JP2016506048A - 燃料電池用分離板及びこれを含む燃料電池 - Google Patents

Abstract

本発明の一実施例は、燃料または酸化剤の水平的分配を向上させ、有効流動面積を確保することができるように改善された分離板及びこれを含む燃料電池を提供するもので、分離板本体と、上記分離板本体の一側に提供される第１流入マニホールドと、上記分離板本体の他側に上記第１流入マニホールドと区画される空間として提供される第２流入マニホールドと、上記分離板本体の他側において上記第２流入マニホールドの外側に提供される第１排出マニホールドと、上記分離板本体の一側において上記第１流入マニホールドの外側に上記第１排出マニホールドと区画される空間として提供される第２排出マニホールドと、を含む。

Description

本発明は、燃料電池用分離板及びこれを含む燃料電池に関するもので、燃料または酸化剤の水平的分配を向上させ、有効流動面積を確保することができるようにした燃料電池用分離板及びこれを含む燃料電池に関する。

一般に、燃料電池は、燃料の化学的エネルギーを電気的エネルギーに変化する発電システムであり、例えば、アノード（ａｎｏｄｅ）側に水素燃料が供給され、カソード（ｃａｔｈｏｄｅ）側には酸化剤が注入され、これらの反応時に発生する化学的エネルギーを用いて電気的エネルギーに変換させる。

このような燃料電池は、動作温度、電解質の種類によって低温型、高温型に区分されることができる。低温型は、主に自動車などに用いられるＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が代表的であり、高温型は、ＭＣＦＣ（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、及びＳＯＦＣの逆反応を用いたＳＯＥＣ（ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｃｅｌｌ）が代表的に用いられる。

燃料電池１０は、燃料（水素）と酸化剤が持続的に注入される過程において連続的な発電が可能であり、燃料の場合、発電効率、経済性を考慮して利用率を上げなければ商業的価値を高めることができない。

従来の燃料電池１０用の分離板２０、３０は、燃料または酸化剤が流動する流路が提供された平板部２２、３２を含む。この平板部２２、３２には、一側端部に燃料または酸化剤が流入される入側マニホールド２４、３４が提供され、入側マニホールド２４、３４と対向して他側端部に燃料または酸化剤が排出される出側マニホールド２６、３６が提供される。

このような燃料電池１０用の分離板２０、３０は、交互に積層されてスタック形態として提供される。

一方、従来の燃料電池１０は、分離板２０、３０の配置形態などによって多様な方式に区分される。一例として、図１に示されているように、燃料と酸化剤が流入される方向が同一の方向に配置されるコーフロー（ｃｏ−ｆｌｏｗ）方式、図２のように、燃料と酸化剤が流入される方向が反対方向に配置されるカウントフロー（ｃｏｕｎｔ−ｆｌｏｗ）方式、及び図３のように、燃料と酸化剤が流入される方向が直角で配置されるクロスフロー（ｃｒｏｓｓ−ｆｌｏｗ）方式が代表的に用いられる。

ところが、従来の燃料電池１０は、分離板２０、３０の構造や配置形態などによって燃料及び酸化剤の流動方向と運転条件（負荷や利用率など）が決定され、これによって電気化学反応が生じる部分が決定される。

また、従来は、分離板２０、３０の構造的な制約によって電気化学反応が発生する部分が一方に偏って生じる。これにより、温度勾配も一方に偏った形態で発生する。

したがって、従来の燃料電池１０は、スタック全体の熱応力分布が非対称的に形成される。これにより、燃料または酸化剤の不均一な流れまたは偏向的な流れによって発電効率が低下し、このような不均衡が持続されることにより、最終的にはスタックの熱サイクル過程においてスタックの構造的安定性に悪い影響を及ぼす要因になっている。

そのため、最近では、図４から図６に示されているように、コーフロー（ｃｏ−ｆｌｏｗ）方式、カウントフロー（ｃｏｕｎｔ−ｆｌｏｗ）方式、及びクロスフロー（ｃｒｏｓｓ−ｆｌｏｗ）方式の構造的な制約を解決するための方式としてクロスシフトフロー（ｃｒｏｓｓ−ｓｈｉｆｔ ｆｌｏｗ）方式が提案された。

クロスシフトフロー方式の燃料電池５０は、奇数番目に位置する単位電池セルと偶数番目に位置する単位電池セルのマニホールド構造を交互に形成することにより、全体的な温度勾配の不均一性を低減するように提供される。

即ち、奇数番目に位置する単位電池セル５１において燃料または酸化剤が循環する分離板６０、７０は、一部領域が燃料または酸化剤が流入される流入マニホールド６２、７２で提供され、残りは燃料または酸化剤が排出される排出マニホールド６４、７４で提供される。

また、偶数番目に位置する単位電池セル５５において燃料または酸化剤が循環する分離板８０、９０は、奇数番目に位置する単位電池セル５１の分離板６０、７０と対称に交差する流入マニホールド８２、９２及び排出マニホールド８４、９４が提供される。

このようなクロスシフトフロー方式の燃料電池５０は、温度勾配の不均一をある程度解消することができるが、流入マニホールド８２、９２及び排出マニホールド８４、９４のうち一部が該セルで詰まっている構造であるため水平方向の流動分配が悪くなる。これにより、燃料がセル面積全体に均一に供給できず、燃料電池５０の全体的な性能が低下する。

そのため、流入マニホールド８２、９２及び排出マニホールド８４、９４をいくつかに分散して配置することで、流動がより均一にセル面積全体に広がるようにした技術が開発された。

しかし、従来のクロスシフトフロー方式の燃料電池５０は、流入マニホールド６２、７２、８２、９２と排出マニホールド６４、７４、８４、９４の間を封止するために、封止材６３、７３、８３、９３が位置するため、流入マニホールド６２、７２、８２、９２から出る燃料または酸化剤がセルの反応面に流れる過程において封止材６３、７３、８３、９３が燃料または酸化剤の水平流動の拡散を妨害して、その結果、マニホールド孔が位置する部分と詰まった部分との流動偏差が存在する。

一方、クロスシフトフロー方式の燃料電池５０は、水平流動の拡散をさらに均一にするために、例えば、奇数番目に位置する単位電池セル５１において燃料または酸化剤が循環する分離板６０’を変形して、流入マニホールド６２を中央部に位置させ、排出マニホールド６４ａ、６４ｂに分割形成した。

また、例えば、偶数番目に位置する単位電池セル５５において燃料または酸化剤が循環する分離板８０’を変形して、流入マニホールド８２を中央部に位置させ、排出マニホールド８４ａ、８４ｂに分割形成した。このとき、流入マニホールド８２と排出マニホールド８４ａ、８４ｂは封止材６３、８３によって封止されて維持される。

一方、図９を参考すると、従来のクロスシフトフロー方式の燃料電池５０は、流入及び排出マニホールドの数が増加するにつれて、水平流動の拡散を均一に発生させることができ、これにより、封止材６３、８３が占める面積も増加するようになって、実際の流動が流れるための有効面積が減少するようになる。その結果、全体的な反応効率及び燃料利用率が低くなる。

即ち、流入及び排出マニホールドの幅がＬＨで、封止材の幅はＬＳとすると、マニホールドの個数ｎに対する同一幅の封止材の個数は（ｎ−１）を必要とする。

燃料電池の有効流動面積の幅（Ｌ）は数学式１の通りである。

したがって、従来の燃料電池には、燃料または酸化剤の水平的分配を向上させ、燃料電池の有効流動面積（Ｌ）を減少させない構造の開発が求められている。

本発明の一実施例は、燃料または酸化剤の水平的分配を向上させ、有効流動面積を確保することができるように改善された燃料電池用分離板及びこれを含む燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の一側面による燃料電池用分離板は、分離板本体と、上記分離板本体の一側に提供される第１流入マニホールドと、上記分離板本体の他側に上記第１流入マニホールドと区画される空間として提供される第２流入マニホールドと、上記分離板本体の他側において上記第２流入マニホールドの外側に提供される第１排出マニホールドと、上記分離板本体の一側において上記第１流入マニホールドの外側に上記第１排出マニホールドと区画される空間として提供される第２排出マニホールドと、を含む。

また、上記第１流入マニホールド及び上記第２流入マニホールドは上記分離板本体の少なくとも一つで提供されることができる。

また、上記第１排出マニホールド及び上記第２排出マニホールドは上記分離板本体の幅方向に長い形態で延長形成されることができる。

また、上記分離板本体には、内部に上記第１流入マニホールドと上記第１排出マニホールドの間に循環流路が形成されることができる。

また、本発明の他の側面による少なくとも一つの単位セルユニットが積層されて提供される燃料電池において、上記単位セルユニットは、上述の複数の燃料電池用分離板を含み、上記燃料電池用分離板は、垂直に交差して積層されて、燃料または酸化剤であるガスが交差して循環するように提供されることができる。

また、上記燃料電池用分離板の本体には、内部に上記第１流入マニホールドと上記第１排出マニホールドの間に循環流路が形成されることができる。

また、上記循環流路は、上記第１流入マニホールドから供給されたガスが上記第２流入マニホールドの間を通過して上記第１排出マニホールドに排出されるように提供されることができる。

上記燃料電池用分離板は、上記第２流入マニホールドが他の分離板の第１流入マニホールドと封止されて連係され、上記第２排出マニホールドは、他の分離板の第１排出マニホールドと封止されて連係されることができる。

本発明の一実施例によると、流入マニホールドと排出マニホールドが２列で配置されることにより、流入マニホールドから出た燃料または酸化剤が拡散されることができる余裕空間が確保されるため、有効面積を確保することができ、水平分配が向上し、排出マニホールドが一つに連結されることにより、反応に伴う流量変化などによる排出マニホールドで発生しかねない流動が偏る現象を減少させることができる。これにより、本実施例の燃料電池は、全体的な水平的分配の向上、有効面積の確保、及び流動の偏りの減少により、全体的な燃料の反応効率及び利用率を向上させることができる。

従来技術によるコーフロー（ｃｏ−ｆｌｏｗ）方式の燃料電池の動作例示図である。 従来技術によるカウントフロー（ｃｏｕｎｔ−ｆｌｏｗ）方式の燃料電池の動作例示図である。 従来技術によるクロスフロー（ｃｒｏｓｓ−ｆｌｏｗ）方式の燃料電池の動作例示図である。 従来技術によるクロスシフトフロー（ｃｒｏｓｓ−ｓｈｉｆｔ ｆｌｏｗ）方式の燃料電池の斜視図である。 従来技術によるクロスシフトフロー（ｃｒｏｓｓ−ｓｈｉｆｔ ｆｌｏｗ）方式の燃料電池の奇数番目の分離板を示す平面図である。 従来技術によるクロスシフトフロー（ｃｒｏｓｓ−ｓｈｉｆｔ ｆｌｏｗ）方式の燃料電池の偶数番目の分離板を示す平面図である。 従来技術によるクロスシフトフロー（ｃｒｏｓｓ−ｓｈｉｆｔ ｆｌｏｗ）方式の燃料電池の分離板を変形して示した平面図である。 従来技術によるクロスシフトフロー（ｃｒｏｓｓ−ｓｈｉｆｔ ｆｌｏｗ）方式の燃料電池の他の分離板を変形して示した平面図である。 従来技術によるクロスシフトフロー（ｃｒｏｓｓ−ｓｈｉｆｔ ｆｌｏｗ）方式の燃料電池の有効流動面積を示す図面である。 本発明の一実施例による燃料電池用分離板を示す平面図である。 本発明の一実施例による燃料電池用分離板の反応領域を図式的に示した図面である。 本発明の他の実施例による燃料電池用分離板を示す平面図である。

以下では、添付の図面を参照し、本発明の好ましい実施例について説明する。しかし、本発明の実施例は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施例に限定されない。また、本発明の実施例は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。なお、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。

図１０は本発明の一実施例による燃料電池用分離板を示す平面図である。

図１０を参考にすると、本実施例の燃料電池１００は、少なくとも一つの単位セルユニットが積層されて提供されることができる。例えば、燃料電池１００は、分離板、セル、分離板、セルなどのような構造で交互に積層されるスタック構造で提供されることができる。

このような単位セルユニットは、少なくとも一つの分離板１１０、１２０を含み、分離板１１０、１２０に供給される燃料と酸化剤の酸化、還元反応によってエネルギーを生産することができる。

本実施例において、燃料電池１００は、各単位セルユニットの分離板１１０、１２０が交互に積層され、且つ偶数番目に位置する分離板１１０、１２０が互いに連結され、奇数番目に位置する分離板１１０、１２０が互いに連結される構造で提供されることができる。

また、本実施例の燃料電池１００は、一例として、固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）であってよい。

このような燃料電池１００に活用される単位セルユニットは、供給される電圧を増加させるために、積層されて連結されることができる。

燃料電池１００は、燃料と酸化剤を分離して供給及び排出するための分離板１１０、１２０の他にも、分離板において燃料と酸化剤を区分するように提供される電解質膜と、電解質膜を基準に両側に提供されるアノード（ａｎｏｄｅ）及びカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）電極と、を含む。

より詳細には、本実施例において、燃料電池１００は、燃料の供給が行われる燃料用分離板１１０を含み、この燃料用分離板１１０には酸化剤の供給が行われる酸化剤用分離板１２０が連係されることができる。

燃料用分離板１１０と酸化剤用分離板１２０は垂直に交差するように提供される。これにより、燃料または酸化剤が互いに直交した方向に交差しながら循環するように提供されることができる。

一方、分離板１１０、１２０は、燃料または酸化剤の移動を案内するために、内部に循環流路が備えられる分離板本体である平面板を含むことができる。

また、分離板１１０、１２０本体の一側には、燃料または酸化剤であるガスが供給される第１流入マニホールド１１２、１２２が提供されることができる。

なお、分離板１１０、１２０本体の他側には、第１流入マニホールド１１２、１２２と区画される空間として提供される第２流入マニホールド１１６、１２６が連係されることができる。第２流入マニホールド１１６、１２６は、分離板本体の他側に封止材などを用いて封止されて提供されることができる。よって、分離板１１０、１２０にはガスを供給せず、これと連結される他の分離板１１０、１２０の第１流入マニホールド１１２、１２２と連結されてガスを供給することができる。

さらに、分離板１１０、１２０本体の他側、即ち、セルの有効反応領域を通過した反対側の領域には、第１流入マニホールド１１２、１２２から供給されたガスが第２流入マニホールド１１６、１２６の間を通過して排出される第１排出マニホールド１１４、１２４が提供されることができる。

また、分離板１１０、１２０本体の一側には、第１流入マニホールド１１２、１２２の外側に第１排出マニホールド１１４、１２４と区画される空間として第２排出マニホールド１１８、１２８が提供されることができる。

なお、分離板１１０、１２０本体の一側には、第１流入マニホールド１１２、１２２の外側に第２排出マニホールド１１８、１２８が封止材などを用いて封止されて提供されることができる。第２排出マニホールド１１８、１２８は、他の分離板の第１排出マニホールド１１４、１２４と連係されることができる。よって、分離板１１０、１２０にはガスの排出が行われず、これと連結される他の分離板１１０、１２０の第１排出マニホールド１１４、１２４と連結されてガスを排出するようになる。

本実施例において、第１流入マニホールド１１２、１２２は、分離板本体の一側に少なくとも一つで提供されることができる。好ましくは、本実施例において、第１流入マニホールド１１２、１２２は、２つで提供されることができ、互いに一定間隔離れて提供されることができる。

また、第１排出マニホールド１１４、１２４は、分離板本体の他側に幅方向に長い形態で延長されて形成されることができる。即ち、本実施例において、第１排出マニホールド１１４、１２４は、一つの孔形態で提供され、幅方向に対して長いスロット孔で提供されることができる。

したがって、第１排出マニホールド１１４、１２４は、セル内部において電気化学反応をした燃料または酸化剤を第２排出マニホールド１１８、１２８に迅速に排出することができる。これにより、出口側において流動が偏る現象などの発生を防止し、瓶首現象が発生しないため、流量抵抗を最小化することができる。

一方、第１排出マニホールド１１４、１２４の内側には、他の分離板１１０、１２０の第１流入マニホールド１１２、１２２と連係される第２流入マニホールド１１６、１２６が備えられることができる。このような第２流入マニホールド１１６、１２６は、燃料または酸化剤であるガスを他の分離板１１０、１２０の第１流入マニホールド１１２、１２２に供給する通路として提供されることができる。

また、第１流入マニホールド１１２、１２２の外側には、他の分離板１１０、１２０の第１排出マニホールド１１４、１２４と連係される第２排出マニホールド１１８、１２８が備えられることができる。

このように、本実施例において、分離板本体の両側には、第２排出マニホールド１１８、１２８と第１流入マニホールド１１２、１２２、及び第２流入マニホールド１１６、１２６と第１排出マニホールド１１４、１２４がそれぞれ２列に配置される形態で提供されることができる。

したがって、第１流入マニホールド１１２、１２２から供給された燃料または酸化剤であるガスは、第１排出マニホールド１１４、１２４に排出される過程において第２流入マニホールド１１６、１２６の間の空間を通過しながら移動する。

一方、本実施例において、燃料は水素ガスを含むことができる。また、酸化剤は酸素ガスを含むことができる。

さらに、酸素ガスは、純酸素が用いられることもでき、本実施例では、酸素ガスを含む大気、即ち、空気を用いることもできる。

一方、本実施例において、分離板１１０、１２０は、隣接した他の分離板１１０、１２０と電解質膜を介して積層されることができる。

このとき、一方の分離板１１０では燃料が循環し、他方の分離板１２０では酸化剤が循環することができる。ここで、電解質膜は、燃料と酸化剤の透過を遮断し、電子伝導性はないが、酸素イオンまたは水素イオンのいずれか一つは透過されることができる。

これにより、一方のセルを通過する燃料は他方のセルの酸化剤と電気化学反応を行うことで、原料である水素イオンまたは酸化剤である酸素イオンのいずれか一つが電解質膜を通過し、酸化、還元反応によって水（Ｈ_２Ｏ）を生成し、この過程において電子を発生させる。このような反応過程は、以下の化学式１または化学式２の通りである。

上述の本実施例の燃料電池１００は、分離板１１０、１２０の第１流入マニホールド１１２、１２２から供給された燃料または酸化剤であるガスの有効通過面積を減少させず、流動水平勾配を改善して、実質的な循環流量を増加させることができる。これにより、燃料利用率及び反応性を増加させることができる。

図１１は本発明の一実施例による燃料電池の分離板の反応領域を図式的に示した図面である。

一方、本実施例において、燃料電池１００用分離板１１０、１２０には、２つの第１流入マニホールド１１２、１２２に流入されたガスが一つの第１排出マニホールド１１４、１２４に排出される過程において反応領域が形成されることができる。

このような本実施例の燃料電池１００において、分離板１１０、１２０には、第１流入マニホールド１１２、１２２及びこれに対応する一つの第１排出マニホールド１１４、１２４が形成され、第１流入マニホールド１１２から供給されたガスは第１排出マニホールド１１４に排出され、第１流入マニホールド１２２から供給されたガスは第１排出マニホールド１２４に排出される。また、他の分離板１１０、１２０には、第１流入マニホールド１１２、１２２及びこれに対応する一つの第１排出マニホールド１１４、１２４と連結される第２流入マニホールド１１６、１２６及び第２排出マニホールド１１８、１２８が形成されるように説明されているが、本実施例によって限定されず、多様な形態で変形されることができる。

一例として、図１２を参考にすると、燃料電池１００の分離板１１０、１２０には、他の分離板の第２流入マニホールド１１６、１２６と連結される３つの第１流入マニホールド１１２、１２２に流入された燃料または酸化剤が一つの第１排出マニホールド１１４、１２４に排出されることができる。また、第１排出マニホールド１１４、１２４がそれぞれ他の分離板の第２排出マニホールド１１８、１２８と連結されることができる。

このように、本実施例において、第１流入マニホールド１１２、１２２及び第１排出マニホールド１１４、１２４は、従来の交互に配列される構造とは異なり、順に２列で配置される構造からなることにより、前列では燃料または酸化剤が供給され、反応領域を通過して、後列では反応後の燃料または酸化剤が排出される構造で提供されることができる。

また、分離板１１０、１２０は、他の分離板と垂直に交差するように提供される。これにより、一方の分離板（一例として１１０）では燃料が循環し、他方の分離板（一例として１２０）では酸化剤が、燃料が直交する方向に循環するように提供されることができる。

また、分離板１１０、１２０には、燃料または酸化剤の循環を案内するための案内突起１１９が形成されることもできる。

一方、本実施例において、燃料電池１００に提供される各マニホールドの連結位置は視覚的な理解を助けるために示したもので、各マニホールドの連結位置は限定されず、多様な形態で変形されることができる。一例として、各マニホールドは下部を通じて連結されることもできる。具体的には、各分離板１１０、１２０に連係される第１流入マニホールド１１２、１２２と第１排出マニホールド１１４、１２４、及び第２流入マニホールド１１６、１２６と第２排出マニホールド１１８、１２８は、分離板１１０、１２０の下部を通じて連結されることができる。このとき、他の分離板を通過するように連係されることができる。

本発明は、上述の実施例及び添付の図面によって限定されず、請求範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有するものには明らかである。

Claims (8)

1. 分離板本体と、
   前記分離板本体の一側に提供される第１流入マニホールドと、
   前記分離板本体の他側に前記第１流入マニホールドと区画される空間として提供される第２流入マニホールドと、
   前記分離板本体の他側において前記第２流入マニホールドの外側に提供される第１排出マニホールドと、
   前記分離板本体の一側において前記第１流入マニホールドの外側に前記第１排出マニホールドと区画される空間として提供される第２排出マニホールドと、
   を含む、燃料電池用分離板。
2. 前記第１流入マニホールド及び前記第２流入マニホールドは前記分離板本体の少なくとも一つで提供される、請求項１に記載の燃料電池用分離板。
3. 前記第１排出マニホールド及び前記第２排出マニホールドは前記分離板本体の幅方向に長い形態で延長形成される、請求項１に記載の燃料電池用分離板。
4. 前記分離板本体には、内部に前記第１流入マニホールドと前記第１排出マニホールドの間に循環流路が形成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池用分離板。
5. 少なくとも一つの単位セルユニットが積層されて提供される燃料電池において、
   前記単位セルユニットは、請求項１から３のいずれか一項に記載の複数の燃料電池用分離板を含み、
   前記燃料電池用分離板は、垂直に交差して積層されて燃料または酸化剤であるガスが交差して循環するように提供される、燃料電池。
6. 前記燃料電池用分離板の本体には、内部に前記第１流入マニホールドと前記第１排出マニホールドの間に循環流路が形成される、請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記循環流路は、
   前記第１流入マニホールドから供給されたガスが前記第２流入マニホールドの間を通過して前記第１排出マニホールドに排出されるように提供される、請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記燃料電池用分離板は、
   前記第２流入マニホールドが他の分離板の第１流入マニホールドと封止されて連係され、
   前記第２排出マニホールドは他の分離板の第１排出マニホールドと封止されて連係される、請求項５に記載の燃料電池。

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