KR102595055B1

KR102595055B1 - 연료 전지 어셈블리 및 연료 전지 스택용 단위 전지

Info

Publication number: KR102595055B1
Application number: KR1020207013632A
Authority: KR
Inventors: 마쿠스 그레처; 노르버트 클루이
Original assignee: 아우디 아게
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2023-10-30
Also published as: JP2021503161A; JP6932851B2; US11557772B2; CN111344887A; US20200280078A1; DE102017220353A1; WO2019096482A1; DE102017220353B4; KR20200087154A

Abstract

본 발명은, 캐소드, 애노드, 그리고 캐소드와 애노드 사이에 배치된 멤브레인을 포함한 멤브레인 전극 어셈블리(2)와; 실질적으로 멤브레인 전극 어셈블리(2)를 통해 기설정된 활성 영역(3)과; 멤브레인 전극 어셈블리(2)에 측면에 할당된 밀봉 구조부(4)를; 포함하는 연료 전지 어셈블리(1)에 관한 것이다. 밀봉 구조부(4)는, 인접한 양극판(7) 내에 형성되어 테두리 영역(5) 내에 위치하는 매체 채널(8)의 축방향 기밀 커버링을 위해, 활성 영역(3)의 바깥쪽에서 테두리 영역(5) 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는 밀봉 설형부(6)를 포함한다. 또한, 본 발명은 상기 연료 전지 어셈블리를 포함하는 연료 전지 스택을 위한 단위 전지에 관한 것이다.

Description

연료 전지 어셈블리 및 연료 전지 스택용 단위 전지

본 발명은 연료 전지 어셈블리, 그리고 상기 연료 전지 어셈블리를 포함하는 연료 전지 스택을 위한 단위 전지(unit cell)에 관한 것이다.

연료 전지 어셈블리는, 특히 캐소드, 애노드, 그리고 캐소드와 애노드 사이에 배치된 멤브레인을 포함하는 멤브레인 전극 어셈블리를 포함한다. 멤브레인 전극 어셈블리를 통해, 또는 멤브레인 전극 어셈블리의 치수들을 통해, 실질적으로 활성 영역이 기설정되며, 이 활성 영역 내에서는 연료 전지의 전기화학 반응이 수행된다. 이 경우, 멤브레인 전극 어셈블리에는 그 측면에, 특히 반응 매체들이 전기화학 반응을 위해 요구되는 곳에서만 유동할 수 있는 점을 보장하는 밀봉 구조부가 할당된다.

DE 19703214 C1호에는, 청구항 제1항의 전제부에 따른 연료 전지 어셈블리가 도시되어 있다. 이 경우, 테두리 측에서 멤브레인 전극 어셈블리의 캐소드 및 애노드 상에 씰(seal)이 부착되거나 함침된다. 애노드 또는 캐소드로 매체를 공급하기 위해, 멤브레인 전극 어셈블리 내에는, 캐소드 또는 애노드를 향해 측면으로 형성된 개구부들을 포함하는 수직 공급부, 다시 말해 적층 방향(stacking direction)으로 연장되는 공급부가 형성된다. 이러한 구성은 바람직하지 못한데, 왜냐하면 멤브레인 전극 어셈블리를 통과하여 수직으로 연장되는 피드쓰루(feed-through)로 인해, 멤브레인 전극 어셈블리에 의해 기설정된 활성 영역이 감소하기 때문이다.
청구항 제1항의 전제부의 특징들을 기술하는 DE 10 2010 024 316 A1호에는, 연료 전지의 양극판을 위한 씰이 기술되어 있으며, 이 씰 내에는 매체 공급부 및 매체 배출부가 형성되어 있다. 상기 씰은 부분적으로 탄성 변형될 수 있으며, 그에 따라 씰은 별도의 부품으로서 사전 제조될 수 있고, 씰의 일시적인 신장을 통해 양극판이 씰링 내로 삽입된다. 신장되는 대신, 씰이 사출 성형될 수도 있다. JP 2007 287364 A호에도 마찬가지로 연료 전지 어셈블리를 구비한 단위 전지가 기술되어 있으며, 상기 단위 전지는 반응 매체의 의도하지 않은 유출에 대한 보호부로서 밀폐용 씰 구조부를 포함한다. US 2007/196716 A1호에도 마찬가지로 연료 전지 어셈블리 및 상기 연료 전지 어셈블리를 구비하고 양극판(25)을 포함하는 단위 전지가 기술되어 있으며, 상기 연료 전지 어셈블리 및 상기 단위 전지는 밀봉 구조부(23)를 갖는다. US 2011/318 666 A1호는, 직사각형 기본형의 스택보다 더 돌출되는 영역들[돌출부들(214, 216, 218, 226)] 내에 매체 포트들(media port)이 제공되어 있는 연료 전지 스택을 기술하고 있다. JP 2008 140 740 A)호에는, 작동 매체들의 분배를 위해 밀봉 구조부가 사용되는 연료 전지 스택이 기술되어 있다.

그러므로 본 발명의 과제는, 활성 영역이 유지되거나 최대화되는 연료 전지 어셈블리를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 과제는, 매우 유리하게 제조될 수 있는 연료 전지 스택을 위한 상응하는 단위 전지를 제공하는 것이다.

연료 전지 어셈블리와 관련된 과제는 청구항 제1항의 특징들을 갖는 연료 전지 어셈블리를 통해 해결된다. 이 경우, 특히 밀봉 구조부는 테두리 영역 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는 밀봉 설형부(sealing tongue)를 포함한다. 테두리 영역은 활성 영역의 바깥쪽에 배치된다. 활성 영역은 주연 측에서 비활성 테두리 영역에 의해 한정되는데, 이때 테두리 영역은 인접한 양극판의 치수들에 의해 기설정된다. 테두리 영역 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는 밀봉 설형부는, 상기 인접한 양극판 내에 형성되어 테두리 영역 내에 위치하며 양극판의 모서리까지 연장되는 매체 채널(media channel)을 축방향으로 기밀 방식으로 커버하도록 형성된다. 테두리 영역과 밀봉 설형부는 최소 치수들로 감소될 수 있고, 그럼으로써 반응 매체들 또는 냉각 매체들과 같은 매체들의 측면 공급, 그에 따라 적층 방향에 대해 수직으로 배향되는 공급이 가능해진다.

바람직한 것으로서 증명된 점에 따르면, 밀봉 구조부, 특히 밀봉 구조부의 밀봉 설형부는, 밀봉 구조부에 축방향으로 작용하는 압축 응력 및/또는 인장 응력과 관련하여 형태 안정적으로 형성된다. 그에 따라, 연료 전지 어셈블리는 양극판 상에 형태 안정적으로 평면으로 안착될 수 있는 점이 보장된다. 그에 반해, 밀봉 설형부만이 형태 안정적으로 형성된다면, 테두리 영역에서, 인접한 양극판 내에 형성된 하나 또는 복수의 매체 채널을 평면으로 커버하는 점이 달성된다. 바람직하게 밀봉 구조부는 플라스틱 또는 플라스틱 혼합물로 형성된다. 고온 압축 공정 시에도 밀봉 구조부의 형태 안정성을 유지하기 위해, 바람직하게는 상기 플라스틱 또는 상기 플라스틱 혼합물은 높은 열적 안정성(형태 안정성)을 갖는다.

밀봉 설형부의 밀봉 기능을 보장하기 위해, 밀봉 설형부가 테두리 영역을 넘어 연장되는 것이 유용할 수 있다.

멤브레인 전극 어셈블리의 애노드에 대한 캐소드의 추가 밀폐를 위해, 바람직하게는 밀봉 구조가 멤브레인 전극 어셈블리를 측면에서 밀폐하는 밀봉 에지(sealing edge)를 포함한다.

연료 전지 스택을 위한 단위 전지(Unit cell)에 관련된 과제는 청구항 제5항의 특징들을 갖는 단위 전지를 통해 해결된다.

특히, 상기 단위 전지는, 연료 전지 어셈블리뿐만 아니라, 멤브레인 전극 어셈블리에 인접하여 배치된 제1 양극판도 포함한다. 제1 양극판은 마찬가지로 테두리 영역과 활성 영역으로 분할되며, 제1 양극판은 테두리 영역 상에 연료 전지 어셈블리의 밀봉 설형부를 통해 축방향으로 기밀 방식으로 커버되는 매체 채널을 포함한다. 상기 매체 채널은, 활성 영역 내로 또는 외부로 매체를 이송하도록 형성된다.

여기서도, 양극판이 표면 면적과 관련하여 최소화될 수 있다는 장점이 확인되었다. 이 경우, 활성 표면 내지 활성 영역은 유지되며, 활성 영역 바깥쪽의 테두리 영역은 최소 면적으로 감소될 수 있다. 이 경우, 관련 매체의 공급은 분리된 장치를 통해 수행되며, 그럼으로써 양극판은 적층 방향으로 형성되는 매체 공급부 없이 형성된다. 이 경우, 활성 영역 내로 매체의 공급은 측면에서 또는 옆에서, 그에 따라 연료 전지 스택의 적층 방향에 대해 수직으로 수행된다.

활성 영역을 훨씬 더 넓게 확대시킬 수 있도록 하기 위해, 제1 양극판이 테두리 영역 내에 제1 매체 유입 채널 및 제1 매체 배출 채널을 포함하는 것이 유용하다. 활성 영역 내에서 양극판 내에는, 제1 매체 유입 채널 및 제1 매체 배출 채널과 유동 연결되는 제1 유로(flow field)가 형성된다. 그 밖에도, 밀봉 구조부는, 테두리 영역 내로 또는 그에 걸쳐 연장되고 제1 유입구 밀봉 설형부(inlet sealing tongue)로서 형성된, 제1 매체 유입 채널의 축방향 기밀 커버링을 위한 밀봉 설형부를 포함한다. 또한, 테두리 영역 내로 또는 그에 걸쳐 연장되고 제1 배출구 밀봉 설형부로서 형성된, 제1 매체 배출 채널의 축방향 기밀 커버링을 위한 밀봉 설형부도 제공된다.

하나 또는 복수의 제1 매체 유입 채널 및 하나 또는 복수의 매체 배출 채널은 양극판의 동일한 모서리에 또는 상이한 모서리들에 형성될 수 있다. 바람직한 실시형태에서 하나 이상의 제1 매체 유입 채널은 양극판의 제1 모서리에 형성되고, 하나 이상의 제1 매체 배출 채널은 상기 제1 모서리에 대향하여 놓이는 양극판의 모서리에 배치된다. 또한, 매체 유입 채널과 매체 배출 채널이 서로 대향하여 배치되는 경우, 일측 모서리의 매체 유입 채널이 그에 대향하여 위치하는 타측 모서리의 제1 매체 배출 채널에 대해 측면으로 오프셋되어 배치되는 것이 유용할 수 있다.

연료 전지 스택의 바람직한 구현예는, 제2 매체 유입 채널 및 제2 매체 배출 채널을 포함하는 제2 양극판을 제공한다. 제2 양극판도 제2 매체 유입 채널 및 제2 매체 배출 채널과 유동 연결된 제2 유로를 포함한다. 또한, 밀봉 구조부는, 테두리 영역 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는, 제2 매체 유입 채널의 축방향 기밀 커버링을 위한 제2 유입구 밀봉 설형부와, 테두리 영역 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는, 제2 매체 배출 채널의 축방향 기밀 커버링을 위한 배출구 밀봉 설형부를 포함한다. 제2 양극판의 경우에도, 매체 채널들은 동일한 모서리에 또는 상이한 모서리들에 배치될 수 있다.

상기 구현예에는, 이제 2가지 매체가 테두리 영역을 경유하여 활성 영역 내에 도달할 수 있다는 장점이 있다. 이들은 바람직하게는 연료 전지 시스템의 두 반응 매체이지만, 냉각 매체가 이용될 수도 있다. 그 밖에도, 상기 구현예에 의해, 활성 영역은 여전히 최대화될 수 있고, 밀봉 설형부들의 상응하는 구조의 경우에는 테두리 영역이 최소화될 수 있다.

제1 양극판과 제2 양극판을 작동 안전 상태에서 서로 기밀 방식으로 연결할 수 있도록 하기 위해, 제1 양극판과 제2 양극판 사이에 공동부들을 포함하는 복합층이 제공되는 것이 유용한 것으로 입증되었다. 이 복합층은, 활성 영역을 측면에서 기밀 방식으로 밀폐하도록 형성된다. 공동부들의 영역에서는, 하나 또는 복수의 매체 채널이 보존(유지)된다. 그에 따라, 매체 채널들, 예컨대 매체 유입 채널들 또는 매체 배출 채널들이 복합층에 의해 밀폐되거나 막히지 않는 점이 보장된다. 이 경우, 복합층은, 제2 양극판과 제1 양극판을 접합하기 위한 접합 재료로 형성된 접합층으로서 제공된다. 복합층은 u자 형태로 양극판 상에 적층될 수 있으며, 그에 따라 복합층은 활성 영역을 유지한다.

연료 전지 어셈블리와 양극판들의 작동 안전적인 연결 및 추가 밀폐를 위해, 복합층이 다중 부재형으로 형성되고, 제1 유입구 밀봉 설형부 및 제1 배출구 밀봉 설형부는 돌출부들의 형성을 위해 복합층의 공동부들보다 더 돌출되는 것이 바람직한 것으로서 확인되었다. 돌출부에 의해, 연료 전지 스택에 적층 방향으로 압축력 또는 인장력이 가해지는 경우에도, 밀봉 설형부들이 자신의 밀봉 기능을 소실할 수도 있을 정도로 변위되거나 압축되거나 신장되지 않는 점이 보장된다.

제1 유입구 밀봉 설형부 및 제1 배출구 밀봉 설형부 상에 복합층과의 중첩부들을 형성하는 연결층이 적층되면, 밀폐가 추가로 개선될 수 있다. 연결층도, 한편으로는 복합층과 접합되고 다른 한편으로는 매체 채널들의 영역에서 제1 양극판을 제2 양극판과 접합하는 접합층으로서 이해될 수 있다.

하기에서 본 발명은 도면에 도시된 실시예들에서 더 상세하게 설명된다.

도 1은 연료 전지 어셈블리의 평면도이다.
도 2는 (제1) 양극판의 평면도이다.
도 3은 도 2의 "III-III"를 따라 잘라낸 단면도이다.
도 4는 도 2의 (제1) 양극판에 복합층이 적층된 상태를 도시한 평면도이다.
도 5는 도 4의 "V-V"를 따라 잘라낸 단면도이다.
도 6은 도 1의 연료 전지 어셈블리가 올려져 있는 도 4의 (제1) 양극판을 포함하는 단위 전지를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 "VII-VII"를 따라 잘라낸 단면도이다.
도 8은 도 6의 단위 전지에 연결층이 적층되어 있는 모습을 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 "IX-IX"를 따라 잘라낸 단면도이다.
도 10은 도 8의 단위 전지에 상응하면서 제2 양극판을 포함하는 단위 전지를 도시한 도면이다.
도 11은 단위 전지의 비압축 상태에서 도 10의 "XI-XI"를 따라 잘라낸 단면도이다.
도 12는 단위 전지의 압축 상태에서 도 10의 "XII-XII"를 따라 잘라낸 단면도이다.
도 13은 (제2) 양극판의 하면도, 다시 말해 멤브레인 전극 어셈블리 쪽을 향해 있는 양극판의 면을 바라보고 도시한 도면이다.
도 14는 도 13의 "XIV-XIV"를 따라 잘라낸 단면도이다(일관성을 위해 본 단면도는 180도만큼 회전시켜 도시하였음).
도 15는 제1 양극판 및 이 제1 양극판에 인접하여 배치된 제2 양극판으로 구성된, 도 14에 상응하는 단면도이다.
도 16은 도 10에 따른 복수의 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 17은 스택 상에 측면으로 부착된 매체 가이드들을 포함하는, 도 16의 연료 전지 스택을 도시한 도면이다.

우선, 도시된 도면들의 치수, 크기 비율 및 규격은 고정되어 있지 않고 가변적임을 주지해야 한다. 특히 단면도들에서 개별 층들은, 이 개별 층들이 어느 상대 위치에서 어떠한 순서로 적층되는지를 이해할 수 있도록 도시되어 있다.

도 1에는, 캐소드, 애노드, 그리고 캐소드와 애노드 사이에 배치된 양자 전도성 멤브레인을 구비한, 중앙에 배치된 멤브레인 전극 어셈블리(2)를 포함하는 연료 전지 어셈블리(1)가 도시되어 있다. 상기 멤브레인 전극 어셈블리(2)에 의해, 실질적으로 도면에 안쪽 파선으로 도시되어 있는 활성 영역(3)이 기설정된다. 이 활성 영역(3)은 평면(x-y 평면) 내에서만 연장되는 것이 아니라, 종이 평면의 외부를 향하는 멤브레인 전극 어셈블리(2)의 적층 방향(z 방향)으로도 연장된다.

활성 영역(3)은, 멤브레인 전극 어셈블리(2)에 의해 형성된 연료 전지의 전기화학 반응이 일어나는 영역이다. 전기화학 반응 시, 연료(예: 수소)가 애노드로 공급되며, 그곳에서 연료는 전자들의 방출하에 촉매 산화되어 양자들을 생성한다. 이 양자들은 이온 교환 멤브레인을 통해 캐소드 쪽으로 이송된다. 연료 전지에서 방출된 전자들은 전기 부하 장치를 경유하여, 바람직하게는 차량의 구동을 위한 전기 모터 쪽으로 또는 배터리 쪽으로 흐른다. 이어서, 전자들은 캐소드 쪽으로 안내된다. 캐소드 상에서, 산화 매질(예: 산소 또는 산소 함유 공기)이 전자들을 흡수하면서 환원되어 음이온들을 생성하며, 이 음이온들은 즉시 양자들과 반응하여 물을 생성한다.

연료가 바로 캐소드에 도달하는 점, 또는 산화 매질이 바로 애노드에 도달하는 점을 보장하기 위해, 멤브레인 전극 어셈블리(2)의 측면에 밀봉 구조부(4)가 할당된다. 상기 밀봉 구조부(4)는, 테두리 영역(5) 내로 연장되거나 테두리 영역을 넘어 외부로 튀어나오는 구성요소들을 포함한다. 그에 따라, 상기 구성요소들은 활성 영역(3)의 바깥쪽에 배치된다. 달리 말하면, 테두리 영역(5)은 활성 영역(3)을 반경 방향으로, 측면 방향으로, 또는 주연 측에서 한정한다.

도면에서는, 밀봉 구조부(4)가, 인접한 양극판(7) 내에 형성되고 테두리 영역(5) 내에 위치하는 매체 채널(8)의 축방향 기밀 커버링을 위해, 테두리 영역(5) 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는 밀봉 설형부(6)를 포함하는 점이 확인된다. 도 1에 도시된 연료 전지 어셈블리는 총 4개의 밀봉 설형부(6)를 포함한다. 밀봉 설형부들(6) 중 2개는 연료 전지 어셈블리(1)의 상대적으로 더 짧은 쪽 모서리(9a)에 서로 대향하여 놓이도록 배치된다. 다른 두 밀봉 설형부(6)는 멤브레인 전극 어셈블리(1)의 긴 쪽 모서리(9b)에 서로 대향하여 놓이며 서로 오프셋되어 배치된다. 밀봉 설형부들(6)은 본 실시예에서 모두 직사각형 형태를 갖는다. 그러나 밀봉 설형부들의 다각형 형태들도 가능하며, 라운딩된 밀봉 설형부들(6)도 고려된다.

밀봉 구조부(4) 및 특히 밀봉 설형부들(6)은, 이들에 축방향으로 작용하는 압축 응력 및/또는 인장 응력과 관련하여 형태 안정적으로 형성된다. 또한, 밀봉 설형부들(6)이 테두리 영역(5)을 넘어 연장되는 점이 확인된다. 물론 밀봉 설형부들(6) 중 하나 이상이 테두리 영역(5) 안쪽으로만 연장되거나, 테두리 영역을 완전히 덮지 않거나, 또는 측방으로 테두리 영역을 넘어 튀어나오는 것도 가능하다.

또한, 밀봉 구조부(4)가 멤브레인 전극 어셈블리(2)를 측면에서 밀폐하는 밀봉 에지(10)를 갖는 점도 확인된다. 밀봉 에지(10)에 의해 형성된 밀봉 라인은 매체들이 측면으로 유출되지 않도록 멤브레인 전극 어셈블리(2)를 밀폐한다.

도 2에는, 양극판(7)이 도시되어 있으며, 이 양극판을 통해 연료 전지 어셈블리(1)와 함께 연료 전지 스택(12)을 위한 단위 전지(11)가 형성될 수 있다. 상기 제1 양극판(7a)은 마찬가지로 파선으로 도시된 내부 활성 영역(3)과 파선으로 도시된 외부 테두리 영역(5)을 포함한다. 테두리 영역(5) 내에는, 복수의 매체 채널(8)이 제공되며, 이들 매체 채널은 도면에서 좌측에 도시된 제1 매체 유입 채널들(8a)과 도면에서 우측에 도시된 제1 매체 배출 채널들(8b)로 분할될 수 있다.

본 도면에서는, 제1 매체 유입 채널(8a) 5개와 제1 매체 배출 채널(8b) 5개가 제1 양극판(7a) 내에 형성되어 있다. 다른 개수도 가능하다. 제1 매체 유입 채널들(8a)은 제1 유로(13a)를 통해 제1 매체 배출 채널들(8b)과 서로 유동 연결된다. 상기 유로(13a)는 활성 영역(3) 내에 위치되며, 인접한 멤브레인 전극 어셈블리(2)에 반응 매체를 공급할 수 있다. 도 2에 따른 실례에서, 유로(13a)는 멤브레인 전극 어셈블리(2)의 표면에 걸쳐서 반응 매체의 균일한 분배를 위해 복수의 가이드 또는 벽부(14)를 포함한다. 그러나 다른 유형의 유로들(13a)도 사용할 수 있으며, 예컨대 반응 매체의 유동이 곡류 형태로 활성 표면의 영역에 걸쳐 안내되는 유로들도 사용될 수 있다. 그 밖에도, 벽부들(14) 또는 웨브들의 이격 간격도 변동할 수 있다. 인접한 벽부들(14)을 통해 형성된 채널의 깊이도 상이한 깊이로 형성될 수 있고 가변적이다.

도 2의 "III-III"에 따른 단면인 도 3에 나타나 있듯이, 멤브레인 전극 어셈블리(2)로부터 먼 쪽을 향하는 양극판(7a)의 측에도, 다른 매체, 예컨대 냉각 매체의 관류를 위해 이용되는 유로(13c)가 형성된다.

도 4에 도시된 것처럼, 제1 양극판(7a) 상으로 테두리 영역(5) 내에 복합층(15), 특히 접합층이 적층된다. 상기 복합층(15)은 다중 부재형으로 형성되고, 매체 채널들(8a, 8b)의 영역에 공동부들(16)을 포함한다. 공동부들(16)은, 매체 유입 채널들(8a) 및 매체 배출 채널들(8b)이 밀폐되지 않고 차후의 매체 안내를 허용하는 점을 보장한다.

테두리 영역(5) 내에 부착된 복합층(15)은 제1 양극판(7a)의 긴 쪽 모서리(17a)를 따라서 연장되며, 그럼으로써 양극판(7)의 치수들에 의해 기설정된 테두리 영역(5)과의 동일 평면 종결부가 형성된다. 상기 복합층(15)을 통해 활성 표면 내지 활성 영역(3)이 주변 환경에 대해 밀폐되며, 복합층(15)의 재료는 상기 밀봉 기능이 보장되도록 선택된다. 복합층(15)의 재료로서, 밀봉 구조부(4) 또는 밀봉 설형부들(6)의 플라스틱 또는 플라스틱 혼합물에 비해 열적 안정성이 더 낮은 플라스틱 또는 플라스틱 혼합물이 사용될 수 있다. 그럼으로써 밀봉 설형부들(6)은 고온 압축 공정에서 복합층(15) 내로 가라앉을 수 있고, 바람직하게는 상기 복합층과 융합될 수 있으며, 이때 밀봉 설형부들(6)은 자신의 형태 안정성을 유지한다. 달리 말하면, 밀봉 구조부(4)의 재료의 용융점은 복합층(15)의 재료의 용융점보다 높다. 도 4의 V-V에 따른 단면인 도 5에서는, 양극판의 긴 쪽 모서리(17a)를 따라서 양극판(7)과 복합층(15) 또는 접합 재료의 동일 평면 종결부가 확인된다. 복합층(15)의 선택된 도면은 예시적인 것이다. 복합층은 제1 양극판(7a)보다 훨씬 더 얇게 형성될 수 있다.

이제 연료 전지 스택(12)을 위한 단위 전지(11)를 형성하기 위해, 도 1에 도시된 멤브레인 전극 어셈블리(2)는 복합층(15)으로 덮여 있는, 도 4에 따른 제1 양극판(7a) 상에 적층되거나 올려진다(도 6). 이 경우, 좌측에 있는 연료 전지 어셈블리(1)의 밀봉 설형부(6)는 제1 양극판(7a)의 좌측 매체 채널들(8)을 축방향으로 기밀 방식으로 커버한다. 연료 전지 어셈블리(1)의 우측 밀봉 설형부(6)는 제1 양극판(7a)의 우측 매체 채널들(8)을 축방향으로 기밀 방식으로 커버한다. 달리 말하면, 좌측 밀봉 설형부(6)는 제1 매체 유입 채널(8a)의 축방향 기밀 커버링을 위한 제1 유입구 밀봉 설형부(6a)로서 형성된다. 그에 상응하게, 우측 밀봉 설형부(6)는 우측의 제1 매체 배출 채널(8b)의 축방향 기밀 커버링을 위한 제1 배출구 밀봉 설형부(6b)로서 형성된다. 양극판(7a)의 긴 쪽 모서리(17a)에 제공된 밀봉 설형부들(6)은 복합층(15) 상에 안착된다. 이 밀봉 설형부들은 제2 유입구 밀봉 설형부(6c)와 제2 배출구 밀봉 설형부(6d)로 분할된다. 바람직하게는, 축방향 압력이 단위 전지(11)에 가해지면, 예컨대 단위 전지(11)의 (고온) 압축 시, 제2 밀봉 설형부들(6c, 6d)은 복합층(15) 내로 가라앉는다.

중앙 영역에서는, 다시 말해 활성 영역(3)이 위치한 곳에서는, 연료 전지 어셈블리(1)의 밀봉 구조부(4)가 자신의 외부 윤곽과 관련하여 복합층(15)에 의해 기설정된 내부 윤곽에 매칭된다. 이 경우, 밀봉 구조부(4)에서 밀봉 설형부가 없는 섹션들은 복합층과의 접촉점들, 접촉선들(18) 또는 접촉면들을 형성하며, 그럼으로써 밀봉 기능이 추가로 보장된다.

도 6의 "VII-VII"에 따른 단면인 도 7에는, 단위 전지(11)의 압축되지 않은 단면도가 도시되어 있다. 여기서는, 제1 밀봉 설형부들(6a, 6b)이 복합층(15)보다 더 돌출되어 상기 복합층과 함께 돌출부들(19)을 형성하는 점이 확인된다. 이 경우, 측면 방향으로 필요한 밀폐가 보장된다. 여기서도, 선택된 도면이 정확한 축척으로 도시되었다고 해석되어서는 안 된다. 개별 층들의 두께들은, 특히 단일의 공통 층과 같은 느낌을 줄 수 있거나 그처럼 작용할 수 있게 하는 연결 공정 또는 접합 공정(고온 압축 공정)에 따라 가변적이다. 이 경우, 유입구 밀봉 설형부(6a)와 채널들(8) 사이에 위치하는 공동부(16)의 영역도, 유입구 밀봉 설형부들(6a)이 채널들(8)을 축방향으로 덮을 정도로 최소화된다. 이제 적층 방향으로 제1 유입구 밀봉 설형부(6a)의 하부에서 멤브레인 전극 어셈블리(2)로 매체가 공급될 수 있다. 그런 다음, (부분적으로) 소모된 매체는 적층 방향으로 제1 배출구 밀봉 설형부(6b)의 하부에서 연료 전지 스택(12)의 단위 전지(11)를 벗어난다.

도 8에서는, 제1 유입구 밀봉 설형부(6a) 및 제1 배출구 밀봉 설형부(6b) 상에, 추가 접합층으로서 제공된 연결층(20)이 적층된다. 복합층(15)과 연결층(20)은, 적층 방향으로 제2 양극판(7b)과 제1 양극판(7a)의 확실한 연결을 보장한다. 복합층(15)은, 두 층이 적층 방향으로 접촉면을 갖는 방식으로, 연결층(20)과의 중첩부들(21)을 형성한다. 그로 인해 밀봉 기능이 보장된다. 중첩부들(21)은, 도 8의 "IX-IX"에 따른 단면인 도 9에서 더 상세히 볼 수 있다. 여기서도, 개별 층들의 적층 배치를 명료하게 나타내기 위해, 축척에 맞지 않는 도해가 선택되었다.

이제, 복합층(15) 및 이 복합층과 연결된 연결층(20) 상에 제2 양극판(7b)이 적층될 수 있다. 이는 도 10에서 알 수 있다. 제1 양극판(7a)과 제2 양극판(7b)은, 제1 양극판(7a), 연료 전지 어셈블리(1) 및 제2 양극판(7b)으로 구성된, 기껏해야 작은 돌출부들을 갖는 단위 전지가 형성되는 방식으로, 접합층들을 통해 서로 접합될 수 있다.

제1 양극판(7a)처럼, 도 10과 도 13에 도시된 제2 양극판(7b)도, 멤브레인 전극 어셈블리(2)로부터 먼 쪽을 향해 있는 측에 냉각 매체의 안내를 위한 유로(13c)를 포함한다. 이 유로(13c)는 실질적으로 활성 영역(3) 내에 위치한다. 상기 유로는, 냉각제 유입 채널들(8e) 및 냉각제 배출 채널들(8f)과 유동 연결된다.

그러나 제2 양극판(7b)은, 멤브레인 전극 어셈블리(2) 쪽을 향해 있는 측에, 하나 또는 복수의 제2 매체 유입 채널(8c)과 하나 또는 복수의 제2 매체 배출 채널(8d)을 포함한다(도 13). 그 밖에도, 제2 양극판은 제2 매체 유입 채널(8c) 및 제2 매체 배출 채널(8d)과 유동 연결된 제2 유로(13b)를 포함하며, 이 제2 유로를 경유하여 반응 매체가 멤브레인 전극 어셈블리(2)로 공급될 수 있다.

도 10의 "XI-XI"에 따른 단면인 도 11에는 단위 전지(11)가 비압축 내지 비접합 상태로 도시되어 있는 반면, "XII-XII"에 따른 단면인 도 12에는 접합 공정 이후의 구성이 도시되어 있다. 도 11에서는, 적층 방향으로 제2 양극판(7a)이 연결층(20) 및 복합층(15) 상에 적층되어 있는 점만 확인된다. 두 밀봉 설형부(6c, 6d)는 비접합 도면에서는 여전히 확인되지 않는다. 이들 밀봉 설형부는 유입구 밀봉 설형부(6a)에 비해 -도 11의 도면과 관련하여- "보다 더 안쪽에" 위치되는데, 그런 이유에서 상기 두 밀봉 설형부에는 단면 빗금(section hatch)이 없다. 접합 또는 고온 압착 공정 이후에는, 제2 유입구 밀봉 설형부(6c)와 제2 배출구 밀봉 설형부(6d)가 본 도면에서 더 이상 보이지 않는다. 이들은 바람직하게 복합층(15) 내에 매립되어 있을 수 있다.

도 12에는, 복합층(15)이 접합 또는 고온 압축 공정 이후에 제1 양극판(7a)뿐만 아니라 제2 양극판(7b)에 맞닿거나 접촉하고, 양극판들(7)은 복합층(15)을 통해 서로 연결되어 있거나 서로 접합되어 있는 점이 도시되어 있다. 그 외에도, 제2 매체 유입 채널들(8c)이 테두리 영역(5) 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는 제2 유입구 밀봉 설형부(6c)를 통해 축방향으로 기밀 방식으로 덮여 있는 점도 확인된다. 이에 상응하는 거동은, 테두리 영역(5) 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는 제2 배출구 밀봉 설형부(6d)가 하나 또는 복수의 제2 매체 배출 채널(8d)을 축방향으로 기밀 방식으로 커버하기 위해 제공되는 곳인, 제2 양극판(7b)의 대향하는 모서리들(17a)에서도 나타난다. 도 12에서는, 그 밖에도, 제2 반응 매체가 적층 방향으로 밀봉 구조부(4)의 상부에서 멤브레인 전극 어셈블리(2)로 안내되는 점도 확인된다. 그에 상응하게, 적층 방향으로 밀봉 구조부(4)의 상부에서도 (부분적으로) 소모된 제2 반응 매체는 다시 단위 전지(11) 외부로 또는 연료 전지 스택(12) 외부로 안내된다.

도 13의 "XIV-XIV"에 따른 단면인 도 14에서는, 재차, 제2 양극판(7b) 상에 형성된, 멤브레인 전극 어셈블리(2)로부터 먼 쪽을 향하는 냉각제 유로(13c)가 확인된다.

이어서 도 15에서는, 제1 단위 전지(11)의 제2 양극판(7b)이 추가 단위 전지(11)의 제1 양극판(7a)과 함께 냉각 매체의 통과를 위한 완전한 채널 횡단면을 형성하는 점이 확인된다. 이 경우, 제1 단위 전지(11)의 제2 양극판(7b)과 추가 단위 전지(11)의 제1 양극판(7a)은 마찬가지로 접합 수단 또는 접합 매체에 의해 서로 접합될 수 있다.

본 실시예의 구조는, 양극판들(7)의 고가의 재료를 절약하기 위해, 테두리 영역(5)을 최대한 협폭으로 형성하는 것을 허용한다. 그럼에도, 선택된 구성을 통해, 각자의 단위 전지(11)의 확실한 밀폐가 보장되고, 이는 공지된 단위 전지들에 비해 활성 영역(3)의 최대화를 허용한다.

도 16에는, 복수의 단위 전지(11)로 형성된 연료 전지 스택(12)이 예시적으로 도시되어 있다. 이 연료 전지 스택(12)에는, 양극판(7)이 공지된 양극판들에 비해 더 작은 치수로 형성될 수 있음으로써, 연료 전지 스택(12)의 제조 비용이 감소된다는 장점이 있다. 본 실시예에서는 양극판들(7)이 직사각형으로 형성되어 있지만, 본 발명은 양극판들(7)의 정규 형태로 지정되는 것이 아니라, 제한 없이, 예컨대 원형 또는 만곡된 라인 구성들(line layout)을 갖는 임의의 형태로도 적용될 수 있다.

양극판들(7)의 내부에서 적층 방향으로 또는 수직으로 형성된 채널들이 생략될 수 있기 때문에, 개별 전지들 또는 단위 전지들에 대해 반응 매체들 및/또는 냉각 매체를 반경 방향으로 또는 측방으로 공급하거나 배출할 수 있다.

매체 가이드들(22)의 가능한 배치는 도 17에 도시되어 있다. 여기서는, 적층 방향으로 연장되면서 연료 전지 스택(12) 상에 측면에 부착되는 매체 가이드들(22)이 제공된다. 상기 매체 가이드들(22)은 양극판들(7)과 다른 재료로 형성될 수 있으며, 그럼으로써 연료 전지 스택(12)은 그에 상응하게 유리하게 제조될 수 있다. 단위 전지들의 짧은 쪽 모서리에 배치된 두 매체 가이드(22a, 22b)는 예컨대 애노드 가스(또는 수소)를 멤브레인 전극 어셈블리(2)의 애노드 챔버들 또는 애노드로 공급하거나 그로부터 배출시킨다. 후방 우측의 매체 가이드(22c)는 예컨대 캐소드 가스를 멤브레인 전극 어셈블리(2)의 캐소드 챔버들 또는 캐소드로 공급하는 한편, (부분적으로) 소모된 캐소드 가스는 양극판들(7)의 긴 쪽 모서리에서 전방 좌측의 매체 가이드(22d)로부터 다시 배출된다. 긴 쪽 모서리에서 후방 좌측, 그리고 긴 쪽 모서리에서 전방 우측의 매체 가이드들(22e, 22f)은 제1 단위 전지(11)의 제2 양극판(7b)과, 제1 단위 전지(11)에 인접하여 배치된 제2 단위 전지(11)의 제1 양극판(7a) 사이에서 냉각 매체의 공급 및 배출을 위해 이용된다.

1: 연료 전지 어셈블리
2: 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)
3: 활성 영역
4: 밀봉 구조부
5: 테두리 영역
6: 밀봉 설형부
6a: 제1 유입구 밀봉 설형부
6b: 제1 배출구 밀봉 설형부
6c: 제2 유입구 밀봉 설형부
6d: 제2 배출구 밀봉 설형부
7: 양극판
7a: 제1 양극판
7b: 제2 양극판
8: 매체 채널
8a: 제1 매체 유입 채널
8b: 제1 매체 배출 채널
8c: 제2 매체 유입 채널
8d: 제2 매체 배출 채널
8e: 냉각제 유입 채널
8f: 냉각제 배출 채널
9a: 멤브레인 전극 어셈블리의 짧은 쪽 모서리
9b: 멤브레인 전극 어셈블리의 긴 쪽 모서리
10: 밀봉 링
11: 단위 전지
12: 연료 전지 스택
13a: 제1 유로
13b: 제2 유로
13c: 유로(냉각 매체)
14: 벽부
15: 복합층
16: 공동부
17a: 양극판의 긴 쪽 모서리
17b: 양극판의 짧은 쪽 모서리
18: 접촉선
19: 돌출부
20: 연결층
21: 중첩부
22: 매체 가이드
22a: 매체 가이드
22b: 매체 가이드
22c: 매체 가이드
22d: 매체 가이드
22e: 매체 가이드
22f: 매체 가이드

Claims

캐소드, 애노드, 그리고 캐소드와 애노드 사이에 배치된 멤브레인을 포함한 멤브레인 전극 어셈블리(2)와;
멤브레인 전극 어셈블리(2)를 통해 기설정된, 연료 전지의 전기화학 반응이 실시되는 활성 영역(3)과;
멤브레인 전극 어셈블리(2)의 측면에 할당되고, 전기화학 반응을 위해 필요한 곳으로만 반응 매체가 흘러가도록 형성된 밀봉 구조부(4);를 포함하는 연료 전지 어셈블리(1)로서,
인접한 양극판(7)의 치수들에 의해 기설정되며, 활성 영역(3)을 주연 측에서 제한하는 테두리 영역(5)이 제공되는, 연료 전지 어셈블리(1)에 있어서,
밀봉 구조부(4)는, 상기 인접한 양극판(7) 내에 형성되어 테두리 영역(5) 내에 위치하고 양극판(7)의 모서리(17a, 17b)까지 연장되며, 측면에서 활성 영역(3)의 내부로 또는 그 외부로 매체를 이송하도록 형성된 매체 채널(8)의 축방향 기밀 커버링을 위해, 활성 영역(3)의 바깥쪽에서 상기 테두리 영역(5) 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는 밀봉 설형부(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리(1).
제1항에 있어서, 밀봉 구조부(4)는, 상기 밀봉 구조부에 축방향으로 작용하는 압축 응력 및/또는 인장 응력과 관련하여 형태 안정적으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 밀봉 설형부(6)는 테두리 영역(5)을 넘어 연장되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 밀봉 구조부(4)는 멤브레인 전극 어셈블리(2)를 측면에서 밀폐하는 밀봉 에지(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 어셈블리(1).
연료 전지 스택(12)을 위한 단위 전지(11)로서,
제1항 또는 제2항에 따른 연료 전지 어셈블리(1); 및
멤브레인 전극 어셈블리(2)에 인접하여 배치되고, 테두리 영역(5) 상에 밀봉 설형부(6)에 의해 축방향으로 기밀 방식으로 커버되어 양극판(7)의 모서리(17a, 17b)까지 연장되며, 측면에서 활성 영역(3) 내로 또는 그 외부로 매체를 이송할 수 있도록 형성된 매체 채널(8)을 포함하는 제1 양극판(7a);을 포함하는, 연료 전지 스택용 단위 전지(11).
제5항에 있어서, 제1 양극판(7a)은 테두리 영역(5) 내에 제1 매체 유입 채널(8a) 및 제1 매체 배출 채널(8b)을 포함하고,
제1 양극판(7a)은 활성 영역(3) 내에 제1 매체 유입 채널(8a) 및 제1 매체 배출 채널(8b)과 유동 연결된 제1 유로(13a)을 포함하며,
밀봉 구조부(4)는, 테두리 영역(5) 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는, 제1 매체 유입 채널(8a)의 축방향 기밀 커버링을 위한 제1 유입구 밀봉 설형부(6a)와, 테두리 영역(5) 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는, 제1 매체 배출 채널(8b)의 축방향 기밀 커버링을 위한 제1 배출구 밀봉 설형부(6b)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택용 단위 전지(11).
제6항에 있어서, 제2 매체 유입 채널(8c) 및 제2 매체 배출 채널(8d)을 포함하는 제2 양극판(7b)이 제공되며,
제2 양극판(7b)은, 제2 매체 유입 채널(8c) 및 제2 매체 배출 채널(8d)과 유동 연결된 제2 유로(13b)를 포함하며,
밀봉 구조부(4)는, 테두리 영역(5) 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는, 제2 매체 유입 채널(8c)의 축방향 기밀 커버링을 위한 제2 유입구 밀봉 설형부(6c)와, 테두리 영역(5) 내로 또는 그에 걸쳐 연장되는, 제2 매체 배출 채널(8d)의 축방향 기밀 커버링을 위한 제2 배출구 밀봉 설형부(6d)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택용 단위 전지(11).
제7항에 있어서, 제1 양극판(7a)과 제2 양극판(7b) 사이에 공동부들(16)을 포함하는 복합층(15)이 제공되며, 상기 복합층은 활성 영역(3)을 측면에서 기밀 방식으로 밀폐하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택용 단위 전지(11).
제8항에 있어서, 복합층(15)은 다중 부재형으로 형성되며, 제1 유입구 밀봉 설형부(6a) 및 제1 배출구 밀봉 설형부(6b)는 돌출부들(19)의 형성을 위해 복합층(15)의 공동부들(16)보다 더 돌출되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택용 단위 전지(11).
제9항에 있어서, 제1 유입구 밀봉 설형부(6a) 및 제1 배출구 밀봉 설형부(6b) 상에 복합층(15)과의 중첩부들(21)을 형성하는 연결층(20)이 적층되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택용 단위 전지(11).