JP2019527451A - 分離板、及びこれを含む燃料電池スタック - Google Patents
分離板、及びこれを含む燃料電池スタック Download PDFInfo
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Abstract
本発明は、分離板及びこれを含む燃料電池スタックに関するものであって、本発明の一側面によると、第１方向に沿って連続的に配列され、第１方向に直交する第２方向に沿って所定の間隔で離れて配列された複数の単量体を含み、それぞれの単量体は、頂点部から所定の角度で連結された第１傾斜面と第２傾斜面を備えるくさび（Ｗｅｄｇｅ）形状を有し、第２方向に沿って隣接した２つの単量体は、それぞれの頂点部が第２方向と平行した仮想の線に対して同軸上に位置しないように配列された分離板が提供される。
Description
本発明は、分離板及びこれを含む燃料電池スタックに関する。
本出願は、２０１６年８月１２日付け韓国特許出願第１０−２０１６−０１０２８４４に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
一般的に、燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、燃料と酸化剤の電気化学反応を通じて電気エネルギーを発生させるエネルギー変換装置であり、燃料が継続的に供給される限り持続的に発電が可能な長所がある。
水素イオンを透過させることができる高分子膜を電解質として使用する高分子電解質燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）は、他の形態の燃料電池に比べて低い、約１００℃以下の作動温度を有し、エネルギー転換効率と出力密度が高く、応答特性が速いという長所がある。それだけではなく、小型化が可能であるために、携帯用、車両用及び家庭用電源装置として提供され得る。
高分子電解質燃料電池スタックは、高分子物質で構成された電解質膜を中心にアノード（Ａｎｏｄｅ）とカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）がそれぞれ塗布されて形成された電極層を備える膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）、反応気体を反応領域の全体にわたって均等に分布させ、アノード電極の酸化反応に応じて発生した電子をカソード電極側に伝達する役割のガス拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）、反応気体をガス拡散層に供給し、電気化学反応に応じて発生した水を外部に排出させる分離板（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）、分離板、または膜−電極接合体の反応領域の外周に配置されて反応気体及び冷却水の漏れを防止する、弾性を有するゴム素材のガスケット（Ｇａｓｋｅｔ）を含み得る。
従来の燃料電池スタック用分離板は、反応気体と生成された水の流れが２次元のチャネルを介して同じ方向に沿って進行するように構成されるか、交差する３次元の立体形状を介して分配及び排出されるように構成される。しかし、様々な運転条件の下で可変的な量の水を効率的に排出させるには不適切な構造を有し、これによって、燃料電池スタックの性能を低下させる問題を有する。
特に、高出力領域で、燃料電池内の水伝達（供給／生成／排出）の不均衡が発生し、反応面内の反応ガスの高い物質伝達抵抗（通常拡散抵抗）が発生する技術的な問題がある。
また、従来の分離板、例えば、Ｍｅｔａｌ Ｍｅｓｈ、Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｍｅｔａｌなどを適用した分離板の場合、反応ガス及び凝縮水（生成水）の移動通路の区分が明確ではないため、微細流路内の凝縮水の閉塞による反応ガス供給効率の低下及び性能不安定の問題が発生する。
本発明は、電極面の内部に反応ガスを直接移送できる分離板及びこれを含む燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
また、本発明は、反応ガスの伝達率及び水の排出性能を向上させ得る分離板及びこれを含む燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
また、本発明は、ガス拡散層と接する接触面積を十分に確保するとともに、接触抵抗を減少させ得る分離板及びこれを含む燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
また、本発明は、対流／拡散混合流動によって熱及び物質伝達特性を向上させ得る分離板及びこれを含む燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
また、本発明は、凝縮水を効果的に排出させ得る分離板及びこれを含む燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
また、本発明は、効率的な水分管理を通じて反応ガスの供給効率を向上させ得、性能の不安定性を防止し得る分離板及びこれを含む燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
前述の課題を解決するために、本発明の一側面によると、第１方向に沿って連続的に配列され、第１方向に直交する第２方向に沿って所定の間隔で離れて配列された複数の単量体を含み、それぞれの単量体は、頂点部から所定の角度で連結された第１傾斜面と第２傾斜面を備えるくさび（Ｗｅｄｇｅ）形状を有し、第２方向に沿って隣接した２つの単量体は、それぞれの頂点部が第２方向と平行した仮想の線に対して同軸上に位置しないように配列された分離板が提供される。
また、本発明の他の側面によると、膜−電極接合体と、膜−電極接合体の一面に設けられたガス拡散層と、少なくとも一部の領域がガス拡散層と接触するように配置される分離板と、を含む燃料電池スタックが提供される。ここで、前記分離板は、第１方向に沿って連続的に配列され、第１方向に直交する第２方向に沿って所定の間隔で離れて配列された複数の単量体を含み、それぞれの単量体は、ガス拡散部と接触するように配置される頂点部から所定の角度で連結された第１傾斜面と第２傾斜面を備えるくさび（Ｗｅｄｇｅ）形状を有し、第２方向に沿って隣接した２つの単量体は、それぞれの頂点部が第２方向と平行した仮想の線に対して同軸上に位置しないように配列される。
以上で示したように、本発明の一実施例と関連した分離板及びこれを含む燃料電池スタックは、次のような効果を有する。
本発明の一実施例と関連した分離板は、電極面に対して様々な角度で傾いた複数の傾斜面を有する単量体を含み、複数の単量体が所定の方向に沿って交差反復整列した形状を有する。また、ガス拡散層と接触する領域がジグザグ形状を有し得、傾斜角度及び傾斜面積のうち少なくとも一つが異なるくさび（Ｗｅｄｇｅ）形状の単量体をガス拡散層と接触させることにより、ガス拡散層と接触する隣接領域内の流速の差による剪断力を増加させ得る。
また、交差整列構造を通じて反応ガスの対流／拡散混合流動を誘導することにより、熱及び物質伝達特性を向上させ得る。
また、ガス拡散層と接する接触面積を十分に確保するとともに、接触抵抗を減少（Ｏｈｍｉｃ電圧損失減少）させ得る。
また、凝縮水（生成水）が重力によって単量体の傾斜面及び溝に沿って移動して水不足分を充当させ得、排水ホールによってスタックの外部に排出され得る。
以下、本発明の一実施例による分離板及びこれを含む燃料電池スタックを添付された図面を参考して詳しく説明する。
また、図面符号にかかわらず、同一または対応する構成要素は、同一または、類似の参照番号を付与し、これについての重複説明は、省略することとし、説明の便宜のために図示された各構成部材の大きさ及び形状は、誇張されたり、縮小されたりし得る。
図１は、本発明の一実施例と関連した燃料電池スタック１の断面図であり、図２は、本発明の一実施例と関連した分離板１００の平面図であり、図３は、本発明の一実施例と関連した分離板１００の斜視図である。
図１を参照すると、本発明の一実施例と関連した燃料電池スタック１は、膜−電極接合体１０と膜−電極接合体１０の一面に設けられたガス拡散層２０及び分離板１００を含む。
また、前記分離板１００は、少なくとも一部の領域でガス拡散層２０が接触するように配置される。また、前記燃料電池スタック１は、前記分離板１００を基準にガス拡散層２０の反対方向に配置される底板３０を含む。
図２及び図３を参照すると、前記分離板１００は、第１方向（ｘ軸方向）に沿って連続的に配列され、第１方向に直交する第２方向（ｙ軸方向）に沿って所定の間隔で離れて配列された複数の単量体１１０を含む。
前記分離板１００は、図２で示す第１面（平面）と第１面１０１と反対方向の第２面（背面）を有し、前述の第１及び第２方向に沿って連続的に屈曲した波形（Ｗａｖｅ Ｔｙｐｅ）プレートであり得る。
それぞれの単量体１１０は、頂点部１１３から所定の角度で連結された複数の傾斜面を有する。具体的に、それぞれの単量体１１０は、頂点部１１３から所定の角度で連結された第１傾斜面１１１と第２傾斜面１１２を備えるくさび（Ｗｅｄｇｅ）形状を有する。このとき、分離板１００は、それぞれの単量体１１０の頂点部１１３がガス拡散層２０と接触するように配置される。
また、第２方向に沿って隣接した２つの単量体１１０（１１０−１、１１０−３）は、それぞれの頂点部が第２方向（ｙ軸方向）と平行した仮想の線に対して同軸上に位置しないように配列される。具体的に、第１方向に沿って複数の単量体１１０は、連続して配置され、第２方向に沿って隣接した２つの単量体１１０（１１０−１、１１０−３）は、それぞれの頂点部が第２方向（ｙ軸方向）に沿ってジグザグ形状を有するように配列される。
また、第１方向に沿って隣接する２つの単量体１１０−１、１１０−２の間には、第１及び第２傾斜面によって溝１２０が形成される。例えば、第１方向に沿って隣接する２つの単量体は、第１単量体１１０−１と第２単量体１１０−２を含み、第１単量体１１０−１の第２傾斜面１１２と第２単量体１１０−２の第１傾斜面は、溝１２０を形成するように連結される。また、前記溝１２０は、"Ｖ"字形状を有し得る。後述する前記溝１２０は、凝縮水（生成水）の流動通路の機能を遂行する。
また、第１方向に沿って隣接する２つの単量体１１０−１、１１０−２の間に形成された溝は、第２方向に沿ってジグザグに配列される。
第１傾斜面１１１と第２傾斜面１１２の傾斜角度は、第１方向と第２方向を２つの軸（ｘ軸、ｙ軸）とする仮想の平面を、基準から傾いた角度で定義され得る。例えば、仮想の平面は、底板３０であり得、第１傾斜面１１１と第２傾斜面１１２の傾斜角度は、それぞれ底板３０からガス拡散層２０に向かって傾いた角度を意味し得る。
前記くさび形状の単量体１１０は、頂点部１１３を基準にして、対称形状を有するように設けられることもでき、非対称形状を有するように設けられることもできる。
例えば、第１傾斜面１１１と第２傾斜面１１２は、傾斜角度が互いに異なるように形成され得る。これによって、前記単量体１１０は、くさび形状が所定の方向に傾いた形状を有するように設けられ得る。また、第１傾斜面１１１と第２傾斜面１１２は、面積が互いに異なるように形成され得る。
前記ガス拡散部２０と接触するように配置される頂点部１１３は、線で形成されることもでき、電気的接点を確保する側面から、圧延（平坦化）工程を経て所定の面積を有する平坦面で形成されることもできる。
前述のように、第２方向に沿って隣接する２つの単量体１１０（１１０−１、１１０−３）は、所定の間隔で離れて配列され得る。前記分離板１００は、第２方向に沿って隣接した２つの単量体１１０−１、１１０−３を連結する連結部１３０を含む。このとき、前記連結部１３０は、少なくとも２回以上曲がるように設けられ得る。例えば、前記連結部１３０は、第２方向に沿って隣接した２つの単量体１１０−１、１１０−３の第１傾斜面を連結するための、少なくとも２つの傾斜部１３１、１３２を含み得る。また、隣接する２つの傾斜部１３１、１３２は、傾斜角度及び面積のうち少なくとも一つが互いに異なるように形成され得る。このとき、頂点部１１３を基準にして、ガス拡散層２０と接触する複数の傾斜面１１１、１１２及び傾斜部１３１、１３２のうち少なくとも２つ以上が互いに異なる傾斜角度、傾斜方向及び面積を有し得る。
また、図４及び図５は、燃料電池スタック１を構成する分離板１００で反応ガスと凝縮水の流動を説明するための斜視図である。
燃料電池スタック１で、分離板１００は、第２方向に沿って反応ガスが流動するように配置され得る。このとき、第２方向は、重力方向の反対方向であり得る。また、燃料電池スタック１で、反応ガスの主流動方向は、重力方向の反対方向であり得る。また、燃料電池スタック１で、凝縮水（生成水）の流動方向は、重力方向であり得、反応ガスの主流動方向と凝縮水の主流動方向は、互いに反対方向であり得る。
反応ガスは、第２方向に沿って配列された単量体１１０の第１傾斜面と第２傾斜面１１１、１１２に沿ってガス拡散層２０側に移動することができる。また、反応ガスは、連結部１３０に沿って、第２方向に沿って配列された単量体１１０の傾斜面に流動することができる。前述のように、いずれか一つの単量体１１０の頂点部１１３を基準にして、ガス拡散層２０と接触する複数の傾斜面１１１、１１２及び傾斜部１３１、１３２のうち少なくとも２つ以上が互いに異なる傾斜角度、傾斜方向及び面積を有し得る。このとき、ガス拡散層２０と接触する隣接領域内の反応ガスの流速の差が発生し、これによって、剪断力が増加することができる。また、凝縮水は、連結部１３０及び溝１２０に沿って重力方向に移動され得る。
以上では、分離板１００の第１面上で反応ガスと凝縮水がすべて移動し、第２面側に移動しない場合を例として説明した。すなわち、反応ガスと凝縮水の移動がガス拡散層２０と向い合う分離板１００の第１面でのみ行われる。このような構造では、凝縮水は、重力方向に移動し、水不足分を充当する役割を遂行し得る。このように、分離板１００の第１面上でのみ、すべての流動が行われるように形成された構造は、低加湿用または、無加湿用燃料電池セル／スタックに適用され得る。
図６は、本発明のまた他の実施例と関連した分離板１００の平面図であり、図７は、図６に図示された分離板１００で反応ガスと凝縮水の流動を説明するための斜視図であり、図８は、図６に図示された分離板１００の斜視図である。
図６から図８を参照すると、前記溝１２０及び連結部１３０のうち少なくとも一つには、凝縮水の流動のための排水ホールが形成され得る。前記排水ホールは、分離板１００の第１面と第２面を貫通する貫通ホールである。前記排水ホールの形状は、円形、多角形、平行四辺形などで様々に形成され得る。
具体的に、連結部１３０には、少なくとも一部の領域に第１排水ホール１４０が形成され得る。また、前記溝１２０には、少なくとも一部の領域に第２排水ホール１５０が形成され得る。第１排水ホール１４０及び第２排水ホール１５０の形状及び大きさは、同一に形成されるか、互いに異なるように形成され得る。
このような構造では、凝縮水は、排水ホール１４０、１５０を介して分離板１００の第２面と底板３０との間の空間に移動し、燃料電池スタック１の外部に排出され得る。このような、分離板１００の構造は、中／高加湿用または、高出力燃料電池セル／スタックに適用され得る。
以上で説明した本発明の好ましい実施例は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明についての通常の知識を有する当業者であれば、本発明の思想と範囲内で様々な修正、変更、付加が可能であり、これらの修正、変更及び付加は、下記の特許請求範囲に属するものと理解すべきである。
本発明によると、反応ガスの対流／拡散混合流動を誘導することにより、熱及び物質伝達特性を向上させ得る。
Claims (18)
- 第１方向に沿って連続的に配列され、第１方向に直交する第２方向に沿って所定の間隔で離れて配列された複数の単量体を含み、
それぞれの単量体は、頂点部から所定の角度で連結された第１傾斜面と第２傾斜面を備えるくさび（Ｗｅｄｇｅ）形状を有し、
第２方向に沿って隣接した２つの単量体は、それぞれの頂点部が第２方向と平行した仮想の線に対して同軸上に位置しないように配列された分離板。 - 第１方向に沿って隣接する２つの単量体の間には、第１及び第２傾斜面によって溝が形成された請求項１に記載の分離板。
- 前記溝は、"Ｖ"字形状を有する請求項２に記載の分離板。
- 第１傾斜面と第２傾斜面は、傾斜角度が互いに異なるように形成された請求項１から３のいずれか一項に記載の分離板。
- 第１傾斜面と第２傾斜面は、面積が互いに異なるように形成された請求項１から４のいずれか一項に記載の分離板。
- 頂点部は、線で形成された請求項１から５のいずれか一項に記載の分離板。
- 頂点部は、面で形成された請求項１から５のいずれか一項に記載の分離板。
- 第２方向に沿って隣接した２つの単量体を連結する連結部を含み、
連結部は、少なくとも２回以上曲がるように設けられた請求項１から７のいずれか一項に記載の分離板。 - 連結部は、第２方向に沿って隣接した２つの単量体の第１傾斜面を連結するための少なくとも２つの傾斜部を含む請求項８に記載の分離板。
- 隣接する２つの傾斜部は、傾斜角度及び面積のうち少なくとも一つが互いに異なるように形成された請求項９に記載の分離板。
- 連結部には、少なくとも一部の領域に第１排水ホールが形成された請求項８から１０のいずれか一項に記載の分離板。
- 前記溝には、少なくとも一部の領域に第２排水ホールが形成された請求項２に記載の分離板。
- 膜−電極接合体と、
膜−電極接合体の一面に設けられたガス拡散層と、少なくとも一部の領域がガス拡散層と接触するように配置される分離板と、を含み、
前記分離板は、第１方向に沿って連続的に配列され、第１方向に直交する第２方向に沿って所定の間隔で離れて配列された複数の単量体を含み、
それぞれの単量体は、ガス拡散部と接触するように配置される頂点部から所定の角度で連結された第１傾斜面と第２傾斜面を備えるくさび（Ｗｅｄｇｅ）形状を有し、
第２方向に沿って隣接した２つの単量体は、それぞれの頂点部が第２方向と平行した仮想の線に対して同軸上に位置しないように配列された燃料電池スタック。 - 前記ガス拡散層と接触する頂点部は、線または、面で形成される請求項１３に記載の燃料電池スタック。
- 分離板は、第２方向に沿って反応ガスが流動するように配置された請求項１３または１４に記載の燃料電池スタック。
- 分離板には、第１方向に沿って隣接する２つの単量体の間に、第１及び第２傾斜面による溝が形成された請求項１３から１５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
- 分離板は、第２方向に沿って隣接した２つの単量体を連結する連結部を含み、連結部は、少なくとも２回以上曲がるように設けられた請求項１６に記載の燃料電池スタック。
- 前記溝及び連結部のうち少なくとも一つには、凝縮水の流動のための排水ホールが形成された請求項１７に記載の燃料電池スタック。
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