KR101942611B1 - 연료 전지 유체 채널 - Google Patents

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KR101942611B1
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조나단 다니엘 오닐
티모시 더블유. 패터슨
크리스토퍼 존 카네발레
루프나린 수크램
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아우디 아게
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Abstract

예시 연료 전지 어셈블리는 연료 전지의 활성 유동 영역 근처의 연료 전지 유체의 이동을 용이하게 하는 채널들을 갖는 판을 포함한다. 상기 채널들은 상기 활성 유동 영역의 외부로 측방향으로 연장되는 가변 깊이를 갖는 부분들을 포함한다.

Description

연료 전지 유체 채널 {FUEL CELL FLUID CHANNELS}
[연방정부에서 지원하는 연구 또는 개발에 관한 진술]
이 발명은 미국 운수부에 의해 수여된 제CA-04-7003-00호 계약에 따라 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 이 발명에 특정 권리를 갖는다.
이 개시 내용은 연료 전지 유체 이동을 용이하게 하는 판(plate)들 및 특히, 그러한 판들 상의 채널들과 관계가 있다.
일반적으로 연료 전지는 연료 및 산화제와 같은 반응물들 사이의 공지된 전기화학 반응으로부터 전류를 발생시키기 위해 음극 촉매, 양극 촉매 및 상기 음극 촉매와 양극 촉매 사이의 전해질 재료를 포함한다. 상기 연료 전지는 상기 반응물들을 각각의 촉매들로 향하게 하는 채널들을 갖는 유동장 판들을 포함한다. 상기 전해질 재료는 상기 유동장 판들 사이에 배열되는, 일반적으로 폴리머 전해질 막(polymer electrolyte membrane) 또는 PEM으로 언급되는 폴리머 층일 수 있다. 상기 연료 전지는 상기 연료 전지를 통해 냉각 및/또는 가습용의 이동하는 유체를 위한 채널들을 갖는 유동장을 포함할 수 있다. 상기 연료, 산화제 및 냉각 및/또는 가습용의 유체는 연료 전지 유체의 유형이다. 상기 연료 전지 유체 중 일부는 기체일 수 있고 다른 것은 액체일 수 있다.
예를 들어, 공기 거품이 액체 채널 내에 형성(build-up)될 수 있다. 상기 거품은 상기 유동장의 채널들을 통한 유체의 유동에 바람직하지 않게 영향을 줄 수 있다. 상기 거품 형성은 특히, 건조, 과열 또는 양쪽 모두 되는 다공성의 판들을 유발할 수 있다. 일부 제조 기술은 거품 형성에 취약한 채널을 생기게 한다.
연료 전지 어셈블리의 일 실시예는 연료 전지의 활성 유동 영역 근처의 연료 전지 유체의 이동을 용이하게 하는 채널들을 갖는 판들을 포함한다. 상기 채널들은 상기 활성 유동 영역의 외부로 측방향으로 연장되는 가변 깊이를 갖는 부분들을 포함한다.
연료 전지 어셈블리의 다른 실시예는 제1 방향으로 연장되는 제1 복수의 채널 및 상기 제1 방향을 가로지르는 제2 방향으로 연장되는 제2 복수의 채널을 갖는 판을 포함한다. 상기 제1 복수의 채널은 상기 판의 중첩 영역에서 상기 제2 복수의 채널과 중첩되고, 상기 제1 복수의 채널은 가변 깊이를 갖는 부분을 포함한다. 상기 부분은 상기 제2 복수의 채널 중 측방향으로 최외곽인 것을 지나서 중첩 영역으로부터 연장한다.
연료 전지에서 채널을 형성하는 예시 방법은 상기 연료 전지 판에 가변 깊이를 갖는 부분을 갖는 채널을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 부분은 상기 연료 전지 판이 상기 연료 전지 어셈블리 내에 위치되는 때 상기 연료 전지 어셈블리의 활성 유동 영역의 외부로 측방향으로 연장한다.
개시된 예시들의 다양한 특징들 및 장점들은 상세한 설명으로부터 당해 분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다. 상세한 설명에 첨부된 도면들은 다음과 같이 간단히 설명될 수 있다.
도 1은 연료 전지 스택 어셈블리의 상당히 간략화된 개략도이다.
도 2는 도 1의 연료 전지 스택 어셈블리의 연료 전지 유닛의 단면도이다.
도 3은 도 2의 연료 전지에서 예시적인 유동장 판의 평면도이다.
도 4는 도 3의 유동장 판의 일부의 클로즈업 사시도이다.
도 5는 채널 형성 공정의 일부분 동안 도 3의 유동장 판을 도시한다.
도 6은 도 5의 6-6선에서의 단면도이다.
도 1은 예를 들어, 반응물 기체들 사이의 공지된 전기화학 반응으로부터 전류를 발생시키기 위한 연료 전지 어셈블리(10)를 도시한다. 연료 전지 어셈블리(10)의 개시된 배열은 오직 예시이고 여기에 개시된 개념들은 다른 연료 전지 배열들에 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
예시된 연료 전지 어셈블리(10)는 연료 전지 어셈블리(10)를 제공하기 위해 적층될 수 있는 하나 이상의 연료 전지 유닛(20)을 포함한다. 연료 전지 유닛(20)은 축(y)을 따라 서로에 대해 적층된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지 유닛(20)의 각각은 전극 어셈블리(24) 및 반응물 기체들(예를 들어, 공기 및 수소)을 전극 어셈블리(24)로 운반하기 위한 유동장 판들(26a,26b)을 포함한다. 유동장 판(26a)은 공기를 운반하는 공기 판으로 간주될 수 있고 유동장 판(26b)은 수소를 운반하는 연료 판으로 간주될 수 있다.
전극 어셈블리(24)는 양극 촉매(30a)와 음극 촉매(30b) 사이의, 양성자 교환 막으로도 언급되는 폴리머 전해질 막(PEM)(28)을 포함한다. 비록 도시되지 않았지만, 기체 확산 층들이 반응물 기체들의 분배를 용이하게 하기 위해 상기 유동장 판들(26a,26b)과 상기 전극 어셈블리(24) 사이에서 이용될 수 있다.
연료 전지 유닛(20)은 축(y)을 따라 연장되는 활성 유동 영역(A)을 포함한다. 활성 유동 영역(A)의 측방향의 외부 경계들은 이 실시예에서 상기 PEM(28)의 주연에 맞추어 정렬된다. 상기 활성 유동 영역(A)은 이 실시예에서, 상기 연료 전지 유닛(20)의 전기화학적으로 활성인 영역에 대응한다. 상기 활성 유동 영역(A)은 흔히 화학 반응이 일어나는 상기 연료 전지 유닛(20)의 부분을 나타낸다.
상기 유동장 판들(26a,26b)의 각각은 각각의 반응물 기체들을 상기 양극 촉매(30a) 또는 상기 음극 촉매(30b)로 운반하기 위한 채널들(32)을 포함한다. 상기 유동장 판들(26a,26b)의 각각은 반응물 기체를 상기 유동장으로 운반하기 위한 입구들 및 상기 유동장으로부터 미사용된 반응물 기체를 배기하기 위한 출구들을 포함할 수 있다.
또한 상기 유동장 판(26a), 유동장 판(26b), 또는 양쪽 모두 냉각제 채널들(36)에서 물과 같은 냉각제를 순환시킬 수 있다. 상기 냉각제는 상기 연료 전지 유닛(20)의 소정의 작동 온도를 유지시키고 상기 반응물 기체들을 수화시키는데 도움이 된다. 상기 채널들(36)은 산화제 또는 반응물의 유동을 안내하기 위해 이용될 수도 있다.
이 실시예에서, 상기 냉각제 채널들(36)은 상기 채널들(32)에 대향하여 상기 유동장 판(26a)의 측면에 위치된다. 이 실시예에서, 상기 채널들(32)은 활성 유동 영역(A) 내에 있다. 그러나, 상기 채널들(36)은 상기 활성 유동 영역(A)의 외부로 측방향으로 연장되는 부분들(44)을 포함한다. 이 실시예에서, 측방향은 축(y)을 참조로 하는 자리 또는 위치를 설명하기 위해 이용된다. 상기 판들의 주연에 근접한 채널들은 다른, 더 중심으로 위치된 채널들의 측방향으로 외부를 향한다.
상기 유동장 판(26a)은 이 실시예에서 다공성 판이다. 상기 다공성 판은 수분이 상기 판(26a)에 있는 구멍들을 통해 상기 채널들(36)로부터 상기 채널들(32)로 이동할 수 있으므로 상기 반응물 기체들을 수화시키는 것을 용이하게 한다.
도시된 배열에서, 상기 전극 어셈블리(24)는 상기 유동장 판들(26a,26b) 사이(예를 들어, 상기 채널들(32)을 형성하는 리브(rib)들 사이)에 클램핑된다. 상기 클램핑 힘은 상기 유동장 판들(26a,26b)에 대한 상기 PEM(28)의 이동을 제한한다.
밀봉부(40)는 상기 연료 전지 어셈블리(10)의 주연 주위로 연장한다. 상기 밀봉부(40)는 상기 반응물 기체들 및 물 부산물을 상기 연료 전지 어셈블리(10) 내에 유지시킨다. 또한 상기 주연 밀봉은 상기 PEM(28)의 이동을 더 제한할 수 있다.
도 2를 계속 참조함과 함께 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 판(26a)의 상기 채널들(36)은 제1 채널들(36a) 및 제2 채널들(36b)을 포함한다. 상기 제1 채널들(36a)은 방향(Da)으로 연장하고, 상기 제2 채널들(36b)은 적어도 한 방향(Db)으로 연장한다. 상기 방향(Da)은 상기 방향(Db)을 가로지른다. 이 실시예에서, 상기 방향(Da)은 상기 방향(Db)에 대해 직각이다.
상기 판(26a)은 상기 제1 채널들(36a)이 상기 제2 채널들(36b)과 중첩되는 중첩 영역들(42a,42b)을 포함한다. 상기 중첩 영역들(42a,42b)의 측방향으로 외부 주연들은 측방향 외부 채널들(36a') 및 측방향 외부 채널들(36b')에 의해 형성된다. 상기 측방향 외부 채널들(36b')을 지나 연장되는 상기 채널들(36a,36a')의 부분들은 상기 중첩 영역들(42a,42b)에 있지 않다. 유사하게, 상기 측방향 외부 채널들(36a')을 지나 측방향으로 연장되는 채널들(36b)의 부분들은 상기 중첩 영역들(42a,42b)에 있지 않다.
상기 활성 유동 영역(A)은 상기 연료 전지 유체가 상기 입구(66)로부터 상기 출구(68)로 이동하기 위해 통해서 흐르는 모든 채널들로 구성된다. 이 실시예에서, 상기 입구 채널들(58), 상기 출구 채널들(60), 상기 중첩 영역들(42a,42b) 및 상기 중첩 영역들(42a,42b) 바로 사이에 위치된 직사각형 영역을 포함한다.
상기 채널들(36a,36a')은 상기 활성 유동 영역(A)의 외부로 측방향으로 연장되는 부분들(44)을 포함한다. 이들 부분들(44)은 상기 판(26a)의 측방향 외부 모서리(48)로 연장하지 않는다. 각각의 부분(44)은 다른 채널 또는 판 모서리와 연결되지 않는 하나의 단부를 갖는다. 따라서, 상기 연료 전지 유체는 부분들(44)을 통해 활발히 흐르지 않고 부분들(44)을 충전할 수 있다.
상기 채널들(36b,36b')의 일부는 상기 활성 유동 영역(A)의 외부로 측방향으로 연장되는 부분들(52)을 포함한다. 상기 부분들(52)은 상기 판(26a)의 측방향 외부 모서리(56)로 연장하지 않는다. 각각의 부분(52)은 다른 채널 또는 판 모서리와 연결되지 않는 하나의 단부를 갖는다. 따라서, 상기 연료 전지 유체는 부분들(52)을 통해 활발히 흐르지 않고 부분들(52)을 충전할 수 있다.
상기 채널들(36b,36b')의 일부 다른 것들은 상기 활성 유동 영역(A)의 외부로 측방향으로 연장되는 부분들(58)을 포함한다. 상기 부분들(58)은 이 실시예에서 상기 판(26a)의 측방향 외부 모서리(56)로 연장한다.
상기 채널들(36b,36b')의 일부 다른 것들은 상기 활성 유동 영역(A)의 외부로 측방향으로 연장되는 부분들(60)을 포함한다. 상기 부분들(60)은 이 실시예에서 상기 판(26a)의 측방향 외부 모서리(64)로 연장한다.
상기 연료 전지 유닛(20)의 작동 중에, 유체는 상기 부분들(58)을 통해 들어가고, 상기 채널들(36)의 남은 부분들을 통해 이동하고, 상기 부분들(60)을 통해 떠난다. 따라서 상기 부분들(58)은 상기 판(26a)에 입구(66)를 제공하고, 상기 부분들(58)은 출구(68)를 제공한다. 상기 유체는 일반적으로 경로(P)를 따른다.
상기 채널들(36)을 통해 이동하는 유체 내에 혼입된 거품들은 만약 양쪽의 교차하는 채널들이 가변 깊이들 또는 테이퍼(taper)들을 갖는다면 채널들(36)의 교차점들에서 지체하는(hang-up) 경향이 있다. 거품 지체는 상기 판의 그 영역에서 구멍들에 있는 모든 물을 기화시켜서, 기체 누설 경로를 생성하는 것을 유발할 수 있다. 또한 거품 지체는 비효율적인 냉각을 유발할 수 있다. 상기 개시된 실시예들의 특징은 가변 깊이를 갖는 채널의 부분이다. 상기 부분은 연료 전지 유닛의 활성 유동 영역 및 중첩 영역의 측방향으로 외부이다. 상기 활성 유동 영역(A) 외부로 가변 깊이를 갖는 상기 부분들의 위치설정은 거품 지체와 관련된 비효율적으로 냉각되는 영역들이 상기 활성 유동 영역(A)의 외부가 되는 것을 보장한다. 상기 판들은 상기 가변 깊이를 갖는 상기 부분들을 수용하기 위해 선행 기술의 판들에 대해 측방향으로 대형화될 수 있다. 상기 가변 깊이를 갖는 부분은 상기 활성 유동 영역(A) 외부에 전체적으로 또는 부분적으로 위치설정될 수 있다.
도 2 및 도 3을 계속 참조함과 함께 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 채널들(36)을 형성하는 공정은 판(26a)에 상기 채널들(36)을 형성하기 위해 갱 밀링 어셈블리(gang milling assembly)(70)를 이용한다. 상기 갱 밀링 어셈블리(70)는 허브(74)에 장착된 복수의 블레이드(72)를 포함한다. 전기 모터(76)는 상기 블레이드들(72)을 회전시키기 위해 상기 허브(74)를 회전시킨다. 상기 회전하는 허브(74) 및 블레이드(72)는 상기 채널들(36)을 형성하기 위해 상기 판(26a)의 표면을 가로질러 이동한다.
이 실시예에서, 상기 갱 밀링 어셈블리(70)는 상기 채널들(36a)을 형성하기 위해 제1 방향으로 상기 판(26a)을 가로질러 이동한다. 각각의 블레이드(72)는 단일 패스(pass) 동안 상기 채널들(36) 중 하나를 절삭한다. 상기 판(26a)의 다른 영역들에서 추가 패스들은 소정의 채널들(36a)의 개수 및 블레이드들의 개수에 따라 필요할 수 있다. 상기 허브(74) 및 상기 블레이드(72)는 그 뒤에 상기 채널들(36b)을 형성하기 위해 (예를 들어, 상기 제1 방향에 비해 90도 회전한) 제2 방향으로 상기 판(26a)의 일부 표면을 가로질러 이동한다.
상기 갱 밀링 어셈블리(70)는 상기 채널들(36a)의 일부의 상기 부분들(44)을 형성하는 것이 도시되어 있다. 상기 채널들(36a)은 상기 판(26a)의 측방향 외부 모서리(48)로 연장되는 것을 의도하지 않기 때문에, 상기 블레이드(72)는 상기 블레이드들(72)이 상기 측방향 외부 모서리(48)에 도달하기 전에 상기 판(26a)으로부터 벗어난다. 상기 블레이드(72)는 상기 채널들(36a)의 단부들이 테이퍼 바닥(78)(또는 가변 깊이 영역)을 갖도록 유발하는, 원형이다.
상기 부분들(44) 외에, 상기 채널들(36a)은 상기 블레이드(72)의 선택된 깊이가 이 영역들을 통과했기 때문에 비교적 일관된 깊이(d)를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 중첩 영역(42a)에 있는 상기 채널들의 일부 영역들은 이곳이 상기 갱 밀링 어셈블리(70)가 상기 채널들(36a)을 절삭하기 시작하는 곳이기 때문에 테이퍼 바닥들을 갖는다. 예를 들어, 중첩 영역(42a)에서, 채널들(36a)의 부분들은 테이퍼 바닥들을 가질 수 있지만, 교차하는 채널들(36b)은 테이퍼 부분들(52)이 중첩 영역(42a)의 외부이기 때문에 테이퍼 바닥들을 갖지 않는다. 비슷하게, 중첩 영역(42b)에서, 채널들(36b)의 부분들은 테이퍼 바닥들을 가질 수 있지만, 교차하는 채널들(36a)은 테이퍼 부분들(44)이 중첩 영역(42b)의 외부이기 때문에 테이퍼 바닥들을 갖지 않는다. 중첩 영역들(42a,42b)의 외부의 테이퍼 부분들(52,44)의 위치는 테이퍼 부분들이 서로 절대 교차하지 않도록 함으로써 거품 지체의 위험을 완화시킨다. 상기 채널들(36a)을 따라 유동의 방향에서 상기 부분들(44)의 길이는 식 b=√[c2-(c-d)2]으로 설명되며, b는 길이, c는 상기 블레이드(72)의 반경 및 d는 상기 채널들(36a)의 선택된 깊이이다.
다른 예시 판들(도시되지 않음)은 유동이 입구로부터 출구로 이동함에 따라 여러 번 유체를 상기 판을 가로질러 앞뒤로 냉각제의 경로를 따라 흐르게 하는 채널들을 포함할 수 있다. 비 중첩 영역(44)은 그러한 판에 위치될 수 있다.
전술한 설명은 사실상 제한하는 것보다는 예시적이다. 상기 개시된 예시들에 대한 변화들 및 변경들은 이 개시 내용의 본질에서 필연적으로 벗어나지 않고 당해 분야의 통상의 기술자에게 명백해질 수 있다. 따라서, 이 개시 내용에 주어진 법적 보호의 범위는 오직 이하의 청구항들의 검토에 의해 결정될 수 있다.

Claims (19)

  1. 연료 전지 어셈블리이며,
    상기 연료 전지의 활성 유동 영역 근처의 유체의 이동을 용이하게 하는 채널들을 갖는 판을 포함하되, 상기 활성 유동 영역은 상기 유체가 상기 채널들을 통해 상기 판의 입구로부터 상기 판의 출구로 이동하기 위해 흐르는 영역으로 정의되고,
    상기 채널들은 가변 깊이를 갖는 부분을 포함하고, 상기 부분은 상기 활성 유동 영역의 외부로 측방향으로 연장되는,
    연료 전지 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성 유동 영역의 내부에서 측방향으로 상기 채널들의 깊이는 일정한,
    연료 전지 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 위치에서 상기 부분의 깊이는 제2 위치에서 상기 부분의 깊이보다 더 깊은,
    연료 전지 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 위치는 상기 제2 위치보다 상기 활성 유동 영역에 측방향으로 더 근접한,
    연료 전지 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 채널들은 제1 방향을 가로지르는 제2 방향으로 정렬된 채널들의 그룹과 중첩되는 상기 제1 방향으로 정렬된 채널들의 그룹을 포함하는,
    연료 전지 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 방향으로 정렬된 상기 채널들이 상기 제2 방향으로 정렬된 상기 채널들과 중첩되는 채널 중첩 영역을 포함하는,
    연료 전지 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 방향으로 정렬된 상기 채널들 및 상기 제2 방향으로 정렬된 상기 채널들의 각각은 상기 부분을 포함하고, 상기 부분은 상기 채널 중첩 영역의 외부로 측방향에 있는,
    연료 전지 어셈블리.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 채널 중첩 영역은 오직 상기 활성 유동 영역 내에 있는,
    연료 전지 어셈블리.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 채널 중첩 영역은 상기 판을 갖는 연료 전지의 전기화학적 활성 영역의 측방향 외부 경계들에 대응하는 측방향 외부 경계를 갖는,
    연료 전지 어셈블리.
  10. 연료 전지 어셈블리이며,
    제1 방향으로 연장되는 제1 복수의 채널 및 상기 제1 방향을 가로지르는 제2 방향으로 연장되는 제2 복수의 채널을 갖는 판을 포함하며,
    상기 제1 복수의 채널은 상기 판의 중첩 영역에서 상기 제2 복수의 채널과 중첩되고, 상기 제1 복수의 채널은 가변 깊이를 갖는 부분을 포함하며, 상기 부분은 상기 제2 복수의 채널의 측방향으로 최외곽인 것을 지나 상기 중첩 영역으로부터 연장되는,
    연료 전지 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 복수의 채널은 상기 제1 복수의 채널의 측방향으로 최외곽인 것을 지나 상기 중첩 영역으로부터 연장되는,
    연료 전지 어셈블리.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 방향은 상기 제2 방향에 직각인,
    연료 전지 어셈블리.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 복수의 채널 및 상기 제2 복수의 채널은 냉각제를 연료 전지로 연통시키도록 구성된,
    연료 전지 어셈블리.
  14. 연료 전지 판에 채널을 형성하는 방법이며,
    상기 연료 전지 판에 채널을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 채널은 가변 깊이를 갖는 부분을 갖고, 상기 부분은 상기 연료 전지 판이 상기 연료 전지 어셈블리 내에 위치될 때 상기 연료 전지 어셈블리의 활성 유동 영역의 외부로 측방향으로 연장되되
    상기 활성 유동 영역은 유체가 상기 채널을 통해 상기 연료 전지 판의 입구로부터 상기 연료 전지 판의 출구로 이동하기 위해 흐르는 영역으로 정의되는,
    연료 전지 판에 채널을 형성하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 채널을 갱 밀링하는 단계를 포함하는,
    연료 전지 판에 채널을 형성하는 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    제1 방향으로 정렬된 제1 복수의 채널을 형성하기 위해 상기 연료 전지 판을 가로질러 상기 제1 방향으로 갱 밀을 이동시키는 단계와,
    제2 방향으로 정렬된 제2 복수의 채널을 형성하기 위해 상기 연료 전지 판을 가로질러 제2 방향으로 갱 밀을 이동시키는 단계를 포함하는,
    연료 전지 판에 채널을 형성하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 연료 전지 판이 상기 연료 전지 어셈블리 내에 조립될 때 상기 제1 방향으로 정렬된 상기 제1 복수의 채널 및 상기 제2 방향으로 정렬된 상기 제2 복수의 채널은 각각 상기 연료 전지 어셈블리의 상기 활성 유동 영역의 외부로 측방향으로 연장되도록 구성된,
    연료 전지 판에 채널을 형성하는 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 연료 전지 판이 상기 연료 전지 어셈블리 내에 위치될 때 상기 연료 전지 어셈블리의 상기 활성 유동 영역의 외부로 측방향으로 연장되도록 구성된 상기 채널의 부분은 테이퍼링된,
    연료 전지 판에 채널을 형성하는 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 채널들은 냉각제를 연료 전지 내로 향하게 하도록 구성된,
    연료 전지 판에 채널을 형성하는 방법.
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