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KR102531336B1 - 전기 화학 셀에 사용하기 위한 유동장들 - Google Patents

전기 화학 셀에 사용하기 위한 유동장들 Download PDF

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KR102531336B1
KR102531336B1 KR1020177002328A KR20177002328A KR102531336B1 KR 102531336 B1 KR102531336 B1 KR 102531336B1 KR 1020177002328 A KR1020177002328 A KR 1020177002328A KR 20177002328 A KR20177002328 A KR 20177002328A KR 102531336 B1 KR102531336 B1 KR 102531336B1
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벤자민 에스. 런트
필리포 감비니
스코트 블란쳇
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누베라 퓨엘 셀스, 엘엘씨
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Abstract

전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장이 개시된다. 유동장은 입구 포트를 포함하는 다공성 금속 구조 및 구조에서 스탬핑된 복수의 채널들을 포함한다. 복수의 채널들은 반응 가스를 수용하기 위한 입력 포트와 유체가 통하고 반응 가스가 인접한 채널들 사이에 다공성 금속 구조를 통해 확산하게 하도록 구성된다.

Description

전기 화학 셀에 사용하기 위한 유동장들{FLOW FIELDS FOR USE WITH AN ELECTROCHEMICAL CELL}
본 출원은 그의 전체가 참조로 통합되는 2014년 6월 27일에 출원된 미국 가출원 제 62/017,943 호의 이익을 주장한다.
본 개시는 전기 화학 셀들에 관한 것이고, 특히 전기 화학 셀들에서 사용을 위한 유동장들의 설계에 관한 것이다.
연료 전지들 또는 전해 셀들로서 일반적으로 분류된 전기 화학 셀들은 화학 반응들로부터 전류를 생성하거나, 전류의 흐름을 사용하여 화학 반응을 유도하기 위해 사용된 디바이스들이다. 연료 전지는 연료(예를 들면, 수소, 천연 가스, 메탄올, 가솔린, 등) 및 산화물(공기 또는 산소)의 화학적 에너지를 전기 및 열 및 물의 폐기물로 변환한다. 기본 연료 전지는 음으로 하전된 애노드, 양으로 하전된 캐소드, 및 전해질이라고 불리는 이온 도전 금속을 포함한다.
상이한 연료 전지 기술들은 상이한 전해질 재료들을 이용한다. 예를 들면, 양자 교환 막(PEM) 연료 전지는 중합체 이온 도전 막을 전해질로서 이용한다. 수소 PEM 연료 전지에서, 수소 원자들은 애노드에서 전자들 및 양자들(수소 이온들)로 전기 화학적으로 분리된다. 이후, 전자들은 회로를 통해 캐소드로 흐르고 전기를 생성하고, 반면에 양자들은 전해질 막을 통해 캐소드로 확산된다. 캐소드에서, 수소 양자들은 전자들 및 산소(캐소드에 공급된)와 조합하여 물과 열을 생성한다.
전해 셀은 역으로 동작되는 연료 전지를 나타낸다. 기본 전해 셀은 외부 전위가 인가될 때 물이 수소 및 산소 가스들로 분해됨으로써 수소 발생기로서 기능한다. 수소 연료 전지 또는 전해 셀의 기본 기술은 전기 화학적 수소 조작, 예컨대 전기 화학적 수소 압축, 정제, 또는 팽창에 적용될 수 있다. 전기 화학적 수소 조작은 수소 관리를 위해 종래에 사용된 기계적 시스템들에 대한 실행 가능한 대안으로서 출현하였다. 에너지 캐리어로서 수소의 성공적인 상업화 및 "수소 경제"의 장기간 유지 가능성은 연료 전지들, 전해 셀들, 및 다른 수소 조작/관리 시스템들의 효율 및 비용 효과에 크게 의존한다.
동작시, 단일 연료 전지는 일반적으로 약 1 볼트를 생성할 수 있다. 원하는 양의 전력을 얻기 위해, 개별적인 연료 전지들은 연료 전지 스택을 형성하기 위해 조합되고, 연료 전지들은 함께 순차적으로 적층된다. 각각의 연료 전지는 캐소드, 전해질 막, 및 애노드를 포함할 수 있다. 캐소드/막/애노드 어셈블리는 "막 전극 어셈블리", 즉, "MEA"를 구성하고, 이는 일반적으로 바이폴러 판들에 의해 양측들상에 지지된다. 반응 가스들(수소 및 공기 또는 산소)은 유동장들로 알려진 판들에 형성된 채널들 또는 홈들을 통해 MEA의 전극들로 공급된다. 금속 지지대를 제공하는 것에 더하여, 바이폴러 판들(유동장 판들 또는 분리기 판들이라고도 알려짐)은 물리적으로 스택에서 개별적인 셀들을 분리하고 동시에 그들을 전기적으로 연결한다. 일반적인 연료 전지 스택은 애노드 및 캐소드 유동장들 각각에 연료 및 산화물을 지향시키기 위해 매니폴드들 및 입구 포트들을 포함한다. 연료 전지 스택은 또한 초과 가스들 및 냉각수를 배출하기 위해 배출 매니폴드들 및 출구 포트들을 포함한다.
도 1은 종래 기술의 PEM 연료 전지(10)의 다양한 구성 요소들을 도시하는 분해된 개략도이다. 도시된 바와 같이, 바이폴러 판들(2)은 "막 전극 어셈블리(MEA)"의 측면에 배치되고, 이는 애노드(7A), 캐소드(7C), 및 전해질 막(8)을 포함한다. 애노드(7A)에 공급된 수소 원자들은 전자들 및 양자들(수소 이온들)로 전기 화학적으로 분리된다. 전자들은 전기 회로를 통해 캐소드(7C)로 흐르고 공정에서 전기를 생성하고, 양자들은 전해질 막(8)을 통해 캐소드(7C)로 이동한다. 캐소드에서, 양자들은 전자들 및 산소(캐소드에 공급된)와 조합하여 물 및 열을 생성한다.
추가로, 종래 PEM 연료 전지(10)은 MEA의 각각의 측면상의 셀 내 전기적-도전성 가스 확산층들(GDL들; 5)을 포함한다. 가스 확산층들(5)은 셀 내 가스들 및 액체들의 전달을 가능하게 하는 확산 매체의 역할을 하고, 바이폴러 판들(2)과 전해질 막(8) 사이의 전기 전도를 제공하고, 열의 제거를 돕고 셀로부터의 물을 처리하고, 몇몇 경우들에서, 전해질 막(8)에 기계적 지지대를 제공한다. 가스 확산층들(5)은 전해질 막을 마주보는 측면들상에 코팅된 전극들(7A, 7C)을 갖는 직조 또는 비직조 탄소 실(carbon cloth)을 포함할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 전기 화학적 촉매 물질은 인접한 GDL(5) 또는 전해질 막(8)상에 코팅될 수 있다.
일반적으로, 탄소 섬유 기반 가스 확산층들은, 특히 이들 재료들의 한정된 구조적 속성들 때문에, 높은 차압 셀의 성능 요건들을 충족하지 않는다. 따라서, 몇몇 고압 전기 화학 셀들은 바이폴러 판들(2)에 형성된 종래의, 랜드-채널 유동장들(4)과 결합하여 MEA에 구조적 지지대를 제공하기 위해, 종래의 GDL들과 결합하거나 그에 대한 대체로서 "프릿-형" 조밀한 소결 금속들, 스크린 팩들, 또는 확장된 금속들을 사용한다. 층상 구조들(즉, 스크린 팩들 및 확장된 금속들)은 높은 차압 동작들에 적합한 비교적 두꺼운 구조들을 제공한다. 그러나, 그들은, 예를 들면, 높은 접촉 저항, 높은 흐름 저항, 큰 셀 피치, 등과 같은 다른 성능 불이익들을 도입한다. 이들 층상 구조들의 물리적 한정들을 극복하기 위해, 3차원 다공성 금속 구조들은 높은 차압 전기 화학 셀들에서 종래의 랜드-채널 유동장들(4) 및/또는 GDL들(5)에 대한 대체로서 사용될 수 있다.
다공성 금속 유동장들을 사용하는 전기 화학 셀에서, 전해질 막의 각각의 측상에 반응 가스들은 다공성 금속 유동장들을 통해 흘러서 전해질 막에 도달한다. 종래의 랜드-채널 유동장들과 유사하게, 이들 다공성 금속 구조들은 개별적인 연료 전지의 높은 성능을 달성하기 위해 전극에 대한 반응 가스의 균등한 분포를 용이하게 한다. 추가로, 그와 달리 연료 전지 스택에 의해 생성된 전기 에너지의 일부를 소비할 수 있고 연료 전지 스택의 전체 효율을 낮출 수 있는 반응 가스 흐름에서 초과 압력 강하를 생성하지 않는 것이 바람직하다. 이와 같이, 전기 화학 셀들에 사용되는 다공성 금속 유동장들의 설계를 개선하기 위한 계속적인 도전이 존재한다.
연료 전지 스택의 전체 성능 및 전력 밀도를 개선하기 위한 하나의 방식은 연료 전지 스택의 인접한 셀들 사이에 피치(즉, 간격)를 감소시키기 위한 것일 수 있다. 다공성 금속 유동장들을 채용하는 셀들에 대하여, 셀 피치는 각각의 개별적인 연료 전지의 유동장들의 두께를 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나, 이는 연료 전지 스택상에 부하를 증가시킬 수 있는 반응 가스 흐름에서 초과 압력 강하를 생성하지 않고 달성하기 어렵다.
특히, 연료 전지 스택은 각각의 유동장들에 걸친 압력 강하를 극복하기 위해 유동장들의 입구 매니폴드들에 공급된 반응 가스들(예를 들면, 산소)에 압력을 가하기 위해 공기 압축기에 결합될 수 있다. 공기 압축기에 의해 소비된 전력은 일반적으로 무시할 수 없는 정도이고, 110㎾ 넷 시스템에 대해 약 20KW의 범위에 있을 수 있다. 스택과 연관된 공기 압축기에 의해 소비된 전력량을 조절하기 위해 반응 가스 흐름에서 압력 강하를 제어하는 것이 바람직하다. 이는 전기 화학 셀들에 사용된 유동장들의 설계를 종종 한정할 수 있다.
본 개시는 전기 화학 셀들에 사용을 위한 유동장들의 설계에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 연료 전지 스택의 전체 성능 및 전력 밀도를 개선하기 위해 전기 화학 셀들에서 사용을 위한 다공성 금속 유동장들의 설계에 관한 것이다. 이들 디바이스들은 연료 전지들, 전해 셀들, 및 수소 압축기들을 포함하지만 그로 제한되지 않는 높은 차압들하에서 동작하는 전기 화학 셀들에서 사용될 수 있다.
본 개시의 일 예시적인 실시예에서, 유동장들은 금속 폼들 또는 다른 다공성 금속 기판들을 사용하여 제작된다. 채널들은 반응 가스가 흐를 수 있는 다공성 금속 유동장들의 표면에 제공되고, 이는 다른 다공성 금속 유동장 구조들에 비해 다공성 금속 유동장에 걸쳐 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 이는 연료 전지 스택의 다른 파라미터들이 연료 전지 스택에 공급된 가스를 압축하기 위해 요구된 에너지의 양을 증가시키지 않고 변경되게 한다.
본 개시의 실시예들에 따라, 다공성 금속 유동장의 두께는 연료 전지 스택의 입구 매니폴드에 공급된 반응 가스의 압력에 영향을 주지 않고 다른 다공성 금속 유동장 구조들에 비해 감소될 수 있다. 각각의 개별적인 연료 전지의 두께를 감소시키는 것은, 차례로, 셀 피치(즉, 인접한 셀들 사이의 간격)를 감소시킬 수 있고, 연료 전지 스택에 추가될 추가의 셀들이 연료 전지 스택의 전체 전력 밀도 및 성능을 개선하는 것을 허용한다.
전술한 일반적인 기술 및 다음의 상세한 설명 모두는 단지 설명적인 것이고 청구한 바와 같은 개시의 제한이 아니라는 것이 이해될 것이다.
본 명세서의 일 부분에 통합되고 그를 구성하는 첨부하는 도면들은 본 개시의 실시예들을 도시하고, 상세한 설명과 함께 개시의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
본 발명은 연료 전지 스택의 전체 성능 및 전력 밀도를 개선하기 위해 전기 화학 셀들에서 사용을 위한 다공성 금속 유동장들 및 그의 제작 방법을 제공한다.
도 1은 양자 교환 막(PEM) 연료 전지의 다수의 구성 요소들을 보여주는 분해된 개략도.
도 2는 본 개시의 실시예들에 따른 전기 화학 셀의 부분의 개략도.
도 3은 본 개시의 실시예들에 따른 유동장의 측면도.
도 4a는 복수의 채널들이 없는 유동장의 단면도.
도 4b는 본 개시의 실시예들에 따라 복수의 채널들을 갖는 유동장의 단면도.
도 5a 내지 도 5e는 본 개시의 실시예들에 따라 복수의 채널들의 다양한 스탬핑 패턴들을 도시하는 도면들.
여기서 본 개시의 실시예들에 대해 참조가 상세히 행해질 것이고, 그의 예들은 첨부하는 도면들에 도시된다. 가능한 경우 언제든지, 샘플 참조 번호들은 동일하거나 유사한 부분들을 참조하기 위해 도면들 전체에 사용될 것이다. 수소, 산소, 및 물을 채용하는 전기 화학 셀에 관하여 기술되지만, 본 개시의 디바이스들 및 방법들이 높은 차압하에서 동작하는 것들을 포함하여 다양한 형태들의 전기 화학 셀들에 채용될 수 있다는 것이 이해된다.
도 2는 전기 화학 셀(200)의 분해된 개략도를 도시한다. 전기 화학 셀(200)은 두 개의 바이폴러 판들(210, 220)을 포함할 수 있다. 두 개의 바이폴러 판들(210, 220)은 지지판들 및 도전체들의 역할을 할 수 있다. 바이폴러 판들(210, 220)은 또한 전기 화학 셀(200)로부터 열을 제거하기 위해 냉각 유체(즉, 물, 글리콜, 또는 물 글리콜 혼합물)를 순환시키기 위한 액세스 채널들을 포함할 수 있다. 바이폴러 판들(210, 220)은 알루미늄, 강철, 스테인리스 강, 티타늄, 구리, Ni-Cr 합금, 그래파이트 또는 임의의 다른 전기적 도전성 물질로 만들어질 수 있다.
바이폴러 판들(210, 220)에 더하여, 전기 화학 셀(200)은 막 전극 어셈블리("MEA")를 포함할 수 있다. MEA(230)는 애노드(231), 캐소드(232), 및 양자 교환 막("PEM")(233)을 포함할 수 있다. PEM(233)은 애노드(231)와 캐소드(232) 사이에 배치되어 애노드(231) 및 캐소드(232)를 서로 전기적으로 절연시킬 수 있다. PEM(233)이 순수한 폴리머 막 또는 예를 들면, 실리카, 헤테로 다중산들, 층상 금속 인산염들, 인산염들, 및 지르코늄 인산염들과 같은 다른 재료들이 폴리머 행렬에 임베딩될 수 있는 합성 막을 포함할 수 있다는 것이 고려된다. PEM(233)은 양자들에 대해 투과성지만 동시에 전자들을 전도하지 않을 수 있다. 애노드(231) 및 캐소드(232)는 촉매층(도시되지 않음)을 포함하는 다공성 탄소 전극들을 포함할 수 있다. 촉매 재료는 예를 들면, 반응 속도를 증가시킬 수 있는 백금일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드 유동장(240) 및 애노드 유동장(250)은 MEA(230)의 측면에 배치된다. 캐소드 유동장(240) 및 애노드 유동장(250)은 바이폴라 판(210, 220)과 MEA(230) 사이에 전기 전도를 제공할 수 있고, 동시에 전기 화학 셀(220) 내 가스들 및 액체의 전달을 위한 매체를 또한 제공한다. 또한, 캐소드 유동장(240) 및 애노드 유동장(250)은 MEA(230)에 대한 기계적 지지대를 제공할 수 있다.
캐소드 유동장(240) 및 애노드 유동장(250)은 3차원 다공성 금속 구조들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 캐소드 유동장(240) 및 애노드 유동장(250)은 폼, 소결 금속 프릿, 또는 임의의 다른 다공성 금속과 같은 큰 다공성 금속 재료를 압축함으로써 형성될 수 있다. 다공성 금속 재료는, 예를 들면, 스테인리스 강, 티타늄, 알루미늄, 니켈, 철, 등과 같은 금속, 또는 니켈-크롬 합금, 등과 같은 금속 합금을 포함할 수 있다. 몇몇 예시적인 실시예들에서, 금속 재료의 공극 크기는 약 20 ㎛ 내지 약 1000 ㎛의 범위에 있을 수 있다. 예를 들면, 금속 재료의 공극 크기는 약 20 ㎛ 내지 약 1000 ㎛, 예컨대 약 50 ㎛ 내지 약 1000 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 등, 약 30 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 40 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 60 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 70 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 450 ㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 450 ㎛, 및 약 350 ㎛ 내지 약 450 ㎛의 범위에 있을 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 금속 재료의 평균 공극 크기는 약 400 ㎛, 약 500 ㎛, 또는 약 800 ㎛이다. 다른 실시예들에서, 금속 재료의 보이드 체적은 약 70% 내지 약 99%의 범위에 있다. 예를 들면, 금속 재료의 보이드 체적은 약 70% 내지 약 98%, 예컨대 약 75% 내지 약 98%, 약 75% 내지 약 95%, 약 75% 내지 약 90%, 약 75% 내지 약 85%, 약 70% 내지 약 80%, 약 73% 내지 약 77%, 약 80% 내지 약 90%, 약 83% 내지 약 87%, 약 90% 내지 약 99%, 및 약 93% 내지 약 97%의 범위에 있을 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 금속 재료의 보이드 체적은 약 75%, 약 85%, 또는 약 95%일 수 있다.
전기 화학 셀(200)은 MEA(230)의 각각의 측면상에 전기적으로 도전성 가스-확산층(GDL; 260, 270)을 추가로 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 개시된 다공성 금속 유동장들은 종래의 GDL들과 함께 사용될 수 있다. 그러나, 다공성 금속 구조가 GDL들의 일반적으로 요구되는 기능들을 수행할 수 있어서, 전기 화학 셀 어셈블리로부터 GDL들을 제거하는 가능성을 도입하는 것이 고려된다. 일 대안적인 실시예에서, 상이한 평균 공극 크기들(예를 들면, 더 큰 공극들은 유동장을 구성하고, 더 작은 공극들은 GDL을 대체)을 갖는 두 개의 별개의 층들을 구성하는 다공성 금속 구조는 MEA(230)과 접촉하여 배치될 수 있다.
개시의 일 실시예에 따라 유동장(400)의 평면도는 도 3에 도시된다. 도시된 바와 같이, 유동장(400)은 제 1 에지(402) 및 제 2 에지(403)를 한정하는 세로축으로 연장하는 표면(401)을 포함한다. 입구 포트(404)는 제 1 에지(402)에 배치될 수 있고, 출구 포트(406)는 제 2 에지(403)에 배치될 수 있다. 입구 포트(404) 및 출구 포트(406)가 임의의 다른 위치에 위치되거나 유동장(400)상에 구조화할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 입구 포트(404) 및 출구 포트(406)는 유동장(400)의 두께에 걸쳐 부분적으로 또는 완전히 연장하는 애퍼처들을 포함할 수 있다. 입구 포트(404)는 반응 가스(예를 들면, 연료, 산소, 또는 공기)를 수용하도록 구성될 수 있고, 출구 포트(406)는 유동장(400)으로부터 소모된 가스를 제거하도록 구성될 수 있다. 몇몇 대안적인 실시예들에서, 입구 포트(404)는 전기 화학 셀(200)의 바이폴러 판(210, 220)에 형성될 수 있다.
도시된 바와 같이, 복수의 피처들, 예를 들면, 채널들(408)은 유동장(400)의 구조 또는 표면 내에 형성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 채널들(408)은 바이폴러 판을 향하는 방향으로 및 GDL로부터 멀어지는 방향으로 연장하는 유동장(400)의 표면상에 형성될 수 있다. 복수의 채널들(408)은 반응 가스를 수용하기 위한 입구 포트(404) 및 셀로부터 소모된 가스를 제거하기 위한 출구 포트(406)로 유체가 통할 수 있다. 또한, 복수의 채널들(408)은 유동장(400)을 통한 반응 가스의 분배를 허용하기 위해 유동장에 대한 장애물들이 실질적으로 없을 수 있다.
복수의 채널들(408)은 유동장(400)의 구조 내 또는 그의 표면(401)상에 형성될 수 있고, 제 1 에지(402)(예를 들면, 유동장(400)의 전단부)로부터 제 2 에지(403)(예를 들면, 유동장(400)의 말단부)로 연장할 수 있다. 복수의 채널들(408)은 유동장(400)의 표면(401)상에 임의의 알려진 장치를 가질 수 있다. 예를 들면, 복수의 채널들(408)은 구불구불한, 일직선으로 평행한, 물결, 지그재그, 또는 서로 맞물려진 구조들을 가질 수 있다. 또한, 복수의 채널들(408)은 제 1 에지(402)와 제 2 에지(403) 사이에 전체로 또는 부분적으로 연장할 수 있다. 채널들(408)의 다른 장치들 및 단면들이 고려된다.
복수의 채널들(408)은, 예를 들면, 복수의 채널들(408)의 각각의 길이를 따라 반응 가스를 분배하기 위해 임의의 적절한 폭, 단면적, 깊이, 형상, 및/또는 구성을 가질 수 있다. 랜드들(410)(도 3c)은 인접한 채널들(408) 사이에 배치될 수 있다. 랜드들(410)은 임의의 적절한 폭, 단면적, 깊이, 형상, 및/또는 구성을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 채널들(408)은 유동장(400)의 폭을 따라 균등하게 분배될 수 있어서 인접한 채널들 사이의 랜드들(410)은 또한 균일한 폭들을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 채널들(408)은 가스 흐름을 우선적으로 왜곡하고 셀 성능을 최적화하기 위해 불균일하게 분배 및 구성될 수 있다. 특정한 다른 실시예들에서, 복수의 채널들(408)은 유동장(400)의 폭을 따라 상이한 형상들 및/또는 단면적들을 가질 수 있는 것이 고려된다. 이들 실시예들에서, 인접한 랜드들(410)의 폭들은 상이할 수 있다. 랜드들의 높이와 인접한 채널들의 폭들 사이의 비가 유동장(400)을 따른 압력 강하를 감소시키도록 최적화될 수 있는 것이 고려된다.
본 개시의 일 실시예에 따라, 복수의 채널들(408)은, 예를 들면, 다공성 금속 구조를 스탬핑함으로써 유동장(400)의 표면(401)상에 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 개시된 유동장의 복수의 채널들(408)은 반응 가스가 흐를 수 있는 더 큰 단면적을 제공하고, 이는 다른 다공성 금속 유동장 구조들에 비해 다공성 금속 유동장을 따라 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 이는 유동장에 공급된 반응 가스에 압력을 가하기 위해 요구된 에너지의 양을 감소시킬 수 있고, 이는 차례로 연료 전지 스택의 다른 파라미터들이 연료 전지 스택에 공급된 반응 가스를 압축하기 위해 요구된 에너지의 양을 증가시키지 않고 변경되게 할 수 있다.
예를 들면, 본 개시의 일 실시예에서, 다공성 금속 유동장의 두께는 입구 포트(404)에 공급된 반응 가스의 압력에 영향을 주지 않고 다른 다공성 금속 유동장 구조들에 비해 감소될 수 있다. 이는 도 4a 및 도 4b에 도시된다. 도 4b는 도 3의 선(A-A)을 통해 유동장(400)의 단면도이고, 도 4a는 복수의 채널들(408) 없는 다공성 유동장의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 개시의 유동장들의 두께는 내부에 스탬핑된 채널들이 없는 다공성 금속 유동장 구조들의 두께의 적어도 1/3인 두께(L)를 가질 수 있다. 각각의 개별적인 연료 전지의 두께를 감소시키는 것은 몇몇 이익들을 가질 수 있다. 예를 들면, 각각의 개별적인 연료 전지의 두께를 감소시키는 것은 셀 피치, 즉, 인접한 셀들 사이의 간격을 감소시킬 수 있다. 이는 스택의 효율을 희생하지 않고 연료 전지 스택의 전체 전력 밀도 및 성능을 개선하기 위해 추가의 셀들이 연료 전지 스택에 추가되게 할 수 있다. 또한, 본 개시의 일 실시예에서, 연료 전지 동작은 연료 전지를 동작시키는 표준의 평균에 가까운 온도에 의해 거의 등온 동작에 근접할 수 있고, 이는 사실상, 셀의 전압 및 효율을 개선할 수 있고, 동시에 셀 내부의 극도로 고온점들의 존재를 피할 수 있다.
복수의 채널들의 대안적인 비제한적 스탬핑 패턴들은 도 5a 내지 도 5e에 도시된다. 도 5a에서, 제 1 복수의 채널들(508a) 및 제 2 복수의 채널들(508b)은 유동장(500)의 구조 내 또는 그의 구조상에 형성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 제 2 복수의 채널들(508b)은 복수의 채널들(508a)로부터 오프셋될 수 있고, 몇몇 실시예들에서 유동장(400)에서 종결될 수 있다. 도 5b에서, 각각의 채널은 반원형 단면을 가질 수 있다. 또한, 제 1 복수의 채널들(518a) 및 제 2 복수의 채널들(518b)은 유동장(500)에서 대안적인 장치들을 가질 수 있다. 도 5c에서, 오목부들(528)은 유동장(500)에서 형성된 각각의 채널에 대해 스탬핑될 수 있다. 도 5d는 지그-재그 구성을 갖는 복수의 채널들(538)을 도시하고, 도 5e는 크로스 해치 구성으로 정렬된 복수의 채널들을 도시한다.
본 개시의 다른 실시예들은 여기서의 본 발명의 명세 및 실시의 고려로부터 당업자에게 명백할 것이다. 명세 및 예들은 단지 예시적으로 고려되고 본 개시의 정확한 범위 및 정신은 다음의 청구항들에 의해 나타내지는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장에 있어서,
    입구 포트를 포함하는 다공성 금속 구조; 및
    상기 구조에서 스탬핑된 복수의 피처들로서, 반응 가스를 수용하기 위해 상기 입구 포트와 유체가 통하고 상기 반응 가스가 인접한 피처들 사이에 상기 다공성 금속 구조를 통해 흐르게 하도록 구성되는, 상기 복수의 피처들을 포함하고,
    상기 복수의 피처들은 복수의 채널들이고, 딤플은 상기 복수의 채널들의 각각에 대해 형성되는, 전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 금속 구조는 금속 폼(metallic foam)을 포함하는, 전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조는 제 1 에지 및 제 2 에지를 포함하고,
    상기 입구 포트는 상기 제 1 에지에 배치되고 출구 포트는 상기 제 2 에지에 배치되는, 전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널들의 제 1 세트는 상기 복수의 채널들의 제 2 세트로부터 오프셋되고, 상기 복수의 채널들의 상기 제 1 세트 및 상기 복수의 채널들의 제 2 세트는 상기 다공성 금속 구조 내에서 종결되는, 전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널들의 각각은 반원형 단면을 갖고, 상기 복수의 채널들의 제 1 세트는 상기 복수의 채널들의 제 2 세트에 관하여 대안적인 정렬을 갖는, 전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널들은 지그-재그 구성을 갖는, 전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널들은 망상선 구성을 형성하도록 정렬되는, 전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널들의 각각은 반원형 단면을 갖고, 상기 복수의 채널들의 제 1 세트는 상기 복수의 채널들의 제 2 세트와는 다른 정렬을 갖는, 전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장.
  11. 제 1 항에 있어서,
    복수의 랜드들(lands)을 추가로 포함하고,
    각각의 랜드는 상기 금속 구조에 스탬핑된 인접한 피처들 사이에 배치되는, 전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 피처들은 균일하게 분포되고 상기 유동장에 걸쳐 압력 강하를 제어하도록 크기 조정되는, 전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 피처들은 가스 흐름을 우선적으로 왜곡하도록 균일하지 않게 분포되고 구성되는, 전기 화학 셀에서 사용을 위한 유동장.
  14. 전기 화학 셀에 있어서,
    제 1 바이폴러 판;
    제 2 바이폴러 판;
    캐소드, 애노드, 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치된 폴리머 막을 포함하는 막 전극 어셈블리; 및
    상기 제 1 바이폴러 판 및 상기 제 2 바이폴러 판 중 하나와 상기 막 전극 어셈블리 사이에 배치된 적어도 하나의 유동장으로서, 입구 포트 및 내부에 스탬핑된 복수의 채널들을 갖는 다공성 금속 구조로 형성되고, 딤플은 상기 복수의 채널들의 각각에 대해 형성되는, 상기 유동장을 포함하는, 전기 화학 셀.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 유동장은 상기 막 전극 어셈블리를 향해 마주보는 세로로 확장하는 표면을 포함하는, 전기 화학 셀.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 다공성 금속 구조는 금속 폼을 포함하는, 전기 화학 셀.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 유동장은 상기 복수의 채널들의 각각의 사이에 배치된 복수의 랜드들을 포함하고,
    상기 복수의 랜드들 및 상기 복수의 채널들은 상기 전기 화학 셀의 두께를 감소시키도록 크기 조정되는, 전기 화학 셀.
  18. 전기 화학 셀에서 사용을 위한 개방된 다공성 유동장을 제작하는 방법에 있어서,
    70% 초과의 보이드 체적을 갖는 다공성 금속 재료를 선택하는 단계; 및
    복수의 채널들을 상기 금속 재료에 스탬핑하는 단계를 포함하고,
    딤플은 상기 복수의 채널들의 각각에 대해 형성되는, 개방된 다공성 유동장을 제작하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 다공성 금속 재료는 금속 폼을 포함하는, 개방된 다공성 유동장을 제작하는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 금속 재료의 반대 에지들상에 입구 포트 및 출구 포트를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 채널들은 상기 입구 포트 및 상기 출구 포트와 유체가 통하도록 구성되는, 개방된 다공성 유동장을 제작하는 방법.
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