KR20060013421A - 연료 전지 및 연료 전지용 가열 장치 - Google Patents

연료 전지 및 연료 전지용 가열 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해질 전극 유닛들(2) 사이에 배치된 분리판(separator plate)(1)을 포함하는 연료 전지에 관한 것으로, 상기 분리판은 접촉면(6)에 접하면서 엠보싱(5)을 갖는 2개의 패널(3, 4)로 구성된다. 상기 두 패널(3, 4) 사이에 냉각제용 유체 챔버(9)가 형성되고, 각각의 패널(3, 4)과 각각의 인접한 전해질 전극 유닛(2) 사이에 가스용 유체 챔버(7, 8)가 형성되며, 상기 냉각제용 유체 챔버(9)는 각각의 패널(3, 4)을 향하는 2개의 서브 챔버(10, 11)를 포함하고, 냉각제는 오로지 교대 방식으로만 상기 두 서브 챔버(10, 11)를 통과함으로써 상기 유체 챔버를 관류할 수 있다.

Description

연료 전지 및 연료 전지용 가열 장치{FUEL CELL AND HEATING DEVICE FOR A FUEL CELL}
본 발명은 전해질 전극 유닛들 사이에 배치되고 냉각제에 의해 관류될 수 있는 분리판을 포함하는 연료 전지 및 연료 전지용 가열 장치에 관한 것이다.
예컨대 EP 0 876 686 B1으로부터 그러한 연료 전지가 공지되어 있다.
EP 0 876 686 B1으로부터 공지되어 있는 연료 전지는 2개의 전해질 전극 유닛 사이에 각각 하나의 분리판을 가지며, 상기 분리판은 3개의 유동 챔버, 즉 제 1 전해질 전극 유닛의 애노드에 인접한 가스 챔버, 제 2 전해질 전극 유닛의 캐소드에 인접한 가스 챔버 및 액체 냉각제용 냉각제 챔버를 서로 분리한다. 냉각제 챔버는 연달아 놓인 2개의 패널로 된 유닛으로 구성되는 분리판과 접한다. 분리판은 유동 라인의 기능에 추가로 대향 배치된 전해질 전극 유닛들 사이를 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 분리판의 개별 패널들 사이의 접촉면이 더 확장될수록, 분리판에 의해 형성되는 인접한 전해질 전극 유닛들 사이의 전기적 연결의 전도도가 더 높아진다. 그러나 상기 두 패널이 전체 면에 걸쳐서 접촉됨으로써 냉각제의 유동이 제한된다.
본 발명의 목적은, 한 편으로 냉각과 관련하여 그리고 다른 한 편으로 전기적 특성과 관련하여 분리판에 대한 경쟁적 요건들을 대부분 충족하는 연료 전지를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 연료 전지, 특히 연료 전지의 가습기 유닛에 매우 적합한 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징들을 가진 연료 전지 및 청구항 11의 특징들을 가진 가열 장치를 통해 달성된다. 연료 전지는 본래 공지되어 있는 방식으로 평행하게 대향 배치된 2개의 전해질 전극 유닛을 포함하고, 상기 2개의 전해질 전극 유닛 사이에는 3개의 유체 챔버를 분리하는 분리판이 배치되며, 3개의 유체 챔버라 함은 다시 말해 전해질 전극 유닛을 향하는 2개의 가스 챔버 및 상기 분리판의 서로 인접하는 엠보싱 패널들 사이에 형성된 냉각 챔버를 말한다. 특히 액체 냉각제를 위한 냉각 챔버는 각각의 패널 쪽 및 그에 따라 각각의 전해질 전극 유닛 쪽을 향하는 2개의 서브 챔버로 분할된다.
상기 서브 챔버들 사이에 존재하는 가상의 분리 평면이 인접한 전해질 전극 유닛들에 평행하게 분리판을, 바람직하게는 분리판의 가운데를 횡단한다. 상기 분리 평면 내에서 분리판의 양 엠보싱 패널이 접촉면에 서로 연결되는 것이 바람직하다. 그러나 접촉면이 반드시 단일 평면에 놓일 필요는 없으며, 전해질 전극 유닛에 필수적으로 평행하게 정렬되어야 하는 것은 아니다.
냉각제 챔버는 항상, 상기 두 서브 챔버를 연속하여 횡단하는 유동 경로들을 통해서만 냉각제가 분리판을 통과하여 흐를 수 있는 방식으로 형성된다. 다시 말해 냉각제는 두 서브 챔버를 교대로 관류한다. 이때 분리판을 관류하는 각각의 냉각제 입자가 바람직하게 상기 두 서브 챔버 사이를 여러 번 이동한다. 냉각제 챔버의 한 서브 챔버로부터 다른 서브 챔버로의 필수적인 유동에 의해 냉각제 챔버 내에서 냉각제가 원활하게 혼합될 뿐만 아니라 전해질 전극 유닛들을 향하는 분리판 표면들과 냉각제 사이의 열전도율이 높아진다. 그럼으로써 인접한 전해질 전극 유닛들 사이의 온도 기울기가 작게 유지된다. 분리판의 개별 패널들 사이의 접촉면들은 분리판의 가장자리뿐만 아니라 분리판의 통상 직사각형인 면의 내부에도 존재한다. 이러한 내부 접촉면은 서브 챔버 내에 있는 냉각제의 안내 및 개별 패널들 사이의 전기 접촉에 사용된다. 따라서 이격된 전해질 전극 유닛들 사이의 전류가 분리판 내부에서 다수의 접촉면들로 분할된다. 이러한 방식으로 전류 밀도가 상승하는 영역 및 그에 따라 열 발생이 증가하는 영역이 생기지 않거나, 적어도 매우 미미하게 생겨난다.
바람직한 구현에 따르면 연속하여 놓인 패널들이 적어도 거의 동일한 엠보싱을 갖는다. 한 바람직한 실시예에서는 엠보싱이 거의 둥글게, 돌기의 형태로 형성된다. 돌기들은 예컨대 다각형 또는 임의의 다른 형태를 가질 수 있다. 돌기 구조물을 갖는 패널들은 상대적으로 서로 엇배치되고, 그 결과 패널들 사이의 냉각제용 유동 경로가 노출된다. 상기 패널들 중 적어도 하나의 패널은 전해질 전극 유닛들에 수직으로 배치된 분리판의 대칭 평면과 동일한 돌기형 엠보싱의 대칭 평면을 갖지 않는다. 패널들의 양 돌기 구조물들이 각각 -패널에 수직인- 대칭 평면을 갖는 한, 상기 대칭 평면들은 서로 엇배치된다.
또 다른 한 바람직한 실시예에서는 패널들의 엠보싱들이 리브(rib) 형태로 형성된다. 이 경우 양 패널들의 리브들이 패널 평면 내에서 상대 회전을 하거나 마주봄으로써 냉각제용 유동 경로가 노출된다. 개별 리브들이 반드시 직선 형태일 필요는 없다. 이 경우에도 상황에 따라 존재하는. 적어도 하나의 패널의 엠보싱 구조물의 대칭 평면은 일반적으로, 특히 직사각형 구조의 연료 전지에서, 제공되는 패널의 대칭 평면과 다르다.
연속하여 놓인 패널들 사이에 매우 작은 전기 저항을 얻기 위해, 상기 패널들의 접촉면들에 바람직하게 적절한 도금, 특히 전기 도금, 바람직하게 금 도금이 제공된다. 패널들 사이의 접촉면의 전체 면적은 바람직하게 분리판의 유체 공급 가능한 전체 면적의 적어도 10%, 특히 적어도 20%에 달한다. 분리판 내에서 냉각제가 저항을 받지 않고 충분히 유동할 수 있도록 하기 위해, 접촉면의 총 면적이 전체 분리면의 90% 이하, 특히 80% 이하인 것이 바람직하다.
연료 전지 블록, 특히 청구항 1의 특징들을 가진 연료 전지의 가습기를 위한 본 발명에 따른 가열 장치는 흐름 안내 부재로서의 가열 부재를 포함하며, 상기 가열 부재는 기본적으로 연료 전지의 분리판에 상응하게 구성된다. 가열 장치의 측면은 전해질 전극 유닛들 대신 에지 패널들과 접한다. 전기적 특성을 제외하고, 연료 전지와 관련하여 구현되는 개선예들과 장점들은 가열 장치에도 유사하게 적용된다. 가열 매체는 패널들 사이에 형성된 유동 챔버 내부 또는 외부로 안내될 수 있다. 각각의 다른 유동 챔버(들) 내에는 가열될 매체가 들어있다.
본 발명의 장점은 특히, 프레임 형태의 에지 영역에서뿐만 아니라 분리판의 내부 영역에서도 연료 전지의 전해질 전극 유닛들에 수직으로 전류 전도가 가능한 방식으로, 분리판을 형성하는 연료 전지의 2개의 패널이 연결됨으로써 분리판이 전체면에 걸쳐서 거의 균일하게 분포된 매우 작은 전기 저항을 갖는다는 점에 있다. 이와 동시에, 패널들에 통상 규칙적으로 배치되는 융기부 및 함몰부 그리고 패널들 사이의 접촉면으로 이루어진 구조에 의해 냉각제용 유동 채널이 형성되고, 상기 유동 채널이 분리판의 서로 대향 배치된 두 표면에 교대로 접함으로써 인접한 전해질 전극 유닛들의 강력하고 균일한 열 방출이 가능해진다. 매우 합리적인 방식으로는, 분리판에 상응하는 구조를 가진 열 전달 장치가 연료 전지의 가습기용 가열 부재로도 사용된다.
하기에는 도면을 참고로 본 발명의 여러 실시예들이 설명된다.
도 1은 연료 전지의 분리판의 일부로서 하나의 엠보싱 패널을 도시한 도면이다.
도 2는 2개의 엠보싱 패널들로 구성된 분리판을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 따른 분리판의 일부를 잘라낸 평면도이다.
도 4는 리브형 엠보싱 구조를 가진 분리판을 도 3과 유사하게 도시한 도면이다.
도 5는 냉각제 연결 채널들을 가진 분리판의 한 섹션을 도시한 도면이다.
도 6은 돌기형 엠보싱을 가진 분리판의 전체 모습을 도시한 도면이다.
도 7은 리브형 엠보싱을 가진 분리판의 전체 모습을 도시한 도면이다.
서로 대응되는 부분들은 모든 도면에서 동일한 도면부호로 표기하였다.
도 1 내지 도 3에는 예컨대 EP 0 876 686 B1으로부터 공지되어 있는 (자세히 도시되지 않은) 연료 전지의 분리판(1)의 한 섹션의 횡단면도 및 평면도가 각각 도시되어 있다. 조립된 패널들(3, 4)로 구성된 분리판(1)에 인접하는 전해질 전극 유닛(2)은 오직 도 1에만 나타나 있다. 각각의 패널(3, 4)은 돌기 구조물 형태의 엠보싱(5)을 가지는데, 이때 도 2에서 아래에 배치된 패널(4)의 엠보싱 방향(P)은 위에 배치된 패널(3)의 엠보싱 방향과 반대이다. 패널(3, 4)의 원래 평면은 중간 평면(M)을 형성한다. 중간 평면(M)에서는 패널들(3, 4)은, 특히 도 3에 도시된 것처럼, 접촉면들(6)에 전기적으로 서로 연결된다. 서로 분리된 개별 접촉면들(6)은, 계속해서 도 3에 도시된 것처럼, 분리판(1)의 표면 위에 균일하게 분포되어 있다.
인접한 전해질 전극 유닛들(2) 사이에 배치된 분리판(1)에 의해 3개의 유체 챔버(7, 8, 9), 즉 각각 한쪽 전해질 전극 유닛(2)에 접하는 가스 챔버(7, 8) 및 액체 냉각제, 특히 물을 수용하기 위한, 패널들(3, 4) 사이에 배치된 냉각제 챔버(9)가 구분된다. 냉각제 챔버(9)는 중간 평면(M)에서 서로 접하는 2개의 서브 챔버(10, 11)로 분할되고, 상기 분할 챔버들은 각각 다수의 돌기형 공동들(12)로 형성된다. 일 패널(3, 4)의 일 공동(12)이 오버플로우 섹션(13)을 통해 각각 반대편 패널(4, 3)의 3개의 공동(12)과 연결되도록 패널들(3, 4)이 서로 엇배치되기 때문에, 냉각제가 중간 평면(M)에 평행하게 분리판(1)을 통해 유동할 수 있다. 그로 인해 분리판(1)의 전체면을 덮는 망 형태의 냉각제 챔버 구조가 형성된다. 한쪽 패널(3, 4)의 공동(12)으로부터 반대편 패널(4, 3)로 냉각제가 흐르는 경우, 냉각제는 필연적으로 한쪽 서브 챔버(10, 11)로부터 반대편 부분 채널(11, 10)로 안내된다. 따라서 냉각제는 계속해서 분리판(1)에 수직으로 방향이 바뀐다. 또한, 공동들(12)이 엇배치됨으로써 냉각제는 역시 계속해서 중간 평면(M)에 평행한 방향들로 편향된다. 따라서 각각의 냉각제 입자는 예컨대 자갈층(pebble bed)에서의 유동에 견줄만한 3차원 유동 경로를 그린다. 종합해보면, 이로써 분리판(1) 내부에서 냉각제가 매우 균일하게 혼합될 수 있고, 전해질 전극 유닛들(2)과 냉각제 사이의 매우 높은 열 전달력이 달성된다. 냉각제가 한 장소에서만 분리판(1) 내로 유입될지라도, 상기 냉각제는 얼마 가지 않아 옆으로 분산된다. 이 유동은 분리판(1)의 면 내부에서 균일한 유동 저항을 받으며 일어난다. 패널들(3, 4) 사이에 또는 인접한 전해질 전극 유닛들(2) 사이에 분산기 플레이트 또는 스페이서를 설치할 필요가 없다. 그러한 부품들의 생략은 패널(3, 4)의 돌기 구조에 의해 형성되는 냉각체 챔버(9) 및 가스 챔버(7, 8)의 인터리빙 방식의 배열에 추가로 연료 전지의 협소 설계(narrow design)에 기여한다. 이때, 중간 평면(M)에서의 온도 분포는 유동 안내 부품들의 생략에도 불구하고 바이폴라판(bipolar plate) 또는 쿨링 카드(cooling card)라고도 불리는 분리판(1)에서처럼 매우 균일하다. 이는 연료 전지의 매우 높은 출력 및 매우 높은 효율이 달성되도록 하는데 기여한다. 또한, 실현 가능한 제조 정밀도도 이에 기여한다. 연료 전지의 제조시 분리판들(1)이 납땜 가공을 거치지 않고도 전해질 전극 유닛들(2) 사이에 변형 없이 삽입될 수 있다는 사실로써 높은 정밀도가 뒷받침된다.
언급한 분리판(1)의 장점들은 상기 분리판이 연료 전지용 가습기의 가열 장치 내에서 가열 부재 또는 가열기 코일(heater coil)로서 사용되는 경우에도 유사하게 적용된다. 모든 도면에는 가열 부재(1')의 구조도 도시되어 있다. 이 경우 패널들(3, 4) 사이에 배치된 유치 챔버(9) 또는 패널들(3, 4) 외부에 배치된 적어도 하나의 유체 챔버(7, 8)가 가열 매체에 의해 관류되는 가열 매체 챔버로서 작용한다. 가열될 매체는 나머지 유체 챔버 또는 유동 챔버들(7, 8, 9) 중 적어도 하나의 챔버 내에 존재한다. 이 구조는 전해질 전극 유닛들(2) 대신 에지 플레이트(2')와 경계를 이룬다.
분리판(1)이 연료 전지 내에 삽입되는 경우, 상기 분리판(1)은 인접한 전해질 전극 유닛들(2) 사이의 전기 접속을 위해서도 사용된다. 전류는 중간 평면(M)에 수직으로 패널들(3, 4) 및 접촉면(6)을 관통하여 흐른다. 접촉면(6)이 분리판(1) 내부에서 전체적으로 넓고 균일하게 분포됨으로써, 짧은 전류 경로와의 전기 접속 및 매우 작은 저항이 제공된다. 전도도를 개선하기 위해, 패널들(3, 4)의 접촉면(6)이 금으로 도금된다. 전류 흐름이 분리판(1)에 걸쳐 균일하게 분포되는 것 외에도 낮은 손실 출력이 연료 전지의 높은 출력 및 높은 효율에 기여한다.
도 4에는 분리판(1)의 한 대안적 실시예가 도시되어 있다. 이 경우에는 엠보싱(5)이 리브 구조물을 갖는다. 두 패널들(3, 4)의 엠보싱(5) 패턴은 중간 평면(M)에서 회전됨으로써 서로로부터 멀어진다. 도 1 내지 도 3에 따른 실시예와 연관하여 냉각제 분산 및 전류 전도의 관점에서 언급한 장점들이 유사하게 적용된다.
도 5에 도시된 분리판(1)은 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에 따라 형성된 다. 도 5에서는 추가로 (도시되지 않은) 냉각제용 레이디얼 채널의 연결을 위한, 관형 챔버를 형성하는 공동들(14)이 도시되어 있다. 분리판(1)의 반대편 - 도면에서 볼때 분리판(1)의 왼쪽 측면- 에도 마찬가지로 투영면에 수직으로 연장되는 (도시되지 않은) 채널들로의 연결을 형성하는 대응 공동들이 배치되어 있다. 패널(3, 4) 내에 위치한 공동들(14)은 두께가 전혀 증가하지 않거나, 약간만 증가한다. 냉각제 챔버(9) 내에 들어있는 냉각제의 유동 방향은 가스 챔버(7, 8) 내에 존재하는 가스, 특히 수소 및 산소의 유동 방향에 대해 임의의 각 상관(angular relation)을 가질 수 있다.
도 6 및 도 7은 돌기형 엠보싱 또는 리브형 엠보싱(5)을 가진 각각의 실시예를 기초로 하여 패널(3, 4) 엠보싱의 일반적인 특징을 도시한 것이다. 두 실시예에는 직사각형 분리판(1)의 대칭선(S)이 표시되어 있다. 도면에는 보이지 않는, 분리판(1)의 관찰 방향 반대편 측면에 배치된 엠보싱은 각각 대칭선(S)을 기준으로 대칭으로 형성되어 있다. 그에 반해 도면에 보이는 관찰 방향측 패널(3) 위의 엠보싱(5)은, 엠보싱 대칭선(SL)을 기준으로 도시된 것처럼, 상기 대칭선(S)에 비해 상대적으로 변위되거나(도 7), 변형되어 있다(도 7). 상기 실시예들과 달리, 패널들(3, 4)이 상이하게 구조화 및/또는 설계된 엠보싱들(5)을 가질 수도 있다.

Claims (11)

  1. 전해질 전극 유닛들(2) 사이에 배치된 분리판(separator plate)(1)을 포함하는 연료 전지로서,
    상기 분리판이 접촉면(6)에 접하면서 엠보싱(5)을 각각 갖는 2개의 패널들(3, 4)로 구성되고, 상기 두 패널(3, 4) 사이에 냉각제용 유체 챔버(9)가 형성되며, 각각의 패널(3, 4)과 인접하는 전해질 전극 유닛들(2) 사이에 가스용 유체 챔버(7, 8)가 형성되는, 연료 전지에 있어서,
    상기 냉각제용 유체 챔버(9)는 각각의 패널(3, 4)을 향하는 2개의 서브 챔버(10, 11)를 포함하고, 냉각제는 상기 두 서브 챔버(10, 11)를 오직 교대 방식으로만 통과함으로써 상기 유체 챔버를 관류할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 패널들(3, 4)은 적어도 거의 동일한 엠보싱(5)을 갖는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 엠보싱(5)은 실질적으로 원형의 공동(cavity)으로서 형성되는 것을 특 징으로 하는,
    연료 전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 패널들(3, 4)의 엠보싱들(5)은 서로 엇배치되는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 패널들(3, 4)의 엠보싱(5)은 실질적으로 리브(rib)형인 것을 특징으로 하는,
    연료 전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 패널들(3, 4)의 엠보싱들(5)이 서로 상대 회전을 하는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉면(6)이 금 도금되는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉면(6)이 상기 분리판(1)의 표면에 걸쳐서 적어도 거의 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉면(6)의 전체 면적이 상기 분리판(1)의 면적의 적어도 10%에 달하는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉면(6)의 전체 면적이 상기 분리판(1)의 면적의 90% 이하인 것을 특징으로 하는,
    연료 전지.
  11. 대향 배치된 에지 플레이트들(2') 사이에 놓인 유동 안내 부재를 포함하는, 특히 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지의 가열 장치에 있어서,
    상기 유동 안내 부재는 가열 부재(1')로서 각각 엠보싱(5)을 갖는 2개의 패 널(3, 4)로 형성되고,
    상기 가열 부재(1')와 하나의 에지 플레이트(2') 사이에 하나의 유동 챔버(7, 8)가 형성되고, 상기 패널들(3, 4) 사이에 또 다른 하나의 유동 챔버(9)가 형성되며,
    상기 유동 챔버(9)는 상기 패널(3, 4)과 각각 마주보는 2개의 서브 챔버(10, 11)를 포함하고, 상기 서브 챔버들은 오직 교대 방식으로만 흐름 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지의 가열 장치.
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