KR102554253B1 - 하나 이상의 반응 가스를 공급하기 위한 분배기 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지(100) 또는 전해조를 위한 하나 이상의 반응 가스, 특히 산소 함유 가스 혼합물(O2)을 공급하기 위한 분배기 구조(10)에 관한 것이며, 상기 분배기 구조는 제1 구조 요소(11)와 제2 구조 요소(12)를 포함하며, 제1 구조 요소(11)와 제2 구조 요소(12)는, 제1 구조 요소(11)와 제2 구조 요소(12) 사이에 반응 가스를 위한 분배 영역(15)이 형성되고 분배 영역(15)으로부터는 분배 영역(15)에 대해 실질적으로 수직으로 정렬되는 복수의 공급 채널(16)이 분기되며 제2 구조 요소(12)의 아래쪽에는 분배 영역(15)에 대해 평행하게 정렬되는 복수의 배출 채널(17)이 형성되는 방식으로 형성되어 상호 간에 상대적으로 배치된다.

Description

하나 이상의 반응 가스를 공급하기 위한 분배기 구조
본 발명은, 독립 장치 청구항의 전제부에 따른, 연료 전지(fuel cell) 또는 전해조(electrolyzer)를 위한 하나 이상의 반응 가스, 특히 산소 함유 가스 혼합물을 공급하기 위한 분배기 구조(distributor structure)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 대등의 독립 장치 청구항의 전제부에 따른, 예컨대 양성자들 또는 수산화물 이온들을 수송하기 위한 폴리머 멤브레인을 포함하는 연료 전지 또는 전해조에 관한 것이다.
연료 전지 및 전해조는 전기 화학 에너지 변환기이다. 연료 전지의 경우, 예컨대 수소와 산소가 물, 전기 에너지 및 열로 변환된다. 전해조의 경우, 그와 반대로, 예컨대 물이 전류에 의해 수소와 산소로 분열된다. 또한, 복수의 연료 전지는 이른바 하나의 스택(stack)으로 통합될 수 있다. 연료 전지에서의 수소와 산소, 및 전해조에서의 물을 함유하는 유리체들(educt), 및 냉각액은 분배기 구조를 통해 각자의 전지(cell) 내로 안내된다. 상기 분배기 구조는 유리체들 및 냉각액을 위한 채널들을 형성한다. 이 경우, 분배기 구조는, 연료 전지 내지 전해조의 활성 표면에 걸쳐서 유리체들의 균일한 분배; 다음 전지 내로 전자들의 전도; 전지에서부터 생성수(연료 전지) 및 생성 가스(전해조)의 배출; 및 촉매층에서부터 냉각제로 열의 방출;과 같은 기능들을 담당 수행한다. 공지된 분배기 구조들은 웨브들(web) 내지 골들(furrow)을 통해 채널 구조를 형성하는 엠보싱 가공된 금속 박판들로서 형성된다(양극판). 연료 전지들의 경우, 채널 구조를 통해 반응 가스들은 전기 화학 활성 표면에 걸쳐서 분배된다. 그러나 웨브들의 아래쪽에는 가스 흐름이 존재하지 않는다. 양극판들의 상기 웨브들의 밑에서는 (특히 전류 밀도가 높은 경우) 캐소드 측 상에 액상 생성수가 집수될 수 있으며, 생성수는 촉매층의 안쪽의 기공들을 막히게 한다. 그렇게 하여, 촉매층 쪽으로의 산소 수송은 국소적으로 강하게 억제되며, 그런 까닭에 전지의 출력은 국소적으로 강하되고, 그 결과 전지의 전체 성능은 악화된다.
본 발명은, 독립 장치 청구항에 따른, 연료 전지 또는 전해조를 위한 하나 이상의 반응 가스, 특히 산소 함유 가스 혼합물을 공급하기 위한 분배기 구조, 및 또 다른 독립 장치 청구항에 따른, 예컨대 양성자들 또는 수산화물 이온들을 수송하기 위한 폴리머 멤브레인을 포함한 연료 전지 또는 전해조를 제공한다. 본 발명의 또 다른 장점들, 특징들 및 상세내용들은 종속 청구항들, 구체적인 내용 설명 및 도면들에서 분명하게 제시된다. 이 경우, 본 발명에 따른 분배기 구조와 관련하여 기술되는 특징들 및 상세내용들은 자명한 사실로서 본 발명에 따른 연료 전지, 또는 본 발명에 따른 전해조와 관련하여서도 적용되며, 그리고 각각 그 반대의 경우에도 똑같이 적용되며, 그런 까닭에 개별 발명 양태들에 대한 개시와 관련하여 항상 상호 간에 참조될 수 있다.
본 발명은 연료 전지 또는 전해조를 위한 하나 이상의 반응 가스, 특히 산소 함유 가스 혼합물을 공급하기 위한 분배기 구조를 제공하며, 상기 분배기 구조는 제1 구조 요소 및 제2 구조 요소를 포함하여 형성되고, 제1 구조 요소와 제2 구조 요소는, 제1 구조 요소와 제2 구조 요소 사이에 반응 가스를 위한 분배 영역(distribution area)이 형성되고 분배 영역으로부터는 분배 영역에 대해 실질적으로 수직으로 정렬되는 복수의 공급 채널(feed channel)이 분기되며 제2 구조 요소의 아래쪽에는 분배 영역에 대해 평행하게 정렬되는 복수의 배출 채널이 형성되는 방식으로 형성되어 상호 간에 상대적으로 배치된다.
본 발명의 사상은, 예컨대 금속 박판들로 구성되는 2개의 구조 요소 사이에 평면 분배 영역이 마련되며, 이 분배 영역을 통해서는, 효율을 최적화하기 위해, 하나 이상의 반응 가스가 균일하게, 그리고 압력 손실이 적은 상태로 연료 전지 또는 전해조의 전체 활성 표면에 걸쳐 분배된다는 점에 있다. 분배 영역은 연료 전지 또는 전해조의 연장 평면에 대해 평행하게 배치될 수 있다. 또한, 분배 영역은 이 분배 영역으로부터 분기되는 복수의 공급 채널을 포함하여 형성되며, 이들 공급 채널을 통해서는 반응 가스가 활성 표면에 대해 수직으로 가스 확산층 내로 유입된다. 따라서, 발생하는 생성수의 배출 역시도 보장될 수 있다.
2개의 구조 요소 사이에서는, 자유 유동을 최소의 정도로만 억제하는 기둥형 또는 선형 연결편들(connection piece)이 전기 접점 및 기계적 안정성을 충족할 수 있다.
촉매층이 적층되어 있는 가스 확산층 상에서 지지될 수 있는 하부 내지 제2 구조 요소 내에는, 규칙적이거나 가변적인 간격들로 예컨대 직사각형이거나 원형인 상이한 횡단면 면적들을 보유한 함몰부들의 형태인 돌기들(stud), 및/또는 골들(furrow)이 각인되어 있다. 상기 돌기들 및/또는 골들을 통해, 분배 영역에 대해 실질적으로 수직으로 정렬되는 공급 채널들이 형성된다. 공급 채널들은 하면 상에 하나 또는 복수의 보어를 구비할 수 있다. 따라서, 공기는 분배 영역에서부터 공급 채널들 내로 분기되고, 보어들을 통과하여, 그 아래에 위치하여 전기 화학 반응이 일어나는 가스 확산층 및 촉매층 내로 스며 나간다.
제2 구조 요소의 아래쪽 공급 채널들 사이, 내지 가스 확산층과 제2 구조 요소 사이의 개방된 공간들을 통해서는, 생성 가스 및/또는 생성수가 분배 영역에 대해 평행하게, 또는 가스 확산층의 연장 평면에 대해 평행하게 전지에서부터 배출된다.
따라서, 2개의 구조 요소를 통해, 반응 가스 및 생성 가스를 위한 2개의 별도의 채널 구조가 형성되며, 그럼으로써 반응 가스와 생성 가스는 유체 공학적으로 상호 간에 분리되게 된다.
연료 전지 내지 전해조의 타측 측면에 의해서는, 제2 분배기 구조가 2개의 반응 가스를 위해 임의의 형태로 실현될 수 있다.
(바람직하게는 산소를 함유한) 반응 가스를 위한 상기 2개 부분형 분배기 구조에 의해서는 다수의 장점이 달성된다. 한편으로, 분배 영역을 통해, 공급되는 가스가, 바람직하게는 압력 손실이 적은 상태에서, 연료 전지 내지 전해조의 전체 활성 표면에 걸쳐 균일하게 분배된다. 따라서, 활성 표면은 점 형태로 신선 가스(반응 가스)를 공급받는다. 공지된 양극판들과 달리, 가스 농도가 유입구에서부터 유출구까지 감소하는 것이 아니라, 전체 활성 표면은 점 형태로 신선 가스를 공급받는다. 모든 공급 채널을 통한 균일한 신선 가스 공급은, 분배 영역 안쪽의 압력 손실이 공급 채널들을 통한 압력 손실보다 분명히 더 적은 것을 통해 달성된다. 다른 한편으로는, 유입구에서부터 유출구까지 본 발명에 따른 분배기 구조의 전체 압력 강하는 적은데, 그 이유는 각자의 돌기를 통해 전체 가스 공급 중 단지 적은 부분만이 유동하기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 분배기 구조를 통해, 제2 구조 요소의 웨브들의 밑에서 액상수 집수(liquid water collection)는 신뢰성 있게 방지되는데, 그 이유는 본 발명에 따른 구성에서 가스 유동이 공급 채널들의 바닥부를 통과하여, 그리고 그에 따라 분배기 구조와 가스 확산층 사이의 접촉면을 통과하여 흐르기 때문이다. 따라서, 액상수 배출(liquid water evacuation)이 보장되고 제2 구조 요소의 웨브들은 액상수로 과류되지 않는다.
또 다른 장점은 활성 표면에 대해 수직인 가스 공급이다. 따라서, 활성 표면의 활성 중심부들까지 촉매층 내로 대류식 가스 수송이 존재한다. 종래 양극판들의 경우, 가스는 활성 표면에 대해 평행하게 유동하고 촉매층으로 향하는 가스 수송은 순수 확산 방식으로만 수행된다. 대류식 가스 수송은, 확산식 가스 수송보다 더 균일하게, 그리고 보다 더 통제되면서 전체 활성 표면에 걸쳐서 실행될 수 있다.
또한, 최적화된 유동 가이드를 달성하기 위해, 공급 채널들의 구성은 활성 표면을 따라서, 또는 분배 영역을 따라서 가변할 수 있다. 한편으로, 공급 채널들은, 유출구 상에서보다, 유입구 상에 보다 더 적은 수의 보어 내지 구멍을 포함할 수 있거나, 또는 더 작은 지름을 갖는 구멍들을 포함할 수 있다. 다른 한편으로는, 공급 채널들의 전체 형상은 폭과 관련하여, 그리고/또는 형태와 관련하여 가변할 수 있다.
또한, 제2 구조 요소의 아래쪽에서, 또는 제2 구조 요소와 가스 확산층 사이에서 폐가스를 흡입 배출하기 위해, 예컨대 흡입기(sucker)의 형태인 팬(fan)이 제공될 수 있는 점도 생각해볼 수 있다.
또한, 본 발명에 따라서, 제1 구조 요소는 평면 플레이트 요소의 형태로 형성될 수 있다. 상기 제1 구조 요소는 간단하고 비용 효과적이지만, 그럼에도 다수의 장점을 제공하는데, 그 장점 중에는 반응 가스를 분배하기 위해 평면인 제1 구조 요소와 제2 구조 요소 간의 공간을 분리하고, 생성 가스 및/또는 생성수를 배출하기 위해서는 제2 구조 요소와 가스 확산층 간의 공간을 분리하는 것에 있다. 이 경우, 제1 구조 요소가 양극판의 플레이트들 사이에 포지셔닝되고 캐소드 측 플레이트까지 이격되어 유지됨으로써, 심지어 공지의 그리고/또는 기존의 양극판들이 상기 제1 구조 요소를 통해 업그레이드될 수 있는 점을 생각해볼 수 있다. 따라서, 본 발명은 향상된 분배기 구조들의 제조를 위해, 그리고 공지된 분배기 구조들의 업그레이드를 위해 사용될 수 있다. 상기 향상되거나 업그레이드된 분배기 구조들에 의해, 연료 전지 내지 전해조의 작동 중에 성능은 현저하게 증가될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라서, 제2 구조 요소는, 엠보싱 가공되고, 그리고/또는 천공되고, 그리고/또는 적어도 일부 영역에서 관통되는 플레이트 요소의 형태로 형성될 수 있다. 상기 구조 요소는 제조와 관련하여 마찬가지로 간단하고 저렴하다. 상기 제2 구조 요소를 통해, 활성 표면에 대해 실질적으로 수직으로 정렬되는 공급 채널들이 마련될 수 있다. 그렇게 하여, 다시금, 반응 가스가 수직으로 활성 표면으로 보내지는 점이 달성된다. 따라서, 반응 가스의 분배는 대류식으로, 그에 따라 목표한 바대로 통제될 수 있고 전체 활성 표면에 걸쳐 균일하게 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 범주에서, 제1 구조 요소와 제2 구조 요소 사이에 전기 전도성이고 특히 기둥형인 하나 이상의 연결 요소가 제공될 수 있다. 이런 간단한 방식으로, 하부의 제2 구조 요소와 상부의 제1 구조 요소 사이에서 전자들을 전도하기 위한 전기 접점 및 폐열을 전도하기 위한 열적 접점이 보장될 수 있다. 제1 구조 요소의 위쪽에는, 추가 분배기 구조가 임의의 형태로 제2 반응 가스를 위해 제공될 수 있다. 또한, 제1 반응 가스(예컨대 산소 함유 반응 가스)를 위한 본 발명에 따른 분배기 구조의 제1 구조 요소와 제2 반응 가스(예컨대 연료 함유 반응 가스)를 위한 추가 분배기 구조 사이에는 냉각액을 위한 채널 구조가 제공될 수 있다.
또한, 공급 채널들의 바닥부 상에 가스 확산층에 대한 교호적인 접촉면을 형성하기 위해, 제2 구조 요소가 돌기 및/또는 골 구조를 포함하는 점도 생각해볼 수 있다. 돌기 및/또는 골 구조는 예컨대 금속 박판을 엠보싱 가공하는 것을 통해 간단하면서도 저렴하게 형성될 수 있다. 또한, 돌기들은 제2 구조 요소의 두 연장 방향으로 교호적으로, 바람직하게는 주기적으로 분포될 수 있다. 돌기들은 상이한 형태들, 예컨대 평행 육면체, 원통형, 반원형 형태들을 보유할 수 있다.
또한, 본 발명의 범주에서, 제1 구조 요소로 향해 있는 제2 구조 요소의 제1 측면에 공급 채널들이 형성될 수 있으며, 가스 확산층으로 향해 있을 수 있는 제2 구조 요소의 제2 측면에는 배출 채널들이 형성될 수 있다. 따라서, 반응 가스가, 폐가스 내지 생성 가스를 배출시키는 채널들로부터 유체 공학적으로 분리되어 있는 채널들을 통해 안내되는 점이 가능해질 수 있다. 따라서, 다시금, 생성수가 신선한 반응 가스의 가스 유량에 혼합되지 않는다는 장점이 생길 수 있다. 따라서, 신선한 반응 가스 및 폐가스의 가스 흐름의 습기는 보다 더 용이하고 보다 더 예측 가능하게 통제되고, 그리고/또는 제어될 수 있다. 배출 채널들의 경우, 캐소드 라인 외에도 별도의 폐가스 라인이 본 발명에 따른 분배 영역을 통해 마련될 수 있다. 또한, 별도의 폐가스 라인의 유출구 상에 예컨대 흡입기의 형태인 팬이 제공될 수 있는 점 역시도 생각해볼 수 있다.
또한, 본 발명에 따라서, 공급 채널들의 바닥부 상에서 하나 이상의 보어가 제2 구조 요소 내에 형성될 수 있으며, 상기 보어를 통해서는 반응 가스가 가스 확산층의 연장 평면에 대해 실질적으로 수직으로 가스 확산층 내로 유입될 수 있다. 따라서, 보어의 통과 시 공급 채널들을 통한 반응 가스의 대류식 공급 외에, 그 밖에도, 반응 가스의 분배를 균일화하고 촉진하기 위해, 활성 표면에 대해 수직인 방향으로 이른바 벤추리 효과도 활용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라, 공급 채널들이 분배 영역을 통한 반응 가스 공급의 방향으로 점점 더 커지는 횡단면 면적을 보유하는 점도 생각해볼 수 있다. 따라서, 유입구에서부터 유입구까지, 심지어 분배 영역을 통한 반응 가스 공급의 방향으로의 경우에 따른 압력 손실에도 불구하고, 전체 분배 영역에 걸쳐 반응 가스의 균일한 분배가 가능해질 수 있는 점이 보장될 수 있다.
또한, 본 발명의 범주에서, 공급 채널에서부터 공급 채널로, 공급 채널들의 바닥부 상에 가변하는 개수, 또는 분배 영역을 통한 반응 가스 공급의 방향으로 증가하는 개수의 보어들이 형성될 수도 있다. 증가하는 개수의 보어들을 통해, 압력 손실에도 불구하고, 항상 균일하게 많은 반응 가스가 가스 확산층으로 공급될 수 있는 점이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명의 범주에서, 공급 채널에서부터 공급 채널로, 공급 채널들의 바닥부 상에 상이한 횡단면 면적들 또는 분배 영역을 통한 반응 가스 공급의 방향으로 점점 더 커지는 횡단면 면적들을 보유하는 복수의 보어가 형성될 수 있다. 그렇게 하여, 마찬가지로, 반응 가스 공급의 방향으로의 경우에 따른 압력 손실은 보상될 수 있게 된다.
또한, 본 발명은, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버를 포함하여 형성되는 연료 전지 또는 전해조도 제공하며, 분배기 구조는 앞서 기술한 것처럼 캐소드 챔버로 산소 함유 가스 혼합물을 공급하기 위해 제공된다. 본 발명에 따른 연료 전지, 또는 본 발명에 따른 전해조에 의해, 앞서 본 발명에 따른 분배기 구조와 관련하여 기술한 것과 동일한 장점들이 달성된다.
본 발명에 따른 가스 분배기 구조와 그 개선예들 및 장점들과 본 발명에 따른 연료 전지 내지 전해조와 그 개선예들 및 그의 장점들은 하기에서 도면들에 따라서 보다 더 상세하게 설명된다. 이들은 각각 개략적으로 도시된다.
도 1은 가스 분배기 구조로서, 공지된 양극판의 개략적 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 분배기 구조의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가스 분배기 구조를 포함하는 연료 전지 내지 전해조의 개략도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따르는 본 발명에 따른 가스 분배기 구조의 개략도이다.
도면들에서, 동일한 도면부호들을 갖는 특징들은 일반적으로 한 번만 기술된다.
도 1에는, 예컨대 연료 전지(100) 또는 전해조를 위한, 2개의 엠보싱 가공된 박판으로 구성되는 양극판의 형태인 공지된 분배기 구조(10*)가 도시되어 있다. 박판들 사이에는, 냉각액, 예컨대 물(H2O)을 위한 채널 구조가 형성된다. 박판의 위쪽에서는, 각각, 제1 반응 가스, 예컨대 산소 함유 반응 가스(O2), 또는 제2 반응 가스, 예컨대 연료 함유 반응 가스(H2)가, 상응하는 인접한 가스 확산층(GDL)으로 안내된다. 그러나 연료 전지(100)의 경우, 분배기 구조(10*)의 캐소드 측에서, 양극판의 웨브들과 가스 확산층(GDL) 사이의 접촉면들 상에 액상 생성수(H2O)가 집수되며, 이런 생성수는 가스 확산층(GDL)의 안쪽의 기공들을 막히게 한다. 그렇게 하여, 촉매층까지 산소 수송은 국소적으로 강하게 억제되며, 그런 까닭에 연료 전지(100)의 출력은 국소적으로 강하되며, 그 결과 연료 전지(100)의 전체 성능은 악화된다.
도 2에는, 연료 전지(100) 또는 전해조를 위한 하나 이상의 반응 가스, 특히 산소 함유 가스 혼합물(O2)을 공급하기 위한 본 발명에 따른 분배기 구조(10)가 도시되어 있으며, 분배기 구조는 제1 구조 요소(11)와 제2 구조 요소(12)를 포함하여 형성된다. 본 발명에 따라서, 제1 구조 요소(11)와 제2 구조 요소(12)는, 제1 구조 요소(11)와 제2 구조 요소(12) 사이에 반응 가스를 위한 분배 영역(15)이 형성되고 분배 영역(15)으로부터는, 실질적으로 분배 영역(15)에 대해 수직이고 그에 따라 연료 전지(100) 또는 전해조의 활성 표면에 대해 수직인 방향(F2)으로 정렬되는 복수의 공급 채널(16)이 분기되며 제2 구조 요소(12)의 아래쪽에는 분배 영역(15)에 대해 평행하게 정렬되는 복수의 배출 채널(17)이 형성되는 방식으로 형성되어 상호 간에 상대적으로 배치된다. 또한, 배출 채널들(17)은 분배 영역(15)을 통한 반응 가스 공급의 방향(F1)에 대해 수직인 방향(F3)으로 정렬된다.
본 발명에 따라서, 이제, 적어도 분배기 구조(10*)의 캐소드 측에는, 도 1에 도시된 것과 같은 구조 요소뿐만 아니라, 도 2에 도시된 것과 같은 2개의 구조 요소(11, 12) 역시도 마련된다. 구조 요소들(11, 12) 사이에서는, 반응 가스, 바람직하게는 산소 함유 반응 가스(O2)가 안내된다. 하부 내지 제2 구조 요소(12)와 가스 확산층(GDL) 사이에서는, 제2 구조 요소(12)의 아래쪽에 생성수(H2O)를 함유한 폐가스의 배출을 위한 배출 채널들(17)이 형성된다. 이 경우, 공급 채널들(16)과 배출 채널들(17)은 유체적으로 상호 간에 분리되어 있다.
도 3에 도시된 것처럼, 반응 가스는, 연료 전지(100)의 연장 평면에 대해 평행하게 배치될 수 있으면서 분배 영역(15)으로부터 분기된 복수의 공급 채널(16)을 포함하여 형성되는 분배 영역(15)을 통해 분배된다. 분배 영역(15)과 공급 채널들(16)은 예컨대 금속 박판들로 구성된 2개의 본 발명에 따른 구조 요소(11, 12) 사이에 형성된다. 따라서, 반응 가스는 연료 전지(100) 내지 전해조의 전체 활성 표면에 걸쳐서 균일하게, 그리고 압력 손실이 적은 상태로 분배될 수 있다.
도 2에 도시된 것처럼, 구조 요소들(11, 12) 사이에는, 분배 영역(15)을 통한 반응 가스의 자유 유동을 억제하지 않으면서, 전기 접점 및 기계적 안정성을 위한 기둥형 내지 선형 연결 요소들(13)이 제공될 수 있다.
공급 채널들(16)은 예컨대 상이한, 예컨대 직사각형 또는 원형인 횡단면 면적들을 보유한 골들 또는 돌기들의 형태로, 제2 구조 요소(12) 내에 각인될 수 있다. 공급 채널들(16)을 통해, 반응 가스는 연료 전지(100) 내지 전해조의 활성 표면에 대해 실질적으로 수직으로 보내진다.
공급 채널들(16)의 하면 상에는, 하나 또는 복수의 보어(14)가 형성되며, 이들 보어를 통해서는 반응 가스가 가스 확산층(GDL) 내로 스며 나갈 수 있다. 가스 확산층(GDL)에는 인접하는 방식으로 멤브레인(M)이 위치되며, 이 멤브레인을 통해서는 수소 이온들이 수송된다.
제2 구조 요소(12)의 아래쪽의 공급 채널들(16)을 위한 함몰부들 사이에서는, 또는 가스 확산층(GDL)과 제2 구조 요소(12) 사이에서는, 생성 가스(전해조), 또는 과량의 가스 혼합물을 함유한 생성수(H2O)[연료 전지(100)]가 분배 영역(15)에 대해 평행하게, 또는 가스 확산층(GDL)의 연장 평면에 대해 평행하게 연료 전지(100)에서부터, 또는 전해조에서부터 배출된다.
그 결과, 2개의 구조 요소(11, 12)를 통해, 반응수(H2O)(전해조) 또는 반응 가스[연료 전지(100)]를 위한, 그리고 생성 가스(전해조), 또는 과량의 가스 혼합물을 함유한 생성수(H2O)[연료 전지(100)]를 위한 2개의 별도의 채널 구조가 형성되며, 그럼으로써 유리체들과, 상응하는 전기 화학 반응의 생성물들은 유체 공학적으로 상호 간에 분리되게 된다. 연료 전지(100) 내지 전해조의 타측 측면에 의해서는, 제2 분배기 구조가, 제2 반응 가스, 예컨대 연료 함유 반응 가스(H2)를 위해 임의의 형태로 예컨대 엠보싱 가공된 금속 플레이트로서 실현될 수 있다. 또한, 제1 반응 가스(예컨대 산소 함유 반응 가스)를 위한 본 발명에 따른 분배기 구조(10)의 제1 구조 요소(11)와, 제2 반응 가스(예컨대 연료 함유 반응 가스)를 위한 제2 분배기 구조 사이에 냉각액, 예컨대 물(H2O)을 위한 채널 구조가 제공될 수 있다.
바람직한 방식으로, 분배 영역(15)을 통해, 공급되는 반응 가스는, 바람직하게는 압력 손실이 적은 상태에서, 연료 전지(100) 내지 전해조의 전체 활성 표면에 걸쳐서 균일하게 분배된다. 이로부터 분기되어, 활성 표면은 점 형태로 신선 가스(반응 가스)를 공급받는다. 도 1에서의 공지된 단일 부재형 양극판과 달리, 가스 농도가 유입구에서부터 유출구까지 감소하는 것이 아니라, 전체 활성 표면은 점 형태로 신선 가스를 공급받는다. 모든 공급 채널(16)을 통한 균일한 신선 가스 공급은, 분배 영역(15) 안쪽의 압력 손실이 공급 채널들(16)을 통한 압력 손실보다 분명하게 더 적은 것을 통해 달성된다. 다른 한편으로, 유입구에서부터 유출구까지 본 발명에 따른 분배기 구조(10)의 전체 압력 강하는 적은데, 그 이유는 각자의 공급 채널(16)을 통해 전체 가스 공급 중 단지 적은 부분만이 유동하기 때문이다.
본 발명에 따른 분배기 구조(10)를 통해, 제2 구조 요소(12)의 함몰부들의 밑에서 액상수 집수는 신뢰성 있게 방지되는데, 그 이유는 반응 가스가 직접적으로 분배기 구조(10)와 가스 확산층(GDL) 사이의 접촉면들(12a)을 통과하여 흐르기 때문이다. 따라서, 액상수 배출이 보장되고 제2 구조 요소(12)의 함몰부들은 액상수로 과류되지 않는다.
또 다른 장점은 활성 표면에 대해 수직인 가스 공급이며, 그럼으로써 가스 확산층(GDL) 내로 대류식 가스 수송이 실현될 수 있게 된다. 도 1에서의 양극판들의 경우, 반응 가스(O2, H2)는 활성 표면에 대해 평행하게 유동하고 촉매층으로 향하는 가스 수송은 순수 확산 방식으로만 수행된다. 본 발명의 문맥에서의 대류식 가스 수송은, 바람직한 방식으로 균일하게, 그리고 통제되면서 전체 활성 표면에 걸쳐서 실행될 수 있다.
본 발명의 범주에서, 제2 구조 요소(12)의 아래쪽에서, 또는 제2 구조 요소(12)와 가스 확산층(GDL) 사이에서 폐가스를 흡입 배출하고 그에 따라 배출 채널들(17)을 통한 폐가스의 흐름을 촉진하기 위해, 팬 또는 흡입기가 제공될 수 있는 점을 생각해볼 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 제1 구조 요소(11)는 평면 플레이트 요소의 형태로 형성될 수 있다. 제2 구조 요소(12)는, 엠보싱 가공되고, 그리고/또는 천공되고, 그리고/또는 적어도 일부 영역에서 관통되는 플레이트 요소의 형태로 형성될 수 있다. 상기 구조 요소들(11, 12)은 간단하면서도 저렴한 부품들이다. 따라서, 분배기 구조(10)의 가격이 경제적이고 간단한 제조가 제공된다.
제1 구조 요소(11)로 향해 있는 제2 구조 요소(12)의 제1 측면(12.1)에 공급 채널들(16)이 형성되며, 가스 확산층(GDL)으로 향해 있을 수 있는 제2 구조 요소(12)의 제2 측면(12.2)에는 배출 채널들(17)이 형성된다. 배출 채널들(17)의 경우, 캐소드 라인 외에도 별도의 폐가스 라인이 본 발명에 따른 분배 영역(15)을 통해 마련될 수 있다. 또한, 별도의 폐가스 라인의 유출구 상에 예컨대 흡입기의 형태인 팬이 제공될 수 있는 점도 생각해볼 수 있다.
공급 채널들(16)의 바닥부(16a) 상에서, 제2 구조 요소(12) 내에는, 하나 이상, 바람직하게는 복수의 보어(14)가 형성되며, 이들 보어를 통해서는 반응 가스가 가스 확산층(GDL)의 연장 평면에 대해 실질적으로 수직으로 가스 확산층(GDL) 내로 유입될 수 있다. 따라서, 보어들(14)의 통과 시 공급 채널들(16)을 통한 반응 가스의 대류식 공급 외에도, 그 밖에도, 반응 가스의 분배를 균일화하고 촉진하기 위해, 활성 표면에 대해 수직인 방향으로 이른바 벤추리 효과도 활용될 수 있다.
도 4에 도시된 것처럼, 유입구에서부터 유출구까지 가능한 압력 강하에도 불구하고 분배 영역(15)을 통해 가스 확산층(GDL) 쪽으로 반응 가스의 균일한 가스 공급을 가능하게 하기 위해, 보어들(14) 또는 공급 채널들(16) 자체는 반응 가스 공급의 방향(F1)으로 점점 더 커지는 횡단면 면적을 보유할 수 있다. 또한, 공급 채널(16)에서 공급 채널(16)로, 공급 채널들(16)의 바닥부(16a) 상에 분배 영역(15)을 통한 반응 가스 공급(F1)의 방향으로 증가하는 개수의 보어들(14)이 형성될 수 있는 점도 생각해볼 수 있다.
도 3에 추가로 예시된 것처럼, 본 발명의 범주에서, 애노드 챔버(A) 및 캐소드 챔버(K)를 포함하는 연료 전지(100) 또는 전해조에 있어서, 캐소드 챔버(K)로 산소 함유 가스 혼합물(O2)을 공급하기 위한 상응하는 분배기 구조(10)를 포함하여 형성되어 있는, 상기 연료 전지 또는 전해조가 마련된다.
도 1 내지 도 4의 전술한 구체적인 내용 설명은 오직 실례들의 범주에서만 본 발명을 기술하고 있다. 자명한 사실로서, 실시형태들의 개별 특징들은, 기술적으로 유용한 점에 한해, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않으면서, 임의로 상호 간에 조합될 수 있다.

Claims (10)

  1. 연료 전지(100) 또는 전해조를 위한 분배기 구조(10)로서,
    플레이트 형태의 부재인 제1 구조 요소(11); 및
    상기 연료 전지(100) 또는 상기 전해조의 가스 확산층과 상기 제1 구조 요소(11)의 사이에 배치되고, 상기 제1 구조 요소(11)의 연장 방향으로 연장되는 제2 구조 요소(12)를 포함하고,
    상기 제1 구조 요소(11)와 상기 제2 구조 요소(12)는, 상기 제1 구조 요소(11)와 상기 제2 구조 요소(12) 사이에 반응 가스를 위한, 상기 제1 구조 요소(11)의 연장 방향으로 연장되고 반응 가스가 유통되는, 분배 영역(15)이 형성되도록 구성되고 상호 배치되며,
    상기 분배 영역(15)으로부터는, 각각이 상기 분배 영역(15)에 대해 실질적으로 수직으로 형성되고 반응 가스가 유통되는, 복수의 공급 채널(16)이 분기되며, 그리고
    상기 제2 구조 요소(12)의 상기 가스 확산층 측에는, 각각이 상기 분배 영역(15)의 연장 방향에 대해 평행한 방향으로 연장되고 적어도 물이 유통되는, 복수의 배출 채널(17)이 형성되고,
    상기 공급 채널(16) 및 상기 배출 채널(17)은 교대로 배치되어 있고,
    상기 공급 채널(16)과 상기 배출 채널(17)이 교대로 배치된 영역에서, 인접한 공급 채널들(16)이 상기 분배 영역(15)에 의해 서로 연결되도록 상기 공급 채널(16)의 상기 제1 구조 요소(11) 측은 상기 분배 영역(15)과 연결되고, 상기 공급 채널(16)의 상기 제2 구조 요소(12) 측은 상기 가스 확산층과 연결되는, 분배기 구조(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 구조 요소(12)는, 엠보싱 가공되고, 그리고/또는 천공되고, 그리고/또는 적어도 일부 영역에서 관통되는 플레이트 요소의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 분배기 구조(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 구조 요소(11)와 상기 제2 구조 요소(12) 사이에 전기 전도성인 하나 이상의 연결 요소(13)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 분배기 구조(10).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공급 채널들(16)의 바닥부(16a) 상에 가스 확산층(GDL)에 대한 교호적인 접촉면(12a)을 형성하기 위해, 상기 제2 구조 요소(12)는 돌기 및/또는 골 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는, 분배기 구조(10).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 구조 요소(11)로 향해 있는 상기 제2 구조 요소(12)의 제1 측면(12.1)에 상기 공급 채널들(16)이 형성되며,
    가스 확산층(GDL)으로 향해 있을 수 있는 상기 제2 구조 요소(12)의 제2 측면(12.2)에는 상기 배출 채널들(17)이 형성되는 것을 특징으로 하는, 분배기 구조(10).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공급 채널들(16)의 바닥부(16a) 상에서 하나 이상의 보어(14)는 제2 구조 요소(12) 내에 형성되며, 상기 보어를 통해서는 반응 가스가 가스 확산층(GDL)의 연장 평면에 대해 실질적으로 수직으로 상기 가스 확산층(GDL) 내로 유입될 수 있는 것을 특징으로 하는, 분배기 구조(10).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공급 채널들(16)은 상기 분배 영역(15)을 통한 반응 가스 공급의 방향(F1)으로 점점 더 커지는 횡단면 면적을 보유하는 것을 특징으로 하는, 분배기 구조(10).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    공급 채널(16)에서부터 공급 채널(16)로, 상기 공급 채널들(16)의 바닥부(16a) 상에 가변하는 개수, 또는 상기 분배 영역(15)을 통한 반응 가스 공급의 방향(F1)으로 증가하는 개수의 보어들이 형성되고,
    그리고/또는 공급 채널(16)에서부터 공급 채널(16)로, 상기 공급 채널들(16)의 바닥부(16a) 상에 상이한 횡단면 면적들 또는 상기 분배 영역(15)을 통한 반응 가스 공급의 방향(F1)으로 점점 더 커지는 횡단면 면적들을 보유하는 복수의 보어가 형성되는 것을 특징으로 하는, 분배기 구조(10).
  9. 애노드 챔버(A) 및 캐소드 챔버(K)를 포함하는 연료 전지(100)에 있어서,
    캐소드 챔버(K)로 산소 함유 가스 혼합물(O2)을 공급하기 위한 제1항 또는 제2항에 따른 분배기 구조(10)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지(100).
  10. 삭제
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