A proton exchange membrane (PEM) fuel cell is the most popular type of fuel cell. The fuel cell systems have been considered as a promising zero-emission power supply to eventually replace conventional engines. However, heavyweight and low efficiency are technical challenges of developing fuel cell system. As a solution, we introduce a new type of PEM fuel cell with a monolithic structure of a freestanding membrane electrode assembly (MEA) shell, which creates two sub-volumes acting as fuel channels. Here, the MEA shell is fabricated with a single Nafion membrane in the middle, sandwiched by metallic catalyst layers and gas diffusion layers on both sides. In designing, we introduce designs the MEA shell with a C-shaped structure as well as a 3D structure, called “Shellular”. Both C-shaped structure and Shellular structure provide large interfacial areas for the chemical reactions and good resistance to pressure between two sub-volumes. We believe that heavy backing plates can be minimized or removed, then the monolithic PEM fuel cell can be fabricated without any backing plate. This monolithic fuel cell is expected to be not only compact, lightweight but also to provide good performance. This work describes in detail the designing ideas, fabricating methods and initial estimates of small-scale PEM fuel cells with monolithic structures.
양성자 교환막 (PEM) 연료 전지는 가장 보편적인 유형의 연료 전지이다. 연료 전지 시스템은 궁극적으로 기존 엔진을 대체할 유망한 무공해 전원 공급 장치로 간주된다. 그러나 중량과 저효율성은 연료 전지 시스템 개발의 기술적 과제이다. 해결책으로, 우리는 독립적인 막전극 조립체(MEA) 쉘(shell)의 모놀리식 구조를 가진 새로운 유형의 PEM 연료 전지를 소개한다. 이 쉘은 연료관 역할을 하는 두 개의 하위 볼륨을 만든다. 여기에서, MEA 쉘은 중앙에 단일 Nafion 막으로 제작되며, 양쪽의 금속 촉매층과 가스 확산층에 의해 끼워져 있다. 설계 과정에서 우리는 C형 구조와 “Shellular”라고 불리는 3D 구조를 가진 MEA 쉘 디자인을 소개한다. C형 구조와 Shellular 구조는 화학 반응을 위한 큰 계면 영역과 두 개의 하위 볼륨 사이의 압력에 대한 우수한 내성을 갖는다. 우리는 무거운 백킹 플레이트를 최소화하거나 제거할 수 있고, 모놀리식 PEM 연료 전지를 어떠한 백킹 플레이트없이 제작할 수 있다고 생각한다. 이 모놀리식 연료 전지는 소형 경량 일뿐만 아니라 우수한 성능을 제공할 것으로 기대된다. 이 연구에서는 모놀리식 구조를 갖는 소규모 PEM 연료 전지의 설계 아이디어, 제조 방법 및 초기 추정치를 상세히 설명한다.