KR20100089086A - 슁글 구조에 배치된 연료 전지를 가지는 연료 전지 배열 및 그 용도 - Google Patents

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프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베.
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Abstract

본 발명은 적어도 2개의 단일 연료 전지를 포함하는 연료 전지 배열에 관한 것으로, 단일 연료 전지는 서로 비평행(non-parallel)하게 배열되며, 즉 서로에 대하여 서로 어긋나 배치되거나 슁글 구조(shingle construction)로 배열된다.

Description

슁글 구조에 배치된 연료 전지를 가지는 연료 전지 배열 및 그 용도{Fuel cell arrangement with fuel cells disposed in a shingle construction and also purposes of use}
본 발명은 적어도 2개의 단일 연료 전지를 포함하는 연료 전지 배열에 관한 것으로, 단일 연료 전지는 서로 평행하지 않고(non-parallel), 즉 서로에 대하여 어긋나서(offset) 배치되거나 슁글 구조(shingle construction)로 배치된다.
복수의 전기화학 전지의 전기 배선은 그래파이트 플레이트 등과 같은 전기적인 전도성 층(conductive layer)을 통해 적층 배열(stack arrangement)로 실행된다. 그들의 종횡비(aspect ratio) 때문에 때때로 그런 적층된 연료 전지는 특정한 애플리케이션에서 통합하기에 부적합하다. 또는, 이 적층 구조에서, 연료 전지가 한면에 배열될 수도 있다. 그러면 전도성 층에 의해 전기 배선을 실행할 수 있고, 전압을 추가하기 위해 한 전극의 양극(anode)이 인접한 전극의 음극(cathode)에 접촉한다. 평면 연료 전지의 전체 구조를 형성하기 위해 이 전도성 층이 평행하게 배열된다. 따라서, 외부 가이드 콘택트(externally guided contacts) 만을 통해서 인접한 전지의 전기 연결이 가능하다. 이것은 추가적인 구조공간을 요구하고 전기선이 길어지며 그로 인하여 높은 전기 저항이 발생하여 전압 손실이 증가한다.
외부 가이드 콘택트(externally guided contacts)를 통해 또는 각진 전류 방전기(angled current discharger)의 도움으로 현재까지 평면 배열에서의 전기 배선이 해결되었다. 특히 각진 전류 방전기(angled current discharger)는 작동 동안 발생하는 전형적인 연료 전지층 구조의 두께 변화를 보상할 수 없다. 그 결과, 전류 방전기(current discharger)와 연료 전지 전극 사이의 접촉 저항이 변화하고 손상되어 전원 출력이 손상된다.
본 발명의 목적은 복수의 단일 전지의 전기 배선을 보장하는 연료 전지 배열을 제공하는 것이며, 추가적인 전류 방전기(current discharger) 없이 가능한 간단하게 또한 가능한 떨어져서 전기 배선이 이루어질 수 있다.
이 목적은 청구항 1항에 따른 연료 전지 및 청구항 16항에 나타난 사용의 목적에 의해 달성된다. 종속항에 각각 유리한 개선안을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 적어도 2개의 전기화학 단일 전지를 포함하는 연료 전지를 제공하며, 각 전기화학 단일 전지는 적어도 다음의 구성요소로 구성된다:
a) 양극-측에 배치되는 적어도 하나의 전류 방전기(current discharger) 구조,
b) 연료 공급 장치(supply possibility for fuel),
c) 양극-측 전극(anode-side electrode), 막 및 음극-측 전극(cathode-side electrode)를 포함하는 막-전극 배열(membrane-electrode arrangement; MEA),
d) 산화제 공급 장치(supply possibility for the oxidant), 및
e) 음극-측(cathode side)에 배치된 적어도 하나의 전류 방전기(current discharger) 구조.
각 전기화학 단일 전지(single cell)는 적어도 하나의 인접한 전기화학 단일 전지에 직접 전기적으로 연결되며 적어도 하나의 인접한 전기화학 단일 전지에 대하여 어긋나게(offset) 배치된다.
그러므로 단일 전지가 서로 직접 전기적으로 연결된다는 것이 본 발명의 핵심이다. 예를 들면 직렬로(in series) 연결된 단일 전지(single cell) 배열의 경우, 제1 전기의 음극이 제2 전지의 양극에 직접 연결된다. 그것에 의해 케이블, 전선 또는 콘택트 등과 같은 다른 전극 연결 수단 없이 바람직하게 서로 연료 전지의 전극이 접촉되는 직접 접속(direct connection)으로 이해된다. 그로 인하여 연료 전지가 선형이 아닌 어긋나게(offset) 배치되고, 바람직하게는 비-평형(non-parallel)으로 배치되는 것이 중요하다.
제시된 해결 경로의 결과, 다음의 이점이 있다:
● 연료 전지 적층으로서 두께 변이가 보상될 수 있고, 전류 방전기(current discharger)는 어떤 매우 정확한 테두리(edging)도 요구하지 않으며 그러므로 실질적으로 경제적으로 생산할 수 있다.
● 층 구조의 기계적인 가요성(flexibility) 때문에, 연료 전지는 스페이서를 통해 전류 방전기(current discharger)에 접착제로 붙을 수 있다. 각진 전류 방전기(current discharger)를 가지는 경우처럼, 어떤 힘도 이 접착부에 기계적으로 작용하지 않는다. 그 결과, 접착제로 붙여서 실(seal)을 생성할 수 있게 된다.
● 슁글(shingle) 배열의 다른 이점은 연료 전지 공급 채널이 연료 전지의 설치 평면에 기울어져(at an incline) 배치된다는 것이다. 그 결과, 양극 디스트리뷰터 구조(anode distributor structure)로부터 기체 부산물의 방출을 수동방식으로 원조한다.
● 통합된 전기 배선의 결과, 최대 전도성 단면(conducting cross-section)에서, 즉 다른 전극으로의 한 전극의 전체 폭을 걸쳐서 전류를 전송할 수 있다. 그 결과, 평면 전지에서 가능한 전류를 위한 최단 경로가 발생하고 옴 저항(ohmic resistance)이 줄어든다.
● 근본적인 이점은 또한 전기 연결의 일부 구조에 있다. 접촉 압력에 따르는 추가적인 접촉 저항이 없다. 서로 분리되는 2개의 전류 방전기(current discharger) 연결의 경우, 종래의 해결책으로 항상 큰 접촉면이 보장되는 것이 요구되었다.
특히, 연료 전지가 슁글 구조(shingle construction)로 배열된다면 본 발명이 유리하다. 그로 인하여 연료 전지가 구조적 방향에서, 즉 단일 전지가 연결되는 벡터(vector)의 방향에서, 서로에 대하여 회전되어 또는 기울어져 배치되도록 연료 전지의 배열을 비-평형(non-parallel) 형태로 디자인하는 것으로 이해된다.
그로 인하여 연료 전지가 1차원 및/또는 2차원으로 배열될 수 있다.
게다가, 각각 단일 전지(single cell)가 연결되는 방향에서 방향 벡터를 가지는 전류 방전기(current discharger) 구조의 법선(normal)은 5° 내지 85°의 각 α를 포함하도록 적어도 2개의 전기화학 전지가 1차원적으로 배열된다면 유리하다. 정상적인 경우에, 연료 전지는 연료 전지의 한계를 정하는(delimit) 두 전류 방전기(current discharger) 구조가 서로 평행면(plane-parallel)에 배열되는 구조를 가진다. 따라서 결과물은 개별 연료 전지의 하나 이상 또는 하나 이하의 모놀리식 입방형 구조(one more or less monolithic, cuboid structure)이다. 개별 연료 전지의 전류 방전기(current discharger) 구조에 대한 법선(normal)이 서로에 대해 기울어져 배열되도록 바람직하게 연료 전지의 배열이 영향을 받고, 연료 전지 각각은 서로 직접 접촉한다.
그 결과, 바람직하게 각 전기화학 전지는 적어도 하나의 인접한 전기화학 단일 전지에 직렬로 직접 연결된다.
또한, 연료 전지가 적어도 3개의 전기화학 단일 전지를 포함하면, 연료 전지의 말단의 단일 전지(single cell)가 각각 인접한 단일 전지(single cell)에 전기적으로 직접 연결되고, 반면에 그 사이에 배열된 적어도 하나의 단일 전지는 각각 인접하는 두 단일 전지에 각각 전기적으로 직접 연결된다는 것이 바람직하다.
특정 구체예에 의하면, 연료 전지의 말단의 단일 전지(single cell)의 경우, 양극-측 또는 음극-측에 배열되는 전류 방전기(current discharger) 구조가 인접한 단일 전지(single cell)에 연결되지 않고, 반면에 그 사이에 배열된 단일 전지의 경우에, 양극-측 및 음극-측에 배열된 두 전류 방전기(current discharger) 구조는 각각 적어도 하나의 인접한 단일 전지(single cell)에 연결된다.
한 말단의 전기화학 전지가 인접한 전기화학 전지에 연결되지 않는, 양극-측에 배열된 전류 방전기(current discharger) 구조를 가지고, 다른 말단의 전기화학 전지가 인접한 전기화학 전지에 연결되지 않는, 음극-측에 배열된 전류 방전기(current discharger) 구조를 가진다면 마찬가지로 유리하다.
양극-측에 배열된, 연료 전지의 말단 단일 전지(single cell) 사이에 배열된 전기화학 단일 전지의 각 두 전류 방전기(current discharger) 구조가 음극-측에 배열된, 그 인접한 단일 전지의 전류 방전기(current discharger) 구조에 직접 전기적으로 연결되고 음극-측에 배열된, 이 단일 전지의 각 전류 방전기(current discharger) 구조가 양극-측에 배열된, 그 인접한 단일 전지(single cell)의 전류 방전기(current discharger) 구조에 직접 전기적으로 연결되는 다른 구체화가 제공된다.
또한, 연료 전지의 다수의 단일 전지(single cell)는 바람직하게 하나의 하우징에 통합된다. 특히, 그로 인하여 연료 전지가 하우징의 한 평면에 배열되는 구체예가 제공되며, 그 평면은 하우징 벽에 평행하게 연장되지 않는다. 본 발명에 따르면, 단일 전지(single cell)가 (예를 들면, 각 α 만큼) 기울어져 있는 평면이 경사를 초래하는 방향에서 하우징 벽에 비-평행하게(non-parallel) 연장하는 것으로 이해된다.
적어도 2개의 전기화학 전지가 스페이서를 통해 함께 붙여진 연료 전지의 다른 바람직한 구조가 제공된다. 2개의 인접한 전지의 막-전극 배열(membrane-electrode arrangement)이 일반적인 전류 방전기(current discharger)의 정면 또는 후면에 접착되고, 사실 접착제로 양쪽이 코팅된, 프레임-유사 스페이서(frame-like spacer)의 도움으로, 먼저 막-전극 배열(membrane-electrode arrangement)의 설치 공간이 정의되고, 두 번째로, 일반적인 배열을 형성하기 위해 막 전극 유닛이 연결되고, 세 번째로 이렇게 디자인된 배열이 주변에 대해 밀봉되는 방식으로 2개의 인접한 전지의 막-전극 배열(membrane-electrode arrangement)이 접착된다.
또한, 연료 공급 장치(supply possibility for fuel)가 다수의 디스트리뷰터(distributor) 채널로 형성되고 및/또는 산화제 공급 장치(supply possibility for the oxidant)가 다수의 디스트리뷰터(distributor) 채널로 형성되는 경우 유리하다.
어떤 제한을 받지 않고 단일 전지(single cell)를 선택할 수 있지만, 알칼리성 또는 염기성 평면 연료 전지, 특히 직접 알코올 연료 전지(direct alcohol fuel cell)를 이용하는 것이 유리하다. 더 유리한 구체화에서, 단일 전지(single cell)는 고분자 전해질 막 연료 전지(polymer-electrolyte membrane fuel cell; PEM), 메탄올 연료 전지(methanol fuel cell; DMFC), 에탄올 연료 전지(ethanol fuel cell; DEFC), 세라믹 연료 전지(ceramic fuel cell; SOFC) 및/또는 그 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된다.
이 유형의 연료 전지 시스템은 전자 유닛을 공급하는데 특히 이용될 수 있으며, 그 작동은 에너지 소비가 적고 매우 긴 시간 동안 작동될 것이 보장되어야 하며, 그 예로서, 환경 감시(environment monitoring)의 센서 등, 교통량 측정 기술 및 루팅 시스템(routing system), GSM/GPS/GPRS 네비게이션 시스템(GSM/GPS/GPRS navigation system) 및 그 조합, 배터리 충전 시스템(battery charging system), 전기 소비자층(consumer sphere)에서 응용하는 주거-통합 에너지 공급 유닛(housing-integrated energy supply units), 예를 들면 PDA, 이동 전화(mobile telephone), 랩탑(laptop); (German railway의 카드 판독기, UPS 등등의) 레코딩 장치, 지능적(intelligent)/기능적(functional) 주거(housings) 또는 포장(packagings)을 들 수 있다.
도 1은 슁글 구조(shingle construction)로 배열된, 즉 기울어진 두 단일 전지(single cell)를 도시한다.
본 발명은 이어서 설명된 도면에 관하여 더 상세히 설명하며 도면에서 재생성된 특별한 매개변수에 본 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
도면은 슁글 구조(shingle construction)로 배열된, 즉 기울어진 두 단일 전지(single cell)를 도시하며, 단일 전지는 연료 전지 배열에 연결된다.
단일 전지(single cell)는 각각 양극-측에 고정된 전류 방전기 구조(1), 이 전류 방전기 구조(1)에 인접한 연료 분배기 채널(2), 연료 분배기 채널(2)에서 멀리 향한 쪽에 배열되고 양극-측 전극(6), 거기에 인접한 막(5) 및 음극-측 전극(4)를 포함하는 막-전극 배열(membrane-electrode arrangement; MEA) 및 다수의 산화 채널(7)이 연결된 음극-측 전류 방전기 구조(8)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 단일 전지(single cell)는 제1 연료 전지의 양극을 형성하는 전류 방전기 구조(1)가 오른쪽 단일 전지의 전류 방전기 구조(8)에 직접 연결되어, 단일 전지가 직렬로 연결된다. 따라서, 접촉(contact), 전지 연결관(cell connector) 또는 케이블과 같은, 추가적인 도움을 통해 단일 전지를 연결할 필요가 없다. 그로 인하여, 단일 전지(single cell)가 하나의 하우징(3)에 통합되어 완전한 연료 전지 모듈이 단일체로서 생성된다. 그로 인하여 연료 전지가 (하우징의 상부 및 하부에 대한 사시도에서) 하우징에 대하여 연료 전지의 비-평형(non-parallel) 배열에 대응하는 방식으로 배열되는 분명하다. 단일 전지(single cell)는 하우징(3)에 대하여 기우는 방식으로 배열된다. 전류 방전기 구조(1 또는 8)에 대한 법선(normal; 9)이 단일 전지(single cell)가 하나가 다른 하나에 따라 배열되는 방향에서, 방향 벡터(10)를 포함하는 각은 5°내지 85°이다.

Claims (17)

  1. 적어도 2개의 전기화학 단일 전지를 포함하는 연료 전지로서,
    각 상기 전기화학 단일 전지는 적어도 다음을 포함하며:
    a) 양극-측에 배치되는 적어도 하나의 전류 방전기(current discharger) 구조(1),
    b) 연료 공급 장치(supply possibility for fuel),
    c) 양극-측 전극(anode-side electrode; 6), 막(5) 및 음극-측 전극(cathode-side electrode; 4)을 포함하는 막-전극 배열(membrane-electrode arrangement; MEA),
    d) 산화제 공급 장치(supply possibility for the oxidant), 및
    e) 음극-측(cathode side)에 배치된 적어도 하나의 전류 방전기(current discharger) 구조(8).
    상기 각 전기화학 단일 전지(single cell)는 적어도 하나의 인접한 전기화학 단일 전지에 직접 전기적으로 연결되며 적어도 하나의 인접한 전기화학 단일 전지에 대하여 어긋나게(offset) 배치되는, 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단일 전지(single cell)는 서로에 대하여 비-평형(non-parallel)으로 배치되는, 연료 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지는 슁글 구조(shingle construction)로 배열되는, 연료 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 단일 전지는 1차원적으로 및/또는 2차원적으로 배열되는, 연료 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단일 전지(single cell)가 연결되는 방향에서, 방향 벡터(10)를 가지는 전류 방전기(current discharger) 구조(1 또는 8)의 법선(normal; 9)이 5° 내지 85°의 각(angle) α를 포함하도록 적어도 2개의 상기 전기화학 단일 전지가 1차원적으로 배열되는, 연료 전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 방전기(current discharger) 구조(1) 및 상기 전류 방전기(current discharger) 구조(8)는 서로 평행면(plane-parallel)에 배열되는, 연료 전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 상기 전기화학 단일 전지는 적어도 하나의 인접한 상기 전기화학 단일 전지에 직렬로 직접 연결되는, 연료 전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 적어도 3개의 상기 전기화학 단일 전지를 포함하고,
    상기 연료 전지의 말단의 상기 단일 전지(single cell)가 각각 인접한 상기 단일 전지(single cell)에 전기적으로 직접 연결되고,
    두 상기 단일 전지 사이에 배열된 적어도 하나의 상기 단일 전지는 각각 인접하는 두 상기 단일 전지에 각각 전기적으로 직접 연결되는, 연료 전지.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 말단의 상기 단일 전지(single cell)에서는, 상기 양극-측에 배열되는 전류 방전기(current discharger) 구조(1) 또는 상기 음극-측에 배열되는 전류 방전기(current discharger) 구조(8)가 인접한 상기 단일 전지(single cell)에 연결되지 않고,
    상기 단일 전지 사이에 배열된 단일 전지에서는, 상기 양극-측에 배열되는 전류 방전기(current discharger) 구조(1) 및 상기 음극-측에 배열되는 전류 방전기(current discharger) 구조(8)가 각각 적어도 하나의 인접한 상기 단일 전지(single cell)에 연결되는, 연료 전지.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    한 말단의 상기 전기화학 단일 전지는 인접한 상기 전기화학 단일 전지에 연결되지 않는, 상기 양극-측에 배열된 전류 방전기(current discharger) 구조(1)를 가지고,
    다른 말단의 상기 전기화학 단일 전지는 인접한 상기 전기화학 단일 전지에 연결되지 않는, 상기 음극-측에 배열된 전류 방전기(current discharger) 구조(8)를 가지는, 연료 전지.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 말단의 상기 전기화학 단일 전지(single cell) 사이에 배열된 상기 전기화학 단일 전지의 각 두 상기 양극-측에 배열된 전류 방전기(current discharger) 구조(1)는 인접한 상기 전기화학 단일 전지의 상기 음극-측에 배열된 전류 방전기(current discharger) 구조(8)에 직접 전기적으로 연결되고,
    상기 연료 전지의 말단의 상기 전기화학 단일 전지(single cell) 사이에 배열된 상기 전기화학 단일 전지의 각 음극-측에 배열된 전류 방전기(current discharger) 구조(8)는 인접한 단일 전지(single cell)의 양극-측에 배열된 전류 방전기(current discharger) 구조(1)에 직접 전기적으로 연결되는, 연료 전지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2개의 상기 전기화학 단일 전지(single cell)는 하나의 하우징(3)에 통합되는, 연료 전지.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2개의 상기 전기화학 단일 전지는 스페이서를 통해 함께 붙여지는, 연료 전지.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 공급 장치(supply possibility for fuel)는 다수의 디스트리뷰터(distributor) 채널(2)로 형성되고 및/또는 산화제 공급 장치(supply possibility for the oxidant)는 다수의 디스트리뷰터(distributor) 채널(7)로 형성되는, 연료 전지.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 단일 전지(single cell)는 고분자 전해질 막 연료 전지(polymer-electrolyte membrane fuel cell; PEM), 메탄올 연료 전지(methanol fuel cell; DMFC), 에탄올 연료 전지(ethanol fuel cell; DEFC), 세라믹 연료 전지(ceramic fuel cell; SOFC) 및/또는 그 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는, 연료 전지.
  16. 전기적으로 작동하는 장치 및/또는 전자 유닛에 전류를 공급하는데 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지의 이용.
  17. 제16항에 있어서,
    전기 장치 및/또는 상기 전기 유닛은 센서, 특히 환경 감시(environment monitoring)용 센서; 교통량 측정 기술 및 루팅 시스템(routing system)을 위한 장치; GSM/GPS/GPRS 네비게이션 시스템(GSM/GPS/GPRS navigation system); 배터리 충전 시스템(battery charging system): PDA, 이동 전화(mobile telephone), 랩탑(laptop)등과 같은 전자 소비자층(consumer sphere)에서 응용하는 주거-통합 에너지 공급 유닛; 스케너, 카드 판독기 등과 같은 레코딩 장치, 지능적 및/또는 기능적 주거(housings) 및/또는 포장(packagings)으로 이루어진 그룹에서 선택되는, 연료 전지의 이용.
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