KR100891356B1 - 연료전지 분리판 및 이를 구비한 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택 내에 설치되는 연료전지 분리판의 냉각 유로를 개선한 연료전지 스택에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판은 막전극 접합체를 향하는 일면에서 전기화학반응을 위한 반응가스가 유동하도록 형성되는 반응가스 유로, 및 일면의 반대편에 해당하는 배면에서 냉각매체가 유동하도록 형성되는 냉각 유로를 포함한다. 냉각 유로는 반응가스 유로가 배열된 면적에 대응하는 면적 내에 배열되면서, 반응가스 유로와 동일한 방향으로 진행되도록 형성된다. 그리고, 냉각 유로가 단위 면적당 차지하는 면적은 냉각매체가 유입되는 부근의 영역에 비해 냉각매체가 배출되는 부근의 영역에서 더 축소되는 특징이 있다.
연료전지, 분리판, 산화제 가스, 채널, 유로, 냉각, 플러딩

Description

연료전지 분리판 및 이를 구비한 연료전지 스택{Fuel Cell Separator and Fuel Cell Stack with the Same}
본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연료전지 스택 내에 설치되는 연료전지 분리판의 냉각 유로를 개선한 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지 스택(Stack)은 연료전지 시스템의 여러 구성요소들 중에서 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기 에너지를 발생시키는 발전 구성요소이다. 이런 연료전지 스택은 전기 에너지를 발생시키는 최소의 단위로서 단위 전지를 구비하며, 이런 수 개 또는 수십 개의 단위 전지들이 직렬로 적층되는 구성을 갖는다.
단위 전지는 막전극 접합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)와, 이런 막전극 접합체의 양쪽 면에 각각 접하는 연료전지 분리판들로 이루어진다. 막전극 접합체는 수소 이온만을 선택적으로 통과시키는 고분자 전해질막을 구비하고, 이런 고분자 전해질막의 양쪽 면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 접합된다.
연료전지 분리판은 막전극 접합체의 해당하는 면에 반응가스인 연료 가스 또 는 산화제 가스를 공급하면서, 잉여가스와 반응 생성물을 외부로 배출시키기 위한 반응가스 유로가 형성된다. 이러한 반응가스 유로는 별도의 구성요소로서 제작된 후에 연료전지 분리판에 부착될 수도 있지만, 일반적으로 연료전지 분리판의 일면에 홈과 같은 채널로 형성된다. 즉, 캐소드 분리판에는 막전극 접합체를 향하는 면에 산화제 가스 유로가 형성되고, 이런 산화제 가스 유로로 산소를 함유하는 산화제 가스(일명 "환원 가스"라고도 함)가 유입된다. 애노드 분리판에는 막전극 접합체를 향하는 면에 연료 가스 유로가 형성되고, 이런 연료 가스 유로로 수소를 함유하는 연료 가스가 유입된다.
연료전지 스택은 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하는 과정에서 전기 에너지와 함께 내부 반응열이 발생된다. 연료전지 스택은 이와 같은 반응열을 원활하게 배출하기 위해서 1개 내지 3개 정도의 단위 전지마다 반응열을 회수하는 냉각부가 설치되는 것이 바람직하다. 연료전지 스택은 냉각부를 구성하는 방법으로서 산화제 가스 유로 또는 연료 가스 유로가 형성되지 않은 연료전지 분리판의 배면에 냉각매체가 유동할 수 있는 냉각 유로를 형성하고, 이런 냉각 유로를 갖는 면끼리 상호 포개지도록 연료전지 분리판들을 적층하는 방식이 있다. 그리고, 연료전지 스택은 냉각부를 구성하는 다른 방법으로서 연료전지 분리판의 배면에 냉각매체가 유동할 수 있는 냉각 유로를 형성하지만, 캐소드 분리판 또는 애노드 분리판 중에서 어느 하나에만 냉각 유로를 형성할 수도 있다.
이와 같은 연료전지 스택은 고분자 전해질막의 물 함유 정도에 비례해서 수소 이온 전도도가 높아지고, 연료전지 발전성능이 향상된다. 이로 인해 연료전지 스택은 고분자 전해질막이 건조해지지 않도록 고분자 전해질막을 적절하게 수화(hydration)시키는 것이 바람직하며, 적절한 범위 내로 연료 가스 또는 산화제 가스와 같은 반응가스를 가습시킨 상태로 공급한다.
하지만, 연료전지 스택은 반응가스에 함유된 물이 과도하게 많아지거나, 캐소드 전극 측에 생성된 물이 원활하게 외부로 배출되지 못할 수 있다. 이와 같이 종래의 연료전지 스택은 산화제 가스 유로 내에 축적된 물이 전극을 향하는 산화제 가스의 공급을 방해함으로써, 연료전지 발전성능이 떨어지는 플러딩(flooding) 현상이 발생되는 문제점이 있다.
종래의 연료전지 스택은 이러한 플러딩 현상을 해결하기 위해 일시적으로 연료 가스 또는 산화제 가스와 같은 반응가스를 일시적으로 다량 공급하여, 연료 가스 유로 또는 산화제 가스 유로에 축적된 물을 강제적으로 외부로 배출시키는 퍼지 방법을 적용하고 있다. 하지만, 이러한 연료전지 스택의 퍼지 방법은 반응가스를 전기화학반응에 이용하지 못하면서 다량의 반응가스를 외부로 배출시키기 때문에, 반응가스의 이용률이 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 종래와 같이 플러딩 현상을 해결하기 위해 퍼지 방법을 사용하지 않고서도 반응가스 유로 내에 축적되는 물을 외부로 원활하게 배출시킬 수 있는 연료전지 분리판 및 이를 구비한 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판은 막전극 접합체를 향하는 일면에서 전기화학반응을 위한 반응가스가 유동하도록 형성되는 반응가스 유로, 및 상기 일면의 반대편에 해당하는 배면에서 냉각매체가 유동하도록 형성되는 냉각 유로를 포함한다. 상기 냉각 유로는 상기 반응가스 유로가 배열된 면적에 대응하는 면적 내에 배열되면서, 상기 반응가스 유로와 동일한 방향으로 진행되도록 형성된다. 상기 냉각 유로가 단위 면적당 차지하는 면적은 상기 냉각매체가 유입되는 부근의 영역에 비해 상기 냉각매체가 배출되는 부근의 영역에서 더 축소된다.
상기 냉각 유로는 상기 냉각매체의 입구로부터 상기 냉각매체의 출구까지 진행방향을 따라 복수 개의 영역으로 나누어져 형성된다. 상기 냉각 유로가 단위 면적당 차지하는 면적은 상기 냉각매체가 유입되는 부근의 영역에서 상기 냉각매체가 배출되는 부근의 영역으로 진행할수록 점진적으로 축소된다.
상기 냉각 유로는 격벽에 의해 복수 개의 채널들로 나누어지며, 상기 냉각 유로가 단위 면적당 차지하는 면적은 상기 격벽이 차지하는 면적에 의해 달라진다.
상기 냉각 유로는 상기 냉각매체의 입구로부터 상기 냉각매체의 출구까지 진행방향을 따라 복수 개의 영역들로 나누어져 형성된다. 상기 격벽이 차지하는 면적이 상기 냉각매체가 유입되는 부근의 영역에서 상기 냉각매체가 배출되는 부근의 영역으로 진행할수록 점진적으로 넓어진다.
상기 격벽은 상기 복수 개의 영역들 중 각각의 영역 내에서 동일한 폭을 갖도록 형성된다.
상기 반응가스 유로는 연료 가스 또는 산화제 가스 중 어느 하나가 유동하는 반응가스 유로이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 복수 개의 단위 전지들이 적층 결합되고, 상기 단위 전지는 전해질막과 전극으로 이루어진 막전극 접합체, 및 상기 막전극 접합체의 양쪽 면에 각각 접하는 한 쌍의 연료전지 분리판을 포함한다. 상기 연료전지 분리판은 상기 막전극 접합체를 향하는 일면에서 전기화학반응을 위한 반응가스가 유동하도록 형성되는 반응가스 유로, 및 상기 일면의 반대편에 해당하는 배면에서 냉각매체가 유동하도록 형성되는 냉각 유로를 포함한다. 상기 냉각 유로는 상기 반응가스 유로가 배열된 면적에 대응하는 면적 내에 배열되면서, 상기 반응가스 유로와 동일한 방향으로 진행되도록 형성된다. 상기 냉각 유로가 단위 면적당 차지하는 면적은 상기 냉각매체가 유입되는 부근의 영역에 비해 상기 냉각매체가 배출되는 부근의 영역에서 더 축소된다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은 반응가스 유로 내에 축적되는 물을 증발시키고, 증발된 수증기를 미반응된 반응가스와 함께 외부로 배출시킴으로써, 플러딩 현상을 방지할 수 있다. 이로 인해 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은 플러딩 현상으로 인해 연료전지 발전성능이 저하되지 않고, 보다 안정적으로 전기 에너지를 생성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은 연료전지 분리판의 냉각 유로를 개선하여 반응가스 유로의 입구와 출구 사이에서 열회수 정도를 달리함으로써, 반응가스 유로의 출구 쪽에 축적되는 물을 보다 효과적으로 증발시켜서 플러딩 현상을 방지하는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성요소들을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기 에너지를 생성하는 발전 구성요소이다. 이런 연료전지 스택(100)은 전기 에너지를 발생시키는 최소의 단위로서 단위 전지(110)를 구비하며, 이러한 수 개 또는 수십 개의 단위 전지(110)들이 연 속적으로 적층 배열된다.
단위 전지(110)는 막전극 접합체(120)와, 이런 막전극 접합체의 양쪽 면에 접하는 연료전지 분리판(130, 140)들로 이루어진다. 그리고, 막전극 접합체(120)는 수소 이온만을 선택적으로 통과시키는 고분자 전해질막, 및 이런 고분자 전해질막의 양쪽 면에 각각 접합되는 전극을 구비한다. 그 외에 막전극 접합체(120)는 전극의 외측면에 반응가스를 전극까지 전달시키는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)을 더 구비한다.
연료전지 분리판(130, 140)은 그 일면에 홈과 같은 채널 형상의 반응가스 유로가 형성되어, 이런 반응가스 유로를 통해 반응가스가 유입된다. 연료전지 분리판(130, 140)은 캐소드 분리판(130)과 애노드 분리판(140)으로 구분될 수 있다. 캐소드 분리판(130)은 막전극 접합체(120)를 향하는 일면에 산화제 가스 유로가 형성되고, 이런 산화제 가스 유로로 산소를 함유하는 산화제 가스가 유입된다. 애노드 분리판(140)은 막전극 접합체(120)를 향하는 일면에 연료 가스 유로가 형성되고, 이런 연료 가스 유로로 수소를 함유하는 연료 가스가 유입된다. 연료전지 분리판(130, 140)은 상기 일면의 반대편에 해당하는 배면에 냉각 유로가 형성되어, 전기 에너지와 함께 발생되는 반응열을 제거한다.
다수 개의 단위 전지(110)들이 적층된 집합체는 가장 외측의 양 단부에 엔드 플레이트(150)가 각각 결합된다. 이런 엔드 플레이트(150)에는 다수 개의 포트들이 형성되어, 반응가스 및 냉각매체가 단위 전지(110)의 내부로 유입된다. 다수 개의 포트들은 산화제 가스 입구(151), 산화제 가스 출구(152), 연료 가스 입 구(153), 연료 가스 출구(154), 냉각매체 입구(155), 및 냉각매체 출구(156)이다.
아래에서는 연료전지 분리판(130, 140)의 구조에 대해 보다 자세하게 설명한다. 다만, 연료전지 분리판(130, 140) 중 캐소드 분리판(130)과 애노드 분리판(140)은 대략적으로 동일한 형상의 구조를 가지고 있어서, 캐소드 분리판(130)을 일례로 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 분리판으로서 산화제 가스 유로가 형성된 캐소드 분리판의 일면을 나타낸 평면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드 분리판(130)은 막전극 접합체(120)를 향하는 일면에 산화제 가스 유로(160)가 형성된다. 이러한 산화제 가스 유로(160)는 복수 개의 채널들로 나누어진다. 이러한 복수 개의 채널들은 동일한 유로 길이를 갖도록 각각 배열되면서도, 사형(serpentine)과 같이 구불구불하게 절곡된다. 다만, 산화제 가스 유로(160)는 일례로서 도 2에 도시된 바와 같은 배열 형상을 제시한 것일 뿐이며, 그 외에 평행 유로 또는 여러 유로 형상을 조합한 유로도 가능하다.
캐소드 분리판(130)에는 산화제 가스 입구(151)와 연통되는 제1 산화제 가스 매니폴드(131)가 일측 코너에 형성되며, 이런 제1 산화제 가스 매니폴드(131)는 산화제 가스 유로(160)로 연결된다. 그리고, 캐소드 분리판(130)에는 산화제 가스 출구(152)와 연통되는 제2 산화제 가스 매니폴드(132)가 상기 일측 코너와 대각선으로 마주하는 타측 코너에 형성되며, 이런 제2 산화제 가스 매니폴드(132)도 산화제 가스 유로(160)에 연결된다. 이와 같은 구조로 인해 제1 산화제 가스 매니폴 드(131)를 통해 공급되는 산화제 가스는 산화제 가스 유로(160)로 유입되고, 산화제 가스 유로(160)로부터 제2 산화제 가스 매니폴드(132)로 배출된다.
제1 연료 가스 매니폴드(133)와 제2 연료 가스 매니폴드(134)는 연료 가스를 애노드 분리판(140)의 연료 가스 유로로 공급하기 위한 것으로서, 캐소드 분리판(130)에 관통되게 형성된다. 캐소드 분리판(130)에는 제1 연료 가스 매니폴드(133)가 사각 코너 중 다른 일측 코너에 형성되고, 제2 연료 가스 매니폴드(134)가 사각 코너 중 나머지 하나의 타측 코너에 형성된다.
제1 냉각매체 매니폴드(135)는 제1 산화제 가스 매니폴드(131)와 제1 연료 가스 매니폴드(133)가 위치한 동일한 일측 가장자리 부근에 위치하고, 제2 냉각매체 매니폴드(136)도 제2 산화제 가스 매니폴드(132)와 제2 연료 가스 매니폴드(133)가 위치한 동일한 타측 가장자리 부근에 위치한다. 제1 냉각매체 매니폴드(135)와 제2 냉각매체 매니폴드(136)는 아래에서 설명할 냉각 유로에 각각 연통된다.
연료전지 스택(100)은 산화제 가스에 함유된 산소와, 연료 가스에 함유된 수소를 전기화학적으로 반응시킴으로써, 전기 에너지를 생성한다. 이때, 산화제 가스와 연료 가스는 막전극 접합체(120)의 고분자 전해질막이 건조해지면, 수소 이온 전도도가 낮아지기 때문에, 적절하게 가습된 상태로 공급된다. 연료전지 스택(100)은 산화제 가스 또는 연료 가스가 과도하게 가습되지 않더라도, 전기화학반응의 부산물로 생성된 물이 산화제 가스 유로(160)에 축적된다. 이러한 산화제 가스 유로(160)에 축적된 물은 전극을 향하는 산화제 가스의 공급을 방해하면서, 연 료전지 발전성능이 떨어지는 플러딩(flooding) 현상을 유발한다. 특히, 연료전지 스택(100)은 산화제 가스 유로(160)의 입구 영역에서 출구 영역으로 진행하면서, 전기화학반응의 부산물로 생성된 물이 산화제 가스에 점진적으로 증가하게 된다. 이로 인해 산화제 가스 유로(160)는 그 입구 영역에 비해 출구 영역 쪽에서 물이 축적되어, 이러한 물이 플러딩 현상을 유발시키는 원인이 된다. 이런 연료전지 스택(100) 내에 생성되는 물은 산화제 가스 유로(160) 뿐만 아니라 고분자 전해질막을 거쳐 연료 가스 유로에도 동일하게 축적된다.
연료전지 스택(100)은 이와 같은 플러딩 현상을 감소시키기 위해서 산화제 가스 또는 연료 가스에 가습되는 조건을 낮출 수도 있다. 이로 인해, 연료전지 스택(100)은 산화제 가스 유로(160)와 연료 가스 유로와 같은 반응가스 유로의 출구 부근에서 물이 축적되는 것을 저감시킬 수 있다. 하지만, 연료전지 스택(100)은 반응가스 유로의 입구 부근에서 반응가스의 가습 정도가 낮아서, 반응가스 유로의 입구 부근에 위치하는 고분자 전해질막의 수소 이온 전도도가 낮아질 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 산화제 가스 또는 연료 가스와 같은 반응가스의 가습 조건을 적절하게 유지하면서도, 연료전지 분리판(130, 140)을 다음과 같이 개선함으로써, 반응가스 유로의 출구 부근에 주로 축적되는 물을 원활하게 증발 제거한다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 연료전지 분리판으로서 냉각 유로가 형성된 캐소드 분리판의 타면을 각각 나타낸 평면도들이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(100)은 반응가스 유로인 산화제 가스 유로(160)의 반대편에 해당하는 배면에 냉각 유로(170, 180, 190)가 형성된다. 이러한 냉각 유로(170, 180, 190)는 산화제 가스 유로(160)가 배열된 면적에 대응하는 면적 내에 배열되면서, 산화제 가스 유로(160)와 동일한 방향으로 진행되도록 형성된다.
특히 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판은 캐소드 분리판(130)과 같이 냉각 유로(170, 180, 190)가 단위 면적당 차지하는 면적이 냉각매체가 유입되는 부근의 영역에 비해 냉각매체가 배출되는 부근의 영역에서 더 축소되는 특징이 있다.
이러한 냉각 유로(170, 180, 190)의 구조에 대해 보다 자세하게 살펴보면, 냉각 유로(170, 180, 190)는 일례로서 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 격벽에 의해 복수 개의 채널들로 나누어지며, 대략적으로 3개의 영역으로 구분된다.
제1 냉각 유로(170)는 제1 냉각매체 매니폴드(135)를 통해 냉각매체가 1차적으로 유입되는 부근의 영역을 지칭한다. 제1 냉각 유로(170)는 복수 개의 채널들의 제1 채널 폭(171)이 각각 동일한 값으로 형성될 뿐만 아니라, 제1 격벽 피치(172)와 제1 격벽 폭(173)도 상호 동일한 값으로 형성된다. 여기서, 제1 격벽 피치(172)는 도 3에서 z축 방향으로 채널들을 상호 이격시키는 거리를 의미하며, 제1 격벽 폭(173)은 도 3에서 x축 방향으로 채널들을 상호 이격시키는 거리를 의미한다.
한편, 제2 냉각 유로(180)는 제1 냉각 유로(170)로부터 연속적으로 연결되면서, 대략적으로 캐소드 분리판(130)의 중심에 위치하는 영역을 지칭한다. 제2 냉 각 유로(180)는 제2 채널 폭(181)이 각각 동일한 값으로 형성되면서, 제1 냉각 유로(170)의 제1 채널 폭(171)과도 동일하게 형성된다. 제2 냉각 유로(180)는 제2 격벽 피치(182)와 제2 격벽 폭(183)이 상호 동일한 값으로 형성된다. 하지만, 제2 격벽 피치(182)와 제2 격벽 폭(183)은 각각 대응하는 제1 격벽 피치(172)와 제1 격벽 폭(173)에 비해 큰 값을 갖는다.
제3 냉각 유로(190)는 제2 냉각 유로(180)로부터 연속적으로 연결되면서, 제2 냉각매체 매니폴드(136)로 냉각매체가 배출되는 부근의 영역을 지칭한다. 즉, 제3 냉각 유로(190)는 냉각 유로의 출구 영역에 해당한다. 제3 냉각 유로(190)는 제3 채널 폭이 동일하게 형성되면서, 제3 격벽 피치(192)와 제3 격벽 폭도 상호 동일한 값으로 형성된다. 하지만, 제3 격벽 피치(192)와 제3 격벽 폭은 각각 대응하는 제2 격벽 피치(182)와 제2 격벽 폭(183)에 비해 큰 값을 갖는다.
이와 같이 제1 냉각 유로(170), 제2 냉각 유로(180), 제3 냉각 유로(190)는 상호 동일한 채널 폭을 갖지만, 제1 격벽 피치(172), 제2 격벽 피치(182), 제3 격벽 피치(192)는 점진적으로 증가한다. 이로 인해 제1 냉각 유로(170)가 단위 면적당 차지하는 면적, 제2 냉각 유로(180)가 단위 면적당 차지하는 면적, 제3 냉각 유로(190)가 단위 면적당 차지하는 면적은 점진적으로 축소된다. 반면, 격벽이 단위 면적당 차지하는 면적은 제1 냉각 유로(170)가 위치하는 영역(174), 제2 냉각 유로(180)가 위치하는 영역(184), 제3 냉각 유로(190)가 위치하는 영역(194)으로 진행할수록 점진적으로 넓어진다.
결과적으로 연료전지 분리판인 캐소드 분리판(130)은 냉각매체가 유입되는 영역에서 냉각매체가 배출되는 영역으로 진행할수록 냉각매체와 열교환되는 면적이 감소된다. 이로 인해 산화제 가스는 산화제 가스 유로(160)의 입구 영역에 비해 산화제 가스 유로(160)의 출구 영역에서 더 높은 온도가 유지되고, 산화제 가스 유로(160)의 출구 영역에 축적되는 물은 수증기로 보다 원활하게 증발될 수 있다.
더욱이 본 발명의 실시예에 따른 캐소드 분리판(130)은 냉각 유로(170, 180, 190)를 산화제 가스 유로(160)와 거의 일치하게 배열하는 것만으로도, 산화제 가스 유로(160)의 입구 영역과 출구 영역 사이에 온도 차이가 발생될 수 있다. 즉, 냉각매체는 산화제 가스 유로(160)의 입구 영역에서 1차적으로 열교환이 이뤄지고, 산화제 가스 유로(160)의 출구 영역으로 진행할수록 열교환 능력이 감소하기 때문이다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예에 따른 캐소드 분리판(130)은 격벽이 차지하는 면적을 증가시키는 방식과 같이 냉각 유로(170, 180,190)가 단위 면적당 차지하는 면적을 달리함으로써, 산화제 가스 유로(160)의 출구 영역에서 물이 수증기로 증발될 수 있도록 내부 온도를 증가시킬 수 있다.
이와 같은 냉각 유로(170, 180, 190)는 캐소드 분리판 (130) 뿐만 아니라, 반응가스로서 연료 가스를 이용하는 애노드 분리판(140)에도 동일하게 적용될 수 있다. 이때 캐소드 분리판(130)과 애노드 분리판(140)은 냉각 유로(170, 180, 190)가 형성된 면이 상호 접하도록 적층된 경우에, 냉각 유로(170, 180, 190)가 하나의 유로로서 동일한 흐름을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같은 사항을 고려하여 애노드 분리판(140)에 형성되는 냉각 유로(170, 180, 190)는 캐소드 분리판(130)에 형성되는 냉각 유로(170, 180, 190)와 좌우 대칭 형태인 것이 바람직하다.
도 5는 도 1에 도시된 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 분리판과 종래 연료전지 분리판에서 각각 산화제 가스의 냉각 정도를 실험하여 나타낸 도표이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실험은 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판과, 종래의 연료전지 분리판을 각각 이용하여 산화제 가스와 냉각매체의 온도를 각각 살펴 보았다.
종래의 연료전지 분리판은 냉각 유로가 동일한 채널 폭과 동일한 격벽 폭으로 형성됨으로써, 냉각 유로가 단위 면적당 차지하는 면적이 전체적으로 동일하였다. 반면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판은 격벽이 차지하는 면적을 달리함으로써 냉각 유로가 단위 면적당 차지하는 면적이 영역에 따라 달라지게 설정하였다. 본 실험은 냉각 유로의 구조를 제외하고, 냉각매체의 유량, 반응가스의 가습 정도와 같은 다른 실험 조건을 동일하게 적용하였다.
종래의 연료전지 분리판(A)은 산화제 가스의 입구와 출구에서 온도 차이가 약간 있음을 확인할 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판(B)은 산화제 가스의 입구와 출구에서 온도 차이가 종래의 연료전지 분리판(A)에 비해 더 높게 유지되고 있음을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판(B)은 산화제 가스의 출구 온도가 종래의 연료전지 분리판(A)에 비해 약 5℃ 가까이 높아서, 보다 원활하게 물을 수증기로 증발시킬 수 있음이 확인되었다.
더욱이 종래의 연료전지 분리판(A')은 냉각매체의 입구와 출구에서 온도 차이가 차이가 있지만, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판(B')은 냉각매체의 출구에서 온도가 종래의 연료전지 분리판(A')에 비해 낮아졌다. 이와 같은 결과를 통해서도 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판(B')은 냉각매체가 산화제 가스 유로의 출구 영역에서 열교환이 더 낮게 이뤄졌음이 확인되었다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성요소들을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 분리판으로서 산화제 가스 유로가 형성된 캐소드 분리판의 일면을 나타낸 평면도이다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 연료전지 분리판으로서 냉각 유로가 형성된 캐소드 분리판의 배면을 각각 나타낸 평면도들이다.
도 5는 도 1에 도시된 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 분리판과 종래 연료전지 분리판에서 각각 산화제 가스의 냉각 정도를 실험하여 나타낸 도표이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 연료전지 스택 110 : 단위 전지
120 : 막전극 접합체 130 : 캐소드 분리판
140 : 애노드 분리판 160 : 산화제 가스 유로
170, 180, 190 : 냉각 유로

Claims (7)

  1. 연료전지 스택의 단위 전지를 이루는 구성요소이면서 막전극 접합체에 접하는 연료전지 분리판으로서,
    상기 막전극 접합체를 향하는 일면에서 전기화학반응을 위한 반응가스가 유동하도록 형성되는 반응가스 유로; 및 상기 일면의 반대편에 해당하는 배면에서 냉각매체가 유동하도록 형성되는 냉각 유로;를 포함하고,
    상기 냉각 유로는 상기 반응가스 유로가 배열된 면적에 대응하는 면적 내에 배열되면서, 상기 반응가스 유로와 동일한 방향으로 진행되도록 형성되고,
    상기 냉각 유로가 단위 면적당 차지하는 면적은 상기 냉각매체가 유입되는 부근의 영역에 비해 상기 냉각매체가 배출되는 부근의 영역에서 더 축소되는 연료전지 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 유로는 상기 냉각매체의 입구로부터 상기 냉각매체의 출구까지 진행방향을 따라 복수 개의 영역으로 나누어져 형성되고,
    상기 냉각 유로가 단위 면적당 차지하는 면적은 상기 냉각매체가 유입되는 부근의 영역에서 상기 냉각매체가 배출되는 부근의 영역으로 진행할수록 점진적으로 축소되는 연료전지 분리판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 유로는 격벽에 의해 복수 개의 채널들로 나누어지며,
    상기 냉각 유로가 단위 면적당 차지하는 면적은 상기 격벽이 차지하는 면적에 의해 달라지는 연료전지 분리판.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각 유로는 상기 냉각매체의 입구로부터 상기 냉각매체의 출구까지 진행방향을 따라 복수 개의 영역들로 나누어져 형성되고,
    상기 격벽이 차지하는 면적이 상기 냉각매체가 유입되는 부근의 영역에서 상기 냉각매체가 배출되는 부근의 영역으로 진행할수록 점진적으로 넓어지는 연료전지 분리판.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 복수 개의 영역들 중 각각의 영역 내에서 동일한 폭을 갖도록 형성되는 연료전지 분리판.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응가스 유로는 연료 가스 또는 산화제 가스 중 어느 하나가 유동하는 반응가스 유로인 연료전지 분리판.
  7. 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 복수 개의 단위 전지들이 적층 결합되고,
    상기 단위 전지는 전해질막과 전극으로 이루어진 막전극 접합체; 및 상기 막전극 접합체의 양쪽 면에 각각 접하는 한 쌍의 연료전지 분리판;을 포함하며,
    상기 연료전지 분리판은 상기 막전극 접합체를 향하는 일면에서 전기화학반응을 위한 반응가스가 유동하도록 형성되는 반응가스 유로; 및 상기 일면의 반대편에 해당하는 배면에서 냉각매체가 유동하도록 형성되는 냉각 유로;를 포함하고,
    상기 냉각 유로는 상기 반응가스 유로가 배열된 면적에 대응하는 면적 내에 배열되면서, 상기 반응가스 유로와 동일한 방향으로 진행되도록 형성되고,
    상기 냉각 유로가 단위 면적당 차지하는 면적은 상기 냉각매체가 유입되는 부근의 영역에 비해 상기 냉각매체가 배출되는 부근의 영역에서 더 축소되는 연료전지 스택.
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