KR100865432B1 - 긴 수명 특성을 가지는 연료 전지 조립체 - Google Patents
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Abstract
연료 전지 조립체(20)는 조립체의 사용 수명을 연장시키는 많은 특성을 가진다. 일 실시예에 있어서, 유동 필드 층은 약 1.0 mg/khr-cm2 이하의 산 흡수율을 가지도록 비다공성(non-porous)이고 소수성(hydrophobic)이다. 전해질 함유 매트릭스는 인산과 약 0.010 mg/khr-cm2 이하의 반응률을 가진다. 촉매 층과 관련된 친수성 기판은 약 25 mg/cm2 이하의 초기 전이 가능 인산 함량을 가진다. 응축 영역은 약 0.17 mg/khr-cm2 이하의 증발성 인산 손실율을 제공한다.
연료 전지 조립체, 유동 필드 층, 비다공성, 소수성, 매트릭스
Description
본 발명은 통상적으로 연료 전지 조립체에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연료 전지 조립체의 작동 수명을 연장하기 위한 특성에 관한 것이다.
연료 전지는 더욱 더 많이 인정받고 사용되고 있다. 연료 전지 및 연료 전지 조립체 설계자가 당면한 과제는 충분한 파워 플랜트 작동 수명을 얻는 것이다. 연료 전지의 성능을 개선하기 위해, 주어진 비용 및 파워 플랜트의 규모에 대해 가용한 전력을 증가시키는 단계와 파워 플랜트의 유용 수명을 증가시키는 단계를 포함하는 수고가 현재 진행 중이다.
향상된 산 흡수율 특성을 제공하는 비다공성(non-porous) 및 소수성(hydrophobic) 캐소드 유동 필드를 포함하는 유리한 장치가 미국 특허 제5,558,955호에 개시되어 있다. 상기 문서에 교시된 내용에 따라 제조된 예시적 연료 전지 조립체에서, 조립체의 유용한 작동 수명은 약 5년이다. 더 오래가는 연료 전지 조립체를 제공하는 것이 유리할 것이다.
전해질 손실을 감소시켜서 연료 전지 조립체의 사용 수명을 연장시키는 경향이 있는, 연료 전지 작동의 또 다른 개선예가 미국 특허 제4,345,008호 및 제 4,414,291호에 개시되어 있다. 전해질이 조립체를 벗어나기 전에 가스 스트림으로부터 상기 전해질을 응축하는 데 사용되는 응축 영역이 상기 특허들에 개시되어 있다. 전해질의 손실을 감소시키는 것은 더 오래 지속하는 연료 전지 작동 수명을 지탱할 능력을 향상시킨다.
전해질 저장층으로서 역할을 하는 친수성 전극 기판을 제공하는, 또 다른 유용한 특징이 미국 특허 제4,035,551호에 개시되어 있다. 이러한 장치는 전해질 보유 능력을 향상시킨다.
이제까지 연료 전지 작동에 있어서 개별적인 개선예 및 향상예들이 있어왔지만, 전해질 보유판과 같이 부품의 크기 및 비용을 최소화하는 한편 연료 전지 조립체의 사용 수명을 최대화하는 집약된 접근이 제공되지는 않았다. 본 발명은 이러한 필요성을 충족하고 연료 전지가 겪게 되는 성능 및 산 손실율을 최소화하는 독특한 시도를 포함한다.
일 실시예의 연료 전지 조립체는 분리판과 상기 분리판에 관련된 유동 필드 층을 포함한다. 상기 유동 필드 층은 약 0.10 mg/khr-cm2 이하의 산 흡수율을 제공한다. 전해질 함유 매트릭스는 인산과 약 0.010 mg/khr-cm2 이하의 반응률을 가진다. 촉매 층은 약 45 mg/cm2 이하의 초기 전이 가능 인산 함량을 가지는 친수성 기판과 관련된다. 예시적인 조립체는 약 0.27 mg/khr-cm2 이하의 증발성 인산 손실율을 제공하는 응축 영역을 포함한다.
일 실시예에서, 친수성 기판의 전이 가능 인산 함량은 약 25 mg/cm2 이하이다. 일 실시예에서, 친수성 기판은 약 70% 다공성이고, 초기 조건에서 약 40% 충전된 빈 공간을 가진다. 상기 실시예에서, 친수성 기판은 약 0.25 ㎜ 두께를 가진다.
일 실시예에서, 응축 영역은 약 0.17 mg/khr-cm2 이하의 증발성 인산 손실율을 제공한다.
또 다른 실시예의 연료 전지 조립체는 분리판을 포함한다. 비다공성이며 소수성인 유동 필드 층은 분리판과 관련된다. 전해질 함유 매트릭스는 약 3 마이크로미터의 평균 입자 크기와 약 0.05 ㎜의 두께를 가지는 실리콘 카바이드 분말을 포함한다. 친수성 기판은 촉매 층들과 관련된다. 친수성 기판은 약 70% 다공성이고 초기 조건에서 전이 가능 인산으로 약 40% 충전된 빈 공간을 가진다. 응축 영역은 조립체로부터 통과하는 증기를 약 140℃ 이하로 냉각한다.
예시적인 연료 전지 조립체의 특징들의 조합은 조립체의 작동 수명을 현저히 향상시킨다. 개시된 실시예는 공지의 배치에 비해 2배의 유용 수명을 가진다.
본 발명의 다양한 특징들 및 장점들은 현재 양호한 실시예의 후속하는 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 상세한 설명에 수반되는 도면은 다음과 같이 간단히 설명된다.
도1은 예시적인 연료 전지 조립체의 선택된 부분의 개략적인 단면도이다.
도2는 도1에서 나타난 특징을 도시하는 예시적인 연료 전지 조립체의 선택된 부분의 개략적인 단면도이다.
도1 및 도2는 연료 전지 조립체(2)의 선택된 부분을 도시한다. 일예는 상기 조립체(2)에서 인산 연료 전지를 포함한다.
분리판 층(16)은 관련 유동 필드 층(12, 12')을 가진다. 일 실시예에서, 유동 필드 층은 비다공성이고 소수성이다. 일 실시예에서, 상기 비다공성이고 소수성인 유동 필드 층은 미국 특허 제5,558,955호의 교시 내용에 따라 제조된다. 상기 문서의 교시 내용은 본 명세서에서 참조되어 합체된다. 이러한 예시적인 장치와 종래 특허에서 개시된 내용 사이의 현저한 차이점은 이러한 예에서의 유동 필드 층이 모두 비다공성이고 소수성이라는 점이다. 일 실시예에서, 유동 필드 층은 모두, 듀퐁사로부터 상업적으로 가용한, 자연 박편 흑연 및 소수성 수지를 포함한다.
비다공성이고 소수성인 유동 필드 층(12, 12') 사용의 장점은 그것이 연장된 연료 전지 수명을 촉진하는 원하는 산 흡수율을 제공한다는 것이다. 일 실시예에서, 유동 필드 층은 약 0.10 mg/khr-cm2 이하의 산 흡수율을 제공한다.
전해질 함유 매트릭스(6, 6')는 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이 대응하는 촉매 층(8, 8') 사이에 있다. 전해질 함유 매트릭스(6, 6')는 일 실시예에서 인산과 약 0.010 mg/khr-cm2 이하의 반응률을 가진다. 일 실시예에서, 전해질 함유 매트릭스(6, 6')는 부분적으로 실리콘 카바이드를 포함하기 때문에 유리하게는 낮은 비율로 인산을 소비한다. 일 실시예에서, 전해질 함유 매트릭스(6, 6')는 3 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가지는 실리콘 카바이드 분말을 포함하고 매트릭스는 0.05 ㎜의 두께를 가진다. 이러한 배치는, 실리콘 포스페이트를 형성하는 실리콘 카바이드와 인산 사이의 느린 반응으로 인하여, 예를 들어 0.010 mg/khr-cm2 이하의 속도로 인산을 소비한다.
촉매 층(8, 8')은 전해질 함유 매트릭스(6, 6')의 양 측부에 있다. 도시된 예에서, 촉매 층(8)은 캐소드 촉매 층인 반면, 촉매 층(8')은 애노드 촉매 층이다.
각각의 촉매 층은 전해질 저장소로서 역할을 하는 관련 친수성 기판을 가진다. 도1의 예에서, 친수성 기판(10, 10')은 각각의 촉매 층(8, 8')과 각각 관련된다.
예시적 실시예의 친수성 기판은 양호하게는 본 명세서에서 참조되어 합체된 미국 특허 제4,035,551호의 교시 내용에 따라 설계된다.
일 실시예의 친수성 기판(10, 10')은 약 45 mg/cm2 이하의 초기 전이 가능 인산 함량을 가진다. 일 실시예에서 이것은, 약 70% 다공성이고 초기 조건에서 전이 가능 인산으로 약 40% 충전된 빈 공간을 가지는 0.46 ㎜ 두께의 소수성 기판을 사용하여 달성된다.
다른 예에서, 친수성 기판은 약 35 mg/cm2 이하의 초기 전이 가능 인산 함량을 가진다. 일 실시예에서, 이것은 약 70% 다공성인 0.37 ㎜ 두께의 친수성 기판 의 빈 공간의 약 40 % 충진하여 달성된다.
가장 양호하게는, 친수성 기판은 약 25 mg/cm2 이하의 초기 전이 가능 인산 함량을 가진다. 일 실시예에서 이것은 약 70% 다공성이고, 초기 조건에서 전이 가능 인산으로 약 40% 충전된 빈 공간을 가지는 0.25 ㎜ 두께의 소수성 기판을 사용하여 달성된다.
공지된 바와 같이, 통상적인 인산 연료 전지 내에는 2개 부류의 전해질이 있다. 소위 전이 불능 산(non-transferable acid)은 전해질 매트릭스(6, 6')의 공극 및 습식 밀봉부(20, 22)의 공극에 보유된 산의 체적이다. 전해질 매트릭스(6, 6') 및 에지 밀봉부(20, 22)로부터의 산 손실은 가스 크로스오버(gas crossover)로 이어져서, 연료가 산화제와 혼합되고 전지가 망가진다. 또 다른 부류의 전해질은 소위 전이 가능 산(transferable acid)이다. 초과되는 산이 통상적으로 조립시 전지에 첨가되고, 이것은 전지의 성능 또는 신뢰성을 저해하지 않고 전지의 수명에 걸쳐 서서히 손실될 수 있다. 이러한 산은 전이 가능 산으로 불린다. 전이 가능 산이 손실되는 3가지 메카니즘인 전지를 벗어나는 반응물 스트림 내로의 증발, 전지 부품에 의한 흡수, 및 전지 부품과의 반응이 있다. 전지 부품의 공극 크기 분포는 전이 불능 산을 함유하는 부품의 공극 크기는 전이 가능 산을 포함하는 부품의 공극 크기보다 작도록 공지된 방식으로 설계된다. 이러한 배치는 모세관 현상의 작용에 의해 더 작은 공극들이 항상 전해질로 충전되는 것을 보장한다.
도1 및 도2에 도시된 예는 반응물 스트림 내로 증발된 전해질이 응축되어서 친수성 기판(10, 10')으로 복귀하는 응축 영역(24)을 포함한다. 일 실시예에서, 응축 영역(24)은 본 명세서에서 참조되어 합체된 미국 특허 제4,345,008호의 교시 내용에 따라 설계된다. 도시된 실시예에서, 냉각부(26)는 냉매가 공지의 방식으로 관통하여 유동하는 복수개의 튜브(28)를 포함한다. 양 촉매 층(8, 8')이 모두 응축 영역(24)으로 연장하지 않기 때문에, 이들 냉각부는 전지 조립체의 비반응부(non-reactive portion)로 불린다.
일 실시예에서, 응축 영역은 전지를 벗어나는 반응물이 약 300°F (150℃) 이하, 양호하게는 약 280°F (140℃) 이하의 온도를 가지는 것을 보장한다. 일 실시예에서, 응축 영역은 조립체로부터 통과하는 증기를 140℃ 이하의 온도로 냉각한다. 이러한 온도를 유지하는 것은 산 손실을 저감하고 연료 전지의 수명을 연장한다.
개시된 실시예의 일 구현예에서, 연료 전지 조립체(20)는 이전에 공지된 연료 전지 조립체의 온도보다 약 45°F (7℃) 낮은 반응물 출구 온도를 가진다. 일 실시예에서, 이러한 차이로 인해 논의된 실시예에 대한 산 손실율이 공지된 연료 전지 조립체의 산 손실율의 약 5분의 일이 된다.
도시된 실시예의 일 구현예에서, 약 25 mg/㎠ 인 초기 전이 가능 산의 총계는 공지된 연료 전지 조립체의 65 mg/㎠ 보다 현저히 낮다. 그렇지만, 도시된 실시예는 90,000 시간의 예상 수명을 가지고, 이것은 공지의 연료 전지의 예상 수명의 약 2배이다. 개시된 실시예에 있이서, 이렇게 연장된 수명의 중요한 요인은 감소된 산 손실율이다. 일 구현예에서, 이전에 공지된 연료 전지 조립체의 1.36 mg/khr-cm2 산 손실율에 비해, 개시된 실시예의 산 손실율은 0.27 mg/khr-cm2 이다. 따라서, 개시된 실시예는 공지된 연료 전지 조립체의 통상적인 5년 수명에 비해, 약 10년의 유용한 연료 전지 수명을 제공한다.
도시된 실시예의 각각의 특징이 잠재적으로 수명 연장의 장점을 가지는 한편, 그 특징들의 조합은 연료 전지 조립체의 유용 수명을 효과적으로 배가하는 역량을 제공한다. 이러한 특징들을 조합하는 효과적인 협동의 영향은 예기치 못한 방식으로 연료 전지의 수명을 연장시킨다.
전술한 설명은 본 발명의 본질의 제한하기보다는 예시적인 것이다. 개시된 실시예의 변경예 및 개조예가 본 발명의 본질을 반드시 벗어나지 않고도 본 기술 분야의 숙련자에게 명백하게 될 것이다. 본 발명에 부여된 법률적 보호 범위는 후속하는 청구범위를 연구 검토하여서만 결정될 수 있다.
Claims (26)
- 분리판과,상기 분리판과 관련되고 0.10 mg/khr-cm2 이하의 산 흡수율을 가지는 제1 유동 필드 층 및 제2 유동 필드 층과,인산과 0.010 mg/khr-cm2 이하의 반응률을 가지는, 전해질 함유 매트릭스와,캐소드 촉매 층과,애노드 촉매 층과,상기 촉매 층들과 관련되고 45 mg/cm2 이하의 초기 전이 가능 인산 함량을 가지는 친수성 기판과,0.27 mg/khr-cm2 이하의 증발성 인산 손실율을 제공하는 응축 영역을 포함하는 연료 전지 조립체.
- 제1항에 있어서, 친수성 기판은 70% 다공성이고, 초기 조건에서 전이 가능 인산으로 40% 충전된 빈 공간을 가지며, 0.46 ㎜ 두께를 가지는 연료 전지 조립체.
- 제1항에 있어서, 친수성 기판의 전이 가능 인산 함량은 35 mg/cm2 이하인 연료 전지 조립체.
- 제3항에 있어서, 친수성 기판은 70% 다공성이고, 초기 조건에서 전이 가능 인산으로 40% 충전된 빈 공간을 가지며, 0.37 ㎜ 두께를 가지는 연료 전지 조립체.
- 제1항에 있어서, 친수성 기판의 전이 가능 인산 함량은 25 mg/cm2 이하인 연료 전지 조립체.
- 제5항에 있어서, 친수성 기판은 70% 다공성이고, 초기 조건에서 전이 가능 인산으로 40% 충전된 빈 공간을 가지며, 0.25 ㎜ 두께를 가지는 연료 전지 조립체.
- 제1항에 있어서, 전해질 함유 매트릭스는 3 마이크로미터의 평균 입자 크기 및 0.05 ㎜의 두께를 가지는 실리콘 카바이드 분말을 포함하는 연료 전지 조립체.
- 제1항에 있어서, 응축 영역은 조립체의 에지 근방에 있고 일정한 길이를 가 지며, 적어도 캐소드 촉매 층은 적어도 응축 영역의 길이만큼 상기 에지로부터 이격되는 연료 전지 조립체.
- 제8항에 있어서, 조립체의 다른 부분 근방에서보다 응축 영역 근방에서 더 높은 냉각율을 가지는 냉각부를 포함하는 연료 전지 조립체.
- 제1항에 있어서, 응축 영역은 조립체로부터 통과하는 증기를 140℃ 이하로 냉각하는 연료 전지 조립체.
- 제1항에 있어서, 응축 영역은 0.17 mg/khr-cm2 이하의 증발성 인산 손실율을 제공하는 연료 전지 조립체.
- 제1항에 있어서, 유동 필드 층은 소수성이고 비다공성인 연료 전지 조립체.
- 제12항에 있어서, 유동 필드 층은 박편 흑연 및 소수성 수지를 포함하는 연료 전지 조립체.
- 분리판과,상기 분리판과 관련되고 비다공성이며 소수성인 제1 유동 필드 층과,상기 분리판과 관련되고 비다공성이며 소수성인 제2 유동 필드 층과,3 마이크로미터의 평균 입자 크기 및 0.05 ㎜의 두께를 가지는 실리콘 카바이드 분말을 포함하는 전해질 함유 매트릭스와,캐소드 촉매 층과,애노드 촉매 층과,상기 촉매 층들과 관련되고, 70% 다공성이고 초기 조건에서 전이 가능 인산으로 40% 충전된 빈 공간을 가지는 친수성 기판과,조립체로부터 통과하는 증기를 140℃ 이하로 냉각하는 응축 영역을 포함하는 연료 전지 조립체.
- 제14항에 있어서, 친수성 기판들은 0.46 ㎜의 두께를 가지고, 2개의 친수성 기판들의 초기 전이 가능 인산 함량은 45 mg/cm2 이하인 연료 전지 조립체.
- 제14항에 있어서, 친수성 기판들은 0.37 ㎜의 두께를 가지고, 2개의 친수성 기판들의 초기 전이 가능 인산 함량은 35 mg/cm2 이하인 연료 전지 조립체.
- 제14항에 있어서, 친수성 기판들은 0.25 ㎜의 두께를 가지고, 2개의 친수성 기판들의 초기 전이 가능 인산 함량은 25 mg/cm2 이하인 연료 전지 조립체.
- 제14항에 있어서, 전해질 함유 매트릭스는 인산과 0.010 mg/khr-cm2 이하의 반응률을 제공하는 연료 전지 조립체.
- 제14항에 있어서, 응축 영역은 0.27 mg/khr-cm2 이하의 증발성 인산 손실율을 제공하는 연료 전지 조립체.
- 제19항에 있어서, 응축 영역은 0.17 mg/khr-cm2 이하의 증발성 인산 손실율을 제공하는 연료 전지 조립체.
- 제14항에 있어서, 유동 필드 층들은 0.10 mg/khr-cm2 이하의 산 흡수율을 제공하는 연료 전지 조립체.
- 산 흡수율을 0.10 mg/khr-cm2 이하로 유지하는 단계와,전해질 함유 매트릭스의 인산과의 반응률을 0.010 mg/khr-cm2 이하로 유지하는 단계와,친수성 기판에 초기 전이 가능 인산 함량을 45 mg/cm2 이하로 제공하는 단계와,증발성 인산 손실율을 0.27 mg/khr-cm2 이하로 유지하는 단계를 포함하는 인산 연료 전지 조립체 작동 방법.
- 제22항에 있어서, 증발성 인산 손실율을 0.17 mg/khr-cm2 이하로 유지하는 단계를 포함하는 인산 연료 전지 조립체 작동 방법.
- 제23항에 있어서, 조립체를 벗어나는 증기를 140℃ 이하의 온도로 냉각하는 단계를 포함하는 인산 연료 전지 조립체 작동 방법.
- 제22항에 있어서, 친수성 기판에 35 mg/cm2 이하의 인산을 제공하는 단계를 포함하는 인산 연료 전지 조립체 작동 방법.
- 제25항에 있어서, 친수성 기판에 25 mg/cm2 이하의 인산을 제공하는 단계를 포함하는 인산 연료 전지 조립체 작동 방법.
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Citations (3)
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| US4345008A (en) * | 1980-12-24 | 1982-08-17 | United Technologies Corporation | Apparatus for reducing electrolyte loss from an electrochemical cell |
| US4414291A (en) * | 1980-12-24 | 1983-11-08 | United Technologies Corporation | Method for reducing electrolyte loss from an electrochemical cell |
| US5558955A (en) * | 1994-10-07 | 1996-09-24 | International Fuel Cells Corporation | Cathode reactant flow field component for a fuel cell stack |
-
2004
- 2004-12-29 KR KR1020077012418A patent/KR100865432B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4345008A (en) * | 1980-12-24 | 1982-08-17 | United Technologies Corporation | Apparatus for reducing electrolyte loss from an electrochemical cell |
| US4414291A (en) * | 1980-12-24 | 1983-11-08 | United Technologies Corporation | Method for reducing electrolyte loss from an electrochemical cell |
| US5558955A (en) * | 1994-10-07 | 1996-09-24 | International Fuel Cells Corporation | Cathode reactant flow field component for a fuel cell stack |
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