KR20230082644A - 바이폴라 플레이트 및 연료 전지 스택 - Google Patents

바이폴라 플레이트 및 연료 전지 스택 Download PDF

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cooling fluid
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cell stack
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하랄트 슈마이써
플로리안 알렉산더 크노르
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 연료 전지 스택(100)용 바이폴라 플레이트(10)에 관한 것으로, 상기 바이폴라 플레이트(10)는 주 연장면(HE) 및 이 주 연장면(HE)에서의 주 유동 방향(HR), 제1 바이폴라 플레이트 반부(12)와 제2 바이폴라 플레이트 반부(14), 활성 필드(40), 분배 영역(50) 및 포트 영역(60)을 가지며, 포트 영역(60)은 주 연장면(HE)으로 적어도 하나의 유체(F)를 공급하기 위한 적어도 하나의 포트를 가지며, 활성 필드(40)는 냉각 유체(KF)를 사용한 냉각을 위한 적어도 하나의 냉각 유체 채널 구조(42) 및 적어도 하나의 유체(F)를 연료 전지 스택(100)의 적어도 하나의 인접한 막 전극 어셈블리(110)에 공급하기 위한 적어도 하나의 연료 채널 구조(44)를 가지며, 상기 제1 바이폴라 플레이트 반부(12) 및 제2 바이폴라 플레이트 반부(14)는 분배 영역(50)에서 적어도 하나의 분배 채널 구조(52)를 형성하며, 분배 채널 구조(52)는, 냉각 유체(KF)가 주 연장면(HE) 내에서 주 유동 방향(HR)에 대해 임의의 각도로 관류하도록 구성되며, 바이폴라 플레이트(10)는 분배 영역(50)에서, 활성 필드(40)에서의 바이폴라 플레이트(10)의 최대 두께(D2)보다 더 큰 두께(D1)를 갖는다. 또한, 본 발명은 적어도 하나의 바이폴라 플레이트(10) 및 적어도 하나의 막 전극 어셈블리(110)를 구비한 연료 전지 스택(100)에 관한 것이다.

Description

바이폴라 플레이트 및 연료 전지 스택
수소는 이동식 애플리케이션을 위한 에너지 저장 장치로서 배터리에 대한 탁월한 대안인데, 그 이유는 저장 장치의 제조를 위해 환경에 유해한 원료(예: 리튬)를 사용할 필요가 없고, 수소로 채워진 압력 용기의 무게는 필적하는 배터리의 몇 분의 일에 불과하기 때문이다. 연료 전지에서의 전기 생성을 위해 수소는 이동식 애플리케이션에서 예를 들어 공기 중 산소와 함께 산화되어 H2O를 형성한다. 방출되는 에너지의 대부분이 전기 에너지로서 생성되어 이동식 애플리케이션의 전기 부하에서 이용될 수 있다.
공지된 연료 전지에서는 주로 연료 유체 및/또는 냉각 유체의 유동 안내를 위한 바이폴라 플레이트가 사용된다. 바이폴라 플레이트의 목적은 가스와 냉각제를 셀의 활성 영역에 걸쳐 균일하게 분배하는 것이다. 각각의 셀은 포트(port)라고도 하는 각각의 매체의 입구 채널 및 출구 채널을 통해 스택 내의 다른 셀에 연결된다. 포트로부터 가스가 활성 영역으로 전달되어야 한다. 이는 분배 패널 내 분배 채널들을 통해 달성될 수 있다. 엠보싱 처리된 금속 바이폴라 플레이트의 경우, 냉각수의 채널 구조는 공기 또는 수소용 채널 구조의 음각 형상(negative form)으로서 나타난다. 반응물의 압력 손실을 줄이기 위해, 하나의 분배 채널과 종종 활성 필드 내 복수의 채널이 연결된다. 이러한 상황은, 채널 구조의 조정 없이는 활성 영역에 있는 모든 냉각수 웨브가 연결되지 않는 결과로 이어진다. 즉, 분배 패널에 웨브를 갖는 것만, 예를 들어 하나의 분배 채널을 가진 3개의 활성 채널에 공급할 경우, 상기 3팩의 웨브 중 2개에는 상기 플레이트 반부로부터 냉각수가 공급되지 않는다. 입구 및 출구 영역에서의 서로 다른 경계 조건, 특히 적어도 하나의 포트로부터 활성 영역으로의 연결로 인해, 활성 필드에서 특히 냉각 유체에 대해 불균일한 질량 흐름 분포가 발생한다.
본 발명은, 연료 전지 스택용 바이폴라 플레이트; 및 적어도 하나의 바이폴라 플레이트와 적어도 하나의 막 전극 어셈블리를 구비한 연료 전지 스택;에 관한 것이다. 바이폴라 플레이트는 청구항 제1항의 특징에 따라 구성된다. 연료 전지 스택은 청구항 제10항의 특징에 따라 구성된다. 본 발명의 또 다른 특징 및 세부 사항은 종속 청구항, 설명부 및 도면부에 명시되어 있다.
제1 양태에 따라, 본 발명은 연료 전지 스택용 바이폴라 플레이트를 제시한다. 이 바이폴라 플레이트는 주 연장면 및 이 주 연장면에서의 주 유동 방향, 제1 바이폴라 플레이트 반부와 제2 바이폴라 플레이트 반부, 활성 필드, 분배 영역 및 포트 영역을 갖는다. 포트 영역은 주 연장면으로 적어도 하나의 유체를 공급하기 위한 적어도 하나의 포트를 갖는다. 활성 필드는 냉각 유체를 사용한 냉각을 위한 적어도 하나의 냉각 유체 채널 구조 및 적어도 하나의 유체를 연료 전지 스택의 적어도 하나의 인접한 막 전극 어셈블리에 공급하기 위한 적어도 하나의 연료 채널 구조를 갖는다. 제1 바이폴라 플레이트 반부 및 제2 바이폴라 플레이트 반부는 분배 영역에서 적어도 하나의 분배 채널 구조를 형성하며, 분배 채널 구조는, 냉각 유체가 주 연장면 내에서 주 유동 방향에 대해 임의의 각도로 관류하도록 구성되며, 바이폴라 플레이트는 분배 영역에서, 활성 필드에서의 바이폴라 플레이트의 최대 두께보다 더 큰 두께를 갖는다.
전술한 두께는 본 발명의 범주에서 바이폴라 플레이트의 주 연장면에 직교하는 연장부로서 이해되어야 한다. 주 연장면은 바이폴라 플레이트의 치수에 의해 정해지며, 바이폴라 플레이트의 길이와 너비에 걸쳐 형성된다. 주 유동 방향은, 바이폴라 플레이트에 대해 그리고/또는 연료 전지 스택의 막 전극 어셈블리에 대해 평행하거나 실질적으로 평행한, 적어도 하나의 유체, 특히 연료 및/또는 반응물의 유동을 가능하게 하는, 바이폴라 플레이트의 활성 필드의 채널 구조에 의해 정해진다. 본 발명에 따른 연료 전지 스택에서 바이폴라 플레이트는 적층 방향으로 바람직하게 막 전극 어셈블리와 교대로 적층된다. 바이폴라 플레이트 및/또는 막 전극 어셈블리의 주 연장면들은 서로 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배열된다. 본 발명의 범주에서 "X 또는 실질적으로 X"라는 문구는, 특징부의 기본적인 의도된 기능이 변경되지 않는, 예를 들어 제조 공차 및/또는 재료 특성으로 인해 가능한 미세한 편차로 이해되어야 한다.
분배 필드와 활성 필드는 바람직하게 주 연장면 내에 인접하여 배열되며, 특히 분배 필드가 활성 필드를 둘러싸고, 그리고/또는 활성 필드의 2개의 측면, 특히 서로 대향하여 놓인 2개의 측면에 인접한다. 분배 필드는 바람직하게 바이폴라 플레이트의 주 연장면 내에서 포트 영역과 활성 필드 사이에 배치된다.
바이폴라 플레이트의 냉각 유체 채널 구조와 연료 채널 구조는, 냉각 유체 또는 연료가 주 유동 방향을 따라 관류하도록 구성된다. 본 발명에 따른 연료 전지 스택 내에서 바이폴라 플레이트에 인접한 막 전극 어셈블리에 연료를 공급하기 위해, 연료 채널 구조는 바람직하게 추가로 바이폴라 플레이트의 주 연장면에 대해 직교하는 또는 실질적으로 직교하는, 특히 막 전극 어셈블리 및/또는 가스 확산층 내로의 연료의 유동을 가능하게 한다.
분배 채널 구조는, 냉각 유체가 주 연장면 내에서 주 유동 방향에 대해 임의의 각도로, 특히 직각으로 또는 실질적으로 직각으로 관류하도록 구성된다. 따라서, 명확히 표현하면, 분배 채널 구조는 바람직하게 바이폴라 플레이트의 주 연장면 내에서 활성 필드, 냉각 유체 채널 구조 및/또는 연료 채널 구조의 앞에서 횡방향으로 연장된다. 본 발명에 따른 유체는 바람직하게, 본 발명에 따른 연료 전지 스택을 위한 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 반응물로서 수소 및 산소로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 바이폴라 플레이트는, 이 바이폴라 플레이트가 분배 영역에서, 활성 필드에서의 바이폴라 플레이트의 최대 두께보다 더 큰 두께를 갖기 때문에 특히 바람직하다. 활성 필드에서의 바이폴라 플레이트의 두께는 바이폴라 플레이트의 채널 구조에 의해 단면이 가변적이도록 형성된다. 제1 바이폴라 플레이트 반부 및 제2 바이폴라 플레이트 반부는 대개, 바이폴라 플레이트의 구성 시 채널 구조를 형성하는 양각 엠보싱 영역 및 음각 엠보싱 영역을 갖는다. 활성 필드에서의 바이폴라 플레이트의 최대 두께는 예를 들어 냉각 유체 채널 구조의 깊이에서의 활성 필드의 단면에서 도출된다. 연료 전지 스택을 형성하기 위한 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트들의 적층 시, 바이폴라 플레이트들 사이에 막 전극 어셈블리가 배치된다. 결과적으로, 활성 필드에서의 바이폴라 플레이트의 구조적 구성 시 막 전극 어셈블리의 두께를 고려해야 한다. 이는 물론, 막 전극 어셈블리의 두께가 존재하지 않고, 그리고/또는 고려될 필요가 없는 분배 영역의 경우에는 상기 분배 영역에서의 바이폴라 플레이트의 두께 내에 잠재적 설치 공간이 있음을 의미한다. 이 설치 공간은, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트에 의해, 냉각 유체가 주 연장면 내에서 주 유동 방향에 대해 임의의 각도로 관류하도록 하기 위한 분배 채널 구조에 특히 바람직하게 이용된다. 달리 말하면, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 구조적 구성은 바람직하게, 냉각 유체가 주 연장면 내에서 주 유동 방향에 대해 임의의 각도로 관류하도록 하기 위한 분배 채널 구조를 위한 막 전극 어셈블리의 두께의 고려를 기반으로, 활성 필드와 분배 영역 사이의 두께 차이를 이용한다.
따라서, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트는, 분배 채널 구조가 공간 최적화 방식으로 구성됨으로써 활성 필드에 걸쳐 냉각 유체의 균일한 질량 흐름 분배가 가능해지고 그리고/또는 개선된다는 점에서, 특히 바람직하다.
전술한 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 특징은 본 발명의 범주에서 연료 전지의 공지된 종단 바이폴라 플레이트(때때로 "모노폴라 플레이트"라고도 함)에도 물론 사용될 수 있으며, 본 발명의 개시에 의해서도 커버된다.
본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 한 바람직한 실시예에 따라, 적어도 하나의 분배 채널 구조는 냉각 유체를 분배하기 위해 적어도 하나의 각각의 냉각 유체 채널 구조와의 유체 연통 연결부를 갖는다. 바이폴라 플레이트의 활성 필드의 적어도 하나의 냉각 유체 채널 구조 모두가 분배 채널 구조에 연결됨으로써, 냉각 유체가 냉각 유체 채널 구조로 그리고 그에 따라 활성 필드로 매우 바람직하게 분배될 수 있다. 이러한 방식으로 구성된 바이폴라 플레이트는 바람직하게, 주 유동 방향에 대해 횡방향으로 그리고/또는 활성 필드에 걸쳐 압력 균등화를 가능하게 한다. 그럼으로써, 바이폴라 플레이트의 냉각 유체의 불균일한 질량 흐름 분포가 감소하고 그리고/또는 심지어 방지된다. 명확히 표현하면, 이러한 방식으로 구성된 바이폴라 플레이트의 분배 채널 구조는 냉각 유체 채널 구조, 특히 모든 냉각 유체 채널 구조를 활성 필드를 통해 서로 단락시킴으로써 냉각 유체의 특히 바람직한 교환을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 한 바람직한 실시예에 따라, 활성 필드의 연료 채널 구조는 복수의 채널을 가지며, 각각 하나의 공통 연료 공급 채널을 갖는 적어도 2개의 채널이 유체 공급을 위해 적어도 하나의 포트와 유체 연통의 관점에서 연결된다. 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트가 복수의 연료 채널을 갖는 것이 바람직하다. 나아가, 복수의 연료 채널을 각각 적어도 2개 이상의 연료 공급 채널로 번들링하는 것이 바람직하며, 그럼으로써 바람직하게는 이러한 방식으로 번들링된 연료 채널을 통해 균일한 연료 유동이 수행된다. 분배 영역 및/또는 포트 영역에서 하나의 연료 공급 채널을 형성하기 위해 예를 들어 활성 필드의 2개의 연료 채널을 번들링하는 것은, 본 발명의 범주에서 예를 들어 유체 스트림 간의 물리적 분리 없이 하나의 공통 채널 구조를 통과하는 유체 스트림의 번들링으로서 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 한 바람직한 실시예에 따라, 적어도 하나의 공통 연료 공급 채널이 분배 영역에서 적어도 부분적으로 분배 채널 구조의 상부에 배치되고 그리고/또는 연장된다. 이러한 방식으로 구성된 바이폴라 플레이트는 바람직하게, 전술한 분배 영역에서의 가용 설치 공간, 특히 분배 영역에서 가용한 두께를 바람직하게 활용한다. 적어도 하나의 연료 공급 채널을 분배 채널 구조 상부에 배치하는 것은 본 발명의 범주에서 적어도 하나의 연료 공급 채널을 적어도 부분적으로 분배 채널 구조 상부에 배치하는 것으로 이해되어야 한다. 상부 및 하부는 주 연장면을 통과하는 직교 축의 방향으로 이해되어야 하며, 바이폴라 플레이트는 물론 주 연장면을 따라 거울대칭형으로 구성될 수 있고, 그럼으로써 적어도 하나의 연료 공급 채널은 분배 채널 구조의 하부에도 또는 분배 채널 구조의 하부에만 배치될 수 있다. 이러한 방식으로 구성된 바이폴라 플레이트는, 활성 필드에 대해 횡방향으로 분배 채널 구조를 통해 냉각 유체가 분배될 수 있고, 분배 채널 구조 상부에 연료 공급 채널이 배치됨으로써 활성 필드로의 바람직한 연료 공급이 가능해지는 점에서 특히 바람직하며, 이 경우 바이폴라 플레이트의 설치 공간 활용이 개선된다.
본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 한 바람직한 실시예에 따르면, 분배 채널 구조의 구성을 위해 제1 바이폴라 플레이트 반부 및/또는 제2 바이폴라 플레이트 반부가 주 유동 방향을 따르는 연장부에서 적어도 두 번 구부러지도록 구성되며, 특히, 제1 바이폴라 플레이트 반부 및/또는 제2 바이폴라 플레이트 반부는 주 유동 방향을 따르는 연장부에서 적어도 한 번 서로를 향해 구부러지도록 구성된다. 바이폴라 플레이트의 설치 공간의 특히 유리한 활용을 위해, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트는 활성 필드와 분배 영역 사이에 두께 차이를 갖는다. 바이폴라 플레이트의 구조적 구성 시 상기 두께 차이를 고려하기 위해, 바이폴라 플레이트는 본 발명의 개선예에 따라 바람직하게 주 유동 방향을 따라 적어도 두 번 구부러지도록 구성된다. 이렇게 해서 형성되는 2개의 굽힘부는 바람직하게 서로 반대 방향이고, 그에 따라 바이폴라 플레이트는 2개의 굽힘부 전후에 바람직하게 평행하게 구성되고, 그리고/또는 이들 굽힘부는 바이폴라 플레이트의 2개의 평행한 평면 사이에 바이폴라 플레이트의 경사를 생성한다. 제1 바이폴라 플레이트 반부와 제2 바이폴라 플레이트 반부는 바람직하게 서로 거울대칭형으로 구성되고, 그리고/또는 주 유동 방향을 따르는 연장부에서 적어도 한 번 서로를 향해 구부러지도록 구성된다. 이러한 방식으로 구성된 바이폴라 플레이트는, 분배 채널 구조가 특히 간단한 구조적 수단으로 비용 효율적으로 구성되고, 이 경우 바이폴라 플레이트가 공간 최적화 방식으로 구성되기 때문에 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 한 바람직한 실시예에 따라, 바이폴라 플레이트는 적어도 하나의 냉각 유체 공급 채널 구조를 가지며, 적어도 하나의 냉각 유체 공급 채널 구조는 적어도 하나의 포트 영역으로부터 분배 채널 구조로의 유체 연통 연결부를 갖는다. 냉각 유체 공급 채널 구조는 냉각 유체 포트와 분배 채널 구조 사이의 유체 연통 연결을 가능하게 함으로써 바이폴라 플레이트의 활성 필드를 위한 냉각 매체의 제공을 가능하게 한다. 냉각 유체 공급 채널 구조는 바람직하게 바이폴라 플레이트의 주 연장면 내에 배치된다. 냉각 유체 공급 채널 구조는 개별 채널 구조로 또는 번들링된 채널 구조로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 한 바람직한 실시예에 따라, 냉각 유체 공급 채널 구조는 중공 웨브 형태로 구성되고, 특히, 적어도 하나의 냉각 유체 공급 채널 구조의 중공 웨브형 형상부가 분배 영역에서의 바이폴라 플레이트의 두께를 정하거나 실질적으로 정한다. 냉각 유체 공급 채널 구조의 중공 웨브형 형상부는, 냉각 유체 공급 채널 구조가 하나의 웨브로 그리고/또는 하나의 웨브형 구조로 형성되는 것으로 이해되어야 한다. 웨브 및/또는 웨브형 구조는 또한, 길다란 연장부를 갖는 주변 구조물에 대한 가느다란 융기부이다. 냉각 유체 공급 채널 구조의 중공 웨브형 형상부는, 필요 설치 공간이 작고 내측 냉각 유체 공급 채널 구조와 외측 유동 모두에 대해 바람직한 유동 안내를 가능하게 하기 때문에 특히 바람직하다. 특히, 냉각 유체 공급 채널 구조의 중공 웨브형 형상부는, 분배 영역에서의 바이폴라 플레이트의 두께가 냉각 유체 공급 채널 구조의 중공 웨브형 형상부에 의해 정해지고 그리고/또는 결정되는 방식으로, 바이폴라 플레이트의 나머지 구조적 형상부로부터 돌출된다. 달리 말하면, 냉각 유체 공급 채널 구조의 중공 웨브형 형상부는 바람직하게 분배 영역에서의 바이폴라 플레이트의 최대 두께를 형성한다.
본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 한 바람직한 실시예에 따라, 적어도 하나의 냉각 유체 공급 채널 구조는 적어도 부분적으로 적어도 2개의 연료 공급 채널을 유체 연통의 관점에서 서로 분리한다. 특히 바람직하게는, 냉각 유체 공급 채널 구조의 중공 웨브형 형상부에 의해 적어도 2개의 연료 공급 채널이 유체 연통의 관점에서 서로 분리된다. 특히, 냉각 유체 공급 채널 구조의 각각의 중공 웨브형 형상부에 의해 각각 적어도 2개의 연료 공급 채널이 유체 연통의 관점에서 서로 분리된다. 그럼으로써, 냉각 유체 공급 채널 구조의 중공 웨브형 형상부가 결과적으로 내부 구조에 의해서도 그리고 외부 구조에 의해서도 유동 안내 기능을 충족한다는 점에서, 상기 방식으로 구성된 바이폴라 플레이트는 특히 바람직하다. 한편으로는 냉매가 냉각 유체 공급 채널 구조의 중공 웨브형 형상부 내부에서 안내되고, 다른 한편으로는 냉각 유체 공급 채널 구조의 중공 웨브형 형상부의 외부 구조를 따라 적어도 2개의 연료 공급 채널이 유체 연통의 관점에서 서로 분리된다.
본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 한 바람직한 실시예에 따라, 적어도 하나의 냉각 유체 공급 채널 구조는 적어도 부분적으로 분배 채널 구조 상부에 배치되며, 특히, 냉각 유체 공급 채널 구조는 아래쪽으로 유체 연통의 관점에서 분배 채널 구조와 연결된다. 이러한 방식으로 구성된 바이폴라 플레이트는, 적어도 하나의 냉각 유체 공급 채널 구조가 바람직하게 공간 효율적으로 적어도 부분적으로 분배 채널 구조 상부에 배치되는 점에서, 특히 바람직하다. 또한, 이러한 방식으로 구성된 바이폴라 플레이트에서는, 분배 채널 구조로의 냉각 유체 공급 채널 구조의 유체 연통 연결이 아래쪽으로, 즉, 적어도 부분적으로 주 연장면에 대해 직교하도록 수행될 수 있다. 이러한 방식으로 구성된 바이폴라 플레이트는, 냉각 유체 공급 채널 구조와 분배 채널 구조 사이의 유체 연통 연결을 위한 별도의 채널 구조가 불필요함에 따라 바람직하게 설치 공간이 최적화되고 절약된다는 점에서 특히 바람직하다.
제2 양태에 따라, 본 발명은 연료 전지 스택을 제시한다. 연료 전지 스택은 적어도 하나의 바이폴라 플레이트 및 적어도 하나의 막 전극 어셈블리를 가지며, 적어도 하나의 바이폴라 플레이트는 제1 양태에 따라 구성되고, 특히, 적어도 하나의 막 전극 어셈블리는 임의의 두께를 가지며, 막 전극 어셈블리의 두께는 분배 영역에서의 바이폴라 플레이트의 두께와 활성 필드에서의 바이폴라 플레이트의 최대 두께 사이의 차이와 동일하거나 실질적으로 동일하다. 특히, 인접한 바이폴라 플레이트들 사이에 적어도 하나의 서브 개스킷(sub-gasket) 및/또는 여타의 밀봉재가 배치될 수 있다. 활성 필드와 분배 영역 사이의 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 두께 차이를 고려할 때, 적어도 하나의 서브 개스킷 및/또는 여타의 밀봉재는 고려되지 않는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 서브 개스킷 및/또는 여타의 밀봉재가 바람직하게 활성 필드와 분배 영역 모두에 배치되고, 그리고/또는 이들에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배치되기 때문이다. 따라서 바람직하게는 적어도 하나의 막 전극 어셈블리의 가스 확산층이 임의의 두께를 가지며, 가스 확산층의 두께는 분배 영역에서의 바이폴라 플레이트의 두께와 활성 필드에서의 바이폴라 플레이트의 최대 두께 사이의 차이와 동일하거나 실질적으로 동일하다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지 스택에서는, 제1 바이폴라 플레이트 반부, 제2 바이폴라 플레이트 반부 및 막 전극 어셈블리가 플레이트 형태로 구성될 수 있으며, 막 전극 어셈블리는 제1 바이폴라 플레이트 반부 및/또는 제2 바이폴라 플레이트 반부의 베이스면보다 더 작은 베이스면을 갖는 구성이 제공될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료 전지 스택에서는, 연료 전지 스택, 특히 적어도 하나의 바이폴라 플레이트가 적어도 하나의 유체를 적어도 하나의 막 전극 어셈블리에 공급하고 그리고/또는 상기 유체로 냉각하기 위한 활성 필드 및 적어도 하나의 유체를 분배하기 위한 분배 필드를 갖는 구성이 제공될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료 전지 스택에서는, 적어도 하나의 막 전극 어셈블리가 활성 필드의 영역에, 특히 오직 이 영역에만, 배치되는 구성이 제공될 수 있다. 연료 전지 스택도 마찬가지로, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트와 관련하여 위에서 이미 언급한 장점을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 연료 전지 스택은, 분배 채널 구조가 공간 최적화 방식으로 구성됨으로써 활성 필드에 걸쳐 냉각 유체의 균일한 질량 흐름 분배가 가능해지고 그리고/또는 개선된다는 점에서, 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 바이폴라 플레이트 및 본 발명에 따른 연료 전지 스택은 하기에서 도면을 참조하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 3개의 바이폴라 플레이트를 가진 연료 전지 스택의 측면도이다.
도 2는 하나의 바이폴라 플레이트의 사시도이다.
도 3은 또 다른 한 바이폴라 플레이트의 추가 사시도이다.
동일한 기능 및 작동 방식을 갖는 요소들에는 도 1 내지 도 3에서 각각 동일한 도면 부호가 부여되어 있다.
도 1에는 3개의 바이폴라 플레이트(10)를 가진 연료 전지 스택(100)의 측면도가 도시되어 있다. 바이폴라 플레이트(10)는 주 유동 방향(HR), 제1 바이폴라 플레이트 반부(12)와 제2 바이폴라 플레이트 반부(14), 활성 필드(40), 분배 영역(50) 및 포트 영역(60)을 갖는다. 활성 필드(40)는 냉각 유체(KF)를 사용한 냉각을 위한 적어도 하나의 냉각 유체 채널 구조(42)(미도시) 및 적어도 하나의 유체(F)(미도시)를 연료 전지 스택(100)의 적어도 하나의 인접한 막 전극 어셈블리(110)에 공급하기 위한 적어도 하나의 연료 채널 구조(44)(미도시)를 갖는다. 제1 바이폴라 플레이트 반부(12) 및 제2 바이폴라 플레이트 반부(14)는 각각 분배 영역(50)에서 하나의 분배 채널 구조(52)를 형성하고, 분배 채널 구조(52)는, 냉각 유체(KF)가 주 유동 방향(HR)에 대해 임의의 각도로, 여기서는 예컨대 도면 평면 안쪽으로, 관류하도록 구성되며, 바이폴라 플레이트(10)는 분배 영역(50)에서, 활성 필드(40)에서의 바이폴라 플레이트(10)의 최대 두께(D2)보다 더 큰 두께(D1)를 갖는다. 막 전극 어셈블리(110)는 임의의 두께(D3)를 갖고, 여기서 막 전극 어셈블리(110)의 두께(D3)는 각각 분배 영역(50)에서의 바이폴라 플레이트의 두께(D1)와 활성 필드(40)에서의 바이폴라 플레이트(10)의 최대 두께(D2) 사이의 차이와 동일하다. 제1 바이폴라 플레이트 반부(12) 및 제2 바이폴라 플레이트 반부(14)는 분배 채널 구조(52)의 구성을 위해 주 유동 방향(HR)을 따르는 연장부에서 두 번 구부러지도록 구성되며, 이 경우, 제1 바이폴라 플레이트 반부(12)와 제2 바이폴라 플레이트 반부(14)는 주 유동 방향(HR)을 따르는 연장부에서 적어도 한 번 서로를 향해 구부러지도록 구성된다.
도 2에는 하나의 바이폴라 플레이트(10)의 사시도가 도시되어 있다. 본 사시도는, 활성 필드(40)가 냉각 유체(KF)를 사용한 냉각을 위한 냉각 유체 채널 구조(42) 및 적어도 하나의 유체(F)를 연료 전지 스택(100)의 적어도 하나의 인접한 막 전극 어셈블리(110)(미도시)에 공급하기 위한 연료 채널 구조(44)를 갖는 방식을 도시한다. 또한, 도 2는, 활성 필드(40)의 연료 채널 구조(44)가 복수의 채널(45)을 가지며, 하나의 공통 연료 공급 채널(64)을 갖는 각각 3개의 채널(45)이 유체(F)의 공급을 위해 적어도 하나의 포트와 유체 연통의 관점에서 연결되는 구성을 도시하며, 여기서 공통 연료 공급 채널(64)은 분배 영역(50)에서 분배 채널 구조(52)의 상부에 배치되어 있다. 또한, 도 2는 바이폴라 플레이트(10)가 복수의 냉각 유체 공급 채널 구조(43)를 갖는 것을 도시하며, 이들 냉각 유체 공급 채널 구조(43)는 적어도 하나의 포트 영역(60)으로부터 분배 채널 구조(52)로의 유체 연통 연결부를 갖는 구성을 도시한다. 냉각 유체 공급 채널 구조(43)는 중공 웨브형으로 구성되며, 냉각 유체 공급 채널 구조(43)의 중공 웨브형 형상부는 분배 영역(50)에서의 바이폴라 플레이트(10)의 두께(D1)(미도시)를 정한다. 나아가 냉각 유체 공급 채널 구조(43)는 연료 공급 채널(64)을 유체 연통의 관점에서 서로 분리한다. 냉각 유체 공급 채널 구조(43)는 적어도 부분적으로 분배 채널 구조(52)의 상부에 배치되며, 이 경우 냉각 유체 공급 채널 구조(43)는 아래쪽으로 유체 연통의 관점에서 분배 채널 구조(52)와 연결된다.
도 3에는 또 다른 바이폴라 플레이트(10)의 추가 사시도가 도시되어 있다. 바이폴라 플레이트(10)의 주 연장면(HE)은 파선으로 도시되어 있다. 도 3은 주 유동 방향(HE)에 반하여 활성 필드(40)로부터, 분배 채널 구조(52)가 횡방향으로 배치되고 그 뒤에 포트 영역(60)이 위치하는 분배 영역(50)까지 원근법적으로 도시되어 있다. 냉각 유체 채널 구조(42)의 일부는 분배 채널 구조(52) 내로 바로 연통되고, 일부, 여기서는 매 세 번째 채널이 분배 채널 구조(52) 위로 안내된다. 분배 채널 구조물(52) 상부의 구조적 형상부는 한편으로 바람직하게 연료 공급 채널(64)을 유체 연통의 관점에서 서로 분리하며, 다른 한편으로는 연료 전지 스택(100)(미도시) 내 바이폴라 플레이트(10)의 바람직한 적층을 위해 분배 영역(50)에서의 정해진 두께(D1)를 가능하게 한다. 냉각 유체(KF)는 냉각 유체 공급 채널 구조(43)를 통해 분배 채널 구조(52)로 전달되고, 그곳으로부터 바람직하게 모든 냉각 유체 채널 구조(42)로 분배된다.

Claims (10)

  1. 연료 전지 스택(100)용 바이폴라 플레이트(10)이며,
    상기 바이폴라 플레이트(10)는 주 연장면(HE) 및 이 주 연장면(HE)에서의 주 유동 방향(HR), 제1 바이폴라 플레이트 반부(12)와 제2 바이폴라 플레이트 반부(14), 활성 필드(40), 분배 영역(50) 및 포트 영역(60)을 가지며, 포트 영역(60)은 주 연장면(HE)으로 적어도 하나의 유체(F)를 공급하기 위한 적어도 하나의 포트를 가지며, 활성 필드(40)는 냉각 유체(KF)를 사용한 냉각을 위한 적어도 하나의 냉각 유체 채널 구조(42) 및 적어도 하나의 유체(F)를 연료 전지 스택(100)의 적어도 하나의 인접한 막 전극 어셈블리(110)에 공급하기 위한 적어도 하나의 연료 채널 구조(44)를 갖는, 바이폴라 플레이트에 있어서,
    제1 바이폴라 플레이트 반부(12)와 제2 바이폴라 플레이트 반부(14)가 분배 영역(50)에서 적어도 하나의 분배 채널 구조(52)를 형성하고, 분배 채널 구조(52)는, 냉각 유체(KF)가 주 연장면(HE) 내에서 주 유동 방향(HR)에 대해 임의의 각도로 관류하도록 구성되며, 바이폴라 플레이트(10)는 분배 영역(50)에서, 활성 필드(40)에서의 바이폴라 플레이트(10)의 최대 두께(D2)보다 더 큰 두께(D1)를 갖는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트(10).
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 분배 채널 구조(52)는 냉각 유체(KF)를 분배하기 위해 적어도 하나의 각각의 냉각 유체 채널 구조(42)와의 유체 연통 연결부를 갖는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 활성 필드(40)의 연료 채널 구조(44)는 복수의 채널(45)을 가지며, 하나의 공통 연료 공급 채널(64)을 갖는 적어도 2개의 채널(45)은 각각 유체(F)의 공급을 위해 적어도 하나의 포트와 유체 연통의 관점에서 연결되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트(10).
  4. 제3항에 있어서, 적어도 하나의 공통 연료 공급 채널(64)은 분배 영역(50)에서 적어도 부분적으로 분배 채널 구조(52)의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 바이폴라 플레이트 반부(12) 및/또는 제2 바이폴라 플레이트 반부(14)는 분배 채널 구조(52)의 구성을 위해 주 유동 방향(HR)을 따르는 연장부에서 적어도 두 번 구부러지도록 구성되며, 특히, 제1 바이폴라 플레이트 반부(12) 및/또는 제2 바이폴라 플레이트 반부(14)는 주 유동 방향(HR)을 따르는 연장부에서 적어도 한 번 서로를 향해 구부러지도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 바이폴라 플레이트(10)는 적어도 하나의 냉각 유체 공급 채널 구조(43)를 가지며, 적어도 하나의 냉각 유체 공급 채널 구조(43)는 적어도 하나의 포트 영역(60)으로부터 분배 채널 구조(52)로의 유체 연통 연결부를 갖는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트(10).
  7. 제6항에 있어서, 냉각 유체 공급 채널 구조(43)는 중공 웨브 형태로 구성되고, 특히, 적어도 하나의 냉각 유체 공급 채널 구조(43)의 중공 웨브형 형상부가 분배 영역(50)에서의 바이폴라 플레이트(10)의 두께(D1)를 정하거나 실질적으로 정하는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트(10).
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 적어도 하나의 냉각 유체 공급 채널 구조(43)는 적어도 부분적으로 적어도 2개의 연료 공급 채널(64)을 유체 연통의 관점에서 서로 분리하는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트(10).
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 냉각 유체 공급 채널 구조(43)는 적어도 부분적으로 분배 채널 구조(52)의 상부에 배치되며, 특히, 냉각 유체 공급 채널 구조(43)는 아래쪽으로 유체 연통의 관점에서 분배 채널 구조(52)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트(10).
  10. 적어도 하나의 바이폴라 플레이트(10) 및 적어도 하나의 막 전극 어셈블리(110)를 가진 연료 전지 스택(100)에 있어서,
    적어도 하나의 바이폴라 플레이트(10)가 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따라 구성되고, 특히, 적어도 하나의 막 전극 어셈블리(110)는 임의의 두께(D3)를 가지며, 막 전극 어셈블리(110)의 두께(D3)는 분배 영역(50)에서의 바이폴라 플레이트의 두께(D1)와 활성 필드(40)에서의 바이폴라 플레이트(10)의 최대 두께(D2) 사이의 차이와 동일한 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택(100).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1122322C (zh) 1998-04-17 2003-09-24 松下电器产业株式会社 固体高分子电解质型燃料电池及其制造方法
JP2000277132A (ja) 1999-03-25 2000-10-06 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池
JP2006156216A (ja) 2004-11-30 2006-06-15 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池
GB201204736D0 (en) * 2012-03-19 2012-05-02 Intelligent Energy Ltd Fuel cell fluid distribution
DK2730680T3 (en) 2012-11-08 2016-07-25 Siemens Ag A cooling plate to an electrolyzer, electrolyzer and the process for the preparation of a bipolar plate
GB2509319A (en) 2012-12-27 2014-07-02 Intelligent Energy Ltd Fluid flow plate for a fuel cell
FR3043847B1 (fr) 2015-11-17 2018-01-05 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Plaques bipolaires pour limiter le contournement des canaux d’ecoulement par les reactifs
DE102015223930A1 (de) * 2015-12-01 2017-06-01 Volkswagen Aktiengesellschaft Bipolarplatte sowie Brennstoffzelle
GB2565373B (en) * 2017-08-11 2020-08-05 Intelligent Energy Ltd Pressed bipolar plate having integrated water flowpath volume

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