WO2020091358A1 - 교체가 용이한 연료전지 스택유닛 및 그 제조방법 - Google Patents

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WO2020091358A1
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metal frame
unit
sealing gasket
cell stack
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PCT/KR2019/014313
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윤희성
송태섭
김성민
김찬호
장인영
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한양대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to an easily replaceable fuel cell stack unit and a method for manufacturing the same, and more specifically, an easily replaceable fuel cell stack unit and a method of manufacturing the same are arranged such that at least a portion of a single cell overlaps an inner edge of a metal frame. It is related to.
  • a stack of solid oxide fuel cells is a system that can directly convert electricity using chemical reactions of hydrogen (or hydrocarbon fuel) and oxygen.
  • the reaction of the fuel cell is transferred from the air electrode to the anode through the electrolyte of oxygen ions, reacts with the fuel at the catalytic reaction point existing at the interface between the electrolyte and the anode, and releases electrons to move to the outside to generate electricity.
  • the force that causes oxygen ions to transfer from the cathode to the anode is determined by the difference in the oxygen concentration between the cathode and the anode. Therefore, when oxygen and hydrogen (or fuel) are mixed by leakage of gas in the stack, Ni is oxidized among the components of the material used as the anode, resulting in defective cell.
  • the difference in the oxygen partial pressure between the anode and the cathode is the driving force that causes oxygen ions to flow from the cathode to the anode through the electrolyte, or when they are mixed with each other due to leakage of gas, the difference in the oxygen partial pressure is lowered, thereby deteriorating the cell characteristics.
  • the gas separation plate, the single cell, and the stack unit to maintain the flow of the opposite electrode from the induction furnace designed to flow oxygen and the hydrogen (or fuel) in which the oxygen supply of the solid oxide fuel cell operating at high temperature flows
  • a sealing material is used to prevent gas leakage between the fields.
  • a glass sealing material usable at high temperature and a gasket type sealing material made of MICA or Vermiculite are used. Due to the nature of the plate structure of the MICA or vermiculite, such a sealing gasket does not leak gas at the inside or at the interface between the sealing gasket and the gas separation plate or a single cell. Due to the characteristics of the gasket for sealing, a solid oxide fuel cell operating at a high temperature mainly uses a glass sealing material that shows a more compact sealing characteristic.
  • the sealing method using a glass sealing material has limitations in the inspection method after the heat treatment and cathode reduction process to form the fuel cell stack due to the property of shrinking the volume by softening of the glass.
  • the gasket sealing method has the advantage of being able to diversify the stack formation process and to introduce an inspection process after heat treatment and reduction.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide an easy-to-replace fuel cell stack unit and a method of manufacturing the same to reduce a defect problem of a fuel cell due to leakage gas.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell stack unit that can be easily replaced with improved reliability and a method of manufacturing the same.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell stack unit that is easy to replace and a method of manufacturing the same.
  • the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
  • the present invention provides a fuel cell stack unit that can be easily replaced.
  • the easily replaceable fuel cell stack unit has a metal frame having internal edges defining a first empty space therein, and a second bin communicating with the first empty space.
  • a fuel cell unit cell (unit cell) disposed on the other side of the metal frame so that a space is provided inside and a first sealing gasket disposed on one side of the metal frame and at least a portion overlap with an inner edge of the metal frame ),
  • a second sealing gasket disposed on the other side of the metal frame, a first gas separation plate disposed on one side of the first sealing gasket, and a second sealing gasket to surround the outer circumferential surface of the fuel cell unit cell.
  • a second gas separation plate disposed on the other side, a first current collector disposed in the first and second empty spaces, and a second current collector disposed between the fuel cell unit cell and the second gas separation plate To It can hamhal.
  • the distance between one side and the other side of the fuel cell unit cell may be longer than the distance between one inner edge and the other inner edge of the metal frame.
  • a region where the fuel cell unit cell and the metal frame overlap may include a glass frit provided.
  • the first sealing gasket, the metal frame, the single cell for the fuel cell, and the second sealing gasket may be replaced by one unit.
  • At least one of the first and second current collectors may include a metal foam.
  • At least one of the first and second current collectors may include a nickel foam.
  • the thickness of the fuel cell unit cell may include a different thickness from the thickness of the second sealing gasket.
  • the first sealing gasket and the second sealing gasket may have a sheet structure.
  • the second current collector may be provided in a compressed form between the fuel cell unit cell and the second gas separation plate.
  • the easily replaceable fuel cell stack unit is a unit plate for a fuel cell disposed between a first gas separation plate and a second gas separation plate, wherein the unit plate is internal A metal frame having internal edges defining an empty space, a first and second sealing gasket disposed on one side and the other side of the metal frame with the metal frame interposed therebetween, and the A fuel cell unit cell disposed on the other side of the metal frame may be included so that at least a portion overlaps with an inner edge of the metal frame.
  • the present invention provides a method of manufacturing a fuel cell stack unit that is easy to replace.
  • the method of manufacturing a fuel cell stack unit that is easy to replace includes: preparing a metal frame, having internal edges defining a first empty space therein, and the interior It may include the step of bonding a single cell for a fuel cell to the metal frame, so that the edge and at least a portion overlap.
  • the method of manufacturing the fuel cell stack unit which is easy to replace, arranges a first sealing gasket in which a second empty space communicating with the first empty space is provided on one side of the metal frame.
  • the method may further include disposing a second sealing gasket on the other side of the metal frame so as to surround the outer circumferential surface of the fuel cell unit cell.
  • the step of preparing the metal frame, the step of bonding the unit cell for the fuel cell, the step of disposing the first sealed gasket, and the step of disposing the second sealed gasket are unit processes.
  • the method of manufacturing the fuel cell stack unit which is easy to replace, includes a first current collector in a space formed by one side of the single cell for the fuel cell, the first empty space, and the second empty space. Providing, providing a first gas separator on one side of the first current collector, providing a second current collector on the other side of the fuel cell single cell, and the second current collector It may further include the step of providing a second gas separation plate on the other side of the.
  • the second current collector having a first thickness may be compressed to further include a step of deforming the second current thinner than the first thickness.
  • the easily replaceable fuel cell stack unit is provided with a metal frame having inner edges defining a first empty space therein, and a second empty space communicating with the first empty space therein , A first sealing gasket disposed on one side of the metal frame, the inner edge of the metal frame so as to overlap at least a portion, the fuel cell unit cell disposed on the other side of the metal frame, the outer peripheral surface of the fuel cell unit cell To surround, a second sealing gasket disposed on the other side of the metal frame, a first gas separation plate disposed on one side of the first sealing gasket, and a second gas separation plate disposed on the other side of the second sealing gasket , A first current collector disposed in the first and second empty spaces, and a second current collector disposed between the fuel cell unit cell and the second gas separation plate. Accordingly, a fuel cell stack unit with improved sealing efficiency compared to a conventional fuel cell stack unit can be provided.
  • the first sealing gasket, the metal frame, and the single cell for the fuel cell, and the second sealing gasket may be replaced with one unit plate. Accordingly, a fuel cell stack unit with improved replacement efficiency can be provided.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a fuel cell stack unit that can be easily replaced according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a T-T 'cross-sectional view of a fuel cell stack unit that can be easily replaced according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view of each configuration included in the fuel cell stack unit is easy to replace according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view for comparing the sizes of a single cell, a metal frame, and a second sealing gasket included in a fuel cell stack unit that can be easily replaced according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a manufacturing process of a second current collector included in a fuel cell stack unit that can be easily replaced according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a unit plate of the fuel cell stack unit is easy to replace according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a conventional fuel cell stack unit structure.
  • FIG. 8 is a view showing a single cell and a metal frame included in a conventional fuel cell stack unit.
  • 9 and 10 are flowcharts illustrating a method of manufacturing a fuel cell stack unit that is easy to replace according to an embodiment of the present invention.
  • a component when referred to as being on another component, it means that it may be formed directly on another component, or a third component may be interposed between them.
  • a third component may be interposed between them.
  • the thickness of the films and regions are exaggerated for effective description of the technical content.
  • first, second, and third are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component. Therefore, what is referred to as the first component in one embodiment may be referred to as the second component in another embodiment.
  • first component in one embodiment
  • second component in another embodiment
  • Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment. Also, in this specification, 'and / or' is used to mean including at least one of the components listed before and after.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of an easily replaceable fuel cell stack unit according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a T-T 'cross-sectional view of an easily replaceable fuel cell stack unit according to an embodiment of the present invention
  • 3 is a plan view of each configuration included in the easy-to-replace fuel cell stack unit according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a single cell included in the easy-to-replace fuel cell stack unit according to an embodiment of the present invention, This diagram compares the sizes of the metal frame and the second sealing gasket.
  • the fuel cell stack unit that can be easily replaced according to an embodiment of the present invention includes a metal frame 100, a single cell 200 for a fuel cell, a first sealing gasket 310, and a second It may include a sealing gasket 320, a first gas separation plate 410, a second gas separation plate 420, a first current collector 510, and a second current collector 520. Each configuration will be described below.
  • the metal frame 100 may have internal edges 100e defining a first empty space 100s therein. That is, the metal frame 100 includes the first empty space 100s therein, and the first empty space 100s may be defined by inner edges 100e of the metal frame 100. have.
  • the first sealing gasket 310 may be disposed on one side of the metal frame 100.
  • one side of the metal frame 100 may be an upper portion of the metal frame 100.
  • the first sealing gasket 310 may be provided with a second empty space 310s therein.
  • the second empty space 310s may communicate with the first empty space 100s.
  • the first empty space 100s and the second empty space 310s may be communicated in a direction in which the first sealing gasket 310 and the metal frame 100 are stacked.
  • a fuel cell unit cell 200 may be disposed on the other side of the metal frame 100.
  • the other side of the metal frame 100 may be a lower portion of the metal frame 200.
  • the fuel cell unit cell 200 may overlap at least a portion of the inner edge 100e of the metal frame 100.
  • the outer peripheral surface of the fuel cell unit cell 200 may overlap with the inner edge 100e of the metal frame 100. That is, the metal frame 100 and the fuel cell unit cell 200 are stacked with each other so that the inner edge 100e of the metal frame 100 and the outer peripheral surface of the fuel cell unit cell 200 overlap.
  • the outer circumferential surface of the fuel cell unit cell 200 may be coated with a sealing member 210. That is, the fuel cell unit cell 200 may be surrounded by the sealing member 210. In this case, the outer peripheral surface of the fuel cell unit cell 200 and the sealing member 210 may overlap the inner edge 100e of the metal frame 100.
  • the single cell 200 for a fuel cell may include an anode (not shown), an electrolyte (not shown), and an anode (not shown).
  • the cathode (not shown) is disposed on one side of the single cell 200 for the fuel cell
  • the anode (not shown) is the single cell for the fuel cell 200 ) On the other side.
  • one side of the fuel cell single cell 200 may be an upper portion and the other side may be a lower portion.
  • the second sealing gasket 320 as well as the fuel cell unit 200 may be disposed.
  • the second sealing gasket 320 may be arranged to surround the outer circumferential surface of the unit cell 200 for the fuel cell.
  • the second sealing gasket 320 may be provided with a third empty space 320s therein.
  • the fuel cell unit cell 200 may be accommodated in the third empty space 320s. That is, on the other side of the metal frame 100, the fuel cell unit cell 200 may be disposed in a state accommodated in the second sealing gasket 320.
  • both the first sealing gasket 310 and the second sealing gasket 320 may include a ceramic material. Accordingly, both the first sealing gasket 310 and the second sealing gasket 320 may have a sheet structure.
  • the distance (d 1 ) between one side and the other side of the unit cell, the distance (d 2 ) between one inner edge and the other inner edge of the metal frame 100, and one inner edge of the second sealing gasket 320 may be different.
  • the distance (d 1 ) between one side and the other side of the unit cell 200 may be longer than the distance (d 2 ) between one inner edge and the other inner edge of the metal frame 100.
  • the distance (d 3 ) between one inner edge and the other inner edge of the second sealing gasket 320 may be longer than a distance (d 1 ) between one side and the other side of the unit cell 200.
  • the area of the unit cell 200 may be larger than the area of the first empty space 100s and may be smaller than the area of the third empty space 320s. Accordingly, the unit cell 200 may be joined to the metal frame 100 in a state accommodated in the third empty space 320s of the second sealing gasket 320.
  • both the single cell 200 and the second sealing gasket 320 are disposed on the other side of the metal frame 100, and the single cell 200 has an inner edge ( 100e) and at least a portion of the overlap, and the second sealing gasket 320 may be disposed to surround the outer circumferential surface of the unit cell 200.
  • a glass frit may be provided in regions A 1 and A 2 where the unit cell 200 and the metal frame 100 overlap. Accordingly, when the single cell 200 and the metal frame 100 have a stacked structure, gas leakage between the metal frame 100 and the single cell 200 may be prevented.
  • the first gas separation plate 410 and the second gas separation plate 420 may be disposed on one side of the first sealing gasket 310 and the other side of the second sealing gasket 320, respectively. . Specifically, the first gas separation plate 410 is disposed above the first sealing gasket 310, and the second gas separation plate 420 is disposed below the second sealing gasket 320. Can be. Accordingly, the easily replaceable fuel cell stack unit according to the embodiment, the first gas separation plate 410, the first sealing gasket 310, the metal frame 100, the fuel cell unit cell ( 200) and the second sealing gasket 320 and the second gas separation plate 420 may be sequentially stacked in a thickness direction.
  • FIG. 5 is a view showing a process of manufacturing a second current collector (a process of inserting the second current collector into the second gas separation plate) included in the fuel cell stack unit, which is easy to replace, according to an embodiment of the present invention.
  • the first current collector 510 may be disposed between the first empty space 100s and the second empty space 310s.
  • the second current collector 520 may be disposed between the fuel cell unit cell 200 and the second gas separation plate 420.
  • at least one of the first current collector 510 and the second current collector 520 may include a metal foam.
  • at least one of the first current collector 510 and the second current collector 520 may include nickel foam.
  • the first current collector 510 and the second current collector 520 are the The shock applied to the fuel cell unit cell 200 can be absorbed.
  • the second current collector 520 may be provided in a compressed form between the fuel cell unit cell 200 and the second gas separation plate 420. Specifically, after the second current collector 520 is disposed between the fuel cell unit cell 200 and the second gas separation plate 420, the fuel cell unit cell 200 and the second gas Pressure may be applied to the separator plate 420. Accordingly, the second current collector 520 having the first thickness t 3 is compressed by the single cell 200 for the fuel cell and the second gas separation plate 420, so that the first thickness It may be deformed to a second thickness (t 4 ) thinner than (t 3 ).
  • the second current collector 520 is provided in a compressed form between the fuel cell unit cell 200 and the second gas separation plate 420, and the second current collector 520 ), the thickness of the fuel cell, the unit cell 200 as comprising a metal foam (t 1) and the second thickness of the sealing gasket (320) (t 2) the other, the unit cells (200 a fuel cell even if the ), The occurrence of gas leakage between the second sealing gasket 320 and the second gas separation plate 420 may be reduced.
  • the metal frame 100, and the second gas distribution plate ( 420) may be sealed by being pressed by the pressure applied by the unit cell 200 of the second current collector 520.
  • the second current collector 520 when the second current collector 520 is not provided in a compressed form or includes a material other than a metal foam, the fuel cell unit cell 200 and the second sealed gasket 320 ), And in order to seal between the second gas separation plate 420, there may be a problem in that the fuel cell unit cell 200 and the second sealing gasket 320 having the same thickness must be prepared.
  • a ceramic material may be used in the case of the fuel cell unit cell 200 and the second sealing gasket 320 used in a high-temperature environment.
  • Such a ceramic material has a plate-like structure as described above, and in the case of a plate-like structure, there is a problem that it is difficult to manufacture a certain thickness due to characteristics of a manufacturing process. Accordingly, when the same thickness is required for the fuel cell unit cell 200 and the second sealed gasket 320, process difficulties for manufacturing the fuel cell stack unit may occur.
  • the thickness of the single cell 200 for the fuel cell and the second sealed gasket 320 may be prepared differently. Despite being able to do this, there is an advantage in that the process for manufacturing the fuel cell stack unit is simplified.
  • FIG. 6 is a view showing a unit plate of the fuel cell stack unit is easy to replace according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell stack unit is easy to replace according to the embodiment
  • the sealing gasket 320 may be composed of one unit plate (unit plate, UT). Accordingly, when a defect occurs in the fuel cell stack unit according to the embodiment, after separating the unit plates (UT), the first and second gas separation plates (410, 420), the unit plate (UT) As a simple method of replacing the bay, a defect occurring in the fuel cell stack unit can be solved.
  • the easily replaceable fuel cell stack unit includes the metal frame 100 having internal edges 100e defining the first empty space 100s therein,
  • the first sealing gasket 310 and the metal frame (which are provided inside the second empty space 310s communicating with the first empty space 100s and disposed on one side of the metal frame 100) In order to overlap at least a portion of the inner edge (100e) of 100), to surround the outer peripheral surface of the fuel cell unit cell 200, the fuel cell unit cell 200 disposed on the other side of the metal frame 100, The second sealing gasket 320 disposed on the other side of the metal frame 100, the first gas separation plate 410 disposed on one side of the first sealing gasket 310, and the second sealing gasket ( 320), the second gas separation plate 420 disposed on the other side, the first current collector 510 disposed in the first and second empty spaces 100s, 310s, and the fuel cell unit cell A second current collector 520 disposed between the 200 and the second gas separation plate 420 may be included.
  • the easily replaceable fuel cell stack unit includes the first sealing gasket 310, the metal frame 100, and the fuel cell unit cell 200, and the second sealing gasket 320. It can be replaced with a single unit plate (UT). Accordingly, a fuel cell stack unit with improved replacement efficiency can be provided.
  • the fuel cell stack unit which is easy to replace according to the above embodiment, may have improved sealing efficiency compared to a conventional fuel cell stack unit.
  • FIGS. 7 and 8 showing a conventional fuel cell stack unit will be described in comparison with FIG. 2.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a structure of a conventional fuel cell stack unit
  • FIG. 8 is a view showing a single cell and a metal frame included in a conventional fuel cell stack unit.
  • the conventional fuel cell stack unit is the first and second gas separation plates 410 and 420, and the first, similar to the fuel cell stack unit that is easily replaceable according to the above embodiment. And second sealed gaskets 310 and 320, a single cell 200 for the fuel cell, the metal frame 100, and the first and second current collectors 510 and 520.
  • the arrangement of the respective components included in the conventional fuel cell stack unit may be different from the fuel cell stack unit which is easy to replace according to the above embodiment.
  • the fuel cell unit cell 200 may be accommodated in the first empty space 100s of the metal frame 100. Thereafter, the first sealing gasket 310 is disposed on one side of the metal frame 100 in which the unit cell 200 is accommodated, and the second sealing gasket 320 is formed on the other side of the metal frame 100. It can be placed.
  • the first gas separation plate 410 may be disposed on one side of the first sealing gasket 310
  • the second gas separation plate 420 may be disposed on the other side of the second sealing gasket 320. have.
  • the first current collector 510 is accommodated in a second empty space 310s included in the first sealing gasket 310
  • the second current collector 520 is the second sealing gasket 320. It may be accommodated in the third empty space (320s) it contains.
  • the inner edge and at least a portion of the other side of the fuel cell unit cell 200 may be arranged to overlap.
  • the fuel cell unit cell 200 has at least a portion of the inner edge 100e of the metal frame 100.
  • the sealing efficiency can be improved compared to a conventional fuel cell stack unit. That is, in the case of the metal frame 100, the thickness may be constant compared to the first and second sealing gaskets 310 and 320 made of a ceramic material. Accordingly, the metal frame 100 having a constant thickness and the fuel cell single cell 200 are closely bonded, so that formation of an empty space between the metal frame 100 and the fuel cell single cell 200 can be suppressed. Can be. As a result, the sealing efficiency of the fuel cell stack unit, which can be easily replaced according to the embodiment, can be improved.
  • the thickness t 1 of the single cell 200 for the fuel cell and the thickness t 5 of the metal frame 100 must be prepared to be the same.
  • the metal frame 100 since it is made of a ceramic material, it is difficult to manufacture the metal frame 100 to have the same thickness (t 5 ) or to have a uniform thickness. There is this.
  • the fuel cell unit cell 200 is inside the second sealed gasket 320. Is accommodated in the third empty space 320s of the fuel cell because the thickness t 1 of the unit cell 200 for the fuel cell and the thickness t 5 of the second sealing gasket 320 may be different from each other. There is an advantage that the manufacturing process of the stack unit is simplified.
  • the sealing structure may be maintained.
  • the fuel cell single cell 200 is disposed so as to overlap at least a portion with the inner edge 100e of the metal frame 100.
  • the problem of sealing efficiency deterioration that occurs when the thickness of the ceramic material of the conventional fuel cell stack unit (for example, the first and second sealing gaskets and the fuel cell single cell) is not constant, and the fuel cell stage
  • the crack generation problem and the sealing efficiency deterioration problem of the unit cell 200 which are caused by different thermal expansion coefficients of the battery 200 and the metal frame 100, may be solved.
  • FIGS. 9 and 10 are flowcharts illustrating a method of manufacturing a fuel cell stack unit that is easy to replace according to an embodiment of the present invention.
  • a metal frame, a single cell for a fuel cell, first and second sealing gaskets, first and second gas separation plates, and first And the second current collector may be the same as each configuration of the easily replaceable fuel cell stack unit according to the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 6.
  • the metal frame 100 may be prepared (S110).
  • the metal frame 100 may have internal edges 100e defining a first empty space 100s therein.
  • the metal frame 100 may be joined to a single cell 200 for a fuel cell (S120). Specifically, the metal frame 100 and the fuel cell unit cell 200 are joined such that the inner edge 100e of the metal frame 100 and at least a portion of the unit cell 200 for fuel cell overlap. Can be.
  • a glass frit is formed in a region where the metal frame 100 and the fuel cell unit cell 200 overlap. frit) can be provided. That is, after the glass frit is provided between the metal frame 100 and the fuel cell unit 200, the metal frame 100 and the fuel cell unit cell 200 may be joined. After the metal frame 100 and the fuel cell unit 200 are joined, the metal frame 100 and the fuel cell unit cell 200 may be heat treated. In this case, the bonding force between the metal frame 100 and the fuel cell single cell 200 may be improved by the glass frit.
  • a first sealing gasket 310 may be disposed on one side of the metal frame 100 (S130).
  • the first sealing gasket 310 may be provided with a second empty space 310s therein.
  • the first sealing gasket 310 may be disposed such that the second empty space 310s communicates with the first empty space 100s of the metal frame 100.
  • a second sealing gasket 320 may be disposed on the other side of the metal frame 200 (S140).
  • the other side of the metal frame 200 may be a side on which the single cell for the fuel cell is disposed. Accordingly, the fuel cell unit cell 200 and the second sealing gasket 320 may be disposed on the other side of the metal frame 200.
  • the second sealing gasket 320 may be provided with a third empty space 320s therein.
  • the fuel cell unit cell 200 may be accommodated in the third empty space 320s. Accordingly, the second sealing gasket 320 may surround the outer circumferential surface of the unit cell 200 for the fuel cell.
  • the step of preparing the metal frame 100 (S110), bonding the unit cell 200 for the fuel cell (S120), and disposing the first sealing gasket 310 (S130) ), And the step (S140) of disposing the second sealing gasket 320 may achieve a unit process (S100).
  • the metal frame 100, the fuel cell unit 200, the first sealing gasket 310, and the second sealing gasket 320 are stacked unit plates (UT) Can be prepared.
  • a first current collector in a space formed by one side of the fuel cell unit cell 200, the first empty space 100s, and the second empty space 310s. 510 may be provided (S200).
  • a first gas separation plate 410 may be provided on one side of the first current collector 510 (S300).
  • a second current collector 520 may be provided on the other side of the fuel cell unit cell 200 (S400).
  • a second gas separation plate 420 may be provided on the other side of the second current collector 520 (S500).
  • the second current collector 520 having the first thickness may be compressed to be converted into a second thickness thinner than the first thickness (S600).
  • the second current collector 520 may be compressed through a method of compressing the first gas separation plate 410 and the second gas separation plate 420. Accordingly, a fuel cell stack unit that can be easily replaced according to the above embodiment can be manufactured.

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Abstract

교체가 용이한 연료전지 스택유닛이 제공된다. 상기 교체가 용이한 연료전지 스택유닛은 내부에 제1 빈 공간을 정의하는 내부 엣지(edge)들을 가지는, 금속 프레임(frame), 상기 제1 빈 공간과 연통되는 제2 빈 공간이 내부에 제공되고, 상기 금속 프레임의 일 측에 배치되는 제1 밀봉 가스켓, 상기 금속 프레임의 내부 엣지와 적어도 일부가 중첩되도록, 상기 금속 프레임의 타 측에 배치된 연료전지용 단전지(unit cell), 상기 연료전지용 단전지의 외주면을 둘러싸도록, 상기 금속 프레임의 타 측에 배치되는 제2 밀봉 가스켓, 상기 제1 밀봉 가스켓의 일 측에 배치되는 제1 가스 분리판, 상기 제2 밀봉 가스켓의 타 측에 배치되는 제2 가스 분리판, 상기 제1 및 제2 빈 공간에 배치되는 제1 전류 집전체, 및 상기 연료전지용 단전지와 상기 제2 가스 분리판 사이에 배치되는 제2 전류 집전체를 포함할 수 있다.

Description

교체가 용이한 연료전지 스택유닛 및 그 제조방법
본 발명은 교체가 용이한 연료전지 스택유닛 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 금속 프레임의 내부 엣지와 단전지의 적어도 일부가 중첩되도록 배치되는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛 및 그 제조방법에 관련된 것이다.
고체산화물 연료전지의 스택은 수소(혹은 탄화수소연료)와 산소의 화학적반응을 이용하여 바로 전기로 전환할 수 있는 시스템이다. 연료전지의 반응은 공기극으로부터 산소이온의 전해질을 통해 연료극으로 전달되어 전해질과 연료극의 계면에 존재하는 촉매 반응점에서 연료와 반응하며 전자를 내어놓아 외부로 이동시키게 하여 전기를 발생하게 된다.
산소이온의 공기극으로부터 연료극으로 전달하게 하는 힘은 공기극과 연료극의 산소농도의 차이에 의해 결정된다. 따라서 산소와 수소(혹은 연료)가 스택 내에서 가스의 누설등에 의해 섞이게 되면, 연료극으로 사용되는 재료의 성분 중 Ni이 산화가 일어나게 되어 단전지의 불량이 발생하게 된다. 또한 연료극과 공기극의 산소분압의 차이는 산소이온이 전해질을 통해 공기극에서 연료극으로 흐르게 하는 원동력이나, 가스의 누설에 의해 서로 섞이게 되면 이 산소분압 차이가 낮아지게 되며 이에 의한 단전지 특성이 떨어지게 된다. 이에 따라, 고온에서 작동하는 고체산화물 연료전지의 산소공급이 이루어지는 유도로와 수소(혹은 연료)가 흐르도록 고안된 유도로로부터 반대의 극으로 흐르지 않게 유지하기 위해 가스분리판과 단전지, 그리고 스택유닛들과의 사이에 가스의 누설을 방지하게 위한 밀봉재를 사용한다.
고온용의 고체산화물 연료전지의 밀봉재는 고온에서 사용가능한 유리밀봉재와 MICA혹은 질석(Vermiculite)을 사용하여 만든 가스켓형태의 밀봉재를 사용한다. 이러한 밀봉가스켓은 MICA 혹은 질석의 판상구조의 특성상 많은 가압이 이루어지지 않으면 그 내부 혹은 밀봉가스켓과 가스분리판 혹은 단전지와의 접촉되는 계면에서의 가스의 누설이 존재하게 된다. 이러한 밀봉용가스켓의 특성 때문에 고온에서 작동하는 고체산화물 연료전지는 더욱 치밀한 밀봉의 특성을 보여주는 유리밀봉재를 주로 사용하고 있다. 그러나, 유리밀봉재에 의한 밀봉법은 유리의 연화에 의해 부피의 수축이 되는 특성에 의해 연료전지 스택을 형성하는 열처리 및 음극의 환원공정후의 검사방법에 제한성을 가지고 있다. 반면 가스켓에 의한 밀봉법은 스택형성 공정을 다양화할 수 있으며, 또한 열처리 및 환원 후의 검사공정을 도입할 수 있는 장점을 가지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 누설 가스로 인한 연료전지의 불량 문제를 감소시키는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 신뢰성이 향상된 교체가 용이한 연료전지 스택유닛 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 교체가 용이한 연료전지 스택유닛 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 교체가 용이한 연료전지 스택유닛을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 교체가 용이한 연료전지 스택유닛은 내부에 제1 빈 공간을 정의하는 내부 엣지(edge)들을 가지는, 금속 프레임(frame), 상기 제1 빈 공간과 연통되는 제2 빈 공간이 내부에 제공되고, 상기 금속 프레임의 일 측에 배치되는 제1 밀봉 가스켓, 상기 금속 프레임의 내부 엣지와 적어도 일부가 중첩되도록, 상기 금속 프레임의 타 측에 배치된 연료전지용 단전지(unit cell), 상기 연료전지용 단전지의 외주면을 둘러싸도록, 상기 금속 프레임의 타 측에 배치되는 제2 밀봉 가스켓, 상기 제1 밀봉 가스켓의 일 측에 배치되는 제1 가스 분리판, 상기 제2 밀봉 가스켓의 타 측에 배치되는 제2 가스 분리판, 상기 제1 및 제2 빈 공간에 배치되는 제1 전류 집전체, 및 상기 연료전지용 단전지와 상기 제2 가스 분리판 사이에 배치되는 제2 전류 집전체를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지용 단전지의 일 변과 타 변 사이의 거리는, 상기 금속 프레임 일 내부 엣지와 타 내부 엣지 사이의 거리보다 길 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지용 단전지 및 상기 금속 프레임이 중첩되는 영역에는 글래스 프릿(glass frit)이 제공된 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 밀봉 가스켓, 상기 금속 프레임, 상기 연료전지용 단전지, 및 상기 제2 밀봉 가스켓은 하나의 유닛(unit)으로 교체될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전류 집전체중 적어도 하나는 금속 폼(foam)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전류 집전체 중 적어도 하나는 니켈 폼(foam)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지용 단전지의 두께는, 상기 제2 밀봉 가스켓의 두께와 서로 다른 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 밀봉 가스켓, 및 상기 제2 밀봉 가스켓은 판상 구조(sheet structure)를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전류 집전체는 상기 연료전지용 단전지와 상기 제2 가스 분리판 사이에서 압착된 형태로 제공될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 교체가 용이한 연료전지 스택유닛은, 제1 가스 분리판, 및 제2 가스 분리판 사이에 배치되는 연료전지용 유닛 플레이트(unit plate)에 있어서, 상기 유닛 플레이트는, 내부에 빈 공간을 정의하는 내부 엣지(edge)들을 가지는, 금속 프레임(frame), 상기 금속 프레임을 사이에 두고, 상기 금속 프레임의 일 측 및 타 측에 배치되는 제1 및 제2 밀봉 가스켓, 및 상기 금속 프레임의 내부 엣지와 적어도 일부가 중첩되도록, 상기 금속 프레임 타 측에 배치되는 연료전지용 단전지를 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법은, 내부에 제1 빈 공간을 정의하는 내부 엣지(edge)들을 가지는, 금속 프레임(frame)을 준비하는 단계, 및 상기 내부 엣지와 적어도 일부가 중첩되도록, 상기 금속 프레임에 연료전지용 단전지를 접합시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법은, 상기 금속 프레임의 일 측에 상기 제1 빈 공간과 연통되는 제2 빈 공간이 내부에 제공되는 제1 밀봉 가스켓을 배치하는 단계, 및 상기 연료전지용 단전지의 외주면을 둘러싸도록, 상기 금속 프레임의 타 측에 제2 밀봉 가스켓을 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 프레임을 준비하는 단계, 상기 연료전지용 단전지를 접합시키는 단계, 상기 제1 밀봉 가스켓을 배치하는 단계, 및 상기 제2 밀봉 가스켓을 배치하는 단계는 유닛 공정(unit process)을 이룰 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법은 상기 연료전지용 단전지의 일 측, 상기 제1 빈 공간, 및 상기 제2 빈 공간이 이루는 공간에 제1 전류 집전체를 제공하는 단계, 상기 제1 전류 집전체의 일 측에 제1 가스 분리판을 제공하는 단계, 상기 연료전지용 단전지의 타 측에 제2 전류 집전체를 제공하는 단계, 및 상기 제2 전류 집전체의 타 측에 제2 가스 분리판을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 두께를 갖는 상기 제2 전류 집전체를 압착하여, 제1 두께보다 얇은 제2 두께로 변형시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛은, 내부에 제1 빈 공간을 정의하는 내부 엣지들을 가지는 금속 프레임, 상기 제1 빈 공간과 연통되는 제2 빈 공간이 내부에 제공되고, 상기 금속 프레임의 일 측에 배치되는 제1 밀봉 가스켓, 상기 금속 프레임의 내부 엣지와 적어도 일부가 중첩되도록, 상기 금속 프레임의 타 측에 배치된 연료전지용 단전지, 상기 연료전지용 단전지의 외주면을 둘러싸도록, 상기 금속 프레임의 타 측에 배치되는 제2 밀봉 가스켓, 상기 제1 밀봉 가스켓의 일 측에 배치되는 제1 가스 분리판, 상기 제2 밀봉 가스켓의 타 측에 배치되는 제2 가스 분리판, 상기 제1 및 제2 빈 공간에 배치되는 제1 전류 집전체, 및 상기 연료전지용 단전지와 상기 제2 가스 분리판 사이에 배치되는 제2 전류 집전체를 포함할 수 있다. 이에 따라, 종래의 연료전지 스택유닛과 비교하여 밀봉 효율이 향상된 연료전지 스택유닛이 제공될 수 있다.
또한, 상기 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛은 상기 제1 밀봉 가스켓, 상기 금속 프레임, 및 상기 연료전지용 단전지, 및 상기 제2 밀봉 가스켓이 하나의 유닛 플레이트로 교체될 수 있다. 이에 따라, 교체 효율이 향상된 연료전지 스택유닛이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 T-T' 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛이 포함하는 각 구성의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛이 포함하는 단전지, 금속 프레임, 및 제2 밀봉 가스켓의 크기를 비교하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛이 포함하는 제2 전류 집전체의 제조공정을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 유닛 플레이트를 나타내는 도면이다.
도 7은 종래의 연료전지 스택유닛 구조를 나타내는 단면도이다.
도 8은 종래의 연료전지 스택유닛이 포함하는 단전지 및 금속 프레임을 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 T-T’단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛이 포함하는 각 구성의 평면도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛이 포함하는 단전지, 금속 프레임, 및 제2 밀봉 가스켓의 크기를 비교하는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛은, 금속 프레임(100), 연료전지용 단전지(200), 제1 밀봉 가스켓(310), 제2 밀봉 가스켓(320), 제1 가스 분리판(410), 제2 가스 분리판(420), 제1 전류 집전체(510), 및 제2 전류 집전체(520)를 포함할 수 있다. 이하, 각 구성에 대해 설명된다.
상기 금속 프레임(frame, 100)은 내부에 제1 빈 공간(100s)을 정의하는 내부 엣지(edge, 100e)들을 가질 수 있다. 즉, 상기 금속 프레임(100)은 내부에 상기 제1 빈 공간(100s)을 포함하고, 상기 제1 빈 공간(100s)은 상기 금속 프레임(100)의 내부 엣지(100e)들에 의하여 정의될 수 있다.
상기 금속 프레임(100)의 일 측에는 상기 제1 밀봉 가스켓(sealing gasket, 310)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 프레임(100)의 일 측은 상기 금속 프레임(100)의 상부일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 밀봉 가스켓(310)은 내부에 제2 빈 공간(310s)이 제공될 수 있다. 상기 제2 빈 공간(310s)은 상기 제1 빈 공간(100s)과 연통될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 빈 공간(100s) 및 제2 빈 공간(310s)은 상기 제1 밀봉 가스켓(310) 및 상기 금속 프레임(100)이 적층된 방향으로 연통될 수 있다.
상기 금속 프레임(100)의 타 측에는 연료전지용 단전지(unit cell, 200)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 프레임(100)의 타 측은 상기 금속 프레임(200)의 하부일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지용 단전지(200)는 상기 금속 프레임(100)의 내부 엣지(100e)와 적어도 일부가 중첩될 수 있다. 구체적으로, 상기 연료전지용 단전지(200)의 외주면이 상기 금속 프레임(100)의 내부 엣지(100e)와 중첩될 수 있다. 즉, 상기 금속 프레임(100) 및 상기 연료전지용 단전지(200)는, 상기 금속 프레임(100)의 내부 엣지(100e)와 상기 연료전지용 단전지(200)의 외주면이 중첩되도록, 서로 적층된 구조를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지용 단전지(200)의 외주면은 밀봉 부재(210)로 코팅될 수 있다. 즉, 상기 연료전지용 단전지(200)는 상기 밀봉 부재(210)에 의하여 둘러싸일 수 있다. 이 경우, 상기 연료전지용 단전지(200)의 외주면 및 상기 밀봉 부재(210)가, 상기 금속 프레임(100)의 내부 엣지(100e)와 중첩될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지용 단전지(200)는 연료극(미도시), 전해질(미도시), 및 공기극(미도시)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질(미도시)을 사이에 두고, 상기 공기극(미도시)은 상기 연료전지용 단전지(200)의 일 측에 배치되고, 상기 연료극(미도시)은 상기 연료전지용 단전지(200)의 타 측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 연료전지용 단전지(200)의 일 측은 상부이고, 타 측은 하부일 수 있다.
상기 금속 프레임(100)의 타 측에는, 상기 연료전지용 단전지(200)뿐만 아니라, 상기 제2 밀봉 가스켓(320)이 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 밀봉 가스켓(320)은 상기 연료전지용 단전지(200)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 밀봉 가스켓(320)은 내부에 제3 빈 공간(320s)이 제공될 수 있다. 상기 제3 빈 공간(320s)에는 상기 연료전지용 단전지(200)가 수용될 수 있다. 즉, 상기 금속 프레임(100)의 타 측에는, 상기 연료전지용 단전지(200)가 상기 제2 밀봉 가스켓(320)에 수용된 상태로 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 밀봉 가스켓(310) 및 제2 밀봉 가스켓(320)은 모두 세라믹 소재를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 밀봉 가스켓(310) 및 제2 밀봉 가스켓(320)은 모두 판상 구조(sheet structure)를 가질 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 연료전지용 단전지(200)가 상기 제2 밀봉 가스켓(320)에 수용된 상태로, 상기 금속 프레임(100)의 내부 엣지(100e)와 적어도 일부가 중첩된 구조를 갖기 위하여, 상기 단전지의 일 변과 타 변 사이의 거리(d1),상기 금속 프레임(100) 일 내부 엣지와 타 내부 엣지 사이의 거리(d2),및 상기 제2 밀봉 가스켓(320) 일 내부 엣지와 타 내부 엣지 사이의 거리(d3)가 서로 다를 수 있다.
구체적으로, 상기 단전지(200)의 일 변과 타 변 사이의 거리(d1)은, 상기 금속 프레임(100) 일 내부 엣지와 타 내부 엣지 사이의 거리(d2)보다 길 수 있다. 또한, 상기 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 일 내부 엣지와 타 내부 엣지 사이의 거리(d3)는, 상기 단전지(200)의 일 변과 타 변 사이의 거리(d1)보다 길 수 있다. 즉, 상기 단전지(200)의 면적은, 상기 제1 빈 공간(100s)의 면적보다 넓고, 상기 제3 빈 공간(320s)의 면적보다는 좁을 수 있다. 이에 따라, 상기 단전지(200)는 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 상기 제3 빈 공간(320s) 내에 수용된 상태로, 상기 금속 프레임(100)과 접합될 수 있다. 결과적으로, 상기 단전지(200) 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)이 모두 상기 금속 프레임(100)의 타 측에 배치되되, 상기 단전지(200)는 상기 금속 프레임(100)의 내부 엣지(100e)와 적어도 일부가 중첩되고, 상기 제2 밀봉 가스켓(320)은 상기 단전지(200)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 단전지(200) 및 상기 금속 프레임(100)이 중첩되는 영역(A1,A2)에는 글래스 프릿(glass frit)이 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 단전지(200) 및 상기 금속 프레임(100)이 서로 적층된 구조를 갖는 경우, 상기 금속 프레임(100) 및 상기 단전지(200) 사이로 가스가 누설되는 현상이 방지될 수 있다.
상기 제1 가스 분리판(410) 및 상기 제2 가스 분리판(420)은 각각, 상기 제1 밀봉 가스켓(310)의 일 측 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 타 측에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 가스 분리판(410)은 상기 제1 밀봉 가스켓(310)의 상부에 배치되고, 상기 제2 가스 분리판(420)은 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 하부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛은, 상기 제1 가스 분리판(410), 상기 제1 밀봉 가스켓(310), 상기 금속 프레임(100), 상기 연료전지용 단전지(200) 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320), 및 상기 제2 가스 분리판(420)이 두께 방향으로 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛이 포함하는 제2 전류 집전체의 제조공정(제2 전류 집전체를 제2 가스 분리판에 삽입하는 공정)을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 상기 제1 전류 집전체(510)는 상기 제1 빈 공간(100s) 및 상기 제2 빈 공간(310s) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제2 전류 집전체(520)는 상기 연료전지용 단전지(200)와 상기 제2 가스 분리판(420) 사이에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전류 집전체(510) 및 제2 전류 집전체(520) 중 적어도 하나는 금속 폼(foam)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전류 집전체(510) 및 상기 제2 전류 집전체(520) 중 적어도 하나는 니켈 폼(foam)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전류 집전체(510) 및 상기 제2 전류 집전체(520) 중 적어도 하나가 금속 폼을 포함함에 따라, 상기 제1 전류 집전체(510) 및 제2 전류 집전체(520)는 상기 연료전지용 단전지(200)에 가해지는 충격을 흡수할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전류 집전체(520)는 상기 연료전지용 단전지(200)와 상기 제2 가스 분리판(420) 사이에서 압착된 형태로 제공될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 전류 집전체(520)는 상기 연료전지용 단전지(200) 및 상기 제2 가스 분리판(420) 사이에 배치된 이후, 상기 연료전지용 단전지(200) 및 상기 제2 가스 분리판(420)에 압력이 가해질 수 있다. 이에 따라, 제1 두께(t3)를 갖던 상기 제2 전류 집전체(520)는, 상기 연료전지용 단전지(200) 및 상기 제2 가스 분리판(420)에 의하여 압착되어, 상기 제1 두께(t3)보다 얇은 제2 두께(t4)로 변형될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 제2 전류 집전체(520)가 상기 연료전지용 단전지(200) 및 상기 제2 가스 분리판(420) 사이에서 압착된 형태로 제공되고, 상기 제2 전류 집전체(520)가 금속 폼을 포함함에 따라, 상기 연료전지용 단전지(200)의 두께(t1)및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 두께(t2)가 다른 경우에도, 상기 연료전지용 단전지(200), 상기 제2 밀봉 가스켓(320), 및 상기 제2 가스 분리판(420) 사이에서 가스가 누설되는 현상의 발생이 감소될 수 있다.
즉, 상기 연료전지용 단전지(200)의 두께(t1)및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 두께(t2)가 다른 경우에도, 상기 금속 프레임(100), 상기 제2 가스 분리판(420)은 상기 제2 전류 집전체(520)의 상기 단전지(200)에 의해 가해지는 압력에 의해 눌려지게 되어 밀봉될 수 있다.
이와 달리, 상기 제2 전류 집전체(520)가 압착된 형태로 제공되지 않거나, 금속 폼이 아닌 다른 형태의 물질을 포함하는 경우, 상기 연료전지용 단전지(200), 상기 제2 밀봉 가스켓(320), 및 상기 제2 가스 분리판(420) 사이를 밀봉하기 위하여, 동일한 두께를 갖는 상기 연료전지용 단전지(200) 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)을 준비해야되는 문제점이 있을 수 있다. 고온의 환경에서 사용되는 상기 연료전지용 단전지(200) 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 경우, 세라믹 소재로 구성될 수 있다. 이러한 세라믹 소재는, 상술된 바와 같이 판상 구조를 갖게 되고, 판상 구조의 경우, 제조공정의 특성에 의해 일정한 두께로 제조하기기 어려운 문제점이 있다. 이에 따라, 상기 연료전지용 단전지(200) 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)에 동일한 두께가 요구되는 경우, 연료전지 스택유닛이 제조되기 위한 공정상의 어려움이 발생될 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 다른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 경우, 상술된 바와 같이, 상기 연료전지용 단전지(200), 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 두께가 서로 다르게 준비될 수 있음에도 불구하고, 연료전지 스택유닛이 제조되기 위한 공정이 간편해지는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 유닛 플레이트를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛은, 상기 제1 밀봉 가스켓(310), 상기 금속 프레임(100), 상기 연료전지용 단전지(200), 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)은 하나의 유닛 플레이트(unit plate, UT)로 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛에 결함이 발생된 경우, 상기 유닛 플레이트(UT), 제1 및 제2 가스 분리판(410, 420)을 분리시킨 후, 상기 유닛 플레이트(UT)만을 교체하는 간단한 방법으로, 상기 연료전지 스택유닛에 발생한 결함을 해결할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛은, 내부에 상기 제1 빈 공간(100s)을 정의하는 내부 엣지(100e)들을 가지는 상기 금속 프레임(100),
상기 제1 빈 공간(100s)과 연통되는 상기 제2 빈 공간(310s)이 내부에 제공되고, 상기 금속 프레임(100)의 일 측에 배치되는 상기 제1 밀봉 가스켓(310), 상기 금속 프레임(100)의 내부 엣지(100e)와 적어도 일부가 중첩되도록, 상기 금속 프레임(100)의 타 측에 배치된 상기 연료전지용 단전지(200), 상기 연료전지용 단전지(200)의 외주면을 둘러싸도록, 상기 금속 프레임(100)의 타 측에 배치되는 상기 제2 밀봉 가스켓(320), 상기 제1 밀봉 가스켓(310)의 일 측에 배치되는 제1 가스 분리판(410), 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 타 측에 배치되는 상기 제2 가스 분리판(420), 상기 제1 및 제2 빈 공간(100s, 310s)에 배치되는 상기 제1 전류 집전체(510), 및 상기 연료전지용 단전지(200)와 상기 제2 가스 분리판(420) 사이에 배치되는 제2 전류 집전체(520)를 포함할 수 있다. 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛은, 상기 제1 밀봉 가스켓(310), 상기 금속 프레임(100), 및 상기 연료전지용 단전지(200), 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)이 하나의 유닛 플레이트(UT)로 교체될 수 있다. 이에 따라, 교체 효율이 향상된 연료전지 스택유닛이 제공될 수 있다.
또한, 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛은, 종래의 연료전지 스택유닛과 비교하여, 밀봉 효율이 향상될 수 있다. 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 밀봉 효율 향상 효과를 구체적으로 설명하기 위하여, 종래의 연료전지 스택유닛을 나타내는 도 7 및 도 8이 도 2와 비교되어 설명된다.
도 7은 종래의 연료전지 스택유닛 구조를 나타내는 단면도이고, 도 8은 종래의 연료전지 스택유닛이 포함하는 단전지 및 금속 프레임을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 종래의 연료전지 스택유닛은 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛과 같이, 상기 제1 및 제2 가스 분리판(410, 420), 상기 제1 및 제2 밀봉 가스켓(310, 320), 상기 연료전지용 단전지(200), 상기 금속 프레임(100), 및 상기 제1 및 제2 전류 집전체(510, 520)를 포함할 수 있다. 다만, 종래의 연료전지 스택유닛이 포함하는 각 구성들의 배치는, 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛과 다를 수 있다.
구체적으로, 종래의 연료전지 스택유닛의 경우, 상기 연료전지용 단전지(200)가 상기 금속 프레임(100)의 제1 빈 공간(100s)에 수용될 수 있다. 이후, 상기 단전지(200)가 수용된 상기 금속 프레임(100)의 일 측에 상기 제1 밀봉 가스켓(310)이 배치되고, 상기 금속 프레임(100)의 타 측에 상기 제2 밀봉 가스켓(320)이 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 밀봉 가스켓(310)의 일 측에는 상기 제1 가스 분리판(410)이 배치되고, 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 타 측에는 상기 제2 가스 분리판(420)이 배치될 수 있다. 상기 제1 전류 집전체(510)는 상기 제1 밀봉 가스켓(310)이 포함하는 제2 빈 공간(310s)에 수용되고, 상기 제2 전류 집전체(520)는 상기 제2 밀봉 가스켓(320)이 포함하는 제3 빈 공간(320s)에 수용될 수 있다.
즉, 종래의 연료전지 스택유닛의 경우, 상기 제1 밀봉 가스켓(310)의 내부 엣지와 상기 연료전지용 단전지(200)의 일 측 중 적어도 일부가 중첩되고, 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 내부 엣지와 상기 연료전지용 단전지(200)의 타 측 중 적어도 일부가 중첩되도록 배치될 수 있다.
상술된 구조를 갖는 종래의 연료전지 스택유닛은, 상기 제1 밀봉 가스켓(310) 및 상기 연료전지용 단전지(200)가 중접되는 영역(B1,B2)과 상기 제2 밀봉 가스켓(320) 및 상기 연료전지용 단전지(200)가 중첩되는 영역(B3,B4)에 공간이 형성되는 문제가 발생할 수 있다. 즉, 종래의 연료전지 스택유닛 역시, 상기 제1 밀봉 가스켓(310), 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)이 세라믹 소재로 구성됨에 따라, 두께를 일정하게 형성하기 어려운 문제점이 있다. 이에 따라, 상기 제1 밀봉 가스켓(310) 및 상기 연료전지용 단전지(200)가 중접되는 영역(B1,B2)과 상기 제2 밀봉 가스켓(320) 및 상기 연료전지용 단전지(200)가 중첩되는 영역(B3,B4)사이에 공간이 발생하여 가스가 새어나가는 문제가 발생될 수 있다.
이와 달리, 도 2를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 경우, 상기 연료전지용 단전지(200)가 상기 금속 프레임(100)의 내부 엣지(100e)와 적어도 일부가 중첩되도록 배치됨에 따라, 종래의 연료전지 스택유닛과 비교하여 밀봉 효율이 향상될 수 있다. 즉, 상기 금속 프레임(100)의 경우, 세라믹 소재로 이루어진 상기 제1 및 제2 밀봉 가스켓(310, 320)과 비교하여 두께가 일정할 수 있다. 이에 따라, 두께가 일정한 상기 금속 프레임(100)과 상기 연료전지용 단전지(200)는 밀접하게 접합되어, 상기 금속 프레임(100)과 상기 연료전지용 단전지(200) 사이의 빈 공간 형성이 억제될 수 있다. 결과적으로, 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 밀봉 효율이 향상될 수 있다.
또한, 종래의 연료전지 스택유닛의 경우, 밀봉 효율을 향상시키기 위하여 상기 연료전지용 단전지(200)의 두께(t1)와 상기 금속 프레임(100)의 두께(t5)를 동일하게 준비되야 한다. 하지만, 상기 연료전지용 단전지(200)의 경우, 세라믹 소재로 이루어짐에 따라, 상기 금속 프레임(100)의 두께(t5)와 동일한 두께를 갖도록 제조하거나, 균일한 두께를 갖도록 제조하는 것이 어려운 문제점이 있다.
이와 달리, 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 경우, 도 2 및 도 5를 참조하여 설명된 바와 같이, 상기 연료전지용 단전지(200)가 상기 제2 밀봉 가스켓(320) 내부의 상기 제3 빈 공간(320s)에 수용되지만, 상기 연료전지용 단전지(200)의 두께(t1)와 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 두께(t5)가 서로 달라도 되기 때문에, 연료전지 스택유닛의 제조공정이 간편해지는 장점이 있다.
또한, 종래의 연료전지 스택유닛이 고온에서 동작되는 경우, 상기 연료전지용 단전지(200)와 상기 금속 프레임(100)의 열팽창률 차이로 인하여, 상기 금속 프레임(100), 상기 연료전지용 단전지(200), 상기 제1 밀봉 가스켓(310), 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320) 사이에 빈 공간이 형성되어 밀봉이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다.
하지만, 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 경우, 상기 연료전지용 단전지(200)가 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 상기 제3 빈 공간(320s)에 수용됨에 따라, 상기 연료전지용 단전지(200)와 상기 금속 프레임(100), 상기 제2 밀봉 가스켓(320)의 열팽창률 차이가 발생하는 경우에도, 밀봉이 유지되는 구조를 가질 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛은, 상기 연료전지용 단전지(200)가 상기 금속 프레임(100)의 내부 엣지(100e)와 적어도 일부가 중첩되도록 배치됨에 따라, 종래의 연료전지 스택유닛이 갖는 세라믹 소재 구성들(예를 들어, 제1 및 제2 밀봉 가스켓, 연료전지용 단전지)의 두께가 일정하지 않음에 따라 발생하는 밀봉 효율 저하 문제, 및 상기 연료전지용 단전지(200)와 상기 금속 프레임(100)의 열팽창률이 다름에 따라 발생하는 상기 단전지(200)의 크랙(crack)발생 문제와 밀봉 효율 저하 문제가 해결될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법이 설명된다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법을 설명하는 순서도이다. 이하, 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법을 설명함에 있어, 금속 프레임, 연료전지용 단전지, 제1 및 제2 밀봉 가스켓, 제1 및 제2 가스 분리판, 제1 및 제2 전류 집전체는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 각 구성과 같을 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 금속 프레임(100)이 준비될 수 있다(S110). 상기 금속 프레임(100)은 내부에 제1 빈 공간(100s)을 정의하는 내부 엣지(100e)들을 가질 수 있다. 상기 금속 프레임(100)은, 연료전지용 단전지(200)와 접합될 수 있다(S120). 구체적으로, 상기 금속 프레임(100)의 상기 내부 엣지(100e)와 상기 연료전지용 단전지(200)의 적어도 일부가 중첩되도록, 상기 금속 프레임(100) 및 상기 연료전지용 단전지(200)가 접합될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 프레임(100) 및 상기 연료전지용 단전지(200)가 접합되기 전, 상기 금속 프레임(100) 및 상기 연료전지용 단전지(200)가 중첩되는 영역에 글래스 프릿(glass frit)이 제공될 수 있다. 즉, 상기 금속 프레임(100) 및 상기 연료전지용 단전지(200) 사이에 글래스 프릿이 제공된 이후, 상기 금속 프레임(100)과 상기 연료전지용 단전지(200)가 접합될 수 있다. 상기 금속 프레임(100) 및 상기 연료전지용 단전지(200)가 접합된 이후, 상기 금속 프레임(100) 및 상기 연료전지용 단전지(200)는 열처리될 수 있다. 이 경우, 상기 글래스 프릿에 의하여 상기 금속 프레임(100) 및 상기 연료전지용 단전지(200) 사이의 접합력이 향상될 수 있다.
계속해서, 상기 금속 프레임(100)의 일 측에는 제1 밀봉 가스켓(310)이 배치될 수 있다(S130). 상기 제1 밀봉 가스켓(310)은 내부에 제2 빈 공간(310s)이 제공될 수 있다. 상기 제1 밀봉 가스켓(310)은 상기 제2 빈 공간(310s)이 상기 금속 프레임(100)의 상기 제1 빈 공간(100s)과 연통되도록 배치될 수 있다.
상기 금속 프레임(200)의 타 측에는 제2 밀봉 가스켓(320)이 배치될 수 있다(S140). 예를 들어, 상기 금속 프레임(200)의 타 측은 상기 연료전지용 단전지가 배치된 측일 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 프레임(200)의 타 측에는 상기 연료전지용 단전지(200) 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)이 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 밀봉 가스켓(320)은 내부에 제3 빈 공간(320s)이 제공될 수 있다. 상기 제2 밀봉 가스켓(320)이 상기 금속 프레임(100)의 타 측에 배치되는 경우, 상기 제3 빈 공간(320s) 내에 상기 연료전지용 단전지(200)가 수용되도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 밀봉 가스켓(320)은 상기 연료전지용 단전지(200)의 외주면을 둘러쌀 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 프레임(100)을 준비하는 단계(S110), 상기 연료전지용 단전지(200)를 접합시키는 단계(S120), 상기 제1 밀봉 가스켓(310)을 배치하는 단계(S130), 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)을 배치하는 단계(S140)는 유닛 공정(unit process, S100)를 이룰 수 있다. 상기 유닛 공정(S100)을 통하여 상기 금속 프레임(100), 상기 연료전지용 단전지(200), 상기 제1 밀봉 가스켓(310), 및 상기 제2 밀봉 가스켓(320)이 적층된 유닛 플레이트(UT)가 준비될 수 있다.
상기 유닛 공정(S100)이 수행된 이후, 상기 연료전지용 단전지(200)의 일 측, 상기 제1 빈 공간(100s), 및 상기 제2 빈 공간(310s)이 이루는 공간에 제1 전류 집전체(510)가 제공될 수 있다(S200). 또한, 상기 제1 전류 집전체(510)의 일 측에는 제1 가스 분리판(410)이 제공될 수 있다(S300). 반면, 상기 연료전지용 단전지(200)의 타 측에는 제2 전류 집전체(520)가 제공될 수 있다(S400). 또한, 상기 제2 전류 집전체(520)의 타 측에는 제2 가스 분리판(420)이 제공될 수 있다(S500). 이후, 제1 두께를 갖는 상기 제2 전류 집전체(520)를 압착하여, 제1 두께보다 얇은 제2 두께로 변환시킬 수 있다(S600). 구체적으로, 상기 제1 가스 분리판(410) 및 상기 제2 가스 분리판(420)을 압착시키는 방법을 통하여, 상기 제2 전류 집전체(520)를 압착시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 교체가 용이한 연료전지 스택유닛이 제조될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 내부에 제1 빈 공간을 정의하는 내부 엣지(edge)들을 가지는, 금속 프레임(frame);
    상기 제1 빈 공간과 연통되는 제2 빈 공간이 내부에 제공되고, 상기 금속 프레임의 일 측에 배치되는 제1 밀봉 가스켓;
    상기 금속 프레임의 내부 엣지와 적어도 일부가 중첩되도록, 상기 금속 프레임의 타 측에 배치된 연료전지용 단전지(unit cell);
    상기 연료전지용 단전지의 외주면을 둘러싸도록, 상기 금속 프레임의 타 측에 배치되는 제2 밀봉 가스켓;
    상기 제1 밀봉 가스켓의 일 측에 배치되는 제1 가스 분리판;
    상기 제2 밀봉 가스켓의 타 측에 배치되는 제2 가스 분리판;
    상기 제1 및 제2 빈 공간에 배치되는 제1 전류 집전체; 및
    상기 연료전지용 단전지와 상기 제2 가스 분리판 사이에 배치되는 제2 전류 집전체를 포함하는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 연료전지용 단전지의 일 변과 타 변 사이의 거리는, 상기 금속 프레임 일 내부 엣지와 타 내부 엣지 사이의 거리보다 긴, 교체가 용이한 연료전지 스택유닛.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 연료전지용 단전지 및 상기 금속 프레임이 중첩되는 영역에는 글래스 프릿(glass frit)이 제공된 것을 포함하는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 밀봉 가스켓, 상기 금속 프레임, 상기 연료전지용 단전지, 및 상기 제2 밀봉 가스켓은 하나의 유닛(unit)으로 교체되는, 교체가 용이한 연료전지 스택유닛.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전류 집전체중 적어도 하나는 금속 폼(foam)을 포함하는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전류 집전체 중 적어도 하나는 니켈 폼(foam)을 포함하는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 연료전지용 단전지의 두께는, 상기 제2 밀봉 가스켓의 두께와 서로 다른 것을 포함하는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 밀봉 가스켓, 및 상기 제2 밀봉 가스켓은 판상 구조(sheet structure)를 갖는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전류 집전체는 상기 연료전지용 단전지와 상기 제2 가스 분리판 사이에서 압착된 형태로 제공되는, 교체가 용이한 연료전지 스택유닛.
  10. 제1 가스 분리판, 및 제2 가스 분리판 사이에 배치되는 연료전지용 유닛 플레이트(unit plate)에 있어서, 상기 유닛 플레이트는,
    내부에 빈 공간을 정의하는 내부 엣지(edge)들을 가지는, 금속 프레임(frame);
    상기 금속 프레임을 사이에 두고, 상기 금속 프레임의 일 측 및 타 측에 배치되는 제1 및 제2 밀봉 가스켓; 및
    상기 금속 프레임의 내부 엣지와 적어도 일부가 중첩되도록, 상기 금속 프레임 타 측에 배치되는 연료전지용 단전지를 포함하는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛.
  11. 내부에 제1 빈 공간을 정의하는 내부 엣지(edge)들을 가지는, 금속 프레임(frame)을 준비하는 단계; 및
    상기 내부 엣지와 적어도 일부가 중첩되도록, 상기 금속 프레임에 연료전지용 단전지를 접합시키는 단계;를 포함하는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 금속 프레임의 일 측에 상기 제1 빈 공간과 연통되는 제2 빈 공간이 내부에 제공되는 제1 밀봉 가스켓을 배치하는 단계; 및
    상기 연료전지용 단전지의 외주면을 둘러싸도록, 상기 금속 프레임의 타 측에 제2 밀봉 가스켓을 배치하는 단계를 더 포함하는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 금속 프레임을 준비하는 단계, 상기 연료전지용 단전지를 접합시키는 단계, 상기 제1 밀봉 가스켓을 배치하는 단계, 및 상기 제2 밀봉 가스켓을 배치하는 단계는 유닛 공정(unit process)을 이루는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 연료전지용 단전지의 일 측, 상기 제1 빈 공간, 및 상기 제2 빈 공간이 이루는 공간에 제1 전류 집전체를 제공하는 단계;
    상기 제1 전류 집전체의 일 측에 제1 가스 분리판을 제공하는 단계;
    상기 연료전지용 단전지의 타 측에 제2 전류 집전체를 제공하는 단계; 및
    상기 제2 전류 집전체의 타 측에 제2 가스 분리판을 제공하는 단계를 더 포함하는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    제1 두께를 갖는 상기 제2 전류 집전체를 압착하여, 제1 두께보다 얇은 제2 두께로 변형시키는 단계를 더 포함하는 교체가 용이한 연료전지 스택유닛의 제조방법.
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