KR20100115391A - 연료 전지 내의 수분 분배를 관리하기 위한 흡수 층 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연료 전지 내의 수분 함량을 관리하기 위한 예시적인 장치는, 플레이트의 적어도 일 측부상에 개방되는 반응물 유동 채널을 형성하는 복수의 부재를 구비한 반응물 분배 플레이트를 포함한다. 흡수 층은 플레이트의 일 측부에 대면한다. 흡수 층은 단절되지 않으면서 채널의 적어도 일부 위를 덮는 제1 부분을 포함한다. 흡수 층의 제2 부분은 부재의 적어도 일부의 단부들을 따라 연장함으로써, 제2 부분과 같은 길이를 갖는 채널의 구역이 일 측부를 향해 개방되게 한다.

Description

연료 전지 내의 수분 분배를 관리하기 위한 흡수 층{WICKING LAYER FOR MANAGING MOISTURE DISTRIBUTION IN A FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지 내의 수분 함량을 관리하기 위한 장치에 관한 것이다.
다양한 연료 전지 구조가 공지되어 있다. 많은 연료 전지는 촉매 층들 사이에 폴리머 전해질 막(PEM)을 구비하는데, 촉매 층들에서는 전기를 발생시키기 위해 전기 화학 반응이 일어난다. 다양한 종류의 PEM 연료 전지가 있다. 그 일부는 각각의 촉매 층과 관련된 고체 반응물 분배 유동장 플레이트를 구비한다. 현존하는 고체 반응물 분배 플레이트는 예를 들어, 금속 또는 탄소 복합재로 제조된다.
고체 반응물 분배 플레이트를 포함하는 PEM 연료 전지와 관련하여 발생하는 한가지 문제점은, 건조에 의해 하나 이상의 연료 전지 부품이 손상을 입을 수 있는 있다는 것이다. 이러한 문제는 연료 전지 스택 조립체의 연료 및 공기 유입구 부근에서 특히 보편적으로 나타난다. 유입구에서의 가스 스트림의 불완전한 포화는 그 영역에서의 연료 전지 부품의 건조 가능성을 증가시킨다.
연료 전지의 건조를 최소화하기 위한 경제적이고 효율적인 방법이 필요하다. 본 발명은 이러한 필요성을 다룬다.
연료 전지 내의 수분 함량을 관리하기 위한 예시적인 장치는, 플레이트의 적어도 일 측부에서 개방되는 반응물 유동 채널을 형성하는 복수의 부재를 구비한 반응물 분배 플레이트를 포함한다. 흡수 층은 플레이트의 일 측부에 대면한다. 흡수 층은 단절되지 않으면서 응축존으로서 언급될 수 있는 영역의 채널의 적어도 일부 위를 덮는 제1 부분을 포함한다. 흡수 층의 제2 부분은 부재의 적어도 일부의 단부들을 따라 연장함으로써, 제2 부분과 같은 길이를 갖는 채널의 구역이 일 측부를 향해 개방되게 한다. 개방 채널은 반응물 가스가 촉매 층으로 운반되게 한다.
연료 전지 조립체 내의 수분 분배를 관리하는 예시적인 방법은 반응물 분배 플레이트와 가스 확산 층 사이에 흡수 층을 위치시키는 단계를 포함한다. 반응물 분배 플레이트의 적어도 일부의 가스 유동 채널의 일 부분은 흡수 층의 제1 부분으로 덮인다. 가스 유동 채널의 다른 부분은 흡수 층의 제2 부분을 따라 노출 및 개방된 채로 남겨진다.
개시된 예시의 다양한 특징 및 이점은 하기의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 상세한 설명을 수반한 도면은 하기에 간략하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 연료 전지 조립체를 개략적으로 도시한다.
도 2는 예시적인 흡수 층의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 3은 다른 예시적인 흡수 층의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 4는 예시적인 냉각제 채널의 구조를 개략적으로 도시한다.
개시된 예시는 연료 전지 내의 수분 함량을 관리하기에 유용한 흡수 층을 포함한다. 개시된 예시에서, 흡수 층은 예를 들어 연료 전지가 작동하는 동안 액상의 물을 빨아들이고 연료 전지의 건조부를 향해 액상의 물을 운반하거나 또는 흡수하기에 유용하다.
도 1은 촉매 층(32)과 촉매 층(34) 사이에 폴리머 전해질 막(30)을 포함하는 예시적인 연료 전지 조립체(24)의 선택부를 개략적으로 도시한다. 일 예시에서, 촉매 층(34)은 캐소드 층이며, 촉매 층(32)은 애노드 층이다. 가스 확산 층(36)은 폴리머 전해질 막(30)으로부터 촉매 층(32)의 반대 측부에 배치된다. 유사하게, 가스 확산 층(38)은 촉매 층(34)과 인접해 있다.
반응물 분배 플레이트(40 및 42)는 가스 확산 층(36 및 38)과 인접해 있다. 일 예시에서, 반응물 분배 플레이트(40 및 42)는 다공성이 아닌 적어도 하나의 고체층을 갖는 고체 플레이트를 포함한다. 일 예시에서, 반응물 분배 플레이트들 중 적어도 하나는 금속을 포함한다. 다른 예시에서, 반응물 분배 플레이트들 중 적어도 하나는 탄소 복합재를 포함한다.
도 1의 예시에서, 반응물 분배 플레이트(42)는 공지된 방식으로 공기 유동을 허용하는 복수의 채널(44)을 포함한다. 반응물 분배 플레이트(42)는 채널(44)을 형성하는 복수의 부재(48)를 포함한다. 이러한 예시에서, 부재(48)는 예를 들어 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 반응물 분배 플레이트(42)의 측방향 치수들 중 하나와 본질적으로 일치하는 길이를 갖는 리브를 포함한다.
흡수 층(46)은 반응물 분배 플레이트(42)와 가스 확산 층(38) 사이에 위치된다. 이러한 예시의 흡수 층(46)은 전기적 전도성을 갖는다. 일 예시적인 흡수 층(46)은 친수성 탄소를 포함한다. 다른 예시에서, 흡수 층(46)은 산화 주석 처리된 토레이(TORAY)(예를 들어, 탄소 섬유) 페이퍼를 포함한다.
흡수 층(46)의 일 예시적인 구조는 도 2에 도시된다. 이러한 예시의 흡수 층(46)은, 반응물 분배 플레이트(42)의 전체 폭(예를 들어, 도면에서의 좌우 폭) 에 걸쳐 연장하고 본질적으로 그와 같은 길이(coextensive)를 갖는 제1 부분(50)을 갖는다. 제1 부분(50)은 반응물 분배 플레이트(42)의 응축 존(52)을 덮는다. 이러한 예시의 제1 부분(50)은 응축 존(52)의 채널(44) 위를 덮는다. 이러한 예시의 제1 부분(50)은 흡수 층(46)을 위해 선택된 재료로 된 연속적인, 단절되지 않은 시트이다.
흡수 층(46)의 제2 부분(54)은 채널(44)을 전혀 덮지 않으면서 부재(48)(예를 들면, 리브)의 단부들과 본질적으로 같은 길이를 갖는 분리된 또는 이격된 구역을 포함한다. 흡수 층(46)의 제2 부분(54)은 도 1에서 볼 수 있다. 제2 부분(54)의 구역은 부재(48)의 단부들을 따라 위치되기 때문에 흡수 층(46)은 그 위치의 공기 채널(44)을 덮거나 막지 않는다. 이러한 구성은, 흡수 층(46)이, 적어도 채널(44)의 활성 존(56)을 따라 촉매 층으로 접근하는 가스를 방해하는 것을 막는다. 반응물 분배 플레이트(42)의 활성 존(56)은 채널(44)의 길이를 따르는 존으로서, 활성 존에서는 촉매 층으로 접근하는 가스를 수반하는 전기 화학 반응이 발생한다. 흡수 층(46)은 활성 존에서, 효율적인 연료 전지 작동을 위한 필요에 따라, 반응물의 촉매 층으로의 접근을 허용하는 이러한 방식으로 구성된다.
응축 존(52)은 활성 존(56)의 일부일 수 있다. 이러한 예시에서, 흡수 층(46)의 제1 부분(50)은 응축 존이 존재하는 활성 존(56)을 부분적으로 덮을 수 있다. 이와 달리, 흡수 층의 제2 부분(54)은 활성 존(56) 내에 존재하는 응축 존의 일부를 포함하는 전체 활성 영역 위로 연장한다.
제2 부분(54)은, 반응물 분배 플레이트(42)의 폭을 가로지르는 방향에서 볼 때 [예를 들어, 채널(44)을 통한 기류의 방향에 횡단하는 방향으로 볼 때] 제2 부분(54)은 연속적이지 않고 단절된다는 점에서 제1 부분(50)과는 다르다. 연속된 제1 구역(50)이 응축 존(52)에 갖춰지고 단절된 제2 부분(54)이 활성 존에 갖춰지면, 촉매 층에 접근하는 가스를 방해하지 않으면서 흡수 층(46)을 따르는 수분 분배의 양이 증가된다.
예시적인 흡수 층(46)은 응축 존(52)으로부터 분배 플레이트(42)의 공기 유입 측부(60)로 수분(예를 들면, 물)을 운반하도록 구성된다. 공지된 바와 같이, 촉매 측 반응물 분배 플레이트(46)에 공급되는 공기는 건성이다. 응축 존(52)을 포함하는 반응물 분배 플레이트의 측부의 채널(44)에서 배출되는 공기는 일반적으로 유입구의 공기와 비교하여 고 농도의 수분을 함유한다. 유입구에서의 수분의 부족은 적어도 반응물 분배 플레이트(42)의 대응 부분들을 건조시키는 경향이 있을 수 있다.
응축 존은, 배출 공기 유동 내의 수분이 응축되고 액상의 물로서 가스 스트림으로부터 제거되는 위치에 있기 때문에 이와 같이 명명된다. 흡수 층(46)은 반응물 분배 플레이트(42)의 공기 유입 측부(60)를 향해 이러한 물을 운반하도록 배치된다. 제1 부분(50)은, 반응물 분배 플레이트(42)의 공기 유입 측부(60)를 향해 흡수 층(46)을 통해 운반되는 물의 양을 증가시키거나 최대화하기 위해 본질적으로 전체 응축 존에 걸쳐 연장한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 설명된 예시는 응축을 촉진하기 위해 배출 공기를 냉각하도록 배치된 냉각제 유동 채널(72) 및 냉각제 유입구(70)를 포함한다. 이러한 예시에서, 냉각제 유입구(70)는 통상적으로 65℃ 이하의 냉각제를 전지로 도입하는데 사용된다. 냉각제 유동 채널(72)은 공기 유동 채널(44)로부터 분리된다. 냉각제 채널(72)은 도 2 및 도 3에서 볼 때 공기 유동 채널(44) 아래에 있다.
이러한 예시의 냉각제 유동 채널(72)은 응축 존(52)에서 개시된 후에, 건조한 유입 공기를 냉각시키기 위해 공기 유입 측부(60) 아래로 냉각제를 유도한다. 이후, 냉각제 채널은 활성 존(56) 아래에서 구부려지고, 응축 존(52)과 활성 존(56) 사이의 계면(73) 부근을 벗어난다. 냉각제 출구는 도면 부호 74로 도시된다.
흡수 층(46)을 따르는 물의 이동은 전지 내의 수압 변화의 결과로서 발생한다. 일 예시는 응축 존(52) 부근의 출구 측부와 유입 측부(60) 사이의 압력차를 최소로 하도록 설계된 구조를 포함하는데, 이는 흡수 층(46)의 흡수 작용이 너무 큰 압력차에 대항하여 작용할 수 없다는 점에 기인한다. 일 예시는 단일의 관통 공기 유동 구성을 포함하는데, 이러한 구성에서 공기 채널(44)은 활성 존(56)을 가로지르는 최단 경로를 취한다. 채널(44)의 경로 길이는, 가스와 액상의 압력 저하를 감소시키기 위해 큰 종횡비를 갖는 전지를 설계함으로써 사실상 최소화된다. 일 예시에서, 활성 존(56)의 필요 영역은 200cm2이고, 채널은 71mm 길이를 갖고, 활성 존은 283mm의 폭을 갖는다. 이러한 예시는 압력 저하를 최소화하고, 충분한 흡수 작용[예를 들어, 응축 존(52)으로부터 유입 측부(60)를 향한 물의 운반]을 용이하게 한다.
다른 예시적인 흡수 층(46)이 도 3에 도시된다. 이러한 예시에서, 흡수 층(46)은 도 2의 예시에서와 같은 제1 부분(50) 및 제2 부분(54)을 포함한다. 그러나, 이러한 예시에서, 제1 부분(50)으로부터 원 위에 있는 흡수 층(46)의 단부는 제3 부분(80)을 포함한다. 이러한 예시에서, 제3 부분(80)은 채널(44) 위를 덮는 흡수 층 재료로 된 연속적인, 단절되지 않은 시트이다. 활성 존(56)은 채널(44) 내의 가스가 촉매 층에 접근하게 허용하는 덮이지 않은 채널(44)을 여전히 포함한다.
도 3의 예시에서, 연료 유동 채널(82)은 채널(44) 내의 공기 유동의 방향과 반대인 연료 유동의 방향을 제공하도록 배치된다. 이러한 방향으로의 연료 유동의 유도는 막을 가로지르는 물의 교환을 최대화할 수 있다. 이러한 예시에서, 연료 분배 채널(84)은 응축 존(52) 부근의 출구 측부 및 공기 유입 측부(60) 부근의 비활성 영역에 위에 위치된다. 도 3의 예시에서 흡수 층의 제1 부분(50) 및 제3 부분(80)은 대응하는 비활성 영역에 배치된다.
일부 예시에서, 흡수 층(46)의 주연부는 수분 분배가 소망되는 영역에서 물이 누설되는 것을 막도록 밀봉된다. 이러한 일 예시는 양호한 밀봉을 성취하기 위해 반응물 분배 플레이트(42)에 흡수 층의 주연부를 접합시키는 것을 포함한다.
예시적인 흡수 층(46)의 일 특징은, 별도의 가습 장치를 요구하지 않으면서 전지 내의 물을 분배하기 위해 수압을 이용한다는 것이다.
예시적인 흡수 층(46)은 가스 확산 층(38) 내의 공극과 비교하여 작은 공극을 가질 수 있다. 흡수 층(46) 내의 공극은 가스 확산 층(38) 내의 공극보다 더 친수성이다. 이는, 흡수 층(46)이 가스 확산 층(38)에서 빠져나온 물을 견인하는 것을 용이하게 한다. 이러한 구성의 일 특징은, 전극으로의 산소 확산을 증가시킨다는 것이다.
전술된 예시적인 흡수 층(46)은 예시적인 전지의 캐소드 측부상의 가스 확산 층(38)과 반응물 분배 플레이트(42) 사이에 위치된다. 통상적으로 캐소드 측부에서 더 많은 물이 생성된다. 예시적인 흡수 층(46)은 또한 전지의 애노드 측부에 이용될 수도 있다.
전술된 기재는 사실상 제한적인 것이라기보다 예시적인 것이다. 본 발명의 본질을 벗어나지 않고 기재된 예시에 대한 변경 및 수정이 당업자에게 명백할 수 있다. 법적인 보호 범위는 단지 첨부된 청구항을 검토함으로써 결정된다.

Claims (16)

  1. 연료 전지 내의 수분 함량을 관리하기 위한 장치이며,
    반응물 분배 플레이트로서, 상기 플레이트의 적어도 일 측부에서 개방되는 반응물 유동 채널을 형성하는 복수의 부재를 갖는 반응물 분배 플레이트와,
    상기 플레이트의 일 측부에 대면하는 흡수 층을 포함하고,
    상기 흡수 층은 단절되지 않으면서 채널의 적어도 일부 위를 덮는 제1 부분 및 부재의 적어도 일부의 단부들을 따라 연장하는 제2 부분을 포함함으로써, 제2 부분과 같은 길이를 갖는 채널의 구역이 일 측부를 향해 개방되게 하는
    수분 함량 관리용 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    흡수 층의 제1 부분은 반응물 분배 플레이트의 응축 존과 대체로 같은 길이를 갖는
    수분 함량 관리용 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    흡수 층의 제2 부분은 반응물 분배 플레이트의 활성 존을 따라 위치되는
    수분 함량 관리용 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    응축 존을 형성하기 위해 반응물 유동 채널 부근에 유입구를 갖는 냉각제 유동 채널을 포함하는
    수분 함량 관리용 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    흡수 층의 제2 부분은 반응물 분배 플레이트의 활성 존을 따라 위치되는
    수분 함량 관리용 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    흡수 층은, 단절되지 않으면서 반응물 분배 플레이트의 채널의 적어도 일부 위를 덮는 제3 부분을 포함하고, 제1 부분과 제3 부분은 제2 부분의 대향 단부들에 인접한
    수분 함량 관리용 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    제1 부분은 반응물 분배 플레이트의 응축 존 부근에 위치되고, 제2 부분은 반응물 분배 플레이트의 활성 존 부근에 위치되고, 제3 부분은 반응물 분배 플레이트의 채널의 가스 유입 측부 부근에 위치되는
    수분 함량 관리용 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    가스 확산 층을 포함하고,
    흡수 층은 가스 확산 층과 반응물 분배 플레이트의 사이에 위치하는
    수분 함량 관리용 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    흡수 층은 친수성 탄소를 포함하는
    수분 함량 관리용 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    흡수 층은 탄소 섬유를 포함하는 산화 주석 처리된 페이퍼를 포함하는
    수분 함량 관리용 장치.
  11. 연료 전지 조립체 내의 수분 분배를 관리하는 방법이며,
    반응물 분배 플레이트와 가스 확산 층 사이에 흡수 층을 위치시키는 단계와,
    반응물 분배 플레이트의 적어도 일부의 가스 유동 채널의 일 부분 위를 흡수 층의 제1 부분으로 덮는 단계와,
    가스 유동 채널의 다른 부분을 흡수 층의 제2 부분을 따라 개방 및 노출된 채로 남겨 놓는 단계를 포함하는
    수분 분배 관리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    가스 유동 채널의 적어도 일부의 다른 부분 위를 흡수 층의 제3 부분으로 덮는 단계를 포함하는
    수분 분배 관리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    흡수 층의 제2 부분은 제1 부분와 제3 부분의 사이에 있는
    수분 분배 관리 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    반응물 분배 플레이트의 응축 존 부근에 제1 부분을 위치시키는 단계를 포함하는
    수분 분배 관리 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    응축 존를 형성하기 위해 가스를 수용하는 가스 유동 채널의 일 부분 부근에 냉각제를 도입하는 단계를 포함하는
    수분 분배 관리 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    반응물 분배 플레이트의 활성 존을 따라 제2 부분을 위치시키는 단계를 포함하는
    수분 분배 관리 방법.
KR1020107022495A 2008-04-24 2008-04-24 연료 전지 내의 수분 분배를 관리하기 위한 흡수 층 KR20100115391A (ko)

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