KR102603656B1 - 물관리가 최적화된 계단식 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

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아우디 아게
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Abstract

본 발명은, 막 전극 접합체(20) 및 하나 이상의 가스 확산층(21)을 포함하는 복수의 연료 전지(18)를 갖는 연료 전지 스택(5)에 관한 것으로, 이들 연료 전지는 복수의 연료 전지(18)의 일 부분을 구비하는 하나 이상의 제1 연료 전지 세그먼트(22) 및 복수의 연료 전지(18)의 다른 일 부분을 구비하는 하나 이상의 제2 연료 전지 세그먼트(23)로 세분되어 있으며, 이 경우 제1 연료 전지 세그먼트(22) 및 제2 연료 전지 세그먼트(23)는 하나의 공통 연료 전지 계단부(24) 내에 배열되어 있고, 제1 연료 전지 세그먼트(22)는 작동 매체용의 제1 수집 유입 라인(25)과, 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 제2 수집 유입 라인(27)과 통합된 상태로 형성된 제1 수집 유출 라인(26)을 포함하며, 그리고 이 경우 제2 연료 전지 세그먼트(23)는 제2 수집 유출 라인(28)을 포함한다. 제2 연료 전지 세그먼트(23) 내부에 있는 막 전극 접합체(20) 및/또는 가스 확산층(21)은, 제1 연료 전지 세그먼트(22)의 막 전극 접합체(20) 및/또는 가스 확산층(21)보다 더 방수성으로 형성되어 있다. 본 발명은, 또한 이와 같은 연료 전지 스택(5)을 갖는 연료 전지 시스템(1)과도 관련이 있다.

Description

물관리가 최적화된 계단식 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템
본 발명은, 막 전극 접합체 및 하나 이상의 가스 확산층을 포함하는 복수의 연료 전지를 갖는 연료 전지 스택에 관한 것이다. 바람직하게는, 각각 2개 이상의 가스 확산층들이 제공되어 있다. 연료 전지는, 복수의 연료 전지의 일 부분을 구비하는 하나 이상의 제1 연료 전지 세그먼트 및 복수의 연료 전지의 다른 또는 추가의 일 부분을 구비하는 제2 연료 전지 세그먼트로 세분되어 있다. 제1 연료 전지 세그먼트 및 제2 연료 전지 세그먼트는 하나의 공통 연료 전지 계단부 내에 배열되어 있다. 제1 연료 전지 세그먼트는, 작동 매체용의 제1 수집 유입 라인과, 제2 연료 전지 세그먼트의 제2 수집 유입 라인과 통합된 상태로 형성된 제1 수집 유출 라인을 포함한다. 제2 연료 전지 세그먼트는 제2 수집 유출 라인을 더 포함한다. 본 발명은, 또한 이와 같은 연료 전지 스택을 갖는 상응하는 연료 전지 시스템과도 관련이 있다. 이 경우, 제2 수집 유입 라인과 통합된 상태로 또는 일체로 형성된 제1 수집 유출 라인은 또한 단일 (수집)-부품으로서도 이해될 수 있다.
청구항 1의 전제부에 따른 상기와 같은 계단 형상의 또는 계단식(cascaded) 연료 전지 스택은, 예를 들어 US 2007/0128479 A1호에 도시되어 있다. 여기에서는, 제1 연료 전지 세그먼트의 수집 유출 라인이, 후속하는 제2 연료 전지 세그먼트의 수집 유입 라인을 동시에 형성한다. 이와 같은 계단 형태 스택의 장점은, 개별 연료 전지 세그먼트가 전체의 또는 완전한 연료 전지 스택보다 높은 화학량론을 갖는다는 데 있다. 이 경우, 최적의 구조는 세그먼트마다 동일한 화학량론을 제공하며, 공지된 해결책에서는 이와 같은 상황이 2개의 연료 전지 세그먼트들 내에 있는 상이한 수의 연료 전지에 의해서 달성된다. 작동 매체가 제1 연료 전지 세그먼트 내로 유입될 때에는, 최적의 반응 시퀀스를 보장하기 위하여, 작동 매체가 우선 가습되어야만 한다고 밝혀졌다. 이 목적을 위해, (하류에 배열된) 제2 연료 전지 세그먼트 내에서는 물 축적의 위험이 존재한다. 이와 같은 물 축적은 작동 불안정성을 초래한다. 축적된 물을 배출하기 위하여, 증가된 화학량론이 빈번하게 재차 사용된다.
그렇기 때문에, 본 발명의 과제는, 최적화된 물관리에 의해 안정적인 작동이 달성되도록, 서문에 언급된 유형의 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템을 개선하는 것이다.
연료 전지 스택과 관련된 과제는, 청구항 1의 특징 요건을 갖는 연료 전지 스택에 의해서 해결된다. 본 발명의 목적에 맞는 개선예들을 갖는 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 명시되어 있다. 특히, 본 발명에서는, 제2 연료 전지 세그먼트 내부에 있는 막 전극 접합체 및/또는 가스 확산층이, 제1 연료 전지 세그먼트의 막 전극 접합체 및/또는 가스 확산층보다 더 방수성으로 형성되어 있다. 이와 같은 형성은, 다시 말해 제2 연료 전지 세그먼트의 구성 요소들이 제1 연료 전지 세그먼트의 구성 요소들에서의 경우보다 더욱 강하게 나타나는 소수성 효과를 갖는다는 것을 의미한다. 그렇기 때문에, 제1 연료 전지 세그먼트는 건식 유입 조건 및 적은 물의 발생을 위해 설계되어 있는 한편, 제2 연료 전지 세그먼트는 높은 가스 습도 및 높은 물의 발생을 위해 설계되어 있다.
예를 들어, 제2 연료 전지 세그먼트의 막과 상이한 막이 제1 연료 전지 세그먼트에서 사용될 수 있다. 퍼플루오로술폰산 중합체(PFSA)로 형성된 양성자 전도성 막을 사용하는 것이 바람직한 것으로서 입증되었다. 이와 같은 막은 높은 산화 안정성을 갖는다. 대안적으로는, 술폰화 탄화수소 중합체(HC)가 막으로서 사용될 수 있다. 이 막은 퍼플루오로술폰산 중합체 막에 비해, 막의 두께가 동일한 경우에 더 적은 기체 투과를 특징으로 한다. 이로 인해, 제1 연료 전지 세그먼트의 막 전극 접합체가 제1 이오노머 타입의 막으로써 형성되는 것, 그리고 제2 연료 전지 세그먼트의 막 전극 접합체의 막이 제2 이오노머 타입으로 형성되는 것이 가능하다. 이들 이오노머 타입은, 제1 연료 전지 세그먼트에 비해 더 방수성인 제2 연료 전지 세그먼트가 생성되도록 선택되었다.
연료 전지 스택의 가능한 일 실시예에서는, 제1 연료 전지 세그먼트의 막 전극 접합체의 막의 당량이 제2 연료 전지 세그먼트의 막 전극 접합체의 막의 당량보다 낮다. 이 경우, 더 낮은 당량을 갖는 이오노머는 더 높은 당량을 갖는 이오노머보다 높은 물 저장 능력을 갖는다.
전형적으로, 막 전극 접합체의 전극(애노드/캐소드)은, 바람직하게 골조 형태로 형성된 이오노머에 의해 서로 연결된 탄소계 지지체들을 포함한다. 이 경우, 지지체는 촉매 활성 입자, 예컨대 백금 나노 입자를 구비할 수 있다. 또한, 제1 연료 전지 세그먼트 내 전극의 이오노머의 당량도 제2 연료 전지 세그먼트 내 전극의 이오노머의 당량보다 낮을 수 있다.
바람직하게, 이온 전도성 막의 당량 또는 전극의 이오노머의 당량은 600 그램 내지 1200 그램이다. 이 경우, 이온 전도성 막의 당량 또는 제1 연료 전지 세그먼트의 전극의 이오노머의 당량은 예를 들어 600 그램 내지 830 그램이다. 이온 전도성 막의 당량 또는 제2 연료 전지 세그먼트의 전극의 이오노머의 당량은 바람직하게는 830 그램 내지 1100 그램, 더욱 바람직하게는 900 그램 내지 1000 그램이다.
다른 바람직한 일 실시예에서, 제1 연료 전지 세그먼트의 막의 두께는 제2 연료 전지 세그먼트의 막의 두께보다 얇다. 또 다른 바람직한 일 실시예에서, 제1 연료 전지 세그먼트의 막의 두께는 4 마이크로미터(㎛) 내지 12 마이크로미터이고, 제2 연료 전지 세그먼트의 막의 두께는 14 마이크로미터 내지 35 마이크로미터이다. 수분 평형은 건조한 사용 조건에서 더 얇은 막에 의해 개선될 수 있으며, 여기에서는 물 운송이 촉진된다.
또 다른 대안적인 일 실시예는, 제2 연료 전지 세그먼트의 가스 확산층이 제1 연료 전지 세그먼트의 가스 확산층보다 큰 다공성을 갖는 것을 특징으로 한다. 더 높은 다공성에 의해서는, 연료 전지 스택으로부터의, 특히 제2 연료 전지 세그먼트로부터의 물 배출이 촉진되며, 이로써 더 높은 습도가 발생하는 곳에서 물 배출이 촉진된다. 예를 들어, 제1 연료 전지 세그먼트의 가스 확산층의 평균 공극 크기는 5 마이크로미터 미만, 바람직하게는 심지어 1 마이크로미터 미만이다. 이때, 제2 연료 전지 세그먼트의 평균 공극 크기는 5 마이크로미터 초과, 예를 들어 10 마이크로미터이다. 이로써, 제2 연료 전지 세그먼트 내부에서의 물 흡수 및 이로부터 상황에 따라 결과적으로 나타나는 물 넘침이 방지될 수 있다. 대안적으로 또는 보완적으로, 제1 연료 전지 세그먼트의 가스 확산층의 두께는 제2 연료 전지 세그먼트의 가스 확산층의 두께보다 얇을 수 있다.
제2 연료 전지 세그먼트로부터의 물 배출을 추가로 촉진하기 위하여, 제2 연료 전지 세그먼트의 가스 확산층이 소수성 코팅을 구비하는 경우가 바람직한 것으로서 입증되었다. 이와 같은 소수성 코팅은 예를 들어 비닐리덴플루오라이드, 테트라플루오르에틸렌, 에틸렌, 프로필렌 및 헥사플루오르프로필렌으로 이루어진 중합체 및 공중합체일 수 있다. 가스 확산층을 코팅, 가공 또는 함침시키기 위하여, 예를 들어 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리(테트라플루오르에틸렌-코-에틸렌)의 용액 또는 분산액이 사용될 수 있다.
이 경우, 가스 확산층은 또한 여러 부분으로 형성될 수도 있고, 미세 다공성 층 및 거대 다공성 층을 포함할 수도 있다. 미세 다공성 층은 5 마이크로미터 미만의, 바람직하게는 1 마이크로미터 미만의 평균 공극 크기를 가질 수 있다. 거대 다공성 층은 5 마이크로미터보다 큰 평균 공극 크기를 갖는다. 제2 연료 전지 세그먼트의 가스 확산층의 미세 다공성 층 및/또는 거대 다공성 층에는 소수성 코팅이 제공될 수 있는 한편, 대안적인 일 실시예에서 제1 연료 전지 세그먼트의 가스 확산층의 미세 다공성 층 및/또는 거대 다공성 층에는 친수성 코팅이 제공될 수 있다. 전형적인 친수성 코팅은 예를 들어 산화주석(SnO2), 이산화티탄(TiO2) 또는 또한 카본 블랙(예컨대 Black Pearls® 1000 또는 2000) 또는 이들의 혼합물로부터 형성될 수 있다. 따라서, 제2 연료 전지 세그먼트의 구성 요소들이 제1 연료 전지 세그먼트의 구성 요소들보다 더 방수성으로 형성되는 것이 보장되었다.
대안적으로 또는 추가로, 연료 전지는, 반응 매체를 제공하기 위한 유동장을 구비하는 하나 또는 복수의 바이폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 바람직하게, 이 경우에 제1 연료 전지 세그먼트의 바이폴라 플레이트에는, 이 바이폴라 플레이트로 하여금 물을 끌어당기게 하는 친수성 코팅이 제공되어 있다. 대안적으로 또는 추가로, 제2 연료 전지 세그먼트의 바이폴라 플레이트에는, 이 바이폴라 플레이트로 하여금 물을 막게 하는 소수성 코팅이 제공되어 있다.
대안적으로 또는 추가로, 연료 전지 스택은, 또한 막 전극 접합체 및/또는 가스 확산층이 제1 수집 유입 라인과 제2 수집 유출 라인 사이에서 진행하는 소수성의 구배를 갖도록 형성될 수도 있다. 이와 같은 소수성의 구배로 인해, 유입부 측에 더 가까운 계단식 연료 전지 스택의 섹션은 유출부 측에 더 가까운 섹션보다 더 많이 물을 끌어당기게 된다. 다른 말로 다시 말하자면, 유입부 측이 유출부 측보다 더 많이 물을 끌어당긴다.
자동차용 연료 전지 시스템과 관련된 과제는, 청구항 10에 따른 연료 전지 시스템에 의해서 해결된다.
본 발명의 또 다른 장점들, 특징부들 및 세부 사항은 청구범위 및 이하의 상세한 설명으로부터 그리고 도면을 참조해서 나타난다. 도면부에서,
도 1은 계단식 연료 전지 스택을 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개략도를 도시하고,
도 2는 계단식 연료 전지 스택의 개략도를 도시하며, 그리고
도 3은 연료 전지(단위 전지)를 절단한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 1에는, 캐소드 측에 습도 조절기(2)를 구비하는 연료 전지 시스템(1)이 도시되어 있다. 습도 조절기(2)는, 자신의 캐소드 측 유출부(3)에 의해서 캐소드 공급 라인(4)을 통해 계단식 연료 전지 스택(5)의 캐소드 챔버들과 연결되어 있다. 또한, 습도 조절기(2)는, 자신의 캐소드 측 유입부(6)에 의해서 캐소드 폐가스 라인(7)을 통해 캐소드 챔버들과 연결되어 있으며, 상기 캐소드 폐가스 라인을 통해서는 해제 반응되지 않은 캐소드 가스 또는 습한 캐소드 폐가스가 습도 조절기(2)로 복귀된다. 캐소드 챔버들을 통해서는, 계단식 연료 전지 스택(5) 내에 배열된 복수의 연료 전지(18)의 캐소드(30)에 캐소드 가스(예컨대 공기 또는 산소)가 공급될 수 있다. 캐소드 가스는 압축기(13)에 의해서 흡입된 후에 공급 라인(14) 내로 주입된다. 유입되는 압축된 캐소드 가스는, 도시된 예에서 상기 압축된 캐소드 가스가 가습을 위해 습도 조절기(2)의 캐소드 가스 유입부(15)에 공급되기 전에, (회생) 열 교환기(16)에 의해서 냉각된다. 습도 조절기(2)는, 캐소드 폐가스로부터 수분을 추출하도록 형성된 복수의 수증기 투과성 습도 조절기 막으로 형성되어 있다. 이 경우, 수분은, 압축기 측에서 습도 조절기(2) 내로 흐르는 캐소드 가스에 공급된다. 그 다음에, 남아 있는 폐가스가 폐가스 라인(17)에 의해 습도 조절기(2)로부터 방출될 수 있다. 양성자 전도성 막(19)은 연료 전지(18)의 애노드(31)로부터 캐소드(30)를 분리하며, 이 경우에는 연료(예컨대 수소)가 애노드 챔버를 통해 애노드(31)에 공급될 수 있다. 이 목적을 위해, 애노드 챔버는 애노드 공급 라인(8)을 통해 연료 저장기(9)와 연결되어 있다. 애노드 재순환 라인(10)을 통해서는, 애노드(31)에서 해제 반응되지 않은 연료가 애노드 챔버에 새로이 공급될 수 있다. 바람직하게, 이 경우에는 상세하게 도시되지 않은 재순환 팬이 애노드 재순환부에 할당되어 있거나 애노드 재순환 라인(10) 내에 유체 역학적으로 결합되어 있다. 연료의 공급을 조절하기 위해, 연료 조정 부재(11)가 애노드 공급 라인(8)에 할당되어 있거나 애노드 공급 라인(8) 내에 배열되어 있다. 상기 연료 조정 부재(11)는 바람직하게 압력 조절 밸브로서 형성되어 있다. 도시된 예에서, 압력 조절 밸브의 상류에는 열 교환기(12)가 연료의 가열 또는 온도 조절을 위한 리큐퍼레이터(recuperator)의 형태로 제공되어 있다.
도 2에는, 계단식 연료 전지 스택(5)이 더욱 상세하게 도시되어 있다. 이 경우, "계단식"이란, 연료 전지 스택(5)의 계단 형상의 혹은 계단 형태의 구조물 또는 계단 형상의 구조로 이해될 수 있다. 연료 전지 스택(5)은, 복수의 연료 전지(18)의 일 부분을 구비하는 제1 연료 전지 세그먼트(22)(도면의 하부) 및 복수의 연료 전지(18)의 다른, 바람직하게는 상보적인 부분을 구비하는 제2 연료 전지 세그먼트(23)(도면의 상부)로 세분된다. 이 경우, 제1 연료 전지 세그먼트(22) 및 제2 연료 전지 세그먼트(23)는 하나의 공통 연료 전지 계단부(24) 내에 배열되어 있다. 연료 전지 스택(5)은 캐소드 가스(예컨대 공기 또는 산소)와 관련하여, 애노드 가스(예컨대 수소)와 관련하여 또는 2개의 작동 매체들과 관련하여 계단식으로 형성될 수 있다.
도 2에는, 계단 형태의 디자인에 의해 복수의 편향을 경험하는 작동 매체 또는 가스 질량 흐름의 유동(33)이 도시되어 있다. 작동 매체를 연료 전지 스택(5)에 공급할 수 있기 위하여, 제1 연료 전지 세그먼트(22)는 제1 수집 유입 라인(25)을 구비한다. 제1 수집 유입 라인(25)에 공급되는 작동 매체는 특히 측면에서 또는 가로 방향으로 연료 전지(18)에 [또는 유동장을 이용한 바이폴라 플레이트(34)에 의해 제공되는 작동 매체 챔버]에 공급되며, 이곳에서 상기 작동 매체는, 제1 수집 유입 라인(25)에 마주 놓여 있는 제1 연료 전지 세그먼트(22)의 측에서 연료 전지들(18)로부터 재차 제1 수집 유출 라인(26) 내로 배출되기 전에 (적어도 부분적으로) 소비된다. 제1 수집 유출 라인(26)은 통합된 상태로, 다시 말하자면 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 제2 수집 유입 라인(27)과 일체로 형성되어 있다. 그 다음에, 작동 매체는 재차, 특히 측면에서 또는 가로 방향으로 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 연료 전지(18) [또는 유동장을 이용한 바이폴라 플레이트(34)에 의해 제공되는 작동 매체 챔버] 내로 유입되며, 이곳에서는 작동 매체의 추가의 부분이 소비된다. 이어서, (적어도 부분적으로 계속 소비된) 작동 매체는 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 연료 전지(18)로부터 나와서 제2 수집 유출 라인(28) 내로 배출된다. 그 다음에, 제2 수집 유출 라인(28)으로부터, 작동 매체 폐가스는 예를 들어 연료 전지 스택(5)을 떠나거나 추가의 인접한 연료 전지 세그먼트(22, 23) 내로 유입될 수 있다.
본 경우에, 제1 수집 유입 라인(25) 및 제2 수집 유출 라인(28)은 하나의 공통 라인으로서 형성되어 있지만, 여기에서 상기 공통 라인은 제2 연료 전지 세그먼트(23)로부터 제1 연료 전지 세그먼트(22)를 분리하기 위한 차단부(29) 또는 격벽을 구비한다. 상기 격벽(29)의 위치에 따라, 제1 연료 전지 세그먼트(22) 내의 연료 전지(18)의 수 및 제2 연료 전지 세그먼트(23) 내의 연료 전지(18)의 수가 확정될 수 있다.
도 2에 도시된 계단식 연료 전지 스택(5)의 경우에는, 연료 전지(18)가 대략 70 퍼센트[제1 연료 전지 세그먼트(22)]로부터 대략 30 퍼센트[제2 연료 전지 세그먼트(23)]까지 분할된 상태가 예시적으로 도시되어 있다. 그러나 다른 분할이 가능하며, 이 경우 다른 분할은 특히 격벽(29)의 위치에 의해서 이루어질 수 있다.
도 3에는, 계단식 연료 전지 스택(5)의 세그먼트에 적용되는 바와 같은 연료 전지(18)가 예시적으로 도시되어 있다. 연료 전지는, 본 경우에 2개의 가스 확산층들(21)이 할당되어 있는 막 전극 접합체(20)를 포함한다. 그러나 가스 확산층(21)은 자체적으로도 막 전극 접합체(20)의 전극들을 형성할 수도 있다. 어떠한 경우든지, 막 전극 접합체(20)는 양성자 전도성 막(19)에 의해 상호 분리된 제1 전극[캐소드(30)] 및 제2 전극[애노드(31)]을 포함한다. 전극의 표면 및 이로써 막(19)의 표면에 걸쳐 개별 작동 매체를 균일하게 분포시키기 위하여, 2개의 전극들에는 각각 가스 확산층들(21) 중 하나가 할당되어 있다. 작동 매체의 더 우수한 분포를 위해, 가스 확산층(21)은 전극에 인접하여 배열되어 있거나 전극에 가까운 미세 다공성 층(32) 및 상기 미세 다공성 층(32)에 인접한 거대 다공성 층(33)을 구비한다. 미세 다공성 층(32)의 공극 크기는 거대 다공성 층(33)의 공극 크기보다 훨씬 더 작다. 가스 확산층(21) 옆에 배열된 바이폴라 플레이트(34)는, 자신의 유동장에 의해서 연료 전지(18)를 위한 캐소드 챔버 또는 애노드 챔버를 제공한다. 이들 챔버는, 도면에 대한 개관을 명확하게 할 목적으로 가스 확산층(21)과 별개로 도시되어 있지만, 압축된 상태에서는 상기 가스 확산층 상에 놓여 있다.
본 경우에, 제1 연료 전지 세그먼트(22)의 연료 전지(18)는, 적거나 많지 않은 방수 구조를 갖는다는 점에서 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 연료 전지와 상이하다. 제1 연료 전지 세그먼트(22)의 연료 전지(18) 및 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 연료 전지(18)의 상이한 구조는 도 2에 상이한 선 두께에 의해서 표시되어 있다. 2개 세그먼트들의 연료 전지들(18)은 막(19)의 당량 측면에서, 막(19)을 위해 사용된 이오노머 유형 측면에서, 막(19)의 두께 측면에서, 가스 확산층(21)의 두께 측면에서, 가스 확산층(21) 내부에서의 그리고/또는 막(19) 내부에서의 공극 직경 측면에서 그리고 이들의 열 전도성 또는 물 운송 능력 및 물 저장 능력 측면에서 서로 상이할 수 있다.
하지만, 이 경우 설계 데이터는, 항상 전체 연료 전지 스택(5) 내부에서 화학량론 증가 없이 안정적인 작동이 보장될 수 있도록 선택되었다.
1: 연료 전지 시스템
2: 습도 조절기
3: 유출부
4: 캐소드 공급 라인
5: 연료 전지 스택
6: 유입부
7: 캐소드 폐가스 라인
8: 애노드 공급 라인
9: 연료 저장기
10: 애노드 재순환 라인
11: 연료 조정 부재
12: 열 교환기
13: 압축기
14: 공급 라인
15: 캐소드 가스 유입부
16: 열 교환기
17: 폐가스 라인
18: 연료 전지
19: 막
20: 막 전극 접합체(MEA)
21: 가스 확산층
22: 제1 연료 전지 세그먼트
23: 제2 연료 전지 세그먼트
24: 연료 전지 계단부
25: 제1 수집 유입 라인
26: 제1 수집 유출 라인
27: 제2 수집 유입 라인
28: 제2 수집 유출 라인
29: 차단부(격벽)
30: 캐소드
31: 애노드
32: 미세 다공성 층
33: 거대 다공성 층
34: (유동장을 갖는) 바이폴라 플레이트
35: 작동 매체의 유동

Claims (10)

  1. 막 전극 접합체(20) 및 하나 이상의 가스 확산층(21)을 포함하는 복수의 연료 전지(18)를 갖는 연료 전지 스택(5)이며, 상기 연료 전지는 복수의 연료 전지(18)의 일 부분을 구비하는 하나 이상의 제1 연료 전지 세그먼트(22) 및 복수의 연료 전지(18)의 다른 일 부분을 구비하는 하나 이상의 제2 연료 전지 세그먼트(23)로 세분되어 있으며, 제1 연료 전지 세그먼트(22) 및 제2 연료 전지 세그먼트(23)는 하나의 공통 연료 전지 계단부(24) 내에 배열되어 있고, 제1 연료 전지 세그먼트(22)는 작동 매체용의 제1 수집 유입 라인(25)과, 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 제2 수집 유입 라인(27)과 통합된 상태로 형성된 제1 수집 유출 라인(26)을 포함하며, 제2 연료 전지 세그먼트(23)는 제2 수집 유출 라인(28)을 포함하는, 연료 전지 스택(5)에 있어서,
    제2 연료 전지 세그먼트(23) 내부에 있는 막 전극 접합체(20) 및/또는 가스 확산층(21)은, 제1 연료 전지 세그먼트(22)의 막 전극 접합체(20) 및/또는 가스 확산층(21)보다 더 방수성으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(5).
  2. 제1항에 있어서, 제1 연료 전지 세그먼트(22)의 막 전극 접합체(20)의 막(19)의 당량은 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 막 전극 접합체(20)의 막(19)의 당량보다 낮은 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(5).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 연료 전지 세그먼트(22)의 막 전극 접합체(20)의 막(19)의 두께가 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 막 전극 접합체(20)의 막(19)의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(5).
  4. 제3항에 있어서, 제1 연료 전지 세그먼트(22)의 막(19)의 두께는 4 내지 12 마이크로미터이고, 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 막(19)의 두께는 14 내지 35 마이크로미터인 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(5).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 가스 확산층(21)은 제1 연료 전지 세그먼트(22)의 가스 확산층보다 큰 다공성을 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(5).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 가스 확산층(21)은 소수성 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(5).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 가스 확산층(21)은 미세 다공성 층 및 거대 다공성 층을 포함하며, 제2 연료 전지 세그먼트(23)의 가스 확산층(21)은 미세 다공성 층 및/또는 거대 다공성 층에 소수성 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(5).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 연료 전지 세그먼트(22)의 가스 확산층(21)은 미세 다공성 층 및 거대 다공성 층을 포함하며, 제1 연료 전지 세그먼트(22)의 가스 확산층(21)은 미세 다공성 층 및/또는 거대 다공성 층에 친수성 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(5).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 막 전극 접합체(20) 및/또는 가스 확산층(21)은 제1 수집 유입 라인(25)과 제2 수집 유출 라인(28) 사이에서 진행하는 소수성의 구배를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(5).
  10. 제1항 또는 제2항에 따른 연료 전지 스택(5)을 갖는, 자동차용 연료 전지 시스템(1).
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