KR20110053967A - 연료전지용 인터커넥트 및 연료전지용 인터커넥트 제조방법 - Google Patents

연료전지용 인터커넥트 및 연료전지용 인터커넥트 제조방법 Download PDF

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Abstract

연료전지용 인터커넥트가 가압 금속 시트로 만들어진다. 인터커넥트는 시트의 변형에 의해 만들어진 불연속적인 점들 또는 직사각형 돌출부에 의해 모두 형성되고 정의된 인터커넥트의 양측 상의 주입구 및 배출구, 흐름 분배 주입구 및 배출구 구역 시일 표면 및 흐름 통로를 통합시킨다. 인터커넥트의 하나의 측면 상의 돌출부는 다른 측면 상의 압흔에 대응하지만, 인터커넥트는 3개 레벨로 구성되기 때문에 인터커넥트의 제 1측은 제 2측에 거의 독립적으로 설계될 수 있다.

Description

연료전지용 인터커넥트 및 연료전지용 인터커넥트 제조방법{INTERCONNECT FOR A FUEL CELL, A METHOD FOR MANUFACTURING AN INTERCONNECT FOR A FUEL CELL}
본 발명은 얇은 금속 시트의 소성변형에 의해 산출되어 단일편의 시트에서 흐름 통로를 위한 돌출부 및 압흔, 주입구 및 배출구 구역, 시일 표면 및 퍼지 채널을 통합한 연료전지용 인터커넥트에 관한 것이다.
이하, 본 발명은 고체 산화물 연료전지와 관련하여 설명된다. 하지만, 본 발명에 따른 인터커넥트는 고분자 전해질 연료전지(PEM) 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)와 같은 다른 타입의 연료전지를 위해 역시 사용될 수 있다. 고체 산화물 연료전지(SOFC)는 산소이온의 전도를 가능하게 하는 고체 전해질, 산소가 산소이온으로 환원되는 캐소드 그리고 수소가 산화되는 애노드를 포함한다. SOFC에서의 전체적인 반응은 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기, 열 그리고 물을 생산한다. 필요한 수소를 생산하기 위해, 애노드는 통상 탄화수소, 특히 천연가스의 수증기 개질을 위한 촉매 활성화를 가지며 이에 따라 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소가 발생된다. 천연가스의 주성분 및 메탄올의 수증기 개질은 아래의 방정식으로 설명될 수 있다.
CH4+H2O⇒CO+3H2
CH4+CO2⇒2CO+2H2
CO+H2O⇒CO2+H2
작동중에, 공기와 같은 산화제는 캐소드 구역에서 고체 산화물 연료전지에 공급된다. 수소와 같은 연료는 연료전지의 애노드 구역에 공급된다. 대안으로서, 메탄과 같은 탄화수소 연료가 애노드 구역에 공급되는데, 여기에서 이것은 상기한 반응에 의해 수소와 탄소산화물로 전환된다. 수소는 다공성 애노드를 통과하고 그리고 애노드/전해질 인터페이스에서 전해질을 통해 확산되는 캐소드측에서 발생된 산소이온과 반응한다. 산소이온은 전지의 외부 전기회로로부터의 전자의 입력으로 캐소드측에서 만들어진다.
전압을 증가시키기 위해서, 여러개의 전지 유니트가 조립되어 스택을 형성하고 그리고 인터커넥트에 의해 함께 연결된다. 인터커넥트는 가스 배리어로서 작용하여 인접 전지 유니트의 애노드(연료) 및 캐소드(공기/산소)측을 분리하고 그리고 동시에 이들은 인접 전지들 사이에서, 즉 과잉의 전자를 가진 하나의 전지의 애노드와 환원공정을 위해 전자가 필요한 이웃 전지의 캐소드 사이에서 전류 전도가 가능하다. 더욱이, 인터커넥트는 인터커넥트의 한 측에서 연료가스의 통로 그리고 반대 측에서 산화제 가스의 통로를 위한 복수의 흐름통로를 통상 구비하고 있다. SOFC 스택의 성능을 최적화하기 위해서, 양의 값의 범위가 최대로 되어야 하고 그리고 최소로 되어야할 관련된 음의 값의 또다른 범위에서 허용할 수 없는 결과가 없어야 한다. 이들 값의 일부는 다음과 같다.
최대로 되어야할 값 최소로 되어야할 값
- 연료 이용 - 가격
- 전기효율 - 크기
- 수명 - (어느 지점까지의 온도)
- 생산 시간
- 실패율
- 부품수
- 기생손실(가열,냉각,블로워...)
인터커넥트는 복수의 상기한 값에 직접 영향을 미친다. 대부분의 모든 값은 상호 관련되어 있는데, 이것은 하나의 값을 바꾸면 다른 값에 충격을 준다는 것을 의미한다. 상기한 값과 인터커넥트의 특성 사이의 관계가 아래에서 언급된다.
연료 이용:
인터커넥트의 연료측에서 흐름통로는 스택에서 각각의 전지에 동일 양의 연료를 모색하도록 설계되어야 하는데, 즉 스택의 연료측을 통해서 흐름의 "절단(short-cuts)"이 없어야한다.
기생손실:
인터커넥트에서의 흐름통로의 설계는 적어도 공기측에서 그리고 잠재적으로 인터커넥트의 연료측에서 흐름체적당 낮은 압력손실을 달성하도록 모색되어야하는데, 이것은 블로워에 기생손실을 감소시킬 것이다.
전기효율:
인터커넥트는 이웃 전지들의 애노드와 캐소드층 사이에서 전류를 유도한다. 여기에서, 내부 저항을 감소시키기 위해서, 인터커넥트의 전기적으로 전도하는 접점(이하, 단지 "접점"이라한다)은 전극(애노드 및 캐소드)에 양호한 전기적 접촉을 이루도록 설계되어야 하며 그리고 접점은 멀리 떨어져 있지않아야 하는데, 멀리 떨어져 있으면, 전류가 전극의 더 긴 거리를 운행하여 더 높은 내부저항을 야기한다.
수명:
인터커넥트의 연료 및 공기측 양자의 균등한 흐름 분배, 작은 부품수 그리고 다른것중에서 재료에 대한 균등한 보호 코팅에서 인터커넥트와의 관계에 의존한다.
가격:
고가의 재료를 사용하지않고, 인터커넥트의 생산 시간을 감소시키고 그리고 재료 손실을 최소화함으로써 인터커넥트 가격의 분담금은 감소될 수 있다.
크기:
인터커넥트 설계가 유효 전지 구역의 높은 이용을 보장할 때 연료 스택의 전체적인 크기는 감소된다. 낮은 연료 또는 공기 흐름의 쓸모없는 구역은 감소되어야하고 그리고 밀봉 표면을 위한 무효 영역는 최소로 되어야한다.
온도:
온도는 전지에서 촉매반응을 보장할 만큼 충분히 높지만 전지 부품들의 품질저하의 가속화를 피할 만큼 충분히 낮아야한다. 그러므로, 인터커넥트는 최대 온도를 넘지않고 높은 평균 온도를 유지하는 균등한 온도분포에 기여해야 한다.
생산 시간:
인터커넥트 자체의 생산 시간은 최소로 되어야 하며 인터커넥트 설계는 또한 전체적인 스택의 신속한 조립에 공헌해야한다. 일반적으로, 인터커넥트 설계가 모든 부품에 대해서 불필요하면, 생산 시간에 있어서 이익이 있다.
고장율:
인터커넥트 제조 방법 및 재료는 낮은 인터커넥트 실패율이 가능해야한다(인터커넥트 가스 배리어에서의 원하지않는 구멍, 불균일한 재료두께 또는 특성과 같은). 더욱이, 인터커넥트 설계가 조립될 부품의 전체 갯수를 감소시키고 그리고 시일 표면의 길이를 감소시킬 때, 조립된 전지 스택의 실패율은 줄어들 수 있다.
부품수
위에서 이미 언급한 바와같이 에러와 조립 시간을 최소로 하는 것과 별개로, 부품수의 감소는 단가의 저하로 이어진다.
미국특허공개 20040219423호는 예를 들면 두께 0.1-2mm의 두께를 가진 스테인리스 금속 시트로 만들어진 내부 매니폴딩 인터커넥트를 개시하고 있다. 이 시트는 인터커넥트의 양측에서 흐름통로를 형성하는 융기된 리지 및/또는 딤플을 제공하도록 스탬프가공되어 있다.
미국특허 7318973호는 전지 스택 레이어의 밀봉과 관련된 문제를 설명하고 있다. 스탬프가공된 금속시트로 만들어진 내부 매니폴딩 인터커넥트가 개시되어 있는데, 이 시트의 양면 각각은 흐름영역을 가지고 있다. 흐름통로는 인터커넥트 플레이트로 조립된 별개의 스탬프가공된 브리지부재에 의해 형성되어 있다.
미국특허공개 20030124405호에서, 흐름을 안내하기 위해 엇갈리는 방식의(staggered) 시일장치를 더 포함할 때, 금속시트로 만들어진 스탬프가공된 바이폴라 플레이트의 대향 면에서 흐름영역이 형성되어 있다.
부품수를 줄이기 위한 방안으로서, 미국특허 5424144호의 인터커넥트는 주변 습윤 시일과 마찬가지로 인서트 링 시일을 형성하기 위해서 인서트 링을 통합함으로써 단일 피스 프레스가공된 금속 플레이트에 시일 구역을 통합한다. 단일 피스 세퍼레이터 플레이트라고는 하지만, 미국특허 5424144호의 인터커넥트는 여전히 압축력을 시일에 전달하기 위해서 복수의 금속 인서트 링을 필요로 한다.
더욱이, 금속시트 인터커넥트는 US 6699614호, WO 2005112165호, EP 1284512호, US 7186476호 및 US 20080026279호에 개시되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 연료가 통과하는 흐름통로에 무관하게 전지에서 연료를 균일하게 보유함으로써 연료 이용을 증가시키는 연료전지 스택을 위한 인터커넥트를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 목적은 기생손실을 감소시키는 저압력손실을 가진 인터커넥트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 높은 전기효율의 연료전지 스택에 공헌하는 접점이 설계된 인터커넥트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 흐름 분배를 최적화하고 그리고 최대온도를 초과하지않으면서 전지 영역 상에서 평균온도를 최적화하도록 설계된 인터커넥트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 인터커넥트와 전지 스택의 가격, 크기, 생산 시간 및 실패율을 더 줄이는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연료전지 스택의 부품 및 실링 부재의 갯수 그리고 표면적을 줄이는 인터커넥트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 완전히 연소하지않은 연료를 스택의 외부표면을 통해서 배출되지않는 연료전지 스택을 위한 인터커넥트를 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적은 아래에서 설명하는 바와 같이 본 발명에 의해 달성된다.
따라서, 인터커넥트는 특히 고체 산화물 연료전지에 대해 제공되고, 또한 PEM 및 DMFC와 같은 다른 연료 전지에 제공될 수 있다. 어느 경우에나, 연료 전지는 복수의 흐름을 제공하는 매니폴드를 포함하고, 이는 내부 매니폴딩 타입, 외부 매니폴딩 타입, 또는 양자의 혼합이 될 수 있다. 인터커넥트는 금속 시트로 만들어지고 제 1 산화제측과 상기 산화제측에 대향하는 제 2 연료측을 구비한다. 제 1 산화제측은 복수의 산화제 가스 흐름통로를 포함하고 연료측은 복수의 연료 가스 흐름 통로를 포함한다. 인터커넥트의 산화제측과 연료측은 각각 2개의 이웃하는 전지의 캐소드 및 애노드측에 대응한다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 인터커넥트의 제 1 측(면)은 산화제측을 형성하고 대향하는 측(면)은 연료측을 형성한다. 산화제와 연료 가스 흐름 통로는 양 단부에서 개방되고 내부 매니폴딩의 경우 인터커넥트에서 어퍼처(들)의 형태가 되고 외부 매니폴딩의 경우 인터커넥트의 에지의 일부분에서 형성될 수 있는 하나 이상의 흐름 주입구 및 흐름 배출구를 가진다. 하기에서, 셀의 유효면적을 최대화하고 인터커넥트의 제 2 연료측 상에 밀봉을 잘 형성시키는 것 사이의 절충으로서 제 1 산화제측 상의 외부 매니폴딩과 제 2 연료측 상의 내부 매니폴딩을 구비하는 실시예가 개시된다. 흐름 주입구에 인접하여, 인터커넥트는 주입구로부터 복수의 흐름 통로로 균등하게 분배할 목적을 가진 주입구 구역을 구비한다. 주입구가 어퍼처인 경우, 주입구 구역은 주입구의 주변으로부터 주입구의 전체 또는 일부 주위의 어퍼처로부터 멀어지는 방향으로 뻗어나간다. 주입구 구역의 폭을 형성하는 거리는 주입구 주위의 주입구 구역의 전체 또는 일부에 대해 변하지 않을 수 있거나, 또는 폭이 변할 수 있다. 외부 매니폴딩을 이용할 때, 주입구 구역은 주입구의 에지로부터 인터커넥트의 부분에 대해 뻗어있는 구역 및 인터커넥트 표면으로의 거리로서 정의된다. 양 경우 모두, 거리는 변할 수 있다. 인터커넥트의 양측에서의 흐름을 흐름 통로에서 배출구로 이끌기 위해, 인터커넥트는 인터커넥트의 각각의 측 상에 하나 이상의 흐름 배출구 구역(들)을 더 구비한다. 배출구 구역은 주입구 구역과 유사하게 설계되거나 또는 보다 단순한 설계가 선택될 수 있다. 인터커넥트는, 인터커넥트를 이웃한 전극에 실링할 때, 애노드 또는 캐소드에 개스킷 또는 실링을 접촉시키고 실링하기 위해 잘 형성된 표면을 보장하는 돌출 시일 표면을 더 포함한다. 바람직하게는, 시일 표면은 인터커넥트의 나머지 부분으로부터 변하지 않는 열 팽창과 같은 재료특성 뿐 아니라 인터커넥트 영역 전체에서의 균일한 두께(돌출 높이)를 가진다. 전기 효율과 전해질, 전극 및 인터커넥트 그 자체에서의 최소화된 내부 전기 저항을 보장하기 위해, 인터커넥트는 또한 전체 인터커넥터 면적에 대한 돌출한 전도성 접점의 어레이를 가진다. 가능한 작은 내부 거리를 가진 다수의 접점을 구비하고 동시에 가능한 작은 접점에 대한 인터커넥트의 영역으로서 사용하기 위한 밸런스가 추구되고, 유사하게 대부분의 영역이 흐름 통로에 사용된다, 즉, 액티브하게 될 수 있다. 또한 접점이 이웃하는 전극에 대한 양질의 전기 접촉을 가지는 것이 중요하며, 따라서, 접촉은 최소의 힘으로 이웃하는 전극에 대해 유지되어야한다.
본 발명에 따른 인터커넥트는 금속 시트로 만들어지기 때문에, 스탬핑, 프레싱, 밀링, 딥 드로잉 등과 같은 공지된 공정에 의해 금속 시트를 성형 가공함으로써 돌출부가 만들어질 수 있다. 적어도 3개 레벨의 인터커넥트가 그런다음 형성되는데: 중간-레벨은 변형이 되기전에 금속 시트에 의해 형성되고; 제 1 레벨은 금속 시트 인터커넥트의 변형되지 않은 제 1 측으로부터 인터커넥트의 제 1측 상의 돌출부의 탑으로의 레벨로서 정의되고; 및 제 2 레벨은 인터커넥트의 변형되지 않은 제 2 측면의 표면으로부터 인터커넥트의 제 2 측면 상의 돌출부의 탑으로의 레벨로서 정의된다. 제 1 측면 상의 흐름 통로는 인터커넥트의 제 1측 상의 돌출부들(돌출한 접점과 돌출한 시일 표면들) 사이에서 형성되고, 인터커넥트의 제 2측 상의 흐름 통로는 제 2측 상의 돌출부들(접점과 시일 표면들) 사이에 형성된다.
따라서, 적어도 3개 레벨을 가지는 개념은 제 2 측 상의 흐름 통로에 독립적인 제 1 측 상의 흐름 통로를 설계하도록 하고, 이는 어떤 경우에도 큰 이점을 가지고, 특히 비대칭적 흐름 통로에 대한 이러한 요구로서 하나의 측 상의 외부 매니폴딩과 다른 측 상의 내부 매니폴딩을 조합할 때, 큰 이점을 가진다. 통로에서 벗어나, 제 1 측 상의 돌출부는 인터커넥트의 제 2 측 상의 압흔(indentation)에 해당하고 그 역도 성립하며, 이는 또한 본 발명에서 작은 재순환 구역을 형성하도록 활용된다. 포지티브하게 정의한 흐름 통로는 돌출부이고, 이것들은 흐름에 의해 일주되기 때문에, 장벽 표면과 2개의 별개의 독립적인 돌출 레벨을 형성하는 중간 레벨이 인터커넥트의 각각의 측 상, 즉, 제 1 산화제측과 제 2 연료측 상의 실질적으로 독립적인 흐름 통로 설계를 허용한다. 이는, 제 1측 상의 돌출부와 그에 따른 제 1 정의된 레벨에서의 돌출부가 인터커넥트의 제 2측 상의 압흔과 또한 제 1 레벨에서 대응하는 기술된 3개 레벨의 인터커넥트 플레이트를 산출하기 위해 금속 시트를 소성변형시키는 공정에 후속한다. 유사하게, 인터커넥트의 제 2 측면 상, 그리고 그에 따른 제 2 정의된 레벨에서의 돌출부는 제 1측 상의 압흔이지만 제 2 레벨로 배치된 압흔에 대응한다. 이러한 적어도 3개 레벨의 인터커넥트 설계는 독립적인 제 1측 및 제 2측의 흐름 통로 설계를 허용할 뿐 아니라, 또한 금속 시트의 단일 피스로의 인터커넥트의 양측 상의 모든 흐름 주입구 구역, 흐름 배출구 구역, 모든 흐름 통로, 접촉 영역 및 시일 표면의 집적을 허용한다. 추가적인 링 또는 특수한 패턴의 시일이 전체 인터커넥트 형성에 필요하지 않다. 이는 실질적으로 불량한 조립 또는 누설 시일에 기인한 오차의 위험을 감소시킬 뿐 아니라 생산 가격 및 조립 가격과 시간을 절감시킨다.
집적 시일 표면과 접점을 가진 기술된 단일 금속 시트 설계의 추가적인 이점은 전체 인터커넥트의 균일한 재료 두께 및 비강성 지오메트리가, 단면의 재료 두께가 변하는 보다 강성이고 비가요성 인터커넥트에 비해, 이웃한 셀과 실링 영역에 대해 잠재적으로 손상이 가는 기계적 스트레스를 덜 전달할 것이라는 것이다.
본 발명의 추가적인 실시예에서, 특히 인터커넥트의 제 2 연료측 상의, 시일 표면은 산화제가 흐르고, 누설의 경우 누설 연료 가스가 혼합되는 적어도 하나의 퍼지 채널을 포함한다. 상기 적어도 하나의 퍼지 채널은, 적어도 인터커넥트의 제 2 연료측의 하나의 주변 에지를 따라 뻗어있는 양 단부에서 개방된 기다란 그루브의 형태이고, 여기서, 상기 적어도 하나의 퍼지 채널은 하나의 개방 단부에서의 산화제 주입구 매니폴드로부터의 산화제 가스의 통과를 위한 주입구측과 다른 개방 단부에서의 배출 산화제 가스 매니폴드로의 가스 통과를 위한 배출구측을 가진다. 인터커넥트의 실링 표면이 예를 들면 S자 곡선 형태의 기다란 돌출부에 의해 이루어질 때, 퍼지 채널은 하기의 도면에서 예시된 바와 같이 S자 형태의 제 2 연료측 상의 기다란 그루브 중 하나로서 형성될 수 있다.
인터커넥트의 총 두께는 금속 시트 재료 두께에 제 1 레벨에서의 제 1측 상의 돌출부의 높이를 더하고, 여기에 인터커넥트의 제 2 레벨에서의 제 2측 상의 돌출부의 높이를 더하는 것으로 정의된다. 시트 재료는 얇기때문에, 불연속적인 점 또는 직사각형 리지의 형상 중 어느 하나인, 돌출부는 플렉서블하다. 이는 허용오차내에서 작은 불일치가 완화될 수 있고, 어느 정도 온도 팽창이 보상될 수 있다는 이점을 가진다. 금속 시트 재료 두께는 문맥에 따라 넓은 범위내에 있을 수 있고, 바람직하게는, 50-1000㎛, 바람직하게는 50-400㎛, 보다 바람직하게는 100-250㎛의 범위에 있다. 금속은 임의의 종류의, 크롬 스틸, 페라이트 스테인리스 강, 오스테나이트 스테인리스 강, 니켈계 합금, 니켈, 금속의 범위 및 산화물 분산 강화 합금과 같은 임의의 적절한 합금이 될 수 있다.
예를 들면, 인터커넥트가 가능한 큰 영역의 인터커넥트에 대해 균등한 흐름의 분배를 제공하는 것이 연료 전지의 유효성과 수명에 대해 중요하다. 따라서, 본 발명의 실시예에서, 상기 인터커넥트의 제 1측과 제 2측 상의 흐름 통로는 제 1측과 제 2측 상의 각각의 흐름 통로 사이에 각각 균등한 흐름의 분배를 제공하도록 설계된다. 이상적으로 압력 손실, 흐름 및 흐름 통로 설계와 같은 모든 조건은 균등한 흐름 분배를 달성하기 위해 인터커넥트 영역 전체에서 동일해야한다. 이것이 가능하지 않다면, 균등한 흐름 분배는 균등한 압력 손실, 균등한 단면적, 균등한 길이 또는 이 모두의 혼합을 가진 흐름 통로를 설계함으로써 시도될 수 있다. 환경에 따라, 제 2측 상의 흐름에 대한 제 1측 상의 흐름은 같이 흐르거나 또는 역류할 수 있고; 또한 어느 한 측 상의 흐름이 주입구측에서 배출구측으로 실질적으로는 선형이 되거나, 또는 상기 흐름은, 흐름 스트림의 다수의 부분이 상호교차하거나 또는 주입구-배출구 방향에 대해 역방향으로 흘러가는 실질적으로 뱀모양의 곡선이 될 수 있다.
적어도 3개의 층을 가지는 본 발명은 제 1측 상에서의 흐름의 타입을 허용하고, 이는 실질적으로 제 2측 상의 흐름 타입과는 독립적이다: 예시로서, 제 1측 상에서, 돌출부는 인터커넥트의 주입구측의 에지를 따라서 있는 주입구 구역으로부터 인터커넥트의 배출구측의 에지를 따라서 있는 배출구 구역으로의 실질적으로 선형의 흐름으로 제 1 산화제 흐름에 포지티브하게 힘을 가하고(실질적으로의 의미는 여기서 흐름의 주된 부분이 선형의 주입구-배출구 방향으로 흐르는 반면, 상대적으로 더 작은 흐름의 부분은 흐름 스트림이 접점과 교차하는 압흔을 통과할 때 발생하는 편차의 결과로서 교차 방향으로 지향되도록 하기 위한 것으로 이해됨); 그리고, 동일한 인터커넥트가 제 2측 상에서 실질적으로 모든 연료 흐름이 주된 주입구-배출구 흐름 방향이 아닌 방향으로의 다수의 턴을 만드는, 실질적으로 뱀모양 곡선의 흐름으로 연료 흐름을 강제하는, 돌출부를 가질 수 있다.
불연속한 흐름 통로로의 흐름을 강제할 때, 가능한 오차는, 흐름 통로가 일정한 이유, 즉, 재료 결함, 불순물, 조립 불량 등에 의해 차단될 때 발생가능하다. 차단이 인터커넥트의 작은 영역에서만 있을지라도, 그것은 결과로서의 적어도 더 작은 효율로 발생가능한 재료 결함과 전지-스택 결함을 가진 전체 흐름 통로가 비활성이 되도록 할 수 있다. 차단의 효과를 상쇄하기 위해, 본 발명의 하나의 실시예에서, 흐름 통로는 돌출한 접촉 영역에서의 틈을 구비하는 우회로(by-pass) 흐름 통로에 의해 교차된다. 이는 흐름 통로의 작은 부분만이 차단되고 차단의 경우 비활성화되는 것을 보장하고, 흐름이 거의 틈을 통해 흐르고, 이웃하는 흐름 통로에 의해 차단을 우회하고, 차단 이후에 흐름 통로를 교차하는 틈을 통해 원래의 흐름 통로로 리턴하도록 허용된다.
본 발명에 따른 인터커넥트의 적어도 3개 층 설계의 추가적인 이점은 인터커넥트의 각각의 측에 대한 조건에 따라 독립적으로 돌출부가 설계될 수 있다는 것이다. 인터커넥트의 제 1측 상에서는 선형 흐름이 바람직하고 실질적으로 뱀모양의 곡선 흐름이 인터커넥트의 제 2측 상에서 바람직할 수 있는 본 예시에서, 이롭게는 제 1측 상의 돌출한 접점이 불연속적인 점들을 구비하는 반면, 제 2측 상에서는 돌출한 접점이 직사각형 리지를 구비하거나, 또는 그 역이 될 수 있다. 본 발명의 추가적인 실시예는 상술한 설명에 따라 인터커넥트를 제조하는 공정을 포함한다. 상술한 재료 또는 소성변형에 적합한 기타 금속으로 된 금속 시트가 제공된다. 그런다음, 상술한 설명에 따른 흐름 통로, 흐름 주입구, 흐름 주입구 구역, 흐름 배출구, 흐름 배출구 구역, 시일 표면, 접촉 영역이 가압 처리전에 금속 시트에 의해 형성된 금속 시트의 중간 레벨에 인접한 금속 시트의 제 1 및 제 2 층에서 가압된다. 가압 처리는 금속 시트를 소성변형하여 2개 층으로 가압된 돌출부가 가압처리가 완료된 후에 유지되도록 한다. 금속 시트는 미리 절단된 어퍼처를 가지거나 또는 상기 어퍼처는 가압 프로세스가 수행되는 것과 동시에 절단 또는 스탬핑가공된다. 유사하게, 최종 외부 주변 크기를 가진 금속 시트가 제공되거나, 유사한 어퍼처 또는 최종 크기가 가압 프로세스가 수행되는 것과 동시에 절단 또는 스탬핑가공된다.
대안으로, 가압 프로세스는 하나 이상의 단계로 수행되고, 외부 금속 시트 에지 또는 어퍼처의 커팅 또는 스탬핑가공은 가압 프로세스가 발생하기 전후의 단계에서 수행될 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 금속 시트의 일부를 폴딩하는 추가적인 프로세스가 후속할 수 있다. 폴딩은 에지(들)를 따라서 직사각형 시일 표면을 형성하기 위해 금속 시트의 하나 또는 복수의 에지 상에서 수행될 수 있다. 이는 시일 표면이 인터커넥트의 동일한 섹션의 양측면 상에 상대적으로 큰 폭을 가지도록 한다.
금속 시트는 제조 전에 동작 환경으로부터 인터커넥트를 보호하기 위해 보호층으로 코팅되거나, 또는 인터커넥트가 제조 공정 후에 코팅될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 단일한 제조 단계, 또는 단지 소수의 연속적인 제조 단계들에서 시일 표면, 흐름 통로, 주입구, 주입구 구역, 배출구, 배출구 구역, 접점, 우회로 틈 및 우회로 압흔을 집적한 금속 시트 인터커넥트를 제조할 수 있다.
따라서, 종래 기술의 인터커넥트의 상태에 비해, 본 발명의 주된 이점은 하기와 같다:
- 인터커넥트의 생산 가격이 감소된다.
- 인터커넥트의 재료 가격이 감소되어, 재료 소비가 최소화되고 임의의 절단 재료가 재활용될 수 있다.
- 인터커넥트의 생산 시간이 감소된다.
- 연료 전지 스택 조립 시간이 감소된다.
- 불량 조립에 기인한 연료 전지의 불량 기능이 감소된다.
- 인터커넥트 및 그에 따른 연료 전지의 총 면적 대 활성화 면적이 증가된다.
- 흐름 분배가 개선된다.
- 전기 효율이 증가된다.
- 컴포넌트의 수가 감소된다.
- 연료전지 스택의 불균일하고 플렉서블하지 않은 열 팽창에 의한 누설과 고장이 감소된다.
- 연료 활용이 증가된다.
- 인터커넥트와 전지 스택의 수명이 증가된다.
- 저압 강하에 기인한 기생 손실 감소된다.
- 안전성 증가. 연소되지 않은 연료의 누설과 폭발의 위험성이 상쇄되고 그에 따라, 연료 전지 스택 외부의 고비용의 부피가 큰 희석 컨테이너는 더이상 필요가 없다.
- 인터커넥트 에지를 따라서 있는 고비용의 가스차단 연료 실에 대한 의존성 감소.
- 개별 팬 또는 공기 정화를 위한 블로워는 필요가 없다. 공기 정화는 공기 매니폴드에 대해 조정된 프로세스 공기 블로워에 의해 제공된다.
- 시작 시간이 전지 또는 시일에 대해 손상을 주지 않으면서 더 높은 열 그래디언트를 허용하는 저 질량 및 플렉서블한 지오메트리에 기인하여 감소된다.
1. 복수의 흐름을 제공하는 매니폴드를 구비하는 연료 전지용 인터커넥트로서, 상기 인터커넥트는 제 1측 및 제 2측을 구비하고, 상기 각각의 측이 흐름 통로, 하나 이상의 흐름 주입구 및 상기 흐름 통로 사이의 흐름을 분배하는 주입구 구역, 하나 이상의 흐름 배출구 및 배출구 구역, 돌출 시일 표면, 돌출 접촉 영역 및 돌출 시일 표면 지지체를 가지며, 상기 흐름 통로는 상기 돌출 시일 표면과 상기 돌출 접촉 영역 사이에 형성되고,
상기 인터커넥트는 금속 시트로 만들어지고, 적어도 돌출부가 없는 금속 시트 부분에 의해 형성된 중간 레벨, 제 1측 상의 돌출부에 의해 형성된 제 1 레벨, 및 제 2측 상의 돌출부에 의해 형성된 제 2 레벨을 구비하여 제 1측 상의 돌출부가 제 1 레벨로 뻗어있는 상기 제 2측 상의 압흔에 대응하고 제 2측 상의 돌출부는 상기 제 2 레벨로 뻗어있는 상기 제 1측 상의 압흔에 대응하도록 하며; 상기 흐름 주입구 구역, 상기 흐름 배출구 구역, 상기 흐름 통로, 상기 돌출 접촉 영역, 상기 돌출 시일 표면 지지체 및 상기 돌출 시일 표면이 상기 금속 시트의 양측에 일체로 통합되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
2. 상기 제 1 특징에 있어서, 상기 돌출 시일 표면의 위치는 상기 압흔에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
3. 상기 제 1 또는 제 2 특징에 있어서, 상기 제 1측 또는 제 2 측 상의 하나 이상의 상기 돌출 시일 표면은 적어도 하나의 퍼지 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
4. 상기 제 1 내지 제 3 특징 중 어느 하나에 있어서, 상기 돌출 시일 표면과 상기 전기 전도성 접촉 영역은 플렉서블한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
5. 상기 제 1 내지 제 4 특징 중 어느 하나에 있어서, 상기 금속 시트는 50 내지 400㎛, 바람직하게는 100 내지 250㎛ 사이의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
6. 상기 제 1 내지 제 5 특징 중 어느 하나에 있어서, 상기 금속 시트는 크롬 스틸 또는 니켈 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
7. 상기 제 1 내지 제 6 특징 중 어느 하나에 있어서, 상기 인터커넥트의 상기 제 1측 및 상기 제 2측 상의 흐름 통로는 상기 제 1측 및 상기 제 2측 상의 흐름 통로 각각의 사이에서의 균등한 흐름 분배를 각각 제공하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
8. 상기 제 1 내지 제 7 특징 중 어느 하나에 있어서, 상기 인터커넥트의 상기 제 1측 및 상기 제 2측 상의 하나 이상의 흐름 주입구는 내부에 있고, 상기 인터커넥트의 상기 제 2측 또는 상기 제 1측 상의 각각의 하나 이상의 흐름 주입구는 외부에 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
9. 상기 제 1 내지 제 8 특징 중 어느 하나에 있어서, 상기 인터커넥트의 상기 제 1측 또는 상기 제 2측 상의 흐름 통로는 뱀모양의 곡선 흐름을 제공하도록 배치되고 상기 인터커넥트의 상기 제 2측 또는 상기 제 1측 상의 각각의 흐름 통로는 뱀모양 곡선 흐름의 주된 방향에 대해 함께 흐르거나 또는 역류하는 흐름을 제공하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
10. 상기 제 1 내지 제 9 특징 중 어느 하나에 있어서, 상기 흐름 통로는 상기 돌출 접촉 영역에서의 틈을 구비하는 우회로 흐름 통로에 의해 교차되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
11. 상기 제 1 내지 제 10 특징 중 어느 하나에 있어서, 상기 흐름 통로는 상기 압흔에 의해 교차되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
12. 상기 제 1 내지 제 11 특징 중 어느 하나에 있어서, 상기 인터커넥트의 상기 제 1측 또는 제 2측 상의 돌출 접촉 영역은 불연속적인 점을 구비하고 상기 제 2측 또는 제 1측 상의 각각의 돌출 접촉 영역은 직사각형 리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
13. 전해질, 애노드, 캐소드 및 상기 제 1 내지 제 12 특징 중 어느 하나에 따른 인터커넥트를 구비하는 연료 전지 반복 유닛.
14. 제 13 특징에 있어서, 상기 연료 전지는 고온 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 반복 유닛.
15. 제 13 특징에 있어서, 상기 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지 또는 용융 탄산염(molten carbonate) 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 반복 유닛.
16. 제 13 특징에 있어서, 상기 연료 전지는 PEM 양자 교환 막 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 반복 유닛.
17. 제 13 특징에 있어서, 상기 연료 전지는 DMFC 직접 메탄올 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 반복 유닛.
18. 제 12 내지 17 특징에 따른 적어도 2개의 연료 전지 반복 유닛을 구비하는 연료 전지 스택.
19. 제 1 내지 제 11 특징 중 어느 하나에 따른 인터커넥트를 제조하는 방법으로서,
금속 시트를 프레스에 제공하는 단계; 및
금속 시트에서 돌출부를 가압하여, 흐름 통로, 하나 이상의 흐름 주입구 및 상기 흐름 통로들 사이에 흐름을 분배하는 주입구 구역, 하나 이상의 흐름 배출구 및 배출구 구역, 시일 표면 및 접촉 영역을 형성하는 단계;를 포함하는 인터커넥트를 제조하는 방법.
20. 제 19 특징에 있어서,
시일 표면을 형성하기 위해 인터커넥트의 일부분을 폴딩하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인터커넥트를 제조하는 방법.
본 발명에 따르면, 따라서, 종래 기술의 인터커넥트의 상태에 비해, 본 발명은 하기와 같은 이점을 제공한다:
- 인터커넥트의 생산 가격이 감소된다.
- 인터커넥트의 재료 가격이 감소되어, 재료 소비가 최소화되고 임의의 절단 재료가 재활용될 수 있다.
- 인터커넥트의 생산 시간이 감소된다.
- 연료 전지 스택 조립 시간이 감소된다.
- 불량 조립에 기인한 연료 전지의 불량 기능이 감소된다.
- 인터커넥트 및 그에 따른 연료 전지의 총 면적 대 활성화 면적이 증가된다.
- 흐름 분배가 개선된다.
- 전기 효율이 증가된다.
- 컴포넌트의 수가 감소된다.
- 연료전지 스택의 불균일하고 플렉서블하지 않은 열 팽창에 의한 누설과 고장이 감소된다.
- 연료 활용이 증가된다.
- 인터커넥트와 전지 스택의 수명이 증가된다.
- 저압 강하에 기인한 기생 손실 감소된다.
- 안전성 증가. 연소되지 않은 연료의 누설과 폭발의 위험성이 상쇄되고 그에 따라, 연료 전지 스택 외부의 고비용의 부피가 큰 희석 컨테이너는 더이상 필요가 없다.
- 인터커넥트 에지를 따라서 있는 고비용의 가스차단 연료 실에 대한 의존성 감소.
- 개별 팬 또는 공기 정화를 위한 블로워는 필요가 없다. 공기 정화는 공기 매니폴드에 대해 조정된 프로세스 공기 블로워에 의해 제공된다.
- 시작 시간이 전지 또는 시일에 대해 손상을 주지 않으면서 더 높은 열 그래디언트를 허용하는 저 질량 및 플렉서블한 지오메트리에 기인하여 감소된다.
본 발명은 본 발명의 실시예의 예시를 도시하는 첨부 도면을 통해 더 설명된다.
도 1o는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 인터커넥트의 제1측을 도시하는 도면.
도 1a는 도 1o에서 도시된 인터커넥트의 선 A-A를 따라 절단된 도면으로서 인터커넥트의 제 1측이 아래로 향한 도면.
도 1b는 도 1a의 퍼지 채널과 인터커넥트의 하나의 에지를 따른 시일 표면의 상세도.
도 1c는 제2측에서 배출구와 대향하는 인터커넥트 상의 제1측에서 시일 표면의 상세도.
도 1d는 도 1o에서 도시된 인터커넥트의 선 D-D를 따라 절단된 도면으로서 인터커넥트의 제 1측이 아래로 향한 도면.
도 1e는 제 2측에서 주입구와 대향하는 인터커넥트의 제 1측에서 시일 표면의 상세도.
도 2o는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 인터커넥트의 제 2측을 도시하는 도면.
도 2g는 도 2o에서 도시된 인터커넥트의 선 G-G를 따라 절단된 도면으로서 인터커넥트의 제 1측이 좌측으로 향한 도면.
도 2k는 도 2o에 도시된 인터커넥트의 하부 우측 코너부분의 확대도면.
도 2h는 도 2g에 도시된 절단된 부분의 확대도면.
도 2i는 인터커넥트의 제 1측의 사시도.
도 2f는 제 2측에서 2개의 퍼지 채널을 포함하는 도 2i에 도시된 인터커넥트의 하부 좌측 코너부분의 상세 사시도.
도 2j는 제 2측에서 배출구와 대향하는 인터커넥트의 제 1측 상의 시일 표면의 상세 사시도.
도 3o는 인터커넥트의 2개의 접혀진 에지가 양쪽에서 넓은 시일 표면을 형성하는 하나의 실시예에서 인터커넥트의 제 2측의 사시도.
도 3a는 도 3o에 도시된 접혀진 시일 표면 에지의 상세 사시도.
도 1o는 인터커넥트(300)의 제1측(100)을 4개의 인터커넥트 주변 에지를 형성하는 사각형 플레이트의 형태로 도시하고 있다. 인터커넥트는 여기에 도시된 인터커넥트의 한면에서, 본 예에서는 인터커넥트의 산화제측인 제 1측(100) 그리고 도 2에 도시된 반대면에서, 본 예에서는 인터커넥트의 연료측인 제 2측(200)을 가지고 있다. 주입구 산화제 매니폴드(도시생략)로부터의 공기와 같은 산화제 가스는 제 1측 산화제 흐름 주입구(101)에 도입되는데, 이것은 인터커넥트의 하나의 주변 에지의 상대적으로 큰 부분을 따라 뻗어있다. 이러한 타입의 주입구는 외부 매니폴드에 대한 특성인데, 이것은 본 발명에 따른 인터커넥트를 포함하는 다수의 연료전지로 구성된 조립된 연료전지 스택의 외부 표면에 밀봉된 외부 매니폴드(도시생략)를 통해서 흐름을 주입구로 유도한다.
제 1측 흐름 주입구를 통해서 산화제는 제1측 흐름 주입구 구역(103)을 들어가는데, 이것은 제 1측 돌출 시일 표면(106), 제 1측 흐름 주입구 및 인터커넥트 구역 내로의 비교적 작은 거리, 본 예에서는 약 2-8밀리미터에 의해 범위가 정해진다. 제 1측 흐름 주입구 구역은 다수의 제 1측 돌출 시일 표면 지지체(112)를 포함하고 있는데, 이것은 인터커넥트와 인접 전극(캐소드)(도시생략) 사이에서 전기적 전도 및 기계적 접촉을 보장하고 인터커넥트의 반대측에서 시일 표면(206)을 지지하는 작용을 하고 더욱이 산화제 흐름이 주입구로부터 제1측 흐름 통로들(105) 사이에서 균등하게 분배되도록 한다. 제 1측 흐름 통로는 양단부에서 개방되어 있고 그리고 흐름 통로의 한끝에서 제 1측 주입구 구역으로부터 흐름 통로의 다른 단부에서 제 1측 배출구 구역(104)까지 인터커넥트의 제 1측의 영역의 주요부를 통과한다. 제 1측 흐름 통로는 돌출 시일 표면(106)에 의해 인터커넥트의 2개의 에지를 따라 경계가 지워져 있다. 라인 패턴으로 배열된 제1측 돌출 접촉 영역(107)은 제 1측 흐름 통로를 형성하는데, 이것은 불연속적인 점의 형태로 여기서 돌출한 접촉 영역의 라인들 사이로 지나간다. 산화제 흐름은 제 1측 흐름 주입구 구역으로부터 제 1측 흐름 배출구 구역으로 거의 선형 흐름으로 제 1 측 흐름 통로를 흐르지만, 산화제의 일부는 제 1측 흐름 통로를 교차하는 제 1측 압흔(108)과 또한 돌출 점들에 의해 도입되는 우회로에 의해 유도된 분기된 방향으로(엇갈리게) 돌출 점들 사이로 흐른다. 제 1측 압흔은 인터커넥트의 대향하는 측 상의 돌출부에 대응하지만, 이러한 방식으로, 또한 인터커넥트의 제 1측에 대한 목적을 만족시킨다.
제 1측 흐름 통로는 인터커넥트 플레이트의 제 1측에 의해 더 형성되고, 2개의 제 1측의 돌출 시일 표면은 제 2측 연료 흐름 주입구(201)와 배출구(202)를 둘러싸고 인접한 전극 표면(도시되지 않음)은 상기 제 1측 돌출 접촉 영역과 시일 표면(개스킷을 포함하는-도시되지 않음)의 탑 부분에 접촉한다는 것이 이해될 것이다. 제 1측 배출구 구역은 제 1측 주입구 구역과 유사하도록 설계된다.
도 1a에서, 인터커넥트의 단면이 또한 도시된다. 인터커넥트의 총 두께는 제 1측 상의 최대 돌출 높이에서 제 2측 상의 최대 돌출 높이까지의 거리로서 정의된다. 본 도면에서, 어느 한 측의 돌출 시일 표면의 최대 높이는 돌출 접촉 영역의 최대 높이와 동일하지만, 조건 및 원하는 특성에 따라, 임의의 돌출 높이가 다른 것에 대해 독립적으로 설계될 수 있다는 것, 즉, 돌출 시일 표면이 돌출 접점보다 더 높거나 그 역이 될 수 있고, 제 1측 상의 최대 돌출 높이는 제 2측 상의 최대 돌출 높이 보다 더 크거나 작을 수 있으며, 이는 어느 한 측에 대한 흐름 및 압력 손실에 영향을 줄 수 있다는 것이 이해될 것이다. 상술한 높이는 하기의 확대부분에 대해 보다 명확하게 이해될 수 있다.
도 1b는 인터커넥트의 에지를 따라서 있는 돌출 시일 표면을 포함하는 단면의 확대도이다. 본 발명에 따라, 도 1b에 명확게 되어있는 3개의 인터커넥트 레벨이 형성된다. 본 발명에 따르면, 돌출부와 대응하는 압흔은 예를 들면 금속 시트의 플레이트를 가압하는 것과 같이, 소성변형함으로써 형성된다. 따라서, 인터커넥트의 중간 레벨(333)은 변형되지 않은 금속 시트에 의해 형성되고, 도 1b의 단면도 상에서, 하나의 면에서 변형되지 않은 금속 시트의 다른 면으로 뻗어있는 것으로 도시되고, 그 결과 변형되지 않은 금속 시트의 재료 두께와 동일한 크기를 가지게될 수 있다. 추가적으로, 인터커넥트의 제 1 레벨(111)은 변형되지 않은 금속 시트의 제 1측의 표면으로부터 제 1측 돌출부의 최대 높이까지 달하는 인터커넥트의 제 1측 이상의 레벨로서 정의된다. 도 1b에서, 제 1측 돌출부의 최대 높이는 제 1측 돌출 시일 표면(아래로 면한)의 탑 부분에 의해 표시되고, 제 2측 돌출부의 최대 높이는 제 2측 돌출 시일 표면(206)(위로 면한)의 탑 부분에 의해 표시된다. 도 1b 상의 시일 표면에 인접한 인터커넥트 시트의 주된 부분은 제 1 레벨로 위치된 불연속적인 점의 제 1측 돌출부를 제외하고는 중간 레벨로 배치된다.
도 1c는 연료에 대해 산화제가 실질적으로 역류방향의 흐름인 경우에, 제 2측 흐름 배출구(202)와 제 2측 흐름 배출구 구역(204)의 단면도의 확대도를 도시한다. 같은 방향의 흐름의 경우에, 도 1c는 제 2측 흐름 주입구(201)와 제 2측 흐름 주입구 구역(203)의 일부를 도시한다. 도 1b에서와 같이 도 1c에서, 돌출부의 최대 높이는 제 2측 흐름 배출구 주위의 제 1측 시일 표면에 의해 표시된다. 상기 시일 표면은 제 1 레벨에서 중간 레벨을 지나 제 2 레벨로 도달하여 인터커넥트의 제 2측 상의 접촉 영역(207)을 형성하고 제 2측 배출구 구역에서 흐름 분배 점들을 형성하도록 하는 불연속적인 점들의 압흔의 패턴을 구비한다.
도 1d는 제 2측 흐름 주입구를 교차하는 단면에서의 인터커넥트의 단면도를 도시한다. 따라서, 제 2측 흐름 주입구 주위의 도 1d의 일부의 확대도인 도 1e 상에서, 제 2측 주입구의 에지로서 기능하는 인터커넥트 시트의 종단 에지가 제 1 레벨로 배치된 제 1측 돌출 시일 표면으로서 도시될 수 있다. 본 발명의 본 실시예에서, 전체가 인터커넥트 영역 내에 있는 제 2측 주입구/배출구 및 주입구 구역/배출구 구역을 가지므로, 제 2측은 내부 매니폴딩을 가지는 것으로 정의된다. 따라서, 본 발명의 본 실시예에 따라, 인터커넥트는 제 1측 상의 외부 매니폴딩과 제 2측 상의 내부 매니폴딩을 구비한다.
도 2o는 인터커넥트의 제 2측(200), 본 예시에서는 연료측을 도시한다. 상술한 바와 같이, 연료 흐름은 제 2측 흐름 주입구(201)를 통해 들어와서 제 2측 흐름 주입구 구역(203)에 의해 제 2측 흐름 통로(205)로 균등하게 분배되고, 본 실시예에서, 제 2측 주입구의 에지로부터 약 2-8mm의 거리이고 인터커넥트의 제 2측의 표면으로 뻗어있는 영역에 배치된다.
도 2o에서, 주입구 구역은 복수의 흐름 통로로 향한 2개의 측의 방향을 향해 일부 제 2측 돌출 시일 표면의 지지체(212)를 제외하고는 개방되어있는 반면, 상부 및 하부 방향은 제 2측 돌출 시일 표면(206)에 의해 차단된다. 인터커넥트의 양측에 대해 지지하는 시일 표면 지지체(112 및 212)는 그것들이 돌출한(흐름 분배 구역) 측 상에 균등한 흐름 분배를 제공하고, 다른 측 상의 대향하는 시일 표면으로의 지지체를 제공하도록 기능한다. 인터커넥트의 제 2측 상에, 인터커넥트의 제 2측에 면하는 인접한 전극(애노드-도시되지 않음)의 활성화 영역에 균등하게 연료 흐름을 분배하는 흐름 통로는 제 2측 돌출 시일 표면 뿐 아니라 제 2측 직사각형 돌출 접촉 영역에 의해 형성된다. 흐름 통로에 대한 측벽은 직사각형 접촉 영역에 의해 형성되고, 이는 제 2 측의 우회로 흐름 통로(210)를 위한 것이 아닌 개별 통로로 인터커넥트의 제 2측의 영역을 분할한다. 흐름 통로의 제 1 부분은 흐름을 주된 제 2측 주입구-배출구 흐름 방향에 거의 직교하는 방향으로 유도한 후에, 우회로 흐름 통로는 각각의 흐름 통로에서의 각각의 서브 흐름이 이웃하는 서브 흐름과 접촉하는 것을 허용한다. 이는 서브 흐름이 흐름 통로의 잠재적인 차단을 우회하고 차단후 흐름 통로로 리턴하여, 이러한 차단의 효과를 최소화하도록 한다. 우회로 흐름 통로를 무시할 때, 모든 유체 흐름 통로는 거의 동일한 길이이고 거의 동일한 단면적을 가지는 것으로 도 2o상에서 볼 수 있다. 이는 흐름 통로 사이, 그리고 그에 따른 인터커넥트의 총 액티브 영역과 인접한 전극에 대한 균등한 흐름 분배를 보장하기 위한 하나의 방법이다. 설계는 도시되지 않은 다른 방식으로 균등한 흐름 분배를 개선할 수 있고, 예를 들면, 더 짧은 흐름 통로가 보다 협소하게 되어 흐름 통로의 단위 길이당 압력 손실을 증가시킬 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 불연속적이고 특히 직사각형으로 형성된 돌출부들은 또한 시트 인터커넥트의 안정된 프로파일을 제공한다. 인터커넥트의 제 2측의 4개의 에지 모두는 제 2측 돌출 시일 표면(및 개스킷-도시되지 않음)에 의해 기밀되어 내부 매니폴딩 제 2측 주입구 및 배출구만 개방되도록 하는 것을 도면에서 볼 수 있다. 외부 매니폴드에 면하지 않는 인터커넥트의 2개의 에지에서의 불연소 연료의 누설을 방지하기 위해, 제 2측 퍼지 채널(209)이 실링을 통한 연료 누설이 정화되어 연료 스택 주위의 칸막이로 가지 않도록 보장한다. 도 2g는 단부 G-G를 통한 단면도에서의 인터커넥트의 측면도를 도시한다. 도 2h에 도시된 대응하는 확대도는 이미 설명한 바와 같이, 중간 레벨, 제 1 레벨 및 제 2 레벨을 명확히 도시하고, 제 1측 상의 돌출부는 제 1 레벨로 뻗어있고 제 2측 상의 돌출부는 제 2 레벨로 뻗어있다. 제 1측(107) 상의 돌출부는 제 2측(208) 상의 압흔에 대응하지만, 여기서 상기 압흔은 제 1 레벨(111)로 뻗어있고, 유사하게 제 2측(207) 상의 돌출부는 제 1측(108) 상의 압흔에 대응하지만, 상기 압흔은 제 2 레벨(222)로 뻗어있다는 것을 볼 수 있다.
본 발명에 따르면, 소성변형된 금속 시트로 만들어진 인터커넥트의 적어도 3개 레벨의 설계는 단일한 또는 매우 적은 수의 생산 단계로 매우 간단하고 저비용의 생산을 할 수 있게 한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 3o 및 3a에 도시된 바와 같이, 인터커넥트의 2개의 에지를 따라서 있는 돌출 시일 표면은 하기의 폴딩 프로세스 단계에 의해 이루어질 수 있고, 이는 상대적으로 넓은 시일 표면을 제공한다.
도 2i는 상술한 바와 같은 인터커넥트의 제 1측의 사시도이고, 흐름 통로, 돌출부 및 압흔을 명확하게 시각화하기 위해 에지 시일 표면의 확대도가 도 2f에 도시된다. 도 2j에 도시된 확대도는 인터커넥트의 제 2측으로의 흐름 배출구 기능을 하는 어퍼처를 밀봉하는 인터커넥트의 제 1측 상의 돌출 시일 표면의 클리어 뷰를 제공한다. 또한, 도 2j는 제 1측 돌출 접촉 영역들 사이로의 흐름을 유도하도록 기능하는 제 1측 압흔의 클리어 뷰를 제공한다.
300; 인터커넥트 333; 중간 레벨
100; 제 1측 101; 제 1측 흐름 주입구
102; 제 1측 흐름 배출구 103; 제 1측 흐름 주입구 구역
104; 제 1측 흐름 배출구 구역 105; 제 1측 흐름통로
106; 제 1측 돌출 시일 표면 107; 제 1측 돌출 접촉 영역
108; 제 1측 압흔 111; 제 1 레벨
112; 제 1측 돌출 시일 표면 지지체
200; 제 2측 201; 제 2측 흐름 주입구
202; 제 2측 흐름 배출구 203; 제 2측 흐름 주입구 구역
204; 제 2측 흐름 배출구 구역 205; 제 2측 흐름통로
206; 제 2측 돌출 시일 표면 207; 제 2측 돌출 접촉 영역
208; 제 2측 압흔 209; 제 2측 퍼지 채널
210; 제 2측 우회로 흐름통로 212; 제 2측 돌출 시일 표면 지지체
222; 제 2 레벨

Claims (19)

  1. 복수의 흐름 제공 매니폴드를 구비하는 연료 전지용 인터커넥트(300)로서, 상기 인터커넥트는 제 1측(100) 및 제 2측(200)을 구비하고, 상기 각각의 측이 흐름 통로(105, 205), 하나 이상의 흐름 주입구(101, 201) 및 상기 흐름 통로 사이의 흐름을 분배하는 주입구 구역(103, 203), 하나 이상의 흐름 배출구(102, 202) 및 배출구 구역(104, 204), 돌출 시일 표면(106, 206), 돌출 접촉 영역(107, 207) 및 돌출 시일 표면 지지체(112, 212)를 가지고, 상기 흐름 통로는 상기 돌출 시일 표면과 상기 돌출 접촉 영역 사이에 형성되고,
    상기 인터커넥트는 금속 시트로 만들어지고, 돌출부가 없는 금속 시트 부분에 의해 형성된 적어도 중간 레벨(333), 제 1측 상의 돌출부에 의해 형성된 제 1 레벨(111), 및 제 2측 상의 돌출부에 의해 형성된 제 2 레벨(222)을 구비하여, 제 1측 상의 돌출부가 제 1 레벨로 뻗어있는 상기 제 2측 상의 압흔(208)에 대응하고 제 2측 상의 돌출부는 상기 제 2 레벨로 뻗어있는 상기 제 1측 상의 압흔(108)에 대응하며; 상기 흐름 주입구 구역, 상기 흐름 배출구 구역, 상기 흐름 통로, 상기 돌출 접촉 영역, 상기 돌출 시일 표면 지지체 및 상기 돌출 시일 표면이 상기 금속 시트의 양측에 일체로 통합되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
  2. 상기 제 1 항에 있어서, 상기 돌출 시일 표면의 위치는 상기 압흔에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1측 또는 제 2측 상의 하나 이상의 상기 돌출 시일 표면은 적어도 하나의 퍼지 채널(209)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
  4. 제 1 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌출 시일 표면과 상기 전기 전도성 접촉 영역은 플렉서블한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 시트는 50 내지 1000㎛, 바람직하게는 100 내지 250㎛ 사이의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 시트는 크롬 스틸 또는 니켈 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
  7. 제 1항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인터커넥트의 상기 제 1측 및 상기 제 2측 상의 흐름 통로는 상기 제 1측 및 상기 제 2측 상의 흐름 통로 각각의 사이에서의 균등한 흐름 분배를 각각 제공하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인터커넥트의 상기 제 1측 또는 상기 제 2측 상의 하나 이상의 흐름 주입구는 내부에 있고, 상기 인터커넥트의 상기 제 2측 또는 상기 제 1측 상의 하나 이상의 흐름 주입구는 각각 외부에 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 통로는 상기 돌출 접촉 영역에서의 틈을 포함하는 우회로 흐름 통로(210)에 의해 교차되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
  10. 제 1항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 통로는 상기 압흔(108, 208)에 의해 교차되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인터커넥트의 상기 제 1측 또는 제 2측 상의 돌출 접촉 영역은 불연속적인 점들을 구비하고 상기 제 2측 또는 제 1측 상의 돌출 접촉 영역은 각각 직사각형 리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 인터커넥트.
  12. 전해질, 애노드, 캐소드 및 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 인터커넥트를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 반복 유닛.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 연료 전지는 고온 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 반복 유닛.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지 또는 용융 탄산염 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 반복 유닛.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 연료 전지는 PEM 양자 교환 막 연료 전지 것을 특징으로 하는 연료 전지 반복 유닛.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 연료 전지는 DMFC 직접 메탄올 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 반복 유닛.
  17. 제 12 내지 16 항에 따른 적어도 2개의 연료 전지 반복 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  18. 제 1항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 인터커넥트를 제조하는 방법으로서,
    금속 시트를 프레스에 제공하는 단계; 및
    금속 시트에서 돌출부를 가압하여, 흐름 통로, 하나 이상의 흐름 주입구 및 상기 흐름 통로들 사이에 흐름을 분배하는 주입구 구역, 하나 이상의 흐름 배출구 및 배출구 구역, 시일 표면 및 접촉 영역을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인터커넥트를 제조하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 시일 표면을 형성하기 위해 인터커넥트의 일부분을 폴딩하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인터커넥트를 제조하는 방법.
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