KR20020064323A - 고분자막 연료 전지 스택 - Google Patents

Abstract

가스 이송 고분자막 연료 전지 스택의 개선된 디자인이 본원에 개시된다. 상기 스택에는, 고 비표면 금속 재료에 걸쳐 물 스트림의 원자화의 장점을 취하는 습윤 장치와, 단일 전지 능동 영역 외부의 주변 구역에서의 열교환에 의해 본원에서 발생된 열을 회수하는 냉각 회로가 제공된다. 상기 장치는 특히 고온 및 고 전류 밀도 작동에 적합하다.

Description

고분자막 연료 전지 스택{Polymeric membrane fuel cell stack}

연료 전지는 주로 매우 바람직한 환경적 영향(유해한 방출물 및 소음 없이, 부산물로서 물을 방출)으로 인해 종래의 전기 발생 장치에 대한 양호한 대안으로서 고려되고, 다양한 크기의 고정 전력 발생 분야(전기 발전소, 연속 또는 비상 발전기 등)와 이동 응용 분야(전기 자동차 분야, 우주선, 잠수함 및 군함의 전동 에너지 또는 보조 에너지 발생 분야)에서 사용된다.

고분자막 연료 전지는 최적 작동 상태의 달성 및 급속 시동과, 높은 전력 밀도와, 가동부의 부재 및 부식 현상의 부재에 관한 고유의 신뢰성과, 재료의 관점에서의 엄정한 열적 사이클로 인해 다른 연료 전지에 비해 추가의 장점을 제공하고, 실제로 종래 기술의 모든 연료 전지 중에서, 고분자 전해질 연료 전지는 최저 작동 온도(일반적으로, 70 내지 100℃)를 나타낸다.

그럼에도 불구하고, 상기 조건들에서의 작동 가능성에서 얻어지는 장점들은 저온에서의 촉매의 낮은 활동성, 통상의 산업 공정에서 발생하는 수소 기반의 연료 혼합물에서 필연적으로 나타나는 일산화 탄소에 대한 촉매의 극도의 취약성, 및 폐열 발전 설비에 의해 발생된 열의 이용 불가능과 같은 몇가지 제한을 동반한다.

이러한 이유로 인해, 본 기술 분야에서의 가장 최근의 한가지 경향은 저온 및 중간 크기의 분야에 대해 고온 연료 전지(200 내지 800℃)의 사용을 방해하는 구조화 재료의 물리적 설징, 부식 현상, 열 사이클을 열악하게 만들지 않고도 전술된 결점을 현저하게 감소시키기 위해 약간 고온(100 내지 150℃)에서 작동할 수 있는 고분자막을 개발하는 것이다.

최근의 다른 경향은 동일한 전지 전압에서 즉, 동일한 레벨의 시스템 전기효율에서 높은 전류 밀도로 작동할 수 있는 막을 개발하는 것이다. 전류 밀도가 증가하면 실제로 연료 전지 스택의 전력 및 에너지 밀도가 상승되어 단일 설비 전력당 재료 비용이 감소한다. 이는 비용 면에서 영향을 받기는 하지만 본 분야의 산업적인 성공을 위해서는 매우 중요한 점이고, 상기 비용은 경쟁 기술과 항상 경쟁이 되는 것은 아니다.

고려해야 할 마지막 경향은 대기압 근처에서 기상 반응물을 구비한 연료 전지 스택을 개발하는 것으로, 대기 또는 약간 압축된 공기를 이용함으로써 작동 비용이 감소된다. 상기 장치의 설계에 있어서 가장 민감하고 중요한 두가지 양태인 연료 전지의 물과 열 취급을 고려해야 하는 한 상술된 모든 인자들은 더욱 더 시스템 필요조건을 요구하게 된다. 전술한 양태 즉, 연료 전지의 물 취급이 시스템의 두가지 생체 소자에 관련된 대조적인 두가지 필요조건에 의해 복잡해진다는 것은 잘 알려져 있고, 실제로, 이온 교환막은 적당한 이온 전도성을 개선하기 위해 충분히 수화된 상태로 유지되어야만 하고, 그에 따라 최악의 경우에 발전기의 작동을 완전히 저지할 때까지 전기 효율에 악영향을 미치게 되는 저항 손실의 개시가 방지된다. 한편, 두번의 반쪽 반응이 일어나는 상기 촉매작용 위치에는 지속되는 전체 공정 동안 기상 반응물이 계속해서 공급되어야만 한다. 상기 촉매작용 위치에 대한 기상 반응물 공급은 상기 위치가 그 위치를 절연시킬 수 있는 과도한 액체상태의 물로 이루어진 층으로 덮이지 않는 경우에만 정확하게 달성될 수 있는데, 그 이유는 상기 층을 통한 가스의 확산이 너무 느려서 전체 시스템의 전기 효율에 악영향을 미치는 확산 손실이 발생하기 때문이다.

상기 물 취급은 음극 반쪽 반응에 의해 양극에서 발생된 물, 양극에서 음극으로의 확산에 의해 이동하는 물의 분류, 수화 껍질 내에서 H⁺이온에 의해 운반되는 물, 및 시스템으로부터 기상 배출구를 통해 회수된 물을 고려해야만 한다. 따라서, 회수된 전체 양과 발생된 양 사이의 차이를 보상하기 위해, 적당한 양의 물이 전지의 각각의 극에 반응물과 함께 공급되어야만 한다. 작동 온도 및 방생된 전류의 밀도(전류 밀도는 이온 교환막으로부터 국부적인 가열 및 증가된 물 증발의 추가의 원인이 됨)에 대한 보다 엄격한 처리 조건의 채택은 특히 저압에서는 용이하게 달성되지 않는 시스템에 공급되어야 하는 물의 양의 증가를 필요로 하고, 여기서 기체의 증가된 팽창은 주어진 몰 유동(molar flow)에서의 체적 유동을 증가시키고, 그에 따라 전지로부터 물을 회수하는 가스 유동의 능력도 향상된다.

적지 않은 범위의 기술적인 문제점에 관련되더라도 연료 전지의 전체 열평형은 덜 복잡하다. 높은 전류 밀도에서 작동하는 연료 전지에서 발생되는 열의 양은 많고, 그것은 안정된 작동 온도를 달성하기 위해 효과적으로 회수되어야만 하지만, 그렇지 않으면, 개시 후에는 용이하게 역전되지 않는 상승 효과에 의해 시스템의 물 취급에 악영향을 미친다. 또한, 국부적으로 제한된 시간동안 고온이 달성되면, 전체 장치의 가장 고가의 소자들 중 하나이며 스택의 다른 소자를 손상시키지 않고는 교환하기가 매우 어려운 소자인 막의 구조적인 결점이 용이하게 발생할 수 있다. 그러므로, 열의 제거에 효과적인 시스템을 제공하는 것은 필수적이고, 상기 시스템은 특히 임의의 적용 분야(예를 들어, 전기 자동차 분야)에 대한 경쟁력을 떨어뜨리게 되는 높은 질량 및 체적 구속조건을 부여하지 않아야 한다.

열 회수에서의 문제점을 완화하기에 유용한 수단은 연료 전지 제조를 위해 출분히 높은 열교환 계수를 갖는 재료를 선택하는 것이다. 예를 들어, 미국 특허 제5,482,792호에는 스택 분리판(bipolar plate), 단부판 및 전류 집전체가 제공된 연료 전지 스택이 개시되어 있고, 상기 집전체의 표면들은 열교환에 이용되고 다양한 종류의 금속성 재료(알루미늄과 니켈의 합금, 스틸 등)로 이루어진다. 전류 집전체로서 사용되는 고 표면 망형 물질(금속성 폼, 소결 재료, 매시가 중첩된 팽창 시트)은 국제 특허출원 번호 PCT/EP00/03171호에 개시된 바와 같이 기상 반응물을 습윤화하고 발생된 열을 회수하는 두가지 기능의 결합을 허용하고, 상기 공보에는 상기 종류의 전류 집전체가 장치된 단일 전지 내측에 물을 주입하기 위한 회로가 제공된 연료 전지 스택이 개시되어 있다. 막을 습윤화하기 위해 증발되지 않은 나머지 물을 이용하는 고 비표면(high specific surface)을 갖는 재료상에서 발생하는 부분적인 증발을 통해 열이 회수된다. 각각의 스택 분리판의 내부에 제공된 적절한 홈을 통해 독립적인 회로에 개별적인 물 유동을 공급하는 상태에서 적절하게 가압된 탱크에서의 반응물의 발포를 통해 반응물이 미리 습윤화될 수 있는 종래의 시스템에 대해, 상기 장치는 연료 전지 스택이 보다 높은 전류 밀도에서 작동하도록 한다. 상기 물 유동은 상기 분리판의 표면을 통한 열의 회수를 허용한다. 특허출원 PCT/EP00/03171호에 개시된 디자인에 의해 도입된 제조 간이화에도 불구하고, 상기 디자인은 막의 습윤화가 순수(적어도 탈염수)에 의해서만 효과적일 수 있으며 상기 유체가 열 회수에 이용되어야 한다는 작동상의 융통성에 대한 명백한 제한을 받는다. 그러므로, 온도, 압력 및 전류 밀도의 임계 조건들 내에서 상기 디자인에따른 발전기의 작동은 개선된 특징을 갖는 냉각용 유체를 이용할 수 없다는 단점을 갖는 것이 분명하다.

국제특허출원 PCT/EP00/04476호에는 습윤화될 가스 및 액체 상태의 물의 설정된 유동과 동시에 이송되는 망형 금속 재료로 채워진 장치에 의해 연료 전지 스택에 공급될 기상 반응물을 미리 습윤화시키기 위한 효율적인 시스템이 개시되어 있고, 상기 시스템은 전지의 냉각을 단독으로 수행할 수 없음에도 불구하고 물 유동의 부분적인 증발이 열이 방출되는 지점인 전지의 능동 영역에서 먼 위치에서 발생하기 때문에 종래의 발포기보다 컴팩트하며 효과적이다. 전지에 공급될 때, 완전하게 포화된 기상 유동은 물이 막으로부터 증발하는 것을 방지하여 막이 양호하게 수화된 채로 유지되지만, 막에는 열을 조절하기 위한 외부 수단이 제공되어 전지 온도를 일정하게 유지한다.

연료 전지 스택에서 열을 조절하기 위한 종래의 장치는 금속성 재료의 사용에 의해 열교환 효능이 향상되기는 하지만 제조의 복잡성으로 인해 무게, 체적 및 비용이 증가한다. 반응열을 회수하기 위해 일반적으로 이용되는 시스템은 적절한 냉각제가 순환되는 홈을 분리판 내측에 제공하지만, 이는 제조에 필요한 기계가공으로 인해 복잡하며 고가인 홈을 제공하기 위해서는 분리판의 두께가 두꺼워진다는 것을 의미한다. 보다 편리한 해법은 적절한 가스켓을 이용하여 부드럽고 박형인 두개의 외피 사이의 리세스가 분리판을 형성하기 위한 금속성 삽입물에 의해 전기 접촉되도록 하는 것이고, 상기 리세스는 냉각제의 순환을 위해 편리하게 이용되고, 기계적인 복잡성은 제한된다. 그러나, 구조상의 안전에 대한 명백한 이유로서 각각의 분리판의 전체 두께는 커져야만 한다. 제조상의 단순성이 증가된 연료 전지 스택의 분리판을 냉각시키기 위한 방법은 유럽 특허출원 제 EP 0 896 379호에 공지되어 있다. 상기 공보에 개시된 발명은 능동 영역 외부의 상기 분리판의 주변 구역에서 냉각 유체를 순환시킴으로써 연료 전지 스택의 분리판으로부터의 열 회수를 예견하고 있다. 이러한 방식에서, 상기 분리판의 내측에는 순환 수단이 제공되지 않기 때문에 상기 분리판의 두께는 현저하게 감소될 수 있다. 이러한 해법은 처리 조건들이 특히 온도와 전류 밀도면에서 지나친 요구를 하지 않을 때는 만족스러운 성능을 나타내지만, 실제로, 분리판 주변부를 통한 열의 제거는 횡방향 열구배가 전지 표면상에 설정되는 것을 의미한다. 즉, 각각의 전지의 가장 안쪽 구역은 가장 바깥쪽 구역보다 고온으로 되고, 상기 현상은 고분자막의 안전성에 영향을 주고, 상기 고분자막은 불규칙한 열팽창 및 국부적인 탈수 현상이 발생하게 되어, 이온 전도성과 기계적인 성질이 심각하게 열화된다. 이러한 모든 것들은 전지를 설계함에 있어서 능동 구역의 폭에 대한 바람직하지 않은 제한사항이 되고, 전지의 중심과 주변부 사이의 거리가 보다 커지기 때문에, 열구배가 보다 예리해진다. 또한, 막의 가장 안쪽 구역의 온도를 허용된 최대 온도보다 낮게 유지하기 위해서는, 가장 바깥쪽 구역의 온도를 매우 낮게 유지해야만 한다. 이러한 요인은 중요한 두가지 결점 즉, 첫째로 두번의 반쪽 반응의 상당 부분이 촉매 활동 및 막의 이온 전도성에 대해서 바람직하지 않게 낮은 온도에서 수행된다는 결점과, 둘째로 너무 낮은 온도에서의 냉각제의 순환이 시스템의 경제성 면에서 불리하고 및 임의의 적용 분야(예를 들어, 자동차 마찰)에서 실행하기 어렵다고 하는 결점을 초래한다.

본 발명은 고분자막 연료 전지 스택에 관한 것이다. 연료 전지는 직류 형태의 전기 에너지의 전기화학적 발전기이다. 즉, 연료 전지는 연료(예를 들어, 메탄올이나 에탄올과 같은 경알콜 또는 수소를 함유하는 기상 혼합물)와 산화제(예를 들어, 공기 또는 산소)의 반응의 자유 에너지를 그 완전한 열화 없이 열 에너지로 변환시키고, 따라서 카르노 사이클(Carnot's cycle)의 제한에 속박되지 않는다. 상기 변환은 산화제가 양극에서 환원되는 상태에서 H⁺이온의 방출 결과로서 전지의 음극에서 연료의 전기화학적 산화에 의해 달성되고, 여기서 상기 H⁺이온이 소모되며, 상기 전지의 음극에서 양극으로의 상기 이온의 이동은 적절한 전해물을 통해 발생한다. 고분자막 전지의 경우에, 상기 전해물은 기상 반응물의 물리적인 격리판으로서 작용하는 동시에 양이온 도체로서도 작용하는 한편, 발전기의 기전력을 최대화하기 위해 실질적으로 전자 전도가 없음(nil electronic conduction)을 나타내는 카티온 교환막(cation exchange membrane)으로 구성된다. 상술된 연료 산화 및 산화제 환원의 반쪽 반응(half reaction)은 일반적으로 고분자막의 각 측부에 밀착되는 촉매에 의해 수행된다.

도 1은 본 발명의 장치의 일부를 형성하는 연료 전지의 단면도.

도 2는 본 발명의 장치의 일부를 형성하는 연료 전지의 가스켓을 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 장치의 일부를 형성하는 습윤 전지의 단면도.

도 4는 본 발명의 장치의 일부를 형성하는 습윤 전지의 가스켓을 도시한 도면.

도 5는 연료 전지와 습윤 전지가 필터 프레스 배열에 따라 적층된 본 발명의 장치의 일실시예를 개략적으로 도시한 도면.

도 6은 반응물의 습윤화 및 열 조절을 위한 보조 회로가 제공된 설비에 본 발명의 장치를 합체한 구성을 도시한 도면.

본 발명의 목적은 넓은 범위의 처리 조건에서 작동될 수 있는 금속성 재료로 이루어진 스택 분리판 및 단부판이 제공된 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고가의 기계 가공을 되풀이하지 않고 제조하기에 적합한 작은 무게 및 체적이 특징인 금속성 재료로 이루어진 스택 분리판 및 단부판이 제공된 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 넓은 능동 표면을 갖는 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 열 조절을 위한 유체의 폭넓은 선택 가능성을 가지며 고효율의 습윤 시스템과 그 습윤 시스템에 부분적으로 일체화된 이중 냉각 시스템을 구비한 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.

본 발명은 필터 프레스 배열(filter-press type arrangement)로 적층되고 금속판에 의해 서로 분리되며 해당 금속판에 의해 직렬로 전기 접소되는 연료 전지 및 습윤 전지를 포함하는 스택으로 구성된다. 후속하는 두개의 판 사이의 유압 밀봉은 프레임 형상으로 적절하게 설계된 가스켓에 의해 달성되고, 각각의 가스켓은 각각의 판의 각각의 표면상에서 프레임에 대응하는 주변 구역과 가스켓 내부의 중심 구역으로 구획된다.

상기 판의 주변 구역에는 전술된 소자들을 적층할 때 주변 구역의 구획된 영역에서 냉각용 유체를 순환시키고 배출용 기체를 방출시키기 위해 기상 반응물과 물을 공급하기 위한 매니폴드를 형성하는 구멍이 제공된다.

다양한 가스켓의 적절한 설계는 각각의 전지에 대해서 매니폴드가 각각의 판의 중심 구역과 연통되고 필터-프레스 배열 개념에서는 필수적인 공지된 설계 절차에 따라 우회되는 것을 결정하도록 한다.

각각의 가스켓에 의해 구획된 중심 구역은 높은 다공성 양호하게는, 50% 이상의 다공성을 갖는 망형 금속 재료, 예를 들어 금속성 폼, 소결 재료 또는 메시가 중첩된 팽창 시트로 채워진다.

본 발명은 하기에서 첨부 도면을 참조로 설명된다.

도 1을 참조하면, 각각의 연료 전지(1)는 두개의 금속판(2)에 의해 경계가정해지고, 중심 구역이 전술된 망형 금속 재료(4)로 채워진 한쌍의 가스켓(3)과, 표면이 촉매 재료에 의해 적어도 부분적으로 활성화되는 막(5)을 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이, 망형 금속 재료(4)는 일측에서 대응 가스켓(3)에 인접하는 금속판(2)의 표면에 접촉하고 다른 측에서 활성화된 막(5)의 표면에 접촉한다.

도 2를 참조하면, 연료 전지(1)에 대한 각각의 가스켓(3)은 연료 전지의 주변 구역에 제공되고, 대응 연료 전지 입구 매니폴드(7')로부터 기상 반응물을 이송하고 대응 출구 매니폴드(7)에서 배출물을 방출하기 위한 채널(6)과, 적어도 적절한 회로 내에서 순환하는 냉각 유체가 인접하는 금속판으로부터 열을 회수하는 구역(8)의 경계를 정하는 구멍을 구비하고, 양호하게는 가스켓(3)의 대향된 양측을 따라 위치된 적어도 두개의 냉각 구역(8)이 존재한다. 냉각 유체가 순환하는 구역(8)은 유리하게는, 우수한 열교환 특성을 갖는 고다공성 재료로 채워질 수 있고, 양호하게는 가스켓(3)의 중심 구역에 사용되는 재료(4)와 동일한 재료로 채워질 수 있다.

도 3을 참조하면, 각각의 습윤 전지(9)는 두개의 금속판(2)에 의해 경계가 정해지고, 내부 구역이 두개의 금속판(2)에 의해 전기 접촉되는 망형 금속 재료(4)로 채워지는 가스켓(3')을 포함한다.

도 4를 참조하면, 각각의 가스켓(3')의 주변 구역에는 대응 입구 매니폴드(10)로부터 물 및 습윤될 반응물을 이송하고 관련 연료 전지 입구 매니폴드(7')에 습윤 가스를 공급하기 위한 채널(6')이 제공되고, 배출물을 방출하기 위한 출구 매니폴드(7)에 대한 통로가 제공된다. 각각의 습윤 전지는 단지 하나의 반응물의 습윤을 담당하게 되고, 연료와 산화제가 습윤되어야만 하는 경우에는, 두가지 반응물을 위한 개별 습윤 전지가 제공되어야만 한다.

도 5는 본 발명에 따른 연료 전지(1)와 습윤 전지(9)를 포함하는 스택의 배열을 도시한다. 도 5와 같은 특정한 경우에, 습윤 전지가 스택의 일단부에 한정되어 습윤 구역(12)을 전류 발생 구역(13)에서 분리시키더라도, 습윤 전지는 다양한 방식으로 유리하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 스택의 양 단부에서 두 구역으로 분할되거나, 소그룹의 연료 전지들 사이에 위치되거나 또는 스택의 내부 구역에 위치될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 필터-프레스형 스택 기술 분야의 기술자에게는 스택의 일단부에 습윤 전지(9)를 분포시키는 것이 매니폴드(7, 7')의 보다 용이한 설계를 위해 특히 양호한 해법을 제공한다는 것은 자명하다. 도 6은 단지 일예로서, 작동을 위한 보조 회로가 제공된 설비에 도 5에 도시된 특정 형태에 따라 조립된 발전기를 합체하기 위한 구성을 도시한다. 스택을 구성하는 규칙적인 배열에 따라 습윤 전지(9)를 분포시키기 위해 다양한 해법이 선택될 때, 상기 일체화된 구성은 당업자가 가지고 있는 종전의 지식에 따라 상대적으로 변형될 수 있다. 도 6에 도시된 스택에서, 습윤 구역(12)에는 공기와 같은 산화제와 습윤 가스켓(3') 내에 장착된 대응 채널(10)을 통과하는 물이 이송된다. 도시되지 않은 공기의 이송은 컴프레서, 팬 또는 동등한 다른 매체를 통해 실행될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 대응 매니폴드(7)를 통해 발전기를 벗어나는 배출 공기는 외부 라인(15)을 통해 분리기(16)로 이송되고, 그후 액체 부분은 열교환기(17)에 운반되어 수집 탱크(18)에 이르고, 필요에 따라, 전체 사이클에서 유실되는 물의 재집수가 수행될 수도 있으며, 상기 물은 수집 탱크(18)로부터 라인(14)을 통해 습윤 구역(12)으로 펌핑된다.

유사한 회로가 연료의 습윤화를 위해 제공될 수도 있다.

열교환기(20)와 수집 탱크(21)가 제공된 개별 냉각 회로(19)는 양호하게는 고 표면 금속 재료로 채워진 냉각 구역[도 2의 (8)]에서의 선택된 냉각 유체의 열교환을 허용하는 가스켓(3) 내의 구멍을 통해 연료 전지 구역(13)에 이른다.

상기 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 습윤 전지(9)에는 관련 채널(6')을 통해 습윤되어야 하는 가스가 공급되고, 공급된 가스를 포화시키는데 필요한 양을 초과하는 양의 물이 유동된다. 고 표면 망형 재료(4)상에 동시에 존재하는 가스와 물은 가스의 완전한 포화를 보장하지만, 여분의 물은 출구 채널(6')을 통해 액체 상태로 안내된다. 그후, 상기 포화된 가스와 물의 혼합물은 대응 매니폴드(7')를 통해 연료 전지(1)에 공급된다. 이러한 시스템은 예를 들어, 연료 전지에 이송되는 반응물인 순수한 수소와 공기를 습윤시키거나 단지 하나의 반응물만을 습윤시키는데 사용될 수 있고, 공기의 습윤을 회피하고 수소만을 습윤시키기에 편리하다. 연료 전지(1)는 냉각 구역[도 2의 (8)]의 열을 추출하는 적당한 냉각 유체의 순환에 의해 부분적으로 냉각되고, 자명한 것이지만, 적절한 유체의 선택은 처리 조건 특히, 작동 온도에 의해 좌우된다. 예를 들어, 물, 오일, 알콜, 글리콜 또는 본 기술분야에 공지된 다른 수단을 사용할 수 있다.

대응 냉각 구역(8)에서의 열의 회수는 주변 구역에 상대적으로 인접한 능동 영역의 일부분에 대해서만 유효하고, 전술된 바와 같이 온도의 횡방향 프로파일이 설정되고, 전지의 가장 안쪽 구역은 과열되는 경향이 있다. 그럼에도 불구하고, 놀랍게도 충전용 재료(4)의 가장 안쪽의 보다 고온인 구역에 이를 때, 습윤 전지(9)로부터 연료 전지(1)까지 액체 상태로 안내되는 물은 상기 가장 안쪽 구역의 냉각을 분포시키고 대응 잠열을 흡수하는 국부적인 증발을 진행하여, 내부의 가스 유동을 포화상태로 유지한다는 것이 발견되었다. 상기 가장 안쪽 및 주변 구역 근처에서 두가지 개별 유체에 의해 달성되는 상기 이중 냉각 메카니즘은, 열구배가 현저해진다는 사실로 인해 예를 들어, 발생된 전류 밀도의 증가로 인해, 뛰어난 자기-조정 특성을 나타내고, 상기 전지의 가장 안쪽 구역에서 증발하는 물의 양도 증가하는 경향이 있어 추가의 열을 추출시킨다. 이러한 특성은 가변 전기 부하가 사용될 때, 매우 현저한 가속 또는 급경사에서의 최고조의 전력 수요에 대응할 수 있어야만 하는 자동차 분야의 연료 전지의 경우에 더욱 바람직하다. 상술된 자기-조정 냉각 시스템은 습윤 전지(9)에 공급된 과잉의 물이 전체 양으로서 뿐만 아니라 국부적으로 각각의 단일 연료 전지(1)에 대해서도 충분해야 하는 임계 조건에서도 안정된 작동을 허용한다. 이것이 적절하게 달성되도록 하기 위해, 양호하게 균일한 온도로 유지되어야만 하는 연료 전지 입구 매니폴드(7') 내의 국부적인 응축 현상을 방지하는 것이 중요하다. 금속판(2) 내에 구멍을 병치하여 얻어진 연료 전지 입구 매니폴드(7')는 다량의 열교환이 이루어지는 금속 벽을 가진다는 단점을 나타낸다.적절한 재료 예를 들어, 플라스틱 재료로 상기 구멍에 일치되게 판의 전체 두께를 절연하는 것이 특히 유리하므로, 물이 결핍된 연료 전지(1)의 잔여부의 임의의 국부적인 응축 현상이 방지된다. 필요한 열절연을 달성하기 위한 가장 용이하고 저렴한 방식은 내벽을 완전히 덮기 위해 입구 매니폴드(7) 내측에 적절한 구멍이 제공된 플라스틱 재료 또는 다른 열절연 재료로 이루어진 파이프를 삽입하는 것이다. 이러한 간단한 수단에 의하면, 상기와 같은 일체형 습윤 및 냉각 시스템은 하기의 실시예들에서 분명해지는 바와 같이 대형 장치에 대해서도 극도로 열악한 처리 조건에서조차 단일 전지들 사이의 성과 차이를 최소화하는 연료 전지 스택의 작동을 허용할 수 있다.

제 1 실시예

개별 습윤 구역을 구성하기 위해 필터-프레스 배열의 일단부에 위치된 5개의 습윤 전지와 직렬인 0.1㎡의 능동 영역에 25개의 연료 전지를 포함하는 도 5의 구성에 대응하는 장치가 조립되고, 상기 필터-프레스 배열은 5개의 습윤 전지 모두가 상기 장치에 공급되는 반응물의 습윤에 할당되도록 설정되었다. 연료 전지는 도 2의 내용에 따라 2 ㎜ 두께의 가스켓을 포함하고, 충전 재료는 다공성이 50%인 2 ㎜ 두께의 니켈-크롬 폼으로 이루어진다. 동일한 충전 재료는 역시 2 ㎜ 두께를 갖는 습윤 구역의 가스켓에 대해 사용되었다.

그와 같이 얻어진 스택은 순수한 수소의 데드-엔드 공급(즉, 임의의 재순환 없이, 여기서 반응에 의해 소비된 수소의 양은 압력 균형에 의해 연속으로 재집속되고, 작동 중에 축적되는 불활성물을 방출시키기 위해 주기적인 정화가 사용됨)과 여과되어 압축된 대기로 작동되었다. 공기 유동은 이론 공연비 조건의 2배였고, 배출물은 대기로 방출되었다. 상기 장치는 재순환 펌프, 수집 탱크 및 열교환기를 포함하는 도 6의 구성에 따라 냉각 회로에 연결되었다. 그러나, 도 5에 도시된 것과는 달리, 가스 공급은 습윤 전지를 우회하였고, 컴프레서로부터의 공기는 내열 탱크 내에서 90℃에서 발포됨으로써 포화되어, 압력 강하를 보상하기 위해 연료 전지 스택의 양극의 압력과 동일한 압력으로 유지되었다. 50℃에서의 탈염수(순수)의 일정한 유동(4 ㎥/h)이 냉각 회로에서 순환되었다. 두 반응물은 2 bar의 절대 압력으로 유지되었다. 가변 저항 부하는 전류 출력을 제어하는데 사용되었고, 0.4 V 이상의 단일 전지 전압으로 안정된 작동이 가능한 최대 전류 밀도를 결정할 때까지 전류 밀도가 점진적으로 증가되었다. 이러한 조건에서, 상기 장치는 650 ㎃/㎠의 전류 밀도까지 안정된 방식으로 전류를 발생하였고, 보다 높은 전류 밀도에서, 일부 전지의 전압은 예를 들어, 국부적인 과열의 결과로서 급격하게 감소하는 경향이 있었다. 18 ㎥/h까지의 냉각수 유동의 증가는 분명치 않은 결과로 나타났다. 이러한 종류의 상태에서는, 하나 이상의 전지의 전지 전압이 오히려 그 부호를 역전시키는 위험이 존재하므로, 상기 전지는 공기 이송 격실에서의 수소의 전개로 인해 인접하는 전지에 의해 나타난 전압하에서 물의 전해 매체로서 작용하고, 또한, 국부적인 과열 현상은 두 반응물의 급격한 혼합 위험을 가진 채로 관련 막의 활발한 구조 파손을 초래하게 된다. 상기 테스트는 신속하게 중지되었다.

제 2 실시예

이전의 실시예의 발전기는 도 6에 도시된 설비에 적용되었다. 이전의 실시예의 실험은 압축 공기가 발포 탱크 내에서 미리 포화되지는 않았지만, 30 ℓ/h의 물 유동과 함께 상기 장치의 습윤 구역 내로 공급되었다는 두가지 변화에 의해서 반복되었다. 또한, 냉각 회로는 사용되지 않았다. 상기 조건에서, 장치는 습윤 구역 내의 물 유동을 증가시키는 200 ㎃/㎠의 전류 밀도를 안정된 형태로 발생시킬 수 있었고, 발생된 전류 밀도에서의 평행한 증분은 72 ℓ/h의 물에 대해 380 ㎃/㎠까지 가능했다. 이러한 전류 밀도 레벨을 초과하는 물 유동 증가는 추가의 가시적인 효과가 없었고, 장치의 몇몇 연료 전지에서의 급격한 전압 강하로 인해 테스트는 중지되었다.

제 3 실시예

제 3 실시예의 테스트는 50℃의 탈염수와 4 ㎥/h의 일정한 유동을 갖는 작동 중에 냉각 회로가 놓이는 변화만으로 반복되었다. 습윤 구역에서의 72 ℓ/h의 물의 이송에서, 1050 ㎃/㎠의 안정된 전류 밀도는 9시간의 연속 작동 중에 0.42 V의 평균 전지 전압과 0.4 V의 최소 단일 전지 전압과 함께 유지되었다.

제 4 실시예

제 3 실시예의 실험은 벽에 물이 과도하게 응축하는 것을 방지하는 공기 입구 매니폴드의 열 절연을 보조하기 위해 적절한 구멍이 있는 PTFE 파이프를 공기 입구 매니폴드 내로 삽입한 후에 반복되었다. 이러한 조건에서, 1200 ㎃/㎠의 안정된 전류 밀도는 9시간의 연속 작동 중에 0.41 V의 평균 전지 전압과 0.4 V의 최소 단일 전지 전압과 함께 유지되었다.

상술된 실시예와 도면에 도시된 특정예들은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것이므로, 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안되고, 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (15)

1. 금속판에 의해 경계가 정해지며 기상 반응물이 공급되는 고분자막 연료 전지와, 금속판에 의해 경계가 정해지며 적어도 하나의 기상 반응물의 습윤을 담당하는 전지를 포함하는 배열로 이루어지고, 상기 연료 전지에는 적어도 제 1 망형 금속 재료를 수용하는 전지 능동 영역의 경계를 정하는 가스켓이 제공된 직류 전류 발전기에 있어서,

   상기 연료 전지에 의해 발생된 열의 일부는 적어도 하나의 냉각 회로 내의 적어도 하나의 유체의 순환에 의해 상기 연료 전지의 경계를 정하는 금속판의 구역을 통해 추출되고, 상기 열의 나머지는 습윤 전지로부터의 액상의 물의 증발에 의해 추출되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 순환 유체가 통과되어 상기 열의 일부가 추출되는 상기 금속판의 상기 구역은 상기 전지 능동 영역에 인접되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 순환 유체가 통과되어 상기 열의 일부가 추출되는 상기 금속판의 상기 구역은 높은 다공성을 갖는 제 2 망형 금속 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기상 반응물의 습윤을 담당하는 전지에는 높은 다공성을 갖는 제 3 망형 금속 재료를 수용하는 가스켓이 제공되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 발전기에는 상기 적어도 하나의 기상 반응물의 포화에 필요한 양을 초과하는 다량의 물이 이송되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 망형 금속 재료는 금속 폼, 소결 재료, 메시형 팽창 시트 및 이들 중 적어도 두가지를 병치하여 얻어지는 임의의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 망형 금속 재료를 구성하는 재료는 니켈 또는 적어도 하나의 니켈 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
8. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 반응물의 습윤을 담당하는 전지는 산소를 함유한 산화제의 습윤을 담당하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 산소를 함유한 산화제는 대기인 것을 특징으로 하는직류 전류 발전기.
10. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 반응물의 습윤을 담당하는 전지는 수소를 함유한 연료의 습윤을 담당하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 범위를 담당하는 전지에서 습윤된 적어도 하나의 반응물은 열절연된 내벽을 갖는 매니폴드에 공급되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 매니폴드는 필터-프레스 배열에 따라 연료 전지들의 경계를 정하는 금속판들 내에 구멍을 병치함으로써 얻어지고, 상기 매니폴드의 내벽의 열절연은 열절연 재료로 이루어진 파이프의 삽입에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
13. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 기상 반응물의 습윤을 담당하는 전지에는 열절연된 내벽을 갖는 매니폴드를 통해 상기 반응물과 물이 이송되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 매니폴드는 필터-프레스 배열에 따라 연료 전지들의 경계를 정하는 금속판들 내에 구멍을 병치함으로써 얻어지고, 상기 매니폴드의내벽의 열절연은 열절연 재료로 이루어진 파이프의 삽입에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.
15. 명세서 및 도면에 도시된 특정 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 발전기.