탄산염 연료전지용 습식 밀봉 코크 document_id A220623108735

연료전지는 화학 에너지를 전기화학적 반응에 의해 전기에너지의 형태로 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로 배터리처럼, 연료전지는 네거티브 전극 또는 아노드와, 포지티브 전극 또는 캐소드를 포함하며; 이러한 아노드와 캐소드는 이들 사이에 전기적으로 하전된 이온을 도전시키는 전해질에 의해 분리된다. 그러나, 배터리와는 달리, 연료전지는 아노드 및 캐소드에 연료 및 옥시던트가 공급되는한 전력을 계속 생성할 것이다. 유용한 전력량을 생산하기 위하여, 각각의 연료전지는 전형적으로 각각의 셀 사이에 도전성 분리기 판과 직렬로 적층된 상태로 배치된다. 연료전지 스택은 내측 매니폴드형 스택 또는 외측 매니폴드형 스택으로 분류된다. 내측 매니폴드형 스택에 있어서, 연료 및 옥시던트를 분배하기 위한 가스 통로는 연료전지 판 자체에 구축된다. 내측 매니폴드형 디자인은 외측 매니폴드형 밀봉부를 필요로 하지 않지만, 제조비용이 고가이다. 도1은 외측 매니폴드형 연료전지 스택의 확대도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 각각의 연료전지(7)는 그 단부에서 좌측으로 개방되며, 가스는 연료전지 스택(6)의 각각의 표면의 외주에 밀봉된 팬(1) 또는 매니폴드에 의해 분배된다. 상기 매니폴드는 연료 및 옥시던트 가스를 연료전지(7)에 분배하고 이러한 가스가 주변이나 기타 다른 매니폴드에 누설되는 것을 방지하기 위하여 밀봉된 통로를 제공한다(도1에는 도시않음). 상기 매니폴드는 연료전지 스택의 동작에 필요로 하는 상태하에서 또한 그 수명주기에 필요한 상태하에서 그 기능을 실행해야만 한다. 외측 매니폴드형 연료전지 스택의 성능은 대부분 매니폴드 엣지와 스택 표면 사이에 설정된 밀봉부에 의존한다. 외측 매니폴드를 갖는 매니폴드 밀봉부 조립체의 전형적인 디자인은 미국 특허 제4.467.018호에 개시되어 있다. 금속으로 구성된 매니폴드는 전형적으로 도전성이고 그 길이를 따라 전기적 전위구배를 갖는 스택 표면으로부터 전기적으로 절연되어야만 한다. 매니폴드를 스택으로부터 절연하고 매니폴드가 스택으로부터 쇼팅되는 것을 방지하기 위해, 도1에 도시된 유전체 프레임(4) 등과 같은 유전체 절연기가 금속 매니폴드와 연료전지 스택 사이에 사용된다. 유전체 절연기는 전형적으로 연료전지 스택 동작중 매니폴드 시스템에 인가되는 열적 응력 및 기계적 응력에 의해 쉽게 손상되며 단단한 알루미나 및 운모 등과 같은 취성 세라믹 물질 등으로 제조된다. 매니폴드와 스택 사이에 전기절연을 유지하면서 연료전지 스택의 작동중 매니폴드 시스템에 부여되는 응력에 견디기 위하여, 이들을 스택으로부터 절연하는데 사용되는 유전체 절연기 및 매니폴드에 대한 개선이 이루어졌다. 예를 들어, 미국 특허 제6.887.611호에 개시된 가요성 매니폴드 시스템에서, 매니폴드는 스택 형태 및 크기의 변화에 일치한다. 일반적인 유전체 절연기 조립체는 스택과 매니폴드 사이에서 차동 이동을 허용하는 조인트를 갖는 장방향 프레임으로서 설계된다. 이러한 구조는 다수의 세그먼트를 갖는 장방향 절연기 프레임을 설명하는 미국 특허 제4.414.294호에 개시되어 있으며, 상기 세그먼트는 연료전지 스택 및 매니폴드 벽과의 팽창 및 수축을 허용하는 미끄럼가능한 조인트에 의해 상호연결된다. 또 다른 유전체 디자인은 다수의 유전체 프레임 조립체를 갖는 매니폴드 밀봉부 조립체 및 매니폴드를 서술하고 있는 미국 특허 제6.531.237호에 개시되어 있으며, 이러한 미국 특허에는 다수의 유전체 프레임 조립체가 구비된 매니폴드 밀봉부 조립체 및 매니폴드가 개시되어 있다. 유전체 프레임의 표면에 대한 전해질 크리이프를 방지하거나 감소시키므로써 필요로 하는 전압 절연을 제공하기 위해, 미국 특허 제6.514.636호에 개시된 고밀도 및 고-폴리싱 세라믹을 유전체 절연기에 사용하는 것이 바람직하다. 스택 표면에 대한 매니폴드 압축 및 작동중 스택 압밀(compaction)은 세라믹 유전체에 의해 완전히 수용되지 않는 기계적 응력을 유발하여 이들을 손상시킨다. 따라서, 밀봉 능력을 향상시켜 가스 누설을 감소시킬 뿐만 아니라 열응력 및 기계적 응력을 더욱 양호하게 수용하기 위해, 매니폴드-스택 밀봉부에는 다양한 개선사항이 이루어졌다. 예를 들어, 유전체 절연기와 스택 엣지[예를 들어 도1의 가스켓(5)] 사이에 배치되는 압축성 세라믹 펠트 가스켓은 내장된 순응성 부재를 포함하며; 상기 순응성 부재는 2003년 7월 25일자로 출원되고 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 제10/627.035호에 개시된 바와 같이, 연료전지 스택의 작동중 시간에 따라 쌍극판의 증식을 수용하고 가스켓을 유전체 조인트에 일치시킨다. 그러나, 가스켓이 배치되는 불균일한 스택 엣지와 가스켓 물질의 한계로 인해, 본 기술분야에서 현재 사용되고 있는 외측 매니폴드-스택 밀봉부는 외측 매니폴드와 스택 표면 사이에서의 가스 누설을 완전히 제거하는데 효과적이지 않다. 특히, 연료전지 스택의 일부에 대한 개략적인 측면도인 도2에 도시된 바와 같이, 스택에서 각각의 연료전지는 캐소드 및 아노드[도2에 전극(9)으로 도시된]와, 도전성 분리기 판(10)을 포함한다. 분리기 판의 다양한 디자인은 스택의 작동중 전지 부분의 두께 변화를 조정할 수 있는 분리기 판을 서술하고 있는 미국 특허 제4.514.475호와, 고-내식성의 스텐레스 스틸 부재를 서술하고 있는 미국 특허 제5.399.438호와, 전해질의 분산 및 흡수를 위한 트라우프 영역을 제공하므로써 전해질 관리를 도와주는 개선된 쌍극 분리기 구조를 설명하고 있는 미국 특허 제5.773.161호와, 스텐레스 스틸 판 부재에 용업되는 두쌍의 대향하는 포켓 부재를 갖는 쌍극 분리기 판을 설명하고 있는 미국 특허 제6.372.374호에 개시되어 있다. 각각의 전지는 예를 들어 미국 특허 제6.492.045호에 개시된 바와 같이 주름진 전류 콜렉터와, 전해질 매트릭스(12)를 포함한다. 연료전지는 각각의 전지 사이에서 쌍극 분리기 판(10)과 직렬로 적층된다. 본 기술분야에 공지된 바와 같이, 쌍극판의 3차원 S형 구조는 분리기 판의 상부 및 바닥 트라우프를 형성하는 부재를 중앙 판의 엣지에 용접하므로써 형성된다. 상기 엣지가 용접되고 분리기 판이 절첩되어 굴곡되었을 때, 용접된 엣지는 용접 비이드(13)로 언급되는 반경을 갖는다. 따라서, 도2에 도시된 바와 같이, 각각의 연료전지는 매니폴드 가스켓이 압축되는 단단한 엣지를 제공하더라도, 연료전지 스택의 엣지는 부드러운 표면을 제공하지 않는다. 쌍극판의 증식 및 스택 형상의 변화를 수용하도록 개선된 물질 및 구조적 특성이라 하더라도, 본 기술분야에 사용되고 있는 가스켓은 적층된 셀에 의해 형성된 거친 표면에 배치되었을 때 완전히 효과적인 밀봉을 형성할 수 없다. 스택 표면의 엣지와 유전체 절연기 사이에 사용되는 밀봉부 또는 가스켓의 또 다른 제한사항으로는 스택의 작동중 전해질이 용이하게 흡수될 수 있도록 작은 구멍 크기를 가져야만 한다는 점이며, 이것은 스택의 상부 또는 포지티브 단부로부터 바닥 또는 네커티브 단부로 전해질의 불필요한 이동을 유발시킨다. 만일 검사되지 않았다면, 전해질의 이러한 수직 이동은 스택의 포지티브 단부에서 전해질의 전지를 고갈시켜 스택의 네거티브 단부에서 연료전지가 범람될 수 있게 한다. 발생할 수 있는 또 다른 형태의 해로운 전해질 이동은 스택으로부터 유전체를 횡단하여 매니폴드로의 전해질 이동으로서, 이것은 스택을 쇼트시킬 수 있다. 전해질 이동은 효율을 감소시키고 연료전지 스택의 수명을 단축시키는 중요한 요소 이다. 연료전지 시스템에서 전해질 이동을 감소시키거나 완화시키는 방법 및 장치는 스택 전체에 용융 전해질 성분이 균일하도록 그 대향 단부에 전해질 습식 위킹 물질을 갖는 연료전지 스택의 높이를 따른 통로를 설명하고 있는 미국 특허 제4.643.954호와; 전해질 이동의 악영향을 완화시키는 상하단부에서 불활성 전해질 저장조의 조합을 갖는 연료전지 스택과, 전해질 이동을 제한하는 전해질 지지가 낮은 다공성 밀봉부재를 설명하고 있는 미국 특허 제4.761.348호와; 전해질 흐름을 지지하는 신장된 다공성 부재와, 이러한 흐름을 지연시키는 장벽 수단을 갖는 용융 탄산염 연료전지용 매니폴드 가스켓을 설명하고 있는 미국 특허 제5.110.692호에 개시되어 있으며; 상기 다공성 부재와 장벽 수단은 전해질 흐름을 제어하고 진해질 이동을 감소시킨다. 그러나, 이러한 개선사항중 그 어느것도 매니폴드 가스켓과 스택 표면 사이에 더욱 효과적인 가스 밀봉을 제공하지 않는다. 따라서, 전해질 이동을 감소시키거나 제거하므로써 개선된 가스 밀봉을 제공하고 스택으로부터 매니폴드의 전기적 절연을 유지시키는 매니폴드-스택 밀봉부가 요구되고 있다. 또 다른 고려사항으로는 연료전지가 매우 높은 고온에서 작동된다는 점이다. 예를 들어 용융 탄산염 연료전지는 약 650℃에서 작동된다. 매니폴드-스택 밀봉부에서 사용되는 물질의 선택은 이러한 장기간의 작동 온도에 대한 설명을 해야 하며, 전형적으로 수년 정도인 연료전지의 수명동안 성분이 지속되게 한다. 따라서, 연료전지 스택 작동 온도에 견디며 스택 이동 및 스택 칫수의 변화를 수용할 수 있는 매니폴드-스택 밀봉부가 요망되고 있다.