연료전지 조립체에 사용하며 개질 촉매의 피독을 막는 애노드 지지부재와 양극 분리판 document_id A220623108718

연료전지는 탄화수소 연료 내에 저장된 화학적 에너지를 전기화학식 반응을 이용하여 전기적 에너지로 직접 변환하는 디바이스 이다. 일반적으로, 연료전지는 전해질에 의해 분리된 애노드와 캐소드를 갖고, 상기 전해질은 전기적 전하 이온을 생성하는 역할을 한다. 용융 탄산염 연료전지는 반응 연료가스가 애노드를 통과하고, 산화가스가 캐소드를 통과하여 동작한다. 유용한 수준의 전력을 발전하기 위해서는 다수개의 개별 연료전지를 각 전지 사이에 전기적 전도 분리판과 일렬로 스택 시켜야 한다. 내부 개질 연료전지에서는, 증기 개질 촉매가 연료전지 스택 내에 포함되어서 메탄, 석탄가스, 등과 같은 탄화수소 연료를 비싸고 복잡한 개질 장비를 사용하지 않고 바로 사용하게 한다. 현재, 2개의 서로 다른 타입의 내부 개질 방식이 사용되어 왔다. 직접 내부 개질 방식은 각각의 연료전지의 활성 애노드 격실 내에 개질 촉매를 함유하여 이루어진다. 직접 내부 개질 연료전지 내의 개질 촉매는 일반적으로 애노드 전류 집전체에 배치되며, 상기 연료전지의 전기화학 반응에 의해 형성된 증기를 연료가스를 개질시키는데 이용하여, 매우 높은 개질 효과와 연료 이용도를 초래한다. 그러나, 직접 내부 개질 연료전지는 개질 촉매의 촉매 활성을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 특정하게는, 연료전지의 사용 수명 이상에서, 전지의 애노드 전극에 저장된 용융 탄산염 전해질은 접촉 애노드 전류 집전체를 젖게(wet)하여 전류 집전체에 저장된 개질 촉매를 노출시키어 결국에는 피독(poison) 시킨다. 개질 촉매가 상기 전해질에 의해 피독되면, 탄화수소 연료와의 개질 반응을 수행하여 애노드 반응을 하는데 충분한 수소 연료를 더 이상 발생할 수 없다. 따라서, 개질 촉매의 피독은 연료전지의 개질 및 전기적 효율을 감소시킨다. 애노드 전류 집전체의 전해질이 덜 젖게 하기 위해서, 종래 시스템은 전해질로부터 개질 촉매가 보호되도록 장벽(barrier)으로 작용할 수 있는 주름진 애노드 전류 집전체를 이용하였다. 또한, 애노드 지지부재와 같은, 애노드와 애노드 전류 집전체와의 사이에 비-젖음성 장벽(non-wettable barrier)을 사용하여 애노드 전류 집전체의 젖음과 개질 촉매 쪽으로 향하는 전해질의 표면누설(creepage)을 방지하였다. 예를 들어, 미국 특허 5,558,948호는 내부식성 금속재료로 제조된 천공 평판부재 형태의 지지부재를 기재하였다. 다른 종래 시스템은 확장 메시(expanded mesh), 와이어 메시(wire mesh) 또는 다공성 소결 분말 베드(porous sintered powder bed) 형태의 애노드 지지부재를 이용하였다(미국 특허 6,719,946호). 높은 공극률의 망상 폼 재료(high porosity reticulated foam material)로 이루어진 애노드 지지부재도 또한 미국 특허 6,379,883호에 기재되어 있다. 일반적으로 상기와 같은 애노드 지지부재를 형성하는데 사용된 비-젖음성 재료로는, 연료-절감 환경(fuel-reducing atmosphere)에 있어서 안정적인 니켈, 구리, 또는 그외 다른 재료가 있다. 부가적으로, 상기 전해질의 표면누설을 지연시키기 위해서, 종래 시스템에는 평판 형성 습식-밀봉(wet-seal) 영역의 평판 또는 부분에 보호 코팅부를 가진 양극 분리판이 이용되었다. 이러한 보호 코팅부는 일반적으로 Al 또는 Al/Fe로 형성되고(일본 특허출원 09-025822호) 그리고 고온 용사(thermal spraying)(일본 특허출원 09-025822호 및 07-295276호), 고속도 산소-연료 화염 용사(미국 특허, 5,698,337호), 알루미늄 페인팅, 이온 기화 증착(ion vapor deposition), 또는 용융 알루미늄 딥-코팅(일본 특허출원 07-230175호)으로 평판의 습식-밀봉 부위에 적용된다. 예를 들어, 미국 특허 6,372,374호는 알루미늄 보호 코팅을 하여 스테인리스강으로 구조된 습식-밀봉 포켓부재와 스테인리스강 중앙 시트를 사용한 양극 분리판(bipolar separator) 설계를 기재하였다. 상기 '374호의 특허에서, 습식-밀봉 포켓부재는 중앙 시트에 용접되고 그리고 알루미늄은 Al-함유 충진 와이어 형태의 용융 물질에 포함된다. 또한, 상기 분리판과 애노드 집전체는, 개질 촉매로의 전해질의 표면누설을 상당히 지연하게 전해질 도금(plating), 클래딩(cladding) 또는 진공 증착으로 니켈 또는 구리로 코팅할 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 6,698,337호는 Ni-클래드 스테인리스강을 함유한 양극 분리판을 기재하였다. 상기 방법들이 전해질의 표면누설의 비율을 느리게 하여 속도를 저하시키는데 성공적이기는 하지만, 많은 결함으로 인해 개선할 점이 많은 것이다. 주름진 집전체와 애노드 전극 사이에 장벽을 형성하는데 사용할 때, 종래 애노드 지지부재는 애노드 전극을 기계적으로 충분히 지지하는데 사용할 수가 없다. 이런 사실은 애노드 전극의 굴곡을 초래하여 상기 애노드 전극과 인접하여 있는 전해질 매트릭스와의 사이에 충분하지 않은 전기적 접촉을 일으킨다. 분리판의 습식-밀봉(wet-seal) 포켓 부재에 행해진 알루미늄 코팅은 연료전지가 동작하는 동안에 산화되고 그리고 상기 분리판의 습식-밀봉 포켓 부재의 표면이 전해질에 의해 젖을 수 있다. 이런 사실은 전해질이 상기 포켓부재의 외부면을 따라서 분리판의 연료 유입 및 유출 가장자리(fuel inlet and outlet edges)를 통해 애노드 집전체와 개질 촉매 쪽으로 표면누설하게 한다. 또한, 니켈 또는 구리를 사용하여 애노드 집전체 또는 분리판의 습식-밀봉 포켓 부재를 코팅하는 코팅 또는 도금 공정은 많은 비용이 들어서, 연료전지 시스템 제조가를 상당히 증가시킨다. 또한, 습식-밀봉 포켓부재 또는 집전체를 코팅하는데 사용된 종래 방식의 전해질 도금 처리로 인해서, 습식-밀봉 부재의 코팅 부위의 두께가 균일하지 않게 할 수 있다. 이러한 균일하지 않은 두께는 연료전지 부품 사이의 전기적 접촉을 충분하지 않게 함에 더하여 연료전지 시스템 내의 흐름 및 압력이 불량하게 배분되게 한다. 본 발명의 목적은 상기 종래예의 결함을 극복한 애노드 지지부, 애노드 집전체 및 분리판으로 이루어진 연료전지 조립체를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 애노드 용의 향상된 기계적 구성으로 이루어진 지지부를 제공하고 그리고 촉매 수명이 연장되게 개질 촉매에 대한 전해질 위킹 비율(electrolyte wicking rate)을 상당히 감소시킨 개량된 애노드 지지부재를 제공하는 것이다.