KR20200111196A - 연료전지 및 그의 단위셀과 전지 스택 구조체 - Google Patents

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KR20200111196A
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지엔후아 청
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상하이 썬브릿지 파워 테크놀로지스 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명은 연료전지 및 그의 단위셀과 전지스택 구조체를 제공한다. 단위셀은 서로 대향하는 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터 및 상기 제1과 제2 세퍼레이터 사이에 적층되는 막전극 접합체를 포함하고, 상기 단위셀은 단위셀로부터 연장되는 면이 상기 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터와 상기 막전극 접합체를 관통하는 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각매질용 개구부 및 다수의 산화 유체용 개구부를 구비하며, 그 중 적어도 하나의 연료 유체용 개구부, 적어도 하나의 냉각매질용 개구부와 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 상기 단위셀의 중앙 영역에 분포된다.

Description

연료전지 및 그의 단위셀과 전지 스택 구조체
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 특히 고출력밀도와 고용량 연료전지의 단위셀 및 전지 스택 구조체에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소가 전해질을 거치면서 화학반응이 일어나 전기를 발생시키는 장치로서, 환경 부하 감소에 도움이 되기 때문에 실용화와 보급이 기대된다. 또한, 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 발전 온도, 특성에도 차이가 존재하며, 주로 어떤 물질을 전해질로 사용하는가에 따라 분류된다. 대체로 구분하자면, 고체 고분자 전해질형(PEFC), 고체 산화물형(SOFC), 인산형(PAFC) 및 용융 탄산염형(MCMF)의 4종이 있다.
예를 들어, 고체 고분자 전해질형 연료전지(PEFC)에는 하기의 전해질막·전극 접합체(MEA)가 구비된다. 즉, 고분자 이온교환막으로 형성되는 전해질막의 일면에 양극 전극이 배치되고, 타면에 음극 전극이 배치되며, 격판을 통해 MEA를 협지하여 전지 유닛을 구성한다. PEFC의 장점은 작동 온도가 60℃~90℃로서, 소형화하더라도 양호한 출력 효율을 갖는다는데 있다. PEFC 연료전지는 자동차에 응용될 수 있다. PEFC 연료전지는 태양전지조합 에너지저장, 통신안테나의 예비 배터리, 인구 희소지역의 전원, 드론 등에도 응용될 수 있다.
포지티브와 네거티브 전극 플레이트가 전해질막을 협지하는 구조를 단위셀이라고 한다. 단위셀의 정극(산소극)과 부극(수소극)에 수량이 비교적 많은 미세 유로가 존재하며, 외부원으로부터 제공되는 산소와 수소가 전해질막에 개재되어 상기 유로를 통과함으로써 반응이 발생하여 전기가 발생된다. 한 그룹의 단위셀의 출력에는 한계가 있기 때문에, 필요한 출력을 획득하기 위해서는 다수의 전지를 중첩하고 패키징하여 하나의 소자를 획득하며, 이를 전지 스택형 연료전지라고 칭한다.
연료전지의 경우, 고출력밀도와 고용량(고에너지밀도)을 갖출 것이 요구된다. 즉, 연료전지가 고효율로 전기를 발생시키도록 하기 위해서는 연료전지 스택을 구성하는 각 단위셀들이 고효율로 전기를 발생시켜야 한다. 이를 위해, 각 단위셀로 공급되는 수소, 냉각수, 공기 등 각종 유체의 공급이 균일해지도록 설계할 필요가 있다. 연료전지의 출력은 막의 면적과 비례하고, 그 용적과는 비례하지 않는다. 전지 스택형 연료전지의 소형화와 고출력화를 구현하고자 할 경우, 단위셀의 면적(촉매 반응 면적)을 증가시키고, 단위셀의 간격을 단축시키는 것이 가장 효과적이다. 촉매 반응 면적의 증가를 통해 스택의 발전 전류를 효과적으로 증가시킬 수 있으며, 또한 간격을 단축시킴으로써, 연료전지의 출력밀도를 높일 수 있다.
그러나, 단위셀의 면적을 증가시키거나 간격을 단축시키기만 해서는 수소, 냉각수, 공기 등 각종 유체가 단위셀의 내부면을 통과 시의 압력 손실이 커질 수 있으며, 과도한 압력 손실은 배터리의 발전 효율을 떨어트릴 수 있기 때문에, 최대한 손실을 감소시키려는 노력이 필요하다.
또한 종래 기술에서는, 공용 통로의 주변 배치와 각종 유체가 유동하는 교차 배치를 통해, 연료 가스, 냉각 매질 또는 산화 가스의 유동 저항이 커지게 되어, 비교적 큰 단위셀의 면적을 획득할 수 없다.
비특허문헌 1과 특허문헌 2에 공개된 연료전지는 촉매층 주위에 공용 통로를 설치하는 구조를 채택하였으며, 따라서 촉매 반응 면적을 2차원으로 확장할 수 있는 유연성이 부족하다. 이밖에, 비특허문헌 1에 공개된 차량 탑재용 연료전지의 경우, 유로의 유동 분포가 3차원 방식으로 교차하기 때문에, 촉매 반응 면적의 확대가 더욱 어렵다. 또한, 특허문헌 1에 공개된 연료전지의 경우, 격판에 형성되는 유로의 그루브가 비교적 깊기 때문에, 다음과 같은 결함이 존재한다. 즉 국부적인 변형 응력이 상기 유로의 그루브 모서리와 접촉되는 발전 기능층에 집중적으로 인가됨으로써, 내구성 감소를 초래하며, 연료전지의 수명에 비교적 큰 문제가 발생한다.
특허문헌 3은 폭 방향으로 넓은 낮은 길이폭비 구조를 갖는 연료전지를 제공하였으며, 이는 막전극 접합체의 대향하는 2개 변의 외주부에 다수의 연료가스 유로 개구부, 냉각수 유로 개구부 및 산화가스 유로 개구부가 설치된다. 이러한 설계는 비록 촉매 반응 면적을 2차원적으로 확장시키는데 도움이 되나, 단 폭 방향으로 계속 확대될 경우, 유체가 단위셀 내부면을 통과 시의 압력 손실이 여전히 허용할 수 없을 정도로 커질 수 있다.
통로가 연료가스, 냉각매질 또는 산화가스의 유동 저항 및 공용 통로에 제공되는 기체의 고압에 대처해야 하기 때문에, 종래 기술은 단위셀의 스택 개수를 증가시키기 어렵다. 또한, 종래 기술의 문제점으로서, 차량 탑재용 단위셀 스택이 설치될 수 있는 공간이 제한적이기 때문에, 단위셀 스택 개수의 증가에는 한계가 있다.
일본특허 특개 2017-147134호 공보 일본특허 특개 2016-096015호 공보 WO 2014/136965
2016년도 도요타 MIRAI 세단형 연료전지 자동차의 제품 정보
본 발명은 고출력밀도, 고용량을 갖는 연료전지 및 그의 단위셀과 전지 스택 구조체를 제공한다.
본 발명의 일 방면은 단위셀을 제공하며, 이는 서로 대향하는 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터 및 상기 제1과 제2 세퍼레이터 사이에 적층되는 막전극 접합체를 포함하고, 상기 단위셀은 단위셀로부터 연장되는 면이 상기 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터와 상기 막전극 접합체를 관통하는 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각매질용 개구부 및 다수의 산화 유체용 개구부를 구비하며, 그 중 적어도 하나의 연료 유체용 개구부, 적어도 하나의 냉각매질용 개구부와 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 상기 단위셀의 중앙 영역에 분포된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 전체적인 상기 단위셀에서 주기적으로 반복되거나 또는 어느 정도의 파동을 가지고 주기적으로 반복되는 다수의 기본 단위가 형성되며, 상기 단위셀은 상기 기본 단위의 주기적인 반복이 종료되는 에지(edge) 구조를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 각각 공급용 개구부 및 배출용 개구부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기본 단위는 적어도 2개의 상기 연료 유체용 개구부, 적어도 2개의 상기 냉각 매질용 개구부와 적어도 2개의 상기 산화 유체용 개구부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상이한 기본 단위 사이에, 연료 유체용 개구부의 형상, 위치, 크기 또는 그 조합의 차이; 냉각 매질용 개구부의 형상, 위치, 크기 또는 그 조합의 차이; 산화 유체용 개구부의 형상, 위치, 크기 또는 그 조합의 차이 중 하나 또는 다수의 차이가 존재한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기본 단위는 2차원 브라베이 격자(Bravais lattice)로 배열되어 형성되는 개구부 패턴의 최소 반복 배열 주기를 갖는 단위이다.
본 발명의 일 실시예에서, 적어도 2개의 상기 연료 유체용 개구부, 적어도 2개의 상기 냉각 매질용 개구부와 적어도 2개의 상기 산화 유체용 개구부는 각각 공급용 개구부와 배출용 개구부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 적어도 2개의 상기 연료 유체용 개구부는 다수의 연료 유체용 개구부 또는 그 일부분으로 구성되고; 적어도 2개의 상기 냉각 매질용 개구부는 다수의 냉각 매질용 개구부 또는 그 일부분으로 구성되며; 적어도 2개의 상기 산화 유체용 개구부는 다수의 산화 유체용 개구부 또는 그 일부분으로 구성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 단위셀의 최소 발전체는 대략 4분의 1개의 연료유체 공급용 개구부, 대략 4분의 1개의 연료유체 배출용 개구부, 대략 4분의 1개의 산화유체 공급용 개구부, 대략 4분의 1개의 산화유체 배출용 개구부, 대략 2분의 1개의 냉각 매질용 개구부 및 대략 2분의 1개의 냉각 매질 배출용 개구부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기본 단위와 상기 최소 발전체는 기하학적 유사성(geometric similarity)을 지닌다.
본 발명의 일 실시예에서, 동일한 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부는 서로 상호 보완적인 관계로 제1열과 제2열에 배치되며, 상기 제1열이 다를 경우 동일한 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부가 존재하고, 상기 제2열이 다를 경우 동일한 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부가 존재한다.
본 발명의 일 실시예에서, 단위셀은 공급용 개구부만 가지는 제1열 및 배출용 개구부만 가지는 제2열을 포함하며, 상기 제1열과 상기 제2열은 유체의 유로 방향에서 교차 배열된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 막전극 접합체는 제1 기체 확산층, 제1 촉매층, 전해질막, 제2 촉매층 및 제2 기체 확산층을 포함한다.
본 발명은 다른 측면에서 전지 스택 구조체를 제공하며, 이는 다수의 상기와 같은 단위셀을 포함하고, 상기 다수의 단위셀이 적층되어 상기 전지 스택 구조체를 형성하며; 그 중, 상기 다수의 단위셀의 연료 유체용 개구부, 냉각 매질용 개구부와 산화 유체용 개구부가 중첩되어 각각 상기 전지 스택 구조체의 내부 공용 통로를 구성하고, 상기 내부 공용 통로는 연료 유체, 냉각 매질과 산화 유체를 상기 다수의 단위셀로 공급 및 배출하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 내부 공용 통로는 상기 다수의 배터리의 면과 기본적으로 수직 또는 예각이다.
본 발명의 일 실시예에서, 전지 스택 구조체는, 각 단위셀 내에 배치되어 연료 유체가 유동하기 위한 제1 유로; 각 단위셀 내에 배치되어 산화 유체가 유동하기 위한 제2 유로; 인접한 단위셀 사이에 배치되어 냉각 매질이 유동하기 위한 제3 유로를 포함하며; 그 중 상기 제1 유로로부터 제3 유로는 각각 대응되는 내부 공용 통로에 연결되고, 각 단위셀 내에 유체가 상기 제1 내지 제3 유로에서 유동하는 것을 제어하는 밀봉재료가 설치된다.
본 발명의 일 실시예에서, 적층된 다수의 단위셀 중, 인접한 단위셀 사이의 회전각도는 0도이거나 또는 0도보다 큰 사전설정 각도이다.
본 발명의 일 실시예에서, 스택된 다수의 단위셀의 연료 유체용 개구부 사이, 냉각 매질용 개구부 사이 및 산화 유체용 개구부 사이는 서로 매칭성을 획득하는 방식으로 각각 동일한 형상과 크기를 가지며, 직선 또는 곡선에서 결합하여 상기 내부 공용 통로를 형성한다.
본 발명의 일 실시예에서, 스택된 다수의 단위셀의 연료 유체용 개구부 사이, 냉각 매질용 개구부 사이 및 산화 유체용 개구부 사이는 서로 약간의 편차가 존재하는 형상과 크기를 가지며, 또한 곡선에서 결합하여 상기 내부 공용 통로를 형성한다.
본 발명의 또 다른 방면은 연료전지를 제공하며, 이는 상기와 같은 전지 스택 구조체; 및 상기 전지 스택 구조체를 양측에서 협지하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트를 포함하며, 상기 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트 중의 적어도 하나에 외부 공용 통로가 설치되고, 상기 외부 공용 통로는 연료 유체, 냉각 매질 또는 산화 유체를 공급 및 배출하기 위해 상기 내부 공용 통로와 대응된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 외부 공용 통로는 외부 발전 보조시스템에 연결되는 다수의 제1 도관 및 상기 내부 공용 통로에 연결되는 다수의 제2 도관을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 외부 공용 통로는 상기 내부 공용 통로와 대응되는 기본 단위를 구비하고, 상기 기본 단위의 주기적인 반복을 종료시키는 에지 구조를 구비한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 다수의 제1 도관은 상기 개구부가 배열되는 방향을 따라 설치되고, 상기 다수의 제1 도관 사이는 서로 접촉하지 않도록 평행하거나 또는 거의 평행하게 설치된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 다수의 제2 도관은 상기 내부 공용 통로를 연장시키도록 상기 다수의 단위셀의 스택 방향을 따라 설치되고, 상기 다수의 제2 도관은 서로 접촉되지 않도록 설치된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 다수의 제1 도관과 상기 다수의 제2 도관은 서로 수직 또는 예각을 이루도록 연결되고, 상기 다수의 제1 도관의 단면에서 관찰 시, 상기 다수의 제2 도관은 상기 다수의 제1 도관의 중앙 또는 중앙 부근을 관통하거나, 또는 상기 단면에서 관찰 시, 상기 다수의 제2 도관이 상기 다수의 제1 도관의 단부 및 단부 부근을 관통하거나, 또는 상기 단면에서 관찰 시, 상기 다수의 제2 도관이 상기 다수의 제1 도관의 중앙과 단부 사이를 관통한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전지 스택 구조체에서 가장 먼 제1 영역으로부터, 제2 영역을 거쳐, 상기 전지 스택 구조체에 가장 인접한 제3 영역까지, 상기 제2 도관은 상기 단위셀의 내면의 제1축에서의 폭 크기가 단계적으로 확대되고, 또한 냉각 매질의 외부 발전 보조시스템에 연결되는 제1 도관은 상기 제1 영역에 위치한 연료 유체 내부 공용 통로에 연결되는 제2 도관의 폭을 기준선으로 설정되며, 산화 가스의 외부 발전 보조시스템에 연결되는 제1 도관은 상기 제2 영역에 위치한 냉각 매질의 내부 공용 통로에 연결되는 제2 도관의 폭을 기준선으로 설정된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 내부 공용 통로와 외부 공용 통로의 에지 구조에서, 상기 단위셀의 제1축에서의 상기 개구부의 확장을 종료시키는 에지 구조에 관해서는, 단부에 위치한 내부 공용통로와 외부 공용 통로의 단면적이 중간부의 내부 공용통로와 외부 공용 통로의 단면적의 절반 또는 대체로 절반으로 설계되고, 상기 단위셀의 제2축에서의 상기 개구부의 확장을 종료시키는 에지 구조에 관해서는, 상기 제2축에 연료 유체, 냉각 매질 및 산화 유체의 내부 공용 통로와 내부 공용 통로에 연결되는 도관의 구성을 기본 구간으로 하여, 상기 기본 구간의 정수 배의 구획을 기준으로 개구부의 상기 제2축에서의 확장이 종료된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료 유체, 냉각 매질과 산화 유체 중 어느 하나의 유체의 공급용 외부 공용 통로와 배출용 외부 통로는 동일한 엔드 플레이트에 설치되거나, 또는 2개의 엔드 플레이트에 분리 설치된다.
본 발명의 특징, 성능은 아래의 실시예 및 첨부도면을 통해 좀 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시방식 중 전지 스택형 연료전지의 구조도 및 단위셀(8)의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시방식 중 단위셀(8)의 각층, 및 다수의 단위셀(8) 사이의 각종 유체의 유동 (31), (32), (33)을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시방식 중 단위셀(8)의 면내에 천공 설치되는 개구부(11), (12), (13) 배열 브라베이 격자(Bravais lattice) 패턴의 2차원 확장 규칙성을 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시방식에 천공 설치되는 단위셀(8)의 면 내 개구부(11), (12), (13) 배열의 규칙성을 설명하기 위한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시방식에 천공 설치되는 단위셀(8)의 면 내 개구부(11), (12), (13) 배열의 규칙성을 설명하기 위한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시방식 중 전지 스택 구조체(9)의 수직방향 내부에 설치되는 내부 공용통로(41), (42), (42)의 형상을 설명하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시방식 중 전지 스택 구조체(9)의 수직방향 내부에 설치되는 내부 공용통로(41), (42), (43)의 형상을 설명하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시방식의 전지 스택 구조체(9)를 면내에서 회전시켜 형성되는 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 형상을 설명하는 단면도이다.
도 9는 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 본 발명의 일 실시방식의 엔드 플레이트(101), (102)의 내부에 설치되는 형태를 국부적으로 도시한 설명도이다.
도 10은 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 본 발명의 일 실시방식의 엔드 플레이트(101), (102) 내부에 설치되는 형태를 국부적으로 도시한 단면도이다.
도 11은 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 본 발명의 일 실시방식의 엔드 플레이트(101), (102) 내부에 설치되는 형태를 국부적으로 도시한 입체 단면도이다.
도 12는 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 본 발명의 일 실시방식의 엔드 플레이트(101), (102) 내부에 설치되는 형태를 국부적으로 도시한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시방식 2의 전지 스택형 연료전지의 외관도이다.
도 14는 도 13에 도시된 본 발명의 실시방식 2의 전지 스택형 연료전지 중 전지 스택 구조체(9) 부분을 제거한 후의 상태 외관도이다.
도 15는 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 본 발명의 실시방식 2의 엔드 플레이트(102) 내부에 설치되는 형태를 도시한 입체 단면도이다.
도 16은 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 본 발명의 실시방식 2의 엔드 플레이트(102) 내부에 설치되는 형태를 도시한 입체 단면도이다.
도 17은 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 본 발명의 실시방식 2의 엔드 플레이트(102) 내부에 설치되는 형태를 도시한 입체 단면도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시방식의 단위셀(8)의 각종 유체의 유로(31), (32), (33)의 단면도로서, 그 중 (a)는 양극측에서 유동되는 연료 유체의 유로(31)이고, (b)는 음극측에서 유동되는 산화 유체의 유로(33)이며, (c)는 인접한 단위셀(8)의 세퍼레이터 사이에 형성된 냉각 매질이 유동되는 유로(32)이다.
본 발명의 상기 목적, 특징과 장점이 더욱 명확하게 이해될 수 있도록, 이하 첨부도면을 결합하여 본 발명의 구체적인 실시방식에 대해 상세히 묘사한다.
아래의 묘사에서는 본 발명을 충분히 이해하도록 많은 구체적인 세부 내용을 설명하였으나, 단 본 발명은 여기에 묘사된 것과 다른 기타 방식으로도 실시될 수도 있다. 따라서 본 발명은 아래에 공개된 구체적인 실시예로 한정되지 않는다.
본 출원과 청구항에 설명한 바와 같이, 상, 하문에서 예외의 상황을 명확히 제시하지 않는 한, "일", "하나", "일종" 및/또는 "상기" 등 용어는 특별히 단수를 지칭하는 것이 아니며, 복수를 포함할 수도 있다. 일반적으로, "포함하다"와 "함유한다"라는 용어는 단지 명확히 식별되는 단계와 원소를 포함함을 제시할 뿐으로, 이러한 단계와 원소는 배타적인 나열을 구성하지 않으며, 방법 또는 장치에 기타 단계 또는 원소가 포함될 수도 있다.
이하, 본 발명의 일 실시방식에 대해 상세히 설명한다.
여기서, 도면을 참조하여, 바람직한 실시방식의 예를 들어 본 발명의 전지 스택형 연료전지를 상세히 설명한다. 또한, 아래의 설명에서, 연료전지가 고체 고분자형 연료전지인 경우를 예로 들어 설명한다. 그 중, 본 발명의 일 실시방식에 기재되는 구조 부재의 재질, 크기, 형상, 각도, 상대적인 배치 등은 특별히 기재하지 않는 한, 본 발명의 범위는 이러한 기재로 한정되지 않는다.
본 발명의 일 방면에 따르면, 단위셀은 서로 대향하는 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터 및 상기 제1과 제2 세퍼레이터 사이에 적층되는 막전극 접합체를 포함하고, 상기 단위셀은 단위셀로부터 연장되는 면이 상기 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터와 상기 막전극 접합체를 관통하는 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각매질용 개구부 및 다수의 산화 유체용 개구부를 구비하며, 그 중 적어도 하나의 연료 유체용 개구부, 적어도 하나의 냉각매질용 개구부와 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 상기 단위셀의 중앙 영역에 분포된다.
가장자리 영역에만 개구부를 분포하는 것과 비교하여, 중앙 영역에 개구부를 분포시키면 연료 유체, 냉각 매질, 산화 유체가 단위셀 내에서 더욱 균형 있게 유동할 수 있다. 개구부는 중앙 영역의 일부분에 분포될 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 상, 하 본문에서, "중앙 영역"이라는 용어의 범위는 광의로 이해하여야 하며, 단위셀 중심의 작은 영역에 한정되지 않는다. 예를 들어 중앙 영역의 면적은 단위셀 표면의 80% 이상에 달할 수 있다.
일 실시예에서, 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 전체적인 상기 단위셀에서 주기적으로 반복되거나 또는 어느 정도의 파동을 가지고 주기적으로 반복되는 다수의 기본 단위가 형성된다. 이러한 실시방식에서, 개구부는 중앙 영역 이외의 가장자리 영역에서 기본 단위의 주기적인 반복을 종료시키는 에지(edge) 구조를 가질 수 있다.
이하, 전지 스택 구조체(9)의 고체 고분자형 연료전지의 구조에 대해 설명한다.
도 1(a)은 전지 스택 구조체(9)의 고체 고분자형 연료전지의 단면 구조도의 일 예시이다. 본 발명의 각 실시방식의 전지 스택형 연료전지는 순수소, 메탄올 등 각종 연료를 연료로 사용할 수 있다. 아래의 예시에서는 수소를 연료로 하여 설명한다.
전지 스택 구조체(9)는 하나 또는 다수의 단위셀(8)을 스택하여 형성될 수 있다. 단위셀(8)은 도 1(b)에 도시된 적층 라미네이트 구조일 수 있으며, 단위셀(8)에서, 1은 전해질막이며, 전해질막(1)을 사이에 두고 한 쌍의 전극 촉매층(2), (3)(즉, 음극측 촉매층, 양극측 촉매층)이 배치된다. 이어서, 전극 촉매층(2), (3)의 외측에 각각 기체 확산층(4), (5)이 배치되며, 각 기체 확산층(4), (5)보다 더 외측에 한 쌍의 세퍼레이터(6), (7)가 배치된다. 층 1-5는 막전극 접합체(MEA)를 구성한다.
전해질막(1)은 프로톤 전도도(proton conductivity)를 지닌 고분자막이며, 전해질은 고체이므로 증발로 인한 손실이 존재하지 않고, 박막화를 구현할 수 있으며, 작동 온도가 낮아 상온에서 섭씨 90도 근처에서 작동할 수 있는 등의 탁월한 특징을 갖는다. 작동 온도가 낮고, 출력밀도가 높아 차량용도의 동력원으로 사용 시 유용하다.
전해질막(1)의 양측에 배치되는 전극 촉매층(2), (3)에서, 양극과 음극의 연료전지 반응이 발생한다. 전극 촉매층(2), (3)의 양극측에서 수소가 프로톤과 전자로 분해되는 반응(수산화 반응)이 촉진되고, 전극 촉매층(2), (3)의 음극측에서, 프로톤, 전자, 산소로부터 물이 생성되는 반응(산소 환원반응)이 촉진된다.
전극 촉매층(2), (3)의 양측에 배치되는 기체 확산층(4), (5)은 반응 유체(연료 유체, 산화 유체)를 전극 촉매층(2), (3)으로 확산, 이송하는 기능을 담당한다. 발전으로 획득된 전기를 수집하는 집전체 역할을 하는 부재는 세퍼레이터(6), (7)이다. 아래에서, 연료 유체는 기체(수소가스)를 예로 들고, 산화 유체는 기체(산소 또는 공기 함유)를 예로 들어 설명한다.
세퍼레이터(6), (7)는 양극 반응 유체(연료 유체)와 음극 반응 유체(산화 유체)를 분리하여 세퍼레이터라고 칭한다. 도 2를 통해 알 수 있듯이, 세퍼레이터(6), (7)의 양극측(도면 중 상측)에 연료 유체가 유통하는 제1 유로(31)가 형성되고, 세퍼레이터(6), (7)의 음극측(도면 중 하측)에는 산화 유체가 유통하는 제2 유로(33)가 형성되며, 2개의 이웃한 단위셀(8)의 인접한 세퍼레이터(6), (7)의 인접측에 냉각 매질이 유통하는 제3 유로(32)가 형성된다.
밀봉재료(19)(도 18 참조)는 각 단위셀(8)을 밀봉하는 역할, 및 단위셀(8)에 각종 유체가 유동하는 유로(31), (32), (33)를 정밀 가공하여 각종 유체를 단위셀(8)로 유입시키는 역할을 담당한다. 세퍼레이터(6), (7) 자체의 두께와 각종 유체의 유로(31), (32), (33)의 높이를 감소시키는 방식을 통해 구현될 수 있다.
전지 스택 구조(9)를 구성하는 단위셀(8)을 구비한 연료전지의 발전 기능은 도 1(b)와 도 2에 도시된 바와 같으며, 7개의 기능층을 적층한 구조를 통해 구현된다. 이하, 본 발명의 일 실시방식의 단위셀 스택형 연료전지의 구조에 대해 상세히 설명한다. 단위셀(8), 내부 공용 통로(41), (42), (43), 유로(31), (32), (33), 외부 공용 통로(51), (52), (53)로 구성되는 4개 부분의 구조에 대해 설명한다. 외부 공용 통로(51)는 예를 들어 도관(61), (71)을 포함하고; 외부 공용 통로(52)는 예를 들어 도관(62), (72)을 포함하며; 외부 공용 통로(53)는 예를 들어 도관(63), (73)을 포함한다. 이와 유사하게, 외부 공용 통로(51A)는 예를 들어 도관(61A), (71A)을 포함하며, 이와 같이 유추한다.
[ 단위셀 ]
이어서, 도 1~도 5를 바탕으로 본 발명에서 다루는 단위셀(8)을 설명한다.
본 발명의 일 실시방식의 단위셀(8)은 면내(in-plane) 방향에서 임의로 2차원 확장을 실시할 수 있다. "면내 방향에서 임의로 2차원 확장을 실시할 수 있다"함은 도 3에 도시된 바와 같이, 필요에 따라 단위셀(8)의 면내 방향에서의 유효 면적을 자유자재로 증가시킬 수 있음을 말한다. 단위셀(8)의 면내 방향 상의 유효면적을 증가시키는 경우, 후술하는 2차원 브라베이 격자의 대칭성을 갖는 패턴에 따라, 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 구성하기 위한 개구부(11), (12), (13)의 수량을 증가시킬 수 있다. 단위셀(8)의 유효 면적이 확대되더라도, 단위셀(8)의 면내에 설치된 개구부(11), (12), (13)의 크기는 여전히 고정되거나 또는 큰 폭의 변화가 없으며, 개구부(11), (12), (13)의 크기가 상기 유효면적이 확대됨에 따라 확대되지 않는다. 또한, "면내 방향"이란 단위셀(8)의 면과 평행한 방향을 말한다. 또한, "단위셀(8)의 면내 방향에서의 유효 면적"이란 촉매층(2), (3)의 반응 면적을 말한다.
단위셀(8)의 유효 면적을 변경시킴으로써, 단위셀(8)에 포함된 촉매층(2), (3)의 면적에 의해서만 결정되는 발전 전류를 규정하므로, 전지 스택형 연료 전지의 전압을 변경하지 않고도 전지 스택형 연료전지로부터 비교적 큰 출력 전류를 획득할 수 있으며, 발전 전압에 의존하지 않고 출력밀도를 증가시킬 수 있다.
도 1(b)에 도시된 바와 같이, 단위셀(8)는 하기의 방식을 통해 제작될 수 있다. 즉 세퍼레이터(6), (7), 기체 확산층(4), (5), 촉매층(2), (3), 전해질막(1), 촉매층(2), (3), 기체 확산층(4), (5), 세퍼레이터(6), (7)의 순서로 함께 더해 7개의 기능층에 대해 적층을 실시한다. 단위셀(8) 중의 각 개구부(11), (12), (13)는 그들과 연통되고자 하는 기능층들과만 연통될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 개구부(11)는 연료 유체가 유통되며, 즉 개구부(11)는 기체 확산층(4), (5) 중 하나와만 연통될 수 있다. 개구부(13)는 산화 유체가 연통되며, 즉 개구부(13)는 기체 확산층(4), (5) 중의 다른 하나와만 연통될 수 있다. 개구부(12)는 냉각 매질이 유통되며, 즉 개구부(12)는 이웃한 세퍼레이터 사이의 냉각 유로와만 연통될 수 있다. 개구부와 연통을 원하지 않는 층 사이에는 밀봉재료가 설치될 수 있다.
다수의 상기 단위셀(8)을 스택하여 전지 스택 구조체(9)를 구성한다. 전지 스택 구조체(9)는 다수의 단위셀(8)을 스택한 후 획득되는 연료전지 본체이다. 차량에 응용 시, 수백 개를 스택하여 사용할 수 있다. 또한 본 발명의 일 방식의 단위셀(8)로 구성되는 전지 스택 구조체(9)는 임의로 3차원 확장을 실시할 수 있다. "임의로 3차원 확장을 실시한다"함은 도 1에 도시된 바와 같이, 단위셀(8)이 연장되는 면내 방향에서 임의로 2차원 확장을 실시할 수 있는 이외에, 단위셀(8)의 스택 방향에서 단위셀(8)의 스택 개수를 자유자재로 추가할 수 있음을 말한다. 여기서, C 방향의 정의는 단위셀(8)의 중첩방향(스택 방향)이다. 도 1에서 횡방향으로 인출된 점선 화살표는 2차원 확장 방향을 나타내고, 도 1 중 종방향으로 인출된 점선 화살표는 스택 방향의 확장을 나타낸다.
또한, 단위셀(8)의 스택 개수의 변화를 통해, 단위셀의 전지 스택형 연료전지의 출력전압을 결정할 수 있다.
여기서, 본 발명에서 언급되는 각종 유체에 대해 설명한다. 각종 유체란 단위셀 전지스택형 연료전지 중에서 순환되는 연료 유체, 냉각 매질 및 산화 유체를 말한다. 외부의 유체 공급원으로부터 이송되는 각종 유체의 연료전지 내에서의 구체적인 경로는 다음과 같다. 상기 구체적인 경로는 외부 BOP(이후 설명할 것임)로부터 출력되는 각종 유체의 입구, 공급용 외부 공용 통로(51A), (52A), (53A)(공급용 외부 BOP에 연결되는 제1 도관(61A), (62A), (63A), 및 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 제2 도관(71A), (72A), (73A)), 공급용 내부 공용 통로(41A), (42A), (43A), 단위셀(8)(7개의 기능층으로 구성), 배출용 내부 공용 통로(41B), (42B), (43B), 배출용 외부 공용 통로(51B), (52B), (53B)(배출용 내부 공용통로에 연결되는 제2 도관(71B), (72B), (73B) 및 배출용 외부 BOP에 연결되는 제1 도관(61B), (62B), (63B)), 및 외부 BOP로 흐르는 출구로 구성된다.
이밖에, 본 발명의 목적을 설명하기 위하여, 상기 일련의 경로 중, 전지 스택 구조체(9) 내에 설치되는 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 단위셀(8)에 관통 설치되는 노치를 "개구부(11), (12), (13)"라 칭하며, 내부 공용 통로(41), (42), (43)와 외부 공용 통로(51), (52), (53)의 연결부를 "연결구(21), (22), (23)"라 칭한다.
단위셀(8)에 설치되는 개구부(11), (12), (13)는 스택되어 내부 공용 통로(41), (42), (42)를 형성하기 전에는 단위셀(8)의 일부분으로 간주할 수 있으며, 단위셀(8)을 중첩하여 전지 스택 구조체(9)을 완성한 후에는 내부 공용 통로(41), (42), (43)로 인식할 수 있다. 간단히 설명하면, 단위셀(8)의 개구부(11), (12), (13)는 단위셀(8)을 스택한 후 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 된다.
내부 공용 통로(41), (42), (43)를 구성하는 단위셀(8)에 설치되는 개구부(11), (12), (13)를 형성하는 방법은 기계 가공, 레이저 가공, 식각 등이 있다.
[내부 공용 통로]
이어서, 도 3~도 8을 바탕으로 본 발명의 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 설명한다.
다수의 단위셀(8)을 스택하여 구성되는 전지 스택 구조체(9)의 내측 내에 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 설치된다. 내부 공용 통로(41), (42), (43)는 외부 공급원으로부터 각종 유체를 연료 유체, 냉각 매질 및 산화 유체의 유로(31), (32), (33)에 공급하고, 사용 완료 후의 유체를 외부로 배출하는 기능을 갖는다. 각종 유체의 공급용 내부 공용 통로(41A), (42A), (43A) 및 각종 유체의 배출용 내부 공용 통로(41B), (42B), (43B)는 단위셀(8)의 면내 방향과 수직 또는 예각을 이루도록 설치된다.
또한, 연료 유체의 내부 공용 통로(41)를 이루는 부분은 연료 유체 공급용 연결구(21A)로부터 시작하여, 연료 유체 공급용 개구부(11A) 및 연료 유체 배출용 개구부(11B)를 거쳐, 연료 유체 배출용 연결구(21B)까지의 거리이다. 냉각 매질의 내부 공용 통로(42)를 이루는 부분은 냉각 매질 공급용 연결구(22A)로부터, 냉각 매질 공급용 개구부(12A) 및 냉각 매질 배출용 개구부(12B)를 거쳐, 냉각 매질 배출용 연결구(22B)까지의 거리이다. 산화 유체의 내부 공용 통로(43)를 이루는 부분은 산화 유체의 공급용 연결구(23A)로부터 시작하여, 산화 유체 공급용 개구부(13A) 및 산화 유체 배출용 개구부(13B)를 거쳐, 산화 유체 배출용 연결구(23B)까지의 거리이다.
이미 설명한 바와 같이, 단위셀(8)의 면내는 2차원 브라베이 격자의 대칭성을 지니는 패턴을 기본 단위(16)로 하여 개구부(11), (12), (13)에 반복 응용된다. 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 수량이 하나의 단위셀(8)에 설치된 개구부(11), (12), (13)의 면내에 설치되는 수량에 대응되도록 형성하는 것은 당연한 결과이다. 기본 단위(16)는 2차원 브라베이 격자로 배열되어 형성되는 개구부 패턴의 최소 반복 배열 주기를 갖는 단위이다.
상기 "수직"이란 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 단위셀(8)의 면과 직각인 90도로 설치되는 각도를 말하며, "예각"이란 단위셀(8)의 면과 45도 이상이면서 90도 이하인 각도를 말한다.
도 3~5는 면내 방향의 단위셀(8)의 설명도이다. 이러한 도면에서 각종 유체의 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 구성하기 위한 개구부(11), (12), (13)의 배열을 알 수 있다.
개구부(11), (12), (13)의 레이아웃은 2차원 브라베이 격자의 패턴으로 면내에 배치되거나, 또는 개구부(11), (12), (13)의 레이아웃은 약간의 파동이 존재하는 2차원 브라베이 격자의 패턴으로 면내에 배치될 수도 있다. "2차원 브라베이 격자의 패턴으로 면내에 배치된다"함은 도 3에서, 벡터 A로 부호 "14"를 표시하고, 벡터 B로 부호 "15"를 표시하여, 브라베이 격자의 2차원 확장된 기본 단위(16)를 반복 단위로 하여 처리하기 때문에, 대칭성을 지닌 브라베이 격자 패턴을 응용하기만 하면, 도 3에 도시된 임의의 개구부(11), (12), (13)를 시작점으로 하여 상기 기본 단위(16)를 형성하는 형상의 벡터 A와 벡터 B를 제작할 수 있다. 도 3에서는 벡터 A와 벡터 B로 표시되는 브라베이 격자의 2차원 확장된 기본 단위(16)를 도시하였다. 상기 예시에서, 기본 단위(16)는 사방격자(orthorhombic lattice) 형상으로 형성되며, 네 변선(벡터 A, B 포함)이 둘러싸는 내측에 위치한 개구부(11), (12), (13)의 수량에 따라 기본 단위(16)가 결정된다. 구체적으로, 도 3의 기본 단위(16)에서, 네 변선이 포함하는 영역 내측에 위치한 개구부(11), (12), (13)의 수량은 이하 방식에 따라 결정된다. 네 변선이 서로 만나는 4개의 연료 유체 개구부(11)는 그 내측이 1/2이므로, 연료 유체 개구부(11)는 총 2개로 계산하고; 두 변선과 서로 만나는 2개의 냉각 매질용 개구부(12)는 그 내측에서 1/2이므로, 합계는 1개이고, 변선과 만나지 않는 부위에 위치한 냉각 매질용 개구부(12)가 1개 이므로, 냉각 매질의 개구부(12)는 총 2개로 계산하며; 기본 단위(16)의 4개의 모서리에 위치한 산화 유체의 개구부(13)는 그 내측에서는 1/4이므로 합계는 1개이고, 변선과 만나지 않는 부위에 위치한 산화 유체의 개구부(13)는 1개이므로, 산화 유체용 개구부(13)는 총 2개로 계산한다. 따라서, 변선과 서로 만나는 부위에 위치한 개구부(11), (12), (13) 및 변선과 서로 만나지 않는 부위에 위치한 개구부(11), (12), (13)(변선 내측)를 포함하며, 이들을 전부 더하여, 즉 2개의 연료 유체용 개구부(11), 2개의 냉각 매질용 개구부(12), 및 2개의 산화 유체용 개구부(13)를 전부 더하면, 총 6개의 개구부가 기본 단위(16)를 구성한다. 여기에서 언급하는 "포함"이란 2차원 브라베이 격자의 기본 단위의 변선으로 둘러싸인 내측에 위치한 영역의 개구부를 말한다. 상기 이외에, 변선이 6개인 2차원 브라베이 격자의 기본 단위(16)를 응용한 육방격자(hexagonal lattice)를 예시로 들 수 있다.
도 4, 도 5에서, 단위셀(8)의 발전 기능을 유도하기 위하여, 도 3에 도시된 개구부(11), (12), (13)는 각각 공급용과 배출용으로 구분하며, 즉 연료 유체 공급용 개구부(11A), 냉각 매질 공급용 개구부(12A), 산화 유체 공급용 개구부(13A), 연료 유체 배출용 개구부(11B), 냉각 매질 배출용 개구부(12B), 산화 유체 배출용 개구부(13B)로 구분한다. 외부 공용 통로(51), (52), (53) 배열의 편의를 위하여 공급용 내부 공용 통로(41A), (42A), (43A)를 형성하는 공급용 개구부(11A), (12A), (13A) 및 배출용 내부 공용 통로(41B), (42B), (43B)를 형성하는 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)의 레이아웃은 도 4, 도 5에 도시된 브라베이 격자의 2차원 확장된 기본 단위(16)로 반복 처리를 수행하여 구성한다. 도 4, 도 5에 도시된 "최소 발전체(17)"란 연료전지가 작용을 일으키도록 하는데 필요한 최소한의 공급용과 배출용 개구부(11), (12), (13)로 구성되는 발전체를 말한다. 최소 발전체(17)에서, 네 변선에 포함되는 영역 내측에 위치한 개구부(11), (12), (13)의 수량은 전부 2개 이상 또는 이하(포함)의 개구부이며, 각각 4분의 1개 이상 또는 이하(포함)의 연료 유체의 연료 유체 공급용 개구부(11A), 2분의 1개 이상 또는 이하(포함)의 냉각 매질 공급용 개구부(12A), 4분의 1개 이상 또는 이하(포함)의 산화 유체 공급용 개구부(13A), 4분의 1개 이상 또는 이하(포함)의 연료 유체 배출용 개구부(11B), 2분의 1개 이상 또는 이하(포함)의 냉각 매질 배출용 개구부(12B), 및 4분의 1개 이상 또는 이하(포함)의 산화 유체 배출용 개구부(13B)로 구성된다.
도 4, 도 5를 통해 알 수 있듯이, 상기 최소 발전체(17)는 주기적으로 확장될 수 없으며, 그것이 포함되는 영역 내측의 개구부 수량은 상기 기본 단위(16)에 포함되는 영역 내측의 개구부 수량과 상이하나, 단 상기 기본 단위(16)와 상기 최소 발전체(17)는 기하학적 유사성을 지니며, 모두 연료 유체, 냉각 매질과 산화 유체의 공급용과 배출용의 6종류의 개구부를 구비한다. 따라서, 브라베이 격자의 2차원 확장 기본 단위(16)는 이론적으로 주기성과 대칭성을 보다 정확하게 표시하며, 연료전지를 작용하게 하는 상기 최소 발전체(17)와 대응된다. 또한 도 4, 도 5에서, 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)의 부호는 X로 표시하였고, 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)의 부호는 검정색 원형으로 표시하였다.
"파동"이란 물리학에서, 너비 또는 강도를 갖는 양(에너지, 밀도, 전압 등)의 공간적 또는 시간적 평균값에 대한 변동을 말한다. 파동을 고려하는 방법으로서, 측정값을 단순하게 물리량의 값으로 생각할 수 있으나, 단 실제로는 각종 상태가 무작위로 나타난다. 따라서, 물리량의 파동 값 역시 각양각색이다. 측정값에 대해 어느 정도의 편차가 존재하는지를 나타내는 값이 즉 파동이다.
즉, 단위셀(8)의 면내에 배치되는 개구부(11), (12), (13)의 크기, 형상과 배열 위치는 완벽할 수 있으며, 설사 약간의 치수 파동, 형상 파동 또는 약간의 위치 파동이 있더라도 상관 없다. 구체적으로, 각각의 기본 단위의 개구부(11) 사이는 크기, 형상 및/또는 배열 위치에 약간의 차이가 있을 수 있으며, 이와 유사하게, 각각의 기본 단위의 개구부(12) 사이, 및/또는 각 기본 단위의 개구부(13) 사이는 치수, 형상 및/또는 배열 위치에 약간의 차이가 있을 수 있다.
여기서, 브라베이 격자에 대해 설명한다. 결정은 격자라고 불리는 주기적인 규칙이 정확한 원자 배열을 가지며, 결정은 격자 단위(격자점을 연결하여 획득되는 구조)의 반복으로 간주할 수도 있다. 정확하게 배열된 규칙성을 사용하여 분류하고, 격자점 그룹의 대칭성에 따라 분류하여 획득된 격자 구조를 브라베이 격자라고 칭한다. 2차원 브라베이 격자의 분류에는 사방격자, 장방형격자, 육방격자, 정방형격자, 면심장방형 격자로 구성되는 5종이 반복되는 단위를 포함한다.
이러한 브라베이 격자의 규칙성을 가지고 반복되는 기본 단위(16)(도 3 참조)를 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 구성하는 단위셀(8)의 개구부(11), (12), (13)의 레이아웃 설계에 응용하는 이유는, 다음과 같은 내용 등을 열거할 수 있다. 즉 단위셀(8)의 전체에 각종 유체를 균일하게 제공 및 배출하기 위해서이며, 유동하는 압력 손실을 억제할 수 있어 흐름의 분배성이 양호해지고, 단위셀(8)의 면적을 효과적으로 이용할 수 있다.
또한, 도 3~도 5는 단위셀(8)의 면내 방향에 배열된, 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 구성하는 개구부(11), (12), (13)를 도시한 것이다. 개구부(11), (12), (13)의 배열 형태에 대해 설명하는 도 3~도 5 중, 모든 개구부(11), (12), (13)의 형상과 치수 크기는 동일하게 설정하여 표시하였으나, 이들이 반드시 같을 필요는 없다. 각종 유체의 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 형상과 폭 치수는 각종 유체의 유량 변화에 따라 각종 유체의 개구부(11), (12), (13)의 형상과 치수 크기를 적당하게 설정할 수 있다(상이한 폭 치수를 갖는 내부 공용 통로(41), (42), (43)는 후술하는 도 6과 도 7을 참조한다). 또한, 도면에서, 도면 제작의 편의를 위해, 원호를 갖는 직사각형으로 개구부(11), (12), (13)의 형상을 표시하였으나, 실제로는 기타 형상, 또는 이러한 상이한 형상의 조합 역시 사용 가능하다.
여기서, 도 3, 도 4를 참조하여 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 구성하는 단위셀(8)의 개구부(11), (12), (13) 배열의 규칙성을 나타내는 일 예시에 대해 상세히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 각종 유체용 개구부(11), (12), (13)의 배열의 기본 단위(16)는 브라베이 격자의 각종 패턴에 따라 2차원으로 확장된다. 도 3은 단위셀(8)의 면내 방향의 설명도로서, 브라베이 격자의 사방격자 패턴의 규칙성을 예로 들어 증명하였다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 단위셀(8)의 면내와 수직 또는 예각을 이루도록 설치되는 각종 유체의 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 구성하는 개구부(11), (12), (13) 중, 3종 유체(연료 유체, 냉각 매질 또는 산화 유체)의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)와 3종 유체의 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)는 유로(31), (32), (33)를 따라 가장 가까운 상대 위치에 위치한다. 구체적인 예를 열거한다면, 즉 도 4에서 볼 수 있듯이, 산화 유체의 공급용 개구부(13A)와 산화 유체 배출용 개구부(13B)는 단위셀(8)의 산화 유체의 유로 방향을 따라 가장 가까운 위치에 설치된다. 가장 가깝게 설치하면, 동일한 종류(상기 경우는 산화 유체)의 유체의 유동이 중도에 중단될 수 있기 때문에, 연료전지의 반응을 더욱 잘 촉진시키는 효과가 있으며, 모든 촉매 반응 면적을 최대한으로 이용하기 때문에 촉매 반응 면적이 낭비되지 않는다.
여기서, 도 4를 참조하여 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 구성하는 단위셀(8)의 개구부(11), (12), (13) 배열의 규칙성을 나타내는 또 다른 예시에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 각종 유체의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)와 각종 유체의 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)가 혼재하는 예시를 더 도시한 것이다. 이러한 개구부(11), (12), (13)를 포함하는 F열과 G열은 상호 보완 관계를 갖는다. 즉, 하나의 F열 또는 G열 중의 어느 하나에서, 동종 유체의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)와 동종 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)는 동일한 열에 함께 존재하지 않는다. 이에 따라, 단위셀(8)의 유로(31), (32), (33)의 교차 방향(도 3의 B 방향)에서, 하나의 열에는 동종의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A) 또는 동종의 유체의 개구부(11B), (12B), (13B)만 배열되며, 따라서 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 외부 공용 통로(51), (52), (53)와 연결되기 용이하다.
이 점에 관하여, 구체적인 예시의 열거를 통해 설명한다. 연료 유체의 배출용 개구부(11B)가 F열에 배열된다면, 즉 연료 유체의 공급용 개구부(11A)는 이웃한 다른 G열에 배열되고, 냉각 매질의 공급용 개구부(12A)가 F열에 배열된다면, 즉 냉각 매질의 배출용 개구부(12B)는 이웃한 다른 G열에 배열되며, 산화 유체의 공급용 개구부(13A)가 F열에 배열된다면, 즉 산화 유체의 배출용 개구부(13B)는 이웃한 다른 G열에 배열된다.
또한, 도 5를 참조하여 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 구성하는 단위셀(8)의 개구부(11), (12), (13) 배열의 규칙성을 나타내는 다른 예시에 대해 상세히 설명한다.
도 5는 각종 유체의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A) 또는 각종 유체의 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)의 어느 하나를 단위셀(8)의 면내 방향의 J열 또는 K열에 배열한 예시를 도시한 것이다. 공급용 개구부(11A), (12A), (13A) 또는 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)만 동일한 열에 구성되며, 구성되는 열은 유로 방향(A 방향)에서 교차 배열된다. 즉, 공급 전용인 J열과 배출 전용인 K열이 교차 배열된다. 이러한 결정학적 패턴을 이용하여 각종 유체에 따라 열을 단위로 하여 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 설계할 경우, 즉 외부 공용 통로(51), (52), (53)를 배열하여 배치하기가 용이하다.
또한, 도 3~도 5에 도시된 바와 같이, 단위셀(8)의 면내 방향에 배치되는 개구부(11), (12), (13)에 상기 대칭을 갖는 2차원 브라베이 격자의 패턴을 응용하여, 주기성을 갖는 2차원 배열 방식으로 설계한다. 즉, 2차원 브라베이 격자의 대칭성을 갖는 패턴을 반복 단위로 하여 주기성을 갖는 정확한 규칙성에 따라 배열하거나, 브라베이 격자의 대칭성을 갖는 패턴에 약간의 파동이 있는 주기성을 갖는 2차원 배열에 따라 개구부(11), (12), (13)를 설계할 수 있다.
또한, 브라베이 격자의 대칭성 패턴에 5종(사방격자, 장방형 격자, 육방격자, 정방형 격자, 면심장방형 격자)이 존재하므로, 본 발명의 실시방식은 당연히 도 3~도 5에서 설명하는 예시로 한정되지 않는다.
상기한 바와 같이, 상기 개구부(11), (12), (13)의 레이아웃을 바탕으로, 관련된 개구부(11), (12), (13)를 서로 중첩시키면, 그 결과는 도 6, 도 7에 도시된 형상을 갖는 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 된다. 이렇게 형성된 내부 공용 통로(41), (42), (43)는 하기의 방식을 통해 획득될 수 있다. 즉 각 단위셀(8)을 스택하여, 그 상하 위치 관계를 갖는 단위셀(8)의 개구부(11), (12), (13)가 서로 동일한 형상과 치수를 갖는 경우, 상호 매칭성을 획득한 직선 또는 곡선 상에서 이들을 결합시킬 수 있다. 또한, 상기 형상을 갖는 내부 공용 통로(41), (42), (43)에 상하 위치 관계가 존재하는 단위셀(8)의 개구부(11), (12), (13)가 서로 형상과 치수에서 약간의 편차를 갖는 경우, 즉 비록 상하가 인접한 개구부가 매칭되지 않더라도, 이들이 직선 또는 곡선 상에서 결합되기 때문에, 여전히 서로 연결되는데 문제가 없다. 따라서 이러한 실시예는 연료전지의 형상에 일정 정도의 유연성을 허용할 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지의 소형화를 구현할 수 있다. 즉, 상기한 바와 같이, 단위셀(8)이 연장되는 면내 방향에 설치되는 개구부(11), (12), (13)는 단위셀(8)이 연장되는 면내에서 수직방향 또는 예각 방향을 따라 매칭성을 획득하는 방식으로 결합될 수 있으며, 매칭성을 지니지 않는 경우에도 서로 결합할 수 있다. 이러한 레이아웃 중, 각종 유체의 유동은 개선 효과를 얻을 수 있다.
또한, 여기에서 설명하는 "매칭성"이란 제1 단위셀(8)과 제2 단위셀(2)에 각각 설치되는 개구부(11), (12), (13)가 동일한 형상과 치수로 서로 결합되는 것을 말하며, 그 결과는, 각종 유체의 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 설사 직선 형상 또는 곡선 형상의 공용 통로이더라도, 그 단면의 폭 치수는 전체적인 튜브 중에서 여전히 동일하다(도 6(a), (b), (c) 참조).
도 3, 4, 5에 예시된 각종 유체의 개구부(11), (12), (13)가 설치된 단위셀(8)이 전지 스택 구조체(9)의 수직방향을 따라 중첩된 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 매칭성을 지닌 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 형성할 수 있다. 도 6(a)는 각종 유체의 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 단위셀 스택 구조체(9)와 수직 방향에서 서로 평행하게 매칭을 획득한 예시이다. 도 6(b)는 각종 유체의 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 단위셀 스택 구조체(9)와 예각을 이루는 방향에서 서로 평행하며, 매칭성을 구비한 예시이다. 도 6(c)는 각종 유체의 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 단위셀 스택 구조체(9)와 예각을 이루는 방향에서 서로 평행하지 않으며, 매칭성을 구비한 예시이다.
또한, "비매칭성"이란 제1 단위셀(8)과 제2 단위셀(8)에 각각 설치되는 개구부(11), (12), (13)에 어느 정도 편차가 존재하는 형상 및 치수가 서로 결합되는 것을 말하며, 그 결과는, 각종 유체의 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 설사 직선 형상 또는 곡선 형상의 공용 통로이더라도, 그 단면의 폭 치수는 전체 튜브 중에서 변화가 발생할 수 있다(도 7(a), (b), (c), (d) 참조).
도 3, 4, 5에 도시된 개구부(11), (12), (13)가 설치된 단위셀(8)이 수직방향을 따라 중첩된 경우, 도 7에 도시된 바와 같은 매칭성을 지니지 않은(비매칭성) 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 형성할 수 있다. 도 7(a)는 내부 공용 통로(41), (42), (43)에서 각종 유체의 유동이 동일한 방향이면서, 이들의 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 중심선이 서로 평행하게 배치되는 예시이고, 도 7(b)는 내부 공용 통로(41), (42), (43)에서 각종 유체의 유동이 상이한 방향이면서, 이들의 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 중심선이 서로 평행하지 않게 배치되는 예시이며, 도 7(c)는 내부 공용 통로(41), (42), (43)에서 각종 유체의 유동이 상이한 방향이면서, 이들의 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 중심선이 서로 평행하게 배치되는 예시이고, 도 7(d)는 내부 공용 통로(41), (42), (43)에서 각종 유체의 유동이 상이한 방향이면서, 이들의 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 중심선이 서로 평행하게 배치되는 예시이다. 도 7(a), (b), (c), (d)의 모든 상황에서, 내부 공용 통로(41), (42), (43)는 모두 단위셀(8)과 수직 또는 예각으로 설치된다. 도 7(b), (c)는 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 컴팩트형으로 배치되는 예시이다.
도 7에 도시된 내부 공용 통로(41), (42), (43)는 선단이 협소한 노즐 형상이다. 즉 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 입구 부근의 폭 치수가 이들의 출구 부근의 폭 치수보다 크다. 도 6에 도시된 내부 공용 통로(41), (42), (43)는 폭 치수가 균등한 통상적인 형상이며, 유동은 입구로부터 거리가 증가함에 따라 동적 에너지 손실이 커지고, 속도가 느려지는 경향이 있다. 출구 부근의 폭 치수를 좁히면 유체의 에너지와 압력을 희생하게 되며, 그 대신 동적 에너지가 향상되어 유동이 약해지지 않고 단위셀(8)로 각종 유체를 제공할 수 있다.
도 8은 단위셀(8)의 면내를 나선형으로 회전하는 방식으로 중첩하여 형성되는 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 도시한 것이다. 전지 스택 구조체(9)의 수직 방향에서 단위셀(8)을 중첩 시, 이어지는 단계에 따라 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 형성한다. 이웃한 단위셀(8) 사이의 면내에 배치된 회전각도가 제로인 경우, 및 규정된 각도로 회전하는 경우가 존재하며, "회전각도가 제로"라 함은 회전 없이 완벽하고 정확하게 위치결정시켜 단위셀(8)을 중첩하는 것을 말하고, "규정된 각도로 회전하는" 경우, 도 2, 도 4, 도 5를 바탕으로 본 발명에서 다루는 유로(31), (32), (33)를 설명한다. 이를 통해, 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 각종 유체의 유동이 개선될 수 있다.
[유로]
상기한 바와 같이, 단위셀(8)이 스택되므로, 그 양측에서, 도 2에 상세히 도시된 바와 같이, 동일한 단위셀(8)은 서로 인접한다. 세퍼레이터(6), (7)와 기체 확산층(4), (5) 사이에 기체 확산층(4), (5)을 침투하는 연료 유체가 유통되는 유로(31)가 설치되며, 단위셀(8)의 음극측에서, 세퍼레이터(6), (7)와 기체 확산층(4), (5) 사이에 기체 확산층(4), (5)을 침투하는 산화 유체가 유통하는 유로(33)가 설치되고, 단위셀(8) 사이에 냉각 매질이 유동하는 유로(32)가 설치된다. 또한, 도 4와 도 5는 각 개구부(11), (12), (13)의 B 방향을 따르는 열 사이에서, 각종 유체가 유동하는 유로(31), (32), (33)의 궤적을 도시하였다. 유로는 A축의 두 방향을 따라 유동한다.
도 18에 도시된 바와 같이, 각종 유체의 단위셀(8)을 향하는 공급과 배출은 각종 유체 개구부의 밀봉 부위의 밀봉재료(19)에 의해 제어된다. 각종 유체의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)와 각종 유체의 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)의 부근에 밀봉을 실시한다. 다시 말해, 대응하는 유체와 무관한 개구부는 차단되어, 대응하는 유체가 무관한 유로로 유입되지 않으며; 다시 말해, 밀봉재료(19)의 역할은 각종 유체의 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 단위셀(8) 내부 및 단위셀(8) 사이의 각종 유체의 각자 부합되는 유로(31), (32), (33)에 연결하여, 각자 서로 간섭하지 않는 각종 유체를 공급 및 배출할 수 있도록 하는 것이다. 여기서, 도 18에 기재된 실선 화살표는 각종 유체의 유동 방향을 나타낸다.
도 18(a)는 연료 유체가 유통되는 유로(31)를 나타낸 것으로서, 여기서는 단위셀(8)에 연료 유체의 공급과 배출을 제공하기 위하여, 냉각 매질의 유로(32) 입구의 공급용 개구부(12A), 출구의 배출용 개구부(12B)(도 18(c)), 및 산화 유체의 유로(33) 입구의 공급용 개구부(13A), 출구의 배출용 개구부(13B)(도 18(b))의 전부를 밀봉재료(19)로 밀봉하여, 냉각 매질과 산화 유체가 연료 유체가 유통하는 유로(31)에 유입되지 못하도록 한다.
도 18(b)는 산화 유체가 유통되는 유로(33)를 나타낸 것으로서, 여기서는 단위셀(8)에 산화 유체의 공급과 배출을 제공하기 위하여, 연료 유체의 유로(31) 입구의 공급용 개구부(11A), 출구의 배출용 개구부(11B)(도 18(a)), 및 냉각 매질의 유로(32) 입구의 공급용 개구부(12A), 출구의 배출용 개구부(12B)(도 18(c))의 전부를 밀봉재료(19)로 밀봉하여, 연료 유체와 냉각 매질이 산화 유체가 유통하는 유로(33)에 유입되지 못하도록 한다.
도 18(c)는 냉각 매질이 유통되는 유로(32)를 나타낸 것으로서, 여기서는 단위셀(8)에 냉각 매질의 공급과 배출을 제공하기 위하여, 연료 유체의 유로(31) 입구의 공급용 개구부(11A), 출구의 배출용 개구부(11B)(도 18(a)), 및 산화 유체의 유로(33) 입구의 공급용 개구부(13A), 출구의 배출용 개구부(13B)(도 18(b))의 전부를 밀봉재료(19)로 밀봉하여, 연료 유체와 산화 유체가 냉각 매질이 유통하는 유로(32)에 유입되지 못하도록 한다.
도 18(a)는 연료 기체가 유통되는 유로(31) 및 연료 기체 공급용 개구부(11A)와 배출용 개구부(11B)의 밀봉 부위를 나타낸 것이다. 유로(31)에 연결된 개구부(11A), (11B)의 부위는 밀봉하지 않고, 유로(32) 및 유로(33)에 연결된 개구부(11A), (11B)의 부위는 밀봉함으로써 단위셀(8)에 대한 연료 기체의 공급과 배출을 구현한다. 연료 유체가 흐르는 경로는 즉, 공급용 내부 공용 통로(41A), 공급용 개구부(11A), 유로(31), 배출용 개구부(11B), 배출용 내부 공용 통로(41B)이다. 그 결과, 공급되는 연료 유체가 양극측 기체 확산층(4)을 통해 양극 촉매층(2)에 도달할 수 있으며, 연료 유체의 전자가 분리되는 수산화반응을 촉진시켜, 전자를 외부 회로로 이동시킴으로써 단위셀(8)이 전기를 발생시킬 수 있다.
도 18(b)는 산화 기체가 유통되는 유로(33) 및 산화 기체 공급용 개구부(13A)와 배출용 개구부(13B)의 밀봉 부위를 나타낸 것이다. 유로(33)에 연결된 개구부(13A), (13B)의 부위는 밀봉하지 않고, 유로(31) 및 유로(32)에 연결된 개구부(13A), (13B)의 부위는 밀봉함으로써 단위셀(8)에 대한 산화 기체의 공급과 배출을 구현한다. 산화 유체가 흐르는 경로는 즉, 공급용 내부 공용 통로(43A), 공급용 개구부(13A), 유로(33), 배출용 개구부(13B), 배출용 내부 공용 통로(43B)이다. 그 결과, 공급되는 산화 유체가 음극측 기체 확산층(5)을 통해 음극 촉매층(3)에 도달할 수 있으며, 프로톤과 전자 및 산소로부터 물을 만드는 산소 환원반응을 촉진시켜, 단위셀(8)이 전기를 발생시킬 수 있다.
도 18(c)는 냉각 매질이 유통되는 유로(32) 및 냉각 매질 공급용 개구부(12A)와 배출용 개구부(12B)의 밀봉 부위를 나타낸 것이다. 유로(32)에 연결된 개구부(12A), (12B)의 부위는 밀봉하지 않고, 유로(31) 및 유로(33)에 연결된 개구부(12A), (12B)의 부위는 밀봉함으로써 냉각 매질의 단위셀(8)에서의 순환을 구현한다. 냉각 매질이 흐르는 경로는 즉, 공급용 내부 공용 통로(42A), 공급용 개구부(12A), 유로(32), 배출용 개구부(12B), 배출용 내부 공용 통로(42B)이다.
[외부 공용 통로]
이어서, 도 9~도 12를 바탕으로 본 발명에서 다루는 외부 공용 통로(51), (52), (53)를 설명한다. 또한, 도 3~12에 기재된 점선 화살표는 도면 제작의 편의를 위해 "반복되는 부분"의 부위를 생략한 것이나, 단 상기 반복되는 부분이 무한히 지속된다는 의미를 포함하지는 않는다. 또한, 도 9~도 12 중 외부 공용 통로(51), (52), (53)에 표시된 물결형 윤곽선은 생략된 부분을 절취한 후의 상태를 나타낸다.
단위셀(8)로 구성되는 전지 스택 구조체(9)의 양단은 엔드 플레이트(101)(제1 엔드 플레이트), 엔드 플레이트(102)(제2 엔드 플레이트)의 사이에 개재된다. 상기 엔드 플레이트(101), (102)에는 각종 유체의 공급용 외부 공용 통로(51A), (52A), (53A) 및 배출용 외부 공용 통로(51B), (52B), (53B)가 설치된다. 즉, 전부 6종의 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 모두 엔드 플레이트(101), (102)에 설치된다. 즉, 엔드 플레이트(101), (102)에는 연료 유체의 공급용 외부 공용 통로(51A)와 연료 유체의 배출용 외부 공용 통로(51B), 냉각 매질의 공급용 외부 공용 통로(52A)와 냉각 매질의 배출용 외부 공용 통로(52B), 산화 유체의 공급용 외부 공용 통로(53A)와 산화 유체의 배출용 외부 공용 통로(53B)가 설치된다. 상기 엔드 플레이트(101), (102)는 단위셀(8)이 스택되는 상, 하 2개 방향을 따라 전지 스택 구조체(9)를 체결시키고 전극의 집전판으로서의 기능을 갖는다. 엔드 플레이트(101), (102)에 설치되는 외부 공용 통로(51), (52), (53)를 통해 각종 유체가 스택된 각 단위셀(8)의 기능층에 유통된다. 본 실시방식에서, 엔드 플레이트(101), (102)는 외부 공용 통로(51), (52), (53)의 기능을 겸비하는 것으로도 간주할 수 있다.
이미 설명한 바와 같이, 단위셀(8)의 면내에서, 2차원 브라베이 격자의 규칙성을 지닌 기본 단뒤(16)가 반복적으로 개구부(11), (12), (13)에 응용된다. 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 수량은 하나의 단위셀(8) 중에 설치된 개구부(11), (12), (13)의 수량에 대응되며, 기본 단위(16)를 반복함으로써 형성되는 것은 당연한 결과이다. 또한, 내부 공용 통로(41), (42), (43)와 외부 공용 통로(51), (52), (53)는 연결구(21), (22), (23)를 통해 연결되며, 따라서, 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73) 역시 하나의 단위셀(8)에 설치되는 개구부(11), (12), (13)의 수량, 및 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 수량과 대응되며, 브라베이 격자의 규칙성을 지닌 기본 단위(16)가 반복적으로 형성되는 것은 당연한 결과이다(도 9~12 참조).
예외적으로 2차원 브라베이 격자의 규칙성을 지닌 기본 단위(16)를 응용하지 않는 경우는 후술하는 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)이다. 브라베이 격자의 규칙성을 지닌 기본 단위(16)를 응용한 각종 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)은 브라베이 격자의 규칙성을 지닌 기본 단위(16)를 응용하지 않은 외부 BOP에 연결된 도관(61), (62), (63)과 관통된다.
도 9(a)~12(a)는 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53) 내에 본 발명의 일 실시방식의 엔드 플레이트(101), (102)가 설치된 형태의 입체 단면도이다. 도 9(a)~12(a)를 통해 알 수 있듯이, 외부 공용 통로(51), (52), (53) 중, B 방향을 따라 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)이 설치된다. 또한, 외부 공용 통로(51), (52), (53) 중, C 방향을 따라 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)이 설치된다. 도 9~도 12는 도 4를 바탕으로 단위셀(8)의 면내에 형성된 개구부(11), (12), (13) 배열의 규칙성에 대해 설명한 도면이다.
BOP는 Balance of Plant(발전 보조 시스템)의 약자로서, 연료, 공기를 제공하는 펌프, 전기의 발생을 제어하는 전기회로 등 발전 보조 장치의 통칭이며, 개질기(reformer), 송풍기(blower), 승압기(booster), 가습기, 열교환기, 직류교류 변환기(DC AC converter) 등 발전 시스템의 주변장치를 말한다.
상기 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)은 단위셀(8) 내의 연료 유체, 냉각 매질 및 산화 유체의 유로(31), (32), (33)와 교차되는 B 방향을 따라 연장되게 설치된다. B 방향은 개구부(11), (12), (13)로 구성된 F열 및 G열의 배열(도4) 방향과 동일한 방향이다. 각종 유체용의 상기 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)은 서로 접촉하지 않는 방식으로 평행하거나 또는 기본적으로 평행하게 설치된다.
"기본적으로 평행하게 설치된다"라 함은 B 방향과 일정 범위를 두고 경사지게 설치되는 것을 말하며, 이는 경사 가공 후의 결과이기도 하다. 즉, 각각 외부 BOP와 연결되는 도관(61), (62), (63)은 기본적으로 평행하게 설치되고, 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)과의 연결을 조정함으로써 유동이 용이해지도록 하는 경우가 있다.
상기 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)은 상기 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 연장시키는 방식으로 상기 단위셀(8)의 스택 방향을 따라 연장 설치된다. 상기 내부 공용 통로에 연결되는 이러한 도관(71), (72), (73)은 서로 접촉하지 않는 방식으로 평행하거나 또는 기본적으로 평행하게 설치된다.
또한, 도 9~도 12에 도시된 예시 중, 각종 유체용 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)은 서로 평행하게 설치된다. 또한 각종 유체용의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)은 서로 평행하게 설치된다. 또한 비록 각종 유체용 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)과 각종 유체용의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)이 90도 각도로 직교하는 예시를 도시하였으나, 단 본 발명의 실시방식은 상기 예시에 한정되는 것은 아니다. 교차되는 각도는 예를 들어 1도 이상이면서 90도 미만인 범위 내에서 설정 가능하다.
도 9(a)는 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53) 내에 본 발명의 일 실시방식의 엔드 플레이트(101) 또는 엔드 플레이트(102)가 설치된 형태의 입체도를 국부적으로 도시한 입체도이다.
도 9(c)는 도 9(a)의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)과 일치하는 연결구(21), (22), (23)의 배열을 나타낸 도면이다. 구체적으로 설명하면, 도 9(c) 중의 연료 유체의 공급용 연결구(21A)와 연료 유체의 배출용 연결구(21B), 냉각 매질 공급용 연결구(22A)와 냉각 매질 배출용 연결구(22B), 및 산화 유체 공급용 연결구(23A)와 산화 유체 배출용 연결구(23B)는 도 9(a)에 도시된 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)에 대응된다. 도 9(a) 중의 위를 향하는 화살표는 전지 스택 구조체(9)로의 공급 방향을 나타내고, 도 9(c) 중 X로 표시되는 각종 유체의 공급용 연결구(21A), (22A), (23A)에 대응된다. 도 9(a) 중의 아래를 향하는 화살표는 전지 스택 구조체(9)로부터의 배출 방향을 나타내며, 도 9(c) 중 검정색 원형으로 표시되는 각종 유체의 배출용 연결구(21B), (22B), (23B)에 대응된다. 도 9(c)에 도시된 T-T'는 도 9(b) 중의 엔드 플레이트(101), (102)의 투영도의 방향을 나타낸다.
도 9(b)는 엔드 플레이트(101), (102) 중 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53)를 형성 시의 투영도이고, 도 9(c)는 T-T'측에서 관찰한 투영도이며, 실제로 관찰되는 변은 실선으로 표시하고, 보이지 않는 변은 점선으로 보충하였다. 상기 투영도에 따르면, 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 서로 간섭하지 않도록 하기 위하여, 상기 엔드 플레이트(102)를 제1 영역(511), 제2 영역(522), 제3 영역(533)으로 구분하고, 단계적으로 변경되도록 상기 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)의 폭 치수를 설계하였다. 상기 A축의 2개 방향에서의 폭 치수는 전지 스택 구조체(9)에서 가장 먼 위치인 제1 영역(511)부터 시작하여, 중간 위치인 제2 영역(522)을 거쳐, 전지 스택 구조체(9)에 가장 가까운 위치인 제3 영역(533)까지, A축의 2개의 방향을 따라 영역별로 단계적으로 커진다. 이밖에, 도 9(b)의 우측단은 각 영역의 위치관계를 나타낸 것이다. 또한, 상기 냉각 매질의 외부 BOP에 연결되는 도관(62)은 상기 제1 영역(511)에 위치한 연료 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71)의 폭을 기준선으로 하여 설정하고, A축의 2개의 방향을 따라 후퇴시켜 설치 조정하며, 상기 산화 유체의 외부 BOP에 연결되는 도관(63)은 상기 제2 영역(522)에 위치한 냉각 매질의 내부 공용 통로에 연결된 도관(72)의 폭을 기준선으로 하여 설정하고, A축의 2개 방향을 따라 후퇴시켜 설치 조정한다.
도 9(b)에 도시된 바와 같이, 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)과 상기 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)은 서로 수직으로 연결된다. 연료 유체의 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71A)은 제1 영역(511)에 위치한 연료 유체 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(61A)의 중앙을 관통한다. 이어서, 냉각 매질의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72B)은 제2 영역(522)에 위치한 냉각 매질 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(62B)의 단부를 관통한다. 또한, 산화 유체의 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(73B)은 제3 영역(533)에 위치한 산화 유체 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(63B)의 단부를 관통한다. 또한, 도시하지는 않았으나, 외부 공용 통로를 구성하는 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)과 상기 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73) 역시 서로 예각을 이루도록 연결될 수 있다. 이밖에, 비록 도시하지는 않았으나, 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)은 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)의 대체로 중앙, 또는 대체로 단부, 또는 이들 사이를 관통할 수 있다.
외부 공용 통로(51), (52), (53)의 단면적은 상기 각종 유체의 유량 변화에 따라 적당히 결정하는 것이 바람직하다. 연료 유체는 유동하는 동안 소모될 수 있기 때문에, 유량에 변화가 존재한다. 유량의 변화가 현저한 연료 유체의 외부 공용 통로(51)에서, 비록 연료 유체가 유동하는 동안 모든 성분이 소모될 수는 있으나, 단 유동 속도가 빠르기 때문에, 일정한 기압으로 공급될 수 있도록 외부 공용 통로의 단면적을 비교적 작게 설정할 수 있다. 냉각 매질은 전기를 발생시킬 때 소모되지 않는다. 유량의 변화가 없는 냉각 매질의 경우, 그 냉각 효율을 높이고, 냉각 매질용 외부 공용 통로(52) 양면 측으로부터의 냉각효과를 발휘하도록 하기 위하여, 연료 유체용 외부 공용 통로(51)와 산화 유체용 외부 공용 통로(53) 사이에 냉각 매질용 외부 공용 통로(52)를 설치하는 것이 바람직하다. 외부 공용 통로의 표면적이 클수록, 냉각 효과가 높아지므로, 그 단면적을 크게 설정하는 것이 바람직하다. 산화 유체의 외부 공용 통로(53) 중, 비록 전 성분의 일부분인 산소가 소모되나, 단 주요 성분의 유체는 소모되지 않기 때문에, 연료 유체의 외부 공용 통로(51)와 비교하여, 반응으로 인한 감소량이 비교적 적다. 산소 함량이 비교적 적은 산화 유체를 적당히 제공하기 위해서는, 산화 유체의 외부 통로(53)의 단면적을 비교적 크게 설정하는 것이 바람직하다.
상기 전지 스택 구조체(9)의 양측에 엔드 플레이트(101), (102)가 존재하기 때문에, 각종 유체의 공급용 외부 공용 통로(51A), (52A), (53A) 및 각종 유체의 배출용 외부 공용 통로(51B), (52B), (53B)는 일측에 위치한 엔드 플레이트(102)에 설치되거나, 또는 양측에 위치한 엔드 플레이트(101), (102)에 분리하여 설치될 수도 있다. 구체적인 예로서, 엔드 플레이트(101)에 연료 유체 공급용 외부 공용 통로(51A)와 연료 유체 배출용 외부 공용 통로(51B)를 설치하고, 엔드 플레이트(102)에 냉각 매질 공급용 외부 공용 통로(52A)와 냉각 매질 배출용 외부 공용 통로(52B), 산화 유체 공급용 외부 공용 통로(53A)와 산화 유체 배출용 외부 공용 통로(53B)를 설치할 수 있다.
도 10(a)은 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53) 내에 본 발명의 일 실시방식의 엔드 플레이트(101) 또는 엔드 플레이트(102)가 설치된 형태를 국부적으로 도시한 입체도이다. 도 10(b)는 하기 형태의 단면도 P-P'를 도시하였으며, 즉, 본 발명의 일 실시방식의 엔드 플레이트(101) 또는 엔드 플레이트(102)에 연료 유체 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71B)과 연료 유체 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(61B)의 접합부, 및 산화 유체 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(73B)과 산화 유체 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(63B)의 접합부가 형성된다. 전지 스택 구조체(9)에서 가장 먼 위치에 위치하는 제1 영역(511) 중, 연료 유체 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71B)은 냉각 매질 및 산화 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72), (73)과 비교하여 폭 치수가 가장 작으며, 연료 유체 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(61B)에 관통 설치된다. 전지 스택 구조체(9)에 가장 가까운 위치에 위치하는 제3 영역(533) 중, 산화 유체 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(73B)은 연료 유체 및 냉각 매질의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72)과 비교하여 폭 치수가 가장 크며, 산화 유체 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(63B)에 관통 설치된다.
도 10(c)은 도 10(a)의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)과 일치하는 연결구(21), (22), (23)의 배열을 나타낸 설명도이다. 도 10(c) 중의 연료 유체 공급용 연결구(21A)와 연료 유체 배출용 연결구(21B), 냉각 매질 공급용 연결구(22A)와 냉각 매질 배출용 연결구(21B), 및 산화 유체 공급용 연결구(23A)와 산화 유체 배출용 연결구(23B)는 도 10(a)에 도시된 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)에 대응된다. 도 10(a) 중의 위를 향하는 화살표는 전지 스택 구조체(9)로의 공급 방향을 나타내며, 도 10(c) 중 X로 표시된 각종 유체의 공급용 연결구에 대응된다. 도 10(a) 중의 아래를 향하는 화살표는 전지 스택 구조체(9)로부터의 배출 방향을 나타내며, 도 10(c) 중 검정색 원형으로 표시되는 각종 유체의 배출용 연결구에 대응된다. 도 10(c) 중의 P-P'는 도 10(b)의 단면 절단 위치이다.
도 11(a)은 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53) 내에 본 발명의 일 실시방식의 엔드 플레이트(101) 또는 엔드 플레이트(102)가 설치된 형태를 국부적으로 도시한 입체도이다. 도 11(b)는 하기 형태의 단면도 Q-Q'를 도시하였으며, 즉, 본 발명의 일 실시방식의 엔드 플레이트(101) 또는 엔드 플레이트(102)에 냉각 매질 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72A)과 냉각 매질 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(62A)의 접합부, 및 냉각 매질 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72B)과 냉각 매질 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(62B)의 접합부가 형성된다. 전지 스택 구조체(9)로부터 시작하는 중간 위치에 위치하는 제2 영역(522) 중, 냉각 매질 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72A)의 폭 치수는 연료 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71)의 폭 치수보다 크고, 산화 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(73)의 폭 치수보다 작으며, 냉각 매질 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(62A)에 관통 설치된다. A축의 2개의 방향에서 서로 이웃한 냉각 매질 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72B)의 폭 치수는 연료 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71)의 폭 치수보다 크고, 산화 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(73)의 폭 치수보다 작으며, 냉각 매질 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(62B)에 관통 설치된다.
도 11(c)는 도 11(a)의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)과 일치하는 연결구(21), (22), (23)의 배열을 나타낸 설명도이다. 도 10(c) 중의 Q-Q'는 도 11(b)의 단면의 절단 위치를 도시한 것이다. 또한, 도 10(a), (c)의 내용과 중복되는 부분은 동일한 부호를 표기하였으며, 그 부분의 설명은 생략한다.
도 12(a)는 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53) 내에 본 발명의 일 실시방식의 엔드 플레이트(101) 또는 엔드 플레이트(102)가 설치된 형태를 국부적으로 도시한 입체도이다. 도 12(b)는 하기 형태의 단면도 R-R'을 도시하였으며, 즉, 본 발명의 일 실시방식의 엔드 플레이트(101) 또는 엔드 플레이트(102)에 산화 유체 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(73A)과 산화 유체 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(63A)의 접합부, 및 연료 유체 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71A)과 연료 유체 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(61A)의 접합부가 형성된다. 전지 스택 구조체(9)에서 가장 먼 위치에 위치하는 제1 영역(511) 중, 연료 유체 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71A)은 냉각 매질 및 산화 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72), (73)과 비교하여 폭 치수가 가장 작으며, 연료 유체 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(61A)에 관통 설치된다. 전지 스택 구조체(9)에 가장 가까운 위치에 위치하는 제3 영역(533) 중, 산화 유체 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(73A)은 연료 유체 및 냉각 매질의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72)과 비교하여 폭 치수가 가장 크며, 산화 유체 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(63A)에 관통 설치된다.
도 12(c)는 도 12(a)의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)과 일치하는 연결구(21), (22), (23)의 배열을 나타낸 설명도이다. 도 12(c) 중의 R-R'은 도 12(b)의 단면의 절단 위치를 도시한 것이다. 또한, 도 10(a), (c)의 내용과 중복되는 부분은 동일한 부호를 표기하였으며, 그 부분의 설명은 생략한다.
상기한 바와 같이, 본문 중, 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53)와 각종 유체의 내부 공용 통로(41), (42), 943)의 연결점을 "연결구(21), (22), (23)"라고 칭한다. 외부 공용 통로(51), (52), (53)와 간섭이 일어나지 않도록 하기 위하여, 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)의 폭 치수를 변경하여 설치해야 하며, 따라서 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)의 폭 치수가 내부 공용 통로측의 구조인 연결구(21), (22), (23)의 치수와 일치하지 않는 상황이 존재한다. 따라서, 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)은 그것과 연결구(21), (22), (23)의 연결부(711), (712), (713)의 형상을 변경하여 양자 간의 형상과 치수를 일치시켜야 한다. 도 9(b)에 도시된 바와 같이, 연료 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71)은 냉각 매질 및 산화 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72), (73)에 비해 폭 치수가 가장 작기 때문에, 연결부(711) 쪽으로 경사면을 증가시키되, 경사면의 경사 각도(α)는 90도 이하이며, B축의 좌우 두 부위에 설치한다. 도 9(b)에 도시된 바와 같이, 냉각 매질의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72)의 폭 치수는 연료 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71)의 폭 치수보다 크고, 산화 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(73)의 폭 치수보다 작기 때문에, 연결부(712) 쪽으로 경사면을 적당히 설정하되, 경사면의 경사 각도(α)는 90도 이하이며, B축의 좌우 두 부위에 설치한다. 도 9(b)에 도시된 바와 같이, 산화 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(73)은 냉각 매질 및 연료 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72), (71)에 비해 폭 치수가 비교적 크기 때문에, 연결부(713)의 경사면을 설치하지 않고, 직접 연결구(23)와 연결한다. 그러나, 상기 내용은 단지 하나의 예시일 뿐, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또는, 경사지게 하지 않고, 상기 연결부를 원뿔 형상 또는 사각뿔을 갖는 형상으로 형성하여도 내부 공용 통로(41), (42), (43)와 연결될 수 있다.
이하, 도 1~18을 바탕으로 본 발명의 실시방식 1, 2를 설명하나, 단 본 발명은 실시방식 1, 2에 한정되지 않는다.
실시방식 1
도 1~18을 사용하여, 앞에서 설명한 구성 개념을 바탕으로, 실시방식 1의 전지 스택형 연료전지에 대해 설명한다.
상기한 바와 같이, 전해질막(1)의 양면에 2개의 전극 촉매층(2), (3)을 배치하고, 상기 2개의 전극 촉매층(2), (3)의 외측에 기체 확산층(4), (5)을 배치하며, 또한, 이들을 협지하는 한 쌍의 세퍼레이터(6), (7)를 배치하여, 본 발명의 일 방식으로써의 단위셀(8)을 제작할 수 있다. 다시 말해, 연료전지의 전기를 발생시키는 기능을 구비하는 것은 본 발명의 일 실시방식의 단위셀(8)이다. 도 2는 단위셀(8) 내의 각 적층, 및 다수의 단위셀(8) 사이에 흐르는 각종 유체의 유동(연료 유체의 공급 유동(31), 냉각 매질의 공급 유동(32), 산화 유체의 공급 유동(33))을 도시한 것이다.
또한, 도 1(b)는 하기의 방식을 통해 제작되는 단위셀(8)이며, 즉, 세퍼레이터(6), (7), 기체 확산층(4), (5), 촉매층(2), (3), 전해질막(1), 촉매층(2), (3), 기체 확산층(4), (5), 세퍼레이터(6), (7)의 순서로 더해진 7층을 라미네이팅하는 방식을 통해 제작된다.
고체 고분자 전해질막(1)은 통상 대체적으로 불소계 고분자 전해질막과 탄화수소계 고분자 전해질막으로 구분될 수 있다. 불소계 고분자 전해질막으로서는 Nafion(등록상표, 듀퐁(DuPont)사 제조), Flemion(등록상표, 아사히글라스사 제조), Aciplex(등록상표, 아사히카세이사 제조) 등은 퍼플루오로카본 설폰산(perfluorocarbon sulfonic acid)계 중합물, 퍼플루오로카본 포스폰산(perfluorocarbon phosphonic acid)계 중합물, 트리플루오로스티렌 설폰산(trifluorostyrene sulfonic acid)계 중합물, 에틸렌 테트라플루오로에틸렌-g-스티렌설폰산(tetrafluoro ethylene-g-styrene sulfonic acid)계 중합체 등으로 형성되는 고분자막을 열거할 수 있다.
다른 한편으로, 탄화수소계 고분자 전해질막은 퍼플루오르화(perfluorination), 국부적 플루오르화(partial fluorination), 탄화수소계의 3종이 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 고체 고분자 전해질막(1)으로서, 바람직하게는 불소계 및 탄화수소계 중의 어느 하나를 선택할 수 있다. 또한, 한 종류의 전해질을 단독으로 사용할 수도 있고, 두 종류 이상의 여러 종류의 전해질을 병합하여 사용할 수도 있다. 이밖에, 불소계 및 탄화수소계의 공중합체 구조, 지지막에 대한 미세공 충전막 등을 사용할 수도 있다.
기체 확산층은 지지층과 평균 세공(pore)의 직경이 지지층의 미세공(microporous)층보다 작은 2층으로 구성되며, 지지층은 100nm 이상 90㎛ 이하인 세공 직경을 갖고 분포되는 전도성 탄소 기재로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 방수 처리된 카본 직물(carbon cloth), 카본지(carbon paper), 카본 부직포 등을 사용할 수 있다.
세퍼레이터로서, 예를 들어 알루미늄, 구리, 스테인리스강 등 각종 금속 박판, 금속 호일, 금속 박막 등을 사용할 수 있으며, 이러한 금속 박판, 금속 호일, 금속 박막은 내부식성과 기계강도를 지닌 전도성 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속 박판, 금속 호일, 금속 박막은 표면 코팅, 층 코팅 및 표면의 물리 화학적 처리를 통해 내부식성, 기계 강도 및 전도성이 더욱 향상된 부재인 것이 더욱 바람직하다. 세퍼레이터에 유로가 설치되며, 유로는 돌출부와 오목부로 구성되는 그루브로서, 그 제조방법은 코팅, 인쇄, 식각, 프레스 가공, 절삭 가공 등이 있다.
촉매층에는 음극 촉매층과 양극 촉매층이 존재하며, 촉매로 카본블랙과 백금 등 촉매 입자의 형성을 지원한다. 음극 촉매층은 산소 환원반응(프로톤, 전자와 산소로 물을 생성하는 반응)을 촉진시키고, 양극 촉매층은 수산화 반응(수소를 프로톤과 전자로 분해시키는 반응)을 촉진시킨다.
차량 탑재용 연료전지에서는, 상기 방식대로 제작되어 형성되는 수백 개의 단위셀(8)을 스택하여 사용한다. 각각의 단위셀(8) 중, 2차원 브라비에 격자에 따른 기본 단위(16)에 개구부(11), (12), (13)를 설치하고, 개구부(11), (12), (13)의 주위를 밀봉 처리한 후, 다수의 단위셀(8)을 스택하는 처리를 통해, 개구부(11), (12), (13)를 중첩시키며, 그 결과 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 전지 스택 구조체(9)의 내측에 내장 설치된다. 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 구체적인 구조 및 그 메커니즘의 상세 내용은 전문 중의 [내부 공용 통로] 부분을 참조할 수 있다. 단위셀(8)에 설치되는 이러한 개구부(11), (12), (13)를 형성하는 방법은 기계 가공, 레이저 가공, 식각 등이 있다. 개구부(11), (12), (13) 주위의 밀봉 처리 방법은 각종 유기 밀봉재료, 무기 밀봉재료 또는 유기 및 무기 혼합 밀봉재료로 밀봉할 수도 있고, 기계 가공, 레이저 가공, 식각 등 가공 후 밀봉 접합 처리할 수도 있다.
상기 방법을 통해, 개구부(11), (12), (13)가 단위셀(8)에 설치되며, 이어서, 단위셀(8)을 하나씩 중첩하면, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 전지 스택 구조체(9)의 내측에 설치된다. 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 각종 유체는 각자의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)와 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)를 거쳐 단위셀(8)로 제공된 다음 배출된다. 도 18에 도시된 바와 같이, 단위셀(8)로 제공되거나 배출되는 각종 유체의 유동은 각종 유체의 개부구의 밀봉부위에 의해 제어된다. 도 3~도 5에 도시된 2차원 브라비에 격자의 규칙성을 지닌 반복되는 기본 단위(16)를 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 구성하는 단위셀(8)의 개구부(11), (12), (13)의 배치 설계에 응용함으로써, 내부 공용 통로(41), (42), (43)에 흐르는 각종 유체의 유동을 촉진시킬 수 있다. 또한, 단위셀(8)의 촉매층의 유효 면적을 최대한으로 이용할 수 있다.
이어서, 상기 방식으로 형성되는 내부 공용 통로(41), (42), (43)는 연결구(21), (22), (23)를 거쳐 외부 공용 통로(51), (52), (53)에 연결된다. 도 9(a)~도 12(a)를 통해 알 수 있듯이, 외부 공용 통로(51), (52), (53) 중, B 방향을 따라 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)이 설치된다.
또한, 외부 공용 통로(51), (52), (53) 중, C 방향을 따라 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)이 설치된다.
도 9(b)에 도시된 바와 같이, 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)과 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)은 서로 수직으로 연결된다. 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)은 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)의 중앙부 또는 단부에 관통 연결된다.
도관(71), (72), (73)을 상기 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)에 관통 연결하는 효과는 각종 유체의 난류(turbulence)를 방지하는 효과를 포함하며, 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63)을 3종 공급구 및 배출구로 하여 동일한 엔드 플레이트(101), (102)에 설치할 수 있다.
외부 공용 통로(51), (52), (53)의 구체적인 구조 및 그 메커니즘의 상세 내용은 전문의 [외부 공용 통로] 부분을 참조할 수 있다.
외부 공용 통로(51), (52), (53)가 설치된 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63) 및 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)의 형상의 제작 방법은 예를 들어 절삭 가공이 있다. 또는 금속몰드 가공 또는 3D 프린터를 이용하여 엔드 플레이트(101), (102)의 블록에 외부 공용 통로(51), (52), (53)를 제작할 수도 있다.
실시방식 2
이어서, 도 13~17를 사용하여 실시방식 2의 전지 스택형 연료전지에 대해 설명한다.
도 13은 실시방식 2의 전지 스택형 연료전지를 나타낸 외관도이다.
도 14는 도 13에 도시된 본 발명의 실시방식 2의 전지 스택형 연료전지의 전지 스택 구조체(9) 부분을 제거한 후의 상태인 엔드 플레이트(102)의 외관도이고, 도 15는 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 본 발명의 실시방식 2의 엔드 플레이트(102) 내에 설치된 형태를 나타낸 입체 단면도이다. 도 16은 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 본 발명의 실시방식 2의 엔드 플레이트(102) 내에 설치된 형태를 나타낸 입체 단면도이고, 도 17은 각종 유체의 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 본 발명의 실시방식 2의 엔드 플레이트(102) 내에 설치된 형태를 나타낸 입체 단면도이다. 또한, 도 1~12 및 도 18에 도시된 부재와 공통인 부재는 동일한 부호를 표시하였으며, 그 부분의 설명은 생략한다.
도 13~17에 도시된 실시방식 2에서, 주요 차이점은 내부 공용 통로(41), (42), (43)와 외부 공용 통로(51), (52), (53)에 대해 에지 구조를 실시하였다는데 있으며, 기타 구조는 도 1~12 및 도 18에 도시된 실시방식 1과 기본적으로 동일하다.
도 13에 도시된 바와 같이, 실시방식 2의 단위셀 전지 스택형 연료전지는 본 발명의 일 방식의 단위셀(8)을 스택하여 형성되며, 엔드 플레이트(101), (102)에 의해 협지되는 전지 스택 구조체(9)를 구비한다.
본 발명의 일 방식으로서의 단위셀(8)이 스택되며, 엔드 플레이트(101), (102)에 의해 협지되는 전지 스택 구조체(9)를 구비한다. 실시방식 2에서, 엔드 플레이트(101)에는 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 설치되지 않고, 엔드 플레이트(102)에는 각종 유체의 외부 공용 통로가 설치된다.
도 15~17에서, 도관(61), (62), (63)과 도관(71), (72), (73)이 연결된 형태를 단면도 방식으로 도시하였다. 그 중, 도관(61), (62), (63)은 엔드 플레이트(102)의 중간 부분에 위치하는 외부 BOP에 연결되고, 도관(71), (72), (73)은 내부 공용 통로에 연결된다. 또한, 도관(81), (82), (83)과 도관(91), (92), (93)이 연결된 형태를 단면도 방식으로 도시하였으며, 그 중, 도관(81), (82), (83)은 엔드 플레이트(102)의 가장자리 부분에 위치하는 외부 BOP에 연결되고, 도관(91), (92), (93)은 내부 공용 통로에 연결된다.
도 15는 하기 형태를 나타낸 입체 단면도로서, 즉, 본 발명의 실시방식 2의 엔드 플레이트(102)에 가장자리 부분의 연료 유체 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(91B)과 연료 유체 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(81B)의 접합부, 중간 부분의 연료 유체 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71B)과 연료 유체 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(61B)의 접합부, 및 중간 부분의 산화 유체 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(73B)과 산화 유체 배출용의 외부 BOP에 연결되는 도관(63B)의 접합부가 형성된다.
도 16은 하기 형태를 나타낸 입체 단면도로서, 즉, 본 발명의 실시방식 2의 엔드 플레이트(102)에 가장자리 부분의 냉각 매질 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(92A)과 냉각 매질 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(82A)의 접합부, 중간 부분의 냉각 매질 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72B)과 냉각 매질 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(62B)의 접합부, 및 중간 부분의 냉각 매질 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72A)과 냉각 매질 공급용의 외부 BOP에 연결되는 도관(62A)의 접합부가 형성된다.
도 17은 하기 형태를 나타낸 입체 단면도로서, 즉, 본 발명의 실시방식 2의 엔드 플레이트(102)에 가장자리 부분의 산화 유체 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(93A)과 산화 유체 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(83A)의 접합부, 중간 부분의 연료 유체 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71A)과 연료 유체 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(61A)의 접합부, 및 중간 부분의 산화 유체 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(73A)과 산화 유체 공급용의 외부 BOP에 연결되는 도관(63A)의 접합부가 형성된다.
도 14~17을 사용하여, 본 실시방식 2의 에지 구조에 대해 설명한다. 실제 전지 스택 구조체(9)의 2차원 확장은 유한하며, 반드시 가장자리가 존재한다. 외부의 공급원인 외부 BOP가 제공하는 각종 유체를 단위셀(8)을 중첩하여 구성된 전지 스택 구조체(9)의 내측으로 균일하게 제공하고, 전지 스택 구조체(9)의 내측으로부터 배출되는 각종 유체를 균일하게 배출시키기 위해서는, 내부 공용 통로(41), (42), (43)와 외부 공용 통로(51), (52), (53) 중에 에지 구조를 설치할 필요가 있다. 이를 위해, 동일한 단위셀(8) 평면 내, 연료 유체 공급용 내부 공용 통로(41A)의 레이아웃과 단면적(공급 유동 분포와 유량) 및 연료 유체 배출용 내부 공용 통로(41B)의 레이아웃과 단면적(배출 유동 분포와 유량)을 균형 상태로 설정한다. 또한, 냉각 매질 공급용 내부 공용 통로(42A)의 레이아웃과 단면적(공급 유동 분포와 유량) 및 냉각 매질 배출용 내부 공용 통로(42B)의 레이아웃과 단면적(배출 유동 분포와 유량)은 균형 상태로 설정한다. 또한, 산화 유체 공급용 내부 공용 통로(43A)의 레이아웃과 단면적(공급 유동 분포와 유량) 및 산화 유체 배출용 내부 공용 통로(43B)의 레이아웃과 단면적(배출 유동 분포와 유량)은 균형 상태로 설정한다.
또한, 각종 유체를 공급 및 배출하는 과정에서 균형을 이루는 것이 비록 가장 적합하나, 설사 균형을 강구하지 않더라도, 본 발명의 각 실시예의 연료전지는 전기를 발생시킬 수 있음은 자명하다.
개구부의 A축의 2개 방향의 확장을 종료시키는 에지 구조는 B 방향을 따라 설치되는 에지 구조이다. 개구부의 A축의 2개 방향의 확장을 종료시키는 에지 구조는 내부 공용 통로의 에지 구조(미도시)와 외부 공용 통로의 에지 구조(80), (90)를 포함한다. 내부 공용 통로의 에지 구조는 비록 도시하지 않았으나, 단 이는 전지 스택 구조체(9)의 B축의 2개 방향을 따르는 2개 단부에 설치된다. 외부 공용 통로의 에지 구조(80), (90)는 도 14에 도시된 바와 같으며, 엔드 플레이트(102)의 B축의 2개 방향을 따르는 2개의 단부 내에 설치된다. 개구부의 A축의 2개 방향의 확장을 종료시키는 에지 구조는 중간 부분에 위치하는 외부 BOP에 연결되는 도관(61), (62), (63) 및 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)의 단면의 원래 형상을 유지하며 절반 형상을 형성하도록 제작된다. 그 결과 외부 BOP에 연결되는 도관(81), (82), (83)과 내부 공용 통로에 연결되는 도관(91), (92), (93)의 단면적은 중간 부분에 위치하는 전체 형상의 단면적의 절반을 형성한다. 동일한 단위셀(8)의 평면 내에서, 각종 유체의 공급용 내부 공용 통로(41A), (42A), (43A)의 분포와 총 단면적(가장자리 부분과 중간 부분 포함)에 대응되는 공급 유동 분포 및 유량은, 각각 각종 유체의 배출용 내부 공용 통로(41B), (42B), (43B)의 분포와 총 단면적(가장자리 부분과 중간 부분 포함)에 대응되는 배출 유동 분포 및 유량과 균형을 이루는 상태에 처한다.
개구부의 B축의 2개 방향의 확장을 종료시키는 에지 구조는 A 방향을 따라 설치되는 에지 구조이다. 개구부의 B축의 2개 방향의 확장을 종료시키는 에지 구조는 내부 공용 통로의 에지 구조(미도시)와 외부 공용 통로의 에지 구조(80), (90)를 포함한다. 내부 공용 통로의 에지 구조는 비록 도시하지 않았으나, 단 이는 전지 스택 구조체(9)의 A축의 2개 방향을 따르는 2개 단부에 설치된다. 외부 공용 통로의 에지 구조는 도 14에 도시된 바와 같으며, 엔드 플레이트(102)의 A축 방향을 따르는 2개의 단부에 설치된다.
개구부의 B축의 2개 방향의 확장을 종료시키는 에지 구조는 발전 기능을 유지하는 기본 구간(18)을 기준으로 한다. 기본 구간(18)은 상기 B 방향에서 연료 유체, 냉각 매질 및 산화 유체의 내부 공용 통로(41), (42), (43) 및 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), (72), (73)으로 구성된다. 상기 기본 구간의 정수 배의 구획을 기준으로 개구부의 B축의 2개 방향의 확장이 중지되며, 또한 전지 스택 구조체(9)와 엔드 플레이트(102)의 A방향을 따라 2개 단부의 에지 구조가 형성된다. 도 14에 도시된 예시에 따르면, 기본 구간(18)에 포함되는 영역은 하나의 연료 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(71), 하나의 냉각 매질의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(72), 및 하나의 산화 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(73)을 포함한다.
에지 구조를 실시하지 않는다면, 즉 단부 부근에 위치한 각종 유체의 공급 및 배출 균형이 파괴될 수 있으며, 국부적인 반응이 강화되어 촉매층에 비교적 큰 손해를 초래하여 파손을 일으킬 수 있으며, 또한 내구성 역시 현저히 저하된다.
상기 설명의 실시방식 1, 2에서, 가능한 한 많은 스택 수를 추가함과 동시에 가능한 한 내부 공용 통로(41), (42), (43)의 C 방향의 길이를 최소한으로 억제(즉, 평탄하게 한다)하는 것이 바람직하다. 이를 통해, 본 발명의 단위셀 전지 스택형 연료전지를 차량의 엔진실과 같이 제한적인 공간 내에 설치할 수 있을 뿐만 아니라, 고압으로 산화 유체를 주입하는 압축기를 반드시 설치할 필요가 없기 때문에, 제조원가가 삭감될 수 있으며, 경량화로 인해 소형 비행기 등의 전원으로 이용될 수 있다.
또한, 공급 및 배출의 균형이라는 관점에서 출발하여, 본 발명의 실시방식 1, 2 중의 내부 공용 통로(41), (42), (43)와 외부 공용 통로(51), (52), (53)의 레이아웃은 상기 예시에 국한되지 않으며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서, 기타 각종 방식을 통해 실시 가능하다.
실험 시뮬레이션을 통해 상기 방식으로 구성된 본 발명의 실시방식 1, 2의 단위셀 전지 스택형 연료전지 중 각종 유체의 유로의 유동을 확인할 수 있다.
[연료전지의 작동 원리]
단위셀 전지 스택형 연료전지의 작동 원리는 다음과 같다. 수소가스가 양극(연료극으로 칭함)에 제공되면, 촉매의 도움에 의해, 전자가 제공된 수소가스로부터 분리되어 외부 회로로 이동한다. 여기서, 수소가 수소 이온(프로톤이라 칭함)으로 변화된다. 다른 한편으로, 산소가 음극(공기극이라 칭함)에 제공되며, 산소가 전해질막으로부터 통과된 프로톤 및 외부 회로로부터 유입된 전자와 반응하여 물을 생성한다.
[본 발명의 효과]
이미 기술한 구조 개념을 통해 설명한 바와 같이, 상기 단위셀(8)의 유효 면적을 변경함으로써, 전압에 의존하지 않고 출력 밀도를 증가시킬 수 있다. 또한, 스택되는 단위셀(8)의 개수 변경을 통해 상기 연료전지의 출력 전압을 결정할 수 있다. 이러한 브라베이 격자의 규칙성을 지니며 반복되는 기본 단위(16)(도 3 참조)를 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 구성하는 단위셀(8)의 개구부(11), (12), (13)의 레이아웃 설계에 응용하는 이유는, 다음과 같은 내용 등을 열거할 수 있다. 즉, 단위셀(8)의 전체에 각종 유체를 균일하게 제공 및 배출시키면, 유동의 압력 손실을 억제하여 유동의 분배가 양호해지므로, 단위셀(8)의 면적을 효과적으로 이용할 수 있다. 또한, 동종 유체(연료 유체, 냉각 매질 또는 산화 유체)의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)와 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)를 유로 방향을 따라 가장 가깝게 설치하면, 동종 유체의 유동이 끊김 없이 연속되기 때문에, 연료 전지의 반응을 더욱 잘 촉진시켜, 모든 촉매 반응 면적을 최대한 효과적으로 이용할 수 있다.
상기 설명에 따른 내부 공용 통로(41), (42), (43) 및 외부 공용 통로(51), (52), (53)의 레이아웃은 불균일한 유량의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 전체를 컴팩트형으로 구성할 수 있기 때문에, 고출력밀도와 고용량을 갖는 전지 스택형 연료전지를 제공할 수 있으며, 고효율로 전기를 발생시킬 수 있다. 또한, 전지 스택형 연료 전지가 차지하는 면적을 감소시킬 수 있어, 엔진실 내에 배치되는 자유도를 향상시킬 수 있다. 내부 공용 통로(41), (42), (43) 내의 스택 방향의 편류 억제를 통해, 보다 균등하게 공급 및 배출을 수행할 수 있다. 따라서, 유동의 압력 손실을 감소시키고, 양호하게 유동 분포성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 레이아웃은 조립 시의 제조 편차를 유연하게 대처할 수도 있다.
내부 공용 통로(41), (42), (43), 외부 공용 통로(51), (52), (53)의 구조는 단순하면서 절삭 가공 등 수단을 통해 용이하게 형성될 수 있으며, 따라서, 엔드 플레이트(101), (102)를 간편하게 제조할 수 있어, 다수 부재를 용접 및 조립하는 경우와 비교하여 저렴한 가격으로 제조할 수 있다. 소형화된 전지 스택형 연료전지는 차량 탑재성, 생산성, 원가 방면에서 탁월하게 나타난다. 상기와 같이 구조를 설계함으로써, 전지 스택형 연료전지에 특수한 외부 장치를 장착하지 않더라도, 유동 저항이 감소된 각종 유체를 단위셀(8)의 면내로 공급할 수 있다. 유체의 유동이라는 관점에서만이 아니라, 내부 응력이 집중되는 현상 역시 현저하게 감소된다. 특히 국부적인 응력이 전해질막(1)에 집중되는 현상을 해소할 수 있기 때문에, 단위셀 전지 스택형 연료전지의 수명을 대폭 연장시킬 수 있다.
[산업상 실용성]
본 발명의 일 실시방식은 차량 탑재용 연료전지로 사용될 수 있다.
본 발명은 상기 실시방식 1, 2에 국한되지 않으며, 그 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 각종 구조를 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 문제 및 효과의 일부 또는 전부를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시방식 1, 2에 기재된 기술 특징을 적당히 교체 및 조합할 수 있다.
1: 전해질막 2, 3: 전극 촉매층, 촉매층
4,5: 가스 확산층 6, 7: 세퍼레이터
8: 단위셀 9: 전지 스택 구조체
11: 연료 유체용 개구부 11A: 연료 유체 공급용 개구부
11B: 연료 유체 배출용 개구부 12: 냉각 매질용 개구부
12A: 냉각 매질 공급용 개구부 12B: 냉각 매질 배출용 개구부
13: 연료 유체용 개구부 13A: 산화 유체 공급용 개구부
13B: 산화 유체 배출용 개구부 14: 벡터 A
15: 벡터 B 16: 2차원 브라베이 격자의 기본 단위
17: 최소 발전 단위 18: 기본 구간
19: 밀봉재료 21: 연료 유체의 연결구
21A: 연료 유체 공급용 연결구 21B: 연료 유체 배출용 연결구
22: 냉각 매질 연결구 22A: 냉각 매질 공급용 연결구
22B: 냉각 매질 배출용 연결구 23: 산화 유체 연결구
23A: 산화 유체 공급용 연결구 23B: 산화 유체 배출용 연결구
31: 연료 유체의 공급 유동, 연료 유체가 유동하는 유로
32: 냉각 매질의 공급 유동, 냉각 매질이 유동하는 유로
33: 산화 유체의 공급 유동, 산화 유체가 유동하는 유로
41: 연료 유체의 내부 공용 통로
41A: 연료 유체의 공급용 내부 공용 통로
41B: 연료 유체의 배출용 내부 공용 통로
42: 냉각 매질의 내부 공용 통로
42A: 냉각 매질의 공급용 내부 공용 통로
42B: 냉각 매질의 배출용 내부 공용 통로
43: 산화 유체의 내부 공용 통로
43A: 산화 유체의 공급용 내부 공용 통로
43B: 산화 유체의 배출용 내부 공용 통로
51: 연료 유체의 외부 공용 통로
51A: 연료 유체의 공급용 외부 공용 통로
51B: 연료 유체의 배출용 외부 공용 통로
52: 냉각 매질의 외부 공용 통로
52A: 냉각 매질의 공급용 외부 공용 통로
52B: 냉각 매질의 배출용 외부 공용 통로
53: 산화 유체의 외부 공용 통로
53A: 산화 유체의 공급용 외부 공용 통로
53B: 산화 유체의 배출용 외부 공용 통로
61: 연료 유체의 외부 BOP에 연결되는 도관
61A: 연료 유체 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관
61B: 연료 유체 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관
62: 냉각 매질의 외부 BOP에 연결되는 도관
62A: 냉각 매질 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관
62B: 냉각 매질 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관
63: 산화 유체의 외부 BOP에 연결되는 도관
63A: 산화 유체 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관
63B: 산화 유체 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관
71: 연료 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관
71A: 연료 유체 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관
71B: 연료 유체 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관
72: 냉각 매질의 내부 공용 통로에 연결되는 도관
72A: 냉각 매질 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관
72B: 냉각 매질 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관
73: 산화 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관
73A: 산화 유체 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관
73B: 산화 유체 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관
80: 외부 공용 통로의 에지 구조
81: 연료 유체의 외부 BOP에 연결되는 도관(단부)
81A: 연료 유체 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(단부)
81B: 연료 유체 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(단부)
82: 냉각 매질의 외부 BOP에 연결되는 도관(단부)
82A: 냉각 매질 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(단부)
82B: 냉각 매질 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(단부)
83: 산화 유체의 외부 BOP에 연결되는 도관(단부)
83A: 산화 유체 공급용 외부 BOP에 연결되는 도관(단부)
83B: 산화 유체 배출용 외부 BOP에 연결되는 도관(단부)
90: 외부 공용 통로의 에지 구조
91: 연료 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(단부)
91A: 연료 유체 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(단부)
91B: 연료 유체 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(단부)
92: 냉각 매질의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(단부)
92A: 냉각 매질 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(단부)
92B: 냉각 매질 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(단부)
93: 산화 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관(단부)
93A: 산화 유체 공급용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(단부)
93B: 산화 유체 배출용 내부 공용 통로에 연결되는 도관(단부)
101: 엔드 플레이트 102: 엔드 플레이트
511: 제1 영역 522: 제2 영역
533: 제3 영역
711: 연료 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관의 연결부
722: 냉각 매질의 내부 공용 통로에 연결되는 도관의 연결부
733; 산화 유체의 내부 공용 통로에 연결되는 도관의 연결부
F: 열 G: 열
K: 열 J: 열

Claims (28)

  1. 단위셀에 있어서,
    서로 대향하는 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터 및 상기 제1과 제2 세퍼레이터 사이에 적층되는 막전극 접합체를 포함하고, 상기 단위셀은 단위셀로부터 연장되는 면이 상기 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터와 상기 막전극 접합체를 관통하는 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각매질용 개구부 및 다수의 산화 유체용 개구부를 구비하며, 그 중 적어도 하나의 연료 유체용 개구부, 적어도 하나의 냉각매질용 개구부와 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 상기 단위셀의 중앙 영역에 분포되는 단위셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 전체적인 상기 단위셀에서 주기적으로 반복되거나 또는 어느 정도의 파동을 가지고 주기적으로 반복되는 다수의 기본 단위가 형성되며, 상기 단위셀은 상기 기본 단위의 주기적인 반복이 종료되는 에지(edge) 구조를 갖는 단위셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 각각 공급용 개구부 및 배출용 개구부를 포함하는 단위셀.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기본 단위는 적어도 2개의 상기 연료 유체용 개구부, 적어도 2개의 상기 냉각 매질용 개구부와 적어도 2개의 상기 산화 유체용 개구부를 포함하는 단위셀.
  5. 제2항에 있어서,
    상이한 기본 단위 사이에,
    연료 유체용 개구부의 형상, 위치, 크기 또는 그 조합의 차이;
    냉각 매질용 개구부의 형상, 위치, 크기 또는 그 조합의 차이;
    산화 유체용 개구부의 형상, 위치, 크기 또는 그 조합의 차이 중 하나 또는 다수의 차이가 존재하는 단위셀.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 기본 단위는 2차원 브라베이 격자(Bravais lattice)로 배열되어 형성되는 개구부 패턴의 최소 반복 배열 주기를 갖는 단위인 단위셀.
  7. 제4항에 있어서,
    적어도 2개의 상기 연료 유체용 개구부, 적어도 2개의 상기 냉각 매질용 개구부와 적어도 2개의 상기 산화 유체용 개구부는 각각 공급용 개구부와 배출용 개구부를 포함하는 단위셀.
  8. 제4항에 있어서,
    적어도 2개의 상기 연료 유체용 개구부는 다수의 연료 유체용 개구부 또는 그 일부분으로 구성되고; 적어도 2개의 상기 냉각 매질용 개구부는 다수의 냉각 매질용 개구부 또는 그 일부분으로 구성되며; 적어도 2개의 상기 산화 유체용 개구부는 다수의 산화 유체용 개구부 또는 그 일부분으로 구성되는 단위셀.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 단위셀의 최소 발전체는 대략 4분의 1개의 연료유체 공급용 개구부, 대략 4분의 1개의 연료유체 배출용 개구부, 대략 4분의 1개의 산화유체 공급용 개구부, 대략 4분의 1개의 산화유체 배출용 개구부, 대략 2분의 1개의 냉각 매질용 개구부 및 대략 2분의 1개의 냉각 매질 배출용 개구부를 포함하는 단위셀.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기본 단위와 상기 최소 발전체는 기하학적 유사성(geometric similarity)을 지니는 단위셀.
  11. 제3항 또는 제8항에 있어서,
    동일한 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부는 서로 상호 보완적인 관계로 제1열과 제2열에 배치되며, 상기 제1열이 다를 경우 동일한 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부가 존재하고, 상기 제2열이 다를 경우 동일한 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부가 존재하는 단위셀.
  12. 제3항 또는 제8항에 있어서,
    단위셀은 공급용 개구부만 가지는 제1열 및 배출용 개구부만 가지는 제2열을 포함하며, 상기 제1열과 상기 제2열은 유체의 유로 방향에서 교차 배열되는 단위셀.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 막전극 접합체는 제1 기체 확산층, 제1 촉매층, 전해질막, 제2 촉매층 및 제2 기체 확산층을 포함하는 단위셀.
  14. 전지 스택 구조체에 있어서,
    다수의 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 따른 단위셀을 포함하고, 상기 다수의 단위셀이 적층되어 상기 전지 스택 구조체를 형성하며,
    그 중, 상기 다수의 단위셀의 연료 유체용 개구부, 냉각 매질용 개구부와 산화 유체용 개구부가 중첩되어 각각 상기 전지 스택 구조체의 내부 공용 통로를 구성하고, 상기 내부 공용 통로는 연료 유체, 냉각 매질과 산화 유체를 상기 다수의 단위셀로 공급 및 배출하기 위한 것인 전지 스택 구조체.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 내부 공용 통로는 상기 다수의 배터리의 면과 기본적으로 수직 또는 예각인 전지 스택 구조체.
  16. 제14항에 있어서,
    각 단위셀 내에 배치되어 연료 유체가 유동하기 위한 제1 유로;
    각 단위셀 내에 배치되어 산화 유체가 유동하기 위한 제2 유로;
    인접한 단위셀 사이에 배치되어 냉각 매질이 유동하기 위한 제3 유로를 포함하며;
    그 중 상기 제1 유로로부터 제3 유로는 각각 대응되는 내부 공용 통로에 연결되고, 각 단위셀 내에 유체가 상기 제1 내지 제3 유로에서 유동하는 것을 제어하는 밀봉재료가 설치되는 전지 스택 구조체.
  17. 제14항에 있어서,
    적층된 다수의 단위셀 중, 인접한 단위셀 사이의 회전각도는 0도이거나 또는 0도보다 큰 사전설정 각도인 전지 스택 구조체.
  18. 제14항에 있어서,
    스택된 다수의 단위셀의 연료 유체용 개구부 사이, 냉각 매질용 개구부 사이 및 산화 유체용 개구부 사이는 서로 매칭성을 획득하는 방식으로 각각 동일한 형상과 크기를 가지며, 직선 또는 곡선에서 결합하여 상기 내부 공용 통로를 형성하는 전지 스택 구조체.
  19. 제14항에 있어서,
    스택된 다수의 단위셀의 연료 유체용 개구부 사이, 냉각 매질용 개구부 사이 및 산화 유체용 개구부 사이는 서로 약간의 편차가 존재하는 형상과 크기를 가지며, 또한 곡선에서 결합하여 상기 내부 공용 통로를 형성하는 전지 스택 구조체.
  20. 연료전지에 있어서,
    제14항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 따른 전지 스택 구조체;
    상기 전지 스택 구조체를 양측에서 협지하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트를 포함하며, 상기 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트 중의 적어도 하나에 외부 공용 통로가 설치되고, 상기 외부 공용 통로는 연료 유체, 냉각 매질 또는 산화 유체를 공급 및 배출하기 위해 상기 내부 공용 통로와 대응되는 연료전지.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 외부 공용 통로는 외부 발전 보조시스템에 연결되는 다수의 제1 도관 및 상기 내부 공용 통로에 연결되는 다수의 제2 도관을 포함하는 연료전지.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 외부 공용 통로는 상기 내부 공용 통로와 대응되는 기본 단위를 구비하고, 상기 기본 단위의 주기적인 반복을 종료시키는 에지 구조를 구비하는 연료전지.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 다수의 제1 도관은 상기 개구부가 배열되는 방향을 따라 설치되고, 상기 다수의 제1 도관 사이는 서로 접촉하지 않도록 평행하거나 또는 거의 평행하게 설치되는 연료전지.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 다수의 제2 도관은 상기 내부 공용 통로를 연장시키도록 상기 다수의 단위셀의 스택 방향을 따라 설치되고, 상기 다수의 제2 도관은 서로 접촉되지 않도록 설치되는 연료전지.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 다수의 제1 도관과 상기 다수의 제2 도관은 서로 수직 또는 예각을 이루도록 연결되고, 상기 다수의 제1 도관의 단면에서 관찰 시, 상기 다수의 제2 도관은 상기 다수의 제1 도관의 중앙 또는 중앙 부근을 관통하거나, 또는 상기 단면에서 관찰 시, 상기 다수의 제2 도관이 상기 다수의 제1 도관의 단부 및 단부 부근을 관통하거나, 또는 상기 단면에서 관찰 시, 상기 다수의 제2 도관이 상기 다수의 제1 도관의 중앙과 단부 사이를 관통하는 연료전지.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 전지 스택 구조체에서 가장 먼 제1 영역으로부터, 제2 영역을 거쳐, 상기 전지 스택 구조체에 가장 인접한 제3 영역까지, 상기 제2 도관은 상기 단위셀의 내면의 제1축에서의 폭 크기가 단계적으로 확대되고,
    또한 냉각 매질의 외부 발전 보조시스템에 연결되는 제1 도관은 상기 제1 영역에 위치한 연료 유체 내부 공용 통로에 연결되는 제2 도관의 폭을 기준선으로 설정되며, 산화 가스의 외부 발전 보조시스템에 연결되는 제1 도관은 상기 제2 영역에 위치한 냉각 매질의 내부 공용 통로에 연결되는 제2 도관의 폭을 기준선으로 설정되는 연료전지.
  27. 제22항에 있어서,
    상기 내부 공용 통로와 외부 공용 통로의 에지 구조에서, 상기 단위셀의 제1축에서의 상기 개구부의 확장을 종료시키는 에지 구조에 관해서는, 단부에 위치한 내부 공용통로와 외부 공용 통로의 단면적이 중간부의 내부 공용통로와 외부 공용 통로의 단면적의 절반 또는 대체로 절반으로 설계되고, 상기 단위셀의 제2축에서의 상기 개구부의 확장을 종료시키는 에지 구조에 관해서는, 상기 제2축에 연료 유체, 냉각 매질 및 산화 유체의 내부 공용 통로와 내부 공용 통로에 연결되는 도관의 구성을 기본 구간으로 하여, 상기 기본 구간의 정수 배의 구획을 기준으로 개구부의 상기 제2축에서의 확장이 종료되는 연료전지.
  28. 제22항에 있어서,
    상기 연료 유체, 냉각 매질과 산화 유체 중 어느 하나의 유체의 공급용 외부 공용 통로와 배출용 외부 통로는 동일한 엔드 플레이트에 설치되거나, 또는 2개의 엔드 플레이트에 분리 설치되는 연료전지.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019148338A1 (zh) * 2018-01-31 2019-08-08 上海旭济动力有限公司 燃料电池及其电池单元和电堆结构体

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014136965A1 (ja) 2013-03-08 2014-09-12 日産自動車株式会社 燃料電池、燃料電池の配流装置、および燃料電池を備えた車両
KR20160096015A (ko) 2015-02-04 2016-08-12 가부시키가이샤 후지키한 저온 세라믹 코팅의 밀착력 강화 방법
JP2017147134A (ja) 2016-02-18 2017-08-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5268241A (en) * 1992-02-20 1993-12-07 Electric Power Research Institute, Inc. Multiple manifold fuel cell
US5445903A (en) * 1993-09-09 1995-08-29 Technology Management, Inc. Electrochemical apparatus
JP3424223B2 (ja) * 1995-03-29 2003-07-07 マツダ株式会社 燃料電池スタック構造
JP4516229B2 (ja) * 2001-03-06 2010-08-04 本田技研工業株式会社 固体高分子型セルアセンブリ
CA2412717A1 (en) * 2001-11-28 2003-05-28 Joerg Zimmerman Evaporative edge cooling of a fuel cell
JP2005026118A (ja) 2003-07-03 2005-01-27 Mitsubishi Electric Corp 固体高分子型燃料電池
EP1665445A1 (en) * 2003-08-15 2006-06-07 Hydrogenics Corporation End plate for an electrochemical cell stack
US20050118487A1 (en) * 2003-12-02 2005-06-02 Whiton John H. Small volume, fuel cell inlet fuel gas distributor having low pressure drop
JP5143336B2 (ja) * 2004-12-13 2013-02-13 パナソニック株式会社 高分子電解質型燃料電池
JP5098202B2 (ja) * 2006-03-31 2012-12-12 大日本印刷株式会社 固体酸化物形燃料電池
US20110281193A1 (en) * 2006-09-22 2011-11-17 Energyor Technologies Inc. Fuel cell fluid distribution system
US20080076005A1 (en) * 2006-09-22 2008-03-27 Michel Bitton Fuel cell fluid distribution system
CN100426571C (zh) 2006-10-17 2008-10-15 哈尔滨工业大学 燃料电池双面同性电极阵列结构体及其构成的燃料电池系统
JP5123279B2 (ja) * 2009-11-25 2013-01-23 本田技研工業株式会社 燃料電池
GB2502519A (en) * 2012-05-28 2013-12-04 Intelligent Energy Ltd A Bipolar Plate for a fuel cell
US9425469B2 (en) * 2013-05-29 2016-08-23 Yong Gao Integrated gas diffusion layer with sealing function and method of making the same
JP6102892B2 (ja) 2014-11-14 2017-03-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル
CN105932314B (zh) * 2016-05-19 2018-10-26 武汉众宇动力系统科技有限公司 燃料电池阴极板密封装置、燃料电池和燃料电池堆
WO2019148338A1 (zh) 2018-01-31 2019-08-08 上海旭济动力有限公司 燃料电池及其电池单元和电堆结构体

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014136965A1 (ja) 2013-03-08 2014-09-12 日産自動車株式会社 燃料電池、燃料電池の配流装置、および燃料電池を備えた車両
KR20160096015A (ko) 2015-02-04 2016-08-12 가부시키가이샤 후지키한 저온 세라믹 코팅의 밀착력 강화 방법
JP2017147134A (ja) 2016-02-18 2017-08-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
2016년도 도요타 MIRAI 세단형 연료전지 자동차의 제품 정보

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