KR20090091700A - 연료 전지 및 그것의 플로우 필드 플레이트 - Google Patents

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알프레드 난 페이 웡
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발라드 파워 시스템즈 인크.
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Abstract

연료 전지는 애노드 전극, 캐소드 전극, 그것들 사이에 삽입되는 고분자 전해질 막; 애노드 전극에 인접한 애노드 플로우 필드; 및 캐소드에 인접한 캐소드 플로우 필드를 포함하며, 상기 애노드 플로우 필드는 적어도 하나의 애노드 채널 통로와 제 1 표면의 적어도 하나의 애노드 랜딩을 가지는 단일 사형 애노드 플로우 채널을 포함하고, 상기 캐소드 플로우 필드는 복수의 캐소드 채널 통로와 제 1 표면의 캐소드 랜딩을 가지는 적어도 하나의 사형 캐소드 플로우 채널을 포함하고, 각각의 애노드 채널 통로는 정렬되고 교차하는 캐소드 채널 통로와 오버랩핑하며, 상기 애노드 플로우 필드의 피치는 상기 캐소드 플로우 필드의 피치의 적어도 2배이다.
연료 전지, 애노드 전극, 캐소드 전극, 애노드 플로우 필드, 캐소드 플로우 필드

Description

연료 전지 및 그것의 플로우 필드 플레이트{FUEL CELL AND FLOW FIELD PLATE FOR THE SAME}
본 발명은 연료 전지들(fuel cells) 및 그 연료 전지들의 플로우 필드 플레이트들(flow field plates)에 관한 것이다.
전기화학 연료 전지들은 연료 및 산화제를 전기로 변환시킨다. 고체 고분자 전기화학 연료 전지들은, 탄소 섬유지(carbon fiber paper) 또는 탄소천(carbon cloth)와 같은 한 층의 다공성, 전기적 도전성 시트 물질로 통상 구성되는 2개 전극들간에 배치되는 이온 교환 멤브레인(membrane) 또는 고체 고분자 전해질을 포함하는 멤브레인 전극 어셈블리(membrane electrode assembly)를 통상적으로 사용한다. 멤브레인 전극 어셈블리는 소망의 전기 화학적 반응을 유도하기 위하여 각각의 멤브레인 전극 인터페이스에 통상적으로 미세하게 분쇄한 백금의 형태로 한 층의 촉매를 보통 포함한다. 동작시에, 전극들은 외부 회로를 통해 전극들 사이에서 전자들을 도통시키기 위해 전기적으로 결합된다. 다수의 멤브레인 전극 어셈블리는 소망의 전력 출력을 가지는 연료 전지 스택을 형성하도록 일렬로 통상 전기적으로 결합된다.
멤브레인 전극 어셈블리는 통상적으로 2개의 전기적 도전성 바이폴라 플로우 필드 플레이트들 또는 분리기 플레이트들 사이에 통상적으로 삽입된다. 이 바이폴라 플로우 필드 플레이트들은 전류 콜렉터들로서 동작하고, 전극들에 서포트를 제공하며, 연료 및 산화제와 같은 반응물의 공급을 위해, 그리고 과도 반응물들과 동작동안에 형성되는 생성물들, 예를 들면 생성물 물의 제거를 위해 플로우 필드들을 제공한다. 어떤 경우에는, 바이폴라 플로우 필드 플레이트는 2개의 플로우 필드 플레이트들, 즉 애노드 플로우 필드 플레이트와 캐소드 플로우 필드 플레이트를 모두 결합함으로써 형성되며, 애노드 플로우 필드는 바이폴라 플로우 필드 플레이트의 한 표면에 형성되고, 캐소드 플로우 필드는 바이폴라 필드 플레이트의 반대 표면에 형성되고, 냉각제 플로우 필드는 애노드 플로우 필드 플레이트와 캐소드 플로우 필드 플레이트 사이에 형성되게 된다. 다른 경우들에서는, 바이폴라 플로우 필드 플레이트는, 한 표면에 애노드 플로우 필드를 반대 표면에 캐소드 플로우 필드를 가지는 단일 플레이트일 수 있다. 이러한 바이폴라 플로우 필드 플레이트들은 금속제, 탄소질, 흑연, 또는 고분자로 형성될 수 있다.
바이폴라 플로우 필드 플레이트들은 연료 전지 동작 동안에 반응물들 및 생성물들의 공급 및 배출을 허용하는 매니포울드(manifold)들을 통상적으로 포함한다. 이러한 매니포울드들은 내부 매니포울드들(즉, 매니포울드 개구들은 플레이트 내에 형성된다) 또는 외부 매니포울드들(즉, 매니포울드 개구들은 플레이트의 엣지 또는 연료 전지 스택에 부착된다)일 수 있다.
규칙적인 연료 전지 동작 동안에 캐소드에서 생성된 물은 애노드 및 캐소드 플로우 필드들의 각각의 연료와 산화제 간의 수증 압력 차로 인해 애노드 전극으로 이동하고, 반응물의 흐름 속도가 비교적 낮고 및/또는 연료 전지의 온도가 비교적 낮은 경우에 전극들 및/또는 플로우 필드들에서 물방울로 모일 수 있다. 과도한 물방울은 모여진 물방울들이 플로우 필드들 및 반응물 부족에서 불균일한 유체 흐름(예를 들면, 애노드 및/또는 캐소드에서의 물 "버람")을 야기할 수 있으며, 이것은 통상적으로 불안정한 연료 전지 성능 및 연료 전지 강하가 초래된다.
이러한 문제를 해결하기 위한 한가지 방법은 플로우 필드들의 압력 강하를 증가시키고, 화학량적으로 요구되는 것보다 더 많은 양의 반응물 유체를 공급하고, 또는 보다 높은 동작 압력에서 동작시킴으로써 캐소드 및/또는 캐소드 플로우 필드들에서 과도한 액체 물을 제거하는 것이다. 또 다른 방법은 연료 전지의 액체 물을 증발시키기 위해 동작 압력을 증가시킴으로써 물방울들을 제거하는 것이다. 그러나, 이러한 모든 방법들은 기생 전력 소비를 증가시키고 연료 효율을 감소시키기 때문에 바람직하지 못하다.
또 다른 방법에서, 애노드 및 캐소드 플로우 필드 구조는 연료 전지를 통한 반응물 유체들의 흐름과 연료 전지로부터의 생성 물의 제거를 강화시키기 위해 비교적 높은 압력 강하를 가지도록 설계될 수 있다. 그러나, 이로 인해 플로우 필드들의 압력 강하를 보상하기 위해 동작 압력이 증가되고, 따라서 기생 전력 소비(즉, 반응물을 공급하기 위한 대량 펌프 또는 압축기 사용을 통해서)가 증가하게 된다.
증가된 기생 부하들을 방지하기 위해, 플로우 필드들은 낮은 압력 강하 동작에 대하여, 예를 들면 150 mbar정도로 낮은, 특히 약 0.21 barg 이하에서 동작하는 낮은 압력 연료 전지들에 대하여 설계될 수 있다. 그러나, 낮은 전력(예를 들면, 약 0.1A/cm2이하의 전류 밀도에서) 낮은 압력 연료 전지들을 동작시킬 때, 비교적 적은 양의 반응물들이 연료 전지들로 전달되기 때문에 불안정한 연료 전지 성능이 종종 관찰되며, 이것에 의해 낮은 압력 연료 전지의 플로우 필드들에서 과도한 액체 물을 클리닝하기에 부적절한 반응물 유속이 초래된다. 이것은 요구되는 전력 발생을 유지하면서 연료 효율성을 최대화하기 위해 연료가 보통 가능한 낮게(즉, 낮은 연료 흐름 속도로) 화학량적으로 공급되기 때문에 애노드 플로우 필드들에 대해서 특히 이상적이다. 또한, 낮은 압력 및 낮은 전력 동작 동안에, 연료 전지의 온도는 통상적으로 낮으며, 이것은 애노드 플로우 필드들의 수증기의 축합을 강화시킨다.
미국 특허 출원 공고 제2005/0064263호는, 제 1 랜드들에 의해 떨어져 있는 복수의 제 1 채널들을 포함하는 제 1 유체 플로우 플레이트와, 제 2 랜드들(lands)에 의해 떨어져 있는 복수의 제 2 채널들을 포함하는 제 2 유체 플로우 플레이트를 포함하는 개선된 유체 플로우 플레이트에 대하여 개시한다. 제 2 랜드들 중 적어도 하나는 제 1 랜드들 중 적어도 하나의 단면 폭보다 더 넓은 단면 폭을 가진다. 그러나, 낮은 전력에서의 낮은 압력 동작에 있어서, 유속(또는 채널당 단위 길이 마다의 용적 흐름)은 직선 흐름 채널들로부터의 액체 물을 제거할 정도로 매우 낮다. 또한, 흐름 채널들 각각의 단면 영역을 감소시킴으로써 유속을 증가시키게 되지만, 이것은 또한 흐름 채널들의 압력 강하를 증가시키고, 이로써 동작 압력을 증 가시킨다.
특히, 낮은 압력 및 낮은 전력 조건들에서 동작할 때, 연료 전지 스택의 불안정한 성능을 최소화하기 위해 새로운 플로우 필드 설계들을 개발할 필요는 여전히 있다. 본 발명은 이러한 문제점들을 처리하고 더 나아가서 관련 이점들을 제공한다.
일 실시예에서, 본 발명은 애노드 전극, 캐소드 전극과, 그것들 사이에 삽입되는 고분자 전해질 멤브레인, 애노드 전극에 인접한 애노드 플로우 필드; 및 캐소드 전극에 인접한 캐소드 플로우 필드를 포함하는 연료 전지로서; 애노드 플로우 필드는 적어도 하나의 애노드 채널 통로와 제 1 표면의 적어도 하나의 애노드 랜딩(landing)을 가지는 단일 사형 애노드 플로우 채널(single serpentine anode flow channel)을 포함하고, 캐소드 플로우 필드는 복수의 캐소드 채널 통로와 제 1 표면의 캐소드 랜딩을 가지는 적어도 하나의 사형 캐소드 플로우 채널을 포함하고, 각각의 애노드 채널 통로는 정렬되고 교차 캐소드 채널 통로와 오버랩핑한다.
또 다른 실시예들에서, 애노드 플로우 채널의 폭과 애노드 랜딩의 폭의 비율은 약 1:3 보다 크거나 같다. 다른 실시예들에서, 총 애노드 플로우 채널 영역 커버리지는 총 애노드 플로우 필드 플레이트 액티브 영역의 약 30% 이하이다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 애노드 플로우 필드와 캐소드 플로우 필드로 구성된 연료 전지용 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리에 관한 것이며, 애노드 플로우 필드는 적어도 하나의 애노드 채널 통로와 제 1 표면의 적어도 하나의 애노드 랜딩을 가지는 단일 사형 애노드 플로우 채널을 포함하고, 캐소드 플로우 필드는 복수의 캐소드 채널 통로와 제 1 표면의 캐소드 랜딩을 가자는 적어도 하나의 사형 캐소드 플로우 채널을 포함하고, 각각의 애노드 채널 통로는 정렬되고 교차 캐소드 채널 통로와 오버랩핑한다.
본 발명의 상기와 다른 양태들은 첨부된 도면들 및 이하의 상세한 설명을 통해서 분명해지게 된다.
도면들에서, 동일 참조 번호들은 동일한 소자들 또는 동작들을 나타낸다. 도면들에서 소자들의 크기들 및 상대적 위치들은 반드시 일정 비율로 도시되지 않는다. 예를 들면, 다양한 소자들의 형태들 및 각도들은 일정 비율로 도시되지 않으며, 이러한 소자들 중 일부는 도해를 향상시키기 위해 임의로 확대 배치된다. 또한, 도시되는 소자들의 특정 형태들은 특정 소자들의 실제 형태에 관한 임의 정보를 전달할 의도는 없으며, 도면들에서 단지 용이한 인식을 위해 선택될 뿐이다.
도 1a는 종래의 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리의 애노드 플로우 채널 구성의 평면도.
도 1b는 종래의 바이폴라 플로우 필드 어셈블리의 캐소드 플로우 채널 구성의 평면도.
도 2는 도 1a 및 도 1b의 종래의 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리, 및 종래의 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리에 통합하는 연료전지의 단면 A-A에 따른 단면도.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리의 애노드 플로우 채널 구성의 평면도.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리의 캐소드 플로우 채널 구성의 평면도.
도 4는 도 3a 및 도 3b의 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리, 및 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리에 통합하는 연료 전지의 단면 B-B에 따른 단면도.
도 5는 종래에 따른 플로우 필드 플레이트들을 사용하여 연료 전지 스택의 성능에 관한 평균 셀 전압 대 시간 그래프를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 플로우 필드 플레이트를 사용하는 연료 전지 스택의 성능에 관한 평균 셀 전압 대 시간 그래프를 도시한 도면.
이하의 설명에서, 임의 특정 상세들은 본 발명의 다양한 실시예의 철저한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 당업자라면 본 발명은 이러한 상세들없이도 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 일례들에서, 연료 전지들, 연료 전지 스택들 및 연료 전지 시스템들과 관련된 공지된 구조들은 본 발명의 실시예들의 쓸데없이 불명료한 기술들을 피하기 위해 도시되지 않거나 또는 상세히 기술되지 않는다.
만일 문맥이 달리 필요하지 않으면, 이후의 상세한 설명 및 청구항들 전반에서, 단어 "포함하다" 및 그것의 변경들, 예를 들면 "구성하다" 및 "포함하는"은 " 포함하지만 그것에 한정되지 않은" 개방적, 포괄적 의미로 해석되어야 한다.
"일 실시예" 또는 "실시예"에 관한 이러한 명세 전반에서의 참조는, 실시예와 관련하여 기술되는 특정 형태, 구조 또는 특징은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 상기 명세 전반에 걸친 다양한 곳에서 구 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 외관은 반드시 동일 실시예에 관한 모든 것은 아니다. 또한, 특정 형태, 구조들 또는 특징들은 하나 이상의 실시예들에서 임의 적정 방법으로 결합될 수 있다.
도 1a 및 1b는 종래의 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리(10)의 애노드 플로우 채널 구성 및 캐소드 채널 구성 각각에 관한 평면도들이다.
도 1a에 관하여, 애노드 측으로부터의 플레이트 어셈블리(10)의 평면도를 도시하며, 플레이트 어셈블리(10)는 사형 구성의 단일 애노드 플로우 채널(12)을 포함한다(짙은 선은 애노드 플로우 채널(12)의 중앙선을 나타낸다). 이러한 구성에서, 애노드 플로우 채널(12)은 플레이트 어셈블리를 가로질러 주름 형태로 앞뒤로 횡단하고, 플레이트 어셈블리(10)의 한쪽 단부에서 다른 쪽 단부로 그 안에서 흐르는 유체들을 가이드하도록 각각의 순서로 복수의 애노드 채널 통로들(16)을 생성한다. 도 1b에 관하여, 캐소드 측으로부터의 플레이트 어셈블리(10)의 평면도를 도시하고 있으며, 플레이트 어셈블리(10)는 사형 구성의 3개 캐소드 플로우 채널들(14a, 14b, 14c)을 포함한다(짙은 선은 캐소드 플로우 채널들(14a, 14b, 14c)의 중앙선을 나타낸다). 이러한 구성에서, 캐소드 플로우 채널들(14a, 14b, 14c) 각각은 플레이트 어셈블리(10)를 가로질러, 예를 들면 플레이트 어셈블리의 폭을 가 로질러 주름 형태로 앞뒤로 횡단하며, 플레이트 어셈블리(10)의 한쪽 단부에서 반대 단부로 그 안에서 흐르는 유체들을 가이드하도록 각각의 순서로 복수의 캐소드 채널 통로들(18)을 생성한다. 종래 기술의 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리에서, 각각의 캐소드 플로우 통로(18)는 정렬되고 애노드 플로우 통로(16)와 오버랩핑한다.
도 2는 연료 전지 구성에서 도 1a 및 도 1b의 단면 A-A에 있어서 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리(10)의 단면도를 도시한다. 연료 전지(28)는 애노드 플로우 채널(12)을 가지는 애노드 플로우 필드를 포함하는 애노드 플로우 필드 플레이트(20a)와, 캐소드 플로우 채널들(14a, 14b, 14c)을 가지는 캐소드 플로우 필드를 포함하는 캐소드 플로우 필드 플레이트(22)와, 애노드 플로우 필드 플레이트(20a) 및 캐소드 플로우 필드 플레이트(22) 사이에 삽입되는 멤브레인 전극 어셈블리(24)(이후 "MEA"로 칭해짐)를 포함한다. 종래의 연료 전지 구성에서, 캐소드 플로우 필드 플레이트(22)의 각각의 캐소드 플로우 통로(18)는 정렬되고 애노드 플로우 필드 플레이트(20a)의 애노드 플로우 통로(16)와 오버랩핑한다. 연료 전지 스택 구성에서, 인접한 연료 전지의 인접한 애노드 플로우 필드 플레이트(20b)는 캐소드 플로우 필드 플레이트(22)의 마주보는 표면에(즉, 냉각제 플로우 채널들(26)에) 배치된다.
이 실시예에서, 캐소드 플레이트(22)는 애노드 및 캐소드 플로우 채널들의 반응물 및 생성 유체들로부터의 열을 제거하기 위해 연료 전지를 통해 냉각제, 예를 들면 물, 글리콜, 또는 그것의 혼합물의 흐름을 허용하도록 플레이트(22)의 마 주보는 표면에 냉각제 플로우 채널들(26)을 가지는 냉각제 플로우 필드를 또한 포함하며, 이로써 연료 전지 동작 동안에 최적의 온도로 연료 전지를 유지하고 MEA에의 손상을 방지하게 된다. 추가적으로, 또는 대안으로, 냉각제 플로우 필드는 애노드 플로우 필드 플레이트(도시되지 않음)의 마주보는 표면에 형성될 수 있다. 애노드 플로우 필드 플레이트(20b) 및 캐소드 플로우 필드 플레이트(22)는 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리(28)를 형성하며, 캐소드 플로우 필드 플레이트(22)의 각각의 캐소드 플로우 통로(18)는 정렬되고 애노드 플로우 필드 플레이트(20b)의 애노드 플로우 통로(16)와 오버랩핑한다.
애노드 플레이트(20a)의 애노드 플로우 필드에서 애노드 채널 통로(16) 각각은 애노드 랜딩(30)에 의해 분리되고, 마찬가지로 캐소드 플레이트(22)의 캐소드 플로우 필드에서 캐소드 채널 통로(18) 각각은 캐소드 랜딩(32)에 의해 분리된다. 종래의 플레이트에서, 애노드 플로우 필드의 피치(34)는 캐소드 플로우 필드의 피치(36)와 동일하다. 종래에서 통상적으로 공지된 바와 같이, 플로우 필드의 피치는 한 플로우 채널 또는 채널 통로의 중앙(즉, 중앙선)에서 인접한 랜딩의 중앙(즉, 중앙선)까지의 거리로서 정의된다. 다시 말하면, 피치는 인접한 플로우 채널들 또는 채널 통로들 간의 거리의 반이다.
연료 전지 또는 연료 전지 스택의 동작 동안에, 일정 양의 압력은 연료 전지(들)(또는, 연료 전지(들)의 바이폴라 플로우 필드 플레이트들의 흐름 채널들)에 반응물 유체들을 전달하는데, 그리고 다른 연료 전지 시스템 구성 성분들을 작동시키는데 통상적으로 요구되며, 그것 모두는 연료 전지의 동작 압력을 조정한다. 따 라서, 반응물 스트림들(streams)에는 통상적으로 압축기, 펌프, 송풍기, 팬 등에 의해 동작 압력이 가해진다. 대부분의 경우에서, 최저 동작 압력은 애노드 및 캐소드 반응물 스트림들에 압력을 가하는데 요구되는 기생 전력의 양을 최소화하는데 바람직하다. 또한, 애노드 플로우 채널에 화학량적으로 요구되는 양의 연료만을, 또는 화학량적으로 요구되는 양에 근접한 양을 공급하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이것은 연료 전지(들)에서 배출되는 과도한 양의 연료를 줄이고, 이로써 연료 이용률 및 효율을 증가시킬 수 있기 때문이다.
그러나, 낮은 압력 및 낮은 전력 동작 조건들 하에서 도 1A 및 도 1B 및 도 2에 도시된 구성에서 플로우 필드 플레이트들에 통합한 연료 전지 또는 연료 전지 스택을 동작시킬 때, 불안정한 성능이 관찰된다. 이론에 상관없이, 애노드 플로우 채널에 흐르는 유체(들)가 이러한 동작 조건들에서 캐소드에서 애노드로 이동하는 물을 제거하기에 불충분한 속도로 공급된다고 생각된다.
연료 전지들의 낮은 압력 동작은 애노드 플로우 채널의 단면 영역을 감소시키는 동시에 애노드 플로우 채널의 길이를 감소시킴으로써 강화될 수 있다는 것이 놀랍게도 발견되었다. 이로써 종래의 바이폴라 플로우 필드 플레이트에서 단일의 비교적 긴 사형 애노드 플로우 채널과 동일한 총 플로우 채널 압력을 가질 수 있게 된다. 결국, 단위 길이당 압력 강하는 동작 동안에, 특히 낮은 압력 및 낮은 전력 동작하에서 애노드 플로우 채널 및/또는 애노드 전극에 형성되는 물방울을 제거할 정도로 충분한 구동력을 생성하도록 증가될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블 리(62)의 애노드 플로우 채널 구성 및 캐소드 플로우 채널 구성 각각의 평면도를 도시한다.
도 3a에서, 애노드 플로우 필드 플레이트(42)는 사형 구성(다시 말하면, 플로우 채널의 중앙선을 나타내는 선들)으로 단일 애노드 플로우 채널(44)을 가지는 애노드 플로우 필드를 포함한다. 애노드 플로우 채널(44)은 연료 입구 매니포울드 개구(46)로부터 공급되는 연료, 예를 들면 수소-함유 연료를 전송하고, 과도한 연료 및 불활성 기체를 연료 출구 매니포울드 개구(48)에 배출한다. 다시 말하면, 애노드 플로우 채널(44)의 사형 구성은 플로우 채널이 애노드 플로우 필드 플레이트(42)를 가로질러 앞뒤로 횡단할 때 복수의 애노드 채널 통로(50)를 생성하며, 이 경우에 연료 입구 매니포울드 개구(46)에서 연료 출구 매니포울드 개구(48)로 플레이트의 폭을 가로질러 횡단한다. 단일 사형 애노드 플로우 채널의 사용으로 낮은 압력 동작 동안에 그 안에서 형성/모여진 임의 액체 물을 제거하도록 연료의 최대 유속을 가능해진다.
동일하게는, 도 3b에서, 캐소드 플로우 필드 플레이트(52)는 꾸불꾸불한 구성으로 캐소드 플로우 채널들(54a, 54b, 54c)을 가지는 캐소드 플로우 필드를 포함한다. 캐소드 플로우 채널들(54a, 54b, 54c)은 산화제 공급 매니포울드 개구(56)로부터 공급되는 산화제를 전송하고, 과도한 산화제 및 생성물들을 산화제 출구 매니포울드 개구(58)에 배출한다. 다시 말하면, 캐소드 플로우 채널들(54a, 54b, 54c)의 사형 구성은 플로우 채널들이 캐소드 플로우 필드 플레이트(52)를 가로질러 앞뒤로 횡단할 때 복수의 채널 통로들(60)을 생성하며, 이 경우에 산화제 입구 매 니포울드 개구(56)에서 산화제 출구 매니포울드 개구(58)로 플레이트의 폭을 가로질러 횡단한다.
도 4는 연료 전지 구성에서 도 3A 및 도 3B의 단면 B-B에서 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리(62)의 단면도를 도시한다. 연료 전지(40)는, 애노드 플로우 채널(44)(복수의 애노드 채널 통로들(50), 캐소드 플로우 필드 플레이트(52)를 형성함)을 가지는 애노드 플로우 필드를 포함하고, 캐소드 플로우 채널들(54a, 54b, 54c)(복수의 캐소드 채널 통로들(60)을 형성함)을 가지는 캐소드 플로우 필드를 포함하는 애노드 플로우 필드 플레이트(42a)와, 애노드 플로우 필드 플레이트(50a)와 캐소드 플로우 필드 플레이트(52) 사이에 삽입되는 MEA(24)를 포함한다. 각각의 애노드 채널 통로(50)는 연료 전지에서 적절한 가스-가스 액세스를 제공하도록 정렬되고 교차하는 캐소드 채널 통로들(60)과 오버랩핑한다. 예를 들면, 각각의 애노드 채널 통로(50)의 중앙(중앙선)은 정렬되고 교차하는 캐소드 채널 통로들(60)의 중앙(또는 중앙선)을 오버랩핑한다. 따라서, 애노드 피치(34)는 캐소드 피치(36)의 두 배이다. 이것은 도 1에 도시된 종래의 연료 전지 구성과 반대이며, 모든 캐소드 채널 통로(18)는 정렬되고 애노드 채널 통로(16)를 오버랩핑한다. 또한, 본 발명의 각각의 오버랩핑 애노드 및 캐소드 플로우 통로들에서 유체 흐름의 방향은 같은-흐름(동일 방향으로 흐름) 또는 반대-흐름(반대 방향으로 흐름)일 수 있으며, 이것은 인접한 오버랩핑 애노드 및 캐소드 플로우 통로들과 동일하거나 또는 동일하지 않을 수 있다. 일 실시예에서, 오버랩핑 애노드 및 캐소드 플로우 통로들 중 적어도 일부는 같은-흐름이고 오버랩핑 애노드 및 캐소드 플로우 통로들 중 나머지 부분은 반대-흐름일 것이다.
본 발명의 낮은 압력 동작을 더 용이하게 하기 위해서, 애노드 플로우 채널(44) 및 캐소드 플로우 채널들(54a, 54b, 54c)은 낮은 압력 강하, 예를 들면 150mbar 이하를 가지도록 설계될 수 있다.
어떤 실시예에서, 애노드 플로우 채널(44)의 폭과 애노드 랜딩(30)의 폭의 비율은 약 1:3보다 크거나 또는 같다. 다른 실시예들에서, 총 애노드 플로우 필드 플레이트 액티브 영역에 대한 총 애노드 채널 영역의 비율은 약 3:10 이하다(또는, 다시 말하면, 총 애노드 플로우 채널 영역은 총 애노드 플로우 필드 플레이트 액티브 영역의 약 30% 이하이다). 이 문맥에서, 총 애노드 플로우 채널 영역은 연료 입구 매니포울드에서 연료 출구 매니포울드로의 애노드 플로우 채널의 총 길이가 곱해진 애노드 플로우 채널의 폭이 되도록 정의되며, 총 애노드 플로우 필드 플레이트 액티브 영역은 MEA의 애노드 전극에 인접한 애노드 플로우 필드 플레이트의 총 영역으로서 정의된다.
애노드 플로우 채널(44)에서 형성되는 액체 물의 제거를 더 강화하기 위하여, 각 연료 전지의 애노드 및 캐소드 플로우 필드 플레이트들의 열 전달률은, 캐소드에서의 물 축합을 강화하기 위하여 애노드 플로우 채널(12)의 유체들에서 보다 더 많은 열일 캐소드 플로우 채널들(54a, 54b, 54c)의 유체들에서 제거되도록 될 수 있다. 낮은 압력 및 낮은 전력 동작 조건들에서, 애노드 플로우 채널들에 전달되는 중량의 연료와 비교하여 산화제로서 공기를 사용할 경우(왜냐하면 공기가 단지 21% 산소만을 포함하기 때문이다) 비교적 높은 부피의 산화제가 캐소드 플로우 채널들에 공급되기 때문에 캐소드에 물을 유지하는 것이 바람직하다.
한 일례에서, 애노드 및 캐소드 플로우 필드 플레이트들의 열 전달 특성은, 애노드 플로우 채널보다 더 많은 열이 캐소드 플로우 채널들로부터 제거되도록, 애노드 플로우 필드 플레이트의 웹 두께가 캐소드 플로우 플레이트의 웹 두께보다 더 크도록 플레이트들의 웹 두께를 변화시킴으로써 다양해질 수 있다. 이 문맥에서, 웹 두께는 플로우 채널들의 저부에서 각각의 플로우 필드 플레이트의 마주보는 표면(또는 뒤면)까지의 단면 거리로 정의된다. 애노드 또는 캐소드 플로우 필드 플레이트의 마주보는 제 2 표면이 냉각제 플로우 채널들을 가지는 냉각제 플로우 필드를 포함하는 경우에, 웹 두께는 애노드 또는 캐소드 플로우 채널의 저부에서 냉각제 플로우 채널의 저부까지의 거리로서 정의된다. 또 다른 일례에서, 애노드 및 캐소드 플로우 필드 플레이트들의 플로우 필드 플레이트 재료들은, 애노드 플로우 필드 플레이트의 열 전도율이 캐소드 플레이트의 열 전도율보다 낮도록 상이할 수 있다. 따라서, 애노드 플로우 채널보다 더 많은 열이 캐소드 플로우 채널로부터 제거될 수 있다.
전술된 실시예에서, 3개의 사형 캐소드 플로우 채널들이 캐소드 플로우 필드 플레이트에서 설명되었다. 그러나, 하나, 2개, 4개 이상의 캐소드 플로우 채널들이 캐소드 플로우 채널 길이 및/또는 단면 영역을 변화시킴으로써 사용될 수 있다는 것을 이해하게 된다. 게다가, 곧은 캐소드 플로우 채널들은 어떤 경우들에서 사용될 수 있으며, 본 발명의 범위 내에 있다. 또한, 동작 동안에 적정 유속을 보증하기 위하여 애노드 플로우 채널들의 압력 강하를 증가시킴으로써 하나 이상의 사형 애노드 플로우 채널을 사용할 수 있다. 게다가, 어떤 실시예들에서는, 애노드 및 캐소드 채널 통로들은, 각각의 애노드 채널 통로가 정렬되고, 교차하는 캐소드 채널 통로들 대신에 제 3 또는 제 4 캐소드 채널 통로마다 오버랩핑하며, 그 경우에 애노드 플로우 필드의 피치는 캐소드 플로우 필드의 피치 2배 이상이다. 또한, 입구 및 출구 매니포울드 개구들의 크기, 형태 및 위치는 상기 도면들에서 도시되는 것에 한정되지 않음을 이해하게 된다.
이하의 일례들은 본 발명의 임의 양태들 및 실시예들을 설명하기 위해 제공되고 있지만, 임의 방법에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다.
실시예들
실시예 1
바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리들
2개의 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리들은 표 1에 명시된 크기들로 만들어진다;
표 1
Anode#1 플로우 필드 플레이트 Anode#2 플로우 필드 플레이트 캐소드 플로우 필드 플레이트
랜딩 폭(mm) 1.35 4.14 1.11
채널 폭(mm) 1.41 1.38 1.65
채널 피치(mm) 2.76 5.52 2.76
채널 길이(mm) 3598 1804 1191
채널 단면 영역(mm2) 1.34 0.969 1.166
압력 강하(mbar) 150 150 120
채널 폭에 대한 랜딩 비율 0.96 3 0.67
채널들의 수 1 1 1
구성 사형 사형 사형
제 1 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리(종래 기술)는 표 1의 캐소드 플로우 필드 플레이트와 함께 결합된 Anode#1 플로우 필드 플레이트로 형성된다. 종래의 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리에서, 모든 캐소드 채널 통로는 정렬되고 애노드 채널 통로와 오버랩핑된다. 따라서, Anode #1 애노드 플로우 필드 플레이트의 피치는 캐소드 플로우 필드 플레이트의 피치와 동일하다.
본 발명의 실시예에 따라, 제 2 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리는 표 1의 캐소드 플로우 필드 플레이트와 함께 결합된 Anode #2 플로우 필드 플레이트로 형성된다. 이 바이폴라 플로우 필드 플레이 어셈블리에서, 각각의 애노드 채널 통로는 정렬되고 교차하는 캐소드 채널 통로들과 오버랩핑한다. 따라서, 애노드 플로우 필드 플레이트의 피치는 캐소드 플로우 필드 플레이트의 피치의 두 배이다.
실시예 2
연료 전지들의 테스팅
상기 실시예 1에서 기술되는 바이플로라 플로우 필드 플레이트 어셈블리들을 사용하는 2개의 44-셀 연료 전지 스택들은 어셈블리되고 표 2에서 열거되는 조건들 하에서 테스팅된다:
표 2
조건들
전류(A/cm2) 0.078
연료 스토우익 1.45
공기 스토우익 2.5
연료 압력(mbarg) 55
기압(mbarg) 41
연료 습윤 온도(℃) 56
산화제 습윤 온도(℃) 59
냉각제 입구 온도(℃) 57
냉각제 출구 온도(℃) 61
연료 타입 74% 수소, 20% 이산화탄소, 6% 질소
산화제 타입 공기
공기 블리드(부피 %) 1
이러한 테스팅 결과는 도 5 및 6에 표시된다. 도 5는 종래의 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리를 사용하는 44-셀 연료 전지 스택의 평균 성능을 도시한다. 연료 전지 스택의 평균 셀 전압은 7시간 동작동안에 불규칙하고, 그 시간 동안에 느리게 감소한다. 셀 전압들의 표준 편차는 또한 상당히 변동되고, 불안정한 성능을 나타낸다. 뚜렷한 대조에서, 도 6은 본 발명의 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리를 사용하는 44-셀 연료 전지 스택의 평균 성능을 도시한다. 성능은 평균 셀 전압에서 낮은 표준 편차로 24시간 동안에 안정적이다. 따라서, 도 7 및 도 8에서 설명되는 결과는 본 발명의 애노드 및 캐소드 플로우 채널 구성이 낮은 압력 및 낮은 전력 동작 조건들에서 연료 전지 성능 및 안정성을 상당히 향상시킴을 도시한다.
본 발명의 특정 구성요소들, 실시예들, 응용들이 도시되고 기술되고 있지만, 당업자들에 의해 본 발명의 사상 및 범위 내에서, 특히 앞서 말한 교시에 비추어서 수정이 행해질 수 있으므로 본 발명은 그것에 한정되지 않음을 이해하게 된다.

Claims (12)

  1. 애노드 전극, 캐소드 전극, 그 사이에 개재된 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane), 상기 애노드 전극에 인접한 애노드 플로우 필드(anode flow field), 및 상기 캐소드에 인접한 캐소드 플로우 필드(cathode flow field)를 포함하는 연료 전지(fuel cell)에 있어서,
    상기 애노드 플로우 필드는 적어도 하나의 애노드 채널 통로와 상기 애노드 전극에 인접한 제 1 표면에 적어도 하나의 애노드 랜딩(landing)을 갖고, 애노드 플로우 필드 피치(anode flow field pitch)를 구비하는 단일 사형 애노드 플로우 채널(single serpentine anode flow channel)을 포함하고,
    상기 캐소드 플로우 필드는 복수의 캐소드 플로우 채널 통로들과 상기 캐소드 전극에 인접한 제 1 표면의 캐소드 랜딩들을 갖고, 캐소드 플로우 필드 피치를 구비하는 복수의 캐소드 플로우 채널들을 포함하고,
    각각의 애노드 채널 통로는 정렬되고 캐소드 채널 통로와 오버랩핑하며, 상기 애노드 플로우 필드의 피치는 상기 캐소드 플로우 필드의 피치의 적어도 2배인, 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 애노드 랜딩의 폭에 대한 상기 적어도 하나의 사형 애노드 플로우 채널의 폭의 비율은 적어도 약 1:3인, 연료 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 플로우 필드는 애노드 플로우 채널 영역 및 애노드 플로우 필드 액티브 영역을 포함하고, 상기 애노드 플로우 필드 액티브 영역에 대한 상기 애노드 플로우 채널 영역의 비율은 약 3:10 이하인, 연료 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 플로우 필드의 피치는 상기 캐소드 플로우 필드의 피치의 2배인, 연료 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    각각의 애노드 채널 통로의 중앙선은 정렬되고 교차하는 캐소드 채널 통로의 중앙선과 오버랩핑하는, 연료 전지.
  6. 제 1 항의 복수의 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택.
  7. 애노드 플로우 필드 및 캐소드 플로우 필드를 포함하는 연료 전지용 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리(bipolar flow field plate assembly)에 있어서,
    상기 애노드 플로우 필드는 적어도 하나의 애노드 채널 통로와 제 1 표면에 적어도 하나의 애노드 랜딩을 가지는 단일 사형 애노드 플로우 채널을 포함하고,
    상기 캐소드 플로우 필드는 복수의 캐소드 플로우 채널 통로와 제 1 표면에 캐소드 랜딩들을 가지는 적어도 하나의 사형 캐소드 플로우 채널을 포함하고,
    각각의 애노드 채널 통로는 정렬되고 교차하는(alternating) 캐소드 채널 통로와 오버랩핑하는, 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 애노드 랜딩의 폭에 대한 상기 사형 애노드 플로우 채널의 폭의 비율은 적어도 약 1:3인, 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 애노드 플로우 필드는 애노드 플로우 채널 영역 및 애노드 플로우 필드 액티브 영역을 더 포함하고, 상기 애노드 플로우 필드 액티브 영역에 대한 상기 애노드 플로우 채널 영역의 비율은 약 3:10 이하인, 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리.
  10. 제 7 항에 있어서,
    각각의 애노드 채널 통로의 중앙선은 정렬되고 상기 교차하는 캐소드 채널 통로의 중앙선과 오버랩핑하는, 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 플레이트 재료는 금속제, 탄소질, 흑연, 또는 고분자 재료인, 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 애노드 플로우 필드 및 상기 캐소드 플로우 필드 중 적어도 하나의 마주보는 제 2 표면에 냉각제 플로우 필드를 더 포함하는, 바이폴라 플로우 필드 플레이트 어셈블리.
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