KR101141771B1 - 연료 전지 스택용 단위 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 막 전극 접합체(20) 및 막 전극 접합체(20)의 활성 표면(22)에 가스를 제공하도록 디자인된 유동장(30)을 포함하는 동시에 적어도 하나의 가스 통로 오리피스(34)를 포함하는 연료 전지 스택(8)용 단위 셀(10)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 가스가 가득 찬 가스 플로우 배리어(36)는 제 1 가스 통로 오리피스(34)를 통과하는 가스가 가스 플로우 배리어(36) 주위를 흘러가도록 활성 표면(22) 및 가스 통로 오리피스(34) 사이에 배열되며, 활성 표면(22)의 부분으로 향하는 상기 가스 플로우 배리어(36)의 돌출부는 활성 표면(22)의 부분으로 향하는 가스 통로 오리피스(34)의 길이의 적어도 절반이다.
단위 셀(Repeater Unit), 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly), 유동장(Flow Field), 가스 통로 오리피스(Gas Passage Orifice), 연료 전지 스택(Fuel Cell Stack)

Description

연료 전지 스택용 단위 셀{REPEATER UNIT FOR A FUEL CELL STACK}
본 발명은 막 전극 접합체(membrane electrode assembly)의 활성 표면(active surface)에 가스를 제공하도록 디자인된 막 전극 접합체 및 유동장(flow field)을 포함하는 동시에 적어도 하나의 제 1 가스 통로 오리피스(gas passage orifice)를 포함하는 연료 전지 스택(fuel cell stack)용 단위 셀(repeater unit)에 관한 것이다.
연료 스택은 배터리와 같이 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하도록 한다. 연료 스택의 센터 피스(centre piece)는 음극 막(cathode layer)으로부터 양극 막을 분리하는 전해질 막(electrolyte membrane)뿐만 아니라 양극 막, 음극 막으로 구성되는 막 전극 접합체이다. 전력을 발생시키기 위하여 양극 막은 예를 들면 수소와 같은 연소 가스가 공급되며, 반면에 음극 막은 예를 들면 공기와 같은 산화 가스가 공급된다. 이러한 결합에서 양극에서 연소 가스의 산화가 발생하며, 전자는 전기적 전도 결합에 의해 산화 가스를 감소시키는 양극으로부터 음극으로 이동하는 연소 가스에 의해 방전된다. 그리고 나서 이러한 결합에서 발생되는 산화 가스 음이온은 양전하로 대전된 연소 가스와 결합된다. 만약, 예를 들어 수소가 연소 가스로 사용되고 산소가 산화 가스로 사용되면 고체 산화 연료 전지(solid oxide fuel cell, SOFC)의 경우에 있어서 양극 막 내부 및 양극 막에서의 산소 이온(O2 -)은 수소 이온(H-)과 함께 물 분자(H2O)를 형성하도록 결합한다. 그것에 의해 자유로워진 에너지는 양극 및 음극 사이의 소모기 부하(consumer load) 결합에 의해 사용될 수 있다.
연소 가스 혹은 산화 가스가 흡수되는 양극 표면 혹은 음극 표면 부는 아래에서는 "활성 표면"으로 언급될 것이다.
각각의 연료 전지는 단지 적은 전압(0.1～1 V)만을 공급할 수 있기 때문에 스택의 개개의 연료 전지의 전압을 축적하도록 연속하는 연료 전지 스택의 형태로 복수의 연료 전지를 전기적으로 결합시키는 것이 일반적이다. 이러한 결합에서 하나의 연료 전지의 음극 막은 각각 분리판(bipolar plate)을 경유하여 인접한 연료 전지의 양극 막과 결합된다. 분리판의 내부 혹은 분리판에 인접한 곳에 연소 가스 및 산화 가스를 두 개의 인접한 연료 전지에 분산하기 위한 유동장이 배열된다. 그러므로 연료 전지 스택은 복수의 동일한 단위 셀을 포함하는데, 각각의 단위 셀은 바람직하게는 두 개의 유동장을 형성하거나 혹은 한정하는 막 전극 접합체(MEA) 및 분리판을 포함한다.
선행기술은 가능한 한 균일한 가스를 활성 표면 전체에 공급되고 연료 전지 스택 내부의 최적 압력 및 온도 분포가 보장되는 유동장의 서로 다른 실시 예들을 보여준다.
연료 전지 스택 및 스택 내부의 각각의 연료 전지의 전해질 막에서의 가스의 뛰어난 균일한 분포는 예를 들면 다음과 같은 서로 다른 수단에 의해 제공될 수 있다.
- 샤워 헤드(shower head)와 비교하여 운동 압(kinetic pressure)을 발생시키기 위한 병목(bottle nek)의 이용. 그러나 이는 압력이 증가하는 불리함을 가지며 따라서 작동에 요구되는 팬 성능이 압력의 손실에 비례하기 때문에 연료 전지 스택의 추가적인 소비의 증가를 갖는다.
- 상류 면으로 배열되는 입구 부분의 배열에 의한 많은 수의 오리피스 입구의 배열.
- 그것을 통하여 흐르는 가스를 점차로 팽창시키는 확산기(diffuser)를 통한 가스의 도입.
운동 압을 발생시키기 위한 병목의 도입은 고체 산화물 연료 전지 스택(solid oxide fuel cell stack, SOFC-Stack)에 경우에서는 구현하기가 어렵다. 병목은 횡단면의 약간의 편차에서도 압력 손실 및 그에 따른 가스 분포에 관한 중대한 차이에 이르게 하기 때문에 특히 정밀한 방법으로 제조되어야만 한다. 더욱이 연료 스택에서의 중대한 압력 손실은 위에서 설명하였듯이, 팬 성능의 증가를 요구하기 때문에 바람직하지 않다.
일반적인 단위 셀에 있어서 활성 표면(여기서는 수평으로 배열되는 것으로 가정)을 공급하기 위한 가스는 먼저 전해질 막에 인접한 원형의 가스 통로 오리피스로부터 전해질 막의 활성 부위에 인접한 부위로 흐르며 그리고 나서 수평 방향에서 활성 표면을 따라 흐르며, 따라서 수직의 방향에서 전해질 막에 인접한 원형의 다른 가스 통로 오리피스를 통하여 운반된다. 이 경우에 있어서 가스는 오리피스 입구로부터 오리피스 출구로 이른바 누전이 오리피스 입구 및 반대되는 오리피스 출구 사이에서 발생될 수 있는데, 즉, 가스는 적어도 부분적으로 활성 표면에 의해 흡수되는 가스의 중요한 부분 없이 사용되지 않는 오리피스의 입구로부터 출구로 흐른다는 점에서 불리한 우회 없이 직접적으로 흐른다. 이러한 누전을 예방하기 위하여 활성 표면 및 상응하는 큰 밀봉 표면에 인접한 많은 수의 오리피스 입구 및 출구를 제공하는 것이 이미 고려되었으나, 이는 실패 위험의 증가를 가져온다.
연료 전지 스택에서 가능한 한 균일한 온도 분포를 획득하기 위하여 이른바 카운터 플로우(counter flow) 및 동일한 플로우 배열이 사용될 수 있다. 이 경우에 있어서 연료 전지 내의 연소 가스/산화 가스는 인접한 전지와 비교하여 반대되는 방향에서 양극/음극 막을 따라 흐른다. 이를 위해 특히 가스의 균일한 분포를 위해 많은 수의 오리피스 입구 및 출구가 요구될 때, 산화 가스의 공급 및 방출이 구현하기가 쉽지 않은 연소 가스의 공급과 방출과 같은 부위에서 배열되어야만 한다.
뒤따르는 문제점은 스택의 모든 레벨(일반적으로 30 혹은 60)에 대한 균일한 가스 분포에 의해 제기된다. 계산에 따르면 가스 분포는 오리피스 입구 및 출구의 동일한 횡단면의 경우에 있어서 최적이지 않다; 예를 들면 스택의 하부 레벨은 상부 레벨보다 더 나은 가스 공급이 발생할 수 있다. 이는 다시 연소 가스의 나쁜 활용에 이르게 하며 따라서 연료 전지 스택의 나쁜 효율에 이르게 한다.
본 발명은 전체 연료 전지 스택뿐만 아니라 활성 표면을 가로질러 특히 균일한 가스 분포를 가능하게 하는 연료 전지 스택용 단위 셀을 제공하기 위한 목적에 기초를 둔다.
상기의 목적은 청구항 1의 특징에 의해 해결된다.
본 발명의 유리한 실시 예 및 뒤따르는 개발은 독립항들로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 단위 셀은 가스가 가득 찬 가스 플로우 배리어(gas flow barrier)가 가스 통로 오리피스를 통과하는 가스가 가스 플로우 배리어 주위를 흐르도록 하기 위하여 활성 표면 및 가스 통로 오리피스 사이에 배열되며, 활성 표면의 모서리로 향하는 가스 플로우 배리어의 돌출부는 활성 표면의 모서리로 향하는 가스 통로 오리피스 길이의 적어도 절반이라는 일반적인 선행기술을 기초로 한다. 본 발명은 공급 가스를 그러한 배리어에 의해 오리피스 입구로부터 오리피스 출구로 직접 흐르는 것을 예방함으로써 누전을 피할 수 있다는 발견을 기초로 한다. 배리어는 처음에 전달된 가스를 연료 전지의 외부 프린지 방향에서 흐르도록 하고 그리고 나서 프린지 및 배리어에 의해 활성 표면쪽으로 비끼도록 한다. 특히 넓은 배리어, 즉 오리피스 입구와 비교하여 활성 표면의 모서리를 향하는 큰 돌출부를 갖는 배리어에 있어서, 이러한 경우에 특히 누전으로부터 안전한 보호를 가져온다. 가스 플로우 배리어는 예를 들면 이른바 삽입되는 스페이서(spacer)에 의해 구현될 수 있다. 그러나, 또한 예를 들면 유동장 플레이트(plate)의 해당 코이닝(coining)에 의해 구현될 수도 있다.
가스 플로우 배리어가 활성 표면으로 향하는 방향에서 점점 가늘어지는 것이 특히 유리하다고 간주된다. 이는 특히 활성 표면의 모서리로 향하는 균일한 가스 분포를 가능하게 한다. 특히 좋은 가스 공급은 또한 가스 공급 배리어의 "쇄도우(shadow)"에서 배열되는 활성 표면의 섹션(section)에서 확보된다.
이러한 점에서 가스 플로우 배리어는 본질적으로 개방 면이 활성 표면에 반대되는 "V" 혹은 "U" 형태 및 오리엔테이션(orientation)을 갖는 것이 유리하다. U- 혹은 V-형태에서 점점 가늘어지는 배리어는 경상 대칭(mirror symmetric)이며 따라서 가스는 적어도 대략 대칭적인 방식에서 주위를 흐를 수 있다.
더욱이 가스 통로 오리피스가 활성 표면으로 향하는 방향에서 점점 가늘어진다는 이점이 있을 수 있다. 특히 점점 가늘어지는 가스 플로우 배리어와 공동하여 가스 통로 오리피스를 통과하는 가스 흐름은 따라서 계속해서 넓어지거나 혹은 (흐름 방향에 따라)좁아질 수 있다.
특히 바람직한 실시 예에 있어서 활성 표면으로 향하는 방향에서 가스 통로 오리피스의 좁아짐(narrowing)이 실제로 둥근 모서리를 갖는 삼각형 형태를 갖는 가스 통로 오리피스에 의해 구현된다. 이러한 형태는 특히 기하학적으로 단순하다.
설명한 가스 통로 오리피스는 활성 표면에 가스를 공급하도록 디자인되며 유동장은 활성 표면으로부터 가스를 방전하기 위하여 제 2 가스 통로 오리피스를 포함하며, 상기 가스가 가득 찬 제 2 가스 플로우 배리어는 제 2 가스 통로 오리피스를 통과하고 활성 표면의 적어도 일부분을 흐른 가스는 제 2 가스 플로우 배리어를 흐르도록 활성 표면 및 제 2 가스 통로 오리피스 사이에 제공되며, 활성 표면의 모서리로 향하는 제 2 가스 플로우 배리어의 돌출부는 활성 표면의 모서리로 향하는 제 2 가스 통로 오리피스 길이의 적어도 절반이다. 이러한 방법으로 위에서 설명한 방전뿐만 아니라 공급에 유용한 본 발명의 유리한 점에 의해 활성 표면으로부터 가스의 방전뿐만 아니라 공급에 관한 본 발명에 따라 유동장이 디자인되는 실시 예가 구현된다.
이러한 점에서 가스를 방전하기 위하여 제공되는 제 2 가스 통로 오리피스는 가스를 공급하기 위하여 제공되는 제 1 가스 통로 오리피스보다 더 큰 횡단면을 갖는다. 따라서 유체 역학적 계산(fluid dynamic calculation)에 따라 연료 전지 전체에 대한 더 나은 압력 분포가 획득된다.
본 발명에 따른 단위 셀의 특히 바람직한 실시 예는 활성 표면이 실제로 직사각형이고 실제로 하나 혹은 그 이상의 직사각형의 공급부위로 분할되며, 가스 공급을 위한 상기 제 1 가스 통로 오리피스 및 가스 방전을 위한 제 2 가스 통로 오리피스가 각각의 공급 부위에 배열되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방법으로 본 발명에 따른 복수의 가스 통로 오리피스 및 배열되는 가스 플로우 배리어가 더 큰 유동장을 형성하도록 유리하게 결합된다. 직사각형의 분할은 특히 간단한 방법으로 활성 표면 전체에 균일한 가스 공급을 가능하게 한다.
이러한 점에서 제 1 가스 통로 오리피스 및 제 2 가스 통로 오리피스는 그것들에 배열된 공급 부위의 중심 축 상에 배열되는 것이 유리한데 그 이유는 상기 배열이 특히 형태적으로 단순하며, 실제로 직선 방향에서의 제 1 가스 플로우 배리어 주위를 흐른 후에 가스는 연료 스택의 반대면 상에 상응하는 가스 플로우 배리어로 이르게 되며 반면에 아마도 난류 방식으로 혼합되는 부분적 흐름에 의해 야기되는 가능한 교란 효과를 피할 수 있기 때문이다.
본 발명에 다른 바람직한 실시 예에 있어서 유동장의 외부 프린지는 예를 들면, 도 3에서 나타나는 것과 같이 유선형으로 하기 위해 디자인된다. 이러한 방법으로 가능한 한 층류의 흐름이 유동장의 외부 주변 부위에서도 확보된다.
본 발명을 아래에 나타낸 도면의 참조와 함께 특히 바람직한 실시 예를 인용한 예에 의해 설명한다.
도 1a 및 1b는 각각 선행기술과 상응하는 두 개의 유사한 유동장의 개략도를 나타낸다;
도 2는 가스 통로 오리피스를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부분 면의 개략도를 나타낸다;
도 3은 교선 A-A를 따라 도 2에 나타난 부분 면의 횡단면의 개략도를 나타낸다;
도 4는 가스 통로 오리피스 및 활성 부의 모서리 쪽으로 할당된 가스 플로우 배리어의 입면도를 나타낸다;
도 5는 두 개의 가스 통로 오리피스를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 실제로 직사각형의 유동장의 개략도를 나타낸다; 및
도 6은 도 4에 나타난 유동장의 횡단면의 개략도를 나타낸다.
도면에서 같거나 유사한 숫자(예를 들면 100 단위에 의해 치환된 숫자)는 중복을 피하기 위하여 적어도 부분적으로는, 단지 한 번만 설명된 같거나 유사한 부품을 명시한다.
도 1a는 선행기술에 따른 연료 전지의 유동장(30')을 설명한다. 직사각형의 활성 표면(22', 여기서는 수평으로 가정한다.)의 두 개의 반대면 상에 가스(32')를 전달하기 위한 각각 두 개의 제 1 가스 통로 오리피스(34') 및 가스(32)를 방전하 기 위한 각각 두 개의 제 2 가스 통로 오리피스(38')는 연료 스택의 정상 작동 동안에 가스가 수직 방향에서 제 1 가스 통로 오리피스(34')로부터 먼저 방전되고 그 후에 활성 표면(32', 가스의 조성은 일반적으로 흡수 및 활성 표면에 의해 방전된 가스의 혼합에 의해 변함)을 가로질러 수평으로 흐르며 최종적으로 제 2 가스 통로 오리피스(34')를 통하여 수직 방향에서 방전된다. 나타나는 배열에서 두 개의 제 1 가스 통로 오리피스 사이의 상호 거리는 그들의 직경과 비교하여 더 큰데, 이는 제 1 가스 통로 오리피스(34') 및 화살표로 나타낸 제 2 가스 통로 오리피스(38') 사이의 누전의 위험과 관련하여 불만족스러운 가스 분포를 야기한다.
활성 표면(22') 전체에 걸쳐서 가능한 한 일정한 가스 분포를 달성하기 위하여 가스 통로 오리피스는 상대적으로 짧은 상호 거리에서 배열될 수 있다. 활성 표면(22')의 각각의 면으로 향하는 총 4개의 가스 통로 오리피스(34', 38')를 포함하는 상응하는 구조는 도 1b에 나타내었다.
더욱이 도 1a 및 도 1b에 나타나는 가스 공급 및 제거를 위한 가스 통로 오리피스(34', 38')는 동일한 횡단면을 갖는다.
도 2는 활성 표면(22)에 가스를 공급하기 위한 외부 프린지(42) 및 가스 통로 오리피스(34)를 포함하는 유동장(30)의 부분 단면을 통하여 도 3의 파선을 따른 수평 단면도이다. 가스 통로 오리피스(34) 및 활성 표면(22)은 일반적인 수평 단면 으로 배열된다. 가스 통로 오리피스(34)의 외형은 실제로 둥근 모서리를 갖는 이등변 삼각형 모양이다. 이 경우에 있어서, 이등변 삼각형은 그것의 독특한 모서리가 활성 표면(22)을 향하도록 지향된다. 동일한 길이를 갖는 삼각형의 두 다리를 따라 가스 플로우 배리어(36)과 같은 벽, 즉 가스 통로 오리피스(34)에 의해 한정되는 평면에 수직으로 배열하는 가스 플로우 배리어는 활성 부위(22)로 향하는 방향에서의 가스 통로 오리피스(34)의 돌출부보다 약간 긴 활성 부위(22)로 향하는 방향에서의 돌출부로 뻗어 있다. 아래로부터 가스 통로 오리피스(34)를 통하여 유동장(30) 내로 흘러오는 가스(32)는 가스 플로우 배리어(36)에 의해 활성 표면(28) 상에 직접적으로 흘러오는 것을 차단한다. 가스 플로우 배리어(36)는 먼저 가스(30)를 프린지(42) 방향으로 흘러가도록 야기한다. 프린지(42)는 다시 가스(32)가 활성 표면(22)에 도달하도록 두 개의 다리를 따라 가스 플로우 배리어(36) 주위를 흘러가도록 야기한다. 가스 통로 오리피스(34)의 외곽에 부분적으로 붙어 있는 가스 플로우 배리어(36)의 형태뿐만 아니라 가스 통로 오리피스(34)의 삼각형 형태 및 오리엔테이션(orientation)은 활성 표면(22)을 차단하는 가스 플로우 배리어의 좁은 부분만을 야기한다. 활성 표면의 차단되는 주변부는 활성 표면(22)의 주변 상의 가스 통로 오리피스(34)의 돌출부와 비교하여 더 작음을 볼 수 있다. 짧고 차단되는 주변부는 제외하고 가스(30)는 실제로 활성 표면(22) 전체에 가스(32)가 제공되도록 하기 위하여 전체 주변 상의 활성 표면에 들어갈 수 있다.
도 3은 A-A(2)에서 나타나는 배열을 통하여 도 2의 파선을 따른 횡단면이다. 활성 표면(22)은 양극 막(24)의 표면이다. 양극 막(24)은 전해질 막(26)에 의해 음극 막(28)으로부터 분리된다. 양극 막(24), 전해질 막(26) 및 음극 막(28)은 함께 막 전극 접합체(20)를 형성한다. 막 전극 접합체에 인접하게 이를 통하여 흘러나오는 가스(32)가 가스 플로우 배리어(36) 주위를 흘러나온 후에 활성 표면(22)에 이르는 유동장(30)으로 들어오는 가스 통로 오리피스(34)가 배열된다.
도 4는 가스 플로우 배리어(36) 및 활성 부위(22) 부근의 돌출부(projection ; P36)뿐만 아니라 가스 통로 오리피스(34) 및 활성 부위 부근의 돌출부(projection ; P34)를 설명한다. 본 발명에 따르면 가스 플로우 배리어(36)의 돌출부(P36)는 적어도 가스 통로 오리피스(34)의 돌출부(P34) 길이의 반이다. 나타나는 실시 예에서는 가스 플로우 배리어(36)의 돌출부가 가스 통로 오리피스(34)의 돌출부(P34)보다 더 길다.
도 5는 특히 바람직한 실시 예에 따른 연료 전지 스택의 유동장(30)의 평면도이다. 직사각형의 활성 표면(22)은 가스(32)를 전하는 각각의 가스 통로 오리피스(34) 및 가스(32)를 제거하는 각각의 가스 통로 오리피스(34)가 배치되는 동일한 두 개의 공급 부위(44a, 44b)로 나뉘는데, 데, 상기 오리피스(34, 38)는 직사각형의 공급 부위(44a 혹은 44b)의 대칭 축 상에 배열된다. 유동장(30)은 유동장에서 층류, 난류가 없는 진행을 가능하게 하기 위하여 유선형으로 된 외부 프린지(42)에 의해 한정된다. 가스 통로 오리피스(34)로부터 활성 표면(22) 반대 방향으로의 가스(32)의 방전은 입구(inlet) 및 출구 가스 통로 오리피스(34, 38) 사이의 가스 누전을 철저하게 감소시킨다. 위에서 가스 플로우 배리어((36, 40)와 결합하여 설명한 가스 통로 오리피스(34, 38)의 외형은 결국 활성 표면 전체에 걸친 균일한 가스 분포가 같은 크기의 활성 표면을 갖는 가스 통로 오리피스 수의 거의 두 배에 의해서만이 선행기술에서 달성될 수 있는 것처럼 개발되는 것에 기인한다. 본 발명에 따른 외형은 공기가 활성 표면(22)의 모든 부위에 방해받지 않고 들어갈 수 있을 뿐만 아니라 밀봉 면 수의 감소, 요구 공간의 감소에 기인하는 장점을 갖는다. 활성 표면(22)으로부터 가스를 방전하기 위하여 제공되는 가스 통로 오리피스(38)는 또한 연료 전지 스택의 단위 셀을 가로질러 더 균일한 가스 분포가 공급되는 것에 의해 가스를 전하기 위하여 제공되는 가스 통로 오리피스(34)보다 더 큰 횡단면을 갖는다.
도 6은 도 5에서의 파선에 따른 횡단면도이다. 그것은 본 발명에 따라 각각의 막 전극 접합체(20)를 포함하는 적어도 두 개의 단위 셀(10, 110)을 포함하는 연료 전지 스택의 가능한 수직 디자인을 설명한다. 제 1 단위 셀(10)은 제 2 단위 셀(110)을 뒤따르는 분리판(18)에 의해 보호된다. 설명되는 실시 예는 연소 가스(32)가 단위 셀(10, 110)을 통하여 각각 같은 방향(도에서는 왼쪽으로부터 오른쪽)으로 통과하도록 디자인된다. 그러나, 카운터 플로우 배열 또한 기술적으로 구현이 가능하다. 설명된 실시 예(병렬 흐름 배열)에서는 연소 가스(32)가 활성 표면(22, 122) 전체에 연소 가스(32)를 분포시키기 위하여 본 발명에 따라 위에서 설명한 가스 통로 오리피스(34, 134)를 통하여 본 발명에 따라 위에서 설명한 가스 플로우 배리어(36, 136)를 포함하는 유동장(30, 130)으로 들어간다. 양극 막(24, 124)에 의해 방전된 가스뿐만 아니라 연소되지 않은 연소 가스(32) 부분은 위에서 설명한 더 큰 가스 통로 오리피스(38, 138)에 의해 방전된다. 제 1 단위 셀(10)의 분리판(18) 및 제 2 단위 셀(110)의 음극 막(128) 사이에 여기에서는 상세히 설명하지 않았지만 산화 가스/공기(52)를 분포시키기 위하여 앞선 선행기술로부터 얻어진 유동장(150)이 있다. 그러나, 연료 전지 스택은 산화 가스를 분포시키기 위한 유동장뿐만 아니라 연소 가스를 분포시키기 위한 유동장에서 구현가능하거나 혹은 본 발명에 따라 단지 후자만이 디자인된다.
청구항뿐만 아니라 위의 설명, 도면에서 설명한 본 발명의 특징은 어떠한 조합뿐만 아니라 개별적으로 본 발명의 구현을 위하여 중요할 수 있다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호 설명〉
8 연료 전지 스택 10 단위 셀
20 막 전극 접합체 22 활성 표면
24 양극 막 26 전해질 막
28 음극 막 30 유동장
32 연소 가스 34 가스 통로 오리피스
36 가스 플로우 배리어 38 가스 통로 오리피스
40 가스 플로우 배리어 42 프린지
44 공급 부 50 유동장
52 산화 가스 110 단위 셀
120 막 전극 접합체 122 활성 표면
124 양극 막 126 전해질 막
128 음극 막 130 유동장
132 연소 가스 134 가스 통로 오리피스
136 가스 플로우 배리어 138 가스 통로 오리피스
140 가스 플로우 배리어 142 프린지
150 유동장

Claims (11)

  1. 막 전극 접합체(20) 및 막 전극 접합체(20)의 활성 표면(22)에 가스를 제공하도록 디자인된 유동장(30)을 포함하며 적어도 하나의 가스 통로 오리피스(34, 38)를 포함하는 연료 전지 스택(8)용 단위 셀(10)에 있어서, 가스가 가득 찬 가스 플로우 배리어(36, 40)는 가스 통로 오리피스(34, 38)를 통과하는 가스가 활성 표면(22)에 도달하거나 또는 활성 표면(22)을 떠나기 전에 가스 플로우 배리어(36, 40) 주위를 흘러가도록 활성 표면(22) 및 가스 통로 오리피스(34, 38) 사이에 배열되며, 활성 표면(22)의 주변 상의 상기 가스 플로우 배리어(36)의 돌출부는 활성 표면(22)의 주변 상의 가스 통로 오리피스(34, 38)의 돌출부의 적어도 절반의 길이인 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택(8)용 단위 셀(10).
  2. 제 1항에 따른 단위 셀(10)에 있어서, 가스 플로우 배리어(36)는 활성 표면(22)으로 향하는 방향으로 점점 가늘어지는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
  3. 제 2항에 따른 단위 셀(10)에 있어서, 가스 플로우 배리어(36)는 활성 표면(22)에 반대되는 입구로 "V" 혹은 "U"의 형태 및 오리엔테이션을 갖는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
  4. 제 2항에 따른 단위 셀(10)에 있어서, 가스 통로 오리피스(34, 38)는 활성 표면(22)으로 향하는 방향으로 점점 가늘어지는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
  5. 제 4항에 따른 단위 셀(10)에 있어서, 가스 통로 오리피스(34, 38)는 둥근 모서리를 갖는 삼각형 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
  6. 제 1항에 따른 단위 셀(10)에 있어서, 가스 통로 오리피스(34)는 가스(32)를 활성 표면(22)으로 공급하도록 디자인되며 유동장(30)은 활성 표면(22)으로부터 가스(32)를 방전하기 위한 제 2 가스 통로 오리피스(38)를 포함하며, 상기 가스가 가득 찬 제 2 가스 통로 오리피스(38)는 제 2 가스 통로 오리피스(38)를 통하여 들어오고 활성 표면(22)의 적어도 일 부분으로 흘러오는 가스(32)가 제 2 가스 플로우 배리어(40) 주위를 흐르도록 하기 위하여 활성 표면(22) 및 제 2 가스 통로 오리피스(38) 사이에 제공되며, 활성 표면(22)의 부분에 대한 상기 제 2 가스 플로우 배리어(40)의 돌출부는 활성 표면(22)의 부분에 대한 제 2 가스 통로 오리피스(38)의 돌출부 길이의 적어도 절반인 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
  7. 제 6항에 따른 단위 셀(10)에 있어서, 가스(32) 방전을 위하여 제공되는 제 2 가스 통로 오리피스(38)는 가스(32) 공급을 위하여 제공되는 제 1 가스 통로 오리피스(34)보다 더 큰 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
  8. 제 6항에 따른 단위 셀(10)에 있어서, 활성 표면(22)은 직사각형이며 직사각형인 하나 혹은 그 이상의 공급 부분(44)으로 분할되며, 가스(32) 공급을 위한 제 1 가스 통로 오리피스(34) 및 가스(32) 방전을 위한 제 2 가스 통로 오리피스(38)는 각각의 공급 부위(44)에 배열되는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
  9. 제 8항에 따른 단위 셀(10)에 있어서, 제 1 가스 통로 오리피스(34) 및 제 2 가스 통로 오리피스(38)는 그것들에 배열된 공급 부분(44)의 중심 축 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
  10. 제 1항에 따른 단위 셀(10)에 있어서, 유동장(30)의 외부 프린지(42)는 유선형인 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
  11. 제 1 내지 10항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 단위 셀(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택(8).
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