KR20220019079A - 연료 전지용 냉각판 - Google Patents

연료 전지용 냉각판 Download PDF

Info

Publication number
KR20220019079A
KR20220019079A KR1020227003927A KR20227003927A KR20220019079A KR 20220019079 A KR20220019079 A KR 20220019079A KR 1020227003927 A KR1020227003927 A KR 1020227003927A KR 20227003927 A KR20227003927 A KR 20227003927A KR 20220019079 A KR20220019079 A KR 20220019079A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
channel
fuel cell
separator plate
airflow
sine wave
Prior art date
Application number
KR1020227003927A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102558642B1 (ko
Inventor
칼 크리스티
크리스토퍼 제이. 거니
해리 제이. 카마진
리디아 조시
Original Assignee
인텔리전트 에너지 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인텔리전트 에너지 리미티드 filed Critical 인텔리전트 에너지 리미티드
Publication of KR20220019079A publication Critical patent/KR20220019079A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102558642B1 publication Critical patent/KR102558642B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/0254—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form corrugated or undulated
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2404—Processes or apparatus for grouping fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

연료 전지 조립체용 분리 판(108; 300; 400; 401)은 제 1 가장자리(110, 310) 및 제 2 대향 가장자리(111, 311)를 포함한다. 연료 전지 분리 판은 제 1 및 제 2 가장자리의 사이에서 세로 방향으로 연장되는 일련의 기류 채널(112, 113, 312, 313, 401, 411)을 형성한다. 기류 채널은 마주보는 채널 벽의 대응하는 오목부(321) 반대측의 일련의 연결 범프(320)로 형성된 비선형 기류 채널일 수 있다. 일련의 연결 범프 및 오목부는 진폭 및 주파수를 갖는 사인파로서 형성될 수 있다.

Description

연료 전지용 냉각판 {COOLING PLATES FOR FUEL CELLS}
본 개시는 연료 전지용 분리 판의 분야에 속한다. 특히, 본 개시는 연료 전지의 활성 영역에 냉각 및/또는 산화제 기류를 제공하는 데 사용하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
개방형 음극 연료 전지 스택에서는, 각각의 연료 전지의 막-전극 조립체("MEA")의 음극측에 산화제를 제공하기 위하여, 기류가 각각의 연료 전지의 음극측을 가로질러 이동된다. 산화제는 전형적으로 확산 층을 통하여 제공된다. 복수의 연료 전지를 포함하는 전체 연료 전지 스택을 가로질러 기류가 연료 전지에 균일하게 제공되도록 하기 위하여, 기류가 스택의 대향하는 양면 사이에 연료 전지 스택을 가로질러 평행류 형태로 제공될 수 있다. 따라서, 기류가 각각의 전지를 가로질러 전지의 일 가장자리로부터 전지의 대향 가장자리까지 제공될 수 있다.
연료 전지 스택의 연료 전지를 가로질러 충분한 기류 유속을 달성하기 위한 일 방법은 파형 음극 분리 판을 통해 기류를 제공하는 것이다. 이러한 분리 판은 연료 전지 전해질의 음극측과의 전기 접속부를 형성하는 역할을 하며, 또한 밑에 있는 확산 층을 가로질러 기류의 경로를 제공하는 역할을 한다. 분리 판은 각각의 판의 폭을 가로질러 한 세트의 유동 채널을 형성할 수 있으며, 각각의 유동 채널은 각각의 판의 길이를 따라 연장된다. 일부 연료 전지 스택에서는, 파형 분리 판이 단지 기류를 냉각시키기 위해 활용될 수 있으며, 음극/산화제 기류가 별개로 제공될 수 있다.
연료 전지 스택의 최적의 성능을 달성하기 위해서는, 각각의 판의 폭을 가로질러 가로 방향으로 그리고 각각의 판의 각각의 유동 채널의 길이를 따라 세로 방향으로 각각의 연료 전지의 전체 표면에 걸쳐 적절한 냉각을 유지하는 것이 바람직하다. 기류의 유속을 증가시키기 위해 추가 동력을 사용할 경우 전체 스택 성능에 대한 기생 전력 손실이 발생할 수 있는데, 그 이유는, 예를 들어, 팬을 구동시키기 위한 전력 증가량이 연료 전지 출력 향상을 통해 얻어지는 전력보다 클 수 있기 때문이다.
또한, 최적의 성능을 달성하기 위해서는, 오믹 손실로 인해 접촉 저항이 높아지며 효율이 낮아지는 것을 피하기 위해 각각의 연료 전지에 걸쳐 MEA가 충분히 높은 수준으로 압축되어야 한다. 또한, MEA의 핀 홀링(pin-holing)으로 인해 전지의 고장을 유발할 수 있는 MEA 상으로의 전단 응력 인가를 피하기 위하여, 각각의 연료 전지의 표면을 가로질러 각각의 MEA를 균일하게 압축하는 것이 바람직하다. 연료 전지 스택 전체에 걸친 압축 균일성은 스택의 전기적 성능에 중요한 요소이다. 스택의 전기적 성능은 한 쌍의 단부 판의 사이에 수톤의 압축력이 인가되는 상태에서 수십 또는 수백 개의 연료 전지를 포함할 수 있는 스택 전체에 걸친 전기적 특성 변화에 의해 제한되기 때문이다. 제조 및 조립 공정 중에 변화가 발생하는 것을 피하는 것이 중요하며, 또는 각각의 판의 폭을 가로질러 가로 방향으로 또는 각각의 판의 각각의 유동 채널의 길이를 따라 세로 방향으로 구성 요소의 두께가 불균일해지는 것을 피하는 것이 중요하다. 그 이유는 이러한 변화는 수십 또는 수백 개의 구성 요소 층이 반복되는 연료 전지 스택 전체에 걸쳐 균일성에 문제가 생기도록 할 수 있기 때문이다.
따라서, 연료 전지 냉각을 위한 개선된 판이 필요하다. 본 개시는 이러한 요구 사항 및 그 외 다른 중요한 요구 사항에 대한 것이다.
본 개시는 제 1 가장자리 및 제 2 대향 가장자리를 포함하는 분리 판의 양태를 제공한다. 분리 판은, 분리 판의 제 1 가장자리와 제 2 대향 가장자리 사이에서 세로 방향으로 연장되는 일련의 기류 채널을 형성할 수 있다. 분리 판은 일련의 연결된 범프들 및 오목부들로 형성된 비선형 기류 채널을 포함할 수 있으며, 범프는 마주보는 채널 벽의 대응하는 오목부 반대측에 있다. 분리 판은 복수의 파형부를 갖는 일련의 기류 채널을 형성할 수 있으며, 분리 판의 각각의 파형부는 기류 채널을 형성하는 마루 및 골을 포함하며, 한 쌍의 인접한 마루 사이의 또는 한 쌍의 인접한 골 사이의 간격이 채널 폭(w)에 해당하며, 제 1 및 제 2 대향 가장자리 사이의 거리가 채널 길이(l)에 해당한다. 일련의 연결 범프 및 오목부는 전체 채널 길이(l)에 걸쳐 연장된다. 일련의 연결 범프 및 오목부는 진폭(hb) 및 주파수를 갖는 사인파로서 형성될 수 있다.
본 개시는 양극(anode) 판, 양극측 확산 층, 양극 개스킷, 막 전극 조립체(MEA), 음극(cathode) 개스킷, 음극측 확산 층, 본 개시에 설명된 바와 같은 분리 판, 및 한 쌍의 개스킷을 포함하는 공냉식 연료 전지 조립체의 양태를 제공한다.
본 개시는 제 1 단부 판, 본 개시에 설명된 바와 같은 복수의 공냉식 연료 전지 조립체, 및 제 2 단부 판을 포함하는 공냉식 연료 전지 스택 조립체의 양태를 제공한다. 복수의 공냉식 연료 전지 조립체는, 제 1 가장자리들이 연료 전지 스택 조립체의 유입면을 함께 형성하고 제 2 가장자리들이 연료 전지 스택 조립체의 유출면을 함께 형성하는 상태로 정렬될 수 있다.
본 개시는 본 개시에 설명된 바와 같은 공냉식 연료 전지 스택 조립체를 작동시키기 위한 방법의 양태를 제공한다. 방법은 연료 전지 스택 조립체의 유입면에 기류를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
일반적인 설명 및 아래의 상세한 설명은 단지 예시 및 설명을 위한 것이며, 첨부된 청구 범위에 정의된 바와 같이, 본 개시를 제한하는 것은 아니다. 본 개시의 다른 양태가 본 명세서에 제공된 바와 같은 본 개시의 상세한 설명을 고려함으로써 당업자에게는 명백할 것이다.
아래의 상세한 설명뿐만 아니라 요약은, 첨부 도면과 함께 읽음으로써, 더욱 이해된다. 본 개시를 예시하기 위해, 본 개시의 예시적인 구현예가 도면에 도시되지만, 본 개시가 개시된 특정 방법, 조성물, 및 장치로 제한되는 것은 아니다. 도면에서, 동일한 도면 부호는 상이한 도면 전체에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다. 이에 의해, 모든 인용 및 주석은 본 명세서에 충분히 제시된 바와 같이 참조로서 포함된다. 또한, 도면이 반드시 실제 크기 비율로 도시되어야 하는 것은 아니다.
도 1에는 연료 전지 조립체의 구성 요소의 분해 사시도의 양태가 도시되어 있다.
도 2에는 도 1의 연료 전지 조립체의 분리 판의 사시도의 양태가 도시되어 있다.
도 3에는 본 개시의 분리 판의 사시도의 양태가 도시되어 있다.
도 4에는 본 개시의 분리 판의 사시도의 양태가 도시되어 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 분리 판의 양태의 개략적인 평면도가 도시되어 있다.
도 6은 본 개시의 분리 판의 압축 시험의 데이터를 보여준다.
도 7은 본 개시의 분리 판의 압축 시험의 데이터를 보여준다.
도 8은 본 개시의 분리 판의 강성 시험의 데이터를 보여준다.
본 개시는 본 개시의 일부를 형성하는 첨부 도면 및 예와 관련하여 취해진 아래의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 용이하게 이해될 수도 있다. 본 개시가 본 명세서에 설명 및/또는 도시된 특정 장치, 방법, 용례, 조건 또는 매개 변수로 제한되는 것은 아니며, 본 명세서에 사용된 용어는 단지 예로서 특정 예시를 설명하기 위한 것이며 청구된 개시 내용을 제한하려는 의도가 있는 것은 아님을 이해하여야 한다. 또한, 첨부된 청구 범위를 포함하여 본 명세서에 사용된 바와 같은, 단수 형태 및 "상기"는 복수의 의미를 포함하며, 특정 수치에 대한 언급은 문맥에 달리 명확하게 지시되지 않는 한 적어도 그 특정 값을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "복수(plurality)"는 하나 이상을 의미한다. 값의 범위가 표현되는 경우, 다른 예시는 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 값이 선행사 "약(about)"을 사용하여 근사치로 표현되는 경우, 특정 값이 다른 예시를 형성함이 이해될 것이다. 모든 범위는 포괄적이고 결합 가능하다.
명확성을 위해, 별도의 예시의 맥락으로 본 명세서에서 설명되는 본 개시의 특정한 특징이 또한 예시적인 단일 구현예에서 조합되어 제공될 수도 있음을 이해하여야 한다. 반대로, 간결함을 위해, 예시적인 단일 구현예의 맥락에서 설명되는 본 개시의 다양한 특징이 또한 개별적으로 또는 임의의 하위 조합으로 제공될 수도 있다. 또한, 범위에 명시된 값에 대한 언급에는 해당 범위 이내의 각각의 모든 값이 포함된다.
도 1은 예시적인 공냉식 연료 전지 조립체(100)의 분해 사시도를 보여준다. 연료 전지 조립체(100)는, 순차적으로, 양극 판(101), 양극측 확산 층(102), 양극 개스킷(103), 막 전극 조립체(MEA)(104), 음극 개스킷(105), 음극측 확산 층(106), 파형 음극 분리 판(108), 및 한 쌍의 개스킷(109a, 109b)를 포함한다. 파형 음극 분리 판(108)은 제 1 가장자리(110) 및 제 2 대향 가장자리(111)를 가지며, 본 명세서에서 공기 공급 채널로도 지칭되는, 분리 판(108)의 제 1 및 제 2 대향 가장자리의 사이에서 세로 방향으로 연장되는 일련의 기류 채널(112, 113)을 형성한다. 도 1에 기류 채널(112, 113)이 직선 채널로서 개략적으로 도시되어 있긴 하지만, 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이, 일부 구현예에서는 그 외 다른 채널 프로파일이 사용될 수 있다.
도 1의 연료 전지 조립체(100)는, 예를 들어, 한 쌍의 단부 판의 사이에 전부 수십 또는 심지어 수백 개에 이르는 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 형성하기 위하여 층상 구성으로 다수회 반복될 수도 있다.
도 2는 파형 음극 분리 판(108)의 일부의 확대도를 보여준다. 분리 판은 제 1 및 제 2 대향 면(204, 205)을 갖는다. 판(108)은 제 1 및 제 2 대향 가장자리(110, 111)의 사이에서 연장되는 일련의 기류 채널(112, 113)을 형성하는 일련의 파형부(corrugation)(201)를 구비한다. 판(108)의 각각의 파형부(201)는 기류 채널(112, 113)을 형성하는 마루(crest)(213)와 골(trough)(214)을 포함한다. 판(108)의 두께, 즉, 전체 마루(213)에 의해 획정되는 평면과 전체 골(214)에 의해 획정되는 평면 사이의 간격이 채널 높이(h)에 해당한다. 한 쌍의 인접한 마루(213)의 사이의 또는 한 쌍의 인접한 골(214)의 사이의 간격이 채널 폭(w)에 해당한다. 제 1 및 제 2 대향 가장자리(110, 111) 사이의 거리는 채널 길이(l)(도 1 참조)에 해당한다.
파형 음극 분리 판(108)의 기능은, 일반적으로, 채널(112, 113)의 길이(l)를 따라 임의의 특정한 세로 방향 지점에서 기류 단면을 획정하는 단면 프로파일을 각각 갖는, 일련의 기류 채널(112, 113)을 제공하는 것으로 설명될 수도 있다. 도 1 및 도 2의 예에서, 기류 채널(112, 113)은 단면이 직사각형이며, 그 길이를 따라 폭 또는 깊이가 변하지 않으며, 채널 간에 차이가 없다. 일부 구현예에서는, 직사각형 이외의 단면 프로파일이 사용될 수도 있으며, 기류 채널(112, 113)의 단면 프로파일이 그 길이를 따라, 또는 인접 채널 간에, 또는 둘 다에 걸쳐 변하도록 하는 것도 가능하다.
산화제 기류 채널(112)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 "아래쪽을 향하며", 즉, 음극 확산부(106) 및 그 아래의 MEA를 향해 개방됨으로써, 연료 전지의 활성 영역에 산화제 및 냉각제로서 공기를 공급한다. 연료 전지의 활성 영역은 판(101, 108) 및 확산부(102, 106)를 통해 양극 및 음극 유체 흐름(연료 및 산화제)에 노출되는 MEA의 영역으로서 정의될 수도 있다. 대조적으로, 냉각제 기류 채널(113)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 "위쪽을 향하며", 인접한 전지의 양극 판(101)의 하부 표면에 인접함으로써 상부가 폐쇄될 것이다. 이와 같이, 냉각제 기류 채널(113)은 냉각 기류만을 제공하며, MEA에 산화제를 공급하지는 않는다.
산화제 및 냉각제 기류 채널(112, 113) 모두의 중요한 기능은 유동 공기가 분리 판으로부터 열을 방출할 수 있도록 하는 것이다. 분리 판은, 바람직하게는, 스테인리스 강과 같은 적절한 전기적 및 열적으로 전도성의 재료로 형성된다. MEA(104)의 손상을 방지하기 위해 활성 영역에서 연료 전지에 의해 발생되는 열을연료 전지 스택으로부터 방출하여야 한다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 직선의 균일한 단면의 채널(112, 113)은 낮은 임피던스, 낮은 압력 강하, 및 높은 냉각 공기 처리량을 제공하는 빠른 기류를 제공한다.
균일한 단면의 직선 채널은, 높은 처리량을 제공하긴 하지만, 거의 층류의 조건을 조성하여, 채널 단면에 걸쳐 상당한 온도 구배를 초래하는 것으로 관찰되었다. 직선 벽의 채널을 통해 만들어지는 거의 층류의 조건으로 인해 열 경계층 또는 열적 구배가 형성될 수도 있어, 기류의 냉각 능력이 저하될 수 있다. 채널(112/113)을 더 작은 채널로 분할함으로써 단면 크기를 감소시켜 잠재적으로 열 전달을 향상시키는 것은 기류의 처리량을 유지하기 위해 기류의 저항이 증가하며 채널 유입구와 채널 유출구 간에 압력차를 발생시키는 단점이 있다. 이로 인해 더 높은 용량의 팬이 필요할 수 있어, 연료 전지 시스템의 기생 손실이 더 커질 수 있다.
기류가 채널(112, 113)의 길이(l)를 따라 이동함에 따라 기류의 온도가 연료 전지로부터 흡수한 열로 인해 상승하여, 연료 전지의 활성 영역에 걸쳐 열적 구배를 초래할 수 있는 것으로 관찰되었다. 따라서, 기류의 온도가 유입 단부(제 1 가장자리(110))로부터 유출 단부(제 2 가장자리(111))로 갈수록 상승함에 따라, 채널(112, 113)의 기류로의 열 전달이 덜 효과적으로 이루어질 것이다. 이어서, 특히, 분리 판(108)의 유출 가장자리(111)에 가까운 국소 핫스팟에서 과열 현상이 발생할 수도 있다. 열적 구배 및 과열 영역은 연료 전지 스택의 전력 출력을 감소시킨다. 기류 또는 채널 체적을 증가시키지 않고 채널로부터 더 많은 열을 제거하는 능력에 의해, 연료 전지 스택은 채널 체적을 상응하여 증가시키지 않고서도 더 높은 전류 레벨에서 작동할 수 있게 된다. 이에 의해, 연료 전지의 단위 체적당 전류 용량이 향상된다.
일부 양태에서, 본 개시는 채널(112/113)을 통해 판(108)으로부터 기류로의 열 전달을 증가시키는 구조적 특징을 갖는 분리 판을 제공한다.
도 3에는 도 1 및 도 2와 관련하여 전술한 채널(112/113)에 기능적으로 대응하는 채널(312/313)을 구비한 분리 판(300)이 개략적으로 도시되어 있다. 채널(312/313)은, 기류를 변경함으로써 열 전달을 증대시키며 또한 강성과 압축 부하 용량을 증대시키기 위한 구조적 특징 및 기하학적 형상으로 형성되므로, 직선 벽의 채널(112/113)과는 차이가 있다. 판(300)에는, 일련의 연결된 범프(320)들 및 오목부(321)들이 마련되어 서로 조합되어 시케인(chicane) 형상의 구조를 생성하는, 비선형 채널이 형성될 수 있는데, 그 범프(320)는 마주보는 채널 벽의 대응하는 오목부(321) 반대측에 위치한다. 시케인 형상의 구조는 채널 기류의 적어도 일부가 달리 직선형인 유로로부터 벗어나도록 한다. 일련의 연결 범프(320)/오목부(321)는 유입 단부(310)로부터 유출 단부(311)까지 전체 세로 방향 길이(l)에 걸쳐 연장된다. 각각의 범프는 각각의 채널 폭(w)에 대한 가로 방향 "높이"(hb)를 갖는다. 이들 구조적 특징에 의하면, 채널 폭(w)을 변경하지 않고 판으로부터 판의 채널을 따라 통과하는 기류로의 열 전달 효율성을 증가시킬 수 있다. 이것은, 채널 폭을 변경함으로써 밑에 있는 확산 층(106)의 국소 압축에 영향을 미칠 수 있는 경우, 유리할 수 있다. 도 3에는 분리 판(300)의 가장자리를 따라 유동 채널(312)이, 대응하는 범프(320) 및 오목부(321) 없이, 직선 벽을 갖는 것으로 도시되어 있다. 개스킷(109a, 109b)으로서 도 1에 도시된 바와 같은 직사각형 개스킷과 짝을 이루도록 직선 벽이 사용될 수 있긴 하지만, 도시되지 않은 다른 구현예에서는, 본 개시의 분리 판의 가장자리를 따라 유동 채널(312)의 최외측 벽이 분리 판(300)의 다른 채널(312/313)과 일치하도록 대응하는 범프(320) 및 오목부(321)를 가질 수 있으며, 직사각형 개스킷(109a, 109b) 대신에, 범프 및 오목부를 갖는 짝을 이루는 형상의 개스킷이 사용될 수 있다.
미국 특허 부여 이전 단계의 공개 공보 제 US2017/01100740A1 호에 더 충분히 설명된 이전 연구가 모든 용도로 전체적으로 본 명세서에 참조로서 포함되었다. 이러한 연구에 의해 발견된 분리 판(800)의 장치에서는, 각각의 채널(812/813)이 범프(820)의 형태의 열적으로 전도성의 구조를 포함하였으며, 범프는 채널(812/813)의 채널 단면 내로 가로 방향으로 연장되었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 범프(820)는, 바람직하게는, 채널 길이의 세로 방향 후반부 또는 채널 길이의 세로 방향 최종 1/3에서 채널(812/813)의 유출 단부(811)에 가까이 위치되었다. 그 이유는 이러한 영역에서는 전통적인 직선 채널형 분리 판 시스템에 있어서 열의 축적이 증가하는 것으로 관찰되었기 때문이다. 각각의 범프(820)는 마주보는 채널 벽의 대응하는 오목부(821)의 반대측에 위치한다.
도 3의 대칭 구조가 도 4의 가변 구조에 비해 몇 가지 이점을 제공함이 후발 시험과 실험을 통해 발견되었다. 직선 벽 채널을 구비한 분리 판, 유입 단부로부터 유출 단부까지 세로 방향 길이(l)의 부분들에 걸쳐 일련의 연결 범프/오목부가 있는 채널을 구비한 분리 판, 및 유입 단부로부터 유출 단부까지 세로 방향 길이(l) 전체를 따라 연장되는 일련의 연결 범프/오목부가 있는 채널을 구비한 분리 판에 대해 압축 하중 시험을 수행하였다. 유입 단부로부터 유출 단부까지 세로 방향 길이(l) 전체를 따라 연장되는 일련의 연결 범프/오목부가 있는 채널을 구비한 판이 직선 벽 채널을 구비한 판보다 초기 하중 하에서 더 크게 변형되었던 것으로 관찰되었다. 이에 따라, 세로 방향 길이(l)의 절반 또는 1/3만이 시케인 형상 구조의 범프/오목부를 갖는 복수의 분리 판이 정렬된 연료 전지 스택의 경우, 스택의 절반 또는 1/3이 하중 하에서 더 많이 변형되어, 직선 벽 채널을 갖는 영역에 비해, 관련된 MEA가 더 적게 압축되도록 한다. 결과적으로 전지에 걸쳐 MEA가 불균일하게 압축됨으로써 MEA에 전단 응력이 발생될 수 있어, 핀 홀링으로 인한 전지의 고장 위험이 증가한다. 또한, 직선 벽 채널을 구비한 분리 판은 유입 단부로부터 유출 단부까지 세로 방향 길이(l) 전체를 따라 연장되는 일련의 연결 범프/오목부가 있는 채널을 구비한 분리 판에 비해 더 낮은 압축 하중에서 고장이 나는 것으로 시험에서 관찰되었다. 이에 따라, 세로 방향 길이(l)의 절반 또는 1/3만이 시케인 형상 구조의 범프/오목부를 갖는 분리 판은, 주어진 재료 두께에서, 유입 단부로부터 유출 단부까지 세로 방향 길이(l) 전체를 따라 연장되는 일련의 연결 범프/오목부를 갖는 채널을 구비한 분리 판에서와 동일한 정도의 압축을 견딜 수 없다. 스택의 압축은 전기 전도 용도에 충분할 정도로 MEA를 압축하는 데 필요한 수준으로 설정되므로, 유입 단부로부터 유출 단부까지 세로 방향 길이(l) 전체를 따라 연장되는 일련의 연결 범프/오목부가 있는 채널을 구비한 분리 판을 형성하는 데에 적은 양의 재료가 필요하게 된다. 이에 따라, 연료 전지 스택의 중량 동력 밀도가 향상될 수 있다. 또한, 세로 방향 길이(l) 전체에 걸쳐 연장되는 일련의 연결 범프/오목부를 포함함으로써, 분리 판의 제조 및 형성이 개선된다. 범프/오목부가 있는 채널 부분을 형성하기 위해서는 직선 벽 채널을 형성하는 데 필요한 재료의 양과 상이한 양의 재료를 공구를 통해 인발하여야 한다. 결과적으로, 균일한 두께의 판을 형성하기 위하여, 직선 벽뿐만 아니라 범프/오목부가 형성된 벽을 모두 포함하는 영역을 갖는 분리 판을 형성하기 위해서는 사다리꼴 재료가 사용되어야 한다. 바람직한 제조 공정에는 0.1 mm 강제 판과 같은 직사각형 판금 스톡(stock)이 사용되는 데, 이러한 스톡은 직선 벽 및 범프/오목부가 형성된 벽으로 인해 불균일하게 인발되는 재료에 의해 휘어질 수 있어, 정확한 평행 정렬을 필요로 하는 연료 전지 스택에서는 사용할 수 없는 분리 판이 초래된다. 또한, 직선 채널과 파형 채널 사이의 전이 영역에 응력 증가 영역이 발생할 것으로 예상된다. 마지막으로, 유입 단부로부터 유출 단부까지 세로 방향 길이(l) 전체를 따라 연장되는 일련의 연결 범프/오목부를 갖는 채널을 구비한 분리 판은 대칭형 부품으로서 형성될 수 있으므로, 연료 전지 스택 전체에 걸쳐 구성 요소의 적절한 정렬을 보장하기 위해 조립 중에 유입/유출 단부를 인덱싱하는 과정이 필요 없게 된다. 이것은 조립을 단순화하고 비용을 줄이는 데 유리하다.
일련의 연결 범프/오목부에 대한 예시적인 기하학적 구조가 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 일부 구현예에서, 일련의 연결 범프/오목부는 진폭 및 주파수를 갖는 사인파로서 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 진폭(hb)은 채널 폭(w)의 약 0.2 배, 약 0.3 배, 약 0.4 배, 약 0.5 배, 약 0.6 배, 약 0.7 배, 약 0.8 배, 약 0.9 배, 약 1.0 배, 약 1.1 배, 약 1.2 배, 약 1.3 배, 약 1.4 배, 또는 약 1.5 배일 수 있다. 특정 구현예에서는, 분리 판의 세로 방향 길이(l)에 대해 사인파의 약 1 개, 약 2 개, 약 2.5 개, 약 3 개, 약 3.5 개, 약 4 개, 약 4.5 개, 약 5 개, 약 5.5 개, 약 6 개, 약 6.5 개, 약 7 개, 약 7.5 개, 또는 약 8 개의 완전한 사이클이 있도록 주파수가 선택될 수 있다. 일부 바람직한 구현예에서는, 사인파 패턴에 대한 접선이 유입 단부(도 1에 도시된 제 1 가장자리(110)와 유사) 및 유출 단부(도 1에 도시된 제 2 가장자리(111)와 유사)에 대해 수직이도록 주파수가 선택되므로, 스택 내외부로 유동하는 기류가 연료 전지 스택의 유입면 및 유출면에 대해 직접 수직 방향으로 이동할 수도 있는 것으로 관찰되었다. 사인파에 대한 접선이 유입 단부 또는 유출 단부에 대해 수직 방향으로부터 오프셋된 각도를 이루도록 사인파 패턴을 배열하면 열 전달 용량의 증가 없이 분리 판을 가로질러 압력 강하가 증가될 수 있는 것으로 관찰되었다. 특정 구현예에서, 유동 채널의 사인파에 대한 접선의, 유입 단부 또는 유출 단부에 수직한 방향으로부터의 오프셋 각도는 약 0°, 약 1° 미만, 약 2° 미만, 약 3° 미만, 약 4° 미만, 약 5°미만, 약 10° 미만, 또는 약 15° 미만이다. 특정 구현예에서, 사인파의 파장이 채널 폭(w)의 약 1.0 배, 약 1.5 배, 약 2.0 배, 약 2.5 배, 약 3.0 배, 약 3.5 배, 약 4.0 배, 약 4.5 배, 약 5.0 배, 약 5.5 배, 약 6.0 배, 약 6.5 배, 약 7.0 배, 약 7.5 배, 약 8.0 배, 약 8.33 배, 약 8.5 배, 약 9.0 배, 약 9.5 배, 약 10.0 배, 약 10.5 배, 약 11.0 배, 약 11.5 배, 약 12.0 배, 약 15.0 배, 약 20 배, 또는 약 25.0 배가 되도록 주파수가 선택될 수 있다.
도 5a는 본 개시의 분리 판(400)의 구현예의 유동 채널의 양태를 보여준다. 개략적인 평면도는 사인파 패턴으로 형성된 일련의 연결 범프/오목부를 갖는 4 개의 인접한 유동 채널(401a, 401b, 401c, 401d)을 보여준다. 유동 채널(401a, 401c)은 도면의 평면 내외로 동일한 배향을 갖는 반면, 유동 채널(401b, 401d)은 서로 동일하지만 채널(401a, 401c)의 배향과는 반대의 배향을 갖는다. 이에 따라, 유동 채널(401a, 401c)은 채널(312)과 유사할 수도 있는 반면, 유동 채널(401b, 401d)은 채널(313)과 유사할 수도 있으며, 또는 그 반대일 수도 있다. 도 5a의 구현예는 채널 폭(w)과 동일한 진폭(hb)을 갖는 사인파를 포함한다. 동일한 폭(w)의 유사한 직선 벽 채널의 벽(402)의 위치를 나타내는 파선이 도시되어 있다. 도 5a에 도시된 유동 채널(401a, 401b, 401c, 401d)은 분리 판의 세로 방향 길이(l)에 대해 사인파의 3 개의 완전한 사이클을 갖지만, 다른 구현예에서는 더 많거나 적은 개수의 사이클이 제공될 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같은 일부 구현예에서, 진폭은 채널 폭(w)의 적어도 약 1.0 배이다. 일련의 연결 범프/오목부의 사인파의 진폭이 적어도 폭(w)과 동일해지도록 하는 방식으로 직선 통과 기류 경로를 제거함으로써 열 전달이 향상된 것으로 관찰되었다. 특정 이론에 얽매이지 않고서도, 임의의 직선 통과 기류 경로는 최적의 열 전달을 위해 기류의 특정 부분이 분리 판을 너무 빠르게 통과할 수 있도록 하는 것으로 보인다.
도 5b는 본 개시의 분리 판(410)의 구현예의 유동 채널의 양태를 보여준다. 개략적인 평면도는 사인파 패턴으로 형성된 일련의 연결 범프/오목부를 갖는 4 개의 인접한 유동 채널(411a, 411b, 411c, 411d)을 보여준다. 유동 채널(411a, 411c)은 도면의 평면 내외로 동일한 배향을 갖는 반면, 유동 채널(411b, 411d)은 서로 동일하지만 채널(411a, 411c)의 배향과는 반대의 배향을 갖는다. 이에 따라, 유동 채널(411a, 411c)은 채널(312)과 유사할 수도 있는 반면, 유동 채널(411b, 41d)은 채널(313)과 유사할 수도 있으며, 또는 그 반대일 수도 있다. 도시된 구현예는 채널 폭(w보)다 작은 진폭(hb)을 갖는 사인파를 포함한다. 동일한 폭(w)의 유사한 직선 벽 채널의 벽(412)의 위치를 나타내는 파선이 도시되어 있다. 도 5b에 도시된 유동 채널(411a, 411b, 411c, 401d)은 분리 판의 세로 방향 길이(l)에 대해 사인파의 3 개의 완전한 사이클을 갖지만, 다른 구현예에서는 더 많거나 적은 개수의 사이클이 제공될 수 있다. 진폭(hb)이 채널 폭(w)보다 작기 때문에, 직선 통과 기류 경로(412)의 제 1 가장자리를 정의하는 점선(413)과 직선 통과 기류 경로(412)의 제 2 가장자리를 정의하는 파선(412)으로 표시된 바와 같이, 분리 판의 채널에 직선 통과 기류 경로(414)가 존재한다.
일부 구현예에서, 주파수는 세로 방향 길이(l)에 대해 사인파의 약 3 개 내지 약 6 개의 완전한 사이클을 제공하도록 선택된다. 일부 바람직한 구현예에서는, 주파수가 세로 방향 길이(l)에 대해 사인파의 약 3 개의 완전한 사이클을 제공하도록 선택된다.
시험 및 실험에서 관찰된 바와 같이, 열 전달을 향상시키기 위해 기류를 천천히 유동시키는 것과 유입 단부와 유출 단부 간의 압력차 증가로 인해 초래되는 기생 손실 사이에 균형을 맞추어야 한다. 일부 구현예에서, 일련의 연결 범프/오목부의 사인파의 파장은 채널 폭(w)의 약 3 배, 약 4 배, 약 5 배, 약 6 배, 약 7 배, 약 8 배, 약 9 배, 약 10 배, 약 11 배, 약 12 배, 약 13 배, 또는 약 14 배일 수 있다. 특정 구현예에서는, 파장이 폭(w)의 약 6 배 내지 약 10 배일 수 있다. 일부 바람직한 구현예에서, 파장은 폭(w)의 약 8 배이다.
일부 구현예에서, 벽 표면 근처의 층류 경계 층을 더욱 억제하기 위해 채널 벽의 표면에 추가 텍스처링(texturing) 또는 구조적 특징부가 제공될 수 있다. 특정 구현예에서는, 채널 벽의 표면이 표면 거칠기를 갖도록 형성될 수 있다. 다른 구현예에서는, 분리 판 재료에 일체형으로 형성되는, 또는 오버 몰딩 또는 코팅 공정을 통해 형성되는 범프 또는 돌출부가 채널 벽의 표면에 제공될 수 있다. 범프 또는 돌출부는 채널 높이(h) 또는 그 일부보다 작은 공칭 특징부 크기를 가질 수 있다.
본 명세서에 도시된 분리 판은 각각, 산화제 공기 공급 채널(112)과 냉각 공기 공급 채널(113)이 모두 조합되어 있는 음극 분리 판을 예시한 것이다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 분리 판이, 대안으로서, MEA에 유동적으로 결합되는 채널에 음극 산화제 및 냉각 공기 혼합물만 제공하는 분리 판으로서 구성될 수 있으며, 또는 MEA와 분리된 냉각 공기만을 제공하는 분리 판으로서 구성될 수 있다.
본 개시는 연료 전지 스택을 작동시키는 방법을 제공하며, 이러한 방법은 유입면으로 공기가 유동하는 복수의 공냉식 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 제공하는 단계를 포함한다. 각각의 공냉식 연료 전지는, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 내부에 산화제 공기 공급 채널 및 냉각 공기 공급 채널을 갖는 연료 전지 분리 판을 구비할 수 있다. 방법은 각각 인접한 유동 채널의 대응하는 오목부 반대측의 일련의 연결 범프를 포함하는 유동 채널을 구비한 적어도 하나의 분리 판에 기류를 제공하는 단계를 포함하며, 일련의 연결 범프 및 오목부는 연료 전지 스택의 유입면으로부터 대향하는 유출면까지의 세로 방향 길이(l) 전체를 따라 사인파 패턴으로 형성된다. 일부 구현예에서는, 방법이 적어도 하나의 분리 판에 기류를 제공하는 단계를 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 분리 판은 유동 채널의 폭(w)과 같거나 더 큰 진폭(hb) 및 적어도 하나의 분리 판의 세로 방향 길이(l)에 대해 사인파의 약 3 개 내지 약 6 개의 완전한 사이클이 있도록 선택된 주파수를 갖는 유동 채널을 구비한다. 특정 구현예에서는, 진폭(hb)이 유동 채널의 폭(w)과 동일하다. 추가의 구현예에서, 주파수는 적어도 하나의 분리 판의 세로 방향 길이(l)에 대해 사인파의 약 3 개의 완전한 사이클이 있도록 선택된다.
예 1
본 개시의 연료 전지 분리 판의 압축 및 강성을 시험하였다. 각각, 약 64 cm2의 전체 면적에 대해 길이(l)가 50.0 mm이며 직교 치수가 약 12.8 cm인 동일한 전체 치수를 가지며, 2.0 mm의 동일한 폭(w)을 갖는 64 개의 유동 채널을 구비한 분리 판을 사용하였다. 제 1 분리 판(601)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 직선의 균일한 단면 채널을 가졌다. 다른 분리 판(602, 603, 604)은 사인파 패턴으로 형성된 일련의 연결 범프/오목부를 갖는 유동 채널을 가졌다. 분리 판(602, 603)에는 채널 폭(w)과 동일한 진폭(hb) 및 분리 판의 세로 방향 길이(l)에 대해 사인파의 3.0 개의 완전한 사이클이 있도록 선택된 주파수를 갖는 사인파로 이루어진 사인파 패턴을 형성하였다. 분리 판(604)에는 채널 폭(w)의 0.5 배의 진폭(hb) 및 분리 판의 세로 방향 길이(l)에 대해 사인파의 5.0 개의 완전한 사이클이 있도록 선택된 주파수를 갖는 사인파로 이루어진 사인파 패턴을 형성하였다. 따라서, 분리 판(604)은, 사인파 패턴의 진폭(hb)이 채널의 폭(w)보다 작기 때문에, 직선 기류 경로를 구비하였다. 분리 판(601, 602, 603, 604)에 대해 압축 시험을 수행한 결과, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 사인파 패턴의 유동 채널을 갖는 분리 판(602, 603, 604)이 직선의 균일한 단면의 채널이 형성된 분리 판(601)에 비해 현저히 더 높은 파손 하중을 갖는다. 분리 판(601, 602, 603, 604)에 대해 강성 시험을 수행한 결과, 도 8에 도시된 바와 같이, 분리 판(601, 604)이 분리 판(602, 603)에 비해 더 낮은 압축력에서 더 높은 강성을 갖는다. 분리 판(601, 602, 603, 604)에 대해 열 전달 능력을 시험하였으며, 본 명세서에 데이터가 도시되어 있지는 않지만, 분리 판(602, 603)이, 직선 벽의 분리 판(601) 및 일부 직선 통과 기류 경로를 갖는 분리 판(604) 모두에 비해, 훨씬 더 우수한 열 전달을 나타내는 것으로 증명되었다.
당업자라면 본 명세서에 개시된 장치 및 시스템의 구성 요소의 제조에 다양한 재료가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 임의의 적합한 구조 및/또는 재료가 본 명세서에 설명된 다양한 특징에 사용될 수 있으며, 숙련자라면, 기타 고려 사항 중에서도, 본 명세서에 개시된 시스템의 의도된 사용, 시스템이 사용되는 의도된 분야, 및 사용하고자 하는 장비 및/또는 보조 부품을 포함하여 다양한 고려 사항을 기반으로, 적절한 구조 및 재료를 선택할 수 있을 것이다. 종래의 종합체성, 금속-중합체 복합재, 세라믹, 및 금속 재료가 다양한 구성 요소에 사용하기에 적합하다. 본 명세서에 설명된 특징 및 요소에 사용하기에 적합한 것으로 결정된, 이후 발견 및/또는 개발되는 재료도 허용 가능한 것으로 간주된다.
본 명세서에서 분자량과 같은 물리적 특성 또는 화학식과 같은 화학적 특성에 대해 범위가 사용되는 경우, 이러한 범위는 범위 내의 특정 예시에 대한 범위의 모든 조합 및 하위 조합을 포함하기 위한 것이다.
본 문서에서 인용되거나 설명된 각각의 특허, 특허 출원, 및 공보의 개시 내용이 전체적으로 본 명세서에 참조로서 포함된다.
당업자는 본 개시의 예시에 대해 다수의 변경 및 수정이 이루어질 수 있으며, 이러한 변경 및 수정이 본 개시의 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 첨부된 청구 범위에 정의된 바와 같은 본 개시의 진정한 범위 내에 속하는 모든 이러한 등가의 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 공냉식 연료 전지 스택 조립체 내에서 막 전극 조립체(MEA)의 성능을 최적화하는 방법으로서,
    복수의 연료 전지 조립체를 스택으로 배치하는 단계로서, 각 연료 전지 조립체는 채널의 길이에 걸쳐 연장되는 비선형의 대칭파 기류 채널을 갖는 분리 판을 구비하고, 유입면을 형성하는 각 분리 판의 제1 가장자리들을 정렬하고, 유출면을 형성하는 각 분리 판의 제2 가장자리들을 함께 정렬하며, 분리 판들 사이에 MEA를 배치하는 것인, 복수의 연료 전지 조립체를 배치하는 단계
    를 포함하고,
    균일하게 압축된 연료 전지 스택을 형성할 때 MEA들의 균일한 압축을 통해 MEA들 상의 전단 응력이 감소하는 것인 최적화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대칭파에 대한 균일한 압축은 MEA의 핀 홀링(pin-holing)을 감소시키는 것인 최적화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 대칭파 기류 채널은, 대칭파 기류 채널 없이 달성될 수 있는 압축에 비해, MEA의 더 큰 압축을 위해 형성되는 것인 최적화 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    압축된 각각의 MEA는 오믹 손실이 감소되는 것인 최적화 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 더 큰 압축이 없을 때 보다, 연료 전지 스택을 위한 중량 동력 밀도가 더 큰 것인 최적화 방법.
  6. 연료 전지 분리 판으로서,
    제1 가장자리 및 제2 대향 가장자리를 포함하고,
    상기 분리 판은, 분리 판의 제1 가장자리와 제2 대향 가장자리 사이에 세로 방향으로 일련의 기류 채널들을 형성하고,
    상기 분리 판은 마주보는 채널 벽 내에 일련의 연결된 범프들과 그 반대편에 대응하는 오목부들로 형성되는 비선형 기류 채널을 포함하고,
    상기 제1 가장자리와 제2 대향 가장자리 사이의 거리는 채널 길이(l)에 해당하고,
    상기 일련의 연결된 범프들 및 오목부들은 전체 채널 길이(l)에 걸쳐 연장되며, 상기 일련의 연결된 범프들 및 오목부들은 진폭(hb) 및 주파수를 갖는 사인파로 형성되는 것인, 연료 전지 분리 판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분리 판은 복수의 파형부를 갖는 일련의 기류 채널을 형성하고, 상기 분리 판의 각각의 파형부는 기류 채널을 형성하는 마루 및 골을 포함하며,
    한 쌍의 인접한 마루 사이의 간격 또는 한 쌍의 인접한 골 사이의 간격은 채널 폭(w)에 해당하는 것인, 연료 전지 분리 판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 진폭(hb)은 상기 채널 폭(w)의 0.2 배, 0.3 배, 0.4 배, 0.5 배, 0.6 배, 0.7 배, 0.8 배, 0.9 배, 1.0 배, 1.1 배, 1.2 배, 1.3 배, 1.4 배, 또는 1.5 배인 것인, 연료 전지 분리 판.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 주파수는, 상기 채널 길이(l)에 대해 상기 사인파의 1 개, 2 개, 2.5 개, 3 개, 3.5 개, 4 개, 4.5 개, 5 개, 5.5 개, 6 개, 6.5 개, 7 개, 7.5 개, 또는 8 개의 완전한 사이클이 존재하도록 선택되는 것인, 연료 전지 분리 판.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 주파수는, 상기 사인파에 대한 접선이 상기 제 1 가장자리 및 상기 제 2 대향 가장자리에 대해 수직이도록 선택되는 것인, 연료 전지 분리 판.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 주파수는, 상기 사인파의 파장이 상기 채널 폭(w)의 1.0 배, 1.5 배, 2.0 배, 2.5 배, 3.0 배, 3.5 배, 4.0 배, 4.5 배, 5.0 배, 5.5 배, 6.0 배, 6.5 배, 7.0 배, 7.5 배, 8.0 배, 8.33 배, 8.5 배, 9.0 배, 9.5 배, 10.0 배, 10.5 배, 11.0 배, 11.5 배, 12.0 배, 15.0 배, 20 배, 또는 25.0 배가 되도록 선택되는 것인, 연료 전지 분리 판.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 주파수는, 상기 채널 길이에 대해 상기 사인파의 3 개의 완전한 사이클이 존재하도록 선택되는 것인, 연료 전지 분리 판.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 주파수는, 상기 채널 길이에 대해 상기 사인파의 5 개의 완전한 사이클이 존재하도록 선택되는 것인, 연료 전지 분리 판.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 진폭(hb)은 상기 채널 폭(w)의 약 0.5 배인 것인, 연료 전지 분리 판.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 주파수는, 상기 사인파의 파장이 상기 채널 폭(w)의 약 5.0 배가 되도록 선택되는 것인, 연료 전지 분리 판.
KR1020227003927A 2018-04-18 2019-04-16 연료 전지용 냉각판 KR102558642B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1806346.1 2018-04-18
GB1806346.1A GB2572990B (en) 2018-04-18 2018-04-18 Cooling plates for fuel cells
PCT/GB2019/051074 WO2019202304A1 (en) 2018-04-18 2019-04-16 Cooling plates for fuel cells
KR1020207033254A KR102398434B1 (ko) 2018-04-18 2019-04-16 연료 전지용 냉각 판

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207033254A Division KR102398434B1 (ko) 2018-04-18 2019-04-16 연료 전지용 냉각 판

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220019079A true KR20220019079A (ko) 2022-02-15
KR102558642B1 KR102558642B1 (ko) 2023-07-21

Family

ID=62203407

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227003927A KR102558642B1 (ko) 2018-04-18 2019-04-16 연료 전지용 냉각판
KR1020207033254A KR102398434B1 (ko) 2018-04-18 2019-04-16 연료 전지용 냉각 판

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207033254A KR102398434B1 (ko) 2018-04-18 2019-04-16 연료 전지용 냉각 판

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20210218038A1 (ko)
EP (1) EP3782217A1 (ko)
JP (1) JP6891354B2 (ko)
KR (2) KR102558642B1 (ko)
CN (2) CN116759601A (ko)
GB (1) GB2572990B (ko)
WO (1) WO2019202304A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7435545B2 (ja) 2021-06-02 2024-02-21 トヨタ自動車株式会社 空冷式燃料電池
CN115954496A (zh) * 2022-08-31 2023-04-11 江苏金亚隆科技有限公司 一种柔性石墨双极板

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160138069A (ko) * 2014-03-31 2016-12-02 인텔리전트 에너지 리미티드 연료 전지용 냉각판들

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08153525A (ja) * 1994-11-29 1996-06-11 Toyota Motor Corp 燃料電池
US6586128B1 (en) * 2000-05-09 2003-07-01 Ballard Power Systems, Inc. Differential pressure fluid flow fields for fuel cells
US7462415B2 (en) * 2003-09-24 2008-12-09 General Motors Corporation Flow field plate arrangement for a fuel cell
CN2672882Y (zh) * 2003-12-17 2005-01-19 上海神力科技有限公司 一种可使燃料电池堆在低压或常压下运行的导流极板
US7732084B2 (en) * 2004-02-04 2010-06-08 General Electric Company Solid oxide fuel cell with internal reforming, catalyzed interconnect for use therewith, and methods
JP4791152B2 (ja) * 2005-11-11 2011-10-12 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP4948823B2 (ja) * 2005-11-16 2012-06-06 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP5274904B2 (ja) * 2008-06-17 2013-08-28 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
CN101908636B (zh) * 2009-06-04 2014-05-28 本田技研工业株式会社 燃料电池组
JP5261440B2 (ja) * 2010-06-07 2013-08-14 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
DE202011109654U1 (de) * 2011-12-23 2013-01-03 Reinz-Dichtungs-Gmbh Strömungsplattenverbund für Membranstapel
DE112014004252B4 (de) * 2013-09-17 2017-11-02 Honda Motor Co., Ltd. Brennstoffzellenstapel
US10522852B2 (en) * 2017-02-06 2019-12-31 Gm Global Technology Operations Llc. Reinforcement structure for bead seal in a plate assembly
CN209607840U (zh) * 2019-05-08 2019-11-08 珠海格力电器股份有限公司 双极板组件、燃料电池、燃料电池动力系统和交通工具

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160138069A (ko) * 2014-03-31 2016-12-02 인텔리전트 에너지 리미티드 연료 전지용 냉각판들

Also Published As

Publication number Publication date
JP6891354B2 (ja) 2021-06-18
KR102558642B1 (ko) 2023-07-21
GB201806346D0 (en) 2018-05-30
KR102398434B1 (ko) 2022-05-13
GB2572990A (en) 2019-10-23
GB2572990B (en) 2020-10-14
WO2019202304A1 (en) 2019-10-24
EP3782217A1 (en) 2021-02-24
CN111989807A (zh) 2020-11-24
KR20200139251A (ko) 2020-12-11
CN116759601A (zh) 2023-09-15
US20210218038A1 (en) 2021-07-15
JP2021512474A (ja) 2021-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10468691B2 (en) Bipolar plates for use in conduction-cooled electrochemical cells
CN106165172B (zh) 用于燃料电池的冷却板
KR102398434B1 (ko) 연료 전지용 냉각 판
US9748583B2 (en) Flow field plate for improved coolant flow
US8927170B2 (en) Flow field plate for reduced pressure drop in coolant
US20130034801A1 (en) Bipolar plate assembly having an adjustment member
EP3644422A1 (en) Fuel cell separator including embossing structure for uniform distribution of gas and fuel cell stack including the same
CN111697258A (zh) 虚设单电池的制造方法以及虚设单电池的制造装置
EP2087541B1 (en) Fuel cell and flow field plate for the same
CN111668526B (zh) 燃料电池堆以及虚设单电池的制造方法
KR102666114B1 (ko) 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택
EP3561933A1 (en) High-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell stack for optimizing stack operation
US12003004B2 (en) Thermal managing end plate for fuel cell stack assembly
JP6804068B2 (ja) ガイドパターンを含む燃料電池用分離板及びこれを含む燃料電池スタック
CN110311160B (zh) 燃料电池堆和虚设单电池的制造方法
KR101959460B1 (ko) 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택
US20110136030A1 (en) High temperature pem fuel cell with thermal management system
WO2018183047A1 (en) Flow field plate for an electrochemical fuel cell
KR101990280B1 (ko) 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant