JP6806319B2 - 分離板、およびこれを含む燃料電池スタック - Google Patents

分離板、およびこれを含む燃料電池スタック Download PDF

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Description

本発明は分離板、およびこれを含む燃料電池スタックに関するものである。
本出願は2016年7月25日付韓国特許出願第10−2016−0093977に基づいた優先権の利益を主張し、該当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、燃料が継続して供給される限り持続的に発電可能な長所がある。
水素イオンが透過できる高分子膜を電解質として使う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と比べて低い、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、応答特性が速い長所がある。それだけでなく、小型化が可能であるため、携帯用、車両用および家庭用の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具備する膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly、MEA)、反応気体を反応領域の全体に亘って均一に分布させ、アノード電極の酸化反応によっ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、電気化学反応によっ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および冷却水の漏出を防止する、弾性を有するゴム素材のガスケット(gasket)を含むことができる。
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次元チャネルを通じ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次元の立体形状を通じて分配および排出されるように構成される。しかし、多様な運転条件下で可変的な量の水を効率的に排出させるのに不適合な構造を有し、その結果、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、高出力領域において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、反応ガスおよび凝縮水(生成水)の移動通路の区分が明確でないため、微細流路内の凝縮水の閉塞による反応ガスの供給効率の低下およ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およびこれを含む燃料電池スタックを提供することを解決課題とする。
また、本発明は反応ガスの伝達率および水排出性能を向上させることができる分離板およびこれを含む燃料電池スタックを提供することを解決課題とする。
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ることができる分離板およびこれを含む燃料電池スタックを提供することを解決課題とする。
また、本発明は対流/拡散混合流動によって熱および物質伝達特性を向上させることができる分離板およびこれを含む燃料電池スタックを提供することを解決課題とする。
また、本発明は凝縮水を効果的に排出させることができる分離板およびこれを含む燃料電池スタックを提供することを解決課題とする。
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ることができ、性能不安定を防止できる分離板およびこれを含む燃料電池スタックを提供することを解決課題とする。
前記した課題を解決するために、本発明の一側面によると、第1方向に沿って順に設けられる複数個の凸部および複数個の凹部を含み、それぞれの凸部には上部面に第1方向と直交する第2方向に沿って所定間隔で第1開口部が設けられ、隣接する2個の凸部の第1開口部は第1方向に平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられた分離板が提供される。
このとき、第1開口部は第1方向に沿った長さが第2方向に沿った幅より大きく形成される。
また、第1開口部は上部面および隔壁の一部の領域に亘って形成される。
また、本発明のさらに他の側面によると、第1方向に沿って順に設けられる複数個の凸部および複数個の凹部を含み、それぞれの凸部には上部面に第1方向と直交する第2方向に沿って所定間隔で第1開口部が設けられ、少なくとも一つの凸部は隣接する凹部と連結された隔壁および隔壁と連結された上部面を含み、少なくとも一つの凹部は隣接する凸部と連結された隔壁および隔壁と連結された底面を含み、上部面と底面はそれぞれ隔壁に対して所定の角度に傾くように設けられ、隣接する2個の凸部の第1開口部は第1方向に平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられた分離板が提供される。
また、本発明のさらに他の側面によると、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および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、ガス拡散層と接触する複数個の凸部とガス拡散層と接触しない複数個の凹部とを含み、凸部と凹部は第1方向に沿って順に連続して設けられ、それぞれの凸部には上部面に第1方向と直交する第2方向に沿って所定間隔で第1開口部が設けられ、隣接する2個の凸部の第1開口部は第1方向に平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられる。
以上で詳察した通り、本発明の一実施例と関連した分離板およ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、電極面に対して一定の角度に傾いた傾斜面と平坦な上部面を有する基本ユニットを含み、基本ユニットが所定の方向に沿って交差して繰り返し整列した形状を有する。この時、分離板に設けられた第1開口部を通じて電極面の内部に反応ガスを直接移送することができる。
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って、熱および物質伝達特性を向上させることができる。
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電圧損失の減少)させることができる。
また、第1開口部と第2開口部を通じて、分離板内の気体の流れ(反応ガス)と液体(例えば、水)の流れを効率的に分配することができ、分離板内の気体の流れと液体(例えば、水)の流れを最適化することができる。また、凝縮水が分離板内に蓄積することを防止することができる。具体的には、反応ガスの主流動方向に基本ユニットが傾いており、凝縮水排出流路が形成されることによって効率的な凝縮水の排出が行われる。
本発明の一実施例と関連した燃料電池スタックの断面図。 本発明の一実施例と関連した分離板の斜視図。 本発明の一実施例と関連した分離板の底面斜視図。 本発明の一実施例と関連した分離板の平面図。 燃料電池スタックを構成する分離板でガスと凝縮水の流動を説明するための斜視図。 本発明の一実施例と関連した分離板の側面図。
以下、本発明の一実施例に係る分離板およびこれを含む燃料電池スタックを、添付された図面を参照して詳細に説明する。
また、図面符号にかかわらず同一又は対応する構成要素は同一または類似する参照番号を付与し、これに対する重複説明は省略し、説明の便宜のために図示された各構成部材の大きさおよび形状は誇張または縮小され得る。
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の斜視図であり、図3は本発明の一実施例と関連した分離板100の底面斜視図である。
また、図4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り、図6は本発明の一実施例と関連した分離板100の側面図である。
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および分離板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を基準としてガス拡散層20の反対方向に配置される底板30を含む。
図1および図2を参照すると、前記分離板100は、ガス拡散層20と接触する複数個の凸部110とガス拡散層20と接触しない複数個の凹部130を含む。また、凸部と凹部は第1方向Lに沿って順に連続して形成される。例えば、第1方向Lに沿って第1凸部110−1、第1凹部130−1、第2凸部110−2、第2凹部130−2、第3凸部110−3および第4凹部130−3が順に連続して設けられ得る。例えば、凸部および凹部の側断面(図1および図6参照)は互いに反対方向の概略「⊂」の形状を有し得る。
前記分離板100は、第1面101と第1面101と反対方向の第2面102を有する波形(wave type)プレートであり得る。この時、凸部110は第1面101側に突出した構造を有し、凹部130は第2面102側に陥没した形態を有し得る。また、前記第1面101はガス拡散層20と少なくとも一部の領域で接触するように配置され、第2面102は底板30と少なくとも一部の領域で接触するように配置される。すなわち、分離板100はガス拡散層20と底板30の間に配置される。この時、分離板100の第1面101とガス拡散層20の間の境界領域は反応ガスの通路の機能を遂行するように設けられ、分離板100の第2面102と底板30との間の境界領域は凝縮水(生成水)の排出通路の機能を遂行するように設けられる。
図1、図2および図3を参照すると、前記分離板100は、第1方向Lに沿って順に設けられる複数個の凸部110:110−1、110−2、110−3および複数個の凹部130:130−1、130−2、130−3を含む。この時、複数個の凸部110:110−1、110−2、110−3は少なくとも一部の領域(例えば、上部面)がガス拡散層20と接触するように配置され、複数個の凹部130:130−1、130−2、130−3は少なくとも一部の領域(例えば、底面)が底板30と接触するように配置され得る。
図2を参照すると、それぞれの凸部110:110−1、110−2、110−3には上部面111に、第1方向Lと直交する第2方向に沿って所定の間隔で第1開口部120:120−1、120−2、120−3が設けられる。また、隣接する2個の凸部110−1、110−2の第1開口部120−1、120−2は第1方向Lに平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられる。
また、少なくとも一つの凸部110は、隣接する凹部130と連結された隔壁112および隔壁112と連結された上部面111を含む。例えば、少なくとも一つの凸部110は、両側で隣接する凹部130とそれぞれ連結された一対の隔壁112および一対の隔壁112を連結する上部面111を含むことができる。例えば、一対の隔壁112と上部面111は概略「⊂」の形状をなすように連結される。この時、凸部110の上部面111は曲面ではなく平坦面に形成される。また、分離板100は上部面111がガス拡散層20と接触するように配置される。また、隔壁112と上部面111の境界枠はラウンド処理されてもよい。
一方、第1開口部120は第1方向Lに沿った長さが第2方向に沿った幅より大きく形成され得る。第1開口部120はスリット(slit)のような形状を有し得る。また、前記凸部110の上部面111は第1開口部120がガス拡散層20と接触しないように設けられる。すなわち、凸部110の上部面111は第1開口部120を除いた残りの領域でガス拡散層20と接触する。したがって、第1開口部120の個数、間隔、大きさなどを調節することによって、ガス拡散層20との接触面積が調節され得る。このように、前記のような接触構造を通じて接触抵抗による性能の損失を防止することができ、例えば反応領域の概略50%以上の接触面積を確保することができる。
また、第1開口部120は上部面111および隔壁112の一部の領域に亘って形成され得る。また、前記第1開口部120は上部面111および上部面111と連結された一対の隔壁112のそれぞれの一部の領域に亘って形成され得る。また、第1開口部120は上部面111と、上部面111と連結された一対の隔壁112のそれぞれの一部の領域および隣接する凹部130の底面131の一部の領域に亘って形成され得る。
また、隣接する3個の凸部110−1、110−2、110−3の第1開口部120−1、120−2、120−3のうち隣接しない2個の第1開口部120−1、120−3は、第1方向Lに平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置するように設けられ得る。例えば、第1凸部110−1と第2凸部110−2および第3凸部110−3が第1方向Lに沿って順に配列された場合、隣接する2個の第1凸部110−1と第2凸部110−2の第1開口部120−1、120−2は第1方向Lに平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられ、隣接する2個の第2凸部110−2と第3凸部110−3の第1開口部120−2、120−3は第1方向Lに平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられ得る。これとは異なり、いずれか一つの凸部(例えば、第2凸部)の第1開口部を基準として、前記凸部の両側にそれぞれ位置した凸部(例えば、第1および第3凸部)の第1開口部は第1方向Lに平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置するように設けられ得る。すなわち、いずれか一つの凸部を基準として、両側の凸部は対称の形状を有し得る。
一方、図3を参照すると、それぞれの凹部130:130−1、130−2、130−3には底面131に、第1方向Lと直交する第2方向に沿って所定の間隔で第2開口部140:140−1、140−2、140−3が設けられる。また、隣接する2個の凹部130−1、130−2の第2開口部140−1、140−2は、第1方向Lに平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられる。
また、少なくとも一つの凹部130は、隣接する凸部110と連結された隔壁112および隔壁112と連結された底面131を含む。例えば、少なくとも一つの凹部130は、両側で隣接する凸部110とそれぞれ連結された一対の隔壁112および一対の隔壁112を連結する底面131を含むことができる。例えば、一対の隔壁112と底面131は概略「⊂」の形状をなすように連結される。この時、凹部130の底面131は曲面ではなく平坦面に形成され得る。また、前記分離板100は底面131が底板30と接触するように配置される。また、隔壁112と底面131の境界枠はラウンド処理されてもよい。
一方、第2開口部140は第1方向Lに沿った長さが第2方向に沿った幅より大きく形成され得る。第2開口部140はスリット(slit)のような形状を有し得る。
また、第2開口部140は底面131および隔壁112の一部の領域に亘って形成され得る。また、前記第2開口部140は底面111および底面131と連結された一対の隔壁112のそれぞれの一部の領域に亘って形成され得る。また、第2開口部120は底面131と、底面131と連結された一対の隔壁112のそれぞれの一部の領域および隣接する凸部110の上部面111の一部の領域に亘って形成され得る。
また、隣接する3個の凹部130−1、130−2、130−3の第2開口部140−1、140−2、140−3のうち隣接しない2個の第2開口部140−1、140−3は、第1方向Lに平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置するように設けられ得る。例えば、第1凹部130−1と第2凹部130−2および第3凹部130−3が第1方向Lに沿って順に配列された場合、隣接する2個の第1凹部130−1と第2凹部130−2の第2開口部140−1、140−2は、第1方向Lに平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられ、隣接する2個の第2凹部130−2と第3凹部130−3の第2開口部140−2、140−3は第1方向Lに平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられ得る。これとは異なり、いずれか一つの凹部(例えば、第2凸部)の第2開口部を基準として、前記凹部の両側にそれぞれ位置した凹部(例えば、第1および第3凹部)の第2開口部は第1方向Lに平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置するように設けられ得る。すなわち、いずれか一つの凹部を基準として、両側の凹部は対称の形状を有し得る。
また、隣接する凸部110と凹部130の第1開口部120と第2開口部140は、第1方向Lに平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないように設けられてもよい。
整理すると、第1方向に沿って、隣接する2個の第1開口部120は、ジグザグ(zig zag)状に交互に配列され得、隣接する2個の第2開口部140はジグザグ状に交互に配列され得る。
一方、隔壁112は底面131に対して所定の角度に傾き、隔壁112は上部面111に対して所定の角度に傾き得る。また、凹部130の底面131と凸部110の上部面111は平行するように設けられ得る。例えば、凸部130は第1方向L側に傾くように設けられ得る。
図4および図5を参照すると、第1方向Lに沿って反応ガス(酸化ガス)が分離板100に供給されるように設けられ得る。本明細書において、第1方向Lとは反応ガスの流動方向(主流動方向)を意味し得る。また、分離板100は第1方向Lの反対方向が重力方向となるように配置され得る。このような配置構造を通じて、凝縮水(生成水)の流動方向は第1方向Lの反対方向である重力方向に決定され得る。
図5および図6を参照すると、凝縮水は重力によって分離板100上から流れ落ちる。特に、前記凝縮水は底板30と凹部130の底面131の境界領域に沿って流動し、第2開口部140を通じて流動する。この時、第2開口部140が重力方向に沿ってジグザグ状に交差配列されることによって、凝縮水が重力方向に沿って流動する過程でいずれか一つの第2開口部140を通過した凝縮水が隔壁112に衝突するようになり、両側の第2開口部140に分枝するか、再び合流するなどの一連の過程を経ることができる。また、隔壁112が底面131に対して傾いた傾斜面に形成されることによって、図6のように、傾斜面の下端部に凝縮水が一時的に溜まった後、再び流動する構造を有することができる。
また、反応ガスの流動は、隔壁112に沿ってガス拡散層20の方向になり、この時、隔壁112が傾斜面に形成されることによってガス拡散層20に向かってゆるやかな上昇流動となり得る。また、第1開口部120を通過して第1方向Lに沿って継続的に流動する過程で、第1開口部120のジグザグ状の配列によって、対流/拡散の混合流動の形態となり得る。
以上で説明され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って、本発明に対する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多様な修正、変更、付加が可能であり、このような修正、変更および付加も下記の特許請求の範囲に属するものとみなされるべきである。
本発明によると、分離板内の気体の流れ(反応ガス)と液体(例えば、水)の流れを効率的に分配することができ、分離板内の気体の流れと液体(例えば、水)の流れを最適化することができる。

Claims (14)

  1. 第1方向に沿って順に設けられる複数個の凸部および複数個の凹部を含み、
    それぞれの凸部には上部面に第1方向と直交する第2方向に沿って所定の間隔で第1開口部が設けられ、
    隣接する2個の凸部の第1開口部は第1方向に平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられ、
    第1開口部は第1方向に沿った長さが第2方向に沿った幅より大きく形成され、
    第1開口部は上部面および隔壁の一部の領域に亘って形成され、
    それぞれの凹部には、底面に前記第1方向と直交する第2方向に沿って所定の間隔で第2開口部が設けられ、
    隣接する凸部と凹部の前記第1開口部と前記第2開口部は、前記第1方向に平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないように設けられた、
    分離板。
  2. 少なくとも一つの凸部は、隣接する凹部と連結された隔壁および隔壁と連結された上部面を含み、上部面は平坦面に形成された、請求項1に記載の分離板。
  3. 隣接する3個の凸部の第1開口部のうち2個の第1開口部は、第1方向に平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置するように設けられた、請求項1または2に記載の分離板。
  4. 隣接する2個の凹部の第2開口部は、第1方向に平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられた、請求項1から3のいずれか一項に記載の分離板。
  5. 少なくとも一つの凹部は、隣接する凸部と連結された隔壁および隔壁と連結された底面を含み、底面は平坦面に形成された、請求項1から4のいずれか一項に記載の分離板。
  6. 第2開口部は、第1方向に沿った長さが第2方向に沿った幅より大きく形成された、請求項からのいずれか一項に記載の分離板。
  7. 第2開口部は、底面および隔壁の一部の領域に亘って形成される、請求項からのいずれか一項に記載の分離板。
  8. 隣接する3個の凹部の第2開口部のうち2個の第2開口部は、第1方向に平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置するように設けられた、請求項からのいずれか一項に記載の分離板。
  9. 隔壁は底面に対して所定の角度に傾き、隔壁は上部面に対して所定の角度に傾いた、請求項に記載の分離板。
  10. 凹部の底面と凸部の上部面は平行するように設けられた、請求項に記載の分離板。
  11. 第1方向に沿って順に設けられる複数個の凸部および複数個の凹部を含み、
    それぞれの凸部には上部面に第1方向と直交する第2方向に沿って所定の間隔で第1開口部が設けられ、
    少なくとも一つの凸部は隣接する凹部と連結された隔壁および隔壁と連結された上部面を含み、
    少なくとも一つの凹部は隣接する凸部と連結された隔壁および隔壁と連結された底面を含み、
    上部面と底面はそれぞれ隔壁に対して所定の角度に傾くように設けられ、
    隣接する2個の凸部の第1開口部は第1方向に平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられ、
    第1開口部は第1方向に沿った長さが第2方向に沿った幅より大きく形成され、
    第1開口部は上部面および隔壁の一部の領域に亘って形成され、
    それぞれの凹部には、底面に前記第1方向と直交する第2方向に沿って所定の間隔で第2開口部が設けられ、
    隣接する凸部と凹部の前記第1開口部と前記第2開口部は、前記第1方向に平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないように設けられた、
    分離板。
  12. 膜−電極接合体;
    膜−電極接合体の一面に設けられたガス拡散層;および
    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を含み、
    前記分離板は、ガス拡散層と接触する複数個の凸部とガス拡散層と接触しない複数個の凹部を含み、
    凸部と凹部は第1方向に沿って順に連続して設けられ、
    それぞれの凸部には上部面に第1方向と直交する第2方向に沿って所定の間隔で第1開口部が設けられ、
    隣接する2個の凸部の第1開口部は第1方向に平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないようにそれぞれ設けられ、
    第1開口部は第1方向に沿った長さが第2方向に沿った幅より大きく形成され、
    第1開口部は上部面および隔壁の一部の領域に亘って形成され、
    それぞれの凹部には、底面に前記第1方向と直交する第2方向に沿って所定の間隔で第2開口部が設けられ、
    隣接する凸部と凹部の前記第1開口部と前記第2開口部は、前記第1方向に平行な仮想の第1線を基準として同軸上に位置しないように設けられた、
    燃料電池スタック。
  13. 第1方向に沿って反応ガスが分離板に供給されるように設けられた、請求項12に記載の燃料電池スタック。
  14. 凸部は第1方向側に傾くように設けられた、請求項12または13に記載の燃料電池スタック。
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