KR101534940B1 - 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리판 및 연료전지에 관한 것으로서, 반응기체의 난류 유동을 발생시켜 GDL 방향으로의 유동을 생성할 수 있고, 이에 GDL로의 강제적인 기체 확산이 이루어질 수 있도록 하여 추가적인 대류 물질전달의 효과를 얻을 수 있는 개선된 분리판 및 이를 이용한 연료전지를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 반응기체 채널에 채널 내측으로 볼록하게 돌출된 형상을 가지는 엠보싱 형상부가 반응기체 흐름방향이 되는 채널 길이방향을 따라서 정해진 간격으로 반복 형성되어, 채널을 따라 이동하는 반응기체의 난류 유동 및 난류 유동에 의한 기체확산층으로의 반응기체 유동이 생성될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.

Description

연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지{Bipolar plate for fuel cell and fuel cell using the same}

본 발명은 분리판 및 연료전지에 관한 것으로서, 반응기체의 난류 유동을 발생시켜 GDL 방향으로의 유동을 생성할 수 있고, 이에 GDL로의 강제적인 기체 확산이 이루어질 수 있는 분리판 및 이를 이용한 연료전지에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, PEMFC)는 반응기체로 연료인 수소와 산화제인 산소(또는 공기)를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성한다.

고분자 전해질막 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧고 부하 변화에 대한 빠른 응답 특성을 가지므로 무공해 친환경차량의 동력원, 자가발전용, 군사용 전원 등 다양한 분야에서 응용될 수 있다.

통상적으로 연료전지는 요구되는 출력 수준을 충족하기 위해 셀들을 적층하여 조립한 스택 형태로 사용하는데, 차량에 탑재되는 연료전지의 경우에도 높은 출력이 요구됨에 따라 수백 개의 셀들을 스택 형태로 적층하여 그 요건을 충족시키고 있다.

연료전지 스택의 단위 셀 구성에서 가장 안쪽에는 전극막접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)가 위치하고, 이 MEA는 수소 양이온(proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막의 양면에 촉매를 도포하여 구성되는 촉매전극, 즉 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 구성된다.

또한, MEA의 바깥 부분, 즉 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥 부분에는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 기체 누출을 방지하는 가스켓(gasket) 등이 적층되고, GDL의 바깥쪽에는 반응기체 및 냉각수, 반응에 의해 생성된 물이 흐르는 유로(flow field)를 제공하는 분리판이 접합된다.

이러한 구성에서 연료전지의 애노드에서는 연료인 수소의 산화반응이 진행되어 수소 이온(proton)과 전자(electron)가 발생하고, 이때 생성된 수소 이온과 전자가 각각 전해질막과 분리판을 통해 캐소드로 이동하게 된다.

이에 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소 이온과 전자, 공기 중 산소가 참여하는 전기화학 반응을 통해 물을 생성하게 되고, 이 전기화학 반응 과정에서 물과 더불어 열이 발생하게 된다. 또한, 전자의 흐름으로부터 전기에너지가 만들어지게 된다.

한편, 분리판은 연료전지 스택 내에서 단위 셀을 분리하는 동시에 셀 간의 전류 통로가 되는 부분(발생한 전기를 전달하는 부분)이고, 또한 분리판에 형성된 유로는 반응기체를 GDL에 전달하기 위한 통로, 냉각수를 통과시키기 위한 통로, 전기화학 반응에 의해 생성되어 GDL을 통해 배출되는 물을 외부로 배출하기 위한 통로가 된다.

이러한 분리판으로 흑연계 소재로 제작되는 흑연계 분리판과, 스테인리스강 등의 금속 소재로 제작되는 금속계 분리판 등이 사용될 수 있는데, 가공성 및 양산성 등을 고려하여 흑연계 분리판을 금속계 분리판으로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

흑연계 분리판은 기계가공을 필요로 하며, 기계가공을 할 경우 복잡한 형상을 구현할 수 있지만 가격이 상승하고 분리판의 두께를 얇게 만들기 어렵기 때문에 양산성이 떨어져 근래에는 흑연계 분리판을 많이 사용하지 않는다.

반면, 금형을 이용한 프레스 성형을 통하여 가공되는 금속계 분리판은 복잡한 형상의 구현이 어렵지만 얇은 판재를 사용하므로 분리판의 두께 및 무게, 그리고 단위 셀의 부피를 크게 줄일 수 있고, 무엇보다 대량 생산이 가능하므로 많은 연료전지 제작 업체에서 사용하고 있다.

보통 프레스 성형을 통해 금속 판재에 양각/음각의 형상을 만들어 분리판을 제작한 뒤, 두 장의 분리판을 결합하여 분리판이 서로 맞닿아 있는 채널 공간에 냉각수가 흐르도록 하고, 양쪽에 GDL을 배치하여 GDL과 맞닿아 있는 채널 공간에 각각 수소와 산소를 흐르도록 하여 반응기체를 전달한다.

도 1은 연료전지용 금속계 분리판을 도시한 도면으로, 도시된 바와 같이 분리판(10)은 일반적으로 직사각형 모양으로 이루어지며, 공기, 수소, 냉각수의 유로가 형성된 유로부(채널)(11)를 제외한 분리판 양단부에 공기, 수소, 냉각수의 3 종류 유체가 들어가고 나갈 수 있는 매니폴드, 즉 입구 매니폴드(캐소드/애노드/냉각수)(12,14,16)와 출구 매니폴드(캐소드/애노드/냉각수)(13,15,17)가 형성된다.

캐소드, 애노드측의 입구 매니폴드(12,14)로는 연료전지가 작동할 수 있도록 가습된 공기와 수소가 스택의 외부 공급원으로부터 공급되고, 캐소드, 애노드측의 출구 매니폴드(13,15)를 통해서는 공급된 기체에 셀 내부에서 생성된 물이 더해져서 기체 또는 액체 상태의 물이 함께 스택의 외부로 배출된다.

즉, 캐소드측의 출구 매니폴드(13)로는 셀 내부에서 생성된 물이 더해져 배출되고, 애노드측의 출구 매니폴드(15)로는 캐소드에서 생성된 후 전해질막을 투과하여 애노드로 넘어간 물이 더해져 배출된다.

그리고, 연료전지 스택에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 입구 매니폴드(12,14,16)로 공급된 반응기체(공기,수소)와 냉각수가 각 셀의 유로(캐소드/애노드/냉각수 채널)로 분배되어 반응 및 냉각을 한 뒤 출구 매니폴드(13,15,17)에서 합쳐져 스택 외부로 배출된다.

도 3은 반응기체가 흐르는 캐소드 채널 및 애노드 채널, 냉각수 채널을 나타내는 셀의 단면도로서, 도면부호 21은 촉매층(촉매전극, 즉 캐소드 및 애노드)을 포함하는 MEA를 나타낸다.

또한, 분리판(10)에서 GDL(22)과 맞닿아 있는 부분이 랜드부(10a)이고, 분리판과 분리판이 맞닿아 있는 부분이 채널부(10b)이다.

또한, 채널부(10b)가 형성하는 유로가 반응기체가 흐르는 채널, 즉 공기(산소)가 흐르는 캐소드 채널(공기 채널)(11a) 및 수소가 흐르는 애노드 채널(수소 채널)(11b)이고, 랜드부(10a)가 형성하는 유로가 냉각수가 흐르는 냉각수 채널(11c)이다.

이렇게 분리판 유로는 캐소드 채널(11a)과 애노드 채널(11b), 냉각수 채널(11c)로 구분되는데, 공기와 수소, 냉각수가 흐르는 방향은 서로 평행한 방향으로 이루어져 있고, 이는 금속 소재를 프레스 가공하여 제작하는 분리판에서 그 자체 형상의 한계로 인하여 설계에 많은 제약 사항이 되고 있다.

또한, 금속계 분리판은 복잡한 형상의 구현이 어렵기 때문에 여러 형태의 유로를 설계하고 있지만 기본적인 채널 형상과 유로 패턴은 거의 유사한 형태를 가진다.

즉, 평평한 금속의 얇은 판재에 양각과 음각을 통해서 반응기체가 흐르는 유로를 형성하고, 그 반대 면에 냉각수 혹은 다른 기체가 흐르도록 하여 유로 역할을 하도록 하고 있다.

각 유로 채널(11a,11b,11c)의 단면 형상은 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 등의 다양한 형상을 가지며, 유로의 분배 구조는 조금씩 다르지만 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드로 이어지는 긴 터널 형태의 유로를 가지는 것이 일반적이다.

그러나, 종래의 분리판에서는 공기 및 수소와 같은 반응기체가, 전기화학 반응이 나타나는 촉매층으로의 물질전달이 이루어지는 방향과 직각방향으로 흐르기 때문에, 채널(11a,11b)과 MEA(21)의 촉매층 간의 농도차 및 부분적인 압력차에 의한 확산에 의존하여 촉매층으로의 물질전달이 이루어지는 단점이 존재한다.

즉, 반응기체의 흐름방향과 전기화학 반응이 일어나는 촉매층에서의 물질전달 방향이 직각이므로, GDL(22)을 통한 촉매층까지의 물질전달이 반응기체 유로 채널(11a,11b)의 입출구 압력차, 그리고 채널(11a,11b)과 촉매층 간의 농도차에 의한 확산에 의해서만 이루어지는 것이다.

이는 반응기체를 필요로 하는 부분으로 공급하는 개념에 있어서 수동적인 전달 방식이 되며, 필요한 양을 전달하기 위해서 반응기체를 과급하거나, 또는 채널의 압력을 높이는 방법이 부가적으로 이루어져야 한다.

또한, 이러한 방식으로 인하여 운전 조건이나 특별한 경우에 따라서는 유로 채널의 후단부(출구부)에서 전기화학 반응에 필요한 반응기체 농도를 촉매층으로 전달하지 못하여 출력 손실을 가져올 수 있고, GDL 내에 존재하는 수분을 효과적으로 제거하지 못할 수 있다.

따라서, 촉매층으로의 효과적인 물질전달을 위해서는 기존의 확산뿐만 아니라 유로 채널 내에 대류에 의한 GDL 수직방향으로의 유동을 만들어줄 필요가 있으며, 채널 내 난류 유동을 유도(종래의 경우 채널 내 층류 유동임)하여 반응기체의 공급 및 효과적인 물 제거를 구현할 수 있는 분리판 설계가 필요하다.

상기한 목적을 위해 제안된 대표적인 분리판 설계로는 인터-디지테이티드(Inter-digitated) 채널, 다공체 분리판 등을 예시로 들 수 있지만, 이 역시 각자의 단점이 있다.

인터-디지테이티드 채널은 입구와 출구가 각각 별도로 존재하여 채널 사이의 GDL을 통한 반응기체의 크로스-오버(cross-over)를 이용하지만, 이로 인해 과도한 압력 상승이 발생할 수 있고, 운전 효율 측면에서 불리한 단점을 가진다.

다공체 분리판의 경우 반응면적 내에 난류 유동을 강제적으로 만들어 GDL로의 반응기체 공급을 원활하게 함으로써 출력 성능을 증가시키지만, 제작이 어려울 뿐만 아니라 부가적인 부재를 필요로 하므로, 무게, 가격, 양산 측면에서 기존의 분리판 대비 불리한 측면들이 존재한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 반응기체의 난류 유동을 발생시켜 GDL 방향으로의 유동을 생성할 수 있고, 이에 GDL로의 강제적인 기체 확산이 이루어질 수 있도록 하여 추가적인 대류 물질전달의 효과를 얻을 수 있는 개선된 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 반응기체 채널에 채널 내측으로 볼록하게 돌출된 형상을 가지는 엠보싱 형상부가 반응기체 흐름방향이 되는 채널 길이방향을 따라서 정해진 간격으로 반복 형성되어, 채널을 따라 이동하는 반응기체의 난류 유동 및 난류 유동에 의한 기체확산층으로의 반응기체 유동이 생성될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.

여기서, 상기 엠보싱 형상부는 볼록한 곡면을 이루면서 돌출된 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 엠보싱 형상부는 이웃한 분리판과 맞닿는 채널부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 엠보싱 형상부에서 볼록한 표면의 반대 면인 오목한 면이, 이웃한 분리판과 맞닿은 채널부에서, 상기 이웃한 분리판의 엠보싱 형상부의 오목한 면과 조합된 상태로, 반응기체 채널과 평행하게 배치된 이웃한 냉각수 채널을 연결하는 연결통로를 형성하도록 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연결통로에서 냉각수의 통과방향이 반응기체 채널 내 반응기체 흐름방향과 직각방향이 되도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 반응기체의 입/출구가 되는 반응기체 매니폴드와 냉각수의 입/출구가 되는 냉각수 매니폴드가 서로 다른 변에 위치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 직사각형의 분리판 전체 형상에서 반응기체 입/출구가 되는 반응기체 매니폴드가 분리판 양단부에 위치되고, 이와 직각방향으로 위치되는 나머지 양단부에 냉각수 입/출구가 되는 냉각수 매니폴드가 위치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 직사각형의 분리판 전체 형상에서 반응기체 입/출구가 되는 반응기체 매니폴드가 길이방향 양단부인 단변 위치에 배치되고, 냉각수 입/출구가 되는 냉각수 매니폴드가 장변 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 반응기체 채널에 엠보싱 형상부를 반복 형성하여 구성한 웨이브 채널이 반응기체 채널의 전 구간 중 선택된 일부 구간에만 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 반응기체 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드로부터 채널 분기가 이루어진 후의 직선 채널 구간을 엠보싱 형상부가 반복 형성된 상기 웨이브 채널로 구성하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은, 반응기체 채널과 냉각수 채널을 형성하는 분리판을 가지는 연료전지에 있어서, 상기 분리판에서 반응기체 채널에 채널 내측으로 볼록하게 돌출된 형상을 가지는 엠보싱 형상부가 반응기체 흐름방향이 되는 채널 길이방향을 따라서 정해진 간격으로 반복 형성되어, 채널을 따라 이동하는 반응기체의 난류 유동 및 난류 유동에 의한 기체확산층으로의 반응기체 유동이 생성되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.

이에 따라, 본 발명의 분리판 및 연료전지에 의하면, 웨이브 채널 구간에서 엠보싱 형상부의 볼록한 표면에 부딪쳐 생성되는 반응기체의 난류 유동에 의해 GDL 방향으로의 유동이 생성되고, 이에 GDL로의 강제적인 기체 확산이 이루어질 수 있는바, 기존의 확산에만 의존하던 직선형 채널 구조에 비하여 추가적인 대류 물질전달의 효과를 기대할 수 있게 된다.

특히, 연료전지의 고출력시 기존 직선형 채널 구조에서의 물질전달 한계로 인하여 농도 손실이 발생하는 문제를 개선할 수 있으며, 연료전지의 운전 범위를 넓혀 더 고출력 구간의 출력 활용이 가능하고, 이를 통해 스택의 부피를 감소시키는 것도 가능하다.

또한, 채널의 길이방향으로 전체적인 반응기체 농도를 증가시킴과 더불어 입/출구부 농도 편차 감소도 기대할 수 있으며, 이를 통해 촉매층 내 반응기체의 농도를 높일 수 있고, 출력 성능 또한 증대시킬 수 있게 된다.

또한, 엠보싱 형상의 사이(연결통로)로 냉각수가 흐를 수 있도록 하여 냉각수 흐름방향이 반응기체의 흐름방향과 직각이 되도록 할 수 있는바, 반응기체의 온도 변화를 최소할 수 있고, 연료전지의 온도 균일성 및 반응효율의 향상을 기대할 수 있게 된다.

또한, 엠보싱 형상부가 형성하는 연결통로가 추가로 구성됨에 따라 냉각 채널의 표면적이 증가될 수 있는바, 냉각 효율 및 열관리 효율의 향상을 기대할 수 있고, 열을 효과적으로 제어할 수 있게 된다.

또한, 반응기체의 출구부에서 온도 변화에 의한 응축이나 드라이-아웃(Dry-out) 현상을 방지할 수 있고, 반복된 엠보싱 형상부로 인해 채널 내 압력 변동을 발생시켜 GDL 부분의 물 배출 효과를 증대시킬 수 있다.

도 1은 종래의 연료전지 스택용 분리판을 나타내는 평면도이다.
도 2는 종래의 연료전지 스택용 분리판 및 유체 흐름 방향을 나타내는 사시도이다.
도 3은 종래의 연료전지 스택에서 반응기체가 흐르는 캐소드 채널 및 애노드 채널, 냉각수 채널을 나타내는 셀의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분리판을 도시한 평면도이다.
도 5는 도 4에서 선 'B-B' 방향을 따라 취한 셀의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에서 선 'C-C' 방향을 따라 취한 셀의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 5에서 선 'D-D' 방향을 따라 취한 단면도로서, 웨이브 채널 영역에서 반응기체와 냉각수의 흐름방향을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 분리판에서 웨이브 채널의 영역 설정을 예시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판을 도시한 평면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 실시예에 따른 분리판을 도시한 평면도이고, 도 5는 도 4에서 선 'B-B' 방향을 따라 취한 셀의 단면 구조를 나타내는 도면이다.

또한, 도 6은 도 5에서 선 'C-C' 방향을 따라 취한 셀의 단면 구조를 나타내는 도면이고, 도 7은 도 5에서 선 'D-D' 방향을 따라 취한 단면도로서, 웨이브 채널 영역에서 반응기체(공기)와 냉각수의 흐름방향을 나타내고 있다.

도시된 바와 같이, 애노드측 분리판(애노드 채널을 형성하는 분리판)과 캐소드측 분리판(캐소드 채널을 형성하는 분리판)이 맞닿는 채널부(10b)의 유로쪽 분리판 면에 유로 채널(11a,11b)을 따라서 소정 간격으로 반복 배치되는 복수 개의 엠보싱 형상부(10c)를 형성한다.

상기 엠보싱 형상부(10c)는 각 분리판(10)의 채널부(10b)에서 유로쪽으로 볼록하게 돌출된 형상을 가지도록 형성되는데, 도 5에 나타낸 바와 같이 애노드 채널(11b)과 캐소드 채널(11a)의 유로 길이방향을 따라서 일정 간격을 두고 돌출된 형상으로 반복하여 형성될 수 있다.

이때, 반응기체가 흐르는 방향(도 5에서 도면상 좌우방향)으로 반복된 엠보싱 형상부(10c)에 의한 유동 저항이 과다하게 발생하지 않도록 반응기체의 흐름방향(유로 채널의 길이방향)(도 5에서 도면상 좌우방향)을 따라 볼록한 곡면을 이루면서 돌출되는 형상의 엠보싱 형상부(10c)를 형성할 수가 있다.

또한, 엠보싱 형상부(10c)는 유로 채널(11a,11b)에 대하여 종방향(길이방향)뿐만 아니라 도 6에 나타낸 바와 같이 그 횡방향으로도 볼록한 곡면을 이루면서 돌출되는 형상(즉, 도 6에서 도면상 좌우방향을 따라서도 볼록한 곡면을 이룸)으로 형성될 수 있다.

실시예의 분리판(10)에서 엠보싱 형상부(10c)는 반응기체 채널(애노드 채널과 캐소드 채널)(11a,11b)의 길이방향 전 구간 중 특정 구간에만 선택적으로 형성될 수 있는데, 예를 들면 입/출구의 각 매니폴드(12,13,14,15)로부터 채널의 분기가 이루어지는 구간, 즉 도 4에서 'Z1' 구간에는 엠보싱 형상부를 형성하지 않으며, 분기가 이루어진 후 직선의 채널 구간, 즉 도 4에서 'Z2' 구간에만 엠보싱 형상부를 형성할 수 있다.

이하, 본 명세서에서 전 구간의 반응기체 채널 중에 상기와 같이 엠보싱 형상부가 형성되어 있는 구간('Z2')의 채널을 웨이브 채널이라 명명한다.

더불어, 상기 각 엠보싱 형상부(10c)가 전술한 바와 같이 분리판(10) 간에 맞닿는 채널부(10b)에서 유로쪽을 향해(채널 내측을 향해) 양각의 볼록한 형상으로 형성되는데, 이때 두 분리판(10)의 엠보싱 형상부(10c)의 음각쪽은 양측 분리판이 서로 맞닿게 되면서 또 다른 유로 공간을 형성하게 된다.

즉, 분리판(10)에서 각 엠보싱 형상부(10c)의 양면 중 반응기체가 접하는 면의 반대쪽 면은 오목한 형상을 가지며, 이웃한 분리판의 채널부(10b)가 서로 맞닿게 될 경우 동일 위치에서 매칭되어 있는 대향된 두 엠보싱 형상부(10c)(양측 분리판의 엠보싱 형상부)의 오목한 면이 서로 조합된 상태로 반응기체 채널과는 구분되는 별도의 유로(11d)를 형성할 수 있는 것이다.

이와 같은 실시예의 분리판 구조에서 엠보싱 형상부(10c)의 오목한 면이 형성하는 상기 유로(11d)를 통해서는 냉각수가 통과하도록 되어 있는데, 이 엠보싱 형상부(10c)가 형성하는 유로(11d)는 채널(11a,11b) 내에 흐르는 반응기체의 이동방향(도 5에서 화살표로 나타낸 좌우방향)과는 직각방향(도 6에서 화살표로 나타낸 좌우방향)으로 냉각수를 통과시킬 수 있는 통로가 된다.

또한, 엠보싱 형상부(10c)가 형성하는 냉각수 유로(11d)는 이웃한 냉각수 채널(11c)을 연결하는 통로가 되며, 종래와 같이 반응기체 채널(캐소드 채널, 애노드 채널)(11a,11b)의 길이방향과 평행하게 배치되는 기존 냉각수 채널(11c)은 주통로가 되고, 이웃한 냉각수 채널(11c)을 연결하는 엠보싱 형상부(10c)의 냉각수 유로(11c)는 이웃한 주통로들을 연결하는 연결통로가 된다.

결국, 실시예의 분리판(10) 및 이를 적용한 연료전지에서는 기존 냉각수 채널(11c)로써 제공되는 주통로(반응기체 채널과 나란하게 평행 배치됨)와 엠보싱 형상부(10c)가 제공하는 연결통로(11d)(반응기체의 이동방향과 직각방향으로 냉각수를 통과시킴)가 전체 냉각수 채널을 구성하게 된다.

한편, 실시예의 분리판(10)에 따르면, 냉각수가 분리판 및 연료전지를 반응기체의 이동방향(흐름방향)과 직각방향(수직방향)으로 통과하게 되는데, 이때 냉각수의 유출입 통로가 되는 냉각수 입구 매니폴드(16)와 출구 매니폴드(17)가 도 4에 나타낸 바와 같이 위치될 수 있다.

즉, 수소와 공기가 도입(각 채널로의 분배) 및 배출되는 입/출구 매니폴드(12,13,14,15)가 분리판(10)의 한쪽 변에 위치한다면, 냉각수 입/출구 매니폴드(16,17)는 다른 변에 위치시켜, 냉각수 흐름이 전체적으로 반응기체 흐름과 직각방향으로 이루어질 수 있도록 한다.

도 4를 참조하면, 수소와 공기의 매니폴드(12,13,14,15)를 도면상 분리판(10)의 좌/우측 각 변에 위치시키고, 냉각수의 매니폴드(16,17)를 도면상 상/하측 각 변에 위치시킨 실시예의 구조를 나타내고 있으며, 냉각수 입구 매니폴드(16)와 출구 매니폴드(17)를 반응기체 채널(12,13,14,15)의 직각방향으로 위치시키고 있다.

이와 같이 직사각형 분리판 형상에서 각 매니폴드를 사방 각 변에 배치하되, 반응기체 매니폴드(12,13,14,15)의 위치를 분리판(10)의 장방향 양단부(단변 위치)에, 냉각수 매니폴드(16,17)의 위치를 단방향 양단부(장변 위치)에 설정하는 것이 가능하다.

물론, 냉각수 매니폴드(16,17)의 위치는 연료전지의 온도 분포나 기타 목적에 의해 변경이 가능하다.

결국, 도 4와 같은 매니폴드 배치 구조에서는 냉각수가 웨이브 채널 영역(Z2)에서 반응기체 흐름방향(채널을 따르는 이동방향)과는 대략 직각방향으로 분리판을 통과하게 되며, 냉각수가 웨이브 채널을 통과하는 동안 주통로(11c)와 연결통로(11d)를 반복해서 지나게 된다.

즉, 도 7에서와 같이, 주통로(11c)(반응기체 채널과 평행한 방향의 기존 냉각수 채널)를 통과한 냉각수가 연결통로(11d)로 분배되어 흐른 뒤, 이어 연결통로(11d)를 통과한 냉각수가 다시 주통로(11c)에 모였다가 연결통로(11d)로 분배되어 흐르는 형태를 반복하게 되는 것이다.

요컨대, 냉각수가 주통로(11c)(냉각수 모임) → 연결통로(11d)(분배 및 통과) → 주통로(11c)(냉각수 모임)의 반복된 루트를 통해 분리판 및 연료전지를 통과하게 된다.

또한, 도 4에 나타낸 바와 같이 냉각수 매니폴드(16,17)를 분리판(10)의 장변에 위치시킬 경우, 냉각수 루트(route)가 종래의 분리판에 비해 짧아지게 되는데(도 4에서 도면상 상하방향으로 냉각수가 통과함), 분리판 내 냉각수 루트가 길어질 경우 입구부와 출구부 간에 냉각수의 온도차가 크게 발생할 수 있지만, 냉각수 루트가 짧아질수록 냉각수 온도의 균일성이 전체적으로 좋아지면서 연료전지의 반응효율을 높일 수 있다.

물론, 실시예에서 입구부와 출구부 간에 발생할 수 있는 냉각수 차압을 고려하여 연료전지 단위 셀의 반응면적의 가로세로 비를 적절히 조절하는 것이 필요하다.

이와 같이 하여, 실시예에 따른 분리판에서는 웨이브 채널 구간에서 엠보싱 형상부(10c)의 볼록한 표면에 부딪쳐 생성되는 반응기체의 난류 유동에 의해 GDL 방향으로의 유동이 생성되고, 이에 GDL(22)로의 강제적인 기체 확산이 이루어질 수 있는바, 충분한 양의 반응기체를 촉매층으로 전달하는 것이 가능해진다.

GDL 방향으로 반응기체의 유속이 발생하므로 기존의 확산에만 의존하던 직선형 채널 구조에 비하여 추가적인 대류 물질전달의 효과를 기대할 수 있는 것이다.

특히, 연료전지의 고출력시 기존 직선형 채널 구조에서의 물질전달 한계로 인하여 농도 손실이 발생하는 문제를 개선할 수 있다.

고출력 구간에서 농도 손실로 인한 내구 영향 때문에 사용을 제한적으로 제어하는데, 이 운전 범위의 영역을 넓혀 더 고출력 구간의 출력 활용이 가능하고, 이를 통해 스택의 부피를 감소시키는 것도 가능하다.

또한, 엠보싱 형상부(10c)의 사이(연결통로)로 냉각수가 흐를 수 있도록 하여 냉각수 흐름방향이 반응기체의 흐름방향과 직각이 되도록 할 수 있는바, 반응기체의 온도 변화를 최소할 수 있고, 연료전지의 온도 균일성 및 반응효율의 향상을 기대할 수 있게 된다.

또한, 엠보싱 형상부(10c)가 형성하는 연결통로(11d)가 추가로 구성됨에 따라 냉각 채널의 표면적이 증가될 수 있는바, 열전도율이 더 커질 수 있으므로 전기화학 반응에 의해 생성되는 열을 효과적으로 제어할 수 있게 된다.

실시예에서는 두 장의 분리판(10)이 맞닿은 엠보싱 형상부(10c)를 통해서도 냉각수를 공급하는 것이 가능하기 때문에, 기존의 매니폴드 설계 제한을 벗어나 냉각수 흐름방향을 반응기체 흐름방향과 수직으로 설계하는 것이 가능하다.

결국, 이러한 설계로 인해 연료전지의 열관리 측면이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있고, 반응기체의 출구부에서 온도 변화에 의한 응축이나 드라이-아웃(Dry-out) 현상을 방지할 수 있으며, 냉각 채널의 표면적을 증가시켜 냉각 효율의 향상을 기대할 수 있다.

또한, 반복된 엠보싱 형상부(10c)로 인해 채널 내 압력 변동 또한 발생하여 GDL(22) 부분에 존재하는 물 배출에도 효과적이고, 채널(11a,11b)의 길이방향으로 전체적인 반응기체의 농도가 증가함과 더불어 입/출구부의 농도 편차 감소도 기대할 수 있다.

이를 통하여 촉매층 내 반응기체의 농도를 높일 수 있고, 출력 성능 또한 증대시킬 수 있게 된다.

한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 분리판에서 웨이브 채널의 영역 설정을 예시한 개략도로서, 냉각수 차압을 고려하여 분리판 전체 영역을 모두 웨이브 채널(엠보싱 형상부가 형성된 채널)로 구성하지 않고 선택된 일부 영역에만 웨이브 채널을 구성하는 것이 가능하다.

예를 들면, 도시된 바와 같이 분리판 전체 영역 중 반응기체의 입/출구 매니폴드 주변 영역 및 분기 구간 이후의 일정 영역, 그리고 분리판 길이방향 중간 영역에서만 웨이브 채널을 구성할 수 있고, 이 웨이브 채널 영역에서 반응기체의 난류 유동 발생 및 GDL로의 대류 물질전달을 구현한다.

이때, 냉각수 입/출구 매니폴드(16,17)는 웨이브 채널이 구성되어 있는 영역에 위치시킬 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판을 도시한 평면도로서, 반응기체 매니폴드(애노드 매니폴드 및 캐소드 매니폴드)(12,13,14,15)와 냉각수 매니폴드(16,17) 모두를 분리판(10)의 동일 변에 위치시킨 실시예를 보여주고 있다.

즉, 반응기체 매니폴드(12,13,14,15)와 냉각수 매니폴드(16,17)를 종래의 분리판에서와 마찬가지로 길이방향 양단부에 배치하며, 이때 웨이브 채널은 도 4의 실시예와 마찬가지로 채널 분기가 모두 끝난 직선 채널 부위('Z2' 영역)에만 선택적으로 적용하는 것이 가능하다.

이때, 채널 분기 영역 중 냉각수 입/출구 매니폴드가 위치한 일정 부위('Z3')에도 엠보싱 형상부가 형성된 웨이브 채널이 적용될 수 있다.

도 9의 실시예에서는 전체적으로 냉각수 통과방향이 반응기체 흐름방향과 대략 평행한 방향이 되나, 엠보싱 형상부의 연결통로에서는 냉각수가 반응기체 흐름방향과 직각방향으로 통과하여 흐르게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 분리판 10a : 랜드부
10b : 채널부 10c : 엠보싱 형상부
11a : 캐소드 채널 11b : 애노드 채널
11c : 냉각수 채널 11d : 연결통로
12 : 캐소드 입구 매니폴드 13 : 캐소드 출구 매니폴드
14 : 애노드 입구 매니폴드 15 : 애노드 출구 매니폴드
16 : 냉각수 입구 매니폴드 17 : 냉각수 출구 매니폴드
21 : MEA 22 : GDL

Claims (18)

1. 반응기체 채널에 채널 내측으로 볼록하게 돌출된 형상을 가지는 엠보싱 형상부가 반응기체 흐름방향이 되는 채널 길이방향을 따라서 정해진 간격으로 반복 형성되어, 채널을 따라 이동하는 반응기체의 난류 유동 및 난류 유동에 의한 기체확산층으로의 반응기체 유동이 생성될 수 있도록 하고,
   상기 엠보싱 형상부는 이웃한 분리판과 맞닿는 채널부에 형성되되, 상기 엠보싱 형상부에서 볼록한 표면의 반대 면인 오목한 면이, 이웃한 분리판과 맞닿은 채널부에서, 상기 이웃한 분리판의 엠보싱 형상부의 오목한 면과 조합된 상태로, 반응기체 채널과 평행하게 배치된 이웃한 냉각수 채널을 연결하는 연결통로를 형성하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 엠보싱 형상부는 볼록한 곡면을 이루면서 돌출된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 연결통로에서 냉각수의 통과방향이 반응기체 채널 내 반응기체 흐름방향과 직각방향이 되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
   
6. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 5 중 어느 하나의 항에 있어서,
   반응기체의 입/출구가 되는 반응기체 매니폴드와 냉각수의 입/출구가 되는 냉각수 매니폴드가 서로 다른 변에 위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   직사각형의 분리판 전체 형상에서 반응기체 입/출구가 되는 반응기체 매니폴드가 분리판 양단부에 위치되고, 이와 직각방향으로 위치되는 나머지 양단부에 냉각수 입/출구가 되는 냉각수 매니폴드가 위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
   
8. 청구항 6에 있어서,
   직사각형의 분리판 전체 형상에서 반응기체 입/출구가 되는 반응기체 매니폴드가 길이방향 양단부인 단변 위치에 배치되고, 냉각수 입/출구가 되는 냉각수 매니폴드가 장변 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   반응기체 채널에 엠보싱 형상부를 반복 형성하여 구성한 웨이브 채널이 반응기체 채널의 전 구간 중 선택된 일부 구간에만 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    반응기체 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드로부터 채널 분기가 이루어진 후의 직선 채널 구간을 엠보싱 형상부가 반복 형성된 상기 웨이브 채널로 구성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
    
11. 반응기체 채널과 냉각수 채널을 형성하는 분리판을 가지는 연료전지에 있어서,
    상기 분리판에서 반응기체 채널에 채널 내측으로 볼록하게 돌출된 형상을 가지는 엠보싱 형상부가 반응기체 흐름방향이 되는 채널 길이방향을 따라서 정해진 간격으로 반복 형성되어, 채널을 따라 이동하는 반응기체의 난류 유동 및 난류 유동에 의한 기체확산층으로의 반응기체 유동이 생성되도록 하고,
    상기 분리판의 엠보싱 형상부는 이웃한 분리판과 맞닿는 채널부에 형성되되, 상기 분리판에서 볼록한 표면의 반대 면인 엠보싱 형상부의 오목한 면이, 이웃한 분리판과 맞닿은 채널부에서, 상기 이웃한 분리판의 엠보싱 형상부의 오목한 면과 조합된 상태로, 반응기체 채널과 평행하게 배치된 이웃한 냉각수 채널을 연결하는 연결통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 분리판의 엠보싱 형상부는 볼록한 곡면을 이루면서 돌출된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
    
13. 삭제
14. 삭제
15. 청구항 11에 있어서,
    상기 분리판의 엠보싱 형상부가 형성하는 연결통로에서 냉각수의 통과방향이 반응기체 채널 내 반응기체 흐름방향과 직각방향이 되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지.
    
16. 청구항 15에 있어서,
    직사각형의 분리판 전체 형상에서 반응기체 입/출구가 되는 반응기체 매니폴드가 길이방향 양단부인 분리판 단변 위치에 배치되고, 냉각수 입/출구가 되는 냉각수 매니폴드가 분리판 장변 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
    
17. 청구항 11에 있어서,
    분리판의 반응기체 채널에 엠보싱 형상부를 반복 형성하여 구성한 웨이브 채널이 반응기체 채널의 전 구간 중 선택된 일부 구간에만 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
    
18. 청구항 17에 있어서,
    분리판의 반응기체 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드로부터 채널 분기가 이루어진 후의 직선 채널 구간을 엠보싱 형상부가 반복 형성된 상기 웨이브 채널로 구성하는 것을 특징으로 하는 연료전지.

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