KR101822218B1 - 증발 냉각식 연료 전지용 하이브리드 바이폴라 플레이트 - Google Patents

증발 냉각식 연료 전지용 하이브리드 바이폴라 플레이트 Download PDF

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Abstract

연료 전지 파워 플랜트(36)는, 수직 산화제 유동 채널(118)을 갖는 다공성, 친수성 산화제 유동장 플레이트(115)의 편평한 후측면에 결합된, 한쪽 면에 수평 연료 유동 채널(106) 및 반대편 면의 윗부분에 냉각수 채널(108)을 갖는 중실의 연료 유동 플레이트(105)를 포함하는 하이브리드 분리 플레이트(100)의 절반을 각각 공유하는 수직 연료 전지(102)를 갖는다. 냉각수는 다공성, 친수성 산화제 유동장 플레이트를 통해 스며들고, 연료 전지를 냉각시키기 위해 물이 산화제 유동장 채널을 통해 아래 방향으로 흐를 때 물이 증발하는 산화제 유동 채널로 들어간다.

Description

증발 냉각식 연료 전지용 하이브리드 바이폴라 플레이트 {HYBRID BIPOLAR PLATE FOR EVAPORATIVELY COOLED FUEL CELLS}
함께 결합되어 있는 중실의 수평 연료 유동장(solid horizontal fuel flow field) 및 다공성 수직 산화제 유동장(porous vertical oxidant flow field)을 포함하는 하이브리드 바이폴라 플레이트는, 냉각수를 다공성 산화제 유동장 플레이트를 통해 공급하여 산화제 유동 채널 안에서 아래 방향으로 흐르게 하며, 그에 따라 연료 유동장 플레이트 부분에 있는 채널에 의해 공급된 물로 연료 전지를 증발식으로 냉각시키기 위해, 하이브리드 플레이트의 중실의 연료 유동장 부분의 상부 에지(edge)에만 전적으로 존재하는 냉각수 채널을 포함한다.
전지를 거쳐 지나가는 순환수 또는 냉각수 플레이트를 거쳐 지나가는 냉각수에 현열(sensible heat)을 전달하는 것과 대조를 이루어, 연료 전지 분야에서 증발식으로 연료 전지를 냉각시키고, 그렇게 함으로써 기화열의 혜택을 얻어내는 것이 알려져 있다.
도 1과 관련하여, 미국 특허 7,579,098호의 증발 냉각식 연료 전지 파워 플랜트(36)는 수직으로 배열된 연료 전지(38)의 스택(stack)(37)을 포함한다.
소스(41)로부터의 연료는 연료 입구(42)로 공급되고, 제1 연료 통로에서 오른쪽으로, 굵은 화살표(43)로 표시된 바와 같이 연료 턴 매니폴드(turn manifold)(44)를 향해 흐른다. 연료 가스는 그리고 나서, 아래 방향으로 그리고 연료 유동장의 제2 연료 통로 안으로 흐르는데, 그 안에서 연료 가스는 굵은 화살표(45)로 표시된 바와 같이 왼쪽으로 흐른다. 모두 종래 기술로 알려진 바와 같이, 연료는 연료 출구(47)로부터 재활용 펌프(48)(아마도 도시되지 않은 밸브와 함께)를 통해 연료 입구(42)로 되돌아 흐를 수 있고, 밸브(49)를 통해 주기적으로 주변으로 제거될 수도 있다. 단일 통로, 세 개로 된 통로 또는 다른 연료 유동 형태가 사용될 수 있다.
도 1에서, 처리 공기(process air)는 펌프(52)에 의해 공기 입구(53)로 공급되고, 공기는 속이 빈 화살표(54)로 표시된 바와 같이, 연료 전지(38)의 산화제 반응물 가스 유동 채널을 통해 위 방향으로 흐른다. 처리 공기 출구(57)로부터 공기는, 차량에서는 통상적인 라디에이터일 수 있는 콘덴서(59)로 도관(58) 속을 흐른다. 더 건조한 출력 공기는 배기(62)를 빠져나간다. 콘덴서(59)로부터의 응축물(condensate)은, 물 회귀 도관(65)에 의해 물 입구(66)에 연결되어 있는 저장소(64) 안에 축적되기 위해 처리될 수 있다. 그리고 나서 물은 일반적으로 미세한 통로(67)인 유체 도관을 통해 각각의 연료 전지(38)로 흐르는데, 통로(67)는 통풍구 매니폴드(68)에서 끝날 수 있으며 알려진 것과 같이, 다공성인 소수성-플러그 통풍구(69)와 같은 통풍구를 통해 그곳에서 통로로부터의 가스 제거가 제공되거나, 또는 어떠한 주어진 사안에서 적절한 때에는 통로가 막다른 형태(dead-ended)일 수도 있으며, 또는 그것들은 통풍구(69)에서 마이크로 펌프에 연결될 수 있다.
비록 물 입구(66)는 존재하지만, 기본적으로 물 출구가 존재하지 않으며, 물은 도 2와 관련하여 더 완전하게 설명되는 것과 같이 각각의 연료 전지에 단순히 존재한다. 도 2에서, 연료 전지(38) 각각은 통상적인 멤브레인 전극 조립체(72)를 포함하는데, 이는 멤브레인 전극 조립체의 반대편 면에 양극(anode) 및 음극(cathode) 촉매를 갖는 전극을 포함하며, 하나 또는 양쪽 전극에 가스 발산층(diffusion layer)을 포함할 수도 있고, 포함하지 않을 수도 있다.
도 2에서, 연료 반응물 가스는 연료 반응물 가스 유동장 플레이트(75)의 채널(74)을 통과하여 흐르는데, 연료 반응물 가스 유동장 플레이트는, 인접한 연료 전지의 그루브(77)와 함께 미세한 수로(78)를 형성하는 그루브(76)를 포함한다. 음극 측에서, 산화제 반응물 가스 유동장 플레이트(81)는, 인접한 연료 전지의 그루브(84)와 함께 미세한 수로(85)를 형성하는 그루브(83) 및 처리 공기 유동 채널(82)을 포함한다.
넘치는 것을 방지하기 위해서, 반응물 가스는 일반적으로, 통로의 수압보다 수 킬로파스칼(kilopascal)(약 1/2 psi) 높다. 알려진 바와 같이, 이는 공기 펌프(52)가 대체로 공기로 하여금 대기압보다 훨씬 더 높게 되도록 하는 것에 대한 결과로써 당연히 발생할 것이고, 연료의 압력은 쉽게 통제된다. 도 1에서 도관(65) 속의 물은 대기압일 수 있으나, 제공된 반응물 가스가 다소 더 높은 압력을 갖는다면, 대기압이 아닌 다른 압력일 수 있다.
수로는 도시된 그루브 정합이 아닌 것으로 형성될 수도 있다. 수로(67)는 반응물 가스 유동장 플레이트(75,81) 중 하나에만 제공될 수 있다.
미국 특허 5,700,595에 개시된 바와 같이, 반응물 가스 유동장 플레이트(75,81)는, 외부 수 처리 과정을 갖는, 물 수송 플레이트를 통해 많은 양의 수류(water flow)를 활용하는 연료 전지 파워 플랜트 안에 있는, 때때로 미세 구멍 플레이트(fine pore plate)로 언급되는 물 수송 플레이트와 같은 것으로 나타난다. 그러나 앞서 언급한 '595 특허의 현열 수류 냉각과 비교하여, 증발식 냉각이 사용되었을 때 물 용량당 거의 절대적인 냉각 효율 개선이 있기 때문에, 종래 기술의 수류 채널은 도 1의 수로(78,85)의 횡단면보다 수십 배 큰 횡단면을 갖는다. 또한, 수로(78,85)의 측방향 부분의 간격은(도 3에서 연료 전지의 각각의 연접에서 도시된), 앞서 언급한 '595특허에서와 같은 현열 수류 냉각 시스템의 수류 채널의 측방향 부분 사이의 간격보다 몇 배 큰 거리로 떨어져 있을 수 있다. 수로(78,85)의 작은 횡단면과 그것들의 연속적인 측방향 부분들 사이의 큰 거리는 반응물 가스 유동장 플레이트(75,81)의 두께가 약 1/3 만큼 줄어드는 것을 허용한다.
도 1 및 도 2와 관련해 설명된 기술의 증발 냉각식 연료 전지는 그 이후에 추가적인 개선 및 변경을 누려왔다. 본 명세서에서 상술한 바와 같이 이러한 연료 전지 결합은 매우 장점이 있다. 그러나, 플레이트의 제조는, 특히 양면에 그루브를 가지고 있다면, 사용되는 재료 측면 및 허용치에 들어오는 적절한 플레이트를 달성하기 위해 요구되는 가공(machining) 측면 양쪽에서 비용이 많이 든다. 연료의 산화제 플레이트 안으로의 크로스오버(crossover) 및/또는 산화제의 연료 플레이트 안으로의 크로스오버를 방지하도록 하나의 연료 전지는 다른 것으로부터 분리되어야 하기 때문에, 연료 및 산화제 플레이트(81,75) 속 기포 압력은, 물은 플레이트를 통해 흐르고 가스는 그렇지 않도록, 신중하게 제어되어야만 한다. 따라서 다공성, 즉 구멍 크기 및 구멍 용량 또한 대단히 중요하다. 물의 흐름이 반응물 가스 안으로 들어가는 것을 확실히 방지하기 위해, 냉각수는 일반적으로 반응물 가스 압력보다 1psi 또는 수 psi(0.7kPa 또는 1.5 kPa) 아래에 있다.
제조 공정을 편리하게 하고, 낭비되는 재료의 비용을 줄이며, 연료 전지의 적절한 분리와 양극측 및 양자(proton) 교환 멤브레인의 적절한 가습을 달성하기 위해서 엔드 밀링(end milling)의 사용이 일반적이다.
더 쉽게 제조되고 기포 압력 허용치를 요구하지 않는 유동장 플레이트, 즉 분리 플레이트가 유리할 것이다.
본 명세서의 하이브리드 분리 플레이트는, 플레이트의 상부 후면에 형성된 수 개의 수평 물 채널을 가지며 그 후면에 아무런 채널도 없는 다공성, 친수성 수직 유동, 산화제 유동장 플레이트에 결합되어 있는 중실의 연료 유동장 플레이트를 포함한다. 연료 유동장 부분의 상부 에지에서 수 개의 냉각수 채널 속 물은, 다공성, 친수성 산화제 유동장 부분 안으로 스며들며, 냉각수는 수직 산화제 유동 채널 속으로 흐르고, 그것이 증발함으로써 연료 전지 스택을 냉각시키는 냉각 유동 채널의 안에서 아래 방향으로 흐른다.
하이브리드 플레이트는 연료 유동장 부분의 상부 에지의 뒷면(reverse side)에 단지 수 개의 물 채널과 함께, 하이브리드 분리 플레이트 각 부분의 한쪽 면에만 주로 형성된 채널들을 요구한다. 엔드 밀링을 요구하는 대신 강 밀링(gang milling)이 사용될 수 있으며, 하나의 연료 전지의 연료를 인접 연료 전지의 산화제로부터 분리하기 위한 수단으로서 기포압(bubble pressure)을 제어할 필요가 없기 때문에 허용치가 완화될 수 있다.
하이브리드 유동장 플레이트는, 증발식으로 연료 전지를 냉각시키기 위해 사용되는 종래의 것들보다 상당히 저렴하며, 반응물 가스의 크로스오버를 방지하기 위한 신뢰할만한 수단이다.
다른 변형들은, 수반되는 도면에 도시된, 예시적인 실시예의 이어지는 상세한 설명의 개시에 의해 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 종래 기술로 알려진, 증발식 냉각을 가진 물 수송 플레이트를 채용한 연료 전지 파워 플랜트의 간략화된 사시도이다.
도 2는 종래 기술로 알려진, 명료성을 위해 생략된 단면선이 있는, 한 쌍의 연료 전지의 부분 측단면도이다.
도 3은 본 명세서의 하이브리드 분리 플레이트를 채용한 한 쌍의 연료 전지의 부분 측단면도이다.
도 4는 도 3의 연료 전지 바이폴라 플레이트의 간략화된 부분 사시도이다.
도 5는 본 명세서의 하이브리드 분리 플레이트를 채용하는 연료 전지 파워 플랜트의 간략화된 사시도이다.
실시 모드
도 3 및 도 4와 관련하여, 하이브리드 분리 플레이트(100)는 연료 전지(102)를 형성하기 위하여, 멤브레인 전극 조립체(MEA's)(101)의 맞은편 면에 위치한다. MEA(101)는 음극 및 양극 촉매층 지지대에 추가하여 가스 확산층을 가질 수도 있고 가지지 않을 수도 있다. 각각의 분리 플레이트(100)는, MEA(101)의 양극 쪽에서 MEA(101)에 접촉되어 있으며 그것에 인접한 면에 있는 연료 유동 채널(106)을 갖는 중실의 연료 유동장 플레이트(105)를 포함한다. 복수의 냉각수 채널(108)이 연료 유동장 채널(106)의 반대편 면의 상부 단부(지축(earth's axis)으로)에 형성된다. 물 채널(108)은, 활성화된(active) 플랜폼(112)의 실질적인 부분과 비교하여, MEA(101)의 상부 부분(111)은 양자 교환 멤브레인의 어느 쪽에도 음극 및 양극 촉매층을 가지지 않는 비활성 부분과 동일한 범위에서만, 연료 유동장 채널(105)의 플랜폼(planform) 안으로 아래쪽으로 연장된다. 냉각수 채널(108)의 연장부는, 연료 유동 플레이트(105)의 수직 길이를 따라 15%보다 작은 수준 바람직하게는 10%보다 작은 수준과 같이, 연료 유동 플레이트(105)의 플랜폼의 상대적으로 작은 부분에 해당한다.
연료 유동장 플레이트(105)의 뒷면은 조인트(114)에서 다공성, 친수성 산화제 유동장 플레이트(115)의 편평한 뒷면에 각각 결합된다. 산화제 유동장 플레이트(115)는, 플레이트가 조인트(114)에서 함께 결합되어 있는 면의 반대편에 있는 산화제 유동장 플레이트(115)의 면으로부터 안쪽으로 연장되는 수직 산화제 반응물 가스 유동 채널을 갖는다.
플레이트의 결합은 유리한 스택 전압을 유지하기 위해서 바람직하게는 최소한의 전기 저항으로 이루어진다. 두 플레이트를 함께 결합시키는 한가지 수단은, 연료 유동장 플레이트의 후방면의 주변부에(사진틀과 같이) 저농도 폴리에틸렌(polyethylene)과 같은 열가소성 수지로 매우 얇은 코팅을 제공하고, 그리고 나서, 다공성, 친수성 산화제 유동장 플레이트(115)를 형성하는데 사용되는 열가소성 수지가 연료 유동 플레이트(105)에 제공된 얇은 층으로 녹게 되도록, 약 40psi(276kPa) 및 약 100psi(690kPa) 사이의 압력에서 약 245F(118C) 및 약 280F(138C) 사이와 같은 적절한 온도로 가열하는 것이다.
냉각수 유동 채널(108)이 연료 유동장 채널(106)과, 연료 유동장 플레이트(105)의 다른 부분에 있기 때문에, 연료 유동장 플레이트는 지금까지 가능했던 것보다 얇아질 수 있고, 그렇게 함으로써 연료 전지 스택에 있어 더 강한 전력밀도를 촉진한다. 연료 유동장 플레이트(105)의 상부 오른쪽 면에 있는 노치(notch)는 통상적인 계면 밀봉(interfacial seal)을 수용하기 위한 것이다.
비록 냉각수 채널(108)이 바람직하게는 연료 유동장 플레이트(105)의 뒷면에 형성되기는 하지만, 본 명세서에서 주어진 하이브리드 유동장 플레이트의 어떠한 실시예에서, 만약 필요하거나 바람직하다고 발견된다면, 냉각수 채널(108)은 두 개의 플레이트 모두에, 또는 대신해서 산화제 유동장 플레이트(115)에만 제공될 수도 있다. 하지만 가장 간단하고 덜 비싼 제조는 중실의 연료 유동 플레이트(105)에 냉각수 채널(108)을 제공하는 것일 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 연료 전지 그 자체는 연료 전지 스택(37)에 수직으로 장착되어 있다. 하이브리드 분리 플레이트(100)는, 연료 유동 채널(106)은 화살표(43,45)로 표시된 것과 같이 수평인 반면, 산화제 유동장 채널(118)은 점/대시(dash) 화살표(67)로 표시된 것과 같이 수직이 되도록 스택에 부착된다.
연료 전지 파워 플랜트(36)에서, 각각의 연료 전지는 하이브리드 분리 플레이트(100) 중 하나를 인접한 연료 전지와 함께 공유한다.(물론, 스택의 마지막에 수용된 것은 제외한다.) 수직의 산화제 유동 채널(118) 및 수평의 냉각수 유동 채널(108)을 갖는 수직으로 지향된 연료 전지에서, 냉각수 채널(108)에 있는 물은 하이브리드 플레이트의 다공성, 친수성 산화제 유동장 플레이트 부분(115)으로 스며들 것이고, 산화제 채널(118)로 들어가 흐를 것이고, 아래 방향으로 흐르는 공기 안으로 증발될 것이다. 반응열은 많은 양의 물을 증발시키고, 그렇게 함으로써 연료 전지를 약 176F(80C) 및 약 180F(85C) 사이의 원하는 온도 범위 내로 유지한다.
도 5와 관련하여, 본 명세서의 하이브리드 분리 플레이트를 사용하는 연료 전지 파워 플랜트는 앞서 도 3 및 도 4에 대해 설명되었던 타입의 연료 전지(102) 스택(37)을 포함한다. 펌프(52)로부터의 공기는 공기 입구(53)를 통해 아래 방향으로, 그리고 속이 빈 화살표(54)로 표시된 것과 같이 연료 전지를 통해 흐른다. 공기 출구(57)는 도관(58)에 의해, 대체로 건조한 공기를 위한 출구(62) 및 저장소(64)를 가진 콘덴서(59)에 연결된다. 연료 전지(102)를 통해 아래 방향으로 흐르는 공기에 있는 물은, 콘덴서(59)에서 습한 공기로부터 응결되며 저장소(64)에 수집되는 수증기를 생성하면서 연료 전지에서 열에 의해 증발된다. 저장소는 도관(65)에 의해, 물을 도 3 및 도 4에 도시된 냉각수 채널(108)에 공급하는 물 입구 매니폴드(125)의 입구(66)에 연결된다.
물이 산화제 유동 채널(118)에 쉽게 도달할 수 있도록 다공성, 친수성 산화제 유동장 플레이트 부분(115)을 통한 물 침투를 돕기 위해서, 필요하다면 냉각수의 압력이 펌프(121)와 밸브(도시하지 않음)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 압력은 공기압보다 0.5psi(3.5kPa) 높을 수 있다.
연료 유동장 채널(106)은 약 0.7mm 및 약 2.2mm 사이의 너비 일 수 있고, 그들 사이가 약 0.7mm 및 약 1.5mm 사이인 사이-그루브 리지(107)를 갖고, 각각의 경우에 약 0.2mm 및 약 1.0mm 사이의 깊이를 갖고, 연료 유동 플레이트 부분(105)에서 약 0.6mm 및 약 1.0mm 사이의 두께일 수 있다. 공기 유동장 채널(118)은 약 0.7mm 및 약 1.5mm 사이의 너비를 갖는 사이-그루브 리브(rib)(119)를 갖고, 약 0.6mm 및 약 1.0mm 사이 두께의 산화제 유동장 플레이트 부분(115)에 있는 약 0.3mm 및 약 0.6mm 사이의 깊이를 갖고, 약 0.9mm 및 약 2.5mm의 너비를 가질 수 있다.
개시된 실시예의 수정 및 변경이, 개념의 의도로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있기 때문에, 첨부된 청구범위에 의해 요구되는 것이 아닌 것들에 대해 본 발명을 제한하려는 의도는 아니다.

Claims (11)

  1. 수직으로 배열된 연료 전지(102)의 스택(37)을 특징으로 하는 연료 전지 파워 플랜트이며,
    각각의 연료 전지는, 멤브레인 전극 조립체(101)의 반대편에 배치된 양극 및 음극 촉매를 갖는 전해액이 있는 멤브레인 전극 조립체(101)를 포함하고,
    각각의 멤브레인 전극 조립체는 상기 스택에서, 하이브리드 분리 플레이트에 의해 인접 멤브레인 전극 조립체로부터 분리되며,
    각각의 상기 하이브리드 분리 플레이트는 중실의 연료 유동장 플레이트(105)의 제1 면으로부터 안쪽으로 연장되는 수평 연료 반응물 가스 유동 채널을 갖는 중실의 상기 연료 유동장 플레이트(105)와, 다공성이며 친수성인 산화제 유동장 플레이트(115)의 제1 면으로부터 안쪽으로 연장되는 수직 산화제 유동 채널을 갖는 다공성이며 친수성인 상기 산화제 유동장 플레이트(115)를 포함하며,
    상기 산화제 유동장 플레이트의 상기 제1 면의 반대편인 상기 산화제 유동장 플레이트의 제2 면은 일체형의 상기 하이브리드 분리 플레이트를 형성하기 위해서, 상기 연료 유동장 플레이트의 상기 제1 면의 반대편인 상기 연료 유동장 플레이트의 제2 면에 결합되며,
    상기 플레이트들의 상기 제2 면들에 인접한 수평한 수로가 있으며,
    상기 촉매들은 각각의 상기 멤브레인 전극 조립체의 아랫부분에 걸쳐 배치되어, 각각의 상기 멤브레인 전극 조립체의 윗부분을 비활성 부분으로 남기고,
    상기 수로는, 상기 멤브레인 전극 조립체들 중 인접한 멤브레인 전극 조립체들의 상기 비활성 부분과 나란하고, 동연(同延,coextensive)적으로 배치되는 상기 연료 유동장 플레이트의 윗부분에만 배치되는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 파워 플랜트.
  2. 제1항에 있어서,
    수평한 상기 수로가 상기 연료 유동장 플레이트의 상기 제2 면의 상부 단부로부터 안쪽으로 연장되는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 파워 플랜트.
  3. 제1항에 있어서,
    촉매가 없는 비활성인, 상기 멤브레인 전극 조립체의 일부분에 인접해 있는 상기 연료 유동 플레이트의 윗부분에 걸쳐 상기 수로가 배치되는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 파워 플랜트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수로는, 상기 하이브리드 분리 플레이트의 상부 에지에서, 상기 하이브리드 분리 플레이트의 플랜폼의 면적의 15%보다 작게 연장되는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 파워 플랜트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수로는, 상기 하이브리드 분리 플레이트의 상부 에지에서, 상기 하이브리드 분리 플레이트의 플랜폼의 면적의 10%보다 작게 연장되는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 파워 플랜트.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    멤브레인 전극 조립체의 비활성 부분은 멤브레인 전극 조립체의 면적의 15%보다 작은 것을 특징으로 하는
    연료 전지 파워 플랜트.
  8. 제1항에 있어서,
    멤브레인 전극 조립체의 비활성 부분은 멤브레인 전극 조립체의 면적의 10%보다 작은 것을 특징으로 하는
    연료 전지 파워 플랜트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 면들은, 열가소성의 얇은, 주변부 층으로 함께 결합하는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 파워 플랜트.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료 반응물 가스 유동 채널은, 수로를 갖지 않는 상기 연료 유동장 플레이트의 상기 제2 면의 반대편에 있는 상기 연료 유동장 플레이트의 상기 제1 면의 일부분으로부터만 연장되는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 파워 플랜트.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 파워 플랜트는 상기 연료 전지의 상기 산화제 유동장의 출구에 연결된 콘덴서(59)를 더 포함하며, 상기 콘덴서의 응축액은 상기 수로와 유체 연결(in fluid communication) 되어 있으며, 물은 상기 수로로부터 다공성 및 친수성의 상기 산화제 유동장 플레이트 각각을 통해서 상기 산화제 유동 채널로 이동하여 상기 연료 전지를 냉각시키기 위해 증발되는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 파워 플랜트.
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