KR20190002548A - 가변적인 횡단면적을 가진 반응물 가스 채널을 구비한 바이폴러 플레이트, 연료 전지 스택, 및 이러한 연료 전지 스택을 구비한 차량 - Google Patents

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폭스바겐 악티엔 게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 애노드 가스 채널(22)을 갖는 애노드 플레이트(19) 및 캐소드 가스 채널(21)을 갖는 캐소드 플레이트(20)를 구비하는 연료 전지용 바이폴러 플레이트(10)에 관한 것으로, 상기 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트는 활성 영역(AA) 및 공급 영역(SA)을 가지고, 이들 영역이 냉각제 채널(23)을 형성하도록 서로 적층 배치되며, 바이폴러 플레이트(10) 내에서의 반응물과 냉각제의 유동 비율이 최적화되도록 상기 바이폴러 플레이트를 개선하기 위해, 캐소드 가스 채널(21)의 높이(H) 및/또는 폭(B)은 활성 영역(AA)의 제1 측(26)으로부터 활성 영역(AA)의 제2 측(27)의 방향으로 증가시키고, 애노드 가스 채널(22)의 높이(H) 및/또는 폭(B)은 활성 영역(AA)의 제1 측(26)으로부터 활성 영역(AA)의 제2 측(27)의 방향으로 감소시키는 구성이 제안되며, 이 경우 캐소드 가스 채널(21)의 횡단면적 및/또는 수력 직경(hydraulic diameter)은 증가하고, 애노드 가스 채널(22)의 횡단면적 및/또는 수력 직경은 감소한다. 본 발명은 또한 연료 전지 스택 및 차량에 관한 것이다.

Description

가변적인 횡단면적을 가진 반응물 가스 채널을 구비한 바이폴러 플레이트, 연료 전지 스택, 및 이러한 연료 전지 스택을 구비한 차량
본 발명은, 하나의 활성 영역, 및 이 활성 영역으로 또는 이 활성 영역으로부터 작동 매질을 공급 및 방출하기 위한 2개의 공급 영역을 각각 구비한 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트를 포함하는 연료 전지용 바이폴러 플레이트에 관한 것으로, 상기 공급 영역들은 각각 연료를 공급 또는 배출하기 위한 애노드 가스 포트, 산화제를 공급 또는 배출하기 위한 캐소드 가스 포트, 및 냉각제를 공급 또는 배출하기 위한 냉각제 포트를 구비하며, 이때 애노드 플레이트는 애노드 가스 채널을 구비하고, 캐소드 플레이트는 캐소드 가스 채널을 구비하며, 이들 가스 채널은 각각 개방된 덕트 형상의 채널 구조물로서 형성되고, 애노드 플레이트와 캐소드 플레이트가 서로 접경하는 측에서 양측 공급 영역의 냉각제 포트들을 연결하는 냉각제 채널을 형성하도록 상호 적층 배치되고 형성된다. 본 발명은 또한 연료 전지 스택 및 이와 같은 연료 전지 스택을 구비한 차량에 관한 것이다.
연료 전지는, 전기 에너지를 발생시키기 위하여, 산소를 공급함으로써 연료 전지를 물로 변환시키는 화학적 원리를 이용한다. 이를 위해, 연료 전지는 핵심 구성 요소로서 소위 멤브레인 전극 어셈블리(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 포함하며, 이 멤브레인 전극 어셈블리는 이온 전도성(대부분은 양성자 전도성) 멤브레인 및 이 멤브레인 양측에 배치된 각각 하나의 촉매 전극(애노드 및 캐소드)으로 이루어진다. 촉매 전극은 대부분 담지 귀금속(supported precious metal), 특히 백금을 포함한다. 또한, 멤브레인 전극 어셈블리 양측에서 멤브레인으로부터 먼 쪽을 향하는 전극의 측부들에 가스 확산 층(GDL)이 배치될 수 있다. 일반적으로 연료 전지는 스택(stack) 내에 배치된 복수의 MEA에 의해 형성되며, 이 MEA의 전력이 가산된다. 개별 멤브레인 전극 어셈블리들 사이에는 일반적으로 바이폴러 플레이트들[유로 플레이트(flow field plate) 또는 세퍼레이터 플레이트라고도 함]이 배치되며, 이들 바이폴러 플레이트는 개별 전지에 작동 매질, 다시 말해 반응물이 공급되는 것을 보장해주고, 통상적으로 냉각에도 이용된다. 또한, 바이폴러 플레이트는 멤브레인 전극 어셈블리에 대한 전기 전도성 접촉도 제공한다.
연료 전지의 작동 시, 연료(애노드 작동 매질), 특히 수소(H2) 또는 수소 함유 가스 혼합물이 바이폴러 플레이트의 개방된 애노드 측 유로를 통해서 애노드에 공급되며, 이곳에서 전자가 방출되면서 H2로부터 양성자(H+)로의 전기 화학적 산화가 일어난다(H2 → 2H+ + 2e-). 반응 공간을 기밀 방식으로 상호 분리시키고 전기적으로 절연시키는 전해질 또는 멤브레인을 통해, 양성자가 애노드 공간으로부터 캐소드 공간으로 (물과 결합된 상태로 또는 물이 없는 상태로) 운반된다. 애노드에 제공된 전자는 전기 라인을 통해서 캐소드로 공급된다. 캐소드에는, 바이폴러 플레이트의 개방된 캐소드 측 유로를 통해서 산소 또는 산소 함유 기체 혼합물(예컨대 공기)이 캐소드 작동 매질로서 공급되며, 그 결과 전자가 흡수되면서 O2로부터 O2-로의 환원이 일어난다(½O2 + 2e- → O2-). 그와 동시에, 캐소드 공간에서는, 물이 형성되면서(O2- + 2H+ → H2O), 산소 음이온이 멤브레인을 통해 운반된 양성자와 반응한다.
바이폴러 플레이트 내에서의 반응물과 냉각제의 유동 비율을 최적화하기 위한 다양한 접근 방식이 존재한다.
즉, DE 103 23 644 B4호에서는, 평행하게 연장되는 채널의 개수를 섹션 방식으로 줄임으로써, 반응 가스에 의해 관류되는 채널의 채널 용적이 감소하는 연료 전지가 기술된다.
US 6,756,149 B2호는, 반응 가스 채널의 높이 및 폭은 유로를 가로질러 변동하는 반면 횡단면적은 일정하게 유지되는 연료 전지를 제안한다.
본 발명의 과제는, 반응 가스 채널 내에서의 가스 조성 및 질량 흐름이 활성 영역의 길이와 관련해서 고려되는 바이폴러 플레이트를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 하나의 활성 영역, 및 이 활성 영역으로 또는 이 활성 영역으로부터 작동 매질을 공급 및 방출하기 위한 2개의 공급 영역을 각각 구비한 프로파일링된 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트를 포함하는 연료 전지용 바이폴러 플레이트가 제공되며, 이 경우 공급 영역들은 각각 연료를 공급 또는 배출하기 위한 애노드 가스 포트, 산화제를 공급 또는 배출하기 위한 캐소드 가스 포트, 및 냉각제를 공급 또는 배출하기 위한 냉각제 포트를 구비하며, 이 경우 애노드 플레이트는 애노드 가스 채널을 구비하고, 캐소드 플레이트는 캐소드 가스 채널을 구비하며, 이들 가스 채널은 각각 전술한 프로파일을 재현하는 개방된 덕트 형상의 채널 구조물로서 형성되고, 애노드 플레이트와 캐소드 플레이트가 서로 접경하는 측에서 양측 공급 영역의 냉각제 포트들을 연결하는 냉각제 채널들을 형성하도록 상호 적층 배치되고 형성되며, 캐소드 가스 채널의 높이 및/또는 폭은 활성 영역의 제1 측으로부터 활성 영역의 제2 측의 방향으로 증가하고, 애노드 가스 채널의 높이 및/또는 폭은 활성 영역의 제1 측으로부터 활성 영역의 제2 측의 방향으로 감소하며, 이 경우 캐소드 가스 채널의 횡단면적 및/또는 수력 직경(hydraulic diameter)은 증가하고, 애노드 가스 채널의 횡단면적 및/또는 수력 직경은 감소한다.
애노드 가스 포트, 캐소드 가스 포트 및 냉각제 포트라는 용어들은 각각 애노드 유입 개구, 애노드 배출 개구, 캐소드 유입 개구, 캐소드 배출 개구, 냉각제 유입 개구 및 냉각제 배출 개구를 포함한다. 이하에서는 이들 용어도 사용된다.
본 발명에 따른 구성은, 반응물 가스 채널의 가변적인 형상에 의해서, 활성 영역의 관류 시 변하는 개별 채널들 내 가스 조성에 대한 반응이 이루어질 수 있거나, 유동 비율이 최적화될 수 있다는 장점을 제공한다. 이로써, 예를 들어 반응 가스의 최적의 가습이 보장될 수 있다.
바이폴러 플레이트 또는 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트의 본 발명에 따른 구성 의해, 바이폴러 플레이트의 활성 영역 내 애노드 가스 채널 및 캐소드 가스 채널 내에서의 압력 분포, 습기 분포 및 속도 분포가 최적화된다. 본 문맥에서 최적화란, 가급적 전체 활성 영역에 걸쳐 균일한 압력비, 반응물의 균일한 가습 및 동일한 유동 속도가 제공됨을 의미한다.
그에 대한 예로서, 유동 방향을 따른 애노드 가스의 소모에 의해 질량 흐름이 감소하는 애노드 가스 채널의 협착을 들 수 있다. 이는, 애노드 가스 채널의 마지막 절반부에서, 생성되는 액체수(liquid water)가 더 이상 안정적으로 배출될 수 없을 정도로 느린 유동 속도를 야기할 수 있다. 이와 같은 결과는 연료 전지의 파워 및 수명을 감소시킬 것이다. 애노드 가스 채널의 협착에 의해서 상기와 같은 효과가 저지되는데, 그 이유는 유동 속도가 증가하기 때문이다. 그에 따라, 바람직하게는, 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 파워 및 수명이 증가된다.
애노드 가스 채널 및 캐소드 가스 채널의 높이 변동이 폭 변동에 비해 바람직한데, 그 이유는 폭이 일정한 경우에 멤브레인에 대한 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트의 접촉 거동이 더 간단하고 우수하게 조정될 수 있기 때문이다.
연료 전지 스택의 양호한, 다시 말해 공간 절약적 배치를 가능하게 하기 위해, 바이폴러 플레이트가 직사각형 바이폴러 플레이트인 것이 바람직하다. 또한, 이로 인해 MEA의 절단이 용이해지고 절단 손실이 방지된다.
또한, 연료 전지의 간단한 적층성을 가능하게 하고, 마찬가지로 매우 공간 절약적으로 사용될 수 있는 정사각형 전지 스택을 얻기 위해, 애노드 플레이트와 캐소드 플레이트의 프로파일링된 측부들이 서로 동일 평면상에 정렬되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 애노드 플레이트와 캐소드 플레이트의 서로를 향하는 측부들도 프로파일링된 측부들과 동일 평면상에 있다.
또한, 애노드 플레이트와 캐소드 플레이트의 서로를 향하는 측부들은 동일 평면상에 있지만, 재차 서로 동일 평면상에 있는 애노드 플레이트와 캐소드 플레이트의 프로파일링된 측부들과는 동일 평면상에 있지 않는 실시예들도 청구된다. 이와 같은 실시예들에서는, 함께 결합되어 잘 적층될 수 있는 하나의 정사각형 바이폴러 플레이트를 형성하는 쐐기 형상의 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트가 제공된다. 이 경우, 캐소드 플레이트의 두께는 활성 영역의 제1 측으로부터 활성 영역의 제2 측의 방향으로 증가하도록 형성되는 한편, 애노드 플레이트의 경우에는 그와 반대로 형성된다.
냉각제 채널들이 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트에 의해 비례적으로 형성됨으로써, 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트 내에 각각 부분 냉각제 채널이 존재하게 되며, 이들 부분 냉각제 채널은 애노드 플레이트와 캐소드 플레이트의 결합 시 냉각제 채널을 형성한다.
냉각제 채널의 횡단면적 또는 수력 직경은 활성 영역을 따라 실질적으로 일정하며, 이 경우 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트 내에 형성된 부분 냉각제 채널은 반응 가스 채널과 마찬가지로 가변적일 수 있다.
애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트의 모든 면이 동일 평면상에 있는 한, 애노드 가스 채널 및 캐소드 가스 채널의 진행에 매칭시키거나 이들 가스 채널 사이에서 실질적으로 평행하게 연장시키기 위해, 부분 냉각제 채널들은 바람직하게 가변적이며, 이 경우 냉각제 채널이 애노드 가스 채널 및 캐소드 가스 채널에 대해 평행하게 연장되지 않는 실시예들도 가능하다.
부분 냉각제 채널은, 결과로서 도출되는 냉각제 채널이 애노드 가스 채널 및 캐소드 가스 채널에 대해 평행하게 연장되거나, 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트의 프로파일링된 측부들에 대해 서로 평행하게 연장되도록 형성될 수 있다.
서로를 향하는 측부들이 프로파일링된 측부들과 동일 평면상에 있지 않은 실시예에서는, 서로를 향하는 측부들의 기울기가 애노드 가스 채널 및 캐소드 가스 채널의 기울기에 상응하는 한, 부분 냉각제 채널은 바람직하게 비가변적이다.
추가로, 모든 실시예들의 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트의 부분 냉각제 채널들이 반드시 동일한 횡단면적 또는 수력 직경을 가질 필요는 없다. 상기 횡단면적 또는 수력 직경은 애노드 가스 채널 또는 캐소드 가스 채널의 근처에서 결정된다.
본 발명에 따른 바이폴러 플레이트의 매우 바람직한 실시예들에 따르면, 애노드 가스 채널 및 캐소드 가스 채널의 높이가 변동한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 작동 매체 채널이 90°보다 작은 측면 각을 갖는 홈통(trough) 형상으로 형성됨으로써, 바람직하게 간소화된 제조가 가능해진다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택은, 전술한 바와 같이 형성된 바이폴러 플레이트 및 멤브레인 전극 유닛이 교대로 배열된 하나의 스택을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 양태는, 본 발명에 따른 하나 이상의 연료 전지 스택을 구비한 차량과 관련이 있다. 이 차량은, 바람직하게 연료 전지 시스템에 의해서 발생한 전기 에너지가 전기 트랙션 모터 및/또는 트랙션 배터리로의 공급에 이용되는 전기 차량이다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 언급된 나머지 특징들로부터 나타난다.
본원에 언급된 본 발명의 다양한 실시예들은, 세부적으로 달리 명시되지 않는 한, 바람직하게 서로 조합될 수 있다.
본 발명은, 이하의 실시예들에서 관련 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1은 바이폴러 플레이트의 평면도이다.
도 2는 2개의 멤브레인 전극 유닛 사이에 배치된, 본 발명에 따른 바이폴러 플레이트를 제1 실시예에 따라 종방향으로 절단한 단면도(C-C)이다.
도 3은 도 2에 따른 바이폴러 플레이트를 횡방향으로 절단한 단면도(A-A)이다.
도 4는 도 2에 따른 바이폴러 플레이트를 횡방향으로 절단한 단면도(B-B)이다.
도 5는 도 2에 따른 바이폴러 플레이트를 횡방향으로 절단한 단면도(A-A)이다.
도 6은 도 2에 따른 바이폴러 플레이트를 횡방향으로 절단한 단면도(B-B)이다.
도 7은 2개의 멤브레인 전극 유닛 사이에 배치된 본 발명에 따른 바이폴러 플레이트를 제2 실시예에 따라 종방향으로 절단한 단면도(C-C)이다.
도 8은 도 7에 따른 바이폴러 플레이트를 횡방향으로 절단한 단면도(A-A)이다.
도 9는 도 7에 따른 바이폴러 플레이트를 횡방향으로 절단한 단면도(B-B)이다.
도 10은 도 7에 따른 바이폴러 플레이트를 횡방향으로 절단한 단면도(A-A)이다.
도 11은 도 7에 따른 바이폴러 플레이트를 횡방향으로 절단한 단면도(B-B)이다.
도 12는 2개의 멤브레인 전극 유닛 사이에 배치된 본 발명에 따른 바이폴러 플레이트를 제3 실시예에 따라 종방향으로 절단한 단면도(C-C)이다.
도 13은 도 12에 따른 바이폴러 플레이트를 횡방향으로 절단한 단면도(A-A)이다.
도 14는 도 12에 따른 바이폴러 플레이트를 횡방향으로 절단한 단면도(B-B)이다.
도 15는 제4 실시예에 따라 바이폴러 플레이트를 횡방향으로 절단한 단면도(A-A)이다.
도 16은 도 12의 바이폴러 플레이트를 제4 실시예에 따라 횡방향으로 절단한 단면도(B-B)이다.
도 1은 본 발명에 따른 직사각형 바이폴러 플레이트(10)의 평면도이다.
바이폴러 플레이트(10)는 활성 영역(AA) 및 비활성 영역(IA)으로 세분된다. 활성 영역(AA)은, 이 영역에서 연료 전지 반응이 일어나는 것을 특징으로 한다. 비활성 영역(IA)은 각각 공급 영역(SA) 및 분배 영역(DA)으로 세분되며, 이 경우 분배 영역(DA)은 공급 영역(SA)을 활성 영역(AA)과 연결한다.
공급 영역(SA) 내부에는, 애노드 가스, 다시 말해 연료, 예를 들어 수소를 공급하기 위한 애노드 유입 개구(11)가 제공된다. 다른 공급 영역(SA)에 있는 애노드 배출 개구(12)는, 활성 영역(AA)의 과류(overflow)에 따른 애노드 폐가스를 배출시키는 데 이용된다. 제1 공급 영역(SA) 내에 있는 캐소드 유입 개구(13)는, 특히 산소 또는 산소 함유 혼합물, 바람직하게는 공기인 캐소드 가스를 공급하기 위해서 이용된다. 캐소드 배출 개구(14)는, 활성 영역(AA)의 과류에 따른 캐소드 폐가스를 다른 공급 영역(SA)에서 배출하기 위해서 이용된다. 냉각제 유입 개구(15)는 냉각제의 공급을 위해서 이용되고, 냉각제 배출 개구(16)는 냉각제를 상이한 공급 영역들(SA)로 유도 방출하기 위해서 이용된다.
도 1에 도시된 바이폴러 플레이트(10)는, 도면에서 보이는 캐소드 측(17) 및 도면에서 보이지 않는 애노드 측(18)을 구비하며, 이 경우 바이폴러 플레이트(10)는 서로 결합된 애노드 플레이트(19) 및 캐소드 플레이트(20)로 구성되어 있다. 도면에 도시된 캐소드 측(17)에서는, 캐소드 유입 개구(13)를 캐소드 배출 개구(14)와 연결하는 개방된 덕트 형상의 채널 구조물로서 캐소드 가스 채널(21)이 형성되어 있다. 그와 마찬가지로, 본 도면에서 보이지 않는 애노드 측(18)은, 애노드 유입 개구(11)를 애노드 배출 개구(12)와 연결하는 상응하는 애노드 가스 채널(22)을 구비한다. 애노드 가스 채널(22)도 개방된 덕트 형상의 채널 구조물로서 형성되어 있다. 바이폴러 플레이트(10) 내에서 애노드 플레이트(19)와 캐소드 플레이트(20) 사이에는, 냉각제 유입 개구(15)를 냉각제 배출 개구(16)와 연결하는 밀봉된 냉각제 채널(23)이 연장된다. 도 1에서 밀봉부(24)가 파선으로 표시되어 있다.
도 2는, 도 1에 따른 바이폴러 플레이트(10)의 종단면도(C-C)이며, 이 종단면도의 패턴은 도 3에 도시되어 있다. 도 3 및 도 4에는, 바이폴러 플레이트(10)의 활성 영역(AA)의 제1 측(26, 유입 측) 또는 제2 측(27, 배출 측)을 보여주는 바이폴러 플레이트(10)의 횡단면(A-A 및 B-B)이 도시되어 있다.
바이폴러 플레이트(10)의 캐소드 측(17) 및 애노드 측(18)에는 멤브레인 전극 유닛(25)이 배치되어 있다. 애노드 가스 채널(22), 캐소드 가스 채널(21) 및 냉각제 채널(23)은, 이미 도 1에 대하여 설명된 바와 같이, 활성 영역(AA)에 걸쳐서 또는 활성 영역(AA)의 제1 측(26)으로부터 활성 영역(AA)의 제2 측(27)으로 연장되며, 이 경우 냉각제 채널(23)은 애노드 플레이트(19) 및 캐소드 플레이트(20) 내에 있는 부분 냉각제 채널들(23a, 23b)로 형성된다. 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트(19, 20)의 프로파일링된 측부들, 그리고 부분 냉각제 채널(23a, 23b)이 제공되어 있는, 상기 플레이트들의 서로를 향하는 측부들(28, 29)은 동일 평면상에 형성되어 있다.
애노드 가스 채널(22)의 높이(H)는, 활성 영역(AA)의 제1 측(26)으로부터 제2 측(27)의 방향으로 감소한다. 그와 달리, 캐소드 가스 채널(21)의 높이(H)는, 활성 영역(AA)의 제1 측(26)으로부터 제2 측(27)의 방향으로 증가한다. 그와 달리, 냉각제 채널(23)은 일정한 횡단면적 및/또는 일정한 수력 직경으로 활성 영역(AA)에 걸쳐 연장되고, 이 경우 애노드 가스 채널 및 캐소드 가스 채널(21, 22)에 대한 간격이 일정하며, 이 경우 부분 냉각제 채널(23a)은 애노드 플레이트(19) 내에서 확대되는 부분 횡단면적 및/또는 수력 직경을 갖는다. 이러한 구성이 캐소드 플레이트(20)의 경우에는 정확하게 반대로 형성된다.
도 5 및 도 6은, 도 2 내지 도 4에 따른 바이폴러 플레이트의 약간 변형된 일 실시예로서, 재차 활성 영역(AA)의 제1 측(26, 유입 측) 또는 제2 측(27, 배출 측)을 보여주는 횡단면(A-A 및 B-B)을 보여주지만, 여기에는 멤브레인 전극 유닛들이 도시되어 있지 않다. 간소화된 제조 가능성을 위해, 애노드 가스 채널(22) 및 캐소드 가스 채널(21) 그리고 냉각제 채널(23)은 직사각형으로 형성되지 않고, 오히려 90°보다 작은 측면 각을 갖는 홈통 형상으로 형성되어 있다. 또한, 본 실시예에서는, 부분 냉각제 채널(23a)이 애노드 플레이트 또는 캐소드 플레이트(19, 20) 내에서 서로 다른 폭(B)을 갖는다. 활성 영역(AA)의 제1 측(26)의 영역에서는, 애노드 플레이트(19) 내에 있는 부분 냉각제 채널(23a)이 캐소드 플레이트(20) 내에 있는 부분 냉각제 채널보다 폭이 좁다. 제2 측(27)의 영역에서는 상황이 반대이며, 캐소드 플레이트(20)의 부분 냉각제 채널(23b)이 애노드 플레이트(19) 내에 있는 부분 냉각제 채널보다 폭이 좁다. 제1 측(26)과 제2 측(27) 사이에는 자연적으로 2개의 부분 냉각제 채널(23a, 23b)이 동일한 폭(B)을 갖는 영역이 존재한다.
도 7은 마찬가지로 바이폴러 플레이트(10)의 종단면도(C-C)를 도시하며, 이 종단면도의 패턴이 도 8에 도시되어 있다. 도 8 및 도 9에는, 바이폴러 플레이트(10)의 활성 영역(AA)의 제1 측(26, 유입 측) 또는 제2 측(27, 배출 측)을 보여주는 바이폴러 플레이트(10)의 횡단면(A-A 및 B-B)이 도시되어 있다.
도 2 내지 도 6에 도시된 실시예들과 달리, 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트(19, 20)의 프로파일링된 측부들은 동일 평면상에 있지만, 부분 냉각제 채널(23a, 23b)이 제공되어 있는, 서로를 향하는 측부들(28, 29)은 동일 평면상에 있지 않다. 서로를 향하는 측부들(28, 29)은 애노드 가스 채널 및 캐소드 가스 채널에 대해 평행하게 연장된다. 이로 인해, 부분 냉각제 채널(23a, 23b)의 부분 횡단면적 및/또는 부분 수력 직경이 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트(19, 20) 내에서 변하지 않게 된다.
도 10 및 도 11은, 도 5 및 도 6과 마찬가지로, 90°보다 작은 측면 각을 갖는 홈통 형상의 애노드 가스 채널(22) 및 캐소드 가스 채널(21) 그리고 냉각제 채널(23)을 갖는, 도 7 내지 도 9에 따른 바이폴러 플레이트의 약간 변형된 실시예를 보여준다. 본 변형예에서는, 부분 냉각제 채널(23a, 23b)의 부분 냉각제 횡단면의 형상은 상이하지만, 횡단면적 및/또는 수력 직경은 일정하게 유지된다. 또한, 냉각제 채널(23)과, 인접하는 애노드 가스 채널(22) 및 캐소드 가스 채널(21) 사이에서의 재료 두께도 일정하다.
도 12는 재차 도 1에 따른 바이폴러 플레이트(10)의 종단면도(C-C)로서, 이 종단면도의 패턴은 도 13에 도시되어 있다. 도 13 및 도 14에는, 바이폴러 플레이트(10)의 활성 영역(AA)의 제1 측(26, 유입 측) 또는 제2 측(27, 배출 측)을 보여주는 바이폴러 플레이트(10)의 횡단면(A-A 및 B-B)이 도시되어 있다.
애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트(19, 20)의 프로파일링된 측부들과, 부분 냉각제 채널(23a, 23b)이 제공되어 있고 서로를 향하는 측부들(28, 29)이 동일 평면상에 형성되어 있다.
도시된 다른 실시예들과 달리, 냉각제 채널(23)이 애노드 가스 채널 및 캐소드 가스 채널(22, 21)에 대해 평행하게 정렬되어 있지 않고, 오히려 애노드 플레이트(19) 및 캐소드 플레이트(20)의 서로를 향하는 측부들(28, 29)에 대해 평행하게 정렬되어 있다.
도 15 및 도 16은, 애노드 가스 채널 및 캐소드 가스 채널(22, 21)의 폭(B)이 변하는 바이폴러 플레이트(10)의 일 실시예를 도시하며, 재차, 애노드 가스 채널(22)의 폭(B)이 활성 영역(AA)의 제1 측(26)으로부터 제2 측(27)의 방향으로 감소하는, 활성 영역(AA)의 제1 측(26, 유입 측) 또는 제2 측(27, 배출 측)을 보여준다. 그와 달리, 캐소드 가스 채널(21)의 폭(B)은 활성 영역(AA)의 제1 측(26)으로부터 제2 측(27)의 방향으로 증가한다. 그와 달리, 냉각제 채널(23)은 일정한 횡단면적 및/또는 일정한 수력 직경으로 활성 영역(AA)에 걸쳐 연장되고, 이 경우 애노드 가스 채널 및 캐소드 가스 채널(21, 22)에 대한 간격은 일정하며, 부분 냉각제 채널(23a)은 애노드 플레이트(19) 내에서 확대되는 부분 횡단면적 및/또는 부분 수력 직경을 갖는다. 이와 같은 상황이 캐소드 플레이트(20)의 경우에는 정확하게 반대로 형성되어 있다. 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트(19, 20)의 프로파일링된 측부들과, 부분 냉각제 채널(23a, 23b)이 제공되어 있고 서로를 향하는 측부들(28, 29)이 동일 평면상에 형성되어 있다.
애노드 가스 채널(22) 및 캐소드 가스 채널(21) 그리고 냉각제 채널(23)은 90°보다 작은 측면 각을 갖는 홈통 형상으로 형성되어 있다.
10: 바이폴러 플레이트
11: 애노드 유입 개구
12: 애노드 배출 개구
13: 캐소드 유입 개구
14: 캐소드 배출 개구
15: 냉각제 유입 개구
16: 냉각제 배출 개구
17: 캐소드 측
18: 애노드 측
19: 애노드 플레이트
20: 캐소드 플레이트
21: 캐소드 가스 채널
22: 애노드 가스 채널
23: 냉각제 채널
23a, 23b: 부분 냉각제 채널
24: 밀봉부
25: 멤브레인 전극 유닛
26: 제1 측
27: 제2 측
28, 29: 측부들
AA: 활성 영역(반응 영역, active area)
IA: 비활성 영역(inactive area)
SA: 공급 영역(supply area)
DA: 분배 영역(distribution area)
H: 높이
B: 폭

Claims (9)

  1. 하나의 활성 영역(AA); 그리고 상기 활성 영역(AA)으로 또는 상기 활성 영역(AA)으로부터 작동 매질을 공급 및 방출하기 위한 2개의 공급 영역(SA);을 각각 구비한 애노드 플레이트(19) 및 캐소드 플레이트(20)를 포함하는 연료 전지용 바이폴러 플레이트(10)로서, 상기 공급 영역(SA)이 각각 연료를 공급 또는 배출하기 위한 애노드 가스 포트(11, 12), 산화제를 공급 또는 배출하기 위한 캐소드 가스 포트(13, 14), 및 냉각제를 공급 또는 배출하기 위한 냉각제 포트(15, 16)를 구비하고, 상기 애노드 플레이트(19)가 애노드 가스 채널(22)을 구비하고, 상기 캐소드 플레이트(20)가 캐소드 가스 채널(21)을 구비하며; 상기 가스 채널들은 각각 개방된 덕트 형상의 채널 구조물로서 형성되고, 애노드 플레이트(19)와 캐소드 플레이트(20)가 서로 접경하는 측(28, 29)에서 양측 공급 영역(SA)의 냉각제 포트들(15, 16)을 연결하는 냉각제 채널들(23)을 형성하도록 상호 적층 배치되고 형성되는; 연료 전지용 바이폴러 플레이트(10)에 있어서,
    캐소드 가스 채널(21)의 높이(H) 및/또는 폭(B)은 활성 영역(AA)의 제1 측(26)으로부터 활성 영역(AA)의 제2 측(27)의 방향으로 증가하고, 애노드 가스 채널(22)의 높이(H) 및/또는 폭(B)은 활성 영역(AA)의 제1 측(26)으로부터 활성 영역(AA)의 제2 측(27)의 방향으로 감소하며, 이때 캐소드 가스 채널(21)의 횡단면적 및/또는 수력 직경은 증가하고, 애노드 가스 채널(22)의 횡단면적 및/또는 수력 직경은 감소하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 바이폴러 플레이트(10).
  2. 제1항에 있어서, 바이폴러 플레이트(10)가 직사각형인 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 바이폴러 플레이트(10).
  3. 제1항 및 제2항에 있어서, 애노드 플레이트(19)와 캐소드 플레이트(20)의 상호 먼 쪽을 향하는 측부들이 서로 동일 평면상에 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 바이폴러 플레이트(10).
  4. 제3항에 있어서, 애노드 플레이트(19)와 캐소드 플레이트(20)의 서로를 향하는 측부들은 동일 평면상에 있고, 애노드 플레이트(19) 및 캐소드 플레이트(20)의 상호 먼 쪽을 향하는 측부들에 대해 동일 평면상에 있을 수 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 바이폴러 플레이트(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각제 채널(23)의 횡단면적 및/또는 수력 직경이 활성 영역(AA) 내에서 일정한 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 바이폴러 플레이트(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각제 채널(23)의 횡단면적 및/또는 수력 직경이 활성 영역(AA)을 따라 동일한 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 바이폴러 플레이트(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 애노드 플레이트(19) 내에 형성된 부분 냉각제 채널(23a)의 부분 횡단면적 및/또는 부분 수력 직경은 활성 영역(AA)의 제1 측(26)으로부터 활성 영역(AA)의 제2 측(27)의 방향으로 증가하며, 캐소드 플레이트(20) 내에 형성된 부분 냉각제 채널(23b)의 부분 횡단면적 및/또는 부분 수력 직경은 감소하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 바이폴러 플레이트(10).
  8. 연료 전지 스택(10)이 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 바이폴러 플레이트(10)를 구비한 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(10).
  9. 제8항에 따른 연료 전지 스택(10)을 구비한 연료 전지 시스템(100)을 갖춘 차량.
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