KR20110056481A - 감소된 질량 전달 제한을 갖는 연료 전지 - Google Patents

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KR20110056481A
KR20110056481A KR1020117001482A KR20117001482A KR20110056481A KR 20110056481 A KR20110056481 A KR 20110056481A KR 1020117001482 A KR1020117001482 A KR 1020117001482A KR 20117001482 A KR20117001482 A KR 20117001482A KR 20110056481 A KR20110056481 A KR 20110056481A
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제임스 씨. 크로스
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누베라 퓨엘 셀스, 인크.
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Abstract

본 발명은 폴리머 전해질 부재 연료 전지 및 그 부품에 관한 것이다.

Description

감소된 질량 전달 제한을 갖는 연료 전지{FUEL CELL WITH REDUCED MASS TRANSFER LIMITATIONS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2008년 6월 23일 출원된 미국 가출원 제 61/074,805호의 이득을 청구한다.
기술 분야
본 발명은 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지의 분야에 관한 것이다.
통상의 폴리머 전해질 멤브레인("PEM") 연료 전지는 그 수화 레벨에 따른 프로톤(proton)의 전도를 지원하는 전해질로서 기능하는 폴리머 멤브레인을 갖는다. 폴리머 멤브레인은 2개의 표면(또는 2개의 측면)을 갖는다. 일 표면은 애노드 전극 촉매층과 접촉하고, 다른 표면은 캐소드 전극 촉매층과 접촉한다. 애노드 촉매는 그 성분 프로톤 및 전자로의 수소의 해리를 실행하고-프로톤은 멤브레인을 통해 그 애노드측으로부터 그 캐소드측으로 이동함-, 여기서 이들은 활성화된 산소종들과 재조합되어 캐소드 촉매의 존재하에 물을 형성한다.
본 발명은 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지를 제공한다. 연료 전지는 캐소드, 애노드 및 캐소드와 애노드 사이에 개재된 폴리머 멤브레인을 포함하는 전기 화학 패키지를 포함한다. 연료 전지는 제 1 및 제 2 쌍극 플레이트, 전기 화학 패키지의 애노드와 제 1 쌍극 플레이트 사이에 배치된 애노드 격실, 및 전기 화학 패키지의 캐소드와 제 2 쌍극 플레이트 사이에 배치된 캐소드 격실을 추가로 포함한다. 더욱이, 제 1 및 제 2 쌍극 플레이트 중 적어도 하나는 성형된 금속 시트이고, 애노드 및 캐소드 격실 중 적어도 하나는 다공성 스페이서를 포함한다.
본 명세서에 개시될 때, 성형된 금속 시트는 비편평한 기하학적 형상을 갖는 금속 시트이다. 성형된 금속 시트는 유체 통로를 위한 리지 및 홈, 복수의 돌출부 및 오목부, 복수의 구멍 또는 다른 채널을 가질 수 있다. 다공성 스페이서는 천공된 금속 시트, 금속 발포체, 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시 또는 이러한 부품의 복합 집합으로부터 선택된다.
더욱이, 본 명세서에 개시된 연료 전지는 성형된 금속 시트와 접촉하는 그 전기 화학 패키지의 애노드 및 다공성 스페이서와 접촉하는 그 전기 화학 패키지의 캐소드를 가질 수 있다. 연료 전지는 성형된 금속 시트와 애노드 사이에 개재된 다공성 스페이서를 또한 포함할 수 있다.
게다가, 본 명세서에 개시된 연료 전지는 성형된 금속 시트와 접촉하는 그 전기 화학 패키지의 캐소드 및 다공성 스페이서와 접촉하는 그 전기 화학 패키지의 애노드를 가질 수 있다. 연료 전지는 성형된 금속 시트와 캐소드 사이에 개재된 다공성 스페이서를 또한 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 연료 전지 스택을 제공한다. 연료 전지 스택은 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 개재된 폴리머 멤브레인을 각각 포함하는 복수의 전기 화학 패키지, 뿐만 아니라 복수의 쌍극 플레이트 조립체를 포함하고, 전기 화학 패키지 및 쌍극 플레이트 조립체는 교대로 배치되어, 전기 화학 패키지가 2개의 쌍극 조립체 사이에 개재되고, 쌍극 플레이트 조립체가 2개의 전기 화학 패키지 사이에(또는 전기 화학 패키지와 엔드플레이트 조립체 사이) 개재되게 된다.
본 명세서에 사용될 때, 연료 전지 부품의 조합인 쌍극 플레이트 조립체는 적어도 하나의 쌍극 플레이트 및 쌍극 플레이트에 부착되거나 인접한 적어도 하나의 다른 부품을 포함한다. 특정 실시예에서, 쌍극 플레이트 조립체는 일 측면에 부착되거나 인접한 성형된 금속 시트 및 다른 측면에 부착되거나 인접한 다공성 스페이서를 갖는 편평한 쌍극 플레이트를 포함한다. 특정 실시예에서, 쌍극 플레이트 조립체는 또한 함께 적층되어 냉각 유체 통로로서 기능할 수 있는 공간을 이들 사이에 형성하는 2개의 성형된 금속 시트를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 캐소드, 애노드 및 캐소드와 애노드 사이에 개재된 폴리머 멤브레인을 포함하는 전기 화학 패키지, 제 1 및 제 2 쌍극 플레이트, 전기 화학 패키지의 애노드와 제 1 쌍극 플레이트 사이에 배치된 애노드 격실, 및 전기 화학 패키지의 캐소드와 제 2 쌍극 플레이트 사이에 배치된 캐소드 격실을 포함하는 연료 전지를 또한 제공한다. 제 1 및 제 2 쌍극 플레이트는 각각 편평한 금속 플레이트이고, 애노드 격실과 캐소드 격실 중 적어도 하나는 다공성 스페이서를 포함한다.
이 연료 전지의 특정 실시예에서, 애노드 격실 및 캐소드 격실은 천공된 금속 시트, 금속 발포체, 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시 또는 이러한 부품의 복합 집합으로부터 선택된 적어도 하나의 다공성 스페이서를 각각 포함한다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 성형된 금속 시트의 예의 개략도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 연료 전지의 실시예 및 전기 화학 패키지를 갖는 다양한 접촉 패턴의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지의 다른 실시예의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 다른 연료 전지 실시예의 개략도.
도 5는 조립시의 특정 연료 전지 부품의 조합의 접촉 저항을 도시하는 데이터 플롯.
본 명세서에 개시될 때, 멤브레인 전극 조립체("MEA")는 일 측에 애노드 촉매를 반대측에 캐소드 촉매를 갖는 폴리머 멤브레인을 칭한다. 가스 확산층("GDL")으로서 알려진 전도 매체가 MEA의 2개의 측면 중 하나 또는 모두에 인접하여 부착되거나 위치될 수 있다. 가스 확산층은 탄소 페이퍼, 흑연 천 또는 다른 다공성, 가요성 및 전기 전도성 재료 또는 이들의 복합 집합으로 제조된다.
특정 실시예에서, 전극 촉매는 폴리머 멤브레인의 표면 상에 직접 적용될 수 있다. 추가의 실시예에서, 전극 촉매는 폴리머 멤브레인에 인접한 촉매층 내에 합체될 수 있다. 대안적으로, 촉매는 가스 확산층 상에 적용될 수 있고, 이어서 촉매가 가스 확산층과 폴리머 멤브레인 사이에 개재된 상태로 폴리머 멤브레인에 화학적으로 부착되고, 기계적으로 부착되거나 그에 인접하여 배치된다. 전자의 경우에, 가스 확산층은 연료 전지가 기능하게 할 필요는 없다. 본 명세서에 개시될 때, 전기 화학 패키지("ECP")는 양 측면에 부착된 가스 확산층을 갖는 MEA, 또는 일 측면에 부착된 단지 하나의 가스 확산층을 갖는 MEA, 또는 그에 부착된 가스 확산층이 없는 MEA를 포함하는 부품을 칭한다. 따라서, ECP의 애노드는 그에 부착된 가스 확산층을 갖거나 갖지 않는, 애노드 촉매를 포함하는 ECP의 측면을 칭하고, ECP의 캐소드는 캐소드 촉매를 포함하는 ECP의 측면을 칭한다. 따라서, 연료 전지 부품이 ECP의 전극과 직접 접촉할 때, 촉매, 즉 촉매층과 직접 접촉하거나 가스 확산층과 직접 접촉할 수 있다.
연료 가스, 예를 들어 수소 함유 가스가 ECP의 애노드와 전기 전도성(예를 들어, 흑연 또는 금속) 가스 배리어, 즉 쌍극 플레이트 사이의 공간인 애노드 격실로 공급된다. 산화제 가스, 예를 들어 공기와 같은 산소 함유 가스가 ECP와 쌍극 플레이트 사이의 공간인 캐소드 격실로 공급된다. 스페이서가 애노드 격실 및 캐소드 격실 각각 내에 유체 통로를 생성하는데 사용될 수 있다. 스페이서는 전기 전도성이고 의도적으로 유체가 그를 통과하게 허용하는 재료로부터 제조될 수 있다.
특정 실시예에서, 단일 연료 전지는 ECP, 애노드 격실, 캐소드 격실, 2개의 쌍극 플레이트 및 선택적으로 하나 이상의 스페이서를 포함한다. "연료 전지 스택"은 일반적으로 냉각 셀이 하나의 연료 전지의 애노드 격실과 다른 연료 전지의 캐소드 격실 사이에 개재되어 있는 상태로 전기적으로 직렬로 접속된 다수의 단일 연료 전지를 포함한다. 기체 또는 액체 또는 다상(multiphase)인 냉각 유체가 냉각 셀을 통과하고, 인접한 애노드 및 캐소드 격실과 열 교환하여 그 내부의 온도의 제어를 얻는다. 추가로 또는 대안적으로, 물 기반 액체 냉각제가 온도 제어를 성취하기 위해 애노드 또는 캐소드 격실 내부의 애노드 가스 또는 캐소드 가스와 혼합될 수 있다.
본 명세서에 사용될 때, 다공성 구조체는 구조 재료 및 접근 가능한 공동(void) 공간의 양자 모두로 이루어진 구조체이고, 여기서 "구조 재료"는 고체 재료 및 그와 관련된 임의의 접근 불가능한 공동 공간을 의미하고, 여기서 "접근 가능한 공동 공간"은 다공성 구조체를 통한 유체의 미제한된 유동을 지원하기 위해 이용 가능한 공동 공간을 의미하고, 구조체는 구조체의 접근 가능한 공동 공간 내의 임의의 2개의 지점이 구조체의 접근 가능한 공동 공간 내에 전적으로 위치하는 가상의 평활한 경로선에 의해 연결될 수 있는 점에서 "개방"되어 있고, 여기서 용어 "평활한"은 경로선이 이를 따른 임의의 점에서 고유하게 규정된 탄젠트 벡터를 갖는다는 것을 의미하고, 구문 "유체의 미제한 유동을 지원한다"는 것은 임의의 전술된 경로선에 대해 비간섭 기준이 만족되는 것을 의미하여, 경로선 상의 임의의 점에 대해, (a) 그 중심으로서 상기 점을 갖는, (b) 상기 점에서 경로선 탄젠트 벡터에 수직인 평면에 놓인, 그리고 (c) 5 미크론의 반경을 갖는 원이 임의의 고체 재료를 교차하지 않는다는 것을 의미하고, 용어 "~내에"는 연료 전지 구성의 다른 부품과 조립될 때 구조체의 볼록형 외피(hull) 내부를 의미한다.
이와 같이 설명된 다공성 구조체에 기초하는 스페이서는 서로 물리적으로 분리되고 별개인 복수의 별개의 유동 경로를 포함하는 스페이서와는 차별화된다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 스페이서가 연료 전지의 애노드 및/또는 캐소드 격실 내에 배치되어, ECP와 쌍극 플레이트를 전기적으로 접속한다. 스페이서는 다공성 구조체 또는 비다공성 구조체일 수 있다.
하나의 적합한 다공성 스페이서는 천공된 금속 시트이다. 천공된 금속 시트는 천공부, 예를 들어 둥근 구멍, 6각형 구멍, 정사각형 구멍, 슬롯 형성된 구멍 등의 어레이를 갖는다. 연료 전지 격실 내에 스페이서로서 설치 전에, 천공된 금속 시트는 비편평한 기하학적 형상을 형성하도록 처리될 수 있다. 예를 들어, 천공된 금속 시트는 파형 리지 및 홈 또는 오목부 및 돌출부 또는 다른 기하학적 형상을 형성하도록 스탬핑될 수 있다. 상업적으로 입수 가능한 천공된 금속 시트의 예는 미국 플로리다주 탐파 소재의 맥니콜스 코포레이션(McNichols Co.)으로부터 얻어질 수 있다. 쌍극 플레이트와 ECP 사이에 설치될 때, 천공된 금속 시트는 그 표면을 따른 뿐만 아니라 금속 시트의 천공부를 통한 유동의 통과를 허용한다.
다른 적합한 다공성 스페이서는 팽창된 금속 메시이다. 팽창된 금속 메시는 특정 기하학적 형상, 예를 들어 다이아몬드 형상의 개구를 생성하기 위해 균일하게 분할되고 신장된 고체 재료의 시트로부터 제조된다. 표준 팽창된 금속에서, 다이아몬드형 개구의 각각의 열은 다음 것으로부터 편위되어 불균일한 구조를 생성한다. 표준 팽창된 금속 시트는 평탄화된 팽창된 금속을 생성하도록 압연될 수 있다.
다른 적합한 다공성 스페이서는 금속 와이어를 함께 직조하거나 용접함으로써, 또는 천공된 시트들 또는 금속 그리드들을 서로 인접하여 간단히 접합하거나 배치함으로써 제조될 수 있는 금속 와이어 메시이다. 금속 와이어 메시 및 팽창된 금속 메시의 양자 모두는 예를 들어 미국 팬실배니아주 뉴타운 소재의 미캐니컬 메탈즈 인크(Mechanical Metals, Inc.)로부터 상업적으로 입수 가능하다. 스페이서로서 사용될 때, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시는 먼저 비편평한 기하학적 형상을 형성하도록 처리될 수 있다.
금속 발포체 또는 흑연 발포체가 또한 스페이서로서 사용될 수 있다. 발포체는 상호 연결된 인대의 네트워크를 갖는 그물형 구조체를 갖는다. 이 고유한 구조체에 기인하여, 비압축된 상태에서의 발포 재료는 예를 들어 80% 초과, 85% 초과, 90% 초과, 95% 초과, 및 최대 98%와 같이 적어도 75%에 도달하는 다공도를 가질 수 있다. 금속 발포체는 예를 들어 미국 노스캐롤라이나주 헨더슨빌 소재의 포배어 어드밴스드 머트리얼즈 인크(Porvair Advanced Materials, Inc.)로부터 상업적으로 입수 가능하다. 흑연 발포체는 예를 들어 미국 텍사스주 데카터 소재의 포코 그래파이트 인크(Poco Graphite, Inc.)로부터 상업적으로 입수 가능하다.
스페이서 및 ECP가 함께 압축될 때, 접촉 면적은 예를 들어 ECP의 총 기하학적 표면적의 50% 미만의 면적, 1% 내지 35%의 범위의 면적, 2% 내지 25%의 범위의 면적 및 5% 내지 15%의 범위와 같이 75% 이하의 면적일 수 있다. 따라서, ECP의 큰 면적이 노출되고 캐소드 또는 애노드 격실 내의 반응물에 즉시 접근 가능하다. 따라서, ECP 상의 촉매에 도달하기 위한 반응물을 위한 질량 전달 제한이 감소된다. 그 결과, 다공성 스페이서를 포함하는 연료 전지는 예를 들어 적어도 1.0 Watt/cm2의 높은 전력 밀도에서 작동할 수 있다.
다른 실시예에서, 연료 전지는 성형된 금속 시트로 제조된 편평한 쌍극 플레이트 또는 비편평한 쌍극 플레이트를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, 성형된 금속 시트는 비편평한 기하학적 형상을 갖는 금속 시트를 칭한다. 성형된 금속 시트는 상승된 또는 엠보싱된 표면을 가질 수 있다. 성형된 금속 시트는 파형 리지 및 홈을 갖는 주름형 금속 시트일 수 있다. 성형된 금속 시트는 불연속적인 오목부 및 돌출부를 또한 가질 수 있다.
성형된 금속 시트는 스탬핑과 같은 금속 시트 성형 프로세스에서 제조될 수 있다. 이는 예를 들어 에칭 및 레이저 조각(laser engraving)에 의해 표면 재료의 부분을 제거함으로써 금속 시트의 두께가 변하게 되는 채널을 형성할 수 있다. 포위된 채널이 ECP와 같은 인접한 편평한 표면을 갖는 성형된 금속 시트의 상승된 표면 사이에 형성될 수 있다. 따라서, 성형된 금속 시트의 부분은 연료 전지의 캐소드 또는 애노드 격실 뿐만 아니라 캐소드 또는 애노드 격실 내부의 공간을 경계 형성하는 쌍극 플레이트로서 기능할 수 있다.
도 1a는 금속 시트의 일 측면으로부터 돌출하는 돌출부의 어레이, 즉 "단면 돌출부"를 포함하는 성형된 금속 시트의 예를 도시한다. 도 1b는 금속 시트에 수직인 단면 상의 도 1a의 성형된 금속 시트의 프로파일을 도시한다. 이 실시예에서, 금속 시트의 일 측면 상의 돌출부는 반대 측면의 오목부에 대응한다. 더욱이, 실질적으로 편평하고 실질적으로 동일한 높이 평면에 있는 돌출부의 베이스 부근에 영역이 존재한다. 성형된 금속 시트가 2개의 편평한 플레이트 사이에 개재되면, 유동 통로는 단지 돌출부를 갖는 측면과 인접한 편평한 플레이트 사이에만 존재한다. 그러나, 표면의 편평한 부분이 편평한 플레이트에 의해 덮여지고 오목부가 상호 연결되지 않아 어떠한 유동 통로도 형성하지 않기 때문에, 어떠한 유동 채널도 반대 측면에 존재하지 않는다.
도 1c는 금속 시트의 양 측면 상에 돌출부, 즉 "양면 돌출부"를 포함하는 성형된 금속 시트의 예를 도시한다. 이 예에서, 인접한 돌출부들 사이에는 편평한 영역이 존재하지 않는다. 도 1d는 금속 시트에 수직인 단면에서 도 1c의 성형된 금속 시트의 프로파일을 도시한다. 이러한 성형된 금속 시트가 2개의 편평한 플레이트 사이에 개재될 때, 돌출부는 금속 시트의 양 측면 상의 편평한 플레이트와 접촉하게 되어, 성형된 금속 시트의 양 측면 상에 유동 통로를 형성한다.
도 1e는 돌출부가 절두체의 형상인 양면 돌출부를 갖는 성형된 금속 시트의 다른 예를 도시한다. 도 1b, 도 1c 및 도 1e에 도시된 바와 같이, 돌출부의 프로파일은 곡선형(도 1b 및 도 1d에서와 같이)일 수 있거나, 또는 직선 세그먼트(도 1e)로 구성될 수 있거나, 직선 세그먼트 및 곡선의 양자 모두로 구성될 수 있다.
성형된 금속 시트를 그 사이에 개재하는 2개의 평행한 가상 평면(즉, 도 1b, 도 1d 및 도 1f의 평면 A 및 평면 B) 사이의 최단 거리로서 정의되는 돌출부의 높이("H")는 예를 들어 0.1 내지 3.0 mm, 0.2 내지 2.0 mm, 0.3 내지 1.0 mm 및 0.4 내지 0.6 mm와 같이 0.05 내지 5.0 mm의 범위이다. 돌출부의 밀도는 예를 들어 5 내지 400 돌출부/cm2, 10 내지 400 돌출부/cm2, 10 내지 200 돌출부/cm2, 20 내지 200 돌출부/cm2과 같이 성형된 금속 시트의 평방 센티미터당 1 내지 10,000개의 돌출부의 범위이다.
돌출부의 배열은 1) 6각형, 즉 하나의 돌출부가 6각형을 형성하는 6개의 이웃하는 돌출부에 의해 둘러싸임, 2) 정사각형 패턴, 즉 4개의 이웃하는 돌출부가 정사각형을 형성할 수 있음, 또는 3) 다른 기하학적 패턴 및 이들의 혼합 패턴일 수 있다.
성형된 금속 시트를 가로지르는 돌출부의 분포는 균일하거나 다양할 수 있다. 예를 들어, 유체의 입구 또는 출구 부근 또는 금속 시트의 중심 주위와 같은 성형된 금속 시트의 선택된 영역은 성형된 금속 시트의 나머지보다 높은 돌출부의 밀도를 가질 수 있다.
성형된 금속 시트를 가로지르는 돌출부의 크기, 높이 및 형상은 균일하거나 다양할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, 돌출부의 크기는 돌출부의 최외측 고체면 상의 감염점(infection point)의 위치를 그 주연부로서 갖는 표면의 면적으로서 정의된다. 돌출부는 돌출부의 밀도가 높은 영역에서 작은 크기를 가질 수 있고, 돌출부의 밀도가 낮은 영역에서는 큰 크기를 가질 수 있다. 조립된 연료 전지에서, 성형된 금속 시트 내의 돌출부는 또한 성형된 금속 시트의 다른 영역에서의 돌출부와 비교할 때 반응물 입구 또는 출구 부근의 영역에서 작은 크기를 가질 수 있다. 게다가, 돌출부는 그 이웃하는 돌출부와는 상이한 크기를 가질 수 있다. 돌출부는 유동 저항을 감소시키기 위해 유동 방향으로 또는 혼합을 향상시키기 위해 유동 방향을 가로질러 길게 연장될 수 있고, 이들 효과를 우선적으로 향상시키는 방식으로 분포될 수 있다. 특정 실시예에서, 돌출부의 영역은 예를 들어, 0.0005 내지 0.8 cm2, 0.0001 내지 0.5 cm2, 0.001 내지 0.2 cm2과 같이 0.000025 내지 1.0 cm2의 범위이다.
본 발명의 실시예 중 하나가 도 2a에 도시된다. 연료 전지는 폴리머 멤브레인(105) 및 2개의 가스 확산층(104, 106)을 갖는 ECP를 포함한다. 애노드 및 캐소드 촉매(미도시)가 폴리머 멤브레인과 가스 확산층(104, 106) 각각 사이에 위치된다. 양면 돌출부(102)를 갖는 성형된 금속 시트가 편평한 쌍극 플레이트(101)와 ECP 사이에 배치된다. 성형된 금속 시트(102)와 ECP 사이의 공간(113)은 연료 가스를 위한 유체 통로, 즉 애노드 격실이다. 성형된 금속 시트(102)와 쌍극 플레이트(101) 사이의 공간(112)은 냉각 유체를 위한 통로, 즉 냉각 셀을 구성한다.
캐소드 격실 내의 스페이서(103)는 천공된 금속 시트, 금속 또는 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시, 또는 금속 와이어 메시와 같은 다공성 재료의 부분일 수 있다. 이 스페이서는 ECP의 캐소드와 쌍극 플레이트(101)를 연결한다.
도 2a에 따른 실시예의 일 양태는, 스페이서 또는 쌍극 플레이트를 변경하지 않고, 애노드 격실이 캐소드 격실로서 사용될 수 있고, 캐소드 격실이 애노드 격실로서 사용될 수 있다는 것이다. 이는 예를 들어, ECP의 캐소드가 공간(113)을 경계 형성하고, ECP의 애노드가 스페이서(103)와 접촉하게 되도록 ECP를 반전시킴으로써 성취될 수 있다.
도 2a에 따른 실시예의 다른 양태는, 성형된 금속 시트(102)와 ECP 사이의 접촉점의 패턴 및 스페이서(103)와 ECP 사이의 접촉점의 패턴이 상이하다는 것이다. 예를 들어, 도 2b는 도트의 어레이를 포함하는, ECP와 성형된 금속 시트 상의 돌출부 사이의 접촉 패턴을 도시한다. 도트는 평균 직경 "D"를 갖고, 2개의 이웃하는 도트 사이의 대표적인 거리는 "L"이다. 크기 파라미터 "D" 및 "L"은 돌출부가 다양한 크기를 갖거나 불균일하게 분포되어 있는 경우에 유사하게 정의될 수 있다.
다른 한편, 도 2c는 수직선 및 수평선을 갖는 그리드와 유사한, 금속 메시와 같은 ECP와 스페이서 사이의 접촉 패턴을 도시한다. 선의 평균 또는 대표 폭은 "δ"이고, 2개의 인접한 선 사이의 대표적인 거리는 "
Figure pct00001
"이다. 도 2d는 금속 발포체와 같은 ECP와 스페이서 사이의 다른 가능한 접촉 패턴을 도시한다. 도 2d에 따른 접촉 패턴에서, ECP와 금속 발포체 사이의 접촉점은 평균 직경 "d" 및 평균 거리 "l"을 갖는다. 따라서, "L", "
Figure pct00002
" 및 "l"은 ECP의 표면 부근의 유체 통로에 대한 특징 치수이고, "D", "δ" 및 "d"는 ECP와의 접촉점에 대한 특징 치수이다.
도 2a 내지 도 2d에 따른 실시예의 일 양태는, "L/
Figure pct00003
" 및 "L/l"이 예를 들어 1 내지 100의 범위, 2 내지 50의 범위 및 35 내지 30의 범위와 같이 1보다 크다는 것이다. 특정 실시예에서, "D/δ" 및 "D/d"의 값은 예를 들어 1 내지 2100의 범위, 또는 2 내지 1050의 범위, 또는 35 내지 7530의 범위와 같이 또한 1보다 크다.
도 2a의 연료 전지의 실시예의 추가의 양태는, 더 적은 특징 치수를 갖는 격실에서보다 더 큰 특징 치수를 갖는 격실에서 더 높은 압력으로 작동할 수 있다는 것이다. ECP는 연성 재료로 제조되고, 압력차가 애노드 및 캐소드 격실 사이에 존재하면 변형될 수 있다. 이 경우에, 압력차는 ECP에 힘을 인가하여, 이를 스페이서(103)에 대해 압박한다. 그럼에도, 스페이서(103)는 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이 ECP와의 접촉점이 ECP의 전체 표면을 가로질러 분배되어 있는 다공성 재료, 즉 금속 메시 또는 금속 발포체이다. 따라서, ECP 상의 힘은 스페이서에 의해 균일하게 흡수될 수 있고, ECP는 변형되는 경향이 있다. 변형이 발생하더라도, 반응 가스는 스페이서의 기공을 여전히 통과하여 ECP의 전극에 접근할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예가 도 3에 도시된다. 본 실시예에 따른 연료 전지에서, 스페이서(107)는 애노드 격실 내의 ECP와 성형된 금속 시트(102) 사이에 개재된다. 스페이서(107)는 천공된 금속 시트, 금속 또는 흑연 발포체, 직조 또는 용접 금속 와이어 메시 또는 팽창된 금속 메시와 같은 다공성 재료의 부분일 수 있다. 본 실시예에서, 성형된 금속 시트(102)가 스페이서(107)와 접촉한다.
본 발명의 다른 실시예가 도 4에 도시된다. 본 실시예에 따른 연료 전지는 편평한 쌍극 플레이트를 갖지 않는다. 대신에, 2개의 성형된 금속 시트(502)가 함께 적층되고, 여기서 금속 시트의 돌출부가 서로 대향하지만 접촉한다. 2개의 성형된 금속 시트(502) 사이의 공간(512)은 냉각 셀로서 기능할 수 있다. ECP의 일 측면과 그 인접한 성형된 금속 시트(예를 들어, 513 또는 514)는 연료 가스(즉, 애노드 격실) 또는 캐소드 가스(즉, 캐소드 격실)를 위한 유동 통로일 수 있다. 따라서, 본 실시예의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택은 하나의 ECP와 2개의 성형된 금속 시트를 함께 교대로 적층함으로써 구성될 수 있다. 더욱이, 2개의 성형된 금속 시트는 쌍극 플레이트 조립체로서 함께 접합될 수 있다.
도 4에 따른 실시예의 일 양태는, 공간이 조립된 연료 전지 내의 2개의 성형된 금속 시트 사이에 유지될 수 있으면 인접한 성형된 금속 시트(502) 내의 돌출부가 정렬되지 않을 수 있다는 것이다.
특정 실시예에서, 도 4의 스페이서(513, 514)는 천공된 금속 시트, 금속 발포체, 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시와 같은 다공체의 하나 이상의 스페이서를 추가로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 성형된 금속 시트(502)는 기하학적 형상, 특징 치수 또는 구성 재료가 동일하지 않을 수도 있다.
본 명세서에 개시된 실시예의 일 양태는 쌍극 플레이트 및 스페이서가 쌍극 플레이트 조립체를 형성하기 위해 함께 접합될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 도 2의 연료 전지에서, 스페이서(103) 또는 성형된 금속 시트(102) 또는 양자 모두는 편평한 쌍극 플레이트(101)에 접합될 수 있다. 마찬가지로, 도 3에서, 스페이서(103), 편평한 쌍극 플레이트(101), 성형된 시트(102) 및 스페이서(107) 중에서 2개 이상의 인접한 부품이 함께 접합될 수 있다. 연료 전지 스택은 ECP와 쌍극 플레이트 조립체를 반복 방식으로 교대로 적층함으로써 형성될 수 있다.
쌍극 플레이트 조립체의 구성은 압축에 의해, 용접에 의해, 브레이징에 의해, 접착에 의해, 또는 탄성 중합 밀봉에 의해 성취될 수 있다. 인접한 부품들 사이의 접합은 또한 클램프, 클립 또는 스냅과 같은 기계적 체결 수단을 사용하여 성취될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 접합은 연료 전지 부품에 적은 손상만을 갖고 체결 수단을 제거함으로써 해제될 수 있다.
도 5는 본 명세서에 개시된 연료 전지 스택의 접촉 저항을 도시한다. 도 2에서와 같이 연료 전지 스택은 ECP(104, 105, 106)를 제거함으로써 수정되어 있다. 다음, 잔여 조립체가 압축되고 그 접촉 저항이 다양한 압축 압력에서 측정되었다. 도 5에 도시된 바와 같이, 22 kgf/cm2의 접촉 압력에서의 연료 전지 내의 스페이서의 저항은 약 18 mΩ/cm2이다.
다양한 수정 및 변경이 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 본 발명은 청구범위 및 이들의 등가물의 범주 내에 있게 되면 모든 이러한 수정 및 변경을 커버한다.
101: 쌍극 플레이트 102: 금속 시트
103: 스페이서 104, 106: 가스 확산층
105: 폴리머 멤브레인 107: 스페이서
112, 113: 공간 502: 금속 시트
512: 공간 513, 514: 스페이서

Claims (31)

  1. 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지로서,
    캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재된 폴리머 멤브레인을 포함하는 전기 화학 패키지;
    제 1 및 제 2 쌍극 플레이트;
    상기 전기 화학 패키지의 애노드와 상기 제 1 쌍극 플레이트 사이에 배치된 애노드 격실; 및
    상기 전기 화학 패키지의 캐소드와 상기 제 2 쌍극 플레이트 사이에 배치된 캐소드 격실을 포함하고,
    상기 제 1 쌍극 플레이트와 상기 제 2 쌍극 플레이트 중 적어도 하나는 성형된 금속 시트이고,
    상기 애노드 격실과 상기 캐소드 격실 중 적어도 하나는 다공성 스페이서를 포함하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 스페이서는 천공된 금속 시트, 금속 발포체, 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시로부터 선택되는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 쌍극 플레이트는 성형된 금속 시트이고, 상기 캐소드 격실은 천공된 금속 시트, 금속 발포체, 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시로부터 선택된 다공성 스페이서를 포함하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 쌍극 플레이트는 성형된 금속 시트이고, 상기 애노드 격실은 천공된 금속 시트, 금속 발포체, 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시로부터 선택된 다공성 스페이서를 포함하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 쌍극 플레이트는 상기 전기 화학 패키지의 애노드와 직접 접촉하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 전기 화학 패키지의 애노드와 상기 제 1 쌍극 플레이트 사이에 개재된 다공성 스페이서를 추가로 포함하고, 상기 다공성 스페이서는 천공된 금속 시트, 금속 발포체, 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시로부터 선택되는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 쌍극 플레이트는 상기 전기 화학 패키지의 캐소드와 직접 접촉하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 전기 화학 패키지의 캐소드와 상기 제 2 쌍극 플레이트 사이에 개재되는 다공성 스페이서를 추가로 포함하고, 상기 다공성 스페이서는 천공된 금속 시트, 금속 발포체, 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시로부터 선택되는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 화학 패키지의 애노드는 애노드 촉매 및 가스 확산층을 포함하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 화학 패키지의 캐소드는 캐소드 촉매 및 가스 확산층을 포함하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 성형된 금속 시트는 리지들 및 홈들을 포함하는 주름형 금속 시트인 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 성형된 금속 시트는 복수의 돌출부들을 포함하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 성형된 금속 시트의 평면 방향에 수직인 단면 상의 돌출부의 프로파일은 곡선형이거나, 또는 직선 세그먼트들로 구성되거나, 또는 하나 이상의 곡선들 및 하나 이상의 직선 세그먼트들로 구성되는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 성형된 금속 시트 내의 돌출부의 높이는 0.1 내지 3.0 mm의 범위인 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 성형된 금속 시트 내의 돌출부들의 밀도는 평방 센티미터당 5 내지 400 돌출부들의 범위인 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 돌출부들의 밀도는 상기 성형된 금속 시트를 가로질러 균일한 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 돌출부들의 밀도는 상기 성형된 금속 시트를 가로질러 변화하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 성형된 금속 시트는 상기 금속 시트의 일 측면에 돌출부들을 갖는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  19. 제 12 항에 있어서, 상기 성형된 금속 시트는 상기 금속 시트의 양 측면에 돌출부들을 갖는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  20. 연료 전지 스택으로서,
    애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재된 폴리머 멤브레인을 각각 포함하는 복수의 전기 화학 패키지들; 및
    복수의 쌍극 플레이트 조립체들을 포함하고,
    상기 전기 화학 패키지들 및 상기 쌍극 플레이트 조립체들은 서로에 대해 교대로 적층되어, 하나의 전기 화학 패키지가 2개의 쌍극 조립체들 사이에 개재되고, 하나의 쌍극 플레이트 조립체가 2개의 전기 화학 패키지들 사이에 개재되는 연료 전지 스택.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 쌍극 조립체는 일 측면에 부착된 다공성 스페이서 및 다른 측면에 부착된 성형된 금속 시트를 갖는 편평한 쌍극 플레이트를 포함하고, 상기 다공성 스페이서는 천공된 금속 시트, 금속 발포체, 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시로부터 선택되는 연료 전지 스택.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 쌍극 플레이트 조립체는 용접, 브레이징, 접착 및 기계적 압축에 의해 형성되는 연료 전지 스택.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 쌍극 플레이트 조립체는 서로 부착된 2개의 성형된 플레이트들을 포함하는 연료 전지 스택.
  24. 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지로서,
    캐소드, 애노드 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재된 폴리머 멤브레인을 포함하는 전기 화학 패키지;
    성형된 금속 시트; 및
    다공성 스페이서를 포함하고,
    상기 애노드 및 상기 캐소드는 성형된 금속 시트 또는 다공성 스페이서와 직접 접촉하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 다공성 스페이서는 천공된 금속 시트, 금속 발포체, 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 성형된 금속 시트는, 유동 통로들을 형성하는, 리지들 및 홈들 또는 돌출부들 및 오목부들 또는 채널들을 포함하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 성형된 금속 시트는 상기 전기 화학 패키지의 애노드와 접촉하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  28. 제 24 항에 있어서, 상기 성형된 금속 시트는 상기 전기 화학 패키지의 캐소드와 접촉하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  29. 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지로서,
    캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재된 폴리머 멤브레인을 포함하는 전기 화학 패키지;
    제 1 및 제 2 쌍극 플레이트;
    상기 전기 화학 패키지의 애노드와 상기 제 1 쌍극 플레이트 사이에 배치된 애노드 격실; 및
    상기 전기 화학 패키지의 캐소드와 상기 제 2 쌍극 플레이트 사이에 배치된 캐소드 격실을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 쌍극 플레이트는 편평한 금속 플레이트이고,
    상기 애노드 격실과 상기 캐소드 격실 중 적어도 하나는 다공성 스페이서를 포함하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 다공성 스페이서는 천공된 금속 시트, 금속 발포체, 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시로부터 선택되는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 애노드 격실 및 상기 캐소드 격실은 천공된 금속 시트, 금속 발포체, 흑연 발포체, 팽창된 금속 메시 및 금속 와이어 메시로부터 선택된 적어도 하나의 다공성 스페이서를 각각 포함하는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지.
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