사용되는 연료에 실질적으로 불활성인 모든 물질이 후방커버(16) 용으로 적합하다. 예를 들어, 프레임(14)용으로 적합하다고 상술한 모든 물질이 후방커버(16) 용으로 적합하다. 또한, 후방커버(16) 또는 이의 일부가 연료전지(12)로부터 분리되어 지지되는 경우, 후방커버(16)는 또한 금속 등의 전도성 물질로 제조될 수도 있다.
도 5a 및 5b에 도시하듯이, 프레임(14) 및 후방커버(16)는 연료전지(32)를 수용하는 열(30) 또는 행(32)이 복수의 평면에서 정렬될 수 있도록 축(들)(50)을 따라 열(30) 및/또는 행(32) 간에 구성 또는 만곡될 수 있다. 따라서, 연료전지(12)는 도 5a의 면들(1, 2, 3)에 배열된다. 면들(1, 2, 3) 간의 부착은 힌 지(hinge), 라이브힌지(live hinge), 물질의 박형화부 등의 해당분야에서 공지된 모든 종류의 가요성 부착 또는 조인트 부착으로 될 수 있다. 또는, 프레임(14) 아니면 후방커버(16), 또는 둘 다는 상기와 같이 어셈블리(10)가 복수의 평면 내로 배열될 수 있도록 고무, 실리콘, 박형 플라스틱 또는 금속 등의 가요성 물질로 구성될 수 있다. 당업자에 의해 인식되겠듯이, 축(50)은 열(30), 행(32), 이의 조합 간에 배설될 수 있다. 또한, 모든 개수의 축(50)은 가요성없는 프레임(14)으로부터 완전한 가요성인 프레임(14)에까지, 즉 실질적으로 원통상으로 롤링될 수 있는 프레임에까지 포함될 수 있다. 만일 복수의 평면(1, 2, 3)에서 열(30) 및/또는 행(32)을 접거나 조작할 수 있다면, 공간이 귀하여 설계자들이 내부소자들의 배열에서 옵션을 원하는 의류나 품목과 같은 가요성 품목들 내로 어셈블리를 정합하는데 있어 유용하다.
연료전지에 의해 생성된 전류는 전기 도전체 및 커넥터에 의해 수집된다. 도 3에 도시하듯이, 전기 도전체(24)는 프레임(14)의 상면 상부에서 이의 측면들을 따라 이어진다. 도전체(24)는 구리 및 금을 포함하는 금속들과 같이 해당분야에 공지된 모든 종류의 전기 도전체로 될 수 있고, 프레임(14) 표면상에 설치된 편평한 스트립이나, 프레임(14) 내부에 매설된 와이어 또는 필라멘트 등과 같이 해당분야에 공지된 모든 구조를 가질 수 있다. 도전체(24)는 개구(15) 어레이의 각 열에서 연료전지(12)가 전기 커넥터(26)로써 상호 직렬연결될 수 있도록 배열됨이 바람직하다. 전기 커넥터(26)는 한 연료전지(12)의 캐소드측부(13)에서 부근의 연료전지(12)의 애노드측부(11)에 전기적으로 부착된 금속 와이어로 됨이 바람직하고, 전 기 도전체(24)와 유사한 물질로 제조될 수 있다. 또한, 도전체(26)는 연료전지들(12) 간의 전기연결을 최소화하고 단순화하기 위하여 프레임(14) 내 매설될 수 있거나, 와이어본딩(wire-bond), 전도성 글루스팟(spots of conductive glue), 저용융 금속볼(balls of low-melting metal) 또는 이와 비등한 상호연결기술로 될 수 있다. 도 10a 및 10b에 도시하듯이, 도전체(24)는 연료전지들(12)의 열들(또는 행들) 간에 배치되고 프레임(14) 내에 매설될 수 있고, 커넥터(26)는 캐소드(13)와 애노드(11)를 도전체(24)에 연결하는 전기전도성 스팟이나 볼로 된다.
또는, 연료전지(12)는 도 10c 및 10d에 도시하듯이 접착제나 용접 (102)을 통해 프레임(14)에 연결될 수 있다. 접착제/용접(102)은 수소가스가 챔버(20) 내에 확실하게 밀봉되도록 사용될 수 있다. 접착제/용접(102)은 연료전지(12)에 의해 생성된 전기를 커넥터(26)와 도전체(24)로 안내하는데 사용될 수 있다. 도 10d는 다른 전기수집방법을 도시한다. 연료전지(12)는 캐소드(13)에 연결된 전류수집판(104)과, 애노드(11)에 연결된 전류수집판(106)을 구비한다. 판들(104, 106)은 연료전지 어셈블리에서 전류수집을 향상시키는데 사용된다. 도시하듯이, 접착제/용접(102)은 수집판(104) 및 캐소드(13)를 커넥터(26)에 연결하고, 도전체(24)는 한 연료전지의 캐소드측부를 부근 연료전지의 애노드측부에 브리지하는데 사용된다. 도 10c 및 10d에 도시한 구현예는 전기와이어를 사용하기 않아 이로 인한 오믹손실(ohmic loss)을 감소시킨다.
도 3에 도시하듯이, 개구(15) 어레이의 각 연료전지(12)는 단일 전기적 커넥터(26)로 한 열에서의 수평인 연료전지에 부착된다. 단일 전기적 커넥터(26)는 열(30a)의 종단 연료전지(12a)를 도전체(24)에 연결한다. 도전체(24)는 열(30a)과 열(30b)을 전기적으로 연결한다. 이리하여, 단일의 전기적 직렬통로가 어셈블리(10)에 제공된다. 당업자에 의해 인식되겠듯이, 단지 도전체(24) 및 커넥터(26)를 배열하여 요망되는 전기적 통로를 형성함으로써 병렬통로 또는 직렬 및 병렬 통로의 조합과 같이 요망되는 모든 전기적 통로가 어셈블리(10)에 제공될 수 있다. 적어도 하나의 도전체(24)는 전류를 사용할 기기(미도시) 또는 사용하기 위한 전류를 수집 및 저장하거나 적용하는 중간기기에 연결되도록 구성된다.
도 6은 어셈블리(10)용의 다른 후방커버(56)를 도시한다. 상술한 구현예에서와 같이 프레임(14)에 부착될 때 단일 챔버(20)를 형성하는 대신, 후방커버(56)는 개구들(15)이 이루는 평면 어레이에서 각 연료전지(12)에 대응하도록 단일 전용격실(58)을 제공한다. 각 격실(58)은 기부(57)로부터 프레임(14)을 향해 연장되는(도 1 및 2에 도시) 측벽들(60)을 포함하며, 여기서 측벽들(60)은 개구들(15) 및 연료전지들(12)과 유사한 형상을 형성한다(도 1 및 2에 도시). 측벽들(60)은 프레임(14)에 대해 밀봉을 이루고, 이로써 공극(62)이 각 연료전지(12) 하부에 형성된다(즉, 공극(62)이 연료전지(12)의 기부(57)와, 측벽들(60) 및 애노드측부(11) (도 4에 도시)에 의해 형성된다).
격실들(58)은 일련의 채널(64)에 의해 유동적으로 상호연결됨이 바람직하며, 이로써 연료카트리지나 외부저장기 등, 단 하나의 연료공급원만으로 어셈블리(10)에 공급이 가능해진다. 채널(64)은 측벽(60)이나, 기부(57)에 형성된 채널, 또는 해당분야에 공지된 모든 종류의 유체커넥터를 통해 격실들(58)을 연결하는 튜브로 될 수 있다. 채널(64)은 복수의 격실(58)을 통해 연장하거나 또는 단 2개의 격실만을 함께 결합할 수 있다. 채널(64)의 상호연결 순서는 설계자가 바라는 바에 의한 순서로 될 수 있다; 예를 들어, 각 격실(58)은 단지 하나 또는 2개의 인접하는 격실(58)로 연결될 수 있거나(즉, 직렬연결), 또는 각 격실(58)은 복수의 다른 격실(58)에 연결될 수 있다.
적어도 하나의 채널(64)이 연료를 위해 인입구(66)에 연결되도록 구성됨이 바람직하며, 적어도 하나의 채널(64)이 배출구(68)에 연결되도록 구성됨이 바람직하다. 다른 구현예에 있어서, 배출구(68)는 부가적인 인입구로서 작용한다. 연료공급원은 예를 들어 인입밸브(67)로써 인입구(66)에 연결될 수 있으며, 예를 들어 배출밸브(69)로써 배출구(68)에 연결될 수 있다. 인입밸브(67) 및 배출밸브(69)는 서로 대향하도록 배향된 체크밸브들(check valve)로 됨이 바람직하며, 이로써 연료는 어셈블리(10) 내 채널들(64)의 구성과 관계없이 단지 한 유로에서만 연료공급원 외부로 유동할 수 있게 된다. 당업자에 의해 인식되겠듯이, 해당분야에서 공지된 모든 밸브는 본 발명에서의 사용에 적합하다.
도 7-9에서, 본 발명의 어셈블리의 다른 구현예가 도시된다. 본 구현예에서, 어셈블리(10)가 전자기기(90)에 직접 전기를 공급할 수 있도록 기능요소(80)가 어셈블리(10)에 부착된다. 즉, 어셈블리(10) 및 기능요소(80) 둘 다는 휴대폰, MP3 플레이어, 랩탑, GPS 기기 등의 전자기기(90)용 전력모듈(100)로서 작용한다.
바람직하게는, 기능요소(80)는 어셈블리(10) 내의 연료전지들(12)에 의해 생산된 전기를 조정하도록 구성된 회로를 포함한다. 해당분야에 공지되었듯이, 연료 전지(12)는 직류전류를 생성하고 이는 많은 전자기기에 의해 사용되는 전류와 동일한 형태이지만, 생성된 전류 및 전압 수준은 시간당 넓게 변화할 수 있다. 이는 많은 요인에 기인하며, 이에는 연료전지들(12)로 공급되는 연료의 유용성과 연료전지들(12)의 효율성이 포함된다. 또한, 복수의 연료전지(12)가 제공됨에 따라, 각 연료전지(12)는 다른 수준의 전류 및/또는 전압을 생산할 수 있다. 심지어 연료전지(12)가 일정한 전류 및/또는 전압을 생산한다 하더라도, 전자기기는 다른 수준의 전류 및/또는 전압을 요구할 수도 있다. 바람직하게는, 기능요소(80)는 적어도 하나의 주문형반도체칩(ASIC chip: Application Specific Integrated Circuit chip)을 포함하며, 이는 예를 들어 DC-DC 변환기(DC-DC converter), 전압조정기(voltage regulator), 연산증폭기(operational amplifier) 등으로 될 수 있다. 또한, 기능요소(80)는 다양한 기능을 수행하도록 구성될 수도 있고, 이에는 연료전지 전해질의 습도를 조정하기 위해 전류를 조정함으로써 연료전지를 제어하는 기능, 연료전지의 전압을 증가 또는 감소함으로써 연료전지산출을 제어하는 기능, 반응이 진행됨에 따른 플러딩(flooding)이나 건조(drying)를 회피하기 위해 연료전지효율을 제어하는 기능이 포함되며, 이에 한정되지 아니한다.
도 9에 도시하듯이, 모든 연료전지(12)는 도 3에 도시한 구현예와 유사하게 커넥터(26)에 의해 상호 직렬로 연결되며, 기능요소(80)는 연료전지(12)에 의해 생산된 전기를 수집하여 전자기기(90)에 적합한 출력으로 변환하기 위해 연료전지에 전기적으로 연결된다. 전기적 커넥터(26)는 와이어본딩(wire bonding), 전도성 글루스팟(spots of conductive glue), 저용융 금속볼(balls of low-melting metal) 또는 해당분야에서 공지된 비등한 상호연결기술로 될 수 있다. 기능요소(80)는 조정기로서 작용하여 전자기기(90)에 정확한 양의 전기를 전달하거나, 배터리 충전을 하거나, 과부하를 방지하거나, 또는 해당분야에 공지된 기타 기능을 할 수 있다. 일 구현예에서 제공되는 전기는 약 3-7 V 및 약 150-250 mA로 예견되나, 연료전지(12)의 개수 및 기능요소(80)의 종류에 따라 변화할 수 있다.
프레임(84)은 도 1-5에 도시되고 본 연료전지 어셈블리(10)의 다른 구현예들에서 사용된 프레임(14)과 유사할 수 있다. 그러나, 기능요소(80)를 위한 개구의 크기 및 형상은 기능요소(80) 자체의 크기 및 형상으로 결정되고, 연료전지(12)를 위한 개구(15)와 동일한 크기 및 형상으로 될 수도 있고 아닐 수도 있다. 따라서, 프레임(84)은 기능요소(80)를 위해 다른 크기로 되는 개구(85)를 제공할 수 있다. 임의의 절연층(87)이 기능요소(80)가 전력모듈(100) 내부의 연료와 접촉하는 것을 방지하기 위해 개구(85) 하부에 제공될 수 있다. 또는, 도 8에 도시하듯이, 후방커버(32)가 도 4의 측벽(9)와 유사하게 밀봉벽(86)을 포함할 수 있고, 이는 기능요소(80) 하부의 영역을 연료의 자유로운 유동으로부터 절연한다.
전력모듈(100)은 필수적인 것으로 제공되는 연료의 신규 공급원들과 함께 전자기기(90)에 영구 부착될 수 있다. 또는, 전력모듈(100)은 1회용으로 되거나 또는 연료카트리지에 부착될 수 있다.
여기 개시된 본 발명의 예증하는 구현예들은 본 발명의 목적들을 달성함이 명백함과 동시에, 무수한 수정과 다른 구현예들이 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 안출될 수 있음이 인정된다. 또한, 모든 구현예에서의 특징(들) 및 요소(들)이 단일로 또는 다른 구현예(들)로부터의 특징(들) 및/또는 요소(들)과의 조합으로 사용될 수 있다. 따라서, 본 특허청구항들은 이러한 수정들 및 구현예들을 모두 망라하도록 의도된 것이며, 본 발명의 정신 및 범위 내에 있다. 여기 기술된 모든 공보들은 그 자체가 참조로써 결합되며, 이에는 특허들, 특허출원들, 논문들 및 책들이 포함되고 이에 한정되지 아니한다.

Claims (41)

  1. 내부에 형성되어 하나의 어레이를 이루는 복수의 개구를 구비하는 프레임과;
    하나의 개구 내부에 밀봉되게 배설된 애노드측부를 구비하는 적어도 하나의 연료전지와;
    상기 적어도 하나의 연료전지의 상기 애노드측부 상에서 상기 프레임에 밀봉되게 부착되는 후방커버와;
    상기 적어도 하나의 연료전지에 접촉하도록 상기 후방커버로부터 연장되는 적어도 하나의 돌출 지지체 부재와;
    상기 후방커버에 연결되고 연료공급원에 연결가능한 연료인입구와;
    상기 프레임 및 후방커버 간에 형성되는 챔버를 포함하고,
    상기 챔버는 상기 연료공급원과 유체연결가능하고, 각 연료전지는 상기 챔버와 유체접촉되며, 연료는 상기 챔버를 통해 상기 연료공급원으로부터 분산하여 상기 적어도 하나의 연료전지의 상기 애노드측부에 공급되는 연료전지 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 돌출 지지체 부재는 상기 후방커버의 기부로부터 상기 적어도 하나의 연료전지로 연장하는 연료전지 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 돌출 지지체 부재는 지주(post)를 포함하는 연료전지 어셈블리.
  4. 제2항에 있어서,
    각 돌출 지지체 부재는 상기 기부로부터 연장하여 상기 프레임에 밀봉되게 연결되는 적어도 하나의 측벽을 포함하고, 상기 측벽은 상기 연료전지의 상기 애노드측부를 포위함으로써 상기 챔버를 복수의 격실로 분할하며, 적어도 하나의 채널은 하나의 격실을 부근의 적어도 하나의 격실에 유체 연결하는 연료전지 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    적어도 하나의 채널은 상기 연료인입구에 연결되는 연료전지 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료인입구 및 상기 적어도 하나의 채널에 연결되는 밸브를 더 포함하는 연료전지 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 부가적인 연료포트를 포함하는 연료전지 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료포트는 인입구이고 복수의 연료인입구가 상기 어셈블리 내에 배열되어 연료가 상기 복수의 연료인입구를 통해 도입될 때 원형 유동패턴을 생성하는 연료전지 어셈블리.
  9. 제7항에 있어서,
    제1연료인입구가 상기 연료전지 어셈블리의 제1종단에 배설되고, 제2연료인입구가 상기 연료전지 어셈블리의 대향종단에 배설되는 연료전지 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 및 후방커버는 적어도 2개의 연료전지가 적어도 2개의 별개인 평면에 위치할 수 있도록 적어도 하나의 축을 따라 조절될 수 있는 연료전지 어셈블리.
  11. 제7항에 있어서,
    적어도 하나의 부가적인 연료포트가 배출구인 연료전지 어셈블리.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 연료전지는 상호 힌지부착되는 연료전지 어셈블리.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 프레임 및 후방커버는 가요성 물질을 포함하는 연료전지 어셈블리.
  14. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 전기적 커넥터를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 전기적 커넥터는 제1연료전지를 적어도 하나의 제2연료전지에 연결하는 연료전지 어셈블리.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기적 커넥터는 상기 프레임의 표면상에 배설되는 연료전지 어셈블리.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기적 커넥터는 상기 프레임 아니면 상기 후방커버 내에 매설되는 연료전지 어셈블리.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기적 커넥터는 적어도 하나의 연료전지를 기기에 연결하도록 구성되는 연료전지 어셈블리.
  20. 제1항 내지 제16항 및 제19항 중의 어느 한 항에 의한 연료전지 어셈블리를 포함하고, 상기 적어도 하나의 연료전지는 기능요소에 전기적으로 연결되는 전력모듈에 있어서,
    상기 기능요소는 상기 적어도 하나의 연료전지에 의해 생성된 전기를 수집하고 상기 전기를 전자기기로 공급하기 이전에 상기 전기를 변조하도록 구성되며, 상기 적어도 하나의 연료전지 및 상기 기능요소는 단일구조로 지지되는 전력모듈.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료전지는 상기 복수의 개구 중 적어도 하나의 내부에 밀봉되게 배치되는 전력모듈.
  22. 삭제
  23. 제20항에 있어서,
    상기 기능요소는 DC-DC 변환기, 연산증폭기 및 전력조정기로 이루어진 군에서 선택되는 전력모듈.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 기능요소는 주문형반도체칩(ASIC chip)을 포함하는 전력모듈.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 기능요소는 상기 프레임 내에서 상기 복수의 개구의 하나의 내부에 배치되는 전력모듈.
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 제20항에 있어서,
    상기 프레임 및 후방커버는 적어도 2개의 연료전지가 적어도 2개의 별개인 평면에 위치할 수 있도록 적어도 하나의 축을 따라 조절될 수 있는 전력모듈.
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 삭제
  35. 삭제
  36. 삭제
  37. 제20항에 있어서,
    상기 단일구조는 인쇄회로기판인 전력모듈.
  38. 삭제
  39. 삭제
  40. 삭제
  41. 제1항에 있어서,
    2개의 개구 내에 밀봉되게 배설된 하나의 애노드측부를 구비한 적어도 2개의 연료전지를 포함하고, 각 연료전지는 상기 챔버와 유체접촉하며, 연료는 상기 챔버를 통하여 상기 연료 공급원으로부터 분산되어 상기 적어도 2개의 연료전지의 상기 애노드측부로 공급되고, 상기 프레임 및 후방커버는 상기 적어도 2개의 연료전지가 적어도 2개의 별개인 평면에 위치하도록 적어도 하나의 축을 따라 접힐 수 있는 연료전지 어셈블리.
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