KR101027379B1 - 연료 전지용 극판, 특히 단부판 또는 양극판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 적어도 일측부로부터 접근 가능한 적어도 하나의 유동장(16)을 갖는 연료 전지(14)용 극판(10, 12), 특히 단부판(10) 또는 양극판(12)에 관한 것이다. 이와 관련하여, 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 유동장(16)은 복수의 접근 오리피스(18)를 통해 접근할 수 있게 하는 것이 고려된다.
본 발명은 또한 연료 전지 스택용 말단 유닛 및 반복 유닛뿐만 아니라, 그러한 연료 전지 스택에 관한 것이다.
연료 전지 스택, 극판, 굽힘 모멘트, 열 사이클

Description

연료 전지용 극판, 특히 단부판 또는 양극판{POLAR PLATE, PARTICULARLY END PLATE OR BIPOLAR PLATE FOR A FUEL CELL}
본 발명은, 적어도 일측부로부터 접근 가능한 적어도 하나의 유로(flow field)를 포함하는 연료 전지용 극판, 특히 단부판(end plate) 또는 양극판(bipolar plate)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 연료 전지 스택(stack)을 위한 말단 유닛 및 반복 유닛뿐만 아니라, 그러한 연료 전지 스택에 관한 것이다.
예를 들면, SOFC 연료 전지 시스템에서, 연료 전지 스택은 서로의 위에 적층되는 반복 유닛뿐만 아니라, 2개의 말단 유닛으로 이루어질 수 있다.
도 1, 도 2, 도 4 및 도 6에서는 종래 기술에 따른 극판을 도시하고 있는 데, 도 1은 극판의 개략적 단면도를, 도 2는 도 1에 따른 극판이 응력으로 인해 변형된 것을, 도 4는 도 1의 Y 부분의 상세도를, 그리고 도 6은 극판의 사시도를 도시하고 있다. 공지의 극판(10')은, 하부 하우징부를 형성하고 상세하게 도시하진 않은 유로(16')를 포함하는 유로판(22')과, 상부 하우징부를 형성하는 블라인드 판(blind plate)(24')을 포함한다. 블라인드 판(24')은 도 6에서 가장 잘 확인할 수 있는 바와 같이 특별한 관련이 없는 2개 작동 수단 공급 오리피스 외에도, 유로(16')를 통해 접근할 수 있는 접근 오리피스(18')을 갖고 있다. 유로판(22')과 블라인드 판(24')은 상세하게 도시하진 않은 용접 이음을 통해 기밀(氣密)하게 연결되어 있다. 접근 오리피스(18')의 위에 및/또는 내에는 예를 들면 블라인드 판(24') 둘레에 땜납 유리에 의해 넌포지티브(non-positive) 방식으로 부착되는 맴브레인 전극 유닛(26')이 배치된다. 실제 실시 형태에서 제공되는 추가적인 시일, 접점 생성 층 등은 명확화를 이유로 도시하진 않는다.
맴브레인 전극 유닛(26')은 예를 들면 이트륨 안정화 지르코늄 산화물로 주로 형성될 수 있는 반면, 극판(10')은 페라이트계 강으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 상이한 재료들은 상이한 팽창 계수를 가져, 열 사이클(SOFC 연료 전지에서, 예를 들면 온도가 상온과 800℃ 이상의 작동 온도 사이에서 변화할 수 있음) 동안 응력을 유발한다. 이트륨 안정화 지르코늄 산화물뿐만 아니라 페라이트계 강은 원칙적으로 어떠한 소성 변형도 없이 인장 및 압축 응력을 견딜 수 있다. 그러나, 특히 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 좁은 에지를 갖는 극판(10')의 3차원 구조는 굽힘 모멘트가 발생 가능하여, 그러한 구조체의 휨을 야기할 것이다. 게다가, 기계적 좌굴의 발생으로 인해 수축 운동(withdrawal movement)이 발생할 수 있다. 맴브레인 전극 유닛(26')이 예를 들면 상온에서 압축 변형을 겪게 되는 한편, 유로판(22') 및 블라인드 판(24')으로 이루어진 극판(10')이 인장 응력을 받게 되면, 도 4에 도시한 바와 같이 굽힘 모멘트가 발생한다. 이 경우, 압축 및 인장 응력으로부터 초래되는 힘 F가 레버 아암(L1)과 협동한다. 그러한 굽힘 모멘트는 도 2에 도시한 바와 같이 극판(10')의 변형을 초래할 수 있다. 도시한 변형은 긴장의 이완이다. 길이도 변화시키는 평형 상태가 초래될 것이다. 예를 들면, 도 2에 도시한 치수 x2는 도 1에 도시한 치수 x1보다 크다.
도 2에 도시한 바와 같은 반복 유닛 또는 말단 유닛(30')의 변형은 시일에 크랙을 초래할 수 있고, 및/또는 전기 접점을 손상시키거나 떨어지게 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 연료 전지 스택을 위한 말단 유닛 및/또는 반복 유닛이 열 사이클 동안 변형되는 것을 적어도 실질적으로 감소시키는 데에 있다.
그러한 목적은, 독립 청구항의 특징부에 의해 해결된다.
본 발명의 유리한 실시예 및 다른 개선점은 종속 청구항에서 개시하고 있다.
본 발명에 따른 극판은, 적어도 하나의 유로가 복수의 접근 오리피스를 통해 접근할 수 있게 된다는 점에서 일반적인 종래 기술에 기초한다. 그러한 해결책은, 하나의 큰 접근 오리피스 대신에 복수의 작은 접근 오리피스가 마련되는 경우, 접근 오리피스들 사이에 존재하는 재료가 구조를 보강하고, 나아가서 굽힘 모멘트를 감소시킨다는 지견에 기초한다. 이러한 방식에서, 결과적으로 말단 유닛 및/또는 반복 유닛의 변형은 적어도 상당히 감소되어, 사이클 강도를 향상시키게 된다. 따라서, 시일에 크랙이 발생하는 일이 더 이상 없을 것이기 때문에, 기밀성이 향상된다. 전기 접점이 손상되거나 떨어지는 것도 방지되기 때문에, 전체 연료 전지 스택에서, 즉 애노드 및 캐소드 등의 접점에서의 접촉 불량을 감소시킨다.
바람직한 실시예에서, 복수의 접근 오리피스는 적어도 하나 이상의 보강 스트럿에 의해 서로 분리시키는 것이 고려된다. 예를 들면, 서로 수직하게 배치된 보강 스트럿들에 의해 큰 장방형 또는 정방형 접근 오리피스를 복수의 작은 장방형 또는 정방형 오리피스로 분할할 수 있다. 이와 관련하여, 보강 스트럿은 아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같은 소위 블라인드 판의 재료로 형성되는 것이 특히 유리한 것으로서 간주된다.
게다가, 본 발명에 따른 극판은 적어도 하나의 유로를 갖는 유로판과, 복수의 접근 오리피스를 갖는 블라인드 판을 포함하는 것이 바람직하다. 유로판 및 블라인드 판은 종래 기술과 마찬가지로 예를 들면 용접에 의해 기밀하게 서로 연결된다.
본 발명에 따른 극판의 바람직한 실시예에서, 극판을 적어도 부분적으로 강, 특히 페라이트계 강으로 구성하는 것이 고려된다. 페라이트계 강은 예를 들면 SOFC 연료 전지 시스템의 작동 중에 겪게 되는 온도에 견딜 수 있다.
게다가, 본 발명에 따른 극판의 경우 수소 함유 작동 가스를 맴브레인 전극 유닛에 공급하는 적어도 하나의 유로가 마련되는 것이 바람직하다. 종래 기술과 마찬가지로, 맴브레인 전극 유닛은 예를 들면 주로 이트륨 안정화 지르코늄 산화물로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 극판의 특정 실시예에서, 극판은 단부판인 것이 고려된다. 연료 전지 스택의 단부판들 중 하나인 경우, 수소 함유 작동 가스를 분배하는 유로를 포함하면 충분하다.
본 발명에 따른 극판의 다른 실시예에서, 극판은 양극판이며, 산소 함유 가스를 다른 맴브레인 전극 유닛에 공급하는 분배기 수단이 양극판에서의 접근 오리피스의 반대측에 마련되는 것이 고려된다. 분배기 수단은 예를 들면 채널 형태로 형성되며, 유로판에서의 유로의 반대측에 부착되거나 그에 일체로 형성될 수 있다.
연료 전지 스택을 위한 본 발명에 따른 말단 유닛은 특히,
- 복수의 접근 오리피스를 통해 적어도 일측부로부터 접근할 수 있는 적어도 하나의 유로를 갖는 연료 전지 스택용 단부판 형태의 극판과,
- 복수의 접근 오리피스를 덮는 맴브레인 전극 유닛
을 포함하며, 적어도 하나의 유로는 맴브레인 전극 유닛에 수소 함유 작동 가스를 공급하도록 마련된다.
연료 전지 스택을 위한 본 발명에 따른 반복 유닛은 특히,
- 복수의 접근 오리피스를 통해 적어도 일측부로부터 접근할 수 있는 적어도 하나의 유로를 갖는 연료 전지 스택용 양극판 형태의 극판과,
- 복수의 접근 오리피스를 덮는 맴브레인 전극 유닛
을 포함하며, 적어도 하나의 유로는 맴브레인 전극 유닛에 수소 함유 작동 가스를 공급하도록 마련되며, 다른 말단 유닛 또는 반복 유닛에 배치된 다른 맴브레인 전극 유닛에 산소 함유 가스를 공급하는 분배기 수단이 양극판에서의 접근 오리피스의 반대측에 마련된다.
게다가, 본 발명에 따른 연료 전지 스택은,
- 본 발명에 따른 적어도 하나의 말단 유닛과,
- 본 발명에 따른 복수의 반복 유닛을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 예시로서 보다 상세하게 설명할 것이다.
도 1은 도입부에서 이미 설명한 종래 기술에 따른 말단 유닛의 단면도이며,
도 2는 역시 도입부에서 이미 설명한 도 1의 말단 유닛의 변형된 상태를 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 말단 유닛의 실시예의 개략적인 단면도이며,
도 4는 도입부에서 이미 설명한 도 1의 Y 부분의 상세도이고,
도 5는 도 3의 Z 부분의 상세도이며,
도 6은 도입부에서 이미 설명한 종래 기술에 따른 극판의 사시도이고,
도 7은 본 발명에 따른 극판의 실시예를 나타내는 사시도이며,
도 8은 본 발명에 따른 반복 유닛의 실시예의 개략적 단면도이고,
도 9는 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 실시예의 개략적인 단면도이다.
도면에서, 동일 또는 유사한 도면 부호는 동일 또는 유사한 요소를 지칭하여, 반복을 피하도록 그러한 요소들에 대해 적어도 부분적으로 한번만 설명할 것이다.
도 6과 도 7을 비교함으로써 가장 잘 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 극판(10)에는 하나의 큰 접근 오리피스(18')(도 6 참조) 대신에 도 7에 도시한 바와 같이 복수의 접근 오리피스(18)가 마련된다. 이 경우, 복수의 접근 오리 피스(18)는 블라인드 판(24)의 재료로 형성된 복수의 보강 스트럿(20)에 의해 서로 분리되어 있다. 유로판(22)에 의해 형성되거나 수용되는 유로(16)는 복수의 접근 개구(18)를 통해 접근할 수 있다. 유로판(22)뿐만 아니라 블라인드 판(24)은 유리하게는 페라이트계 강으로 형성될 수 있다.
도 3 및 도 5에서, 복수의 접근 오리피스(18)를 형성하는 블라인드 판(24)의 부분은 파선으로 도시되어 있다. 도 4와 도5를 비교하면, 레버 아암(L2)이 보강 스트럿(20)에 의해 레버 아암(L1)에 비해 확실히 짧아진 것을 확인할 수 있다. 이러한 방식으로, 보강 스트럿(20)으로 인해 훨씬 강해지기도 한 구조체에 감소된 굽힘 모멘트가 가해진다. 따라서, 본 발명에 따른 말단 유닛(30)(도 3 참조)의 변형은 물론 본 발명에 따른 반복 유닛(도 8 참조)의 변형이 종래 기술에 비해 적어도 현저히 감소된다. 도 8에 도시한 반복 유닛(34)은 다른 맴브레인 전극 유닛에 산소 함유 가스를 공급하는 분배기 수단(28)이 유로판(22)에서의 유로 반대측에 마련된다는 점에서 도 3에 도시한 말단 유닛(30)과 다르다. 분배기 수단(28)은 당업자들에게 공지된 임의의 방식으로 예를 들면 브리지 형태로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택을 도시하고 있는 도 9에서는 본 발명에 따른 말단 유닛(30)과 본 발명에 따른 2개의 반복 유닛(34) 뿐만 아니라, 본 발명과 특별한 관련이 없는 다른 구조를 갖는 다른 하나의 말단 유닛의 조합을 확인할 수 있다. 여기서, 각각의 맴브레인 전극 유닛에는 그 자체로 공지된 바와 같이 일측에서는 해당 유로(16)를 통해 수소 함유 작동 가스가 공급되고 다른 측에서는 해당 분배기 유닛(28)에 의해 산소 함유 가스가 공급된다. 연료 전지 스택(32)의 개개의 구성 요소가 종래 기술에서와 같이 비대칭형으로 구성되어 있지만, 모든 굽힘 모멘트가 감소되고 보다 강한 구조를 가져 온도 변화에 의해 응력이 야기되는 경우에 종래 기술에 비해 확실히 덜 변형하게 된다.
전술한 상세한 설명, 도면 및 청구의 범위에서 개시한 본 발명의 특징들은 개별적으로든 임의의 조합으로든 본 발명의 구현에 중요할 수 있다.
<부호의 설명>
10, 10' : 극판
12 : 극판
14 : 연료 전지
16, 16' : 유로
18, 18' : 접근 오리피스
20 : 보강 스트럿
22, 22' : 유로판
24, 24' : 블라인드 판
26, 26' : 맴브레인 전극 유닛
28 : 분배기 수단
30, 30' : 말단 유닛
32 : 연료 전지 스택
34 : 반복 유닛
36 : 다른 구조의 말단 유닛

Claims (10)

  1. 적어도 일측부로부터 접근 가능한 적어도 하나의 유로(16)를 갖는 연료 전지(14)용 극판(10, 12)에 있어서,
    적어도 하나의 유로(16)는 복수의 접근 오리피스(18)를 통해 접근할 수 있는 것을 특징으로 하는 극판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 접근 오리피스(18)는 적어도 하나 이상의 보강 스트럿(20)에 의해 서로 분리되는 것을 특징으로 하는 극판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 유로(16)를 갖는 유로판(22)과, 복수의 접근 오리피스(18)를 갖는 블라인드 판(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는 극판.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 부분적으로 강으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 극판.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유로(16)는 맴브레인 전극 유닛(26)에 수소 함유 작동 가스를 공급하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 극판.
  6. 제5항에 있어서, 상기 극판은 단부판(10)인 것을 특징으로 하는 극판.
  7. 제5항에 있어서, 상기 극판은 양극판(12)이며, 다른 맴브레인 전극 유닛(26)에 산소 함유 가스를 공급하는 분배기 수단(28)이 양극판(12)에서의 접근 오리피스(18) 반대측에 마련되는 것을 특징으로 하는 극판.
  8. 연료 전지 스택(32)용 말단 유닛(30)으로서,
    - 제6항에 따른 극판(10)과,
    - 복수의 접근 오리피스(18)를 덮는 맴브레인 전극 유닛(26)
    을 포함하는 연료 전지 스택용 말단 유닛.
  9. 연료 전지 스택(32)용 반복 유닛(34)으로서,
    - 제7항에 따른 극판(12)과,
    - 복수의 접근 오리피스(18)를 덮는 맴브레인 전극 유닛(26)
    을 포함하는 연료 전지 스택용 말단 유닛.
  10. 연료 전지 스택(32)으로서,
    - 제8항에 따른 적어도 하나의 말단 유닛(30)과,
    - 제9항에 따른 복수의 반복 유닛(34)
    을 포함하는 연료 전지 스택.
KR1020087027047A 2006-04-10 2007-04-05 연료 전지용 극판, 특히 단부판 또는 양극판 KR101027379B1 (ko)

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