KR20080072092A - 연료 전지 및 연료 전지 스택 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 (11) 는 원형 디스크 (36) 를 갖는 세퍼레이터 (28) 를 포함한다. 원형 디스크 (36) 의 한쪽 면 (36a) 에서, 연료 가스 채널 (46) 는 애노드 (24) 로 연료 가스를 공급하도록 제공되고, 원형 디스크 (36) 의 다른 쪽 면 (36b) 에서, 산소 함유 가스 채널 (70) 은 캐소드 (24) 로 산소 함유 가스를 공급하도록 제공된다. 연료 가스 채널 (46) 은 애노드 (24) 의 외주단에서의 엔드 포인트를 갖는다. 연료 가스 배출 채널 (61) 은 연료 가스 채널 (46) 의 엔드 포인트를 접속하여 사용된 연료 가스가 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외주에서 바깥으로 이격된 위치로부터 산소 함유 가스 공급부 (74) 로 방사된다.
연료 전지, 연료 전지 스택, 전해질 전극 어셈블리, 세퍼레이터, 원형 디스크, 캐소드, 애노드

Description

연료 전지 및 연료 전지 스택{FUEL CELL AND FUEL CELL STACK}
기술분야
본 발명은 전해질 전극 어셈블리와 세퍼레이터를 적층하여 형성된 연료 전지에 관한 것이다. 전해질 전극 어셈블리는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드의 사이에 개재된 전해질을 포함한다. 또한, 본 발명은 복수의 연료 전지들을 적층하여 형성된 연료 전지 스택에 관한 것이다.
배경기술
통상, 실 프리 (실리스, sealless) 구조를 갖는 고체 산화물 연료 전지 (Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 는 안정화된 산화 지르코늄과 같은 이온 전도성 고체 산화물로 이루어진 전해질을 이용한다. 이 전해질은 애노드와 캐소드 사이에 개재되어 전해질 전극 어셈블리를 형성한다. 이 전해질 전극 어셈블리는 세퍼레이터들 (바이폴라판들) 간에 개재된다. 사용시, 소정 수의 전해질 전극 어셈블리들과 세퍼레이터들이 함께 적층되어 연료 전지 스택을 형성한다.
이 연료 전지의 동작 온도는 약 800℃ 로 고온이다. 따라서, 사용된 연료 가스 (이하에서 사용되지 않은 반응 가스들을 포함한 오프 가스 (off gas) 라 칭함) 가 연료 전지 스택 주위의 영역에 배기되고 산소 함유 가스와 혼합되어 연소를 유도하는 경우, 연료 전지 스택의 온도는 국소적으로 고온이 된다. 이들 상황하에서, 연료 전지 스택의 동작은 안정하게 수행되지 않을 수 있다. 또한, 연소 중 생성된 수분은 가열된 세퍼레이터와 국소적으로 접촉하여 세퍼레이터의 부식을 야기한다. 이로써, 세퍼레이터의 내구성이 저하된다. 또한, 전해질 전극 어셈블리에서는, 특히, 국소적으로 가열된 애노드가 산화된다. 따라서, 전해질 전극 어셈블리에서 크랙이 발생하여 바람직하지 않게 성능이 열화된다.
여기서, 일본 공개 특허 공보 제 2005-85520 호에 개시되는 바와 같이 고체 산화물 연료 전지가 알려져 있다. 도 24 에 도시된 바와 같이, 이 연료 전지는 발전 셀 (1), 연료 전극 집전체 (2), 공기 전극 집전체 (3) 및 세퍼레이터들 (4a, 4b) 을 적층하여 형성된다. 발전 셀 (1) 은 연료 전극층 (1b), 공기 전극층 (1c), 및 연료 전극층 (1b) 과 공기 전극층 (1c) 사이에 개재된 고체 전해질층 (1a) 을 포함한다. 연료 전극 집전체 (2) 는 연료 전극층 (1b) 의 외부에 제공되고, 공기 전극 집전체 (3) 는 공기 전극층 (1c) 의 외부에 제공된다.
세퍼레이터 (4a) 는 연료 전극 집전체 (2) 에 대향하는 사실상 세퍼레이터 (4a) 면의 중앙부로부터 연료 가스를 공급하는 연료 가스 채널 (5) 을 포함한다. 세퍼레이터 (4b) 는 공기 전극 집전체 (3) 에 대향하는 사실상 세퍼레이터 (4b) 의 중앙부로부터 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 채널 (6) 을 갖는다.
도시되지 않지만, 링 형상 금속 커버는 원형 다공성 금속체의 외주부를 커버하며, 다수의 가스 배출홀들 (7) 은 커버의 전체 측부 상에 걸쳐 제공된다.
이 구조에서는, 가스 배출홀들 (7) 을 통해서만 연료 전극 집전체 (2) 의 외주부에서 가스가 배출된다. 따라서, 연료 가스는 다공성 금속체로 확산하고, 연료 전극 집전체 (2) 의 전체 외주부에서 방출되지 않는다. 상기 개시물에 따 르면, 발전 동안 사용되지 않고 외주부에서 배출되는 연료 가스의 양은 억제되고, 따라서 연료 전극으로 향하는 공기의 역 확산을 방지하는 것이 가능하다.
그러나, 상기 종래 기술에서, 세퍼레이터 (4a) 는 연료 전극 집전체 (2) 상에 적층되어 가스 배출홀들 (7) 에서 배출된 배기 가스가 세퍼레이터 (4a) 근처에서 연소됨으로써 수분을 생성한다. 따라서, 세퍼레이터 (4a) 및 발전 셀 (1) 은 국소적으로 가열되어 스팀 산화에 의해 쉽게 손상되는 경향이 있다. 또한, 부식이 발생할 수도 있어, 비경제적으로 연료 전지의 성능을 열화시킨다.
발명의 개요
본 발명은 상기 문제들을 해결하기 위하여, 단순한 구성을 갖는 연료 전지 및 연료 전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 하고, 연료 전지 및 연료 전지 스택이 반응 동안 생성된 수증기와 접촉을 확실히 방지하여 전해질 전극 어셈블리 및 세퍼레이터의 손상을 효과적으로 방지한다.
본 발명은 전해질 전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적층함으로써 형성된 연료 전지에 관한 것이다. 전해질 전극 어셈블리는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 개재된 전해질을 포함한다. 애노드의 면을 따라 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 채널은 세퍼레이터의 한쪽 면에 형성되고, 캐소드의 면을 따라 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 함유 가스 채널은 세퍼레이터의 다른 쪽 면에 형성된다.
연료 가스 채널은 전해질 전극 어셈블리의 외주부에 대응하는 위치에서 엔드 포인트를 가지며, 연료 가스 채널의 엔드 포인트는 전해질 전극 어셈블리의 외주에 서 바깥쪽으로 이격되는 위치로부터 전해질 전극 어셈블리 내에서 사용된 연료 가스를 방출하는 연료 가스 배출 채널에 접속된다.
바람직하게, 연료 가스 채널은 세퍼레이터의 한쪽 면에 제공된 채널부를 포함하며, 채널부는 연료 가스 도입구로부터 연료 가스 배출 채널에 접속된다.
바람직하게, 연료 가스 배출 채널은 세퍼레이터를 통해 연장되는 관통홀 및 세퍼레이터의 타 방 면에 제공된 배출홈 부재에 의해 형성되며, 배출홈 부재는 관통홀에 접속되고, 전해질 전극 어셈블리에서 바깥으로 연장된다.
또한, 바람직하게, 연료 가스 배출 채널은 세퍼레이터의 한쪽 면에 제공된 배출홈에 의해 형성되고, 연료 가스 채널 및 배출홈을 커버하도록 세퍼레이터의 한쪽 면에 제공된 덮개 부재에 접속된다.
또한, 바람직하게, 링 형상 돌출부는 애노드의 외주부와 밀착하여 세퍼레이터의 한쪽 면에 제공된다. 이 구조의 결과로서, 애노드의 외주부로 (사용된 연료 가스 및 사용된 산소 가스를 함유한) 배출 가스의 진입은 방지되는 것이 가능하여, 산화로 인한 애노드의 열화가 방지될 수 있다.
또한, 바람직하게, 채널부는 홈, 복수의 돌출부들, 또는 애노드와 밀착하는 변형 가능한 탄성 채널 부재에 의해 형성된다.
또한, 바람직하게, 산소 함유 가스 채널은 캐소드와 밀착하여 세퍼레이터의 다른 쪽 면에 제공되는 변형 가능한 탄성 채널 부재로 형성된다. 이 구조의 결과로서, 캐소드는 세퍼레이터와 밀착하여 적절히 접촉하여 연료 전지로부터의 전기를 집전하는 성능 향상이 달성될 수 있다.
또한, 바람직하게, 탄성 채널 부재가 배치되는 영역은 애노드의 발전 영역보다 작다. 이 구조에서, 배기 가스가 전해질 전극 어셈블리의 애노드로 돌아오도록 흐르는 경우라도, 발전 영역은 애노드의 외주 에지의 반대편인 캐소드의 외주 에지에 존재하지 않는다. 따라서, 집전된 전기의 손실은 방지하는 것이 가능하여, 연료 전지로부터의 전기를 집전하는 성능의 개선이 달성될 수 있다.
또한, 바람직하게, 탄성 채널 부재는 도전성 메쉬 부재 또는 펠트 부재 (felt member) 이다. 이 경우, 단순하고 경제적인 구조가 제공된다.
또한, 바람직하게, 산소 함유 가스 채널은 세퍼레이터의 다른 쪽 면에 제공된 복수의 돌출부들에 의해 형성된다. 적층 방향으로 놓인 하중은 돌출부들을 통해 효율적으로 전달되어 연료 전지로부터의 전기를 집전하는 성능의 개선이 달성될 수 있다.
또한, 바람직하게, 돌출부들은 세퍼레이터의 한쪽 면에 에칭의 해 형성되는 복수의 솔리드 부분들에 의해 구성된다. 따라서, 돌출부들의 형상 및 위치들은 임의로 변경되거나 쉽게 변경될 수 있어, 연료 전지로부터의 전기를 집전하는 성능의 개선이 달성될 수 있다.
바람직하게, 연료 전지는 전해질 전극 어셈블리에서의 반응 동안 사용되는 연료 가스 및 산소 함유 가스를 배기 가스로서 전해질 전극 어셈블리와 세퍼레이터의 적층 방향으로 방출하기 위한 배기 가스 채널을 더 포함한다. 또한, 산소 함유 가스 공급부는 사용 전의 산소 함유 가스의 통로로서 적층 방향으로 산소 함유 가스를 산소 함유 가스 채널에 공급하기 위해 제공된다. 연료 가스 공급부 는 산소 함유 가스 공급부에 대해서 기밀하게 제공되며, 연료 가스 공급 채널은 연료 가스 채널 및 연료 가스 공급부를 접속시키며, 세퍼레이터 면을 따라 배치되어 적층 방향으로 연장하는 산소 함유 가스 공급부와 교차하도록 한다. 이 구조에서, 사용 전의 연료 가스는 배기 가스의 열에 의해 미리 가열된다. 따라서, 열 효율성의 개선은 달성된다.
또한, 바람직하게, 배기 가스 채널은 세퍼레이터 주위에 제공된다. 이 구조에서, 단열은 연료 전지 주위에 제공되어 열 효율성의 개선이 달성된다.
바람직하게, 연료 가스 공급부는 세퍼레이터의 중앙부에서 기밀하게 제공되고, 산소 함유 가스 공급부는 세퍼레이터의 내부 영역에서 제공된다. 이 구조에서, 산소 함유 가스는 세퍼레이터의 내부 영역으로부터 바깥으로 흐른다. 따라서, 배기 가스는 세퍼레이터의 외부로 적절히 배출된다. 또한, 바람직하게, 연료 가스 도입구는 전해질 전극 어셈블리의 중심에서 제공된다.
바람직하게, 연료 전지는 전해질 전극 어셈블리 내에서의 반응 동안 사용된 반응 가스를 배기 가스로서 전해질 전극 어셈블리와 세퍼레이터의 적층 방향으로 배출하기 위한 배기 가스 채널을 더 포함한다. 또한, 산소 함유 가스 공급부는 사용 전의 산소 함유 가스에 대한 통로로서, 적층 방향으로 산소 함유 가스를 산소 함유 가스 채널에 공급하기 위하여 제공된다. 연료 가스 공급부와 산소 함유 가스 공급부는 배기 가스 채널 내에서 기밀하게 제공되며, 연료 가스 공급 채널은 연료 가스 채널과 연료 가스 공급부를 접속시키고, 세퍼레이터 면을 따라 제공되어 적층 방향으로 연장되는 배기 가스 채널과 교차하도록 하며, 산소 함유 가스 채널 은 산소 함유 가스 채널과 산소 함유 가스 공급부를 접속시키고, 세퍼레이터 면을 따라 제공되어 배기 가스 채널과 교차하도록 한다.
또한, 바람직하게, 연료 가스 채널은 연료 가스 압력실을 형성하여 연료 가스 채널에 연료 가스가 공급되는 경우 애노드가 프레싱되도록 하고, 산소 함유 가스 채널은 산소 함유 가스 압력실을 형성하여 산소 함유 가스가 산소 함유 가스 채널에 공급되는 경우 캐소드가 프레싱되도록 한다.
또한, 바람직하게, 복수의 전해질 전극 어셈블리들은 세퍼레이터의 중심에 동심원적으로 배열된다. 따라서, 연료 가스는 컴팩트 구조를 가져, 연료 전지의 열 변형의 영향이 회피될 수 있다.
또한, 본 발명은 각각 전해질 전극 어셈블리와 세퍼레이터를 적층하여 형성된 복수의 연료 전지들을 적층함으로써 형성된 연료 전지 스택과 관련한다. 전해질 전극 어셈블리는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 개재된 전해질을 포함한다. 애노드의 면을 따라 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 채널은 세퍼레이터의 한쪽 면에 형성되고, 캐소드의 면을 따라 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 함유 가스 채널은 세퍼레이터의 다른 쪽 면에 형성된다. 연료 가스 공급 채널은 세퍼레이터의 한쪽 면 또는 다른 쪽 면에 제공되며, 연료 가스 공급 채널은 사용 전의 연료 가스에 대한 통로를 제공하는 연료 가스 공급부에 접속되고, 연료 가스 도입구는 연료 가스 채널로 연료 가스를 공급하기 위해 ㅈ제공된다.
연료 가스 채널은 전해질 전극 어셈블리의 외주부에 대응하는 위치에서 배치 된 엔드 포인트를 갖고, 연료 가스 채널의 엔드 포인트는 전해질 전극 어셈블리의 외주에서 바깥쪽으로 이격되는 위치로부터 전해질 전극 어셈블리 내에서 사용된 연료 가스를 전해질 전극 어셈블리의 외주부에서 바깥으로 이격된 위치로부터 방출하는 연료 가스 배출 채널에 접속된다.
연료 가스가 발전 반응을 일으키기 위해 애노드에 공급된 후, 연료 가스가 배기 가스로서 애노드로부터 배출되는 경우, 배기 가스는 그 안에 반응되지 않은 가스들을 함유한다. 이러한 반응되지 않은 가스들을 함유한 배기 가스를 오프 가스 (off gas) 로 칭한다.
본 발명을 따르면, 연료 가스가 전해질 전극 어셈블리에 사용된 후, 오프 가스가 전해질 전극 어셈블리의 외주부에서 바깥으로 이격된 위치로부터 방출된다. 따라서, 전해질 전극 어셈블리와 세퍼레이터가 오프 가스와 산소 함유 가스의 반응의 결과로서 국소적으로 고온까지 가열되는 것을 방지하는 것이 가능하다. 또한, 전해질 전극 어셈블리와 세퍼레이터는 반응 동안 생성된 수분과 접촉하지 않는다.
따라서, 스팀 산화에 의한 부식을 확실히 방지하여 세퍼레이터의 내구성을 개선하는 것이 가능하다. 또한, 전해질 전극 어셈블리, 특히, 애노드의 산화를 방지하는 것이 가능하다. 따라서, 전해질 전극 어셈블리에서 손상이나 열화를 방지하는 것이 가능하다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 부분적 단면도;
도 2 는 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택을 개략적으로 도시하는 사시도;
도 3 은 연료 전지 스택의 연료 전지를 도시하는 분해된 사시도;
도 4 는 연료 내의 가스 흐름들을 도시하는 부분적으로 분해된 사시도;
도 5 는 세퍼레이터의 한쪽 면을 도시하는 부분적 확대도;
도 6 은 세퍼레이터의 다른 쪽 면을 도시하는 도면;
도 7 은 연료 전지의 작동을 개략적으로 도시하는 단면도;
도 8 은 연료 가스 배출 채널의 다른 구조를 도시하는 도면;
도 9 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 연료 전지를 도시하는 분해된 사시도;
도 10 은 연료 전지의 세퍼레이터를 도시하는 정면도;
도 11 은 연료 전지의 작동을 개략적으로 도시하는 단면도;
도 12 는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 연료 전지를 도시한 분해된 사시도;
도 13 은 세퍼레이터의 한쪽 면을 도시하는 부분적 확대도;
도 14 는 연료 전지의 작동을 개략적으로 도시하는 단면도;
도 15 는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 연료 전지를 도시하는 분해된 사시도;
도 16 은 연료 전지의 동작을 개략적으로 도시하는 단면도;
도 17 은 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 연료 전지를 도시하는 분해된 사 시도;
도 18 은 연료 전지의 작동을 개략적으로 도시하는 단면도;
도 19 는 본 발명의 제 6 실시형태에 따른 연료 전지들을 적층하여 형성된 연료 전지 스택을 개략적으로 도시하는 사시도;
도 20 은 연료 전지를 도시하는 분해된 사시도;
도 21 은 연료 전지를 도시하는 정면도;
도 22 는 도 21 의 선 XXII-XXII 를 따른 단면도;
도 23 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 연료 전지를 도시하는 분해된 사시도; 및
도 24 는 종래의 연료 전지를 도시하는 도면.
본 발명을 실시하는 최선예
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 (11) 를 포함한 연료 전지 시스템 (10) 을 도시한 부분적 단면도이다. 도 2 는 화살표 A 에 의해 표시된 방향으로 복수의 연료 전지들 (11) 을 적층하여 형성된 연료 전지 스택 (12) 을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
연료 전지 시스템 (10) 은 고정형 및 이동형 애플리케이션을 포함하는 다양한 애플리케이션에 이용되고 있다. 예를 들어, 연료 전지 시스템 (10) 은 차량에 탑재될 수도 있다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템 (10) 은 연료 전지 스택 (12), 열 교환기 (14), 개질기 (16, reformer), 및 케이스 (18) 를 포함한다. 열 교환기 (14) 는 산소 함유 가스를 연료 전지 스택 (12) 에 공급 하기 전에 가열한다. 개질기 (16) 는 연료 가스를 생성하기 위하여 연료를 개질한다. 연료 전지 스택 (12), 열 교환기 (14) 및 개질기 (16) 는 케이스 (18) 내에 배치된다.
케이스 (18) 내에서는, 연료 전지 스택 (12) 의 일 방의 측에, 적어도 열 교환기 (14) 및 개질기 (16) 를 포함한 유체부 (19) 가 배치되며, 연료 전지 스택 (12) 의 타 방의 측에, 화살표 A 로 표시된 적층 방향으로 체결 하중 (tightening load) 을 연료 전지들 (11) 에 인가하는 하중 인가 메카니즘 (21) 이 배치된다. 유체부 (19) 및 하중 인가 메카니즘 (21) 은 연료 전지 스택 (12) 의 중심 축에 대해 축대칭으로 제공된다.
연료 전지 (11) 는 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 이다. 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 (11) 는 전해질 전극 어셈블리들 (26) 을 포함한다. 전해질 전극 어셈블리들 (26) 의 각각은 캐소드 (22), 애노드 (24), 및 캐소드 (22) 와 애노드 (24) 간에 개재된 전해질 (전해질판) (20) 을 포함한다. 예를 들면, 전해질 (20) 은 안정화된 산화 지르코늄과 같은 이온 전도성 고체 산화물로 이루어진다. 전해질 전극 어셈블리 (26) 는 원형 디스크 형상을 갖는다. 배리어층 (미도시) 은 산소 함유 가스와 연료 가스의 진입이나 배출을 방지하기 위해서 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 적어도 외주 에지에 제공된다.
복수의, 예를 들어, 8 개의 전해질 전극 어셈블리들 (26) 은 한 쌍의 세퍼레이터 (28) 간에 개재되어 연료 전지 (11) 를 형성한다. 8 개의 전해질 전극 어셈블리들 (26) 은 세퍼레이터들 (28) 의 중앙을 통해 연장하는 연료 가스 공급 통 로 (30) 에 대해서 동심원상에 있다.
도 3 에서, 예를 들어, 세퍼레이터들 (28) 의 각각은 스테인리스 합금과 같은 단일 금속판이나 카본 플레이트를 포함한다. 세퍼레이터 (28) 는 제 1 소경 단부 (32, 반응 가스 공급부) 를 갖는다. 연료 가스 공급 통로 (30) 는 제 1 소경 단부 (32) 의 중앙을 통해 연장한다. 이 제 1 소경 단부 (32) 는 복수의 제 1 브리지들 (34) 을 통해 원형 디스크들 (36, 샌드위치 부재들) 와 함께 일체형으로 형성된다. 제 1 브리지들 (34) 은 등 각도들 (간격들) 에서 제 1 소경 단부 (32) 로부터 바깥으로 방사적 연장한다.
원형 디스크 (36) 및 전해질 전극 어셈블리 (26) 는 사실상 동일한 사이즈이다. 연료 가스를 공급하는 연료 가스 도입구 (38) 는 원형 디스크 (36) 의 중심에서나 산소 함유 가스의 유동 방향에서 원형 디스크 (36) 의 중심으로부터 벗어나는 업스트림 위치에서 형성된다. 판 형상 연장부 (40) 는 원형 디스크 (36) 의 외부 단 (세퍼레이터 (28) 의 외주부) 에서 제공된다. 판 형상 연장부 (40) 는 화살표 B 에 의해 표시된 방향에서 바깥으로 돌출한다.
각 원형 디스크 (36) 는 애노드 (24) 와 접촉하는 원형 디스크 면 (36a) 에 애노드 (24) 의 면을 따라 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 채널 (46) 을 포함한다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 연료 가스 채널 (46) 은 원형 디스크 (36) 에 연료 가스 도입구 (38) 을 중심 주위에 동심원상으로 형성되는 복수의 링 형상 홈들 (48a 내지 48f, 채널부들) 을 포함한다. 최소 직경을 갖는 링 형상 홈 (48a) 은 직선형 홈 (50) 을 통해 연료 가스 도입구 (38) 에 접속한다. 링 형 상 홈의 직경은 링 형상 홈 (48a) 에서 링 형상 홈 (48f) 으로, 외부를 향해 점점 커진다. 링 형상 홈들 (48a 내지 48f) 은, 화살표 B 에 표시된 방향에서 전방 및 후방에 교대로 배열되는 접속홈들 (52) 을 통해 함께 접속된다.
최대 직경을 갖는 링 형상 홈 (48f) 은 화살표 B 에 의해 표시된 방향에서 전방의 단부에서 배출홀 (54, 관통홀) 에 접속된다. 연료 가스 도입구 (38) 는 후술하는 바와 같이, 배출홀 (54) 을 통해 링 형상 홈들 (48a 내지 48f) 에 의해 연료 가스 배출 채널 (68) 에 접속된다. 링 형상 돌출부 (56) 는 각 원형 디스크 (36) 의 외주 영역에 제공된다. 링 형상 돌출부 (56) 는 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 애노드 (24) 의 외주부에 밀착하게 만든다.
도 6 에 도시된 바와 같이, 각 원형 디스크 (36) 의 캐소드 (22) 와 접촉하는 평탄면 (36b) 을 갖는다. 연료 가스 공급 채널 (58) 은 제 1 소경 단부 (32) 로부터 제 1 브리지 (34) 로 연장된다. 연료 가스 공급 채널 (58) 은 연료 가스 공급 통로 (30) 를 연료 가스 도입구 (38) 에 접속시킨다. 예를 들면, 연료 가스 공급 채널 (58) 은 에칭에 의해 형성될 수도 있다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 채널 부재 (60) 은 캐소드 (22)와 대향하는 면 상에서 세퍼레이터 (28) 에 예를 들어, 납땜이나 레이저 용접에 의해 고정된다. 채널 부재 (60) 는 평판 형상을 갖고, 제 2 소경 단부 (62) 를 포함한다. 연료 가스 공급 통로 (30) 는 제 2 소경 단부 (62) 의 중앙을 통해 연장된다. 8 개의 제 2 브리지들 (64) 은 제 2 소경 단부 (62) 로부터 방사상으로 연장된다. 제 2 브리지들 (64) 각각은 제 1 브리지 (34) 에서 원형 디스크 (36) 의 면 (36a) 까지 연장하고 연료 가스 도입구 (38) 를 커버링하여 세퍼레이터 (28) 에 고정된다 (도 7 참조).
도 3 및 도 7 에 도시된 바와 같이, 배출홈 부재 (66) 는 원형 디스크 (36) 의 면 (36b) 에 고정된다. 배출홈 부재 (66) 는 배출홀 (54) 과 판 형상 연장부 (40) 를 커버한다. 배출홀(54) 에 접속되는 배출홈 (66a) 은 배출홈 부재 (66) 내에 형성된다. 연료 가스 배출 채널 (68) 은 배출홀 (54) 과 배출홈 (66a) 에 의해 형성된다.
연료 가스 배출 채널 (68) 은 배출홈 부재 (66) 의 단부에서 외부로 개방된다. 배출홈 부재 (66) 와 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외주부 간의 거리 H 는 오프 가스와 산소 함유 가스의 혼합에 의해 형성된 연소 가스에 의해 세퍼레이터 (28) 와 전해질 전극 어셈블리 (26) 가 영향받는 것이 회피되고, 또한 수분에 의해 영향받는 것이 회피될 수 있도록 결정된다.
원형 디스크 (36) 의 면 (36b) 에는 도전성 메쉬 부재 (72) 와 같은 변형 가능한 탄성 채널 부재가 제공된다. 도전성 메쉬 부재 (72) 는 캐소드 (22) 의 면을 따라 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 채널 (70) 을 형성하고, 도전성 메쉬 부재 (72) 는 캐소드 (22) 와 밀착하게 놓인다. 예를 들어, 도전성 메쉬 부재 (72) 대신 펠트 부재를 이용하는 것도 가능하다.
예를 들어, 메쉬 부재 (72) 는 스테인리스 배선 로드들로 이루어지고, 원형 디스크 형상을 갖는다. 이 메쉬 부재 (72) 의 두께는 메쉬 부재 (72) 에 (화살표 A 에 의해 표시된) 적층 방향의 하중이 인가되는 경우 메쉬 부재 (72) 가 탄성 적으로 변형될 수 있도록 결정된다. 메쉬 부재 (72) 는 원형 디스크 (36) 의 면 (36b) 과 직접 접촉하며, 채널 부재 (60) 와 배출홈 부재 (66) 를 제공하기 위한 공간으로서 작용하는 노치 부분들 (72a, 72b) 을 갖는다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 메쉬 부재 (72) 가 설치되는 영역은 애노드 (24) 의 발전 영역보다 작다. 메쉬 부재 (72) 에 형성되는 산소 함유 가스 채널 (70) 은 산소 함유 가스 공급 통로 (74, 산소 함유 가스 공급부) 에 접속된다. 산소 함유 가스는 화살표 B 에 의해 표시된 방향에서 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 내주 에지와 원형 디스크 (36) 의 내주 에지 간의 공간을 통해 공급된다. 산소 함유 가스 공급부 (74) 는 개별 원형 디스크 (36) 와 제 1 브리지들 (34) 사이의 적층 방향으로 연장된다.
연료 가스 공급 통로 (30) 를 밀봉 (seal) 하는 절연 실들 (76) 은 세퍼레이터들 (28) 사이에 제공된다. 예를 들어, 절연 실들 (76) 은 운모 재료나 세라믹 제료로 이루어질 수도 있다. 연료 전지들 (11) 을 위한 배기 가스 채널 (78) 은 원형 디스크들 (36) 의 외부에 형성된다.
도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택 (12) 은 적층 방향의 연료 전지들 (11) 의 양단에 제공된 엔드 플레이트들 (80a, 80b) 을 포함한다. 엔드 플레이트 (80a) 는 사실상 원형 디스크 형상을 갖는다. 링 형상 부분 (82) 은 엔드 플레이트 (80a) 의 외주단으로부터 돌출되고, 홈 (84) 은 링 형상 부분 (82) 주위에 형성된다. 컬럼형 돌출부 (86) 는 링 형상 부분 (82) 의 중앙에 형성된다. 컬럼형 돌출부 (86) 는 링 형상 부분 (82) 과 동일 방향에서 돌 출된다. 계단형 홀 (88) 은 컬럼형 돌출부 (86) 내에 형성된다.
홀들 (90) 과 나사형 홀들 (92) 은 돌출부 (86) 주위로 동일 가상 원내에 놓이도록 형성된다. 홀들 (90) 과 나사형 홀들 (92) 은 소정 각도들 (간격들) 로, 제 1 브리지 (34) 와 제 2 브리지 (64) 간에 형성된 산소 함유 가스 공급 통로 (74) 의 개별 공간들에 대응하는 위치들에서 서로 이격되며 교대로 배치된다. 엔드 플레이트 (80b) 의 직경은 엔드 플레이트 (80a) 의 직경보다 크다. 또한, 엔드 플레이트 (80a) 는 도전성 박막판이다.
케이스 (18) 는 하중 인가 메카니즘 (21) 을 수용하는 제 1 케이스부 (96a) 와 연료 전지 스택 (12) 을 수용하는 제 2 케이스부 (96b) 를 포함한다. 제 1 케이스부 (96a) 와 제 2 케이스부 (96b) 사이에 엔드 플레이트 (80b) 및 절연 부재가 개재된다. 절연 부재는 제 2 케이스부 (96b) 측에 제공된다. 제 1 케이스부 (96a) 와 제 2 케이스부 (96b) 사이의 조인트부는 나사 (98) 및 너트 (100) 에 의해 단단히 체결된다. 엔드 플레이트 (80b) 는 유체부 (19) 로부터의 고온의 배기 가스나 공기가 하중 인가 메커니즘 (21) 으로 진입하는 것을 저지하는 가스 베리어로서 기능한다.
링 형상 벽판 (102) 의 하나의 단은 제 2 케이스부 (96b) 에 접합되며, 헤드판 (104) 은 벽판 (102) 의 다른 단에 고정된다. 유체부 (19) 는 연료 전지 스택 (12) 의 중심축에 대하여 축대칭으로 배치된다. 구체적으로는, 사실상 실린더 개질기 (16) 는 사실상 링 형상 열 교환기 (14) 의 안쪽에 공통 축을 가지고 제공된다.
벽판 (106) 은 채널 부재 (108) 를 형성하도록 엔드 플레이트 (80a) 의 주위의 홈 (84) 에 고정된다. 열 교환기 (14) 및 개질기 (16) 은 채널 부재 (108)에 직접적으로 접속된다. 챔버 (108a) 는 채널 부재 (108) 내에 형성되고, 챔버 (108a) 는 열 교환기 (14) 에 의해 가열된 공기로 임시로 충전된다. 홀들 (90) 은 챔버 (108a) 를 임시 충전하는 공기를 연료 전지 스택 (12) 에 공급하는 개구부들을 형성한다.
연료 가스 공급관 (110) 과 개질된 가스 공급관 (112) 은 개질기 (16) 에 접속된다. 연료 가스 공급관 (110) 은 헤드판 (104) 으로부터 외부로 연장된다. 개질된 가스 공급관 (112) 은 엔드 플레이트 (80a) 의 계단형 홀 (88) 에 삽입되고, 연료 가스 공급 통로 (30) 에 접속된다.
공기 공급관 (114) 과 배기 가스관 (116) 은 헤드판 (104) 에 접속된다. 공기 공급관 (114) 로부터 열 교환기 (14) 을 통해 채널 부재 (108) 에 직접적으로 개방되는, 공기 공급관 (114) 로부터 연장되는 채널 (118) 및 연료 전지 스택 (12) 의 배기 가스 채널 (78) 로부터 열 교환기 (14) 을 통해 연장되는 다른 채널 (120) 은 케이스 (18) 내에 제공된다.
하중 인가 메커니즘 (21) 은 연료 가스 공급 통로 (30) 의 주위에 (또는 근방에) 제 1 체결 하중 (T1) 을 인가하는 제 1 체결부 (122a) 와 전해질 전극 어셈블리들 (26) 에 제 2 체결 하중 (T2) 을 인가하는 제 2 체결부 (122b) 를 포함한다. 제 2 체결 하중 (T2) 은 제 1 체결 하중 (T1) 보다 작다 (T1>T2).
제 1 체결부 (122a) 는, 엔드 플레이트 (80a) 의 일 방의 대각선을 따라 형 성된 나사형 홀들 (92) 에 나사로 죄인 상대적으로 짧은 제 1 체결 볼트들 (124a) 을 포함한다. 제 1 체결 볼트들 (124a) 은 연료 전지들 (11) 의 적층 방향으로 연장되어 제 1 압력 플레이트 (126a) 와 결합한다. 또한, 제 1 체결 볼트들 (124a) 은 세퍼레이터 (28) 통해 연장되는 산소 함유 가스 공급 통로 (74) 의 내부에 제공된다. 제 1 압력 플레이트 (126a) 는 폭이 좁은 플레이트에 의해 형성되어 연료 가스 공급 통로 (30) 를 커버하도록 세퍼레이터 (28) 의 중앙부와 결합한다.
제 2 체결부 (122b) 는 엔드 플레이트 (80a) 의 타 방의 대각선을 따라 형성된 나사형 홀들 (92) 에 나사로 죄인 상대적으로 긴 제 2 체결 볼트들 (124b) 을 포함한다. 제 2 체결 볼트들 (124b) 의 단들은 만곡된 외부 섹션을 갖는 제 2 압력 플레이트 (126b) 를 통해 연장된다. 너트들 (127) 은 제 2 체결 볼트들 (124b) 의 단들에 끼워진다. 또한, 제 2 체결 볼트 (124b) 는 세퍼레이터들 (28) 을 통해 연장되는 산소 함유 가스 공급 통로 (74) 내에 제공된다. 스프링들 (128) 및 스프링 시트들 (129) 은 제 2 압력 플레이트(126b) 의 각 원형부들 내의 연료 전지 (11) 의 원형 디스크들 (36) 상의 전해질 전극 어셈블리들 (26) 에 대응하는 위치들에 제공된다. 예를 들어, 스프링들 (128) 은 세라믹 스프링들이다.
다음으로, 연료 전지 시스템 (10) 의 동작은 이하에서 기술된다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템 (10) 을 조립하는 경우, 우선 채널 부재 (60) 는 캐소드 (22) 에 대향하는 세퍼레이터 (28) 의 면과 결합된다. 따라서, 연료 가스 공급 통로 (30) 에 접속되는 연료 가스 공급 채널 (58) 은 세퍼레이터 (28) 와 채널 부재 (60) 사이에 형성된다. 연료 가스 공급 채널 (58) 은 연료 가스 도입구 (38) 를 통해 연료 가스 채널 (46) 에 접속된다 (도 7 참조).
배출홈 부재 (66) 는 원형 디스크들 (36) 의 면 (36b) 에 결합된다. 따라서, 배출홀 (54) 과 배출홈 (66a) 은 연료 가스 배출 채널 (68) 을 형성하도록 서로 접속된다. 링 형상 절연 실 (76) 은 연료 가스 공급 통로 (30) 의 주위에서 세퍼레이터들 (28) 의 각각에 제공된다.
세퍼레이터 (28) 은 다음의 방식으로 제조된다. 구체적으로, 8 개의 전해질 전극 어셈블리들 (26) 는 연료 전지 (11) 를 형성하도록 한 쌍의 세퍼레이터 (28) 간에 개재된다. 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 전해질 전극 어셈블리들 (26) 은 세퍼레이터 (28) 의 한쪽 면 (36a) 과 다른 세퍼레이터 (28) 의 다른 쪽 면 (36b) 간에 개재된다. 연료 가스 도입구 (38) 은 각각의 애노드 (24) 의 중앙 위치에 사실상 위치된다. 메쉬 부재 (72) 는 세퍼레이터 (28) 의 면 (36b) 과 전해질 전극 어셈블리 (26) 간에 제공된다. 메쉬 부재 (72) 의 2 개의 노치들 (72a, 72b) 은 채널 부재 (60) 와 배출홈 부재 (66) 에 대응하는 위치들에 제공된다.
복수의 연료 전지들 (11) 은 화살표 A 에 의해 표시된 방향으로 적층되어 적층 방향 양단에서 엔드 플레이트들 (80a, 80b) 이 제공된다. 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 제 1 체결부 (122a) 의 제 1 압력 플레이트 (126a) 는 연료 전지 (11) 의 중심에 제공된다.
이 경우, 짧은 제 1 체결 볼트들 (124a) 은 엔드 플레이트 (80a) 를 향해 제 1 압력 플레이트 (126a) 와 엔드 플레이트 (80b) 를 통해 삽입된다. 제 1 체결 볼트들 (124a) 의 선단들은 나사로 조여지고 엔드 플레이트 (80a) 의 일 대각선을 따라 형성되는 나사형 홀들 (92) 과 맞춰진다. 제 1 체결 볼트들 (124a) 의 헤드들은 제 1 압력 플레이트 (126a) 를 체결시킨다. 제 1 체결 볼트들 (124a) 은 제 1 압력 플레이트 (126a) 의 표면 압력을 조정하기 위하여 나사형 홀들 (92) 내에서 회전된다. 이 방식에서는, 연료 전지 스택 (12) 에서, 제 1 체결 로드 T1 은 연료 가스 공급 통로 (30) 근처 영역에 인가된다.
이후, 스프링들 (128) 과 스프링 시트 (129) 는 원형 디스크들 (36) 의 개별 위치들에서 전해질 전극 어셈블리 (26) 와 축 상으로 배열된다. 제 2 체결부 (122b) 의 제 2 압력 플레이트 (126b) 는 스플링들 (128) 의 일 단에 제공된 스프링 시트 (129) 와 체결된다.
이후, 긴 제 2 체결 볼트들 (124b) 은 엔드 플레이트 (80a) 를 향해 제 2 압력 플레이트 (126b) 와 엔드 플레이트 (80b) 를 통해 삽입된다. 제 2 체결 볼트들 (124b) 의 선단들은 나사로 조여지고 엔드 플레이트 (80a) 의 다른 대각선을 따라 형성되는 나사형 홀들 (92) 과 맞춰진다. 너트들 (127) 은 제 2 체결 볼트들 (124b) 의 헤드들에 고정된다. 따라서, 너트들 (127) 과 제 2 체결 볼트들 (124b) 간의 나사 체결 상태를 조정함으로써, 제 2 체결 하중 T2 는 각각의 스프링 (128) 의 탄성력을 통해 전해질 전극 어셈블리 (26) 에 인가된다.
연료 전지 스택 (12) 의 엔드 플레이트 (80b) 는 케이스 (18) 의 제 1 케이 스부 (96a) 와 제 2 케이스부 (96b) 간에 개재된다. 제 1 케이스부 (96a) 및 제 2 케이스부 (96b) 는 나사 (98) 및 너트 (100) 에 의해 함께 고정된다. 제 2 케이스부 (96b) 내에 유체부 (19) 가 탑재된다. 유체부 (19) 의 벽판 (106) 은 엔드 플레이트 (80a) 주위에의 홈 (84) 에 장착된다. 따라서, 채널 부재 (108) 는 엔드 플레이트 (80a) 와 벽판 (106) 간에 제공된다.
연료 전지 시스템 (10) 에서는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 연료 가스 공급관 (110) 으로부터 연료 (메탄, 에탄, 프로판 등) 및 필요에 따라 물이 공급되고, 공기 공급관 (114) 으로부터 산소 함유 가스 (이하, 단순히 "공기" 라 칭함) 가 공급된다.
연료는 개질기 (16) 를 통과함에 따라 개질됨으로써 연료 가스 (수소 함유 가스) 를 생성한다. 연료 가스는 연료 전지 스택 (12) 의 연료 가스 공급 통로 (30) 에 공급된다. 연료 가스는 화살표 A 에 의해 표시된 바와 같은 적층 방향으로 이동하고 각 연료 전지 (11) 의 세퍼레이터 (28) 를 통해 연료 가스 공급 채널 (58) 에 도입된다 (도 7 참조).
연료 가스는 제 1 및 제 2 브리지들 (34, 64) 간의 연료 가스 공급 채널 (58) 에 따라 흐르고, 원형 디스크들 (36) 의 연료 가스 도입구들 (38) 내로 도입된다. 따라서, 연료 가스는 원형 디스크들 (36) 의 각각을 통해 연료 가스 채널 (46) 에 공급된다. 연료 가스 도입구들 (38) 은 전해질 전극 어셈블리들 (26) 의 애노드 (24) 의 사실상 중앙부들에 대응하는 위치들에서 형성된다. 따라서, 연료 가스는 연료 가스 도입구들 (38) 로부터 사실상 애노드들 (24) 의 중앙 영역들으로 공급되어 애노드 (24) 의 중앙 영역들로부터 바깥쪽을 향해 이동한다.
구체적으로는, 도 5 에 도시된 바와 같이, 연료 가스 채널 (46) 은 복수의 링 형상 홈들 (48a 내지 48f) 을 포함한다. 우선, 연료 가스는 연료 가스 도입구 (38) 에 접속되는 직선형 홈 (50) 을 통해 링 형상 홈 (48a) 에 공급된다. 링 형상 홈 (48a) 을 통해 연료 가스가 이동한 후, 연료 가스는 접속홈 (52) 을 통해 임시로 바깥쪽으로 이동한 후, 링 형상 홈 (48a) 의 바깥에 위치하는 링 형상 홈 (48b) 에 공급된다. 따라서, 연료 가스는 이후 링 형상 홈 (48b) 을 따라 흐른다.
또한, 접속홈 (52) 을 통해 링 형상 홈 (48b) 의 외부에 링 형상 홈 (48c) 에 공급되는 연료 가스는, 연료 가스가 배출홀 (54) 에 도달할 때까지 접속홈 (52) 을 통해 다른 링 형상 홈들 (48d 내지 48f) 을 따라 흐른다. 따라서, 연료 가스는 사실상 애노드 (24) 의 중앙 영역으로부터 외부를 향해 공급된다. 사용이 끝난 후, 연료 가스는 배출홀 (54) 를 통해 배출된다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 배출홀 (54) 을 통해 배출되는 사용된 연료 가스는, 면 (36b) 측으로 이동하고, 배출홈 (66a) 로 흐른다. 따라서, 사용된 연료 가스는, 연료 가스 배출 채널 (68) 에 따라 화살표 B 에 의해 표시된 방향으로 흐른다. 사용된 연료 가스는 배출홈 부재 (66) 의 외측단에서의 외부에 배출된다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 공기 공급관 (114) 에서의 공기는, 열 교환기 (14) 의 채널 (118) 을 통해 흐르고, 챔버 (108a) 로 임시 흐른다. 이 공기는 챔버 (108a) 에 접속되는 홀들 (90) 을 통해 흐르고, 사실상 연료 전지들 (11) 의 중앙에 배치되는 산소 함유 가스 공급 통로 (74) 에 공급된다. 이때, 열 교환기 (14) 에서, 후술하는 바와 같이, 배기 가스 채널 (78) 로 배기되는 배기 가스가 채널 (120) 을 통해 흐르기 때문에, 연료 전지들 (11) 에 공급되기 전의 공기와 배기 가스 간에 열 교환이 수행된다. 따라서, 공기는 미리 희망한 연료 전지 동작 온도로 가열된다.
산소 함유 가스 공급 통로 (74) 에 공급되는 산소 함유 가스는 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 내주 에지와 원형 디스크 (36) 의 내주 에지 간의 공간으로, 화살표 B 에 의해 표시된 방향으로 흐르고, 메쉬 부재 (72) 에 의해 형성된 산소 함유 가스 채널 (70) 로 향해 흐른다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 산소 함유 가스 채널 (70) 에서, 산소 함유 가스는 내주 에지 (세퍼레이터 (28) 의 중앙 영역) 에서 외주 에지 (세퍼레이터 (28) 의 외부 영역) 를 향해 흐르고, 더욱 구체적으로 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 캐소드 (22) 의 하나의 단에서 다른 단을 향해 흐른다.
따라서, 전해질 전극 어셈블리 (26) 에서, 연료 가스는 애노드 (24) 의 중앙 영역에서 외주 영역으로 흐르고, 산소 함유 가스는 캐소드 (22) 의 전극 표면을 따라 화살표 B 에 의해 표시된 일 방향으로 흐른다. 이때, 산소 이온들은 전기화학 반응의 결과로서 전기를 생성하도록 전해질 (20) 을 통해 애노드 (24) 를 향해 흐른다.
각 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외부로 방출되는 배기 가스 (오프 가스) 는, 배기 가스로서 배기 가스 채널 (78) 을 통해 적층 방향으로 흐른다. 배기 가스가 열 교환기 (14) 의 채널 (120) 을 통해 흐를 경우, 배기 가스와 공기간의 열 교환이 수행된다. 이후, 배기 가스는 배기 가스관 (116) 으로 배출된다 (도 1 참조).
제 1 실시형태에서, 도 5 에 도시된 바와 같이, 연료 가스 채널 (46) 은 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 중앙부에서 개방되고 연료 가스 공급구 (38) 에서 위치된 시작 포인트를 갖는다. 또한, 연료 가스 채널 (46) 은 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외주 에지에 대응하는 위치에서 위치된 엔드 포인트를 갖는다. 이 엔드 포인트에서, 연료 가스 채널 (46) 은, 전해질 전극 어셈블리 (26) 내에서 사용되는 연료 가스를 연료 가스 채널 (46) 로부터 배출하도록 배출홀 (54) 에 접속된다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 배출홀 (54) 로부터 배출되는 오프 가스는, 배출홈 부재 (66) 내에 제공된 배출홈 (66a) 을 포함하는 연료 가스 배출 채널 (68) 로 흐른다. 이 오프 가스는, 연료 가스 배출 채널 (68) 내에서 화살표 B 에 의해 표시된 방향으로 이동하고, 세퍼레이터 (28) 와 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외주부들에서 소정 거리 H 만큼 외부로부터 이격된 위치에서의 외부로 방출 (배출) 된다.
따라서, 오프 가스와 반응 후 산소 함유 가스가 혼합되는 영역 (반응 영역) 은, 전해질 전극 어셈블리 (26) 와 세퍼레이터 (28) 의 외주부들로부터 상당히 이격된다. 따라서, 전해질 전극 어셈블리 (26) 와 세퍼레이터 (28) 는 오프 가스 와 공기의 혼합으로서 형성된 고온 연소 가스의 결과로서 또는 연소 가스의 임의 반응에 의해 국소적으로 고온까지 가열되는 것이 방지된다. 또한, 전해질 전극 어셈블리 (26) 와 세퍼레이터 (28) 는 반응 동안 생성된 수분과 접촉하지 않는다.
따라서, 스팀 산화에 의한 부식을 확실히 방지하여 세퍼레이터 (28) 의 내구성을 개선하는 것이 가능하다. 또한, 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 산화, 특히 애노드 (24) 의 산화는 방지될 수 있다. 따라서, 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 손상이나 성능의 열화는 방지될 수 있다.
제 1 실시형태에서, 도 3 및 도 7 에 도시된 바와 같이, 링 형상 돌출부 (56) 는 각 원형 디스크 (36) 의 면 (36b) 상에 제공된다. 링 형상 돌출부 (56) 는 애노드 (24) 의 외주부와 밀접하게 접촉한다. 따라서, 배기 가스는 애노드 (24) 의 외주부로 진입하지 못한다. 따라서, 실 프리 (실리스) 구조를 이용하여, 산화에 의한 애노드 (24) 의 열화를 확실히 방지하는 것이 가능하다.
전해질 전극 어셈블리 (26) 의 캐소드 (22) 는 메쉬 부재 (72) 와 접촉한다. 이 상태에서, 화살표 A 에 표시된 바와 같이, 적층 방향으로의 하중은 연료 전지 (11) 의 컴포넌트들에 인가된다. 메쉬 부재 (72) 가 변형 가능하기 때문에, 메쉬 부재 (72) 는 캐소드 (22) 와 밀착하게 남아 있다.
이 구조에서, 전해질 전극 어셈블리 (26) 또는 세퍼레이터 (28) 를 생성할 때 발생될 수 있는 치수 오차나 비뚤어짐은 메쉬 부재 (72) 의 탄성 변형에 의해 적절히 흡수될 수 있다. 따라서, 제 1 실시형태에서, 연료 전지 (11) 의 컴포넌트들의 적층 시의 발생할 수 있는 손상은 방지된다. 연료 전지 (11) 의 컴포 넌트들이 많은 포인트들에서 서로 접촉하고 있기 때문에, 연료 전지 (11) 로 부터 전기를 집전 시 성능 향상을 달성할 수 있다.
또한, 제 1 실시형태에서, 연료 가스 공급관 (30) 은 산소 함유 가스 공급 통로 (74) 의 내부로 기밀하게 제공되고, 더욱이, 연료 가스 공급 채널 (58) 은 세퍼레이터 면 방향을 따라 제공된다. 따라서, 사용 전의 연료 가스는 열 교환기 (14) 에서의 열 교환을 통해 가열되었던 고온 산소 함유 가스에 의해 가열된다. 따라서, 열효율의 개선이 달성될 수 있다.
또한, 배기 가스 채널 (78) 은 세퍼레이터 (28) 주위에 제공된다. 배기 가스 채널 (78) 은 세퍼레이터 (28) 로부터의 열 방사를 방지하기 위해 사용된다. 또한, 연료 가스 도입구 (38) 는 사실상 원형 디스크 (36) 의 중심에 제공되거나, 산소 함유 가스의 흐름 방향에서 원형 디스크 (36) 의 중심으로부터 이탈되는 상류 위치에 제공된다. 따라서, 연료 가스 도입구 (38) 로부터 제공되는 연료 가스는 애노드 (24) 의 중앙으로부터 방사상으로 확산된다. 매끄럽고 균일한 반응이 발생되어 연료 이용율의 개선이 달성될 수 있다.
또한, 메쉬 부재 (72) 에 의해 점유된 영역은 애노드 (24) 의 발전 영역보다 작다 (도 6 참조). 따라서, 배기 가스가 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외부로부터의 애노드 (24) 로 돌아온다 하더라도, 발전 영역은 애노드 (24) 의 외주 에지에 대향하는 캐소드 (22) 의 외주 에지를 따라서 존재하지 않는다. 따라서, 순환 전류에 의한 연료 소비는 현저히 증가하지 않고, 높은 기전력은 쉽게 집전될 수 있다. 따라서, 전기 집전 성능은 향상되고, 바람직한 연료 이용율은 달성될 수 있다. 또한, 본 발명은 단순히 탄성 채널 부재로서 메쉬 부재 (72) 를 이용함으로써 용이하게 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 구조는 단순하고 경제적이다.
특히, 작은 강도를 갖으며, 얇은 전해질 (20) 및 얇은 캐소드 (22) (예를 들어, 소위 지지막형 MEA 라 칭함) 를 구비한 전해질 전극 어셈블리 (26) 가 사용될 경우라도, 메쉬 부재 (72) 에 의해 전해질 (20) 및 캐소드 (22) 에 인가되는 스트레스는 완화하여, 따라서 전해질 전극 어셈블리 (26) 에 손상을 바람직하게 감소시킨다.
또한, 8 개의 전해질 전극 어셈블리들 (26) 은 세퍼레이터 (28) 의 중심에 대해서 동심원상으로 배열된다. 따라서, 연료 전지 (11) 의 전체 사이즈가 작기 때문에, 열변형의 영향이 회피될 수 있다.
제 1 실시형태에서, 연료 가스 채널 (46) 은 서로 동심원적으로 배열된 복수의 링 형상 홈들 (48a 내지 48f) 을 포함하고, 접속홈 (52) 은 각각의 대각 위치들에서 링 형상 홈들 (48a 내지 48f) 을 접속시킨다. 그러나, 본 발명은 이 점에서 제한되지 않는다. 다양한 다른 형상들이 채용될 수 있다. 예를 들어, 홈들은 나선 형상을 가질 수도 있다.
연료 가스 채널 (46a) 는 도 8 에 도시된 바와 같이, 연료 가스 채널 (46) 대신에 사용될 수도 있다. 연료 가스 채널 (46a) 은 연료 가스 채널 (46) 과 같은 방식으로 서로 동심원적으로 배열된 복수의 링 형상 홈들 (48a 내지 48f) 을 포함한다. 또한, 링 형상 홈 (48f) 는 링 형상 홈 (48f) 의 단들을 제공하는 분할부 (49) 를 갖는다. 연료 가스 배출 채널 (68) 에 접속된 배출홀들 (54a, 54b) 은 각각 링 형상 홈 (48f) 의 양단에 형성된다.
도 9 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 연료 전지 (140) 를 도시하는 분해 사시도이다. 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 (11) 의 그것들과 동일한 구성 요소들은 동일한 참조 부호들을 이용하여 레이블되고, 그 상세한 설명은 생략된다. 또한, 이후에 기술될 제 3 실시형태 내지 제 6 실시형태에서, 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 (11) 의 그것들과 동일한 구성 요소들은 동일한 참조 부호들을 이용하여 표시되고, 그 상세한 설명은 생략된다.
연료 전지 (140) 는 세퍼레이터 (142) 를 구비하고, 산소 함유 가스 채널 (144) 은 캐소드 (22) 와 대향하는 세퍼레이터 (142) 의 면상에 형성된다. 산소 함유 가스 채널 (144) 은 각 원형 디스크 (36) 의 면 (36b) 상에 형성되는 복수의 돌출부들 (146) 에 의해 형성된다 (도 10 및 도 11 참조).
돌출부들 (146) 은, 면 (36b) 에서, 예를 들어, 에칭에 의해 형성되는 솔리드 부분들이다. 다양한 형상들, 예를 들어, 장방형 형상, 원형상, 또는 삼각형 형상은 돌출부들 (146) 단면 형상으로 사용될 수도 있다. 돌출부들 (146) 의 위치들 또는 밀도는 산소 함유 가스 등의 흐름 상태 및/또는 유속 조건에 의존하여 임의 변경될 수 있다.
제 2 실시형태에서, 적층 방향으로의 하중은 원형 디스크 (36) 의 돌출부들 (146) 을 통해 효율적으로 전달된다. 따라서, 연료 전지들 (140) 은 작은 하중을 가지고 적층될 수 있어, 전해질 전극 어셈블리 (26) 와 세퍼레이터 (28) 에서의 일그러짐을 감소시킬 수 있다.
원형 디스크 (36) 의 면 (36b) 상의 돌출부들 (146) 은 솔리드 부분들과 같이 에칭 등에 의해 형성된다. 따라서, 돌출부들 (146) 의 형상, 위치 및 밀도는 산소 함유 가스의 흐름 상태 및/또는 유체 조건들에 기초하여 임의의 및 용이하게 변경될 수 있어, 연료 가스의 원하는 흐름이 달성될 수 있다. 또한, 돌출부 (146) 가 솔리드 부분들로서 형성되기 때문에, 돌출부들 (146) 은 변형될 수 없고, 따라서 하중은 돌출부들 (146) 을 통해 확실히 전달되며 전기는 돌출부들 (146) 을 통해 효율적으로 집적된다.
도 12 는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 (160) 의 분해 사시도이다.
연료 전지 (160) 는 세퍼레이터 (162) 를 구비하며, 연료 가스 배출 채널 (61) 이 애노드 (24) 와 대향하는 세퍼레이터 (162) 의 면에 형성된다. 도 12 및 도 13 에 도시된 바와 같이, 연료 가스 배출 채널 (164) 은 각 원형 디스크 (36) 의 면 (36a) 에 형성된다. 연료 가스 배출 채널 (164) 은 연료 가스 채널 (46) 과 접속된 배출홈 (166) 및 면 (36a) 에 제공되어 배출홈 (166) 을 폐색하는 덮개 부재 (168) 를 포함한다.
배출홈 (166) 은 판 형상 연장부 (40) 에 따라, 배출홀 (54) 의 적소에, 배출홀 (54) 에 대응하는 위치들에서 제공된다. 배출홈 (166) 은 단차 (미도시) 를 포함하고, 덮개 부재 (168) 는 단차에 제공된다. 따라서, 덮개 부재 (168) 의 면과 링 형상 돌출부 (56) 의 면 둘 다는 동일 평면상에 배치된다.
제 3 실시형태에서, 도 14 에 도시된 바와 같이, 연료 가스는 연료 가스 채널 (46) 을 통해 흐르고, 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 애노드 (24) 에 공급된다. 연료 가스가 반응 동안 사용되었던 후, 연료 가스는 애노드 (24) 의 외주단 근처에 배출홈 (166) 으로 흐르고, 연료 가스 배출 채널 (164) 을 따라 화살표 b 에 표시된 방향으로 배출된다.
따라서, 사용이 끝난 연료 가스는 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외주부에서 소정의 거리 H 만큼 외부로부터 이격된 위치에서 방출된다. 따라서, 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태의 효과와 동일한 효과가 획득될 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터 (162) 또는 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 손상이나 열화가 방지될 수 있다.
제 1 실시형태 내지 제 3 실시형태에서, 산소 함유 가스로 작용하는 공기는 세퍼레이터들 (28, 142, 162) 의 중앙으로부터 밖으로 향해 공급된다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 다른 방법으로, 공기는 세퍼레이터 (28, 142, 162) 의 외부로부터 안을 향해 공급될 수도 있다.
도 15 는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 (180) 를 도시하는 분해된 사시도이다.
연료 전지 (180) 는 세퍼레이터 (182) 를 포함하며, 연료 가스 채널 (46) 은 애노드 (24) 와 대향하는 세퍼레이터 (182) 의 면에 형성된다. 연료 가스 채널 (46) 은 각 원형 디스크 (36) 의 면 (36a) 에 제공되는 복수의 돌출부들 (186) 에 의해 형성된다 (도 15 및 도 16 참조). 돌기부들 (186) 은 면 (36a)에, 예를 들어, 에칭에 의해 형성되는 솔리드 부분들이다.
도 17 은 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 연료 전지 (190) 를 도시하는 분해된 사시도이다.
연료 전지 (190) 는 세퍼레이터 (192) 를 구비하며, 변형 가능한 탄성 채널 부재, 예를 들어, 도전성 메쉬 부재 (196) 는 세퍼레이터 (192) 의 원형 디스크 (36) 의 면 (36a) 에 제공된다. 도전성 메쉬 부재 (196) 는 연료 가스가 애노드 (24) 의 면을 따라 제공되는 연료 가스 채널 (46) 을 형성하고, 도전성 메쉬 부재 (196) 는 애노드 (24) 와 밀착한다 (도 17 및 도 18 참조).
도 19 는 본 발명의 제 6 실시형태에 따라 화살표 A 에 의해 표시된 방향으로 연료 전지들 (200) 을 적층함으로써 형성된 연료 전지 스택 (202) 을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 20 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 (200) 는 한 쌍의 세퍼레이터들 (204) 간에 전해질 전극 어셈블리 (26) 를 개재함으로써 형성된다. 각 세퍼레이터 (204) 는 제 1 플레이트 (206), 제 2 플레이트 (208), 및 제 3 플레이트 (210) 를 구비한다. 예를 들어, 제 1 플레이트 내지 제 3 플레이트 (206, 208, 210) 는 예를 들어, 스테인레스 합금으로부터 형성된 금속판들이다. 제 1 플레이트 (206) 및 제 3 플레이트 (210) 는 예를 들어, 납땜에 의해 제 2 플레이트 (208) 의 양면에 접합된다.
도 20 및 도 21 에 도시된 바와 같이, 제 1 플레이트 (206) 는 제 1 소경 단부 (212) (반응 가스 공급부) 를 구비한다. 화살표 A 에 의해 표시된 적층 방 향으로 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 공급 통로 (30) 는 제 1 소경 단부 (212) 를 통해 연장된다. 제 1 소경 단부 (212) 는 폭이 좁은 브리지 (214) 를 통해 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 1 원형 디스크 (216) (샌드위치 부재) 와 일체형으로 형성된다. 제 1 원형 디스크 (216) 와 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 애노드 (24) 는 사실상 동일한 사이즈이다.
다수의 제 1 돌출부들 (220) 은 외주 영역과 인접한 그의 중앙 영역에 애노드 (24) 를 접촉시키는 제 1 원형 디스크 (216) 의 면에 형성된다. 사실상 링 형상 돌출부 (222) 는 제 1 원형 디스크 (216) 의 외주 영역에 제공된다. 제 1 돌출부들 (220) 이 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 애노드 (24) 와 접촉하여 애노드 (24) 에 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 채널 (46) 이 제 1 돌출부들 (220) 과 애노드 (24) 간에 형성된다. 제 1 돌출부들 (220) 및 사실상 링 형상 돌출부 (222) 부는 함께 집전체를 형성한다.
연료 가스 도입구 (38) 는 사실상 애노드 (24) 의 중앙 영역을 향해 연료 가스를 공급하기 위해 제 1 원형 디스크 (216) 의 중앙에 제공된다. 복수의 배출홀들 (224, 관통홀들) 은 제 1 원형 디스크 (216) 의 사실상 링 형상 돌출부 (222) 내에 형성된다. 제 1 돌출부들 (220) 은 사실상 링 형상 돌출부 (222) 의 면과 동일한 평면에 놓인 면에 제공된 복수의 리세스들로 형성될 수도 있다. 복수의 판 형상 연장부들 (226) 은 제 1 원형 디스크 (216) 의 외주부에 소정 각도들 (간격들) 에서 제공된다.
도 20 에 도시된 바와 같이, 제 3 플레이트 (210) 는 제 2 소경 단부 (228) (반응 가스 공급부) 를 포함한다. 화살표 A 에 의해 표시된 방향으로 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 함유 가스 공급부 (74) 는 제 2 소경 단부 (228) 를 통해 연장된다. 제 2 소경 단부 (228) 는 폭이 좁은 브리지 (230) 를 통해 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 2 원형 디스크 (232) (샌드위치 부재) 와 일체형으로 형성된다.
도 22 에 도시된 바와 같이, 복수의 제 2 돌출부들 (234) 은 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 캐소드 (22) 와 접촉하는 제 2 원형 디스크 (232) 의 전체 표면 상에 형성된다. 제 2 돌출부들 (234) 이 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 캐소드 (22) 와 접촉되어 산소 함유 가스를 캐소드 (22) 에 공급하기 위한 산소 함유 가스 채널 (70) 이 제 2 돌출부들 (234) 과 캐소드 (22) 간에 형성된다. 제 2 돌출부들 (234) 은 집전체로서 기능한다. 산소 함유 가스 도입구 (236) 는 사실상 캐소드 (22) 의 중앙 영역을 향해 산소 함유 가스를 공급하기 위해 제 2 원형 디스크 (232) 의 중앙에 제공된다.
도 20 에 도시된 바와 같이, 제 2 플레이트 (208) 는 제 3 소경 단부 (238) (반응 가스 공급부) 와 제 4 소경 단부 (240) (반응 가스 공급부) 를 포함한다. 연료 가스 공급 통로 (30) 는 제 3 소경 단부 (238) 를 통해 연장되고, 산소 함유 가스 공급부 (74) 는 제 4 소경 단부 (240) 를 통해 연장된다. 제 3 소경 단부 (238) 와 제 4 소경 단부 (240) 는 각각 폭이 좁은 브리지들 (242, 244) 을 통해 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 3 원형 디스크 (246) (샌드위치 부재) 와 일체형으로 형성된다. 제 1 원형 디스크 내지 제 3 원형 디스크 (216, 232, 246) 는 동 일 직경을 갖는다.
복수의 판 형상 연장부들 (248) 은 제 3 원형 디스크 (246) 의 외주부를 따라 소정 각도들 (간격들) 에서 제공된다. 제 1 원형 디스크 (216) 와 제 3 원형 디스크 (246) 가 함께 적층되는 경우, 판 형상 연장부들 (226, 248) 은 사실상 장방형 배관 형상을 형성하고, 배출홀들 (224) 에 접속되는 연료 가스 배출 채널 (250) 은 판 형상 연장부들 (226, 248) 간에 형성된다 (도 22 참조).
연료 가스 공급 채널 (58) 은 브리지들 (214a, 242) 간에 형성되고, 산소 함유 가스 공급 채널 (252) 은 브리지들 (230, 240) 간에 형성된다. 산소 함유 가스 공급 채널 (252) 는 산소 함유 가스 도입구 (236) 에 접속된다.
파티션 (254) 은 제 1 플레이트 (206) 와 대향하는 제 3 원형 디스크 (246) 의 면내에 제공된다. 파티션 (254) 은 제 3 원형 디스크 (246) 의 중심에 대해서 공통 축상으로 배치된다. 파티션 (254) 은 사실상 링 형상 돌출부에 의해 형성되고, 연료 가스 공급 채널 (58) 이 파티션 (254) 에 의해 제 1 연료 가스 채널부 (58a) 와 제 2 연료 가스 채널부 (58b) 로 분할된다. 복수의 제 3 돌출부들 (256) 은 파티션 (254) 내부의 제 3 원형 디스크 (246) 의 면 상에 제공된다.
도 22 에 도시된 바와 같이, 제 1 플레이트 (206) 는 납땜에 의해 제 2 플레이트 (208) 에 접합되어 제 1 플레이트 (206) 과 제 2 플레이트 (208) 간의 연료 가스 공급 통로 (30) 및 연료 가스 도입구 (38) 에 접속되는 연료 가스 공급 채널 (58) 을 형성하도록 한다.
연료 가스가 제 1 연료 가스 채널부 (58a) 에 공급될 경우, 제 1 원형 디스 크 (216) 는 압력 하에서 애노드 (24) 를 접촉시킨다. 구체적으로, 제 1 연료 가스 채널부 (58a) 는 제 1 연료 가스 압력실 (258a) 을 형성한다. 제 2 연료 가스 채널부 (58b) 는 제 1 연료 가스 압력실 (258a) 주위에 제공된다. 연료 가스가 제 2 연료 가스 채널부 (58b) 에 공급될 경우, 제 1 원형 디스크 (216) 는 압력 하에서 애노드 (24) 가 가압된다. 구체적으로, 제 2 연료 가스 채널부 (58b) 는 제 2 연료 가스 압력실 (258b) 을 형성한다.
제 2 플레이트 (208) 는 납땜에 의해 제 3 플레이트 (210) 와 접합되어, 제 2 플레이트 (208) 와 제 3 플레이트 (210) 간의 산소 함유 가스 공급부 (74) 및 산소 함유 가스 도입구 (236) 에 접속되는 산소 함유 가스 공급 채널 (252) 을 형성하도록 한다. 산소 함유 가스가 산소 함유 가스 공급 채널 (252) 에 공급되는 경우, 제 2 원형 디스크 (232) 는 압력 하에서 캐소드 (22) 를 접촉시킨다. 구체적으로, 산소 함유 가스 공급 채널 (252) 은 산소 함유 가스 압력실 (260) 을 형성한다. 도 20 에 도시된 바와 같이, 절연 실들 (76a, 76b) 는 연료 가스 공급 통로 (30) 주위의 세퍼레이터들 (204) 과 산소 함유 가스 공급부 (74) 간에 개재된다.
도 19 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택 (202) 은 연료 전지들 (200) 의 적층 방향 양단에 제공되는 엔드 플레이트들 (270a, 270b) 을 포함한다. 엔드 플레이트 (270a) 또는 엔드 플레이트 (270b) 는 체결 볼트 (272) 로부터 전기적으로 절연된다. 제 1 배관 (274) 및 제 2 배관 (276) 은 엔드 플레이트 (270a) 를 통해 연장된다. 제 1 배관 (274) 은 연료 전지 (200) 의 연료 가스 공급 통 로 (30) 에 접속되고, 제 2 배관 (276) 은 연료 전지 (200) 의 산소 함유 가스 공급부 (74) 에 접속된다.
연료 전지 스택 (202) 에서, 연료 가스는 엔드 플레이트 (270a) 에 접속되는 제 1 배관 (274) 에 공급되고, 제 1 배관 (274) 로부터 연료 가스 공급 통로 (30) 로 흐른다. 산소 함유 가스 (이하에서는 단순히 산소라 칭함) 는 엔드 플레이트 (270a) 에 접속되는 제 2 배관 (276) 에 공급되고, 공기는 제 2 배관 (276) 으로부터 산소 함유 가스 공급부 (74) 로 흐른다.
도 22 에 도시된 바와 같이, 연료 가스가 연료 가스 공급 통로 (30) 로 흘러 들어간 후, 연료 가스는 화살표 A 에 의해 표시된 바와 같이 적층 방향으로 흐르며, 각 연료 전지 (200) 에서 세퍼레이터 (204) 의 연료 가스 공급 채널 (58) 에 공급된다. 연료 가스는 연료 가스 공급 채널 (58) 을 따라 흐르고, 이후 제 1 연료 가스 채널부 (58a) 로 흐른다. 연료 가스 입력구 (38) 는 제 1 연료 가스 채널부 (58a) 의 중앙에 형성된다. 연료 가스는 연료 가스 도입구 (38) 로 흐르며 연료 가스 채널 (46) 을 향해 흐른다.
공기가 산소 함유 가스 공급부 (74) 로 흘러들어간 후, 산소 함유 가스는 세퍼레이터 (28) 내의 산소 함유 가스 공급 채널 (252) 을 통해 흐르며, 산소 함유 가스 압력실 (260) 로 공급된다. 공기는 사실상 제 2 원형 디스크 (232) 의 중앙에서 산소 함유 가스 도입구 (236) 로 흐른다.
전해질 전극 어셈블리들 (26) 의 각각에서, 산소 함유 가스 도입구 (236) 는 캐소드 (22) 의 중앙부에 대응하는 위치에서 제공된다. 따라서, 도 22 에 도시 된 바와 같이, 산소 함유 가스 도입구 (236) 로부터의 공기는 산소 함유 가스 채널 (70) 에 공급되며, 캐소드 (22) 의 중앙 영역으로부터 캐소드 (22) 의 외주 영역을 향해 흐른다.
따라서, 각 전해질 전극 어셈블리 (26) 에서, 연료 가스는 애노드 (24) 의 의 중앙 영역으로부터 애노드 (24) 의 외주 영역까지 공급되나, 공기는 캐소드 (22) 의 중앙 영역으로부터 캐소드 (22) 의 외주 영역으로 공급되어 전기를 생성한다. 연료 가스 및 공기가 발전의 결과로서 사용되었던 후, 연료 가스 및 공기는 배기 가스로서 배기 가스 채널 (78) 로 배기된다.
제 6 실시형태에서, 연료 가스 채널 (46) 은 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 중앙에서 개방되는 연료 가스 도입구 (38) 에서의 시작 포인트를 갖고, 또한, 연료 가스 채널 (46) 은 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외주 영역에 대응하는 위치에서 사실상 링 형상 돌출부 (222) 에 위치된 엔드 포인트를 갖는다. 연료 가스 채널 (46) 의 엔드 포인트는 연료 가스 채널 (46) 로부터의 전해질 전극 어셈블리 (26) 내에서 사용되는 연료 가스를 배출하도록 배출홀들 (224) 에 접속된다.
배출홀들 (224) 로 배출되는 오프 가스는 판 형상 연장부들 (226, 248) 간에 형성된 연료 가스 배출 채널 (250) 로 흐른다. 오프 가스는 화살표 B 에 의해 표시된 방향으로 연료 가스 배출 채널 (250) 을 통해 이동한다. 오프 가스는 세퍼레이터 (204) 와 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외주부들로부터 소정 거리만큼 바깥을 향해 이격되는 위치로부터 방출된다.
따라서, 오프 가스와 반응 후의 산소 함유 가스가 혼합되는 영역 (반응 영 역) 은, 전해질 전극 어셈블리 (26) 및 세퍼레이터 (204) 의 외주부들에서 상당히 외부로 이격된다. 따라서, 제 1 실시형태 내지 제 5 실시형태들의 그것들과 동일한 효과가 획득될 수 있다. 예를 들어, 전해질 전극 어셈블리 (26) 및 세퍼레이터 (204) 는 오프 가스와 공기의 혼합 가스를 구성하는 연소 가스 또는 연소 가스의 임의의 반응에 의해 국소적으로 가열되지 않는다. 따라서, 세퍼레이터 (204) 의 내구성은 개선될 수 있다.
도 23 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따라 연료 전지 (280) 를 도시하는 분해된 사시도이다. 제 7 실시형태에 따른 연료 전지 (200) 의 그것들과 동일한 구성 요소들은 동일 참조 부호를 이용하여 레이블되고, 이로써 이들의 상세한 설명은 생략된다.
연료 전지 (280) 는 제 1 플레이트 내지 제 3 플레이트 (284, 286, 210) 를 포함하는 세퍼레이터 (282) 를 구비한다. 제 1 플레이트 (284) 및 제 2 플레이트 (286) 는 제 6 실시형태에서 제공된 판 형상 연장부들 (226, 248) 대신, 링 형상 스커트들 (288, 290) 을 구비한다.
스커트들 (288, 290) 은 제 1 원형 디스크 (216) 와 제 3 원형 디스크 (246) 의 외측단들로부터 소정 거리 외부를 향해 돌출되고, 연료 가스 배출 채널 (292) 은 스커트들 (288, 290) 간에 형성된다. 따라서, 제 7 실시형태에서, 제 6 실시형태의 경우와 유사한 효과들은 달성된다.

Claims (23)

  1. 애노드 (24), 캐소드 (22), 및 상기 애노드 (24) 와 상기 캐소드 (22) 사이에 개재되는 전해질 (20) 을 포함하는 전해질 전극 어셈블리 (26) 와 세퍼레이터 (28) 를 적층하여 형성된 연료 전지 (11) 로서,
    상기 세퍼레이터 (28) 의 한쪽 면에 형성되고 상기 애노드 (24) 의 면을 따라 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 채널 (46); 및
    상기 세퍼레이터 (28) 의 다른 쪽 면에 형성되고 상기 캐소드 (22) 의 면을 따라 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 채널 (70) 을 포함하고,
    상기 연료 가스 채널 (46) 은 상기 전해질 전극 어셈블리의 외주부에 대응하는 위치에서 배치되는 엔드 포인트를 갖고, 상기 연료 가스 채널 (46) 의 엔드 포인트는 상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외주부에서 바깥쪽으로 이격되는 위치로부터, 상기 전해질 전극 어셈블리 내에서 사용된 상기 연료 가스를 방출하는 연료 가스 배출 채널 (68) 과 접속하는, 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 가스 채널 (46) 은 상기 세퍼레이터 (28) 의 상기 한쪽 면에 제공되는 채널부 (48a) 를 포함하고, 상기 채널부 (48a) 는 상기 연료 가스 채널 (46) 에 상기 연료 가스를 공급하는 연료 가스 도입구 (38) 로부터 상기 연료 가스 배출 채널 (68) 까지 접속되는, 연료 전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 가스 배출 채널 (68) 은 상기 세퍼레이터 (28) 를 통해 연장하는 관통구 (54) 및 상기 세퍼레이터 (28) 의 상기 다른 쪽 면에 제공되는 배출홈 부재 (66) 를 포함하며, 상기 배출홈 부재 (66) 는 관통구 (54) 에 접속되고 상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 바깥쪽으로 연장하는, 연료 전지.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 가스 배출 채널 (164) 은 상기 세퍼레이터 (162) 의 상기 한쪽 면에 제공되고, 상기 연료 가스 채널 (46) 과 접속하는 배출홈 (166), 및 상기 세퍼레이터 (162) 의 상기 한쪽 면에 제공되어 상기 배출홈 (166) 을 커버하도록 하는 덮개 부재 (168) 를 포함하는, 연료 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터 (28) 의 상기 한쪽 면에서는 상기 애노드 (24) 의 외주부와 밀착하도록 링 형상 돌출부 (56) 가 제공되는, 연료 전지.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 채널부는 홈 (48a) 을 포함하는, 연료 전지.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 채널부는 복수의 돌출부들 (186) 을 포함하는, 연료 전지.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 채널부는 상기 애노드 (24) 에 밀착하게 배치되는 변형 가능한 탄성 채널 부재 (196) 를 포함하는, 연료 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소 함유 가스 채널 (70) 은 상기 세퍼레이터 (28) 의 상기 다른 쪽 면에 배치되어 상기 캐소드 (22) 에 밀착하는 변형 가능한 탄성 채널 부재 (72) 를 포함하는, 연료 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 변형 가능한 탄성 채널 부재 (72) 가 배치되는 영역은, 상기 애노드 (24) 의 발전 (power generation) 영역보다 작은, 연료 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 변형 가능한 탄성 채널 부재는 도전성 메쉬 부재 또는 펠트 부재 (felt member) 를 포함하는, 연료 전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소 함유 가스 채널 (144) 은 상기 세퍼레이터 (142) 의 상기 다른 쪽 면에 배치되는 복수의 돌출부들 (146) 을 포함하는, 연료 전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 돌출부들 (146) 은 상기 세퍼레이터 (142) 의 상기 한쪽 면에 에칭에 의해 형성된 복수의 솔리드 부분들 (solid portions) 을 포함하는, 연료 전지.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 에서 반응 동안 사용되며, 상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 및 세퍼레이터 (28) 의 적층 방향으로 상기 연료 가스 및 상기 산소 함유 가스를 배기 가스로서 배출하기 위한 배기 가스 채널 (78);
    상기 산소 함유 가스 채널 (70) 에 적층 방향으로 상기 산소 함유 가스를 공급하기 위하여 사용 전의 상기 산소 함유 가스에 대한 통로로서 작용하는 산소 함유 가스 공급부 (74); 및
    상기 세퍼레이터 (28) 의 한쪽 면 또는 다른 쪽 면에 제공되는 연료 가스 공급 채널 (58) 로서, 상기 연료 가스 공급 채널 (58) 은 사용 전의 상기 연료 가스에 대한 통로로서 작용하는 연료 가스 공급부 (32) 와 상기 연료 가스 도입구 (38) 에 접속되는, 상기 연료 가스 공급 채널 (58) 을 더 포함하고,
    상기 연료 가스 공급부 (32) 는 상기 산소 함유 가스 공급부 (74) 내에 기밀 하게 배치되고,
    상기 연료 가스 공급 채널 (58) 은 상기 연료 가스 채널 (46) 과 상기 연료 가스 공급부 (32) 에 접속시키고, 적층 방향으로 연장하는 상기 산소 함유 가스 공급부 (74) 와 교차하도록 상기 세퍼레이터 면을 따라 제공되는, 연료 전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 배기 가스 채널 (78) 은 상기 세퍼레이터 (28) 의 주위에 배치되는, 연료 전지.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 연료 가스 공급부 (32) 는 상기 세퍼레이터 (28) 의 중앙부에 기밀하게 배치되고, 상기 산소 함유 가스 공급부 (74) 는 상기 세퍼레이터 (28) 의 내부 영역에 배치되는, 연료 전지.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 연료 가스 도입구 (38) 는, 상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 중앙부에 배치되는, 연료 전지.
  18. 제 2 항에 있어서,
    상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 에서 반응 동안 사용되며, 연료 가스 및 산 소 함유 가스를 배기 가스로서 상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 및 상기 세퍼레이터 (204) 의 적층 방향으로 배출하기 위한 배기 가스 채널 (78); 및
    사용 전의 산소 함유 가스를 위한 통로로서 작용하고 상기 적층 방향으로 상기 산소 함유 가스를 상기 산소 함유 가스 채널 (70) 로 공급하기 위한 산소 함유 가스 공급부 (240) 를 더 포함하고,
    상기 연료 가스 공급부 (238) 및 상기 산소 함유 가스 공급부 (240) 는 상기 배기 가스 채널 (78) 내에 기밀하게 배치되고,
    상기 연료 가스 공급 채널 (58) 은 상기 연료 가스 채널 (46) 과 상기 연료 가스 공급부 (238) 를 접속시키고, 상기 적층 방향으로 연장하는 상기 배기 가스 채널 (78) 와 교차하도록 상기 세러페이터 면을 따라 배치되며,
    상기 산소 함유 가스 공급 채널 (252) 은 상기 산소 함유 가스 채널 (70) 과 상기 산소 함유 가스 공급부 (240) 를 접속시켜고, 상기 배기 가스 채널 (78) 과 교차하도록 상기 세퍼레이터 면을 따라 배치되는, 연료 전지.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 연료 가스 채널 (46) 은 연료 가스 압력실 (258a) 을 형성하여, 상기 연료 가스 채널 (46) 에 연료 가스가 공급될 때 상기 애노드 (24) 가 가압되도록 하고,
    상기 산소 함유 가스 채널 (70) 은 산소 함유 가스 압력실 (260) 을 형성하여, 상기 산소 함유 가스 채널 (70) 에 산소 함유 가스가 공급될 때 상기 캐소드 (22) 가 가압되도록 하는, 연료 전지.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 는 상기 세퍼레이터 (28) 의 중심 주위에 동심원으로 배열되는 복수의 전해질 전극 어셈블리들을 포함하는, 연료 전지.
  21. 애노드 (24), 캐소드 (22), 및 상기 애노드 (24) 와 상기 캐소드 (22) 간에 개재된 전해질 (20) 을 포함하는 전해질 전극 어셈블리 (26) 및 세퍼레이터 (28) 를 적층하여 형성되는 연료 전지 (11) 로서,
    상기 세퍼레이터 (28) 는,
    상기 전해질 전극 어셈블리들 (26) 간에 개재되고, 상기 애노드 (24) 의 면을 따라 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 도입구 (38) 또는 상기 캐소드 (22) 의 면을 따라 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 함유 가스 도입구를 갖는 샌드위치 부재 (36);
    상기 샌드위치 부재 (36) 에 접속되며, 상기 연료 가스 도입구 (38) 에 연료 가스를 공급하거나 상기 산소 함유 가스 도입구에 상기 산소 함유 가스를 공급하기 위해 그 안에 반응 가스 공급 채널 (58) 을 갖는 브리지 (34); 및
    상기 브리지 (34) 와 일체형으로 접속되며, 상기 반응 가스 공급 채널 (58) 에 상기 연료 가스 또는 상기 산소 함유 가스를 공급하기 위해 그 안에 반응 가스 공급 통로 (30) 를 갖는 반응 가스 공급부 (32) 를 포함하고,
    상기 샌드위치 부재 (36) 에는 연료 가스 배출 채널 (68) 이 배치되고, 상기 연료 가스 배출 채널 (68) 은 상기 연료 가스 채널 (46) 과 접속되어 상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외주부로부터 바깥으로 이격된 위치로부터, 상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 내에서 사용된 연료 가스를 방출하는, 연료 전지.
  22. 애노드 (24), 캐소드 (22), 및 상기 애노드 (24) 와 상기 캐소드 (22) 간에 개재된 전해질 (20) 을 포함하는 전해질 전극 어셈블리 (26) 및 세퍼레이터 (28) 를 적층하여 형성되는 복수의 연료 전지들 (11) 을 적층함으로써 형성되는 연료 전지 스택으로서,
    상기 연료 전지 스택은,
    상기 세퍼레이터 (28) 의 한쪽 면에 형성되고 상기 애노드 (24) 의 면을 따라 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 채널 (46); 및
    상기 세퍼레이터 (28) 의 다른 쪽 면에 형성되고 상기 캐소드 (22) 의 면을 따라 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 함유 가스 채널 (70) 을 포함하고,
    상기 연료 가스 채널 (46) 은 상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외주부에 대응하는 위치에 배치된 엔드 포인트를 갖고, 상기 연료 가스 채널 (46) 의 엔드 포인트는 상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 의 외주에서 바깥쪽으로 이격되는 위치로부터, 상기 전해질 전극 어셈블리 (26) 내에서 사용된 상기 연료 가스를 상기 산소 함유 가스 공급부 (74) 로 방출하기 위한 연료 가스 배출 채널 (61) 과 접속하는, 연료 전지 스택.
  23. 제 22 항에 있어서,
    연료 가스 공급 채널 (58) 은 상기 세퍼레이터 (28) 의 상기 한쪽 면 또는 상기 다른 쪽 면에 배치되고, 상기 연료 가스 공급 채널 (58) 은 사용 전의 상기 연료 가스에 대한 통로로서 작용하는 연료 가스 공급부 (32) 와 상기 연료 가스 채널 (46) 로 상기 연료 가스를 공급하는 연료 가스 도입구 (38) 에 접속되는, 연료 전지 스택.
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