KR20070059013A - 연료 전지용 유로 기판 - Google Patents

Abstract

연료 전지 유로 기판 내의 이온 교환막에 걸쳐서 반응체가 유동하는 방법이 제공된다. 유로 기판은 한 통로의 그루브들로부터 다음 통로의 그루브들로 전달되는 실질적으로 균등한 유체 유동을 제공하는 헤더에 의하여 상호연결되는 통로와, 평행한 그루브들을 구비하는 일련의 통로들로 이루어지고, 전기화학적으로 활성화된 전극으로 구속되는 상기 기판 내의 유동 채널들의 네트워크로 이루어져, 반응물의 바람직한 이용을 달성하기 위하여, 네트워크를 거쳐 유동을 생성시키는 반응 유체를 공급함에 있어서, 유동율과 상기 그루브들 내막의 활성화 영역 당 반응 분자량의 농도가 상기 헤더를 거치면서 80% 미만까지 증가시키도록 이루어진다.

연료 전지, 멤브레인, 유로 기판, 유체 유동

Description

연료 전지용 유로 기판{Flow Field Plate for Use in Fuel Cells}

본 발명은 단수개의 또는 다수개의 연료(수소 또는 옥탄가를 높인 석유)와 산화제(산소 또는 공기)와 냉각제의 입력과 출력을 가지는 전기적 유도 기판으로 제조된 전기 화학의 연료 전지에 관한 것이다.

연료 전지는 연료와 산화제가 계속적이고, 독립적으로 에노드 전극과 캐소드 전극에 공급되는 장치이며, 상기 에노드 전극과 캐소드 전극은 각각 화학 에너지가 전기 에너지와 열을 발생하는 물질로 변환되는 전기화학적 반응을 수행한다. 그래서, 연료 전지들은 고유의 정제됨과 효율은 환경적인 퇴보와 에너지 안정성 등의 문제에 해답을 줄 수 있는 유일한 것이다.

또한, 상기 연료 전지들은 안전하고, 조용하며, 높은 신뢰성을 가진다. 고분자 전해질 막(PEM: Polymer Electrolyte Membrane) 연료 전지들 내에서, 전해질은 네피온, Polybenzimidazoler(PBI)과 같은 양자에 대하여 투과성을 가지나 전자에 유도성을 가지지 못하는 얇은 폴리머 막이고, 전극은 통상 탄소로부터 형성된다.

상기 애노드에 흐르는 수소는 수소 양자들과 전자들로 분리된다. 상기 수소 양자들은 캐소드로 흐르는 전해질을 지나서 투과하는 반면, 전자들은 외부 회로를 통하여 흐르고 전력을 발생시킨다. 공기 중에서 공통적으로 형성되는 산소는 캐소드로 공급되고 외부 회로로부터 도달하는 전자들과 조합되며 수소 양자들은 물과 열을 공급하는 에노드로부터 이동한다.

리튬계 막을 이용하는 PEM 연료 전지들은 약 70-80°의 기온에서 정상적으로 동작하지만, PBI와 같은 고온막이 사용되는 경우에는 약100°에서부터 200°까지의 온도에서도 동작가능하다. 이러한 기온 하에서, 전기화학적 반응들은 대체적으로 느리게 발생하여 각 전극에 백금과 같은 촉매를 함유하는 박막에 의한 자극이 요구된다. 각 전극 유닛, 전해질 유닛은 막 전극 조립체로 명명되고, 두 개의 유로 기판들(또는 분리 기판들) 간에 삽입되어 연료 전지가 생성된다. 상기 기판들은 전극들로 연료를 연결하는 그루브들을 포함하며, 조립체의 외부로 전자들을 유도한다.

일반적으로, 각각의 전지는 약 밝은 전구를 구동시키기에 충분한 전력인 0.6-0.8[V] 를 발생시킨다. 높은 전압을 발생시키기 위하여, 다수의 개별적인 전지들은 연료 전지 스택으로 알려진 구조를 형성하도록 연속적으로 조합된다.

연료 전지 스택을 효율적으로 구동시키기 위하여, 유체 유로와 같은 전지의 활성화 영역을 거쳐서 균등하도록 반응체를 분배하는 것이 바람직하다. 상기한 목적들은 유로 기판(또는 분리 기판)들을 제공함으로써 얻을 수 있다. 유로 기판은 통상적으로 필수적으로 중요한 다수의 기능들을 제공하는데, 연료 전지 전압 터미널들과 전극들 간의 지속적인 전기를 제공하는 전류 콜렉터와 같은 것을 포함하고, 막 전극 조립체의 활성화 영역을 거치는 물과 반응체들을 분배하는 것과 같은 막 전극 조립체의 기계적 지지를 포함한다.

연료 전지의 성능은 효율적인 이동과 전극 촉매와 반응체의 균일한 분포에 의존하고, 연료 전지가 작동하는 동안 생성된 물의 공급 및 제거와 같은 전지의 적절한 물 관리에 따라 성능이 달라진다. 유로 설계는 반응 농도의 증감, 유동율, 압력 하강, 물 분배 그리고 전극 촉매 이용 효율과 같은 전류 밀도 특성을 제어함으로써 연료 전지의 성능에 영향을 줄 수 있다.

핀 타입 또는‘S’형상 타입의 설계 중 하나로 이루어지는 종래 기술에서 유로 기판의 다양성은 존재한다. 핀 타입의 유로 기판 설계에 초기 예는 핀과 같은 각 돌기들을 구비하는 에노드 유로 기판과 캐소드 유로 기판이며, 이는 1988년 9월 6일 Reiser et al.이 U.S 특허번호 4,769,297으로 발표되었다.

연료 또는 산화제와 같은 반응체는 상기 돌기들에 의하여 형성되는 삽입 그 루브들을 통하여 유로기판을 거쳐 유동하였다. 두개의 단부에서 주입 또는 배출 헤더로 다수의 채널들이 연결되는 핀타입의 유사한 설계는 1989년 5월 2일에 Reiser가 U.S 특허번호 4,826,742으로 발표하였다. 상기 헤더들은 각각 주입 매니폴드 또는 배출 매니폴드를 형성하는 입구로 연장되었다. 상기 기판은 기 정해진 퍼지 주파수로 데드 엔드(Dead-Ended) 동작하기 위하여 고안되었다. 2002년 6월 11일에 Reid의 U.S 특허번호 6,403,249 B1는 PEM 연료 전지의 공기-공기 수분 교환을 이용한 전형적인 핀타입 설계의 유로 기판을 소개한다.

핀 타입의 형상과 유사한 유동 기판은 얇은 금속 또는 탄소 박편 또는 와이어 매쉬 형상에 기반하여 형성되는데, 이는 스테인레스 스틸을 포함하는 다양한 금속들에 의하여 형성되는 간단한 대각선의 유로 동일 패턴일 수 있다. 상기 타입의 예들은 2001년 3월 27일에 윌슨과 자우진스키가 발표한 U.S 특허 번호 6,207,310 와 6,037,072에 나타난다.

2002년 9월 6일에 모하메드 등에 의하여 발표된 WO 02/069426 A2에 의하면, 상기 핀타입 유동 기판 설계는 유동 기판에 따라 반응체의 압축과 배출과 관련된 낮은 와류 전력의 결과를 얻을 수 있는 주요한 장점인 저압력 하강의 특성이 나타난다. 그러나, 이러한 유동 기판 설계의 단점은 유동 기판을 통하는 반응체의 유동이 최소 저항의 유로에 따라 결정되기 때문에, 물 관리의 저하와 같은 침체된 영역의 형성과 반응체의 연결을 포함할 수 있다.

오늘날, 대부분의 유동 기판 설계는 소위‘S’형상 타입으로 설계되어왔다. 상기 단일‘S’형상을 설계를 가지는 유동 기판의 한 예는 와킨즈 등이 발표한 U.S 특허번호 4,988,583,에 설명되는데, 단일의 지속적인 유체 유동 채널이 유로 기판의 중요한 영역에서 형성되는 것이다.

단일‘S’형상 설계의 또 다른 예는 와킨즈 등이 1996년 6월 18일에 발표한 U.S 특허번호 5,527,363 와 5,521,018에, 와킨즈 등이 1992 년 4월 28일에 발표한 U.S 특허번호 5,108,849에 설명된다. 반응체는 주입 유체 매니폴드를 통하여‘S’형상의 유동 채널로 주입되고, 기판의 주요부분 위를 흐른 후에 유체 배출은 배출 매니폴드를 통하여 방출된다. 상기 단일‘S’형상의 유동 채널 내에서, 반응체는 전극에 따른 전체적인 활성화 영역의 역방향으로 힘을 받고, 이에 따라 침체된 영역의 형성을 제거한다.

그러나, 단일의 장채널으로 통하는 반응체의 유동은 고압력 강하를 발생시킬 수 있는데, 큰 와류 전력 소비가 요구될 수도 있으며, 주입으로부터 배출까지의 주요한 반응체 농도의 증감은 전지의 더 높은 전압 손실을 초래할 수 있다. 더욱이, 단일 채널의 사용은 특히 높은 전류 밀도에서 물의 유출을 촉진시킨다. 이는 전지의 더 낮은 성능과 전지의 수명을 단축시킬 수 있을 것이다.

다수의 특허는 다중의‘S’형상의 설계를 제공함으로써, 단일‘S’형상의 설계로 연계되는 고전압 강하의 문제에 대하여 발표해왔다. 상기한 설계에서 유입 매니폴드의 반응체는 배출 매니폴드로 굴곡있는 유동 채널들에서 소량씩 유도된다. 이러한 다중‘S’형상의 유동 기판 설계의 예들은 와킨즈가 1992년 4월 28일에 발표한 U.S 특허 번호 5,108,84에 나타나며, 이는‘S’형상의 방법으로 지속적으로 개구면인 유체 유동 채널은 다수의 유로 내에서 기판의 표면을 횡단하는 것이다. 각각의 채널은 한 단부에서 유체 주입구를 구비하며, 다른 단부에 유체 배출구를 구비한다(채널 내에서의 유체 유동은 지속적인 방법이다).

각각의 채널의 유체 주입구와 배출구는 유체 공급구(또는 주입구 매니폴드)와 유체 배출구(또는 배출구 매니폴드)에 각각 직접적으로 연결된다. 다수의‘S’ 형상의 설계를 가지는 다른 유체 유로 기판은 1992년 4월 28일에 와킨즈 등이 발표한 U.S 특허번호 5,108,849, 2000년 11월 21일 넬슨 등이 발표한 U.S 특허번호 6,150,049, 2002년 12월 31일에 히데오 등이 발표한 U.S 특허번호 6,500,579 B1, 2002년 11월 21일에 프랭크 등이 발표한 특허 번호 WO 02093672 A2 와 WO 02093668 A1에 역시 발표되어 있다.

1997년 11월 11일 카발카 등이 발표한 U.S 특허 번호 5,686,199는 기판 공급의 네트워크와 연결되는 분리된 유입구와 출입구를 가지는 다수의 균형 유동 섹터로 분리되는 유로 기판 설계를 발표한 반면에, 각각의 유동 섹터는 채널이 연속적인 유동 관계 안에서 배치되는 다수의 채널 세트로 재구획되기 위하여, 각 섹터가 분리된 다수의 평행한 개구면 유동 채널을 포함한다.

상기한 형상은 반응체 가스가 대체적으로 낮은 반응체 가스의 압력 하강을 가지는 연료 전지 전극에 따라 전체 활성화 영역으로 이동되는 것을 허용한다. 그러나, 주입 매니폴드와 배출 매니폴드를 가지는 네트워크 채널 연결의 다양한 길이로 인하여, 가스의 동일하지 않은 압력 하강이 다른 유동 섹터들을 형성시킬 수 있으며, 반응체 가스가 상기 대칭되는 유동 섹터들로 비균일하게 분배될 수 없다.

2000년 8월 8일에 록이 발표한 U.S 특허 번호 6,099,984는 유동성의 가스 매 니폴드가 한 단부에서 다수의 유체 주입/입력 지주들에 연결되고, 유동성의 다수의 유체 배출/출력 지주들은 배출 가스 매니폴드로 연결된다. 상기 각 채널의 주입 지주들은 동일한 유로 안에서 인접한 채널들의 주입 지주들과 인접하고, 각 채널의 배출 지주들은 동일한 유로 내에서 인접한 채널들의 배출 지주들과 인접한다. 각각의 유동 채널은‘S’형상의 방식에서 유로의 한 부분을 거친다. 이는, 매니폴드로부터 다른 주입구로의 동일 유동율을 얻는 것이 용이하지 않다는 것을 의미한다.

더욱이, 2001년 10월 30일에 록이 발행한 U.S 특허 번호 6,309,773 B1는 주입 매니폴드와 배출 매니폴드 간에 연장되어 연속적으로 연결된‘S’형상의 다수의 세그먼트로 이루어지는‘S’형상의 유로 채널들을 구비하는 PEM 연료 전지를 발표했다. 각각의 세그먼트는 주입 지주, 출구 지주, 세그먼트의 다른 지주들과 연결되도록‘U’커브된 단부들 간에 적어도 하나의 평균 지주를 가진다. 각 유동 채널의 브리지 부는 다음으로 연결되는 동일한 채널의 인접한 세그먼트들을 연결한다.

평균 지주들 중의 ‘U’ 커브된 단부들은 브리지 부와‘U’커브된 단부들 내의 압력의 다양성에 따른 다양한 거리로 브리지 부로부터 소정의 공간을 두고 위치된다. 통상적인‘S’형상의 유동 기판 설계와 비교하면, 상기 설계는 더욱 복잡하고, 고압의 하강을 발생시킬 수 있다.

1996년 5월 28일과 1994년 4월 5일에 윌킨스 등이 각각 발간한 U.S 특허번호 5,521,018 와 5,300,370는 연속적인 영역과 불연속적인 영역으로 구성되는 다수의 ‘S’형상의 유로 기판을 발표했다. 게다가, 2001년 7월 5일에 윌킨스 등이 발간한 WO 0148843 A2는 불연속적인 유체 분포 특성을 가지는 연료 전지 기판을 발표했다. 불연속적인 이용과 불연속적인 유동 채널들은 향상된 양을 이동시킴으로써 더 많은 연료 전지 특성을 기대할 수 있으나, 이는 압축되니 반응체 소스가 이용될 때만 특성이 인정된다. 이는, 유로 기판의‘S’형상의 설계가 기판의 활성화 영역을 거치는 반응체 유동을 촉진시킬 수 있다는 것을 반영하며, 각각의 채널에서 감소된 유량을 통하여 물을 이동시킬 수 있는 것을 알려준다.

그러나, 유로 기판 설계의 상기한 타입은 다음과 같은 문제점들을 포함한다.

(a)다수의 회전을 포함하는 길고, 좁은 유동 통로는 주입과 배출 간의 높은 압력 강하를 발생시킨다. 그래서, 반응체의 압력을 위한 필요 조건을 생성하여 공급하고, 이는 방출에 적합한 전력의 양을 교대로 감소시키는 주요 와류 전력으로 변환시킨다.

(b) 물의 불충분한 제거와 축적으로 인하여 발생되는 전극의 유출은 효율성을 감소시키고, 연료 전지의 수명을 단축시킨다. 긴 터널들로부터 물의 제거를 활성화시키기 위하여, 더 큰 반응체 공급은 채널을 거치는 반응체의 충분한 속도가 유지되어야 하는 것이 보통 과정이다. 예를 들어서, 공기 화학량론의 2.5 내지 3.5 배와 같은 높은 농도는 공통적으로 PEM 연료 전지 동작에 이용된다. 이는, 더 높은 와류 전압의 소비가 요구된다. 더욱이, 높은 반응체 공급의 요건은 적은 하강율, 시스템 작동 유연성의 제한 등을 이끌어낸다.

(c) 긴 유동 채널들은 주입으로부터 배출까지의 반응체 농도의 높은 증감율의 결과를 초래하는데, 기준 전위를 넘는 더 높은 강하를 발생시킨다.

(d) 높은 반응체 증감은 비정형의 전류 밀도 분포를 가져오고, 전극 촉매의 비효율적인 이용을 초래하는데, 다시 말하면 더 큰 스택의 사용과 시스템 비용의 상승을 가져온다.

활성화 영역의 적은 cm² 만을 구비하는 작은 연료 전지는 약 1 내지 2 W/cm² 의 전력 밀도를 생산 할 수 있으나, 연료 전지가 수백 cm² 로 증가되면, 통상적으로 특성은 0.1 내지 0.3 W/cm² 가 된다. 상기한 현상은 스케일 업 현상(Scale-Up Effect)라 한다. 이는, 유동 채널의 길이에 따라 전류 밀도와 수소 농도는 채널에 따라 감소(Hirata et al., Journal of Power Sources, Vol. 83, pp.41-49, 1999)하는 유사한 패턴을 나타내는 것을 예상할 수 있다.

왕 등(Journal of Power Sources, Vol. 94, pp.40-50, 2001)과 네샤이 등 (http://www.utc.scsu.edu/effects.htm, last visited on August 5, 2003)과 리 등(Journal of Power Sources, Vol. 115, pp.90-100, 2003) 그리고, 용 등(Journal of Power Sources, Vol. 118, pp.193-199, 2003)의 발간물을 포함하는 다수의 최근 발간물들은 두가지 위상 유동과‘S’형상의 유동 채널들을 거치는 전류 밀도 분포에 관한 수적인 연구와 실험적인 연구를 수행하였다.

상기 연구들은 흐름을 따른 국소 전류 밀도의 감소 또는 급격한 다양화가 존재하는 것을 보여주며, 유동 흐름의 단부에서, 전기화학적 반응이 급격히 약해진다는 것을 보여준다. 대체적으로, 국소 전류 밀도는 막 표면의 전반부를 넘는 다양성은 보이지 않으나, 막 표면의 후반부를 넘어 급격히 감소된다. 산소 분포의 결과는 주입 산소의 대부분이 유동 채널의 1/2 길이에서 소비되어, 촉매의 비효율적인 이 용을 이끄는 것과 같은 유사한 경향을 보여준다.

1/2의 단면의 입구에서, 과도한 수소와 산소의 소비로 높은 반응율이 발생된다. 후반부 면에서의 고갈로 인하여, 공기의 유동은 가라앉는데, 이는 물 흐름으로 알려진 높은 가스 저항의 발생으로 인한 PEMFC 성능이 감소되는 액상 물의 축적을 그 결과로써 이끌어낼 수 있다. 왕 등의 연구 결과로부터, 1.4 A/cm² 의 평균 전류 밀도에서, 주입구에서의 국소적인 전류 밀도는 2.22 A/cm² 이나, 배출구에서의 국소적인 전류 밀도는 0.86 A/cm² 이다. 유동 채널의 중간지점에서, 전류 밀도는 액상 물 형성의 시작을 알리는 급격한 강하를 보여주며, 채널로부터 산소가 고갈되는 부족한 물 제거가 제공된다. 상기한 현상은 유동 통로들을 따라 소비되는 것과 같이, 주입구에서의 수소와 산소로부터 배출구로 점진적으로 감소되는 연료 전지의 전기화학적 반응성에 기인하여 연장된다.

상기한 문제점을 언급하기 위하여, 일본 특허번호 6267564는 상부 유동 통로 지역으로부터 하부 유동 통로 지역으로 점진적으로 감소하는 산소가 함유된 가스 배출 기판의 깊이 또는 폭 중의 적어도 하나는 이러한 유동 통로를 구비하는 연료 기판을 발표했다.

기판 자체가 두껍고,‘S’형상의 유동 채널들이 길다는 사실이 주어지면, 상기 방법들은 제조와 기계에 의하여 예상되지 않는다. 상기 내용에서, 2000년 4월 11일 후지 등의 US 특허 6,048,633는 연료 주입 측의 다수의 그루브들이 배출구 측의 다수의 그루브보다 크게 준비되는 연료 전지 기판을 발표했다.

상기 그루브들은 배출구 측으로 오는 것과 같이, 서로 점진적으로 병합된다(다수의 그루브들은 단계식 방법으로 반감되어 반절씩 감소할 것이다). 다수의 가스 유동 통로 그루브들이 홀수 숫자이면, 다수의 그루브들은 다수의 홀수 가스 유동 통로 그루브들에 하나를 더함으로써 얻어지는 반절의 숫자로 감소될 것이다. 주입구 측에 다수의 그루브들과 배출구 측의 다수의 그루브들의 비율은 가스 이용 인자에 연계되어 계산된다.

US 특허번호 6,048,633에 발표된 방법은 활성 영역을 넘는 반응 가스의 정형성을 향상시키고, 물 제거를 촉진하며 가스의 확산을 향상시키고, 그 결과로 전지의 성능을 향상시킨다. 그러나, 다수의 그루브들이 반으로 감소되는 방식으로 유동 통로 개수의 선택에 있어서 설계 유연성에 제한을 받는다. 예를 들면, 단계식으로 반절씩 감소시킬 수 있는 짝수를 가지는 것이 더욱 편리할 것이다.

만약, 우리가 50%(70%의 수소의 가스 소비율을 가정했다면, 특허에 따르고, 배출구가 5개의 채널을 가진다고 가정한다면, 총 15개의 채널을 주는10-5, 두개의 통로를 가지는 것이 가능해질 것이며, 이는 요구되는 활성화 영역을 포함하기에 충분치 않을 수 있다. 또는, 총 100개의 채널들이 필요한 활성화 영역을 포함하기 위하여 요구된다면, 채널 배열은 약 67에서 33개로 반이 감소될 것이다.

각 통로에 과다한 유동 채널들을 구비하는 가스 유동율은 너무 낮아서 생성되는 물을 적절하게 제거할 수 없을 것이다. 한편, 모든 활성화 영역과 배출구에서 5개의 채널을 가지고 시작하기 위해서는 다수의 그루브들이 5-10-15-30-60-120와 같이 배열될 수 있다. 다음은 주입구에서 배출구로의 그루브 수의 비율은 더 이상 50%와 같은 가스 이용 인자에 의존하지 않는다는 것을 보여준다.

더욱이, 상기 방법은 주입구 측의 다수의 그루브들과 가스 이용 인자에 의존하는 외부 다수의 그루브들을 배치하고, 중간 통로 내의 다수의 그루브들을 고려하지 않으면, 다수의 그루브가 반으로 감소될 시에 국소적인 가스 유동율을 감소시키는 것과 같은 정형화의 제공이 가능하며, 통상 지수법칙에 따른다.

국소적인 비정형과 급격한 가속 및 감속으로 인한 압력 손실을 생성시키며, 유동율은 하나의 통로에서 다른 통로까지 급격한 변화가 나타남을 제시한다. 게다가, 발표된 방법은 활성 영역 당 반응 분자량이 아니라, 상수적인 가스 유동율에 근접함만을 확신할 수 있다.

결론적으로, 상기 언급된 종래 기술의 문제점들을 극복할 수 있는 연료 전지 스택이 요구된다.

본 발명의 주요한 특징을 반영하는 유동 기판을 설계하기 위하여, 본 발명의 실시예를 설명하기 전에 가스 이용 인자를 정의하는 것이 필요하다.

연료 전지 스택(연료 또는 산화제)로 알려진 초기 체적 유동율을 F_o, 활성 반응 체적 농도를 y_o, 반응물 이용 효율(즉, 화학량론의 역)은 η_o 으로 하자. 본 발명을 설명하기 위하여, 전지의 전기화학적 반응에 따른 동역학은 각각의 활성 구성요소(수소 또는 산소)를 하나의 차수라고 가정하는데, 하나의 차수는 0.5로부터 2까지의 범위를 가질 수 있고, 상기 차수는 수소에 대한 에노드와 산소에 대한 캐소드의 변화를 줄 수 있을지라도 각각의 활성 구성요소(수소 또는 산소)를 하나의 차수라고 한다.

상기한 가정을 기반으로 반응율의 다양성은 지수함수 법칙인 F_oy_o exp(-βx)를 따르게 되는데, 여기서 F_c는 주입구로부터 x만큼의 거리에서의 국소 반응 유동율(Local Reactant Flow Rate)이며, β는 감쇠 인자이다.

주입구로부터 x 만큼의 거리에서의 전체 가스 유동율은 다음과 같이 표현된다.

여기서, 하기의 정의를 적용시킨다.

상기 가스 유동율은 하기 수학식 2와 같이 표현된다.

다수의 통로를 가지는 좌표 x를 n으로 치환하면, 하기의 등식은 성립된다.(여기서, N은 주입으로부터 배출까지의 전체 통로 수)

이제, 주입으로부터 배출까지의 유동 채널 수가 점진적으로 감소할 유동 채널을 설계함에 있어서 두 가지 접근이 가능하다.

이는, i번째 통로의 하기의 그루브 개수를 결정할 수 있는 결과를 가져온다.

활성 영역 당 상수 반응 분자:

이는, i 번째 통로의 하기 그루브들의 수를 결정할 수 있는 결과를 가져온다.

표 1은 상기에 설명된 두가지의 접근들 간에 차이점을 도시하는 계산 예제들을 제공한다.

상기한 과정에서, 상수 가스 유동율 접근법은 압력 손실을 최소화하고, 물의 제거를 개선시키는데 유리할 수 있으며, 가스 속도는 영역 당 반응 분자량이 유동 통로를 따라 동일함을 유지할 동안에 실질적으로 가속될 수 있으므로, 상기 활성 영역 당 상수 반응 분자는 촉매의 효율적인 이용과 압력 손실의 증가로 물의 제거가 향상되는 이용의 효율적인 측면에서 이익을 줄 수 있다.

실제적인 유로는 두가지 접근법 중 하나로 설계될 수 있으며, 또는 두가지 접근법 모두를 이용하여 설계될 수 있는데, 한 예로 한 접근법은 에노드 기판을 위하여 다른 하나는 캐소드 기판을 위하여 설계될 수 있다.

상기 표 1의 데이터는 설명의 목적으로만 제공된다. 입구 측에 그루브 수와 통로의 수는 동일할 필요는 없으나, 대신에 압력 손실, 체류 시간, 그리고 전체 활성 영역과 같은 실제 설계에 요구되는 조건들을 만족시키도록 조정될 수 있어야 한다. 또한, 에노드에서의 수소, 캐소드에서의 산소에 대한 전기화학적 차수들은 동일할 필요는 없으며, 상기 수학식 1부터 수학식 5까지는 각각 분리되어 유도될 수 있다.

산화제의 낮은 이용으로 인하여, 산화제 유동은 연료 통상적으로 연료 유동보다 더 높은 것을 알 수 있다. 그래서, 연료 측에서는 연료 이용을 증가시키기 위하여 상대적으로 더 많은 통로를 구비하는 것이 바람직한 반면에, 공기 측에서는 적은 압력 하강을 얻을 수 있는 차수에서의 산화제를 위한 많은 유동 채널의 수와 적은 유동 통로의 수를 가지는 것은 바람직하다.

따라서, 에노드와 캐소드에 의존적인 유동 채널들의 수와 유동 통로들의 수를 조정하는 것은 최적의 성능을 얻기 위하여 허용될 것이다. 예를 들어, 활성 영역 당 상수 반응 분자에 대한 접근법으로 캐소드의 압력 하강이 감소하고, 수소 이용이 증가하는 동안, 캐소드를 위한 36-28-21-17의 유동 기판과 34-24-17-12-9-6의 유동 기판은 전체 102개의 채널을 가지는 활성 영역을 함께 만들 것이다.

상기 언급된 바와 같이, 반응체의 유동 영역은 하부 방향에서 단계적으로 감소함에 따라, 상수 유동 영역 또는 상수 유동 채널의 수를 가지는 종래 기술의 유동 경로들 비교할 때, 반응체를 위하여 압력 하강이 증가하는 것은 예상가능하다. 압력 하강의 근소한 증가가 관찰될 동안에, 유동율이 하부 방향으로 감소되므로 상기 현저한 증가를 보이지 않을 것이다. 더불어, 본 발명에 따른 하부 방향으로의 높은 가스 속도로의 증가는 실질적으로 물이 액화되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.

균일한 반응 가스 분포와 개선된 전지 성능을 얻기 위하여, 유동 채널 폭, 깊이, 그리고 인접한 그루브들 간의 분리된 랜드 폭(Land Width)는 바람직하게는 각각 0.5 mm 에서 2.5 mm 까지의 범위를 가진다. 가장 바람직한 범위는 유동 채널의 폭은 1.0에서 2.0 mm 까지, 유동 채널의 깊이는 1.0 mm 에서 2.0 mm까지, 유동 채널의 랜드 폭은 0.5mm에서 1.0mm 이다.

유동 채널과 랜드는 에노드 측과 캐소드 측을 위하여 동일한 면적을 가지는 것이 바람직하나, 에노드 및 캐소드의 유동 채널 및 랜드의 다른 영역 또한 배치될 수 있다.

그러나, 유동 채널들에 대한 상기한 설명은 상수 단면 그루브를 언급하는 동안에, 상기한 기하학적 선택이 본 발명의 과정에 요구되는 것은 아니며, 이에 따른 다양한 단면 그루브와 같은 유동 채널의 다른 기하학적 구조는 본 발명의 다른 실시예에서 사용 가능하다.

도 15와 본 발명에 따른 다수의 채널들을 가지는 상류 통로로부터 유동 채널들(38)은 헤더(37)을 통과하는 소수의 채널을 가지는 다음 하류 통로에 연결되며, 이는 유동 채널들에 대하여 평행, 수직할 수 있으며, 바람직하게는 상기 유동 채널들(38)에 대하여 경사를 가질 수 있다.

상기한 경사진 설계는 유동 채널 하부와 상부와 동일한 절곡면 위에 균등한 채널 분포(동일한 채널 피치)를 제공할 수 있다. 상기 균등한 채널 피치들은 랜드 영역으로부터 MEA로 균등한 기계적 지지를 생성할 수 있고, 이에 따라 기판에 의하여 MEA가 적용되는 기계적 힘과 열적인 힘을 최소화할 수 있음은 확실하다. 도 15에 도시된 바와 같이, 경사진 헤더(37)에서 상기 경사각(

)은 다음과 같이 고려될 수 있다.

상기한 수학식 6에서, n은 유동 채널들(38)의 수이며, wc와 ws는 각각 상기 유동 채널(38)의 폭과 랜드의 폭이고, 유동 통로들의 수는 I이다.

상기 유동 연결 헤더(37)는 개구면이며, 이에 따라 상부 채널(38)으로부터 하부 채널(38)까지 유동 재분포를 허용한다.

상기 설명은 개구면을 형성하는 경사진 헤더(37)에 대하여 나타내면서, 본 발명의 설계된 것은 다수의 변형들이 고려될 것이다. 예를 들어, 상기 헤더(37)는 0도에서 90도 사이의 어떠한 다른 각도로도 위치될 수 있다. 상기 헤더(37)는 맞물리고, 불연속적이며, 반 또는 완전히 감싸는 형태와 같은 다른 구조적 특징들을 가질 수 있다.

도 4는 전체 활성 영역에 대하여 근접한 상수 유동율을 제공하는 본 발명의 제1 실시 예를 도시한다. 도 4는 개선된 연료에서 70%의 수소 농도와 80% 수소 이용 효율의 가정을 가지고 에노드 기판에 대하여 도시되었다.

일반적으로, 유로 기판(10)은 유동 기판(18)으로 연료를 공급하는 유동 통로들 또는 유입 매니폴드(11)의 공급 네트워크와, 유동 기판으로부터 방출되는 반응체를 받기위한 유동 통로들 또는 배출 매니폴드(12)의 네트 워크를 포함한다. 상기 유동 기판은 공급 유동 통로와 배출 유동 통로의 네트워크와 유동적으로 연결되는 단수개 또는 다수개의 유입구 또는 배출구 를 포함한다.

산소를 포함한 가스의 공급을 위한 유입구(13)와 산소를 포함한 가스의 배출을 위한 배출구(14)와 냉각제 유동을 위한 유입구(16)와 배출구(15)가 상기 유로 기판(10)에 구성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 반응 가스는 다수의 유동 채널(18a)에 유동적으로 연결된 매니폴드(11)를 통하여 흐른다. 도 4에서 유로 기판(10)은 15개의 유동 채널들을 도시하는데, 상기 예제에서의 채널 개수는 설계 조건에 충족되도록 고려된 것이다.

도 4에 도시된 유동 채널(18)은 다수의 직선이 평행한 형상으로 나타나는데, 이는 제조와 압력 하강의 감소를 제공하기 용이하다. 18a-18f 의 유동 채널들의 각 통로 단부에서, 수집과 재분배 매카니즘 또는 17a-17e 의 헤더가 제공된다. 상기 헤더(17)들은 바람직한 방법으로 유동 채널(18)의 의 변화를 가능하도록 하는 방법을 제공한다.

각 통로(18a-18f)로 통과한 후에는 반응 가스 농도(수소 또는 수소가 다량 포함된 석유)와 유동율은 감소되는데, 이는 입구 단면에서 공격적인 전기화학적 반응을 일으킨다. 도 4에 도시된 바와 같은 유동 채널(18) 수의 감소는 상기에 설명(즉, 15-12-10-8-7-6)된 것과 같은 상수 가스 유동율 접근법에 의하여 수행된다.

배출구 측의 그루브 수와 유입구 측의 그루브 수의 비율은 가스 이용 인자(상기 예에서는 0.56)에 따른다.

유사한 유동 기판이 에노드와 캐소드 양측에 모두 적용될 수 있는 반면에, 이는 가스 이용과 연료 및 산화제의 반응 농도에 의한 다양한 요구 조건들에 따라 설계됨이 바람직하다. 도 5는 도 4의 동일한 영역을 가지는 에노드 기판에 대응되는 캐소드 유로 기판(20)의 실시예를 도시한다.

유로 기판(10, 20)은 각각 58개의 채널을 가진다. 배출구 측 그루브 수와 유입구 측 그루브 수의 비율은 공기 이용 인자에 대응되는데, 이는 공기 중에 21%의 산소와 50%의 산소 이용을 가지는 경우에는 약 0.89이다. 상기 유로는 또한 4개의 통로들(16-15-14-13)을 구비하는 다중의 평행한 직선 채널(28)을 사용한다.

산소 또는 산소 함유 가스(보통 공기)는 매니폴드(23)으로부터 제1 통로(28a)의 다수의 유동 채널(28)로 분배되는데, 이는 성공적으로 연결되어 헤더(27a-27c)를 통하는 유동 채널(28b, 28c, 28d)로 재분배된다. 유동 채널(28)의 수는 상기 설명된 것과 같은 한정된 감소율에 따라 감소된다.

도 4에 도시된 첫번째 기판(10)과 도 5에 도시된 두번째 기판(20)은 직면하도록 위치시키고, 상기 두개의 기판(10, 20) 간에 삽입되는 MEA(Membrain Electrod Assembly)와 실링 개스킷을 열을 이루도록 배치하여 단일 연료 전지를 형성시킬 수 있다. 상기 경우에서, 연료 유동과 산화제 유동이 역류하는 방향을 따르고 있음을 알 수 있다. 그러나, 교차된 유동과 상호공통 유동과 같은 대안적인 유동의 형태도 본 발명의 이론의 응용 범위에 포함됨을 알 수 있다.

도 6과 도 7은 본 발명에 따른 제2 실시예와 제3 실시예의 에노드 유로 기판(30, 40)을 도시하는데, 상기 유동 채널들은 종래의 'S' 형상의 패턴과 유사한 방식으로 제공된다. 도 4와 유사한 상기 도 6 및 도 7은 70% 농도의 수소와 80% 수소 이용이 가정된 상수 가스 유동율 접근법에 기반한 유로를 도시한다.

상기 유동 채널들(38, 48)은 45 개의 전체 채널 중에서, 14-10-8-7-6와 같이 감소된다. 도 1의 헤더(17) 교체는 다수의 연결 매커니즘(37)과 재분배 매커니즘(47)이 제공되어 이전 영역 내의 수로부터 이후 영역의 수로 한정된 감소율에 따라 감소하는 유동 채널(38, 48)들을 허용한다.

도 8과 도 9는 본 발명에 따른 제2 실시예와 제3 실시예의 캐소드 유로 기판(50, 60)을 개략적으로 도시하는데, 유동 채널(58, 68)은 종래 기술에 따른 'S' 형상 패턴과 유사한 방식으로 제공된다.

도 5와 유사한 상기 도 8과 도 9는 21%의 산소 농도와 50%의 산소 이용이 가정된 “상수 가스 유동율 접근법”에 기반한 유동 기판을 도시한다. 유동 채널들(58, 68)은 45개의 전체 채널로 주어져, 16-15-14로 감소된다. 도 5내의 헤더들(27)의 감소는 다수개의 연결 매카니즘(57)과 재분배 매카니즘(67)이 구비되어 상기 유동 채널들(58, 68)이 한정된 감소율에 따라 이전 영역의 수로부터 다음 영 역의 수로 감소되는 것이 허용된다.

도 4-9 내에 도시된 유로 기판들은 종래 기술에 따른 통상적인 형상임을 도시한다. 본 발명에 따른 유로 기판과 이에 포함되는 유동 기판의 신규성은 어느 특정 기하학적 형상에도 제한되지 않는다.

이제, 본 발명에 따른 제4 실시예를 도시하는 도 10과 도 11을 참조하여 설명하며, 이는 촉매의 이용을 최대화시키는“ 활성 영역 당 상수 분자량”의 접근법에 기반한다. 도 10의 에노드 기판(70)은 70%의 수소 농도와 80%의 수소 이용을 가지는 것으로 가정한다.

도 11의 캐소드 기판(80)은 21%의 산소 농도와 50%의 수소 이용을 가지는 것으로 가정한다. 상기한 접근법에 기반하며, 그루브들의 수는 상기 수학식 5와 같이 지수적으로 감소하고, 이는 (

)의 승수로 곱하여지는 유입구 측의 수와 동일하다.

도 10의 경우에서는 전체 42개 채널들과 동일한 조건을 가지고 그루브들의 수가 16-11-7-5-3로 감소되고, 도 11의 경우에서는 전체 42개 채널들과 동일한 조건을 가지고 그루브들의 수가 19-13-10로 감소된다.“상수 가스 유동율”의 접근법과 비교하면,“ 활성 영역 당 상수 분자량”의 접근법이 유동 채널들의 수 또는 유입구로부터 배출구까지의 유동 영역을 더 빠르게 감소시킨다.

그래서, 가스 속도는 이전 통로로부터 다음 통로로 증가하는 것을 예상할 수 있는데, 압력이 다소 높을 수 있더라도 물의 제거는 향상된다. 그리고, 촉매 이용 과 전류 밀도의 증가와 연료 전지 크기의 감소를 예상할 수 있으며, 전지 부피와 비용의 감소를 유도한다.

제1 접근법과 제2 접근법에서는 가스 유동율과 활성 영역 당 반응 분자량 모두 동일한 유동 통로 내에서 감소할 것이나, 유동 영역 내의 감소의 결과로서 유입구에서의 값을 상승시킬 것이고, 다음 통로 내에서 점진적인 감소를 유발시킨다. 반응체의 흐름 내에서 불활성 가스가 존재하기 때문에, 전체 가스 이용량은 반응 가스 이용량보다 대체적으로 낮으며, 이에 따라 유동 채널 수의 감소율은 제1 접근법(상수 가스 유동율)보다 제2 접근법(활성 영역 당 상수 반응 분자량)이 더 크다.

그래서, 가스 유동율이 상기 접근법으로 대략 일정한 상수인 동안에, 유동 통로를 따라 다소 증가함을 볼 수 있다. 종래 기술에 따른 설계보다 제1 접근법 및 제2 접근법의 활성 영역 당 반응 분자량이 높을지라도, 제1 접근법은 제2 접근법과 비교하면 다소 낮을 것이다. 활성 영역 당 높은 반응 분자량과 상수는 증가된 가스 유동율 및 난류의 결과인 증가된 가스 확산과 개선된 물 제거를 포함하는 이득과 같고, 제2 접근법은 제1 접근법 보다 높은 성능을 생산할 수 있으며, 도 14에 도시된 바와 같은 종래 기술에 따른 설계보다는 후자가 확실한 개선을 보여준다.

기판의 기하학적인 형상과 동등한 유동 통로의 수, 제1 통로의 그루브 수, 매니폴드 홀의 위치, 유동 채널들의 진위치는 시스템 요구 조건들과 각각의 개별적인 설계의 제한들을 고려하여 자유롭게 결정될 수 있다.

상기 설명된 실시예들 중에서, 에노드 기판 및 캐소드 기판에서의 유동 채널들은 고유의 면적을 가질 것이며, MEA(즉, 채널과 맞닿는 채널과 랜드와 맞닿는 랜 드)를 거쳐 서로 쌍으로 정렬될 것이다. 그러나, 다른 정렬들도 또한 가능하며, 이러한 정렬들은 발명의 범위 내에서 변경 가능하다.

상기 언급된 실시예 중에서, 종래 높고 낮은 온도들인 양자 교환 멤브레인 연료 전지(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell)들은 이용되어왔으며, 상기 설명된 방법은 알카라인 연료 전지(AFC: Alkaline Fuel Cell ), 인산 연료 전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염형 연료전지 (MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)와 같은 다른 종류의 연료 전지에 적용가능하며, 또는 반응물 재분배가 요구되는 것이면 무엇이든지 적용가능하다. 본 발명에 따른 상기 유로 기판 설계는 냉각제와 같은 에노드 측 또는 캐소드 측에 적용될 것이다.

다수의 변형들은 본 발명에 기술에 나타날 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 기술과 포함되는 도면들 중에서, 본 발명의 실시예처럼 이용될 수 있으며 제한된 범위를 갖지 않는다. 이는 본 발명에 따른 어떠한 변형이나, 이용, 또는 적용을 포함하도록 의도됨을 알 수 있으며, 통상 본 발명의 이론과 본 발명으로부터 시작된 것들을 포함하여 알려지거나 또는 일반적인 예들도 포함하며, 발표 전의 필수 특징들을 적용할 수 있으며, 부가된 청구항들의 범위 내에서 적용 가능하다.

도 1은 직선으로 평행한 유동 채널을 구비하는 종래 기술에 따른 유로 기판의 평면도.

도 2는 단일‘S’형상의 유동 채널을 구비하는 종래 기술에 따른 유로 기판 의 평면도.

도 3은 복합‘S’형상 유동 채널을 구비하는 종래 기술에 따른 유로 기판의 평면도.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에노드 유로 기판의 평면도.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 캐소드 유로 기판의 평면도.

도 6은 본 발명에 따른 제2 실시예에 따른 캐소드 유로 기판의 평면도.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 에노드 유로 기판의 평면도.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐소드 유로 기판의 평면도.

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 캐소드 유로 기판의 평면도.

도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 에노드 유로 기판의 평면도.

도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 캐소드 유로 기판의 평면도.

도 12는 종래 기술과 본 발명의 두개의 접근법들 사이에서, 유동 채널의 좌표를 따라 반응 가스 유동율의 변화를 비교하는 그래프.

도 13은 종래 기술과 본 발명의 두개의 접근법들 사이에서, 유동 채널의 좌표를 따라 반응 밀도 분포의 변화를 비교하는 그래프.

도 14는 종래 기술과 본 발명의 두개의 접근법들 사이에서, 전류 밀도에 따른 전지 전압의 변화를 비교하는 그래프.

도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따른 경사진 헤더를 구비하는 유로 기판의 부분 확대도.

따라서, 본 발명의 목적은 개선된 무게, 크기, 그리고 제조가능한 특징들을 구비한 유로로 특징되는 개선된 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 얇고, 가벼우며, 낮은 원가, 지속성, 높은 전도력을 가지는 유로 기판을 제공하는 것이며, 훌륭한 성능을 얻을 수 있는 효율적인 환경을 제공하는 부식 저항 구조를 가지는 유로 기판을 제공하는 것이다.

유동 기판 설계는 전극 촉매의 이용을 증가시키기 위한 전기화학적 반응 특성을 구체화한다. 연료와 산화제의 농도와 유동율은 유로의 유입 단면에서 높으며, 전기화학적 반응의 경과에서는 유로의 배출 단면에 대하여 점진적으로 감소하고, 제한되지 않으나 지수적으로 부식된다는 사실에 따라서, 본 발명은 활성 영역에 대한 상수 반응 농도를 제공하는 유동 영역과 전체 활성 영역을 거치는 상수 유동율이 다름에 따른 유로 설계를 발표한다.

본 발명은 유입구에 다수의 채널들이 어떤 하부 통로들보다 큰 유로 채널들의 설계 절차를 제공한다. 예를 들어, 다수의 유동 채널들의 감소율은 전지 전기화학적 반응들에 따른 반응 유동율 내의 변화를 반영하는 지수적 법칙을 따른다. 두가지 접근들은 다수의 유동 채널들 내에서의 감소율을 고려하여 발표되었다. 즉, (I) "상수 가스 유동율 접근" 과 (II) "활성 영역 당 상수 반응 분자량 접근" 은 양측 모두 지수적 감쇠를 따르며, US 특허6,048,633 에서 발표되었던 반의 법칙이 필수적이지 않다. 본 발명은 얻어진 가장 좋은 성능을 보장하고, 유로 설계의 유연성을 증가시킬 것이다.

더욱이, 본 발명의 유로 기판 설계의 주요 특징은 (a): 침체 유동의 영역을 제거시키는 동안에 기판의 유로를 거치는 반응체를 효과적이며 균등한 이동; (b): 와류 전력의 소비를 절약할 수 있도록 하면서, 위험하지 않은 높은 반응 가스 공급으로 액체가 유출되는 것을 제거하도록 관리하고, 적절한 액체의 제거를 보장하는 전체 유로에 걸쳐 충분한 상수 유체 속도의 유지; (c): 기판의 활성 영역에 걸친 균일한 전류 밀도 분포를 얻어내면서, 균등한 전기화학적 반응을 얻을 수 있고, 가스 확산을 향상시킬 수 있는 성능; 을 포함한다. 전극 촉매의 증가된 이용에 따른 결과로 기판 물질, MEA, 실링 그리고 제조의 단가를 크게 감소시킬 수 있도록 하면서, 전지의 크기는 감소될 수 있다.

Claims (28)

1. 평행한 그루브들을 구비하는 일련의 통로들로 이루어지고, 상기 통로는 한 통로의 그루브들로부터 다음 통로의 그루브들로 전달되는 균등한 유체 유동을 제공하는 헤더에 의하여 상호연결되는 전기화학적으로 활성화된 전극으로 구속되는 상기 기판 내의 유동 채널들의 네트워크를 제공하고;

   반응 이용 조건을 얻기 위하여, 상기 네트워크를 거쳐 유동을 생성하는 반응 유체를 공급하는; 방법을 포함하고,

   유동율과 상기 그루브들 내막의 활성 영역 당 반응 분자량 농도는 상기 헤더를 거치면서 80% 미만까지 증가하는 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 네트워크는 적어도 3개의 통로로 상기 유동율을 유지하고, 상기 그루브 내막의 활성 영역 당 반응 분자량 농도는 일정한 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 반응 이용 조건은 40% 보다 큰 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
4. 제1항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전기화학적으로 활성화된 촉매면은 양자 교환 막 연료 전지이고, 상기 반응 유체는 수소 또는 옥탄가를 높인 석유인 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
5. 제1항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유동율과 활성 영역 당 반응 분자량의 농도 중 하나는 그루브의 상기 각 통로 입구에서 동일한 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
6. 제2항에 있어서,

   상기 유동율과 상기 그루브 내막의 활성 영역 당 반응 분자량의 농도는 각 상기 헤더를 거쳐 40% 미만까지 증가하는 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 네트워크는 일정한 단면적의 그루브와, 상부 통로의 다수의 그루브들이 하부 통로의 다수의 그루브들과 상호 연결되는 매니폴드와 같은 구동을 하는 헤더가 구비되어 상호 연결된 통로의 그루브 수의 비는 2:1 미만인 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
8. 제1항에 있어서,

   물과 유속을 발생시키는 연료 전지는 적절한 물의 제거를 보장하는 상기 네트워크를 통하여 유지되는 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 네트워크는 전기화학적 반응 특성에 따른 각 배열로 에노드 기판과 캐소드 기판이 다른 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    기판들 간에 상기 막을 거치는 그루브들 간 랜드들의 접촉의 지지를 최대화시키기 위하여, 상기 그루브들이 정렬되는 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 헤더는 일정 각도에 위치시켜, 상기 헤더를 통과시키는 것과 같이, 상기 반응 유체를 통로의 상기 그루브들 내의 제1 유동 방향으로부터 다음 통로의 상기 그루브들 내의 제2 유동 방향으로 변화시키는 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
12. 제11항에 있어서,

    다음 통로의 상기 그루브 내 상기 반응 유체의 제2 유동 방향은 상기 제1 유동 방향과 대체적으로 90도/직각을 이루는 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
13. 제11항 또는 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 각도는

    

    로 주어지고,

    

    는 각도를 나타내며, n은 유동 채널의 수를 나타내고, wc 는 유동 채널의 폭을 나타내고, ws 는 랜드의 길이를 나타내며, i는 유동 통로들의 수를 나타내는 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 통로들은 U 턴 형태로 상호연결되고, 상기 헤더는 상기 U 턴의 코너에 위치되어 상기 제1 유동 방향은 하부 방향이고, 상기 제2 유동 방향은 상부 방향인 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
15. 제11항 내지 제14항에 있어서,

    상기 네트워크는 상기 유동율과 상기 그루브들 내막의 활성 영역 당 일정한 반응 분자량의 상기 농도 중의 하나를 유지하기 위한 적어도 세개의 통로를 구비하는 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 헤더는 상기 유동에 대하여 낮은 제한을 제공하는 개구면인 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 헤더는 맞물려지고, 불연속적이며, 반만 둘러싸인 그리고 완전히 둘러싸인 것 중의 하나로 형성되어 상기 유동에 높은 제한을 제공하는 연료 전지 유로 기판 내의 전기화학적으로 활성화된 촉매면을 통과한 반응체를 유동시키는 방법.
18. 평행한 그루브들을 구비하는 일련의 통로들로 이루어지고, 상기 통로는 한 통로의 그루브들로부터 다음 통로의 그루브들로 전달되는 균등한 유체 유동을 제공하는 헤더에 의하여 상호연결되는 전기화학적으로 활성화된 전극으로 구속되는 상기 기판 내의 유동 채널들의 네트워크;

    반응 이용 조건을 얻기 위하여, 상기 네트워크를 거치는 유체 및 가스의 유동을 허용하는 다수의 주입구 및 배출구; 를 포함하고,

    유동율과 상기 그루브 내막의 활성 영역 당 반응 분자 농도가 상기 헤더를 거쳐 80% 미만까지 증가하는 연료 전지용 유로 기판.
19. 제18항에 있어서,

    상기 네트워크는 상기 유동율과 상기 농도 또는 상기 그루브 내막의 활성 영역 당 일정한 반응 분자량 중 하나를 유지하기 위한 적어도 3개의 통로를 구비하는 연료 전지 유로 기판.
20. 제18항 또는 제19항에 있어서,

    상기 네트워크는 일정한 단면적의 그루브와 하부 통로의 다수의 그루브로 상류 통로의 다수의 그루브가 상호 연결된 매니폴드처럼 동작하는 헤더가 구비되어 그루브 수와 상호연결된 통로 수의 비는 2:1 미만인 연료 전지 유로 기판.
21. 제18항 또는 제19항에 있어서,

    상기 기판들 간의 막을 거치는 그루브들 간의 랜드 접촉 최대화, 상기 막을 거치는 에노드 기판의 그루브로의 캐소드 기판의 그루브 노출 최소화를 위하여, 상기 그루브들이 정렬되는 연료 전지 유로 기판.
22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 각도에 위치된 헤더가 한 통로의 상기 그르부들 내 제1 유동 방향으로부터 다음 통로의 그루브들 내 제2 유동 방향으로 상기 반응 유체를 변화시키는 연료 전지 유료 기판.
23. 제22항에 있어서,

    상기 다음 통로의 그루브들 내 상기 반응 유체의 제2 유동 방향은 제1 유동 방향으로부터 90도/직각인 연료 전지 유로 기판.
24. 제23항에 있어서,

    상기 각도는

    

    로 주어지고,

    

    는 각도를 나타내며, n은 유동 채널의 수를 나타내고, wc 는 유동 채널의 폭을 나타내고, ws 는 랜드의 길이를 나타내며, i는 유동 통로들의 수를 나타내는 연료 전지 유로 기판.
25. 제23항에 있어서,

    상기 통로들은 U 턴 형태로 상호연결되고, 상기 헤더는 상기 U 턴의 코너에 위치되어 상기 제1 유동 방향은 하부 방향이고, 상기 제2 유동 방향은 상부 방향인 연료 전지 유로 기판.
26. 제18항 내지 제25항 중에 어느 한 항에 있어서,

    상기 네트워크는 상기 유동율과 상기 그루브들 내막의 활성 영역 당 일정한 반응 분자량의 상기 농도 중의 하나를 유지하기 위한 적어도 세개의 통로를 구비하는 연료 전지 유로 기판.
27. 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 헤더는 개구면인 연료 전지 유로 기판.
28. 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 헤더는 맞물려지고, 불연속적이며, 반만 둘러싸인 그리고 완전히 둘러싸인 것 중의 하나로 형성되어 상기 유동에 높은 제한을 제공하는 연료 전지 유로 기판

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