KR102665170B1 - 단위 연료 전지, 연료 전지 스택 및 바이폴라 플레이트 어셈블리 - Google Patents
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Abstract
복수의 바이폴라 플레이트(100)를 포함하는 연료 전지 스택(1)이 개시된다. 각각의 바이폴라 플레이트(100)는 적어도 하나의 애노드 플레이트(20) 및 적어도 하나의 캐소드 플레이트를 갖는다. 복수의 막 전극 어셈블리(10)가 바이폴라 플레이트에 의해 샌드위치된다. 각각의 막 전극 어셈블리(10)는 막(13)에 의해 분리되는 적어도 하나의 애노드(11) 및 적어도 하나의 캐소드(12)를 갖는다. 막 전극 어셈블리(10)의 애노드(11)가 제1 바이폴라 플레이트(100)의 애노드 플레이트(20)를 향하고 동일한 막 전극 어셈블리(10)의 캐소드(12)가 제2 바이폴라 플레이트(100)의 캐소드 플레이트(30)를 향하는 방식으로 바이폴라 플레이트(100)가 막 전극 어셈블리(10)를 샌드위치한다. 연료 전지 스택의 셀 피치가 두 개의 인접한 막 전극 어셈블리(10)의 거리에 의해 정의되며, 연료 전지 스택(1)의 바이폴라 플레이트(100) 경계에서 제1 바이폴라 플레이트(100)의 애노드 플레이트(20)와 제2 바이폴라 플레이트의 캐소드 플레이트(30) 사이의 전체 거리(d) - 이는 샌드위치된 막 전극 어셈블리(10)에 걸쳐 측정됨 - 가 연료 전지 스택의 셀 피치와 동일하다.
Description
본 발명은 단위 연료 전지, 연료 전지 스택 및 바이폴라 플레이트 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지 스택은 소위 바이폴라 플레이트 어셈블리에 의해 분리되는, 복수의 단위 연료 전지를, 보다 일반적으로는, 복수의 막 전극 어셈블리(MEA)를 포함한다. 바이폴라 플레이트 어셈블리 자체는, 일반적으로 서로의 상단에 배치되고 한쪽에는 반응물을 위한 유동장을 다른 쪽에는 냉각 유체를 위한 유동장을 갖는, 소위 유동장 플레이트라고 하는 적어도 두 개의 금속판으로 구성된다. 바이폴라 플레이트 어셈블리에서, 냉각 유체 유동장은 서로 대향하고, 반응 유체 유동장은 MEA를 향하는 바이폴라 플레이트 어셈블리의 외부 표면에 배열된다. 연료 전지 스택이 작동하는 동안 MEA에 의해 생성된 전류는 바이폴라 플레이트 어셈블리 사이에 전위차를 발생시킨다. 결과적으로, 개별 바이폴라 플레이트 어셈블리 또는 단위 연료 전지는 단락을 피하기 위해 모든 상황에서 서로 전기적으로 분리된 상태를 유지해야 한다.
전기적 분리를 위해 절연층, 소위 서브개스킷이 제공되며, 이는 막 전극 어셈블리의 주변에 배열되거나 주변을 둘러싸고, 그에 의해 막-전극-서브개스킷 어셈블리가 형성된다. 서브 개스킷은 일반적으로 충분한 단락 보호를 달성하기 위해 바이폴라 플레이트 어셈블리의 경계를 넘어 연장된다. 불리하게도, 이는 예를 들어 하우징에서 연료 전지 스택의 프로버 배열과 간섭하는 불균일한 측벽을 갖는 연료 전지 스택의 설계를 초래한다.
그러나, 연료전지 스택의 작동을 보장하기 위해서는 연료전지 스택을 조립할 때 바이폴라 플레이트 어셈블리와 MEA가 서로 정밀하게 정렬되어야 한다. 정렬을 용이하게 하기 위해, 각각의 바이폴라 플레이트 어셈블리 및 막-전극-서브개스킷 어셈블리에서 적어도 하나, 바람직하게는 2개의 특정 영역을 갖는 것으로 알려져 있으며, 여기서 바이폴라 플레이트/막-전극-서브개스킷 어셈블리의 기하학적 구조는 정렬 도구의 배열을 허용한다. 이러한 정렬 도구는 최종 연료 전지 스택의 외부 치수를 정의하는 소위 안내 막대 또는 안내 벽일 수 있다.
연료 전지 스택의 요소들의 정확한 정렬을 위해, 적어도 이들 영역에서, 바람직하게는 모든 곳에서, 서브개스킷이 바이폴라 플레이트 어셈블리의 경계 위로 연장되지 않는 것이 필요하다. 불행히도 이것은 또한 이러한 영역에서 불충분한 전기적 분리가 발생하여 이러한 영역이 주로 구부러진 바이폴라 플레이트 및/또는 부적절한 조립으로 인해 단락의 위험이 있음을 의미한다.
결론적으로, 본 발명의 목적은 전기적 위험이 제거되도록 조정된 기하학적 구조를 갖는 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1에 따른 연료 전지 스택과 청구항 9에 따른 단위 연료 전지, 및 청구항 10에 따른 바이폴라 플레이트 어셈블리에 의해 해결된다.
이하에서, 각각의 바이폴라 플레이트가 적어도 하나의 애노드 플레이트 및 적어도 하나의 캐소드 플레이트를 갖는 복수의 바이폴라 플레이트, 및 바이폴라 플레이트에 의해 샌드위치된 복수의 막 전극 어셈블리를 포함하고, 각각의 막 전극 어셈블리는 막에 의해 분리된 적어도 하나의 애노드 및 적어도 하나의 캐소드를 갖고, 막 전극 어셈블리의 애노드가 제1 바이폴라 플레이트의 애노드 플레이트를 향하고 동일한 막 전극 어셈블리의 캐소드가 제2 바이폴라 플레이트의 캐소드 플레이트를 향하는 방식으로 바이폴라 플레이트가 막 전극 어셈블리를 샌드위치하는, 연료 전지 스택이 제공된다. 연료 전지 스택의 셀 피치는 두 개의 인접한 막 전극 어셈블리의 거리에 의해 정의된다.
전기 단락 위험이 감소된 연료 전지 스택을 제공하기 위해 연료 전지 스택의 바이폴라 플레이트 경계에서 제1 바이폴라 플레이트의 애노드 플레이트와 제2 바이폴라 플레이트의 캐소드 플레이트 사이의 전체 거리 - 이는 샌드위치된 막 전극 어셈블리에 걸쳐 측정됨 - 가 연료 전지 스택의 셀 피치와 동일하다.
바람직한 실시예에 따르면, 연료 전지 스택의 바이폴라 플레이트의 경계에서, 제1 바이폴라 플레이트의 애노드 플레이트는 막 전극 어셈블리에 대해 제1 거리를 갖고, 제2 바이폴라 플레이트의 캐소드 플레이트는 막 전극 어셈블리에 대해 제2 거리를 가지며, 제1 거리는 제2 거리와 다르다. 그에 의해서 단락의 위험이 추가로 방지될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이러한 특징은 단위 연료 전지에서도 구현될 수 있다. 단위 연료 전지는 일반적으로 막 전극 어셈블리를 샌드위치하는 애노드 및 캐소드 플레이트를 포함한다. 이러한 단위 연료 전지가 독립형 연료 전지(a stand-alone fuel cell)로 사용될 수도 있지만 이러한 단위 연료 전지가 제공하는 전압은 매우 작다. 결과적으로, 이들 단위 연료 전지는 연료 전지 스택을 형성하기 위해 적층되며, 각각의 단일 단위 연료 전지에 의해 생성된 전압이 대부분의 응용에 대해 충분히 큰 전압으로 합산된다. 이에 의해 두 개의 단위 연료 전지의 애노드 및 캐소드 플레이트의 후면이 서로 접촉하여 바이폴라 플레이트 어셈블리를 형성하게 된다.
단위 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 단위 연료 전지 중 적어도 하나는 막-전극-어셈블리(MEA)를 샌드위치하는 적어도 하나의 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트를 가지며, MEA는 막으로 분리되는 적어도 하나의 애노드 및 캐소드를 갖는다. 이에 의해, 애노드는 애노드 플레이트를 향하고 캐소드는 캐소드 플레이트를 향한다. 위에서 언급한 바와 같이, 단락을 피하기 위해 애노드 플레이트는 MEA에 대한 제1 거리를 갖고 캐소드 플레이트는 MEA에 대한 제2 거리를 가지며, 여기서 제1 및 제2 거리는 서로 다르다. 제1 및 제2 거리는 동일한 위치에서 결정되거나 측정된다는 점에 유의해야 한다.
일반적으로 캐소드 플레이트와 애노드 플레이트는 모두 동일한 디자인을 가지고 있으며, 안정성을 위해 플레이트와 MEA 사이의 거리가 매우 작도록 경계가 서로 분리된다. 이것은 또한 MEA에서 대칭 배열을 초래하고 따라서 MEA에 대해 동일한 거리를 초래한다. 위에서 언급한 바와 같이 이 거리를 셀 피치까지 증가시키면 단락 위험을 피할 수 있다. 그러나 이로 인해 안정성을 잃을 수 있다. 제안된 바와 같은 서로 다른 거리로 인해 플레이트 중 하나가 구부러지거나 조립 정확도가 부적절하더라도 단락 위험을 피할 수 있다.
다른 거리는, 더 큰 거리의 위치에 용접 이음매를 위한 충분한 공간이 제공될 수 있다는 추가 이점을 갖는다. 이는 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 바이폴라 플레이트 어셈블리를 형성하기 위한 2개의 다른 단위 연료 전지의 애노드 및 캐소드 플레이트의 용이한 결합을 허용한다.
바람직한 실시예에 따르면, 단위 연료 전지의 막 전극 어셈블리는 애노드와 캐소드 주위를 둘러싸는 방식으로 적어도 부분적으로 배열되는 서브개스킷을 더 갖고, 제1 및 제2 거리는 애노드 플레이트와 서브개스킷 및 캐소드 플레이트와 서브개스킷 사이에서 각각 결정된다. 따라서, 서브개스킷이 프레임형 방식(frame-like manner)으로 애노드 및 캐소드를 둘러싸면 특히 바람직하다. 이 디자인은 막 전극 어셈블리의 애노드와 캐소드의 우수한 전기 절연을 허용한다.
추가의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 및 제2 거리가 결정되고 및/또는 측정하는 위치는 단위 연료 전지의 경계에 배열된다. 플레이트의 경계는 플레이트 자체가 일반적으로 대략 0.05~0.1mm 범위로 매우 얇기 때문에 굽힘에 매우 민감하며, 경계는 단위 연료 전지를 정렬하는 데 사용되고 이는 다시 경계 영역에서 플레이트가 손상될 위험을 높인다. 셀 피치의 거리로 인해 플레이트는 서로 다소 접촉하며 이는 안정성을 증가시킨다. 제1 및 제2 거리가 다른 바람직한 실시예에서 안정성을 더욱 증가시키면서도 단락 위험을 피할 수 있다.
애노드 플레이트 및/또는 캐소드 플레이트는 제1 구조를 갖는 제1 영역 및 제2 구조를 갖는 제2 영역을 갖는 것이 더 바람직하다. 제1 영역에서, 애노드 및 캐소드 플레이트의 제1 구조는 오목부(recesses) 및 융기부(elevations)를 포함하는 동일한 채널형 구조이고, 제2 영역에서 애노드 플레이트의 제2 구조는, 제2 구조가 또한 채널형 구조를 제공한다 하더라도, 캐소드 플레이트의 제2 구조와는 다르다. 적어도 제1 영역의 채널형 구조는 막 전극 어셈블리의 애노드 및/또는 캐소드에 분포될 반응물에 대한 유체 유동장을 형성한다. 제1 및 제2 구조의 서로 다른 설계는, 제1 구조에 의해 제1 영역에서 최적화된 유체 분포를 허용하는 한편, 제2 구조에 의해 제2 영역에서 최적화된 안정성을 허용한다.
결과적으로, 제1 영역이 단위 연료 전지의 활성 영역에 형성되고 제2 영역이 단위 연료 전지의 경계 영역에 형성되는 것이 특히 바람직하며, 여기서, 애노드 측에서 활성 영역은 애노드의 연장에 의해 정의되고, 캐소드 측에서 활성 영역은 캐소드의 연장에 의해 정의되고, 경계 영역은 애노드 및/또는 캐소드을 둘러싸는 서브개스킷의 연장에 의해 정의된다. 이를 통해 활성 영역을 최대화하는 동시에 단위 연료 전지의 안정성을 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 전술한 바와 같은 적어도 제1 및 제2 단위 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것으로, 여기서 제1 단위 연료 전지 및 제2 단위 연료 전지는 제1 단위 연료 전지의 캐소드 플레이트는 제2 단위 연료 전지의 애노드 플레이트에 대향 및/또는 접촉하고, 이에 의해 캐소드 플레이트 및 애노드 플레이트는 바이폴라 플레이트 어셈블리를 형성한다.
위에서 논의된 애노드 및 캐소드 플레이트의 새로운 디자인은 연료 전지 스택에 바이폴라 플레이트 어셈블리를 제공하는데, 이는 더 안정적이고, 예를 들어 제조상의 부정확성 또는 허용 오차로 인해 서브개스킷이 충분한 격리를 제공하지 못한다 하더라도, 연료 전지 스택의 임의의 다른 인접한 바이폴라 플레이트 어셈블리와 전기적으로 절연될 수 있다. 바이폴라 플레이트 어셈블리의 새로운 디자인은 또한 연료 전지 스택에서 인접한 바이폴라 플레이트 어셈블리 사이의 더 나은 단락 보호를 허용한다. 제2 영역에서 인접한 바이폴라 플레이트 어셈블리 사이의 거리가 증가하기 때문이다.
결과적으로 그리고 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 일반적으로 제1 및 제2 유동장 플레이트, 즉 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트를 갖고, 각각의 플레이트는 전면 및 후면을 가지며, 후면들이 서로 마주하는, 바이폴라 플레이트 어셈블리가 바람직하다. 추가로, 두 플레이트는 예를 들어 후면 상에 제1 구조를 갖는 제1 영역과 예를 들어 후면 상에 제2 구조를 갖는 제2 영역을 갖는다. 이에 의해, 제1 영역에서는, 제1 구조는 오목부 및 융기부를 포함하는 채널형 구조이고, 애노드 및 캐소드 플레이트의 융기부는 서로 마주보고 접촉하도록 배열되고, 애노드 및 캐소드 플레이트의 오목부는 반대쪽에 배열되어서 바이폴라 플레이트의 냉각 유체 유동장 채널을 형성한다. 그에 대조적으로, 제2 영역에서는, 애노드 또는 캐소드 플레이트 중 하나의 플레이트의 제2 구조에 제1 세트의 융기부와 제2 세트의 융기부가 제공되는 반면, 각각의 다른 플레이트의 제2 구조에는 오목부와 융기부가 제공되며, 제1 세트의 융기부의 융기부는 각각의 다른 플레이트의 융기부와 마주하고 접촉하도록 배열되고, 제2 세트의 융기부의 융기부는 다른 플레이트의 오목부를 향하도록 배열된다. 따라서 제2 영역에서 애노드 플레이트의 제2 세트의 융기부가 캐소드 플레이트의 오목부에 수용되거나 또는 그 반대로 캐소드 플레이트의 제2 세트의 융기부가 애노드 플레이트의 오목부에 수용된다.
따라서 제2 영역에서 두 개의 플레이트가 서로를 지지하므로 바이폴라 플레이트 어셈블리가 더 안정적이며 따라서 단일 플레이트보다 강하다. 결과적으로 굽힘력을 더 잘 견딜 수 있다. 다른 한편으로, 이러한 배열로 인해, 2개의 인접한 바이폴라 플레이트 어셈블리의 전체 거리가 증가하여 바이폴라 플레이트의 접촉으로 인한 단락의 위험이 감소되거나 회피된다. 또한, 이러한 디자인은 제2 영역에서 애노드 및 캐소드 플레이트를 연결할 수 있는 여러 가능성을 허용한다. 특히, 예를 들어 초음파 용접에 의해 플레이트들을 함께 용접하는 것이 가능하다. 새로운 디자인에 의해 제공되는 MEA까지의 확장된 거리에 용접 이음매를 수용할 수 있으므로 바이폴라 플레이트 어셈블리를 막 전극 어셈블리와 결합할 때 막 전극 어셈블리가 평평하게 유지되고 용접 이음매 너머로 구부러지거나 부풀어 오르지 않는다.
연료 전지 스택 또는 바이폴라 플레이트 어셈블리의 추가의 바람직한 실시예에 따르면, 그리고 위에서 언급된 바와 같이, 제2 영역은 애노드 및 캐소드 플레이트의 외부 영역 또는 경계 영역에 배열된다. 상술한 바와 같이, 연료 전지 또는 연료 전지 스택에서, 인접한 바이폴라 플레이트 어셈블리의 외부 영역은 일반적으로 막 전극 어셈블리를 둘러싸는 서브개스킷에 의해 서로 분리된다. 바람직하게는, 이 서브개스킷은 바이폴라 플레이트 어셈블리와 동일한 연장을 가져야 하지만 제조 부정확성 또는 허용 오차로 인해 서브개스킷이 항상 바이폴라 플레이트와 동일한 연장을 갖는 것은 아니다. 결과적으로, 바이폴라 플레이트 어셈블리가 서로 전기적으로 충분히 절연되지 않은 영역이 있을 수 있어 단락 위험이 증가한다. 이는 통상적으로 바이폴라 플레이트 어셈블리의 외부 또는 경계 영역에 존재하므로, 제2 영역을 이러한 경계 영역에 배열하는 것이 바람직하다.
또한 이미 위에서 언급한 바와 같이, 제2 영역이 제1 영역을 프레임처럼 에워싸서 두 개의 인접한 바이폴라 플레이트 어셈블리 사이의 증가된 거리가 바이폴라 플레이트 어셈블리의 완전한 외부 영역에 제공되는 것이 더 바람직하다.
추가의 바람직한 실시양태에서, 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트는 전면에 반응물 유동장을 갖고, 여기서 또한 각각의 반응물 유동장은 오목부 및 융기부를 갖는다. 이에 의해, 반응물 유동장의 오목부는 냉각 유체 유동장의 융기부에 의해 형성되고, 반응물 유동장의 융기부는 냉각 유체 유동장의 오목부에 의해 형성된다.
이로 인해, 애노드/캐소드 플레이트는 단일 코이닝(coining) 또는 스탬핑 공정으로 제조될 수 있고, 애노드/캐소드 플레이트의 전체 두께는 더욱 감소될 수 있고, 반응물 유동장 및 냉각 유체 유동장 모두에 대해 단일 플레이트가 제공될 수 있다. 이는 바이폴라 플레이트 어셈블리의 감소된 전체 두께를 허용하고 적층 프로세스를 용이하게 한다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 제1 영역에서, 제1 및 제2 유동장 플레이트의 전면 각각에 반응물 유동장의 활성 영역이 형성되고, 상기 제2 영역에서 반응물 유동장의 경계 영역이 형성된다. 이러한 디자인을 통해 유동장 플레이트의 활성 영역을 막 전극 어셈블리의 전극에 적응시키고 경계 영역을 막 전극 어셈블리를 둘러싸는 서브개스킷에 적응시킬 수 있다. 이 디자인을 통해 활성 영역이 확대되고 단락 보호 기능이 향상된다.
연료 전지 스택의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 제 2 영역에서, 제 1 바이폴라 플레이트 어셈블리의 애노드 플레이트는 그에 인접한 서브개스킷에 대한 제 1 거리를 갖고, 제 2 바이폴라 플레이트 어셈블리의 캐소드 플레이트는 그에 인접한 서브개스킷에 대한 제2 거리를 가지며, 제1 거리와 제2 거리는 서로 다르다. 따라서, 제1 거리와 제2 거리의 합은 연료 전지 스택에서 인접한 두 개의 바이폴라 플레이트 어셈블리 사이의 전체 거리 또는 두 개의 애노드 플레이트와 두 개의 캐소드 플레이트 사이의 전체 거리에 해당한다. 이렇게 하면 경계 영역에서 바이폴라 플레이트 어셈블리 사이의 거리가 최대화되어, 바이폴라 플레이트가 구부러지거나 서브개스킷이 불충분하게 형성되거나 손상되는 경우에도, 단락의 위험이 줄어든다.
추가의 바람직한 실시예는 종속항뿐만 아니라 설명 및 도면에 정의되어 있다. 그에 따라, 다른 요소와 조합하여 설명되거나 도시된 요소는 보호 범위를 벗어나지 않고 단독으로 또는 다른 요소와 조합되어 존재할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예가 도면과 관련하여 설명되며, 도면은 예시일 뿐이며 보호 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정의된다.
도 1은 종래기술에 따른 연료 전지 스택의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지 스택의 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 추가적인 바람지한 실시예에 따른 연료 전지 스택의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지 스택의 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 추가적인 바람지한 실시예에 따른 연료 전지 스택의 개략 단면도이다.
이하에서 동일하거나 유사한 기능을 하는 요소는 동일한 참조 번호로 표시된다.
도 1 및 2는 각각 연료 전지 스택(1)의 일부의 개략적인 단면을 도시한다. 연료 전지 스택(1)은 2개의 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-1, 100-2) 사이에 끼워진 막 전극 어셈블리(10)를 갖는다. 막 전극 어셈블리(10)는 일반적으로 막(13)에 의해 분리되고 막 전극 어셈블리(10)의 활성 영역을 형성하는 캐소드(11) 및 애노드(12)를 포함한다. 활성 영역은 서브개스킷(14)에 의해 둘러싸인다.
도 1 및 도 2에서 추가로 알 수 있는 바와 같이, 막 전극 어셈블리(10)는 2개의 인접한 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-1, 100-2) 사이에 끼워져 있다. 각각의 바이폴라 플레이트 어셈블리는 막 전극 어셈블리(10)의 각각의 전극과 접촉하는 제1 유동장 플레이트(20)(예를 들어, 애노드 플레이트) 및 제2 유동장 플레이트(30)(예를 들어, 캐소드 플레이트)를 갖는다. 그리하여, 제1 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-1)의 제1 유동장 플레이트(20), MEA(10) 및 제2 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-2)의 제2 유동장 플레이트(30)가 단위 연료 전지(50)를 형성한다. 이하에서 제1 유동장 플레이트(20)는 애노드 플레이트로 간주되고 제2 유동장 플레이트(30)는 캐소드 플레이트로 간주된다. 그러나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그 반대일 수 있음에 유의해야 한다.
각각의 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-1, 100-2) 또는 각각의 유동장 플레이트(20, 30)는 오목부(22, 32) 및 융기부(23, 33) 형태의 냉각 유체 유동장 구조를 갖는 냉각 유체 유동장 구조를 그 후면(21, 31)에 갖는다. 양쪽 후면(21, 31)이 서로 대면하도록 배열되기 때문에 냉각 유체 유동장 구조는 냉각 유체가 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-1, 100-2)를 냉각하고 그에 의해 연료 전지 스택(1)을 냉각하도록 안내될 수 있는 냉각 유체 유동장 채널(40)을 형성한다.
전면(24, 34), 즉 전극을 대면하는 측면에 또한 오목부(25, 35) 및 융기부(26, 36)를 갖는 반응물 유동장이 제공된다. 도시된 실시예에서, 냉각 유체 유동장의 오목부(22, 32) 및 융기부(23, 33)는 각각 반응물 유동장의 융기부(26, 36) 및 오목부(25, 35)를 형성한다. 이것은 유동장 플레이트(20, 30)가 단일 코이닝 또는 스탬핑 공정에 의해 제조될 수 있기 때문에 유동장 플레이트(20, 30)의 단순화된 제조를 허용한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 반응물 유동장은 막 전극 어셈블리(10)와 서브개스킷 영역(14)에 의해 분리된다. 또한, 유동장 플레이트(20, 30)와 서브개스킷(14) 사이에 배치된 밀봉 요소(42)에 의해 외부로부터 밀봉된다.
도 1에 도시된 바와 같은 종래의 연료전지 스택은 애노드 플레이트(20)와 캐소드 플레이트(30)가 동일하게 형성된다. 따라서, 후면(21, 31)이 서로 마주하도록 유동장 플레이트(20, 30)를 배열할 때, 애노드 플레이트(20)와 캐소드 플레이트(30)의 냉각 유체 유동장의 모든 오목부(22, 32)는 서로를 향한다. 이러한 디자인은 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-1)의 캐소드 플레이트(30)와 인접한 서브개스킷(14) 사이의 제1 거리(d1) 및 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-2)의 애노드 플레이트(20)와 인접한 서브개스킷(14) 사이의 제2 거리(d2)가 각각 상당히 작다는 불리한 점을 갖는다. 결과적으로, 이 영역에서 바이폴라 플레이트 중 하나가 구부러지거나 서브개스킷(14)이 손상되거나 누락된 경우 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-1, 100-2)가 서로 접촉할 수 있어 단락의 위험이 높다.
이제 도 2를 참조하면, 이와 대조적으로, 본 발명의 도시된 실시예의 제1 및 제2 유동장 플레이트(20, 30)는 제1 영역(I)에서만 동일하다. 제2 영역(II)에서는, 애노드 플레이트(20)는 여전히 융기부(27) 및 오목부(28)를 갖는 반면, 캐소드 플레이트(30)는 제1 세트의 융기부(37) 및 제2 세트의 융기부(38)를 갖는다. 따라서, 제2 세트의 융기부(38)는 오목부(28)에 수용된다. 이는 제1 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-1)의 캐소드 플레이트(30)와 이웃하는 서브개스킷(14) 사이의 확대된 거리(d1)를 허용하며, 반면에 제2 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-2)의 애노드 플레이트(20)와 동일한 서브개스킷(14) 사이의 거리(d2)는 매우 작아서, 예를 들면 종래기술에서 알려진 것과 동일한 범위에 있다. 또한, 전체 거리는 하나의 셀 피치이므로, 이는 향상된 단락 방지를 보장한다.
이 새롭게 개발된 디자인은, 두 개의 플레이트가 단일 플레이트보다 더 높은 강성을 제공하기 때문에 바이폴라 플레이트 어셈블리의 경계 영역(제2 영역)이 더 안정적이라는 장점이 있다. 일반적으로 애노드/캐소드 플레이트의 너비는 약 0,075mm이므로 굽힘이나 기타 손상에 매우 민감하다.
이러한 증가된 강도는 바이폴라 플레이트 어셈블리가 외부/경계 영역에서 용접될 수 있다는 추가 이점을 갖는다. 증가된 강도로 인해 어셈블리를 손상(예: 플레이트를 구부림)시키지 않고 바이폴라 플레이트 어셈블리의 반대쪽에 반대힘(counter-force)이 적용될 수 있다.
바람직하게는, 거리(d1)는 비드 시일(bead seal)과 거의 동일하여, 바이폴라 플레이트 어셈블리와 MEA를 결합(적층)할 때 MEA가 평평하게 유지된다. 거리 d1이 충분히 크지 않은 경우 유동장의 바닥, 즉 오목부에서 용접해야 하며, 이는 막 전극 어셈블리에 굽힘을 생성한다.
두 개의 인접한 플레이트의 전체 거리는 두 플레이트 사이의 가능한 최대 거리인 하나의 셀 피치이므로 단락을 방지할 수 있다.
도 3은 인접한 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-1, 100-2)의 거리가 또한 하나의 셀 피치인 연료 전지 스택의 추가의 바람직한 실시예를 도시한다. 도 2에 도시된 실시예와 대조적으로, 플레이트에서 개스킷까지 다른 거리가 없지만, 둘 다 하나의 셀 피치만큼 균등하게 이격되어 있어서 이 실시예에서도 단락이 방지될 수 있다.
요약하면, 새로운 디자인으로 인해 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-1, 100-2)의 연장에 비해 서브개스킷 부분(14)이 충분히 크지 않거나 손상되거나 정렬이 불충분한 영역에서도 인접한 바이폴라 플레이트 어셈블리(100-1, 100-2) 사이의 전기적 절연이 보장된다. 또한, 바이폴라 플레이트 어셈블리와 연료 전지의 전체 강도가 향상된다.
1 연료 전지 스택
10 막 전극 어셈블리
100 바이폴라 플레이트 어셈블리
I 제1 영역
II 제2 영역
11 애노드
12 캐소드
13 막
14 서브개스킷
20 제1(애노드) 유동장 플레이트
30 제2(캐소드) 유동장 플레이트
21, 31 유동장 플레이트의 후면
22, 32 (제1 영역)후면의 융기부
23, 33 (제1 영역)후면의 오목부
24, 34 전면
25, 35 (제1 영역)전면의 융기부
26, 36 (제1 영역)전면의 오목부
27 (제2 영역)전면의 제1 세트의 융기부
28 (제2 영역)전면의 제2 세트의 융기부
37 (제2 영역)융기부
38 (제2 영역)오목부
40 냉각 유체 채널
50 단위 연료 전지
10 막 전극 어셈블리
100 바이폴라 플레이트 어셈블리
I 제1 영역
II 제2 영역
11 애노드
12 캐소드
13 막
14 서브개스킷
20 제1(애노드) 유동장 플레이트
30 제2(캐소드) 유동장 플레이트
21, 31 유동장 플레이트의 후면
22, 32 (제1 영역)후면의 융기부
23, 33 (제1 영역)후면의 오목부
24, 34 전면
25, 35 (제1 영역)전면의 융기부
26, 36 (제1 영역)전면의 오목부
27 (제2 영역)전면의 제1 세트의 융기부
28 (제2 영역)전면의 제2 세트의 융기부
37 (제2 영역)융기부
38 (제2 영역)오목부
40 냉각 유체 채널
50 단위 연료 전지
Claims (10)
- - 각각의 바이폴라 플레이트(100)가 적어도 하나의 애노드 플레이트(20) 및 적어도 하나의 캐소드 플레이트(30)를 갖는 복수의 바이폴라 플레이트(100), 및
- 바이폴라 플레이트(100)에 의해 샌드위치된 복수의 막 전극 어셈블리(10) - 각각의 막 전극 어셈블리(10)는 막(13)에 의해 분리된 적어도 하나의 애노드(11) 및 적어도 하나의 캐소드(12)와, 프레임형 방식(frame-like manner)으로 애노드(11) 및 캐소드(12)를 둘러싸는 서브개스킷(14)을 가짐 -
을 포함하고,
막 전극 어셈블리(10)의 애노드(11)가 제1 바이폴라 플레이트(100)의 애노드 플레이트(20)를 향하고 동일한 막 전극 어셈블리(10)의 캐소드(12)가 제2 바이폴라 플레이트(100)의 캐소드 플레이트(30)를 향하는 방식으로 바이폴라 플레이트(100)가 막 전극 어셈블리(10)를 샌드위치하고,
연료 전지 스택의 셀 피치가 두 개의 인접한 막 전극 어셈블리(10)의 거리에 의해 정의되는,
연료 전지 스택(1)에 있어서,
연료 전지 스택(1)의 바이폴라 플레이트(100) 경계에서 제1 바이폴라 플레이트(100)의 애노드 플레이트(20)와 제2 바이폴라 플레이트의 캐소드 플레이트(30) 사이의 거리(d) - 이는 샌드위치된 막 전극 어셈블리(10)에 걸쳐 측정됨 - 가 연료 전지 스택(1)의 셀 피치와 동일하고, 연료 전지 스택(1)의 바이폴라 플레이트(100)의 경계에서, 제1 바이폴라 플레이트(100)의 애노드 플레이트(20)는 서브개스킷(14)에 대해 제1 거리(d1)를 갖고, 제2 바이폴라 플레이트(100)의 캐소드 플레이트(30)는 동일한 서브개스킷(14)에 대해 제2 거리(d2)를 가지며, 제1 거리(d1)는 제2 거리(d2)와 다른 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택(1). - 제1항에 있어서, 적어도 하나의 바이폴라 플레이트(100)의 애노드 플레이트(20) 및/또는 캐소드 플레이트(30)는 제1 구조를 갖는 제1 영역(I) 및 제2 구조를 갖는 제2 영역(II)을 가지며, 제1 영역(I)에서 애노드 플레이트(20) 및 캐소드 플레이트(30)의 제1 구조는 오목부(23, 26; 33, 36) 및 융기부(22, 25; 32, 36))를 포함하는 동일한 채널형 구조이고, 제2 영역(II)에서 애노드 플레이트(20)와 캐소드 플레이트(30)의 제2 구조 역시 채널형 구조이지만 애노드 플레이트(20)의 제2 구조는 캐소드 플레이트(30)의 제2 구조와는 다른 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(1).
- 제2항에 있어서, 제1 영역(I)이 활성 영역에 형성되고 제2 영역(II)이 경계 영역에 형성되며, 애노드 측에서 활성 영역은 애노드(11)의 연장에 의해 정의되고, 캐소드 측에서 활성 영역은 캐소드(12)의 연장에 의해 정의되고, 경계 영역은 애노드(11) 및/또는 캐소드(12) 너머 연장되는 서브개스킷의 연장에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(1).
- 제3항에 있어서, 상기 제1 영역(I)과 상기 제2 영역(II)의 경계에 상기 활성 영역을 외부로부터 밀봉하는 밀봉 요소(42)가 제공되어 상기 활성 영역과 상기 경계 영역이 밀봉 요소(42)에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(1).
- 제2항에 있어서, 적어도 하나의 바이폴라 플레이트(100)에서 애노드 플레이트(20) 또는 캐소드 플레이트(30)의 제2 구조에는 제1 세트의 융기부(27)와 제2 세트의 융기부(28)가 제공되고, 각각의 다른 플레이트 - 즉 캐소드 플레이트(30) 또는 애노드 플레이트(20) - 의 제2 구조에는 오목부(38)와 융기부(37)가 제공되며, 애노드(20)/캐소드 플레이트(30)의 제1 세트의 융기부(27)는 캐소드(12)/애노드 플레이트(20)의 융기부(37)와 대향 및/또는 접촉하도록 배열되고 애노드(11)/캐소드 플레이트(30)의 제2 세트의 융기부(28)는 캐소드(12)/애노드 플레이트(20)의 오목부(38)와 대향하도록 배열되어, 애노드(11)/캐소드 플레이트(30)의 제2 세트의 융기부(28)가 캐소드(12)/애노드 플레이트(20)의 오목부(38)에 수용되도록 되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(1).
- 제2항에 있어서, 바이폴라 플레이트(100)의 애노드(11) 및 캐소드 플레이트(30)는 전면(24; 34) 및 후면(21; 31)을 갖고, 제1 구조 및 제2 구조는 후면(21; 31)에 배열되고, 제1 영역(I)에서 애노드(11) 및 캐소드 플레이트(30)의 후면의 오목부(23; 33)는 서로의 반대쪽에 배열되어, 그에 의해 바이폴라 플레이트(100)의 냉각 유체 유동장 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(1).
- 제6항에 있어서, 적어도 제1 영역(I)에서 애노드 플레이트(20) 및/또는 캐소드 플레이트(30)는 전면(24; 34)에 반응물 유동장을 갖고, 각각의 반응물 유동장은 후면(21; 31)의 융기부(25; 35)와 오목부(26; 36)에 의해 각각 형성되는 오목부(26; 36)와 융기부(25; 35)를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(1).
- 전면(24)과 후면(21)을 갖는 적어도 하나의 애노드 플레이트(20)와 전면(34)과 후면(31)을 갖는 적어도 하나의 캐소드 플레이트(30)를 포함하고, 애노드 플레이트(20)와 캐소드 플레이트(30)의 후면(21; 31)은 서로 마주보고, 애노드 플레이트(20)와 캐소드 플레이트(30)는 제1 구조를 갖는 제1 영역(I)과 제2 구조를 갖는 제2 영역(II)을 후면(21; 31)에 구비하고, 제1 영역(I)에서 제1 구조는 오목부(23; 33) 및 융기부(22; 32))를 포함하는 채널형 구조이고, 애노드 플레이트(20)와 캐소드 플레이트(30)의 융기부(22; 32)는 서로 마주보고 접촉하도록 배열되고, 애노드 플레이트(20)와 캐소드 플레이트(30)의 오목부(23; 33)는 서로의 반대쪽에 배열되어서그에 의해 바이폴라 플레이트(100)의 냉각 유체 유동장 채널을 형성하고, 제2 영역(II)에서 애노드 플레이트(20) 또는 캐소드 플레이트(30)의 제2 구조에는 제1 세트의 융기부(27)와 제2 세트의 융기부(28)가 제공되고, 각각의 다른 플레이트의 제2 구조에는 오목부(38)와 융기부(37)가 제공되며, 제1 세트의 융기부(27)는 각각의 다른 플레이트(100)의 융기부(37)와 대향하고 접촉하도록 배열되고 제2 세트의 융기부(28)는 각각의 다른 플레이트(100)의 오목부(38)와 대향하도록 배열되어, 제2 세트의 융기부(28)가 각각의 다른 플레이트(100)의 오목부(38)에 수용되도록 되고, 제1 영역(I)과 제2 영역(II)의 경계에 활성 영역을 외부로부터 밀봉하는 밀봉 요소(42)가 제공되어 활성 영역과 경계 영역이 밀봉 요소(42)에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 스택(1)을 위한 바이폴라 플레이트(100).
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