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KR20180080324A - 바이폴라 플레이트를 갖는 연료 전지 스택, 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

바이폴라 플레이트를 갖는 연료 전지 스택, 및 연료 전지 시스템 Download PDF

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KR20180080324A
KR20180080324A KR1020187016974A KR20187016974A KR20180080324A KR 20180080324 A KR20180080324 A KR 20180080324A KR 1020187016974 A KR1020187016974 A KR 1020187016974A KR 20187016974 A KR20187016974 A KR 20187016974A KR 20180080324 A KR20180080324 A KR 20180080324A
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KR1020187016974A
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한네스 숄츠
얀-필립 브링크마이어
다니엘 그룬다이
크리스티안 슐릿츠베르거
크리스티안 루카스
Original Assignee
폭스바겐 악티엔 게젤샤프트
아우디 아게
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Abstract

본 발명은, 하나의 활성 영역(16); 그리고 메인 가스 포트(22, 24) 및 메인 냉각제 포트(26)를 갖는 2개의 분배기 영역(18, 20);을 갖는 2개의 세퍼레이터 플레이트(12, 14)를 각각 구비한 바이폴라 플레이트들(10)을 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것으로, 상기 세퍼레이터 플레이트(12, 14)는, 개별 바이폴라 플레이트(10)가 반응 가스 및 냉각제를 위한 별도의 채널(28, 30, 32)을 갖도록 설계 및 적층 배치되고, 이들 채널은 두 분배기 영역(18, 20)의 반응 가스용 메인 가스 포트(22, 24)와 메인 냉각제 포트(26)를 서로 연결한다. 본 발명에 따라, 반응 가스용 채널(28)이 활성 영역(16)의 입구 영역(40)에, 채널(28)을 2개의 용적 영역(58, 60)으로 분할하는 불투과성 제1 배플 플레이트(38)를 가지며, 반응 가스의 공급을 위해 분배기 영역(18) 내에서 제1 메인 가스 포트(22) 옆에 제2 메인 가스 포트(23)가 제공된다. 본 발명의 또 다른 대상은, 본 발명에 따른 연료 전지 스택을 구비한 연료 전지 시스템이다.

Description

바이폴라 플레이트를 갖는 연료 전지 스택, 및 연료 전지 시스템
본 발명은, 각각 하나의 활성 영역을 갖는 각각 2개의 프로파일링된 세퍼레이터 플레이트; 그리고 상기 활성 영역으로부터 반응 가스를 공급 및 방출하기 위한 각각 2개의 메인 가스 포트 및 상기 활성 영역으로부터 냉각제를 공급 및 방출하기 위한 하나의 메인 냉각제 포트를 갖는 2개의 분배기 영역;을 포함하는 바이폴라 플레이트를 가진 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 상기 세퍼레이터 플레이트는, 개별 바이폴라 플레이트가 반응 가스 및 냉각제를 위한 별도의 채널을 구비하도록 설계 및 적층 배치되고, 이들 채널은 양측 분배기 영역의 반응 가스용 메인 가스 포트들과 메인 냉각제 포트를 서로 연결하며, 이때 반응 가스용 채널들은 각각 일 세퍼레이터 플레이트의 표면 및 가스 확산층의 표면에 의해 제한된다.
연료 전지는, 전기 에너지를 발생시키기 위해, 산소를 함유한 연료를 물로 화학적으로 변환하는 방식을 이용한다. 이를 위해, 연료 전지는 이온 전도성의, 특히 양성자 전도성의 멤브레인 및 이 멤브레인의 양 측면에 배치된 각각 하나의 전극(애노드 및 캐소드)으로 이루어진 복합체인 소위 멤브레인 전극 유닛(MEA: membrane electrode assembly)을 핵심 구성 요소로서 포함한다. 또한, 가스 확산층(GDL)이 멤브레인 전극 유닛의 양 측면에서 멤브레인으로부터 먼 쪽을 향하는 전극 측들에 배치될 수 있다. 일반적으로, 연료 전지는 스택(stack) 내에 배치된 복수의 MEA에 의해 형성되며, 이들 MEA에 전기 라인들이 부가된다. 연료 전지의 작동 중에는, 연료, 특히 수소(H2) 또는 수소를 함유하는 가스 혼합물이 애노드에 공급되고, 이곳에서 전자가 방출되면서 H2로부터 H+로의 전기 화학적 산화가 일어난다. 반응 챔버들을 상호 기밀되도록 분리하고 전기적으로 절연하는 멤브레인 또는 전해질을 통해, 애노드 챔버로부터 캐소드 챔버로 (물과 결합된 또는 물이 없는) 양성자(H+)의 운반이 수행된다. 애노드에 제공되는 전자는 전기 라인을 통해 캐소드로 공급된다. 캐소드에 산소 또는 산소 함유 가스 혼합물이 공급됨으로써, 양성자 및 전자의 흡수 하에 O2로부터 물(H2O)로의 환원이 일어난다.
연료 전지는 스택 내에 배치된 복수의 멤브레인 전극 유닛에 의해 형성되므로, 연료 전지 스택에 대해서도 언급된다. 2개의 멤브레인 전극 유닛 사이에는 바이폴라 플레이트가 각각 하나씩 배치되며, 이들 바이폴라 플레이트는, 개별 전지에 작동 매체, 다시 말해 반응물 및 냉각 유체가 공급되는 점을 보장한다. 또한, 바이폴라 플레이트는 멤브레인 전극 유닛에 대한 전기 전도성 접촉도 제공해준다. 더 나아가, 바이폴라 플레이트는 애노드 챔버와 캐소드 챔버 간의 밀봉식 분리도 보장한다.
바이폴라 플레이트는 대부분 프로파일링된 2개의 전기 전도성 세퍼레이터 플레이트로 구성되며, 이들 세퍼레이터 플레이트는 플레이트 양 측면에 배치된 입면 프로파일(elevation profile) 형태의 구조를 갖는다. 이러한 프로파일에 의해, 플레이트의 양 측면에 작동 매체를 안내하도록 설계된 다소 불연속적인 채널들이 형성된다. 작동 매체들이 다시 플레이트에 의해 상호 분리됨으로써, 플레이트 내부에서는 냉각제가 안내되는 한편, 외부에서는 반응 가스가 안내된다. 반응 가스의 채널들은 한 편으로 개별 플레이트에 의해 제한되고, 다른 한 편으로 가스 확산층에 의해 제한된다.
연료 전지의 출력 밀도, 효율 및 수명을 높이기 위해, 바이폴라 플레이트 내 반응 가스와 관련하여 수분 평형(water balance)을 제어하기 위하여, 특히 WO 2012/143781 A1호 및 US 20090197134 A1호에서는, 가습될 반응 가스용 채널 내로 티타늄 소재의 복수의 금속 스트립을 삽입하는 점을 제안하였지만, 이들 금속 스트립을 고정 및 위치 설정하거나, 천공된 금속 플레이트를 채널 내로 삽입하기가 어렵기 때문에, 이 방법은 비용이 많이 들고 제조도 복잡하다. 또한, 이와 같은 해결책들은 흑연 바이폴라 플레이트와의 조합하여 적용될 수도 없다.
종래 기술에는 또한, 가습기를 이용하여 연료 전지 스택 외부에서 미리 반응 가스를 규정된 습도에 도달시키는 방법도 공지되어 있다.
본 발명의 과제는, 간단하고도 비용 효율적인 방식으로 반응 가스의 수분 평형의 제어를 가능하게 하는, 바이폴라 플레이트를 갖는 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제는, 각각 하나의 활성 영역; 그리고 상기 활성 영역으로부터 반응 가스를 공급 및 방출하기 위한 각각 2개의 메인 가스 포트 및 상기 활성 영역으로부터 냉각제를 공급 및 방출하기 위한 하나의 메인 냉각제 포트를 갖는 2개의 분배기 영역;을 갖는 2개의 프로파일링된 세퍼레이터 플레이트를 각각 구비한 바이폴라 플레이트들을 포함하는 연료 전지 스택에 의해 해결되며, 상기 세퍼레이터 플레이트는, 개별 바이폴라 플레이트가 반응 가스 및 냉각제를 위한 별도의 채널을 갖도록 설계 및 적층 배치된다. 이들 채널은 두 분배기 영역의 반응 가스용 메인 가스 포트와 메인 냉각제 포트를 서로 연결하며, 이 경우 반응 가스용 채널들은 각각 세퍼레이터 플레이트의 표면 및 가스 확산층의 표면에 의해 제한된다. 본 발명에 따라, 반응 가스들 중 하나를 위한 채널이 활성 영역의 입구 영역에 불투과성 제1 배플 플레이트(baffle plate)를 가지고, 이 배플 플레이트는 입구 영역 내 채널들을 각각 2개의 용적 영역으로 분할하고, 반응 가스의 유동 방향으로 연장되며, 이 경우 채널들의 단 하나의 용적 영역만 가스 확산층에 인접해 있다. 또한, 본 발명에 따라, 2개의 용적 영역으로 분할된 채널들에 반응 가스를 공급하기 위해 분배기 영역 내에서 제1 메인 가스 포트 옆에 제2 메인 가스 포트가 배치되며, 이 경우 가스 확산층에 인접한 용적 영역은 제1 메인 가스 포트와 연결되고, 가스 확산층에 인접하지 않은 용적 영역은 제2 메인 가스 포트와 연결된다.
반응 가스, 바람직하게는 공기를 위한 2개의 메인 가스 포트를 갖는 일 분배기 영역의 본 발명에 따른 실시예를 통해, 바람직하게, 가스 확산층에 인접한 용적 영역에 이미 가습된 공기를 공급할 수 있는 한편, 또 다른 메인 가스 포트를 통해서는 가습되지 않은 건조한 반응 가스, 바람직하게는 공기가 공급됨으로써, 가스 확산층과 접촉하는 가습된 공기는 처음부터 적합한 수분을 갖는다.
또한, 하나 이상의 반응 가스를 위한 하나 이상의 가습기를 구비한 연료 전지 시스템도 청구되며, 이 경우 바람직한 방식으로 가습기(들)가 통상적인 경우보다 작게 설계될 수 있는데, 그 이유는 전용적으로 사용되는 반응 가스의 일부량만 가습되면 되기 때문이다.
배플 플레이트는 바람직하게, 가습된 반응 가스가 건조한 반응 가스로부터 분리된 상태료 유지되거나, 가습된 공기가 건조한 공기로부터 분리된 상태로 유지되고, 이로써 가습기에 의해 설정된 활성 영역 시작 시의 습도가 그대로 유지되도록, 상응하는 세퍼레이터 플레이트에 대해 그리고 가스 확산층을 구성 부품으로 포함하는 멤브레인 전극 유닛(MEA)에 대해 밀봉된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양측 반응 가스용 채널에 각각 하나의 배플 플레이트가 설치될 수 있다. 이들 채널은 바람직하게 상호 구별되는데, 그 이유는 상이한 반응 가스에 의해 이들 채널의 구성에 대해 요건들도 상이하게 나타나기 때문이다. 그에 상응하게, 제2 반응 가스를 위해서도 마찬가지로 제2 메인 가스 포트가 제공됨으로써, 배플 플레이트에 의해 형성된 용적 영역에 상이한 메인 가스 포트로부터 전력이 공급된다. 그에 상응하게 연료 전지 시스템의 가습기 및 그의 접속이 조정될 수 있다. 경우에 따라 제2 가습기가 제공될 수 있다.
상기 본 발명에 따른 실시예에 의해 바람직한 방식으로, 불투과성 배플 플레이트로 인해 가스 확산층을 통과하는 물이, 이미 원하는 습도를 갖고 있는 반응 가스의 일부분만 가습할 수 있게 된다. 상기 일부분은 물론 가스 확산층에 인접해 있는 채널의 영역 내에 있다.
연료 전지 스택의 본 발명에 따른 실시예는 바람직한 방식으로 금속 또는 흑연 바이폴라 플레이트의 사용을 위해 적합하다.
바람직하게, 배플 플레이트는 반응 가스용 채널 길이의 절반을 초과하지 않는 범위에 걸쳐 연장되는데, 그 이유는 상기 구간 이후에 통상 반응 가스의 충분한 가습이 이루어지기 때문이다.
바람직한 일 실시예에 따르면, 채널 내에는 하나 이상의 또 다른 불투과성 배플 플레이트, 바람직하게는 2개 내지 4개의 배플 플레이트, 특히 바람직하게는 2개 내지 3개의 배플 플레이트가 배치된다. 이들 배플 플레이트가 서로에 대해 각각 간격을 가짐으로써, 이 지점에서는, 반응 가스의 지나치게 강한 가습 및 전기 화학 반응의 실시로 인한 반응물의 지나치게 강한 공핍 현상을 피하기 위하여, 반응 가스의 두 용적 유량의 혼합이 이루어질 수 있다. 2개 배플 플레이트 사이의 틈 또는 간격 뒤에서는, 그 다음 틈에 의해 습도가 다시 하강 조절되기 전에, 습도가 다시 상승할 수 있다. 따라서, 채널의 전체 길이에 걸쳐 상대적으로 균일한 가습이 달성될 수 있다. 연속하는 2개 배플 플레이트의 간격은, 두 용적 유량의 혼합이 실시될 수 있도록 선택될 수 있다. 이와 같은 이유에서, 상기 간격은 채널 깊이의 수배가 되어야 한다.
후속하는 배플 플레이트들이 바람직하게 각각 선행하는 배플 플레이트보다 짧은 길이를 가짐으로써, 상응하는 효과가 달성될 수 있다.
채널 내에서 압력차를 야기하지 않기 위하여, 하나 이상의 배플 플레이트가 바람직하게 가스 확산층에 대해 평행하게 정렬된다.
채널들을 위한 하나 이상의 배플 플레이트의 구성은, 개별 연료 전지 시스템의 특정 요구 조건에 따라 좌우된다.
두 용적 영역의 횡단면들은 서로 상이할 수 있다. 중요한 것은, 수분 거동, 압력 손실 및 반응물 소비량(반응 가스)를 고려해서, 하나 이상의 배플 플레이트의 형상 및 길이를 설계 목적에 상응하게 구현하는 것이다. 이 경우에 유의해야 할 점은, 가스 확산층(GDL)에 인접하는 용적 영역 내에서 흐르는 용적 유량이 적을수록, 배플 플레이트에 의해 분할된 채널 섹션이 그만큼 더 짧아야 한다는 것이다.
따라서, 용적 영역을 원하는 방식으로 형성하거나 치수 설계하기 위해, 하나 이상의 배플 플레이트는 평평하게 또는 입용적으로 형성될 수 있다. 이 경우에 유의해야 할 사실은, 용적 유량이 지나치게 작게 형성되어서는 안 된다는 것이다. 또한, 가스 확산층에 접하는 용적 영역의 높이도 가급적 높게 설계되어야 하는데, 그 이유는 개별 세퍼레이터 플레이트가 소정의 정도까지 가스 확산층 내부로 삽입됨으로써, 용적 영역의 높이가 재차 줄어들 수 있기 때문이다.
그에 상응하게, 하나 이상의 세퍼레이터 플레이트도 형성될 수 있음으로써, 하나 이상의 배플 플레이트의 형상과의 상호 작용에서, (물 함량이 상이한) 반응 가스(들)의 용적 유량을 조정할 수 있는 추가의 가능성이 도출된다.
또한, 상황에 따라 균일한 가습에 악영향을 미칠 수 있는 반응 가스의 바람직하지 않은 난류를 저지하기 위하여, 채널이 주로 직선 형태로 연장되는 것도 바람직하다.
캐소드 가스의 이송을 위한 채널을 본 발명에 따라 형성하고 제2 메인 가스 포트를 제공하는 것이 바람직하다. 이와 같은 실시예는, 앞에서 이미 기술된 바와 같이, 애노드 가스의 이송을 위한 채널용으로도 바람직할 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 모든 채널, 다시 말해 캐소드 가스 이송용 채널 및 애노드 가스 이송용 채널이 그와 같이 형성될 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 연료 전지 스택에서 사용되는 멤브레인은 폴리머 전해질 멤브레인이다.
연료 전지 스택 또는 연료 전지 시스템은 이동식 또는 고정식 적용을 위해 사용될 수 있다. 특히, 이들은 차량 구동용 전동기에 전력을 공급하기 위해서 이용된다. 따라서, 본 발명에 따른 연료 전지 스택을 구비한 연료 전지 시스템 및 이와 같은 시스템을 갖춘 차량도 본 발명의 대상이 된다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택의 바이폴라 플레이트는 특히, 캐소드 채널의 직선성으로 인해 물 배출이 촉진되고, 이로써 물 축적(water accumulation)에 의한 캐소드 채널의 막힘이 최대한 광범위하게 또는 완전히 억제된다는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 배치로 인해, 모든 캐소드 채널이 동일한 길이를 갖는다. 이는 재차 반응 가스의 압력 및 용적 유량의 균일한 분포를 촉진한다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택 또는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 바람직하게, 개별 바이폴라 플레이트에 걸쳐서 뿐만 아니라 전체 연료 전지 스택에 걸쳐서도, 최적화된 질량 흐름 분포와 더불어 작동 매체, 특히 냉각제의 낮은 압력 손실을 갖는다. 또한, 바람직한 방식으로 연료 전지 스택 내의 수분 평형이 개선됨으로써, 연료 전지의 출력 밀도, 효율 및 수명의 증가가 도출된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 언급된 나머지 특징들로부터 나타난다.
본원에서 언급된 본 발명의 다양한 실시예들은, 개별적인 상황에서 달리 명시되지 않는 한, 바람직하게 서로 조합될 수 있다.
본 발명은, 관련 도면들을 참조하는 이하의 실시예들에서 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 구조의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 구조 및 반응 가스용 채널 내부에서의 물 함량 거동의 개략도이다.
도 3은 멤브레인 전극 유닛 내 반응 가스의 상대 습도의 CFD(computational fluid dynamics) 시뮬레이션을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 1에는, 도면에 도시되어 있지 않은 본 발명에 따른 연료 전지 스택을 위한, 본 발명에 따라 형성된 바이폴라 플레이트(10)가 도시되어 있다.
바이폴라 플레이트(10)는 2개의 프로파일링된 세퍼레이터 플레이트(12, 14)를 구비하고, 이들 플레이트는 공동으로 하나의 활성 영역(16)을 형성하며, 이 활성 영역은 양 측면에서 분배기 영역(18, 20)과 접하고, 이들 분배기 영역은 각각 반응 가스용의 2개의 메인 가스 포트(22, 24) 및 냉각제용의 하나의 메인 가스 포트(26)를 구비하며, 이들 메인 가스 포트를 통해서 활성 영역(16)에 반응 가스 및 냉각제가 공급된다. 또한, 반응 가스가 그 내부에 공급되는 분배기 영역(18)은 제2 메인 가스 포트(23)를 구비하며, 이 제2 메인 가스 포트는 제1 메인 가스 포트(22)와 동일한 반응 가스로 채워지지만, 제1 메인 가스 포트(22)용 반응 가스는 가습되어 있고 제2 메인 가스 포트(23)용 반응 가스는 가습되어 있지 않다. 바이폴라 플레이트(10) 내에서는, 본 도면에 상세하게 도시되어 있지 않은 반응 가스용 및 냉각제용의 별도의 채널(28, 30, 32)이 연장된다. 활성 영역(16)은 다시 2개의 부분 영역(34, 36)으로 분할되며, 이 경우 제1 부분 영역(34) 내에서는 반응 가스들 중 하나를 위한 채널(28)에 도 1에 상세하게 도시되어 있지 않은 배플 플레이트(38)가 제공되고, 이 경우 상기 부분 영역(34)은, 활성 영역(16) 내에서, 2개의 메인 가스 포트(22, 23)를 통해 공급되는 상응하는 반응 가스의 입구 영역(40)에 상응한다.
배플 플레이트(38)는, 파선으로 도시되어 있는 밀봉부(42)에 의해 세퍼레이터 플레이트(12, 14)에 대해 밀봉되고, 점선으로 도시되어 있는 밀봉부(44)에 의해서는 도면에 도시되지 않은 멤브레인 전극 유닛(MEA)에 대해 밀봉된다. 또한, 세퍼레이터 플레이트(12, 14)는, 가습된 상태로 그리고 가습되지 않은 상태로 공급되는 반응 가스를 위해, 실선으로 나타낸, 멤브레인 전극 유닛(MEA)에 대한 추가의 밀봉부(46)를 구비한다.
도 2는, 본 발명에 따라 형성된 반응 가스용 바이폴라 플레이트(10)의 채널들 중 일 채널(28)의 종단면을 보여주며, 여기서 유동 방향(48)은 화살표로 지시되어 있다. 이하에서 더 설명되는 바와 같이 가스 확산층(52)에 접하는 채널(28)의 일 측면(50)으로부터, 생성수(54)가 화살표로 표시된 바와 같이 채널 내부로 유입됨으로써, 반응 가스가 추가로 가습된다.
반응 가스 내 물 비율(H2O/Vol.)은 그래프에서 활성 영역(16)의 길이(l)에 대해 곡선(56)에 의해 도시된다.
가습된 반응 가스는, 도 2에 도시되지 않은 제1 메인 가스 포트(22)를 통해서 활성 영역(16) 내로 도입되긴 하나, 오직 배플 플레이트(38)와 가스 확산층(52) 사이의 용적 영역(58) 내로만 도입된다. 건조한 반응 가스는, 마찬가지로 본 도면에는 도시되어 있지 않은 제2 메인 가스 포트(23)를 통해서 활성 영역(16) 내로 도입되긴 하나, 배플 플레이트(38)와 세퍼레이터 플레이트(12, 14) 사이에 있는 용적 영역(60) 내로만 도입된다.
상기 실시예에 의해 곡선(56)의 분할이 나타난다. 따라서, 가습된 반응 가스가 유입되는 채널(28)의 용적 영역(58)에 할당될 수 있는 부분 곡선(56a)이 존재하게 된다. 채널(28)의 다른 용적 영역(60)은 부분 곡선(56b)에 따른 곡선 파형(파선으로 도시됨)을 보여준다.
용적 영역(58)의 부분 곡선(56a)이 생성수(54)의 유입에 의해서, 가습에 의해 사전 설정된 물 함량에서 시작하여 급격한 상승을 보이는 한편, 다른 용적 영역(58)의 곡선(56b)에 따른 물 함량은 동일하게 낮은 수준으로 유지되는데, 그 이유는 이곳에서는 생성수(54)에 의한 가습이 전혀 이루어지지 않아, 반응 가스가 건조한 상태로 유입되었기 때문이다.
채널(28)의 반응 가스가 배플 플레이트(38) 뒤에 남는 즉시, 부분 곡선들(56a 및 56b)은 신속하게 합쳐지는데, 그 이유는 물 함량이 반응 가스의 전체 용적 내에 분포하기 때문이다. 그 다음에, 곡선(48)은 재차, 반응 가스 내로의 생성수(54)의 흡수에 의한 물 함량의 연속적인 상승을 보인다.
도 3은, 채널(28, 30)과 접하는 멤브레인 전극 유닛(MEA)(62) 내부에서 반응 가스의 상대 습도 거동 및 유동 거동을 CFD 시뮬레이션에 기반하여 개략적으로 보여준다. 이와 같은 시뮬레이션의 결과는 도 2의 곡선(56)에 상응한다.
가습된 반응 가스는 제1 메인 가스 포트(22)를 통해서 활성 영역(16) 내로 도입되고, 배플 플레이트(38)와 가스 확산층(52) 사이의 용적 영역(58) 내에 도달한다. 초기의 상대 습도는 연속으로 상승하며, MEA(62)의 다른 층들에서의 습도 거동에 상응한다.
배플 플레이트(38)를 갖는 입구 영역(40)의 단부 뒤에서는, 용적 영역(60)으로부터 유래하는 건조한 반응 가스와 가습된 반응 가스의 혼합이 이루어진다. 그 결과, 활성 영역(16)과 접촉하는 가스의 상대 습도가 감소하게 된다. 도 3에 따른 CFD 시뮬레이션은, 건조하거나 가습되지 않은 반응 가스의 혼합에도 불구하고, 활성 영역(16) 내에서의 [다시 말해, MEA(62)의 층들 내에서의] 상대 습도가 반응 가스 변환 시의 고효율을 위해 필수적인 높은 수준으로 유지되는 점을 보여준다.
도 4는, 연료 전지 시스템(66) 내 반응 가스용 구간(64)을 개략적으로 보여준다. 반응 가스는 바이패스 밸브(68)에 의해 2개의 용적 유량으로 분할되며, 이 경우 반응 가스의 일 용적 유량이 먼저 가습기(70)에 공급되어 그곳에서 가습된다. 이어서, 가습된 반응 가스가 제1 메인 가스 포트(22) 내로 공급된다. 그와 동시에, 분리된 용적 유량이 가습 없이 제2 메인 가스 포트(23)에 공급됨으로써, 두 용적 유량은 배플 플레이트(38)에 의해 상호 분리된 상태로 활성 영역(16) 내부에 도달하게 된다. 활성 영역(16)을 관류한 후에 반응 가스의 방출을 위해서 분배기 영역(20)의 메인 가스 포트(22)로부터 배출되는 반응 가스는 다시 수분 교환을 수행하기 위해 가습기(70)에 공급된다. 이어서 상기 반응 가스는 배기 가스에 공급된다. 반응 가스의 전술한 공급 및 방출은 도면에 상세하게 도시되어 있지 않은 라인 시스템을 통해 이루어진다.
10: 바이폴라 플레이트
12, 14: 세퍼레이터 플레이트
16: 활성 영역
18, 20: 분배기 영역
22, 23: 가습된 그리고 가습되지 않은 반응 가스용 메인 가스 포트
24: 반응 가스용 메인 가스 포트
26: 냉각제용 메인 가스 포트
28, 30, 32: 작동 매체용 채널
34, 36: 부분 영역
38: 배플 플레이트
40: 입구 영역
42, 44, 46: 밀봉부
48: 유동 방향
50: 측면
52: 가스 확산층
54: 생성수
56: 곡선
58, 60: 용적 영역
62: 멤브레인 전극 유닛(MEA)
64: 구간
66: 연료 전지 시스템
68: 바이패스 밸브(68)
70: 가습기
l: 길이

Claims (10)

  1. 바이폴라 플레이트(10)를 가진 연료 전지 스택으로서, 상기 바이폴라 플레이트는, 각각 하나의 활성 영역(16); 그리고 상기 활성 영역(16)으로부터 반응 가스를 공급 및 방출하기 위한 각각 2개의 메인 가스 포트(22, 24) 및 상기 활성 영역(16)으로부터 냉각제를 공급 및 방출하기 위한 하나의 메인 냉각제 포트(26)를 갖는 2개의 분배기 영역(18, 20);을 갖는 2개의 프로파일링된 세퍼레이터 플레이트(12, 14)를 포함하며, 상기 세퍼레이터 플레이트(12, 14)는, 개별 바이폴라 플레이트(10)가 반응 가스 및 냉각제를 위한 별도의 채널(28, 30, 32)을 구비하도록 설계 및 적층 배치되고, 상기 채널들은 양측 분배기 영역(18, 20)의 반응 가스용 메인 가스 포트(22, 24)와 메인 냉각제 포트(26)를 서로 연결하며, 상기 반응 가스용 채널들(28, 30)은 각각 활성 영역에서 세퍼레이터 플레이트(12, 14)의 표면 및 가스 확산층(52)의 표면에 의해 제한되는, 바이폴라 플레이트를 가진 연료 전지 스택에 있어서,
    반응 가스용 채널들(28)이 활성 영역(16)의 입구 영역(40)에, 상기 채널들(28)을 2개의 용적 영역(58, 60)으로 각각 분할하고 유동 방향(48)으로 연장되는 불투과성 제1 배플 플레이트(38)를 가지고, 상기 채널들(28)의 단 하나의 용적 영역(58)만 가스 확산층(52)에 인접하며,
    2개의 용적 영역(58, 60)으로 분할된 채널들(28)에 반응 가스를 공급하기 위해 분배기 영역(18) 내에서 제1 메인 가스 포트(22) 옆에 제2 메인 가스 포트(23)가 제공되며, 가스 확산층(52)에 인접하는 용적 영역(58)은 제1 메인 가스 포트(22)와 연결되고, 가스 확산층(52)에 인접하지 않는 용적 영역(60)은 제2 메인 가스 포트(23)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트를 가진 연료 전지 스택.
  2. 제1항에 있어서, 채널(28) 내에서 제1 배플 플레이트(38)의 하류에 하나 또는 복수의 또 다른 불투과성 배플 플레이트(들), 바람직하게는 2개 또는 3개의, 특히 바람직하게는 3개의 배플 플레이트(54)가 배치되며, 모든 배플 플레이트(38)는 상호 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트를 가진 연료 전지 스택.
  3. 제2항에 있어서, 채널(28)의 입구 영역(40)으로부터 출발해서, 제1 배플 플레이트(38)에 후속하는 각각의 배플 플레이트가 각각 선행하는 배플 플레이트(38)보다 짧은 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트를 가진 연료 전지 스택.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 배플 플레이트(38) 또는 배플 플레이트들(38)이 가스 확산층(52)에 대해 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트를 가진 연료 전지 스택.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 배플 플레이트(38) 또는 배플 플레이트들에 의해 제공되는 영역(58, 60)이, 동일한 반응 가스 용적 유량을 허용하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트를 가진 연료 전지 스택.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 채널들(20, 30, 32)은 직선 형태로 연장되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트를 가진 연료 전지 스택.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 두 가지 반응 가스용 채널(28, 30)이 활성 영역(16)의 입구 영역(40)에, 상기 채널(28, 30)을 2개의 용적 영역(58, 60)으로 각각 분할하고 유동 방향(48)으로 연장되는 불투과성 제1 배플 플레이트(38)를 구비하고, 상기 채널(28, 30)의 단 하나의 용적 영역(58)만 가스 확산층(52)에 인접하며,
    2개의 용적 영역(58, 60)으로 분할된 채널(28, 30)에 두 가지 반응 가스를 공급하기 위해 분배기 영역(18, 20) 내에서 제1 메인 가스 포트(22, 24) 옆에 제2 메인 가스 포트(23)가 제공되며, 가스 확산층(52)에 인접하는 용적 영역(58)은 제1 메인 가스 포트(22, 24)와 연결되고, 가스 확산층(52)에 인접하지 않는 용적 영역(60)은 제2 메인 가스 포트(23)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트를 가진 연료 전지 스택.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지 스택이 폴리머 전해질 멤브레인(60)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 플레이트를 가진 연료 전지 스택.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은, 한 가지 이상의 반응 가스의 일부를 가습하도록 설계된 하나 이상의 가습기(70)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
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