KR102097434B1 - 연료 전지를 위한 기체 분배 요소 - Google Patents

연료 전지를 위한 기체 분배 요소 Download PDF

Info

Publication number
KR102097434B1
KR102097434B1 KR1020147034972A KR20147034972A KR102097434B1 KR 102097434 B1 KR102097434 B1 KR 102097434B1 KR 1020147034972 A KR1020147034972 A KR 1020147034972A KR 20147034972 A KR20147034972 A KR 20147034972A KR 102097434 B1 KR102097434 B1 KR 102097434B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
gas distribution
opening
fuel cell
gas
Prior art date
Application number
KR1020147034972A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150029642A (ko
Inventor
자하리 뷜레민
Original Assignee
솔리드파워 에스에이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 솔리드파워 에스에이 filed Critical 솔리드파워 에스에이
Publication of KR20150029642A publication Critical patent/KR20150029642A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102097434B1 publication Critical patent/KR102097434B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/0254—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form corrugated or undulated
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04276—Arrangements for managing the electrolyte stream, e.g. heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1231—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/036—Bipolar electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
    • H01M2300/0077—Ion conductive at high temperature based on zirconium oxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소(10)는 제 1 층(2) 및 제 2 층(3)을 포함하고, 상기 제 1 층(2) 및 제 2 층(3)에는 제 1 반응물 유체의 유체 유동을 위한 패턴을 형성하는 기체 분배 구조(11)가 배치된다. 제 2 층(3)은 제 1 개구(15)를 갖는 균질화 요소이고, 제 1 개구(15)의 적어도 일부는 길이(28) 및 폭(29)을 갖고, 길이(28)는 폭(29)보다 크고, 그리고 길이(28)는 주요 유체 유동 방향(9)에 대해 횡단 방향으로 연장한다.

Description

연료 전지를 위한 기체 분배 요소{GAS DISTRIBUTION ELEMENT FOR A FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소, 특히 연료 전지 또는 전해 기기의 전극 상에 반응물 유체를 분배하기 위한 기체 분배 요소에 관한 것이다.
연료 전지는 전기화학 반응을 수행함으로써 연료 내에 저장된 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키기 위한 전기화학 기기이다. 대부분의 경우, 산소 또는 산소 이온은 수소, CO 또는 다른 연료와 반응함으로써 전자의 유동을 발생시키고, 결과적으로 전류 뿐만 아니라 열을 제공한다.
반응은 연료 전지에 연속적으로 공급되도록 된 반응물로서 환원제 및 산화제를 사용하고, 전형적으로 수소가 환원제로서 사용되고, 산소 또는 이와 같은 산소를 포함하는 공기가 산화제로서 사용된다.
대부분의 경우, 연료 전지는 역으로 전기분해 반응을 수행하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 전류 및 경우에 따라서는 열도 제공되어야 한다. 편의상, 이하에서는 연료 전지 작동 모드만이 설명된다.
연료 전지 전력 시스템은 일반적으로 다음의 컴포넌트를 포함한다: 하나 또는 수 개의 연료 전지 스택, 뿐만 아니라 밸런스 오브 플랜트(balance of plant)라고도 부르는 보조 설비. 연료 전지 스택은 모듈식으로 결합되는, 그리고 전기적으로 연결되는 개개의 반복단위들로 제작된다. 개개의 반복단위는 전술한 전기화학 반응이 일어나는 하나 또는 수 개의 전지 막을 포함한다. 반복단위는 전기적 접촉 또는 실링 등을 허용하는, 반응물을 공급하기 위한 컴포넌트를 또한 포함한다.
보조 설비는 공급 흐름의 상태조절을 제공하고, 이에 따라 정확한 온도 및 압력 조건으로 공기 또는 산소 및 연료를 제공할 뿐만 아니라 선택적인 연료 처리기 또는 연료 개질기를 제공한다. 더욱이 보조 설비는 연료 전지 스택의 정확한 작동 온도를 위해, 그리고 전기화학 반응에 의해 발생되는 열 에너지를 사용하여 연료 또는 산화제 공급 흐름을 예열시키고, 사용자에게 유용한 열을 전달하기 위해 열 교환기를 포함할 수 있다. 이와 같은 열 교환기의 예는 WO2006/048429 A1에 개시되어 있다.
보조 설비는 또한 전기 에너지 관리 시스템을 포함할 수 있다.
전지 막은 통상적으로 그 양면 상에서 애노드 및 캐소드와 접촉하는 전해질로 이루어진다. 전해질은 이온 전도체이지만 전기 절연체이다. 연료 전지로서 작동 시, 연료는 연속적으로 애노드, 따라서 음의 전극에 연속적으로 공급되고, 산화제는 캐소드, 따라서 양의 전극에 연속적으로 공급된다. 외부 회로를 통해 각각의 전극의 내외로 전류의 유동이 허용되는 즉시 전해질을 통한 이온 전류를 생성하도록 전극에서 전기화학 반응이 일어나고, 따라서 부하에 대해 일을 수행할 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이 전지 막을 포함하는 단위 전지는 플레이트 또는 튜브형 구조와 같은 상이한 형상을 가질 수 있다. 각각의 전지 막은 전기적으로 접촉되어야 한다. 또한, 반응물 기체는 반응의 효율을 최대화하기 위해 전극의 표면 상에 적절한 분배되어야 한다. 이것은, 예를 들면, 전극의 표면과 접촉하는 특수 형상의 기체 분배 층을 생성함으로써 달성된다. 그러므로 전기 전도 및 기체 분배의 양자 모두는 특수 부품 내에서 종종 결부된다. 전지 막 및 추가의 개개의 컴포넌트와 함께, 이 부분조립체는 연료 전지 스택의 하나의 반복단위를 나타낸다.
평면 전지 막의 경우, 개개의 반복단위는 스택을 형성하기 위해 대부분의 경우 서로 중합하여 설치된다.
이 경우, 전극에 반응물을 이송하기 위해서 뿐만 아니라 제 1 전지 막의 하나의 전극으로부터 다른 전지 막의 제 2 전극으로 전류를 전도하고, 이것에 의해 수 개의 전지를 직렬로 연결하기 위해, 반복단위에서 기체 분배 층이 사용된다.
단위 전지에서, 고밀도의 전해질은 연료 및 산화제 기체 흐름이 직접적으로 혼합되는 것을 방지하는 물리적 장벽을 제공한다. 평면 스택에서, 이극 플레이트는 통상적으로 인접하는 반복 단위들 사이에서 기체의 동일한 분리를 보장하고, 또한 기체 분배 층을 통한 전기적 접촉을 제공한다.
다수의 촉매 사이트가 전해질 층과 전극 사이의 계면에 제공되고, 따라서 전자 및 이온에 대한 혼합된 전도성을 갖는 구간이 제공된다. 연료 전지 막의 성능은 전해질의 전도성을 향상시키는 노력에 의해, 개선된 전극 촉매 활성 및 반응물 수송을 개발함으로써, 그리고 전지가 작동될 수 있는 온도 범위를 확장시킴으로써 지속적으로 개선되어왔다.
전극은 전형적으로 다공질이고, 전기적으로 그리고 경우에 따라서는 또한 이온적으로 전도성인 재료로 제조된다. 낮은 온도에서, 몇몇 비교적 희소한 그리고 고가의 재료만이 충분한 전극촉매 활성을 제공하고, 따라서 이 경우 촉매는 다공질 전극과 전해질 사이의 계면에 소량으로 침착된다. 높은 온도의 연료 전지에서, 다수의 재료가 그 개선된 전극촉매 활성의 덕분에 전극 재료로서 자격을 갖는다.
따라서 다공질 전극은 전기화학 반응이 발생하기 위한 표면을 제공하는 일차적 기능을 갖는다. 또한, 그 기능은 삼상 계면으로부터 멀어지는 방향으로 또는 삼상 계면 내로 전자를 전도하고, 전류 수집 및 다른 전지 또는 부하와의 연결을 제공하는 것이다.
전지 막의 성능은 주로 재료, 그 크기 또는 미세구조 및 결합되는 방법에 의해 결정되지만, 연료 전지 스택의 성능은 또한 매우 중요한 범위까지 전지 막 상의 반응물의 분배의 질, 전극의 전기적 접촉, 및 상이한 반복단위 사이의 반응물 유동의 균질성 및 온도의 균일성에 의존한다. 마지막으로 그러나 결코 가볍지 않은 것으로서, 연료 처리 및 작동점의 선택은 연료 전지의 성능 및 수명에 중요한 영향을 미친다.
다양한 연료 전지가 개발되어왔고, 현재 다양한 상업화 단계에 있다. 연료 전지의 가장 일반적인 분류는 고체 산화물 연료 전지(SOFC), 폴리머 전해질 연료 전지(PEFC), 알칼리성 연료 전지(AFC), 인산 연료 전지(PAFC) 또는 용융 탄산염 연료 전지(MCFC)와 같이 사용된 전해질의 유형에 관련된다.
폴리머 전해질 연료 전지(PEFC)는 이온 교환막, 특히 우수한 양성자 전도체의 특징을 갖는 불소화 술폰산 폴리머로 구성되는 전극을 갖는다. 연료는 수소 이온을 제공하는 주로 탄화수소 연료이고, 그리고 산화제는 전기화학 반응을 수행하기 위한 산소를 제공하는 공기이므로 이 연료 전지 내에 존재하는 유일한 액체는 물이다. 막은 틀림없이 물에 의해 수화되고, 그러므로 이와 같은 물은 생성되는 것에 비해 증발되는 것이 더 빠르면 안되므로 작동 온도는 통상적으로 100℃ 미만이다. 따라서, 바람직하게 작동 온도는 약 60℃ 내지 80℃이다. 전형적으로 백금 전극촉매를 갖는 탄소 전극은 애노드 및 캐소드의 양자 모두를 위해 사용된다. 이극 플레이트 또는 분리기 플레이트는 탄소 또는 금속으로 제조된다. 애노드는 미량의 CO에 의해 쉽게 활성억제되므로 연료는 조금도 CO를 포함해서는 안 된다. PEFC를 위한 중요한 상업적 용도는 연료 전지 차량 뿐만 아니라 전기분해장치이다.
알칼리성 연료 전지(AFC)는 매트릭스 내에 유지되는 KOH 전해질을 갖고, 광범위한 전극촉매, 예를 들면, Ni, Ag, 금속 산화물, 스피넬, 귀금속이 사용될 수 있다. 전해질 전체에 걸친 전하 담체는OH-이온이다.
작동 온도는 약 85 중량%의 농도의 KOH가 사용되는 경우에는 통상적으로 약 250℃이고, 35% 내지 50%의 농도의 KOH가 사용되는 경우에는 120℃ 미만일 수 있다. 연료는 전해질과 반응하여 K2CO3를 형성함으로써 이것을 변화시키는 CO 또는 CO2를 조금도 포함할 수 없다. 따라서, AFC용 연료로서 순수 수소가 사용되는 것이 바람직하다. 전형적으로, 천이 금속으로 구성되는 전극이 사용되고, 백금 전극 촉매가 애노드 및 캐소드의 양자 모두를 위해 사용되고, 이극 플레이트는 금속으로 제조된다.
인산 연료 전지(PAFC)는, 예를 들면, 탄화 규소로 제조되는 매트릭스 내에 유지되는 전해질로서 고도로 농축된 인산을 사용하고, 대부분 백금이 전극 촉매로서 사용된다. 전해질 내에서 수송되는 이온은 양성자이다. PAFC의 전형적인 작동 온도는 150℃ 내지 220℃이고, 이것은 농축된 인산은 이와 같은 비교적 높은 온도 하에서도 높은 안정성을 가진다는 사실에 기인된다. 더 낮은 온도에서, 인산은 빈약한 이온 전도체이고, 백금 전극 촉매의 CO 촉매활성저하가 발생한다. 더 높은 작동 온도에서 희석제로서 최대 1%의 CO의 함량은 용인될 수 있다. 전형적으로, 탄소로 구성되는 전극이 애노드 및 캐소드의 양자 모두를 위해 사용되고, 이극 플레이트는 흑연으로 제조된다. 인산의 부식성 특질로 인해, 흑연과 같은 고가의 재료가 사용되어야 한다. PAFC의 주요 사용 분야는 고정식 용도이다.
용융 탄산염 연료 전지(MCFC)는 전해질로서 알칼리 탄산염의 조합을 사용하고, 이 전해질은 LiAlO2 매트릭스 내에 유지된다. MCFC의 전형적인 작동 온도는 약 600℃ 내지 700℃이고, 여기서 알칼리 탄산염은 고도의 전도성 용융염을 형성하고, 탄산염 이온은 이온 전도를 제공한다. 애노드는 통상적으로 니켈로, 그리고 캐소드는 니켈 산화물로 이루어지고, 상호접속부는 스테인리스 강 또는 니켈로 제조된다. 니켈/니켈 산화물 전극은 높은 작동 온도에서 충분한 활성을 제공하고, 따라서 전극 촉매는 불필요하다. 연료는 CO 및 탄화수소를 포함할 수 있고, 더욱이 캐소드에서 CO2의 공급원이 요구되고, 이것은 애노드로부터의 배기에 의해 제공될 수 있다. MCFC의 주요 사용 분야는 고정식 용도이다.
고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 고체 전해질을 사용하고, 이것은 Y2O3, 또는 Sm2O3-도핑된 CeO2(SDC) 또는 GdO2-도핑된 CeO2(GDC)에 의해 안정화된 3% - 10%의 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ)와 같은 비다공질 금속 산화물이다. SOFC의 전형적인 작동 온도는 전해질 재료에 의존하고, 산소 이온이 이온 전도를 제공하는 상태에서 약 500℃ 내지 최대 1100℃이다. 애노드 및 캐소드는 통상적으로 세라믹 재료를 또한 포함한다. 연료 전극은 통상적으로 서멧, 예를 들면, 대부분 Ni-YSZ 서멧을 형성하는 금속 및 세라믹의 조합물로 제조된다. 산소 전극은 통상적으로 전기 전도성 도핑된 페로브스카이트 또는 페로브스카이트와 이온 전도성 세라믹, 예를 들면, YSZ 또는 GDC의 혼합체를 포함한다. 캐소드로서 사용되는 전형적인 페로브스카이트는 La, Sr, Co, Fe, Mn의 조합물을 포함한다.
이극 플레이트는 통상적으로 스테인리스 강으로 제조된다.
캐소드, 애노드 및 전해질을 위한 가능한 성분 뿐만 아니라 선택적 중간층 및 촉매에 관한 추가의 정보는 참조에 의해 포함되는 US 7 632 586 B2에서 발견된다.
연료는 수소 외에 CO 및 다른 탄화수소, 예를 들면 메탄 또는 암모니아를 포함할 수 있고, 반면에 H2 및 CO 만이 전기화학적으로 용이하게 전환된다. 다른 연료는 간접적으로 소비되고, 또는 전환되기 전에 해리 단계를 필요로 한다. 더욱이, N2, CO2 또는 수증기와 같은 불활성 기체에 의해 희석되는 연료를 허용할 수 있다. 탄화수소 중에서, 이것은 천연 가스, 가솔린, 디젤 또는 또한 바이오가스일 수 있다. 그러나, 이러한 유형의 연료 전지는 1 ppm을 초과하는 농도에서 이미 촉매활성저하제로서 간주되는 황, 특히 H2S 및 COS와 같은 일부의 촉매활성저하 요소에 대해 감수성을 유지한다.
전지 막의 캐소드-애노드-전해질 유닛은 전해질을 개재하는 2 개의 다공질 전극으로 구축된다. 공기는 캐소드를 따라 유동하고, 따라서 캐소드에 산소 분자를 수송한다. 산소 분자가 캐소드/전해질 계면에 접촉할 때, 이것은 캐소드로부터 전자를 획득한다. 산소 이온은 전해질 재료 내로 확산되고, 애노드와 접촉하는 전지의 타측면으로 이동한다. 산소 이온은 애노드/전해질 계면에서 연료와 만나서 촉매적으로 반응하고, 이것에 의해 물, 이산화탄소, 열 및 전자가 생성된다. 전자는 전기 에너지를 제공하기 위해 외부 회로 내로 공급된다.
SOFC의 주요 사용 분야는 고정식 발전, 이동식 전력, 차량용 보조 전력, 특수 용도와 같은 고정식 용도이다. SOFC에 의해 통상적으로 얻어지는 전력 밀도는 고정식 용도의 경우 200 내지 500 mW/cm2의 범위에 있다.
SOFC는 1950 년대 후반에 시작한 가장 긴 지속적 개발 기간을 거친 연료 전지이다. 고체 전해질이 예측된다는 사실에 의해, 전지 막은 튜브형, 평면 또는 모노리스 형상과 같은 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 전기 효율은 주로 사용된 연료에 의존한다. 연료로서 수소를 사용하면, 45%-55%(LHV)의 범위의 전기 효율이 달성될 수 있고, 반복단위의 레벨에서 최대 60%에 근접한다. 연료로서 메탄을 사용하면, 70%에 근접하는 스택 전기 효율에 대해 60%의 시스템 전기 효율이 달성될 수 있다. 더욱이 산성 기체 또는 임의의 고체의 방출은 무시될 수 있다.
반응성 기체, 예를 들면, 연료 기체와 산소의 화합에 의해 전력을 발생시키기 위한 고체 산화물 연료 전지 시스템의 배열체는 WO2006/048429에 개시되어 있다. 고체 산화물 연료 전지는 2 개의 전극 사이에 개재되는 전해질 층을 포함하는 스택 구성을 포함한다. 작동 시 전극 중 하나는 산소 또는 공기와 접촉하고, 다른 전극은 약 500℃ 내지 약 1100℃의 작동 온도에서 연료 기체와 접촉한다. 전극 층을 수용하도록, 그리고 전지의 추가적인 기계적 안정성을 제공하도록, 전지의 생산 중에 통상적으로 지지층이 사용된다. 지지층은 또한 집전장치로서 기능할 수 있다.
캐소드는 페로브스카이트, 란타넘 또는 스트론튬 망가나이트 또는 이트리아 안정화된 지르코니아를 포함한다. 산소 이온은 캐소드에서 제공되는 산소 기체로부터 형성되고, 이것은 전해질 층을 통해 이동하여 애노드에서 제공되는 수소 기체와 화합한다. 애노드는 니켈 및/또는 이트리아 안정화된 지르코니아를 포함한다. 애노드에서, 물이 형성되고, 전자가 제공되고, 이것은 집전장치에서 수집된다.
연료 전지 시스템의 하나의 특징은 그 효율이 크기에 의해 거의 영향을 받지 않는다는 것이다. 이것은 가정용 열전병급(cogeneration) 유닛용의 수 kW로부터 낮은 MW 용량 발전장치까지 소형의 비교적 높은 효율의 발전장치가 개발될 수 있다는 것을 의미한다.
일반적으로 연료 전지와 관련되는 문제는 주택이나 자동차 용도를 위해 사용되기에는 지나치게 작은 약 1V의 직류 전위를 발생한다는 사실이다. 이러한 이유로, 교류 전류로 효율적으로 전환될, 그리고 대부분의 상업적 용도에서 사용될 충분한 크기의 전압을 제공하기 위해 복수의 전지 막이 직렬로 전기적으로 연결되는 전지 막의 스택으로 결합된다.
통상적 스택은 부분적으로 직렬 및 병렬로 연결되는 수십 개 내지 수백 개의 전지 막으로 제조되고, 일부의 설계는 심지어 수천 개의 전지를 포함한다.
그러므로 반복단위의 스택의 조립체는 한편으로 가능한 한 적은 수의 조립 단계를 필요로 해야 하고, 다른 한편으로 각각의 전지 막에 대한 적절한 작동 조건을 보장해야 한다.
반복단위의 직렬 연결로 인해, 하나의 단일 전지 막 상의 임의의 성능 제한은 이것이 발전될 수 있는 전체 전류 및 나아가서 얻어지는 전력을 제한할 수 있으므로 스택 전체의 성능 상에 중요한 결과를 미칠 수 있다.
스택 구조는 사용되는 전지 막의 유형에 의존한다. 제 1 주요 등급의 스택은 WO01/91218 A2에 제시된 것과 같은 튜브형 전지 막을 사용한다.
제 2 등급의 스택은 축적에 의해 상호연결될 수 있는 평면 전지 막을 사용한다. 이들 중에서, 주된 차이는 연료 및 산화제 공급의 유형 및 기하학적 배치, 또는 전극 상의 기체 분배의 설계 및 그 전기적 접촉에 관련된다.
예를 들면, EP 1 864 347 B1에서 제안되었던 제 1 개념은 원통 형상의 스택이다. 따라서, 전지 막은 양의 전극, 전해질 및 음의 전극(CAE 유닛)로 이루어지는 디스크 형상의 세라믹의 3 개의 층의 막이다. 연료는 중심 채널에서 공급되어 반경방향 외측으로 안내되고, 산소를 함유하는 기체는 주변으로부터 공급되어 중심 채널을 향해 안내된다.
US2011/0269048a1에서, 사각형 전지 막에 기초한 스택 개념이 설명되고, 여기서 상기 막은 연료 유입 포트 및 유출 포트를 구비하는 기체 분배 유닛에 부착되고, 여기서 산화제는 상기 기체 분배 유닛의 주변에서 공급 및 추출된다. 전지 막의 표면의 전체를 통해 유동하는 기체의 기체 분배를 향상시키기 위해, 기체 채널은 만곡되어 있다. 종래에, 전지 막의 기체 입구 구역 및 출구 구역에서 튜브형 매니폴드는 기체 유동에 대한 장해물을 제공함으로써 전지 막의 전체를 통해 유동하는 기체의 불균질 유동장(flow field)을 발생시켰다. US2011/0269048a1에 따르면, 장해물 주위의 기체를 장해물의 후방 영역으로 안내하는 만곡된 기체 채널이 제안된다. 이것에 의해 더욱 균질한 기체 유동의 분배가 얻어질 수 있고, 기체 유동에 미치는 장해물의 부정적 영향이 보상될 수 있다.
EP 1 864 347 B1에서 제시되는 해결책의 반응물 공급 및 배출은 US 7 632 586 B2에 따르면 상호접속 플레이트에 대한 비교적 복잡한 제조 수순을 요구한다. 이것을 방지하기 위해, 평면 CAE 유닛은 인접하는 CAE 유닛 사이에 배치되는 평면 금속 플레이트로서 형성되는 상호연결 층으로 중첩하여 위치된다. 연료 및 산화제를 위한 각각의 통로는 애노드 층 및 캐소드 층 내에 형성된다.
더욱이 CAE 유닛에 반응물을 공급하는, 그리고 그것으로부터 멀어지는 방향으로 반응물을 안내하는 CAE 유닛 및 구조의 팽창의 효과가 고려되어야 한다.
게다가, 전극 및 계면은 과도한 온도에 도달하는 즉시 열화되는 경향을 갖는다.
발열 반응으로 인해, 단위 전지의 적극적인 냉각이 요구되고, 이것은 주로 공기 냉각에 의해 달성될 수 있다. CAE 유닛 및 기체 분배 구조 내의 온도 기울기 및 과도한 온도차를 제한하기 위해, 단위 전지 내의 냉각 공기의 적절한 분배가 요구된다. 온도 차이를 제한하기 위해, 전기화학 반응 자체를 위해 필요한 양을 크게 초과하는 냉각 공기가 요구된다. 이러한 과다한 공기는 특히 송풍기의 소비로 인해 밸런스 오브 플랜트에서의 추가의 손실을 의미한다. 그러나, 스택 내에서의 압력 강하가 낮은 경우, 즉 스택 내의 공기를 위한 기체 분배 구조가 공기 유동에 대해 낮은 저항을 발현하는 경우, 이러한 손실은 감소될 수 있다.
과다한 공기의 사용의 추가의 결점은 공기 전극 상으로의 촉매활성저하 종(poisoning species)의 수송이다. 특히 휘발성 크로뮴은 스택의 상류에 위치되는 금속 컴포넌트에 의해 방출되고, 공기 흐름에 의해 스택 내로 수송된다는 것이 공지되어 있다. 휘발성 크로뮴은 전기화학 반응 및 화학 반응에 의해 공기 전극 내에 침착되는 경향을 갖는다. 특히, 휘발성 크로뮴은 전극 내에 수용된 스트론튬과 자발적으로 반응한다. 게다가, 전극/전극 계면에서 크로뮴 산화물로서 전기화학적으로 침착될 수 있으므로 반응 부위의 수를 저감시킨다. 크로뮴 뿐만 아니라 실리콘, 황 및 다른 종이 공기 전극의 내구성에 더욱 영향을 주는 것으로 공지되어 있다.
종래 기술의 연료 전지 스택에 관련된 문제는 통상적으로 평면 층을 형성하는 전극의 표면 상에서 발생하는 국부적 온도 피크이다.
만일 이와 같은 국부적 온도 피크가 발생하면, 반응 속도론이 변화될 수 있고, 국부적 핫스팟(hot spot)이 형성될 수 있다. 이러한 핫스팟은 국부적 열팽창을 유발함으로써 재료 상에 높은 변형을 수반하고, 이것은 영향을 받은 층 재료의 뒤틀림 또는 변형으로 이어질 수 있으므로 바람직하지 않다. 전극 또는 전해질의 세라믹 재료는 취성을 가지므로, 이들은 균열될 수 있고, 궁국적으로 상당한 국부적 온도 변화에 노출되는 경우 파단될 수 있다.
이러한 핫스팟의 발생은 냉각 공기류를 증가시킴으로써, 그리고 CAE 유닛과 접촉하여 열 소산 구조로서 작용할 수 있는 공기 분배 구조의 적절한 설계에 의해 현저하게 감소시킬 수 있다.
열 변형의 효과는 US 6 670 068 B1에 도시된 바와 같은 유사한 구성을 갖는 스택에 의해 원칙적으로 더욱 완화시킬 수 있다. 따라서, 복수의 CAE 유닛은 접촉 플레이트와 전기 전도성 접촉되고, 유체 안내 요소는 성형된 판금 부품으로서 형성되고, 용접 또는 솔더링(soldering)에 의해 유체 밀봉 방식으로 접촉 플레이트에 연결된다. 그 결과 접촉 플레이트는 연료 전지 유닛의 작동 중에 가연성 기체 도는 산화제가 유동하는 유체 체임버를 한정한다. 성형된 판금 부품은 파형 구조를 부여하는 복수의 주름을 구비하여 배치된다. 파형 구조는 그 자체로서 작동 시 CAE 유닛 및 유체 안내 요소의 열 팽창의 일부를 보상할 수 있다. 그러나, 각각의 전극과 파의 마루 또는 파의 골짜기의 국부적 접촉에 의해 유체 안내 요소는 전극의 열 팽창을 추종해야 한다. 유체 안내 요소가 충분한 탄성을 가지지 않는 경우, 열 팽창에 의한 변형은 전극 내로 도입된다. 전극은 고체의 취성의 세라믹으로 형성된다. 따라서, 높은 변형이 전극 내에 도입되면, 균열이 형성될 수 있고, 이것은 궁극적으로 전극을 파괴한다. 또한 유체 안내 요소와 애노드 사이에 제공되는 용접 또는 솔더링 연결도 또한 구조의 강성(stiffness)의 원인이다. 특히, 상이한 열팽창 계수를 갖는 재료가 사용되는 경우, 변형은 최종적으로 전극의 손상으로 이어질 수 있고, 고려되는 전지 막을 손상시킬 수 있다. 특히, 반응물의 유동은 변경될 수 있고, 또는 전지 막이 파손된 경우 반응물의 직접적 혼합이 발생하여 자발적 연소로 이어질 수 있다. 따라서, 국부적 핫스팟이 형성될 수 있고, 이것은 국부적 열 팽창 및 이에 따라 부적 응력의 발생을 유발할 수 있다.
열 변형 및 열 팽창의 효과를 완화시키기 위한 추가의 해결책은 WO2004/021488에 제공되어 있다. 이 해결책은 연료 통로를 둘러싸는 제 1 및 제 2 포일형 요소의 프레임을 예견한다. CAE 유닛은 제 1 포일형 요소에 부착되고, 애노드는 연료 통로의 대향측 상의 제 1 포일형 요소에 직접 인접하여 배치된다. 연료는 제 1 포일형 요소를 횡단함으로써 애노드에 도달하고, 이것은 이 목적을 위해 천공을 구비한다. 제 2 포일형 요소는 유체 밀봉되고, 공기와 같은 산화물을 함유하는 기체의 유동으로부터 연료의 유동을 분리시키기 위한 분리 요소로서 작용한다. 연료 통로 내에 철망을 제공함으로써, 그리고 연료 통로의 대향측 상의 제 2 포일형 요소 상에 추가의 철망을 제공함으로써 우수한 전기적 접촉이 보장된다. 따라서 WO2004/021488의 지지 구조는 매우 자유롭게 팽창될 수 있고, 포일형 요소에 대한 CAE 유닛의 치밀한 결합은 연 소산 구조의 역할을 수행한다.
문헌 EP 1742285A1, WO96/34421, US2008/0280177A1 및 EP1830426A1은 기체 분배 요소를 개시한다. 이와 같은 기체 분배 요소의 하나의 단점은 기체의 분배가 불균질하므로 캐소드-애노드-전해질 유닛 상의 특정 영역에서 연료의 부족이 발생하고, 국부적 과열의 위험이 증가하는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 기존의 연료 전지를 더 신뢰할 수 있게 하도록, 그리고 더 저렴한 제조를 허용하도록 개선하는 것이다.
본 발명의 목적은 향상된 성능을 갖는 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소에 의해, 특히 SOFC 또는 고체 산화물 전해 기기라고 부르는, 더욱 기체 분배 요소를 갖는 SOEC라고 부르는 고체 산화물 연료 전지에 의해 얻어진다. 특히, 본 발명은 음의 연료 전극 상에 반응성 기체의 균질한 분배를 제공하는 것을 허용하고, 이것은 연료 전지, 특히 SOFC 또는 SOEC의 성능을 위해 유리하다. 게다가, 이것은 전극 상의, 결과적으로 캐소드-전해질-애노드 유닛을 포함하는 단위 격자 상의 온도 분배를 향상시킨다.
본 발명에 따른 해결책은 본 발명은 청구항 1의 주제이다. 종속 청구항 2 내지 13은 본 발명의 추가의 유리한 구성 또는 실시형태에 관한 것이다. 청구항 14는 연료 전지 또는 전해 기기를 대상으로 한다. 청구항 15는 연료 전지 또는 전해 기기의 기체 분배 요소를 작동하는 방법에 관한 것이다.
연료 전지 또는 전해 기기의 기체 분배 요소는 연료 전지의 연료 전극 상에의 반응성 기체의 적절한 분배 뿐만 아니라 연료 전지의 연료 전극과의 적절한 전기적 접촉을 가능하게 한다. 본 발명은 따라서 연료 전지 또는 전해 기기 스택 내의 기체 분배 요소 및 그 구조에 관한 것이다.
통상적으로 연료 전지는 복수의 단위 전지로 구성되는 연료 전지 스택으로서 구성된다. 따라서, 단위 전지는 용도를 위해 요구되는 전압 및 전력 출력 레벨을 달성하기 위한 연료 전지 스택 내로 모듈 형상으로 결합된다. 따라서 스택 형성 단계는 전기 전도성 상호연결부 또는 이극 플레이트를 통해 직렬로 다중의 단위 전지를 연결하는 단계를 수반한다.
따라서, 연료 전지, 특히 고체 산화물 연료 전지, 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소는 제 1 층 및 제 2 층을 포함하고, 상기 제 1 층 및 제 2 층에는 제 1 반응물 유체, 및 결국 제 2 반응물 유체의 유체 유동을 위한 패턴을 형성하는 기체 분배 구조가 배치된다.
제 2 층은 제 1 개구를 갖는 균질화 요소이고, 제 1 개구의 적어도 일부는 길이 및 폭을 갖고, 길이는 폭보다 크고, 그리고 길이는 주요 유체 유동 방향에 대해 횡단 방향으로 연장한다. 따라서, 상기 패턴은 특히 복수의 채널을 포함하고, 상기 제 2 층은 주요 유동 방향에 대해 횡방향으로 연장하는 길이를 갖는 개구를 포함한다. 기체 분배 구조는 또한 채널 구조 또는 채널 시스템의 패턴을 형성하는 개구를 포함한다.
본 출원에서 2 개의 대체수단을 결합하기 위해 "또는"이라는 표현이 사용되는 경우, 양자 모두의 대체수단 뿐만 아니라 단지 하나의 대체수단의 양자 모두가 존재하는 것으로 이해되어야 한다. 특별히 연료 전지를 언급하지 않는 경우, 특징은 연료 전지 또는 전해 기기에 적용될 수 있다.
기체 분배 요소가 연료 전지에서 작동되는 경우, 제 1 전극은 캐소드이고, 제 2 전극은 애노드이고, 반응물 유체 유동은 캐소드로 안내된다. 연료 전지 또는 전해 기기를 위해, 적어도 제 1 반응물 유체 및 제 2 반응물 유체의 복수의 반응물 유체가 사용될 수 있다. 제 1 반응물 유체는 연료 전지 작동 모드에서 발열 반응으로 O2와 반응할 수 있거나, 전기분해 모드에서 O2를 형성하면서 흡열 반응으로 해리될 수 있는 유체이다. 이것은 전형적으로 H2, N2, H2O, CO, CO2, 암모니아, CH4 및 임의의 다른 탄화수소 기체의 임의의 혼합물이다. 연료 전지 또는 전해 기기로서의 작동에 따라, 그리고 연료 전지의 유형에 따라, 기체 혼합물은 변경된다. 제 2 반응물 유체는 O2를 함유하는 기체, 바람직하게는 공기이다. 전기분해 기기의 경우, 이 O2를 함유하는 기체의 외부 공급이 반드시 요구되는 것은 아니라는 것에 주의해야 한다.
고체 산화물 연료 전지 또는 전해 기기의 경우, 그 효율을 최대화하기 위해, 그리고 신뢰할 수 있는 작동을 보장하기 위해 대응하는 전극 상에 균질하게 분배되고 산포되는 것이 필수적이다. 실제로, 이것은 채널 시스템 또는 다공질 구조로서 형성되는 기체 분배 구조가 기체 유동에 대해 균질한 저항, 따라서 균일한 압력 강하를 발현하는 것을 요구한다. 채널 시스템의 경우, 이것은 통상적으로 매우 정밀한 기하학적 배치를 요구하고, 매우 엄격한 공차를 수반하고, 그러므로 고비용을 초래한다.
균질화 요소는 제 2 개구를 포함할 수 있다. 특히, 제 2 개구는 길이 및 폭을 갖고, 길이는 폭보다 크고, 폭은 유체의 주요 방향에 대해 횡단 방향으로 연장한다. 이들 제 1 개구 또는 제 2 개구는 채널형 구조를 형성할 수 있고, 이것은 특히 사각형으로 배치되거나 제 1 층 내에 배치되는 채널에 대해 경사를 이룬다. 제 1 층 내에 특히 개구를 형성하는 기체 분배 구조의 내측에서 유동하는 유체가 제 1 층 상에 배치되는 기체 분배 구조에 의해 제 2 층의 개구를 향해 안내될 수 있는 이점을 갖는다. 제 1 층 및 제 2 층의 개구는 유체를 위한 통로를 제공하고, 따라서 유체 통로는 기체 분배 구조 상에 또는 기체 분배 구조의 전체에 걸쳐 형성된다. 각각의 반응물 유체가 제 1 층의 기체 분배 구조 상에서 또는 기체 분배 구조의 전체에 걸쳐 유동할 때마다, 이것은 제 1 층의 기체 분배 구조의 상측의 제 2 층의 개구 내로 유입하고, 즉 이것은 제 1 층의 기체 분배 구조의 상측의 제 2 층의 개구 내로 유입되고, 그리고 이와 같은 기체 분배 구조 및 제 1 층의 인접하는 개구의 후측에 계속되는 제 1 층 내의 채널 내로 분배되고, 이것은 제 1 개구가 길이 및 폭을 갖고, 그 길이는 그 폭보다 크고, 그리고 그 길이는 주요 유체 유동 방향에 대해 횡단 방향으로 연장하는 것이 예측되기 때문이다.
제 2 층 내에서 제 1 개구 또는 제 2 개구는 특히 구멍으로서 형성되고, 이것은 직사각형, 정사각형 또는 원형 단면을 갖는다. 기체 분배 구조는 제 1 층의 유체 유동을 위한 패턴을 형성하고, 이것은 채널, 단속적인 채널, 3 차원 구조, 특히 핀과 같은 돌출부, 그리드 구조 또는 연속적인 또는 단속적인 발포체 구조와 같은 발포체 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이들 구조는 고체 또는 다공질 금속 또는 전도성 세라믹으로 제조될 수 있다. 유리하게, 단일 시트 또는 한 쌍의 시트로 이루어지는 채널 구조가 예측되고, 이것은 제 2 층 또는 균질화 층과 함께 기체 분배 요소를 형성한다.
기체 분배 요소의 상이한 층들 사이의 전기적 접촉은 기계적 접촉, 용접, 브레이징 또는 얇은 접촉 층에 의해 얻어질 수 있다.
제 1 층 또는 제 2 층의 각각은 캐소드 또는 애노드로서 작용할 수 있다. 이들의 기능은 전해질의 특징 또는 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소의 작동에 따라 반전될 수 있다. 제 1 반응물은 산소, 예를 들면, 공기가 풍부하다. 제 2 반응물은 H2, CO, CO2, H2O, 암모니아 또는 탄소를 함유하는 기체 중 적어도 하나의 요소를 포함한다.
제 3 층이 제공될 수 있고, 이것은 특히 베이스 층이다. 또한, 지지층이 제공될 수 있고, 이것은 특히 산소 전극을 위한 기체 분배 층으로서 사용된다.
기체 분배 요소는 다음의 이점을 갖는다. 균질화 요소는 제 1 층의 기체 분배 구조 내에 존재하는 기하학적 결함을 수정하는 것을 허용한다. 그러므로, 제 1 층 및 제 2 층을 위해 고품질의 기체 분배를 유지하면서도 저비용 생산 공정이 적용될 수 있다. 또한, 스택은 다양한 설치면적을 갖는 상이한 구성에서 제조될 수 있다. 연료 전지 시스템 또는 전해 기기는 필요에 따라 다양한 용도에 적합될 수 있다. 설치면적 하에서, 연료 전지 스택의 기저부의 전체 길이 및 폭 치수가 이해된다.
하나의 실시형태에서, 스위스연방 공과대학(EPFL)에서의 시험에서 스택 모듈 상에서 연료의 더 낮은 가열값에 기초하여 65%의 전기 효율이 얻어졌다. 스택은 수증기 개질된 메탄(수증기 대 탄소 비율은 2)의 연료를 공급받았고, 250 mW/cm2의 전력 밀도로 750℃에서 작동되었다.
이러한 효율에서, SOFC 기술을 이용하는 kW 크기의 유닛에서 분산형 발전은 최상의 가용의 컴바인드 사이클 가스터빈(CCGT)을 이용하는 MW 크기의 발전장치에서의 중앙집중형 발전보다 우수한 효율을 갖는다.
2 개의 금속 상호연결부 사이에 개재되는 고체 산화물 연료 전지의 양측면 상에 설치되는 세라믹 기체 확산 층은 스택을 덜 복잡하게 하고, 재료에 관한 한 제조비용을 덜 비싸지게 함으로써 전체적인 스택의 비용을 저감한다.
따라서, 이 유닛은 적어도 0.5 kW의 스택, 그리고 바람직하게는 2.5 kW의 스택을 필요로 하는, 가정에 전기를 공급하기 위한 전기 에너지의 대안적 공급원으로서 사용된다.
하나의 실시형태에 따르면, 제 1 층의 기체 분배 구조는 적어도 바(bar) 요소에 의해 적어도 부분적으로 차단된다. 바 요소는 제 1 층의 기체 분배 구조를 통한 유체 유동에 대한 장해물로 간주된다. 바 요소는 임의의 유형의 장벽 또는 스로틀(throttle) 요소일 수 있고, 이것은 유체 유동을 주요 유체 유동 방향으로의 진행으로부터 벗어나게 하고, 또는 유압 유동 채널의 직경의 국부적 제한을 생성한다.
제 2 층의 제 1 개구 또는 제 2 개구의 적어도 일부는 천공, 특히 구멍으로서 성형될 수 있다. 따라서 제 1 층 및 제 2 층은 기체 분배 요소를 형성하고, 이것은 적어도 하나의 판금으로 구성된다. 기체 분배 요소에서, 적어도 하나의 판금 층은 천공된 층에 대면하는 채널 구조를 형성한다. 천공된 층의 특수성은 연료 분배 채널에 실질적으로 수직하게 연장하는, 그리고 유동 방향을 따라 일정한 간격으로 인접하는 환경 내에서 수 개의 채널의 기체를 혼합하는 단계를 허용하는 일련의 세장형 구멍을 제공하는 것이다.
유리하게, 천공의 길이는 바 요소의 폭보다 크다. 따라서 제 1 또는 제 2 반응물 유체는 바 요소에 의해 형성되는 장해물을 통과할 수 있고, 그러므로 유동은 하나의 채널을 통한 흐름을 인접하는 채널을 통과하는 흐름과의 혼합을 허용하도록 주요 유동 방향으로부터 벗어난다. 하나의 실시형태에 따르면, 특히 천공으로서 성형된 개구의 일부는 폭보다 큰 길이를 갖고, 이 길이 또는 폭은 주요 유체 유동 방향으로 연장한다. 특히, 제 1 개구의 폭은 주요 유체 유동 방향으로 연장하고, 제 2 개구의 길이는 주요 유체 유동 방향으로 연장한다. 제 1 층 상에 배치되는 기체 분배 구조 및 적어도 하나의 제 1 개구 및 제 2 개구는 유체 접촉된다.
추가의 층을 형성하는 지지층은 제 1 또는 제 2 반응물 유체 중 어느 하나의 전극 상으로의 균질한 분배를 위해 제공될 수 있다. 하나의 실시형태에 따르면, 각각의 반응물 유체를 위한 복수의 유입 개구는 제 1 층 및 제 2 층 중 적어도 하나 상에 제공된다. 복수의 유입 개구를 제공함으로써, 더 균질한 유체 유동의 분배가 얻어질 수 있다. 추가의 이점은 더욱 균일한 열의 분배이고, 따라서 CAE 유닛에 의해 제공되는 전체 반응 표면을 효율적으로 이용할 수 있게 한다.
더욱이 유체 유동을 위한 패턴을 형성하는 기체 분배 구조, 특히 제 1 개구 또는 제 2 개구의 적어도 일부는 스탬핑이나 에칭에 의해 제조될 수 있다. 대안적 실시형태에 따르면, 지지층은 제 1 층과 모노리스 부재를 형성한다. 하나의 실시형태에 따르면, 제 1 층은 천공을 포함하는 제 1 시트 및 베이스 층을 형성하는 제 2 시트를 포함한다. 지지층은 베이스 층 또는 제 1 층의 반대면 상에 배치될 수 있다.
더욱이, 본 발명은 전술한 실시형태들 중 임의의 하나에 따른 기체 분배 요소를 포함하는 연료 전지 또는 전해 기기에 관한 것이다.
특히, 제 1 개구의 총 개방 면적은 캐소드-애노드-전해질 유닛의 음의 전극의 총 접촉면의 적어도 20%, 바람직하게는 총 접촉면의 적어도 약 30%, 가장 바람직하게는 총 접촉면의 적어도 약 50%이다. 그 결과 기체 분배 요소를 통해 유동하는 기체의 횡방향 분배가 얻어지고, 이것은 더 균질의 유체 분배 및 결과적으로 더 균일한 유체 온도를 부여할 수 있다.
연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소를 작동시키기 위한 방법은 다음의 단계를 포함한다: 제 1 반응물 유체는 기체 분배 요소의 제 1 측면을 따라 유동하고, 제 2 반응물 유체는 기체 분배 요소의 제 2 측면을 따라 유동하고, 제 1 또는 제 2 반응물 유체는 그 양 측면 상의 캐소드-애노드-전해질 유닛에 반응물, 전하 운반 이온 및 전자를 제공하고, 그 결과 전하 운반 이온은 전기화학 반응을 수행하도록 전해질을 횡단할 수 있다. 기체 분배 요소는 제 1 층 및 제 2 층을 포함하고, 상기
제 1 층 및 제 2 층에는 유체 유동을 위한 패턴을 형성하는 기체 분배 구조가 배치되고, 상기 제 2 층은 균질화 요소이고, 이것은 길이 및 폭을 갖는 제 1 개구 또는 제 2 개구를 갖고, 상기 길이는 폭보다 크고, 적어도 일부의 제 1 개구의 길이는 균질화 요소를 통하는 유동이 제 2 층의 표면 상에 균질하게 분배되도록 주요 유체 유동 방향에 대해 횡단 방향으로 연장한다. 따라서, 반응 표면은 기체 분배 요소의 표면과 대부분 일치하고, 전기화학 반응은 균질화 요소의 전체 표면에 걸쳐 균질하게 실행된다.
SOFC의 주요 용도는 원격 전력, 분산식 발전, 열전기복합(CHP), 트럭, 버스 및 선박용 보조 전력 유닛(APU), 휴대용 전력 및 고효율의 바이오가스 전환의 분야이다.
본 발명의 이들 및 다른 특징 및 이점은 첨부한 도면과 함께 하는 특정의 예시적 실시형태의 다음의 설명으로부터 더 완전히 이해되고, 평가될 것이고, 도면에서 동일한 번호는 동일한 합성물을 나타낸다. 본 발명은 연료 전지와 결합하여 상세히 설명된다. 본 발명은 또한 전해 기기를 포함함은 명백하다.
도 1은 SOFC 시스템의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 기체 분배 요소의 등각도이고,
도 3은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 단위 전지의 횡단면도이고,
도 4는 본 발명의 제 3 실시형태의 단위 전지의 분해도이고,
도 4a는 지지층의 확대도이고,
도 4b는 기체 분배 요소의 추가의 실시형태의 분해도이고,
도 4c는 기체 분배 요소의 추가의 실시형태의 분해도이고,
도 4d는 균질화 층인 제 2 층의 추가의 실시형태이고,
도 4e는 균질화 층인 제 2 층의 추가의 실시형태이고,
도 5는 기체 분배 요소의 2 개의 인접하는 층의 부분 평면도이고,
도 6a는 기체 분배 요소의 천공된 층의 부분 평면도이고,
도 6b는 도 6a의 A-A 선을 따르는 단면도이고,
도 6c는 도 6a의 B-B 선을 따르는 단면도이고,
도 6d는 지지층을 구비하지 않는 도 4의 C-C 선을 따르는 이상적인 기체 분배 요소의 확대 단면도이고,
도 6e는 균질화 층을 구비하지 않는 기체 분배 요소의 단면도이고,
도 6f는 균질화 층을 포함하는 기체 분배 요소의 도 4의 C-C 선을 따르는 확대 단면도이고,
도 6g는 기체 분배 요소를 통한 가연성 기체의 유동의 이상적 조건을 보여주는 개략도이고,
도 6h는 기체 분배 요소를 통한 가연성 기체의 유동의 실제 조건을 보여주는 개략도이고,
도 6i는 추가의 기체 분배 요소를 통한 가연성 기체의 유동의 실제 조건을 보여주는 개략도이고,
도 6k는 균질화 층을 구비하지 않는 기체 분배 요소의 단면도이고,
도 6l은 기체 분배 요소가 균질화 층을 포함하는 도 6k에 도시된 것과 유사한 기체 분배 요소의 단면도이고,
도 7a는 연료 전지 유닛의 기체 분배 층을 통한 가연성 기체의 유동의 이상적 조건을 보여주는 개략도이고,
도 7b는 연료 전지 유닛을 통한 가연성 기체의 유동의 최적의 설계된 실제 조건을 보여주는 개략도이고,
도 7c는 종래 기술에 따른 연료 전지 유닛을 통한 가연성 기체의 유동의 조건을 보여주는 개략도이고,
도 7d는 도 7b에 도시된 조건에 따른 유동을 갖는 연료 전지 유닛의 스택의 도이고,
도 7e는 도 7c에 도시된 조건에 따른 유동을 갖는 연료 전지 유닛의 스택의 도이고,
도 8은 스택의 연료 전지 유닛의 복수의 연속 층을 통한 단면도이고,
도 8a는 도 8의 상세 단면도이고,
도 8b는 연료 전지 스택의 개략 측단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템(100)을 도시한다. 고체 산화물 연료 전지 시스템은 복수의 연료 전지 유닛(50)으로 구성되는 연료 전지 스택(103)을 수용하는 케이싱(101)을 포함하고, 여기서 연료 전지 유닛은 또한 단위 전지(50)라고도 부른다. 케이싱은 기저부(102) 상에 설치된다. 연료 전지 시스템 또는 밸런스 오브 플랜트는 반응물 뿐만 아니라 연료 전지에 정확한 조성 및 정확한 유동 속도의 반응물을 제공하기 위한 도면에 도시되지 않은 반응물 준비 유닛을 가열하기 위한 열 교환기(106)을 포함한다. 스택에는 반응물 방출 요소(104, 105)가 배치된다.
스택은 특정한 전극 접촉 및 기체 분배 구조가 적용되는 US 7632586 B2에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 종래 기술에서, 본 기술에 기초한 스택은 약 1 kW의 원격 마이크로-열전기복합(CHP) 용도로 개발되었다. 이것은 낮은 압력 강하를 특징으로 하고, 약 45%의 전기 효율을 갖는 1 kW/l 또는 400 mW/cm2의 전력 밀도를 달성할 수 있다. 스택은 천연 가스, 개질 가스 또는 수소의 연료를 공급받을 수 있다. 이 스택은 외부에서 공기를, 그리고 내부에서 연료를 집배(manifold)하고, 연료 배기 흐름을 회수한다. 배기 흐름은 연소 후에 사용되거나, 개질을 위해 재순환될 수 있다(적합된 밸런스 오브 플랜트를 전제로 함). US 7632586 B2를 이용하면 스택의 열순환 공차를 향상시키고, 열순환에 기인되는 추가의 성능저하를 방지한다.
본 발명과 US 7632586 B2에 개시된 기술을 조합한 2 개의 최근의 시작모형의 경우에 향상된 성능이 측정되었다. 연료로서 수소를 사용하는 61% 및 메탄을 사용하는 69%에 달하는 효율에서 최대 94%의 연료 전환이 달성되었다. 게다가, 조합된 유형의 짧은 스택 상에 상당한 손상을 입히지 않고 최대 50 회의 열 사이클이 달성되었다. 이것은 US 7 632 586 B2에 개시된 바와 같은 단독의 반응물 유동의 처리에 기초한 초기의 결과를 상회한다.
반응물의 분배를 위해, 도 2에 상세히 도시된 기체 분배 요소(10)가 예상된다. 기체 분배 요소는 2 개의 인접하는 캐소드-애노드 전해질 유닛(5) 사이에 배치된다. 단위 전지(50) 하에서, 캐소드-애노드-전해질 유닛(5) 및 기체 분배 요소(10)로 구성되는 유닛이 이해되어야 한다.
기체 분배 요소(10)는 각각의 전극에 적어도 가연성 기체를 제공하기 위해 사용된다.
더 유리한 실시형태에서, 기체 분배 요소(10)는 또한 산화제를 의미하는 산소를 함유하는 반응물 및 가연성 기체를 의미하는 연료를 각각의 전극에 제공하기 위해서 사용된다. 이 실시형태에서, 기체 분배 요소(10)는 산소가 풍부한 제 1 반응물 유체 및 연료를 함유하는 제 2 반응물 유체를 각각의 전극에 제공하기 위해 사용된다. 도 2에 개시된 기체 분배 요소(10)는 연료 유입구(16) 및 연료 유출구(18)를 포함하므로 유입구(16)에 의해 제공되는 연료는 유입구(16)로부터 유출구(18)로 직선 유동 방향(9)으로 기체 분배 요소(10) 내에서 유동한다. 도 2에서, 제 1 층(2)은 제 2 층(3)의 하측에 배치된다.
본 명세서서 단위 전지(50)라고도 부르는 연료 전지 유닛(50)으로서의 작동을 위해, 산소를 함유하는 반응물은 캐소드로 작용하는 양의 산소 전극(51)에 공급된다.
전해 기기로서의 단위 전지(50)의 작동을 위해, 산소를 함유하는 반응물은 애노드로서 작용하는 동일한 양의 산소 전극(51)에 공급된다.
하나의 유리한 실시형태에서, CAE 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)의 양의 산소 전극(51)에 산소를 함유하는 반응물을, 그리고 그 음의 전극(53)에 연료를 포함하는 제 2 반응물을 제공하기 위해 기체 분배 요소(10)가 사용된다. 바람직하게 이러한 기체 분배 요소(10)는 지지층을 포함하고, 지지층(4)은 산소를 함유하는 반응물을 위한 유체 안내 채널을 포함한다.
대부분의 경우, 산소를 함유하는 반응물은 공기이지만, 또한 순수 산소 또는 산소를 함유하는 기체가 기체 분배 요소(10)에 공급될 수 있다. 가연성 기체인 제 2 반응물은 H2, CO, H2O, CO2, 메탄, 암모니아, 다른 탄화수소 또는 선택적인 희석제의 임의의 혼합물을 포함한다.
바람직한 실시형태에서, 제 2 반응물(연료)은 기체 분배 요소(10)의 내측에 분배된다. 따라서 CAE 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)의 음의 전극(53)은 기체 분배 요소(10)의 제 2 층(3)에 대면하고 있다.
기체 분배 요소(10)는 PEFC, AFC 또는 MCFC 연료 전지용으로 예상될 수 있으므로 그 용도는 SOFC에 결코 제한되지 않는다. 기체 분배 요소(10)는 또한 반대의 방식으로 작동하는 전해 기기를 위해 사용될 수 있다.
기체 분배 요소(10)는 연료 전지 스택(103)의 3 가지 본질적 기능을 결합한다. 즉 이것은 전극(51, 53)으로부터 집전을 수행하고, 이것은 전지 사이 및 전지 상에 반응물, 특히 연료 및 바람직하게는 산소를 함유하는 기체를 집배하고, 그리고 이것은 반응물 통로들을 상호로부터 그리고 환경에 대해 실링하기 위한 목적의 베이스 요소(1)를 포함한다. 베이스 요소(1)는 또한 이극 플레이트라고도 부른다.
따라서, 기체 분배 요소(10)는 단위 전지(50)의 기체 분배를 통합하는 것을 허용하고, 도면부호 1, 2, 3 및/또는 4로 도시된 바와 같은 얇은 기계가공되지 않은 금속 시트의 사용을 허용하고, 이 금속 시트는 고가의 구조화된 이극 플레이트 대신 저가의 제조를 의미하는, 예를 들면, 스탬핑, 펀칭, 엠보싱 또는 에칭에 의해 제조될 수 있다. 베이스 층(1) 및/또는 제 1 층(2) 및/또는 제 2 층(3) 및/또는 지지층(4)은 스탬핑, 엠보싱, 펀칭 또는 에칭에 의해, 또는 흑연, 주조, 분말 야금과 같은 핫 프레싱에 의해 제조될 수 있다. 기체 분배 요소(10)는 베이스 층(1), 제 1 층(2), 제 2 층(3) 또는 이들의 임의의 조합이 전기적 접촉 및/또는 실링을 위해 용접, 브레이징, 접착 또는 반응성 결합, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 적절한 결합 기법에 의해 함께 접합되도록 제조될 수 있다.
바람직한 용도에 따르면, 제안된 연료 전지 스택(103)은 16-5000 W 공칭 전력에 대응하는 1 내지 100 개의 단위 전지(50)를 포함한다.
도 3에 도시된 실시형태는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 캐소드-애노드-전해질 유닛(5) 및 기체 분배 요소(10)를 포함하는 단위 전지(50)의 배열체의 단면도를 도시한다.
도 3에 도시된 제 2 실시형태에 따른 기체 분배 요소(10)는 베이스 층(1), 제 2 층(3) 및 제 1 층(2)으로 구성된다. 제 1 층(2)은 개구를 포함하지만, 도 3에서는 개구의 절결 부분이 보이지 않는 방식으로 단면이 배치되어 있다. 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)은 제 1 전극(51), 제 2 전극(53) 및 제 1 전극(51)과 제 2 전극(53) 사이에 개재되는 전해질(52)로 구성된다. 단위 전지(50)는 횡방향 시일(31)을 더 포함하고, 이것은 캐소드-애노드-전해질 유닛(5), 접촉 층(55) 및 기체 분배 요소(10)의 에지를 위한 기밀 시일을 제공한다. 추가의 실시형태에서, 단위 전지(50)는 제 1 전극(51)에 산소를 함유하는 제 1 반응물 유체를 공급하기 위한 지지층(4)을 포함할 수도 있다. 연료를 포함하는 제 2 반응물 유체는 제 1 층(2) 및 제 2 층(3)의 각각의 상측의 제 2 전극(53)에 공급된다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 기체 분배 요소(10) 및 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)의 분해도를 도시한다. 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)은 제 1 전극(51), 제 2 전극(53) 및 제 1 전극(51)과 제 2 전극(53) 사이에 개재되는 전해질(52)로 구성된다. 통상적으로, 세라믹 기체 확산 층(54, 55)은 전극(51, 53)의 양면 상에 배치되고, 이것은 도 4에 도시되지 않지만, 예를 들면, 도 8a에는 도시되어 있다.
연료 전지(50) 또는 전해 기기용 기체 분배 요소(10)는 베이스 층(1), 제 1 층(2) 및 제 2 층(3)을 포함하고, 상기 제 1(2) 및 제 2 층(3)에는 유체 유동을 위한 패턴을 형성하는 기체 분배 구조(11)가 배치된다. 도 4에 개시된 제 1 층(2)은 제 1 층(2) 내에 유입되는 가연성 기체가 주요 유동 방향(9)으로 유동할 수 있도록 나란히 배치되는 다수의 채널(13)에 의해 유동 패턴을 한정한다. 채널(13)은 직선 방향으로 연장한다. 바람직하게 채널(13)은 유입구라고도 부르는 입구측(2b)의 제 1 층(2)의 일측면 상에서 출발하고, 바람직하게 채널(13)은 유출구라고도 부르는 출구측(2c)의 타측면 상에서 종료하고, 그 결과 입구측(2b)은 가연성 기체 공급부(9a)와 연결되고, 유출구(2c)는 배기 기체 출구(9b)에 유체적으로 연결된다. 도 3에서, C-C 선을 따른 기체 분배 요소(10)의 단면도를 볼 수 있다. 제 1 층(2)은 복수의 이격된 채널 바(2a)를 포함하고, 이들 사이에 채널(13)을 형성한다. 도 4에 개시된 바와 같이, 제 1 층(2)은 직선 방향으로 연장하는 추가의 채널(12, 14)을 포함할 수 있고, 이 것은 채널(13)을 유입구(2b) 및 유출구(2c)와 각각 유체적으로 연결한다.
제 2 층(3)은 각각의 채널(13) 내에서 유체의 양을 보상하기 위해 그리고 균질화하기 위해 나란히 배치되는 적어도 2 개의 채널(13)을 유체적으로 연결하는 개구(15)를 포함하는 균질화 요소이다. 도 3에서, 3 개의 채널(13)을 유체적으로 연결하는 개구(15)가 개시되어 있다. 제 2 층(3)은 길이(28) 및 폭(29)을 갖는 직사각형 개구로서 구성되는 제 1 개구(15)를 갖는다. 길이는 폭보다 크다. 길이(28)는 주요 유체 유동 방향(9)에 대해 횡방향으로 연장하고, 폭(29)은 주요 유체 유동 방향(9)으로 연장한다. 제 2 층(3)은 또한 길이(7) 및 폭(8)을 갖는 제 2 개구(6)를 가질 수 있고, 길이(7)는 폭(8)보다 크고, 폭(8)은 주요 유체 유동 방향(9)에 대해 횡단 방향으로 연장한다.
채널 층이라고도 부르는 제 1 층(2)은 복수의 유입구 채널(12), 복수의 연속적 채널(13) 및 복수의 유출 채널(14)을 갖는다. 연속적 채널(12, 13)은 바 요소(23)에 의해 분리된다. 연속적 채널(13, 14)은 또한 바 요소(23)에 의해 분리된다. 바 요소(23)는 바(2a)를 연결하기 위해 필요하다.
제 2 층(3)의 이러한 제 2 개구(6)는 채널형 구조를 형성하고, 이것은 특정의 직사각형으로 배치되거나 제 1 층(2)에 배치되는 유출 채널(12)로 경사를 이룬다. 이것은 제 1 층(2)의 채널(12, 13, 14)의 내측에서 유동하는 유체가 도 2에 개시된 바와 같이 제 2 층(3)의 개구(6)를 향해 제 1 층 상에 배치되는 제 1 층(2)의 일부인 바 요소(23)에 의해 안내될 수 있는 이점을 갖는다. 따라서, 개구(6)는 개구(6)를 통해 바 요소(23)를 횡치시킴으로써 연속적 채널(12 ,13)의 사이, 또는 연속적 채널( 13)의 사이, 또는 연속적 채널(13, 14)의 사이에 유체 통로를 형성한다. 유체가 바 요소(23) 상에서 유동할 때마다, 이것은 바 요소(23) 상의 개구(6) 내로 유입하고, 바 요소(23)를 각각의 연속적 채널(13, 14) 내로 분배된다. 이러한 실시형태의 하나의 이점은 제 1 층(2) 및 제 2 층(3)을 얇은 금속 시트를 이용하여 매우 저렴하게 제조할 수 있다는 것이다.
유리하게 각각의 유입구 채널(12)은 연속적 채널(13) 및 유출 채널(14)로 이어진다. 이들 채널(12, 13, 14)은 동일한 단면을 가질 수 있고, 나란히 배치될 수 있다. 유리하게 복수의 유입구 채널(12), 연속적 채널(13) 및 유출 채널(14)이 예상된다. 유입구 채널(12)의 각각은 대응하는 인접하는 유입구 채널(12)에 평행하게 배치될 수 있고, 이것은 연속적 채널(13) 또는 유출 채널(14)에도 적용할 수 있다.
제 1 층(2) 및 제 2 층(3)은 도 4에 도시된 바와 같이 별개의 시트 상에 형성될 수 있으나, 이것은 단일의 시트로 결합될 수도 있다.
더욱이 제 1 층(2)은 채널(12, 13, 14)에 대응하는 천공을 갖는 시트로서 제조될 수 있고, 채널(12, 13, 14)을 위한 베이스를 형성하는 베이스 시트(1)의 측부에 배치된다. 이러한 해결책은 채널의 제조를 위해 유리할 수 있다. 더욱이 천공을 위해 상당히 다양한 형상이 이용될 수 있다. 천공은 편리하게 시트에 펀칭될 수 있고, 레이저 커팅 또는 에칭 또는 주조(casting/molding) 후에 제거되는 로스트 인서트(lost insert)로서 형성될 수 있다. 따라서, 별개의 시트로서 베이스 층(1) 및 제 2 층(3)을 예상하면 제조의 단순화 또는 층(1, 2, 3)을 제조하기 위한 매우 다양한 제조 방법의 적용을 제공할 수 있다.
더욱이 기체 분배 요소(10) 내로 유입하는 가연성 기체인 연료를 포함하는 반응물을 위해 2 개의 유입 개구(16, 17)가 제공된다. 또한, 기체 분배 요소(10)로부터 배출되는 폐 기체인 유체 반응 생성물을 위해 2 개의 유출 개구(18, 19)가 제공된다.
추가의 실시형태에서, 지지층(4)은 베이스 층(1)의 측 상에 배치될 수 있거나 베이스 층(1)과 연결될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 지지층(4)은 제 2 기체 분배 요소의 형상을 갖는다. 도 4는 산화제(O)의 유동 경로를 도시하고, 지지층은 채널(20)을 갖는다. 도 4a는 지지층(4)의 바람직한 구조의 확대도로서, 여기서 산화제(O)의 유동 경로는 2 개의 유동 경로(O1, O2)로 분할되어 있으므로, 각각의 경로는 지지층(4)의 일측면을 따라 채널(20) 내에서 유동한다.
도 4b는 기체 분배 요소(10)의 추가의 실시형태를 도시한다. 베이스 층(1) 및 유동 패턴을 한정하는 제 1 층(2)은 단일 부품으로 제작된다. 본 실시형태에서, 바(2a)가 베이스 층(1)과 연결되므로 바(2a)를 유지하는 바 요소(23)가 불필요하고, 복수의 채널(13)은 나란히 직선 방향으로 연장하고, 그 결과 채널(13)은 입구측(2b)에서 출발하여 출구측(2c)에서 종료하므로 채널은 입구측(2b)을 출구측(2c)과 유체적으로 연결한다. 바 요소(23)가 불필요하므로, 도 4b에 개시된 바와 같이 제 2 층(3)에서 연속적 채널(12, 13, 14)을 유체적으로 연결하기 위한 개구(6)도 불필요하다.
도 4c는 기체 분배 요소(10)의 추가의 실시형태를 도시한다. 제 1 층(2)은 금속 발포체 또는 금속 망의 부재와 같은 다공질 구조(2d)를 포함하고, 따라서 다공질 구조는 베이스 층(1) 상에 배치된다. 제 1 층(2)은 입구측(2b)으로부터 출발하여 출구측(2c)에서 종료하는 유동 경로를 한정하므로 다공질 구조는 입구측(2b)을 출구측(2c)과 유체적으로 연결하고, 그 결과 다공질 구조는 직선 방향으로 연장하는 유동 경로를 한정한다.
도 4d는 균질기 요소인 제 2 층(3)의 추가의 실시형태를 도시한다. 직사각형 형상의 제 2 층(3)을 보여주는 도 4b에 개시된 실시형태와 대조적으로, 도 4d는 원 형상의 제 2 층(3)을 보여준다. 평행하게 연장하는 채널(13)을 갖는 직사각형 형상의 제 1 층(2)을 보여주는 도 4b에 개시된 실시형태와 대조적으로, 도 4d에 개시된 제 2 층(3)에 적합된 제 1 층은 원 형상을 갖고, 연료 유입 개구(16)와 동일한 위치에 있는 연료 유입구(2b)의 중심에서 출발하여, 연료 유출구(2c)가 제 1 층 및 제 2 층(2, 3)을 바람직하게 완전히 둘러싸도록 배치되는 주변에서 종료하는, 반경 방향으로 직선으로 연장하는 채널(13)을 포함하므로, 기체 분배 요소(10) 내의 가연성 기체(9a)는 반경 방향으로 유동한다. 도 4d에는 단지 몇 개의 채널(13)만이 도시되어 있다. 제 2 층(3)은 원주 방향으로 연장하는 복수의 개구(15)를 포함하고, 이 개구(15)는 제 1 층(2)의 채널(13)를 횡방향으로 횡단하므로 인접하는 채널(13)의 일부는 각각의 개구(15)에 의해 유체적으로 연결된다. 도 4d에 개시된 바와 같이 제 1 층(2) 및 제 2 층(3)을 포함하는 기체 분배 요소(10)는 원 형상을 갖는다. 원형의 연료 전지 유닛(50)을 구축하기 위해, 원형의 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)는 제 2 층(3)의 상측에 배치될 수 있고, 지지층(4)은 제 1 층(2)의 하측에 배치될 수 있으므로, 도 4에 개시된 것과 유사한, 그러나 제 1 층(2)에서 반경방향으로 연장하고, 지지층(4)에서 반경방향으로 연장하는 채널(20)을 갖는 연료 전지 유닛(50)이 얻어진다. 제 2 층(3)의 하측에 배치되는 제 1 층(2)도 또한 핀, 그리드, 망 구조 또는 발포체 구조와 같은 3 차원 구조일 수 있고, 제 1 층(2)은 원 형상 및 반경방향, 특히 유입구(2b)로부터 유출구(2c)까지 직선으로 연장하는 유체 유동 방향(9a, 9b, 9c)을 갖고, 제 2 층(3)의 제 1 개구(15)는 원주 ?향으로 연장한다. 하나의 유리한 실시형태에서, 발포체 구조 내에는 채널이 없지만, 유체가 제 1 층(2) 내에서 유체 유동 방향(9a, 9b, 9c)으로 유동하도록 발포체의 다공질 구조는 발포체 내에서의 유체의 유동을 허용한다.
도 4e는 원형의 방향으로 연장하는 개구(15)를 포함하는 직사각형 형상의 제 2 층(3)의 추가의 실시형태를 도시한다. 도 4d에 개시된 제 2 층(3)과 대조적으로, 도 4e에 개시된 제 2 층(3)의 개구(15)는 유사한 치수의 개구(15)의 3 개의 그룹(9x)으로 배치되고, 이것에 의해 이들 그룹(9x)는 원주 방향으로 변위된다. 이와 같은 개구(15)의 배열은 채널(13)을 통과하는 연료의 플럭스(flux)에 미치는 균질화 효과를 향상시킨다. 도 4e에 개시되는 제 2 층(3)은 연료 유출 포트(18, 19)로 폐 기체를 수집하는 원주방향의 연료 유출구(2c)를 포함하므로 제 1 층(2) 내의 연료는 먼저 반경 방향(9u)으로 유동한 다음 연료 유출구(2c)를 향하는 방향(9v)으로 유동할 수 있다.
도 5는 기체 분배 요소(10)의 상측으로부터의 부분 단면도로서 제 3 실시형태의 기체 분배 요소(10)의 제 1 층(2) 및 제 2 층(3)의 부분 평면도를 도시한다. 제 1 층(2)의 일부의 횡단면도는 병치된 그리고 채널 바(2a)에 의해 분리된 일부의 채널(13) 및 이 채널(13)로부터 바 요소(23)에 의해 분리된 일부의 연속적 유출 채널(14)을 도시한다. 제 1 층(2)은 제 2 층(3)의 후측에 배치된다. 제 2 층(3)은 길이(28) 및 폭(29)을 갖는 제 1 개구(15)를 포함하고, 본 실시형태에서 길이(28)는 주요 유체 유동 방향(9)에 수직하게 횡단 방향으로 연장한다.
도 6a는 제 1 개구(15) 및 하측의 채널 바(2a)를 포함하는, 본 발명의 제 1, 제 2 또는 제 3 실시형태 중 임의의 것에 따른 기체 분배 층(10)의 천공된 제 2 층(3)의 부분 평면도를 도시한다. 도 6a의 A-A 선을 따르는 단면도인 도 6b은 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)을 도시하고, 제 1 층(2)은 채널 바(2a), 제 2 층(3) 및 베이스 층(1)을 포함한다. 베이스 층(1) 및 제 1 층(2)은 별개의 시트로 제조된다. 도 6c는 도 6a의 B-B 선을 따르는 단면도를 도시한다. 도 6b에 대한 차이점으로서, 이 단면도는 일련의 개구(15)를 횡절하고, 그러므로 제 2 층(3)은 개구(15)에 의해 단속(interrupting)된다. 더욱이 제 1 층(2)에는 평행하게 연장하는 채널(13)이 보인다.
도 6d는 지지층(4)이 없는 도 4의 C-C 선을 따르는 상세 단면도를 도시한다. 기체 분배 요소(10)는 3 개의 층으로 이루어지고, 상측에 제 1 층(2)이 배치되는 베이스 층(1)은 유동 방향(9)으로 평행하게 연장하는 바(2a)에 의해 분리되는 복수의 채널(13)을 포함하는 유동 패턴을 한정한다. 균질화 층인 제 2 층(3)은 제 1 층(2)의 상측 상에 배치된다. 제 2 층(3)은 유동 방향(9)에 수직으로 연장하는 제 1 개구(15)를 포함한다. 도시된 실시형태에서, 제 1 개구(15)는3 개의 채널(13)을 유체적으로 연결하도록 3 개의 채널(13)에 걸쳐 연장하므로 3 개의 가연성 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f)과 제 1 개구(15) 사이에서 유체 교환(9z)이 발생할 수 있다. 도 6d는 각각의 채널(13, K1-K6)이 동일한 폭, 동일한 높이 및 동일한 유동 저항을 갖고, 가연성 기체 흐름(9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f)이 대략 동일한 유동 속도 및 대략 동일한 기체 조성을 갖고, 그 결과 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)에 대해 확산 플럭스의 반응물 및 반응 생성물을 유발하므로, 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f) 사이에 소규모의 유체 교환(9z)이 발생하거나 유체 교환(9z)이 전혀 발생하지 않는 점에서 이상적인 기체 분배 요소(10)를 도시한다. 전술한 바와 같은 3 개의 가연성 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f) 사이의 유체 교환(9z) 외에도, 제 1 개구(15)는 또한 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)과 대면하는 제 1 개구(15) 내에서 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f)으로부터 배출되는 기체 조성이 캐소드-애노드-전해질 유닛(5) 내로 유입하기 전에 혼합 및 균질화되는 효과를 또한 갖는다. 그러므로 기체 조성은 캐소드-애노드-전해질 유닛(5) 내로 유입하기 전에 균질화되고, 이것은 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f) 중 하나 또는 심지어 2 개의 흐름이 충분한 기체를 제공하지 못하는 경우에도 유닛(5)에 충분한 양의 반응성 기체를 제공하는 것을 보장한다. 캐소드-애노드-전해질 유닛(5) 및 제 2 층(3)의 상측에 배치되는 제 2 기체 접촉 및 기체 확산 층(55)은 단기 개략적으로 도시되어 있다.
도 6f는 도 4 C-C 선을 따르는 상세 단면도를 도시한다. 이상적 기체 분배 요소(10)를 도시하는 도 6d와 대조적으로, 도 6f는 채널(K1-K6)이 약간 상이한 형상, 예를 들면, 상이한 폭 및 이에 따라 상이한 유동 저항을 갖고, 그 결과 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f)이 상이한 유동 속도를 갖는 효과를 유발하는 일반적인 배열을 도시한다. 균질화 층인 제 2 층(3)의 이점은 제 1 개구(15)가 채널(K1, K2, K3; K4, K5, K6) 중의 일부를 유체적으로 연결하므로 기체 흐름(9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f) 사이에 유체 교환(9z)이 발생하여 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f) 사이의 유동 속도 차이가 감소되고, 이것은 기체 흐름이 균질화됨을 의미하고, 따라서 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)을 따르는 가연성 기체(F)의 기체 조성 및 얻어지는 반응물 및 반응 생성물의 확산 플럭스가 일치되는 것이다.
도 6e는 도 6f에 따른 실시형태를 도시한 것으로 제 2 층(3)은 없다. 균질화 층이 없으므로 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)을 따르는 가연성 기체(F)의 기체 조성 및 얻어지는 반응물 및 반응 생성물의 확산 플럭스는 채널(K1-K6)의 상이한 형상에 따라 심하게 변화할 수 있다. 그러므로 균질화 층인 제 2 층(3)의 하나의 이점은 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f)에 미치는 채널 폭 및/또는 채널 높이의 변화의 효과가 균질화 층에 의해 보상될 수 있고, 따라서 값싸고 신뢰할 수 있는 기체 분배 요소(10)를 제조할 수 있으므로 제 1 층(2)이 더 저렴한 방법으로 제조될 수 있다는 것이다.
도 6g는 도 6d에 개시된 기체 분배 요소(10)의 평면도로서, 6 개의 채널(K1-K6)이 평행한 방향으로 연장하고, 3 개의 채널(K1, K2, K3; K4, K5, K6)이 개구(15)에 의해 유체적으로 연결되고, 이것에 의해 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f)의 각각은 동일한 유동 속도를 갖는다. 복수의 개구(15)는 유동 방향(9)으로 이격되어 배치된다.
도 6h는 도 6f에 개시된 기체 분배 요소(10)의 평면도로서, 6 개의 채널(K1-K6)이 평행한 방향으로 연장하고, 3 개의 채널(K1, K2, K3; K4, K5, K6)이 개구(15)에 의해 유체적으로 연결되고, 이것에 의해 기체 분배 요소(9) 내에 유입되는 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f)은 상이한 유동 속도를 갖는다. 복수의 개구(15)는 유동 방향(9)으로 이격되어 배치되고, 이것에 의해 각각의 개구(15) 내에서 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f) 사이에서 유체 교환(9z)이 발생할 수 있으므로, 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f) 사이의 유동 속도의 차이가 감소된다. 기체 분배 요소(10)는 개구(15)를 포함하고, 그러므로 채널(K1-K6) 중의 어느 것도 기체가 부족되지 않고, 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)은 국부적 연료 고갈을 겪지 않는 것이 보장된다. 그러므로 균질화 층(3)은 연료 전지 유닛(50)의 일부의 영역에서 가연성 기체의 부족에 기인되는 연료 전지 유닛(50)의 손상이 방지되는 효과를 갖는다. 게다가, 개구(15) 내에서 확산 및 대류에 의한 조성의 균질화가 실행된다. 이것은 채널(K1-K6) 중의 하나가, 예를 들면, 임의의 불필요한 잔류물에 의해 폐색되는 경우에도 전지의 하나의 영역이 가연성 기체의 국부적 고갈에 의해 손상될 위험을 더욱 감소시킨다. 이 경우에, 기체는 개구(15)를 통해 채널의 폐색된 부분을 우회할 수 있고, 기체는 폐색된 채널의 상측의 개구(15)를 통해 전극까지 확산할 수 있다.
도 6i는 기체 분배 요소(10)의 추가의 실시형태의 평면도로서, 6 개의 채널(K1-K6)이 평행한 방향으로 연장하고, 이 채널(K1, K2, K3; K4, K5, K6)이 개구(15)에 의해 유체적으로 연결되고, 이것에 의해 기체 분배 요소(9) 내에 유입되는 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f)은 상이한 유동 속도를 갖는다. 도 6h에 개시된 실시형태와 대조적으로, 도 6i에 따른 실시형태에서의 개구(15)는 상이한 길이(28)를 갖고, 그러므로 2, 3, 4 또는 더 많은 수의 평행하게 연장하는 채널(K1-K6)을 유체적으로 연결할 수 있다. 또한, 유동 방향(9)으로 이격된 연속적 개구(15)는 유동 방향(9)에 수직으로 이동될 수 있고 및/또는 상이한 길이(28)를 가질 수 있으므로 상이한 채널(K1-K6)을 연결할 수 있다.
도 6l은 도 4c의 C-C 선을 따르는 단면도를 도시하고, 제 1 층(2)은 가연성 기체(9)가 유동하는 다공질 구조(2d)를 포함한다. 채널(K1-K6)을 포함하는 도 6f에 개시된 기체 분배 요소(10)와 대조적으로, 기체 유동은 도 6l에 개시된 다공질 층 내에서 더욱 확산하고, 그러므로 도 6l에 개시된 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f)은 유동 방향(9)으로 유동하는 연료 유동 강도(크기)만을 보여준다. 기체 흐름이 상이한 조성을 갖는 경우에 제 2 층(3)이 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f) 사이에서 유체 교환(9z)을 유발한다는 점에서 균질화 층인 제 2 층(3)의 효과는 도 6f에 개시된 효과와 유사하다. 그러므로, 제 2 층(3)은 제 1 층(2)의 다공질 구조 내에서 다양한 기체 흐름(9a, 9b, 9c; 9d, 9e, 9f)의 유동 속도를 균질화한다. 그러므로, 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)을 따르는 가연성 기체(F)의 반응물의 기체 조성 및 확산 플럭스는 일치된다.
도 6k는 도 6l에 따른, 그러나 제 2 층(3)이 없는 실시형태를 도시한다. 균질화 층(3)이 없으므로 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)을 따르는 가연성 기체(F)의 기체 조성 및 얻어지는 반응물의 확산 플럭스는 도 6e에 개시된 효과와 유사하게 다공질 제 1 층(2)에서의 유동 저항에 따라 심하게 변화할 수 있다.
도 7a는 연료 전지 유닛(50)의 기체 분배 층을 통한 가연성 기체의 유동의 이상적 조건을 보여주는 개략도이고, 본 실시예에서 연료 전지 유닛(50)은 나란히 배치되는 12 개의 채널(13)을 포함하고, 여기서 화살표는 각각의 채널(13) 내에서의 가연성 기체의 플럭스를 나타낸다. 이 좌표계의 x-축은 주요 유동 방향(9)으로의 각각의 채널(13) 내에서의 플럭스를 보여준다. y-축은 도 3에 표시된 바와 같이 나란히 배치된 12 개의 채널(K1-K12)의 채널 번호를 보여준다. 도 7d는 10 개의 연료 전지 유닛(50)의 스택을 도시하고, 각각의 연료 전지 유닛(50)은 12 개의 채널(13)을 갖고, 도 7a 및 도 7b에 개시된 채널 번호는 도 7d의 연료 전지 스택에 도시된 바와 같은 채널에 대응한다. 도 7b는 연료 전지 유닛(50)을 통한 가연성 기체의 유동의 최적의 실제 조건을 보여주는 개략도이고, 기체 집배에서의 구조 절충에 기인되어, 가연성 기체의 플럭스는 케이싱에 근접하는 횡방향 채널(1, 12) 상에서 보다 낮고, 따라서 연료 전지 유닛(50)의 케이싱에 근접하는 유동 속도는 최저값을 갖는다.
도 7d는 연료 전지 유닛(50)의 스택의 도이고, 각각의 연료 전지 유닛(50)은 도 7b에 도시된 조건에 따라 동일한 유동을 갖는다. 그러므로, 10 개의 연료 전지 유닛(50)의 각각의 평균 플럭스(F1 내지 F10)는 동일하다.
도 7c는 종래 기술에 따른 연료 전지 유닛을 통한 가연성 기체의 유동의 실제 조건, 따라서 매우 불균질한 유동 속도 분배를 보여주는 개략도이다. 유동 속도의 불균질한 분배는, 예를 들면, 연료 전지 유닛(50)의 제조시의 제작 공차로부터 발생한다. 도 7c는 도 7b와 동일한 설계 유동장을 보여주지만, 예를 들면, 제조 공차에 의한 설계의 상당한 차이를 갖는다. 이것은 종래 기술에서 전형적인 문제이다. 편차는 그 제조에 따라 분배 요소마다 상이하다. 도 7c에 개시된 실시예에서, 최소의 기체 플럭스를 갖는 채널은 5번 채널이지만 다른 분배 요소 내의 임의의 다른 채널이 될 수 있다. 이 최소 플럭스는 국부적 연료 고갈, 결과적인 성능 제한, 연료 전지 스택의 국부적 과열, 또는 심지어 전해질, 애노드 또는 캐소드 재료의 균열을 초래할 수 있고, 경우에 따라 CAE 유닛의 파손 및 경우에 따라 연료와 산화제의 혼합 및 기생성 연소를 초래할 수 있고, 따라서 스택 또는 적어도 그 부품의 일부의 심각한 조기 손상을 초래할 수 있다.
도 7e는 도 7c에 도시된 바와 같은 10 개의 연료 전지 유닛(50)를 포함하는 연료 전지 스택의 도면이다. 개개의 연료 전지 유닛(50)은 무작위 편차를 나타내고, 채널의 최소 유동의 위치는 하나의 위치로부터 다른 위치까지 변화하고, 그러므로 화살표(F1-F10)의 길이에 의해 표시되는 연료 전지 유닛(50)의 각각의 평균 유동 속도는 무작위로 분배된다. 이러한 무작위 편차는 이중 효과를 갖는다. 첫째, 연료 전지 유닛 당 총 플럭스는 유체 유동에 대한 상이한 저항에 기인되어 유닛(50) 마다 달라지고, 둘째, 따라서 채널(7a; 이상적인 경우) 당 평균 플럭스로부터의 누적 편차는 더욱 중요해진다. 이러한 이유로, 종래 기술에서는 단위 전지 매니폴드의 진입하는 유동을 교정함으로써, 좁은 압력 강하를 갖는 단위 전지의 배취(batch)를 분류함으로써, 공차를 위한 사양을 증대시킴으로써, 또는 추가로 작동 위험을 감소시키도록 연료 전환을 감소시킴으로써 보상이 도입되어야 한다. 이것은 모두 스택의 생산에 관한 비용 및 시스템의 효율에 효과를 미친다. 더욱이, 도 7e는 종래 기술에 따른 연료 전지 스택에서 인접하는 연료 전지 유닛(50)에서의 유동 조건, 각각 인접하는 기체 분배 요소(10)에서의 유동 조건이 상당히 변화될 수 있다는 것을 보여준다.
고체 산화물 연료 전지에 관한 모델링 및 실험 연구는 연료 전지의 성능 및 신뢰성을 위해 연료 분배 및 유동 배열의 균질성이 얼마나 중요한지를 보여준다. 도 7a는 동일 방향이나 반대 방향으로의 공기 및 연료 유동을 위한 이와 같은 이상적인 경우를 나타낸다. 제조 공정에 기인되어, 종종 다소의 절충이 요구되고, 그 결과 도 7b에 도시된 바와 같은 이상적인 경우로부터 약간 벗어나는 기체 분배가 얻어진다. 가장 최근의 연구는 성능 및 신뢰성에 미치는 제조 공차 또는 비이상적 컴포넌트의 특성의 효과의 연구를 포함하고, 따라서 원하는 성능 및 신뢰성을 위한 산업적 공정 또는 특정의 설계의 적합성을 평가할 수 있다.
Cornu와 Wuillemin(Impact of random geometric distortions on the performance and reliability of an SOFC (2011) Fuel Cells, 11 (4), pp. 553-564)에 의해 실시된 연구는 특히 연료 분배의 질이 기체 분배 구조 내에서 채널의 깊이의 공차에 얼마나 의존하는지를 보여준다. 채널의 깊이는 통상적으로 0.2 mm 내지 1.2 mm 규모의 범위이고, 그 폭은 종종 1 내지 2 mm의 범위이다. 0.5 mm의 범위의 깊이가 종종 발견된다. 이와 같은 경우, 목표값 주위의 0.05 mm의 깊이 변화는 이미 유동 분배에 매우 막대한 영향을 준다. 이와 같은 편차의 예는 도 7c에 제시되어 있다. 적절한 제조 기법에 의해 0.05의 깊이 변화가 달성될 수 있는 경우에도, 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)과 기체 분배 요소(10) 사이의 공간은 또한 그 사이에 사용되는 접촉 층에 따라 변화될 수 있다. 그러므로 효과적인 채널 단면에 대한 누적된 깊이 변화를 위에서 언급된 범위의 편차로 유지하는 것이 매우 어렵다. 마지막으로 중요한 것은 접촉 층 또는 채널은 시간에 따라 크리프(creep)될 수 있다는 것으로, 이것은 어떤 경우에도 시간에 따라 열악한 연료 분배로 이어질 것이다.
단위 전지(50)가 서로 중합하여 적층될 때, 개개의 요소의 결함은 누적되고, 도 7e의 경우에 의해 도시된 바와 같이 작동 시에 더욱 증가된 유동의 편차를 초래할 것이다.
연료 전지 스택의 모든 단위 전지(50) 내에서 정확하게 동일한 양의 연료가 전환됨에 따라, 공통의 전류가 얻어지고, 낮은 연료 유동을 나타내는 단위 전지(50)의 영역은 연료 전환이 증대되었을 때 연료 고갈의 위험에 노출된다. 높은 성능을 달성하기 위해 대량의 전환이 요구되므로 열악한 연료 분배는 연료 고갈에 기인되는 성능 제한이나 하나의 단위 전지의 손상을 초래할 것이다.
이미 너무 늦은 경우를 제외하고는 연료 전지 스택의 일부가 고갈을 겪고 있다는 작업자를 위한 징후는 거의 존재하지 않으므로, 이러한 종류의 문제는 산업적 그리고 작동 상의 관점에서 매우 중요하다.
도 8는 연료 전지 스택(103)를 형성하는 복수의 연속적 연료 전지 유닛(50)을 통한 단면도로서, 각각의 연료 전지 유닛(50)은 도 4에 도시된 바와 같은 실시형태에 따른 기체 분배 요소(10) 및 지지층(4)을 포함한다.
따라서, 연료 채널(13)의 횡단면은 제 1 층(2)의 채널 구조의 형상에 의해 제공 및 결정되고, 제 2 층(3)은 천공된 플레이트이다. 제 2 층(3)은 균질화 요소이다. 균질화 요소와 캐소드-애노드-전해질 유닛(5) 사이에 사용되는 선택적인 추가의 접촉 층은 유동에 영향을 미치지 않는다. 게다가, 제 2 층(3)인 천공된 플레이트 상의 구멍(15)의 기하학적 배치는 연료 경로를 따라 나란히 배치되는 수 개의 채널(13)의 유체 경로를 따른 유체 교환 및 유체의 혼합을 허용하고, 따라서 이들 위치에서의 채널 사이에 근사-등압선(near-isobar)을 생성하고, 따라서 채널(13) 사이에 적절한 평균 플럭스를 생성한다. 이 덕분에, 인접하는 채널(13) 사이에서 가연성 기체의 유동을 허용함으로써, 그 결과 각각의 반응물 및 가연성 유체 유동을 균질화하기 위한 평균화 효과를 이용함으로써, 기체 분배 요소(10) 내의 가연성 기체의 유체 유동 경로를 따르는 임의의 채널(13)의 형상의 임의의 편차가 보정된다.
도 8a는 대응하는 상세한 지지층(4)을 구비하는 2 개의 기체 분배 요소(10)를 보여주는 도 8의 상세 단면도이다. 도 8a의 중앙에 하나의 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)이 도시되어 있고, 여기서 지지층(4)은 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)의 상측 상의 제 1 기체 접촉 및 기체 확산 층(54)이고, 균질화 층인 제 2 층(3)은 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)의 하측 상의 제 2 기체 접촉 및 기체 확산 층(55)과 접촉하고 있다. 유체 교환(9z)에 의해 캐소드-애노드-전해질 유닛(5) 내로 유입되는 연소 기체(F)가 균질화되도록, 제 2 층(3)은 3 개의 채널(13)을 유체적으로 연결하기 위해 3 개의 채널(13)에 걸쳐 연장하는 제 1 개구(15)를 제공한다.
지지층(4)은 산화제(O)의 유동 경로를 2 개의 별개의 유동 경로(O1, O2)으로 분할할 수 있는 파형의 형상을 갖고, 유동 경로(O1)는 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)에 산화제(O3)를 제공하는 산화제이다. 유동 경로(O2)는 베이스 층(1) 및/또는 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)을 냉각시키기 위한 냉각제의 역할을 한다.
도 8b는 4 개의 기체 분배 요소(10) 및 3 개의 캐소드-애노드-전해질 유닛(5) 뿐만 아니라 이들 사이의 대응하는 지지층(4)을 포함하는 연료 전지 스택(103)의 개략 측단면도를 도시한다. 산화제(O)는 모든 지지층(4)의 일측면 상에 제공되고, 다음에 이 산화제(O)는 분할되어 지지층(4)을 따르는 2 개의 별개의 유동 경로(O1, O2)를 형성하고, 이 2 개의 별개의 유동 경로(O1, O2)는 지지층(4)으로부터 벗어난 후에 결합되고, 모든 지지층(4)의 유동 경로는 또한 연료 전지 스택(103)로부터 돌출하는 하나의 단일 유동 경로로 결합된다.
도 4는 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)과 제 2 층(3)이 접촉하는 접촉 표면(3c)을 한정하는 길이(3a) 및 폭(3b)을 갖는 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)을 도시한다. 제 2 층(3)은 동일한 접촉 표면(3c)을 포함한다. 제 2 층(3)의 제 1 개구(15)는 접촉 표면(3c) 내에 배치된다. 바람직한 실시형태에서, 제 1 개구(15)의 총 면적은 표면(3c) 내에서 발견되는 개구(15, 6) 및 기타 개구의 총 면적의 적어도 20%이다. 접촉 표면(3c)을 따라 가연성 기체의 더욱 동등한 분배를 제공하기 위해, 더 바람직한 실시형태에서, 모든 제 1 개구(15)의 총면적은 접촉 표면(3c)의 적어도 20%, 가장 바람직하게는 약 30%, 가장 바람직하게는 40% 내지 50%이다.
개시된 제 1 개구(15)는 직사각형 형상으로 도시되어 있다. 제 1 개구(15)는 타원 형상과 같은 다른 형상을 가질 수도 있다. 또한 제 2 층(3)은, 예를 들면, 동일한 제 2 층(3) 상에서 직사각형 및 타원 형상과 같은 상이한 형상의 복수의 제 1 개구(15)를 포함할 수 있다.
연료 전지의 기체 분배 요소(10) 내에서 가연성 기체의 균질화를 위한 유리한 방법은 기체 분배 요소(10)가 연료 유입구(2b)를 연료 유출구(2c)와 연결하는 제 1 층(2)을 포함하고, 이것에 의해 연료는 제 1 층(2) 내에서 유동 방향(9), 특히 직선 방향으로 유동하고, 기체 분배 요소(10)가 유동 방향(9)에 대해 횡단 방향으로 연장하는 제 1 개구(15)를 포함하는 제 2 층(3)을 포함하고, 제 1 층(2)을 통해 유동하는 가연성 기체는 제 1 개구(15) 내에서 균질화되도록 제 1 개구(15) 내로 유입되고, 그리고 제 1 개구(15) 내로부터의 가연성 기체가 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)에 제공되도록 제 1 개구(15)는 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)과 접촉하는 것이다.
하나의 유리한 방법 단계에서, 제 1 개구(15) 내에서 균질화된 가연성 기체의 적어도 일부는 제 1 층(2) 내로 역류한다.
추가의 유리한 방법 단계에서, 제 1 층(2)은 나란히 배치되는, 그리고 연료 유입구(2b)를 연료 유출구(2c)와 연결하는 복수의 채널(13)을 포함하고, 제 1 개구(15)는 채널(13)에 대해 횡단 방향으로 연장하고, 그리고 나란히 배치되는 적어도 2 개의 채널(13)을 유체적으로 연결하고, 각각의 채널의 가연성 기체가 제 1 개구(15) 내에서 균질화되도록, 각각의 채널(13)을 통해 유동하는 가연성 기체는 제 1 개구(15) 내로 유입된다.
하나의 유리한 방법 단계에서, 제 1 개구(15) 내에서 균질화된 가연성 기체의 적어도 일부는 제 1 층(2)의 각각의 채널(13) 내로 역류하고, 또는 제 1 층(2)의 각각의 채널(13) 사이에서 교환된다.
추가의 유리한 방법 단계에서, 가연성 기체가 제 1 개구(15)를 통해 유동할 때 유동 방향으로 장입되도록, 제 1 개구(15)의 적어도 일부는 유동 방향(9)에 수직으로 연장한다.
하나의 유리한 방법 단계에서, 제 1 개구(15)의 적어도 일부는 각각의 제 1 개구(15) 내의 가연성 기체의 압력이 동등해지도록 유동 방향(9)에 수직으로 연장하므로 제 1 층(2)의 하측 또는 각각의 채널(13)의 하측의 가연성 기체의 압력은 국부적으로 동등해진다.
구조는 US 7 632 586 B2에 따른 2 개의 스택 설계로 구현되었고, 작동으로 확인되었다. 연료로서 수소를 사용하는 61% 및 메탄을 사용하는 69%에 달하는 효율에서 최대 94%의 연료 전환이 달성되었다. 이것은 US 7 632 586 B2에 개시된 바와 같은 반응물 유동의 처리에 기초한 종래의 결과를 훨씬 초과하는 것이다.

Claims (21)

  1. 베이스 층(1), 제 1 층(2) 및 제 2 층(3)을 차례대로 포함하는 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소(10)로서, 상기 제 1 층(2) 및 제 2 층(3)에는 가연성 기체인 제 1 반응물 유체의 유체 유동을 위한 패턴을 형성하는 기체 분배 구조(11)가 배치되고, 상기 제 2 층(3)은 제 1 개구(15)를 갖는 균질화 요소이고, 상기 제 1 개구(15)는 길이(28) 및 폭(29)을 갖고, 상기 길이(28)는 상기 폭(29) 보다 크고, 상기 제 1 층(2)은 연료 유입구(2b) 및 연료 유출구(2c)를 포함하고, 주요 유체 유동 방향(9)은 상기 연료 유입구(2b)와 상기 연료 유출구(2c) 사이에서 직선 방향으로 연장하고,
    상기 제 1 층(2)의 기체 분배 구조(11)는 나란히 배치된, 상기 주요 유체 유동 방향(9)으로 직선으로 연장되는, 그리고 상기 연료 유입구(2b)를 상기 연료 유출구(2c)에 연결하는 복수의 채널(13)로 이루어지고,
    상기 채널(13)에 대해 횡단 방향으로 연장하는 상기 제 1 개구(15)는 나란히 배치된 적어도 2 개의 채널(13)이 상기 제 1 개구(15)에 의해 유체적으로 연결되는 길이(28)를 갖고, 그리고 상기 나란히 배치된 적어도 2 개의 채널(13)이 상기 제 1 개구(15)에 의해 유체적으로 연결되도록 배치되고,
    상기 제 2 층(3)은 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)과 접촉하기 위한 접촉 표면(3c)을 포함하고, 상기 제 1 개구(15)는 상기 접촉 표면(3c) 내에 배치되고, 모든 상기 제 1 개구(15)의 총 표면은 상기 접촉 표면(3c)의 적어도 20%인, 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널(13)은 상호 평행하게 연장하고, 상기 제 1 개구(15)는 상기 채널(13)에 수직으로 연장하는, 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널(13)은 반경 방향으로 연장하고, 상기 제 1 개구(15)는 원주 방향으로 연장하는, 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층(2)의 채널(13) 중 적어도 일부는 바 요소(23)에 의해 차단되고, 상기 바 요소(23)는 상호 이격된, 그리고 사이에 채널(13)을 형성하는 적어도 2 개의 바(2a)를 연결하고, 상기 제 2 층(3)은 복수의 제 2 개구(6)를 포함하고, 상기 제 2 개구(6)는 상기 주요 유체 유동 방향(9)으로 상기 바 요소(23)의 폭보다 큰 길이(7)를 갖고, 상기 제 2 개구(6)는 상기 채널(13)을 유체적으로 연결하도록, 그리고 상기 바 요소(23)를 우회하도록 상기 바 요소(23)의 옆에 배치되는, 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 층(1)의 옆에 배치되는 지지층(4)을 더 포함하는, 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 지지층(4)은 직선 방향으로 연장하는 복수의 채널(20)을 포함하고, 상기 채널(20)은 산화제인 제 2 반응물 유체를 안내하는, 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 지지층(4)은 양면 상에 채널(20, 20a, 20b)을 갖는 파형 시트이고,상기 제 1 층(2)에 대면하는 채널(20b)의 목적은 상기 제 2 반응물 유체에 의해 상기 제 1 층(1)을 냉각하는 것이고, 반대측 상의 상기 채널(20b)의 목적은 연료 전지 유닛에 상기 제 2 반응물 유체를 제공하는 것인, 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 베이스 층(1), 상기 제 1 층(2), 상기 제 2 층(3) 및 상기 지지층(4) 중 적어도 하나는 스탬핑, 엠보싱, 펀칭 또는 에칭에 의해 또는 핫 프레싱에 의해 제조되는, 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 층(1) 및 상기 제 1 층(2) 또는 상기 제 1 층(2) 및 상기 제 2 층(3)은 모노리스(monolith) 부재를 형성하는, 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 지지층(4)은 상기 베이스 층(1)과, 또는 상기 베이스 층(1) 및 상기 제 1 층(2)과 모노리스 부재를 형성하는, 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소.
  11. 제 1 항에 있어서,
    모든 상기 제 1 개구(15)의 총 면적은 상기 접촉 표면(3c) 내에 위치되는 모든 개구(15, 6)의 총 면적의 적어도 20%인, 연료 전지 또는 전해 기기를 위한 기체 분배 요소.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 기체 분배 요소(10)를 포함하는 연료 전지.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 기체 분배 요소(10)를 포함하는 전해 기기.
  14. 연료 전지의 기체 분배 요소(10) 내에서 가연성 기체를 균질화하기 위한 방법으로서, 상기 기체 분배 요소(10)는 베이스 층(1), 제 1 층(2) 및 제 2 층(3)을 차례대로 포함하고, 상기 제 1 층(2)은 채널(13)을 포함하는 기체 분배 구조(11)를 포함하고, 상기 제 2 층(3)은 제 1 개구(15)를 포함하고, 각각의 채널(13)을 통해 유동하는 상기 가연성 기체는 각각의 채널(13)의 가연성 기체가 상기 제 1 개구(15) 내에서 균질화되도록 상기 제 1 개구(15) 내로 유입되고, 상기 제 1 개구(15)는 접촉 표면(3c)에서 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)과 접촉하고, 상기 제 1 개구(15) 내로부터의 상기 가연성 기체가 상기 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)에 제공되도록, 상기 제 1 개구(15)는 상기 접촉 표면(3c) 내에 배치되고,
    상기 연료가 직선 방향으로 상기 채널(13) 내에서 유동 방향(9)으로 유동하도록 상기 기체 분배 구조(11)는 나란히 배치된, 그리고 연료 유입구(2b)를 연료 유출구(2c)에 연결하는 복수의 직선으로 연장하는 채널(13)로 이루어지고,
    상기 제 1 개구(15)는 상기 유동 방향(9)에 대해 횡단 방향으로 연장하고, 나란히 배치된 적어도 2 개의 채널(13)을 유체적으로 연결하고, 상기 제 1 개구(15) 내에서 균질화된 상기 가연성 기체의 적어도 일부는 상기 제 1 층(2)의 각각의 채널(13) 내로 역류하거나 상기 제 1 층(2)의 각각의 채널(13) 사이에서 교환되고,
    상기 가연성 기체를 상기 캐소드-애노드-전해질 유닛(5)에 제공하는 모든 상기 제 1 개구(15)의 총 표면은 상기 접촉 표면(3c)의 적어도 20%인, 연료 전지의 기체 분배 요소 내에서 가연성 기체를 균질화하기 위한 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 개구(15)의 적어도 일부는 상기 각각의 제 1 개구(15) 내에서 상기 가연성 기체의 압력이 균등화되도록 상기 유동 방향(9)에 수직하게 연장하므로, 하측의 각각의 채널(13) 내의 상기 가연성 기체의 압력이 국부적으로 균등화되는, 연료 전지의 기체 분배 요소 내에서 가연성 기체를 균질화하기 위한 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
KR1020147034972A 2012-06-11 2013-06-11 연료 전지를 위한 기체 분배 요소 KR102097434B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12171563.5A EP2675005A1 (en) 2012-06-11 2012-06-11 Gas distribution element for a fuel cell
EP12171563.5 2012-06-11
PCT/EP2013/062056 WO2013186226A1 (en) 2012-06-11 2013-06-11 Gas distribution element for a fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150029642A KR20150029642A (ko) 2015-03-18
KR102097434B1 true KR102097434B1 (ko) 2020-04-06

Family

ID=48741060

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020147034972A KR102097434B1 (ko) 2012-06-11 2013-06-11 연료 전지를 위한 기체 분배 요소

Country Status (15)

Country Link
US (2) US9627698B2 (ko)
EP (2) EP2675005A1 (ko)
JP (1) JP6167174B2 (ko)
KR (1) KR102097434B1 (ko)
CN (1) CN104412434B (ko)
AU (1) AU2013276596B2 (ko)
CA (1) CA2874946C (ko)
DK (1) DK2859608T3 (ko)
ES (1) ES2678599T3 (ko)
PL (1) PL2859608T3 (ko)
RU (1) RU2630896C2 (ko)
SA (1) SA113340629B1 (ko)
SI (1) SI2859608T1 (ko)
TR (1) TR201809360T4 (ko)
WO (1) WO2013186226A1 (ko)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2675005A1 (en) * 2012-06-11 2013-12-18 HTceramix S.A. Gas distribution element for a fuel cell
FR3040549B1 (fr) * 2015-08-26 2017-09-15 Commissariat Energie Atomique Empilement de cellules electrochimiques reparties en groupes distincts comportant un compartiment d’homogeneisation
US9923218B2 (en) * 2015-12-15 2018-03-20 Doosan Fuel Cell America, Inc. Fuel cell electrolyte management device
DE102015225536A1 (de) * 2015-12-17 2017-06-22 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte
CN107579262B (zh) * 2016-07-04 2019-11-08 中国科学院大连化学物理研究所 一种平板型固体氧化物燃料电池连接部件及其应用
EP3376575B1 (de) * 2017-03-16 2020-04-29 Hexis AG Verfahren zur herstellung eines metallischen interkonnektors für einen brennstoffzellenstapel, sowie ein nach dem verfahren hergestellter metallischer interkonnektor
IT201800004765A1 (it) 2018-04-20 2019-10-20 Protezione di un substrato metallico per pile di celle ad ossidi solidi mediante stampa inkjet
KR102495975B1 (ko) * 2018-04-26 2023-02-06 주식회사 미코파워 가스 분배 모듈 및 이를 구비하는 연료전지 시스템
WO2020023029A1 (en) * 2018-07-25 2020-01-30 United Technologies Corporation Intermediate temperature metal supported solid oxide electrolyzer
US20220029177A1 (en) * 2018-12-11 2022-01-27 Toray Industries, Inc. Power generation system
US20220029178A1 (en) * 2018-12-11 2022-01-27 Toray Industries, Inc. Power generation system
CN109904465A (zh) * 2019-03-01 2019-06-18 徐州华清京昆能源有限公司 一种固体氧化物燃料电池电极结构
DE102020204386A1 (de) 2020-04-03 2021-10-07 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zur Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur und Brennstoff-/Elektrolysezelle
EP4047696A1 (de) 2021-02-23 2022-08-24 SunFire GmbH Soc-stack-interkonnektor sowie soc-stack-anordnung
CN117043393A (zh) 2021-03-22 2023-11-10 托普索公司 具有从外围朝向中心的燃料流的soec电堆
US11339485B1 (en) 2021-06-30 2022-05-24 RQT Energy Storage Corp. Electrolysis electrode structure
GB2625321A (en) * 2022-12-14 2024-06-19 Francis Geary Paul Manifold assembly for electrolyser
DE102023200699A1 (de) * 2023-01-30 2024-08-01 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Bipolarplatte, Plattenanordnung, Zelle und Elektrolyseur

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008529211A (ja) 2005-01-26 2008-07-31 インテリジェント エナジー リミテッド 多層燃料電池ディフューザ
JP2009158407A (ja) 2007-12-27 2009-07-16 Toshiba Corp 燃料電池

Family Cites Families (47)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6030068B2 (ja) * 1979-03-30 1985-07-13 防衛庁技術研究本部長 燃料電池
NL1000218C2 (nl) * 1995-04-25 1996-10-28 Stichting Energie Fluïdumverdeelinrichting.
AUPO724997A0 (en) 1997-06-10 1997-07-03 Ceramic Fuel Cells Limited A fuel cell assembly
US6099984A (en) * 1997-12-15 2000-08-08 General Motors Corporation Mirrored serpentine flow channels for fuel cell
DE19953404B4 (de) * 1999-11-06 2004-11-25 Daimlerchrysler Ag Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel
US6777126B1 (en) 1999-11-16 2004-08-17 Gencell Corporation Fuel cell bipolar separator plate and current collector assembly and method of manufacture
CA2447855C (en) 2000-05-22 2011-04-12 Acumentrics Corporation Electrode-supported solid state electrochemical cell
DE10044703B4 (de) 2000-09-09 2013-10-17 Elringklinger Ag Brennstoffzelleneinheit, Brennstoffzellenblockverbund und Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenblockverbunds
JP4085652B2 (ja) 2001-08-21 2008-05-14 株式会社エクォス・リサーチ 燃料電池
EP1328035A1 (fr) 2002-01-09 2003-07-16 HTceramix S.A. - High Technology Electroceramics PEN de pile à combustible à oxydes solide
US6699614B2 (en) * 2002-03-18 2004-03-02 General Motors Corporation Converging/diverging flow channels for fuel cell
CN1469500A (zh) 2002-07-17 2004-01-21 山 黄 一种用于燃料电池的导流集电复合极板及其制造方法
DE10238859A1 (de) 2002-08-24 2004-03-04 Bayerische Motoren Werke Ag Brennstoffzellen-Stack
US7479341B2 (en) * 2003-01-20 2009-01-20 Panasonic Corporation Fuel cell, separator plate for a fuel cell, and method of operation of a fuel cell
US20040151960A1 (en) * 2003-01-31 2004-08-05 Rock Jeffrey Allan Flow restrictors in fuel cell flow-field
JP2004327089A (ja) 2003-04-21 2004-11-18 Honda Motor Co Ltd 燃料電池スタック
TWM248035U (en) 2003-07-11 2004-10-21 Asia Pacific Fuel Cell Tech Cooling device of air-cooling type fuel battery set
CN2643491Y (zh) 2003-07-14 2004-09-22 亚太燃料电池科技股份有限公司 燃料电池的流场结构
US20050037935A1 (en) * 2003-08-11 2005-02-17 Abd Elhamid Mahmoud H. Composition and method for surface treatment of oxidized metal
JP4700918B2 (ja) 2004-02-19 2011-06-15 本田技研工業株式会社 燃料電池
EP1732155B1 (en) * 2004-03-04 2010-09-01 Panasonic Corporation Composite electrolytic membrane, catalytic layer membrane assembly, membrane electrode assembly and polymer electroytic fuel cell
JP2005276532A (ja) * 2004-03-23 2005-10-06 Olympus Corp 燃料電池
DE102004016318A1 (de) * 2004-03-30 2005-10-20 Reinz Dichtungs Gmbh Bipolarplatte sowie Verfahren zu deren Herstellung und ein die Bipolarplatte enthaltendes elektrochemisches System
EP1653539A1 (en) 2004-11-02 2006-05-03 HTceramix S.A. Solid oxide fuel cell system
US7041408B1 (en) 2004-12-28 2006-05-09 Utc Fuel Cells, Llc Varied fuel cell oxidant flow channel depth resulting in fewer cooler plates
JP4648007B2 (ja) 2005-01-06 2011-03-09 株式会社日立製作所 燃料電池用セパレータおよび燃料電池
JP4770208B2 (ja) 2005-03-10 2011-09-14 トヨタ自動車株式会社 空冷式燃料電池システム
EP1705738A1 (de) 2005-03-21 2006-09-27 Sulzer Hexis AG Anlage mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen und einer Multikomponenten-Hülle zu einem Zellenstapel
EP1742285A1 (de) * 2005-07-04 2007-01-10 CEKA Elektrowerkzeuge AG + Co. KG Flussfeldplatte, Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel
CN100449833C (zh) 2005-08-26 2009-01-07 比亚迪股份有限公司 一种燃料电池的流场板
JP4951925B2 (ja) * 2005-10-11 2012-06-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用ガスセパレータおよび燃料電池
DE102006009844A1 (de) * 2006-03-01 2007-09-06 Behr Gmbh & Co. Kg Bipolarplatte, insbesondere für einen Brennstoffzellenstapel eines Fahrzeugs
EP1879251B1 (en) 2006-07-14 2012-06-06 Topsøe Fuel Cell A/S Compression assembly, solid oxide fuel cell stack, a process for compression of the solid oxide fuel cell stack and its use
RU2328060C1 (ru) * 2006-11-23 2008-06-27 Федеральное государственное предприятие "ЦНИИ судовой электротехники и технологии" (ФГУП "ЦНИИ СЭТ") Топливный элемент и батарея топливных элементов
US8343684B2 (en) 2008-03-07 2013-01-01 Alan Devoe Fuel cell device and system
WO2009142994A1 (en) 2008-05-21 2009-11-26 Ballard Power Systems Inc. Composite bipolar separator plate for air cooled fuel cell
US8129075B2 (en) * 2008-10-16 2012-03-06 GM Global Technology Operations LLC Bipolar plate header formed features
DE102008043873B4 (de) 2008-11-19 2022-09-29 Robert Bosch Gmbh Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle
KR101299935B1 (ko) * 2008-12-17 2013-08-26 생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드 고체 산화물 연료전지의 채널을 통한 균일한 가스 분포
DE102009009177B4 (de) 2009-01-26 2010-12-09 Staxera Gmbh Wiederholeinheit für einen Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellenstapel und deren Verwendung
KR101093700B1 (ko) 2009-06-25 2011-12-15 삼성에스디아이 주식회사 연료전지 시스템 및 그 스택
US8691473B2 (en) * 2009-12-07 2014-04-08 Industrial Technology Research Institute Fuel cell module having non-planar component surface
US8304145B2 (en) * 2010-02-19 2012-11-06 GM Global Technology Operations LLC High tortuosity diffusion medium
WO2012039005A1 (ja) * 2010-09-22 2012-03-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池スタック
EP2675007A1 (en) * 2012-06-11 2013-12-18 HTceramix S.A. A gas flow dividing element
EP2675005A1 (en) * 2012-06-11 2013-12-18 HTceramix S.A. Gas distribution element for a fuel cell
EP2675006A1 (en) * 2012-06-11 2013-12-18 HTceramix S.A. Gas distribution element with a supporting layer

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008529211A (ja) 2005-01-26 2008-07-31 インテリジェント エナジー リミテッド 多層燃料電池ディフューザ
JP2009158407A (ja) 2007-12-27 2009-07-16 Toshiba Corp 燃料電池

Also Published As

Publication number Publication date
EP2859608A1 (en) 2015-04-15
JP6167174B2 (ja) 2017-07-19
CN104412434B (zh) 2017-02-15
US10468695B2 (en) 2019-11-05
EP2675005A1 (en) 2013-12-18
AU2013276596A1 (en) 2014-12-04
EP2859608B1 (en) 2018-04-18
WO2013186226A1 (en) 2013-12-19
CA2874946C (en) 2020-06-23
KR20150029642A (ko) 2015-03-18
TR201809360T4 (tr) 2018-07-23
DK2859608T3 (en) 2018-07-30
SI2859608T1 (sl) 2018-09-28
JP2015525447A (ja) 2015-09-03
SA113340629B1 (ar) 2015-09-13
AU2013276596B2 (en) 2017-09-14
US9627698B2 (en) 2017-04-18
CA2874946A1 (en) 2013-12-19
US20150180061A1 (en) 2015-06-25
CN104412434A (zh) 2015-03-11
US20170229722A1 (en) 2017-08-10
RU2014149663A (ru) 2016-07-27
ES2678599T3 (es) 2018-08-14
RU2630896C2 (ru) 2017-09-14
PL2859608T3 (pl) 2018-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102097434B1 (ko) 연료 전지를 위한 기체 분배 요소
EP2675006A1 (en) Gas distribution element with a supporting layer
EP2675007A1 (en) A gas flow dividing element
US20130209904A1 (en) Integrated natural gas powered sofc systems
JP6263638B2 (ja) セルシステムに関する組立方法及び配置
US20100062302A1 (en) Metal support and solid oxide fuel cell including the same
JP4682511B2 (ja) 固体酸化物型燃料電池
KR102027117B1 (ko) 연료 전지용 집전판 및 이를 포함하는 스택 구조물
KR102076865B1 (ko) 연료 전지용 스택 구조물 및 그의 구성
WO2018183433A1 (en) System and method for solid oxide fuel cells with staged fuel supply
KR101479681B1 (ko) 고체 산화물 연료전지
KR102548218B1 (ko) 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법
KR101180157B1 (ko) 고체 산화물 연료전지의 불량 단위전지 처리장치 및 이의 설치 방법
JP4228895B2 (ja) 固体酸化物型燃料電池
JP2009245631A (ja) 燃料電池スタック及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池
KR20120074726A (ko) 유로가 형성된 집전체를 포함하는 고체 산화물 연료전지 분리판 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant