KR20090007573A - 고분자 전해질 전기 화학 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치에 사용하기 위한 연료 전지 장치 및, 이 연료 전지 장치 내에 사용하기 위한 지지판, 가스 연결 수단 및 클램핑 수단에 관한 것이다. 이 전기 화학 장치는 연료 전지 또는 전해조로서 이용될 수 있다. 특히, 본 발명은 지지판의 한 표면 상에 직렬 연결로 배치되는 2 이상의 연료 전지를 포함하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치에 관한 것으로서, 연료 전지(2', 2", 2"'; 943)는 상기 지지판의 영역보다 큰 영역을 가진 베어링 판(218; 942)에 누르도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
Figure P1020087026609
연료 전지, 지지판, 가스 연결 수단, 클램핑 수단

Description

고분자 전해질 전기 화학 장치{POLYMER ELECTROLYTE ELECTROCHEMICAL DEVICE}
본 발명은 평면 구성의 에어 브리딩(air breathing) 고분자 전해질 전기 화학 장치에 사용하기 위한 연료 전지 장치 및, 이 연료 전지 장치 내에 사용하기 위한 지지판, 가스 연결 수단 및 클램핑 수단에 관한 것이다. 이 전기 화학 장치는 연료 전지 또는 전해조로서 이용될 수 있다.
일반적으로, 연료 전지는 화학 반응 에너지를 전기로 변환하는 장치이다. 연료 전지는, 연료 및 산화제가 전지 외부에 저장되어 연료 및 산화제가 공급되는 한 전력을 생성할 수 있다는 점에서 배터리와 상이하다. 연료 전지는, 연료 및 산화제를 전해질로 분리된 2개의 적절한 전극과 접촉하게 함으로써 기전력을 생성시킨다. 전해조는 연료 전지의 반대 기능을 가진 장치이다. 그것은 전기 에너지를 수소 및 산소의 형태의 화학 에너지로 변환한다. 고분자 전해질 연료 전지에서, 수소 가스와 같은 연료는, 식 (1)에서 설명된 바와 같이, 양자 및 전자를 형성하도록 음 전극(애노드)의 전기 촉매 표면 상에 해리하는 하나의 전극에 도입된다. 전자는 전극의 도전성 구조체로 통과하여, 그것으로부터 상기 연료 전지에 의해 에너지 공급된 외부 전기 회로로 통과한다. 제 1 전극에서 수소의 해리(dissociation)로 형성된 양자는 전해질을 통해 제 2 전극으로 통과한다. 동시에, 산소 가스 또는 공기와 같은 산화제는 양 전극(캐소드)의 전기 촉매 표면 상에 흡수되는 제 2 전극에 도입되어, 연료 전지에 의해 에너지 공급된 외부 전기 회로를 횡단하는 전자에 의해 표면 산화물종(surface oxide species)을 형성하도록 전기 화학적으로 감소된다. 이 표면 산화물은 물, 순 반응(net reaction)의 생성물을 형성하도록 전해질로부터의 양자와 반응한다. 물은 전극으로부터 제거하여, 전지를 캐소드로 되게 한다. 형성된 물의 일부는 응축되어, 캐소드 및 흡습성막(hygroscopic membrane)에 있게 한다. 2개의 전극에서의 수소 소멸 연료 전지(hydrogen consuming fuel cell)에 대한 절반의 셀 반응은 제각기 다음과 같다:
H2 '2H+ + 2e- (1); 1/202 + 2H+ +2e- 'H2O (2)
외부 회로를 통해 2개의 전극을 연결함으로써, 전기 전류가 회로 내에 흐르게 되어, 전지로부터 전기 전력이 끊어진다. 상기 기록된 개별 절반의 전지 반응의 합인 전체 연료 전지 반응은 전기 에너지 및 열을 생성시킨다.
일부 애플리케이션이 단일 전지를 이용할 수 있지만, 사실상 연료 전지는 종종 직렬로 연결되어, 부가적으로 개별 전지 전위를 결합하여 더욱 크고 더욱 유용한 전위를 달성한다. 소정의 직렬의 전지는, 하나의 전지의 애노드 및 인접한 전지의 캐소드와 접촉하거나, 외부 전기적 연결부(electrical linkage)를 통해 단일 구성 요소의 대향면과 직접 연결될 수 있다. 연료 전지 스택(stack)으로 지칭되는 일련의 연료 전지는 보통 2개의 가스의 분배를 위한 매니폴드(manifold) 시스템을 장착한다. 연료 및 산화제는 매니폴드로 정확한 전극으로 지향되고, 반응물 또는 냉 각 매체에 의해 냉각이 제공된다. 또한, 스택 내에는 집전 장치, 전지 대 전지 밀봉부(seal) 및 다른 구성 요소가 있다. 이 스택 및 관련된 하드웨어는 연료 전지 모듈을 구성한다.
고체 고분자 전해질을 이용하는 연료 전지에서, 막은 전해질로서 작용할 뿐만아니라 반응물 가스의 혼합을 방지하는 장벽으로서도 작용한다. PEM 연료 전지는 여기서 참조로 포함되는 Dhar의 미국 특허 제5,242,764호에 더욱 상세히 기재되어 있다. 양자 교환 막 ("PEM") 연료 전지에 대한 전력 대 중량비를 개선하기 위한 많은 연구 및 개발이 이루어져 왔다. 이런 연구의 대부분은 비교적 무거운 스택의 단위 체적당 전력을 증대시키는 것을 수반한다.
본 발명의 고분자 전해질 전기 화학 장치는 소형의 장치이다. 정지 또는 수송(stationary or transportation) 애플리케이션에 대한 상황(1-200 kW)과 달리, 작은 고분자 전해질 연료 전지(마이크로 내지 수백 와트)를 개발하기 위한 주요 동기는 환경적 이들에 있지 않고, 주로 1차 및 2차 배터리인 확립된 기술에 비해 예견 가능한 개선된 기술적 특성에 있다. 또한, 배터리가 비교적 비싸므로 수송 애플리케이션에서보다 재료의 비용의 장벽이 적다. 배터리에 대한 Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFC)의 기대 이점은 에너지 밀도 (Wh g-1)가 더 높고, 재충전 시간이 필요치 않다는 것이다.
지금까지, PEFC는 주로, 어떤 규정 (온도, 반응물 흐름 및 습도)을 가진 이득이 결합된 부속 부품 (냉각 시스템, 압축기 및 팬, 가습기)의 수반된 중량 및 전기적 소비보다 중대한 큰 전지에 대해 개발되었다. 최근에, 중 탄소 원소(heavy carbon elements)를 더욱 얇고 가벼운 금속 원소로 대체함으로써 스택 웨이트(stack weight)를 감소시키는 노력이 행해져 왔다. 그러나, 이들 유닛은 대규모 애플리케이션을 위해 설계되었고, 일부는 약 30 kW의 정도이며, 그래서 상술한 바와 동일한 스택 보조 장비를 필요로 한다. 더욱이, 이들 시스템 내의 스택을 포함한 보조 장비는 킬로와트 레벨에서 효율적으로 동작하도록 설계되어 있다. 이들 시스템의 스케일다운 버전(scaledown versions)은, 예컨대 약 50 와트 및 약 150 와트 간의 범위 내의 더욱 적은 전력을 필요로 하는 애플리케이션에서 시도되었다. 그러나, 이들 시스템은 수십 또는 수백 와트 내의 스택 출력에는 잘 맞지 않는데, 그 이유는 펌프 및 압축기와 같은 회전 구성 요소가 잘 스케일다운하지 않기 때문이다. 결과로서, 이 설계의 소규모의 시스템은, 예컨대 휴대용 애플리케이션(portable application) 및 개인 사용을 위한 많은 작은 애플리케이션에 대해 너무 무겁다.
그래서, 휴대용 및 개인 애플리케이션에 대한 가장 중요한 목표(objective)는 아마 단위 체적당 와트가 아니라 단위 중량당 와트, 즉 W/g 및 W/cm3이다.
작은 연료 전지는 최소 제어로 작업하도록 설계되어야 한다. 이 설계는 자연히 스택에서 평면 전지로 이동하는데, 그 이유는 평면 전지는 캐소드로의 열 제거 및 공기 액세스가 증진되기 때문이다. 그 후, 어떤 평면 구성은 직렬 연결을 위한 혼합 도체/절연체 패턴을 포함한다. 평면 전지 간의 직렬 연결은 2개의 방식으로 행해질 수 있다. 종종 밴드형 설계(banded design)로서 지칭되는 제 1 방식은 어느 한 측면상에 배치된 캐소드 및 대향 측면상에 배치된 애노드를 가지며, 각 캐소드 는 다음 인접한 전지의 애노드에 연결된다. 막의 중앙 영역 내에 틈(breaches)을 생성하거나, 막 에지를 넘어서 활동 영역 옆에 전류를 통하게 하여 거기에 연결을 행함으로써 연결이 행해질 수 있다. 후자 선택은 막을 통한 절단(cutting out)을 회피하고, 그렇게 함으로, 개별적으로 각 애노드의 까다로운 죔(fastidious tightening)이 회피된다. 평면 전지의 직렬 연결을 행하는 제 2 방식은 종종 플립-플롭 설계로서 지칭되고, 2개의 전지-하우스판의 구성을 포함하며, 이는 제각기 그의 표면을 따라 교번되는(alternated) 캐소드 및 애노드를 갖는다. 한 전지의 캐소드는 이때 다음 전지의 애노드에 전기적으로 연결된다. 물이 연료 전지 반응에서만 시작할지라도, 평면 내(in-plane) 직렬 연결을 위해 선택된 설계와 무관하게, 수동 PEFC는 작은 저항을 가진 막을 필요로 한다. 이런 사실은 연료 크로스오버(crossover)가 중요하지 않는 한 엷은 막을 필요로 한다. PEFC가 평균하여 200 mA cm-2 이상의 전류 밀도로 동작하면, 연료 크로스오버는 중요하지 않고, 막의 두께는 그의 기계적 무결성(mechanical integrity)에 의해서만 제한된다.
3개의 타입의 재료 및 이들의 관련된 기술은 지금까지 작은 PEFC를 위해 연구되어 왔다:
(i) 집전 장치 및 셀 하우징을 위한 흑연 또는 스테인레스 강판을 이용한 종래의 PEFC의 소형화;
(ii) 실리콘 기술; 실리콘 웨이퍼 상의 도전/비도전 경로의 패터닝, 또는 반응물 가스를 위한 채널의 상부 상의 다공성 실리콘 층의 복잡한 구조를 웨이퍼에 구성하는 방법의 개발;
(iii) 인쇄 회로 기판 (PCB) 기술; 전기 절연 복합 재료에 구리의 엷은 층을 이용.
본 발명은 이들 기술로 제한받지 않는데, 그 이유는 어떤 충분한 기밀(gas tight) 재료 (예컨대, 금속, 플라스틱 또는 고른 종이(even paper) 또는 종이 합성물)로부터 제조될 수 있는 가스 공급 지지판만을 필요로 하기 때문이다.
연료 전지를 개선하고 단순화하는 휘시(whish)가 있다. 접착 접합(adhesive bonding)에 의해 클램핑의 부분 교체를 포함하는 어떤 시도가 행해졌다. 하나의 방법이 US 2004/0161655에 기재되어 있으며, 이는 막 전극 조립체의 비활동 주변(non-active perimeter)을 원하는 수의 막 전극 조립체 및 바이폴라 판을 이용하여 바이폴라 판의 한 측면의 주변 프레임에 접착 접합함으로써 전기 화학 스택의 조립체를 개시한다. 경화 또는 열가소성 접착제((thermoplastic adhesive)의 엷은 층은 밀봉 영역(sealing area) 상에 위치되고, 전지 프레임 및 막 전극 조립체는 접착제가 완전히 경화되어 전지 프레임 및 막 전극 조립체를 서로 접합할 때까지 서로 눌려진다. 이 방법에서, 하나의 막 및 전극 조립체의 캐소드 측이 막 및 전극 조립체가 접합되는 바이폴라 그리드 또는 바이폴라 판의 캐소드 측에 직면하도록 막 및 전극 조립체가 확실히 적절하게 지향되도록 주의하여야 한다. 더욱이, 예컨대, 유동장(flow field), 매니폴드(manifold), 채널 및 이의 조합과 같은 바이폴라 소자 상의 어떤 특징물(features)의 주변에 접착제가 조심스럽게 도포되어, 각각의 영역에 정해진 반응 유체, 냉각 유체 또는 열 유체를 유지하는 필요한 유체 밀봉을 제공해야 한다. 더욱이, 이 방법에 의해 생성된 전지 스택은 특히 더욱 큰 전지에 대한 클램핑 힘을 필요로 할 것이다.
그래서, 향상된 전력 밀도를 제공하여,보조 장비의 대부분을 제거한 경량 연료 전지가 필요하다. 또한, 간단히 생성하고 처리하기에 편리한 고 성능의 연료 전지 또는 전해조가 필요하다. 따라서, 본 발명의 목적은 연료 전지 또는 전해조의 역할을 할 수 있는 개선된 전기 화학 장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 활동 구성 요소의 교체를 쉽게 하는 전기 화학 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적들은 WO 2006/041397로서 공개된 특허 출원 PCT/SE2005/001514에서 달성되며, 여기서, 연료 전지는 활동 구성 요소 (집전 장치, GDL 및 MEA)를 지지판에 접착성있게 부착함으로써 형성된다. 아래에 기술되는 본 발명은 그 발명의 중요한 개선을 나타내고, 또한 다른 평면 구조의 연료 전지의 개선을 나타낸다.
고분자 전해질 전기 화학 장치는, 본 출원에 관련하여, 이온 전도성 고분자 막 전해질, 예컨대, 양자 전도성 막, 또는 액체 전해질을 고정시키는 고분자 매트릭스, 예컨대, 고정된 KOH 및 H2O로 형성된 고분자 막을 가진 전기 화학 장치이다. 이와 같은 장치의 예들은 수소 공급 고분자 전해질 연료 전지, 직접 메탄올 연료 전지 및 고분자 전해질 전해조이다. 단순화를 위해, 다음의 텍스트는 연료 전지의 애노드 및 캐소드를 나타내지만, 당업자가 이해하는 바와 같이, 이들 표기는 전해조를 나타낼 시에 교환되어야 한다.
본 발명의 전기 화학 장치는 애노드 집전 장치, 애노드 및 캐소드 가스 배킹(gas backings)을 가진 막 전극 조립체, 및 캐소드 집전 장치를 포함한다. 전기 화학 장치는 바람직하게는 다수의 전지 직렬 연결 장치에 사용하기 위해 설계된다.
본 발명의 한 양태에서, 지지판(211)의 한 표면 상에 직렬 연결로 배치되는 2 이상의 연료 전지(2', 2")를 포함하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치가 제공된다. 연료 전지(2', 2")는 지지판의 영역보다 큰 영역을 가진 베어링 판(218)에 누르도록 배치된다. 베어링 판(218)은 바람직하게는 각 연료 전지(2', 2")의 영역 내에 위치된 가스 투과성(gas permeable) 부분 (217)을 포함하며, 바람직하게는 아치형의 형태를 갖는다. 판(218)은 바람직하게는 이동 전화와 같은 제품의 아치형 또는 만곡형의 케이싱이다.
바람직한 실시예에서, 지지판(211)은 샌드위치 구조의 3 이상의 층을 포함하며, 여기서, 제 1 외부 층은 연료 가스 입구(201)를 포함하고, 중간 층은 가스 채널을 형성하는 개구(221, 224)를 포함하며, 그리고 제 2 외부 층은 각 연료 전지의 연료 전지 가스실로 및 로부터의 가스의 입구 및 출구를 위한 구멍(222, 223)을 포함한다. 가스 연결 수단은 바람직하게는 지지판의 한 단부에 제공된다.
상기 연료 전지의 각각은 바람직하게는 애노드 집전 장치(207, 206'), 애노드 가스 확산 층(208), 캐소드 가스 확산 층(210), 캐소드 집전 장치(206', 206") 및 막 전극 조립체(209)를 포함한다. 막 전극 조립체는 고체 이온 전도성 고분자 막 전해질, 애노드 및 캐소드를 포함하고, 막 전극 조립체(209) 및 가스 확산 층(208, 210)은 애노드 집전 장치(207, 206')와 캐소드 집전 장치(206', 206") 간에 배치됨으로써, 애노드 가스 확산 층이 애노드 가스실을 형성하도록 애노드 집전 장치로 지향되어 부착되며, 캐소드 가스 확산 층은 캐소드 집전 장치로 지향되어 부착된다.
막 전극 조립체는 바람직하게는 밀봉되어, 접착제에 의해 애노드 집전 장치에 직접 부착되며, 이 접착제는 애노드 가스 배킹에 인접하고 대응하는 제 1 영역 및, 제 1 영역을 둘러싸는 제 2 영역을 덮어, 막 전극 조립체와 애노드 집전 장치 간에 밀봉을 하여, 애노드 가스실을 생성하며, 상기 접착제는 적어도 상기 제 1 영역 내에서 전기적으로 도전적이다.
본 발명의 다른 양태에서, 지지판(111) 상에 직렬 연결로 배치되는 2 이상의 연료 전지(1', 1")를 포함하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치가 제공된다. 연료 전지(1', 1")는 지지판의 대향 표면 상에 쌍으로 배치된다. 바람직한 실시예에서, 지지판(111)은 샌드위치 구조의 3 이상의 층을 포함한다. 제 1 외부 층(309)은 연료 가스 입구(301)를 포함하고, 중간 층(310)은 가스 채널을 형성하는 개구(302, 308)를 포함하며, 그리고 제 2 외부 층(311)은 연료 전지 가스실로 및 로부터의 가스의 입구 및 출구를 위한 구멍(303, 304)을 포함한다. 지지판은 바람직하게는 또한, 연료 전지(1', 1")가 배치되는 주요 지지판 부분(112, 312) 및 단부판 부분(113, 313)을 포함한다. 제 1 연료 전지(1')의 캐소드 집전 장치(105) 및 최종 연료 전지(1")의 애노드 집전 장치(107)는 집전 장치 접촉부에 연결하기 위해 구성되는 단부판 부분(113, 313)의 표면 영역으로 연장한다. 가스 연결 수단은 바람직하게는 지지판의 단부판 부분 상에 제공된다.
다른 바람직한 실시예에서, 장치는 아치형의 클램핑 바 또는 클램핑 판의 형태를 갖는 클램핑 수단을 구비한다.
장치의 상기 연료 전지(1', 1")의 각각은 바람직하게는 애노드 집전 장치(106a, 107), 애노드 가스 확산 층(108), 캐소드 가스 확산 층(110), 캐소드 집전 장치(105, 106b) 및 막 전극 조립체(109)를 포함한다. 막 전극 조립체는 고체 이온 전도성 고분자 막 전해질, 애노드 및 캐소드를 포함하고, 막 전극 조립체(109) 및 가스 확산 층(108, 110)은 애노드 집전 장치(106a, 107)와 캐소드 집전 장치(105, 106b) 간에 배치됨으로써, 애노드 가스 확산 층이 애노드 가스실을 형성하도록 애노드 집전 장치로 지향되어 부착되며, 캐소드 가스 확산 층은 캐소드 집전 장치로 지향되어 부착된다.
막 전극 조립체는 이점으로 밀봉되어, 접착제에 의해 애노드 집전 장치에 직접 부착되며, 이 접착제는 애노드 가스 배킹에 인접하고 대응하는 제 1 영역 및, 제 1 영역을 둘러싸는 제 2 영역을 덮는다. 이에 의해, 막 전극 조립체와 애노드 집전 장치 간에 밀봉이 생성되어, 애노드 가스실이 생성된다. 이 접착제는 적어도 상기 제 1 영역 내에서 전기적으로 도전적이다.
본 발명은 또한 상기 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치의 연결을 위한 집전 장치 접촉부에 관계한다. 이 접촉부는, 접촉 수단(704)이 제공되어, 전기 화학 장치의 지지판(311)의 단부판 부분(313)이 연장된 개구(703) 내에 삽입될 시에 애노드 집전 장치(107) 및 캐소드 집전 장치(105)와 접촉하는 연장된 개구(703)를 포함한다.
본 발명은 또한 연료 전지의 클램핑을 위한 클램핑 장치(4a,b,c)에 관계한다. 클램핑 장치는, 설치 소자를 수납하고, 연료 전지에 클램핑 장치를 고정시켜 단단하게 하기 위해 그의 단부 부분(43a,b,c)에서 수단(41a,b,c)을 가진 클램핑 바(40a,b,c)를 포함하고, 클램핑 바는 아치형의 형상을 갖는다.
클램핑 바(40a,b,c)는 바람직하게는 단부 부분(43a,b,c)보다 중심 부분(44a,b,c)에서 휨 저항(bending resistance)이 더 높다. 한 실시예에서, 클램핑 바(40a)는 균일 두께를 가지고, 균일하지 않은 재료 강성도(material stiffness)를 가진 재료로 제조됨으로써, 중심 부분(44a)이 단부 부분(43a)보다 강성도가 더 높도록 한다. 다른 실시예에서, 클램핑 바(40b)는 균일한 재료 강성도 및 균일하지 않은 두께를 가짐으로써, 중심 부분(44b)이 단부 부분(43b)보다 두께가 더 높도록 한다. 또 다른 실시예에서, 클램핑 바(40c)는 균일한 두께 및 균일하지 않은 아치형의 형상을 가짐으로써, 중심 부분(44c)이 단부 부분(43c)보다 휨 만곡부(bending curve)가 더 높도록 한다.
설치 소자를 수납하는 수단(41)은 바람직하게는 연장된 판(40)의 각 단부 부분에 위치된 구멍이다.
다른 실시예에 따르면, 공기 접근을 위한 구멍을 구비한 클램핑 판(40d)을 포함하는 클램핑 장치(4d)가 제공되는데, 이 클램핑 장치(4d)는, 설치 소자를 수납하고, 연료 전지에 클램핑 장치를 고정시켜 단단하게 하기 위해 코너 부분(43d)에서 수단(41d)을 갖는다. 클램핑 판은 중심 부분(44d)이 2개의 수직 방향으로 휘어지도록 구부러진다.
다른 실시예에 따르면, 클램핑 판(40e)을 포함하는 클램핑 장치(4e)가 제공되는데, 이 클램핑 장치(4e)는, 실질적으로 평평한 전면측(47) 및 후면측(48)을 갖는다. 클램핑 판은 고체 부분(solid portion)(45) 및 개구 부분(46)을 포함한다. 개구 부분은 탄성 재료(resilient material)로 구성되고, 개구 부분의 중심 부분(44e)이 후면측(48)의 방향으로 불룩하도록 아치형이거나 구부려진다.
본 발명은 또한 상술한 어떤 클램핑 장치를 포함하는 연료 전지에 관계한다.
본 발명은 또한 연료 입구 채널 및 연료 출구(308)를 포함하는 연료 전지 지지판에 관계한다. 연료 입구 채널은 연료 공급부에 연결하기 위한 입구 구멍(301) 및 연료 전지 애노드 가스실에 연결하기 위한 출구 구멍(303)을 갖는다. 지지판은 샌드위치 구조로 적어도 제 1 외부 층(309), 중간 층(310) 및 제 2 외부 층(311)을 포함하며, 연료 입구 채널은, 제 1 및 2 외부 층(309, 311)의 표면과 함께 중간 층(310) 내의 연장된 개구(302)에 의해 한정된다. 입구 구멍(301)은 연장된 개구(302)의 한 단부에 인접하여 제 1 외부 층(309) 내에 배치되고, 출구 구멍(303)은 연장된 개구의 다른 단부에 인접하여 제 2 외부 층(311) 내에 배치된다. 바람직한 실시예에서, 지지판은, 지지판의 한 측면에서 지지판의 대향 측면으로 연료의 전도를 위한 연료 전달 채널을 더 포함한다. 지지판은 바람직하게는 또한 집전 장치 접촉부에 연결하기 위한 집전 장치 부분(312)을 포함하며, 이 집전 장치 부분은 지지판에서 연장한다. 연료 입구 채널의 입구 구멍(301)은 이점으로 집전 장치 부분(312) 내에 제공된다.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 장치의 단면도이다.
도 1b는 도 1a를 아래에서 보아 도시한 장치의 부분 절단 수평도이다.
도 2a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 장치의 단면도이다.
도 2b는 가스실 및 가스 채널이 대시선으로 나타낸 도 2a의 장치에 사용하기 위한 지지판의 상부도이다.
도 3a-c는 연료 전지 장치의 지지판의 구성 요소의 측 입면도이다.
도 4a는 클램핑 장치의 한 실시예의 평면도 4a(I) 및 단면도 4a(II)이다.
도 4b는 클램핑 장치의 다른 실시예의 평면도 4b(I) 및 단면도 4b(II)이다.
도 4c는 클램핑 장치의 추가적 실시예의 평면도 4c(I) 및 단면도 4c(II)이다.
도 4d는 클램핑 장치의 또 다른 실시예의 평면도 4d(I) 및 사시도 4d(II)이다.
도 4e는 클램핑 장치의 또 다른 실시예의 평면도 4e(I), 측면도 4e(II) 및 사시도 4e(III)이다.
도 5는 가스 연결 수단의 확대 측 입면도이다.
도 6a-b는 가스 연결 수단의 측 단면도이다.
도 7a는 또한 가스 연결기를 가진 집전 장치 접촉부의 측면도이다.
도 7b는 도 7a의 라인 A-A에 따른 측 단면도이다.
도 7c는 도 7a의 집전 장치 접촉부의 평면도이다.
도 8은 가스 밀봉부(812)로서 원형 실리콘 피팅(fitting) 또는 o-링을 가진 가스 연결 수단의 설계를 도시한 집전 장치 접촉부의 다른 실시예이다.
도 8a는 집전 장치 접촉부의 평면도이다.
도 8b는 집전 장치 접촉부의 측면도이다.
도 9는 종래 기술의 연료 전지 장치의 측 단면도이다.
도 10a는 지지판의 상부 층의 평면도이다.
도 10b는 지지판의 중간 층의 평면도이다.
도 10c는 지지판의 하부 층의 평면도이다.
도 11은 이동 전화 섀시(chassis)의 내부에 배치된 연료 전지 장치의 개략도이다.
평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 연료 전지는 국제 출원 PCT/SE2005/001514에 기재되어 있다. 본 출원의 도 9에 도시된 이런 연료 전지는 애노드 집전 장치(201), 애노드 및 캐소드 가스 배킹(206, 208)을 가진 막 전극 조립체(204), 및 캐소드 집전 장치를 포함한다. 막 전극 조립체는 밀봉되어, 접착 수단에 의해 애노드 집전 장치에 부착되어, 애노드 가스실을 생성한다. 애노드 가스 배킹은 막 전극 조립체의 하위측 상에 제공되고, 캐소드 가스 배킹은 그의 상위측 상에 제공된다. 애노드 집전 장치는, 접착 테이프로 부착되고, 전도성 포일(conductive foil)을 포함하며, 막 전극 조립체에 직면하는 상부측 및, 지지판과 접촉해 있는 하부측을 가진 지지판(210)을 포함한다. 이 포일의 양 측면은, 막 전극 조립체에 직면하는 측면 상에서 전기적으로 전도하는 접착 코팅을 갖는다. 막 전극 조립체는 전도성 포일의 상부측 상의 접착 코팅에 의해 애노드 집전 장치에 대해 밀봉된다. 캐소드 집전 장치는 전도성 금 도금 스테인레스 강 메시(202) 및 클램핑 바(219)를 포함한다. 클램핑 바는 공기 접근을 위한 개구를 구비한 인쇄 회로 기판을 포함한다.
연료 전지의 전력 밀도, 즉 전력 출력/전지 체적 또는 전지 중량을 증대시키는 열망이 계속되어, 더욱 단순하고 콤팩트한 설계의 연료 전지 장치가 필요로 된다.
본 발명의 목적은 상기 문제를 갖지 않는 개선된 연료 전지 장치를 제공하기 위한 것이다.
종래 기술의 연료 전지 장치에서, 지지판은, 클램핑 바에 의해 가해지는 휨력을 지탱해줄 정도의 강도를 가지기 위해 소정의 두께를 가져야 한다. 상술한 전력 밀도를 증대시키려는 열망은 더욱 높은 전력 밀도를 제공할 수 있는 연료 전지의 선택적 설계를 필요로 하게 한다.
일반적 양태의 본 발명의 연료 전지 장치는 연료 전지가 지지판 상에 배치되는 직렬 연결의 2 이상의 연료 전지를 포함한다.
도 2는 본 발명의 한 양태에 따른 연료 전지 장치의 실시예를 도시하며, 이 장치는 많은 연료 전지를 포함하며, 상기 연료 전지는 직렬 연결되어, 지지판(211)의 한 표면 상에 나란히 배치되어, 단면(single sided) 연료 전지 장치를 형성한다. 도 2에는 3개의 전지가 도시되지만, 이 실시예의 장치에는 어떤 바람직한 수의 전지가 배치될 수 있음에 주목되어야 한다. 도 2의 연료 전지는 제 1 2', 제 2 2", 및 제 3 2"' 연료 전지로서 지칭된다. 각 연료 전지는 애노드 집전 장치 포일, 애 노드 GDL(208), MEA(209), 캐소드 GDL(210), 캐소드 집전 장치 포일, 및 공기 투과성(air pervious) 클램핑 구성 요소(204)를 포함한다. 가스실은 도 1에 도시된 실시예에서와 동일한 방식으로 연료 전지 내에 형성되고, 가스실은 접착 수단에 의해 밀봉된다. 클램핑 구성 요소는 개구를 가진 네트(net), 또는 플레이트(plate) 또는 포일의 형태일 수 있다. 클램핑 구성 요소는 또한 아치형 또는 휨 형상을 가질 수 있다. 연료 전지는, 각 연료 전지의 영역 내의 구멍 또는 개구 영역(217)을 포함하는 프레임의 형상을 가질 수 있는 베어링판(218)에 대해 누르도록 배치된다. 이 베어링판의 영역은 지지판의 영역보다 더 크다. 베어링판은 바람직하게는 이동 전화 케이싱의 내부 표면이다. 가장 바람직한 실시예에서, 베어링판은 오목형 또는 볼록형일 수 있는 아치형의 형상을 갖는다. 베어링판은 또한 도 4에 도시된 어떤 클램핑판과 유사한 휨 형상을 가질 수 있다. 지지판 및 연료 전지는 부착되어, 스냅 연결(snap connection)에 의해, 또는 지지판 밑의 제품 (예컨대, 이동 전화) 내에, 즉 연료 전지의 사이드 베어링에 대향한 지지판의 측면 상에 제공되는 다른 구성 요소로 클램프됨으로써 베어링 판에 대해 눌려진다.
연료 전지는 집전 장치 포일의 배치에 의해 직렬 연결된다. 집전 장치 포일(206')은 제 1 전지(2')에 대한 캐소드 집전 장치 및, 제 2 전지(2")에 대한 애노드 집전 장치로서 역할을 하고, 집전 장치 포일(206")은 제 2 전지(2")에 대한 캐소드 집전 장치 및, 제 3 전지(2"')에 대한 애노드 집전 장치로서 역할을 한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 지지판은 3 이상의 층을 포함하며, 여기서, 제 1 외부 층은 연료 가스 입구(201)를 포함하고, 중간 층은 가스 채널을 형성하는 개 구(221, 224)를 포함하며, 그리고 제 2 외부 층은 각 연료 전지의 연료 전지 가스실로 및 로부터의 가스의 입구 및 출구를 위한 구멍(222, 223)을 포함한다. 연료 가스는, 가스 채널(221)을 통해 가스 입구 구멍(201)로부터 전달되고, 구멍(222)을 통해 애노드 집전 장치와 제 1 연료 전지(2')의 MEA 간에 형성된 가스실에 들어간다. 연료 가스 흐름은 가스실을 통해 이루어지고, 구멍(223)을 통해 나가, 다음 연료 전지(2")의 가스실로 더 전달된다. 최종으로, 가스 흐름은 지지판 내의 연료 가스 출구 채널(225)을 통해 장치를 나간다. 바람직하게는, 도 4 및 5에서 아래에 기술되는 타입의 가스 연결 수단은 가스 입구 구멍(201)과 관련하여 지지판 상에 제공될 수 있다. 제 1 전지(2')의 애노드 실 영역은 대시선(220)으로 나타낸다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전력 밀도는 연료 전지 장치를 설비함으로써 증대되며, 이 연료 전지 장치는 양면 연료 전지 장치를 형성하기 위해 양방의 측면에 적용된 연료 전지를 가진 지지판을 포함한다. 양방의 연료 전지는 이들의 외부 표면 상의 클램핑 장치에 의해 클램프되고, 클램핑 장치에 의해 가해지는 휨력은 이에 의해 서로 방해한다. 지지판 상의 기계적 응력은 감소되어, 또한 강성도 요구 조건이 감소된다. 따라서, 더욱 낮은 두께의 지지판이 사용될 수 있다. 이와 같은 양면 연료 전지 장치는, 멀티 연료 전지 장치를 형성하기 위해 부가적인 양면 연료 전지 장치와 직렬 연결될 수 있다. 지지판이 양방의 측면에 이용되기 때문에, 연료 전지 장치의 더욱 높은 전력 밀도가 달성된다.
전력 밀도를 증대시키는 문제에 대한 다른 솔루션은 본 발명의 다른 양태에 따른 연료 전지 장치에 의해 제공된다. 이에 따르면, 개선된 연료 전지 장치는 여 기서 또한 지지 포일이라 하는 엷은 지지판을 포함하며, 이 지지판은 연료 가스를 연료 전지 장치에 제공하기 위한 가스 채널을 포함한다. 연료 전지는 지지 포일의 한 측면 상에 배치된다. 지지 포일은 바람직하게는 샌드위치 구조의 3 이상의 층을 포함한다. 이 지지 포일은 바람직하게는 매우 얇은 약 0.3-1 mm이고, 클램핑력에 지탱할정도의 충분한 기계적 강성도를 가질 필요가 없다. 지지 포일은 지지 포일의 후방에서 강성 판 또는 바에 의해 백업(back up)되어, 클램핑 바 또는 클램핑판으로 한 측면상에 클램프된다.
전력 밀도를 증대시키는 문제에 대한 또 다른 솔루션은 본 발명의 추가적 양태에 따른 연료 전지 장치에 의해 제공된다. 이 양태의 장치는 상술한 지지 포일을 포함한다. 이 실시예에서, 지지 포일은 백업되지 않지만, 대신에, 캐소드 가스 확산 층 (GDL)은 강성 판에 눌려지고, 지지 포일보다 더 큰 영역을 가지며, 캐소드로 및 로부터 가스 액세스를 제공할 구멍을 포함한다. 이 판은 예컨대 이동 전화 섀시의 내부일 수 있다. 따라서, 이 솔루션은 연료 전지 장치를 다른 제품의 내부에 배치되는 유연성(flexibility)을 향상시킨다.
도 1a는 본 발명의 제 1 양태에 따른 연료 전지 장치의 한 실시예의 단면 확대도를 도시한다. 도 1b는 도 1a에 따라 아래에서 바라본 이 실시예의 부분 절단도를 도시한다. 연료 전지 장치는, 양면 연료 전지 장치를 형성하기 위해 지지판(111)의 대향측 상에 배치된 2개의 직렬 연결된 전지(1' 및 1")를 포함한다. 2개의 연료 전지는 유사한 구조를 가짐으로써, 각 전지가 애노드 집전 장치 포일, 애노드 GDL (가스 확산층), MEA (막 전극 조립체), 캐소드 GDL, 캐소드 집전 장치 포 일, 및 클램핑 장치를 포함한다. 가스실은 가스 확산층에 의해 애노드 집전 장치 포일과 MEA 사이에 형성된다. 따라서, 전지의 활동 영역은 GDL의 영역에 대응하고, 전형적으로, 약 1.5×5 cm의 치수를 갖는다. 도 1a에서, 제 1 연료 전지(1')는 지지판(111) 아래에 도시되는 반면에, 제 2 연료 전지(1")는 지지판의 위에 도시된다. 그러나, 연료 전지 장치는 어떤 방향으로 회전될 수 있고, 용어 "위"/"아래" 및 "상부"/"하부"는 설명의 간략화를 위해서만 이용됨에 주목되어야 한다.
따라서, 제 1 하부 전지(1')는 애노드 집전 장치 포일(106a), 애노드 GDL (108'), MEA (109'), 캐소드 GDL (110'), 캐소드 집전 장치 포일(105), 및 클램핑 네트(104')를 포함하는 클램핑 장치를 구비한다. 제 2 상부 전지(1")는 애노드 집전 장치 포일(107), 애노드 GDL (108"), MEA (109"), 캐소드 GDL (110"), 캐소드 집전 장치 포일(106a), 및 클램핑 네트(104")를 포함하는 클램핑 장치(104)를 구비한다. 각 셀의 애노드 집전 장치 포일과 MEA 사이에 형성되는 가스실은 접착층에 의해 밀봉되고, 집전 장치 포일(105, 106, 107)은 이들의 인접한 구성 요소에 접착 부착된다. 전체 조립체는 나사 또는 볼트(102) 및 구멍(117) 내에 설치된 너트(103)와 같은 클램핑 수단에 의해 클램프된다. 전체 활동 영역, 즉 GDL에 대응하는 영역에 걸쳐 고른(even) 저 고유 전기 저항을 달성하기 위해 연료 전지 조립체를 통해 고른 클램핑 압력을 획득하는 것이 중요하다. 이를 위해, 도 4d 또는 4e에 도시된 바와 같은 휨 클램핑 장치가 바람직하다.
이 전지는 양방의 전지(1', 1")의 구성 요소인 집전 장치 포일(106)에 의해 직렬 연결됨으로써, 지지판(111)을 덮은 제 1 전지(1')의 애노드 집전 장치 포 일(106a)로서 배치되고, 제 2 전지(1")의 캐소드 집전 장치 포일(106b)로서 배치된다.
지지판(111)은, 연료 전지 장치의 활동 영역, 즉 각 애노드 집전 장치 포일과 애노드 GDL의 사이에 형성된 가스실의 영역이 위치되는 주요 지지판 부분(112); 및 전지(1', 1")의 집전 장치 포일을 지지하고, 집전 장치 접촉부 내에 삽입하기 위해 구성되는 단부판 부분(113)을 포함한다. 이런 구성에 의해, 장치의 제 1 애노드 (음극(negative pole)) 집전 장치는 장치의 최종 캐소드 집전 장치 (양극)의 대향측 상에 위치된다. 여기서 단부판 부분이라하는 이런 양면판이 전류를 안내하기 위해 푸시-인 접촉부(push-in contact) 내에 쉽게 설치될 수 있다.
이와 같은 집전 장치 접촉부는 도 7a, 7b, 7c 및 8a, 8b에 도시된다. 지지판은, 단부판 부분(112) 내에 위치되는 가스 모세관과 같은 가스 공급부에 연결하는 수단(101) 및, 연료 가스를 제 1 연료 전지(1')의 애노드실에 전달하는 가스실(302)(도 3 참조)을 포함한다. 가스는 제 1 전지의 가스실을 통과하여, 출구 채널(308)을 통해 연료 전지 장치에서 빠지기 전에, 지지판 내의 구멍(304, 305, 306)을 통해 제 2 연료 전지(1")의 가스실내로 안내된다. 지지판은 바람직하게는 아래에 기술되는 바와 같은 타입이다.
연료 전지 장치의 전지에 대한 가스 공급부는 병렬 또는 직렬 연결되거나 이들의 조합일 수 있다. 동작 중에 겪는 작은 압력 강하를 가진 전지를 가질 시에는, 가스 공급부를 직렬로 연결하는 것이 바람직하다. 이것은, 가스 장애 사고가, 예컨대 가스 채널 내의 물방울(water droplet)의 응축으로 인해, 일어날 경우, 채널에 서 물방울을 밀어 내는 연료 (예컨대, 수소) 소스로부터 초과 압력이 나타날 것이기 때문이다. 그러나, 많은 전지에 걸친 압력 강하가 동작 중에 너무 높으면, 제 1 전지에서 생성하는 초과 압력은 가스 누설을 유발시킬 수 있다. 그 경우에는 가스 공급부를 병렬 또는 직렬 및 병렬의 조합으로 연결하는 것이 바람직하다.
도 1a가 2개의 직렬 연결된 연료 전지를 포함하는 연료 전지 장치를 도시하지만, 연료 전지 장치는 어떤 짝수의 연료 전지를 포함할 수 있고, 또한 약간의 수정으로 홀수의 전지를 포함하는 있음이 자명하다. 따라서, 이 장치의 출력 전압은 광범위한 전압에 걸쳐 선택될 수 있다.
양면 연료 전지 장치에 의해 획득되는 하나의 이점은, 지지판이 양방의 측면 상에서 이용되므로, 더욱 높은 전력 밀도를 갖는다는 것이다. 다른 이점은, 장치가 휨력이 서로 방해하는 클램핑 바 또는 클램핑판에 의해 양방의 측면 상에 클램프되므로, 지지판이 얇게 형성될 수 있다는 것이다.
도 11은 이동 전화 섀시의 내부에 배치된 연료 전지 장치의 개략도이다. (941)은 이동 전화 전면부를 나타내고, (942a)는 이동 전화 뒤판의 내부를 나타내며, (942b)는 이동 전화 뒤판의 외부를 나타내고, (943)은 이동 전화 뒤판의 내부로 눌려진 연료 전지 장치를 나타내며, (944)는 공기 입구 구멍을 나타낸다.
클램핑 바
연료 전지 장치의 구성 요소는 보통 함께 클램프될 필요가 있다. 저 내부 저항은 어떤 연료 전지 장치의 성능을 개선하기 위한 기본(key) 파라미터이다. 내부 저항은 장치의 구성 요소의 전체 고유 저항, 즉 활동 층 및 GDL의 저항, 막 및 접 촉 저항이다. 일반적으로, 연료 전지 상의 클램핑력의 인가는 2가지 목적을 이룰 수 있다:
i) 가스 확산층 (GDL)을 압축하여, 구성 요소를 서로에 대해 (예컨대, 집전 장치를 GDL에 대해 및/또는 GDL을 막 전극 조립체 (MEA)에 대해) 누름으로써, GDL 및 구성 요소 간의 고유 전기 저항 (즉, 접촉 저항)이 감소할 것이고;
ii) 클램핑 압력은 클램핑 영역을 둘러싸는 밀봉부의 정확한 기능에 기여한다.
애노드 구획(anode compartment)의 밀봉이 접착제의 사용으로 달성되는 연료 전지에서, 특허 출원 PCT/SE2005/001514에 기재되어 있는 바와 같이, 산소측이 공기로 개방될 동안, 클램핑은 밀봉을 위해 필요로 되지 않고, 고유 전기 저항의 감소에 기여한다(상기 (i)).
연료 전지 장치의 전력 밀도를 증대시키기 위해서는, 클램핑 바를 가능한 얇게 만드는 것이 바람직하다. 그러나, 더욱 얇은 클램핑은 기계적 무결성 및 강성도를 적게 하여, 클램핑 압력을 더욱 고르지 않게 한다. 따라서, 본 발명의 향상된 클램핑의 목표는, 전체 클램핑 바 영역 하에 균일한 클램핑 압력을 획득하면서, 얇은 클램핑 바를 갖는 것이다.
고 전력 밀도를 획득하기 위해서는, 또한, 클램핑 바를 좁게 만드는 것이 바람직하다. 더욱 좁은 클램핑 바는 또한 캐소드로의 산소의 확산이 덜 방해받게 한다. 클램핑 바가 좁으면, 클램핑 바와 캐소드 GDL 간에 위치되는 전기 도전성 및 다공성 매체 (예컨대, 금속 메시)는 전체 캐소드 GDL 영역에 걸쳐 (클램핑 바에 의 해 제공되는) 클램핑력을 균일하게 기여하기 위해 고 기계적 무결성 및 강성도를 가질 필요가 있다.
클램핑 바가 논의되지만, 이 클램핑 바는 그의 길이 및 두께에 비해 상당한 폭을 가질 수 있음으로써, 전체 전지 영역을 덮을 수 있음에 주목되어야 한다. 클램핑 바가 상당한 폭을 가지면, 그것은 2개의 수직 방향으로 구부려질 수 있으며, 그 중 하나는 바의 길이를 따른 방향이고, 다른 하나는 그것에 수직인 방향이다. 클램핑 바는 캐소드로의 공기 접근을 향상시키기 위해 하나 또는 수개의 구멍을 가질 수 있다. 클램핑 바는 전기적으로 도전적일 필요는 없다.
도 9(종래 기술)에 도시된 것과 같은 연료 전지에서, 클램핑 바에 의해 가해진 압력은 고르지 않는 경향을 갖는데, 그 이유는 클램핑 바가 그의 단부에서 볼트에 의해 연료 전지에 고정되어 단단하게 되기 때문이다. 따라서, 클램핑 압력은 클램핑 바의 중심 영역 내에서 낮아지고, 볼트 쪽으로는 더 높아지는 경향이 있다. 이것은 특히 클램핑 바가 그의 길이에 비해 얇아질 시에 사실이다. 도 1에 도시된 PCB 기판에 대해, 이 문제는 클램핑 바가 20 mm보다 길 시에 특히 두드러지게 된다.
본 발명의 다른 양태의 목적은 연료 전지의 고르지 않은 클램핑의 문제에 대한 솔루션을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 더욱 균일한 클램핑은 클램핑 장치를 약간 아치형으로 하여 달성될 수 있다. 본 발명의 클램핑 장치는, 도 1에 도시된 것과 같은 내부 저항을 감소시킬 클램핑을 필요로 하는 연료 전지, 또는 PCT/SE2005/001514에 기재된 타입 뿐만 아니라 다른 타입의 연료 전지에 적절하다.
이제, 도 4a-4d를 참조하면, 클램핑 장치는, 단부 부분(43) 및 중심 부분(44)을 가지며, 그의 길이에 비해 오히려 좁은 클램핑 바를 포함한다. 클램핑판은, 그의 단부 부분(43)에서 연료 전지에 클램핑 장치를 고정하여 단단하게 하기 위해 볼트 또는 나사 및 너트, 스냅 연결부, 탄성 커플링 등과 같은 설치 소자를 수납하는 수단(41)을 구비하고, 휨 중심 부분이 위치되는 평면이 클램핑 바의 단부 부분의 평면에서 떨어져 있도록 휨 또는 아치형의 형상을 갖는다. 클램핑 장치는 캐소드 집전 장치의 메시를 향해 연료 전지 내로 직면하는 휨 표면을 가진 연료 전지 내에 설치된다. 단단해지지 않은 상태에서, 클램핑 바의 중심 부분(44)은 캐소드 집전 장치와 접촉하지만, 단부 부분(43)은 캐소드 집전 장치에서 떨어질 것이다. 단단하게 된 상태에서, 설치 수단은, 바람직한 클램핑 압력이 클램핑 바의 단부 부분에서 설치 수단에 의해 가해지도록 단단하게 된다. 클램핑 바의 아치형의 형상으로 인해, 중심 부분(44)은, 일직선, 즉 비아치형(non-arcuate)의 클램핑 장치의 경우보다 더 높은 클램핑 압력을 가진 캐소드 집전 장치에 눌려진다.
고른 클램핑 압력을 획득하기 위해, 클램핑 바는 바람직하게는 단부 부분에서보다 중심 부분에서 더 높은 휨 저항을 갖는다. 이것은 도 4a-4d에 도시된 실시예에 따라 여러 방식으로 달성될 수 있다. 도 4a-4c의 실시예에서, 클램핑 장치(4)의 클램핑판(40)은 연장된 직사각형 형상을 갖는다. 설치 수단(41)은 클램핑 바의 각 단부에 위치된 구멍이다. 도 4a에 도시된 실시예에서, 클램핑 바(40a)는 균일한 두께를 가지고, 균일하지 않은 재료 강성도를 가진 재료로 구성된다. 이에 의해, 중심 부분(44a)은 단부 부분(43a)보다 더 높은 강성도를 가져, 예컨대, 클램핑 바의 재료에 보강재를 포함시켜 더욱 높은 휨 저항을 갖는다.
도 4b에 도시된 실시예에서, 클램핑 바(40b)는 균일한 재료 강성도 및 균일하지 않은 두께를 가짐으로써, 중심 부분(44b)이 단부 부분(43b)보다 더 높은 두께를 가져, 더 높은 휨 저항을 갖도록 한다.
도 4c에 도시된 실시예에서, 클램핑 바(40c)는 균일한 두께 및 균일하지 않은 아치형의 형상을 가짐으로써, 중심 부분(44c)이 단부 부분(43c)보다 더 높은 휨 만곡부를 갖도록 한다. 이 실시예에서, 클램핑 바는 포물선 형상을 갖지만, 중심 부분의 더욱 높은 휨 저항을 생성시키는 다른 균일하지 않은 만곡부가 또한 생각할 수 있다. 클램핑 바의 포물선 형상에 의해, 중심 부분의 바람직한 더욱 높은 휨 저항은 균일한 두께 및 재료의 클램핑 바를 간단히 구부림으로써 쉽게 획득될 수 있다.
도 4d에 도시된 실시예는, 클램핑 바(41d)가 클램핑판보다 많이 더 넓고, 더욱 많이 닮았다는 점에서 도 4a-4c의 실시예와 상이하다. 이 실시예에서, 클램핑 바의 폭은 실질적으로 설치될 수 있는 연료 전지의 폭에 상응한다. 따라서, 클램핑 바는 직사각형 또는 사각형이고, 설치 소자를 수납하는 수단(41d)은 판(40d)의 각 코너 부분에 위치된 구멍이다. 바람직하다면, 부가적 설치 볼트가 부착될 수 있다. 클램핑 바는, 중심 부분(44d)이 판의 길이 및 폭을 따라 2개의 직각 방향으로 구부려지도록 만곡된다. 이 실시예의 클램핑 바의 폭은 클램핑 바가 전체 전지 영역을 덮도록 한다.
바람직하다면, 클램핑 바의 형상은 상술한 형상의 조합일 수 있다. 즉, 클램핑 바는 균일하지 않은 재료 강성도 및/또는 균일하지 않은 두께 및/또는 균일하지 않은 아치형의 형상을 가질 수 있다.
클램핑 바는 캐소드로의 공기 접근을 향상시키도록 하나 또는 수개의 구멍을 가질 수 있으며, 전기적으로 도전적일 필요는 없다.
클램핑 판
도 9에 도시된 종래 기술의 연료 전지에서, 캐소드 집전 장치의 도전성 메시(202) (예컨대, 금 도금 스테인레스 강 메시)는 평평하고, 약하고 유연한 구조를 갖는다. 결과로서, 클램핑력은 클램핑 바 하에 우측으로 가장 높고, 클램핑 바에 수직인 방향에서 네트의 주변으로 감소한다.
그래서, 본 발명의 다른 양태에서, 고르지 않은 클램핑 압력의 문제에 대한 부가적 솔루션이 제공된다. 본 발명의 이 양태에 따르면, 금 메시 및 클램핑 바는 클램핑 바 및 메시의 특징물(features)을 조합하는 클램핑 판으로 대체된다.
도 4e의 장치에 도시된 클램핑 장치는 전면측(47) 및 후면측(48)을 가진 클램핑 판(40e)을 포함한다. 전면측은 연료 전지 내에 설치될 시에 외부로 지향되고, 실질적으로 평평하다. 후면측은 설치될 시에 연료 전지 내부로 지향된다. 클램핑 판은 고체 부분(45) 및 개구 부분(46)을 포함한다. 개구 부분은 캐소드 산소 전극으로 및 으로부터 가스 액세스를 제공할 다수의 구멍을 갖는다.
고체 부분(45)은 바람직하게는 직사각형이고, 개구 부분을 유지하는 프레임 역할을 한다. 따라서, 고체 부분은 개구 부분이 위치되는 구멍 ("윈도우")을 갖는 다. 이 구멍 및 이에 의한 개구 부분은, 클램핑 장치가 연료 전지 내에 설치될 시에, 개구 부분이 연료 전지의 막 전극 조립체 (MEA)의 영역 내에 두도록 위치된다. 도 4e에 도시된 클램핑 장치에서, 개구 부분(46)은 고체 부분(45)의 한 측면 상에 위치된다.
개구 부분은 탄성 재료로 이루어지고, 개구 부분의 중심 부분(44e)이 후면측(48)의 방향으로 불룩하도록 아치형이거나 만곡된다. 개구 부분(46)의 만곡부는 도 4a-4d의 어떤 실시예, 또는 그의 조합과 동일한 방식으로 형상이 이루어질 수 있다. 개구 부분에 선택된 탄성 재료는 그 자체를 활동 영역의 표면에 대해 형성하기에 충분히 유연해야 하지만, 동시에, 클램핑력을 연료 전지 구성 요소에 가할 수 있을 정도로 충분히 강성해야 한다. 개구 부분은 망 구조(net structure), 천공 또는 다공성 부분일 수 있다. 그것은 고체 부분과 동일하거나 상이한 재료일 수 있다.
하나의 바람직한 실시예에서, 고체 부분 및 개구 부분은 개별적으로 제조되어, 서로에 부착된다. 이에 의해, 개구 부분은 고체 부분과 상이한 재료로 형성될 수 있다. 이것은 비탄성 고체 부분이 바람직한 경우에 유익하다.
다른 바람직한 실시예에서, 고체 부분 및 개구 부분은 하나의 일체 부분(integral part)으로서 제조되고, 양방의 부분은 동일한 재료이다. 이것은, 고체 부분 내에 개구 부분을 설치하는 단계가 생략될 시에 클램핑 장치의 제조를 단순화한다.
개구 부분(46)은 연료 전지의 활동 영역 (예컨대, 가스 확산층, GDL)을 실질 적으로 덮을 정도의 사이즈를 가져야 한다. 개구 부분의 재료는 상당히 전기적으로 도전적이거나 불량하게(poorly) 도전적일 수 있다. 불량한 도전성의 재료가 선택되면, 상당한 도전 층은 바람직하게는 GDL에 부착되어, 전기 도전성을 개선하고, 인접한 전지 애노드의 집전 장치에 관하여 전기적 접촉을 개선할 수 있다.
본 발명의 이런 양태에 따른 클램핑 장치의 다른 설계는 도 1a에 도시된 바와 같은 장치 내에 사용하는데 적절할 수 있다. 이 설계에서, 클램핑 판은 클램핑 판에 의해 클램프될 수 있는 연료 전지의 위치에 대응하는 다수의 윈도우 또는 개구 부분을 포함한다.
이런 양태의 클램핑 장치는,
금 도금된 메시 및 클램핑 바가 단일 구성 요소로 대체되어, 결과적으로 연료 전지 장치의 조립 단계를 열망하고, 에러의 위험, 예컨대 구성 요소의 오 배치(misplacement)를 적게 하므로 구성을 단순화하는 이점 및;
이런 양태의 클램핑 장치의 사용에 의해 설계가 더욱 더 콤팩트하여, 연료 전지 장치의 고 전력 밀도를 제공하므로 전력 밀도를 증대하는 이점을 갖는다.
상술한 발명의 다른 개선점은, 강성 및 가벼운 재료로부터 (도 4a-4e에 도시된) 상술한 클램핑 장치의 클램핑 판을 만드는 것이다.
적절한 재료는 전지의 GDL에 대한 그의 저 고유 접촉 저항으로 인해 예컨대 탄소이다. 한 실시예에서, 클램핑 장치의 클램핑 바 또는 클램핑 판은, 탄소 섬유망, 탄소 섬유 직물(carbon fibre cloth), 탄소 펠트(felt), 열분해 중합체(pyrolysed polymer), 또는 탄소지(carbon paper)로 형성되며, 이것에는, 강성도 를 제공하기 위해 에폭시 수지 등과 같은 강성 바인더( stiff binder)가 전체적으로 또는 부분적으로 주입된다. 부분적 주입(impregnation)의 경우에, 클램핑 바 또는 판은, 상기 나타낸 바와 같은 탄소 기질(carbon substrate)의 한 측면을 왁스 조성물로 코팅하고, 이 기질을 바람직한 아치형의 형상으로 형성하여, 화학 및/또는 열 처리로 왁스 코팅을 제거하기 전에, 탄소 기질에 바인더를 주입함으로써 생성될 수 있다. 다른 실시예에서, 클램핑 바 또는 클램핑 판은, 열분해 가능 중합체 (페놀 수지 등)가 전체적으로 또는 부분적으로 주입되는 탄소 섬유망, 탄소 섬유 직물, 탄소 펠트, 열분해 중합체, 또는 탄소지(carbon paper)로 형성된다. 또 다른 실시예에서, 클램핑 바 또는 클램핑 판은, 성형 또는 열분해로 사전 형성되는 열분해 중합체로 형성된다.
상기 클램핑 장치의 쌍은 또한, 양면 연료 전지를 제공하기 위해, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 연료 전지 장치 내의 지지판의 각 측면 상에 설치될 수 있다. 클램핑 바는 또한 상술한 실시예의 조합에 따라 설계될 수 있다.
클램핑 판은 선택적으로 소수성, 예컨대, 테프론 코팅의 도포로 형성될 수 있다. 그러나, 소수성 층이 인접한 구성 요소 (예컨대, 캐소드 또는 집전 장치의 GDL 또는 인접한 전지의 애노드)에 대한 전기 접촉 저항을 증대시키지 않는다는 것에 주의되어야 한다.
클램핑 판과, 인접한 전지의 애노드의 집전 장치의 금속 표면의 사이에 양호한 전기 접촉을 제공하기 위해, 클램핑 판은 선택적으로, 예컨대 플라즈마 스프레이 및/또는 증기 증착 방법에 의해 금속 층으로 코팅될 수 있다. 금속 코팅은 클램 핑 판을 전체적으로 또는 부분적으로 덮을 수 있다.
다른 실시예에서, 클램핑 판은 전기적 비도전적이지만, 강성 플라스틱 재료 (예컨대, 단단한 PVC)로부터 만들어지며, 이 재료는 GDL에 전기 도전 층(예컨대, 금속 Cu 또는 스테인레스 강)을 한 측면 상에 코팅된다. 이 설계의 이점은, 플라스틱 디테일스(details)가 값이 싸서 대량 생산할 수 있고, 금속 코팅이, 클램핑, 또는 용해 또는 납땜에 의해 인접한 전지의 애노드 집전 장치의 금속 표면에 잘 연결한다는 것이다. 금속 코팅으로부터 용해하여 MEA를 위치시키는 금속 이온의 위험은, 연료 전지 기술에 이용되는 금, 탄소 또는 다른 보호 및 접촉 저항 감소 층과 같은 보호 층의 첨가로 극복될 수 있다.
선택적 실시예에서, 클램핑 판의 휨 강도는 또한 클램핑 판 내에 프로파일을 도입함으로써 달성될 수 있다. 상기 프로파일은, 예컨대, 중간에 더욱 높은 강도를 제공하기 위해 상이한 폭을 가질 수 있다.
지지판
도 9에 도시된 종래 기술의 연료 전지에서는, 가스 채널이 드릴(drill)되고, 가스 모세관이 수소를 전지에 제공하기 위해 부착되는 지지판을 이용한다. 가스 채널은 지지판을 통해 연장하고, 가스 모세관으로의 가스 채널의 연결부는 지지판의 측면에 위치된다. 지지판은 전형적으로 플렉시 유리(plexiglass)와 같은 단단한 재료로 만들어진다. 가스 채널은 연결하기 위해 가스 모세관 직경을 초과하는 직경을 가져야 한다. 그래서, 지지판의 두께는 가스 모세관의 외부 직경을 초과하여, 결과적으로 수 밀리미터, 예컨대 2-3 mm가 된다. 지지판의 두께는 도 9에 도시된 연료 전지의 전력 밀도로 한계치를 설정한다.
증대된 전력 밀도를 가진 연료 전지를 획득하려는 열망이 계속되어, 증대된 전력 밀도를 가진 연료 전지 장치가 필요로 된다.
따라서, 본 발명의 한 목적은 증대된 전력 밀도를 가진 연료 전지 장치를 제공하기 위한 것이다. 이 목적은 매우 얇은 지지판에 제공하는 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 연료 전지 지지판은, 샌드위치 구조로 배치된 적어도 3개의 층, 즉, 제 1 외부 층, 중간 층 및 제 2 외부 층을 포함한다. 연료 입구 채널 및 연료 출구 채널은 지지판의 샌드위치 구조 내에 포함된다. 연료 입구 채널은, 인접한 제 1 및 2 외부 층의 표면과 함께 샌드위치 구조의 중간 층 내의 연장된 개구에 의해 한정된다. 가스 모세관과 같은 연료 공급부가 연결될 수 있는 연료 채널의 입구 구멍은 중간 층의 연장된 개구의 한 단부에 인접한 영역 내의 제 1 외부 층 내에 배치된다. 연료 채널의 출구 구멍은 연장된 개구의 다른 단부에 인접한 영역 내의 제 2 외부 층 내에 배치된다. 지지판이 연료 전지 내에 배치되면, 연료 채널의 출구 구멍은 애노드 가스실의 영역 내에 위치됨으로써, 연료가 애노드 가스실 내에 전달될 수 있도록 한다. 지지판 내에 제공된 연료 출구 채널은, 연료 흐름을 배출하기 위해, 애노드 가스실로부터 지지판 내의 출구 구멍으로 연장한다. 따라서, 본 발명의 사상은 3 이상의 얇은 층을 샌드위치시킴으로써 지지판을 구출하는 것이며, 이 3 이상의 얇은 층은 개구 및 구멍을 구비하여, 함께 바람직한 연료 채널을 형성한다. 연료는 바람직하게는 가스, 가장 바람직한 수소 가스이다.
지지판의 층은 바람직하게는, 상술한 바와 같이, 클램핑 바 또는 클램핑판의 휨력을 방해할 수 있도록 하기 위해 강성 재료로 구성된다. 클램핑 바 및 클램핑력에 의해 부과된 압력은 전형적으로 50 N/㎠일 수 있다. 고 전력의 연료 전지 장치를 위해, 지지판 재료는 바람직하게는 또한 50℃ 이상의 온도에 견디도록 하기 위해 열에 내성이 있어야 한다. 지지판의 재료는 바람직하게는 연료 전지 장치의 MEA에 유해한 어떤 가스를 풀어 놓지 않아야 한다. 지지판은 바람직하게는 전기적으로 도전적이지 않다.
본 발명에 따르면, 층은, 폴리머 포일 시트(polymer foil sheets), 금속 포일 시트, 또는 서로 적층되는 폴리머 왁스 코팅 종이 시트로부터 구성될 수 있다. 각 층은 바람직하게는 0.1 mm와 1 mm 간의 두께를 갖는다. 지지판은 제 1 및 2 외부 층 사이에 적층된 2 또는 4 또는 그 이상의 층을 포함할 수 있다. 이것은, 상이한 방향으로 안내하는 가스 채널, 또는 서로 교차하는 가스 채널을 제공하는 것이 바람직할 경우에 유익하다. 지지판의 층은 가열 밀봉(hot sealing), 아교(gluing) 또는 접착막을 이용하여 서로 적층될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 지지판은, 제 1 및 2 외부 층 사이에서, 지지판 샌드위치 구조를 통해 연장하는 연료 전달 채널을 구비함으로써, 연료가 한 연료 전지의 애노드 가스실에서, 지지판의 대향측 상에 배치되는 다른 연료 전지의 애노드 가스실로 전달될 수 있다.
도 3에서, 지지판의 한 바람직한 실시예가 개략적으로 도시된다. 이 실시예에서, 지지판은 지지판의 대향측 상에 배치된 2개의 연료 전지 유닛에 가스 공급을 위해 구성된다. 이와 같은 배치의 도면은 도 1a에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 샌드위치 지지판은 3개의 층: 제 1 외부 층(309), 중간 층(310) 및 제 2 외부 층(311)을 포함한다. 각 층은 돌출 탭의 형태를 갖는 단부판(313)을 포함한다. 집전 장치 부분은 도 7에 도시된 것과 같은 집전 장치 접촉부 내에 삽입하도록 구성된다.
사용 시, 연료 가스는 제 1 외부 층의 집전 장치 부분(313) 내에 위치된 입구 구멍(301)에 들어가, 가스 채널(302)을 통해 가스실 출구 구멍(303)으로 전달되며, 이 가스실 출구 구멍은 제 2 외부 층 내에 제공된 가스실 입구 구멍이며, 이에 의해 가스는 지지판이 배치되는 연료 전지 장치의 애노드 가스실에 들어간다. 가스 입구 채널(302)은, 제 1 외부 층(309) 및 제 2 외부 층(311)의 표면과 함께, 중간 층 내에 제공되는 연장된 개구에 의해 형성된다. 따라서, 가스 채널의 높이는 중간 층의 두께와 일치한다. 가스 채널의 폭은 연장된 개구의 폭과 일치한다. 가스 채널의 하부 및 상부 벽은 제각기 제 1 및 2 외부 층이다.
가스 입구 채널(302)을 떠난 후, 연료 가스는 애노드 가스실을 통과하여, 제 2 외부 층 내의 구멍(304)을 통해 나간다. 중간 층 및 제 1 외부 층은 양자 모두 구멍(304)과 일치하는 구멍(305, 306)을 갖는다. 이들 구멍은 함께 지지판의 대향측 상에 배치된 연료 전지의 애노드 가스실로 연료 가스를 전달하는 연료 전달 채널을 형성한다. 따라서, 가스는 구멍(306)을 통해 대향 연료 전지의 애노드 가스실에 들어가, 제 1 외부 층(309) 내에 제공되는 구멍(307)을 통해 애노드 가스실을 나가고, 가스 입구 채널(302)과 동일한 방식으로 지지판 내에 제공되는 출구 가스 채널(308)을 통해 연료 전지 장치를 나간다.
가스 모세관을 평평한 표면 상에 제공된 입구 구멍에 연결함으로써, 지지판의 두께는 1 mm 미만으로 축소될 수 있다.
상술한 지지판의 층의 구멍 및 개구가 어떤 이점을 가진 어떤 위치 및 형상을 가질지라도, 본 발명의 범주는 또한 상이하게 위치된 가스 구멍 및 다른 형상 및 위치의 개구를 가진 지지판을 포함하는 것이 자명하다.
이런 특정 실시예에서, 집전 장치의 단부판(313)은, 사용된 연료 전지 장치를 새로운 연료 전지 장치로의 교환을 단순화하는 돌출 탭의 형태를 갖는다. 그러나, 예컨대 지지판 층의 폭만을 연장함으로써 집전 장치 부분을 상이하게 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 선택적 실시예에서, 지지판의 부분은 장치의 케이싱에 일체로 된다. 지지판의 상부 부분 (연료 전지에 가장 근접한 층)은, 클램핑의 연료 전지 구성 요소를 제외하고는, 연료 전지 구성 요소 (즉, MEA, GDL 및 도전 포일(conducting foils)/테이프 구성 요소)와 일체로 된다. 클램핑은 개구 부분을 포함하는 클램핑판으로 이루어진다.
사용 시에, 상기 상부 부분은 접착제에 의해 케이싱에 부착된다. 상기 상부 부분은 이에 의해 내용 연수(service life) 후에 교환하기가 쉽다. 도 10은 이 실시예가 이용될 수 있는 방법을 도시한다.
도 10a는 상부 층의 도면이다. 이 층은 공기 접근 위한 개구 부분(921)을 가진 클램핑판(920)을 포함한다.
도 10b는 중간 층 도면이다. 이 층은 MEA, GDL 및 도전성 테이프를 포함한다. 사각형(922)은 GDL 및 활동 영역의 상대 사이즈를 도시한다. 연료 전지 구성 요소의 하부에는, 수소 가스 접근을 위한 구멍(924)을 가진 지지층(923)이 있다. 지지판은 가스가 하부 층에서 채널을 완전히 덮을 정도로 커야 한다.
도 10c는 하부 층 도면이다. 이 층은 장치의 케이싱 (예컨대, 성형된 플라스틱 케이싱)과 일체로 될 수 있다. 이 층은 가스 입구 구멍(925) 및 가스 출구 구멍(926)을 갖는다. 이들 사이에는 수소 가스 흐름을 위한 홈(grooved) 패턴(927)이 있다. 상기 패턴은 또한 인터럽트되어, 가스가 전지를 통해 강제로 나올 수 있다.
중간 층과 하부 층 간의 인터페이스는 가스 밀폐형(gas-tight)인 것이 중요하다. 이것은 접착제 및/또는 클램핑력을 이용함으로써 달성될 수 있다.
가스 연결
종래 기술의 연료 전지 장치에서, 연료 (예컨대, 수소 가스)는 판의 짧은 단부를 통해 지지판에 들어간다. 이런 솔루션에 의하면, 지지판 내의 가스 입구 구멍은, 가스 모세관의 외부 직경을 초과하는 지지판의 두께를 의미하는 가스 모세관의 팁(tip)을 수납할 수 있어야 한다. 더욱 얇은 지지판을 이용하는 가스를 연료 전지 장치에 제공하는 선택적인 방식을 찾는 것이 유익하다.
본 발명에 따르면, 지지판의 짧은 측 대신에, 연료 가스가 평평한 표면 상의 연료 전지 장치에 들어가도록 하는 가스 연결 수단이 제공된다. 가스 연결 수단은 가스 모세관 팁을 수납하고, 지지판 두께에 관한 요구가 행해지지 않는다. 이런 배치는 또한 아래에 기술되는 바와 같이 집전 장치의 접촉 구성 요소를 통해 연료 가 스를 공급한다. 가스 연결 수단은 도 1에 도시된 연료 전지 장치의 실시예에 관련하여 이용될 수 있다.
선택적 실시예에서, 가스 연결 수단은 대신에 푸시-인 접촉부(push-in contact)에 위치된다. 즉, 연료 전지 장치는 도 3에 도시된 바와 같이 단부판 부분 내의 입구 구멍(301)을 갖는다. 장치가 집전 장치 접촉부(802) 내로 푸시될 시에, 가스 밀폐를 확실히 하는 스프링력을 가진 접촉부 내의 밀봉부 (812) (예컨대, o-링 또는 원형 실리콘 밀봉부)가 구멍을 둘러싸도록 구멍이 위치된다.
가스 연결 수단(500)의 또 다른 실시예는 도 5 및 6에 표시된다. 가스 연결 수단은 지지판(511)과 외부 구성 요소(501) 사이에 배치된 탄성 밀봉 구성 요소(503)를 포함한다. 가스 연결 수단의 구성 요소(503, 501)는 서로에 부착되고, 가스 연결자의 가스 밀폐 및 기계적 무결성을 확실히 하는 접착제 또는 아교로 형성된 접촉 층(502, 504)에 의해 지지판에 부착된다. 탄성 밀봉 구성 요소(503)는 바람직하게는 실리콘 고무 또는 어떤 다른 탄성 중합체로 형성되고, 그의 중심에 구멍(507)을 가진다. 구멍(507)의 직경은, 연료 전지 장치에 연결될 수 있는 가스 모세관(508)의 외부 직경보다 작다. 밀봉 구성 요소의 탄성 특성에 의해 가스 모세관의 가스 밀폐 연결이 확실하게 된다.
구성 요소(503, 501)가 지지판 상에 배치됨으로써, 지지판의 가스 입구 구멍(505) 및 구성 요소의 구멍(507, 506)은 일치하여, 가스 모세관이 삽입될 수 있는 짧은 입구 연결 채널(607)을 형성한다(도 6a 참조). 지지판 및 외부 구성 요소의 구멍(505, 507)의 직경은 연결되는 가스 모세관(508)의 외부 직경과 동일하다. 외부 구성 요소는 바람직하게는 비탄성 재료, 가장 바람직하게는 지지판과 동일한 플라스틱 재료로 형성된다. 상부 층의 목적은 가스 모세관의 삽입각을 조종함으로써, 그것이 연결될 시에 지지판에 수직으로 (또는 다른 바람직한 각으로) 삽입되도록 한다.
상부 층은 이점으로 실리콘 고무판보다 상당히 더 크기 때문에, 그의 주변 부분이 지지판에 직접 부착될 수 있다. 이런 설계는 가스 연결 수단의 기계적 무결성을 향상시킨다.
도 6a 및 6b에 도시된 하나의 바람직한 실시예에서, 외부 구성 요소(601)는, 연료 연결 수단의 향상된 기계적 무결성을 제공하도록 접착제, 아교 또는 핫 프레싱(hot pressing)에 의해 지지판(611)에 직접 부착된다.
집전 장치 접촉부
도 1에 도시된 종래 기술의 연료 전지 장치에서, 연료 전지 장치의 종단(end) 집전 장치는 서로 떨어진 거리에서 상이한 위치에 위치되어, 종단 집전 장치로부터의 전류 리드(leads)의 연결을 복잡하게 한다. 본 발명은 연료 전지 장치의 집전 장치를, 예컨대 마이크로 연료 전지 시스템의 전력 전자 장치에 연결하기 위한 단순화 솔루션을 제공하는데 있다.
도 1a,b에 도시된 본 발명의 연료 전지 장치의 실시예는 지지판 상에 배치된 직렬 연결된 전지를 포함한다. 지지판은, 상술한 바와 같이, 집전 장치 접촉부에 연결하기 위해 구성되는 돌출한 집전 장치의 단부판을 갖는다.
도 7a-c는 이와 같은 집전 장치 접촉부(702)의 한 실시예를 도시한 것이다. 집전 장치 접촉부는 연장된 푸시-인 접촉부로서 설계된다. 고정 수단을 위한 구멍(708)을 가진 부착 부분(701)은 접촉부의 각 단부에 제공된다. 이 접촉부는 접촉부(702)를 따라 연장하는 접촉 리세스(703)를 포함한다. 접촉 리세스는 바람직하게는 평평한 하부 표면(707)을 가진 길이 방향 슬릿의 형태를 갖는다. 접촉 리세스(703) 내부에서, 접촉 수단(704)은 도 7c에 도시된 바와 같이 배치된다. 접촉 수단은 바람직하게는, 지지판의 단부판 부분(113) 상의 접촉 수단(704)에 의해 가해진 스프링력에 의해 충분한 접촉 압력을 보증하는 탄성 금속 텅(tongues)이다. 이점으로, 접촉 텅은 접촉 저항을 감소시키는 코팅, 예컨대 금 코팅을 갖는다. 다수의 접촉 수단(704)은 바람직하게는 접촉 리세스(703) 내에 제공되고, 접촉 리세스의 대향측 상에 배치되어, 고른 접촉 압력 및 안전한 접촉을 획득한다.
연료 전지가 배치되는 지지판의 단부판 부분(도 3의 313)은 접촉 리세스(703) 내에 삽입되어, 접촉 리세스의 직경이 접촉 리세스가 단부판 부분을 수용할 수 있도록 선택되어야 한다. 따라서, 연료 전지 장치의 접촉 배치는 지지판의 단부판 부분 (수형(male) 접촉부) 및 집전 접촉부 (암형(female) 접촉부)를 포함한다.
바람직한 실시예는 집전 장치 접촉부의 가스 연결부(709)를 제공함으로써, 지지판의 단부판 부분(313) 상에 배치된 (도 5-6에 도시된 바와 같이) 가스 연결 수단(500)을 가진 연료 전지 장치가 연료 가스 공급부에 연결될 수 있도록 한다. 그 후, 가스 연결부(709)는 연료 전지 장치의 가스 연결 수단(500)에 자동으로 맞도록 배치된다. 이에 의해, 집전 장치 접촉 기능 및 연료 전지 장치에 대한 가스의 제공은 동일한 구성 요소에 의해 달성되어, 장치의 구조를 더욱 단순화할 수 있다.
가스 연결 수단이 푸시-인 접촉부 내에 위치되는 특히 유익한 선택 사항, 즉 연료 전지 장치는 도 3에 도시된 바와 같이 단부판 부분 내의 입구 구멍(301)을 갖는다. 이 장치가 집전 장치 접촉부(802) 내로 푸시될 시에(도 8 참조), 가스 밀폐를 확실히 하는 스프링력을 가진 접촉부 내의 밀봉부 (812) (예컨대, o-링 또는 원형 실리콘 밀봉부)가 구멍을 둘러싸도록 구멍이 위치된다.
본 발명에 따르면, 전지는 많은 상이한 구조로 위치될 수 있다. 후속 전지는 예컨대 'U' 또는 'O' (원형) 형상의 설계로서 위치될 수 있다. 하나의 바람직한 구성은 사각형 구성으로 4개의 전지를 위치시키는 것이다. (이것은 예 2에 예시되어 있다) 이 구성에서, 클램핑은 클램핑판 또는 지지판의 주변에 제공될 뿐만 아니라, 지지판의 중간에도 위치될 수 있다.
저온 환경(cold environment)에서의 연료 전지 장치의 동작
도 9에 도시된 연료 전지 장치는 주변 환경의 온도에 민감하다. 온도가 0?C에 근접하거나 미만이면, 연료 전지 장치 내부의 촉매 반응 및 수소 이온 전도도(proton conductivity)가 온도에 민감하므로, 상기 장치로부터 고 전력을 획득하는 것이 곤란하다. 더욱이, 상기 장치가 0?C에 근접하거나 미만인 온도에서 동작되면, (응축된) 물이 연료 전지 장치의 사용 중에 형성되는 문제가 있을 수 있으며, 이는 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서, 주변 환경보다 높은 온도로 연료 전지 장치를 유지시킬 필요성이 존재한다.
이런 문제는, 예컨대 접착 수단에 의해 전기 발열체를 지지판의 후면에 부착 함으로써 연료 전지 장치의 개선에 의해 해결될 수 있다. 이 발열체는 연료 전지 장치의 시동 전과 시동 중에 MEA를 가열하는데 이용될 수 있음으로써, 연료 전지 장치가 더 많은 전력을 전달하여, 계속된 동작 동안에 더 많이 가열할 수 있다. 동작 중에, 발열체는 선택적으로, 원하지 않는 형식으로 물이 응축되지 않게 하도록 턴온 상태로 유지될 수 있다. 연료 전지 장치의 서트다운(shut-down) 동안, 발열체는 전지를 적절히 건조(dry out)시키기 위해 전지를 가열할 수 있다.
저온 환경에서 동작에 관한 본 발명의 다른 개선 사항은 캐소드 클램핑판 또는 클램핑 바의 외부에 단열 다공질 시트(porous sheet)를 부착하는 것이다. 이 커버 시트는 예컨대 다공성 폴리머 시트, 예컨대 다공성 Teflon으로 제조될 수 있다. 양면 연료 전지 장치의 경우에, 커버 시트는 연료 전지 장치가 배치되는 포켓(pocket)으로서 제조될 수 있다.
본 발명은 다음의 비제한 예에 의해 더 설명될 것이다.
예 1
강판을 가진 4-전지 유닛
이 예에서, 각 전지가 2.1 ㎠ 활동 표면을 갖는 4 전지 유닛이 조립된다. 분극 곡선 데이터가 예 1로서 아래 테이블 내에 제공된다. 이 연료 전지의 클램핑 수단은, 15mm × 14mm인 가스 확산층(GDL)과 동일한 사이즈인 직사각형 구멍을 가진 1mm 두께의 강판이었다. 구멍에 걸쳐 중심을 이루지만, 양면 접착제에 의해 강판으로부터 절연되고, cm 당 650 구멍의 메시를 가진 17 mm × 23mm의 4개의 금 도금 스틸 넷(steel net)이 또한 이용되었다. Membrane Electrode Assemblies (MEAs)는 Gore (0.4mg Pt cm-2 캐소드, 0.4mg Pt cm-2 애노드, 18㎛ 두께막)에서의 Primea 58이었다. GDL은 Gore로부터의 Carbel 제품이었으며, 이 제품의 미세 다공성측(micro-porous side)은 MEA로 향하게 된다.
강판을 형성하기 위해서는, 제각기 두께가 0.8mm인 3개의 플라스틱 시트로부터 시작한다. 이들 3개의 시트는 상부, 중간 및 하부 층으로 라벨될 것이다. 그 후, 이들 시트 상의 인쇄 템플릿(printed template)에 따라 구멍을 컷아웃(cut out)한다. 이들 구멍은 수소 가스가 전지에 도달하는 채널을 형성할 것이다. 하부 층 내의 구멍은 외부 가스 연결을 위해 사용된다. TESA에 의해 공급되는 양면 테이프를 이용하여, 이 테이프를 중간 층의 양 측면에 부착하며, 구멍 및 채널은 또한 이 테이프를 침투하여(cut through), 그것을 양방의 상부 및 하부 층에 부착함으로써, 3개의 계층 지지판의 "샌드위치"로 끝난다. 그리고 나서, 3M으로부터의 양면의 비도전성 접착 테이프는 샌드위치 상에 부착되어, 최상부 표면을 완전히 덮으며, 이에 의해 원래 개방된 표면을 폐쇄하였다. 그 후, 상부 층의 표면 상의 보호 층은 벗겨져, TESA (제품 번호 4384)에 의해 공급된 구리 포일은 부착되고, 전기 도전성 접착제는 지지판에서 빗나가, 애노드 집전 장치를 형성한다. 그리고 나서, 구멍을 내어, 각 전지에 대한 가스-인(gas-in) 및 가스-아웃(gas-out) 채널을 형성하였다.
연료 전지 구성 요소 (MEAs, GDLs, 및 도전성 테이프)는 도 2a에 기재된 바와 같이 위치된다.
MEA의 4 피스는 치수가 20mm × 21mm를 이용한다. MEA 및 GDL은 120℃에서 가열 압착되어 이들을 서로 붙였다. 그리고 나서, 구리의 최상부 보호 층을 제거한 후, MEA/GDL 피스를 중심에 두어, 가스-인 및 가스-아웃 구멍을 덮고, 애노드 구리 포일 상에 서서히 붙였다. 이런 뒷면(backing)의 치수는 이런 4-유닛 전지 내의 각 전지의 활동 영역, 즉 전지당 2.1㎠를 결정한다. 그 후, 뒷면을 덮지 않는 MEA의 표면은, 예컨대 매끄러운 Teflon 피스로 MEA를 부드럽게 깨끗이 닦음으로써 애노드 구리 포일에 대해 밀봉되었다.
이 4-전지 유닛에 대한 클램핑은 2개의 강판에서 나타나고, 제각기 두께가 1mm이고, 치수가 지지판보다 더 크다. 비도전 접착 테이프는 이때 강판으로부터 금도금 스틸넷을 전기 절연하도록 페이스트(paste)된다. 그리고 나서, 3개의 계층의 4 전지 유닛을 강판에 부착하고, 초기에 강판에서 밀링된 구멍 내에 나사를 삽입함으로써 양방의 강판을 서로 죄어, 필요한 클램핑 압력을 달성한다. 순수한 및 드라이(dry) 수소는 애노드에서 사용되었지만, 캐소드는 대기압과 접촉해 있었다. 수소 흐름은 질량 유량계 (Brooks Instruments)에 의해 제어되었다. 전류 밀도는 부하 전지 (TTI, LD300)에 의해 제어되었다.
예 2
사각형 내에 위치된 전지를 가진 4-전지 유닛
다른 예에서, 치수 60mm × 40mm의 사각형에 위치된 전지를 가진 4 전지 유닛이 조립되어 테스트되었다. 이 예의 클램핑은 예 1과 상이한데, 그 이유는 여기서 클램핑이 나사에 의해 사각형의 중심에서 일어나기 때문이다. 또한, 클램핑의 캐소드측은, 지지판보다 큰 평평한 내부 표면을 가진 강성 플라스틱 박스(stiff plastic box)의 케이싱이다.
금 도금 스틸넷 및 양면 접착제는 또한 이전의 것과 유사한 방식으로 이 예에서 이용되었다. MEA 및 GDL과 같은 구성 요소 및 이 예의 조립체는, 가스 흐름 채널이 사각형 구조물에 적합한 방식으로 상이하게 설계된 것을 제외하고는, 상술한 것과 유사하였다. 이 예와 상기 리스트된 것의 다른 차는 연료 전지의 전체 활동 영역이며, 이 경우에, 그것은 예 1보다 적은 5.28㎠이다.
분극 곡선 데이터는 예 2로서 아래에 제공된다.
예 3
곡선 표면을 가진 4-전지 유닛
이 예는 예 1과 유사한 연료 전지 장치이고, 사실상, 전지당 2.1㎠의 동일한 활동 영역 표면을 갖는다. 금 도금 스틸넷 및 양면 접착제는 또한 이전의 2개와 유사한 방식으로 이 예에서 이용되었다. 그러나, 제 1 예와 이 예 간에는 2개의 주요 차가 있다. 첫째로, 전지는, 곡선 지지판 표면 상에서 외부 직경 36mm로 제조된다. 전지의 조립은 초기 경우에서와 같이 행해지지만, 이때 MEA 및 GDL은 곡선 표면에 감겨져 너무 아크(arc)된다. 캐소드측 상의 클램핑은 곡선 표면 위에 스트랩 다운(strap down)된 두께 0.05mm의 얇은 스테인레스 강 포일이었다. 둘째로, 이 예에 이용된 MEA는 Gore로부터 Primea 5710 (0.4mg Pt cm-2 캐소드 및 0.1mg Pt cm-2 애노드, 18㎛ 두께의 막)이다.
분극 곡선 데이터는 예 3으로서 아래에 제공된다.
전형적 전지 전압 Out (V)
전류 (mA) 0 25 50 250 500 750 1000
예 1 0.9 0.85 0.81 0.68 0.62 0.57 0.55
예 2 0.9 0.82 0.79 0.64 0.33
예 3 0.9 0.82 0.77 0.59 0.49 0.41
MEA: Primea 58, 2.1 ㎠ 활동 표면
MEA: Primea 58, 1.32 ㎠ 활동 표면
MEA: Primea 5710 (상이한 부하), 2.1 ㎠ 활동 표면

Claims (29)

  1. 지지판의 한 표면 상에 직렬 연결로 배치되는 2 이상의 연료 전지를 포함하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치에 있어서,
    연료 전지(2', 2", 2"'; 943)는 상기 지지판의 영역보다 큰 영역을 가진 베어링 판(218; 942)에 누르도록 배치되는 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  2. 제 2 항에 있어서,
    상기 베어링 판(942)은 가스 투과성 부분, 예컨대, 각 연료 전지(943)의 영역 내에 위치된 구멍(944)을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 판(942)은 이동 전화와 같은 제품의 아치형 또는 만곡형의 케이싱인 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,
    상기 지지판(309, 310, 311)은 샌드위치 구조의 3 이상의 층을 포함하는데, 단부 층은 가스 입구 및 가스 출구를 형성하기 위해 이용되는 반면에, 중간 층은 상이한 가스 입구 및 출구 사이에 가스 채널을 형성하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에어 브리딩 고분자 전해질의 연료 전지의 각각은,
    - 애노드 집전 장치,
    - 캐소드 집전 장치 및,
    - 고체 이온 전도성 고분자 막 전해질, 애노드, 애노드 가스 배킹, 캐소드 및 캐소드 가스 배킹을 포함하는 막 전극 조립체를 포함하는데,
    상기 막 전극 조립체는 상기 애노드 집전 장치와 상기 캐소드 집전 장치 간에 배치됨으로써, 상기 애노드 가스 배킹은 상기 애노드 집전 장치로 지향되어 부착되며, 상기 캐소드 가스 배킹은 상기 캐소드 집전 장치로 지향되어 부착되며,
    상기 막 전극 조립체는 밀봉되어, 접착제에 의해 상기 애노드 집전 장치에 직접 부착되고, 상기 접착제는 애노드 가스 배킹에 인접하고 대응하는 제 1 영역 및, 제 1 영역을 둘러싸는 제 2 영역을 덮어, 상기 막 전극 조립체와 상기 애노드 집전 장치 간에 밀봉을 하여, 애노드 가스실을 생성하며, 상기 접착제는 적어도 상기 제 1 영역 내에서 전기적으로 도전적인 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지판(211)은 샌드위치 구조의 3 이상의 층을 포함하는데, 제 1 외부 층은 연료 가스 입구를 포함하고, 중간 층은 가스 채널을 형성하는 개구(221, 224)를 포함하며, 제 2 외부 층은 각 연료 전지의 연료 전지 가스실로 및 로부터의 가스의 입구 및 출구를 위한 구멍(222, 223)을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지판의 한 단부에 가스 연결 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막 전극 조립체는 밀봉되어, 접착제에 의해 상기 애노드 집전 장치에 직접 부착되고, 상기 접착제는 애노드 가스 배킹에 인접하고 대응하는 제 1 영역 및, 제 1 영역을 둘러싸는 제 2 영역을 덮어, 상기 막 전극 조립체와 상기 애노드 집전 장치 간에 밀봉을 하여, 애노드 가스실을 생성하며, 상기 접착제는 적어도 상기 제 1 영역 내에서 전기적으로 도전적인 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  9. 지지판(111) 상에 직렬 연결로 배치되는 2 이상의 연료 전지(1', 1")를 포함하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치에 있어서,
    상기 연료 전지(1', 1")는 상기 지지판(111)의 대향 표면 상에 쌍으로 배치되는 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 지지판(211)은 샌드위치 구조의 3 이상의 층을 포함하는데, 제 1 외부 층(309)은 연료 가스 입구(301)를 포함하고, 중간 층(310)은 가스 채널을 형성하는 개구(302, 308)를 포함하며, 제 2 외부 층(311)은 연료 전지 가스실로 및 로부터의 가스의 입구 및 출구를 위한 구멍(303, 304)을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 지지판(111)은 연료 전지(1', 1")가 배치되는 주요 지지판 부분(112, 312) 및 단부판 부분(113, 313)을 포함하고, 제 1 연료 전지(1')의 캐소드 집전 장치(105) 및 최종 연료 전지(1")의 애노드 집전 장치(107)는 상기 단부판 부분(113, 313)의 표면 영역으로 연장하며, 상기 단부판 부분은 집전 장치 접촉부에 연결하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 지지판의 상기 단부판 부분에 가스 연결 수단이 제공되는 것을 특징으 로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클램핑 수단은 아치형의 클램핑 바 또는 클램핑 판의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지(1', 1")의 각각은 애노드 집전 장치(106a, 107), 애노드 가스 확산 층(108), 캐소드 가스 확산 층(110), 캐소드 집전 장치(105, 106b) 및 막 전극 조립체(109)를 포함하는데, 상기 막 전극 조립체(109)는 고체 이온 전도성 고분자 막 전해질, 애노드 및 캐소드를 포함하고, 상기 막 전극 조립체(109) 및 상기 가스 확산 층(108, 110)은 상기 애노드 집전 장치(106a, 107)와 상기 캐소드 집전 장치(105, 106b) 간에 배치됨으로써, 상기 애노드 가스 확산 층이 애노드 가스실을 형성하도록 상기 애노드 집전 장치로 지향되어 부착되며, 상기 캐소드 가스 확산 층은 상기 캐소드 집전 장치로 지향되어 부착되는 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막 전극 조립체는 밀봉되어, 접착제에 의해 애노드 집전 장치에 직접 부착되며, 상기 접착제는 애노드 가스 배킹에 인접하고 대응하는 제 1 영역 및, 제 1 영역을 둘러싸는 제 2 영역을 덮어, 상기 막 전극 조립체와 상기 애노드 집전 장치 간에 밀봉을 하여, 애노드 가스실을 생성하며, 상기 접착제는 적어도 상기 제 1 영역 내에서 전기적으로 도전적인 것을 특징으로 하는 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 6 항의 평면 구성의 에어 브리딩 고분자 전해질 전기 화학 장치의 연결을 위한 집전 장치 접촉부에 있어서,
    접촉 수단(704)이 제공되는 연장된 개구(703)를 포함하여, 전기 화학 장치의 지지판(311)의 단부판 부분(313)이 상기 개구 내에 삽입될 시에 애노드 집전 장치(107) 및 캐소드 집전 장치(105)와 접촉하는 것을 특징으로 하는 집전 장치 접촉부.
  17. 연료 전지의 클램핑을 위한 클램핑 장치(4a,b,c)로서, 설치 소자를 수납하고, 연료 전지에 상기 클램핑 장치를 고정시켜 단단하게 하기 위해 그의 단부 부분(43a,b,c)에서 수단(41a,b,c)을 가진 클램핑 바(40a,b,c)를 포함하는 클램핑 장치에 있어서,
    상기 클램핑 바는 아치형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 클램핑 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 클램핑 바(40a,b,c)는 상기 단부 부분(43a,b,c)보다 중심 부 분(44a,b,c)에서 더 높은 휨 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 클램핑 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 클램핑 바(40a)는 균일한 두께를 가지고, 균일하지 않은 재료 강성도를 가진 재료로 제조됨으로써, 중심 부분(44a)이 단부 부분(43a)보다 강성도가 더 높은 것을 특징으로 하는 클램핑 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 클램핑 바(40b)는 균일한 재료 강성도 및 균일하지 않은 두께를 가짐으로써, 중심 부분(44b)이 단부 부분(43b)보다 두께가 더 높은 것을 특징으로 하는 클램핑 장치.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 클램핑 바(40c)는 균일한 두께 및 균일하지 않은 아치형의 형상을 가짐으로써, 중심 부분(44c)이 단부 부분(43c)보다 휨 만곡부가 더 높은 것을 특징으로 하는 클램핑 장치.
  22. 제 17 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    설치 소자를 수납하는 수단(41)은 연장된 판(40)의 각 단부 부분에 위치된 구멍인 것을 특징으로 하는 클램핑 장치.
  23. 연료 전지의 클램핑을 위한 클램핑 장치(4d)로서, 공기 접근을 위한 구멍을 구비한 클램핑 판(40d)을 포함하고, 코너 부분(43d)에서 설치 소자를 수납하고, 연료 전지에 클램핑 장치를 고정시켜 단단하게 하는 수단(41d)을 갖는 클램핑 장치에 있어서,
    상기 클램핑 판은 중심 부분(44d)이 2개의 수직 방향으로 휘어지도록 구부려지는 것을 특징으로 하는 클램핑 장치.
  24. 연료 전지의 클램핑을 위한 클램핑 장치(4e)로서, 클램핑 판(40e)을 포함하고, 실질적으로 평평한 전면측(47) 및 후면측(48)을 갖는 클램핑 장치에 있어서,
    상기 클램핑 판은 고체 부분(45) 및 개구 부분(46)을 포함하고, 상기 개구 부분은 탄성 재료로 구성되고, 상기 개구 부분의 중심 부분(44e)이 후면측(48)의 방향으로 불룩하도록 아치형이거나 구부려지는 것을 특징으로 하는 클램핑 장치.
  25. 제 17 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 클램핑 장치를 포함하는 연료 전지.
  26. 연료 입구 채널 및 연료 출구(308)를 포함하는 연료 전지 지지판으로서, 상기 연료 입구 채널은 연료 공급부에 연결하기 위한 입구 구멍(301) 및, 연료 전지 애노드 가스실에 연결하기 위한 출구 구멍(303)을 갖는 연료 전지 지지판에 있어 서,
    상기 지지판은 샌드위치 구조로 적어도 제 1 외부 층(309), 중간 층(310) 및 제 2 외부 층(311)을 포함하고, 상기 연료 입구 채널은 제 1 및 2 외부 층(309, 311)의 표면과 함께 중간 층(310) 내의 연장된 개구(302)에 의해 한정되며, 상기 입구 구멍(301)은 연장된 개구(302)의 한 단부에 인접하여 제 1 외부 층(309) 내에 배치되고, 상기 출구 구멍(303)은 연장된 개구의 다른 단부에 인접하여 제 2 외부 층(311) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 지지판.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 지지판의 한 측면에서 상기 지지판의 대향 측면으로 연료의 전도를 위한 연료 전달 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 지지판.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    집전 장치 접촉부에 연결하기 위한 집전 장치 부분(312)을 포함하는데, 상기 집전 장치 부분은 상기 지지판에서 연장하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 지지판.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 연료 입구 채널의 입구 구멍(301)은 집전 장치 부분(312) 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 지지판.
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