KR20070090996A - 냉각판 수를 감소시키는 변경된 연료 전지 산화제 유동채널 깊이 - Google Patents

냉각판 수를 감소시키는 변경된 연료 전지 산화제 유동채널 깊이 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 연료 전지 적층체(11a)에서, 냉각판에 인접한 연료 전지(18-21) 내에 있는 유동 영역 채널(30, 30b)과 비교할 때의 냉각판으로부터 이격된 연료 전지(30-36) 내의 더 깊은 공기 유동 영역 채널(30a) 내에서의 향상된 공기 유동 덕분에, 냉각판으로부터 이격되는 연료 전지(33-36) 내에 과도하게 높은 온도를 발생시킴이 없이 연속적인 냉각판들(13-15) 사이에 다수의 연료 전지(18-21, 33-36)가 개재된다. 공기 유동 영역판의 두께(29b)는 공기 유동 채널(30a)의 증가된 깊이를 수용하도록 증가될 수 있다. 냉각판에 인접한 연료 전지(18a)는 정상보다 더 얕은 공기 유동 영역 채널(30b)을 가질 수 있어서, 내부의 향상된 공기 이용은 더 깊은 공기 유동 채널(30a)을 갖는 전지들(33-36, 33a) 내의 감소된 공기 이용에 의해 균형이 맞을 것이며, 이 경우에 채널(30a)은 정상 또는 정상보다 깊을 수 있다.
연료 전지, 연료 전지 적층체, 냉각판, 공기 유동 영역 채널,

Description

냉각판 수를 감소시키는 변경된 연료 전지 산화제 유동 채널 깊이{VARIED FUEL CELL OXIDANT FLOW CHANNEL DEPTH RESULTING IN FEWER COOLER PLATES}
본 발명은 냉각판에 인접한 연료 전지보다 냉각판으로부터 더 멀리 떨어진 연료 전지에서 더 깊은 산화제 유동 채널 깊이를 제공하고, 그에 의해 연속하는 냉각판들 사이에 더 많은 수의 연료 전지를 허용하면서 평균 연료 전지 적층체 온도 프로파일 및 공기 이용을 유지하는 것에 관한 것이다.
다양한 형태의 연료 전지 적층체에서, 애노드 및 캐소드 용수 관리가 능동적(펌프를 채용함) 또는 수동적(펌프 없음)인 것에 상관없이, 적층체는 연료 전지의 그룹에 의해 분리되는 냉각판에 의해 냉각된다. 몇몇 연료 전지 시스템 설계에서, 연속하는 냉각판들 사이에는 적어도 두 개의 연료 전지가 있을 수 있다. 냉각판이 연료 전지 적층체의 전압 또는 전력에 기여하지 않기 때문에, 연료 전지 시스템의 전력 밀도 및 적층체의 단부 대 단부 전압은 적층체 내에서 사용되는 냉각판의 개수와 역으로 관련된다. 차량용으로 설계된 연료 전지에서 연료 전지 적층체의 전체 크기는 중요하게 된다.
연속하는 냉각판들 사이에 더 많은 연료 전지가 개재되는 경우라면, 냉각판으로부터 더 이격된, 특히 상기 연료 전지의 중심에 있는 연료 전지는 더 고온을 경험하며, 이것은 전체적인 연료 전지 적층체 용수 균형에 영향을 주며 막의 또는 다른 온도에 민감한 구성품의 수명을 감소시킨다. 산화제 유출 흐름에서 적층체를 떠나는 수증기의 부분압에 대한 그리고 적층체의 전체적인 산화제 이용에 대한 영향에 기인하여 전체적인 적층체 용수 균형은 산화제의 출구 온도에 따른다.
본 발명의 실시예는 냉각판당 더 많은 연료 전지를 가져서 전체 적층체 크기를 감소시키는 연료 전지 적층체와, 연료 전지 적층체에 걸쳐 적합한 온도 프로파일을 유지하면서 연료 전지 적층체의 크기를 감소시키는 연료 전지 적층체와, 연료 전지 적층체의 향상된 전력 및 전압 밀도를 갖는 연료 전지 적층체와, 차량용으로 적합한 향상된 연료 전지 적층체를 포함한다.
본 발명에 따르면, 연료 전지 적층체는 복수의 냉각판을 포함하며, 냉각판 각각은 그 사이에 개재된 연료 전지의 그룹을 갖고, 냉각판으로부터 이격되는 연료 전지는 냉각판에 인접한 연료 전지의 산화제 유동 채널 깊이보다 더 깊은 산화제 유동 채널 깊이를 가져서, 이로써 냉각판으로부터 이격된 연료 전지들에서의 냉각을 향상시킨다. 냉각판으로부터 이격되는 연료 전지에서 증발 냉각을 향상시킴에 의해, 이격된 연료 전지의 온도는 연료 전지의 설계 작동 온도에 가깝게 제어될 수 있다.
본 발명은 더 적은 냉각판을 사용함에 의해 연료 전지 적층체의 크기를 감소시키는 것을 허용하면서 적합한 평균 온도 및 평균 공기 이용을 유지한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 냉각판에 의해 향상된 냉각이 적용되는(낮은 온도의 냉매를 흐르게 하는 것에 의해서와 같은) 냉각판에 인접하는 연료 전지에서 산화제 유동 영역 채널의 깊이가 감소되고, 이에 의해 냉각판으로부터 이격되는 연료 전지로부터 더 많은 열을 전도할 수 있으며, 이 경우, 이격된 냉각판은 정상보다 깊은 것이 현재 선호되기는 하지만, 정상보다 깊은 또는 정상인 산화제 유동 영역 채널을 가질 수 있다.
본 발명을 실시함에 있어서, 몇몇 경우에서 제조 공차 문제 및 과도한 취성의 문제를 피하기 위해 더 깊은 산화제 유동 영역 채널을 가지며 냉각판으로부터 이격되는 연료 전지 내에서 산화제 가스 유동 영역판이 약간 더 두껍도록 하는 것이 권장된다.
본 발명의 다른 실시예, 특징 및 장점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 그 예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명의 견지에서 더욱 명백하게 될 것이다.
도1은 당해 기술분야에 공지된 연료 전지 적층체의 단순화된 부분 측면도이다.
도2는 냉각판에 인접할 수 있는, 종래 기술로 공지된 연료 전지의 단순화된 측면도이다.
도3은 본 발명에 따른 깊은 산화제 유동 영역 채널을 구비하는 연료 전지의 단순화된 부분 측면도이다.
도4는 본 발명을 구체화하는 연료 전지 적층체의 단순화된 부분 측면도이다.
도5는 본 발명에 따른, 증가된 산화제 유동 영역 채널 깊이뿐만 아니라 증가 된 두께의 산화제 유동 영역판을 갖는 연료 전지의 단순화된 부분 측면도이다.
도6은 냉각판에 인접할 수 있는, 본 발명에 따른 감소된 깊이의 산화제 유동 영역 채널을 갖는 연료 전지의 단순화된 부분 측면도이다.
도1을 참조하면, 냉각판(13-15)이 도시되며, 연료 전지 적층체(11)는 복수의 냉각판을 포함한다. 또한, 적층체(11)는 다수의 연료 전지를 포함하는데, 연료 전지(18-21)만이 도시된다. 각각의 연료 전지(18-21)는 냉각 판(13-15) 중 하나와 인접하며, 각 쌍의 냉각판들 사이에는 오직 두 개의 연료 전지가 있다.
연료 전지(18)는 예시의 방식으로 도시되며, 상대적 또는 완전한 크기로 도시되지 않는다. 각각의 연료 전지는 내부의 친수성이고, 다공성인 연료 유동 영역 채널(25)을 구비하는 친수성, 다공성 연료 가스 반응물 유동 영역판(24)을 포함한다. 각각의 연료 전지는 또한 전해질 조립체(27)를 포함하며, 이는 양자(proton) 교환 막의 경우에 중합체 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane: PEM) 연료 전지는 그 일면에 막과 촉매를 포함한다. 또한, 각각의 연료 전지는 산화제 가스 유동 채널(30)을 갖는 산화제 가스 유동 영역판(29)을 또한 포함한다. 각각의 반응물 가스 유동 영역판(24, 29)은 내부에 용수 수송 채널(32)을 함께 형성하는 홈(31)을 갖는다. 도2에 부분적으로 도시된 연료 전지(18)는 냉각판(13)과 연료 전지(19) 사이에 배치된다.
본 발명에 따르면, 도3에 도시된 연료 전지(33)는 채널(30)보다 더 깊은 산화제 유동 채널(30a)을 갖는 산화제 가스 유동 영역판(29a)을 포함한다. 예컨대, 연료 전지(33)는 연료 전지(18)와, 연료 전지(33)와 마찬가지인 본 발명에 따른 깊은 채널(30a)을 구비한 다른 연료 전지(34) 사이에 배치될 수도 있다. 도4는 깊은 반응물 가스 채널(30a)을 갖는 추가적인 연료 전지(35, 36)가 연료 전지들(20, 21) 사이에 배치되어 각각의 냉각판(13, 14; 14, 15등)의 사이에 네 개의 연료 전지가 있는 상태를 예시한다.
본 발명에 따르면, 냉각판(13-15)으로부터 이격되는 연료 전지(33-36)는 냉각판(13-15)으로부터 전도성이 덜한 냉각을 발생시키지만, 공기와 같은 산화제의 향상된 유동에 기인하여 크고 깊은 산화제 유동 영역 채널(30a) 내에서, 덜 깊은 산화제 유동 영역 채널(30)을 갖는 냉각판에 인접한 연료 전지(18-21)에서 발생되는 것보다 추가적인 증발 냉각을 제공한다. 이러한 방식으로, 연료 전지(33-36)의 온도는 최적 작동 온도의 바람직한 범위 내에 있도록 제어될 수 있다. 도4의 치수 X와 도1의 치수 Y와의 비교에 의해, 네 개의 연료 전지(18, 19, 33, 34)가 관련된 냉각판(14)과 함께 네 개의 연료 전지(18-21)와 그들의 관련 냉각판(14, 15)보다 적은 공간을 차지한다는 것이 명백하다. 네 개의 연료 전지당 차이는 본 예시에서 하나의 냉각판의 너비이다.
본 발명은 차량용으로 적합할 수 있는 PEM 연료 전지 실시예에서 설명되었지만, 다른 형태의 연료 전지 시스템에서 사용될 수 있다. 따라서, 본 설명은 종래 기술에서는 냉각판당 두 개의 연료 전지를 그리고 본 발명에 따라서는 냉각판당 네 개의 연료전지로 극단적으로 가정한다. 그러나, 이들은 단순히 예시적이며, 냉각판들 사이에 다른 개수의 연료 전지를 갖는 연료 전지 적층체는 본 발명의 산화제 유동 영역 채널의 증가된 깊이를 이용하여 개선될 수 있어서 냉각판들 사이에 추가적인 연료 전지를 가질 수 있다.
도5는 연료 전지(33a) 내의 대체적인 냉각판(29b)을 도시한다. 도5에서, 산화제 냉각 유동 영역판(29b)의 홈이 형성되지 않은 부분(40)은 도3의 이 판(29a)의 홈이 형성되지 않은 부분(41)보다 두껍다. 이것은 예로서 홈(30)보다 더 깊은 홈(30a)만큼 판(29b)을 판(29a)보다 더 두껍게 형성함으로써 얻어진다. 물론, 더 두꺼운 판(29b)을 사용하는 선택 사양은 본 발명의 공간 절약을 저하시킬 것이지만, 각각의 캐소드 산화제 가스 유동 영역판(29b)의 안정성을 유지할 것이다.
도6에 본 발명의 추가 실시예가 도시된다. 실시예에서, 연료 전지(18a)는 유동 영역 채널(30)보다 더욱 얕은 유동 영역 채널(30b)을 갖는 산화제 유동 영역판(29b)을 갖는다. 이것은 응축에 의해 내부 냉각을 감소시키며, 냉각판이 낮은 온도에서 작동되도록 해서 바람직한 온도 균형을 유지하도록 한다. 낮은 온도에서의 냉각판을 구비하는 얕은 채널은 냉각판에 인접한 연료 전지(18a)등 뿐만 아니라 냉각판으로부터 이격되는 연료 전지(33-36)에도 더욱 전도성이 있는 열 제거를 제공한다.
연료 전지(18a)(그리고 마찬가지로 냉각판에 인접한 개조된 연료 전지) 내의 공기 유동을 감소시키는 것은 이러한 연료 전지 내의 공기 이용을 증가시키며, 냉각판으로부터 이격되는 이러한 연료 전지들(33-36)에 감소된 공기 이용(더 큰 유동)을 허용한다.
본 발명은 "정상" 연료 전지와 비교해서 이해될 수 있다. 여기서, "정상"이 라는 용어는 모두 동일한 산화제 반응물 가스 유동 영역 채널의 깊이를 가지며, 종래 기술로 공지된 것과 같은, 바람직한 길이보다 큰 연료 전지 적층체를 초래하는 이러한 형태의 연료 전지를 의미한다. 정상에 대한 비교는 정상보다 깊거나 깊지 않을 수 있는 냉각판에 인접한 연료 전지의 깊이보다 깊은 깊이의 산화제 유동 영역 채널을 갖는, 냉각판으로부터 이격된 연료 전지에서 발견된다. 정상보다 얕은 채널들이 냉각판에 인접한 산화제 유동 영역판에서 사용된다면, 정상 연료 전지들은 냉각판으로부터 이격되어서 사용될 수 있다.

Claims (4)

  1. 복수의 냉각판(13-15)과,
    연속적인 상기 냉각판들 사이에 그룹으로 배치된 복수의 연료 전지(18-21; 33-36)를 포함하는 연료 전지 적층체(11)이며,
    상기 냉각판 중 하나에 인접하는 각각의 그룹에 제1 연료 전지쌍(18, 19; 20, 21)이 존재하고, 각각의 그룹에 상기 냉각판으로부터 이격되며 두 개의 다른 연료 전지와 인접하는 하나 이상의 제2 연료 전지(33, 34; 35, 36)가 존재하고, 상기 제1 연료 전지쌍은 제1 깊이의 채널(30; 30b)을 구비하는 친수성이고 다공성인 산화제 반응물 가스 유동 영역판을 갖고, 상기 제2 연료 전지는 상기 제1 깊이보다 깊은 채널(30a, 30)을 구비하는 친수성이고 다공성인 산화제 반응물 가스 유동 영역판을 가지며 그로써 상기 제2 연료 전지에서의 산화제 가스의 증가된 유동을 제공해서 그 냉각을 돕는 연료 전지 적층체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 연료 전지의 산화제 반응물 가스 유동 영역판(29b)은 상기 제1 연료 전지의 산화제 반응물 가스 유동 영역판(29)보다 두꺼운 연료 전지 적층체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 연료 전지는 정상보다 깊은 유동 영역 채널(30a)을 구비하는 산화제 반응물 가스 유동 영역판(29a)을 갖는 연료 전지 적층체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 연료 전지는 정상보다 더 얕은 유동 영역 채널(30b)을 구비하는 산화제 반응물 가스 유동 영역판(29b)을 갖는 연료 전지 적층체.
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