KR20100120214A

KR20100120214A - 다방향 유동장을 갖는 연료 전지 플레이트

Info

Publication number: KR20100120214A
Application number: KR1020107020697A
Authority: KR
Inventors: 토미 스키바
Original assignee: 유티씨 파워 코포레이션
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2010-11-12
Also published as: US20110020723A1; JP2011517032A; CN101983451A; WO2009123638A1; EP2291877A1

Abstract

본원 발명의 예시적인 연료 전지 플레이트는 일 단부 근처의 입구 및 대향 단부 근처의 출구를 갖는 복수의 제1 유동장 채널을 포함한다. 제1 유동장 채널은 대응 입구로부터 대응 출구까지 복수의 제1 유체 유동 경로를 형성한다. 복수의 제2 유동장 채널은 일 단부 근처의 입구 및 대향 단부 근처의 출구를 가지며, 입구로부터 출구까지 복수의 제2 유체 유동 경로를 형성한다. 제1 유체 유동 경로 내의 유체 유동 방향은 제2 유체 유동 경로 내의 유체 유동 방향과 반대이다. 제2 유동장 채널 중 적어도 몇몇은 제1 유동장 채널들 중 2개의 사이에 존재한다.

Description

다방향 유동장을 갖는 연료 전지 플레이트 {FUEL CELL PLATE HAVING MULTI-DIRECTIONAL FLOW FIELD}

연료 전지는 전기화학적 반응 연료 전지에 기초하여 전기를 발생시키기 위해 사용된다. 몇몇 연료 전지 장치는 물 관리 문제를 갖는 솔리드 플레이트(solid plate)를 포함한다. 예를 들어, 솔리드 플레이트는 반응물 유동장을 형성하기 위해 종종 사용된다. 유동장으로 유입되는 가스는 대개 건조하며, 이는 연료 전지 입구 근처를 건조하게 하는 경향이 있다. 건조한 상태는 연료 전지 성능을 저하시키고 연료 전지의 유효 수명을 단축시킬 수 있다.

다른 한편으로, 가스가 유동장을 따라 이동함에 따라, 가스 유동에 유입되는 수분의 양이 증가하는 경향이 있다. 결과적으로, 배출 가스와 관련된 수분의 축적으로 인해 출구 측에 플러딩(flooding)의 가능성이 존재한다. 출구에서의 과도한 수분은 연료 전지 성능을 저하시킨다.

예시적인 연료 전지 플레이트는 일 단부 근처의 입구 및 대향 단부 근처의 출구를 갖는 복수의 제1 유동장 채널을 포함한다. 제1 유동장 채널은 대응 입구로부터 대응 출구까지 복수의 제1 유체 유동 경로를 형성한다. 복수의 제2 유동장 채널은 일 단부 근처의 입구 및 대향 단부 근처의 출구를 가지며, 입구로부터 출구까지 복수의 제2 유체 유동 경로를 형성한다. 제1 유체 유동 경로 내의 유체 유동 방향은 제2 유체 유동 경로 내의 유체 유동 방향과 반대이다. 제2 유동장 채널 중 적어도 몇몇은 제1 유동장 채널들 중 2개의 사이에 존재한다.

연료 전지 플레이트를 따라 수분 분포를 관리하는 예시적인 방법은 유동 방향을 복수의 제1 유동장 채널을 통해 제1 방향으로 배향하는 단계를 포함한다. 복수의 제2 유동장 채널을 통한 유동 방향은 제1 방향과는 반대 방향으로 배향된다. 제2 유동장 채널 중 적어도 몇몇은 제1 유동장 채널들 중 2개의 사이에 존재한다.

본 발명의 다양한 특징 및 장점들이 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명확해질 것이다. 상세한 설명에 뒤따르는 도면들은 다음과 같이 간략히 설명될 수 있다.

도 1은 예시적인 연료 전지 플레이트를 개략적으로 도시한다.
도 2는 다른 예시적인 연료 전지 플레이트를 개략적으로 도시한다.

도 1은 연료 전지 플레이트(20)를 개략적으로 도시하며, 본 예에서는 솔리드 플레이트이다. 예시적인 플레이트(20)는 독창적으로 구성된 유동장을 포함한다. 복수의 제1 유동장 채널(22)이 복수의 제1 유체 유동 경로를 형성한다. 복수의 제2 유동장 채널(24)이 복수의 제2 유체 유동 경로를 형성한다.

복수의 제1 유동장 채널(22)은 플레이트(20)의 일 단부(28) 근처에 입구(26)를 각각 갖는다. 복수의 제1 유동장 채널(22)은 플레이트(20)의 대향 단부(32) 근처에 출구(30)를 각각 갖는다.

제2 유동장 채널(24)은 플레이트(20)의 단부(32) 근처에 입구(34)를 각각 갖는다. 각각의 제2 유동장 채널(24)의 출구(36)는 플레이트(20)의 단부(28) 근처에 존재한다.

도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 구성된 입구 및 출구를 갖는 것은 제1 유동장 채널(22)을 통한 일 방향으로의 복수의 유체 유동 경로 및 제2 유동장 채널(24)을 통한 반대 방향으로의 복수의 유체 유동 경로를 제공한다. 도면의 화살표는 유체 유동 방향을 나타낸다.

유체 유동 경로 내의 가스는 일반적으로 입구에서는 더 건조하고 출구 근처에서 더 많은 수분을 함유하므로, 도시된 구성은 플레이트(20)를 따라 보다 균일한 물 분포를 촉진한다. 몇몇 예에서는 제1 및 제2 채널(22, 24)을 통해 동일한 유체(예를 들어, 공기 또는 연료 가스)가 유동한다.

도시된 예에서, 인접한 유체 유동 경로 또는 유동장 채널에서의 반대 방향 유체 유동은 채널을 분리하는 리브(40)를 가로질서 물을 전달하는 것을 허용한다. 일례에서는, 물 전달이 리브(40)의 단부(예를 들어, 도면에서 상부)를 가로질러 발생한다.

도시된 예에서의 반대 방향 유체 유동은 상대적으로 습한 배출 가스 근처에 상대적으로 건조한 유입 가스를 제공하고, 이것은 더 양호한 물 분포 및 그에 따른 플레이트(20)의 성능 및 유효 서비스 수명의 증가를 가져온다. 도시된 구성은 또한 상대적으로 낮은 습도에서 작동하는 것을 허용하는데, 이는 플레이트(20)의 일부가 건조되는 경향이 채널(22, 24)을 통한 유체 유동 방향의 전략적 구성에 의해 최소화되거나 제거되기 때문이다.

도 2는 복수의 제2 유동장 채널(24)을 통한 유체 유동 방향과 반대인 유체 유동 방향을 제공하는 복수의 제1 유동장 채널(22)을 갖는 다른 예시적인 플레이트(20)를 개략적으로 도시한다. 이 예에서는, 도 1의 예와 마찬가지로, 제1 유동장 채널(22)이 제2 유동장 채널과 번갈아 배치(interdigitate)된다. 이들 예에서, 모든 유동장 채널은 반대의 유체 유동 방향을 제공하는 인접 유동장 채널을 갖는다. 다른 예들은 제2 유동장 채널(24)을 사이에 갖지 않고 서로 인접한 적어도 2개의 제1 유동장 채널(22)을 포함한다. 제1 유동장 채널(22) 중 적어도 몇몇은 그들 사이에 제2 유동장 채널(24)을 갖는다.

도 2의 예에서, 제1 유동장 채널(20)은 입구(50)에 제공되는 유입 가스를 유입 통로(52)를 통해 수용한다. 이 예에서, 각각의 제1 유동장 채널(22)의 일 단부는 공통의 유입 통로(52)와 연통하는 유입 단부(26)이다. 마찬가지로, 제2 유동장 채널(24)은 입구(54)에 제공되는 가스를 공통의 유입 채널(56)을 통해 수용하는 유입 단부(34)와 같은 일 단부를 갖는다. 도면으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 공통의 유입 채널(52, 56)은 유동장 채널을 통한 유체 유동의 방향에 대해 횡방향이다. 공통의 유입 채널(52, 56)은 플레이트(20)의 양 단부 근처에 위치한다.

제1 유동장 채널(22)의 출구(30)는 수분 함량이 더 높은 경향이 있는 배출 가스가 공통의 배출 통로(60)를 통과하게 한다. 이 예에서, 배출 통로(60)는 플레이트(20)의 일 측면(62)을 향해 개방된다. 제2 유동장 채널(24)의 출구(36)는 제2 유체 유동 방향으로 유동하는 가스가 공통의 배출 통로(64)를 통과하게 한다. 이 예에서, 배출 통로(64)는 플레이트(20)의 일 측면(62)을 향해 개방된다.

도 2에서, 각각의 제1 유동장 채널(22)과 각각의 제2 유동장 채널(24)은 배출 통로(60, 64)가 개방되는 측면(62)과 비교하여 반대 방향으로 대면하는 플레이트(20)의 측면(68)을 향해 개방된다. 몇몇 예에서는 제1 채널(22)과 제2 채널(24)에 동일한 유체가 흐른다.

도 2의 구성은 제1 유동장 채널(22)을 제2 유동장 채널(24)로부터 분리하고 공통의 유입 통로(52, 56)로의 액세스를 용이하게 하는 리브 구조체(70)를 포함한다. 예시된 리브(70)는 제1 유동장 채널(22) 중 하나의 일 측면을 따라 제1 섹션(72)을 포함한다. 제2 섹션(74)은 제1 섹션(72)에 대해 횡방향이다. 도시된 예에서, 제2 섹션(74)은 제1 섹션(72)의 적어도 일부에 대해 적어도 부분적으로 직각이다. 이 예에서, 제2 섹션(74)은 대응하는 제1 유동 채널(22)의 출구(30)에 인접한다. 제3 섹션(76)은 제1 섹션(72)에 대해 대체로 평행하다. 제1 섹션(72)과 제3 섹션(76)이 대응하는 제1 유동장 채널(22)의 폭을 형성하거나 한정하도록, 제3 섹션(76)은 제1 섹션(72)과 반대인 제1 유동장 채널(22)의 측면을 따라 존재한다.

도시된 제3 섹션(76)은 제2 유동장 채널(24)의 일 측면을 따라 존재한다. 리브(70)의 제4 섹션(78)은 제3 섹션(76)에 대해 횡방향이다. 제4 섹션(78)은 대응하는 제2 유동장 채널(24)의 출구(36) 근처에 있다. 제5 섹션(80)은 제3 섹션(76)에 대해 대체로 평행하고, 대응하는 제2 유동장 채널(24)의 반대 측면을 형성한다.

리브(70)는 도면으로부터 이해될 수 있는 바와 같이 플레이트(20)를 가로질러 반복되는 구성을 갖는다. 사용되는 섹션의 개수는 특정 플레이트에 요구되는 유동장 채널의 개수에 따라 달라진다. 설명을 목적으로 몇 개의 유동장 채널만이 도시되어 있다. 일반적인 플레이트(20)는 도면에 도시된 것보다 많은 채널을 포함할 것이다.

예시된 플레이트(20)를 제조하는 하나의 기술은 유동장 채널, 공통의 유입 채널 및 공통의 배출 채널을 성형 공정 동안 플레이트(20)의 일부로서 성형하는 단계를 포함한다. 다른 예는 원하는 채널 구성을 달성하기 위해 한 점의 플레이트 스톡을 기계가공하는 단계를 포함한다. 다른 예는 채널의 일부를 성형하고 나머지 부분을 기계가공하는 단계를 포함한다.

이상의 설명은 한정이 아닌 예시이다. 개시된 예에 대한 변형 및 수정이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 당업자에게 명확해질 것이다. 본 발명에 주어지는 법적 보호의 범위는 다음의 청구범위를 고찰함으로써만 결정될 수 있다.

Claims

연료 전지 플레이트이며,
일 단부 근처의 입구 및 대향 단부 근처의 출구를 가지며, 입구로부터 출구까지 복수의 제1 유체 유동 경로를 형성하는 복수의 제1 유동장 채널과,
일 단부 근처의 입구 및 대향 단부 근처의 출구를 가지며, 입구로부터 출구까지 복수의 제2 유체 유동 경로를 형성하는 복수의 제2 유동장 채널을 포함하고,
제1 유체 유동 경로는 제2 유체 유동 경로에 대해 반대 방향이고, 제2 유동장 채널 중 적어도 몇몇은 제1 유동장 채널들 중 2개의 사이에 존재하는
연료 전지 플레이트.
제1항에 있어서, 제1 유동장 채널 입구가 플레이트의 일 단부 근처에 존재하고, 제2 유동장 채널 출구가 플레이트의 상기 일 단부 근처에 존재하는
연료 전지 플레이트.
제2항에 있어서, 제1 유동장 채널 출구가 플레이트의 대향 단부 근처에 존재하고, 제2 유동장 채널 입구가 상기 대향 단부 근처에 존재하는
연료 전지 플레이트.
제1항에 있어서, 제2 유동장 채널은 하나 걸러 하나의 유체 유동 경로가 인접 유체 유동 경로에 대해 반대 방향이 되도록 제1 유동장 채널과 번갈아 배치되는
연료 전지 플레이트.
제1항에 있어서, 유동장 채널은 유동장 채널의 길이를 따라 플레이트의 일 측면을 향해 개방되고, 출구는 유체 유동이 플레이트의 반대 측면을 향하게 하는
연료 전지 플레이트.
제5항에 있어서, 복수의 유동장 채널 출구 중 적어도 하나와 연통하는 배출 유동 통로를 포함하고, 배출 유동 통로는 플레이트의 반대 측면을 향해 개방되는
연료 전지 플레이트.
제1항에 있어서, 제1 유동장 채널의 입구는 제2 유동장 채널의 출구에 인접하고, 제2 유동장 채널의 입구는 제1 유동장 채널의 출구에 인접하는
연료 전지 플레이트.
연료 전지 플레이트를 따라 수분 분포를 관리하는 방법이며,
복수의 제1 유동장 채널을 통해 유동 방향을 제1 방향으로 배향하는 단계와,
복수의 제2 유동장 채널을 통해 유동 방향을 반대의 제2 방향으로 배향하는 단계를 포함하고,
제2 유동장 채널의 적어도 몇몇은 제1 유동장 채널들 중 2개의 사이에 존재하는
방법.
제8항에 있어서,
제2 유동장 채널의 출구에 인접하여 제1 유동장 채널의 입구를 위치설정하는 단계와,
제1 유동장 채널의 출구에 인접하여 제2 유동장 채널의 입구를 위치설정하는 단계를 포함하는
방법.
제8항에 있어서,
플레이트의 일 측면 상에 제1 및 제2 유동장 채널을 형성하는 단계와,
대응하는 유동장 채널을 빠져나가는 유체를 플레이트의 반대 측면으로 보내도록 각각의 유동장 채널의 출구를 구성하는 단계를 포함하는
방법.