KR20140035370A - 개별의 인젝터 시일들을 갖는 매니폴드들을 포함하는 연료 전지 - Google Patents

개별의 인젝터 시일들을 갖는 매니폴드들을 포함하는 연료 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20140035370A
KR20140035370A KR1020137029786A KR20137029786A KR20140035370A KR 20140035370 A KR20140035370 A KR 20140035370A KR 1020137029786 A KR1020137029786 A KR 1020137029786A KR 20137029786 A KR20137029786 A KR 20137029786A KR 20140035370 A KR20140035370 A KR 20140035370A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
joints
joint
membrane
apertures
bipolar plate
Prior art date
Application number
KR1020137029786A
Other languages
English (en)
Inventor
장-필리쁘 푸아로-크루브지에
Original Assignee
꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈 filed Critical 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
Publication of KR20140035370A publication Critical patent/KR20140035370A/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
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • 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
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • 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
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or 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
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • 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
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0282—Inorganic material
    • 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
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0284—Organic resins; Organic polymers
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • 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
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H01M8/0278—O-rings
    • 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
    • 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

Landscapes

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

Abstract

본 발명은 바이폴라 플레이트들 사이에 배치된 어셈블리들을 갖는 바이폴라 플레이트들 (BP) 로서 알려진 플레이트들의 스택을 포함하는 적층형 연료 전지에 관한 것이고, 상기 어셈블리들은 전해질 막 (M) 및 막의 각 측에서 전극을 포함한다. 플레이트들에는 반응성 가스들을 공급하는데 사용된 개구들 및 반응의 생성물들을 배출하는데 사용된 개구들이 주변에 제공되고, 인접한 플레이트들에서의 이 개구들은 셀들의 전체 스택을 통해 연장되는 공급 또는 배출 매니폴드들을 형성하기 위해 정렬된다. 본 발명에 따르면, 매니폴드들의 개구들은 서로 분리된 그리고 바이폴라 플레이트들과 별개인 개별의 링 시일들 (JA, JB) 에 의해 둘러싸이고, 사이 시일들 중 일부는 개구와 셀 사이의 가스켓들 (JA) 을 형성하고 다른 시일들은 유체가 셀로 공급되게 하고 또는 셀로부터 배출되게 하는 인젝터들 (JB) 을 형성한다.

Description

개별의 인젝터 시일들을 갖는 매니폴드들을 포함하는 연료 전지{FUEL CELL COMPRISING MANIFOLDS HAVING INDIVIDUAL INJECTOR SEALS}
본 발명은 연료 전지 배터리들, 및 특히 수소 연료 전지 배터리들에 관한 것이다.
연료 전지 배터리는, 반응이 이들을 소비할 때 점진적으로 도입되는 반응 생성물들 간에 전기화학 반응이 발생하는 기본 셀들의 스택이다.
수소 연료 전지 배터리의 경우에서 수소인 연료는 애노드와 접촉하기 시작한다; 수소 연료 전지 배터리에 대한 산화제, 산소 또는 공기는 캐소드와 접촉하기 시작한다. 애노드 및 캐소드는 전부는 아니지만 반응의 구성성분들 중 어떤 것에 투과성인 전해질, 가능하게는 고체 막에 의해 분리된다. 반응은 2 개의 반 반응 (half reaction) (산화 및 환원) 으로 세분되는데, 이 반응들은 한편에서는 애노드/전해질 계면에서 발생하고 다른 한편에서는 캐소드/전해질 계면에서 발생한다. 실제로, 고체 전해질은 수소 이온들 (H+) 에 투과성이지만 수소 분자 (H2) 또는 전자들에는 투과성이 아닌 막이다. 애노드에서의 환원 반응은 막을 통과하는 H+ 이온들, 및 애노드에 의해 수집되는 전자들을 생성하는 수소의 산화이고; 캐소드에서 이들 이온들은 전자들을 요구하고 물을 생성하는 산소의 환원에 참여하고, 또한 열이 발생된다.
전지들의 스택은 단지 반응 장소에 불과하다: 반응물들이 거기에 공급되어야 하고, 생성물들 및 비-반응성 종들은 생성된 열과 같이 배출 (evacuate) 되어야 한다. 마지막으로, 셀은 서로 직렬로 전기적으로 접속되는데, 하나의 셀의 애노드는 인접한 셀의 캐소드에 접속되고; 전지들의 스택의 끝들에서, 전자들을 배출하기 위해 일측에서 애노드는 음극 단자에 접속되고, 다른 측에서 캐소드는 양극 단자에 접속된다. 이들 단자들에는 외부 회로가 접속된다. 따라서, 전자들은 전기화학 반응 진행에 따라 배터리에 의해 전력공급된 외부 회로를 통해 애노드에서 캐소드로 유동한다.
적층형 전지들을 포함하는 종래의 연료 전지 배터리들은 바이폴라 플레이트 (bipolar plate) 들로 지칭되는 중첩부 (superposition) 를 포함하는데, 바이폴라 플레이트들 사이에는 막의 각 측에서 전해질 막 및 전극을 동시에 포함하는 어셈블리들이 배치된다. 특정 구성을 갖는 실링 조인트들과 선택적으로 연관된 바이폴라 플레이트들은 전류를 모으고 막의 적합한 측에서 반응 가스들 (수소 및 공기, 또는 수소 및 산소) 을 막에 분배하는 역할을 한다: 애노드 측에는 수소, 캐소드 측에는 공기나 산소. 이들은 애노드들을 면하는 분배 채널들 및 캐소드들을 면하는 다른 것들을 포함한다. 이들은 또한, 냉각 채널들을 포함할 수도 있다. 그 주변부에서, 플레이트들은 반응 가스들을 전달하는 기능을 하는 어퍼처들, 및 반응의 생성물들을 배출하는 기능을 하는 어퍼처들로 구멍나 있다. 반응 가스들을 전달하기 위한 어퍼처들은 서로 친밀하게 접촉하는 플레이트들의 중첩부를 통해 반응 가스를 공급하는 매니폴드들을 형성한다. 동일한 방식으로, 배출 어퍼처들은 반응의 생성물들을 배출하기 위한 매니폴드들을 형성한다. 유체들이 이들 매니폴드들에 한정되어 유지되도록 실링 조인트들이 제공되지만, 바이폴라 플레이트들 및/또는 실링 조인트들의 설계는 원하는 측에서는 유체가 셀 내에 침투하지만 다른 측에 대해서는 유체가 통과하지 않도록 유체를 셀에 분배하기를 원하는 로케이션들에서 매니폴드들 안에 통로들이 형성되도록 한다. 이들 통로들은, 가스를 전해질 막 위에 가능한 한 균일하게 분배하는 플레이트들에 형성된 분배 채널들을 통해 반응 가스들을 셀로 향하게 한다.
동일하게 반응 생성물들에도 적용하는데, 플레이트들 및 조인트들은 반응 생성물들이 애노드 측에서 수집되고/되거나 캐소드 측에서 배출 매니폴드로 배출되는 것을 허용하기 위해서 설계된다.
따라서, 종래의 셀에 수소를 공급하기 위한 공급 매니폴드는, 수소가 애노드 측의 셀들에서는 확산될 수 있지만, 캐소드 측에서는 절대적으로 확산되지 않도록 설계된 플레이트들 및 조인트들의 스택으로 이루어진다. 반대로 공기 또는 산소를 공급하는 공급 매니폴드에도 마찬가지이다.
스택의 끝에서, 플레이트들에 형성된 이들 어퍼처들은 각각 반응의 생성물에 대한 배출 도관 및 각각의 반응 생성물에 대한 각각의 공급 도관에 연결된다.
셀들의 스택은 바이폴라 플레이트들 및 막들 모두를 통과하는 로드들에 의해 타이트하게 클램프된다. 가해진 압력이 서로에 대해 셀들을 실링하고, 셀의 애노드 측과 캐소드 측 사이의 시일을 생성한다.
종래 기술에서는, 플레이트들의 중첩부에서 공급 및 배출 매니폴드들을 형성하는 유체 분배 채널들 및 어퍼처들 양자 모두를 정의하기 위해서 바이폴라 플레이트들이 복잡한 방식으로 커팅되는 구조들이 제안되었다. 플레이트들이 서로에 대해 타이트하게 클램프되는 경우 플레이트들 사이에 가해진 압력은 매니폴드와 셀 간의 연통이 방지되어야 하는 (예를 들어, 수소 공급 매니폴드와 셀의 캐소드 측 간의 연통이 없어야 하고, 공기 공급 매니폴드와 애노드 측 간의 연통이 없어야 하는) 로케이션들에서 원하는 시일을 생성한다. 연통이 가능해야 하는 로케이션들에서, 바이폴라 플레이트에는 노치들이 제공된다.
특허 FR 2 887 689 는 그래파이트로 채워진 폴리머 (graphite-filled polymer) 와 같은 다른 재료들 또는 스탬핑된 금속으로 만들어질 수도 있는 이러한 바이폴라 플레이트들을 설명한다. 그러나 이 경우에서 플레이트들은 단일 시트의 형태를 취하는 것이 가능하지 않다.
주변부 시일을 제공하는 적합하게 커팅된 플레이트는 유지되어야 하는 모든 곳에서 시일을 유지하지만, 그것이 통과할 필요가 있는 로케이션들에서 반응 가스가 매니폴드로부터 셀 안으로 통과하는 것을 허용하는 구조들이 또한, 제안되었다. 조인트는 전해질 막 측에서 전해질 막을 지지하기 위해서 평면이고, 바이폴라 플레이트 측에서 더 정교한 형상을 갖는다. 매니폴드로부터 막의 반응면으로 이어지는 (run) 분배 채널들은 시일 내에 생산될 수도 있다.
특허 US 5 482 792 는 이러한 구조를 설명한다. 균일한 가스 분배는 그 후, 주변부 시일과 바이폴라 플레이트 간에 클램프된 폼 플레이트를 통해 획득될 수도 있다. 스택의 부분들은 생산하기에 복잡하고, 그 비용은 높으며, 이들은 두께가 크고 이에 의해 배터리의 소형화 (compactness) 에 악영향을 준다. 마지막으로, 그것은 (채널들이 생산되는 것을 허용하기 위해서) 너무 유연해서도 안되고 (실링 기능을 위해) 너무 강성이어도 안되기 때문에, 복잡한 시일을 형성하는 플레이트를 생산하기가 어렵다.
상기 2 개의 예들에서, 상이한 바이폴라 및 조인트 플레이트들은 셀들의 애노드 측 및 캐소드 측에 필요하고, 이에 의해 제조 비용을 증가시킨다.
특허 US 5 532 073 은 전해질 막들에 손상을 입히지 않고 전해질 막들에 대해 이들이 적용될 수 없도록 하는 구성의 주입 와셔들을 설명한다.
특허 US 2010/0209800 은 플렉서블한 전해질 막에 손상을 입히지 않고 플렉서블한 전해질 막에 대해 조인트들이 적용될 수 없는, 플레이트들에 용접된 평평한 조인트들을 설명한다.
본 발명에 따르면, 적층형 셀들을 포함하는 연료 전지 배터리가 제공되고, 이 배터리는 바이폴라 플레이트들로 지칭된 플레이트들의 중첩부를 포함하고, 바이폴라 플레이트들 사이에는 전해질 막과 그 막의 각 측의 전극을 포함하는 어셈블리들이 배치되고, 이 플레이트들에는 그 주변부에서 반응성 가스들을 전달하도록 기능하는 어퍼처들 및 반응 생성물들을 배출하는 기능을 하는 어퍼처들이 제공되고, 인접한 플레이트들의 어퍼처들은 셀들의 스택을 관통하는 공급 또는 배출 매니폴드들을 형성하기 위해 정렬된다. 공급 매니폴드들의 어퍼처들은 서로 분리되고 바이폴라 플레이트들과 별개인 개별의 링 조인트들에 의해 둘러싸이고, 소정의 조인트들은 어퍼처와 셀 사이의 실링 조인트들을 형성하고, 다른 조인트들은 유체가 셀로 전달되고 또는 셀로부터 배출되도록 하는 인젝터들을 형성한다. 링 조인트들은 적어도 하나의 비평면 금속 시트 및 상보부로부터 형성되고, 이 금속 시트는 어퍼처들의 평면에 수직한 평면에서 U-형상의 단면을 갖고, U 의 암들은 나팔 모양이고 저부에 평행하게 접힌 단부들을 갖고, 저부는 어퍼처 주변에서 바이폴라 플레이트 또는 전해질 막을 지탱한다. 조인트의 두께는 바이폴라 플레이트와 막 사이의 거리에 대응한다. 조인트들은 유체가 통과하는 것을 허용하기 위해서 조인트의 두께에서 국부적 통로들이 제공되는 인젝터들을 형성하고, 조인트들은 시일을 유지하기 위해 이러한 통로들이 없는 실링 조인트들을 형성한다. 상보부는 가능하게는 금속 또는 폴리머로 만들어지며, 통로들은 상보부 내에 형성된다.
국부적 통로들은 바람직하게는, 금속 시트들의 경우에서 스탬핑에 의해, (플라스틱들의 경우에서) 몰딩에 의해, 또는 심지어 커팅에 의해 형성될 수도 있다.
표현 "링 형상" 은 폐쇄되어 있으나 반드시 원형 형상은 아닌 것으로 이해된다. 이것은 타원 또는 심지어 정사각형 또는 직사각형 형상일 수도 있다. 이것은 바람직하게는, 어퍼처들이 원형이라면 원형 형상일 것이다.
시트의 U-형상 (또는 평저형 V-형상) 단면은 스택의 어셈블리 동안 가해진 압력을 잘 견디면서 응력들이 분산되는 것을 허용하는 소정의 유연성을 갖도록 설계된다. 조인트는 전해질 막에 대해 직접 적용될 수도 있다.
나팔모양의 암들을 갖는 이 U 형상을 가진 2 개의 시트가 맞대어 용접되는 경우, 이 용접은 암들의 단부들에 위치된 접힌 평면부를 통해 이루어진다. 금속 시트의 U 의 평평한 저부는 바이폴라 부분에 대해 적용된다. 다른 시트의 U 의 평평한 저부는 전해질 막에 대해 적용된다.
인젝터 조인트들의 유체 통로들은, 이들 부분들이 어퍼처들의 전체 둘레에 걸쳐 통합형 환형 연속성을 보존하기 위해 측방 암들에서 그리고 U 의 평평한 저부에서 선택적으로 적소들에 형성되지만, 그 상부 접힌 평면부들에는 형성되지 않는다.
상보부가 폴리머로 만들어지는 경우, 폴리머는 금속 시트의 U 의 저부를 충전하고, 그 평면부는 U 의 개구 위에 돌출한다; 이 평면부는 바이폴라 플레이트에 대해 또는 막에 대해 쌍을 이룬다. 실제로, 상보부는 금속 시트의 것과 유사한 외형을 가질 것이지만, 그것이 금속 시트의 그 외측 표면과 내측 표면 사이의 전체 내부 공간을 충전하기 때문에 더 부피가 클 (bulky) 것이다.
바람직하게, 상보부가 폴리머로 만들어지는 경우, 인젝터 조인트들의 유체 통로들은 이 부분에서 국부적 어퍼처들이고; 이들 어퍼처들은 원칙적으로 이 부분의 몰딩 동안 이 부분의 돌출부에, 즉 금속 시트의 U 위에 돌출하여 형성된다.
공급 (또는 배출) 매니폴드가 셀을 통과하고 따라서 연속하여 애노드 영역을 통과하고 그 후 막을 통과하고, 그 후 캐소드 영역을 통과하는 로케이션들에서, 통로들을 갖는 조인트 (인젝터 조인트) 또는 통로 없는 (passage-free) 조인트 (실링 조인트) 는 매니폴드가 논의가 되고 있는 영역과 연통해야 하는지 또는 연통하지 않아야 하는지 여부에 따라 사용될 것이다. 따라서, 수소 공급 매니폴드에 대해, 인젝터 조인트는 애노드 측에서 막과 바이폴라 플레이트 사이에 배치될 것이고, 실링 조인트는 캐소드 측에서 막과 다른 바이폴라 플레이트 사이에 배치될 것이다.
본 발명의 다른 피처들 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명의 판독 시에 명백해질 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 배터리의 일반적인 원리를 나타낸다.
도 2 는 2 개의 본딩된 시트들로 이루어진 원형 링-형상 조인트의 제 1 시트를 나타낸다.
도 3 은 제 1 시트의 확대도를 나타내는데, 여기서 단면의 U-형상의 나팔모양 암들 및 시트의 접힌 단부들이 보여질 수도 있다.
도 4 는 2 개의 용접된 시트들로부터 형성된 실링 조인트의 도면을 나타낸다.
도 5 는 2 개의 용접된 시트들로부터 형성된 인젝터 조인트의 도면을 나타낸다.
도 6 은 금속 시트로부터 형성된 기밀의 (gas-tight) 조인트 및 폴리머로 이루어진 상보부 (complementary part) 의 분해도를 나타낸다.
도 7 은 금속 시트로부터 형성된 인젝터 조인트 및 폴리머로 이루어진 상보부의 분해도를 나타낸다.
도 8 은 멀티-매니폴드 주입에 대한 본 발명의 적용을 나타낸다.
도 1 은 수소 및 공기 연료 전지 배터리에서의 셀들의 스택을 단면으로 개략적으로 나타낸다.
셀들 각각은 2 개의 바이폴라 플레이트들 (BP 및 BP') 사이의 중앙 전해질 막 (M) 으로 이루어진다. 각각의 막의 좌측에는 애노드가 배치되고, 우측에는 캐소드가 배치된다. 플레이트는 2 개의 인접 셀들에 공통적이다. 플레이트들은 간단함을 위해 특색없는 블록들로 표현되고 (가스들을 활성 존들로 전달하는 분배 채널들이 도시되지 않음) (원칙적으로는 플레이트들 주변부에서) 공기 및 수소 공급 매니폴드들을 포함하는 플레이트 부분들 만이 도시되었다. 배출 매니폴드들은 도시되지 않는다. 이들은 공기 공급 매니폴드와 동일한 형태를 취할 수도 있다. 선택적으로 존재할 수도 있는 냉각 매니폴드들도 또한 도시되지 않았다.
실링 조인트들, 특히 완전히 기밀의 주변부 조인트들 (10a, 10'a) 은 바이폴라 플레이트들 각각으로부터 막을 분리한다.
바이폴라 플레이트들 내에 천공된 정렬된 어퍼처들이 공급 매니폴드들을 형성하는데, 이 매니폴드들은 스택의 끝에서 수소 및 공기 공급 도관에 각각 연결된다.
2 개의 연속적인 바이폴라 플레이트들에 형성된 소정의 공급 매니폴드의 2 개의 연속적인 어퍼처들 사이에는 다음의 것들이 삽입된다:
- 제 1 어퍼처를 완전히 둘러싸고, 제 1 플레이트와 막 (막의 애노드 측) 사이에서 클램핑되는 제 1 링 조인트 (JA); 및
- 제 2 어퍼처를 완전히 둘러싸고, 제 2 플레이트와 막 (막의 캐소드 측) 사이에서 클램핑되는 제 2 링 조인트 (JB).
조인트들을 막을 지지하여 그것을 스택의 적소에 홀딩한다.
조인트 (JA) 는 완전히 기밀한 조인트이고, 이것은 반응성 가스가 공급 매니폴드로부터 셀의 애노드 측으로 통과하는 것을 방지한다 (여기서 매니폴드는 공기 공급 매니폴드임).
조인트 (JB) 는 인젝터 조인트이다. 조인트 (JA) 와 같이, 조인트 (JB) 는 막을 지지하지만, 이것은 완전히 기밀하지는 않다. 이것은 통로들을 포함하는데, 이 통로를 통해 유체가 공기 공급 매니폴드로부터 셀의 캐소드 측으로 통과할 수 있다. 이들 통로들은 조인트들의 주변부에서 슬릿들에 의해 상징적으로 표현되고, 이 슬릿들은 조인트들의 내부 및 외부를 연통하게 한다. 인젝터 조인트들을 물리적으로 구성하는 상세들이 이하에서 제공될 것이다.
조인트들 (JA 및 JB) 의 규칙들은 수소 공급 매니폴드에 대해 물론 반전된다: 제 1 조인트 (J'A) 는 그러면 애노드 측으로의 통로들로 제공된 인젝트 조인트이고, 제 2 조인트 (J'B) 는 캐소드 측에 대하여 완전히 기밀한 조인트이다.
스택의 어셈블리 동안, 각종 파트들은, 스택을 관통하고 적합한 클램핑 수단 (스레드들 및 너트들) 을 포함하는 로드들 (미도시) 에 의해 서로에 대해 프레싱된다. 클램핑은 막들을 적소에 정확하게 유지하기 위해서 타이트해야 하지만, 막들에 손상을 입히지 않도록 너무 타이트하지는 않다. 클램핑 힘은 공급 매니폴드를 따라 정렬된 모든 조인트들 위에 분배된다.
적어도 하나의 금속 시트 및 상보부는 바람직하게 조인트들을 생산하는데 사용될 것이다; 상보부는 제 1 의, 또는 원하는 형상을 갖기 위해서 몰딩에 의해 형성되고 금속 시트에 접착 본딩된 폴리머로 이루어진 파트에 용접된 다른 금속 시트일 수도 있다. 인젝터 조인트들의 유체 통로들은 커팅 또는 스탬핑에 의해 상보적 시트에, 또는 스탬핑, 머시닝 (machining), 또는 몰딩에 의해 상보부에 형성될 수도 있다.
금속 시트들은 바람직하게, 한편으로는 조인트의 두께에서 제조 공차를 보상하고 다른 한편으로는 바이폴라 플레이트로부터 인젝터를 전기적으로 절연시키는 것을 가능하게 만드는 폴리머 층으로 코팅된다.
제 1 금속 시트 (TA) 의 바람직한 형상은 도 2 에 도시된다. 이것은 유체를 위한 통로들을 포함하지 않는다. 방사상 면에서의 그 단면은 확대도인 도 3 에서 더 쉽게 보여진다. 단면은 나팔모양의 암들을 갖는 U 형상을 갖고, 이 형상은 또한 평저 (flat-bottomed)-V 형상으로 지칭될 수 있다. U 의 저부 (bottom) 는 FA 로 표시되고, U 의 암들은 B1A 및 B2A 로 표시된다. 암들의 단부들은 U 의 평평한 베이스에 평행하게 접힌다. 이들 접힌 부분들은 R1A 및 R2A 로 표시된다.
도 4 는 나팔모양 U 의 접힌 단부들 (R1A, R1B) 및 암들 (R2A, R2B) 을 통해 맞대어 용접된 2 개의 동일한 금속 시트들 (TA 및 TB) 로 이루어진 완전한 실링 조인트를 나타낸다. 시트 (TA) 의 U-형상 섹션의 저부 (FA) 의 전체 환형 표면은 스택의 어셈블리 동안 바이폴라 플레이트에 대해 적용될 것이고, 시트 (TB) 의 저부 (FB) 의 전체 환형 표면은 막에 대해 적용될 것이다.
도 5 는 2 개의 상이한 금속 시트들 (TA 및 TB) 로 이루어진 인젝터 조인트를 나타내는데, 제 1 시트 (TA) 는 도 3 에 것과 동일하고, 제 2 시트는 링의 내부와 외부 사이에 통로들이 제공된다는 차이가 있다. 시트 (TB) 의 U 의 저부 (FB) 는 연속적인 대신에 링을 따라 불연속적이다. 불연속적인 저부 구역들 사이에는 통로들 (PB) 이 형성된다. 이들은 바람직하게, (시트 B 가 금속 시트인 경우) 스탬핑에 의해, 또는 (시트 B 가 폴리머로 이루어진 경우) 몰딩에 의해 형성된다. 이들은 또한, 커팅에 의해 형성될 수도 있다. 이들 통로들을 통해, 전달 또는 배출된 유체는 조인트의 내부와 외부 사이에서 통과할 수도 있다. 여기서 다시, 제 1 시트 (TA) 는 바이폴라 플레이트에 대해 적용된다. 제 2 시트 (TB) 는 불연속적인 저부 표면들 (FB) 을 통해 막에 대해 적용된다. 통로들 (PB) 은 바람직하게, U 의 암들의 전체 높이에 걸쳐 형성되지만, 조인트의 전체 둘레에 걸쳐 여전히 연속적인 접힌 부분들의 두께를 배제한다.
도 6 은 이 상보부가 폴리머로 이루어진 경우에서 기밀한 조인트 (JA) 의 상보부 (TB) 및 금속 시트 (TA) 의 확대도를 나타낸다. 폴리머로 이루어진 파트는 금속 시트 (TA) 에 접착 본딩되도록 의도되고; 본딩 후에 그 외형은 시트 (TB) 의 것과 동일하지만, 이 파트는 고체이고 시트 (TA) 의 U 의 내부를 충전한다; 이 고체 형상은 그것에 충분한 강성을 제공한다.
폴리머로 이루어진 상보부의 방사상 단면은 그 후 바람직하게, 평저형 백투백 (back-to-back) 이중-U 형상을 가지며, 상보부의 나팔모양의 암들의 단부들은 평평한 베이스에 평행하게 접히고, U 의 암들에 의해 밀폐된 공간은 폴리머로 충전된다. 상보부의 U 의 접힌 단부들은, 상보부를 유일하게 금속 시트의 U 의 내부에 본딩하는 것이 가능하기 때문에 선택적이다.
도 7 은 인젝터 조인트에 대한 도 6 의 확대도를 나타낸다. 폴리머의 고형물에서 국부적인 중단부들을 취하는 통로들 (PB) 은 금속 시트의 U 위에 돌출하는 폴리머 바디의 부분에서 적소들에 하우징된다. 통로들은 금속 시트보다는 차라리 폴리머로 이루어진 부분에 하우징되는 것이 바람직하다.
원칙적으로 도 1 과 동일한 도 8 은 연로 전지 배터리가 하나가 아닌 2 개의 수소 공급 매니폴드들을 포함하고, 이 매니폴드들 각각은 2 개의 스택에 하나의 셀을 공급하는 특히 유리한 애플리케이션을 나타낸다. 이는, 제 1 매니폴드에 대응하는 일련의 정렬된 어퍼처들이 고려되는 경우, 하나의 어퍼처는 애노드 측에서 막과 바이폴라 플레이트 사이에 인젝터 조인트를 그리고 캐소드 측에서 다른 막과 바이폴라 플레이트 사이에 실링 조인트를 포함하지만, 다음의 어퍼처는 인젝터 조인트를 포함하지 않고 이 어퍼처의 로케이션에서 매니폴드에 의해 임의의 공급을 방지하기 위해 어퍼처 주변에 2 개의 실링 조인트들을 포함한다는 것을 의미한다. 이 상황은 다른 매니폴드에 대해 반전된다. 이 방식으로, 2 개 중 하나의 셀은 하나의 매니폴드에 의해 공급되고 다음은 다른 매니폴드에 의해 공급될 것이다. 매니폴드들은 별개의 외부 도관들 (CIN -A 및 CIN -B) 에 의해 공급된다.
이 원리는 N (N>2) 개의 수소 공급 매니폴드들에 일반화될 수도 있는데, 스택에서 N 개 중 하나의 셀에 수소를 공급한다: 어퍼처들은 일련의 N 개의 연속적인 어퍼처들로 분할되는데, 이 어퍼처들 중 하나의 어퍼처는 애노드 측에서 막과 바이폴라 플레이트 사이에 인젝터 조인트를, 그리고 캐소드 측에서 다른 막과 바이폴라 플레이트 사이에 실링 조인트를 포함하지만, 일련의 어퍼처들 중 N-1 개의 다른 어퍼처들은 바이폴라 플레이트의 각 측에서 실링 조인트를 포함한다.
수소 또는 산소 또는 공기 공급 매니폴드들에 관한 상기의 모든 것들은 또한 배출 매니폴드들에 적용 가능하다. 인젝터 조인트들은 모두 실링 조인트들과 매우 유사하고, 이들 양자는 동일한 제 1 시트를 사용하고, 제 2 시트 만이 상이하지만 인젝터 조인트들 및 실링 조인트들에서 동일한 일반적인 치수들 (직경 및 두께) 을 갖기 때문에 제조 비용이 감소된다. 공급 매니폴드들의 조인트들 및 배출 매니폴드들의 조인트들이 동일한 것이 가능하다.

Claims (8)

  1. 바이폴라 플레이트들 (BP, BP') 로 지칭된 플레이트들의 중첩부를 포함하는 적층형 셀들을 포함하는 연료 전지 배터리로서,
    상기 바이폴라 플레이트들 사이에는 전해질 막 (M) 과 상기 전해질 막의 각 측의 전극을 포함하는 어셈블리들이 배치되고, 상기 바이폴라 플레이트들에는 그 주변부에서 반응성 가스들을 전달하도록 기능하는 어퍼처들 및 반응 생성물들을 배출하는 기능을 하는 어퍼처들이 제공되고, 인접한 플레이트들의 상기 어퍼처들은 상기 셀들의 스택을 직접 관통하는 공급 또는 배출 매니폴드들을 형성하기 위해 정렬되고, 상기 매니폴드들의 상기 어퍼처들은 서로 분리되고 상기 바이폴라 플레이트들과 별개인 개별의 링 조인트들 (JA, JB) 에 의해 둘러싸이고, 소정의 조인트들 (JA, J'B) 은 상기 어퍼처와 셀 사이의 실링 조인트들을 형성하고, 다른 조인트들은 유체가 셀로 전달되거나 또는 셀로부터 배출되도록 하는 인젝터들 (J'A, JB) 을 형성하며,
    상기 링 조인트들은 적어도 하나의 비평면 금속 시트 (TA) 및 상보부 (TB) 로부터 형성되고, 상기 금속 시트는 상기 어퍼처들의 평면에 수직한 평면에서 U-형상의 단면을 갖고, 상기 U 의 암들은 나팔 모양이고 저부 (FA) 에 평행하게 접힌 단부들을 갖고, 상기 저부는 상기 어퍼처 주변에서 상기 바이폴라 플레이트에 대해 또는 전해질 막에 대해 지탱하고, 상기 조인트의 두께는 상기 바이폴라 플레이트와 상기 전해질 막 사이의 거리에 대응하고, 상기 조인트들은 상기 유체가 통과하는 것을 허용하기 위해서 상기 조인트의 두께에서 국부적 통로들 (PB) 이 제공되는 인젝터들을 형성하고, 상기 조인트들은 시일을 유지하기 위해 이러한 통로들이 없는 실링 조인트들을 형성하고, 상기 상보부는 가능하게는 금속 또는 폴리머로 만들어지며, 상기 통로들은 상기 상보부 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상보부는 다른 U-형상 금속 시트이고, 2 개의 시트들은 상기 U 의 상기 암들의 상기 단부들에 위치된 상기 암들의 접힌 평면부를 통해 맞대어 용접되고, 상기 금속 시트의 상기 U 의 상기 저부는 바이폴라 부분에 대해 적용되며, 상기 다른 시트의 상기 U 의 상기 저부는 상기 전해질 막에 대해 적용되고, 상기 다른 시트의 상기 U 의 상기 저부는 상기 전해질 막에 대해 적용되고, 상기 인젝터 조인트들의 상기 통로들은 상기 저부 및 상기 U 의 측방 암들에 형성되지만, 상기 인젝터 조인트들의 상부 접힌 평면부들에는 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 연료 전지 배터리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상보부는 상기 금속 시트의 상기 U 의 상기 저부를 충전하는 폴리머부이고, 상기 상보부의 평면부는 상기 U 의 개구 위에 돌출하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 배터리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    인젝터들을 형성하는 상기 조인트들의 상기 통로들은 폴리머로 만들어진 상기 상보부에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 배터리.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    바이폴라 플레이트의 각 어퍼처에 대해 상기 애노드 측에서 바이폴라 플레이트와 막 사이에 인젝터 조인트를, 그리고 상기 캐소드 측에서 상기 바이폴라 플레이트와 다른 막 사이에 완전한 실링 조인트를 갖는, 수소 공급 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 배터리.
  6. 제 5 항에 있어서,
    바이폴라 플레이트의 각 어퍼처에 대해 상기 캐소드 측에서 바이폴라 플레이트와 막 사이에 인젝터 조인트를, 그리고 상기 애노드 측에서 상기 바이폴라 플레이트와 다른 막 사이에 완전한 실링 조인트를 갖는, 산소 또는 공기 공급 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 배터리.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    N (N 은 1 보다 큰 정수) 개의 수소 공급 매니폴드들을 포함하고, 상기 어퍼처는 N 개의 연속적인 어퍼처들로 분할되고 상기 어퍼처들 중 하나의 어퍼처는 상기 애노드 측에서 바이폴라 플레이트와 막 사이에 인젝터 조인트를, 그리고 상기 캐소드 측에서 상기 바이폴라 플레이트와 다른 막 사이에 완전한 실링 조인트를 포함하고, N-1 개의 다른 어퍼처들은 상기 바이폴라 플레이트의 각 측에서 완전한 실링 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 배터리.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 매니폴드들의 상기 어퍼처들은 바이폴라 플레이트의 각 측에서 노치들이 제공된 인젝터 조인트 및 노치들이 없는 실링 조인트를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 배터리.
KR1020137029786A 2011-05-09 2012-05-02 개별의 인젝터 시일들을 갖는 매니폴드들을 포함하는 연료 전지 KR20140035370A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1153956 2011-05-09
FR1153956A FR2975228B1 (fr) 2011-05-09 2011-05-09 Pile a combustible avec collecteurs a joints injecteurs individuels
PCT/EP2012/058017 WO2012152624A1 (fr) 2011-05-09 2012-05-02 Pile a combustible avec collecteurs a joints injecteurs individuels

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20140035370A true KR20140035370A (ko) 2014-03-21

Family

ID=46044689

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137029786A KR20140035370A (ko) 2011-05-09 2012-05-02 개별의 인젝터 시일들을 갖는 매니폴드들을 포함하는 연료 전지

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9099697B2 (ko)
EP (1) EP2707920B1 (ko)
JP (1) JP6109154B2 (ko)
KR (1) KR20140035370A (ko)
CN (1) CN103636043A (ko)
BR (1) BR112013028498A2 (ko)
FR (1) FR2975228B1 (ko)
WO (1) WO2012152624A1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6383203B2 (ja) * 2014-07-25 2018-08-29 Nok株式会社 プレート一体ガスケットの製造方法
JP6960886B2 (ja) * 2018-06-21 2021-11-05 本田技研工業株式会社 燃料電池モジュール及び燃料電池システム
JP7009317B2 (ja) * 2018-06-21 2022-01-25 本田技研工業株式会社 燃料電池モジュール及び燃料電池システム
CN109738814A (zh) * 2019-03-08 2019-05-10 速博达(深圳)自动化有限公司 一种燃料电池电堆测试装置
FR3128063B1 (fr) * 2021-10-11 2024-06-14 Safran Power Units Dispositif d’isolation configuré pour être monté dans une cheminée de circulation de fluide d’une pile à combustible et procédé d’isolation

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1270878B (it) 1993-04-30 1997-05-13 Permelec Spa Nora Migliorata cella elettrochimica utilizzante membrane a scambio ionico e piatti bipolari metallici
JPH07153479A (ja) * 1993-11-29 1995-06-16 Toshiba Corp 燃料電池
US5532073A (en) * 1993-11-29 1996-07-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel cell
JPH07201353A (ja) * 1993-11-29 1995-08-04 Toshiba Corp 燃料電池
JP4422458B2 (ja) * 2002-11-07 2010-02-24 本田技研工業株式会社 燃料電池
KR100551809B1 (ko) * 2004-03-27 2006-02-13 현대자동차주식회사 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조
US7306872B2 (en) * 2004-12-30 2007-12-11 Delphi Technologies, Inc. Modular fuel cell cassette for forming a solid-oxide fuel cell stack
FR2887689B1 (fr) 2005-06-28 2007-09-21 Peugeot Citroen Automobiles Sa Plaque bipolaire pour pile a combustible comprenant un canal de liaison
US8574782B2 (en) * 2008-10-22 2013-11-05 Utc Power Corporation Fuel cell repeater unit including frame and separator plate

Also Published As

Publication number Publication date
CN103636043A (zh) 2014-03-12
WO2012152624A1 (fr) 2012-11-15
US20140080027A1 (en) 2014-03-20
FR2975228B1 (fr) 2013-11-22
EP2707920B1 (fr) 2015-07-01
FR2975228A1 (fr) 2012-11-16
JP2014517990A (ja) 2014-07-24
US9099697B2 (en) 2015-08-04
JP6109154B2 (ja) 2017-04-05
BR112013028498A2 (pt) 2017-01-10
EP2707920A1 (fr) 2014-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8039162B2 (en) Unit cell for solid polymer electrolyte fuel cell
US8475972B2 (en) Fuel cell
KR101230892B1 (ko) 연료전지용 금속다공체
EP3167505B1 (en) Fuel cell assemblies with improved reactant flow
JP2006506795A (ja) 膜ベース電気化学電池スタック
KR20140035370A (ko) 개별의 인젝터 시일들을 갖는 매니폴드들을 포함하는 연료 전지
JP2012221693A (ja) 燃料電池及びその製造装置
JP5042588B2 (ja) 燃料電池
JP2007188664A (ja) 燃料電池スタック
US20120052410A1 (en) High-Volume-Manufacture Fuel Cell Arrangement and Method for Production Thereof
US20090123784A1 (en) Fuel cell module
JP3546495B2 (ja) 円筒形燃料電池
KR20240089587A (ko) 차압 전해에 의한 고압 수소 제조용 pem 전해 셀 및 pem 전해 셀 스택용 프레임
JP2010114052A (ja) ケース流路部品具備の燃料電池流路板
KR20210051557A (ko) 연료전지용 단위 셀
US20220209255A1 (en) Separator assembly for air cooled fuel cell and fuel cell stack including the same
JP5043301B2 (ja) 膜電気化学的発電装置
US9595722B2 (en) Fuel cell plate and fuel cell
KR102561612B1 (ko) 연료전지 셀 및 연료전지 스택
US20240055617A1 (en) Bipolar plate, electrochemical cell, and process for manufacturing an electrochemical cell
JP2012178302A (ja) 燃料電池スタック
US20240021843A1 (en) Separator assembly for fuel cell and fuel cell stack including same
JP2006100087A (ja) 燃料電池
US20210043880A1 (en) Flow battery, process for the manufacture, and use thereof
JP4963590B2 (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid