KR20200106952A - 개선된 유체 유동 설계를 갖는 전기 화학 전지 - Google Patents
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Abstract
전기 화학 전지 스택은 길이 방향 축을 따라 적층되는 복수의 전기 화학 전지들을 갖는다. 전기 화학 전지들은
막 전극 조립체가 중간에 삽입되는 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트를 갖는 막 전극 조립체를 포함한다. 상기 전기 화학 전지들은 또한 막 전극 조립체가 중간에 삽입되는 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트를 포함하며, 상기 애노드 플레이트는 상기 애노드 촉매층과 마주하는 애노드 유동장을 형성하는 복수의 채널들을 한정한다. 상기 전기 화학 전지는 상기 캐소드 플레이트와 상기 캐소드 촉매층 사이에 위치하는 캐소드 유동장을 추가로 포함하며, 상기 캐소드 유동장은 다공성 구조체를 포함한다.
Description
본 출원은 2018년 1월 17일자로 출원되고 그 전문이 참조로 포함된 미국 가출원 제62/618,221호의 이익을 청구한다.
본 발명은 전기 화학 전지에 관한 것이며, 특히 개선된 유체 유동 설계를 갖는 전기 화학 전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지 또는 전기 분해 전지로서 분류되는 전기 화학 전지는 화학 반응으로부터 전류를 발생시키거나 또는 전류의 흐름을 이용하여 화학 반응을 유도하기 위해 사용되는 디바이스들이다. 예를 들어, 연료 전지는 연료(예를 들면, 수소, 천연 가스, 메탄, 가솔린 등) 및 산화제(공기 또는 산소)의 화학적 에너지를 전기 및 열과 물의 폐기물로 변환한다. 기본 연료 전지는 음전하 애노드, 양전하 캐소드, 및 전해질로 불리우는 이온-전도성 물질을 포함한다.
상이한 연료 전지 기술들이 상이한 전해질 물질들을 사용한다. 양성자 교환막(PEM) 연료 전지는 예를 들면 전해질로서 중합체 이온-전도성 막을 사용한다. 수소 PEM 연료 전지에서, 수소 원자들은 애노드에서 전기 화학적으로 전자와 양성자(수소 이온)로 분할된다. 다음에, 전자는 회로를 통해 캐소드로 유동하고 전기를 발생시키는 반면, 양성자는 상기 전해질막을 통해 캐소드로 확산된다. 캐소드에서, 수소 양성자는 전자 및 (상기 캐소드로 공급된) 산소와 결합하여 물과 열을 생성한다.
전기 분해 전지는 역으로 작동되는 연료 전지를 나타낸다. 기본적인 전기 분해 전지는 외부 전위가 제공될 때 물을 수소와 산소 가스로 분해함으로써 수소 발생기로서 기능한다. 수소 연료 전지 또는 전기 분해 전지의 기본적인 기술은, 전기 화학적 수소 압축, 정제 또는 확장과 같은, 전기 화학적 수소 조작에 적용될 수 있다. 전기 화학적 수소 조작은 수소 관리를 위해 전통적으로 사용되는 기계적 시스템에 대한 실행 가능한 대안으로서 대두되어 왔다. 에너지 캐리어로서의 수소의 성공적인 상용화 및 "수소 경제"의 장기 지속 가능성은 연료 전지, 전기 분해 전지 및 기타 수소 조작/관리 시스템의 효율성 및 비용 효율성에 크게 좌우된다.
작업에 있어서, 단일 연료 전지는 일반적으로 약 1볼트를 발생시킬 수 있다. 원하는 양의 전력을 얻기 위하여, 개별 연료 전지들이 연료 전지 스택을 형성하도록 결합되며, 이 경우 연료 전지들은 함께 순차적으로 적층된다. 각각의 연료 전지는 캐소드, 전해질막, 및 애노드를 포함할 수 있다. 캐소드/막/애노드 조립체는 일반적으로 양극판들에 의해 양쪽 측면들 상에 지지되는 "막 전극 조립체" 또는 "MEA"를 구성한다. 반응 가스 또는 연료(예를 들어, 수소) 및 산화제(예를 들어, 공기 또는 산소)는 유동장(flow field)을 통해 MEA의 전극들에 공급된다. 기계적인 지지를 제공하는데 더하여, 상기 양극판들(또한 유동장 플레이트 또는 분리기 플레이트로서 공지됨)은 그들을 전기적으로 접속하고 있는 동안 스택에서 개별 전지들을 물리적으로 분리시킨다. 대표적으로 연료 전지 스택은 상기 연료 및 산화제를 각각 애노드 및 캐소드 유동장으로 지향시키기 위한 매니폴드들 및 입구 포트들을 포함한다. 연료 전지 스텍은 또한 과도한 연료 및 산화제를 추출시키기 위한 방출 매니폴드들 및 출구 포트들을 포함한다. 연료 전지 스택은 또한 연료 전지 스택에 의해 발생되는 열의 추출을 돕기 위해 냉각제 유체를 순환시키기 위한 매니폴드들을 포함할 수 있다.
연료 전지들에 있어서, 사용된 MEA의 활성 영역을 최대화하기 위해 유동장 전체에 걸쳐 연료 및 산화제의 완전하고 균일한 분배를 갖는 것이 바람직하며, 이는 전체 성능을 향상시킨다. 그러나, 종래 기술의 연료 전지 설계는 균일하고 완전한 분배를 성취하는데 어려움을 겪는다. 추가적으로, 연료 및 산화제의 유동 경로를 따라 과도한 압력 강하를 발생시키지 않는 것이 바람직하며, 그렇지 않으면 연료 전지 스택에 의해 발생된 전기 에너지의 일부를 소비하고 연료 전지 스택의 전체 효율을 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 연료 전지의 유동 설계를 개선하기 위한 지속적인 도전이 존재한다.
연료 전지 스택의 전체 성능 및 전력 밀도를 개선하기 위한 다른 방법은 연료 전지 스택의 인접한 셀들 사이의 피치(즉, 간격) 및/또는 셀들의 두께를 감소시키는 것일 수 있다. 전지 두께는 예를 들면 각각의 개별 연료 전지의 유동장들의 두께를 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나, 이는 연료 전지 스택의 압축에 의해 야기되는 유동 경로의 감소로 인해 연료 및 산화제 유동 경로를 따라 과도한 압력 강하를 생성하지 않으면 달성하기 어려울 수 있으며, 이는 연료 전지 스택 상의 부하를 증가시킬 수 있다.
상술된 상항들을 고려하여, 본 발명은 개선된 유동 설계, 개선된 성능 및 전력 밀도를 갖는 연료 전지 및 연료 전지 스택 설계를 지향한다.
일 양태에 있어서, 본 발명은 길이 방향 축을 따라 적층되는 복수의 전기 화학 전지들을 갖는 전기 화학 전지 스택을 지향한다. 상기 전기 화학 전지는 각각 캐소드 촉매층, 애노드 촉매층, 및 상기 캐소드 촉매층과 상기 애노드 촉매층 사이에 삽입되는 중합체 막을 포함하는 막 전극 조립체를 포함할 수 있다. 상기 전기 화학 전지들은 각각 상기 막 전극 조립체가 중간에 삽입되는 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트로서, 상기 애노드 플레이트는 상기 애노드 촉매층을 향한 애노드 유동장을 형성하는 복수의 채널들을 한정하는, 상기 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트를 추가로 포함할 수 있다. 상기 전기 화학 전지들은 또한 상기 캐소드 플레이트와 상기 캐소드 촉매층 사이에 위치하는 캐소드 유동장으로서, 다공성 구조체를 포함하는 상기 캐소드 유동장을 각각 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 각각의 전기 화학 전지는 애노드 공급 매니폴드, 캐소드 방출 매니폴드, 및 냉각제 방출 매니폴드를 포함하는 제 1 매니폴드 섹션과, 애노드 방출 매니폴드, 캐소드 공급 매니폴드, 및 냉각제 공급 매니폴드를 포함하는 제 2 매니폴드 섹션을 추가로 포함할 수 있다. 상기 냉각제 방출 매니폴드는 상기 애노드 공급 매니폴드와 상기 캐소드 방출 매니폴드 사이에 위치될 수 있으며, 상기 냉각제 공급 매니폴드는 상기 애노드 방출 매니폴드와 상기 캐소드 공급 매니폴드 사이에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 캐소드 방출 매니폴드는 상기 냉각제 방출 매니폴드의 한 측면 상에 놓일 수 있으며 상기 애노드 공급 매니폴드는 상기 냉각제 방출 매니폴드의 반대측 측면 상에 놓일 수 있는 반면, 상기 캐소드 공급 매니폴드는 상기 냉각제 공급 매니폴드의 우측에 놓이며 상기 애노드 방출 매니폴드는 상기 냉각제 공급 매니폴드의 좌측에 놓인다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 애노드 유동장을 통한 상기 애노드 공급 매니폴드와 상기 애노드 방출 매니폴드 사이의 유체 유동은 상기 캐소드 유동장을 통한 상기 캐소드 방출 매니폴드와 상기 캐소드 공급 매니폴드 사이의 유체 유동과 교차 및 역류한다. 일부 실시예들에 있어서, 각각의 전기 화학 전지는 제 1 애노드 공급 매니폴드, 제 2 애노드 공급 매니폴드, 제 1 캐소드 방출 매니폴드, 제 2 캐소드 방출 매니폴드, 제 1 냉각제 방출 매니폴드, 및 제 2 냉각제 방출 매니폴드를 포함하는 제 1 매니폴드 섹션과, 제 1 애노드 방출 매니폴드, 제 2 애노드 공급 매니폴드, 제 1 캐소드 공급 매니폴드, 제 2 캐소드 공급 매니폴드, 제 1 냉각제 공급 매니폴드 및 제 2 냉각제 공급 매니폴드를 포함하는 제 2 매니폴드 섹션을 추가로 포함할 수 있다. 상기 제 1 냉각제 방출 매니폴드는 상기 제 1 애노드 공급 매니폴드와 상기 제 1 캐소드 방출 매니폴드 사이에 위치될 수 있으며, 상기 제 2 냉각제 방출 매니폴드는 상기 제 2 애노드 공급 매니폴드와 상기 제 2 캐소드 방출 매니폴드 사이에 위치될 수 있다. 상기 제 1 냉각제 공급 매니폴드는 상기 제 1 애노드 방출 매니폴드와 상기 제 1 캐소드 공급 매니폴드 사이에 위치될 수 있으며, 상기 제 2 냉각제 공급 매니폴드는 상기 제 2 애노드 방출 매니폴드와 상기 제 2 캐소드 공급 매니폴드 사이에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 애노드 유동장을 통한 상기 제 1 및 제 2 애노드 공급 매니폴드들과 상기 제 1 및 제 2 애노드 방출 매니폴드들 사이의 유체 유동은 상기 캐소드 유동장을 통한 상기 제 1 및 제 2 캐소드 방출 매니폴드들과 상기 제 1 및 제 2 캐소드 공급 매니폴드들 사이의 유체 유동과 교차 및 역류할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 애노드 플레이트 및 상기 캐소드 플레이트의 우측 반부 및 좌측 반부는 이등분선을 가로질러 반대 방향으로서 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 캐소드 방출 매니폴드의 영역은 상기 냉각제 방출 매니폴드보다 크고, 상기 냉각제 매니폴드의 영역은 상기 애노드 공급 매니폴드의 영역보다 클 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 각각의 전기 화학 전지는 상기 막 전극 조립체의 각각의 측면에 인접하여 위치되는 가스 확산층을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 구조체는 적어도 니켈 및 크롬을 포함한다. 상기 다공성 구조체는 60 질량% 내지 80 질량%의 니켈 농도와 20 질량% 내지 40 질량%의 크롬 농도를 포함할 수 있으며, 상기 다공성 구조체의 적어도 하나의 표면은 약 3 질량% 내지 약 50 질량%의 크롬 농도를 포함할 수 있다. 상기 다공성 구조체는 약 3% 내지 약 6%의 크롬 농도, 약 10% 내지 약 20%의 주석 농도, 및 약 74% 내지 약 87%의 니켈 농도를 포함할 수 있다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 길이 방향 축을 따라 적층되는 복수의 전기 화학 전지들을 갖는 전기 화학 전지 스택을 지향한다. 상기 전기 화학 전지들은 각각 캐소드 촉매층, 애노드 전극층, 및 상기 캐소드 촉매층과 상기 애노드 촉매층 사이에 삽입되는 중합체 막을 포함하는 막 전극 조립체를 포함할 수 있다. 상기 전기 화학 전지들은 각각 상기 막 전극 조립체가 중간에 삽입되는 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트로서, 상기 애노드 플레이트는 상기 애노드 촉매층을 향한 애노드 유동장을 형성하는 복수의 채널들을 한정하는, 상기 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트를 추가로 포함할 수 있다. 상기 전기 화학 전지들은 또한 상기 캐소드 프레이트와 상기 캐소드 촉매층 사이에 위치하는 캐소드 유동장을 포함할 수 있으며, 상기 캐소드 유동장은 다공성 구조체를 포함하며, 상기 캐소드 플레이트는 상기 다공성 구조체의 측면들을 따라 한쌍의 캐소드 유동장 경계부들을 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 한쌍의 캐소드 유동장 경계부들은 상기 캐소드 플레이트로부터 상기 막 전극 조립체로 연장되며, 산화제가 상기 캐소드 유동장 주위로 유동하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 캐소드 유동장 경계부들 사이의 거리는 상기 캐소드 유동장의 폭과 거의 같을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 캐소드 유동장 경계부들은 상기 캐소드 플레이트로부터 상기 캐소드 유동장의 깊이와 동일한 깊이로 돌출할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 캐소드 유동장 경계부들은 일반적으로 장방형 형상일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 각각의 전기 화학 전지는 상기 막 전극 조립체의 각각의 측면에 인접하여 위치되는 가스 확산층을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 조립체는 적어도 니켈 및 크롬을 포함한다. 상기 다공성 구조체는 60 질량% 내지 80 질량%의 니켈 농도와 20 질량% 내지 40 질량%의 크롬 농도를 포함하며, 상기 다공성 구조체의 적어도 하나의 표면은 약 3 질량% 내지 약 50 질량%의 크롬 농도를 포함한다 상기 다공성 구조체는 약 3% 내지 약 6%의 크롬 농도, 약 10% 내지 약 20%의 주석 농도, 및 약 74% 내지 약 87%의 니켈 농도를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 구조체의 제 1 표면은 반대측 제 2 표면보다 높은 크롬 농도를 갖는다. 상기 제 1 표면은 약 3 질량% 내지 약 50 질량%의 크롬 농도를 가질 수 있으며, 상기 제 2 표면은 약 3 질량% 미만의 크롬 농도를 갖는다. 상기 다공성 구조체의 제 1 표면은 상기 막 전극 조립체와 마주할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 각각의 전지의 상기 캐소드 플레이트는 코팅되지 않은 스테인레스강으로 제조될 수 있다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 캐소드 촉매층, 애노드 전극층, 및 상기 캐소드 촉매층과 상기 애노드 촉매층 사이에 삽입되는 중합체 막을 포함하는 막 전극 조립체를 갖는 전기 화학 전지를 지향한다. 상기 전기 화학 전지는 또한 상기 막 전극 조립체가 중간에 삽입되는 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트로서, 상기 애노드 플레이트는 상기 애노드 촉매층을 향한 애노드 유동장을 형성하는 복수의 채널들을 한정하는, 상기 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트를 가질 수 있다. 상기 전기 화학 전지는 상기 캐소드 프레이트와 상기 캐소드 촉매층 사이에 위치하는 캐소드 유동장을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 캐소드 유동장은 다공성 구조체를 포함한다.
상술된 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명은 단지 예시적이고 설명적인 것이며, 청구된 바와 같은 본 발명을 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 개시의 실시예들을 기술과 함께 설명하고, 본 개시의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른, 함께 적층된 복수의 전기 화학 전지들(예를 들면, 연료 전지)의 측면 개략도.
도 2는 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 인접한 연료 전지들의 일부에 대한 부분 분해 측면 사시도.
도 3은 예시적인 실시예에 따른, 연료 전지를 통한 연료의 유동 경로를 설명하는 도 2의 측면 사시도.
도 4는 예시적인 실시예에 따른, 연료 전지를 통한 산화제의 유동 경로를 설명하는 도 2의 측면 사시도.
도 5는 예시적인 실시예에 따른, 인접한 연료 전지들을 통한 냉각제 유체의 유동 경로를 설명하는 도 2의 측면 사시도.
도 6은 예시적인 실시예에 따른, 도 2의 애노드 플레이트의 정면도.
도 7a는 도 6의 일부에 대한 확대도.
도 7b는 예시적인 실시예에 따른, 연료 전지의 일부에 대한 개략 단면도.
도 8a는 도 6의 일부에 대한 확대도.
도 8b는 도 8a의 일부에 대한 개략 단면도.
도 9는 예시적인 실시예에 따른, 연료 전지의 개략 단면도.
도 10은 예시적인 실시예에 따른, 도 2의 캐소드 플레이트의 정면도.
도 11a는 예시적인 실시예에 따른, 도 2의 캐소드 유동장에 대한 정면도.
도 11b는 예시적인 실시예에 따른, 캐소드 유동장의 다른 실시예에 대한 정면도.
도 11c는 예시적인 실시예에 따른, 캐소드 유동장의 다른 실시예에 대한 정면도.
도 11d는 예시적인 실시예에 따른, 도 11c의 A-A 단면에 따른 단면도.
도 11e는 예시적인 실시예에 따른, 도 11c의 B-B 단면에 따른 단면도.
도 11f는 예시적인 실시예에 따른, 캐소드 유동장의 다른 실시예에 대한 정면도.
도 12는 예시적인 실시예에 따른, 인접한 연료 전지들의 일부에 대한 측면 사시도.
도 13은 예시적인 실시예에 따른, 도 12의 애노드 플레이트에 대한 정면도.
도 14는 예시적인 실시예에 따른, 도 12의 캐소드 플레이트에 대한 정면도.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 도 12의 캐소드 유동장에 대한 정면도.
도 1은 예시적인 실시예에 따른, 함께 적층된 복수의 전기 화학 전지들(예를 들면, 연료 전지)의 측면 개략도.
도 2는 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 인접한 연료 전지들의 일부에 대한 부분 분해 측면 사시도.
도 3은 예시적인 실시예에 따른, 연료 전지를 통한 연료의 유동 경로를 설명하는 도 2의 측면 사시도.
도 4는 예시적인 실시예에 따른, 연료 전지를 통한 산화제의 유동 경로를 설명하는 도 2의 측면 사시도.
도 5는 예시적인 실시예에 따른, 인접한 연료 전지들을 통한 냉각제 유체의 유동 경로를 설명하는 도 2의 측면 사시도.
도 6은 예시적인 실시예에 따른, 도 2의 애노드 플레이트의 정면도.
도 7a는 도 6의 일부에 대한 확대도.
도 7b는 예시적인 실시예에 따른, 연료 전지의 일부에 대한 개략 단면도.
도 8a는 도 6의 일부에 대한 확대도.
도 8b는 도 8a의 일부에 대한 개략 단면도.
도 9는 예시적인 실시예에 따른, 연료 전지의 개략 단면도.
도 10은 예시적인 실시예에 따른, 도 2의 캐소드 플레이트의 정면도.
도 11a는 예시적인 실시예에 따른, 도 2의 캐소드 유동장에 대한 정면도.
도 11b는 예시적인 실시예에 따른, 캐소드 유동장의 다른 실시예에 대한 정면도.
도 11c는 예시적인 실시예에 따른, 캐소드 유동장의 다른 실시예에 대한 정면도.
도 11d는 예시적인 실시예에 따른, 도 11c의 A-A 단면에 따른 단면도.
도 11e는 예시적인 실시예에 따른, 도 11c의 B-B 단면에 따른 단면도.
도 11f는 예시적인 실시예에 따른, 캐소드 유동장의 다른 실시예에 대한 정면도.
도 12는 예시적인 실시예에 따른, 인접한 연료 전지들의 일부에 대한 측면 사시도.
도 13은 예시적인 실시예에 따른, 도 12의 애노드 플레이트에 대한 정면도.
도 14는 예시적인 실시예에 따른, 도 12의 캐소드 플레이트에 대한 정면도.
도 15는 예시적인 실시예에 따른, 도 12의 캐소드 유동장에 대한 정면도.
이제 본 개시의 예시적인 실시예들에 대한 상세한 참조가 제공될 것이며, 그 예들은 첨부 도면들에 설명되어 있다. 가능하다면, 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 도면 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호가 사용될 것이다. 비록 전기 화학 전지, 특히 수소, 산소 및 물을 채용한 연료 전지에 관해 설명되었을지라도, 본 개시의 장치 및 방법에는 전기 분해 전지, 수소 정화기, 수소 팽창기 및 수소 압축기를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 유형의 연료 전지 및 전기 화학 전지가 채용될 수 있는 것으로 이해된다.
명세서 전반에 걸쳐, "일반적으로 평행" 및 "일반적으로 수직"이라는 용어는 축, 평면 또는 다른 성분에 관한 하나 이상의 성분들의 배열을 설명하기 위해 사용될 수 있다. "일반적으로 평행" 또는 "일반적으로 수직"으로 배열을 설명할 때 허용될 수 있는 평행 및 수직으로부터의 오프셋 각도는 변할 수 있다. 허용 가능한 오프셋은, 예를 들면, 약 10도 미만의 오프셋, 약 5도 미만의 오프셋 및 약 3도 미만의 오프셋, 약 2도 미만의 오프셋, 및 약 1도 미만의 오프셋과 같은, 약 20도 미만의 오프셋일 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른, 복수의 전기 화학 전지들, 예를 들면, 연료 전지 스택(11)의 적어도 일부를 형성하기 위해 길이 방향 축(5)을 따라 함께 적층되는 연료 전지들(10)에 대한 개략 측면도이다. 연료 전지(10)는 본 명세서에서 또한 캐소드로서도 언급될 수 있는 캐소드 촉매층(12), 본 명세서에서 또한 애노드로서도 언급될 수 있는 애노드 촉매층(14), 및 캐소드 촉매층(12)과 애노드 촉매층(14) 사이에 삽입되는 양성자 교환막(PEM)(16)을 포함할 수 있으며, 이들은 집합적으로 막 전극 조립체(MEA)(18)로서 언급될 수 있다. PEM(16)은 순수 중합체, 또는, 예를 들면, 실리카, 헤테로폴리산, 층상 금속 포스페이트, 포스페이트 및 지르코늄 포스페이트와 같은 다른 물질이 중합체 매트릭스에 매립될 수 있는 복합 막을 포함할 수 있다. PEM(16)은 전자를 전도하지 않으면서 양성자에 대해 투과성일 수 있다. 캐소드 촉매층(12) 및 애노드 촉매층(14)은 촉매를 함유하는 다공성 탄소 전극들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 백금, 백금-코발트 합금, 비-PGM와 같은 촉매 물질은 산소 및 연료의 반응을 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 캐소드 촉매층(12) 및 애노드 촉매층(14)은 약 1㎛의 평균 기공 크기를 가질 수 있다.
연료 전지(10)는 2개의 양극판들, 예를 들면, 캐소드 플레이트(20) 및 애노드 플레이트(22)를 포함할 수 있다. 캐소드 플레이트(20)는 캐소드 촉매층(12)에 인접하여 위치될 수 있으며, 애노드 플레이트(22)는 애노드 촉매층(14)에 인접하여 위치될 수 있다. MEA(18)가 캐소드 플레이트(20)와 애노드 플레이트(22) 사이에 삽입되고 밀폐될 수 있다. 캐소드 격실(19)이 MEA(18)와 캐소드 플레이트(20) 사이에 형성될 수 있으며, 애노드 격실(21)이 MEA(18)와 애노드 플레이트(22) 사이에 형성될 수 있다. 캐소드 플레이트(20)와 애노드 플레이트(22)는 집전 장치들로서 작용할 수 있고, 연료 및 산화제를 위한 접근 유동 경로를 각각의 전극 표면들(예를 들어, 애노드 촉매층(14) 및 캐소드 촉매층(12))에 제공할 수 있으며, 또한 연료 전지(10)의 작동 중에 형성된 물의 제거를 위한 유동 경로를 제공한다. 캐소드 플레이트(20) 및 애노드 플레이트(22)는 또한 냉각제 유체(예를 들면, 물, 글리콜 또는 물 글리콜 혼합물)를 위한 유동 경로들을 형성할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지들(10)에 인접하는 캐소드 플레이트(20)와 애노드 플레이트(22) 사이에는 냉각 격실(23)이 형성될 수 있으며, 이는 인접하는 연료 전지들(10) 사이에서 냉각제 유체를 순환시키도록 구성된다. 연료 전지들(10)에 의해 발생되는 열은 상기 냉각제 유체로 전달될 수 있으며, 상기 냉각제 유체의 순환에 의해 멀리 운반될 수 있다. 캐소드 플레이트(20) 및 애노드 플레이트(22)는 예를 들어 알루미늄, 강, 스테인레스강, 티타늄, 구리, Ni-Cr 합금, 흑연 또는 임의의 다른 적절한 전기 전도성 재료로 제조될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 예를 들면 도 1에 설명된 바와 같이, 연료 전지(10)는 또한 MEA(18)의 각 측면 상의 연료 전지(10) 내에 전기-전도성 가스 확산층들(예를 들면, 캐소드 가스 확산층(24) 및 애노드 가스 확산층(26))을 포함할 수 있다. 가스 확산층(24, 26)은 전지 내로 가스 또는 유체를 전달하게 하는 확산 매체로서 작용할 수 있으며, 캐소드 플레이트(20), 애노드 플레이트(22) 및 MEA(18) 사이에 전기 전도를 제공하며, 연료 전지(10)로부터 열 및 처리수의 제거를 도우며, 또한 일부의 경우 PEM(16)에 기계적 지지를 제공한다. 가스 확산층(24, 26)은 PEM(16)을 향한 측면들 상에 코팅된 애노드 촉매층(14) 및 캐소드 촉매층(12)을 갖는 직포 또는 부직포 탄소 직물을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 캐소드 촉매층(12) 및 애노드 촉매층(14)은 인접한 GDL(24, 26) 또는 PEM(16) 상에 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스 확산층들(24, 26)은 약 10㎛의 평균 기공 크기를 가질 수 있다.
연료 전지(10)는 추가로 MEA(18)의 각 측면 상에 위치되는 유동장들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지(10)는 캐소드 플레이트(20)와 GDL(24) 사이에 위치되는 다공성 구조체를 포함할 수 있는 캐소드 유동장(28), 및 애노드 플레이트(22)에 의해 형성될 수 있는 애노드 유동장(30)을 포함할 수 있으며, 이에 대하여는 다음에 추가로 설명된다. 상기 유동장들은 MEA(18)의 각 측면 상의 연료 및 산화제가 MEA(18)를 통해 유동하여 MEA(18)에 도달하도록 구성될 수 있다. 이들 유동장들은 연료 전지(10)의 고성능을 성취하기 위해 캐소드 및 애노드 촉매층들(12, 14)로의 연료 및 산화제의 균일한 분배를 용이하게 하는 것이 바람직하다. GDL(24)는 캐소드 캐소드 유동장(28)으로부터의 촉매층(12)의 기계적 보호를 제공할 수 있다.
비록 도 1에서 오직 하나의 연료 전지(10)만이 캐소드 촉매층(12), 애노드 촉매층(14), 양성자 교환막(16), 막 전극 조립체(MEA)(18), 캐소드 격실(19), 캐소드 플레이트(20), 애노드 격실(21), 애노드 플레이트(22), 냉각제 격실(23), 가스 확산층(24), 가스 확산층(26), 캐소드 유동장(28) 및 애노드 유동장(30)에 대한 참조 도면 부호들을 포함할지라도, 스택(11)의 다른 연료 전지들(10)은 동일한 요소들을 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
연료 전지 스택(11)은 또한 연료 전지들(10)의 일련의 적층된 캐소드 플레이트들(20) 및 애노드 플레이트들(22)에 의해 한정되는 길이 방향 축(5)을 따라 연장하는 복수의 유체 매니폴드들(31A, 31B)을 포함할 수 있다. 유체 매니폴드들(31A, 31B)은 각 연료 전지(10)의 MEA(18)로 연료(예를 들면, 수소) 및 산화제(예를 들면, 산소)를 공급하고, 각 연료 전지의 MEA(18)로부터 반응 부산물들(예를 들어, 미반응 연료, 미반응 산화제 및 물)을 방출하도록 구성될 수 있다. 유체 매니폴드들(31A, 31B)은 또한 냉각제 격실(23)을 통해 냉각제 유체를 공급 및 방출하도록 구성될 수 있다. 유체 매니폴드들(31A, 31B), 캐소드 격실들(19), 애노드 격실들(21), 및 냉각제 격실들(23)을 통한 유동 방향은 변할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 상기 매니폴드들 및 격실들을 통한 유동은 동시적일 수 있는 반면, 다른 실시예들에 있어서, 유동 경로들 중 하나 이상은 역류될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 애노드 격실(21)을 통한 연료의 유동은 캐소드 격실들(19)을 통한 산화제의 유동과 반대 방향일 수 있다. 유체 매니폴드들(31A, 31B)은 경로들 및 포트들을 통해 MEA(18)에 유체적으로 연결될 수 있다. 특정 매니폴드, 경로 및 포트들이 본 명세서에서 "공급" 또는 "방출" 및 "입구" 또는 "출구"에 의해 식별될 수 있지만, 이와 같은 명칭들은 유동 방향에 기초하여 결정될 수 있으며, 유동 방향은 전환될 수 있음을 이해해야 한다. 유동 방향의 변경은 이와 같은 명칭들을 변경시킬 수 있다.
도 2는 인접하는 연료 전지들(10)의 일부를 부분적으로 분해한 측면 사시도를 나타낸다. 예를 들어, 도 2는 하나의 연료 전지(10)의 MEA(18), GDL(24) 및 애노드 플레이트(22) 및 또한 인접하는 연료 전지(10)의 캐소드 플레이트(20), 캐소드 유동장(28), MEA(18) 및 GDL(24)을 도시한다. 인접하는 MEA(18)와 애노드 플레이트(22) 사이에는 애노드 격실(21)이 형성될 수 있다. 인접하는 애노드 플레이트(22)와 캐소드 플레이트(20) 사이에는 냉각제 격실(23)이 형성될 수 있다. 캐소드 격실(19)은 인접하는 캐소드 플레이트(20)와 MEA(18) 사이에 형성될 수 있으며, 캐소드 유동장(28)을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지들(10)은 유체 매니폴드들(31A, 31B)을 포함할 수 있으며, 이들 매니폴드들은 또한 상부 및 하부 유체 매니폴드로서 언급될 수 있다. 유체 매니폴드들(31A, 31B)은 길이 방향 축을 따라 연장할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 하나의 예시적 실시예에 따른, 연료 전지들(10)을 통한 연료, 산소 및 냉각제 유체의 유동 경로를 설명한다. 그러나, 다른 실시예들에 대하여는, 유동 경로들의 하나 이상의 방향은 예를 들어 유동 방향을 반대로 함으로써 전환될 수 있음을 이해해야 한다. 도 3은 연료 전지(10)의 MEA(18)의 애노드 측면을 통해 순환되는 연료의 유동 경로를 설명하며, 도 4는 연료 전지(10)의 MEA(18)의 캐소드 측면을 통해 순환되는 산화제의 유동 경로를 설명하며, 도 5는 인접하는 연료 전지들(10) 사이를 순환하는 냉각제 유체의 유동 경로를 설명한다.
도 3에 있어서, 제 1 유체 매니폴드(31A)는 적어도 하나의 애노드 입구 통로(34)를 통하고 적어도 하나의 애노드 입구 포트(36)를 통해 애노드 격실(21) 내로 유체적으로 연결되고 유체를 안내할 수 있는 적어도 하나의 애노드 공급 매니 폴드(32)를 포함할 수 있다. 애노드 격실(21)로부터의 연료(예를 들면, 미반응 연료)는 애노드 격실(21)로부터 적어도 하나의 애노드 출구 포트(38)를 통하고 적어도 하나의 애노드 출구 통로(40)를 통해 적어도 하나의 애노드 방출 매니폴드(42) 내로 안내될 수 있다. 애노드 입구 통로(34) 및 애노드 출구 통로(40)는 인접하는 연료 전지들(10)의 애노드 플레이트(22)와 캐소드 플레이트(20) 사이에 위치될 수 있다. 애노드 공급 매니폴드(32) 및 애노드 방출 매니폴드(42)뿐만 아니라 애노드 입구 통로(34) 및 애노드 출구 통로(40)의 둘레는 도 3에 도시된 바와 같이 표면 개스킷들(43)에 의해 밀봉될 수 있다. 표면 개스킷들(43)은 실리콘, 비톤(Viton), 부나(Buna), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 임의의 다른 적절한 밀봉 재료와 같은 중합체 또는 탄성 중합체 재료로 제조될 수 있다. 상기 표면 캐스킷들(43)의 단면 형상은 장방형, 삼각형, 반원형, 다중-치형(삼각) 또는 포물선 형상일 수 있다. 이와 같은 형상은 허용 가능한 누설률, 작동 압력, 공차 구성 또는 기타 중요한 밀봉 설계 매개 변수에 의해 결정될 수 있다. 표면 개스킷(43)은 사출 성형, 압축 성형, 픽-앤-플레이스(pick-and-place), 로봇식 분배와 같은 임의의 공지된 방법으로 제공될 수 있으며, 성형 공정을 통해 또는 압력 또는 온도 민감성 접착제의 도움으로 직접 접착될 수 있다. 표면 개스킷(43)의 경화는 열 경화, 자외선 경화 또는 습도 경화와 같은 공지된 공정에 의해 달성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 2 유체 매니폴드(31B)는 적어도 하나의 캐소드 입구 통로(46)를 통하고 적어도 하나의 캐소드 입구 포트(48)를 통해 캐소드 격실(19) 내로 유체적으로 연결되고 산화제를 안내할 수 있는 적어도 하나의 캐소드 공급 매니폴드(44)를 포함할 수 있다. 캐소드 격실(19)로부터의 산화제는 캐소드 격실(19)로부터 적어도 하나의 캐소드 출구 포트(50)를 통하고 적어도 하나의 캐소드 출구 통로(52)를 통해 적어도 하나의 캐소드 방출 매니폴드(54) 내로 안내될 수 있다. 캐소드 입구 통로(46) 및 캐소드 출구 통로(52)는 인접하는 연료 전지들(10)의 애노드 플레이트(22)와 캐소드 플레이트(20) 사이에 위치될 수 있다. 캐소드 공급 매니폴드(44) 및 캐소드 방출 매니폴드(54)뿐만 아니라 캐소드 입구 통로(46) 및 캐소드 출구 통로(52)의 둘레는 도 4에 도시된 바와 같이 표면 개스킷들(43)에 의해 밀봉될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제 2 유체 매니폴드(31B)는 적어도 하나의 냉각제 입구 통로(58)를 통해 냉각제 격실(23) 내의 냉각제 유동장(86)에 유체적으로 연결되고 냉각제 유체를 안내할 수 있는 적어도 하나의 냉각제 공급 매니폴드(56)를 포함할 수 있다. 냉각제 격실(23) 내에서, 상기 냉각제 유체는 애노드 플레이트(22)에 의해 한정되는 복수의 냉각제 채널들로 구성된 냉각제 유동장(86)을 통해 애노드 플레이트(22)와 캐소드 플레이트(20) 사이를 유동할 수 있으며, 이에 대하여는 다음에 추가로 설명한다. 인접한 연료 전지들(10)에 의하여 발생되는 열은 냉각제 유체로 전달될 수 있으며 상기 냉각제 유체의 순환에 의해 유체 전지들(10)로부터 제거될 수 있다. 냉각제 격실(23)로부터의 냉각제 유체는 적어도 하나의 냉각제 출구 통로(6)를 통해 적어도 하나의 냉각제 방출 매니폴드(62) 내로 안내될 수 있다. 냉각제 입구 통로(58) 및 냉각제 출구 통로(60)는 인접하는 연료 전지들(10)의 애노드 플레이트(22)와 캐소드 플레이트(20) 사이에 위치될 수 있다. 냉각제 공급 매니폴드(56) 및 냉각제 방출 매니폴드(62)뿐만 아니라 냉각제 입구 통로(58) 및 냉각제 출구 통로(60)의 둘레는 도 5에 도시된 바와 같이 표면 개스킷들(43)에 의해 밀봉될 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 애노드 플레이트(22)의 정면도이다. 도 6에서 볼 수 있는 측면은 MEA(18)의 애노드 측면(즉, 애노드 촉매층(14)과 가스 확산층(26))을 향하고 애노드 격실(21)의 일 측면(예를 들면, 도 1 및 도 2 참조)을 한정하도록 구성된 측면이다. 애노드 플레이트(22)는 몇개의 섹션들을 포함할 수 있다. 이러한 섹션들은 예를 들면 제 1 매니폴드 섹션(31A) 및 제 2 매니폴드 섹션(31B), 분배 채널 섹션들, 예를 들면, 제 1 애노드 분배 채널(68) 및 제 2 애노드 분배 채널(70), 및 애노드 유동장(30)을 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 애노드 플레이트(22)는 제 1 매니폴드 섹션(31A)에 있는 애노드 공급 매니폴드(32), 캐소드 방출 매니폴드(54), 및 냉각제 방출 매니폴드(62)를 포함할 수 있는 반면, 제 2 매니폴드 섹션(31B)는 애노드 방출 매니폴드(42), 캐소드 공급 매니폴드(44), 및 냉각제 공급 매니폴드(56)를 포함할 수 있다. 각각의 매니폴드에 대한 입구 및 출구의 지정은 예를 들어 연료, 연료 전지들(10)을 통해 산화제 또는 냉각제 유체의 각각의 유동 방향을 전환함으로써 전환될 수 있다는 사실을 이해해야 한다.
각각의 매니폴드의 단면적은 변할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 캐소드 공급 및 방출 매니폴드들(44, 54)은 냉각제 공급 및 방출 매니플드들(56, 62)보다 큰 단면적을 가질 수 있는 반면, 냉각제 공급 및 방출 매니폴드들(56, 62)은 애노드 공급 및 방출 매니폴드들(32, 42)보다 큰 단면적을 가질 수 있다. 각각의 경로의 단면적은, 예를 들면, 전지의 수, 피크 전력 작동 조건에서의 전류 밀도, 반응물의 설계 화학량론, 입구 및 출구 냉각제 온도 사이의 차이, 개별 전지들의 유동 저항, 활성 영역의 크기, 유체 압력, 및 유체 유속을 포함하는 다양한 변수들에 기초하여 결정될 수 있다. 하나 이상의 경로의 단면적은 높은 유체 유속 동안과 같은 전기 화학 전지 스택의 길이를 따라 유체 압력 변화를 최소화하도록 크기가 정해질 수 있다.
제 1 매니폴드 섹션(31A) 및 제 2 매니폴드 섹션(31B) 내에서의 매니폴드들의 배열도 또한 변할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 매니폴드들의 배열은 제 1 매니폴드 섹션(31A) 및 제 2 매니폴드 섹션(31B) 사이에서 상이할 수 있다. 하나의 예시적인 예에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각제 방출 매니폴드(62)는 애노드 공급 매니폴드(32)와 캐소드 방출 매니폴드(54) 사이에 위치할 수 있으며, 냉각제 공급 매니폴드(56)는 애노드 방출 매니폴드(42)와 캐소드 공급 매니폴드(44) 사이에 위치할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 캐소드 방출 매니폴드(54)는 냉각제 방출 매니폴드(62)의 좌측에 위치할 수 있으며 애노드 공급 매니폴드(32)는 냉각제 방출 매니폴드(62)의 우측에 위치할 수 있는 반면, 캐소드 공급 매니폴드(44)는 냉각제 공급 매니폴드(56)의 우측에 위치할 수 있으며 애노드 방출 매니폴드(42)는 냉각제 공급 매니폴드(56)의 좌측에 위치할 수 있다. 제 1 매니폴드 섹션(31A)과 제 2 매니폴드 섹션(31B) 사이의 냉각제 매니폴드들에 대한 애노드 및 캐소드 매니폴드들의 위치를 교체하는 것이 직선 교차 유동보다도 대각선 교차 역류 유동 또는 "z-유동"을 촉진시키기 때문에 유리할 수 있다. 대각선 교차 역류 유동은 애노드 격실(21)과 캐소드 격실(19)의 연료 및 산화제의 개선된 균일한 분배를 제공할 수 있으며, 이는 연료 전지 성능을 개선할 수 있다. 이 성능은 대각선 교차 역류 유동이 사용되는 활성 영역을 최적화할 수 있기 때문에 개선될 수 있다. z-유동 패턴에서, 하나 이상의 반응물에 대한 입구로부터 출구에 이르는 스트림 경로 거리는 유동 경로와는 상관없이 실제로 균일할 수 있다. 이러한 대칭성은 유체가 유동장 전체에 걸쳐 균일하게 분배하고 유동하는 결과를 초래할 수 있다. 유동장(30)을 통한 균일한 유동은 반응물 조성 및 냉각제 온도의 보다 균일하고/하거나 선형적인 구배를 야기할 수 있으며, 이는 전지 온도의 균일하고/하거나 선형적인 구배를 초래할 수 있다. 이로 인해 전지들 간 성능에 있어서 높은 성능 및/또는 낮은 분산이 초래될 수 있다.
제 1 유체 매니폴드(31A) 및 제 2 유체 매니폴드(31B)의 중심에 상기 냉각제 매니폴드들(56, 62)을 위치시키는 것은 냉각제 격실의 중심 영역이 대부분의 냉각제 유체 유동을 수용할 가능성이 가장 높고 이 영역은 열 발생이 증가하거나 더 높은 작동 온도의 경향이 있는 연료 전지(10)의 활성 영역의 중앙 영역에 대응하기 때문에 유리할 수 있다. 다시 말하면, 높은 온도에서 작동하는 경향을 갖는 연료 전지(10)의 영역은 대부분의 냉각제 유체 유동을 수용하는 영역에 대응하게 될 것이다. 또한, 연료 전지(10)의 측면들은 주변 냉각에 의해 보조될 수 있으므로, 각 연료 전지의 냉각제 격실(23)의 중앙 영역을 통해 냉각제 유체 유동을 촉진하는 것이 유리하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 애노드 분배 채널들(68, 70)이 제 1 및 제 2 매니폴드 섹션들(31A, 31B) 및 애노드 유동장(30) 사이에 위치된다. 제 1 애노드 분배 채널(68)은 애노드 공급 매니폴드(32)로부터 공급된 연료를 애노드 입구 통로(34)를 거쳐 애노드 입구 포트(36)를 통해 애노드 유동장(30)으로 분배하도록 구성될 수 있다. 제 2 애노드 분배 채널(70)은 애노드 유동장(30)으로부터 연료(예를 들면, 미반응 연료)를 수집하고 애노드 출구 포드(38)를 통해 애노드 출구 통로(40)를 거쳐 애노드 방출 매니폴드(42)로 연료를 안내하도록 구성될 수 있다. 제 1 애노드 분배 채널(68) 및 제 2 애노드 분배 채널(70)은 MEA(18)와 애노드 플레이트(22) 사이에 샌드위치될 수 있고 그들에 의해 한정될 수 있다. 제 1 애노드 분배 채널(68) 및 제 2 애노드 분배 채널(70)의 둘레는 도 6에 도시된 바와 같이 표면 개스킷(43)에 의해 밀봉될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 제 1 애노드 분배 채널(68)의 폭 및 제 2 애노드 분배 채널(70)의 폭은 일반적으로 애노드 유동장(30)의 폭과 동일할 수 있다.
제 1 애노드 분배 채널(68)은 애노드 입구 포트(36)를 통해 공급되는 연료가 제 1 애노드 분배 채널(68)의 폭을 가로질러 분배되고 복수의 개구부들(74)을 통해 애노드 유동장(30)으로 안내될 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 각각의 개구부(74)는 제 1 애노드 분배 채널(68) 내의 연료에 일정 배압을 생성하기 위한 오리피스로서 구성될 수 있다. 상기 배압은 제 1 애노드 분배 채널(68) 내의 연료 분배를 촉진할 수 있어서 제 1 애노드 분배 채널(68)이 연료로 완전히 가득 차게 한다. 일부 실시예들에 있어서, 완전히 가득 찬 제 1 애노드 분배 채널(68)은 연료가 모든 개구부들(74)을 통해 애노드 유동장(30)의 실제 모든 채널들로 전달되게 한다. 완전히 가득 찬 제 1 애노드 분배 채널(68)은 애노드 유동장(30)을 통한 최소 저항 경로를 따라, 사용되는 활성 영역의 감소로 인해 연료 전지(10)의 성능을 감소시킬 수 있는, 연료의 유동을 단락시키는 위험을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 오리피스 개구부들(74)은 제 1 애노드 분배 채널(68)을 완전히 가득 채우기 위해 요구되는 배압을 최소화하기 위한 크기일 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제 2 애노드 분배 채널(70)은 상기 애노드 유동장(30)의 채널들과 제 2 애노드 분배 채널(70)을 유체적으로 연결하는 복수의 오리피스형 개구부들(74)을 갖는 제 1 애노드 분배 채널(68)과 같이 구성될 수 있다. 개구부들(74)은 애노드 유동장(30)의 대응 채널보다 작은 단면적을 가질 수 있다. 비록 직선 경로들로 도시되었을지라도, 애노드 유동장(30)의 채널들은 물결형 또는 지그재그 경로일 수 있다. 애노드 유동장(30)의 채널들은 일반적으로 정사각형, 반원형, 포물선 또는 임의의 다른 적절한 형상의 단면적을 갖는다.
조립 동안의 연료 전지들(10)의 압축 및 작동 동안 유지되는 압축 상태는 분배 채널 내의 유동 경로 무결성을 손상시킬 수 있다. 예를 들어, 연료 전지들(10)의 압축은 분배 채널들의 용적을 감소시킬 수 있으며, 이는 연료, 산화제 및 냉각제의 유동을 제한시키고 연료 전지들(10)을 통한 압력 강하를 증가시킬 수 있다. 연료 전지(10)가 압축될 때, 제 1 애노드 분배 채널(68) 및 제 2 애노드 분배 채널(70)의 수축이나 함몰을 방지하거나 또는 최소화하기 위해, 일부 실시예들에 있어서, 제 1 애노드 분배 채널(68) 및/또는 제 2 애노드 분배 채널(70)은 상기 분배 채널들 전체에 걸쳐 펼쳐지는 복수의 지지 특징부들(76)을 포함할 수 있다. 지지 특징부들(76)은 애노드 플레이트(22)의 통합된 특징부들로서 형성될 수 있다. 지지 특징부들(76)은 제 1 애노드 분배 채널(68) 및 제 2 애노드 분배 채널(70) 전체에 걸쳐 균일하게 이격될 수 있다.
하나의 예시적 실시예에 있어서, 도 7a는 제 1 애노드 분배 채널(68) 및/또는 제 2 애노드 분배 채널(70)에 형성될 수 있는 복수의 딤플형(dimple shaped) 지지 특징부들(76)의 확대도를 도시한다, 이와 같은 딤플형 지지 특징부들(76)은 애노드 플레이트(22)로부터 길이 방향 축(5)을 따라 양쪽 방향으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 도 7b는 애노드 플레이트(22)에 의해 형성된 딤플형 지지 특징부들(76)의 개략 단면도를 도시한다. 상기 딤플형 지지 특징부들(76)은 한 측면 상에서 캐소드 플레이트(20)와 접촉하고 다른 측면 상에서 MEA(18)(예를 들면, MEA(18)의 서브케스킷들)와 접촉하도록 애노드 플레이트(22)로부터 양쪽 방향으로 연장할 수 있다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 애노드 플레이트(22)와 MEA(18) 사이에는 제 1 애노드 분배 채널(68) 또는 제 2 애노드 분배 채널(70)을 형성하고 연료의 유동을 가능하게 하는 공간이 제공될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 다른 지지 특징부들이 딤플 이외의 형상들 예를 들면 원추형, 반-구형, 입방형, 및 원통형을 포함하는 형상들로 형성될 수 있다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 애노드 플레이트(22)의 반대편 측면 상에서, 애노드 플레이트(22)와 캐소드 플레이트(20) 사이에는 냉각제 공급 매니폴드(56)와 냉각제 방출 매니폴드(62)를 냉각제 격실(23)에 포함된 냉각제 유동장(86)과 유체 연결하는 제 1 및 제 2 냉각제 분배 채널들(78, 80)을 형성하는 공간이 제공될 수 있다. 냉각제 격실(23)의 제 1 및 제 2 냉각제 분배 채널들(78. 80)은 제 1 및 제 2 애노드 분배 채널들(68, 70)과 유사하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 냉각제 분배 채널들(78, 80)은 전체에 걸쳐 균일하게 이격된 복수의 딤플형 지지 특징부들(76)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 냉각제 분배 채널들(78, 80)은 냉각제 유동장(86)으로의 완전하고 균일한 분배를 제공하도록 구성될 수 있다(예를 들면, 도 5 참조). 추가로, 일부 실시예들에 있어서, 복수의 오리피스형 개구부들이 제 1 및 제 2 냉각제 분배 채널들(78, 80)을 냉각제 유동장(86)과 유체적으로 연결시킬 수 있다(도 5 참조). 이들 오리피스형 개구부들은 균일한 분배를 보장하고 최소 저항 경로를 따라 단락될 가능성을 방지하거나 감소시키기 위해 -유동 방향에 기초하여- 예를 들어 제 1 및/또는 제 2 냉각제 분배 채널들(78, 80)에서 냉각제 유체 상에 약간의 배압을 인가할 수 있다.
상기 지지 특징부들(76)의 수, 분배 및 크기는 다양한 설계 고려 사항들을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 너무 많은 또는 너무 큰 지지 특징부들(76)은 분배 채널들(68, 70, 78, 80) 내의 과다한 압력 강하를 초래할 수 있는 반면, 너무 적은 또는 너무 작은 지지 특징부들(76)은 압축 하에 있을 때 분배 채널들(68, 70, 78, 80)의 불충분한 구조적 지지 및 수축을 초래하여, 또한 과다한 압력 강하를 유발할 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 구조적 특징부들의 배열은 지지 특징부들(76) 사이의 거리(Dc)와 캐소드 플레이트(20)의 두께(tp)의 함수로서 표시될 수 있다. 예를 들면, Dc/tp의 비는 약 3 초과 및 약 50 미만일 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, Dc는 약 1.5mm일 수 있고 tp는 약 0.1mm일 수 있으며, 따라서 Dc/tp는 약 15일 수 있다.
작업 동안의 연료 전지의 압축으로 인해, 개스킷이 유동 영역을 생성하거나 유지하기 위해 의존하는 입구 및 출구 포트 유동 영역의 무결성(예를 들면, 수축 방지)을 유지하는 것은 어려울 수 있다. 입구 및 출구 포트들의 수축은 반응물 및 반응물 생성물들의 유동을 제한하고 연료 전지들을 통한 압력 강하를 증가시킬 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 연료 전지(10)의 하나 이상의 애노드 입구 및 출구 포트들(36, 38)은 압축으로 인한 수축을 방지하거나 회피하도록 구성될 수 있다.
애노드 입구 및 출구 포트들(36, 38)은 하나 이상의 지지 특징부들(82) 내에 통합될 수 있다. 예를 들어, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 애노드 입구 포트들(36)은 지지 특징부(82)의 측벽(84)에 형성될 수 있다. 지지 특징부들(82)은 애노드 플레이트(22)로부터 MEA(18)를 향해 연장될 수 있다. 결과적으로, 연료의 유동 방향들은 지지 특징부들(82) 내에서 재지향될 수 있어서, 애노드 입구 및 출구 포트들(36, 38)을 통한 유동 방향은 일반적으로 애노드 플레이트(22)와 평행하다. 다시 말해서, 이와 같은 구성은 애노드 입구 포트들(36)을 통한 연료가 일반적으로 애노드 플레이트(22)와 수직으로보다는 평행한 방향으로 제 1 애노드 분배 채널(68) 내로 안내되도록 할 수 있다. 마찬가지로, 이와 같은 구성은 애노드 출구 포트들(38)을 통한 연료가 일반적으로 애노드 플레이트(22)와 수직으로보다는 평행한 방향으로 제 2 애노드 분배 채널(70)로부터 안내되도록 할 수 있다.
그와 같은 구성은, 지지 특징부(82)가 작동하는 동안 압축에 대한 내성을 갖도록 설계되어 일반적으로 유동을 위한 단면적을 유지할 수 있기 때문에, 애노드 입구 및 출구 포트들(36, 38)을 통한 유동 경로의 수축을 방지하거나 피할 수 있다. 이에 비해, 종래 기술의 연료 전지들은 종종 유동을 위한 간격을 유지하기 위해 개스킷들에 의존하고, 압축 상태에서 이들 개스킷들은 압축되어 유체 유동에 이용 가능한 가용 영역을 감소시켜 유동을 제한함으로써 압력 강하를 증가시킨다.
지지 특징부들(82)은 어떠한 적합한 형태일 수 있다. 예를 들어, 도 8a에 도시된 바와 같은 하나의 예시적 실시예에 있어서, 지지 특징부들(82)은 일반적으로 둥근 장방형 형상을 가질 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 지지 특징부들(82)은 원형, 타원형, 정방형 등일 수 있다. 지지 특징부들(82)은 각각 하나 이상의 애노드 포트(예를 들면, 애노드 입구 포트(36) 및 애노드 출구 포트(38))를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 8a에 도시된 바와 같은 하나의 예시적 실시예에 있어서, 지지 특징부(82)는 지지 특징부들(82)의 길이를 따라 균일하게 이격된 5개의 애노드 입구 포트들(36)을 포함할 수 있다.
애노드 유동장(30)은 MEA(18)의 애노드 측면 상에서 애노드 촉매층(14)의 활성 영역과 마주하여 정렬되는 채널 유동장으로서 구성될 수 있다. 애노드 유동장(30)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 애노드 분배 채널(68)과 제 2 애노드 분배 채널(70) 사이에서 연장하는 복수의 평행한 채널들을 포함할 수 있다. 도 9는 연료 전지(10)의 일부에 대한 개략적인 상 단면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 애노드 플레이트(22)는, 일반적으로 정방형, 반원통형 또는 포물선형의 주름진 채널들일 수 있는, 복수의 채널들(78A, 78C)을 형성하도록 성형될 수 있다. 애노드 유동장(30)을 형성할 수 있는 애노드 채널들(78A)은 애노드 격실(21)로 개방될 수 있고, 연료가 GDL(26)을 통해 유동할 수 있고 애노드 촉매층(14)에 도달할 수 있도록 GDL(26)을 가로질러 연료의 유동을 안내하도록 구성될 수 있다. 냉각제 유동장(86)을 형성할 수 있는 냉각제 채널들(78C)은 냉각제 격실(23) 및 냉각제 격실의 일부로 개방될 수 있고, 연료 전지(10)에 의해 발생된 열이 냉각제 유체로 전달되고 상기 냉각제 유체의 순환에 의해 연료 전지(10)로부터 운반될 수 있도록 냉각제 격실(23)을 통해 냉각제 유체 유동을 안내하도록 구성될 수 있다.
채널들(78A, 78C)의 치수는 예를 들어, 활성 영역, 전력, 연료 전지(10) 상의 압축 부하, 바람직하거나 설계된 유동 저항, 애노드 및/또는 캐소드 플레이트 두께 및 재료 특성(예를 들어, 탄성), 개방 유동장 특성 및/또는 두께, 가스 확산층 특성 및/또는 두께, 애노드, 캐소드 및/또는 냉각제 유체에 대한 유동 저항 설계를 포함하는 수많은 변수들에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 냉각제 채널들(78C)의 폭(A)은 애노드 측면 채널들(78)의 폭(B)과 같을 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 애노드 채널들(78A)의 폭(B)은 냉각제 채널들(78C)의 폭(A)보다 크거나 작을 수 있다. 애노드 채널(78A)과 냉각제 채널(78C)의 조합된 폭은 (C)로서 언급될 수 있다. 애노드 채널들과 냉각제 채널들은 깊이(S)를 가질 수 있다. 예시적 실시예에 따라, C/S 비는 약 1보다 크고 약 10보다 작을 수 있다. 예시적 실시예에 따라, A/B 비는 약 1 초과 및 약 6 미만 사이 또는 약 2 초과 및 약 4 미만 사이의 범위를 가질 수 있다. 이와 같은 비율들은 약 10 kg/cm2 내지 약 75 kg/cm2 범위의 압축으로 인한 기계적 하중에 기초하여 결정될 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 정방형의 주름진 채널 설계는 개선된 유체 유동을 제공하며, 또한 애노드 유동장(30)과 냉매 유동장(86)을 애노드 플레이트(22)의 반대편 측면들 상의 교대 채널 내로 통합함으로써 연료 전지(10)의 두께를 최소화 한다. 이와 같은 통합은 연료 전지(10)의 전체 두께(예를 들면, 피치)가 감소되게 한다. 또한, 상기 정방형의 주름진 기하학은 작업 동안 압축 하에 있을 때 변형을 방지하도록 캐소드 플레이트(20)뿐만 아니라 애노드 플레이트(22)와 GDL(26) 사이에 충분한 표면적 접촉을 제공한다. 예를 들어, 만약 채널들이 너무 좁으면 작은 표면적은 응력 집중기로서 작용할 수 있고, 인접한 구성 요소들(예를 들면, GDL(26))을 변형시키거나 또는 그와 같은 요소들에 손상을 입힐 수 있다. 마찬가지로, 삼각형 형상의 주름이 있는 채널의 경우, 삼각형 지점들은 응력 집중 지점들을 생성하여 인접한 구성 요소들을 변형시킬 수 있다.
도 10은 예시적 실시예에 따른 캐소드 플레이트(20)의 정면도이다. 도 10에서 볼 수 있는 측면은 인접한 애노드 플레이트(22)와 마주하도록 구성된 측면이다(예를 들면, 도 2 참조). 캐소드 플레이트(20)는, 애노드 플레이트(22)와 같이, 제 1 매니폴드 섹션(31A) 및 제 2 매니폴드 섹션(31B)을 포함할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 애노드 플레이트(22)는 제 1 매니폴드 섹션(31A)에 있는 애노드 공급 매니폴드(32), 캐소드 방출 매니폴드(54), 및 냉각제 방출 매니폴드(62)를 포함할 수 있는 반면, 제 2 매니폴드 섹션(31B)은 애노드 방출 매니폴드(42), 캐소드 공급 매니폴드(44), 및 냉각제 공급 매니폴드(56)를 포함할 수 있다. 각각의 매니폴드에 대한 "입구" 또는 "출구"라는 명칭들은 예를 들면 연료 전지들(10)을 통한 연료, 산화제, 또는 냉각제 유체의 유동 방향을 전환시킴으로써 전환될 수 있음을 이해해야 한다.
캐소드 플레이트(20)는 캐소드 격실(19)과 캐소드 유동장(28)을 캐소드 입구 통로(46)를 통해 캐소드 공급 매니폴드(44)와 유체적으로 연결하도록 구성되는 복수의 캐소드 입구 포트들(48)을 포함할 수 있다. 캐소드 플레이트(20)는 또한 캐소드 격실(19)과 캐소드 유동장(28)을 캐소드 출구 통로(52)를 통해 캐소드 방출 매니폴드(54)와 유체적으로 연결하도록 구성된 복수의 캐소드 출구 포트들(50)을 포함할 수 있다. 캐소드 입구 및 출구 통로들(46, 52)은 인접한 연료 전지(10)의 캐소드 플레이트(20)와 애노드 플레이트(22) 사이에 위치될 수 있다. 캐소드 공급 및 방출 매니폴드들(44, 54)뿐만 아니라 캐소드 입구 및 출구 통로들(46, 52)의 둘레는 도 10에 도시된 바와 같이 표면 개스킷들(43)에 의해 밀봉될 수 있다.
캐소드 입구 및 출구 포트들(48, 50)은 도 10에 설명된 바와 같이 일반적으로 장방형 형상일 수 있다. 캐소드 플레이트(20)는 도 10에 설명된 바와 같이 일반적으로 서로 수직으로 배열된 적어도 2개의 캐소드 입구 포트들(48)을 가지도록 구성될 수 있다. 캐소드 플레이트(20)는 도 10에 도시된 바와 같이 일반적으로 서로 수직으로 배열된 적어도 2개의 캐소드 출구 포트들(50)을 가지도록 구성될 수 있다. 캐소드 플레이트(20)는 캐소드 입구 통로(46)의 반대측 단부들에 위치되는 적어도 하나의 캐소드 입구 포트(48)를 가지도록 구성될 수 있다. 캐소드 플레이트(20)는 캐소드 출구 통로(52)의 반대측 단부들에 위치되는 적어도 하나의 캐소드 출구 포트(50)를 가지도록 구성될 수 있다. 캐소드 플레이트는 캐소드 입구 통로(46)의 한 단부에 위치되는 2개의 캐소드 입구 포트들(48) 및 반대측 단부에 위치된 하나의 캐소드 입구 포트(48)를 갖도록 구성될 수 있다. 한 단부에 위치되는 상기 2개의 캐소드 입구 포트들(48)은 일반적으로 서로 평행하고 그리고 일반적으로 캐소드 입구 통로(46)의 반대측 단부에 위치되는 캐소드 입구 통로(46)에 수직일 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 캐소드 입구 포트들(48)의 형상 및 배열은 산화제가 캐소드 격실(19) 내로 유동할 때 상기 산화제 분배의 개선을 촉진하게 될 것이다.
장방형 형상의 캐소드 입구 포트들(48)은 상기 포트들을 통한 유동이 상기 포트들을 통과한 직후 90도 회전하기 때문에 둥근 형상의 포트들보다 유리할 수 있다. 구멍의 면적에 비해 구멍의 둘레가 클수록 유체가 더 긴 "유출 길이(spill length)"를 가지며, 따라서 회전할 때 그의 속도(및 압력 강하)가 낮아진다. 실제 결과는 동일한 단면적을 갖는 하나의 둥근 구멍과 하나의 장방형 구멍 두개에 대한 결과이며, 이 용례에서의 압력 강하는 둥근 포트보다 장방형 포트의 경우 더 낮았다. 일반적으로 유입 유체 유동과 마주하는 긴 에지를 갖는 장방형의 배향은 또한 더 큰 "유출 길이"와 더 낮은 압력 강하를 초래할 수 있다.
복수의 캐소드 입구 포트들(48)의 전체 입구 면적은 캐소드 출구 포트들(50)의 전체 출구 면적보다 클 수 있다. 전체 입구 면적보다 작은 전체 출구 면적을 갖는 캐소드 출구 포트들(50)은 캐소드 격실(19)과 캐소드 유동장(28)을 통한 산화제 유동에 배압을 생성할 수 있다. 그와 같은 배압은 상기 캐소드 격실에 걸친 산화제의 개선된 분배를 촉진시킬 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 캐소드 플레이트(20)는 표면 특징부들, 예를 들면 캐소드 플레이트(20)로부터 MEA(18)를 향해 캐소드 유동장(28)의 측면들을 따라 돌출하는(예를 들면, 도 2 참조) 캐소드 유동장 경계부들(88)을 포함할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 캐소드 유동장 경계부들(88)은 캐소드 플레이트(20)의 반대측 측면들을 따라 제 1 유체 매니폴드들(31A)과 제 2 유체 매니폴드들(31B)에 걸쳐 있을 수 있다. 캐소드 유동장 경계부들(88)은 캐소드 유동장(28)을 통해 캐소드 촉매층(12)으로 유동하기보다는 캐소드 유동장(28)의 외부를 따라 유동함으로써 캐소드 유동장(28)과 캐소드 촉매층(12)을 바이패스하는 산화제의 유동을 방지하거나 유동량을 감소시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 캐소드 유동장 경계부들(88)은 캐소드 유동장(28)의 각각의 측면 상에 경계부벽들로서 작용할 수 있어서, 캐소드 유동장(28)을 통한 산화제 유동을 강제할 수 있다. 캐소드 플레이트(20)는 캐소드 유동장 경계부들(88) 사이의 거리가 캐소드 유동장(28)의 폭과 대략 동일하도록 구성될 수 있다. 캐소드 유동장 경계부들(88)은 캐소드 유동장(28)의 깊이와 동일한 깊이로 캐소드 플레이트(20)로부터 돌출하도록 구성될 수 있다. 캐소드 유동장 경계부들(88)은 일반적으로 도 10에 도시된 바와 같이 라운딩된 또는 챔퍼링된 외부 코너들을 갖는 장방형 형상일 수 있다. 캐소드 유동장 경계부들(88)은 유체가 캐소드 유동장(28)의 둘레 길이를 따라 흐르는 임의의 개방 유동 영역을 방지하거나 또는 제한시키기 위해 캐소드 유동장(28)의 에지들을 따라 억지 끼워맞춤(tight-fit)을 제공하도록 위치될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 캐소드 유동장 경계부들(88)은 캐소드 플레이트(20)에 의해 형성될 수 있거나 또는 일부 실시예들에 있어서 캐소드 유동장 경계부들(88)은 캐소드 플레이트(20)에 제 2 재료(예를 들면, 캐소드 유동장 경계부들(88)의 성형시 플레이트에 접착되는 중합체, 엘라스토머, 표면 개스킷(43) 재료)를 도포함으로써 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 캐소드 플레이트(20)와 애노드 플레이트(22) 모두에 표면 개스킷(43)을 제공하기보다는, 본 명세서에 설명된 모든 표면 개스킷들(43)은 일반적으로 편평한 캐소드 플레이트(20)의 양쪽 측면에 제공될 수 있다. 편평할 수 있는 캐소드 플레이트(20) 상에 모든 표면 개스킷들(43)을 통합함으로써 공구 비용과 가공 비용 모두를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 애노드 플레이트(22)는 일반적으로 애노드 플레이트를 편평하지 않게 하는 채널들(78A, 78C)을 갖기 때문에, 애노드 플레이트(22)에 대한 표면 개스킷은 복잡하여, 공구 및 가공 비용이 증가한다.
공구 및 가공 비용을 추가로 감소시키기 위해, 일부 실시예들에 있어서, 연료 전지 스택(11) 내로의 복수의 연료 전지들(10)의 정렬뿐만 아니라 각각의 연료 전지(10)의 조립을 용이하게 하기 위해 표면 개스킷들에 정렬 특징부들(112)이 통합된다(예를 들면 도 6 및 도 10 참조). 예를 들어, 애노드 플레이트(22)의 정렬 특징부들(112)(도 6 참조)은, 캐소드 플레이트(20)의 정렬 특징부(112)(도 10 참조)일 수 있는, 표면 캐스킷 돌출부들과 정렬하는 구멍들일 수 있다. 상기 돌출부들은 애노드 플레이트(22)의 구멍들을 통한 삽입 시 탄성적으로 변형될 수 있어서, 간섭 끼워맞춤을 형성한다. 전지(10)와 스택(11)을 조립하기 위해 간섭 끼워맞춤을 사용함으로써 조립 공정에서 일부 용접 작업에 대한 필요성이 회피될 수 있다.
도 11a는 예시적 실시예에 따른 캐소드 유동장(28)의 정면도이다. 도 11a에서 볼 수 있는 측면은 인접한 캐소드 플레이트(20)를 향하도록 구성된 측면이다(예를 들면, 도 2 참조). 캐소드 유동장(28)은 다공성 구조체, 특히 다공성 3차원 네트워크 구조를 갖는 다공성 금속 폼 구조체를 포함할 수 있다. 상기 다공성 구조체는 2개의 반대측 표면들을 갖는 시트형일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 금속 폼 구조체는 약 50 내지 500㎛의 평균 기공 크기를 가질 수 있다. 캐소드 유동장(28)은 캐소드 플레이트(20)를 향한 다공성 금속 폼 구조체의 표면 내로 리세스되는 제 1 캐소드 분배 채널(90) 및 제 2 캐소드 분배 채널(92)을 포함할 수 있다. 캐소드 유동장(28)은 예를 들어 약 0.2mm 내지 약 1.5mm의 두께를 가질 수 있다. 제 1 캐소드 분배 채널(90) 및/또는 제 2 캐소드 분배 채널(92)은 두께의 약 10% 내지 약 75%의 깊이로 캐소드 유동장 내로 리세스될 수 있다.
제 1 캐소드 분배 채널(90)은 일반적으로 캐소드 유동장(28)의 한 측면으로부터 다른 측면으로 캐소드 유동장(28)의 저부 에지를 따라 연장할 수 있다. 제 2 캐소드 분배 채널(92)은 일반적으로 캐소드 유동장(28)의 한 측면으로부터 다른 측면으로 캐소드 유동장(28)의 상부 에지를 따라 연장할 수 있다. 캐소드 유동장(28)이 캐소드 플레이트(20)에 인접하여 위치될 때, 캐소드 입구 포트들(48)은 제 1 캐소드 분배 채널(90)과 정렬될 수 있으며, 캐소드 출구 포트들(50)은 제 2 캐소드 분배 채널(92)과 정렬될 수 있다.
캐소드 유동장(28)은 제 1 캐소드 분배 채널(90) 및/또는 제 2 캐소드 분배 채널(92)을 통해 형성된 복수의 지지 특징부들(94)을 포함할 수 있다. 지지 특징부들(94)은 일반적으로 원통형, 딤플형 또는 기타 적합한 형태일 수 있다. 하나 이상의 지지 특징부(94)의 높이는 제 1 캐소드 분배 채널(90) 및/또는 제 2 캐소드 분배 채널(92)의 리세스 깊이와 대략 동일할 수 있다. 제 1 캐소드 분배 채널(90), 제 2 캐소드 분배 채널(92), 및 지지 특징부들(94)은 캐소드 유동장(28)을 형성하는 다공성 금속 폼 구조체를 스탬핑, 압연 또는 다른 방식으로 소성 변형시킴으로써 형성될 수 있다.
제 1 캐소드 분배 채널(90) 및 제 2 캐소드 분배 채널(92)은 상기 다공성 금속 폼 구조체의 기공들 내로 유동하기 전에 산화제가 유동하기 위한 개방 유동 경로를 제공함으로써 캐소드 유동장(28)의 폭을 따라 산화제의 균일한 유동 분배를 촉진하도록 구성될 수 있다. 지지 특징부들(94)은 기계적 압축 동안 적절한 지지를 제공하도록 구성될 수 있고, 또한 작동 중에, 연료 전지(10)가 제 1 캐소드 분배 채널(90) 및 제 2 캐소드 분배 채널(92) 내로의 캐소드 플레이트(20)의 변형 또는 편향을 방지하거나 또는 감소시킴으로써 압축될 때, 제 1 캐소드 분배 채널(90) 및 제 2 캐소드 분배 채널(92)에 의해 제공되는 개방 유동 경로를 유지하도록 구성될 수 있다.
도 11b, 도 11c 및 도 11f는 캐소드 유동장들(28', 28'', 28''')의 추가 실시예들에 대한 정면도이다. 일부 실시예들에 있어서, 캐소드 유동장들(28', 28'', 28''')은 캐소드 유동장(28) 대신 연료 전지(10)에 사용될 수 있다. 캐소드 유동장들(28', 28'', 28''')은 본 명세서에 설명된 바와 같은 캐소드 유동장(28)의 모든 특징들뿐만 아니라 이하에서 설명될 추가의 특징들을 포함할 수 있다. 도 11b, 도 11c 및 도 11f에서 볼 수 있는 측면은 인접한 캐소드 플레이트(20)를 향하도록 구성된 측면이거나 또는 인접한 MEA(18)를 향하도록 구성된 측면일 수 있다.
캐소드 유동장들(28', 28'')은 복수의 공급(또는 제 1) 채널들(101) 및 복수의 방출(또는 제 2) 채널들(102)을 포함할 수 있다. 공급 채널들(101) 및 방출 채널들(102)은 캐소드 플레이트(20)와 마주하는 표면 상의 캐소드 유동장(28')에 스탬프, 절삭, 몰딩 또는 다른 방법으로 형성될 수 있다. 도 11b 및 도 11c에 도시된 바와 같이, 공급 채널들(101)이 개시되어 제 1 캐소드 분배 채널(90)에서 개시되고 그 채널과 유체 연통될 수 있으며, 제 2 캐소드 분배 채널(92)을 향해 연장한다. 방출 채널들(102)은 제 2 캐소드 분배 채널(92)에서 종료되고 그 채널과 유체 연통할 수 있으며, 제 1 캐소드 분배 채널(90)을 향해 연장한다. 공급 채널들(101) 및 방출 채널들(102)은 방출 채널들(102)이 인접한 공급 채널들(101) 사이에 위치될 수 있도록 도 11b에 도시된 바와 같이 서로 맞물릴 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 공급 채널들(101) 및 방출 채널들(102)은 개선된 산화제 분배를 가능하게 하기 위해 유체 유동에 대한 방해가 실제로 없을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 공급 채널들(101) 및 방출 채널들(102)은 제 1 및 제 2 캐소드 분배 채널들(90, 92)에서 발견되는 딤플들(94)과 유사한 딤플들(미도시)을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 복수의 공급 채널들(101) 및 방출 채널들(102)은 상이한 배열, 형상 및/또는 단면적을 가질 수 있는 것으로 고려된다. 예를 들어, 도 11b에서, 공급 및 방출 채널들(101, 102)의 폭은 캐소드 유동장(28')의 길이를 따라 변할 수 있다. 도 11b에서, 상기 공급 채널들(101)은 제 1 캐소드 분배 채널(90)에서 또는 그 근방에서 넓어지기 시작하고 제 2 캐소드 분배 채널(92)을 향해 연장하는 지점으로 좁아지는 반면, 방출 채널들은 한 지점에서 시작하여 제 2 캐소드 분배 채널(92)를 향해 연장하면서 넓어진다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 공급 채널들(101)의 원위 단부들은 도 11b에 도시된 바와 같은 지점보다 편평할 수 있다. 마찬가지로, 일부 실시예들에 있어서, 상기 방출 채널들(102)의 근위 단부들은 도 11b에 도시된 바와 같은 지점보다 편평할 수 있다. 이와 같은 배열로 인해, 공급 채널들(101)과 방출 채널들(102) 사이에는 직접적인 유체 연통이 존재하지 않는다. 오히려, 제 1 캐소드 분배 채널(90)에 의해 공급 채널들(101)로 분배된 산화제가 복수의 공급 채널들(101)을 통해 유동할 수 있으며, 캐소드 유동장(28')의 다공성 구조체를 통해 인접한 방출 채널들(102)로 강제 확산될 수 있다.
도 11c는 캐소드 유동장(28'')에 대한 공급 채널들(101)과 방출 채널들(102)의 다른 배열을 보여주며, 공급 및 방출 채널들(101, 102)의 폭은 캐소드 유동장(28'')의 길이를 따라 거의 동일하게 유지된다. 비록, 공급 및 방출 채널들(101, 102)의 폭이 거의 동일하게 유지된다 할지라도, 공급 및 방출 채널들(101, 102)의 깊이는 캐소드 유동장(28'')의 길이를 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 도 11d는 공급 채널(101)을 통한 단면(A-A)을 따르는 캐소드 유동장(28'')의 단면도를 도시한다. 도 11d에 도시된 바와 같이, 공급 채널들(101)은 제 1 캐소드 분배 채널(90)에서 또는 그 근방에서 가장 깊게 시작하며(즉, 최대 깊이 fd1), 상기 깊이는 제 2 캐소드 분배 채널(92)을 향해 연장하면서 감소하게 된다. 도 11d에 도시된 바와 같이, 상기 깊이는 일정한 비율로(예를 들어, 선형으로) 감소할 수 있으며, 또는 일부 실시예들의 경우, 상기 깊이는 변동 비율로(예를 들면, 비선형으로, 기하급수적으로) 감소될 수 있다. 도 11d에 도시된 바와 같이, 공급 채널들(101)은 최소 깊이(fd2)로 원위 단부에서 평평한 데드엔드(dead end)일 수 있다. 다른 실시예들에서, 공급 채널들(101)은 제로 최소 깊이(fd2)를 갖는 원위 단부에서 데드엔드일 수 있다.
도 11e는 방출 채널(102)을 통한 단면(B-B)을 따르는 캐소드 유동장(28'')의 단면도를 도시한다. 도 11e에 도시된 바와 같이, 방출 채널들(102)은 캐소드 분배 채널(90)에서 또는 그 근방에서 가장 얕게(즉, 최소 깊이 dd1) 시작할 수 있으며, 그 깊이는 제 2 캐소드 분배 채널(92)을 향해 연장하면서 증가될 수 있다. 방출 채널들(102)은 제 2 캐소드 분배 채널(92)에서 또는 그 근방에서 가장 깊게(즉, 최대 깊이 dd2)될 수 있다. 도 11e에 도시된 바와 같이, 상기 깊이는 일정한 비율로(예를 들면, 선형으로) 증가할 수 있으며, 일부 실시예들에 있어서는, 상기 깊이가 변동 비율로(예를 들면, 비선형으로, 기하급수적으로) 증가될 수 있다. 도 11e에 도시된 바와 같이, 방출 채널들(102)은 최소 깊이(dd1)로 근위 단부에서 평평하게 시작할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 방출 채널들(101)은 제로 최소 깊이(dd1)를 갖는 근위 단부에서 시작할 수 있다.
공급 및 방출 채널들(101, 102)의 폭을 변경시킴으로써(예를 들면, 도 11b 참조) 또는 깊이를 변경시킴으로써(예를 들면, 도 11c 내지 11e 참조), 캐소드 유동장(28', 28'')을 따라 산화제를 유동시키기 위해 이용 가능한 단면적은 변할 수 있다(예를 들면, 방출 채널들(102)에서의 증가 또는 공급 채널들(101)에서의 감소). 캐소드 유동장들(28', 28'')의 길이에 따른 공급 및 방출 채널들(101, 102)에서의 이용 가능한 유동 영역의 증가 또는 감소는 공급 채널들(101)로부터 다공성 구조체 내로 확산되고 상기 다공성 구조체로부터 방출 채널들(102) 내로 확산된 산화제의 용적에 대응하도록 구성될 수 있어서, 상기 공급 채널들(101) 및 방출 채널들(102)에 따른 산화제의 유동 속도가 대략 일정하게 유지된다. 다시 말해서, 공급 채널들(101)의 단면적은 산화제가 공급 채널들(101)로부터 유출되고 다공성 구조체들 내로 확산되는 비율과 같은 비율로 감소될 수 있어서, 산화제의 속도는 대략 일정하게 유지된다. 마찬가지로, 방출 채널들(102)의 단면적은 산화제가 다공성 구조체로부터 방출 채널(102)로 유출되는 비율과 같은 비율로 증가할 수 있어서, 산화제의 속도는 대략 일정하게 유지된다. 일부 실시예들에 있어서, 공급 및 방출 채널들(101, 102)의 폭 및 깊이는 모두 변할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 도 11d 및 도 11e는 도 11c에 추가하여 도 11b의 단면을 나타낼 수 있다.
도 11b 및 도 11c에 도시된 바와 같이, 공급 채널들(101)과 배출 채널들(102) 사이에는 분리 섹션이 형성될 수 있으며, 이는 랜드 섹션(104)으로서 지칭 될 수 있다. 공급 채널들(101)과 배출 채널들(102) 사이의 랜드 섹션들(104)의 두께는 고정될 수 있거나 또는 일부 실시예들의 경우 상기 두께는 변할 수 있다. 예를 들어, 상기 두께는 제 1 캐소드 분배 채널(90)에 가장 근접한 경우 가장 크게 될 수 있으며(예를 들면, 공급 채널들(101)의 근위 단부와 방출 채널들의 원위 단부 사이), 상기 두께는 제 2 캐소드 분배 채널(92)을 향해 감소될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 두께는 제 1 캐소드 분배 채널(90)에 가장 근접한 경우 가장 얇을 수 있으며, 상기 두께는 제 2 분배 채널(92)을 향해 증가될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 랜드 섹션들(104)의 두께는 제 1 캐소드 분배 채널(90)과 제 2 캐소드 분배 채널(92) 사이의 대략 중간에서 가장 두껍거나 또는 가장 얇을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 복수의 마이크로 채널들(106)이 랜드 섹션들(104)의 캐소드 유동장들(28', 28'')에 형성될 수 있다. 마이크로 채널들(106)은 랜드 섹션들(104)의 전체 길이나 또는 오직 일부를 따라 형성될 수 있다. 마이크로 채널들(106)은 캐소드 유동장들(28', 28'')에 의해 제공되는 다공성 네트워크와 비교하여 산화제를 위해 적합한 유동 경로를 생성하기 위해 공급 채널들(101)을 방출 채널들(102)과 유체 연결하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 실시예들에 대해, 확산과 관련하여 또는 확산보다는, 산화제가 공급 채널들(101)로부터 방출 채널들(102)로 마이크로 채널들을 통해 유동할 수 있다. 상기 마이크로 채널들(106)은, 다른 경우 캐소드 유동장들(28', 28'')의 랜드 섹션들에 의해 섀도잉(shadowed)될 수 있는, 대부분의 촉매 부위들에 산화제 이용 가능성을 제공하는 방식으로 크기 설정 및 이격될 수 있다.
공급 및 방출 채널들(101, 102)의 수는 예를 들어, 음극 유동장들(28', 28'')의 폭, 공급 채널들(101)의 폭, 방출 채널들(102)의 폭, 연료 전지(10)의 적용, 산화제를 위한 의도된 또는 설계된 작동 압력, 산화제를 위한 의도된 또는 설계된 작동 유량, 연료 전지(10)을 위한 의도된 또는 설계된 출력 또는 이들 매개 변수들의 임의의 조합을 포함하는 하나 이상의 상이한 매개 변수에 기초하여 조절될 수 있다.
캐소드 유동장들(28', 28'')은 많은 유익을 제공할 수 있다. 예를 들어, 공급 채널들(101) 및 방출 채널들(102)은 산화제가 유동할 수 있는 보다 큰 단면적을 제공하며, 이는 다른 다공성 유동장 구조체들과 비교하여 다공성 유동장에 걸친 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 또한, 공급 채널들(101) 및 방출 채널들(102)에 대해, 상기 마이크로 채널들은 또한 산화제 가스가 공급 채널들(101)과 방출 채널 들(102) 사이에서 유동할 수 있는 증가된 단면적을 제공할 수 있으며, 이는 다공성 유동장에 걸친 압력 강하를 추가로 감소시킬 수 있다. 압력 강하를 감소시킴으로써, 산화제를 압축시키는데 요구되는 에너지(예를 들어, 송풍 전력)의 양이 감소될 수 있으며, 이어서, 연료 전지(10)의 전반적인 성능과 효율을 개선할 수 있다(예를 들어, 전력 밀도 개선 및 기생 부하 감소). 또한, 캐소드 유동장들(28', 28'')의 특징은 상기 캐소드 유동장의 출구 근처(예를 들어, 공급 채널들(101), 방출 채널들(102) 및 마이크로 채널들)의 산소 농도를 증가시키기 위해 다공성 유동장 내에 신선한 산화제를 보다 균일하게 분배할 수 있다. 이는 유동이 다공성 몸체를 통해 분배될 때까지 산화제의 유입 유동이 예를 들어 산소 농후 상태로 유지될 수 있게 하며, 이는 더 양호한 전지 전압 및 잠재적으로 더 높은 전류 밀도를 초래할 수 있다.
도 11f에 도시된 바와 같이, 캐소드 유동장은 캐소드 유동장(28''')의 표면에 형성된(예를 들면, 압축, 앰보싱 또는 절삭) 복수의 채널들(110)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 채널들(110)은 제 1 캐소드 분배 채널(90)에서 시작해서 제 2 캐소드 분배 채널(92)을 향해 중간 정도 연장하는 제 1 세트의 채널들(110A)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 세트의 채널들(110A)은 신선한 산화제(예를 들어, 아직 소비되지 않은)가 캐소드 유동장(28''')의 제 2 반부로 직접 이동할 수 있게 하도록 구성되며, 여기서 산화제는 종종 더 낮은 산소 농도를 가질 수 있다. 상기 제 1 세트의 채널들(110A)은 랜드의 상부에 놓이도록 치수 설정될 수 있다. 다른 채널들(110)은 전반적인 압력 강하를 감소시키고 혼합을 용이하게 하고 그리고/또는 분배를 균일하게 하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 대하여, 캐소드 유동장(28''')을 위해 사용되는 스톡 재료(stock material)는 불균일하게 되어, 불균일한 압력 강하 및 유동 특성을 초래할 수 있다. 채널들(110)은 더욱 균일한 압력 강하 및 유동 특성을 부여함으로써 이와 같은 문제를 해결하도록 설계된다. 상기 제 1 세트의 채널들(110A)은 또한 활성 영역의 선단 에지에서 유량 및 유속을 감소시키는 데 도움이 되고, 이어서 해당 영역에서 수분의 제거가 감소하여 건식 조건에서 더 양호한 작동 및 성능을 제공한다. 이는 또한 전기 화학적 반응의 결과로서 활성 영역에 걸쳐 전류 및 온도 분배의 균형을 이루는 캐소드 유동장(28''')의 유동 경로를 따라 습도 및 산소 농도 분배의 균형화에 도움을 준다. 이는 연료 전지 및 스택의 내구성과 신뢰성을 개선한다. 일부 실시예들에 있어서, 제 1 세트의 채널들(110A)은 연료 전지의 애노드 또는 냉각제 측면 상의 임의의 유동 채널의 반대측에 위치되어, 고속 효과가 건설적으로 간섭하고 잠재적으로 건조될 수 있는 셀의 위험을 증가시키는 가능성을 회피할 수 있다.
캐소드 유동장(28)을 구성하는 다공성 구조체는 하나 이상의 금속 및/또는 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 구조체는 적어도 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)의 조합(예를 들어, NiCr) 또는 니켈, 주석(Sn) 및 크롬의 조합(예를 들어, NiSnCr)을 포함할 수 있다. 다공성 구조체의 NiCr 실시예들에서, 크롬의 농도는 질량%로 약 20% 내지 약 40%의 범위일 수 있고, 반면 니켈은 약 60% 내지 약 80%의 나머지 잔여부를 구성할 수 있다. 다공성 구조체의 NiSnCr 실시예들에서, 크롬의 농도는 약 3% 내지 약 6%의 범위일 수 있고, 주석의 농도는 약 10% 내지 약 20%의 범위일 수 있는 반면, 니켈은 약 74% 내지 약 87%의 잔여부를 구성할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 구조체의 적어도 하나의 표면은, 질량%로, 약 3% 내지 약 50% 범위의 크롬 농도를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐소드 유동장(28)을 형성하는 상기 다공성 구조체의 하나 또는 양쪽 표면의 크롬 농도는, 질량%로, 약 3% 내지 약 50%, 약 5% 내지 약 40%, 또는 약 7% 내지 약 40% 범위일 수 있다. 다공성 금속 몸체 표면의 크롬 농도의 증가는 산성 환경에서 다공성 구조체의 내부식성을 증가시키게 되므로 유리할 수 있다. 예를 들어, 캐소드 유동장을 형성하는 다공성 구조체의 표면들 중 적어도 하나가 약 3 질량% 내지 약 50 질량% 범위의 크롬 농도를 가질 때, 상기 다공성 구조체를 포함하는 양극판은 실질적으로 캐소드 하의 산성 환경에서 유리한 내부식성을 가질 수 있다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이 다공성 구조체에 의해 제공되는 개선된 내부식성은 유리하게도 캐소드 플레이트가 내부식성 특성들로 인해 전통적으로 사용되어 왔던 코팅된 스테인레스강보다는 코팅되지 않은 스테인레스강으로 형성될 수 있게 한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 구조체의 한 표면은 상기 다공성 구조체의 다를 표면보다 높은 크롬 농도를 가질 수 있다. 그와 같은 예에 있어서, 높은 크롬 농도를 갖는 표면은 유리하게도 더욱 큰 내부식성을 가질 수 있다. 높은 크롬 농도를 갖는 표면은 MEA(18)를 향해 배열될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 구조체의 큰 내부식성 표면은 약 3 질량% 내지 약 50 질량% 범위의 크롬 농도를 가질 수 있는 반면, 상기 금속 다공성 구조체의 작은 내부식성 표면은 약 3 질량% 미만의 크롬 농도를 가질 수 있다.
본 명세서에 설명된 다공성 구조체의 다양한 실시예들은 하나 이상의 전기 화학 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 수지성형된 몸체가 초기에 3차원 네트워크 구조체를 위한 기판으로서 사용될 수 있다. 상기 수지성형된 몸체는 폴리우레탄, 멜라민, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등들 중 하나 이상을 포함 할 수 있다. 상기 수지성형된 몸체는 그의 3차원 네트워크 구조체에 기공들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 수지성형된 몸체는 약 80% 내지 약 98% 범위의 기공률을 가질 수 있고, 약 50㎛ 내지 약 500㎛의 기공 크기를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 수지성형된 몸체는 약 150㎛ 내지 약 5,000㎛, 약 200㎛ 내지 2,000㎛, 또는 약 300㎛ 내지 약 1,200㎛의 두께를 가질 수 있다.
다공성 구조체를 형성하기 위해, 금속층들이 상기 수지성형된 몸체 위에 도금될 수 있다. 다공성 구조체의 NiCr 실시예들의 경우, 예를 들어, 상기 수지성형된 몸체 상에 니켈층 및 크롬층이 도금될 수 있다. 다공성 구조체의 NiSnCr 실시예들의 경우, 예를 들어, 상기 수지성형된 몸체 상에 니켈층, 주석층 및 크롬층이 도금될 수 있다. 상기 수지성형된 몸체는 니켈 입자, 주석 입자 및/또는 탄소 입자와 같은 전도성 금속의 무전해 도금(자동 촉매 도금), 증착, 스퍼터링 및/또는 도포와 같은 전기 전도성 처리를 받을 수 있다. 다음에, 니켈층 및/또는 주석층은 상기 3차원 구조체의 표면 또는 상기 처리된 수지성형된 몸체의 골격 상에 전기 도금될 수 있다. 예를 들면, 상기 수지성형된 몸체가 전도성 층으로 코팅될 때, 니켈층은 전기도금 공정을 통해 상기 수지성형된 몸체의 골격 상에 연속으로 형성될 수 있다. 니켈층이 형성된 후, 주석층은 다른 전기 도금 공정을 통해 상기 수지성형된 몸체의 골격 상에 연속으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 상기 수지형성된 몸체가 전도성 층으로 코팅될 때, 주석층이 먼저 전기 도금되고, 니켈층의 전기 도금이 이어진다. 일부 실시예들에 있어서, 실질적인 니켈 구조체에 크롬을 첨가하기 위해 화학적 증착이 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 니켈층 및/또는 주석층과 같은, 하나 이상의 금속층이 상기 수지성형된 몸체의 골격 위에 도금된 후에, 크롬층이 전기 도금 공정을 통해 첨가될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 크롬 도금층은 다공성 구조체의 적어도 하나의 표면의 크롬 농도가 약 3 질량% 내지 약 50 질량% 범위가 되도록 형성될 수 있다. 상기 크롬 도금층이 도금된 후에 또는 상기 니켈 및/또는 주석 도금층이 도금된 후에, 상기 다공성 구조체는 열처리에 의해 초기 수지성형된 몸체를 제거함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 구조체는 불활성 분위기 또는 환원된 분위기에서 약 900℃ 내지 약 1300℃ 범위의 온도로 가열될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 연료 전지들(10)은 각각의 연료 전지(10)의 활성 영역을 증가시키기 위해 조작될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지들(10)은 상기 활성 영역이 활성 영역의 폭을 2배로 함으로써 2배가 되도록 조작될 수 있다. 도 12는 활성 영역이 연료 전지들(10)의 활성 영역 크기(예를 들면, 도 2 참조)의 2배(2x)일 수 있는 인접한 연료 전지들(10')의 일부에 대한 측면 사시도를 도시한다. 연료 전지들(10')은 상기 연료 전지들(10')의 좌측 반부가 연료 전지들(10)과 동일하게 배치될 수 있는 반면 연료 전지들(10')의 우측 반부는 2개의 반부들 사이의 이등분선을 따라 좌측 반부의 반대 방향으로서 배치될 수 있도록 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 좌측 반부 및 우측 반부는 반대 방향보다는 동일 방향으로 배치될 수 있다. 연료 전지들(10')은, 폭이 더 넓고 좌측 및 우측 반부들이 반대 방향으로 배치된다는 점을 제외하고는, 상술된 바와 같이 연료 셀들(10)과 동일한 구성 요소들을 포함할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 연료 전지들(10)과 마찬가지로, 연료 전지들(10')은 캐소드 촉매층(12'), 애노드 촉매층(14'), 및 상기 캐소드 촉매층(12')과 애노드 촉매층(14') 사이에 위치하는 양성자 교환막(PEM)(16')을 포함할 수 있으며, 이들은 집합적으로 막 전극 조립체(MEA)(18')로서 언급될 수 있다. 연료 전지(10')는 2개의 양극판들, 캐소드 플레이트(20') 및 애노드 플레이트(22')를 포함할 수 있다. 캐소드 플레이트(20')는 캐소드 촉매층(12')에 인접하여 위치될 수 있으며, 애노드 플레이트(22')는 애노드 촉매츨(14')에 인접하여 위치될 수 있다. MEA(18')는 캐소드 플레이트(20')와 애노드 플레이트(22') 사이에 삽입되고 밀폐될 수 있다. 연료 전지들(10')은 또한 MEA(18)의 각각의 측면 상의 연료 전지(10) 내에 전기 전도성 가스 확산층들(예를 들면, 캐소드 가스 확산층(24') 및 애노드 가스 확산층(26'))을 포함할 수 있다. 연료 전지들(10')은 MEA(18')의 각각의 측면 상에 위치하는 유동장들을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들면, 연료 전지(10')는 캐소드 플레이트(20')와 GDL(24') 사이에 위치하는 다공성 구조체를 포함할 수 있는 캐소드 유동장(28')과 애노드 플레이트(22')에 의해 형성될 수 있는 애노드 유동장(30')을 포함할 수 있다. 연료 전지들은 또한 일련의 적층된 캐소드 플레이트들(20')과 애노드 플레이트들(22')에 의해 한정되는 길이 방향 축(5)을 따라 연장하는 복수의 유체 매니폴드들(31A', 31B')을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술 된, 연료 전지들(10)에 관한 구성 요소, 특징, 작동 및 장점들의 설명은 적어도 도 2 및 도 12에 도시된 것과 유사한 것에 기반하여 연료 전지들(10')에 동일하게 적용 가능하다는 사실을 이해해야 한다. 도 13, 도 14 및 도 15는 연료 전지(10')의 예시적 실시예에 따른 애노드 플레이트(22'), 캐소드 플레이트(20') 및 캐소드 유동장(28')에 대한 정면도를 도시한다. 일부 실시예들에 있어서, 연료 전지들(10)은, 활성 영역을 증가시키고 연료 전지(10)의 특징부들(예를 들어, 매니폴드, 통로 및 포트 등)의 레이아웃을 연료 전지(10')에 대해 수행된 것의 2배가 아닌 3배 반복함으로써, 상기 활성 영역이 3배가 되도록 조작될 수 있다.
상술된 설명은 예시의 목적으로 제안되었다. 그것은 완전하지 않고, 개시된 정확한 형태 또는 실시예들로 한정되지 않는다. 실시예들의 수정, 개조 및 다른 응용은 개시된 실시예의 명세서 및 실시를 고려하여 명백해질 것이다. 예를 들어, 개시된 연료 전지(10)의 실시예들은 다양한 전기 화학 전지들과 함께 사용하기 위해 적응될 수 있다. 예를 들어, 비록 본 발명은 주로 애노드 채널 유동장 및 캐소드 다공성 유동장을 갖는 연료 전지들에 초점을 두고 있지만, 이러한 특징들 중 일부는 애노드 및 캐소드 유동장을 이용하는 연료 전지들 또는 애노드 및 캐소드 다공성 유동장을 이용하는 연료 전지들에 사용될 수 있는 것으로 고려된다.
또한, 본 명세서에는 예시적인 실시예들이 설명되었지만, 그 범위는 본 명세서에 기초한 동등한 요소들, 수정들, 생략들, 조합들(예를 들어, 다양한 실시예들에 걸친 양상들의), 적응 및/또는 변경들을 갖는 임의의 그리고 모든 실시예들을 포함한다. 청구범위의 요소들은 청구범위에 채용된 언어에 기초하여 광범위하게 해석되어야 하며, 본 명세서에 기재된 또는 본 출원 업무 중의 예들에 제한되지 않으며, 비 배타적인 것으로 해석되어야 한다. 또한, 개시된 방법의 단계들은 재정렬 단계 및/또는 삽입 또는 삭제 단계를 포함하는 임의의 방식으로 변형될 수 있다.
본 발명의 특징 및 장점들은 상세한 설명으로부터 명백하므로, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 정신 및 범위 내에 속하는 모든 전지들 및 전지 스택들을 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에 사용된 바와 같은, 부정 관사들(a 또는 an)은 "하나 이상"을 의미한다. 마찬가지로, 복수 용어의 사용은 주어진 문맥에서 명백하지 않는 한 반드시 복수를 나타내는 것은 아니다. "및" 또는 "또는"이라는 단어는 달리 지시되지 않는 한 "및/또는"을 의미한다. 또한, 본 개시 내용을 연구함으로써 수많은 변형 및 변형이 용이하게 일어날 것이기 때문에, 본 개시 내용을 도시되고 설명된 정확한 구성 및 작동으로 제한하는 것이 바람직하지 않으며, 따라서 본 발명의 범위 내에 속하는 모든 적합한 변형 및 등가물이 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들은 본 명세서 및 본 발명의 실시를 고려하여 당업자에게 명백할 것이다. 본 명세서 및 실예들은 단지 예시적인 것으로 간주되며, 본 발명의 진정한 범위 및 정신은 다음의 청구범위들에 의해 지시되도록 의도된다.
Claims (25)
- 전기 화학 전지 스택으로서,
길이 방향 축을 따라 적층되는 복수의 전기 화학 전지들을 포함하며, 각각의 전기 화학 전지는:
캐소드 촉매층, 애노드 촉매층, 및 상기 캐소드 촉매층과 상기 애노드 촉매층 사이에 삽입되는 중합체 막을 포함하는 막 전극 조립체;
상기 막 전극 조립체가 중간에 삽입되는 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트로서, 상기 애노드 플레이트는 상기 애노드 촉매층과 마주하는 애노드 유동장(flow field)을 형성하는 복수의 채널들을 한정하는, 상기 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트;
상기 캐소드 플레이트와 상기 캐소드 촉매층 사이에 위치하는 캐소드 유동장으로서, 다공성 구조체를 포함하는 상기 캐소드 유동장; 및
애노드 공급 매니폴드, 캐소드 방출 매니폴드, 및 냉각제 방출 매니폴드를 포함하는 제 1 매니폴드 섹션과, 애노드 방출 매니폴드, 캐소드 공급 매니폴드, 및 냉각제 공급 매니폴드를 포함하는 제 2 매니폴드 섹션을 포함하며,
상기 냉각제 방출 매니폴드는 상기 애노드 공급 매니폴드와 상기 캐소드 방출 매니폴드 사이에 위치되며, 상기 냉각제 공급 매니폴드는 상기 애노드 방출 매니폴드와 상기 캐소드 공급 매니폴드 사이에 위치되는, 전기 화학 전지 스택. - 제 1 항에 있어서, 상기 캐소드 방출 매니폴드는 상기 냉각제 방출 매니폴드의 한 측면 상에 놓이며 상기 애노드 공급 매니폴드는 상기 냉각제 방출 매니폴드의 반대측 측면 상에 놓이는 반면, 상기 캐소드 공급 매니폴드는 상기 냉각제 공급 매니폴드의 우측에 놓이며 상기 애노드 방출 매니폴드는 상기 냉각제 공급 매니폴드의 좌측에 놓이는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 2 항에 있어서, 상기 애노드 유동장을 통한 상기 애노드 공급 매니폴드와 상기 애노드 방출 매니폴드 사이의 유체 유동은 상기 캐소드 유동장을 통한 상기 캐소드 방출 매니폴드와 상기 캐소드 공급 매니폴드 사이의 유체 유동과 교차하여 역류하는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 1 항에 있어서, 상기 캐소드 방출 매니폴드의 영역은 상기 냉각제 방출 매니폴드보다 크고, 상기 냉각제 매니폴드의 영역은 상기 애노드 공급 매니폴드의 영역보다 큰, 전기 화학 전지 스택.
- 제 1 항에 있어서, 각각의 전기 화학 전지는 상기 막 전극 조립체의 각각의 측면에 인접하여 위치되는 가스 확산층을 추가로 포함하는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 구조체는 적어도 니켈 및 크롬을 포함하는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 구조체는 60 질량% 내지 80 질량%의 니켈 농도와 20 질량% 내지 40 질량%의 크롬 농도를 포함하며, 상기 다공성 구조체의 적어도 하나의 표면은 약 3 질량% 내지 약 50 질량%의 크롬 농도를 포함하는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 구조체는 약 3% 내지 약 6%의 크롬 농도, 약 10% 내지 약 20%의 주석 농도, 및 약 74% 내지 약 87%의 니켈 농도를 포함하는, 전기 화학 전지 스택.
- 전기 화학 전지 스택으로서,
길이 방향 축을 따라 적층되는 복수의 전기 화학 전지들을 포함하며, 각각의 전기 화학 전지는:
캐소드 촉매층, 애노드 촉매층, 및 상기 캐소드 촉매층과 상기 애노드 촉매층 사이에 삽입되는 중합체 막을 포함하는 막 전극 조립체;
상기 막 전극 조립체가 중간에 삽입되는 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트로서, 상기 애노드 플레이트는 상기 애노드 촉매층과 마주하는 애노드 유동장을 형성하는 복수의 채널들을 한정하는, 상기 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트; 및
상기 캐소드 플레이트와 상기 캐소드 촉매층 사이에 위치하는 캐소드 유동장으로서, 다공성 구조체를 포함하는 상기 캐소드 유동장을 포함하며,
상기 캐소드 플레이트는 상기 다공성 구조체의 측면들을 따라 한쌍의 캐소드 유동장 경계부들을 포함하는, 전기 화학 전지 스택. - 제 9 항에 있어서, 상기 한쌍의 캐소드 유동장 경계부들은 상기 캐소드 플레이트로부터 상기 막 전극 조립체로 연장되며, 산화제가 상기 캐소드 유동장 주위로 유동하는 것을 방지하도록 구성되는. 전기 화학 전지 스택.
- 제 9 항에 있어서, 상기 캐소드 유동장 경계부들 사이의 거리는 상기 캐소드 유동장의 폭과 거의 같은, 전기 화학 전지 스택.
- 제 9 항에 있어서, 상기 캐소드 유동장 경계부들은 상기 캐소드 플레이트로부터 상기 캐소드 유동장의 깊이와 동일한 깊이로 돌출하는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 9 항에 있어서, 상기 캐소드 유동장 경계부들은 일반적으로 장방형 형상인, 전기 화학 전지 스택.
- 제 9 항에 있어서, 각각의 전기 화학 전지는 상기 막 전극 조립체의 각각의 측면에 인접하여 위치되는 가스 확산층을 추가로 포함하는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 9 항에 있어서, 상기 다공성 조립체는 적어도 니켈 및 크롬을 포함하는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 15 항에 있어서, 상기 다공성 구조체는 60 질량% 내지 80 질량%의 니켈 농도와 20 질량% 내지 40 질량%의 크롬 농도를 포함하며, 상기 다공성 구조체의 적어도 하나의 표면은 약 3 질량% 내지 약 50 질량%의 크롬 농도를 포함하는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 15 항에 있어서, 상기 다공성 구조체는 약 3% 내지 약 6%의 크롬 농도, 약 10% 내지 약 20%의 주석 농도, 및 약 74% 내지 약 87%의 니켈 농도를 포함하는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 16 항에 있어서, 상기 다공성 구조체의 제 1 표면은 반대측 제 2 표면보다 높은 크롬 농도를 갖는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 표면은 약 3 질량% 내지 약 50 질량%의 크롬 농도를 가지며, 상기 제 2 표면은 약 3 질량% 미만의 크롬 농도를 갖는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 19 항에 있어서, 상기 다공성 구조체의 제 1 표면은 상기 막 전극 조립체와 마주하는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 15 항에 있어서, 각각의 전지의 상기 캐소드 플레이트는 코팅되지 않은 스테인레스강으로 제조되는, 전기 화학 전지 스택.
- 전기 화학 전지로서,
캐소드 촉매층, 애노드 촉매층, 및 상기 캐소드 촉매층과 상기 애노드 촉매층 사이에 삽입되는 중합체 막을 포함하는 막 전극 조립체;
상기 막 전극 조립체가 중간에 삽입되는 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트로서, 상기 애노드 플레이트는 상기 애노드 촉매층과 마주하는 애노드 유동장을 형성하는 복수의 채널들을 한정하는, 상기 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트; 및
상기 캐소드 플레이트와 상기 캐소드 촉매층 사이에 위치하는 캐소드 유동장으로서, 다공성 구조체를 포함하는 상기 캐소드 유동장을 포함하는, 전기 화학 전지. - 전기 화학 전지 스택으로서,
길이 방향 축을 따라 적층되는 복수의 전기 화학 전지들을 포함하며, 각각의 전기 화학 전지는:
캐소드 촉매층, 애노드 촉매층, 및 상기 캐소드 촉매층과 상기 애노드 촉매층 사이에 삽입되는 중합체 막을 포함하는 막 전극 조립체;
상기 막 전극 조립체가 중간에 삽입되는 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트로서, 상기 애노드 플레이트는 상기 애노드 촉매층과 마주하는 애노드 유동장을 형성하는 복수의 채널들을 한정하는, 상기 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트;
상기 캐소드 플레이트와 상기 캐소드 촉매층 사이에 위치하는 캐소드 유동장으로서, 다공성 구조체를 포함하는 상기 캐소드 유동장; 및
제 1 애노드 공급 매니폴드, 제 2 애노드 공급 매니폴드, 제 1 캐소드 방출 매니폴드, 제 2 캐소드 방출 매니폴드, 제 1 냉각제 방출 매니폴드, 및 제 2 냉각제 방출 매니폴드를 포함하는 제 1 매니폴드 섹션과, 제 1 애노드 방출 매니폴드, 제 2 애노드 공급 매니폴드, 제 1 캐소드 공급 매니폴드, 제 2 캐소드 공급 매니폴드, 제 1 냉각제 공급 매니폴드 및 제 2 냉각제 공급 매니폴드를 포함하는 제 2 매니폴드 섹션을 포함하며,
상기 제 1 냉각제 방출 매니폴드는 상기 제 1 애노드 공급 매니폴드와 상기 제 1 캐소드 방출 매니폴드 사이에 위치되며, 상기 제 2 냉각제 방출 매니폴드는 상기 제 2 애노드 공급 매니폴드와 상기 제 2 캐소드 방출 매니폴드 사이에 위치되며,
상기 제 1 냉각제 공급 매니폴드는 상기 제 1 애노드 방출 매니폴드와 상기 제 1 캐소드 공급 매니폴드 사이에 위치되며, 상기 제 2 냉각제 공급 매니폴드는 상기 제 2 애노드 방출 매니폴드와 상기 제 2 캐소드 공급 매니폴드 사이에 위치되는, 전기 화학 전지 스택. - 제 23 항에 있어서, 상기 애노드 유동장을 통한 상기 제 1 및 제 2 애노드 공급 매니폴드들과 상기 제 1 및 제 2 애노드 방출 매니폴드들 사이의 유체 유동은 상기 캐소드 유동장을 통한 상기 제 1 및 제 2 캐소드 방출 매니폴드들과 상기 제 1 및 제 2 캐소드 공급 매니폴드들 사이의 유체 유동과 교차하여 역류하는, 전기 화학 전지 스택.
- 제 23 항에 있어서, 상기 애노드 플레이트 및 상기 캐소드 플레이트의 우측 반부 및 좌측 반부는 이등분선을 가로질러 반대 방향으로 배치되는, 전기 화학 전지 스택.
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