KR20100070332A

KR20100070332A - 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치, 연료 셀 어셈블리 및 연료 셀 디바이스를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20100070332A
Application number: KR1020107006171A
Authority: KR
Inventors: 안데르스 룬드블라드; 헨릭 엑스트룀; 에릭 욘손
Original assignee: 마이에프씨 에이비
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2010-06-25
Also published as: CA2695217C; US8697311B2; WO2009025613A1; JP5309139B2; US20110123893A1; EP2201631B1; ZA201000710B; CN101790809B; EP2201631A4; CN101790809A; JP2010537381A; CA2695217A1; KR101584378B1; EP2201631A1

Abstract

본 발명은 애노드 가스 확산층(208) 및 캐소드 가스 확산층(210) 사이에 개재되는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 갖는 유형의 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치에 관한 것으로서, 제 1 및 제 2 전류 컬렉터들은 상기 애노드 및 캐소드 가스 확산층(GDL)들에 각각 결합되고, 여기서, 한 셀의 상기 애노드 측으로부터 인접 셀이 캐소드 측으로 신장되고, 셀 컴포넌트들은 서로 클램핑된다. 제 1 전기화학 셀(200a)의 애노드 가스 확산층(GDL; 208)과 접촉하고 있는 상기 제 1 전류 컬렉터(206)는, 인접 셀의 전기화학적 능동 컴포넌트들과 전기화학적으로 접촉하지 않고, 제 2의 인접 전기화학 셀(200b)의 캐소드 측과 비활성 및 전기적 도전성 부재(204b)를 통해서 접속되도록 구성된다.

Description

전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치, 연료 셀 어셈블리 및 연료 셀 디바이스를 제조하는 방법{AN ARRANGEMENT FOR INTERCONNECTING ELECTROCHEMICAL CELLS, A FUEL CELL ASSEMBLY AND METHOD OF MANUFACTURING A FUEL CELL DEVICE}

본 발명은 일반적으로 전기화학 셀들에 관한 것으로, 특히, 서비스 수명을 개선하기 위해 MEA 접촉 영역 영역에서의 부식 및/또는 포이즈닝(poisoning)이 감소하는 연료 셀들에 관한 것이다.

본 발명에 관한 연료 셀의 유형은 국제 특허 출원 PCT SE/2007/050222에 그리고 PCT SE/2005/001514에 게시된다.

상기 유형의 연료 셀들은 다음의 설계 특성들/기능들로 구성된다:

1) 애노드 가스 챔버(anode gas chamber)를 생성하는 실링(sealing) 기능. 이는 멤브레인 전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly : MEA)을 애노드 전류 컬렉터 포일(collector foil)에 밀봉하는 접착제를 사용함으로써 달성된다.

2) 수소 가스를 연료 셀 디바이스 내의 상이한 셀들에 분배하기 위한 가스 분배 기능, 이는 수소 가스에 대한 가스 채널들을 갖는 지지 플레이트(support plate)를 형성함으로써 달성된다. 연료 셀들은 접착제 및/또는 클램핑(clamping) 수단에 의해 지지 플레이트에 부착된다. 지지 플레이트로부터 각각의 셀의 애노도 가스 챔버로 이어지는 홀(hole)들이 존재한다.

3) 하나의 셀로부터의 전류를 수집하고 그것을 최소 저항을 갖고 셀들의 능동 에어리어(active area)에 걸쳐 일정한 전류 밀도가 획득되는 방식인 것이 바람직한 인접 셀로 분배하는 전기 상호 접속 기능.

4) 클램핑 특성. 연료 셀이 클램핑 력(clamping force)을 받도록 함으로써, 셀 내의 내부 저항, 즉, 상이한 재료들 사이의 접속 저항 및 재료들 내부에서의 특정 저항들이 감소된다(예를 들어 가스 확산층(Gas Diffusion Layer : GDL)을 압축함으로써, 자체의 섬유-대 섬유 접속들이 개선된다). 전기 접촉과 유사하게 또한 열 전도성이 상기 클램핑에 의해 개선됨으로써 더 많은 열이 반응층들(즉, 전극들)로부터 분산될 수 있다. 클램핑 특성은 전기 상호 접속 기능과 밀접하게 연결된다.

함께 적용되는 모든 이러한 설계 특성들/기능들은 연료 셀 디바이스를 형성한다.

상기에 인용된 특허 출원에 따른 종래 기술 디바이스들에서, 다수의 셀 연료 셀 디바이스의 상호 접속 디바이스는 하나의 셀의 애노드 GDL로부터 인접 셀의 캐소드 GDL로 이어져 있는 전기적 도전성 전류 컬렉터에 의해 획득된다. 인접 셀의 GDL에서 캐소드 GDL을 걸쳐 전류를 분배하는 클램핑 수단(예를 들어 도금 금속 네트)으로의 인터페이스(접촉 에어리어)가 존재한다. 그러므로 GDL은 압축성 요소로 작동하여, 셀이 서로 클램핑되고 있을 때 네트에 기대어 포일을 밀어낸다.

상기 설계에서의 하나의 단점은 현재의 전류 컬렉터 포일은 인접 셀의 캐소드 GDL(즉, 포일 및 네트 사이의 상호 접속 에어리어의 아래에 있는)을 부분적으로 덮음으로써 GDL의 상기 부분 및 그 아래 놓인 MEA로의 공기 접근을 방해한다.

상기 설계에서의 다른 단점은 전류 컬렉터 코일이 인접 셀의 MEA의 캐소드와 전기화학적으로 접속하게 될 수 있다는 점이다. 이는 전기 화학적 캐소드 반응(2H+ +2e- + 1/2O2 -> H2O)으로 생성된 물이 전류 컬렉터 포일 및 캐소드 GDL 및 MEA 사이에서 전기화학적 전해질을 형성하고 있을 때 발생할 수 있다. 캐소드의 전기화학적 전위로 인해 이온(예를 들어, Cu-이온)은 도전성 포일로부터 그리고 아마도 또한 자신의 접착제로부터 분리된다. 그리고나서 이온은 MEA로 운반되고, 여기서 이온들은 촉매 및 양자 전도 이오노머(ionomer) 모두의 힘을 약화시킨다. 상기 방식으로 발생된 물은 또한 도금 네트 및 도전성 포일 사이의 갈바니(Galvani) 셀을 형성함으로써, 이온을 포일로부터 분리시킨다.

본 출원에서의 도 1에 따라 설계된 종래 기술의 연료 셀 디바이스들에 대한 수명 실험은 성능이 500의 작업 시간 이후에 45% 이상으로 감소함을 보여주었다. 그와 같은 셀 멤브레인들(cell membranes)에 대한 테스트후 분석(에너지 분산 x-레이 분광기에 의한)은 상기 멤브레인이 아마도 캐소드 측에서의 도전성 테이프로부터 기원하는 Cu-이온을 함유하는 것을 보여주었다.

그러므로, 본 발명의 목적은 전기화학적 셀들, 특히 연료 셀들을 직렬로 상호 접속시키기 위한 개선된 디바이스를 제공함으로써, 부식의 문제를 제거하거나 적어도 현저하게 감소시키고, 유효한 서비스 수명이 연장되는 것이다. 본 발명의 제 2 목적은 열이 더욱 쉽게 방사되고 연료 셀이 동작 중에 더욱 일정한 온도를 유지하도록 연료 셀들의 컴포넌트들(components) 간 열 전도성을 개선하는 것이다. 이는 또한 연료 셀의 수명을 개선할 것이다.

상기 목적들은 본 발명에 의해서 청구항 제1항에 규정된 바대로 성취된다.

애노드 전류 컬렉터를 인접 셀의 캐소드와 분리함으로써, 계속해서 전기적 접속을 제공하는 동안, 부식 및 MEA로의 이온의 방출이 효과적으로 저지된다.

본 발명의 부가적인 양상에서 청구항 제1항에 규정된 장치를 포함하는 연료 셀 어셈블리(assembly)를 제조하는 방법을 또한 제공한다.

본 발명은 또한 청구항 제1항에 규정된 장치를 통합한 연료 셀 어셈블리에 관한 것이다.

본 발명은 이제 첨부된 도면들을 참조하여 기술될 것이다. 도면들은 단지 개략적인 도면이고 비율에 딸 도시되지 않는다. 명세서에서 "상부의" 또는 "하부의"라는 언급은 도면에서의 방향으로 해석되며, 연료 셀은 사용 시에 임의의 방향을 가질 수 있음을 명심해야 한다.

본 발명으로 인해서, 전기화학 셀들의 부식의 문제를 제거하거나 적어도 현저하게 감소시키고, 전기화학 셀들의 컴포넌트들 간 열 전도성을 개선하여, 전기화학 셀의 수명을 개선할 것이다.

도 1은 종래 기술의 연료 셀 디바이스를 도시한 도;
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예를 도시한 도;
도 2b는 본 발명의 제 2 실시예를 도시한 도;
도 3은 본 발명의 제 3 실시예를 도시한 도;
도 4a는 본 발명의 제 4 실시예를 도시한 도;
도 4b는 접혀 있는 부분을 도시한 도 4a의 개략적인 단면(특정 요소들은 도시되지 않음);
도 5a는 본 발명에 따른 셀들의 제조를 개략적으로 도시한 도;
도 5b는 도 5a에서의 프로세스로부터 획득된 어셈블링된 셀들을 B-B에서 관통하는 단면도;
도 6은 본 발명의 개략적인 제조 스킴(scheme)을 도시한 도;
도 7은 캐소드 GDL이 애노드 GDL보다 더 큰 셀 장치를 도시한 도;
도 8은 포일의 상부에서의 접착제가 전기적으로 도전성이 아닌 프레임(frame)을 갖는 실시예를 도시한 도;
도 9는 MEA가 상기 프레임 아래에서 상기 프레임의 폭의 일부까지만 신장된 실시예를 도시한 도;
도 10은 본 발명에서 사용 가능한 클램핑 수단을 도시한 도;
도 11은 4 셀 유닛을 도시한 도;
도 12는 도 11의 유닛에서 사용되는 지지 플레이트를 도시한 도; 및
도 13은 상이한 4-셀 유닛들의 분극 커브를 도시한 그래프.

도 1은 가장 밀접한 종래 기술에 따른 연료 셀 디바이스를 도시한다. 연료 셀 디바이스는 직렬로 상호 접속된 복수의 연료 셀들(세 셀들이 도시됨)을 포함한다. 상기 스택(stack)은 모든 셀들이 실장되는 지지 플레이트(111) 상에 제공된다. 각각의 셀은 애노드 GDL(108) 및 캐소드 GDL(110)을 포함하고, 이들 사이에는 MEA(109)가 삽입되어 있다. 셀들간의 전기적 상호 접속은, 하나의 셀의 애노드 GDL(108)에 그리고 인접 셀의 캐소드(110)에 접속되어, 한 종단에서는 애노드 전류 컬렉터로서 다른 종단에서는 캐소드 전류 컬렉터로서 기능을 하는, 전류 컬렉터 포일(106')을 통해서 달성된다. 그러므로, 포일은 지지 플레이트(111) 상에서 하나의 셀 어셈블리(도면에서 가운데에 있는)의 하부에 제공되고, 상기 셀 어셈블리로부터 외부로 신장되고 부가하여 신장되면서(도면에서 좌측으로) 인접 셀의 MEA 상에서 부분적으로 지지되고, 인접 셀의 캐소드 GDL(110)과 접속하여 종료된다.

각각의 셀의 상부에는 비활성인 공기 투과 클램핑 부재(104)가 있고, 이는 도금 금속 네트 또는 천공된 금속 플레이트일 수 있다. 마지막에, 상부 플레이트는 컴포넌트들을 타이트하게 유지하고 내부 저항을 감소하기 위해서 셀들의 전체 배열에 걸쳐 제공된다. 상부 플레이트에는 가스 유입구(117)가 있다. 지지 플레이트 아래에는 후면지지 플레이트(도 1에 도시되지 않음)가 있는 것이 바람직하다.

도 1에서 명확하게 도시될 수 있는 바와 같이, 전류 컬렉터 포일(105, 106', 106'')은 적어도 부분적으로 MEA(109)와 접촉할 것이다. 셀의 동작 중에 이 접촉으로 이해 MEA 및 포일 간의 전기화학 반응이 발생할 수 있다. 이 반응은 실제로 포일의 부식을 야기하여, 이로 인해 이온들이 방사되고, 이온들은 후속하여 MEA를 약화시킴으로써 셀 어셈블리의 유효 수명의 감소를 야기한다. 이는 특히, 물이 형성되어 있는 고 전기화학적 전위를 갖는 캐소드 측에서도 마찬가지이다. 애노드 측의 경우에 도전성 접착제는 부식을 방지하는 보호층으로서 작동한다.

해로운 부식/포이즈닝을 제거하기 위해서, 본 발명은 설계에서의 개선점이 제공, 즉, 하나의 셀로부터의 전류 컬렉터 포일이 접속되어 있는 인접 셀의 캐소드 측의 MEA 및 캐소드 GDL와 접촉하게 되지 못하도록 하는 것이 제공된다.

그러므로, 본 발명의 가장 일반적인 양상에서, 인접 셀로의 전기 접촉은, 상기 셀의 MEA 또는 캐소드 GDL과의 어떠한 직접적인 물리적 접촉을 행하지 않고, 한 셀의 애노드 측에서 신장되는 전류 컬렉터 포일을 인접 셀의 클램핑 수단의 도전성 파트로 접속시킴으로써 대신 달성된다. 클램핑 수단의 도전성 파트는 캐소드 GDL과 접촉함으로써 포일과의 전기적 접촉을 중재하여, MEA의 부식 및 그에 따른 포이즈닝을 방지한다.

표현 "클램핑 수단"은 연로 셀을 포함하고 전류를 연로 셀에 일정하게 분배하는 하나 또는 여러 컴포넌트들을 포함한다. 클램핑 수단은 비활성이며 높은 전기 도전성을 나타내는 공기 투과 컴포넌트(클램핑 부재), 예를 들어 가스 투과를 위한 구멍들을 갖는 도금 스테인리스 스틸 또는 도금 플레이트/포일을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 클램핑 부재들은 단지 하나의 적절한 패턴화(patterned)된 클램핑 플레이트를 포함할 수 있다.

전류 컬렉터 포일의 상기 장치에 의해, 전류는 인접 셀의 캐소드로 전송된다. 본 설계의 장점은 도전성 포일 컴포넌트(도전성 접착제를 포함하여)는 단지 애노드 조건들 하에 전기적으로 비활성이기만 하면 된다. 이는 단지 클램핑 수단만이 인접 셀의 MEA 및 캐소드 GDL과 접촉하기 때문이다.

용어 "도전성 포일"은 전기적 도전성 접착제를 갖는 구리 테이프 또는 전기적 도전성 접착제를 갖거나 갖지 않는 주석(Sn) 도포 구리 포일을 포함하기 위해서 채택될 것이다. 또한 도전성 포일은 얇은 탄소 기반 재료, 제한되지 않지만 예를 들어 열적으로 팽창된 그래파이트, 탄소 섬유 크로우스(cloth), 탄소 종이 재료, 상기 기재된 재료들의 결합으로 제조되는 그래파이트 포일(graphite foil)일 수 있다. 그것은 또한 자체의 구조적인 성능이 셀 내의 환경에 의해 설정되는 요건들을 만족시키는 한, 임의의 다른 전기적 도전성 포일 재료일 수 있다.

일반적으로 본 발명은, 애노드 가스 확산층 및 캐소드 가스 확산층 사이에 개재되는 멤브레인 전극 어셈블리(membrane electrode assembly : MEA)를 가지며, 제 1 및 제 2 전류 컬렉터들이 상기 애노드 및 캐소드 가스 확산층(gas diffusion layer : GDL)에 각각 연결되는 유형의 전기화학 셀들을 상호 접속시키는 장치를 제공하며, 제 1 전류 컬렉터는 한 셀의 애노드 측에서 인접 셀의 캐소드 측으로 신장되는 도전성 포일일 수 있고, 셀 컴포넌트들은 서로 클램핑된다.

제 1 전기화학 셀의 애노드 가스 확산층과 접촉되는 제 1 전류 컬렉터는, 인접 셀의 전기화학적 능동 컴포넌트와의 전기화학적 접촉 없이도, 제 2의, 인접 전기화학 셀의 캐소드 측과 도전성 클램핑 부재를 통해 접속되도록 구성된다.

적절하게, 절연 요소 형태인 스페이서 부재(spacer member)가 제 1 셀의 애노드 전류 컬렉터 및 제 2의 인접 셀의 캐소드 측 사이에 개재되고, 여기서는 상기 비활성 도전성 부재에 의해서 전기 접속이 제공된다.

새로운 설계의 제 1 실시예가 도 2a에 도시된다.

각각 직렬로 접속되는 두 셀들(200a 및 200b)이 도시된다. 각각은 애노드 GDL(208a 및 208b), 및 캐소드(210a 및 210b), MEA(209a 및 209b), 및 비활성 클램핑 요소(204a 및 204b)를 각각 포함한다.

도전성 포일(206)은 제 1 셀(200a)(좌측의)의 애노드 부분 아래에 제공되고 제 2의, 인접 셀(200b)로의 접속을 위해 우측으로 외부로 신장된다.

본 실시예에서, 절연 스페이서 부재(201)는 애노드 도전성 포일(206)(도면의 좌측에서, 하나의 셀의 애노드 측 아래에서부터 신장되는) 및 인접 셀의 MEA(209b) 사이에 개재되어서 클램핑 수단 컴포넌트(204b)(예를 들어 도금 네트 또는 강철 플레이트)로의 전기적 접속이 확보되도록 하면서도, 동시에 어셈블리가 상부 클램핑 플레이트로 압축될 때(예를 들어 도면에 도시되지 않은 후면지지 플레이트 및 상부 클램핑 플레이트를 서로 클램핑/나사고정함으로써) 포일(206)이 인접 셀(200b)의 MEA(209b)로부터 전기적으로 절연되도록 한다. 그러므로, 제 1 전류 컬렉터(206)가 상기 비활성 도전성 부재(204b)에 의해서 스페이서 부재(201)에 대하여 클램핑될 때, 제 1 전류 컬렉터(206)는 상기 스페이서 부재(201)의 상면과 접촉하는 신장된 부분을 갖는다.

상기 전기적 접속의 위치는 응축수가 전류 컬렉터 포일 및 MEA 사이에 전기화학 셀을 형성할 수 없도록 선택되는 것이 바람직하다. 이와 같은 전기화학적 셀은 부식 과정에서 방출되는 이온에 대한 통로 역할을 한다.

그러나, 애노드 포일(206) 및 인접 셀의 캐소드 사이의 전기화학 셀의 형성이 회피될 수 있도록 다른 조치들이 취해지는 경우, 전기 접속의 위치는 덜 중요하다. 예를 들어, 스페이서 부재 재료의 표면을 공수화(hydrophobized)하거나 액체막 형성을 위한 어떤 다른 장벽을 도입함으로써 상기 응축수는 셀 환경에서 원하지 않는 지점들까지 아주 쉽게 확산되지 않을 것이다.

도 2b에 도시된 다른 실시예에서, 셀들 중 하나(도면에서 우측에 있는 셀)의 클램핑 부재 컴포넌트(204b)(예를 들어 도금 부재)는 셀 어셈블리로부터 멀어지도록 신장되도록 비스듬히 하향하도록 구부러져서 동일한 셀의 MEA과 접촉되지 않고 인접 셀(도면에서 좌측의 셀)의 전류 컬렉터 포일(206)과 접속한다. 절연 스페이서 부재(201)는 클램핑 수단 컴포넌트(즉, 네트) 상에 배치되고 상부 플레이트(218)에 의해서 눌려져서, 네트(204b)를 전류 컬렉터 포일(206)에 전기적으로 접속시킨다.

그러므로, 본 실시예에서 스페이서 부재의 하부면은 상기 셀(200a)의 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)의 일부와 접속되고 비활성 도전성 부재(204b)는 상기 부재(201)의 하부면 및 상기 전류 컬렉터(206) 사이에서 클램핑된다. 상기 스페이서 부재는 셀들의 제조/조립 중에 접착 수단에 의해 부착되는 것이 바람직하다.

여기서 비활성 도전성 부재(204b)는 스페이서 부재(201)의 하부에서 상향하여 인접 셀(200b)의 캐소드 GDL(210b)와 접촉하도록 신장된다.

클램핑 수단 컴포넌트(204)(예를 들어 도금 네트)는 또한, 도 2b에 따라 형성될 때 클램핑 수단 컴포넌트의 스프링력이 전기적 접촉을 보장하도록 기계적 완전성을 가질 수 있다.

상기 스페이서 부재(201)는 압축성 쿠션인 것이 바람직하며 연료 셀 환경에서 비활성인 투과성 플라스틱 재료로 제조되어야 하는 것이 바람직하다. 바람직하게도, 재료 또는 재료의 표면은 또한 응축수의 액체 막 형성이 회피될 수 있도록 공수화되어야만 한다. 투과성 테트라프루오로에틴(tetrafluoroetene : PTFE) 또는 유사한 공수화 재료, 투과성 실리콘 고무 또는 다른 압축성 및 비활성 플라스틱 재료가 스페이서 부재에 대한 적절한 재료의 예이다. 재료 그 자체가 공수화되지 않는다면, 그것을 PTFE와 같은 공수화 재료로 도포되어야 하는 것이 바람직하다. 도 2b에 도시되는 스페이서 부재에 대한 상기에 목록화된 특성들은 또한 후술되고 본원에서 다른 도면에서 도시될 프레임 구조와 같은 스페이서들에 대한 다른 실시예들에 적용된다.

스페이서 부재(201)는 또한 비-압축성일 수 있으나, 이는 쿠션을 정확하게 재고/재거나 더 강한 압축성의 GDL 재료들이 컴포넌트들(208 및 210)에 대하여 선택되어야 하는 요구를 더 높게 설정한다. 이와 같은 경우에 스페이서 부재는 비투과성 PTFE 및 실리콘으로부터 제조될 수 있다.

도 3은 도 2a 및 2b에서의 기본 원리를 사용하여, 본 발명의 부가적인 실시예에 따라 다중 연료 셀이 설계될 수 있는 방법에 대해서 도시한 개략적인 상면도이다.

지지 플레이트(311)는 하부에 제공되고 전기적 절연 재료인 플라스틱으로 제조될 수 있으며 수소 공급 시스템을 포함할 수 있다. 도 3에서 컴포넌트(311)는 또한 사용 시에 다른 컴포넌트에 부착되어 지지 플레이트를 형성하는 플레이트 포일일 수 있다. 상기 지지 플레이트의 설계는 또한 부가적인 발명 작업 없이도 당업자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 적용될 수 있다. 지지 플레이트 상에서, 도전성 포일, 예를 들어 구리 테이프 또는 그래파이트/시트/포일/부재는 접착 부재에 의해서 부착된다. 애노드 GDL은 포일에 부착되고, 하나 또는 여러 홀(hole)들(321)은 지지 플레이트(311) 및 도전성 포일(306)을 통해서 커팅(cutting)된다. 지지 플레이트(311) 및 포일(306) 내의 홀들(321)을 통하여, 애노드 GDL의 에어리어(310) 및 그의 두께에 의해 대략 규정되는 애노드 연료 챔버(chamber)로 수소가 공급된다. MEA(309)는 애노드 GDL 위에 부착되고 지지 플레이트 및 포일의 일부를 넘어서 신장된다. 애노드 GDL과 필수적으로 정렬되는 MEA(309)의 상부에는 캐소드 GDL이 제공된다.

상기 단계까지 하나의 피스(piece)에 세(본 예에서) 셀들이(즉, MEA, 도전성 포일 및 중간 지지 플레이트)가 형성된다. 중단 지지 플레이트는 단지 실장 목적으로 사용된다. 셀들은 도면에서 표시된 파선 C에 따라 커팅됨으로써 개별 컴포넌트들로 분리되고 셀들 간 단락을 방지하기 위해 그들 사이에 약간의 거리를 두고 지지 플레이트(311)에 위치된다.

확인될 수 있는 바와 같이, 포일은 셀 어셈블리에서 멀어지도록(도면에서 우측으로) 신장되는 "플랩(flap)"(325)이 형성될 것이다. "플랩"은 후술되는 바와 같이, 스페이서 부재(319)를 통하여 인접 셀로의 접속을 발생시키는데 사용된다.

최종으로, 비활성 도전성 클램핑 수단 컴포넌트(304)(예를 들어 도금 가스 투과 금속 네트)는 MEA 및 GDL의 전체 어셈블리를 커버하고 MEA 컴포넌트의 주변을 넘어서 미세하게 벗어나게 신장되도록 적용된다. 자체의 장측(도 3에서의 상부 측)을 따른 지지 플레이트의 주위에는 스페이서 부재(319)가 제공된다. 포일(306)은 상향하도록 구부려지고 자체의 "플랩"(325)은 도 2a에 도시되는 것과 동일한 방식으로 스페이서 부재(319)의 상부에 배치된다. 도금 네트(304)의 형태인 클램핑 수단 컴포넌트는 전기적 접촉을 달성하기 위해 스페이서 부재(319)의 상부에서 지지되는 포일을 커버할 것이다.

그러므로, 스페이서 부재(319)는 셀 장치에 인접하여 셀 장치의 한 측에 위치되고, 각각의 셀로부터의 전류 컬렉터(306)는 셀 장치의 길이 방향에 상대적으로 수직으로 신장되어 플랩(325)을 형성한다. 플랩(325)은 상기 플랩의 일부가 인접 셀에 인접하여 위치되도록 셀의 신장 부분에 대하여 오프셋(off-set)되도록 구성되고, 상기 플랩은 자신이 속하는 셀의 애노드 측으로부터 상기 스페이서 부재(319)의 상부면에 위치되도록 상향하여 신장되고, 여기서 플랩은 비활성 도전성 부재(304)에 의해 클램핑된다.

선택적으로, GDL/MEA/GDL 유닛/스택은 스페이서 부재(319)와 동일한 재료로 제조될 수 있는 프레임 구조(320)의 제공에 의해 둘러싸일 수 있다. 본 프레임의 목적은, i) MEA가 도전성 포일(306)의 애노드 부분의 접착제에 눌려져서 접착 밀봉의 방연(gas tightening) 특성의 개선을 확보하고 ii) 큰 밀봉 에어리어에 대한 필요성을 감소시키고, iii) 능동 에어리어 위로 상향하도록 덜 구부려지도록 클램핑 수단 컴포넌트(예를 들어 도금 네트)에 대한 더욱 양호한 기계적 지지를 제공하고, iv) 지지 플레이트 및 클램핑 수단 사이의 열의 전달을 개선하는 것이다. 프레임 구조의 본 특정 설계 양상은 발명의 노력없이 당업자에 의해 임의의 다른 실시예에 적용될 수 있다. 그러므로 상술한 바와 같은 프레임은 본원에서 도시된 모든 실시예에서 구현될 수 있다.

상기 설계는 다른 애노드 챔버를 밀봉하기 위해 접착제를 사용할 때(종래 기술에서처럼), 즉, 과압력이 수소 가스에 적용될 때 접착 성능이 충분하지 않아서 MEA가 애노드 도전성 포일로부터 올라가지 못할 때 발생될 수 있는 문제점을 해결한다. 그로 인해, 가수의 누출이 발생될 수 있다. 상기 문제는 접착 플라스틱이 보다 부드러워지고 자체의 부착력이 감소될 때 고온에서 강화된다. 그러므로 스페이서 프레임의 목적은, 상기 누출을 방지하고 상기 유형의 연료 셀을 특정 시스템에서 극복할 수 있는 더 높은 애노드 챔버 압력에서도 사용할 수 있도록 하는 것이며, 소위 "데드 엔드(dead-end)" 시스템이 이와 같은 연료 셀 시스템의 예이다.

도 3의 설계에서의 하나의 장점은 연료 셀이 롤(roll) 상에 있는 재료들로부터 연속 방식으로 커팅되는 회전 염료에 의해서 생성될 수 있다는 점이다.

하나의 바람직한 실시예에서, 전기 접촉에 대한 스페이서 프레임 및 스페이서 부재는 하나로 통합될 수 있다. 이는 4a 내지 4b에 개략적으로 도시되는데, 여기서 하나의 셀의 애노드 측(408)에서부터의 전류 컬렉터 포일(406)은 스페이서 프레임(420) 주위를 감음으로써 셀에 인접한 캐소드 측(410)으로의 접촉을 제공한다. 포일(406)의 상기 접힌 부분은 셀을 단락시키지 않기 위해서 제 1 셀, 즉, 포일이 속하는 셀의 일부와는 전기적으로 절연되어야만 한다. 도전성 클램핑 수단(404)(예를 들어 도금 네트)이 전기 접촉을 제공하는 인접 셀에는 접촉 에어리어(419)가 제공된다. 425에서의 절연은 포일 상에 절연 재료 층으로, 또는 컴포넌트들 사이에 개재되는 절연 재료의 얇은 부재로 제공된다. 셀이 단락되지 않는 한 어떤 다른 방식의 절연도 물론 가능하다.

다른 바람직한 실시예는 도 5a 내지 5b에 개략적으로 도시된다. 상기 실시예에서 개별 셀들은 예를 들어 회전 펀칭 로봇에서 연속 방식으로 그리고 후술되고 도 6에서의 6 단계를 포함하는(단계 6은 도 5에서의 A - A 사이의 단면으로 고려될 수 있다) 제조 스킴에 따라 생성될 수 있다.

단계 1 : 애노드로의 가스 흡입/배출을 위하여 도전성 포일에 홀들을 생성하는 단계. 도전성 접착제가 사용되는 경우, 도 6에서의 점선에 의해 표시되는 바와 같이 위쪽에 위치되어야 한다. 선택적으로 중간 지지 플레이트는 도전성 테이프 아래에(도 6에 도시되지 않음) 위치될 수 있다.

단계 2 : 도전성 포일(506) 상에 애노드 GDL들(508)을 배치하는 단계. 애노드 GDL들은, 애노드 GDL이 이후 단계에서 상부에 위치될 캐소드 GDL(510)과 대응하도록 홀들 위에 위치되어야 한다.

단계 3 : MEA(509)는 애노드 GDL들 위에 위치되고 도전성 포일(506)의 접착제에 의해 부착되고 밀봉됨으로써 각각의 셀의 애노드 가스 구역을 형성해야 한다.

단계 4 : 이제 프레임 구조(520)가 MEA의 상부에 위치된다. 프레임 구조는 프레임의 홀이 각각의 셀의 애노드 GDL 위에 위치되도록 위치되어야 한다.

단계 5 : 이제 캐소드 GDL들이 프레임들의 홀들에 위치되고나서, 선택적으로 열 압착 단계가 GDL들과 MEA의 더 양호한 통합을 위해 적용된다.

단계 6 : 개별 셀들의 컴포넌트는 이제 점선에서의 커팅에 의해 서로 분리된다. 셀 컴포넌트들을 제조 방향에 대해서 90도로 비틀어 돌림으로써 그것들을 도 3에 도시되는 바와 같이 지지 플레이트 또는 포일(511)에 위치시킨다.

클램핑 수단과 접속된 두 셀들이 도 5b에 도시된다.

도 5b에서 본 발명의 부가적인 실시예가 개략적으로 도시된다. 연료 셀 어셈블리는 각각 애노드 GDL(508) 및 MEA(509)에 의해 분리된 캐소드 GDL(510)을 포함하는 복수의(두 개만 도시됨) 연료 셀들을 포함하며, 모든 부속들은 지지 플레이트 상에 제공된다. 도전성 포일(506)은, 셀의 애노드 측을 걸쳐서 그의 한 측까지 신장되고 부가하여 상향하여 접혀서 인접 셀의 스페이서 프레임(520)의 상부에 위치되어 클램핑 부재(504)와 접촉한다. 스페이서 부재는 예를 들어 Poron^®의 프레임(520)의 형태로 제공되고, 상기 프레임은 MEA 및 포일(506)을 클램핑하도록 제공된다.

도 7에서 다른 실시예가 도시된다. 여기서 캐소드 GDL(710)는, 인접 셀(706a)의 전류 컬렉터 포일이 캐소드 GDL(710) 및 클램핑 네트(704)(또는 천공된 클램핑 플레이트) 사이에서 클램핑될 수 있도록 신장되어서 셀의 능동 에어리어(709a)를 커버하지 않는다. 애노드 GDL은 708로 지정된다. 클램핑될 때, 클램핑 네트(704)는 전류 컬렉터 포일(706a) 및 캐소드 GDL(710) 모두와 직접 접촉된다. 그러므로, 캐소드 GDL은 모서리에서의 압력들을 제거하도록 노출되고, 이로 인해 그것은 어떤 기계적 완전성을 가져야만 하는 것이 바람직하다. 애노드 측에서의 전류 컬렉터 포일은 706b로 지정되고, 애노드 GDL(708)과 접촉된다. 구조를 밀봉하는 접착제는 723 및 724로 각각 지정된다. 밀봉 영역들은 709b로 지정된다.

상기 실시예에서 전류 컬렉터 포일(706a)은, 포일(706a) 및 캐소드 GDL(710) 및 MEA(709) 사이의 전기화학 접촉을 방지하는 층(719)에 의해서 부분적으로 커버/도포된다. 상기 층은 포일(706a)의 상부 측(도면에서)의 일부를 커버하고 응축수의 막 형성을 방지하기 위해서 공수되어야 하는 것이 바람직하다.

신 재료

본 발명은 도전성 포일에 대한 정확한 재료를 선택함으로서 부가적으로 개선될 수 있다. 이 유형의 종래 기술에서(특허 출원에 대한 주제), 은이 도포된 플라스틱 구체들을 포함하는 접착제에 의해서 도포된 구리-포일이 사용되었다.

그러나 주석-도포 구리 포일을 전류 컬렉터 포일로 대신 사용할 때, 전기적 도전 접착제에 대한 필요성 없이도 직접적으로 주석-도포면이 사용될 수 있다. 그러므로, 셀은 도 8에서 도시된 바와 같이 설계될 수 있다. 그것은 지지 플레이트(811), 각각의 GDL들(808 및 810), GDL들 사이에 개재된 MEA(809), 금속 네트(804), 스페이서 부재들(801), 도전성 포일(806) 및 상부 클램핑 플레이트(818)를 포함한다. 도 8에 도시된 셀은 단일 셀로 도시될지만 본 설계는 또한 예 3 및 5에서 기술된 실시예들과 같이 직렬 접속으로 사용될 수 있음이 주목되어야 한다.

전기적 도전성 애노드 포일(806)은 지지 플레이트(811)와 마주하는 측에서 접착제(824)를 갖는다. MEA 및 애노드 GDL를 향하여 상향하는 측에서, 에어리어(809a)는 어떠한 접착제로도 커버되지 않지만, 애노드 GDL은 주석-도포 구리 포일과 직접적으로 접촉한다.

애노드 GDL 에어리어(809a)를 둘러싼 에어리어, 즉, 에어리어(809b)에서, 양면 테이프 또는 접착제(823)는 애노드 가스 구역을 밀봉하기 위해서 배치된다. 본 설계에서, 접착제(823)는 전기적으로 도전성일 필요가 없으므로 은-함유 접착제로부터 은의 오염에 대한 위험이 제거될 수 있음을 주목하는 것이 중요하다.

도 9에서 발명의 개명이 구현되었던 직렬의 두 셀들(200a, 200b)을 단면으로 개략적으로 도시한다. 도면은 비율에 따르지 않으며, 특히 수직 방향에 있어서는 비율에 따르지 않는다.

그러므로, 셀의 두께는 실제로, 도면에 나타난 자체의 표면 신장 부분에 비해서 더욱더 작다. 또한, 컴포넌트들의 상대적인 두께는 비율에 따르지 않는다.

상기 특정한 실시예에서 어셈블리는 필수적으로 도 5b의 셀 어셈블리와 동일한 컴포넌트들을 포함, 즉, 도전성 포일(906)이 접착 수단에 의해서 부착되는 지지 플레이트(900)(도 5b에서는 명시적으로 표시되지는 않는다)가 존재한다. 포일(906)상에는 상부에 캐소드 GDL(910)이 있는 애노드 GDL(908)가 존재하고 이 GDL들 사이에는 MEA(909)가 개재된다. 또한 PORON^®(Rogers Corporation에 귀속된 상표)와 같은 플라스틱 발포 재료(plastic foam material)로 제조되는 것이 바람직한 프레임 구조(920)가 있다. 물론 도 2에서 스페이서 부재(201)에 관하여 상술한 바와 같이, 다른 재료들도 가능하다. 어셈블리의 상부에는 상부 플레이트(클램핑 플레이트)(904)가 있고, 이는 여기서 특별히 기술되지 않는 적절한 수단에 의해서 어셈블리를 함께 유지할 것이다. 클램핑 플레이트는 도한 상기 실시예에서 캐소드 전류 컬렉터로서 기능한다.

본 실시예의 특수한 특징은 MEA(909)가 프레임의 안쪽 아래에서 단지 프레임의 폭의 일부 쪽으로만 신장되는 점이다. 프레임이 약 2mm라면, MEA 모서리는 프레임의 안쪽 아래에서 1mm 신장될 것이다. MEA 모서리의 0.5mm 정도의 짧은 길이만이 사용되고, 여전히 적절한 클램핑 및 누설 방지 상태를 유지하는 것이 가능하다. 이 방식으로 능동 에어리어가 수 ㎠d일 때 MEA 재료의 20% 정도까지의 양이 절약될 수 있고, 이는 MEA가 연료 셀의 훨씬 가장 비싼 컴포넌트라는 점에서, 제조 비용을 현저하게 감소시킬 것이다.

부가적으로 디바이스를 개선시키기 위해서, 적절한 접착제(922) 또는 글루(glue)가 프레임(920)의 하부 측에, 즉, MEA(909)에 접촉하는 프레임(920)의 표면에 제공될 수 있다. 본 발명의 연료 셀 디바이스에 사용하는데 적절한 접착제는: 1) 물에 용해되지 않고, 2) 작동하는 연료 셀의 전기화학 환경에서 반응하지 않고 용해에 저항하고, 3) 용해되는 화학 컴포넌트들이 연료 셀을 약화시키지 않아야 하고, 4) 80℃까지 열에 저항해야 한다. 3M-그룹의 VHB-유형의 접착제가 이와 같은 제품들의 예이다.

MEA의 높이 또는 두께는 단 20 - 50 ㎛이므로, 압축성 프레임 재료 및 접착제/글루는 셀이 클램핑될 때 빈틈없는 밀봉을 형성하는데 용이하게 적응될 수 있다.

4 셀 유닛의 바람직한 실시예의 설계는 도 11에 개략적으로 도시된다.

여기서, 본 발명의 연료 셀은 3 - 8 셀들의 다중 셀 유닛이다. 상기 유닛은, 두께가 0.2 - 1.0mm, 바람직하게는 0.3 - 0.8mm이고 기체의 캐소드 GDL들(120a - d)로의 적절한 액세스를 위해서 천공된 금 도포 스테인레스 스틸 클램핑 플레이트(1110)를 갖고, 캐소드 전류 컬렉터로서 사용된다. 애노드 GDL들은 1125a - d로 지정된다. 상기 연료 셀의 클램핑 수단(1110)은 16mm×45mm의 금속 플레이트이며, 홀들이 커팅되어서(펀치 아웃된) 도 10에 도시된 바와 같은 형상이 된다.

멤브레인 전극 어셈블리들(1130a - d)은 Gore의 Primea570인 것이 적절할 수 있다. 가스 확산층들(GDL들)은 양 전극들에 제공되어서, 자체의 극소의 다공 측이 MEA 방향으로 향하게 된다.

애노드 전류 컬렉터(1140)는 MEA로 향하는 측에 전자-도전 접착성 막 및 GDL을 갖는 주석 도포 포일로 제조된다. 접착제는 은 도포 중합 구체들로 채워지는 아크릴 물질에 기반할 수 있다. 포일은 반대 측에서 접착제에 의해 지지 플레이트에 부착된다.

선택적으로, 주석-도포 구리 포일은 애노드 GDL 및 MEA를 마주하는 측에서, 비-도전성 접착제가 MEA(1130a-d) 및 포일(1140a-d) 사이의 밀봉 에어리어에 배치되는 곳에서 사용될 수 있다. 그러므로 상기 밀봉 에어리어는 GDL 에어리어를 둘러싸는 프레임의 형상을 갖는다(예를 들어, GDL이 12 × 32mm의 크기를 갖고, MEA가 16 × 36mm의 크기를 갖는 경우, 이들은 각각 비활성 및 프레임의 외부 크기이다). MEA 및 캐소드 GDL(1120)을 둘러싸는 클램핑 플레이트(1100) 사이에서, 2mm 폭의 폼 프레임(foam frame)(1150)(예를 들어 Poron®4790-92-25041-04로 제조되는 적절한 16에 36mm의 외부 치수, 12mm에 32mm의 내부 치수)은 MEA 및 폼 프레임 사이에서 접착제(폼 프레임과 동일한 치수인 3M F9469PC)를 사용하여 고정된다. 셀들 간 상호 접속은 애노드 전류 컬렉터 포일(1140)을 1mm 신장시키고 접음으로써 그리고 클램핑 플레이트(1110) 및 폼 프레임들(1150b - d) 사이에 그것을 배치함으로써 행해진다.

도 11에 도시된 유닛에서 사용되는 지지 플레이트가 도 12에 도시된다. 그것은 접착제에 의해 서로 접착된 샌드위치 형상의 3 층의 중합 포일들인 것이 적합하다. 상부층(연료 셀에 가장 근접한)은 약 80℃까지의 열을 견딜 수 있고 가열될 때, 신장되지 않는 는 플라스틱 재료의 0,1mm 포일이었고, 중간층은 0.5mm PVC 포일이고, 하부층은 상부층에서와 동일하거나 유사한 재료의 0,1mm 포일이었다. 적절하게 2mm 폭의 채널은 중간층에서 잘려 나오고 전체 플레이트에 걸쳐 구불구불한 구조로 신장되고 각각의 셀로의 연장된 개구들을 갖는다. 실선(1201)은 지지 플레이트를 통과하는 수소 가스의 흐름 경로를 도시한다. 점선(1202)은 연장부, 즉, 흐름 채널들의 폭을 도시한다. 애노드 연료 셀 구획으로의 연장된 개구들(1203)이 또한 도시된다.

지지 플레이트(1160)는 금속의 후면지지 플레이트(110)(알루미늄 또는 강철)(또한 냉각 요소 역할을 하는)에 부착된다. 상기 후면지지 플레이트는 직사각형의 클램핑 플레이트(1007)의 가장 긴 측의 방향으로 미세하게 구부러진다. 상기 휨의 반지름은 전형적으로 10 - 25cm이어야 한다.

상기 유닛에서의 셀들 사이의 거리(도 11에서 "b")는 변할 수 있다. 거리가 너무 작으면, 셀들의 냉각이 특히 더욱 고전류 레벨에서 방해될 수 있다. 거리가 너무 멀면, 전체의 최대 전력 밀도가 셀에서부터 증가하는 확산으로 인해 감소될 것이다. 다중 셀 유닛의 경우, 도 11에서 거리 "a"는 10 - 15mm이다. 최적의 셀 거기 "b"는, 애플리케이션에 그리고 다른 기하학적 설계 파라미터에 따라서, 0,1 - 8mm이고, 바람직하게는 1 - 5mm이다.

도금 스테인레스 스틸 클램핑 플레이트의 상부에 플라스틱 커버(1180)가 또한 있는 것이 바람직하다. 상기 플라스틱 커버는 또한 후면지지 아래로 플레이트로 클래핑될 수 있어서 셀에 대한 클램핑 힘의 원인이 될 수 있다. 또한 플라스틱 커버(1180)의 개구에 통합되는 플라스틱 먼지 필터(1190)(바람직하게는 공수인)가 있어야 하고, 상기 개구들은 셀들의 능동 에어리어에 대응한다. 플라스틱 커버는 클램핑 플레이트들(1110a - d)이 더욱 얇아지게 하여 용이하게 제조하고 재료 비용이 줄어들 수 있다.

클램핑 플레이트로부터 적절하게 전기적으로 절연되면 상기 플라스틱 커버는 또한 금속 재료로 제조될 수 있거나 또는 상기 연료 셀이 통합된 디바이스의 금속 또는 플라스틱 새시들의 일부일 수 있다.

능동 에어리어(즉, GDL들의 에어리어)를 둘러싸는 프레임 부재(1150)는, 열을 클램핑 플레이트들로 전달할 수 있는 압축성 및 열적 도전 재료로 제조되어야 하는 것이 바람직하다. 더욱이, 열적 도전 재료(예를 들어, Gap Pad: Bergquist Company)는 커버로의 열 전달을 개선하기 위해 클램핑 플레이트 및 플라스틱 또는 금속 커버 사이에 위치될 수 있다.

본 발명은 이제 다음의 비제한적인 예들을 통하여 더 설명될 것이다.

예 1(종래 기술)

이는 종래 기술에 따른 셀들의 설계를 사용하여 행해지는 수명 실험의 결과를 기술한다. 여기서 연료 셀은 4 셀 유닛과 같이 조립되었고, 각각의 셀은 2.25㎠의 능동면을 갖는다. 구부러진 플라스틱 바들은 본 어셈블리를 위한 클램핑 수단으로 사용되었다.

사용된 멤브레인 전극 어셈블리들(MEA들)은 Gore의 Primea 58(0.4mgPtcm^-2 캐소드, 0.4mgPtcm^-2 애노드, 18㎛ 두께 멤브레인)이었다. 네 피스의 MEA가 사용되었고, 각각은 21mm의 21mm 피스로 커팅된다. 사용된 가스 확산층(GDL) 재료는 Gore의 Carbel 제품이며, 이들의 극소-다공 측이 MEA을 향해서 캐소드 측을 형성하고 애노드 측에 대한 E-TEK Cloth A를 형성한다. 모든 GDL 재료는 15mm 에 15mm로 커팅되었다.

지지 플레이트를 형성하기 위해서, 각각 0.8mm 두께의 세 플라스틱(PVC) 시트가 사용되었다. 이들 세 시트들은 상부, 중간, 하부층으로 라벨링(labelling)된다. 그리고나서 상기 시트 상에 인쇄된 템플릿(template)에 따라 홀들이 잘려 진다. 이들 홀들은 수소 가스가 셀에 도달하도록 하는 채널들을 형성한다. 하부층 내의 홀들은 외부 가스 연결을 위해서 사용되었다. TESA에 의해 제공된 양면 테이프를 사용하여, 상기 테이프는 홀들 및 채널들이 상기 테이프를 통하도록 커팅되어서 중간층의 양측에 부착되고나서, 상부 및 하부층에 부착되어서, 세-층으로 된 지지 플레이트 "샌드위치형"으로 완료된다.

각각의 셀에 대해서, 구리 테이프(TEAS, 4384)는, 전자 도전 접착제가 도포된 측이 상향하도록, 상기 지지 플레이트의 상부에 부착되었다. 상부 플레이트로의 부착은 양면 테이프를 사용하여 달성되었고, 양면테이프 상에는 상부 플레이트에서의 홀들에 따라 위치된 상기 테이프 내의 홀들을 잘라내었다. 15mm 의 15mm, 능동 에어리어 2.25㎠인 GDL 재료의 피스는 홀들 위에 배치됨으로써, 애노드 전류 컬렉터를 형성한다. 그리고나서 MEA는 GDL의 상부에 위치되고, GDL을 커버하지 않은 MEA의 표면은 예를 들어 부드러운 TEflon 피스로 MEA를 부드럽게 닦음으로써 구리 테이프의 접착제에 대해서 밀봉되었다. 15mm 의 15mm인 GDL의 제 2 피스는 애노드 GDL에 따라 배열되는 MEA의 상부에 위치되고, 이의 상부에 ㎠당 36홀들의 메쉬(mesh)를 갖는 15mm 의 15mm인 금 네트가 사용되었다.

구리 테이프의 형상은 재깅(jagging)된 형상으로 커팅되었고 캐소드 GDL의 상부이지만 상기 셀에 대한 금 네트 아래에 위치되고 직렬인 다음 셀의 애노드 전류 컬렉터를 형성하였다.

순 및 건조 수소가 애노드에서 사용되었고, 반면에 캐소드는 여전히 대기에 접촉되어 있었다. 상기 수소 흐름은 질량 흐름 미터(Brooks Instruments)에 의해 제어되었다. 전류 밀도는 부하 셀(TTI, LD300)에 의해 제어되었다.

4 셀 유닛은 우선 15초 동안 수소 흐름을 턴온(turn-on)해 놓고, 다음 단계에서 5분 후에 전류가 1A에 도달하도록 5초마다 증가시킴으로써 테스트된다. 그리고나서 전류는 1시간 50분 동안 1A로 유지되었다. 그리고나서 전류는 단계들에서 5분 후에 0A에 도달하도록 5초마다 감소되었다. 이 이후에 상기 유닛은 한 시간 동안 수소 가스 흐름이 차단된 채로 0 A로 유지되었다. 그리고나서 이 테스트 주기는 500 시간 이상의 동작시간에 도달하도록 250회 이상 반복되었다. 수소 흐름은 턴온될 때, 4 셀 유닛에 대한 최대 전류로 소비되는 수소에 대하여 100% 초과되어 유지되었다.

상기 수명 실험 동안 상기 방식으로 제조되는 4 셀 유닛의 세번째 셀의 셀 전압(진행 주기에서 1.0 A에서 1시간 50분 이후에 전류가 단계적으로 감소할 때 0.8A에서의) 아래에 도시된다:

(표1)

확인될 수 있는 바와 같이, 0.8A에서의 전압(및 그로 인한 전력 추력 및 효율 레벨)의 측면에서의 상기 셀의 성능은 실험 중에 약 50% 만큼 감소된다.

예 2 (신규 클램핑을 갖는 구리-테이프)

본 예에서, 연료 셀은 4 셀 유닛으로 조립되었고, 각각의 셀은 2.25㎠ 능동 표면을 갖는다. 상기 어셈블리(2)에 대한 클램핑 수단으로, 나사가 각각의 셀의 어느 한 쪽에 있는 3mm의 지름을 갖는 홀들에 삽입되었다. 이 나사들은 당 9홀의 메쉬 크기를 가지며 치수가 50mm의 18mm인 도금 강철 네트를 관통하였으며, 여기서 구리 테이프 및 플라스틱 폼 재료가 도금 강철 네트와 연료 셀의 GDL/MEA㎠ 사이의 어떠한 접촉도 방지한다. 그리고나서 나사들은 상기 도금 네트를 통하여 드릴링(drilling)된 홀들 내에 삽입되어 필요한 클램핑 압력을 달성하였다.

지지 플레이트를 형성하기 위해서, 각각 0.8mm 두께의 세 플라스틱(PVC) 시트가 사용되었다. 이들 세 시트들은 상부, 중간, 하부층으로 라벨링된다. 그리고나서 상기 시트 상에 인쇄된 템플릿에 따라 홀들이 잘려 진다. 이들 홀들은 수소 가스가 셀에 도달하도록 하는 채널들을 형성한다. 하부층 내의 홀들은 외부 가스 연결을 위해서 사용되었다. TESA에 의해 제공된 양면 테이프를 사용하여, 상기 테이프는 홀들 및 채널들이 상기 테이프를 통하도록 커팅되어서 중간층의 양측에 부착되고나서, 상부 및 하부층 모두에 부착되어, 세-층으로 된 지지 플레이트 "샌드위치형"으로 완료된다.

각각의 셀에 대해서, 구리 테이프(TEAS, 4384)는, 전자 도전 접착제가 도포된 측이 상향하도록, 상기 지지 플레이트의 상부에 부착되었다. 상부 플레이트로의 부착은 양면 테이프를 사용하여 달성되었고, 양면테이프 상에는 상부 플레이트에서의 홀들에 따라 위치된 상기 테이프 내의 홀들을 잘라내었다. 15mm 의 15mm, 능동 에어리어 2.25㎠인 GDL 재료의 피스는 홀들 위에 배치됨으로써, 애노드 전류 컬렉터를 형성한다. 그리고나서 MEA는 GDL의 상부에 위치되고, GDL을 커버하지 않은 MEA의 표면은 예를 들어 부드러운 TEflon 피스로 MEA를 부드럽게 닦음으로써 구리 테이프의 접착제에 대해서 밀봉되었다. 15mm 의 15mm인 GDL의 제 2 피스는 애노드 GDL에 따라 배열되는 MEA의 상부에 위치되고, 이의 상부에 ㎠당 36홀들의 메쉬를 갖는 15mm 의 15mm인 금 네트가 사용되었다.

15mm의 15mm 능동 GDL-MEA 에어리어를 둘러쌈으로써, 플라스틱 폼 재료(PORON)의 3mm 프레임은 MEA 위에 배치되었다. 구리 테이프의 피스의 형상은 상기 셀에 대한 폼 프레임의 형상을 따르고 직렬인 다음 셀의 애노드 전류 컬렉터를 형성하기 위해서 커팅되었다. 폼의 상부에 그러나 가장 상부의 금 네트 아래에, 구리 테이프가 배치되고, 스트립들로 접힘으로써 비-접착 측이 상부 금 네트 및 폼을 아래로 대향하도록 함으로써 상기 셀의 캐소드 전류 컬렉터가 형성되었다.

4 셀 유닛은 5분 후에 전류가 0.8A에 도달하도록 5초마다 단계적으로 증가시킴으로써 테스트된다. 그리고나서 전류는 1시간 50분 동안 1A로 유지되었다. 그리고나서 전류는 단계들에서 5분 후에 0A에 도달하도록 5초마다 감소되었다. 이 테스트 주기는 900 시간 이상의 동작시간에 도달하도록 450회 이상 반복되었다. 수소 흐름은 전체 4 셀 유닛에 대해 소비되는 수소의 총량에 대하여 6% 초과되어 유지되었다.

상기 수명 실험 동안 상기 방식으로 제조되는 4 셀 유닛의 세번째 셀의 셀 전압(진행 주기에서 1시간 50분 이후의 0.8A에서의) 아래에 도시된다:

(표2)

이는, 예 2에 따른 설계(즉, 구리 포일 및 GDL/MEA 사이의 직접적인 접촉을 막기 위하여 플라스틱 폼 재료를 사용한)에 의하면, 0.8A에서의 전압 측면에서의 성능이 900 시간 이후에 5% 적게 감소하였으므로, 예 1의 성능보다 훨씬 더 양호한 수명 성능을 보여준다.

예 3 (Cu-테이프 + Sn)

본 예에서, 연료 셀은 예 2에서와 같이 4 셀 유닛으로 조립되었으나, 사용된 구리 테이프가 비-접착 측에서 산화 주석(TESA, 4385)으로 도포되었다는 점이 다르다. 테이프의 방향은 또한, 테이프가 지지 플레이트의 상부에 부착될 때 구리 테이프의 산화 주석 도포 측이 각각의 셀에 대해서 상향하도록 변경되었다. 전과 같이, 상기 테이프에서의 홀들이 잘려나가서 지지 플레이트의 홀들에 따라 위치되었다. Nolato(접착제 EAD 478)의 양면 테이프를 사용하여, 23mm의 23mm의 윤곽선이 잘려나가고, 상기 윤곽선 내의 치수 15mm에 15mm의 내부 정사각형이 잘려나간다. 그리고나서 이 테이프의 피스는 산화 주석 테이프의 상부에 위치되어 상부 플레이트 내의 홀들이 15mm에 15mm로 잘려나간 접착제의 홀 내에 위치되도록 한다. 15mm에 15mm, 2.25㎠ 능동 표면의 GDL 재료의 피스는 15mm에 15mm로 잘려나간 홀 내에 위치됨으로써, 애노드 전류 컬렉터를 형성한다. MEA, 캐소드 GDL 및 클램핑 수단은 예 2에서와 동일했다.

4 셀 유닛은 5분 후에 전류가 0.8A에 도달하도록 5초마다 단계들에서 전류를 단계적으로 증가시킴으로써 테스트된다. 그리고나서 전류는 1시간 50분 동안 0.8A로 유지되었다. 그리고나서 전류는 단계들에서 5분 후에 0A에 도달하도록 5초마다 감소되었다. 이 이후에 상기 유닛은 수소 가스 흐름이 한 시간 동안 차단된 채로 0A에서 유지되었다. 테스트 주기는 2000 시간 이상의 동작시간에 도달하도록 500회 이상 반복되었다. 수소 흐름은, 턴온될 때, 전체 4 셀 유닛에 대해 소비되는 수소의 총량에 관해서 6% 초과되어 유지되었다.

상기 수명 실험 동안 상기 방식으로 제조되는 4 셀 유닛의 세번째 셀의 셀 전압(진행 주기에서 1.0 A에서 1시간 50분 이후의 0.8A에서의) 아래에 도시된다:

(표 3)

이는, 예 2와 비교해서, 상기 새로운 설계를 사용하여 유사한 개시 성능이 도달될 수 있음을 보여준다. 그리고 2000시간 이후의 0.8A에서의 전압에 관한 성능의 감소가 15% 보다 적다.

예 4.

본 예에서, 각각의 셀(1100a - d)이 3.84㎠ 능동 표면을 갖는 4 셀 유닛이 조립되고 상기 유닛의 수명이 조사된다. 수명 순환 운동 동안 매 50회 운행 주기 내에서 1A에서의 30분 후의 성능의 변화는 아래 표 4에 제공된다.

상기 연료 셀의 클램핑 수단(1110)은, 홀들이 잘라 내어져서 도 10에 도시된 바와 같은 형상을 갖는 16mm에 45mm의, 1mm의 두께의 강철 플레이트였다.

4 셀 유닛의 바람직한 실시에의 설계는 도 11에 개략적으로 도시된다.

여기서, 본 발명의 연료 셀은 4 셀의 다중 셀 유닛이다. 멤브레인 전극 어셈블리들(MEA들)(1130a - d)은 Gore의 Primea 5710이었다. Sigracet 34BC의 12mm에 32mm의 직사각형의 피스들은 극소 다공 층이 MEA로 향한 상태로, 이 양 전극들 상에서 가스 확산층들(GDL들)로서 사용되었다. 애노드 전류 컬렉터(1140)는 한 층에 전자-도전성 접착 막을 갖는 주석 도포 구리 포일로 제조되었다. 공급자는 TESA(제품 번호 4385)였다. 접착제는 은으로 도포된 중합 구체들로 채워진 아크릴 물질에 기반하였다. MEA 및 캐소드 GDL(1120)를 둘러싼 클램핑 플레이트(1100)는, MEA 및 폼 프레임 사이에서 접착제(폼 프레임, 3M F9469C와 동일한 치수)를 사용하여 고정되었다. 셀들 간 상호 접속은 애노드 전류 컬렉터 포일(1140)을 신장시키고 1mm를 접어서 클램핑 플레이트(1110) 및 폼 프레임(1150b - d) 사이에 그것을 배치함으로써 행해졌다.

도 11에 도시된 유닛에서 사용된 지지 플레이트가 도 12에 도시된다. 그것은 접착제에 의해 서로 결합된 샌드위치형의 3층의 중합 포일들이다. 상부층(연료 셀에 가장 근접한)은 즉, 약 80℃까지의 열을 견딜 수 있고 가열될 때 신장되지 않는 플라스틱 재료인 '오버헤드 막 품질(overhead film quality)'의 0,1mm 포일, 중간층은 0.5mm PVC 포일, 하부층은 오버헤드 막 품질의 0,1mm 포일이었다. 중간층에서는 2mm 폭의 채널이 전체 플레이트에 걸쳐 꾸불꾸불하게 잘려 지고 각각의 셀로의 연장된 개구들을 갖는다.

각각의 셀의 측면 거리, 측 각각의 셀의 클램핑 플레이트들 사이의 거리는 1mm이다.

지지 플레이트 뒤에는 1mm 두께의 스테인레스 스틸 후면지지 플레이트(치수: 45의 67mm)가 기계적 지지(또한 냉각 요소 역할을 하는)로 배치되었다. 후면지지 플레이트는 150mm의 반지름으로 구부려져서 클램핑 플레이트가 아래로 후면지지 플레이트로 클램핑될 때 당겨지게 된다. 클램핑 플레이트들 및 후면지지 플레이트들을 함께 당기는 나사는 플라스틱으로 제조되어 셀이 단락되지 않도록 한다. GDL들 상에 클램핑 플레이트에 의해 가해지는 클램핑 압력은 약 10N/㎠였다.

셀이 다음의 진행 주기를 사용하여 주기화되었다. 우선 수소 흐름이 턴온되었고(55ml/min) 30초 범위에서 0에서 1로 선형으로 증가되었다. 그리고나서 셀은 30분 동안 1A에서 작동하였다. 이 이후에 수소 흐름이 턴오프되고 전류는 29분 30초 동안 0A로 설정되었다. 진술한 주기가 1150회 반복되었다. 셀 1은 언제나 10 옴 저항으로 단락되었다.

(표 4)

예 5

본 예는 4 셀 디바이스가 제조되었음을 도시한다. 셀들은 가스 유입을 위한 홀들이 레이저로 커팅된 플라스틱 캐리어(carrier)(Makrofol DE 1-4, T = 0.1 mm)에 형성된다. 플라스틱 캐리어의 양 측들에 접착제(3M F9469PC)가 밀봉 요소로서 배치되어, 지지 포일 어셈블리를 생성한다. 네 셀들의 각각은 12에 32mm의 직사각형 Sigracet 34BC 가스 확산층들(GDL들)로 구성되어, 3.84㎠의 능동 면적을 발생시킨다. 멤브레인 전극 어셈블리들(MEA들)은 Gore의 Primea 5710이었다. 16의 36mm인 직사각 피스들이 사용되었다. 애노드 전류 컬렉터들은 한 측에 전자-도전성 접착 막을 갖는 주석 도포 구리 포일로 제조되었다. 공급자는 TESA(제품 번호 4385)였다. 접착제는 은이 채워진 아크릴 물질이다. 접착 측은 하향하여 배치되었고 GDL 및MEA는 자체의 표면에 고정된다. 0.8mm 두께에 16의 36mm인 도금된(2㎛) 2331 강철이 캐소드 전류 컬렉터들 및 클램핑 플레이트들 모두로 사용되었다. 클램핑 플레이트 패턴이 도 10에 도시된다. MEA 및 캐소드 GDL을 둘러싼 도금 클램핑 플레이트들 사이에서, 2mm 폭의 폼 프레임(외부 치수는 16에 36mm이고, 내부 치수는 12mm에 32mm인, Poron 4790-92-25041-04)이 MEA 및 폼 프레임 사이에 접착제(폼 프레임과 동일한 치수인 3M F9469PC)를 사용하여 고정되었다. 셀들 간 상호 접속은 애노드 전류 컬렉터 포일을 1mm 신장시키고 접음으로써 그리고 도금 클램핑 플레이트 및 인접한 셀의 폼 프레임들 사이에 그것을 배치함으로써 행해진다. 셀들 간 거리는 1mm였다.

디바이스는 가스 채널들 및 하부 측으로부터의 가스 유입 및 배출구를 포함하는 후면지지 플레이트에 배치되었다. 셀들은 다음의 진행 주기를 사용하여 주기화되었다.

우선 수소 흐름이 턴온되었고(55ml/min) 개방 회로 전위가 등록되었다. 그리고나서 전압이 15분 동안 3.2 및 1V 사이에서 신속하게 변경되었던 활성 단계가 발생한다. 전위가 1 시간 동안 3.4V에서 2V로 갑자기 변경되는 경우에 분극 시퀀스(polarization sequence)가 뒤따르면서 전류가 등록되었다. 10 분극 시퀀스가 완료되었다.

10 분극 시퀀스 동안 상기 셀의 성능은 도 13의 분극 곡선에서 도시된다; 플롯: A

예 6

도 5b에 도시되고 예 5에서 논의된 본 발명의 설계를 사용함으로써, 비용 관점에서 가능한 여러 개선점들이 있다. 상기 예에서 예 5에서 기술된 4 셀 유닛은: 1) Sn-도포 구리 포일을 갖는 전기적 도전 테이프(유형 TESA 4385)를위를 아래로 전환하여 도전성 접착제가 애노드 GDL로 향하지 않도록 한다. 대신에 애노드 GDL은 Sn-도포 포일과 직접 접촉했고 능동 에어리어를 둘러싼 밀봉 에어리어에서 비도전성 접착제가 사용되었다(3M F946PC), 2) 셀들은, 4 셀 유닛이 클램핑 플레이트들 사이의 거리가 1에서 5mm로 증가하도록 분리되었다. 이는 셀들과 접속하고 있는 포일의 파트를 연장함으로써 가능해진다, 3) 능동 에어리어를 둘러싸는 프레임 부재의 폭은, 능동 에어리어/총 에어리어 비율이 증가되도록 2에서 1mm로 감소되었다(즉, GDL 치수는 14 × 34mm). 상기 설계 개선점들은 개별적으로도 그리고 결합해서도 테스트된다.

10회 분극화 시퀀스 도안 상기 셀들의 성능 곡선들이 도 13에 제공된다:

1) B Sn-도포 구리 테이프를 전환 :

2) C 셀들 사이의 거리를 증가 :

3) D 프레임 폭을 감소 :

4) E 모든 변화들이 결함됨 :

곡선 B는, 애노드 GDL로의 전류 컬렉터 접촉 저항이 도전성 접착제가 있거나 없어도 마찬가지임을 표시하는 곡선 A와 유사한 성능을 도시한다.

곡선 C는 동일한 능동 에어리어를 갖기 때문에 저전류에서 곡선 A 및 B와 동일한 성능을 갖는다. 그러나, 고전류에서 상기 4 셀 유닛은, 연료 셀 어셈블리의 더 양호한 열 확산/냉각을 제공하는 셀들 사이의 더 큰 거리로 인해 A 및 B보다 더 양호한 성능을 도시한다.

곡선 D는 상기 유닛에서의 더 높은 능동 에어리어로 인해서 저전류에서 A, B 및 C보다 더 높은 성능을 나타낸다. 그러나 고전류에서의 성능은 C보다 더 양호하지 않다. 그러므로, C- 유닛은 더 양호한 열 확산을 갖는다.

곡선 E는 모든 변화들이 결합되어 있는 유닛들의 성능을 도시하고 있다. 이는 모든 곡선들 중 가장 양호한 성능을 갖는다.

Claims

애노드 가스 확산층(208) 및 캐소드 가스 확산층(210) 사이에 개재되는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 갖는 유형의 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치로서, 제 1 및 제 2 전류 컬렉터들은 상기 애노드 및 캐소드 가스 확산층(GDL)들에 결합되는, 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치에 있어서:
제 1 전기화확 셀(200a)의 상기 애노드 가스 확산층(GDL; 208a)과 접촉하고 있는 상기 제 1 전류 컬렉터(206)는, 인접 셀의 전기화학적 능동 컴포넌트들과 전기화학적으로 접촉하지 않고, 제 2의 인접 전기화학 셀(200b)의 캐소드 측과 비활성 및 전기적 도전성 부재(204b; 504; 904; 1110)를 통해서 접속되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 셀(200a)의 상기 애노드 전류 컬렉터(206) 및 상기 제2의 인접 셀(200b)의 상기 캐소드 측 사이에 개재되는 절연 요소(201; 319; 420; 520; 801)를 포함하고, 상기 비활성 도전성 부재(204b)에 의해 전기 접속이 제공되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 절연 요소는 상부면 및 하부면을 갖는 절연 스페이서 부재(201a; 319; 420; 520; 801; 920; 1150)를 포함하고, 상기 스페이서 부재의 상기 하부면이 상기 제 2 셀의 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)의 일부와 접촉되고, 상기 제 1 전류 컬렉터(206)는 클램핑될 때 상기 스페이서 부재(201a; 319; 420; 520; 801)의 상기 상부면과 접속되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 절연 요소(201; 319; 420; 520; 801)의 적어도 상부 측은 응축수의 막 형성을 방지하기 위해 공수화(hydrophobic)되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 비활성 도전성 부재(204b; 304; 404; 504; 604; 804; 1110)는 상기 스페이서 부재(201a; 319; 420; 520; 801)에 대해서 상기 전류 컬렉터를 클램핑하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 절연 부재는 상부면 및 하부면을 갖는 절연 스페이서 부재(201)를 포함하고, 상기 스페이서 부재의 상기 하부면이 상기 제 1 셀(200a)의 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)의 일부와 접촉되고, 상기 비활성 도전성 부재(204b)는 상기 스페이서 부재(201)의 상기 하부면 및 상기 전류 컬렉터(206) 사이에서 클램핑되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 비활성 도전성 부재(204b)는 상기 스페이서 부재(201)의 하부로부터 상향하여 상기 인접 셀(200b)의 캐소드 GDL(210b)과 접촉되도록 신장되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 스페이서 부재(319)는 상기 셀 장치의 한 측에 상기 셀 장치에 인접하여 위치되고, 각각의 셀로부터의 전류 컬렉터(306)는 상기 셀 장치의 길이 방향에 대해서 수직으로 신장되고 플랩(325)이 형성되고, 상기 플랩(325)은 상기 셀의 신장부에 대해 오프셋되도록 구성되어 상기 플랩의 일부가 인접 셀에 인접하여 위치되고, 상기 플랩은 자신이 속한 상기 셀의 애노드 측으로부터 상기 비활성 도전성 부재(304)에 의해 클램핑되는 상기 스페이서 부재(319)의 상부면에 위치되도록 상향하여 신장되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스페이서 부재는 상기 캐소드 GDL을 둘러싸는 프레임(420; 520)으로 제공되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 9 항에 있어서,
각각의 셀로부터의 전류 컬렉터(406)는 상기 셀 장치의 길이 방향에 대해서 수직으로 신장되고 플랩(425)이 형성되고, 상기 플랩(425)은 상기 셀의 신장부에 대해 오프셋되도록 구성되어 상기 플랩의 일부가 인접 셀에 인접하여 위치되고, 상기 플랩은 자신이 속한 상기 셀의 애노드 측으로부터 상기 비활성 도전성 부재(404)에 의해 클램핑되는 상기 프레임의 상부면에 위치되도록 상향하여 신장되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 비활성 도전성 부재(404) 및 상기 플랩이 신장되는 상기 셀 상의 플랩 사이에 절연 재료(425)가 제공되고, 상기 인접 셀에 상기 플랩 및 상기 비활성 도전성 부재(404) 사이에 전기적 접촉(419)이 존재하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스페이서 부재(201; 319; 420; 520; 801)는 압축성 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스페이서 부재(201; 319; 420; 520; 801)는 강성의, 필수적인 비-압축성 재료로 제조되고, 상기 비-압축성 재료는 자신이 부착되는 셀의 두께에 적응된 충분히 규정된 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전류 컬렉터(206)는 금속 또는 그래파이트와 같은 탄소 기반 재료로 제조되는 전기적 도전성 포일인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 전류 컬렉터 포일(706a)은 상기 포일(706a) 및 상기 캐소드 GDL(710) 또는 상기 MEA(709) 사의의 전기화학 접촉을 방지하는 층(719)에 의해 부분적으로 커버되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 전기적 도전성 포일(806)에는 상기 애노드 GDL 및 상기 MEA를 마주하는 전체 측에 걸쳐 전기적 도전성 접착제가 제공되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 16 항에 있어서,
상기 구리 도포 납 포일은 밀봉을 위한 영역(809b)에서만 접착제에 의해 커버되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 17 항에 있어서,
접착제에 의해 도포되지 않은 상기 영역(809a)은 상기 애노드 GDL과 직접적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 17 항에 있어서,
상기 어셈블리에서의 셀들 간 거리는 0,1 - 8mm, 바람직하게는 1 - 5mm인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
특징으로 하는 전기화학 셀들을 상호 접속시키기 위한 장치.
제 1 항에 따른 장치와 상호 접속되는 복수의 연료 셀들을 포함하는 연료 셀 어셈블리.
적어도 2개의 연료 셀들을 포함하는 연료 셀 디바이스를 제조하는 방법에 있어서:
도전성 포일(506), 멤브레인 전극 어셈블리(509) 및 프레임 재료(520)를 재료의 연속 웹(web)으로 제공하는 단계로서, 상기 도전성 포일 웹은 다른 웹들보다 폭이 더 넓은, 제공 단계;
상기 도전성 포일 내에 상기 연료 셀의 상기 애노드로의 가스 흡입구/배출구를 위한 홀들을 생성하는 단계;
상기 도전성 포일(506)에 상기 애노드 GDL들(508)을 배치하는 단계;
상기 애노드 GDL들 위로 상기 MEA 웹(509)을 배치하는 단계;
상기 MEA의 kd부에 상기 프레임 구조(520)를 배치하는 단계;
상기 프레임들에 상기 캐소드 GDL들을 배치하는 단계;
상기 GDL들을 상기 MEA들과 더 양호하게 통합하기 위해 열 가압 단계를 선택적으로 적용하는 단계;
커팅에 의해 상기 개별 셀들의 컴포넌트들을 서로 분리하는 단계;
상기 개별 셀들을 제조 방향에 대해서 90도로 비틀어 돌리고 상기 개별 셀들을 지지 부재(511)에 배치하는 단계;
상기 셀들을 제 1 항에 따른 장치와 상호 접속시키는 단계를 포함하는 연료 셀 디바이스를 제조하는 방법.