KR101944152B1

KR101944152B1 - 선정된 냉각 용량 분배를 갖는 연료 전지 컴포넌트

Info

Publication number: KR101944152B1
Application number: KR1020157007558A
Authority: KR
Inventors: 수산트 에스. 브하단쥬; 제프리 쥐. 레이크
Original assignee: 아우디 아게
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2019-01-30
Also published as: WO2014035395A1; JP2015530714A; US20150214560A1; JP6064049B2; CN110416569B; EP2891203B1; CN104584295A; EP2891203A1; US10381664B2; EP2891203A4; CN110416569A; KR20150079569A

Abstract

본 발명의 예시적인 연료 전지 컴포넌트는 복수의 채널을 구비하는 플레이트를 포함한다. 채널들 중 적어도 제1 채널은 이 제1 채널이 플레이트의 선정된 부분에 제1 냉각 용량을 제공할 수 있도록 채널들 중 다른 채널들과는 다르게 구성된다. 채널들 중 상기 다른 채널들은 플레이트의 적어도 하나의 다른 부분에 더 적은 제2 냉각 용량을 제공한다.

Description

선정된 냉각 용량 분배를 갖는 연료 전지 컴포넌트{FUEL CELL COMPONENT HAVING SELECTED COOLING CAPACITY DISTRIBUTION}

연료 전지는 전기화학 반응에 의거하여 전기를 생산하는 데 사용된다.

연료 전지 유닛 내에는 다양한 컴포넌트들이 포함된다. 많은 수의 그러한 컴포넌트들은 전형적으로는 플레이트 또는 쉬트 형태로 실현된다. 예를 들어, 반응제들은 플레이트에 형성된 채널을 따라서 연료 전지에 골고루 분포된다. 플레이트에 있는 냉각제 분배 채널은 냉각제 유체가 연료 전지를 통해 이동하는 것을 용이하게 한다.

연료 전지 성능 저하 또는 컴포넌트 고장을 야기할 수 있는 막(membrane) 열화를 방지하기 위해서는 연료 전지 내에 적절한 냉각제를 제공하는 것이 필요하다. 전형적인 냉각제 채널 형태는 냉각제를 냉각제 입구를 포함하는 한 측면으로부터 냉각제 출구를 포함하는 반대측 측면까지 플레이트를 가로질러 복수의 채널을 따라 보낸다. 이러한 형태는 많은 연료 전지 배열(arrangement)에 유용한 것으로 입증되었지만, 있을 수 있는 모든 연료 전지 형태에서의 냉각 요구를 적절히 충족시킬 수 없다.

연료 전지 내의 온도를 제어하는 본 발명의 예시적인 방법은 연료 전지의 적어도 하나의 컴포넌트의 선정된 부분에 제1 냉각 용량을 제공하는 것을 포함한다. 이 더 적은 제2 냉각 용량은 상기 적어도 하나의 연료 전지 컴포넌트의 적어도 하나의 다른 부분에 제공된다.

여기에 개시된 실시예들의 여러 특징들 및 장점들은 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게는 다음의 상세한 설명으로부터 명백하다. 아래의 상세한 설명에 동반되는 도면에 대해 간단히 설명하면 아래와 같다.

도 1은 연료 전지의 선정된 부분들을 개략적으로 예시하고 있다.
도 2는 예시적인 냉각제 분배 배열의 선정된 특징부를 개략적으로 예시하고 있다.
도 3은 도 2에 도시된 것과 유사한 실시예에 유용한 특징부를 개략적으로 예시하고 있다.
도 4는 다른 예시적인 냉각제 분배 배열의 선정된 특징부를 개략적으로 예시하고 있다.
도 5는 다른 예시적인 냉각제 분배 배열의 선정된 특징부를 개략적으로 예시하고 있다.

도 1은 전기 에너지를 발생시키는 데 유용한 연료 전지(10)와 같은 전기화학 전지의 개략적인 단면도이다. 예시적인 연료 전지(10)는 유체 이송 플레이트(fluid transport plate)(12, 14)와 같은 복수의 컴포넌트들을 포함한다. 한 예에서, 상기 유체 이송 플레이트(12)는 캐소드(cathode) 물 이송 플레이트로, 상기 유체 이송 플레이트(14)는 애노드(anode) 물 이송 플레이트로 생각한다. 상기 캐소드 물 이송 플레이트(12)와 애노드 물 이송 플레이트(14)는 양자 교환 막(proton exchange membrane)(18)과 같은 전해질, 캐소드 촉매(20), 및 애노드 촉매(22)를 포함하는 막 전극 접합체(membrane electrode assembly)(16)의 대향 측면에 있다. 기체 확산층(gas diffusion layer)과 같은 추가적인 공지 컴포넌트가 포함될 수 있는데, 도 1에는 도시되지 않았다.

캐소드 물 이송 플레이트(12)는, 서로 유체 연통되며 캐소드 촉매(20)와 유체 연통되는 복수의 유체 유동 채널(32)을 포함한다. 예시적인 유체 이송 플레이트(12)는 이 예에서 냉각제를 운반하도록 구성된 유체 유동 채널(34)들도 포함한다. 이와 유사하게, 애노드 이송 플레이트(14)는, 서로 유체 연통되며 애노드 촉매(22)와 유체 연통되는 복수의 유체 유동 채널(36)을 포함한다. 상기 이송 플레이트(14)에 냉각제 채널(38)이 마련된다. 일 예에서, 상기 채널(32)은 공기와 같은 산화제를 연료 전지 안으로 보내고, 상기 채널(36)은 수소와 같은 연료를 연료 전지 도처로 보낸다.

도 2는 플레이트(12) 상의 예시적인 냉각제 분배 배열을 개략적으로 예시하고 있다. 이 예에서는, 채널(34)이 냉각제를 플레이트(12)의 실질적인 부분을 따르며 가로질러 분배하기 위해 배치된다. 이 예에서, 반응제(예, 공기)는 화살표(40)으로 개략적으로 도시된 방향으로 연료 전지를 관통하여 이동한다. 이는 연료 전지의 한 부분이 다른 부분에 비해 더 뜨거워지게 되는 결과를 초래한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 플레이트(12) 상의 한 영역 또는 부분(42)은 연료 전지가 작동하는 중에 더 높은 온도를 겪게 되는 연료 전지의 부분과 정렬되는 것이다. 도 2의 냉각제 분배 배열은 플레이트(12)의 적어도 하나의 다른 부분에 제공된 냉각 용량에 비해서 더 많은 냉각 용량을 상기 부분(42)에 제공하도록 구성된다. 상기 부분(42)에 더 많은 냉각 용량을 제공함으로써 연료 전지가 작동하는 중에 보다 더 고온이 되는 연료 전지의 부분의 온도를 떨어뜨리고자 하는 요구가 해소된다.

도 2의 예에서 채널(34)들에는 채널(34)들의 다른 채널과 다르게 구성된 제1 채널(34A)이 포함된다. 이 예에서, 상기 제1 채널(34A)은 다른 채널(34)에 비해 더 많은 유동 용량을 갖는다. 더 많은 유동 용량은 이보다 적은 유동 용량에 비해 단위 시간당 더 많은 체적의 냉각제를 보낼 수 있게 한다. 이 예에서, 채널(34A)은 다른 채널(34)의 횡단면에 비해 더 큰 횡단면을 갖는다. 이 예에서 상기 횡단면은 냉각제가 채널을 통과하여 유동하는 방향에 대체로 수직인 방향에 있는 것으로 생각한다.

도 2의 예에서, 냉각제가 입구(44)를 통해서 채널(34, 34A) 안으로 유동하고, 냉각제 출구(46)를 통해서 빠져나간다. 도면에서 이해할 수 있는 바와 같이, 채널(34A)은 부분(42)으로 상당한 양의 냉각제를 바로 제공해서 그 부분에 증가된 냉각 용량을 제공한다. 이 예에서, 상기 부분(42)에는 플레이트(12)의 다른 부분에 비해 더 많은 냉각제가 제공된다. 이러한 더 많은 체적의 냉각제는 상기 부분(42)을 따라서 플레이트(12)에 비해 더 많은 냉각 용량을 제공한다.

도 2의 예는 다른 채널(34)과 다르게 구성된 하나의 채널(34A)을 보이고 있지만, 더 높은 온도를 겪게 되는 연료 전지의 영역에 대응하는 연료 전지 컴포넌트의 선정된 부분에 더 많은 냉각 용량을 줄 수 있도록 특별하게 구성된 복수의 채널을 제공하는 것도 가능하다.

도 3은 연료 전지 컴포넌트의 선정된 부분(42)에 또는 그 부분을 따라 더 많은 냉각 용량을 제공하기 위한 배열의 다른 예를 개략적으로 예시하고 있다. 이 예는 제1 채널(34A)의 적어도 일부 길이를 따라서 있는 단열 부재(50)를 포함한다. 이 예에서의 단열 부재(50)는 튜브, 즉 이 튜브(50) 내의 냉각제와 튜브(50) 내의 냉각제 근처의 연료 전지의 부분들 사이의 열 교환에 저항하는 튜브를 포함한다. 제1 채널(34A)의 적어도 일부 길이를 따라 열 교환을 방지함으로써, 상기 부분(42)에 도달하였을 때에 보다 더 낮은 온도를 지닌 냉각제, 즉 냉각제가 이 냉각제와 연료 전지 내의 주위 환경 간의 열 교환이 허용되게 하였을 방식으로 노출된 경우에 지니게 될 온도에 비해서 보다 더 낮은 온도를 지니는 냉각제가 제공된다. 단열 부재(50)는 연료 전지 컴포넌트의 선정된 부분으로 낮은 온도의 냉각제를 보내는 것을 촉진시킨다. 이는 냉각제가 궁극적으로 열 교환 및 냉각 목적으로 노출되게 되는 위치에 더 많은 냉각 용량을 제공한다.

도 4는 냉각제 분배 배열의 다른 예시적인 구성을 개략적으로 예시하고 있다. 이 예에서, 채널(34)들 각각은 동일한 유동 용량을 갖는다. 채널(34)들 중 일부 채널은 튜브와 같은 단열 부재(50)를 포함하고, 상기 단열 부재는 그 안에 있는 냉각제를 연료 전지 내의 주변 환경에 있는 열로부터 적어도 부분적으로 단열시킨다. 단열 부재 또는 튜브(50)를 관통해 흐르는 냉각제는 단열 부재(50)가 구비되지 않은 근처 채널(34)의 대응하는 길이 부분에 있는 냉각제에 비해 더 차갑게 유지된다. 채널(34)들 중 적어도 한 채널에 그 채널의 적어도 일부 길이를 따라 연료 전지 내의 주위 환경과 냉각제 간의 열 교환을 제어하기 위해 단열 부재(50)를 구비시킴으로써, 연료 전지의 선정된 부분에 더 낮은 온도의 냉각제를 보낼 수 있게 된다. 이는 상대적으로 더 낮은 온도의 냉각제가 궁극적으로 열 교환 및 냉각을 위해 사용되게 되는 곳에 더 많은 냉각 용량을 제공한다.

도 5는 다른 예시적인 배열을 개략적으로 예시하고 있다. 이 예에서, 적어도 일부 채널(34)들은 단열 코팅(60)을 포함하는데, 이 단열 코팅은 상기 채널(34)들의 대응하는 부분 안의 냉각제와 연료 전지 내의 주위 환경 간의 열 교환에 저항하도록 구성된다. 상기 단열 코팅(60)은 채널(34)들 중 적어도 선정된 채널의 선정된 길이를 따라 제공되고, 이에 따라 냉각제가 단열 코팅(60)이 없는 채널 부분에 도달하였을 때에 그 냉각제는 코팅(60)이 적소에 없었을 경우에 지녔을 온도보다 더 낮은 온도를 지닌다. 이러한 상대적으로 낮은 온도의 냉각제는 연료 전지 내의 주위 환경과의 열 교환이 방해받음 없이 발생할 수 있는 영역에 더 많은 냉각 용량을 제공한다.

연료 전지의 각기 다른 영역에 각기 다른 수준의 냉각을 제공하기 위해 물 이송 플레이트와 같은 연료 전지 컴포넌트의 각기 다른 부분에 각기 다른 냉각 용량을 제공하는 것을 용이하게 하는 냉각제 분배 배열의 여러 가지 예가 개시되었다. 그러한 예시적인 배열은 연료 전지가 작동하는 중에 더 높은 온도를 겪게 되는 고온 장소 또는 영역들을 해소할 수 있게 하기 위해 연료 전지의 선정된 부분에 더 많은 냉각 용량을 제공할 수 있게 한다. 개시된 예들은 연료 전지 전체에 걸쳐 더 균일한 온도 분포를 유지할 수 있게 한다. 더욱이, 개시된 예들은 상승된 온도로 인한 연료 전지 컴포넌트의 열화를 피하는 데 기여를 하며, 이로써 연료 전지의 수명과 성능이 향상된다.

이상의 설명은 본질적으로 제한하는 것이 아니라 예시적인 것이다. 개시된 예에 대한 여러 가지 변경 및 수정은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게는 명백한 것이며, 이는 반드시 본 발명의 본질에서 벗어나는 것이 아니다. 본 발명에 부여되는 법률적 보호 범위는 다음의 청구범위를 숙독해야만 결정될 수 있다.

Claims

연료 전지 컴포넌트이며,
복수의 채널을 구비하는 플레이트를 포함하고,
채널들 중 적어도 제1 채널은 채널들 중 다른 채널들과 다르게 구성되되, 상기 제1 채널이 플레이트의 선정된 부분에 제1 냉각 용량을 제공하고 채널들 중 상기 다른 채널들이 플레이트의 적어도 하나의 다른 부분에 더 적은 제2 냉각 용량을 제공하도록, 상기 다른 채널들과는 다르게 구성되고,
상기 제1 채널은 그 제1 채널의 적어도 일 부분을 따라 배치된 단열 부재를 포함하고,
상기 단열 부재는 상기 제1 채널의 상기 부분 내의 냉각제에 의한 열 흡수를 저지하도록 구성된, 연료 전지 컴포넌트.
제1항에 있어서,
상기 제1 채널은 상기 다른 채널들의 제2 유동 용량보다 많은 제1 유동 용량을 갖는, 연료 전지 컴포넌트.
제2항에 있어서,
상기 제1 채널은 그 제1 채널을 따르는 유동 방향에 대체로 수직한 제1 횡단면 영역을 가지며,
상기 다른 채널들 각각은 그 다른 채널들 각각을 따르는 대응하는 유동 방향에 대체로 수직한 더 작은 제2 횡단면 영역을 가지는, 연료 전지 컴포넌트.
제2항에 있어서,
상기 제1 채널은 냉각 시기 중에 상기 선정된 영역에 제1 체적의 냉각제를 보내고,
상기 다른 채널들은 냉각 시기 중에 다른 영역에 더 적은 제2 체적의 냉각제를 보내는, 연료 전지 컴포넌트.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 채널의 상기 부분은 상기 제1 채널의 입구와 상기 플레이트의 상기 선정된 부분을 따라서 있는 채널의 일 부분 사이에서 연장하는, 연료 전지 컴포넌트.
제1항에 있어서,
상기 제1 채널은 상기 플레이트의 상기 선정된 부분에 상기 제1 냉각 용량을 갖는 냉각제를 보내도록 구성되고,
상기 다른 채널들은 상기 플레이트의 상기 다른 부분에 상기 제2 냉각 용량을 갖는 냉각제를 보내도록 구성된, 연료 전지 컴포넌트.
제7항에 있어서,
상기 냉각 용량은 냉각제의 온도를 포함하고,
상기 제1 냉각 용량을 제공하는 냉각제는 상기 제2 냉각 용량을 제공하는 냉각제보다 더 차가운, 연료 전지 컴포넌트.
제7항에 있어서,
상기 제1 채널은 그 제1 채널의 적어도 일 부분을 따라 배치된 단열 부재를 포함하고,
상기 단열 부재는 상기 제1 채널의 상기 부분 내의 임의의 냉각제에 의한 임의의 열 흡수를 저지하도록 구성된, 연료 전지 컴포넌트.
제9항에 있어서,
상기 제1 채널의 상기 부분은 상기 제1 채널의 입구와 상기 플레이트의 상기 선정된 부분을 따라서 있는 채널의 일 부분 사이에서 연장하는, 연료 전지 컴포넌트.
연료 전지 내의 온도 관리 방법이며,
적어도 하나의 연료 전지 컴포넌트의 선정된 부분에 제1 냉각 용량을 제공하는 단계와,
더 적은 제2 냉각 용량을 상기 연료 전지 컴포넌트의 적어도 하나의 다른 부분에 제공하는 단계와,
상기 채널들 중 적어도 한 채널의 적어도 일 부분을 따라 배치되는 단열 부재를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 단열 부재는 상기 채널의 상기 부분 내의 냉각제에 의한 열 흡수를 저지하도록 구성된, 연료 전지 내의 온도 관리 방법.
제11항에 있어서,
복수의 채널을 구비하는 적어도 하나의 플레이트를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 채널들 중 적어도 제1 채널은 채널들 중 다른 채널들과 다르게 구성되되, 상기 제1 채널이 플레이트의 상기 선정된 부분에 상기 제1 냉각 용량을 제공하고 채널들 중 상기 다른 채널들이 상기 적어도 하나의 다른 부분에 상기 제2 냉각 용량을 제공하도록, 상기 다른 채널들과는 다르게 구성되게 한, 연료 전지 내의 온도 관리 방법.
제12항에 있어서,
상기 제1 채널은 상기 다른 채널들 각각의 제2 유동 용량보다 많은 제1 유동 용량을 갖는, 연료 전지 내의 온도 관리 방법.
제13항에 있어서,
상기 제1 채널은 제1 횡단면 영역을 가지며, 상기 다른 채널들 각각은 더 작은 제2 횡단면 영역을 가지는, 연료 전지 내의 온도 관리 방법.
제11항에 있어서,
냉각 시기 중에 상기 선정된 영역에 제1 체적의 냉각제를 보내는 단계와,
냉각 시기 중에 다른 영역에 더 적은 제2 체적의 냉각제를 보내는 단계를 포함하는, 연료 전지 내의 온도 관리 방법.
삭제
제11항에 있어서,
상기 제1 냉각 용량은 냉각 시기 중의 제1 체적의 냉각제를 포함하고, 상기 제2 냉각 용량은 냉각 시기 중의 더 적은 제2 체적의 냉각제를 포함하는, 연료 전지 내의 온도 관리 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1 냉각 용량은 냉각제의 제1 온도를 포함하고, 상기 제2 냉각 용량은 냉각제의 더 높은 제2 온도를 포함하는, 연료 전지 내의 온도 관리 방법.