JP6612171B2 - 燃料電池分離板の多孔パネル - Google Patents

Description

本発明は、微細チャネル隔面に多数の孔が規則的に配列された燃料電池分離板微細流路構造であって、チャネルに一定の角度を与えて反応気体の拡散性を向上させることができる燃料電池分離板の多孔パネルに関する。

燃料電池スタックの分離板内に既存のチャネル状の流路の代わりに開流動場（Ｏｐｅｎ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ）状の微細多孔構造体を挿入して燃料電池スタックの反応効率を向上させることができる。既存の伝統的なチャネル分離板の場合、反応気体の移動通路であるチャネルを形成したアノード／カソード分離板を積層して反応気体及び冷却水通路を形成することで、燃料電池のセル構造を簡素化することができる利点がある。しかし、流路のチャネル／ランドの形状によって面圧不均一が発生して電気抵抗が増加するだけでなく、ランド部では過度な応力集中によって気体拡散層の構造が破壊されて反応気体の拡散性が低下する欠点がある。

一方、多孔体流路分離板の場合、反応面に既存のチャネル状の流路の代わりに金属／炭素フォーム（Ｍｅｔａｌ／Ｃａｒｂｏｎ ｆｏａｍ）、金網（Ｗｉｒｅ ｍｅｓｈ）などの微細気孔構造を挿入すれば、反応気体及び生成水の移動を易しくし、ガス拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ；ＧＤＬ）を均一に圧縮させて面圧を分散させることで、電気抵抗を最小化して燃料電池性能の向上を極大化することができる。しかし、既存の微細流路多孔構造体は、製作コストが高いだけでなく、重量及び体積が増大するため、量産性が落ちる。

図１は従来の多孔体構造分離板の断面構造を示す図、図２は従来の分離板を上から垂直に見た図である。燃料電池は、中央の膜−電極接合体（ＭＥＡ）１０と気体拡散層（ＧＤＬ）３０からなり、これに多孔パネル５０が結合され、その上に分離板７０が結合される。従来の分離板の多孔パネル５０は、長手方向（ガス流動方向）に垂直な直線形凹凸線５２の左右側面に多数の貫通孔５４が一定間隔で繰り返し交差するように形成されている。このような直線形凹凸線をガス流動方向（長手方向）に繰り返し配置することにより、反応面内のガス拡散を増大させることに特徴がある。特に、燃料の消耗が多い高電流区間では、それによって流量強度が高くなって多孔体の形状による流動抵抗効果が高くなるため、多孔体の効果が極大化する。

一側面の貫通孔を通過した反応気体はチャネル壁面によって遮られるため、次のチャネルに越えるために隣接の貫通孔が位置する幅方向への流動がＧ２のように発生する。したがって、このような流動が繰り返されてジグザグ状の流動が発生することで、反応気体の拡散性を向上させることができるものである。

燃料電池スタックを搭載した車両の運行パターンを分析すれば、反応気体の流量が少ない低−中電流区間の運転領域帯が７０％以上を占めている。したがって、成形多孔体の効果を極大化するためには、燃料拡散問題が重要な高電流区間だけでなく、低−中電流区間でも多孔体の効果が発現することができるようにしなければならない。

多孔体の基本概念はチャネル側面に一定間隔で交差するように形成された貫通孔を通じての流動攪乱にあるから、多孔体の効果に大きな影響を及ぼす設計因子は多孔体内の貫通孔の幅（ａ）と間隔（ｂ）である。

孔の幅（ａ）が隣接の孔との間隔（ｂ）より大きくなれば、隣接チャネル間の孔重複区間が発生する。このようになれば、燃料電池運転領域の大部分を占める低−中電流区間での流動抵抗が高くなくてジグザグ状の流動が発生しないで、Ｇ１のように大部分が繰り返し交差した孔の重複領域を通じて流体が通過することになる。したがって、成形多孔体の概念は優れるが、実際の燃料電池車両を運行する運転者の運転パターンを考慮すれば、燃料電池車両における多孔体の実際利得は減少する。

一方、孔の幅（ａ）より孔の間隔（ｂ）を大きくすれば、隣接チャネル間の重複区間がなくなる。したがって、流動強度に関係なく流動抵抗が増加して、Ｇ２のようにジグザグ状の流動が続けて発生するから、多孔体の拡散性向上効果を極大化することができることになる。しかし、孔間の間隔が大きくなるにつれて全運転領域帯にわたって流路長が増加し、全体的な差圧の増加を引き起こすことになり、これにより燃料電池を駆動させるための補機類の増加によって燃料電池システムの効率減少を引き起こすことになる。

また、孔の間隔が増加するにつれて、流動が相対的に弱い孔の間に液滴が過多に停滞し、これは低温運転安全性の低下及び車両の冷始動性の悪化を引き起こす。

したがって、流動強度に構わず、多孔体の気体拡散効果を極大化させることができながらも分離板内の差圧や排水性も向上させることができる分離板の凹凸構造が必要であったものである。

前記のような背景技術として説明した事項は本発明の背景に対する理解増進のためのものであるだけであり、当該技術分野で通常の知識を持った者に既に知られた従来技術にあたるものに認められてはいけないであろう。

韓国特許公開第１０−２０１３−００６６７９５Ａ号公報

したがって、本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、微細チャネル隔面に多数の孔が規則的に配列された燃料電池分離板微細流路構造であって、チャネルに一定の角度を与えて反応気体の拡散性を向上させることができる燃料電池分離板の多孔パネルを提供することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明による燃料電池分離板の多孔パネルは、板状の素材を加工することで形成され、ガスの流れ方向に交差する方向の凹凸線が繰り返し配置され、凹凸線で折り曲げられるとともに上側凹凸と下側凹凸が繰り返し折り曲げられ、凹凸状において凹凸線を中心にする両側面にはガスが通過する貫通孔が形成され、凹凸線はガスの流れ方向に対して鋭角を成すように交差する形状のものである。
凹凸線は、一定距離隔たった状態で、互いに平行に繰り返し形成されることができる。
凹凸線は、一側と他側に角が交互に繰り返し折り曲げられた形状のものであってもよい。
凹凸線は、一側と他側に配置される角を連結する傾斜区間で形成されることができる。
凹凸線は、直線区間、一側に折り曲げられた区間、直線区間、他側に折り曲げられた区間が繰り返し折り曲げられた形状のものであってもよい。
凹凸線は、一側と他側に配置される直線区間及びこの直線区間を連結する傾斜区間で構成されることができる。
凹凸線は、一側と他側に交互に折り曲げられた曲線の波状のものであってもよい。
凹凸線を中心にする一側面の貫通孔と他側面の貫通孔は端部が互いに重なるように形成されることができる。
貫通孔は、凹凸線を中心にする両側凹凸面に沿って長く形成された孔形のものであってもよい。
ガスが導入される側に形成された凹凸線とガスが排出される側に形成された凹凸線は、ガスの流れ方向に対して成す角度の大きさが互いに異なることができる。
ガスが導入される側に形成された凹凸線がガスの流れ方向に対して成す角度は、ガスの排出される側に形成された凹凸線がガスの流れ方向に対して成す角度より小さいことができる。

本発明の燃料電池分離板の多孔パネルによれば、波形凹凸線の垂直断面の左右側面に多数の流路貫通孔が一定間隔で繰り返し交差するように形成されているので、従来の多孔体流路のジグザグ状流動において波形によって２次的な流動がさらに発生することにより、反応気体の拡散性がさらに向上する。
また、貫通孔の間隔及び大きさに構わず、ガス流動の垂直方向に直線流動が発生しなくなる。これにより、反応気体の流量に構わず、多孔体の拡散性向上効果が維持されるとともに排水性が向上し、差圧の低減が可能になる。
また、直線形凹凸線から波形凹凸線への変更によって気体拡散層との接触面積が増大し、分離板／気体拡散層間の電気伝導性の改善によって性能が向上することができる。

従来の多孔体構造分離板の断面を示した図である。 従来の多孔パネルを上から垂直に見た図である。 本発明の一実施例による燃料電池分離板の多孔パネルを上から垂直に見た図である。 図３に示した燃料電池分離板の多孔パネルの断面図である。 本発明の多様な実施例による燃料電池分離板の多孔パネルの凹凸線を示した図である。 本発明の多様な実施例による燃料電池分離板の多孔パネルの凹凸線を示した図である。 本発明の多様な実施例による燃料電池分離板の多孔パネルの凹凸線を示した図である。 本発明の一実施例による燃料電池分離板の多孔パネルを示した図である。 図２に示した従来の多孔パネルの速度輪郭（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ）を示した図である。 図３に示した本発明の実施例による多孔パネルの速度輪郭（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ）を示した図である。 図２に示した従来の多孔パネルの反応面に到達する酸素濃度を示した図である。 図３に示した本発明の実施例による多孔パネルの反応面に到達する酸素濃度を示した図である。

図３は本発明の一実施例による燃料電池分離板の多孔パネルを上から垂直に見た図、図４は図３に示した燃料電池分離板の多孔パネルの断面図、図５〜図７は本発明の多様な実施例による燃料電池分離板の多孔パネルの凹凸線を示した図、図８は本発明の一実施例による燃料電池分離板の多孔パネルを示した図、図９は図２に示した従来の多孔パネルの速度輪郭（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ）を示した図、図１０は図３に示した本発明の実施例による多孔パネルの速度輪郭（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ）を示した図、図１１は図２に示した従来の多孔パネルの反応面に到達する酸素濃度を示した図、図１２は図３に示した本発明の実施例による多孔パネルの反応面に到達する酸素濃度を示した図である。

図３は本発明の一実施例による燃料電池分離板の多孔パネルを上から垂直に見た図、図４は図３に示した燃料電池分離板の多孔パネルの断面図である。図３のように、本発明による燃料電池分離板の多孔パネルは、板状の素材を加工することによって形成される。主に、プレス機械などで凹凸状を形成すると同時に貫通孔を加工することもでき、先に型によって凹凸状を加工した後、後に２次加工によって貫通孔を形成することもできる。

多孔パネル１００は分離板７０と気体拡散層３０の間に位置して左側に導入されるガスＧを右側に案内するとともにガスＧの流路を直線状以外の形状に拡散させることで、ガスがもっと確かに気体拡散層と反応するようにするものである。

このために、本発明の場合、多孔パネル１００に凹凸線１４０を適用し、その凹凸線１４０を中心に折り曲げ、図４のように断面が全体的に凹凸状を持つようにするものである。この際、凹凸線１４０は凹凸状において上方に突出した凹凸の中心線または下方に突出した凹凸の中心線を意味する。このような凹凸線は、分離板を図示のように上から見たとき、延長される一連の線の形態を意味する。

図４の断面の場合、正弦波の形状を持つように折り曲げた形態を示すが、場合によっては凹凸線１４０を中心に鋭く角が形成される凹凸を形成することもできる。図３は多孔パネル１００を上から見た図で、凹凸構造が確認されないが、これを断面状に切断した図４では上下に繰り返される凹凸構造が見られる。

本発明の多孔パネル１００は、このように複数の仮想凹凸線１４０を設定し、ガスＧの流れ方向と交差する方向に凹凸線１４０が繰り返し形成されるようにする。すなわち、ガスの流れ方向に平行にあるいは垂直にしなくて一定の角度で交差するようにすることにより、結局凹凸線１４０の形状は、上から見るとき、ジグザグ状に形成されるようにする。
このような多孔パネル１００は、凹凸線１４０を中心に折り曲げられるとともに図４のように上側凹凸と下側凹凸が繰り返し折り曲げられ、凹凸状において凹凸線１４０を中心にする両側面１４１、１４２にはガスが通過する貫通孔１２０が形成され、凹凸線１４０はガスＧの流れ方向を横切る方向に形成されるとともにジグザグ状になるように形成されるものである。さらに、凹凸線１４０は一定距離隔たった状態で互いに平行に繰り返し形成できる。そして、凹凸線１４０はガスの流れ方向に対して鋭角を成す。これは、凹凸線がガスの流れ方向に平行にあるいは垂直にするものでなく、一定の鋭角で交差する形状のものであるという意味である。

図３はガス流動方向に３０°の波形角（θ）を持つ傾斜形凹凸Ｄ２とガス流動方向に垂直な直線形凹凸Ｄ１が繰り返されて波形凹凸が形成された多孔体の形状を示す。これから次のような効果を得ることができる。
１）波形凹凸の垂直断面の左右側面に多数の貫通孔１２０が一定間隔で繰り返し交差するように形成されているので、既存の多孔体流路のジグザグ状流動において波形によって２次流動がさらに発生し、反応気体拡散性がさらに向上する。
２）孔の間隔及び大きさに構わず、ガス流動の方向に対して垂直な方向に直線流動が発生しなくなる。よって、反応気体の流量に構わず、多孔体の拡散性向上効果を維持することができ、排水性が向上し、差圧の低減が可能になる。
３）直線形凹凸において波形凹凸の変更によって気体拡散層との接触面積が増大し、多孔体／気体拡散層間の電気伝導性改善による性能向上が可能になる。

図５〜図７は本発明の多様な実施例による燃料電池分離板の多孔パネルの凹凸線を示した図で、図５のように、凹凸線１４０は一側と他側で角が交互に繰り返されるジグザグ状であることができる。この場合、凹凸線１４０は一側と他側に配置される角を連結する傾斜区間で形成できる。

そして、図６のように、凹凸線１４０は一側と他側で直線区間が交互に繰り返されるジグザグ状であることができる。この場合、凹凸線１４０は一側と他側に配置される直線区間及びこの直線区間を連結する傾斜区間で構成できる。
若しくは、図７のように、凹凸線１４０はジグザグ状に進行する曲線の波形であることができる。

図５の実施例の場合、波形凹凸状の角度があまり大きくなれば、波形が折れる部分で破断発生の危険が増加する。したがって、多孔体の製作性及び分配性を考慮し、波形のジグザグ角度（鋭角）は２０〜７０°の範囲内にあることが効果的である。

図６の実施例の場合、波形凹凸状はガス流動方向に一定の角度を成す傾斜形凹凸区間とガス流動方向に垂直な直線形凹凸区間が繰り返される形状に構成できる。

図７の実施例の場合、波形凹凸状は曲面でなる波状に構成される。よって、形状の急激な変化区間を除去することで、製作性を向上させることができる。

一方、図３のように、凹凸線１４０を中心にする一側面の貫通孔と他側面の貫通孔は端部が互いに重なるように形成できる。そして、貫通孔１２０は凹凸線１４０を中心にする両側面１４１、１４２に沿って長く形成された孔形のものであることができる。

また、図８のように、ガスが導入される側に形成された凹凸線１４０とガスが排出される側に形成された凹凸線１４０’はジグザグ状の角度が互いに異なることができる。具体的に、ガスが導入される側に形成された凹凸線１４０のジグザグ状の角度は、ガスの排出される側に形成された凹凸線１４０’のジグザグ状の角度より小さいことができる。図８は本発明の一実施例による燃料電池分離板の多孔パネルを示した図で、ガス入口部の場合、燃料が反応面内に流入される反応面入口部の流動は充分に発達することができなくて、反応面への気体拡散性は他の部分に比べて低下する。

そして、ガス出口部の場合、反応気体が出口部に進行するにつれて流動は充分に発達する代わり、反応によって生成する水の量の増加する特性がある。したがって、相対的に反応面入口に近い凹凸線部分は傾斜角を小さくして相対的に鋭いジグザグ状を持つようにして波状による流動拡散を促進させ、出口部に近い凹凸線は角度を大きくして相対的にスムーズなジグザグ状を持つようにすることで、流動抵抗を減少させて排水が円滑になされるようにする。

図９は図２に示した従来の多孔パネルの速度輪郭（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ）を示した図、図１０は図３に示した本発明の実施例による多孔パネルの速度輪郭（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ）を示した図である。図９はガスの流れに垂直な凹凸線を持つ多孔パネルに対する流動解釈、図１０は凹凸線のジグザグ状の傾斜角がガス流動に対して４５°の角度を成す多孔パネルに対する流動解釈である。速度輪郭（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ）の比較結果、凹凸線の形状により、図１０では波状流動の速度場が現れ、これによりジグザグ状の凹凸状が流動拡散を向上させることを確認することができる。

図１１は図２に示した従来の多孔パネルの反応面に到達する酸素濃度を示した図、図１２は図３に示した本発明の実施例による多孔パネルの反応面に到達する酸素濃度を示した図である。図１２のように、凹凸線のジグザグ状の角度が４５°である波形凹凸状で酸素濃度差が比較的均一に現れ、もっと多量の酸素が反応面に到達することを確認することができる。これは、酸素濃度平均値（Ｍ、Ｍ’）の比較によって確認され、それによって反応面にもっと多い酸素が均一に到達するということを意味し、燃料電池の性能が向上することができるということを意味する。

本発明の燃料電池分離板の多孔パネルによれば、波形凹凸線の垂直断面の左右側面に多数の流路貫通孔が一定間隔で繰り返し交差するように形成されているので、従来の多孔体流路のジグザグ状流動において波形によって２次的な流動がさらに発生することによって反応気体拡散性がさらに向上する。

また、貫通孔の間隔及び大きさに構わず、ガス流動に垂直な方向に直線流動が発生しなくなる。これにより、反応気体の流量に構わず、多孔体の拡散性向上効果が維持され、排水性が向上し、差圧の低減が可能になる。

また、直線形凹凸線から波形凹凸線への変更によって気体拡散層との接触面積が増大し、分離板／気体拡散層間の電気伝導性の改善によって性能が向上することができる。

以上に本発明の特定の実施例について図示しながら説明したが、以下の特許請求範囲によって提供される本発明の技術的思想を逸脱しない範疇内で本発明が多様に改良及び変形可能であるのは当該分野で通常の知識を持つ者に明らかであろう。

本発明は、チャネルに一定の角度を与えて反応気体の拡散性を向上させることができる燃料電池分離板の多孔パネルに適用可能である。

１００ 多孔パネル
１２０ 貫通孔
１４０ 凹凸線

Claims (11)

1. 板状の素材を加工することで形成され、ガスの流れ方向に交差する方向の凹凸線が繰り返し配置され、凹凸線で折り曲げられるとともに上側凹凸と下側凹凸が繰り返し折り曲げられ、凹凸状において凹凸線を中心にする両側面にはガスが通過する貫通孔が形成され、凹凸線はガスの流れ方向に対して鋭角を成すように交差する形状のものであることを特徴とする、燃料電池分離板の多孔パネル。
2. 凹凸線は、一定距離隔たった状態で、互いに平行に繰り返し形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池分離板の多孔パネル。
3. 凹凸線は、一側と他側に角が交互に繰り返し折り曲げられた形状のものであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池分離板の多孔パネル。
4. 凹凸線は、一側と他側に配置される角を連結する傾斜区間で形成されたことを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池分離板の多孔パネル。
5. 凹凸線は、直線区間、一側に折り曲げられた区間、直線区間、他側に折り曲げられた区間が繰り返し折り曲げられた形状のものであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池分離板の多孔パネル。
6. 凹凸線は、一側と他側に配置される直線区間及び該直線区間を連結する傾斜区間で構成されたことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池分離板の多孔パネル。
7. 凹凸線は、一側と他側に交互に折り曲げられた曲線の波状のものであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池分離板の多孔パネル。
8. 凹凸線を中心にする一側面の貫通孔と他側面の貫通孔は端部が互いに重なるように形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池分離板の多孔パネル。
9. 貫通孔は、凹凸線を中心にする両側凹凸面に沿って長く形成された孔形のものであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池分離板の多孔パネル。
10. ガスが導入される側に形成された凹凸線とガスが排出される側に形成された凹凸線は、ガスの流れ方向に対して成す角度の大きさが互いに異なることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池分離板の多孔パネル。
11. ガスが導入される側に形成された凹凸線がガスの流れ方向に対して成す角度が、ガスの排出される側に形成された凹凸線がガスの流れ方向に対して成す角度より小さいことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池分離板の多孔パネル。