KR101741429B1 - 오픈-유동장 연료 전지 - Google Patents

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스콧 씨. 블란쳇
제임스 씨. 3세 크로스
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누베라 퓨엘 셀스, 엘엘씨
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Abstract

제 1 쌍극성 판과, 제 2 쌍극성 판과, 캐소드, 애노드(103), 및 캐소드와 애노드 사이에 삽입되는 고분자 막을 포함하는 전기화학적 패키지(101)와, 상기 제 1 쌍극성 판과 상기 애노드 사이에 배치되고, 적어도 하나의 유입구(108) 및 적어도 하나의 유출구를 포함하는, 애노드 격실(109)과, 상기 제 2 쌍극성 판과 상기 캐소드 사이에 배치되고, 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함하는, 캐소드 격실을 포함하는 고분자 전해질 막 연료 전지 스택이 제공되며, 상기 애노드 격실(109)의 기하학적 면적이 상기 애노드(103)의 기하학적 면적보다 크고, 또는, 상기 캐소드 격실의 기하학적 면적이 상기 캐소드의 기하학적 면적보다 크다.

Description

오픈-유동장 연료 전지{OPEN FLOW FIELD FUEL CELL}
본 발명은 일반적으로 고분자 전해질 막 연료 전지 분야에 관한 것이다.
전형적인 고분자 전해질 막(PEM: Polymer Electrolyte Membrane) 연료 전지는 전해질로 기능하는 고분자 막과, 고분자 막의 일 측에 애노드와, 고분자 막의 다른 측에 캐소드를 포함하는 전기화학적 패키지(ECP)를 포함한다. 애노드는 애노드 전극 촉매를 포함한다. 연료 가스, 가령, 수소로부터의 반응물은 애노드 전극 촉매와 접촉하게 되고, 해리되어, 양성자를 생성할 수 있다. 고분자 막은, 적절히 수화될 때, 막을 사이에 두고 애노드로부터 캐소드로 양성자를 이동시킬 수 있다. 캐소드는 캐소드 전극 촉매를 포함한다. 캐소드 가스, 가령, 산소로부터의 반응물은 캐소드 전극 촉매 상에 활성화된 산소 화학종을 형성할 수 있고, 이는 양성자와 반응하여 물을 형성할 수 있다. 이러한 단일 연료 전지들이 전기적으로 직렬로 연결되어 "연료 전지 스택"을 형성할 수 있다.
본 발명은 캐소드, 애노드, 및 캐소드와 애노드 사이에 삽입되는 고분자 막을 포함하는 전기화학적 패키지(ECP)와, 제 1 쌍극성 판 및 제 2 쌍극성 판을 포함하는 고분자 전해질 막 연료 전지 스택을 제공한다. 전기화학적 패키지는 제 1 쌍극성 판과 제 2 쌍극성 판 사이에 배치된다.
본 발명에 따르면, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택은 제 1 쌍극성 판과 애노드 사이에 배치되는 애노드 격실과, 제 2 쌍극성 판과 캐소드 사이에 배치되는 캐소드 격실을 포함한다. 애노드 격실은 가스가 격실에 대해 유입 및 유출될 수 있도록 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함한다. 소정의 실시예에서, 애노드 격실의 기하학적 면적은 애노드의 기하학적 면적보다 크다. 다른 실시예에서, 캐소드 격실의 기하학적 면적은 캐소드의 기하학적 면적보다 크다. 추가적인 실시예에서, 애노드 격실의 기하학적 면적은 애노드의 기하학적 면적보다 크고, 캐소드 격실의 기하학적 면적은 캐소드의 기하학적 면적보다 크다.
소정의 실시예에서, 애노드 및/또는 캐소드 격실 내부에 배치되는 유동장이 존재하고, 이러한 유동장은 예를 들어, 천공부를 갖춘 성형된 금속 시트, 금속 폼(metal foam), 그래파이트 폼, 팽창 금속 메시, 금속 와이어 메시, 및 소결 다공질 금속 시트 중에서 선택될 수 있다.
소정의 다른 실시예에서, 애노드 격실 및/또는 캐소드 격실 내에 배치되는 유동장은, 천공부를 갖춘 성형된 금속 시트, 금속 폼(metal foam), 그래파이트 폼, 팽창 금속 메시, 금속 와이어 메시, 및 소결 다공질 금속 시트로부터 선택되는 적어도 2개의 요소를 포함할 수 있다.
여기서 개시되는 연료 전지의 추가적인 실시예에서, 제 1 쌍극성 판은 천공부없는 성형 금속 시트다. 이러한 성형 시트의 예는 애노드와 직접 접촉하는 돌출부를 포함하는 성형 금속 시트를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택의 일부 실시예에서, 애노드의 기하학적 면적은 캐소드의 기하학적 면적과 동일하다. 다른 실시예에서, 애노드의 기하학적 면적은 캐소드의 기하학적 면적과 동일하다.
도 1a-1c는 본 발명에서 제공되는 연료 전지 스택의 소정의 실시예들을 도시한다.
도 2는 연료 전지 스택의 다른 실시예를 도시한다.
도 3은 연료 전지 스택의 성능을 비교하는 실험 데이터를 제시한다.
여기서 개시되는 바와 같이, 막 전극 조립체(MEA: Membrane Electrode Assembly)는 고분자 막을 포함하고, 상기 고분자 막의 한 측면에는 애노드가 구성되고, 고분자 막의 반대쪽 측면에는 캐소드가 구성된다. 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이라 알려진 전도성 매질이 MEA의 양 측 중 적어도 하나에 부착되거나 인접하여 위치할 수 있다. 가스 확산층은 카본 페이퍼, 그래파이트 옷감, 또는 다른 다공질, 가요성, 및 전기 전도성 물질, 또는 이들의 복합체로 구성될 수 있다.
소정의 실시예에서, 전극 촉매가 고분자 막의 표면 바로 위에 도포될 수 있다. 추가적인 실시예에서, 전극 촉매는 고분자 막에 인접한 촉매층 내로 통합될 수 있다. 대안으로서, 전극 촉매가 가스 확산층 상에 도포될 수 있고, 그 후 화학적으로 부착되거나, 기계적으로 부착되거나, 고분자 막에 인접하여 배치되어, 가스 확산층과 고분자 막 사이에 전극 촉매가 삽입되게 된다. 소정의 실시예에서, 가스 확산층은 연료 전지를 기능시키는 데 필요치 않다.
여기서 개시되는 바와 같이, 전기화학적 패키지(ECP)는 MEA를 포함하는 구성요소를 언급하며, (1) 가스 확산층들이 양 측에 모두 부착되거나, (2) 단 하나의 가스 확산층만이 일 측에 부착되거나, (3) 어느 측에도 가스 확산층이 부착되지 않는다. 따라서, 애노드는 애노드 촉매를 지닌 ECP의 부분을 의미하고, 캐소드는 캐소드 촉매를 지닌 ECP 부분을 의미하며, 이때, 가스 확산층이 여기에 부착될 수도 있고 부착되지 않을 수도 있다. 전극은 애노드 또는 캐소드를 의미한다.
여기서, 애노드는 연료 전지의 연료 가스(즉, 애노드 가스)에 노출된다. 연료 가스, 가령, 수소로부터의 반응물은, 애노드 촉매와 접촉하게 될 때, 촉매 반응을 경험할 수 있다.
여기서, 캐소드는 산화제 가스(즉, 캐소드 가스)에 노출된다. 캐소드 가스, 가령, 산소로부터의 반응물은, 캐소드 촉매와 접촉하게 될 때 촉매 반응을 경험할 수 있다.
여기서, 연료 전지 구성요소는 촉매와 직접 접촉하거나, 촉매층과 직접 접촉하거나, 가스 확산층과 직접 접촉할 수 있을 경우, ECP의 전극과 직접 접촉한다. 여기서, 애노드 또는 캐소드의 기하학적 면적은 애노드 또는 캐소드의 활성 영역으로 연료 전지 산업계의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 호칭되는 전극 촉매와 직접 접촉하거나 전극 촉매로 덮인 고분자 막의 일부분의 투영된, 평면 면적을 의미한다.
여기서, 또한 쌍극성 판(bipolar plate)이라고도 알려진 분리기 판은 전기 전도성 가스 장벽을 의미한다. 쌍극성 판은 가령, 그래파이트 또는 금속으로 구성될 수 있다. 애노드 격실은 제 1 쌍극성 판과 애노드 사이의 공간을 의미하고, 캐소드 격실은 제 2 쌍극성 판과 캐소드 사이의 공간을 의미한다. 여기서, 연료 전지 격실은 애노드 격실 또는 캐소드 격실 중 적어도 하나를 의미한다.
연료 전지 격실은 가스 시일에 의해 평면 방향으로 주변부에서 에워싸일 수 있다. 가스 시일은 연료 전지 격실에 대해 가스 유입구 또는 유출구로 기능하는 개구부를 갖는다. 격실의 유입구 및 유출구는 유입구 및 가스 소스를 연결하는, 또는 유출구 및 가스 배출점을 연결하는 유체 도관인 가스 매니폴드에 유체적으로 연결된다. 가스 시일의 일례는 가스를 애노드 또는 캐소드 격실에 유입시키거나 유출시키는 개구부를 갖춘 가스켓이다.
여기서, 유동장(flowfield)은 쌍극성 판과 병렬로 평면 배향되는 쌍극성 판과 ECP 사이에 배치되는 구조적 요소로서, 가스를 통과시킬 수 있고, 하나 이상의 가스 매니폴드로부터 유입구 및 유출구를 갖는 가스 시일에 의해 그 주변부에서 에워싸인다. 구조적 지지없이, 연료 전지 격실은 연료 전지 스택의 조립 중 압력으로 인해 붕괴될 수 있고, 전극의 상당 부분이 반응 가스에 접촉하지 못하게 될 수 있다. 따라서, 유동장은 압력 하에 완전히 붕괴되지 않도록 소정 수준의 구조적 완전성(structural integrity)을 가져야 한다.
유동장은 전극에 대한 반응 가스의 균일한 분포를 또한 촉진시켜야 한다. 유동장과 전극 사이의 접촉 면적은, 전극의 대부분의 영역이 반응 가스에 접촉할 수 있으면서도 우수한 전기 전도성을 유지할 수 있도록, 충분히 작아야 한다. 더욱이, 유동장이 반응 가스 흐름에서 과도한 압력 강하를 나타내지 않는 것이 바람직하다.
오픈-유동장은, 유동장 내의 임의의 지점이 여러 개의 유체 경로에 속하는 구조, 즉, 복수의 유체 경로가 해당 지점에서 교차하는 구조를 의미한다. 예를 들어, 오픈-유동장에서, 유체는 유동장 내의 임의의 지점으로부터 유출구를 향해 2개 이상의 경로를 따를 수 있다. 이에 반해, 유입구 및 유출구를 연결하는 개별적 채널들을 갖는 유동장에서는, 일 채널의 유체는 유출구를 향해 해당 채널에 의해 형성되는 단 하나의 경로만을 따를 수 있다.
오픈-유동장으로 적합한 물질은 다공질 폼이다. 한 조각의 폼은 금속 폼의 윤곽에 의해 형성되는 기하학적 경계부 내에 상호연결된 보이드와 상호연결된 인대망을 갖춘 망상 조직 구조를 갖는다. 이 고유한 구조 때문에, 비압축 상태의 폼 물질은 50%보다 큰, 예를 들어, 60%보다 큰, 70%보다 큰, 75%보다 큰, 80%보다 큰, 85%보다 큰, 90%보다 큰, 95%보다 큰, 및 98%보다 큰, 다공성을 가질 수 있다.
상호연결된 보이드망은 폼 전체를 통해 연장되는 경로를 형성한다. 따라서, 기하학적 경계부 상의 일 지점에서 다공질 구조에 유입되는 유체는 여러 가지 경로를 따라 폼 내부의 위치, 또는 폼의 다른 경계부의 위치에 도달할 수 있다. 폼은 금속 또는 그래파이트로 제조될 수 있다. 예를 들어, 금속 폼은 Porvair Advanced Materials, Inc. 사의 제품이 판매 중이다. 그래파이트 폼은 예를 들어, 미국, 텍사스주, Decatur에 소재한 Poco Graphite, Inc. 사의 제품이 또한 판매 중이다.
오픈-유동장으로 적합한 다공질 구조의 다른 예는 팽창 금속 메시를 포함한다. 팽창 금속 메시는 소정의 기하학적 형상, 가령, 다이아몬드 형상의 개구부를 생성하기 위해 균일하게 잘려지고 늘려진 고체 물질의 시트로부터 제조된다. 표준 팽창 금속에서, 다이아몬드 형상의 개구부의 각각의 로우(row)는 다음 로우로부터 이격되어, 균일하지 않은 구조를 생성한다. 표준 팽창 금속 시트는 압연되어, 평탄한 팽창 금속을 생성한다. 금속 와이어 메시 역시 오픈-유동장으로 적합한 다공질 구조다. 이는 금속 와이어들을 함께 위빙(weaving)하거나 용접함으로써 제조될 수 있다. 금속 와이어 메시 및 팽창 금속 메시로는 예를 들어, 미국, 펜실베이니아 주, Newtown에 소재한 Mechanical Metals, Inc.사의 제품이 판매 중이다. 오픈-유동장으로 사용될 때, 팽창 금속 메시 및 금속 와이어 메시는 평탄하지 않은 기하학적 형상을 형성하도록 우선적으로 처리될 수 있다.
오픈-유동장으로 적합한 다공질 구조의 추가적인 예는, 천공부를 갖는 성형 금속 시트다. 여기서, 성형 금속 시트는 평탄하지 않은 기하학적 형상을 갖는 금속 시트를 의미한다. 이는 융기된, 또는 올록볼록한 표면을 가질 수 있다. 이는 높낮이가 있는 마루(ridges) 및 골(grooves)을 갖는 주름진 금속 시트일 수 있다. 이는 불연속적인 오목부 및 돌출부를 가질 수도 있다.
충분한 개수의 천공들이 제공되면, 성형 금속 시트는 오픈-유동장으로 사용되어, 거의 제한없이 연료 전지 격실에서 유체를 유동시킬 수 있다. 이러한 천공 금속 시트는 예를 들어, 둥근 구멍, 육각형 구멍, 정사각형 구멍, 슬롯 구멍(slotted hole), 등과 같은 천공들의 반복 어레이를 가질 수 있다. 이는 높낮이가 있는 골 및 마루, 또는 오목부 및 돌출부, 또는 다른 기하학적 형상을 형성하도록 스탬핑될 수 있다. 판매 중인 천공 금속 시트의 예는 미국, 플로리다 주, Tampa에 소재한 McNichols Co. 사의 제품이 있다.
천공없는 성형 금속 시트도 오픈-유동장으로 작용할 수 있다. 일례는 돌출부들의 어레이를 갖는 성형 금속 시트다. 돌출부의 팁들은 ECP와 접촉하여, ECP와 나머지 금속 시트 사이에 연속적인 보이드 공간을 생성한다. 그 결과, 유체가 연속 보이드 내 일 지점으로부터 다른 지점으로 복수의 경로를 통해 진행할 수 있다. 이 경우에, 성형 금속 시트는 쌍극성 판과 ECP 사이에 삽입될 수 있다. 그러나, 쌍극성 판 자체는, 가스 분리기 및 유동장으로 모두 기능하도록 성형 금속 시트일 수 있다.
성형 금속 시트는 스탬핑과 같은 시트 금속 성형 프로세스에 의해 제조될 수 있다. 식각 및 레이저 조각(laser engraving)과 같은 기술에 의해, 표면 물질의 일부분을 제거함으로써 채널을 형성할 수 있으며, 따라서, 금속 시트의 두께가 변하게 된다. ECP와 같이, 평탄한 인접 표면을 갖는 성형 금속 시트의 융기 표면 사이에 에워싸인 채널이 형성될 수 있다.
오픈-유동장에 반해, 일부 논-오픈-유동장(non-open flowfields)은 물리적으로 분리되고 서로 구별되는 복수의 개별 유동 경로를 지닌다. 후자의 예는 표면 상에 몰딩된 개별 채널들을 갖는 그래파이트 쌍극성 판이다. 각각의 채널은 유입구를 연료 전지 격실의 유출구와 연결한다. 이러한 경우에, 채널의 마루 및 골은 쌍극성 판의 벌크 구조와 ECP 사이에 공간을 생성하여, 유체가 관통하기 위해 에워싸인 경로를 형성한다. 이러한 구조에서, ECP 내로의 가스 확산과는 별도로, 가스 유체 벌크가 채널 내에서 유입구로부터 유출구로 유동한다. 채널의 배열은 바뀔 수 있다. 예를 들어, 채널이 복수의 채널로 분리될 수 있고, 복수의 채널이 하나로 병합될 수 있으며, 따라서, 복수의 채널이 교차하는 유동장 위치를 생성할 수 있다. 그러나, 이러한 위치들의 수가 제한적이며, 대다수의 유동장에서 가스 유체는, 가스 유체가 위치하는 채널의 단면에 의해 구획되는 단 하나의 경로만을 갖는다.
여기서, 연료 전지 격실의 형상은 평면 방향의 격실의 형상을 의미한다. 이는 임의의 2차원적 형상, 예를 들어, 다각형, 곡선형, 또는 이들의 조합일 수 있다. 연료 전지 격실의 기하학적 면적은 평면 방향의 애노드 또는 캐소드 격실의 면적이다. (유체에 대한 소정의 유입구 및 유출구를 열린 상태로 남겨두면서) 연료 전지 격실을 밀봉하기 위해 가스켓이 사용될 때, 연료 전지 격실의 기하학적 형상 및 기하학적 면적이 가스켓의 중공 중심부의 형상 및 크기에 의해 결정된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 연료 전지 격실의 형상은 실질적으로 장방형이며, 이는 형상이 4개의 직각을 갖는 4변형일 수 있음을 의미하며, 장방형의 4개의 꼭지점 중 하나 이상이 둥글게 처리된 실시예들을 또한 포함한다. 소정의 실시예에서, 연료 전지 격실의 유입구는 장방형의 한 변에 위치하고, 유출구는 반대편 변에 위치한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 연료 전지 격실의 형상은 곡선형이며, 예를 들어, 원형, 타원형, 또는, 길쭉한 형상이다. 연료 전지 격실은 예를 들어, 링의 형상에서, 중심에 중공부를 갖도록 또한 구성될 수 있다. 그러나, 연료 전지 격실의 외측 주변부뿐만 아니라 중공부는 임의의 형상, 장방형, 또는 곡선형을 채택할 수 있다. 이러한 설계에서, 연료 전지 격실의 유입구는 중공부의 주변부에 위치할 수 있고 유출구는 외측 주변부에 위치할 수 있으며, 또는 그 역도 성립한다.
여기서 개시되는 연료 전지 스택의 소정의 실시예에서, 애노드 격실의 기하학적 면적은 애노드의 기하학적 면적보다 크다. 다른 실시예에서, 캐소드 격실의 기하학적 면적은 캐소드의 기하학적 면적보다 크다. 추가적인 실시예에서, 애노드 및/또는 캐소드 격실의 기하학적 면적은 각각 애노드 및/또는 캐소드에 대한 기하학적 면적과 동일하다. 예를 들어, 연료 전지 격실의 기하학적 면적은 2cm2 내지 2400cm2이고 전극의 기하학적 면적은 2cm2 내지 2000cm2일 수 있다.
따라서, 연료 전지 격실의 기하학적 면적은 소정의 실시예에서, 25cm2 내지 2000cm2 범위에 놓일 수 있고, 예를 들어, 50cm2 내지 1500cm2, 75cm2 내지 1250cm2, 100cm2 내지 1000cm2, 150cm2 내지 750cm2, 175cm2 내지 500cm2, 200cm2 내지 350cm2 범위에 놓일 수 있다. 다른 실시예에서, 연료 전지 격실의 기하학적 면적은 2cm2 내지 100cm2 범위에 놓일 수 있고, 예를 들어, 5cm2 내지 75cm2, 10cm2 내지 50cm2, 15cm2 내지 35cm2 범위에 놓일 수 있다. 추가적인 실시예에서, 연료 전지 격실의 기하학적 면적은 800cm2 내지 2000cm2 범위에 놓일 수 있고, 예를 들어, 900cm2 내지 1700cm2, 1000cm2 내지 1500cm2, 1100cm2 내지 1300cm2 범위 내에 놓일 수 있다.
마찬가지로, 전극의 기하학적 면적은 소정의 실시예에서 25cm2 내지 2000cm2 범위에 놓일 수 있고, 예를 들어, 50cm2 내지 1500cm2, 75cm2 내지 1250cm2, 100cm2 내지 1000cm2, 150cm2 내지 750cm2, 175cm2 내지 500cm2, 200cm2 내지 350cm2 범위에 놓일 수 있다. 다른 실시예에서, 연료 전지 격실의 기하학적 면적은 2cm2 내지 100cm2 범위에 놓일 수 있고, 예를 들어, 5cm2 내지 75cm2, 10cm2 내지 50cm2, 15cm2 내지 35cm2 범위에 놓일 수 있다. 추가적인 실시예에서, 연료 전지 격실의 기하학적 면적은 600cm2 내지 2000cm2 범위에 놓일 수 있고, 예를 들어, 700cm2 내지 1500cm2, 800cm2 내지 1300cm2, 900cm2 내지 1100cm2 범위 내에 놓일 수 있다.
여기서 개시되는 연료 전지 스택의 일 실시예에서, 애노드 격실의 적어도 하나의 유입구와 애노드 간의 최단 거리를 m, 애노드 격실의 적어도 하나의 유입구와 애노드 격실의 적어도 하나의 유출구 간의 최단 거리를 L이라고 가정할 때, m/L 값의 범위는 1 내지 30이다. 더욱이, 이 값은, 예를 들어, 1 내지 20%, 1 내지 15%, 2 내지 25%, 2 내지 20%, 2 내지 15%, 2 내지 10%, 3 내지 20%, 3 내지 15%, 3 내지 10%, 4 내지 15%, 4 내지 10%, 4 내지 8%, 5 내지 12%, 5 내지 8%, 6 내지 10%의 범위를 가질 수도 있다.
여기서 개시되는 다른 실시예에서, 애노드 격실의 적어도 하나의 유출구와 애노드 간의 최단 거리를 n, 애노드 격실의 적어도 하나의 유입구와 애노드 격실의 적어도 하나의 유출구 간의 최단 거리를 L이라 가정할 때, n/L 값의 범위는 1 내지 30이다. 더욱이, 이 값은 예를 들어, 1 내지 20%, 1 내지 15%, 2 내지 25%, 2 내지 20%, 2 내지 15%, 2 내지 10%, 3 내지 20%, 3 내지 15%, 3 내지 10%, 3 내지 8%, 3 내지 6%의 범위를 가질 수도 있다.
여기서 개시되는 연료 전지 스택의 추가적인 실시예에서, 캐소드 격실의 적어도 하나의 유입구와 캐소드 간의 최단 거리를 m, 캐소드 격실의 적어도 하나의 유입구와 캐소드 격실의 적어도 하나의 유출구 간의 최단 거리를 L이라 가정할 때, m/L 값의 범위는 1 내지 30%일 수 있고, 예를 들어, 1 내지 20%, 1 내지 15%, 2 내지 25%, 2 내지 20%, 2 내지 15%, 2 내지 10%, 3 내지 20%, 3 내지 15%, 3 내지 10%, 4 내지 15%, 4 내지 10%, 4 내지 8%, 5 내지 12%, 5 내지 8%, 6 내지 10%의 범위를 가질 수 있다.
여기서 개시되는 추가적인 실시예에서, 캐소드 격실의 적어도 하나의 유출구와 캐소드 간의 최단 거리를 n, 캐소드 격실의 적어도 하나의 유입구와 캐소드 격실의 적어도 하나의 유출구 간의 최단 거리를 L이라고 가정할 때, n/L 범위의 비는 1 내지 30%이고, 예를 들어, 1 내지 20%, 1 내지 15%, 2 내지 25%, 2 내지 20%, 2 내지 15%, 2 내지 10%, 3 내지 20%, 3 내지 15%, 3 내지 10%, 3 내지 8%, 3 내지 6% 범위를 가질 수 있다.
여기서, 애노드와 유입구 간의, 또는 유입구와 유출구 간의, 최단거리는 유체가 유입구로부터 애노드까지 또는 유출구까지 진행할 수 있는 최단 거리를 의미한다. 따라서, 애노드와 소정의 유입구 간에 어떤 장벽도 없을 때, 최단 거리는 애노드와 유입구를 연결하는 최단 직선의 길이다. 마찬가지로, 연료 전지 격실의 유입구와 유출구 사이에 장벽이 없다고 가정할 때, 최단 거리는 유입구와 유출구를 연결하는 직선의 길이다. 그러나, 이 직선과 교차하는 장벽이 존재할 경우, 가스 유동은 장벽 주위로 진행되어야 하며, 유입구와 유출구 간의 진행 거리에 가스 유동의 거리를 더하게 된다. 다공성이 높고(가령, 50% 이상) 구조 물질의 길이 규모(가령, 금속 폼의 인대 직경)가 작은(밀리미터 단위, 또는 그 미만의 수준, 가령, 1 내지 500 마이크로미터 수준), 금속 폼을 구비한 오픈-유동장의 경우, 구조 물질을 피하기 위한 유체가 진행하는 추가 거리는 무시할만한 수준이다.
여기서 개시되는 연료 전지 스택의 소정의 실시예에서, 유동장은 전체 연료 전지 격실을 충전시킬 수 있다. 이 경우에, 유동장의 형상 및 기하학적 면적은 연료 전지 격실과 실질적으로 동일하다. 소정의 다른 실시예에서, 유동장은 연료 전지 격실의 일부분만을 점유할 수 있어서, 격실 내의 소정 공간을 충전되지 않은 상태로 남긴다. 추가적인 실시예에서, 유동장은 여러 가지 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유동장의 일 섹션은 금속 폼을 포함하고 다른 섹션들은 금속 스크린, 금속 메시, 팽창 금속 시트, 그래파이트 폼, 천공부를 구비하거나 구비하지 않는 성형 금속 시트, 또는 소결 다공질 금속 시트를 지닐 수 있다.
도 1a는 여기서 개시되는 연료 전지 스택의 일 실시예를 도시한다. 부분(104)은 가스켓을 나타낸다. 부분(101)은 ECP를 나타내며, 부분(104) 전방에 배치된다. 음영 영역(103)은 관찰자로부터 멀리 놓인 ECP(101) 측에 놓인 애노드를 나타낸다. 설명을 위해, 애노드(103)의 영역과는 달리, ECP(101)는 투명하게 도시된다. 단순화를 위해 도 1a에 도시되지 않은 쌍극성 판이 가스켓(104) 뒤에 배치된다. 본 실시예에서, 가스켓(104)은 중공 중앙부를 갖고 ECP(101) 및 쌍극성 판은 평탄한 표면을 갖는다. 조립된 연료 전지에서, ECP(101), 가스켓(104), 및 쌍극성 판들이 함께 가압되어, 가스켓(104)의 중앙부를 에워싸서, 애노드 격실(109)을 형성한다.
음영 영역(107)은 가스켓(104)의 표면의 나머지로부터 물러나서, ECP(101)에 대해 가압될 때, 채널을 형성한다. 채널(107)은 빗 형상으로 배열되는 일련의 개구부(108a-108i)를 갖는다. 애노드 가스는 개구부(105)를 통해 채널(107)에 유입된다. 애노드 가스는 채널(107)로부터 개구부(108a-108i)를 통해 애노드 격실(109) 내로 유동한다. 따라서, 개구부(108a-108i)는 애노드 격실의 유입구이다.
도 1a에 도시되는 바와 같이, 애노드(103) 및 개구부(108a-108i)는 서로 인접하지 않는다. 개구부(108a-108i)의 모든 팁들은 라인 A 상에 위치하고, 애노드의 주변부는 라인 B 상에 위치한다. 이 경우에, 라인 A와 라인 B는 실질적으로 평행하여, 이들 간의 최단 거리는 라인 A 및 라인 B 모두에 대해 수직인 가상의 선이고, 그 길이가 도면부호 (102)로 표현된다.
더욱이, 라인 A 및 라인 B가 본 실시예에서 평행하기 때문에, 임의의 개구부(108a-108i)로부터 애노드까지의 최단 거리가 동일하다. 그러나, 이는 라인 A 및 라인 B가 평행하지 않거나 및/또는 곡선형인 경우의 연료 전지 스택의 실시예에서는 참이 아니다. 이러한 경우에, 애노드 격실에 대한 유입구 중 하나만이 애노드에 대해 최단 거리를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 1b는 도 1b의 라인 B가 라인 A로부터 멀어지도록 하향으로 기울어진다는 점에서 도 1a에 도시된 실시예와 차별화되는 실시예를 도시한다. 결과적으로, 개구부(108a)만이 라인 B에 대해 최단 거리를 갖는다. 도 1c에서, 라인 B는 반원이고, 오직 개구부(108e)만 본 도면에 도시되는 실시예에서 라인 B까지 최단 거리를 갖는다. 애노드 격실의 유입구와 애노드 간의 위치 관계의 변화는 수없이 다양하다. 그럼에도 불구하고, 애노드 격실의 하나 이상의 임의의 유입구와 애노드 사이의 최단 거리에 대해 단 하나의 고유 값만이 존재한다.
도 2는 본 개시 내용에 따른 연료 전지 스택의 다른 실시예를 도시한다. 도 1a 및 도 2의 동일 부분이 동일 번호로 표시된다. 음영 영역(207)은 애노드 격실(109)에 대한 개구부(208a-208i)를 갖는 채널을 나타낸다. 개구부(208a-208i)는 애노드 격실의 유출구다. 애노드 격실(109)로부터의 가스는 개구부(208a-208i)를 통해 채널(207)로 유입되고, 개구부(205)를 통해 가스켓(104)에서 유출된다. 본 실시예에서, 애노드(103)의 주변부, 라인 C는 모든 개구부(208a-208i)의 팁이 위치하는 라인 D로부터 분리된다.
애노드 격실에 대한 유입구와 애노드 간의 공간은 오픈-유동장으로 충전되거나 빈 상태로 남아서, 그 사이에 버퍼 존을 생성할 수 있다. 애노드 가스가 별개의 유입구를 통해 애노드 격실에 유입되기 때문에, 유입구 인근의 가스 분포가 균등하지 않을 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속됨이 없이, 버퍼 존 생성은, 복수의 애노드 가스 스트림들이, 애노드와 접촉하기 전에, 혼합되고 더욱 균질한 유동으로 발전하도록 하여, 연료 전지의 성능을 개선시키게 된다. 다른 한편, 애노드와 애노드 격실의 유출구 사이의 버퍼 존은 ECP의 비활성 영역에 액체 물을 누적시킴으로써 연료 전지의 성능을 개선시킬 수 있고, 따라서, 해당 영역에서 원하지 않는 전기화학적 반응을 감소시킬 수 있다.
도 3은 애노드가 애노드 격실의 유입구에 바로 인접하는 구조(스택 B)에 비해, 애노드 격실의 유입구와 애노드 사이의 비활성 영역이 존재하는 연료 전지 스택(스택 A)의 스택 전압을 도시한다. 스택 A는 스택 전압이 약 0.93V로 하강하기 전에 약 3400 시간 동안 작동하였다. 그러나, 스택 B는 스택 전압이 약 0.93V로 하강하기 전에 약 2000시간 동안만 가동되었다.
다양한 수정예 및 변형예가 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 구현될 수 있다는 것을 당 업자는 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 청구항의 범위 내에, 그리고 그 등가물 내에 있다면, 이러한 수정예 및 변형예들을 모두 포괄한다.

Claims (36)

  1. 연료 전지들을 포함하는 고분자 전해질 막 연료 전지 스택으로서,
    상기 연료 전지들은,
    제 1 쌍극성 판;
    제 2 쌍극성 판;
    상기 제 1 쌍극성 판과 제 2 쌍극성 판 사이에 배치되는 전기화학적 패키지로서, 상기 전기화학적 패키지는 캐소드, 애노드, 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 삽입되는 고분자 막을 포함하는, 상기 전기화학적 패키지;
    상기 제 1 쌍극성 판과 상기 애노드 사이에 배치되는 공간과, 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함하는 애노드 격실; 및
    상기 제 2 쌍극성 판과 상기 캐소드 사이에 배치되는 공간과, 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함하는 캐소드 격실;을 포함하며,
    상기 애노드 격실 내에 배치된 상기 고분자 막의 기하학적 면적은 상기 애노드 격실 내에 배치된 상기 애노드의 기하학적 면적보다 크고,
    상기 애노드 격실의 기하학적 면적은 상기 애노드의 기하학적 면적보다 커서 상기 애노드 격실에서는 상기 적어도 하나의 유입구 또는 상기 적어도 하나의 유출구와 상기 애노드 사이에 적어도 하나의 버퍼 존을 생성하고,
    기하학적 면적은 상기 적어도 하나의 유입구와 상기 적어도 하나의 유출구 사이에서 평면 방향으로 측정되는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 격실의 상기 적어도 하나의 유입구 중 임의의 유입구와 상기 애노드 간의 최단 거리를 m이라고 하고, 상기 애노드 격실의 상기 임의의 유입구와 상기 애노드 격실의 상기 적어도 하나의 유출구 중 임의의 유출구 간의 최단 거리를 L이라고 할 때, m/L은 1% 내지 30% 범위 내에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 m/L은 2% 내지 25% 범위 내에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 m/L은 4% 내지 15% 범위 내에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 격실의 상기 적어도 하나의 유출구 중 임의의 유출구와 상기 애노드 간의 최단 거리를 n이라 하고, 상기 애노드 격실의 상기 적어도 하나의 유입구 중 임의의 유입구와 상기 애노드 격실의 상기 임의의 유출구 간의 최단 거리를 L이라 할 때, n/L은 1% 내지 30% 범위 내에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 n/L은 1% 내지 15% 범위 내에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 n/L은 2% 내지 10% 범위 내에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 격실 내부에 배치되는 유동장(flowfield)을 더 포함하는 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 유동장은 천공부들을 갖춘 성형 금속 시트, 금속 폼(metal foam), 그래파이트 폼, 팽창 금속 메시, 금속 와이어 메시, 및 소결 다공질 금속 시트 중에서 선택되는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 유동장은 천공부들을 갖춘 성형 금속 시트, 금속 폼(metal foam), 그래파이트 폼, 팽창 금속 메시, 금속 와이어 메시, 및 소결 다공질 금속 시트 중에서 선택되는 적어도 2개의 물질을 포함하는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 쌍극성 판은 천공부들이 없는 성형 금속 시트인, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  12. 제 11 항에 있어서, 천공부들이 없는 상기 성형 금속 시트는 상기 애노드와 직접 접촉하는 돌출부를 더 포함하는 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 캐소드 격실 내에 배치되는 유동장을 더 포함하는 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 캐소드의 기하학적 면적은 상기 애노드의 기학학적 면적과 동일한, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 격실의 기하학적 형상은 실질적으로 장방형으로서, 상기 장방형의 한 변에 상기 적어도 하나의 유입구를, 그리고, 상기 장방형의 반대편 변에 상기 적어도 하나의 유출구를 갖는 장방형인, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 격실의 기하학적 형상은 곡선형인, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 격실의 기하학적 면적은 2cm2 내지 2400cm2 범위에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드의 기하학적 면적은 2cm2 내지 2000cm2 범위에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  19. 연료 전지들을 포함하는 고분자 전해질 막 연료 전지 스택으로서,
    상기 연료 전지들은,
    제 1 쌍극성 판;
    제 2 쌍극성 판;
    상기 제 1 쌍극성 판과 제 2 쌍극성 판 사이에 배치되는 전기화학적 패키지로서, 상기 전기화학적 패키지는 캐소드, 애노드, 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 삽입되는 고분자 막을 포함하는, 상기 전기화학적 패키지;
    상기 제 1 쌍극성 판과 상기 애노드 사이에 배치되는 공간과, 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함하는 애노드 격실; 및
    상기 제 2 쌍극성 판과 상기 캐소드 사이에 배치되는 공간과, 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함하는 캐소드 격실;을 포함하며,
    상기 캐소드 격실 내에 배치된 상기 고분자 막의 기하학적 면적은 상기 캐소드 격실 내에 배치된 상기 캐소드의 기하학적 면적보다 크고,
    상기 캐소드 격실의 기하학적 면적은 상기 캐소드의 기하학적 면적보다 커서 상기 캐소드 격실에서는 상기 적어도 하나의 유입구 또는 상기 적어도 하나의 유출구와 상기 캐소드 사이에 적어도 하나의 버퍼 존을 생성하고,
    기하학적 면적은 상기 적어도 하나의 유입구와 상기 적어도 하나의 유출구 사이에서 평면 방향으로 측정되는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 캐소드 격실의 상기 적어도 하나의 유입구 중 임의의 유입구와 상기 캐소드 간의 최단 거리를 m이라고 하고, 상기 캐소드 격실의 상기 임의의 유입구와 상기 캐소드 격실의 상기 적어도 하나의 유출구 중 임의의 유출구 간의 최단 거리를 L이라고 할 때, m/L은 1% 내지 30% 범위 내에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 m/L은 2% 내지 25% 범위 내에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 m/L은 4% 내지 15% 범위 내에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  23. 제 19 항에 있어서, 상기 캐소드 격실의 상기 적어도 하나의 유출구 중 임의의 유출구와 상기 캐소드 간의 최단 거리를 n이라 하고, 상기 캐소드 격실의 상기 적어도 하나의 유입구 중 임의의 유입구와 상기 캐소드 격실의 상기 임의의 유출구 간의 최단 거리를 L이라 할 때, n/L은 1% 내지 30% 범위 내에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 n/L은 1% 내지 15% 범위 내에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 n/L은 2% 내지 10% 범위 내에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  26. 제 19 항에 있어서, 상기 캐소드 격실 내부에 배치되는 유동장(flowfield)을 더 포함하는 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 유동장은 천공부들을 갖춘 성형 금속 시트, 금속 폼(metal foam), 그래파이트 폼, 팽창 금속 메시, 금속 와이어 메시, 및 소결 다공질 금속 시트 중에서 선택되는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 유동장은 천공부들을 갖춘 성형 금속 시트, 금속 폼(metal foam), 그래파이트 폼, 팽창 금속 메시, 금속 와이어 메시, 및 소결 다공질 금속 시트 중에서 선택되는 적어도 2개의 물질을 포함하는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  29. 제 19 항에 있어서, 상기 제 1 쌍극성 판은 천공부들이 없는 성형 금속 시트인, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  30. 제 29 항에 있어서, 천공부들이 없는 상기 성형 금속 시트는 상기 캐소드와 직접 접촉하는 돌출부를 더 포함하는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  31. 제 19 항에 있어서, 상기 애노드 격실 내에 배치되는 유동장을 더 포함하는 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  32. 제 19 항에 있어서, 상기 애노드의 기하학적 면적은 상기 캐소드의 기학학적 면적과 동일한, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  33. 제 19 항에 있어서, 상기 캐소드 격실의 기하학적 형상은 실질적으로 장방형으로서, 상기 장방형의 한 변에 상기 적어도 하나의 유입구를, 그리고, 상기 장방형의 반대편 변에 상기 적어도 하나의 유출구를 갖는 장방형인, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  34. 제 19 항에 있어서, 상기 애노드 격실의 기하학적 형상은 곡선형인, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  35. 제 19 항에 있어서, 상기 캐소드 격실의 기하학적 면적은 2cm2 내지 2400cm2 범위에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  36. 제 19 항에 있어서, 상기 캐소드의 기하학적 면적은 2cm2 내지 2000cm2 범위에 있는, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
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