KR102559896B1 - 전기적 접촉과 기계적 접촉을 개선하기 위한 연료 전지 비활성 단부 전지 설계 - Google Patents

Abstract

연료 전지 스택을 위한 단부 전지 조립체는, 단부 판 및 단부 판에 인접하게 배치된 적어도 두 개의 비활성 애노드 부분을 포함한다. 각각의 비활성 애노드 부분은, 애노드 집전체 위에 직접 배치된 니켈 폼 애노드 및 니켈 폼 애노드 위에 배치된 세퍼레이터 시트를 포함한다.

Description

전기적 접촉과 기계적 접촉을 개선하기 위한 연료 전지 비활성 단부 전지 설계{FUEL CELL INACTIVE END CELL DESIGN TO IMPROVE ELECTRIC AND MECHANICAL CONTACT}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은, 2018년 1월 23일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/620,835호의 이점을 주장하며, 이 우선권의 전문은 본 명세서에 참조에 의해 원용된다.

본 출원은, 일반적으로 고온 연료 전지의 분야에 관한 것이다. 구체적으로, 본 출원은 고온 연료 전지 스택의 양성 및 음성 단부를 위한 비활성 단부 전지 조립체(end cell assembly)에 관한 것이다.

고온 연료 전지는, 용융 탄산염 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell: "MCFC"), 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell: "SOFC"), 또는 고온에서 동작하는 다른 유형의 연료 전지를 포함할 수 있다.

일 실시형태는, 단부 판, 및 단부 판에 인접하게 배치된 적어도 두 개의 비활성 애노드 부분(inactive anode part)을 포함하는, 연료 전지 스택을 위한 단부 전지 조립체에 관한 것이다. 각각의 비활성 애노드 부분은, 애노드 집전체 위에 직접 배치된 니켈 폼 애노드(nickel foam anode) 및 니켈 폼 애노드 위에 배치된 세퍼레이터 시트(separator sheet)를 포함한다.

단부 전지 조립체의 일 양태에서, 각각의 비활성 애노드 부분은 애노드 집전체 상에 배치된 니켈 코팅을 더 포함한다.

단부 전지 조립체의 다른 일 양태에서, 각각의 비활성 애노드 부분은 양극성 판(bipolar plate)을 더 포함하고, 애노드 집전체는 니켈 코팅을 통해 양극성 판과 접촉한다.

단부 전지 조립체의 또 다른 일 양태에서, 니켈 코팅은 애노드 집전체에 결합된다.

단부 전지 조립체의 또 다른 일 양태에서, 각각의 비활성 애노드 부분은, 양극성 판 및 애노드 집전체와 양극성 판 사이에 배치된 니켈 포일 층을 더 포함한다.

단부 전지 조립체의 또 다른 일 양태에서, 니켈 포일 층은 양극성 판에 결합된다.

단부 전지 조립체의 또 다른 일 양태에서, 각각의 비활성 애노드 부분은, 양극성 판 및 애노드 집전체와 양극성 판 사이에 배치된 니켈 폼 층을 더 포함한다.

단부 전지 조립체의 또 다른 일 양태에서, 니켈 폼 층은, 애노드 집전체와 양극성 판이 서로 압축될 때 애노드 집전체 주위에서 변형되도록 구성된다.

단부 전지 조립체의 또 다른 일 양태에서, 각각의 비활성 애노드 부분은, 양극성 판 및 애노드 집전체와 양극성 판 사이에 배치된 구리 판을 더 포함한다.

단부 전지 조립체의 또 다른 일 양태에서, 각각의 비활성 애노드 부분은 양극성 판 및 양극성 판 상에 배치된 구리층을 더 포함하고, 애노드 집전체는 양극성 판의 구리층과는 반대측 상에 배치된다.

단부 전지 조립체의 또 다른 일 양태에서, 세퍼레이터 시트는 제1 세퍼레이터 시트이고, 각각의 비활성 애노드는 구리층 상에 배치된 제2 세퍼레이터 시트를 더 포함하고, 구리층은 양극성 판과 제2 세퍼레이터 시트 사이에 배치된다.

단부 전지 조립체의 또 다른 일 양태에서, 단부 전지 조립체는, 적어도 두 개의 비활성 애노드 부분에 인접하게 배치된 캐소드 저장소(cathode reservoir), 캐소드 저장소의 반대측 상에 배치된 제3 비활성 애노드 부분, 및 캐소드 저장소의 제3 비활성 애노드 부분과는 반대측에 배치된 활성 캐소드 부분을 더 포함한다. 단부 판은 양성 단부 판(positive end plate)이다.

단부 전지 조립체의 또 다른 일 양태에서, 캐소드 저장소는, 제1 캐소드 집전체, 제1 캐소드 집전체에 인접하는 제2 캐소드 집전체, 제1 캐소드, 및 제1 캐소드와 제2 캐소드 집전체 사이에 배치된 제2 캐소드를 포함한다.

단부 전지 조립체의 또 다른 일 양태에서, 단부 전지 조립체는, 적어도 두 개의 비활성 애노드 부분에 인접하게 배치된 캐소드 저장소, 및 적어도 두 개의 비활성 애노드 부분의 캐소드 저장소와는 반대측에 배치된 활성 애노드 부분을 더 포함한다. 단부 판은 음성 단부 판이다.

단부 전지 조립체의 또 다른 일 양태에서, 캐소드 저장소는, 제1 캐소드 집전체, 제1 캐소드 집전체에 인접하는 제2 캐소드 집전체, 제1 캐소드, 및 제1 캐소드와 제2 캐소드 집전체 사이에 배치된 제2 캐소드를 포함한다.

다른 일 실시형태는, 평평한 제1 캐소드 및 평평한 제1 캐소드 상에 배치된 저장소를 포함하는, 연료 전지 스택의 단부 전지에 있는 비활성 애노드 하프 전지(inactive anode half-cell)에 관한 것이다. 저장소는 평평한 제2 캐소드 상에 배치된 캐소드 집전체를 포함한다. 평평한 제2 캐소드는 평평한 제1 캐소드와 캐소드 집전체 사이에 배치된다.

또 다른 일 실시형태는, 애노드 집전체에 근접하게 배치된 구리층을 포함하는, 연료 전지 스택의 단부 전지에 있는 비활성 애노드 하프 전지에 관한 것이다.

또 다른 일 실시형태는, 애노드 집전체, 양극성 판, 및 이들 사이에 배치된 니켈 층을 포함하는, 연료 전지 스택의 단부 전지에 있는 비활성 애노드 하프 전지에 관한 것이다.

비활성 애노드 하프 전지의 일 양태에서, 니켈 층은 애노드 집전체 상의 니켈 코팅이다.

비활성 애노드 하프 전지의 다른 일 양태에서, 니켈 층은 니켈 폼 패널이다.

비활성 애노드 하프 전지의 또 다른 일 양태에서, 니켈 층은 애노드 집전체와 양극성 판 사이에 압축된 니켈계 폼이다.

도 1은 종래의 연료 전지 조립체의 구성요소들의 개략도이다.
도 2A는 예시적인 실시형태에 따른 용융 탄산염 연료 전지 스택의 양의 단부에서의 단부 전지 조립체의 블록도이다.
도 2B는 예시적인 실시형태에 따른 용융 탄산염 연료 전지 스택의 음의 단부에서의 단부 전지 조립체의 블록도이다.
도 3은 예시적인 실시형태에 따른 연료 전지 스택의 양의 단부 및 음의 단부 모두에서의 단부 전지 조립체의 분해 사시도이다.
도 4A는 도 3의 라인 4A-4A를 따라 절취한 연료 전지 스택의 양의 단부에서의 단부 전지 조립체의 단면도이다.
도 4B는 도 4A에 실질적으로 수직이며 도 3의 라인 4B-4B를 따라 절취한 도 4A의 단부 전지 조립체의 단면도이다.
도 5A는 도 3의 라인 5A-5A를 따라 절취한 연료 전지 스택의 음의 단부에서의 단부 전지 조립체의 단면도이다.
도 5B는 도 5A에 실질적으로 수직이며 도 3의 라인 5B-5B를 따라 절취한 도 5A의 단부 전지 조립체의 단면도이다.
도 6A는 예시적인 실시형태에 따른 MCFC 스택의 양의 단부에서의 단부 전지 조립체의 블록도이다.
도 6B는 예시적인 실시형태에 따른 MCFC 스택의 음의 단부에서의 단부 전지 조립체의 블록도이다.
도 7A는 예시적인 실시형태에 따른 비활성 애노드 부분의 단면도이다.
도 7B는 도 7A에 실질적으로 수직이며 도 7A의 라인 7B-7B를 따라 절취한 도 7A의 비활성 애노드 부분의 단면도이다.
도 7C는 본 발명의 일 실시형태에 따른 비활성 애노드 부분의 단면도이다.
도 7D는 도 7C에 실질적으로 수직이며 도 7C의 라인 7D-7D를 따라 절취한 도 7C의 비활성 애노드 부분의 단면도이다.
도 7E는 예시적인 실시형태에 따른 비활성 애노드 부분의 단면도이다.
도 7F는 도 7E에 실질적으로 수직이며 도 7E의 라인 7F-7F를 따라 절취한 도 7E의 비활성 애노드 부분의 단면도이다.
도 8A는 예시적인 실시형태에 따른 비활성 애노드 부분의 단면도이다.
도 8B는 도 8A에 실질적으로 수직이며 도 8A의 라인 8B-8B를 따라 절취한 도 8A의 비활성 애노드 부분의 단면도이다.
도 8C는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 비활성 애노드 부분의 단면도이다.
도 8D는 도 8C에 실질적으로 수직이며 도 8C의 라인 8D-8D를 따라 절취한 도 8C의 비활성 애노드 부분의 단면도이다.
도 9A는 예시적인 실시형태에 따른 연료 전지 스택의 양의 단부에서의 단부 전지 조립체의 단면도이다.
도 9B는 도 9A에 실질적으로 수직인 도 9A의 단부 전지 조립체의 단면도이다.
도 9C는 예시적인 실시형태에 따른 연료 전지 스택의 음의 단부에서의 단부 전지 조립체의 단면도이다.
도 9D는 도 9C에 실질적으로 수직인 도 9C의 단부 전지 조립체의 단면도이다.
도 10A는 예시적인 실시형태에 따른 연료 전지 스택의 양의 단부에서의 단부 전지 조립체의 단면도이다.
도 10B는 도 10A에 실질적으로 수직인 도 10A의 단부 전지 조립체의 단면도이다.
도 10C는 예시적인 실시형태에 따른 연료 전지 스택의 음의 단부에서의 단부 전지 조립체의 단면도이다.
도 10D는 도 10C에 실질적으로 수직인 도 10C의 단부 전지 조립체의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 연료 전지(2)의 개략도가 애노드(4), 캐소드(6), 및 이들 사이에 배치된 전해질(8)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 애노드 집전체(10)는 애노드(4)에 근접하게 배치되며, 이때, 애노드(4)는 전해질(8)과 애노드 집전체(10) 사이에 배치된다(예를 들어, 애노드 집전체(10)와 전해질(8)은 애노드(4)의 대향 측면들 상에 배치된다). 애노드 집전체(10)는 연료가 통과할 수 있도록 구성된다. 애노드 집전체(10)와 유사하게, 캐소드 집전체(12)가 캐소드(6)에 근접하게 배치되고, 이때, 캐소드(6)는 전해질(8)과 캐소드 집전체(12) 사이에 배치된다(예를 들어, 캐소드 집전체(12)와 전해질(8)은 캐소드(6)의 대향 측면들 상에 배치된다)．캐소드 집전체(12)는 산소 또는 다른 가스가 통과할 수 있도록 구성된다.

MCFC에서, 탄산염 전해질은, 리튬 알루미네이트와 같은 비활성 세라믹 재료의 미립자 매트릭스에 리튬 또는 탄산칼륨과 같은 알칼리 금속 탄산염 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 대략 650℃(1200℉)일 수 있는 MCFC의 동작 온도에서, 탄산염 전해질은 이온 전도성 용융 액체이다.

애노드 전극에 연료가 도입되고 캐소드 전극에 산화제가 도입되면, 연료는 전극과 전해질(8) 사이의 계면에서 전기화학적 반응으로 산화된다. 이 반응은 애노드(4)와 캐소드(6) 사이의 전자 흐름을 방출하여, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 애노드 전극과 캐소드 전극은 전지 동작 온도에서 충분히 활성인 다공성 금속(예를 들어, 다공성 니켈 분말 또는 산화니켈)으로 형성될 수 있으며, 이때 애노드 전극 및 캐소드 전극은 각각 애노드(4) 및 캐소드(6)에서의 반응을 위한 촉매들이다.

도 1에 도시된 바와 같은 단일 연료 전지(2)는 상대적으로 낮은 전압을 생성할 수 있다. 더 높은 전압을 생성하기 위해, 개별 연료 전지들(2)은 연료 전지 스택으로서(예를 들어, 연료 전지 스택(14)으로서 도 3에 도시된 바와 같이) 직렬로 배열될 수 있다. 도 1을 참조하면, 세퍼레이터 판(16)은 스택 내의 근접한 연료 전지들(2)로부터 각 연료 전지(2)를 분리하기 위해 제공된다. 예시적인 실시형태에 따르면, 세퍼레이터 판(16)은 스테인리스 스틸 또는 다른 적절한 재료로 형성될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "단부 전지"라는 용어는, 스택의 양의(즉, 캐소드) 단부 또는 음의(즉, 애노드) 단부에 있는 연료 전지들 중 하나로서 정의되며, 이들 연료 전지의 각각은 스택에 구조적 종단을 제공한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택(14)은 양의 단부(20) 및 음의 단부(22)를 포함하고, 양의 단부의 연료 전지를 "단부 전지"라고 칭한다.

종래의 연료 전지에서, 전해질의 양은, 연료 전지 스택의 양의 단부에 근접한 전지들로부터 적어도 부분적으로 손실(즉, 감소)될 수 있고, 연료 전지 스택의 음의 단부에 근접한 전지들에서 얻어질(즉, 증가, 감소 등) 수 있다. 일반적으로, 적어도 두 개의 공정은, 일반적으로 스택의 양의 단부와 음의 단부 사이에 배치된 연료 전지들로부터 손실되는 것보다 양의 단부에서 또는 양의 단부 근처에서 전해질의 더욱 큰 손실을 야기한다. 한 공정은, 단부 전지에 근접한 구조적으로 종결되는 단부 판 상으로의 액체 전해질 연면(creepage)이다. 예를 들어, 단부 판은 스택의 각 단부에서 단부 전지 상에 배치되고 단부 전지에 결합될 수 있다. 다른 공정은 전해질의 이동(migration)을 포함하며, 이 동안 전해질은 스택의 표면을 따라 음의 단부를 향해 필름으로 흐른다. 어느 공정의 결과이든, 스택의 양의 단부에 근접한 연료 전지는 중간 전지(예를 들어, 양의 단부와 음의 단부 캐소드들 사이에 배치된 연료 전지)에 대한 상당한 양의 전해질을 잃을 수 있고, 음의 단부에 근접한 연료 전지는 상당한 양의 전해질을 얻을 수 있다. 전해질 이동의 영향은 스택의 양의 단부와 음의 단부에 가장 가까운 단부 전지들에서 가장 심각할 수 있다. 연면 및/또는 이동에 의해 양의 단부로부터 전해질이 고갈되면, 전해질 매트릭스에 가스 포켓이 형성될 수 있다. 이어서, 가스 포켓이 형성됨에 따라, 단부 전지의 내부 전기 저항의 상당한 불가역적 증가, 상당한 전압 강하, 및/또는 장기 단부 전지 성능의 저하를 초래한다. 또한, 음의 단부로의 전해질 이동은 음의 단부 전지의 침수 및 성능 및/또는 장기 안정성의 손실을 초래할 수 있다.

연료 전지 스택에서 단부 전지에 연관된 다른 문제점은, 스택의 동작 온도에서 연료 전지의 다양한 구성요소의 수축 또는 변형으로 인한 단부 전지의 전기 저항의 증가이다. 예를 들어, MCFC 스택 설계는, 근접한 연료 전지들과 스택 내의 다른 구성요소들 간의 적절한 밀봉 및 양호한 전기적 및 열적 전도성을 위해 적절한 압축 하중력이 직접 인가되는 강하고 두꺼운 단부 판을 포함할 수 있다. 정상 동작 온도에서, 특히 연료 전지 스택의 기동 및 셧다운 동안, 단부 판들의 대향면들 사이에 온도 구배가 형성될 수 있어서, 단부 판들을 변형시킬 수 있다. 캐소드 수축으로 인해, 예를 들어 양의 단부에 있는 단부 전지에서 스택의 동작 동안 추가적인 기계적 불일치가 발생할 수 있다. 이러한 수축은 스택의 동작과 함께 시간이 지남에 따라 느리게 발생할 수 있거나 갑자기 발생할 수 있다.

캐소드 "하프 전지"는, 캐소드가 부착된 주름형 집전체로부터 형성될 수 있다. 집전체는 연료 전지의 단면적 위로 연장된다. 그러나, 캐소드는, 습식 밀봉부를 형성하도록 구성된 에지로 연장되지 않으므로, 전체 면적보다 작게 연장될 수 있다. 캐소드의 두께(예를 들어, 높이)는 습식 밀봉부의 두께와 일치(상응)할 수 있으며, 이때, 연료 전지는 전체 표면적에 걸쳐 평탄한 구성으로 유지될 수 있다. 이 구성에서, (shim; 예를 들어, 판금 또는 다른 적절한 재료로 형성된) 실질적으로 평평한 심은, 습식 밀봉부와 활성 영역(예를 들어, 캐소드가 위치하는 곳)의 두께의 차를 고려하도록 습식 밀봉부의 플랩 아래에 삽입될 수 있다. 캐소드가 수축함에 따라, 전지에 대한 압축력이 전지의 활성 부분으로부터 습식 밀봉 영역으로 이동할 수 있어서, 캐소드에 대한 총 압축력을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 따라서, 활성 영역에서의 이러한 압축력의 감소는, 단부 전지 내의 다양한 위치에서의 전기적 접촉의 손실(즉, 감소)을 야기할 수 있고 연료 전지를 가로지르는 압축력의 불균일한 인가를 초래할 수 있다. 일단 전기 접촉 손실이 발생하면, 압축력의 원래 분포가 수정되거나 복원되더라도, 계면에서의 원래 전기 전도성을 복구할 수 없다.

이제 도 2A를 참조해 보면, 예시적인 실시형태에 따른 양의 단부 전지 조립체(30)(예를 들어, 연료 전지 스택(14)의 양의 단부(20)에 있는 단부 전지)가 도시되어 있다. 비활성 애노드 부분(32)(예를 들어, 하프 전지)은 스택(14)의 양의 단부(20)에서 단부 판(24)에 인접하게 배치된다. 리브형 전극 저장소(34)(예를 들어, 싱크)는 비활성 애노드 부분(32)에 인접하게 배치되고, 제2 비활성 애노드 부분(32)은 저장소(34)의 반대측 상에 배치된다. 저장소(34)와 활성 캐소드 부분(36) 사이에 제2 비활성 애노드 부분(32)이 배치되도록, 활성 캐소드 부분(36)이 제2 비활성 애노드 부분(32)의 저장소(34)와는 반대측 상에 배치된다.

이제 도 2B를 참조해 보면, 예시적인 실시형태에 따른 음의 단부 전지 조립체(38)(예를 들어, 연료 전지 스택(14)의 음의 단부(22)에 있는 단부 전지)가 도시되어 있다. 비활성 애노드 부분(32)은 스택(14)의 음의 단부(22)에서 단부 판(24)에 인접하게 배치된다. 리브형 전극 저장소(34)(예를 들어, 싱크)는 비활성 애노드 부분(32)의 대향측 상에 비활성 애노드 부분(32)에 인접하게 배치된다. 저장소(34)가 비활성 양극 부분(32)과 활성 양극 부분(40) 사이에 배치되도록, 활성 애노드 부분(40)이 저장소(34)의 비활성 양극 부분(32)과는 반대측 상에 배치된다.

이제 도 3을 참조해 보면, 예시적인 실시형태에 따라 양측 단부에서 단부 전지의 각 층의 구조를 포함하는 MCFC 스택(14)의 분해 사시도가 도시되어 있다. 먼저, 연료 전지 스택(14) 내의 양의 단부 전지 조립체(30)의 구조를 도 3의 상측 부분 및 도 4A와 도 4B를 참조하여 설명한다. 일반적으로, 도면을 참조하면, 단부 판의 에지에 불균일한 대시(즉, 대시-점)를 갖는 파선은 파단 에지를 정의할 수 있으며, 이때, 단부 판 또는 다른 구조가 파선을 지나 계속될 수 있다. 예를 들어, 단부 판은 파선에 대해 실질적으로 대칭일 수 있으며, 이 경우 파선은 대칭 축선을 형성할 수 있다. 예시적인 실시형태에 따르면, 단부 판의 대향 측면들은 파선에 대해 대칭인 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 파선에 근접한 단부 판의 구조는 대향 측면들 사이에 연장되면서 계속될 수 있다(예를 들어, 패턴을 정의할 수 있다).

도 3, 도 4A 및 도 4B에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택(14)은 (예를 들어, 스테인리스 스틸로 형성된) 두껍고 단단한 단부 판(24)에 의해 양측 단부에서 종단된다. 양성 단부 판(24)을 리브형 전극 저장소(34)로부터 분리하는 양의 단부 전지 조립체(30)의 비활성 애노드 부분(32)은, (예를 들어, 도 4B에 도시된) 폼 애노드 층(44) 및 애노드 집전체(50)("ACC")를 포함한다.

비활성 애노드 부분(32)에서, 폼 애노드 층(44)은 스택(14)의 양의 단부(20)에서 단부 판(24)에 인접하게 배치된다. 폼 애노드 층(44)은 두 개의 매트릭스 스트립(48)(예를 들어, 개스킷) 사이에 배치된 니켈 폼 비활성 애노드(46)를 포함할 수 있다. 니켈 폼 애노드(46)는 단부 판(24)과 리브형 전극 저장소(34) 사이의 도전성 분리 계면으로서 기능한다. 매트릭스 스트립(48)은, 다공성 세라믹 또는 다른 적절한 재료로 형성될 수 있고, 환원 가스(예를 들어, 수소)의 흐름에 대해 니켈 폼 애노드(46)의 어느 한 측면을 따라 배치되고, 액체 전해질(8)은 스트립(48)을 충전할 수 있다. 스트립(48)을 전해질(8)로 충전하고 연료 가스가 다른 곳으로 흐르는 것을 차단함으로써, 매트릭스 스트립(48)은, 스택(14)을 통해 흐르는 수소와 산소 가스들 간의 가스 밀봉을 동시에 유지하는 데 일조한다.

비활성 애노드 부분(32)에서 폼 애노드 층(44) 아래에 (예를 들어, 직접적으로) 배치된 것은 ACC(50)이다. 예시적인 실시형태에 따르면, ACC(50)는 오스테나이트계 스테인리스 스틸 또는 다른 적절한 재료로 형성될 수 있다. ACC(50)는 양극성 판(52)의 상부 포켓 내에 포함된다. 예시적인 실시형태에 따르면, 양극성 판(52)은 3차원 "S" 형상 구성을 정의할 수 있지만, 다른 구성(예컨대, 주름형)이 사용될 수 있다. 양극성 판(52)은, 환원 가스의 흐름을 따라 그리고 산화 가스의 흐름을 따라 각각 배치된 (도 4A 및 도 4B에 도시된) 상부 및 하부 포켓(54, 56)을 형성한다. 예시적인 실시형태에 따르면, 양극성 판(52)은 니켈 코팅된 오스테나이트계 스테인리스 스틸로 형성될 수 있지만, 다른 적절한 재료가 사용될 수 있다. "S" 형상 양극성 판(52)의 상부 및 하부 포켓(54, 56) 각각은, 각각의 양쪽 에지를 따라 상부 및 하부 포켓(54, 56)의 일부 위로 접히는 립(lip)을 형성한다. 양극성 판(52)의 상측 립은, 환원 가스의 흐름 방향에 평행한 에지를 따라 ACC(50) 위로 접히고, 폼 애노드(46)가 도시된 바와 같이 양극성 판(52)의 상부 에지들 사이에서 ACC(50) 바로 위에 배치되도록 니켈 폼 애노드(46)의 에지와 일치한다. 이 구성에서, ACC(50)는 니켈 폼 비활성 애노드(46)와 직접 접촉하고 이러한 니켈 폼 비활성 애노드로부터 집전할 수 있다. 폼 애노드 층(44)의 양측 매트릭스 스트립(48)은 양극성 판(52)의 상측 립과 양의 단부(20)에서의 단부 판(24) 사이에 끼워져 있다.

양극성 판(52)의 중심 부분은 양극성 판의 하부 포켓(56) 내에 포함된 구조로부터 ACC(50)를 분리한다. 폼 애노드 층(44) 및 ACC(50)는 비활성 애노드 부분(32)을 함께 구성하며, 이는 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 단부 판(24)을 저장소(34)로부터 분리한다.

양극성 판(52)의 하측 립은, 산화 가스의 흐름 방향에 평행하게 에지를 따라 하부 포켓(56) 아래에서 접힌다. 그러나, ACC(50)가 완전히 배치된 양극성 판(52)에 의해 형성된 상부 포켓(54)과는 달리, 양극성 판(52)의 하부 포켓(56)은 연질의 순응성 캐소드 집전체("CCC")(60) 및 리브형 캐소드(64)를 모두 포함한다. 예시적인 실시형태에 따르면, CCC(60)는, 오스테나이트계 스테인리스 스틸, 초합금, 또는 다른 적절한 재료로 형성될 수 있고, 산화 가스의 흐름에 실질적으로 평행한 하측 립의 길이를 따라 하측 립과 양극성 판(52)의 중앙 부분 사이에 배치된다. CCC(60)는, 순응적이고, 탄력적이며, 연료 전지 스택(14)의 동작 온도에서 단부 전지의 기계적 변화를 수용한 후 원래의 형상(즉, 형태)으로 복귀하도록 구성된다. CCC(60)와 양극성 판(52) 간의 접촉을 유지하기 위해, CCC(60)와 하측 립 사이에 하측 립의 길이를 따라 금속 심(62)이 배치될 수 있다. CCC(60)는, 단부 전지의 활성 영역에 비해 낮은 항복 응력 및 낮은 스프링 상수(예를 들어, 대략 50% 작음)를 가질 수 있다. 순응성과 탄성을 갖는 CCC(60)는, 압축력에 항복하고 연료 전지 스택(14)의 동작 동안 깊은 열 사이클링으로 인한 단부 전지에서의(예를 들어, 캐소드(64)에서) 기계적 변화를 수용하고, 또한 압축된 후 요구되는 형상에 순응함으로써, 단부 전지에서의 접촉 손실을 감소시키거나 제거할 수 있다.

양극성 판(52)의 하부 포켓(56)에서의 연질의 순응성 CCC(60)와 전술한 비활성 애노드 부분(32)에 의해 제공된 도전성 분리 계면의 결합 효과는, 단부 전지 내에서, 특히, 기계적 불일치가 최대일 수 있는 연료 전지 스택(14)의 양의 단부(20)와 관련하여 접촉 손실 및 이에 상응하는 실질적으로 불가역적 전기 증가를 피하는 것이다.

양극성 판(52)의 하부 포켓(56)에는 리브형(예를 들어, 주름진) 캐소드(64)가 또한 배치될 수 있다. 예시적인 실시형태에 따르면, 리브형 캐소드(64)는, 니켈로 형성될 수 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 구조적 피크와 밸리를 정의한다. 캐소드(64)의 리브형 구조는, 리브형 캐소드(64)가 주로 형성되는 니켈 재료를 통해 산화 가스가 흐르고 균일하게 산화하기 위한 채널을 제공한다. 산화 가스의 흐름 방향에 실질적으로 평행한 CCC(60)의 스트립 아래에서 접히는 양극성 판(52)의 하측 립은 리브형 캐소드(64)의 에지와 일치하며, 이때, CCC(60)와 양극성 판(52)의 하측 립 부분 사이에 그리고 평평한 캐소드 층(68)의 바로 위에 리브형 캐소드(64)가 배치된다. 리브형 캐소드(64)의 피크는 평평한 캐소드(70)와 직접 접촉할 수 있다. 예시적인 실시형태에 따르면, 평평한 캐소드(70)는 실질적으로 니켈로 형성될 수 있다.

매트릭스 스트립(72)은, 양극성 판(52)의 하측 립 부분 아래에서 평평한 캐소드(70)의 대향 측면 상에 배치되고, 전술한 바와 같이, 폼 애노드 층(44)에서 매트릭스 스트립(48)의 구조와 유사한 구조를 가질 수 있다. 폼 애노드 층(44)에서와 같이, 매트릭스 스트립(72)은 액체 전해질(8)로 충전된다. 그러나, 현재 설명되는 평평한 캐소드 층(70)에서, 매트릭스 스트립(72)은 산화 가스 흐름의 방향에 실질적으로 평행하게 배치될 수 있다.

리브형 캐소드(64)와 평평한 캐소드(70)의 조합은 연료 전지 스택(14)의 양의 단부(22)에서 전극 저장소(34)로서 기능한다. 전술한 바와 같이, 용융 전해질(8) 재료는 동작 중에 스택의 음의 단부(22)를 향해 이동하는 경향이 있다. 예시적인 실시형태에 따르면, 리브형 캐소드(64)는 대략 65% 다공성을 갖는 실질적으로 니켈 재료로 형성될 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 평평한 캐소드(70)는 최대 70%의 다공성의 실질적으로 니켈로 형성될 수 있다. 단부 전지의 리브형 및 평평한 캐소드(64, 70) 구조는, 상당한 양의 전해질(8) 재료를 예비 보유할 수 있어서, 스택(14)의 양의 단부(20)로부터의 전해질(8)의 이동 및 손실을 완화시킬 수 있다.

도 4B에 도시된 바와 같이, 리브형 전극 저장소(34) 아래에 배치된 제2 비활성 애노드 부분(32)은 전극 저장소(34)를 활성 캐소드 부분(36)으로부터 분리한다. 양의 단부 전지 조립체(30)의 제2 비활성 애노드 부분(32)은 다른(즉, 제1) 비활성 애노드 부분(32)과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 비활성 애노드 부분(32)은, 폼 애노드 층(44)과 실질적으로 유사하며 대향하는 매트릭스 스트립들(88)(즉, 개스킷) 사이에 끼워진 폼 애노드(86)를 갖는 폼 애노드 층(84), 및 제2 3차원 "S" 형상 양극성 판(92)의 상부 포켓(94)의 ACC(90)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 전극 저장소(34)를 통한 산소의 가스 흐름 및 제2 비활성 애노드 부분(32)을 통한 수소의 가스 흐름을 격리시키기 위해, 전극 저장소(34)와 제2 비활성 애노드 부분(32) 사이에 시트(76)(예를 들어, 310 스테인리스 스틸로 형성됨)를 배치하여, 저장소(34)와 제2 비활성 애노드 부분(32)을 적어도 부분적으로 유체적으로 분리한다. 예시적인 실시형태에 따르면, 강철 시트(76)는 부식 방지를 위해 자신의 에지에서 알루미늄화될 수 있다.

제2 비활성 애노드 부분(32) 아래에서, 제2 "S" 형상 양극성 판(92)의 하부 포켓(96)에는 CCC(98)가 배치된다. 예시적인 실시형태에 따르면, CCC(98)는, 오스테나이트계 스테인리스 스틸 재료로 형성될 수 있고, 각각 양극성 판(52, 92)의 상부 포켓(54, 94)의 ACC(50, 90)와 실질적으로 유사한 구조를 갖는다. 예시적인 실시형태에 따르면, CCC(98)는, 양극성 판(92)의 하부 포켓(96) 전체를 차지할 수 있고, 산화 가스 흐름의 경로에 위치한다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, CCC(98)는 연질 CCC(60)의 순응성 또는 탄성의 대략 절반을 가질 수 있다.

양의 단부 전지 조립체(30)의 하단에서, 평평한 캐소드(100)(예를 들어, 표준 또는 종래의 캐소드)는 CCC(98) 바로 아래에 배치될 수 있고, 제2 양극성 판(92)의 하측 립 부분들 사이에 끼워질 수 있다. 예시적인 실시형태에 따르면, 캐소드(100)는, 실질적으로 니켈로 형성될 수 있고, 용융 탄산염 연료 전지 스택(14)에 있어서 양의 단부 전지(30)과 제1 일반 연료 전지(2) 간의 계면을 제공한다.

음의 단부 전지 조립체(38)의 구조는, 전술한 양의 단부 전지 조립체(30)의 구조와 실질적으로 유사할 수 있지만, 도 3의 하측 부분과 도 5A 및 도 5B에 대하여 더욱 상세히 설명하는 바와 같이 하나의 비활성 애노드 부분(32)만을 포함한다.

음의 단부 전지 조립체(38)에서, 도 2B에 대략 도시된 바와 같이, 비활성 애노드 부분(32)은, 음의 단부(22)에서 단부 판(24)과 접하고, 리브형 전극 저장소(즉, 싱크)(34)로부터 단부 판(24)을 분리한다. 도 3의 하측 부분 및 도 5A와 도 5B에 도시된 음의 단부 전지 조립체(38)의 상세도를 참조하면, 비활성 애노드 부분(32)은, 폼 애노드 층(144) 및 ACC(150)를 더 포함하지만, 그 외에는 양의 단부 전지 조립체(30)의 비활성 애노드 부분(32)과 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나, 음의 단부 전지 조립체(38)에서, 폼 애노드 층(144)은, 니켈 폼 애노드(146) 및 음성 단부 판(24)에 바로 인접하여 위치하는 매트릭스 스트립(148)(예를 들어, 개스킷)을 포함할 수 있다. 이 구성에서, 폼 애노드 층(144)은 양의 단부 전지 조립체(30)에서와 같이 ACC(50)보다 오히려 ACC(150) 아래에 배치된다. 설명하는 바와 같이, 동일한 용어 및 유사한 참조 부호를 갖는 요소들은 실질적으로 동일할 수 있다.

ACC(150)는, 환원 가스의 흐름 방향에 실질적으로 평행한 에지를 따라 ACC(150) 아래에서 접히는 하측 립만을 갖는 단일 층 양극성 판(152)의 포켓(156)에 포함된다. 하측 립은, 도시된 바와 같이, 폼 애노드(146)가 단일 층 양극성 판(152)의 하측 립 부분들 사이에서 ACC(150) 바로 아래에 배치되도록 폼 애노드 층(144)에서 니켈 폼 애노드(146)의 에지와 접한다. 이 구성에서, ACC(150)는 니켈 폼 애노드(146)와 직접 접촉하고 니켈 폼 애노드로부터 집전한다. 폼 애노드 층(144) 내의 매트릭스 스트립(148)은 음의 단부(22)에서 단부 판(24)과 양극성 판(152)의 하측 립 부분들 사이에 끼워질 수 있다. 도전성 금속(예를 들어, 은)으로 제조된 스트립은, 단부 판 표면에 대한 부식 방지를 제공하도록 도 5A 및 도 5B에 도시된 바와 같이 음의 단부(22)에서 매트릭스 스트립(148)과 단부 판(24) 사이에 제공될 수 있다. 이에 따라, 음의 단부 전지 조립체(38)의 비활성 애노드 부분(32)은, 아래에서 더 설명되는 바와 같이 단부 판(24)과 리브형 전극 저장소(34) 간에 도전성 분리 계면을 제공한다.

단일 층 양극성 판(152)의 상부 부분은, 비활성 애노드 부분(32)의 ACC(150)를 바로 위에 있는 리브형 전극 저장소(34) 내의 평평한 캐소드 층(168)으로부터 분리한다. 양의 단부 전지 조립체(30)의 리브형 전극 저장소(34)와 같이, 음의 단부 전지 조립체(38)의 저장소(34)는 편평한 캐소드(170) 및 리브형 캐소드(164)를 포함한다. 평평한 캐소드 층(168)은, (예를 들어, 니켈로 형성된) 평평한 캐소드(170), 및 전술한 비활성 애노드 부분(32)의 단일 층 양극성 판(152)의 상부 부분과 "S 형상 양극성 판(192)의 하측 립 부분들 사이에 끼워지고 평평한 캐소드(170)의 각 면 상에 배치된 두 개의 매트릭스 스트립(172)을 포함한다. 평평한 캐소드 층(168)의 매트릭스 스트립들(172)은 산화 가스 흐름의 방향에 실질적으로 평행하게 배치되며, 이때, 매트릭스 스트립들은 환원 가스로부터 산소 가스를 밀봉할 수 있다.

예시적인 실시형태에 따르면, 음의 단부 전지 조립체(38)의 "S" 형상 양극성 판(192)은, 환원 가스의 흐름을 따라 그리고 산화 가스의 흐름을 따라 각각 배치된 상부 및 하부 포켓(194, 195)을 정의한다는 점에서, 양의 단부 전지 조립체(30)의 양극성 판(52, 92)과 실질적으로 동일한 구조를 갖는다. 양극성 판(192)의 상부 및 하부 부분들 각각은, 이들의 양측 에지를 따라 상부 및 하부 포켓(194, 195)의 일부 위로 접히는 립을 형성한다. "S" 형상 양극성 판(192)의 하측 립은, 산화 가스의 흐름 방향에 실질적으로 평행한 에지를 따라 하부 포켓(195) 아래에서 접힌다. 양의 단부 전지 조립체(30)의 전극 저장소(34) 내의 양극성 판(52)의 하부 포켓(56)과 같이, 음의 단부 전지 조립체(38)의 전극 저장소(34) 내의 양극성 판(192)의 하부 포켓(195)은 연질의 순응성 CCC(160) 및 리브형 캐소드(164)를 포함할 수 있다. 이 구성에서, CCC(160)는, 산화 가스의 흐름에 평행하게 하측 립의 길이를 따라 하측 립과 양극성 판(192)의 중심 부분 사이에서 하부 포켓(195)에 배치된다. 리브형 캐소드(164)도 양극성 판(192)의 하부 포켓(195)에 배치된다. 양의 단부 전지 조립체(30)의 전극 저장소(34)에서와 같이, 캐소드(164)의 리브형 구조는, 리브형 캐소드(164)가 주로 형성되는 니켈 재료를 통해 산화 가스가 흐르고 이러한 니켈 재료를 균일하게 산화하기 위한 채널을 제공한다. 산화 가스의 흐름 방향에 실질적으로 평행한 CCC(160)의 연질의 순응성 스트립들 아래에서 접히는 양극성 판(192)의 하측 립은, 리브형 캐소드(164)가 CCC(160)의 스트립들과 양극성 판(192)의 하측 립 부분들 사이에 배치되도록 리브형 캐소드(164)의 에지와 일치한다. 다른 모든 양태에 있어서, 음의 단부 전지 조립체(38)의 리브형 전극 저장소(34)의 구조는 양의 단부 전지 조립체(30)의 리브형 전극 저장소(34)의 구조와 실질적으로 동일할 수 있다.

양극성 판(192)의 하부 포켓(195)의 연질의 순응성 탄성적 CCC(160)와 비활성 애노드 부분(32)에 의해 제공되는 도전성 분리 계면의 조합은, 양의 단부 전지 조립체(30)에서와 같이 음의 단부 전지 조립체(38)와 동일하거나 유사한 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 조합은, 음의 단부 전지 조립체(38) 내에서의 접촉 손실 및 이에 상응하는 실질적으로 비가역적 전기 저항 증가를 제한할 수 있다.

음의 단부 전지 조립체(38)에서, 리브형 및 평평한 캐소드들(164, 170)의 조합은 연료 전지 스택(14)의 하측 단부에 전해질 저장소(34)를 제공한다. 연료 전지 스택(14) 동작에 내재된 다양한 문제점과 관련하여 전술한 바와 같이, 용융 전해질(8) 재료는 동작 동안 스택(14)의 음의 단부(22)를 향해 이동하는 경향이 있다. 예시적인 실시형태에 따르면, 리브형 및 평평한 캐소드들(164, 170)은, 최대 70%의 다공성을 갖는, 양의 단부 전지 조립체(30)에서 전해질 저장소(34)와 실질적으로 동일한 재료로 형성될 수 있다. 더 높은 다공성 캐소드가 사용될 수 있지만, 동작 동안 더 큰 두께 감소를 초래할 수 있다. 그러나, 음의 단부 전지 조립체(38)에서, 리브형 및 평평한 캐소드들(164, 170)은 전해질(8) 재료를 위한 싱크 또는 스펀지로서 기능한다. 저장소(34)는, 용융된 전해질(8)을 흡수하여 자신 위에 유지함으로써, 스택(14)의 음의 단부(22)가 침수 및/또는 부식되는 것을 방지한다. 양의 단부 전지 조립체(30)의 리브형 전극 저장소(34)와 조합하여, 음의 단부 전지 조립체(38)의 리브형 전극 저장소(34)는 용융된 전해질 연료 전지 스택(14)의 동작 동안 전해질(8)의 이동 및 손실을 상당히 완화시킬 수 있다. 양과 음의 단부 전지 조립체들(30, 38) 모두에 있어서 다양한 단부 전지 조립체의 다른 장점은, 연질의 순응성 탄성 CCC(60, 160)와 리브형 및 평평한 캐소드들의 조합이 단부 전지의 활성 영역의 전기적 접촉을 유지하도록 리브형 전극 저장소 또는 싱크에서 더 연질이며 더 순응적이며 탄성적인 습식 밀봉을 제공한다는 점이다.

예시적인 실시형태에 따르면, ACC(190)는, 3차원 "S"형 양극성 판(192)의 상부 포켓(194) 내에서 음의 단부 전지 조립체(38)의 전극 저장소(34) 위에 배치될 수 있다. 양극성 판(192)의 상부 립은, 환원 가스의 흐름 방향에 실질적으로 평행한 에지를 따라 ACC(190) 위로 접히고, 애노드(200)가 도시된 바와 같이 양극성 판(192)의 상부 에지들 사이에서 ACC(190) 바로 위에 배치되도록 애노드(200)(예를 들어, 표준 또는 종래의 애노드)의 에지와 일치한다. 따라서, ACC(190)는 애노드(200)와 직접 접촉할 수 있고 애노드로부터 집전할 수 있다. 예시적인 실시형태에 따르면, 애노드(200)는, 니켈계 합금으로 형성될 수 있고, MCFC 스택(14)에서 일반적인 마지막 연료 전지(2)와 음의 단부 전지 조립체(38) 사이의 계면을 제공할 수 있다.

도 6A 및 도 6B는, 유사한 참조 부호들이 동일하거나 유사한 구성요소들을 나타내도록 도 2A 및 도 2B와 유사하다. 이제 도 6A를 참조해 보면, 예시적인 실시형태에 따라 양의 단부 전지 조립체(230)(예를 들어, 연료 전지 스택(14)의 양의 단부(20)에 있는 단부 전지)가 도시되어 있다. 스택(14)의 양의 단부(20)에서 적어도 두 개의(예를 들어, 제1 및 제2) 비활성 애노드 부분(232)(예를 들어, 하프 전지)이 단부 판(224)에 인접하여 배치된다. 캐소드 저장소(234)(즉, 싱크)는 적어도 두 개의 비활성 애노드 부분(232)에 인접하게 배치되고, 제3 비활성 애노드 부분(232)은 저장소(234)의 대향 측면 상에 배치된다. 활성 캐소드 부분(236)(예를 들어, 하프 전지)은 캐소드 저장소(234)로부터 제3 비활성 애노드 부분(232)의 대향 측면 상에 배치되고, 이때, 제3 비활성 애노드 부분(232)은 저장소(234)와 활성 캐소드 부분(236) 사이에 배치된다.

이제 도 6B를 참조해 보면, 예시적인 실시형태에 따라 음의 단부 전지 조립체(238)(예를 들어, 연료 전지 스택(14)의 음의 단부(22)에 있는 단부 전지)가 도시되어 있다. 스택(14)의 음의 단부(22)에서 단부 판(224)에 인접하여 적어도 두 개의(예를 들어, 제1 및 제2) 비활성 애노드 부분(232)이 배치된다. 캐소드 저장소(234)(즉, 싱크, 리브형 전극 싱크)는, 적어도 두 개의 비활성 애노드 부분(232)의 단부 판(224)과는 반대측면 상에서 적어도 두 개의 비활성 애노드 부분(232)에 인접하게 배치된다. 활성 애노드 부분(240)(예를 들어, 하프 전지)은, 저장소(234)의 적어도 두 개의 비활성 애노드 부분(232)과는 반대측면 상에 배치되고, 이때, 저장소(234)는 적어도 두 개의 비활성 애노드 부분(232)과 활성 애노드 부분(240) 사이에 배치된다.

도 2A와는 대조적으로, 도 6A의 양의 단부 전지 조립체(230)는 추가 비활성 애노드 부분(232)을 포함한다. 유사하게, 도 2B와는 대조적으로, 도 6B의 음의 단부 전지 조립체(238)는 추가 비활성 애노드 부분(232)을 포함한다. 이들 구성에서, 추가 비활성 애노드 부분(232)이 존재함으로써, 적어도 부분적으로, 비활성 애노드 부분(232)을 통한 연료 우회를 전체적으로 차단하고 및 이에 따라 단부 전지 조립체(230, 238)를 통한 연료 우회를 차단한다. 다른 상황에서는 연료 손실로 특징 지워질 수 있는 단부 전지 조립체(230, 238)에서의 연료 우회를 감소시킴으로써, 전기화학 반응에 사용가능한 연료의 양은 연료 전지 스택(14)의 나머지 부분에서 증가한다.

도 6A 및 도 6B는, 다른 예시적인 실시형태에 따라 두 개의 비활성 애노드 부분(232)만을 포함하는 적어도 두 개의 비활성 애노드 부분(232)을 도시하지만, 더 많은 비활성 애노드 부분(232)이 포함될 수 있다. 비활성 애노드 부분(232)의 수가 증가함에 따라(예를 들어, 더 많은 비활성 애노드 부분(232)의 층을 삽입함에 따라), 비활성 애노드 부분(232)과 인접한 캐소드 저장소(234) 간의 접촉은 압축 상태에서 개선된다. 그러나, 비활성 애노드 부분(232)의 수를 증가시키는 것은, 또한 연료 전지 스택(14)의 저항을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 스택(14)의 용량을 손상시키지 않고서 추가될 수 있는 추가 비활성 애노드 부분(232)의 수를 제한할 수 있다.

도 7A 내지 도 7F에 대략적으로 도시된 바와 같이, 니켈 코팅은 다양한 예시적인 실시형태에 따라 비활성 애노드 부분(232)에 도포된 것으로 도시되어 있다. 도 7A 내지 도 7F에 도시된 구성 또는 니켈 성분을 포함하는 다른 구성에서, 니켈의 존재는 비활성 애노드 부분(232)에서의 열 프로파일의 안정성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 니켈 코팅 또는 구성요소는, 열을 더욱 효과적으로 분산할 수 있고, 이에 따라 불균일한 열 프로파일로 인한 단부 전지 내의 변형을 감소시킬 수 있다. 도 7A 및 도 7B를 참조하면, ACC(250)가 니켈 코팅(249)을 통해 양극성 판(252)과 접촉하도록 니켈 코팅(249)(예를 들어, 클래딩)이 ACC(250)에 도포될 수 있다. 이러한 구성에서, 니켈 코팅은 ACC(250)의 피크 및 밸리에 걸친 열 변동을 가장 잘 감소시킬 수 있다. 유사하게, 도 7C 및 도 7D에 도시된 바와 같이, 니켈 포일 층(251)은 ACC(250)와 양극성 판(252) 사이에 배치될 수 있다. 이 니켈 포일 층(251)은 ACC(250)와 양극성 판(252) 중 적어도 하나에 대하여 분리될 수 있거나 접합될 수 있다. 이 구성에서, 니켈 코팅은, 양극성 판(252)을 가로지르는 열 변동을 가장 잘 감소시킬 수 있고, 실질적으로 전체 단면적에서 양극성 판(252)과 맞물리도록 구성될 수 있다. 전술한 구성 또는 다른 구성에서, 니켈 코팅은 ACC(250) 또는 양극성 판(252) 중 적어도 하나에 접합(예를 들어, 소결)될 수 있다. 이제 도 1 내지도 3을 참조한다. 이제 도 7E 및 도 7F를 참조하면, 니켈 폼 층(253)은 ACC(250)와 양극성 판(252) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 니켈 폼 층(253)은, ACC(250)와 양극성 판(252)이 서로를 향해 압축될 때 니켈 폼 층(253)이 ACC(250) 주위에서 변형되게끔 ACC(250) 주위에서 변형되도록 구성될 수 있다. 니켈 폼 층(253)은 실질적으로 전체 단면적에서 양극성 판(252)과 맞물릴 수 있다. 니켈 폼 층(253)은, 일부가 ACC(250)의 주변 피크들 사이에 정의된 공극(예를 들어, 밸리)을 충전하면서 ACC(250) 주위에서 변형될 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 비활성 애노드 부분(232)은 추가 밀봉 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비활성 애노드 부분(232)은, 연료 유입구 및/또는 연료 유출구에 근접한 에지에서 밀봉 코크(caulk) 또는 실질적으로 불투과성인 레일을 포함할 수 있다. 이 구성에서, 연료 우회(예를 들어, 연료가 연료 전지(2)를 통하지 않고 주위로 통과)는 각각의 비활성 양극 부분(232)을 통해 감소되거나 제거될 수 있다.

도 7A 내지 도 7F에 도시된 각각의 구성에 대해, 니켈 폼 애노드(246)가 사이에 배치된 금속 세퍼레이터 시트(276)와 대향 매트릭스 스트립(248)은 도 4A 및 도 4B에 도시된 바와 같이 ACC(250)의 상부에 배치될 수 있다. 이 구성에서, ACC(250) 및 니켈 층(249, 251, 253)은 "S" 형상 양극성 판(252)에 의해 정의된 포켓(254)에 배치된다.

도 8A 내지 도 8D에 대략 도시된 바와 같이, 비활성 애노드 부분(232)은 다양한 예시적인 실시형태에 따라 구리층(255)(예를 들어, 판)을 포함할 수 있다. 구리층(255)은, 일반적으로 비활성 애노드 부분(232) 또는 단부 전지 조립체(230, 238) 중 적어도 하나를 통한 전류의 흐름을 개선하도록 구성될 수 있다. 전술한 니켈 코팅에서와 같이, 구리층(255)은 또한 비활성 애노드 부분(232) 내의 열 분포를 개선할 수 있다. 단부 판(224)의 구조는 단부 전지 조립체(230, 238)에서 전류의 흐름을 편향시킬 수 있다. 구리의 전도성이 높은 특성을 고려하면, (예를 들어, ACC(250)와 양극성 판(252) 사이에 배치되는) 비활성 애노드 부분(232) 내에 구리 판(255)이 존재함으로써, 이를 통한 전류의 흐름을 증가시킬 수 있다. 도 8A 및 도 8B를 참조해 보면, 비활성 애노드 부분(232)은 ACC(250)와 양극성 판(252) 사이에 배치된 구리 판(255)을 포함한다. 이 구성에서, 구리 판(255)은 ACC(250)와 양극성 판(252) 중 적어도 하나의 실질적으로 전체 단면적을 덮을 수 있다. 구체적으로, 도 8A 및 도 8B와 관련하여, ACC(250) 및 구리 판(255)은 "S" 형상 양극성 판(252)에 의해 정의된 포켓(254)에 배치된다.

도 8C 및 도 8D를 참조해 보면, 구리 판(255)은 비활성 애노드 부분(232)의 외부 및 바로 위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 구리 판(255)은, 두 개의 대향 매트릭스 스트립(248)(예를 들어, 개스킷) 사이, 양극성 판(252)과 제2 세퍼레이터 시트(276) 사이에 배치될 수 있다. 매트릭스 스트립(248)은 구리 판(255)에 인접하고 ACC(250)와 금속 세퍼레이터 시트(276) 사이에 배치될 수 있다. 매트릭스 스트립(248)은, ACC(250), 양극성 판(252), 단부 전지 조립체(230, 238)의 외면(예를 들어, 에지) 중 적어도 두 개 사이에 추가 밀봉을 제공할 수 있다. 이 구성에서, 구리 판(255)은 ACC(250)와 양극성 판(252) 각각의 전체 단면적 미만을 덮는다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 구리 판(255)은, 단부 전지들 사이의 다른 연료 전지들(2)에 배치되어 그러한 연료 전지들(2)에서의 전류 흐름 및/또는 열 분포를 개선할 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 매트릭스 스트립(248)에 추가하여 또는 그 대신에, 비활성 애노드 부분(232)이 다른 방식으로 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 비활성 애노드 부분(232)은, 연료 유입구 및/또는 연료 유출구에 근접한 에지에서 밀봉 코크 또는 실질적으로 불투과성의 레일을 포함할 수 있다. 이 구성에서, 연료 우회는 각각의 비활성 애노드 부분(232)을 통해 감소되거나 제거된다. 도 8A 내지 도 8D는 ACC(250)에 근접하게 배치된 구리 판(255)을 도시하지만, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 구리 판(255)은 CCC(260)(도시되지 않음)에 근접하여 배치될 수 있다.

도 8A 내지 도 8D에 도시된 각각의 구성에 대해, 니켈 폼 애노드(246)를 사이에 두고 배치된 금속 세퍼레이터 시트(276)와 대향 매트릭스 스트립(248)은 도 4A 및 도 4B에 도시된 바와 같이 ACC(250)의 상부에 배치될 수 있다.

도 9A 내지 도 9D에 대략 도시된 바와 같이, 단부 전지 조립체(230, 238)는 예시적인 실시형태에 따른 전극 저장소(234)를 포함할 수 있다. 이제 도 9A 및 도 9B를 참조해 보면, 예시적인 실시형태에 따른 양의 단부 전지 조립체(230)가 도시되어 있다. 양의 단부 전지 조립체(230)는, 도 4A 및 도 4B에 도시된 양의 단부 전지 조립체(30)와 유사할 수 있으며, 이때, 유사한 참조 부호들은 동일하거나 유사한 구성요소들을 나타낸다. 그러나, 도 4A 및 도 4B와는 대조적으로, 양의 단부 전지 조립체(230)의 전극 저장소(234)는, 리브형 캐소드(64) 대신에 또는 리브형 캐소드에 더하여 평평한 제2 캐소드(271) 및 제2 CCC(261)를 포함할 수 있다. 평평한 제2 캐소드(271)는 캐소드(270)의 상부에 배치될 수 있고, 제2 CCC(261)는 제2 캐소드(271)의 상부에 그리고 CCC(260)에 인접하여 배치될 수 있다. 이 구성에서, 평평한 제2 캐소드(271)는 캐소드(270)와 제2 CCC(261) 사이에 배치된다. 예시적인 실시형태에 따르면, 제2 캐소드(271)는 금속 심(262)에 인접하여 배치될 수 있다.

양의 단부 전지 조립체(30)와 유사하게, 도 9A 및 도 9B에 도시된 양의 단부 전지 조립체(230)는 전극 저장소(234)와 폼 애노드 층(284) 사이에 배치된 금속 세퍼레이터 시트(276)를 포함하며, 이러한 폼 애노드 층은 전술한 폼 애노드 층(84 및 44)과 실질적으로 동일하다. 예를 들어, 도 9A 및 도 9B는, 대향하는 매트릭스 스트립들(288)(즉, 개스킷)과 제2 3차원 "S" 형상 양극성 판(292)의 상부 포켓(294)의 ACC(290) 사이에 끼워진 폼 애노드(286)를 갖는, 폼 애노드 층(84)과 실질적으로 유사한 폼 층(284)을 갖는 제2 비활성 애노드 부분(232)을 도시한다.

도 9C에 도시된 바와 같이, 양의 단부 전지 조립체(230)는 제1 및 제2 CCC(260, 261)를 모두 포함하지만, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 더 많거나 적은 CCC(260, 261)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 양의 단부 전지 조립체(230)는, 음의 단부 전지 조립체(238)의 실질적으로 전체 단면적을 덮는 하나의 CCC(260)를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 제1 및 제2 CCC(260, 261) 중 하나 또는 둘 모두는 실질적으로 연질(즉, 순응성)일 수 있고, 이때, 제1 및 제2 CCC(260, 261)는 양의 단부 전지 조립체(230) 내의 스택(14)의 벽 또는 다른 구성요소의 주변 벽과의 습식 밀봉부를 형성하도록 압축될 수 있다.

이제 도 9C 및 도 9D를 참조해 보면, 예시적인 실시형태에 따른 음의 단부 전지 조립체(238)가 도시되어 있다. 음의 단부 전지 조립체(238)는 도 5A 및 도 5B에 도시된 음의 단부 전지 조립체(38)와 유사할 수 있으며, 이때, 유사한 참조 부호들은 동일하거나 유사한 구성요소들을 나타낸다. 그러나, 도 9A 및 도 9B와 유사하게 그리고 도 5A 및 도 5B와는 대조적으로, 음의 단부 전지 조립체(238)의 전극 저장소(234)는, 리브형 캐소드(64) 대신에 또는 리브형 캐소드에 더하여 평평한 제2 캐소드(271) 및 제2 CCC(261)를 포함할 수 있다. 평평한 제2 캐소드(271)는 캐소드(270)의 상부에 배치될 수 있고, 제2 CCC(261)는 제2 캐소드(271)의 상부에 그리고 CCC(260)에 인접하여 배치될 수 있다. 이 구성에서, 평평한 제2 캐소드(271)는 캐소드(270)와 제2 CCC(261) 사이에 배치된다. 예시적인 실시형태에 따르면, 제2 캐소드(271)는 금속 심(262)에 인접하여 배치될 수 있다. 도 9C에 도시된 바와 같이, 음의 단부 전지 조립체(238)는 제1 및 제2 CCC(260, 261)를 모두 포함하지만, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 더 많거나 적은 CCC(260, 261)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 음의 단부 전지 조립체(238)는 음의 단부 전지 조립체(238)의 실질적으로 전체 단면적을 덮는 하나의 CCC(260)를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 제1 및 제2 CCC(260, 261) 중 하나 또는 둘 모두는 실질적으로 연질(즉, 순응성)일 수 있으며, 이때, 제1 및 제2 CCC(260, 261)는 음의 단부 전지 조립체(238) 내의 스택(14) 또는 다른 구성요소의 주변 벽과의 습식 밀봉부를 형성하도록 압축될 수 있다.

음의 단부 전지 조립체(38)와 유사하게, 도 9C 및 도 9D에 도시된 양의 단부 전지 조립체(238)는 양극성 판(152)과 실질적으로 유사한 양극성 판(352)을 포함한다. 폼 애노드 층(144)과 실질적으로 유사한 폼 애노드 층(344)은, 양극성 판(352)과 음성 단부 판(224) 사이에 배치되고, 니켈 폼 애노드(346) 및 니켈 폼 애노드(346)에 인접하게 니켈 폼 애노드의 대향 측면들 상에 대향 매트릭스 스트립들(348)(예를 들어, 개스킷)을 포함한다. 폼 애노드 층(344)의 매트릭스 스트립(348)은 양극성 판(352)의 하측 립 부분과 단부 판(224) 사이에 끼워질 수 있다.

도 9A 내지 도 9D에 관하여, 평평한 제2 캐소드(271)와 제2 CCC(261)의 조합은, 여전히 전극 저장소(234)로서 기능할 수 있지만, 리브형 캐소드(64)에 대한 전해질(8)의 이동을 증가시킬 수 있다. 그러나, 평평한 제2 캐소드(271)와 제2 CCC(261)는, 리브형 캐소드(64)보다 낮은 전체 높이를 정의하며, 이때, 리브형 캐소드(64)를 평평한 제2 캐소드(271)와 제2 CCC(261)로 대체함으로써 단부 전지 조립체(230, 238)의 전체 높이와 부피를 감소시키며, 이에 따라 연료 전지 스택(14)의 전체 패키징 공간을 감소시킨다. 또한, 이러한 변경은, 스택(14) 내에 수용되고 제조를 위해 저장될 필요가 있는 부분과 형상의 수를 제한함으로써, 단부 전지 조립체(230, 238)를 제조하는 비용 및 복잡성을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 평평한 제2 캐소드(271)는 제1 캐소드(270)와 실질적으로 동일할 수 있고, 제2 CCC(261)는 제1 CCC(260)와 실질적으로 동일할 수 있다.

평평한 제2 캐소드(271) 및 제2 CCC(261)를 포함함으로써 전해질(8)의 이동이 증가하는 한, 단부 전지 조립체(230, 238)는 본 명세서에서 설명된 다른 예시적인 실시형태에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 10A 및 도 10B에 도시된 바와 같이, 양의 단부 전지 조립체(230)는 추가 비활성 애노드 부분(232) 및/또는 구리층(255)(도시되지 않음) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유사하게, 도 10C 및 도 10D에 도시된 바와 같이, 음의 단부 전지 조립체(238)는 추가 비활성 애노드 부분(232) 및/또는 구리층(255)(도시되지 않음) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 전해질(8)의 이동은 다른 방식으로 감소될 수 있다.

SOFC의 연료 전지 스택(14)에서, 전해질은 고체이므로 일반적으로 전해질 이동을 겪지 않는다는 점에 주목해야 한다. SOFC 구성에서, 캐소드 저장소(234)는 전해질 싱크로서 기능하지 않는다. 스택(14)은 캐소드 저장소(234)의 유무에 따라 형성될 수 있다. 그러나, SOFC 구성에서, 스택(14)은, 전술한 바와 같이, 구리층(255), 비활성 애노드 부분(232), 니켈 코팅(249), 니켈 포일 층(251), 및/또는 니켈 폼 애노드(246) 중 적어도 하나를 여전히 포함할 수 있으며, 이러한 구조들 각각이 단부 전지 조립체(230, 238)에서의 접촉을 개선하기 때문이다.

본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "대략", "약", "실질적으로"라는 용어 및 유사 용어는, 본 개시내용의 주제가 속하는 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 일반적이면서 허용되는 사용과 조화되는 넓은 의미를 갖고자 한 것이다. 본 개시내용을 검토하는 통상의 기술자라면, 이들 용어가 이들 특징의 범위를 제공된 정확한 수치 범위로 제한하지 않으면서 기술되고 청구된 소정의 특징의 설명을 허용하도록 의도된 것이라는 점을 이해해야 한다. 이에 따라, 이들 용어는 기술되고 청구되는 주제의 비실질적이거나 중요하지 않은 수정 도는 변경이 첨부된 청구범위에서 언급되는 바와 같이 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 간주됨을 나타내는 것으로서 해석되어야 한다.

다양한 실시형태를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용되는 "예시적"이라는 용어는, 이러한 실시형태들이 가능한 실시형태들의 가능한 예, 표현, 및/또는 예시임을 나타내고자 한다는 점(그리고 이러한 용어는 이러한 실시형태가 반드시 특별하거나 최상의 예임을 내포하고자 하는 것이 아니라는 점)에 주목해야 한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "결합된", "연결된" 등의 용어는, 두 개의 부재가 서로 직접적으로 또는 간접적으로 연결되는 것을 의미한다. 이러한 연결은 고정식(예를 들어, 영구적) 또는 이동가능식(예를 들어, 분리가능 또는 해제가능)일 수 있다. 이러한 연결은, 두 개의 부재에 의해 또는 서로 일체형으로 형성된 그 두 개의 부재와 임의의 추가 중간 부재에 의해, 혹은 두 개의 부재에 의해 또는 서로 부착된 그 두 개의 부재와 임의의 추가 중간 부재에 의해 달성될 수 있다.

요소들의 위치(예를 들어, "상부", "하부", "위", "아래" 등)에 대한 본 명세서에서의 참조는 단지 도면에서 다양한 요소의 방향을 설명하기 위해 사용된 것이다. 다양한 구성요소의 배향은 다른 예시적인 실시형태들에 따라 달라질 수 있고, 이러한 변형들은 본 개시내용에 포함되도록 의도된다는 것을 주목해야 한다.

본 발명이 본 발명의 바람직한 실시형태와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 다양한 다른 실시형태 및 변형예가 통상의 기술자에게 발생할 수 있으며, 이러한 다른 실시형태 및 변형예는 대응하는 청구항들에 의해 커버되도록 의도된다는 점을 이해해야 한다. 통상의 기술자는, 본 명세서에 기술된 주제의 신규한 교시 및 장점을 실질적으로 벗어나지 않고서 많은 수정(예를 들어, 다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 형상, 및 비율의 변화, 파라미터 값, 장착 배치구조, 재료의 사용, 배향, 제조 공정 등)이 가능하다는 점을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 임의의 공정 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스는 대체 실시형태에 따라 가변될 수 있거나 재배열될 수 있다. 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 예시적인 실시형태의 설계, 동작 조건, 및 배치구조에 대하여 다른 대체, 수정, 변경, 및 생략이 또한 행해질 수 있다.

Claims (19)

1. 연료 전지 스택을 위한 단부 전지 조립체(end cell assembly)로서,
   음성 단부 판(negative end plate);
   상기 단부 판의 위에 인접하게 배치된 제1 비활성 애노드 부분;
   상기 제1 비활성 애노드 부분의 위에 인접하게 배치된 제2 비활성 애노드 부분;
   상기 제2 비활성 애노드 부분의 위에 인접하게 배치된 캐소드 저장소(cathode reservoir); 및
   상기 캐소드 저장소의 위에 인접하게 배치된 활성 애노드 부분
   을 포함하고,
   각각의 비활성 애노드 부분은 애노드 집전체 위에 직접 배치된 니켈 폼 애노드(nickel foam anode)를 포함하는 것인,
   단부 전지 조립체.
2. 제1항에 있어서, 각각의 비활성 애노드 부분은 상기 애노드 집전체 상에 배치된 니켈 코팅을 더 포함하는 것인, 단부 전지 조립체.
3. 제2항에 있어서, 각각의 비활성 애노드 부분은 양극성 판(bipolar plate)을 더 포함하고,
   상기 애노드 집전체는 상기 니켈 코팅을 통해 상기 양극성 판에 접촉하는 것인, 단부 전지 조립체.
4. 제2항에 있어서, 상기 니켈 코팅은 상기 애노드 집전체에 결합된 것인, 단부 전지 조립체.
5. 제1항에 있어서, 각각의 비활성 애노드 부분은, 양극성 판 및 상기 애노드 집전체와 상기 양극성 판 사이에 배치된 니켈 포일 층(nickel foil layer)을 더 포함하는 것인, 단부 전지 조립체.
6. 제5항에 있어서, 상기 니켈 포일 층은 상기 양극성 판에 결합된 것인, 단부 전지 조립체.
7. 제1항에 있어서, 각각의 비활성 애노드 부분은, 양극성 판 및 상기 애노드 집전체와 상기 양극성 판 사이에 배치된 니켈 폼 층을 더 포함하는 것인, 단부 전지 조립체.
8. 제7항에 있어서, 상기 니켈 폼 층은 상기 애노드 집전체 주위에서 변형된 것인, 단부 전지 조립체.
9. 제1항에 있어서, 각각의 비활성 애노드 부분은, 양극성 판 및 상기 애노드 집전체와 상기 양극성 판 사이에 배치된 구리 판(copper plate)을 더 포함하는 것인, 단부 전지 조립체.
10. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 저장소는,
    제1 캐소드 집전체;
    상기 제1 캐소드 집전체에 인접하는 제2 캐소드 집전체;
    제1 캐소드; 및
    상기 제1 캐소드와 상기 제2 캐소드 집전체 사이에 배치된 제2 캐소드
    를 포함하는 것인, 단부 전지 조립체.
11. 제1항에 있어서, 각각의 비활성 애노드 부분은 상기 니켈 폼 애노드 위에 배치된 세퍼레이터 시트(separator sheet)를 포함하는 것인, 단부 전지 조립체.
12. 연료 전지 스택을 위한 단부 전지 조립체로서,
    단부 판(end plate);
    상기 단부 판에 인접하게 배치된 제1 비활성 애노드 부분; 및
    상기 제1 비활성 애노드 부분에 인접하게 배치된 제2 비활성 애노드 부분
    을 포함하고,
    각각의 비활성 애노드 부분은 애노드 집전체 위에 직접 배치된 니켈 폼 애노드를 포함하고,
    각각의 비활성 애노드 부분은 양극성 판 및 상기 애노드 집전체와 상기 양극성 판 사이에 배치된 니켈 폼 층을 더 포함하는 것인,
    단부 전지 조립체.
13. 제12항에 있어서, 상기 니켈 폼 층은 상기 애노드 집전체 주위에서 변형된 것인, 단부 전지 조립체.
14. 제12항에 있어서, 각각의 비활성 애노드 부분은 상기 애노드 집전체 상에 배치된 니켈 코팅을 더 포함하는, 단부 전지 조립체.
15. 제14항에 있어서, 상기 애노드 집전체는 상기 니켈 코팅을 통해 상기 양극성 판과 접촉하는 것인, 단부 전지 조립체.
16. 제14항에 있어서, 상기 니켈 코팅은 상기 애노드 집전체와 결합된 것인, 단부 전지 조립체.
17. 제12항에 있어서, 각각의 비활성 애노드 부분은 상기 애노드 집전체와 상기 양극성 판 사이에 배치된 구리 판을 더 포함하는 것인, 단부 전지 조립체.
18. 제12항에 있어서, 상기 단부 전지 조립체는, 상기 제2 비활성 애노드 부분에 인접하게 배치된 캐소드 저장소를 더 포함하고,
    상기 캐소드 저장소는,
    제1 캐소드 집전체;
    상기 제1 캐소드 집전체에 인접하는 제2 캐소드 집전체;
    제1 캐소드; 및
    상기 제1 캐소드와 상기 제2 캐소드 집전체 사이에 배치된 제2 캐소드
    를 포함하는 것인, 단부 전지 조립체.
19. 제12항에 있어서, 각각의 비활성 애노드 부분은 상기 니켈 폼 애노드 위에 배치된 세퍼레이터 시트를 포함하는 것인, 단부 전지 조립체.