KR20040033053A - 유동 필드 - Google Patents

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KR20040033053A
KR20040033053A KR10-2004-7003855A KR20047003855A KR20040033053A KR 20040033053 A KR20040033053 A KR 20040033053A KR 20047003855 A KR20047003855 A KR 20047003855A KR 20040033053 A KR20040033053 A KR 20040033053A
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KR
South Korea
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channel
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fluid
compartments
field device
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KR10-2004-7003855A
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Inventor
데베마크케이.
허틀토마스
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

해당 유동 필드 구성을 채택하는 유동 필드 장치와 더불어 유동 필드 설계가 제공된다. 유체 분배 조립체는 유동 필드 장치와, 상기 유동 필드 장치와 타겟 영역 사이에 배치되는 유체 운반 층을 포함하고, 적어도 하나의 유한한 0이 아닌 유동 속도와 유체 운반 층 내의 유체의 활성 성분의 적어도 하나의 사용 속도에서, 활성 성분의 측방향 플럭스는 상기 유체 운반 층의 모든 오버랜드부의 적어도 90%를 통해 35% 이하로 변화된다. 일 실시예에서, 유동 필드 장치는 평행하지 않은 연속 주요 구획들을 포함하는 스펜타인 채널을 포함하는 유동 필드를 포함한다. 다른 실시예에서, 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들 사이의 각도는 점진적으로 변화된다.

Description

유동 필드 {FLOW FIELD}
미국 특허 제4,686,159호, 제4,988,583호, 제5,108,849호, 제5,252,410호, 제5,683,828호, 제5,750,281호, 제5,773,160호, 제5,846,668호, 제5,858,567호, 제5,858,569호, 제5,945,232호, 제6,071,635호, 제6,099,984호를 포함하는 다수의 참조 문헌들이 채널들의 연속 구획이 평행한 스펜타인(serpentine) 채널을 갖는 유동 필드를 개시하고 있다.
미국 특허 제5,683,828호, 제5,750,281호, 제5,773,160호, 제5,804,326호, 제5,840,438호, 제5,858,567호, 제5,998,055호, 제6,071,635호, 제6,093,502호를 포함하는 다수의 참조 문헌들이 각각의 채널의 연속 구획이 평행한 다수의 상호 배치된 스펜타인 채널을 갖는 유동 필드를 개시하고 있다.
미국 특허 제5,252,410호, 제5,641,586호, 제6,207,312호를 포함하는 다수의참조 문헌들이 서로 맞물리는 유동 필드를 개시하고 있다. 서로 맞물리는 유동 필드에서, 입구는 갖지만 출구는 없는 채널들이 출구는 갖지만 입구는 없는 채널들과 교대로 된다.
또한, 예를 들어, 미국 특허 제4,855,193호, 제5,798,187호, 제6,037,072호, 제6,207,310호에는 유동 필드로서 금속 스크린을 사용하는 것이 교시되고 있다.
미국 특허 제5,922,485호는 직선 스펜타인 채널뿐만 아니라, 동심의 원형 구획들로 구성되는 스펜타인 채널을 갖는 유동 필드를 개시하고 있다.
미국 특허 제5,686,199호는 주로 평행한 구획들로 구성되는 일련의 평행한 배열을 개시하고 있다.
미국 특허 제6,048,634호는 인접하는 채널들의 쌍이 대향 방향의 유동을 전달하는 유동 필드 패턴을 개시하고 있고, 상기 패턴은 채널의 연속 구획들이 평행한 서펜타인 패턴과 나선형 패턴을 포함한다.
미국 특허 제4,631,239호 및 제4,853,301호는 채널의 연속 구획들이 평행한 스펜타인 유동 필드를 개시하고 있고, 여기서 구획들은 양극 판의 경계에 대해 그리고/또는 양극 판의 대향면 상의 유동 필드에 대해 비스듬하게 된다.
미국 특허 제4,292,379호는 평행한 채널의 깊이 및/또는 분리점이 변화되어 판의 대향면에 의해 생성된 고르지 않은 분배와 매치(match)되는 균일하지 않은 분배를 생성하는, 양극 판의 어느 한 쪽의 유동 필드를 개시하고 있다.
미국 특허 제4,324,844호는 변하는 표면 영역과 공간을 갖는 냉각 유체 유동 통로를 포함하는 전기화학적 전지에 관한 것이다.
본 발명은 타겟 영역으로 그리고 타겟 영역으로부터 유체 또는 유체의 활성 성분들 또는 특성들을 균일하게 분포시키기 위한 유동 필드(field)에 관한 것이다. 유동 필드는 연료 전지와 같은 전기화학적 전지의 촉매화 멤브레인의 대향 측부들로의 반응물의 분배 및 멤브레인의 대향 측부로부터의 생성물의 제거를 위해 사용되는 유동 필드 판 또는 양극(bipolar) 판과 같은 유동 필드 장치에서 구현된다.
도1은 m/s로 계산된 가스 속도가 지시 그레이 스케일(indicated gray scale)에 따라 표시되고, 평행 연속 채널로 구성되는 단일 스펜타인 채널을 갖는, 예 1C의 비교 유동 필드의 컴퓨터 유체 거동(CFD) 모델을 도시하고 있다.
도2는 명세서에 기술된 파라미터를 도시하는, 본 발명에 따른 "지그재그형" 스펜타인 유동 필드의 개략적인 도면이다.
도3은 계산된 가스 속도가 도1과 동일한 그레이 스케일인 지시 그레이 스케일에 따라 표시되는, 본 발명의 예 2에 따른 "지그재그형" 스펜타인 유동 필드의 CFD 모델을 도시하고 있다.
도4는 예 2와 비교예 1의 유동 필드에서 입구에서 출구까지의 압력 강하에대한 질량 유속의 그래프이다.
도5는 예 2 내지 4와 비교예 1의 각각에서 랜드 특징부를 가로지르는 가스 속도 대 랜드 특징부를 따라서의 측방 위치의 그래프이다.
도6은 이하의 (4)식에 따른 다수의 정점 반각, θ의 각각에 대하여 랜드 특징부를 가로지르는 가스 속도 대 랜드 특징부를 따라서의 측방 위치의 그래프이다.
도7은 계산된 산소 플럭스가 지시 그레이 스케일에 따라 표시되고, 산소 소비를 추가한 것을 제외하고는 예 1C의 비교 유동 필드와 동일한, 예 5C의 비교 유동 필드의 CFD 모델을 도시하고 있다.
도8은 계산된 산소 플럭스가 도7과 동일한 그레이 스케일인 지시 그레이 스케일에 따라 표시되고, 균일한 산소 소비를 추가한 것을 제외하고는 예 2의 유동 필드와 동일한, 본 발명의 예 6에 따른 "지그재그형" 스펜타인 유동 필드의 CFD 모델을 도시하고 있다.
도9는 명세서에 기술된 파라미터를 도시하면서, 본 발명에 따른 정점 반각, θ을 변화시킨 "점진적 지그재그형" 스펜타인 유동 필드의 개략적인 도면이다.
도10은 계산된 산소 플럭스가 도7과 동일한 그레이 스케일인 지시 그레이 스케일에 따라 표시되고, 산소 소비를 포함하는, 본 발명의 예 7에 따른 "점진적 지그재그형" 스펜타인 유동 필드의 CFD 모델을 도시하고 있다.
도11은 계산된 가스 속도가 지시 그레이 스케일에 따라 표시되고, 산소 소비를 포함하는, 본 발명의 예 7에 따른 "점진적 지그재그형" 스펜타인 유동 필드의 CFD 모델을 도시하고 있다.
도12는 유동 필드의 좌측으로부터 유동 필드 폭의 X위치로 대략 22%에서 취해진, 예 6, 예 7 및 비교예 5C의 각각의 경우에서 Y방향으로 랜드 특징부를 가로지르는 산소 플럭스 대 Y방향의 위치의 그래프이다.
도13은 본 발명에 따라 이격된 가변 구획을 갖는 점진적 스펜타인 유동 필드의 개략적인 도면이다.
도14는 본 발명에 따른 점진적 나선형 유동 필드의 개략적인 도면이다.
도15는 본 발명에 따른 점진적 나선형 유동 필드의 개략적인 도면이다.
도16은 본 발명에 따른 점진적 나선형 유동 필드의 개략적인 도면이다.
도17은 본 발명에 따른 점진적 나선형 유동 필드의 개략적인 도면이다.
도18은 다수의 코스를 갖는 본 발명에 따른 "점진적 지그재그형" 스펜타인 유동 필드의 개략적인 도면이다.
요약하면, 본 발명은 유동 필드를 구현하는 유동 필드 장치와, 유동 필드 장치와 타겟 영역 사이에 배치된 유체 운반 층을 포함하고, 적어도 하나의 유한한 0이 아닌 유동 속도와 유체 운반 층 내의 유체의 활성 성분 또는 유체 특성의 적어도 하나의 사용 속도에서, 상기 활성 성분 또는 특성의 측방향 플럭스는 상기 유체 운반 층의 모든 오버랜드부의 적어도 90%를 통해 35% 이하로 변화되는 유체 분배 조립체를 제공한다.
다른 태양에서, 본 발명은 적어도 하나의 스펜타인 채널을 포함하고 상기 채널의 연속 주요 구획들의 적어도 두 개는 평행하지 않은 유동 필드를 구현하는 유동 필드 장치를 제공한다.
다른 태양에서, 본 발명은 채널을 포함하고, 채널의 연속 주요 구획들의 상사부들 사이의 거리는 입구로부터의 거리에 따라 단순하게 감소하거나, 또는 상기 주요 구획들을 분리하는 랜드 영역의 크기는 입구로부터의 거리에 따라 단순하게 감소하는, 유동 필드를 구현하는 유동 필드 장치를 제공한다.
본 발명에 의해 제공되면서 기술 분야에는 개시되지 않은 것은 특히 "지그재그형" 스펜타인 유동 채널 또는 "점진적" 유동 채널을 사용함으로써, 유체 운반 층을 통해 균일한 측방향 유동을 제공하도록 설계된 유동 필드이다.
본 명세서에서,
"유동 필드"는 타겟 영역으로 그리고 타겟 영역으로부터 유체의 진출을 가능하게 하는 유체 분배 시스템의 요소에서 구현되는 하나 이상의 채널의 패턴을 말한다.
"타겟 영역"은 전기화학적 장치의 전기화학적으로 활성인 전극 영역과 같은, 유체 분배 시스템에 의해 작동되는 적어도 2차원으로 상당한 범위를 갖는 영역을 말한다.
"활성 영역"은 타겟 영역의 위에 놓여 타겟 영역을 보조하는 유동 필드 영역을 말한다.
"활성 성분"은 예를 들어, 공기 중에 존재하는 산소, 개질 가스 혼합물에 존재하는 수소 등과 같이 타겟 영역에서 또는 타겟 영역과 연계하여 사용되는 유체 성분을 말한다.
"활성 특성"은 예를 들어, 냉각제의 열 에너지 성분, 용매의 용해 능력 등과 같이 타겟 영역에서 또는 타겟 영역과 연계하여 사용되는 유체의 특성을 말한다.
"스펜타인"은 유동 방향의 배열과 같은 배열에서 교호식으로 이루어지고 그리고 전환점에서 만나거나 또는 전환 구획들에 의해 연결되는, 순차적으로 연결된 주요 구획을 포함하는 유동 필드의 채널 패턴과 같은 패턴을 말한다.
"랜드(land)" 또는 "랜드 영역"은 채널들 또는 유동 필드의 채널들의 부분들 사이의 영역을 말한다.
"주요 구획"은 직접 선행하거나 또는 후속하는 주요 구획들과 다른 기하학적 배열을 갖는, 유동 필드의 채널 패턴과 같은 패턴의 구획을 말하고, 이는 전환점에서 또는 비교적 짧은 전환 구획들을 통해 직접 선행하거나 또는 후속하는 주요 구획들에 연결된다.
"플럭스"는 kg/s/m2의 단위로 표현되면서 가스 또는 액체와 같은 유체의 운반, 또는 kg/s/m2의 단위로 표현되면서 소정 영역을 통해 예를 들어 공기에 존재하는 산소와 같은 유체의 운반, 또는 예를 들어 Watts/m2의 단위로 표현되는 열 에너지와 같은 유체 특성의 운반을 말한다.
"유동 속도"는 가스 또는 액체와 같은 유체의 운반, 또는 예를 들어 공기 중에 존재하는 산소와 같은 유체 성분의 운반을 말하고, 유동 속도는 시간 당 질량(예를 들어, kg/s) 또는 시간 당 표준 상태에서의 체적[예를 들어, 분 당 표준 cm3(sccm) 또는 분 당 표준 리터(slm)]의 단위로 표현된다.
"유체 운반 층"은 일반적으로 다공성 층 또는 다른 유체 투과성의 구조적 재료 층과 같이 유체 운반이 가능하지만, 또한 기계적으로 유지되는 간극을 포함하는 층을 의미한다.
유동 필드와 함께 사용되는 유체 운반 층의 "오버랜드부(overand portion)는 유동 필드의 활성 영역 내의 랜드 영역 위로 지나가는 유체 운반 층의 부분들이고, 유동 필드 채널 위에 있는 유체 운반 층의 부분들 또는 유동 필드의 활성 영역 위로 지나가지 않는 부분은 제외한다.
유체 운반 층과 같은 층을 통한 유체의 "측방 플럭스"는 층 및 대체로 층의 평면 내의 플럭스를 의미하고, 층의 평면에 수직인 플럭스일 수 있는 층 내로의 플럭스 또는 층으로부터의 플럭스와 구별된다.
"유동 필드 장치"는 유동 필드를 구현하는 유체 분배 시스템의 요소, 일반적으로 전기화학적 전지의 유체 분배 시스템의 요소를 말하고, 이는 일반적으로 ⅰ) 유동 필드 판 또는 ⅱ) 스탬프되거나, 성형되거나 또는 절단된 유동 필드의 패턴을 유지하기 위해 충분히 강성을 갖는 유체 운반 층이지만, 더 일반적으로는 유동 필드 판이고, 이러한 유동 필드 판은 다공성 재료 또는 더 일반적으로는 비다공성 재료로 제작될 수 있고 그리고 일반적으로 도전성 재료로 제작되는 일반적으로 양극 판이다.
본 발명의 이점은 전기화학적 전지에서 더 효율적이고, 안정성과 내구성을 제공하면서, 타겟 영역 위로 유체 또는 유체의 활성 성분을 매우 균일하게 분배할 수 있는 유동 필드 및 유동 필드 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 타겟 영역으로 그리고 타겟 영역으로부터 유체 또는 유체의 활성 성분 또는 활성 특성을 균일하게 분배하기 위한 유동 필드를 제공한다. 유동 필드는 연료 전지와 같은 전기화학적 전지의 촉매화 멤브레인의 대향 측부들로 반응물을 분배하고 그리고 멤브레인의 대향 측부들로부터 생성물을 제거하기 위해 사용되는 유동 필드 판 또는 양극 판에서 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 유동 필드는 일반적으로 유체 운반 층에 의해 타겟 영역으로부터 분리되는 유동 필드 장치에서 일반적으로 구현된다. 본 발명에 따른 유동 필드는 운반 유체를 위해 타겟 영역으로부터 유동 필드를 분리하는 유체 운반 층을통해 매우 균일한 측방 플럭스를 제공함으로써, 타겟 영역에 대한 유체 또는 유체의 활성 성분 또는 활성 특성의 더욱 균일한 이용을 제공한다.
본 발명에 따른 유동 필드는 연료 전지와 같은 전기화학적 전지를 위해 양극 판(BPP)과 같은 유동 필드 장치에서 구현될 수 있다. 전기화학적 전지는 연료 전지, 센서, 전해조, 전기화학적 리액터(reactor)를 포함한다. 연료 전지는 전류를 생산하기 위해 수소와 같은 연료 및 산소와 같은 산화제를 사용한다. 두 개의 화학 반응물, 즉 연료 및 산화제는 촉매를 포함하는 두 개의 격리 전극에서 별도로 반응한다. 이온 교환 요소가 전극들 사이에 위치하여, 두 개의 반응물의 직접적인 화학적 반응을 방지하면서 이온을 전달한다. 일반적인 수소 연료 전지의 경우, 이온 교환 요소는 이온 전달 멤브레인(ICM)이다. ICM은 수소 전극으로부터 산소 전극으로 양성자(H+)를 전달한다. 양성자는 별도의 외부 전기적 통로를 따라서, 전류를 발생시킨다. ICM과 전극의 조합은 통상 "멤브레인 전극 조립체" 또는 MEA로 불려진다. 촉매 전극 재료는 ICM 상에 직접 코팅되어 촉매 코팅된 멤브레인을 형성하거나, 또는 후술하는 유체 운반 층 상에 코팅될 수 있다.
종래의 연료 전지에서, MEA는 양극 판(BPP)으로 알려진 강성의 도전성 판에 의해 분리된 적층체로 배열된다. 양극 판은 MEA(s)와 대면하는 표면(들)에 새겨지거나, 압연되거나, 성형되거나 또는 스탬프된 하나 이상의 유체 전달 채널을 갖는다. 판의 일측 상의 유체 전달 채널은 연료를 하나의 MEA의 아노드로 유도하고, 타측 상의 채널은 산소를 적층체의 다음 MEA의 캐소드로 유도한다. 양극 판은 각각의 MEA에서 발생된 전류를 적층체를 통해 전달한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "양극 판"은 단지 일측 상에 양극 판의 기능을 수행하고 적층체의 처음 및 마지막 MEA를 보조하는, 적층체의 단부 판을 포함하는 것을 알아야 한다. 하나의 MEA를 갖는 적층체는 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "양극 판"으로 포함되는 단지 두 개의 단부 판을 갖는다.
추가의 유체 운반 층은 일반적으로 MEA의 활성 촉매 위치와 양극 판 사이에 위치된다. 연료 전지에서, 이는 확산기/집전기(DCC), 가스 확산 층 또는 전극 지지 층으로 불려질 수 있다(용어 DCC가 본 명세서에서 사용되지만, 확산 이외의 공정에 의한 가스 운반이 DCC의 작동에서 중요한 것은 본 발명의 견지에서 명백하다). DCC는 MEA의 일부이다. 양극 판과 마찬가지로, DCC는 MEA의 촉매 표면으로 그리고 촉매 표면으로부터 유체와 전류를 전달해야 한다. 양극 판과 달리, 일반적인 DCC는 전체적으로 다공성이고 구조적 부재로 기능하지 않는다. DCC는 일반적으로 0.4mm의 두께를 갖는, 탄소 섬유 종이, 부직포 롤 제품 또는 상표명 ELAT인 전극 지지 재료(메릴랜드주 나틱 소재의 E-tek 사)와 같은 피륙을 일반적으로 포함한다. 다른 일반적인 재료는 추가로 탄소 입자 분산제로 코팅될 수 있는 일반적으로 약 0.2mm의 두께를 갖는, 토레이(Toray) 탄소 종이(일본 도쿄 소재의 Toray사)이다.
연료 전지의 촉매 전극 위로 연료 및 산화제의 균일한 분포는 촉매제의 더욱 균일한 사용으로 되어, 더 나은 성능, 안정성 및 내구성으로 이어진다. 또한, 더욱 균일한 전류 밀도 분포(암페어/cm2) 및 폐기 열 발생으로 이어지는 것으로 기대된다. 이는 열적으로 관련된 열화 메카니즘을 감소시키고 더 나은 내구성 및 더 긴 수명으로 이어지게 한다. 따라서, 타겟 영역의 표면 위로 가장 균일하게 반응 가스를 분포시키는 방법을 찾는 것이 바람직하다.
이론에 구속됨이 없이, 연료 전지 전극의 소정 지점의 촉매 표면에서 연료와 산화제의 분압은 상기 DCC 내의 가스의 측방 플럭스의 속도와 직접적으로 관련된다는 것을 알 수 있다. 가스는 확산과 대류의 조합에 의해 촉매 표면으로 운반된다. 촉매 표면의 가장 가까이에서는, 가스는 픽의 법칙(Fick's law)에 따르는 확산에 의해 도달하는 것으로 예상된다. 이러한 확산 지배 구역에서 운반 속도는 농도 구배에 의존한다. 촉매 표면으로부터 멀리 떨어져서는, 가스는 확산과 대류의 조합에 의해 운반된다. 확산 구역에서의 구배는 가스가 확산 구역의 대류에 의해 채워지는 속도에 의존하므로, DCC를 통한 더 많고 더 균일한 측방 플럭스는 촉매 표면으로의 더 많고 더 균일한 반응 가스의 플럭스로 이어지게 한다.
다시 이론에 구속됨이 없이, 확산뿐만 아니라 대류의 중요성이 랜드 영역의 중앙으로의 질량 운반을 위한 펙렛(Peclet) 수를 고려하여 설명된다. 펙렛 수는 확산 운반에 대한 대류 운반의 상대적인 중요성을 비교하는 한가지 방법이고, 이는 속도에 거리를 곱한 값을 확산율로 나눈 값으로써 정의된다. 값이 1인 경우, 대류와 확산은 동일하게 기여한다. 이하에서 고려되는 예의 값을 사용하여, 채널에서부터 일반적인 랜드의 중간까지의 Y방향에서의 운동의 펙렛 수는(0.1m/s)ㆍ(0.001m)/(1.5e-5m2/s) = 6.6 이고, 이는 대류가 우세한 경향을 나타내고 대류와 확산 모두가 DCC 내에서 중요하다는 것을 나타낸다.
또한, DCC에서의 더 많고 더 균일한 측방 플럭스는 연료 전지 내의 물 관리를 개선시킨다. 캐소드에 물이 축적되는 것은 산소 확산을 방해함으로써 반응 속도를 감소시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 상태는 "범람(flooding)"으로 불려진다. 균일한 측방 플럭스가 캐소드에서 발생되는 물을 균일하게 멀리 운반하므로, 본 발명은 낮은 플럭스 영역을 제거함으로써 범람 정도가 높은 국부적인 영역을 제거한다.
유동 필드의 활성 영역이 채널로 조밀하게 채워지는, 미국 특허 제5,840,438호에 개시된 유동 필드의 종류와 비교하여, 본 발명에 따른 유동 필드는 유리하게도 중요한 랜드 영역을 포함하고 있다. 본 발명에 따른 유동 필드의 활성 영역의 일반적으로 40% 이상은 랜드 영역이고, 더 일반적으로는 50% 이상, 더 일반적으로는 60% 이상, 더 일반적으로는 70% 이상이다.
본 발명에 따른 유동 필드는 임의의 수의 채널을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 유동 필드는 일반적으로 하나의 채널로 구성되지만, 선택적으로 도18에 도시된 바와 같이, 사실상 서로 평행한 다수의 코스로 구성되는 채널을 포함할 수 있다. 유동 필드의 활성 영역은 직사각형, 정사각형, 다각형, 원형, 타원형 및 불규칙한 형상을 포함하는 임의의 적절한 형상 및 크기로 될 수 있다. 활성 영역은 타겟 영역의 별개의 부분들로 기능하면서 각각의 부분을 하나의 채널 또는 다수의코스로 구성되는 채널에 의해 보조되는 하나의 타겟 영역으로서 다루는 별개의 구역들로 세분될 수 있다.
유동 필드 채널은 직사각형 단면 및 경사진 측부 단면을 포함하는 임의의 적절한 단면을 가질 수 있다. 채널은 미국 특허 출원 S.N. 제09/557,712호 및 제09/430,568호에 개시된 바와 같이, 미세 유동 채널 또는 미세구조 특징부를 포함할 수 있다. 채널은 일반적으로 하나의 개구를 갖지만 다수의 개구를 가질 수도 있고 개방되거나 매니폴드를 포함할 수도 있는, 입구의 일 단부에서 종단한다. 일반적으로, 채널은 일반적으로 하나의 개구를 갖지만 다수의 개구를 가질 수도 있고 개방되거나 매니폴드를 포함할 수도 있는 출구의 타 단부에서 종단한다. 유동 필드 내로의 가스의 전체 흐름이 유체 운반 층을 통해 소비되거나 없어지는 경우에서는, 출구가 필요하지 않다.
본 발명에 따른 유동 필드를 사용하여 분배된 유동은 가스, 액체, 초임계 유체 또는 이들의 조합을 포함하는 임의의 유체일 수 있다. 유체는 상기에서 정의된 활성 성분을 포함하거나 또는 활성 특성을 가질 수 있다. 연료 전지에서, 활성 성분은 전지의 캐소드 측으로 공급되는 공기의 산소 성분 또는 전지의 아노드 측으로 공급되는 개질 연료 가스의 수소 성분일 수 있다. 순수한 수소 공급원이 사용될 경우, 활성 성분은 전체 유체이다. 수소 또는 산소의 경우, 이들이 전기화학적 반응에서 부분적으로 또는 완전히 소비될 때, 활성 성분은 다 사용된다. 사용 속도는, 활성 성분이 타겟 영역에서의 소비를 위해 운반 층의 유체로부터 회수되는 속도이다. 다른 적용에서도, 연료 전지 또는 다른 장치에서 냉각 유체의 균일한 분배를 위해 본 발명에 따른 유동 필드가 사용될 수 있다. 이러한 경우, 활성 특성은 냉각제의 열 에너지 함량이다. 연료 전지에서, 공기 및 연료는 그 자체가 냉각 유체로서 기능할 수 있다. 사용 속도는 열 에너지가 활성 영역으로부터 운반 층 내의 유체 내로 회수되는 속도이다. 다른 적용에서, 용매의 균일한 분배를 위해 본 발명에 따른 유동 필드가 사용될 수 있고, 이 경우 활성 특성은 유체의 용매화 능력이고, 사용 속도는 용질이 활성 영역으로부터 운반 층 내의 유체 내로 용해되는 속도이다. 다른 적용에서, 평면 공기 지지부에서 공기의 균일한 분배를 위해 본 발명에 따른 유동 필드가 사용되고, 이 경우 활성 성분은 전체 가스이고, 사용 속도는 공기가 지지부를 탈출하는 속도이다.
본 발명에 따른 유동 필드는 유동 필드 장치에서 구현된다. 유동 필드 장치는 임의의 적절한 재료로 제작될 수 있지만, 운반되는 유체와 사용 조건에 대해 안정적이어야 한다. 연료 전지에서 사용하기 위한 본 발명에 따른 유동 필드 판 또는 양극 판은 일반적으로 티타늄 및 스텐레스 스틸을 포함하는 금속 또는 그래파이트 또는 탄소 조성물과 같은 도전성 탄소 재료와 같은 도전성 재료로 제작된다. 이와 달리, 도금되거나, 진공 코팅되거나 또는 이와 달리 습식법, 진공법 또는 임의의 적절한 방법에 의해 도전성 내부식층으로 코팅된 재료가 사용될 수 있다. 유동 필드의 채널 또는 채널들은 절단되거나, 성형되거나, 스탬프 가공되거나 또는 다르게 임의의 적절한 방법으로 유동 필드 장치 내로 형성된다. 본 발명의 양극 판은 존스톤 등의 미국 특허 제5,728,446호 및 계류 중인 미국 특허 출원 S.N. 제09/099,269호, 제09/557,712호 및 제09/430,568호에 개시된 방법을 포함하여 임의의 적절한 방법으로 제작될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 유동 필드는 절단되거나, 성형되거나, 스탬프 가공되거나 또는 다르게 유체 운반 층을 포함하는 재료로 형성될 수 있다. 그후, 인접하는 "양극 판"은 사실상 편평하게 될 수 있고, 추가적인 유동 필드 채널을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 유동 필드는 바람직하게는 ⅰ) 본 발명에 따른 유동 필드를 구현하는 유동 필드 장치와, ⅱ) 유동 필드의 활성 영역과 타겟 영역 사이에 배치된 유체 운반 층을 포함하는 유체 분배 조립체에서 사용된다.
상기에서 정의된 유체 운반 층은 상술한 연료 전지의 DCC일 수 있다. 유체 운반 층은 임의의 적절한 다공성 또는 투과성 재료로 제작될 수 있다. 연료 전지에서 사용하기 위해서 재료는 일반적으로 도전성의 탄소계 재료이다. 유체 운반 층은 임의의 적절한 두께를 가질 수 있다. 연료 전지에서 사용하기 위해서, 유체 운반 층은 일반적으로 1mm 미만, 더 일반적으로는 500 ㎛이고, 300 ㎛ 보다 작을 수 있다. 유체 운반 층은 일반적으로 적어도 50 ㎛의 두께를 갖는다. 유체 운반 층은 임의의 적절한 평면 가스 투과성을 가질 수 있지만, 일반적으로 1×10-5m2이하, 일반적으로 1×10-8m2와 1×10-13m2사이, 더 일반적으로 1×10-10m2와 1×10-12m2사이이다.
본 발명에 따른 유체 분배 조립체는 타겟 영역으로부터 유동 필드를 분리하는 유체 운반 층을 통한 매우 균일한 측방 플럭스를 제공함으로써, 타겟 영역으로유체의 더욱 균일한 방법을 제공한다. 본 발명을 위해, 유체 플럭스는 컴퓨터 유체 거동(CFD) 계산을 사용하여 유동 필드 구성의 분석에 의해 결정될 수 있다. CFD는 유체 유동의 복잡한 시스템을 분석하기 위한 조사 도구로서 잘 설정되고, 따라서 임의의 신뢰성 있는 CFD 코드가 사용될 수 있다. 바람직하게는, CFD 코드 "플루언드(Flunt)"(뉴햄프셔주, 레바논, 플루언트 사, 버전 5.5)가 사용된다. 이는 일정한 점도 및 온도를 갖는 정상 상태 층류로 가정하여, 전지 압력 및 유체 속도를 계산하기 위하여 SIMPLE 법의 형태를 사용하는 일반적인 목적의 유한 체적 코드이다. 일반적으로, 가스는 이상적인 것으로 고려될 수 있다. 유체 운반 층과 같은 다공성 매체는, 압력 강하가 점도 및 유체 속도에 선형으로 비례하고 투과도에 반비례한다는, 다시의 법칙(Darcy's law)을 사용하여 모델링된다[영국, 배처러, "유체 기구 개론", 224 페이지(1967, 영국, 캠브리지, 캠브리지 대학 출판사)], [Darch, H.(1856). 파리, 빅토르 달몬트, "디종 마을의 공공 분수", 590 페이지].
본 발명에 따른 유체 분배 조립체는, 일반적으로 활성 성분의 측방향 플럭스가 유체 운반 층의 모든 오버랜드부의 적어도 90%를 통해 35% 이하로 변화되는 범위까지 균일성을 제공한다. 더 일반적으로, 활성 성분의 측방향 플럭스는 유체 운반 층의 모든 오버랜드부의 적어도 90%를 통해 30% 이하로, 더 일반적으로 25% 이하로, 더 일반적으로 20% 이하로 변화된다. 물론, 임의의 유동 필드가 제로(zero) 유동에서 균일하므로, 유동 필드의 입구로의 유체의 유동 속도는 제로가 아닌 것으로 가정한다. 이하에서 그리고 예들에서 더 완전하게 기술되는 바와 같이, 유체의 활성 성분의 사용의 적어도 하나의 속도, 예를 들어 산소 소비의 속도에서 원하는균일도가 얻어지는 것으로 가정한다.
유체 운반 층의 오버랜드부를 통해 균일한 플럭스를 제공하는 임의의 적절한 유동 필드 구성이 사용된다. 일반적으로, 평행하지 않은 연속 채널 구획들을 갖는 구성이 사용된다. 유체의 활성 성분의 사용 속도가 0보다 클 때, 일반적으로 점진적 구성이 사용되고, 연속 주요 구획들의 상사 부분들 사이의 거리는 유동 필드 채널의 일단부를 향해 점진적으로 가깝게 되거나, 또는 주요 구획들을 나누는 랜드 영역들의 크기는 입구로부터의 거리에 따라 점진적으로 감소한다.
평행하지 않은 연속 채널 구획을 갖는 구성은 도3에 도시되고 도2에 개략적으로 도시된 것과 같은, 평행하지 않은 연속 주요 구획들을 갖는 적어도 하나의 스펜타인 채널을 포함하는, "지그재그형" 스펜타인 구성을 포함할 수 있다. 주요 구획은 만곡될 수도 있지만, 일반적으로 직선 구획이다. 전환 구획은 만곡 구획 또는 하나 이상의 직선 구획으로 이루어질 수 있다. 선택적으로, 주요 구획은 한 점에서 만날 수도 있다.
점진적 설계에서, 연속 주요 구획들의 상사 부분들 사이의 거리는 채널을 따라서 측정되었을 때, 입구로부터의 거리에 따라 단순하게 감소한다. 마찬가지로, 연속 주요 구획들을 분리하는 랜드 영역의 크기는 채널을 따라서 측정되었을 때, 특히 기하학적 영역 또는 "면적 크기"로 측정된 크기는 입구로부터의 거리에 따라 단순하게 감소한다. 점진적 구성은 인접 채널 구획들의 공간이 도10에 도시되고 도9에 개략적으로 도시된 것과 같이, 유동 필드 채널의 일단부를 향해 점진적으로 가깝게 되는 "지그재그형" 구성을 포함하는 "점진적 지그재그형" 구성을 포함한다.평행 구획 스펜타인은 또한 도13에 도시된 바와 같이 점진적으로 이루어질 수 있다. 점진적 나선형 구성은 또한 도14 내지 도17에 도시된 바와 같이 고려된다. 도14 내지 도16의 구성은 유동 필드와 같은 평면에 있지 않은 출구를 필요로 한다.
이하의 예에서 사용되는 것과 같은 CFD 모델이 본 발명에 따른 유동 필드의 더욱 완전한 표현을 제공하지만, 소정의 유동 필드 구성을 위한 설계 파라미터는 본 발명에 따른 지그재그형 유동 필드의 경우에서 이하에 설명된 다시(Darcy)의 법칙과 형상의 적용으로 또한 결정될 수 있다. 연료 전지 적층체는 작동 전류 밀도 및 질량 유동 속도의 선택적인 작동 조건을 위해 설계될 수 있다. 이러한 경우, 작동 조건을 위해 최적화된 유동 필드를 갖는 것이 적절하다. 소정의 유동 필드 구성 및 크기에서, 입구와 출구 사이의 압력 강하는 전체 질량 유동 속도에 따라 변한다. 바람직한 작동 조건에서, 유동 속도가 정해져서, 전체 압력 강하가 유동 필드에서 정해진다.
도2는 본 발명에 따른 단일의 지그재그형 유동 필드의 형상 및 파라미터를 정의하고 있다. 압력 강하와 랜드 위로 유동하는 가스 속도의 균일도 및 크기 사이의 교환을 최적화하기 위해, 정점 반각, 루프의 수 및 크기, DCC 투과도가 변화된다. 본 명세서에 개시된 식은 이러한 파라미터의 선택을 위한 1차의 가이드라인을 제공하는 것이다. 다음으로, 이러한 식은 가스 소비가 있는 경우의 처리가 가능하도록 구성된다.
도2는 지그재그형 유동 필드의 형상과 파라미터를 정의하고 있다. 하나의 루프는 폭의 일단부 상의 최소 채널 공간, w를 갖고, 폭의 타단부 상의 최대 공간,H를 갖는다. 루프 단부들 사이의 채널 레그의 길이는 L이다. 가스는 주로 채널 내에서 유동하지만, 평면 투과도, KL을 갖는 DCC를 통해 랜드 위로도 유동한다. 좌표 x는 x지점에서 랜드를 가로지르는 y방향의 속도, Uy(x)를 위한 식을 얻기를 원하는 지점을 특정한다. 다시(Darcy)의 법칙으로부터, 속도는 가스 압력의 구배와 관계된다.
(1)
여기서, μ는 가스 점도이고, KL은 X-Y평면에서 다공성 DCC 재료의 평면 투과도이다.
채널의 가스 유동이 대체로 랜드를 가로지르는 DCC를 통한 유동 보다 매우 크기 때문에, DCC를 가로지르는 임의의 지점에서의 압력은 DCC 가 아닌, 채널의 유동에 의해 결정된다고 가정한다. 또한, 압력은 채널 아래로 선형적으로 감소하여, N개의 동일한 루프가 있고 전체 압력 강하가 △P = Pinlet-Poutlet이면, 임의의 개개의 루프 주위로의 압력 강하는 △P/N이다.
따라서, 임의의 값 x0에서 랜드 위로의 압력 구배는 좌표 (x0, -y0/2)와 (x0, y0/2) 사이의 루프 채널을 따른 압력 강하를 거리 y0로 나눈 값에 의해 결정된다. 위치 x0에서 y를 따라서의 압력 강하는 채널을 따라 측정된 좌표(x0, -y0/2)와 (x0, y0/2) 사이의 분할 거리 및 루프 주위로의 전체 강하에 비례하거나, 또는
상기의 도2에서 cosθ= x0/g 이므로,
(2)이다.
또한, 도2로부터, y0= 2ㆍx0tanθ+ w 이다. (2)식에서 y0를 이 값으로 대체하면, (1)식으로부터,
(3)이 주어진다.
각 θ가 0으로 가면, (3)식은 평행한 스펜타인 채널의 경우와 동일한 식으로 줄어든다.
(3)식은 파라미터 θ의 다른 값에서, 위치 x의 함수로서 속도를 계산하기 위해 사용된다. (3)식을 사용하기 위해, 압력은 파스칼(Pascal) 단위이고, 점도는 kg/mㆍsec이고, 투과도는 m2이고, 모든 치수는 m이고, 속도는 m/sec 단위이다. 이하의 예 2의 유동 필드의 경우, 유동 속도 1L/min에서, 입구에서 출구로의 압력 강하는 약 5 psig, 또는 34,500 Pa이다. 루프의 좁은 단부에서, w=0.080''=0.002m로 한다. 정점 반각, θ가 변함에 따라, 정의된 전극 면적, A 내에 맞는 루프의 수는 변한다. 따라서, 각각의 N은 정해지고, 전극의 면적 A(또는, 직사각형 길이)는 변하거나, 또는 루프의 수는 θ에 따라 변하고, 면적 A는 고정된다. 따라서, 도2를 참조하면, 면적 A가 고정되면, 측부 길이 A1/2에서, 측부 길이 내에 맞는 완전한 루프의 수 N은 N=A1/2/2(Lsinθ+ w)의 가장 작은 정수값이다. 이러한 N의 값은 이러한 경우 (3)식으로 대입된다. 그러나, 이 예를 간단히 하기 위해, N=21 루프로 정하고, L=0.071m로 고려하면, 정사각형의 경우 전극 영역의 폭은 A=50cm2을 갖는다. 마지막으로, K=12×10-12m2의 평면 투과도를 사용하면, (3)식은
(4)
이고, 여기서 0 ≤x ≤Lcosθ이다.
도6은 θ= 0, 1, 2, 5, 10, 15°의 값의 경우의 (4)식의 값을 도시한 도면이다. 지그재그의 각도가 증가함에 따라, 오버랜드 유동 속도의 불균일성은 급격하게 감소한다. 본질상, θ= 5°에서 루프의 정점 근처를 제외하고는, 변화가 이루어진다. (3)식에서 예상되는 바와 같이, 루프들 사이의 작은 각도에 의한 가스 유동 속도 균일도의 급격한 개선이 예 2에서 나타나는 CFD 계산에서 보여지는 균일도의 급격한 변화와 완전히 일치하고, 여기서 각도는 단지 ~1.29°(~tan-1[(H/2-w/2)/L] = tan-1[(1.8-0.2)/71])이다. 사실, 예를 들어, 이러한 간단한 모델의 경우, 예를 들어 Uy < ~0.2m/sec의 θ>1°에서의 유동의 크기는 이하의 예 2의 CFD 모델에서 보여지는 ~0.13m/sec의 값과 상당히 근사하고, 이는 채널 압력이 랜드를 가로지르는 유동에 독립적이라는 단순한 가정이 성립되게 하지 않는다.
DCC를 통한 가스 속도의 크기는 (3)식으로 보여지는 바와 같이, 투과도 K에 의해 제어된다. 가스 속도는 더 높은 DCC 투과도에 따라 증가한다. θ의 증가에 따라 유동 속도가 균일하게(일정 % 내로)되는 속도는 유동 필드 파라미터 w와 L이 (3)식의 코사인 항과 탄젠트 항의 합과 계수 내로 들어가므로, 유동 필드 파라미터 w와 L에 의존한다. 또한, 유동 필드의 전체적인 형상이 중요한 것으로 생각된다. 예를 들어, 형상이 정사각형이 아니지만 폭보다 길이가 4배 더 긴 것을 의미하는 종횡비 4를 가질 경우, 유동 채널이 영역 위로 어떻게 지그재그형으로 되는 지가 중요하다. 영역이 더 적은 수의 루프로 덮여지지만, 더 긴 루프가 긴 방향에 거의 평행하게 활주할 경우, 루프 당 압력 강하는 더 많은 짧은 루프가 수직으로 배열될 경우 보다 더 크다.
도8에 표시된 바와 같이, 활성 성분, 예를 들어, 산소의 소비는 추가적인 불균일도를 생성한다. 본 발명에 따른 "점진적인 지그재그형" 유동 필드는 유동 필드 출구에 더 가까운 정점 각도를 점진적으로 좁힘으로써 소비에 의한 산소 분압의 손실을 부분적으로 보상하도록 설계된다.
이제, 한 루프에서 다른 루프로 채널 아래로 균일한 산소 플럭스를 갖는 경우를 고려하기로 한다. 국부 전류 밀도, J가 촉매 포텐셜 및 촉매 표면에 대한 산소의 플럭스에 의존하므로, 이는 입구에서 출구로 균일한 국부 전류 밀도, J(X, Y)를 유지하는 것을 돕는다. 촉매 표면에 가까운 이러한 산소 플럭스는 상술한 바와 같이, 유동 필드에 더 가까운 DCC에서의 산소 농도와 표면에서의 농도에 차례로 의존한다.
이러한 방법은 지그재그의 각도 θ가 입구에서 출구로 감소하는 경우에 고려된다. 도6에 도시된 바와 같이, 소정의 각도에서 평균 유동 속도는 각도가 감소함에 따라 증가한다. i=1에서 i=N의 각각의 루프가 다른 값의 채널 정점 wi, 측부 길이 Li, 각도 θi를 갖는 도9에 도시된 경우를 고려하기로 한다.
상기의 (3)식으로부터, 각각의 루프에서, 균일한 속도는
(5)이고, 여기서이다.
루프에서 루프로 균일한 O2질량 유동을 위한 조건을 결정하는 것이 목적이므로, 각각의 루프 상의 동일한 지점에서의 유동, 예를 들어, 각각의 루프의 가장 넓은 부분의 x=Liㆍcos(θi)일 때의 값을 비교한다. 이하에서 (5)식에 대한 근사값을 사용하는 것이 가장 유용하다. θi가 작으므로, 모든 루프에서 cos(θi) ~1 이고, Liㆍcos(θi)Li이다. 또한, x=Li에서, (wi+ Li)Li이다. 따라서, (5)식은,
(6)
으로 감소되고, 여기서 이러한 세 개의 파라미터의 적절한 값의 경우에 2Liㆍsinθi≫ wi일 때, 상기 식은 맞게 된다. 하류의 루프 대 루프 균일도에서, 이는 θi를 변화시키는 것이 변화를 위한 가장 효과적인 변수가 되는 것을 보여준다.
촉매 표면 위의 산소 분압을 채널 아래로 균일하게 유지하는 제1 단계에서, 질량 유동 속도를 촉매 위의 DCC를 통해 균일하게 유지하는 것이 유용하다는 것을 상기에서 주장하였다. 위치 xLi에서 랜드 위의 단위 면적 당 산소의 다른 질량 유동 속도는 이 위치에서 진입하는 산소 플럭스이고, 간단하게 루프 i의 상기 지점에서 속도 및 산소 밀도, ρi(O2)=Pi,o2ㆍMw/RT 의 산물이다.
(7)
여기서, Mw는 산소의 분자량이고, R은 기체상수이고, dA=hdL은 가스가 두께 h의 DCC에서 유동하는 영역의 성분이다.
△Pi와 Pi,o2를 위한 식은 이하와 같이 얻어진다. 상기 (2)식에서, 전체 압력은 유동 채널을 따라 선형으로 변화되어, 압력 강하는 경로 길이에 단순히 비례하는 것으로 가정하였다. 전류가 발생될 때도, 이는 전체 압력에서 맞는 것으로 가정한다. i번째 루프 주위로의 경로 길이는 2Li+wi~ 2Li이다. 전체 유동 필드 채널 길이가 C이면,
(8)이다.
Pi,o2에서, 소비에 의해 루프 인덱스가 증가함에 따라, 산소 분압은 감소하는 것을 알 수 있다. 둘 사이의 관계를 가정해야 하고, 따라서 간단히 하기 위해 선형 관계를 가정하여, Pin(O2)가 입구 산소 분압일 경우, 산소는 채널 아래의 거리에 직접 비례하거나 또는 루프 인덱스, i에 직접 비례하여 제거된다. η가 화학량론적 유동비일 경우, 1/η는 산소 사용 인자이고, 따라서
(9)이다.
(7)식에서 (8)식과 (9)식을 사용하면, 최종적으로
(10)이다.
모든 루프, 예를 들어, 특히 처음과 마지막(i=1, N) 루프에서 균일한 산소 질량 플럭스는 (10)식의 우변이 i의 두 값에서 동일하게 되게 함으로써 얻어지고, 또는 N ≫ 1 이므로,
(11)이다.
각각의 루프의 DCC를 통해 산소의 균일한 질량 유동을 갖도록 하기 위해, 처음의 근사치로의 지그재그형 채널의 각도는, 루프 인덱스가 가스 출구를 향해 증가함에 따라, 감소되어야 한다. 일반적인 루프 인덱스 (i)에서, 처음의 루프 각도 θ1의 항에서,
(12)이다.
η= 2가 연료 전지의 공기 화학량론에서 일반적인 양호한 값이므로, 루프 각도가 처음 루프에서 5°일 경우, 도6에서 양호한 균일도를 나타내므로, 마지막 루프는 θN=2.5°를 나타내는 sin θN=1/2 sin 5°=0.0436 만큼 더 작은 루프 각도를 가져야 한다. 더 작은 각도로 가는 것은 도6에 나타내어지는 바와 같이, 처음 루프와 비교하여 마지막 루프 내의 균일도를 감소시켜, 내부 루프 및 내부 루프 균일도 사이의 다소의 조정이 아마도 필요하지만, 이러한 교환이 평행하고 균일하게 이격된 채널을 갖는 단순한 스펜타인 유동 필드로 얻어지는 것보다 근본적으로 더욱 균일한 전체 전류 밀도를 얻는 것이 가능하다는 것을 이러한 예는 보여준다.
본 발명은 연료 전지와 같은 전기화학적 전지를 구성하는데 유용하다.
본 발명의 목적 및 이점은 이하의 예들에서 더 설명되지만, 다른 조건 및 세부사항뿐만 아니라 이러한 예들에서 인용된 특정 재료 및 이들의 양은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 고려되어서는 안 된다.
예
이하의 모든 예에서, 유동 필드 설계는 컴퓨터 유체 거동(CFD) 계산을 위한 "플루언트"(뉴햄프셔주, 레바논, 플루언트 사, 버전 5.5)를 사용하여 분석된다. 이는 전지 압력과 속도를 계산하기 위하여 SIMPLE 법의 형태를 사용하는 일반적인 목적의, 유한한 체적 코드이다.
사용된 가스 밀도 및 점도는 연료 전지의 공기(캐소드) 측 상에 충돌하는 것들로 모델링되고, 여기서 공기 유동은 전지에 산소를 제공한다. 아노드 측을 위한 유사한 모델은 수소 연료 유동의 가스 밀도 및 점도를 사용하여 구성된다. 이러한 모델에서 사용된 가정은, 일정한 점도(2.1×10-5kg/mㆍs)와 온도(75℃)의 정상 상태 층류 유동이고, 주목하는 산소 소비를 제외하고는 어떠한 반응 또는 가스 소비도 포함되는 않는다는 것이다. 산소 소비를 포함하는 모델은 타겟 영역 위로의 산소 소비 속도가 일정하고 균일하다고 가정한다. 가스는 이상적인 것으로 고려되고, 이는 밀도가 압력에 따라 직접 변하는 것을 의미한다. 유체 운반 층의 다공성 매체는, 압력 강하가 점도, 투과도 및 유동 속도에 1차로 의존한다는 다시(Darcy)의 법칙을 사용하여 모델링된다. 각각의 경우에, 유동 필드 입구로의 공기 유동은 800sccm이고, 출구 압력은 253,000Pa(2.5 atm)이다.
예 1C : 평행 구획 스펜타인 유동 필드, 소비 없음(비교예)
각각 0.8mm의 폭과 1.0mm의 깊이와 (랜드 폭이) 2.0mm로 이격된 25 평행 구획(24 루프를 형성함)으로 구성되는 50cm2의 활성 영역 연료 전지의 경우의, 평행한 인접 구획들로 구성되는 단일의 스펜타인 채널을 갖는 비교 유동 필드를 위해 CFD 모델이 구성된다. 이러한 유동 필드는 122㎛(4.8mils)의 두께와 K=12×10-12m2의 평면 투과도를 갖는 DCC와 긴밀 접촉하는, CFD 모델이 구성된다. K의 이러한 값은 작동 연료 전지에서 DCC의 일반적인 값을 나타내도록 선택된다. CFD 모델 계산은 800 sccm 공기 유동이고 산소 소비는 없는 경우에 행해진다.
도1은 비교 유동 필드를 도시하고 있고, 지시 그레이 스케일에서 DCC 내의 Y방향으로 랜드 위로 유동하는 계산된 가스 속도를 나타내고 있다. 속도는 0.2m/s 보다 큰 속도를 나타내는 가장 밝은 영역으로부터, 가장 밝은 영역의 1/4 보다 적은 속도를 나타내는 어두운 영역으로 스펙트럼을 따라 분포한다. 유동 필드 채널의 각각의 루프의 일 측부에서 다른 측부로, 랜드 영역 위로 가스 속도의 상당한 불균일성이 있다.
예 2 내지 4 : "지그재그형" 채널의 스펜타인 유동 필드, 소비 없음
예 2 내지 4에서, CFD 모델은, 스펜타인 유동 필드의 인접 채널 구획들이 서로에 대해 약간 경사져서 채널의 임의의 주어진 루프가 도2에 정의된 정점 반각, θ를 갖는, 본 발명에 따른 유동 필드를 구성한다. 예 1과의 적절한 비교를 위해, 예 2의 유동 필드도 각각 0.8mm 폭 ×1.0mm 깊이의 25 채널 구획으로 구성된다. 활성 영역은 50cm2이고, 전체 채널 길이는 예 1과 대략 동일하다. 25 채널이 71mm이 길이와 0.8mm 폭을 가지므로, 채널들은 50cm2활성 영역의 28.4%인 14.2cm2을 덮고, 랜드 면적의 71.6%를 남기게 된다. 122㎛(4.8mils)의 두께와 K=12×10-12m2의 평면 투과도를 갖는 동일한 DCC가 사용된다. 전체 공기 질량 유동 속도는 800sccm이었다.
예 2에서, 정점 반각은 대략 1.29°이고, 랜드 폭은 0.4mm에서 3.6mm로 변화된다. 도3은 유동 필드를 도시하고 있고, 도1과 동일한 그레이 스케일로 DCC 내의 랜드 위로 Y 방향으로 유동하는 계산된 가스 속도를 나타낸다. 오버랜드 활성 영역의 약 90%에서, 속도는 대략 0.13m/s이다. 다소 더 높은 속도가 입구와 출구 구멍 부근에서 보여진다. 이는 예 1C에 비해 균일도가 많이 개선된 것을 나타낸다.
도4는 예 2와 비교예 1의 유동 필드에서 질량 유동 속도의 함수로서 입구 대 출구 압력 강하를 나타낸 그래프이다. 이들은 동일한 압력 강하를 갖고, 따라서 압력 강하는 평행 구획 스펜타인에서 지그재그형 스펜타인 설계로의 변경에 의해 달라지지 않는다.
예 3과 4는 정점 반각 θ가 각각 낮은 값과 높은 값, 0.89와 2.10으로 변화된 것을 제외하고는 예 2와 유사하다. 가장 넓은 부분(H)에서의 스펜타인 채널의 연속 구획들 사이의 분리는 예 3, 2, 4에서 각각 2.6mm, 3.6mm, 5.6mm이었다. 정점 반각의 변화로 인해, 예 3의 유동 필드는 31 구획(30 루프)을 갖고, 예 4의 유동 필드는 19 구획(18 루프)을 갖고, 따라서 전체 채널 길이와 압력 강하는 예 3에서 크고, 예 4에서 작다. 또한, 랜드 영역은 예 3에서 작고, 예 4에서 더 크다. 도5는 각각의 예 2 내지 4와 비교예 1에서, 랜드 특징부(즉, 도1과 3에 도시된 X방향으로)를 따라 측방향 위치의 함수로서 일반적인 랜드 특징부를 가로질러 Y방향으로의 가스 속도의 그래프이다. 예 2가 예 3과 4 보다 더 최적인 것으로 보이지만, 예 2 내지 4의 각각의 가스 속도는 비교예 1 보다 더욱 균일하다.
도5의 도면은 정점 반각이 증가함에 따라, 평균 속도의 크기가 감소되는 것을 보여주고 있다. 상기에서 더 상세히 기술된 바와 같이, 이러한 효과는 DCC의투과도, K의 값을 변화시킴으로써 상쇄된다.
예 5C 및 6 : 소비 있음
예 5C에서, 평행한 인접 채널로 구성되는 단일의 스펜타인 채널을 갖는, 예 1C의 비교 유동 필드의 CFD 모델은 2.0의 화학량론적 유동비, η에서 산소 소비가 모델에 추가되도록 수정되어 진행된다. 화학량론적 유동비는 공급된 산소에 대한 소비되는 산소의 비이다. 도7은 Y방향으로 지배적인, 결과적인 평면 산소 플럭스를 도시하고 있다.
예 6에서, 단일의 "지그재그형" 스펜타인 채널을 갖는 예 2의 유동 필드의 CFD 모델은 2.0의 화학량적 유동비, η에서 산소 소비가 모델에 추가되도록 수정되어 진행되었다. 도8은 Y방향으로 지배적인, 결과적인 평면 산소 플럭스를 도시하고 있다.
도7과 8은 산소 소비가 개시될 때, 불균일성이 증폭되는 것을 설명하고 있다. "지그재그형" 스펜타인은 균일도가 매우 우수하다.
예 7 : "점진적 지그재그형" 스펜타인 유동 필드
CFD 모델은 2.0의 화학량론적 유동비(η)에서 산소 소비를 포함하는 예 6과 유사한 유동 필드를 구성하지만, 도9에 정의된 바와 같이, 정점 반각, θ는 입구의 1.75°에서 출구의 0.80°로 점진적으로 좁아진다는 점이 다르다. 랜드의 작은 단부는 0.4mm이고, 큰 단부는 4.8mm에서 2.4mm로 변화된다. 예 2와 일치하게 평균적인 큰 단부는 3.6mm이고, 또한 예 2와 일치하게 채널 구획의 수는 25이다. 이러한 "점진적 지그재그형" 유동 필드는 또한 50cm2의 활성 영역을 형성하는 각각 0.8mm 폭 ×1.0mm 깊이의 채널 구획으로 구성되고, 전체 채널 길이와 랜드 영역은 예2와 대략 동일하다. 122㎛(4.8mils)의 두께와 K=12×10-12m2의 평면 투과도와 800 sccm의 전체 공기 질량 유동 속도를 갖는 동일한 DCC가 사용된다.
도10과 도11은 이러한 점진적 지그재그형 유동 필드에서 Y방향으로의 평면 산소 플럭스와 Y방향으로의 가스 속도를 설명하고 있다. 점진적으로 좁아지는 정점 각도는 유동 필드의 하류측 상의 오버랜드 가스 속도가 증가하게 하여, 산소 소비에 의해 유발되는 산소의 분압의 점진적인 감소를 보상한다.
도12는 예 5C, 6 및 7의 유동 필드를 비교하고 있다. 본 발명에 따른 지그재그형 스펜타인 유동 필드는 비교적인 평행 구획 스펜타인 보다 훨씬 더 균일한 산소 플럭스를 나타낸다는 것을 설명하고, 점진적 지그재그형이 더욱 균일하다는 것을 설명하고 있음이 명백하다.
본 발명의 다양한 수정 및 변경이 본 발명의 기술사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 기술 분야에서 숙련된 자들에게 명백하고, 본 발명이 상술된 설명적인 실시예들로 부당하게 제한되어서는 안된다는 것을 알아야 한다.

Claims (33)

1) a) 입구와 출구를 갖는 적어도 하나의 채널과, b) 적어도 하나의 랜드 영역을 포함하는 활성 영역을 포함하는 유동 필드를 구현하는 유동 필드 장치와,
2) 상기 활성 영역과 타겟 영역 사이에 배치된 유체 운반 층을 포함하고,
상기 입구로의 유체의 적어도 하나의 0이 아닌 유동 속도와 유체 운반 층 내의 유체의 활성 성분의 적어도 하나의 사용 속도에서, 상기 활성 성분의 측방향 플럭스는 상기 유체 운반 층의 모든 오버랜드부의 적어도 90%를 통해 35% 이하로 변화되는 유체 분배 조립체.
제1항에 있어서, 상기 활성 성분의 측방향 플럭스는 상기 유체 운반 층의 모든 오버랜드부의 적어도 90%를 통해 25% 이하로 변화되는 유체 분배 조립체.
제1항에 있어서, 상기 유동 필드의 활성 영역의 70% 이상이 랜드 영역인 유체 분배 조립체.
제3항에 있어서, 상기 활성 성분의 측방향 플럭스는 상기 유체 운반 층의 모든 오버랜드부의 적어도 90%를 통해 25% 이하로 변화되는 유체 분배 조립체.
제1항에 있어서, 상기 채널은 스펜타인 채널인 유체 분배 조립체.
제5항에 있어서, 상기 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들의 적어도 두 개는 평행하지 않은 유체 분배 조립체.
제5항에 있어서, 상기 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들의 적어도 세 개는 평행하지 않은 유체 분배 조립체.
제5항에 있어서, 상기 스펜타인 채널의 주요 구획들의 49% 이하가 평행한 유체 분배 조립체.
제5항에 있어서, 상기 스펜타인 채널의 주요 구획들의 25% 이하가 평행한 유체 분배 조립체.
제1항에 있어서, 상기 채널은 랜드 영역들에 의해 분리되는 주요 구획들을 포함하고, 랜드 영역들의 면적 크기는 상기 채널을 따라 측정되었을 때 입구로부터의 거리에 따라 단순히 감소하는 유체 분배 조립체.
적어도 하나의 스펜타인 채널을 포함하는 유동 필드를 구현하는 유동 필드 장치이며,
상기 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들의 적어도 두 개는 평행하지 않은 유동 필드 장치.
제11항에 있어서, 상기 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들의 적어도 세 개는 평행하지 않은 유동 필드 장치.
제11항에 있어서, 상기 스펜타인 채널의 주요 구획들의 49% 이하가 평행한 유동 필드 장치.
제11항에 있어서, 상기 스펜타인 채널의 주요 구획들의 25% 이하가 평행한 유동 필드 장치.
제11항에 있어서, 상기 채널은 랜드 영역들에 의해 분리되는 주요 구획들을 포함하고, 랜드 영역들의 면적 크기는 상기 채널을 따라 측정되었을 때 입구로부터의 거리에 따라 단순히 감소하는 유체 분배 조립체.
제11항에 있어서, 상기 채널은 다수의 코스를 포함하는 유동 필드 장치.
ⅰ) 청구항 11에 따른 유동 필드 장치와,
ⅱ) 상기 활성 영역과 타겟 영역 사이에 배치된 유체 운반 층을 포함하는 유체 분배 조립체.
적어도 하나의 채널과 적어도 하나의 랜드 영역을 포함하는 유동 필드를 구현하는 유동 필드 장치이며,
상기 랜드 영역은 상기 채널의 제1 주요 구획과 상기 채널의 제2 주요 구획을 분리하고,
상기 제1 주요 구획 상의 임의의 제1 지점에 대해, 상기 제1 지점과 가장 가까운 상기 제2 주요 구획 상의 제2 지점이 있고,
상기 제1 및 제2 지점들 사이의 가장 짧은 거리는 상기 채널을 따라 거리로 측정되었을 때, 상기 제1 및 제2 지점들 사이의 거리에 따라 단순히 증가하는 유동 필드 장치.
제18항에 있어서, 상기 채널은 스펜타인 채널인 유체 분배 조립체.
제19항에 있어서, 상기 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들의 적어도 두 개는 0°보다 크고 45°보다 작은 각을 형성하는 유동 필드 장치.
제19항에 있어서, 상기 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들의 적어도 두 개는 0°보다 크고 10°보다 작은 각을 형성하는 유동 필드 장치.
제19항에 있어서, 상기 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들의 적어도 두 개는0.5°보다 크고 10°보다 작은 각을 형성하는 유동 필드 장치.
제19항에 있어서, 상기 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들의 제1 쌍은 제1 예각을 형성하고, 상기 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들의 제2 쌍은 제2 예각을 형성하고, 상기 제1 예각은 상기 제2 예각과 같지 않은 유동 필드 장치.
제19항에 있어서, 상기 스펜타인 채널은 입구를 구비하고, 상기 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들의 제1 쌍은 제1 예각을 형성하고, 상기 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들의 제2 쌍은 제2 예각을 형성하고, 상기 연속 주요 구획들의 제1 쌍은 상기 스펜타인 채널을 따라 거리로 측정되었을 때 상기 연속 주요 구획들의 제2 쌍보다 입구에 더 가깝고, 상기 제1 예각은 상기 제2 예각보다 더 큰 유동 필드 장치.
제19항에 있어서, 상기 스펜타인 채널은 입구를 구비하고, 상기 스펜타인 채널의 연속 주요 구획들은 예각을 형성하고, 상기 예각은 상기 스펜타인 채널을 따라 거리로 측정되었을 때 상기 입구로부터의 거리에 따라 감소하는 유동 필드 장치.
제19항에 있어서, 상기 채널은 다수의 코스를 포함하는 유동 필드 장치.
ⅰ) 청구항 19에 따른 유동 필드 장치와,
ⅱ) 상기 활성 영역과 타겟 영역 사이에 배치된 유체 운반 층을 포함하는 유체 분배 조립체.
상사부들을 포함하는 주요 구획들을 포함하는 적어도 하나의 채널을 포함하는 유동 필드를 구현하는 유동 필드 장치이며,
연속 주요 구획들의 상사부들 사이의 거리는 상기 채널을 따라 측정되었을 때, 입구로부터의 거리에 따라 단순하게 감소하는 유동 필드 장치.
랜드 영역에 의해 분리되는 주요 구획들을 포함하는 적어도 하나의 채널을 포함하는 유동 필드를 구현하는 유동 필드 장치이며,
랜드 영역들의 면적 크기는 상기 채널을 따라 측정되었을 때 입구로부터의 거리에 따라 단순하게 감소하는 유동 필드 장치.
제11항에 있어서, 구멍을 갖는 유동 필드 장치.
제11항에 있어서, 구멍이 없는 유동 필드 장치.
제11항에 있어서, 도전성을 갖는 유동 필드 장치.
제1항에 따른 유체 분배 조립체를 포함하는 연료 전지.
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