KR20230007399A - 유체 안내 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 채널 구조(720) 및 상기 채널 구조(720) 상에 배치된 가스확산층(5)을 포함하고, 채널 구조(720)는 채널 구조(720)의 제1 단부로부터 반대쪽 제2 단부까지 연장되는 유동장 채널(72)을 한정하는 연료 전지용 유체 안내 어셈블리에 관한 것으로, 다공도 분배기(73)가 채널 구조(720)의 전체 폭을 넘어 연장되는 채널 구조(720)의 양 단부에 배열된다.

Description

유체 안내 어셈블리
본 발명은 특히 연료 전지에서 기체 및 액체를 안내하기 위한 유체 안내 어셈블리에 관한 것이다.
연료 전지는 화석 연료를 기반으로 작동하는 발전기를 대체할 주요 후보 중 하나이며 모바일 및 고정식 응용(stationary application)을 비롯한 여러 응용에서 사용될 수 있다. 이러한 연료 전지 중 하나는 70 내지 80℃에서 작동하는 PEM(Proton Electrolyte Membrane) 연료 전지이다. 스택 어셈블리의 각각의 전지는 전해질, 일반적으로 얇은 멤브레인, 애노드 측의 촉매 층 및 캐소드 측의 촉매 층으로 구성되며, 이 어셈블리를 MEA(Membrane Electrode Assembly)라고 한다. 연료, 일반적으로 수소와 산화제, 일반적으로 공기는 전기 화학 반응이 일어나는 각각의 층을 통과하여 부산물로 물과 함께 전기를 생산한다. 종종 MEA와 가스를 고르게 분배하기 위한 특수 유동 채널이 있는 유동장(Flow Field, FF) 플레이트 사이에 끼어 있는 다공도 탄소 섬유로 제조된 가스확산층(GDL)이 있다. 촉매층에서 생성된 물은 가스 채널에 도달할 때까지 GDL을 통과하여 전지 밖으로 밀려난다. 연료 전지의 상 변화와 물 및 열 관리는 지난 몇 년 동안 광범위하게 연구되었으며 여러 특허들이 이와 관련하여 출원되었다. 그러나 단순화, 소형화, 비용 절감 및 손쉬운 제조라는 과제가 남아 있다. 첨단 연료전지 기술의 한계는 간단한 예를 들어 설명할 수 있다. 미국등록특허 제9,947,943호는(주로) 금속 플레이트를 기반으로 하는 자동차 응용을 위한 연료 전지 스택의 설계 및 생산에 관한 것이다. 약 300[cm2]의 활성 영역은 약 1.1[mm]의 셀 피치로 각각의 전지에서 고려된다. 각각의 셀의 두께는 주로 플레이트의 두께에 의해 결정된다. 따라서, 스탬핑 기술의 한계로 인하여 시장에 보다 경쟁력 있는 제품을 제공하기 위하여 스택의 '볼륨 전력 밀도'를 높이고 더 컴팩트하게 만드는 것이 중요하다. 기존의 금속 플레이트 스탬핑 기술과 흑연판의 압축/사출 성형으로는 불가능하므로 다른 생산 수단을 모색해야 한다. 이러한 유동 구조들의 실시예들은 예를 들어, 미국공개특허 제2019/0242021호 및 제2015/0118595호에 개시되어 있다.
본 발명에서 해결해야 할 문제는 더 얇은 연료 전지의 생산을 가능하게 하는 유체 안내 어셈블리를 제공하는 것이다. 또한, 이러한 연료 전지는 디자인이 단순하고 제조가 쉬워야 한다.
본 발명의 이러한 기술적 과제는 청구항 1항의 특징을 갖는 유체 안내 어셈블리에 의해 해결된다. 유체 안내 어셈블리, 유동장 구조 및 연료 전지의 추가 실시예 및 이의 제조 방법은 추가 청구범위들의 특징에 의해 한정된다.
본 발명에 따른 연료 전지용 유체 안내 어셈블리는 채널 구조 및 상기 채널 구조 상에 배치된 가스확산층을 포함한다. 유동장 채널을 한정하는 채널 구조는 채널 구조의 제1 단부에서 반대쪽 제2 단부로 연장된다. 다공도 분배기가 채널 구조의 제1 측면에서 채널 구조의 반대쪽 제2 측면까지 채널 구조의 전체 폭을 넘어 연장되는 채널 구조의 양 단부에 배열된다.
이러한 디자인으로, 유체 안내 어셈블리의 두께를 줄이는 것이 가능하고, 따라서 유체 안내 어셈블리가 사용되는 연료 전지의 두께를 줄이는 것이 가능하다. 거의 50%의 두께 감소를 달성할 수 있는 동시에 전지의 성능이 향상된다. 부가적으로, 유체 안내 어셈블리의 가스 확산 및 열 전달 속도가 크게 증가한다. 또한, 이러한 어셈블리의 생산 비용이 더 낮고, 따라서 이러한 어셈블리를 갖는 연료 전지의 생산 비용이 더 낮다.
일 실시예에서, 분배기는 일체형으로 형성되고 10% 내지 90%의 다공도를 갖는다. 추가 실시예에서, 다공도는 50% 내지 80% 범위이다.
일 실시예에서, 다공도는 분배기의 폭에 걸쳐 변하는데, 즉 유체 안내 어셈블리가 연료 전지에 도입될 때, 대응하는 매니폴드 부근의 다공도는 이로부터 멀어질 때보다 더 낮다. 예를 들어, 매니폴드가 한쪽 측면에 할당된 경우 다공도가 가장 작고 반대쪽 측면에서 다공도가 가장 높다. 매니폴드가 중앙에 배치된 경우 다공도는 양쪽 측면에서 가장 높고 중간에서 가장 작다.
일 실시예에서, 분배기의 길이는 유동장 채널, 즉, 채널 구조의 길이의 1% 내지 10% 범위에 있다. 일 실시예에서, 분배기의 길이는 0.1 밀리미터 내지 20 밀리미터의 범위에 있다. 추가 실시예에서, 분배기의 길이는 1mm 내지 10mm의 범위에 있다.
일 실시예에서, 분배기의 높이는 채널 구조의 높이와 동일하다.
일 실시예에서, 분배기의 높이는 채널 구조의 높이보다 더 작다.
일 실시예에서, 분배기의 높이는 확산층의 높이와 채널 구조의 높이의 합과 동일하다.
일 실시예에서, 분배기의 높이는 채널 구조의 높이보다 더 크다.
일 실시예에서, 분배기의 높이는 50 마이크로미터 내지 400 마이크로미터 범위이다. 추가 실시예에서, 분배기의 높이는 200 마이크로미터 내지 400 마이크로미터 범위이다.
일 실시예에서, 유동 채널 구조 및 분배기는 서로 영구적으로 연결된다. 영구 연결은 코팅, 프레싱 또는 핫 프레싱으로 실현될 수 있다.
일 실시예에서, 분배기는 개방-기공 발포체(open-pore foam), 구멍 패턴 및 슬릿 패턴을 포함하는 그룹 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에서, 분배기는 원형, 타원형 또는 각진 구멍을 포함한다.
일 실시예에서, 분배기는 직선, 곡선 또는 각진 슬릿을 포함한다.
일 실시예에서, 분배기는 금속, 플라스틱 또는 수지 또는 이들의 조합으로 제조된다.
일 실시예에서, 채널 구조는 직선, 구불구불한(serpentine) 또는 깍지형(interdigitated) 유동장 채널을 포함한다.
일 실시예에서, 채널 구조 및 분배기는 단일 피스로 일체로 형성된다.
유체 안내 어셈블리의 전술한 실시예들의 특징들은 서로 모순되지 않는 한 임의의 조합으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 유동장 구조는 전술한 실시예들 중 하나에 따른 유체 안내 어셈블리 및 유체 안내 어셈블리를 수용하기 위한 리세스를 갖는 분리판(separator plate)을 포함한다. 유동장 구조는 채널 구조의 제1 단부에 있는 분배기에 가스를 공급하고 채널 구조의 제2 단부에 있는 분배기로부터 가스를 수집하기 위한 매니폴드 및 분배 채널을 더 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지는 전술한 실시예에 따른 2개의 유동장 구조에 의해 보강된 적어도 하나의 막 전극 접합체를 포함한다.
일 실시예에서, 연료 전지는 2개의 집전판 및 2개의 백킹 플레이트(backing plates)를 포함하고, 하나의 집전판은 각각의 유동장 구조에 인접하게 배열되고, 하나의 백킹 플레이트는 각각의 집전판에 인접하게 배열된다.
추가 실시예에서, 2개의 백킹 플레이트는 클램핑 요소에 의해 지지된다.
본 발명에 따른 유체 안내 어셈블리의 제조 방법은 다음 단계를 포함한다:
- 채널 구조를 제공하는 단계;
- 채널 구조의 양단에 다공도 분배기를 제공하는 단계; 및
- 채널 구조에 가스확산층을 제공하는 단계.
하나의 실시예에서, 방법은 하기 단계를 포함한다:
- 채널 구조와 2개의 분배기를 서로 영구적으로 연결하는 단계.
하나의 실시예에서, 방법은 하기 단계를 포함한다:
- 가스확산층과 채널 구조 및 2개의 분배기를, 채널 구조와 분배기의 연결과 동시에 또는 채널 구조와 분배기의 연결 이후에 영구적으로 연결하는 단계.
일 실시예에서, 영구적인 연결은 프레싱을 포함하거나 영구적인 연결은 가열 및 프레싱을 포함한다.
상기 제조 방법의 실시예의 특징들은 서로 모순되지 않는 한 임의의 조합으로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명된다. 이는 단지 설명을 위한 것이며 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1은 종래 기술에 따른 유동장 플레이트의 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유동장 구조의 평면도이다.
도 3은 단면선 XX를 따른 도 2의 유동장 구조의 부분 단면도이다.
도 4a-b는 본 발명에 따른 분배기의 실시예의 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 유동장 채널의 실시예의 부분 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 2개의 유동장 구조에 의해 지지된 막 전극 어셈블리의 단면도이다.
도 7a 내지 도 7h는 본 발명에 따른 유체 안내 어셈블리의 일 실시예의 제조 공정을 도시한 도면이다.
도 1은 종래 기술에 따른 유동장 플레이트의 평면도를 도시한다. 금속 또는 흑연과 같은 임의의 재료로 제조된 바이폴라 플레이트(7)는 플레이트의 외부 부분에 위치한 여러 개의 기체/액체 유입구/배출구 매니폴드(90, 91, 92)를 포함한다. 촉매 층이 있는 활성 영역(A)은 아래에 특수 유동장(FF)이 있는 전지 중앙에 있다. 유동장은 활성 영역(A)에서 충분하고 균일한 가스 공급을 보장한다. 입구와 출구 매니폴드 사이에는 가스를 안내하는 FDC(유동 분배 채널)가 있어 유동장과 활성 영역에 균일하게 분포된다. 연료 전지의 경우 양극성 제조 방법(복합 흑연 또는 금속)에 관계없이 활성 영역에 균일한 가스 유동장이 있어 촉매층을 통해 가스를 고르게 분배하는 것이 일반적이다. 스택 어셈블리에는 가스 공급을 위해 모든 전지에 연결된 입구 및 출구 매니폴드가 있다. 기체/액체가 전지에 들어간 이후 활성 영역에 도달하기 전에 전지 내에서 균일한 분포가 필요하다. 일반적으로 이것은 활성 영역(A)과 해당 입구 매니폴드(91) 사이에 위치한 유동 분배 채널(71)로 수행된다. 유사한 방식으로, 전지에 대한 불필요한 배압과 유동의 섭동(perturbation)을 피하기 위해 활성 영역과 출구 매니폴드 사이에 특별한 유동 패턴이 있다. 균일한 가스 유동 분포, 충분한 물 관리 및 촉매층에 충분한 양의 반응물을 공급하기 위해 가스 유동 채널은 채널 구조 위 또는 내부에 설계된다. 채널은 반응물이 특정 방향으로 흐르도록 안내하고 세포에서 수분 제거를 돕는다. 플레이트를 제조하는 재료에 따라 유로나 패턴에 다양한 생산 방법이 사용된다. 예를 들어, 플레이트/세퍼레이터가 흑연 복합 재료로 제조된 경우 사출 성형, 압축 성형 또는 기계 가공이 사용된다. 플레이트가 금속 플레이트로 제조된 경우 스탬핑은 사용된 가장 유망하고 경제적으로 실행 가능한 기술이었다. 모든 단일 바이폴라 플레이트 어셈블리에 대해 일반적으로 두 개의 개별 판금(sheet metals)이 스탬핑되고(스탬핑 전 또는 후에) 레이저 용접되고 보호 코팅으로 코팅된다. 어떤 경우에는 레이저 용접이 제거되고 기존의 밀봉이 사용된다. 종래 기술의 설계의 주요 결점 중 하나는 단일 플레이트의 두께를 얼마나 줄일 수 있는지에 대한 제한이다. 이것은 조립된 스택의 크기에 직접적인 영향을 미치므로 체적 전력 밀도에 영향을 미친다. 반면에 생산할 수 있는 채널의 너비와 깊이는 판금의 연신율이나 가공 공정의 제한으로 인해 제한된다. 가스 채널은 가스확산층(GDL)과 접촉하는 리브에 의해 서로 분리된다. 전기화학적 반응으로 생성된 물은 GDL을 통과하여 가스 채널로 이동한다. 흑연 또는 스탬핑 기술로 생산된 플레이트의 주요 한계들 중 하나는 접촉 리브('랜드(land)'라고도 함)의 너비를 1-2[mm] 미만으로 줄일 수 없다는 것이다. 결과적으로 리브는 전지에 물이 축적되는 주요 원인 중 하나이며 전지의 성능을 저하시키고 플레이트의 부식 속도를 증가시킨다. 이 문제를 극복하기 위해 다공도 매체가 가스 유동 채널로 사용되었다. 그러나 이러한 구조의 한계는 가스가 흐르는 방향을 제어할 수 없어 전지의 셀의 성능을 제한하고 특히 동적 부하 작동 시 사각 지대(예를 들어, 셀 모서리)에서 수분 축적을 증가시킨다는 점이다. 대안으로 병렬로 가는 와이어를 사용하여 가스 채널을 생성하는 경우 다른 여러 와이어가 그 위에 수직으로 장착되어 GDL(가스확산층) 역할을 하여 메쉬를 형성한다. 이러한 설계로 배선이 활성 영역과 접촉하는 활성 영역의 50%가 차단된다. 더구나 이런 미세한 선들을 조립하고, 설비와 자동화를 시켜도 한데 묶는 것은 매우 지루하고 시간 소모적이다. 금속 와이어의 경우 용접으로 결합하거나 플라스틱 와이어의 경우 핫 퓨즈로 결합하는 것은 매우 어려운 작업이다. 이러한 어셈블리의 품질 관리는 어렵고 일부 채널/구멍을 막을 가능성이 높아 멤브레인에 핫스팟을 생성하고 손상시킬 수 있다. 또한, 활성 영역과 메쉬로 가스를 전달하기 위해서는 또 다른 가스 전달 메커니즘이 필요하다. 이러한 와이어 중 일부가 어셈블리의 가장자리에서 서로 접촉하면 가스 유동을 차단하고 가스가 균일하지 않게 된다. 대안적인 실시예에서, 직조 메쉬가 가스 확산 층으로 사용되었다. 이러한 설계의 활성 영역 내에서 균일한 가스 분포는 제한된다. 따라서, 전지로 및 전지로부터의 가스 확산도 제한되어 메쉬의 구조로 인해 큰 압력 강하가 발생하고 모세관력에 영향을 준다. 가스확산층(GDL)을 생산하는 기존의 방법은 탄소 섬유와 GDL의 한 면에 미세 다공도 층을 조합하여 전지 어셈블리에서 촉매층과 직접 접촉하는 방식이다. 프로이덴베르크(Freudenberg) 또는 도레이(Toray)의 GDL은 시장에서 최신 기술 중 일부 기술이다. 일반적으로 GDL은 애노드 측과 캐소드 측의 양극판과 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)의 유동 채널 사이에서 압축된다.
도 2는 본 발명에 따른 유동장 구조(7)의 평면도를 도시하고, 도 3은 단면선 XX를 따른 도 2의 유동장 구조의 부분 단면도를 도시한다. 본 발명의 구조는 연료 전지 내부의 여러 구성요소를 보다 컴팩트하고 신뢰할 수 있는 방식으로 함께 결합한다. 이것은 고유한 최첨단 채널 구조(720), 가스확산층 및 가스 분배기(73)를 동시에 포함한다. 이는 종래 기술과 관련된 미해결 문제를 극복할 뿐만 아니라 연료 전지의 성능을 크게 향상시킨다. 동시에, 이러한 설계는 전지 조립을 단순화하여 소형화, 신뢰성을 가져오고 연료 전지 생산에서 상당한 비용 절감을 제공한다. 도시된 실시예에서, 유동장 채널(72)을 포함하는 채널 구조(720)는 어셈블리의 중심, 즉 연료 전지의 활성 영역(A)에 위치된다. 두 개의 별도 분배기(73)가 있다. 각각은 채널 구조(720)의 일단에 고정된다. 이것들은 생산 과정에서 기계적 지지대 역할을 하고 활성 영역(A)에 들어가기 전에 가스를 균일하게 분배한다. 또한, 가스확산층(5)으로 작용하는 채널 구조(720)의 상부에 얇은 층이 있다. 이 디자인에는 몇 가지 기능과 장점들이 있다; 첫째, 기존 개념에 비해 매우 컴팩트하고 생산 비용이 저렴하다. 둘째, 활성 영역(A)에 대한 유동 교정기 역할을 하는데, 즉, 활성 영역(A)에 들어가기 전에 가스의 유동 분포를 통합한다. 셋째, 채널 구조(720)가 와이어와 같은 별도의 조각으로 만들어진 경우 기계적 지지대 역할을 하여 장력을 받고 제자리에 고정된다. 넷째, 플레이트를 포함한 전체 셀 어셈블리를 더 작고 컴팩트하게 만든다. 도 3에 도시된 바와 같이, 분배기(73)의 크기 및 치수에는 제한이 없으며 셀, 분리판(70) 및 활성 영역(A)의 크기에 따라 달라질 수 있다. 분배기(73)의 길이는 바람직하게는 유동장 채널(72)의 길이의 1-30%, 더욱 바람직하게는 1-10%이지만, 제한되지 않는다. 예를 들어, 유동장 채널(72)의 길이가 100mm인 경우, 분배기의 바람직한 길이는 1-10mm일 수 있다.
분배기(73)의 두께는 바람직하게는 채널 구조(720)의 두께에 근접하거나 약간 더 큰 값이다. 분배기(73)는 채널 구조(720)에 대한 기계적 지지 및 홀더 역할을 할 수 있기 때문에, 채널 구조(720)와 분배기(73) 사이의 접합부가 이의 상단에 배열될 수 있도록 약간 더 두껍게 만드는 것이 필요할 수 있다. 예를 들어, 채널 구조물(720)의 두께 또는 높이가 200[μm]인 경우, 분배기의 두께 또는 높이는 200-400[μm] 사이에서 변할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 디자인은 특히 분배기(73)가 촉매 코팅된 멤브레인(CCM) 또는 서브-개스킷(sub-gasket) 또는 전지 어셈블리의 임의의 다른 구성요소와 직접 접촉할 때 전지 어셈블리에 더 많은 유연성을 제공한다. 이러한 디자인은 플레이트를 제조하고 따라서 전지의 전체 크기(활성 영역 + 서브-개스킷 주변)를 더 작게 만들어 원칙적으로 스택 크기와 생산 비용을 줄인다.
도 2는 본 발명에 따른 분배기(73)를 갖는 전지의 레이아웃을 도시한다. 분리판(70)의 길이는 도 1에 도시된 원래의 플레이트 디자인과 비교하여 감소된다. 도 1의 플레이트와 도 2의 플레이트 사이의 주요 차이점은 활성 영역(A)과 가스 입구/출구 매니폴드(90,91,92)가 동일하게 유지된다는 것인데, 분배기가 위치하는 구역은 본 발명에 따라 개념상 상당히 최적화되고 더 짧다. 예를 들어, 산화제는 산화제 매니폴드(91)로부터 셀로 들어가고 화살표로 도시된 바와 같이 분배 채널(71)에 분배된다. 그 후, 유동장 채널(72)과 활성 영역(A)에 들어가기 전에 가스 유동을 조절하고 균질화하는 분배기(73)에 도달한다. 분배 채널(71)의 길이는 전지의 디자인 및 기하학적 구조에 기초하여 최적화된다. 큰 배압(back pressure)의 생성을 방지하기 위해 너무 길지 않아야 한다. 마찬가지로, 너무 작아서는 안 되는데, 그렇지 않으면 촉매 코팅된 멤브레인 또는 서브-개스킷과 같이 그 위에 조립된 층이 변형되어 분배 채널(71)을 막을 수 있다. 대안으로, 분배기는 채널 구조(720)와 대응하는 매니폴드(91) 사이의 분배 채널의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있다. 이는 당업자에 의해 조정될 수 있는 설계 파라미터이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 분배기(73)의 실시예의 단면도를 도시한다. 분배기(73)는 금속, 알루미늄, 티타늄, 플라스틱, 열가소성 수지, 수지 또는 다공도 조각과 같은 다양한 재료로 제조될 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 유통업체의 구조는 생산에 사용된 재료에 따라 조정된다. 유통업체의 디자인과 생산 방식에는 제한이 없다. 예를 들어, 다공도 수지나 금속 등으로 제조될 수 있다. 분배기의 다공도는 전지의 디자인 및 크기를 기반으로 추정되어야 하며, 바람직하게는 10 내지 90% 사이여야 하고 보다 바람직하게는 50 내지 80% 사이여야 하지만 제한되지는 않는다. 매우 높은 다공도는 기계적 안정성을 감소시키기 때문에 권장되지 않으며 매우 낮은 다공도도 분배기 전체와 연료 전지 전체에 걸쳐 매우 큰 압력 강하를 생성하므로 권장되지 않는다. 분배기가 다공도 재료 자체로 생산되지 않는 경우 3D 프린팅, 사출/압축 성형, 라미네이팅, 침식 또는 기타 방법과 같은 다른 제조 기술을 사용될 수 있다. 예를 들어, 다공도는 분배기(73)를 통해 연장되는 복수의 핀(730)에 의해 또는 분배기(73)를 통해 연장되는 복수의 슬릿(731)에 의해 생성될 수 있다.
도 4a의 도시된 실시예에서, 핀(730)은 분배기(73)의 단면에 걸쳐 균일하게 분포된다. 도 4b의 도시된 실시예에서, 슬릿(731)은 구불구불한 형상이고 분리기(73)의 단면의 폭에 걸쳐 균일하게 분포된다. 분배기(73)는 금속, 흑연 또는 다른 것으로 제조된 분리판(70)과 함께 사용될 수 있다. 분배기(73)와 채널 구조(720)의 재료는 반드시 동일할 필요는 없다. 예를 들어, 도 1에 도시된 종래의 연료 전지의 유동 경로는 채널 구조와 대응하는 매니폴드 사이의 채널에 본 발명에 따른 분배기를 도입함으로써 감소되거나 제거될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 각각의 채널 구조(720)에서 유동장 채널(72)의 실시예의 부분 투시도를 도시한다. 도시된 실시예에서, 유동장 채널(72)은 얇은 금속 시트의 스탬핑에 의해 생성된다. 이 경우, 채널 구조체(720)는 분리판(70)과 일체로 일체로 형성된다. 따라서, 분배기(73)는 유로 구조(720) 또는 분리판(70)에 각각 인접한다. 연료 전지에서 신선한 산화제(대부분 공기)는 가스확산층을 통해 확산되어 촉매층에 도달한다. 촉매층에서 생성된 물은 가스확산층의 모세관력으로 인해 채널 쪽으로 이동한다. 채널 내부에서는 응축수와 산화제가 혼합되어 생성된 물이 채널 밖으로 밀려난다. 채널의 가스 속도는 신선한 산화제의 거동, 물의 이동 및 채널에서 발생하는 혼합 현상에 대해 많은 부분을 설명한다. 채널의 가스 속도는 신선한 산화제의 거동, 물의 이동 및 채널에서 발생하는 혼합 현상에 대해 많은 부분을 설명한다. 연료 전지의 가스 유동은 주로 라미나(laminar)이다. 그러나 레이놀즈 수(Reynolds numbers)에 따라 가스와 응축수 사이에 다른 혼합 메커니즘이 발생할 수 있다. 예를 들어, 레이놀즈 수 1000에서의 기체/액체 혼합은 500 미만의 레이놀즈 수에서의 혼합과 다르다. 높은 가스 유속은 응축수를 유동장 채널 밖으로 밀어내는 데 도움이 된다. 그러나 복잡한 혼합 효과로 인해 신선한 공기가 활성 영역, 특히 물이 축적된 채널의 출구 쪽으로 도달하는 것을 방지할 수도 있다. 이 문제를 해결하고 가스 채널의 물 관리를 개선하려면 기존 혼합과 확산 혼합을 구별하는 것이 중요하다. 확산 혼합에서 액체와 기체는 전이 영역 이전과 도중에 서로 분리된 상태로 유지된다. 확산 혼합은 유체 유동, 레이놀즈 및 프란틀 수(Prandtl-Number)와 직접 관련된다. 따라서, 유동장 채널(72)과 가스확산층(5)의 치수는 기존의 현상과 확산 혼합 현상을 고려하여 이루어져야 한다. 따라서, 레이놀즈 수와 프란틀 수 사이의 비는 예를 들어, 0.01 내지 1000, 보다 바람직하게는 0.05 내지 500의 범위 내에 있어야 하지만, 이에 제한되지 않는다.
도 5b의 실시예에서, 여러 와이어(720)가 서로 동일한 거리로 정렬되어 유동장 채널(72)을 생성한다. 인접하는 두 와이어 사이의 거리는 10-1000[㎛]인 것이 바람직하고, 100-300[㎛]인 것이 보다 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 와이어의 바람직한 단면은 원형, 정사각형 또는 직사각형 중 하나이지만 제한되지는 않는다. 원형 와이어의 경우, 바람직한 직경은 10-500[㎛], 바람직하게는 100-300[㎛]이다. 사각 와이어의 경우 한 변의 길이는 10~500[㎛], 바람직하게는 100~300[㎛] 사이가 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 레이저 절단 등의 다른 방법을 사용하여 유사한 구조를 만들 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 와이어는 다양한 재료로 제조될 수 있으며 재료가 전기적으로 전도성인 것이라면 제한이 없다. 사용할 수 있는 재료의 몇 가지 예들은 스테인리스강, 알루미늄, 티타늄, 구리 또는 열가소성 수지(예를 들어, PET, PEN, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 폴리아미드 수지, 아크릴 수지, 탄소, 탄소 섬유 등) 이다. 사용된 재료에 관계없이 부식 방지를 위해 부식 방지 코팅을 적용할 수 있다. 사용할 수 있는 특정 재료는 금, 은, 구리, 알루미늄, 백금 루테늄을 포함하며 DLC, CVD 또는 PVD 코팅 등을 사용하여 적용할 수 있다. 또한 와이어가 열가소성 수지와 같은 비전도성 재료로 만들어진 경우 어셈블리에서 기능을 수행하려면 전도성 코팅을 적용해야 한다. 그러나 재료로 제조된 와이어보다 전도성이 낮을 수 있다. 전도성 코팅으로 사용되는 재료에는 제한이 없다. 예를 들어, PVDF 또는 PTFE와 같은 바인더 또는 Au, Ni 또는 팔라듐과 같은 전도성 입자와 조합된 탄소 유형 재료를 사용할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
도 6은 연료 전지(1)에 사용될 수 있는 본 발명에 따른 2개의 유동장 구조에 의해 지지된 막 전극 접합체의 단면도를 도시한다. 막 전극 어셈블리는 애노드 전극 층(3)과 캐소드 전극 층(4)에 의해 지지되는 막(2)을 포함한다. 제1 및 제2 유동장 구조(6,7)는 각각 분리판(60,70), 채널 구조(620,720), 분배기(63,73) 및 대응하는 유동장 구조의 대응하는 리세스에 배열된 가스확산층(5)을 포함한다. 각각의 채널 구조(620,720)는 대응하는 유동장 채널(62,72)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 각각의 유동장 구조(6,7)는 분배기(63,73)를 대응하는 매니폴드(91)에 연결하는 분배 채널(61,71)을 포함한다. 본 발명에 사용된 가스확산층(5)은 기존의 가스확산층보다 얇으며, 바람직한 두께는 10-150[㎛], 더욱 바람직하게는 25-65[㎛]이지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 채널 구조(720)와 촉매층(3,4) 사이에 가스확산층을 도입함으로써, 가스와 물은 이를 막지 않고 통과하기에 충분한 공간을 갖게 된다. 또한, 층 사이의 접촉 리브가 매우 좁기 때문에 접촉 지점에 축적되는 물이 완전히 제거된다. 본 발명에 사용된 가스확산층(5)은 채널 구조(720)에 대한 기계적 지지체로서 작용하며 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 유동장 채널(72)을 형성하는 매우 작은 구조와 가스확산층(5)의 얇은 두께로 인해, 양측 지지체(bilateral support)가 존재한다. 알려진 바와 같이, 약 200[μm] 두께를 갖는 25-65[μm] 층 및 유동 채널의 취급 및 조작은 매우 지루하다. 그러나 현재 구조는 이를 달성할 수 있는 신뢰할 수 있는 수단을 제공한다. 가스확산층은 촉매층으로부터 산화제 및 연료의 확산을 위한 다공도 구조를 갖는 한 어떠한 기질로도 이루어질 수 있다. 또한 층 사이의 저항을 줄이기 위해 우수한 전기 전도 특성을 가져야 한다. 전도성 입자들로 사용될 수 있는 여러 기질들이 있다. 잘 알려진 종래 재료들 중 일부는 탄소, 카본 블랙, 탄소 분말, 탄소 입자, 탄소 종이/천 등이다. 또한 소수성 특성을 갖는 혼합물에 추가 기질을 갖는 것이 바람직하다. 소수성 특성은 혼합물에서 바인더(binder) 역할을 하고 경화 이후 구조를 함께 유지한다. 또한 물을 가스 채널 쪽으로 밀어내는 데 도움이 된다. 사용할 수 있는 종래 소수성 입자들 중 일부는 PVDF, PTFE 또는 유사한 제품군들의 다른 모든 것이다. 혼합물에서 바인더의 양에 대한 명확한 제한은 없다. 그러나, 권장되는 질량 백분율은 바람직하게는 5-80%, 보다 바람직하게는 10-30%이지만 제한되지 않는다. 전기 전도도를 높이기 위해 혼합물에 추가 기질을 추가할 수 있다. 몇 가지 예는 금, 백금, 루테늄 또는 같은 계열의 다른 원자들이다. 앞서 언급한 바와 같이 가스확산층의 두께 때문에 유동장 채널들과 함께 제작하는 것이 바람직하다. 가스확산층을 생성하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 방법이 있다. 예를 들어, 터치 코팅, 스크린 인쇄, 3D 인쇄 또는 기타 방법으로 생산할 수 있으며 사용되는 각각의 기계에 대해 혼합물의 조성과 점도를 조정해야 한다.
도 7a 내지 도 7h는 본 발명에 따른 유체 안내 어셈블리의 일 실시예의 제조 공정의 묘사를 도시한다. 당업자는 이것이 단지 예일 뿐이며 몇 가지 다른 기술이 제안될 수 있음을 이해할 수 있다. 다음에서 셀 어셈블리 내부에서 직접 사용할 수 있는 채널 구조의 유동장 채널, 가스확산층 및 분배기를 포함하는 구조를 생성하기 위해 취해야 하는 필수 단계들에 대해 설명한다.
단계 1 - 도 7a: 연료 전지용 유동장 채널(72)을 형성하기 위해 여러 와이어가 나란히 배치된다. 채널의 구조는 제한되지 않으며 평행하거나, 구불구불하거나, 서로 맞물리거나 이들의 조합이 될 수 있다.
단계 2 - 도 7b: 와이어가 제자리에 정확하게 배치되고 고정되도록 고정 장치가 생성된다. 고정 장치를 제조하는 방법은 여러 가지가 있다. 예를 들어, 3D 인쇄 또는 기계 가공 또는 그 밖의 모든 것이 가능하다.
단계 3 - 도 7c: 와이어가 고정되고 장력이 유지되면 와이어의 끝, 즉 유동장 채널(72)의 입구와 출구에서 두 개의 분배기(73)가 배치되고 고정된다.
단계 4: 사용된 재료에 따라 여러 가지 방법, 예를 들어, 핫 프레스를 사용하여 조각들을 병합할 수 있다. 이에 의해 어셈블리는 고정 온도에서 일정 기간 동안 압력을 받게 된다.
단계 5: 조각들을 합친 후 실온으로 냉각한 후 가스확산층(5)을 적용한다.
몇 가지 가능성들이 있다. 예를 들어, 종래의 가스 확산 층(5)이 사용될 수 있거나 페이스트가 스크린 인쇄 또는 다른 기술에 의해 유동장 채널(72)의 상부에 적용될 수 있다.
단계 6: 가스확산층(5)을 적용한 후 어셈블리를 실온에서 유지하고 품질 관리 절차를 수행하여 층 및 구조의 정확성과 균질성을 확인한다.
단계 7: 어셈블리를 경화를 위해 오븐 안에 넣는다. 채널 구조(720) 및 가스확산층(5)에 사용된 재료를 기반으로 몇 가지 옵션을 사용할 수 있다. 예를 들어, 기존의 오븐, 적외선 오븐 또는 UV 오븐을 사용할 수 있다. 가스확산층(5)으로서 페이스트를 사용하는 경우, 혼합물과 바인더를 경화시키기 위해, 예를 들어, 구조체를 약 350℃의 온도로 가열한다.
단계 8: 어셈블리를 소성한 후 오븐에서 꺼내 실온으로 냉각한다.
구조는 셀 어셈블리에 장착할 준비가 되었다. 유사한 어셈블리를 애노드 및 캐소드 측 모두에서 사용할 수 있거나 또는 이들은 서로 다를 수 있다; 예를 들어, 음극 측의 구조는 압력 강하를 줄이기 위해 더 큰 유동 채널을 가질 수 있거나 다양한 응용 분야에 대해 다른 가스확산층을 가질 수 있다.
실제 예로서 활성 영역이 50x50mm2인 단일 셀 어셈블리를 생성하기 위해 다음 구성 요소가 선택된다. 분배기(63,73)에 대해 높이 2mm, 길이 5mm, 폭 50mm의 다공도가 약 75%인 수지 유형 재료가 준비된다. 채널 구조(620,720)의 경우 직경 0.4mm, 길이 55mm의 탄소 섬유 와이어가 0.3mm의 동일한 간격으로 위치하도록 준비된다. 가스확산층(5)은 카본블랙 분말, PTFE 분산액 및 계면활성제를 함께 혼합하여 카본블랙과 PTFE의 비율을 80~20%로 유지하였다. 조각들은 고정 장치를 사용하여 함께 조립된다. 스크린 프린터를 사용하여 채널 구조에 가스확산층 페이스트를 도포하고 어셈블리를 350℃의 온도에서 15분 동안 오븐에 넣는다. 전지의 애노드 측면에 대한 제2 구조에 대해서도 유사한 절차가 반복된다. 4mm 두께의 평평한 압축 흑연 플레이트를 분리기로 사용한다. 또한 조립을 위해 EPDM으로 제조된 평평한 밀봉재를 절단하고 준비한다. 막전극 접합체는 다음과 같이 제조된다: 0.15mm 두께의 나피온(Nafion) 멤브레인이 전해질로 사용된다. 백금과 카본블랙은 나피온 용매를 사용하여 혼합하고, 0.4 및 0.04mg/cm2의 로딩으로 멤브레인의 양면에 각각 캐소드 측 또는 애노드 측에서 분무된다. 모든 층들은 다음 순서로 서로 겹쳐서 조립되었다: 흑연 판, 개스킷, 구조-1, 막 전극 접합체, 구조-2, 개스킷 및 흑연 판. 어셈블리는 0.6V의 안정적인 전압과 1.6A/cm2의 전류 밀도로 약 75℃의 온도에서 성공적으로 테스트 되었다.
참조부호 리스트
1 연료전지
2 멤브레인
3 애노드 전극층
4 캐소드 전극층
5 가스확산층
6 제1 유동장 구조
60 분리판
61 분배 채널
62 유동장 채널
620 채널 구조
63 분배기
7 제2 유동장 구조
70 분리판
71 분배 채널
72 유동장 채널
720 채널 구조
73 분배기
730 홀
731 슬릿
90 연료 매니폴드
91 산화제 매니폴드
92 냉각수 매니폴드
A 활성 영역

Claims (25)

  1. 채널 구조(620;720) 및 상기 채널 구조(620;720) 상에 배치된 가스확산층(5)을 포함하고, 채널 구조(620;720)는 채널 구조(620;720)의 제1 단부로부터 반대쪽 제2 단부까지 연장되는 유동장 채널(62;72)을 한정하는 연료 전지용 유체 안내 어셈블리로서, 다공도 분배기(63,73)가 채널 구조(620,720)의 전체 폭을 넘어 연장되는 채널 구조(620;720)의 양 단부에 배열되는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 분배기(63, 73)는 일체형으로 형성되고 10%와 90% 사이의 다공도(porosity)를 갖는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다공도는 분배기(63,73)의 폭에 따라 변하는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 분배기(63,73)의 길이는 유동장 채널(62,72) 길이의 1% 내지 10% 범위에 있는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서, 분배기(63;73)의 길이는 0.1mm 내지 20mm의 범위에 있는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 분배기(63;73)의 높이는 채널 구조(620;720)의 높이와 동일한, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 분배기(63,73)의 높이는 채널 구조(620,720)의 높이보다 더 작은, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서, 분배기(63,73)의 높이는 확산층(5)의 높이와 채널 구조(620,720)의 높이의 합과 동일한, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 분배기(63;73)의 높이는 채널 구조(620;720)의 높이보다 더 큰, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 분배기(63,73)의 높이는 50마이크로미터 내지 400마이크로미터 범위인, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 채널 구조(620;720)와 분배기(63;73)는 서로 영구적으로 연결되는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  12. 제11항에 있어서, 가스확산층(5), 유로 구조(620,720) 및 분배기(63,73)가 서로 영구적으로 연결되는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 분배기(63; 73)는 개방-기공 발포체(open-pore foam), 구멍 패턴(730) 및 슬릿 패턴(731)을 포함하는 그룹 중 적어도 하나를 포함하는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  14. 제13항에 있어서, 분배기(63, 73)는 원형, 타원형 또는 각진 구멍(730)을 포함하는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  15. 제13항에 있어서, 분배기(63, 73)는 직선, 곡선 또는 각진 슬릿(731)을 포함하는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 분배기(63,73)는 금속, 플라스틱 또는 수지로 제조되는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 채널 구조(620,720)는 직선, 구불구불한(serpentine) 또는 깍지형(interdigitated) 유동장 채널(62,72)을 포함하는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 채널 구조(620;720)와 분배기는 단일 피스로 일체로 형성되는, 연료 전지용 유체 안내 어셈블리.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 유체 안내 어셈블리 및 유체 안내 어셈블리를 수용하기 위한 리세스를 갖는 분리판(60;70)을 포함하는 유동장 구조(6,7)로서, 유동장 구조(6,7)는 채널 구조(620;720)의 제1 단부에 있는 분배기(63;73)에 가스를 공급하고 채널 구조(620,720)의 제2 단부에 있는 분배기(63,73)로부터 가스를 수집하기 위한 매니폴드(90;91) 및 분배 채널(61;71)을 더 포함하는, 유동장 구조(6,7).
  20. 제19항에 따른 2개의 유동장 구조(6, 7)에 의해 보강된 적어도 하나의 막 전극 어셈블리(2,3)를 포함하는 연료 전지(1).
  21. 제20항에 있어서, 연료 전지(1)는 2개의 집전판과 2개의 백킹 플레이트(backing plates)를 포함하고, 하나의 집전판은 각각의 유동장 구조(6;7)에 인접하게 배열되고, 하나의 백킹 플레이트는 각각의 집전판에 인접하게 배열되는, 연료 전지(1).
  22. - 채널 구조(620;720)를 제공하는 단계;
    - 채널 구조(620;720)의 양단에 다공도 분배기(63;73)를 제공하는 단계; 및
    - 채널 구조(620;720)에 가스확산층(5)을 제공하는 단계를 포함하는, 유체 안내 어셈블리의 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 유체 안내 어셈블리의 제조 방법은
    - 채널 구조(620,720)와 두 개의 분배기(63,73)를 서로 영구적으로 연결하는 단계를 더 포함하는, 유체 안내 어셈블리의 제조 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 유체 안내 어셈블리의 제조 방법은
    - 가스확산층(5)을 채널 구조(620, 720) 및 2개의 분배기(63, 73)와, 채널 구조(620;720)와 분배기(63,73)의 연결과 동시에 또는 이후에, 영구적으로 연결하는 단계를 더 포함하는, 유체 안내 어셈블리의 제조 방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 영구적으로 연결하는 것은 프레싱을 포함하거나 영구적으로 연결하는 것은 가열 및 프레싱을 포함하는, 유체 안내 어셈블리의 제조 방법.
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