KR20110084967A

KR20110084967A - 연료 전지 스택용 단위 셀

Info

Publication number: KR20110084967A
Application number: KR1020117011705A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 라이네르트
Original assignee: 스탁세라 게엠베하
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2011-07-26
Also published as: WO2010083788A1; JP5490134B2; US20140356763A1; KR101343004B1; DE102009009177A1; JP2012512509A; US20110269048A1; DE102009009177B4

Abstract

본 발명은 막 전극 유닛 및 분리판을 포함하는 연료 전지 스택용 단위 셀(10)에 관한 것으로, 활성 표면(14)에 그리고 활성 표면(14)을 따라 제1 가스(12)를 전도하기 위한 가스 전도 지역(8)을 갖는다. 배리어(16)가 상기 가스 전도 지역에 위치한다. 적어도 상기 활성 표면에 걸쳐, 상기 가스 전도 지역은 상기 활성 표면을 따라 상기 제1 가스를 전도하기 위한 다수의 통로들(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)을 구성한다. 다수의 채널들 중 적어도 하나의 채널(26)은 상기 배리어에 가장 가까이 위치한 제1 지점(46)에서 제1 흐름 방향 및 제2 지점(48)에서 제2 흐름 방향을 한정하며, 여기서 상기 제1 지점(46)을 통과하며 상기 제1 흐름 방향에 평행한 제1 직선(50)은 상기 배리어(16)를 빗겨가며, 반면 상기 제2 지점(48)을 통과하며 상기 제2 흐름 방향에 평행한 제2 직선(52)은 상기 배리어와 교차한다. 상기 배리어(16)는 상기 활성 표면(14)의 상류 또는 하류에 배치될 수 있다.

Description

연료 전지 스택용 단위 셀{REPEATING UNIT FOR A FUEL CELL STACK}

본 발명은 활성 표면(active surface)에 그리고 활성 표면(active surface)을 따라 제1 가스를 전도하기 위한 가스 전도 지역(gas conducting region)을 포함하는 연료 전지 스택용 단위 셀(repeating unit for a fuel cell stack)에 관한 것으로, 여기서 배리어(barrier)가 상기 가스 전도 지역에 위치하며, 상기 가스 전도 지역은 적어도 상기 활성 표면에 걸쳐, 상기 활성 표면을 따라 상기 제1 가스를 전도하기 위한 다수의 통로들을 포함한다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 단위 셀을 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것이다.

본 발명은 또한 연료 전지 스택을 포함하는 결합된 열 및 전력 발생 설비뿐만 아니라 연료 전지 스택을 포함하는 차량에 관한 것이다.

배터리와 유사하게, 연료 전지는 화학 에너지를 전기에너지로 전환하는 것을 제공한다. 연료 전지의 필수요소는 양극으로부터 음극을 분리하는 막뿐만 아니라, 음극, 양극이다. 음극, 양극 및 막은 일반적으로 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly) 또는 MEA로 알려진 것을 형성한다. 상기 연료 전지의 작동 중에, 상기 음극에 산화 가스(oxidation gas)(일반적으로 공기)가 공급되고, 상기 양극에 연소 가스(combustion gas)(일반적으로 고농도 수소 개질가스(hydrogen-rich reformate))가 공급된다. 상기 연소 및 산화 가스는 서로 반응하며, 그렇게 함으로써, 전압이 상기 양극과 상기 음극 사이에 발생된다. 이 전압은 보통 낮기(일반적으로 1 볼트 이하) 때문에, 다수의 연료 전지들을 연속하여 전기적으로 연결하는 것이 통례이다. 이러한 연속적인 연결은 흔히 연료 전지 스택으로 알려진 것에 의해 구현된다. 연료 전지 스택은 이론상으로 축적 방향(stacking direction)으로 서로의 상부에 주기적으로 축적되는 다수의 동일한 단위 셀들로 분해된다.

상기 축적 방향은 수직방향 또는 z축 방향으로 이하에서 또한 언급될 것이다. 이와 관련하여, 상기 축적 방향은 지표면에 관해 어떠한 방향이라도 가질 수도 있음이 이해될 것이다.

도 1은 현 시점에서의 기술적 수준의 전형적인 실시예에 따른 단위 셀(10)의 도식적인 상면도를 도시한다. 상기 단위 셀(10)은 활성 표면(14)에 그리고 활성 표면(14)을 따라 제1 가스(12)를 전도하기 위한 가스 전도 지역(8)을 포함한다. 도시된 상기 실시예에서, 상기 제1 가스(12)는 공기이고, 상기 활성 표면(14)은 음극 막(cathode layer)의 표면이다. 대안적인 실시예(미도시)에서, 상기 활성 표면(14)은 양극 막(anode layer)의 표면이고, 상기 제1 가스(12)는 연소가스이다. 상기 공기(12)는 균일한, 층류(laminar flow)로 상기 가스 전도 지역(8)의 횡단면(transverse surface, 56)을 통해 상기 가스 전도 지역(8) 안으로 흐른다. 상기 공기(12)는 상기 활성 표면(14)에 걸쳐 흐르는 것을 계속하고, 이 과정에서, 상기 공기(12)의 일부가 상기 단위 셀(10)의 양극 막(미도시)에 공급된 상기 연소 가스와 반응한다. 잔류 공기(12)는 상기 가스 전도 지역(8)의 제2 횡단면(58)을 통해 상기 가스 전도 지역(8)을 흘러나간다. 특히 상기 활성 표면(14) 부분에서 상기 가스 전도 지역(8)은 x축 방향(2), 및 또한 상기 활성 표면(14)의 상류(upstream) 및/또한 상기 활성 표면(14)의 하류(downstream) 부분에 뻗어 있는 다수의 평행한 통로들을 포함한다. 상기 가스 전도 지역(8)에서의 평행한 선형 통로들이 설계상의 이유로 인해 생길 것인데, 만약, 예를 들어, 상기 가스 전도 지역(8)은 "상부(top)"(여기서는: z축 방향(6)) 쪽을 향한 골판형 시트류 분리판(corrugated sheet-like bipolar plate)에 의해 한정되며, 상기 분리판은 상기 양극(anode)에 연소 가스를 전도하기 위한 지역으로부터 도시된 가스 전도 지역(8)을 분리한다. 상기 활성 표면(14)의 상류에서, 상기 가스 전도 지역(8)은 배리어(16)를 보여 준다. 상기 배리어(16)는, 예를 들어, 연소 가스를 전도하기 위하여 z축 방향(6)으로 뻗어 있는 통로(매니폴드(manifold))에 의해 형성될 수도 있다. 특히, 상기 매니폴드는 분리판 및 씰(seal)에 의해 고정된 수집(collection) 또는 분배(distribution) 통로일 수 있다. 상기 배리어(16)는 x축 방향(2)으로 그로부터 확장되는 데드존(dead zone)을 보여 준다. 이는 상기 횡단면(56) 상에서 상기 가스 전도 지역(8)으로 공기(12)가 균일하게 흐를 경우, 흐름영역(flow field)은 상기 배리어(16) 뒤의 지역에서는, 특히 상기 활성 표면(14) 상에서는 더 이상 균일하지 않음을 의미한다. 상기 배리어(16) 뒤의 상기 데드존에서, 상기 공기(12)의 흐름 밀도는 낮다. 이는 상기 가스 전도 지역(8)에서 세 개의 흐름 화살표(flow arrow, 12) 중 더 작은 것으로 도면에서 도식적으로 보여진다. 상기 활성 표면(14)의 하류에서, 유입 공기(12) 축적분(accumulates) 앞의 제3 배리어(18)가 상기 가스 전도 지역(8)에 위치한다. 그러므로, 상기 가스 배리어(18)는 상기 공기(12)의 흐름 밀도가 만약 상기 배리어(18)가 존재하지 않았을 때보다 보다 낮은 축적 지역(accumulation zone)을 생성한다. 원칙상, 그러나, 가능한 균일한 흐름의 분배가 상기 활성 표면(14)에서 바람직하다. 한편으로는, 상기 활성 표면에서 가능한한 균일한 흐름의 분배에 의해 연료 전지의 유효성이 최적화될 수 있음이 예상되고, 다른 한편으로는, 상기 활성 표면(14)의 다른 지역에서의 균일한 흐름은 상기 활성 표면 및 아마 연료 전지 스택 전체에 더 균일한 온도 분포를 가져올 것이다. 연료 전지 스택에서의 열변형이 그러므로 방지되거나 적어도 감소될 수 있다. 상기 유입된 공기(12)가 서로 접한 또는 인접한 분리판(도 3 및 4 참조)뿐만 아니라 특히 상기 활성 표면(14)을 냉각시키기 때문에, 상기 공기(12) 흐름의 밀도가 상기 활성 표면(14)의 외부 지역, 적어도 상기 활성 표면(14)의 중심 지역에서보다 크게 더 낮아지지는 않을 것이다.

일반적인 단위 셀을 더욱 개발하여 상기 활성 표면의 중심 지역으로의 불충분한 흐름을 피하는 것이 본 발명의 목적이다.

상기 목적은 청구항 1의 독특한 특징에 의해 달성된다. 본 발명에 대해 더 나아간 발전 및 유리한 실시예가 종속항들로부터 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 상기 단위 셀은 상기 다수의 통로들 중에서 적어도 제1 통로가 상기 배리어의 가장 가까이에 위치한 제1 지점에서의 제1 흐름 방향 및 제2 지점에서의 제2 흐름 방향을 한정한다는 점에서 일반적인 기술적 수준에 기초한 것으로, 여기서 제1 지점을 통과하여 뻗어 있으며 상기 제1 흐름 방향에 평행한 제1 직선(straight line)은 상기 배리어를 빗겨가며, 반면 제2 지점을 통과하여 뻗어 있으며 상기 제2 흐름 방향에 평행한 제2 직선은 상기 배리어를 가로지른다. 상기 제1 통로는 그러므로 적어도 상기 배리어의 데드존 또는 축적 지역 내의 구역에 뻗어 있다. 상기 제1 통로는 상기 배리어에서 가장 가까이 위치한 지점(즉 제1 지점)에서 상기 배리어 쪽으로 직통하지 않기 때문에, 상기 통로는 흐름의 밀도가 상대적으로 높은 지역으로부터 가스가 흐르는 "브랜치 오프(branch off)"로 조정된다. 상기 배리어의 데드존 내부 또는 외부에 상기 제1 지점 및 상기 제2 지점이 위치한다고 생각될 수 있다. 대안으로, 상기 배리어의 축적 지역 내부 또는 외부에 제1 및 제2 지점이 위치한다고 생각될 수 있다.

상기 배리어는 상기 활성 표면의 상류 또는/및 하류에 위치할 수 있다. 만약 상류에 위치한다면, 상기 제1 지점이 상기 제2 지점의 상류에 위치한다는 점에서 특히 유리할 수 있다. 만약, 반대로, 상기 배리어가 상기 활성 표면의 하류에 위치한다면, 제1 지점이 제2 지점의 하류에 위치한다는 점에서 특히 유리할 수 있다.

제1 통로의 횡단 부분이 상기 횡단 부분에 대해 수직인 방향으로 상기 배리어에 충분히 돌출되어 있다고 생각될 수도 있다. 이렇게 하여, 상기 제1 통로가 상기 데드존 또는 상기 배리어의 축적 지역, 적어도 상술한 횡단 부분 지역에 완전히 위치하는 것이 달성될 수 있다.

적어도 상기 제1 통로가 상기 활성 표면을 너머 뻗어 있는 것이 가능하다. 이렇게 하여, 개선된 가스 분배가 상기 활성 표면 부분에서 또한 달성될 수 있다. 적어도 상기 제1 통로가 상기 제1 통로와 연관하여 상기 연료 전지 전체를 너머 뻗어 있는 것도 가능하다.

상기 활성 표면은 막 전극 어셈블리의 부분 표면일 수 있는데; 이 경우에, 적어도 상기 제1 통로가 상기 막 전극 어셈블리 너머로 뻗어 있는 것으로 생각될 수 있다. 막 전극 어셈블리(MEA)에서, 상기 활성 표면은 상기 MEA의 전체 표면과 구별된다. 상기 활성 표면은 두 전극 모두에 의해 도포된 전해질 표면이다. 상기 전체 표면은 전해질 지지 연료 전지(electrolyte supported fuel cell, ESC)에서 전해질 표면 및 양극 지지 연료 전지(anode supported fuel cell, ASC)에서 양극 표면이다. 상기 제1 통로는 특히 상기 MEA의 전체 표면 너머로 뻗어 있을 수 있다.

상기 통로는 특히 유선형 형태로 뻗어 있을 수 있다. 이는 어떤 통로도 가장자리나 "모퉁이(bend)"를 가지지 않음을 의미한다. 다시 말해서, 각각의 통로의 방향은 문제의 통로를 따라 계속해서 변한다. 통로에서의 난류 및 그 결과인 마찰 손실(friction loss)은 이러한 방법으로 감소될 수 있다.

상기 배리어는 제2 가스를 전도하기 위한 덕트(duct)의 적어도 한 부분을 포함할 수 있다. 특히, 상기 덕트는 상기 연료 전지 스택의 양극막으로 또는 양극막으로부터 연소 가스를 전도하기 위하여 제공될 수 있다. 상기 덕트는 예를 들어, 상기 활성 표면의 수평면에 대해 수직으로 뻗어 있는 매니폴드로 형성될 수 있다.

상기 활성 표면은 음극의 상기 활성 표면일 수 있다. 이러한 경우에, 상기 제1 가스는 예를 들어, 공기 또는 다른 산소를 함유하는 가스일 수 있다.

상기 단위 셀은 상기 가스 전도 지역에 대한 상기 제1 가스의 균일 층류를 위해 설계될 수 있다.

상기 통로들은 서로에 대하여 기밀(gas-tight, 氣密) 할 수 있다. 대안으로, 그러나, 상기 통로들은 개방형 그루브(open groove), 트렌치(trench), 또는 슈트(chute)로 또한 형성될 수 있다.

상기 다수의 통로들은 제2 통로 및 제3 통로를 포함하고 상기 활성 표면의 제1 가장자리는 상기 제3 통로뿐만 아니라 상기 제2 통로에 대한 상기 활성 표면의 가장 가까운 가장자리를 이루는 것으로 생각될 수 있고, 여기서 상기 제3 통로는 상기 제1 가장자리에 좀더 가까이 뻗어 있고 상기 제2 통로보다 작은 횡단 부분을 갖는다. 그러므로, 상기 가장자리에 좀더 가까이 위치한 상기 제3 통로는 상기 제2 통로보다 작은 횡단 부분을 갖는다. 이는 가스 흐름률 감소, 및 그에 따라서 상기 활성 표면 가장자리 지역의 냉각 감소를 가져온다. 그러므로, 상기 활성 표면 상에서 균일한 온도 분포가 촉진될 수 있다.

상기 채널은, 그러나, 또한 상기 가스 전도 지역으로 상기 제1 가스가 균일하게 흐를 경우, 동일한 양의 상기 제1 가스가 각각의 통로를 통해 흐르도록 형성될 수 있다. 이렇게 하여, 상기 활성 표면의 서로 다른 지역에 대하여 특히 균등한 사용이 달성될 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 통로들은 분리판에 의해 적어도 부분적으로 한정된다. 그러므로, 상기 분리판은 상기 연료 전지 스택의 두 개의 인접한 연료 전지들 사이에 전기접촉을 이루기 위해서뿐만 아니라 상기 통로들을 제공하기 위해서도 사용된다.

본 발명에 따른 상기 연료 전지 스택은 본 발명에 따른 적어도 하나의 단위 셀을 포함한다는 특징을 나타낸다.

본 발명에 따른 상기 차량은 본 발명에 따른 연료 전지 스택을 구비하여 제공된다. 상기 차량은, 특히, 자동차, 예를 들어, 승용차 또는 트럭일 수 있다.

본 발명에 따른 결합된 열 및 전력 발생 설비는 본 발명에 따른 연료 전지 스택을 또한 포함한다.

본 발명은 수반하는 도면과 관련하여 예시를 들어 이제 기술될 것이다. 동일하거나 유사한 번호는 동일하거나 유사한 요소를 표시한다. 그러한 요소는, 적어도 부분적으로, 반복을 피하기 위하여 오직 한 번만 설명된다.

도 1은 제1 단위 셀의 도식적인 설계도를 도시하며;
도 2는 제2 단위 셀의 도식적인 설계도를 도시하며;
도 3은 제1 직선을 따라 상기 제2 단위 셀의 도식적인 횡단면을 도시하고;
도 4는 제2 직선을 따라 상기 제2 단위 셀의 도식적인 횡단면을 도시한다.

도 2에서 도식적으로 도시된 상기 단위 셀(10)은 가스 전도 지역(8)뿐만 아니라 활성 표면(14)을 포함한다. 상기 가스 전도 지역(8)은 산화 가스(12), 예를 들어 공기를 상기 활성 표면(14)에 그리고 상기 활성 표면(14)을 따라 전도하는 것을 의도로 한다. 상기 활성 표면(14)의 상류에서, 제1 배리어(16) 및 제2 배리어(17)가 상기 가스 전도 지역(8) 내에 배치된다. 상기 활성 표면(14)의 하류에서, 제3 배리어(18), 뿐만 아니라 제4 배리어(19)가 상기 가스 전도 지역(8) 내에 위치한다. 상기 배리어들(16, 17, 18, 및 19)은 이미지면(x, y축 평면; 2, 4)에 수직으로 뻗어 있는 방향(z축 방향; 6)에 연소 가스를 전도하기 위하여 매니폴드에 의해 각각 형성된다. 각각의 개개 배리어들(16, 17, 18, 및 19)은 흐름 차단을 구성하는데, 이는 x축 방향에서 상기 활성 표면을 따라 상기 산화 가스(12)의 선형 흐름을 막는 것을 의미한다. 상기 활성 표면(14)을 따라 상기 산화 가스(12)를 전도하기 위한 비선형 통로들(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)이 상기 활성 표면(14)에 위치한다. 상기 통로들(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)은 상기 활성 표면(14)에 현 시점에서의 기술적 수준으로부터 알려진 직선(선형) 통로를 포함하는 방식과 비교하여 산화 가스(12)가 좀더 균일하게 공급되도록 형성된다. 특히, 상기 통로(26)는 종래의, 즉, 흐름영역의 선형 설계에서는 충분히 공급되지 않은 채로 남아 있을 상기 활성 표면(14) 지역으로 이어진다. 상기 통로(26)의 중심 부분에서 상기 활성 표면의 개선된 공급(14)은 상기 통로(26)의 두 개의 자유단(free end)들이 상기 제1 배리어(16)의 바로 뒤 또는 상기 제3 배리어(18) 앞에 바로 위치하지 않고 대신에 더 높은 흐름의 밀도가 예상될 수 있는 상기 제1 배리어(16) 또는 상기 제3 배리어(18)에 인접한 지역에 위치한다는 사실에 의해 설명될 수 있다. 상기 제1 배리어(16)와 관련된 상기 통로(26)의 경로는 다음에서 좀더 자세히 설명될 수 있다. 상기 배리어(16)에 가장 가까운 한 지점(46)에서, 상기 제1 통로(26)는 제1 흐름 방향을 한정한다. 제2 지점(48)에서, 상기 통로(26)는 제2 흐름 방향을 한정한다. 여기서, 상기 제1 지점(46)을 통과하여 뻗어 있으며 상기 제1 흐름 방향에 평행한 제1 직선은 상기 배리어(16)를 빗겨가며, 반면 상기 제2 지점(48)을 통과하여 뻗어 있으며 상기 제2 흐름 방향에 평행한 제2 직선(52)은 상기 배리어(16)를 가로지른다. 상기 제3 배리어(18)와 관련한 상기 통로(26)의 경로는 비슷하게 설명될 수 있다.

상기 활성 표면(14)은 직사각형이고 특히, 하부 가장자리(lower edge, 54)를 보여준다. 상기 활성 표면(14) 상에서 거의 균일한 입사 흐름(incident flow)인 경우가 예상되기 때문에, 상기 활성 표면(14)의 중심부는 상기 활성 표면(14)의 가장자리 지역보다 더 뜨거워지고, 이는 상기 가장자리 가까이 위치한 통로들(예를 들어, 통로 20, 22)이 더 작은 횡단 부분을 갖는데 유리할 수 있고, 따라서, 통로들(예를 들어, 통로 24, 26, 28, 30, 32, 34)보다 더 낮은 냉각 효율을 상기 가장자리(54)로부터 좀더 없앤다.

도 3은 도 2의 직선 CD를 따라 상기 단위 셀(10)의 도식적인 단면도를 도시한다. 도 4는 도 2의 직선 AB를 따라 상기 단위 셀(10)에 상응하는 단면도를 도시한다. 도 2와 관련하여 이미 기술된 상기 활성 표면(14)은 음극 막(38)의 표면이다. 상기 음극 막(38)은 양극 막(42) 및 상기 음극 막(38)과 상기 양극 막(42) 사이에 위치한 막(40)과 함께 막 전극 어셈블리(MEA, 44)를 형성한다. 단위 셀(10)에 배치된 상기 MEA(44)는 분리판(36)을 통하는 도면에 완전히 도시되지 않은 인접한 단위 셀의 MEA(144)에 전기적으로 연결된다. 상기 MEA(144)는 상기 MEA(44)와 동일하다. 직선 CD에 따르는 상기 단면도(도 3 참조)에서, 상기 분리판(36)은 기복이 있는 형태로 y축 방향(4)으로 확장한다. 동시에, 그것은 상기 양극 막(142)의 활성 표면을 따라 연소 가스를 전도하기 위한 상기 통로들(21, 23, 25, 27, 29, 31, 33)뿐만 아니라 상기 산화 가스(12, 도 2 참조)를 전도하기 위한 상기 통로들(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)을 한정한다. CD의 단면(도 3 참조)에서, 연소 가스를 전도하기 위한 상기 통로들(21부터 33)뿐만 아니라 산화 가스를 전도하기 위한 상기 통로들(20부터 34)은 동일한 간격이며 동일한 단면을 갖는다. AB의 단면(도 4 참조)에서는, 반면에, 상기 통로들(28부터 34)뿐만 아니라 상기 통로들(20부터 26)은, 각각, 통로(27)에 의해 분리되는 통로 그룹을 형성하며, 그 폭은 도 2에서 볼 수 있는 상기 배리어(16)의 폭과 거의 일치한다.

도 3 및 4와 관련하여 기술된 설계에서, 상기 산화 가스 통로들(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)의 경로들은 상기 연소 가스 통로들(21, 23, 25, 27, 29, 31, 33)의 경로들에 밀접하게 연관되는데, 이는 상기 산화 가스 통로들이 실질적으로 상기 연소 가스 통로들과 교차하기 때문이다. 대안으로, 그러나, 상기 산화 가스(12)를 전도하기 위하여 제공된 상기 가스 전도 지역(8)의 고안으로부터 전적으로 독자적인 상기 양극(142)을 따라 상기 연소 가스를 전도하기 위한 가스 전도 지역을 설계하는 것이 또한 가능하다.

여기서 사용된 "상부", "하부", "왼쪽", "오른쪽", "수직의" 및 "수평의" 같은 용어는 단지 상술한 장치의 요소에 대한 상대적인 위치 또는 방향을 나타낼 뿐이다. 이러한 용어들은 본 출원에서 언급되지 않은, 특히 지표면과 관련되지 않은 주요부 또는 참조 시스템에 관련한 위치 또는 방향을 표시하지는 않는다.

2 : x축 방향 4 : y축 방향
6 : z축 방향 8 : 가스 전도 지역
10 : 단위 셀 12 : 가스
14 : 활성 표면 16 : 배리어
17 : 배리어 18 : 배리어
19 : 배리어 20 : 통로
21 : 통로 22 : 통로
24 : 통로 26 : 통로
28 : 통로 30 : 통로
32 : 통로 34 : 통로
36 : 분리판 38 : 음극
40 : 막 42 : 양극
44 : 막 전극 어셈블리(MEA) 46 : 지점
48 : 지점 50 : 직선
52 : 직선 54 : 가장자리
56 : 횡단면 58 : 횡단면
136 : 분리판 138 : 음극
140 : 막 142 : 양극
144 : 막 전극 어셈블리(MEA)

Claims

활성 표면(active surface, 14)에 그리고 활성 표면(active surface, 14)을 따라 제1 가스(12)를 전도하기 위한 가스 전도 지역(gas conducting region, 8)을 포함하는 연료 전지 스택용 단위 셀(repeating unit, 10)에 있어서,
배리어(barrier, 16)는 상기 가스 전도 지역에 위치하며
상기 가스 전도 지역은 적어도 상기 활성 표면에 걸쳐, 상기 활성 표면을 따라 상기 제1 가스를 전도하기 위한 다수의 통로들(channel, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)을 포함하며,
상기 다수의 통로들 중 적어도 제1 통로(26)는 상기 배리어에 가장 가까이 위치한 제1 지점(46)에서의 제1 흐름 방향 및 제2 지점(48)에서의 제2 흐름 방향을 한정하며,
상기 제1 지점(46)을 통과하여 뻗어 있으며 상기 제1 흐름 방향에 평행한 제1 직선(50)은 상기 배리어(16)를 빗겨가는 반면 상기 제2 지점(48)을 통과하여 뻗어 있으며 상기 제2 흐름 방향에 평행한 제2 직선(52)은 상기 배리어(16)를 가로지르는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 단위 셀(10).
청구항 1에 있어서,
상기 배리어(16)는 상기 활성 표면(14)의 상류(upstream) 또는/및 하류(downstream)에 위치하는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
제1 통로(26)의 횡단 부분은 상기 횡단 부분에 대해 수직인 방향(52)에서 상기 배리어(16)쪽으로 충분히 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
청구항 1, 청구항 2 및 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 제1 통로(26)는 상기 활성 표면(14)을 너머 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
청구항 1 내지 청구항 4 중 한 항에 있어서,
상기 활성 표면(14)은 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly, 44)의 부분 표면(partial surface)이며 적어도 상기 제1 통로(26)는 상기 막 전극 어셈블리(44) 너머로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 통로들(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)은 유선형 형태로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
상기 배리어(16)는 적어도 하나의 제2 가스를 전도하기 위한 덕트(duct) 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 활성 표면(14)은 음극(38)의 활성 표면인 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단위 셀(10)은 상기 가스 전도 지역(8)에 대한 상기 제1 가스(12)의 균일한 층류(laminar flow)를 위해 설계된 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 통로들(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)은 서로에 대하여 기밀(gas-tight, 氣密)한 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다수의 통로들(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)은 제2 통로(22) 및 제3 통로(20)를 구성하며 상기 활성 표면(14)의 제1 가장자리(54)는 상기 제3 통로(20)에 대하여서뿐만 아니라 상기 제2 통로(22)에 대하여 상기 활성 표면(14)의 가장 가까운 가장자리 이루고, 여기서 상기 제3 통로(20)는 상기 제1 가장자리(54)에 좀더 가깝게 뻗어 있으며 상기 제2 통로(22)보다 작은 횡단 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 통로들(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)은 상기 가스 전도 지역(8)으로 상기 제1 가스(12)가 균일하게 흐를 경우 시간 유닛당 동일한 양의 제1 가스(12)가 각각의 상기 통로들을 통하여 흐르도록 형성된 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 통로들(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)은 분리판(bipolar plate, 36)에 의해 적어도 부분적으로 한정되는 것을 특징으로 하는 단위 셀(10).
청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 따른 단위 셀(10)을 포함하는 연료 전지 스택.
청구항 14에 따른 연료 전지 스택을 구비한 차량.
청구항 14에 따른 연료 전지 스택을 포함하는 결합된 열 및 전력 발생 설비.