KR20030089726A - 연료전지용 분리판과 이 분리판을 구비하는 연료전지조립체 - Google Patents

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KR20030089726A
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데이비드 프랭크
조셉 카그넬리
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Abstract

연료전지의 분리판 정면에는 반응기체의 유동채널이 있고, 정면에서 배면까지 이어진 슬롯이 두개 이상 있다. 배면에는 반응기체용으로 두개 이상의 개구부가 제공되고, 개구확장부가 있어서 각각의 개구부와 슬롯을 연결하는 유동로를 형성한다. 이때문에, 양측면의 밀봉면들이 서로 어긋나 있어 완전히 지지될 수 있다. 이런 구성에서는 밀봉부인 가스켓 부분들이 유동채널을 가로지르는 것을 피할 수 있고, 각각의 가스켓의 모든 부분들이 적절히 지지될 수 있다.

Description

연료전지용 분리판과 이 분리판을 구비하는 연료전지 조립체{Flow Field Plate For A Fuel Cell And Fuel Cell Assembly Incorporating The Flow Field Plate}
연료전지의 형태에는 여러가지가 있다. 현재 실제로 많이 사용되는 연료전지의 한가지 형태로는 양자교환막(PEM; proton exchange membrane)을 이용한 연료전지가 있다. PEM 연료전지는 간단하고 컴팩트한 연료전지로서, 내구성이 강하고, 상온과 크게 다르지 않은 온도에서 작동하며, 연료, 산소, 냉매의 공급에 복잡한 제한이 필요없다.
대개의 연료전지들은 비교적 낮은 전압을 생산한다. 전력을 사용할 수 있을만큼 생산하려면, 연료전지들을 일반적으로 연료전지 스택으로 구성해야만 하고, 일반적으로 하나의 스택에는 연료전지가 10, 20, 30개 또는 100개 이상 있다. 이렇게 적당한 전압으로 적절량의 전력을 생산할 수 있는 하나의 단위가 제공되지만, 이런 설계는 아주 복잡하고 또한 주의깊게 많은 요소들을 조립해야만 한다.
예컨대, 통상의 PEM 연료전지는 두개의 분리판으로서 양극분리판과 음극분리판을 필요로 한다. 양자교환막을 포함한 막전극 접합체(MEA; membrane electrode assembly)는 두개의 분리판 사이에 배치된다. 또, 기체확산매체(GDM; gas diffusion media)가 각각의 분리판과 양자교환막 사이에 삽입된다. 기체확산매체는 적당한 기체, 즉 연료나 산소를 양자교환막 표면으로 확산시키고, 그와 동시에 관련 분리판과 PEM 사이에서 전기를 전도한다.
기본적인 연료전지 구조 자체에서는 두가지 밀봉, 즉 두개의 연료판과 PEM 사이를 밀봉해야 한다. 또, 이들 밀봉은 상당히 복잡한 구성을 가질 수 밖에 없다. 특히, 뒤에 자세히 설명하겠지만, 연료전지 스택에 사용되는 분리판들은 많은 기능들을 제공해야만 하고, 복잡한 밀봉구조가 필요하다.
연료전지 스택에서는, 일반적으로 분리판에 개구부를 형성하고, 분리판들을 겹쳐놓으면 이들 개구부에 의해 분리판에 수직으로 기다란 채널들이 이루어진다. 연료전지에서는 연료, 산소, 냉매가 흘러야 하므로, 연료전지에는 대개 3쌍, 총 6개의 포트가 필요하다. 이는, 연료와 산소가 각각의 연료전지를 통해 흘러야하기 때문이다. 연속적인 흐름 때문에, 경우에 따라 대부분의 연료나 산소가 소모될 수도 있지만, 연료전지에 오염물이 계속 축적된다.
연료전지는 냉매로 물 등을 사용하는 컴팩트한 형태의 구성을 취할 수 있다. 자연대류식이나 강제대류식이냐에 따라 공기를 냉매로 사용하는 스택 구성도 알려져 있다. 이런 연료전지스택들은 일반적으로 냉매가 흐르는 채널이 스택을 관통하고 있으며, 이에 대한 밀봉조건은 덜 중요하다. 일반적으로, 산소와 연료의 공급채널은 밀봉을 필요로 한다.
그 결과, 각 분리판마다 양단부에는 각각 3개의 개구부가 있고, 이들 개구부는 각각 연료, 산소, 냉매의 입출구가 된다. 완성된 연료전지스택에서, 이들 개구부들은 서로 일치되어 전체 연료전지 스택을 관통하는 분배채널을 형성한다. 따라서, 밀봉조건이 복잡해지고 이를 충족하기가 어려워진다. 한편, 스택/연료전지 설계에 따라서는 각각의 유체마다 여러개의 입출구를 연료전지에 형성할 수도 있다. 예컨대, 어떤 연료전지들은 양극, 음극, 냉매 각각에 대해 2개의 입구포트, 냉매용으로 1개의 출구포트, 음극과 양극 각각에 대해 1개의 출구포트를 갖는다. 그러나, 이외의 다른 어떤 조합도 예상할 수 있다.
냉매는 연료전지 배면을 가로질러서 인접한 연료전지들 사이를 흐르는 것이 일반적이나, 반드시 그런 것은 아니지만, 그 결과 많은 연료전지스택에서는 두번째, 세번째, 네번째.. 분리판에만 냉각채널을 형성한다. 이렇게 되면 스택(얇은 분리판)은 더 컴팩트해지지만, 냉각이 만족스럽지 않을 수 있다. 이 경우에는 인접한 연료전지쌍 사이를 추가로 밀봉할 필요가 제기된다. 따라서, 완성된 연료전지스택에서, 두개의 분리판에 대해 막교환 접합체를 밀봉해야 하므로 각각의 연료전지마다 2개의 밀봉부가 필요하게 된다. 따라서, 연료전지가 30개인 스택에서는 60개의 밀봉부가 필요할 것이다. 또, 주지하는 바와 같이, 집진을 위해 각각의 인접 연료전지쌍과 단부밀봉부 사이도 밀봉해야만 한다. 따라서, 연료전지가 30개인 스택에는 추가로 31개의 밀봉부가 더 필요해, 총 91개의 밀봉부가 필요하며(버스 바, 집진기, 단부판에 대한 밀봉부는 제외), 이때문에 구조가 상당히 복잡해진다. 버스 바, 절연판, 단부판에 필요한 추가 가스켓때문에, 30개 연료전지 스택에는 다양한 구성의 밀봉부의 갯수가 100개에 달하게 된다.
일반적으로, 단부판에 채널이나 홈을 형성한 다음, 예비성형된 가스켓을 이들 홈이나 채널에 장착하여 밀봉부를 형성한다. 기존의 방식에서, 이들 가스켓(및/또는 밀봉재)은 연료전지내의 각종 구성재, 각종 기체와 냉매(액체상태일 수도 있음), 열전달에 사용되는 유기/무기 유체들과의 접촉으로 인한 열화에 저항하도록 중합형성된다. 탄성 밀봉제로 전형적인 것은, 엘라스토머를 사출, 전사, 압출 등의 방법으로 연료전지의 다른 요소와는 별도로 예비성형한 유연한 가스켓이 있다. 주입 등의 방법으로 탄성밀봉재를 판에 조립하면 유니트 전체가 간단해질 수 있지만, 이런 방법은 형틀의 마모, 조립된 판들의 허용오차, 재료의 변화 등 여러가지 문제로 어렵고 비용도 많이 든다. 또, 각각의 밀봉부와 판을 설계하는데 주문형 공구작업이 필요하다.
연료전지스택은 조립된 뒤에 각각의 요소들을 조이게 되고, 이때 연료전지의 밀봉부와 활성영역에는 적당한 압력이 걸리게 되는 것이 일반적이다. 이렇게 되면, 접촉저항이 최소화되고, 연료전지의 전기저항도 최소로 된다. 이를 위해 연료전지스택에 통상 사용하는 두개의 단부판은 압력변형이 허용오차 내에 있도록 충분히 단단한 것을 사용한다. 연료전지는 또한 연료전지의 전류를 작은 픽업포인트로 집진하기 위해 전류버스 바를 구비하고, 이 전류는 도체를 통해 부하로 전달된다. 전류버스바들과 단부판들을 열적 및 전기적으로 서로 절연하기 위해 절연판들을 사용할 수도 있다. 다음, 단부판 사이에 연료전지스택을 두고 텐션로드와 볼트 등을 사용해 조인다. 연료전지스택을 조이는데 리벳, 스트랩, 피아노선, 금속판, 기타 기구를 사용할 수도 있다. 연료전지스택을 조립하기 위해 분리판, 절연판, 버스바, 밀봉부들을 관통하는 로드를 단부판 상단에 배치하고, 연료전지의 각각의 요소들을 이들 로드나 기타 다른 공구로 형성된 공간내에 배치한다. 이렇게 하려면, 다음 단계가 필요하다:
⒜ 연료전지들 사이를 분리하기 위해 밀봉제를 배치;
⒝ 밀봉제 위에 분리판을 배치;
⒞ 첫번째 분리판 위에 밀봉제를 배치;
⒟ 분리판의 밀봉제 내에 GDM을 설치;
⒠ 밀봉제 위에 MEA를 배치;
⒡ MEA 위에 다른 GDM을 배치;
⒢ 두번째 분리판의 밀봉제를 두번째 GDM 둘레에 두면서, 다른 분리판을 밀봉제와 함께 준비해 막교환접합체 위에 배치;
⒣ 두번째 분리판의 홈에 ⒜ 단계와 같이 밀봉제를 삽입.
이 과정은 최종 연료전지를 형성한 다음 버스바, 절연판, 최종 단부판을 덮을 때까지 이루어져야만 한다.
많은 연료전지의 문제점은, 적당한 유체 분배채널을 형성하는 공급 개구부와 통하는 유동 홈망을 분리판마다 형성해야 한다는 것이다. 거의 모든 연료전지들은불순물의 축적은 방지하면서 반응기체는 흐르도록 설계된다. 따라서, 반응기체와 냉매를 위해, 유동 홈망이 적어도 두개의 개구부나 포트에 연결된다. 그러나, 동시에, 각각의 분리판과 MEA 사이에 MEA를 둘러싸는 밀봉부를 형성해야만 하고, 가장 중요한 것은 MEA의 활성영역과 개구부나 포트들 사이를 밀봉해야 한다는 것이다. 이때문에, 공급 개구부와 유동채널의 중앙 활성부 사이를 연결하는 유동채널인 연결부를 밀봉제나 가스켓으로 덮어야만 한다.
임의의 반응기체에 대해, 모든 유동채널과 대응 첫번째 분리판의 공급개구부를 완전히 둘러싸는 가스켓을 고려할 수 있다. 이렇게 되면 분리판과 MEA 사이의 밀봉이 양호해진다. 그러나, 첫번째 분리판에 공급되는 반응기체에 대해, 두번째 분리판의 개구부를 완전히 둘러싸는 가스켓을 MEA의 다른쪽 표면에 배치해야만 한다. 이런 구성에서는 막의 일부분이 첫번째 분리판의 채널 위에 놓여 적절히 지지되지 않을 수 있으므로, 밀봉이 적절하지 않아 기체들이 섞일 위험이 있고, 이것은 아주 바람직하지 않다.
다른 방식은, 홈이나 채널을 덮는 가스켓을 첫번째 분리판에 배치하는 것이다. 이렇게 되면 두개의 비슷한 구성의 가스켓들 사이에 끼이는 MEA를 어느정도 지지할 수 있다. 그러나, 첫번째 분리판의 개방채널 위를 가스켓이 덮기는 하지만, 이 가스켓이 적절히 지지되지 않아 두가지 문제점을 일으킬 수 있다. 첫째, 가스켓의 지지가 부족해 MEA에 대한 밀봉이 부적절해진다. 둘째, 가스켓이 유동채널 안으로 파고들어 기체의 흐름을 방해할 우려가 있다.
많은 종래의 설계로는 이 문제를 해결할 수 없고, 단순히 가스켓이 유동채널안으로 파고들어도 상당한 곤란을 야기하지 않기만을 바랄뿐이다. 따라서, 일단 압착된 가스켓은 채널 연결부 안으로 함몰되어 채널을 부분적으로 막을 수 있고, 동시에 MEA에 걸리는 적당한 압력때문에 MEA의 한쪽이나 다른쪽의 밀봉이 손상된다.
이런 문제점이 미국특허 6,017,648에 제시되었다. 이 특허에서는, 분리판의 제작을 더 복잡하게 하는 종래의 기술에서는 공급개구부로부터 채널연결부들을 둘러싸는 유동채널의 메인부분까지 각각 개구부들을 뚫어야 한다고 지적한다. 이 특허에서는 다른 기술을 제시하는바: 유동채널을 완전히 개방하되 채널연결부를 둘러싸는 브리지 부분들을 제시하여 가스켓을 지지하도록 한다. 이 기술도 여전히 복잡한바, 부품수가 증가하여 연료전지스택의 조립도 더 복잡해지며, 모든 브리지 부분들을 조립중에 적절히 배치하고 조립 이후에도 그 위치를 유지해야만 하는 문제가 있다. 또, 각종 요소들의 허용오차가 부적절하게 유지되면, 브리지 부분들이 분리판 윗면과 완전히 일치하지 않게 되어, 가스켓의 밀봉을 부적절하게 하거나 국부압력이 과잉되어 분리판의 손상을 일으킬 우려가 있다. 또, 본 발명의 양수인도 전에 가스켓이 유동채널 안으로 함몰되는 것을 방지하기 위해 비슷한 브리지 부분을 제시하는 구성을 전에 개발한 적이 있다.
종래의 연료전지를 조립하는 것은 어렵고 시간소요가 많으며 밀봉파괴를 가져올 수도 있다. 미국특허 6,017,648에 제시된 기술은 단순히 하나의 문제를 다른 문제로 대체하는 것 밖에 안된다.
이런 모든 이유로, 종래의 연료전지를 제작하고 조립하는 것은 시간이 소요되고 비용이 많이 든다. 구체적으로, 이런 조립기술은 연료전지를 생산라인에서 대량생산하는데는 완전히 적용할 수 없다.
본 발명은 연료전지, 연료전지용 분리판, 및 분리판을 구비한 연료전지 조립체에 관한 것으로, 더 구체적으로는 통상의 연료전지나 연료전지 조립체의 서로 다른 분리판들과 기타 요소들 사이의 스택을 밀봉하여, 작동에 필요한 기체와 액체의 누설을 방지하고 연료전지 스택의 활성영역들에 반응기체를 공급하는 장치와 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지스택의 사시도;
도 2는 도 1의 연료전지스택의 각각의 요소를 보여주는 전개사시도;
도 3, 4는 각각 도 5, 6의 연료전지스택의 양극분리판의 정면도와 배면도;
도 5는 도 4의 일부분(5)의 하나의 공급개구부를 자세히 보여주는 확대 평면도;
도 6a는 도 5의 공급개구부를 연료전지의 인접 요소들과 함께 보여주는 부분단면 사시도;
도 6b는 도 6a와 비슷한 확대사시도;
도 7, 8은 각각 도 1, 2의 연료전지스택의 음극분리판의 정면도와 배면도;
도 9는 도 8의 공급개구부를 자세히 나타낸 도 8의 9 부분의 확대평면도;
도 10a는 도 9의 공급개구부를 연료전지스택의 인접 요소들과 함께 부분단면 형태로 보여주는 사시도;
도 10b는 도 10a와 비슷한 확대사시도;
도 11은 양극단부판의 배면도;
도 12는 도 11의 12 부분의 확대도;
도 13은 도 12의 13-13선 단면도;
도 14는 음극단부판의 배면도;
도 15는 도 14의 15 부분의 확대도.
본 발명에 따르면, 막전극 접합체용 보완 분리판과 함께 챔버를 형성하고, 정면과 배면을 갖는 연료전지용 분리판에 있어서:
상기 챔버에 공급하기 위한 반응기체용의 두개 이상의 개구부;
상기 정면에 있는 반응기체 유동채널들;
상기 개구부들 각각에 대해 분리판의 배면에서 뻗어 있는 개구확장부; 및
각각의 개구부에 대해, 분리판의 배면에서 정면까지 분리판을 관통하여, 대응 개구확장부와 반응기체 유동채널을 연결하는 하나 이상의 슬롯;을 포함하는 분리판이 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 하나 이상의 연료전지를 구비한 연료전지 조립체에 있어서:
상기 각각의 연료전지는,
정면과 배면을 갖고 정면들이 서로 마주보면서 연료전지 챔버를 구성하는 제1 및 제2 보완 분리판들;
연료전지 챔버내에 배치되는 막전극 접합체와 기체확산매체; 및
제1 반응기체용으로 각각의 분리판에 형성된 두개 이상의 제1 개구부와, 제2 반응기체용으로 각각의 분리판에 형성된 두개 이상의 제2 개구부;를 포함하고,
상기 제1 분리판은, 정면에 형성된 제1 반응기체 유동채널들, 제1 반응기체 유동채널들로부터 배면까지 뻗는 제1 슬롯들, 및 제1 개구부 각각에 대해 제1 개구부와 상기 제1 슬롯을 통하게 하는 배면쪽의 제1 개구확장부를 포함하며;
상기 제2 분리판은, 정면에 형성된 제2 반응기체 유동채널들, 제2 반응기체 유동채널들로부터 배면까지 뻗는 제2 슬롯들, 및 제2 개구부 각각에 대해 제2 개구부와 상기 제2 슬롯을 통하게 하는 배면쪽의 제2 개구확장부를 포함하는 연료전지 조립체가 제공된다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.
일반적으로, 연료전지에서 마주보는 2개 분리판의 채널 쌍에는 예비성형된 가스켓이 배치된다. 미국특허출원 10/109,002에 기재된 발명에 따르면, 적당한 도관을 통해 여러 홈들을 서로 연결하여 연속적인 형태로 형성할 수 있었다. 이어서, 이들 홈에 밀봉재를 주입하여 완전히 채운다. 다음, 적당한 승온에 노출시켜 밀봉제를 경화시켜 완벽한 밀봉을 이룬다. 이런 밀봉기술이나 기타 다른 모든 적당한 밀봉기술은 모두 본 발명의 연료전지스택에 이용될 수 있다.
도 1, 2에는 연료전지스택(100)의 기본요소가 도시되어 있다. 따라서, 스택(100)은 양극단부판(102)과 음극단부판판(104)을 포함한다. 이들 단부판(102,104)에는 필요한 유체 공급을 위한 연결포트가 있다. 공기 연결포트는 106,107로; 냉매 연결포트는 108,109로; 수소 연결포트는 110, 111로 표시된다. 도시되지는 않았지만, 이들 포트(109,111)에 대응하는 냉매 및 수소 포트들이 연료전지 스택의 양극측에도 제공됨을 알 수 있다. 이들 여러 포트(106-111)는 연료전지 스택을 관통하는 분배채널로서의 덕트에 연결된다. 이들 포트는 쌍으로 제공되고연료전지 스택을 가로질러서, 필요한 각종 장비에 연료전지스택을 연결한다. 이렇게 되면, 여러개의 연료전지 스택들을 공지의 방식으로 서로 연결할 수 있다.
양극단부판(102)과 음극단부판(104) 바로 옆에는 절연판(112,114)이 있다. 절연판 바로 옆에는 양극집진기(116)와 음극집진기(118)가 공지의 방식으로 배치되어 있다.
집진기들(116,118) 사이에는 다수의 연료전지가 배치된다. 본 실시예의 경우에는 연료전지가 10개이다. 도 2에는 편의상 연료전지가 하나만 도시되어 있다. 따라서, 도 2에는, 양극분리판(120), 제1의 양극 기체확산층(122), MEA(124), 제2의 음극 기체확산층(126) 및 음극분리판(130)이 도시되어 있다.
이들을 결합하기 위해 양극단부판(102)의 나사공을 통해 음극단부판(104)의 대응 평탄공을 관통하는 타이로드(131)를 이용한다. 공지의 방식대로, 전체 조립체를 너트와 와셔로 결합해, 각각의 연료전지의 여러 요소들을 확실히 결합한다.
본 발명은 밀봉부와 이를 형성하는 방법에 관련된다. 따라서, 연료전지스택의 다른 요소들은 대개 통상적인 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 특히, 분리판, MEA 및 기체확산층에 사용되는 재료는 통상적인 연료전지 기술에 속하므로 본 발명을 구성하지 않는다.
다음 설명에서, 양극 및 음극 분리판(120,130)에 대한 "정면", "배면"은 MEA를 기준으로 한 방향을 의미한다. 따라서, "정면"은 MEA를 향한 면을, "배면"은 MEA 반대쪽 면을 의미한다. 결과적으로, 도 7, 8에서 포트의 구성은 도 3, 4의 구성의 반대이다.
도 3-6을 참조하여 양극 분리판(120; bipolar plate)에 대해 자세히 설명한다. 도시된 바와 같이, 분리판(120)은 사각형이지만 어떤 형상도 가능하고, 도 3에 도시된 정면인 내측면(132)과 도 4에 도시된 배면인 외측면(134)을 갖는다. 정면(132)에는 수소 채널이 있지만, 배면(134)에는 냉각을 촉진하는 채널배열이 있다.
전체 스택조립체의 포트(106-111)에 대응하여, 분리판(120)에는 공기가 흐르는 직사각형 개구부들(136,137); 냉매가 흐르는 정사각형 개구부들(138,139); 및 수소가 흐르는 정사각형 개구부들(140,141)이 있다. 이들 개구부들(136-141)은 포트(106-111)와 정렬되어 있다. 모든 분리판에 대응 개구부들이 있으므로, 종래와 같이 연료전지 스택을 관통하는 덕트나 채널이 분산 형성되어 있는 셈이다.
연료전지 스택(100)의 여러 요소들을 함께 밀봉하기 위해, 후술하는 것과 같이 홈망을 형성하는 여러 홈들을 분리판에 형성하여, 연료전지 스택을 밀봉하는 밀봉제가 흐르도록 구성한다. 이제 양극 분리판(120) 양측면의 홈망에 대해 설명한다.
정면(132)에는 정면 홈망(142)이 있다. 홈망(142)의 깊이는 0.610 ㎜이고 그 폭은 후술하는 바와 같이 가변적이다.
홈망(142)은 측면홈(143)을 포함하고, 이들 측면홈(143)의 폭은 3.89 ㎜이다.
분리판의 일단부의 개구부(136,138,140) 둘레에는 이들 개구부에 대응해 직사각형 형태의 홈망(142)이 배치된다.
공기 개구부(136)용 홈부위(144)는 외측 홈구간(148)을 갖고, 외측 홈구간은 홈구간(149)으로 이어지며, 이들 홈의 폭은 모두 5.08 mm이다. 내측 홈구간(150)의 폭은 3.05 mm이다. 냉매 개구부(138)의 사각 홈(145)의 3면에는 홈구간(152)이 있고, 이 홈구간의 폭 역시 5.08 mm이다. 개구부(140)의 사각 홈(146)에는 기본적으로 홈구간(152)에 대응하는 홈구간(154)이 있고, 그 폭도 역시 5.08 mm이다. 이들 홈구간(152,154)에 대응하는 내측 홈구간(153,155)의 폭은 홈구간(150)과 마찬가지로 3.05 mm이다.
인접 개구부 쌍(136,138;138,140) 사이에는 전체 폭이 12.7 mm인 홈연결부(158,159)가 있어서, 인접 홈구간들을 원활하게 연결한다. 이와 같이 홈연결부(150)를 구성하고 홈구간(150,153,155)의 두께를 외측 홈구간에 비해 작게 하는 것은, 모든 홈구간들을 통해 밀봉제를 흐르게 하되 모든 홈에 밀봉제를 균일하게 채우기 위해서이다.
여러 분리판들을 연결하기 위해, 폭 3.17 mm, 양단 반경 3.17 mm, 전체 길이 8.89 mm인 연결개구부(160)를 형성한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연결개구부(160)의 크기는 홈구간들(152,154)을 분명히 차단할 정도로 한다. 이런 구성은 단부판, 절연판, 집전판에서도 볼 수 있는데, 연결개구부(160)는 단부판까지 이어지고 단부판에도 대응하는 홈이 형성되어 있다. 이에 대해서는 도 12, 15에 자세히 도시되어 있고 후술한다.
도 8에는 양극분리판의 배면 밀봉구조가 도시되어 있다. 정면의 측면홈과 비교해 배면의 측면홈(162)은 그 폭이 5.08 mm로 더 넓다. 공기개구부(136) 둘레에는폭이 5.08 mm로 일정한 홈구간들(164)이 있다. 이들 홈구간은 제1 홈연결부(166)에 연결된다.
냉매개구부(138)의 3변 둘레에도 폭 5.08 mm의 홈구간들(168)이 있다. 도시된 바와 같이, 이 개구부(138)은 홈망을 통해 냉매가 흐르도록 내측면에서 개방되어 이다. 홈망은 분리판의 배면을 가로질러 냉매가 균일하게 분산하도록 되어 있다.
연료인 수소의 개구부(140)의 3변에도 홈구간(170)이 있다. 개구부(138,140) 둘레의 홈구간들은 홈연결부(172)에서 연결된다.
개구부(140)의 가장 안쪽 홈구간(174)은 홈구간(155)에 비해 더 멀리 떨어져 있다. 이렇게 되면, 유동채널(176)이 홈구간(155) 밑으로 이어지게 할 수 있다. 또, 분리판의 한쪽면에서 다른쪽 면으로 기체를 흐르게 하는 이동슬롯들(178)을 형성한다. 도 3에 도시된 것처럼, 이들 슬롯은 분리판 정면에서 보이고, 분리판 정면에 기체가 골고루 분포되도록 채널이 제공된다. 도 4의 개구부들(136,138,140) 둘레를 완전히 둘러싸는 직사각형 홈들은 각각 182,184,186으로 표시된다.
도 5, 6에는 개구부(140) 둘레의 유동채널이 자세히 나타나있고, 도 6에는 양극분리판(120)과 음극분리판(130)의 협동효과가 도시되어 있다. 도 7-10을 참조해 자세히 설명하겠지만, 음극분리판의 배면에는 유동채널들(240)을 분리하는 돌출부들(242)이 배치된다. 이들 돌출부(242)는 돌출부(212)와 협력하고, 마찬가지로 채널(240)은 채널(176)과 협력한다. 돌출부들(212,242)이 개구부(140) 가장자리까지 닿지 않기 때문에, 도 6과 같이 채널(176,242) 내의 연료기체가 슬롯(178)으로흐르게 하는 슬롯이 분리판들(120,130) 사이에 형성된다.
도 3, 4에 도시된 것처럼, 양극분리판(120)의 다른쪽 개구부들(137,139,141)의 구성도 동일하다. 따라서, 이들 채널에 대한 설명은 편의상 생략한다. 여러 홈구간, 연결부 등에는 같은 번호를 붙이되 "a"를 첨부하여, 도 3에 홈부분들을 144a, 145a, 146a로 표시했다.
이제 도 7-10을 참조하여 음극분리판(130)의 구성에 대해 설명한다. 밀봉홈의 구성은 양극분리판(120)과 기본적을 동일하다. 이것은 두개의 분리판 사이에 MEA(124)를 삽입해야만 하는 설계 때문이고, 밀봉부의 구성은 서로 정반대 형태이다. 밀봉부가 서로 반대가 되도록 스택조립체를 설계하는 것이 바람직하지만, 반드시 그래야 하는 것은 아니다. 또, 양극분리판(120)과 음극분리판(130)의 정면 밀봉로(홈)는 배면 밀봉홈에 대해 서로 거울상이다. 따라서, 도 1-10에도 밀봉채널 조립부의 서로 다른 홈구간에 동일한 부호를 병기하되, 음극분리판에는 「'」를 붙였다.
음극분리판(130)의 정면 홈 모양은 산소개구부(136,137)로부터 산소가 균일하게 흐르도록 구성해야 한다. 음극분리판의 배면에는 산소개구부(136,137)와 정면의 홈망을 서로 연결하는 이동슬롯(180)이 제공된다. 슬롯의 갯수가 양극분리판에는 4개인데 비해 음극분리판에서는 각 개구부당 5개 제공된다. 이 경우, 일반적인 연료전지와 마찬가지로, 산소공급용으로 공기를 사용하고, 공기의 80%가 질소이므로 적절한 산소를 공급하려면 더 많은 공기를 공급해야만 한다.
음극분리판(130)의 배면에는 냉각수가 흐르는 채널들이 전혀 없이 완전히 평평하다. 유동채널의 길이가 다르고 유동체가 다른 것을 보충하기 위해 깊이를 달리한다. 그러나, 밀봉부의 깊이와 폭은 스택 디자인에 맞게 최적화해야 한다.
도 5, 6과 마찬가지로, 도 9, 10에는 개구부(136)와 슬롯(180)을 연결하는 유동채널이 상세히 도시되어 있다. 돌출부(222,232)는 역시 개구부(136)의 가장자리에 닿지 않고(도 4 참조), 돌출부(222)는 도 10에서는 보이지 않는다. 이들 돌출부(222,232)는 서로 맞닿아 밀봉제가 흐르는 홈망을 지지한다. 서로 보완적인 유동채널들(220,233)은 개구부(136)와 슬롯(180) 사이에 유동경로를 형성하지만, 그와 동시에 MEA에 의해 분리되어 있다. 도 11-15에는 양극단부판과 음극단부판이 상세히 도시되어 있다. 이들 단부판에도 분리판과 같은 홈망이 형성된다.
따라서, 양극단부판(102)에는 양극분리판(120) 정면의 홈망과 같은 홈망(190)이 있다. 그러므로, 도 11-15에 도시된 양극/음극 단부판(102,104)의 홈구간들의 대응 부분들에는 동일한 부호를 붙이되, 첨자 "e"를 붙였다. 192는 타이로드(131)를 끼우는 나사공이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연결포트(194)가 형성된다. 연결포트(194)의 나사형 외측부(196)는 종래 방식으로 형성된다. 외측부는 소직경의 짧은 부분(198)에 이어지고, 이 부분은 연결공(160e)으로 이어진다. 그러나, 어떤 유체커넥터라도 사용할 수 있다.
양극단부판(102)에는 분리판과 동일한 두개의 연결포트(194)가 있어서 연결공(160e,160ae)을 연결한다(도 12, 13 참조).
도 14, 15에는 음극단부판이 자세히 도시되어 있는데, 도 15는 도 12와 마찬가지로 홈구간들의 연결부를 보여준다. 음극단부판 내측면의 홈 형태는 양극분리판의 홈과 동일하다. 후술하는 바와 같이, 이런 구성으로 인해 밀봉제를 공급하여 여러 밀봉홈과 채널들을 충전할 수 있다. 일단 밀봉부가 형성되면, 밀봉제 공급도관들을 분리하고, 밀폐플러그들(200)을 끼운다(도 2 참조).
본 발명의 밀봉부는 가스켓이거나, 또는 미국특허출원 10/109,002에 기재된 것과 같이 연료전지스택의 다른 요소들 사이의 여러 홈에 실리콘 고무액을 주입하여 이루어진다.
사용중에, 적당한 수의 연료전지들을 타이로드(131)로 결합하여 연료전지스택(100)을 조립한다. 이 스택은 도 2에 열거된 요소들을 포함할 것이고, 종래의 연료전지 스택과 비교해, 이 단계에서는 요소들 사이에 아무 밀봉부가 없음을 알 수 있다. 그러나, MEA에 닿는 음극판과 양극판들을 (단락방지를 위해) 감싸는 절연판이 MEA의 일부로 제공된다. 이 절연판의 재료는 아이오노모(Ionomer) 자체나 기타 적당한 재료(플루오로폴리머, 마일라 등)의 일부일 수 있다. 다른 방식으로는, 분리판의 이 부분들을 부도체로 만드는 것이다.
어떤 누설이라도 감지되면, 연료전지를 보수해야한다. 연료전지 스택은 여러개의 연료전지들을 포함한다. 연료전지의 갯수는 하나 내지 백개, 또는 그 이상일 수 있다. 각각의 연료전지를 강력하게 밀봉하거나 밀봉부를 쉽게 교체할 수도 있지만, 본 발명은 더 큰 장점을 가질 수 있다. 본 출원인의 공동출원인 미국특허출원 10/109,002에 기재된 기술로 연료전지들을 밀봉할 수 있다.
또, 연료전지를 하나 또는 몇개만 갖는 연료전지스택을 형성할 수 있고, 이경우 스택끼리 연결해야만 하지만, 본 발명은 각각의 연료전지 스택 자체의 견고성과 신뢰성으로 인해 이들 스택을 더 연결할 수 있다. 이 개념을 (MEU; Membrane Electrode Unit로 확인된) 하나의 단위전지에 적용할 수 있고, 본 발명을 이용하면 스택을 어떤 길이로도 제작할 수 있다.
원하는 성능을 갖는 완전한 연료전지 스택을 형성하기 위해 MEU를 쉽고 간단히 조립할 수 있는 갯수로 하는 것이 바람직하다. 따라서, MEU는 몇개의 분리판을 가지며, 그 배면은 다른 MEU의 대응 표면과 맞닿아 필요한 기능을 제공하기에 적합하다. 통상, MEU의 표면은 연료전지를 냉각시키는 냉매 챔버를 형성하기에 적합하다. MEU의 외측면은 밀봉부나 가스켓으로 형성된다. 다른쪽 표면은 평평하거나, 다른쪽 MEU의 밀봉제를 수용하도록 홈이 형성되어 있다. 이런 외측 밀봉부인 가스켓은 미국특허출원 10/109.002에 따라 주입되는 내부 밀봉제의 형성과 동시에 형성될 수 있다. 이 목적으로, MEU 외측면에 반쪽짜리 형틀을 붙이고, 이 형틀과 MEU 외측면 사이에 형성된 밀봉부에 밀봉제를 주입할 수 있으며, 이 때 MEU 자체의 홈망으로 밀봉제가 주입된다. 완전한 연료전지 조립체를 형성하려면, MEU를 필요한 갯수 선택하여 단부판 사이에 조립하되, 일반적인 마감요소인 절연판이나 집진기 등을 조립하기만 하면 된다. MEU의 외측면과 예비성형된 밀봉부들에 의해 필요한 챔버, 특히 냉매 챔버들이 형성되고, 이들 챔버는 전체 조립체내의 적절한 냉매포트와 채널들에 연결된다. 이렇게 하면, 기본 단위체인 MEU를 이용해 아주 다양한 연료전지스택들을 구성할 수 있다. MEU는 하나의 연료전지만을 가질 수도 있고, 또는 5개 정도의 적은 갯수의 연료전지를 가질 수도 있다. 완성된 연료전지스택에서는 고장난 MEU를 교체하기가 간단하다. 재조립하기만 해도 인접 MEU 사이에 적절한 밀봉부가 형성되고 각각의 MEU 내부의 밀봉제의 흐름이 이 과정중에 차단되지 않는다.
도 3-6에 따르면, 양극분리판에 대해 본 발명에 따른 기체유동구조가 자세히 도시되어 있다. 먼저, 양극분리판의 정면(132)에서 모든 개구부들(136-141)은 유동채널들로부터 차단되어 있다. 연료기체인 수소가 흐르도록, 양극분리판(120)의 배면까지 이어진 이동슬롯(178)을 형성한다. 도 3-6에 도시된 바와 같이, 개구부(140,141)에는 안쪽 홈구간(155,155a) 밑으로 뻗는 개구확장부(210)가 있다. 정면의 홈망(142)에는 개구부들(140)을 둘러싸서 슬롯(178)을 포함한 메인 활성영역에서 분리하는 부분들이 밀봉면상에 있다. 배면에서는, 홈의 일부분인 밀봉면 부분들이 개구부(140,141)와 슬롯(178)을 둘러싼다. 이들 개구확장부들 각각은 돌출부(212)를 포함하여 유동채널(176)을 형성하므로, 각각의 개구부(140,141)가 이동슬롯(178)이 연결된다.
밀봉 가스켓을 위해 여러 홈구간들(174)이 어긋나게 배치되어 있는바(도 6 참조), 즉 이들 홈구간은 홈구간(155,155a) 정반대쪽에 위치하지 않는다. 그 결과, 배면에서는 슬롯(178)이 유동채널(176)을 통해 개구부(140,141)에 연결되지만, 정면에서는 정면을 가로지르는 활성영역의 유동채널(216)에 직접 연결된다.
도시된 바와 같이, 배면에는 개구부들(138,139) 사이로 뻗는 냉매용 유동채널(218)이 배치된다.
홈구간(155,155a)을 형성하는 분리판(120) 부위를 적절히 지지하도록 돌출부(212)를 형성한다. 뒤에 자세히 설명하겠지만, 음극분리판(130)의 배면에도동일한 돌출부(242)가 배치되고, 이들 돌출부 전체는 각각의 분리판 표면과 동일한 높이를 갖기 때문에, 돌출부(212,242)가 서로 맞닿으면 각각의 홈구간을 지지하게 된다.
공기나 산소 개구부들(136,137)에도 개구확장부(220,220a)가 형성된다. 개구부(136,137)의 이들 확장부(220,220a)는 홈구간(150,150a) 밑으로 뻗어서 이들을 지지한다. 분리판(120)의 배면에 있는 홈구간(164,164a)들은 안쪽으로 어긋나게 배치되어 있다. 돌출부(212)와 동일한 돌출부(222)를 배치하여, 후술하는 바와 같이, 음극분리판의 돌출부들을 보완한다.
음극분리판(130)의 자세한 구조는 양극분리판(120)과 동일하다.
따라서, 음극분리판(130)의 개구부(136,137)에도 개구확장부들(230)이 형성된다. 음극분리판의 정면에서, 모든 개구부들(136-141)은 폐쇄되어 있고, 이들 개구부(136,137) 안쪽으로 홈구간들(231)이 배치된다. 정면의 유동채널들(236)을 배면까지 이어주는 이동슬롯(180)이 제공된다. 배면에서 개구확장부들(230)은 유동채널(233)을 형성하는 돌출부들(232)을 구비하므로, 개구부(136,137)와 이동채널(180)이 연결되고 홈구간(231)을 지지한다.
양극분리판에서 홈구간들(234,234a)은 홈구간들(231,231a)에 대해 어긋나있다.
돌출부들(232,232a)은 양극분리판의 돌출부(222,222a)와 협력하여 막을 지지한다. 이렇게 되면 두가지 기능이 생긴다. 첫째, 전술한 바와 같이 각각의 홈구간(231)이 지지된다.
배면에도 냉각 목적으로 포트(138,139)와 통하는 유동채널(238)을 제공한다. 이 유동채널은 효과적인 냉매의 유동을 위해 양극분리판 배면의 채널과 협력하거나, 또는 단순히 어떤 채널과도 통하지 않을 수도 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 양극분리판(120)을 보완하기 위해, 음극분리판(130)의 개구부(140,141)에도 돌출부(242,242a)를 포함한 개구확장부(240,240a)가 제공된다. 이들 돌출부는 돌출부(212,212a)를 보완한다. 마찬가지로, 이런 구성으로 인해 양극분리판이 지지된다.
도 11, 14에는 양극 및 음극 단부판들(102,104)의 배면이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 이들에도 밀봉구성이 제공되는바 도 11의 홈망(190)과 도 14의 홈망(190')이 이것이다.
도시된 바와 같이, 단부판(102,104) 각각에서 포트(106,107,110,111)는 학장부를 갖는 챔버로 연결딘다. 이들 확장부는 양극/음극 분리판들(120,130)의 개구확장부(210,220,230,240)와 대응한다. 포트(108,109)는 냉매채널을 갖는 메인 챔버로 통하고, 양극/음극 분리판들(120,130) 배면의 유동패턴과 동일한 패턴을 갖는다.
이상 양자교환막(PEM) 연료전지에 관해 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 어떤 형태의 연료전지에도 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 알카리전해질 연료전지, 인산전해질 연료전지, 양자교환막과 비슷한 막을 갖되 200℃에서 동작하기에 적당한 고온 연료전지, 일렉트로라이저(electrolysers) 재생 연료전지에도 적용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 막전극 접합체용 보완 분리판과 함께 챔버를 형성하고, 정면과 배면을 갖는 연료전지용 분리판에 있어서:
    상기 챔버에 공급하기 위한 반응기체용의 두개 이상의 개구부;
    상기 정면에 있는 반응기체 유동채널들;
    상기 개구부들 각각에 대해 분리판의 배면에서 뻗어 있는 개구확장부; 및
    각각의 개구부에 대해, 분리판의 배면에서 정면까지 분리판을 관통하여, 대응 개구확장부와 반응기체 유동채널을 연결하는 하나 이상의 슬롯;을 포함하는 것을 특징으로 하는 분리판.
  2. 제1항에 있어서, 연료전지의 인접 요소들과 함께 밀봉부를 형성하는 밀봉표면들이 상기 정면과 배면에 있고, 각각의 개구부를 둘러싸고 적어도 하나의 슬롯에서 대응 개구부를 분리하는 제1 밀봉표면부와, 분리판 배면에서 상기 슬롯과 개구부를 같이 둘러싸는 제2 밀봉표면부가 분리판 정면의 밀봉표면에 포함되는 것을 특징으로 하는 분리판.
  3. 제2항에 있어서, 각각의 개구부용으로 여러개의 슬롯이 있는 것을 특징으로 하는 분리판.
  4. 제3항에 있어서, 각각의 개구확장부에 다수의 돌출부가 제공되어, 개구부에서 슬롯까지 이어지는 유동채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 분리판.
  5. 제3항에 있어서,
    제2 반응기체용의 두개 이상의 제2 개구부들; 및
    분리판 정면에 각각의 제2 개구부용으로, 제2 개구확장부와, 이 개구확장부에 형성된 다수의 제2 돌출부들;을 포함하고,
    상기 제2 돌출부들은 제2 반응기체용 제2 분리판의 보완 돌출부들과 맞닿는 것을 특징으로 하는 분리판.
  6. 제5항에 있어서, 분리판 정면에서 각각의 제2 개구부를 둘러싸는 배면밀봉부와, 분리판 정면에서 대응 제2 개구부와 관련 제2 개구확장부를 둘러싸는 제2 정면밀봉부를 포함하고, 상기 정면 및 배면 밀봉부들은 서로 어긋나게 배치된 밀봉표면구간들을 구비하는 것을 특징으로 하는 분리판.
  7. 제6항에 있어서, 각각의 밀봉표면부들이 밀봉제를 수용하는 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 분리판.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    냉매가 흐르는 두개 이상의 제3 개구부;
    냉매용 제3 개구부들 사이에 유동경로를 제공하는 분리판 배면의 유동채널들; 및
    제3 개구부들을 둘러싸는 분리판 정면의 밀봉부들;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리판.
  9. 하나 이상의 연료전지를 구비한 연료전지 조립체에 있어서:
    상기 각각의 연료전지는,
    정면과 배면을 갖고 정면들이 서로 마주보면서 연료전지 챔버를 구성하는 제1 및 제2 보완 분리판들;
    연료전지 챔버내에 배치되는 막전극 접합체와 기체확산매체; 및
    제1 반응기체용으로 각각의 분리판에 형성된 두개 이상의 제1 개구부와, 제2 반응기체용으로 각각의 분리판에 형성된 두개 이상의 제2 개구부;를 포함하고,
    상기 제1 분리판은, 정면에 형성된 제1 반응기체 유동채널들, 제1 반응기체 유동채널들로부터 배면까지 뻗는 제1 슬롯들, 및 제1 개구부 각각에 대해 제1 개구부와 상기 제1 슬롯을 통하게 하는 배면쪽의 제1 개구확장부를 포함하며;
    상기 제2 분리판은, 정면에 형성된 제2 반응기체 유동채널들, 제2 반응기체 유동채널들로부터 배면까지 뻗는 제2 슬롯들, 및 제2 개구부 각각에 대해 제2 개구부와 상기 제2 슬롯을 통하게 하는 배면쪽의 제2 개구확장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 조립체.
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