KR20180115266A - 비대칭 밀봉 섹션을 포함한 양극판, 그리고 상기 양극판을 포함한 연료 전지 스택 - Google Patents

비대칭 밀봉 섹션을 포함한 양극판, 그리고 상기 양극판을 포함한 연료 전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 자신의 면(151) 상의 제1 밀봉 섹션(157)과, 자신의 제2 면 상의 제2 밀봉 섹션(158)을 포함하는 연료 전지 스택(10)용 양극판(15)에 관한 것이다. 밀봉 섹션들은, 연료 전지 스택(10) 내에서 탄성 밀봉 요소(16)와 상호 밀봉 작용을 하도록 형성된다. 제1 밀봉 섹션(157) 내에 하나 이상의 밀봉 돌출부(1571)가 형성되고, 제2 밀봉 섹션(158)은 밀봉 돌출부를 포함하지 않고 그리고/또는 실질적으로 평평하게 형성됨으로써, 양극판(15)의 제1 밀봉 섹션과 제2 밀봉 섹션이 비대칭으로 형성된다. 연료 전지 스택(10) 내에 상기 유형의 양극판들(15)이 평평하게 형성된 밀봉 요소들(16)과 교호적으로 상호작용한다면, 필요한 압착력이 작은 경우에 스택의 우수한 밀봉이 달성될 수 있다.

Description

비대칭 밀봉 섹션을 포함한 양극판, 그리고 상기 양극판을 포함한 연료 전지 스택
본 발명은 연료 전지 스택(fuel cell stack)을 위한 양극판(bipolar plate), 및 상기 양극판을 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것이다.
연료 전지들은, 전기 에너지를 생성하기 위해, 물을 생성하는 산소와 연료의 화학 반응을 이용한다. 이를 위해, 연료 전지들은 핵심 구성요소(core component)로서 이른바 멤브레인/전극 어셈블리(MEA: membrane electrode assembly)를 포함하며, 이 멤브레인/전극 어셈블리는 이온 전도성(대개 양성자 전도성) 멤브레인과, 멤브레인의 양면에 각각 배치되는 촉매 전극(애노드 및 캐소드)으로 이루어진 미세 구조이다. 촉매 전극들은 대부분 담지된 귀금속들, 특히 백금을 함유한다. 또한, 가스 확산층들(GDL)은 멤브레인/전극 어셈블리의 양면에서 멤브레인의 반대 방향으로 향해 있는 전극들의 면들 상에 배치될 수 있다. 일반적으로, 연료 전지는 스택(stack) 내에 배치되어 그 전기 출력들이 가산되는 복수의 MEA로 형성된다. 개별 멤브레인/전극 어셈블리들 사이에는 일반적으로 [유로판(flow field plate) 또는 분리판(separator plate)으로도 지칭되는] 양극판들(bipolar plate)이 배치되며, 이 양극판들은 개별 전지들로의 작동 매체, 다시 말해 반응물질의 공급을 보장하고 통상 냉각에도 이용된다. 또한, 양극판들은 멤브레인/전극 어셈블리들에 대한 전기 전도성 접점도 제공한다.
연료 전지의 작동 중에, 연료(애노드 작동매체), 특히 수소(H2), 또는 수소 함유 기체 혼합물은 양극판의 애노드 측 개방 유로(open flow field)를 경유하여 애노드로 공급되며, 여기서 H2에서 양성자들(H+)로 전기 화학 산화가 일어나면서 전자들이 방출된다(H2 → 2H+ + 2e-). 반응 챔버들을 기밀하게 서로 분리하고 전기 절연하는 전해질 또는 멤브레인을 통해, 애노드 챔버에서 캐소드 챔버 내로 양성자의 [수결합성(water-bound) 또는 무수성(water-free)] 이동이 수행된다. 애노드에 공급된 전자는 전기 라인을 경유하여 캐소드로 전달된다. 캐소드에는 양극판의 캐소드측 개방 유로를 경유하여 산소 또는 산소 함유 기체 혼합물(예: 공기)이 캐소드 작동매체로서 공급되며, 그럼으로써 O2에서 O2-로의 환원이 일어나면서 전자가 흡수된다(½O2 + 2 e- → O2-). 이와 동시에, 캐소드 챔버 내에서는 산소 음이온들이 멤브레인을 경유하여 이동된 양성자들과 반응하여 물을 생성한다(O2- + 2H+ → H2O).
연료 전지 기술의 도전은 연료 전지 스택들의 유밀식 밀봉이다. 이 경우에는 보통 양극판들과 교호적으로 적층되어 스택의 상응하는 압착 시 탄성 변형되는 밀봉 요소들(sealing element)이 사용된다. 밀봉 요소들은 별도의 부품들로서 사용될 수 있거나, 양극판 또는 멤브레인/전극 어셈블리 상에 일체로 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 특히 멤브레인/전극 어셈블리 상에 프레임 형태로 외주를 따라 상기 밀봉 요소를 일체로 형성하는 방법이 공지되어 있다. 이 경우, 밀봉 요소는 통상 밀봉 비드들(sealing bead)을 구비하며, 이 밀봉 비드들은 양극판의 상응하는 밀봉 섹션들과 상호 밀봉 작용을 한다(예컨대 도 4 참조). 이를 위해, 양극판의 밀봉 섹션들은 밀봉 비드들이 맞물리게 되는 함몰부들을 구비하여 형성된다. 그러나 상기 함몰부들을 위해 필요한 양극판의 얇은 벽 두께가 양극판의 불안정화 및 파손의 위험을 초래한다. 이는 특히 탄소 소재로 형성된 양극판들의 경우에 해당한다. 그 외에, 상기 디자인의 경우 필요한 압착력이 높음으로 인해, 밀봉 요소의 고착이 발생할 수 있다. 마지막으로, 연료 전지 스택의 제조 시 양극판과 밀봉 요소 사이에, 또는 2개의 인접한 양극판 사이에 측면 오프셋이 발생할 경우, 밀봉성 악화 및 강한 재료 하중이 문제가 된다.
US 2011/0159398 A1호는, 연료 전지의 내부에서 멤브레인/전극 어셈블리의 밀봉 요소의 영역에 배치되는 밀봉 돌출부들을 포함한 양극판들을 개시하고 있다. 밀봉 돌출부들은 밀봉부의 양면에, 서로에 대해 오프셋되어 배치된다.
JP 2006114227 A호도 마찬가지로 멤브레인/전극 어셈블리의 밀봉 요소의 영역에 배치되는 밀봉 돌출부들을 포함한 양극판들을 개시하고 있다. 밀봉 돌출부들은 밀봉부의 양면에 배치되며, 서로에 대해 오프셋되어 배치될 수도 있고, 오프셋되지 않고 배치될 수도 있다.
따라서 본 발명의 과제는, 전술한 선행 기술의 문제들이 적어도 부분적으로 극복되게 하는 양극판 및 연료 전지 스택을 소개하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항들의 특징들을 갖는 양극판 및 이 양극판을 구비한 연료 전지 스택을 통해 해결된다.
연료 전지 스택을 위한 본 발명에 따른 양극판은, 상부에 (연료 전지의 제1 작동매체의 전달을 위한) 제1 유로(flow field)가 형성되어 있는 제1 면(side)과, 상부에 (연료 전지의 제2 작동매체의 전달을 위한) 제2 유로가 형성되어 있는 제2 면을 포함한다. 또한, 상기 양극판은, 제1 유로를 에워싸는 제1 밀봉 섹션과, 제2 유로를 에워싸는 제2 밀봉 섹션을 포함한다. 이 경우, 밀봉 섹션들은, 연료 전지 스택 내에서 밀봉 요소와 상호 밀봉 작용을 하도록 형성된다. 본 발명에 따라, 양극판의 제1 밀봉 섹션 내에는 하나 이상의 밀봉 돌출부가 형성된다. 또한, 제2 밀봉 섹션은 상기 밀봉 돌출부를 포함하지 않고, 그리고/또는 실질적으로 평평하게 형성된다.
선행 기술에서는, 양극판의 양 면에 배치된 두 밀봉 섹션이, 서로 대향하거나 서로에 대해 오프셋된 밀봉 돌출부들을 포함하는 반면, 본 발명에 따라서는 두 밀봉 섹션 중 하나만 하나 이상의 밀봉 돌출부를 구비하여 형성되고, 제2 밀봉 섹션은 실질적으로 평평하게 형성된다. 이로써, 여러가지 장점이 획득된다. 한편으로, 상기 디자인의 양극판은 밀봉 비드들 없이 형성된 평평한 밀봉 요소들의 사용을 가능하게 한다. 게다가, 종래의 양극판에서 탄성 밀봉 요소의 밀봉 비드들이 삽입되는 밀봉 함몰부들도 불필요하다. 이로써, 판 안정성(plate stability)이 명백히 높아진다. 또한, 상기 어셈블리는 제조로 인한 양극판들 및 밀봉 요소의 측면 오프셋에 대해 민감하지 않다. 그 외에, 본원의 발명자는, 높은 밀봉 작용을 달성하기 위해 필요한 압착력이 상대적으로 더 작다는 점을 확인하였다.
전술한 장점들은, 본 발명의 한 바람직한 구현예에 따라서 제2 밀봉 섹션이 자신의 전체 폭, 특히 양극판의 테두리까지 연장되는 폭에 걸쳐 밀봉 돌출부 없이, 그리고/또는 실질적으로 평평하게 형성될 때, 매우 우수한 효과를 가져온다.
밀봉 돌출부는, 본 발명의 범주에서, 밀봉 돌출부와 밀봉 요소 간의 접촉 영역들에서 밀봉 요소를 지점별로 그리고/또는 국소적으로 탄성 압축하기 위해, 연료 전지 스택 내에서 탄성 밀봉 요소에 대한 국소적 압력 작용하에 탄성 밀봉 요소와 상호작용하기에 적합한, 기판 레벨 위로 돌출하는 모든 밀봉 요소를 의미한다. 한편, 본 발명에 따라 제2 밀봉 섹션이 포함하는 것과 같은 밀봉 돌출부가 없는 구성은, 국소적으로 그리고/또는 지점별로 밀봉 요소에 작용하는 상기 상승부가 존재하지 않는다는 점을 의미한다. 추가로, "실질적으로 평평하게 형성된다"라는 표현은, 밀봉 섹션도 탄성 변형된 밀봉 요소가 내부로 침투될 수도 있도록 하는데 적합할 수 있는 치수를 가진 함몰부들을 포함하지 않음을 의미한다.
본 발명의 한 바람직한 구현예에서, 제2 밀봉 섹션은 하나 이상의 그루브(groove)에 의해 세그먼트화되며, 이 그루브는 양극판의 대향하는 면의 하나 이상의 밀봉 돌출부에 대해 오프셋되어 배치된다. 이 경우, 그루브는, 실질적으로 압착력의 인가하에 변형된 밀봉 요소의 침투를 허용하지 않은 치수, 특히 그루브 폭을 가질 수 있다. 특히 제1 밀봉 섹션들의 대향하는 밀봉 돌출부들에 대해 평행하게 연장되는 그루브들에 의한 전술한 세그먼트화를 통해, 양극판의 밀봉 섹션들과 밀봉 요소 간의 접촉면이 제어되고 조절될 수 있다. 요컨대 모델링 실험들에서, 제2 밀봉 섹션의 밀봉면들이 더 좁아질수록 더 낮은 밀봉력의 인가를 통해 더 높은 밀봉력이 달성되거나, 동일한 밀봉력의 인가를 통해 더 높은 밀봉력이 달성되는 점이 확인되었다.
양극판의 양측 메인 면(main side) 상에 형성된 양극판의 밀봉 섹션들은 특히 양극판의 측면 에지부들에 대해 평행하고 그에 가까운 연장부를 갖는다. 그에 따라, 밀봉 섹션들은 실질적으로 양극판의 전체 표면을 외주를 따라 닫힌 형태로 에워싼다. 그에 추가로, 양극판의 주 공급 개구부들을 에워싸는 밀봉 섹션들도, 특히 제1 밀봉 섹션 상에 상응하는 밀봉 돌출부들이 형성되고, 그에 대향하는 제2 밀봉 섹션은 상기 밀봉 돌출부들을 포함하지 않으며 그리고/또는 실질적으로 평평하게 형성됨으로써, 본 발명에 따른 형태로 형성될 수 있다.
하나 이상의 밀봉 돌출부는 그 횡단면과 관련하여, 탄성 밀봉 요소에 작용하여 탄성 밀봉 요소를 국소적으로 압축함으로써 밀봉이 달성되게 하기에 적합한 임의의 형태를 보유할 수 있다. 특히 여기서는 점점 가늘어져 뾰족해지는 윤곽들, 직사각형 윤곽들, 다각형 윤곽들이 고려되나, 라운딩된 윤곽, 예컨대 반원형 윤곽, 또는 단부면이 평평한 라운딩된 윤곽이 선호되는데, 그 이유는 이러한 윤곽이, 균일한 밀봉 응력 및 부드러운 전이부들을 가진, 밀봉 돌출부와 밀봉 요소 간의 비교적 큰 접촉면을 야기하기 때문이다. 자명한 사실로서, 밀봉 돌출부는 비드 형태로 제1 밀봉 섹션의 길이에 걸쳐서 특히 폐쇄되고 연속되는 형태로 연장된다. 하나 이상의 밀봉 돌출부가 양극판의 일반적인 레벨에 비해 돌출되게 하는 하나 이상의 밀봉 돌출부의 높이도 최적화된 밀봉의 범주에서 선택되도록 하기 위해 대체로 임의로 선택될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1 밀봉 섹션은, 예컨대 이중 비드(double bead)의 범주에서 바람직하게는 서로 평행하게 연장되는 2개 또는 그 이상의 밀봉 돌출부를 포함한다. 복수의 밀봉 돌출부의 제공을 통해, 양극판과 탄성 밀봉 요소 간의 접촉면이 더 넓어지며, 추가로 일측 밀봉 돌출부에서 누출이 있는 경우에는 타측 밀봉 돌출부의 밀봉 작용을 통해 유지된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 제1 밀봉 섹션은 단일의 밀봉 돌출부를 포함하고, 제2 밀봉 섹션은 하나 이상의 그루브에 의해 세그먼트화되며, 여기서 하나 이상의 그루브는 상기 밀봉 돌출부에 대향하여 위치한다. 이러한 구성에서는, 단부면이 평평한 라운딩된 윤곽을 보유하는 밀봉 돌출부가 선호된다. 또한, 본 구성에서 그루브, 특히 그루브 폭은, 압착력의 인가 하에 변형되는 밀봉 요소의 소정의 침투를 허용하도록 치수 설계된다.
본 발명의 일 구현예에서, 양극판은 서로 조립되어 있는 제1 판과 제2 판으로 형성된다. 이 경우, 제1 판은 제1 유로 및 제1 밀봉 섹션을 포함하는 제1 외부 면을 형성하고, 제2 판은 제2 유로 및 제2 밀봉 섹션을 포함하는 제2 외부 면을 형성한다. 판들은 재료 결합 방식으로, 예컨대 접착 또는 용접 이음매를 통해 서로 접합될 수 있거나, 또는 또 다른 밀봉 요소들을 통해 서로 분리 가능하게 압착될 수 있다. 바람직하게 두 판 사이에는 냉각 매체의 통과에 이용되는 제3 유로가 형성된다.
제1 판과 제2 판으로 양극판을 형성하는 경우, 제2 판은, 제2 밀봉 섹션의 바깥쪽에서보다 제2 밀봉 섹션의 영역에서 상대적으로 더 두꺼운 판 두께를 갖도록 형성된다. 이로써, 인접한 양극판의 밀봉 돌출부들을 통해 가해지는 압력에 대항하는 판의 안정성이 증대된다.
본 발명의 일 구현예에서, 양극판은 전기 전도성 탄소 기반 소재로 제조된다. 상기 소재는 특히 흑연일 수 있거나, 또는 흑연과 폴리머, 예컨대 에폭시 수지로 이루어진 복합 재료일 수 있다. 탄소 기반 소재들은 하기에서 탄소 소재들로서도 지칭된다. 탄소 양극판들은 가벼운 비중량을 보유하며, 추가로 통상적인 성형 방법(예: 사출 성형)을 통해 제조될 수 있고 높은 설계 자유도를 갖는 장점이 있다. 예컨대 상기 양극판의 양쪽 면 상의 표면 프로파일들은 서로 독립적으로 선택될 수 있다. 그에 비해, 금속 양극판들은 대부분 압축 가공을 통해 프로파일링되는 박판들로 제조된다. 이로써, 양극판의 일측 면의 요구된 프로파일이 필연적으로 양극판의 타측 면 상의 프로파일을 결정한다. 그러나 탄소 양극판들은 상대적으로 더 낮은 파괴 강도를 보유하고, 그에 따라 일반적으로 금속 양극판들보다 더 두꺼운 벽 두께를 요구하기 때문에, 본 발명에 따른 양극판의 장점들은 특히 탄소 양극판들에서 매우 두드러지게 나타나는데, 그 이유는 밀봉 요소의 밀봉 비드들이 맞물리기 위한 함몰부가 불필요하기 때문이다.
본 발명의 또 다른 양태는, 본 발명에 따라 교호적으로 적층 배치된 복수의 양극판 및 탄성 밀봉 요소들을 포함하는 연료 전지 스택에 관련된다. 이 연료 전지 스택은, 밀봉 요소들이 적어도 양극판들의 밀봉 섹션들의 영역에서 평평하게 형성되는 것을 특징으로 한다. 달리 말하면, 밀봉 요소들은 양극판들의 밀봉 섹션들의 영역에는 밀봉 비드들을 포함하지 않는다. 본 구현예는, 재료 하중이 낮은 경우에 본 발명에 따라 형성된 양극판들과 상호 매우 우수한 밀봉 작용을 가능하게 한다. 특히 밀봉은, 양극판의 하나 이상의 밀봉 돌출부가 평평한 탄성 밀봉 요소에 작용하고, 이 탄성 밀봉 요소가 인접한 양극판의 제2 밀봉 영역의 실질적으로 평평한 안착면(seating surface) 쪽으로 밀착되고 압축됨으로써 달성된다.
예컨대 탄성 밀봉 요소는 적어도 밀봉 섹션들의 영역에서 100 내지 500㎛의 범위, 특히 150 내지 400㎛의 범위, 바람직하게는 200 내지 300㎛의 범위의 균일한 두께를 갖는다. 경우에 따라, 밀봉 요소의 두께는 밀봉 요건에 기초하여 선택된다.
자명한 사실로서, 연료 전지 스택은, 양극판들 및 밀봉 요소들 이외에, 양극판들과 교호적으로 적층되는 멤브레인/전극 어셈블리들도 포함한다. 본 발명의 한 바람직한 실시예에서, 탄성 밀봉 요소는 멤브레인/전극 어셈블리의 부분으로서 형성되며, 상기 탄성 밀봉 요소는, 특히 바람직하게는 멤브레인/전극 어셈블리의 외주를 따라 연장되는, 멤브레인/전극 어셈블리의 테두리 영역을 형성한다. 이런 방식으로, 서로 적층될 구성요소들이 감소하는 동시에, 멤브레인/전극 어셈블리는 안정화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는, 본 발명에 따른 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템에 관련된다. 특히 본원의 연료 전지 시스템은, 본원의 연료 전지 스택에 추가로, 상응하는 주변 구성요소들을 구비한 애노드 공급부 및 캐소드 공급부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는, 본 발명에 따른 연료 전지 스택을 구비한 연료 전지 시스템을 장착한 차량에 관련된다. 이 차량은 바람직하게, 연료 전지 시스템에 의해 생성된 전기 에너지가 전기 트랙션 모터 및/또는 트랙션 배터리로의 전력 공급에 이용되는 전기 자동차이다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구현예들은 종속 청구항들에 언급되는 나머지 특징들을 참조한다.
본 출원서에서 언급되는 본 발명의 다양한 실시형태들은, 개별적으로 달리 명시되지 않는 한, 바람직하게 서로 조합될 수 있다.
본 발명은 하기에서 관련된 도면들에 따르는 실시예들에서 설명된다.
도 1은 연료 전지 시스템의 블록회로도이다.
도 2는 연료 전지 스택의 멤브레인/전극 어셈블리의 상면도이다.
도 3은 연료 전지 스택의 양극판의 상면도이다.
도 4는 2개의 양극판 및 이들 양극판 사이에 배치된 밀봉 요소를 포함하는, 선행 기술에 따른 연료 전지의 테두리 섹션의 영역의 단면도이며, 여기서 도 4a는 비압축 상태이고, 도 4b는 밀봉 요소가 41%만큼 압축된 상태이다.
도 5는 2개의 양극판과 이들 양극판 사이에 배치된 밀봉 요소를 포함하는, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지의 테두리 섹션의 영역의 단면도이며, 여기서 도 5a는 비압축 상태이고, 도 5b는 밀봉 요소가 42%만큼 압축된 상태이며, 도 5c는 밀봉 요소가 50%만큼 압축된 상태이다.
도 6은 도 4 및 도 5에 따른 연료 전지들의 밀봉 요소의 압축률에 따른 다양한 매개변수들의 특성곡선들을 나타낸 그래프들이며, 여기서 도 6a는 밀봉력을 나타내고, 도 6b는 밀봉 응력을 나타내며, 도 6c는 최대 인장 응력을 나타낸다.
도 7은 2개의 양극판과 이들 양극판 사이에 배치된 밀봉 요소를 포함하는 본 발명의 제2 구현예에 따른 연료 전지의 테두리 섹션의 영역의 단면도이며, 여기서 도 7a는 비압축 상태이고, 도 7b는 밀봉부가 42%만큼 압축된 상태이며, 도 7c는 밀봉부가 50%만큼 압축된 상태이다.
도 8은 2개의 양극판과 이들 양극판 사이에 배치된 밀봉 요소를 포함하는 본 발명의 제3 구현예에 따른 연료 전지의 테두리 섹션의 단면도로서, 도 8a는 비압축 상태이고, 도 8b는 밀봉부가 50%만큼 압축된 상태이다.
도 1에는, 본 발명의 한 바람직한 구현예에 따른, 전체적으로 100으로 표시된 연료 전지 시스템이 도시되어 있다. 연료 전지 시스템(100)은, 이 연료 전지 시스템(100)을 통해 전기 에너지를 공급받는 전기 트랙션 모터를 포함하는 별도로 도시되지 않은 차량, 특히 전기 자동차의 부분이다.
연료 전지 시스템(100)은, 교호적으로 적층된 멤브레인/전극 어셈블리들(MEA)(14) 및 양극판들(15)을 통해 형성되어(상세도 참조) 스택 형태로 배치되는 복수의 개별 전지(11)를 포함하는 연료 전지 스택(10)을 핵심 구성요소로서 포함한다. 그에 따라, 각각의 개별 전지(11)는 각각 하나의 MEA(14)를 포함하며, 이 MEA는 여기서는 별도로 도시되지 않은 이온 전도성 폴리머 전해질 멤브레인 및 이 폴리머 전해질 멤브레인의 양면에 배치되는 촉매 전극들, 요컨대 애노드와 캐소드를 포함하며, 이 촉매 전극들은 연료 전지 변환의 각각의 부분 반응을 촉진시키고 특히 코팅층들로서 멤브레인 상에 형성될 수 있다. 애노드 전극 및 캐소드 전극은 촉매 재료, 예컨대 백금을 포함하며, 이 촉매 재료는 큰 비표면적(specific surface area)을 갖는 전기 전도성 캐리어 재료 상에서, 예컨대 탄소 기반 재료 상에서 담지되는 방식으로 존재한다. 그에 따라, 하나의 양극판(15)과 애노드 사이에 애노드 챔버(12)가 형성되며, 캐소드와 그 옆의 양극판(15) 사이에 캐소드 챔버(13)가 형성된다. 양극판들(15)은 애노드 챔버들 및 캐소드 챔버들(12, 13) 내로 작동매체들을 공급하는 데 이용되고, 추가로 개별 연료 전지들(11) 간의 전기적 연결을 형성한다. 선택적으로, 가스 확산층들이 멤브레인/전극 어셈블리들(14)과 양극판들(15) 사이에 배치될 수 있다.
연료 전지 스택(10)에 작동매체들을 공급하기 위해, 연료 전지 시스템(100)은 한편으로 애노드 공급부(20)를 포함하고 다른 한편으로는 캐소드 공급부(30)를 포함한다.
애노드 공급부(20)는 연료 전지 스택(10)의 애노드 챔버들(12) 내로 애노드 작동매체(연료), 예컨대 수소를 공급하는 데 이용되는 애노드 공급 경로(21)를 포함한다. 이를 위해, 애노드 공급 경로(21)는 연료 저장부(23)를 연료 전지 스택(10)의 애노드 유입구와 연결한다. 애노드 공급부(20)는, 연료 전지 스택(10)의 애노드 배출구를 통해 애노드 챔버들(12)에서 애노드 배출가스를 배출하는 애노드 배출가스 경로(22)를 추가로 포함한다. 연료 전지 스택(10)의 애노드 면들(12)에서의 애노드 작동압은 애노드 공급 경로(21) 내의 작동 수단(24)을 통해 조정될 수 있다. 또한, 애노드 공급부(20)는 도시된 것처럼 애노드 공급 경로(21)와 애노드 배출가스 경로(22)를 연결하는 연료 재순환 라인(25)도 포함할 수 있다. 연료의 재순환은 대부분 화학량론 이상으로 사용된 연료를 스택으로 회수하여 이용하기 위한 통상적인 방식이다.
캐소드 공급부(30)는 산소 함유 캐소드 작동매체, 특히 주변환경으로부터 흡입되는 공기를 연료 전지 스택(10)의 캐소드 챔버들(13)로 공급하는 캐소드 공급 경로(31)를 포함한다. 캐소드 공급부(30)는, 연료 전지 스택(10)의 캐소드 챔버들(13)에서 캐소드 배출가스(특히 배출 공기)를 배출하고, 경우에 따라 미도시한 배출가스 시스템으로 캐소드 배출가스를 공급하는 캐소드 배출가스 경로(32)도 추가로 포함한다. 캐소드 작동매체의 이송 및 압축을 위해, 캐소드 공급 경로(31) 내에 압축기(33)가 배치된다. 도시된 실시예에서, 압축기(33)는 주로 전동기에 의해 구동되는 압축기로서 형성되며, 이런 압축기의 구동은 상응하는 전력 전자 장치(35)를 구비한 전동기(34)를 통해 수행된다. 또한, 압축기(33)는 캐소드 배출가스 경로(32) 내에 배치된 (경우에 따라 가변 터빈 구조를 갖는) 터빈(36)의 지원을 받아 하나의 공통 샤프트(미도시)를 통해 구동될 수 있다.
캐소드 공급부(30)는 도시된 실시예에 따라 웨이스트게이트 라인(37)을 추가로 포함할 수 있으며, 이 웨이스트게이트 라인은 캐소드 배출가스 라인(32)과 캐소드 공급 라인(31)을 연결하며, 다시 말해 연료 전지 스택(10)의 바이패스를 형성한다. 웨이스트게이트 라인(37)은, 압축기(33)의 작동을 차단하지 않으면서, 과량의 공기 질량 유량이 연료 전지 스택(10)을 지나 통과하게 한다. 웨이스트게이트 라인(37) 내에 배치된 작동 수단(38)은 연료 전지 스택(10)을 우회하는 캐소드 작동매체의 양을 제어하는 데 이용된다. 연료 전지 시스템(100)의 모든 작동 수단(24, 26, 38)은 제어식 또는 비제어식의 밸브 또는 플랩으로서 형성될 수 있다. 연료 전지 스택(10)을 주변환경으로부터 절연시킬 수 있도록 하기 위한 상응하는 추가 작동 수단들이 라인들(21, 22, 31 및 32) 내에 배치될 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템(100)은 가습기 모듈(39)을 포함할 수 있다. 가습기 모듈(39)은 한편으로 캐소드 작동가스에 의해 관류될 수 있도록 캐소드 공급 경로(31) 내에 배치된다. 다른 한편으로, 상기 가습기 모듈은 캐소드 배출가스에 의해 관류될 수 있도록 캐소드 배출가스 경로(32) 내에 배치된다. 가습기(39)는, 평면적으로 또는 중공 섬유들의 형태로 형성된 복수의 수증기 투과성 멤브레인을 포함한다. 이 경우, 멤브레인들의 일측 면은 비교적 건조한 캐소드 작동가스(공기)에 의해 과류되고, 타측 면은 비교적 습한 캐소드 배출가스(배출가스)에 의해 과류된다. 캐소드 배출가스 내 수증기의 상대적으로 더 높은 부분 압력에 의해 작동이 이루어지면, 멤브레인을 경유하여 캐소드 작동가스 내로 수증기의 과류가 발생하며, 이러한 방식으로 캐소드 작동가스가 가습된다.
애노드 공급부 및 캐소드 공급부(20, 30)의 여러가지 또 다른 세부사항들은 간소화된 도 1에는 편의상 도시되어 있지 않다. 즉, 애노드 및/또는 캐소드 배출가스 경로(22, 32) 내에는, 연료 전지 반응에서 발생하는 생성수를 응축하여 배출하기 위해 물 분리기가 장착될 수 있다. 마지막으로 애노드 배출가스 라인(22)은 캐소드 배출가스 라인(32) 내로 통할 수 있으며, 그럼으로써 애노드 배출가스 및 캐소드 배출가스가 하나의 공통 배출가스 시스템을 통해 배출된다.
도 2 및 도 3에는, 본 발명에 따른 멤브레인/전극 어셈블리(14) 및 양극판(15)의 예가 각각 상면도로 도시되어 있다.
두 부품은 모두 활성 영역(AA)(active area), 공급 영역들(SA) 및 분배 영역들(DA)로 분할된다. 활성 영역(AA)은, 이 영역에서 연료 전지 반응들이 일어나는 것을 특징으로 한다. 이를 위해, 멤브레인/전극 어셈블리(14)는 폴리머 전해질 멤브레인의 양면에서 활성 영역(AA)에 촉매 전극(143)을 갖는다. 공급 영역들(SA)의 내부에서는 공급 개구부들(144, 145, 146)이 멤브레인/전극 어셈블리(14) 측에, 그리고 공급 개구부들(154, 155, 156)은 양극판(15) 측에 각각 배치되고, 상기 공급 개구부들은 적층된 상태에서 실질적으로 서로 일직선으로 정렬되어 주 공급 채널들을 형성하며, 이 주 공급 채널들은 연료 전지 스택의 전체 스택 높이에 걸쳐서 연료 전지 스택(10)을 관통한다. 애노드 유입 및 배출 개구부들(144; 154)은 각각 애노드 작동 가스, 즉, 연료, 예컨대 수소의 공급과, 활성 영역(AA)의 과류 이후 애노드 배출가스의 배출에 이용된다. 캐소드 유입 및 배출 개구부들(145; 155)은, 특히 산소 또는 산소 함유 혼합물, 바람직하게는 공기인 캐소드 작동 가스의 공급과, 활성 영역(AA)의 과류 이후 캐소드 배출가스의 배출에 이용된다. 냉각매체 유입 및 배출 개구부들(146; 156)은 냉각매체의 공급 및 배출에 이용된다.
MEA(14)는 도 2에서 볼 수 있는 애노드 면(141)을 포함한다. 그에 따라, 도시된 촉매 전극(143)은 애노드로서, 예컨대 폴리머 전해질 멤브레인 상의 코팅층으로서 형성된다. 도 2에서는 볼 수 없는 캐소드 면(142)은 상응하는 촉매 전극, 여기서는 캐소드를 포함한다. 폴리머 전해질 멤브레인은 멤브레인/전극 어셈블리(14)의 전체 확장부에 걸쳐서 연장될 수 있으며, 적어도 중앙 활성 영역(AA)에 걸쳐서 연장될 수 있다. 나머지 영역들(SA 및 DA)에서는, 멤브레인 및 활성 영역(AA)을 양면에서 둘러싸고 프레임 형태로 테두리를 형성하는 보강 캐리어 필름이 배치될 수 있다. 적어도 바깥쪽 테두리 영역(빗금 표시된 면)에서 멤브레인/전극 어셈블리(14)는 추가로, 탄성 폴리머 재료, 예컨대 실리콘 등으로 형성된 탄성 밀봉 요소(16)에 의해 프레임 형태로 에워싸인다. 탄성 밀봉 요소(16)는 멤브레인/전극 어셈블리(14)와 재료 결합 방식으로 연결될 수 있으며, 그럼으로써 탄성 밀봉 요소는 멤브레인/전극 어셈블리의 구성요소가 된다.
도 3에 도시된 양극판(15)은, 도면에서 볼 수 있는 제2 면, 여기서는 캐소드 면(152), 그리고 가려져 있는 제1 면, 여기서는 애노드 면(151)을 갖는다. 전형적인 실시예들에서, 양극판(15)은 2개의 결합된 판 반부(plate halves), 즉 애노드 판과 캐소드 판으로 구성된다. 도시된 캐소드 면(152) 상에는 작동매체 채널들(153)이, 캐소드 배출 개구부(155)를 캐소드 유입 개구부(155)와 연결하고 제2 유로, 여기서는 캐소드 작동매체의 안내를 위한 캐소드 유로를 형성하는 개방된 트렌치(trench)형 채널 구조들로서 형성되어 있다. 도면에는 단 5개의 예시적인 작동매체 채널(153)만이 도시되어 있지만, 통상적으로는 훨씬 더 많은 개수가 제공된다. 마찬가지로 본 도면에서는 보이지 않는 애노드 면(151)도, 애노드 배출 개구부(154)를 애노드 유입 개구부(154)와 연결하고 제1 유로, 여기서는 애노드 작동매체의 안내를 위한 애노드 유로를 형성하는 상응하는 작동매체 채널들을 포함한다. 이러한 애노드 작동매체용 작동매체 채널들도 전형적으로 개방된 트렌치형 채널 구조들로서 형성된다. 양극판(15)의 내부에, 특히 양측 판 반부 사이에, 냉각매체 배출 개구부(156)를 냉각매체 유입 개구부(156)와 연결하는 매립형 냉각매체 채널들이 연장된다.
양극판(15)의 가시적인 제2 캐소드 면(152)의 외주를 따라 연장되는 테두리 영역에는 제2 밀봉 섹션(158)이 형성되며, 이 제2 밀봉 섹션은, 조립된 연료 전지 스택(10) 내에서, 멤브레인/전극 어셈블리(14)의 캐소드 면(142)의 밀봉 요소(16)와 상호 밀봉 작용을 한다. 동일한 방식으로, 가려져 있는 제1 애노드 면(151)의 양극판(15)의 외주를 따라 연장되는 테두리 영역에는 제1 밀봉 섹션(157)이 형성되며, 이 제1 밀봉 섹션은 연료 전지 스택 내에서 멤브레인/전극 어셈블리(14)의 애노드 면(141)의 밀봉 요소(16)와 상호 밀봉 작용을 한다. 밀봉 섹션들(158, 157)의 경계는 도 3에 파선들로 도시되어 있다. 도시된 것처럼, 공급 개구부들(154, 155, 156)도, 양극판(15)의 양면에서 각각 상응하는 제1 및 제2 밀봉 섹션(157, 158)에 의해 외주를 따라 에워싸일 수 있다.
선행 기술에 따른 밀봉 섹션 및 본 발명의 구현예들에 따른 밀봉 섹션의 구성은 하기 도면들에서 연료 전지의 테두리 영역에서의 단면들을 참고로 설명된다.
도 4에는, 선행 기술에 따른 연료 전지 스택(10)의 개별 전지가 전지의 테두리 영역, 다시 말하면 양극판들(15)의 테두리 영역의 단면도로 도시되어 있다. 도면에는, 밀봉 요소(16)가 가장자리에 일체로 형성되어 있는 멤브레인/전극 어셈블리(14)가 도시되어 있다. 밀봉 요소(16)를 포함한 멤브레인/전극 어셈블리(14)는 2개의 양극판(15) 사이에 배치된다. 멤브레인/전극 어셈블리(14)는, 폴리머 전해질 멤브레인 및 이 폴리머 전해질 멤브레인 양면에 각각 코팅된 2개의 (상세하게 도시되어 있지 않은) 촉매 전극, 요컨대 애노드 및 캐소드로 구성된 적층판(147)을 포함한다. 적층판(147)의 양면에는 각각 하나의 가스 확산층(148)이 배치된다.
탄성 밀봉 요소(16)는 평면 형태의 기본 몸체(161) 및 2개의 밀봉 비드(162)를 포함한다. 멤브레인/전극 어셈블리(14)와의 연결부는 플랜지 형태로 형성된 연결 섹션(163)을 통해 형성되며, 이 연결 섹션은 MEA(14)의 가장자리 영역을 양면에서 에워싼다.
양극판들(15)은 각각 2개의 판 반부로, 요컨대 제1 판 반부(15A)(애노드 판) 및 제2 판 반부(15K)(캐소드 판)로 구성된다. 도 4에 도시된 양극판들(15)의 밀봉 섹션 내에서 상기 양극판들은 자신의 애노드 면(151)뿐만 아니라 캐소드 면(152)에도 각각 하나의 함몰부를 포함하며, 이 함몰부들 내에는 밀봉 요소(16)의 밀봉 비드들(162)이 안착된다. 최저 지점에서부터 최고 지점까지 측정한 밀봉 비드(162)의 일반적인 지름은 1 내지 3㎜의 크기이고, 도시된 예시에서는 1.1㎜이며, 그에 반해 양극판들(15)의 함몰부들의 일반적인 폭은 3 내지 10㎜의 범위이고, 여기서는 5.2㎜이다.
압축력이 가해짐에 따라, 도 4b에 도시된 것처럼 밀봉 비드들(162)의 탄성 압축이 발생하며, 그럼으로써 양극판들의 안착면들이 밀봉 요소(16)의 기본 몸체(161)와 또는 멤브레인/전극 어셈블리(114)와 접촉하게 된다. 이는 도시된 예시에서 밀봉 비드들(162)의 압축률이 약 41%인 경우에 해당한다. 이 경우에는 비교적 높은 압착력이 필요하다. 또한, 도 4에 도시된 디자인에서는, 도시된 밀봉 섹션들의 함몰부들의 영역에 양극판(15)의 얇은 벽 두께 또는 양극판의 판 반부들(15A, 15K)이 존재함으로써, 상기 영역에서 불안정성 및 파손이 발생할 수 있다는 단점이 있다. 또한, 양극판들(15)이 제조에 기인하여 밀봉 요소(16)에 비해 측방으로 변위될 때, 요컨대 밀봉 비드들(162)이 함몰부들의 에지부들과 접촉하게 될 때, 밀봉 효과가 저하될 수 있다는 문제가 있다. 그 외에, 이런 상황은 밀봉 요소(16) 내에서 응력을 야기하여 밀봉 요소의 유효수명을 감소시킨다. 또한, 초과 압축이 빈번하게 발생할 경우, 밀봉부의 고착 위험도 존재한다. 마지막으로, 도시된 구조는 MEA(14)와의 연결부를 형성하기 위해 연결 섹션(163)을 필요로 한다.
상기 문제들의 해결을 위해 본 발명에 따른 양극판(15)은, 도 5에 도시된 것처럼, 비대칭 형상의 밀봉 섹션들(157, 158)을 갖는다. 하기 도면들에서는, 동일한 요소들을 위해 도 4에서와 동일한 도면부호들이 이용된다.
본 발명에 따라서, 애노드 판의 제1 면(151) 상에 형성된 제1 밀봉 섹션(157)은 하나 이상의, 도시된 예시에서는 2개의 밀봉 돌출부(1571)를 포함한다. 밀봉 돌출부들(1571)은, 그 높이(hD)가 애노드 판(15A)의 베이스 높이(hA)에 비해 더 높은 것을 특징으로 하며, 그럼으로써 밀봉 돌출부들(1571)이 애노드 판(15A)의 베이스 높이(hA)에 비해 돌출된다. 이와 반대로, 캐소드 판(15K)의 캐소드 면(152) 상에 형성된 제2 밀봉 섹션(158)은 그와 같은 밀봉 돌출부 없이 형성되며, 실질적으로 평평한 안착면(1581)을 포함한다. 평평하고 밀봉 돌출부들이 없이 형성되는 제2 밀봉 섹션(158)의 상기 안착면(1581)은 바람직하게 양극판(15)의 가장자리(도면에서 좌측)까지 연장된다. 도시된 실시예에서, 제2 밀봉 섹션(158)의 영역 내 제2 판 반부(15K)의 판 두께(hF)는 제2 밀봉 섹션(158)의 바깥쪽에 있는 판 반부(15K)의 베이스 두께(hB)보다 더 두껍다. 이는 상기 영역에서의 안정성을 향상시킨다.
도 5에 도시된 것처럼, 밀봉 돌출부들(1571)은 추가로 제1 판 반부(15A)의 하강 섹션(1572) 내에 배치될 수 있다. 하강 섹션(1572)은, 제1 판 반부(15A)의 베이스 판 두께(hA)에 비해 감소된 판 두께(hR)를 갖는다. 마찬가지로, 제2 밀봉 섹션(158)의 상승된 안착면(1581)은 제2 판 반부(15K)의 하강 섹션(1582)의 안쪽에 배치될 수 있다.
양극판(15)의 본 발명에 따른 구현예는, 도 5에 도시된 것처럼, 적어도 양극판들(15)의 밀봉 섹션들(157, 158)의 영역에 평평하게 형성된 밀봉 요소(16)와 결합하여 사용될 때, 최상의 밀봉 효과를 발휘한다. 달리 말하면, 상기 밀봉 요소(16)는 적어도 상기 가장자리 영역에서 예컨대 250㎛의 균일한 두께를 갖는다.
도 5b 및 5c에는, 밀봉 요소(16)가 상응하는 압착력의 작용을 통해 밀봉 돌출부들(1571)의 영역에서 각각 42% 및 50%의 압축률만큼 압축되는 상태에 있는 도 5a의 연료 전지(10)가 도시되어 있다. 도 5b 및 5c에는 각각 상부 양극판의 애노드 판(15A) 및 하부 양극판의 캐소드 판(15K)만 도시되어 있다. 여기서는, 본 발명에 따른 디자인의 경우 (도 4에 따른 종래의 디자인에서와 달리) MEA(14)로의 연결 섹션(163)에 압착력이 작용하지 않는 점을 확인할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범주에서, 아치형의 연결 섹션(163)을 생략하고 MEA(14)로의 다른 형태의 연결부를 선택할 수도 있다.
한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, 도 4 및 도 5에 도시된 연료 전지들(10)에 대해 각각의 밀봉 요소들(16)의 압축률에 따라서 상이한 물리적 매개변수들이 결정되었다. 이 경우, 파선으로 도시된 곡선들은 각각 도 4에 도시된 선행 기술에 따른 연료 전지(10)에 대한 특성곡선들을 나타내며, 실선 곡선들은 각각 도 5에 도시된 본 발명에 따른 연료 전지(10)에 대한 특성곡선들을 나타낸다. 도 6a에는, 밀봉 요소(16)의 정해진 압축률을 달성하기 위해 인가되어야 하는 밀봉력이 도시되어 있다. 여기서는, 전체 특성곡선에 걸쳐서 본 발명에 따른 연료 전지(10)의 경우에 인가될 밀봉력이 종래의 연료 전지의 경우보다 훨씬 더 낮다는 점을 확인할 수 있다. 예컨대 압축되지 않은 밀봉 요소(16)의 약 40%의 압축률을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 디자인에서는 약 0.75N/㎜의 힘만 인가되면 되는 데 반해, 종래의 연료 전지에서는 동일한 압축률을 위해 거의 3N/㎜의 힘이 필요하다. 더욱이, 종래의 연료 전지의 최대 압축률은 약 42%로 제한된다(도 4b 참조).
도 6b에는, 압축률에 따라서 달성된 밀봉 응력의 특성곡선이 도시되어 있다. 이 시뮬레이션에서, 본 발명에 따른 연료 전지의 달성된 밀봉 응력 또는 밀봉력은 종래의 전지의 달성된 밀봉 응력을 단지 약간만 하회한다. 밀봉 응력은 연료 전지의 달성된 밀봉성에 대한 척도이다. 예컨대 종래의 디자인에서, 1MPa의 밀봉 응력의 달성을 위해서는 1.7N/㎜의 밀봉력에 상응하게 거의 35%의 압축률이 필요하다. 이에 반해, 본 발명에 따른 전지는 1MPa의 동일한 밀봉 응력을 위해 거의 40%의 압축률을 필요로 하긴 하나, 상기 압축률은 0.75N/㎜의 훨씬 더 낮은 밀봉력으로 달성된다. 따라서 밀봉 요소(16)의 두께 및 밀봉 돌출부들의 추가적인 최적화를 통해 적어도 종래의 디자인에서와 같은 밀봉 응력이 달성될 것으로 예상된다.
도 6c에는, 압축률의 함수로서 밀봉 요소(16)의 재료 내 최대 인장 응력의 특성곡선들이 도시되어 있다. 여기서는, 본 발명에 따른 디자인에서의 최대 인장 응력이 종래의 전지에서보다 더 낮은 것으로 확인된다. 그에 따라, 본 발명에 따른 디자인의 경우, 밀봉 요소(16)의 유효수명 연장이 예상된다.
본 발명에 따른 연료 전지에 대해, 애노드 판(15A)이 캐소드 판(15K)에 비해 도 5의 도면에 따라서 우측으로 250㎛만큼 오프셋되어 배치된 경우에, 동일한 시뮬레이션들을 실행하였다. 예상한 대로 이는 실제로 결과에 어떠한 유형의 영향도 미치지 않았다(미도시).
도 7에는, 본 발명의 제2 구현예에 따른 연료 전지(10)가 도시되어 있다[여기서 MEA(14)의 도해는 생략하였음]. 도면에는, 각각 상부 양극판(15)의 애노드 판(15A) 및 하부 양극판의 캐소드 판(15K)만 도시되어 있다. 도 5에 도시된 실시예와 달리, 도 7에 따른 실시예는, 캐소드 판(15K)의 밀봉 섹션(158)의 안착면(1581)이 그루브들(1583)을 포함하고, 이 그루브들을 통해 안착면(1581)이 세그먼트화되어 있다는 차이가 있다. 이 경우, 그루브들(1583)은 애노드 판(15A)의 밀봉 돌출부들(1571)에 대해 오프셋되어 배치됨으로써, 그루브들(1583)과 밀봉 돌출부들(1571)이 서로 대향하여 놓이지 않게 된다. 또한, 그루브들(1583)은, 그루브들(1583) 내로 밀봉 요소(16)의 침투를 방지하는 치수, 특히 폭을 갖는다. 밀봉 섹션(158) 내에 캐소드 판(15K)의 안착면(1581)이 형성됨으로써, 밀봉 요소(16)와 판들(15A 및 15K) 간의 접촉면의 제어가 가능해진다. 도 7a 및 7b에는 다시, 압축률이 42%일 때와 50%일 때 밀봉 요소(16)의 변형이 각각 도시되어 있다.
본 발명에 따른 연료 전지(10)의 또 다른 한 구현예가 도 8에 도시되어 있으며, 여기서 도 8a은 압축되지 않은 상태를 도시한 것이고, 도 8b는 밀봉 요소(16)의 압축률이 50%일 때의 연료 전지(10)를 도시한 것이다. 여기서 MEA(14)의 도해는 생략하였다. 본 실시예서, 애노드 판(15A)의 밀봉 섹션(157)은 상대적으로 폭이 넓은 단일 밀봉 돌출부(1571)만을 포함하며, 이 밀봉 돌출부는 단부면이 평평한 라운딩된 윤곽을 보유한다. 캐소드 판(15K)의 대향하는 밀봉 섹션(158)은 여기서는 2개의 그루브(1583)에 의해 세그먼트화되며, 이들 그루브의 그루브 폭은 도 7에서보다 더 크게 선택되어 있다. 또한, 그루브들(1583)은, 애노드 판(15A)의 밀봉 돌출부(1571)에 대향하여 놓이도록 배치되어 있다. 이는, 압착력의 인가 시, (도 8b에서 확인할 수 있는 것처럼) 밀봉 요소(16)가 부분적으로 그루브들(1583) 내로 압입되게 한다.
100: 연료 전지 시스템
10: 연료 전지 스택
11: 개별 전지
12: 애노드 챔버
13: 캐소드 챔버
14: 멤브레인/전극 어셈블리(MEA)
141: 애노드 면
142: 캐소드 면
143: 촉매 전극/애노드
144: 공급 개구부/애노드 유입 개구부 또는 애노드 배출 개구부
145: 공급 개구부/캐소드 유입 개구부 또는 캐소드 배출 개구부
146: 공급 개구부/냉각매체 유입 개구부 또는 냉각매체 배출 개구부
147: 폴리머 전해질 멤브레인과 촉매 전극들로 이루어진 적층판
148: 가스 확산층
15: 양극판(분리판, 유로판)
15A: 제1 판 반부/애노드 판
15K: 제2 판 반부/캐소드 판
151: 제1 면/애노드 면
152: 제2 면/캐소드 면
153: 작동매체 채널/애노드 채널 또는 캐소드 채널/제1 또는 제2 유로
154: 공급 개구부/애노드 유입 개구부 또는 애노드 배출 개구부
155: 공급 개구부/캐소드 유입 개구부 또는 캐소드 배출 개구부
156: 공급 개구부/냉각매체 유입 개구부 또는 냉각매체 배출 개구부
157: 제1 밀봉 섹션
1571: 밀봉 돌출부
1572: 하강 섹션
158: 제2 밀봉 섹션
1581: 안착면
1582: 하강 섹션
16: 밀봉 요소
161: 기본 몸체
162: 밀봉 비드
163: 연결 섹션
20: 애노드 공급부
21: 애노드 공급 경로
22: 애노드 배출가스 경로
23: 연료 탱크
24: 작동 수단
25: 연료 재순환 라인
30: 캐소드 공급부
31: 캐소드 공급 경로
32: 캐소드 배출가스 경로
33: 압축기
34: 전동기
35: 전력 전자 장치
36: 터빈
37: 웨이스트게이트 라인
38: 작동 수단
39: 가습기 모듈
AA: 활성 영역(반응 영역, active area)
SA: 공급 영역(supply area)
DA: 분배 영역(distribution area)
hA: 제1 판 반부/애노드 판의 베이스 두께
hK: 제2 판 반부/캐소드 판의 베이스 두께
hD: 밀봉 돌출부의 높이
hR: 하강 섹션 내의 벽 두께
hF: 안착면의 벽 두께

Claims (10)

  1. 상부에 제1 유로가 형성되어 있는 제1 면(151)과; 상부에 제2 유로(153)가 형성되어 있는 제2 면(152)과; 제1 유로를 에워싸는 제1 밀봉 섹션(157)과; 제2 유로(153)를 에워싸는 제2 밀봉 섹션(158);을 포함하는 연료 전지 스택(10)용 양극판(15)으로서, 상기 밀봉 섹션들(157, 158)은 연료 전지 스택(10) 내에서 탄성 밀봉 요소(16)와 상호 밀봉 작용을 하도록 형성되는, 연료 전지 스택용 양극판에 있어서,
    제1 밀봉 섹션(157) 내에 하나 이상의 밀봉 돌출부(1571)가 형성되며, 제2 밀봉 섹션(158)은 밀봉 돌출부를 포함하지 않고 그리고/또는 실질적으로 평평하게 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택용 양극판(15).
  2. 제1항에 있어서, 제2 밀봉 섹션(158)은 자신의 전체 폭에 걸쳐서 밀봉 돌출부를 포함하지 않고 그리고/또는 실질적으로 평평하게 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택용 양극판(15).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 밀봉 섹션(158)은 하나 이상의 그루브(1583)에 의해 세그먼트화되며, 상기 그루브(1583)는 하나 이상의 밀봉 돌출부(1571)에 대해 오프셋되어 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택용 양극판(15).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 밀봉 섹션(157)의 하나 이상의 밀봉 돌출부(1571)의 횡단면은 라운딩된 윤곽, 또는 단부면이 평평한 라운딩된 윤곽을 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택용 양극판(15).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 밀봉 섹션(157)은 단일 밀봉 돌출부(1571)를 포함하고, 제2 밀봉 섹션(158)은 하나 이상의 그루브(1583)에 의해 세그먼트화되며, 하나 이상의 그루브(1583)는 밀봉 돌출부(1571)에 대향하여 위치하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택용 양극판(15).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 양극판(15)은 서로 조립된 제1 및 제2 판 반부(15A, 15K)로 형성되며, 제2 밀봉 섹션(158)의 영역에서 제2 판 반부(15K)의 판 두께(hF)는 제2 밀봉 섹션(158)의 바깥쪽의 베이스 두께(hB)와 실질적으로 동일하거나 그보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택용 양극판(15).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 양극판(15)은 전기 전도성 탄소 기반 소재로, 특히 흑연 또는 흑연/폴리머 복합 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택용 양극판(15).
  8. 교호적으로 겹쳐서 배치되는, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 복수의 양극판(15) 및 탄성 밀봉 요소들(16)을 포함하는 연료 전지 스택(10)에 있어서,
    상기 밀봉 요소들(16)은 적어도 양극판들(15)의 밀봉 섹션들(157, 158)의 영역에서 평평하게 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(10).
  9. 제8항에 있어서, 탄성 밀봉 요소(16)는 100 내지 500㎛의 범위, 특히 150 내지 400㎛의 범위, 바람직하게는 200 내지 300㎛의 범위의 균일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(10).
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 탄성 밀봉 요소(16)는 멤브레인/전극 어셈블리(14)의 부분이며, 특히 상기 멤브레인/전극 어셈블리의 가장자리 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(10).
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