KR20120018139A

KR20120018139A - 대량 제조 연료전지 배치 및 생산 방법

Info

Publication number: KR20120018139A
Application number: KR1020117025958A
Authority: KR
Inventors: 마리아 심슨; 토렌스 더피; 찰스 심슨
Original assignee: 에프디아이 에너지, 인크.
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2012-02-29
Also published as: US20120052410A1; CN102449830A; MX2011011433A; JP2012525679A; CA2760129A1; WO2010126506A1; JP5627673B2; AU2009345159A1; RU2011148290A; IL215979A0; EP2425480A1; ZA201107892B; RU2516009C2; EP2425480A4

Abstract

전해질, 양 전극, 및 음 전극 부품과 함께 대량으로 생산 가능한 연료전지는, 스택으로 형성될 수 있는 단순한 어셈블리를 형성하기 위해 구조, 외부 전기 접속, 내부 연료 공급 통로, 연료 공급 통로, 산화제 공급 통로, 산화제 분배 통로, 리턴 통로, 및 배기 통로를 통합한다. 연료전지는 강체 혹은 가요성 전해질을 사용할 수 있다.

Description

대량 제조 연료전지 배치 및 생산 방법{HIGH-VOLUME-MANUFACTURE FUEL CELL ARRANGEMENT AND METHOD FOR PRODUCITON THEREOF}

본 발명은 연료전지(fuel cell)와 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최초로, 비교적 낮은 가격으로 대량으로 제조 가능한 연료전지 배치와, 강건하고 신뢰할 수 있는 연료전지 구조를 제공하는 대량 생산 공정에 관련된다.

실험적 연료전지는 1800년대 중반에 전기화학 저장 장치에서 연구가 확장되면서 최초로 생산되었다. 그러한 초기의 작업은 현재의 저장 배터리에 이르게 하였는데, 지난 백 여년 간 비교적 거의 진전되지 않았다. NASA가 1960년대에 미국의 우주 프로그램에서 컴팩트하고 효율적인 전기 발전 시스템을 필요로 했을 때 비용이 주요 인자는 아니었기 때문에, 연료전지가 에너지 저장 장치로 선택되었다.

일반적으로 말하자면, 연료전지와 저장 배터리는 모두 근본적으로 동일한 방법으로 전기를 생산한다. 즉 소스 전극(source electrode)(음극)에서 산화 물질(연료)이 양 이온들을 생성하고, 리턴 전극(return electrode)(양극)에서 감쇄 물질(산화제)이 음 이온을 생성한다. 이러한 양이온과 음이온은 전해질에서 결합되어 새로운 안정한 물질을 생성하고 전기적 경로를 완성한다.

배터리의 연료와 산화제 소스(source)는 고갈되었을 때, 작동 불능으로 만드는 전극 물질이다. 그러나, 연료전지에서 전극은 전기 경로를 제공하고 화학적 작용에 아무것도 기여하지 않는 영구적인 구조이다. 촉매는 연료와 산화제가 외부의 소스로부터 채워지면서 유지되는 산화 과정을 시작시킨다. 대부분의 현재의 연료전지는 연료로서 수소와 산화제로서 공기를 사용한다.

원자 수준의, 수소 허용 필터(프로톤 교환 멤브레인(Proton Exchange Membrane) 혹은 PEM)는 연료 전지의 구조를 크게 단순화시킨다. PEM 연료전지에서, 과농 수소액(hydrogen-rich fluid)은 PEM의 음의 전극(음극)으로 공급되며, 여기서 분리된 수소 원자의 전자는 PEM을 통과하기 전에 음의 전극으로 내어짐에 따라, 촉매가 수소 원자를 주위의 액체 물질로부터 분리되게끔 한다. 공기 중의 산소는 PEM의 양의 전극(양극) 측에서 촉매 작용을 통해 전자를 얻는다. 수소와 산소의 원자(이온)는 결합하여 사이클을 완료하고, 합성물은 배출된다.

많은 연료전지 시스템에서 PEM은 상업적으로 이용 가능한 얇은 소성 필름, 예를 들면, 듀퐁(Dupont) 및 고어 인더스트리(Gore Industries) 제품이고, 취급 특성에 있어서 플라스틱 식품 랩(plastic food wrap)과 유사하다. 이러한 "플라스틱 랩" 타입의 PEM과 관련하여 기계적 어려움이 많다. 연료와 냉각액 회로 모두를 포함하면서, 복잡하고 고가이면서 물리적 지지 구조가 필요하다.

전해질, PEM 및 격리판의 처리는 정밀 취급을 필요로 하여, 최종 조립을 극히 어렵게 한다. 밀봉 처리와 셀 스택(cell stack) 연결이 가장 힘든 작업인데, 이는 PEM과 격리판이 액체에 젖음(fluid-wetting)과 고온 모두에 민감하기 때문이다. 귀금속 촉매와 쉽게 손상되는 탄소 화합물 전극은, 모두 고가격 재질과 발생 손실에 의해, 가격에 중대하게 기여한다. 최종적인 어려움은 셀의 조립과 밀봉인데, 이는 결합 온도와 압력이 부품의 파괴를 피하기 위해 극히 낮게 유지되어야 하기 때문에 .

자동차용으로 연료전지의 사용은 또 다른 엄청난 도전을 제공한다. 예를 들면, 일상적인 정비만으로 패밀리 차량에 대한 최소 기대 수명은 5년 기간을 넘는 100,000마일이다. 차량은 광범위한 다양한 악조건 아래에서 시동과 운전이 되어야하고, 구동 패키지(drive package)는 승객실로부터 떨어져서 편리하게 적치를 허용하기에 충분히 컴팩트해야 하고 정비를 위해서 즉시 접근 가능해야 한다. 구동 패키지는 안전하게 작동해야하고 남용되거나 약간 손상된 때도 빠르게 시동되어야 한다. 더구나, 엄격한 배출가스 기준을 준수하여야 한다. 경제적인 관점에서, 연료전지는 현재의 구동 트레인(drive-train) 기술과 부품 교체와 경쟁해야 하는데, 연료전지는 기본적으로 완전 시스템 교체가 된다.

엄청난 양의 연구 개발이 차량 연료전지에 대해 이루어졌다. 그러나, 현재의 발명에 앞서, 그러한 R&D는 경제적인 실용 가능한 연료전지 제품을 생산하기에는 실패하였는데, 이는 이러한 R&D가 과불화 황산(perfluorossulfonic-acid)에 기초한 PEM과 같은 기초 과학적 원리와 기본 개발에 크게 집중되었기 때문이다. 한편으로는, PEM 셀에 대한 관측된 전류 밀도는 약 25mA/cm²에서부터 4000mA/cm²까지 변한다. 다른 한편으로는, 그러한 전류 밀도를 달성하는 것은 전도성 전극 재질로서 흑연을 사용하는 것을 일반적으로 포함한다.

탄소의 자연적인 덩어리(clumping) 및 과립상 구조는 연료와 산화제가 흐르는 넓은 기공성 표면적 격자를 제공한다. 이 넓은 표면적이 탄소 전극을 형성한 후 촉매 재질로 처리되려면, 많은 양의 귀금속이 사용된다. 만약 탄소가 전극으로서 형성되거나 부착되기 전에 촉매 및 결합제와 혼합되면, 전기 저항은 증가한다. 이미 탄소의 높은 내부저항 때문에, 인터페이스에서 생성된 어떤 외부저항도 열로서 에너지 손실을 상당히 증가시킨다.

더욱이, 사용 가능한 스택으로의 PEM 전해질과 탄소 전극 셀의 조립은 전기 접속, 액체 밀봉, 위치를 유지하는 구조의 측면으로부터 어려운 것으로 증명되었다. 또한, PEM은 온도가 90℃에 이르면 급속히 열화 된다. 실험실에서 허용 가능한 별도의 냉각 부품과 복잡한 수화작용(hydration) 시스템은 상용 분야에서는 확실히 허용가능성이 작다. 세라믹 전해질 개발은 높은 가격과 생산 어려움에 대한 인식으로 축소되어 왔다.

연료 전지의 핵심 필요조건은, 특히 가격이 주 인자인 차량 적용에 대해서는, 연료 전지가 기존의 연료전지에서는 지금까지 허용되지 않는 특성 및 일관적인 높은 품질을 지니면서 대량 생산이 가능해야 한다는 것이다.

본 발명에 따른 연료전지 제작, 공정, 조립방법이 개시되어 있는데, 본 발명의 목적은, 가격을 충분히 삭감하고 현재 사용되는 연료전지의 장점을 희생시키지 않고 생산성을 향상시키기 위해 많은 부품과 대부분의 기존의 연료전지 제작의 고 비용 공정 단계를 제거하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기계적 구조, 프레임 및 클로저(closure)가 부품의 통합된 부분인 연료전지, 가장 특별하게는, 가요성 전해질과 함께 사용되는 전극을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 액체 유입과 유출에 대한 셀 대 셀(cell-to-cell) 및 외부 연결 통로가 통합된 연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전극의 어느 쪽에도 전해질이 위치할 수 있는 연료전지를 제공하는 것인데, 이로써, 전해질(electrolytes), 음의 전극, 전해질(electrolyte), 양의 전극, 전해질, 음의 전극 등과 전극의 번갈아 하는 조립(alternate assembly)이 가능하여, 현재 스택 연료전지나 병렬 연료전지에서 필요로 하는 전극의 수가 약 1/2 플러스 1(one half plus one)로 감소된다.

본 발명의 또 다른 목적은 가요성 또는 유지하기 힘든 전해질에 대해 격리판의 수가 감소되거나 혹은, 강체 구조적 전해물(rigid structural electrolytes)에 대해 완전히 제거되는 연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 모든 통로들(passages), 인클로저들(enclosures), 경로들(vias)및 둘레들(surrounds)에서 밀봉이나 클로저가 동시 및 압축 성형된 재질, 접착제, 화학 결합, 공정(eutectic) 및 금속 결합과 같은 어떠한 알려진 방법에 의해 완성되는 연료전지를 공급하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 스퍼터링(sputtering), 선택적 도금, 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition), 인쇄 등 가장 저렴하고 신뢰성 있는 알려진 방법을 사용하여 촉매 재질이 직접 전해질이나 전극 구조에 적용될 수 있는 연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 내부 연결된 셀로부터 원하는 출력 전력을 형성하기 위해 전극 전기 접속이 외부에서 선택 가능하고 접속 가능한 연료전지를 공급하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 부품들 배치가 기계적 디자인에 의해 유리하게 이루어지는 연료전지를 공급하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 스탬핑(stampung), 소결(sintering), 주조(casting), 몰딩(molding) 및 다층 판 적층(multi-layer laminating)과, 회로 기판 기술과 유사한 에칭(etching) 등과 같은 몇 가지 공지된 방법들에 의해, 전극이 균일하게 잘 형성되는 연료전지를 공급하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 연료와 산화제의 이온화가 셀 단순화를 위해 전해질 면에서, 또는 화학적 과정과 사용된 반응의 추출력(expellation)을 향상시키기 위해 약간의 거리로 움직인 곳에서 이루어지는 연료전지를 공급하는 것이다.

구조, 외부 전기 접속, 내부 연료 및 산화제 통로 및 분배, 배기 통로 및 출구 및 단순한 스택 배열 어셈블리를 통합하는 연료전지를 대량으로 생산하기 위한 전술한 목적은 3개의 개별적인, 일체화된 연료전지 부품들, 즉 전해질, 양의 전극 및 음의 전극의 형태인 한 실시예에 따라 달성되고, 단순한 공정 라인 출구에서 스택킹(staking), 밀봉(seal)이나 결합(joinery)을 위해 완성되고 준비되어 있다. 각각의 부품은 모든 알려진 전기화학 및 전해질 과정으로 작동한다. 이들 부품은 내부 산화제와 연료 통로 및 분배, 내부 배기 통로 및 외부 전기 접속으로 완전하고, 배열가능하고, 재현 가능한 연료전지모듈을 형성하기 위해 스택될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 금속 및 적절한 플라스틱에 대한 스탬핑 및 부분적으로 단이진 세라믹(partially staged ceramics) 및 가열성 폴리머를 성형하기 위한 로터리와 같은 고속, 대량 공정에 의해 생산되면서, 전기 내부 접속, 구조적 통합, 연료 및 산화제 분배, 정비와 교체에 따른 현재의 어려움들을 극복하기 위함이다.

본 발명의 한 실시예에서, 전해질은 이동하는 이온만의 통로를 허용하기 위해 처리된 하나의 불활성 구조 재질로부터 생산되고, 전도성 재질과 적절한 촉매가 하나의 총괄적인 유닛을 제공하기 위해 각각의 측, 즉 전해질, 양 및 음극에 적용된다. 비전도성 연료 및 산화제 분배판이 셀을 완성하기 위해 추가된다.

주요 구조 부품이 불침투성이고, 외부 전기 접속 탭을 포함하고, 부착 및 밀봉 또는 클로저 부위를 제공하는 처리 부위의 주변 테가 되도록 전해질이 구성된다. 밀봉 부위가 내부 셀 액체 통로용으로 전략적인 내부 위치에 또한 제공된다. 전해질의 넓은 작용 부위는 이온 허용 가능하게 처리되고 전도성 전극 및 촉매 재질을 위한 부착 표면을 제공한다.

또한 다른 실시예에서, 전극은 하나의 전기적으로 전도성인 재질로부터 주 구조 부품이 불침투성이고, 외부 전기 접속 탭을 포함하고, 부착 및 밀봉 부위를 제공하는 프로세싱 부위(processing area)의 주변 테가 되도록 생산된다. 전해질의 넓은 작용 부위는 이온 허용 가능하게 처리되고 전도성 전극 및 촉매 재질을 위한 부착 표면을 제공한다.

양의 전극과 음의 전극의 차이점은 외부 전기 커넥터의 위치 및/또는 형상과, 만약 적용되었다면, 특별한 촉매이다. 비록 전극 구조에 촉매를 부착하는 것이 필요하지 않더라도, 그렇게 할 수 있는 이 능력은 촉매의 지지 부착물을 전해질에 지지할 수 없는 덜 강건한 기계적 전해질의 사용을 가능케 한다. 전극은 양측에 위치한 전해물을 갖도록 구성되어 연료전지 효율을 증가시키면서 체적을 감소시킨다.

또한 다른 실시예에서, 전극은 별도로 형성되어서 일체화된 구조를 형성하도록 서로 결합된 3개의 재질로부터 생산된다. 2개의 작동하는 부분은 동일하고, 서로 교환 가능하고, 뒤집을 수 있으며, 동일한 공정에 의해 성형된다. 각각의 작동하는 부분은 단일한 전기적으로 전도성인 재질로부터 생산되어 주 구조 부품이 불침투성이고, 외부 전기 접속 탭을 포함하고, 부착 및 밀봉(클로저) 부위를 제공하는 프로세싱 부위의 주변 테가 된다. 밀봉(클로저) 부위는 셀 간 액체 통로를 위해 전략적인 내부 위치에 또한 제공된다.

3번째 부분은 작용하는 부분을 결합하여, 동일 레벨 전극을 생산하는 하나의 전기적으로 전도성인 재질이나, 두개의 전기적으로 분리된 전극을 생산하는 두 개의 작용하는 부분을 분리하는 하나의 비전도성 재질로부터 생산된다. 분배판은 불침투성이고, 외부 전기 접속 탭을 포함할 수 있고, 부착 및 밀봉(클로저) 부위를 제공하는 프로세싱 부위의 주변 테를 형성하는 주 구조 부품을 구비한다. 밀봉(클로저) 부위는 셀 간 액체 통로를 위해 전략적인 내부 위치에 또한 제공된다.

또한 다른 실시예에서, 전해질은 특정한 지역에서 이동하는 이온의 통로를 허용하도록 처리된 하나의 불활성 비구조 재질로부터 생산된다. 전해질은 여기에서 제2 및 제3 실시예에서 서술된 대로 하나 혹은 두 개 모두의 전극에 직접 부착된다. 한 예에서 관련된 촉매는 각각의 전극 구조에 직접 적용되고 비 구조 전해질은 그것으로 인해 하나이고 전해질과 전극 어셈블리 사이에 위치한 비전도성 다른 혹은 선택적인 밀봉에 부착되고 나머지 전극은 셀을 완성한다.

마지막으로 언급된 실시예의 첫번째 변형은 비구조 전해질로 비전도성 밀봉의 부착이다. 전해질과 밀봉 어셈블리는 셀을 완성하기 위해 적절한 전극 사이에 위치한다. 두 번째 변형에서, 전도성 재질과 함께 촉매가 비구조 전해질의 각각의 측에 직접 적용된다. 전극은 전해질 위에서 적합한 전도성 재질을 적용한 폐쇄된 주변의 높여진 단(shelf)과 함께 제작된다. 이 단은 전해질에 적용된 전도성 촉매와 함께 전기적 인터페이스가 된다. 전해질은 관련된 전도성 촉매와 접촉하는 전극 단과 함께 전극 중의 하나에 부착될 수 있다. 비전도성 밀봉은 전극에 미리 부착된 전해질과 나머지 전극 사이에 위치되어, 부착되지 않은 쪽 전해질 전도성 촉매에 접촉하는 나머지 전극 단과 함께, 셀을 완성한다.

또 다른 변형은 적절히 촉매화된 비구조 강체 전해질을 갖는 비구조 전해질에 비전도성 밀봉의 부착이다. 전해질과 봉합 판 어셈블리는 적절한 전극 사이에, 전극 단이 셀을 완성하기 위해 전해질의 전도성 촉매에 접촉하는 전극 단과 함께 위치한다.

본 발명에 따른 연료전지 배열과 생산방법은 실제적으로, 최초로, 비교적 낮은 가격에서 연료전지를 대량으로 제조하는 것을 가능하게 하고, 강건하고 신뢰할 수 있는 연료전지 제조를 양산 공정으로 생산하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 이러한 목적 및 또 다른 목적, 형상, 이점들은 여기에 첨부된 도면과 함께 연결하여 취해질 때 아래의 상세한 기술로부터 더욱 명백해진다.
도1은 본 발명에 따른 고형 전해질 연료전지(solid electrolyte fuel cell)의 제1 실시예에 대한 사시적이고, 부분적으로 단면화된 어셈블리(assembly) 도면으로서, 외부 전기 접속, 연료 및 산화제 통로(passage), 연료 및 산화제 통로와 함께 복귀(return) 및 배기(exhaust), 그리고 셀 어셈블리를 완성하기 위해 전해질의 기하학적 구조와 합치되는 구조적 부품들인 분배판들(distribution plates)을 통합하는 구조적 고형 전해질의 양쪽에 적용된 촉매들 및 음과 양 전극들을 보여주는 도면이다.
도2는 본 발명에 따른 다른 실시예를 포함하는 가요성 전해질 연료전지 셀 어셈블리의 전개 사시 도면으로서, 상부와 바닥에, 각각, 양의 산화제 분배판, 양의 전극 접촉판에 인접하여 측면에 배치된, 그리고 도19에서 도시된 것과 같이 연료 분배판이 음의 전극 접촉판에 인접한 측면에 있는, 내부 산화제와 연료통로와 분배, 내부 배기 통로 및 외부 전기 상호 접속, 연료전지의 분해와 정비의 용이함을 위해 멤브레인 전극(membrane-electrode) 어셈블리에 영구히 결합되거나 독립적으로 남은 분배판들과 함께 완전하고, 배치가능하고, 재현성 있는 연료전지 모듈을 형성하기 위해 적용된 양 및 음의 전도성 촉매를 갖는 가요성 전해질에 직접 부착된 성형된 구조적 전극 접촉판(formed structural electrode contact plates)을 보여주는 도면이다.
도3은 본 발명에 따른 양 전극 어셈블리(positive electorde assembly)의 사시적이고, 부분적으로 단면화된 도면으로서, 산화제 촉매판들(oxidizer catalysts plates)이 전도성 재질이나 전도성으로 도포되고 촉매가 적용되고 각각의 전극 부품이 동일한 기하학적 구조를 공유하는 미세 스탬프된 패널들(micro-stamped panels)인 위 및 아래의 산화제 촉매판과 함께 다수의 부분이 결합되거나 적층된(laminated) 양 전극(positive elcetrode)이 산화제 분배판을 스택킹(stacking)하여 조립되는 것을 보여주는 도면이다.
도4는 본 발명의 유일한 내부 중앙 공급(unique internal central feed)을 설명하기 위해 연료전지 내에서 연료의 흐름을 도시하는 사시적 도면이다.
도5는 본 발명에 따른 연료전지를 조립하는데 사용될 수 있는 양 전극의 한 실시예의 사시적 도면이다.
도6a는 본 발명에 따른 연료전지를 조립하는데 사용될 수 있는 연료 복귀 통로들(fuel return passages)이 없는 음 전극(negative electrode)의 한 실시예의 사시적 도면이다.
도6b는 연료 복귀 통로들이 있는 음 전극의 다른 실시예의 사시적 도면이다.
도7은 본 발명의 연료전지용으로 다수의 부분이 결합되거나 적층된 양 전극 어셈블리의 촉매 및 산화제 통로 판의 한 실시예의 사시도
도8은 도1, 2, 3 및 18에서 도시된 양 전극 산화제 분배판의 분리된 투시도
도9는 본 발명에 따른 연료전지용의 다수의 부분(multiple part)이 결합되거나 적층된(joined or larminated) 음 전극 어셈블리의 촉매 및 연료 통로판(catalyst and fuel passage plate)의 사시적 도면이다.
도10은 도1 및 18에 도시된 연료 분배판(fuel distribution plate)의 사시적 도면이다.
도11은 도2 및 19에서 도시된 타입의 연료전지에 사용된 가요성 전해질(flexible electrolyte)의 사시적 도면이다.
도12는 본 발명의 원리를 이용하는 연료전지의 고정된 결합구(fixed joinery) 대신으로 셀 부품사이에 사용되는 양 전극 컷 혹은 성형된 밀봉(positive elcetrode cut or formed seal)의 사시적 도면이다.
도13은 셀이 고정된 결합구 대신 연료전지 부품 사이에 사용된 음 전극 컷 혹은 성형된 밀봉(negative elcetrode cut or formed seal)의 사시적 도면이다.
도14는 본 발명에 따라 조립되는 연료전지용 산화제 분배와 성형된 접촉 상부 및 하부 단들(formed contact top and bottom shelves)을 통합하는 셀 양(또는 음) 전극의 사시적 도면이다.
도15는 도1의 연료전지에 사용된 고형 전해질의 분리된 사시적 도면이다.
도16은 도2에서 도시된 타입의 연료 전지에서 사용되는 성형된 비전도성 구조적 전극 접촉판(formed non-conductive structural electrode contact plate)의 사시적 도면으로서, 각각의 측면에 적용된 전도성 촉매와 함께 미리 준비된 전해질과 접촉하게 되고 외부 접속을 제공하는 영역에서 전극에 전도성 재질(conductive material)이 적용된 것을 보여주는 도면이다.
도17은 성형된 비전도성 구조적 전극 접촉판의 사시적 도면으로서, 각각의 측면에 적용된 전도성 촉매와 함께 미리 준비된 전해질과 접촉하게 되고 외부 접속을 제공하는 영역에서, 예로 도2의 연료전지, 전도성 재질이 적용되는 것을 보여주는 도면이다.
도18은 본 발명에 따른 강체 전해질 시스템(rigid electrolyte system), 또한 고형 산화 강체 전해질 스택(solid oxide rigid electrolyte stack)으로 알려진, 을 사용하는 연료전지 스택 어셈블리(fuel cell stack assembly)의 입면적 도면이다.
도19는 도18과 유사하나 가요성 전해질 시스템(flexible electrolyte system), 또한 가요성 전해질 스택(flexible electrolyte stack)으로 알려진, 을 사용하는 연료전지 스택 에셈블리를 도시하는 입면적 도면이다.
도20은 본 발명에 따른 연료전지를 처리, 시험, 조립하기 위한 조립 라인의 개략적인 사시적 도면이다.
도21은 본 발명에 따른 경제적인 연료전지 제품을 달성하기 위한 제조 공정의 기본 단계를 보여주는 흐름도이다.
도22는 통과하는 연료, 산화제, 배기의 루팅(routing)을 나타내기 위해 분리된 부분으로 도시된 도18에 도시된 타입의 연료전지 스택 부분의 개략적 도면이다.

비록 도면은 연료와 공기 공급의 동심적 배열을 나타내지만, 이하에서 연료와 공기 공급 42, 43은 z-축에서 또한 서로 오프셋 될 수 있고 연료와 산화제 사이의 큰 분리가 필요한 상황에서 효율적으로 작용할 수 있음을 이해하여야 한다.

도1, 2 및 3은 셀 간 액체 통로의 경로 및 포트, 액체 배분, 촉매의 존재, 전해물의 지지, 외부 전기 접속 및 셀 어셈블리를 단순화하는 인터록 가이드와 함께 하나의 비교적 컴팩트한 유닛 프레임 구조가 제공되는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 여기에서 기술된 각각의 부품은 금속 및 적절한 플라스틱에 대한 스탬핑, 및 기존의 휠이나 구운 과자가 성형되는 방법과 유사한 세라믹이나 가열성 폴리머 같은 부분적으로 단이 진 재질을 성형하는 회전 다이와 같은 기존의 대량, 고속 작업에 의해 조립되도록 특정하게 구성되었다.

도1은 산화제 분배판 11(도8 참조)과 연료 분배판 12(도10 참조)이 양 전극이 한쪽에, 음 전극이 다른 쪽에 적용된 고형 전해질 13--부분적으로 깨어져 나간--(도15에 도시된 완전한 고형 전해질 참조)의 양측에 조립되어 있는 전체적으로 참조부호 10에 의해 지정된 본 발명의 가장 단순한 고형 전해질 셀 어셈블리를 도시한다. 그로부터, 각각의 준비된 부품은 여기에 기술된 방법에 의해 서로 조립되고 결합된다.

도2는 전체적으로 참조부호 20에 의해 지정된 부품이 여기에서 기술된 방법에 의해 조립되고, 준비 및 결합되는 본 발명의 가요성 전해질 셀 어셈블리를 도시한다. 이러한 부품은 음의 전극 접촉판 21(도17 참조), 가요성 전해질(PEM) 22(도11 참조), 양의 전극 접촉판 23(도16 참조) 및 양의 "산화제" 분배판 11(도8 참조)을 포함한다. 기술의 처음부터 끝까지 다른 실시예에서의 동일한 부분은 동일한 참조부호에 의해 계속 지정된다.

도3은 전체적으로 참조부호 30에 의해 지정된 양(혹은 음)의 전극 어셈블리가 어떻게 여기에서 기술된 방법에 의해 조립되고, 준비 및 결합되는지 도시한다. 그것은, 어셈블리 30는 산화제 분배판 11(도8 참조) 위 또는 아래에 스택된 산화제 촉매판 31, 31'(도7 참조)을 포함한다. 판 31, 31'은 차지하고 있는 촉매 및 산화제 통로 부위 32, 33(도7 참조)를 포함할 수 있다.

도4는 본 발명에 따른 연료전지 구성의 음 분배판의 내부 중앙 공급을 거치는 연료의 내부 반경방향-바깥쪽 유동 형태 36를 도시한다. 연료 및 산화제 모두는 중앙으로부터 공급되고, 어떤 과농한 연료 또는 산화과정으로부터 소모된 제품에 의해 요구되면 제거된다. 처음에 기술된 대로, 도면은 연료와 공기 공급의 동심원 배열을 도시한다; 그러나, z-축에서 서로 오프셋 될 수 있고 연료와 산화제 사이의 큰 분리가 적절하다고 간주되는 경우에서 더욱 효과적으로 작동한다.

도5는 본 발명의 "유닛(unit)" 접근에서 실시된 유연성을 예시하는데, 여기서 양의 전극들이 전체적으로 참조부호 40으로 표기되어 있다. 전극 40은 스탬핑, 몰딩 또는 주조에 의해 고형의 둘레(solid surround)와 밀봉 부위(seal area) 41를 지니면서 단일 프레이트 피스(single plate piece)로 생산된다. 전극판에는 도4에 도시된 바와 같이, 연료의 판 대 판 통로(plate-to-plate)를 위한 경로들(vias) 또는 도관들(conduits) 42이 제공되고, 산화제 및 연료전지로의 산화제 입구용 경로들 또는 도관들 43이 제공된다. 연료 경로들 44 및 배기 경로들 45이 판 대 판 통로와 산화제 배기 경로로의 개구부용으로 제공된다. 전기 접속 탭들 46, 46'이 판에 일체로 성형되어서 추가적인 공정이 필요치 않다. 전극판에서 정렬, 어셈블리 및 클램프 구조 47의 포함으로써, 복잡성이 감소하고 관련된 셀을 위한 강한 구조가 만들어진다.

판 40의 가장 넓은 부위 48는 전해질로의 산화제의 분배, 즉 연료전지 40의 작동 부위로 전용되고, 판은 크로스(cross) 및 대각선 부재들 49 때문에 구조적으로 견고하고 안정되게 유지되면서, 산화제의 통행을 허용한다. 작동 부위 48는 판의 부분으로서, 코르게이션(corrugation) 및 홀 스탬핑, 착색 및 홀을 지닌 플레이트를 몰딩 또는 주조, 재료의 소결, 또는 다른 적절한 수단에 의해 만들어지며, 또는 개방된 채로 남겨질 수 있다. 판은 전도성 재질로 만들어져 프로세스 단계의 수를 줄이거나, 또는 비전도성 재질로 만들어지고 거기에 전도성 재료가 도포, 인쇄, 도금(plating), 스퍼터링(sputtering), 또는 여타의 공지된 방법에 의해 입혀져서 재료비를 절감할 수도 있다. 전체의 작동 표면이 개방된 채로 남겨지지 않는다면, 도포, 인쇄, 도금, 스퍼터링 또는 여타의 적절한 방법에 의해 촉매로 덮여질 수 있다. 부품들이 서로 부착되도록 의도된 표면은, 브레이징(brazing), 공정 적심(eutectic wetting), 플레이트 접착(plate bonding) 또는 여타의 공지된 방법으로 연결하기 위해, 인쇄, 선택적 도포, 선택적 도금 또는 여타 수단에 의해 준비될 수 있다. 양의 전극 40은 고형의 전해질과 음의 전극 50'과 스택되어 완전한 연료 전지를 형성할 수 있다. 전극들은 도19에 도시된 바와 같이, 어느 쪽에도 전해질을 가질 수 있도록 구성된다.

도6a는 연료가 완전히 사용되고 일치하는 구성을 갖는, 경로 42, 43, 통로 44, 돌기 51, 51' 및 관련된 셀 부품과 함께 구조, 예를 들면 개별의 부품이 스택되는 것을 허용하는 도5의 양의 전극판을 포함하는, 전체적으로 참조부호 50으로 지정된 음의 전극판을 도시한다. 주요 차이는 연료가 전극 48', 연료 경로로의 개구부 43에 공급되는 작동 부위, 연료의 완전한 사용과 양의 접속 탭과 구별하기 위해 전기 접속 탭 51, 51' 용 다른 위치 때문에 도5에 도시된 연료 복귀 통로 45의 결여이다.

도6b는 도6a와 유사하나 원(源)으로 리턴되는 과농 수소 연료를 위한 참조부호 50'에 의해 전체적으로 지정된 음의 전극판을 도시한다, 판 50과 같이, 음의 전극 50'는 실질적으로 상세한 부분에 있어서 일치한다, 즉 구성, 경로 42, 43, 통로 44, 45 및 개별 부품이 스택되는 것을 허용하는 셀 부품과 관련이 있는 구조 47. 차이점은 연료가 전극, 연료 경로 42, 43의 개구부에 공급되는 작동 부위 48", 그리고 다른 위치에 의해 양 전극(도5)의 접속 탭 46, 46'과 구별되는 전기 접속 탭 51, 51'이다.

도7은 도8의 산화제 분배판과 다른 산화제 통로판과 결합 사용되고 도3에 도시된 방법으로 완전한 양의 전극을 형성하는 산화제 통로판을 도시한다. 산화제 통로판 31은 상세한 부분에 있어서, 산화제 분배판 11(도8) 및 관련된 셀 부품들과 일치한다. 통로 부위 33는 산화제가 흐를 수 있고, 동일한 방법에 의해 산화제 통로판의 부분으로서 형성된다.

결합되거나 적층된 전극의 하나의 장점은, 촉매가 전극으로부터 떨어져 배치되는 것인데, 이로써 전자들이 전해질의 출력에서 연료 이온과 함께 결합하기 전에 산소 이온을 형성하는 것에 추가될 수 있어서 배기 통로 45로의 정규 흐름을 통하여 효율을 높일 수 있음을 인식하였다. 결합되거나 적층된 전극의 또 다른 장점은 스탬핑 기계와 같은 엄청난 대량 생산 장비를 사용할 수 있다는 것이다.

도8에는, 경로 42, 43, 통로 44, 45, 및 구조 47를 포함하면서 실질적으로 상세한 부분에 있어서 도5의 양의 전극 어셈블리와 유사하고 일치하는 산화제 분배판 11이 분리되어 도시되어 있는데, 이는 전도성 혹은 비전도성으로 만들 수 있고 전기 접속 탭들을 포함할 수 있다. 도3에 도시된 산화제 분배판 11은, 도7에 도시된 타입의 2개의 산화제 통로판 31과 결합 사용되어 완전한 양의 전극을 형성하고 관련된 연료전지 부품과 스택(stack)되는 한 예이다. 도1에서 도시된 다른 예에서는, 산화제 분배판 11은 구조적으로 고형인 전해질 13과 연료 분배판 12과 결합 사용되어 완전한 연료전지를 형성한다. 도2에 도시된 또 다른 예에서는, 산화제 분배판 11이 가요성 멤브레인 전극 어셈블리와 결합 사용되어, 도19에 도시된 타입의 완전한 연료전지 어셈블리를 형성한다. 작동 부위 48은 도5의 양의 전극의 것처럼 형성되거나 또는 완전히 제거될 수 있다.

도9에는 전체적으로 참조부호 60으로 지정된 연료 통로판이 도시되어 있는데, 이는, 도10에서 전체적으로 참조부호 70으로 지정된 연료 분배판 및 다른 연료 통로판(개별적으로 도시되지 않음)과 결합 사용되어 완전한 음의 전극을 형성한다. 연료 통로판 60은 전기 접속 탭 51, 51'를 제외하고 주요 상세부분에 있어서, 도6b에 도시된 타입의 완전한 음의 전극에 결합하여 관련된 셀 부품과 스택되게끔 연료 분배판 70과 일치한다. 통로 부위 48은 연료가 흐를 수 있으며, 동일한 방법으로 연료 통로판의 부분으로 형성된다.

위에서 인용된 도10에는 연료 분배판 70이 분리되어 도시되어 있다. 판 70은 어느 정도 상세한 부분에 있어서는 도6b의 음의 전극 50'과 유사 및 일치하고, 전도성이나 비전도성으로 만들 수 있고, 전기 접속 탭을 포함할 수 있다. 한 예에서, 연료 분배판 70은 앞에서 기술된 대로, 도9에서 도시된 2개의 연료 통로 판과 결합 사용되어 완전한 음 전극(도3의 전극 어셈블리와 유사한)을 형성하고, 요구되는 전력을 생산하기 위해 관련된 셀 부품과 함께 스택될 수 있다. 작동 부위 48은 음 전극 50'(도6b)에서와 같은 방식으로 형성되거나 또는 완전히 제거될 수 있다. 도1의 예에서, 연료 분배판 12은 고형 전해질 13과 산화제 분배판 11과 결합 사용되어 완전한 연료전지를 형성한다. 또한 연료 분배판은 도19에 도시된 타입의 연료전지 어셈블리를 형성하기 위해 도2에 도시된 타입의 가요성 멤브레인 전극 어셈블리와 스택될 수 있다.

도11에는 이미 논의된 가요성 전해질 22이 분리되어 도시되어 있는데, 이는 관련된 셀 전극들, 예컨대 30, 40, 50, 100의 셀 전극들과 상당히 상세한 부분에 있어서 일치하여, 개별의 부품들이 스택되어 요구되는 전력을 출력하는 연료전지를 형성할 수 있다. 가요성 전해질 22은 실제로 이온의 이동(migrating)을 허용하고(즉 허용 통로(permitting passage)), 구조적 프레임 24 또는 전극의 부착물에 의해 물리적으로 지지되어야 한다. 본 발명에서 사용되는 가요성 전해질의 장점은, 이것이 이미 상업적으로 이용 가능한 제품이라는 것이다.

도12에는 전체적으로 참조부호 80으로 지정된 양 전극 컷 또는 성형된 밀봉이 분리되어 도시되어 있는데, 이는 양 전극 30, 40, 100 및 가요성 전해질 22 사이에 사용되어, 그들 사이에 다른 전기적 분리(electrical seperation)와 클로저(closure)를 형성할 수 있다. 이러한 전극 밀봉은, 쉽게 손상되거나 전기 저항이 낮은 셀 부품들 사용되었을 때 중요한데, 셀 부품들이 쉽게 손상되거나 전기 저항이 낮은 상황은 연료 전지의 실패를 야기할 수 있다. 양 전극 밀봉 80은 관련 셀 부품들을 밀봉하고 스택하기 위해 상당히 상세한 부분에서 일치한다.

도13에는 음의 전극 컷 또는 성형된 밀봉 90이 분리되어 도시되어 있는데, 이는 예컨대 음의 전극 50'(도6b)과 가요성 전해질 22 사이에 사용되어, 그들 사이에 다른 전기적 분리나 클로저를 형성할 수 있다. 여기서도 전극 밀봉은, 쉽게 손상되거나 전기 저항이 낮은 셀 부품들과 사용될 때 중요한데, 이러한 셀 부품들이 쉽게 손상되거나 전기 저항이 낮은 상황은 연료 전지의 실패를 야기할 수 있다.

도14 또한, 본 발명의 "유닛(unit)" 접근에서 실시된 방법 및 프로세스 유연성을, 셀 전극들 중 하나, 특히 양 전극 100을 기술함으로써 예시하고 있다. 전극판 100은 스탬핑, 몰딩 또는 주조(casting)에 의해 고형의 둘레와 밀봉 부위 101를 지닌 단일 피스(single piece)로 생산된다. 판 100은, 셀로의 산화제 입구뿐 아니라 연료 및 산화제의 판 대 판 통로(plate-to plate) 각 각을 위해, 경로들 또는 도관들 42, 43을 포함한다. 또한 판 100에는 판 대 판 통로 및 산화제 배기 경로로의 개구부를 위한 배기 경로 45 및 연료 경로 44 가 포함되어 있다.

전기 접속 탭 46, 46'은 판 100에 통합되어 있고 추가적인 작업을 필요로 하지 않는다. 전극 판 100에는 이미 언급된 정렬, 어셈블리 및 클램프 구조(clamp structure) 47가 포함되어, 복잡성이 더욱 감소하고, 관련 셀에 대한 강한 구조가 생성된다. 판의 가장 넓은 부위는 산화제가 전해질 22로 분배되는 것에 전용된다. 전류의 모서리 수집(edge collection of current)을 확실하게 하는 양호한 기계적/전기적 접촉을 확실하게 하기 위한 접촉 단들(contact shelves) 102, 103이 판 100의 부분으로서, 상부 및 하부의 리브들(ribs) 또는 코르게이션의 스탬핑에 의해 만들어지거나, 또는 이러한 네스팅 리브들(nesting ribs)을 지닌 플레이트를 몰딩 또는 주조함으로써 만들어진다. 판 100은 전도성 재질로 만들어져 프로세스 단계의 수를 줄이거나, 또는 비전도성 재질로 만들어지고 거기에 전도성 재질이 도포, 인쇄, 도금, 스퍼터링 또는 여타의 종래 기술에 의해 입혀짐으로써 재료비를 절감할 수 있다. 전체적 작동 표면에는 촉매가 도포, 인쇄, 도금, 스퍼터링 또는 여타 기술에 의해 덮여질 수 있다. 부품들이 서로 부착되어야 하는 표면은 브레이징, 공정 적심(eutectic wetting), 플레이트 접착 또는 여타 공지된 방법으로 연결하기 위해, 인쇄, 선택적 도포, 선택적 도금 또는 유사한 방법에 의해 준비될 수 있다. 양 전극 100은 고형의 전해질 및 접촉 단들이 있는 유사한 음 전극과 함께 스택되어 완전한 연료전지를 형성할 수 있다. 전극들은 도19에서 도시된 바와 같이, 어느 쪽에도 전해질을 가지도록 구성된다.

도15에는 도1에서도 도시된 고형 전해질 구조 13가 도시되어 있는데, 이는 관련된 셀 분배판들과 상당한 상세부분에 있어서 일치하여, 개별 부품들이 스택되어 요구되는 전력 출력의 연료전지를 완성할 수 있다. 고형 전해질 13'은 실제 이온들의 이동을 허용하고, 다른 모든 점에 있어서 자기 포함 구조(self-contained structure)이고, 전도성 전극 재질을 적용하거나 전력 패키지(power package)를 형성하기 위해 별도의 전극들과 연결되어 차례로 다른 연료전지들과 연결되도록 준비될 수 있다.

도16 및 17에는 제각기 양 및 음의 전극 접촉판들이 도시되어 있다. 판들은 유리, 세라믹 합성 레진 등과 같은 유전체(비전도성) 재질로 만들어지며, 이 판에는, 기술된 전도성 표면, 에칭 또는 컷 된 포일(etched or cut foil), 잉크 등이 적용된다. 그 다음에 이러한 판들은 고형 전해질과 조립되고, 유사한 재질 분배판들, 격리판들 등과 조립되어 완전한 셀을 형성한다. 다층 인쇄 회로 기판 생산에 사용되는 것과 유사한 라미네이팅 프로세스(laminating process)가 적용될 수 있다.

도18에 도시된 강체의 전해질 스택(rigid electrolyt stack)에서, 도1에 도시된 연료전지들은 하나의 스택으로 조립된 고형의 산화 연료전지들(solid oxide fuel cells)이다. 양 및 음 전극들은 강체 전해질의 반대되는 측면들에 직접 적용되고, 연료 및 산화제 분배판들은 전해질의 양 및 음 전극 측 사이에 교대로 배치되어, 2개의 대향하는 전해질의 양 전극측들이 산화제 분배판을 공유하고, 역으로 2개의 대향하는 전해질의 음 전극측들이 연료 분배판을 공유할 수 있다. 도19에는, 도2에 도시된 타입의 가요성 셀 어셈블리를 사용한 가요성 전해질 연료 전지 스택이 도시되어 있다. 다른 방법으로, 이중 측면의(double sided) 양 및 음 전극들, 또는 도3, 5, 6a, 6b 및 14에 도시된 타입의 전극 어셈블리들을 갖는 가요성 전해질들이 교대로 조립되어 유사한 스택들이 만들어져서, 2개의 대향하는 전해질들의 양의 측들이 하나의 양 전극을 공유하고, 역으로 2개의 대향하는 전해질들의 음의 측들이 하나의 음 전극을 공유할 수 있다. 양의 전극은 내부 산화제 분배를 갖고, 음의 전극은 내부 연료 분배를 갖는다. 가요성 전해질(PEM)은 도2 또는 도11에 도시된 바와 같이, 전극 판에 의해 지지되거나 프레임 내에 고정될 수 있다. 도18 및 19에 도시된 스택은, 수백 개의 연료전지 어셈블리들에 달하는 완전한 스택의 조각이거나 일부이다. 완성된 스택의 터미널 측들에는 종래의 단부 캡(end cap)(미도시)이 씌워진다.

도20에는 본 발명에 따라, 앞에서 언급된 연료전지들을 단순하고, 효율적이고 경제적인 방법으로 생산하기 위한 하나의 가능한 프로세스, 시험 및 조립 시스템이 도시되어 있다. 특히, PEM, 양 전극 및 음 전극 기판들(substrates)이 기본 재료의 대형 롤들(rolls)로부터 펼쳐지고, 그 위에 양 및 음 촉매들이 인쇄되는 인쇄 헤드(printing head)를 거쳐 통과한다. 인쇄된 기판들은 종래의 로터리 다이 커터들(rotary die cutters)을 거쳐 통과하며, 여기서 적절한 연료전지 크기로 절단되고 컨베이어들에 의해 운반된다. 도2 및 11에 도시된 일반 타입의 양 및 음 전극들 사이에 전해질을 가져오기 위해 종래의 운반 기술이 사용된다. 셀 어셈블리들은 채집 셔틀(pick shuttle)에 의해 채집되고, 스택으로 조립되기 전에 셀 시험 장비로 보내진다.

이러한 공정이 또한 도 21의 흐름도에 도시되어 있는데, 연료전지 스택에 사용되는 분리판들의 준비, 조립 후에 스택의 시험 및 허용 가능하거나 수정된 스택들에 주변품들(peripherals)을 부착하는 것을 보여주고 있다. 물론, 전해질과 전극들은, 롤들이 아닌 스톡 재료(stock material)로부터 올 수 있음을 이해하여야 한다. 도22는 위에서 언급된 방법으로 제작된 전형적인 연료전지 시스템에서 연료, 공기 및 배기의 기본적인 흐름을 보여주고 있다.

산업적 이용가능성

연료전지와 그 제조 방법이 제시되어 있다. 연료전지 배치는 실제적으로, 최초로, 비교적 낮은 가격에서 대량으로 제조하는 것을 가능하게 하고, 강건하고 신뢰할 수 있는 연료전지 제조를 양산 공정으로 생산하는 것을 가능하게 한다.

본 발명이 상세하게 기술되고 도시되었지만, 도시 및 예시에 의한 것은 동일한 것이고, 한정에 의해서 취해지지 않아야 함을 분명히 이해하여야 한다. 본 발명의 정신과 범위는 오직 첨부된 청구항에 의해서 한정된다.

10 : 고형 전해질 셀 어셈블리
11 : 산화제 분배판
12 : 연료 분배판
13 : 고형 전해질
21 : 음의 전극 접촉판
22 : 가요성 전해질
23 : 양의 전극 접촉판
30 : 양(혹은 음)의 전극 어셈블리
40 : 양 전극
41 : 밀봉 부위
42 : 연료
43 : 공기
44 : 연료 경로
45 : 배기 경로
46 : 전기 접속 탭
47 : 조립 및 클램프 구조
48 : 작동 부위
49 : 크로스 및 대각선 부재
51 : 전기 접속 탭
60 : 연료 통로판
70 : 연료 분배판
100 : 전극판

Claims

완성된 연료전지(complete fuel cell)로서,
a) 연료 분배기(fuel distributer);
b) 산화제 분배기(oxidizer distributer); 및
c) 상기 연료 분배기와 산화제 분배기 사이에 작동 가능하게 배치되는 고형 전해질(solid electrolyte);을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서,
상기 고형 전해질은, 중앙부(central portion)가 있는 프레임(frame)을 더 포함하고, 상기 중앙부의 한 측에 적용된(applied) 촉매 및 양 전극(positive electrode)과, 상기 중앙부의 한 측에 대향하는 측에 적용된 촉매 및 음 전극을 구비하고, 상기 프레임의 중심부에 배치된 연료(fuel) 및 산화제(oxidizer) 경로들(vias)과, 상기 프레임 내에 배치된 연료 및 배기(exhaust) 도관들(conduits)과, 상기 프레임의 바깥쪽 방향으로 연장되는 전기 접촉 돌기들(electrical contact lugs)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제2항에 있어서,
상기 산화제 분배기는 상기 고형 전해질의 양 전극 측 위에 배열되며, 고형 전해질 프레임의 연료 및 배기 도관들(conduits)과 일치하는 교대로 배치된 연료 도관들과 배기 도관들을 갖는 외측 프레임(outer frame), 고형 전해질 경로들(vias)과 일치하는 연료 및 산화제 경로들, 상기 프레임과 경로들 사이에서 연장되어 산화제에 대한 허용 부위(permissible area)를 규정해주는 다수의 부재들(a plurality of members)을 포함하며, 상기 배기 도관들은 상기 프레임의 내부 측에 개방되어 상기 산화제 분배기 부위의 주요 부분을 구성하는 상기 허용 부위와 소통하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제2항에 있어서,
상기 연료 분배기는 상기 중앙부의 음 전극 측 위에 배치되며, 고형 전해질 프레임의 연료 및 배기 도관들과 일치하는 교대로 배치된 연료 도관들과 배기 도관들을 갖는 외측 프레임, 고형 전해질 경로들과 일치하는 연료 및 산화제 경로들, 및 상기 프레임과 경로들 사이에서 연장되어 연료에 대한 허용 부위를 규정해주는 다수의 부재들을 포함하며, 상기 배기 도관들은 상기 프레임의 내부 측에 개방되어 상기 연료 분배기 부위의 주요 부분을 구성하는 상기 허용 부위와 소통하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서,
상기 연료 분배기, 산화제 분배기 및 고형 전해질 부품들(components)은 완전한 강체 혹은 가요성(flexible) 전해질 연료전지 구조를 제공하도록 구성되고, 상기 부품들 (a), (b), 및 (c), 그리고 이들의 서브 어셈블리들(subassemblies)은 정렬 가능하고(alignable), 밀봉 가능한(sealable), 모듈러 구조(modular structure)를 구성하고, 상기 모듈러 구조에 포함되어 있는 정렬 및 인터록(interlock) 가이드들(guides), 내부 연료 공급 통로들, 연료 분배 통로들, 산화제 공급 통로들, 산화제 분배 통로들, 리턴 통로들, 및 배기 통로들을 지니고, 상기 구조 내에 포함된 전극 및 촉매 재료들과, 상기 모듈러 구조의 외부에서 접근 가능한 전기 접속 탭들(electrical connection tabs)을 지니는 것을 특징으로 하는 연료전지
제5항에 있어서,
상기 연료 공급, 연료 분배, 산화제 공급, 산화제 분배, 리턴 및 배기 통로들(passages)는 상기 부품들 (a), (b) 및 (c)에 의해 내부적으로 구성되고 형성되어서, 상기 부품들이 완전한 셀 및 셀들의 스택들(stacks) 또는 모듈들(modules)을 형성하기 위해 정렬되고 스택되면, 인접한 부품들, 인접한 셀들 및 인접한 스택들 또는 모듈들의 통로들은 일치하고, 통합된 판 대 판(plate-to-plate), 셀 대 셀(cell-to-cell), 스택 혹은 모듈 대 모듈(stack or module-to-module) 대응 통로들을 형성하며, 따라서 각각의 셀 부품, 완전한 셀, 스택 혹은 모듈로의 혹은 부터의 관련된 외부 배관뿐 아니라 외부 입구들 및 출구들에 대한 필요를 없애주는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제5항에 있어서,
상기의 부품들은, 완성된 셀 스택 혹은 모듈의 각 단부(each end)에 위치하는 단부 부품들(end coponents)과 함께, 단독 연료전지(single fuel cell), 연료전지 스택 또는 연료전지 모듈의 하나로 형성될 수 있으며, 상기 단부 부품들은, 연료 공급 통로들, 산화제 공급 통로들, 리턴 통로들 및 배기 통로들을 대응하는 외부 연결구들(external fittings)과 연결하게끔 내부적으로 구성되어 있으며, 연료전지 어셈블리(fuel cell assembly)의 잔여부(remainder) 및 클로저 피스들(closure pieces) 사이의 연결을 위해 압축적 연결수단(copressive connection means)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제2항에 있어서,
분배기들 및 고형 전해질의 통합적인 구조(integral structure)에 의해서 규정되는 상기 경로들은, 실질적으로 동일한 평면에서 반경 방향으로 연장되는 패턴(pattern)으로 동심원적으로(concentrically) 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서,
상기 고형 전해질은, 이온 허용 가능한 중앙부(ion-permissive central portion, 상기 중앙부의 제1 측에 또는 상기 산화제 분배기에 적용된 양 전극 재질 및 촉매, 및 상기 중앙부의 제2 측에 또는 상기 연료 분배기에 적용된 음 전극 재질 및 촉매를 포함하며, 상기 프레임 내에 배치된 연료 공급, 산화제 공급, 리턴 및 배기 통로들을 지니는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제9항에 있어서,
상기 산화제 분배기는 상기 중앙부의 한 측 위에 배치되며, 고형 전해질 프레임의 연료 및 배기 도관들과 일치하는 교대로 배치된 연료 도관들과 배기 도관들을 갖는 외측 프레임, 고형 전해질 경로들과 일치하는 연료 및 산화제 경로들, 상기 프레임과 경로들 사이에서 연장되어 산화제에 대한 통로 부위(passage area)를 규정해주는 다수의 부재들, 상기 프레임으로부터 외측으로 연장되는 전기 접촉 돌기들(electrical contact lugs)을 포함하며; 상기 산화제 분배기는, 비전도성 재질, 또는 양측(both sides)에 적용된 전도성 및 촉매의 재질을 지닌 비전도성 재질, 또는 양측에 촉매의 재질이 적용된 전도성 재질로 이루어지며, 따라서 산화제 분배기와 구조적 지지부(structural support) 및 전기적 상호연결(electrical interconnection)로서, 또는 내부 산화제 분배를 갖는 양 전극으로서 역할을 하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제9항에 있어서,
상기 연료 분배기는 상기 중앙부의 반대 측 위에 배치되며, 고형 전해질 프레임의 연료 및 배기 도관들과 일치하는 교대로 배치된 연료 도관들과 배기 도관들을 갖는 외측 프레임, 고형 전해질 경로들과 일치하는 연료 및 산화제 경로들, 상기 프레임과 경로들 사이에서 연장되어 연료에 대한 통로 부위를 규정해주는 다수의 부재들, 상기 프레임으로부터 외측으로 연장되는 전기 접촉 돌기들을 포함하며; 상기 연료 분배기는 비전도성 재질, 또는 양측에 적용된 전도성 및 촉매의 재질을 지닌 비전도성 재질, 또는 양측에 촉매의 재질이 적용된 전도성 재질로 이루어지며, 따라서 연료 분배기와 구조적 지지부 및 전기적 상호연결로서, 또는 내부 연료 분배를 갖는 양 전극으로서 역할을 하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제10항에 있어서,
내부 산화제 분배를 지닌 양 전극 또는 전극이 있는 산화제 분배기는 3개의 분리된 부품들, 즉 제1 산화제 판(first oxidizer plate), 상기 제1 산화제 판과 동일한 제2 산화제판(second oxidizer plate), 상기 제1 및 제2 산화제 판들 사이에 작동가능하게 배치된 산화제 분배판(oxidizer distribution plate)으로 구성되며, 상기 3개의 분리된 부품들은, 모듈러 산화제 분배기 및 전극 어셈블리 또는 내부 산화제 분배가 있는 모듈러 양 전극 어셈블리를 형성하기 위해, 서로 결합하게끔 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제11항에 있어서,
내부 산화제 분배를 지닌 양 전극 또는 전극이 있는 산화제 분배기는 3개의 분리된 부품들, 즉 제1 연료 판(first fuel plate), 상기 제1 연료 판과 동일한 제2 연료 판(second fuel plate), 상기 제1 및 제2 연료 판들 사이에 작동가능하게 배치된 연료 분배판(fuel distribution plate)으로 구성되며, 상기 3개의 분리된 부품들은 함께, 모듈러 연료 분배기 및 전극 어셈블리 또는 내부 연료 분배가 있는 모듈러 음 전극 어셈블리를 형성하게끔 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제10항에 있어서,
내부 산화제 분배가 있는 양 전극 또는 전극이 있는 산화제 분배기는 양측 위에 접촉 단들(contact shelves)을 포함하여, 고형 전해질에 대안의(alternative) 부착 옵션(option)을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제11항에 있어서,
내부 연료 분배가 있는 음 전극 또는 전극이 있는 연료 분배기는 양측 위에 접촉 단들을 포함하여, 고형 전해질에 대안의 부착을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제9항에 있어서,
고형 전해질, 분배기들 그리고 이들의 어셈블리는, 한 전해질의 연료 측이 이어지는 전해질의 연료 측을 향하도록 배치되게끔 구성되어 하나의 공통 연료 분배기의 사용을 가능하게 하고, 나아가 한 전해질의 산화제 측이 이어지는 전해질의 산화제 측을 향하도록 구성되어, 하나의 공통 산화제 분배기의 사용을 가능하게 하며, 따라서 완전한 연료 스택의 크기와 중량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제9항에 있어서,
전극을 포함하며(eletrode-containing) 전도성인 부품들과 이들 부품 어셈블리들은, 외부에서 선택 가능하고 연결 가능한 전기 탭들(electrical tabs)을 통합하고 있으며, 상기 전기 탭들은 부품 프레임들의 외측으로 연장되고, 항상 유일하게 음 및 양을 식별하게끔 배치 및 구성되고, 인접한 셀 부품들 및 셀들의 유사한 전기 탭들과 일치하며, 따라서 외부로 향하는 엣지 전도성 전류 수집(edge conductive current collection)을 가능하게 하여, 결과적인 열, 저항, 부식 고장, 및 양극 분리기들(biopolar seperators)을 지니는 내부 셀 대 셀 전기 접촉(internal cell-to-cell eloectrical contact)을 제거하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제16항에 있어서,
공통의 양극 및 음극 플레넘들(plenums)과 외부에서 선택가능하고 연결가능한 전류 수집 탭들(current collection tabs)은 직렬로 2셀 마다 전기 접속성(connectability)을 제공하게끔 구성되며, 이로써 적어도 2개 셀 빌딩 블럭들(at least two-cell building blocks)이 모듈식, 대체가능한 유닛들로 형성되면서, 활성 스택 에어리어(active stack area)로 효과적으로 배가하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제5항에 있어서,
상기 산화제 및 연료 분배기는, 공기 컴프레서들(air compressors)와 연료 팽창기들(fuel expanders)의 사용 없이, 요구되는 표면 분배에 대한 액체 흐름과, 연료 사용(fuel utilzation)과, 증가된 배기 유체 체적의 제거를 촉진하게끔 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제5항에 있어서,
연료 재순환 루프(fuel recirculation loop)가 열 전달 매체로서 작용하게끔 구성되고, 과잉 음극 유동(excess cathode flow)은 열 제거를 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제5항에 있어서,
비전도성 밀봉(nonconductive seal) 및 클로저 부재(closure member)가 인접 연료 전지 부품들 또는 연료 전지 어셈블리들 사이에 배치되고, 인접 연료 전지 부품들 또는 연료 전지 어셈블리들과 실질적으로 일치하여, 다른 전기적 분리(alternative electrical seperation) 및 인클로저(enclosure)를 얻는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제5항에 있어서,
모든 통로들, 인클로저들, 경로들 및 둘레들(surrounds)에서의 밀봉 또는 클로저 부재는, 압축성 성형 재료(compressive formed material), 접착제, 화학적 결합(chemical bonding), 공정 결합(eutectic bonding), 또는 금속 결합으로 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제9항에 있어서,
상기 분배기들 또는 전극들은 스탬핑(stamping), 소결(sintering), 주조(casting), 몰딩(molding), 다층 라미네이팅(multi-layer laminating), 혹은 에칭(etching)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하며,
작용 부위가(working area)가, 코르게이션(corrugation) 및 홀 스탬핑, 무늬(variegation) 및 홀을 지닌 플레이트를 몰딩 또는 주조, 재료의 소결, 또는 미정의 방법에 의해, 판의 부분으로서 만들어지는 것을 특징으로 하며;
판은 전도성 재질로 만들어지거나, 또는 전도성 재질이 도포(coating), 인쇄(printing), 도금(plating), 또는 스퍼터링(sputtering)에 의해 적용된 비전도성 재질로부터 만들어지는 것을 특징으로 하며;
부품들이 서로 부착되는 표면은, 브레이징(brazing), 공정 적심(eutectic wetting), 또는 플레이트 접착(plate bonding)에 의한 결합을 위해, 인쇄, 선택적 도포(selective coating), 선택적 도금(selective plating)에 의해 준비되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
연료전지 제조 방법으로서,
(1) 고형 전해질, 양 전극 및 음 전극 기판들(substrates)을, 양 및 음 촉매들이 인쇄되는 인쇄 헤드(pronting head)를 거쳐 통과시키는 단계;
(2) 인쇄된 기판들이 연료 전지 크기로 절단되고 컨베이어에 의해서 운반되는 회전 커터(rotary cutters)를 통해, 인쇄된 기판들을 통과시키는 단계;
(3) 양 및 음 전극들 사이에 전해질을 가져와서, 셀 어셈블리를 형성하는 단계;
(4) 상기 셀 어셈블리를 시험하는 단계; 및
(5) 상기 셀 어셈블리 위에 연료 분배기와 연료 산화제를 조립하여, 완전한 연료 전지를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 방법.
제24항에 있어서,
상기 고형 전해질과 양 및 음 전극들은 재료의 롤(rolls of material)로부터 펼쳐지는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.