KR101258323B1 - 상호 맞물리는 유동장을 구비한 연료 전지 구성요소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지에 사용하기 위한 예시적 유동장 판에 관한 것이며, 연료 전지에 사용하기 위한 예시적 유동장 판은 복수의 유입 유동 채널을 포함한다. 또한, 복수의 유출 유동 채널도 포함된다. 유입 유동 채널들 중 적어도 2개의 유입 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널의 제1 측 상에서 서로 바로 인접하도록 유동 채널들이 배치된다. 유출 유동 채널들 중 적어도 1개의 유출 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널 각각의 제2, 대향측 상에서 각각의 2개의 유입 유동 채널에 바로 인접한다.

Description

상호 맞물리는 유동장을 구비한 연료 전지 구성요소{FUEL CELL COMPONENT WITH INTERDIGITATED FLOW FIELDS}
연료 전지는 전력을 생성하기 위한 전기화학 반응을 촉진시키도록 설계된다. 연료 전지에서 요구되는 일 기능은 연료 전지를 통하여 바람직한 방식으로 반응물을 유도하는 것이다. 유동장 판(flow field plate)은 유체가 연료 전지 작동 동안 유동하여 통과하는 채널(channel)을 통상적으로 포함한다. 예컨대, 연료 가스 또는 공기는 유동장 채널을 따라 유도되어, 이러한 가스는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지의 촉매 층에서 이용 가능하다.
유동장 채널은 통상적으로 평행 방식(parallel fashion)으로 배치된 유동장 판 상에 제공되었다. 통상적인 유동장 채널 배열체는 유동장 판의 일 측 상의 복수의 유입구를 구비하고 다른 측 상에 대응하는 유출구를 구비한다. 종래 배열체에서, 유동장 판 상의 리브(rib)들은 개별 채널들을 분리한다.
또한, 상호 맞물린(interdigitated) 유동장 배열체를 이용하는 것이 제안되었다. 이는 유체를 한 채널의 유입구로 유입시키지만, 다른 채널의 유출구로는 유체를 유출시킨다는 점에서 종래 유동장 배열체와 다르다. 도 1은 종래 기술에 따른 예시적 유동장 판 배열체(20)를 개략적으로 설명한다. 이러한 예에서, 복수의 유입 채널(22)은 복수의 유출 채널(24)과 평행하게 배열된다. 화살표(26)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이, 채널들 사이의 리브(28)를 포함하는 영역을 가로질러, 연료 가스 또는 공기와 같은 선택된 유체는 유입 채널(22) 내로 유동한다. 유입 채널(22)로부터 유출 채널(24)까지의 유체 유동은 대응하는 유출 채널(24) 위로 이동하는 각각의 유입 채널(22) 내의 유동의 대략 절반을 포함한다. 다시 말하면, 각각의 유입 채널에서 유동하는 유체는 유동의 대략 절반이 각각의 유입 채널로부터 대응하는 유출 채널로 이동하여, 효과적으로 두 개의 분리된 유출 채널(24)로 전환된다(diverted).
예시적 상호 맞물린 유동장 채널은 미국 특허 번호 제6,416,892호, 제6,472,095호, 제6,485,857호, 제6,780,533호 및 제6,794,077호에서 설명된다. 이와 같은 배치가 성능 향상을 제공하지만, 당업자들은 더 개선시키기 위하여 항상 노력하고 있다.
연료 전지에 사용하기 위한 예시적 유동장 판은 복수의 유입 유동 채널을 포함한다. 또한, 복수의 유출 유동 채널도 포함된다. 유입 유동 채널들 중 적어도 2개의 유입 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널의 제1 측 상에서 서로 바로 인접하도록 유동 채널들이 배치된다. 유출 유동 채널들 중 적어도 1개의 유출 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널 각각의 반대쪽 제2 측 상에서 상기 2개의 유입 유동 채널 각각에 바로 인접한다.
연료 전지에 사용하기 위한 예시적 조립체는 복수의 유입 유동 채널과 복수의 유출 유동 채널을 구비하는 유동장 판을 포함한다. 유입 유동 채널들 중 적어도 2개의 유입 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널의 제1 측 상에서 서로 바로 인접하도록 유동 채널들이 배치된다. 유출 유동 채널들 중 적어도 1개의 유출 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널 각각의 반대쪽 제2 측 상에서 2개의 유입 유동 채널 각각에 바로 인접한다. 친수성 층이 몇몇 실시예에 포함되며, 이 친수층은 유입 유동 채널들 중 바로 인접한 채널들 사이의 적어도 선택된 영역에서 수분을 반송하도록 형성된다.
연료 전지를 작동시키는 예시적인 방법은 복수의 유입 유동 채널 내로 유체를 유도하는 단계를 포함한다. 각각의 유입 유동 채널로부터의 유체는 단일 유출 유동 채널 내로 전달된다. 유입 유동 채널들 중 적어도 2개의 유입 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널의 제1 측 상에서 서로 바로 인접하도록 유동 채널들이 배치된다. 적어도 하나의 유출 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널 각각의 반대쪽 제2 측 상에서 2개의 유입 유동 채널 각각에 바로 인접한다.
개시된 예시의 다양한 특징과 장점은 다음의 상세한 설명으로부터 당업자들에게 명백해질 것이다. 상세한 설명을 수반하는 도면들은 다음과 같이 간략히 기술될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 상호 맞물린 유동장 배치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 상호 맞물린 유동장 배치를 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 2의 실시예와 일치하는 하나의 예시적 배치를 개략적으로 도시한다.
연료 전지에 사용하기 위한 유동장 판(30)이 도 2에 개략적으로 도시된다. 복수의 유입 유동 채널(32)은 서로 평행하게 배치된다. 도면으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 적어도 2개의 유입 유동 채널(32)은 유동 채널들의 일 측 상에서 서로 바로 인접한다. 적어도 하나의 유출 유동 채널(34)은 유입 유동 채널(32)의 반대쪽 제2 측 상의 각각의 유입 유동 채널(32)에 바로 인접한다.
설명된 예시에서, 유출 유동 채널들(34) 중 두 개는 이들 사이에 어떠한 유입 유동 채널(32)도 없이 서로 바로 인접한다. 서로 바로 인접한 유입 유동 채널들(32)은 이들 사이에 어떠한 유출 유동 채널(34)도 구비하지 않는다.
설명된 예시에서, 유동장 판(30)은 유동장 채널을 형성하기 위한 복수의 리브(rib)를 포함한다. 이 예에서, 단부 리브(36)는 유동장 판(30)의 측방향 에지 부근에 도시된 유출 유동 채널(34)의 일 측을 형성한다. 리브(38)는 바로 인접한 유입 유동 채널들(32) 사이에 배치된다. 리브(40)는 바로 인접한 유출 유동 채널들(34) 사이에 제공된다. 리브(42)는 유입 유동 채널(32)과 바로 인접한 유출 유동 채널(34) 사이에 제공된다. 리브(42)는 유입 채널(32)로부터 유출 채널(34)까지의 유체 전달(fluid transfer)을 허용하도록 공지된 방식으로 형성된다.
도 2의 예에서 유체 유동은 개략적으로 화살표(50)에 의해 도시된다. 도면으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 유입 채널들 중 하나 내의 전체 유동은 유출 유동 채널들(34) 중 단 하나의 채널 내로 이동된다. 이는 유입 채널로부터의 유동이 2개의 유출 유동 채널들 사이에서 효과적으로 분리되었던 이전 상호 맞물린 유동장 배열과는 다르다. 도 2의 예시에서, 각각의 유입 유동 채널(32)은 이와 연계된 전용 단일 유출 유동 채널(34)을 구비하는 것으로 고려될 수 있다.
도 2의 배열체는 유입 채널(32)과 유출 채널(34) 사이에서 기재(substrate)를 통과하여[예컨대, 리브(42)에 의해 점유된 영역을 가로질러] 국부적으로 더 큰 유량을 제공한다. 몇몇 예에서, 더 큰 유량은 이전 구성(예컨대, 도 1)에 비해 유출 유동 채널(34)의 가스 속도를 증가시키는데 사용될 수 있다. 예컨대, 가스 속도는 유입구보다 유출구가 적고 다중 유입구가 서로 연계되는 경우 더 높을 것이다. 이는, 예컨대, 솔리드 판 시스템(solid plate system)에서 생성수(product water)의 배출(pushing out)을 촉진시킬 수 있다.
유동 판(30)의 측방향을 가로질러 고려될 때 도 2의 예는 2개의 바로 인접한 유출 채널(34)이 후속되는 이어진 2개의 바로 인접한 유입 채널(32)의 반복 패턴을 포함한다. 도 2의 예는 유동 판에 제공되는 유동 채널의 전체 수를 반드시 도시하지는 않는다. 적어도 몇몇 예시적 채널이 설명을 위해 도시된다. 이러한 반복 패턴은 (도 1에 도시된, 예컨대, 채널들이 유입 채널과 유출 채널 사이에서 교번되는) 종래 배열과는 다르다.
이러한 예시에서, 제1 유체량이 유입 채널과 유출 채널 사이의 리브를 가로질러 전달된다. 더 작은 양인 제2 유체량은 인접한 유입 채널들(32) 사이의 리브를 가로질러 이동된다. 몇몇 예에서, 인접한 유입 채널들(32) 사이의 리브를 가로지르는 상당한 유동 이동은 존재하지 않을 것이다. 몇몇 예에서, 이러한 리브를 가로지르는 유동 이동이 존재하지 않을 것이다.
도 2에서 화살표(50)로 도시된 유동 패턴은 바로 인접한 유입 채널들 사이에서 그리고 바로 인접한 유출 채널들 사이에서 기재를 통과하는 국부적인 유량이 존재하지 않기 때문에 정체된 것으로 간주될 수 있는, 유동장 판(30)을 따르는 영역을 초래한다. 도 3으로부터 알 수 있는 것처럼, 정체 영역(52)은 유입 채널들(32) 중 바로 인접한 것들 사이에 있는 리브(38)의 부근에 개략적으로 도시된다. 정체 영역(52)은 또한 바로 인접한 유출 채널들(34) 사이에 리브(40)의 부근을 따라 존재한다.
일 예에서, 정체 영역(52)은 예컨대 연료 전지 조립체 내에 물 배분을 용이하게 하기 위해 이 영역을 통하여 수분을 이송(wicking)하는데 사용된다. 도 3에서, 유동장 판(30)에 인접할 수 있는 친수성 층(60)은, 예컨대 상기 판의 일 측으로부터의 일 방향으로 수분을 전달하도록 형성되고, 상기 판에서는 유출 채널(34)이 상기 판의 반대쪽을 향해 빠져나가고 유입 가스가 유입 채널(32)에 제공된다. 공지된 바와 같이, 건조 공기는 연료 전지의 캐소드 측 상의 유입 채널에 공급될 수 있다. 일반적으로 더 습한 공기를 포함하는 출구 측으로부터 유입 측을 향해 정체 영역(52)을 따라 수분(즉, 생성수)을 전달하는 것은 예컨대, 솔리드 판의 건조를 방지하는데 유용할 수 있다.
일 예시에서, 친수성 층(60)은 정체 영역(52)을 따라 수분을 이송하거나 반송(carrying)하도록 형성된 가스 확산층이다.
상기 설명은 사실상 제한적이기보다는 예시적이다. 개시된 예시에 대한 변형예와 변경예는 반드시 본 발명의 본질 내에 있음이 당업자들에게 명백하게 될 수 있다. 본 발명에 주어진 법적 보호의 범위는 다음과 같은 청구항 연구함으로써만 결정될 수 있다.

Claims (19)

  1. 연료 전지에 사용하기 위한 유동장 판이며,
    복수의 유입 유동 채널과,
    복수의 유출 유동 채널과,
    유동 채널들 사이의 적어도 하나의 리브 부분을 포함하고,
    유입 유동 채널들 중 적어도 2개의 유입 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널의 제1 측 상에서 서로 바로 인접하고, 유출 유동 채널들 중 적어도 1개의 유출 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널 각각의 반대쪽 제2 측 상에서 상기 2개의 유입 유동 채널 각각에 바로 인접하도록, 유동 채널들이 배치되고,
    각각의 유입 유동 채널 내에서 유동하는 제1 유체량은 리브 부분들 중 대응하는 하나의 리브 부분에 대응하는 영역을 가로질러 유출 유동 채널로 전달되고, 제1 유체량보다 더 적은 제2 유체량은 바로 인접한 유입 유동 채널들 사이의 리브 부분들에 대응하는 영역을 가로지르는
    유동장 판.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 유입 유동 채널 내에서 유동하는 유체는 바로 인접한 유출 유동 채널들 중 단 하나의 유출 유동 채널 내로 전달되는
    유동장 판.
  3. 제1항에 있어서,
    유출 유동 채널들 중 적어도 2개의 유출 유동 채널은 서로 바로 인접하는
    유동장 판.
  4. 제1항에 있어서,
    유동 채널들 중 적어도 몇몇은 연속 패턴으로 배치되어, 유출 유동 채널들 중의 제1 유출 유동 채널은 유입 유동 채널들 중의 제1 유입 유동 채널에 바로 인접하고 제1 유입 유동 채널은 유입 유동 채널들 중의 제2 유입 유동 채널에 바로 인접하고 제2 유입 유동 채널은 유출 유동 채널들 중의 제2 유출 유동 채널에 바로 인접하고 제2 유출 유동 채널은 유출 유동 채널들 중의 제3 유출 유동 채널에 바로 인접하고 제3 유출 유동 채널은 유입 유동 채널들 중의 제3 유입 유동 채널에 바로 인접하고 제3 유입 유동 채널은 유입 유동 채널들 중의 제4 유입 유동 채널에 바로 인접하고 제4 유입 유동 채널은 유출 유동 채널들 중의 제4 유출 유동 채널에 바로 인접하는
    유동장 판.
  5. 제1항에 있어서,
    유입 유동 채널들을 통과하는 유체 유동의 방향은 유출 유동 채널들을 통과하는 유체 유동의 방향과 동일한
    유동장 판.
  6. 제1항에 있어서,
    바로 인접한 유출 유동 채널들 사이의 리브 부분에 대응하는 영역을 가로지르는 유체 유동이 존재하지 않는
    유동장 판.
  7. 제1항에 있어서,
    바로 인접한 유입 유동 채널들 사이의 리브 부분에 대응하는 영역은 수분 전달에 사용되는
    유동장 판.
  8. 연료 전지에 사용하기 위한 조립체이며,
    복수의 유입 유동 채널과 복수의 유출 유동 채널을 포함하는 유동장 판과,
    유입 유동 채널들 중 바로 인접한 채널들 사이의 적어도 선택된 영역에서 수분을 반송하도록 형성된 친수성 층과,
    유동 채널들 사이의 적어도 하나의 리브 부분을 포함하며,
    유입 유동 채널들 중 적어도 2개의 유입 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널의 제1 측 상에서 서로 바로 인접하고, 유출 유동 채널들 중 적어도 1개의 유출 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널 각각의 반대쪽 제2 측 상에서 상기 2개의 유입 유동 채널 각각에 바로 인접하도록, 유동 채널들이 배치되고,
    각각의 유입 유동 채널 내에서 유동하는 전체 유체는 리브 부분들 중 하나에 대응하는 영역을 가로질러 유출 유동 채널들 중 대응하는 하나의 유출 유동 채널 내로 전달되고, 바로 인접한 유입 유동 채널들 사이의 리브 부분에 대응하는 영역을 가로지르는 유체 유동이 존재하지 않는
    연료 전지에 사용하기 위한 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    유입 유동 채널들을 통과하는 유체 유동의 방향은 유출 유동 채널들을 통과하는 유체 유동의 방향과 동일한
    연료 전지에 사용하기 위한 조립체.
  10. 제8항에 있어서,
    바로 인접한 유출 유동 채널들 사이의 리브 부분에 대응하는 영역을 가로지르는 유체 유동이 존재하지 않는
    연료 전지에 사용하기 위한 조립체.
  11. 제8항에 있어서,
    친수성 층은 바로 인접한 유입 유동 채널들 사이의 리브 부분들에 대응하는 영역에서 수분의 적어도 일부를 반송하도록 형성된
    연료 전지에 사용하기 위한 조립체.
  12. 제11항에 있어서,
    친수성 층은 바로 인접한 유출 유동 채널들 사이의 리브 부분들에 대응하는 영역에서 수분의 적어도 일부를 반송하도록 형성된
    연료 전지에 사용하기 위한 조립체.
  13. 제8항에 있어서,
    친수성 층은 가스 확산층을 포함하는
    연료 전지에 사용하기 위한 조립체.
  14. 제8항에 있어서,
    각각의 유입 유동 채널 내에서 유동하는 유체는 바로 인접한 유출 유동 채널들 중 단 하나의 유출 유동 채널 내로 전달되는
    연료 전지에 사용하기 위한 조립체.
  15. 제8항에 있어서,
    유출 유동 채널들 중 적어도 2개는 서로 바로 인접하는
    연료 전지에 사용하기 위한 조립체.
  16. 제8항에 있어서,
    유동 채널들 중 적어도 몇몇은 연속 패턴으로 배치되어, 유출 유동 채널들 중의 제1 유출 유동 채널은 유입 유동 채널들 중의 제1 유입 유동 채널에 바로 인접하고 제1 유입 유동 채널은 유입 유동 채널들 중의 제2 유입 유동 채널에 바로 인접하고 제2 유입 유동 채널은 유출 유동 채널들 중의 제2 유출 유동 채널에 바로 인접하고 제2 유출 유동 채널은 유출 유동 채널들 중의 제3 유출 유동 채널에 바로 인접하고 제3 유출 유동 채널은 유입 유동 채널들 중의 제3 유입 유동 채널에 바로 인접하고 제3 유입 유동 채널은 유입 유동 채널들 중의 제4 유입 유동 채널에 바로 인접하고 제4 유입 유동 채널은 유출 유동 채널들 중의 제4 유출 유동 채널에 바로 인접하는
    연료 전지에 사용하기 위한 조립체.
  17. 복수의 유입 유동 채널과 복수의 유출 유동 채널을 갖는 유동장 판을 포함하고, 유입 유동 채널들 중 적어도 2개의 유입 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널의 제1 측 상에서 서로 바로 인접하고, 유출 유동 채널들 중 적어도 1개의 유출 유동 채널은 상기 2개의 유입 유동 채널 각각의 반대쪽 제2 측 상에서 상기 2개의 유입 유동 채널 각각에 바로 인접하도록 유동 채널들이 배치되는 연료 전지를 작동시키는 방법이며,
    복수의 유입 유동 채널 내로 유체를 유도하는 단계와,
    각각의 유입 유동 채널로부터 유출 유동 채널들 중 단 하나의 유출 유동 채널 내로 개별적으로, 유출 유동 채널들 중 하나의 유출 유동 채널과 유입 유동 채널 사이의 리브 부분을 가로질러, 전체 유체를 전달시키는 단계를 포함하는
    연료 전지 작동 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    유입 유동 채널들 중 바로 인접한 채널들 사이의 영역을 따라 유동장 판 근처로 수분을 유도하는 단계를 포함하는
    연료 전지 작동 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    유출 유동 채널들 중 바로 인접한 채널들 사이의 영역을 따라 유동장 판 근처로 수분을 유도하는 단계를 포함하는
    연료 전지 작동 방법.
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