KR101664035B1

KR101664035B1 - 분리판 및 이를 포함하는 연료전지

Info

Publication number: KR101664035B1
Application number: KR1020140048240A
Authority: KR
Inventors: 진상문; 양유창
Original assignee: 현대자동차 주식회사; 기아자동차 주식회사
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2016-10-10
Also published as: US20150303492A1; CN105006582B; JP2015207549A; US9680165B2; JP6890916B2; CN105006582A; KR20150121959A; DE102015205227A1

Abstract

연료전지용 분리판이 개시된다. 개시된 연료전지용 분리판은 막-전극 어셈블리의 양측에 구비되며, 반응기체를 막-전극 어셈블리로 공급하는 것으로서, 막-전극 어셈블리에 대응하는 반응면에 형성되는 전도성을 가진 미세 다공체와, 반응기체를 유출입시키는 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에 연결되며 반응기체를 반응면으로 유도하는 채널부를 포함할 수 있다.

Description

분리판 및 이를 포함하는 연료전지 {SEPARATOR AND FUEL CELL WITH THE SAME}

본 발명의 실시예는 연료전지 시스템의 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세 다공체 구조를 적용한 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

알려진 바와 같이 연료전지는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 단위 셀로 이루어진다. 이러한 연료전지는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판을 배치하여 구성될 수 있다.

분리판에는 연료와 공기로서의 반응 기체를 막-전극 어셈블리로 각각 공급하는 반응 유로와, 냉각수를 유통시키는 냉각 유로를 형성하고 있다. 막-전극 어셈블리의 양면에는 반응 기체를 확산시키기 위한 기체 확산층을 형성하고 있다.

여기서, 연료전지의 성능을 극대화시키기 위해서는 분리판의 반응유로 간격을 조밀하게 하여 기체 확산층 및 막-전극 어셈블리의 면압을 균일하게 하고, 기체 확산층이 반응 전면에 걸쳐 일정한 투과성을 지닐 수 있게 해야 한다.

하지만, 분리판의 성형 단계에서 발생하는 각종 불량을 방지하기 위해서는 분리판의 반응유로 간격을 줄이는데 한계가 있으며, 이러한 현실적인 문제로 인해 다음과 같은 연료전지의 성능 저하 요인이 발생한다.

첫째, 반응유로의 간격이 큰 경우에는 분리판과 기체 확산층이 접촉하는 랜드 면으로 응력이 집중된다. 이로 인해 기체 확산층의 다공성 구조가 파괴되어 반응 기체의 투과성이 나빠지게 되며, 반응기체의 확산 성능 및 생성수의 배출 성능을 저하시키게 된다. 또한, 반응유로가 형성된 면의 경우에는 응력이 낮아 기체 확산층이 분리판의 유로부로 튀어나오게 되어 유체의 흐름성을 저하시킬 수 있다.

둘째, 분리판의 랜드부에 의해 기체 확산층의 구조가 파괴되면서 그 파괴된 부분에서는 카본 화이버들이 막-전극 어셈블리의 전극층까지 침투하게 되어 전극층을 손상시킬 수 있다.

셋째, 기체 확산층이 노출되어 있는 유로부의 경우에는 반응 기체의 공급이 원활하여 화학반응은 활발하나 기체 확산층 및 막-전극 어셈블리 사이의 면압 부족으로 접촉 저항이 증가하게 되어 반응에 의해 생성된 전자의 이동을 어렵게 할 수 있다.

이러한 문제점들을 개선하기 위하여 종래 기술에서는 금속 박판에 미세 홀 등의 다공 구조와 채널을 형성하여 3차원의 다공 구조를 지닌 성형 다공체를 사용하고 있다.

더 나아가, 종래 기술에서는 반응유로를 가지는 분리판 대신 면압을 균등히 분산시키고 반응 기체의 확산 및 생성수의 배출 성능을 향상시킬 수 있는 미세 다공 구조체를 삽입하는 방법을 사용하고 있다.

이는 메탈 폼(Metal foam) 및 와이어 메쉬(wire mesh) 등과 같은 미세 다공 구조체가 개구율이 높으면서도 기체 확산층을 균일하게 압축시키는 면압 분산 역할을 하기 때문이다.

이 중에서도 메탈 폼은 금속 재료 내부에 수많은 기포들이 서로 연결된 형태로 이루어짐에 따라, 유체의 통과가 용이하면서도 단위 체적당 표면적비가 높으며 강도가 우수하여 연료전지용 분리판 소재로서 적합하다.

그런데, 종래 기술에서 상기한 메탈 폼의 가장 큰 단점은 내부 기포들이 랜덤하게 연결되어 있기 때문에, 반응 기체 및 생성수의 흐름을 제어할 수 없어 반응 전면을 효율적으로 이용할 수 없다는 것이다.

또한, 종래 기술에서는 분리판에 미세 다공 구조체를 적용하므로, 분리판 내부에 걸리는 차압이 매우 높아 연료전지 시스템의 기생 전력이 증가하게 되고, 연료전지의 부피가 증가하게 되며, 연료전지 내부의 수분(응축수)이 과포화 상태에서 미세 기공들이 쉽게 막혀 버려 연료전지의 운전 안전성을 떨어뜨릴 수 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 미세 다공 구조체를 적용하면서 반응기체의 흐름을 균등하게 배분시킬 수 있을 뿐만 아니라, 수분의 과다 응축으로 인한 순간적인 수분 유입과 같은 외부 교란 상태에서도 안정적인 연료전지의 작동이 가능한 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판은, 막-전극 어셈블리의 양측에 구비되며, 반응기체를 상기 막-전극 어셈블리로 공급하는 것으로서, 상기 막-전극 어셈블리에 대응하는 반응면에 형성되는 전도성을 가진 미세 다공체와, 상기 반응기체를 유출입시키는 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에 연결되며 반응기체를 상기 반응면으로 유도하는 채널부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 채널부는 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에서 상기 반응면으로 확산되는 채널들을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 채널부는 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에서 상기 반응면으로 연결되는 채널들을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 채널들은 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드의 한 쪽에서 다른 한 쪽으로 갈수록 길이가 점차 길어지며 상기 반응면으로 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 채널들 사이에는 리브들이 돌출 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판은, 상기 반응면에 형성되며, 상기 미세 다공체를 다수 개로 분할하는 격벽들을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 격벽은 상기 반응면의 반대쪽 면에 요홈으로서 형성되며, 상기 반응면으로 돌출되게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 요홈은 냉각 매체를 유동시키는 냉각 통로로서 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 채널부는 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에서 상기 반응면으로 연결되는 채널들을 형성하고, 상기 채널들 사이에 리브들을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 반응면에는 상기 미세 다공체를 다수 개의 파트로 분할하는 격벽들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 격벽은 상기 리브와 연결되며, 상기 반응면을 다수 개의 반응 영역으로 구획할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 격벽은 상기 채널들을 상기 각 반응 영역과 연결되는 다수 개의 채널군으로 구획할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지는, 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 구비되는 분리판과, 상기 막-전극 어셈블리에 대응하는 상기 분리판의 반응면에 형성되며 반응기체를 상기 막-전극 어셈블리로 공급하는 전도성을 가진 미세 다공체를 포함하며, 상기 분리판은 상기 반응기체를 유출입시키는 입구 및 출구 매니폴드와, 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드와 연결되며 반응기체를 상기 반응면으로 유도하는 채널부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 채널부는 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에서 상기 반응면으로 확산되는 채널들을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 채널들은 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드의 한 쪽에서 다른 한 쪽으로 갈수록 길이가 점차 길어지며 상기 반응면으로 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 채널부는 상기 채널들 사이에 리브들을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 분리판의 반응면에는 상기 미세 다공체를 다수 개로 분할하는 격벽들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 격벽은 상기 반응면의 반대 면에 요홈으로서 형성되며, 상기 반응면으로 돌출되게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 요홈은 냉각 매체를 유동시키는 냉각 통로로서 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 분리판의 반응면에는 상기 미세 다공체를 다수 개의 파트로 분할하는 격벽들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 격벽은 상기 리브와 연결되며, 상기 반응면을 다수 개의 반응 영역으로 구획할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 격벽은 상기 채널들을 상기 각 반응 영역과 연결되는 다수 개의 채널군으로 구획할 수 있다.

본 발명의 실시예는 분리판의 채널부를 통해 반응기체를 반응면의 미세 다공체에 균일하게 분포시키며 연료전지의 성능 향상을 도모할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 격벽들에 의해 분리판의 반응면을 다수 개의 반응 영역으로 구획하고, 미세 다공체를 반응 영역에 형성되는 다수 개의 파트로 분할하며, 채널부의 채널들을 각각의 반응 영역과 연결되는 다수 개의 채널군으로 구획할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 반응기체를 미세 다공체에 지속적으로 균일하게 분포시킬 수 있고, 응축수 과다 유입과 같은 순간적인 외부 교란에서도 연료전지의 안정적인 성능 유지가 가능하며, 반응에 의해 생성된 생성수의 부분적인 쏠림에 의해 반응기체의 유동 정체가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 격벽들을 형성하는 요홈을 냉각 매체를 유동시키는 냉각 통로로서 활용할 수 있으므로, 연료전지의 냉각 효율을 증대시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지를 도시한 일부 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 도시한 평면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 일부를 확대한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 작용 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지를 도시한 일부 단면 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)는 연료로서의 수소 가스 및 산화제 가스로서의 공기(이하에서는 "반응기체"라고 한다)를 제공받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 단위 셀로 이루어진다.

이러한 연료전지(100)는 다수 매로서 연속적으로 적층되며 연료전지 스택으로 구성될 수 있는데, 반응 부산물로서 열을 발생시키고 응축수로서의 생성수를 배출할 수 있다.

예를 들면, 연료전지(100)는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)(10)와, 막-전극 어셈블리(10)의 양면에 각각 형성되는 기체 확산층(30)과, 기체 확산층(30)에 밀착되게 배치되는 분리판(50)을 포함한다.

상기에서 막-전극 어셈블리(10)는 전해질막을 사이에 두고 그 전해질막의 일면에 애노드 전극층을 형성하고, 그 전해질막의 다른 일면에 캐소드 전극층을 형성한다.

애노드 전극층은 수소 가스로서의 반응기체를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극층으로 이동시키는 기능을 하게 된다.

캐소드 전극층은 애노드 전극층으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 공기로서의 반응 기체를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.

상기에서 기체 확산층(30)은 분리판(50)을 통해 공급되는 반응기체를 막-전극 어셈블리의 애노드 전극층 및 캐소드 전극층으로 확산시키는 것으로, 전기 전도성을 지니며 애노드 전극층 및 캐소드 전극층 상에 형성된다.

상기에서 분리판(50)은 반응 기체를 기체 확산층(30)을 통해 막-전극 어셈블리(10)로 공급하기 위한 것으로서, 전기 전도성을 지닌 소재로 이루어진다.

상기 분리판(50)은 양측 가장자리에 반응기체를 유출입시키는 입구 매니폴드(51) 및 출구 매니폴드(52)를 각각 형성한다. 그리고 분리판(50)은 기체 확산층(30)에 대응하는 영역으로서 입구 매니폴드(51) 및 출구 매니폴드(52)와 연결되는 반응면(53)을 형성하고 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)로서 기체 확산층(30)을 포함하고 있는 것으로 설명되었으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되지 않고, 기체 확산층(30)을 삭제한 연료전지(100)에 적용될 수도 있다. 그러나 이하에서는 연료전지(100)로서 기체 확산층(30)을 포함하고 있는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판(50)은 막-전극 어셈블리(10)에 대한 면압을 균등하게 분산시키고 반응 기체의 확산 및 생성수의 배출성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

또한, 본 발명의 실시예는 반응기체의 흐름을 균등하게 배분시킬 수 있을 뿐만 아니라, 수분의 과다 응축으로 인한 순간적인 수분 유입과 같은 외부 교란 상태에서도 안정적인 연료전지의 작동을 가능케 하는 연료전지용 분리판(50)을 제공한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 도시한 평면 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 일부를 확대한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판(50)은 기본적으로 미세 다공체(60)와 채널부(70)를 포함하고 있다.

본 발명의 실시예에서, 미세 다공체(60)는 반응기체를 기체 확산층(30)을 통해 막-전극 어셈블리(10)로 공급하는 것으로서, 위에서 언급한 바 있는 반응면(53)에 형성된다.

미세 다공체(60)는 소정의 개구율(당 업계에서는 "기공율" 이라고 한다)을 지닌 메탈 폼으로서 형성될 수 있다. 예컨대 미세 다공체(60)는 전기 전도성이 우수한 은, 구리, 금, 알루미늄, 텅스텐, 아연 금속, 및 금속 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다.

이러한 미세 다공체(60)는 금속 재료의 내부에 수많은 기포들이 서로 연결되어 있기 때문에, 반응 기체와 생성수의 통과가 용이하면서도 단위 체적당 표면적비가 높고 강도가 우수하다는 잇점이 있다.

본 발명의 실시예에서, 채널부(70)는 반응기체의 흐름을 반응면(53)의 미세 다공체(60)로 균등하게 배분시키며, 반응에 의해 생성된 생성수의 부분적인 쏠림 현상 및 이로 인한 반응기체의 유동 정체를 방지하기 위한 것이다.

또한, 채널부(70)는 입구 매니폴드(51)로 유입되는 반응기체를 반응면(53)의 미세 다공체(60)로 유도하고, 그 미세 다공체(60)를 통과한 반응기체를 출구 매니폴드(52)로 용이하게 유출시킬 수 있다.

이러한 채널부(70)는 입구 매니폴드(51) 및 출구 매니폴드(52)와 연결되며, 반응면(53)으로 연결되는 채널들(71)을 포함한다.

채널들(71)은 입구 매니폴드(51) 및 출구 매니폴드(52)에서 반응면(53)으로 확산되는 형상으로, 입구 매니폴드(51)와 반응면(53) 사이 및 출구 매니폴드(52)와 반응면(53) 사이에 각각 형성된다.

예를 들면, 채널들(71)은 입구 매니폴드(51) 및 출구 매니폴드(52)의 한 쪽에서 다른 한 쪽으로 갈수록 길이가 점차 길어지는 형상을 가지며 반응면(53)과 연결될 수 있다.

여기서, 채널들(71) 사이에는 리브들(73)이 돌출되게 형성되는 바, 이들 리브(73) 또한 입구 매니폴드(51) 및 출구 매니폴드(52)의 한 쪽에서 다른 한 쪽으로 갈수록 길이가 점차 길어지는 형상으로 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판(50)은 반응면(53)에 형성되며, 미세 다공체(60)를 다수 개로 분할하는 격벽들(80)을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 격벽들(80)은 반응면(53)의 반대 면에 요홈(81)으로서 형성되고, 그 반응면(53)으로 돌출되게 형성되며, 입구 매니폴드(51) 측에서 출구 매니폴드(52) 측으로 길게 형성된다.

즉, 격벽들(80)은 반응면(53)에 돌출 형성되며 그 반응면(53)을 다수 개의 반응 영역(55)으로 구획하며, 미세 다공체(60)를 각각의 반응 영역(55)에 형성되는 다수 개의 파트(61)로 분할 할 수 있다.

각각의 반응 영역(55)은 입구 매니폴드(51) 및 출구 매니폴드(52) 측의 채널들(71)과 연결되는 바, 격벽들(80)은 채널부(70)의 리브(73)와 연결된다.

즉, 격벽들(80)은 입구 매니폴드(51) 측에서 채널부(70)의 리브(73)와 연결되며, 출구 매니폴드(52) 측에서 채널부(70)의 리브(73)와 연결될 수 있다.

이에 상기한 격벽들(80)은 채널부(70)의 채널들(71)을 각각의 반응 영역(55)과 연결되는 다수 개의 채널군(75)으로 구획할 수 있다.

이와 같은 격벽들(80)은 위에서 언급한 바와 같이 반응면(53)의 반대 면에 요홈(81)으로서 형성되는 바, 그 요홈(81)은 연료전지들(100)의 적층 시 냉각 매체를 유동시키는 냉각 통로(90)로서 형성될 수 있다.

즉, 다수 매의 연료전지들(100)을 적층하여 연료전지 스택을 구성할 때, 서로 인접하는 연료전지들(100)의 분리판(50)은 반응면(53)의 반대 면이 서로 밀착되는 바, 상기한 냉각 통로(90)는 그 반대 면의 요홈(81)이 서로 합쳐지면서 형성될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)의 작용을 앞서 개시한 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

우선, 본 발명의 실시예에서는 일측 분리판(50)의 입구 매니폴드(51)로 수소 가스로서의 반응기체를 공급하고, 다른 일측 분리판(50)의 입구 매니폴드(51)로 공기로서의 반응기체를 공급한다.

그러면, 반응기체는 채널부(70)의 채널들(71)을 통해 확산되며, 분리판(50)의 반응면(53)으로 유도되며, 그 반응면(53)의 미세 다공체(60)로 균일하게 유입된다.

여기서, 반응기체는 채널들(71)의 채널군(75)을 통해 확산되며, 격벽들(80)에 의해 구획된 반응면(53)의 반응 영역(55)으로 유도되고, 그 반응 영역(55)에 구획 형성된 미세 다공체(60)의 파트들(61)로 균일하게 유입될 수 있다.

이러한 반응기체(수소 가스 및 공기)는 기체 확산층(30)을 통해 확산되면서 막-전극 어셈블리(10)의 애노드 전극층 및 캐소드 전극층으로 각각 공급되고, 그 애노드 전극층 및 캐소드 전극층에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며 열과 응축수로서의 생성수를 생성하게 된다.

그리고, 미세 다공체(60)의 파트들(61)을 통과한 반응기체는 채널부(70)의 채널들(71)을 통해 출구 매니폴드(52)로 용이하게 배출될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서 상기한 바와 같이 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 발생하는 열은 서로 인접하는 연료전지들(100)의 분리판(50) 사이의 냉각 통로(90)를 통해 유동하는 냉각 매체에 의해 냉각될 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)에 의하면, 분리판(50)의 채널부(70)를 통해 반응기체를 반응면(53)의 미세 다공체(60)에 균일하게 분포시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 격벽들(80)에 의해 분리판(50)의 반응면(53)을 다수 개의 반응 영역(55)으로 구획하고, 미세 다공체(60)를 반응 영역(55)에 형성되는 다수 개의 파트(61)로 분할하며, 채널부(70)의 채널들(71)을 각각의 반응 영역(55)과 연결되는 다수 개의 채널군(75)으로 구획할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 반응기체를 미세 다공체(60)에 지속적으로 균일하게 분포시킬 수 있고, 응축수 과다 유입과 같은 순간적인 외부 교란에서도 연료전지의 안정적인 성능 유지가 가능하며, 반응에 의해 생성된 생성수의 부분적인 쏠림에 의해 반응기체의 유동 정체가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 격벽들(80)을 형성하는 요홈(81)을 냉각 매체를 유동시키는 냉각 통로(90)로서 활용할 수 있으므로, 연료전지의 냉각 효율을 증대시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)의 작용 효과를 도 4 및 도 5를 참조하여 부연 설명한다.

도 4는 미세 다공체 만을 적용한 종래 기술로서의 비교예와, 미세 다공체와 함께 채널부를 적용한 본 발명의 실시예 1과, 미세 다공체 및 채널부와 함께 격벽을 적용한 본 발명의 실시예 2에 대한 연료전지의 성능 평가 결과를 나타내 보인 그래프이다.

도 4에서와 같이 본 발명의 실시예 1에서는 비교예에 비해 최고 출력 구간에서 연료전지의 성능이 15% 증가 하였음을 알 수 있고, 본 발명의 실시예 2에서는 비교예에 비해 최고 출력 구간에서 연료전지의 성능이 20% 증가하였음을 알 수 있다.

그리고, 도 5는 상기한 바와 같은 비교예와 본 발명의 실시예 2에 대한 셀 운전 안정성 평가 결과를 나타내 보인 그래프이다.

도 5에서와 같이, 일정한 연료전지 부하 상태에서 셀 외부에서 순간적으로 응축수를 유입시켰을 때의 비교예와 실시예 2의 셀 전압 거동을 비교하면, 본 발명의 실시예 2에서는 비교예에 비해 안정적인 셀 거동을 보이고 있는데, 이는 외부에서 유입된 응축수가 셀 내에 균등하게 유입됨으로써 순간적인 셀 전압 강하가 완화되기 때문이다.

이상을 통해 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 것은 당연하다.

10... 막-전극 어셈블리 30... 기체 확산층
50... 분리판 51... 입구 매니폴드
52... 출구 매니폴드 53... 반응면
55... 반응 영역 60... 미세 다공체
61... 파트 70... 채널부
71... 채널 73... 리브
75... 채널군 80... 격벽
81... 요홈 90... 냉각 통로

Claims

막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 구비되는 분리판을 포함하는 연료전지에 있어서,
상기 막-전극 어셈블리에 대응하는 상기 분리판의 반응면에 형성되며, 반응기체를 상기 막-전극 어셈블리로 공급하는 전도성을 가진 미세 다공체를 포함하고,
상기 분리판은 상기 반응기체를 유출입시키는 입구 및 출구 매니폴드와, 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드와 연결되며 반응기체를 상기 반응면으로 유도하는 채널부를 포함하며,
상기 분리판의 반응면에는 상기 미세 다공체를 다수 개로 분할하는 격벽들이 형성되며, 상기 격벽은 상기 반응면의 반대 면에 요홈으로서 형성되고, 상기 반응면으로 돌출되게 형성되되, 상기 요홈은 냉각 매체를 유동시키는 냉각 통로로서 형성되고,
상기 채널부는 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에서 상기 반응면으로 확산되는 채널들을 형성하며, 상기 채널들 사이에 리브들을 형성하고,
상기 격벽은 상기 리브와 연결되며, 상기 반응면을 다수 개의 반응 영역으로 구획하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 채널들은,
상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드의 한쪽에서 다른 한쪽으로 갈수록 길이가 점차 길어지며 상기 반응면으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
삭제
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삭제
삭제
삭제
제1 항에 있어서,
상기 격벽은,
상기 채널들을 상기 각 반응 영역과 연결되는 다수 개의 채널군으로 구획하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
막-전극 어셈블리의 양측에 구비되며, 반응기체를 상기 막-전극 어셈블리로 공급하는 연료전지용 분리판에 있어서,
상기 막-전극 어셈블리에 대응하는 반응면에 형성되는 전도성을 가진 미세 다공체;
상기 반응기체를 유출입시키는 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에 연결되며, 반응기체를 상기 반응면으로 유도하는 채널부; 및
상기 반응면에 형성되며, 상기 미세 다공체를 다수 개로 분할하는 격벽들;을 포함하고,
상기 격벽은 상기 반응면의 반대쪽 면에 요홈으로서 형성되고, 상기 반응면으로 돌출되되, 상기 요홈은 냉각 매체를 유동시키는 냉각 통로로서 형성되고,
상기 채널부는 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에서 상기 반응면으로 확산되는 채널들을 형성하며, 상기 채널들 사이에는 리브들이 돌출 형성되고,
상기 격벽은 상기 리브와 연결되며, 상기 반응면을 다수 개의 반응 영역으로 구획하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
삭제
제10 항에 있어서,
상기 채널들은,
상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드의 한쪽에서 다른 한쪽으로 갈수록 길이가 점차 길어지며 상기 반응면으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
삭제
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삭제
제10 항에 있어서,
상기 격벽은,
상기 채널들을 상기 각 반응 영역과 연결되는 다수 개의 채널군으로 구획하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.