KR20230010692A - 셀 스택, 셀 스택을 생성하기 위한 방법 또는 연료 셀 또는 셀 스택을 포함하는 전해 셀 - Google Patents

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스테판 안데르쉬
옌스-피터 슈시스랜드
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그리너리티 게엠베하
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Abstract

본 발명은 다수의 개개의 셀들(9, 10, 11, 12)을 포함하는 셀 스택(2)에 관한 것이고, 여기서 각각의 개개의 셀(9, 10, 11, 12)은 캐소드(6), 애노드(4), 및 개재된 멤브레인(5)을 갖는 멤브레인 전극 구성(3)을 포함하고, 애노드(4)의 노출된 측에 배치되고 기계 가로 방향(y)에서 제 1 두께 기울기를 갖는 애노드 가스 확산층(7), 또는 소결된 티타늄 성분 및 캐소드(6)의 노출된 측에 배치되고 기계 가로 방향(y)에서 제 2 두께 기울기를 갖는 캐소드 가스 확산층(8)을 포함하고, 개개의 셀(9, 10, 11, 12)에서, 애노드 가스 확산층(7) 및 캐소드 가스 확산층(8)은 애노드 가스 확산층(7)의 제 1 두께 기울기 및 캐소드 가스 확산층(8)의 제 2 두께 기울기가 반대가 되도록 서로에 대해 배치되고, 또는 2개 이상의 개개의 셀들(9, 10, 11, 12)에서, 애노드 가스 확산층들(7)은 이들 애노드 가스 확산층들(7)의 전체 두께 기울기가 최소화되도록 서로에 대해 배치되고, 및/또는 2개 이상의 개개의 셀들(9, 10, 11, 12)에서, 캐소드 가스 확산층들(8)은 상기 캐소드 가스 확산층들(8)의 전체 두께 기울기가 최소화되도록 서로에 대해 배치된다.

Description

셀 스택, 셀 스택을 생성하기 위한 방법 또는 연료 셀 또는 셀 스택을 포함하는 전해 셀
본 발명은 균일한 두께 분포를 갖는 셀 스택, 이러한 셀 스택을 생성하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 또 연료 셀 또는 이 셀 스택을 포함하는 전해 셀에 관한 것이다.
특히 연료 셀들과 같은 전기화학 응용들을 위한 가스 확산층들은 생성 때문에 불균일 두께 분포를 가질 수 있다. 예시적인 두께 변동들은 가스 확산층의 적어도 하나의 섹션에서 우세할 수 있는 선형 두께 기울기들, 오목, 볼록 또는 파형 형상이다. 가스 확산층들은 세로 기계 방향(이것은 롤이 감기거나 풀리는 방향임) 및 가로 기계 방향(이것은 세로 기계 방향에 수직으로 연장하는 방향이어서 롤의 폭을 생기게 함)을 가지는 일반적으로 롤드 제품들(rolled products)로서 제공된다. 그러한 가스 확산층 롤들은 특히 가로 기계 방향에서 생성 때문에 두께 변동을 가지며, 여기서 두께 변동은 가로 기계 방향에서 가스 확산층의 층 두께의 두께 기울기로서 이해된다. 가스 확산층의 두께 기울기는 셀 스택의 단일 셀 내에 불균일 두께 분포를 생기게 하고, 따라서 단일 셀 내에서 그리고 셀 스택 내에서 불균일 압력 분포를 생기게 한다. 셀 스택의 나머지 층들의 층 두께들에 비해 가스 확산층들의 높은 층 두께로 인해, 가스 확산층의 불균일 두께 분포는 특히 중요하다. 불균일한 압력 분포는 또한 가스 확산층들의 불균일한 압축을 생기게 하며, 이로 인해 접촉 저항, 특히 셀 내 반응물들 및 물의 질량 이송과 같은 특성들이 불균일할 수 있으며, 이로 인해 안정적인 동작이 보장될 수 없다.
또한, 특히 선형 두께 기울기들의 경우에, 셀 스택의 사용에서, 따라서 수백 개의 가스 확산층(GDL)을 포함할 수 있는 많은 단일 셀들의 연속에서, 체계적인 두께 기울기는 전체적으로 셀 스택의 조립이 더 어려워지거나 심지어 더 이상 가능하지 않게 되는 강하게 확연한 불균일한 두께 분포를 생기게 한다.
본 발명의 목적은 가장 균일하고 가능한 두께 분포를 갖는 셀 스택을 제공하고 균일한 두께 분포를 갖는 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 특정하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 영구적으로 높고 안정적인 전력 밀도를 갖는 연료 셀 또는 전해 셀을 특정하는 것이다.
이들 목적들은 독립 청구항들의 특징들에 의해 달성된다. 종속 청구항들은 본 발명의 유리한 개량들 및 실시예들을 포함한다.
따라서, 이것은 복수의 단일 셀들을 포함하는 셀 스택을 제공하여 달성되고, 여기서, 각각의 단일 셀은 캐소드, 애노드, 및 개재된 멤브레인을 갖는 멤브레인 전극 조립체, 및 애노드의 노출된 측에 배치되어 멤브레인으로부터 떨어져 마주하는 애노드의 측면 상에 배치되는 애노드 가스 확산층(이하: AGDL), 및 캐소드의 노출된 측에 배치되어, 또한 멤브레인으로부터 멀리 떨어져 마주하는 캐소드의 측면 상에 배치되는 캐소드 가스 확산층(KGDL)을 포함한다. 애노드 가스 확산층에 대한 대안으로, 전해 셀들에 종종 전형적인 소결된 티타늄 성분, 소위 티타늄 소결제도 제공될 수 있다. 그러나, 이 경우, 적어도 하나의 KGDL이 제공된다.
양 KGDL 및 또한 AGDL(제공된다면)은 각각 가로 기계 방향에서 두께 기울기를 가지며, 여기서 AGDL의 두께 기울기는 제 1 두께 기울기이고 KGDL의 두께 기울기는 제 2 두께 기울기이다. 가로 기계 방향에서의 두께 기울기는 본 발명에 따라 가로 기계 방향의 방향에서 국부적으로 변하는 대응하는 가스 확산층(이하: GDL)의 층 두께로서 이해된다.
가로 기계 방향은 여기서 롤드 제품들로서 제공되는 GDL의 언롤링 방향 또는 롤링 방향에 수직으로 연장하는 방향으로서 이해된다. 본 발명의 의미에서, 가스 확산층 제품은 롤드 제품으로서 생성되어 제공된다. 이것은 GDL의 층들이 GDL을 형성하기 위해 분리 전 초기에는 연속하고 GDL 롤드 제품의 폭을 따라 행에서 그리고 연속해서 대응하는 행들에서 서로 인접하여 카펫 유형의 형태로 제공되는 것을 의미한다. 이 카펫의 롤링 방향 또는 언롤링 방향은 세로 기계 방향이다. 가로 기계 방향은 세로 기계 방향에 수직으로 연장하고 따라서 롤드 제품의 폭과 비교된다. 따라서, GDL은 세로 기계 방향 및 또한 가로 기계 방향에 걸쳐 있고 세로 기계 방향 및 가로 기계 방향에 수직으로 연장하는 소정 층 두께를 갖는다.
따라서, 만약 GDL이 가로 기계 방향에서 관측되면, 이 방향에서의 그것의 층 두께는 두께 기울기를 갖는다. 따라서 층 두께는 가로 기계 방향을 따라, 특히 적어도 관측된 GDL의 섹션에서 변한다.
단일 셀에서, AGDL 및 KGDL은 AGDL의 제 1 두께 기울기 및 KGDL의 제 2 두께 기울기가 서로 반대로 진행하도록 서로에 대해 배치된다. 따라서, 이 단일 셀 내의 두께 분포는 균형을 이루거나 두께 차이들이 바람직하게는 상쇄된다. 따라서, 압력 차이들은 단일 셀 내에서 감소될 수 있고 심지어 최소화되어, 단일 셀의 층들 내의 압력 분포가 균일하고 입력 피크들이 회피된다. 이것은 또한 단일 셀이 영구적으로 높은 전력 밀도를 제공할 수 있다는 결과를 갖는다.
하나의 대안에 따르면, AGDL은 AGDL의 전체 두께 기울기가 최소화되도록 2개 이상의 단일 셀들에서 서로에 대해 배치된다. 이것은 만약 사람이 애노드 측에서만 셀 스택을 관측하면, 제 1 두께 기울기로부터 유래하는 두께 차이들이 균등하도록 제 1 두께 기울기들을 갖는 AGDL이 배치되는 것을 의미한다. 그러므로, 단일 셀에서의 두께 분포가 개선되지 않고, 오히려 애노드 측의 모든 AGDL이 두께 보상, 환언하면 제 1 두께 기울기의 보상과 관련하여 구체적으로 정렬 및 배치된다. 따라서, 셀 스택은 애노드 측에서 가장 균일하고 가능한 두께 변동을 가져서, 압력 차이들이, 예를 들어 셀 스택의 조립 중, 감소될 수 있고 또는 심지어 애노드 측에서 방지될 수 있다. 이것은 또한 셀 스택의 전력 밀도의 개선에 기여한다.
전술한 이유들 때문에, 2개 이상의 단일 셀들에서 KGDL은 이들 KGDL의 전체 두께 기울기가 최소화되도록 서로에 대해 배치되는 것이 본 발명에 따라 대안으로 또는 추가로 제공된다. 그러므로, 셀 스택에 사용될 모든 KGDL은 두께 차이들이 모든 KGDL에 걸쳐 최소화되도록 이들 각각의 두께 기울기들에 대해 정렬된다.
만약 AGDL 및 KGDL 모두가 각각 이들 전체 두께 기울기들이 최소화되도록 정렬되면 셀 스택의 전력 밀도에 특히 유리하다.
하나의 유리한 실시예에 따르면, 셀 스택의 모든 단일 셀들에서, 각각의 단일 셀의 AGDL의 제 1 두께 기울기 및 KGDL의 제 2 두께 기울기가 서로 반대로 진행하도록 AGDL 및 KGDL은 각각 서로에 대해 배치된다. 따라서, 임의의 수의 단일 셀들이 셀 스택을 형성하기 위해 다른 것의 상부 위에 스택될 수 있고, 여기서 단일 셀 당 두께 기울기들이 최소화되어 균등화되기 때문에, 셀 스택도 최소화된 두께 변동을 가지며, 따라서 단일 셀들의 층들 사이의 압력 차이들이 감소되고 심지어 방지될 수 있다. 이것은 셀 스택의 영구적인 전력 밀도를 개선한다.
추가의 유리한 실시예에 따르면, AGDL의 제 1 두께 기울기 및 KGDL의 제 2 두께 기울기는 선형이다. 이것은 양 두께 기울기들이 일정한 슬로프를 가져서, GDL의 층 두께가 적어도 GDL의 섹션에서 지속적으로 감소하거나 증가하는 것을 의미한다. 셀 스택의 두께 차이들 또는 두께 변동들이 이러한 방식으로 특히 용이하게 균등화될 수 있고, 그 결과 셀 스택의 압력 차이들이 상당히 감소될 수 있어, 셀 스택의 안정성 및 영구적으로 높은 전력 밀도에 기여한다.
더욱이, AGDL 및 KGDL은 각각 유리하게는 미세 다공성 층 및 매크로 다공성 캐리어 재료를 포함하고, 여기서 AGDL의 미세 다공성 층은 애노드로 배향되고 KGDL의 미세 다공성 층은 캐소드로 배향된다. 미세 다공성 층의 사용은 특히 유리한 질량 이송을 허용하고 따라서 반응 가스들의 애노드로의 특히 유리한 공급을 허용한다(연료 셀의 경우: 애노드를 위한 수소 및 캐소드를 위한 산소). 더욱이, 미세 다공성 층의 사용은 촉매 코팅 멤브레인과 GDL 사이의 접촉 저항을 감소시킨다.
미세 다공성 층은 특히 이 경우 정의된 양의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 함유하여 미세 다공성 층의 소수성 특성들에 영향을 미칠 수 있으며, 이에 의해 단일 셀에 형성되거나 함유된 물의 배수 거동이 제어될 수 있다. 탄소질 재료, 예를 들어 카본 블랙 또는 흑연이 또한 포함될 수 있으며, 이를 통해 미세 다공성 층의 소수성 및 친수성들이 또한 제어될 수 있다. 특히, 페이퍼-유형 및 플리스-유형 재료들이 특히 평균 직경이 7㎛인 탄화 폴리아크릴로니트릴 파이버들로 형성될 수 있는 캐리어 재료들로서 유리하다. 미세다공성 층은 캐리어 재료와 비교할 때 훨씬 더 매끄러운 표면과 구조로 구별되며, 이는 전극(음극 또는 양극)의 매우 우수한 접촉을 가능하게 하여 낮은 전기 저항을 초래한다.
추가의 유리한 실시예는 단일 셀의 AGDL 및/또는 KGDL이 100㎛ 내지 300㎛ 범위의 층 두께를 갖는 것을 제공한다. 멤브레인 전극 조립체(MEA)의 추가 구성 요소들의 층 두께들과 관련하여 GDL의 상대적으로 큰 층 두께로 인해, 반응 가스에 대해 매우 우수한 유동장이 제공될 수 있으며, 이는 반응의 균일한 분포를 가능하게 한다. 여기서 GDL의 층 두께는 GDL의 전체 폭에 걸쳐 1MPa의 정의된 측정 압력에서 동일한 간격들로 확인되는 10개의 측정값들의 평균값으로 정의된다.
캐리어 재료는 바람직하게는 플리스-유형 및 페이퍼-유형으로부터 선택된다.
멤브레인 전극 조립체는 더 유리하게는 에징 재료(edging material)에 의해 둘레방향으로 프레임된다. 에징 재료는 여기서 캐리어 필름 및 접착층을 포함할 수 있이며, 이것은 에징 재료 및 MEA로 만들어지는 복합재의 매우 양호한 가스 기밀성을 보장한다. 더욱이, 에징 재료는 MEA를 뚫을 수 있고 따라서 전기 단락을 야기할 수 있는 GDL 파이버로부터 특히 GDL 에지들의 영역에서 MEA를 보호한다. 전기 단락은 서비스 수명을 단축시키거나 MEA의 전체 고장을 초래한다.
연료 셀 또는 전해 셀이 추가로 유리하게 설명되며, 이는 위에 기재된 것과 같은 전지 스택을 포함한다. 균형 잡힌 두께 차이들로 구별되는 셀 스택의 사용으로 인해, 연료 셀 또는 전해 셀은 또한 균일한 두께를 가지므로, 영구적으로 높은 전력 밀도가 달성된다.
셀 스택을 생성하기 위한 방법이 또한 본 발명에 따라 마찬가지로 기재된다. 셀 스택은 위에 기재된 것과 같이 설계되고 복수의 단일 셀들을 포함하고, 여기서 각각의 단일 셀은 캐소드, 애노드, 및 개재된 멤브레인, 및 가로 기계 방향에서 제 1 두께 기울기을 갖는 애노드의 노출된 측에 배치된 AGDL 또는 소결된 티타늄 성분및 가로 기계 방향에서 제 2 두께 기울기를 갖는 캐소드의 노출된 측에 배치된 KGDL을 포함한다. 방법은 본 발명에 따른 셀 스택을 생산하는데 적합하다.
본 발명에 따른 방법에 따르면, 적어도 하나의 단일 셀에서 및 특히 모든 단일 셀들에서, 단일 셀 당 AGDL 및 KGDL은 각 경우에 AGDL의 제 1 두께 기울기 및 KGDL의 제 2 두께 기울기가 서로 반대로 진행하도록 서로에 대하여 배치된다. 이러한 방식으로, GDL에서의 두께 차이들 또는 두께 변동들이 균등화될 수 있어, 본 발명에 따른 이 단계를 거친 각각의 단일 셀은 균등화된 균일한 두께 분포를 갖는다. 따라서, 균일한 층 두께 본포를 갖는 단일 셀들은 점상 또는 국부적 압력 스트레스들이 발생하지 않고 다른 것의 상부에 스택될 수 있다. 오히려, 활성 압력들로 인한 단일 셀들의 층들에서의 손상이 회피하도록 압력 피크들이 단일 셀들의 스태킹 중 회피된다. 이러한 방식으로 생성된 셀 스택은 영구적으로 높은 전력 밀도로 구별된다.
대안의 실시예에 따르면, 2개 이상의 단일 셀들에서, 이들 AGDL의 전체 두께 기울기가 최소화되도록 AGDL이 서로에 대해 배치된다. 따라서, AGDL은 유리하게는 셀 스택을 형성하도록 단일 셀들의 조립 전에 정렬되어, 사람이 셀 스택의 애노드측을 관측할 때만, AGDL의 균일한 두께 분포가 생겨, 두께 변동들이 회피되고 균등화된다. 따라서, 셀 스택에 가해진 압력은 모든 포함된 층들에 균일하게 작용하여, 층들 내의 손상이 회피된다.
대안의 또는 추가의 실시예에 따르면, 위에서 언급한 이유들 때문에, 2개 이상의 단일 셀들에서, KGDL은 이들 캐소드 가스 확산층들의 전체 두께 기울기가 최소화되도록 서로에 대해 배치된다.
특히 만약 각각의 GDL이 두께 차이들이 최소화되도록 캐소드측 및 애노드측에서 서로에 대해 정렬된다면, 특히 층들의 전체 표면에 걸쳐 균일하게 분포되는, 작용하는 압력들에 대해 안정적인, 균일한 층 배치를 갖는 셀 스택이 획득될 수 있어, 영구적으로 특히 높은 전력 밀도가 셀 스택에서 획득될 수 있다.
가스 확산층들(KGDL 및 AGDL)은 유리하게는 롤드 제품들로서 제공되고, 언롤링 후 GDL을 형성하기 위해 싱귤라이즈되고, 여기서 가스 확산층들의 분리를 위해, GDL이 가로 기계 방향에서 롤로부터 연속해서 제거되고 연속해서 제거된 GDL은 각 제 2 제거된 GDL이 가로 기계 방향에 대해 180°만큼 회전되도록 사용되고, 비회전 및 회전된 GDL은 AGDL 및 KGDL로서 교대로 사용된다. 환언하면, 이것은 GDL이 예를 들어 커팅 또는 스탬핑 아웃(stamping out) 또는 임의의 다른 분리 프로세스에 의해, 롤드 제품의 언롤링된 표면으로부터 취해진다는 것을 의미한다. 롤드 제품이 적어도 싱귤라이즈될 GDL의 길이가 노출될만큼 충분히 언롤링되도록 절차가 여기에 사용된다. 따라서, 제 1 GDL은 언롤링된 롤드 제품의 종방향 에지에서 시작해서 제 2 종방향 에지의 연장 방향으로, 따라서, 롤의 폭에 걸쳐 싱귤라이즈된다. 거기에 이어서, 제 2 GDL이 제 2 종방향 에지의 방향으로 싱귤라이즈된다. 이 싱귤라이제이션은 이후 제 2 종방향 에지에 도달될 때까지 계속된다. 이후 다음 행은 제 1 종방향 에지로부터 제 2 종방향 에지로 다시 시작되고 추가의 GDL이 싱귤라이즈되는 등등이다.
위의 실시예에 대해 원칙적으로 GDL의 분리 후에 두 가지 가능성들이 있다:
제 1 가능성에 따르면, 각각의 싱귤라이즈된 GDL은 다른 것의 상부 위에 스택되고, 따라서, 예를 들어 가로 기계 방향의 제 1 행으로부터의 제 4 GDL이 가로 기계 방향의 제 1 행으로부터의 제 3 GDL 위에, 기계 가로 방향의 제 1 행으로부터의 제 2 GDL 위에 제 3 GDL, 기계 가로 방향의 제 1 행으로부터 맨 아래의 제 1 GDL이 스택된다. GDL 스택이 생성되고, 여기서 각 제 2 GDL은 스택의 가로 기계 방향에 대해 180°만큼 회전된다.
제 2 가능성에 따르면, 가로 기계 방향에 대해 180°만큼의 각 제 2 GDL의 회전은 또한 단일 셀을 형성하기 위한 층들의 스택 중 먼저 일어날 수 있다.
GDL 롤로부터 연속해서 취해진 GDL의 양 경우들에서, 각 제 2 GDL은 180°만큼 회전되어, 비회전 및 회전된 GDL은 동일한 단일 셀에서 AGDL 및 KGDL로서 교대로 사용되는 것이 중요하다.
상기 실시예는 예에 기초하여 설명될 것이다. 4개의 GDL이 GDL 롤의 전체 폭에 걸쳐 연속해서 싱귤라이즈될 수 있고 GDL 롤이 기계 가로 방향으로 선형 두께 기울기를 갖는다고 가정하면, 가로 기계 방향으로 연속해서 싱귤라이즈되는 4개의 GDL은 각각 동일한 일정한 슬로프를 가진다. 이 경우에, 제 1 GDL, 제 2 GDL, 제 3 GDL, 및 제 4 GDL이 있다. 제 2 및 제 4 GDL은 가로 기계 방향에서 180°만큼 회전된다. 이들 4개의 GDL은 예를 들어 다른 것의 상부 위에 스택되고 추가의 처리를 위해 제공된다. 제 4 GDL은 제 3 GDL 위에 놓이고, 제 3 GDL은 제 2 GDL 위에 높이고, 제 2 GDL은 제 1 GDL 위에 놓이다. 제 2 및 제 4 GDL의 가로 기계 방향에서의 180°만큼의 회전으로 인해, 다른 것의 상부 위에 스택된 4개의 GDL의 두께 기울기들은 균등화된다. 만약 이들 4개의 GDL이 셀 스택에 사용되면, 다음의 가능성들이 있다:
제 1 경우에, 제 1 단일 셀에 대해, 제 4 GDL이, 예를 들어 AGDL로서, 제 3 GDL이 KGDL로서 사용될 수 있다. 따라서, GDL의 두께 차이들이 최소화되고 심지어 GDL 층 두께들의 동일한 슬로프로 인해 상쇄되는 단일 셀이 획득된다.
제 2 경우에, 예를 들어 모든 4개의 GDL은 4개의 단일 셀들의 각각의 애노드측에서 AGDL로서 사용될 수 있다. 가로 기계 방향에서 180°만큼의 제 2 및 제 4 GDL의 회전으로 인해, 두께 차이들도 애노드측의 셀 스택에서 균등화된다. 환언하면, 두께 기울기들은 상쇄된다.
제 3 경우에, 예를 들어, 모든 4개의 GDL은 4개의 단일 셀들의 각각의 애노드측에서 KGDL로서 사용될 수 있다. 가로 기계 방향에서 180°만큼의 제 2 및 제 4 GDL의 회전으로 인해, 두께 차이들도 캐소드측의 셀 스택에서 균등화된다. 환언하면, 두께 기울기들은 상쇄된다.
제 4 경우에, 다른 것의 상부 위에 놓이는 2개의 GDL은 각 경우에 애노드측 및 캐소드측의 2개의 단일 셀들에서 사용될 수 있다. 그러므로, 애노드측 당 하나의 GDL 및 캐소드측 당 하나의 GDL이 각 경우에 원래의 상태에서 위치되어 회전되지 않고, 애노드측 당 하나의 GDL 및 캐소드측 당 하나의 GDL이 기계 방향에서 180°만큼 회전되어, GDL의 두께 기울기들이 애노드측 및 캐소드측 모두에서 상쇄되고, 이에 의해 두께 변동이 최소화되어 전력 밀도가 영구적으로 높은 셀 스택이 획득된다. 셀 스택에 작용하는 압력이 모든 층들에 걸쳐 균일하게 분포되어, 압력 피크들이 배제된다.
상기 예는 임의의 수의 싱귤라이즈된 GDL에 대해 행해질 수 있고, 여기서 각 경우에, 제 2 종방향 에지까지 가로 기계 방향으로 싱귤라이즈될 수 있는 최후 GDL은, 롤의 세로 방향의 새로운 행에서 제 1 종방향 에지로부터 시작하는 가로 기계 방향에서 싱귤라이즈될 수 있는 제 1 GDL이 각 경우에 인접된다. 가로 기계 방향에서의 GDL의 회전은 롤드 제품들로부터 GDL의 분리 직후, 따라서 임의의 가능한 비축 전에 일어날 수 있거나 셀 스택을 형성하기 위해 개개의 층들의 스택 중 먼저 일어날 수 있다.
추가의 유리한 실시예들은 가스 확산층들이 롤드 제품들로서 제공되고 GDL을 형성하기 위해 싱귤라이즈되는 것을 특징으로 하고, 여기서 GDL을 싱귤라이즈하기 위해, GDL은 가로 기계 방향에서 롤로부터 연속해서 제거되고 연속해서 제거된 GDL은 각각 다른 것의 상부에 스택되고, 여기서 스택될 또는 다른 것의 상부에 스택된 GDL 중 각 제 2 GDL은 가로 기계 방향에 대해 180°만큼 회전되고 다른 것의 상부에 스택된 GDL은 다른 것의 상부에 배치된 셀 스택의 단일 셀들의 AGDL 또는 KGDL로서 사용된다. 이미 위에 기재한 것과 같이, 가로 기계 방향에서의 GDL의 회전은 롤드 제품들로부터 GDL의 분리 직후, 따라서 임의의 가능한 비축 전에 일어날 수 있거나 셀 스택을 형성하기 위해 개개의 층들의 스택 중 먼저 일어날 수 있다. 양 실시예들에서, 셀 스택의 애노드 측들(AGDL로서 GDL의 사용) 또는 셀 스택의 캐소드측들(KGDL로서 GDL 사용)에서 싱귤라이즈된 GDL의 사용 및 그의 스태킹(가로 기계 방향으로 180°만큼 각각의 제 2 GDL의 회전을 포함) 시, 셀 스택에서 셀 스택의 두께 차이들의 균등화가 달성되어, 압력 피크가 감소되거나 심지어 방지될 수 있다.
하나의 유리한 실시예에 따르면, GDL은 롤드 제품으로서 제공되고 GDL을 형성하기 위해 싱귤라이즈되고, 여기서 GDL을 싱귤라이즈하기 위해, GDL은 가로 기계 방향에서 롤로부터 연속해서 제거되고 연속해서 제거된 GDL은 각각 다른 것의 상부 위에 스택된다. 그러나, 이 경우에, GDL은 가로 기계 방향에 대해 180°만큼 회전되는 랜덤 생성기를 통해 확인되고, 여기서 회전 또는 비회전을 동일한 확률을 갖는다. 이것은 AGDL 및 KGDL이 무작위 시퀀스로 회전될 수 있어 통계적으로 볼 때 제 1 두께 기울기 및 제 2 두께 기울기가 상쇄되거나 두께 차이들이 감소되도록 배치될 수 있는 결과를 갖는다. 두께 차이가 적은 셀 스택이 또한 이러한 방식으로 획득된다. 층들은 서로 평평하게 놓이므로 층들 내에서 국부적으로 압력 피크가 발생하지 않는다. 셀 스택 내의 셀 수가 한정되어 있기 때문에, 실제 회전 및 비회전 수는 서로 다를 수 있으며 45% 내지 55% 이내일 수 있다. GDL의 회전은 여기서 예를 들어 롤드 제품에서 GDL을 분리한 후 증착하는 동안 또는 셀 스택을 위한 층들을 스택하는 동안 먼저 일어날 수 있다.
본 발명의 추가의 상세들, 이점들, 및 특징들은 도면들에 기초한 다음의 예시적인 실시예들의 설명에 기인한다. 도면들에 있어서:
도 1은 GDL 롤드 제품을 도시하고,
도 2는 제 1 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 3은 제 2 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 4는 제 3 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 5는 제 4 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 6은 제 5 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 7은 제 6 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 8은 제 7 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 9는 제 8 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 10은 제 9 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 11은 제 10 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 12는 제 11 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 13은 제 12 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 14는 제 13 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시하고,
도 15는 각각 400개의 GDL을 갖는 500개의 셀 스택들에 대한 선형 기울기를 갖는 GDL에 대한 통계적 회전 결과의 시뮬레이션을 도시한다.
도면들에는, 본 발명의 본질적인 특징만이 도시되어 있다. 명확성을 위해 모든 다른 특징들은 생략된다. 더욱이, 동일한 참조 부호들은 동일한 특징들/구성요소들을 나타낸다.
도 1은 특정 폭 및 길이를 갖는 GDL의 재료가 생성되었고 롤(1)을 형성하기 위해 롤 업된 것을 의미하는 GDL 롤드 제품(1)을 상세하게 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, 예를 들어, 세로 기계 방향 x에서 볼 때 R1, R2 등의 행당 가로 기계 방향 y에서, 4개의 GDL은 각 경우에 서로 인접하여 싱귤라이즈될 수 있는 것으로 표시된다. GDL 롤(1)은 제 1 종방향 에지(1a) 및 제 2 종방향 에지(1b)를 갖는다.
도 2a는 롤(1)로부터 풀린 GDL 재료의 모습을 도시한다. GDL 재료 및 따라서또한 싱귤라이즈된 모든 GDL #1, #2, #3, 및 #4는 층 두께 방향 z에서 두께 기울기를 갖는 것을 알 수 있다. 이 실시예에서, 이것은 일정한 슬로프에 의해 전체 가로 기계 방향 y에 걸쳐 구별되는, 층 두께 방향 z에서의 선형 두께 기울기, 따라서 층 두께 변화이다. 따라서, 가로 기계 방향 y로 배치된 모든 GDL #1-#4의 슬로프는 동일한 슬로프를 가지며 따라서 가로 기계 방향 y에서 동일한 층 두께 감소를 갖는다.
도 2b는 도시된 것과 같이, GDL 재료가 방법 단계(100)에서 싱귤라이즈되어 4개의 GDL #1-#4를 형성하면, 4개의 별개의 GDL #1-#4가 얻어지며, 여기서, #1은 절대적인 면에서 가장 큰 층 두께를 가지며, #4는 절대적인 면에서 가장 작은 층 두께를 갖지만, 각각의 두께 기울기, 따라서 층 두께가 가로 기계 방향 y에서 감소하는 슬로프는 모든 4개의 GDL #1-#4에서 동일하다. 도 2b는 이 경우 단면도로서, 가로 기계 방향 y에 따른 섹션에서, 싱귤라이즈된 GDL #1-#4를 도시한다.
도 2c는 싱귤라이즈된 GDL #1-#4의 상면도를 도시한다. GDL #1-#4는 세로 기계 방향 x 및 가로 기계 방향 y에 걸쳐 있는 것으로 도시된다. 이제, 방법 단계 20에서, 제 2 GDL #2 및 제 4 GDL #4은 가로 기계 방향 y에서 180°만큼 회전된다. 이것은 도 2d 및 2e에서 GDL #1-#4의 뷰로 되고, 여기서, 도 2d는 다시 GDL #1-#4의 측면도를 도시하고, 따라서 도 2b 및 도 2e와 유사한 가로 기계 방향 y에서의 단면도는 다시 도 2c와 유사한 GDL #1-#4의 상면도를 도시한다.
특히 도 2d에서, 회전된 GDL #2 및 #4 및 회전되지 않은 GDL #1 및 #3의 층 두께 방향에서 기울기 프로파일이 어떻게 있는지 알 수 있다.
시퀀스 #1, #2, #3, #4에서 셀 스택(2)의 생성에 도 2d 및 2e로부터 회전되지 않은 #1 및 #3 및 회전된 GDL #2 및 #4가 사용되면, #1 또는 #3에 대응하는 AGDL 7과, #2 또는 #4에 대응하는 KGDL 8 사이에서 애노드(4), 캐소드(6), 및 개재된 멤브레인(5)이 조립된다. 각각의 층들은 여기서 가로 기계 방향 y에서 다른 것의 상부 위에 스택된다. 층 두께 방향 z에서 볼 때, 배치는 도 2f에 도시된 것과 같은 결과를 가져온다. GDL #1-#4는 가로 기계 방향 y에서 연속적으로 다른 것의 상부 위에 스택된다. 셀 스택(2)을 형성하기 위해 스택될 수 있는, 2개의 단일 셀들(9, 10)이 도시된다.
제 2 GDL #2 및 제 4 GDL #4의 180° 회전이 단일 셀들(9, 10)로의 조립을 위해 유리하다는 것이 도 2f로부터 명백하다. 이것은 GDL #1-#4의 두께 차이들이 단일 셀들(9, 10)을 형성하기 위해 조립 후에 상쇄된다는 것을 의미한다. 이것은 두께 차이들이 단일 셀들(9, 10)의 조립에 의해 단일 스택(2)에서 또한 상쇄되는 결과를 갖는다.
환언하면, 각각의 단일 셀(9, 10)에서, AGDL 7 및 KGDL 8은 AGDL 7의 제 1 두께 기울기 및 KGDL 8의 제 2 두께 기울기가 서로 반대로 진행하여 상쇄하도록 서로에 대해 배치된다.
그러므로 셀 스택(2)의 모든 층들에 걸쳐 균일한 두께 분포 및 이에 따른 압력 분포가 발생하여 셀 스택(2)의 전력 밀도가 영구적으로 매우 높다.
도 2g는 도 2b 및 2c로부터의 GDL #1-#4, 따라서 회전되지 않은 상태의 GDL이 조립되어 2개의 단일 셀들(9, 10)을 갖는 셀 스택(2a)을 형성하는 경우를 도시한다. 두께 차이들이 단일 셀(9, 10)에서 또는 셀 스택(2a)에서 상쇄되지 않거나 최소화되지 않는다는 것을 알 수 있다. 오히려, AGDL 7의 제 1 두께 기울기 및 KGDL 8의 제 2 두께 기울기로 인해 상당한 두께 변화들이 있다.
따라서, 균일한 압력 분포가 셀 스택(2a)의 모든 층들에 걸쳐 나타날 수 없으므로, 셀 스택(2a)의 전력 밀도는 감소된다.
도 3은 제 2 실시예에 따른 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시한다. 이미 도 2의 GDL 롤드 제품과 같이, GDL 롤드 제품(1)은 또한 가로 기계 방향 y에서 두께 기울기를 가지며, GDL 롤드 제품(1)의 층 두께는 제 1 종방향 에지(1a)로부터 제 2 종방향 에지(1b)로 일정한 슬로프로 연속해서 변한다.
도 2와 대조적으로, 행 R1 및 R2마다, 각 경우에 3개의 GDL #1, #2, 및 #3 및 #4, #5, 및 #6이 싱귤라이즈된다. 도 3b 및 3c는 각각 측면도(가로 기계 방향 y의 단면도) 및 상면도(세로 기계 방향 x 및 가로 기계 방향 y에 걸친 각각의 GDL의 상면도)로 제 1 행 R1으로부터 3개의 싱귤라이즈된 GDL #1-#3을 도시한다. 도 3d 및 3f는 각각 측면도(가로 기계 방향 y의 단면도) 및 상면도(세로 기계 방향 x 및 가로 기계 방향 y에 걸친 각각의 GDL의 상면도)로 제 2 행 R2로부터 3개의 싱귤라이즈된 GDL #4-#6을 도시한다.
방법 단계 200에서, 다시 각 제 2 GDL(#2, #4, 및 #6)은 가로 기계 방향 y에서 180°만큼 회전된다. 도 3f, 3g, 3h, 및 3i에 도시된 GDL #1-#6의 뷰들이 이러한 방식으로 생긴다.
도 3j는 3개의 단일 셀들(9, 10, 11)의 조립 후의 셀 스택(2)을 도시하고, 여기서 각각의 단일 셀은 애노드(4), 캐소드(6), 및 개재된 멤브레인(5)를 갖는 멤브레인 전극 조립체(3) 및 또한 애노드측의 AGDL 7 및 캐소드측의 KGDL 8을 포함한다. 단일 셀(9)은 AGDL 7 GDL #1(회전되지 않음) 및 KGDL 8 GDL #2(회전됨)를 갖는다. 단일 셀(10)은 AGDL 7 GDL #3(회전되지 않음) 및 KGDL 8 GDL #4(회전됨)를 갖는다. 단일 셀(11)은 AGDL 7 GDL #5(회전되지 않음) 및 KGDL 8 GDL #6(회전됨)을 갖는다.
따라서, 각각의 단일 셀(9 내지 11)은 각 경우에 가로 기계 방향 y에서 180°만큼 회전된 GDL을 가져서, 단일 셀의 AGDL의 제 1 두께 기울기 및 KGDL의 제 2 두께 기울기는 반대 방향들로 연장하여, 단일 셀 당 두께 차이들이 상쇄된다.
또한, 가로 기계 방향에서의 두께 차이들 또는 두께 변동들이 또한 셀 스택(2)에서 상쇄되어, 동일한 압력이 셀 스택(2)의 모든 층들에 작용하고 압력 피크들이 회피될 수 있다는 것을 도 3j로부터 알 수 있다. 따라서, 셀 스택(2)의 전력 밀도도 영구적으로 높다.
도 3k는 도 3b, 3c, 3d, 및 3e로부터의 GDL #1-#6 및 따라서 회전되지 않은 상태의 GDL이 조립되어 3개의 단일 셀들(9, 10, 11)을 갖는 셀 스택(2a)을 형성하는 경우를 도시한다. 두께 차이들이 단일 셀(9, 10, 또는 11) 또는 셀 스택(2a)에서 상쇄되지 않거나 최소화되지 않는 것을 여기서 알 수 있다. 오히려, AGDL 7의 제 1 두께 기울기 및 KGDL 8의 제 2 두께 기울기로 인해 상당한 두께 변화들이 있다.
그러므로, 균일한 압력 분포가 셀 스택(2a)의 모든 층들에 걸쳐 생길 수 없으므로, 셀 스택(2a)의 전력 밀도가 감소된다.
도 4는 제 3 실시예에 따라 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시한다.
이 실시예에서, GDL 롤드 제품(1)은 가로 기계 방향 y에서 오목 형상을 갖는다. 따라서, 가로 기계 방향을 따라, GDL 롤드 제품(1)은 하나의 종방향 에지(1a)로부터 다른 종방향 에지(1b)로 반대 방향들로 연장하는 2개의 두께 기울기들을 갖는다. 제 1 GDL #1로부터 제 2 GDL #2까지, 슬로프는 층 두께 방향 z에서 감소하고, 제 3 GDL #3로부터 제 4 GDL #4까지, 슬로프는 층 두께 방향 z에서 증가한다. 이 GDL 롤드 제품(1)이 행당 4개의 GDL #1, #2, #3, 및 #4이 싱귤라이즈되는 형태로 GDL로 싱귤라이즈되면, 이들 커팅 패턴은 도 4b 및 4c에 도시된 것과 같이 생성되고, 여기서 도 2b 및 3b와 유사하게, 도 4b는 다시 세로 기계 방향 y의 단면도를 도시하고, 도 4c는 도 2c 및 3c와 유사하게 세로 기계 방향 x 및 가로 기계 방향 y에 걸친 GDL #1-#4의 상면도를 도시한다.
도 2 및 도 3에서와 같이, GDL #2 및 GDL #4도 방법 단계 200에서 가로 기계 방향에서 180°만큼 회전되고, 여기서 GDL #1-#4의 커팅 패턴들이 도 4d 및 4e에 도시된 것과 같이 생긴다.
만약 GDL #1-#4가 AGDL 7 및 KGDL 8로서 단일 셀들(9, 10)에 대해 연속해서 사용되면, 따라서, GDL #1이 단일 셀(9)의 AGDL 7로서, GDL #2가 단일 셀(9)의 KGDL 8로서, 그리고 GDL #3이 단일 셀(10)의 AGDL 7로서, GDL #4가 단일 셀(10)의 KGDL 8로서 사용되면, 단일 셀(9, 10)을 형성하기 위해 조립될 때, GDL #1-#4에 존재하는 두께 차이들 또는 두께 변동들이 도 4f에 도시된 것과 같이 상쇄된다. 단일 셀들(9, 10)의 두께 균등화로 인해, 단일 셀들(9, 10)로 구성되는 셀 스택(2)도 전체적으로 균등화된 두께 차이를 가질 것이다.
도 4g는 대조적으로 GDL #1-#4 중 어느 것도 180°만큼 회전되지 않은 경우 단일 셀들(9, 10)에서도 두께 균등화가 일어나지 않는다는 것을 보인다. 오히려, AGDL 7의 제 1 두께 기울기 및 KGDL 8의 제 2 두께 기울기는 서로 보강하므로(셀 스택(2a) 참조), 상당한 압력 불균일성들이 단일 셀들의 층들에서 우세하다.
도 5는 제 4 실시예에 따라 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시한다.
이 실시예에서, GDL 롤드 제품(1)은 가로 기계 방향 y에서 볼록 형상을 갖는다. 가로 기계 방향을 따라, GDL 롤드 제품(1)은 하나의 종방향 에지(1a)로부터 다른 종방향 에지(1b)로, 반대 방향들로 연장하는 2개의 두께 기울기들을 갖지만, 도 4와는 대조적으로, 제 1 GDL #1로부터 제 2 GDL #2로 층 두께 방향 z에서 슬로프는 증가하고 제 3 GDL #3으로부터 제 4 GDL #4로 층 두께 방향 z에서 슬로프는 감소한다. 만약 이 GDL 롤드 제품(1)이 행당 4개의 GDL #1, #2, #3 및 #4가 싱귤라이즈되는 형태로 이제 GDL로 싱귤라이즈되면, 이들의 커팅 패턴은 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이 생성되고, 여기서 도 5b는, 도 2b, 3b, 및 4b와 유사하게, 다시 가로 기계 방향 y에서의 단면도를 도시하고 도 5c는, 도 2c, 3c, 및 4c와 유사하게, 세로 기계 방향 x 및 가로 기계 방향 y에 걸친 GDL #1-#4의 상면도를 도시한다.
도 2 및 도 4에서와 같이, GDL #2 및 GDL #4도 방법 단계 200에서 가로 기계 방향에서 180°만큼 회전되고, 여기서 도 5d 및 5e에 도시된 것과 같이 GDL #1-#4의 커팅 패턴들이 생긴다.
만약 GDL #1-#4가 AGDL 7 및 KGDL 8로서 단일 셀들(9, 10)에 대해 연속해서 사용되면, 따라서 GDL #1이 단일 셀(9)의 AGDL 7로서, GDL #2가 단일 셀(9)의 KGDL 8로서, 그리고 GDL #3이 단일 셀(10)의 AGDL 7로서, GDL #4가 단일 셀(10)의 KGDL 8로서 사용되면, 단일 셀들(9, 10)을 형성하기 위해 조립할 때, 도 5f에 도시된 것과 같이, GDL #1-#4에 존재하는 두께 차이들 또는 두께 변동들이 상쇄된다. 단일 셀들(9, 10)의 두께 균등화로 인해, 단일 셀들(9, 10)로 구성되는 셀 스택(2)도 전체적으로 균등화된 두께 차이를 가질 것이다.
도 5g는 대조적으로 GDL #1-#4 중 어느 것도 180°만큼 회전되지 않은 경우(셀 스택(2a) 참조), 단일 셀들(9, 10)에서도 두께 균등화가 일어나지 않는다는 것을 보인다. 오히려, AGDL 7의 제 1 두께 기울기 및 KGDL 8의 제 2 두께 기울기는 서로 보강하므로, 상당한 압력 불균일성들이 단일 셀들(9, 10)의 층들에서 우세하다.
도 6은 제 5 실시예에 따라 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시한다.
이 실시예에서, GDL 롤드 제품(1)은 가로 기계 방향 y에서 파형 형상을 갖는다. 가로 기계 방향 y을 따라, GDL 롤드 제품(1)은 하나의 종방향 에지(1a)로부터 다른 종방향 에지(1b)로 3개의 두께 기울기들을 가지며, 여기서 제 1 두께 기울기 및 제 3 두께 기울기는 동일 방향으로 연장하고 증가하며 사이에 있는 두께 기울기는 감소하는 방향으로 연장한다.
제 1 및 제 4 GDL #1, #4는 층 두께 방향 z에서 증가하는 슬로프를 가지며 제 2 및 제 3 GDL #2, #3은 각각 층 두께 방향 z에서 하나의 증가하는 슬로프 및 하나의 감소하는 슬로프를 갖는다. 만약 이 GDL 롤드 제품(1)이 행당 4개의 GDL #1, #2, #3 및 #4가 싱귤라이즈되는 형태로 이제 GDL을 형성하기 위해 싱귤라이즈되면, 이들의 커팅 패턴은 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이 생성되고, 여기서 도 6b는, 도 2b, 3b, 4b, 및 5b와 유사하게, 다시 가로 기계 방향 y에서의 단면도를 도시하고 도 6c는, 도 2c, 3c, 4c, 및 5c와 유사하게, 세로 기계 방향 x 및 가로 기계 방향 y에 걸친 GDL #1-#4의 상면도를 도시한다.
이전 도면들에서와 같이, GDL #2 및 GDL #4도 여기서 방법 단계 200에서 180°만큼 가로 기계 방향에서 회전되며, 여기서 도 6d 및 6e에 도시된 것과 같이 GDL #1-#4의 커팅 패턴들이 생성된다.
만약 GDL #1-#4가 셀 스택(2)을 형성하기 위해 조립되는 AGDL 7 및 KGDL 8로서 단일 셀들(9, 10)에 대해 연속해서 사용되면, 따라서, GDL #1이 단일 셀(9)의 AGDL 7로서, GDL #2가 단일 셀(9)의 KGDL 8로서, 그리고 GDL #3이 단일 셀(10)의 AGDL 7로서, GDL #4가 단일 셀(10)의 KGDL 8로서 사용되면, 셀 스택(2)을 형성하기 위해 단일 셀들(9, 10)을 조립할 때, GDL #1-#4에 존재하는 두께 차이들 또는 두께 변동들이 상쇄되고, 그러나, 여기서 AGDL 7과 KGDL 8 사이의 두께 차이들의 완전한 균등화는 단일 셀들(9, 10) 내에서 생기지 않는다.
도 6g는 대조적으로 GDL #1-#4의 어느 것도 180°만큼 회전되지 않으면, 단일 셀들(9, 10)로부터 조립되는 셀 스택(2a)에서 두께 균등화는 일어나지 않는다는 것을 보인다. 오히려, AGDL 7의 제 1 두께 기울기 및 KGDL 8의 제 2 두께 기울기는 서로 보강하므로, 상당한 압력 불균일성들이 단일 셀들(9, 10)의 층들에서 우세하다.
도 7은 제 6 실시예에 따라 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시한다.
이 실시예에서, GDL 롤드 제품(1)은 가로 기계 방향 y에서 제 1 종방향 에지(1a)로부터 제 2 종방향 에지(1b)로 증가하는 두께 기울기를 가지므로, 특히 가로 기계 방향 y에서 증가하는 슬로프가 제 1 및 제 2 GDL #1 및 #2에 걸쳐 보일 수 있고, 한편 제 3 및 제 4 GDL #3, #4는 두께 기울기 없이 일정한 층 두께를 갖는다.
만약 이 GDL 롤드 제품(1)이 행당 4개의 GDL #1, #2, #3 및 #4가 싱귤라이즈되는 형태로 이제 GDL로 싱귤라이즈되면, 이들의 커팅 패턴은 도 7b 및 도 7c에 도시된 바와 같이 생성되고, 여기서 도 7b는, 도 2b, 3b, 4b, 5b, 및 6b와 유사하게, 다시 가로 기계 방향 y에서의 단면도를 도시하고 도 7c는, 도 2c, 3c, 4c, 5c, 및 6c와 유사하게, 세로 기계 방향 x 및 가로 기계 방향 y에 걸친 GDL #1-#4의 상면도를 도시한다.
이전 도면들에서와 같이, GDL #2 및 GDL #4도 여기서 방법 단계 200에서 180°만큼 가로 기계 방향 y에서 회전되며, 여기서 도 7d 및 7e에 도시된 것과 같이 GDL #1-#4의 커팅 패턴들이 생성된다.
만약 GDL #1-#4가 셀 스택(2)을 형성하기 위해 조립되는 AGDL 7 및 KGDL 8로서 단일 셀들(9, 10)에 대해 연속해서 사용되면, 따라서, GDL #1이 단일 셀(9)의 AGDL 7로서, GDL #2가 단일 셀(9)의 KGDL 8로서, 그리고 GDL #3이 단일 셀(10)의 AGDL 7로서, GDL #4가 단일 셀(10)의 KGDL 8로서 사용되면, 단일 셀들(9, 10)로의 조립시, 도 7f에 도시된 것과 같이, GDL #1-#4에 존재하는 두께 차이들 또는 두께 변동들이 단일 셀들(9, 10)에서 상쇄되고, 각각의 AGDL 7과 각각의 KGDL 8 사이의 두께 차이들의 완전한 균등화가 셀 스택(2) 내에서 생긴다. 단일 셀(10)은, GDL #3 및 #4의 균일한 두께로 인해, 전체적으로 균일한 두께 분포를 가지며 따라서 셀 스택의 균일성에 기여한다.
도 7g은 대조적으로 GDL #1-#4의 어느 것도 180°만큼 회전되지 않으면, 단일 셀(9)에서 두께 균등화는 일어나지 않는다는 것을 보인다. 오히려, AGDL 7의 제 1 두께 기울기 및 KGDL 8의 제 2 두께 기울기는 서로 보강하므로, 상당한 압력 불균일성들이 단일 셀들(9)의 층에서 우세하다. 단일 셀(10)은, GDL #3 및 #4의 균일한 두께로 인해, 전체적으로 균일한 두께 분포를 가지며 따라서 셀 스택의 불균일성에 기여하지 않는다.
도 8은 제 7 실시예에 따라 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시한다.
이 실시예에서, GDL 롤드 제품(1)은 가로 기계 방향 y에서 제 1 종방향 에지(1)로부터 제 2 종방향 에지(1b)로 증가하는 두께 기울기를 가지므로, 특히 감소하는 슬로프가 제 1 및 제 2 GDL #1 및 #2에 걸쳐 보일 수 있고, 한편 제 3 및 제 4 GDL #3, #4는 더 얇은 층 두께를 가지며 두께 기울기가 없는 일정한 층 두께를 갖는다.
만약 이 GDL 롤드 제품(1)이 행당 4개의 GDL #1, #2, #3 및 #4가 싱귤라이즈되는 형태로 이제 GDL로 싱귤라이즈되면, 이들의 커팅 패턴은 도 8b 및 도 8c에 도시된 바와 같이 생성되고, 여기서 도 8b는, 도 2b, 3b, 4b, 5b, 6b, 및 7c와 유사하게, 다시 가로 기계 방향 y에서의 단면도를 도시하고 도 8c는, 도 2c, 3c, 4c, 5c, 6c, 및 7c와 유사하게, 세로 기계 방향 x 및 가로 기계 방향 y에 걸친 GDL #1-#4의 상면도를 도시한다.
이전 도면들에서와 같이, GDL #2 및 GDL #4도 여기서 방법 단계 200에서 180°만큼 가로 기계 방향 y에서 회전되며, 여기서 도 8d 및 8e에 도시된 것과 같이 GDL #1-#4의 커팅 패턴들이 생성된다.
만약 GDL #1-#4가 셀 스택(2)으로 조립되는 AGDL 7 및 KGDL 8로서 단일 셀들(9, 10)에 대해 연속해서 사용되면, 따라서, GDL #1이 단일 셀(9)의 AGDL 7로서, GDL #2가 단일 셀(9)의 KGDL 8로서, 그리고 GDL #3이 단일 셀(10)의 AGDL 7로서, GDL #4가 단일 셀(10)의 KGDL 8로서 사용되면, 단일 셀들(9, 10)로의 조립시, 도 8f에 도시된 것과 같이 GDL #1-#4에 존재하는 두께 차이들 또는 두께 변동들이 단일 셀들(9, 10)에서 및 셀 스택(2) 내에서 상쇄되고, 두께 차이들의 완전한 균등화가 각각의 AGDL 7과 각각의 KGDL 8 사이에 생긴다. 단일 셀(10)은 GDL #3 및 #4의 균일한 두께로 인해 전체적으로 균일한 두께 분포를 가지며 따라서 셀 스택의 균일성에 기여한다.
도 8g은 GDL #1-#4의 어느 것도 180°만큼 회전되지 않으면, 단일 셀(9)에서 두께 균등화는 일어나지 않는다는 것을 보인다. 오히려, AGDL 7의 제 1 두께 기울기 및 KGDL 8의 제 2 두께 기울기는 서로 보강하므로, 상당한 압력 불균일성들이 단일 셀(9)의 층들에서 우세하다. 단일 셀(10)은, GDL #3 및 #4의 균일한 두께로 인해, 전체적으로 균일한 두께 분포를 가지며 따라서 셀 스택(2a)의 불균일성에 기여하지 않는다.
도 9는 제 8 실시예에 따라 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시한다.
이 실시예는, GDL #1-#4를 형성하기 위해 싱귤라이즈된 GDL이 애노드 측에 대해서만 예로서 사용되고, 따라서, AGDL 7로서 배타적으로 사용된다는 차이점 외에는 도 2의 것과 유사하다. 그러므로, GDL #1은 제 1 단일 셀(9)에서 AGDL 7로서 사용되고, GDL #2는 제 2 단일 셀(10)에서 AGDL 7로서, GDL #3은 제 3 단일 셀(11)에서 AGDL 7로서, 그리고 GDL #4는 제 4 단일 셀(12)에서 AGDL 7로서 사용된다.
가로 기계 방향 y에서 제 2 및 제 4 GDL #2, #4의 회전으로 인해, 셀 스택(2)의 조립 후(단순화를 위해, KGDL 8은 생략됨), 도 9f에 도시된 것과 같이, 두께 차이 또는 두께 변동의 균등화가 AGDL 7의 대응하는 정렬에 의해 애노드측의 전체 셀 스택(2)에 걸쳐 달성된다. 따라서, 전체 두께 기울기는 감소되거나 균등화된다. 따라서, AGDL 7은 셀 스택의 두께 기울기들이 상쇄되어, 매우 균일한 압력 분포가 셀 스택(2)의 모든 층들에 걸쳐 달성될 수 있고, 셀 스택(2)이 영구적으로 높은 전력 밀도에 의해 구별되도록 셀 스택(2)에 배치된다.
이와는 대조적으로, 모든 층들에 걸친 균일한 압력 분포는 셀 스택(2a)에서 생기지 않는다(도 9g 참조). 제 2 및 제 4 GDL #2, #4는 여기서 가로 기계 방향 y에서 회전되지 않았다.
도 10은 제 9 실시예에 따라 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시한다.
이 실시예는, GDL #1-#4를 형성하기 위해 싱귤라이즈된 GDL이 애노드 측에 대해서만 예로서 다시 사용되고, 따라서 AGDL 7로서 배타적으로 사용된다는 차이점 외에는 도 4(층 두께 방향 z에서 GDL 롤드 제품(1)의 오목한 구성)의 것과 유사하다. 그러므로, GDL #1은 제 1 단일 셀(9)에서, 제 2 단일 셀(10)에서, 제 3 단일 셀(11)에서, 그리고 제 4 단일 셀(12)에서 AGDL 7로서 사용된다.
가로 기계 방향 y에서 제 2 및 제 4 GDL #2, #4의 회전으로 인해, 셀 스택(2)의 조립 후(단순화를 위해, KGDL 8은 다시 생략됨), 도 10f에 도시된 것과 같이, 두께 차이 또는 두께 변동의 상당한 감소가 AGDL 7의 대응하는 정렬에 의해 애노드측의 전체 셀 스택(2)에 걸쳐 달성된다. 따라서, AGDL 7은 셀 스택의 두께 기울기들이 전부 상쇄되고, 따라서 두께 변동들이 감소되어, 매우 균일한 압력 분포가 셀 스택(2)의 모든 층들에 걸쳐 달성될 수 있고, 셀 스택(2)이 영구적으로 높은 전력 밀도에 의해 구별되도록 셀 스택(2)에 배치된다.
도 11은 제 10 실시예에 따라 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시한다.
이 실시예는, GDL #1-#4를 형성하기 위해 싱귤라이즈된 GDL이 애노드 측에 대해서만 예로서 다시 사용되고, 따라서 AGDL 7로서 배타적으로 사용된다는 차이점 외에는 도 5(층 두께 방향 z에서 GDL 롤드 제품(1)의 오목한 구성)의 것과 유사하다. 그러므로, GDL #1은 제 1 단일 셀(9)에서, 제 2 단일 셀(10)에서, 제 3 단일 셀(11)에서, 그리고 제 4 단일 셀(12)에서 AGDL 7로서 사용된다.
가로 기계 방향 y에서 제 2 및 제 4 GDL #2, #4의 회전으로 인해, 셀 스택(2)의 조립 후(단순화를 위해, KGDL 8은 다시 생략됨), 도 11f에 도시된 것과 같이, 두께 차이 또는 두께 변동의 감소가 AGDL 7의 대응하는 정렬에 의해 애노드측의 전체 셀 스택(2)에 걸쳐 달성된다. 따라서, AGDL 7은 셀 스택의 두께 변동이 감소되어, 매우 균일한 압력 분포가 셀 스택(2)의 모든 층들에 걸쳐 달성될 수 있고, 셀 스택(2)이 영구적으로 높은 전력 밀도에 의해 구별되도록 셀 스택(2)에 배치된다.
도 12는 제 11 실시예에 따라 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시한다.
이 실시예는, GDL #1-#4를 형성하기 위해 싱귤라이즈된 GDL이 애노드 측에 대해서만 예로서 사용되고, 따라서 AGDL 7로서 배타적으로 사용된다는 차이점 외에는 도 6(파형 형상)의 것과 유사하다. 그러므로, GDL #1은 제 1 단일 셀(9)에서, 제 2 단일 셀(10)에서, 제 3 단일 셀(11)에서, 그리고 제 4 단일 셀(12)에서 AGDL 7로서 사용된다.
가로 기계 방향 y에서 제 2 및 제 4 GDL #2, #4의 회전으로 인해, 셀 스택(2)의 조립 후(KGDL 8은 단순화를 위해 생략됨), 도 9f에 도시된 것과 같이, 두께 차이 또는 두께 변동의 균등화가 AGDL 7의 대응하는 정렬에 의해 애노드측의 전체 셀 스택(2)에 걸쳐 달성된다. 따라서, AGDL 7은 셀 스택의 두께 기울기가 상쇄되어, 매우 균일한 압력 분포가 셀 스택(2)의 모든 층들에 걸쳐 달성될 수 있고, 셀 스택(2)이 영구적으로 높은 전력 밀도에 의해 구별되도록 셀 스택(2)에 배치된다.
도 13은 제 12 실시예에 따라 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시한다.
이 실시예는, GDL #1-#4를 형성하기 위해 싱귤라이즈된 GDL이 애노드 측에 대해서만 예로서 다시 사용되고, 따라서 AGDL 7로서 배타적으로 사용된다는 차이점 외에는 도 7(제 1 및 제 2 GDL #1, #2에서 증가하는 층 두께 및 제 3 및 제 4 GDL #3, #4에서 일정한 층 두께)의 것과 유사하다. 그러므로, GDL #1은 제 1 단일 셀(9)에서, 제 2 단일 셀(10)에서, 제 3 단일 셀(11)에서, 그리고 제 4 단일 셀(12)에서 AGDL 7로서 사용된다.
가로 기계 방향 y에서 제 2 및 제 4 GDL #2, #4의 회전으로 인해, 셀 스택(2)의 조립 후(KGDL 8은 단순화를 위해 다시 생략됨), 도 13f에 도시된 것과 같이, 두께 차이 또는 두께 변동의 감소가 AGDL 7의 대응하는 정렬에 의해 애노드측의 전체 셀 스택(2)에 걸쳐 달성된다. 따라서, AGDL 7은 셀 스택의 두께 변동이 감소되어, 매우 균일한 압력 분포가 셀 스택(2)의 모든 층들에 걸쳐 달성될 수 있고, 셀 스택(2)이 영구적으로 높은 전력 밀도에 의해 구별되도록 셀 스택(2)에 배치된다.
도 14는 제 13 실시예에 따라 셀 스택을 생성하기 위한 방법을 도시한다.
이 실시예는, GDL #1-#4를 형성하기 위해 싱귤라이즈된 GDL이 애노드 측에 대해서만 예로서 다시 사용되고, 따라서 AGDL 7로서 배타적으로 사용된다는 차이점 외에는 도 8(제 1 및 제 2 GDL #1, #2에서 증가하는 층 두께 및 제 3 및 제 4 GDL #3, #4에서 일정한 층 두께)의 것과 유사하다. 그러므로, GDL #1은 제 1 단일 셀(9)에서, 제 2 단일 셀(10)에서, 제 3 단일 셀(11)에서, 그리고 제 4 단일 셀(12)에서 AGDL 7로서 사용된다.
가로 기계 방향 y에서 제 2 및 제 4 GDL #2, #4의 회전으로 인해, 셀 스택(2)의 조립 후(KGDL 8은 단순화를 위해 다시 생략됨), 도 14f에 도시된 것과 같이, 두께 차이 또는 두께 변동의 감소가 AGDL 7의 대응하는 정렬에 의해 애노드측의 전체 셀 스택(2)에 걸쳐 달성된다. 따라서, AGDL 7은 셀 스택의 두께 변동이 감소되어, 매우 균일한 압력 분포가 셀 스택(2)의 모든 층들에 걸쳐 달성될 수 있고, 셀 스택(2)이 영구적으로 높은 전력 밀도에 의해 구별되도록 셀 스택(2)에 배치된다.
도 15는 제 14 실시예에 따른 GDL들의 통계적 회전 결과를 도시한다. 시뮬레이션의 기초로서, 선형 두께 기울기들을 갖는 400개의 GDL들이 여기에 사용되었다. 시뮬레이션은 500개의 셀 스택들에 대해 반복되었다. 그러므로, 상기 케이스들의 96.2%(481)에서, 20개 이하의 GDL 쌍들, 환언하면 40개의 GDL, 환언하면 총 GDL 수의 10% 이하가 생성되었으며, 두께 기울기는 균등화되지 않았다. 따라서 GDL의 통계적 회전 또는 비회전은 셀 스택의 전체 두께 불균일성을 90% 이상 감소시키는 경우들의 95% 이상을 초래했다.
본 발명의 전술한 설명에 더하여, 보충 설명을 위해 도 1 내지 15의 도면들에서 본 발명의 예시를 명시적으로 참조한다.
1 GDL 롤드 제품
1a GDL 롤드 제품의 제 1 종방향 에지
1b GDL 롤드 제품의 제 2 종방향 에지
2 셀 스택
2a 셀 스택
3 멤브레인 전극 조립체
4 애노드
5 멤브레인
6 캐소드
7 AGDL
8 KGDL
9 단일 셀
10 단일 셀
11 단일 셀
12 단일 셀
#1 제 1 GDL
#2 제 2 GDL
#3 제 3 GDL
#4 제 4 GDL
R1 GDL 행
R2 GDL 행
x 세로 기계 방향
y 가로 기계 방향
z 층 두께 방향

Claims (10)

  1. 복수의 단일 셀들(9, 10, 11, 12)을 포함하는 셀 스택(cell stack)으로서, 각각의 단일 셀(9, 10, 11, 12)은 캐소드(6), 애노드(4), 및 개재된 멤브레인(5)을 가진 멤브레인 전극 조립체(3), 및 가로 기계 방향(y)에서 제 1 두께 기울기를 갖는, 상기 애노드(4)의 노출된 측에 배치된 애노드 가스 확산층(7) 또는 소결된 티타늄 성분 및 상기 가로 기계 방향(y)에서 제 2 두께 기울기를 갖는, 상기 캐소드(6)의 노출된 측에 배치된 캐소드 가스 확산층(8)을 포함하고,
    a) 단일 셀(9, 10, 11, 12)에서, 상기 애노드 가스 확산층(7) 및 상기 캐소드 가스 확산층(8)은 상기 애노드 가스 확산층(7)의 상기 제 1 두께 기울기 및 상기 캐소드 가스 확산층(8)의 상기 제 2 두께 기울기가 서로 반대로 진행하도록 서로에 대해 배치되고 또는
    b) 2개 이상의 단일 셀들(9, 10, 11, 12)에서, 상기 애노드 가스 확산층들(7)은 이들 애노드 가스 확산층들(7)의 전체 두께 기울기가 최소화되도록 서로에 대해 배치되고 및/또는 2개 이상의 단일 셀들(9, 10, 11, 12)에서, 상기 캐소드 가스 확산층들(8)은 이들 캐소드 가스 확산층들(8)의 전체 두께 기울기가 최소화되도록 서로에 대해 배치되는, 셀 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    모든 단일 셀들(9, 10, 11, 12)에서, 상기 애노드 가스 확산층들(7) 및 상기 캐소드 가스 확산층들(8)은 각각 상기 애노드 가스 확산층(7)의 상기 제 1 두께 기울기 및 상기 캐소드 가스 확산층(8)의 상기 제 2 두께 기울기가 단일 셀(9, 10, 11, 12)마다 서로 반대로 진행하도록 서로에 대해 배치되는, 셀 스택.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 애노드 가스 확산층(7)의 상기 제 1 두께 기울기 및 상기 캐소드 가스 확산층(8)의 상기 제 2 두께 기울기는 선형인, 셀 스택.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 가스 확산층(7) 및 상기 캐소드 가스 확산층(8)은 각각 미세 다공성 층 및 매크로 다공성 캐리어 재료를 포함하고, 상기 애노드 가스 확산층(7)의 상기 미세 다공성 층은 상기 애노드(4)로 배향되고 상기 캐소드 가스 확산층(8)의 상기 미세 다공성 층은 상기 캐소드(6)로 배향되는, 셀 스택.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단일 셀(9, 10, 11, 12)의 상기 애노드 가스 확산층(7) 및/또는 상기 캐소드 가스 확산층(8)은 100 ㎛ 내지 300 ㎛ 범위의 층 두께를 가지며 및/또는
    상기 캐리어 재료는 플리스-유형(fleece-type) 및 페이퍼-유형(paper-type)으로부터 선택되고 및/또는
    상기 멤브레인 전극 조립체(3)는 에징 재료(edging material)에 의해 둘레방향으로 프레임되는, 셀 스택.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 청구된 셀 스택(2)을 포함하는 연료 셀 또는 전해 셀.
  7. 복수의 단일 셀들(9, 10, 11, 12)을 포함하는 셀 스택(2)을 생성하기 위한 방법으로서, 각각의 단일 셀(9, 10, 11, 12)은 캐소드(6), 애노드(4), 및 개재된 멤브레인(5)을 가진 멤브레인 전극 조립체(3), 및 가로 기계 방향(y)에서 제 1 두께 기울기를 갖는, 상기 애노드(4)의 노출된 측에 배치된 애노드 가스 확산층(7) 또는 소결된 티타늄 성분 및 상기 가로 기계 방향(y)에서 제 2 두께 기울기를 갖는, 상기 캐소드(6)의 노출된 측에 배치된 캐소드 가스 확산층(8)을 포함하고,
    a) 단일 셀(9, 10, 11, 12)에서, 상기 애노드 가스 확산층(7) 및 상기 캐소드 가스 확산층(8)은 상기 애노드 가스 확산층(7)의 상기 제 1 두께 기울기 및 상기 캐소드 가스 확산층(8)의 상기 제 2 두께 기울기가 서로 반대로 진행하도록 서로에 대해 배치되고 또는
    b) 2개 이상의 단일 셀들(9, 10, 11, 12)에서, 상기 애노드 가스 확산층들(7)은 이들 애노드 가스 확산층들(7)의 전체 두께 기울기가 최소화되도록 서로에 대해 배치되고 및/또는 2개 이상의 단일 셀들(9, 10, 11, 12)에서, 상기 캐소드 가스 확산층들(8)은 이들 캐소드 가스 확산층들(8)의 전체 두께 기울기가 최소화되도록 서로에 대해 배치되는, 셀 스택(2)을 생성하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스 확산층들은 롤드 제품(rolled product: 1)으로서 제공되고 가스 확산층들을 형성하기 위해 싱귤러라이즈(singularize)되고, 상기 가스 확산층들을 싱귤러라이즈하기 위해, 가스 확산층들은 상기 가로 기계 방향(y)에서 롤(1)로부터 연속해서 제거되고 연속해서 제거된 가스 확산층들은 각각의 제 2 제거된 가스 확산층이 상기 가로 기계 방향(y)에 대해 180°만큼 회전되도록 사용되고 회전되지 않은 가스 확산층들 및 상기 회전된 가스 확산층들은 단일 셀(9, 10, 11, 12)에 대해 상기 애노드 가스 확산층(7)로서 및 상기 캐소드 가스 확산층(8)으로서 교대로 사용되는, 셀 스택(2)을 생성하기 위한 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스 확산층들은 롤드 제품(1)으로서 제공되고 가스 확산층들을 형성하기 위해 싱귤라이즈되고, 상기 가스 확산층들을 싱귤라이즈하기 위해, 가스 확산층들은 상기 가로 기계 방향(y)에서 롤(1)로부터 연속해서 제거되고 연속해서 제거된 가스 확산층들은 각각 다른 것의 상부 위에 스택되고, 스택될 또는 서로 스택되는 상기 가스 확산층들 중 각각의 제 2 가스 확산층은 상기 가로 기계 방향(y)에 대해 180°만큼 회전되고 서로 스택된 가스 확산층들은 다른 것의 상부 위에 배치되는, 상기 셀 스택(2)의 단일 셀들(9, 10, 11, 12)의 애노드 가스 확산층들(7) 또는 캐소드 가스 확산층들(8)로서 사용되는, 셀 스택(2)을 생성하기 위한 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스 확산층들은 롤드 제품(1)으로서 제공되고 가스 확산층들을 형성하기 위해 싱귤라이즈되고, 상기 가스 확산층들을 싱귤라이즈하기 위해, 가스 확산층들은 상기 가로 기계 방향(y)에서 롤(1)로부터 연속해서 제거되고 연속해서 제거된 가스 확산층들은 각각 다른 것의 상부 위에 스택되고, 랜덤 생성기를 통해 확인된 가스 확산층들은 상기 가로 기계 방향(y)에 대해 180°만큼 회전되고, 회전 또는 비회전은 동일한 확률을 갖는, 셀 스택(2)을 생성하기 위한 방법.
KR1020227043499A 2020-05-13 2021-03-30 셀 스택, 셀 스택을 생성하기 위한 방법 또는 연료 셀 또는 셀 스택을 포함하는 전해 셀 KR20230010692A (ko)

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