KR101019922B1 - 유로판 구조체 - Google Patents

Abstract

연료전지 또는 전해조용 분리판이 최소한 한 면에 하나 이상의 가스송출채널, 하나 이상의 가스제거채널과 이들을 분리하는 투과성 벽을 포함하는 채널 조립체를 포함한다. 상기 투과성 벽은 복수의 가스확산채널을 포함한다.

Description

유로판 구조체 {FLOW FIELD PLATE GEOMETRIES}

본 발명은 연료전지와 전해조에 관한 것으로, 특히 양자교환막 연료전지 및 전해조에 응용할 수 있으며 이에 한정되지 아니한다.

연료전지는 연료 및 산화제가 제어된 방법으로 조합하여 직접 전기를 생산하는 장치이다. 중간연소 및 발전단계 없이 직접 전기를 생산하므로, 종래 발전기에서 연료를 사용하는 것보다도 연료전지의 발전효율이 더 높으며, 이것은 널리 알려져 있다. 연료전지는 간단하고 바람직한 것으로 생각되지만 실용적인 연료전지장치의 개발에 최근 수년간 많은 인원의 노력이 소모되었다. 전해조(electrolyser)는 사실상 연료전지의 반대로서, 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해한다.
연료전지와 전해조는 둘다 소위 "수소경제(hydrogen economy)"의 주요부가 된다. 이하에서는 연료전지에 대하여 언급하지만 동일한 원리가 전해조에도 적용됨을 상기해야 한다. 상업적으로 생산되는 연료전지의 한 형태는 소위 양자교환막(proton exchange membrane: PEM) 연료전지[때로는 고분자 전해질 또는 고체 고분자형 연료전지(PEFCs)라고도 한다]이다. 이러한 전지는 연료로서 수소를 사용하고 양면에 배치된 다공질 전극을 갖는 전기적 절연성(그러나, 이온전도성인) 고분자막을 함유한다. 상기 막은 통상 플루오로술포네이트 중합체이고, 상기 전극은 통상 탄소질 분말 기판에 분산된 귀금속촉매를 포함한다. 이 전극과 막의 조립체를 종종 막 전극 조립체(membrane electrode assembly: MEA)라고 한다.
수소 연료는 일 전극(양극)에 공급되어 여기서 산화됨으로써 양극에 전자를, 전해질에 수소이온을 방출한다. 산화제(통상, 공기나 산소)는 다른 일 전극(음극)으로 공급되어 여기서 음극으로부터의 전자가 산호 및 수소이온과 결합하여 물을 생성한다. 하위-분류의 양자교환막 연료전지는 메탄올이 연료로서 공급되는 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell)이다. 본 발명은 이와 같은 연료전지와 실제 기타 연료전지를 망라하는 것이다.
상업용 PEM 연료전지에서 이러한 여러 막은 유로판(flow field plate: 또한 양극판(bipolar plate) 또는 분리판(separator)이라고도 한다)에 의하여 분리되어 함께 적층된다. 유로판은 통상 일 막의 양극과 이에 인접한 막의 음극 간에 전자를 양호하게 이동하도록 하는 금속 또는 흑연으로 형성된다. 유로판은 그 표면에 홈 형상을 가짐으로써 유체(연료 또는 산화제)를 공급하고 연료전지의 반응생성물로서 생성된 물을 제거한다.
홈을 제조하는 여러가지 방법으로는 예를 들면 기계 가공, 엠보싱 또는 성형(WO 00/41260)에 의하여, 그리고 레지스트를 통한 샌드블라스팅(WO 01/04982)에 의하여(특히 본 발명에 유용하다) 이러한 홈을 형성시키는 것이 제안되고 있다.
국제특허출원 WO 01/04982에는 레지스트 또는 마스크를 판에 댄 후 샌드블래스팅(또는 이동입자의 운동량을 표면연마에 이용하는 에칭방법, 예를 들어 워터제트(waterjet machining) 가공)을 이용하여 마스크 또는 레지스트에 형성된 패턴에 대응하는 형상을 형성하는 방법이 개시된다.
이러한 공정은 WO 01/04982에서 나타나듯이 유로판의 관통공을 형성하거나 유롼의 폐쇄된 저면 구멍(pit) 또는 채널을 형성할 수 있다. 본 발명의 배경을 충분히 나타낼 수 있도록 WO 01/04982의 공정이 참조된다.
실제, 지금까지 제조된 대다수 판은 채널을 밀링(milling)하여 형성하여 왔다.
WO 01/41260에는 약 0.75㎜ 미만의 폭으로 실질적으로 직선상인 평행채널이 구비되는 유로판 구조가 개시되어 있다.
WO 00/26981에는 800㎛ 미만의 랜드에 의하여 분리된 800㎛ 미만의 폭을 갖는 고도평행 유로를 사용하고 채널간 랜드 영역이 유로의 25% 미만인 유사한 구조가 개시되어 있다. 랜드 폭이 더 좁은 것이 바람직하다. 이 구조는 MEA(WO 01/26981에서 DCC[확산 전류 집전기]로 언급됨)를 통하여 횡방향 가스분산의 필요성을 절감하여 가스분포를 향상한다. 또한, 상기 구조는 랜드영역에 전기경로 길이를 감소하여 전기저항을 감소시킨다.
WO 00/26981에 기술된 전기특성과 가스특성에는 축소된 랜드영역은 전기저항을 증가시킨다는 점에서 상반되는 문제가 있다. WO 00/26981은 이들 상반되는 요구조건들을 최적화할 수 있음이 기술한다. WO 00/26981에서는 고도평행 미세채널의 형상이 해칭(hatching) 또는 그리드(grid) 형상에서와 같은 상호연결 또는 분지점을 포함할 수 있다는 것을 기술하고 있다. 좁은 채널 사용의 이점은 채널에 걸쳐 수적(water droplet) 생성을 촉진함으로써 효율적으로 수분을 제거가능하다는 것이다. 그러나, 수적 양측의 압력이 실질적으로 동등하게 될 수 있도록 그리드 형상이 사용되는 곳에서는 이러한 장점을 볼 수 없다.
WO 00/26981에 대하여 인용하면 다음과 같다:
ㆍUS 3814631에는 0.3㎜보다 큰 폭을 갖는 미세채널을 전극 일면의 돌출부가 전극 다른 일면의 요부와 정합하는 조직전극(textured electrode)에 연결되도록 프레임 가장자리에 구비된 전극구조가 기술되어 있다.
ㆍUS 5108849에는 0.254㎜(0.01인치) 이상의 랜드폭을 가지며 0.76㎜(0.03인치) 이상의 사행궤도를 갖는 판이 기술되어 있다.
ㆍWO 94/11912에는 0.76㎜(0.03인치) 폭과 깊이의 불연속 궤도를 갖는 판이 기술되어 있다. 이들 궤도는 서로 맞물려 있다.
ㆍWO 98/52242에는 막에 가습하는 수단이 기술되어 있다.
좁은 채널은 다른 장치에서 공지되어 있으며, 예를 들어 WO 94/21372에는 인접하는 디스크들에 부분채널들을 정렬하여 형성된 3차원 굴곡채널을 포함하는 화학 처리장치가 기술되어 있다. 이와 같은 구조는 연료전지에 사용된 적은 없다.
연료전지관련특허 중 어느 것도 미세 가스채널에 연결되는 비교적 거친 가스송출채널의 구조를 개시하고 있지 않다.
유체가 각 전극표면에 균등하게 분산되기 위하여 소위 가스 확산층(GDL)이 전극과 유로판 사이에 배치된다. 가스 확산층은 다공성 물질이고 통상 일면에 탄소분말의 결합층을 갖고 발수를 촉진하는 소수성 물질로 피복된 카본지 또는 천으로 이루어진다. 20-100㎛ 공공(pore) 크기의 연결다공도(connected porosity)를 갖는 매크로 다공성 물질(US-A-5641586) 아래에 서로 맞물린 유로를 구비함으로써 가스 확산층의 크기를 감소시킬 수 있음이 제안되었다. 이러한 배열은 폐색된 공공 주위에 가스 유동이 가능하게 하므로 불리하다. (물 등의) 반응 생성물의 축적은 이들 공공에서 발생할 수 있어 가스운송효율을 저하한다. 더불어 이러한 구조는 유로판의 두께를 증가시킨다.
본 출원인은 연료전지에서 일어나는 것을 분석하여 가스 확산층이 그 이름이 의미하는대로 하지 않는다는 결론에 이르렀다. 이론에 의하면, 가스 확산층이 막의 전체표면에 걸쳐 가스가 확산하도록 함으로써 막의 대부분이 전지반응에서 활성을 갖는다는 것이었다. 본 출원인은 간단한 모델에서 가스가 채널들 간의 랜드 전체에 도달하는 것은 아니고 단지 채널 상부영역 및 채널주위의 좁은 가장자리에만 도달하며 발전의 대부분이 이렇게 한정된 영역에서 일어난다는 것을 발견하였다.
이것은 가스가 강제적으로 랜드 위 영역으로 들어가기 때문에 서로 맞물린 채널이 더 높은 전기효율을 나타낸다는 관찰에 의하여 지지된다. 그러나, 가스 확산층은 실제로는 채널 상방의 막전극 영역으로부터 랜드로 전류를 운반하는데 있어서, 그리고 막전극에 기계적 지지를 제공하여 채널 내로 전극이 압입되는 것을 방지하는데 있어서 유용한 목적을 제공한다. 막전극의 경화가 일부에 의하여 제안된 바 있다.
가스 확산층은 전기가 랜드로 발전되는 영역으로부터 전류를 운반함에 있어서 가스 확산층의 전기저항에 의해 당연히 전기손실을 초래한다. 현재, 가스 확산층은 기계 강도, 전기 전도도와 가스 투과도의 각 필요도 간에 미세한 균형에 따라 선택된다.
조합된 유로판과 가스 확산층은 US-A-6037073에 기술되고 있고, 다공성 탄소재의 선택적 함침체를 포함하고 함침은 판의 일부를 밀봉한다. 이러한 배치는 재현하는데 복잡하고 US-A-5641586에서와 같이 폐색공 주위에 가스유동을 가능하게 하는 결점을 갖는다.
유로판과, 관련된 연료 및 산화제 공급 매니폴드를 구비한 막의 조립체는 종종 연료전지 스택(stack)이라 불린다.
상술한 기술은 시제품과 일부 제한된 상업용도에서 유용한 것으로 증명되었지만, 더 넓게 상업적 인정을 받기 위해서는 현재 연료전지 스택의 물리적 크기를 감소시키고 이의 가격을 감소시키는 것이 요청된다. 따라서, 부품수의 감소는 크기와 가격에서 유익한 결과를 가져올 수 있다(원료 및 조립 비용 모두에서).
또한, 선행기술의 유로판은 매트릭스형, 사행형, 선형 또는 상호교합형(interdigitated form)의 유동장(flow field)을 제공하지만 가스유동경로를 개량하는 다른 물리적 시스템은 찾지 못했다. 매트릭스 유동장(랜드의 그릿을 구비하여 가스 확산층과 랜드 간의 가스유동을 지지한다)는 이론적으로 양호한 가스유동을 제공하지만 실제로는 물이 매트릭스 내에 쉽게 괴여 이를 폐색하는 단점을 갖는다. 또한, 폐색은 유로 내의 정체지역을 초래할 수 있다.
선형과 사행형 유동장은 물에 의한 봉쇄 또는 정체영역을 갖는 문제가 더 적으나, 유로에 걸쳐 소정의 압력강하에 대해 더 낮은 가스유동을 갖는다. 또한, 사행형 유동장 패턴은 하나의 채널로부터 상당히 더 낮은 압력을 갖는 인접한 채널로 통과시킴으로써 가스 "단로(short circuiting)"의 문제가 있는 경향이 있다.
상호교합 유동장은 효율높은 가스 송출을 제공하지만, 가스 확산층을 통하여 입구측 유동장으로부터 출구측 유동장으로 가스를 밀어내는데 고압이 필요하고 이에 따라 높은 기생손실을 초래한다는 결점을 갖는다.
또한, 본 출원인은 종래 유로판 구조의 거동을 모델링하였고, 높은 요구수준(예를 들어, 0.6A/㎠ 이상의 전류)에서는 이러한 종래 판들이 유로판의 대부분에서 산화제 및/또는 연료가 고갈되는 경향이 있다는 것을 발견하였다.
알려진 가스 유동장의 요구 조건은 다음과 같다:-
ㆍGDL을 지지하고 가스유동을 위한 공동(cavity)을 유지하는데 충분한 랜드 영역
ㆍ스택을 함께 지지하는 압축력 하에 채널에 압입되어 채널을 폐색하는 GDL를 방지하는데 충분히 좁은 채널
ㆍWO 00/26981에 기재된 바와 같이, 채널 상부영역에서 랜드까지의 전류 경로 길이를 감소시키는데 충분히 좁은 채널과, 랜드 상부영역으로의 가스의 확산거리를 감소시키는데 충분히 좁은 랜드.
유로판을 별개영역으로 분획하는 것을 제외하고, WO 00/26981이 해결하지 못한 것은 좁은 채널은 높은 압력강하를 의미하므로 채널의 일 단부에서 다른 단부로의 가스 유용도가 뚜렷한 차이를 갖는다는 점이다.
종래 유로판 구조에 있어서, 반응가스가 연료전지의 동작에서 소모되고 또한 가스유동에 대한 저항 때문에, 유동장의 일 단부(입구단부)에서의 압력은 다른 단부(출구단부)보다 현저히 더 낮다. 연료 또는 산화제에 대한 수요가 증가하므로, 이러한 배치에서는 반응가스를 반응가스출구로 효과적으로 송출할 수 있는 능력이 저하한다. 본 출원인은 반응물의 결핍이 발생하지 않도록 하기 위하여 요구되는 것이 연료전지의 작업면 전체, 특히 유동장 출구영역에 효과적인 가스송출을 제공하는 수단이라는 것을 인지하였다.
본 출원인은 생체시스템(폐)을 보아서 개량된 유동장 구조는 이의 더 짧은 가스유동경로로 인하여 더 낮은 기생손실을 가질 수 있음을 인지하였다. 검토된 구조에서 가스는 가스송출채널에 의하여 투과성 벽으로 송출된 다음, 이 투과성 벽을 통하여 가스제거채널로 이송된다.
또한, 본 출원인은 이러한 배치는 낮은 압력강하에서 높은 유속을 가능하게 하므로 이러한 구조는 가스 단로를 겪을 가능성이 작음을 인지하였다. 또한, 이러한 구조는 유동장에 걸친 반응물의 더욱 균일한 분포를 보장한다.

따라서, 본 발명은 하나 이상의 가스송출채널(gas delivery channel), 하나 이상의 가스제거채널(gas removal channel)과 이들을 분리하는 투과성 벽을 포함하는 연료전지 또는 전해조용 유로판(flow field plate)을 제공한다.
상기 투과성 벽은 복수의 가스 확산채널(gas diffusion channel)을 포함하고 불투과성 물질이다.
투과성 벽은 회선형상이다.
투과성 벽은 유동장의 최대 폭의 10배 이상의 길이를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 특징은 본 특허청구범위에 기재되며 첨부된 도면을 참고하여 예를 들어 설명된다.
도 1 및 2는 본 발명에 의한 유로판(flow field plate)을 도시한 것이다. 유로판(1)은 실제 유동장(flow field) 부분을 형성하지 않는 주위프레임(18)에서 매니폴드 및 체결공(2)을 포함한다. 또한, 상기 판은 반응가스가 매니폴드(미도시)에 의해 송출되는 가스공급채널(3)을 포함한다. 채널(3)은 가스송출채널(4)과 소통한다. 가스송출채널(4) 자체는 가스송출 부채널(5)에 연결된다. 마찬가지로, 가스배기채널(6)은 가스제거채널(7) 및 가스제거 부채널(8)과 연결된다.
가스송출채널(4) 및 가스송출 부채널(5)과 가스제거채널(7) 및 가스제거 부채널(8)은 이들 간에 가스송출채널(4) 및 가스송출 부채널(5)로부터 가스제거채널(7) 및 가스제거 부채널(8)로 유로를 제공하는 복수의 확산채널(10)을 구비한 벽(9)을 이룬다. 통상의 경우, ~10㎝×10㎝의 판 크기와 ~6.5㎝×6.5㎝의 유동장 작용영역을 갖는 소형 연료전지에 있어서, 가스송출채널의 폭은 약 1.25㎜, 상기 부채널은 약 0.5㎜, 확산채널은 약 0.125㎜이다.
벽은 2가지 규모(scale)로 회선형상으로 된다.
제1규모로서, 벽은 가스공급채널(3)에서 가스배기채널(6)로 주름형상(pleated) 또는 사복(蛇腹)형상(concertinaed)으로 연장되고 벽의 각 주름에 연하여 벽 구획(16)과 벽의 각 모퉁이에서 말단벽 구획(17)을 갖는다. 벽의 각 주름의 길이는 예시하듯이 약 6㎝이다.
제2규모로서, 말단벽 구획들(17) 간의 벽들은 자체가 주름형상 또는 사복형상으로 되어 가스송출 부채널(5)과 가스제거 부채널(8)을 형성한다. 가스송출 부채널 및 가스제거 부채널의 길이는 예시하듯이 약 2.5㎜이다.
그러나, 이러한 형상은 더 작거나 더 큰 규모로 반복될 수 있다.
가스가 점진적으로 좁아지는 채널들을 통과하는 유동장의 이러한 프랙털형(fractal type) 배치는 이 배치가 유로판의 크기까지는 어느 정도 확장가능하다는 것을 의미한다. 이는 또한 투과성 벽에 넓은 표면적을 확보한다.
또한, 이 배치는 GDL이 유동장에 의하여 충분히 지지되는 것을 보장하면서, 유동장의 랜드영역 상에 있는 MEA 부분이 채널로부터 단지 단거리에 있음을 보장한다(통상, 도시된 배치에서 벽 구획(16)은 가장 가까운 채널의 0.5㎜ 이하이고 말단벽 구획(17)에서는 1.25㎜ 이하). 이러한 배치는 랜드 상부영역으로 훨씬 나은 가스접근을 부여하도록 보다 작은 벽 구획(16)이 사용될 수 있도록 확장가능하다. 유동장[특히 벽 구획(16)]의 어느 부분도 가장 가까운 가스송출채널 또는 가스확산채널로부터 0.25㎜보다 크지 않게 떨어져 있음이 바람직하다.
유동장은 불투과성 벽에서 일련의 높은 유동저항 채널에 의하여 형성될 수 있는 투과성 막(9)에 의해 일련의 낮은 유동저항 가스제거채널들(7,8)에 연결된 일련의 낮은 유동저항 가스송출채널들(4,5)로 볼 수 있다.
또한, 유동장은 유동장 표면에 걸쳐 분포된 영역에 가스를 송출하는 일련의 가스송출채널들(4,5), 유동장 표면에 걸쳐 분포된 영역에서 나온 가스를 제거하는 일련의 가스제거채널들(7,8), 그리고 상기 가스송출채널들(4,5)로부터 상기 가스제거채널들(7,8)로의 가스송출속도를 제어하는 투과성 벽으로 볼 수도 있다.
유동장 구획들의 코너(corner)부를 환형으로 함으로써 수적(water droplet)의 핵 생성 및/또는 부착 지점을 감소시키는 것이 바람직하다.
도시된 유동장에 있어서, 벽(9)의 길이는 최소한 10배보다 큰 유동장의 최대 폭(대각선 B-B)보다 상당히 더 길다.
본 출원인은 동일한 유동장 작용영역과 채널에 동일한 비율의 랜드영역을 가지나 5개 채널 사행구조를 갖는 판으로 상기 치수의 시험판을 모델링하였다. 이 모델링에 의하면, 주어진 유속에서 사행 채널 유동장은 200Pa의 압력강하를 갖는 반면에 본 발명에 의한 판은 53Pa의 압력강하를 가졌다. 이 두 압력강하 모두 작지만, 대형 시스템에서는 이러한 압력강하의 차는 기생손실에 큰 영향을 미쳐 사행구조와 비교하여 본 발명의 구조에 필요한 에너지를 저감할 수 있다.
또한, 높은 전류에서 사행배치는 도 3에 도시한 바와 같이(더 어두운 영역이 판의 대부분이 반응물이 결핍됨을 나타낸다) 출구를 향하여 가스유동이 현저하게 감소함을 나타낸다. 대조적으로, 동일한 조건하에서 본 발명의 배치는 가스유동의 손실을 거의 나타내지 않고, 따라서 판의 보다 많은 부분에서 전류발생을 유지할 수 있다.
존재하는 이와 같은 손실을 감소시키기 위하여, 본 출원인은 판의 입구단부근처(영역 D)보다도 판의 출구단부(영역 C)를 향한 더 넓은 확산채널을 제공하여, 실제 판에 걸쳐 균일한 유동을 공급하는데 요구되는 투과성 벽의 길이에 따라 채널 폭 및/또는 깊이가 변할 수 있다.
선택적으로 또는 부가적으로, 단위길이당 일정한 개수의 가스확산채널이 사용된 경우 가스가 고갈되어버릴 영역에 보다 많은 채널을 제공하기 위하여 단위길이당 가스확산채널의 개수는 투과성 벽의 길이에 따라 가변된다.
또한, 가스확산채널의 일부 또는 전체를 회선형상으로 하여 굴곡경로를 제공함으로써 가스유동에 대한 더 높은 저항을 제공할 수 있다. 회선형상 채널의 비율 및/또는 그 회선 정도는 필요에 따라 투과성 벽의 길이에 연하여 변할 수 있다.
가스송출채널 및 가스확산채널 둘 다를 형성하기 위하여 샌드블라스팅과 같은 기술을 사용하여 패턴이 형성된 템플레이트(template) 또는 레지스트(resist)를 판의 표면에 대향배치하고, 이때 템플레이트 또는 레지스트는 요망하는 채널구조에 대응하는 패턴을 갖는다. 이와 같은 기술은 WO 01/04982에 기술되어 있다. 이 기술로 판은 흑연/수지 복합재 또는 사용된 반응물과 현저하게 반응하지 않는 다른 비-다공성 도전물질로 형성될 수 있다.
이 기술에서 폭이 다른 채널의 형상은 마스크에 의한 음영투사(shadow cast)로 인하여 변화됨이 발견되었다. 도 5는 표면에 형성된 좁은 채널(12)을 갖는 유로판(11)을 나타낸다. 채널 형성에 사용된 레지스트의 음영효과 때문에 채널을 바로 위에서만 효과적으로 나오는 샌드블라스티 그릿(grit)에 노출한다. 이로써 채널에 대체로 반원형상과 채널의 얕은 절삭이 초래된다.
점진적으로 더 커지는 채널(13과 14)에 있어서, 레지스트는 더 작은 음영을 투사하여 더 넓어지는 범위의 각으로 샌드블라스트 그릿이 유로판의 표면에 충돌하고, 이로써 채널에 대하여 표면을 더 깊게 절단할 수 있게 하고 점진적으로 더 평탄해지는 저면이 가능하게 한다.
따라서, 다른 폭의 채널을 갖는 레지스트를 판에 적용하고 판과 레지스트를 미세 그릿의 샌드블라스팅에 노출함으로써 다른 폭과 깊이를 갖는 채널 패턴이 적용될 수 있다.
이는 벽의 채널이 가스송출채널과 동일한 깊이를 필요로 하지 않고 실제 벽을 통한 가스유동을 제한하는 초크(choke)로서 기능하기 때문에 본 발명에서 유리하다.
또는, 벽은 판 상에 퇴적될 수 있고(예를 들어, 스크린 인쇄 등에 의하여) 이 경우 가스확산채널의 사용 없이 가스투과성 물질로 형성될 수 있다. 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 투과성 벽의 제조방법이 많이 있다는 것은 명백하다.
도시된 벽(9)은 가스채널들과 부채널들로 이루어지나, 다소의 회선형상 벽이 사용될 수도 있음은 명백하다.
도 6과 7은 본 발명의 원리에 따라 다른 유로판 구조를 도시한 것이다. 유로판은 중심영역(19)[도 1에서와 같이 주위프레임(18)(미도시)과 함께 사용]를 포함한다. 이는 도 1에서와 같이 가스공급채널(3) 및 가스배기채널(6)과 말단벽 구획(17)을 구비한다. 투과성 벽은 사이에 미세 가스확산채널 망(network)을 형성하는 랜드(20)의 배치로 이루어진다. 원형 랜드가 도시되었으나, 출원인은 비교적 일정한 채널 폭을 사이에 제공하는 육각형 랜드 또는 기타 랜드가 바람직함을 발견하였다.
본 발명은 다음을 보장하는 유동장을 제공한다:-
ㆍ소정의 압력강하에 대해 동일한 랜드영역을 갖는 선형 또는 사행 유동장보다 더 높은 가스 유동
ㆍ정수에 충분한 압력강하를 공급하면서도 매트릭스 유동장에 필적하는 가스 유동
ㆍ통상 수반되는 높은 기생손실 없이 상호교합 유동장에 필적하는 성능.

도1은 본 발명에 따른 유동장 플레이트 설계의 평면도이다;

도2는 도1의 지역 A의 확대 평면도이다;

도3은 다섯 궤도의 파상형 유동장을 표본화한 결과를 나타낸 도면이다;

도4는 본 발명에 따른 유동장을 표본화한 결과와 도1 및 2의 설계를 나타낸 도면이다;

도5는 연마 블라스팅 방법을 사용한 결과를 나타낸 도면이다;

도6은 본 발명에 따른 다른 유동장 플레이트 설계를 나타낸 도면이다;

도7은 도1의 지역 E의 확대 평면도이다.

Claims (20)

1. 연료전지용 또는 전해조용 분리판(separator)에 있어서,

   적어도 일 면에, 하나 이상의 가스송출채널과 하나 이상의 가스제거채널과 상기 가스송출채널 및 가스제거채널을 분리하는 투과성 벽을 포함하는 채널조립체에 의해 이루어진 유동장(flow field)을 포함하는 분리판.
2. 제1항에 있어서,

   상기 투과성 벽은 복수의 가스확산채널을 포함하는 분리판.
3. 제2항에 있어서,

   상기 투과성 벽의 모든 부분은 가스확산채널로부터 1.25㎜ 이하로 떨어져 있는 분리판.
4. 제2항에 있어서,

   상기 투과성 벽은 불투과성 물질을 포함하는 분리판.
5. 제4항에 있어서,

   상기 투과성 벽은 회선형상인 분리판.
6. 제5항에 있어서,

   상기 투과성 벽은 사복(蛇腹)형상이고, 벽의 각 주름에 연하여 연장되는 벽 구획과 상기 벽의 각 모퉁이에서 말단벽 구획을 구비하는 분리판.
7. 제5항에 있어서,

   상기 투과성 벽은 2개 이상의 규모(scale)로 회선되는 분리판.
8. 제6항에 있어서,

   상기 유동장의 랜드영역의 모든 부분으로부터 가장 가까운 가스송출채널 또는 가스확산채널까지의 최대거리는 1.25㎜ 미만인 분리판.
9. 제6항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 벽의 각 주름에 연하여 연장하는 벽 구획의 랜드영역의 모든 부분으로부터 가장 가까운 가스송출채널 또는 가스확산채널까지의 최대거리는 0.5㎜ 미만인 분리판.
10. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 유동장의 랜드영역의 모든 부분으로부터 가장 가까운 가스송출채널 또는 가스확산채널까지의 최대거리는 0.25㎜ 미만인 분리판.
11. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 투과성 벽은 상기 유동장의 최대폭의 10배 이상의 길이를 갖는 분리판.
12. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 유동장 구획의 코너(corner)는 환형인 분리판.
13. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 투과성 벽의 투과도는 일정 투과도의 투과성 벽을 사용하는 것보다 더 균일한 가스분포를 제공하도록 그 길이에 연하여 변하는 분리판.
14. 제13항에 있어서,

    상기 투과성 벽은 가스확산채널을 포함하고 이들 채널의 폭 및 깊이 중의 하나 이상은 상기 투과성 벽의 길이에 연하여 변하는 분리판.
15. 제13항에 있어서,

    상기 투과성 벽은 가스확산채널을 포함하고, 단위길이당 가스확산채널의 개수는 상기 투과성 벽의 길이에 연하여 변하는 분리판.
16. 제13항에 있어서,

    상기 투과성 벽은 가스확산채널을 포함하고, 상기 가스확산채널의 일부 또는 전부는 회선되어 굴곡경로를 제공하는 분리판.
17. 제16항에 있어서,

    상기 회선된 가스확산채널의 비율은 상기 투과성 벽의 길이에 연하여 변하는 분리판.
18. 제16항에 있어서,

    상기 회선된 가스확산채널의 회선도는 상기 투과성 벽의 길이에 연하여 변하는 분리판.
19. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 투과성 벽은 사이에 미세 가스확산채널 망(network)을 형성하는 랜드들의 배열로 이루어지는 분리판.
20. 판에 다른 폭의 채널들을 갖는 레지스트 패턴을 적용하고 상기 판 및 레지스트를 미세 그릿(grit)에 의한 샌드블래스팅에 노출함으로써 분리판에 다른 폭 및 깊이의 채널들 패턴을 제조하는 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 의한 분리판의 제조방법.

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