KR100725927B1

KR100725927B1 - 연료전지 스택용 판 요소

Info

Publication number: KR100725927B1
Application number: KR1020057001813A
Authority: KR
Inventors: 후버마르쿠스; 루프크리스티안
Original assignee: 에스에프씨 스마트 퓨얼 셀 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2007-06-11
Also published as: EP1394877A1; US7662499B2; KR20050029284A; CA2494207A1; US20060127739A1; DK1394877T3; CA2494207C; WO2004013923A1; JP2005535081A; EP1394877B1; AU2003255318A1

Abstract

본 발명은 프레임 영역 및 이 프레임 영역에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 내부 영역을 포함하는 연료전지 스택용 판 요소에 관한 것이다. 또한, 이것은 상기 프레임 영역으로부터 상기 적어도 하나의 내부 영역으로 연장하고 상기 적어도 하나의 내부 영역에서 흐름 유도 구조를 정의하는 복수의 분리대를 구비하는데, 여기서 적어도 4 개의 관통공이 상기 프레임 영역에 존재하고 이 중 적어도 2 개의 관통공이 상기 흐름 유도 구조와 연결된다.

판 요소, 연료전지 스택, 프레임 영역, 관통공, 흐름 유도 구조

Description

연료전지 스택용 판 요소{PLATE ELEMENTS FOR FUEL CELL STACKS}

본 발명은 모노폴라형 또는 바이폴라형 정렬구조의 연료전지 스택용 판 요소(plate element)에 관한 것으로, 특히, 유체운반(fluid-carrying) 도전체 및 이 도전체들을 전기적으로 절연시키기 위해 이들 사이에 설치되는 요소에 관한 것이다.

바이폴라형 정렬구조와 모노폴라형 정렬구조 사이의 차이점은 도 1에 도시된 등가회로도를 참조하면 가장 쉽게 알 수 있다.

바이폴라형 정렬구조는 상기 도면의 상단에 도시되어 있는 것으로 각 볼티지 셀(Voltage Cells)들이 직렬연결되어 있다. 이 셀들은 각 경우에 양극과 음극이 서로 마주보는 방식으로 놓여 있어서, 볼티지 셀들의 스위칭이 간단해진다. 이 정렬구조는 예컨대 납축전지의 챔버를 위치시키거나, 배터리를 토치에 삽입시키거나, 또는 바이폴라형 스택에 연료전지 유닛을 위치시키기 위해 사용되는 정렬구조이다.

모노폴라형 정렬구조는 상기 도면의 하단에 도시되어 있는 것이다. 이 정렬구조에서는, 셀들은 2개의 양극 또는 2개의 음극이 쌍을 이루어 서로 마주보는 방식으로 놓여 있다. 여기서 각 볼티지 셀들을 직렬로 스위칭하기 위해 비교적 복잡한 스위칭이 필요하여, 대부분의 응용예에서 각 셀들의 이러한 정렬구조는 바이폴라형 정렬구조에 비해 이점이 없을 것이다. 그러나, 이것은 연료전지 스택에 적용 되지 않는데, 아래에서 도 2를 참조하여 설명하는 바와 같이, 모노폴라형 정렬구조에서 이점들이 달성될 수도 있다.

바이폴라형 스택 내에서는, 모든 캐소드(cathode)는 이웃하는 2개의 애노드(anode)를 구비하고, 유체 이전을 방지하기 위해 상기 애노드들과 밀폐되어야 한다. 셀 내에서, 이것은 전해질 물질(내부)과 밀봉 물질(외부)의 상호작용에 의해 이루어진다. 이웃하는 셀들 사이의 분리는 각 경우에 분리판을 통해 이루어지는데, 분리판의 한쪽은 캐소드 챔버를 형성하고 다른 쪽은 애노드 챔버를 형성한다. 상기 분리판에서의 유체의 통로는 일방(캐소드측)으로부터의 캐소드 유체가 타방(애노드측)으로부터의 애노드 유체와 접촉하지 않도록 형성된다.

한편, 모노폴라형 정렬구조에서, 애노드 및 캐소드 쌍이 형성된다. 이러한 쌍 내의 캐소드들 및 애노드들은 서로 전기적으로 절연되어야 하지만, 유체영역들 자체는 캐소드 및 애노드 유체의 전기 전도성이 무시할 정도라면 분리될 필요는 없다(이것은 임의의 전도성, 특히 애노드 유체의 전도성에도 불구하고 일반적인 경우이다). 따라서, 2개의 캐소드가 각 경우에 함께 그룹을 이루어 하나의 캐소드 챔버를 형성하고, 2개의 애노드가 함께 그룹을 이루어 하나의 애노드 챔버를 형성할 수 있다.

도 2는 이러한 애노드 챔버의 분해도이다. 이러한 유형의 정렬구조는 예컨대 DE 100 40 654 A1 에 기술되어 있다. 전기적 절연 프레임 요소(1)가 2개의 전류 컬렉터(2)사이에 놓인다. 이 전류 컬렉터는 전해질 장치(MEA)(도시되지 않음)에 인접한다. 전류 컬렉터(2)는 MEA-전류컬렉터 인터페이스에서 전류제거를 위해 사용되지만, 이와 동시에 애노드 유체의 MEA와의 접촉 표면을 현저히 감소시키지 않아야 한다. 이때문에, 전류 컬렉터(2)의 내부 영역은, 전류제거를 위해 충분히 넓고 많지만, 오목부(4)에 의해 정의된 MEA 와의 상기 유체의 활성 접촉표면이 실질적으로 감소되지 않을 정도로 좁은 가로로 된 얇은 분리대로 채워진다.

상기 스택 축을 따라 흐름을 유도하기 위해, 4개의 관통공(5)이 상기 도전체의 프레임 영역(이 경우에는 모서리)에 형성되고, 이에 의해 각 경우에 정반대편에 있는 2개의 관통공이 애노드 유체 및 캐소드 유체를 유도하도록 작용한다. 대응하는 관통공(6, 7)이 또한 프레임 요소(1)에 형성된다. 관통공(7)은 프레임 요소(1)의 내부 영역(8)과 개구부를 통해 연결된다. 애노드 유체의 내부 영역(8)으로의 공급은 2개의 관통공 중 하나(7)를 통하여 이루어지고, 제거는 다른 하나, 즉 정반대편에 있는 관통공(7)을 통해 이루어진다. 프레임 요소(1)의 두께는 전류 컬렉터(2)의 두께보다 훨씬 더 크기 때문에, 내부 영역(8)이 도시된 셀의 애노드 챔버의 대부분의 부피를 나타낸다.

여기 기재된 애노드 챔버에 대한 설명은 캐소드 챔버에 대해서도 대응하여 적용될 수 있다. 캐소드 챔버에서는, 중앙의 프레임 요소는 2개의 다른 정반대편의 유체 개구부에서 오목부를 갖는다. 이를 위해, 도시된 유형의 프레임 요소(1)는 회전시키기만 하면 되므로, 한 유형의 프레임 요소만이 스택의 형성에 필요하다.

도시된 정렬구조에서, 입구나 출구가 도시되지 않은 모서리 영역을 통한 흐 름은 예컨대 애노드 챔버의 중앙 영역을 통한 것보다 훨씬 더 적다. 챔버 내에서의 보다 균일한 흐름 분포를 달성하기 위해, 망 형상의 삽입구(도시되지 않음)가 애노드 및 캐소드 챔버에 형성될 수 있다. 그러나 이것을 이용하여도, 애노드 및 캐소드 챔버의 정체영역에서의 유체 교환은 입구-출구부를 따른 유체 교환보다 더 낮아서, 이용가능한 활성 표면이 최상의 사용상태로 놓일 수 없다. 이런 유형의 정체영역은 특히 스택이 공간의 면에서 바람직하게 놓이지 않으면 형성된다.

상기와 같은 문제점을 감안하여, 본 발명은 상기한 바와 같은 단점을 극복할 수 있는 개선된 스택요소를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 목적은 청구항 1 의 특징을 갖는 본 발명에 따른 판 요소 및 청구항 11 의 특징을 갖는 연료전지 스택 배열구조에 의해 달성된다.

그밖의 특징들은 종속항들에서 기재된다. 특히 바람직한 실시예에 대해서는 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

연료전지 스택을 위한 본 발명에 따른 판 요소는 프레임 영역 및 이 프레임 영역에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 내부 영역; 상기 프레임 영역으로부터 상기 적어도 하나의 내부 영역으로 연장하고 상기 적어도 하나의 내부 영역에서 분리대 사이의 오목부에 의해 형성된 흐름 유도 구조(flow guidance structure)를 정의하는 복수의 분리대; 및 상기 프레임 영역내에 적어도 2개가 상기 흐름 영역에 연결된 적어도 4개의 관통공을 포함한다.

"판 요소"라는 용어는, 청구항의 목적인 아이템이 하나의 공간방향으로의 규 격이 이에 직각인 두개의 공간방향으로의 규격보다 명백히 더 작다는 것을 나타내기 위한 것이다. 상기 하나의 공간방향에서, 상기 판 요소의 두께는 실제로 너무 얇아서 판 요소가 고유의 안정성을 나타내지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 판 요소는 상기 특징에 따라 구성된 포일(foil)을 포함하는 것으로 한다.

"흐름 유도 구조"라는 용어는 상기 분리대들 사이의 오목부, 또는 적어도 상기 판 요소의 내부영역에 있는 채널(들)을 정의하는 분리대들 사이의 밀집된 구조의 오목부를 의미하는 것으로 이해된다. 각 채널은 (예컨대 프레임 영역을 통한 개구부를 통해서) 2개의 관통공과 연결되는데, 이 중 하나는 유체의 공급을 위한 것이고 다른 하나는 유체의 제거를 위한 것이다. 상기 적어도 하나의 채널을 통해, 흐름 유도 구조는 판의 평면에서 유체 흐름을 유도(채널링)하는 데 적합하다. 실제로 유체를 수용하고 이 흐름을 유도하기 위해, 상기 흐름 유도 구조는 인접하는 스택 요소들의 인접한 수평면(예컨대, 막 전극 유닛의 수평면)에 의해 형성되는 측면 흐름제한요소를 당연히 필요로 한다.

몇개의 독립된 채널을 형성하기 위해, 분리대는 양 측면에서 프레임 영역과 결합할 수 있다. 그러나, 상기 분리대는 프레임 영역과 일 측면에서만 결합될 수도 있다. 가장 간단한 경우에, 상기 분리대는 일직선의 혀 형상을 갖고 톱니모양으로 정렬하되 프레임 영역의 반대편에서 상기 판 요소의 내부영역으로 교대로 정렬한다. 일직선의 혀 형상 대신에, "T" 형 또는 "L" 형의 분리대와 같은 더 복잡한 분리대 형상이 이용될 수도 있는데, 역시 흐름 영역을 형성하기 위해 교대로 위치될 수 있다.

판 요소는 바람직하게는 연료전지 스택의 서로 다른 위치에 서로 다른 방향 으로 설치될 수 있는 방식으로 형성된다. 따라서, 프레임의 형상은 정방형이나 장방형인 것이 바람직하다. 그러나, 어떤 형상이 360˚ 미만으로 회전하면 자체에서 일치하도록 방향이 바뀌는 형상, 즉 특히 정삼각형이나 다른 정다각형의 형상 및 원이나 타원도 가능하다.

흐름 유도 구조는 내부영역 내에 서로 나란한 (예컨대, 평행인) 복수의 채널일 수도 있다. 그러나, 바람직하게는, 흐름 유도 구조는 프레임 영역으로 둘러싸인 내부 영역에 구부러진 흐름 채널로 형성되거나, 몇몇 내부영역의 경우에 대응하여 복수의 이러한 구부러진 흐름 채널로 형성된다. 이 경우, 전체 내부 영역(분리대 제외)은 가장 간단한 가능한 유체 공급 및 유체 제거로 유체로 균등하게 채워질 수 있다.

흐름이 유도되지 않는 도 2에 도시된 정렬구조에서는 유체가 벗어난 캐소드 또는 애노드 영역으로부터 중력의 영향으로 만족스럽게 제거될 뿐인 반면에, 본 발명에 따른 판 요소의 흐름 유도 특성은 성능의 손실없이 위치에 무관한 동작이 가능하다. DMFC(direct methanol fuel cell : 직접 메탄올 연료전지)로서 사용되면, 물은 예컨대 캐소드측에서 덜 이로운 동작위치에서 수집되고 반응에 필요한 산소가 전체 활성 표면 상에서 확산되지 못하게 할 수 있다. 둘째로, 애노드에서 생성된 기체 CO₂는 이 기체가 신속히 위쪽으로 빠져나갈 수 없으면 애노드의 활성 표면의 차단물로 이어질 수 있다.

바람직한 실시예에서, 판 요소는 흑연과 같은 도전체로 구성되지만, 금속이 나 금속화합물로 구성되는 것이 특히 바람직하다. 이 실시예에서, 판 요소는 셀 유닛의 도전체로서 사용될 수 있다. 금속이나 금속화합물은 일반적으로 더 저렴하고 작업하기 더 편하고 기계적으로 더 안정적이며 비금속 물질보다 전도성이 더 높기 때문에 더 바람직하다. 금속 도전체는 또한 전기적으로 접속하기가 더 쉽다.

또다른 바람직한 실시예에서, 판 요소는 절연물질로 구성된다. 이 실시예에서, 판 요소는 모노폴라형 정렬구조에서 이웃하는 도전체의 전기적 절연을 위해 사용될 수 있다.

또다른 바람직한 예에서, 본 발명에 따른 판 요소는 도전층 및 절연층의 적층물(laminate)로 형성된다. 이러한 적층물이 사용되면, 분리 절연유닛이 더 이상 사용될 필요가 없으므로 연료전지 스택의 구조가 더 간단하다. 도전층과 절연층의 층두께는 동일할 수 있다. 그러나, 적층물은 코팅두께가 명백히 총 두께보다 작은 금속코팅된 절연체 또는 절연코팅된 금속일 수 있다.

모노폴라형 연료전지의 구조는 판 요소가 한 겹의 절연층 및 두 겹의 도전층으로 된 적층물(여기서, 절연층이 도전층 사이에 삽입된 형태)로서 형성되면 더 단순화될 수 있다. 여기서, 여러 층 두께는 기본적으로 어떤 제한을 받지 않는다. 이와 같은 것이 사용되면, 전해질 유닛 및 판 요소는 단순히 서로 교대로 적층되어 스택을 형성한다.

특히 바람직한 또다른 예에서, 판 요소는 프레임 영역에서 바깥쪽으로 연장하는 적어도 하나의 지지살을 갖는다. 이 적어도 하나의 지지살을 통해, 도전체는 모노폴라형 또는 쌍극형 정렬구조에서 더 쉽게 서로 전기적으로 결합될 수 있다. 이러한 절연 판 요소에서는, 상기 지지살이 필요하지 않지만, 동일한 장치가 도전체를 제조하기 위해 사용되고 또한 일반적으로 방해가 되지 않는다면 제조상의 이유로 생길 수도 있다.

전기적 스위칭을 특히 단순화하는 또다른 예에서, 지지살은 프레임 영역의 적어도 2개의 대향하는 면에 형성된다. 이 경우, 한 유형의 도전체는 다양한 방향으로 쉽게 스위칭될 수 있다.

특히 모노폴라형 정렬구조에서는, 판 요소의 또다른 예는 지지살이 프레임 영역의 대향하는 면에서 서로 교차된다는 점에서 바람직하다. 그 결과, 도전체의 지지살이 각 경우에 2개의 인접하는 도전체의 지지살에 대해 교차되어 다음에서 두번째 이후의 도전체들 중 하나와 접촉하는 경우에 방해가 되지 않는 방식으로 도전체들이 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지 스택구조는 도전체로서 형성된 판 요소의 도전측과 적어도 일면에 접속된 MEA(membrane electrode assembly : 막-전극 접합체)를 포함한다. 이 접속으로 인하여, 연료전지 스택구조는 개개의 요소보다 기계적 안정성이 더 높아서, 스택의 형성이 더 용이하다. 더욱이, 연료전지 스택 배열구조가 조립되면, 도전체 판 요소와 전해질 장치가 단순히 서로 옆에 위치하면 가능한 것보다 더 나은 전기적 접촉이 일정한 상황하에서 전해질 장치와 도전체 사이에서 달성될 수 있다.

이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 특히 바람직한 실시예에 기초하여 설명된다.

도 1은 바이폴라형 및 모노폴라형 정렬구조 사이의 질적 차이를 도시한 도면;

도 2는 종래의 모노폴라형 정렬구조에 대한 유체 챔버의 형성을 도시한 도면;

도 3은 본 발명에 따른 판 요소를 도시한 도면;

도 4는 본 발명에 따른 판 요소를 이용한 바이폴라형 정렬구조를 도시한 도면;

도 5는 본 발명에 따른 판 요소를 이용한 모노폴라형 정렬구조를 도시한 도면;

도 6은 본 발명에 따른 판 요소를 이용한 또다른 모노폴라형 정렬구조를 도시한 도면;

도 7은 바이폴라형 스택에서의 전류 제거 장치로서 본 발명에 따른 판 요소의 또다른 바람직한 실시예를 도시한 도면;

도 8은 도 7에 도시된 전류 제거 장치용 유체절연 중간판을 도시한 도면이다.

도 1 및 2는 앞에서 이미 설명한 바 있다.

도 3은 본 발명에 따른 판 요소(10)의 바람직한 실시예를 도시한다.

판 요소(10)는 도전체(일반적으로 금속)로부터 만들어질 수 있고 본 실시예 에서는 바이폴라형 또는 모노폴라형 연료전지 스택을 위한 전류 컬렉터로서 사용될 수도 있다.

상기 판 요소는 주위에 프레임 영역(11)이 있고, 지지살(12)이 프레임 영역(11)의 양쪽으로부터 바깥 쪽으로 연장되어 있고 분리대(13)는 안쪽으로 연장되어 있다. 분리대(13)는 프레임의 반대편에 닿지 않도록 연장되고 교대로 정렬되어 있어서 구부러진(meandering) 채널(14)이 분리대(13) 사이의 오목부에 의해 정의된다. 프레임 영역(11)에서는, 4개의 관통공(15, 16, 17, 18)도 형성되어 있고, 이 중 정반대편에 위치한 2개의 관통공(16, 18)은 개구부(16a, 18a)를 통해 구부러진 채널(14)과 연결되어 있다.

스택에 설치될 때, 프레임 영역(11)의 일부 및 분리대(13)는 MEA와 전기적으로 접속되어 전력을 전달하도록 사용된다. 이와 동시에, 분리대(13)는 또한 활성 표면 상에서 균등한 유체 분포와 이 표면 상에서의 유체 유도를 위해 사용된다. 유체는 개구부를 통해 구부러진 채널(14)과 연결된 2개의 관통공(16, 18)중 하나를 통해 공급되고, 이 채널(14)을 통해 흐르고, 다른 관통공을 통해 다시 제거된다. 이 유도된 흐름 때문에, 유체 교환의 감소와 함께 정체영역이 없고, 이로 인해 더 높은 효율이 얻어진다. 또한, 이 스택이 사용될 때 흐름유도는 위치 독립성을 보장한다.

모노폴라형 정렬구조를 위한 바람직한 실시예(바이폴라형 정렬구조에서도 이용가능)에서, 바깥쪽으로 연장하는 한 쪽의 지지살은, 도시된 판 요소(10) 및 도면에 표시된 x 또는 y 축에 대해 180°회전되고 두개의 판 요소의 관통공들이 일렬로 되도록 위치된 또다른 판 요소(10)의 병렬배치로 상기 두개의 판 요소의 지지살들이 서로 접촉하지 않는 방식으로 다른 쪽의 지지살과 교차된다.

모노폴라형 정렬구조에서, 판 요소(10)를 평면에서 180°회전시키는 경우에, 관통공(17)이 관통공(15)과 일렬로 정렬하고 (및 그 반대) 관통공(18)이 관통공(16)과 일렬로 정렬할 때 (및 그 반대), 한 쪽에서 바깥 쪽으로 연장하는 지지살은 다른 쪽에 있는 지지살의 원래 위치를 커버하지 않고 대신에 이들 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 이것은 전체 모노폴라형 스택을 형성하기 위해 한 유형의 도전체를 사용할 수 있다는 것을 의미한다.

도시된 도전체는 예컨대 금속판 또는 금속시트로부터 스탬프(stamp)될 수 있어, 저렴하게 제조될 수 있다.

모노폴라형 정렬구조를 위한 전기적 절연 중간판(intermediate plate)은 관통공 및 흐름 영역에 관해서는 도 3에 도시된 도전체와 동일한 구조를 갖는다. 절연 중간판에서는 바깥 쪽으로 연장하는 도전체의 지지살이 필요하지 않다(도 5 참조). 그러나, 필요하다면 하나의 동일한 장치가 도전체 및 절연 중간판을 제조하기 위해 사용될 수 있도록 절연 중간판에서 상기 지지살이 장애물이 되지 않을 것이다.

절연 중간판에 대한 대안으로서, 순수 금속판 이외에, 도 3에 도시된 바와 같이, 한면이 절연재로 코팅된 금속판(또는 금속으로 코팅된 절연 플라스틱판)을 사용할 수도 있다. 이 경우, 인접하는 도전체의 상호 절연을 위한 분리 실(separate seal)이 생성될 필요가 없어서, 이로 인해 제조비용이 더 줄어들고, 배열구조가 단순화되고, 스택의 부피가 더 감소된다(상세한 사항은 도 6에 대한 설명을 참조).

도 4는 도 3의 도전체를 갖는 바이폴라형 정렬구조(100)의 연료전지 스택을 도시하는 분해단면도이다.

4개의 도전체(110a, 110b, 110c, 110d)중에서, 한 쪽의 도전체(110a, 110c)와 다른 쪽의 도전체(110b, 110d)는 일치하여 정렬된다. 일반성의 제한없이, 도전체(110a)가 캐소드측 도전체라고 가정하면, 도전체(110b)는 애노드측 도전체, 도전체(110c)는 캐소드측 도전체, 그리고 도전체(110d)는 애노드측 도전체이다. 도전체들은 중간판(120)에 의해 또는 전해질 장치(MEA)(130)를 통해 서로 분리된다. 120-110b-130 정렬은 셀 유닛의 애노드 영역을 정의하는 반면에, 130-110c-120 정렬은 이 셀 유닛의 캐소드 영역을 형성한다.

중간판(120)은 이웃하는 유체 챔버들의 분리, 즉 캐소드 및 애노드 영역의 분리를 위해 사용된다. 이 중간판은 캐소드 및 애노드 유체의 혼합을 방지하여야 하지만, 전기적으로 절연할 필요는 없어서, 예컨대 이 중간판이 금속박막으로 구성될 수도 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 120-110b-130-110c-120 정렬은 셀 유닛 또는 전압 요소(도 1을 유추하여)를 형성한다. 도시된 스택 섹션을 스위칭하기 위해 (도 1의 상단을 유추하여), 전류 컬렉터(110a, 110b) 및 전류 컬렉터(110c, 110d)는 상기 목적을 위해 형성된 지지살을 통해 서로 접속된다. 따라서, 다수의 셀 유닛의 직접적으로 인접하는 전류 컬렉터는 상기 지지살들이 서로 일렬로 정렬되도록 배치되는 것이 바람직하다.

도 5는 도 3의 도전체를 갖는 모노폴라형 정렬구조(200)의 연료전지 스택을 도시하는 분해단면도이다.

도 4에서처럼, 도 5는 4개의 도전체(210a, 210b, 210c, 210d)를 도시한다. 일반성의 제한없이, 도전체(210a, 210b)가 애노드측 도전체라고 가정하면, 도전체(210c, 210d)는 캐소드측 도전체이다.

도전체(210b, 210c)는 MEA(membrane electrode assembly : 막-전극 접합체)(230)와 같은 전해질/전극 장치에 의해 서로 분리된다. 240-210b-230 정렬은 셀 유닛의 애노드 영역을 정의하는 반면에, 230-210c-250 정렬은 이 셀 유닛의 캐소드 영역을 형성한다.

중간판(240 및 250)은 도전체(210a 및 210b, 또는 210c 및 210d)의 상호 전기적 절연을 위해 사용된다. 이때문에, 이 중간판(240 및 250)의 분리대는 인접하는 도전체의 분리대와 정확히 일렬로 정렬되어야 한다. 한 쌍으로 서로 인접하는 애노드 영역 또는 캐소드 영역은 각 경우에 전해질 장치(230)에 의해 양측에 인접한 공통 애노드 챔버 또는 캐소드 챔버를 형성한다.

240-210b-230-210c-250 정렬은 셀 유닛 또는 전압 요소(도 1을 유추하여)를 형성한다. 스위칭은 도 1의 하단을 유추한다. 즉, 도시된 스택 섹션을 스위칭하기 위해, 예컨대, 다음 셀 유닛의 애노드측 전류 컬렉터(210b) 및 캐소드측 전류 컬렉터(210d)는 상기 정렬된 지지살을 통해 서로 전기적으로 접속된다. 애노드측 전류 컬렉터(210a)는 좌측에 다음 캐소드측 전류 컬렉터(도시되지 않음)와 접속되는 반면에, 캐소드측 전류 컬렉터(210d)는 우측에 다음 애노드측 전류 컬렉터(도시되지 않음)와 접속된다. 이러한 쌍에서의 접속은 서로 연결될 지지살들이 수평으로 정렬되는 것을 보장함으로써 더 간단하게 될 수 있다. 따라서, 전류 컬렉터들은 각 전류 컬렉터의 연결 지지살들이 다음 두번째의 전류 컬렉터의 지지살들과 수평을 이루는 반면에 바로 인접하는 전류 컬렉터들의 연결 지지살들은 교차되는 (서로 수평이 되지 않는) 방식으로 형성되는 것이 바람직하다. 도 3 및 5에 도시된 바와 같이, 이것은 매번 다른 방향으로 사용되는 단일 유형의 전류 컬렉터와의 적절한 형성을 통해 달성될 수 있다.

도 5에 기초한 도 6은, 한 면은 도체이고 다른 면은 절연체인 적층물의 도전체들이 사용된다면 모노폴라형 스택의 단순화된 구성이 달성될 수 있음을 도시한다.

예컨대, 도 3에 도시된 도전체는 일면이 절연체로 코팅될 수 있다. 도 6에서, 도전체(310b 및 310d)의 도면상에서 보이는 면들은 이런 유형의 코팅을 갖는다. 코팅된 면이 항상 인접하는 코팅되지 않은 도전체 쪽을 향하는 이러한 코팅된 도전체와 코팅되지 않은 도전체의 교대 배치를 통해, 모노폴라형 스택은 분리 절연 중간판 없이 구성될 수 있는데, 이는 구성의 면에서 상당한 단순화를 가져온다. 또한, 절연 코팅은 스택의 총 부피가 감소될 수 있도록 하기 위해 분리 유닛으로 만들어진 절연 중간판의 것보다 더 얇을 수 있다.

또한 도전체(310a 및 310c)의 도면상에서 보이지 않는 면들은 기본적으로 필요하지 않다 하더라도 이러한 절연 코팅을 가질 수도 있다. 인접 셀 유닛의 전기적 절연의 보다 나은 보장을 제공하는 이외에, 이것은 스택의 집합을 단순화할 수도 있다. 즉, 인접하는 도전체들은 항상 유체 흐름 장치들(관통공, 개구부, 채널)이 서로 커버하고 절연층들이 서로 바로 옆에 있도록 구성되어야 한다.

원칙적으로, 이런 유형의 적층물의 절연부 및 도전부의 두께에 관해서는 전제조건이 없다. 이를 방지할 다른 이유(예컨대, 기계적 안정성, 전기적 전도성)가 없다면, 이런 유형의 도전체는 본질적으로 일면이 도전층으로 코팅된 절연체로 구성될 수 있다.

모노폴라형 스택의 구성은 2개의 도전층(예컨대, 금속층) 사이에 삽입된 절연층을 갖는 적층물, 즉, 예컨대 도 4의 판 요소(210a, 240, 210b)를 집적시킨 형태에 의해 더욱 단순화될 수 있다. 이 스택은 적층물과 전해질 장치의 교대 배치로서 간단히 형성될 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 판 요소 및 바이폴라형 스택(400)의 구성을 위한 상기 요소의 교대 배치의 또다른 바람직한 실시예를 도시한다(인접하는 애노드 및 캐소드 영역을 서로 분리하는 전해질 장치 및 중간층은 생략됨). 판 요소(410a 및 410b)는 그 방향에 있어서만 다를 뿐이다. 도 3의 실시예의 유사한 구조적 특징과 비교하여, 참조번호 400 을 사용하였다.

도면의 우상단에 도시된 판 요소(410a)의 점선은 판 요소를 프레임 영역과 내부영역으로 분리한다.

프레임 영역은 복수의 관통공(415, 416, 417, 418)을 구비하고, 이 중 관통공(416 및 418)은 개구부를 통해 판 요소의 내부 영역에 있는 오목부와 쌍으로 접속된다. 모든 관통공은 스택 축을 따라 (판 레벨에 대해 직각) 유체 유도를 위해 사용된다. 관통공(416 및 418)은 또한 스택 축에 직각으로 유체 유도를 위해 사용된다. 이 때문에, 이들은 개구부를 통해 판 요소의 내부영역에 있는 오목부(414)와 쌍으로 결합되고, 이는 복수의 평행 채널을 정의한다. 이들 채널(414)은 도전체로서 사용되는 판 요소와의 전류전도를 위해 사용된 분리대(413)에 의해 서로 분리된다(바이폴라형 정렬구조의 경우처럼). 상기 분리대는 반대편 프레임 영역과 결합된다. 판 요소들의 모든 쌍 사이에, 도 8에 도시된 형태 및 구조로 전해질 장치나 분리판(420)이 삽입된다. 분리판(420)(및 도시되지 않은 전해질 장치)의 외부영역에 있는 관통공(425, 426, 427, 428)은 판 요소(410a, 410b)의 대응하는 관통공(415, 416, 417, 418)과 정확하게 스택에서 정렬된다.

도면의 예에서, 판 요소(410a)는 애노드 챔버를 정의하는 반면에 판 요소(410b)는 캐소드 챔버를 도시한다. 상단의 판 요소(410a)의 관통공(415 및 417)은 이 경우에 캐소드 유체를 유도하기 위해 사용되는 반면에 관통공(416 및 418)은 애노드 유체를 유도하고 이 애노드 유체를 내부 영역에 정의된 애노드 챔버로 공급하기 위해 사용된다.

판 요소는 도전체로부터 형성되고 이 형태로 바이폴라형 또는 모노폴라형 연료전지 스택을 위한 전류 컬렉터로서 사용될 수 있다. 도 7에 비해, 후자의 경우에 전류 컬렉터는 쌍들 및 각 경우에 90°회전된 이웃 쌍들에서 항상 동일하게 정렬되어야 한다. 모든 전류 컬렉터(또는 각 쌍의 적어도 하나의 전류 컬렉터)에 일면에 절연 코팅이 형성되면, 도 6에 대응하는 모노폴라형 정렬구조가 가능하다. 전류 컬렉터가 양면에서 도전 상태이면, 도 5에 대응하는 모노폴라형 정렬구조의 구성을 허용하기 위하여 도 7에 도시된 구조를 갖는 전기적 절연 판 요소가 더 필요할 것이다. 한편, 모노폴라형 정렬구조를 위한 전해질 장치는 바이폴라형 정렬구조를 위한 것과 다르지 않다(도 8 참조).

본 발명 및 그 장점들이 바람직한 실시예를 기초로 하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 보호범위는 다음의 특허청구범위에 의해서만 정의된다.

Claims

프레임 영역(11) 및 이 프레임 영역(11)으로 둘러싸인 적어도 하나의 내부 영역;

상기 프레임 영역(11)으로부터 상기 적어도 하나의 내부 영역으로 연장하는 분리대(13)로서, 상기 적어도 하나의 내부 영역에서 상기 분리대들(13) 사이의 오목부에 의해 형성된 흐름 유도 구조(14)를 정의하는 복수의 분리대(13); 및

적어도 2개의 관통공(16, 18)이 상기 흐름 유도 구조(14)와 연결되는 상기 프레임 영역에 있는 적어도 4개의 관통공(15, 16, 17, 18)

을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 판 요소(10).
제 1 항에 있어서,

상기 흐름 유도 구조는 적어도 하나의 구부러진(meandering) 흐름 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

도전체로 구성되는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 3 항에 있어서,

금속 또는 금속화합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

절연체로 구성되는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

도전층 및 절연층의 적층물(laminate)로 만들어지는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

절연층, 및 이 절연층이 2개의 도전층 사이에 삽입된 샌드위치 형태로 형성된 적층물로 만들어지는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 프레임 영역으로부터 바깥 쪽으로 연장하는 적어도 하나의 지지살을 갖는 것을 특징으로 하는 판 요소.
삭제
삭제
삭제
제 3 항에 있어서,

상기 프레임 영역으로부터 바깥 쪽으로 연장하는 적어도 하나의 지지살을 갖는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 4 항에 있어서,

상기 프레임 영역으로부터 바깥 쪽으로 연장하는 적어도 하나의 지지살을 갖는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 5 항에 있어서,

상기 프레임 영역으로부터 바깥 쪽으로 연장하는 적어도 하나의 지지살을 갖는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 6 항에 있어서,

상기 프레임 영역으로부터 바깥 쪽으로 연장하는 적어도 하나의 지지살을 갖는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 7 항에 있어서,

상기 프레임 영역으로부터 바깥 쪽으로 연장하는 적어도 하나의 지지살을 갖는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 8 항에 있어서,

상기 프레임 영역의 적어도 2개의 대향 면에 지지살을 갖는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 12 항에 있어서,

상기 프레임 영역의 적어도 2개의 대향 면에 지지살을 갖는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 13 항에 있어서,

상기 프레임 영역의 적어도 2개의 대향 면에 지지살을 갖는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 14 항에 있어서,

상기 프레임 영역의 적어도 2개의 대향 면에 지지살을 갖는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 15 항에 있어서,

상기 프레임 영역의 적어도 2개의 대향 면에 지지살을 갖는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 16 항에 있어서,

상기 프레임 영역의 적어도 2개의 대향 면에 지지살을 갖는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 17 항에 있어서,

상기 지지살은 상기 프레임 영역의 대향 면에 서로 교차되어 위치하는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 18 항에 있어서,

상기 지지살은 상기 프레임 영역의 대향 면에 서로 교차되어 위치하는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 19 항에 있어서,

상기 지지살은 상기 프레임 영역의 대향 면에 서로 교차되어 위치하는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 20 항에 있어서,

상기 지지살은 상기 프레임 영역의 대향 면에 서로 교차되어 위치하는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 21 항에 있어서,

상기 지지살은 상기 프레임 영역의 대향 면에 서로 교차되어 위치하는 것을 특징으로 하는 판 요소.
제 22 항에 있어서,

상기 지지살은 상기 프레임 영역의 대향 면에 서로 교차되어 위치하는 것을 특징으로 하는 판 요소.
적어도 일면에서 제 1 항에 따른 판 요소의 도전체 면과 접속되는 막-전극 유닛(membrane electrode unit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 배열구조.
적어도 일면에서 제 2 항에 따른 판 요소의 도전체 면과 접속되는 막-전극 유닛(membrane electrode unit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 배열구조.
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