연료 전지 및 연료 전지 배열체{FUEL CELL AND FUEL CELL ARRANGEMENT}

차량들 및 모바일 디바이스들에 연료 전지들을 사용하여 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이 알려져 있다. 이러한 종류의 연료 전지는 PEM 연료 전지 (폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지) 이다.

DE 103 93 467 T5 는 예를 들어, 이 종류의 PEM 연료 전지의 통상의 설계를 개시한다. PEM 연료 전지는 고체 폴리머 멤브레인, 및 고체 폴리머 멤브레인의 반대되는 측면들에 배치된 2 개의 전극들, 즉, 애노드와 캐소드를 갖는 멤브레인 전극 배열체를 포함한다. 이 경우에, 전극들은 고체 폴리머 멤브레인에 비해 더 짧은 종방향 범위를 가져, 고체 폴리머 멤브레인의 에지들이 전극들의 영역을 넘어서 돌출하도록 한다.

복수의 이들 PEM 전지들은 통상적으로 가능한 높은 모듈 전압들을 실현하기 위하여 서로에 대해 직렬로 접속되어 있다. 따라서, 단일의 결함있는 전지는 전체 모듈의 브레이크다운을 야기할 수 있다. PEM 전지의 신뢰성 레벨 및 서비스 수명은, 캐소드로부터 애노드로 산소의 높은 확산 누출 레이트 및 높은 캐소드 전위가 존재하는 경우에 심하게 영향을 받을 수 있다. 비교적 높은 캐소드 전위들 및 이에 따라 멤브레인의 증가된 비가역적 열화가 전지들의 에지 영역에서 특히 예상되며, 에지 영역의 더 낮은 전류 밀도들이 우세해진다. 멤브레인의 열화는 멤브레인 내의 홀들의 형성 및 모듈의 브레이크다운을 야기할 수 있다.

본 발명의 목적은 비교적 높은 신뢰성 레벨 및 비교적 긴 서비스 수명을 갖는 연료 전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 2 개의 가스 확산 층들 사이에 배치된 멤브레인, 그리고 또한 멤브레인의 제 1 측면에 배치된 제 1 집전체와, 제 2 측면에 배치된 제 2 집전체를 포함하되, 제 2 측면은 제 1 측면에 반대되어 위치되고, 제 2 집전체 에지 영역은 멤브레인의 적어도 제 2 측면에서의 멤브레인의 에지 영역까지 실질적으로 연장되거나, 또는 제 2 집전체 에지 영역은, 멤브레인의 제 1 측면에 배치된 제 1 집전체 에지 영역보다 멤브레인의 제 2 측면에서의 멤브레인의 에지 영역의 방향으로 더 연장되는, 연료 전지에 의해 실현된다.

본 발명에 따른 연료 전지는 개선된 전기 접속이 연료 전지의 에지 영역에서 구현되어 그 결과 에지 영역에서의 전류 밀도가 증가하는 점에서 종래 기술에 비해 이점을 갖는다. 에지 영역에서의 증가된 전류 밀도는 에지 영역에서의 캐소드 전위가 감소되는 것을 유리하게 초래하며, 따라서, 멤브레인이 열화하는 경향을 상당히 낮춘다. 따라서, 연료 전지의 신뢰성 레벨 및 내구성이 상당히 증가된다. 연료 전지는 특히 PEM 연료 전지 (폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지) 를 포함한다.

본 발명의 유리한 개선들 및 전개들은 도면을 참조하여 상세한 설명으로부터 그리고 또한 종속항들로부터 추가될 수 있다.

본 발명의 바람직한 선호되는 전개에 따르면, 제 1 집전체 에지 영역이 마찬가지로 멤브레인의 제 1 면에서의 멤브레인의 에지 영역까지 실질적으로 연장되는 것이 제공된다. 따라서, 제 1 집전체 에지 영역 및 제 2 집전체 에지 영역은 유리하게 에지 영역에서 멤브레인에 대하여 직교하는 방향을 따라 서로 겹쳐져 특히 서로 합동인 형태로 놓인다. 이는 에너지 영역에서의 전류 밀도가 추가로 증가되고 에지 영역에서의 멤브레인의 열화가 추가로 대응되는 것을 가져온다.

본 발명의 추가의 선호되는 전개에 따르면, 제 1 및/또는 제 2 집전체 에지 영역은 멤브레인에 평행한 주 평면 범위에서 멤브레인의 에지를 따라 전체적으로 이어지는 것이 제공된다. 제 1 및 제 2 집전체 에지 영역들은 특히, 주 평면 범위에서 둘러싸는 방식으로 형성된다. 따라서, 멤브레인의 전체 에지 영역에서, 멤브레인이 분리되는 경향이 유리하게 감소된다.

본 발명의 추가의 선호되는 전개에 따르면, 제 1 집전체는 제 1 집전체 에지 영역 및 적어도 하나의 제 1 집전체 중심 영역을 포함하는 것이 제공되고, 여기에서 제 2 집전체는 제 2 집전체 에지 영역 및 적어도 하나의 제 2 집전체 중심 영역을 포함한다. 제 1 집전체 에지 영역 및 적어도 하나의 제 1 집전체 중심 영역은 서로 끊김없이 병합되거나 또는 대안으로서, 심 (seam) 에 의해 물리적으로 서로 분리된다. 이와 유사하게, 제 2 집전체 에지 영역 및 적어도 하나의 제 2 집전체 중심 영역은 마찬가지로 서로 끊김없이 병합되거나 또는 심에 의해 물리적으로 서로 분리된다. 집전체 에지 영역들로부터 집전체 중심 영역들의 분리는 멤브레인으로부터 또는 가스 확산 층들로부터의 가스가 상기 영역들 사이에서 순환할 수 있게 되는 이점을 갖는다.

본 발명의 추가의 선호되는 전개에 따르면, 연료 전지는 제 1 집전체와 제 2 집전체 사이에 전기적으로 접속된 전기 부하를 포함하는 것이 제공된다. 전기 부하는 제 1 및 제 2 집전체 에지 영역에 직접 접속되거나, 또는 제 2 집전체 에지 영역에 그리고 적어도 하나의 제 1 집전체 중심 영역에 직접 접속된다. 전기 부하는 바람직하게, 비반응성 저항기 (non-reactive resistor), 인덕턴스 갈바니 소자 (galvanic element), 외부 부하에 대한 접속부, 퍼텐쇼-(potentio-) 또는 정전류 (galvanostatic) 제어 시스템을 갖춘 전자 장치 시스템 및/또는 외부 부하를 공급하기 위한 전자 장치 시스템을 포함한다. 전기 부하는 멤브레인의 에지 영역에서의 전류 밀도에서의 추가적인 증가를 유리하게 제공한다. 본 발명의 의미 내에서, 전기 부하는, 멤브레인의 에지 영역에서의 전류 밀도를 증가시키고 이에 따라 연료 전지의 서비스 수명을 증가시키기 위하여, 연료 전지의 유효 전력이 소비되도록 의도되어 있지 않고 전기 부하가 연료 전지의 실제 부하와 병렬로 접속되어 이를 통하여 잘 정의된 작은 누설 전류만이 흐르도록 의도되는 전기 부하를 포함한다. 연료 전지의 실제 유효 전력은 적어도 하나의 제 1 집전체 중심 영역 및 적어도 하나의 제 2 집전체 중심 영역에 의해 전기적 콘택이 이루어지는 프라이머리 전기 부하 회로를 제공하도록 역할을 한다. 전기 부하는 일시적으로 접속될 수 있는 것이 바람직하게 제공된다. 전기 부하는 특히 고유의 동작 상태들에서 접속된다.

본 발명의 추가의 선호되는 개선에 따르면, 멤브레인의 각각의 측면에서 각각의 가스 확산 층과 멤브레인 사이에 촉매층이 배치되는 것이 제공된다. 또한, 특히, 제 1 집전체는 애노드를 포함하고, 제 2 집전체는 캐소드를 포함하는 것이 제공된다. 그러나, 유사하게, 제 2 집전체가 애노드를 포함할 수 있고 제 1 집전체가 캐소드를 포함할 수 있다.

본 발명의 추가의 선호되는 전개에 따르면, 연료 전지는 멤브레인의 에지 영역에서 멤브레인, 가스 확산 층들, 촉매 층들, 및 집전체들을 인케이싱 (encase) 하는 전기적으로 절연된 에지 인클로저를 포함하는 것이 제공된다.

본 발명의 추가적인 청구 대상은 본 발명에 따른 제 1 연료 전지, 본 발명에 따른 제 2 연료 전지, 및 전기 부하를 포함하는 연료 전지 배열체이며, 여기에서, 제 1 연료 전지 및 제 2 연료 전지는 서로 직렬로 접속되며, 전기 부하가 제 1 연료 전지의 제 1 집전체 에지 영역과 제 2 연료 전지의 제 2 집전체 에지 영역 사이에 전기적으로 접속되게 되며, 제 1 연료 전지의 제 2 집전체 에지 영역은 제 2 연료 전지의 제 1 집전체 에지 영역에 직접 접속되는 방식으로 전기 부하가 제 1 연료 전지와 제 2 연료 전지에 직렬로 접속된다. 따라서, 복수의 연료 전지들은 연료 전지들의 개별적인 에지 영역들에서 전류 밀도를 증가시키도록 기능하는 하나의 전기 부하를 유리하게 공유한다.

본 발명의 추가의 세부 사항들, 특징들 및 이점들은 도면들을 이용하여 선호되는 실시형태들의 다음 설명으로부터 그리고 도면들로부터 얻을 수 있다. 여기에서, 도면들은 본 발명의 본질적인 개념들을 제한하지 않는 본 발명의 단지 예시적인 실시형태들을 예시한다.

도 1 및 도 2 는 종래 기술에 따른 연료 전지의 개략 단면도, 및 그의 연관된 캐소드 전위 곡선을 나타낸다.
도 3 및 도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연료 전지의 개략 단면도, 및 그의 연관된 캐소드 전위 곡선을 나타낸다.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 연료 전지의 개략 단면도를 나타낸다.
도 6 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 연료 전지의 개략 단면도를 나타낸다.
도 7 은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 연료 전지의 개략 단면도를 나타낸다.
도 8 은 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 연료 전지의 개략 단면도를 나타낸다.
도 9 는 본 발명의 제 6 실시형태에 따른 연료 전지의 개략 단면도를 나타낸다.
도 10 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 연료 전지 배열체의 개략 단면도를 나타낸다.
도 11a 내지 도 11d 는 본 발명의 여러 실시형태들에 따른 연료 전지들의 개략 평면도들을 나타낸다.

여러 도면들에서, 동일한 부분에는 항상 동일한 도면 기호들이 제공되며, 따라서, 일반적으로 한번만 언급되거나 지칭될 것이다.

도 1 은 종래 기술에 따른 통상의 PEM 연료 전지 (폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지)(12) 의 개략 단면도를 나타낸다. 연료 전지 (12) 는 프로톤 전도 멤브레인 (1) 을 포함한다. 멤브레인 (1) 은 애노드측 촉매 층 (2) 과 캐소드측 촉매 층 (6) 상에 배치된다. 애노드측 촉매 층 (2) 은 애노드측 가스 확산 층 (3) 과 멤브레인 (1) 사이에 배치되는 한편, 캐소드측 촉매 층 (6) 은 캐소드측 가스 확산 층 (7) 과 멤브레인 (1) 사이에 배치된다. 연료 전지 (12) 와 접촉을 행하는 목적으로, 제 1 집전체 (13) 는 제 1 측면 상에 제공되고, 제 2 집전체 (14) 는 제 2 측면 상에 제공된다. 제 1 집전체 (13) 는 애노드측 전기적 접촉 실시 수단 (4) 으로서 기능하는 한편, 제 2 집전체 (14) 는 캐소드측 전기적 접촉 실시 수단 (8) 으로서 기능한다. 멤브레인 (1), 촉매 층들 (2, 6) 및 가스 확산 층들 (3, 7) 을 포함하는 층 구조체는 에지 영역에서 전기적 절연 에지 인클로저 (5) 에 의해 인케이싱된다.

연료 전지 (12) 는 애노드에서의 자유 가스 볼륨으로부터의 수소가 애노드측 가스 확산 층 (3) 을 통과하여 애노드측 촉매 층 (2) 으로 전도되어 여기에서 프로톤들과 전자들로 나누어지는 것에 의해 동작한다. 프로톤들은 멤브레인 (1) 을 통과하여 캐소드측 촉매 층 (6) 으로 마이그레이션하고 전자들은 연료 전지의 외부에 있는 프라이머리 전기 회로 (도시 생략) 에 의해 애노드측 전기적 접촉 실시 수단 (4) 으로부터 캐소드측 전기적 접촉 실시 수단 (8) 으로 마이그레이션한다. 캐소드측에서, 산소는 캐소드측 가스 확산 층 (7) 을 통과하여 캐소드측 촉매 층 (6) 으로 패스되며, 캐소드측 촉매 층에서 프로톤들과 전자들이 반응되어 물이 생성된다.

특정 전기화학적 조건들에서, 병렬 반응들이 가능하며, 이 병렬 반응들은 연료 전지 (12) 의 컴포넌트들을 공격하여 파괴할 수 있다. 여기에서, 전극 전위는, 원하지 않는 반응 체제가 확장하는지의 여부를 평가하기 위한 중요한 변수이다. 캐소드 전위는 PEM 연료 전지 (12) 에서의 중심 역할을 한다.

도 2 는 따라서 도 1 에 예시된 연료 전지 (12) 의 캐소드 전위 곡선을 개략적으로 나타낸다. 높은 캐소드 전위들 (통상의 수소 전극에 비해 > 0.9 V) 과 결합한 빈번한 부하 사이클들은 캐소드측 촉매 (6) 의 증가된 라디칼 형성 및 증가된 산화 및 이들의 멤브레인 (1) 으로의 마이그레이션을 야기할 수 있음을 알 수 있다. 이들 양쪽 효과들은 멤브레인 (1) 의 증가된 열화와 연료 전지 (12) 의 파괴적인 브레이크다운을 가져온다. 연료 전지 (12) 의 에지 영역에서의 시뮬레이션은 에지 영역에서의 로컬 전류 밀도가 대략 20 % 의 최대값으로 떨어지는 것을 가져왔다. 여기에서, 캐소드 전위는 도 2 에 도시된 바와 같이, 0.9 V 를 초과하여 증가된다. 따라서, 플라티늄 산화 또는 증가된 라디칼 형성의 결과로서 과도한 열화의 위협이 존재하며, 그 결과 종래 기술에서 알려진 연료 전지 (12) 의 신뢰성 레벨 및 서비스 수명은 악영향을 받는다.

도 3 은 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따라 PEM 연료 전지 (폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지)(12) 의 개략 단면도를 나타낸다. 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 는 도 1 에 예시된 설계에 기초하는데, 즉, 연료 전지 (12) 는 애노드측 촉매 층 (2) 과 캐소드측 촉매층 (6) 사이에 배치된 프로톤 전도 멤브레인 (1) 을 포함한다. 애노드측 촉매 층 (2) 은 애노드측 가스 확산 층 (3) 과 멤브레인 (1) 사이에 배치되는 한편, 캐소드측 촉매 층 (6) 은 캐소드측 가스 확산 층 (7) 과 멤브레인 (1) 사이에 배치된다. 연료 전지 (12) 와 접촉을 행하는 목적으로, 제 1 집전체 (13) 는 제 1 측면 상에 제공되고, 제 2 집전체 (14) 는 제 2 측면 상에 제공된다. 제 1 집전체 (13) 는 애노드측 전기적 접촉 실시 수단 (4) 으로서 기능하는 한편, 제 2 집전체 (14) 는 캐소드측 전기적 접촉 실시 수단 (8) 으로서 기능한다. 멤브레인 (1), 촉매 층들 (2, 6) 및 가스 확산 층들 (3, 7) 을 포함하는 층 구조체는 에지 영역에서 전기적 절연 에지 인클로저 (5) 에 의해 인케이싱된다.

도 1 에 도시된 연료 전지 (12) 와 대조적으로, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 는 캐소드측에서의 집전체 에지 영역 (9) 으로서, 이 집전체 에지 영역은 멤브레인 (1) 과 평행한 주평면 범위에서 멤브레인 (1) 의 최외곽 에지까지 연장되는, 집전체 에지 영역 (9), 캐소드측 촉매층 (6), 및 캐소드측 가스 확산 층 (7) 을 포함한다. 이 예에서, 제 2 집전체 (14) 는 제 2 집전체 중심 영역 (15) 및 또한 제 2 집전체 에지 영역 (9) 을 포함한다. 제 2 집전체 중심 영역 (15) 및 제 2 집전체 에지 영역 (9) 은 일체형 방식으로 서로, 즉, 연속적인 설계 방식으로 접속되거나, 또는 여기 저기에서 분리 포인트에 의해 인터럽트된다. 에지 영역까지 도달하는 제 2 집전체 에지 영역 (9) 을 실현하는 것에 의해, 에지 영역에서의 전류 밀도는 유리하게 증가된다. 에지 영역의 전류 밀도가 에지 영역으로 완전하게 연장되는 전기적 접촉 실시 수단 (8) 에 의해 증가되는 것에 의한 셀 구성에 의해 연료 전지 (12) 의 신뢰성 레벨 및 서비스 수명이 증가될 수 있음을 발견한 것은 예상치 못하였고 놀라운 것이다. 적어도 에지 인클로저까지 배타적으로 도달하는 캐소드측 접촉 실시 수단 (8) 은 추가적으로, 캐소드측 가스 확산 층 (7) 내의 산소 부분압이 감소될 수 있다는 이점을 추가적으로 가져온다. 집전체 에지 영역 (9) 은 셀의 전체 에지 영역의 둘레부를 따라 바람직하게 연장된다.

도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따라, 도 3 에 예시된 연료 전지 (12) 의 캐소드 전위 곡선의 시뮬레이션을 개략적으로 예시한다. 집전체 에지 영역 (9) 을 통과하여 에지 영역까지 도달하는 접촉 실시 수단에 의한 에지 영역의 시뮬레이션은 캐소드 전위가 취해진 대책 수단들에 의해 0.9 V 미만으로 감소될 수 있음을 나타낸다. 따라서, 멤브레인 열화의 보다 낮은 경향 및 연료 전지 (12) 의 신뢰성 레벨의 증가가 있다는 것이 추정될 수 있다.

도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 의 개략 단면도를 나타낸다. 제 2 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 는 제 1 실시형태에 따른 도 3 에 예시된 연료 전지 (12) 에 실질적으로 대응하며, 여기에서 대조적으로, 캐소드측 상에 제공되는 집전체 (8) 는 제 2 실시형태에 따라 연료 전지 (12) 에서 에지 영역까지 부분적으로만 연장된다.

도 6 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 의 개략 단면도를 나타낸다. 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 는 제 1 실시형태에 따른 도 3 에 예시된 연료 전지 (12) 에 실질적으로 대응하며, 여기에서 대조적으로 전기적 접촉 실시 수단 (4) 이 또한 제 3 실시형태에 따라 연료 전지 (12) 에서 애노드 측에서의 에지 영역까지 또한 연출된다. 따라서, 제 1 집전체 (13) 는 마찬가지로, 제 1 집전체 중심 영역 (16), 및 또한 에지 영역까지 연장되는 제 1 집전체 에지 영역 (11) 을 포함한다. 제 1 집전체 중심 영역 (16) 및 제 1 집전체 에지 영역 (11) 은 일체형 방식으로 서로, 즉, 연속적인 설계 방식으로 접속되거나, 또는 여기 저기에서 분리 포인트에 의해 인터럽트된다.

도 7 은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 의 개략 단면도를 나타낸다. 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 는 제 3 실시형태에 따른 도 6 에서 예시된 연료 전지 (12) 에 실질적으로 대응하며, 여기에서 대조적으로, 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 는 예시되지 않은 실제 정규 부하에 병렬로 바람직하게 접속된 전기 부하 (10) 를 추가적으로 포함한다. 연료 전지 (12) 의 로딩에 의존하여 예시된 에지 영역에 대한 로컬 전류 밀도에 따라 캐소드 전류가 설정되는 위의 실시형태들을 이용하여 이미 도시되었다. 전류 밀도에서의 추가적인 증가는 에지에서의 애노드 및 캐소드 측에서의 추가적인 전기 부하에 의해 접촉이 행해지는 것에 의해 실현될 수 있다. 이는 애노드 (4; 제 1 집전체 (13)) 와 캐소드 (8; 제 2 집전체 (14)) 에 전기적으로 접속된 전기 부하 (10) 에 의해 실현된다. 추가적인 전기 부하 (10) 는 에지 영역에서의 전류 밀도에서의 추가적인 증가를 야기한다. 접촉 실시 수단 (4 및 8) 에 의해 폐쇄되는 프라이머리 전기 부하 회로는 마찬가지로, 제 2 집전체 중심 영역 (14) 과 제 2 집전체 에지 영역 (9) 의 접촉 실시 수단 및 가스 확산 층들 (3, 7) 을 따르는 전기적 보상 전류에 의해 영향을 받는다. 전기 부하 (10) 는 예를 들어, 단순 저항기, 외부 컨슈머, 포텐쇼-또는 정전류 제어를 위한 전력 전자장치 시스템, 외부 부하를 공급하기 위한 전력 전자장치 시스템, 또는 갈바니 전기 소자로서 설계될 수 있다.

도 8 은 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 의 개략 단면도를 나타낸다. 제 5 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 는 제 3 실시형태에 따른 도 6 에 예시된 연료 전지 (12) 에 실질적으로 대응하며, 여기에서, 대조적으로, 제 5 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 는 캐소드측에서만의 제 2 집전체 에지 영역 (9) 의 형태로 에지 영역까지 도달하는 접촉 실시 수단을 포함하고, 추가적으로, 제 2 집전체 중심 영역 (15) 및 제 2 집전체 에지 영역 (9) 은 서로 병합되어 있지 않고 캐소드 측에서 서로 분리되어 있다. 에지 영역의 전류 밀도는 전류 운반 접촉 연장부 (제 2 집전체 에지 영역 (9)) 이, 접촉 실시 수단 (4 및 8)(제 1 및 제 2 집전체 영역 (16, 15)) 에 접속된 프라이머리 전기 부하 회로로부터 분리되어 있는 것에 의해 연료 전지 (12) 의 로딩으로부터 가능한 멀리 디커플링된다. 따라서, 에지 전위는 동작 영역 또는 부하 전류 강하와 독립적으로 개별적으로 설정될 수 있다. 단순 분리된 접촉 실시 수단은 부하 회로와 함께 애노드 (4) 의 접촉 실시 수단 (제 1 집전체 중심 영역 (16)) 을 이용한다. 애노드 (4) 의 접촉 실시 수단이 일측에서 분리되면, 캐소드의 상대 접촉 실시 수단이 공동으로 이용된다. 공동으로 이용된 접촉 실시 수단 (제 1 집전체 중심 영역 (16)) 의 전류는 따라서 상대 분리된 접촉 실시 수단, 즉 집전체 에지 영역 (9) 과, 프라이머리 부하 회로 (도시 생략) 에 접속된 접촉 실시 수단, 즉 제 2 집전체 중앙 영역 (15) 사이에서 나누어진다.

도 9 는 본 발명의 제 6 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 의 개략 단면도를 나타낸다. 제 6 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 는 제 4 실시형태에 따른 도 7 에 예시된 연료 전지 (12) 에 실질적으로 대응하며, 여기에서 대조적으로, 제 6 실시형태에 따른 연료 전지 (12) 는 분리된 접촉 실시 수단인, 첫번째로 프라이머리 부하 회로에 접속된 집전체 중심 영역 (16), 및 두번째로 애노드 측에서 또한 전기 부하 (10) 에 접속된 집전체 에지 영역 (11) 을 포함한다.

도 10 은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 연료 전지 배열체 (17) 의 개략 단면도를 나타낸다. 연료 전지 배열체 (17) 는 제 1 연료 전지 (12') 및 제 2 연료 전지 (12") 를 포함하며, 연료 전지들은 직렬로 접속된다. 이 경우에, 제 1 및 제 2 연료 전지들 (12' 및 12") 은 제 6 실시형태에 따라 도 9 에 예시된 연료 전지 (12) 에 대응한다. 제 1 및 제 2 연료 전지 (12', 12") 는 추가로 전기 부하 (10) 에 직렬로 접속되며, 여기에서 전기 부하 (10) 는 제 1 연료 전지 (12') 의 제 1 집전체 에지 영역 (11) 에 접속되고 그리고 제 2 연료 전지 (12") 의 제 2 집전체 에지 영역 (9) 에 접속된다. 또한, 제 1 연료 전지 (12') 의 제 2 집전체 에지 영역 (9) 및 제 2 연료 전지 (12") 의 제 1 집전체 에지 영역 (11) 은 서로 전기적으로 접속된다.

도 11a 내지 도 11d 는 본 발명의 여러 실시형태들에 따른 연료 전지들 (12) 의 개략 평면도들을 나타낸다. 도 11a 는 제 1 실시형태에 따른 도 3 에서 예시된 연료 전지 (12) 의 평면도를 나타낸다. 이 사시도에서, 집전체 중심 영역들 (14) 및 집전체 에지 영역들 (9) 은 인터럽션없이 캐스드측에서 서로 병합되어 있는 것을 알 수 있다. 도 11b 는 제 5 실시형태에 따른 도 8 에서 예시된 연료 전지 (12) 의 평면도를 나타낸다. 이 사시도에서, 집전체 중심 영역들 (14) 및 집전체 에지 영역 (9) 은 캐스드측에서 서로 분리되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 집전체 에지 영역 (9) 은 둘러싸는 방식으로 형성된다. 도 11c 및 도 11d 는 집전체 중심 영역들 (15) 이 그리드들의 형태로 되어 있지 않고 개별적인 원형 접촉 포인트들의 형태로 (너브 (nub) 형상 방식으로) 설계되는 대안의 실시형태들에서의 동일한 도면들을 나타낸다. 도 11c 에서, 집전체 에지 영역들 (9) 은 각각 외측 집전체 중심 영역들 (14) 에 각각 접속되어 있는 한편, 도 11d 에는, 집전체 중심 영역들 (14) 에 접속되어 있지 않은 둘레방향의 집전체 에지 영역 (9) 이 제공된다.

1: 멤브레인
2: 애노드측 촉매 층
3: 애노드측 가스 확산 층
4: 애노드측 전기적 접촉 실시 수단
5: 에지 인클로저
6: 캐소드측 촉매 층
7: 캐소드측 가스 확산 층
8: 캐소드측 전기적 접촉 실시 수단
9: 제 2 집전체 에지 영역
10: 전기 부하
11: 제 1 집전체 에지 영역
12: 연료 전지
13: 제 1 집전체
14: 제 2 집전체
15: 제 2 집전체 중심 영역
16: 제 1 집전체 중심 영역
17: 연료 전지 배열체