KR20230167044A - 연료 셀 스택 또는 전해조 스택용 바이폴러 판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료 셀 스택 또는 전해조 스택용 바이폴러 판(6, 7)으로서, 바이폴러 판(6, 7)은 서로 마주보게 조립된 애노드 판(16)과 캐소드 판(17)을 포함하고, 캐소드 판(17)의 면에 대향하는 애노드 판(16)의 면은 제1 유체를 분배하기 위한 회로를 형성하는 내부 공간을 획정하고, 애노드 판(16)과 캐소드 판(17)은 애노드 판(16)의 주변 단부의 적어도 일부와 캐소드 판(17)의 주변 단부의 적어도 일부가 바이폴러 판(6, 7)의 평면에서 서로에 대해 오프셋되어, 바이폴러 판(6, 7)의 주변 단부에 숄더를 형성하도록 다른 치수를 갖는, 바이폴러 판(6, 7)에 관한 것이다.
Description
본 발명은 연료 셀 스택 또는 전해조 스택용 바이폴러 판, 이러한 판을 갖는 연료 셀 스택 또는 전해조용 셀, 및 이러한 셀을 갖는 연료 셀 스택 또는 전해조에 관한 것이다.
그 자체로 알려진 방식으로, 연료 셀 스택은 연료(일반적으로, 이수소(dihydrogen))와 산화제(일반적으로, 이산소(dioxygen)) 또는 이를 함유한 가스(예를 들어, 공기)를 사용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하며 반응 생성물은 물이고 열을 방출하고 전기를 생산할 수 있는 전기화학 디바이스이다.
전해조는 역원리, 구체적으로 전기 에너지를 입력하여 화학 반응을 생성하고, 예를 들어, 이수소와 같은 연료와 산소와 같은 산화제를 생산하는 것에 기초한다. 이하의 설명은 보다 특히 연료 셀 스택에 관한 것이지만 전해조에도 적용될 수 있다.
연료 셀 스택 또는 전해조는 다수의 셀의 스택이고, 각각의 셀은 멤브레인 전극 조립체(MEA)를 중간에 끼운 두 개의 바이폴러 판을 갖는다. 셀 스택의 구성요소는, 각각의 바이폴러 판이 스택에 추가될 때, (전용 개구 또는 하나 이상의 수용부를 이용하는 것에 의해) 바이폴러 판의 개구에 배치된 안내부에 의해 내부로부터 정렬되거나, 또는 바이폴러 판의 각각의 에지와 접촉하게 되는 적어도 3개의 안내 핀에 의해 외부로부터 정렬된다.
수십 개의 셀 또는 심지어 수백 개의 셀의 스택의 구성요소를 정렬하는 것은 까다롭다. 스택의 다양한 구성요소(특히 바이폴러 판과 MEA)는 특히 서로 미끄러지는 경향이 있어 미적 결함, 성능 손실, 누출 및 진동 저항 감소를 유발할 수 있다. 바이폴러 판과 MEA의 정렬이 불량하면 단락 위험이 높아질 수도 있다. 전위가 다른 두 지점 사이에 국부적으로라도 짧은 거리가 있고 전도체 요소(금속 칩, 먼지 등)가 이 공간을 채우는 경우 위험은 더욱 커진다.
따라서 연료 셀 스택이나 전해조의 제조 동안 바이폴러 판을 올바르게 적층하는 것, 다시 말해 적층 축을 따라 바이폴러 판을 올바르게 정렬하는 것이 필요하다.
본 발명은 연료 셀 스택 또는 전해조 스택용 바이폴러 판으로서, 바이폴러 판은 서로 대면하여 접합된 애노드 판과 캐소드 판을 갖고, 캐소드 판의 면을 향하는 애노드 판의 면은 제1 유체의 분배를 위한 회로를 형성하는 내부 공간을 획정하고, 애노드 판과 캐소드 판은 애노드 판의 주변 단부의 적어도 일부와 캐소드 판의 주변 단부의 적어도 일부가 바이폴러 판의 평면에서 서로에 대해 오프셋되어, 바이폴러 판의 주변 단부에 숄더를 형성하도록 다른 치수를 갖는, 바이폴러 판을 제안함으로써 이러한 단점을 효과적으로 극복하는 것을 목적으로 한다.
이러한 구성은 스택의 제조 동안 바이폴러 판의 적절한 안내를 보장하고 애노드 판과 캐소드 판 사이에 임의의 단락이 형성되는 것을 방지할 수 있게 한다.
일 실시예에 따르면, 애노드 판과 캐소드 판의 각각의 치수는 바이폴러 판의 주변 단부의 적어도 일부에 걸쳐, 캐소드 판의 주변 단부와 애노드 판의 주변 단부가 서로 마주하지 않도록 배치된다.
일 실시예에 따르면, 숄더는 바이폴러 판의 평면에 수직인 것으로 간주된다. 다시 말해, 숄더는 바이폴러 판의 에지에서 두께에 걸쳐 연장된다.
일 실시예에 따르면, 애노드 판의 주변 단부와 캐소드 판의 주변 단부는 각각 바이폴러 판의 평면에 수직으로 연장되는 직선형 에지를 갖는다.
일 실시예에 따르면, 숄더는 단차부 또는 톱니부를 형성한다.
일 실시예에 따르면, 바이폴러 판은 스택의 제조 동안 바이폴러 판을 안내하기 위한 적어도 하나의 안내 구역을 갖고, 안내 구역은 숄더에 배치되고, 안내 구역은 바이폴러 판의 외부 에지를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 숄더는 바이폴러 판의 주변 단부의 둘레의 적어도 90%에 걸쳐 연장된다.
일 실시예에 따르면, 숄더는 특히 92° 내지 100°의 둔각을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 애노드 판은 제1 개구를 갖고, 캐소드 판은 제2 개구를 갖고, 제1 개구와 제2 개구는 바이폴러 판을 통한 제1 유체 또는 제2 유체의 통과를 허용하기 위한 수용부를 형성하도록 서로 마주보고, 제1 개구와 제2 개구는 제1 개구의 주변 단부의 적어도 일부와 제2 개구의 주변 단부의 적어도 일부가 바이폴러 판의 평면에서 서로에 대해 오프셋되어 수용부의 주변 단부에 제2 숄더를 형성하도록 다른 치수를 갖는다.
일 실시예에 따르면, 제2 숄더는 바이폴러 판의 평면에 수직인 것으로 간주된다.
일 실시예에 따르면, 제1 유체는 냉각 유체이다.
일 실시예에 따르면, 제2 유체는 연료 또는 산화제이다.
일 실시예에 따르면, 애노드 판은 몰딩에 의해 생산되고, 그 에지들 중 적어도 하나는 제1 경사각을 포함하고, 제1 경사각은 숄더로부터 분리된다.
일 실시예에 따르면, 캐소드 판은 몰딩에 의해 생산되고, 그 에지들 중 적어도 하나는 제2 경사각을 포함하고, 제2 경사각은 숄더로부터 분리된다.
또한, 본 발명은 연료 셀 스택 또는 전해조용 셀로서, 전술된 바이폴러 판을 2개 갖고, 바이폴러 판은 멤브레인 전극 조립체를 중간에 끼운, 연료 셀 스택 또는 전해조용 셀을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 멤브레인 전극 조립체는 애노드 판과 캐소드 판 중 숄더에서 내부 공간으로부터 가장 멀리 떨어진 판의 주변 단부와 멤브레인 전극 조립체의 주변 단부를 정렬할 수 있게 하는 치수를 갖는다.
일 실시예에 따르면, 바이폴러 판은 숄더를 갖지 않는 주변 단부 부분을 갖고, 멤브레인 전극 조립체는 바이폴러 판의 평면 방향으로 바이폴러 판을 넘어 돌출함으로써 이 부분에서 바이폴러 판의 주변 단부로부터 돌출된다.
또한, 본 발명은 특히 양성자 교환 멤브레인을 갖는 연료 셀 스택 또는 전해조로서, 전술된 셀 스택을 갖는 연료 셀 스택 또는 전해조에 관한 것이다.
본 발명은 이하의 설명을 읽고 첨부된 도면을 연구하는 것으로부터 보다 잘 이해될 수 있을 것이다. 이들 도면은 단지 예시를 위해 제공된 것일 뿐, 어떠한 방식으로든 본 발명을 제한하려는 것이 아니다.
도 1은 종래 기술의 셀의 개략도이다.
도 2는 도 1의 셀의 축(II-II)을 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 바이폴러 판의 개략적인 입면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 셀의 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 셀의 또 다른 실시예의 개략 단면도이다.
동일하거나 유사하거나 비슷한 요소는 여러 도면에 걸쳐 동일한 참조 부호를 유지한다.
도 2는 도 1의 셀의 축(II-II)을 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 바이폴러 판의 개략적인 입면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 셀의 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 셀의 또 다른 실시예의 개략 단면도이다.
동일하거나 유사하거나 비슷한 요소는 여러 도면에 걸쳐 동일한 참조 부호를 유지한다.
종래 기술의 연료 셀 스택용 셀(1)을 도시하는 도 1을 참조하면, 이러한 셀(1)은 2개의 다공성 전극, 즉 캐소드(3)와 애노드(4) 사이에 끼워지고 이는 두 전극(3, 4) 사이의 양성자의 전달을 보장하는 양성자 전도성 전해질(2)을 갖는 것을 볼 수 있다.
이를 위해, 전해질(2)은 특히 5㎛ 내지 200㎛의 두께를 갖는 중합체 양성자 교환 멤브레인일 수 있으며, 그 결과 생성된 스택은 PEM("양성자 교환 멤브레인") 또는 PEMFC("양성자 교환 멤브레인 연료 셀") 스택일 수 있다.
전해질(2)과 두 전극(3, 4)으로 구성된 조립체는 멤브레인 전극 조립체(MEA)(5)를 형성하고, 이 멤브레인 전극 조립체 자체는, 전류를 수집하고 산화제와 연료를 전극(3, 4)에 분배하고 열 전달 유체를 순환시키는 제1 및 제2 바이폴러 판(6 및 7) 사이에 끼워진다.
일반적으로 사용되는 바이폴러 판(6, 7)은 흑연, 중합체 함침 흑연, 또는 기계 가공이나 몰딩에 의해 형성된 가요성 흑연 시트와 같은 탄소 기반 재료와 같은 우수한 내식성과 전기 전도성을 제공하는 재료로 이루어진다.
또한 스테인레스강을 포함하여, 티타늄, 알루미늄, 및 철 기반의 합금과 같은 금속 재료를 사용하여 바이폴러 판(6, 7)을 생산하는 것도 가능하다. 이 경우, 바이폴러 판(6, 7)은 두께가 얇은 시트를 가압하거나 스탬핑하여 형성될 수 있다.
스택의 모든 구성 셀에서 산화제, 연료 및 열 전달 유체의 분배를 보장하기 위해 제2 바이폴러 판(7)은 6개의 개구(7a-7f)를 갖는다.
제1 바이폴러 판(6)은 바이폴러 판(7)과 동일한 위치에 배치된 동일한 개구를 갖고, 도 1에는 단 4개의 개구(6a-6d)만이 도시되어 있다.
제1 바이폴러 판(6)의 개구(6a-6d)와 제2 바이폴러 판(7)의 개구(7a-7f)는 스택의 모든 구성 셀을 통해 유체가 순환하는 것을 보장하는 수용부를 형성하도록 정렬된다.
이들 개구(7a-7f, 6a-6d) 각각에서 도시되지 않은 덕트는 판(6, 7)의 표면에서 또는 판(6, 7) 내에서 또는 이를 위해 제공된 유체 순환 채널에서 순환하는 열 전달 유체, 연료 또는 산화제를 개구에 공급하거나 수집하는 것을 가능하게 한다.
도 1의 선(II-II)을 따른 단면인 도 2를 참조하면, 캐소드(3) 및 바이폴러(4) 전극 각각은 캐소드 및 애노드 반응이 각각 일어나는 곳인 각각의 활성층(10, 11)을 갖고, 이 활성층(10, 11)과 이에 대응하는 바이폴러 판(6, 7) 사이에는 각각의 확산층(12, 13)이 개재되고, 이러한 확산층(12, 13)은 예를 들어 종이 기재 또는 탄소 천일 수 있다.
확산층(12, 13)은 각각의 바이폴러 판(6, 7)에 이루어진 홈으로 형성된 각각의 채널(14, 15)에서 순환하는 이수소 및 이산소와 같은 반응물이 확산되는 것을 보장한다.
이러한 방식으로, 애노드 전극(4)의 활성층(11)에는 확산층(13)을 통해 이수소가 공급되고, 이 활성층(11)에서 일어나는 반응은 H2 → 2e- + 2H+이다. 동일한 방식으로, 캐소드 전극(3)의 활성층(10)에는 확산층(12)을 통해 산소가 공급되고, 이 활성층(10)에서 일어나는 반응은 ½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O이다. 이러한 반응은 애노드(4)의 활성층(11)으로부터 캐소드(3)의 활성층(10)으로 양성자의 전달을 보장하는 멤브레인(2)의 존재에 의해 가능해진다.
그 자체로 알려진 방식으로, 연료 셀 스택 또는 전해조 스택은 셀(1) 스택, 제1 단부 판 및 제2 단부 판을 갖고, 셀(1) 스택은 제1 단부 판과 제2 단부 판 사이에 장착된다.
본 발명에 따른 연료 셀 스택은 전술된 바와 같은 셀(1)의 스택을 갖는다. 셀(1)은 전류 수집, 산화제와 연료의 전극으로의 분배, 및 열 전달 유체의 순환을 보장한다.
도 3을 참조하면, 바이폴러 판(6, 7)은 제1 유체의 분배를 위한 회로를 형성하는 내부 공간을 획정하는, 접착 결합되거나 대면 용접되는 애노드 판(16)과 캐소드 판(17)을 갖는다. 애노드 판(16)과 캐소드 판(17)은 각각 단면이 직사각형이다(두께에서 에지는 직선형이고, 다시 말해, 에지는 판의 평면에 수직인 방향을 따라 연장된다).
캐소드 판(17)의 면을 향하는 애노드 판(16)의 면은 애노드 판(16)의 주변 단부의 적어도 일부와 캐소드 판(17)의 주변 단부의 적어도 일부가 바이폴러 판(6, 7)의 평면에서 서로에 대해 오프셋되어, 바이폴러 판(6, 7)의 주변 단부에서 숄더를 형성하도록 다른 치수를 갖고, 숄더는 바이폴러 판(6, 7)의 평면에 수직인 것으로 간주된다.
다시 말해, 바이폴러 판(6, 7)의 단부의 적어도 일부에 걸쳐 애노드 판(16) 또는 캐소드 판(17)은 다른 부분을 넘어 돌출된다.
숄더는 단차부 또는 톱니부를 형성한다.
바이폴러 판(6, 7)은 스택의 제조 동안 바이폴러 판(6, 7)을 안내하기 위한 안내 구역을 갖고, 안내 구역은 숄더에 배치되고, 안내 구역은 바이폴러 판의 외부 에지를 포함한다. 따라서 안내 구역은 다른 부분을 넘어 돌출하는 애노드 판(16) 또는 캐소드 판(17)의 단부 부분이다.
도 3의 예에서, 숄더는 바이폴러 판(6, 7)의 주변 단부의 전체 둘레에 걸쳐 연장된다. 다시 말해, 숄더는 바이폴러 판(6, 7)의 전체 주변에 걸쳐 연속적이다. 그 결과, 안내는 판의 둘레의 임의의 부분에 걸쳐 이루어질 수 있다.
도 3의 예에서, 애노드 판(16)은 제2 유체의 유입 또는 유출을 위한 제1 개구를 갖고, 캐소드 판(17)은 제2 유체의 유입 또는 유출을 위한 제2 개구를 갖고, 제1 개구와 제2 개구는 바이폴러 판(6, 7)을 통한 제2 유체의 통과를 허용하기 위한 수용부(18)를 형성하도록 서로 대면한다. 제1 개구와 제2 개구는 제1 개구의 주변 단부의 적어도 일부와 제2 개구의 주변 단부의 적어도 일부가 바이폴러 판(6, 7)의 평면에서 서로에 대해 오프셋되어, 수용부(18)의 주변 단부에 제2 숄더를 형성하도록 다른 치수를 갖고, 제2 숄더는 바이폴러 판(6, 7)의 평면에 수직인 것으로 간주된다.
도 3의 예에서, 바이폴러 판(6, 7)의 모든 외부 에지(판(6, 7)의 주변 단부와 수용부(18)의 주변 단부)는 숄더를 갖고, 각 숄더는 해당 에지의 전체 둘레에 걸쳐 연속적이다.
도 4는 도 3과 함께 전술된 바이폴러 판(6, 7)을 2개 갖는 연료 셀 스택 또는 전해조용 셀(1)을 도시하고, 여기서 바이폴러 판(6, 7)은 멤브레인 전극 조립체(5)를 중간에 끼운다.
멤브레인 전극 조립체(5)는 애노드 판(16)과 캐소드 판(17) 중 숄더에서 내부 공간으로부터 가장 멀리 떨어진 판의 주변 단부와 멤브레인 전극 조립체(5)의 주변 단부를 정렬할 수 있게 하는 치수를 갖는다. 해당 예에서, MEA(5)와 애노드 판(16)은 숄더에서 에지 간에 정렬된다.
그 결과, 안내 구역은 숄더에서 캐소드 판(17)을 넘어 돌출하는 애노드 판(16)의 주변 에지에 의해 구현된다. MEA(5)가 캐소드 판(17)과 에지 간에 정렬된 반대 구성으로 조립을 수행하는 것이 가능하다.
도 5는 다른 실시예에 따른 연료 셀 스택 또는 전해조용 셀(1)을 도시한다. 도 4의 셀(1)과 관련하여 차이점은 이 실시예에서 애노드 판(16)이 몰딩에 의해 생산된다는 점이다. 애노드 판(16)의 제1 개구의 말단 에지는 제1 경사각을 포함한다. 도 5의 예에서 경사각은 판의 두께에 위치된다.
캐소드 판(17)도 또한 몰딩에 의해 생산된다. 캐소드 판(17)의 제2 개구의 말단 에지는 제2 경사각을 포함한다. 제2 경사각은 캐소드 판(17)의 평면에 위치된다.
도 5의 예에서, 숄더는 경사각으로 인해 적어도 하나의 둔각을 포함한다. 해당 예에서 숄더는 92° 내지 100°의 각도를 포함한다.
Claims (10)
- 연료 셀 스택 또는 전해조 스택용 바이폴러 판(6, 7)으로서,
상기 바이폴러 판(6, 7)은 서로 대면하여 접합된 애노드 판(16)과 캐소드 판(17)을 갖고, 상기 캐소드 판(17)의 면을 향하는 상기 애노드 판(16)의 면은 제1 유체의 분배를 위한 회로를 형성하는 내부 공간을 획정하고, 상기 애노드 판(16)과 상기 캐소드 판(17)은 상기 애노드 판(16)의 주변 단부의 적어도 일부와 상기 캐소드 판(17)의 주변 단부의 적어도 일부가 상기 바이폴러 판(6, 7)의 평면에서 서로에 대해 오프셋되어, 상기 바이폴러 판(6, 7)의 주변 단부에 숄더를 형성하도록 다른 치수를 갖는, 바이폴러 판(6, 7). - 제1항에 있어서, 상기 애노드 판(16)의 주변 단부와 상기 캐소드 판의 주변 단부 각각은 상기 바이폴러 판의 평면에 수직으로 연장되는 직선 에지를 갖는, 바이폴러 판(6, 7).
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 숄더는 단차부 또는 톱니부를 형성하는, 바이폴러 판(6, 7).
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 스택의 제조 동안 상기 바이폴러 판(6, 7)을 안내하기 위한 적어도 하나의 안내 구역을 갖고, 상기 안내 구역은 상기 숄더에 배치되고, 상기 안내 구역은 상기 바이폴러 판(6, 7)의 외부 에지를 포함하는, 바이폴러 판(6, 7).
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 숄더는 상기 바이폴러 판(6, 7)의 주변 단부의 둘레의 적어도 90%에 걸쳐 연장되는, 바이폴러 판(6, 7).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 판(16)은 제1 개구를 갖고, 상기 캐소드 판(17)은 제2 개구를 갖고, 상기 제1 개구와 상기 제2 개구는 상기 바이폴러 판(6, 7)을 통한 제1 유체 또는 제2 유체의 통과를 허용하기 위한 수용부(18)를 형성하기 위해 서로 마주보고, 상기 제1 개구와 상기 제2 개구는 상기 제1 개구의 주변 단부의 적어도 일부와 상기 제2 개구의 주변 단부의 적어도 일부가 상기 바이폴러 판(6, 7)의 평면에서 서로에 대해 오프셋되어, 상기 수용부(18)의 주변 단부에 제2 숄더를 형성하도록 다른 치수를 갖는, 바이폴러 판(6, 7).
- 연료 셀 스택 또는 전해조용 셀(1)로서, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 바이폴러 판(6, 7)을 2개 갖고, 상기 바이폴러 판(6, 7)은 멤브레인 전극 조립체(5)를 중간에 끼운, 셀(1).
- 제7항에 있어서, 상기 멤브레인 전극 조립체(5)는 상기 애노드 판(16)과 상기 캐소드 판(17) 중 숄더에서 내부 공간으로부터 가장 멀리 떨어진 판의 주변 단부와 상기 멤브레인 전극 조립체(5)의 주변 단부를 정렬할 수 있게 하는 치수를 갖는, 셀(1).
- 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 바이폴러 판(6, 7)은 숄더를 갖지 않는 주변 단부 부분을 갖고, 상기 멤브레인 전극 조립체(5)는 상기 바이폴러 판(6, 7)의 평면 방향으로 상기 바이폴러 판(6, 7)을 넘어 돌출함으로써 이 부분에서 상기 바이폴러 판(6, 7)의 주변 단부로부터 돌출하는, 셀(1).
- 특히 양성자 교환 멤브레인을 갖는 연료 셀 스택 또는 전해조로서, 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 셀(1)의 스택을 갖는, 연료 셀 스택 또는 전해조.
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