KR20060109476A - 연료 전지 종판 조립체 - Google Patents

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KR20060109476A
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fuel
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김 비. 살스버리
데니스 이. 퍼거슨
다니엘 엠. 피에르퐁트
데니스 피. 오브리언
셰인 에스. 마오
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

연료 전지 시스템은 연료 전지 스택을 압축하고(하거나) 연료 전지 스택으로부터 집전하기 위해 사용되는 종판 조립체를 혼입한다. 연료 전지 시스템은 소정의 적층 방향으로 적층된 연료 전지를 가지는 연료 전지 스택을 포함한다. 다중 기능 또는 다중 영역 압축 종판 조립체는 연료 전지 스택의 끝에 배치된다. 다중 영역 압축 종판 조립체는 연료 전지 스택의 분리된 부위들을 우선적으로 압축하도록 하는 구성형태를 가지는 압축 메커니즘을 포함한다. 다중 기능 종판 조립체는 종판을 통과하는 집전기를 이용하여, 연료 전지 스택으로부터 집전한다. 집전기는 연료 전지 스택의 한 영역을 우선적으로 압축하기 위해 사용될 수 있다.
종판 조립체, 연료 전지 시스템, 연료 전지 스택, 압축 메커니즘

Description

연료 전지 종판 조립체{FUEL CELL END PLATE ASSEMBLY}
본 발명은 일반적으로 연료 전지, 보다 구체적으로는 연료 전지 종판 조립체에 관한 것이다.
한 전형적인 연료 전지 시스템은 하나 이상의 연료 전지가 전력을 발생시키는 동력부를 포함한다. 연료 전지는 수소 및 산소를 물로 전환시켜, 공정에서 전기 및 열을 생성시키는 에너지 전환 장치이다. 각 연료 전지 장치는 양자교환 부재의 어느 한 측에 있는 기체확산층을 그 중심에 가지고 있는 양자교환 부재를 포함할 수 있다. 음극 층 및 양극 층은 기체확산층의 외측에 각기 위치한다.
단일 연료 전지에서의 반응은 전형적으로 1볼트 미만을 산출한다. 복수개의 연료 전지들이 적층되고, 전기적으로 직렬로 연결되어, 원하는 전압을 달성할 수 있다. 전류는 연료 전지 스택으로부터 수집되어, 하중을 구동하기 위해 사용된다. 연료 전지는 자동차에서 랩탑 컴퓨터에 이르는 다양한 용도들을 위한 동력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
연료 전지 동력 시스템의 효능은 부분적으로 스택의 개별 연료 전지 내, 및 인접 연료 전지들 사이의 각종 접촉 및 밀봉(sealing) 인터페이스의 일체화에 의존한다. 그러한 접촉 및 밀봉 인터페이스는 스택의 연료 전지들 내, 및 연료 전지들 사이에서의 연료, 냉각제, 유출물의 수송과 관련된 것들을 포함한다.
연료 전지 스택의 압축을 촉진하는 장치가 필요하다. 연료 전지 스택으로부터 효과적인 집전을 제공하는 시스템도 또한 필요하다. 본 발명은 이러한 필요 및 기타 필요를 충족시킨다.
발명의 요약
본 발명은 연료 전지 스택을 압축하고(하거나) 연료 전지 스택으로부터 집전하기 위한 종판 조립체를 혼입하는 연료 전지 시스템을 포함한다. 한 실시양태에 따라, 연료 전지 집전 시스템은 소정의 적층 방향으로 적층된 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택을 포함한다. 연료 전지 집전 시스템은 연료 전지 스택의 한 끝에 배치된 종판 조립체, 및 종판을 통과하는 집전기를 추가로 포함한다. 집전기는 연료 전지 스택에 전기적으로 결합되고, 연료 전지 스택으로부터 집전하도록 하는 구성형태를 가진다.
본 발명의 다른 한 실시양태에 따라, 연료 전지 조립체는 소정의 적층 방향으로 배열된 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택; 및 2개 이상의 압축 메커니즘을 포함하는 압축 장치를 포함한다. 각각의 압축 메커니즘은 연료 전지 스택의 분리된 영역을 우선적으로 압축하도록 하는 구성형태를 가진다.
본 발명의 또 다른 한 실시양태에서, 연료 전지 시스템은 소정의 적층 방향으로 배열된 연료 전지 및 압축 장치를 포함한다. 압축 장치는 연료 전지 스택의 분리된 영역을 우선적으로 압축하도록 하는 구성형태를 가지는 압축 메커니즘을 포함한다. 압축 메커니즘들 중 하나는 연료 전지 스택의 제1 영역을 우선적으로 압 축하고, 연료 전지 스택으로부터 집전하도록 하는 구성형태를 가지는 집전/압축 메커니즘을 포함한다.
본 발명의 또 다른 한 실시양태에서, 연료 전지 압축 장치는 연료 전지 종판을 포함한다. 연료 전지 종판은 프레임, 및 그 프레임을 적어도 부분적으로 커버하는 구조 요소를 포함한다.
상기 본 발명의 개요는 본 발명의 각 실시양태 또는 모든 이행을 기술하고자 함은 아니다. 본 발명의 보다 완전한 이해와 함께, 이점 및 달성이 첨부 도면과 함께 취해진 하기 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위를 참고로 하여 명백해지고 인식될 것이다.
도 1a은 연료 전지 및 그것의 성분층의 예시이다.
도 1b는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 단극성 구성형태를 갖는 단위화된 전지 조립체를 도시한다.
도 1c는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 단극성/양극성 구성형태를 갖는 단위화된 전지 조립체를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시양태들에 따른 연료 전지 조립체이다.
도 3a-3b는 본 발명의 실시양태들에 따른 연료 전지 집전 시스템을 도시한다.
도 4a-4e는 본 발명의 실시양태들에 따른 하나 이상의 집전판을 포함하는 연료 전지 집전 시스템을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시양태들에 따른 연료 전지 스택의 다중 영역의 우선적 압축을 도시하는 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 실시양태들에 따른 집전 기능성을 갖는 이중 영역 압축 메커니즘을 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시양태들에 따른 종판을 도시한다.
도 8a-8d는 본 발명의 실시양태들에 따른 이중 영역 압축 메커니즘을 도시한다.
도 9는 본 발명의 원칙에 따른 연료 전지 작동의 이해를 도모하는 단순화된 연료 전지 스택을 도시적으로 나타낸다.
도 10-13은 본 발명의 압축 메카니즘 및(또는) 집전 시스템을 이용하는 하나 이상의 연료 전지 스택이 이용될 수 있는 연료 전지 시스템을 도시한다.
본 발명에는 각종 변형들 및 대안적 형태들이 쉽게 가해질 수 있으나, 이들의 구체적 내용이 도면에서 예로서 나와 있고, 상세하게 기술될 것이다. 그러나, 본 발명은 기술된 특별한 실시양태들에 제한되지 않음을 이해하도록 한다. 그와 반대로, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범주 내에 포함되는 모든 변형들, 동등사항들 및 대안들을 포괄하는 것으로 한다.
설명된 실시양태의 하기 설명에서, 본 발명의 일부를 형성하고 예시적으로 나와 있는 첨부 도면, 및 본 발명이 수행될 수 있는 각종 실시양태들을 참고로 한다. 실시양태가 이용될 수 있고, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한, 구조적 변화가 가해질 수 있는 것으로 이해하도록 한다.
본 발명은 연료 전지 스택을 압축하고(하거나) 연료 전지 스택으로부터 집전하기 위한 종판 조립체를 혼입하는 연료 전지 시스템을 포함한다. 본 발명의 각종 실시양태들은 다중 기능 종판 및(또는) 다중 영역 압축 조립체에 관한 것이다. 한 접근법에 따라, 다중 영역 압축 기능성을 제공하는 종판 조립체는 연료 전지 스택의 분리된 영역을 우선적으로 압축하기 위해 작동하는 2개 이상의 압축 메커니즘을 포함한다.
다른 한 접근법에 따라, 다중 기능 종판 조립체는 연료 전지 스택으로부터의 집전을 허용하는 전기적 연결 메커니즘을 제공한다. 전기적 연결 메커니즘은 또한 연료 전지 스택의 내부 영역을 우선적으로 압축하기 위해 사용되는 압축 메커니즘으로 기능할 수 있다.
각종 실시양태들에서, 종판 조립체는 다중 구조 요소를 포함하는 종판을 포함할 수 있다. 예를 들어, 종판은 하나의 물질, 및 프레임 부재 내에 배치되고(되거나) 프레임을 커버하는 제2 물질로 형성된 프레임 구조를 포함할 수 있다.
한 전형적인 연료 전지가 도 1a에 나와 있다. 한 연료 전지는 수소 연료 및 공기로부터의 산소를 조합하여 전기, 열 및 물을 생성하는 전기화학 장치이다. 연료 전지는 연소를 이용하지 않으며, 이에 따라 연료 전지는 해로운 유출물을 생성시킨다해도, 거의 생성시키지 않는다. 연료 전지는 수소 연료 및 산소를 전기로 직접 전환시키고, 예를 들어 내부 연소 발전기보다 훨씬 큰 효율로 작동될 수 있다.
도 1a에 나와 있는 연료 전지(10)은 음극(14)에 인접하는 제1 유체 수송 층(FTL)(12)을 포함한다. 전해질 막(16)이 음극(14)에 인접하여 있다. 양극(18)은 전해질 막(16)에 인접하여 위치하고, 제2 유체 수송 층(19)은 양극(18)에 인접하여 위치한다. 작동 시에, 수소 연료는 연료 전지(10)의 음극 부분에 도입되어, 제1 유체 수송 층(12)을 통하고 음극(14)으로 통과한다. 음극(14)에서, 수소 연료는 수소 이온(H+) 및 전자(e-)로 분리된다.
전해질 막(16)은 수소 이온 또는 양자만이 전해질 막(16)을 통과하여 연료 전지(10)의 양극 부분으로 가도록 허용한다. 전자는 전해질 막(16)을 통과할 수 없고, 대신에 전류의 형태로 외부 전기 회로를 통해 흐른다. 이 전류는 전기 모터와 같은 전기 부하(17)에 동력 공급하거나, 에너지 저장 장치, 예컨대 재충전용 배터리로 향할 수 있다.
산소는 제2 유체 수송 층(19)을 경유하여 연료 전지(10)의 양극 측에 흘러 들어간다. 산소가 양극(18)에 전달될 때, 산소, 양자 및 전자가 조합하여 물 및 열을 생성시킨다.
도 1a에 나와 있는 것과 같은 개별 연료 전지는 하기 단위화된 연료 전지 조립체로서 포장될 수 있다. 본원에서 단위화된 전지 조립체(UCA)로도 칭해지는 단위화된 연료 전지 조립체는 수많은 다른 UCA들과 조합되어, 연료 전지 스택을 형성할 수 있다. UCA는 스택의 총 전압을 결정하는 수의, 스택 내의 UCA와 전기적으로 직렬 연결될 수 있고, 각 전지의 활성 표면적은 총 전류를 결정한다. 주어진 연료 전지 스택에 의해 발생된 총 전력은 총 스택 전압과 총 전류를 곱함으로써 결정될 수 있다.
수많은 상이한 연료 전지 기술들을 이용하여, 본 발명의 원칙에 따라 UCA를 구축할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 UCA 포장 기술을 이용하여, 양자교환막(PEM) 연료 전지 조립체를 구축할 수 있다. PEM 연료 전지는 비교적 낮은 온도(약 175℉/80℃)에서 작동하고, 높은 동력 밀도를 가지며, 동력 요구량의 이동에 맞추기 위해 급속히 그 산출량을 변화시킬 수 있으며, 또한 예를 들어 자동차와 같이 급속 시동이 요구되는 용도들에 매우 적합하다.
PEM 연료 전지에 사용되는 양자교환막은 전형적으로, 수소 이온이 통과하도록 하는 얇은 플라스틱 시이트이다. 막의 양면은 전형적으로 활성 촉매인 매우 분산된 금속 또는 금속 합금 입자(예컨대, 백금 또는 백금/루테늄)로 코팅되어 있다. 사용된 전해질은 전형적으로 고체 과불소화 술폰산 중합체이다. 고체 전해질의 사용은 부식 및 관리 문제를 감소시키기 때문에 유리하다.
수소는 연료 전지의 음극 측에 공급되고, 거기에서 촉매는 수소 원자가 전자를 방출하여 수소 이온(양자)이 되도록 촉진한다. 전자는 산소는 도입된 연료 전지의 양극 측에 되돌아가기 전에 이용될 수 있는 전류의 형태로 이동한다. 동시에, 양자는 막을 통해 양극에 확산되고, 거기에서 수소 이온들이 재조합되고, 산소와 반응하여 물을 생성시킨다.
막 전극 조립체(Membrane Electrode Assembly; MEA)는 PEM 연료 전지, 예컨대 수소 연료 전지의 중심 소자이다. 상기 논의된 바와 같이, 전형적인 MEA는 고체 전해질로서 작용하는 중합체 전해질 막(PEM)(이온 전도성 막(ICM)으로도 알려짐)을 포함한다.
PEM의 한 면은 음극 전극 층과 접촉하고, 반대 면은 양극 전극 층과 접촉한다. 각 전극 층은, 전형적으로 백금 금속을 포함한, 전기화학 촉매를 포함한다. 유체 수송 층(FTL)은 음극 및 양극 전극 물질 안팎으로의 기체 수송을 촉진하여, 전류를 전도한다.
한 전형적인 PEM 연료 전지에서, 양자가 수소 산화를 통해 음극에서 형성되고, 양극으로 수송되어 산소와 반응함으로써, 전류가 전극을 연결하는 외부 회로에 흐르도록 한다. FTL은 또한 기체확산층(GDL) 또는 확산기/집전기(DCC)로도 불릴 수 있다. 음극 및 양극 전극 층은, 그것들이 완성된 MEA 내에서 PEM와 FTL 사이에 배치되는 한, 제조되는 동안에 PEM 또는 FTL에 적용될 수 있다.
임의의 적당한 PEM이 본 발명의 수행에 사용될 수 있다. PEM은 전형적으로 50 ㎛ 미만, 더욱 전형적으로는 40 ㎛ 미만, 더욱 더 전형적으로는 30 ㎛ 미만, 가장 전형적으로는 약 25 ㎛의 두께를 가진다. PEM은 전형적으로 산-관능성 플루오로중합체인 중합체 전해질, 예컨대 나피온(Nafion)
Figure 112006038352786-PCT00001
(듀폰 케미칼즈(DuPont Chemicals; 미국 델라웨어주 윌밍턴 소재) 및 플레미온(Flemion)
Figure 112006038352786-PCT00002
(아사히 글라스 컴퍼니 리미티드(Asahi Glass Co. Ltd.; 일본 도쿄 소재)으로 이루어진다. 본 발명에 유용한 중합체 전해질은 전형적으로 바람직하게 테트라플루오로에틸렌 및 하나 이상의 불소화, 산-관능성 공단량체의 공중합체이다.
전형적으로, 중합체 전해질은 술포네이트 관능기를 가진다. 가장 전형적으로, 중합체 전해질은 나피온
Figure 112006038352786-PCT00003
이다. 중합체 전해질은 전형적으로 1200 이하, 더욱 전형적으로는 1100, 가장 전형적으로는 약 1000의 산 당량 중량을 가진다.
임의의 적당한 FTL이 본 발명의 수행에 사용될 수 있다. 전형적으로, FTL은 탄소 섬유를 포함하는 시이트 물질로 이루어진다. FTL은 전형적으로 직조 및 부직조 탄소 섬유 구성체로부터 선택되는 탄소 섬유 구성체이다. 본 발명의 수행에 유용할 수 있는 탄소 섬유 구성체에는 토레이(Toray) 탄소지, 스펙트라카르브(SpectraCarb) 탄소지, AFN 부직조 탄소포, 졸텍(Zoltek) 탄소포 등이 포함될 수 있다. FTL는 탄소 입자 코팅, 친수화 처리 및 소수화 처리, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 이용한 코팅을 비롯하여, 각종 물질들로 코팅되거나 침액될 수 있다.
임의의 적당한 촉매가 본 발명의 수행에 사용될 수 있다. 전형적으로, 탄소-담지 촉매 입자가 사용된다. 전형적인 탄소-담지 촉매 입자는 50 내지 90 중량% 탄소 및 10 내지 50 중량% 촉매 금속이고, 여기에서 촉매 금속은 전형적으로 양극에 대해서는 Pt를 포함하고, 음극에 대해서는 Pt 및 Ru를 2:1의 중량비로 포함한다. 촉매는 전형적으로 촉매 잉크의 형태로 PEM 또는 FTL에 적용된다. 촉매 잉크는 전형적으로 PEM를 포함하는 중합체 전해질 물질과 동일하거나 동일하지 않을 수 있는 중합체 전해질 물질을 포함한다.
촉매 잉크는 전형적으로 중합체 전해질의 분산액 내의 촉매 입자의 분산액을 포함한다. 잉크는 전형적으로 5 내지 30% 고체(즉, 중합체 및 촉매), 더욱 전형적으로는 10 내지 20% 고체를 포함한다. 전해질 분산액은 전형적으로, 알코올, 폴리알코올, 예컨대 글리세린 및 에틸렌 글리콜, 또는 기타 용매, 예컨대 N-메틸피롤리돈(NMP) 및 디메틸포름아미드(DMF)를 부가적으로 함유할 수 있는 수성 분산액이다. 물, 알코올 및 폴리알코올 함량은 잉크의 유변학적 성질을 변경시키기 위해 조정될 수 있다. 잉크는 전형적으로 0 내지 50% 알코올 및 0 내지 20% 폴리알코올을 함유한다. 부가적으로, 잉크는 0 내지 2%의 적당한 분산제를 함유할 수 있다. 잉크는 전형적으로 열 교반 후, 코팅가능한 컨시스턴시가 되도록 희석함으로써 제조된다.
촉매는 손 브러싱, 노치 바 코팅, 유체 베어링 다이 코팅, 권선 로드 코팅, 유체 베어링 코팅, 슬롯-공급 나이프 코팅, 3롤 코팅 또는 미세 전사(decal transfer)를 비롯한, 손 및 기계 방법을 포함하는 임의의 적당한 수단에 의해 PEM 또는 FTL에 적용될 수 있다. 코팅은 1 적용 또는 다중 적용으로 달성될 수 있다.
직접 메탄올 연료 전지(DMFC)는, 그것이 전해질로서 중합체 막을 사용한다는 점에서 PEM 전지와 유사하다. 그러나, DMFC에서 음극 촉매 자체는 액체 메탄올 연료로부터 수소를 끌어당김으로써, 연료 개질기의 필요를 없앤다. DMFC는 전형적으로 120 내지 190℉/49 내지 88℃의 온도에서 작동한다. 한 직접 메탄올 연료 전지는 본 발명의 원칙에 따라 UCA 포장에 적용될 수 있다.
이제 도 1b와 관련하여, PEM 연료 전지 기술에 따라 이행되는 UCA의 한 실시양태가 설명된다. 도 1b에 나와 있는 바와 같이, UCA(20)의 막 전극 조립체(MEA)(25)는 5개 성분 층들을 포함한다. PEM 층(22)은 예를 들어 확산 집전기(DCC) 또는 기체확산층(GDL)과 같은 한 쌍의 유체 수송 층(24) 및 (26) 사이에 끼워진다. 음극(30)은 제1 FTL(24)과 막(22) 사이에 위치하고, 양극(32)은 막(22)과 제2 FTL(26) 사이에 위치한다.
한 구성형태에서, PEM 층(22)은 한 표면 상에 음극 촉매 코팅물(30)을 포함하고, 다른 표면 상에 양극 촉매 코팅물(32)를 포함하도록 제작된다. 이 구조체는 종종 촉매-코팅 막 또는 CCM으로 일컬어진다. 다른 한 구성형태에 따라, 제1 및 제2 FTL(24), (26)은 각기 음극 및 양극 촉매 코팅물(30), (32)를 포함하도록 제작된다. 다른 한 구성형태에서, 음극 촉매 코팅물(30)은 부분적으로 제1 FTL(24) 상에, 또한 부분적으로 PEM(22)의 한 면 상에 배치될 수 있고, 양극 촉매 코팅물(32)은 부분적으로 제2 FTL(26) 상에, 또한 부분적으로 PEM(22)의 다른 한 면 상에 배치될 수 있다.
FTL(24), (26)은 전형적으로 탄소 섬유지 또는 부직조 물질 또는 직조포로부터 제작된다. 제품 구성에 따라, FTL(24), (26)은 한 면에 탄소 입자 코팅물을 가질 수 있다. 상기 논의된 바와 같은 FTL(24), (26)은 촉매 코팅물을 포함하거나 배제하도록 제작될 수 있다.
도 1b에 나와 있는 특별한 실시양태에서, MEA(25)는 제1 가장자리 밀봉 시스템(34)과 제2 가장자리 밀봉 시스템(36) 사이에 끼워진 것으로 나타내어진다. 유로판(flow field plate)(40) 및 (42)는 각기 제1 및 제2 가장자리 밀봉 시스템(34) 및 (36)에 인접한다. 유로판(40) 및 (42)의 각각은 수소 및 산소 공급 연료가 통과하는 포트, 및 기체 흐름 채널(43)의 필드를 포함한다. 도 1b에 나타낸 구성형태에서, 유로판(40) 및 (42)는 단극성 유로판으로서의 구성형태를 가지고, 여기에서 단일 MEA(25)는 그것들 사이에 끼워진다. 이 실시양태 및 다른 실시양태에서의 유로는 공동 계류 중인 특허출원 09/954,601(2001년 9월 17일 출원)에 개시된 바와 같이 낮은 측면 플럭스 유로일 수 있다.
가장자리 밀봉 시스템(34), (36)은, 각종 유체(기체/액체) 수송 및 반응 영역을 상호 오염 및 UCA(20)로부터의 부적절한 배출로부터 막기 위해 UCA 포장 내에서 필요한 밀봉을 제공하고, 유로판(40), (42) 사이에 전기적 단리 및 하드 스톱(hard stop) 압착 조절을 추가로 제공할 수 있다. 본원에 사용되는 용어 "하드 스톱"은 일반적으로 작동 압력 및 온도 하에서 두께가 상당히 변화하지 않는, 거의 비압축성이거나 실질적으로 비압축성인 물질을 가리킨다. 보다 구체적으로, 용어 "하드 스톱"은 고정된 두께 또는 응력에서 막 전극 조립체(MEA)의 압착을 중단하는 MEA 내의 실질적으로 비압축성인 부재 또는 층을 가리킨다. 본원에 칭해지는 "하드 스톱"은 이온 전도 막 층, 촉매 층 또는 기체확산층을 의미하고자 함은 아니다.
한 구성형태에서, 가장자리 밀봉 시스템(34) 및 (36)은 탄성 물질로부터 형성된 개스킷 시스템을 포함한다. 이하 기술되는 바와 같은 다른 구성형태들에서, 각종 선택된 물질들의 1개, 2개 이상의 층을 이용하여, UCA(20) 내에 필요 밀봉을 제공할 수 있다. 다른 구성형태들은 인-시츄 형성된 밀봉 시스템을 이용한다.
도 1c는 하나 이상의 양극성 유로판(56)의 이용을 통해 다중 MEA(25)가 혼입된 UCA(50)을 도시한다. 도1c에 나와 있는 구성형태에서, UCA(50)에는 2개의 MEA(25a) 및 (25b) 및 단일 양극성 유로판(56)이 혼입되어 있다. MEA(25a)는 FTL(66a) 및 (64a) 사이에 끼워진 양극(62a)/막(61a)/음극(60a) 층상 구조를 포함한다. FTL(66a)는 단극성 유로판으로서의 구성형태를 가진 유로 종판(52)에 인접하여 위치한다. FTL(64a)는 양극성 유로판(56)의 제1 유로 표면(56a)에 인접하여 위치한다.
유사하게, MEA(25b)는 FTL(66b) 및 (64b) 사이에 끼워진 양극(62b)/막(61b)/음극(60b) 층상 구조를 포함한다. FTL(64b)는 단극성 유로판으로서의 구성형태를 가진 유로 종판(54)에 인접하여 위치한다. FTL(66b)는 양극성 유로판(56)의 제2 유로 표면(56b)에 인접하여 위치한다. N개의 MEA(25) 및 N-1개 양극성 유로판(56)이 단일 UCA(50)에 혼입될 수 있음을 인식할 것이다. 그러나, 일반적으로 1개 또는 2개의 MEA(56)(N=1, 양극성 판=0 또는 N=2, 양극성 판=1)이 혼입된 UCA(50)이 보다 효율적인 열 관리를 위해 바람직한 것으로 판단된다.
도 1b 및 1c에 나와 있는 UCA 구성형태는 본 발명의 범주에서 사용하기 위해 이행될 수 있는 2가지 특별한 배열을 나타낸다. 이 2가지 배열은 단지 설명적 목적으로 제공된 것으로, 본 발명의 영역 내에 포함되는 모든 가능한 구성형태들을 나타내고자 함은 아니다. 오히려, 도 1b 및 1c는 본 발명의 원칙에 따라 포장되는 단위화된 연료 전지 조립체에 선택적으로 혼입될 수 있는 각종 성분들을 도시하기 위한 것이다.
추가적 예로서, 다양한 밀봉 방법들은 한 쌍의 한 쌍의 단극성 유로판 사이에 배치된 단일 MEA를 포함하는 UCA의 필요 밀봉을 제공하기 위해 이용될 수 있고, 또한 다중 MEA, 한 쌍의 단극성 유로판 및 하나 이상의 양극성 유로판을 포함하는 UCA를 밀봉하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 단극성 또는 양극성 구조를 갖는 UCA는 인-시츄 형성된 고체 개스킷, 예컨대 평평한 고체 실리콘 개스킷이 혼입되도록 하는 구성형태를 가질 수 있다.
특별한 실시양태들에서, UCA는 밀봉 개스킷을 포함하는 것에 부가하여, 하드 스톱 배열을 혼입할 수 있다. 하드 스톱(들)은 UCA에 내장되거나, 그 내부에 배치되거나, 단극성 및(또는) 양극성 유로판에 일체화될 수 있다. 유로판 상에 제공된 마이크로 복제 패턴 및 과잉 개스킷 물질 트랩 채널과 같은, 다른 특성들이 UCA에 혼입될 수 있다. 하드 스톱을 UCA 포장에 혼입시키는 것은, 유리하게도 제작 중에 에 MEA에 인가되는 압축력(예컨대, 프레스 힘), 또한 사용 중에 MEA에 인가되는 압축력(예컨대, 외부 스택 압력 시스템)의 양을 제한한다. 예를 들어, UCA 하드 스톱의 높이는 UCA 구성 중에 MEA 압축의 특정량, 예컨대 30%를 제공하도록 계산될 수 있으며, 그러한 압축은 하드 스톱에 의해 특정량으로 제한된다. 하드 스톱을 유로판에 혼입시키는 것은 또한 2개 유로판에 대한 정합 보조기로서 작용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 연료 전지 조립체는 특정 UCA 구성형태에 제한되지 않는다.
도 2는 연료 전지 스택(215)을 형성하도록 배열된 다중 UCA(210)를 포함하는 연료 전지 조립체(200)를 도시한다. 이 이행에 따라, UCA(210)의 스택(215)은 연료 전지 스택(215)의 반대 끝에 배치된 종판(222), (224), 및 종판(222), (224)을 연결하는 로드(226)를 포함하는 압축 장치(220)를 이용하여 압축된다. 압축 장치(220)는 하기 기술되는 본 발명의 실시양태들에 따라, 다중 영역 압축 메카니즘 및(또는) 다중 기능 종판 조립체를 포함할 수 있다. 종판(222), (224)은 이하 기술되는 추가 실시양태들에 따라 다중 물질들로 형성될 수 있다.
통상적 연료 전지 시스템 설계에서, 종판의 주요 목적은, 특정 포장 배열에서 UCA를 물리적으로 포함하기 위한 수단을 제공하고, 스택 내의 UCA의 기계적 압축을 제공하는 것이다. 통상적 종판은 전형적으로, 주로 강도로 인해 선택되는 도전성 금속으로 제조되었다. 그러나, 금속성 종판의 열 및 전기 성질은 바람직하지 못한 효과들을 생성시킬 수 있다. 예를 들어, 금속성 종판은 연료 전지 스택에 걸친 열 구배를 생성시킬 수 있고(있거나) 연료 전지 조립체의 성분들 간의 전기 단회로를 초래할 수 있다. 부가적 전기 및(또는) 열 절연 부품은 이러한 효과들을 피하거나 감소시키기 위해 필요할 수 있다.
스택으로부터의 집전은 바람직하게 압축 장치의 종판 및(또는) 기타 성분을 통해 결손으로 인한 손실없이 달성된다. 또한, 효과적인 작동을 위해, 집전 성분 및 연료 전지 기체 및 냉각제 간에 밀봉재가 유지되어야 한다. 한 전형적인 스택 설계에서, 집전 성분은 종판 및 활성 전지 사이에 배치된다. 이에 따라, 금속성 종판으로부터 집전 성분을 전기 절연시키고, 기체 및 냉각제로부터 집전 성분을 밀봉하는 것은 도전 문제를 제시한다.
본 발명의 실시양태들은 연료 전지 스택으로부터의 집전을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 도 3a는 한 실시양태에 따른 집전 시스템(300)의 한 실시양태의 측면을 도시한다. 복수개의 UCA(340)은 소정의 적층 방향(350)으로 적층되어, 연료 전지 스택(330)을 형성한다. 집전 시스템(300)은 연료 전지 스택(330)을 압축하기 위한, 부가적 압축 장치 성분, 예컨대, 타이 로드 또는 기타 연결 부재와 함께 사용될 수 있는 종판(310)을 포함한다.
한 바람직한 실시양태에서, 종판(310)은 전기 및 열 절연 물질, 예컨대 G-11 유리포 및 에폭시 수지(애큐리트 플라스틱스 인코포레이티드(Accurate Plastics, Inc.; 미국 뉴욕주 용커스 소재))로 형성된다. 그러한 물질의 사용은 종판의 과도한 변형없이 적당한 압축을 위한 강도를 제공하고, 또한 비교적 조밀한 종판 구성형태를 허용한다. G-11 유리/에폭시, 또는 유사 성질을 갖는 물질을 사용할 경우, 예를 들어 약 57,000 psi의 굴곡 강도, 및 약 2.5×106의 탄성률을 갖는 종판이 형성될 수 있다
이 실시양태에 따른 종판(310)은 전압 급락 및 동력 손실의 우려 없이, 연료 전지 활성 영역과 종판 물질의 직접적 접촉을 허용하는 연료 전지 스택(330)으로부터의 전기 절연을 제공한다. 예를 들어, 종판 물질의 체적 저항율은 약 5×106 메가옴×cm일 수 있고, 표면 저항율은 약 1.5×106 메가옴/제곱일 수 있다.
또한, G-11 또는 유사 물질의 사용은 양호한 열 절연체인 종판(310)을 생성시킨다. 열 전도성 종판, 예컨대, 금속성 종판은 중앙 UCA와 스택 끝에 있는 UCA 사이에 상당한 온도 구배를 생성시킬 수 있다. 본 발명의 실시양태들에 따른 열 절연 종판(310)은 연료 전지 스택(330)에 걸친 열 구배를 감소시키고, 종판(310) 및 양극성 판 사이의 직접적 접촉을 허용한다. 열 절연 종판 물질의 사용을 통해 스택에 걸친 열 구배를 감소시키는 것은 연료 전지 시스템 작동을 향상시키고, 연료 전지 시스템의 비용을 감소시킨다.
집전 시스템(300)은, 종판(310)을 통과하고, 스택(330)의 끝에 위치하고 종판(310)에 인접한 UCA(340)에 전기적으로 결합하는, 도 3a에 볼트로서 도시된, 집전기(320)를 추가로 포함한다. 한 실시양태에서, 집전기(320)는 적층 방향(350)에 대해 실질적으로 수직으로 배향된다.
집전기(320)가 도 3a에서 단일 볼트로 도시되어 있으나, 다른 집전기 구성형태들도 가능하고, 이 또한 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 간주된다. 예를 들어, 집전기(320)는 전기적으로 비도전성인 종판(310)을 통해 확장하는 하나 또는 복수개의 볼트, 핀, 로드 또는 기타 구조체로서 이행될 수 있다.
도 3b은 집전 시스템(300)의 동크기의 도면을 나타낸다. 종판(310)은, 압축 장치의 연결 로드가 연료 전지 스택의 압축을 행하기 위해 삽입되도록 하는 수많은 홀(360)을 포함할 수 있다. 종판(310)은 기체 피팅을 수용하도록 적합화된 하나 이상의 홀(365)을 추가로 포함할 수 있다. 집전기(320)는 종판(310)의 중앙 영역에 위치할 수 있거나, 연료 전지 스택으로부터 효과적으로 집전하는 임의의 위치에 위치할 수 있다.
도 4a 및 4b는 각기, 본 발명의 한 실시양태에 따른 집전 시스템(400)의 측면 및 동크기 도면을 나타낸다. 시스템(400)은 상기 도 3a 및 3b와 연관하여 기재된 바와 같은 전기 및 열 절연 물질로 형성된 종판(410)을 포함한다.
도 4a 및 4b에서 볼트로서 도시된 집전기(420)는 종판(410)을 통해 확장한다. 종판(410)은 연료 전지 스택(430)을 압축하기 위한 부가적 압축 메카니즘, 예컨대, 타이 로드 또는 기타 연결 부재와 함께 사용될 수 있다. 하나 이상의 부가적 집전판(480)은 마지막 유로판(490) 및 종판(410) 사이에 위치하여, 하기 기재된 바와 같은 집전을 증진시킬 수 있다. 밀봉재(470)는 마지막 유로판(490) 및 종판(410) 사이에 위치하여, 마지막 유로판(490)과 종판(410)의 인터페이스에 기체 및 냉각제의 누출을 막을 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택(430)의 마지막 유로판(490)은 집전판(480)을 수용하기 위한 리세스가 있는 포켓(491)을 포함할 수 있다. 집전판(480)은 예를 들어, 구리와 같은 금속성 물질로 형성될 수 있다. 스택(430) 내의 활성 전지로부터의 전류는(도 4a) 마지막 유로판(490)을 통과하여 집전판(480)으로 간다. 전류는 도 4a 및 4b에서 볼트로 도시된 집전기(420)를 통해 집전판(480)으로부터 제거된다. 집전 볼트(420)는 종판(410)을 통과하여, 집전판(480)과 접촉한다. 종판 물질의 높은 저항율은 종판(410)에서의 과도한 전류 손실을 막는다. 집전기 볼트(420)의 헤드에 구멍을 뚫어, 고전류 단말(422)을 고정하는데 사용될 수 있는 볼트(424), 예컨대 표준 ¼-20 볼트를 수용하도록 될 수 있다.
도 4c-4e은 연료 전지 스택으로부터의 집전을 촉진하기 위한 종판 조립체의 부가적 실시양태들을 도시한다. 도 4c-4e는 집전판(480)(도 4a 및 4b)을 수용하기 위한 리세스(493)이 혼입된 종판을 도시한다.
전술된 바와 같이, 집전판은 구리 또는 기타 금속성 물질로 형성될 수 있다. 도 4c-e에 도시된 바와 같이, 종판(410) 내의 리세스(493)는 집전판을 수용하여, 집전판의 표면이 연료 전지 스택의 끝에서 연료 전지의 표면과 평면으로 이어지도록 하는 구성형태를 가진다.
종판(410)은 예를 들어, 수많은 매니폴드 포트(495)를 포함할 수 있다. 매니폴드 포트(495)는 원형 피팅을 수용하기 위해 종판(410)의 외면(412)(도 4e) 또는 측부(413)(도 4c)에 실질적으로 원형인 모양을 가질 수 있다. 매니폴드 포트(495)는 종판(410)의 내측(411)(도 4c 및 4d)에 비원형 모양을 가져, 유로판(비도시)의 비원형 매니폴드 포트와의 상용성을 제공할 수 있다.
종판(410)은 또한 압축 장치의 연결 로드를 수용하도록 하는 구성형태를 가지는 수많은 홀(465)을 포함할 수도 있다. 부가적으로, 종판(410)은 중앙 위치 홀(466), 예컨대 상기된 바와 같은 집전기 볼트를 수용하도록 하는 구성형태를 가지는 나사식 홀을 포함할 수 있다. 밀봉재는 종판(410)에 인접하게, 예를 들어 종판(410)에 형성된 그루브(471) 또는 기타 적당한 특성에 위치할 수 있다. 밀봉재는 연료 전지 스택의 제1 연료 전지 및 종판(410)의 인터페이스에서 기체 및 냉각제가 누출하는 것을 막는다.
도 4c의 종판(410)는 종판(410)의 하나 이상의 측부(413)에 원형 기체 및(또는) 냉각제 포트(495)를 포함한다. 도 4d-4e는 집전판을 위한 리세스(493)를 포함하는 종판(410)의 전면도 및 후면도를 도시한다. 도 4d-4e의 종판(410)은 종판(410)의 외면(412)에 원형 기체 및(또는) 입구 포트(495)를 포함한다.
전술된 바와 같이, 연료 전지 스택은 압축 장치에 의해 압축되어, 기체 및 냉각제 매니폴드를 밀봉한다. 도 2에 도시된 바와 같은 연료 전지 스택(215)은, 연결 로드(226), 또는 종판(222), (224)에 통과하고(하거나) 그것에 기계적으로 결합되는 기타 연결 성분을 이용하는 압축 장치(220)를 이용하여 압축될 수 있다. 일반적으로, 연결 장치, 예컨대, 연결 로드(226)를 연료 전지 스택 내의 UCA의 활성 영역에 통과시키는 것은 바람직하지 않다. 그러한 구성형태는 부가적 밀봉 요건 및 기타 복잡화를 제시한다.
스택(215)의 활성 영역을 통과하는 연결 장치를 피하기 위해, 압축 하드웨어, 예컨대, 연결 로드(226)를, 종판(222), (224)의 주변 영역에 이동시킴으로써, UCA(210)의 활성 영역을 피할 수 있다. 그러나, 압축 하드웨어가 활성 영역을 지난 주변부에 위치할 때, 양극성 판에 걸쳐 균일하게 힘을 분배시키는 것이 더욱 어려워진다. 이 상황에서, 종판(222), (224)의 바깥 가장자리는 휘거나 안으로 들어올 수 있고, 한편 판의 중앙은 반대 방향으로 바깥으로 굽어질 수 있다. 이는 UCA(210)의 바깥 가장자리에 양호한 압력을 생성시키나, 중앙에는 부적당한 압력이 있을 수 있다. 종판의 두께를 증가시켜 굽힘을 피할 수 있으나, 이 제약은 종판을 바람직하지 못하게도 두껍고(거나), 무겁고(거나), 비싸게 만들 수 있다.
본 발명의 실시양태들에 따라, 다중 영역 압축 조립체는 연료 전지 스택의 다중 영역을 우선적으로 압축하기 위해 이행될 수 있다. 각종 실시양태들에서, 이중 영역 압축 조립체는 연료 전지 스택의 분리된 영역을 우선적으로 압축하기 위해 이용되는 제1 및 제2 압축 메커니즘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 압축 메커니즘은 연료 전지 스택(510)의 주변 영역(520)에 힘 Fp1, Fp2, Fp3, Fp4을 발휘하기 위해 사용될 수 있다. 제2 압축 메커니즘은 스택(510)의 중앙 영역(530)에 힘 Fc을 발휘하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 이중 영역 압축 시스템은 연료 전지 스택의 내부 매니폴딩의 주변 밀봉 영역을 포함하는 제1 구역의 기계적 압축을 우선적으로 제공하는 제1 압축 메커니즘을 포함할 수 있다. 분리되고 독립적으로 활성화가능한 압축 메커니즘은, 중앙 위치 활성 영역을 포함하는 제2 구역의 기계적 압축을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
도 6에 도시된 한 이행에서, 제1 압축 메커니즘은 연료 전지 조립체의 종판(610) 중 하나 또는 양자 모두의 주변 영역에 홀을 통해 삽입된 나사식 타이 로드와 같은 수많은 연결 로드(615)를 포함한다. 나사식 연결 로드(615) 상에 배치된 너트(617)를 이용하여, 연료 전지 스택(도 6에 도시되지 않음)의 주변 가장자리를 우선적으로 압축하기 위한 힘을 종판(610)의 가장자리에 생성시킬 수 있다.
종판(610)을 통해 삽입된 볼트(620) 또는 기타 구조를 이용하여 제2 압축 메커니즘이 이행될 수 있다. 볼트(620)를 조여, 연료 전지 스택의 중앙 영역을 우선적으로 압축하는 힘을 생성시킬 수 있다. 볼트(620)를 부가적으로, 전술된 바와 같이 연료 전지 스택으로부터 집전하기 위해 사용될 수 있다. 종판(610)은 비도전성 물질로 형성될 수 있다. 연료 전지 조립체는 전술된 바와 같이, 마지막 유로판(690), 집전판(680) 및 밀봉재(670)를 부가적으로 포함한다.
도 7에 도시된 종판(700)은 본 발명의 각종 실시양태들에 따라 집전 및(또는) 다중 영역 압축을 위한 구성형태를 가지는 종판 조립체에 사용될 수 있다. 이 예에서, 종판(700)은 2가지 물질로 형성된다. 제1 물질, 예컨대 금속성 물질은, 종판 프레임(715)을 형성하기 위해 사용된다. 제2 물질, 예컨대 플라스틱은 적어도 부분적으로 프레임을 커버하고(하거나) 프레임 부재 내에 배치된다.
프레임(715)은 종판(700)에 압축 하중을 가지는 것을 촉진하는 모양의 비교적 고탄성율인 물질로 형성될 수 있다. 도 7a 및 7b에 도시된 이행들에서, 프레임(715)은 중앙 영역에서 확장하는 방사상의 프레임 부재(750)를 갖는 별모양의 구조이다. 도 7b에 나와 있는 종판은 방사상의 프레임 부재(750) 사이에서 확장하는 하나 이상의 웹 부재(760)를 포함한다. 다른 프레임 모양들도 또한 가능하다. 프레임(715)은 금속성 물질, 예컨대 알루미늄, 강, 또는 기타 금속성 또는 비금속성 물질로 될 수 있다. 금속성 프레임은 예를 들어, 플라스틱만으로 된 프레임 또는 종판과 비교 시에 크리프에 영향을 덜 받는다. 또한, 플라스틱에 대한 크리프 데이터가 제한되기 때문에, 금속 프레임의 크리프는 더욱 예측가능하다.
프레임(715)은 다이-주형, 샌드 주형, 단조 또는 스탬프를 포함한 수가지 방법들로 형성될 수 있다. 프레임(715)의 중앙 영역 내의 나사식 홀(730)이 상기된 바와 같이 프레임(715)으로부터 확장하는 집전기/압축 볼트에 제공될 수 있다. 나사식 홀(730)은 예를 들어, 주형, 기계가공 또는 삽입될 수 있다.
종판(700)은 또한 압축 장치의 연결 로드가 종판(700)을 통해 확장하도록 하는 수많은 홀(740)을 포함할 수 있다. 프레임(715)을 통해 압축 하중을 삽입하는 것은 압축 하중이 프레임(715)으로 직접 전달되도록 한다. 홀(740), (730)은 집전기 볼트와의 전기적 연결을 막기 위해 전기적으로 절연될 수 있다.
프레임 물질에 비해 보다 낮은 탄성율을 갖는 물질로 형성된 제2 구조(720)는 프레임(715)의 부분을 커버하기 위해 사용될 수 있다. 제2 물질은 예를 들어, 성형가능한 열가소성 또는 열경화성 물질일 수 있다. 프레임(715)은 제2 물질에 삽입 성형될 수 있다. 제2 물질은, 금속성 프레임(715)을 위한 비전도성 외부 커버재를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 플라스틱에 삽입된 금속 프레임을 포함하는 다중 물질 종판(700)은 통상적 종판보다 중량 및(또는) 크기를 감소시키는 것에 부가하여, 열 및 전기 절연을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시양태는 다중 영역 압축을 행하기 위한 이중 종판 조립체를 포함한다. 그러한 압축 장치는, 계속해서 주변 부위에 충분한 압축을 제공하여, 내부 매니폴드 주위에 실질적으로 누출 방지성인 밀봉재를 생성시키면서, 연료 전지 스택의 활성 영역에 압축력을 인가하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 실시양태들에 따른 이중 종판 압축 조립체(800)가 도 8a 내지 8d에 나와 있다. 제1 및 제2 종판(810), (820)는 연료 전지 스택(830)의 각 끝에 위치한다(도 8d). 한 세트의 연결 로드(815)(도 8a)가 제1 종판(810)을 통과한다. 제2 세트의 연결 로드(825)가 제1 및 제2 종판(810), (820) 모두를 통과한다. 이 예에서, 제1 종판(810)은 도 8c에 도시된 판(810), (820)의 말단도에서 최적으로 보여지는 바와 같이, 연료 전지 스택(830)에 대해 사각형으로 위치한다. 제2 판(820)은 제1 종판(810)에서 약 45도 회전된다.
연료 전지 스택(830)의 활성 영역의 우선적 압축을 촉진하기 위해, 제2 종판(820) 중 하나 또는 양자 모두는 판(820)의 중앙 영역에 융기 부분(850)을 가질 수 있다. 도 8b는 융기 부분(850)을 가지는 제2 종판(820)의 내면을 도시한다. 융기 부분(850)은 예를 들어, UCA의 활성 영역의 상대적 위치 주변의 위치에 상응할 수 있다. 제2 종판(820)은 상승된 영역(850)(도 8b)이 제1 종판(810)에 인접하게 위치하도록 배열될 수 있다. 제2 판(820)의 너트(827)(도 8a 및 8c)가 조여질 때, 융기 부분(850)은 제1 종판(810)의 중심에 힘을 생성시킨다. 힘은 제1 판(810)의 너트(817)가 조여질 때 정상적으로 일어나는 뒤틀림에 대향한다.
판은 끝 로드(815), (825), 및 상응하는 너트(817), (827)의 두 그룹에 의해 독립적으로 당겨진다. 너트(817), (827)는, 예를 들어 제2 판(820)에 대해서는 너트(827)로 출발한 후, 제1 판(810)에 대해서는 너트(817)에 의해 균일하게 회전될 수 있다. 제2 판(820)이 중앙에 돌출 영역(850)을 가지는 경우, 너트(827)의 조임은 제1 판(810)의 바깥 가장자리에 최소의 힘을 생성시키도록 보정될 수 있다.
제2 판(820)의 기능은 연료 전지 스택(830)(도 8d)에서 떨어져, 바깥으로 굽는 제1 판(810)의 뒤틀림을 감소시킴으로써, 연료 전지의 활성 영역에 걸쳐 균일한 압력을 제공함에 있어 제1 판(810)을 보조하는 것을 포함한다. 너트(827)가 제2 판(820) 상에 조여질 때, 제1 판(810)의 중앙에 압력이 인가된다. 너트(817)가 제1 판(810) 상에 조여질 때, 제1 판(810)의 바깥 주변에 압력이 인가되며, 이로써 내부 매니폴드 밀봉재, 및 연료 전지의 활성 영역에 인가되는 밀봉력을 조절한다. 이 절차는 압축력의 균일한 분포를 증진시킨다. 제2 판(820)의 뒤틀림은 연료 전지의 전체 성질을 저해하지 않는다. 제1 및 제2 판(810), (820)의 두께는 연료 전지의 크기 및 작동 조건, 예컨대 밀봉 등에 필요한 압력 등에 의해 결정될 수 있다.
이중 종판 조립체는 연료 전지 스택의 활성 영역의 압축을 증진시키기 위해 배열된 연료 전지 스택의 중앙에 부가적인 힘을 발휘함으로써 종판 뒤틀림을 보상할 수 있다. 도 8a-8d와 연관하여 기재된 실시양태는, UCA의 활성 영역을 통해 있는 홀 필요없이, 연료 전지 스택의 주변 및 중앙 영역의 압축을 제공한다. 이 실시양태에 기재된 이중 종판 조립체는, 종판 두께를 감소시키고, 이로써 중량 및 물질 비용을 감소시키기 위해, 사용될 수 있다.
도 9는 동력원으로서의 연료 전지의 작동의 이해를 돕기 위한 단순화된 연료 전지 시스템을 나타낸다. 상기 집전 시스템 및(또는) 종판 조립체들 중 임의의 것이 도 9에 일반적으로 나타내어진 유형의 시스템에 이용될 수 있는 것으로 이해된다. 도 9에 나와 있는 스택의 특별한 성분 및 구성형태는 단지 설명적 목적을 위해 제공된다.
도 9에 나와 있는 연료 전지 시스템(900)은 상기 논의된 실시양태들에 따르도록 하는 구성형태를 가지고, 연료 전지 스택의 각 끝에 배치된 제1 및 제2 종판 조립체를 포함한다. 예를 들어, 한 이행에서, 종판 조립체는 종판(902), (904), 집전/압축 볼트(912), (914), 밀봉재(922), (924), 및 집전판(942), (944)을 포함할 수 있다. 연료 전지 스택은 종판(902), (904)에 인접하게 배치된 단극성 유로판으로서의 구성형태를 가진 유로판(932), (934)를 포함한다. 수많은 MEA(960) 및 양극성 유로판(970)이 제1 및 제2 종판(902), (904) 사이에 위치한다. 이 MEA 및 유로 성분은 바람직하게 상기 유형의 것이다.
종판(902), (904)을 통해 있는 연결 로드(980)는, 연결 로드 너트(985)가 조여질 때, 연료 전지 스택의 주변 영역을 우선적으로 압축하기 위해 사용될 수 있다. 연료 전지 스택의 중앙 영역은 집전/압축 볼트(912), (914)를 조임으로써 우선적으로 압축될 수 있다. 집전/압축 볼트(912), (914)는 또한 연료 전지 스택으로부터 집전하기 위해 사용될 수 있다. 연료 전지 스택으로부터 수집된 전류는 하중(990)에 동력 공급하기 위해 사용된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(900)은, 예를 들어, 산소를 수용할 수 있는 제1 연료 입구 포트(906), 및 예를 들어 수소를 방출할 수 있는 제2 연료 출구 포트(908)를 포함하는 제1 종판(902)을 포함한다. 제2 종판(904)는 예를 들어, 산소를 방출할 수 있는 제1 연료 출구 포트(909), 및 예를 들어, 산소를 수용할 수 있는 제2 연료 입구 포트(910)를 포함한다. 연료는 종판(902), (904)에 제공된 각종 포트(906), (908), (909), (910), 및 스택의 MEA(960) 및 유로판(970)(예컨대, UCA)의 각각에 제공된 매니폴드 포트를 통해 특정화된 방식으로 스택을 통과한다.
도 10-13은 본원에 기재된 연료 전지 조립체를 혼입하고 동력 발생을 위해 연료 전지 스택을 사용할 수 있는 각종 연료 전지 시스템들을 도시한다. 도 10에 나와 있는 연료 전지 시스템(1000)은 본원의 실시양태들에 의해 설명된 연료 전지 조립체가 이용될 수 있는 많은 가능한 시스템들 중 하나를 나타낸다.
연료 전지 시스템(1000)은 연료 처리기(1004), 동력부(1006) 및 동력 조정기(1008)를 포함한다. 연료 개질기를 포함하는 연료 처리기(1004)는 소스 연료, 예컨대 천연 기체를 수용하고, 그 소스 원료를 가공하여, 수소 풍부 연료를 생성시킨다. 수소 풍부 연료는 동력부(1006)에 공급된다. 동력부(1006) 내에서, 수소 풍부 연료는 동력부(906)에 포함된 연료 전지 스택(들)의 UCA의 스택에 도입된다. 공기 공급장치가 또한 동력부(1006)에 제공되며, 이는 연료 전지의 스택(들)을 위한 산소원을 제공한다.
동력부(1006)의 연료 전지 스택(들)은 DC 동력, 사용가능한 열, 및 깨끗한 물을 생성시킨다. 재생 시스템에서, 부산물 열 중 일부 또는 전부를 사용하여 스팀을 생성시킬 수 있고, 이 스팀은 다시 연료 처리기(1004)에 의해 사용되어 각종 가공 기능들을 수행할 수 있다. 동력부(1006)에 의해 생성된 DC 동력은 동력 조정기(1008)에 전달되고, 이는 DC 동력을 후속 사용을 위한 AC 동력으로 전환시킨다. AC 동력 전환은 DC 출력 동력을 제공하는 시스템에 포함될 필요는 없는 것으로 이해된다.
도 11은 연료 공급장치(1105), 연료 전지 동력부(1106) 및 동력 조정기(1108)를 포함하는 연료 전지 동력 공급장치(1100)을 도시한다. 연료 공급장치(1105)는 연료 전지 동력부(1106)에 공급되는 수소 연료를 포함하는 저장소를 포함한다. 동력부(1106) 내에서, 수소 연료는 공기 또는 산소와 함께 동력부(1106) 내에 포함된 연료 전지 스택(들)의 UCA에 도입된다.
연료 전지 동력 공급 시스템(1100)의 동력부(1106)는 DC 동력, 사용가능한 열 및 깨끗한 물을 생성시킨다. 동력부(1106)에 의해 생성된 DC 동력은 동력 조정기(1108)에 전달될 수 있고, 원할 경우 AC 동력으로 전환된다. 도 11에 도시된 연료 전지 동력 공급 시스템(1100)은 예를 들어, 정지 또는 휴대용 AC 또는 DC 동력 발생기로서 이행될 수 있다.
도 12에 도시된 이행에서, 연료 전지 시스템은 연료 전지 동력 공급장치에 의해 발생된 동력을 이용하여, 컴퓨터를 조작하기 위한 동력을 제공한다. 도 11와 관련하여 기술된 바와 같이, 연료 전지 동력 공급 시스템은 연료 공급장치(1205) 및 연료 전지 동력부(1206)를 포함한다. 연료 공급장치(1205)는 연료 전지 동력부(1206)에 수소 연료를 제공한다. 동력부(1206)의 연료 전지 스택(들)은 데스크탑 또는 랩탑 컴퓨터와 같은 컴퓨터(1210)를 조작하기 위해 사용되는 동력을 생성시킨다.
도 13에 도시된 다른 한 이행에서, 연료 전지 동력 공급장치로부터의 동력은 자동차(1310)를 작동시키기 위해 사용된다. 이 구성형태에서, 연료 공급장치(1305)는 연료 전지 동력부(1306)에 수소 연료를 제공한다. 동력부(1306)의 연료 전지 스택(들)은 자동차(1310)의 구동 메커니즘에 결합된 모터(1308)를 작동시키기 위해 사용되는 동력을 생성시킨다.
본 발명의 각종 실시양태들의 상기 기술은 설명하고 기술하기 위한 목적을 위해 제시되었다. 전부를 나타내거나, 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하고자 함은 아니다. 상기 교시 내용의 견지에서 많은 변형들 및 변화들이 가능하다. 본 발명의 범주는 이 [발명의 상세한 설명]에 의해 제한되지 않고, 오히려 첨부된 특허청구범위에 의해 제한되도록 하기 위한 것이다.

Claims (10)

  1. 소정의 적층 방향으로 적층된 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택; 및
    종판; 및
    종판을 통과하고, 연료 전지 스택에 전기적으로 결합되며, 연료 전지 스택으로부터 집전하도록 하는 구성형태를 가지는 집전기
    를 포함하는, 연료 전지 스택의 한 끝에 배치된 종판 조립체
    를 포함하는 연료 전지 집전 시스템.
  2. 소정의 적층 방향으로 종판 사이에 배열된 연료 전지들의 스택을 제공하기 위한 수단; 및
    종판을 통과하고, 연료 전지 스택에 전기적으로 결합된 집전기를 포함하는, 연료 전지 스택으로부터 집전하기 위한 수단
    을 포함하는 연료 전지 집전 시스템.
  3. 소정의 적층 방향으로 배열된 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택; 및
    연료 전지 스택의 분리된 영역을 우선적으로 압축하도록 하는 구성형태를 각기 가지는 2개 이상의 압축 메커니즘을 포함하는 압축 장치
    를 포함하는 연료 전지 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 압축 장치가
    연료 전지 스택의 상반되는 끝에 각기 배치된 제1 및 제2 외부 압축 판; 및
    제1 및 제2 외부 압축 판 사이에서 확장하는 하나 이상의 외부 연결 부재
    를 포함하고, 연료 전지 스택의 제1 영역의 우선적 압축을 촉진하도록 하는 구성형태를 가지는 제1 압축 메커니즘; 및
    연료 전지 스택의 상반되는 끝에 각기 배치된 제1 및 제2 내부 압축 판; 및
    제1 및 제2 내부 압축 판 사이에서 확장하는 하나 이상의 내부 연결 부재
    를 포함하고, 연료 전지 스택의 제2 영역의 우선적 압축을 촉진하도록 하는 구성형태를 가지는 제2 압축 메커니즘
    을 포함하는 연료 전지 조립체.
  5. 제3항에 있어서, 압축 장치가
    연료 전지 스택의 상반되는 끝에 각기 배치된 제1 및 제2 압축 판; 및
    제1 및 제2 외부 압축 판 사이에서 확장하는 하나 이상의 연결 부재
    를 포함하고, 연료 전지 스택의 주변 영역의 압축을 촉진하도록 하는 구성형태를 가지는 제1 압축 메커니즘; 및
    제1 및 제2 압축 판 중 하나 이상의 실질적으로 중앙인 부분을 통해 확장하고, 연료 전지 스택의 내부 영역을 압축하도록 하는 구성형태를 가지는 제2 압축 메커니즘
    을 포함하는 연료 전지 조립체.
  6. 제1 압축 메커니즘을 이용하여 연료 전지 스택의 제1 영역을 우선적으로 압축하기 위한 수단; 및
    제2 압축 메커니즘을 이용하여 연료 전지 스택의 제2 영역을 우선적으로 압축하기 위한 수단
    을 포함하는, 연료 전지 스택을 압축하기 위한 시스템.
  7. 연료 전지 스택의 밀봉 영역을 우선적으로 압축하기 위한 수단; 및
    연료 전지 스택의 활성 영역을 우선적으로 압축하기 위한 수단
    을 포함하는, 연료 전지 스택을 압축하기 위한 시스템.
  8. 소정의 적층 방향으로 배열된 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택; 및
    연료 전지 스택의 분리된 영역을 우선적으로 압축하도록 하는 구성형태를 가지는 압축 메커니즘을 포함하는 압축 장치(상기 압축 메커니즘은 연료 전지 스택의 제1 영역을 우선적으로 압축하고 연료 전지 스택으로부터 집전하도록 하는 구성형태를 가지는 집전/압축 메커니즘을 포함함)
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  9. 제1 압축 메커니즘을 이용하여 연료 전지 스택의 주변 영역을 우선적으로 압축하기 위한 수단; 및
    제2 압축 메커니즘을 이용하여 연료 전지 스택의 활성 영역을 우선적으로 압축하고 연료 전지 스택으로부터 집전하기 위한 수단
    을 포함하는 연료 전지 조립체.
  10. 프레임; 및
    프레임을 적어도 부분적으로 커버하는 구조 요소
    를 포함하는 연료 전지 종판.
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