KR102047898B1 - 연료 전지의 유체 분배 - Google Patents

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Abstract

연료 전지에 사용하기 위한 바이폴러 연료 전지판(300)은 복수의 흐름 필드 채널(704) 및 유체 흐름 필드 판의 일부로서 형성된 냉각제 분배 구조물(708)을 포함한다. 냉각제 분배 구조물은 냉각제 액적(701)을 흐름 필드 채널로 보내도록 구성된다. 냉각제 분배 구조물은 하나 이상의 흐름 필드 채널과 연관된 하나 이상의 요소(710)를 포함하고, 이 요소는 냉각제 액적을 도입하는 제1 표면(712) 및 냉각제 액적을 연관된 필드 흐름 채널로 보내는 냉각제 액적 분리 구역을 한정하는 형상을 구비하는 제2 표면(714)을 포함한다.

Description

연료 전지의 유체 분배{FUEL CELL FLUID DISTRIBUTION}
본 발명은 냉각제를 연료 전지판(fuel cell plate)의 흐름 필드 채널(flow field channel)로 분배하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
폴리머 전해질 멤브레인(polymer electrolyte membrane: PEM) 기반 연료 전지는 연료 가스(일반적으로 수소) 및 산화제(일반적으로 공기)를 포함하는 최소한 2개의 유체 공급을 필요로 한다. 또한 일반적으로 냉각이 요구되는데 이 냉각은 산화제 공급을 통해, 즉 연료 전지의 캐소드에 걸쳐, 또는 전용 냉각제 공급을 통해 제공될 수 있다. 별개의 냉각제 공급은 산화제 및 연료 채널과 분리된 일련의 별개의 채널 형태로 제공될 수 있으나 연료 전지 스택을 구성하는 각 개별 연료 전지로부터 열을 추출하도록 배열된다. 대안적인 냉각 배열은 각 연료 전지의 캐소드 측을 통해 제어된 방식으로 추가적인 물을 제공하는 것이다. 이러한 추가적인 물은 연료 전지 내에서 증발하고 증기로 빠져나가는 것에 의해 가장 효율적으로 열을 추출할 수 있다. 동작 효율을 최대화하기 위하여 각 연료 전지의 폭에 걸쳐 정확히 한정된 방식으로 제어된 양의 물을 도입하는 것이 중요하다. 각 연료 전지는 1mm 이하의 두께 및 수 cm의 폭이어서, 원하는 제어 레벨을 달성하는 것이 곤란할 수 있다.
냉각제를 분배하는데 원하는 정도의 제어를 달성하는 하나의 방식은 연료 전지판의 에지(edge)를 따라 위치된 추가적인 심(shim) 컴포넌트를 사용하는 것인데, 이 심은 유체를 보내는 채널과 같은 에칭된 특징부를 구비한다. 이러한 심 및 정밀 특징부를 생성하는데 사용되는 에칭 공정은 복잡도를 추가하고 제조 공정에 비용을 추가한다. 따라서 보다 비용 효과적인 해법이 요구된다.
연료 전지에서 원하는 정도의 수냉식 제어를 달성하는 대안적인 방식은 연료 전지판의 접힌 에지(folded edge)를 사용하여 제어된 양의 냉각수를 유체 흐름 공급 판의 캐소드 측에 도입하는 WO 2007/129030에 개시되어 있다. 접힌 구역(folded region)의 한 면이나 양 면에 표면 텍스처를 적용하는 것에 의해 복수의 채널이 접는 부분에 제공된다. 냉각제 물은 접힌 구역을 통해 공급되고, 판에 걸쳐 연장되는 캐소드 채널 안으로 빠져나간다.
이러한 냉각 메커니즘을 제공하는 것에 따른 문제는 판의 폭에 걸쳐 냉각제를 균일하게 분배하는 것을 보장하는 것과 함께 판에 걸쳐 제어된 흐름을 달성하는 것에 있다. 나아가, 판에 냉각제 채널을 형성하는 종래의 방법은 일반적으로 균일한 냉각제 흐름률에 필요한 정밀한 제어 및 작은 공차를 제공하기에는 불충분하다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 연료 전지에 사용하기 위한 바이폴러 연료 전지판(bipolar fuel cell plate)이 제공되며, 상기 바이폴러 연료 전지판은,
복수의 흐름 필드 채널; 및
바이폴러 연료 전지판의 일부로서 형성되고, 냉각제 액적을 흐름 필드 채널 내로 보내도록 구성되는 적어도 제1 표면과 제2 표면을 갖는 복수의 돌출된 요소를 구비하는 냉각제 분배 구조물을 포함하고;
상기 냉각제 분배 구조물은 하나 이상의 흐름 필드 채널과 연관된(associated) 하나 이상의 요소를 포함하고, 상기 요소는 냉각제 액적을 수용하는 제1 표면 및 냉각제 액적을 상기 연관된 필드 흐름 채널로 보내는 냉각제 액적 분리 구역을 한정하는 형상을 구비하는 제2 표면을 구비한다.
이러한 냉각제 분배 구조물을 사용하면 정확하고 균일한 냉각제 분배를 촉진할 뿐만 아니라 배향, 진동, 흔들림 및 캐소드 흐름률의 변동에 대한 연료 전지의 감도를 감소시킬 수 있다.
바이폴러 연료 전지판은 냉각제 액적을 상기 요소의 제1 표면에 제공하도록 구성된 복수의 냉각제 도입 개구를 더 포함할 수 있다.
상기 요소는 상기 냉각제 도입 개구와 상기 흐름 필드 채널 사이에서 연장되는 선상에 위치될 수 있다. 상기 요소를 상기 냉각제 도입 개구와 상기 흐름 필드 채널 사이에서 연장되는 선상에 위치시키면 냉각제 액적이 상기 냉각제 도입 개구로부터 상기 흐름 필드 채널로 이동할 때 냉각제 액적이 요소와 만나는 것을 보장하여 냉각제 분배의 정확성 및 균일성을 개선시킬 수 있다.
상기 요소는 2개의 냉각제 도입 개구와 각각 연관될 수 있다. 이런 방식으로, 2개의 도입된 냉각제 액적은 제2 표면에서 함께 합쳐지기 전에 냉각제 액적이 상기 요소로부터 분리되어 요소들의 각 측면을 따라 이동할 수 있다.
상기 바이폴러 연료 전지판은 공기를 상기 흐름 필드 채널에 제공하는 복수의 공기 도입 개구를 더 포함할 수 있다. 공기 도입 개구로부터 도입된 공기는 액적이 상기 냉각제 분배 구조물로부터 상기 흐름 필드 채널로 이동할 수 있도록 구성될 수 있다. 공기 도입 개구로부터 도입된 공기는 냉각제 액적이 냉각제 도입 개구로부터 상기 요소들의 제1 표면으로 이동할 수 있도록 구성될 수 있다. 이런 방식으로, 상기 도입된 캐소드 공기를 사용하여 냉각제 액적을 가이드할 수 있다.
공기 도입 개구로부터 도입된 공기는 냉각제 액적이 상기 제1 표면으로부터 상기 요소의 제2 표면으로 이동할 때 냉각제 액적이 요소의 측면을 따라 이동할 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 냉각제 액적은 표면 장력으로 인해 요소의 측면과 접촉을 유지할 수 있다.
상기 액적 분리 구역은 상기 요소의 제2 표면의 형상에 정점(apex)을 한정할 수 있다. 상기 액적 분리 구역은 상기 냉각제 분배 구조물에서 요소의 제2 표면에서 최저 곡률 반경을 구비할 수 있다. 이런 방식으로, 냉각제 액적의 분리 방향 및 분리점을 정확히 제어할 수 있다.
상기 요소는 가스 확산층을 지지하도록 구성될 수 있다. 상기 요소는 유체 흐름 채널의 단부를 넘어 가스 확산층을 지지하여 상기 개구를 상기 흐름 필드 채널로 개방을 유지하도록 구성될 수 있다.
상기 바이폴러 연료 전지판은 흐름 필드 채널의 하류 단부에서 복수의 지지 요소를 포함하는 지지 구조물을 더 포함할 수 있다. 상기 지지 요소는 가스 확산층을 지지하도록 구성될 수 있다. 이런 방식으로, 상기 지지 요소는 유체 흐름 채널의 단부를 넘어 가스 확산층을 지지하여 흐름 필드 채널로부터 밖으로 개구를 개방하여 유지하도록 구성될 수 있다.
상기 지지 요소는 냉각제 분배 구조물의 요소와 동일한 형상일 수 있다. 이것은 흐름 필드 채널을 통해 균일한 흐름을 제공하는 것을 지원할 수 있다.
상기 냉각제 분배 구조물은 각 흐름 필드 채널과 연관된 요소를 포함할 수 있다. 상기 냉각제는 물일 수 있다. 상기 바이폴러 연료 전지판은 강철로 만들어질 수 있다.
냉각제 분배 구조물에서 요소의 높이는 흐름 필드 채널을 한정하는 주름진 유체 흐름 필드 구역의 높이와 실질적으로 동일할 수 있다. 지지 분배 구조물에서 지지 요소의 높이는 흐름 필드 채널을 한정하는 주름진 유체 흐름 필드 구역의 높이와 실질적으로 동일할 수 있다. 이것을 통해 가스 확산층은 바이폴러 연료 전지판에 평평히 놓일 수 있다.
상기 바이폴러 연료 전지판은 판의 접힌 구역 내 표면에 형성된 채널의 제1 및 제2 어레이를 더 포함할 수 있다. 채널의 제1 어레이는 접힌 구역의 제1 내부 면에 걸쳐 판의 에지로부터 연장될 수 있다. 채널의 제2 어레이는 제1 방향을 가로지르는 제2 방향으로 접힌 구역의 제2 대향 면에 걸쳐 연장될 수 있다. 판의 에지에서 채널의 제1 어레이의 개구는 냉각제 액적을 요소의 제1 표면에 제공하도록 구성될 수 있다. 접힌 구역은, 판을 관통하여 유체 분배 채널의 어레이와 유체 연통하는 포트(port)를 포함할 수 있다.
본 발명의 측면 및 실시예는 첨부 도면을 참조하여 예로서 아래에서 보다 상세히 설명된다:
도 1은 에지를 따라 형성된 유체 공급 분배 채널을 갖는 바이폴러 연료 전지판의 사시도;
도 2는 접는 동작 후에 도 1에 있는 것과 유사한 바이폴러 연료 전지판의 사시도;
도 3은 판의 주변 주위에 오버 몰딩된 가스킷을 적용한 후 도 2의 바이폴러 연료 전지판의 사시도;
도 4는 도 1에 있는 판의 에지의 부분 사시도;
도 5는 도 2의 판의 에지의 부분 사시도;
도 6은 도 3의 판의 에지의 부분 사시도;
도 7은 유체 공급 분배 채널로부터 캐소드 유체 공급 구역으로 유체의 흐름을 도시한, 도 6에 있는 판의 에지의 부분 사시도;
도 8은 연료 전지판에 유체 공급 분배 채널을 형성하는 기계 가공 동작의 부분 사시도.
도 1은 주름진 캐소드 유체 흐름 필드 구역(101)을 형성하는 동작 후에 예시적인 바이폴러 연료 전지판(100)을 도시한다. 캐소드 유체 흐름 구역은 캐소드 유체 흐름 채널이라고도 지칭될 수 있는 복수의 흐름 필드 채널을 포함한다. 판(100)의 제1 에지(102)를 따라 마이크로-채널(103)의 제1 어레이 및 판(100)의 폭에 걸쳐 연장되는 더 큰 유체 공급 채널(104)의 제2 어레이가 형성되고, 이 제1 어레이(103)는 판의 에지(102)로 연장된다. 이들 동작 후에, 판은 접는선(105)을 따라 접히고, 도 2에 도시된 판(200)의 형태로 되는데, 여기서 제1 및 제2 어레이(103, 104)는 접힌 구역(107)에서 둘러싸인다. 접는 동작 전이나 후에 판(200)의 두께를 관통하는 유체 진입 포트(106)가 형성되어, 냉각제가 접힌 구역(107)으로 새로이 둘러싸인 채널(103, 104)을 따라 액세스될 수 있다. 사용 시, 포트(106)를 통해 접힌 구역(107)으로 흐르는 냉각제는 채널(104)의 둘러싸인 제2 어레이를 따라 판의 폭에 걸쳐 분배되고, 펼친 판(100)의 에지(102)에 대응하는 접힌 구역(107)의 에지(108) 쪽으로 채널(103)의 제1 어레이를 따라 운송된다.
도 3은 오버 몰딩된 가스킷(301)을 판(300)의 주변 에지에 적용하는 추가적인 동작 후 바이폴러 판(300)을 도시한다. 가스킷(301)은 접힌 구역(107)의 긴 에지(108)를 개방한 채, 대향하는 개방된 에지(109a, 109b)(도 2)를 따라 접힌 구역(107)을 캡슐화한다. 몰딩된 가스킷(301)은 하나 이상의 공기 입구 포트(302a, 302b)를 통해 캐소드 흐름 필드(101)로 캐소드 공기 공급을 전달하는 여러 표면 특징부를 더 제공한다. 가스킷(301)은 접힌 구역(107)에 액세스하기 위해 포트(106)에 연결된 냉각제 진입 포트(303)를 더 형성한다. 캐소드 유체 흐름 필드(101)와 유체 연통하는 캐소드 출구 포트(304)가 판(300)의 대향하는 에지에 인접하여 제공된다.
도 4 및 도 5는 접힌 구역(107)을 형성하는 접는 동작 전후에 바이폴러 판(100)의 에지 부분의 보다 상세한 도면을 도시한다. 평행한 마이크로-채널(103)의 제1 어레이는 판(100)의 에지(102)를 따라 형성된다. 또한 도 3에는 마이크로-채널(103)의 제1 어레이에 인접하여 형성된 더 큰 채널(104)의 제2 어레이가 도시되어 있는데, 더 큰 채널은 접힌 구역(107) 내 판(100)의 폭에 걸쳐 포트(106)로부터 냉각제를 분배하도록 구성된다. 유체 채널(104)의 제2 어레이는 교차하는 채널, 즉 판의 폭에 걸쳐 연장되는 제1 세트 및 이 제1 세트에 횡방향으로 이 제1 세트와 상호 연결되는 제2 세트의 그리드(grid) 형태이다. 제1 세트의 채널은 판(200)의 폭에 걸쳐 중심 포트(106)(도 5)로부터 유체를 운송하는 역할을 하는 반면, 제2 세트의 채널은 판의 구조적 형태를 안정화시켜, 접힌 구역(107)을 형성하는 접는 공정 동안 왜곡을 감소시킨다. 제2 세트의 채널은 냉각제 유체를 전방 채널, 즉 다른 채널 중에서 에지(108)(도 5)에 가장 가까운 채널로 운송하는 역할을 또한 수행한다. 제1 세트에 다수의 채널을 구비하면 판에 걸쳐 유체 흐름의 채널의 단면적을 증가시킬 수 있는 한편 후속적인 처리시 및 연료 전지 스택을 조립할 때 붕괴되는 것을 방지하는 구조적 형태를 유지할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제1 세트에 있는 모든 채널은 판의 전체 폭에 걸쳐 연장되어 판의 왜곡을 감소시킬 수 있지만, 이 특징은 본 발명에 본질적인 것은 아닌데, 그 이유는 채널은 캐소드 유체 흐름 구역(101)의 폭에 걸쳐 유체를 운송하기만 하면 되기 때문이다.
채널(103)의 제1 어레이는 제2 어레이(104) 내 채널의 방향을 가로지르는 방향으로 판(100)의 표면에 걸쳐 배향된다. 접는 동작 전이나 후에 판(100)에 천공(piercing)을 수행하여 포트(106)를 형성한다. 사용 시, 냉각제는 포트(106)를 통해 접힌 구역(107)으로 및 채널(104)(도 4)의 제2 어레이로 흐른다. 이 냉각제는 채널의 제2 어레이(104)에 의해 접힌 구역(107)을 따라 판의 폭에 걸쳐 분배되고, 제1 어레이(103)에 있는 채널을 따라 이동하고, 접힌 판(200)의 에지(108)를 따라 접힌 구역(107)을 떠나는 것에 의해 접힌 구역을 빠져나간다. 제2 어레이(104)에 있는 채널의 단면 크기를 제1 어레이(103)의 것보다 더 크게 만드는 것에 의해, 제2 어레이(104)를 따른 판의 폭에 걸친 것에 비해 접힌 구역의 에지(108)와 제2 어레이(104) 사이에 더 큰 압력 강하를 형성하여, 접힌 구역(107)의 에지(108)에서 냉각제를 보다 균일하게 분배할 수 있게 보장한다. 제2 어레이에 있는 채널의 단면 크기는 제1 어레이(103)에 있는 채널의 단면 크기의 바람직하게는 적어도 2배, 및 선택적으로 적어도 3배 또는 4배이다. 예를 들어, 제1 어레이(103)에 있는 채널이 약 20㎛ 깊이 또는 폭을 구비하면 제2 어레이(104)에 있는 상당한 크기는 적어도 40㎛, 60㎛ 또는 80㎛ 깊이 또는 폭일 수 있다. 제2 어레이(104)에 있는 채널의 크기가 더 큰 것으로 인해, 종래의 프레싱 또는 엠보싱 기술을 사용하여 채널을 형성할 수 있다.
도 6은 가스킷(301)이 적용된 후 바이폴러 판 구조물을 완성하는 바이폴러 판의 에지의 상세도를 도시한다. 도시된 도면은 몰딩된 물 입구 포트(303)와 접힌 구역에 액세스하는 포트(106)를 형성하는 판을 통한 천공을 나타낸다. 가스킷 형상은 축성부(castellation)(601) 및 절연된 돌출부(602)를 포함하는 개방된 영역의 형태로 캐소드 판(300)을 통해 유체 흐름 필드(101)로 공기를 흐르게 하기 위한 유체 흐름 경로를 형성한다.
판(300)의 접힌 구역(107)의 상세 개략도가 도 7에 도시된다. 위에 놓인 가스 확산층(705)의 절개도가 캐소드 유체 흐름 필드(101)에 걸쳐 도시된다.
접힌 구역의 에지(108)와 캐소드 유체 흐름 필드(101) 사이에 냉각제 분배 구조물(708)이 위치된다. 이 예에서, 냉각제는 물이고 냉각제 분배 구조물은 물 분배 구조물(708)이라고 지칭된다. 물 분배 구조물(708)은 아래에서 보다 상세히 설명된 바와 같이 캐소드 유체 흐름 필드(101)에 있는 흐름 필드 채널(704)로 물 액적을 보내거나 포커싱하는 복수의 요소(710)를 구비한다.
물 액적(701)은 접힌 구역(107)의 에지(108)에 형성하는 것으로 도시되고, 액적(701)은 접힌 구역(107) 내에 둘러싸인 마이크로-채널의 단부들에 형성된다. 마이크로-채널의 단부는 물 도입 개구라고 지칭될 수 있다. 물 액적(701)이 표면 장력을 파괴하기에 충분한 사이즈에 도달하면, 이 물 액적은 마이크로-채널의 단부로부터 가스킷의 축성부(601)로부터 공기 흐름에 의해 물 분배 구조물(708)에 있는 요소(710)의 제1 표면(712)으로 유입된다. 축성부(601)로부터 개구는 공기 도입 개구라고 생각될 수 있다. 물 액적의 이동 방향은 화살표(702)로 도시되고 공기 흐름 방향은 화살표(703)로 도시된다.
이 예에서, 2개의 마이크로-채널의 개구는 물 분배 구조물(708)에 있는 단일 요소(710)와 연관되어 2개의 물 액적(701)이 요소(710)의 제1 표면(712)에 제공된다. 공기 흐름(703)을 통해 각 물 액적(701)은 요소(710)의 측면을 따라 이동한다. 물 액적(701)은 표면 장력으로 인해 요소(710)의 측면과 접촉한다. 요소(710)의 측면에서 표면 장력은 접촉 표면 영역이 더 클 때 접힌 구역(107)의 에지(108)에 나타나는 표면 장력을 초과한다.
요소(710)의 각 측면을 따라 이동하는 물 액적(701)은 요소(710)의 제2 표면(714)에서 합쳐진다. 제2 표면(714)은 물 액적 분리 구역을 한정하는 형상을 구비한다. 이 액적 분리 구역은 방출점(release point)이라고 지칭될 수도 있다. 물 액적(701)이 제2 표면(714)에서 합쳐질 때 물의 질량은 표면 장력으로 인한 유지력(retention force)을 초과한다. 결합된 액적은 요소로부터 분리되고 공기 흐름(703)에 의해 캐소드 유체 흐름 채널(704)로 유입된다. 이런 방식으로 요소(710)의 표면(712, 714)을 사용하면 물 액적은 캐소드 유체 흐름 채널(704) 안으로 정확하고 균일하게 보내질 수 있다.
이 예에서 액적 분리 구역은 제2 표면의 나머지보다 더 작은 곡률 반경을 가지는 구역으로 지칭될 수 있는 정점이 있다. 이러한 형상은 물 액적(701)이 물 분배 구조물(708)을 떠나는 요소(710)의 표면 위치를 유리하게는 제어할 수 있다.
액적이 유체 흐름 채널(704)을 따라 이동할 때 액적(701)에 있는 물이 증발하여 판(300)으로부터 열이 추출된다.
캐소드 공기 흐름에만 의존하는 것에 비해 표면 장력을 사용하여 물 액적을 냉각하는 제어 운송은 정확한 물 분배를 촉진할 뿐만 아니라 배향, 진동, 흔들림 및 캐소드 흐름률의 변동에 대한 연료 전지 스택의 감도를 감소시킬 수 있다.
물 액적을 유체 흐름 채널(704)로 보내는 것에 더하여, 물 분배 구조물(708)은 가스 확산층(705)을 지지하는 지지 구조물로 기능을 한다. 특히, 물 분배 구조물(708)은 유체 흐름 채널(704)의 단부를 넘어 연장되는 가스 확산층(705)의 에지를 지지한다. 이런 방식으로, 유체 흐름 채널에의 개구는 요구되는 공기(703) 및 물(702)을 도입하기 위해 개방되어 유지될 수 있다. 물 분배 구조물(708)을 통해 상호 디지털화된 캐소드 흐름 필드(101)가 입구 및 출구 트랙을 한정하는 흐름 필드(101) 위 리턴 특징부를 지나게 확산기(705)를 이동시키는 것에 의해 기능할 수 있다.
물 분배 구조물(708)에 있는 요소(710)의 높이는 유체 흐름 채널(704)을 한정하는 주름진 유체 흐름 필드 구역의 높이와 실질적으로 동일한 높이일 수 있다.
도 7에 도시된 요소(710)와 유사한 지지 구조물을 형성하는 복수의 지지 요소를 포함하는 유사한 냉각제 분배 구조물(708)은 캐소드 유체 흐름 필드(101)의 하류 단부(120)(도 1 내지 도 3)에 제공될 수도 있다. 냉각제 분배 구조물의 주요 기능은 도 7에 도시된 가스 확산층(705)을 지지하여, 유체 흐름 채널의 하류 단부(120)의 개구를 개방되게 유지하는 것이다. 하류 단부(120)에 있는 지지 요소가 물 분배 구조물에 있는 요소(710)와 동일한 형상인 경우 채널(704)을 통한 흐름이 채널(704)의 출구점에서 과도하게 방해받지 않아서 유리할 수 있다. 채널의 각 단부에 있는 요소들은 도구의 효율적인 사용을 하기 위하여 공감적으로 형성되는 것이 유리할 수 있다.
바이폴러 판에 마이크로-채널(103)을 사용하는 것의 대안은 접는 부분에 여분의 컴포넌트를 도입하는 것인데, 이것은 다공성 물질이거나 (이 경우, 접는 부분의 에지에 한정된 물 액적 생성점은 상실될 수 있다) 또는 주조된(coined), 프레스된 또는 화학적으로 에칭된 마이크로 채널을 포함하는 금속 심(shim)일 수 있다. 그리하여, 일부 실시예에서, 마이크로-채널은 선택적인 것으로 생각될 수 있다.
도 8은 판(100)의 캐소드 면에 마이크로-채널의 제1 어레이를 제공하는 장치(800)의 상세 개략도이다. 이 장치(800)는 롤러(801) 및 다이(802)를 포함하고, 이 다이(802)의 편평한 표면은 리지(ridge)(803)의 어레이를 구비한다. 리지(803)는 롤러(801)가 판(100)의 두께를 통해 압력을 인가하면서 판에 대해 이동(화살표(804))할 때 판(100)의 에지(102)를 따라 마이크로-채널의 제1 어레이를 형성하도록 구성된다. 선형 프레싱 또는 주조 동작을 사용하지 않고 편평한 다이에 롤링 공정을 사용하면, 판(100)의 폭에 걸쳐 채널의 형상에 균일성을 더 잘 제어할 수 있고, 프레싱 동작 후에 수행되는 공정이 캐소드 유체 흐름 필드(101)를 형성할 수 있다(역전된 면이 도 8에 도시되어 있다).
일반적으로 각 채널은 대략적으로 20 마이크론의 폭 및 15 마이크론의 깊이의 단면을 구비할 수 있다. 각 채널의 단면적은 동작 시 만족스럽게 균일한 물 분배를 달성하기 위하여 일반적으로 ±2% 편차 내로 제조될 필요가 있다. 이것은 판의 두께에 걸쳐 일정한 힘을 유지하면서 롤링 요소를 사용하여 달성하는 것이 가능하다.
롤링 요소(801)의 회전축(805)은 이동 방향(804)에 직교하고 판(100)에 형성된 채널 방향과 평행할 수 있다. 대안적인 실시예에서 채널은 다이(802)에 대해 축(805)을 회전시킴으로써 또는 직교 방향으로부터 멀어지는 방향으로 리지(803)를 정렬시킴으로써 회전축(805)에 대해 일정 각도로 배향될 수 있다. 그 결과 롤러(801)가 다이(802)에 대해 횡단될 때 각 마이크로 채널을 점진적으로 형성할 수 있다. 롤러 축(805)이 횡단 방향(804)에 직교하는 것으로부터 멀어지게 정렬되면, 롤러와 판(100) 사이에 최종 미끄러짐이 롤러(801)의 표면(806)을 테이퍼(tapered)지게 함으로써 도입될 수 있다.
바이폴러 판(100)은 바람직하게는 오버 몰딩된 엘라스토머 가스킷(301)과 함께 강철로 만들어진다. 가스킷(301)은 대안적으로 연료 전지 스택의 조립 동안 판 위에 놓인 별개의 컴포넌트로 만들어질 수 있다.
다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 한정된 본 발명의 범위 내에 있다.

Claims (19)

  1. 연료 전지에 사용하기 위한 바이폴러 연료 전지판(bipolar fuel cell plate)으로서,
    복수의 흐름 필드 채널(flow field channel); 및
    상기 바이폴러 연료 전지판의 일부로서 형성되고, 냉각제 액적을 상기 흐름 필드 채널 내로 보내도록 구성되는 적어도 제1 표면(712)과 제2 표면(714)을 갖는 복수의 돌출된 요소를 구비하는 냉각제 분배 구조물을 포함하고;
    상기 냉각제 분배 구조물은 하나 이상의 흐름 필드 채널과 연관된(associated) 하나 이상의 요소를 포함하되 요소는 냉각제 액적을 수용하기 위한 제1 표면 및 냉각제 액적을 상기 연관된 필드 흐름 채널 내로 보내기 위한 냉각제 액적 분리 구역을 한정하는 형상을 가지는 제2 표면을 구비하는 것인, 바이폴러 연료 전지판.
  2. 제1항에 있어서, 냉각제 액적을 상기 요소의 제1 표면으로 제공하도록 구성된 복수의 냉각제 도입 개구를 더 포함하는 바이폴러 연료 전지판.
  3. 제2항에 있어서, 상기 요소는 상기 냉각제 도입 개구와 상기 흐름 필드 채널 사이에서 연장되는 선상에 위치된 것인 바이폴러 연료 전지판.
  4. 제3항에 있어서, 상기 요소는 2개의 냉각제 도입 개구와 각각 연관된 것인 바이폴러 연료 전지판.
  5. 제4항에 있어서, 공기를 상기 흐름 필드 채널에 제공하는 복수의 공기 도입 개구를 더 포함하되, 상기 공기 도입 개구로부터 도입된 공기는 액적이 상기 냉각제 분배 구조물로부터 상기 흐름 필드 채널로 이동하도록 구성된 것인 바이폴러 연료 전지판.
  6. 제5항에 있어서, 상기 공기 도입 개구로부터 도입된 공기는 액적이 상기 냉각제 도입 개구로부터 상기 요소의 제1 표면으로 이동하도록 구성된 것인 바이폴러 연료 전지판.
  7. 제5항에 있어서, 상기 공기 도입 개구로부터 도입된 공기는 상기 냉각제 액적이 상기 제1 표면으로부터 상기 요소의 제2 표면으로 이동할 때 상기 냉각제 액적이 요소의 측면을 따라 이동하도록 구성된 것인 바이폴러 연료 전지판.
  8. 제1항에 있어서, 상기 액적 분리 구역은 상기 요소의 제2 표면의 형상에 정점을 한정하는 것인 바이폴러 연료 전지판.
  9. 제1항에 있어서, 상기 액적 분리 구역은 상기 냉각제 분배 구조물에서 상기 요소의 제2 표면에 최저 곡률 반경을 구비하는 것인 바이폴러 연료 전지판.
  10. 제1항에 있어서, 상기 요소는 가스 확산층을 지지하도록 구성된 것인 바이폴러 연료 전지판.
  11. 제10항에 있어서, 상기 요소는 상기 흐름 필드 채널의 단부를 넘어 상기 가스 확산층을 지지하여 개구를 상기 흐름 필드 채널 내로 개방되게 유지하도록 구성된 것인 바이폴러 연료 전지판.
  12. 제11항에 있어서, 상기 흐름 필드 채널의 하류 단부에 복수의 지지 요소를 포함하는 지지 구조물을 더 포함하되, 상기 지지 요소는 가스 확산층을 지지하도록 구성된 것인 바이폴러 연료 전지판.
  13. 제12항에 있어서, 상기 지지 요소는 상기 냉각제 분배 구조물의 요소와 동일한 형상인 것인 바이폴러 연료 전지판.
  14. 제11항에 있어서, 상기 냉각제 분배 구조물은 각 상기 흐름 필드 채널과 연관된 요소를 포함하는 것인 바이폴러 연료 전지판.
  15. 제12항에 있어서, 상기 바이폴러 연료 전지판은 강철로 만들어진 것인 바이폴러 연료 전지판.
  16. 제15항에 있어서, 상기 냉각제 분배 구조물에서 상기 요소의 높이는 상기 흐름 필드 채널을 한정하는 주름진 유체 흐름 필드 구역의 높이와 실질적으로 동일한 것인 바이폴러 연료 전지판.
  17. 제1항에 있어서, 상기 판의 접힌 구역 내 표면에 형성된 채널의 제1 및 제2 어레이를 더 포함하되, 상기 제1 어레이의 채널은 제1 방향으로 상기 접힌 구역의 제1 내부 면에 걸쳐 상기 판의 에지로부터 연장되고, 상기 제2 어레이의 채널은 상기 제1 방향을 가로지르는 제2 방향으로 상기 접힌 구역의 제2 대향 면에 걸쳐 연장되며, 상기 판의 에지에서 상기 제1 어레이의 채널의 개구는 냉각제 액적을 상기 요소의 제1 표면으로 제공하도록 구성된 것인 바이폴러 연료 전지판.
  18. 제17항에 있어서, 상기 접힌 구역은, 상기 판을 관통하여 유체 분배 채널의 어레이와 유체 연통하는 포트(port)를 포함하는 것인 바이폴러 연료 전지판.
  19. 삭제
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2565373B (en) * 2017-08-11 2020-08-05 Intelligent Energy Ltd Pressed bipolar plate having integrated water flowpath volume
DE102020212726A1 (de) * 2020-10-08 2022-04-14 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Bipolarplatte und Brennstoffzellenstapel

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005108505A (ja) 2003-09-29 2005-04-21 Honda Motor Co Ltd 内部マニホールド型燃料電池

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02255858A (ja) * 1988-12-23 1990-10-16 Mitsui Toatsu Chem Inc 熱可塑性樹脂組成物
DE10197259B4 (de) * 2001-07-18 2008-10-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack
JP4085652B2 (ja) * 2001-08-21 2008-05-14 株式会社エクォス・リサーチ 燃料電池
GB2390738B (en) * 2002-07-09 2005-05-11 Intelligent Energy Ltd Fuel cell direct water injection
US6893708B2 (en) 2002-12-09 2005-05-17 Palcan Fuel Cell Co. Ltd. Fuel cell flowfield design for improved water management
US7226680B2 (en) 2003-02-07 2007-06-05 General Motors Corporation Integrated air cooler, filter, and humidification unit for a fuel cell stack
JP2005209470A (ja) * 2004-01-22 2005-08-04 Equos Research Co Ltd 燃料電池
JP5063350B2 (ja) * 2004-09-03 2012-10-31 ゼネラル・モーターズ・コーポレーション オフセットを有するバイポーラプレート
GB2437767B (en) * 2006-05-05 2010-11-17 Intelligent Energy Ltd Fuel cell fluid distribution plates
KR100766154B1 (ko) 2006-09-25 2007-10-10 현대자동차주식회사 연료전지의 분리판
JP5029813B2 (ja) * 2007-03-20 2012-09-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ
KR100986525B1 (ko) 2008-02-25 2010-10-07 현대자동차주식회사 증발냉각식의 연료전지 시스템과 그 냉각방법
JP5226431B2 (ja) * 2008-08-27 2013-07-03 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
WO2010082589A1 (ja) * 2009-01-16 2010-07-22 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
WO2010085222A2 (en) * 2009-01-22 2010-07-29 Utc Power Corporation Preventing air intrusion into hydrogen-stabilized fuel cells during shutdown
US9178230B2 (en) 2009-04-09 2015-11-03 Ford Motor Company Fuel cell having perforated flow field
JP5409142B2 (ja) 2009-06-30 2014-02-05 株式会社日立製作所 燃料電池
KR20110013963A (ko) * 2009-08-04 2011-02-10 현대자동차주식회사 연료전지용 분리판
JP2013528908A (ja) * 2010-05-11 2013-07-11 ユーティーシー パワー コーポレイション Ｐｅｍ燃料電池のチャネルにおけるフロー分配を向上させるスタンピング可能な流れ場の改良
CN201877513U (zh) 2010-11-25 2011-06-22 新源动力股份有限公司 一种燃料电池双极板流场单通道流体测试装置
CN102054997B (zh) 2010-11-25 2012-10-03 新源动力股份有限公司 一种燃料电池双极板流场单通道流体测试装置及测试方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005108505A (ja) 2003-09-29 2005-04-21 Honda Motor Co Ltd 内部マニホールド型燃料電池

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US9837671B2 (en) 2017-12-05
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US20150050575A1 (en) 2015-02-19
TW201351769A (zh) 2013-12-16

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