KR20110081267A - 연료 전지 플레이트 유로 - Google Patents

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KR20110081267A
KR20110081267A KR1020117010136A KR20117010136A KR20110081267A KR 20110081267 A KR20110081267 A KR 20110081267A KR 1020117010136 A KR1020117010136 A KR 1020117010136A KR 20117010136 A KR20117010136 A KR 20117010136A KR 20110081267 A KR20110081267 A KR 20110081267A
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데이비드 에이. 니젤스키
로버트 에이. 러브
에드워드 고든 스콥
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Abstract

본 발명은 유로에 걸쳐 대체로 균일한 유동 분포를 제공하는 연료 전지 유로 플레이트를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 유로와 유체 연통하는 입구 매니폴드를 제공하는 단계를 포함한다. 유로는 채널들 중 일부가 다른 채널과 비교했을 때 입구 매니폴드로부터 제한된 유동을 수용하는 다수의 채널을 포함한다. 채널들 사이의 상대적 압력 강하는 입구 매니폴드로부터 제한된 유동을 갖는 채널로의 유체 유동을 조장하는 압력 강하 특징부에 의해 변경되어, 유로에 걸쳐 대체로 균일한 유동 분포를 생성한다.

Description

연료 전지 플레이트 유로{FUEL CELL PLATE FLOW FIELD}
본 발명은 연료 전지 플레이트 유로 구조(fuel cell plate flow field configuration)에 관한 것이다.
연료 전지는 막 전극 접합체(membrane electrode assembly)의 양 측면 상에 배열된 애노드와 캐소드를 포함한다. 애노드와 캐소드는 유로(flow field)를 포함하는 플레이트에 의해 제공된다. 애노드 플레이트 유로는 막 전극 접합체로 연료를 이송하고, 캐소드 플레이트 유로는 반응물을 막 전극 접합체로 이송한다.
유로는 입구 매니폴드로부터 유체가 제공되는 다수의 채널에 의해 제공된다. 채널은 패키징 제약(packaging constraints)과 같은 다양한 인자에 의존하는 다양한 구조로 배열되었다. 전형적으로는, 채널에 걸쳐 대체로 균일한 분포의 유동을 보장하기 위해 채널로의 입구보다 더 넓은 매니폴드를 제공하는 것이 요구된다. 이따금 각각의 채널 입구에 입구 매니폴드로부터의 방해받지 않는 유동(unobstructed flow)을 공급하는 것이 가능하지 않다. 그 결과, 일부 채널은 다소 제한된 유동을 수용하고, 이는 유로에 걸쳐 균일하지 않은 분포의 유동을 생성한다. 균일하지 않은 유동 분포는 플레이트에 걸쳐 온도 구배(temperature gradient)를 생성하고 연료 전지 내부의 화학 반응의 효율을 감소시킬 수 있다. 애노드 유로의 경우에, 소정 위치에서의 불충분한 수소는 애노드 플레이트의 카본 부식(carbon corrosion)을 생성할 수 있다. 캐소드 유로의 경우에, 소정 위치에서의 불충분한 산소는 고온과 전지 전압 급감(cell voltage dropoff)을 유발할 수 있다.
적어도 일부 채널에 방해받지 않는 유동을 공급하는 것이 가능하지 않은 구조에 있어서 대체로 균일한 유동 분포를 갖는 유로를 갖는 연료 전지 플레이트가 필요하다.
유로에 걸쳐 대체로 균일한 유동 분포가 제공되는 연료 전지 플레이트 유로를 제조하는 방법이 기재된다. 본 방법은 유로와 유체 연통하는 입구 매니폴드를 제공하는 단계를 포함한다. 유로는 일부 채널이 다른 채널과 비교했을 때 입구 매니폴드로부터 제한된 유동을 수용하는 다수의 채널을 포함한다. 채널들 사이의 상대적 압력 강하는 압력 강하 특징부에 의해 변경되어 입구 매니폴드로부터 제한된 유동을 갖는 채널로의 유체 유동을 조장하며, 이는 유로에 걸쳐 대체로 균일한 유동 분포를 생성한다.
일 예시에서, 제1 및 제2 세트의 채널은 교번하는 관계로 배열된다. 입구 매니폴드로부터의 입구 통로는 제1 채널과 오정렬되어(misaligned) 균형잡힌 방식으로 제1 세트의 채널 전역으로부터의 유체 유동을 조장한다. 다른 예시에서, 방해받지 않는 채널은 이들 채널을 따라 압력 강하를 증가시키도록 얕은 채널 부분을 포함한다. 방해받는 채널에 따른 압력 강하를 감소시키기 위해, 방해받지 않는 채널로부터 방해받는 채널로 교차 절결(cross-cut)이 사용될 수 있다.
적어도 일부 채널에 방해받지 않는 유동을 공급하는 것이 가능하지 않은 구조에 있어서 대체로 균일한 유동 분포를 갖는 유로를 갖는 연료 전지 플레이트가 필요하다.
도 1은 연료 전지의 매우 개략적인 도면이다.
도 2는 유로를 갖는 예시적 연료 전지 플레이트의 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 플레이트의 일부의 확대도이다.
도 4는 도 2에 도시된 플레이트의 다른 부분의 확대도이다.
도 5는 다른 예시적 연료 전지 플레이트의 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 연료 전지 플레이트의 일부의 확대 사시도이다.
연료 전지(10)가 도 1에 매우 개략적인 방식으로 도시된다. 연료 전지(10)는 애노드(12)와 캐소드(14) 사이에 배열된 막 전극 접합체(16)를 포함한다. 막 전극 접합체(16)는, 예를 들어, 가스 확산 층들 사이에 배열된 양성자 교환막을 포함한다. 애노드(12) 및 캐소드(14) 각각은 중실 또는 다공성 플레이트 내의 채널에 의해 제공된 연료 및 반응물 유로를 제공한다. 유로는 유로 입구 및 배기부에, 그들의 각각의 유체 유동 구성요소와 유체 연통하는 내부 또는 외부 매니폴드를 사용하여 유체적으로 연결된다.
내부 입구 및 배기 매니폴드(20, 22)를 갖는 플레이트(18)가 도 2 내지 도 4에 도시된다. 입구 매니폴드와 배기 매니폴드(20, 22) 사이에 유로(24)가 유체적으로 상호연결된다. 예를 들어, 입구 및 배기 매니폴드는 플레이트(18)의 양 측 상에 배열된다. 라이저(riser: 28)들 사이에 배열된 평행한 채널(26)은 유로(24)를 제공한다. 예를 들어, 채널(26)은 소정 길이(L)만큼 연장되고, 어떤 현저한 절곡도 없이 상기 길이를 따라 서로 평행하다. 즉, 직각 선회(right angle turn)가 존재하지 않고, 주어진 채널은 일부 유로에서 전형적인 것과 같이 자신 위에 이중으로 겹쳐지지(double back) 않는다. 유로(24)는 입구 매니폴드(20)의 폭보다 더 큰 폭(W2)을 갖는다. 이러한 구조는 유로(24)에 걸쳐 균일하게 분포된 유체의 문제점을 제공한다. 구체적으로, 입구 매니폴드(20)의 외부의 채널은 전형적으로 유체가 희박하며(starved), 이는 양자 교환막에서의 비균일한 화학 반응과 플레이트(18) 상의 핫-콜드 스폿(hot-cold spot) 또는 애노드 측 상의 카본 부식을 생성한다.
일 예시에서, 채널(26)은 서로 맞물리는 격자(interdigitated) 유로를 제공하도록 서로 교번하는 관계로 배열된 제1 및 제2 세트의 채널(34, 36)로 분할된다. 제1 세트의 채널(34)은 측방향 입구 통로(32)에 의해 유체적으로 상호연결되고, 폭(W2)만큼 연장되어, 개별의 이격된 입구 통로(30)를 통해 입구 매니폴드(20)로부터 유체를 공급받는다. 본 예시에서, 입구 통로(30)는 서로로부터 측방향으로 대체로 균일하게 이격되고, 제1 세트의 채널(34) 내의 채널과 오정렬된다. 이러한 오정렬은 제1 세트의 채널(34)에 걸친 균일한 유체 분포를 조장한다. 제1 세트의 채널(34)의 각 채널은 측방향 입구 통로(32)로부터 제1 말단 단부(38)로 연장되며, 이는 도 4에 가장 잘 도시된다.
제2 세트의 채널(36)의 각 채널은, 측방향 입구 통로(32) 근처에 배열된(도 3에 가장 잘 도시된) 제2 말단 단부(40)로부터 제2 세트의 채널(36)을 서로 유체적으로 상호연결하는 측방향 배기 통로(42)로 연장된다. 본 예시에서, 서로 상호연결되고 평행한 한 쌍의 측방향 배기 통로(42)가 존재하며, 이는 폭(W2)만큼 연장되고, 이는 도 4에 가장 잘 도시된다. 제1 말단 단부(38)는 측방향 배기 통로(42) 근처에 배열된다. 분리된 배기 통로(44)는 측방향 배기 통로(42)를 배기 매니폴드(22)에 유체적으로 연결한다.
작동에 있어서, 유체는 입구 통로(30)를 통해 입구 매니폴드(20)에 의해 제1 세트의 채널(34)에 공급된다. 제1 세트의 채널(34)은 제1 말단 단부(38)에서 종결되기 때문에, 유체는 막 전극 접합체(16)의 가스 확산 층 내로 유동하고, 예를 들어, 제2 세트의 채널(36) 내로 유동할 것이다. 이러한 서로 맞물린 배열의 채널은 유로(24)에 결쳐 유동을 균일하게 분포시키는, 제1 세트의 채널(34)과 제2 세트의 채널(36) 사이의 압력 강하 특징부를 제공한다. 가스 확산 층으로부터의 유체는 화학 반응을 위해 양성자 교환막에 제공된다. 제2 세트의 채널(36)로부터, 유체는 배기 매니폴드(22)로 반송된다.
외부 입구 매니폴드(46)를 갖는 다른 플레이트(118)가 도 5에 도시된다. 유체는 측방향 입구 통로(132)를 제공하는 플레이트(118) 내부의 헤더(header)에, 입구 통로(48)를 통해 공급된다. 입구 통로(48)로부터의 유동은 헤더 내부의 유동을 분포시키는 배플(50)에 직면한다. 유로(124)는 매니폴드(46)의 폭(W1)보다 더 넓은 폭(W2)을 갖는다. 제1 세트의 채널(134)로의 유동은 대체로 방해받지 않는다. 도 5에 도시된 구조에서, 유동은 제2 세트의 채널(136)로의 유동이 방해받도록 제한된 유동 구역(52)에서의 헤더 내부의 말단에서 막히게 된다(choked). 라이저(128)는 제1 및 제2 세트의 채널(134, 136)을 분리한다.
제2 세트의 채널(136)로의 방해받는 유동은 제2 세트의 채널(136)의 소정 길이(L)에 걸쳐 압력 강하를 생성할 것이다. 이러한 압력 강하를 상쇄시키고 유로(124)에 걸쳐 균일한 유동 분포를 제공하기 위해, 헤더 근처의 제1 세트의 채널(134)들 중 일부로부터 교차 절결 또는 교차 통로(54)가 배열되고, 소정 각도로 헤더로부터 제한된 유동 구역(52) 아래의 제2 세트의 채널(136) 내로 이격되게 연장된다. 또한, 교차 통로(54)는 채널에 직각으로 배열될 수 있다. 그 결과, 유동은 입구 매니폴드(46)로부터 배기 매니폴드로 통로(56)를 통해 유로(124)에 걸쳐 균일하게 분포될 것이다.
도 6을 참조하면, 플레이트(118)의 교차 통로(54) 대신에 또는 이에 추가적으로 사용될 수 있는 다른 압력 강하 특징부가 도시된다. 그렇지 않으면 방해받지 않을 수 있는 제1 세트의 채널(134)은, 제1 세트의 채널(134)의 길이(L)에 걸쳐 압력 강하를 생성하는 더 작은 단면적을 제공하는 얕은 채널 부분(58)을 포함한다. 제2 세트의 채널(136)은 헤더 근처에 배열된 얕은 채널 부분(58)과 관련된 채널 깊이(D2)보다 더 큰 채널 깊이(D1)를 포함한다. 제1 세트의 채널(134)은 얕은 채널 부분(58)에서의 깊이(D2)로부터 깊이(D1)으로 더욱 하류로 전이될 수 있다. 얕은 채널 부분(58)의 길이와 그의 깊이는, 유로(124)에 걸친 균일한 유동 분포를 생성하는 목표하는 압력 강하를 달성하도록 선택된다. "깊이(depth)"라는 용어는 또한 폭을 포함하도록 의도된다.
예시적 실시예가 기재되었으나, 본 기술분야의 당업자는 본 청구범위의 범주 내에서 임의의 수정이 나올 수 있다는 것을 알 것이다. 이러한 이유에서, 이하의 청구범위는 그들의 범주와 내용을 결정하도록 연구되어야 한다.

Claims (17)

  1. 유로에 걸쳐 대체로 균일한 유동 분포를 갖는 연료 전지 플레이트 유로를 제조하는 방법이며,
    유로와 유체 연통하는 입구 매니폴드를 제공하는 단계로서, 유로는 제1 및 제2 채널을 포함하는 다수의 채널을 갖고, 제2 채널은 제1 채널과 비교했을 때 입구 매니폴드로부터의 제한된 유체 유동을 수용하는, 입구 매니폴드 제공 단계와,
    압력 강하 특징부로 제1 채널과 제2 채널 사이의 상대적 압력 강하를 변경하는 단계와,
    제1 채널과 제2 채널 사이에 대체로 균일한 유동 분포를 제공하기 위해 압력 강하 특징부에 응답하여 입구 매니폴드로부터 제2 채널로 유체 유동을 조장하는 단계를 포함하는
    연료 전지 플레이트 유로 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입구 매니폴드 제공 단계는, 제1 폭을 갖는 입구 매니폴드와, 제1 폭보다 더 큰 제2 폭을 갖는 유로와, 제2 폭에 걸쳐 배열된 유로로의 입구를 포함하는
    연료 전지 플레이트 유로 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입구 매니폴드 제공 단계는, 소정 길이를 따라 연장되는 제1 및 제2 채널을 포함하고, 제1 및 제2 채널은 상기 길이를 따라 서로 평행한
    연료 전지 플레이트 유로 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 입구 매니폴드 제공 단계는, 제1 채널들을 서로 유체적으로 상호연결시는 측방향 입구 통로를 포함하고, 측방향 입구 통로는 입구 통로에 의해 입구 매니폴드에 유체적으로 상호연결되고, 측방향 배기 통로는 제2 채널들을 서로 유체적으로 연결시키고, 측방향 배기 통로는 배기 매니폴드와 유체 연통하고, 압력 강하 특징부는 입구 및 배기 측방향 통로로부터 각각 제1 및 제2 말단 단부로 연장됨으로써 종결되는 제1 및 제2 채널에 의해 제공되며, 제1 및 제2 말단 단부는 각각 배기 및 입구 측방향 통로 근처에 있고, 제1 및 제2 채널은 서로 교번하는 관계로 배열되는
    연료 전지 플레이트 유로 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입구 매니폴드 제공 단계는 제2 채널로의 입구에 제한된 유동 영역을 포함하고, 압력 강하 특징부는 제1 채널 입구 근처의 제1 채널로부터 상기 제한된 유동 영역 아래의 제2 채널로의 교차 통로를 포함하는
    연료 전지 플레이트 유로 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    교차 통로는 제1 채널의 소정 길이에 대해 소정 각도로 그리고 상기 제한된 유동 영역으로부터 이격되어 제2 채널로 연장되는
    연료 전지 플레이트 유로 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    압력 강하 특징부는 제2 채널의 제1 채널 깊이보다 작은 제2 채널 깊이를 제공하는 제1 채널 내에 얕은 채널 부분을 포함하는
    연료 전지 플레이트 유로 제조 방법.
  8. 연료 전지이며,
    각각 입구 단부를 갖는 다수의 채널을 갖는 유로를 포함하는 구조물과,
    입구 단부와 유체 연통하는 헤더를 포함하고,
    헤더는 유체 유동이 한 세트의 채널의 입구 단부에 제한되는 제한된 유동 구역을 포함하고,
    채널의 적어도 일부는 상기 한 세트의 채널로의 유체 유동을 증가시키도록 구성된 압력 강하 특징부를 갖는
    연료 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    압력 강하 특징부는 제1 채널 입구 근처의 제1 채널로부터 상기 제한된 유동 영역 아래의 제2 채널로의 교차 통로를 포함하는
    연료 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    교차 통로는 제1 채널의 소정 길이에 대해 소정 각도로 그리고 상기 제한된 유동 영역으로부터 이격되어 제2 채널로 연장되는
    연료 전지.
  11. 제9항에 있어서,
    제1 폭을 갖는 입구 매니폴드와 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 유로와, 상기 제2 폭에 걸쳐 배열된 유로로의 입구를 포함하는
    연료 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제한된 유동 구역은 입구 단부에서의 유로의 양 측면 상에 배열되고, 채널은 입구 헤더로부터 배기 헤더를 향한 소정 길이를 따라 연장되고, 채널은 상기 길이를 따라 서로 평행한
    연료 전지.
  13. 제8항에 있어서,
    압력 강하 특징부는 제2 채널의 제1 채널 깊이보다 작은 제2 채널 깊이를 제공하는 제1 채널 내에 얕은 채널 부분을 포함하고, 제2 채널은 상기 제한된 유동 영역 아래에 배열되는
    연료 전지.
  14. 연료 전지이며,
    제1 및 제2 세트의 채널을 갖는 유로를 포함하는 구조물을 포함하고,
    제1 세트의 채널의 각 채널은 입구 단부로부터 제1 말단 단부로 연장되고, 입구 단부는 입구 매니폴드로부터 유체를 수용하도록 구성된 측방향 입구 통로에 의해 서로 유체적으로 상호연결되고,
    제2 세트의 채널의 각 채널은 배기 단부로부터 제2 말단 단부로 연장되고, 배기 단부는 배기 매니폴드로 유체를 제공하도록 구성된 측방향 배기 통로에 의해 서로 유체적으로 상호연결되고,
    제1 및 제2 채널은 각각 측방향 배기 및 입구 통로 근처에 배열된 제1 및 제2 말단 단부와 함께 서로 교번하는 관계를 갖는
    연료 전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 구조물은 입구 매니폴드를 포함하고, 입구 매니폴드는 제1 폭을 갖고, 측방향 입구 통로는 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는
    연료 전지.
  16. 제14항에 있어서,
    제1 및 제2 세트의 채널은 그들의 각각의 측방향 통로로부터 그들의 각각의 말단 단부로 소정 길이를 따라 연장되고, 제1 및 제2 세트의 채널은 상기 길이를 따라 서로 평행한
    연료 전지.
  17. 제14항에 있어서,
    측방향으로 이격된 입구 통로는 입구 매니폴드와 측방향 입구 통로를 유체적으로 상호연결하고, 입구 통로는 제1 세트의 채널의 채널과 오정렬되는
    연료 전지.
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