KR20090130383A - 접속자 장치와 연료 셀 스택의 접촉 장치를 제조하는 방법 - Google Patents

접속자 장치와 연료 셀 스택의 접촉 장치를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 셀 스택(34)의 접속자 장치(10)에 관한 것이며, 상세하게는 적어도 연료 셀 스택(34)의 멤브레인 전극 어셈블리와 함께 전류를 발생하기 위한 접속자 장치(10)이다. 접속자 장치(10)는 적어도 접속자 장치의 하우징 파트 (22, 26)와 멤브레인 전극 어셈블리(52)사이에서 전류를 전도할 수 있는 연결을 초래하는 니켈 폼을 포함한다.
나아가 본 발명은 연료 셀 스택(34)용 접촉 장치를 제조하기 위한 방법과 관련된다
연료 셀 스택, 접속자, 멤브레인 전극 어셈블리, 하우징 파트, 니켈 폼

Description

접속자 장치와 연료 셀 스택의 접촉 장치를 제조하는 방법{Interconnector arrangement and method for manufacturing a contact arrangement for a fuel cell stack}
본 발명은 연료 셀 스택의 접속자(interconnector) 장치(arrangement)에 관련되며, 적어도 연료 셀 스택의 멤브레인 전극 어셈블리와 함께 전류의 전도를 발생시킬 수 있는 접속자 장치에 관한 것이다.
한걸음 더 나아가 발명은 연료 셀 스택의 접촉 장치를 제조하기 위한 방법과 관련된다.
전통적으로 다수의 개별적 연료 셀 또는 멤브레인 전극 어셈블리들은 개별적 으로 연료 셀을 단독으로 적용하는 것보다는 더 큰 전류의 수행 능력을 목적으로 잘 알려진 연료 셀 스택 또는 연료 셀 박스를 총괄하여 독자적으로 파악할 수 있다.
여기에서 연료 셀 스택에 인접한 연료 셀 들은 제각기 연결되는 접속자 장치를 경유하여 전류뿐만 아니라 기계적으로도 서로 쌍으로 연결된다.
이 방법에 있어서, 서로서로 꼭대기에 더미(stack)를 이룬 개별적 연료 셀 들의 연결을 통하여 접속자 장치를 경유하여 함께 연료 셀 스택을 형성하고, 전류 적으로 병렬로 연결된 연료 셀 들이 발생한다.
전통적인 방법에 의하면 종래기술의 현황에 속하는 접속자 장치에는 가스분배기의 구조가 형성되어져 있고 연료 가스를 경유하여 각각의 멤브레인 전극 어셈블리에 전달된다.
이 가스분배기의 구조는 예를 들면 일부 접속자 장치의 한 하우징 파트를 경유하여 형성되어 질 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 접속자 장치의 하우징 파트는 보통 운하처럼 생긴 깊은 곳 또는 아치형으로 불룩나온 곳 (bulge)을 공급하며, 이것은 가스 통로가 하나의 벽 통로의 단면을 형성한다.
이런 경우 다른 벽 단면은 연료 셀 스택에 위치한 접속자 장치에 시트가 깔려진 상태에서는 예를 들면 일부 멤브레인 전극 어셈블리에 의하여, 특히 인접한 멤브레인 전극 아셈블리의 캐소드 또는 애노드를 경유하여 형성되어서, 두 개의 벽 통로 단면에 형성된 가스통로가 하우징 파트의 상반부와 하반부에 발생 된다.
연료 셀 스택에 존재하는 이러한 형태로 된 가스분배기의 구조들을 자주 매니폴드라 불리어 진다.
이러한 매니폴드는 모든 멤브레인 전극 어셈블리를 위한 연료가스가 적합한 전극공간들에 분배될 수 있도록 작용하는 기능이 있다.
보통 연료 셀 스택은 대부분 철을 재료로 하여 제조된다.
이 철분재료는 고온에서 유동하거나 또는 아주 조금씩 움직임(creepage)으로 인한 변형으로 표현할 수 있는 저조한 기계적 안정성을 보여준다.
이러한 현상이 얇은 철판을 특징으로 하는 구조물을 통하여 빈 공간이 형성된다면, 마치 이것이 이미 언급한 가스통로와 함께 가스분배기의 구조들이 그러한 경우처럼 특히 이런 경우라고 할 수 있다.
그러한 접속자 배열의 하우징 파트와 멤브레인 전극 어셈블리 사이에서 제공되는 변형을 방지하기 위하여 자주 스페이스 또는 간격유지기를 빈 공간에 끼워 넣고 이러한 대책으로 인하여 연료 셀 스택의 안전도에 기여된다.
이미 알려진 연료 셀 스택 주위에서 테두리 부근으로 확장되는 접속자 장치의 실행은 예를 들면 테두리에서 제공되며, 특히 적어도 일부가 직접 접속자 장치의 하나 또는 두 개의 하우징 파트의 금속 판에서 확보되는 매니폴드의 영역에 환형 조형물을 경유하여 제공된다.
장력하의 연료 셀 스택의 힘의 유동은 대체로 이런 부분 예를 들면 테두리 부근의 환형 조형물을 경유하여 전달된다.
이러한 형태의 힘의 유동 전달 또는 힘의 전달은 대부분은 테두리 부근의 테두리에서 소수의 부분은 연료 셀 스택의 매니폴드의 중심부에서 발생되고, 이러한 전달은 여러가지 심각한 단점을 불러 일으킨다.
힘의 유동은 실링 재료를 경유하여 예를 들면 연료셀에 개별적으로 접속자 배열사이의 공간에 분배되며 대부분은 글라스세라믹으로 형성되어져 있는 실링 재료를 경유하여 진행된다.
글라스 세라믹은 특히 연료 셀 스택의 작동시 발생하는 고온에서 조금씩 움직이거나 유동하는 경향이 있다.
이렇게 움직이는 행위로 인하여 실링이 요구하는 장력과 같이 연료 셀 스택의 장력이 시간에 따라 심하게 감소된다.
간격 유지기의 사용은 실로 개별적인 접속자 장치의 안정성에는 기여하였지만, 총체적인 연료 셀 스택의 안정성은 조금씩 움직이는 실(seal)의 행위로 인하여 계속 심하게 감소 되었다.
실링이 움직이는 것(creepage)을 가능한 최대로 감소시키기 위하여 종래의 기술의 현황에 따라 기계적으로 안전한 케라믹체 또는 금속과 글라스로 구성된 복합실링이 더욱이 제안되었다.
더 나아가서 온도 850℃이상에서 마치 재료들이 SOFC-연료셀스택의 작용과 연관되게 발생 된 것처럼 유지되어 있으나, 탄성을 가진 구성부품으로 적용은 거의 불가능하였다.
그러므로 연료 셀 스택의 테두리 구역에 실링이 존재하며 실링은 지속적으로 내부에 있는 연료 셀 스택의 전류접촉(활성표면)이 접속자 장치를 통하여 항상 테두리에 존재하는 실링과 각축전이 발생한다.
멤브레인 전극 어셈블리의 캐소드와 접속자 장치의 하우징 파트, 특히 금속 판 파트, 사이에서 접착 본드를 형성하는 것이 어렵기 때문에, 활성 표면에서 작용하는 힘이 유동하는 활동에 의존한다. 연료 셀인 경우 대량의 재료들을 사용하여 연료 셀 스택의 테두리구역과 매니폴드 구역을 지지하고 예를 들면, 스페이스 또는 간격유지기와 같은 것을 적용하여, 유지한다면 연료 셀 스택의 활성부위에서 재료가 조금씩 움직이는 것은 개별적 연료 셀 사이에서 전류접촉의 손실을 가져오며 그 것으로 말미암아 모든 조직의 붕괴를 가져올 수 있다.
본 발명의 과제는 종속에 따라서 접속자 배열과 연료셀스택의 개별적인 연료셀들의 접촉과 또한 고온의 작동온도에서도 안전하게 유지될 수 있는 형태로 계속 형성되는데 기본을 두고 있다.
이 과제는 독립항의 특징에서 해결된다. 더욱이 발명의 바람직한 특징은 종속항에서 주어진다.
본 발명에 따른 접속자 장치는 포괄적으로 접속자 장치가 하나의 니켈 폼(foam)을 포함하며, 니켈 폼은 적어도 접속자 장치의 하우징 파트와 멤브레인 전극 어셈블리 사이에서 전류가 전도되는 연결이 발생 되도록 해결시킨다.
니켈 폼은 바람직하게도 멤브레인 전극 어셈블리의 애노드와 접촉된다. 이러한 접촉으로 애노드로 대면한 접속자 장치 쪽으로 하나의 애노드의 니켈에 이상적으로 결합될 수 있는 유일한 니켈 표면이 발생 된다.
본 발명에 따른 접속자 장치(arrangement)는 바람직하게 연료셀 스택의 다른 소자에 사용되는 대량의 페릭(ferric) 크롬강철 또는 대량의 페릭 강철 량의 강철들이 니켈 폼에 임베드된(imbeded)다.
이 방법으로 안정된 니켈 품을 적용함으로써 힘의 유동이 연료 셀 스택의 활성 부위를 통하여 더욱 효과적으로 전달된다.
니켈 폼에 임베드 되는 재료로서 연료 셀 스택의 안정화와 관련될 수 있는 어떤 종류의 재료도 이러한 재료가 요구되는 열역학적, 기계적 그리고 화학적 특성을 충족할 수 만 있다면 어떤 재료도 고려될 수 있다. 그것에 의하여 이러한 형태 물질 또는 이러한 형태의 재료는 역시 지금까지 사용한 연료 셀 스택의 소자에, 특히 접속자 카세트에 적용하는 것이 바람직하다.
나아가서 접속자 장치는 페릭 크롬 강철 또는 페릭 강철이 적어도 와이어 (wire)형태 또는 놋쇠 철판 줄무뉘형태로 니켈 폼에 임베드(imbed) 되게끔 조성될 수 있다. 그 결과 멤브레인 전극 어셈블리 처럼 대량의 재료들을 통한 연료 셀 스택의 장력으로 말미암아 발생하는 힘의 유동에 의하여, 대단히 꽉 찬 니켈 폼에 의하여, 적어도 니켈 폼에 임베드된 와이어 또는 놋쇠 줄무뉘에 의하여, 접촉막대 등에 의하여 힘이 전달되는 것이 가능하다.
힘의 유동은 이런 방법으로 연료 셀 스택의 활성부위를 경유하여 상승된 강도로 전달된다.
니켈거품의 안정성은 바람직하게는 대량의 재료들, 페릭 크롬 강철선 또는 페릭 크롬 강철 놋쇠 줄무늬에 의하여, 니켈 폼에 포함된 강철 와이어는 한편 휘말린 상태로서, 유지된다.
한 걸음 더 나아가 발명에 의한 접속자 장치는 와이어는 휘감기고 평평하게 휘감긴 와이어 표면의 단면은 하우징 파트와 멤브레인 전극 어셈브리와 접촉되는 형태로 니켈 폼에 분포된 형태가 실현될 수 있다.
그러므로 와이어는 적어도 직접 힘의 유동하에 놓여있는 단면이 평평하게 감기어져 있기 때문에, 바람직하게 접속자 장치의 하우징 파트와 멤브레인 전극 어셈블리인 전극 어셈블리 사이에 라인 접촉이 제공되지 않는다. 그것으로 말미암아 예를 들면 두 개의 평면이, 서로서로 반대방향으로 놓여있는 접촉표면들 또는 접속자 장치의 하우징 파트와 멤브레인 전극 어셈블리를 위한 와이어 표면의 단면이 공급되고. 이것을 통하여 힘의 유동이 진행될 수 있다.
발명에 의한 반복 단위는 창조적인 접속자 배열과 함께 전류의 전도가 실행되는 접속자 장치와 멤브레인 전극 어셈블리를 보여준다.
발명에 의한 연료 셀 스택은 대다수 발명에 따른 반복단위들을 보여준다.
특히 발명에 따른 접속자 배열의 하우징 파트와 멤브레인 전극 어셈브리 사이에서 수용에 기여하는 안정된 니켈거품이 함유된 연료 셀 스택의 접촉 장치를 제조하기 위한 본 발명의 방법에 있어서, 먼저 니켈 거품 스트링이 생성되고, 한편으로는 연이어서 연료 셀 스택의 다른 소자에 적용되는 페릭 크롬 강철 또는 페릭 강철들이 적어도 하나의 와이어 또는 놋쇠 줄 무뉘 형태로 니켈 폼 속으로 휘말려 들어간다. 이것을 통하여 발명에 따른 접속자 장치와 관련하여 유사하거나 동일한 방법으로 언급한 유리한 점이 발생 되고, 무엇 때문에 반복을 피하기 위해서 발명에 따른 접속자 배열과 관련하여 서술된 장점에서 이유를 언급한다.
발명에 따른 방법은 안정된 니켈 폼 적어도 하나의 와이어 또는 놋쇠 줄 무뉘에서 스트링의 단면으로 분절되어 지는 형태의 유리한 방법으로 계속 제조 되어질 수 있다.
도 1은 연료 셀 스택의 개선된 접속자 장치에 대한 설명도.
도 2는 안정된 니켈거품을 생성하기 위한 개선된 방법을 실행하기에 적합한 생성루트의 설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
12 : 멤브레인 전극 어셈블리의 애노드
14 : 멤브레인 전극 어셈블리의 전해질
16 : 멤브레인 전극 어셈블리의 캐소드
18 : 와이어
20 : 글라스 케라믹 실(seal)
22 : 하우징 파트의 상부
24 : 용접 솔기(seam)
26 : 하우징 파트의 하부
28 : 니켈 폼
30 : 접촉막대
32 : 가스관
34 : 연료 셀 스택
36 : 와이어 가닥
38 : 니켈 폼 스트링
40 : 가이드 롤러
42 : 와이어 분쇄
44 : 니켈 거품 분쇄
46 : 절단 장치
48 : 안정된 니켈 폼 스트링 부분
50 : 휘어감은 와이어 스트링
52 : 멤브레인 전극 어셈블리
본 발명의 하나의 바람직한 실행 형태는 다음의 도형을 실례로 하여 설명된다.
도 1은 연료 셀 스택의 개선된 접속자 장치에 대한 설명도이고,
도 2는 안정된 니켈거품을 생성하기 위한 개선된 방법을 실행하기에 적합한 생성루트의 설명 도이다.
도 1은 발명에 의한 접속자 장치(10)의 묘사를 연료 셀 스택(34)에서 보여주고 있다. 다음의 설명을 간단 명확하게 하기 위하여 순전히 3개의 멤브레인 전극 어셈블리(52)와 2 개의 접속자 장치를 도시하였다. 어떤 경우에서도 연료 셀 스택(34)은 임의적으로 여러 멤브레인 전극 어셈블리(52)와 어셈블리와 결합된 접속자 장치(10)를 포함할 수 있다.
발명에 따른 접속자 장치(10)는 도식된 경우 적어도 각 각의 애노드(12), 전해질(14) 뿐만 아니라 캐소드(16)를 포함하는 두 개의 멤브레인 전극 어셈블리(52) 사이에 배치된다. 그것에 의하여 모든 멤브레인 전극 어셈블리(52)와 멤브레인 전극 어셈블리(52)의 애노드(12)가 접촉상태에 돌입한 접속자 장치(10)는 연료셀 스 택의 반복단위를 형성한다.
접속자 장치(10)는 상부 하우징 파트(22)와 하부 하우징 파트(26)를 포함하고 있다. 상부 하우징 파트(22)는 글라스 세라믹 실링(20)을 경유하여 접속자 장치의 상부에 있는 멤브레인 전극 단위체(52)의 전해질(14)과 쌍으로 결합 된다.
반면에 하부의 하우징 파트(26)는 여러 접촉 막대(30)을 경유하여 접속자 장치(10)의 하부에 있는 멤브레인 어셈블리(52)의 캐소드(16)와 쌍으로 연결된다. 그것에 의하여 여러 접촉 막대(30)은 임의적으로 존재한다.
하부 하우징 파트(26), 상부 하우징 파트(22) 그리고 애노드(12)는 사이공간을 형성하며, 그렇게 되면 그곳에서 니켈 폼에 존재하는 와이어(18)들과 니켈 폼(28)이 수용 된다.
와이어(18)들은 페릭 크롬 강철 와이어들이다. 그것에 의하여 모든 와이어(18)는 하부 하우징 파트(26)의 아치형으로 불룩한 곳(bulge)에서도 수용되며 항상 아치형으로 불룩나온 토대와 접촉이 된다.
한걸음 더 나아가 와이어(18)는 상부의 멤브레인 전극 어셈블리(52)의 애노드(12)와 접촉한다. 하부 하우징 파트(26)에 있는 적합한 수의 아치형으로 불룩한 곳은 임의적으로 여러 와이어(18)를 그 곳에 설정할 수 있다.
하부 하우징 파트(26)의 바닥면, 다시 말하자면 하부 하우징 파트(26)와 하부 멤브레인 전극 어셈블리(52) 사이에 하부 하우징 파트(26)에 조성된 아치형으로 불룩한 곳, 접촉막대(30), 그리고 하부 전극 단위체(56)의 도움으로 주어진 상황에서의 가스관(32)이 기초가 되어 조성된다.
바람직하게는 이러한 경우 산소가 풍부한 가스 또는 순수한 산소가 가스관(32)을 경유하여 전달되며, 다른 한편으로는 수소가 풍부한 가스 또는 순수한 수소가 니켈 폼(28)을 경유하여 전달된다. 모든 와이어(18)는 순수히 평면으로 감긴 와이어(18)의 표면 단면이 상부 멤브레인 전극 어셈블리(52)의 애노드(12)와 하부 하우징 파트(26), 특히 하부 하우징 파트(26)의 아치형으로 불룩한 곳의 기저 부분과, 접촉한다. 이런 경우 상부 하우징 파트(22)와 하부 하우징 파트(26)가 서로 용접 솔기(seam)(24)를 경유하여 서로 결합 된다.
도 2는 안정된 니켈 폼의 제조를 위하여 본 발명의 방법을 실행이 적합한 생산 루트의 도식을 보여주고 있다.
먼저 하나의 또는 여러 개의 와이어(36) 들이 서로 병행하여 생산 루터의 홈과 함께 보여주는 가이드 롤러(40)를 경유하여 인도되어 진다. 그것에 의하여 가이드 롤러(40)에 있는 홈의 도움으로 평행하게 연속적인 와이어 스트링의 간격이 결정된다.
가이드 롤러(40)를 통과 후 와이어 스트링 (36)들은 와이어 롤(42)을 이용하여 가이드 롤링이 진행되는 윗 쪽과 아래 쪽에 예속된다. 이것을 경유하면 적어도 윗 쪽과 아래쪽에서 평평하게 휘감긴 와이어 스트링(50)을 확보한다. 연이어 와이어 스트링(50)은 제조 루트에 있는 다음 가이드 롤러(40)를 경유하여 제조 루터에 있는 두 개의 니켈 폼 롤러(44) 사이에 도달한다. 이 구역에서 적어도 폭이 병행하게 서로 배치된 휘말린 와이어 스트링(50)의 숫자에 해당하는 것을 보여주는 니켈 폼 스트링(38)이 동시에 니켈 폼 롤러(44) 사이로 인도된다. 니켈 폼 롤러(44)가 통과된 후 와이어 스트링(50)들은 롤링을 경유하여 니켈 폼 롤러(44)를 통하여 안정된 니켈 거품이 제조되는 니켈 폼 스트링(38)에 임베드(imbed) 된다. 연이어 니켈 폼 스트링은 그곳에서 휘감기고 임베드된 와이어 스트링(50)들과 함께 절단장치(46)의 도움으로 절단과정의 지배를 받아, 개별적으로 접속자 장치(10)에 적용할 수 있는 또는 안전하게 조립된 니켈 폼 스트링 단면(48)이 생성된다.
상기 명세서에 나타낸 본 발명의 특징은, 도면에 뿐만 아니라, 청구항에 공개된 발명의 특성은 개별적으로 뿐만 아니라 또한 근본적으로 발명을 실행하기 위하여 임의적으로 조합할 수 있다.

Claims (8)

  1. 적어도 하나의 멤브레인 전극과 전기적 연결이 되는 연료 셀 스택용 접속 장치에 있어서, 상기 접촉 장치는 적어도 하나의 하우징 파트(22,26)와 전기적으로 도전 연결을 하도록 상기 멤브레인 전극 어셈블리(52) 사이에 배치된 니켈 폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택용 접속자 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    연료 셀 스택의 구성 소자로 이용되는 대규모 페릭 크롬 스틸(18) 또는 페릭 스틸은 적어도 하나의 와이어 또는 한 장의 메탈 스트링 형태로 니켈 폼 내에 임베드되는 것을 특징으로 하는 접속자 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 철 성분 크롬 스틸 또는 철 성분 스틸은 적어도 하나의 와이어 또는 한 장의 메탈 스트립 형태로 니켈 폼내에 임베드되는 것을 특징으로 하는 접속자 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 와이어는 니켈 폼 내에 감기거나 배열되고, 그 결과 평평하게 감긴 와이어 표면이 하우징 파트와 멤브레인 전극 어셈블리에 각각 접촉되는 것을 특징으 로 하는 접속자 장치.
  5. 제 1항 내지 4항에 따른 상기 접촉자 장치와 상기 접촉자 장치에 연결 점을 전기적으로 도전시키는 멤브레인 전극 어셈블리(52)를 포함한 재현 유닛.
  6. 제 5항에 따른 복수 개의 재현 유닛을 갖는 연료 셀 스택.
  7. 접속자 장치의 하우징과 멤브레인 전극 어셈블리 사이에서 특히 리셉션으로 제공되는 안정화 니켈 폼을 포함하는 연료 셀 스택용 접촉 장치를 제조하는 방법에 있어서, 니켈 폼 스트링을 제조하는 공정: 및 연료 셀 스택의 추가 구성요소 사용된 철 성분 크롬 스틸 또는 철분 스틸이 임베드된 니켈 폼 속으로 압연하는 공정을 포함하는 연료 셀 스택용 접속자 장치를 제조하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    적어도 하나의 와이어 또는 시트 메탈 스트립이 임베드된 안정화 니켈 폼이 스트링부내에 절단되는 것을 특징으로 하는 연료셀 스택용 접속자 장치를 제조하는 방법.
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