KR101785737B1 - 연료 전지 어셈블리 및 연료 전지 어셈블리의 작동 방법 - Google Patents

연료 전지 어셈블리 및 연료 전지 어셈블리의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 연료 전지 어셈블리(1a)에 관한 것으로서, 상기 연료 전지 어셈블리는 고체 전해질에 기반하는 하나 이상의 연료 전지(2c)를 구비한 하나 이상의 연료 전지 장치를 포함하고, 이때 연료 전지 장치(2)에 의해 생성되는 전기 전압을 인출하기 위한 2개 이상의 연결 접점(2a, 2b)이 제공되고 이들 연결 접점 사이에는 하나 이상의 연료 전지가 배치된다. 상기 연료 전지 어셈블리는 또한, 하나 이상의 전기 전도성 부품 및 하나 이상의 추가 부품을 구비한 하나 이상의 서브 어셈블리를 포함하며, 상기 하나 이상의 추가 부품은 연결 접점(2a, 2b) 중 제1 연결 접점과 하나 이상의 전기 전도성 부품 사이에서 제1 연결 접점의 측면으로서 하나 이상의 연료 전지의 반대편 측면에 배치되어 후자보다 더욱 낮은 전기 전도도를 보유한다. 상기 연료 전지 어셈블리는 또한, 하나 이상의 추가 부품을 관통하여 제1 연결 접점을 하나 이상의 전기 전도성 부품과 연결하는, 유체 매체를 운반하기 위한 하나 이상의 공급 채널(50)을 포함하며, 이때 하나 이상의 전기 전도성 부품에서의 전기 전위가 제1 연결 접점에 존재하는 전기 전위에 맞추어 조정되고 상기 하나 이상의 전기 전도성 부품과 제1 연결 접점 사이에 3볼트의 최대 전위차가 존재하는 방식으로, 하나 이상의 전기 전도성 부품이 제1 연결 접점 및/또는 하나 이상의 전압 공급부와 연결된다.

Description

연료 전지 어셈블리 및 연료 전지 어셈블리의 작동 방법{FUEL CELL ASSEMBLY AND METHOD FOR OPERATING A FUEL CELL ASSEMBLY}
본 발명은, 고체 전해질에 기반하는 하나 이상의 연료 전지를 구비한 하나 이상의 연료 전지 장치를 포함하는 연료 전지 어셈블리 및 이 연료 전지 어셈블리를 작동시키기 위한 방법에 관한 것으로, 여기서는 연료 전지 장치에 의해 발생한 전기 전압을 인출하기 위한 2개 이상의 연결 접점이 제공되고 이들 연결 접점 사이에 하나 이상의 연료 전지가 배치되며, 하나 이상의 전기 전도성 부품과 하나 이상의 추가 부품을 포함하는 하나 이상의 서브 어셈블리가 제공되며, 상기 하나 이상의 추가 부품은 연결 접점 중 제1 연결 접점과 하나 이상의 전기 전도성 부품 사이에서 제1 연결 접점의 측면으로서 하나 이상의 연료 전지의 반대편 측면에 배치되고 후자보다 더욱 낮은 전기 전도도를 보유하며, 하나 이상의 추가 부품을 관통하여 하나 이상의 전기 전도성 부품과 제1 연결 접점을 연결하는, 유체 매체를 운반하기 위한 하나 이상의 공급 채널이 제공된다.
WO 03/030287 A2로부터, 평면형 연료 전지의 스택과, 또한 평면형 가습 전지의 스택을 포함하는 가습 장치 형태의 서브 어셈블리를 포함하는 연료 전지 장치가 공지되어 있다.
연료 전지 내에서는 전해질에서 수소와 산소의 전기 화학 결합에 의해 높은 효율로 전기 전류가 생성된다. 수소를 제공하는 연소 가스로서는 순수 수소, 수소를 함유한 가스 혼합물(개질 가스), 또는 예컨대 메탄과 같은 기상 탄화수소가 사용된다. 산소를 제공하는 산화 가스로서는 순수 산소, 또는 예컨대 공기와 같이 산소를 함유한 가스가 사용된다. 전해질에서는 순수 수소와 순수 산소가 반응하여, 유해 물질의 배출 없이 물(H2O)이 생성된다. 이러한 연료 전지 원리의 기술적인 구현을 통해 다양한 해결 방법, 더 구체적으로는 매우 다양한 전해질과 60℃와 1000℃ 사이의 작동 온도를 이용한 해결 방법들이 제공되었다. 따라서 액체 전해질과 고체 전해질이 모두 사용된다. 연료 전지는 그 작동 온도에 따라 저온, 중온 및 고온 연료 전지로 분류되고, 이들 연료 전지는 다시 다양한 기술적 실시예에 의해 서로 구별된다.
단일 연료 전지는 최대 약 1.1V의 작동 전압을 공급한다. 그러므로 복수의 연료 전지가 서로 직렬로 그리고/또는 병렬로 적층되어 연료 전지 장치를 형성한다. 개별 연료 전지들이 직렬로 연결되면 100V 이상의 작동 전압이 달성된다.
이하, 평면형 또는 원판형, 판형, 또는 필름형 고체 전해질을 포함하고, 상기 고체 전해질의 일측 측면에는 층 형태의 양극이 인접하며, 고체 전해질의 타측 측면에는 층 형태의 음극이 인접하는 연료 전지를 "평면형 연료 전지"라 칭한다. 상기 두 전극은 전해질과 함께 이른바 전해질-전극 유닛을 형성한다. 양극에 인접하여 양극 가스 공간부가 배치되며, 이 양극 가스 공간부 내로는 연소 가스가 유도된다. 음극에 인접하여서 음극 가스 공간부가 배치되며, 이 음극 가스 공간부 내로는 산화 가스가 유도된다.
평면형 연료 전지의 양극 가스 공간부와, 이에 인접하여 배치되는 평면형 연료 전지의 음극 가스 공간부 사이에는 통상적으로 쌍극판이 배치된다. 쌍극판은 맨 처음 언급한 연료 전지의 양극과, 이에 인접한 연료 전지의 음극 간의 전기 전도성 연결을 구현한다. 연료 전지의 유형에 따라 쌍극판은 예컨대 금속판의 형태로 형성되거나, 또는 냉각수 공간부가 중간 삽입된 상태로 서로 적층된 2개의 판을 포함하는 냉각 부재로서 형성된다. 연료 전지의 각각의 실시예에 따라 연료 전지 장치 내에는 예컨대 전기 전도성 층, 밀봉 장치 또는 압력 쿠션과 같은 추가 구조 부재들이 존재한다.
연료 전지 장치의 연료 전지들은 작동 중에 연소 가스 및 산화 가스를 계속해서 공급받는다. 저온 연소 전지, 특히 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지(PEM 연료 전지)의 상당 수의 실시예는 작동을 위해 가습된 작동 가스를 필요로 한다. 이런 작동 가스는 예컨대 액봉 압축기 또는 막 가습기 형태의 가습 장치와 같은 적합한 장치에서 수증기로 가습된다. 막 가습기는 통상적으로 가습수 공간부로부터 가스 공간부를 분리하는 투수성 막을 포함한다. 가습수 공간부를 통해 안내되는 가습수로서는 주로 연료 전지로부터 배출되는 냉각수가 이용된다. 연료 전지의 온도로 가열된 냉각수는 가습수 공간부를 관류하고 투수성 막을 통과하여 연소 가스 및/또는 산화 가스를 거의 100%의 가습율로 가습한다. 이어서 상기 가습된 가스는 연료 전지로 전달된다. 가습수가 투수성 막으로부터 가스 공간부 안쪽으로 증발됨으로 인해 연소 또는 산화 가스로부터 방출되는 열이 증발열로서 소모된 후에, 상기 가스의 온도는 종종 상당히 감소한다.
따라서 연소 가스 및/또는 산화 가스의 온도를 거의 동일하게 유지하기 위해, 주로 가습 장치 내에서 하나의 투수성 막에 하나 이상의 가열 부재가 할당된다. 가열 부재는 주로, 연소 가스 또는 산화 가스가 가습 과정 중에 가열 부재를 따라 흐르고 거의 연료 전지의 온도로 조정되거나, 또는 연료 전지의 온도로 유지되도록 형성된다. 이와 관련하여 가열 부재는, 연료 전지로부터 배출되는 냉각수에 의해 관류할 수 있도록 형성됨으로써, 매우 간단하게 연료 전지의 온도로 조정된다. 이를 위해 연료 전지 장치는 대개 냉각수를 통과시키기 위한 하나 이상의 공급 채널을 포함하며, 이때 냉각수는 연료 전지의 온도로 가열된다.
이어서, 상기 가열된 냉각수는 가열 부재를 통해 안내되고, 가열 부재를 따라 스쳐 지나가는 연소 가스 및/또는 산화 가스는 거의 연료 전지의 온도로 조정된다. 연료 전지로부터 배출되는 가열된 냉각수의 일부는 가열 부재를 위한 가열수로서 안내되고, 가열된 냉각수의 다른 일부는 가습수로서 가습수 공간부 내로 안내되면, 가습수의 온도도 매우 간단하게 연료 전지의 온도에 맞추어 조정된다. 그에 따라, 연료 전지 장치를 통과하는 냉각수 공급 채널은, 통과하면서 가열되는 냉각수가 결과적으로 막 가습기의 가열 부재(들)뿐 아니라, 막 가습기의 가습수 공간부(들)도 관류하는 방식으로 배치된다. 금속판들 내부에 또는 금속판들 사이에 가열수 공간부가 형성되는 방식의 금속판이 특히 공간 절약적인 가열 부재인 점이 입증되었다.
연료 전지 장치와 하나 이상의 추가 서브 어셈블리를 포함하는 연료 전지 어셈블리는 통상적으로 그 주변에 대해 전기적으로 절연되도록 형성되며, 그럼으로써 연료 전지 장치에 의해 생성되는 전류는 목표하는 부하 단자들 또는 연결 접점들을 통해서만 부하 장치(들)로 안내된다. 연결 접점들은 주로 전기 전도성 극판들, 특히 금속 극판들에 의해 제공된다. 이때 전기 절연의 품질은 연료 전지 어셈블리의, 활전 상태인(live) 개별 부품들과 비활전 상태인 부재들 사이의 절연 저항의 크기에 의해 정해진다. 상기 절연 저항을 통해서는 적은 전류, 즉 일반적으로 손상을 야기하지는 않지만, 측정 가능한 전압 강하를 야기할 수 있는 이른바 누설 전류가 흐른다. 이때 절연 저항은 예컨대 대개 절연체로서 작용하는 플라스틱, 세라믹, 직물 재료 등으로 이루어진 부품에 의해 결정될 수 있다.
이와 관련하여 절연 저항은, 상당한 누설 전류가 흐를 수 있는 전기 도체가 사용될 경우에 한해서, 작동 가스, 냉각수 등을 연료 전지 어셈블리에 공급하는 매체에 의해 영향을 받을 수 있다. 상당한 누설 전류는 예컨대 물 또는 수증기를 함유하는 매체를 통해 발생한다. 그에 상응하게 전압 강하가 높은 경우, 전압은 상기 매체와 접촉하는 전기 전도성 소재, 특히 금속 소재의 부식 전위에 도달할 수 있으며, 그럼으로써 상기 소재로 이루어진 전기 전도성 부품은 부식에 의해 피로해지거나 파괴되게 된다. 또한, 그럼으로써, 경우에 따라 부식된 부품에 인접하는 공급 채널들 내에서 내부에 흐르는 매체에 의해 계속 운반되어 또 다른 위치에서 막힘 또는 기타 바람직하지 못한 부작용을 야기하는 부식 생성물이 형성된다. 이는 특히 내부 분배형 구조(internally manifolded stack)를 갖는 연료 전지 어셈블리의 경우에 바람직하지 못한데, 그 이유는 공급 채널들이 외부로부터 용이하게 접근될 수 없거나 세척될 수 없기 때문이다. 이와 관련하여 형성된 부식 생성물의 양은 누설 전류의 레벨에 따라 결정되며, 상황에 따라서는 거의 수 mA 영역의 누설 전류만으로도 상당량의 바람직하지 못한 부식 생성물이 야기된다.
발생하는 누설 전류의 부식 작용을 방지하거나 감소시키기 위해, 지금까지는 구조적인 조치가 이용되었다. 누설 전류가 예컨대 냉각수와 같은 수성 매체(aqueous medium)를 통해 흐르는 경우에, 예컨대 수성 매체가 안내되는 공급 채널의 횡단면은 가능한 작게 선택되고 그 길이는 가능한 길게 선택된다. 또한, 수성 매체를 제한하는, 공급 채널의 표면 영역, 또는 공급 채널을 형성하기 위한 재료는 전기 절연성 재료로 형성된다. 그러나 이러한 유형의 조치는, 예컨대 튜브 등이 공급 채널을 한정할 때에만 적절한 비용으로 실현될 수 있다. 이러한 조치는 채널 횡단면이 불규칙하거나 변하는 공급 채널들의 경우에는 적용할 수 없거나, 적용하려면 상당한 비용이 든다.
US 3,964,292는, 냉각 시스템이 수많은 작은 섹션으로 나뉘고 이들 섹션들이 중간 전위에 연결됨으로써, 누설 전류가 냉각제 라인들을 통해 최소화되도록 하는, 연료 전지용 냉각 시스템을 기술하고 있다. 앞서 이미 언급한 바와 같이, 연료 전지 스택 내부에 유지되는 전위차는 바람직하지 못한 부식 현상을 초래한다.
DE 100 49 801 A1호에는 공급/배출 박스를 통해 4개의 연료 전지 스택이 연결됨으로써 형성되는 연료 전지 장치가 공개되어 있다. 냉각수 공급 개구부와 냉각수 배출 개구부는 케이블에 의해 단락되며, 그럼으로써 이들 사이의 전기 전위차는 제거된다. 그럼으로써 냉각수 자체 내부에서의 전류 흐름이 저지된다. 여기서 전위차로 인한 전류 흐름은 냉각수 공급 개구부와 냉각수 배출 개구부 사이에서 발생한다. 냉각수 시스템의 나머지 부분은 전기적으로 차폐된다.
본 발명의 과제는, 누설 전류로 인한 부식의 발생이 방지되거나 감소될 수 있는, 개선된 연료 전지 어셈블리 및 연료 전지 어셈블리를 작동시키기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는,
- 고체 전해질에 기반하는 하나 이상의 연료 전지를 포함하는 하나 이상의 연료 전지 장치와, -이때, 연료 전지 장치에 의해 생성되는 전기 전압을 인출하기 위한 2개 이상의 연결 접점이 제공되고 이들 연결 접점 사이에 하나 이상의 연료 전지가 배치됨-
- 하나 이상의 전기 전도성 부품과 하나 이상의 추가 부품을 포함하는 하나 이상의 서브 어셈블리와, -이때 하나 이상의 추가 부품은 연결 접점들 중 제1 연결 접점과 하나 이상의 전기 전도성 부품 사이에서 제1 연결 접점의 측면에 하나 이상의 연료 전지의 반대편 측면에 배치되고, 후자보다 더욱 낮은 전기 전도도를 보유함-
- 하나 이상의 추가 부품을 관통하여 제1 연결 접점을 하나 이상의 전기 전도성 부품과 연결하는, 유체 매체를 운반하기 위한 하나 이상의 공급 채널을 포함하는 연료 전지 어셈블리와 관련하여,
하나 이상의 전기 전도성 부품에서의 전기 전위가 제1 연결 접점에 존재하는 전기 전위에 맞추어 조정되고 하나 이상의 전기 전도성 부품과 제1 연결 접점 사이에 3볼트의 최대 전위차가 존재하는 방식으로, 하나 이상의 전기 전도성 부품이 제1 연결 접점 및/또는 하나 이상의 전압 공급부와 연결됨으로써 해결된다.
상기 과제는, 연료 전지 어셈블리, 특히 본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리를 작동시키기 위한 방법과 관련하여, 연료 전지 어셈블리가 고체 전해질에 기반하는 하나 이상의 연료 전지를 구비한 하나 이상의 연료 전지 장치를 포함하며, 연료 전지 장치에 의해 생성되는 전기 전압을 인출하기 위한 2개 이상의 연결 접점이 제공되고, 이들 연결 접점 사이에는 하나 이상의 연료 전지가 배치되며, 상기 연료 전지 어셈블리는 또한, 하나 이상의 전기 전도성 부품과 하나 이상의 추가 부품을 구비한 하나 이상의 서브 어셈블리를 포함하며, 하나 이상의 추가 부품은 연결 접점들 중 제1 연결 접점과 하나 이상의 전기 전도성 부품 사이에서 제1 연결 접점의 측면에 하나 이상의 연료 전지의 반대편 측면에 배치되고, 후자보다 더욱 낮은 전기 전도도를 보유하며, 상기 연료 전지 어셈블리는 또한, 상기 하나 이상의 추가 부품을 관통하여 하나 이상의 전기 전도성 부품과 제1 연결 접점을 연결하는, 유체 매체를 운반하기 위한 하나 이상의 공급 채널을 포함하고, 하나 이상의 전기 전도성 부품은 제1 연결 접점 및/또는 하나 이상의 전압 공급부와 연결되며, 하나 이상의 전기 전도성 부품과 제1 연결 접점 사이에 3볼트의 최대 전위차가 존재함에 따라 상기 하나 이상의 전기 전도성 부품에서의 전기 전위가 제1 연결 접점에 존재하는 전기 전위에 맞추어 조정됨으로써, 해결된다.
하나 이상의 전기 전도성 부품에서의 전기 전위가 제1 연결 접점에서의 전기 전위에 맞추어 조정됨으로써 제1 연결 접점과 하나 이상의 전기 전도성 부품 사이에서의 누설 전류의 형성이 방지되거나, 또는 적어도 실질적으로 방지되며, 그럼으로써 전기 전도성 부품의 전기 전도성 소재, 특히 금속 소재의 부식 전위에 더 이상 도달하지 않게 된다. 그에 따라 전기 전도성 부품의 부식과, 유동 매체와 함께 인접한 공급 채널들로 분배되거나 발생 위치로부터 멀리 운반되는 방해성 부식 생성물의 형성이 확실하게 방지된다. 그 결과 연료 전지 어셈블리의 작동 수명이 명백히 연장되고 작동 중 장애는 감소하게 된다.
본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리 및 본 발명에 따른 작동 방법은 외부 분배형 및 내부 분배형 구조를 가진 연료 전지 시스템 모두에 적합하지만, 특히 냉각수 및/또는 가열수 및/또는 연소 가스 및/또는 산화 가스 등을 위한 공급 채널들이 연료 전지 어셈블리의 내부를 관통하거나 그 내부에 통합되어 있는 내부 분배형 구조를 가진 연료 전지 어셈블리에 특히 적합하다.
필요에 따라, 연료 전지 장치의 연결 접점 중 하나만, 또는 두 연결 접점 모두가 각각 전위 평형을 위해 하나 이상의 전기 전도성 구조 부재와 전기 전도성으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따라, 전기 전도성 부재 및 연결 접점에 동일하거나, 거의 동일한 전위가 존재하고 약 3V의 최대 전위차가 존재할 때, 전기 전도성 부품에서의 전기 전위가 연결 접점에서의 전기 전위에 맞추어 조정된다.
하나 이상의 추가 부품은 특히 세라믹, 플라스틱 또는 유리와 같은 전기 절연성 재료 또는 실질적으로 전기 절연성인 재료로 제조된다. 이 추가 부품은 연료 전지 어셈블리의, 활전 상태인 개별 부품들(예: 연결 접점)과 비활전 상태인 전기 전도성 부재들 사이에 절연 저항을 형성한다.
바람직하게는 본 발명에 따라 전기 전도성 부품들은 모두 연결 접점의 동일한, 또는 거의 동일한 전기 전위에 놓이고, 연료 전지가 작동될 수 있는 온도 범위 내에서 작동되며, 그리고/또는 연결 접점으로부터, 또는 연결 접점과 동일한 전기 전위에 놓인 전기 전도성 부품으로부터 (연결 접점과 각각의 전기 부품을 연결하는 공급 채널을 따라 계산되는) 최대 10m의 간격을 두고 배치된다.
연료 전지 어셈블리의 한 바람직한 실시예에서는, 하나 이상의 공급 채널이 물 및/또는 수증기 및/또는 수증기 함유 가스 형태의 유체 매체를 운반하도록 설비되고, 하나 이상의 서브 어셈블리 및 하나 이상의 연료 전지 장치를 관통하여 연장된다. 물 또는 수증기 함유 매체는, 상호 간에는 이격되어 있지만 상기 매체와는 모두 접촉해 있는 두 전기 전도성 부품 사이의 절연 저항을 강하게 감소시키기 때문에, 이 경우 특히 많은 누설 전류가 형성됨으로써 부식의 영향이 작용할 위험이 존재한다. 제1 연결 접점과 하나 이상의 전기 전도성 부품 사이의 본 발명에 따른 전위 평형으로 인해, 매체를 통한 누설 전류는 해 감소되거나 억제되며, 전기 전도성 부품은 부식으로부터 효과적으로 보호된다.
본 발명은, 특히 하나 이상의 서브 어셈블리가 2개 이상의 전기 전도성 부품과 2개 이상의 추가 부품을 포함하고, 이때 1개의 전기 전도성 부품이 2개의 추가 부품 사이에 배치되고, 그리고/또는 1개의 추가 부품이 2개의 전기 전도성 부품 사이에 배치될 때에도 사용될 수 있다. 이런 경우 바람직하게는 각각 존재하는 전기 전도성 부품에서의 전기 전위가 제1 연결 접점에 존재하는 전기 전위에 맞추어 조정된다. 그럼으로써, 누설 전류의 형성과 그에 기인하는, 모든 전기 전도성 부품에서의 부식은 억제되거나, 대부분 방지된다.
이처럼 전기 전도성 부품과, 전기 절연성 또는 실질적으로 전기 절연성인 추가 부품을 교대로 병렬로 배치할 경우, 전기 전도성 부품들은 직렬 및/또는 병렬로 전기 전도성으로 서로 연결되면서, 제1 연결 접점 및/또는 하나 이상의 전압 공급부와 연결된다.
제1 연결 접점과 하나 이상의 전기 전도성 부품은 하나 이상의 전기 전도성 브리지 부재에 의해 서로 연결되는 것이 효과적인 것으로 입증되었다.
이와 관련하여, 전기 전도성 브리지 부재는 금속, 금속 합금, 전기 전도성 플라스틱, 석탄, 흑연으로 형성되거나, 예컨대 금속과 플라스틱, 흑연과 플라스틱, 또는 석탄과 플라스틱에 기반하는 전기 전도성 복합 재료로 형성되는 것이 효과적인 것으로 입증되었다.
이와 관련하여 금속 또는 금속 합금으로 이루어진 브리지 부재는 바람직하게는 와이어, 박판, 망사(mesh), 편포, 직물, 기계적 스프링, 또는 탄성 돌기들을 구비한 판금부의 형태로 형성된다. 석탄으로 이루어진 브리지 부재는 특히 카본지의 형태로, 흑연으로 이루어진 브리지 부재는 특히 흑연 펠트 또는 흑연 전극의 형태로 이용된다. 전기 전도성 플라스틱으로 이루어진 브리지 부재는 바람직하게는 흑연 및/또는 금속이 채워진 플라스틱으로 제조된다.
하나 이상의 전기 전도성 브리지 부재는 하나 이상의 연료 전지 장치 및 하나 이상의 서브 어셈블리의 주변 및/또는 그 내부에서 제1 연결 접점과 하나 이상의 전기 전도성 부품을 서로 연결하는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 연료 전지 장치 및 하나 이상의 서브 어셈블리의 외부면 또는 표면에 배치되는 브리지 부재는 접근이 용이하며, 추후에도 간단하게 장착될 수 있다. 이와 관련하여 금속 와이어, 박판, 금속 망사 등이 특히 적합한 브리지 부재인 것으로서 입증되었다.
이와 관련하여, 하나 이상의 전기 전도성 브리지 부재는 전기 전도성 재료, 예컨대 전기 전도성 플라스틱 또는 전기 전도성 세라믹으로 이루어진 스페이서로서 형성되어 하나 이상의 전기 전도성 부품과 제1 연결 접점을 연결하는 것도 마찬가지로 효과적인 것으로 입증되었다. 상기 유형의 스페이서는 바람직하게는 씰, 특히 플랫 씰(flat seal)의 형태로 형성된다. 이와 관련하여 상기 스페이서는 연료 전지 어셈블리의 주변 영역에 위치되어 외부로부터 접근될 수 있으면서 연료 전지 어셈블리의 내부로 연장될 수 있고, 그리고/또는 외부로부터 접근 불가능하게 연료 전지 어셈블리의 내부에서 연장될 수 있다.
하나 이상의 전기 전도성 브리지 부재에 의해 제1 연결 접점이 하나 이상의 독립된 채널 또는 공급 채널을 통과하여 하나 이상의 전기 전도성 부품과 연결되는 것도 동일하게 효과적인 것으로 입증되었다. 이런 경우 하나 이상의 브리지 부재는 연료 전지 장치(들) 및 서브 어셈블리(들) 내부에 배치되고, 그에 따라 외부로부터 직접 접근할 수 없다. 이는 특히 개별 부품들이 조립되는 연료 전지 어셈블리의 재구성 시에 바람직하다. 연료 전지 어셈블리의 외부 치수는 채널들 또는 공급 채널들 내에 통합된 브리지 부재들에 의해서는 변경되지 않는다. 이는 전위 평형이 공간 절약적이고 소형화된 방식으로 구현될 수 있게 한다.
공급 채널은 유체 매체에 의해 관류되며, 그럼으로써 공급 채널 내에 장착되는 브리지 부재는 상기 유체 매체를 투과시킬 수 있도록 구성되어야 하고, 유체 흐름을 약간만 방해하면 된다. 그에 반해 간단한 채널은 관류되지 않으며, 그럼으로써 상기 채널 내에 장착된 브리지 부재는 관류성을 가질 필요가 없다.
고체 전해질에 기반하는 하나 이상의 연료 전지는 바람직하게는 평면형 고체 전해질을 포함하는 이른바 평면형 연료 전지이며, 고체 전해질의 일측 측면에는 층 형태의 양극이 인접하고 고체 전해질의 타측 측면에는 층 형태의 음극이 인접한다. 두 전극은 전해질과 함께 이른바 전해질-전극 유닛을 형성한다.
바람직하게는 연료 전지 어셈블리의 하나 이상의 서브 어셈블리는 하나 이상의 가습 장치, 특히 평면형 가습 장치를 포함하고, 이 가습 장치는 금속 박판으로 이루어진 하나 이상의 전기 전도성 부품, 특히 가열 부재를 포함한다. 가열 부재는 특히 공급 채널에 의해 관통되며, 공급 채널을 통해서는 연료 전지 장치로부터 배출되는 가열된 냉각수가 안내될 수 있다.
바람직하게는 가습 장치가 하나 이상의 막 가습기, 바람직하게는 다수의 막 가습기를 포함한다. 막 가습기는 특히 작동 가스 공간부와, 가습수 공간부와, 이 두 공간부 사이에 배치된 투수성 막을 포함하는 평면형 가습 전지로서 형성된다. 이와 관련하여 각각의 투수성 막에는 바람직하게는 금속 박판으로 이루어진 하나 이상의 가열 부재가 할당된다. 여기서 금속 박판으로 이루어진 가열 부재들은 특히 전기 전도성 부품으로서 작용하며, 이들 부품들은 통상 전기 절연성 소재로 제조되고 특히 추가 부품으로서 작용하는 투수성 막에 의해 상호 간에, 그리고 제1 연결 접점으로부터 분리되어 배치된다. 가열 부재 각각에 존재하는 전기 전위가 제1 연결 접점에서의 전기 전위에 맞추어 조정됨으로써 가열 부재들에서의 부식이 명백히 감소된다.
바람직하게는 전기 전도성 브리지 부재가 각각의 가열 부재와 연결되고, 궁극적으로는 제1 연결 접점 및/또는 하나 이상의 전압원과 연결된다.
연료 전지 어셈블리의 하나 이상의 서브 어셈블리는 금속 파이프라인 형태의 하나 이상의 전기 전도성 부품을 포함하는 것이 효과적인 것으로 입증되었다. 상기 금속 파이프라인의 지름 및 길이는 제1 연결 접점과 파이프라인 사이의 전위 평형에 따라 대부분 자유롭게 선택될 수 있다. 상기 파이프라인은 바람직하게는 연료 전지 장치 및/또는 가습 장치 내로 물을 공급하기 위해 이용된다.
또한, 바람직하게는 하나 이상의 연료 전지 장치 및 하나 이상의 서브 어셈블리가 특히 금속 소재의 컨테이너 내부에 상기 컨테이너와 전기 절연되는 상태로 배치된다. 연료 전지 장치의 제1 연결 접점과 하나 이상의 전기 전도성 부품 사이의 전위 평형으로 인해, 이전에는 비활전 상태였던 부품도 이제 활전 상태에서 접촉이 방지되도록 배치되어야 하기 때문에, 컨테이너는 접촉 방지부로서 작용한다.
본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리는 바람직하게는 WO 03/030287 A2 또는 WO 03/030288 A2에 기술된 것과 같은 연료 전지 장치 및/또는 가습 장치를 포함한다.
연료 전지의 전해질-전극 유닛 내부에서 고체 전해질을 형성하기 위한 재료로서는 특히 중합체가 사용된다. 여기서 특히 바람직한 재료는 델라웨어주 윌밍턴시에 소재한 듀퐁사의 상품명 NAFION을 갖는 중합체이다. 또한, 평면형 막 가습기의 투수성 막이 동일한 재료로 제조되는 것이 바람직하다.
도 1a 내지 7c는 본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리 및 본 발명에 따른 방법을 예시로서 설명한다.
도 1a는 가습 장치 형태의 서브 어셈블리와 연료 전지 장치를 포함하는, 종래 기술에 따른 연료 전지 어셈블리의 개략도이다.
도 1b는 도 1a에 따른 연료 전지 어셈블리의 전기 등가 회로도이다.
도 2a는 도 1a에 따른 연료 전지 어셈블리에 기반하는, 본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리의 개략도이다.
도 2b는 도 2a에 따른 연료 전지 어셈블리의 전기 등가 회로도이다.
도 3a는 가습 장치 형태의 서브 어셈블리와 연료 전지 장치를 포함하는, 본 발명에 따른 또 다른 연료 전지 어셈블리의 개략도이다.
도 3b는 도 3a에 따른 연료 전지 어셈블리의 전기 등가 회로도이다.
도 4는 도 3a에 따른 연료 전지 어셈블리에서 가습 장치 영역의 일 섹션을 잘라낸 횡단면도이다.
도 5a는 가습 장치 형태의 2개의 서브 어셈블리와 연료 전지 장치를 포함하는, 종래 기술에 따른 추가의 연료 전지 어셈블리의 개략도이다.
도 5b는 도 5a에 따른 연료 전지 어셈블리의 전기 등가 회로도이다.
도 6a는 도 5a에 따른 연료 전지 어셈블리에 기반하는, 본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리의 개략도이다.
도 6b는 도 6a에 따른 연료 전지 어셈블리의 전기 등가 회로도이다.
도 7a는 내부에 전기 전도성 브리지 부재들이 배치되어 있는 채널 또는 공급 채널의 횡단면도이다.
도 7b는 내부에 추가의 전기 전도성 브리지 부재들이 배치되는 채널 또는 공급 채널의 횡단면도이다.
도 7c는 스페이서 형태의 전기 전도성 브리지 부재들을 포함하는 연료 전지 어셈블리의 일 영역의 횡단면도이다.
도 1a는 가습 장치(3) 형태의 서브 어셈블리와 연료 전지 장치(2)를 포함하는, 종래 기술에 따른 연료 전지 어셈블리(1)가 개략적으로 도시되어 있다. 연료 전지 어셈블리(1)는 전기 절연되어 2개의 지지부(7, 8) 상에 장착된다. 연료 전지 장치(2)는 2개의 연결 접점(2a, 2b) 및 1개의 평면형 연료 전지(2c) 스택을 포함하며, 상기 평면형 연료 전지들은 각각 고체 전해질에 기반하는 전극-전해질 유닛을 포함한다. 도면에서 연료 전지 장치(2)의 구성은 개략적으로만 도시되어 있으며, 당업자에게 이미 충분히 공지되어 있다.
두 연결 접점(2a, 2b)은 전기 전도성 극판, 특히 금속 극판의 형태로 제공된다. 가습 장치(3)는 전기 전도성 부품(3a) 및 전기 절연성 추가 부품(3b)을 포함한다. 가습 장치(3)에는, 상기 가습 장치(3) 및 연료 전지 장치(2)에 (여기서는 예컨대 물의 형태인) 유체 매체를 공급하는 공급 라인(5)이 연결된다. 연료 전지 장치(2)의, 공급 라인(5) 반대편 측면에 추가 공급 라인(6)이 배치되며, 이 공급 라인을 통해 유체 매체가 배출된다. 본 도면에서 공급 라인들(5, 6)의 배치는 개략적으로만 도시되어 있으며, 완전히 다른 방식의 배치도 가능하다. 또한, 공급 라인들(5, 6)은 예컨대 연료 가스를 위한 공급 라인, 산화 가스를 위한 공급 라인 등과 같이 연료 전지 어셈블리를 작동시키기 위해 필요한 모든 공급 라인을 대표하여 도시되어 있다. 그러나 본 도면에는 편의상 다른 공급 라인들은 도시되지 않았다. 공급 라인(5)은 다양한 섹션을 포함하며, 섹션(5a)은 금속으로 형성되고, 섹션(5b)은 예컨대 플라스틱 또는 세라믹과 같은 전기 절연성 재료로 형성되며, 섹션(5c)은 역시 금속으로 형성된다. 공급 라인(6)은 공급 라인(5)과 동일하게, 즉 섹션(6a)은 금속으로 형성되고, 섹션(6b)은 예컨대 플라스틱 또는 세라믹과 같은 전기 절연성 재료로 형성되며, 섹션(6c)은 역시 금속으로 형성된다. 일반적으로 공급 라인들(5, 6)은 연료전지 서브 어셈블리(1)의 일측 측면에만 배치될 수되 있고, 또는 도시된 바와 같이 연료 전지 어셈블리(1)의 대향 배치된 측면들에 연결될 수도 있다.
도 1b는 도 1a에 따른 연료 전지 어셈블리(1)의 전기 등가 회로도이다. 여기서 연료 전지 장치(2)는 전압(UBZ)을 공급하는 축전지로 도시되어 있다. 두 연결 접점(2a, 2b)은 플러스 및 마이너스 접점으로 도시되어 있다. 공급 라인(5)의 섹션(5a)을 포함하는 가습 장치(3)는 옴 저항(R1)으로 도시되어 있으며, 이 옴 저항을 통해 전류(I1)가 흐르고 이 옴 저항에서는 전압(U1)이 강하한다. 공급 라인(5)의 섹션(5b 및 5c)은 옴 저항(R2)으로 도시되어 있으며, 이 옴 저항을 통해 전류(I2)가 흐르고 이 옴 저항에서는 전압(U2)이 강하한다. 지지부(7)는 옴 저항(R3)으로 도시되어 있으며, 이 옴 저항을 통해 전류(I3)가 흐르고 이 옴 저항에서는 전압(U3)이 강하한다. 지지부(8)는 옴 저항(R4)으로 표현되어 있으며, 이 옴 저항을 통해 전류(I4)가 흐르고 이 옴 저항에서는 전압(U4)이 강하한다. 공급 라인(6)의 섹션(6b 및 6c)은 옴 저항(R5)에 의해 도시되어 있으며, 이 옴 저항을 통해 전류(I5)가 흐르고 이 옴 저항에서는 전압(U5)이 강하한다. 저항(R3)과 저항(R4) 사이에는 접지 단자(M)가 제공된다. 옴 저항(R1)에 대한 값이 일정한 경우, 전류(I1)는 옴 저항(R2 및 R3)이 높은지 또는 낮은지의 여부에 따라 결정된다. 상기 옴 저항들이 높다면, 그에 상응하게 적은 전류(I1)가 결정된다.
전류(I1)가 적은 경우, 옴 저항(R1)에서는 약간의 전압이 강하한다. 그러나 옴 저항(R2 및 R3)이 옴 저항(R1)에 비해 낮으면, 가습 장치(3)에서 높은 전압 강하를 야기하는 비교적 높은 전류(I1)가 흐른다. 만일 전압(U1)이 전기 전도성 부품(3a 또는 5a)의 소재의 부식 전위에 도달하면, 상기 전기 전도성 부품들에서 부식 현상이 나타날 수 있다. 부식 생성물은 공급 채널 내 공급 라인(5)에 의해 가습 장치(3) 및 연료 전지 장치(2) 내로 공급되는 유체 매체에 의해 계속 전달되어, 또 다른 위치에서, 예컨대 연료 전지(2c)에서 막힘이나, 예컨대 전극의 오염, 전해질의 이온 전도성의 저하 등과 같은 또 다른 바람직하지 못한 작용을 초래한다. 이때, 부식 생성물의 양은 전류(I1)의 레벨에 따라 좌우되며, 수 mA의 영역에서 이미 바람직하지 못한 양의 부식 생성물이 형성된다.
도 2a에는 도 1a에 따른 연료 전지 어셈블리(1)를 기반으로 형성된 본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리(1a)가 개략적으로 도시되어 있다. 연료 전지 어셈블리(1a)는, 가습 장치(3)의 전기 전도성 부품(3a) 및 공급 라인(5)의 전기 전도성 섹션(5a)과 제1 연결 접점(2b)을 연결하는 전기 전도성 브리지 부재(10)를 포함한다. 전기 전도성 브리지 부재(10)에 의해 전기 전도성 부품(3a) 및 전기 전도성 섹션(5a)에서의 전기 전위가 연결 접점(2b)에서의 전기 전위에 맞추어 조정된다. 여기서, 전기 전도성 브리지 부재(10)는 금속 와이어의 형태로 구현된다.
도 2b에는 도 2a에 따른 연료 전지 어셈블리(1a)의 전기 등가 회로도의 일 섹션이 도시되어 있다. 이 등가 회로도(우측 분기)는 실질적으로 도 1b에 따른 등가 회로도(우측 분기)와 동일하며, 여기서 전기 전도성 브리지 부재(10)는 이제 옴 저항(R1)을 우회한다. 브리지 부재(10)를 통해 단락 전류(Ik)가 흐름으로써, 옴 저항(R1)을 통하는 전류 흐름은 완전하게, 또는 거의 완전하게 억제된다. 그에 따라 전기 전도성 부품(3a) 또는 공급 라인(5)의 전기 전도성 섹션(5a)에서는 더 이상 부식이 일어나지 않을 수 있다.
도 3a에는 가습 장치(3) 형태의 서브 어셈블리와 연료 전지 장치(2)를 포함하는 본 발명에 따른 또 다른 연료 전지 어셈블리(1b)가 개략적으로 도시되어 있다. 가습 장치(3)는 본 실시예의 경우 전기 전도성 부품뿐 아니라, 막 가습기에서 종종 이용되는, 예컨대 금속 가열 부재 형태의 일련의 전기 전도성 부품(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)도 포함한다. 전기 전도성 부품들(3a1, 3a2, 3a3, 3a4) 사이에는, 예컨대 투수성 막 또는 전기 절연성 씰의 형태로, 전기 전도성이 더 약한 추가 부품 또는 추가의 전기 절연성 부품들(3b1, 3b2, 3b3, 3b4)이 위치한다. 전기 전도성 부품들(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)은 전기 전도성 브리지 부재(10a)에 의해 제1 연결 접점(2b)과 연결된다. 여기서 전기 전도성 브리지 부재(10a)는 금속 와이어의 형태로 구현된다. 가습 장치(3)의 구성에 대한 상세한 도해와 관련해서는 도 4를 참조한다.
도 3b에는 도 3a에 따른 연료 전지 어셈블리(1b)(우측 분기)의 전기 등가 회로도의 일 섹션이 도시되어 있다. 여기서 추가의 전기 절연성 부품(3b1)은 옴 저항(R1a)으로 표현되어 있고, 추가의 전기 절연성 부품(3b2)은 옴 저항(R1b)으로 표현되어 있고, 추가의 전기 절연성 부품(3b3)은 옴 저항(R1c)으로 표현되어 있으며, 추가의 전기 절연성 부품(3b4)은 옴 저항(R1d)으로 표현되어 있다. 도 3a에 도시된, 전기 전도성 부품들(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)과 제1 연결 접점(2b) 사이에 위치하는 전기 전도성 브리지 부재(10a)에 의해, 저항들(R1a, R1b, R1c, R1d)의 우회가 이루어진다. 상기 전기 전도성 브리지 부재(10a)를 통해 저항들(R1a, R1b, R1c, R1d) 각각에서 각각의 저항에 따라 조정되는 단락 전류(Ik)가 흐른다.
본 실시예에서 옴 저항들(R1a, R1b, R1c, R1d)은 대체로 동일한 값을 가지므로, 각각의 우회 영역에서 전기 전도성 브리지 부재(10a) 내에는 동일한 단락 전류(Ik1, Ik2, Ik3, Ik4)가 생성된다. 전기 절연성 부품들(3b1, 3b2, 3b3, 3b4)의 저항보다 훨씬 더 낮은 저항을 갖는 브리지 부재(10a)에서는 전압(Uk1 ... Ukn)이 강하하며, 상기 전압은 전기 전도성 부품들(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)에서 더 이상 부식을 야기하지 않는다. 따라서 연료 전지 어셈블리(1b)의 수명이 연장된다.
도 4에는 도 3a에 따른 연료 전지 어셈블리(1b)의 일 섹션이 도시되어 있다. 다시 말해 도 4에는 공급 라인(5)의 전기 전도성 섹션(5a)과 연료 전지 장치(2)의 제1 연결 접점(2b) 사이의 영역이 단면도로 도시되어 있다. 여기서는, 공급 라인(5)의 전기 전도성 섹션(5a) 내에 공급 채널(50)이 배치되고, 이 공급 채널을 통해 유체 매체가 가습 장치(3) 내로 공급될 수 있음(화살표 참조)을 알 수 있다. 전기 전도성 부품들(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)은 추가의 전기 절연성 부품들(3b1, 3b2, 3b3, 3b4)에 의해 서로 분리되며, 나아가 유체 매체가 존재하지 않는 한 제1 연결 접점(2b)으로부터 절연된다. 그러나 유체 매체가 공급되면, 전기 전도성 부품들(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)과 제1 연결 접점(2b) 사이에는, 본 발명에 따라 제공되는 금속 와이어 형태의 전기 전도성 브리지 부재(10a)가 생략되는 경우에 한해, 부식 전류가 생성될 수 있다.
도 5a에는 가습 장치(3, 4) 형태의 2개의 서브 어셈블리 및 연료 전지 장치(2)를 포함하는 종래 기술에 따른 추가의 연료 전지 어셈블리(1c)가 개략적으로 도시되어 있다. 여기서 가습 장치(4)는 도 1a 또는 2a에 따른 가습 장치(3)와 실질적으로 동일하게 구성된다.
도 5b는 도 5a에 따른 연료 전지 어셈블리(1c)의 전기 등가 회로도를 도시하고 있다. 등가 회로도의 우측 부분은 도 1b에 따른 우측 부분에 상응하며, 등가 회로도의 좌측 부분에는 제2 가습 장치(4)가 유사하게 도시되어 있다. 제2 가습 장치는 전기 전도성 부품(4a)과 추가의 전기 절연성 부품(4b)을 포함한다. 여기서 옴 저항(R6)은 추가의 전기 절연성 부품(4b)을 나타낸다. 옴 저항(R5)은 실질적으로 공급 라인(6)의 섹션들(6b 및 6c)을 나타내며, 섹션(6b)은 전기 절연성 재료로 형성되고, 섹션(6c)은 전기 전도성 재료, 특히 금속 재료로 형성된다. 저항(R5)을 통해 전류(I5)가 흐르고, 저항(R6)을 통해서는 전류(I6)가 흐른다. 저항(R5)에서는 전압(U5)이 강하하고, 저항(R6)에서는 전압(U6)이 강하한다. 저항(R4)은 이미 도 1b에서 언급한 바와 같이 지지부(8)를 나타낸다.
도 6a에는 도 5a에 따른 연료 전지 어셈블리(1c)에 기반하여 형성된, 본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리(1d)가 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시예에서 전기 전도성 부품(3a) 및 공급 라인(5)의 전기 전도성 섹션(5a)은 전기 전도성 브리지 부재(10b)에 의해 제1 연결 접점(2b)과 연결된다. 또한, 제2 가습 장치(4)의 전기 전도성 부품(4a)뿐 아니라 공급 라인(6)의 전기 전도성 섹션(6a)은 제2 전기 전도성 브리지 부재(10c)에 의해 연료 전지 장치(2)의 제2 연결 접점(2a)과 연결된다. 여기서 제1 전기 전도성 브리지 부재(10b) 및 제2 전기 전도성 브리지 부재(10c)는 금속 와이어의 형태로 형성된다.
도 6b는 도 6a에 따른 연료 전지 어셈블리(1d)의 전기 등가 회로도이다. 여기서는 두 전기 전도성 브리지 부재(10b, 10c)에 의해 가습 장치들(3, 4)이 전기적으로 우회됨에 따라, 전류(I1 및 I6)가 완전하게, 또는 거의 완전하게 방지되는 것을 확인할 수 있다. 전기 전도성 부품(3a, 5a, 4a, 6a)의 영역에서의 부식은 확실하게 방지되며, 연료 전지 어셈블리(1d)의 수명도 훨씬 더 연장된다.
도 7a에는 내부에 전기 전도성 브리지 부재(10d)가 배치된 채널 또는 공급 채널(50)의 횡단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 배치 구조는 예컨대 가습 장치 내에 존재할 수 있으며, 여기에도 추가의 전기 절연성 부품들(3b1, 3b2, 3b3, 3b4)에 의해 서로 분리되는 전기 전도성 부품들(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)(도 4 참조)이 도시되어 있다. 이때 전기 전도성 부품들(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)은 채널 또는 공급 채널(50)을 형성하기 위한 관통 개구부들을 포함하며, 이들 관통 개구부는 추가의 전기 절연성 부품들(3b2, 3b3, 3b4)에서 채널 또는 공급 채널(50)을 형성하기 위한 관통 개구부들보다 약간 더 작게 설계된다. 전기 전도성 브리지 부재들(10d)은, 유체 매체가 관류하는 공급 채널(50) 내에 배치되는 경우에 한해서, 유체 매체에 대해 투과성인 금속 편포에 의해 형성되며, 금속 편포는 양쪽 측면이 전기 전도성 부품(3a1, 3b1)에 지지되고 이 전기 전도성 부품에 의해 탄력적으로 압축 및 고정된다. 그러나 연료 전지 어셈블리의 내부 분배기 시스템 내에 상기 전기 전도성 브리지 부재를 배치하는 경우, 브리지 부재(들)의 배치에 의해 공급 채널(50)의 관류가 심하게 방해받지는 않도록 유의해야 한다. 만일 전기 전도성 브리지 부재들(10d)이 관류되지 않는 간단한 채널 내에 배치된다면, 상기 전기 전도성 브리지 부재들은 유체 매체에 대해 비투과성으로 형성될 수도 있다.
도 7b에는 내부에 추가의 전기 전도성 브리지 부재들(10e)이 제공되어 있는 추가의 채널 또는 공급 채널(50)의 횡단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시예에서 전기 전도성 부품들(3a1, 3a2, 3a3)은 탄력적으로 형성된 돌출부의 형태로 통합되거나 독립된 전기 전도성 브리지 부재(10e)를 포함한다. 이와 관련하여 브리지 부재들(10e)은 채널 또는 공급 채널(50)의 내부에서 서로 접경하며, 전기 전도성 부품들(3a1, 3a2, 3a3) 간의 전위 평형을 가능하게 한다. 브리지 부재들(10e)은 유체 매체가 관류해야 하는 공급 채널(50) 내에 배치될 경우 투과성이며, 매체의 흐름을 약간만 방해한다. 상기 투과성은 예컨대 전기 전도성 부품들(3a1, 3a2, 3a3) 내에서 브리지 부재(10e)의 영역에 배치된 관통 개구부, 슬롯 등에 의해 실현될 수 있다. 관류되지 않는 간단한 채널 내에 브리지 부재(10e)를 배치할 경우, 유체 매체에 대한 투과성은 요구되지 않는다.
유체 매체에 의해 관류되지 않는 채널 내에, 또는 유체 매체에 의해 관류되는 공급 채널 내에 배치되는 복수의 추가 전기 전도성 브리지 부재는 도 7a 및 7b에 도시된 브리지 부재의 대안으로서 이용될 수 있다. 채널 또는 공급 채널의 내부 또는 그 외부에서 간단한 금속 와이어를 이용한 연결도 효과적인 것으로서 입증되었다.
도 7c에는 전기 절연성 부품(3b2, 3b3, 3b4) 및 전기 전도성 부품(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)을 포함하는 연료 전지 어셈블리의 일측 영역의 횡단면도가 도시되어 있다. 전기 전도성 부품(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)의 전기 전위는 흑연으로 채워진 전기 전도성 플라스틱, 특히 탄성 중합체로 형성되는 스페이서 형태의 전기 전도성 브리지 부재(10f)에 의해 상호 조정된다. 여기서 스페이서는 전기 전도성 부품들(3a1, 3a2, 3a3, 3a4) 사이에서 플랫 씰로서 작용하면서 전기 절연성 부품(3b2, 3b3, 3b4)을 제 위치에 고정한다.
당업자라면 본 발명을 인지한 상태에서 발명 사상을 벗어나지 않으면서 도시한 실시예들을 변형할 수 있다. 따라서 평면형 연료 전지 대신에 즉시 튜브형 연료 전지 등도 문제없이 사용될 수 있다. 가습 장치 대신에 또 다른 서브 어셈블리도 문제없이 사용될 수 있고, 그리고/또는 일련의 전기 전도성 부품들 및 추가의, 실질적으로 전기 절연성인 부품들이 기본적으로 변형될 수 있다. 또한, 전기 전도성 부품 및 추가의, 실질적으로 전기 절연성인 부품의 개수를 변경하거나 증가 또는 감소시킬 수도 있다. 브리지 부재의 유형은, 금속 와이어 대신에 예컨대 금속 편포, 전도성 세라믹 또는 플라스틱 부재 등이 사용됨으로써 간단하게 변경될 수 있다. 연료 전지 어셈블리 및 그 부품들의 도시된 치수도 단지 대략적으로 선택된 것일 뿐, 실제 크기 및 크기 비율을 시사하는 것은 아니다.

Claims (14)

  1. 연료 전지 어셈블리(1, 1a, 1b, 1c, 1d)이며,
    고체 전해질에 기반하는 하나 이상의 연료 전지(2c)를 구비한 하나 이상의 연료 전지 장치(2)로서, 상기 연료 전지 장치(2)에 의해 생성되는 전기 전압을 인출하기 위한 2개 이상의 연결 접점(2a, 2b)이 제공되고 이들 연결 접점 사이에는 하나 이상의 연료 전지가 배치되는, 하나 이상의 연료 전지 장치(2)와,
    하나 이상의 전기 전도성 부품과 하나 이상의 추가 부품을 포함하는 하나 이상의 서브 어셈블리로서, 상기 하나 이상의 추가 부품은 상기 연결 접점(2a, 2b) 중 제1 연결 접점과 상기 하나 이상의 전기 전도성 부품 사이에서 상기 제1 연결 접점의 측면에 상기 하나 이상의 연료 전지의 반대편 측면에 배치되고, 후자보다 더욱 낮은 전기 전도도를 보유하는, 하나 이상의 서브 어셈블리와,
    상기 하나 이상의 추가 부품을 관통하여 제1 연결 접점을 상기 하나 이상의 전기 전도성 부품과 연결하는, 유체 매체를 운반하기 위한 하나 이상의 공급 채널(50)을 포함하는 연료 전지 어셈블리에 있어서,
    상기 하나 이상의 전기 전도성 부품에서의 전기 전위가 제1 연결 접점에 존재하는 전기 전위에 맞추어 조정되고 상기 하나 이상의 전기 전도성 부품과 상기 제1 연결 접점 사이에 3볼트의 최대 전위차가 존재하는 방식으로, 상기 하나 이상의 전기 전도성 부품이 상기 제1 연결 접점, 공급 라인(5)의 전기 전도성 섹션(5a), 또는 제1 연결 접점 및 공급 라인(5)의 전기 전도성 섹션(5a)과 연결되고,
    상기 전기 전도성 부품은 상기 공급 채널(50)에 의해 운반되는 유체 매체에 의해 가열되고 상기 전기 전도성 부품을 따라 지나가는 연소 가스를 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 공급 채널(50)은 물, 수증기, 수증기 함유 가스 중 적어도 하나의 형태의 유체 매체를 운반하도록 설비되고, 하나 이상의 서브 어셈블리 및 하나 이상의 연료 전지 장치(2)를 관통하여 연장되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 서브 어셈블리는 2개 이상의 전기 전도성 부품 및 2개 이상의 추가 부품을 포함하며, 상기 1개의 전기 전도성 부품이 상기 2개의 추가 부품 사이에 배치되거나, 상기 1개의 추가 부품이 2개의 전기 전도성 부품 사이에 배치되거나, 상기 두 배치가 모두 이루어지는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 연결 접점과 상기 하나 이상의 전기 전도성 부품은 하나 이상의 전기 전도성 브리지 부재(10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서, 하나 이상의 전기 전도성 브리지 부재(10, 10a, 10b, 10c, 10f)는 상기 하나 이상의 연료 전지 장치(2) 및 상기 하나 이상의 서브 어셈블리의 주변에서나 그 내부에서나 주변 및 내부에서 제1 연결 접점과 하나 이상의 전기 전도성 부품을 서로 연결하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리.
  6. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 전기 전도성 브리지 부재(10d, 10e)에 의해서는 제1 연결 접점이 하나 이상의 공급 채널(50) 또는 독립된 채널을 통해서 하나 이상의 전기 전도성 부품과 전기 전도성으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 서브 어셈블리는 하나 이상의 가습 장치(3, 4)를 포함하고, 이 가습 장치는 금속 박판으로 이루어진 하나 이상의 전기 전도성 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 서브 어셈블리는 금속 파이프라인 형태의 하나 이상의 전기 전도성 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 컨테이너를 포함하며, 상기 컨테이너의 내부에는 상기 컨테이너로부터 전기 절연되는, 하나 이상의 연료 전지 장치(2) 및 하나 이상의 서브 어셈블리가 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 연료 전지(2c)는 평면형 연료 전지인 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 추가 부품은 전기 절연성 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 내부 분배형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리.
  13. 연료 전지 어셈블리(1, 1a, 1b, 1c, 1d)를 작동시키기 위한 방법이며,
    상기 연료 전지 어셈블리(1, 1a, 1b, 1c, 1d)는, 고체 전해질에 기반하는 하나 이상의 연료 전지(2c)를 구비한 하나 이상의 연료 전지 장치(2)를 포함하며, 이 연료 전지 장치(2)에 의해 생성되는 전기 전압을 인출하기 위한 2개 이상의 연결 접점(2a, 2b)이 제공되고, 이들 연결 접점 사이에는 하나 이상의 연료 전지가 배치되며, 상기 연료 전지 어셈블리는 또한, 하나 이상의 전기 전도성 부품 및 하나 이상의 추가 부품을 구비한 하나 이상의 서브 어셈블리를 포함하며, 상기 하나 이상의 추가 부품은 상기 연결 접점(2a, 2b) 중 제1 연결 접점과 상기 하나 이상의 전기 전도성 부품 사이에서 상기 제1 연결 접점의 측면에 상기 하나 이상의 연료 전지의 반대편 측면에 배치되고, 후자보다 더욱 낮은 전기 전도도를 보유하며, 상기 연료 전지 어셈블리는 또한, 상기 하나 이상의 추가 부품을 관통하여 상기 하나 이상의 전기 전도성 부품과 상기 제1 연결 접점을 연결하는, 유체 매체를 운반하기 위한 하나 이상의 공급 채널(50)을 포함하는, 연료 전지 어셈블리의 작동 방법에 있어서,
    상기 하나 이상의 전기 전도성 부품은 상기 제1 연결 접점, 공급 라인(5)의 전기 전도성 섹션(5a), 또는 제1 연결 접점 및 공급 라인(5)의 전기 전도성 섹션(5a)과 연결되며, 상기 하나 이상의 전기 전도성 부품과 상기 제1 연결 접점 사이에 3볼트의 최대 전위차가 설정됨으로써 상기 하나 이상의 전기 전도성 부품에서의 전기 전위가 제1 연결 접점에 존재하는 전기 전위에 맞추어 조정되고,
    상기 전기 전도성 부품은 상기 공급 채널(50)에 의해 운반되는 유체 매체에 의해 가열되고 상기 전기 전도성 부품을 따라 지나가는 연소 가스를 가열하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리의 작동 방법.
  14. 제13항에 있어서, 유체 매체로서 물, 수증기, 수증기 함유 가스 중 적어도 하나가 상기 하나 이상의 공급 채널(50)을 통해 운반되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리의 작동 방법.
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