KR20010089507A - 중합체 전해질 막 연료 전지용 시트 금속 이극판 디자인 - Google Patents

중합체 전해질 막 연료 전지용 시트 금속 이극판 디자인 Download PDF

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KR20010089507A
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마리아노브스키레너드지.
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제임스 이이 던
가스 테크놀러지 인스티튜트
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Abstract

연료 전지 스택의 연료 전지 유니트의 전극에 반응물 기체의 분배를 촉진하기 위해 형성된 적어도 두 개의 공동외연 시트 금속 요소(30, 31)로 구성된 중합체 전해질 막 연료 전지 스택용 격리판. 공동외연 시트 금속 요소는 함께 위치하고 그들 사이에 냉매 유동 공간(32)을 형성한다.

Description

중합체 전해질 막 연료 전지용 시트 금속 이극판 디자인{SHEET METAL BIPOLAR PLATE DESIGN FOR POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELLS}
발전소, 자동차 및 환경 오염이 회피되어야 하는 다른 적용을 포함하는 다양한 적용에 사용하기 위해 설계되고 제안된, 현재 존재하고/존재하거나 개발중인 다수의 연료 전지 시스템이 있다. 이들은 용융 카보네이트 연료 전지, 고체 옥사이드 연료 전지, 인산 연료 전지 및 중합체 전해질 막 연료 전지를 포함한다. 이러한 각 연료 전지 유형의 성공적인 작동과 관련있는 한 논점은 연료 전지 온도의 조절 및 연료 전지 안에서 전기화학 반응으로 생성되는 산물의 제거이다.
중합체 전해질 막 연료 전지는 이들이 저중량과 저용적을 모두 지니면서 잠재적으로 에너지 고출력을 제공할 수 있기 때문에 특히 유리하다. 중합체 전해질막 연료 전지는 당분야에 익히 공지되어 있다. 이러한 각 연료 전지는 이의 일면에 형성된 양극 필름 및 이의 반대면에 형성된 음극 필름을 가지는 얇은 양성자-전도성 중합체 막-전해질을 포함하는 "막-전극-조립체"를 포함한다. 일반적으로, 이러한 막-전해질은 이온 교환 수지로부터 제조되고, 통상적으로 E. I. DuPont DeNemours & Co.로부터 시판되는 NAFIONTM과 같은 퍼플루오르화 설폰산 중합체를 포함한다. 양극 및 음극 필름은 통상적으로 미분된 탄소 입자, 탄소 입자의 내부 및 외부 표면 상에 지지된 매우 미세하게 분할된 촉매 입자 및 촉매 및 탄소 입자 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 결합제를 통해 분산된 촉매 입자와 혼합된 양성자-전도성 물질을 포함한다.
각 연료 전지용 막-전극-조립체는 양극/음극을 위한 집전장치로 소용되고 각 양극과 음극의 표면 상에 연료 전지 기체 반응물을 분배하기 위해 흔히 이의 면에 홈의 배열을 함유하는 한 쌍의 전기 전도성 요소 사이에 샌드위치된다.
상업적으로 이용가능한 연료 전지 스택은 각각 수 ft2이하의 평면적을 가지는 약 600개 이하의 개별 연료 전지(또는 연료 전지 유니트)를 함유할 수 있다. 연료 전지 스택에서, 다수의 연료 전지 유니트는 이의 외면 모두에 반응물 기체 분배를 제공하고, 스택내 한 전지의 양극과 인접한 전지의 음극 사이에 전류를 전도하며, 대부분의 경우에 내부 열 교환면에 의해 한정되고 스택으로부터 열을 제거하기 위해 냉매가 이를 통해 유동하는 내부 통로를 포함하는 불투과 전기 전도성 이극 격리판에 의해 한 연료 전지 유니트의 양극과 인접한 연료 전지 유니트의 음극 사이에 분리되어 전기적 직렬로 스택킹된다. 이러한 이극 격리판은 예를 들면, U.S. 특허 5,776,624에 의해 교시되었다. 이러한 연료 전지 스택에서, 연료는 격리판의 일면과 전해질의 양극 측 사이에 도입되고 산화제는 격리판의 타면과 제 2 전해질의 음극 측 사이에 도입된다.
600개의 전지를 함유하는 전지 스택은 연료 전지 스택의 승온 및 작동 중에 전지 보전성의 유지 측면에서 심각한 문제를 일으키는, 수 피트 이하의 높이일 수 있다. 전지 조립체와 전지 작동 조건 사이의 열구배, 차등 열 팽창 및 다양한 성분을 위해 요구되는 물질의 필요한 강도 때문에, 정밀허용차 및 매우 어려운 공학 문제가 나타난다. 이러한 측면에서, 전지 온도 조절은 매우 중요하고, 최소 온도 구배가 성취되지 않으면, 균일한 전류 밀도는 유지될 수 없을 것이고, 전지의 분해가 일어날 것이다.
온도의 고려 외에, 연료 전지 스택 보전성은 또한 스택의 물리적 치수의 함수이다. 연료 전지 스택이 클수록, 스택 보전성 및 작동 유지가 어려워진다. 따라서, 온도 조절 외에, 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 유니트 수의 함수인 주어진 전기 출력을 위해, 연료 전지 스택의 치수, 특히 연료 전지 스택의 높이가 주어진 전기 출력에 대해 가능한 한 작은 것이 바람직하다.
발명의 요약
따라서, 본 발명의 일 목적은 주어진 전기 출력에 대해 연료 전지 스택 높이 1 인치당 연료 전지 유니트의 수가 통상적인 중합체 전해질 막 연료 전지 스택보다 증가하도록 하는 압축 디자인을 가지는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택의 제공이다.
본 발명의 또다른 목적은 중합체 전해질 막 연료 전지 스택에 사용하기 위한 압축된 수냉 이극 격리판을 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적 및 기타 목적은 다수의 중합체 전해질 막 연료 전지 유니트를 포함하는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택에 의해 달성되고, 이들 각각은 이의 일면에 양극 필름과 이의 반대면에 음극 필름을 가지는 얇은 양성자 전도성 중합체 막 전해질을 포함하는 막-전극-조립체, 막-전극-조립체의 양극 필름 측에 양극 집전장치와 막-전극-조립체의 음극 필름 측에 음극 집전장치를 포함한다. 한 연료 전지 유니트의 막-전극 조립체의 양극 필름 측과 인접한 연료 전지 유니트의 막-전극-조립체의 음극 필름 측 사이에 각각 연료와 산화제 기체를 양극과 음극에 분배하기 위한 안내수단을 가지는 격리판이 배치된다. 격리판은 실질적으로 동일한 모양의 안내수단을 가지는 적어도 두 개의 공동외연 시트 금속 요소로 구성되는데, 이 공동외연 시트 금속 요소는 함께 위치하고 이들 사이에 냉매 유동 공간을 형성한다.
본 발명의 일 바람직한 양태에 따라서, 안내수단은 두 개의 시트 금속 요소에 형성된 다수의 이랑을 포함한다. 본 발명의 또다른 바람직한 양태에 따라서, 안내수단은 두 개의 시트 금속 요소에 형성된 다수의 딤플(dimple)을 포함한다. 함께 위치하지만, 두 개의 공동외연 시트 금속 요소는 서로로부터 단거리로 유지되어, 그들 사이에 냉매 유동 공간을 형성한다. 공동외연 시트 금속 요소 사이의 거리는 공동외연 시트 금속 요소중 적어도 하나의 또다른 공동외연 시트 금속 요소와 마주하는 면에 배치된 다수의 노쥴(nodule) 또는 범프(bump)와 같은 분리수단 또는 여전히 공동외연 시트 금속 요소 사이에 양호한 전기 전도성을 제공하면서 공동외연 시트 금속 요소 사이의 분리를 유지하기 위한 다른 수단에 의해 유지된다.
본 발명은 중합체 전해질 막(PEM) 연료 전지에 사용하기 위한 이극 격리판에 관한 것이다. 더 자세히 설명하면, 본 발명은 중합체 전해질 막 연료 전지에 사용하기 위한 액체 냉각 이극 시트 금속 격리판에 관한 것이다. 본 발명의 개념이 다양한 연료 전지 디자인용 이극 격리판에 적용될 수 있지만, 이는 연료 및 산화제가 내부 매니폴드를 통해 연료 전지 스택을 포함하는 각 연료 전지 유니트에 제공되는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택에 사용하기에 특히 적당하다.
본 발명의 이러한 목적 및 기타 목적과 특징은 도면과 함께 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이고, 여기에서:
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 격리판을 포함하는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택 부분의 분해 사시도이고;
도 2는 중합체 전해질 막 연료 전지용 본 발명의 일 양태에 따른 격리판의 상면도이며;
도 3은 도 2에 도시된 격리판 부분의 화살표 Ⅲ-Ⅲ 방향으로의 단면도이며;
도 4는 본 발명의 일 양태에 따른 격리판의 시트 금속 요소의 전극과 마주하는 면의 평면도이며;
도 5는 본 발명의 일 양태에 따른 격리판의 시트 금속 요소의 냉각 유체 면의 평면도이다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 중합체 전해질 막 연료 전지 스택(10) 부분의 분해 사시도이다. 중합체 전해질 막 연료 전지 스택(10)은 다수의 중합체 전해질 막 연료 전지 유니트를 포함하고, 이들 각각은 이의 일면에 형성된 양극 필름(양극)과 이의 반대면에 형성된 음극 필름(음극)을 가지는 얇은 양성자 전도성중합체 막-전해질을 포함하는 막-전극-조립체(MEA, 20)를 포함하며, 막-전극-조립체(20)는 음극과 양극을 위한 집전장치 및 기체 확산 층으로 소용되는, 전기 전도성 요소(26, 27) 사이에 샌드위치된다. 격리판(40)은 인접한 중합체 전해질 막 연료 전지 유니트를 분리하고 한 중합체 전해질 막 연료 전지 유니트의 양극 측과 인접한 중합체 전해질 막 연료 전지 유니트의 음극 측 사이에 배치된다. 격리판(40)은 각각 양극과 음극에 연료 및 산화제 반응물 기체를 분배하기 위한 안내수단을 지니면서 형성된다. 이러한 안내수단은 임의의 적당한 형태를 취할 수 있지만, 본 발명의 일 바람직한 양태에 따라서, 전극에 반응물 기체를 분배하기 위한 채널을 형성하는, 도 2에 도시된 다수의 이랑(60)을 포함한다. 본 발명의 또다른 양태에 따라서, 안내수단은 또한 도 2에 도시된 다수의 딤플(61)을 포함한다. 도 2에 도시된 것처럼, 격리판(40)은 이랑과 딤플의 조합체와 같은, 다수의 안내수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 양태에 따라서, 본 발명의 중합체 전해질 막 연료 전지 스택은 완전히 내부 매니폴딩된 연료 전지 스택이어서 반응물 기체가 전극에 제공되고 반응 산물이 적어도 격리판과 중합체 전해질 막 안에 배치된 정렬 천공에 의해 형성된 내부 매니폴드를 통해 연료 전지 스택 안에서 반응대로부터 취출된다. 내부 매니폴딩 연료 전지는 U.S. 특허 4,963,442, U.S. 특허 5,077,148, U.S. 특허 5,227,256 및 U.S. 특허 5,342,706에 의해 교시되었고, 이의 교시는 모두 본원에 참조로 인용된다. 그러나, 외부 매니폴딩 연료 전지 스택을 포함하는, 다른 연료 전지 구조가 본 발명의 격리판과 함께 사용하기에 적당하다는 것이 당분야의 숙련인에게 알려져 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 중합체 전해질 막 연료 전지 스택의 연료 전지 유니트는 격리판(40), 이의 일면에 형성된 양극 필름과 이의 반대면에 형성된 음극 필름을 가지는 얇은 양성자-전도성 중합체 막-전해질을 포함하는 막 전극 조립체(20), 양극 집전장치(26) 및 음극 집전장치(27)를 포함한다. 격리판(40), 막-전극-조립체(20) 및 집전장치(26, 27)는 전지의 에지 영역으로 연장하고 주변 실(seal) 영역(43)에서 전지의 모든 주변에 막-전극-조립체(20) 및/또는 집전장치(26, 27) 사이의 격리판(40)의 양면 모두에서 실을 형성한다. 주변 실 구조(43)는 격리판(40)의 일반 평면으로부터 상류로 및 하류로 연장하여 집전장치(26, 27) 및/또는 막-전극-조립체(20) 주변과의 접촉을 제공한다. 격리판(40), 막-전극-조립체(20) 및 집전장치(26, 27)는 각각 공급용 및 제거용의 상응하는 연료 매니폴드 홀(24) 및 공급용 및 제거용 산화제 매니폴드 홀(25)에 의해 관통된다. 도 1에 도시된 매니폴드 홀은 쉽게 형성되는 직선의 얇은 시트 매니폴드 실 영역을 제공하는 바람직한 삼각형이지만, 매니폴드 홀은 둥근형, 직사각형 또는 다른 바람직한 형태일 수 있다. 도 1에 도시된 매니폴드 홀은 단일 개구부이지만, 전지 반응물 챔버를 가로지르는 기체 유동을 인도하기 위해 필요에 따라 단일 개구부에 구획이 사용될 수 있다. 연료 매니폴드 실 영역(45) 및 산화제 매니폴드 실 영역(46)은 격리판(40)의 일반 평면으로부터 상류 및 하류 모두로 연장하여 막-전극-조립체와 인접한 집전장치(26, 27) 사이에 실을 형성하기 위한 집전장치(26, 27) 및/또는 막-전극-조립체(20)와의 접촉을 제공한다.
산화제 매니폴드 홀(25)은 산화제 공급 개구부(48) 및 산화제 배출 개구부(48')에 의한 격리판(40)의 음극 챔버 인접 상면으로 및 이로부터의 산화제 유동만을 제공하고 양극 챔버로 또는 이로부터의 기체 유동을 방지하는 산화제 매니폴드 실(46)에 의해 밀봉되고, 반면 연료 매니폴드 홀(24)은 연료 공급 개구부(47) 및 연료 배출 개구부(47')에 의한 격리판(40)의 양극 챔버 인접 하면으로 및 이로부터의 연료 유동만을 제공하고 음극 챔버로 또는 이로부터의 기체 유동을 방지하는 연료 매니폴드 실(45)에 의해 밀봉된다. 직선의 압축 시트 금속 구조로 도시되었지만, 매니폴드 실(45, 46)은 기체 유동을 방지하는 바람직한 형태 또는 구조일 수 있다. 매니폴드 실(45, 46)은 연료 매니폴드 홀(24)과 산화제 매니폴드 홀(25) 사이에서 이중 실을 형성한다.
이미 언급한 것처럼, 중합체 전해질 막 연료 전지 스택의 작동 중에 다루어야만 하는 실질적인 문제는 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 유니트 안에서 연료와 산화제 반응물의 전기화학적 반응으로 초래되는 연료 전지 온도의 조절이다. 이 목적은 실질적으로 동일한 형태의 안내수단, 예를 들면 이랑(60a 및 60b)을 가지는, 도 1 및 3에 도시된 적어도 두 개의 공동외연 시트 금속 요소(30, 31)를 포함하는 본 발명에 따른 격리판(40)에 의해 달성되고, 적어도 두 개의 공동외연 시트 금속 요소(30, 31)는 함께 위치하고 이들 사이에 냉매 유동 공간(32)을 형성한다. 냉매 유동 공간(32)은 적어도 두 개의 공동외연 안착된 시트 금속 요소(30, 31)를 서로로부터 일정 거리로 유지함으로써 형성된다. 이러한 거리는 본 발명의 특히 바람직한 양태에 따라 두 개의 공동외연 안착된 시트 금속 요소(30, 31)중 적어도 하나의 시트 금속 요소와 마주하는 면 상에 다수의 범프 또는 노쥴(33)의 존재에 의해 유지된다. 이러한 범프 또는 노쥴(33)은 공동외연 안착된 시트 금속 요소(30, 31) 모두의 시트 금속 요소와 마주하는 면에 배치될 수 있음이 당분야의 숙련인에게 알려져 있다. 아울러, 이러한 지점에 용접 또는 납땜이 전기 전도성을 좀더 향상시키기 위해 바람직할 수 있음이 당분야의 숙련인에게 알려져 있다. 또한 두개 이상의 공동외연 안착된 시트 금속 요소를 포함하여 냉매 유동 공간을 각 시트 금속 요소 사이에 유지하는 격리판(40)이 본 발명에 따른 중합체 전해질 막 연료 전지 스택에 사용될 수 있음이 당분야의 숙련인에게 알려져 있다.
냉매 유동 공간(32)에 냉매를 제공하기 위해, 격리판(40), 막-전극-조립체(20) 및 집전장치(26, 27)에 냉각 유체의 유입 및 배출을 위한 냉매 유체 매니폴드 개구부(50, 50')가 제공된다. 냉매 유체 매니폴드 방수 영역(51)은 격리판(40)의 일반 평면으로부터 두면 모두에서 연장하여 격리판(40)과 막-전극-조립체(20) 및/또는 집전장치(26, 27) 사이에 실을 형성하기 위한 접촉을 제공하고 냉매 유체 매니폴드를 한정한다. 냉매 유체 매니폴드 개구부(50, 50')는 각 전지 성분에서 동일한 직경이어서 냉매 유체 매니폴드를 둘러싸는 실을 형성하기 위해 일면에서 막-전극-조립체(20)와 양극 집전장치(26) 사이의 접촉 및 타면에서는 막-전극-조립체(20)와 음극 집전장치(27) 사이의 접촉을 인도하기 위한 냉매 유체 매니폴드 실 영역(51)의 평활면을 허용한다. 연장된 냉매 유체 매니폴드 실 영역(51)의 측벽은 격리판(40)에서 고체이고, 따라서 냉각 유체의 양극 챔버 또는 음극 챔버로의 진입을 불가능하게 한다. 연장된 냉매 유체 매니폴드 실 영역(51)의 측벽에냉매 유체 개구부(53)가 냉매 유체 매니폴드 개구부(50, 50')와 냉매 유동 공간(32) 사이의 소통을 위해 제공된다.
본 발명의 또다른 목적은 통상의 연료 전지 스택보다 좀더 큰 전력 밀도를 가지는 연료 전지 스택을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 이극 격리판을 포함하는 시트 금속 요소를 안착시킴으로써, 연료 전지 스택 1 인치당 15-30개의 연료 전지 유니트로 구성된 연료 전지 스택의 제공이 가능하다. 즉, 본 발명에 따른 중합체 전해질 막 연료 전지의 1 피트 높이 연료 전지 스택은 360개 이하의 연료 전지 유니트를 함유할 수 있다. 각 연료 전지 유니트가 약 1 ft2의 영역을 가지면, 86,400 watt 1 ft3또는 3,050 watt/ℓ의 전력 밀도가 얻어진다(360 연료 전지 유니트 × 400 amp/ft2× 0.6 v/전지).
이미 언급한 것처럼, 격리판(40)은 함께 위치하고 그들 사이에 냉매 유동 공간(32)을 형성하는 적어도 두 개의 공동외연 시트 금속 요소(30, 31)를 포함한다. 공동외연 시트 금속 요소(30, 31) 사이의 거리는 냉매 유동 공간(32)을 통과하는 냉매 유체 압력 차를 가능한 한 작게 유지하도록 하는 거리이다. 본 발명의 바람직한 양태에 따라서, 공동외연 시트 금속 요소(30, 31) 사이의 거리는 약 0.002 인치 내지 약 0.010 인치의 범위이다. 공동외연 시트 금속 요소(30, 31)는 바람직하게는 약 0.002 내지 약 0.004 인치 범위의 두께를 가지는, 부식을 방지하기 위해 코팅된 니켈, 스테인리스 강, 고합금강, 티탄 및/또는 금속으로 구성된다. 시트 금속 요소(30, 31)가 얇기 때문에, 서로로부터 일정 거리로 시트 금속 요소(30, 31)를유지하기 위한 범프 또는 노쥴(33) 형태는 바람직하게는 시트 금속 요소(30, 31)에 세공된다. 그러나, 적어도 약간의 범프 또는 노쥴의 저항 용접을 포함하는, 시트 금속 요소(30, 31) 사이에 거리를 유지하기 위한 다른 수단 또한 사용될 수 있다. 적어도 약간의 범프 또는 노쥴을 저항 용접하는 것은 시트 요소(30, 31) 사이에 거리 유지를 가능하게 하는 것 외에, 또한 시트 금속 요소(30, 31) 사이에 낮은 접촉 저항을 제공하여, 이어서 격리판(40)을 가로지르는 전지 고 전기저항의 생성을 억제한다.
도 4는 본 발명의 일 양태에 따른 격리판의 시트 금속 요소(70)의 전극과 마주하는 면의 평면도이다. 시트 금속 요소(70)의 중앙 부분은 활성 영역이고 막 전극 조립체의 전극중 하나에 기체 반응물을 분배하기 위해 이랑(60) 형태의 안내수단을 포함하는데, 안내수단은 통상적으로 시트 금속 요소(70)에 압축된다. 본 발명의 격리판을 포함하는 시트 금속 요소(70) 사이 및 격리판과 연료 전지 스택의 인접한 요소 사이에 밀봉을 제공하는, 활성 영역을 둘러싸고 있는 시트 금속 요소(70)의 영역은 일반적으로 평활하다. 전극에의 반응물 기체의 분배를 돕기 위해, 일반적으로 도 2에 도시된 격리판의 딤플 구역에 상응하는 평활 영역의 부분에 격리판의 활성 영역에 반응물 기체를 분배하기 위한 반응물 기체 안내수단이 제공된다. 통상적으로 시트 금속 요소의 압축에 의해 형성되는 도 2에 도시된 딤플(61)과 달리, 또한 딤플(61)의 형태인 도 4에 도시된 안내수단은 당분야의 숙련인에게 공지된 인쇄 스크리닝 공정에 의해 시트 금속 요소(70)의 평활 부분에 적용된다. 레일과 같은 다른 형태의 인쇄 스크린 안내수단 또한 사용될 수 있음이 당분야의숙련인에게 알려져 있고, 본 발명의 범위내라고 생각된다.
도 5는 시트 금속 요소(70)의 전극과 마주하는 면상의 이랑 구역 및 평활 구역에 상응하는 이랑 구역 및 평활 구역을 포함하는, 시트 금속 요소(70)의 냉각 유체와 마주하는 면의 평면도이다. 도 4 및 5에 도시된 것처럼, 시트 금속 요소(70)의 평활 부분은 시트 금속 요소(70) 주변과 기체 매니폴드 개구부(24, 25) 및 냉각 유체 매니폴드 개구부(50, 50') 주변을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 시트 금속 요소(30, 31) 사이의 밀봉은 격리판의 주변 및 시트 금속 요소(30, 31)에 의해 형성된 매니폴드 개구부 주변에서 연장하는 가스킷 물질(34)에 의해 제공된다. 가스킷 물질(34)은 기능을 수행하기에 적당한 밀봉 물질일 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 양태에 따라서, 가스킷은 시트 금속 요소(70)의 평활 부분으로 직접 스크린 인쇄함으로써 형성된다.
냉각 유체 개구부(50)를 통해 냉각 유체 공간(32)으로 진입하는 냉각 유체를 분배하기 위해, 이의 냉각 유체와 마주하는 면의 시트 금속 요소(70)의 평활 부분에 또한 그 위에 스크린 인쇄된 냉각 유체 안내수단이 제공된다. 냉각 유체 안내수단은 바람직하게는 딤플 또는 레일(66)의 형태이다. 냉각 유체를 분배하기 위한 수단을 제공하는 것과 더불어, 냉각 유체 안내수단 및 가스킷(34)은 시트 금속 요소 간의 분리를 유지하기 위해 적당하다.
선행 명세서에 본 발명이 이의 특정 바람직한 양태에 관해 설명되고, 여러 세부사항이 설명을 목적으로 상술되었지만, 본 발명은 추가의 양태로 변형되고 본원에 설명된 특정 세부사항은 본 발명의 기본적인 원리로부터 벗어나지 않으면서상당히 다양해질 수 있음이 당분야의 숙련인에게 알려져 있다.

Claims (19)

  1. 각 연료 전지 유니트가 일면에 양극 필름과 반대면에는 음극 필름을 지니는 막-전극-조립체, 막-전극-조립체의 양극 필름 측에 양극 집전장치 및 막-전극-조립체의 음극 필름 측에 음극 집전장치를 가지고, 각각 양극 필름 측과 음극 필름 측에 연료와 산화제 기체를 분배하기 위한 안내수단을 가지는 격리판이 한 연료 전지 유니트의 막-전극-조립체의 양극 필름 측과 인접한 연료 전지 유니트의 막-전극-조립체의 음극 필름 측 사이에 배치되며,:
    격리판이 실질적으로 동일한 형태의 안내수단을 가지는 적어도 두 개의 공동외연 시트 금속 요소로 구성되며, 적어도 두 개의 공동외연 시트 금속 요소가 함께 위치하며 그들 사이에 냉매 유동 공간을 형성한다는 점에서 개선된, 다수의 중합체 전해질 막 연료 전지 유니트를 포함하는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서, 안내수단이 적어도 두 개의 시트 금속 요소에 형성된 다수의 이랑을 포함하는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  3. 제 1 항에 있어서, 안내수단이 적어도 두 개의 시트 금속 요소에 형성된 다수의 딤플을 포함하는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  4. 제 1 항에 있어서, 적어도 두 개의 공동외연 안착된 시트 금속 요소가 적어도 두 개의 공동외연 안착된 시트 금속 요소중 적어도 하나의 시트 금속 요소와 마주하는 면상에 세공된 다수의 범프에 의해 서로로부터 일정 거리로 유지되는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  5. 제 1 항에 있어서, 연료 전지 스택이 연료 전지 스택 높이 1 인치당 약 15 내지 30개 범위의 중합체 전해질 막 연료 전지 유니트를 포함하는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  6. 제 1 항에 있어서, 적어도 두 개의 시트 금속 요소 사이의 거리가 약 0.002 인치 내지 약 0.010 인치의 범위인 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  7. 제 1 항에 있어서, 적어도 두 개의 시트 금속 요소가 부식을 방지하기 위해 코팅된 니켈, 스테인리스 강, 고합금강, 티탄 및 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로 구성되는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  8. 제 1 항에 있어서, 각 중합체 전해질 막 연료 전지에 연료와 산화제 기체를 공급하고 이로부터 배출 기체를 제거하기 위해 다수의 내부 매니폴드를 추가로 포함하는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  9. 제 2 항에 있어서, 적어도 두 개의 공동외연 안착된 시트 금속 요소가 적어도 두 개의 공동외연 안착된 시트 금속 요소중 적어도 하나의 시트 금속 요소와 마주하는 면의 다수의 이랑 피크상에 세공된 다수의 범프에 의해 서로로부터 일정 거리로 유지되는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  10. 제 1 항에 있어서, 적어도 두 개의 공동외연 안착된 시트 금속 요소가 공동외연 시트 금속 요소 사이에서 공동외연 안착된 시트 금속 요소의 주변에 배치된 가스킷 물질에 의해 서로로부터 일정 거리로 유지되는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  11. 제 1 항에 있어서, 격리판이 중앙에 배치된 활성 영역을 포함하고 격리판을 포함하는 공동외연 시트 금속 요소가 중앙에 배치된 활성 영역 주변에서 실질적으로 평활한 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  12. 제 11 항에 있어서, 공동외연 시트 요소의 평활 부분이 각각 양극 필름 측과 음극 필름 측에 중앙에 배치된 활성 영역으로 연료와 산화제 기체를 분배하기 위한 안내수단을 포함하고, 안내수단이 평활 부분으로 스크린 인쇄된 레일 및 딤플중 적어도 하나를 포함하는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  13. 제 11 항에 있어서, 공동외연 시트 금속 요소의 평활 부분이 공동외연 시트 금속 요소의 마주하는 면에 냉각 유체 안내수단을 포함하는 중합체 전해질 막 연료전지 스택.
  14. 제 13 항에 있어서, 냉각 유체 안내수단이 평활 부분에 스크린 인쇄된 레일 및 딤플중 하나인 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  15. 각 연료 전지 유니트가 일면에 양극 필름과 반대면에 음극 필름을 지니는 막-전극-조립체, 막-전극-조립체의 양극 필름 측에 양극 집전장치 및 막-전극-조립체의 음극 필름 측에 음극 집전장치를 가지고, 각각 양극 필름 측과 음극 필름 측에 연료와 산화제 기체를 분배하기 위한 안내수단을 가지고 격리판의 양극 필름과 마주하는 면과 양극 필름 사이에 양극 챔버를 형성하며 격리판의 반대 음극 필름과 마주하는 면과 인접한 연료 전지 유니트의 음극 필름 사이에 음극 챔버를 형성하는 격리판이 한 연료 전지 유니트의 막-전극-조립체의 양극 필름 측과 인접한 연료 전지 유니트의 막-전극-조립체의 음극 필름 측 사이에 배치되며, 양극 챔버가 연료 기체 공급 및 배출과 기체 소통되며 음극 챔버가 산화제 기체 공급 및 배출과 기체 소통되며:
    격리판이 실질적으로 동일한 모양의 안내수단을 가지는 적어도 두 개의 공동외연 시트 금속 요소로 구성되며, 적어도 두 개의 공동외연 시트 금속 요소는 함께 위치하고 그들 사이에 냉매 유동 공간을 형성하며;
    격리판이 전지 작동 조건하에서 주변 실을 형성하는, 각각 양극 챔버와 음극 챔버 주변 전체에서 격리판의 각 면상의 막-전극-조립체와 집전장치의 접촉면으로연장하는 평활 주변 실 구조를 가지며;
    막-전극-조립체 및 격리판이 각각 다수의 정렬 천공을 가지고, 격리판의 천공이 전지 작동 조건하에서 매니폴드 실을 형성하는, 양극 필름과 마주하는 격리판의 면 및 음극 필름과 마주하는 격리판의 면상의 막-전극-조립체와 집전장치의 접촉면으로 연장하는 평활 매니폴드 실 구조에 의해 양극 필름과 마주하는 면 및 음극 필름과 마주하는 면 주변에 위치하여, 전지 스택을 통해 연장하는 다수의 연료 기체 및 산화제 기체 매니폴드를 형성하며;
    평활 매니폴드 실 구조를 통한 연료 도관이 양극 필름과 마주하는 격리판의 면상에서 연료 기체 매니폴드와 양극 챔버 사이의 연료 기체 소통을 제공하여, 연료 전지 스택에서 각 연료 전지 유니트로 및 이로부터의 연료의 완전한 내부 매니폴딩을 제공하며;
    평활 매니폴드 실 구조를 통한 산화제 도관이 음극 필름과 마주하는 격리판의 면상에서 산화제 기체 매니폴드와 음극 챔버 사이의 산화제 기체 소통을 제공하여, 연료 전지 스택에서 각 연료 전지 유니트로 및 이로부터의 산화제의 완전한 내부 매니폴딩을 제공하는 점에서 개선된, 다수의 중합체 전해질 막 연료 전지 유니트를 포함하는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  16. 제 15 항에 있어서, 격리판과 막-전극-조립체가 다수의 정렬 냉매 유체 개구부를 형성하고, 격리판의 개구부가 양극 필름과 마주하는 면 및 음극 필름과 마주하는 면 상에서 전지 작동 조건하에서 냉매 유체 매니폴드 실을 형성하는, 양극 필름과 마주하는 격리판의 면과 음극 필름과 마주하는 격리판의 면상의 막-전극-조립체와 집전장치의 접촉면으로 연장하는 평활 냉매 유체 매니폴드 실 구조에 의해 둘러싸여 전지 스택을 통해 연장하는 다수의 냉매 유체 매니폴드를 형성하는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  17. 제 15 항에 있어서, 적어도 두 개의 공동외연 안착된 시트 금속 요소가 적어도 두 개의 공동외연 안착된 시트 금속 요소중 적어도 하나의 시트 금속 요소와 마주하는 면에 세공된 다수의 범프에 의해 서로로부터 일정 거리로 유지되는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  18. 제 15 항에 있어서, 적어도 두 개의 시트금속 요소 사이의 거리가 약 0.002 인치 내지 약 0.010 인치의 범위인 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
  19. 제 15 항에 있어서, 적어도 두 개의 시트 금속 요소가 부식을 방지하기 위해 코팅된 니켈, 스테인리스 강, 고합금강, 티탄 및 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로 구성되는 중합체 전해질 막 연료 전지 스택.
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