KR20140009151A - 위크에 의하여 증진된 물 통로가 구비된 증발 냉각식 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

연료 전지(38)는 물을 각각의 연료 전지의 반응물 가스 유동장 플레이트(75,81) 중 하나 또는 양자 모두를 통하여 공급하는 통로(83,84)를 가지며, 그럼으로써 연료 전지가 증발식 냉각된다. 물 통로는 다공성 플러그(미도시) 또는 마이크로 진공 펌프(89)에 의하여 통기될 수 있다. 응축기(59)는 저류소(64)를 가질 수 있으며, 응축기(59)는 차량 라디에이터일 수 있다. 높은 물 투과성의 위크 레이어(90)는 각각의 연료 전지(38)들 사이에 존재하는 물 통로(83,84)들 중 하나 또는 양자 모두에 인접하게 배치된다. 통로는 유동 관통 통로(83)(도 5)일 수 있거나, 차가운 환경에서 셧 다운 동안 물의 스택을 제거하기 위해 활용되는 위크 레이어(90)를 통한 물 퍼징 에어의 유동을 증가시키기 위하여 상호교차식 통로(83a,83b)(도 6)일 수 있다. 유입 냉각제 통로(83c,83d)를 들어가는 임의의 가스가 유입 냉각제 통로의 배출 단부(101)에 축적되지 않게 하기 위하여, 유입 상호교차식 채널(83c,83d)은 이의 배출 단부에 돌출부(104) 또는 구멍(106)과 같은 것에 의하여 오직 부분적으로만 막힐 수 있다.

Description

위크에 의하여 증진된 물 통로가 구비된 증발 냉각식 연료 전지{EVAPORATIVELY COOLED FUEL CELLS WITH WATER PASSAGEWAYS ENHANCED BY WICKS}
물 통로를 가지며, 물 통로 사이에 물 투과성 위크 층(wick layer)이 구비된 연료 전지는 반응물 가스 유동 통로에 물을 공급하며, 반응물 가스 유동 통로에서 물은 전지에서 발생한 폐열에 비례하여 증발되며, 배기된 반응물 가스로부터 응축된 물은 물 통로로 복귀된다. 선택적으로, 셧 다운 시에 물 퍼징 동안 위크로부터의 물의 제거를 증가시키기 위하여 통로는 상호교차식(interdigitated) 유동장의 형태일 수 있다.
전지를 지나는 순환 물 또는 냉각제 플레이트를 지나는 냉각제에 현열을 전달하는 것과 대조적으로, 양자 교환 막 연료 전지 기술에서는 연료 전지를 증발 냉각하여 기화열의 이득을 취하는 것이 공지되어 있다. 일 예가 본 문서에서 참조로서 통합된 U.S.7,504,170에 공지되어 있다.
차량과 같은 일부 적용예에서, 차량의 높은 성능을 지원하기 위해서는 매우 높은 유동 밀도가 바람직하다. 높은 유동 밀도는 물 생산을 증가시키며, 물 생산은 다공성 친수성 반응물 가스 유동장 플레이트(이후 또한 "물 수송 플레이트"로 언급)를 통한 보증된 유동을 필요로 한다. 또한, 증진된 출력 밀도는 멤브레인의 보증된 냉각과 가습을 필요로 한다.
높은 성능을 위하여, 물 통로와 물 수송 플레이트 사이의 가장 최선의 유체전달이 바람직하다.
본원의 대상에 따르면, 연료 전지 파워 플랜트에서의 연료 전지는, 적어도 하나의 친수성 다공성 반응물 가스 유동장 플레이트의 제1 표면과 근접하거나 이의 내부에 있는 통로에 존재하는 물에 의해 증발 냉각되며, 유동장 플레이트는 유동장 플레이트의 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면에서 개방되는 반응물 가스 유동 채널을 가진다. 각각의 통로는 물 저류소와 유체소통한다. 또한, 유동장 플레이트에 의한 물 흡수는 유동장 플레이트들 사이의, 그리고 모든 물 통로와 긴밀하게 접촉하는 물 투과성 위크 레이어에 의하여 증진된다. 통로에서의 물 공급은 하나 또는 그 이상의 통로 내의 물과 인접한 물 투과성 위크 레이어에 의하여 증진된다.
물의 결빙 온도 아래로 떨어질 수 있는 기후에서 연료 전지 파워 플랜트는 셧 다운 동안 연료 전지 스택으로부터 적어도 대부분의 물을 제거하는 것이 요구된다는 점이 밝혀져 있다. 이는 연료 전지의 비사용 기간 동안의 잠재적으로 치명적인 기계적 응력을 갖는 경향과 시동시 반응물 가스의 (얼음에 의한) 차단이 발생하는 경향을 감소시킨다. 물 투과성 위크를 사용하는 연료 전지 스택에서의 물 통로를 통하여 공기를 송풍함에 의한 물 감소는 물 투과성 위크로부터 부적절한 물 제거를 제공하는 것으로 밝혀져 있다.
본원의 대상은 상호교차식 냉각수 유동장의 활용을 더 포함하며, 이는 퍼징 공기가 물 투과성 위크 내로 수송되고 물 투과성 위크를 통하여 흐르게 됨으로써 그곳으로부터 더 많은 물을 가압하는 것을 보장한다. 일 실시예에서, 표준의 종래의 상호교차식 유동장이 사용된다. 또 다른 실시예에서, 유입 유동장의 배출 단부에 완전 차단보다 적은 차단물이 구비된 상호교차식 유동장은 가스가 유동장을 피할 수 있는 기능(통상적으로 반응물 유동장으로부터 물 통로 내로의 누설)을 보증하며, 그럼으로써 물 유동의 차단과 멤브레인의 건조를 방지한다.
다른 변형예는 첨부 도면에 예시된 바와 같이 하기의 예시적 실시예의 상세한 설명에 비추어 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본원의 대상을 포함할 수 있는 증발 냉각식 연료 전지 파워플랜트의 통기 실시예의 개략적인 블록 다이아그램이다.
도 2는 명확성을 위해 단면선이 생략된, 본원의 대상을 사용하는 연료전지의 부분 측단면도이다.
도 3은 분리기 플레이트(반응물 유동장 플레이트) 중 오직 하나가 물 통로를 가지는, 도 2의 변형예의 부분 측단면도이다.
도 4는 도 2의 대상의 부분 단면 평면도이다.
도 5는 통로를 통한 유동과 함께, 도 4의 선 5-5로 취해진 부분의 단면도이다.
도 6은 교번식, 상호교차식 유동 통로가 구비된, 도 4의 선 5-5로 취해진 부분의 단면도이다.
도 7은 유입 통로의 배출 단부의 부분 폐쇄부를 도시하는, 도 4의 선분 5-5로 차지된 부분의 단면도이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 선 8-8로 취해진 부분의 단면도이다.
이제 도 1을 참조하면, 본원의 대상을 구현할 수 있는 연료 전지 파워 플랜트(36)는, 수평으로 배치될 수도 있지만 수직으로 배치되어 도시된 연료 전지(38)(도 2)의 스택(37)을 포함한다.
이러한 실시예에서, 연료는 연료 유입구(42)에 공급되고 제1 연료 경로에서 우측으로 흐르고, 이후 하측으로 흐르며 연료 배출구(47)를 통하여 좌측으로 흐른다. 연료는 재순환 펌프(미도시)를 통하여 연료 유입구로 되돌아가며, 밸브(미도시)를 통하여 주기적으로 대기로 퍼징될 수 있다. 단일 경로, 3회 경로 또는 다른 연료 유동 구조가 사용될 수 있다.
도 1의 실시예에서, 공기는 펌프(52)에 의하여 공기 유입구(53)로 공급되고, 공기는 연료 전지(38)의 산화제 반응물 가스 유동 채널을 통하여 상측으로 흐른다. 공기 배출구(57)로부터, 도관(58)을 넘어 응축기(59)로 흐르며, 차량에서 응축기는 종래의 라디에이터일 수 있다. 방출 공기는 배기구(62)를 통하여 통과된다. 응축기(59)로부터의 응축물은 물 복귀 도관(65)에 의해 물 유입구(66)로 연결된 저류소(64)에 축적될 수 있다. 이후 물은 통로(83,84)(도 2)를 통해 각각의 연료 전지(38) 내로 흐르며, 통로(83,84)는 매니폴드(68)에서 종결될 수 있으며, 여기서 물 레벨이 스택(37) 내에서 통로의 가장 높은 부분에 도달하는 것을 보증하기 위하여 충분한 헤드(물 압력)를 공급하는 단일 목적을 위하여, 여기에서 수 달러로 구매될 수 있는 37 리터(10 갤론) 수조에 활용되는 종류의 마이크로 진공 펌프(89)와 같은 통기구를 통하여 통로로부터의 가스의 제거가 제공될 수 있다. 펌프(89)는 통기 매니폴드(68)를 통한 어떠한 물 유동도 야기하지 않는다. 대안으로, 통기 매니폴드(68)는 다공성 플러그 또는 다른 통기구(미도시)를 통해 통기될 수 있다.
물 유입구(66)는 있지만 물 배출구는 없으므로, 물은 각각의 연료 전지 내에서 그저 존재한다. 도 2에서, 일 실시예는 연료 전지(38)를 포함하며, 연료 전지의 각각은 종래의 멤브레인 전극 조립체(72)를 포함하며, 이는 애노드와 캐소드 촉매가 구비된 전해질 및 전해질의 대향 측부들에 가스 확산 층을 포함한다. 본원의 도면은 모두 일정한 비율이 아님이 이해되어야 하며, 본원의 물 통로(83,84) 및 전술된 특허에서의 물 통로의 명시적인 상이한 규격에 어떠한 의미도 부여되지 말아야 한다.
도 2의 실시예에서, 연료 반응물 가스는 이 실시예에서 물 통로(83)를 형성하는 홈을 포함하는 친수성 다공성 기판(75)에서 수평방향 채널(74)을 통하여 흐른다. 캐소드 측에서, 친수성 다공성 산화제 반응물 가스 유동장 플레이트(81)는 수직방향 공기 유동 채널(82)과 물 통로(84)를 형성하는 홈을 포함한다. 또한, 친수성 다공성 연료 반응물 가스 유동장 플레이트(75)와 친수성 다공성 산화제 반응물 가스 유동장 플레이트(81)는 "물 수송 플레이트"로 달리 언급된다.
본원의 대상의 제1 양태에 따르면, 도 2의 연료 전지(38)는 물 통로(83,84)들 사이에서 물 투과성 위크(90)을 포함한다. 위크(90)는 물 수송 플레이트(75,81)보다 두껍거나 가늘 수 있다.
물 투과성 위크(90)는, 주석(tin) 또는 주석 함유 화합물 또는 혼합물과 같은 것으로 적절하게 처리되어 충분한 친수성을 가져 원하는 물 투과성을 보증하는 Toray H-060과 같은, 적절하고 쉽게 입수할 수 있는 탄소 섬유 종이를 포함할 수 있다.
물 투과성 위크(90)가 물 수송 플레이트(75,81)의 랜드(land) 또는 리브(rib)(92)와 근접하여 랜드(90)는 물 수송을 보조하는 물 수송 플레이트의 추가 표면적을 제공한다. 이와 대조적으로, 전술된 특허에서 물은 물 통로와 물 수송 플레이트 사이에서 물 통로의 표면을 통해서만 수송된다.
도 2의 실시예에서, 위크(90)에서의 표면적을 포함하는 사용가능한 물 사이의 표면적의 증가는 전술된 특허의 위크가 없는 시스템에 비교하여 적어도 네 배 및 혹은 열 배일 수 있다.
도 3은 캐소드 측에서 문제의 위크(90)가 오직 공기 유동장 플레이트(81)에 물 통로(84)를 가지는 연료 전지와 사용될 수 있음을 도시한다. 또한 위크(90)는 대신 오직 연료 유동장 플레이트에 물 통로(83)를 가지는 연료 전지에서 사용될 수 있다. 도 3 및 도 4의 실시예에서 위크(90)가 위치됨으로써, 위크(90) 없이 물 통로(83,84)만을 가지는 이전 시스템에 비교하여 표면은 적어도 두 배이며 다섯 배만큼 증가할 수 있다.
도 4는 도 2의 부분을 아래로 내려다본 관점이다. 도면은 수직방향으로 도시된 연료 채널(74)과 수평방향으로 도시된 공기 채널(82)이 구비된 두 개의 물 통로(83,84)를 도시한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예는 물 통로(83)를 통한 유동을 활용한다. 연료 전지 파워 플랜트의 주변이 물의 어는 점 아래로 떨어질 수 있는 환경의 지역에서 셧 다운 동안 물이 제거되기 때문에 연료 전지 스택으로부터 물을 가능한 한 제거하는 것이 바람직하다. 도 2 및 도 3의 실시예에서, 공기의 유동으로 물 통로(83,84)를 퍼징하면서 도 5에 도시된 바와 같이 물 통로(83)를 통하는 유동을 활용하는 것은 충분한 물을 제거하지 않는다. 물 통로가 공기로 퍼징됨에 의하여 거의 비워진 이후에 특히 투과성 위크(90)에서 과도한 양의 물이 잔류한다.
연료 전지 스택 및 특히 물 투과성 위크(90)로부터의 물의 제거를 향상시키기 위하여, 도 6에 도시된 바와 같이 통로는 상호교차식으로 형성될 수 있다. 도면에서 상호교차식 물 통로는 상호교차식 유동 필드가 구비된 종래의 것이며 배출 단부(101)에서 차단되는 유입 물 통로(83a)와 유입 단부(102)에서 차단되는 배출 통로(83b)를 포함한다. 이는 통로(83a)에 공급되는 공기를 물 투과성 위크(90) 및 다공성 친수성 물 수송 플레이트(75a)를 통하여 구동시키기에 충분하게 압력을 증가시킴으로서, 본원의 대상의 제2 양태와 부합하여 물 제거를 증진시킨다.
도 6과 유사한 본 발명의 또 다른 실시예는 도 7 및 도 8에서 도시된다. 유입 통로(83c)의 배출 단부(101)는 완전히 폐쇄되지 않고, 임의의 축척으로 도시되지 않은 부분적 봉입부(104)가 제공된다. 유입 물 통로(83c) 내로 들어올 수 있는 임의의 가스 버블이 내부에 포획되지 않을 것이고 그럼으로써 임의의 가스 버블이 물 이송 플레이트(75b)의 인접한 리브 및 인접한 물 투과성 위크(90)(도 2 및 도3에 도시) 내로의 물의 유동을 방해하는 것을 보증하는 것이 이의 목적이다.
차단물(104) 대신에, 유입 물 통로(83d)의 배출 단부(101)는 도 9에 도시된 바와 같이 그저 내부에 작은 구멍(106)을 가질 수 있다. 유입 물 통로(83d) 내의 물 압력을 어떠한 유의미한 정도로 낮추지 않으면서 가스 제거를 용이하게 하기 위하여, 구멍(106)은 물 이송 플레이트(75c)의 세공(pore) 규격보다 크다.
개시된 실시예의 변화와 변형이 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있기 때문에, 청구항에 의하여 요구되는 것과 같은 것 이외로 제한하는 것과 다른 발명을 제한하는 것이 의도되지 않는다.

Claims (6)

  1. 대향 측부들에 캐소드 및 애노드 촉매가 배치되어 있는 전해질과 상기 촉매의 층 각각을 향하는 가스 확산 층을 가지는 멤브레인 전극 조립체(72)와,
    그 제1 표면을 따라서 연료 반응물 가스 유동 채널(74)을 가지는 연료 반응물 가스 유동장 플레이트(75)와,
    그 제1 표면을 따라서 산화제 반응물 가스 유동 채널(82)을 가지는 산화제 반응물 가스 유동장 플레이트(81)와,
    상기 유동장 플레이트들 중 하나 또는 양자 모두의 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면에 배치된 물 통로(83,84)를 포함하고,
    상기 유동장 플레이트 중 하나 또는 양자 모두는 다공성 및 친수성인 연료 전지(38)에 있어서,
    상기 유동장 플레이트들 중 상기 하나 또는 양자 모두의 상기 물 통로와 인접하게 배치된 고 물 투과성인 위크 층(90)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지(38).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물 통로(83,84)는 채널(83)을 통한 하나 또는 이상의 유동을 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지(38).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 물 통로(83,84)는 상호교차식 유동장(83a,83b)을 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지(38).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상호교차식 유동장(83a,83b)은 단지 부분적으로 차단되고 가스 배출을 허용하도록 구성된 배출 단부(101)가 구비된 유입 유동장(83c)을 가지는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지(38).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유입 유동장(83c)의 배출 단부(101)가 부분 벽(104)을 가지는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지(38).
  6. 제4항에 있어서, 상기 유입 유동장(83d)의 배출 단부(101)가 가스 배출을 허용하도록 구성된 구멍(106)을 가지는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지(38).
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