KR20090014135A - Stabilized fuel cell flow field - Google Patents

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Abstract

A fuel cell (10) includes a cathode catalyst (26) for receiving a first reactant and an anode catalyst (24) for receiving an expected amount of a second reactant. The cathode catalyst (26) and the anode catalyst (24) respectively catalyze the first reactant and the second reactant to produce an electrochemical reaction that generates a flow of electrons between the cathode catalyst (26) and the anode catalyst (24) The amount of the first reactant consumed in the electrochemical reaction corresponds to a threshold amount of the second reactant needed to generate a forward flow of the electrons from the anode catalyst (24) to the cathode catalyst (26). A portion (42) of a fuel cell flow field includes a feature (54, 60, 80, W1, D1) that restricts consumption of the first reactant.

Description

안정화된 연료 전지 유동장 {STABILIZED FUEL CELL FLOW FIELD}Stabilized Fuel Cell Flow Field {STABILIZED FUEL CELL FLOW FIELD}

본 발명은 개괄적으로 연료 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연료 전지를 위한 유동장에 관한 것이다.The present invention relates generally to fuel cells, and more particularly to flow fields for fuel cells.

연료 전지는 다양한 용례에서 전기를 발생시키기 위해 널리 공지 및 사용되고 있다. 통상적인 연료 전지는 전류를 발생시키기 위해 수소 및 산소(예로서, 공기로부터) 같은 반응 가스를 사용한다. 통상적으로, 연료 전지는 각각의 반응 가스를 수용하는 흐름 채널을 갖는 인접한 유동장들을 포함한다. 각 유동장은 전류를 발생시키기 위해 반응 가스를 가스 분배층을 통해 이온 전도성 폴리머 교환 멤브레인(PEM)에 인접한 각각의 아노드 촉매 또는 캐소드 촉매로 분배한다. 통상적으로, 탄소 입자의 네트워크가 캐소드 및 아노드 촉매들 각각을 지지하며, 전류를 위한 외부 회로의 일부를 형성한다.Fuel cells are well known and used to generate electricity in various applications. Conventional fuel cells use reactant gases such as hydrogen and oxygen (eg from air) to generate current. Typically, a fuel cell includes adjacent flow fields with flow channels containing respective reactant gases. Each flow field distributes the reaction gas through a gas distribution layer to each anode catalyst or cathode catalyst adjacent to the ion conductive polymer exchange membrane (PEM) to generate a current. Typically, a network of carbon particles supports each of the cathode and anode catalysts and forms part of an external circuit for current.

통상적인 연료 전지는 통상적으로, 공기로부터의 산소인 산화제와, 통상적으로 수소인 연료가 부산물인 물을 형성하도록 조합하는 전자화학 반응으로부터 전기를 발생한다. 산소는 지속적으로 캐소드 촉매 위로 지나가고, 수소는 아노드 촉매 위로 지나간다. 아노드 촉매는 전자로부터 수소 양자(proton)를 분리시킨다. 양자는 PEM을 통과하고, 전자는 외부 전기 회로를 통해 흐른다. 양자는 전자와 재조 합하고, 캐소드 촉매에서 산소와 반응하여 물 부산물을 형성한다.Conventional fuel cells typically generate electricity from an electrochemical reaction that combines an oxidant, which is oxygen from air, and water, which is a byproduct of fuel, which is typically hydrogen. Oxygen continues to pass over the cathode catalyst and hydrogen passes over the anode catalyst. The anode catalyst separates hydrogen protons from the electrons. Both pass through the PEM, and electrons flow through external electrical circuits. Both recombine with the electrons and react with oxygen in the cathode catalyst to form water byproducts.

아노드 촉매의 국지적 영역에서의 저 수소 분압 같은 몇몇 조건하에서, 그 영역에서의 전자화학 반응을 유지하기 위한 수소가 부족하다. 이는 상술된 정상 연료 전지 동작 모드로부터 국지적 전류 반전을 초래할 수 있으며, 캐소드 촉매, 탄소 지지체 또는 양자 모두를 열화시키는 반응 상태를 초래한다. 예로서, 양 전극에서 물은 산소, 수소 및 자유 전자를 형성하도록 전해된다. 수소 양자는 PEM을 통과하고, 음 전극의 연료-농후 영역에서 방출된 전자는 음 전극의 연료-결핍 영역으로 흐른다. 연료 결핍 영역에서 저 전위에서의 양자 및 전자 소스의 부재는 캐소드 촉매에서 전위를 증가시키고, 이는 물과 탄소 지지체 사이의 열화 반응을 초래하여 이산화탄소를 형성한다. 열화는 궁극적으로 촉매 및 전기 성능의 손실을 초래하고, 순차적으로, 연료 전지 효율을 저하시킨다.Under some conditions, such as low hydrogen partial pressure in the local region of the anode catalyst, there is a shortage of hydrogen to maintain the electrochemical reaction in that region. This can result in local current reversal from the normal fuel cell operating mode described above, resulting in a reaction state that degrades the cathode catalyst, carbon support, or both. As an example, water at both electrodes is electrolyzed to form oxygen, hydrogen and free electrons. Hydrogen protons pass through the PEM, and electrons emitted from the fuel-rich region of the negative electrode flow into the fuel-depleted region of the negative electrode. The absence of proton and electron sources at low potentials in the fuel depletion region increases the potentials in the cathode catalyst, which results in a degradation reaction between water and the carbon support to form carbon dioxide. Degradation ultimately results in loss of catalyst and electrical performance, which in turn lowers fuel cell efficiency.

본 발명은 적절한 연료 전지 동작을 유지하기 위해 연료 전지 촉매 열화를 감소 또는 제거할 필요성을 해결한다.The present invention addresses the need to reduce or eliminate fuel cell catalyst degradation in order to maintain proper fuel cell operation.

연료 전지에 사용하기 위한 일 실시예의 장치는 제1 반응제를 수용하기 위한 캐소드 촉매와, 제2 반응제의 예상량(expected amount)을 수용하기 위한 아노드 촉매를 포함한다. 캐소드 촉매 및 아노드 촉매 각각은 제1 반응제와 제2 반응제에 촉매작용하여 아노드 촉매와 캐소드 촉매 사이의 전자의 흐름을 발생시키는 전자화학 반응을 발생시킨다. 수소 산화의 반응과정(kinetics)이 매우 쉽게 이루어지기 때문에, 연료 전지 반응의 속도는 일반적으로 연료 전지의 전도층을 통한 옴 전도율(rate of ohmic conduction)과 캐소드 촉매에 대한 제1 반응제의 비율에 의해 규제된다. 전자화학 반응에 소비된 제1 반응제의 양은 아노드 촉매로부터 캐소드 촉매로의 전자의 순방향 흐름을 발생시키기 위해 필요한 제2 반응제의 임계량에 대응한다. 연료 전지 유동장의 일부는 이 임계량을 제2 반응제의 예상량 미만으로 유지하기 위해 제1 반응제의 소비를 규제하는 특징부를 포함한다. An apparatus of one embodiment for use in a fuel cell includes a cathode catalyst for accommodating a first reactant and an anode catalyst for accommodating an expected amount of a second reactant. The cathode catalyst and the anode catalyst each generate an electrochemical reaction that catalyzes the first and second reactants to generate a flow of electrons between the anode catalyst and the cathode catalyst. Since the kinetics of hydrogen oxidation are very easy, the rate of fuel cell reaction generally depends on the rate of ohmic conduction through the fuel cell's conductive layer and the ratio of the first reactant to the cathode catalyst. Regulated by The amount of first reactant consumed in the electrochemical reaction corresponds to the critical amount of second reactant required to generate a forward flow of electrons from the anode catalyst to the cathode catalyst. Part of the fuel cell flow field includes features that regulate the consumption of the first reactant to keep this threshold below the expected amount of the second reactant.

일 실시예의 방법은 아노드 촉매로부터 캐소드 촉매로의 전자의 순방향 흐름을 발생시키기 위해 아노드 촉매에 필요한 제2 반응제의 임계량을 감소시키도록 연료 전지의 캐소드 촉매에서의 제1 반응제의 소비를 규제하는 단계를 포함한다.The method of one embodiment reduces the consumption of the first reactant in the cathode catalyst of the fuel cell to reduce the critical amount of the second reactant required for the anode catalyst to generate a forward flow of electrons from the anode catalyst to the cathode catalyst. Regulating.

상술한 예는 제한을 의도하는 것은 아니다. 부가적인 예들이 후술되어 있다. 본 기술 분야의 숙련자는 하기의 상세한 설명으로부터 본 발명의 다양한 특징 및 장점을 명백히 알 수 있을 것이다. 상세한 설명을 동반하는 도면은 이하와 같이 간단히 설명될 수 있다.The above examples are not intended to be limiting. Additional examples are described below. Those skilled in the art will apparently appreciate the various features and advantages of the present invention from the following detailed description. The drawings that accompany the detailed description can be briefly described as follows.

도1은 연료 전지 스택의 선택된 부분을 개략적으로 예시한다.1 schematically illustrates selected portions of a fuel cell stack.

도2는 소비된 반응 가스의 양을 규제하는 특징부를 갖는 실시예를 예시하는 도1에 도시된 선을 따라 취한 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line shown in FIG. 1 illustrating an embodiment having features that regulate the amount of reactant gas consumed. FIG.

도3은 다른 예시적 실시예를 도시하는 도1과 유사한 단면도이다.3 is a cross-sectional view similar to FIG. 1 showing another exemplary embodiment.

도4는 충전재 재료를 갖는 가스 분배층의 실시예를 예시하는 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a gas distribution layer having a filler material.

도5는 감소된 양의 촉매 재료를 갖는 촉매의 실시예를 예시하는 단면도이다.5 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a catalyst having a reduced amount of catalyst material.

도6은 가변폭의 채널을 갖는 실시예를 예시하는 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating an embodiment having a channel of variable width.

도7A는 서로 맞물려진 채널과 평행 채널을 갖는 일 실시예를 예시하는 단면도이다.7A is a cross-sectional view illustrating one embodiment having channels and parallel channels engaged with each other.

도7B는 평행 채널의 채널 깊이를 예시하는 도6A에 도시된 절단선을 따른 단면도이다.FIG. 7B is a cross-sectional view along the cut line shown in FIG. 6A illustrating the channel depth of the parallel channel.

도7C는 서로 맞물려진 채널의 채널 깊이를 예시하는 도6A에 도시된 절단선을 따른 단면도이다.FIG. 7C is a cross-sectional view along the cut line shown in FIG. 6A illustrating the channel depth of the channels engaged with each other.

도8은 냉각 통로를 갖는 실시예를 예시하는 단면도이다.8 is a sectional view illustrating an embodiment having a cooling passage.

도1은 전기를 발생하기 위한 예시적 연료 전지(10)의 선택된 부분을 개략적으로 예시한다. 본 실시예에서, 공지된 반응을 사용하여 전류를 발생시키도록 캐소드 측부(12)는 반응 가스(R1)를 수용하고, 아노드 측부(14)는 반응 가스(R2)를 수용한다. 캐소드 측부(12) 및 아노드 측부(14) 각각은 성형판, 다공판 또는 다른 유형의 판 같은 유동장 판(16)을 포함하고, 이 유동장 판(16)은 채널 벽(17)과, 각각의 캐소드 측부(12)와 아노드 측부(14) 위로 반응 가스(R1 및 R2)를 분배하기 위해 채널 벽(17) 사이에서 연장하는 채널(18)을 구비한다.1 schematically illustrates selected portions of an exemplary fuel cell 10 for generating electricity. In this embodiment, the cathode side 12 receives the reaction gas R 1 and the anode side 14 receives the reaction gas R 2 to generate a current using a known reaction. Each of the cathode side 12 and the anode side 14 comprises a flow field plate 16, such as a forming plate, a perforated plate or another type of plate, which flow channel plate 16 and the channel wall 17 It is provided with a channel 18 extending between the channel walls 17 for distributing the reaction gases R 1 and R 2 over the cathode side 12 and the anode side 14.

예시된 실시예에서, 가스 교환층(20)이 유동장 판(16) 각각에 인접 배치된다. 폴리머 교환 멤브레인(PEM)(22)은 가스 교환층(20) 사이에서 아노드 촉매(26)로부터 캐소드 촉매(24)를 이격시킨다. 몇몇 실시예에서, 캐소드 촉매(24)와 아노드 촉매(26) 각각은 탄소 천(carbon cloth) 같은 지지체 상에 퇴적된 촉매 재료를 포함한다.In the illustrated embodiment, a gas exchange layer 20 is disposed adjacent each of the flow field plates 16. A polymer exchange membrane (PEM) 22 separates the cathode catalyst 24 from the anode catalyst 26 between the gas exchange layers 20. In some embodiments, each of the cathode catalyst 24 and the anode catalyst 26 includes a catalyst material deposited on a support such as carbon cloth.

도2는 연료 전지(10)의 동작의 일 특징을 예시하기 위해 도1에 도시된 절단선을 따라 아노드 측부(14) 유동장 판(16)을 도시한다. 반응 가스(R2)는 입구(38)를 통해 채널(18) 내로 공급되고, 채널(18)을 통해 출구(40)를 향해 흐른다. 채널(18) 내의 반응 가스(R2)는 가스 교환층(20)(도1)을 통해 아노드 촉매(26)를 향해 적어도 부분적으로 확산된다. 유사하게, 반응 가스(R1)는 캐소드 측부(12) 상에서 채널(18)을 통해 흐르고, 캐소드 촉매(24)를 향해 확산된다. 캐소드 촉매(24)와 아노드 촉매(26)는 각각의 반응 가스(R1 및 R2)에 촉매작용하여 캐소드 촉매(24)와 아노드 촉매(26) 사이에서 전류(즉, 전자의 흐름)의 발생을 초래하는 전자화학 반응을 발생시킨다.FIG. 2 shows the anode side 14 flow field plate 16 along the cut line shown in FIG. 1 to illustrate one feature of the operation of the fuel cell 10. Reactant gas R 2 is supplied into channel 18 through inlet 38 and flows through channel 18 toward outlet 40. Reactant gas R 2 in channel 18 diffuses at least partially toward anode catalyst 26 through gas exchange layer 20 (FIG. 1). Similarly, reactant gas R 1 flows through channel 18 on cathode side 12 and diffuses toward cathode catalyst 24. Cathode catalyst 24 and anode catalyst 26 catalyze the respective reaction gases R 1 and R 2 to provide a current (i.e., flow of electrons) between cathode catalyst 24 and anode catalyst 26. It generates an electrochemical reaction that results in the generation of.

일반적으로, 캐소드 촉매(24)와, 아노드 촉매(26)가 전자화학 반응에서 각각 반응 가스(R1 및 R2)를 소비할 때, 반응 가스(R1 및 R2)의 분압(또는, 대안적으로, 예로서, 농도)은 입구(38)로부터 출구(40)로 채널(18)을 따라 감소한다. 채널(18)을 따른 반응 가스(R1 및 R2)의 분압, 농도 또는 가스량에 대한 다른 지표는 공지된 방식으로 추정될 수 있다.In general, when the cathode catalyst 24 and the anode catalyst 26 consume reaction gases R 1 and R 2 in the electrochemical reaction, respectively, partial pressures of the reaction gases R 1 and R 2 (or, Alternatively, by way of example, the concentration decreases along channel 18 from inlet 38 to outlet 40. Other indicators of the partial pressure, concentration or gas amount of reactant gases R 1 and R 2 along the channel 18 can be estimated in a known manner.

입구(38) 부근 같은 연료 전지(10)의 몇몇 부분에서, 분압은 상대적으로 높고, 아노드 촉매(26)로부터 캐소드 촉매(24)로의 전자의 의도된 순방향 흐름을 초래하는 전자화학 반응을 발생한다. 캐소드 촉매(24)에 의해 소비되는 반응 가 스(R1)의 양은 전자의 순방향 흐름을 발생시키기 위해 아노드 촉매(26)에 필요한 반응 가스(R2)의 임계량에 대응한다. 출구(40) 부근 또는 반응 가스의 국지적 불균등 분배부 부근 같은 연료 전지(10)의 다른 부분에서, 적어도 반응 가스(R2)의 분압은 상대적으로 더 낮다. 반응 가스(R2)의 분압이 임계치 미만(예로서, 연료 결핍)일 때, 전자화학 반응은 캐소드 촉매(24)로부터 아노드 촉매(26)로의 전자의 비의도적 역방향 흐름을 발생시킨다. In some parts of the fuel cell 10, such as near the inlet 38, the partial pressure is relatively high, resulting in an electrochemical reaction that results in an intended forward flow of electrons from the anode catalyst 26 to the cathode catalyst 24. . The amount of reaction gas R 1 consumed by the cathode catalyst 24 corresponds to the critical amount of reaction gas R 2 required for the anode catalyst 26 to generate a forward flow of electrons. In other parts of the fuel cell 10, such as near the outlet 40 or near the local uneven distribution of the reactant gas, at least the partial pressure of the reactant gas R 2 is relatively lower. When the partial pressure of the reaction gas R 2 is below the threshold (eg, lack of fuel), the electrochemical reaction generates an unintentional reverse flow of electrons from the cathode catalyst 24 to the anode catalyst 26.

예시된 실시예에서, 연료 전지(10)의 부분(42)은 일반적으로 입구(38) 부근의 분압 보다 낮은 반응 가스(R2)의 예상 분압 또는 농도를 수용한다. 본 예에서, 부분(42)은 반응 가스(R2)의 임계량을 반응 가스(R2)의 예상 분압 미만으로 유지하기 위해 전자화학 반응 중에 캐소드 촉매(24)에서 소비되는 반응 가스(R1)의 양을 규제하는 특징부를 포함한다. 이는 아노드 촉매(26)로부터 캐소드 촉매(24)로의 전자의 의도된 순방향 흐름을 유지하는 이득을 제공한다.In the illustrated embodiment, portion 42 of fuel cell 10 generally receives an expected partial pressure or concentration of reactant gas R 2 below the partial pressure near inlet 38. In this example, the portion 42 is a reaction gas reaction gas consumed at the cathode catalyst 24 during the electrochemical reaction in order to remain below the estimated partial pressure in the (R 2) reaction gas (R 2) a threshold amount of the (R 1) It includes features that regulate the amount of. This provides the benefit of maintaining the intended forward flow of electrons from the anode catalyst 26 to the cathode catalyst 24.

도3은 반응 가스(R1)의 소비를 제어하기 위한 일 예시적 특징을 예시한다. 본 예에서, 캐소드 측부(12)는 캐소드 촉매(24)와 PEM(22) 사이에 배리어층(54)을 포함한다. 일 예에서, 배리어층(54)은 탄소 이오노머 재료를 포함한다.3 illustrates one exemplary feature for controlling the consumption of reactant gas R 1 . In this example, the cathode side 12 includes a barrier layer 54 between the cathode catalyst 24 and the PEM 22. In one example, barrier layer 54 comprises a carbon ionomer material.

배리어층(54)은 캐소드 촉매(24)로부터 PEM(22)으로의 촉매작용된 반응 가스(R1)의 물질 전달(mass transport)을 억제한다[즉, PEM(22)을 통한 산소 횡 단(cross-over)이 규제된다]. 이는 전자화학 반응에 가용한 촉매작용된 반응 가스(R1)의 양을 감소시키고, 순차적으로, 전자의 순방향 흐름을 발생시키기 위해 필요한 반응 가스(R2)의 임계량을 감소시킨다. 이는 비의도적 역방향 전자 흐름을 피하도록 부분(42) 내의 반응 가스(R2)의 예상 분압 미만으로 임계치를 유지하는 이득을 제공하며, 이는 촉매 및 탄소 지지체 열화의 가능성을 감소시킨다.Barrier layer 54 inhibits mass transport of catalyzed reactant gas R 1 from cathode catalyst 24 to PEM 22 (ie, oxygen transmembrane through PEM 22). cross-over is regulated]. This reduces the amount of catalyzed reaction gas (R 1 ) available for the electrochemical reaction and, in turn, reduces the critical amount of reaction gas (R 2 ) needed to generate a forward flow of electrons. This provides the benefit of maintaining a threshold below the expected partial pressure of reactant gas R 2 in the portion 42 to avoid unintentional reverse electron flow, which reduces the likelihood of catalyst and carbon support degradation.

도4는 반응 가스(R1)의 소비를 제어하기 위한 다른 특징을 예시한다. 본 예에서, 캐소드 측부(12) 상의 가스 교환층(20)은 섬유(58)를 갖는 탄소 부직포 같은 다공성 천 층(56)이다. 섬유(58) 사이의 공극은 반응 가스(R1)가 채널(18)로부터 캐소드 촉매(24)로 확산될 수 있게 하는 섬유(58) 사이의 통로(59)를 제공한다. 충전재(60)는 공극을 통한 반응 가스(R1)의 확산을 적어도 부분적으로 차단한다. 예시된 실시예에서, 충전재(60)는 반응 가스(R1)를 강제로 충전재(60) 둘레의 더 긴 경로를 따라 확산되게 함으로써 확산을 억제한다. 4 illustrates another feature for controlling the consumption of reaction gas R 1 . In this example, the gas exchange layer 20 on the cathode side 12 is a porous cloth layer 56 such as a carbon nonwoven with fibers 58. The voids between the fibers 58 provide passages 59 between the fibers 58 that allow the reactant gas R 1 to diffuse from the channel 18 to the cathode catalyst 24. Filler 60 at least partially blocks diffusion of reactant gas R 1 through the voids. In the illustrated embodiment, filler 60 suppresses diffusion by forcing reactant gas R 1 to diffuse along a longer path around filler 60.

일 실시예에서, 충전재(60)는 반응 가스(R1) 흐름을 규제하기에 적합한 비교적 불활성 재료를 포함한다. 다른 실시예에서, 충전재(60)는 주석 산화물 또는 다른 금속 산화물 같은 산화물 재료를 포함한다. 다른 실시예에서, 충전재(60)는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 같은 폴리머 재료를 포함한다. 다른 실시예에서, 충전재(60)는 탄소 그라파이트 재료를 포함한다.In one embodiment, filler 60 comprises a relatively inert material suitable for regulating reactant gas R 1 flow. In another embodiment, filler 60 includes an oxide material, such as tin oxide or other metal oxide. In another embodiment, filler 60 includes a polymeric material, such as polytetrafluoroethylene. In another embodiment, filler 60 includes a carbon graphite material.

일 실시예에서, 충전재(60)는 클라우드 타워(cloud tower) 또는 스크린 인쇄 법 같은 공지된 방식으로 천 층(56) 상에 퇴적된다.In one embodiment, the filler material 60 is deposited on the fabric layer 56 in a known manner such as a cloud tower or screen printing method.

다른 실시예에서, 천 층(56)은 부분(42)과 연료 전지(10)의 적어도 하나의 다른 부분을 덮는다. 다른 부분은 천 층(56)의 부분(42) 상에만 선택적으로 충전재(60)를 퇴적하기 위해 충전재(60)의 퇴적 이전에 차폐된다.In another embodiment, the cloth layer 56 covers the portion 42 and at least one other portion of the fuel cell 10. The other portion is shielded prior to the deposition of the filler 60 to selectively deposit the filler 60 only on the portion 42 of the cloth layer 56.

도5에 도시된 다른 실시예에서, 캐소드 촉매(24)는 연료 전지(10) 내의 캐소드 촉매(24)의 다른 부분(62)에 비해 촉매 부분(61)에서 감소된 양의 백금 같은 촉매 재료를 포함한다. 이는 전자화학 반응에 가용한 촉매작용된 반응 가스(R1)의 양을 감소시키며, 순차적으로, 상술한 바와 같이 전자의 순방향 흐름을 발생시키기 위해 필요한 반응 가스(R2)의 임계량을 감소시킨다.In another embodiment, shown in FIG. 5, the cathode catalyst 24 utilizes a reduced amount of catalyst material, such as platinum, in the catalyst portion 61 compared to the other portion 62 of the cathode catalyst 24 in the fuel cell 10. Include. This reduces the amount of catalyzed reaction gas (R 1 ) available for the electrochemical reaction, which in turn reduces the critical amount of reaction gas (R 2 ) required to generate the forward flow of electrons as described above.

일 실시예에서, 촉매 재료는 공지된 방식으로 탄소 지지체상에 퇴적된다. 예로서, 탄소 지지체 상에 필요한 양의 촉매 재료를 퇴적하기 위해 퇴적 속도가 제어된다. 몇몇 실시예에서, 탄소 지지체의 선택된 부분은 탄소 지지체의 다른 영역에서 서로 다른 촉매 재료의 양을 달성하도록 차폐된다.In one embodiment, the catalytic material is deposited on the carbon support in a known manner. As an example, the deposition rate is controlled to deposit the required amount of catalyst material on the carbon support. In some embodiments, selected portions of the carbon support are shielded to achieve different amounts of catalytic material in different regions of the carbon support.

도6은 유동장의 변형된 부분(42)의 예를 예시한다. 본 실시예에서, 부분(42)의 채널(18')은 제1 폭(W1)을 포함한다. 부분(42)으로부터 상류의 유동장의 다른 부분(66)에서, 채널(18)은 제1 폭(W1) 보다 작은 제2 폭(W2)을 갖는다. 일 실시예에서, 부분(42) 및 부분(66)은 동일한 피치[즉, P로 도시된 채널(18)과 채널 벽(17)의 조합된 폭]를 갖지만, 서로 다른 채널 폭을 갖는다.6 illustrates an example of a modified portion 42 of the flow field. In this embodiment, channel 18 ′ of portion 42 includes a first width W 1 . In section 42 the other parts of the flow field 66 of the upstream from the channel 18 has a first width smaller than the second width (W 1) (W 2). In one embodiment, portions 42 and 66 have the same pitch (ie, the combined width of channel 18 and channel wall 17 shown in P), but with different channel widths.

예시된 실시예에서, 부분(42)의 상대적으로 더 넓은 채널(18') 및 더 좁은 채널 벽(17')은 전자화학 반응을 위해 가용한 촉매작용된 반응 가스(R1)의 양을 감소시키며, 순차적으로, 전자의 순방향 흐름을 발생시키기 위해 필요한 반응 가스(R2)의 임계량을 감소시킨다. In the illustrated embodiment, the relatively wider channel 18 'and narrower channel wall 17' of the portion 42 reduces the amount of catalyzed reaction gas R 1 available for the electrochemical reaction. In turn, the threshold amount of reactant gas (R 2 ) required to generate a forward flow of electrons is reduced.

공지된 바와 같이, 전자화학 반응은 물 부산물을 생성한다. 다공성 유동장 판(16)에 대하여, 캐소드 촉매로의 반응 가스(R1)의 확산을 가능하게 하도록 물이 채널 벽(17)의 영역에 걸쳐 공지된 방식으로 제거되며, 물 제거율은 채널 벽(17)의 영역에 대응한다. 따라서, 잉여 물은 캐소드 촉매(24)로의 반응 가스(R1)의 확산을 규제한다. 예시된 실시예에서, 부분(42)에서 상대적으로 더 좁은 채널 벽(17')은 부분(66)의 더 넓은 채널 벽(17)에 비해 물 제거에 대한 저항을 제공하며, 그에 의해, 캐소드 촉매(24)로의 반응 가스(R1)의 확산을 억제하여 반응 가스(R1)의 소비를 규제하며, 그에 의해, 임계치를 부분(42)의 반응 가스(R2)의 예상 분압 미만으로 유지한다.As is known, the electrochemical reaction produces water byproducts. For the porous flow field plate 16, water is removed in a known manner over the region of the channel wall 17 to enable diffusion of the reactant gas R 1 into the cathode catalyst, with the water removal rate being the channel wall 17 Corresponds to an area of). Therefore, the surplus regulates the diffusion of the reaction gas R 1 into the cathode catalyst 24. In the illustrated embodiment, the relatively narrower channel wall 17 ′ in the portion 42 provides resistance to water removal compared to the wider channel wall 17 of the portion 66, whereby the cathode catalyst The diffusion of the reaction gas R 1 into the 24 is suppressed to regulate the consumption of the reaction gas R 1 , thereby keeping the threshold below the expected partial pressure of the reaction gas R 2 in the portion 42. .

도7A는 다른 예시적 부분(42)을 예시한다. 본 예에서, 부분(42)의 채널(18')은 평행하다. 공지된 바와 같이, 평행 채널 배열 내의 캐소드 촉매(24)로의 반응 가스(R1) 물질 전달의 주 수단은 확산이다. 부분(42)으로부터 상류의 유동장의 다른 부분(70)에서, 채널(18)은 서로 맞물려진다. 공지된 바와 같이, 서로 맞물려진 채널 배열에서 캐소드 촉매(24)로의 반응 가스(R1) 물질 전달의 주 수단은 강제 대류이다.7A illustrates another example portion 42. In this example, the channels 18 'of the part 42 are parallel. As is known, the main means of mass transfer of reactant gas R 1 to the cathode catalyst 24 in a parallel channel arrangement is diffusion. In the other part 70 of the flow field upstream from the part 42, the channels 18 are engaged with each other. As is known, the main means of mass transfer of reactant gas R 1 to the cathode catalyst 24 in the interdigitated channel arrangement is forced convection.

도7B는 일 예시적 부분(42)의 채널(18')의 채널 깊이(D1)를 예시하고, 도7C는 도7A에 도시된 절단선에 따른 부분(70)의 채널 깊이(D2)를 예시한다. 예시된 실시예에서, 채널 깊이(D1)는 채널 깊이(D2) 보다 얕다. FIG. 7B illustrates the channel depth D 1 of the channel 18 ′ of one exemplary portion 42, and FIG. 7C illustrates the channel depth D 2 of the portion 70 along the cutting line shown in FIG. 7A. To illustrate. In the illustrated embodiment, the channel depth D 1 is shallower than the channel depth D 2 .

예시된 실시예에서, 부분(42)을 따른 선택된 채널의 평행 배열 및 더 얕은 채널 깊이(D1)는 부분(70)에서 보다 부분(42) 내로 상대적으로 적은 반응 가스(R1) 흐름을 제공하며, 그에 의해, 전자화학 반응에 가용한 반응 가스(R1)의 양을 저하시키며, 순차적으로, 전자의 순방향 흐름을 발생시키기 위해 필요한 반응 가스(R2)의 임계량을 감소시킨다.In the illustrated embodiment, the parallel arrangement of the selected channels along the portion 42 and the shallower channel depth D 1 provide a relatively less reactant gas R 1 flow into the portion 42 than in the portion 70. Thereby lowering the amount of reaction gas (R 1 ) available for the electrochemical reaction, and subsequently reducing the critical amount of reaction gas (R 2 ) required to generate the forward flow of electrons.

몇몇 예에서, 부분(42)의 평행 배열 및 더 얕은 채널(18')은 낮은 전류 밀도에서 연료 전지(10)의 성능에 무시할만한 영향을 갖지만, 더 높은 전류 레벨에서는 부분(42)의 전류 밀도를 규제할 것이다.In some examples, the parallel arrangement of the portions 42 and the shallower channels 18 ′ have a negligible impact on the performance of the fuel cell 10 at low current densities, but at higher current levels the current densities of the portions 42. Will regulate.

도8은 변형된 연료 전지(10)의 예를 예시한다. 본 실시예에서, 연료 전지(10)는 공지된 냉각제를 전달하기 위한 냉각 통로(80)를 포함한다. 냉각제는 입구(82)를 통해 냉각 통로(80)에 진입하고, 출구(84)를 통해 나간다. 예시된 실시예에서, 냉각 통로(80)는 사형 배열로 개략적으로 도시되어 있다. 몇몇 실시예에서, 냉각 통로(80)는 도1에 가상선으로 도시된 바와 같이 유동장 판(16) 내에 형성된다.8 illustrates an example of a modified fuel cell 10. In this embodiment, the fuel cell 10 includes a cooling passage 80 for delivering a known coolant. The coolant enters the cooling passage 80 through the inlet 82 and exits through the outlet 84. In the illustrated embodiment, the cooling passages 80 are schematically shown in a sand array. In some embodiments, cooling passages 80 are formed in flow field plate 16 as shown in phantom in FIG. 1.

예시된 실시예에서, 냉각제는 냉각 통로(80)를 통해 흐르고, 전자화학 반응 에 의해 발생된 열을 제거한다. 일반적으로, 연료 전지(10)의 온도는 입구(38)로부터 출구(40)로 증가한다. 온도는 전자화학 반응의 속도를 증가시키는 경향이 있으며, 이는 전자의 순방향 흐름을 발생시키기 위해 필요한 반응 가스(R2)의 임계량을 증가시킨다. 본 실시예에서, 부분(42)은 입구(82)에 근접하고, 제2 부분(86)은 입구(82)로부터 멀리 떨어져 있다. 냉각제의 온도는 일반적으로 냉각제가 그 주변으로부터 열을 흡수함에 따라, 입구(82)로부터 출구(84)로 증가한다. 입구(82) 부근에 부분(42)을 구비함으로써, 부분(42)은 연료 전지(10)의 다른 부분에 의해 예열된 냉각제 보다 상대적으로 더 차가운 냉각제를 수용한다. 일 실시예에서, 냉각 통로(80)는 부분(42)을 반응제(R2)의 흐름 방향을 따라 부분(42)으로부터 상류에 존재하는 부분(86) 보다 더 차갑게 유지한다. 이는 통상적 배열에 반대되는 온도 변화를 제공한다. 역시, 본 실시예는 부분(42)에서 전자화학 반응을 느리게 하고, 순차적으로, 전자의 순방향 흐름을 유지하기 위해 필요한 반응 가스(R2)의 임계량을 감소시킨다.In the illustrated embodiment, the coolant flows through the cooling passage 80 and removes heat generated by the electrochemical reaction. In general, the temperature of fuel cell 10 increases from inlet 38 to outlet 40. The temperature tends to increase the rate of the electrochemical reaction, which increases the critical amount of reactant gas (R 2 ) needed to generate the forward flow of electrons. In this embodiment, the portion 42 is close to the inlet 82, and the second portion 86 is far from the inlet 82. The temperature of the coolant generally increases from the inlet 82 to the outlet 84 as the coolant absorbs heat from its surroundings. By providing the part 42 near the inlet 82, the part 42 receives a cooler that is relatively cooler than the coolant preheated by another part of the fuel cell 10. In one embodiment, the cooling passage 80 keeps the portion 42 cooler than the portion 86 present upstream from the portion 42 along the flow direction of the reactant R 2 . This provides a change in temperature as opposed to a conventional arrangement. Again, this embodiment slows the electrochemical reaction in portion 42 and, in turn, reduces the critical amount of reactant gas R 2 needed to maintain the forward flow of electrons.

개시된 실시예는 아노드 촉매(26)로부터 캐소드 촉매(24)로의 의도된 전자의 순방향 흐름을 유지하기 위해 상대적으로 낮은 반응 가스(R2)의 분압을 갖는 것으로 예상되는 연료 전지(10)의 부분에서 반응 가스(R1)의 소비를 규제한다. 몇몇 개시된 실시예에서, 설명된 특징은 저 내지 중 전류 밀도에서 성능에 현저한 부정적 영향을 주지 않고, 연료 결핍부에 대해 임계치를 저하시킴으로써 비교적 높은 연료 활용으로 연료 전지(10)의 동작의 안정성을 증가시킨다.The disclosed embodiment is the portion of fuel cell 10 that is expected to have a relatively low partial pressure of reactant gas R 2 to maintain the forward flow of intended electrons from anode catalyst 26 to cathode catalyst 24. Regulate the consumption of reactive gas (R 1 ). In some disclosed embodiments, the described features increase the stability of the operation of the fuel cell 10 with relatively high fuel utilization by lowering the threshold for fuel deficiencies without significant negative impact on performance at low to medium current densities. Let's do it.

비록, 특징들의 조합이 예시된 실시예들에 예시되어 있으나, 본 발명의 다양한 실시예의 이득을 실현하기 위해 이들 모두가 조합될 필요는 없다. 달리 말해서, 본 발명의 실시예에 따라 설계된 시스템은 도면 중 임의의 하나에 예시된 특징 모두 또는 도면에 개략적으로 도시된 부분 모두를 포함할 필요는 없다. 또한, 일 예시적 실시예의 선택된 특징들은 다른 예시적 실시예의 선택되 특징과 조합될 수 있다.Although a combination of features is illustrated in the illustrated embodiments, not all of these need to be combined to realize the benefits of the various embodiments of the invention. In other words, a system designed according to an embodiment of the present invention does not need to include all of the features illustrated in any one of the figures or all of the parts schematically shown in the figures. Also, selected features of one example embodiment may be combined with selected features of another example embodiment.

상술한 설명은 본질적으로 제한이 아닌 예시이다. 본 기술의 숙련자들은 본발명의 핵심으로부터 벗어나지 않는, 개시된 실시예에 대한 변형 및 변용을 명백히 알 수 있을 것이다. 본 발명에 주어진 적법한 보호의 범주는 단지 하기의 청구범위의 고찰에 의해서만 결정되어야 한다. The foregoing description is by way of illustration, not limitation. Those skilled in the art will clearly recognize variations and modifications to the disclosed embodiments without departing from the spirit of the invention. The scope of legal protection given to this invention should only be determined by a consideration of the following claims.

Claims (20)

연료 전지에 사용되는 장치이며,Is a device used in fuel cells, 제1 반응제를 수용하기 위한 캐소드 촉매와,A cathode catalyst for containing the first reactant, 제2 반응제의 예상량을 수용하기 위한 아노드 촉매와,An anode catalyst for receiving an expected amount of a second reactant, 제1 연료 전지 부분을 포함하며,A first fuel cell portion, 캐소드 촉매와 아노드 촉매는 각각 제1 반응제와 제2 반응제에 촉매작용하여 아노드 촉매와 캐소드 촉매 사이의 전자의 흐름을 발생시키는 전자화학 반응을 발생시키고, 전자화학 반응에서 소비되는 제1 반응제의 양은 의도된 전자의 흐름을 발생시키기 위해 필요한 제2 반응제의 임계량에 대응하며,The cathode catalyst and the anode catalyst respectively catalyze the first and second reactants to generate an electrochemical reaction which generates a flow of electrons between the anode catalyst and the cathode catalyst, and the first consumed in the electrochemical reaction. The amount of reactant corresponds to the critical amount of the second reactant required to generate the intended flow of electrons, 제1 연료 전지 부분은 상기 임계량을 제2 반응제의 의도된 예상량의 범위 내에서 유지하도록 제1 반응제의 소비를 규제하는 특징부를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 장치.The first fuel cell portion includes a feature that regulates consumption of the first reactant to maintain the threshold amount within the intended expected amount of the second reactant. 제1항에 있어서, 제1 연료 전지 부분과, 연료 전지의 다른 부분은 각각 캐소드 촉매로의 제1 반응제의 흐름을 위한 개구를 구비하는 다공층을 포함하고, 상기 특징부는 개구를 부분적으로 차단하는 충전재를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 장치. The fuel cell of claim 1, wherein the first fuel cell portion and the other portion of the fuel cell each comprise a porous layer having openings for the flow of the first reactant to the cathode catalyst, the features partially blocking the openings. An apparatus for use in a fuel cell, comprising a filler. 제2항에 있어서, 충전재는 산화물 재료, 폴리머 재료 또는 탄소 재료 중 적 어도 하나로부터 선택되는, 연료 전지에 사용되는 장치.The apparatus of claim 2, wherein the filler is selected from at least one of an oxide material, a polymer material, or a carbon material. 제1항에 있어서, 제1 연료 전지 부분은 균등한 크기의 제1 채널을 포함하고, 상기 특징부는 제1 채널과는 다른 크기의 적어도 하나의 제2 채널을 포함하는, 연료 전지에 사용되는 장치.The apparatus of claim 1, wherein the first fuel cell portion comprises a first channel of equal size and the feature comprises at least one second channel of a different size than the first channel. . 제1항에 있어서, 상기 특징부는 제1 반응제를 수용하기 위한 평행 채널을 갖는 제1 연료 전지 부분을 포함하고, 연료 전지 유동장의 다른 부분은 제1 반응제를 수용하기 위한 서로 맞물린 채널을 포함하는, 연료 전지에 사용되는 장치.The fuel cell of claim 1, wherein the feature includes a first fuel cell portion having a parallel channel for receiving a first reactant, and the other portion of the fuel cell flow field includes an interlocked channel for receiving the first reactant. The apparatus used for a fuel cell. 제1항에 있어서, 촉매 재료를 포함하고, 상기 특징부는 연료 전지의 다른 부분에 근접한 촉매 재료의 양에 비해 더 많은 양의 제1 연료 전지 부분에 근접한 촉매 재료를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 장치.The fuel cell of claim 1, comprising a catalytic material, wherein the feature comprises a greater amount of catalyst material proximate the first fuel cell portion relative to the amount of catalyst material proximate the other portion of the fuel cell. Device. 제1항에 있어서, 상기 특징부는 연료 전지의 다른 부분 보다 더 차가운 온도에서 유지되는 제1 연료 전지 부분을 포함하는, 연료 전지에 사용되는 장치.The apparatus of claim 1, wherein the feature comprises a first fuel cell portion maintained at a cooler temperature than other portions of the fuel cell. 제7항에 있어서, 상기 장치는 냉각제 입구와 냉각제 출구를 갖는 냉각 통로를 포함하고, 제1 연료 전지 부분은 냉각제 출구 보다 냉각제 입구에 더 근접한, 연료 전지에 사용되는 장치.8. The apparatus of claim 7, wherein the apparatus comprises a cooling passage having a coolant inlet and a coolant outlet, wherein the first fuel cell portion is closer to the coolant inlet than the coolant outlet. 제1항에 있어서, 제1 연료 전지 부분은 캐소드 촉매로의 제1 반응제의 흐름을 위한 개구를 갖는 다공층을 포함하고, 상기 특징부는 캐소드 촉매로의 제1 반응제의 흐름을 규제하기 위해 다공층에 인접한 배리어층을 구비하는 제1 연료 전지 부분을 포함하는, 연료 전지에 사용되는 장치.The method of claim 1, wherein the first fuel cell portion comprises a porous layer having an opening for the flow of the first reactant to the cathode catalyst, wherein the feature is adapted to regulate the flow of the first reactant to the cathode catalyst. An apparatus for use in a fuel cell, comprising a first fuel cell portion having a barrier layer adjacent the porous layer. 제9항에 있어서, 캐소드 촉매와 아노드 촉매 사이에 이온 멤브레인을 포함하고, 배리어층은 캐소드 촉매와 이온 멤브레인 사이에 존재하는, 연료 전지에 사용되는 장치.10. The apparatus of claim 9, comprising an ion membrane between the cathode catalyst and the anode catalyst, the barrier layer being between the cathode catalyst and the ion membrane. 연료 전지에 사용되는 방법이며,Method used in fuel cells, 아노드 촉매에 필요한 제2 반응제의 임계량을 감소시키기 위해 연료 전지의 캐소드 촉매에서 제1 반응제의 소비를 규제하는 단계를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 방법.Regulating the consumption of the first reactant in the cathode catalyst of the fuel cell to reduce the threshold amount of the second reactant required for the anode catalyst. 제11항에 있어서, 연료 전지 스택의 선택된 부분에서 제1 반응제의 소비를 규제하는 단계를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 방법.The method of claim 11, comprising regulating the consumption of the first reactant in a selected portion of the fuel cell stack. 제12항에 있어서, 선택된 부분에서 연료 전지의 다른 부분에 비해 감소된 양의 촉매 재료를 사용하는 단계를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 방법.13. The method of claim 12, comprising using a reduced amount of catalytic material in selected portions relative to other portions of the fuel cell. 제12항에 있어서, 선택된 부분에서 연료 전지의 다른 부분의 채널 크기에 비해 감소된 채널 크기를 사용하는 단계를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 방법.13. The method of claim 12, comprising using a reduced channel size in the selected portion relative to the channel size of other portions of the fuel cell. 제12항에 있어서, 선택된 부분에서 평행 유동장 채널을 사용하고, 연료 전지의 다른 부분에서 서로 맞물린 유동장 채널을 사용하는 단계를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 방법.13. The method of claim 12, comprising using parallel flow field channels in selected portions and using flow field channels engaged with each other in other portions of the fuel cell. 제12항에 있어서, 선택된 부분을 연료 전지의 다른 부분에 비해 더 차가운 온도로 유지하는 단계를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 방법.13. The method of claim 12, comprising maintaining the selected portion at a cooler temperature than other portions of the fuel cell. 제11항에 있어서, 캐소드 촉매로의 제1 반응제의 흐름을 규제하는 단계를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 방법.The method of claim 11, comprising regulating the flow of the first reactant to the cathode catalyst. 제17항에 있어서, 캐소드 촉매로의 제1 반응제의 흐름을 부분적으로 차단하는 단계를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 방법.18. The method of claim 17, comprising partially blocking the flow of the first reactant to the cathode catalyst. 제18항에 있어서, 충전재로 캐소드 촉매에 인접한 다공층 내의 개구를 통한 흐름을 부분적으로 차단하는 단계를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 방법.The method of claim 18, comprising partially blocking flow through openings in the porous layer adjacent the cathode catalyst with a filler. 제18항에 있어서, 배리어층과 천 층으로 흐름을 부분적으로 차단하는 단계를 포함하는, 연료 전지에 사용되는 방법.19. The method of claim 18, comprising partially blocking flow to the barrier layer and the fabric layer.
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