KR20070069174A - 연료 전지 조립체용 수동 2상 냉각 - Google Patents
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Abstract
연료 전지 조립체용 냉각 장치는 열전달 유체, 및 막전극 조립체(MEA)에서 열전달 유체에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 막전극 조립체에 대한 본질적으로 수동적인 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 유체 유동장 플레이트를 구비한다. 상기 유동장 플레이트는 열전달 유체가 채널의 길이를 따라서 이동할 때 임계 열플럭스 아래에서 열전달 유체의 핵비등을 촉진하여 드라이아웃을 방지하도록 치수형성되는 채널 깊이, 채널 간격, 채널 길이, 및 채널 폭을 갖는 유체 유동 채널을 구비한다. 이 채널은 임계 열플럭스를 연장시키고 유체 유동 채널의 말단 섹션에서 드라이아웃을 배제하는 미세다공성 또는 나노구조화 코팅과 같은 코팅 및/또는 특징부를 구비할 수 있다.
막전극 조립체, 냉각 장치, 유동장 플레이트, 유체 유동 채널, 열플럭스, 열전달 유체, 코팅
Description
본 발명은 연료 전지 스택 내의 연료 전지 구성요소 및 조립체용 수동 2상(passive dual-phase) 냉각 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적인 연료 전지 시스템은 하나 이상의 연료 전지가 전력을 발생하는 파워 섹션을 구비한다. 연료 전지는 수소와 산소를 물로 변환하여 공정에서 전기와 열을 생산하는 에너지 변환 장치이다. 각각의 연료 전지 유닛은 중심에 양자 교환 부재(proton exchange member)를 구비할 수 있으며, 양자 교환 부재의 양쪽에는 가스 확산층이 제공된다. 가스 확산층의 내부에는 연료극(anode)과 공기극(cathode) 촉매층이 각각 배치된다. 이런 형태의 연료 전지를 종종 PEM 연료 전지로 지칭한다.
단일 연료 전지에서의 반응은 통상 1볼트 미만을 발생한다. 소망 전압을 달성하기 위해 다수의 연료 전지가 적층되어 직렬로 전기 접속될 수 있다. 전류는 연료 전지 스택으로부터 수집되어 부하(load)를 구동시키는데 사용된다. 연료 전지는 자동차에서 랩톱 컴퓨터에 이르기까지 다양한 용도에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다.
다양한 용도에서의 연료 전지 전력 시스템의 효능은 대부분, 연료 전지에 대한 열관리를 제공하는 냉각 장치에 의존한다. 예를 들어 고정 전력 및 견인 PEM 연료 전지 용도에서, 체적 출력 밀도는 스택 크기의 감소 필요성에 의해 상향 추진된다. 높은 열 밀도는 대개, 인접하는 막전극 조립체(MEA) 사이에 놓이는 냉각 플레이트나 쌍극(bipolar) 플레이트 내의 통로를 통해서 유전성(dielectric) 열전달 액체를 펌핑함으로써 제거된다. 냉매가 스택을 통과함에 따라, 이 냉매는 반응열을 흡수하여 그 온도가 증가한다. 냉매는 이후 어떤 일차 열교환기로 펌핑되고, 이 열교환기에서 열은 공기, 물 등과 같은 다른 유체 스트림으로 소산(dissipate)된다. 유체가 상변화되지 않기 때문에, 이 기법은 "단상(single phase)" 냉각으로 지칭된다.
단상 기법은 몇 가지 명백한 단점을 갖는 바, 예를 들면 시동 중에 스택 온도를 조절하거나 열출력의 변화 및 환경 조건을 수용하기 위해 펌프, 배관, 다량의 열전달 유체, 및 능동 제어를 필요로 하며, 이는 결국 중량 및 비용의 추가로 이어진다. 펌프에 의해 소모되는 전력은 스택에 의해 제공되고 그 열 시스템에 의해 소산되며, 따라서 이용가능한 전력이 감소되고 일차 열교환기의 크기가 증가된다.
본 발명은 일반적으로 연료 전지 스택 내의 연료 전지 구성요소 및 조립체를 위한 2상(dual phase) 냉각 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 냉각 플레이트의 두께 감소를 위해 채널 깊이를 최소화하고 냉매 요건 및 중량을 감소시키면서 유동장(flow field) 플레이트 냉매 채널의 임계 열플럭스(critical heat flux)를 효과적으로 연장시키고 및/또는 전체 채널 길이에 걸친 온도 균일성을 향상시키는 표면 코팅 및/또는 특징부(feature)를 포함하는 수동 2상 냉각 장치에 관한 것이다. "임계 열플럭스"란 액체가 더이상 표면을 적시지 않기 때문에 비등이 그 이상으로 지속될 수 없는 열플럭스를 의미한다. "임계 열플럭스를 연장"한다는 것은 액체가 더이상 표면을 적시지 않기 때문에 비등이 그 이상으로 지속될 수 없는 열플럭스의 값을 증가시킴을 의미한다. 본 발명은 또한 연료 전지를 포함하는 연료 전지 조립체, 스택, 및 전력 시스템에 대한 열관리를 제공하는 이러한 수동 2상 냉각 장치에 관한 것이다.
다양한 실시예에 따르면, 본 발명의 연료 전지 스택 조립체는 적어도 하나의 막전극 조립체(MEA)와 냉각 장치를 구비한다. 이 냉각 장치는 열전달 유체, 및 MEA에서 열전달 유체에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 MEA에 대한 본질적으로 수동적인 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 유체 유동장 플레이트를 구비한다.
유동장 플레이트는 채널 깊이, 채널 간격, 채널 길이, 및 채널 폭을 갖는 다수의 유체 유동 채널을 구비하며, 채널 폭은 약 5 ㎜ 미만이다. 채널 폭, 채널 간격, 채널 길이, 및 채널 깊이는 본 발명의 원리에 따라 열전달 유체가 채널 길이를 따라서 이동할 때 열전달 유체의 핵비등(nucleated boiling)을 촉진하고 드라이아웃(dryout)을 방지하도록 치수형성된다. 일 실현예에서, 냉각 장치는 MEA에서 열전달 유체에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 열전달 유체 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지한다.
채널 폭, 채널 간격, 채널 길이, 및 채널 깊이는, 채널의 입구 영역에서 열전달 유체의 발단(incipience)을 촉진하고 열전달 유체가 채널의 출구 영역을 지나갈 때 열플럭스가 임계 열플럭스를 초과하지 않도록 치수형성되는 것이 바람직하다. 하나의 구성에서, 채널 길이는 약 10 ㎝를 초과한다. 다른 구성에서, 채널은 열전달 유체의 유동 방향으로 약 60 ㎜ 내지 약 230 ㎜의 채널 길이를 갖는다. 추가 구성에서, 채널 간격은 약 1 ㎜ 내지 약 2 ㎜이며, 채널 폭은 약 1 ㎜ 내지 약 3 ㎜이다. 또 다른 구성에서, 채널 폭은 약 1 ㎜ 미만일 수 있다. 채널 깊이에 대한 채널 길이의 비율은 약 150 내지 약 1100의 범위를 가질 수 있다.
통상적인 실현예에서, MEA는 유동장 플레이트의 표면에 접촉하도록 구성된 표면을 가지며, 냉각 장치의 열전달 유체는 MEA 표면의 최대 온도 아래로 약 3 ℃ 미만의 작동 압력에서의 비등점을 갖는다. 열전달 유체는 불소화학물, 유전성 하이드로카본, 물 또는 탄화수소를 포함할 수 있다.
일부 구성에서, 유동장 플레이트의 유체 유동 채널은 나노구조화 특징부를 갖는 내부 채널 표면을 갖는다. 다른 구성에서, 유체 유동 채널은 미세다공성 특징부를 갖는 내부 채널 표면을 갖는다. 특정 구성에서, 유동장 플레이트의 유체 유동 채널은 비편재화 파이-전자(delocalized pi-electron)를 갖는 거의 평면적인 유기 분자를 포함하는 코팅을 구비하는 내부 채널 표면을 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명의 연료 전지 스택 조립체는 적어도 하나의 MEA, 및 MEA에 대한 본질적으로 수동적인 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 유동장 플레이트를 포함하는 냉각 장치를 구비한다. 이 실시예에서, 유동장 플레이트는 냉매 유동 방향에 대해 규정되는 채널 길이와 약 1 ㎜ 미만의 채널 깊이를 갖는 유체 유동 채널을 포함한다. 냉각 장치는 MEA에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지한다.
추가 실시예에 따르면, 본 발명의 연료 전지 스택 조립체는 적어도 하나의 MEA, 및 MEA에 대한 본질적으로 수동적인 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 유동장 플레이트를 포함하는 냉각 장치를 구비한다. 이 실시예에서, 유동장 플레이트는 내부 채널 표면을 갖는 유체 유동 채널을 포함한다. 냉각 장치는 MEA에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지한다.
나노구조화 특징부는 균일하게 배향된 나노구조물을 포함할 수 있다. 나노구조화 특징부는 봉(rod), 원추, 실린더, 피라미드, 튜브, 박편(flake) 또는 기타 형상과 같은 소정의 기하학적 형상을 갖는 나노구조물을 포함할 수 있다. 내부 채널 표면은 ㎠당 약 1백만개를 초과하는 나노구조물을 포함하는 바, 예를 들면 ㎠당 약 10억개를 초과하는 나노구조물을 포함한다. 나노구조화 특징부는 약 0.1 ㎛ 내지 약 3 ㎛의 길이를 가질 수 있지만, 약 6 ㎛의 길이일 수도 있다.
다른 실시예에 따르면, 연료 전지 스택 조립체는 적어도 하나의 MEA, 및 MEA에 대한 본질적으로 수동적인 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 유체 유동장 플레이트를 포함하는 냉각 장치를 구비한다. 이 실시예에서, 유동장 플레이트는 내부 채널 표면을 갖는 유체 유동 채널을 포함한다. 내부 채널 표면의 각각은 미세다공성 특징부를 포함한다. 냉각 장치는 MEA에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지한다. "미세다공성 특징부"란 미세입자의 조립체에 의해 둘러싸인 미세공을 의미한다. 미세입자에는 통상 금속, 실리카, 세라믹 또는 다이아몬드와 같은 ㎛ 단위 크기의 입자가 포함된다. 미세공을 형성하는 입자는 유기적이거나(예를 들면, 라텍스 구(sphere)) 또는 다른 종류의 헤테로폴리머 또는 이종환식(heterocyclic) 재료일 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 연료 전지 스택 조립체는 적어도 하나의 MEA, 및 MEA에 대한 본질적으로 수동적인 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 유동장 플레이트를 포함하는 냉각 장치를 구비한다. 이 실시예에서, 유동장 플레이트는 내부 채널 표면을 갖는 유체 유동 채널을 포함한다. 내부 채널 표면의 각각은 비편재화 파이-전자를 포함하는 거의 평면적인 유기 분자를 구비하는 코팅을 포함한다. 냉각 장치는 MEA에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지한다. 유기 분자는 파이-전자의 밀도가 광범위하게 비편재화되는 체인이나 링을 포함할 수 있다. 예를 들어, 코팅은 반데발스(van der Waals) 고체를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 개요는 본 발명의 각각의 실시예 또는 모든 실현예를 기술하고자 하는 것이 아니다. 본 발명의 보다 완벽한 이해와 더불어 장점 및 성취는 후술하는 상세한 설명 및 청구범위를 첨부도면과 함께 참조함으로써 자명해지고 이해될 것이다.
도1a는 연료 전지와 그 구성 층의 도시도이다.
도1b는 본 발명의 일 실시예에 따라 단극(monopolar) 구조를 갖는 유닛화(unitized) 전지 조립체의 도시도이다.
도1c는 본 발명의 일 실시예에 따라 단극/쌍극 구조를 갖는 유닛화 전지 조립체의 도시도이다.
도2a는 연료 전지를 채용한 전력 시스템을 냉각하기 위한 수동 2상 냉각 장치의 블록선도이다.
도2b는 본 발명의 실시예를 실현하는데 적합한 쌍극 유동장 플레이트에 제공되는 냉매 채널 배열의 도시도이다.
도2c는 도2b에 도시된 유동장 플레이트의 여러 냉매 채널의 부분 사시도이다.
도3은 각각의 냉매 채널이 접촉 관계로 배열되어 있는 도2b 및 도2c에 도시된 형태의 두 개의 유동장 플레이트의 단면도이다.
도4는 너무 크거나 너무 작은 채널 깊이를 사용할 때의 충격을 나타내는 냉매 채널 온도 대 냉매 채널 깊이의 그래프이다.
도5는 본 발명의 수동 2상 냉각 방법에 따라 유동장 플레이트의 냉매 채널을 코팅하는데 적합한 미세다공성 재료(예를 들면, "미세다공성 코팅")의 전자현미경 사진이다.
도6은 본 발명의 수동 2상 냉각 방법에 따라 유동장 플레이트의 냉매 채널에 대한 코팅으로서 사용될 수 있는 표면(예를 들면, "나노구조화" 코팅) 상에 유기 안료 PR-149(Clariant, Coventry, RI로부터 상표명 "13-4000 PV FAST RED 13"으로 입수가능) 휘스커(whisker)를 갖는 미세구조화 촉매 전사 기재(MCTS: microstructured catalyst transfer substrate)의 확대 단면도이다.
도7은 본 발명의 수동 2상 냉각 방법에 따라 유동장 플레이트의 냉매 채널에 대한 코팅으로서 사용될 수 있는 표면 상에 백금 코팅된 PR-149 휘스커를 갖는 MCTS의 확대 단면도이다.
도8a는 (1) 비코팅 냉매 채널, (2) 휘스커나 백금이 없는 PR-149 코팅된 마이크로채널을 구비하도록 실현된 냉매 채널, 및 (3) 휘스커를 갖는 PR-149 코팅된 마이크로채널을 구비하도록 실현된 냉매 채널에서의 열플럭스 대 온도의 플로팅 도시도로서, 냉매 채널에 나노구조화 코팅을 사용함으로써 보다 높은 임계 열플럭스를 제공하는 "나노구조화 효과"를 도시하는 도면이다.
도8b는 도8a의 데이터를 두 군데의 채널 길이 위치에서의 온도차 대 열플럭스 측면에서 플로팅한 도시도이다.
도9a는 (1) 비코팅 냉매 채널, (2) 휘스커나 백금이 없는 PR-149 코팅된 마이크로채널을 구비하도록 실현된 냉매 채널, 및 (3) 베어(bare) MCTS UV 경화된 아크릴레이트 기재를 사용하여 실현된 마이크로채널을 갖는 냉매 채널에서의 열플럭스 대 온도의 플로팅 도시도로서, 냉매 채널에 반데발스 고체에 의한 코팅을 사용함으로써 보다 높은 임계 열플럭스를 제공하는 "반데발스 고체 효과"를 도시하는 도면이다.
도9b는 도9a의 데이터를 두 군데의 채널 길이 위치에서의 온도차 대 열플럭스의 측면에서 플로팅한 도시도이다.
도10a는 (1) 비코팅 냉매 채널, (2) 휘스커를 갖는 PR-149 코팅된 마이크로채널을 구비하도록 실현된 냉매 채널, 및 (3) 백금 코팅된 휘스커를 갖는 마이크로채널을 구비하도록 실현된 냉매 채널에서의 열플럭스 대 온도의 플로팅 도시도로서, 나노구조화 냉매 채널 표면에서의 임계 열플럭스에 대한 반데발스 고체 효과의 강화를 도시하는 도면이다.
도10b는 도10a의 데이터를 두 군데의 채널 길이 위치에서의 온도차 대 열플럭스의 측면에서 플로팅한 도시도이다.
도11a는 다양한 깊이의 비코팅 냉매 채널 및 다양한 깊이의 미세다공성 코팅된 냉매 채널에서의 열플럭스 대 온도의 플로팅 도시도로서, 다양한 채널 깊이에서 미세다공성 코팅된 냉매 채널이 베어 채널에 비해 높은 임계 열플럭스를 제공하는 것을 도시하는 도면이다.
도11b는 도11a의 데이터를 두 군데의 채널 길이 위치에서의 온도차 대 열플럭스의 측면에서 플로팅한 도시도이다.
도12a는 다양한 깊이 및 길이의 비코팅 냉매 채널에서의 열플럭스 대 온도의 플로팅 도시도로서, 임계 열플럭스에 대한 채널 깊이 및 길이의 효과를 나타내는 도면이다.
도12b는 도12a의 데이터를 두 군데의 채널 길이 위치에서의 온도차 대 열플 럭스의 측면에서 플로팅한 도면이다.
본 발명은 다양한 수정예 및 대체 형태로 나타날 수 있지만, 그 특정예가 도면에 예시적으로 도시되었으며 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명이 설명되는 특정 실시예에 한정되게 하려는 의도가 아님을 알아야 한다. 오히려, 청구범위에 의해 한정되는 발명의 범위 내에 포함되는 모든 수정예, 균등예, 및 대체예를 커버하려는 의도인 것이다.
도시된 실시예에 대한 하기 설명에서는, 본 명세서의 일부를 형성하고 본 발명이 실시될 수 있는 다양한 실시예를 예시적으로 도시하는 첨부도면을 참조한다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 이들 실시예가 사용될 수 있고 구조적 변경이 이루어질 수 있음을 알아야 한다.
본 발명은 연료 전지 장치에서의 비교적 큰 표면으로부터 비교적 작은 열플럭스를 비등에 의해 제거하는 수동 2상 냉각 방법에 관한 것이다. 후술하는 특정 실시예는 설명을 위한 것이지 제한하려는 것이 아니다.
본 발명의 수동 2상 냉각 방법은 다양한 형태, 구성, 및 기술의 연료 전지 조립체 및 스택에 포함될 수 있다. 통상적인 연료 전지가 도1a에 도시되어 있다. 연료 전지는 수소 연료와 공기로부터의 산소를 조합하여 전기, 열, 및 물을 발생시키는 전기화학 장치이다. 연료 전지는 연소를 이용하지 않으며, 따라서 유해한 유출물(effluent)을 거의 발생하지 않는다. 연료 전지는 수소 연료와 산소를 직접 전기로 변환하며, 예를 들면 내부 연소 발전기보다 훨씬 높은 효율로 작동될 수 있 다.
도1a에 도시된 연료 전지(10)는 연료극(anode)(14)에 인접하여 제1 유체 수송층(FTL)(12)을 구비한다. 연료극(14)에 인접하여 전해질 막(16)이 제공된다. 전해질 막(16)에 인접하여 공기극(cathode)(18)이 배치되고, 공기극(18)에 인접하여 제2 유체 수송층(19)이 배치된다. 작동 중에, 수소 연료가 연료 전지(10)의 연료극 부분으로 도입되어, 제1 유체 수송층(12)을 통과하고, 연료극(14) 위를 지나간다. 연료극(14)에서, 수소 연료는 수소 이온(H+)과 전자(e_)로 분리된다.
전해질 막(16)은 수소 이온 또는 양자만이 전해질 막(16)을 통해서 연료 전지(10)의 공기극 부분으로 이동할 수 있게 한다. 전자는 전해질 막(16)을 통과할 수 없으며, 대신에 전류 형태로 외부 전기 회로를 통해서 흐른다. 이 전류는 전기 모터와 같은 전기 부하(17)에 전력을 공급할 수 있거나, 또는 충전식 배터리와 같은 에너지 축적 장치로 향할 수 있다.
산소는 제2 유체 수송층(19)을 통해서 연료 전지(10)의 공기극에 유입된다. 산소가 공기극(18)을 통과할 때, 산소, 양자, 및 전자는 조합되어 물과 열을 발생한다.
도1a에 도시된 것과 같은 개별 연료 전지는 유닛화 연료 전지 조립체로서 패키징될 수 있다. 본원에서 편의상 유닛화 전지 조립체 또는 UCA(unitized cell assembly)로 지칭되는 유닛화 연료 전지 조립체는 다수의 다른 UCA와 조합되어 연료 전지 스택을 형성할 수 있다. UCA는 전기적으로 직렬 연결될 수 있고, 스택 내 의 UCA의 개수는 스택의 총전압을 결정하며, 각 전지의 활성 표면적은 총전류를 결정한다. 주어진 연료 전지 스택에 의해 발생되는 총전력은 전체 스택 전압에 총전류를 곱함으로써 결정될 수 있다.
본 발명의 원리에 따른 UCA를 구성하기 위해 여러가지의 상이한 연료 전지 기술이 사용될 수 있다. 예를 들면, 양자 교환막(PEM: proton exchange membrane) 연료 전지 조립체를 구성하기 위해 본 발명의 UCA 패키징 방법이 사용될 수 있다. PEM 연료 전지는 비교적 낮은 온도(약 175℉/80℃)로 작동하고, 높은 전력 밀도를 가지며, 전력 수요 변화에 대응하도록 그 출력을 신속히 변경할 수 있고, 예를 들어 자동차에서와 같이 신속한 시동이 요구되는 용도에 적합하다.
대안적으로, 본 발명은 MEA와 번갈아 적층되는 쌍극 플레이트(BPP: bipolar plate)를 구비하는 연료 전지 스택과 같은 비-UCA 연료 전지 스택에 사용될 수도 있다.
PEM 연료 전지에 사용되는 양자 교환 막은 통상, 수소 이온을 통과시킬 수 있는 얇은 고체 폴리머 전해질 시트이다. 이 막은 통상 활성 촉매인 고도로 분산된 금속 또는 금속합금 입자(예를 들면, 백금 또는 백금/루테늄)로 양면이 코팅될 수 있다. 사용되는 전해질은 통상 고체 폴리-퍼플루오르화 설폰산 폴리머이다. 고체 전해질의 사용은 이것이 부식 및 전해질 오염 문제를 감소시키기 때문에 유리하다.
수소는 연료 전지의 연료극 측으로 공급되며, 여기에서 촉매는 수소 원자가 전자를 방출하고 수소 이온(양자)이 되도록 촉진한다. 전자는 산소가 도입되는 연 료 전지의 공기극 측으로 복귀하기 전에 사용될 수 있는 전류 형태로 이동한다. 동시에, 양자는 막을 통해서 공기극으로 확산되고, 그곳에서 수소 이온은 산소와 재조합 및 반응되어 물을 생성한다.
막전극 조립체(MEA)는 수소 연료 전지와 같은 PEM 연료 전지의 중심 요소이다. 전술했듯이, 통상적인 MEA는 고체 전해질로서 기능하는 폴리머 전해질 막(PEM)(이온 전도성 막(ICM)으로도 공지됨)을 포함한다.
PEM의 한쪽 면은 연료극 전극 층과 접촉하고, 반대쪽 면은 공기극 전극 층과 접촉한다. 각각의 전극 층은 통상적으로 백금 금속을 포함하는 전기화학 촉매를 구비한다. 유체 수송층(FTL)은 연료극 및 공기극 전극 재료에 대한 가스의 근접 및 이격 수송을 촉진하고 전류를 전도시킨다.
통상적인 PEM 연료 전지에서, 양자는 수소 산화를 통해서 연료극에 형성되고 공기극으로 이동하여 산소와 반응하며, 전류가 전극들을 연결하는 외부 회로에서 흐를 수 있게 한다. FTL은 또한 가스 확산층(GDL: gas diffusion layer) 또는 확산체/집전체(DCC: diffuser/current collector)로 지칭될 수도 있다. 연료극 및 공기극 전극 층은 제작 중에 이것들이 완성된 MEA에서 PEM과 FTL 사이에 배치되는 한 PEM 또는 FTL에 도포될 수 있다.
임의의 적절한 PEM이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 유용한 PEM 두께 의 범위는 약 200 ㎛ 내지 약 15 ㎛이다. PEM은 통상적으로, Nafion®(DuPont Chemicals, Wilmington DE), Flemion®(Asahi Glass Co. Ltd., Tokyo, Japan)과 같 은 산-관능성 플루오로폴리머인 폴리머 전해질, 및 화학식: YOSO2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-[폴리머 백본(backbone)](여기에서 Y는 H+ 또는 알칼리 메탈 양이온과 같은 다른 1가 양이온임)에 따라 고불소화 백본 및 재발성 펜던트 기를 갖는 폴리머로 구성된다. 후자의 폴리머는 WO 2004 062019호에 개시되어 있다. 본 발명에 유용한 폴리머 전해질은 통상 테트라플루오로에틸렌의 코폴리머 및 하나 이상의 불소화, 산-관능성 코모노머인 것이 바람직하다.
통상적으로, 폴리머 전해질은 설포네이트 관능기를 갖는다. 폴리머 전해질은 바람직하게는 1200 이하, 보다 바람직하게는 1100 이하, 가장 바람직하게는 약 1000의 산당량(酸當量)을 갖는다. 800 정도로 낮거나 심지어는 700정도의 당량이 사용될 수도 있다.
임의의 적절한 FTL이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 통상적으로, FTL은 탄소 섬유를 포함하는 시트 재료로 구성된다. FTL은 통상, 직포 및 부직포 탄소 섬유 구조로부터 선택되는 탄소 섬유 구조이다. 본 발명의 실시에 사용될 수 있는 탄소 섬유 구조로는, Toray Carbon Paper, SPECTRACARB Carbon Paper, AFN 부직포 카본 클로쓰, Zoltek Carbon Cloth 등이 포함될 수 있다. FTL은 탄소 입자 코팅, 친수성화 처리, 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 코팅과 같은 소수성화 처리를 포함하는 다양한 재료로 코팅되거나 함침될 수 있다.
백금 블랙이나 파인(fine), 탄소-담지 촉매 입자를 함유한 잉크(US 2004 0107869에 개시), 또는 나노구조화 박막 촉매(US 6482763호 및 US 5879827호에 개 시)를 포함하는 임의의 적절한 촉매가 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 촉매는 핸드 브러싱, 노치 바(notch bar) 코팅, 유체 베어링 다이 코팅, 권선 로드(rod) 코팅, 유체 베어링 코팅, 슬롯-공급 나이프 코팅, 3-롤 코팅, 진공 코팅, 스크린 프린팅 또는 데칼 전사(decal transfer)를 포함하는, 수동 방법 및 기계적 방법의 양자를 포함하는 임의의 적절한 수단에 의해 PEM 또는 FTL에 도포될 수 있다. 코팅은 1회의 도포 또는 복수회의 도포로 달성될 수 있다.
다이렉트 메탄올 연료 전지(DMFC)는 전해질로서 폴리머 막을 사용한다는 점에서 PEM 전지와 유사하다. 그러나 DMFC에서는 연료극 촉매 자체가 액체 메탄올 연료로부터 수소를 끌어당겨서, 연료 개질 장치에 대한 필요성을 제거한다. DMFC는 통상 120-190℉/49-88 ℃ 사이의 온도에서 동작한다. 다이렉트 메탄올 연료 전지에는 본 발명의 원리에 따른 UCA 패키징이 적용될 수 있다.
이제 도1b를 참조하면, PEM 연료 전지 기술에 따라 실현되는 UCA의 일 실시예가 도시되어 있다. 도1b에 도시하듯이, UCA(20)의 막전극 조립체(MEA)(25)는 다섯 개의 구성요소 층을 포함한다. 예를 들어 확산 집전체(DCC) 또는 가스 확산층(GDL)과 같은 한 쌍의 유체 수송층(24, 26) 사이에 PEM 층(22)이 샌드위치된다. 제1 FTL(24)과 막(22) 사이에 연료극 촉매(30)가 배치되고, 막(22)과 제2 FTL(26) 사이에 공기극 촉매(32)가 배치된다.
하나의 구성에서, PEM 층(22)은 한쪽 표면 상에 연료극 촉매 코팅을 포함하고, 다른쪽 표면 상에 공기극 촉매 코팅을 포함하도록 제조된다. 이 구조는 종종 촉매 코팅막 또는 CCM으로 지칭된다. 다른 구성에 따르면, 제1 및 제2 FTL(24, 26)은 연료극 및 공기극 촉매 코팅(30, 32)을 각각 갖도록 제조된다. 또 다른 구성에서는, 연료극 촉매 코팅(30)을 제1 FTL(24) 상에 부분적으로 배치하고 PEM(22)의 한쪽 표면 상에 부분적으로 배치할 수 있으며, 공기극 촉매 코팅(32)을 제2 FTL(26) 상에 부분적으로 배치하고 PEM(22)의 다른쪽 표면 상에 부분적으로 배치할 수 있다.
FTL(24, 26)은 통상 탄소 섬유 페이퍼 또는 부직포 재료나 직포로 제조된다. 제품 구조에 따라서, FTL(24, 26)은 한쪽에 탄소 입자 코팅을 가질 수 있다. 전술한 FTL(24, 26)은 촉매 코팅을 구비하거나 배제하도록 제조될 수 있다.
도1b에 도시된 특정 실시예에서, MEA(25)는 제1 에지 시일 시스템(34)과 제2 에지 시일 시스템(36) 사이에 샌드위치된 것으로 도시되어 있다. 에지 시일 시스템(34, 36)은 다양한 유체(기체/액체) 수송 및 반응 영역을 상호 오염되는 것으로부터 또한 UCA(20)로부터 부적절하게 나오는 것으로부터 격리시키기 위해, UCA 패키지 내에 필요한 밀봉을 제공하고, 추가로 유동장 플레이트(40, 42) 사이의 전기 절연 및 압축 제어를 제공할 수 있다.
유동장 플레이트(40, 42)는 각각 제1 및 제2 에지 시일 시스템(34, 36)에 인접하여 배치된다. 유동장 플레이트(40, 42)의 각각은 수소 및 산소 공급 연료가 통과하는 가스 유동 채널(43) 및 포트 영역을 구비한다. 유동장 플레이트(40, 42)는 또한 본 발명에 따른 수동 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 냉매 채널 및 포트를 포함한다. 냉매 채널은 유동장 플레이트(40, 42)에 있어서 가스 유동 채널(43)이 구비되는 표면과 반대쪽 표면에 제공된다.
도1b에 도시된 구성에서, 유동장 플레이트(40, 42)는 그 사이에 단일 MEA(25)가 샌드위치되는 단극 유동장 플레이트로서 구성된다. 이 실시예 및 기타 실시예에서의 유동장은 공통 소유된 미국 특허 제6,780,536호에 개시된 것과 같은 저 측방 플럭스 유동장일 수 있다.
도1c는 하나 이상의 쌍극 유동장 플레이트(56)의 채용을 통해서 복수의 MEA(25)를 포함하는 UCA(50)를 도시한다. 도1c에 도시된 구성에서, UCA(50)는 두 개의 MEA(25a, 25b), 및 일체 냉각 채널(59)이 구비된 단일의 쌍극 유동장 플레이트(56)를 포함한다. MEA(25a)는 FTL(66a, 64a) 사이에 샌드위치되는 공기극(62a)/막(61a)/연료극(60a)의 층상 구조를 갖는다. FTL(66a)은 단극 유동장 플레이트 또는 쌍극 플레이트로서 구성될 수 있는 유동장 단부 플레이트(52)에 인접하여 배치되며, 쌍극 플레이트(56)에 대해서는 도시하듯이 일체형 냉각 채널(59)이 제공된다. FTL(64a)은 쌍극 유동장 플레이트(56)의 제1 유동장 표면(56a)에 인접하여 배치된다. 마찬가지로, MEA(25b)는 FTL(66b, 64b) 사이에 샌드위치되는 공기극(62b)/막(61b)/연료극(60b)의 층상 구조를 갖는다. FTL(64b)은, 단극 유동장 플레이트 또는 쌍극 플레이트로서 구성될 수 있는 유동장 단부 플레이트(54)에 인접하여 배치되며, 쌍극 플레이트(56)에 대해서는 도시하듯이 일체형 냉각 채널(59)이 제공된다. FTL(66b)은 쌍극 유동장 플레이트(56)의 제2 유동장 표면(56b)에 인접하여 배치된다.
도1b 및 도1c에 도시된 UCA 구성은 본 발명에 따른 수동 2상 냉각과 관련하여 사용하기 위해 실현될 수 있는 두 가지의 특정 배열을 나타낸다. 이들 두 가지 의 배열은 예시적인 목적으로만 제공된 것이며, 본 발명의 범위 내에 드는 가능한 모든 구성을 나타내려는 것은 아니다. 오히려, 도1b 및 도1c는 특정 연료 전지 조립체에 선택적으로 포함될 수 있는 다양한 구성요소를 도시하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 연료 전지 조립체, 스택, 및 전력 시스템의 단상 냉각에 대한 다른 방법은 수동 2상 또는 열사이폰(thermosyphon) 냉각을 포함한다. 연료 전지(122)를 포함하는 전력 시스템(120)과 관련하여, 그리고 도2a의 일반화된 도면에 도시하듯이, 냉매는 연료 전지(122)(예를 들면, 연료 전지 스택이지만, 개별 연료 전지일 수 있음)를 통과하고, 비등함으로써 잠재 공정에 의한 반응열을 제거할 수 있다. 연료 전지 스택(122)으로부터 발달된 증기는 도관(126)을 통해서 수동적으로 응축기(124)로 유동한다. 응축물은 도2a에 도시하듯이 중력 하에 응축기(124)로부터 도관(128)을 통해서 연료 전지 스택(122)으로 복귀 유동한다. 도2a에 도시된 일반화된 냉각 방법의 변형예 및 기타 관련된 냉각 방법이 미국 특허 제6,355,368호, 제6,148,779호, 제5,411,077호, 제5,064,732호, 제4,824,740호에 개시되어 있다. 연료 전지 조립체, 스택, 및 전력 시스템의 2상 냉각에 관한 상기 및 기타 냉각 기구는 본 발명의 각종 특징부를 포함함으로써 유리하게 향상되거나 개선될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지를 위한 수동 2상 냉각 방법의 실현은 종래의 냉각 방법에 비해 여러가지 장점을 제공한다. 예를 들면, 등온 작동을 유지하기 위해 활성 제어부 또는 펌프가 전혀 필요치 않다. 시스템은 연료 전지 스택 온도를 예를 들어 2 ℃ 이내와 같은 비교적 타이트한 범위 내에서 균일하게 유지하도록 설계 될 수 있다. 유동장 플레이트에 구비되는 냉매 채널은 두께/깊이가 현저히 감소될 수 있다. 예를 들면, 0.1016 내지 0.2032 ㎛(4-8mil)와 같이 얇은 냉매 채널이 쉽게 달성될 수 있는 바, 이는 종래의 유동장 플레이트 구성에 비해 유동장 플레이트(예를 들면, 쌍극 플레이트) 두께를 감소시킬 수 있다. 유동장 플레이트 두께의 감소는 연료 전지 스택 두께의 부수적인 감소를 제공한다. 이러한 시스템은 대기압 또는 그에 근사한 압력으로 작동하고, 덜 누설되는 경향이 있다.
본 발명의 2상 냉각 시스템은 MEA 온도보다 약간 낮은 온도에서 작동하는 등온 열싱크(heat sink) 또는 열소스를 제공한다. 일 실현예에서, 예를 들면, 적절한 열전달 유체는 MEA 표면의 최대 온도 아래로 약 3 ℃ 미만의 작동 압력에서의 비등점을 가질 수 있다. 이러한 싱크는 입력 가스 스트림의 온도 및 습도를 제어하기 위한 큰 전위를 갖는다.
물, 탄화수소, 불소화학물, 또는 유전성 하이드로카본을 포함하는 다양한 열전달 유체가 사용될 수 있다. 하나의 구성에서는, 3M NOVEC 하이드로플루오로에테르 유체와 같은 하이드로플루오로에테르 유체가 사용될 수 있다. 이러한 유체는 우수한 환경, 건강, 안전 및 조절 특성을 가지며, 스택 내로 누설되어도 막/촉매 조립체를 더럽히지 않는다. 이러한 유체는 비부식성이며, 따라서 배관 및 열교환기에 대해 알루미늄 및 구리와 같은 보편적인 재료의 사용을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 그리고 도2b 및 도2c를 참조하면, 본 발명의 연료 전지 스택 조립체는 적어도 하나의 막전극 조립체, 및 MEA에 대한 본질적으로 수동적인 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 유동장 플레이트를 갖는 냉각 장치를 구비한다. 비제한적인 예로서, 도2b에 도시된 유동장 플레이트(100)의 활성 영역은 다수의 유체 유동 채널(102)을 구비하며, 각각의 채널은 냉매 유동에 대해 규정되는 채널 길이(L), 및 채널 깊이(d)를 갖는다. 냉매 채널(102)은 폭(w)과 채널 간격(s)을 갖는다. 유동장 플레이트(100)는 증기 및 응축물 포트(104, 106)를 각각 추가로 구비한다. 증기 포트(104)는 응축물 포트(106)보다 큰 것이 바람직하며, 단면적에 있어서 응축물 포트(106)보다 10배 이상 큰 것이 더 바람직하다. 냉각 장치는 MEA에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하는 것이 바람직하다. 다른 구성에서, 냉각 장치는 MEA에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하도록 실현된다.
하나의 구성에 따르면, 냉매 채널(102)의 깊이(d)는 약 1 ㎜ 미만인 것이 바람직하다. 예를 들어, 냉매 채널(102)은 약 0.7 ㎜ 미만의 깊이를 가질 수 있다. 추가 예로서, 냉매 채널(102)은 약 0.5 ㎜ 미만의 깊이를 가질 수 있다. 다른 구성에서, 냉매 채널(102)은 약 0.3 ㎜ 미만의 깊이를 가질 수 있다. 또 다른 구성에서, 냉매 채널(102)은 약 0.1 ㎜ 미만의 깊이를 가질 수 있다.
일부 구성에서, 냉매 채널(102)은 약 10 ㎝를 초과하는 채널 길이(L)를 가질 수 있다. 다른 구성에서, 냉매 채널(102)은 약 60 ㎜ 내지 약 230 ㎜에 달하는 채널 길이(L)를 가질 수 있다. 하나의 특정 구성에서, 예를 들어, 냉매 채널(102)은 약 1 ㎜ 내지 약 2 ㎜의 채널 간격(s), 약 1 ㎜ 내지 약 3 ㎜의 채널 폭(w), 및 약 60 ㎜ 내지 약 230 ㎜의 채널 길이(L)를 가질 수 있다. 채널 깊이(d)에 대한 채널 길이(L)의 비율은 통상 약 150 내지 약 1100의 범위에 있다.
도3은 상호 접촉하는 도2b 및 도2c에 도시된 형태의 두 개의 유동장 플레이트(172, 174)를 구비하는 조립체(170)의 단면도이다. 유동장 플레이트의 이러한 배열(173)은 쌍극 유동장 플레이트 구성에서 두 플레이트(172, 174) 사이에 내부 냉각을 유리하게 제공한다. 제1 MEA(176)는 가스 유동 채널(180)을 구비하는 유동장 플레이트(172)의 표면과 접촉하는 것으로 도시되어 있다. 제2 MEA(178)는 가스 유동 채널(182)을 구비하는 유동장 플레이트(174)의 표면과 접촉하는 것으로 도시되어 있다. 유동장 플레이트(174)의 냉각 표면이 상호 내에서 접촉 정렬되면 밀봉된 냉각 채널(184)이 형성된다.
전술한 형태의 유동장 플레이트의 열전달 특징은 임계 열플럭스를 유리하게 연장시키는 냉매 채널에 표면 코팅 및/또는 특징부를 구비함으로써 더 향상될 수 있다. 임계 열플럭스를 효과적으로 증가시키기 위해 다양한 표면 코팅 및 특징부가 채용될 수 있다. 유동장 플레이트의 냉매 채널에 포함될 수 있는 이러한 표면 코팅 및 특징부의 예로는 나노구조화 특징부, 미세다공성 특징부, 및 반데발스 고체에서 발견되는 것과 같은 비편재화 파이-전자를 포함하는 거의 평면적인 유기 분자를 구비하는 코팅이 포함된다.
낮은 열플럭스에서도 신뢰성있는 발단을 보장하기 위한 한가지 기술은 가열된 표면 상에(즉, 냉매 채널에서) 다공성 코팅을 사용하는 것이다. 이러한 코팅은 핵형성 개소(nucleation site)를 생성함으로써 발단을 촉진한다. 개별 열소스로부 터의 포화 비등에 있어서, 코팅된 냉매 채널 표면은 발단 과열의 90% 감소 및 핵형성 비등 열전달 계수의 300% 이상 증가와 더불어 비코팅 표면보다 80% 낮은 약 0.2-0.5 W/㎠의 발단 열 플럭스를 나타낼 수 있다.
규정된 활성 영역 폭(W), 길이(L), 및 열플럭스(Q")에서는, 도4에 도시하듯이 적절한 배향을 허용하는 채널 폭(w), 채널 간격(s), 및 채널 깊이(d)의 특정 값이 존재한다. 예를 들어, s 또는 w가 너무 작으면(150), 채널(102)의 일부 또는 전부는 연료 전지 스택이 전출력(full power)에 도달하기 전에 임계 열플럭스에 도달하여 드라이아웃될 수 있다. 이는 연료 전지 내의 온도 구배 또는 급속 온도 폭주 및 전소(全燒:burnout)를 초래할 수 있다. 채널(102)이 너무 크면(152), 발단이 발생하지 않을 수 있으며, 단상 천연 대류는 채널(102)을 따라서 위쪽으로 이동하는 점진적인 온도 상승을 초래할 것이다. 채널(102)의 중간 어디에서 발단이 발생하면, 그 지점에서 급속한 온도 저하가 관측된다. 이들 현상은 연료 전지 내에서 또한 연료 전지들 사이에서 불균일하게 일어날 수 있다. 연료 전지의 적절한 작동을 위해서는 온도 균일성이 필수적이므로, 본 발명에 따른 적절한 유동장 플레이트 치수의 선택 및 표면 코팅/특징부의 포함은 상기 현상을 방지할 수 있다(151).
유동장 플레이트 냉매 채널의 임계 열플럭스의 증가는, 그 상세가 후술하는 예에 개시되어 있는 미세다공성 및 나노구조화 특징부와 같은 적절한 표면 코팅 및/또는 특징부에 추가적으로 또는 이를 배제하고 채널 치수를 적절히 선택함으로써 달성될 수 있다. 일반적으로, 나노구조화 특징부는 균일하게 배향된 나노구조물일 수 있거나 및/또는 소정의 기하학적 형상을 가질 수 있다. 내부 채널 표면은 ㎠당 약 1백만개를 초과하는 나노구조물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 내부 채널 표면은 ㎠당 약 10억개를 초과하는 나노구조물을 포함할 수 있다. 나노구조화 특징부는 약 0.1 ㎛ 내지 약 3 ㎛의 길이와, 약 3보다 큰 종횡비(길이대 평균 직경)를 가질 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 나노구조화 특징부는 유기 안료의 금속-코팅된 휘스커, 가장 바람직하게는 C.I. PIGMENT RED 149(PR-149 페릴렌 레드)를 포함할 수 있다. 결정성 휘스커는 거의 균일하지만 동일하지는 않은 단면과, 높은 길이대 폭 비율을 갖는다. 미세다공성 특징부는 전술한 미세입자의 조립체를 포함할 수 있다.
예
도2a에 블록선도 형태로 전체적으로 도시된 장치를 사용하여 통상적인 유동장 냉매 플레이트 내의 파라미터를 조사하였다. 이 장치는 5개의 평탄한, 접착제 배킹된 KATPON 히터(Minco Model 5466, 3"×4", 공칭 저항 4.1 옴, Minco Inc., Minneapolis MN)를 수용하도록 4"×15" 리세스 0.794 ㎜(1/32 인치) 깊이가 가공된 7"×20" 알루미늄 히터 플레이트 1.588 ㎜(1/16 인치) 두께를 구비하였다. 잔여 리세스는 플라스티시엔 클레이(plasticiene clay)로 충진되었다. 이 히터 플레이트의 뒷면은 동일 치수의 19.05 ㎜(0.75 인치) Plexiglas 플레이트에 결합되었다. 열 경계면 그리스(Wakefield Thermal Compound 120-2< Wakefield Engineering, Inc. Wakefield, MA)의 박층에 의해 이 플레이트의 앞면을 다른 1/16" 알루미늄 채널 플레이트의 뒷면에 결합하였다. 이 플레이트의 뒷면은 0.254 ㎜(0.01 인치) 직 경 형태의 T 열전쌍이 배치되는 0.794 ㎜(1/32 인치) 깊이 홈을 가지며, 이는 수평 중심선에서 종료되고 후술하듯이 상기 히터중 1 내지 5의 작동에 의해 생성되는 활성 구역의 바닥, 중심, 및 상부와 일치하는 수직 위치에서 종료되었다.
이 채널 플레이트의 평탄한 정면은 유체 채널의 내부를 형성하였다. 소정 채널 두께(t)를 형성하기 위해, 접착제를 덧댄 필름(공칭 0.004" 두께의 3M 비닐 필름)을 필요에 따라 층에 도포하였다. 본원에서 채널 두께(t)는 채널 깊이(d)와 상호교환하여 지칭됨을 알아야 한다. 필름 또는 필름층은 채널 플레이트에 도포될 때 채널간 리브를 생성하도록 미리 절단되었다. 채널간 리브는 가열되는 영역에만 존재하였다. 채널 벽면의 효과를 연구하기 위해, 채널 플레이트에는 하기 표1에 나타나 있듯이 다양한 처리를 적용하였다.
[표 1]표면 처리 및 파라미터 평가
| 표면 | 설명 | s=w [㎜] | d [㎜] | L [㎜] | |
| 베어 | 매끄러운 비닐/알루미늄 시트-미처리 | 1.59 | 0.203, 0.508 | 76, 152, 229 | |
| 미세 다공성 | 알루미늄 대신 3M G-200 세라믹 미세구(1-20 ㎛)로 만든 ABM 코팅. 사용된 용제는 휘발성을 제한하기 위해 메틸-t-부틸 케톤을 사용. 에어브러시로 가볍게 도포. 도5에 전자현미경 도시. | 1.59 | 0.102, 0.203, 0.508 | 152 | |
| 마이크로채널 | 유체 채널에 평행하게 배향된 6 ㎛ 높이, 12 ㎛ 피치의 마이크로채널. 채널을 폴리이미드 기재 상에 마이크로복제. 미세구조화 촉매 전사 기재(MCTS)로 지칭. 기재를 알루미늄 판에 3M Spray 마운트 접착제로 도포. | 1.59 | 0.203, 0.508 | 152 | |
| 페릴렌 코팅을 갖는 마이크로채널 | 위와 동일하지만 채널의 표면에 페릴렌 디-카르복시미드 안료(Product Code PR149) 화합물이 코팅됨. | 1.59 | 0.203, 0.508 | 152 | |
| 휘스커를 갖는 마이크로채널("나노구조화" 코팅) | 위와 동일하지만 페릴렌 디-카르복시미드가 0.6 ㎛ 길이 및 270-600옹스트롬 폭의 휘스커로 변환. 도6에 전자 현미경 도시 | 1.59 | 0.203, 0.508 | 152 | |
| Pt 휘스커를 갖는 마이크로("나노구조화" 코팅) | 위와 동일하지만 휘스커 상에 백금 퍼멀로이를 0.207 mg/㎠의 질량부하로 구비. 도7에 전자현미경 도시. | 1.59 | 0.203, 0.508 | 152 | |
유사한 조립체가 채널 영역의 제2 벽을 형성하였다. 이 조립체가 히터를 구비하고 그것에 제1 리브와 동일한 채널 표면 처리가 적용되지 않지만, 이것이 열전쌍으로 실현되지는 않았다. 또한, 이는 액체가 진입하는 6.35 ㎜(0.25 인치) 직경의 구멍, 및 증기가 조립체를 빠져나갈 때 통과하는 6.35 ㎜(0.25 인치) 직경의 구멍을 갖는다. 플레이트 조립체는 볼트로 클램핑되었다.
장치는 101.6 ㎜(4 인치) 폭과 76, 152, 229, 305, 381 ㎜ 길이의 가열되는 영역을 허용하도록 설계되었다. 다양한 길이가 히터 쌍(1-5)의 작동에 대응한다. 이 연구에서는 처음 3개의 길이만 사용되었다. 모든 길이에 있어서, 액체 복귀 구 멍에 의해 액체 복귀가 제공되었다. 이 구멍은 황동 호스 미늘(barb)과 결합되었다. 각각의 길이에서, 그 가열되는 영역 바로 위의 두 개의 증기 통로만 유사한 호스 미늘 쪽으로 개방되었다. 예를 들어, 장치는 2개의 히터[152.40 ㎜(6 인치) 높이의 가열되는 영역]용으로 구성되었다. 따라서, 활성 영역 바로 위의 것을 제외하고 모든 증기 구멍을 막았다. 이들 구멍은 호스 미늘을 통해서 응축기 조립체에 연결되었다.
응축기는 수돗물에 의해 냉각되는 종래의 수냉식 셀 및 튜브 열교환기였다. 장치를 응축기에 연결하는 매니폴드는 액체 복귀 라인에 작용하는 액체 높이 또는 헤드의 관측을 가능케 하는 투명한 섹션을 갖는다. 실험 목적으로, 이는 채널의 상부 또는 활성 영역에서의 액체 헤드를 유지하도록 조절되었다.
히터는 National Instruments Labview 데이터 취득 시스템에 대한 아날로그 연결을 통해서 제어되는 Kepco Model BOP 20-20M(20V, 20A) 쌍극 배향 전원/증폭기에 필요에 따라 병렬 연결되었다. 히터에 대한 전압 및 열전쌍 온도는 이 동일한 데이터 취득 시스템에 의해 모니터링되었다.
장치는 Fluorinert FC-87 또는 퍼플루오로펜탄을 사용하여 작동되었다. 이 유체는 29 ℃에서 비등하고, 288 g/mol의 분자량을 갖는다. 이는, 264 g/mol의 분자량을 갖고 76 ℃의 비등점에서 실제 PEM 연료 전지에 바람직한 유체로서 간주될 수 있는 HFE-7200과 유사하다. FC-87은 그 30 ℃ 비등점이 Plexiglas에서의 열 손실 및 응력을 최소화하기 때문에 사용되었다.
자동 데이터 취득 시스템은 통상 4 VDC에서 출발하고 이후 15분마다 0.5 VDC 증분씩 전진하도록 프로그래밍되었다. 이전 실험은 이 시간 내에 정상 상태에 도달됨을 보여주었다. 각각의 시간 간격의 종료시에, 시스템은 100회 측정을 신속히 취득하고, 이들을 평균화 처리하며, 결과를 대수처리하였다. 데이터에는 측정 시간, 히터 전압, 및 상부 온도(T3), 하부 온도(T1), 및 중심 온도(T2)가 포함된다.
후술하는 결과는 일반적으로 독립 변수로서 벽 열플럭스로 나타내어진다. 이러한 데이터를 논의할 때 참조할 수 있는 열플럭스는 세 개인 것에 유의해야 한다. 열플럭스 Q"gen은 전류 밀도와 전지 과전압의 곱인 하나의 MEA에서 발생하는 열플럭스이다. 인접하는 두 개의 MEA 사이마다 하나의 쌍극 또는 냉각 플레이트가 존재한다고 가정하면, 각각의 냉각 플레이트는 그 두 표면의 각각에 대략 ½Q"gen을 수용하고 Q"gen의 전체 열플럭스를 소산시킬 것이다. 하기 결과에 보고된 열플럭스 Q"는 실험 중에 각각의 플레이트 표면에 인가되는 열플럭스이다. 따라서,
Q"~ Q"gen/2 [1]
다른 문헌 소스에 대한 비교에 유용한 제3 열플럭스는 채널 벽 열플럭스이다. 리브가 대략 단열적(adiabatic)이라고 가정하면, 이 플럭스는 다음과 같다
Q"lit =(w+s)Q"/w [2]
열전쌍 온도(T2, T3)간의 차이를 플레이트에 걸친 온도 변동의 지표로서 사용하였다.
온도 변동 = T3-T2 [3]
전술한 실험 장치로부터 유도된 데이터를 도8a 내지 도12b에 나타낸다. 이들 도면은 지시된 치수 및 표면 처리를 갖는(또는 베어 냉매 채널의 경우에서와 같이 표면 처리를 전혀 갖지 않는) 냉매 채널에 대해 평균 표면 온도 및 그 공간적 변동을 열플럭스 Q"의 함수로서 도시한다. 도8a 내지 도12d에 그래프로 도시한 데이터에 의해 명백하듯이, 냉매 채널 코팅/특징부의 형태 및 채널 치수는 임계 열플럭스에 상당한 영향을 미친다. 본 발명에 따른 냉매 채널 코팅/특징부 및 치수의 세심한 선택은 플레이트의 냉매 채널의 전체 길이를 따라서 2상 냉각을 제공하는 유동장 플레이트에 포함된 주어진 냉각 장치의 효능을 현저히 향상시킬 수 있다.
도8a 내지 도12a에서의 y축 라벨은 온도 T3이다. T3은 냉매 채널의 상단부 또는 먼 단부에 설치된 세 개의 열전쌍 중 세번째의 것을 지칭한다. T3은 드라이아웃이 발생할 때를 보여주기 위해 제공된다. 도8b 내지 도12b에서의 y축 라벨은 온도차 T3-T2이다. T2는 냉매 채널의 대략 중간 섹션에 설치된 세 개의 열전쌍 중 두번째의 것을 지칭한다. T3과 T2간의 차이는 냉매 채널의 T2와 T3 온도 감지 위치 사이에서의 온도 불균일성을 나타낸다.
도8a는 (1) 비코팅 냉매 채널(임의의 추가된 표면 변경이 없는 베어 비닐/알루미늄 채널), (2) 휘스커나 백금이 없는 PR-149 코팅된 마이크로채널을 구비하도록 실현된 냉매 채널, 및 (3) 휘스커를 갖는 PR-149 코팅된 마이크로채널을 구비하도록 실현된 냉매 채널에서의 열플럭스 대 온도의 플롯을 도시한다. 이들 휘스커는 "나노구조화" 특징부로서 지칭된다. 도8a는 "나노구조화 효과"로 지칭될 수 있는 것을 도시한다. 도8a에서 쉽게 볼 수 있듯이, 나노구조화 효과는 냉매 채널에 나노구조화 코팅을 사용함으로써 보다 높은 임계 열플럭스를 제공한다. 도8b는 도8a의 데이터를 두 군데의 채널 길이 위치에서의 온도차 대 열플럭스의 측면에서 플로팅한 도시도이다.
도9a는 (1) 비코팅 냉매 채널, (2) 휘스커나 백금이 없는 PR-149 코팅된 마이크로채널을 구비하도록 실현된 냉매 채널, 및 (3) 베어 미세구조화 촉매 전사 기재(MCTS) UV 경화된 아크릴레이트 기재("톱날" 특징부)를 사용하여 실현된 마이크로채널을 갖는 냉매 채널에서의 열플럭스 대 온도의 플롯을 도시한다. 도9a는 "반데발스 고체 효과"로 지칭될 수 있는 것을 도시한다.
도9a에 그래프로 도시한 데이터에 의해 나타내듯이, "반데발스 고체 효과"는 냉매 채널에 반데발스 고체에 의한 코팅을 사용함으로써 보다 높은 임계 열플럭스를 제공한다. 다양한 유용한 반데발스 고체는 공동 소유한 미국 특허 제4,812,352호에 개시된 것을 포함한다. 도9b는 도9a의 데이터를 두 군데의 채널 길이 위치에서의 온도차 대 열플럭스의 측면에서 플로팅한 도시도이다.
도10a는 (1) 비코팅 냉매 채널, (2) 휘스커를 갖는 PR-149 코팅된 마이크로채널을 구비하도록 실현된 냉매 채널, 및 (3) 백금 휘스커를 갖는 마이크로채널을 구비하도록 실현된 냉매 채널에서의 열플럭스 대 온도의 플로팅 도시도이다. 도10a에 제공된 데이터는 나노구조화 냉매 채널 표면에서의 임계 열플럭스에 대한 반데발스 고체의 효과를 강화한다. 도10b는 도10a의 데이터를 두 군데의 채널 길이 위치에서의 온도차 대 열플럭스의 측면에서 플로팅한 도시도이다.
도11a는 다양한 깊이의 비코팅 냉매 채널 및 다양한 깊이의 미세다공성 코팅 된 냉매 채널에서의 열플럭스 대 온도의 플로팅 도시도이다. 도11a는 다양한 채널 깊이에서 미세다공성 코팅된 냉매 채널이 베어 채널에 비해 높은 임계 열플럭스를 제공하는 것을 도시한다. 도11b는 도11a의 데이터를 두 군데의 채널 길이 위치에서의 온도차 대 열플럭스의 측면에서 플로팅한 도시도이다.
도12a는 다양한 깊이 및 길이의 비코팅 냉매 채널에서의 열플럭스 대 온도의 플로팅 도시도이다. 도12a는 임계 열플럭스에 대한 채널 깊이 및 길이의 효과를 나타낸다. 도12b는 도12a의 데이터를 두 군데의 채널 길이 위치에서의 온도차 대 열플럭스의 측면에서 플로팅한 도면이다.
도8a 내지 도12b는 유동장 플레이트의 냉매 채널에 포함될 때 전술한 다양한 코팅이 임계 열플럭스를 상당히 연장할 수 있음을 도시한다. 이들 코팅 중에서, 미세다공성 코팅이 가장 현저한 향상을 보여주며, 나노구조화 코팅이 뒤를 잇는다. 또한, 나노구조화 코팅은 드라이아웃을 현저히 지연시키지만 온도 불균일이 심각한 것을 알 수 있다. 대조적으로, 미세다공성 코팅은 온도 불균일을 최소화하면서 드라이아웃을 현저히 지연시켰다. 베어 마이크로채널 및 백금 코팅된 휘스커를 갖는 마이크로채널은 현저한 개선을 보여주지 못한 것이 주목할 만하다. 이는 페릴렌 표면과 백금 표면 간의 차이를 의미한다. 또한 주목할 만한 것은 다공성 코팅이 t=0.508 ㎜로부터 t=0.203 ㎜로 진행될 때 개선을 보여주는 것이다. 이 추세는 두께가 t=0.102 ㎜로 더 감소될 때 이어지지 않는다. 이는 최적의 채널 두께를 암시한다.
본 발명의 다양한 실시예에 대한 상기 설명은 도시 및 개시의 목적으로 제공 된 것이다. 이는 포괄적이거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로 한정하려는 의도가 아닌 것이다. 상기 내용을 감안하여 여러가지 수정예 및 변형예가 있을 수 있다. 본 발명의 범위는 이 상세한 설명에 의해 제한되지 않아야 하며 청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.
Claims (66)
- 연료 전지 스택 조립체이며,적어도 하나의 막전극 조립체와,막전극 조립체에 대한 본질적으로 수동적인 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 유동장 플레이트를 구비하는 냉각 장치를 포함하며,상기 유동장 플레이트는 냉매 유동 방향에 대해 규정되는 채널 길이와 약 1 ㎜ 미만의 채널 깊이를 갖는 다수의 유체 유동 채널을 포함하고, 상기 냉각 장치는 막전극 조립체에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 다수의 채널은 약 0.7 ㎜ 미만의 깊이를 갖는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 다수의 채널은 약 0.5 ㎜ 미만의 깊이를 갖는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 다수의 채널은 약 0.3 ㎜ 미만의 깊이를 갖는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 다수의 채널은 약 0.1 ㎜의 깊이를 갖는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 냉각 장치는 막전극 조립체에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 채널 길이는 약 10 ㎝를 초과하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 다수의 채널은 약 1 ㎜ 내지 약 2 ㎜의 채널 간격, 약 1 ㎜ 내지 약 3 ㎜의 채널 폭을 가지며, 채널 길이는 약 60 ㎜ 내지 약 230 ㎜의 범위에 있는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 채널 깊이에 대한 채널 길이의 비율이 약 150 내지 약 1100의 범위에 있는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 냉각 장치는 불소화학물을 포함하는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 냉각 장치는 유전성 하이드로카본을 포함하는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 냉각 장치는 물을 포함하는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 냉각 장치는 하이드로카본을 포함하는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 막전극 조립체는 유동장 플레이트의 표면에 접촉하도록 구성된 표면을 포함하며, 상기 냉각 장치는 막전극 조립체 표면의 최대 온도 아래로 약 3 ℃ 미만의 작동 압력에서의 비등점을 갖는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 연료 전지 스택 조립체이며,적어도 하나의 막전극 조립체와,상기 막전극 조립체에 대한 본질적으로 수동적인 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 유동장 플레이트를 구비하는 냉각 장치를 포함하며,상기 유동장 플레이트는 내부 채널 표면을 갖는 다수의 유체 유동 채널을 포 함하고, 내부 채널 표면의 각각은 나노구조화 특징부를 구비하며,상기 냉각 장치는 막전극 조립체에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제15항에 있어서, 상기 냉각 장치는 막전극 조립체에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1 W/㎠으로 변화될 때 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제15항에 있어서, 상기 나노구조화 특징부는 균일하게 배향된 나노구조물을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제15항에 있어서, 상기 나노구조화 특징부는 소정의 기하학적 형상을 갖는 나노구조물을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제15항에 있어서, 상기 내부 채널 표면은 ㎠당 약 1백만개를 초과하는 나노구조물을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제15항에 있어서, 상기 내부 채널 표면은 ㎠당 약 10억개를 초과하는 나노구조물을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제15항에 있어서, 상기 나노구조화 특징부는 약 0.1 ㎛ 내지 약 3 ㎛ 범위의 길이를 갖는 연료 전지 스택 조립체.
- 제15항에 있어서, 상기 다수의 채널은 약 10 ㎝를 초과하는 채널 길이를 갖는 연료 전지 스택 조립체.
- 제15항에 있어서, 상기 냉각 장치는 불소화학물 또는 유전성 하이드로카본을 포함하는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제15항에 있어서, 상기 냉각 장치는 물 또는 탄화수소를 포함하는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제15항에 있어서, 상기 막전극 조립체는 유동장 플레이트의 표면에 접촉하도록 구성된 표면을 포함하며, 상기 냉각 장치는 막전극 조립체 표면의 최대 온도 아래로 약 3 ℃ 미만의 작동 압력에서의 비등점을 갖는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 연료 전지 스택 조립체이며,적어도 하나의 막전극 조립체와,상기 막전극 조립체에 대한 본질적으로 수동적인 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 유동장 플레이트를 구비하는 냉각 장치를 포함하며,상기 유동장 플레이트는 내부 채널 표면을 갖는 다수의 유체 유동 채널을 포함하고, 내부 채널 표면의 각각은 미세다공성 특징부를 구비하며,상기 냉각 장치는 막전극 조립체에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제26항에 있어서, 상기 미세다공성 특징부는 미세구(microsphere)를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제26항에 있어서, 상기 미세다공성 특징부는 세라믹 미세구를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제26항에 있어서, 상기 냉각 장치는 막전극 조립체에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제26항에 있어서, 상기 다수의 채널은 약 10 ㎝를 초과하는 채널 길이를 갖는 연료 전지 스택 조립체.
- 제26항에 있어서, 상기 냉각 장치는 불소화학물 또는 유전성 하이드로카본을 포함하는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제26항에 있어서, 상기 냉각 장치는 물 또는 탄화수소를 포함하는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제26항에 있어서, 상기 막전극 조립체는 유동장 플레이트의 표면에 접촉하도록 구성된 표면을 포함하며, 상기 냉각 장치는 막전극 조립체 표면의 최대 온도 아래로 약 3 ℃ 미만의 작동 압력에서의 비등점을 갖는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 연료 전지 스택 조립체이며,적어도 하나의 막전극 조립체와,상기 막전극 조립체에 대한 본질적으로 수동적인 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 유동장 플레이트를 구비하는 냉각 장치를 포함하며,상기 유동장 플레이트는 내부 채널 표면을 갖는 다수의 유체 유동 채널을 포함하고, 내부 채널 표면의 각각은 비편재화 파이-전자를 갖는 거의 평면적인 유기 분자를 포함하는 코팅을 구비하며,상기 냉각 장치는 막전극 조립체에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제34항에 있어서, 상기 유기 분자는 파이-전자의 밀도가 광범위하게 비편재화되는 체인이나 링을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제34항에 있어서, 상기 코팅은 반데발스 고체를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제34항에 있어서, 상기 냉각 장치는 막전극 조립체에서 냉매에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1 W/㎠으로 변화될 때 냉매 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제34항에 있어서, 상기 다수의 채널은 약 10 ㎝를 초과하는 채널 길이를 갖는 연료 전지 스택 조립체.
- 제34항에 있어서, 상기 냉각 장치는 불소화학물 또는 유전성 하이드로카본을 포함하는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제34항에 있어서, 상기 냉각 장치는 물 또는 탄화수소를 포함하는 열전달 유 체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제34항에 있어서, 상기 막전극 조립체는 유동장 플레이트의 표면에 접촉하도록 구성된 표면을 포함하며, 상기 냉각 장치는 막전극 조립체 표면의 최대 온도 아래로 약 3 ℃ 미만의 작동 압력에서의 비등점을 갖는 열전달 유체를 더 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 연료 전지 스택 조립체이며,적어도 하나의 막전극 조립체와,열전달 유체와, 상기 막전극 조립체에서 열전달 유체에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 막전극 조립체에 대한 본질적으로 수동적인 2상 냉각을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 유동장 플레이트를 구비하는 냉각 장치를 포함하며,상기 유동장 플레이트는 다수의 유체 유동 채널을 포함하고, 다수의 채널은 채널 깊이, 채널 간격, 채널 길이, 및 채널 폭을 가지며, 채널의 폭은 약 5 ㎜ 미만이며,상기 채널 폭, 채널 간격, 채널 길이, 및 채널 깊이는 열전달 유체가 채널의 길이를 따라서 이동할 때 임계 열플럭스 아래에서 열전달 유체의 핵비등을 촉진하여 드라이아웃을 방지하도록 치수형성되는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 냉각 장치는 막전극 조립체에서 열전달 유체에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 열전달 유체 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 막전극 조립체에서 열전달 유체에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1 W/㎠으로 변화될 때 열전달 유체 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 채널 폭, 채널 간격, 채널 길이, 및 채널 깊이는 채널의 입구 영역에서 열전달 유체의 발단을 촉진하고 열전달 유체가 채널의 출구 영역을 지나갈 때 열플럭스가 임계 열플럭스를 초과하지 못하도록 치수형성되는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 채널의 길이는 약 10 ㎝를 초과하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 채널 간격은 약 1 ㎜ 내지 약 2 ㎜이며, 상기 채널 폭은 약 1 ㎜ 내지 약 3 ㎜인 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 다수의 채널은 열전달 유체의 유동 방향으로 약 60 ㎜ 내지 약 230 ㎜의 채널 길이를 갖는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 다수의 채널은 채널 길이를 가지며, 채널 깊이에 대한 채널 길이의 비율은 약 150 내지 약 1100의 범위에 있는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 채널 깊이는 약 1 ㎜ 미만인 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 열전달 유체는 불소화학물을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 열전달 유체는 유전성 하이드로카본을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 열전달 유체는 물 또는 탄화수소를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 막전극 조립체는 유동장 플레이트의 표면에 접촉하도록 구성된 표면을 포함하며, 상기 열전달 유체는 막전극 조립체 표면의 최대 온도 아래로 약 3 ℃ 미만의 작동 압력에서의 비등점을 갖는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 다수의 유체 유동 채널은 내부 채널 표면을 가지며, 내부 채널 표면의 각각은 나노구조화 특징부를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 다수의 유체 유동 채널은 내부 채널 표면을 가지며, 내부 채널 표면의 각각은 미세다공성 특징부를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 다수의 유체 유동 채널은 내부 채널 표면을 가지며, 내부 채널 표면의 각각은 비편재화 파이-전자를 갖는 거의 평면적인 유기 분자를 포함하는 코팅을 구비하는 연료 전지 스택 조립체.
- 연료 전지 스택 조립체이며,적어도 하나의 막전극 조립체와,상기 막전극 조립체와 열접촉하고 유체 유동 채널을 포함하는 적어도 하나의 유동장 플레이트와,막전극 조립체에서 열전달 유체에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 막전극 조립체를 본질적으로 수동적인 2상 냉각에 의해 냉각하기 위한 수단을 포함하며,상기 냉각 수단은 열전달 유체가 유체 유동 채널의 길이를 따라서 이동할 때 드라이아웃을 방지하도록 임계 열플럭스 아래에서 열전달 유체의 핵비등을 촉진하 기 위한 수단을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제58항에 있어서, 상기 냉각 수단은 막전극 조립체에서 열전달 유체에 대한 열플럭스가 약 0 W/㎠에서 약 1.5 W/㎠으로 변화될 때 열전달 유체 유동 방향으로 약 0.2 ℃/㎝ 미만의 최대 온도 구배를 유지하기 위한 수단을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제58항에 있어서, 상기 냉각 수단은 채널의 입구 영역에서 열전달 유체의 발단을 촉진하고 열전달 유체가 채널의 출구 영역을 지나갈 때 열플럭스가 임계 열플럭스를 초과하는 것을 방지하기 위한 수단을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 유동장 플레이트는 증기 포트 및 응축물 포트를 더 포함하며, 상기 증기 포트는 상기 응축물 포트보다 큰 연료 전지 스택 조립체.
- 제15항에 있어서, 상기 유동장 플레이트는 증기 포트 및 응축물 포트를 더 포함하며, 상기 증기 포트는 상기 응축물 포트보다 큰 연료 전지 스택 조립체.
- 제26항에 있어서, 상기 유동장 플레이트는 증기 포트 및 응축물 포트를 더 포함하며, 상기 증기 포트는 상기 응축물 포트보다 큰 연료 전지 스택 조립체.
- 제34항에 있어서, 상기 유동장 플레이트는 증기 포트 및 응축물 포트를 더 포함하며, 상기 증기 포트는 상기 응축물 포트보다 큰 연료 전지 스택 조립체.
- 제42항에 있어서, 상기 유동장 플레이트는 증기 포트 및 응축물 포트를 더 포함하며, 상기 증기 포트는 상기 응축물 포트보다 큰 연료 전지 스택 조립체.
- 제58항에 있어서, 상기 유동장 플레이트는 증기 포트 및 응축물 포트를 더 포함하며, 상기 증기 포트는 상기 응축물 포트보다 큰 연료 전지 스택 조립체.
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