KR102020075B1 - 연료전지를 외부회로에 연결하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다양한 구현예들은 상호연결구나 집전체를 포함하는 연료전지 연결요소를 제공한다. 상기 연료전지 연결요소는 연료전지의 적어도 한 전극에 약 90°미만의 각도로 배향된 전도성 섬유를 포함한다. 상기 연료전지 연결요소는 연료전지의 적어도 한 전극으로부터 외부회로로의 전기전도성 통로, 또는 연료전지의 적어도 한 전극으로부터 다른 연료전지의 전극으로 전기전도성 통로를 제공한다. 또한, 본 발명의 구현예들은 연료전지층을 포함하는 연료전지 연결요소와 이의 제조방법을 포함한다.

Description

연료전지를 외부회로에 연결하기 위한 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHODS FOR CONNECTING FUEL CELLS TO AN EXTERNAL CIRCUIT}
본 발명은 연료전지를 외부회로에 연결하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 PCT 출원은 미국특허출원 제13/172,645호(2011. 6. 29자 출원; Attorney Docket No. 2269.134US1)을 기초로 우선권주장한 것이다. 그리고, 상기 미국특허출원 제13/172,645호는 미국특허출원 제12/980,130호(2010. 12. 28자 출원)의 부분계속출원이고 이 출원을 기초로 우선권주장한 것이다. 그리고, 상기 미국특허출원 제12/980,130호는 35 U.S.C. Section 119(e)에 의하여 미국가특허출원 제61/290,450호(2009. 12. 28자 출원; Attorney Docket No. 2269.126PRV)를 기초로 우선권주장한 것이다. 이들 문서는 전부 여기서 참조로서 포함된다.
연료전지(fuel cell)는 자재관리(예를 들어, 포크리프트(forklift)), 이송(예를 들어, 전기 차량 및 하이브리드 차량) 및 독립형(off-grid) 전원(예를 들어, 비상전원용 또는 통신용) 등 대규모 용도로의 전원으로서 사용될 수 있고 이러한 숫자가 증가하고 있다. 소형 연료전지는 이제 노트북 컴퓨터, 휴대전화, PDA(Personal Digital Assistant) 등의 휴대형 가전용도로 개발되고 있다.
일반적인 연료전지 스택에 대한 선행기술로서, 전자는 단위 연료전지의 막전극 어셈블리(membrane electrode assembly: MEA)로부터 분리판(separator plate)을 통해 다음 연료전지의 MEA로 이동한다. 일반적으로, 연료전지 스택의 각 종단에서 전류는 버스판(bus plate) 및 연결구를 포함한 연결요소들을 통해 외부회로로 공급되거나 이러한 외부회로로부터 공급된다. 종래 연료전지 스택은 연료 및 산화제의 누설을 방지하고 분리판과 MEA 및 버스판 간의 양호한 전기적 컨택을 보장하기 위해 많은 밀봉과 압축력의 인가를 필요로 할 수 있다. 따라서, 연료전지 스택은 많은 부품들을 필요로 하고 어셈블리가 매우 복잡해질 수 있다.
또한, 연료전지는 평판형 구조와 같은 선단 집전형(edge-collected) 구조로 연결될 수 있다. 이러한 연료전지시스템에 있어서, 전류는 각 단위셀들의 선단(edge)로부터 집전되고 연료전지들의 판으로 이동한다. 이러한 연료전지시스템에서, 요소들의 공간배열은 종래 연료전지 스택에서의 요소들의 공간배열과 다를 수 있다. 이러한 연료전지시스템에서, 주된 전자 흐름 방향은 종래 연료전지 스택에서의 주된 전자 흐름 방향과 다를 수 있다. 이러한 일부 연료전지시스템에서, 요소들의 바람직한 특성은 종래 연료전지 스택에서의 요소들의 바람직한 특성과는 다를 수 있다.
일부 선단 집전형(edge-collected) 연료전지시스템 또는 평판형(planar) 연료전지시스템은 연료전지층과 연료전지시스템의 다양한 기타 요소들 간의 양호한 컨택을 유지하기 위하여 압축력을 사용하지는 않는다. 이러한 연료전지시스템에 있어서, 요소들은 기타 수단으로 조립되고 컨택을 유지하며 지지될 수 있다. 따라서, 외부회로로의 연결을 위해 종래 연료전지스택에 사용되는 요소들은 선단 집전형 연료전지시스템에서의 사용에 최적이 아닐 수 있다.
단일의 연료전지에서, 요소들로부터의 작은 전기저항은 비교적 사소한 것일 수 있다. 그러나, 스택이나 평판형 연료전지시스템에서와 같이 복수의 연료전지가 사용되는 경우에는 요소들로부터의 전기저항은 어레이 내에서 축적되어 비교적 큰 내부저항을 발생할 수 있다. 큰 내부저항은 복수 셀을 갖춘 연료전지시스템(스택이나 평판형 연료전지시스템을 포함하는)의 성능을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 구현예들은 상호연결구나 집전체의 상호연결구를 포함하는 연료전지 연결요소를 제공한다. 상기 연료전지 연결요소는 연료전지의 적어도 한 전극에 약 90°미만의 각도로 배향된 전도성 섬유를 포함한다. 상기 연료전지 연결요소는 연료전지의 적어도 한 전극으로부터 외부회로로의 전기전도성 통로, 또는 연료전지의 적어도 한 전극으로부터 다른 연료전지의 전극으로 전기전도성 통로를 제공한다. 또한, 본 발명의 구현예들은 연료전지층을 포함하는 연료전지 연결요소와 이의 제조방법을 포함한다.
본 발명의 다양한 구현예들은 다른 연료전지 연결요소, 연료전지 또는 연료전지층에 대해 이점들을 제공하며, 이들 이점은 의외이면서 예측되지 않은 것들이다. 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 전도성 섬유를 사용하는 연료전지 연결요소에서의 최고 전도도는 상기 연결요소 내에서 최단의 가장 직접적인 통로를 형성함으로써 얻을 수 있다고 일반적으로 예상할 것이다. 연료전지 전도요소에 있어서, 이는 제1조의 전도성 섬유가 전극과 올바른 각도를 이루도록 배열됨과 연관될 수 있다. 그러나, 의외이면서도 예상외로, 일부 구현예에서 전극이나 전극피막과 90°미만의 각도(예를 들어, 45°)를 형성하도록 전도성 섬유를 배열함으로써 연료전지 연결요소의 전도도는 전극이나 전극피막과 약 90°의 각도로 배향된 전도성 섬유를 갖는 연료전지 연결요소의 전도도보다 더 높을 수 있음이 발견되었다. 또한, 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자가 최단 통로를 달성하기 위해 연료전지 연결요소 내에 전도성 섬유를 배열하려면, 이는 제2조의 전도성 섬유가 연료전지 전도요소의 길이에 평행하게 되도록 하는 제1조의 전도성 섬유와의 대략 올바른 각도를 형성하도록 제2조의 전도성 섬유를 배열하는 것과 연관된다(예를 들어, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유는 그리드를 형성한다). 이는 특히 전류가 상호연결구의 길이를 따라 외부회로로 이동할 수 있는 상호연결구의 경우이다. 그러나, 다른 예로서, 의외적이고 예상치못하게, 연료전지 연결요소에 둘 다 전극이나 전극피막과 약 90°미만(예를 들어, 45°)의 각도를 형성하고 각각 서로 약 90°의 각도를 형성하는(예를 들어, 제1조의 전도성 섬유와 제2전도성 섬유는 그리드를 형성함) 제1조의 전도성 섬유와 제2전도성 섬유를 포함시킴으로써, 연료전지 연결요소의 전도도는 어느 하나가 전극이나 전극피막과 약 90°의 각도를 형성하고 각각 서로 약 90°의 각도를 형성하는 제1조의 전도성 섬유와 제2전도성 섬유를 포함할 때의 연료전지 연결요소의 전도도보다 더 높아진다. 다른 예로서, 본 발명의 일부 구현예의 전도성 섬유는 다른 연료전지 연결요소에서보다 더 견고하게 결합되어 연료전지 연결요소로부터 인출하기가 더 어려우며, 전극이나 전극피막과 약 90°의 각도로 배향된 전도성 섬유를 갖는 연료전지 연결요소와, 전극이나 전극피막과 약 90°의 각도로 배향된 제1조의 전도성섬유와 이러한 제1조의 전도성섬유에 대해 약 90°의 각도로 배향된 제2조의 전도성섬유를 갖는 연료전지 연결요소를 포함한다. 다른 예에서, 본 발명의 일부 구현예는 다른 연료전지 연결요소보다 더 큰 강도 또는 내구력을 가질 수 있다. 다른 예에서, 본 발명의 일부 구현예는 다른 연료전지 연결요소보다 더 작은 압축력을 사용하여 제조될 수 있다. 다른 예에서, 본 발명의 일부 구현예는 연료전지의 길이에 대략 연하여 배향된 전도성 섬유를 포함하지 않아 다른 연료전지 연결요소보다 더 가요성있거나 덜 강성으로 될 수 있으며, 상기 연결요소의 길이에 대략 평행하게 배향된 전도성 섬유를 포함하는 연료전지 연결요소보다 더 가요성을 갖는다. 다른 예에서, 의외적이고 예상치못하게, 연료전지 연결요소의 일부 구현예는 복잡성, 가격이나 물질 변화의 증가 없이, 제조공정의 기타 실질적 변경 없이, 높은 전도도, 전도성 섬유의 더 확실한 결합, 더 큰 강도, 더 큰 내구력 또는 제조 동안 필요로 하는 더 작은 압축력을 포함한 여기 기술하는 이점들을 가질 수 있다.
본 발명은 연료전지 연결요소를 제공한다. 상기 연료전지 연결요소는 비전도성 계면영역을 포함한다. 상기 비전도성 계면영역은 제1표면 및 제2표면을 갖는다. 또한, 상기 연료전지 연결요소는 전자전도요소를 포함한다. 상기 전자전도요소는 2개의 표면과 이러한 전자전도요소의 2개의 표면에 평행한 길이를 갖는다. 상기 전자전도요소의 상기 2개의 표면 중의 하나는 상기 계면영역의 상기 제2표면에 인접하게 배치된다. 상기 전자전도요소는 전도성 섬유를 포함한다. 상기 전도성 섬유는 상기 전자전도요소의 상기 2개의 표면에 대략 평행하게 배향된다. 상기 전도성 섬유는 연료전지에서의 적어도 하나의 전극에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되도록 된다. 또한, 연료전지 연결요소는 바인더를 포함한다. 상기 바인더는 상기 계면영역과 상기 전자전도요소를 함께 지지한다. 상기 연료전지 연결요소는 연료전지의 적어도 하나의 전극과 외부회로 간에, 또는 연료전지의 적어도 하나의 전극과 다른 연료전지의 적어도 하나의 전극 간에 전기전도성 통로를 제공하도록 연료전지에서 사용되도록 된다.
본 발명은 연료전지를 제공한다. 상기 연료전지는 이온전도요소를 포함한다. 또한, 상기 연료전지는 2개 이상의 전극피막들을 포함한다. 또한, 상기 연료전지는 하나 이상의 연료전지 연결요소를 포함한다. 상기 연료전지 연결요소는 비전도성 계면영역을 포함한다. 상기 비전도성 계면영역은 제1표면 및 제2표면을 갖는다. 상기 비전도성 계면영역의 제1표면은 상기 이온전도요소와 컨택한다. 상기 연료전지 연결요소는 또한 전자전도요소를 포함한다. 상기 전자전도요소는 2개의 표면들과 이러한 상기 전자전도요소의 2개의 표면들에 평행한 길이를 갖는다. 상기 전자전도요소의 상기 표면들 중의 하나는 상기 계면영역의 제2표면에 인접하게 배치된다. 상기 전자전도요소는 전도성 섬유를 포함한다. 상기 전도성 섬유는 상기 전자전도요소의 상기 2개의 표면들에 대략 평행하게 배향된다. 상기 전도성 섬유는 상기 전극피막들 중의 하나에 대해 약 90°미만의 각도로 배향된다. 상기 전자전도요소는 하나의 상기 전극피막과 외부회로 간에, 또는 하나의 상기 전극피막과 다른 연료전지의 전극피막 간에 전기전도성 통로를 제공한다. 상기 통로는 상기 전자전도요소의 상기 길이를 따라 연장된다.
본 발명은 연료전지층을 제공한다. 상기 연료전지층은 복합체층을 포함한다. 상기 복합체층은 제1표면과 제2표면을 포함한다. 상기 복합체층은 복수의 연료전지 연결요소들을 포함한다. 상기 복합체층은 복수의 이온전도요소들을 포함한다. 상기 이온전도요소들은 상기 연료전지 연결요소들 간에 배치된다. 또한, 상기 복합체층은 제1 복수의 전극피막을 포함한다. 상기 제1 복수의 전극피막은 상기 제1표면상에 배치되어 애노드를 형성한다. 또한, 상기 복합체층은 제2 복수의 전극피막을 포함한다. 상기 제2 복수의 전극피막은 상기 제2표면상에 배치되어 캐소드를 형성한다. 상기 제1 복수의 전극피막 및 제2 복수의 전극피막 각각은 상기 이온전도요소들 중의 하나와 이온컨택하고 상기 연료전지 연결요소들 중의 하나와 전기적 컨택한다. 상기 연료전지 연결요소들 중의 적어도 하나는 계면영역을 갖는다. 상기 계면영역은 제1표면과 제2표면을 갖는다. 상기 제1표면은 상기 이온전도요소들 중의 하나와 컨택한다. 또한, 상기 연료전지 연결요소들 중의 적어도 하나는 적어도 하나의 전자전도요소를 포함한다. 상기 적어도 하나의 전자전도요소는 2개의 표면과 이러한 상기 적어도 하나의 전자전도요소의 2개의 표면에 평행한 길이를 갖는다. 상기 적어도 하나의 전자전도요소의 상기 2개의 표면 중의 하나는 상기 계면영역의 제2표면에 인접하게 배치된다. 상기 적어도 하나의 전자전도요소는 전도성 섬유를 포함한다. 상기 전도성 섬유는 상기 적어도 하나의 전자전도요소의 상기 2개의 표면에 대략 평행하게 배향된다. 상기 전도성 섬유는 상기 제1 복수의 전극피막 또는 제2 복수의 전극피막의 적어도 하나에 대해 약 90°미만의 각도로 배향된다. 상기 연료전지 연결요소들 중의 적어도 하나는 상기 제1 복수의 전극피막 또는 제2 복수의 전극피막의 적어도 하나와 외부회로 간에, 또는 상기 제1 복수의 전극피막 또는 제2 복수의 전극피막의 하나와 상기 제1 복수의 전극피막 또는 제2 복수의 전극피막의 다른 하나 간에 전기전도성 통로를 제공한다. 상기 통로는 상기 적어도 하나의 전자전도요소의 상기 길이를 따라 연장된다.
본 발명의 구현예들은 이온전도요소와, 2개 이상의 전극피막과, 하나 이상의 상호연결구를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. 상기 상호연결구는 제1표면과 제2표면을 갖고, 상기 제1표면은 2개 표면과 이러한 2개 표면에 평행하는 길이를 갖는 상기 이온전도요소와 컨택하며, 상기 2개 표면 중의 하나는 상기 계면영역의 제2표면에 인접하게 배치된다. 상기 전자전도요소는 상기 전극피막들 중의 하나와 외부회로 간에 전기전도성 통로를 제공하고 이 통로는 상기 전자전도요소의 길이를 따라 연장된다.
또한, 본 발명의 구현예들은 제1표면과 제2표면을 갖는 복합체층과, 상기 제1표면상에 배치된 복수의 애노드 피막과 상기 제2표면상에 배치된 복수의 캐소드 피막을 포함하는 연료전지층에 관한 것으로서, 상기 복합체층은 복수의 집전체와 상기 집전체들 간에 배치된 복수의 이온전도요소들을 포함하고, 상기 각 피막은 각각 상기 이온전도요소들 중의 하나와 이온컨택하고 상기 집전체들 중의 하나와 전기적 컨택한다. 상기 집전체들 중의 적어도 하나는 제1표면과 제2표면을 갖는 계면영역을 포함하고, 상기 제1표면은 상기 이온전도요소들 중의 하나와 컨택한다. 이온전도요소는 2개 표면과 이러한 2개 표면에 평행한 길이를 갖고, 이들 표면 중의 하나는 상기 계면영역의 제2표면에 인접하게 배치된다. 상기 집전체들 중의 적어도 하나는 상기 전극피막들 중의 하나와 외부회로 간에 전기전도성 통로를 제공하며, 상기 통로는 상기 전자전도요소의 길이를 따라 연장된다.
또한, 본 발명의 구현예들은 평판형 연료전지용 상호연결구의 제조방법에 관한 것으로, 이는 층상구조체를 형성하도록 제1전기전도성물질과 제2전기전도성물질을 컨택시키는 단계, 프리폼을 형성하기에 충분하도록 상기 층상구조체를 경화하는 단계, 코팅 프리폼을 형성하기에 충분하도록 상기 프리폼을 임의로 코팅하는 단계, 상기 프리폼 상에 임의로 필러를 배치하는 단계, 임의로 상기 프리폼을 활성화하는 단계, 그리고 상호연결구 시트를 제공하기에 충분하도록 상기 프리폼을 경화하고 상호연결구를 형성하기에 충분하게 임의로 상기 상호연결구 시트를 절단하는 단계를 포함한다.
본 도면들은 반드시 일정한 비례로 축소되어 도시된 것은 아니며, 본 도면들에서 유사 도면부호는 여러 도면에서실질적으로 유사한 요소들을 나타낸다. 다른 접미부호를 갖는 유사 도면부호는 실질적으로 유사한 요소들의 다른 예들을 나타낸다. 본 도면들은 일반적으로 한정으로서가 아닌 예시로서 본 명세서에 기술된 여러 구현예들을 설명한다.
도 1a~1b는 종래기술 연료전지 스택의 단면개략도.
도 2a~2b는 각각 제1예시적 평판형 연료전지층 및 제2예시적 평판형 연료전지층의 단면도.
도 3a~3d는 예시적 평판형 연료전지층(100)에서 단위연료전지(120)의 개략 사시도 및 그래픽 다이어그램.
도 4a~4h는 여러 예시적 구현예들에 따른 단위전지 내 상호연결구의 절단 단면도.
도 5는 일 예시적 구현예에 따른 도 4g의 상호연결구를 사용하는 연료전지시스템의 단면도.
도 6a~6b는 예시적 구현예들에 따른 상호연결구들을 사용하는 연료전지시스템의 상부사시도.
도 7은 도 4e~4g에 도시한 상호연결구 등 상호연결구를 제조가능한 한 방법의 블록흐름도.
아래 기재에 걸쳐 본 발명에 대한 더욱 상세한 이해를 제공하기 위해 특정 세부들이 하술된다. 그러나, 본 발명은 이들 특정 사항들 없이도 실시될 수 있다. 다른 경우, 잘 알려진 요소들은 본 발명을 불필요하게 모호하게 할 수 있으므로 개시되지 않거나 또는 상세히 기술되지 않았다. 도면들은 도시를 통해 본 발명이 실시될 수 있는 특정 구현예들을 도시한다. 이들 구현예들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 결합되거나 다른 요소들이 사용되거나 또는 구조적이나 논리적 변경이 행해질 수 있다. 따라서, 본 명세서 및 도면은 제한적인 의미로서가 아니라 예시적인 의미로서 간주하여야 한다.
본 명세서에서 인용된 모든 공보, 특허 및 특허문서는 개별적으로 참조로 되지만 그 전부로서 참조로서 포함된다. 본 명세서와 이들 참조로 되는 문서 간에 불일치하는 사용이 있는 경우에는, 즉 양립할 수 없는 불일치에 대해서는 이들 참조문헌에서의 사용은 본 명세서에의 보충적인 것으로 고려되어야 하고 본 명세서의 사용이 주가 된다.
본 명세서에서, 용어 "한(a 또는 an)"은 특허문서들에 일반적인 것처럼 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"의 사용이나 기타 경우와 관계없이 하나 이상을 포함하는데 사용된다. 본 명세서에서, 용어 "또는(or)"은 비배타적인 것을 가리키거나 또는 "A, B 또는 C"가 달리 기술되지 않는 한 "A만", "B만", "C만", "A 및 B", "B 및 C", "A 및 C"와 "A, B 및 C"를 포함하도록 사용된다. 용어 "~상에(above)" 및 "~하에(below)"는 복합체의 중심에 대해 두 다른 방향을 기술하는데 사용되며, 용어 "상부(upper)" 및 "저부(lower)"는 복합체의 두 다른 면들을 기술하는데 사용된다. 그러나, 이들 용어는 기술의 편이를 위해서만 사용되는 것이고 기술된 구현예들의 연료전지층의 배향을 확정하는 것으로 이해되어서는 아니 된다. 본 명세서나 특허청구범위에서, 용어 "제1(first)", "제2(second)" 및 "제3(third)" 등은 단지 라벨로서만 사용되는 것이지 해당 대상물에 수치적 요건을 부가하려는 의도는 아니다.
본 발명의 구현예들은 연료전지층의 종단에 회로를 연결하는 수단을 제공하는 연료전지 상호연결요소들과 연료전지구성들을 기술한다. 또한, 구현예들은 전류가 더 높은 집전체(current collector) 통로 길이에 연하여 더 큰 전도성의 통로를 제공한다. 또한, 구현예들은 연료전지시스템에 있어서 전기화학적 요소들에 전도성이나 내부식성인 계면을 제공한다. 본 구현예들의 집전체와 상호연결 설계들은 연료전지층에서 부식특성의 도입을 방지하면서도 필요한 곳에 높은 전도성을 제공하기 위한 조합에 사용되는 다른 전도도들 및 오염특성들을 갖는 2가지 다른 형태의 물질을 포함할 수 있다.
선단 집전형 연료전지층(edge-collected fuel cell layer)을 외부회로에 연결하기 위해 제공되는 것은 상호연결구(interconnect)이다. 상호연결구는 전자전도요소들(electron conducting components)과, 임의로는 계면영역들(interface regions)을 포함한다. 전자전도요소들은 하나 이상의 전기적으로 전도성인 물질들을 포함한다. 전자전도요소들은 다른 조성을 갖는 2개 이상의 전자전도성 영역들을 포함할 수 있다. 계면영역들은 하나 이상의 비전도성 물질들을 포함한다.
상호연결구를 포함하는 연료전지와 연료전지층 및 연료전지시스템이 제공된다. 상호연결구가 연료전지, 연료전지층 또는 연료전지시스템에 사용되어 연료전지의 활성요소들을 부식생성물에 의한 오염으로부터 격리하면서 연료전지의 길이에 평행한 방향으로 높은 전기전도도를 제공할 수 있다. 일부 구현예의 상호연결구는 연료전지시스템의 요소들 간에 컨택(contact)을 유지하는 압축력을 사용하지 않는 연료전지시스템에 포함될 수 있다. 일부 구현예에서는 상호연결구는 외부회로에 연결하기 위해 더 간단해질 수 있다.
본 발명의 구현예들은 양자교환막(Proton Exchange Membrance: PEM) 연료전지 또는 PEM 연료전지의 요소들로 기술된다. 그러나, 본 발명의 구현예들은 알칼라인 연료전지나 고체산화물 연료전지 등과 같은 다른 형태의 연료전지에도 실시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구현예들은 전해조(electrolyzer)나 염소-알칼리(chlor-alkali) 전지 등과 같은 다른 형태의 전기화학전지에도 적용될 수 있다.
일부 구현예에 의한 연료전지 어셈블리는 다양한 용도의 전원으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 연료전지시스템은 노트북 컴퓨터나 휴대전화 또는 PDA 등의 휴대형 가전기기에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 휴대형 가전기기에의 사용으로만 한정되지 아니하며 본 구현예들은 자재관리용도, 이송용도 또는 독립형 전원 등과 같은 대규모 전력응용이나 기타 소규모 전력응용에 실시될 수 있다.
본 발명의 구현예들은 여러 다양한 설계의 연료전지에 실시될 수 있다. 여기서는 평판형 연료전지를 구비한 구현예들의 실시가 기술된다. 그러나, 동일하거나 다른 구현예들이 대체하여 기타 형태의 선단 집전형 연료전지에 실시될 수 있다. 용이한 참조를 위하여, 본 기술에 걸쳐 연료전지 및 관련기술은 "평판형" 연료전지("planar" fuel cell), "평판형" 연료전지 어셈블리("planar" fuel cell assembly) 또는 "평판형" 연료전지층("planar" fuel cell layer)이라 한다. 그러나, 이러한 연료전지는 평판형이 아닐 수 있고 선단 집전형 연료전지는 본 발명의 실시를 위해 평판형일 필요가 없을 수 있음을 알아야 할 것이다. 예를 들어, 단위 연료전지는 동일한 평면에 놓이지 않을 수 있다(예를 들어, 단위 연료전지는 가요성, 나선형, 관상 또는 파형상일 수 있다).
정의
여기서 "촉매(catalyst)"는 그 자체가 개질되거나 소모됨이 없이 반응속도를 개시하거나 증가시키는 것을 돕는 재료 또는 물질을 가리킨다. 촉매층은 용이한 적용에 적합한 전기화학적 촉매라면 이를 모두 포함할 수 있다. 촉매 또는 촉매층은 순백금(pure platinum), 카본담지백금(carbon supported platinum), 백금흑(platinum black), 백금 루테늄(platinum-ruthenium), 팔라듐(palladium), 구리(copper), 산화주석(tin oxide), 니켈(nickel), 금(gold)과, 카본블랙(carbon black) 및 하나 이상의 바인더의 혼합물을 포함할 수 있다. 바인더는 이노머(ionomers), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimides), 폴리아미드(polyamides), 플루오로폴리머(fluoropolymers) 및 기타 폴리머 물질들을 포함할 수 있고, 막(film)이나 분말(powder) 또는 분산액(dispersion)으로 될 수 있다. 폴리이미드의 일 예로는 Kapton®을 포함한다. 플루오로폴리머의 일 예로는 PTFE(polytetrafluoroethylene) 또는 Teflon®이다. 기타 플루오로폴리머로는 PFSA(perfluorosulfonic acid), FEP(fluorinated ethylene propylene), PEEK(poly ethylene ether ketones) 및 PFA(perfluoroalkoxyethylene)를 포함한다. 상기 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride) 분말(예를 들어, Kynar®) 및 이산화규소(silicon dioxide) 분말을 포함할 수 있다. 상기 바인더는 폴리머들이나 이노머들의 모든 조합을 포함할 수 있다. 상기 카본블랙은 아세틸렌 블랙카본(acetylene black carbon), 카본입자, 카본 플레이크, 카본 섬유, 카본 니들, 카본 나노튜브 및 카본 나노입자 중의 하나 이상 등과 같은 적절히 미분된 카본물질을 포함할 수 있다.
여기서 "피막(coating)"은 복합체층의 표면상에 배치된 전도성 박층을 가리킨다. 예를 들어, 상기 피막은 촉매층이나, 애노드 및 캐소드 등의 전극으로 될 수 있다.
여기서 "복합체층(composite layer)" 또는 "복합체(composite)"는 소정 두께를 갖는 적어도 2개의 표면을 포함하는 층을 가리키며, 상기 표면들 간에는 하나 이상의 이온전도성 통로와 하나 이상의 전기전도성 통로가 형성된다. 복합체의 이온전도 특성 및 전기전도 특성은 이온전도성 통로와 전기전도성 통로를 크기, 형상, 밀도 또는 배열을 변화시키며 형성함에 따라 상기 복합체층의 여러 영역에서 변할 수 있다. 또한, 복합체층은 하나 이상의 계면영역을 포함할 수 있다. 복합체층은 유체(예를 들어, 기체 또는 액체)에 대해 불투과성일 수 있거나 실질적으로 불투과성일 수 있다.
여기서 "전자전도요소(electron conducting component)"는 전기전도성 통로를 제공하는 복합체층의 요소를 가리킨다. 전자전도요소는 예를 들어 상기 복합체를 통해 복합체층의 일 표면으로부터 상기 복합체층의 대향 표면으로의 전기적으로 전도성인 통로(들)을 제공할 수 있다. 전자전도요소는 전기적으로 전도성인 하나 이상의 물질을 포함하며, 이의 예로는 금속, 금속 폼, 탄소질 물질, 전기전도성 세라믹, 전기전도성 폴리머 및 이의 조합 등이다. 전자전도요소는 또한 전기적으로 비전도성인 물질을 포함할 수 있다. 또한, 여기서는 전자전도요소를 "전류전도성 요소(current conducting component)" 또는 "집전체(current collector)", "상호연결구(interconnect)" 또는 "연료전지 연결요소(fuel cell connection component)"라고 지칭할 수도 있다.
여기서 "이온전도요소(ion conducting component)"는 이온전도성 통로를 제공하는 요소를 가리킨다. 이온전도요소는 복합체의 요소일 수 있다. 이온전도요소는 플루오로폴리머 기재 이온전도성 물질(fluoropolymer-based ion conducting material) 또는 탄화수소 기재 전도성 물질(hydrocarbon-based conducting material) 등의 이온전도성 물질을 포함한다. 이온전도요소는 여기서 또한 "전해질(electrolytes)" 또는 "전해질 막(electrolyte membranes)"으로 지칭할 수도 있다.
여기서 "계면영역(interface region)"은 전기적으로 비전도성인 복합체층의 요소를 가리킨다. 계면영역은 예를 들어 무시할 수 있는 이온전도성 및 무시할 수 있는 전기전도성을 나타내는 물질을 포함할 수 있다. 계면영역은 전자전도성 영역과 함께 사용되어 집전체를 형성하며, 이러한 경우 상기 전자전도성 영역의 일측 상 또는 양측 상의 전자전도성 영역에 인접하여 배치될 수 있다. 전자전도성 영역은 계면영역 내에 매립되어 집전체를 형성할 수 있다. 계면영역(들)은 집전체에서 필수적 요소가 아니라 임의적 요소임을 알아야 한다. 계면영역이 집전체의 요소로서 사용될 경우, 전자전도성 영역들과 이온전도요소들 간의 부착을 증진하고 및/또는 인접한 전기화학 전지들 간의 전기절연을 제공하는데 사용될 수 있다.
여기서 "연료(fuel)"는 연료전지에서 연료로서의 사용에 적합한 모든 물질을 가리킨다. 연료의 예로는 수소(hydrogen), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 부탄(butane), 수소화붕소나트륨(sodium borohydride)이나 수소화붕소칼륨( potassium borohydride) 등의 수소화붕소 화합물, 포름산(formic acid), 아민(amines) 및 히드라진(hydrazine) 등의 암모니아(ammonia) 및 암모니아 유도체, 알루미늄 수소화붕소(aluminum borohydride) 등의 착금속수소화합물(complex metal hydride compounds), 디보란(diborane) 등의 보란(boranes), 시클로헥산(cyclohexane) 등의 탄화수소(hydrocarbons), 도데카하이드로-n-에틸 카바졸(dodecahydro-n-ethyl carbazole) 등의 카바졸(carbazoles)과, 기타 포화 시클릭(saturated cyclic), 폴리시클릭(polycyclic) 탄화수소, 시클로트리보라잔(cyclotriborazane) 등의 포화 아미노 보란(saturated amino boranes)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
여기서 "평면(plane)"은 확정된 연장방향 및 공간방향 또는 공간위치를 갖는 2차원 가상표면을 가리킨다. 예를 들어, 직사각형 블록은 하나의 수직면과 서로 직각인 2개의 수평면을 가질 수 있다. 평면들은 예를 들어 서로에 대해 90도보다 크거나 작은 각들을 사용하여 서로에 대해 정의될 수 있다.
여기서 "연료전지 연결요소(fuel cell connection component)"는 연료전지 상호연결구 또는 연료전지 집전기를 가리키거나, 또는 연료전지의 적어도 한 전극과 외부회로 사이를 포함하는 전기통로를 직간접적으로 생성하거나 또는 연료전지의 적어도 하나의 전극과 연료전지의 적어도 하나의 다른 전극 사이를 포함하는 전기통로를 직간접적으로 생성하는 기타 연결요소를 가리킨다.
여기서 "상호연결구(interconnect)"는 연료전지 연결요소를 가리키며, 상기 상호연결구는 연료전지의 적어도 한 전극과 외부회로 사이를 포함하는 전기통로를 직간접적으로 생성한다. 일부 구현예들에서, 상기 상호연결구는 연료전지의 한 전극과 연료전지의 다른 한 전극 간의 전기통로를 생성할 수 있으며, 이는 차례로 다른 연결요소들을 통해 외부회로로 전류가 흐를 수 있게 한다; 즉, 이로써 연료전지의 적어도 한 전극과 외부회로 사이에 전기통로를 간접적으로 생성한다. 일부 구현예들에서, 상호연결구는 집전기일 수 있다.
여기서 "집전기(current collector)"는 연료전지 연결요소를 가리키며, 상기 집전기는 연료전지의 적어도 한 전극과 연료전지의 다른 적어도 한 전극 사이를 포함하는 전기통로를 직간접적으로 생성한다. 일부 구현예들에서, 집전기는 다른 연결요소를 통해 연료전지의 한 전극과 외부회로 간에 전기통로를 생성할 수 있고, 이는 차례로 다른 연결요소들을 통해 전류가 연료전지의 다른 전극으로 흐를 수 있게 한다; 즉, 이로써 연료전지의 적어도 한 전극과 연료전지의 적어도 하나의 다른 전극 간에 전기통로를 간접적으로 생성한다. 일부 구현예들에서, 집전기는 상호연결구일 수 있다.
여기서 "바인더(binder)"는 물질들을 함께 결합하거나 지지하는 물질을 가리킨다. 예를 들어, 바인더는 폴리머나 폴리머 혼합물 등의 비전도성 물질일 수 있고 경화 가능한 것일 수 있다. 일부 구현예들에서, 바인더는 함께 물질들을 결합할 수 있는 모든 적합한 에폭시나 에폭시 수지일 수 있다. 바인더는 모든 적합한 열경화성 폴리머나 열가소성 폴리머일 수 있다.
도 1a에 종래의 연료전지 스택(10)을 보인다. 연료전지 스택(10)은 단위 연료전지(20)를 구비하며 이러한 단위 연료전지(20)는 직렬로 배열될 수 있다. 단위 연료전지(20)는 예를 들어 양자교환막(Proton Exchange Membrance: PEM) 연료전지를 포함할 수 있다. 단위 연료전지(20)는 캐소드, 애노드, 양자교환막과 가스확산층(미도시)을 갖는 막전극 어셈블리(MEA: membrane electrode assembly)(22)를 각각 포함한다. 애노드로부터 유리된 전자는 분리판(34)의 랜드(landing: 32)를 통해 이웃 단위 연료전지의 MEA의 캐소드로 이동한다. 최종 단위연료전지의 MEA의 애노드에서 유리된 전자는 연결요소(36)를 통해 외부회로(38)로 이동한다. 커넥터(42)를 통해 전자는 분리판(34)으로부터 외부회로(38)로 연결된 버스 플레이트(40)로 이동한다.
도 1b는 도 1a의 연료전지 스택의 부분(50)을 통한 전자 흐름의 개략 단면도를 도시한다. 연료(예로서, 수소)는 제1분리판(34'), GDL(30A')을 통해 이동하여 애노드(26')에서 반응하고 전자 및 양자를 유리한다. 전자는 제1분리판(34'), GDL(30C")을 통해 이웃 단위연료전지의 캐소드(24")로 이동한다. 전자는 분리판(34')을 통해 분리판(34') 면에 수직인 방향으로(또는 그 길이로 경계를 이루는 표면들에 수직인 방향으로) 이동한다. 애노드(26")에서 유리되는 전자는 분리판(34")에 수직하는 방향으로 분리판(34")을 통해 버스 플레이트(40) 내로 이동한다.
분리판을 통한 전류의 주된 흐름 방향은 면 통과(through-plane; 즉, 분리판 면에 수직하거나 또는 최대면적을 갖는 2개 표면에 수직하는)이므로, 종래 연료전지 스택에 사용된 분리판들은 높은 면 통과 전기전도도를 가져야만 한다. 전자는 분리판 면들을 거쳐 이동하므로(즉, 최대면적을 갖는 2개 표면을 거쳐 이동하므로), 이들 면은 전기적으로 도전성이어야 한다. 도시된 종래 연료전지 스택에서 알 수 있듯이, 양자교환막은 어떤 연결요소들과도 직접적인 물리적 컨택을 하지 않는다(즉, 양자교환막은 분리판(34)이나 버스 플레이트(40) 또는 상호연결구(42)와 물리적 컨택이 없다).
도 2a는 예시적인 평판형 연료전지층(100)의 단면도를 도시하며, 이는 본 출원인의 미국특허 7,632,587호 "Electrochemical cells having current-carrying structures underlying electrochemical reaction layers"에도 기재되어 있다. 이러한 평판형 연료전지층(100)은 이온전도요소(118)와 집전체(112)를 갖는 복합체층(124)를 포함한다. 도 2b에 도시한 예시적 연료전지층(150)에서는 복합체층(174)은 또한 기판영역(172)을 갖는다. 기판영역(172)은 전기적으로 비전도성인 물질을 포함할 수 있고 또한 이온적으로 비전도성일 수도 있다. 도 2a를 다시 참조하면, 연료전지층(100)은 2가지 형태의 전극피막, 즉 캐소드 피막(116C) 및 애노드 피막(116A)을 포함할 수 있다. 캐소드 피막(116C)은 복합체층(124)의 상측에 배치되고 복합체층(124)의 상부표면에 부착된다(도 2b에서는 각각 "166C" 및 "166A"로 표시). 애노드 피막(116A)은 복합체층(124)의 하부측에 배치되고 복합체층(124)의 하부표면에 부착된다.
예시적 평판형 연료전지층(100)은 단위연료전지들(120, 121, 122)을 갖는다. 각 단위전지는 집전체들(112)로 결속된다. 집전체(112)는 내부 집전체(112a)(예로서, 두 단위전지들 간에서 연료전지층(100) 내부에 위치된 집전체)와 상호연결구(112b)(예로서, 연료전지층(100) 종단에 위치된 집전체)를 포함한다. 도시한 예시적 연료전지층에서는 내부 집전체(112a)와 상호연결구(112b)는 동일하다.
도 3a는 단위연료전지(120)의 개략 사시도이다. 도시한 본 구현예에서, 연료 및 산화제는 각각 수소 및 산소이다. 그러나, 본 발명의 구현예들은 연료와 산화제의 다른 조합들을 사용하여 연료전지와 함께 사용될 수 있음을 알아야 한다. 수소는 애노드 피막(116A)과 컨택하고 양자 및 전자로 해리된다. 전자는 연료전지(120) 면에 평행한 방향으로 애노드 피막(116A)을 거쳐 이웃 단위전지와 공유하는 집전체(112a) 내로 들어가 이를 거쳐 이동한다. 전자는 연료전지(120) 면에 수직한 방향으로 집전체(112a)를 거쳐 이웃 단위전지의 캐소드 피막으로 이동한다. 양자는 이온전도요소(118)를 거쳐 캐소드(116C) 내의 반응부위로 이동한다.
단위연료전지(120)는 연료전지층(100; 도 2a)의 외측선단 상에 위치된다. 전자는 연료전지(120)의 길이(페이지 안으로 들어가는 방향)에 평행하고 상호연결구(112b)의 길이에 연하는 방향으로 상호연결구(112b)를 거쳐 이동한 후, 연료전지(120) 면에 수직한 방향으로 이동하고 캐소드 피막(116C)의 비활성 부분(115) 내로 이동한다. 비활성 부분(115)은 이온전도요소(18)와 컨택하지 아니하므로 산화제와 양자 간의 반응을 지원하지 않으나 오히려 연결요소로서 작용한다. 따라서, 비활성 부분(115)과 상호연결구(112b)는 함께 연결요소들(126)을 형성한다. 전자는 캐소드 피막(116C)과 연료전지층(100)과 상호연결구(112b) 모두의 면에 평행한 방향으로 비활성 부분(115)으로부터 캐소드 피막(116C)의 활성 부분(117)으로 이동한다. 산소는 캐소드 피막(116C)에 컨택하고 화학반응 부위로 이동한다. 산소는 환원되고 생성물로서 물이 생성되며, 이는 주위 대기로 분산되거나 아니면 캐소드 피막(116C) 내에 잔존할 수 있다.
도 3b는 일부 절단한 전류흐름의 개략사시도로서, 전류는 상호연결구와 임의로 전극피막의 비활성 부분을 포함하는 연결요소들(126)을 거쳐 이동한다. 도 3c와 도 3d는 전류 "i"를 연결요소들(126) 각각의 길이 "L" 및 너비 "W"에 연하는 거리 "d"의 함수로서 그래프로 나타낸 것이다(W는 상호연결구(112b)의 너비와 동일하거나 동일하지 않을 수 있다). 전류는 전극피막의 활성부분으로부터 전극피막의 불활성 부분을 통하거나 또는 "Y"축에 평행한 방향의 상호연결구를 통해 이동한다. 만일 전극피막이 상호연결구보다 더 높은 전기전도도를 갖는다면, 전류는 주로 전극피막의 비활성 부분을 통하는 루트를 택할 것이다. 만일 상호연결구가 전극피막보다 더 높은 전기전도도를 가지면, 전류는 주로 상호연결구를 통하는 루트를 택할 것이다. 도 3c에 도시하듯이, 이러한 방향으로 이동하는 전류는 너비 W에 걸쳐 일정하다(그리고, 이에 따라 전류밀도는 W에 연하여 일정하다).
또한, 전류는 상호연결구(112b)의 길이에 걸쳐 외부회로로 이동한다. 도 3d에 도시하듯이, 전류는 상호연결구(112b)의 길이 L을 따라 증가한다. 마찬가지로, 전류밀도는 길이 L을 따라 외부회로와의 연결까지 증가한다. 보이듯이, 전하가 길이 L에 걸쳐 이동하는 길이는 이것이 너비 W에 걸쳐 이동하는 거리보다 현저히 더 길다. 단전지라면 전류는 상호연결구의 길이에 따라 축적되고 전류는 상호연결구의 길이에 연하여 너비에 비해 더 긴 거리를 이동하므로, 상호연결구들에서의 비저항은 전기 성능 손실의 주된 요인일 수 있다. 따라서, 상호연결구들(112b)은 이들 길이 L을 따라 높은 전도도를 가짐이 바람직하다.
평판형 연료전지층을 위한 상호연결구 설계시 고려해야할 점이 있다. 한편, 상호연결구는 높은 전기전도도(특히, 그 길이를 따라)를 가짐이 바람직할 수 있다. 그러나, 높은 전기전도도를 갖는 많은 물질들은 고가이거나 또는 산화성 조건에서 연료전지의 활성요소들(예컨대, 이온전도요소)을 오염시킬 수 있는 부식 생성물(예컨대, 구리이온)을 생성한다. 따라서, 상호연결구들은 이들이 높은 전기전도도를 갖고 연료전지의 활성요소들을 부식생성물에 노출시키지 않게 설계되도록 함이 바람직하다.
일부 평판형 연료전지층들(예컨대, 평판형 연료전지층(100))에서, 이온전도요소들은 이들의 선단은 집전체들의 선단과 물리적 컨택을 한 채로 집전체들 간에 배치된다. 평판형 연료전지층은 연료전지층에 걸쳐 연료 누설이나 산화제에 내성이 있는 것이 바람직하다. 본 발명 구현예들의 집전체들(예로서, 상호연결구들)은 이온전도요소를 형성하는 물질로 누설방지결합(leak-resistant bond)을 형성할 수 있다. 예로서, 상기 결합은 연료 등의 검출가능한 량의 유체를 누설함이 없이 약 5psi 또는 약 15psi의 기압을 견디도록 될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 층은 일부 유체에는 실질적으로 불투과성이나 다른 유체에는 투과성일 수 있다. 예로서, 상기 층은 연료에 의해 주어진 기압에 실질적으로 불투과성일 수 있다; 그러나, 물은 이온전도요소들을 통과하여 이동할 수 있다.
일부 평판형 연료전지는 노트북 컴퓨터, 휴대전화, PDA(personal digital assitant) 등의 휴대형 가전기기의 전원으로 설계된다. 이들 용도에 있어, 연료전지 어셈블리 및 시스템에 이용가능한 공간은 작다. 일부 평판형 연료전지는 외부회로와의 컨택을 위해 전기적인 상호연결구들을 지지하기 위한 체결력이나 압축력을 필요로 한다. 클램프나 기타 압축수단들은 휴대형 가전기기에서는 귀중한 공간을 점유하게 된다. 체결된 연료전지 요소들(예로서, 가스확산층, 촉매층, 유로)은 변형이나 부숴짐이 없이 이러한 체결력을 견뎌낼 수 있어야 한다. 또한, 클램프 및 기타 압축수단들을 사용하면, 연료전지 어셈블리의 설계와 조립방법이 한정될 수 있다. 본 구현에들의 평판형 연료전지는 외부회로와의 접촉을 유지하기 위해 체결력이나 압축력이 필요없다.
도 4a~4g는 여러 예시적 구현예들에 따른 단위전지 내의 상호연결구들의 절단 단면도들을 도시한다. 도면에서는 명확함을 위하여 전극피막들은 생략하였고 단지 이온전도요소들(202)의 일부만이 포함되었다. 상호연결구들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 260a, 270) 각각은 하나 이상의 형태의 하나 이상의 전자전도영역들을 포함하는 전자전도요소(218, 228, 238, 248, 258, 268, 268a, 278)을 갖는다. 상호연결구들(210, 230, 250, 260, 260a, 270)은 하나 이상의 제1전자전도영역(212, 232, 252, 262, 262a, 272)을 포함한다. 상호연결구들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 260a, 270)은 하나 이상의 제2전도영역(214, 224, 234, 244, 254, 264, 264a, 274)을 포함한다. 상호연결구들(220, 240, 250, 260, 260a, 270)은 또한 계면영역(226, 246, 256, 266, 266a, 276)을 포함한다.
제1전도영역(212, 232, 252, 262, 262a, 272)은 중간 정도의 전기전도도를 갖고 내부식성인 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1전도영역은 카본섬유(carbon fiber), 카본 니들(carbon needle), 비결정 카본(amorphous carbon), 카본 폼(carbon foam), 카본 직물(carbon cloth) 또는 이들의 조합 등의 탄소질 물질을 포함할 수 있다. 이에 더하여 또는 이 대신에, 제1전도영역은 전기전도성 세라믹, 전기전도성 폴리머 등 또는 이들의 조합과 같은 비탄소질 물질을 포함할 수 있다.
연료전지층에 있어서, 제1전도영역은 만일 존재한다면 전극피막으로부터 제2전도영역으로, 또는 반대로 제2전도영역으로부터 전극피막으로의 중간 정도로 전도성인 통로를 제공할 수 있다. 제2전도영역을 포함하는 상호연결구에서, 제1전도영역은 연료전지의 활성요소들을 부식생성물로부터 격리하는데 도움을 줄 수 있다. 이러한 상호연결구에서는 제2전도영역은 제1전도영역에 인접하게 배치될 수 있거나(예로서, 도 4a 및 4e) 또는 제1전도영역의 두 부분들 간에 배치될 수 있거나 제1전도영역 내에 매립될 수 있다(예로서, 도 4c, 4f, 4g 및 4h). 제2전도영역을 포함하지 않는 상호연결구에서는 제1전도영역은 중간 정도의 전도성 통로를 외부회로에 또는 외부회로로부터 제공할 수 있다.
제2전도영역(214, 224, 234, 244, 254, 264, 264a, 274)은 매우 높은 전기전도도를 갖는 물질(즉, 제1전도영역 물질(들)의 전기전도도보다 더 높은 전기전도도를 갖는 물질)을 포함한다. 예를 들어, 제2전도영역은 금속이나 금속합금을 포함할 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 제2전도영역은 구리, 예를 들어 구리메쉬(copper mesh)를 포함한다. 그러나, 다른 구현예에서는 제2전도영역은 높은 전기전도도를 갖는 기타 물질들을 포함할 수 있다. 연료전지층에 있어서, 제2전도영역은 외부회로로의 또는 외부회로로부터의 상호연결구의 길이(또는 길이의 대부분)에 연하여 높은 전도성 통로를 제공할 수 있다.
계면영역(226, 246, 256, 266, 266a, 276)은 하나 이상의 물질을 포함하며, 이는 전기 비전도성이거나 이온 비전도성이거나 아니면 둘 다일 수 있다. 예를 들어, 경화된 형태 또는 비경화된 형태에서 계면영역은 바인더로서 기능할 수 있거나; 화학적으로 불활성일 수 있거나; 이온전도요소의 물질과의 결합에 양호한 표면을 제공할 수 있거나; 또는 이들의 조합일 수 있다. 이에 더하여 또는 이 대신에, 계면영역은 필러(filler)나 강화제(strengthener)로 작용하는 비전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 계면영역은 유리섬유, 에폭시, 폴리머, 열경화성 폴리머, 플라스틱, 이산화티탄, 산화철, 탄산칼슘 등이나 이들의 조합을 포함할 수 있다.
연료전지층에 있어서, 계면영역은 많은 기능 중의 하나 이상을 작용할 수 있다. 계면영역은 전극피막이 종단되도록 하는 비전도성 표면을 제공함으로써 단위전지를 격리하는데 지원한다. 계면영역은 이온전도요소와 중간 정도로 강한 결합이 가능한 표면을 제공할 수 있다. 사용하는 물질 및 방법에 따라, 계면영역은 상호연결구들과, 이온전도요소들을 형성하는 이온전도물질(들) 간의 접착을 증진할 수 있다. 제1전자전도영역이 아닌 제2전자전도영역을 포함하는 상호연결구로써, 계면영역은 이온전도요소들을 제2전도영역과의 직접적인 물리적 컨택으로부터 격리하고 이로써 부식생성물들에 의한 오염 가능성을 줄인다.
도 4a는 제1 예시적 구현예에 따른 상호연결구를 도시한다. 상호연결구(210)는 하나의 제1전도영역(212)과 하나의 제2전도영역(214)을 포함하는 전자전도요소(218)을 갖는다. 연료전지층에서, 상호연결구(210)는 연료전지의 활성요소들을 부식생성물로의 노출로부터 격리시키면서 높은 전기전도도를 제공할 수 있다(즉, 제2전도영역(214)을 통해). 제2전도영역(214)은 이온전도요소(202)와 직접적인 물리적 컨택이 없으므로, 부식생성물들이 이온전도요소(202) 내로 침출되거나 이주할 가능성은 감소할 수 있다. 결합된 전극피막이 제2전자전도영역(214)과 직접 물리적 컨택을 가지 않도록(즉, 결합된 전극피막이 제2전도영역(214)이 아닌 제1전도영역(212) 너머로 또는 그 아래로 연장하도록) 배치될 수 있다. 이러한 구현예에서는 부식 생성물이 이온전도요소에 간접적으로(즉, 전극피막의 비활성 부분을 통하여) 침출되거나 이주할 가능성이 크게 감소될 수 있다.
도 4b는 제2 예시적 구현예에 따른 상호연결구를 도시한다. 상호연결구(220)는 하나의 제2전자전도영역(224)과 계면영역(226)을 포함하는 전자전도요소(228)를 갖는다. 제2전도영역(224)은 이온전도요소(202)와는 직접적인 물리적 컨택이 없으므로, 부식 생성물이 이온전도요소(202) 내로 직접 침출할 가능성이 감소될 수 있다. 계면영역(226)은 이온전도요소(202)와 상호연결구(220) 간의 접착을 증진하는 계면을 제공할 수 있다.
제1전도영역 및/또는 계면영역은 또한 상호연결구에 내구력과 강성을 제공할 수 있다. 도 4c 및 4d는 각각 상호연결구(230)(240)를 도시한다. 상호연결구(230)는 두 제1전도영역들(232) 간에 끼워진 하나의 제2전도영역(234)을 갖는다. 상호연결구(240)는 두 계면영역들(246) 간에 끼워진 하나의 제2전도영역(244)을 갖는다. 제2전도영역(234)(244)의 어느 한 편에 제1전도영역(232)이나 계면영역(246)을 포함함으로써 상호연결구(230, 240)에 부가의 내구력이나 강성을 제공할 수 있다.
도 4e는 제5 예시적 구현예에 따른 상호연결구를 도시한다. 상호연결구(250)는 하나의 제1전도영역(252)과 하나의 제2전도영역(254)을 포함하는 전자전도요소(258)을 갖는다. 또한, 상호연결구(250)는 하나의 계면영역(256)을 갖는다. 연료전지층에서, 제1전도영역(252)은 전극피막으로부터 제2전도영역(254)으로, 또는 그 역으로 통로를 제공할 수 있다. 제1전도영역은 제2전도영역(254)과 전극피막이 물리적 컨택 없이 전기적 컨택 상태로 있을 수 있게 하고, 이로써 연료전지시스템의 수명에 걸쳐 이온전도요소(202)의 오염 가능성을 감소시킨다. 제2전도영역(254)은 단위 연료전지 내로 또는 그 외부로의 높은 전도성 통로를 제공할 수 있다. 계면영역(256)은 이온전도요소(202) 물질(들) 및 상호연결구(250) 물질(들) 간의 접착을 증진하는 표면을 제공할 수 있다.
도 4f 및 4g는 각각 제6 및 제7 예시적 구현예에 따른 상호연결구들을 도시한다. 상호연결구들(260, 270)은 전술한 구현예들의 각 변형이다. 알 수 있듯이, 상호연결구들(260, 270)은 두 제1전도영역들(262) 간에 끼워진 하나의 제2전도영역(264)을 포함하는 전자전도요소(268, 278)를 각각 갖는다. 상호연결구(260, 270)의 영역은 전술한 구현예들에 따른 상호연결구들의 영역과 유사하게 기능할 수 있다.
도 4h는 제8 예시적 구현예에 따른 상호연결구를 도시한다. 상호연결구(260a)는 도 4f에 도시한 상호연결구(260)의 구현예의 변형이다(비록 이러한 변형은 제2전도영역이 두 제1전도영역들 간에 또는 두 계면영역들 간에 끼워진 예시적 구현예라면 모두 적용될 수 있지만). 도 4h에서, 제2전도영역(264a)은 비대칭 형태로 두 제1전도영역들(262a) 간에 끼워진다. 이러한 구현예로써 제2전도영역과 연료전지의 활성영역들 간의 거리가 최대로 될 수 있으면서, 제2전도영역(264a)이 두 다른 물질들 간에 매립되거나 끼워진 구현예에 있어서 상호연결구(260a)의 전체 너비로의 영향을 최소화할 수 있다.
알 수 있듯이, 상호연결구들(230, 240, 270)은 각각 그들의 길이에 대해 대칭이다- 예를 들어, 상호연결구들(230, 240, 270)은 각 측면에 동일한 2개 영역들 또는 2개 군의 영역들 간에 끼워진 제2전도영역(234, 244, 274)을 각각 갖는다. 연료전지시스템에서, 상호연결구들(230, 240, 270)은 거의 굽어지거나 휘어지지 않을 수 있다. 왜냐면, 제2전도영역(234, 244, 274) 각 측 상의 영역(들)은 동일한 열팽창계수를 가질 것이기 때문이다.
일부 연료전지시스템은 액체인 연료를 사용하거나(예로서, 직접 메탄올 연료전지시스템에서의 메탄올) 또는 가습화 가스(예로서, PEM 연료전지시스템에서의 가습화 수소)인 연료를 사용한다. 액체 또는 가습화 가스의 형태로 연료를 사용하지 않는 연료전지시스템에서는(예로서, 비 가습화 수소를 사용하는 PEM 연료전지스템) 캐소드에서 생성된 물이 연료 플리넘(plenum)에 모일 수 있다. 이렇게 물이나 액체가 존재하는 모든 연료전지시스템에서는 금속을 포함하는 상호연결구의 사용은 부식 생성물의 이온전도요소 내로의 침출을 통해 이온전도요소의 오염을 초래할 수 있다.
도 5는 일 예시적 구현예에 따른 것으로 도 4g에 도시한 상호연결구(종단 집전기(end current collector))를 설명하는 연료전지시스템(280)의 부분단면도이다. 연료전지시스템(280)은 상호연결구(284), 캐소드 피막(286) 및 애노드 피막(288)을 포함하는 복합체층을 갖는 연료전지층(282)을 구비한다. 상호연결구(284)는 비부식성 전기전도성 물질을 포함하는 제1전도영역(283)과, 금속과 같이 부식에 민감할 수 있는 전기전도성 물질을 포함하는 제2전도영역(285)을 갖는다. 일부 구현예에서, 제2전도영역(285)은 제1전도영역(283)보다 더 높은 전기전도도를 가질 수 있다. 다른 일부 구현예에서, 제2전도영역(285) 및/또는 제1전도영역(283)은 비등방성 전도도를 가질 수 있고 일 방향에서 다른 방향들보다 더 큰 전기전도성일 수 있다; 예로서, 제1전도영역(283)은 이의 너비에 걸쳐(예를 들어, 도 5에 도시하듯이, 페이지를 가로질러) 더욱 전기전도성일 수 있는 반면에, 제2전도영역(285)은 이의 길이에 연하여(예로서, 도 5에 도시하듯이, 페이지 내로) 더욱 전기전도성일 수 있다. 도시된 구현예에서, 연료전지시스템(280)은 연료전지층(282)과 결합된 연료분배 매니폴드(290)을 포함하고 연료 플리넘(292)을 이룬다. 도시된 구현예에서, 연료분배 매니폴드(290)는 스페이서(294)를 통해 연료전지층(282)에 부착된다. 그러나, 대체하는 구현예에서는 연료분배 매니폴드(290)는 연료전지층(282)에 직접 결합되거나, 또는 예를 들어 연료전지층(282)과 연료 매니폴드(290) 간에 배치된 유동장이나 다공층(미도시)을 사용하여 연료전지층(282)에 간접적으로 결합될 수 있다. 부가의 지지구조체가 연료 매니폴드(290)와 연료전지층(282) 간에 배치될 수 있고, 이는 본 출원인의 미국특허출원공개 제2009/81493호 "Fuel cell systems including space-saving fluid plenum and related methods"에 기재되어있다.
본 구현예에서, 스페이서(294)는 이것이 제2전자전도영역(285)의 표면을 덮도록 배치된다. 캐소드 피막(286)으로부터 제1전도영역(285)로 연장하는(제1전도영역(283)이나 아니면 캐소드 피막(286)의 비활성 부분을 통해) 전기적 통로가 있더라도, 연료는 제1전도영역(285)과 접촉하게 되지 않는다(캐소드 피막(286)을 통해 직접적으로든 간접적으로든). 따라서, 상호연결구(284)는 연료전지층(282) 내외로의 높은 전도성 통로를 제공하지만, 연료전지층(282)의 활성요소들을 연료전지 동작 도중 부식 생성물을 생성할 수 있는 물질에 노출하지는 않는다.
연료전지에서의 사용시, 구현예들에 따른 상호연결구들은 외부회로에 간단히 연결될 수 있다. 도 6a 및 6b는 예시적 구현예들에 따라 도 4g의 상호연결구들(306, 346)을 사용하는 연료전지층들(302, 342)의 상면 사시도이다. 일부의 연료전지시스템(300, 340)은 연료전지층(302, 342)을 포함한다. 또한, 연료전지시스템(300)은 연결요소들(304)을 포함한다. 연료 매니폴드 어셈블리는 명확성을 위해 생략하였다. 연료전지층(302, 342)은 캐소드 피막(314, 354)과 애노드 피막(미도시)을 포함하며 이들은 내부 집전체(305, 345)와 상호연결구(306, 346)를 포함하는 복합체층 상에 배치된다. 도시된 구현예들에서, 상호연결구(306a, 346a)는 일부가 캐소드 피막(314, 354)으로 덮이는 반면, 상호연결구(306b, 346b)는 완전히 노출된다(그리고 연료전지층(302, 342)의 애노드 피막과 컨택할 것이다). 도시한 구현예에서, 상호연결구(306a, 306b, 346a, 346b)는 금속을 포함하는 제2전도영역(316, 356)을 갖는다. 연료전지층(302, 342)은 계면영역(318a, 318b, 358a, 358b)을 더 포함하며, 이는 인접한 단위 연료전지들 간에 전기적 불연속성 영역을 제공하도록 내부 집전체(305, 345)의 어느 한 측상에 배치된다.
제1전도영역(316, 356)과 함께 상호연결구(306a, 306b, 346a, 346b)를 사용하면서, 연료전지층(300, 340)을 외부회로에 연결하는 방법으로서 납땜을 사용할 수 있다. 도 6a를 참조하면, 연료전지시스템(300)에 있어서, 납땜패드(308)를 만들고 이는 상호연결구(306a, 306b)의 제2전도영역(316)과 컨택한다. 납땜패드(308)는 돌기부(310)와의 컨택을 위해 더 넓은 표면을 제공할 수 있다. 도시한 구현예에서, 돌기부(310)는 나사이다. 그러나, 다른 돌기부로는 핀(예로서, 스프링 핀), 노브(knob), 스터드(stud) 등이 사용될 수 있다. 돌기부(310)는 다양한 수단을 통해 외부회로로 연결될 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 돌기부(310)는 회로판과 컨택한다.
또한, 외부회로는 상호연결구들에 직접 연결될 수도 있다. 도 6b를 참조하면, 연료전지시스템(340)에 있어서, 외부회로(350)의 와이어들은 각각 상호연결구들(346a, 346b)에 지점(348a, 348b)에서 직접 납땜될 수 있다. 따라서, 일부 구현예에 따른 상호연결구들을 사용하는 연료전지시스템은 외부회로와의 컨택을 유지하기 위해 클램프나 압축력을 필요로 하지 않는다. 이러한 구현예들에 따른 연료전지시스템은 장치, 예를 들어 휴대형 가전용도에서 요구되는 공간이 더 작을 수 있다.
다른 구현예들에 있어서, 상호연결구 자체는 외부회로와의 연결을 위해 편리한 탭이나 표면을 제공할 수 있다. 예를 들어, 나사, 핀(예로서, 스프링 핀)이나 기타 돌기부는 납땜패드가 필요없이 직접 상호연결구와 컨택하게 배치될 수 있다. 다른 구현예들에서, 상호연결구는 연료전지층을 에지 카드 커넥터(edge-card connector) 내로 꽂음으로써 에지 카드 커넥터의 단말과 컨택하도록 배치될 수 있다.
이상, 도 2a의 예시적 평판형 연료전지에 사용되는 본 발명의 하나 이상의 구현예에 따른 상호연결구들을 상술하였다. 그러나, 상호연결구는 다른 예시적 평판형 연료전지에 사용될 수 있다. 예를 들어, 상호연결구는 선단 집전형 연료전지(예로서, 미국특허 제5,989,741호 "Electrochemical cell system with side-by-side arrangement of cells", 미국특허출원 제12/153,764 및 미국특허출원공개 제US 2008/0299435호 "Side-by-side fuel cells")의 많은 다른 구현예들에 적용될 수 있다.
도 7은 일 예시적 구현예에 따라 도 4e~4h에 도시한 상호연결구들과 같은 상호연결구의 한 가능한 제조방법의 블록공정도이다. 본 방법(400)에 있어서, 제1전기전도성 물질(402)과 제2전기전도성 물질(404)이 제1적층단계(410)를 거쳐 "적층구조체"(412)를 형성한다. 적층구조체(412)는 경화단계(420)를 가해 프리폼(preform: 422)을 형성한다. 프리폼(422)은 임의로 제2적층단계(430)를 거쳐 코팅 프리폼(432)을 형성할 수 있고, 임의로, 코팅 프리폼(432)은 제2경화단계(440)를 가해 상호연결시트(442)를 형성한다. 상호연결시트(442)는 절단단계(450)를 거쳐 상호연결구들(452)을 형성한다.
전기전도성 물질들(402, 404)은 적층단계(410)를 거쳐 "적층구조체"(412)를 형성한다. 적층단계(410)는 하나 이상의 제2전기전도성 물질(404)과 함께 하나 이상의 제1전기전도성 물질(402)을 적층하는 것을 포함하여 적층구조체(412)를 형성한다. 제1전기전도성 물질(402)은 중간 정도의 전기전도도를 갖는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있고 내부식성이다. 예를 들어, 제1전기전도성 물질은 그래파이트(graphite), 팽창 그래파이트(expanded graphite), 카본섬유(carbon fibers), 카본니들(carbon needles), 비결정 카본(amorphous carbon), 카본 폼(carbon foams) 등이나 이들의 조합과 같은 탄소질 물질을 포함할 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 제1전기전도성 물질(402)은 직조 카본섬유와 같은 카본섬유를 포함할 수 있다. 제1전기전도성 물질(402)은 또한 비전도성 물질, 예를 들어 물질들을 함께 결합할 수 있는 비전도성 물질(열경화성 폴리머와 같은)을 포함할 수도 있다. 일 예시적 구현예에서, 제1전기전도성 물질(402)은 에폭시 수지를 포함할 수 있다. 다른 예시적 구현예에서는 제1전기전도성 물질(402)은 예비함침된 직조 카본수지의 형태로 카본수지 및 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
제2전기전도성 물질(404)은 매우 높은 전기전도도를 갖는 하나 이상의 물질(즉, 제1전기전도성 물질(402)의 전기전도도보다 더 높은 전기전도도를 갖는 하나 이상의 물질)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2전기전도성 물질(404)은 금속이나 금속합금을 포함할 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 제2전기전도성 물질(404)은은 구리나 구리메쉬를 포함할 수 있다. 제2전기전도성 물질(404)은 폴리머나 폴리머 혼합물과 같은 비전도성 물질을 부가적으로 포함할 수 있다. 제2전기전도성 물질(404)은 물질들을 함께 결합가능하거나 경화가능한 비전도성 물질을 포함할 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 제2전기전도성 물질(404)은 폴리머 혼합물을 포함할 수 있고, 이러한 폴리머 혼합물은 에폭시 수지와 같은 수지, 모든 열경화성 폴리머 또는 열가소성 폴리머 또는 적합한 특성을 갖는 모든 기타 폴리머나 복합체를 포함한다.
적층구조체(412)는 경화단계(420)를 거쳐 프리폼(422)을 형성한다. 경화단계(420)는 적층구조체(412)를 소정 시간 동안 온도 및/또는 압력에 가하는 것을 포함할 수 있다. 적층구조체(412)는 예를 들어 원하는 두께나 평탄도의 프리폼(422)을 형성하기에 충분한 압력에 가해질 수 있다.
프리폼(422)은 임의로 제2적층단계(430)를 거쳐 코팅 프리폼(432)을 형성할 수 있다. 제2적층단계(430)는 프리폼(422)을 갖는 적층계면물질(434)을 포함할 수 있다. 적층계면물질(434)은 비전도성이고 화학적 불활성인(또는 화학적 불활성으로 될 수 있는) 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 계면물질(434)은 필러(436)와 경화가능 폴리머 혼합물(438)을 포함할 수 있다. 필러(336)는 결과물인 계면영역의 너비를 증가시키거나 또는 내구력이나 구조지지체를 제공하도록 기능하는 비전도성 물질을 포함할 수 있고, 이러한 비전도성 물질의 예로는 유리섬유(예로서, 직조 유리섬유 또는 부직조 유리섬유), 플라스틱(예로서, 플라스틱 시트, 플라스틱 입자, 직조 플라스틱 스트랜드(strand), 또는 다공성 플라스틱), 이산화티탄, 산화철, 이산화규소, 탄산칼슘 등 또는 이들의 조합이 있다. 경화가능 폴리머 혼합물(438)은 화학적 불활성, 전기적 절연성이거나 이온전도물질과의 결합에 양호한 표면을 제공하는 물질(들)을 포함할 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 경화가능 폴리머 혼합물(438)은 바인더로서 작용하며 경화가능한 비전도성 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 경화처리는 열경화성 폴리머와 같이 열의 존재하에 가속화되거나 활성화될 수 있다. 경화가능 폴리머 혼합물은 열의 부가 없이 경화될 수 있다. 경화가능 폴리머 혼합물은 수지, 경화제, 유연제, 촉매 또는 촉진제 등의 물질을 포함할 수 있다. 그러나, 기타 구현예들의 계면물질은 이들 물질 중의 단 하나만 포함하거나 아니면 이들 물질을 아무것도 포함하지 않을 수 있다.
제2적층단계(430)는 필러(436)를 프리폼(422) 상에 배치한 후 경화가능 폴리머 혼합물(438)을 인가함으로써 프리폼(422)을 갖는 적층계면물질(434)을 포함할 수 있다. 임의로, 제2적층단계는 필러(436)를 배치하기 이전에 경화된 프리폼(422)의 표면을 활성화하는 것을 포함할 수 있다. 활성화는 경화된 프리폼(422)의 표면과 계면물질(434) 간의 접착을 향상시킬 수 있다.
코팅된 프리폼(432)은 만일 존재한다면 제2경화단계(440)를 거쳐 상호연결구 시트(442)를 형성할 수 있다. 제2경화단계(440)는 코팅된 프리폼(432)을 소정 시간 동안 온도 및 압력에 가하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 코팅된 프리폼(432)은 경화가능 폴리머 혼합물이 경화되는 온도보다는 높지만 경화가능 폴리머 혼합물이 분해되는 온도보다는 낮은 온도로 열처리될 수 있다. 코팅된 프리폼(432)은 압력에 인가될 수 있고, 이러한 압력은 예를 들어 원하는 두께나 편평도의 계면시트(442)를 형성하기에 충분한 압력으로 된다. 임의로, 제2적층단계(430)와 제2경화단계(440)는 도 4g의 상호연결구들을 제조할 때 제조될 수 있다.
상호연결구 시트(442)는 절단단계(460)를 거쳐 상호연결구들(452)로 형성된다. 절단단계(460)에서, 계면시트(442)(또는 프리폼(422))는 절단되어 개별 집전체들(452)로 형성될 수 있다.
본 방법(400)은 가변되어 다른 구현예들에 따른 상호연결구들을 제조할 수 있다. 예를 들어, 도 4b 및 4d에 도시한 상호연결구들을 제조하기 위해 제1전자전도영역이 생략될 수 있다.
전도성 섬유의 배향
본 발명의 다양한 구현예들은 전도성 섬유들을 포함하는 연료전지 연결요소를 제공한다. 모든 적합한 조성의 전도성 섬유들은 제1전자전도영역과 제2전자전도영역의 어느 하나 또는 모두를 포함하여 연료전지 연결요소의 모든 적절한 부분에 존재할 수 있다. 전도성 섬유의 모든 적합한 개수, 배향, 형태 또는 간격이 본 발명의 연료전지 연결요소에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전도성 섬유는 다발(bundle)일 수 있다. 이러한 다발은 연사(twisted), 무연사(untwisted), 직조(woven) 또는 기타 적절한 배열로 된 섬유들을 포함한다. 전도성 섬유들은 분리된 비다발 섬유들일 수 있다. 마찬가지로 배열된 섬유 또는 섬유다발은 함께 닿거나 눌리도록 이격될 수 있다. 다른 구현예에서, 마찬가지로 배열된 섬유 또는 섬유다발은 섬유들 또는 다발들 간에 모든 적절한 양 또는 패턴의 이격을 가질 수 있다. 예를 들어, 마찬가지로 배열된 섬유 또는 섬유다발은 약 0.0001mm, 0.001mm, 0.01mm, 0.1mm, 1mm, 또는 약 10mm로 이격될 수 있다.
특히 스택형 연료전지시스템이나 평판형 연료전지시스템에서와 같이 복수의 연료전지가 사용되는 경우, 요소들로부터의 전기저항이 축적되어 어레이 내에 비교적 큰 내부저항을 만들어낼 수 있다. 큰 내부저항은 스택형 연료전지시스템이나 평판형 연료전지시스템을 포함하여, 복수의 셀을 갖는 연료전지시스템을 포함하는 연료전지시스템의 성능을 저하시킬 수 있다. 전도성이 높고, 강하고 내구력있으며, 제조하기에 단순하고 저가인 연료전지 연결요소가 요구된다.
본 발명의 다양한 구현예들이 상호연결구 또는 집전체를 포함하여 연료전지 연결요소를 제공한다. 연료전지 연결요소는 연료전지의 적어도 하나의 전극에 약 90°미만의 각도로 배향된 전도성 섬유를 포함한다. 연료전지 연결요소는 연료전지의 적어도 한 전극으로부터 외부회로 또는 다른 연료전지의 한 전극으로의 전기전도성 통로를 제공한다. 본 발명의 구현예들은 또한 연료전지층을 포함하고 연료전지 연결요소를 포함하는 연료전지와 이의 제조방법을 제공한다.
해당 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 일반적으로 전도성 섬유를 사용하는 연료전지 연결요소에서 최고의 전도도는 이 요소에서 가장 짧고 가장 직접적인 전도 통로를 형성함으로써 달성될 수 있으리라고 상정할 것이다. 연료전지 전도요소에서 이는 전도성 섬유들이 전극과 올바른 각도를 형성하도록 상기 전도성 섬유들의 제1조를 배열하는 것을 수반할 수 있다. 그러나, 예를 들어, 본 발명의 일부 구현예에서는 전도성 섬유들이 전극이나 전극피막과 약 90°미만의 각도(예컨대, 45°)를 이루도록 전도성 섬유들을 배향함에 의해 연료전지 연결요소의 전도도는 전극이나 전극피막에 대해 약 90°로 배향된 전도성 섬유들을 갖는 연료전지 연결요소의 전도도보다 더 높다는 것이 발견되었다.
또한, 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 최단통로를 달성하기 위해 연료전지 연결요소에서 전도성 섬유를 배열하기 위해서는 전도성 섬유들이 제1조의 전도성 섬유와 대략 올바른 각도를 형성하도록(예를 들어, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유가 그리드를 형성하도록), 이리하여 제2조의 전도성 섬유가 연료전지 전도요소의 길이에 평행하도록 제2조의 전도성 섬유를 배열하는 것이 수반될 수 있다. 이는 특히 전류가 외부회로로의 상호연결구의 길이를 따라 이동할 수 있는 상호연결구의 경우이다. 이러한 배열은 전도성 섬유들이 전자의 전도 평면에 평행한 섬유 배향을 제공할 수 있다. 그러나, 다른 예에서는 놀랍고 예기치않게도 둘 다 전극이나 전극피막과 약 90°미만의 각도(예로서, 45°)를 이루고 각각 서로와 대략 90° 각도를 이루는(예를 들어, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유가 그리드를 형성하는) 제1조의 전도성 섬유와 제2조의 전도성 섬유를 연료전지 연결요소 내에 포함함에 의해 연료전지 연결요소의 전도도는 어느 하나가 전극이나 전극피막과 약 90°의 각도를 이루고 각각 서로와 대략 90°의 각도를 이루는 제1조의 전도성 섬유와 제2조의 전도성 섬유를 포함하는 연료전지 전도요소의 전도도보다 더 높다.
어느 특정한 작동 이론에 얽매임이 없이, 본 발명의 연료전지 연결요소의 일부 구현예들은 전도성 섬유들이 전극이나 전극피막과 약 90°미만의 각도(예로서, 45°)를 이루도록 전도성 섬유들을 배향함으로써, 전극을 갖는 계면에서의 카본섬유의 더 높은 노출 표면적(예를 들어, 더 높은 계면 면적)으로 인해 더 높은 전도도를 나타낼 수 있다. 다른 예에서, 약 90°미만의 각도로 인해, 전극계면에서 각각의 섬유 또는 섬유 조(組)의 표면적은 상기 섬유 또는 섬유 조가 전극이나 전극피막에 대해 대략 90°로 배향될 때보다 더 높을 수 있다; 이는 실린더의 높이에 대해 90°가 아닌 각도로 절단할 때 더 큰 표면적을 갖는 실린더의 단면의 경우와 유사하다. 일 예에서, 섬유 또는 섬유 조 당의 더 높은 면적에 관계없이, 90°미만의 각도 덕분에, 전극계면에서 섬유 또는 섬유 조를 위한 더 많은 공간이 생길 수 있다. 일부 구현예에서는 전도성 섬유들의 90°가 아닌 각도로 인해 연료전지 연결요소 내의 비저항 증가가 야기될 수 있지만, 표면적의 증가가 이러한 손실을 보다 많이 상쇄할 수 있고 연료전지 연결요소 전체가 연료전지 내에서 더 큰 전도도를 가질 수 있다.
제1조 및 제2조의 전도성 섬유를 포함하는 연료전지 연결요소에 있어서(이때, 제1조의 전도성 섬유는 전극 또는 전극피막과 대략 90°의 각도를 형성하고 제1조 및 제2조의 전도성 섬유 각각은 서로 대략 90°의 각도를 형성한다), 제2조의 전도성 섬유는 상기 연료전지 연결요소의 길이에 연하여 직접적인 도전통로를 가능하게 하고 제1조의 전도성 섬유는 전극에서 전극으로의 직접적 통로를 가능하게 한다; 그러나, 제2조의 전도성 섬유 내에서 전류는 전극에서 전극으로 이동하기 위해서 섬유에서 섬유로 호핑(hopping)해야 하며, 제1조의 전도성 섬유 내에서 전류는 상기 연료전지 연결요소의 길이에 평행하게 이동하기 위해서 섬유에서 섬유로 호핑해야만 한다. 그리고, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유 둘 다 내에서 전류는 전극에서 상기 연료전지 연결요소의 길이에 평행한 방향으로 이동하기 위해서 제1조의 전도성 섬유에서 제2조의 전도성 섬유로 호핑해야만 한다. 즉, 이들 어느 것이든 모두 전도손실을 야기할 수 있다. 대조적으로, 연료전지 연결요소 내에 제1조 및 제2조의 전도성 섬유를 수용하는 구현예들에서는(이때, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유 둘 다 전극 또는 전극피막과 대략 90°미만의 각도(예로서, 45°)를 형성하고 제1조 및 제2조의 전도성 섬유 각각은 서로 대략 90°의 각도를 형성한다(예로서, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유는 그리드를 형성한다)) 제1조 및 제2조의 전도성 섬유 둘 다는 섬유들 간에 호핑함이 없이, 연료전지 연결요소의 길이에 연하는 도전통로와, 각 섬유에 연하는 전극에서 전극으로의 도전통로 둘 다를 제공할 수 있다. 비록 이러한 각도에서 섬유들의 배향은 도전이 발생하는 총 섬유길이가 전극에서 전극으로의 도전과 연료전지 연결요소의 길이에 평행한 도전 모두에 대해서는 더 길다는 것을 의미할 수 있지만, 전도성 섬유들의 더 큰 전체 단면적이 전극에서 전극으로의 방향과 연료전지 연결요소의 길이에 평행한 방향 모두에서의 도전에 유용하므로, 이는 증가된 계면 면적과 함께 증가된 도전통로 길이에 의해 야기되는 모든 전도손실을 상쇄하는데 도움이 될 수 있다. 일부 구현예들은 또한 연료전지 연결요소의 길이에 대략 평행하게 되는 섬유들을 포함할 수도 있다. 일부 구현예들은 연료전지 연결요소의 길이에 대략 평행하게 되는 섬유들을 포함하지 않는다.
어느 특정한 작동 이론에 얽매임이 없이, 본 발명의 연료전지 연결요소의 일부 구현예들은 전도성 섬유들이 전극이나 전극피막과 약 90°미만의 각도(예로서, 45°)를 이루도록 전도성 섬유들을 배향함으로써 더 강하고 내구성이 있을 수 있으며, 전도성 섬유들이 전극이나 전극피막과 약 90°의 각도를 이루는 전도성 섬유의 길이와 비교할 때, 연료전지 연결요소 내의 전도성 섬유들의 더 큰 길이로 인하여 인출에 더 내성있는 전도성 섬유를 가질 수 있다. 연료전지 연결요소 내의 전도성 섬유의 더 큰 길이는 연료전지 연결요소 내에 존재하는 전도성 섬유들의 더 큰 표면적으로 이해되며, 이는 각 전도성 섬유의 더 큰 표면적이 바인더와 접촉하고 있다는 것을 의미한다. 일부 구현예들은 바인더와 접촉하고 있는 섬유들의 표면적을 증가시킴으로써 섬유들과의 더 큰 결합을 가질 수 있다. 섬유들과의 결합이 더 클수록, 섬유들에 대한 인출항력이 더 증가한다. 또한, 섬유들과의 결합이 더 클수록, 연료전지 연결요소의 강도나 내구력이 더 커진다. 일부 구현예들에서, 섬유들과의 더 큰 결합은 주로 인장성분을 갖는 섬유인출력을 인장성분과 전단성분 모두를 갖는 연료전지 연결요소 내의 힘으로 변환하는 것을 지원할 수 있고, 따라서 연료전지 연결요소의 더 큰 면적에 걸쳐 상기 힘을 분포시킨다. 일부 구현예들에서, 전도성 섬유들이 전극 또는 전극피막과 형성하는 각도를 가변함으로써 인장 섬유 인출력이 연료전지 연결요소 내에서 인장력 및 전단력 성분들로 파괴될 수 있는 각도를 가변할 수 있다. 제1조의 전도성 섬유와 대략 90°의 각도를 이루는 제2조의 전도성 섬유를 포함하는 구현예들에 있어서, 전극 또는 전극피막과 형성하는 90°미만의 각도로 인하여 이들 제1조 및 제2조의 전도성 섬유들 모두는 바인더와 접촉하는 표면적이 더 커질 수 있다. 연료전지 연결요소의 길이에 평행하게 되는 섬유들을 갖지 않는 구현예들에서는 연료전지 연결요소의 길이에 평행하게 되는 섬유가 없음으로 인해 야기되는 강도의 모든 손실이 전극 또는 전극피막과 90°미만의 각도를 형성하는 섬유들의 증가된 표면적으로 야기되는 강도의 증가에 의한 상쇄보다 더 클 수 있다. 또한, 기타 구현예들은 전극 또는 전극피막과 90°미만의 각도를 형성하는 섬유들에 부가하여, 연료전지 연결요소의 길이에 대략 평행하기 되는 전도성 섬유들도 가질 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 본 발명의 일부 구현예들은 다른 연료전지 연결요소들보다 더 작은 압축력을 사용하여 제조될 수 있다. 일부 구현예들에서, 제조 동안 대량의 압축력을 사용함으로써 전극계면에서 전도성 섬유들의 적절히 높은 밀도를 보장할 수 있다. 또한, 일부 구현예들에서, 제조 동안 대량의 압축력을 사용함으로써 섬유에서 섬유로의 호핑을 포함하는 전류통로에 대해 낮은 저항을 갖게 할 수 있다. 그러나, 전극 또는 전극피막에 대해 90°미만으로 배향된 전도성 섬유를 포함하고 더 높은 계면 면적을 갖는 구현예들에 대해서는 계면에서 전도성 섬유의 더 높은 밀도를 달성하기 위해 높은 압축력을 사용하는 것이 덜 중요할 수 있다. 일부 구현예에서는 제조 동안 높은 압축력을 사용함의 유틸리티는 상기 섬유들의 배향으로 인한 상기 더 높은 계면 면적에 의해 상쇄될 수 있거나, 또는 특정 방향에서의 도전을 위한 섬유에서 섬유로의 호핑이 덜한 점이나 전체 도전 단면적이 더 크다는 점을 포함한 기타 이점에 의해 상쇄될 수 있다. 전극 또는 전극피막에 대해 90°미만으로 배향된 전도성 섬유를 포함하는 일부 구현예들은 다른 연료전지 연결요소들과 같거나 아니면 더 큰 량의 압축력을 사용하여 제조될 수 있다.
전극 또는 전극피막에 대해 90°미만으로 배향된 전도성 섬유를 포함하는 연료전지 연결요소의 일부 구현예들은 복잡성, 가격, 물질의 변경이나 제조공정에서의 기타 실질적 변경 등의 증가 없이 더 높은 전도도, 전도성 섬유의 더 강한 결합, 더 큰 강도, 더 큰 내구력, 또는 제조 동안 압축력이 덜 필요하다는 점을 포함한 여기 기술하는 이점들을 갖는다. 전도성 섬유의 배향의 수정이나 다른 섬유배향을 갖는 전도성 섬유들의 부가는 일부 구현예를 제조복잡성이나 제조경비의 증가를 최소로 하면서 실행할 수 있게 하는 비교적 간단한 제조 프로토콜일 수 있다.
다양한 구현예들에서 본 발명은 연료전지 연결요소를 제공한다. 연료전지 연결요소는 비전도성 계면영역을 포함한다. 상기 비전도성 계면영역은 제1표면과 제2표면을 갖는다. 연료전지 연결요소는 또한 전자전도요소를 포함한다. 상기 전자전도요소는 2개 표면과 상기 전자전도요소의 2개 표면에 평행한 길이를 갖는다. 전자전도요소 표면들 중의 하나는 상기 계면영역의 제2표면에 인접하게 배치된다. 상기 전자전도요소는 전도성 섬유들을 포함한다. 전도성 섬유들은 전자전도요소의 2개 면들에 대략 평행하게 배향된다. 상기 전도성 섬유들은 연료전지의 적어도 하나의 전극에 약 90°미만의 각도로 배향되도록 된다. 또한, 연료전지 연결요소는 바인더를 포함한다. 상기 바인더는 상기 계면영역과 전자전도요소를 함께 결합한다. 연료전지 연결요소는 이것이 연료전지의 적어도 한 전극과 외부회로 간, 또는 연료전지의 적어도 한 전극과 다른 연료전지의 적어도 한 전극 간에 전기전도성 통로를 제공하도록 연료전지에 사용되도록 된다.
일부 구현예들에 있어서, 연료전지에서의 적어도 한 전극에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유들은 연료전지에서의 적어도 한 전극에 대해 약 80°미만, 약 70°미만, 약 60°미만 또는 약 50°미만의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유들을 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 연료전지에서의 적어도 한 전극에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유들은 연료전지에서의 적어도 한 전극에 대해 약 0°초과, 약 10°초과, 약 20°초과, 약 30°초과 또는 약 40°초과의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유들을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 연료전지에서의 적어도 한 전극에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유들은 상기 적어도 한 전극에 대해 약 45°로 배향되거나, 상기 적어도 한 전극에 대해 약 40°~ 약 50°로 배향되거나, 상기 적어도 한 전극에 대해 약 35°~ 약 55°로 배향되거나, 상기 적어도 한 전극에 대해 약 30°~ 약 60°로 배향되거나, 또는 상기 적어도 한 전극에 대해 약 22°~ 약 68°로 배향되도록 된 전도성 섬유들을 포함할 수 있다. 상기 연료전지 연결요소는 적어도 한 전극에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유들 외에도 기타 전도성 섬유들(예를 들어, 적어도 한 전극에 대해 약 90°의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유들, 또는 적어도 한 전극에 대해 약 0°의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유들)을 포함할 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 연료전지 연결요소는 적어도 하나씩 제1조의 전도성 섬유와 제2조의 전도성 섬유를 포함할 수 있다. 제1조 및 제2조의 전도성 섬유 둘 다는 연료전지에서의 적어도 한 전극에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되도록 될 수 있다. 제1조 및 제2조의 전도성 섬유는 제1조의 전도성 섬유들이 제2조의 전도성 섬유들과 대략 45°~ 135°의 각도를 형성하도록 배향될 수 있다. 일부 구현예들에서, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유는 제1조의 전도성 섬유들이 제2조의 전도성 섬유들과 대략 50°~ 130°, 대략 60°~ 120°, 대략 70°~ 110°, 대략 80°~ 100°또는 대략 85°~ 95°이거나 약 90°의 각도를 형성하도록 배향될 수 있다. 일부 구현예들에서, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유들은 그리드를 형성하고, 상기 그리드의 섬유들은 연료전지의 적어도 한 전극과 대략 45°의 각도를 형성한다. 일부 구현예들에서, 전도성 섬유는 카본섬유를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 전도성 섬유는 금속섬유를 포함할 수 있고 이는 예를 들어 구리섬유(예로서, 구리금속섬유, 또는 구리금속 및 탄소섬유를 포함하는 복합체 섬유)를 포함한다.
일부 구현예들에 있어서, 연료전지 연결요소는 유리섬유를 포함할 수 있는 계면영역과, 전도성 섬유를 포함할 수 있는 전자전도요소와, 바인더를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전도성 섬유는 탄소섬유나, 전도성 금속을 포함하는 섬유 등의 섬유들을 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 전도성 섬유는 전도성 금속섬유를 포함할 수 있고 이의 예로서는 구리금속섬유, 금속을 포함하는 복합체 섬유, 구리 및 카본섬유를 포함하는 복합체 섬유 등이다. 일부 구현예들에서, 전자전도요소는 카본섬유와, 전도성 금속을 포함하는 섬유 둘 다를 포함할 수 있고, 이의 예로서는 구리금속섬유, 또는 구리금속과 카본섬유를 포함하는 복합체 섬유이다. 일부 구현예들에서, 전자전도요소는 계면영역에 인접한 카본섬유와, 상기 카본섬유 영역에 인접한 전도성 금속 또는 이의 복합체를 포함하는 섬유를 포함할 수 있다. 상기 카본섬유와 금속 또는 복합체 섬유 중의 어느 하나 또는 모두는 연료전지의 적어도 한 전극에 대해 약 90°미만의 각도(예를 들어, 45°)로 배향된 섬유를 포함할 수 있다. 상기 카본섬유와 상기 전도성 금속을 포함하는 섬유 중의 어느 하나 또는 모두는 제1조 및 제2조의 전도성 섬유를 포함할 수 있고, 이들 각각은 연료전지의 적어도 한 전극에 대해 약 90°미만의 각도(예를 들어, 45°)로 배향되며, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유는 서로 약 45°내지 약 135°의 각도(예를 들어, 90°)를 형성한다. 일 예로서, 상기 카본섬유와 상기 전도성 금속을 포함하는 섬유 중의 어느 하나 또는 모두에 대해, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유는 그리드를 형성하고, 상기 그리드의 섬유들은 연료전지의 적어도 한 전극과 약 45°의 각도를 이룬다.
일부 구현예에 있어서, 연료전지 연결요소는 상호연결구이다. 일부 구현예에서, 연료전지 연결요소는 집전체이다. 일부 구현예에서, 연료전지 연결요소는 집전체 및 상호연결구 둘 다이다.
본 발명은 연료전지를 제공한다. 연료전지는 이온전도요소를 포함한다. 연료전지는 또한 하나 이상의 연료전지 연결요소를 포함한다. 연료전지 연결요소는 비전도성 계면영역을 포함한다. 비전도성 계면영역은 제1표면 및 제2표면을 갖는다. 또한, 비전도성 계면영역의 제1표면은 이온전도요소와 접촉상태에 있다. 또한, 연료전지 연결요소는 전자전도요소를 포함한다. 전자전도요소는 2개 표면과 전자전도요소의 상기 2개 표면에 평행한 길이를 갖는다. 전자전도요소의 상기 표면들 중의 하나는 계면영역의 제2표면에 인접하게 배치된다. 전자전도요소는 전도성 섬유를 포함한다. 전도성 섬유들은 전자전도요소의 상기 2개 표면에 대략 평행하게 배향된다. 전도성 섬유들은 전극피막들 중의 하나에 약 90°의 각도로 배향된다. 전자전도요소는 한 전극피막과 외부회로 간, 또는 한 전극피막과 다른 연료전지의 전극피막 간에 전기도전 통로를 제공한다. 상기 통로는 전자전도요소의 길이에 연하여 연장된다. 상기 연료전지는 여기 기술한 모든 연료전지 연결요소를 포함할 수 있다.
본 발명은 연료전지층을 제공한다. 연료전지층은 복합체층을 포함한다. 복합체층은 복수의 연료전지 연결요소를 포함한다. 복합체층은 복수의 이온전도요소를 포함한다. 이온전도요소는 연료전지 연결요소들 간에 배치된다. 복합체층은 또한 제1 복수의 전극피막을 포함한다. 제1 복수의 전극피막은 제1표면상에 배치되어 애노드를 형성한다. 복합체층은 또한 제2 복수의 전극피막을 형성한다. 제2 복수의 전극피막은 제2표면상에 배치되어 캐소드를 형성한다. 제1 및 제2 복수의 전극피막 각각은 이온전도요소들 중의 하나와 이온컨택하고 연료전지 연결요소들 중의 하나와 전기적 컨택한다. 연료전지 연결요소들 중의 적어도 하나는 계면영역을 포함한다. 계면영역은 제1표면과 제2표면을 갖는다. 제1표면은 이온전도요소들 중의 하나와 컨택한다. 적어도 하나의 연료전지 연결요소는 또한 적어도 하나의 전자전도요소를 포함한다. 적어도 하나의 전자전도요소는 2개 표면과 상기 2개 표면에 평행인 길이를 갖는다. 적어도 하나의 전자전도요소의 표면들 중의 하나는 계면영역의 상기 제2표면에 인접하게 배치된다. 적어도 하나의 전자전도요소는 전도성 섬유를 포함한다. 전도성 섬유는 적어도 하나의 전자전도요소의 상기 2개 표면에 대략 평행하게 배향된다. 전도성 섬유는 제1 및 제2 복수의 전극피막 중의 적어도 하나에 약 90°미만의 각도로 배향된다. 적어도 하나의 연료전지 연결요소는 제1 및 제2 복수의 전극피막 중의 적어도 하나와 외부회로 간에, 또는 제1 및 제2 복수의 전극피막 중의 하나와 나머지 다른 하나의 제1 또는 제2 복수의 전극피막 간에 전기도전 통로를 제공한다. 상기 통로는 적어도 하나의 전자전도요소의 길이에 연하여 연장된다. 연료전지층은 여기 기술하는 모든 연료전지 연결요소나 연료전지를 포함할 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 본 발명의 구현예들에 의해 제조된 연료전지 연결요소들의 상부 단면 또는 측부 단면을 살펴보면(예를 들어, 현미경으로), 전도성 섬유들의 기타 배열을 갖는 연료전지 연결요소들의 상부 단면 또는 측부 단면과 비교하여 전도성 섬유 배향에 유리한 차이를 알 수 있다. 제1조 및 제2조의 전도성 섬유를 포함하는 연료전지 연결요소의 상부 단면을 보면(이때, 제1조의 전도성 섬유는 전극 또는 전극피막과 대략 90°의 각도로 정렬되고 제2조의 전도성 섬유는 연료전지 연결요소의 길이에 대략 평행하게 배향된다), 제1조 및 제2조의 전도성 섬유는 서로 대략 90°의 각도를 형성하고, 섬유 다발의 한 조는 노출된 종단을 갖는 것을 알 수 있고, 섬유 다발의 다른 한 조는 평면상에 놓여있음을 알 수 있다. 이러한 연료전지 연결요소의 측부 단면에서는 제2조의 전도성 섬유들은 상부표면으로부터 저부표면으로의 도전통로를 형성하지 않는데 반해(연료전지 연결요소의 길이에 평행하게 된 섬유들의 종단들로서 보임), 제1조 및 제2조의 전도성 섬유 중의 한 조는 상부표면으로부터 저부표면으로의 최단의 가능한 도전통로를 가짐(섬유들의 수직단면들로서 보임)을 알 수 있다; 따라서, 전류가 평면을 통해 이동하기 위하여 섬유에서 섬유로의 호핑이 발생할 것이고, 전류가 제2조의 전도성 섬유들 내에서 상부표면으로부터 저부표면으로 이동하기 위하여 섬유에서 섬유로의 호핑이 제2조의 전도성 섬유들 간에 발생할 것이다. 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 연료전지 연결요소의 상부 단면과 측부 단면을 대비하면, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유(제1조 및 제2조의 전도성 섬유가 연료전지의 전극이나 전극피막에 대해 대략 45°로 배향되도록 되고, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유는 서로 대략 90°를 형성한다)를 포함하는 연료전지 연결요소의 상부 단면에서는 제1조 및 제2조의 전도성 섬유 둘 다 전극과 대략 45°의 각도를 이루며 컨택할 수 있기 때문에, 전극이나 전극피막에 대해 대략 90°로 정렬되도록 된 제1조의 전도성 섬유와, 연료전지 연결요소의 길이에 대략 평행하게 배향되는 제2조의 전도성 섬유를 갖는 연료전지 연결요소와 비교하여 대략 2배수의 섬유가 상부표면에 접촉하고, 제1조 및 제2조의 전도성 섬유는 서로 대략 90°의 각도를 형성함을 알 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 연료전지 연결요소의 측부 단면에서는 전극과 대략 90°의 각도를 형성하는 섬유는 없으며(이는 상부로부터 저부로의 섬유 수직단면들로서 보임), 오히려 모든 섬유가 전극과 대략 45°의 각도를 형성함(섬유 종단들로서 보임)을 알 수 있다.
실시예
본 발명은 아래 설명으로서 제공되는 실시예들을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 본 발명은 아래 실시예들로 한정되지 아니한다.
실시예 1. 전도성 섬유의 다양한 배향에 따른 연료전지 연결요소의 전압강하 시험
여러 연료전지 연결요소들을 다양한 배향의 전도성 섬유들로 준비하였다. 연료전지 연결요소 각각은 에폭시 수지로 함께 묶인 유리섬유들의 2개 층 사이에 전도성 섬유들의 그리드를 포함하였다. 연료전지 연결요소들은 "표준" 배열의 카본수지 8개 다발을 갖는 2개 연료전지 연결요소들("8×표준 CC", 4개는 전극 또는 전극피막에 약 90°로 되고, 4개는 연료전지 연결요소의 길이에 대략 평행하게 됨)과, 45°배열의 카본수지 8개 다발을 갖는 2개 연료전지 연결요소들("8×45°CC", 8개 모두 전극 또는 전극피막에 약 45°로 되고, 4개는 다른 4개와 약 90°를 이룸)과, "표준" 배열의 카본수지 12개 다발을 갖는 1개 연료전지 연결요소("12×표준 CC", 6개는 전극 또는 전극피막에 약 90°로 되고, 6개는 연료전지 연결요소의 길이에 대략 평행하게 됨)와, 45°배열의 카본수지 12개 다발을 갖는 1개 연료전지 연결요소("12×45°CC", 12개 모두 전극 또는 전극피막에 약 45°로 되고, 6개는 다른 6개와 약 90°를 이룸)를 포함하였다. 연료전지 연결요소의 저항은 약 10psi의 압력을 사용하여 두 전극 간에 연료전지 연결요소를 압축하고 상기 연료전지 연결요소에 알려진 전류를 흘려 DC 저항분석기를 사용하여 전압을 측정함으로써 측정하였다. 전압강하가 클수록 저항이 높음을 가리킨다. 다음 각 연료전지 연결요소의 전압강하를 마찬가지로 측정하였으나, 상부에는 GrafoilTM 패드(5㎜, 그래파이트 플레이크로 제조)를 사용하였다. 일반적으로 GrafoilTM 패드는 연료전지 연결요소와 패드 간의 계면면적과는 관계없이 연료전지 연결요소와의 더 작은 컨택저항을 갖기 때문에, GrafoilTM 패드를 사용하여 연료전지 연결요소에 걸친 전압강하를 측정함으로써 연료전지 연결요소와 전극 간 컨택저항에 의해 야기된 저항을 연료전지 연결요소의 벌크저항과 비교하는데 도움이 된다. 아래 표 1에 나타내듯이, 45°배열은 "표준" 배열에 비해 약 20% 내지 약 26% 향상되었다. 더구나, 90°배열과 45°배열 간의 측정된 저항 차이에서 GrafoilTM 패드를 사용하지 않고 측정시 더 큰 차이를 보이는데 비해, GrafoilTM 패드를 사용하여 측정시에는 더 작은 차이를 보이며, 이는 이들 구현예에 있어서 45°배열은 90°배열보다 더 낮은 컨택저항(예로서, 증가된 계면면적)을 가지며, 45°배열은 90°배열보다 더 낮은 벌크저항을 가지나, 45°배열과 90°배열의 컨택저항 간의 차이는 45°배열과 90°배열의 벌크저항 간의 차이보다 더 크다는 것을 입증한다.
시료 0.5A에서 전압강하(mV) 상부에 GrafoilTM 패드를 사용한 0.5A에서 전압강하(mV)
8×표준 CC 22 7.2
8×표준 CC 21.5 7.3
8×45°CC 9.4 5.2
8×45°CC 13.8 5.5
12×표준 CC 34 3.3
12×45°CC 17 1.3
전술한 바는 한정을 위한 것이 아니라 설명을 위한 것이다. 예를 들어 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 전술한 바를 검토하여 다른 구현예들을 사용할 수 있다. 또한, 발명의 상세한 설명에 있어서 다양한 특징들이 효율적인 개시를 위해 그룹 지워질 수 있다. 이는 청구되지 아니한 개시된 특징이 어떤 특허청구항에 중요하다는 것을 의도한다는 식으로 해석되어서는 절대로 안 된다. 오히려, 발명의 대상은 특정 개시된 구현예의 모든 특성보다 더 적은 특성에 있을 수 있다. 따라서, 특허청구항들은 여기서 발명의 상세한 설명에 통합되며 각 특허청구항은 별개의 구현예로서 독립한다. 본 발명의 범위는 특허청구항들에 주어진 균등의 전반적 범위와 함께 특허청구범위를 참조하여 결정되어야만 한다.
요약서는 독자로 하여금 기술적 개시의 특징을 빠르게 이해할 수 있도록 제공된다. 이는 본 특허청구범위의 범위나 의미를 해석하거나 제한하는데 사용되어서는 안 된다는 견지에서 제출된 것이다.
부가의 구현예
본 발명은 하기의 예시적 구현예들을 제공하며, 각 번호들은 중요도 수준을 가리키는 것은 아니다.
구현예 1은 비전도성 계면영역과 전자전도요소 및 바인더를 포함하는 연료전지 연결요소로서, 상기 비전도성 계면영역은 제1표면 및 제2표면을 갖고, 상기 전자전도요소는 2개의 표면을 갖고 상기 전자전도요소의 상기 2개의 표면에 평행한 길이를 더 가지며, 상기 전자전도요소의 상기 2개의 표면 중의 하나는 상기 계면영역의 상기 제2표면에 인접하게 배치되고, 상기 전자전도요소는 상기 전자전도요소의 상기 2개의 표면에 대략 평행하게 배향되고 연료전지에서의 적어도 하나의 전극에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유를 포함하고, 상기 바인더는 상기 계면영역과 상기 전자전도요소를 함께 지지하며, 상기 연료전지 연결요소는 연료전지의 적어도 하나의 전극과 외부회로 간에, 또는 연료전지의 적어도 하나의 전극과 다른 연료전지의 적어도 하나의 전극 간에 전기전도성 통로를 제공하도록 연료전지에서 사용되도록 되되, 상기 통로는 상기 전자전도요소의 상기 길이를 따라 연장되는 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 2는 상기 전도성 섬유가 상기 연료전지의 적어도 하나의 전극에 대해 대략 22°내지 68°의 각도로 배향되도록 된 구현예 1의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 3은 상기 전도성 섬유가 상기 연료전지의 적어도 하나의 전극에 대해 약 45°의 각도로 배향되도록 된 구현예 1 또는 2의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 4는 상기 전도성 섬유는 적어도 하나의 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유를 포함하고, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유 모두는 상기 연료전지의 적어도 하나의 전극에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되도록 되며, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유는 상기 제1조의 전도성 섬유가 상기 제2조의 전도성 섬유와 대략 45°내지 135°의 각도를 형성하도록 배향되는 구현예 1 내지 3 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 5는 상기 전도성 섬유는 적어도 하나의 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유를 포함하고, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유 모두는 상기 연료전지의 적어도 하나의 전극에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되도록 되며, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유는 상기 제1조의 전도성 섬유가 상기 제2조의 전도성 섬유와 대략 90°의 각도를 형성하도록 배향되는 구현예 1 내지 4 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 6은 상기 바인더는 에폭시 또는 수지로 선택된 접착제를 포함하는
구현예 7은 상기 계면영역은 유리섬유를 포함하는 구현예 1 내지 6 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 8은 상기 연료전지 연결요소는 집전체를 포함하고, 상기 집전체는 상기 연료전지의 적어도 하나의 전극과 다른 연료전지의 적어도 하나의 전극 간에 전기전도성 통로를 제공하도록 상기 연료전지에 사용되는 구현예 1 내지 7 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 9는 상기 전자전도요소는 제1전기전도성물질을 포함하고, 상기 제1전기전도성물질은 상기 전도성 섬유를 포함하는 구현예 1 내지 8 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 10은 상기 전도성 섬유는 카본섬유를 포함하는 구현예 1 내지 9 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 11은 상기 연료전지 연결요소는 상호연결구를 포함하고, 상기 상호연결구는 상기 연료전지의 적어도 하나의 전극과 외부회로 간에 전기전도성 통로를 제공하도록 상기 연료전지에 사용되는 구현예 1 내지 10 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 12는 상기 전자전도요소는 2개의 전자전도영역을 포함하고, 상기 각 전자전도영역은 상기 전자전도요소의 길이에 평행한 2개 표면 간에 이루어지는 구현예 1 내지 11 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 13은 상기 전자전도요소는 제1전기전도성물질을 포함하는 제1전자전도영역과, 제2전기전도성물질을 포함하는 제2전자전도영역을 포함하고, 상기 제1전기전도성물질은 내부식성이고 상기 제2전기전도성물질의 전도도는 상기 제1전기전도성물질의 전도도보다 더 큰 구현예 1 내지 12 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 14는 상기 제2전기전도성물질은 금속이나 금속합금 또는 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 구현예 13의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 15는 상기 제2전기전도성물질은 상기 전자전도요소의 2개 표면에 대략 평행하게 배향되고 상기 연료전지의 전극 피막들 중의 하나에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유를 포함하는 구현예 13 또는 14의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 16은 상기 제2전기전도성물질의 전도성 섬유는 구리금속섬유를 포함하는 구현예 15의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 17은 상기 제1전기전도성물질은 상기 전자전도요소의 2개 표면에 대략 평행하게 배향되고 상기 연료전지의 전극 피막들 중의 하나에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유를 포함하는 구현예 13 내지 16 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 18은 상기 제1전기전도성물질의 전도성 섬유는 카본섬유를 포함하는 구현예 17의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 19는 상기 전자전도요소는 2개의 제1전자전도영역을 포함하는 구현예 13 내지 18 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 20은 상기 전자전도요소와 계면영역은 함께 결합하여 복합체를 형성하는 구현예 13 내지 19 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 21은 상기 제1전기전도성물질을 포함하는 제3전자전도영역을 더 포함하는 구현예 13 내지 20 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 22는 상기 제1전자전도영역은 상기 제2전자전도영역의 제1측 상에 배치되고 상기 제3전자전도영역은 상기 제2전자전도영역의 제2측 상에 배치되며 상기 제2전자전도영역의 제1측 및 제2측은 서로 대향하는 구현예 21의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 23은 상기 계면영역은 상기 연료전지의 이온전도요소와 컨택하도록 된 구현예 1 내지 22 중 어느 하나의 연료전지 연결요소를 제공한다.
구현예 24는 이온전도요소와 2개 이상의 전극피막들과 하나 이상의 연료전지 연결요소를 포함하고, 상기 연료전지 연결요소는 비전도성 계면영역과 전자전도요소를 포함하되, 상기 비전도성 계면영역은 제1표면 및 제2표면을 갖고 상기 비전도성 계면영역의 제1표면은 상기 이온전도요소와 컨택하고, 상기 전자전도요소는 2개의 표면들을 갖고 상기 전자전도요소의 상기 2개의 표면들에 평행한 길이를 더 가지며 상기 전자전도요소의 상기 표면들 중의 하나는 상기 계면영역의 제2표면에 인접하게 배치되며, 상기 전자전도요소는 상기 전자전도요소의 상기 2개의 표면들에 대략 평행하게 배향되고 상기 전극피막들 중의 하나에 대해 약 90°미만의 각도로 배향된 전도성 섬유를 포함하고, 상기 전자전도요소는 하나의 상기 전극피막과 외부회로 간에, 또는 하나의 상기 전극피막과 다른 연료전지의 전극피막 간에 전기전도성 통로를 제공하되, 상기 통로는 상기 전자전도요소의 상기 길이를 따라 연장되는 연료전지를 제공한다.
구현예 25는 상기 전도성 섬유는 상기 전극피막들 중의 하나에 대해 대략 22°내지 68°의 각도로 배향되도록 된 구현예 24의 연료전지를 제공한다.
구현예 26은 상기 전도성 섬유는 적어도 하나의 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유를 포함하고, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유 모두는 상기 연료전지의 적어도 하나의 전극에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되며, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유는 상기 제1조의 전도성 섬유가 상기 제2조의 전도성 섬유와 대략 45°내지 135°의 각도를 형성하도록 배향된 구현예 24 또는 25의 연료전지를 제공한다.
구현예 27은 상기 연료전지 연결요소는 집전체를 포함하여, 상기 연료전지 연결요소는 하나의 상기 전극피막과 다른 연료전지의 전극피막 간에 전기전도성 통로를 제공하는 구현예 24 내지 26 중 어느 하나의 연료전지를 제공한다.
구현예 28은 상기 전자전도요소는 제1전기전도성물질을 포함하고, 상기 제1전기전도성물질은 상기 전도성 섬유를 포함하는 구현예 24 내지 27 중 어느 하나의 연료전지를 제공한다.
구현예 29는 상기 연료전지 연결요소는 상호연결구를 포함하여, 상기 연료전지 연결요소는 하나의 상기 전극피막과 외부회로 간에 전기전도성 통로를 제공하는 구현예 24 내지 28 중 어느 하나의 연료전지를 제공한다.
구현예 30은 상기 전자전도요소는 2개의 전자전도영역을 포함하고, 상기 각 전자전도영역은 상기 전자전도요소의 길이에 평행한 2개 표면 간에 이루어지는 구현예 24 내지 29 중 어느 하나의 연료전지를 제공한다.
구현예 31은 상기 전자전도요소는 제1전자전도영역 및 제2전자전도영역을 포함하되, 상기 제1전자전도영역은 상기 전자전도요소의 2개의 표면들에 대략 평행하게 배향되고 상기 전극피막들 중의 하나에 대해 약 90°미만의 각도로 배향된 제1전기전도성물질을 포함하고, 상기 제2전자전도영역은 상기 전자전도요소의 2개의 표면들에 대략 평행하게 배향되고 상기 전극피막들 중의 하나에 대해 약 90°미만의 각도로 배향된 제2전기전도성물질을 포함하며, 상기 제1전기전도성물질은 내부식성이고 상기 제2전기전도성물질의 전도도는 상기 제1전기전도성물질의 전도도보다 더 큰 구현예 24 내지 30 중 어느 하나의 연료전지를 제공한다.
구현예 32는 상기 제2전기전도성물질은 금속, 금속합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 구현예 31의 연료전지를 제공한다.
구현예 33은 상기 제2전기전도성물질의 전도성 섬유는 구리금속섬유를 포함하는 구현예 31 또는 32의 연료전지를 제공한다.
구현예 34는 상기 제1전기전도성물질의 전도성 섬유는 카본섬유를 포함하는 구현예 31 내지 33 중 어느 하나의 연료전지를 제공한다.
구현예 35는 제1표면과 제2표면을 갖되, 복수의 연료전지 연결요소들과, 상기 연료전지 연결요소들 간에 배치된 복수의 이온전도요소들을 포함하는 복합체층과; 상기 제1표면상에 배치되어 애노드를 형성하는 제1 복수의 전극피막과; 상기 제2표면상에 배치되어 캐소드를 형성하는 제2 복수의 전극피막을 포함하고, 상기 제1 복수의 전극피막 및 제2 복수의 전극피막 각각은 상기 이온전도요소들 중의 하나와 이온컨택하고 상기 연료전지 연결요소들 중의 하나와 전기적 컨택하며, 상기 연료전지 연결요소들 중의 적어도 하나는 계면영역과 적어도 하나의 전자전도요소를 포함하되, 상기 계면영역은 제1표면과 제2표면을 갖고 상기 제1표면은 상기 이온전도요소들 중의 하나와 컨택하고, 상기 적어도 하나의 전자전도요소는 2개의 표면을 갖고 상기 전자전도요소의 상기 2개의 표면에 평행한 길이를 더 가지며 상기 적어도 하나의 전자전도요소의 상기 2개의 표면 중의 하나는 상기 계면영역의 제2표면에 인접하게 배치되고, 상기 적어도 하나의 전자전도요소는 상기 적어도 하나의 전자전도요소의 상기 2개의 표면에 대략 평행하게 배향되고 상기 제1 복수의 전극피막 또는 제2 복수의 전극피막의 적어도 하나에 대해 약 90°미만의 각도로 배향된 전도성 섬유를 포함하고, 상기 연료전지 연결요소들 중의 적어도 하나는 상기 제1 복수의 전극피막 또는 제2 복수의 전극피막의 적어도 하나와 외부회로 간에, 또는 상기 제1 복수의 전극피막 또는 제2 복수의 전극피막의 적어도 하나와 상기 제1 복수의 전극피막 또는 제2 복수의 전극피막의 다른 하나 간에 전기전도성 통로를 제공하되, 상기 통로는 상기 적어도 하나의 전자전도요소의 상기 길이를 따라 연장되는 연료전지층을 제공한다.
구현예 36은 상기 전도성 섬유는 적어도 하나의 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유를 포함하고, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유 모두는 상기 연료전지의 적어도 하나의 전극에 대해 약 90°미만의 각도로 배향되며, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유는 상기 제1조의 전도성 섬유가 상기 제2조의 전도성 섬유와 대략 45°내지 135°의 각도를 형성하도록 배향된 구현예 35의 연료전지층을 제공한다.
구현예 37은 상기 전도성 섬유는 카본섬유를 포함하는 구현예 35 또는 36의 연료전지층을 제공한다.
구현예 38은 상기 적어도 하나의 전자전도요소는 적어도 2개의 전자전도성물질을 포함하고, 이러한 적어도 2개의 전자전도성물질은 제1전자전도성물질과 제2전자전도성물질을 포함하는 구현예 35 내지 37 중 어느 하나의 연료전지층을 제공한다.
구현예 39는 상기 제1전자전도성물질은 실질적으로 내부식성이고, 상기 제2전자전도성물질은 상기 제1전자전도성물질보다 더 큰 전기전도도를 갖는 구현예 35의 연료전지층을 제공한다.
구현예 40은 상기 제1전자전도성물질은 카본섬유를 포함하고, 상기 제2전자전도성물질은 구리섬유를 포함하는 구현예 38 또는 39의 연료전지층을 제공한다.
구현예 41은 상기 제1전자전도성물질은 상기 제1 복수의 전극피막 또는 제2 복수의 전극피막의 하나와 전기적 컨택하는 구현예 39 또는 40의 연료전지층을 제공한다.
구현예 42는 상기 제2전자전도성물질은 상기 제1전자전도성물질 및 외부회로 모두와 전기적 컨택하여 상기 전극피막과 외부회로 간에 전기전도성 통로를 제공하는 구현예 41의 연료전지층을 제공한다.
구현예 43은 인용된 모든 구성요소 또는 선택이 사용되거나 선택되는데 유용하도록 임의로 구성된 구현예 1 내지 42 중 어느 하나 또는 이들의 모든 조합의 장치 또는 방법을 제공한다.

Claims (42)

  1. 비전도성 계면영역과 전자전도요소 및 바인더를 포함하는 연료전지 연결요소로서,
    상기 비전도성 계면영역은 제1표면 및 제2표면을 갖고, 상기 계면영역의 상기 제1표면 및 제2표면은 x-z 평면에 평행하며 상기 x-z 평면은 상기 x-z 평면에 수직하는 x-y 평면을 갖고,
    상기 전자전도요소는 상기 x-z 평면에 평행한 2개의 표면과 상기 x-z 평면에 평행한 길이를 가지며, 상기 전자전도요소의 상기 2개의 표면 중의 하나는 상기 계면영역의 상기 제2표면에 인접하게 배치되고, 상기 전자전도요소는 상기 x-z 평면에 평행하게 배향되고 연료전지에서의 하나 이상의 전극의 제1표면 또는 제2표면에 대해 0°보다 크고 90°미만의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유를 포함하고, 상기 전극의 상기 제1표면 및 제2표면은 상기 x-z 평면에 평행하되, 상기 전극의 상기 제1표면 및 제2표면은 상기 전극의 가장 큰 두 표면이며,
    상기 바인더는 상기 계면영역과 상기 전자전도요소를 함께 지지하며,
    상기 연료전지 연결요소는 연료전지의 하나 이상의 전극과 외부회로 간에, 또는 연료전지의 하나 이상의 전극과 다른 연료전지의 하나 이상의 전극 간에 전기전도성 통로를 제공하도록 연료전지에서 사용되도록 되되, 상기 통로는 상기 전자전도요소의 상기 길이를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 상기 하나 이상의 전극의 상기 제1표면 또는 제2표면에 대해 22°내지 68°의 각도로 배향되도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 상기 하나 이상의 전극의 상기 제1표면 또는 제2표면에 대해 45°의 각도로 배향되도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 적어도 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유를 포함하고, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유 모두는 상기 연료전지에서 하나 이상의 전극의 상기 제1표면 또는 제2표면에 대해 90°미만의 각도로 배향되도록 되며, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유는 상기 제1조의 전도성 섬유가 상기 제2조의 전도성 섬유와 45°내지 135°의 각도를 형성하도록 배향된 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 적어도 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유를 포함하고, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유 모두는 상기 연료전지에서 하나 이상의 전극의 상기 제1표면 또는 제2표면에 대해 90°미만의 각도로 배향되도록 되며, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유는 상기 제1조의 전도성 섬유가 상기 제2조의 전도성 섬유와 90°의 각도를 형성하도록 배향된 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 접착제를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 계면영역은 유리섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 연결요소는 집전체를 포함하고, 상기 집전체는 상기 연료전지의 하나 이상의 전극과 다른 연료전지의 하나 이상의 전극 간에 전기전도성 통로를 제공하도록 상기 연료전지에 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전자전도요소는 제1전기전도성물질을 포함하고, 상기 제1전기전도성물질은 상기 전도성 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 카본섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 연결요소는 상호연결구를 포함하고, 상기 상호연결구는 상기 연료전지의 하나 이상의 전극과 외부회로 간에 전기전도성 통로를 제공하도록 상기 연료전지에 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전자전도요소는 2개의 전자전도영역을 포함하고, 상기 전자전도영역 각각은 상기 전자전도요소의 길이에 평행한 2개 표면 간에 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전자전도요소는 제1전기전도성물질을 포함하는 제1전자전도영역과, 제2전기전도성물질을 포함하는 제2전자전도영역을 포함하고, 상기 제1전기전도성물질은 내부식성이고 상기 제2전기전도성물질의 전도도는 상기 제1전기전도성물질의 전도도보다 더 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2전기전도성물질은 금속이나 금속합금 또는 이의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제2전기전도성물질은 상기 x-z 평면에 평행하게 배향되고 상기 하나 이상의 전극의 상기 제1표면 또는 제2표면에 대해 90°미만의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2전기전도성물질의 전도성 섬유는 구리금속섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제1전기전도성물질은 상기 x-z 평면에 평행하게 배향되고 상기 하나 이상의 전극의 상기 제1표면 또는 제2표면에 대해 90°미만의 각도로 배향되도록 된 전도성 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1전기전도성물질의 전도성 섬유는 카본섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 전자전도요소는 2개의 제1전자전도영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 전자전도요소와 계면영역은 함께 결합하여 복합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 제1전기전도성물질을 포함하는 제3전자전도영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1전자전도영역은 상기 제2전자전도영역의 제1측 상에 배치되고 상기 제3전자전도영역은 상기 제2전자전도영역의 제2측 상에 배치되며 상기 제2전자전도영역의 제1측 및 제2측은 서로 대향하는 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 계면영역은 상기 연료전지의 이온전도요소와 컨택하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 연결요소.
  24. 이온전도요소와;
    2개 이상의 전극피막들과;
    하나 이상의 연료전지 연결요소를 포함하고,
    상기 전극피막 각각은 독립적으로 제1표면 및 제2표면을 포함하되, 상기 전극피막의 상기 제1표면 및 제2표면은 x-y 평면에 평행하고 상기 x-y 평면은 상기 x-y 평면에 수직인 x-z 평면을 갖고, 상기 제1표면 및 제2표면은 각 상기 전극피막의 가장 큰 두 표면이며,
    상기 연료전지 연결요소는 비전도성 계면영역과 전자전도요소를 포함하되,
    상기 비전도성 계면영역은 제1표면 및 제2표면을 갖고, 상기 계면영역의 상기 제1표면 및 제2표면은 상기 x-z 평면에 평행하되, 상기 비전도성 계면영역의 상기 제1표면은 상기 이온전도요소와 컨택하고,
    상기 전자전도요소는 상기 x-z 평면에 평행한 2개의 표면들과 상기 x-z 평면에 평행한 길이를 더 갖되, 상기 전자전도요소의 상기 표면들 중의 하나는 상기 계면영역의 상기 제2표면에 인접하게 배치되며,
    상기 전자전도요소는 상기 x-z 평면에 평행하게 배향되고 상기 전극피막들 중의 하나의 상기 제1표면 또는 제2표면에 대해 0°보다 크고 90°미만의 각도로 배향된 전도성 섬유를 포함하고,
    상기 전자전도요소는 하나의 상기 전극피막과 외부회로 간에, 또는 하나의 상기 전극피막과 다른 연료전지의 전극피막 간에 전기전도성 통로를 제공하되, 상기 통로는 상기 전자전도요소의 상기 길이를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 상기 전극피막들 중의 하나의 상기 제1표면 또는 제2표면에 대해 22°내지 68°의 각도로 배향된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 적어도 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유를 포함하고, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유 모두는 상기 연료전지에서 하나 이상의 전극에 대해 90°미만의 각도로 배향되며, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유는 상기 제1조의 전도성 섬유가 상기 제2조의 전도성 섬유와 45°내지 135°의 각도를 형성하도록 배향된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 연료전지 연결요소는 집전체를 포함하고, 상기 연료전지 연결요소는 하나의 상기 전극피막과 다른 연료전지의 전극피막 간에 전기전도성 통로를 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  28. 제24항에 있어서,
    상기 전자전도요소는 제1전기전도성물질을 포함하고, 상기 제1전기전도성물질은 상기 전도성 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  29. 제24항에 있어서,
    상기 연료전지 연결요소는 상호연결구를 포함하고, 상기 연료전지 연결요소는 하나의 상기 전극피막과 외부회로 간에 전기전도성 통로를 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  30. 제24항에 있어서,
    상기 전자전도요소는 2개의 전자전도영역을 포함하고, 상기 전자전도영역 각각은 상기 전자전도요소의 길이에 평행한 2개 표면 간에 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지.
  31. 제24항에 있어서,
    상기 전자전도요소는 제1전자전도영역 및 제2전자전도영역을 포함하되,
    상기 제1전자전도영역은 상기 전자전도요소의 2개의 표면들에 평행하게 배향되고 상기 전극피막들 중의 하나의 상기 제1표면 또는 제2표면에 대해 90°미만의 각도로 배향된 전도성 섬유를 포함하는 제1전기전도성물질을 포함하고,
    상기 제2전자전도영역은 상기 전자전도요소의 2개의 표면들에 평행하게 배향되고 상기 전극피막들 중의 하나에 대해 90°미만의 각도로 배향된 전도성 섬유를 포함하는 제2전기전도성물질을 포함하며,
    상기 제1전기전도성물질은 내부식성이고 상기 제2전기전도성물질의 전도도는 상기 제1전기전도성물질의 전도도보다 더 큰 것을 특징으로 하는 연료전지.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 제2전기전도성물질은 금속, 금속합금 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 제2전기전도성물질의 전도성 섬유는 구리금속섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  34. 제31항에 있어서,
    상기 제1전기전도성물질의 전도성 섬유는 카본섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  35. 제1표면과 제2표면을 갖되, 복수의 연료전지 연결요소들과, 상기 연료전지 연결요소들 간에 배치된 복수의 이온전도요소들을 포함하는 복합체층과;
    상기 제1표면상에 배치되어 애노드를 형성하는 제1 복수의 전극피막과;
    상기 제2표면상에 배치되어 캐소드를 형성하는 제2 복수의 전극피막을 포함하고,
    상기 제1 복수의 전극피막 및 제2 복수의 전극피막 각각은 상기 이온전도요소들 중의 하나와 이온컨택하고 상기 연료전지 연결요소들 중의 하나와 전기적 컨택하며,
    상기 제1 복수의 전극피막 및 제2 복수의 전극피막 각각은 독립적으로 제1표면 및 제2표면을 포함하되, 상기 전극피막의 상기 제1표면 및 제2표면 각각은 x-y 평면에 평행하고, 상기 x-y 평면은 상기 x-y 평면에 수직인 x-z 평면을 갖고, 상기 전극피막의 상기 제1표면 및 제2표면은 각 상기 전극피막의 가장 큰 두 표면이며,
    상기 연료전지 연결요소들 중의 하나 이상은 계면영역과 하나 이상의 전자전도요소를 포함하되,
    상기 계면영역은 제1표면과 제2표면을 갖고, 상기 제1표면과 제2표면은 상기 x-z 평면에 평행하고, 상기 제1표면은 상기 이온전도요소들 중의 하나와 컨택하고,
    상기 하나 이상의 전자전도요소는 상기 x-z 평면에 평행한 2개의 표면들과 상기 x-z 평면에 평행한 길이를 갖고, 상기 하나 이상의 전자전도요소의 상기 표면들 중의 하나는 상기 계면영역의 제2표면에 인접하게 배치되고,
    상기 하나 이상의 전자전도요소는 상기 x-z 평면에 평행하게 배향되고 상기 제1 복수의 전극피막 및 제2 복수의 전극피막 중의 하나 이상의 상기 제1표면 또는 제2표면에 대해 0°보다 크고 90°미만의 각도로 배향된 전도성 섬유를 포함하고,
    상기 연료전지 연결요소들 중의 하나 이상은 상기 제1 복수의 전극피막 및 제2 복수의 전극피막 중의 하나 이상과 외부회로 간에, 또는 상기 제1 복수의 전극피막 및 제2 복수의 전극피막 중의 하나 이상과 상기 제1 복수의 전극피막 또는 제2 복수의 전극피막의 다른 하나 간에 전기전도성 통로를 제공하되, 상기 통로는 상기 하나 이상의 전자전도요소의 상기 길이를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 적어도 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유를 포함하고, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유 모두는 상기 연료전지에서 하나 이상의 전극에 대해 90°미만의 각도로 배향되며, 상기 제1조의 전도성 섬유 및 제2조의 전도성 섬유는 상기 제1조의 전도성 섬유가 상기 제2조의 전도성 섬유와 45°내지 135°의 각도를 형성하도록 배향된 것을 특징으로 하는 연료전지층.
  37. 제35항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 카본섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
  38. 제35항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전자전도요소는 제1전자전도성물질과 제2전자전도성물질을 포함하여 적어도 2개의 전자전도성물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 제1전자전도성물질은 내부식성이고, 상기 제2전자전도성물질은 상기 제1전자전도성물질보다 더 큰 전기전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
  40. 제38항에 있어서,
    상기 제1전자전도성물질은 카본섬유를 포함하고, 상기 제2전자전도성물질은 구리섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
  41. 제38항에 있어서,
    상기 제1전자전도성물질은 상기 제1 복수의 전극피막 및 제2 복수의 전극피막 중의 하나와 전기적 컨택하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
  42. 제38항에 있어서,
    상기 제2전자전도성물질은 상기 제1전자전도성물질 및 외부회로 모두와 전기적 컨택하여 상기 전극피막과 외부회로 간에 전기전도성 통로를 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
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