KR20230056723A - 연료 전지 스택 - Google Patents

연료 전지 스택 Download PDF

Info

Publication number
KR20230056723A
KR20230056723A KR1020237009731A KR20237009731A KR20230056723A KR 20230056723 A KR20230056723 A KR 20230056723A KR 1020237009731 A KR1020237009731 A KR 1020237009731A KR 20237009731 A KR20237009731 A KR 20237009731A KR 20230056723 A KR20230056723 A KR 20230056723A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
section
fuel cell
cell stack
flow
plates
Prior art date
Application number
KR1020237009731A
Other languages
English (en)
Inventor
피크토리아 프릭
필립 하우스만
지몬 홀나이허
마이클 프록터
Original Assignee
셀센트릭 게엠베하 운트 콤파니 카게
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 셀센트릭 게엠베하 운트 콤파니 카게 filed Critical 셀센트릭 게엠베하 운트 콤파니 카게
Publication of KR20230056723A publication Critical patent/KR20230056723A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 하나의 스택으로 적층되는 다양한 개별 전지, 스택 내에 통합된 적어도 하나의 가습 섹션을 포함하는 연료 전지 스택(1)에 관한 것으로, 가습 섹션은 개별 전지들의 일 말단에서 전기 화학적 섹션(3)으로서 배치된다. 본 발명은, 적어도 하나의 가습 섹션(4)에서 전기 화학적 섹션(3)으로부터 멀어지는 측면에 열교환 섹션(5)이 배치되는 것을 특징으로 하며, 유동 플레이트들(10, 10')은 스택의 적어도 3개의 섹션(3, 4, 5)에 유체를 분배하기 위해 동일한 외형을 포함한다.

Description

연료 전지 스택
본 발명은 제 1 항의 전제부에 더 상세하게 정의된 기술분야에 따르며 하나의 스택으로 적층되는 다양한 개별 전지를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것이다.
연료 전지 스택의 운용을 위해, 전기 화학적으로 활성인 개별 전지들을 포함하는 고유의 연료 전지 스택 외에 다양한 주변 부품이 필요하다. 이러한 주변 부품들은 특히 산소 전달체로서 사용되는 유입 공기를 조달하기 위한 부품들을 포함하는데, 차지 에어 쿨러(charge air cooler) 및 가습기를 포함할 수 있다. 본 출원인의 특허문헌 DE 10 2007 038 880 A1은 이와 관련하여 연료 전지 스택, 차지 에어 쿨러 및 가습기를 포함하며 이들이 하나의 유닛으로 결합된 연료 전지 배열체를 설명한다.
DE 10 2007 008 214 B4는 각각의 개별적 전기 화학적 전지에 가습기를 통합시키는 것을 기술하나, 이는 현저한 비용과 결부된다.
반면, 전기 화학적 개별 전지의 구조를 위해 사용되는 것과 유사한 유동 플레이트들이 가습기를 위해서도 사용될 수 있다면 구조가 간단해진다. 이러한 구조는 서두에 언급한 문헌에서 다수의 부품들이 결합되어 개별 전지의 스택에 통합되는 경우에 비해 비교적 간단하고 현저히 더 효율적일 수 있다. 이러한 구조는 US 5,200,278 A에 설명되어 있다.
본 발명의 과제는 연료 전지 스택이 장착되는 연료 전지 시스템을 간결하고 비용 효과적으로 개편할 수 있도록 연료 전지 스택을 보다 더욱 최적화하는 것이다.
본 발명의 과제는 제 1 항 및 특히 제 1 항의 특징부에서의 특징들에 의해 해결된다. 유리한 형성예들 및 발전예들은 제 1 항의 종속항들에서 알 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택에서는, 이러한 연료 전지 스택이 직전에 언급한 선행 기술에서의 연료 전지 스택과 유사하게, 다양한 적층된 개별 전지를 포함하고, 이러한 스택 내에 가습기가 통합되어 있으며, 가습기는 개별 전지들의 일 말단에 배치된다. 기본적으로 스택의 개별 전지들의 양 말단에 2개의 가습기가 배치되는 것도 고려할 수 있을 것이다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 가습기에서 개별 전지들로부터 멀어지는 측면에는 차지 에어 쿨러가 배치된다. 스택의 적어도 3개의 섹션(section)으로 유체를 분배하기 위해 제공되는 유동 플레이트들은 본 발명에 따른 연료 전지 스택에서 동일한 기하학적 외형을 포함한다. 즉, 사용되는 유동 플레이트들이 기하학적 외형과 관련하여 동일하게 형성됨으로써, 이러한 유동 플레이트들이 문제없이 하나의 전체 스택을 이루도록 적층될 수 있다. 개별 유동 플레이트들 간의 밀봉 및 개별 전지들과 전체 스택에서의 섹션들의 연결에 대한 컨셉은 기존의 전기 화학적 개별 전지들로부터 가습기 및 차지 에어 쿨러의 다른 섹션들까지 적용될 수 있다.
이로써 매우 단순한 구조가 얻어지는데, 연료 전지 스택 내에 가습기 및 차지 에어 쿨러가 통합되고 모든 유동 플레이트들이 동일한 기하학적 형상을 포함함으로써 이러한 구조가 간결하고 비용 효과적으로 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택의 매우 유리한 발전예에 따르면, 이로써, 각 섹션의 유동 플레이트들은 병렬로 관류되고 적어도 3개의 섹션은 직렬로 관류되는 것이 제공되는데, 이때 유입되는 공기는 우선 개별 전지들의 차지 에어 쿨러를 관류하고, 이후에 가습기 및 이후에 캐소드측을 관류한다. 이러한 구조는, 진입하는 전체 공기 스트림이 개별 전지들 내로 진입하기 전에 균일하게 냉각 및 가습되는 것을 보장한다. 기본적으로 이러한 구조는 수소 스트림에도 전용될 수 있는데, 수소 스트림은 완화된 후에 이에 상응하여 예열 및 가습될 것이며, 이때 일반적으로 PEM 기술로 구현된 개별 전지들의 가습은 충분하게 수행된다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택의 매우 유리한 발전예에 따르면, 적어도 3개의 섹션의 유동 플레이트의 연결 개구부들이 동일한 기하학적 형상을 포함하는 것이 더 제공되는데, 이러한 섹션들 사이에는 매질 분배 플레이트들이 설치된다. 즉, 스택 내에서 통상적으로 개별 전지들의 평행하게 관류되는 유동 필드들에 매질을 분배하기 위한 연속적인 체적을 형성하는 연결 개구부들은 바람직하게는 모든 유동 플레이트들에서 동일하게 형성된다. 이는, 각각의 유동 플레이트가, 전기 화학적 개별 전지들의 유동 플레이트와 유사하게, 애노드측의 유입 개구부 및 배출 개구부에 상응하는 개구부, 캐소드측의 유입 및 배출 개구부에 상응하는 개구부, 및 냉각 매질 유입 및 배출 개구부에 상응하는 개구부를 포함한다는 것을 의미한다. 전술한 유리한 형성예에서 고려된 바와 같이 섹션들에서의 관류가 직렬로 수행되는 것을 보장하기 위해, 섹션들 사이에는 이에 상응하는 매질 분배 플레이트들이 배치되며, 이러한 매질 분배 플레이트들은 이를 위해 경우에 따라서 필요한 유동 편향을 보장하고, 섹션들에서 일직선상에 배치된 연결 개구부들에 의해 형성되는 채널들의 상호 밀봉을 보장하거나 또는 예컨대 냉각 매질을 위한 연결 개구부들이 있을 시, 차지 에어 쿨러 및/또는 가습기의 영역을 통한 관류가 수행될 때에도 이에 상응하게 보장한다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택의 매우 유리한 또 다른 형성예에서는, 차지 에어 쿨러로서 사용되는 섹션 내에서 각각 2개의 유동 플레이트 사이에 열전도성 및 내온도성을 갖는 호일들이 배치되는 것이 제공되는데, 이러한 호일들을 유입 가스 및 배출 가스가 교번적으로 관류한다. 즉, 가습기의 섹션과 마찬가지로 열교환기의 섹션을 위해, 개개의 유동 플레이트들은, 유동 플레이트들의 일 표면에서는 가스 스트림들 중 어느 하나, 예컨대 공급된 가스를 위한 유동 채널들이 형성되고, 이에 대향하는 측면에서는 배출되는 가스를 위한 유동 채널들이 형성되도록 구현될 수 있다. 플레이트들은 교번적으로 각각 회전되어 배치됨으로써, 가습기로서 사용되는 섹션의 경우 플레이트들 사이에는 수증기 투과성인 멤브레인들이 위치결정된다. 이를 통해 더 간단하고 더 효율적인 구조가 가능하게 된다.
이러한 구조는 각각의 스택 말단들에서 개별 전지들의 일 측면에 또는 양측면들에서 구현될 수 있다. 또한, 이러한 구조는, 개별 전지들이 이제 가습기들에 이웃하게 위치되면서, 스택의 말단 플레이트들에 이웃한 배치로 인하여 강하게 냉각될 수 없음에 따라, 스택의 말단 영역에 위치한 개별 전지들의 열 관리가 적절하게 개선되게 하는데 기여할 수 있으며, 이는 선행 기술에 따른 구조물에서는 일부 용이하지 않았던 일이다. 이로써 말단 플레이트들의 구조는 더욱 간단해질 수 있는데, 이러한 말단 플레이트들이 개별 전지에 이웃하지 않고 차지 에어 쿨러 및 가습기로 구성된 구조물에 이웃하여 배치될 때, 본 발명에 따른 스택의 구조에서 말단 플레이트들의 전기적 가열은 적어도 생략될 수 있기 때문이다.
연료 전지 스택에서 차지 에어 쿨러로서 사용되는 섹션 내에는, 열교환을 위한 전술한 구조물에 대해 보완적 또는 대안적으로, 유입 가스와 배출 가스 사이에, 전기 화학적 전지에서 유동 필드들의 구조물과 유사하게, 일 측면에서 매질 중 어느 하나의 매질을 위한 유동 필드를 포함하고 다른 측에는 냉각 매질을 위한 유동 필드를 포함하는 구조물이 구현될 수 있다. 이와 같은 2개의 플레이트들이 서로 후면을 맞대어 연결되면, 샌드위치 구조물의 일 측에서 예컨대 유입공기, 다른 측에서 배출 공기 및 그 사이에 냉각 매질이 유동할 수 있는 구조물이 얻어진다. 이러한 플레이트들이 다시 교번적으로, 그 사이에 예컨대 금속 또는 그라파이트로 구성된 호일들이 배치되게 하여 구성되면, 한편으로 이러한 호일들을 관류하며 매질들 사이에서 열교환이 수행되고, 다른 한편으로 부가적인 온도조절, 특히 이미 개별 전지들의 냉각을 위해 사용되었던 냉각 매질에 의해 부가적 냉각이 수행된다. 이상적인 경우, 관류 절차는, 냉각 매질이 우선 개별 전지들을 관류하고, 이후 차지 에어 쿨러로 사용되는 연료 전지 스택의 섹션을 관류하도록 수행된다.
이러한 공정은 가습기의 영역에서도 유사하게 구현될 수 있어서, 전기 화학적 개별 전지들의 구조물에 상응하나, 가스 확산층 및 촉매를 포함하지 않은 구조물들이 구현될 수 있다. 기본적으로, 동일한 멤브레인이 사용될 수 있고, 보다 비용 효과적인 멤브레인에 의해 추가적인 이점이 얻어질 수 있다. 이 경우에도 가습 중에 유입되는 가스의 냉각을 구현하기 위해 냉각 매질이 함께 사용될 수 있다.
이와 같은 연료 전지 스택은 바람직하게는 PEM 기술로 형성될 수 있고 특히 자동차에 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 연료 전지 스택은 예컨대 승용차와 같은 차량들 또는 특히 화물차와 같은 유틸리티 차량에서 동반 수소 및 환경으로부터 흡입된 산소 전달체로서의 공기로부터 전기적 구동 출력을 조달하기 위해 사용된다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택의 다른 유리한 형성예들은 이하에서 도면들을 참조로 더 상세하게 설명된 실시예들로부터 알 수 있다.
도면은 다음과 같다:
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 가능한 제1 실시 형태의 개략도이다.
도 2는 도 1과 유사한 도면으로 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 가능한 대안적 형성예를 도시한다.
도 3은 예컨대 차지 에어 쿨러 또는 가습기로 사용되는 섹션의 영역 내에 장착될 수 있는 바와 같은 유동 플레이트의 평면도이다.
도 4는 도 3에 따른 유동 플레이트를 포함하며 차지 에어 쿨러 및/또는 가습기로 사용되는 섹션 내에서 유동 플레이트들의 일부분에 대한 개략적 단면도이다.
도 5는 도 3과 유사한 유동 플레이트의 대안적 형성예이다.
도 6은 도 4와 유사한 구조물로서, 도 5에 도시된 구조에 따른 유동 플레이트를 포함하는 구조물의 도면이다.
도 1의 도면에서는 본 발명에 따른 형성예에서 연료 전지 스택(1)의 가능한 구조가 도시되어 있다. 참조번호 2로 표시된 2개의 말단 플레이트 사이에 3개의 섹션이 위치해 있다. 전기 화학적 섹션(3)은 전기적 출력을 조달하기 위한 다양한 개별 전지를 구비한다. 이러한 섹션(3)은 각각 PEM 기술로 적층된 개별 전지들로 구성되며 종래의 연료 전지 적층물 또는 연료 전지 스택에 실질적으로 상응한다. 이후, 가습 섹션(4), 열교환 섹션(5)이 위치해 있다. 가습 섹션(4)은 전기 화학적 섹션(3) 내에 유입된 유입 공기를 가습하기 위해 역할하고, 이러한 가습 섹션에서는 전기 화학적 섹션(3)의 배기 공기로부터의 습도가 가습을 위해 사용된다. 이러한 구조물은 수증기 투과성인 멤브레인들(22)을 포함하는 판형 가습기이며, 이러한 멤브레인들은 이하에 더 설명된다.
열교환 섹션(5)은 압축 후에 통상적으로 뜨겁고 건조한 유입 공기를 적절하게 냉각하고 예컨대 압축 후에 통상적인 온도인 200 내지 250℃로부터 약 100℃의 온도 수준, 예컨대 80 내지 120℃의 온도 수준으로 냉각하기 위해 차지 에어 쿨러로 역할한다. 이제 유동 경로는 화살표를 참조로 표시되어 있다. 유입 공기는 열교환 섹션(5)의 일 측면에서 참조번호 6으로 표시된 지점에서 이러한 열교환 섹션 안으로 유입되고, 열교환 섹션을 통과한다. 이후 유입 공기는 열교환 섹션(5)의 유동 플레이트들을 평행하게 관류한 후에, 본원에 미도시된 분배플레이트에 의해 편향된다. 이제 유입 공기는 직렬로 가습 섹션(4)을 통과하고, 가습 섹션 내부에서 유입 공기는 개별 유동 플레이트들을 마찬가지로 상호 평행하게 관류한다. 이와 같이 냉각 및 가습된 유입 공기 스트림은 추가적 분배플레이트의 영역에 도달하고 본원에서 참조번호 7로 표시된 지점에서 전기 화학적 섹션(3) 내에 도달하며 이러한 전기 화학적 섹션의 개별 전지들을 평행하게 관류한다. 전기 화학적 섹션(3)으로부터의 습한 배출 공기는 참조번호 8로 표시된 지점에서 다시 가습 섹션(4)에 도달하고, 이러한 배출 공기에 함유된 습도를 유입 공기에 제공한다. 배출 공기는 열교환 섹션(5) 안으로 유동하고 지점 9에서 연료 전지 스택(1)으로부터 다시 배출되기 전에 유입 공기 스트림으로부터의 열을 흡수한다.
전기 화학적 섹션(3)의 말단이 제공되고, 이러한 구조물의 말단 플레이트들(2) 사이에 통합된다. 이에 대해 대안적으로, 도 2에 암시된 바와 유사한 구조물이 형성될 수 있다. 이 경우, 해당 구조물은, 본원에서 유동이 명시적으로 표시되지 않으나, 전기 화학적 섹션(3)의 양 말단에서 적절하게 통합되고, 이는 부가적인 연결 라인들을 필요로 한다. 또한, 양 말단 플레이트(2)는 종래 방식으로 전기 화학적 섹션(3)에 직접 이웃하여 배치되는 반면, 양 측면에서 가습 섹션(4) 및 차지 에어 쿨러로서의 열교환 섹션(5)이 말단 플레이트(2)의 외부에 제공된다. 도 1 및 도 2에 따른 2개의 구조물은 임의적으로 상호 조합될 수 있어서, 즉 구조물이 예컨대 말단 플레이트들(2)의 내부에서 전기 화학적 섹션(3)의 양측에 제공될 수 있거나, 도 1의 도면과 유사하게 일 측면에 제공될 수 있거나 도 2에 암시된 바와 같이 말단 플레이트(2)의 외부에 제공될 수 있다.
이제, 개별 섹션들(3, 4, 5)은 유동 플레이트들(10, 10')을 포함한다. 유동 플레이트들(10, 10')은 주로 양극 플레이트로 형성되며, 이러한 유동 플레이트들은 본래 전기 화학적 섹션 및 본원에서 개별 전지의 분야에 관한 당업자에게는 기본적으로 공지되어 있다. 이러한 종류의 유동 플레이트는 다른 섹션들(4, 5)에서도 가급적 동일하게 사용될 수 있고, 본원에서 특히 유동 플레이트들의 기하학적 형상을 변경하지 않고 유동 플레이트들이 보다 비용 효과적인 물질 및 제조 방법으로 변경될 수 있으며, 유동 플레이트들의 기하학적 형상은 특히 외형 및 연결개구부들의 기하학적 형상과 관련된다. 전체 구조물은 전기 화학적 섹션(3)에 대해 공지된 방식으로 적층될 수 있고 개별 유동 플레이트들(10 10') 사이의 밀봉에 의해 간단하고, 신뢰할 만하며 이에 대해 공지된 방식으로 밀봉될 수 있다.
도 3의 도면에서는 이러한 2개의 유동 플레이트(10, 10')의 가능한 구조에 대한 평면도를 확인할 수 있다. 유동 플레이트들은 모든 측면에서 3개의 연결 개구부를 포함한다. 이러한 연결 개구부들은 일 측에서 참조번호 11, 12, 13으로 표시되고 다른 측면에서 14, 15, 16으로 표시되어 있다. 이제 좌측에 도시된 유동 플레이트(10)에서는 유동 필드(17)를 거쳐 연결부들(11, 16)이, 관찰자를 향한 측면에서, 함께 암시되어 있고(17), 각각의 연결 개구부(11, 16), 소위 매니폴드(18)에 상응하여 암시되어 있다. 참조번호 20으로 표시된 유동 채널이 형성되어 있다. 이에 대향하는 유동 플레이트(10)의 미도시된 측면에는 2개의 냉각수 연결부(12, 15)가 서로 연결되어 있다. 따라서 참조번호 19로 표시된 냉각 매질 채널이 형성된다. 본원에서 우측에 도시된 다음 유동 플레이트(10')에서 다시 일 측에는 냉각수 연결부들(12, 15)이 서로 연결되어 있는 반면, 보이는 측면에서 연결부들(13, 14)은 서로 연결되어 있다. 따라서 참조번호 21로 표시되는 유동 채널이 형성된다. 전기 화학적 섹션(3) 내에서 유동 플레이트들(10, 10')의 영역으로부터 알 수 있는 바와 같이, 이러한 유동 플레이트들(10, 10')은 후면측들을 이용하여 잇달아 위치결정됨으로써, 유동 플레이트들(10, 10') 사이에는 냉각 매질을 위한 채널(19)이 생성된다. 서로 연결된 유동 플레이트들(10, 10')로 구성된 이러한 구조물들(100)이 이제 상호 경상으로(mirrored) 각각 적층되면, 유동 플레이트들(10, 10')로부터의 개별 구조물들(100) 사이에는 항상 어느 하나의 매질이 관류하는 채널들(20) 및 다른 매질이 관류하는 채널들(21)이 서로 대향하게 된다. 이는 도 4에서 각각의 섹션(4, 5)의 작은 일부분에 대한 개략적 단면도로부터 알 수 있다. 구조물(100)의 개별 플레이트들(10, 10') 사이에는 본원에서 19로 표시된 냉각 매질 채널이 구조물의 일 측에, 예컨대 유동 플레이트(10)의 표면에 제공되며, 이에 대향하여 어느 하나의 매질을 위한 채널이 20으로 표시되며, 다른 하나의 매질을 위한 채널은 다른 유동 플레이트(10')의 표면에 제공된다. 다른 하나의 매질을 위한 이 채널은 21로 표시되어 있다. 어느 하나의 매질 및 다른 하나의 매질을 위한 채널들(20, 21) 사이에는 멤브레인 또는 호일(22)이 배치되는데, 이는 도 4의 도면에서 확인할 수 있다. 가습 섹션(4)의 영역에서 이러한 멤브레인 또는 호일(22)은 수증기 투과성 멤브레인일 수 있고, 채널(20, 21) 내에서 유동하는 매질들 간에 수증기 교환을 가능하게 한다. 따라서 각각의 채널들(20, 21) 내에서 건조한 유입 공기 및 습한 배출 공기가 안내되어, 습한 배출 공기에 의해 건조한 유입 공기는 가습 섹션(4) 내에서 가습될 수 있다. 열교환 섹션(5)의 영역에서 이러한 멤브레인들이 통상적으로 부적합한데, 이러한 멤브레인들은 압축되고 건조하며 뜨거운 유입 공기의 비교적 높은 온도를 견디지 못하거나 지속적으로 견디지 못하기 때문이다. 이러한 이유로 본원에서 금속 호일, 그라파이트 호일은 내온도성이 있는 것으로서, 뜨거운 유입 공기와 현저히 더 차가운 배출 공기 사이의 양호한 열 교환을 가능하게 할 수 있다. 부가적으로, 2개의 경우에서 냉각 채널(19) 내에서는 개별 전지의 구조물과 유사하게 전기 화학적 영역(3)에서 유동하는 냉각 매질을 통하여 온도 조절이 함께 이루어질 수 있다.
도 3 및 도 4에 설명된 구조에 대해 대안적으로, 더 간단하게 형성되며 냉각 매질을 이용한 부가적 관류 절차 및 이를 위해 필요한 냉각 채널(19)이 생략되는 변형예도 고려할 수 있다. 이를 위해서는 도 5의 도면에서 이에 상응하게 암시되어 있는 바와 같은 단일 유동 플레이트(10)만이 필요하다. 이러한 유동 플레이트(10)는 전술한 유동 플레이트(10)의 기하학적 형상에 상응한다. 본원에서 확인할 수 없는 유동 플레이트의 후면측에서 개구부들(12, 15)은 서로 연결되지 않고, 개구부들(13, 14)은 연결되어 있음으로써, 말하자면, 일 측에서 전술한 유동 플레이트(10)의 일 측을 포함하고 다른 측에서 전술한 유동 플레이트(10')의 일 측을 포함하는 구조물이 생성된다. 이제, 이러한 유동 플레이트들(10)은, 도 4의 도면과 유사하게 도 6의 도면에서 암시되어 있는 바와 같이, 교번적으로 상호 경상으로 멤브레인 또는 호일(22)을 포함하여 직접적으로 적층될 수 있다. 이러한 구조물은 더 간단하고 간결하게 구현될 수 있으며 특히 섹션들(4, 5)의 능동적 냉각을 필요로 하지 않을 수 있다. 물론, 섹션들 중에 어느 하나의 섹션만 능동 냉각되어, 즉, 도 3 및 도 4에 따른 구조물을 형성하고 섹션들 중에 다른 섹션은 냉각되지 않아서 도 5 및 도 6에 따른 구조물이 얻어지는 경우도 고려할 수 있을 것이다.
연결 개구부들(11 내지 16)의 통상적 기하학 형상은 특히 말단 플레이트들 사이에 통합적으로 배치될 시 스택의 기학적 형상이 모든 섹션들(3, 4, 5)에 걸쳐 동일하게 유지되도록 하기 위해 사용될 수 있다. 통상적으로 냉각수를 위해 제공되는 개구부들(12, 15)은 예컨대 사용될 수 없거나 다른 개구부들과 함께 병합될 수 있다. 따라서 예컨대 개구부들(11, 12)은 어느 하나의 매질을 위한 공통 유입 개구부로서 사용될 수 있고 이에 상응하여 개구부들(15, 16)은 공통 배출 개구부들로 사용될 수 있다. 이는 예컨대 개별 개구부들이 헤드부 및 매니폴드(18)에서 유동 필드(17)와 연결됨으로써 수행될 수 있다. 기본적으로 또한 유동 필드(17)의 내부에서 어느 하나의 스트림 및 다른 하나의 스트림을 위해 별도의 섹션들이 제공되는 것도 고려할 수 있다. 본원에서는 모든 변형예가 가능하고 고려할 수 있으며, 특히 가습 섹션(4) 또는 열교환 섹션(5)의 설계에 상응하여 그리고 각각의 섹션들(4, 5)에서 이러한 설계에 상응하여 요구되는 체적 스트림 및 유동 횡단면에 상응하여 그러하다.

Claims (9)

  1. 연료 전지 스택(1)으로서,
    하나의 스택으로 적층되는 다양한 개별 전지를 포함하고, 상기 스택 내에 통합되는 적어도 하나의 가습 섹션(4)을 포함하며, 상기 가습 섹션은 상기 개별 전지들의 일 말단에서 전기 화학적 섹션(3)으로서 배치되고,
    상기 적어도 하나의 가습 섹션(4)에서 상기 전기 화학적 섹션(3)으로부터 멀어지는 측에는 열교환 섹션(5)이 배치되고, 상기 스택의 적어도 3개의 섹션(3, 4, 5)에 유체를 배분하기 위한 유동 플레이트들(10, 10')은 동일한 외형을 포함하고,
    상기 열 교환 섹션(4) 내에서 각각 2개의 유동 플레이트(10, 10') 사이에는 열전도성 및 내온도성을 갖는 호일들(22)이 배치되고, 상기 호일들을 유입 가스 및 배출 가스가 교번적으로 관류하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 섹션(3, 4)의 상기 유동 플레이트들(10, 10')은 병렬로 관류되고 상기 적어도 3개의 섹션(3, 4, 5)은 상호 직렬로 관류되며, 유입되는 압축된 공기는 우선 상기 열교환 섹션(5), 이후 상기 가습 섹션(4) 및 이후 상기 전기 화학적 섹션(3)의 캐소드측을 관류하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 섹션(3, 4, 5)의 상기 유동 플레이트들(10, 10')의 연결 개구부들(11, 12, 13, 14, 15, 16)은 동일한 기하학적 형상을 포함하고, 섹션들(3, 4, 5) 사이에는 매질을 위한 분배 플레이트들이 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택(1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가습 섹션(4) 내에서 각각 2개의 유동 플레이트(10, 10') 사이에는 수증기 투과성 멤브레인들(22)이 배치되고, 상기 멤브레인들을 유입 가스 및 배출 가스가 교번적으로 관류하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택(1).
  5. 제 4 항에 있어서,
    후면에서 각각 냉각 매질 채널들(19)을 포함하는 각각 2개의 유동 플레이트(10, 10')는 하나의 구조물(100)이 되도록 병합되고, 상기 구조물의 일 측에는 유입 가스가 유동하고 상기 구조물의 다른 측면에는 배출 가스가 유동하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택(1).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환 섹션(5) 및/또는 상기 가습 섹션(4)의 상기 유동 플레이트들(10, 10')은 유동 필드들(17)을, 특히 전기 화학적 섹션(3)의 유동 필드들과 유사하게, 포함하고, 상기 유동 필드들(17)은 각각의 표면들에서 다양한 연결 개구부들과 연결되며, 그 사이에 배치된 멤브레인 및/또는 호일들(22)을 포함하여 교번적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택(1).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가습 섹션(4) 및 상기 열교환 섹션(5)은 상기 전기 화학적 섹션(3)의 일 말단에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택(1).
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가습 섹션(4) 및 상기 열교환 섹션(5)은 상기 전기 화학적 섹션(3)의 양 말단에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택(1).
  9. 적어도 부분적으로 전기적으로 구동되는 차량에서 전기적 출력을 조달하기 위해 사용되는 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 스택(1)의 용도.
KR1020237009731A 2020-08-27 2021-07-29 연료 전지 스택 KR20230056723A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020005246.0A DE102020005246A1 (de) 2020-08-27 2020-08-27 Brennstoffzellenstapel
DE102020005246.0 2020-08-27
PCT/EP2021/071261 WO2022042991A1 (de) 2020-08-27 2021-07-29 Brennstoffzellenstapel

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230056723A true KR20230056723A (ko) 2023-04-27

Family

ID=77499803

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237009731A KR20230056723A (ko) 2020-08-27 2021-07-29 연료 전지 스택

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20230238553A1 (ko)
EP (1) EP4205205A1 (ko)
JP (1) JP2023545348A (ko)
KR (1) KR20230056723A (ko)
CN (1) CN115968510A (ko)
DE (1) DE102020005246A1 (ko)
WO (1) WO2022042991A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022206673A1 (de) 2022-06-30 2024-01-04 Mahle International Gmbh Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5200278A (en) 1991-03-15 1993-04-06 Ballard Power Systems, Inc. Integrated fuel cell power generation system
CA2242176C (en) * 1997-06-30 2009-01-27 Ballard Power Systems Inc. Solid polymer fuel cell system and method for humidifying and adjusting the temperature of a reactant stream
US6066408A (en) * 1997-08-07 2000-05-23 Plug Power Inc. Fuel cell cooler-humidifier plate
US8101320B2 (en) 2006-02-21 2012-01-24 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell integrated humidification
DE102007038880A1 (de) 2007-08-17 2009-02-19 Daimler Ag Brennstoffzellenanordnung
DE202013009357U1 (de) * 2013-06-27 2015-01-16 Dana Canada Corporation Integrierte Gasmanagementvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
DE102018218317A1 (de) * 2018-10-26 2020-04-30 Audi Ag Befeuchter sowie Kraftfahrzeug

Also Published As

Publication number Publication date
CN115968510A (zh) 2023-04-14
EP4205205A1 (de) 2023-07-05
JP2023545348A (ja) 2023-10-30
WO2022042991A9 (de) 2023-04-06
US20230238553A1 (en) 2023-07-27
WO2022042991A1 (de) 2022-03-03
DE102020005246A1 (de) 2022-03-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7923162B2 (en) Fuel cell assemblies with integrated reactant-conditioning heat exchangers
US9905880B2 (en) Fuel cell stack
US8048575B2 (en) Fuel cell system and fuel cell automotive vehicle
JP6601970B2 (ja) 燃料電池システムのための統合されたガス管理デバイス
US6783878B2 (en) Solid polymer fuel cell system and method for humidifying and adjusting the temperature of a reactant stream
US6106964A (en) Solid polymer fuel cell system and method for humidifying and adjusting the temperature of a reactant stream
JP4516229B2 (ja) 固体高分子型セルアセンブリ
US6582844B2 (en) Method of cooling a fuel cell
WO2012144385A1 (ja) 燃料電池
WO2008110906A2 (en) Fuel cell separator with heat conducting member or cooling fluid passages in a peripheral region of the cell
JP4453192B2 (ja) 固体高分子形燃料電池
TWI474548B (zh) 極板與使用該極板的極板組
KR20230056723A (ko) 연료 전지 스택
JP3839978B2 (ja) 固体高分子型燃料電池システム
JP4464066B2 (ja) 燃料電池システム
JP2002522891A (ja) 空冷式燃料電池の廃熱を利用する装置及び方法
JP2009140614A (ja) 燃料電池
CN112868119A (zh) 加湿器以及机动车
JP4886272B2 (ja) 反応ガス用加湿装置
JP2008243540A (ja) 固体高分子電解質形燃料電池発電装置
JP3981476B2 (ja) 燃料電池スタック
JP4824307B2 (ja) 燃料電池
JP2004281245A (ja) 燃料電池用供給ガス加湿器
JP2865025B2 (ja) 溶融炭酸塩型燃料電池
CN113745581A (zh) 一种板式自加湿冷却装置、加湿冷却单元及加湿冷却方法