KR102355788B1 - 연료 전지 - Google Patents

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울리히 베르너
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리(10)와; 분리판(50)을 구비한 하나 이상의 양극판(40);을 포함하는 연료 전지(2)에 관한 것이다. 양극판(40)은 하나 이상의 구조 부재(51, 52)를 포함하며, 이 구조 부재는, 내부에 리세스들(65)이 형성되어 있는 본체(60)와, 상기 리세스들(65)의 측면들(70, 72)로부터 외측으로 돌출되어 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리(10)까지 연장되는 베인들(vane; 61, 62)을 포함한다.

Description

연료 전지
본 발명은 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리(membrane-electrode assembly);와, 분리판(separator plate)을 구비한 하나 이상의 양극판(bipolar plate);을 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는, 산화제와 연속 공급되는 연료의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 갈바닉 전지이다. 다시 말해, 연료 전지는 전기 화학 에너지 변환 장치이다. 공지된 연료 전지들의 경우, 특히 수소(H2)와 산소(O2)가 물(H2O), 전기 에너지 및 열로 변환된다. 메탄올 또는 메탄, 또는 이들의 혼합물들로 작동하는 연료 전지들도 공지되어 있다.
특히 양성자 교환 멤브레인(PEM: Proton Exchange Membrane) 연료 전지들이 공지되어 있다. 양성자 교환 멤브레인 연료 전지들은, 오로지 양성자들에 대해서만, 다시 말해 수소 이온들에 대해서만 투과성인, 중앙에 배치된 멤브레인을 포함한다. 그렇게 하여, 산화제, 특히 대기 중 산소는 공간상 연료, 특히 수소와 분리되어 있다. 또한, 양성자 교환 멤브레인 연료 전지들은 애노드와 캐소드를 포함한다. 연료는 연료 전지의 애노드에서 공급되어, 촉매 반응에 의해 전자의 방출하에 양성자로 산화된다. 양성자는 멤브레인을 통과하여 캐소드에 도달하게 된다. 방출된 전자들은 연료 전지에서 배출되어 외부 회로를 경유하여 캐소드 쪽으로 흘러간다. 산화제가 연료 전지의 캐소드에 공급되고, 외부 회로로부터의 전자들과, 멤브레인을 통해 캐소드에 도달된 양성자들의 흡수에 의한 반응으로 물을 생성한다. 이렇게 생성된 물은 연료 전지 밖으로 배출된다.
이 경우, 연료 전지의 애노드와 캐소드 사이에 전압이 인가된다. 전압을 높이기 위해, 복수의 연료 전지를 기계적으로 연달아 배치해서 하나의 연료 전지 스택을 형성하고, 전기적으로 직렬로 연결할 수 있다.
애노드에서 연료의 균일한 분배를 위해, 그리고 캐소드에서 산화제의 균일한 분배를 위해, 유동장(flow field)으로도 지칭되는 분배판들(distributing plate)이 제공된다. 유동장들은 예컨대 연료 및 산화제의 분배를 위한 채널 유형의 구조들을 포함한다. 2개의 전지 간의 접촉부로서도 이용되는 복수의 분배판의 조합체를 양극판이라 지칭한다. 양극판들은 나아가, 열의 소산을 위해 연료 전지를 통해 냉각액을 통과시키기 위한 구조들도 포함할 수 있다.
DE 10 2013 226 815 A1호에는, 각각 하나의 멤브레인 전극 어셈블리를 구비한 복수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택이 개시되어 있다. 여기서, 멤브레인 전극 어셈블리는, 양극판들로서 형성된 2개의 분리판으로 둘러싸인다.
DE 10 2012 221 730 A1호로부터 2개의 판 반부(plate half)로 구성된 양극판을 가진 연료 전지가 공지되어 있다. 여기서, 2개의 판 반부 각각은, 반응 가스 및 냉각액의 분배를 위해 제공되는 분배기 구조를 포함한다.
DE 10 2014 207 594 A1호로부터 연료 전지용 양극판이 공지되어 있다. 여기서 양극판은 예컨대 그루브로서 형성된 곡류 형태의 채널을 포함한다. 곡류 형태의 채널은 연료 전지 내로 수소 또는 산소를 유입시키기 위해 이용된다.
DE 10 2013 223 817 A1호는 복수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 개시하고 있다. 여기서, 각각의 연료 전지는 매체 분배 유닛들로 에워싸여 있는 멤브레인 전극 어셈블리를 포함한다.
JP 5252193 B2호 및 JP 2010-061992 A호로부터, 연료 및 공기의 분배를 위한 가스 확산층들을 포함하는 연료 전지가 공지되어 있다. 여기서는, 가스 확산층들과 분리판 사이에 금속 격자가 배치된다.
JP 2010-061994 A호에는, 가스를 통과시키기 위한 금속 격자를 포함하는 연료 전지가 개시되어 있다. 여기서 격자는, 서로 교호적으로 배치된 큰 개구들 및 작은 개구들을 포함한다.
본 발명에 따라서, 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리와 하나 이상의 양극판을 포함하는 연료 전지가 제안된다. 이 경우, 양극판은 분리판을 포함한다. 멤브레인 전극 어셈블리는 애노드와 캐소드 및 이들 사이에 배치된 멤브레인을 포함한다. 이 경우, 멤브레인 전극 어셈블리와 분리판 사이에서 양극판 내에, 애노드 쪽으로의 연료 공급 또는 캐소드 쪽으로의 대기 중 산소의 공급을 위해 제공되는 매체 챔버가 형성된다.
본 발명에 따라서, 양극판은 하나 이상의 구조 부재(structural part)를 포함하며, 이 구조 부재는, 내부에 리세스들이 형성되어 있는 본체와, 이 리세스들의 측면들로부터 외측으로 돌출되어 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리까지 연장되는 베인들(vane)을 포함한다. 구조 부재의 본체는 예컨대 평판(flat sheet)으로서 형성된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 하나 이상의 구조 부재의 본체는 분리판에 접한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따라서, 하나 이상의 구조 부재의 본체는 분리판으로부터 이격되어 배치되며, 베인들은 리세스들의 측면들에서부터 분리판까지 연장된다. 다시 말해, 구조 부재의 베인들은 일부는 멤브레인 전극 어셈블리까지, 그리고 일부는 분리판까지 연장된다.
본 발명의 바람직한 개선예에 따라서, 양극판은 추가로 하나 이상의 구조 요소(structural element)를 포함하며, 이 구조 요소도 마찬가지로 내부에 리세스들이 형성되어 있는 본체와, 이 리세스들의 측면들로부터 외측으로 돌출하는 베인들을 포함한다. 이 경우, 구조 요소의 베인들은 구조 부재 내의 리세스들을 통과하여 연장되며, 구조 부재의 베인들은 구조 요소 내의 리세스들을 통과하여 돌출된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 구조 요소의 본체는 구조 부재의 본체에 접한다. 구조 요소의 본체는 예컨대 평판으로서 형성된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따라서, 구조 요소의 본체는 구조 부재의 본체로부터 이격되어 배치된다.
바람직하게는, 구조 부재의 본체 내부 및 구조 요소의 본체 내부의 리세스들이 직사각형으로 형성된다. 이 경우, 구조 부재의 본체 내부 및 구조 요소의 본체 내부의 리세스들 각각은 2개의 대향하는 종방향 측면(longitudinal side)과 2개의 대향하는 횡방향 측면(traverse side)을 포함한다. 이 경우, 종방향 측면들은 횡방향 측면들에 대해 직각으로 연장된다.
이 경우, 구조 부재의 베인들 및 구조 요소의 베인들은, 구조 부재의 본체 내 리세스들 및 구조 요소의 본체 내 리세스들의 대향하는 종방향 측면들로부터 멀어지는 방향으로 연장된다.
본 발명의 바람직한 개선예에 따라서, 구조 부재의 본체 내 리세스들 및 구조 요소의 본체 내 리세스들의 하나 이상의 횡방향 측면으로부터 하나 이상의 핀부(fin)가 본체로부터 외측으로 돌출된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 구조 부재의 본체 및 구조 요소의 본체로부터 이격된, 구조 부재 및 구조 요소의 베인들의 단부들은 방향 전환부를 갖는다.
본 발명에 따른 연료 전지는 바람직하게 전기 차량(EV), 하이브리드 차량(HEV), 또는 플러그인 하이브리드 차량(PHEV)에서 이용된다.
본 발명에 따른 연료 전지에서 애노드 쪽으로의 연료 공급, 및 캐소드 쪽으로의 대기 중 산소의 공급은 각각의 매체 챔버를 통해 개선된다. 발생하는 생성수를 매체 챔버로부터 배출시키는 과정도 개선된다. 그 대안으로, 본 발명은 냉각 채널 내의 유동장으로서도 사용될 수 있다. 또한, 멤브레인 전극 어셈블리의 전극들과 양극판의 전기 접촉이 간소화된다. 양극판의 제조도, 리세스들의 천공 및 이때 형성되는 베인들의 굽힘 공정을 통해 비교적 간단하게 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 도면들 및 하기 기재내용에 따라서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 연료 전지의 개략도이다.
도 2는 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 3은 제1 실시예에 따른 연료 전지의 단면도이다.
도 4는 도 3의 연료 전지의 제1 변형예에 따른 구조 부재의 상면도이다.
도 5는 도 4의 구조 부재의 정면도이다.
도 6은 도 3의 연료 전지의 제2 변형예에 따른 구조 부재의 상면도이다.
도 7은 도 6의 구조 부재의 정면도이다.
도 8은 도 3의 연료 전지의 제3 변형예에 따른 구조 부재의 정면도이다.
도 9는 도 3의 연료 전지의 제4 변형예 따르는 구조 부재의 정면도이다.
도 10은 제2 실시예에 따른 연료 전지의 단면도이다.
도 11은 도 10의 연료 전지의 구조 부재의 상면도이다.
도 12는 도 11의 구조 부재의 정면도이다.
도 13은 제3 실시예에 따른 연료 전지의 단면도이다.
도 14는 도 13의 연료 전지의 구조 부재의 상면도이다.
도 15는 도 14의 구조 부재의 정면도이다.
도 16은 제4 실시예에 따른 연료 전지의 단면도이다.
도 17은 제5 실시예에 따른 연료 전지의 단면도이다.
본 발명의 실시예들의 하기 기재내용에서, 동일하거나 유사한 요소들은 동일한 도면부호들로 표시되며, 일부 경우에 상기 요소들의 반복적인 기술은 생략된다. 도면들에는 본 발명의 대상이 개략적으로만 도시되어 있다.
도 1에는, 연료 전지(2)가 개략적으로 도시되어 있다. 연료 전지(2)는 음극 단자(11)와 양극 단자(12)를 포함한다. 단자들(11, 12)을 통해, 연료 전지(2)에 의해 공급되는 전압이 픽업될 수 있다. 연료 전지(2)의 작동 중에 전류는 두 단자(11, 12) 사이에서 외부 회로를 통해 흐른다.
연료 전지(2)는 연료, 본원에서는 수소의 공급을 위해 이용되는 제1 연결 위치(31)를 갖는다. 또한, 연료 전지(2)는, 산화제, 본원에서는 대기 중 산소의 공급을 위해 이용되는 제2 연결 위치(32)도 갖는다. 또한, 연료 전지(2)는 생성되는 물 및 잔여 공기의 배출을 위해 이용되는 제3 연결 위치(33)도 갖는다.
그 밖에, 연료 전지(2)는 애노드(21), 캐소드(22) 및 멤브레인(18)도 포함한다. 이 경우, 멤브레인(18)은 애노드(21)와 캐소드(22) 사이에 배치된다. 애노드(21)의 측에는, 제1 연결 위치(31)와 연결되는 제1 양극판(40)이 배치된다. 캐소드(22)의 측에는, 제2 연결 위치(32) 및 제3 연결 위치(33)와 연결되는 제2 양극판(40)이 배치된다. 제1 양극판(40) 및 제2 양극판(40)은 전기 전도성이며, 예컨대 흑연 또는 금속으로 제조된다.
애노드(21)와 제1 양극판(40) 사이에는 제1 가스 확산층(30)이 제공된다. 제1 가스 확산층(30)은 전기 전도성이며, 다공성 탄소 페이퍼로 제조된다. 제1 가스 확산층(30)은, 제1 양극판(40)을 경유하여 애노드(21) 쪽으로 공급되는 연료의 균일한 분배를 보장한다.
캐소드(22)와 제2 양극판(40) 사이에는 제2 가스 확산층(30)이 제공된다. 제2 가스 확산층(30)은 전기 전도성이며, 예컨대 다공성 탄소 페이퍼로 제조된다. 제2 가스 확산층(30)은, 제2 양극판(40)을 경유하여 캐소드(22) 쪽으로 공급되는 산화제의 균일한 분배를 보장한다.
애노드(21), 캐소드(22), 멤브레인(18) 및 두 가스 확산층(30)은 함께 하나의 멤브레인 전극 어셈블리(10)를 형성하며, 이 멤브레인 전극 어셈블리는 연료 전지(2)의 내부에서 중앙에 배치된다. 제1 가스 확산층(30) 및 제2 가스 확산층(30)은 선택사항이며, 생략될 수도 있다.
제1 양극판(40) 내에는, 멤브레인 전극 어셈블리(10)에 인접하는 제1 매체 챔버(41)가 형성된다. 제1 매체 챔버(41)를 통해, 연료 전지(2)의 제1 연결 위치(31)를 경유하여 공급되는 연료가 애노드(21) 쪽으로 계속 안내된다.
제2 양극판(40) 내에는, 멤브레인 전극 어셈블리(10)에 인접하는 제2 매체 챔버(42)가 형성된다. 제2 매체 챔버(42)를 통해서는, 연료 전지(2)의 제2 연결 위치(32)를 경유하여 공급되는 산화제가 캐소드(22) 쪽으로 계속 안내된다. 제2 매체 챔버(42)를 통해서는, 연료 전지(2)의 작동 중에 생성되는 물도 미사용 잔여 공기와 함께 제3 연결 위치(33)를 경유하여 연료 전지(2)에서 배출된다.
애노드(21), 제1 양극판(40) 및 이들 사이에 배치된 제1 가스 확산층(30)은 연료 전지(2)의 음극 단자(11)와 전기적으로 연결된다. 캐소드(22), 제2 양극판(40) 및 이들 사이에 배치된 제2 가스 확산층(30)은 연료 전지(2)의 양극 단자(12)와 전기적으로 연결된다.
도 2에는, 연료 전지 스택(5)이 개략적으로 도시되어 있다. 여기서, 연료 전지 스택(5)은 서로 교호적으로 배치된 복수의 멤브레인 전극 어셈블리(10) 및 양극판(40)을 포함한다. 멤브레인 전극 어셈블리들(10)은 도 1에 도시된 것처럼 구성되며, 각각 하나의 애노드(21), 하나의 캐소드(22), 이들 사이에 배치된 하나의 멤브레인(18), 및 2개의 가스 확산층(30)을 포함한다.
각각 2개의 멤브레인 전극 어셈블리(10) 사이에 배치된 양극판들(40)은 중앙에 배치된 각각 하나의 분리판(50)을 포함한다. 서로 인접하는 멤브레인 전극 어셈블리들(10) 중 각각 하나에 인접하는 제1 매체 챔버(41)와 제2 매체 챔버(42)가 분리판(50)을 에워싼다.
또한, 양극판들(40)은, 제1 매체 챔버(41)로 향해 있는 제1 구조 부재(51)와, 제2 매체 챔버(42)로 향해 있는 제2 구조 부재(52)를 각각 하나씩 포함한다. 제1 구조 부재(51)가 제1 매체 챔버(41)의 내부에도 배치될 수 있으며, 제2 구조 부재(52)가 제2 매체 챔버(42)의 내부에도 배치될 수 있다.
그 밖에, 양극판들(40)은, 연료 전지(2)를 통해 냉각제를 통과시키기 위한, 예컨대 냉각제 챔버의 형태의 (미도시된) 구조들을 포함한다. 그 결과, 연료 전지(2)의 작동 중에 발생하는 열의 소산 및 그에 따른 연료 전지(2)의 냉각이 가능해진다.
도 3에는, 제1 실시예에 따른 연료 전지(2)의 단면도가 도시되어 있다. 분리판(50)은 평판으로서 형성된다. 분리판(50)에는, 평판으로서 형성된, 제1 구조 부재(51)의 본체(60)가 접한다. 제1 구조 부재(51)의 본체(60)와 멤브레인 전극 어셈블리(10) 사이에 제1 매체 챔버(41)가 형성된다.
제1 구조 부재(51)의 본체(60)로부터 베인들(61, 62)이 제1 매체 챔버(41)를 통과하여 멤브레인 전극 어셈블리(10)까지 돌출된다. 도시된 도면에서, 제2 베인들(62)은 제1 베인들(61)에 의해 덮여 있으며, 그로 인해 보이지 않는다. 연료 전지(2)의 작동 중에 연료는 유동 방향(S)으로 제1 매체 챔버(41)를 통해 관류한다.
제1 구조 부재(51)는 예컨대 철, 특수강 또는 티타늄과 같은 금속으로 제조될 수 있다. 제1 구조 부재(51)의 본체(60)는 최대 150㎛, 바람직하게는 최대 75㎛, 더욱 바람직하게는 최대 25㎛의 두께를 갖는다. 제1 매체 챔버(41)는 최대 1㎜, 바람직하게는 최대 700㎛, 더욱 바람직하게는 350㎛의 높이를 가질 수 있다.
제1 구조 부재(51)와 분리판(50)은 기계적으로 서로 연결된다. 연결 기술로서는, 예컨대 경납땜, 연납땜, 확산접합 및 용접, 특히 레이저 용접, 또는 또 다른 용접 방법들도 적합하다.
도 4에는, 도 3의 연료 전지(2)의 제1 변형예에 따른 제1 구조 부재(51)의 상면도가 도시되어 있다. 제1 구조 부재(51)의 본체(60) 내에는 복수의 리세스(65)가 형성되며, 특히 천공된다. 리세스들(65)은 본 실시예에서 직사각형 형태로 형성되며, 각각 2개의 대향하는 종방향 측면(70)과 2개의 대향하는 횡방향 측면(72)을 갖는다. 리세스들(65)은 특히 정사각형일 수도 있다. 리세스들(65)의 종방향 측면들(70)은 유동 방향(S)에 대해 평행하게 연장되며, 리세스들(65)의 횡방향 측면들(72)은 유동 방향(S)에 대해 직각으로 연장된다.
또한, 리세스들(65)은, 리세스들(65)의 종방향 측면들(70)이 유동 방향(S)에 대해 직각으로 연장되고, 리세스들(65)의 횡방향 측면들(72)은 유동 방향(S)에 대해 평행하게 연장되는 방식으로도 배치될 수 있다. 리세스들(65)의 종방향 측면들(70)뿐만 아니라 그 횡방향 측면들(72)도 유동 방향(S)에 대해, 예컨대 45°의 각도만큼, 경사져서 연장되는 구성도 고려될 수 있다.
리세스들(65)은 임의의 다른 형태들도 가질 수 있으며, 예컨대 삼각형 및 육각형으로 형성될 수도 있다. 또한, 리세스들(65)의 측면들(70, 72)이 상호 간에 경사져서 연장될 수 있으며, 다시 말하면 반드시 평행하게 또는 직각으로 연장되지 않아도 된다.
리세스들(65)은 열을 이루어 배치된다. 하나의 열 내에서 인접한 리세스들(65)은 웨브(web, 66)에 의해 서로 분리된다. 여기에 도시된 제1 변형예에 따라, 리세스들(65)은 연속되는 열들로 균일하게, 후행하는 열의 웨브들(66)이 선행하는 열의 리세스들(65)의 중심에 위치하도록 분포된다.
종방향 측면들(70)의 길이는 최대로 양극판(40)의 길이에 상응하며, 바람직하게는 수 밀리미터의 길이를 갖는 짧은 피스들도 고려될 수 있다. 이렇게, 리세스들(65)의 2개의 열 간의 간격은 가급적 좁아야 하며, 바람직하게는 최대 1㎜, 더욱 바람직하게는 최대 500㎛일 수 있다. 웨브들(66)의 폭도 마찬가지로 최대한 협폭으로 선택되며, 바람직하게는 최대 1㎜이고, 더욱 바람직하게는 최대 500㎛이다.
도 5에는, 도 4의 제1 구조 부재(51)의 정면도가 도시되어 있다. 리세스들(65)의 종방향 측면들(70)로부터 외측으로 제1 베인들(61) 및 제2 베인들(62)이 돌출되어 멤브레인 전극 어셈블리(10)까지 연장된다. 이 경우, 베인들(61, 62)과 본체(60) 내 리세스들(65) 사이에 각각 베인 각도(vane angle)(A)가 형성된다. 제1 구조 부재(51)의 본체(60)로부터 이격된, 베인들(61, 62)의 단부들은 각각 하나의 방향 전환부(69)를 갖는다. 방향 전환부(69)는 멤브레인 전극 어셈블리(10)의 손상을 방지할 수 있다.
횡방향 측면들(72)의 폭은 제1 매체 챔버(41)의 높이 및 베인 각도(A)에 의해, 그리고 방향 전환부(69)의 형성을 통해 기설정된다. 베인 각도(A)는 70°와 90° 사이, 바람직하게는 80°와 90° 사이의 범위 이내이다. 전기 접촉을 개선하기 위해, 베인 각도(A) 및 방향 전환부(69)를 통해 파일럿 압력이 멤브레인 전극 어셈블리(10)로 가해질 수 있다.
도 6에는, 도 3의 연료 전지(2)의 제2 변형예에 따른 제1 구조 부재(51)의 상면도가 도시되어 있고, 도 7에는, 도 6의 제1 구조 부재(51)의 정면도가 도시되어 있다. 리세스들(65)은, 도 4 및 도 5에 도시된 제1 변형예의 경우처럼, 열을 이루어 배치되며, 하나의 열 내에서 인접한 리세스들(65)은 웨브들(66)을 통해 서로 분리된다.
제1 변형예와 다르게, 연속되는 열들에서 리세스들(65)은 횡방향 측면들(72)의 폭의 대략 1/3만큼 서로 오프셋된다. 또한, 연속되는 열들에서 리세스들(65)의 불균일한 오프셋도 고려될 수 있다.
도 8에는, 도 3의 연료 전지(2)의 제3 변형예에 따른 제1 구조 부재(51)의 정면도가 도시되어 있다. 분리판(50)은 마찬가지로 평판으로서 형성된다. 제1 및 제2 변형예와 다르게, 제1 구조 부재(51)의 본체(60)는 분리판(50)으로부터 이격되어 배치되며, 예컨대 제1 매체 챔버(41)의 중심에 위치된다.
리세스들(65)의 종방향 측면들(70)로부터 제1 베인들(61)이 멤브레인 전극 어셈블리(10) 쪽으로 돌출된다. 리세스들(65)의 각각 대향하는 종방향 측면들(70)로부터는 제2 베인들(62)이 분리판(50) 쪽으로 돌출된다.
도 9에는, 도 3의 연료 전지(2)의 제4 변형예에 따른 제1 구조 부재(51)의 정면도가 도시되어 있다. 제3 변형예에서처럼, 제1 구조 부재(51)의 본체(60)는 분리판(50)으로부터 이격되어 배치되며, 예컨대 제1 매체 챔버(41)의 중심에 위치된다. 리세스들(65)은 본체(60) 내에서 열을 이루어 배치된다.
하나의 열에서 리세스들(65)의 종방향 측면들(70)로부터는 베인들(61, 62)이 멤브레인 전극 어셈블리(10) 쪽으로 돌출된다. 인접한 열들에서 리세스들(65)의 종방향 측면들(70)로부터는 베인들(61, 62)이 분리판(50) 쪽으로 돌출된다.
도 10에는, 제2 실시예에 따른 연료 전지(2)를 절단한 단면도가 도시되어 있다. 리세스들(65)의 횡방향 측면(72)으로부터 각각 하나의 핀부(63)가 본체(60)로부터 외측으로 돌출되며, 제1 매체 챔버(41) 안쪽으로 연장된다. 이 경우, 핀부(63)는 유동 방향(S)에 대해 직각으로 연장된다. 핀부(63)에 의해, 연료의 유동은 목표한 대로 멤브레인 전극 어셈블리(10)의 방향으로 전환될 수 있다.
이 경우, 본체(60) 내의 리세스들(65)과 핀부들(63) 사이에 각각 핀 각도(B)(fin angle)가 형성된다. 핀 각도(B)는 30°와 90° 사이, 바람직하게는 45°와 90° 사이의 범위 이내이다.
도 11에는, 도 10의 연료 전지(2)의 제1 구조 부재(51)의 상면도가 도시되어 있고, 도 12에는 도 11의 제1 구조 부재(51)의 정면도가 도시되어 있다. 핀부(63)의 최대 길이는 제1 매체 챔버(41)의 높이의 최대 0.7배이며, 바람직하게는 제1 매체 챔버(41)의 높이의 최대 0.5배이며, 더욱 바람직하게는 제1 매체 챔버(41)의 높이의 최대 0.3배이다.
도 13에는 제3 실시예에 따른 연료 전지(2)의 단면도가 도시되어 있다. 제1 구조 부재(51)의 본체(60)는 분리판(50)으로부터 이격되어 배치되며, 예컨대 제1 매체 챔버(41)의 중심에 위치된다. 리세스들(65)의 종방향 측면들(70)로부터 제1 베인들(61)이 멤브레인 전극 어셈블리(10) 쪽으로 돌출되며, 리세스들(65)의 각각 대향하는 종방향 측면들(70)로부터 제2 베인들(62)이 분리판(50) 쪽으로 돌출된다.
유동 방향(S)으로 상류에 놓인 리세스들(65)의 횡방향 측면(72)으로부터 각각 하나의 핀부(63)가 본체(60)로부터 외측으로 멤브레인 전극 어셈블리(10)를 향해 돌출된다. 유동 방향(S)으로 하류에 놓인 리세스들(65)의 대향하는 횡방향 측면(72)으로부터는 각각 하나의 핀부(63)가 본체(60)로부터 외측으로 분리판(50)의 방향으로 돌출된다. 핀부들(63)에 의해, 연료의 유동은 목표한 대로 멤브레인 전극 어셈블리(10)의 방향으로 전환될 수 있다.
도 14에는, 도 13의 연료 전지(2)의 제1 구조 부재(51)의 상면도가 도시되어 있고, 도 15에는 도 14의 제1 구조 부재(51)의 정면도가 도시되어 있다. 핀부들(63)의 최대 길이는 제1 매체 챔버(41)의 높이의 최대 0.3배이다.
도 13, 도 14 및 도 15에 따른 도면들에서 각각 좌측에는 핀부들(63)이 각각 단일 부재형으로 형성되어 있다. 그 결과, 멤브레인 전극 어셈블리(10) 및 분리판(50)과 베인들(61, 62)의 접촉면들이 축소된다.
도 13, 도 14 및 도 15에 따른 도면들에서 각각 우측에는 핀부들(63)이 각각 2개 부재형으로 형성되어 있으며, 각각 제1 부분 핀부(63a)와 제2 부분 핀부(63b)를 포함한다. 그 결과, 멤브레인 전극 어셈블리(10) 및 분리판(50)과 베인들(61, 62)의 접촉면들이 도 15에 비해 각각 좌측에서 확대되었다.
도 16에는, 제4 실시예에 따른 연료 전지(2)의 단면도가 도시되어 있다. 제1 구조 부재(51)의 본체(60) 내의 리세스들(65)의 종방향 측면들(70)로부터 제1 베인들(61)이 멤브레인 전극 어셈블리(10) 쪽으로 돌출되고, 제2 베인들(62)은 분리판(50) 쪽으로 돌출된다.
이 경우, 양극판(40)은 추가로 구조 요소(55)를 포함하며, 이 구조 요소는 마찬가지로 내부에 리세스들(65)이 형성되어 있는 본체(60)를 포함한다. 구조 요소(55)의 본체(60) 내 리세스들(65)의 종방향 측면들(70)로부터는 마찬가지로 제1 베인들(61)이 멤브레인 전극 어셈블리 쪽으로 돌출되고, 제2 베인들(62)은 분리판(50) 쪽으로 돌출된다. 본 실시예에서 구조 요소(55)의 본체(60)는 제1 구조 부재(51)의 본체(60)에 접한다.
제1 구조 부재(51)와 구조 요소(55)는, 구조 요소(55)의 제1 베인들(61)이 제1 구조 부재(51)의 리세스들(65)을 통과하여 돌출되고, 제1 구조 부재(51)의 제2 베인들(62)이 구조 요소(55)의 리세스들(65)을 통과하여 돌출하는 방식으로 배치된다.
도 17에는, 도 16에 도시된 제4 실시예에 따른 연료 전지(2)와 유사하게 형성된, 제5 실시예에 따른 연료 전지(2)의 단면도가 도시되어 있다. 제4 실시예에 따른 연료 전지(2)와 달리, 제5 실시예에 따른 연료 전지(2)의 경우, 구조 요소(55)의 본체(60)는 제1 구조 부재(51)의 본체(60)로부터 이격되어 배치된다.
연료 전지(2)의 제4 및 제5 실시예의 경우, 멤브레인 전극 어셈블리(10) 및 분리판(50)에 대한 접촉점 개수 및 접촉면들의 증대가 달성된다. 또한, 접촉 열들 사이의 간격이 축소될 수 있으며, 그럼에도 멤브레인 전극 어셈블리(10)에서부터 분리판(50)까지의 폐쇄된 전류 경로가 계속 유지된다. 그 결과, 상대적으로 더 높은 전류 부하 용량이 달성되며, 그럼으로써 구조 부재들(51, 52) 및 구조 요소(55)의 본체들(60)은 상대적으로 더 얇은 재료 두께를 가질 수 있게 된다.
본 발명은 본원에 기술된 실시예들 및 이들에서 강조된 양태들로 제한되지 않는다. 오히려, 특허청구범위를 통해 명시된 범위 내에서, 통상의 기술자가 다루는 범주에서의 다수의 변형도 가능하다.

Claims (20)

  1. 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리(10);와
    분리판(50)을 구비한 하나 이상의 양극판(40);을 포함하는
    연료 전지(2)에 있어서,
    상기 양극판(40)은 하나 이상의 구조 부재(51)를 포함하며,
    상기 구조 부재는,
    내부에 리세스들(65)이 형성되어 있는 본체(60)와,
    상기 리세스들(65)의 제1 측면들(70, 72)로부터 외측으로 돌출되어 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리(10)까지 연장되는 제1 베인들(61)과,
    상기 리세스들의 제2 측면들(70, 72)로부터 외측으로 돌출되는 제2 베인들(62)을 포함하고,
    하나 이상의 구조 부재(51)의 본체(60)가 분리판(50)으로부터 이격되어 배치되고, 상기 제2 베인들(62)이 상기 구조 부재(51)의 상기 리세스들(65)의 제2 측면들(70, 72)로부터 상기 분리판(50)까지 연장되고,
    상기 양극판(40) 또한 하나 이상의 구조 요소(55)를 포함하며, 상기 구조 요소는 내부에 리세스들(65)이 형성되어 있는 본체(60)와, 상기 구조 요소(55)의 상기 리세스들(65)의 제1 측면들(70, 72)로부터 외측으로 돌출하는 제1 베인들(61)과, 상기 구조 요소(55)의 상기 리세스들(65)의 제2 측면들(70, 72)로부터 외측으로 돌출하는 제2 베인들(62)을 포함하며,
    상기 구조 요소(55)의 제1 베인들(61)은 상기 구조 부재(51)의 리세스들(65)을 통과하여 연장되며,
    상기 구조 부재(51)의 제2 베인들(62)은 상기 구조 요소(55)의 리세스들(65)을 통과하여 연장되며,
    상기 구조 부재(51)의 제1 베인들(61) 각각은 상기 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리(10)와 접촉하는 자유 단부를 갖고,
    상기 구조 부재(51)의 제2 베인들(62) 각각은 상기 분리판(50)과 접촉하는 자유 단부를 갖고,
    상기 구조 요소(55)의 제1 베인들(61) 각각은 상기 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리(10)와 접촉하는 자유 단부를 갖고,
    상기 구조 요소(55)의 제2 베인들(62) 각각은 상기 분리판(50)과 접촉하는 자유 단부를 갖는, 연료 전지(2).
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 구조 부재(51)의 본체(60)가 분리판(50)에 접하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지(2).
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 구조 요소(55)의 본체(60)는 구조 부재(51)의 본체(60)에 접하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지(2).
  6. 제1항에 있어서, 구조 요소(55)의 본체(60)는 구조 부재(51)의 본체(60)로부터 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지(2).
  7. 삭제
  8. 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리(10);와
    분리판(50)을 구비한 하나 이상의 양극판(40);을 포함하는
    연료 전지(2)에 있어서,
    상기 양극판(40)은 하나 이상의 구조 부재(51)를 포함하며,
    상기 구조 부재는,
    내부에 리세스들(65)이 형성되어 있는 본체(60)와,
    상기 리세스들(65)의 제1 측면들(70)로부터 외측으로 돌출되어 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리(10)까지 연장되는 제1 베인들(61)과,
    상기 리세스들의 제2 측면들(70)로부터 외측으로 돌출되는 제2 베인들(62)을 포함하고,
    상기 리세스들(65)은 직사각형 형태로 형성되고 대향하는 종방향 측면들(70)과, 상기 대향하는 종방향 측면들(70)에 직각인 대향하는 횡방향 측면들(72)을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 베인들(61, 62)은 상기 리세스들(65)의 대향하는 종방향 측면들(70)로부터 외측으로 돌출하고,
    리세스들(65)의 하나 이상의 대향하는 횡방향 측면들(72)로부터 하나 이상의 핀부(63)가 본체(60)로부터 외측으로 돌출하는, 연료 전지(2).
  9. 제1항에 있어서, 본체(60)로부터 이격된 상기 구조 부재(51)의 제1 및 제2 베인들(61, 62)의 자유 단부들은 방향 전환부(69)를 구비한 것을 특징으로 하는, 연료 전지(2).
  10. 삭제
  11. 제1항의 연료 전지(2)를 포함하는 차량.
  12. 제11항에 있어서, 상기 차량은 전기 차량(EV)인 차량.
  13. 제11항에 있어서, 상기 차량은 하이브리드 차량(HEV)인 차량.
  14. 제11항에 있어서, 상기 차량은 플러그 인 하이브리드 차량(PHEV)인 차량.
  15. 제8항에 있어서, 하나 이상의 구조 부재(51)의 본체(60)가 분리판(50)에 접하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지(2).
  16. 제8항에 있어서, 본체(60)로부터 이격된 상기 제1 및 제2 베인 베인들(61, 62)의 단부들은 방향 전환부(69)를 구비한 것을 특징으로 하는, 연료 전지(2).
  17. 제8항의 연료 전지(2)를 포함하는 차량.
  18. 제17항에 있어서, 상기 차량은 전기 차량(EV)인 차량.
  19. 제17항에 있어서, 상기 차량은 하이브리드 차량(HEV)인 차량.
  20. 제17항에 있어서, 상기 차량은 플러그 인 하이브리드 차량(PHEV)인 차량.
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