KR20030081438A

KR20030081438A - 유동장 플레이트 구조

Info

Publication number: KR20030081438A
Application number: KR10-2003-7010514A
Authority: KR
Inventors: 보프제임스찰스; 터핀마크크리스토퍼; 베그알랜로버트
Original assignee: 더 몰간 크루시블 캄파니 피엘시
Priority date: 2001-02-12
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2003-10-17
Also published as: CN1491446A; WO2002065565A3; CA2437891A1; EP1405359A2; WO2002065565A2; JP2004523069A

Abstract

본 발명은 유체소오스로부터 상기 유체를 배출하는 드레인까지 연장된 적어도 하나의 채널로 구성되는 양성자교환박막 연료전지 또는 전해조용의 유동장 플레이트에 관한 것으로, 드레인 또는 소오스에서 상기 채널의 단면적이 각 소오스 또는 드레인의 단면적의 95% 이하임을 특징으로 한다.

Description

유동장 플레이트 구조 {FLOW FIELD PLATE GEOMETRIES}

연료전지는 연료와 산화제가 직접 전기를 생산할 수 있도록 조절상태에서 조합되는 장치이다. 내부연소 및 발전단계 없이 전기를 직접 생산함으로서 연료전지의 전기적인 효율은 전통적인 발전기에서 연료를 이용하는 것 보다 높다. 이는 널리 알려져 있는 것이다. 연료전지는 간단하고 바람직한 것이기는 하나 실질적인 연료전지시스템을 얻기 위하여 최근까지 다년간의 노력을 기울여 왔다. 전해조는 효과적인 역연료전지이며, 이 전해조에서는 전기가 물을 수소와 산소로 분해하는데 사용된다. 연료전지와 전해조는 소위 "수소경제"의 중요한 일부분이 되고 있다. 이후에 연료전지가 설명될 것이나 동일한 원리가 전해조에도 적용될 수 있음을 기억하여야 할 것이다.

상업적으로 제조되는 연료전지의 한가지 형태는 소위 양성자교환박막(PEM) 연료전지[때로는 폴리머전해조 또는 솔리드 폴리머전해조(PEFC)로 불리기도 한다]이다. 이러한 전지는 연료로서 수소를 이용하며 양면에 다공성 전극이 배치된 전기적으로 절연(그러나 이온적으로 전도가 이루어진다)된 폴리머박막으로 구성된다.이 박막은 전형적으로 플루오로설포네이트 폴리머이며 전극은 전형적으로 탄소분말기재상에 분산된 귀금속촉매로 구성된다. 이러한 전극과 전해조의 조립체는 박막전극조립체(MEA)라고 불리기도 한다.

수소연료는 일측 전극(양극)에 공급되고 여기에서 산화되어 양극에 전자를 방출하고 전해액에 수소이온을 방출한다. 산화제(전형적으로 공기 또는 산소)가 타측 전극에 공급되고 여기에서 음극으로부터의 전자가 산소와 수소이온에 결합하여 물을 생성한다. 양성자교환박막 연료전지의 서브-클래스는 직접메탄올 연료전지이며 여기에서 메탄올이 연료로서 공급된다. 본 발명은 이러한 연료전지를 포함하고 실제로 양성자교환박막을 이용하는 다른 연료전지를 포함한다.

상업적인 PEM 연료전지에서 다스의 이러한 박막이 유동장 플레이트(세퍼레이터 또는 바이폴라 플레이트라고 불리기도 함)에 의하여 분리된 상태에서 적층된다. 유동장 플레이트는 일측 박막의 양극과 인접한 박막의 음극사이의 양호한 전자의 전달이 이루어질 수 있도록 전형적으로 금속 또는 흑연으로 만들어진다.

유동장 플레이트는 유체(연료 또는 산화제)를 공급하고 연료전지의 반응생성물로서 생성된 물을 제거하기 위하여 이들의 표면에 요구패턴을 갖는다. 또한 유동장은 냉각유체의 공급을 위하여 제공될 수도 있다. 요구를 형성하는 여러 가지 방법이 다수의 문헌에 기술되어 있는 바, 예를 들어 연마, 엠보싱 또는 몰딩(WO00/41260)과, 레지스트를 통한 샌드블라스팅(또는 표면연마를 위하여 가동입자의 운동을 이용하는 에칭)(WO01/04982)(이는 특히 본 발명을 위하여 유용하다)에 의하여 이러한 요구를 형성하는 것이 제안되었다.

국제특허출원의 특허문헌 WO01/04982에는 플레이트에 레지스트나 마스크를 부착하거나 샌드블라스팅(또는 표면연마를 위하여 가동입자의 운동을 이용하는 에칭방법, 예를 들어 워터제트연마)을 이용하여 마스크 또는 레지스트에 형성된 패턴에 일치하는 구조를 얻음으로서 유동장 플레이트를 가공하는 방법이 기술되어 있다.

이러한 방법은 유동장 플레이트를 통하여 통공을 형성하거나 유동장 플레이트에 저면이 폐쇄된 피트나 채널을 형성할 수 있는 것으로 특허문헌 WO01/04982에 기술되어 있다. 특허문헌 WO01/04982의 방법은 본 발명에서 배경기술로서 인용된다.

실제로, 현재까지 제조되고 있는 대다수의 유동장 플레이트는 채널을 밀링가공하여 형성되었다. 이러한 밀링가공은 종래기숭의 결점으로 나타나고 있으며 바이트가 마모되면 채널이 테이퍼형으로 가공된다. 이러한 테이퍼는 용이하게 조절될 수 없다. 통상적으로 채널은 그 측부가 ±25㎛의 공차를 갖는 직선으로 가공되어야 한다.

연료와 산화제공급매니폴드가 결합되는 유동장 플레이트 및 박막의 조립동체는 연료전지적층체라고 불리기도 한다.

비록 상기 언급된 기술이 원시형태와 일부 제한된 상업적인 분야에서는 유용한 것으로 입증되었으나, 상업적으로 폭넓게 수용될 수 있도록 하기 위하여서는 유동장 플레이트의 코스트를 낮추고 성능을 개선하기 위하여 이용될 수 있는 구조의 개선이 요구된다.

특허문헌 WO00/41260에 있어서는 기존의 유동장 플레이트에 대한 장점과 단점이 상세히 기술되어 있다. 특히, 이 특허문헌에서는 물의 축적을 감소 또는 제거하기 위하여 플레이트를 통한 압력강하를 유지하여야 하는 필요성과, 압력차를 증가시키는 결점, 즉 큰 기생에너지수요의 결점에 대하여 기술되어 있다.

또한 특허문헌 WO00/41260에는 사행채널의 만곡부 가까이에서 와류가 형성되는 문제점을 거론하고 있다.

특허문헌 WO00/41260에 의하여 제시된 여러 문제점을 해결하기 위한 방법은 직선채널형의 유동장 플레이트를 제공하고 종래의 직선채널형 유동장 플레이트에 비하여 채널의 길이는 증가시키며 폭은 감소시키는 것이다.

또한 특헌문헌 WO00/41260에서는 이러한 채널의 형성을 위한 통상적인 밀링 바이트의 결점을 거론하고 있는 바, 특히 바이트의 마모에 의하여 일관된 폭을 갖는 협소채널을 재현가능하게 형성하기 어렵도록 한다. 이러한 특허문헌 WO00/41260에서는 이러한 협소채널이 몰딩이나 엠보싱으로 형성될 수 있는 것을 제안하고 있다. 그러나, 플레이트를 몰딩하거나 엠보싱하여 제작하는 것은 이러한 플레이트가 제작되는 재료를 제한함으로서 미세구조와 재료특성 사이의 절충이 있어야 한다.

본 발명은 연료전지와 전해조에 관한 것으로, 특히 양성자교환박막 연료전지와 전해조에 적용할 수 있는 것에 관한 것이다.

도 1은 연마에어블라스트기술(샌드블라스팅)에 의하여 형성된 가스공급채널과 가스확산채널을 갖는 유동장 플레이트의 일부분의 부분 단면도.

도 2는 가스공급채널과 가스확산채널을 갖는 유동장 플레이트의 일부분의 부분 평면도.

도 3은 채널을 언더컷팅하는 한 방법을 보인 설명도.

도 4는 도 3에서 보인 방법의 기술의 제약을 설명하는 설명도.

도 5는 도 3의 방법을 수행하는 다른 방법을 보인 설명도.

도 6은 도 3의 방법을 수행하는 또 다른 방법을 보인 설명도.

도 7은 유동장 플레이트의 한 채널의 일부를 보인 부분 평면도.

도 8은 유동장 플레이트의 다른 채널의 일부를 보인 부분 평면도.

도 9는 유동장 플레이트의 또 다른 채널의 일부를 보인 부분 평면도.

도 10은 유동장 플레이트의 다른 구성을 단면으로 보인 단면도.

도 11은 유동장 플레이트의 한 채널을 보인 설명도.

도 12는 유동장 플레이트 구조를 보인 설명도.

도 13은 다른 유동장 플레이트 구조를 보인 설명도.

도 14는 도 13에서 보인 유동장 플레이트 구조를 이용하는 것을 보인 설명도.

도 15는 본 발명의 이용을 위한 연마제 건을 보인 설명도.

도 16은 다중헤드를 갖는 건의 이용을 보인 설명도.

본 발명자들은 재현가능한 감소단면을 갖는 채널이 유동장 플레이트에서 형성될 수 있는 경우 이러한 감소단면이 플레이트를 통한 일정한 전압강하가 이루어질 수 있도록 하고 플레이트를 통하여 가변부하용량을 제공할 수 있다는 것을 알게 되었다. 이러한 감소단면 채널은 대부분의 모든 유동장 플레이트 구조에 유리할 것이다.

따라서, 본 발명은 유체소오스로부터 상기 유체를 배출하는 드레인까지 연장된 적어도 하나의 채널로 구성되는 양성자교환박막 연료전지 또는 전해조용의 유동장 플레이트를 제공하며, 드레인 또는 소오스에서 상기 채널의 단면적은 각 소오스 또는 드레인의 단면적의 95% 이하이다.

드레인 또는 소오스에서 상기 채널의 단면적은 각 소오스 또는 드레인의 단면적의 75% 이하인 것이 좋다.

채널은 유동장에서 전기화학적 활성영역을 횡단하며, 상기 전기화학적 활성영역의 일측부에서 상기 채널의 단면적은 상기 전기화학적 활성영역의 타측부의 단면적의 95% 이하이다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

다음의 설명은 레지스트를 통한 연마블스팅(샌드블라스팅)으로 유동장 플레이트를 제작하는 것에 관한 것이나, 본 발명이 관점은 이러한 제조방법에만 국한되지는 않을 것이다.

가스공급 및 가스확산채널을 형성하기 위하여, 연마블라스팅과 같은 기술이 이용되며, 이러한 기술에서 템플레이트 또는 레지스트가 플레이트의 표면에 배치되고 템플레이트 또는 레지스트는 요구된 채널구조에 일치하는 패턴을 갖는다. 이러한 기술은 특허문헌 WO01/04982에 기술되어 있으며 이 특허문헌은 본 발명에서 인용된다.

이러한 기술을 이용함으로서 플레이트가 사용되는 반응제와 현저히 반응하지 않는 흑연/수지 조성물 또는 비다공성의 전도성물질로부터 제조될 수 있다. 대부분 선호하는 연마블라스팅은 에어블라스트의 이용이다. 일반적으로 워터제트가공은 너무 공격성이 커서 제어가 용이하지 않으나 정교하고 양호한 제어장비가 사용될 수 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 정밀구조를 형성하기 위한 다른 방법은 엑시머 레이저 삭마(削磨)방법 또는 화학에칭방법을 이용하는 것을 포함하나 이들 방법은 현재의 공정으로는 코스트를 낮출 수 없다.

이러한 기술을 이용함에 있어서는 상이한 폭을 갖는 채널의 형태가 마스크에 의한 섀도우 캐스트에 의하여 달라지는 것으로 확인되었다. 도 1은 표면에 협소채널(102)을 갖는 유동장 플레이트(101)를 보이고 있다. 채널을 형성하는데 사용된 레지스트의 섀도우 효과 때문에 채널이 직상부에서만 효과적으로 투사되는 샌드블라스트 그리트에 노출된다. 따라서 채널은 반원형의 형태가 되고 채널의 컷팅상태가 얕다.

점진적으로 커지는 채널(103 또는 104)의 경우 레지스트는 섀도우 효과가 적어 점진적으로 넓어지는 각도범위로부터 샌드블라스팅 그리트가 유동장 플레이트의 표면에 투사되도록 하여 표면이 보다 깊게 컷팅될 수 있도록 하고 채널의 저면이 점진적으로 편평하게 되도록 한다.

따라서, 플레이트에 상이한 폭의 채널을 갖는 레지스트를 부착하고 플레이트와 레지스트를 미세그리트의 샌드블라스팅에 노출시킴으로서 상이한 폭과 깊이의채널 패턴을 얻을 수 있다.

가변폭과 깊이의 채널 패턴을 적용하는 것이 유리하다. 유동장 플레이트에서 통상적으로 적용되는 채널의 배후목적은 전극에 대하여 반응물질이 균일하게 공급될 수 있도록 하고 반응생성물을 신속히 제거할 수 있도록 하는 것이다. 그러나, 일반적으로 포선형의 경로가 이용되므로 이동되어야 할 통과물질의 길이는 길다.

반응면에 반응물질을 균일하게 공급하고 반응생성물을 제거하는 것이 목적인 다른 시스템은 인간의 폐와 같다. 폐의 경우 점진적으로 미세하게 되는 채널의 구조가 제공됨으로서 공기가 폐에서 그 반응장소까지 짧은 경로를 통하여 도달하고 이산화탄소가 이러한 짧은 경로를 통하여 배출된다. 유동장 플레이트에도 점진적으로 미세하게 되는 채널의 네트워크를 제공함으로서 반응가스는 짧은 경로를 통하여 이들의 반응장소까지 도달한다.

가장 미세한 채널은 넓은 가스제거채널로 간단히 배출할 수 있거나, 폐와 같이 유동장 플레이트로부터 점진적으로 넓어지는 채널의 네트워크가 제공될 수 있다. 유동장 플레이트의 경우에 있어서, 점진적으로 미세하게 되는 채널과 점진적으로 넓어지는 채널의 두 네트워크가 단부대 단부(end-to-end)의 연결로 연결되거나 서로 맞물리는 형태의 네트워크로 배열될 수 있으며 전극물질을 통한 확산이 연결성을 제공한다. 단부대 단부의 연결은 고압이 채널을 통하여 유지되고 폐색물의 제거에 도움이 되는 잇점을 준다.

상호연결형 채널 대 블라인드 체널의 문제는 처리하고자 하는 전극에 따라서 달라진다. 수소이온은 양극으로부터 이동하고 폴리머를 통하여 음극에서 물이 된다. 모든 물은 전지의 음극측(공기 또는 산소측)에서 만들어진다. 음극측에서 물의 생성은 공기측 가스채널이 범람의 원인이 되므로 단부를 폐쇄할 수 없음을 의미한다. 또한 서로 맞물리는 형태의 경우는 전극의 투과성이 높지 않으므로 가스확산층 GDL이 이용되지 않는 한 까다로울 것이다. 서로 맞물리는 형태의 채널은 또한 공급가스로부터 불수물의 제거가 제약을 받는다. 따라서, 분기형 채널이 단부대 단부가 연결되거나 드레인이 보다 넓은 채널에 연결되는 모델이 좋다.

도 2는 폭이 넓은 1차가스공급채널(104)을 갖는 유동장 플레이트의 일부를 평면도로 보인 것으로, 이 채널은 가스확산채널(102)측으로 발산되는 2차가스공급채널(103)로 발산된다. 또한 만약 요구되는 경우 가스확산채널(105)도 1차가스공급채널(104)로부터 분기될 수 있다. 1차 및 2차가스공급채널은 대부분의 가스확산채널과 채널의 배열이 분열배열과 유사하므로 점진적으로 미세하게 되는 채널의 네트워크를 구성할 수 있다.

1차가스공급채널은 1mm 이상, 예를 들어 약 2mm의 폭을 가질 수 있다.이러한 채널의 전형적인 깊이는 0.25mm이나 이러한 깊이는 채널형성후 유동장 플레이트가 충분한 강도를 가질 수 있도록 하는 필요성에 의하여서만 제한된다. 2차가스공급채널은 1mm 이하, 예를 들어 0.5mm의 폭을 가지며, 샌드블라스팅기술을 이용하여 1차가스공급채널 보다 얕게 할 수 있다. 가스확산채널은 0.2mm 이하, 예를 들어 약 100㎛의 폭을 가지며 깊이가 더 얕다.

유동장 플레이트는 가스확산층과 함께 사용될 수 있거나, 또는 가스확산층이 생략될 수 있는 충분한 가스공급이 이루어질 수 있도록 가스확산채널이 유동장 플레이트의 전면에 충분한 밀도로 제공될 수 있다.

연료전지로서 작용할 때, 가스공급채널은 유동장 플레이트의 면을 가로질러가스를 분산시키는 가스확산채널에 가스를 공급한다. 전해조로서 작용할 때, 가스확산채널은 유동장 플레이트로부터 가스를 공급받을 수 있도록 작용하고 가스공급채널이 가스의 수집을 위하여 가스를 공급한다.

샌드블라스팅기술의 경우, 채널폭상의 제한은 이러한 샌드블리스팅공정에 사용된 마스크의 두께에 따라서 좌우된다. Image Pro^TM(Chromaline Corp. US) 마스크 물질은 두께가 125 미크론으로 매우 두껍다. 이들 마스크는 이를 통하여 형성되는 폭이 100 미크론으로 제한된다. 다른 마스크 물질로서는 기재상에 스프레이로 도포되고 그 자리에서 노광되는 것이 있다. 이들 물질은 보다 탄성이 커서 두께가 아주 얇게 될 수 있다. Chromaline SBX^TM는 10-20 미크론의 폭으로 에칭하는데 사용될 수 잇다.

다양한 형태의 마스크가 사용될 수 있다.

a) 접착취부형 시이트 마스크.

b) 페인팅, 스프레이, 스크린인쇄 등 제품의 요구된 면에 도포될 수 있도록 하는 기타 다른 방법에 의하여 도포되고 일부를 선택적으로 제거할 수 있도록 처리되는 마스크.

c) 재사용가능한 마스크.

d) 표면에 직접 인쇄 또는 부착될 수 있는 마스크(예를 들어 잉크 블라스트프린팅)

본 발명은 어느 특정 형태의 마스크로 한정되지는 않으나 상기 b) 및 d) 형태가 대량생산에 적합하다.

물론, 연마블라스트에 사용되는 연마물질은 형성되어야 하는 구조 보다 크기가 작은 미세입자이어야 한다. 그러나, 미세입자는 연마율이 떨어지는 결점이 있다. 본 발명자들은 광폭의 채널을 형성하는 경우에는 블라스트에 비교적 굵은 연마물질(예를 들어, 직경이 50-250㎛인 실리카 또는 알루미늄 그리트)을 이용하고 폭이 가는 미세구조의 채널을 형성하는 경우에는 미세연마물질(예를 들어, 직경이 5-20㎛인 실리카 또는 알루미늄 그리트)이 사용되는 것이 유용하다. 이후의 설명에서밝힌 바와 같이, 한 단계에서 굵은 입자의 물질과 미세물질이 혼합되어 사용될 수도 있다. 본 발명은 어느 특정한 연마물질로 제한되지 않는다.

플레이트를 구성하는 물질로서는 흑연, 탄소-탄소혼합물 또는 탄소-수지혼합물이 좋다. 그러나, 본 발명은 이들의 물질로 제한되는 것은 아니며 적당한 연마제의 선택에 의하여 적당한 물리적인 특성을 갖는 물질이 사용될 수 있다.

연마물질은 경사각도로 블라스팅하는 것이 유리하다. 도 3은 플레이트(2)상에 배치된 레지스터(1)를 보이고 있다. 레지스터(1)는 두께를 d_r로 표시하였으며 폭을 w_r로 표시한 통공(3)을 갖는다. 통공(3)을 통하여 투사되는 연마물질은 플레이트 물질을 삭마하여 깊이를 d_v로 표시하고 폭을 w_v로 표시된 공극(4)을 형성한다. 공극(4)의 저면(5)으로부터 반발되는 입자가 없고 이 입자가 요입면(6)을 삭마하는데 충분한 강도를 갖는 것으로 가정할 때, 요입면의 최소각도 α는 통공(3)에 대한 입자의 최저접근각도에 의하여 결정됨을 알 수 있다. 따라서, 이와 같은 경우, 최대공극폭은 다음과 같이 계산될 수 있다.

w_v=w_r+2*d_v*(w_r/d_r)

예를 들어, 다음의 표 1은 레지스트의 두께가 0.125mm라고 가정한 것에 기초하여 계산된 공극의 폭과 이에 따라서 달라지는 통공의 크기 및 요구된 깊이를 보이고 있다.

표 1
d_r(mm)	w_r(mm)	w_v(mm)	d_v(mm)
0.125	0.75	6.75	0.5
0.125	0.5	4.5	0.5
0.125	0.2	1.8	0.5
0.125	0.1	0.9	0.5
0.125	0.75	3.75	0.25
0.125	0.5	2.5	0.25
0.125	0.2	1	0.25
0.125	0.1	0.5	0.25

실제로 샌드블라스팅은 수학적 포인트 크기의 컷팅 툴을 만들어내지 않으며 이는 도 3에서 보인 형상의 공극을 형성하는데 요구된다. 또한 형성된 언더컷트의 각도는 이러한 각도가 α보다 작지 않은 경우 샌드블라스트에 의하여 이루어지는 연마입자의 입사각에 따라서 달라진다. 만약 샌드블라스트에 의하여 이루어지는 연마입자의 입사각이 α보다 작은 경우 이는 플레이트(2)는 레지스트의 섀도우에 의하여 일부가 가려지고 이와 같이 가려진 부분의 표면에서는 연마가 전혀 이루어지지 않거나 거의 이루어지지 않을 것이다.

실제로, 도 4에서 보인 바와 같은 공극의 형상은 방향 'A' 및 'B'의 상이한방향의 범위로부터 균일한 샌드블라스팅이 이루어진 결과로 나타난 것이고 이로써 형성된 언더컷트의 각도는 각각 β_A와 β_B로 표시하였으며 이러한 각도는 연마물질의 유동방향 A 및 B와 플레이트의 면에 수직인 라인사이의 각도가 될 것이다(샌드블라스트는 발산각도를 가지므로 언더컷트의 각도는 유동방향 A 및 B의 각도와 정확히 일치하지 않을 것이다).

대부분 공극의 형상은 상이한 방향으로부터의 상이한 강도의 블라스팅이 이루어지는 것에 의하여, 또는 상이한 방향으로부터 상이한 시간동안 블라스팅이 이루어지는 것에 의하여, 또는 이들의 조합에 의하여 달라지게 나타날 것이다. 예를 들어, 도 5에서 보인 바와 같은 공극은 네크부분(8)에서 만나는 공극(4)이 형성되도록 방향 'A' 및 'B'로부터 이루어지는 연속블라스팅에 의하여 형성된다.

도 3-도 5는 설명을 위하여 레지스트의 두께가 과장되게 도시된 것임을 이해할 것이다. 이는 언더컷트의 각도가 작게 도시됨을 의미한다. 실제로, 얇은 레지스터를 이용함으로서 양호하게 언더컷트되는 공극을 얻을 수 있다. 그러나, 언더컷트의 각도 β가 크면 클수록 공극(4)의 양단부에서 오버행부분(7)이 얇아질 것이다. 어느 주어진 물질에 대한 적당한 언더컷트 β는 이를 적용하는데 요구된 강도에 따라서 달라질 것이다. 언더컷트의 각도는 20°이상이 좋으며 30°이상이 더 좋다. 더욱 좋은 언더컷트의 각도는 40°이상이다. 비록 범위를 벗어나기는 하지만 60°이하의 언더컷트 각도가 강도면을 고려하면 좋을 수 있으며 실제로 일부의 구조에서는 유리할 수도 있다.

도 6에서 보인 바와 같이, 마스크 통공의 간격과 블라스트방향이 적당히 선택되는 경우, 근접한 간격을 둔 한쌍의 공극(4)이 네크부분(8)을 향하여 수렴되게 함으로서 표면에서 인접한 포트(9)(10)를 연결하는 단일의 공극이 형성될 수 있다.

이러한 기술을 유동장 플레이트의 제작에 적용하는 것이 도 7-도 9에 도시되어 있는 바, 여기에서, 플레이트(7)는 유체유입포트(12)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 도 7에서 보인 바와 같이, 유체유입포트(12)는 플레이트(1)의 표면에서 채널(13)에 연결된다. 채널(13)은 이 표면에서 그 폭을 한정하는 변부(14)를 갖는다. 채널(13)은 플레이트(1)의 표면에서 보다 플레이트(1)의 본체내부에서 더 큰 폭을 가지고 예를 들어 도 3-도 5에서 보인 바와 같은 단면을 가지며, 채널단면의 구부가 플레이트 본체내의 채널단면의 내부 보다 좁게 되어 있다.채멀(13)의 최대폭은 라인(15)으로 도시되어 있다. 이러한 유동장 플레이트는 동일한 단면적의 측면이 좁고 나란한 채널의 경우 보다 좁은 채널을 가질 수 있으며 이는 사용될 유동장 플레이트의 두께를 더 얇게 할 수 있다. 전형적인 바이폴라 플레이트의 가스채널은 정사각형 또는 직사각형이며 밀리미터 단위의 크기이다. 예를 들어 Ballard^TM플레이트는 2.5mm의 정사각형 채널을 갖는다. APS^TM플레이트는 폭이 0.9mm이고 깊이가 0.6mm인 채널을 갖는다. 기본적인 구조로부터 도 3에서 보인 단면의 채널을 고려할 때, 이러한 채널의 단면적은 다음과 같다.

w_r*d_v+2*(1/2d_v(d_v/tanα))

다음의 표 2는 도 3에서 보인 바와 같은 본 발명에 따라 형성된 채널을 공지의 Ballard^TM플레이트 및 APS^TM플레이트의 채널과 비교한 것이다.

표 2
	α(°)	표면에서의 폭(mm)	깊이(mm)	면적(mm)²
Ballard^TM	90	2.5	2.50	6.25
본 발명	60	2.5	1.77	6.25
	45	2.5	1.55	6.25
	30	2.5	1.31	6.25

APS^TM	90	0.9	0.60	0.54
본 발명	60	0.9	0.46	0.54
	45	0.9	0.41	0.54
	30	0.9	0.36	0.54

채널의 어느 주어진 깊이와 단면적에서, 이러한 구조는 표면에서의 간극이 매우 좁아 상기 언급된 바와 같이 여러 구조의 결점을 해소한다. 이에 관한 것이 다음의 표 3에서 설명된다.

표 3
	α(°)	표면에서의 폭(mm)	깊이(mm)	면적(mm)²
Ballard^TM	90	2.50	2.50	6.25
본 발명	60	1.06	2.50	6.25

APS^TM	90	0.90	0.60	0.54
본 발명	60	0.55	0.60	0.54
본 발명	45	0.30	0.60	0.54

물론 이들 값은 샌드블라스팅 기술의 이상적인 구조로부터 계산된 것이며 실제의 크기는 달라질 수 있을 것이다. 각도 α는 상이한 폭의 채널에 대하여 달라질 것임을 이해할 것이다. 이는 광폭의 채널인 경우 협소채널의 경우 보다 큰 각도의 언더컷트를 얻을 수 있음을 의미한다. 또한 레지스트의 두께는 각도 α에 영향을 줄 것이다. 따라서, 채널의 폭과/또는 레지스트의 두께를 변화시킴으로서 레지스트의 새도우를 이용하여 상이한 각도의 언더컷트를 갖는 채널을 제공할 수 있다.

도 8은 도 7의 구조와 유사하나 플레이트에 다수의 포트가 천공되어 있고 이들 포트의 둘레가 언더컷팅되어 채널(13)이 형성된 것을 보이고 있다. 이러한 구성에서, 채널은 표면에서는 채널을 연결하는 영역에 의하여 단절되어 표면에서 포트를 연결하는 부분이 덮힌 채널이 형성된다.

도 9는 상기 구조와 유사하나 포트가 인접한 쌍으로 형성되어 있는 것을 보이고 있다(도 6과 같이).

상이한 방향으로부터 샌드블라스팅이 이루어질 수 있도록 하기 위하여, 한번의 작동시에 연마물질이 다수의 유동방향으로부터 투사될 수 있도록 하는 다수의 건이 사용되거나, 또는 단일의 건이 연속하여 상이한 방향에서 사용될 수 있으며, 또한 다수의 건이 연속하여 상이한 방향에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 평행하지 않은 방향(도 3의 방향 A 및 B)으로 투사가 이루어지도록 착설된 두 이상의 건으로 구성되는 샌드블라스팅 헤드가 유동장 플레이트 상에서 이동하면서 사용될 수 있다.

유동장 플레이트의 상부에서 블라스팅이 횡단하여 이동중에 이루어질 때, 레지스트의 통공이 방향 A 및 B로부터 이러한 블라스팅에 연속적으로 노출된다. 연속적으로 건을 방향 A 및 B으로 이동시킴으로서 유사한 효과를 걷을 수 있다. 만약 네크부분(8)의 하측에 형성되는 혹모양의 부분을 평탄하게 하는 것이 요구되는 경우 플레이트(2)의 표면에 대하여 수직으로 배치된 건이 사용될 수 있다. 이러한 건은 블라스팅이 평행하지 않은 방향으로 이루어지도록 착설된 둘 이상의 건으로 구성되는 샌드블라스팅 헤드의 일부를 구성하거나, 또는 별도 공정에서 사용될 수 있는 별도의 건일 수 있다.

블라스팅에 서용되는 연마입자는 이들의 직경 보다 작은 통공을 통과하지 못하므로 대형 언더컷트 채널을 얻기 위하여서는 경사각도에서 투사되는 굵은 입자의 연마물질이 사용되고 언더컷트 없는 미세 채널을 얻기 위하여서는 별도로 수직으로 투사되는 블라스팅에서 미세연마물질이 사용될 수 있음이 명백하다.

또한, 언더컷트를 형성하는데 별로 좋은 방법은 아니나 채널이 연마물질의 방향을 한 방향으로 유지하면서 이러한 방향에 대하여 플레이트의 상대각도를 조절하는 방법이 있을 수 있다. 이러한 방법은 상기 언급된 방법들과 조합될 수도 있다.

이러한 기술은 언더컷트 구조를 얻는 유일한 방법은 아님이 명백하다. 예를 들어 엑시머 레이저 삭마기술이 샌드블라스팅 기술을 모방토록 사용될 수 있다. 또한 플라스틱 물질에 채널을 형성하고 이 물질을 롤링가공하여 채널의 변부가 강제로 내향되게 하는 방법도 있을 수 있다.

언더컷트 채널을 얻기 위한 또 다른 방법은 둘 이상의 플레이트로 유동장 플레이트를 구성하는 것이 있다. 도 10은 중간의 비천공형 플레이트(217)와 이러한 중간의 비천공형 플레이트(217)에 인접하는 면에 각각 채널(219)이 형성된 두개의 플레이트(218)로 구성되는 유동장 플레이트를 보이고 있다. 채널(219)은 중간의 비천공형 플레이트(217)로부터 원격한 플레이트(217)의 면으로 개방된 포트(220)를 갖는다. 이러한 포트(220)는 이러한 포트(220)로부터 연장되고 중간의 비천공형 플레이트(217)로부터 원격한 플레이트(217)의 면에 놓이는 미세채널을 가질 수 있다. 플레이트(218)는 상기 언급된 샌드블라스팅방법 또는 적당한 다른 방법으로 만들어질 수 있다. 플레이트(217)(218)는 합체되어 조합형의 유동장 플레이트를 구성하며 유동장은 플레이트(217)의 양측에서 합체된 플레이트내에 매입형성된다. 포트(220)는 조합된 유동장 플레이트의 표면에 대하여 유체를 안내하고 미세채널(221)은 조합된 유동장 플레이트의 표면을 가로질러 유체를 안내하도록 한다(유동장 플레이트의 표면에 형성된 이러한 미세채널 221은 도 7-도 9의 구조에 이용될 수 있다).

폭이 0.2mm 이하인 가스확산채널이 채널(13)로부터 유입되는 가스를 확산시키는데 유리하게 사용될 수 있다.

플레이트(217)와 하나의 플레이트(218)가 조합되어 플레이트(217)의 일측면에만 유동장이 형성되게 할 수 있다. 이와 같은 경우, 플레이트(217)는 선택적으로 플레이트(217)로부터 원격한 면에 형성된 상이한 구조의 유동장(예를 들어 냉각제용)을 가질 수 있다.

본 발명자들은 또한 재형가능한 감소단면을 갖는 채널이 유동장 플레이트ㅔ 형성되는 경우 감소단면이 플레이트를 통한 균일한 압력강하가 이루어지고 플레이트를 통하여 가변부하용량을 제공하는데 이용될 수 있음을 알게 되었다. 이러한 감소단면채널은 대부분의 유동장 플레이트 구조에 유리할 것이다.

현재에는 감소단면채널의 잇점이 연료전지의 수소측에 주로 적용된다. 작동중에 수소가 유동장의 전기화학적 활성영역에 인접하여 소모됨으로서 공급될 때 보다 플레이트를 떠나는 가스가 적다. 따라서, 점진적으로 감소하는 채널은 유동장의전기화학적 활성영역을 통하여 균일한 압력강하가 이루어질 수 있도록 한다.

요구된 단면적의 감소는 연료전지의 구조에 따라서 달라질 것이다. 유동장의 전기화학적 활성영역을 벗어나기까지 이 영역으로 진입하는 초기단면적의 95%의 감소가 어느 정도 유용한 효과를 줄 것이나, 본 발명에 있어서는 전형적으로 유동장의 전기화학적 활성영역으로 진입하는 초기단면적이 25~75%까지 감소하는 영역에서 예를 들어 유동장의 전기화학적 활성영역으로 진입하는 초기단면적의 30~50%가 더 감소한다.

다중채널로 분할되는 채널의 경우 유동장의 전기화학적 활성영역에 존재하는 다중채널의 단면적의 합은 단면적의 감소를 감안하여 계산되어야 한다.

산소측에서, 소모된 산소의 각 분자에 대하여 2개의 물분자가 생성된다. 현재상업적으로 생산된 연료전지의 경우 이 물은 일반적으로 액체와 증기의 형태로 생성된다. 그러나, 박막기술이 연료전지가 물의 비등점 이상에서 작동될 수 있도록 개선함으로서 가스가 유입될 때 보다 더 많은 가스가 연료전지를 떠난다. 이로써 전지를 통하여 균일한 압력이득을 제공하는데 유리도록 점진적으로 확장되는 채널을 구성할 수 있다.

본 발명은 또한 냉각제유동장용으로 이용될 수 있으며, 특히 채널의 수가 유동장의 일측으로부터 타측으로 달라진다.

균일하게 감소하는 단면을 갖지 않도록 하여 압력강하가 유동장의 전기화학적 활성영역을 통하여 조절될 수 있도록 하는 것이 유리하다. 이로써 전지의 일부가 다른 부분 보다 고온에서 작동될 수 있도록 함으로서 물의 관리에 도움이 될 수있다.

단면의 감소/확장은 채널의 테이퍼링, 또는 이들 깊이의 감소/증가에 의하여 또응 이들 모두에 의하여 이루어질 수 있다.

도 11은 일측단부(330)로부터 타측단부(331)으로 테이퍼형이 되게 경사진 유동장의 단일 채널(304)을 보인 것이다. 테이퍼형 채널(304)의 깊이는 일정한 것으로 도시되어 있으나 상기 언급된 바와 같이 꼭 그렇게 되는 것은 아님을 이해할 것이다. 단부(330)에서의 면적은 단부(331)의 면적 보다 작다. 채널은 박막전극(중간에 가스확산층의 유무에 관계없이)에 대하여 배치될 것이며 이후부터 박막전극의 전기화학적 활성부분에 인접한 유동장의 영역은 유동장의 전기화학적 활성영역이라 할 것이다.

도 12는 이용될 수 있는 유동장 구조를 보인 것이다. 이는 테이퍼형 채널과 분기형 유동장 구조를 조합한다. 유동장 플레이트(302)는 연료가스공급채널(305)을 연료가스배출채널(306)에 연결하는 다수의 테이퍼형 채널(304)을 갖는다. 이 채널은 전기화학적 활성영역(307)측으로 경사져 있다. 인접한 채널(304)은 고압영역으로부터 저압영역으로 통과하는 가스확산채널(308)에 의하여 연결될 수 있다.

본 발명자들은 통상적인 연료전지구성에 사용된 일부의 채널을 생략할 수 있음을 알게 되었다. 도 13은 유동장 플레이트(402)가 연료공급공(403)을 갖는 환상의 형태인 유동장 플레이트의 다른 형태를 보인 것이다. 이러한 유동장 플레이트를 이용한 여러 유동장 적층체가 도 14에서 보인 바와 같은 공통의 하우징내에서 사용된다. 챔버(410)내에는 중앙공(412)을 통하여 연료가 공급되고 산화제가 적층체사이의 공간(413)에서 챔버측에 공급되어 이에 충전되는 다수의 연료전지 적층체(411)가 수용되어 있다. 드레인(405)(407)으로부터의 폐기물은 적층체의 일측 단부 또는 양측 단부의 매니폴드로부터 배출된다.

물론, 전체구성은 역전(산화제가 중앙의 상부로부터 공급되고 연료가 외측으로부터 공급될 수 있도록)될 수 있으나 안전의 이유에서 도시된 구성이 유리하다. 이러한 구성에 있어서, 저장수단으로부터의 연료로 연료공급공(403)을 충전할 수 있다. 이로써 재충전될 수 있는 콤팩트형의 배터리형 에너지소오스를 제공할 수 있다.

도 13 및 도 14의 구성은 비록 통상적인 유동장 플레이트가 모서리에서의 밀봉에 문제가 있는 사각형이지만 원형의 유동장 플레이트로 제한되는 것은 아니다. 밀봉을 위하여서는 원형 또는 타원형이 유리하다. 원형의 구성은 연료전지적층체에 압력을 가하는데에는 이상적이지 않으나, 통상적으로 도 13에서 보인 바와 같이 적층체를 조이기 위한 나선봉 또는 기타 다른 수단을 삽입할 수 있도록 모서리에 고정공이 형성될 수 있는 육각형의 플레이트가 사용될 수 있다.

상기 언급된 바와 같이, 연마제 블라스트기술을 이용하여 유동장 플레이트를 구성할 때, 상이한 크기의 채널을 형성하기 위하여 상이한 크기의 연마제가 사용될 수 있다. 다양한 크기의 연마제가 혼합체를 구성토록 혼합될 수 있다. 도 15는 이러한 기술에 사용하기 위한 연마제 건을 보인 것으로, 여기에서 동체(601)는 하나의 유입압력가스공급파이프(602)와 두개의 연마제공급파이프(603)(604)를 갖는다. 파이프(602)으로부터의 공기블라스트가 요구된 경우 독립적으로 조절될 수 있는 공급파이프(603)(604)로부터 연마제를 이끌어낼 수 있다. 연마제가 섞인 공기블라스트는 공기블라스트의 발산을 제한하는 파이프(605)를 따라서 하측으로 통과한다. 비록 통상적인 샌드블라스팅에서 발산각도가 약 10°이나, 이러한 각도는 블라스트의 발산부분을 제거하도록 파이프(605)의 길이를 연장하거나 파이프(605)의 하류측에 통공을 형성함으로서 줄일 수 있다. 만약 요구되는 경우 에어 블라스트를 측방향으로 전환시킬 수 있도록(이 경우 연마제 모멘트의 손실이 있을 수 있다) 파이프의 길이를 짧게하거나 에어 블라스트의 중심에 장애물을 배치함으로서 블라스트가 확산될 수 있다.

또한 본 발명에 따라서 다중헤드형 건이 사용될 수 있다. 이는 언더컷트 채널과 측면이 직선인 채널 모두에 유리하다. 도 16은 도면을 간단히 설명하기 위하여 두개의 헤드(502)만을 갖는 건(501)을 보인 것이나, 본 발명에 있어서는 하나 이상 좋기로는 3개의 헤드를 갖는 것이 사용될 수 있음을 이해하여야 할 것이다. 각 헤드는 블라스트물질의 제트(503)의 입사각 β_A및 β_B가 변경될 수 있도록 착설된다. 기재(506)를 효과적으로 연마하기 위하여 이 각도는 상기 언급된 바와 같이 레지스트(504)의 두께 d_r과 마스크의 통공의 폭에 의하여 제한된다. 공극(505)이 이러한 다중헤드를 이용하여 두 방법으로 기재(506)에 형성될 수 있다.

첫째로, 다중헤드형 건이 간단히 기재를 가로질러 이동함으로서 언더컷트 공극(505)을 형성토록 블라스트물질의 제트가 배향된다. 3개의 헤드를 갖는 다중헤드형 건의 경우, 제3의 헤드는 평저면을 갖는 공극을 형성할 수 있도록 기재에 대하여 90°로 배향되는 것이 좋다.

둘째로, 다중헤드형 건이 실질적인 원추형 블라스트를 생성할 수 있도록 기재(506)의 평면에 대하여(좋기로는 수직으로) 축선(508)을 중심으로 하여 회전될 수 있다. 이는 특히 기재를 통하여 공극 또는 통공이 균일하게 언더컷트되도록 하는데 유리한 것이다. 물론, 기재(506)의 평면에 대하여(좋기로는 수직으로) 축선(508)을 중심으로 하여 회전되는 단일경사형 건을 이용하는 경우에도 유사한 효과를 얻을 수 있으나 다중헤드형 건은 헤드의 회전속도가 느리게 유지되어야 함을 의미한다.

만약 원추형 블라스트의 정점이 기재의 표면에서 만나는 경우 연마입자는 서로 간섭할 것이다. 그러나, 만약 이러한 정점의 위치가 기재의 아래에 놓인다면 블라스트는 기재의 표면에서 원형 또는 타원형을 이루어 이러한 간섭이 감소될 것이다.

특허문헌 WO01/04982에 기술된 바와 같은 연마제 블라스트 기술에 있어서, 건은 이러한 건의 하측에서 플레이트가 평행하지 않은 방향으로 이동중에 단일방향으로 플레이트를 횡단하여 이동함으로서 블라스트가 주사선의 방식으로 플레이트를 가로질러 이동한다(이는 플레이트가 이동중에는 건이 정지되어야 하나 엔지니어들에게는 복잡한 것이 명백하다). 통상적으로 이동속도를 일정하게 유지하는 것이 유리하나 양측부의 구조가 현저히 상이한 경우(예를 들어 도 12의 경우와 같이) 상이한 깊이의 삭마가 이루어질 수 있도록 건 또는 플레이트의 속도를 변화시키는 것이 좋다. 이러한 기술을 이용하여 얻을 수 있는 다른 구조는 도 12와 유사하나 일반적으로 채널(304)은 연료가스공급채널(305)로부터 연료가스배출채널(306)까지 점진적으로 얕아지는 거의 직선에 가깝게 된다.

이상과 같이 설명된 많은 유동장 플레이트 구조는 마스크를 통한 연마제블리스팅 이외의 다른 수단(예를 들어, 적당한 물질의 사출성형, 엑시머 레이저 삭마)에 의하여 얻을 수 있다.

연마제블라스트방법에 의한 탄소계 물질의 가공은 다량의 탄소분진을 발생할 것이며 이러한 분진을 처리하여 이에 노출되는 위험을 방지하기 위한 수단이 제공되어야 한다. 연마제의 순환시에 입자를 크기 또는 중량별로 분리하기 위한 공기분류기 또는 기타 이러한 수단은 탄소를 분리하고 예를 들어 화염을 통하여 통과시킴으로서 이를 소각시킬 수 있도록 할 수 있다.

또한 공기분류기는 굵은 입자로부터 미세 연마제 입자를 분리하고 이들이 요구된 경우 다른 건으로 통과될 수 있도록 한다.

전도성 코어와 비전도성 프레임으로 구성되는 유동장 플레이트를 제공하는 것이 알려져 있다(예를 들어 특허문헌 WO97/50139, WO01/89019 및 미국특허 제3278336호). 본 발명의 유동장 플레이트는 전체 유동장이 전도성 코어상에 존재하거나, 유동장이 부분적으로 비전도성 프레임과 전도성 코어상에 존재하는 이러한 장치에 사용될 수 있다. 실제로 유체소오스 또는 드레인은 비전도성 프레임상에 놓일 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 채널은 전도성 코어에서만 단면적이 변경될 수 있으며, 특히 박막전극조립체의 전기화학적 활성영역하에 놓인 영역에서만 테이퍼형이 될 수 있다.

상기 언급된 각 완성체로서의 구조나 조합이 그 자체만으로도 본 발명을 구성할 수있다.

Claims

유체소오스로부터 상기 유체를 배출하는 드레인까지 연장된 적어도 하나의 채널로 구성되는 양성자교환박막 연료전지 또는 전해조용의 유동장 플레이트에 있어서, 드레인 또는 소오스에서 상기 채널의 단면적이 각 소오스 또는 드레인의 단면적의 95% 이하임을 특징으로 하는 유동장 플레이트.
제1항에 있어서, 드레인 또는 소오스에서 상기 채널의 단면적이 각 소오스 또는 드레인의 단면적의 75% 이하임을 특징으로 하는 유동장 플레이트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 채널이 유동장에서 전기화학적 활성영역을 횡단하며, 상기 전기화학적 활성영역의 일측부에서 상기 채널의 단면적이 상기 전기화학적 활성영역의 타측부의 단면적의 95% 이하임을 특징으로 하는 유동장 플레이트.
전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 채널이 분기형임을 특징으로 하는 유동장 플레이트.
전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 채널이 그 길이를 따라서 폭이 달라짐을 특징으로 하는 유동장 플레이트.
전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 채널이 그 길이를 따라서 깊이가 달라짐을 특징으로 하는 유동장 플레이트.
전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 채널이 그 길이를 따라서 일정하지 않게 면적이 달라짐을 특징으로 하는 유동장 플레이트.
전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 전도성 코어와 비전도성 프레임으로 구성됨을 특징으로 하는 유동장 플레이트.
제8항에 있어서, 소오스와/또는 드레인이 비전도성 프레임에 놓여 있음을 특징으로 하는 유동장 플레이트.
제9항에 있어서, 채널이 전도성 코어에서만 단면적이 달라짐을 특징으로 하는 유동장 플레이트.
전기 청구항에 청구되 바와 같은 다수의 유동장 플레이트로 구성되는 양성자교환박막 연료전지 또는 전해조.