KR20220107179A - 병렬 유동을 위한 외부 매니폴드를 갖는 연료 전지 어셈블리 - Google Patents

Abstract

애노드 공정 가스를 수용하고 통과시키도록 구성된 애노드, 캐소드 공정 가스를 수용하고 통과시키도록 구성된 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드를 분리하는 전해질 매트릭스 층을 포함하는 연료 전지가 제공된다. 상기 애노드 또는 상기 캐소드 중 하나는 연장된 가장자리 밀봉 챔버를 갖고, 상기 연료 전지는 상기 애노드 공정 가스 및 상기 캐소드 공정 가스를 서로에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 수용하도록 구성되며, 상기 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 상기 애노드 공정 가스 및 상기 캐소드 공정 가스가 실질적으로 평행한 유동 경로로 상기 애노드 및 상기 캐소드를 통과되게 하도록 구성된다.

Description

병렬 유동을 위한 외부 매니폴드를 갖는 연료 전지 어셈블리

본 출원은 일반적으로 연료 전지 어셈블리 분야에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 병렬 방향으로 유동하는 애노드 및 캐소드 공급 가스를 제공하는 외부 매니폴드를 갖는 연료 전지 어셈블리에 관한 것이다.

종래의 연료 전지 스택 어셈블리는 전해질 층에 의해 분리된 애노드 층 및 캐소드 층을 각각 갖는 복수의 연료 전지로 형성될 수 있다. 복수의 연료 전지는 연료 전지의 스택을 형성하도록 배열될 수 있다. 각각의 애노드 층은 애노드 입구(즉, 연료 전지 스택의 일 면) 및 대향하는 애노드 출구(즉, 스택의 반대쪽 면)를 포함하며, 애노드 공급 가스는 애노드 층을 통해 제1 방향으로 애노드 입구로부터 애노드 출구로 통과한다. 유사하게, 각각의 캐소드 층은 캐소드 입구(즉, 스택의 다른 면) 및 대향하는 캐소드 출구(즉, 스택의 반대쪽 면)를 포함하며, 캐소드 공급 가스는 캐소드 층을 통해 상기 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 캐소드 입구로부터 캐소드 출구로 통과한다. 애노드 공급 가스와 캐소드 공급 가스의 수직 유동은 연료 전지 내에서 전류의 2차원 분포를 발생시킨다. 예를 들어, 전류는 애노드 입구 및 캐소드 입구 모두에 인접한 코너에서 가장 높을 수 있고(증가된 가스 농도로 인해) 애노드 출구 및 캐소드 출구에 인접한 코너에서 가장 낮을 수 있다(감소된 전기화학적 활성으로 인해). 그 다음 전류의 2차원 분포는 제1 방향 및 제2 방향 모두에서 변하므로, 애노드 및 캐소드 공급 가스의 유동을 최적화하여 각 연료 전지에 걸친 전류의 변동을 감소시키는 것을 어렵게 만든다.

표준 수직 유동 또는 교차 유동 구성은 전지 표면에 걸쳐 2차원 전류를 생성하고, 이는 차례로 2차원 열 구배를 유도한다. 하나의 코너가 유동 필드(field)의 평균 온도보다 낮고 다른 코너는 유동 필드의 평균 온도보다 높은 이러한 열 구배는 차별적인 열 팽창으로 인해 많은 전지들이 적층될 때 문제가 된다. 전지들이 더 이상 평면이 아니기 때문에 뜨거운 코너/측면은 차가운 코너/측면보다 더 많이 성장하여 스택 왜곡, 기울어짐 및 구부러짐을 초래한다. 이 왜곡은 또한 접촉 손실을 유발하고 전지의 상이한 영역에서 국부 압축의 양을 변동시킬 수 있다. 스택이 높을수록 이 효과는 더 많이 작용한다. 전류의 1차원 분포 및 이에 따른 1차원 온도 구배를 제공하기 위해 병렬 방향으로 유동하는 애노드 공급 가스 및 캐소드 공급 가스를 제공하는 연료 전지 어셈블리를 제공하는 것이 유리할 것이다. 달성되면, 스택 내의 전지들은 실질적으로 평면으로 유지되어 접촉이 양호해지고, 이동이 더 예측 가능해지며 균일한 스택 압축을 유지하는 것이 덜 어려워진다.

본 발명에 따르면, 연료 전지 스택이 제공되는 바, 이는 전해질 매트릭스 층에 의해 분리된 애노드 및 캐소드를 갖는 복수의 연료 전지를 포함하며, 상기 애노드 또는 상기 캐소드 중 하나는 작동 동안 애노드 공정 가스 및 캐소드 공정 가스가 서로에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 연료 전지 스택에 제공될 때, 이들 공정 가스들이 연료 전지를 통해 실질적으로 평행하게 유동하도록 구성된 연장된 가장자리 밀봉 챔버를 갖는다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 연료 전지 스택에 사용되는 연료 전지가 제공되는 바, 상기 연료 전지는 제1 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 활성 영역을 갖는 제1 층, 제2 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 제2 층, 및 상기 제1 층과 상기 제2 층을 분리하는 전해질 매트릭스 층을 갖는다. 상기 제1 층은 연료 전지의 2개의 대향 측면들 상의 활성 영역을 넘어 스택 면으로부터 외측으로 캔틸레버(cantilever)를 연장하는 가장자리 밀봉 챔버(연장된 가장자리 밀봉 챔버)를 포함한다. 상기 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 연료 전지 스택에 대해 제1 방향으로 연료 전지 스택에 제공되는 제1 공정 가스를 수용하고 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향으로 그리고 제2 공정 가스와 실질적으로 평행하게 제1 공정 가스를 활성 영역으로 출력하도록 구성된다. 상기 활성 영역은 제1 공정 가스가 제2 공정 가스와 반응되게 하도록 구성된다. 상기 활성 영역 내 2개의 가스들은 서로 실질적으로 평행하게 유동한다.

다른 양태에서, 상기 제2 층은 제2 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 제2 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된다.

다른 양태에서, 상기 제1 층은 제1 공정 가스를 수용하고 제1 공정 가스를 연장된 가장자리 밀봉 챔버 내로 전환하도록 구성된 전환 표면을 포함한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 연료 전지 스택에 사용되는 연료 전지가 제공되는 바, 상기 연료 전지는 애노드 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 활성 애노드 영역을 갖는 애노드 층, 캐소드 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 캐소드 층, 및 상기 애노드 층과 상기 캐소드 층을 분리하는 전해질 매트릭스 층을 갖는다. 상기 애노드 층은 연료 전지의 제1 측면 상의 활성 애노드 영역으로부터 멀리 연장되는 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버를 포함한다. 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 연료 전지 스택에 대해 제1 방향으로 연료 전지 스택에 제공되는 애노드 공정 가스를 수용하고 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향으로 활성 애노드 영역으로 애노드 공정 가스를 출력하도록 구성된다. 상기 애노드 활성 영역은 애노드 공정 가스가 캐소드 공정 가스와 반응되게 하도록 구성된다.

다른 양태에서, 상기 연료 전지는 연료 전지의 제1 측면에 대향하는 측면 상의 활성 애노드 영역으로부터 멀리 연장되는 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버를 포함한다. 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 애노드 공정 가스를 제2 방향으로 수용하고 애노드 공정 가스를 연료 전지 스택에 대해 제1 방향으로 전환시키도록 구성된다.

다른 양태에서, 상기 캐소드 층은 제2 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 캐소드 공정 가스를 수용하도록 구성된다.

다른 양태에서, 상기 캐소드 층은 제2 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 캐소드 공정 가스를 출력하도록 구성된다.

다른 양태에서, 상기 애노드 층은 애노드 공정 가스를 제1 방향으로 수용하고 애노드 공정 가스를 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버 쪽으로 재지향시키도록 구성된 제1 전환 표면을 포함한다.

다른 양태에서, 상기 애노드 층은 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버로부터 애노드 공정 가스를 수용하고 애노드 공정 가스를 제1 방향으로 재지향시키도록 구성된 제2 전환 표면을 포함한다.

도 1은 연료 전지의 개략도이다.
도 2는 종래의 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 3은 예시적인 일 실시형태에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 4a는 예시적인 일 실시형태에 따른 연료 전지 어셈블리의 평면도이다.
도 4b는 다른 예시적인 실시형태에 따른 연료 전지 어셈블리의 평면도이다.
도 4c는 도 4a에 도시된 연료 전지 어셈블리의 캐소드 레벨의 평면도이다.
도 4d는 도 4a에 도시된 연료 전지 어셈블리의 애노드 레벨의 평면도이다.
도 5는 캐소드 공급 가스의 유동에 수직인 애노드 공급 가스의 유동을 제공하는 쌍극판(bipolar plate)를 갖는 종래의 연료 전지 어셈블리에서의 전류 분포를 도시한다.
도 6은 캐소드 공급 가스의 유동에 평행한 애노드 공급 가스의 유동을 제공하는 쌍극판을 갖는 연료 전지 어셈블리에서의 전류 분포를 도시한다.

도 1은 연료 전지(1)의 개략도를 나타낸다. 연료 전지(1)는 전해질 매트릭스(2), 애노드(3) 및 캐소드(4)를 포함한다. 애노드(3)와 캐소드(4)는 매트릭스(2)에 의해 서로 분리된다. 산화제(예를 들어, 연소 배기가스 공급 유닛으로부터의 공기 또는 연도 가스)가 캐소드(4)에 공급된다. 애노드(3)에는 연료 가스(예를 들어, 탄화수소 가스)가 공급된다. 연료 전지(1)의 캐소드에서, CO3= 이온 형태의 CO2 및 O2가 캐소드로부터 애노드로 이동하며, 연료 가스 및 산화제 가스는 전해질 매트릭스(2)의 기공에 존재하는 전해질(예를 들어, 탄산염 전해질) 존재 하에 전기화학 반응을 겪는다.

도 2를 참조하면, 종래의 연료 전지 스택(10)은 복수의 연료 전지(11)를 포함하고, 각각은 애노드 층(12)(애노드 전극 및 애노드 유동 챔버/집전체를 포함함, 도시되지 않음) 및 캐소드 층(14)(캐소드 전극 및 캐소드 유동 챔버/집전체를 포함함, 도시되지 않음)을 가지며, 연료 전지는 다른 것의 상부에 적층되는 등이다. 연료 전지 스택(10)은 애노드 공급 가스를 수용하도록 구성된 애노드 입구 측면(또는 스택 면)(16) 및 애노드 층(12)을 통과한 후 애노드 배기가스를 출력하도록 구성된 대향하는 애노드 출구 측면(또는 스택 면)(18)을 포함한다. 애노드 공급 가스는 애노드 입구 스택 면(16)에 대해 밀봉되는 외부 매니폴드(애노드 입구 매니폴드(116))를 통해 제공될 수 있다. 참고 목적으로, 도 2에 도시된 외부 매니폴드는 연료 전지 스택(10)으로부터 제거되었다. 명확히 하자면, 작동 동안에 외부 매니폴드(예를 들어, 애노드 입구 매니폴드(116))는 대응하는 연료 스택 면에 대해 밀봉될 것이다. 애노드 배기가스는 애노드 출구 스택 면(18)(애노드 출구 매니폴드(118))에 대해 밀봉되는 다른 외부 매니폴드에 의해 수용될 수 있다. 연료 전지 스택(10)은 캐소드 공급 가스를 수용하도록 구성된 캐소드 입구 측면(또는 스택 면)(20) 및 캐소드 층(14)을 통과한 후 캐소드 배기가스를 출력하도록 구성된 대향하는 캐소드 출구 측면(또는 스택 면)(22)을 추가로 포함한다. 캐소드 공급 가스는 캐소드 입구 스택 면(20)(캐소드 입구 매니폴드(120))에 대해 밀봉되는 외부 매니폴드를 통해 제공될 수 있다. 캐소드 배기가스는 캐소드 출구 스택 면(22)에 대해 밀봉되는 다른 외부 매니폴드(캐소드 출구 매니폴드(122))에 의해 수용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 4개의 스택 면 중 적어도 3개는 각 스택 면에 대해 밀봉되는 외부 매니폴드를 가질 수 있다. 예를 들어, 스택은 밀봉된 하우징(예를 들어, 모듈)에 수용될 수 있고 애노드 입구 측면, 애노드 출구 측면 및 캐소드 입구 측면은 외부 매니폴드로 밀봉될 수 있다. 본 예에서 캐소드 출구 측면은 밀봉된 하우징에 대해 개방될 수 있다.

도 2에 도시된 연료 전지 스택(10)에서, 애노드 공급 가스는 애노드 입구 스택 면(16)으로부터 애노드 출구 스택 면(18)으로 실질적으로 선형 방향으로 각각의 애노드 층(12)을 통해 유동한다(본원에서 언급된 바와 같이, "실질적으로 선형"은 가스 부피의 대부분이 특정 방향으로 유동한다는 것을 의미한다). 유사하게, 캐소드 공급 가스는 캐소드 입구 스택 면(20)으로부터 캐소드 출구 스택 면(22)으로 실질적으로 선형 방향으로 캐소드 층(14)을 통해 유동한다. 애노드 및 캐소드 공급 가스는 스택 내에 있을 때 서로에 대해 실질적으로 수직으로 유동한다(즉, 애노드 공급 가스 부피의 대부분은 제1 방향으로 유동하고 캐소드 공급 가스 부피의 대부분은 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향으로 유동한다)("교차 유동"이라고도 함). 이 때문에, 전류 밀도는 애노드 입구 측면(16)이 캐소드 입구 측면(20)과 만나는 곳(영역 I)에 인접한 연료 전지 스택(10)의 코너에서 가장 높을 수 있고, 연료 전지 어셈블리(11)를 통한 애노드 공급 가스 유동 및 캐소드 공급 가스 유동 각각의 방향에서 비선형적으로 변한다. 따라서, 스택 내에서 서로에 대해 애노드 공급 가스 및 캐소드 공급 가스의 유동을 재배향하여, 애노드 및 캐소드 유동이 실질적으로 평행한 구성("병렬 유동", "공-유동(co-flow)" 또는 "역-유동"라고도 함)으로 연료 전지 스택(10)을 통과하도록 하는 것이 유리할 것이다.

본 발명은 2개의 공정 가스 혼합물이 서로에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 공급되고 스택으로부터 제거되는 4-측면의 연료 전지 스택 내에서 2개의 공정 가스 혼합물의 실질적으로 평행한 유동을 허용한다. 다시 말해서, 본 발명은 도 2와 관련하여 설명된 바와 같이 연료 전지 스택으로 및 그로부터 공정 가스 전달(즉, 외부 매니폴드에 의해)을 크게 변경하지 않고 연료 전지 스택 내에서 실질적으로 평행한 유동을 허용한다.

이제 도 3을 참조하면, 연료 전지 스택(200)은 애노드 공급 가스가 연료 전지 스택(200)의 코너를 통과하여 캐소드 공급 가스에 실질적으로 평행하게 재지향되고 애노드 배기가스가 다시 재지향되어 캐소드 배기가스에 실질적으로 수직으로 출력되는 방법을 보여준다(참조의 편의를 위해, "A"로 표시된 화살표는 애노드 공정 가스에 대한 유동 경로를 나타내고 "C"로 표시된 화살표는 캐소드 공정 가스에 대한 유동 경로를 나타낸다). 연료 전지 스택(200)은 각각 애노드 층(208) 및 캐소드 층(210)을 갖는 복수의 연료 전지 어셈블리(211)를 포함하며, 연료 전지는 서로의 상부에 적층되고 스틸(steal) 분리기 시트(예를 들어, 쌍극판)에 의해 서로 분리된다. 최상부 연료 전지 어셈블리(211)의 상부 표면은 그 연료 전지 어셈블리 내의 유동 경로를 보여주기 위해 제거되었음에 주목한다. 애노드 전극(애노드 활성 영역)(213)의 다공성 활성 영역을 제외하고는, 각 연료 전지 어셈블리(211)의 애노드 층(208)은 그렇지 않으면 단일 입구(아래에서 논의되는 부분적 애노드 입구(216)) 및 단일 출구(아래에서 논의되는 부분적 애노드 출구(218))를 갖는 밀봉된 챔버임이 이해될 것이다. 본원에 사용되는 "활성 영역"은 공정 가스에서의 분자의 선택적 확산이 그를 통해 확산되게 하도록 구성된 연료 전지 층(애노드, 캐소드) 상의 영역이다. 즉, 공급 가스는 활성 영역에서 전기화학 반응을 겪는다. 달리 말하면, 연료 전지의 애노드 및 캐소드 모두의 선행 및 후행 가장자리는 연료 전지 위와 아래의 인접한 전지들 사이의 습식 밀봉부에 대응하는 좁은 비활성 영역을 갖는다. 공급 가스는 전기화학 반응을 겪지 않고 습식 밀봉부를 통과한다. 애노드 층 및 캐소드 층 모두에 중첩되고 공통적인 연료 전지의 나머지 영역은 전기화학적 활성의 대상이 되며 "활성 영역"으로 알려져 있다. 유사하게, 다공성 활성 캐소드 전극(도시되지 않음)을 제외하고, 각각의 연료 전지 어셈블리(211)의 캐소드 층(210)은 그렇지 않으면 캐소드 입구(226) 및 캐소드 출구(228)를 갖는 밀봉된 챔버이다. 또한, 연료 전지 어셈블리(211)의 측벽의 일부는 최상부의 연료 전지 어셈블리(211)의 캐소드 층을 통한 유동 경로(및 최상부의 연료 전지 어셈블리(211) 바로 아래의 연료 전지 어셈블리(211)의 애노드 및 캐소드 층의 유동 경로)를 보여주기 위해 제거되었음에 주목할 것이다. 또한, 최상부 연료 전지 어셈블리(211)에 대응하는 열거된 특징에 대한 참조가 이루어질 수 있지만, 그러한 열거된 특징은 연료 전지 스택(200)에 포함된 다른 연료 전지 어셈블리(211)에 적용될 수 있음에 추가로 주목할 것이다.

본원에 설명된 연료 전지 어셈블리(211)는 전해질 매트릭스 층에 의해 분리된 애노드 층(208) 및 캐소드 층(210)을 포함하며 스틸 분리기 시트는 연료 전지 어셈블리의 상부 표면 및 하부 표면을 형성함에 주목할 것이다. 그러나, 다른 실시형태에서, 제1 연료 전지 어셈블리는 스틸 분리기 시트에 의해 분리된 애노드 층(208) 및 캐소드 층(210)을 포함할 수 있고, 애노드 전극은 제1 표면(예를 들어, 상부 표면)을 형성하고 캐소드 전극은 제2 표면(예를 들어, 하부 표면)을 형성한다. 제1 연료 전지 어셈블리의 상부 또는 하부에 제2 연료 전지 어셈블리(제1 연료 전지 어셈블리와 동일한 구성요소를 가짐)가 적층되고 2개의 연료 전지 어셈블리가 전해질 매트릭스 층에 의해 분리될 때 단일 기능 연료 전지 유닛이 형성된다. 달리 말하면, 제1 연료 전지 어셈블리의 캐소드가 제2 연료 전지 어셈블리의 애노드와 연통되는 전해질 매트릭스와 연통될 때 단일 연료 전지 유닛이 형성된다.

비록 도 3은 3개의 연료 전지 어셈블리(211)를 도시하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 연료 전지 스택은 더 많거나 더 적은 연료 전지 어셈블리를 포함할 수 있다. 각각의 연료 전지 어셈블리(211)는 2개의 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236, 246) - 연료 전지 어셈블리의 제1 측면 상의 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236)(예를 들어, 상류 연장된 가장자리 밀봉 챔버) 및 연료 전지 어셈블리의 대향 측면 상의 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버(246)(예를 들어, 하류 연장된 가장자리 밀봉 챔버)를 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 연료 전지의 2개의 대향 측면들 상의 활성 영역을 넘어 스택 면으로부터 외측으로 캔틸레버를 연장시킨다.

도 2에 도시된 연료 전지 스택(10)과 같이, 연료 전지 스택(200)(도 3에서)은 애노드 입구 측면(또는 스택 면)(212) 및 애노드 입구 측면(212)에 실질적으로 평행한 대향하는 애노드 출구 측면(또는 스택 면)(214)을 포함한다. 그러나, 애노드 공급 가스가 각 연료 전지에 들어가기 위한 실질적으로 개방된 면/입구를 포함하는 연료 전지 스택(10)의 애노드 입구 스택 면(16)과는 달리, 애노드 입구 스택 면(212)은 개방되지 않으며 각 연료 전지 어셈블리(211)는 제1 부분적 밀봉부(212a) 및 부분적 애노드 입구(216)를 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 외부 매니폴드는 애노드 입구 스택 면(212)(도시되지 않음)에 대해 밀봉되며 외부 매니폴드(도시되지 않음)에 제공된 애노드 공급 가스는 부분적 애노드 입구(216)를 통해 연료 전지의 애노드 섹션으로 들어간다. 유사하게, 애노드 배기가스가 각 연료 전지를 떠나기 위한 실질적으로 개방된 면/출구(도시되지 않음)를 포함하는 연료 전지 스택(10)의 애노드 출구 스택 면(18)과는 달리, 애노드 출구 스택 면(214)은 그렇게 개방되지 않으며 각 연료 전지 어셈블리(211)는 제2 부분적 밀봉부(214a) 및 부분적 애노드 출구(218)를 포함한다.

연료 전지 스택(200)의 작동 동안, 각각의 애노드 층(208)은 연료 전지 스택(200)의 애노드 입구 측면(212)에서 애노드 공급 가스 공급(즉, 공급원)으로부터 예를 들어 외부 매니폴드(도시되지 않음)를 통해 애노드 공급 가스를 수용하고, 애노드 공급 가스가 연료 전지 스택(200)에서 캐소드 공급 가스와 반응된 후 예를 들어 다른 외부 매니폴드(도시되지 않음)를 통해 연료 전지 스택(200)의 애노드 출구 측면(214)에서 애노드 배기가스를 출력하도록 구성된다. 특히, 각각의 애노드 층(208)은 애노드 층(208)의 상류 부분에서 애노드 입구 측면(212)의 일부에만 형성된 부분적 애노드 입구(216)(즉, 애노드 입구 개구)를 포함한다. 각각의 애노드 층(208)은 애노드 층(208)의 하류 부분에서 애노드 출구 측면(214)의 일부에만 형성된 부분적 애노드 출구(218)(즉, 애노드 출구 개구)를 추가로 포함한다.

연료 전지 스택(200)은 캐소드 입구 측면(또는 스택 면)(222) 및 캐소드 입구 측면(222)에 실질적으로 평행한 대향하는 캐소드 출구 측면(또는 스택 면)(224)을 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 캐소드 층(210)은 도 2에 도시된 연료 전지 스택(10)의 캐소드 층(14)과 구조가 유사하고 유사하게 작동한다. 다시 말해서, 일부 실시형태에서, 캐소드 공급 가스는 캐소드 입구 스택 면(222)으로부터 캐소드 출구 스택 면(224)으로 실질적으로 선형 방향으로 캐소드 층(210)을 통해 유동할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236)(애노드 층(208)에 있음)는 캐소드 입구(226) 위로 캔틸레버된다는 것이 이해될 것이다. 더욱이, 복수의 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236)는 캐소드 입구 스택 면(222)을 따라 일련의 캔틸레버된 돌출부를 형성한다. 유사하게, 복수의 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버(246)는 캐소드 출구 스택 면(224)을 따라 일련의 캔틸레버된 돌출부를 형성한다.

연료 전지 스택(200)의 작동 동안, 각각의 캐소드 층(210)은 연료 전지 스택(200)의 캐소드 입구 측면(222)에서 캐소드 공급 가스 공급(즉, 공급원)으로부터 예를 들어 외부 매니폴드(도시되지 않음)를 통해 캐소드 공급 가스를 수용하고, 캐소드 공급 가스가 연료 전지 스택(200)에서 캐소드 공급 가스와 반응된 후 예를 들어 다른 외부 매니폴드(도시되지 않음)를 통해 연료 전지 스택(200)의 캐소드 출구 측면(224)에서 캐소드 배기가스를 출력하도록 구성된다. 특히, 각각의 캐소드 층(210)은 캐소드 층(210)의 상류 부분에서 캐소드 입구 측면(222)에 형성된 캐소드 입구(226)(즉, 캐소드 입구 개구)를 포함한다. 각각의 캐소드 층(210)은 캐소드 층(210)의 하류 부분에서 캐소드 출구 측면(224)에 형성된 캐소드 출구(228)(즉, 캐소드 출구 개구)를 추가로 포함한다. 예시적인 실시형태에 따르면, 캐소드 입구(226) 및 캐소드 출구(228)는 실질적으로 캐소드 층(210)의 전체 폭을 따라 연장될 수 있지만, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 캐소드 입구(226) 및/또는 캐소드 출구(228)는 캐소드 층(210)의 폭의 일부만을 따라 연장될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 연료 전지 및 연료 전지 스택을 통한 실질적으로 평행한 유동 경로를 따라 애노드 공급 가스가 애노드 층(208)에 공급되고 애노드 배기가스는 애노드 층(208)으로부터 출력된다. 예를 들어, 애노드 공급 가스는 애노드 입구 스택 면(212)에 실질적으로 수직인 유선(streamline)을 따라 애노드 입구 매니폴드(도시되지 않음)로부터 애노드 층(208)으로 공급된다. 부분적 애노드 입구(216)를 통해 공급된 애노드 공급 가스는 애노드 입구 전환기(전환 표면)(252)로 재지향되어 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236)를 통과하고 다시 연료 전지 어셈블리(211)의 애노드 활성 영역(213)으로 들어가 캐소드 공급 가스의 유동과 실질적으로 평행한 스트림으로 된 다음 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버(246)로 들어가고 이어서 부분적 애노드 출구(218)를 통해 출력된다. 활성 애노드 섹션을 통해 이동하는 애노드 가스의 일부는 애노드 출구 전환기(다른 전환 표면)(266)의 제1 측면으로 재지향되어 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버(246)로 들어가고 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버(246)를 통해 이동하는 애노드 가스는 애노드 출구 전환기(266)의 제2 측면으로 재지향되어 부분적 애노드 출구(218)를 통과할 수 있음이 이해될 것이다.

상기 구성에서, 애노드 배기가스는 연료 전지 스택(200)의 애노드 출구 스택 면(214)에 실질적으로 수직으로 유동하는 유선으로 전환된다. 도 3에 추가로 도시된 바와 같이, 캐소드 입구 스택 면(222) 및 캐소드 출구 스택 면(224)은 연료 전지 스택(200)의 애노드 입구 스택 면(212) 및 애노드 출구 스택 면(214)에 실질적으로 수직이다. 이 구성에서, 서로로부터 실질적으로 평행한 유동 경로를 따라 캐소드 공급 가스가 캐소드 층(210)에 공급되고 캐소드 배기가스는 캐소드 층(210)으로부터 출력된다. 예를 들어, 캐소드 공급 가스는 캐소드 입구 스택 면(222)에 실질적으로 수직인 유선을 따라 유동하고, 캐소드 배기가스는 캐소드 출구 스택 면(224)에 실질적으로 수직인 유선을 따라 유동한다. 예시적인 실시형태에 따르면, 캐소드 층(210)을 통한 캐소드 공급 가스의 유동은, 이것이 반응되어 캐소드 배기가스로 변환될 때 캐소드 입구(226)와 캐소드 출구(228) 사이의 실질적으로 선형인 유선을 따라 유동한다.

비록 도 3에 도시된 제1 및 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236, 246)는 하나의 긴 측벽, 2개의 더 짧은 측벽, 상부 표면 및 하부 표면에 의해 경계를 이루는 애노드 활성 영역으로부터 멀리 연장되는 사다리꼴 점유공간(footprint)을 갖지만, 본 발명은 그렇게 제한되지는 않는다는 것이 이해될 것이다. 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236)는 부분적 애노드 입구(216)를 통해 공급되고 애노드 입구 전환기(252)에 의해 재지향된 애노드 공정 가스를 수용할 수 있고 그 애노드 공정 가스를 애노드 활성 영역 입구(272)를 통해 애노드 활성 영역(213)에 제공할 수 있는 챔버를 둘러싸는 임의의 치수 또는 임의의 형상을 가질 수 있다. 유사하게, 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버(246)는 애노드 활성 영역 출구(274)를 통해 공급되는 애노드 공정 가스를 수용할 수 있고 그 애노드 공정 가스를 부분적 애노드 출구(218)를 통해(애노드 출구 전환(266)에 의한 재지향을 통해) 제공할 수 있는 챔버를 둘러싸는 임의의 치수 또는 임의의 형상을 가질 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 애노드 입구 전환기(252)는 연료 전지 스택(200)의 애노드 입구 측면(212) 및 캐소드 입구 측면(222) 각각에 대해 수직이 아닌 각도로 연장된다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 애노드 입구 전환기(252)는 애노드 입구 측면(212)으로부터 캐소드 입구 측면(222)을 향하여 직선이고 선형 방식으로 연장된다. 그러나, 애노드 입구 전환기(252)는 부분적 애노드 입구(216)를 통해 공급되는 애노드 공정 가스를 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236) 내로 재지향시키는 한 곡선형(오목형 또는 볼록형) 또는 임의의 다른 형상일 수 있다. 애노드 입구 전환기(252)는 애노드 공급 가스가 애노드 입구 전환기(252) 위 또는 아래에서 애노드 층(208)의 나머지 내로 통과하지 않도록 실질적으로 애노드 층(208)의 전체 높이를 따라 수직으로 연장된다.

유사하게, 애노드 출구 전환기(266)는 연료 전지 스택(200)의 애노드 출구 측면(214) 및 캐소드 출구 측면(224) 각각에 대해 수직이 아닌 각도로 연장된다. 도 3에 도시된 애노드 입구 전환기(252)는 애노드 출구 측면(214)으로부터 캐소드 출구 측면(224)을 향해 직선이고 선형 방식으로 연장되지만, 애노드 입구 전환기(252)는 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236)를 통해 공급되는 애노드 공정 가스를 부분적 애노드 출구(218)를 통해 재지향시키는 한 곡선형(오목형 또는 볼록형) 또는 임의의 다른 형상일 수 있다. 애노드 출구 전환기(266)는 애노드 공정 가스가 애노드 출구 전환기(252) 위 또는 아래를 통과하지 않도록 실질적으로 애노드 층(208)의 전체 높이를 따라 수직으로 연장된다.

다시 도 2를 참조하면, 공정 가스가 연료 전지를 통해 유동할 때, 그 가스의 조성은 연료 전지를 가로질러 이동하고 연료 전지에서 다른 공정 가스와 반응함에 따라 변할 것이라는 것이 이해될 것이다. 이와 같이, 연료 전지 스택(10)(도 2에서)을 통해 유동하는 애노드 공정 가스의 조성은 애노드 입구 측면(16)으로부터 스택의 애노드 출구 측면(18)으로 이동함에 따라 변한다. 그러나, 연료 전지 스택(10)으로 들어가는 캐소드 공정 가스의 조성은 캐소드 층(14)의 폭(연료 전지 스택(10)의 애노드 입구 측면(16)으로부터 애노드 출구 측면(18)까지 측정됨)을 따라 균일하게 분포된다. 대조적으로, 도 3에 도시된 실시형태의 작동 동안, 애노드 공정 가스는 연료 전지 스택(200)(도 2에 도시된 바와 같음)의 애노드 입구 측면(212)에 걸쳐 있는 개구보다는 오히려 활성 애노드 입구(272)를 통해 애노드 활성 영역(213)으로 들어간다. 연료 전지 스택(10)(도 2에서)에서와 같이, 캐소드 공정 가스는 캐소드 층(210)의 전체 폭(연료 전지 스택(200)의 애노드 입구 측면(212)으로부터 애노드 출구 측면(214)까지 측정됨)을 따라 실질적으로 균일한 유동 분포로 (캐소드 입구 측면(222)에서) 연료 전지 스택(200)으로 들어간다. 따라서, 애노드 활성 영역(213)으로 들어가는 애노드 공정 가스의 조성 및 캐소드 층(210)으로 들어가는 캐소드 공정 가스의 조성은 연료 전지 스택(200)의 폭(연료 전지 스택(200)의 애노드 입구 측면(212)으로부터 애노드 출구 측면(214)까지 측정됨)에 걸쳐 실질적으로 균일하다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 실질적으로 평행한 방식으로 스택에 (캐소드 입구의 폭을 따라) 들어가는 공정 가스의 균일한 조성 분포는 스택(10)(도 2의 영역 I)의 애노드 입구 측면(16) 및 캐소드 입구 측면(20)에 인접한 더 높은 전류 밀도 및 입구로부터 멀리 떨어진 더 낮은 전류 밀도 대신에, 캐소드 입구 스팬(span)에 걸쳐 전류 밀도의 보다 균일한 분포를 가능하게 한다.

도 4a는 (a) 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236)로부터 애노드 활성 영역(213)에 들어가는 애노드 공급 가스, 및 (b) 애노드 활성 영역(213)으로부터 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버(246)에 들어가는 애노드 배기가스를 보여주기 위해 제거된 (최상부 연료 전지 어셈블리(211)의) 애노드 층(208)의 상부 표면을 갖는 연료 전지 스택(200)의 평면도이다. 애노드 활성 영역을 가로지르는 애노드 공정 가스의 유동(이는 애노드 공급 가스로서 들어가고 애노드 배기가스로서 나간다)은 연료 전지 어셈블리(211)의 캐소드 층(210)을 통한 캐소드 공정 가스의 유동과 평행한 실질적으로 선형 방식으로 평행하다. 위에서 언급한 바와 같이, 이 유동 배열은 공-유동으로서 기술될 수 있다.

도 4b는 역-유동 방향으로 연료 전지 어셈블리를 통한 애노드 공정 가스 유동을 도시한다. 도 4b는 제거된 (최상부 연료 전지 어셈블리(311)의) 애노드 층(308)의 상부 표면을 갖는 연료 전지 스택(300)의 평면도이다. 연료 전지 스택(200) 및 연료 전지 어셈블리(211)와 유사하게, 애노드 공정 가스는, 캐소드 공정 가스가 들어가고 애노드 공정 가스가 애노드 입구 측면에 대향하는 측면을 나가며 캐소드 공정 가스가 캐소드 입구 측면에 대향하는 측면을 나가는 측면에 수직인 애노드 입구 측면으로부터 연료 전지 스택(300)/연료 전지 어셈블리(311)에 들어간다. 애노드 공정 가스는 부분적 애노드 입구(216)(연료 전지 어셈블리(211)용)와 유사한 부분적 애노드 입구(316)를 통해 연료 전지 어셈블리(311)의 애노드 입구 측면에 들어간다. 그러나, 부분적 애노드 입구(316)는 연료 전지 스택(300)의 애노드 입구 측면과 캐소드 출구 측면 사이의 스택 코너에 인접한다. 이에 비해, 부분적 애노드 입구(216)(연료 전지 어셈블리(211)용)는 연료 전지 스택(200)의 애노드 입구 측면 및 캐소드 입구 측면 사이의 스택 코너에 인접한다. 연료 전지 어셈블리(311)에 들어간 후, 애노드 공정 가스는 (애노드 입구 전환기(352)에 의해) 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버(326)(연료 전지 어셈블리(311)의 캐소드 출구 측면에 위치함)로 재지향되고 애노드 활성 영역(313)으로 추가로 재지향된다. 반응된 애노드 공정 가스는 애노드 활성 영역(313)을 빠져 나와 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버(346)에 들어가고 애노드 출구 전환부(366) 및 애노드 부분적 출구(318)를 향해 재지향된다. 이 구성에서, 애노드 공정 가스는 연료 전지 어셈블리(311)의 캐소드 층을 통과하는 캐소드 공정 가스와 실질적으로 평행하지만 대향하는 방향으로 애노드 활성 영역(313)을 횡단한다.

어느 쪽의 유동 구성(공-유동 또는 역-유동)에서, 애노드 공급 가스 및 캐소드 공급 가스 각각의 분포는 애노드 입구 측면으로부터 애노드 출구 측면쪽 방향으로 연료 전지 스택을 가로질러 실질적으로 횡방향으로 균일하며, 연료 전지 스택(캐소드 입구로부터 캐소드 출구까지 측정됨)에 걸쳐 전류 밀도의 1차원 분포를 제공한다.

도 4a에 도시된 공-유동 구성 및 도 4b에 도시된 역-유동 역류 구성은 연료 전지 스택(10)(도 2에 도시됨)과 관련하여 본원에 기술된 동일한 외부 매니폴드 배열을 이용할 수 있다. 대안적으로, 역-유동 구성은, 연료 전지 스택을 통해 애노드 공정 가스의 방향을 재배열(예를 들어, 애노드 입구 매니폴드를 애노드 출구 매니폴드로 전환)함으로써 또는 연료 전지 스택을 통해 캐소드 공정 가스의 방향을 재배열(예를 들어, 캐소드 입구 매니폴드를 캐소드 출구 매니폴드로 전환)함으로써 도 4a의 실시형태로 달성될 수 있다.

도 4c는 캐소드 활성 영역(2113)을 보여주기 위해 제거된 캐소드 전극을 갖는 (연료 전지 어셈블리(211)의) 캐소드 층(210)의 평면도이다. 작동 동안, 캐소드 공정 가스는 캐소드 입구 측면으로부터 캐소드 출구 측면으로 실질적으로 선형인 경로로 캐소드 활성 영역(2113)을 횡단한다. 제1 캐소드 가장자리 밀봉부(2115)는 캐소드 공정 가스가 연료 전지 어셈블리(211)의 애노드 입구 측면, 예를 들어 애노드 입구 매니폴드(도시되지 않음)에 들어가는 것을 방지한다. 제2 캐소드 가장자리 밀봉부(2117)는 캐소드 공정 가스가 연료 전지 어셈블리(211)의 애노드 출구 측면, 예를 들어 애노드 출구 매니폴드(도시되지 않음)에 들어가는 것을 방지한다.

도 4d는 애노드 활성 영역(313) 및 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236, 246)를 덮는 상부 표면의 주요 부분을 갖는 (연료 전지 어셈블리(211)의) 애노드 층(208)의 평면도이다. 작동 동안, 위에서 상세히 기술된 바와 같이, 애노드 공정 가스는 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236)에 들어가고 (연료 전지 어셈블리(211)의) 캐소드 입구 측면으로부터 캐소드 출구 측면으로 실질적으로 선형인 경로로 애노드 활성 영역(313)을 횡단한다. 제1 애노드 가장자리 밀봉부(3115)는 애노드 공정 가스가 부분적 애노드 입구(216)로부터 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236) 및 애노드 활성 영역(313)으로 이동할 때 애노드 공정 가스가 연료 전지 어셈블리(211)의 캐소드 입구 측면, 예를 들어 캐소드 입구 매니폴드(도시되지 않음)에 들어가는 것을 방지한다. 제2 애노드 가장자리 밀봉부(3117)는 애노드 공정 가스가 애노드 활성 영역(313)으로부터 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버(246) 및 애노드 부분적 출구(218)로 이동할 때 애노드 공정 가스가 연료 전지 어셈블리(211)의 캐소드 출구 측면, 예를 들어 캐소드 출구 매니폴드(도시되지 않음)에 들어가는 것을 방지한다.

또 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 캐소드 층(210)은 애노드 층(208)과 실질적으로 동일한 방식으로 그리고 이를 대신하여 구성되어, 캐소드 입구와 관련된 연장된 가장자리 밀봉 챔버(예를 들어, "캐소드 입구 챔버" 또는 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버(236))가 캐소드 입구 측면(222)에 인접한(그리고 수직인) 스택 측면 상에 배치되고 캐소드 층(210)에서 입구 전환기와 협력하여 그 안의 캐소드 공급 가스를 스택의 애노드 입구 측면(212)에서 직접 수용된 애노드 공급 가스와 실질적으로 평행하도록 재지향시킬 수 있음이 이해되어야 한다. 유사하게, 캐소드 출구와 관련된 연장된 가장자리 밀봉 챔버(예를 들어, "캐소드 출구 챔버" 또는 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버(246))는 캐소드 입구 챔버에 대향하는 스택 측면에 배치되고 캐소드 층에서 출구 전환기와 협력하여 연료 전지 스택(200)으로부터의 캐소드 배기가스를 재지향시키도록 구성될 수 있다.

이제 도 5를 참조하면, 종래의 연료 전지 스택(10) 상의 전류 밀도의 대표적인 분포가 도시되며, 여기서 등척선(isometric line)은 동일한 값의 전류 밀도의 등고선을 나타낸다. 등척선(501)은 가장 높은 전류 밀도 값을 나타내고 등척선(502)은 가장 낮은 전류 밀도 값을 나타낸다. 501과 502 사이에 개재하는 등척선은 일정한 간격으로 중간 전류 밀도 값을 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 이러한 구성에서, 전류는 애노드 입구 측면(16)이 캐소드 입구 측면(20)(영역 I)과 접촉하는 코너에 인접한 애노드 입구 측면(16)을 따라 가장 높은 밀도를 갖는다. 전류 밀도는 애노드 입구 측면(16)으로부터 애노드 출구 측면(18)쪽 방향으로 비선형적으로 하락한다. 전류 밀도는 또한 캐소드 입구 측면(20)으로부터 캐소드 출구 측면(22)쪽 방향으로 비선형적으로 하락한다. 이들 두 방향 각각에서의 전류 밀도의 분포는 2차원 전류 분포를 제공하며, 이는 연료 전지 스택(10)을 최적화하기 어렵게 만든다. 특히, 연료 전지 스택(10)의 많은 부분이 전류 분포를 선형화하도록 최적화될 수 있더라도, 애노드 입구 측면(16)이 캐소드 출구 측면(22)과 접촉하는 코너는 상당하고 급격한 전류 하락을 경험하며, 이는 연료 전지 스택(10)의 성능을 방해할 수 있다.

이제 도 6을 참조하면, 연료 전지 스택(200)에서의 전류 밀도 분포가 예시적인 실시형태에 따라 도시되며, 여기서 등척선은 동일한 값의 전류 밀도의 등고선을 나타낸다. 도 5와 유사하게, 등척선(501)은 가장 높은 전류 밀도 값을 나타내고 등척선(502)은 가장 낮은 전류 밀도 값을 나타낸다. 501과 502 사이에 개재하는 등척선은 일정한 간격으로 중간 전류 밀도 값을 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 이 구성은 애노드 공급 가스 및 캐소드 공급 가스 모두가 연료 전지 스택(200)에서 캐소드 입구 측면(222)으로부터 캐소드 출구 측면(224)을 향해 유동할 때의 전류 밀도를 나타낼 수 있다. 애노드 공급 가스 및 캐소드 공급 가스의 실질적으로 평행한 유동은 유동 방향에 수직인 측 방향으로 측정된 실질적으로 일정한 전류 밀도를 제공한다. 예를 들어, 연료 전지 스택(200)에서의 임의의 주어진 지점에서의 전류 밀도는 실질적으로 동일할 수 있고 애노드 입구 측면(212)으로부터 직접 애노드 출구 측면(214)을 향하는 방향으로 이동할 수 있다.

도 5 및 6에 도시된 CFD 모델은 종래의 연료 전지 스택(10) 및 예시적인 실시형태에 따른 연료 전지 스택(200) 내의 전형적인 연료 전지의 전류 밀도 프로파일을 나타내며, 여기서 두 스택은 전지를 가로지르는 유사한 총 열 구배 하에 작동된다. 도면상으로, 연료 전지 스택(200)은 전지에 걸쳐 더 균일하고 예측 가능한 전류 구배를 갖는다는 것이 이해될 것이다. 또한, 연료 전지 스택(200)은 연료 전지에 걸쳐 유사한 총 열 구배에서 작동될 때 종래의 연료 전지 스택(10)보다 전체적으로 더 높은 총 전류를 생성할 수 있을 것으로 예측된다. 이는, 두 반응물이 모두 최고 농도에 있는 종래의 연료 전지 스택(10)에서의 단일 코너 위치와 비교하여(영역 I, 도 5의 501 참조) 연료 전지 스택(200)이 최고 농도의 캐소드 및 애노드 가스 모두에 공통적인 긴 선행 가장자리 인터페이스를 제공하여 높은 전류 밀도의 더 큰 영역을 생성하기 때문에(캐소드 입구 측면(222)에 인접, 도 6의 501 참조) 가능하다. 특히, 가장 높은 전류 밀도는, 애노드 공급 가스 및 캐소드 공급 가스가 전해질 매트릭스의 대향하는 측면들 상에 먼저 도입되고 공급 가스가 반응하여 배기가스로 전환됨에 따라 전류 밀도가 감소하는 위치에서 설정될 수 있다. 전류 밀도의 1차원 분포를 형성하는 애노드 공급 가스 및 캐소드 공급 가스에 대한 실질적으로 평행한 유동 경로는, 연료 전지 스택(200)에서 공급 가스들이 단지 코너에서보다는 연료 전지 스택(200)의 캐소드 입구 측면(222)의 실질적으로 전체 길이에 걸쳐 반응하기 때문에, 애노드 공급 가스와 캐소드 공급 가스가 먼저 반응하는 연료 전지 스택(200)에서 표면적을 증가시킨다.

추가적인 실시형태

실시형태 1. 애노드 공정 가스를 수용하고 통과시키도록 구성된 애노드, 캐소드 공정 가스를 수용하고 통과시키도록 구성된 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드를 분리하는 전해질 매트릭스 층을 포함하는 연료 전지로서, 상기 애노드 또는 상기 캐소드 중 하나는 연장된 가장자리 밀봉 챔버를 갖고, 상기 연료 전지는 상기 애노드 공정 가스 및 상기 캐소드 공정 가스를 서로에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 수용하도록 구성되며, 상기 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 상기 애노드 공정 가스 및 상기 캐소드 공정 가스가 실질적으로 평행한 유동 경로로 상기 애노드 및 상기 캐소드를 통과되게 하도록 구성된 연료 전지.

실시형태 2. 제1 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 활성 영역을 갖는 제1 층, 제2 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 제2 층, 및 상기 제1 층 및 상기 제2 층을 분리하는 전해질 매트릭스 층을 포함하는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택으로서, 상기 제1 층은 연료 전지의 제1 측면 상의 상기 활성 영역으로부터 멀리 연장되는 연장된 가장자리 밀봉 챔버를 포함하고, 상기 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 연료 전지 스택에 대해 제1 방향으로 연료 전지 스택에 제공되는 제1 공정 가스를 수용하고 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향으로 제1 공정 가스를 활성 영역으로 출력하도록 구성되며, 상기 활성 영역은 제1 공정 가스가 제2 공정 가스와 반응되게 하도록 구성된 연료 전지 스택.

실시형태 3. 실시형태 2에 있어서, 상기 제2 층은 제2 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 제2 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 연료 전지 스택.

실시형태 4. 실시형태 2 또는 3에 있어서, 상기 제1 층은 제1 공정 가스를 수용하고 제1 공정 가스를 연장된 가장자리 밀봉 챔버 내로 전환하도록 구성된 전환 표면을 포함하는 연료 전지 스택.

실시형태 5. 연료 전지 스택에 사용되는 연료 전지로서, 상기 연료 전지는 애노드 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 활성 애노드 영역을 갖는 애노드 층, 캐소드 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 캐소드 층, 및 상기 애노드 층 및 상기 캐소드 층을 분리하는 전해질 매트릭스 층을 포함하고, 상기 애노드 층은 연료 전지의 제1 측면 상의 상기 활성 애노드 영역으로부터 멀리 연장되는 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버를 포함하고, 상기 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 연료 전지 스택에 대해 제1 방향으로 연료 전지 스택에 제공되는 애노드 공정 가스를 수용하고 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향으로 애노드 공정 가스를 활성 애노드 영역으로 출력하도록 구성되며, 상기 애노드 활성 영역은 애노드 공정 가스가 캐소드 공정 가스와 반응되게 하도록 구성된 연료 전지.

실시형태 6. 실시형태 5에 있어서, 상기 연료 전지는 연료 전지의 제1 측면에 대향하는 측면 상의 활성 애노드 영역으로부터 멀리 연장되는 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버를 추가로 포함하고, 상기 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 애노드 공정 가스를 제2 방향으로 수용하고 애노드 공정 가스를 연료 전지 스택에 대해 제1 방향으로 전환시키도록 구성된 연료 전지.

실시형태 7. 실시형태 5 또는 6에 있어서, 상기 캐소드 층은 제2 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 캐소드 공정 가스를 수용하도록 구성된 연료 전지.

실시형태 8. 실시형태 5 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 캐소드 층은 제2 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 캐소드 공정 가스를 출력하도록 구성된 연료 전지.

실시형태 9. 실시형태 5 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 애노드 층은 애노드 공정 가스를 제1 방향으로 수용하고 애노드 공정 가스를 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버 쪽으로 재지향시키도록 구성된 제1 전환 표면을 포함하는 연료 전지.

실시형태 10. 실시형태 5 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 상기 애노드 층은 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버로부터 애노드 공정 가스를 수용하고 애노드 공정 가스를 제1 방향으로 재지향시키도록 구성된 제2 전환 표면을 포함하는 연료 전지.

본원에서 사용되는 용어 "대략", "약", "실질적으로" 및 유사한 용어는 본 개시내용의 주제가 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 허용되고 일반적인 용법과 조화되는 넓은 의미를 갖도록 의도된다. 본 개시내용을 검토하는 당업자는 이러한 용어들이 이들 특징들의 범위를 제공된 정확한 수치 범위로 제한하지 않으며 설명되고 청구된 특정 특징들의 설명을 허용하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 이러한 용어들은 설명되고 청구된 주제의 실질적이지 않거나 중요하지 않은 수정 또는 변경이 첨부된 청구범위에 기재된 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 간주됨을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.

다양한 실시형태를 설명하기 위해 본원에 사용되는 용어 "예시적"은 그러한 실시형태가 가능한 실시형태의 가능한 예, 대표 및/또는 예시임을 나타내기 위해 의도된다는 것에 유의해야 한다(그리고 그러한 용어는 그러한 실시형태가 반드시 특별하거나 최상의 예라는 것을 암시하는 것으로 의도되지는 않는다).

본원에서 사용되는 "결합된", "연결된" 등의 용어는 2개의 부재가 서로 직접적으로 또는 간접적으로 결합되는 것을 의미한다. 이러한 결합은 고정적(예를 들어, 영구적)이거나 이동 가능(예를 들어, 제거 가능 또는 해제 가능)할 수 있다. 이러한 결합은 2개의 부재 또는 2개의 부재와 임의의 추가적 중간 부재가 서로에 대해 단일의 일체적 몸체로서 완전하게 형성되거나 2개의 부재 또는 2개의 부재와 임의의 추가적 중간 부재가 서로 부착됨으로써 달성될 수 있다.

본원에서 요소의 위치에 대한 참조(예를 들어, "상부", "바닥", "위", "아래" 등)는 단지 도면에서 다양한 요소의 배향을 설명하기 위해 사용된다. 다양한 요소의 배향은 다른 예시적인 실시형태에 따라 상이할 수 있으며 이러한 변형은 본 개시내용에 포함되는 것으로 의도된다는 점에 유의해야 한다.

본 발명은 그의 바람직한 실시형태와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 다양한 다른 실시형태 및 변형예가 당업자에게 발생할 수 있으며, 이러한 다른 실시형태 및 변형예는 해당 청구범위에 포함되도록 의도된다는 점이 이해되어야 한다. 당업자는 많은 수정(예를 들어, 다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 파라미터 값, 장착 배열, 재료 사용, 색상, 배향, 제조 공정 등의 변경)이 본원에 기술된 주제의 신규한 교시 및 이점으로부터 실질적으로 벗어남이 없이 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 임의의 공정 또는 방법 단계의 순서 또는 배열은 대안적인 실시형태에 따라 변경되거나 재배열될 수 있다. 본 개시내용의 범위를 벗어남이 없이 다양한 예시적인 실시형태의 설계, 작동 조건 및 배열에서 또한 다른 대체, 수정, 변경 및 생략이 이루어질 수 있다.

Claims (10)

1. 애노드 공정 가스를 수용하고 통과시키도록 구성된 애노드, 캐소드 공정 가스를 수용하고 통과시키도록 구성된 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드를 분리하는 전해질 매트릭스 층을 포함하는 연료 전지로서, 상기 애노드 또는 상기 캐소드 중 하나는 연장된 가장자리 밀봉 챔버를 갖고, 상기 연료 전지는 상기 애노드 공정 가스 및 상기 캐소드 공정 가스를 서로에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 수용하도록 구성되며, 상기 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 상기 애노드 공정 가스 및 상기 캐소드 공정 가스가 실질적으로 평행한 유동 경로로 상기 애노드 및 상기 캐소드를 통과되게 하도록 구성된 연료 전지.
2. 제1 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 활성 영역을 갖는 제1 층, 제2 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 제2 층, 및 상기 제1 층 및 상기 제2 층을 분리하는 전해질 매트릭스 층을 포함하는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택으로서, 상기 제1 층은 연료 전지의 제1 측면 상의 상기 활성 영역으로부터 멀리 연장되는 연장된 가장자리 밀봉 챔버를 포함하고, 상기 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 연료 전지 스택에 대해 제1 방향으로 연료 전지 스택에 제공되는 제1 공정 가스를 수용하고 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향으로 제1 공정 가스를 활성 영역으로 출력하도록 구성되며, 상기 활성 영역은 제1 공정 가스가 제2 공정 가스와 반응되게 하도록 구성된 연료 전지 스택.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2 층은 제2 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 제2 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 연료 전지 스택.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 층은 제1 공정 가스를 수용하고 제1 공정 가스를 연장된 가장자리 밀봉 챔버 내로 전환하도록 구성된 전환 표면을 포함하는 연료 전지 스택.
5. 연료 전지 스택에 사용되는 연료 전지로서, 상기 연료 전지는 애노드 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 활성 애노드 영역을 갖는 애노드 층, 캐소드 공정 가스를 수용하고 출력하도록 구성된 캐소드 층, 및 상기 애노드 층 및 상기 캐소드 층을 분리하는 전해질 매트릭스 층을 포함하고, 상기 애노드 층은 연료 전지의 제1 측면 상의 상기 활성 애노드 영역으로부터 멀리 연장되는 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버를 포함하고, 상기 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 연료 전지 스택에 대해 제1 방향으로 연료 전지 스택에 제공되는 애노드 공정 가스를 수용하고 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향으로 애노드 공정 가스를 활성 애노드 영역으로 출력하도록 구성되며, 상기 애노드 활성 영역은 애노드 공정 가스가 캐소드 공정 가스와 반응되게 하도록 구성된 연료 전지.
6. 제5항에 있어서,
   상기 연료 전지는 연료 전지의 제1 측면에 대향하는 측면 상의 활성 애노드 영역으로부터 멀리 연장되는 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버를 추가로 포함하고, 상기 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버는 애노드 공정 가스를 제2 방향으로 수용하고 애노드 공정 가스를 연료 전지 스택에 대해 제1 방향으로 전환시키도록 구성된 연료 전지.
7. 제6항에 있어서,
   상기 캐소드 층은 제2 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 캐소드 공정 가스를 수용하도록 구성된 연료 전지.
8. 제7항에 있어서,
   상기 캐소드 층은 제2 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 캐소드 공정 가스를 출력하도록 구성된 연료 전지.
9. 제7항에 있어서,
   상기 애노드 층은 애노드 공정 가스를 제1 방향으로 수용하고 애노드 공정 가스를 제1 연장된 가장자리 밀봉 챔버 쪽으로 재지향시키도록 구성된 제1 전환 표면을 포함하는 연료 전지.
10. 제7항에 있어서,
    상기 애노드 층은 제2 연장된 가장자리 밀봉 챔버로부터 애노드 공정 가스를 수용하고 애노드 공정 가스를 제1 방향으로 재지향시키도록 구성된 제2 전환 표면을 포함하는 연료 전지.
    

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