KR100556813B1 - 연료전지의 바이폴라 플레이트 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연료전지의 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 본 발명은 소정의 면적과 두께를 갖는 플레이트와; 플레이트의 양쪽 면에 소정의 간격을 두고 소정의 면적과 깊이를 갖도록 각각 형성되는 베이스 홈과; 베이스 홈에 연통되도록 플레이트에 형성되어 상기한 베이스 홈으로 유체가 유입되는 유입유로와; 플레이트에 형성되어 상기 베이스 홈에서 유입된 유체가 외부로 유출되는 유출유로와; 유입유로를 통해 베이스 홈에 유입도는 유체가 다수 개의 채널로 분배되고, 분배된 유체가 하나로 모이는 것을 반복하도록 그 베이스 홈에 형성된 다단형 채널 어레이를 포함함으로써, 연료전지의 연료극과 공기극을 각각 흐르는 연료와 공기의 유량 분배가 균일하게 되고, 유동 저항이 감소될 수 있도록 한 것이다.

Description

연료전지의 바이폴라 플레이트{BIPOLAR PLATE OF FUEL CELL}

도 1은 종래 연료전지 시스템을 도시한 구성도,

도 2는 종래 연료전지 스택의 일부분을 분해하여 도시한 사시도,

도 3은 종래 연료전지의 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도,

도 4는 종래 연료전지의 바이폴라 플레이트의 다른 실시예를 도시한 평면도,

도 5는 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트를 보인 평면도,

도 6은 제5도의 A - B 단면도,

도 7은 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트가 포함된 스택을 분해하여 보인 사시도,

도 8은 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트에서 연료 또는 공기의 유동상태를 보인 평면도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

150 ; 플레이트 151 ; 베이스 홈

152 ; 유입유로 153 : 유출유로

154a ~ 154g ; 채널 어레이부 C : 채널

BP ; 바이폴라 플레이트 M ; 엠이에이

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 연료전지의 연료극과 공기극을 각각 흐르는 연료와 공기의 유량 분배를 균일하게 할뿐만 아니라 유동 저항을 감소시킬 수 있도록 한 연료전지의 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 환경 친화적인 에너지로 기존의 화석 연료를 대체하기 위하여 개발이 진행되고 있다. 상기 연료전지의 기본 구성은 도 1에 도시한 바와 같이, 전기 화학적 반응이 일어나는 단위 전지(11)가 한 개 또는 한 개 이상으로 결합되는 스택(10)과, 그 스택(10)에 연료가 공급되도록 연결되는 연료공급라인(20)과, 상기 스택(10)에 공기가 공급되도록 연결되는 공기공급라인(30)과, 상기 스택(10)에서 반응을 거친 연료와 공기의 부산물이 각각 배출되는 연료배출라인(40) 및 공기배출라인(50)들을 포함하여 구성되어 있다.

상기 단위 전지(11)는 연료가 유입되는 연료극(ANODE)(도시되지 않음)과, 공기가 유입되는 공기극(CATHODE)(도시되지 않음) 등으로 이루어져 있다.

상기와 같은 종래 연료전지의 작동은 다음과 같다.

먼저, 연료와 공기가 상기 연료공급라인(20)과 공기공급라인(30)을 통해 스택(10)의 연료극과 공기극에 각각 공급된다. 상기 연료극에 공급된 연료는 그 연료극에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 양이온과 전자 e- 로 이온화되고 그 이온화된 양이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하게 되며 그 전자는 연료극을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극으로 이동한 양이온은 그 공기극측으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물 등의 부산물을 발생시키게 된다. 이 과정에서 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 상기 연료극에서 반응을 거친 연료와 상기 공기극에서 발생되는 물 및 기타 부산물은 상기 연료배출라인(40)과 공기배출라인(50)을 통해 각각 배출된다.

한편, 상기 연료전지의 스택(10)을 구성하는 단위 전지는, 도 2에 도시한 바와 같이, 내부에 공기 또는 연료가 유동하는 오픈된 채널(101)이 형성된 두개의 바이폴라 플레이트(100)와 소정의 두께와 면적을 갖도록 형성되어 상기 두개의 바이폴라 플레이트(100)사이에 위치하는 엠이에이(M.E.A; Membrane Electrode Assembly)(110)로 구성된다. 상기 두개의 바이폴라 플레이트(100)와 그 사이에 위치하는 엠이에이(110)는 별도의 체결수단(120)(121)에 의해 결합된다. 상기 바이폴라 플레이트(100)의 일측 채널(101)과 상기 엠이에이(110)의 한 쪽면에 의해 형성되는 유로는 연료극을 형성하게 되고 그 연료극의 유로를 통해 연료가 유동하면서 산화 반응이 일어나게 된다. 그리고 다른 바이폴라 플레이트(100)의 일측 채널(101)과 상기 엠이에이(110)의 다른 한 쪽면에 의해 형성되는 유로는 공기극을 형성하게 되고 그 공기극의 유로를 통해 공기가 유동하면서 환원 반응이 일어나게 된다.

상기 바이폴라 플레이트(100)의 형태, 특히 채널(101)의 형상은 연료 및 공기의 유동시 발생되는 접촉 저항과 유량 분배 등에 영향을 미치게 되며 그 접촉 저항과 유량 분배는 전력 효율에 영향을 미치게 된다. 그리고 상기 바이폴라 플레이트(100)들은 가공을 쉽게 하고 대량 생산이 가능하도록 같은 형태로 형성된다.

종래 기술에 따른 제1 바이폴라 플레이트 구조는, 도 3에 도시한 바와 같이, 일정 두께와 사각 면적을 갖는 플레이트(130)의 각 모서리에 관통구멍(131)(132)(133)(134)이 각각 형성되어 있다. 상기 네 개의 관통구멍 중 대각선상에 위치하는 두개의 관통구멍(131)(133)은 연료가 흐르는 유로이고 다른 대각선상에 위치하는 두개의 관통구멍(132)(134)은 공기가 흐르는 유로이다. 그리고 상기 플레이트(130)의 양측면에 유체가 흐르는 육각 형태의 채널(135)이 각각 형성되어 있고 그 육각 형태의 채널(135)내부 전체에 걸쳐 직선 형태를 이루는 채널(136)이 평행하게 다수 개 형성되어 있다. 그리고 상기 플레이트(130)의 한 쪽면에 형성된 육각 형태의 채널(135) 및 다수개의 직선 형태의 채널(136)은 대각선상에 위치하는 두개의 관통구멍(131)(133)과 연결 채널(137)에 의해 연결되어 있고 그 연결 채널(137)은 다수개의 직선 형태로 형성되어 있다. 그리고 상기 플레이트(130)의 다른 한 쪽에 형성된 육각 형태의 채널(135)과 다수개의 직선 형태의 채널(136)은 다른 대각선상에 위치하는 두개의 관통구멍(132)(134)과 연결 채널(137)에 의해 연결되어 있다. 즉, 상기 플레이트(130)의 한 쪽면은 연료가 흐르도록 형성되어 있고 다른 한 쪽면은 공기가 흐르도록 형성되어 있다.

도 3은 종래 바이폴라 플레이트의 한 쪽면만 도시한 평면도이다.

이와 같은 구조의 작용은 다름과 같다. 연료 또는 공기가 한 쪽의 관통구멍(131)(132)으로 유입되고 그 유입된 연료 또는 공기는 상기 연결 채널(137)을 통해 육각 형태의 채널(135) 및 그 내부에 형성된 다수개의 직선 채널(136)을 통해 반대편 연결 채널(137)로 흐르게 된다. 상기 연결 채널(137)로 흐르는 연료 또는 공기는 반대편 관통구멍(133)(134)을 통해 유출된다.

한편, 종래 기술에 따른 제2 바이폴라 플레이트의 구조는, 제4도에 도시한 바와 같이, 일정 두께와 사각 형태의 면적을 갖는 플레이트(140)의 모서리에 관통구멍(141)(142)(143)(144)이 각각 형성되어 있다. 그리고 상기 플레이트(140)의 한 쪽면에 대각선상에 위치하는 두개의 관통구멍(141)(143)을 절곡된 형태로 연결하는 다수개의 채널(145)이 형성되어 있다. 상기 플레이트(140)의 다른 한 쪽면에 다른 대각선상에 위치하는 두개의 관통구멍(142)(144)을 절곡된 형태로 연결하는 다수개의 채널(145)이 형성되어 있다.

이와 같은 구조의 작용은 다음과 같다. 연료와 공기가 한 쪽의 관통구멍(141)(142)으로 각각 유입되고 그 관통구멍(141)(142)으로 각각 유입되는 연료 또는 공기가 절곡된 형태의 다수 개 채널(145)을 통해 흐르면서 다른 관통구멍(143)(144)을 통해 유출된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래 제1 바이폴라 플레이트의 경우, 상기 관통구멍(131)(132)(133)(134)과 육각 형태의 채널(135) 및 그 내부에 형성된 직선 형태의 채널(136)을 연결하는 연결 채널(137)의 수가 상기 육각 형태 채널의 내부에 형성된 직선 형태의 채널(136) 수에 비해 상대적으로 매우 적기 때문에 상기 관통구멍(131)(132)으로 유입되는 유체의 유량 분배가 좋지 않을 뿐만 아니라 다량의 유체가 유동시 적합하지 못한 단점이 있다.

한편, 종래 제2 바이폴라 플레이트의 경우 연료와 공기의 유로를 형성하는 채널(145)들이 절곡된 형태로 형성되어 연료와 공기의 유동시 유동저항이 증가하게 됨으로써 유체를 유동시키는 압력 손실이 증가하게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술들의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지의 연료극과 공기극을 각각 흐르는 연료와 공기의 유량 분배를 균일하게 할 뿐만 아니라 유동 저항을 감소시킬 수 있도록 한 연료전지의 바이폴라 플레이트를 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 소정의 면적과 두께를 갖는 플레이트의 적어도 한 쪽 면에 소정의 간격을 가지도록 소정의 폭과 깊이로 음각지게 형성하는 베이스 홈과; 베이스 홈의 입구측에 연통되도록 상기 플레이트에 형성되어 상기한 베이스 홈으로 유체가 유입되도록 하는 유입유로와; 베이스 홈의 출구측에 연통되도록 상기 플레이트에 형성되어 상기한 베이스 홈으로 유입된 유체가 외부로 유출되도록 하는 유출유로와; 유입유로를 통해 베이스 홈에 유입되는 유체가 다수 개의 채널로 분배되고 그 분배된 유체가 다시 하나로 모이는 것을 반복하도록 상기한 베이스 홈의 유로방향을 따라 다단으로 형성되는 복수 개의 채널 어레이를 포함한 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 바이폴라 플레이트를 첨부도면에 도시된 실시예들에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트를 보인 평면도이고, 도 6은 제5도의 A - B 단면도이며, 도 7은 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트가 포함 된 스택을 분해하여 보인 사시도이고, 도 8은 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트에서 연료 또는 공기의 유동상태를 보인 평면도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지의 바이폴라 플레이트(BP)는, 소정의 면적과 두께를 갖는 플레이트(150)의 양쪽 면(또는, 한쪽 면)에 소정의 간격을 두고 소정의 폭과 깊이를 갖도록 각각 형성되는 베이스 홈(151)과, 그 베이스 홈(151)의 입구측에 연통하도록 상기 플레이트(150)의 일측에 길이방향으로 관통 형성되는 유입유로(152)와, 상기 베이스 홈(151)의 출구측에 연통하도록 상기한 플레이트(150)의 타측에 길이방향으로 관통 형성되는 유출유로(153)와, 유입유로(152)를 통해 베이스 홈(151)에 유입되는 유체가 다수 개의 채널(C)로 분배되었다가 다시 하나로 모이는 것을 반복하도록 상기한 베이스 홈(151)의 유로방향을 따라 다단으로 형성되는 복수 개의 채널 어레이(154)를 포함한다.

상기 베이스 홈(151)은 플레이트(150)의 양면 또는 일면 중앙 길이방향으로 다수 개를 음각지게 형성하되, 각 베이스 홈(151)은 일직선상에 동일한 폭과 깊이로 형성하는 것이 유체를 골고루 분배하는데 바람직하다.

또, 베이스 홈(151)은 그 양단이 상기한 유입유로(152)와 유출유로(153)에 연통하도록 평면투영시 횡방향으로 서로 연통하도록 형성하는 것이 유체의 접촉면적을 넓히는데 바람직하다.

상기 유입유로(152)와 유출유로(153)는 대개 평면투영시 상하 양측에 각각 형성하되 수직선을 중심으로 좌우 양측에 각각 형성하는 것이 역시 유체를 골고루 분배하는데 바람직하다.

또, 유입유로(152)와 유출유로(153)는 연료공급라인(도 1에 도시)(20)과 공기공급라인(도 1에 도시)(30)이 바이폴라 플레이트(BP)의 외부에서 연통하는 경우에는 상기한 플레이트(150)의 외측면에서 베이스 홈(151)의 최외곽으로 직접 연통하도록 관통 형성하는 것이 바람직하나, 상기 각 공급라인(20)(30)이 바이폴라 플레이트(BP)의 내부에서 연통하는 경우에는 그 각 공급라인(20)(30)에서 베이스 홈(151)의 최외곽으로 연통하도록 관통 형성하는 것이 바람직하다.

채널 어레이부(154)는 도 8에서와 같이 베이스 홈(151)의 유로방향 중간에서 이웃하는 베이스 홈(151)과 연통되도록 형성하는 것으로, 각 채널 어레이부(154a~154g)를 형성하는 각 채널(C)의 길이와 폭을 일정하게 형성할 수도 있으나, 경우에 따라서는 유입유로(152)와 유출유로(153)측에 위치하는 맨 처음과 끝단측 채널 어레이부(154a)(154g)의 채널 길이가 중간에 위치한 다른 채널 어레이부(154b~154f)의 채널 길이보다 짧게 형성할 수도 있다.

여기서, 유입유로측 채널 어레이부(154a)의 채널 길이와 유출유로측 채널 어레이부(154g)의 채널 길이는 가급적 서로 동일하게 형성하는 것이 조립시간을 줄일 수 있어 바람직하다.

또, 각 채널 어레이부(154a~154g) 사이의 간격을 각 채널 어레이부(154a~154g)의 채널 길이보다 짧게 형성하는 것이 스택에서의 유체 순환시간을 줄일 수 있어 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 M은 전해질막(엠이에이)이다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 바이폴라 플레이트는 다음과 같은 작용 효과가 있다.

즉, 도 7에 도시한 바와 같이 바이폴라 플레이트(BP)와 바이폴라 플레이트(BP)사이에 엠이에이(M)가 각각 위치한 상태에서 그 바이폴라 플레이트(BP)들과 엠이에이(M)들이 결합수단(미도시)에 의해 결합되어 연료전지의 스택을 구성하게 된다.

여기서, 상기 바이폴라 플레이트(BP)의 한 쪽면에 형성된 베이스 홈(151)과 채널 어레이부(154a~154g) 등과 상기 엠이에이(M)의 한 쪽면에 의해 연료가 유동하는 유로를 형성하게 되고, 그 엠이에이(M)의 다른 한 쪽면과 상기 바이폴라 플레이트(BP)와 대면되는 다른 바이폴라 플레이트(BP)의 한 쪽면에 형성되는 베이스 홈(151)과 채널 어레이부(154a~154g) 등에 의해 공기가 유동하는 유로를 형성하게 된다.

이때, 도 8에서와 같이 연료가 상기 바이폴라 플레이트(BP)의 유입유로(152)를 통해 베이스 홈(151)으로 유입되면, 이 연료는 상기 베이스 홈(151)의 각 채널(C)을 따라 분배되어 도면의 아래쪽으로 흐르다가 맨 먼저 접하는 채널 어레이부(154a)에서 합쳐지고, 다시 베이스 홈(151)의 채널(C)을 따라 분배되어 흐르다가 다음 채널 어레이부(154b)에서 합쳐졌다가 또다시 분배되어 흐르는 동작을 반복한 후 맞은 편의 유출유로(153)를 통해 외부로 유출되는 것이다.

이렇게 하여, 상기 유입유로(154)를 통해 유입되는 연료 또는 공기가 베이스 홈과 다단의 채널 어레이부를 번갈아 흐르면서 분배와 합쳐짐을 반복하게 되므로 연료 또는 공기가 바이폴러 플레이트의 채널(153) 전체에 고르게 분배되어 흐르게 될 뿐만 아니라 연료나 공기의 유동량이 증가하여 연료전지의 성능이 향상될 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 바이폴라 플레이트는, 각각의 채널을 가진 플레이트의 베이스 홈의 중간에 각 채널이 합쳐졌다가 다시 분산되는 채널 어레이부를 다단으로 형성함으로써, 연료 또는 공기가 바이폴라 플레이트를 지나면서 분배되었다가 다시 합쳐지는 동작을 반복하면서 유동하게 되어 각 채널에 공급되는 연료 또는 공기의 유동상태가 보다 원활하게 될 뿐만 아니라 유동량도 증가하여 연료전지의 성능이 향상될 수 있다.

Claims (10)

1. 소정의 면적과 두께를 갖는 플레이트의 적어도 한 쪽 면에 소정의 간격을 가지도록 소정의 폭과 깊이로 음각지게 형성하는 베이스 홈과;

   베이스 홈의 입구측에 연통되도록 상기 플레이트에 형성되어 상기한 베이스 홈으로 유체가 유입되도록 하는 유입유로와;

   베이스 홈의 출구측에 연통되도록 상기 플레이트에 형성되어 상기한 베이스 홈으로 유입된 유체가 외부로 유출되도록 하는 유출유로와;

   유입유로를 통해 베이스 홈에 유입되는 유체가 다수 개의 채널로 분배되고 그 분배된 유체가 다시 하나로 모이는 것을 반복하도록 상기한 베이스 홈의 유로방향을 따라 다단으로 형성되는 복수 개의 채널 어레이를 포함한 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
2. 제1항에 있어서,

   채널 어레이는 베이스 홈의 유로방향 중간에서 이웃하는 베이스 홈과 연통되도록 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
3. 제2항에 있어서,

   채널 어레이부를 형성하는 각 채널의 길이가 일정한 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
4. 제2항에 있어서,

   유입유로와 유출유로측에 위치하는 다단형 채널 어레이부의 채널 길이가 중간에 위치한 다른 채널 어레이부의 채널 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
5. 제4항에 있어서,

   유입유로측 채널 어레이부의 채널 길이와 유출유로측 채널 어레이부의 채널 길이가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
6. 제2항에 있어서,

   각 채널 어레이부의 채널 길이는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
7. 제2항에 있어서,

   각 채널 어레이부 사이의 간격은 각 채널 어레이부의 채널 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
8. 제2항에 있어서,

   각 채널 어레이부의 채널 길이와 채널 폭은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
9. 제1항에 있어서,

   베이스 홈은 동일한 간격과 폭과 깊이로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
10. 제9항에 있어서,

    베이스 홈은 동일직선 상에 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.

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