KR20090091763A - 연료전지 스택, 연료전지 스택용 밀봉부 및 이 장치들의 제조 방법 - Google Patents

연료전지 스택, 연료전지 스택용 밀봉부 및 이 장치들의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 두 요소들(12)을 기밀 연결하기 위한 밀봉부(10)에 관한 것으로, 상기 밀봉부는 전기적으로 비전도성인 스페이서 요소(16) 및 연료전지 스택의 작동온도에서 전체 확장범위에 걸쳐 고체 또는 점성체로 존재하며 상기 스페이서 요소(16)를 연료전지 스택의 하나 이상의 연결대상 요소에 기밀한 방식으로 결합시키는 하나 이상의 땜납 요소(18)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 스페이서 요소(16)는 세라믹 재료로 형성되는 것으로 구현된다. 또한 본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 상기 연료전지 스택을 축방향으로 압축하는 힘의 분포는 상기 스페이서 요소(16)에 의해 상기 연결대상 요소들(12) 중 하나 이상에 직접 전달된다. 본 발명은 또한 밀봉부(10) 및 연료전지 스택의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

연료전지 스택, 연료전지 스택용 밀봉부 및 이 장치들의 제조 방법{FUEL CELL STACK AND SEAL FOR A FUEL CELL STACK, AS WELL AS A PRODUCTION METHOD FOR IT}
본 발명은 연료전지 스택의 두 요소들을 기밀하게 연결하는 밀봉부에 관한 것으로, 이는 전기적으로 부도체인 스페이서 요소 및 연료전지 스택의 작동온도에서 전체 확장범위에 걸쳐 고체 또는 점성체로 존재하며 스페이서 요소를 연료전지 스택의 하나 이상의 연결대상 요소에 기밀하게 결합시키는 하나 이상의 땜납 요소를 포함한다.
본 발명은 또한 축방향으로 적층된 복수의 반복 유닛들 및 연료전지 스택의 두 요소들을 기밀한 방식으로 연결하는 하나 이상의 밀봉부를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 여기서 밀봉부는 전기적으로 부도체인 스페이서 요소 및 스페이서 요소를 연료전지 스택의 하나 이상의 연결대상 요소에 기밀하게 결합시키는 하나 이상의 땜납 요소를 포함한다.
본 발명은 또한 연료전지 스택의 두 요소들을 기밀한 방식으로 연결하는 데 적절한 밀봉부의 제조 방법에 관한 것으로, 밀봉부는 전기적으로 부도체인 스페이서 요소 및 연료전지 스택의 작동온도에서 전체 확장범위에 걸쳐 고체 또는 점성체로 존재하며 스페이서 요소를 연료전지 스택의 하나 이상의 연결대상 요소에 기밀 하게 결합시키는 하나 이상의 땜납 요소를 포함한다.
본 발명은 또한 축방향으로 적층된 복수의 반복 유닛들 및 연료전지 스택의 두 요소들을 기밀한 방식으로 연결하는 하나 이상의 밀봉부를 포함하는 연료전지 스택의 제조 방법에 관한 것으로, 여기서 밀봉부는 전기적으로 부도체인 스페이서 요소 및 연료전지 스택의 작동온도에서 전체 확장범위에 걸쳐 고체 또는 점성체로 존재하며 스페이서 요소를 연료전지 스택의 하나 이상의 연결대상 요소에 기밀하게 결합시키는 하나 이상의 땜납 요소를 포함한다.
본 발명은 또한 축방향으로 적층된 복수의 반복 유닛들 및 연료전지 스택의 두 요소들을 기밀하게 연결하는 하나 이상의 밀봉부를 포함하는 연료전지 스택의 제조 방법에 관한 것으로, 여기서 밀봉부는 전기적으로 부도체인 스페이서 요소 및 스페이서 요소를 연료전지 스택의 하나 이상의 연결대상 요소에 기밀하게 결합시키는 하나 이상의 땜납 요소를 포함한다.
화학적 결합에너지를 전기에너지로 변환하는 평면형 고온 연료전지들(pSOFCs)이 공지되어 있다. 이들 시스템에서는, 산소 이온 투과성만을 지니는 고상 전해질을 통과한 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 고상 전해질의 타측에 물을 형성한다. 전자들은 고상 전해질을 통과할 수 없으므로, 전극들이 고상 전해질에 부착되고 전기부하에 연결되어 있는 경우에 전기작업을 수행하는 데 이용될 수 있는 전위차가 생성된다. 두 전극과 전해질의 조합은 MEA(막전극 접합체)라 일컬어진다. 기술적 적용을 위해, MEA로 구성된 복수의 반복 유닛, 유체 덕트 구조 및 전기 접촉을 조합함으로써 스택을 형성한다. 반복 유닛은 개구부를 가지며 유체는 이 개구부를 통과하여 인접하는 반복 유닛으로 흐른다. 반복 유닛의 경계부는 양극성(bipolar) 플레이트로 일컬어진다.
양극성 플레이트 내 개구부에는 밀봉부가 마련되어야 하며, 이로써 스택 내의 유체가 혼합되지 않는다. 밀봉부에 관련한 다양한 요구조건들은 고온 연료전지의 동작원리에서 비롯된다. 밀봉부는 약 0.5 bar까지의 과압력 시에도 기밀성을 가져야 하고, -30'℃ 내지 1,000'℃ 범위에서 사용가능 해야 하며, 열에 의해 고리형태를 취하고 약 40,000 시간의 수명동안 장기 안정성을 보여주어야 한다. 밀봉부는 연료 가스 챔버를 에어 챔버로부터 분리하므로, 한편으로는 내환원성 그리고 다른 한편으로는 내산화성인 물질로 형성되어야 한다. 밀봉부가 두 반복 유닛 사이에 개재될 시, 밀봉부는 또한 반복 유닛들이 서로에 대해 전기적으로 절연되도록 해야 하는 데, 이는 스택 내의 누설 전류로 인해 스택의 성능이 감소될 수 있기 때문이다. 게다가, 대부분의 경우 밀봉부는 압축 억제력(compressing restraining force)에 노출되어 있는 연료전지 스택의 직접적인 기계적 하중 경로에 배치되므로, 가해진 억제력을 하나의 반복 유닛에서 다음의 반복 유닛에 전달해야 한다. 예를 들어, 연료전지 스택의 외부 억제 또는 스택 위의 중량에 의해 실현되기도 하는 상기 억제력은, 개별적 요소들의 양호한 내부 전기접촉 및 그것으로 인한 전체 시스템의 성능을 위해 필수적이다.
전기적으로 절연시키기 위해 반복 유닛과 전해질 사이에 밀봉부를 형성할 필요는 없는 데, 이는 양쪽 요소의 전위가 동일하기 때문이다.
그러나, 그 대신 상기 밀봉부는 두 상이한 물질간, 대개는 금속과 세라믹의 두 상이한 재료 종류간에 기밀한 연결상태를 제공하도록 요구된다. 이는 밀봉부가 재료들의 상이한 열 팽창계수 및 열용량에서 기인하는 기계적 변형(strain)을 보완 또는 보정할 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 반복 유닛 및 양극성 플레이트는 흔히 고온 페라이트강, 산화물 분산강화합금(ODS alloys), 크롬계 합금 또는 기타 다른 고내열성 재료들로 제조되며, 일부 실시예에 따라 보호층을 가져도 된다. 대부분의 경우, 전해질은 이트륨 안정화 산화 지르코늄(YSZ)로 구성되지만, 예컨대, 스칸디움-, 이터비움- 또는 세리움-안정화 산화 지르코늄 같은 기타 다른 재료로 구성되어도 좋다. MEA와 양극성 플레이트간의 열 특성을 근사시키는 일이 지금까지 만족스럽게 실현되지 않았으므로, 상이한 열 특성을 중화시키는 접합이 요구된다.
상기 접합 연결용으로, 극히 소수의 재료들만이 복합적 요구 수준을 만족시킨다. 예를 들어, WO 2005/024280 A1에 공지된 바와 같이 운모(mica) 밀봉부가 하나의 대안이다. 원칙적으로는, 접합 파트너들이 서로 단단하게 연결되지 않는 경우에 운모가 압축 밀봉 상태를 제공한다는 장점이 있다. 운모 밀봉부는 접합대상 부품들 사이의 약간의 상대적 움직임을 허용하므로, 팽창계수를 정확하게 조정할 필요가 없다. 그러나, 유체들에 대해 두 누설경로(하나는 운모와 각각의 접합 파트너들 사이에, 나머지 하나는 개별적 운모층 사이에)가 존재하기 때문에 순수 운모 밀봉부는 고도의 누설율 내지 초고도의 누설율을 지닌다. 이러한 두 누설경로를 밀봉하기 위해 여러 제안들이 있지만, 이들은 압축성 운모 밀봉부를 더욱 견고 하고 단단하게 함으로써 원하는 압축 특성을 잃게 한다.
운모 밀봉부와 관련된 두번째 문제는 온도가변형 저항이다. 여러 시험에 의하면 양호하게 밀봉된 운모 연결이라도 두세번의 온도 사이클 시험 후에는 초고도의 누설율을 보인다는 것이다. 그 이유는 온도 사이클 시험 동안 개별적 운모층이 부수어지고 이로 인해 운모를 통한 누설 경로가 확대되어 밀봉 특성이 상당히 저하되기 때문이다.
고온 연료전지 밀봉을 위한 또 다른 대안은 유리 또는 결정화 유리(glass ceramics)를 활용하는 것이며, 여기서 결정화 유리는 산화바륨(BaO) 및 산화칼슘(CaO)의 주요 첨가물들을 함유하여 바륨 또는 칼슘 실리케이트 유리로 불리는 규소(SiO2)를 기초로 한다. 상기 유리는, 한편으로, 화학적으로 아주 안정적이고, 전기절연성을 보인다. 유리 땜납으로 만든 밀봉부는 생산측면에서 비용효율적이며, 여러 기술들을 이용하여 양극성 플레이트에 바로 도포될 수도 있다. 더욱이, 접합 높이가 가변되는 경우에 유리는 양호한 보정 능력(compensation capacity)을 가지고 있다. 그러므로 최대 50 ㎛까지의 접합간격(joining gap) 변화량은 문제없이 보정될 수 있다. 상기 유리의 열팽창 계수를 SOFC의 다른 재료들의 열팽창 계수로 조정하기 위해, Ba 및/또는 Ca 첨가물을 부분적으로 또는 완전히 결정화시키는 방법이 이용된다. 이런 식으로 순수 유리의 낮은 열팽창 계수를 SOFC의 다른 재료들의 열팽창계수 값으로 조정할 수 있다. 유리는 과냉각된 용융물이기 때문에, 결정성 고체들로부터 알려진 바와 같은 점성도가 갑자기 변화하는 한정점을 가지지 않으며, 온도가 증가함에 따라 연화된다. 이는, 인접하는 두개의 양극성 플레이트가 접촉하여 단락을 야기시킬 때까지, 연료전지 스택의 부하유량에 있어서 유리 밀봉부가 시간이 지남에 따라 더욱 더 압축되게 하는 결점을 야기시킨다. 하지만, 유리 용융물 성분의 결정화는 상기 공정을 부분적으로만, 그리하여 불충분하게 저지하게 되므로, SOFC에 이용되기에는 높은 기계적 부하 및/또는 고온의 경우에 유리 땜납이 너무 연화된다는 것이 항상 문제가 될 것이다. 부분결정화된 유리의 열팽창 계수는 약 9 x 10-6 K-1이며, 이는 양극성 플레이트를 이루는 금속의 열팽창 계수(약 12.5 x 10-6 K-1)보다 상당히 낮다. 이는, 셀의 전해질이 양극성 플레이트의 금속에 결합될 때 전해질을 압력-변형률 하에 있게 하는 유리한 점도 있지만, 두 양극성 플레이트간 연결의 부하용량에는 불리하게 영향을 끼친다. 유리가 기포들을 형성하는 경향이 있다는 것은 그 이상의 단점이며, 그 이유는 누설을 야기시키고, 접합을 위해 가해져야 하는 무게중력이 점성상태의 유리를 평탄화시키므로 중력높이를 약 300 mm로 제한시키는 결과를 초래하기 때문이다. 게다가, 지금까지 사용된 접합용 유리의 절연저항보다 큰 절연저항을 지니는 밀봉요소가 바람직하다.
예를 들어 DE 101 16 046 A1에 제시된 바와 같이 스페이서 요소들을 도입함으로써 침전(settling)을 예방할 수 있다. 이 경우에는, 그 분말입자가 밀봉대상 접합간격의 크기를 가짐으로 인해 부하를 견딜 수 있는, 세라믹 분말이 바람직하게 유리 땜납에 첨가된다. 그러나, DE 101 16 046 A1에 따르면, 이는 최대 약 100 ㎛인 작은 간격 치수에만 작용된다. 또한, 부하를 균일하게 수용하기 위해서는 분말 입자들을 유리 땜납에 아주 균일하게 분포시켜야 한다. 위에 언급한 규모의 분쇄된 스페이서 요소들의 경우에 다른 문제(즉, 입도분포)가 제기된다. 이는, 예컨대 100 ㎛의 정격된 입경을 가지는 분말은 100 ㎛를 상당히 밑도는 지름을 가지는 입자들뿐만 아니라 100 ㎛를 초과하는 입자들을 항상 포함하게 됨으로써, 도입된 분말 모두가 아닌 그 분말의 작은 일부만이 부하를 수용하는 목적으로 이용된다는 것을 의미한다. 이로써, 바람직하게는 10 %의 양으로 유리 땜납에 첨가되는 분말에 있어서 효과적으로 사용될 부분이 감소하게 된다. 한편, 만일 일부 분말입자가 110 내지 120 ㎛의 크기를 가지고 있다면, 간격 폭을 100 ㎛로 한정하는 것이 불가능하다. 대단히 좁은 입경 분포도를 가지는 분말을 사용하는 것은 가능하다. 하지만, 그러한 분말은 지나치게 비싸며 직렬생산용으로는 부적당하다. 더욱이, DE 101 16 046 A1에 제시된 둥근 입자들은 부하를 정확히 전달한다. 만일 이러한 밀봉부 변형이 MEA 밀봉부에 적용되면, MEA 내에 국부적으로 높은 기계적 서지(surge)를 초래하고 MEA를 부러뜨릴 수도 있다. 양극성 플레이트 분야에서, 금속의 강도는 온도증가와 함께 감소하기 때문에 분말입자들이 금속에 압착되기도 하고, 소수의 분말입자들로 인해 국부적으로 높은 기계적 응력에 금속이 노출되기도 한다.
금속 땜납을 사용하여 개구부들의 밀봉 또한 실현할 수 있다. 이 경우, 접합은, 모세관력에 의해 접합면을 접합간격의 충전제인 액체 금속 땜납으로 습윤처리하고 금속 땜납을 고형화함으로써, 금속 땜납의 용융점을 상회하는 고온에서 이루어지게 된다. 유리 납땜에 비하여 커다란 장점은 금속 납땜의 사용으로 실현되 는 단축된 접합시간이다. 접합이 오븐 내에서 일어날 시, 성분들의 오븐 내 전체 체류시간뿐만 아니라 가열 및 납땜시간을 60%을 초과하게 감소시킬 수 있다. 저항 납땜 또는 유도 납땜 같은 현대식 접합방법들을 이용하여 접합 시간을 심지어 더 단축시키는 것도 가능하다.
다수의 유리한 매개변수로 상기 접합시간의 단축을 실현할 수도 있다. 한편으로, 고로내 납땜의 경우에는 최대 10 K/min으로, 유도 가열의 경우에는 최대 300 K/min으로 하는 등 가열속도를 증가시킬 수 있다. 다른 한편으로는, 부분적 또는 완전한 결정화를 위해 시간 간격을 두어야 하는 유리 땜납의 경우와 달리, 납땜이 끝나는 즉시 냉각과정을 실시해도 된다. 이 방법을 통해서만 유리 땜납이 부하를 수용할 수 있게 된다. 땜납층을 활용하여 접합과정을 추가적으로 단축시킨다. 금속 땜납층들은 합금이거나 개별적 적층막(laminated individual films)이기 때문에 어떠한 결합제라도 함유하고 있지 않다. 따라서, 유리 땜납층들과 비교하여 볼 때, 결합제 제거를 위한 대기시간이 배제될 수 있다.
일반적으로 금속 땜납은, 연결요소들을 애노드 전극에 접촉 및 부착용으로 예를 들어 DE 198 41 919 A1에 제시된 것과 유사한, 기계적으로 강성하고 전기전도성 연결용으로 사용된다. 두 양극성 플레이트가 금속 땜납을 사용하여 접합되어야 한다면, 절연 중간층의 사용을 통해서만이 성분들의 전기적 절연이 실현가능하다. 연료전지 스택의 작동온도에서 액체인 금속 땜납 합금과 관련하여 세라믹 재료의 이러한 전기적으로 비전도성인 중간층은 DE 101 25 776 A1에 공지되어 있다.
DE 10 2004 047 539 A1에 공지되어 있는 밀봉장치는 절연성 세라믹이 도포된 금속 기판을 포함한다. 이와 같이 세라믹 표면이 마련된 이러한 구성요소는 납땜 또는 용접 방법을 이용하여 연결대상 요소들에 결합된다.
세라믹 재료들의 납땜은 금속 재료들의 납땜과는 다르다. 통상적인 땜납은 세라믹 재료들을 습윤처리할 수 없다. 하나의 접근 방법으로는 세라믹 성분을 금속화하고 통상적 납땜공정을 이용하여 연결하는 것이다. 금속화는 예를 들어 몰리브덴-망간 방법을 사용하여 수행된다. 예컨대, 산화몰리브덴 및 망간의 페이스트를 세라믹 접합면에 도포하여 기포를 형성하는 고온(>1000 '℃)에서 세라믹 표면상에 소결한다. 습윤성을 강화하기 위해, 금속화된 세라믹을 니켈 또는 동으로 추가 도포한다. 이러한 방법으로 금속화된 세라믹 재료를 이후의 단계에서 통상적인 금속 땜납을 사용하여 납땜할 수 있다.
세라믹 재료들을 접합하는 다른 대안은 활성 땜납을 이용한 기술이다. 이러한 단일 단계 공정에서 세라믹 표면은 특정의 "활성화된" 땜납 재료를 사용하여 습윤처리된다. 상기 금속합금은 적은 양의 티타늄, 하프늄 또는 지르코니움 같은 계면 활성요소들을 함유하고 있으며 이로 인해 세라믹 표면을 습윤처리할 수 있다.
전술된 기술들은 세라믹간 및 세라믹과 금속간에 기계적으로 안정되고 기밀한 연결을 가능하게 한다. 일반적으로, 세라믹과 금속의 화합물을 소결할 시에는, 접합대상 재료들의 상이한 열팽창 계수를 고려해야 한다. 연성으로 인해, 금속 땜납은 땜납의 두께에 따라 접합간격 내 전단응력을 차단(intercept)할 수 있다. 더욱이, 대부분의 경우에 금속의 열팽창 계수는 세라믹의 팽창 계수보다 크다. 이는 결과적으로 세라믹 재료가 인장응력이 아닌 압축응력에 노출되도록 한다. 따라서 인장응력에 기인한 세라믹 재료의 불량이 배제된다.
본 발명은 밀봉부 및 연료전지 스택을 제공함으로써 기밀성과 안정성의 향상 및 제조 방법의 단순화를 실현시키는 것에 근거하고 있다.
본 발명은 스페이서 요소가 세라믹 재료로 구성된다는 점에서 범용 밀봉부에 근거하고 있다. 예를 들어, 만일 접합대상인 두 양극성 플레이트가 본 발명에 따른 밀봉부에 의해 접합되면, 그 결과로 기밀하며 전기적으로 양호하게 절연되고 안정적이며 열변형이 가능하고 동시에 단순한 구조가 된다. 스페이서 요소가 세라믹으로 도포된 금속으로 형성되어 있는 구조와 비교하면, 더 적은 수의 공정단계로 밀봉부를 제작하게 된다. 또한 스페이서 요소의 열적 거동은 오로지 세라믹 재료의 열특성 의해 결정된다.
예를 들어, 하나 이상의 땜납 요소는 유리 땜납을 포함하도록 구현될 수 있다.
또한, 하나 이상의 땜납 요소는 금속 땜납을 포함하는 것이 가능하다.
또한, 하나 이상의 땜납 요소는 활성 땜납을 포함하는 것으로 구현될 수 있다.
특히 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 스페이서 요소는 땜납 요소로 충전된 하나 이상의 요홈(recess)을 포함하도록 구현될 수 있다. 요홈들은 밀봉부가 연결대상 요소들에 결합되기 전에 땜납을 수용할 수 있다. 그러므로 밀봉부는 요홈들에 주입되는 땜납을 포함하고 있는 스페이서 요소로서 다루기가 용이하다. 이런 식으로 땜납을 요홈의 범위 이내에 위치시킬 수 있으므로, 연료전지 스택 내 연결대상 요소들에 대향되는 표면의 기타 영역들은 납땜을 면하게 된다. 스페이서 요소의 비납땜 표면이 연결대상 요소들에 직접 접촉하기 때문에 (즉, 중간 납땜층 없이), 연결대상 요소들간의 거리는 스페이서 요소에 의해 결정된다.
편의상 땜납 요소가 요홈보다 큰 체적을 가지도록 구현된다. 이리하여 땜납은 연결대상 요소들 쪽으로 표면 너머로 돌출될 수 있다. 따라서 접합단계 동안 땜납을 부하에 노출시킴으로써 땜납의 등방성 소결 수축이 순수 높이 수축으로 변환된다. 소결단계 이후, 양극성 플레이트가 스페이서 요소와 접합(abutment)될 때까지 땜납은 점성유동을 유지한다. 따라서 스페이서 요소는 부하의 대부분을 전달한다. 양극성 플레이트들의 접합이 유리 땜납을 통해 충분히 이루어지는 구조에서는 유리 땜납의 압축으로 인해 인접하는 양극성 플레이트가 단락될 위험이 있는 반면, 스페이서 요소 및 땜납 요소를 포함하는 본 구조에서는 이것이 배제되었는 데 이는 단단한 스페이서 요소가 인접하는 양극성 플레이트간의 어떠한 접촉이라도 충분히 배제시킬 수 있기 때문이다.
예를 들어, 스페이서 요소의 가장자리를 따라 요홈이 연장되도록 구현한다.
예컨대, 스페이서 요소의 가장자리를 따라 요홈을 연장시키는 것이 가능하다. 이 결과 접합단계 동안 땜납은 스페이서 요소의 접촉표면에서 떨어져 유동할 수 있다.
또한, 요홈을 연결대상 요소에 대향되는 표면에 배치시키고 땜납 요소의 연장에 대하여 상기 표면에 수직으로 접경되도록 하는 것이 가능하다. 이러한 구조는 땜납 요소가 양쪽에서 스페이서 요소에 의해 고정된다는 관점에서 유리할 수 있다.
특히, 각각이 본래의 완전한(intact) 상태에서 기밀한 연결을 제공하는 복수의 땜납 조인트를 수단으로 하여 스페이서 요소를 하나 이상의 연결대상 요소에 결합하는 것이 유용하다. 이런 식으로 밀봉부가 불량이 될 위험을 감소시킨다. 전이온도(즉, 유리가 실질적으로 완전히 고체임) 미만으로 온도 변화가 있는 경우, 유리 땜납에 크랙이 발생하기도 한다. 이러한 온도 범위에서 발생하는 크랙은 즉시 땜납의 전체 횡단면에 걸쳐서 이동한다. 만일 연료전지에 수소와 산소를 함유하는 기체가 도입되면, 이들 위치에서 불이 붙게된다. 이렇게 발생하는 국소적 과열로 인해, 인접 영역들이 또한 손상되어 전체 연료전지 시스템이 고장날 수 있다. 복수의 땜납 조인트와 함께 유리 땜납을 사용함으로써, 기계적 응력을 받을 시 대체로 땜납 조인트들의 하나만 고장날 것이다. 만일 제 1 땜납 조인트에 있는 크랙 주변에 제 2 땜납 조인트의 결점이 있다면, 상기 크랙은 제 2 땜납 조인트를 관통할 수 밖에 없게 된다. 이는 상당히 있을 수 없는 일이므로, 전체 기밀한 연결상태가 존속된다. 게다가, 연료전지의 작동온도에 이르고 특히 이 작동온도가 유리의 전이온도보다 높게 되면, 유리는 점성유동을 통해 크랙을 보수할 수 있다. 둘 이상의 땜납 조인트를 설치하는 것이 유리 땜납의 경우에 특히 유리한 것과 같이 금속 땜납의 경우에도 또한 유리할 수 있다.
또한, 땜납 요소는 연결대상 요소를 대향하는 전체 표면에 걸쳐 연장되도록 구현되어도 된다. 땜납 요소를 연결대상 요소들에 결합한 후, 중간 땜납층을 생성하거나, 힘을 가하여 땜납 요소를 외측에 밀어냄으로써, 땜납 요소가 전체 표면에 걸쳐 분포되는 경우 결과적으로 이 경우에도 땜납 조인트는 가장자리를 따라 연장된다. 중간 땜납층이 잔류할 시, 복수의 인접 땜납 조인트를 사용하는 해결책에 견줄만한, 기밀성에 관련하여 아주 확실한 연결상태를 얻게 된다.
스페이서 요소는 연결대상 요소에 대향되는 표면상에 금속 땜납 요소를 지탱하며, 그 맞은쪽 표면상에 유리 땜납 요소를 지탱한다. 두 상이한 땜납 시스템으로 인해, 스페이서 요소 및 연결대상 요소들의 접합은 두 단계로 수행된다. 먼저, 금속 땜납 사용하거나 활성 납땜 공정을 직접적으로 적용하여, 이전에 금속화된 스페이서 요소를 연결대상 요소들 중의 하나에 납땜한다. 이런 식으로, 한편으로는, 스페이서 요소를 미리 배치한다. 다른 한편으로는, 현재 이미 존재하는 연결의 기밀성을 검사해도 된다. 만일 밀봉부가 양극성 플레이트에 납땜되고 막전극 접합체가 이미 양극성 플레이트에 부착되어 있다면, 이 상태에서 전체 반복 유닛의 기밀성을 검사할 수 있다. 그러므로 본래의 완전한 구성요소들만이 조립되어 연료전지 스택을 형성하게 된다. 기밀성 검사가 성공리에 이루어진 후에야만 반복 유닛의 유리 땜납 연결에 의한 접합이 달성된다.
스페이서 요소는 기밀한 방식으로 소결되도록 구현되어도 된다.
이 방식 또는 다른 방식으로 제조된 세라믹 재료를 기초로, 스페이서 요소는 축방향으로 0.1 내지 0.2 mm의 두께를 가질 수 있다.
스페이서 요소가 축방향으로 0.3 내지 0.8 mm의 두께를 가지는 것이 특이 유용하다.
또한, 땝납 요소는 축방향으로 0.02 내지 0.2 mm의 두께를 가지도록 구현되어도 된다.
스페이서 요소와 땜납 요소 사이의 연결을 강화하기 위해, 편의상 땜납 요소를 지탱하는 스페이서 요소의 표면에 요철을 형성하는 것을 구현한다.
유리하게는, 스페이서 요소가 10.5 내지 13.5 x 10-6 K-1 범위의 열팽창 계수를 가지도록 구현된다. 이런 식으로 열팽창 계수가 통상적으로 사용되는 접합용 유리보다 페라이트강의 열팽창 계수에 더 양호하게 조정되도록 한다.
페라이트강의 열팽창 계수는 12 내지 13 x 10-6 K-1이다. 전형적인 접합용 유리 땜납의 열팽창 계수는 9.6 x 10-6 K-1이다
예를 들어, 스페이서 요소는 하기의 재료들 중 하나 이상을 포함하도록 구현되어도 된다: 바륨다이실리케이트, 칼슘다이실리케이트 또는 바륨칼슘오르소실리케이트. 상기 세라믹 재료 모두의 열팽창 계수는 12 x 10-6 K-1 범위이므로, 본 발명과 관련하여 사용하기에 특히 적절하다.
또한 스페이서 요소는 부분안정화 산화지르코늄을 포함할 수 있다. 부분안정화 산화지르코늄은 2.8 내지 5 mol% 희토류 금속산화물, 즉, Y2O3, Sc2O3, MgO 또는 CaO를 함유하는 산화 지르코늄이다. 이러한 시스템들의 열팽창 계수는 약 10.8 x 10-6 K-1이다.
산화알루미늄을 부분안정화 산화지르코늄에 첨가할 수 있다.
스페이서 요소를 연결대상 요소들에 결합하는 금속 땜납의 경우, 땜납 요소는 하기 재료들 중 하나 이상을 포함하도록 구현된다: 금, 은 또는 동.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 밀봉부를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지 스택을 축방향으로 압축하는 힘의 분포가 스페이서 요소에 의해 하나 이상의 연결대상 요소에 직접 전달된다는 점에서 범용 연료전지 스택에 근거를 두고 있다. 이런 식으로 연결대상 인접요소들간의 거리는 스페이서 요소에 의해 정확하게 조정될 수 있다. 연료전지 스택이 작동하는 동안, 단단한 스페이서 요소는 땜납 요소의 매개 없이 부하를 수용한다. 그러므로 부하 경로는 더 이상 밀봉효과를 제공하는 땜납 요소가 아닌 단단한 요소를 관통한다. 따라서, 양극성 플레이트를 연결해야 하는 경우에 땜납의 압축으로 인해 연결대상 요소들의 접촉이 단락을 초래하는 것을 방지한다.
편의상 스페이서 요소를 세라믹 재료로 형성하는 것을 구현한다. 비록 연결대상 요소들과 스페이서 요소의 직접 접촉과 관련하여 전적으로 비절연성인 스페이서 요소들을 사용하여도 되지만, 세라믹 재료로 형성되는 스페이서 요소를 제조하는 것이 특히 유리하다. 이는 본 발명에 따른 밀봉부와 관련하여 앞서 언급한 상세한 사항 및 장점들을 결과로서 가져온다. 이는 또한 하기에 설명되는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 특정 이로운 실시예들에 적용된다.
예를 들어, 하나 이상의 땜납 요소가 유리 땜납을 포함하도록 설계하여도 된다.
또한, 하나 이상의 땜납 요소가 금속 땜납을 포함하도록 구현하여도 된다.
또한, 하나 이상의 땜납 요소가 활성 땜납을 포함하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 연료전지 스택의 다른 실시예에 따르면, 스페이서 요소는 땜납 요소로 충전된 하나 이상의 요홈을 구비하도록 형성된다.
이 연결상태에 있어서, 요홈보다 큰 체적을 가지는 납땜 요소가 특히 유리하다.
바람직하게, 요홈은 스페이서 요소의 가장자리를 따라 연장된다.
또한, 요홈을 연결대상 요소에 대향되는 표면에 배치시키고 땜납 요소의 연장에 대해 상기 표면에 수직으로 접경되도록 하는 것이 유용하다.
연료전지 스택의 신뢰성 있는 밀봉부를 감안하여, 각각이 본래의 완전한(intact) 상태에서 기밀한 연결을 제공하는 복수의 땜납 조인트를 수단으로 스페이서 요소를 하나 이상의 연결대상 요소에 결합하도록 구현한다.
또한, 땜납 요소로 하여금 연결대상 요소에 대향되는 전체 표면을 덮도록 함으로써, 신뢰성 있는 밀봉부를 제공할 수 있다.
반복 유닛들이 먼저 제조되어 기밀성에 대한 검사를 받은 후에라야 연료전지 스택이 형성되는, 연료전지 스택의 직렬생산에 관련하여, 스페이서 요소는 연결대상 요소에 대향되는 표면상에 금속 땜납 요소를 지탱하며, 그 맞은편 표면상에 유리 땜납 요소를 지탱하도록 하는 것이 유리하다.
스페이서 요소는 기밀한 방식으로 납땜되도록 하는 것이 유리하다.
이 경우 스페이서 요소는, 바람직하게는, 축방향으로 0.1 내지 0.2 mm의 두께를 가진다.
스페이서 요소가 축방향으로 0.3 내지 0.8 mm의 두께를 가지는 것이 특이 바람직하다.
편의상, 땝납 요소는 축방향으로 0.02 내지 0.2 mm의 두께를 가지도록 구현되어도 된다.
땜납 요소를 지탱하는 스페이서 요소의 표면에 요철을 형성함으로써 안정적이고 기밀한 구조를 연료전지 스택에 제공할 수 있다.
또 다른 장점으로는 스페이서 요소가 10.5 내지 13.5 x 10-6 K-1 범위의 열팽창 계수를 가진다는 것이다.
이는 스페이서 요소가 하기의 재료들 중 하나 이상을 포함함으로써 실현된다: 바륨다이실리케이트, 칼슘다이실리케이트 또는 바륨칼슘오르소실리케이트.
또한 스페이서 요소는 부분안정화 산화지르코늄을 포함하도록 구현된다.
산화알루미늄을 부분안정화 산화지르코늄에 첨가하는 것이 또한 가능하다.
또한, 땜납 요소가 하기 재료들 중 하나 이상을 포함하도록 구현하여도 된다: 금, 은 또는 동.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 연료전지 스택용 밀봉부에 관한 것으로, 즉 밀봉부는, 전적으로 비절연성인 스페이서 요소 및 그 위에 배치된 땜납요소들을 포함하고 있다.
본 발명은 땜납 요소가 세라믹 재료로 제조된다는 점에서 밀봉부의 일반 제조 방법에 근거를 두고 있다. 이는 본 발명에 따른 밀봉부와 관련하여 앞서 언급한 상세한 사항 및 장점들을 결과로서 가져온다.
위 제조 방법을 감안할 때, 세라믹 분말을 건식 가압성형(dry pressing)하여 스페이서 요소를 제조하는 것이 유용할 것이다.
또한 필름 캐스팅, 피복(laminating) 및 스탬핑을 통해 스페이서 요소가 제조되도록 구현할 수 있다.
이러한 스페이서 요소를 기초로 하여, 스탬핑된 필름 형태의 유리 땜납이 스페이서 요소에 도포되도록 구현할 수 있다.
유리 땜납 또는 금속 땜납을 페이스트 형태로 스페이서 요소에 도포하는 것도 가능하다.
금속 땜납 요소와 스페이서 요소간의 연결을 강화하기 위해, 금속 땜납을 도포하기 전에 본딩층을 스페이서 요소에 도포하도록 구현할 수 있다.
이러한 연결에 있어서는, 땜납을 도포하기 전에 스페이서 요소에 요철면을 형성하는 것이 더욱 유용할 수 있다.
본 발명은 세라믹 재료로 만든 스페이서 요소가 사용된다는 점에서 연료전지 스택의 범용 제조 방법에 근거하고 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 연료전지 스택과 관련하여 앞서 언급한 상세한 사항 및 장점들이 또한 이러한 연료전지 스택 제조 방법의 테두리 내에서도 실현된다.
연료전지 스택의 요소들 및 유리 땜납으로 구성된 땜납 요소를 포함하는 밀봉부를 적층하고, 그런 후 상기 밀봉부를 통해서 연결대상 요소들을 동시에 서로에 연결시키는 것으로 더 발전될 수 있다. 따라서, 밀봉 요소에 접촉되는 모든 결합 영역을 병렬연결 하는 제조 방법이 가능하다.
그러나, 특히 반복 유닛들 및 금속 땜납으로 형성된 땜납요소를 포함하는 밀봉부가 차례로 서로에게 연속적으로 연결되어 있으면, 직렬생산도 가능하다.
유리하게는, 밀봉부를 사용함으로써 스페이서 요소는 연결대상 요소를 대향하는 표면상에 금속 땜납 요소를 지탱하며 그 맞은쪽 표면상에 유리 땜납 요소를 지탱하고, 금속 땜납 요소들에 의해 상기 스페이서 요소를 먼저 연료전지 스택의 요소들에 연결하며, 반복 유닛들을 완성 및 적층하고 유리 땜납 요소를 통해서 반복 유닛들이 서로에 연결되도록 구현된다.
금속 땜납 요소를 통해서 스페이서 요소를 연료전지 스택의 요소들과 접합한 이후에 반복 유닛이 기밀성에 대한 검사를 받는다는 사실을 감안할 때, 상이한 땜납 시스템을 포함하는 밀봉부에 기초한 이러한 제조법이 특히 유용하다고 할 수 있다.
본 발명은 땜납 요소가 스페이서 요소상에 배치됨으로써 연료전지 스택을 축방향으로 압축하는 힘의 분포가, 상기 스페이서 요소에 의해, 연결대상 요소들 중 하나 이상에 직접 전달된다는 점에서 연료전지 스택의 또 다른 범용 제조 방법에 근거를 두고 있다. 이런 제조 방법에 있어서, 전기절연성을 띠는 한 원리적으로는 상이한 스페이서 요소들을 사용할 수도 있다. 비록 세라믹 재료를 사용하는 것이 특히 유리하지만, 반드시 구현될 필요는 없다.
세라믹 스페이서 요소에 기초한 본 발명에 따른 제조 방법과 관련하여 유사하게, 이 경우 역시 연료전지 스택의 요소들 및 유리 땜납으로 구성된 땜납 요소를 포함하는 밀봉부를 적층하고, 그런 후 상기 밀봉부를 통해서 연결대상 요소들을 동시에 서로에 연결시키는 것으로 구현될 수 있다.
또한, 반복 유닛들 및 금속 땜납으로 형성된 땜납요소를 포함하는 밀봉부가 차례로 서로에게 연속적으로 연결되는 것이 유용하다.
게다가, 밀봉부를 사용함으로써 스페이서 요소는 연결대상 요소에 대향되는 표면상에 금속 땜납 요소를 지탱하며 그 맞은쪽 표면상에 유리 땜납 요소를 지탱하고, 금속 땜납 요소들에 의해 상기 스페이서 요소를 먼저 연료전지 스택의 요소들에 연결하며, 반복 유닛들을 완성 및 적층하고 유리 땜납 요소를 통해서 반복 유닛들이 서로에 연결되도록 하는 것이 유리하다.
이 방법은, 금속 땜납 요소를 통해서 스페이서 요소를 연료전지 스택의 요소와 접합한 이후 및 상기 반복 유닛들을 적층하기 전에, 기밀성 검사를 받는 반복 유닛과 관련하여 역시 유리하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 특히 바람직한 실시예들을 예로서 본 발명을 예로서 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택 일부의 축방향 단면도이다.
도 2는 밀봉부의 다양한 단면도들을 도시한다.
도 3은 밀봉부 및 연료전지 스택을 제조하기 위한 본 발명에 따른 제조 방법 들은 물론 본 발명에 따른 밀봉부를 설명하기 위한 다양한 축방향 단면도들을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 밀봉부 및 연료전지 스택의 제조 방법들은 물론 본 발명에 따른 밀봉부의 다른 실시예를 설명하기 위한 다양한 축방향 단면도들을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 밀봉부 및 연료전지 스택의 제조 방법들은 물론 본 발명에 따른 밀봉부의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 다양한 축방향 단면도들을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 밀봉부 및 연료전지 스택의 제조 방법들은 물론 본 발명에 따른 밀봉부의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 다양한 축방향 단면도들을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 밀봉부 및 연료전지 스택의 제조 방법들은 물론 본 발명에 따른 밀봉부의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 다양한 축방향 단면도들을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 밀봉부 및 연료전지 스택의 제조 방법들은 물론 본 발명에 따른 밀봉부의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 다양한 축방향 단면도들을 도시한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 관한 하기의 설명에서 동일한 참조 번호들은 동일하거나 동등한 구성요소들을 가리킨다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택 일부의 축방향 단면도로서, 연료전지 스택의 두 반복 유닛(28)이 도시되어 있다. 상기 반복 유닛(28) 각각은 양극성 플레이트(12)를 포함한다. 반복 유닛은 메인 평면(30) 및 메인 평면에 대해 축방향으로 배치된 이차평면(32)을 한정한다. 메인 평면(30)과 이차평면(32)에 배치되어 있는 플레이트부들은 반경방향으로 연장되고 축방향 부분들(34)을 통해서 서로 연결되어 있다. 이리하여 전적으로 전기전도성인 카트리지 같은 구조가 얻어진다. 메인 평면(30)에 배치된 양극성 플레이트(12)의 일부에 연이어 가스덕트레인지(36)가 설치되어 있다. 상기 가스덕트레인지는 연료전지 스택 내에서 반응하는 기체를 안내하기 위해 마련된다. 또한 가스덕트레인지는 양극성 플레이트(12)와 막전극접합체(38, 40, 42)의 제 1 전극(38) 사이에 전기 접촉을 제공한다. 고체 전해질(40)은 제 1 전극(38) 위에 배치된다. 역시 고체 전해질(40)에 연이어 제 2 전극(42)이 설치된다. 제 2 전극(42)에 연이어 추가적 가스덕트영역(44)이 설치된다. 만일 제 1 전극(38)이 캐소드 전극이라면 하부 가스덕트레인지(36)는 공기를 안내하는 역할을 하며, 상부 가스덕트레인지(44)는 인접하는 애노드 전극(42)에 공급될 수소를 안내한다. 하부 가스덕트레인지(36)에 공기를 도입하기 위해, 축방향 공기통로(46)가 마련된다. 한편으로 밀봉부(10, 10')는 공기가 상부 가스 덕트 레인지(44)의 레인지 내로 유동하여 애노드 전극(42)으로 흐르는 것을 방지한다. 유사하게, 밀봉부(10)는 연료전지 스택으로부터 공기가 빠져나가는 것을 방지한다. 또 다른 이미지는 연료전지 스택의 다른 단면도를 주목하면서 얻어진다. 이 도면에서는, 공급대상인 수소를 상부 가스덕트레인지(44)와 더 나아가 애노드 전극(42) 에 공급하기 위한 축방향 통로들이 인지가능한 반면에, 캐소드 전극은 물론 하부 가스덕트레인지(36)는 밀봉부에 의해 수소로부터 보호된다. 두 인접하는 양극성 플레이트(12)의 서로 대향하는 측면이 정반대의 전위를 가지기 때문에 양극성 플레이트(12)를 상호연결시키는 밀봉부(10)는 모두 전기적으로 비절연성인 재료로 형성되어야 한다. 본 발명의 테두리 내에서 설명되는 밀봉부(10)는 양극성 플레이트(12)의 상기 연결을 위해 주로 제공된다. 그러나, 연료전지 스택에 요구되는 기타 밀봉부도 (예를 들어, 고체 전해질(40)과 양극성 플레이트(12) 사이의 밀봉부(10')) 동일한 방식으로 설계되어도 된다.
도 2는 밀봉부의 다양한 평면도를 도시하고 있다. 이 도면의 관찰방향은 도 1의 관찰방향에 수직이다. 예를 들어, 연료전지 스택의 전체 외주를 따라 연장되는 밀봉부의 다양한 형태를 도시하고 있다. 인지가능한 밀봉부 형상은 직사각형(도 2a), 원형(도2b), 타원형(도 2c) 및 부분적으로 오목한 형상(도 2d)이다. 또한 밀봉부는 양쪽(즉, 특히 공기 및 유체 덕트 내 안내된 가스가 도달하면 안되는 가스덕트레인지에 대해)에 예컨대 유체 덕트로서 마련된 축방향 통로를 밀봉하기 위해 개구부를 구비하여도 된다.
도 3은 밀봉부 및 연료전지 스택을 제조하기 위한 본 발명에 따른 제조 방법들은 물론 본 발명에 따른 밀봉부를 설명하기 위한 다양한 축방향 단면도들을 도시한다. 도 3a에는 본 발명에 따른 밀봉부(10)의 스페이서 요소(16)이 도시되어 있다. 스페이서 요소(16)의 가장자리(24)에는 땜납 요소(18)를 수용할 수 있는 요홈(20)이 제공된다. 땜납 요소(18)가 주입된 스페이서 요소(16)는 도 3b에 도시되 어 있다. 스페이서 요소(16)는 땜납 요소(18)와 함께 밀봉부(10)를 형성한다. 도 3c는 두 양극성 플레이트(12) 사이에 밀봉상태로 있는 밀봉부(10)를 도시한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 땜납 요소(예를 들어, 유리 땜납)는 스페이서 요소(16) 위로 돌출된다. 따라서, 접합 단계, 즉 도 3c에 도시된 상태로 전이되는 동안, 땜납 요소(18)는 부하에 노출되게 된다. 이런 식으로 등방성 소결 수축은 순수 높이 수축으로 변환될 수 있다. 소결단계 이후, 양극성 플레이트(12)가 스페이서 요소(16)와 접합(abutment)될 때까지 유리는 점성유동을 유지한다. 그러면 연료전지 스택에 작용하는 억제력은 스페이서 요소(16)를 통해서 실질적으로 전달된다. 예시된 경우에서 복수의 땜납 조인트(18)(예로서 두 땜납 조인트)는 각각의 양극성 플레이트(12)를 대향하기 때문에, 땜납 조인트들(18) 중 하나의 불량이 아직 시스템의 누설을 야기시키지는 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 밀봉부 및 연료전지 스택의 제조 방법들은 물론 본 발명에 따른 밀봉부의 다른 실시예를 설명하기 위한 다양한 축방향 단면도들을 도시한다. 도 4a에 따른 양극성 플레이트(12)와 결합된 스페이서 요소(16)의 표면(26)에는 요홈들(22)이 마련되어 있다. 도 4d는 그의 결합 상태를 도시하고 있으며, 이 경우 땜납 요소(18)가 추가적으로 요홈들(22) 내로 주입된다. 이 변형예에서는, 땜납 요소(18)(즉, 특히 유리 땜납)를 스페이서 요소로 완전히 에워쌈으로써 땜납 요소를 접합-밀봉 영역에 고정한다.
도 5는 본 발명에 따른 밀봉부 및 연료전지 스택의 제조 방법들은 물론 본 발명에 따른 밀봉부의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 다양한 축방향 단면도들을 도시한다. 여기에서 땜납 요소(18)는 스페이서 요소(16)의 전체 표면에 도포된다. 이 경우, 스페이서 요소(16)를 형성함으로써 도 5a에 도시된 상태에서 도 5b에 따른 상태로 전이되는 동안 (즉, 접합 동안), 땜납 요소(18)가 배치될 수 있는 체적이 마련된다. 이리하여, 땜납 요소가 스페이서 요소(16)의 전체 표면상에 배치되었음에도 불구하고, 스페이서 요소(16)는 접합 상태에 있는 양극성 플레이트(12)에 직접 접촉이 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 밀봉부 및 연료전지 스택의 제조 방법들은 물론 본 발명에 따른 밀봉부의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 다양한 축방향 단면도들을 도시한다. 땜납 요소(18)로서 유리 땜납이 제공되었다. 비록 여기에서는 스페이서 요소(16)가 땜납 요소(18)의 수용을 고려하는 구체적 형태를 전혀 가지고 있지는 않지만, 본 실시예는 도 5에 따른 실시예와 동등하다. 도 6a에 따르면, 땜납 요소(18)는 스페이서 요소(16)의 전체 표면에 도포된다. 도 6a에서 볼 수 있듯이, 접합 이후, 납땜 요소(18)의 일부는 스페이서 요소(16) 및 양극성 플레이트들(12) 사이에 남는다. 이 잔류물은 가장자리 영역을 향해 변위된다. 중간층을 형성하는 납땜의 양을 아주 적게 함으로써 양극성 플레이트(12)와 스페이서 요소(16) 사이의 힘의 분포는, 스페이서 요소(16)가 직접적으로 양극성 플레이트(12)를 접촉하는 경우에서처럼, 실질적으로 거의 직접적이나 다름없다.
도 7은 본 발명에 따른 밀봉부 및 연료전지 스택의 제조 방법들은 물론 본 발명에 따른 밀봉부의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 다양한 축방향 단면도들을 도시한다. 땜납 요소(18')로서 금속 땜납이 제공되었다는 것을 제외하면, 도 7에 따른 실시예는 도 6에 따른 실시예와 동일하다. 납땜 공정은 2단계 공정일 수 있으며, 통상적인 금속 땜납을 이용하여 납땜이 수행된 후 스페이서 요소(16)의 금속화가 우선 이루어진다. 또한 단일단계 활성화 납땜 공정을 수행하는 것도 가능하다.
도 8은 본 발명에 따른 밀봉부 및 연료전지 스택의 제조 방법들은 물론 본 발명에 따른 밀봉부의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 다양한 축방향 단면도들을 도시한다. 여기에서는 혼성(hybrid) 땜납 시스템이 예시되어 있다. 도 8a에 도시된 상태 이전에, 가장자리 일측상에 마련된 요홈들(20)을 포함하는 스페이서 요소(16)가 있다. 요홈들(20) 맞은편 상에는 금속 땜납 요소(18')가 마련된다. 이렇게 정해진 부분적 밀봉부는 양극성 플레이트(12) 상에 납땜된다. 이 상태에서, 금속 요소(16')를 매개로 한 스페이서 요소(16)와 양극성 플레이트(12)간의 연결에 대해 기밀성 시험을 수행하여도 된다. 바람직하게는, 이러한 부분적 밀봉부가 구비된 양극성 플레이트를 사전 제조하여 전체 연료전지 스택으로 하여금 유리 땜납 요소(18)을 스페이서 요소(16)의 요홈들(20) 내에 주입하도록 한다. 그런 후 연료전지 스택을 조립하고, 유리 땜납 요소(18)를 매개로 한 스페이서 요소(16)와 양극성 플레이트(12)간의 연결은 전체 스택을 위해 병렬 결합이 되어도 좋다.
청구항에서는 물론 위의 설명과 도면들에 개시된 본 발명의 특징은 본 발명을 임의의 조합뿐만 아니라 개별적으로 실현하는 데 있어서도 중요할 것이다.
<도면의 참조부호에 대한 설명>
10 … 밀봉부
10' … 밀봉부
12 … 양극성 플레이트
16 … 스페이서 요소
18 … 땜납 요소
18' … 땜납 요소
20 … 요홈
22 … 요홈
24 … 가장자리
26 … 표면
28 … 반복 유닛
30 … 메인 평면
32 … 이차평면
34 … 축방향 부분들
36 … 가스 덕트 레인지
38 … 전극
40 … 고체 전해질
42 … 전극
44 … 가스 덕트 레인지
46 … 공기통로

Claims (63)

  1. 전기적으로 비전도성인 스페이서 요소(16) 및 연료전지 스택의 작동온도에서 전체 확장범위에 걸쳐 고체 또는 점성체로 존재하며 상기 스페이서 요소(16)를 연료전지 스택의 하나 이상의 연결대상 요소에 기밀한 방식으로 결합시키는 하나 이상의 땜납 요소(18)를 포함하는, 연료전지 스택의 두 요소들(12)을 기밀 연결하기 위한 밀봉부(10)에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 세라믹 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 밀봉부.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 땜납 요소(18)는 유리 땜납을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  3. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 땜납 요소(18)는 금속 땜납을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 땜납 요소(18)는 활성 땜납을 포함하는 것을 특징으로 하 는 밀봉부(10).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 상기 땜납 요소(18)로 충전된 하나 이상의 요홈(20,22)을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 땜납 요소(18)는 상기 요홈(20,22)보다 큰 체적을 가지는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 요홈(20)은 상기 스페이서 요소(16)의 가장자리(24)를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 요홈(22)은 연결대상 요소에 대향되는 표면(26)에 배치되고 상기 땜납 요소(18)의 연장에 대하여 상기 표면(26)에 수직으로 접경되는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)를 상기 연결대상 요소들(12) 중 하나 이상에 결합하는 것은 복수의 땜납 조인트를 수단으로 이루어지며, 상기 땜납 조인트 각각은 본래의 완전한(intact) 상태에서 기밀한 연결을 제공하는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 땜납 요소(18)는 연결대상 요소(12)를 대향하는 전체 표면에 걸쳐서 연장되는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 연결대상 요소(12)에 대향되는 표면(26)상에 금속 땜납 요소(18')를 지탱하며, 그 맞은쪽 표면(26)상에 유리 땜납 요소(18)를 지탱하는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 기밀한 방식으로 소결되는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 축방향으로 0.1 내지 0.2 mm의 두께를 가지는 것 을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 축방향으로 0.3 내지 0.8 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 땜납 요소(18)는 축방향으로 0.02 내지 0.2 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 땜납 요소(18)를 지탱하는 상기 스페이서 요소(16)의 표면에 요철을 형성하는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 10.5 내지 13.5 x 10-6 K-1 범위의 열팽창 계수를 가지는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 바륨다이실리케이트, 칼슘다이실리케이트 또는 바륨칼슘오르소실리케이트 중 하나 이상의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 부분안정화 산화지르코늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  20. 제 19 항에 있어서,
    산화알루미늄이 상기 부분안정화 산화지르코늄에 첨가되는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  21. 제 3 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 땜납 요소(18)는 금, 은 또는 동 중 하나 이상의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉부(10).
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른, 하나 이상의 밀봉부(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  23. 축방향으로 적층된 복수의 반복 유닛들(28) 및 연료전지 스택의 두 요소 들(12)을 기밀한 방식으로 연결하는 하나 이상의 밀봉부(10)를 포함하며, 상기 밀봉부(10)는 전기적으로 비전도성인 스페이서 요소(16) 및 상기 스페이서 요소(16)를 상기 연료전지 스택의 하나 이상의 연결대상 요소에 결합시키는 하나 이상의 땜납 요소(18)를 포함하는 연료전지 스택에 있어서,
    상기 연료전지 스택을 축방향으로 압축하는 힘의 분포가 상기 스페이서 요소(16)에 의해 상기 연결대상 요소들(12) 중 하나에 직접 전달되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 세라믹 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 땜납 요소(18)는 유리 땜납을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  26. 제 23 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스페이서 요소(16)는 금속 땜납을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  27. 제 23 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 땜납 요소(18)는 활성 땜납을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  28. 제 23 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 상기 땜납 요소(18)로 충전된 하나 이상의 요홈(20,22)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  29. 제 23 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 납땜 요소(18)는 상기 요홈(20,22)보다 큰 체적을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  30. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    상기 요홈(20)은 상기 스페이서 요소(16)의 가장자리를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  31. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    상기 요홈(22)은 연결대상 요소(12)에 대향하는 표면(26)에 배치되고 상기 땜납 요소(18)의 연장에 대해 상기 표면(26)에 수직으로 접경되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  32. 제 23 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)를 상기 연결대상 요소들(12) 중 하나 이상에 결합하는 것은 복수의 땜납 조인트를 수단으로 이루어지며, 상기 땜납 조인트 각각은 본래의 완전한 상태에서 기밀한 연결을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  33. 제 23 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 땜납 요소(18)는 연결대상 요소(12)를 대향하는 전체 표면(26)에 걸쳐서 연장되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  34. 제 23 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 연결대상 요소(12)에 대향되는 표면(26)상에 금속 땜납 요소(18')를 지탱하며, 그 맞은쪽 표면(26)상에 유리 땜납 요소(18)를 지탱하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  35. 제 23 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 기밀한 방식으로 소결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  36. 제 23 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 축방향으로 0.1 내지 0.2 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  37. 제 23 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 축방향으로 0.3 내지 0.8 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  38. 제 23 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 땜납 요소(18)는 축방향으로 0.02 내지 0.2 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  39. 제 23 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 땜납 요소(18)를 지탱하는 상기 스페이서 요소(16)의 표면에 요철을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  40. 제 23 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 10.5 내지 13.5 x 10-6 K-1 범위의 열팽창 계수를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  41. 제 23 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 바륨다이실리케이트, 칼슘다이실리케이트 또는 바륨칼슘오르소실리케이트 중 하나 이상의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  42. 제 23 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 부분안정화 산화지르코늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  43. 제 42 항에 있어서,
    산화알루미늄이 상기 부분안정화 산화지르코늄에 첨가되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  44. 제26 항 내지 제 43 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 땜납 요소(18)는 금, 은 또는 동 중 하나 이상의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  45. 제 23 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 스택용 밀봉부(10).
  46. 연료전지 스택의 두 요소들(12)을 기밀한 방식으로 연결가능하고, 전기적으 로 비전도성인 스페이서 요소(16) 및 상기 연료전지 스택의 작동온도에서 전체 확장범위에 걸쳐 고체 또는 점성체로 존재하며 상기 스페이서 요소(16)를 연료전지 스택의 하나 이상의 연결대상 요소에 기밀한 방식으로 결합시키는 하나 이상의 땜납 요소(18)를 포함하는, 밀봉부(10)의 제조 방법에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 세라믹 요소로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 세라믹 분말을 건식 가압성형(dry pressing)하여 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  48. 제 46 항에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16)는 필름 캐스팅, 피복(laminating) 및 스탬핑을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제 46 항 내지 제 48 항 중 어느 한 항에 있어서,
    스탬핑된 필름 형태의 유리 땜납을 스페이서 요소(16)에 도포하는 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 제 46 항 내지 제 48 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유리 땜납 또는 금속 땜납을 페이스트 형태로 상기 스페이서 요소(16)에 도포하는 것을 특징으로 하는 방법.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 금속 땜납을 도포하기 전에 접착층(adhesive layer)을 상기 스페이서 요소(16)에 도포하는 것을 특징으로 하는 방법.
  52. 제 46 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서,
    땜납을 도포하기 전에 상기 스페이서 요소(16)에 요철을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 축방향으로 적층된 복수의 반복 유닛들(28) 및 연료전지 스택의 두 요소들(12)을 기밀한 방식으로 연결하는 하나 이상의 밀봉부(10)를 포함하며, 상기 밀봉부(10)는 전기적으로 비전도성인 스페이서 요소(16) 및 상기 연료전지 스택의 작동온도에서 전체 확장범위에 걸쳐 고체 또는 점성체로 존재하며 상기 스페이서 요소(16)를 상기 연료전지 스택의 하나 이상의 연결대상 요소에 기밀한 방식으로 결합시키는 하나 이상의 땜납 요소(18)를 포함하는, 연료전지 스택의 제조 방법에 있어서,
    세라믹 재료로 만든 스페이서 요소(16)를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택(12)의 요소들 및 유리 땜납으로 구성된 땜납 요소(18)를 포함하는 밀봉부(10)를 적층한 후, 상기 밀봉부(10)를 통해서 상기 연결대상 요소들을 동시에 서로에 연결시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 제 53 항에 있어서,
    상기 반복 유닛들(28) 및 금속 땜납으로 구성된 땜납요소(18)를 포함하는 밀봉부(10)가 차례로 서로에게 연속적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  56. 제 53 항에 있어서,
    - 상기 밀봉부(10)를 사용함으로써 상기 스페이서 요소(16)는 연결대상 요소(12)를 대향하는 표면(26)상에 금속 땜납 요소를 지탱하며 그 맞은쪽 표면(26)상에 유리 땜납 요소(18)를 지탱하고,
    - 상기 금속 땜납 요소들(18')을 통해 상기 스페이서 요소(16)를 우선 상기 연료전지 스택의 요소들에 연결하며,
    - 상기 반복 유닛들(28)을 완성하고,
    - 상기 반복 유닛들(28)을 적층하며,
    - 상기 유리 땜납 요소(18)을 통해서 상기 반복 유닛들(28)을 서로에 연결시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 금속 땜납 요소(18')를 통해서 상기 스페이서 요소(16)를 상기 연료전지 스택의 요소들과 접합한 이후에 기밀성에 대한 검사를 상기 반복 유닛들(28)에 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  58. 축방향으로 적층된 복수의 반복 유닛들(28) 및 연료전지 스택의 두 요소들(12)을 기밀한 방식으로 연결하는 하나 이상의 밀봉부(10)를 포함하며, 상기 밀봉부(10)는 전기적으로 비전도성인 스페이서 요소(16) 및 상기 스페이서 요소(16)를 상기 연료전지 스택의 하나 이상의 연결대상 요소에 결합시키는 하나 이상의 땜납 요소(18)를 포함하는, 연료전지 스택의 제조 방법에 있어서,
    상기 스페이서 요소(16) 상에 상기 땜납 요소(18)를 배치함으로써 상기 연료전지 스택을 축방향으로 압축하는 힘의 분포가 상기 스페이서 요소(16)에 의해 상기 연결대상 요소들(12) 중 하나 이상에 직접 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.
  59. 제 58 항에 있어서,
    세라믹 재료로 만든 스페이서 요소(16)를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  60. 제 58 항 또는 제 59 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 요소들(12) 및 유리 땜납으로 구성된 땜납 요소(18)를 포함하는 밀봉부(10)를 적층한 후, 상기 밀봉부(10)를 통해서 상기 연결대상 요소들을 동시에 서로에 연결시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  61. 제 58 항 또는 제 59 항에 있어서,
    상기 반복 유닛들(28) 및 상기 밀봉부(10)를 금속 땜납으로 구성된 땜납 요소(18)를 사용하여 차례로 서로에게 연속적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  62. 제 58 항 또는 제 59 항에 있어서,
    - 상기 밀봉부(10)를 사용함으로써 상기 스페이서 요소(16)는 연결대상 요소(12)를 대향하는 표면(26)상에 금속 땜납 요소를 지탱하며 그 맞은쪽 표면(26)상에 유리 땜납 요소(18)를 지탱하고,
    - 상기 금속 땜납 요소들(18')을 통해 상기 스페이서 요소(16)를 우선 상기 연료전지 스택의 요소들에 연결하며,
    - 상기 반복 유닛들(28)을 완성하고,
    - 상기 반복 유닛들(28)을 적층하며,
    - 상기 유리 땜납 요소(18)을 통해서 상기 반복 유닛들(28)을 서로에 연결시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  63. 제 62 항에 있어서,
    상기 금속 땜납 요소(18')를 통해서 상기 스페이서 요소(16)를 상기 연료전지 스택의 요소들과 접합한 이후 및 상기 반복 유닛들(28)을 적층하기 전에, 기밀성에 대한 검사를 상기 반복 유닛들(28)에 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
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