KR20040037119A - 가습 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지 어셈블리의 가습 전지(1)에 관한 것이며, 상기 가습 전지는 상기 가습 전지(1)의 두 개의 외부 판(9) 사이에 위치된 투수성 막을 포함한다. 상기 막(5)의 한 부분은 적어도 외부 판들 중 하나에 고정되고, 이어, 외부 판(9)에 의하여 부분적으로 커버된다. 이는 상기 막(5)의 가습 용량을 감소시킨다. 상기 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 가습 전지는 투수성 지지 부재(7a,7b)를 가지며, 상기 투수성 지지 부재는 상기 막과 외부 판들(9) 중 하나 사이에 배치된다.

Description

가습 전지{HUMIDIFICATION CELL}

연료 전지에서, 연료 가스로 순수한 수소가 사용된다면, 어떠한 오염물질과 이산화탄소의 발생없이, 물(H₂O)을 형성하기 위해 전해질에서 수소(H₂)와 산소(O₂)의 전기 화학적인 결합에 의해서 효율적인 고 레벨의 전류가 생성된다. 이러한 연료 전지 원리의 기술적인 구현은 다양한 방법 특히, 상이한 형태의 전해질과 60℃와 1000℃사이의 동작온도를 사용해서 이루어 진다. 이러한 동작온도에 따라, 연료 전지는 낮은 온도, 중간 온도, 및 높은 온도의 연료 전지로 분류되며, 이러한 전지들은 차례로 다양한 실시예들에 의해 서로 구별된다.

단일 연료 전지는 최대 약 1.1V의 동작 전압을 공급한다. 따라서, 많은 수의 연료 전지들은 연료 전지 어셈블리를 형성하기 위해, 예를 들면, 연료 전지의 블록 부분을 형성하는 평면 연료 전지들의 스택(stack)을 형성하기 위해서 연결된다. 연료 전지 어셈블리의 직렬 연결은 100V 이상의 어셈블리의 동작 전압을 이루는 것을 가능하게 한다.

평면 연료 전지는 편평한 전해질을 포함하는데, 전해질의 한 쪽 평면은 평판형 양극에 인접하게 되고 다른 쪽 평면은 마찬가지로 평판형 음극에 인접하게 된다. 상기 두 전극들은 전해질과 함께, 공지된 전해질 전극 어셈블리를 형성하는데, 이는 또한 간단히 전해질 어셈블리로 아래 언급된다. 양극 가스 공간은 양극에 인접하고, 음극 가스 공간은 음극에 인접된다. 상호접속 판은 하나의 연료 전지의 양극 가스 공간과 상기 연료 전지에 인접한 연료 전지의 음극 가스 공간 사이에 배치된다. 상호접속 판은 제1 연료 전지의 양극과 제2 연료 전지의 음극 사이에 전기적 연결을 만든다. 연료 전지의 형태에 따라서, 상호접속 판은 예를 들면, 개개의 금속 판 또는 냉각 부재로 구성되는데, 상기 냉각 부재는 두 개의 판 사이에 냉각수 공간을 가지고 서로의 위에 쌓인 두 개의 판을 포함한다. 연료 전지들의 특정 실시예에 따라서, 예를 들면, 전기적 전도성 층들, 밀봉부들, 또는 압력 쿠션들 같은 부가 부품들이 연료 전지 스택내에 위치될 수 있다.

연료 전지들이 동작할 때, 연료 전지 어셈블리의 연료 전지들에는 동작 가스들, 즉 수소 함유 연료 가스, 및 산소 함유 산화 가스들이 공급된다. 저온 연료 전지들의 소정의 실시예, 특히, 고분자 전해질 막을 가진 연료 전지들(PEM 연료 전지들)에서, 연료 전지들이 동작을 위해서는 가습 동작 가스가 요구된다. 상기 동작 가스들은 예를 들면, 액체 링 압축기 또는 막 가습기와 같은 적당한 장치에서 증기로 포화된다. 연료 전지 어셈블리와 함께 가습 장치, 및 부가의 공급 장치는 연료 전지 장치를 형성한다.

동작 가스들이 가습기로부터 연료 전지 어셈블리로 긴 동작 가스 공급선들을 통과하면, 가습된 동작 가스의 온도는 주변의 열 손실의 결과로 떨어진다. 이는 가습수의 응축을 가져온다. 이어, 동작 가스는 연료 전지들에서 재가열되고, 그 결과 상대 습도량이 떨어진다. 결과적으로, 항상 수분을 유지해야 하고 건조함에 매우 민감한 전해질은 연료 전지의 사용 수명을 줄인다. 따라서, 가습기는 가능한 연료 전지에 가까이 배치되는 것이 바람직하다.

미국 특허 5,200,278호와 5,382,478호는 평면형 연료 전지들의 스택, 및 평면형 가습 전지들의 스택을 가지는 연료 전지 블록을 개시했다. 상기 두 개의 스택들은 연료 전지 블록에서 서로 바로 인접하여 배치된다. 가습 전지들은 동작 가스 공간, 가습수 공간, 및 상기 두 공간 사이에 배치된 투수성 막을 가진 막 가습기들로 설계된다. 동작 가스들이 연료 전지 스택의 연료 전지들에 공급되기 전에, 동작 가스들은 가습 전지들을 통해서 흐르는데, 가습 전지들에서 동작 가스들은 가습된 후, 연료 전지 블록을 떠나지 않고 연료 전지 스택으로 흐른다. 가습 전지들에서, 투수성 막은 외부 판들에 인접하고 가습 전지들의 막의 양쪽 측면상에 배치된다. 가습수는 각각의 외부 판으로 기계 가공된 통로를 통해서 막의 한쪽 측면상에 흐르고, 동작 가스는 막의 다른쪽 측면상에 흐른다. 그러나, 외부 판들의 웨브들을 따라서, 막은 웨브들에 의해서 커버되어 가습수나 동작 가스가 막에 도달하는 것이 불가능하게 한다. 상기와 같은 방식으로, 막의 가습 용량은 자유롭게 가습수에 접근할 수 있는 막과 비교하여 감소한다. 큰 영역 구조들이 외부 판으로 사용될 때, 막이 큰 영역 상의 외부 판에 접하여 보유되어 그 결과 가습 용량은 현저하게 감소한다.

본 발명은 두 개의 외부 판들 사이에 가스 공간, 가습수 공간, 및 상기 두 공간을 분리시키는 투수성 막이 배치된 상기 두 개의 외부 판들을 가지는 연료 전지 장치의 가습 전지에 관한 것이다.

도1은 절단면 형태로 예시된 가습 전지의 평면도이다.

도2는 도1의 가습 전지의 단면도이다.

도3은 가습 전지의 또 다른 단면도이다.

도4는 연료 전지 장치를 도시한다.

도5는 연료 전지의 단면도이다.

본 발명의 목적은 높은 가습 용량을 가지는 연료 전지 장치용 가습 전지를 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라서 도입부에 설명한 형태의 가습 전지에 의해서 이루어지는데, 상기 가습 전지는 막과 외부 판들중 하나 사이에 배치된 투수성 지지 부재를 가진다.

연료 전지 장치는 가습 장치, 및 필요하다면 부가의 공급 장치들과 관련된 연료 전지 어셈블리를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 상기 경우에, 연료 전지 어셈블리는 하나 이상의 스택들을 형성하기 위해서 서로의 상부에 적층되는 다수의 평면 연료 전지들을 포함한다. 예를 들면, 연료 전지 장치는 하나 이상의 가습 전지 스택들과 하나 이상의 연료 전지 스택들을 가진 연료 전지 블록일 수 있다. 그러나, 가습 전지들이 연료 전지들로부터 일정한 거리에 배치되는 것이 또한 가능하다. 연료 전지들과 가습 전지들의 혼합으로 구성된 스택이 또한 가능하다.

투수성 막의 가습 용량에 따른 외부 판들 중 하나와 접하여 부분적으로 보유되는 막의 불리한 효과는 외부 판들 사이에 자유롭게 현수되어 배치된 막에 의하여 제거될 수 있다. 그러나, 상기 막이 만들어진 재료에 따라, 막은 매우 부드럽고 유연해서 동작에 있어서 막은 반복적으로 적어도 외부 판들 중 하나와 접하여 부분적으로 보유하게 될 것이다. 막과 외부 판들 중 하나 사이에 배치된 투수성 지지 부재로, 상기 막은 지지 부재의 영역에서 외부 판으로부터 떨어져 유지된다. 지지부재가 배치된 막 측면에 따라서, 가습수는 먼저 지지 부재를 통한 후 막으로 침투되거나 또는 먼저 막을 통한 후 지지 부재로 침투되며, 이런 방식으로 가습수는 가습되는 동작 가스에 도달한다.

예를 들면, 지지 부재는 막에 견고하게 연결된다. 결과적으로, 막은 가스 공간과 지지 부재에 의한 가습수 공간 사이의 바람직한 위치에서 유지되는데, 이는 충분한 강성을 제공하여 막은 외부 판들 중 하나와 접하여 보유되지 않는다. 본 발명의 선택적인 구성에서, 막은 지지 부재와 접하여 헐겁게, 및 해체 가능하게 보유되고, 예를 들면, 동작 가스 압력 또는 가습수 압력에 의하여 지지 부재상에 압착된다. 상기 방식으로도, 막은 미리 결정된 위치에서 유지된다.

가스 공간 또는 가습수 공간 각각을 통한 동작 가스 또는 가습수의 흐름이 가습 전지의 동작에 불리한 효과가 있는 정도까지 지지 부재에 의해서 중단되지 않기 위해서, 지지 부재가 전체 가스 공간 또는 가습수 공간을 채우지 않고, 공간의 클리어 부분을 남겨두는 것이 바람직하다.

지지 부재가 막의 두 측면 각각에 배치된다면 막은 특히 신뢰할 만한 바람직한 위치에 유지된다. 막이 하나 또는 두 개의 지지 부재들과 견고히 연결되거나 지지 부재들 사이에서 해체 가능하게 클램프되거나와 관계없이 외부 판들에 의한 막의 부분적 커버리지는 지지 부재들 영역에서는 불가능하다. 이는 막에 대해서 신뢰성 있는 높은 가습 용량을 보장한다. 각각의 경우 제1 외부 판, 제1 지지 부재, 막, 제2 지지 부재, 및 제2 외부 판이 서로 접하여 보유된다면, 특히 막의 안정한 장착, 및 특히 간단한 가습 전지 어셈블리가 이루어진다. 이 경우에, 외부판들은 동작 가스 또는 가습수가 외부 판들을 따라, 및 외부 판을 보유하는 지지 부재를 따라서 흐를 수 있는 통로들이나 스탬프 형성들을 바람직하게 포함한다. 상기 구성에서, 가습 전지는 압력에 민감하지 않은 특히 안정한 어셈블리를 형성한다. 본 발명의 상기 구성은 매우 편평한 가스 공간 및/또는 가습수 공간을 가진 매우 편평한 가습 전지들의 경우에 특히 적당하다.

예를 들면, 지지 부재는 짠(woven)와이어 구조, 꼰(braided)와이어 구조, 또는 대안으로 확장된 그리드로 설계될 수 있다. 그러나, 상기 경우에 금속성 지지 부재는 일반적으로 부드러운 막을 손상시키는 날카로운 모서리들을 포함하지 않는 것이 보장되어야 한다. 꼰 섬유 구조 또는 섬유 펠트(felt)로 만들어진 지지 부재는 특히 낮은 비용으로 막에 기계적 손상을 야기하지 않는 형태로 생산될 수 있다. 적당한 섬유들의 예로는 플라스틱 섬유들, 셀룰로즈 섬유들, 또는 동작 가스들에 대해서 충분히 화학적으로 안정한 다른 섬유들을 포함한다.

지지 부재를 카본지(carbon paper)로 만드는 것이 특히 유리하다는 것이 증명되었다. 카본지는 물과 결합되는 순수한 산소, 및 순수한 수소에 대해서 조차도 충분히 안정하고, 또한, 가습 전지의 효과적인 동작을 보장하는 충분한 투수성이 있다.

지지 부재가 친수성이라면, 가습 전지에서 특히 높은 가습 용량이 이루어진다. 친수성 지지 부재는 물을 흡수하고, 물이 증발하는 위치에서 특히 효과적으로 물을 통과한다. 카본지가 지지 부재로 사용된다면, 예를 들면, 화학 처리에 의해서 카본지의 친수성을 증가시키는 것이 가능하다.

지지 부재는 가습수 또는 동작 가스에 액세스할 수 있는 막의 표면을 완전히 커버할 수 있다. 그러나, 예를 들면, 지지 부재내의 절단부 제공에 의해 지지 부재가 단지 막의 편평한 측면의 일부만을 커버한다면, 막에 대한 양호한 지지는 또한 보장된다. 이는 가습수, 및 동작 가스가 방해받지 않고 막에 엑세스되어 가습 전지의 가습 용량이 증가된다는 것을 의미한다. 그러나, 지지 부재가 막의 편평한 측면의 적어도 절반을 커버하는 것이 보장되어야만 하는데, 왜냐하면, 이 영역보다 적게 커버된다면 일반적으로 높은 유동성 막에 대한 충분한 지지가 더이상 보장되지 않기 때문이다.

본 발명의 바람직한 구성에서, 가습 전지는 동작 매체 입구 영역내의 지지 부재를 커버하는 커버링 장치를 포함한다. 동작 매체 입구는 가스, 또는 가습 전지의 가습수 공간 상으로 라인, 또는 통로의 개구이며, 이를 통해서, 가습 전지가 동작하는 동안 동작 매체들로 아래 언급된 동작 가스와 가습수가 가스 공간, 및 가습수 공간으로 각각 흐른다. 따라서, 상기 동작 매체들은 가습 전지의 각각의 공간으로 동작 매체 입구를 통해서 흐른다. 동작 매체 공간의 특정한 구성에 따라서, 동작 매체는 동작 매체 입구 밖에서 동작 가스로 흐르거나 또는 가습수 공간은 지지 부재에 의해서 방해받는다는 것이 알려졌다. 동작 매체는 동작 매체 입구 밖에서 상응하는 공간으로 비교적 빠른 속도로 흘러, 지지 부재와 접촉하게 되거나 또는 지지 부재를 따라 비교적 빠른 속도로 흐른다. 결과적으로, 난류(turbulence)가 동작 매체에 생성되며, 이는 동작 매체의 흐름을 낮추고 가습 전지에 나타난 동작 매체에 대한 흐름 저항을 증가시킨다. 상기 난류 특성에 의해서 유발된 흐름 저항의 증가는 동작 매체 입구 영역의 지지 부재를 커버하는 커버링 장치에 의해서 실질적으로 방지할 수 있다. 사용된 커버링 장치는 예를 들면, 동작 매체 입구 주위의 동작 매체의 흐름으로부터 지지 부재를 분리하기 위해서 사용되는 필름 또는 호일, 금속 코팅, 플라스틱 조각, 또는 작은 판금일 수 있다. 커버링 장치는 동작 매체를 동작 매체 입구 밖에서 각각의 공간으로 돌리고 뚜렷한 난류를 형성하지 않고 동작 매체가 공간에서 흐르는 것을 보장한다.

본 발명의 양호한 구성에서 상기 막은 연료 전지 장치들의 연료 전지들 전해질 어셈블리의 전해질과 같은 재료로 만들어진다. Wilmington, Delaware의 듀퐁사에 의해서 제작된 NAFION이라는 고분자 화합물은 상기 형태의 재료로 사용하기 적합하다. 상기 구성은 연료 전지의 생산을 단순화하는데, 왜냐하면, 연료 전지 장치들에 이미 사용되었던 재료를 이용하는 것이 가능하기 때문이다.

가습 전지를 생산하는 동안 전극들의 구조가 캐리어 재료들에 의해서 결정된다면 추가적인 단순화가 이루어질 수 있는데, 그러한 경우에 지지 부재는 동일한 캐리어 재료로 만들어진다. 연료 전지의 전극들에 부여된 요구조건들은 가습 전지의 지지 부재에 부여된 요구조건들과 유사하다: 전극들, 및 지지 부재들은 작동 가스들과 물의 혼합에 대하여 충분히 화학적으로 안정해야 하며, 물과 작동 가스들에 침투할 수 있어야 한다. 따라서, 전극들과 지지 부재들은 동일한 캐리어 재료로 만들어 질 수 있다. 전극들, 또는 지지 부재들의 특정 성질들은 상기 캐리어 재료의 부가적인 처리에 의해서 이루어진다. 상기 방식에서, 예로써, 지지 부재에 대한 꼰 섬유 조직, 또는 섬유 펠트 화학 처리에 의해서 친수성이 된다. 전극들과지지 부재에 대해 이용되는 약간 다른 생산 공정들에도 불구하고, 전극들과 지지 부재들의 생산을 위한 동일한 캐리어 재료의 사용은 연료 전지 장치의 생산을 단순화하고, 또한 비용을 줄인다.

본 발명의 또한 장점은 연료 전지들이 막과 막의 양 측면에 배치된 지지 부재들로 구성된 막 어셈블리를 포함한다면 이루어지는데, 상기 경우에, 막 어셈블리와 전해질 어셈블리는 구조와 크기에 있어서 동일하다. 상기 경우에, 가습 전지는 연료 전지 장치의 연료 전지와 유사한 구조를 갖는다: 연료 전지의 전해질 대신에, 가습 전지는 막을 갖는데, 이는 전해질과 동일한 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 전해질의 두 개의 편평한 측면상에 전극들의 배치와 유사하게, 가습 전지에서 지지 부재들은 막의 두 개의 편평한 측면에 배치된다. 그러나, 상기 경우에, 지지 부재들은 막에 견고히 연결되지 않고, 막에 접하여 다소 헐겁게 보유된다. 상기 경우에, 지지 부재들은 전극들과 동일한 캐리어 재료를 포함하는 것이 바람직하다.

또 다른 장점은 가습 전지와 연료 전지 장치의 연료 전지의 동일한 구조에 의해서 이루어진다. 이는 상기 연료 전지 장치의 생산을 단순화하고 규준화하는 것을 더 쉽게 만든다. 연료 전지에서, 산화 가스 공간과 연료 가스 공간은 전해질 어셈블리의 하나의 측면에 배치된다. 유사하게, 가습 전지에서, 가스 공간과 가습수 공간은 막 어셈블리의 하나의 측면에 배치된다. 연료 전지가 연료 전지의 편평한 측면들 양쪽의 상호접속 판에 의해서 한정되는 방법과 유사한 방식으로,가습 전지는 가습 전지의 편평한 측면들의 양쪽에 외부 판들에 의해서 한정된다. 상기 경우에, 외부 판들이 동일한 재료로 만들어지고, 연료 전지의 상호접속 판들과 같은 형태로 유지되는 것이 바람직하다. 막 어셈블리의 소자들과 전해질 어셈블리의 소자들에 대해서 동일한 크기들이 사용된다면, 어셈블리들을 생산할 때 동일한 기구들과 템플릿들을 사용하는 것이 가능하다. 이는 연료 전지 장치의 생산을 상당히 단순화한다.

전해질 어셈블리, 및 막 어셈블리가 동일한 밀봉 재료에 의해서 둘러싸여 진다면, 연료 전지 장치의 생산은 또한 단순화된다. 밀봉 재료는 위치에서 어셈블리들을 유지하고 가스 공간과 가습수 공간이 연료 전지 장치의 주변에 대하여 가스 방지 방식으로 폐쇄되는 것을 보장한다.

연료 전지 장치의 계획, 설계, 생산, 및 어셈블링은 연료 전지들의 형태와 크기와 동일한 가습 전지들의 외부 형태, 및 외부 크기들에 의해서 단순화될 수 있다. 이는 연료 전지들과 가습 전지들의 생산을 규준화하는 것을 가능하게 만든다. 또한, 연료 전지 장치의 구조는 결과적으로 단순화되는데, 왜냐하면, 예를 들면, 연료 전지 장치 주위의 결착막대, 배관, 또는 슬리브와 같은 전지들을 둘러싸는 장치들의 부품들은 가습 전지들과 연료 전지들의 크기가 다를 때에는 적용되지 않기 때문이다.

본 발명의 실시예들은 아래 도면을 기초로 더 자세히 설명된다.

도면들에서 동일한 소자들에는 동일한 참조 번호들이 제공된다.

도1은 밀봉 재료(3)로부터 만들어진 프레임에 장착된 막(5)을 포함하는 사각 평면 가습 전지(1)의 개략 평면도를 도시하고 절단 형태로 도시된다. 지지 부재(7)는 절단 형태와 마찬가지로 막(5)아래에 보인다. 스탬핑된 구조(11)로 금속 판으로 구성된 외부 판(9)은 지지 부재(7)아래에 도시된다. 스탬핑된 구조(11)는 외부 판(9)내에 둥근 상승부들(elevations), 또는 함몰부들(recesses)을 포함한다. 커버링 장치(13)는 외부 판(9)과 지지 부재(7)사이에 배치된다. 커버링 장치(13)는 동작 매체 입구(15) 영역에 배치된다.

도2는 A-A라인상의 가습 전지(1)의 단면을 도시한다. 가습 전지(1)는 연료 전지 장치의 가습 전지 스택부를 형성한다. 가습 전지(1)가 동작하는 동안, 연료 가스는 가습 전지(1)의 축 통로(17)를 통해서 흐른다. 축 통로(17)는 가습 전지 스택의 스택 방향에 평행하게 배향된다. 방사 통로(19)는 각각의 경우에 축 통로(17)로부터 가습 전지 스택의 가습 전지들(1) 중 하나로 분기된다. 연료 가스는 방사 통로(19)를 지나 흐르고 난 후, 작동 매체 입구(15)를 통해서 앞으로 흐르고 난 후, 가습 전지(1)의 가스 공간(21)을 통과한다. 연료 가스가 작동 매체 입구(15)로부터 방출된 후에, 연료 가스는 뚜렷한 난류를 형성하지 않고, 한 편으로커버링 장치를 지나가고, 및 다른 한 편으로 가습 전지(1)의 외부 판(9)을 지나간다.

외부 판(9)은 두 개의 금속 판을 포함한 가열 부재로 구성된다. 금속 판들 사이에는 가열수 공간이 있으며, 이를 통해서 가습 전지(1)가 동작할 때, 따뜻한 가열수가 흐른다. 상기 가열수는 가습 전지(1)를 통해서 흐르는 연료 가스, 및 연료 전지 장치의 연료 전지들의 대략적인 온도에서 가습수 둘 다를 가열한다.

가스 공간(21)에서, 연료 가스는 가습수로 가습되고, 가스 공간(21)을 통해서 흐른 후에, 가스 공간(21)의 동작 매체 입구(23)를 통과한다. 부가의 방사 통로와 부가의 축 통로를 지나 흐름으로써, 가습된 상태로 다시 가습 전지(1)를 남겨둔다. 지지 부재(7b)는 부가의 커버링 장치(24)에 의해서 동작 매체 출구(23)의 영역에 또한 커버되어, 연료 가스가 동작 매체 출구(23)로 흐르는 난류가 방지된다.

도3은 도1에 도시된 라인 B-B상으로 가습 전지(1)의 단면도를 도시한다. 상기 단면은 가습 전지(1)가 동작하는 동안 가습수를 운반하는 축 통로(25)를 따라서 도시한다. 가습수는 축 통로(25)를 통해서 흐르고 난 후, 부가의 동작 매체 입구(29)로 방사 통로(27)를 통해서 통과한다. 상기 동작 매체 입구(29)를 통해서 흐름으로써, 가습수는 가습수 공간(31)으로 지나간 후, 외부 판(9)과 커버링 장치(33) 사이를 흐른다. 이어, 가습수는 지지 부재(7a)를 지나는데, 상기 지지 부재는 화학 처리에 의해서 친수성인 카본지이다. 소정의 가습수는 친수성 카본지를 통해서 침투되어 막(5)에 도달한다. 가습수가 상기 투수성 막(5)을 통과한 후에, 가습수는 막(5)의 다른 측면에 배치된 부가의 지지 부재(7b)를 통해서 또한 침투한다. 가습수는 가스 공간(21)을 면하는 지지 부재(7b)의 측면에서 증발하여 가스 공간(21)을 통해서 흐르는 연료 가스를 가습한다. 가습수의 또 다른 부분은 사용되지 않은 가습수 공간(31)을 통해서 흘러, 부가의 커버링 장치(35)를 따라서 흘려지고 방사 통로와 부가의 축 통로를 통해서 흐른 후에는 다시 가습 전지에 남겨진다.

두 개의 지지 부재들(7a, 7b)은 투수성 막(5)과 접하여 해체 가능하게 보유되며, 폭이 좁은 외부 에지와는 떨어져서 완전히 막(5)의 편평한 외부 측면들을 커버한다. 막(5)과 함께 두 개의 지지 부재들(7a, 7b)은 가습 전지(1)의 두 개의 외부 판들(9)사이에 클램핑된 막 어셈블리를 형성한다. 따라서, 지지 부재들(7a, 7b)은 한쪽 측면 상에서는 막에 접하게 그리고 다른 쪽 측면 상에서는 외부 판들(9) 중 하나에 접하게 보유된다. 지지 부재들(7a, 7b)은 위치에서 고정되어 막(5)을 유지한다. 또한, 지지 부재들(7a, 7b)은 막(5)이 어떠한 위치에서도 외부 판(9)과 접촉하지 않도록 보장하며, 이는 외부 판들(9) 부분에 의해서 커버된다. 이는 가습수와 동작 가스가 지지 부재(7a)를 통해서 막(5)의 실질적인 전체 영역에 대해서 막(5)으로 침투될 수 있다는 것을 의미한다.

도4는 연료 전지 블록의 형태로 연료 전지 장치(41)를 개략적으로 도시한다. 연료 전지 장치는 가습 전지들의 스택(43), 및 연료 전지들의 스택(45)을 포함한다. 가습 전지들(53)은 연료 전지들(45)과 동일한 폭과 높이를 가진다. 결과적으로, 연료 전지 블록은 스택 축을 따라 가습 전지들(43)의 스택 방향과 연료전지들(45)을 따라서 일정한 폭과 높이를 가진다. 또한, 가습 전지들(43)은 연료 전지들(45)과 동일한 두께이며, 이는 가습 전지들(43)의 외부 형태 및 크기가 연료 전지들(45)의 외부 형태 및 크기와 동일하다는 것을 의미한다.

도5는 연료 전지 장치(41)의 연료 전지(45)의 단면도를 도시한다. 연료 전지(45)는 전해질(51), 두 개의 전극들(53a, 53b)을 포함하는데, 이는 각각의 경우에 전해질(51)의 편평한 측면상에 배치된다. 전극(53a)은 전극(53a)과 연료 전지(45)의 상호접속 판(57a)사이에 배치된 연료 가스 공간(55)에 인접하게 된다. 전극(53b)과 연료 전지(45)의 또 다른 상호접속 판(57b)사이에 배치된 산화 가스 공간(59)은 전극(53b)에 인접한다. 상기 상호접속 판들(57a, 57b)은 냉각 부재들이며, 상기 냉각 부재들은 두 개의 금속판 사이에 냉각수 공간을 포함한 두 개의 금속판들로 구성된다.

연료 전지(45)가 동작하는 동안, 냉각수는 상호접속 판들(57a, 57b)를 통해서 흘러서 연료 전지(45)를 냉각한다. 산화 가스는 연료 전지(45)의 축 통로(61)를 통해서 흐르고 난 후, 방사 통로를 통해서 산화 가스 공간(59)으로 흐른다.

가습 전지(1)의 막 어셈블리, 및 연료 전지(45)의 전해질 어셈블리 둘 다는 밀봉 재료(3, 또는 63)로 만들어진 프레임에 의해서 각각 둘러싸인다. 가습 전지(1)의 밀봉 재료(3)는 연료 전지(45)의 밀봉 재료(63)와 동일한 재료이다. 지지 부재들(7a, 7b)은 또한 전극들(53a, 54b)과 동일한 캐리어 재료로, 이름하여 카본지로 만들어진다. 그러나, 전극들(53a, 53b)의 카본지는, 지지 부재들(7a, 7b)과는 달리, 친수성이도록 부가의 재료로 또한 코팅된다. 또한, 전해질(51)과 마주한 전극 측면상에서, 전극들(53a, 53b)은 백금 코팅을 가지는데, 이는 연료 전지(45)내에서 전기 화학 반응에서 촉매로 작용한다. 투수성 막과 마찬가지로 전해질(51)은 NAFION으로 만들어진다. 또한, 가습 전지(1)의 막 어셈블리는 연료 전지(45)의 전해질 어셈블리와 동일한 크기를 갖는다. 연료 전지(45)와 가습 전지(1)의 유사한 구조는 연료 전지 장치(41)에서 사용된 재료들의 수, 및 연료 전지 장치(51)를 생산하기 위해서 요구되는 장치들의 수는 조정 가능한 레벨로 유지된다. 이는 가습 전지(1), 및 연료 전지 장치(41)의 생산 비용을 줄인다.

Claims (13)

1. 두 개의 외부 판들(9), 상기 외부 판들 사이에 가스 공간(21), 가습수 공간(31), 및 상기 두 공간(21,31)을 분리하는 투수성 막(5)이 배치된 연료 전지 장치(41)의 가습 전지로서,

   상기 막(5)과 상기 외부 판들(9) 중 하나 사이에 배치된 투수성 지지 부재(7a,7b)를 포함하는 가습 전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 지지 부재(7a,7b)는 상기 막(5)의 두 측면들 각각에 배치된 것을 특징으로 하는 가습 전지.
3. 제1항에 있어서,

   상기 지지 부재(7a,7b)는 꼰 섬유 구조, 또는 섬유 펠트로 만들어진 것을 특징으로 하는 가습 전지.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 지지 부재(7a,7b)는 카본지를 포함하는 것을 특징으로 하는 가습 전지.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 지지 부재(7a,7b)는 친수성인 것을 특징으로 하는 가습 전지.
6. 제1한 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 지지 부재(7a,7b)는 적어도 상기 막(5)의 편평한 측면의 절반을 커버하는 것을 특징으로 하는 가습 전지.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   커버링 장치(13,33)는 동작 매체 입구(15,29) 영역에서 상기 지지 부재(7a,7b)를 커버하는 것을 특징으로 하는 가습 전지.
8. 각각 전해질(51), 및 상기 전해질(51)의 양쪽 측면에 배치된 전극들(53a.53b)로 구성된 전해질 어셈블리를 포함하는 다수의 연료 전지들(45)을 포함하는 연료 전지 장치(41)로서,

   제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 다수의 가습 전지들(1)을 포함하는 연료 전지 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 막(5)은 상기 전해질(51)과 동일한 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,

    상기 전극들(53a,53b)의 구조는 캐리어 재료로 형성되고, 상기 지지 부재(7a,7b)는 상기 동일한 캐리어 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 가습 전지들(1)은 막(5)과 상기 막(5)의 양 측면들에 배치된 상기 지지 부재(7a,7b)을 포함하고, 상기 막 어셈블리와 상기 전해질 어셈블리의 구조, 및 크기는 동일한 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 전해질 어셈블리, 및 상기 막 어셈블리는 동일한 밀봉 재료(3,63)에 의해서 밀봉되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 가습 전지들(1)과 상기 연료 전지들(45)의 외부 형태 및 크기는 동일한 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.