KR20220158742A

KR20220158742A - 연료전지

Info

Publication number: KR20220158742A
Application number: KR1020227035074A
Authority: KR
Inventors: 마르디트 마티안; 알렉산더 차인호
Original assignee: 에하 그룹 엔지니어링 아게
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2022-12-01
Also published as: CN115066770A; CA3164105A1; AU2020437485A1; JP2023519848A; WO2021190757A1; EP4128398A1; US20230134415A1

Abstract

본 발명은 하나 이상의 멤브레인(2), 하나 이상의 연료극 전극층(3), 하나 이상의 공기극 전극층(4), 2개 이상의 기체확산층(5) 및 2개 이상의 유동장 구조(flow field structures)(6,7)를 포함하고, 여기서 하나 이상의 멤브레인(2)이 하나의 연료극 전극층 (3)과 하나의 공기극 전극층(4) 사이에 배열되어, 막전극접합체(membrane electrode assembly)를 형성하고 활성영역(Aij)을 한정하며, 여기서 하나의 기체확산층(5)이 각각의 전극층(3,4)에 인접하게 배열되고, 및 여기서 하나의 유동장 구조(6,7)는 각각의 기체확산층(5)에 인접하게 배열되고, 여기서 각각의 유동장 구조(6,7)는 3개 이상의 연료 매니폴드들(90), 3개 이상의 산화제 매니폴드들(91) 및 3개 이상의 냉매 매니폴드들(92)을 포함하는 연료전지(1)에 있어서, 연료전지(1)가 2개 이상의 활성영역들(A11, A12)을 포함하고; 하나 이상의 연료 매니폴드(90), 하나 이상의 산화제 매니폴드(91) 및 하나 이상의 냉매 매니폴드(92)가 두 개 이상의 활성영역들(A11, A12) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지(1)를 개시한다.

Description

연료전지

본 발명은 연료전지, 특히 연료전지 모듈에 관한 것이다.

연료전지는 수소 에너지를 전기로 변환하는 전기화학소자로서, 최근 화석연료의 대체에너지원이자 청정 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 주로 재료 및 작동 온도에 따라 분류되는 개발이 진행되고 있는 몇 가지 유형의 연료전지들이 있다. 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 높은 전력 밀도와 소형화로 인해 모바일 및 자동차뿐만 아니라 고정식 응용(stationary application)에도 가장 적합한 후보 중 하나이다.

PEMFC의 단일의 전지(cell)는 얇은 전해질과 공기극측 촉매층과 연료극측 촉매층으로 구성되며, 이러한 어셈블리를 막전극접합체 (MEA, Membrane Electrode Assembly)라고 한다. 연료(일반적으로 수소)는 멤브레인의 한쪽 표면을 통과하고, 다른 쪽에서는 산화제(일반적으로 공기)가 통과하여 전기 화학적 반응이 발생하여 전기와 부산물로서 물을 생성하다. 현재 기술로는 최대 2~3 A/㎠의 전류 밀도와 4~5W/㎥의 체적 전력 밀도를 달성할 수 있다. 이러한 값을 높이고 연료전지의 성능을 향상시키기 위해서는, 사이즈 소형화(컴팩트화)를 향한 작업이 필요하다. 연료전지 스택의 작동에서 중요한 역할을 하는 주요 파라미터들은 연료전지 스택을 가로지르는 압력 강하, 산소 이용률(산소 고갈), 상 변화 및 수분 관리, 멤브레인 탈수(membrane dehydration)이다. 이러한 파라미터들의 영향은 스택이 동적 및 부하 조절 조건에서 작동할 때 더 작아진다. 예를 들어, 이러한 연료전지는 WO 2019/207811, US 2019/0221868 및 US 2019/0214654에 공지되어 있다.

본 발명에서 해결하려는 과제는 전류 및 체적 전력 밀도(volume power density)의 증가이다. 본 발명에서는 6 내지 7 kW/L 이상의 값이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지의 제조방법은 단순화되고 상당히 개선된다.

본 발명의 이러한 기술적 과제는 청구항 1의 특징을 갖는 연료전지에 의해 해결된다. 연료전지의 추가적인 구현예들은 추가 청구항들의 특징에 의해 한정된다.

본 발명에 따른 연료전지는 하나 이상의 멤브레인, 하나 이상의 연료극 전극층, 하나 이상의 공기극 전극층, 2개 이상의 기체확산층 및 2개 이상의 유동장 구조(flow field structure)를 포함한다. 하나 이상의 멤브레인이 하나의 연료극 전극층과 하나의 공기극 전극층 사이에 배치되어 막전극접합체를 형성하고 활성 영역들(active area)을 한정한다. 하나의 기체확산층은 각각의 전극층에 인접하게 배열되고 하나의 유동장 구조는 각각의 기체확산층에 인접하게 배열된다. 각각의 유동장 구조는 3개 이상의 연료 매니폴드, 3개 이상의 산화제 매니폴드 및 3개 이상의 냉매 매니폴드를 포함한다. 연료전지는 2개 이상의 활성영역들을 포함하고, 여기서 하나 이상의 연료 매니폴드, 하나 이상의 산화제 매니폴드 및 하나 이상의 냉매 매니폴드가 2개 이상의 활성영역들 사이에 배열된다.

이러한 설계에 의해서, 매질(medium)의 공급은 다른 섹션으로부터 독립된 '세그먼트'라고 불리는 활성영역의 작은 섹션들로 들어가고 나가는 수많은 분기들 (branches)로 분할된다. 다시 말해서, 단일 전지의 활성영역은 유체가 전지의 특정 위치로 들어오고 나가는 여러 개의 작은 활성영역들로 분할된다. 유체는 공기, 수소와 같은 가습되거나 가습되지 않은 기체(일반적으로 기체) 또는 액체(탈이온수, 부동액 등)일 수 있다.

연료전지의 원리를 참조하면, 수소 연료전지에서의 가역적 개방회로 전압("reversible open circuit voltage")은, "Nernst" 식에 의해 한정되며, 전지의 전압은 산소 분압과 직접적인 상관관계 있다. 이것은 전지 내의 산소 이용과 감소로 인해서 전지의 전압이 낮아지는 것을 의미한다. 입구에서 시작하여 출구로 이어지는 기체 채널에서, 산소를 소비함으로써 전지의 전압이 강하하고, 이것은 평균 전지 전압을 감소시킨다. 그러나 현재 접근 방식은 분할된 활성영역들 사이에 새로운 유체를 도입하여 이 문제를 극복하는 것을 돕는다. 따라서 각 진입점에서 전지의 전압을 증가시키고 평균 전지 전압을 증가시킨다.

본 발명의 또 다른 이점은 전지의 활성영역의 세그먼트화로 인해서, 기체 채널들이 더 짧아지고, 따라서 각 세그먼트에 걸친 압력 강하가 임의의 기존 접근 방식에 비해 상당히 감소한다는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지에서는 압축기 대신에 송풍기를 사용하여 스택을 운전하는 것이 가능하다. 즉, 기생 부하가 적은 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

전지의 세그먼트화(segmentation)의 또 다른 이점은, 작은 세그먼트로 인해서 활성영역 내에서의 온도 변화가 더 균일하고 재현되기 때문에 전지의 열 관리(thermal management)가 더 쉬워진다는 것이다. 이것은 성능에 영향을 주지 않으면서 전지의 외부 치수 결정에 더 많은 유연성을 제공한다.

본 발명의 개념을 최신의 설계와 비교하여 더 자세히 설명할 것이다. 길이 30 cm, 너비 10 cm, 기체 채널 길이 30 cm, 활성영역 300 ㎠(일반 사이즈)의 자동차 스택이 고려된다. 통상의 작동 조건에서, 채널의 입구와 출구 사이, 따라서 전지의 출구 사이에서, 약 20-50 KPa의 압력 강하와 5-8℃ 사이의 온도 변화가 예상된다. 또한, 산화제 및 연료 이용 및 수분 관리는 채널의 기하학적 구조와 길이로 제한될 것이다.

전지를 세그먼트화함으로써, 기체 채널은 5 cm와 같은 더 작은 채널 길이를 갖는 여러 개의 섹션으로 세그먼트화할 수 있고, 결과적으로 더 작은 압력 강하(선형 관계, 즉 5배 작음), 입구와 출구 사이의 더 작은 온도차, 즉 더 나은 내구성, 더 쉬운 수분 관리 및 산화제 이용을 얻을 수 있다. 또한, 전지는 성능에 영향을 미치지 않으면서 30x10 ㎠ 또는 20x15 ㎠와 같은 다른 치수 또는 다른 구조를 가질 수 있다.

일 실시예에서, 3개의 매니폴드들 가운데 하나 이상은 입구 매니폴드이고, 그들 중 적어도 2개는 출구 매니폴드이다. 대안으로, 3개의 매니폴드들 중 적어도 2개는 입구 매니폴드이고, 그들 중 하나 이상은 출구 매니폴드이다.

일 실시예에서, 출구 매니폴드의 개수는 입구 매니폴드의 개수의 2배이다. 대안으로 입구 매니폴드의 개수는 출구 매니폴드의 개수의 2배이다.

일 실시예에서, 모든 매니폴드들의 단면 크기는 동일하다. 대안으로, 매니폴드 중 하나 이상의 단면 크기는 다른 매니폴드의 단면 크기와 상이하다.

일 실시예에서, 모든 매니폴드들의 단면 형상은 동일하다. 대안으로, 매니폴드 중 하나 이상의 단면 형상은 다른 매니폴드의 단면 형상과 상이하다.

일 실시예에서, 매니폴드의 형상은 각진(angled), 직사각형, 정사각형, 타원형 및 원형을 포함하는 그룹 중 하나이다. 그러나 어떤 모양이든 가능하다.

일 실시예에서, 3개의 매니폴드 각각에 대해, 모든 입구 매니폴드들의 총단면적은 모든 출구 매니폴드들의 총단면적과 동일하다.

일 실시예에서, 3개의 매니폴드 각각에 대해, 모든 입구 매니폴드들의 총단면적은 모든 출구 매니폴드들의 총단면적보다 크다. 대안으로, 3개의 매니폴드 각각에 대해 모든 입구 매니폴드들의 총단면적은 모든 출구 매니폴드들의 총단면적보다 작다.

일 실시예에서, 연료 매니폴드의 총단면적은 산화제 매니폴드의 총단면적 및/또는 냉매 매니폴드의 총단면적과 동일하다.

일 실시예에서, 연료 매니폴드의 총단면적은 산화제 매니폴드의 총단면적 및/또는 냉매 매니폴드의 총단면적보다 더 크다. 대안으로, 연료 매니폴드의 총단면적은 산화제 매니폴드의 총단면적 및/또는 냉매 매니폴드의 총단면적보다 작다.

일 실시예에서, 연료전지는 적어도 제1 방향으로 반복되는 매니폴드의 패턴을 포함한다. 대안으로, 패턴은 제1 방향 및 제1 방향에 대해 수직인 제2 방향으로 반복된다.

일 실시예에서, 2개의 반복 패턴들 사이의 거리는 패턴 내의 2개의 이웃하는 매니폴드들 사이의 거리와 동일하다. 대안으로, 2개의 반복 패턴들 사이의 거리는 패턴 내에서 인접한 2개의 매니폴드들 사이의 거리보다 크다.

일 실시예에서, 연료전지는 2개 이상의 개스킷(gaskets)을 포함하고, 여기서 하나의 개스킷은 각각의 유동장 구조에 인접하게 배열되고, 각각의 개스킷은 동일한 위치에서 유동장 구조와 동일한 수의 매니폴드를 포함한다.

일 실시예에서, 연료전지는 하나 이상의 서브-개스킷을 포함하고, 여기서 서브-개스킷은 양 측면에서 멤브레인의 적어도 경계 영역(border area)을 커버한다. 대안으로, 서브-개스킷은 양 측면상의 적어도 멤브레인과 전극층들의 경계 영역을 커버한다.

일 실시예에서, 서브-개스킷은 멤브레인 및 전극층의 경계 영역 위로 측방향으로 연장된다.

일 실시예에서, 연료전지는 서로 정렬되어 스택을 형성하는 여러 개의 막전극접합체, 여러 개의 기체확산층 및 여러 개의 유동장 구조를 포함한다.

일 실시예에서, 연료전지는 2개의 집전판(current collector plate) 및 2개의 백킹 플레이트(backing plates)를 포함하고, 여기서 하나의 집전판은 각 유동장 구조에 인접하게 배열되고 하나의 백킹 플레이트는 각 집전판에 인접하게 배열된다.

일 실시예에서, 클램핑 요소는 2개의 백킹 플레이트를 지지한다.

본 발명의 연료전지의 상술한 특징들은 서로 모순되지 않는 한 조합하여 사용할 수 있다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해서 더 상세히 설명한다. 이러한 실시예들은 단지 예시를 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지의 도면이다.
도 2는 도 1의 연료전지의 거동을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 연료전지의 X-X선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지의 개략평면도이다.
도 5는 도 4의 연료전지의 거동의 다이어그램이다.
도 6은 도 4의 연료전지의 Y-Y선 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지의 개략평면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지의 개략평면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지의 일부 개략평면도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지의 일부 개략평면도이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료전지의 일부 개략평면도이다.
도 12a는 제1 실시예의 서브-개스킷의 개략단면도이다.
도 12b는 제2 실시예의 서브-개스킷의 개략단면도이다.

도 1은 하나의 활성영역(A) 및 기체 입구/출구 매니폴드(90, 91, 92)를 갖는 종래의 막전극접합체(MEA)를 갖는 선행 기술에 따른 연료전지(1)를 도시한다. 전지의 활성영역(A)은 중간에 위치하며 외측 가장자리 주위에 기체 입구/출구 매니폴드들(90,91,92)이 있다. 활성영역(A)과 입구 매니폴드(90,91,92) 사이에는 기체를 균일하게 분배하는 분배 채널(distribution channel)(61)이 있고, 활성영역(A)과 출구 매니폴드(90,91,92) 사이에는 기체를 수집하는 수집 채널(collecting channel)이 있다. 이들은 주로 양극판(bi-polar plate)에 통합된다. 도시된 MEA 및 양극판은 직사각형 형상을 갖는다. 활성영역(A)은 전지의 입구측에서 출구측으로 연장되는 유동장 채널(flow field channel)(62)을 포함하다.

도 2는 도 1의 연료전지의 거동에 대한 다이어그램을 도시한다. 연료전지의 성능에 영향을 미치는 중요한 파라미터들은 압력 강하, 습도, 온도 및 연료/산화제 이용률이다. 일반적으로 21% 산소와 79% 질소로 구성되는 공기는, 전지에 들어가기 전에 가습된다. 도 2에서 Y축은 산소 분압의 백분율을 나타내고, X축은 입구에서 X(O₂)가 21%이고, 출구에서 X(O₂)가약 15%인 기체 채널의 길이를 나타낸다. 출구의 X(O₂)는 전지 성능, 전지에서 인출한 전류 및 전지에 들어가는 공기의 화학량론에 따라 달라진다. 예를 들어, 높은 전류 밀도(+2.0 A/㎠)에서 산소 고갈이 증가하고 낮은 화학양론에서 전지의 성능은 채널 끝으로 갈수록 떨어진다. 두 번째 곡선은 채널 전체의 압력 강하와 온도 증가를 나타낸다. 채널이 길거나 좁을수록 압력 강하가 커진다. 따라서 시스템 수준에서 압축기 또는 송풍기에 대한 더 많은 기생 부하가 걸린다. 공칭 작동 조건에서, 채널의 입구와 출구 사이 및 전지에서, 약 20-50 KPa의 압력 강하와 5-8℃의 온도 증가가 예상된다. 모바일 애플리케이션의 경우 300 ㎠가 활성영역의 일반적인 크기이며, 너비는 10 cm이고, 채널 길이는 30 cm이다. 스탬핑 기술에 기반한 채널의 단면 치수는 약 0.2~0.3 cm 정도로 제한된다. 전지의 전체적인 성능은 더 큰 압력 강하, 높은 기체 속도, 수분 관리 및 산화제/연료 이용률로 인해 떨어질 것이다.

도 3은 도 1의 연료전지의 X-X선 단면도이다. 연료전지(1)는 연료극 전극층 (3)과 공기극 전극층(4) 사이에 샌드위치된 멤브레인(2)을 포함한다. 기체확산층 (5)은 각각의 전극층(3,4)에 인접하게 배열된다. 유동장 구조(6,7)는 기체확산층(5) 각각에 인접하게 배열된다. 각각의 유동장 구조(6,7)는 연결 채널(61,71), 유동장 채널(62,72), 냉각 채널(63,73) 및 매니폴드(90,91)를 포함한다. 개스킷(8)은 연료전지를 측방향으로 밀봉하기 위해 유동장 구조(6,7) 사이에 배열된다. 매니폴드들(90,91)은 유동장 구조(6,7)와 개스킷(8)을 관해서 연장된다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지(1)의 개략평면도이다. 본 발명의 제1 실시예의 연료전지는 각각 활성영역(A11, A12)을 갖는 두 개의 세그먼트들을 포함한다. 매니폴드들(90,91,92)은 전지의 양 측면에 및 두 개의 인접한 활성영역들(A11,A12) 사이에 배열된다. 연료는 2개의 활성영역(A11, A12) 사이의 연료 매니폴드(90)로부터 2개의 활성영역 각각을 통과하고 2개의 활성영역의 양 측면에 있는 연료 매니폴드(90)로 흐른다. 산화제는 2개의 활성영역 사이의 하나의 산화제 매니폴드(91)로부터 2개의 활성영역의 양 측면에 있는 2개의 산화제 매니폴드(91)로 흐른다. 냉매는 2개의 측면 냉매 매니폴드(lateral coolant manifold) (92)로부터 중간 냉매 매니폴드(92)로 흐른다. 도시된 실시예에서, 모든 냉매 매니폴드(92)는 서로 정렬되고, 중간 연료 매니폴드(90)는 2개의 측면 산화제 매니폴드(91)와 정렬되고, 중간 산화제 매니폴드(91)는 2개의 측면 연료 매니폴드(90)와 정렬된다. 대안의 실시예에서, 동일한 종류의 매니폴드들이 모두 서로 정렬되거나 동일한 종류의 매니폴드들이 서로 정렬되지 않을 수 있다.

도 5는 도 4의 연료전지의 거동의 다이어그램, 즉 산화제/연료 이용률에 대한 본 발명에 따른 연료전지의 설계 효과를 나타낸다. 이중선 곡선은 기존 연료전지의 단일 직선 기체 채널 내부의 공기극 입구/출구 및 산소 이용률을 나타낸다. 실선은 본 발명에 따른 연료전지의 공기극 입구/출구 및 기체 채널 내부의 산소 이용률을 나타낸다. 기본 기체 입구 및 출구 외에도 하나의 추가의 입구 및 출구가 있어 압력 강하를 줄이고 산소 농도를 증가시켜 연료전지의 성능을 향상시킨다. 추가적으로 온도 변화량이 감소하고 기체 분포가 향상된다. 이 실시예에서는 신선한 공기가 두 개의 활성영역들 사이에 공급된다. 기존 연료전지와 비교하여, 활성 영역의 길이가 절반으로 나뉜다. 기존의 연료전지에서 30 cm인 길이는 약 15 cm에 해당한다. 세그먼트의 수와 길이는 기하학적 구조(geometry), 치수 및 기타 요구 사항에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 하나의 입구와 출구를 갖는 30 cm 길이의 기체 채널을 각각 5 cm와 같은 몇 개의 작은 채널로 나눌 수 있다.

도 6은 도 4의 연료전지의 Y-Y선 단면도이다. 연료전지(1)는 본질적으로 도 3의 것과 동일한 설계를 갖는다. 또한, 스페이서들(60,70)은 멤브레인(2)과 대응하는 유동장 구조들(6,7) 사이의 전지의 중앙에 배열된다. 이 단면에서, 산화제 매니폴드(91)는 멤브레인(2), 스페이서(6,7) 및 유동장 구조(6,7)를 관통해서 연장한다. 같은 방식으로 연료 매니폴드와 냉각 매니폴드는 이러한 구성 요소들을 관통해서 연장한다.

도 7은 본 발명에 따른 제2 실시예의 연료전지의 개략평면도이다. 전지는 여러 세그먼트들로 분할된다. 세그먼트의 식별은 다음과 같이 수행된다: S(ij)를 참조하여 설명하면, 여기서 (i)는 각 세그먼트의 (X) 방향으로의 수평방향 위치를 나타내고 및 (j)는 (Y) 방향으로의 수직방향 위치를 나타낸다. 예를 들어, S(12)는 첫 번째 줄의 두 번째 세그먼트가 된다. 전지 내의 세그먼트들의 크기와 개수는 도면에 도시된 것(즉, 12개의 세그먼트)으로 제한되지 않는다. 수평 및 수직 방향의 세그먼트 수는 다른 세그먼트의 작동 및 성능에 영향을 주지 않고 서로 독립적으로 변할 수 있다. 이것에 의해서 전지의 기하학적 구조는 정사각형에서 직사각형 또는 수평 및 수직 측면 사이의 비율이 매우 큰 실질적인 직사각형 모양으로 쉽게 변형될 수 있다. X 방향의 세그먼트 수 대 Y 방향의 세그먼트 수의 비는 0.001과 1000 사이, 보다 정확하게는 0.1과 10 사이에서 변화할 수 있다. 각각의 세그먼트 S(ij)는 대응하는 활성영역(A)(ij)을 포함한다. 전지의 서로 다른 영역에서 혼합 흐름 구조(mixed flow configuration)를 갖는 도시된 구현예는 단지 설명을 위한 것이다. 전체 전지에서 일관된 성능을 유지하기 위해서 모든 세그먼트들에서 흐름 구조(flow configuration)를 유사하거나 동일하게 유지하는 것이 바람직하다. 세그먼트 S(11) 내지 S(41)은 반대되는 흐름 구조(counter-flow configuration)을 갖는데, 연료 기체와 산화제 기체가 반대 방향으로 흐른다. 산화제(이 경우 공기)는 2개의 개별 산화제 매니폴드들(91)로부터 이러한 세그먼트들로 들어가고 2개의 개별 산화제 매니폴드들(91)을 통해서 이 세그먼트들을 나간다. 연료(이 경우에는 수소)는 하나의 단일의 연료 매니폴드(90)로부터 이들 세그먼트들로 들어가고, 두 개의 개별의 연료 매니폴드들(90)을 통해서 나간다. 유사한 방식으로, 냉매는 하나의 단일의 냉매 매니폴드(92)로부터 이들 세그먼트들로 들어가고, 2개의 개별의 냉매 매니폴드들(92)을 통해서 나간다. 도시된 실시예에서, 세그먼트 S(13) 내지 S(43)은 병행류 구조(co-flow configuration)를 갖는다. 즉, 연료 기체와 산화제 기체가 같은 방향으로 흐른다. 두 개의 인접한 세그먼트들 사이의 매니폴드들(90,91,92)은 이 두 세그먼트들에 기체를 공급한다.

도 8은 본 발명에 따른 제3 실시예의 연료전지의 개략평면도이다. 두 열의 세그먼트들 사이에 공간(space)을 포함한다. 기체 매니폴드나 집전체를 위한 통로와 같이 이러한 공간을 갖는 데에는 여러 가지 이유들이 있다. 생산의 관점에서, 중간의 공간은 서브-개스킷, 특수 수지 또는 촉매 코팅 멤브레인(CCM)으로 만들 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 제4 실시예의 연료전지의 일부 개략평면도이다. 매니폴드들(90,91,92)은 기체를 지정된 방향으로 유도하고 밀봉재를 사용하여 전지 가장자리에서 기체 흐름을 제한하다. 그러나 각각의 CCM은 바이폴라 플레이트 구조 또는 특수 수지로 만들어지거나 서브-개스킷에 통합되는 추가의 차단 채널(block channel)을 사용하여 여러 개의 작은 섹션들로 분할될 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 제5 실시예의 연료전지의 일부 개략평면도이다. 기체 매니폴드들(90,91,92)은 원형, 타원형, 정사각형 또는 직사각형과 같은 임의의 형상을 가질 수 있다; 도 10에 도시한 바와 같은 직사각형 매니폴드의 경우에, M/N(매니폴드 길이/매니폴드 폭)의 비율은 0.01과 10 사이에서 변하지만, 반드시 이 범위로 제한되는 것은 아니다. 또한, 기체 매니폴드의 폭이 반드시 동일할 필요는 없고, 설계에 따라 조정될 수 있다. 그러나 모든 세그먼트들에 대해 일정한 패턴을 유지하는 것이 좋다. 또 다른 가능한 옵션은 입구에 더 큰 매니폴드를 사용하고 출구에 더 작은 매니폴드를 사용하거나 그 반대로 구성하는 것이다. 이 경우, 각각의 입구 매니폴드(90,91,92)가 두 개의 인접한 세그먼트들 사이에 있고, 출구들이 입구보다 작거나 그 반대로 구성되는 것으로 가정된다. 매니폴드의 치수 결정은 전지의 크기 및 전지를 분할하는 세그먼트들의 개수에 의존하며, 통상의 기술자들은 그들의 기대에 기초하여 매니폴드의 치수를 적절하게 정하기 위해 필요한 계산 및 설계를 할 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 제6 실시예의 연료전지의 일부 개략평면도이다. 이 실시예에서, 연료 매니폴드(90) 및 냉매 매니폴드(92)는 각 세그먼트의 측면들을 향해 이동되고 전체 전지에 걸쳐 반복된다. 도시된 디자인은 교차 흐름 구조(cross-flow configuration), 즉 연료의 흐름 방향이 산화제의 흐름 방향에 필수적으로 수직이다. 각각의 유동장 채널 설계를 통해서, 교차 흐름 구조(cross-flow configuration)를 병행류(co-flow configuration) 또는 역류 구조(counter-flow configuration)로 변환할 수 있다. 공기극 입구 및 출구 매니폴드들은 각 세그먼트의 상단과 하단에서 더 직사각형 형상을 갖도록 확장된다. 이전 구성과 마찬가지로, 입구 또는 출구 매니폴드는 세그먼트들 사이에 공유되거나 공유되지 않을 수 있다. 또한, 하나의 스트림으로부터의 매니폴드들만 측면으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 냉매 매니폴드들은 각 세그먼트의 좌측 및 우측에 위치될 수 있고, 공기극 및 연료용 매니폴드는 각 세그먼트의 상단과 하단에 나란히 위치할 수 있다. 활성영역 및 그에 따른 CCM의 사이즈는 또한 어떠한 실시예에서도 제한되지 않는다. 활성영역은 바람직하게 정사각형, 직사각형 또는 임의의 다른 형상을 가질 수 있지만 정사각형 또는 직사각형을 갖는 것이 권장된다. 직사각형 레이아웃의 경우 CL/CW(CCM 길이/CCM 너비)의 비율은 0.01과 100 사이에서 달라지지만, 반드시 이 범위내로 제한되는 것은 아니다.

도 12a는 제1 실시예의 서브-개스킷의 개략단면도이고, 도 12b는 제2 실시예의 서브-개스킷의 개략단면도이다. PEM 연료전지용 MEA(Membrane Electrode Assembly) 제조를 위한 몇 가지 표준 기술이 있는데, 본 명세서에서 설명하지 않는다. 그러나 현재의 혁신을 기반으로 전지 생산에 어떤 설계도 구현할 수 있다. 촉매 코팅 멤브레인(CCM), 기체확산층(GDL) 및 CCM 둘레의 프레임/서브-개스킷에 사용되는 두께와 재료에는 제한이 없다. 예를 들어, 서브-개스킷은 PTFE, PET, PEN 또는 수지와 같은 다양한 열가소성 수지로 만들 수 있고, 양쪽 측면에 밀봉 재료를 포함할 수도 있다. 도 12a의 실시예에서, 멤브레인은 더 확장되고 멤브레인과 서브-개스킷 사이에만 중첩(overlapping)이 있고 촉매에는 없다.

도 12b의 서브-개스킷의 실시예는 프레임/서브-개스킷과 CCM 사이에 중첩이 있는 것을 도시한다. 이것은 멤브레인과 촉매층이 서브-개스킷에 의해 샌드위치되어 있는 것을 의미하다. 서브-개스킷은 적층(lamination), 접착(gluing) 또는 융착(fusing)과 같은 다양한 방법을 사용하여 멤브레인 또는 CCM에 부착될 수 있지만, 반드시 이러한 방법으로 제한되는 것은 아니다. 이들은 설명을 위한 것으로, 임의의 다른 구성이나 접근 방식을 사용할 수 있다. 또 다른 가능성은 CCM 또는 멤브레인에 직접 밀봉하는 것이다.

1: 연료전지 2: 막
3: 연료극 전극층 4: 공기극 전극층
5: 기체확산층 6: 제1 유동장 구조
60: 스페이서 61: 연결 채널
62: 유동장 채널 63: 냉각 채널
7: 제2 유동장 구조 70: 스페이서
71: 연결 채널 72: 유동장 채널
73: 냉각 채널 8: 개스킷
80: 서브-개스킷 81: 서브-개스킷
90: 연료 매니폴드 91: 산화제 매니폴드
92: 냉매 매니폴드
A(ij): 활성영역 S(ij): 세그먼트

Claims

하나 이상의 멤브레인(2), 하나 이상의 연료극 전극층(3), 하나 이상의 공기극 전극층(4), 2개 이상의 기체확산층(5) 및 2개 이상의 유동장 구조(flow field structures)(6,7)를 포함하고, 여기서 하나 이상의 멤브레인(2)이 하나의 연료극 전극층 (3)과 하나의 공기극 전극층(4) 사이에 배열되어, 막전극접합체(membrane electrode assembly)를 형성하고 활성영역(Aij)을 한정하며, 여기서 하나의 기체확산층(5)이 각각의 전극층(3,4)에 인접하게 배열되고, 및 여기서 하나의 유동장 구조(6,7)는 각각의 기체확산층(5)에 인접하게 배열되고, 여기서 각각의 유동장 구조(6,7)는 3개 이상의 연료 매니폴드들(90), 3개 이상의 산화제 매니폴드들(91) 및 3개 이상의 냉매 매니폴드들(92)을 포함하는 연료전지(1)에 있어서, 연료전지(1)가 2개 이상의 활성영역들(A11, A12)을 포함하고; 하나 이상의 연료 매니폴드(90), 하나 이상의 산화제 매니폴드(91) 및 하나 이상의 냉매 매니폴드(92)가 두 개 이상의 활성영역들(A11, A12) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제1항에 있어서, 3개의 매니폴드들(90,91,92) 각각의 하나 이상은 입구 매니폴드이고 적어도 2개는 출구 매니폴드이거나, 또는 3개의 매니폴드들(90,91,92) 중 2개 이상은 입구 매니폴드이고 하나 이상은 출구 매니폴드인 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제2항에 있어서, 출구 매니폴드의 개수는 입구 매니폴드의 개수의 2배이거나, 또는 입구 매니폴드의 개수는 출구 매니폴드의 개수의 2배인 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 매니폴드들(90,91,92)의 단면 크기는 동일하거나, 또는 매니폴드들(90,91,92) 중 하나 이상의 단면 크기는 다른 매니폴드의 단면 크기와 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 매니폴드들(90, 91, 92)의 단면 형상이 동일하거나, 또는 매니폴드들 중 하나 이상의 단면 형상이 다른 매니폴드의 단면 형상과 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제5항에 있어서, 매니폴드들(90,91,92)의 형상은 각진(angled), 직사각형, 정사각형, 타원형 및 원형으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 3개의 매니폴드(90,91,92) 각각에 대해, 모든 입구 매니폴드들의 총단면적은 모든 출구 매니폴드들의 총단면적과 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 3개의 매니폴드(90,91,92) 각각에 대해, 모든 입구 매니폴드들의 총단면적은 모든 출구 매니폴드들의 총단면적보다 크거나, 또는 여기서 3개의 매니폴드들(90,91,92) 각각에 대해, 모든 입구 매니폴드들의 총단면적은 모든 출구 매니폴드들의 총단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 매니폴드들(90)의 총단면적은 산화제 매니폴드들(91)의 총단면적 및/또는 냉매 매니폴드들(92)의 총단면적과 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 매니폴드들(90)의 총단면적은 산화제 매니폴드들(91) 및/또는 냉매 매니폴드들(92)의 총단면적 보다 크거나, 연료 매니폴드들(90)의 총단면적은 산화제 매니폴드들(91)의 총단면적 및/또는 냉매 매니폴드들(92)의 총단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 제1 방향(X)으로 자체적으로 반복되거나 제1 방향(X)에 대해서 수직인 제2 방향(Y)으로 자체적으로 반복되는 매니폴드들(90,91,92)의 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제1항에 있어서, 두 개의 반복되는 패턴들 사이의 거리는 패턴 내의 2개의 이웃하는 매니폴드들(90,91,92) 사이의 거리와 동일하거나, 2개의 반복 패턴들 사이의 거리가 패턴 내의 2개의 인접하는 매니폴드들(90,91,92) 사이의 거리보다 더 큰 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료전지는, 2개 이상의 개스킷들(8)을 포함하고, 여기서 하나의 개스킷(8)은 각각의 유동장 구조(6,7)에 인접하게 배열되고, 및 여기서 각각의 개스킷(8)은 동일한 위치에서 유동장 구조 (6,7)와 동일한 수의 매니폴드들(90,91,92)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료전지는 하나 이상의 서브-개스킷(80,81)을 포함하고, 여기서 상기 서브-개스킷(80,81)은 양 측면상의 멤브레인(2)의 적어도 경계 영역(border area)을 커버하거나 여기서 상기 서브-개스킷(80,81)은 양 측면상의 멤브레인(2) 및 전극층들(3,4)의 경계 영역을 적어도 커버하는 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제14항에 있어서, 상기 서브-개스킷(81)은 멤브레인(2)과 전극층(3,4)의 경계 영역 위로 측방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료전지는, 서로 정렬되고 스택(stack)을 형성하는 여러 개의 막전극접합체, 여러 개의 기체확산층(5) 및 여러 개의 유동장 구조 (6,7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료전지는, 2개의 집전판(current collector plate)과 2개의 백킹 플레이트를 포함하고, 여기서 하나의 집전판은 각각의 유동장 구조(6,7)에 인접하게 배열되고, 하나의 백킹 플레이트는 각각의 집전판에 인접하게 배열되는 것을 특징으로 하는 연료전지(1).
제17항에 있어서, 백킹 플레이트를 지지하는 클램핑 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지(1).