KR20070018790A - Electrochemical generator - Google Patents

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KR20070018790A
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membrane
exchange membrane
ion exchange
gasket
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KR1020067007178A
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Korean (ko)
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루카 멜로
다니엘 파치
안토니오 마기오레
주세페 파이타
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누베라 퓨엘 셀스 유로프 에스.아르.엘
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Abstract

본 발명은 압축판 사이에 수납된 외주 밀봉 개스킷, 다수의 스테인레스 강 바이폴라 판, 전극 및 멤브레인을 포함하는 이오노머 멤브레인 연료전지의 새로운 디자인을 설명한다. 신규한 디자인은 멤브레인내의 금속 이온의 누적 및 그 결과의 전압 열화를 방지하는 것에 관한 것이며, 이를 위해, 냉각 유체내에 포함된 금속 이온의 이오노머 멤브레인의 내측으로의 이주가 방지된다. The present invention describes a new design of an ionomer membrane fuel cell comprising a circumferentially sealed gasket, a plurality of stainless steel bipolar plates, an electrode and a membrane contained between compression plates. The novel design relates to preventing the accumulation of metal ions in the membrane and the resulting voltage degradation, for which migration of metal ions contained in the cooling fluid into the ionomer membrane is prevented.

전자화학, 발전기, 연료전지, 멤브레인, 이오노머, 스택, 바이폴라 판. Electrochemistry, generators, fuel cells, membranes, ionomers, stacks, bipolar plates.

Description

전자화학 발전기{ELECTROCHEMICAL GENERATOR}Electrochemical Generator {ELECTROCHEMICAL GENERATOR}

본 발명은 전기 에너지의 전자화학 발전기에 관한 것으로, 특히, 폴리머 멤브레인 연료 전지 스택(polymer membrane fuel cell stack)에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to electrochemical generators of electrical energy, and more particularly, to a polymer membrane fuel cell stack.

연료 전지는 장기간 수소 같은 연료와 공기 같은 산화제가 조합한 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키기 위한 장치로서 알려져 왔다. 연료 전지는 공지된 카르노 사이클(Carnot's cycle)의 제한을 받지 않으며, 따라서, 중간 열적 단계가 존재하는 종래의 전기 에너지 생성 장치의 효율에 비해 특히 높은 효율을 특징으로 한다. Fuel cells have long been known as devices for the direct conversion of chemical energy from a combination of fuels such as hydrogen and oxidants such as air into electrical energy. The fuel cell is not limited by the known Carnot's cycle and is thus characterized by a particularly high efficiency compared to the efficiency of conventional electrical energy generating devices in which there is an intermediate thermal stage.

다양한 공지된 유형들 중, 이오노머(ionomer) 이온교환막 연료 전지(이하, 양자 교환막 연료 전지(ionomer ion-exchange membrane fuel cell)의 약어인 PEMFC를 사용)는 신속한 전력 수요에 대한 응답을 위한 그 기능 및 연계된 보조 시스템의 단순성으로 인해, 특히, 자동차 응용례 및 소집단 또는 가정용 기기를 위한 소형 고정 전력 생성시 특별한 주목을 받고 있다. Among various known types, ionomer ion exchange membrane fuel cells (hereinafter using PEMFC, abbreviation of ionomer ion-exchange membrane fuel cell) have their function for response to rapid power demand and Due to the simplicity of the associated auxiliary system, particular attention has been paid to automotive applications and to the generation of small fixed power for small groups or household appliances.

PEMFC는 통상, 일반적으로 스택이라 지칭되는 필터 프레스형 모듈식 구조체(filter-press type modular arrangement)에 따라 다른 등가체와 적층되기에 적합한 전자화학 유닛으로 구성된다. PEMFC는 일반적으로, 이오노머 멤브레인(예로 서, 상표명 Nafion(R)으로 미국의 듀퐁(DuPont)사에 의해 상용화된 본 기술에 공지되어 있는 바와 같은 퍼플루오리네이티드(perfluorinated) 형으로 이루어지거나, 폴리스티렌 또는 폴리에테르에테르 케톤 같은 폴리머로부터 유도된 수산화탄소 형으로 이루어짐)을 포함하며, 그 표면에는 적절한 촉매를 포함하는 다공성 막 형태의 두 개의 전극, 즉, 음극(negative anode) 및 양극(positive cathode)이 적용된다. 이 전극들의 외부면은 차례대로, 일반적인 평면형 다공성 구조체와 접촉하며, 이 일반적인 평면형 다공성 구조체는 최적의 전기 전도 및 반응제, 예로서, 수소와 산소의 균질한 분포에 적합하며, 이 이중 기능으로 인해 달리 콜렉터(collector) 또는 분배기라고 알려져 있다. 콜렉터와 연계된 전자화학 유닛으로부터 초래되는 전체 조립체(이하, 멤브레인 전극 조립체의 두문자인 MEA라 정의)는 최종적으로, 반응제에 대해 불투과성이며, 전기 전도성이고, 적절히 성형된 두 개의 시트로 구성된 한 쌍의 바이폴라 판(bipolar plate) 사이에 수납된다. PEMFCs typically consist of electrochemical units suitable for stacking with other equivalents according to a filter-press type modular arrangement, commonly referred to as a stack. PEMFCs generally consist of a perfluorinated form, as known in the art, commercially available from DuPont, USA under the tradename Nafion (R) , or polystyrene or Consisting of a carbon hydroxide derived from a polymer such as polyetherether ketone), the surface of which is applied two electrodes in the form of a porous membrane containing a suitable catalyst, namely a negative anode and a positive cathode. do. The outer surfaces of these electrodes, in turn, are in contact with a common planar porous structure, which is suitable for optimal electrical conduction and homogeneous distribution of reactants, eg hydrogen and oxygen, and due to this dual function Otherwise known as a collector or distributor. The entire assembly resulting from the electrochemical unit associated with the collector (hereinafter defined as MEA, acronym for the membrane electrode assembly) is finally made up of two sheets that are impermeable to the reactant, electrically conductive, and suitably shaped. It is housed between a pair of bipolar plates.

연료 및 산화제는 바이폴라 판에 만들어진 적절한 개구를 통해 공급되고, 콜렉터를 통해 양극과 음극에 각각 분배된다. 연료, 예로서, 수소는 산화되어 양자와 전자를 생성한다. 양자는 이오노머 막을 가로질러 이동하고, 물을 형성하는 양극의 산소 환원 반응에 참여한다. 환원 반응에 필요한 전자는 외부 회로를 통해 음극으로부터 도입된다. 화학적 반응 에너지의 전기 에너지로의 변환 효율은 비록 종래의 발전기의 효율 보다 현저히 높지만, 100%에서 크게 떨어지며, 전기로 변환되지 않는 화학적 에너지의 부분은 열 에너지로서 소산되고, 이는 내부 셀 온도를 통상 60-100℃ 정도로 유지하기 위해, 적절한 냉각 장치로 인출되어야 한다. 냉각 장치는 보다 높은 축약성을 위해서, 소형 전력 시스템에 대해서 공냉형으로 하며, 보다 높은 전력 시스템에 대해서는 탈염수 순환을 갖는 것이 바람직하다. 냉각은 예로서, 바이폴라 판 중 하나를 따라 물을 흘림으로써 수행되며, 따라서, 이 바이폴라 판은 이중벽 중공 셀(double-walled hollow cell)로 구성된다. PEMFC의 적합한 동작을 보증하기 위해 필요한 추가 조치는 반응제의 예비 가습에 의해 주어진다. 예비 가습의 목적은 멤브레인 수화를 최대 레벨로 유지하기 위해 유용한 특정 양의 물을 PEMFC에 공급하는 것이며, 이 최대 레벨은 최고 양자 이주능(proton migration capacity) 및 이에 따른 최저 오옴 저항과 최고 동작 전압에 대응한다.Fuel and oxidant are supplied through appropriate openings made in the bipolar plate and distributed through the collector to the anode and cathode respectively. Fuel, for example hydrogen, is oxidized to produce protons and electrons. Both move across the ionomer membrane and participate in the oxygen reduction reaction of the anode forming water. Electrons necessary for the reduction reaction are introduced from the cathode through an external circuit. Although the conversion efficiency of chemical reaction energy into electrical energy is significantly higher than that of conventional generators, it drops significantly at 100%, and the portion of the chemical energy that is not converted to electricity is dissipated as thermal energy, which usually results in an internal cell temperature of 60 In order to maintain around -100 ° C, it must be drawn out with a suitable cooling device. The cooling device is preferably air cooled for small power systems and has demineralized water circulation for higher power systems. Cooling is performed, for example, by flowing water along one of the bipolar plates, so that the bipolar plates consist of double-walled hollow cells. Additional measures necessary to ensure proper operation of the PEMFC are given by preliminary humidification of the reactants. The purpose of the preliminary humidification is to supply the PEMFC with a certain amount of water useful to keep the membrane hydration at its maximum level, which is at the highest proton migration capacity and thus the lowest ohmic resistance and highest operating voltage. Corresponds.

종래 기술에 따라서, 셀을 한정하는 바이폴라 판은 흑연, 보다 일반적으로는 흑연 폴리머 바인더 합성물로 제조될 수 있다. 매우 양호한 대안에서, 이들은 또한 금속, 가능하게는 크롬/니켈/몰리브덴 계열의 스테인레스 강으로 이루어질 수 있다. 물이 가로지르는 스택 내부 매니폴드(manifold)내에 집중된 높은 전압에 의해 유발되는 미주전류(stray current)는 이 경우에, 특히, 냉각수와 접촉하게 되는 판 표면에 집중된 스테인레스 강의 부식을 유발한다. 일반적으로, 바이폴라 판에 구조적 손상을 야기할 만큼 강하지 않은 이런 부식은 어떠한 방식으로든 순환수내의 금속 이온, 주로, Ni++, Cr++ 및 Fe+++ 이온의 점진적 농후화(progressive enrichment)를 초래한다. 이 농후화는 냉각수 회로에 양이온 교환 수지 함유 필터를 도입함으로써 제한될 수 있지만, 그러나, 이런 필터의 동작은 전체 시스템에 소정의 동작 복잡성을 유도한다. 대안으로서, 보다 높은 내부식성이 강화된 고합금(high alloy) 스테인레스 강을 사용함으로써 금속 이온 방출을 매우 감소시킬 수 있다. 높은 크롬, 니켈 및 몰리브덴 함량을 특징으로 하는 고합금강은 역시 고가이며, 스택 제조를 위해 필요한 투자를 현저히 증가시킨다. 또한, 금속 이온은 수지 필터 용기, 순환수를 위한 수집 탱크, 필요한 열 교환기, 다양한 배관 및 제어 센서 같은 전체 시스템의 보조 콤포넌트(component)에 의해서도 방출된다. 그러나, 이들 콤포넌트는 금속의 용해를 감지할 수 있게 가속시키는 스택의 고전압을 받지 않으며, 따라서, 그 순환수내의 이온 농후화에 대한 기여도는 일반적으로 무시할 수 있다. 액상수(liquid water)가 분리되는 영역의 연장에 따라, 강도의 변화에 따라 반응 가스 및 배기가스가 교차하는 스택 매니폴드내에서도 가속된 방출 및 금속 이온 농후화 메커니즘이 부분적으로 유효하다는 것을 환기시킬 필요가 있다. According to the prior art, bipolar plates defining cells can be made of graphite, more generally graphite polymer binder composites. In a very good alternative, they can also consist of metal, possibly chromium / nickel / molybdenum series stainless steel. The stray current caused by the high voltage concentrated in the stack internal manifold across the water causes corrosion in this case, in particular stainless steel concentrated on the plate surface which comes into contact with the cooling water. In general, this corrosion, which is not strong enough to cause structural damage to the bipolar plates, in some way results in progressive enrichment of metal ions, mainly Ni ++ , Cr ++ and Fe +++ ions, in the circulating water. Cause. This thickening can be limited by introducing a cation exchange resin containing filter into the cooling water circuit, but the operation of such a filter introduces some operational complexity into the overall system. As an alternative, the use of high alloy stainless steel with enhanced corrosion resistance can greatly reduce metal ion release. High alloyed steels, characterized by high chromium, nickel and molybdenum contents, are also expensive and significantly increase the investment required for stack fabrication. Metal ions are also released by auxiliary components of the overall system, such as resin filter vessels, collection tanks for circulating water, required heat exchangers, various piping and control sensors. However, these components are not subjected to the high voltage of the stack to accelerate the dissolution of the metal, so the contribution to ion enrichment in the circulating water is generally negligible. With the extension of the area where liquid water separates, it is necessary to remind the mechanism that the accelerated release and metal ion enrichment mechanisms are partially effective even within the stack manifold where the reactant and exhaust gases intersect with changes in strength. There is.

비록 미주 전류에 의한 화학적 침식을 잘 받지만, 흑연은 부식 생성물로서 이산화탄소를 생성하며, 그러므로, 금속 농후화를 상승시키지 않으며, 상승시키더라도, 그 불순물 함량에 대응하는 미소한 레벨로 상승시킨다. 그럼에도 불구하고, 이 의심할 여지가 없는 장점은 스테인레스 강으로 획득할 수 있는 바이폴라 판의 감소된 두께 예로서, 0.1-0.5 mm에 의해 더욱 균형을 맞추게 되어서 통상 금속인 높은 탄성을 갖는 보다 많은 소형 스택을 제조할 수 있게 하며, 일반적으로 특히 만족스러운 기계적 저항 및 열적 쇼크 저항을 보장한다. Although well subjected to chemical erosion by the vagus current, graphite produces carbon dioxide as a corrosion product, and therefore does not raise metal thickening, but raises it to a microscopic level corresponding to its impurity content. Nevertheless, this undoubted advantage is the reduced thickness of the bipolar plate obtainable with stainless steel, for example more balanced by 0.1-0.5 mm, so that more compact stacks with high elasticity which are usually metal It is possible to produce and generally guarantees particularly satisfactory mechanical resistance and thermal shock resistance.

스테인레스 강 바이폴라 판으로 제조된 스택은 200-300 시간 정도의 가변적 동작 시간 이후, 단자 셀의 성능 열화(performance decay)를 나타내는 것으로 관찰 되었다. 이런 열화는 단자 셀을 특징짓는 보다 높은 열적 소산에 기여하며, 그 온도는 따라서, 스택내의 셀의 평균 보다 낮을 수 있다. 더 낮은 온도는 반응제 가스에 포함된 수증기를 과다하게 응축시키고, 그로부터 촉매 막 다공성(catalytic film porosity)의 범람을 일으킨다. 촉매 막의 구멍에서의 액상수의 존재는 이오노머 멤브레인과의 경계면에 위치된 반응 위치를 향한 반응제 가스의 확산을 방해한다. 따라서, 각 단자 셀의 외부면과 접촉하여 가열 요소를 삽입하는 것이 제안되며, 적절한 제어 장치를 사용하여 스택의 잔여 셀의 평균 온도와 일치하도록 단자 셀 온도를 증가시킬 수 있다. Stacks made of stainless steel bipolar plates have been observed to exhibit performance decay of terminal cells after variable operating times of around 200-300 hours. This degradation contributes to the higher thermal dissipation that characterizes the terminal cell, and the temperature may thus be lower than the average of the cells in the stack. Lower temperatures excessively condense the water vapor contained in the reactant gas, resulting in flooding of the catalytic film porosity. The presence of liquid water in the pores of the catalyst membrane prevents the diffusion of the reactant gas towards the reaction site located at the interface with the ionomer membrane. Therefore, it is proposed to insert the heating element in contact with the outer surface of each terminal cell, and the appropriate control device can be used to increase the terminal cell temperature to match the average temperature of the remaining cells in the stack.

대안의 변경예는 단일 셀의 냉각을 위해 적용되는 것과 등가의 구성에 따라서, 각 단자 셀의 외부면과 접촉하여 물을 순환시킴으로써 교차된 중공 셀로 구성되는 적절한 열적 디바이스를 배치하는 것으로 이루어지며, 순환수 온도를 적절히 조절함으로써, 수증기의 유해한 응축을 방지하기에 충분한 수준으로 단자 셀 온도를 유지하는 것이 가능하다. An alternative variant consists in disposing a suitable thermal device consisting of crossed hollow cells by circulating water in contact with the outer surface of each terminal cell, depending on the configuration equivalent to that applied for cooling of a single cell. By appropriately adjusting the water temperature, it is possible to maintain the terminal cell temperature at a level sufficient to prevent harmful condensation of the water vapor.

성능 열화 메커니즘의 추가적인 제안은 단자 셀내의 비균질 전류 분포에 기초하며, 해법으로서, 외부적 전기 회로에 대한 접점들의 크기를 확장시킬 것이 제안되어 왔다. 그러나, 본 발명자는 종래 기술의 개선 기술은 단지 500 내지 1000 동작 시간 까지만 스택 성능 열화의 발생을 지연시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 특히, 본 발명자는 이 개선된 동작 기간 이후, 음극 단자측의 스택 말단(extremity)에 배치된 소수의 셀에 국한하여 새로운 유형의 성능 열화 문제가 발생한다는 것을 관찰하였다. 놀랍게도, 양극 단자측 말단에 배치된 셀 및 스택의 잔 여 셀의 성능은 전체적으로 만족스러운 레벨에서 변하지 않고 유지되었다. 성능 열화는 단자 위상이 극도로 유해한 극성 반전을 겪는 셀 전압에서 점진적으로 감소하는 것으로 나타났다. 이 심각한 상황을 방지하기 위해, 셀을 감시하고, 그 전압 결과가 사전결정된 임계값 미만으로 감소되는 것들을 시간적으로 적절한 형태로 단락 시킬 필요가 있다. 단락은 인접 셀의 열화를 악화시키는 경향이 있다는 것도 인지되었다. A further proposal of the performance degradation mechanism is based on the heterogeneous current distribution in the terminal cell, and as a solution, it has been proposed to extend the size of the contacts to the external electrical circuit. However, the inventors have found that prior art refinements can delay the occurrence of stack performance degradation only up to 500-1000 operating times. In particular, the inventors have observed that after this improved operating period, a new type of performance degradation problem arises with a limited number of cells arranged at the stack extremity on the negative terminal side. Surprisingly, the performance of the cells disposed at the anode terminal side ends and the remaining cells of the stack remained unchanged at a satisfactory level as a whole. Performance degradation has been shown to decrease gradually in cell voltages where the terminal phase undergoes extremely harmful polarity inversion. To prevent this serious situation, it is necessary to monitor the cells and short-circuit them in a timely fashion to those whose voltage results are reduced below a predetermined threshold. It has also been recognized that short circuits tend to exacerbate degradation of adjacent cells.

단자 셀을 위한 가열 장치를 구비한 스택에서 또한 이들 문제점이 보다 긴 기간동안 발생하며, 열화는 단락시 인접 셀에서 악화되고, 열화는 단지 음극 단자측 스택 상에서만 발생한다는 사실은 종래 기술의 파괴 분석이 본 발명자에 의해 관찰된 열화의 종류에 확실히 적용될 수 없다는 것을 명백히 나타낸다. 따라서, 결론적으로, 종래 기술은 스테인레스 강 바이폴라 판으로 제조된 스택의 음극 단자측 부근의 셀의 성능의 장기 열화를 설명 및 해결할 수 없다. The fact that these problems also occur for longer periods of time in stacks with heating devices for terminal cells, the deterioration worsens in adjacent cells at the time of short-circuit, and the deterioration only occurs on the negative terminal side stack is a breakdown analysis of the prior art. It clearly shows that this cannot be reliably applied to the kind of degradation observed by the present inventors. Therefore, in conclusion, the prior art cannot explain and solve the long term deterioration of the performance of the cell near the negative terminal side of a stack made of stainless steel bipolar plates.

본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 극복하고, 스택 음극 단자의 부근에 배치된 셀의 열화를 방지하는 스테인레스 강 판으로 제조된 셀의 스택의 디자인을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a design of a stack of cells made of stainless steel plates that overcomes the disadvantages of the prior art and prevents deterioration of the cells disposed in the vicinity of the stack negative terminal.

일 양태하에서, 본 발명은 냉각 유체내에 포함된 금속 이온의 이오노머 멤브레인 내측으로의 횡방향 이주를 방지하는 금속 바이폴라 판으로 제조된 스택의 디자인으로 이루어진다. In one aspect, the present invention consists in the design of a stack made of metal bipolar plates that prevents transverse migration of metal ions contained in the cooling fluid into the ionomer membrane.

양호한 실시예에서, 본 발명은 바람직하게는 AISI 316 L형(DIN X 2 CrNiMo 1712 또는 1713, 16-18% 크롬/10-14% 니켈/2-3% 몰리브덴)으로 이루어진 스테인레스 강 바이폴라 판으로 제조된 스택의 디자인으로 이루어지며, 이에 따라, 멤브레인을 향한 금속 이온의 이주가 방지되어, 감소된 외주 치수를 갖는 이오노머 멤브레인의 사용을 가능하게 한다. 특히, 외주(perimeter)가 냉각수 공급 및 배출 구멍의 원주와 활성 영역의 에지 사이에 포함된 외주 밀봉 개스킷(perimetrical sealing gasket)의 중간 영역에 배치되어야 한다. 대안으로서, 구성 재료에 대하여, DIN 표준에 띠른 시리즈 CrNi 2520의 함량(19-22% Ni, 24-26% Cr)과 같이, 더 높은 니켈 및 크롬 함량을 가지는 몰리브덴 없는 스테인레스 강의 사용이 바람직하다. In a preferred embodiment, the invention is preferably made of a stainless steel bipolar plate consisting of AISI 316 L type (DIN X 2 CrNiMo 1712 or 1713, 16-18% chromium / 10-14% nickel / 2-3% molybdenum) The design of the stacked stack thus prevents migration of metal ions towards the membrane, thereby enabling the use of ionomer membranes with reduced outer dimensions. In particular, a perimeter should be placed in the middle region of the perimetrical sealing gasket contained between the circumference of the cooling water supply and discharge holes and the edge of the active area. As an alternative, the use of molybdenum-free stainless steel with higher nickel and chromium content, such as the content of series CrNi 2520 (19-22% Ni, 24-26% Cr) according to DIN standards, is preferred for the constituent material.

다른 양호한 실시예에서, 멤브레인 활성 영역을 향한 금속 이온의 횡방향 이주는 물, 선택적으로는, 반응제 및 배기 가스의 공급 및 배출 구멍의 원주가 플레이너 개스킷(planar gasket), O-링 또는 경화성 액체막 형태로 적용되는 바람직하게는 탄성 특성을 갖는 비전도성 재료를 구비하고, 바이폴라 판의 치수와 동일한 치수를 가지는 이오노머 멤브레인을 사용함으로써 억제된다. In another preferred embodiment, the transverse migration of metal ions towards the membrane active region is characterized by the fact that the circumference of the supply and discharge holes of water, optionally reactants and exhaust gases, is planar gasket, O-ring or curable. It is suppressed by using an ionomer membrane having a non-conductive material, which preferably has elastic properties, applied in the form of a liquid film and having the same dimensions as that of the bipolar plate.

또 다른 양호한 실시예에서, 본 발명은 최종 셀의 외부 바이폴라 판으로서 공급 구멍이 없는 바이폴라 판의 설치시, 스택 음극 단자측상의 냉각수 주입 및 배출 매니폴드내의 전기장을 균질화함으로써, 멤브레인 활성 영역을 향한 금속 이온 이주 문제를 해결한다.In another preferred embodiment, the present invention is directed to a metal directed toward the membrane active region by homogenizing the electric field in the coolant inlet and outlet manifolds on the stack cathode terminal side when installing a bipolar plate without supply holes as the outer bipolar plate of the final cell. Solve the ion migration problem.

단순히 예시이며, 제한적이지 않은 역할을 하는 첨부 도면을 참조로 이하에 본 발명을 설명한다.The invention will now be described with reference to the accompanying drawings, which are merely illustrative and serve as non-limiting.

도 1은 종래 기술에 따른 PEMFC 스택의 개략적인 단면도.1 is a schematic cross-sectional view of a PEMFC stack according to the prior art.

도 2는 도 1의 스택의 제1 셀의 다른 콤포넌트를 개별적으로 도시하는 도면.2 shows another component of the first cell of the stack of FIG. 1 separately;

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 관한 스택의 제1 셀의 다른 콤포넌트를 개별적으로 도시하는 도면.Fig. 3 shows another component of the first cell of the stack according to the first embodiment of the present invention separately.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 관한 스택의 제1 셀의 다른 콤포넌트를 개별적으로 도시하는 도면.Fig. 4 is a diagram showing separately the other components of the first cell of the stack according to the second embodiment of the present invention.

도 5는 도 3 및 도 4의 스택의 미주전류 분포를 도시하는 도면.5 is a diagram illustrating the vagus current distribution of the stack of FIGS. 3 and 4.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 관한 스택의 제1 셀의 다른 콤포넌트를 개별적으로 도시하는 도면.FIG. 6 is a view showing separately the other components of the first cell of the stack according to the third embodiment of the present invention. FIG.

도 7은 도 6의 스택의 미주전류 분포를 도시하는 도면. FIG. 7 shows the vagus current distribution of the stack of FIG. 6. FIG.

예로서, 미국 특허 제6,482,792호에 나타난 종래 기술을 참조하면, 도 1은 PEMFC 스택의 종단면을 도시하며, 여기서, 이오노머 멤브레인(2), 음극(3), 양극(4) 및 콜렉터(5)를 각각 포함하는 MEA 조립체(1)를 나타내고, 번호 (6)은 바이폴라 판, 번호 (7)은 단일 셀을 나타내며, 셀 각각은 외주 밀봉 개스킷(8)을 구비하는 두 개의 바이폴라 판(6) 사이에 수납된 MEA 유닛(1)을 포함하며, 번호 (9)는 두 개의 인접 바이폴라 판(6)에 의해 한정되는, 탈염수를 공급받는 셀로 구성되는 냉각 디바이스이고, 이는 외주 밀봉 개스킷(10)을 구비하며, 두 개의 인접 바이폴 라 판 사이에 종방향 전기적 연속성을 유지하도록 조절된 전도성 스페이서(spacer: 11)를 포함하며, 번호 (12)는 외부 전기 회로에 스택을 연결하기 위한 전기 전도성 재료의 두 개의 시트를 나타내고, 이들 각각은 개스킷(14)에 의해, 외부 환경으로부터 격리된 전도성 요소(13)를 통해 단자 바이폴라 판과 접촉한다. 또한, 번호 (15)은 압축하에 냉각 디바이스(9) 및 다수의 셀(7)을 유지할 수 있게 하는 낮은 유연성의 두 판을 나타내며, 이는 비전도성 코팅을 구비한 타이로드(tie-rod: 16)의 작용하에 낮은 접촉 전기 저항을 일으키고, 상기 타이로드는 스택 콤포넌트의 열적 확장/수축을 보상하기 위한 스프링(도면에는 미도시)을 선택적으로 구비하며, 판(15), 바이폴라 판(6), 시트(12) 및 개스킷(8, 10, 14)의 주변을 따라 적절한 수로 분포되어 있다. 번호 (17)는 스택 판(15)의 전기 절연을 위한 비전도성 재료의 시트를 나타내고, 번호 (18)는 스택의 양극 단자측상의 판(15)상에 배치된, 연료 및 산화제 가스, 예로서, 수소 및 공기의 공급을 위한, 냉각수의 주입 및 배출을 위한, 그리고, 잔류 가스 및 생성수의 추출을 위한 외부 회로에 대한 연결부를 나타낸다. 연결부(18)를 통해 외부 회로로부터 진행하는 연료 및 산화제는 각각 예로서, 개스킷(8)의 두께에서 얻어지면서, 다양한 콤포넌트내의 적절한 구멍의 병렬배치(juxtaposition)에 의해 스택에 형성된 종방향 매니폴드에 연결되는 분배 채널에 의해, 음극 및 양극에 공급된다. 등가의 형태에서, 냉각수는 디바이스(9)내로 주입되고, 생성수와 혼합된 잔류 가스는 추출되며, 냉각수는 배출된다.For example, referring to the prior art shown in US Pat. No. 6,482,792, FIG. 1 shows a longitudinal section of a PEMFC stack, where ionomer membrane 2, cathode 3, anode 4 and collector 5 are shown. Each comprising a MEA assembly 1, number 6 represents a bipolar plate, number 7 a single cell, each cell between two bipolar plates 6 with a circumferential sealing gasket 8. Containing a housed MEA unit 1, number 9 being a cooling device consisting of a desalted water supply cell defined by two adjacent bipolar plates 6, which has a peripheral sealing gasket 10 and A conductive spacer 11 adapted to maintain longitudinal electrical continuity between two adjacent bipolar plates, number 12 being two pieces of electrically conductive material for connecting the stack to an external electrical circuit. Represents a sheet, each of which is a gas By 14, in contact with the terminal bipolar plate through the conductive element 13 is isolated from the external environment. In addition, the number 15 denotes two plates of low flexibility which allow to hold the cooling device 9 and the plurality of cells 7 under compression, which is a tie-rod 16 with a non-conductive coating. Under the action of, the tie rod is optionally provided with a spring (not shown in the figure) to compensate for thermal expansion / contraction of the stack component, plate 15, bipolar plate 6, sheet (12) and the gaskets 8, 10, 14 are distributed in an appropriate number along the periphery. Number 17 represents a sheet of non-conductive material for electrical insulation of the stack plate 15, and number 18 is a fuel and oxidant gas, for example, disposed on the plate 15 on the anode terminal side of the stack. Connections to external circuits for the supply of hydrogen and air, for the injection and discharge of cooling water, and for the extraction of residual gas and product water. Fuel and oxidant, which proceed from the external circuit through the connection 18, are each obtained, for example, at the thickness of the gasket 8, into a longitudinal manifold formed in the stack by juxtaposition of the appropriate holes in the various components. It is supplied to the cathode and the anode by means of a distribution channel that is connected. In an equivalent form, the coolant is injected into the device 9, the residual gas mixed with the product water is extracted and the coolant is discharged.

보다 양호한 이해를 위해, 관련 냉각 장치의, 음극 단자 측면에 배치된 제1 셀의 콤포넌트가 적층 순서에 대응하여 도 2의 (a)로부터 (p)까지 연속적인 형태로 도 2에 도시되어 있다. 특히, 도 2의 (a)는 타이 로드(16)의 통로를 위한 관련 구멍(19)을 갖는 압축판(15)의 정면도를 개략적으로 도시하고, 도 2의 (b)는 스택의 판(15)의 전기 절연을 보증하도록 배향된, 또한, 타이로드(16)를 통과시키기 위한 구멍(19)을 구비하는, 바람직하게는 탄성 특성을 가지는 비전도성 재료, 예로서, EPDM 고무의 시트를 도시하며, 도 2의 (c)는 선택적으로, 예로서, 시간에 걸친 접촉 전기 저항의 증가를 방지하기에 적합한 코팅, 예로서, 은 도금을 구비하고, 또한, 구멍(19)을 구비하는, 알루미늄 또는 구리 같은 고전도성 재료의 전도성 시트(12)를 도시하며, 도 2의 (d)는 작은 표면 불규칙부 또는 작은 편향부의 존재시, 시트(12) 및 제1 바이폴라 판(6) 사이의 완전한 접촉을 달성하기 위해 잔류 변형 및 탄성을 가지는, 셀 활성 영역과 동일한 크기를 갖는, 전도성 요소(13)를 도시하고, 도 2의 (e)는 공기에 포함된 습기 및 산소로 인한 가능한 열화를 방지하기 위해, 외부 환경으로부터 요소(13)를 수납하는 공간을 절연하도록 배향된 개스킷(14)을 도시한다. 도 2의 (f)에는 제1 바이폴라 판(6)의 정면도가 도시되어 있으며, 여기서, 번호 (20a) 및 (20b)은 연료 및 산화제 가스를 공급하기 위한 구멍을 나타내고, 번호 (20c) 및 (20d)은 연료 및 산화제 배기 추출 구멍을 나타내며, 번호 (20e) 및 (20f)은 냉각수 주입 및 배출 구멍을 나타내고, 마지막으로 번호 (20e)는 타이로드(16)를 통과시키기 위한 구멍을 나타낸다. 이하에 보다 상세히 설명될 바와 같이, 냉각수와 접촉하는 구멍(20e 및 20f)의 환형 표면에 대응하여, 스택 음극 단자에 근접 배치된 셀의 열화를 초래하는 부식 현상이 얼마나 집중되는지를 주의하여야 한다. For a better understanding, the components of the first cell arranged on the side of the negative electrode terminal of the associated cooling device are shown in FIG. 2 in a continuous form from (a) to (p) in FIG. 2 corresponding to the stacking order. In particular, FIG. 2A schematically shows a front view of a compression plate 15 having an associated hole 19 for the passage of the tie rod 16, and FIG. 2B shows a plate 15 of the stack. Shows a sheet of non-conductive material, such as EPDM rubber, preferably having elastic properties, and having an aperture 19 for passing the tie rods 16 oriented to ensure electrical insulation of (C) optionally comprises, for example, a coating suitable for preventing the increase of contact electrical resistance over time, for example, aluminum plating, and also with holes 19; The conductive sheet 12 of a highly conductive material such as copper is shown, and FIG. 2D shows a complete contact between the sheet 12 and the first bipolar plate 6 in the presence of small surface irregularities or small deflections. Conductive yoke, having the same size as the cell active area, having residual strain and elasticity to achieve FIG. 2 (e) shows a gasket 14 oriented to insulate the space containing the element 13 from the external environment to prevent possible degradation due to moisture and oxygen contained in the air. To show. 2 (f) shows a front view of the first bipolar plate 6, where numbers 20a and 20b denote holes for supplying fuel and oxidant gas, and numbers 20c and ( 20d) denotes a fuel and oxidant exhaust extraction hole, numbers 20e and 20f denote cooling water injection and discharge holes, and finally number 20e denotes a hole for passing the tie rod 16 through. As will be explained in more detail below, attention should be paid to how concentrated the corrosion phenomenon is, which corresponds to the annular surfaces of the holes 20e and 20f in contact with the coolant, resulting in deterioration of the cell disposed close to the stack cathode terminal.

구멍(19) 및 구멍 (20a 내지 20f)은 또한 도 2g에 도시된, 제1 외주 밀봉 개스킷(8)에도 나타나며, 여기서, 중앙 중공부(21)는 정면도로서 다시 도 2의 (h)에 예시된 제1 콜렉터(5)의 부위를 형성한다. 관찰자와 마주보는 도 2의 (g)의 개스킷의 표면은 제1 바이폴라 판과 접촉하며, 표시된 구멍 이외에, 점선으로 표시된, 두께에서 얻어지는 분배 채널(22, 23)이 제공된다. 분배 채널(22, 23)은 각각 구멍(20a, 20d)을 개스킷의 중앙부(21)와 연통시키고, 여기서, 제1 콜렉터(5)가 수납되고, 순차적으로, 멤브레인 표면에 적용된 다공성 촉매 막 중 첫 번째 것과 접촉한다. 이 방식으로, 연료 가스, 예로서, 수소가 콜렉터에 공급되고, 그래서, 촉매 다공성 막 위에 배포된다. 배기 가스는 선택적으로 물과 함께, 구멍(20d)으로부터 배출된다. 도 2의 (i)에서, 멤브레인은 촉매 다공성 막으로 도시되어 있으며, 이는 양 표면의 중앙부(활성 영역, 단 하나만 볼 수 있음)상에 적용된 외주 밀봉 개스킷(8)의 중공 중앙부(21) 및 콜렉터(5)와 동일 치수를 갖는다. 도 2의 (m)에서, 제2 외주 밀봉 개스킷(8)이 도시되어 있으며, 이는 제1 개스킷의 경우에 이미 도시된 바와 같은 구멍(19) 및 구멍 (20a 내지 20f)을 구비한다.The holes 19 and holes 20a to 20f also appear in the first outer circumferential sealing gasket 8, shown in FIG. 2g, where the central hollow part 21 is again illustrated in FIG. 2 h as a front view. The site of the first collector 5 is formed. The surface of the gasket of FIG. 2 (g) facing the viewer is in contact with the first bipolar plate, and in addition to the holes indicated, there are provided distribution channels 22, 23 obtained at a thickness, indicated by dashed lines. Distribution channels 22 and 23 communicate holes 20a and 20d, respectively, with the central portion 21 of the gasket, where the first collector 5 is received and in turn, the first of the porous catalyst membranes applied to the membrane surface. Contact with the first one. In this way, fuel gas, for example hydrogen, is supplied to the collector and thus distributed over the catalytic porous membrane. The exhaust gas is discharged from the hole 20d, optionally with water. In (i) of FIG. 2, the membrane is shown as a catalytic porous membrane, which is the hollow central portion 21 and the collector of the outer sealing gasket 8 applied on the central portion (active area, only one visible) on both surfaces. It has the same dimensions as (5). In FIG. 2 (m), a second outer circumferential sealing gasket 8 is shown, which has holes 19 and holes 20a-20f as already shown in the case of the first gasket.

관찰자에 대면하는 도 2의 (l)의 제2 외주 개스킷(8)의 표면은 제2 바이폴라 판(6)과 직접 접촉하도록 배치되고, 제1 개스킷을 위해 도시된 것들과 전체적으로 대등하지만, 그로부터 편위되어 있는(연속선으로 표시) 분배 채널(22) 및 (23)을 구비한다 : 사실 채널은 멤브레인에 적용된 제2 촉매 다공성 막과 접촉하여, 제2 콜렉터(5)(도 2l에 도시)를 수납하는 제2 외주 개스킷의 중앙부(21)에 구멍(20b 및 20c)을 연결한다. 이 방식으로, 산화제 가스, 예로서 공기가 채널(22)을 통해 제2 콜렉터에 공급되고, 따라서, 제2 촉매 다공성 막 위에 배포된다. 생성수와 혼합된 잔류 산화제 가스는 추출 구멍(20c)내의 채널(23)을 통해 배출된다.The surface of the second outer circumferential gasket 8 of FIG. 2 l facing the viewer is arranged to be in direct contact with the second bipolar plate 6 and is generally equivalent to those shown for the first gasket, but is biased therefrom. And a distribution channel 22 and 23, which are represented by the continuous line: in fact the channel is in contact with the second catalytic porous membrane applied to the membrane, containing the second collector 5 (shown in FIG. 2L). The holes 20b and 20c are connected to the central portion 21 of the second outer circumferential gasket. In this way, an oxidant gas, such as air, is supplied to the second collector through the channel 22 and thus distributed over the second catalytic porous membrane. The residual oxidant gas mixed with the product water is discharged through the channel 23 in the extraction hole 20c.

도 2의 (n)에, 제2 바이폴라 판(6)의 정면도가 도시되어 있으며, 이는 도 2의 (f)의 제1 바이폴라 판과 전체적으로 대등하다. 도 2의 (o) 및 도 2의 (p)는 마지막으로, 전도성 스페이서(11) 및 냉각 장치의 외주 밀봉 개스킷(10)을 도시한다. 특히, 개스킷(10)은 냉각수 주입 및 배출 채널(24 및 25)을 구비한다.In FIG. 2 (n), a front view of the second bipolar plate 6 is shown, which is generally equivalent to the first bipolar plate of FIG. 2 f. 2 (o) and 2 (p) finally show the conductive spacer 11 and the outer sealing gasket 10 of the cooling device. In particular, the gasket 10 has cooling water inlet and outlet channels 24 and 25.

도 2의 (f) 내지 도 2의 (p)의 요소의 적층은 관련 냉각 장치를 갖는 단일 셀을 구성하는 반복적 모듈을 발생시킨다. 도 1의 스택은 두 개의 압축 판(15) 및 두 개의 연결 시트(12) 사이에 수납된 다수의 반복적 모듈로 구성된다 : 구멍(20a)로부터 구멍(20f)까지의 다양한 구멍의 중첩 배설(overlaying)은 종방향 매니폴드의 형성을 결정하며, 이들 각각은 외부 회로에 대한 연결을 위한 연결부(18)를 구비하고, 각각, 그 기능에 따라, 음극 또는 양극 또는 냉각 장치와 연통한다.The stacking of the elements of FIGS. 2 (f) to 2 (p) results in an iterative module constituting a single cell with an associated cooling device. The stack of FIG. 1 consists of a number of repetitive modules housed between two compression plates 15 and two connecting sheets 12: overlaying various holes from hole 20a to hole 20f. ) Determines the formation of the longitudinal manifold, each of which has a connection 18 for connection to an external circuit, each in communication with a cathode or an anode or a cooling device, depending on its function.

상기 설명은 정상 동작 조건에서, 구멍(20e 및 20f)의 중첩배설에 의해 형성된 종방향 매니폴드가 순환하는 냉각수로 완전히 충전된다는 것을 명백하게 하며, 순환하는 냉각수는 전도성의 레벨에 따라서, 그리고, 다양한 셀의 전압의 합으로부터 초래하는 높은 전기 전압의 영향하에서, 기생 또는 미주 전류라 알려진 보다 강하거나 보다 약한 전류의 통과를 가능하게 한다. 기생적으로 전기 효율의 손실을 나타내는 이 전류는 냉각수를 탈염함으로써 최소화된다. 미주 전류를 0으로 감소시키는 것은 불가능하며, 그 이유는 다양한 원천의 이온의 농후화 및 탈염의 불완전한 효율 때문에 순환수가 항상 특정 전도성을 유지하기 때문이다.The above description makes it clear that, under normal operating conditions, the longitudinal manifold formed by the overlapping of the holes 20e and 20f is completely filled with circulating coolant, the circulating coolant being dependent on the level of conductivity and the various cells. Under the influence of the high electrical voltage resulting from the sum of the voltages of < RTI ID = 0.0 >, < / RTI > This parasitic parasitic loss of electrical efficiency is minimized by desalting cooling water. It is not possible to reduce the vagus current to zero because the circulating water always maintains a certain conductivity due to the incomplete efficiency of the enrichment and desalination of ions of various sources.

유사한 상황은 또한 구멍(20a, 20b, 20c 및 20d)들의 중첩배설에 의해 형성된 반응제 및 배기 통로에서도 발생할 수 있다 : 이 경우에, 작은 미주전류의 통로를 위한 조건은 잔류 가스로부터 생성수의 분리에 의해, 그리고, 외부적 환경으로의 스택 열 소산에 의해 발생되는 가습 증기의 응축에 의해 형성된 액체 상태의 물의 존재에 의해 발생된다. A similar situation can also arise in the reactant and exhaust passages formed by the overlapping of the holes 20a, 20b, 20c and 20d: In this case, the conditions for the passage of small vagus currents separate the product water from the residual gas. And by the presence of liquid water formed by the condensation of humidified steam generated by stack heat dissipation to the external environment.

도 3은 본 발명의 제1 실시예를 도시하며, 여기서, 도 2의 경우의 것들과 공통된 부분은 동일 참조 번호로 표시되어 있다. 번호 (2)는 공급, 주입, 추출 및 배출 구멍의 원주 및 활성 영역의 에지 사이에 포함된 외주 밀봉 개스킷 표면의 영역에 그 외주가 배치되어 있는 이오노머 멤브레인을 나타낸다. 이 영역은 멤브레인에 접촉하는 표면상에서, 따라서, 분배 채널(22, 23, 24 및 25)을 포함하는 표면에 대향한 표면상에서 플레이너(planar)가 될 수 있으며: 대안적으로, 이는 가스, 생성수 및 냉각수의 외부 환경으로의 누설 및 멤브레인 에지와의 냉각수의 접촉 양자 모두를 안전한 방식으로 방지하기 위해 하나 이상의 리지(ridge) 또는 링(ring)을 구비할 수 있다.3 shows a first embodiment of the present invention, wherein parts common to those in the case of FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. Numeral 2 denotes an ionomer membrane whose periphery is arranged in the region of the outer circumferential sealing gasket surface comprised between the circumference of the feed, injection, extraction and discharge holes and the edge of the active region. This region can be a planar on the surface in contact with the membrane and thus on the surface opposite the surface comprising the distribution channels 22, 23, 24 and 25: alternatively, it is a gas, a production One or more ridges or rings may be provided to prevent both water and cooling water leakage into the external environment and contact of the cooling water with the membrane edges in a safe manner.

도 4는 본 발명의 제2 실시예의 단일 셀의 콤포넌트를 도시하며, 여기서, 변하지 않는 부분은 도 2의 것에 관하여 동일 참조 번호를 갖는다. 번호 (2)는 개스킷내에 등가의 구멍 보다 큰 섹션의 공급, 주입, 추출 및 배출 구멍을 구비하는, 바이폴라 판의 주변과 일치하는 주변을 갖는 이오노머 멤브레인을 나타낸다. 멤브레인의 구멍의 외주는 예로서, EPDM으로 이루어진 플레이너 링(26)을 구비한다. EPM 고무 및 일반적으로 탄성 특성을 갖는 저경도 중합성 재료가 마찬가지로 사용 될 수 있다. 링(26)의 목적은 가스, 생성수 및 냉각수의 외부로의 누설 및 냉각수와 멤브레인 사이의 접촉 양자 모두의 가능성을 방지하기 위해 구멍에 대응하여 각 밀봉 개스킷의 쌍의 경계면을 밀봉하기 위한 것이다. 대안으로서, 평면형 링은 O-링으로 대체될 수 있다. 다른 대안으로서, 멤브레인내의 구멍의 원주 및 외주 개스킷의 구멍의 원주에 의해 한정되는 외주 밀봉 개스킷의 영역에서, UV 조사 또는 열처리에 의해, 또는, 촉매에 의해, 경화 및 중합되는 액체 재료의 막이 적용된다. 적절한 재료는 액체 실리콘 수지에 의해 주어질 수 있으며, 이는 경화 프로세스의 완료 이후에도 양호한 탄성 및 낮은 경도를 유지한다. 평면형 링, O-링 또는 경화된 중합성 막에 대한 대안으로서, 본 기술에 공지된 바와 같이, 적절한 립(lip) 또는 계단부가 제공될 수 있다. Figure 4 shows the components of a single cell of a second embodiment of the invention, wherein the unchanged parts have the same reference numerals with respect to that of Figure 2. Numeral 2 denotes an ionomer membrane having a periphery coinciding with the periphery of the bipolar plate, with feed, inlet, extract and outlet holes of sections larger than equivalent holes in the gasket. The outer circumference of the hole of the membrane has a planar ring 26 made of EPDM, for example. EPM rubber and low hardness polymeric materials, which generally have elastic properties, can likewise be used. The purpose of the ring 26 is to seal the interface of each pair of sealing gaskets corresponding to the holes to prevent the possibility of both leakage of gas, product water and cooling water to the outside and contact between the cooling water and the membrane. As an alternative, the planar ring can be replaced with an O-ring. As a further alternative, in the region of the outer circumferential sealing gasket defined by the circumference of the hole in the membrane and the circumference of the hole in the outer gasket, a film of liquid material which is cured and polymerized by UV irradiation or heat treatment, or by a catalyst is applied. . Suitable materials may be given by liquid silicone resins, which maintain good elasticity and low hardness even after completion of the curing process. As an alternative to planar rings, O-rings or cured polymerizable membranes, suitable lips or steps may be provided, as known in the art.

도 5는 도 3 및 도 4의 스택에 관하여, 바이폴라 판, 개스킷 및 멤브레인상에 존재하는 적절한 구멍(20e 및 20f)의 순차적 중첩에 의해 형성된 매니폴드 중 하나의, 스택의 음극 단자측상의, 종방향 섹션을 따른 각 바이폴라 판 구멍의 환형 표면에 의해 방출되는 미주전류의 종방향 및 반경방향 양자 모두로의 분포의 체계를 도시한다, 번호 (27)는 냉각수와 접촉하는 바이폴라 판 구멍의 환형 표면(28)에 의해 방출되는 미주전류를 나타내고, 번호 (29)는 생성된 등전위(equipotential) 표면을 나타내며, 나머지는 이전 도면에서와 동일한 참조 번호로 표시되어 있다.FIG. 5 shows the longitudinal, negative, side of the stack of one of the manifolds formed by the sequential overlap of the appropriate holes 20e and 20f present on the bipolar plate, the gasket and the membrane, with respect to the stack of FIGS. The system of distribution of both the longitudinal and radial directions of the vagus currents emitted by the annular surface of each bipolar plate hole along the directional section is shown, number 27 denotes the annular surface of the bipolar plate hole in contact with the coolant ( 28 represents the Americas emitted by 28), number 29 represents the generated equipotential surface, and the remainder are denoted by the same reference numerals as in the previous figures.

도 6은 냉각수를 위한, 그리고, 가스상 반응제 및 배기를 위한 공급, 주입, 추출 및 배출 구멍이 완전히 없는 음극 측의 제1 바이폴라 판을 갖는 것을 특징으로 하는, 본 발명의 제3 실시예의 음극 단자측의 제1 셀의 콤포넌트를 도시한다. FIG. 6 shows the negative terminal of the third embodiment of the invention, characterized in that it has a first bipolar plate on the negative side, completely free of supply, injection, extraction and discharge holes for cooling water and for gaseous reactants and exhaust; The component of the 1st cell of the side is shown.

도 7은 도 6의 스택에 관한 미주 전류의 종방향 및 반경방향으로의 분포 체계를 도시한다.FIG. 7 shows the longitudinal and radial distribution scheme of the vagus currents for the stack of FIG. 6.

[제1 실시예][First Embodiment]

본 발명자는 스테인레스 강 바이폴라 판으로 제조된 스택의 음극 단자측상에 위치된 셀의 성능 열화의 문제를 해결하기 위한 시도에서, 같은 수의 탈염수 공급 냉각 장치가 개재된 다수 즉, 50 셀로 구성된 도 1에 예시된 유형의 스택을 사용하여 일련의 테스트를 수행하였다. 사용된 스테인레스 강은 예시된 유형 AISI(DIN X2 CrNiMol7 13 2, 16-18% 크롬/10-14% 니켈/2-3% 몰리브덴, 탄소 < 0.03%, 미소한 비율의 실리콘 및 망간, 나머지는 강철)으로 이루어진다. 이오노머 멤브레인으로서, 미국 듀퐁(DuPont)에 의해 제공되는 Nafion 112형이 사용되었다. 촉매 다공성 막은 1mg/cm2의 백금을 포함하며, 미국 데 노라 노스 아메리카(De Nora North America)의 E-TEK 디비전(division)에 의해 제공되는 다촉매 다공성 막이다. In an attempt to solve the problem of performance deterioration of a cell located on the negative terminal side of a stack made of stainless steel bipolar plates, the present inventors have shown in FIG. 1 composed of a plurality of 50 cells, interposed with the same number of demineralized water supply cooling devices. A series of tests was performed using the stack of the illustrated type. The stainless steels used were the illustrated type AISI (DIN X2 CrNiMol7 13 2, 16-18% Chromium / 10-14% Nickel / 2-3% Molybdenum, Carbon <0.03%, a small percentage of Silicon and Manganese, the rest being steel ) As ionomer membrane, Nafion 112 type provided by DuPont, USA was used. Catalytic porous membranes comprise 1 mg / cm 2 of platinum and are multicatalytic porous membranes provided by the E-TEK division of De Nora North America, USA.

내화학성 크롬 층으로 코팅된 금속성 망상(reticulated) 재료가 미국 특허 제5,480,792호에 개시된 바와 같은 콜렉터로서 사용되었다.A metallic reticulated material coated with a chemical resistant chromium layer was used as the collector as disclosed in US Pat. No. 5,480,792.

테스트에 사용된 스택은 하기에 표시된 바와 같이 그 내부 디자인이 차별화되었다 :The stack used for the test differs in its internal design as shown below:

- 스택 A(종래 기술에 따른 기준) : 도 2에 표시된 바와 같은 콤포넌트. 특히, 멤브레인 치수는 바이폴라 판의 것과 일치하며, 외주 밀봉 개스킷 및 바이폴라 판상에 존재하는 등가의 구멍에 정확하게 중첩 배설될 수 있는 공급, 주입, 추출 및 배출 구멍을 구비한다.Stack A (based on prior art): component as indicated in FIG. 2. In particular, the membrane dimensions are consistent with those of the bipolar plate and have supply, injection, extraction and discharge holes that can be accurately overlaid on equivalent sealing holes present on the outer sealing gasket and the bipolar plate.

- 스택 B(본 발명의 제1 실시예) : 도 3에 도시된 바와 같은 단일 셀의 콤포넌트.Stack B (first embodiment of the invention): Component of a single cell as shown in FIG.

- 스택 C(본 발명의 제2 실시예):도 4에 도시된 바와 같은 단일 셀의 콤포넌트.Stack C (second embodiment of the invention): Component of a single cell as shown in FIG.

멤브레인을 위해 채용된 두 개의 크기 중, 스택 B에 관한 하나는 특히 비싼 사용된 재료의 양을 감소시키는 장점을 갖는다. 다른 한편, 스택 C에 사용된 멤브레인 크기는 자동화된 스택 조립 절차에 보다 호환성일 수 있으며, 그 이유는 외주 밀봉 개스킷 및 바이폴라 판의 것과 일치하는 외주는 신속하고 정밀한 센터링(centring)을 가능하게 하기 때문이다.Of the two sizes employed for the membrane, one with respect to stack B has the advantage of reducing the amount of material used, which is particularly expensive. On the other hand, the membrane size used in Stack C may be more compatible with automated stack assembly procedures, since the outer periphery that matches that of the outer seal gasket and bipolar plate allows for fast and precise centering. to be.

세 개의 스택은 잔여 셀에 근접한 값으로 그 온도를 유지하기 위해, 음극 및 양극 단자측상의 두 개의 외부 셀 각각 및 전기 접속판 사이에 삽입된 냉각 장치와 등가의 요소를 구비한다. The three stacks have elements equivalent to a cooling device inserted between each of the two outer cells on the negative and positive terminal sides and the electrical contacts to maintain their temperature at a value close to the remaining cells.

세 개의 스택은 잔류 가스 출구에서 측정시 70℃의 온도에서 동작하며, 순수 수소(20% 화학양론적 초과, 70℃에서 사전 가습, 1.3 bar 절대압) 및 공기(50% 화학양론적 초과, 60℃에서 사전 가습, 1.2bar 절대압)가 공급된다. 저항 기판상에 생성된 전류는 활성 영역이라 지칭되는 0.5A/cm2의 밀도에 대응한다. 동작 동안, 모든 스택의 셀 전압이 감시되고, 0.2Volt 보다 작은 전압을 갖는 셀이 단락(약자 s.c.를 사용함)된다.The three stacks operate at a temperature of 70 ° C, measured at the residual gas outlet, with pure hydrogen (above 20% stoichiometric, prehumidification at 70 ° C, 1.3 bar absolute) and air (50% stoichiometric, 60 ° C). Pre-humidification at 1.2 bar absolute). The current generated on the resistive substrate corresponds to a density of 0.5 A / cm 2 called the active region. During operation, the cell voltages of all stacks are monitored and cells with voltages less than 0.2 Volt are shorted (using the abbreviation sc).

이하에서, 각 스택에 대하여, 음극 단자측상의 최초 8개 셀의 전압(Volts), 양극 단자측상의 최종 3개 셀의 전압 및 잔여 셀의 평균 전압이 보고되었다. In the following, for each stack, the voltages of the first eight cells on the negative terminal side, the voltage of the last three cells on the positive terminal side and the average voltage of the remaining cells were reported.

# 스택 A# Stack A

100 시간 [0.70, 0.72, 0.70, 0.69, 0.70, 0.70, 0.71, 0.71] [0.70, 0.72, 0.71] [0. 71] 100 hours [0.70, 0.72, 0.70, 0.69, 0.70, 0.70, 0.71, 0.71] [0.70, 0.72, 0.71] [0. 71]

250 시간 [0.69, 0.72, 0.70, 0.70, 0.69, 0.71, 0.71, 0.71] [0.70, 0.70, 0.71] [0.71] 250 hours [0.69, 0.72, 0.70, 0.70, 0.69, 0.71, 0.71, 0.71] [0.70, 0.70, 0.71] [0.71]

500 시간 [0.45, 0.55, 0.60, 0.65, 0.69, 0.71, 0.70, 0.71] [0.70, 0.71, 0.70] [0.71] 500 hours [0.45, 0.55, 0.60, 0.65, 0.69, 0.71, 0.70, 0.71] [0.70, 0.71, 0.70] [0.71]

750 시간 [0.20, 0.30, 0.45, 0.55, 0.60, 0.65, 0.70, 0.71] [0.70, 0.71, 0.70] [0.71] 750 hours [0.20, 0.30, 0.45, 0.55, 0.60, 0.65, 0.70, 0.71] [0.70, 0.71, 0.70] [0.71]

1000 시간 [s.c., 0.25, 0.30, 0.40, 0.52, 0.60, 0.65, 0.71] [0.70, 0.71, 0.70] [0. 71] 1000 hours [s.c., 0.25, 0.30, 0.40, 0.52, 0.60, 0.65, 0.71] [0.70, 0.71, 0.70] [0. 71]

1250 시간 [s.c., s.c., s.c., 0.30, 0.40, 0.55, 0.60, 0.67] [0.70, 0.71, 0.70] [0.71] 1250 hours [s.c., s.c., s.c., 0.30, 0.40, 0.55, 0.60, 0.67] [0.70, 0.71, 0.70] [0.71]

1500 시간 [s.c., s.c., s.c., s.c., 0.30, 0.35, 0.45, 0.55] [0.70, 0.70, 0.71] [0.71]1500 hours [s.c., s.c., s.c., s.c., 0.30, 0.35, 0.45, 0.55] [0.70, 0.70, 0.71] [0.71]

#스택 B#Stack B

100 시간 [0.70, 0.70, 0.71, 0.69, 0.70, 0.71, 0.70, 0.69] [0.69, 0.71, 0.70] [0.70] 100 hours [0.70, 0.70, 0.71, 0.69, 0.70, 0.71, 0.70, 0.69] [0.69, 0.71, 0.70] [0.70]

250 시간 현저한 변화 없음, 전압 발진 ≤0.1Volts250 times no significant change, voltage oscillation ≤0.1Volts

500 시간 상기와 같음500 times same as above

750 시간 상기와 같음750 times same as above

1000 시간 상기와 같음1000 times same as above

1250 시간 상기와 같음1250 hours as above

1500 시간 상기와 같음1500 hours same as above

#스택 C #Stack C

100 시간 [0.71, 0.69, 0.70, 0.72, 0.70, 0.70, 0.71, 0.71] [0.70, 0.70, 0.71] [0.71] 100 hours [0.71, 0.69, 0.70, 0.72, 0.70, 0.70, 0.71, 0.71] [0.70, 0.70, 0.71] [0.71]

250 시간 현저한 변화 없음, 전압 발진 ≤0.1Volts250 times no significant change, voltage oscillation ≤0.1Volts

500 시간 상기와 같음500 times same as above

750 시간 상기와 같음750 times same as above

1000 시간 상기와 같음1000 times same as above

1250 시간 상기와 같음1250 hours as above

1500 시간 상기와 같음1500 hours same as above

이들 데이터의 분석은 스택 B 및 C가 적어도 선택된 테스트 시간에 대하여 성능 열화에 실질적으로 영향을 받지 않는다는 것을 명백히 나타낸다. 스택 A는 반대로, 500 시간 직후 음극 단자측상의 제1 셀의 심각한 불안정을 나타낸다. 전압 밀도는 증가하고, 이미 상술한 바와 같이 0.2Volt로 고정된 임계치 미만으로 단일 셀 전압이 하강할 때, 조작자가 단락(s.c.)을 수행하게 하였다. 또한, 심각하게 위 험한 전압을 갖는 셀의 단락은 인근 셀의 열화를 가속시키고, 명백히 스택의 중심을 향해 중단없이 전진한다는 것을 인지하는 것이 중요하다. 전압 열화 특성은 문제점 유발 원인이 환경으로의 열 소실이거나, 종래 기술분석에 제안된 바와 같이, 외부 전기 회로에 대한 부정확하게 치수설정된 시트 접속으로 인한 전류 분포라는 것을 배제할 수 있게 한다. 이러한 경우라면, 사실, 문제점은 제1 셀에만 존재하여야 하며, 어떠한 경우에도 스택의 양 극단, 음극 및 양극 양자 모두에 존재하지는 않는다. 스택 A상에서 발생하는 열화의 메카니즘을 명확하게 하기 위해, 본 발명자는 정확한 기능을 여전히 특징으로 하는 셀 및 단락된 셀 양자 모두의 콤포넌트상에 일련의 점검을 수행하였다. 금속 이온 함량의 편저한 편차를 나타내는, 단일의 가장 관련성있는 지표가 멤브레인의 분석에 의해 제공되었다. 표 1은 중앙 셀(PEMFC 20) 및 단락된 셀(PEMFC 8)에 근접한 단락회로화되지 않은 셀의 음극 단자측(PEMFC 1)상의 제1 단락된 셀의 활성 영역의 외주 및 중앙 영역에서 검출된 평균 니켈 및 칼슘 함량을 보고한다 :Analysis of these data clearly indicates that stacks B and C are substantially unaffected by performance degradation for at least the selected test time. Stack A, on the contrary, exhibits severe instability of the first cell on the negative terminal side immediately after 500 hours. The voltage density increased and caused the operator to perform a short (s.c.) when the single cell voltage dropped below the fixed threshold of 0.2 Volt as described above. In addition, it is important to note that shorting cells with severely dangerous voltages accelerates degradation of nearby cells and clearly advances uninterrupted toward the center of the stack. The voltage degradation characteristic makes it possible to exclude that the cause of the problem is the heat dissipation into the environment or the current distribution due to incorrectly dimensioned sheet connections to the external electrical circuit, as suggested in the prior art analysis. If this is the case, in fact, the problem should only exist in the first cell and in no case exist at both ends, the cathode and the anode of the stack. To clarify the mechanism of degradation that occurs on stack A, the inventors performed a series of checks on components of both the cell and the shorted cell that still feature correct functionality. The single most relevant indicator, indicating a mild variation in metal ion content, was provided by the analysis of the membrane. Table 1 shows the detection of the outer and central regions of the active area of the first shorted cell on the negative terminal side (PEMFC 1) of the unshorted cell close to the center cell (PEMFC 20) and the shorted cell (PEMFC 8). Report the average nickel and calcium content:

[표 1]TABLE 1

PEMFC 1PEMFC 1 외주 영역Outer zone 중앙 영역Central area Ni(mg/cm2)Ni (mg / cm 2 ) 12.912.9 12.712.7 Ca(mg/cm2)Ca (mg / cm 2 ) 0.40.4 0.50.5 PEMFC 8PEMFC 8 Ni(mg/cm2)Ni (mg / cm 2 ) 11.211.2 0.60.6 Ca(mg/cm2)Ca (mg / cm 2 ) 0.50.5 0.10.1 PEMFC 20PEMFC 20 Ni(mg/cm2)Ni (mg / cm 2 ) 0.30.3 0.10.1 Ca(mg/cm2)Ca (mg / cm 2 ) 0.10.1 0.10.1

이들 데이터는 셀상에서 관찰된 전압 열화가 칼슘의 존재가 나타내는 바와 같이, 냉각수로부터 진행하는 금속 이온의 멤브레인의 농후화와 직접적으로 연계되어 있다는 것을 명백히 보여준다. 사실, 냉각수는 이온 및 크롬 같은 다른 오염물 이외에, 니켈(7.5ppm) 및 칼슘(2ppm)의 존재를 특징으로 한다. These data clearly show that the voltage degradation observed on the cell is directly linked to the thickening of the membrane of metal ions running from the cooling water, as indicated by the presence of calcium. In fact, the cooling water is characterized by the presence of nickel (7.5 ppm) and calcium (2 ppm) in addition to other contaminants such as ions and chromium.

음극 단자측상의 스택 말단에 위치된 셀의 멤브레인내의 농후화의 놀라운 국지화에 관하여, 임의의 특정 이론에 본 발명을 구속시키지 않고, 냉각수 주입 및 배출 매니폴드 내측에 존재하는 전위 프로파일(profile)에 그 원인이 있는 것으로 추정할 수 있다. Regarding the surprising localization of the thickening in the membrane of a cell located at the stack end on the cathode terminal side, it does not limit the invention to any particular theory, but rather to the potential profile present inside the coolant inlet and outlet manifolds. It can be assumed that there is a cause.

이 프로파일은 스택 음극 단자에 인접한 영역에 대하여, 도 5에 체계화된 바와 같이 각 바이폴라 판 구멍의 환형 면으로부터 방출된 미주전류의 반경방향 및 종방향 분포로부터 유도된다. 전류 라인 및 전위 프로파일 분포는 스택의 양극 단자 측상의 동일한 매니폴드 구역에서 대등하다. 전류 방출 피크는 스택 음극 및 양극 단자(도 5에 보다 긴 화살표)에 대응하여 배치된 제1 바이폴라 판과 일치하며, 스택의 중앙을 향해 진행하면서 점진적으로 감소한다(도 5의 보다 짧은 화살표).This profile is derived from the radial and longitudinal distributions of the vagus currents emitted from the annular face of each bipolar plate hole, as shown in FIG. 5, for the region adjacent to the stack negative terminal. The current line and potential profile distributions are comparable in the same manifold area on the positive terminal side of the stack. The current emission peak coincides with the first bipolar plate disposed corresponding to the stack cathode and anode terminals (longer arrows in FIG. 5) and gradually decreases as it progresses toward the center of the stack (shorter arrows in FIG. 5).

그 결과로 생성된 전위 분포는 단자 영역에서의 강한 비대칭 및 중앙 셀에 대응하는 매니폴드 영역에서의 실질적인 균일성을 특징으로 한다. 매니폴드 섹션 양자 모두에서의 기하학적 견지로부터의 비대칭적 대등성은 음극 단자측상의 스택 말단에 위치된 셀의 음극에 대응하여 최대가 되고, 양극 단자측상의 대향 말단에 위치된 셀의 양극에 대응하여 반대가 되는 전위 구배의 형성을 초래한다. 단일 셀의 전압과 매니폴드 내측 전위의 조합은 멤브레인내의 횡단방향 전기적 구배를 결정하며, 이는, 음극 단자측상에서, 멤브레인의 중앙 영역을 향한 냉각수의 이온 이 주를 조장하고, 양극 단자측상에서, 이에 맞서 작용하는 것으로 나타난다. 전기 전위 분포가 실질적으로 균일한 매니폴드의 중앙부에서, 이온의 이주의 특정 가속 또는 지연 작용을 나타내지 않으며, 따라서, 이는 주로 매우 보다 느린 프로세스인 확산에 의해, 멤브레인 내측으로 침투한다. 원론적으로, 멤브레인 내측의 횡방향 이온 침투의 유사한 메커니즘이 생성수를 포함하는 잔류 가스 및 예비 가습된 반응제 가스를 추출 및 공급하기 위한 매니폴드에서도 가능하다. 그러나, 열 손실로 인해, 반응제 가스로부터 응축된 물은 특히, 제한된 크기의 액적(droplet)으로서만 존재하며, 예비 가습이 정확한 형태로 수행되게 하고, 생성수가 필수적으로 배기의 방출을 저해하지 않도록 추출 매니폴드 섹션의 작은 부분만을 점유하게 한다. 또한, 응축수 및 생성수내의 이온 함량은 제한될 수 있다. 따라서, 멤브레인내로의 이온 이주에 대한 기여도는 거의 무시할만 하다.The resulting potential distribution is characterized by strong asymmetry in the terminal region and substantial uniformity in the manifold region corresponding to the center cell. The asymmetric equivalence from the geometric standpoint in both manifold sections is maximum corresponding to the negative of the cell located at the stack end on the negative terminal side, and opposite to the positive of the cell located at the opposite end on the positive terminal side. This results in the formation of a potential gradient that becomes. The combination of the voltage of the single cell and the potential inside the manifold determines the transverse electrical gradient in the membrane, which promotes the migration of ions of cooling water toward the central region of the membrane, on the cathode terminal side, on the anode terminal side, It appears to work against. In the middle part of the manifold, where the electrical potential distribution is substantially uniform, it does not exhibit a particular acceleration or retardation action of the migration of ions, and therefore it penetrates inside the membrane, mainly by diffusion, which is a much slower process. In principle, similar mechanisms of transverse ion permeation inside the membrane are possible in the manifold for extracting and supplying residual gas containing product water and pre-humidized reactant gas. However, due to heat loss, the water condensed from the reactant gas is only present as droplets of limited size, in particular, to ensure that preliminary humidification is carried out in the correct form and that the produced water does not necessarily impede emissions of the exhaust. Only occupy a small portion of the extraction manifold section. In addition, the ionic content in the condensate and product water may be limited. Thus, the contribution to ion migration into the membrane is almost negligible.

[제2 실시예]Second Embodiment

상기 약술한 멤브레인 이온 농후화 메커니즘의 전제를 고려하여, 본 발명자는 새로운 스택, 이하의 스택 D를 조립하였으며, 이는 스택 D의 음극 단자측상의 제1 셀의 콤포넌트를 도시하는 도 6에 도시된 바와 같이, 반응제 가스, 잔류 가스 및 냉각수를 위한 공급, 주입, 추출 및 배출 구멍이 완전히 없는 음극 측면의 제1 바이폴라 판을 갖는 사실을 제외하면, 스택 A와 대등하다. 잔여 콤포넌트(첫 번째 것을 제외한 바이폴라 판, 개스킷, MEA 유닛, 전기 접속 시트, 압축판, 타이로드)는 전체적으로 스택 A의 구성을 위해 사용된 것들과 대등하다. 스택 D는 스택 A, B 및 C와 전체적으로 대등한 형태로 동작된다. 1500 시간 이후, 셀 전압에서 어떠한 현저한 열화도 발견되지 않았으며, 이는 약 0.1Volt의 평균값 주변에서, 미약하게 체류하는 셀 전압으로 관찰되었다. 스택의 음극 단자측상의 제1 셀의 멤브레인의 분석은 외주 및 중앙 영역 사이의 임의의 특정 구별 없이, 무시가능한 이온 농후화를 나타내었다. 본 발명을 임의의 특정 이론에 구속시키지 않고, 본 발명자는 구멍이 없는 제1 바이폴라 판의 존재가 매니폴드 내측의 전위 프로파일을 변경시켜, 도 7에 표시된 바와 같이, 스택의 음극 단자측상의 제1 셀에 대응하는 부분에서 이미 실질적으로 균일해지게 하는 것으로 추정하였다. 따라서, 금속 이온 농후화에 관하여, 스택의 음극 단자측상에 배치된 셀은 중앙 셀 중 하나와 일치하는 거동을 특징으로 하며, 매니폴드 전위 분포는 생리적으로 균일하다. In view of the premise of the membrane ion enrichment mechanism outlined above, the inventor has assembled a new stack, the following stack D, which is shown in FIG. 6 showing the components of the first cell on the cathode terminal side of stack D. Likewise, stack A is comparable except for the fact that it has a first bipolar plate on the side of the cathode that is completely free of supply, injection, extraction and discharge holes for the reactant gas, residual gas and cooling water. The remaining components (bipolar plates, gaskets, MEA units, electrical connection sheets, compression plates, tie rods, except the first one) are equivalent to those used for the construction of stack A as a whole. Stack D operates in a generally equivalent form to Stacks A, B and C. After 1500 hours, no significant degradation was found in the cell voltage, which was observed with a weakly remaining cell voltage around an average value of about 0.1 Volt. Analysis of the membrane of the first cell on the negative terminal side of the stack showed negligible ion enrichment, without any particular distinction between the outer and central regions. Without wishing to limit the present invention to any particular theory, the inventors have found that the presence of a holeless first bipolar plate alters the potential profile inside the manifold, leading to a first on the negative terminal side of the stack, as shown in FIG. It was assumed that the portion corresponding to the cell was already substantially uniform. Thus, with regard to metal ion enrichment, cells disposed on the negative terminal side of the stack are characterized by behavior consistent with one of the center cells, and the manifold potential distribution is physiologically uniform.

명백히, 스택의 양극 단자측상에 구멍이 없는 바이폴라 판을 채용하는 것은 실행할 수 없는데, 그 이유는 냉각수 및 가스 반응제 및 배기의 순환이 차단되기 때문이다. 따라서, 전위 분포는 변하지 않으며, 비대칭적이다. 그럼에도 불구하고, 이런 상황은 어떠한 결정적 의미도 없으며, 그 이유는 시험에 의해 예시된 바와 같이, 스택의 양극 단자측상의 셀 전압과 매니폴드 전위의 중첩은 멤브레인 내측의 금속 이온의 이주를 방해하기 때문이다. Obviously, it is not feasible to employ a holeless bipolar plate on the anode terminal side of the stack because the circulation of cooling water and gas reactants and exhaust is blocked. Thus, the potential distribution does not change and is asymmetric. Nevertheless, this situation has no critical meaning because, as illustrated by the test, the overlap of the cell voltage and the manifold potential on the positive terminal side of the stack prevents the migration of metal ions inside the membrane. to be.

나머지 것과는 다른 디자인의 단일 바이폴라 판의 사용은 스택 조립체에 어떠한 특정한 복잡성도 수반하지 않는다. 또한, 대량 생산에 필수적으로 필요한 스택 조립의 자동화의 필요성을 고려하면, 구멍이 없는 음극 단자측의 제1 바이폴라 판의 사용에 기초한 해법은 스택 B 및 C에 대하여 전술된 해법보다 바람직할 수 있다. The use of a single bipolar plate of a design different from the rest does not involve any particular complexity in the stack assembly. In addition, considering the need for automation of stack assembly, which is necessary for mass production, a solution based on the use of the first bipolar plate on the negative terminal side without holes may be preferable to the solutions described above for stacks B and C.

금속이온이 전혀 없는 물을 사용하여, 임의의 불편함이 제거될 수 있다는 것은 명백하지만, 그러나, 물과 접촉하는 금속부(미주 전류의 효과를 가속시키는 바이폴라 판, 다양한 튜브, 순환 펌프, 제어 기구, 열 교환기 및 저장 탱크)를 갖는 폐쇄 사이클 냉각 시스템에서, 불가피한 금속 이온 방출은 물내의 점진적 축적을 초래하며, 이는 이온 교환 수지 장착 필터의 삽입에 의해서만 부분적으로 상쇄될 수 있다. 순환하는 물의 분석이 비교적 감소된 시간에서 허용할 수 없는 전압 열화를 촉발하기 위해 단지 수 ppm 수준의 레벨로 충분한 것으로 증명하기 때문에, 적어도 한 크기의 자리수 보다 작은 레벨(levels at least one order of magnitude lower)이 충분한 기능안정성을 보증하기 위해 필요할 수 있다. 물내의 금속 이온 농도의 유사한 레벨은 비교적 특대형(oversized) 필터가 매우 빈번한 흡착/재생 사이클로 사용되지 않는 한, 이온 교환 수지와 함께 유지되기가 용이하지 않으며, 이 빈번한 흡착/재생 사이클은 대조적으로, 가능한 단순화되어야 하는 셀 시스템 관리와는 양자 모두 공존할 수 없는 두 가지 조치이다. It is clear that any discomfort can be eliminated by using water that is completely free of metal ions, however, however, metal parts in contact with water (bipolar plates, various tubes, circulation pumps, control mechanisms that accelerate the effect of the viscous currents) In a closed cycle cooling system with a heat exchanger and a storage tank, unavoidable release of metal ions leads to a gradual accumulation in water, which can only be partially offset by insertion of an ion exchange resin mounting filter. Levels at least one order of magnitude lower, as the analysis of circulating water proves to be sufficient at levels of only a few ppm to trigger unacceptable voltage degradation at relatively reduced times. ) May be necessary to ensure sufficient functional stability. Similar levels of metal ion concentration in water are not easy to maintain with ion exchange resins unless relatively oversized filters are used in very frequent adsorption / regeneration cycles, and this frequent adsorption / regeneration cycle, in contrast, There are two measures that cannot coexist with cell system management, which should be as simple as possible.

본 기술의 숙련자는 본 발명이 인용된 예에 대한 다른 변형 및 변경에 의거하여 실시될 수 있다는 것을 명백히 알 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be practiced based on other variations and modifications to the examples cited.

그러므로, 상기 설명은 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니며, 그 범위가 첨부된 청구범위에 의해 유일하게 규정되는 그 범주로부터 벗어나지 않고, 다른 실시예에 따라 활용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.Therefore, it is to be understood that the above description is not intended to limit the invention, and that the scope may be utilized in accordance with other embodiments without departing from the scope thereof solely defined by the appended claims.

본 출원의 상세한 설명 및 청구범위에서, 단어 "포함하다"와, "포함하는" 및 "포함하고" 같은 그 변형은 다른 요소 또는 추가 콤포넌트의 존재를 배제하는 것은 아니다.In the description and claims of this application, the words "comprise" and their modifications such as "comprising" and "comprising" do not exclude the presence of other elements or additional components.

Claims (14)

다수의, 단일 양자 교환 멤브레인 연료 전지 및 냉각 장치를 포함하는 필터 프레스 모듈식 구조체로 구성된 스택이며,A stack of filter press modular structures comprising a plurality of single proton exchange membrane fuel cells and a cooling device, 각 셀은 한 쌍의 금속 바이폴라 판에 의해 형성되고, 그 중공 중앙부내에 전류 콜렉터를 수납하기 위한 프레임으로서 형성된 외주 밀봉 개스킷 및 이온 교환막을 포함하고, Each cell is formed by a pair of metal bipolar plates and includes an outer circumferential sealing gasket and an ion exchange membrane formed as a frame for accommodating a current collector in its hollow central portion, 바이폴라 판과 개스킷은 반응제 가스를 공급하고, 반응 생성물과 함께 잔류 가스를 추출하고, 자동온도 조절되는 유체(thermostatting fluid)를 주입 및 방출하기 위한 구멍을 포함하는 통과 개구를 구비하는 스택에 있어서,A bipolar plate and a gasket are provided in a stack having a through opening including holes for supplying a reactant gas, extracting residual gas together with the reaction product, and injecting and releasing thermostating fluid, 상기 이온교환막 내측의 상기 자동온도 조절되는 유체로부터 진행하는 이온의 횡방향 이주가 방지되는 것을 특징으로 하는 스택. And lateral migration of ions traveling from the thermostatic fluid inside the ion exchange membrane is prevented. 제 1 항에 있어서, 음극 단자에 가장 근접한 바이폴라 판은 통과 개구를 갖지 않는 것을 특징으로 하는 스택.The stack of claim 1 wherein the bipolar plate closest to the negative terminal has no through opening. 제 1 항에 있어서, 이온의 상기 횡방향 이주는 자동온도 조절되는 유체로부터 이온교환막의 물리적 격리에 의해 방지되는 것을 특징으로 하는 스택.2. The stack of claim 1, wherein said lateral migration of ions is prevented by physical isolation of the ion exchange membrane from a thermostatic fluid. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 바이폴라 판의 구성 재 료는 15%-26% 크롬, 10-22% 니켈 및 선택적으로 몰리브덴을 포함하는 스테인레스 강인 것을 특징으로 하는 스택.The stack according to claim 1, wherein the material of the metal bipolar plate is stainless steel comprising 15% -26% chromium, 10-22% nickel and optionally molybdenum. 제 4 항에 있어서, 상기 스테인레스 강은 DIN에 따른 CrNi 5220 시리즈의 강과 AISI 316L 사이에서 선택되는 것을 특징으로 하는 스택.The stack according to claim 4, wherein the stainless steel is selected between steel of the CrNi 5220 series according to DIN and AISI 316L. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자동온도 조절되는 유체는 폐쇄 회로내에서 순환하는 탈염수인 것을 특징으로 하는 스택.The stack according to any one of claims 1 to 5, wherein the thermostatic fluid is demineralized water circulating in a closed circuit. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 이온 교환 막의 외주는 통로 개구의 원주와 중앙 중공부의 에지 사이에 포함된 외주 밀봉 개스킷의 중간 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 스택.The stack according to any one of claims 1 to 6, wherein the outer circumference of the ion exchange membrane is disposed in the middle region of the outer circumferential sealing gasket contained between the circumference of the passage opening and the edge of the central hollow portion. 제 7 항에 있어서, 이온 교환 막은 선택적으로 리지 또는 링을 포함하는 상기 중간 영역에 배치된 밀봉 요소에 의해 자동온도 조절되는 유체로부터 격리되는 것을 특징으로 하는 스택.8. The stack of claim 7, wherein the ion exchange membrane is isolated from the thermostatic fluid by a sealing element disposed in said intermediate region, optionally including a ridge or ring. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 이온 교환 막은 개스킷의 통과 개구와 정합하며 상기 개구 보다 큰 단면을 갖는 통로 구멍을 구비하고, 상기 이온 교환 막은 플레이너 개스킷 또는 O-링의 형태의 비전도성 재료의 링 또는 리 지를 선택적으로 포함하는 개스킷의 통과 개구와 멤브레인의 상기 통로 구멍의 에지 사이에 배치된 밀봉 요소에 의해, 자동온도 조절되는 유체로부터 격리되는 것을 특징으로 하는 스택.The ion exchange membrane of claim 1, wherein the ion exchange membrane has a passage hole that matches the passage opening of the gasket and has a cross section larger than the opening, wherein the ion exchange membrane is in the form of a planar gasket or an O-ring. And a sealing element disposed between the passage opening of the gasket and the edge of the passage hole of the membrane, the ring including the ring or ridge of a non-conductive material of the insulating material. 제 9 항에 있어서, 상기 비전도성 재료의 링은 경도가 작은 고무, 선택적으로, EPM 또는 EPDM으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스택.10. The stack of claim 9, wherein the ring of non-conductive material consists of a rubber of low hardness, optionally EPM or EPDM. 제 9 항에 있어서, 상기 비전도성 재료의 링은 스택을 조립하는 순간에 적용되는 액체 막으로 이루어지고, 액체 막에 포함된 촉매를 사용하여 또는 UV 조사나 열처리에 의해 중합되는 것을 특징으로 하는 스택.10. The stack of claim 9, wherein the ring of nonconductive material consists of a liquid film applied at the moment of assembling the stack and is polymerized using a catalyst contained in the liquid film or by UV irradiation or heat treatment. . 제 11 항에 있어서, 상기 막은 중합 이후 탄성과 감소된 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 스택.12. The stack of claim 11 wherein the membrane has elasticity and reduced hardness after polymerization. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 액체 막은 실리콘 수지 기반 중합성 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 스택.13. The stack of claim 11 or 12, wherein the liquid film is comprised of a silicone resin based polymerizable material. 첨부 도면을 참조로 설명된 바와 실질적으로 동일한 스택.Substantially the same stack as described with reference to the accompanying drawings.
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