KR101675638B1 - 연료전지용 유로형성부재 - Google Patents

Abstract

연료전지용 유로형성부재에 대한 발명이 개시된다. 개시된 발명은: 본 발명에 따른 연료전지용 유로형성부재는: 연료전지의 전극에 결합되는 분리판에 접촉되고, 소정 두께를 갖도록 형성되며, 폭방향 및 길이방향으로 연장되게 형성되는 베이스판과; 베이스판의 일측면에 베이스판의 두께방향으로 돌출되게 형성되고, 내부에 가스가 유통되는 유로가 베이스판의 길이방향을 따라 관통되게 형성되는 복수개의 돌출유로부; 및 베이스판과 동일면을 이루도록 돌출유로부에 인접되게 형성되는 복수개의 평면유로부를 포함하고, 각각의 평면유로부와 돌출유로부는, 베이스판의 폭방향을 따라 서로 교대로 배열되고, 베이스판의 길이방향을 따라 서로 교대로 배열된다.

Description

연료전지용 유로형성부재{MEMBER FORMING FLOW CHANEL FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 유로형성부재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 공급되는 가스가 유통되기 위한 유로를 형성하는 연료전지용 유로형성부재에 관한 것이다.

연료전지(Fuel cell)는 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 따라서, 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않기 때문에 종래의 발전장치보다 발전 효율이 높고 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없다. 또한, 연료전지는 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비의 초기 투자비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

이러한 연료전지를 이용한 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 연료인 LNG, 석탄가스, 메탄올 등을 수소로 개질하여 수소가 많은 연료가스로 만드는 연료변환기(Reformer), 발전된 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키는 전력 변환기 및 제어기 등으로 구성된다. 이때, 연료전지 스택은 적층된 수백 장의 셀(Cell)들로 구성되어 있으며, 물, 연료, 공기 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다. 기본적으로 각 셀은 전해질(Electrolyte)에 의하여 분리된 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)의 두 전극으로 구성되며, 각 셀은 분리판(Separator)에 의하여 분리된다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0938023호(2010년 01월 13일 등록, 발명의 명칭 : 연료 전지용 공냉식 금속 분리판 및 이를 이용한 연료 전지 스택)에 개시되어 있다.

본 발명은 가스 확산의 효과를 극대화시켜 연료전지 스택의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 연료전지용 유로형성부재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 연료전지용 유로형성부재는: 연료전지의 기체확산층에 접촉되고, 소정 두께를 갖도록 형성되며, 폭방향 및 길이방향으로 연장되게 형성되는 베이스판과; 상기 베이스판의 일측면에 상기 베이스판의 두께방향으로 돌출되게 형성되고, 내부에 가스가 유통되는 유로가 상기 베이스판의 길이방향을 따라 관통되게 형성되는 복수개의 돌출유로부; 및 상기 베이스판과 동일면을 이루도록 상기 돌출유로부에 인접되게 형성되는 복수개의 평면유로부를 포함하고, 각각의 상기 평면유로부와 상기 돌출유로부는, 상기 베이스판의 폭방향을 따라 서로 교대로 배열되고, 상기 베이스판의 길이방향을 따라 서로 교대로 배열된다.

또한 상기 평면유로부와 상기 돌출유로부는, 상기 베이스판의 폭방향을 따라 상기 베이스판의 두께방향으로 올록볼록한 파형을 이루도록 배열되는 것이 바람직하다.

또한 상기 평면유로부와 상기 돌출유로부는, 상기 베이스판의 폭방향 및 상기 베이스판의 길이방향을 따라 지그재그 형태로 배열되는 것이 바람직하다.

또한 상기 유로의 개방된 일측에는 가스가 상기 유로로 유입되는 입구가 형성되며, 상기 유로의 개방된 타측에는 상기 유로로 유입된 가스가 배출되는 출구가 형성되고; 상기 돌출유로부는, 상기 출구가 상기 입구보다 좁은 폭을 갖도록 형성되고, 상기 유로의 폭이 상기 입구 측으로부터 상기 출구 측으로 갈수록 점차 좁아지도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 돌출유로부는, 상기 베이스판의 두께방향에 따른 단면과 상기 베이스판의 폭방향에 따른 단면 중 적어도 어느 하나가 사다리꼴 형상을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 돌출유로부의 상기 베이스판으로부터 돌출된 면에는, 상기 베이스판과 나란한 평면 형태의 접촉면이 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 베이스판은, 연료전지의 전극에 결합되는 분리판에 접촉되도록 구비되고; 상기 베이스판의 타측면에는, 상기 분리판과 결합되는 평면 형태의 결합면이 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 결합면은, 복수개의 상기 평면유로부가 상기 베이스판의 일측면에서 연결된 형상과 대응되는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 연료전지용 유로형성부재에 따르면, 유로로부터 가스확산층 내부로의 가스 확산을 유도하는 흐름 및 대각선 방향으로 가스가 확산되는 흐름이 생성되어 가스 확산의 효과를 극대화시킴으로써, 연료전지 스택의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명은 돌출유로부와 가스확산층 간의 접촉 면적을 확장시켜 전기적 전달 성능 및 열전달 성능을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 분리판과의 일체화가 용이하여 연료전지 스택의 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 유로형성부재가 구비된 연료전지 스택의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 유로형성부재의 일부분을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 유로형성부재의 일부분을 도시한 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 연료전지용 유로형성부재에서의 가스 유통 상태를 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 유로형성부재의 일 실시예를 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 유로형성부재가 구비된 연료전지 스택의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 유로형성부재의 일부분을 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 유로형성부재의 일부분을 도시한 평면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 유로형성부재(100)는 연료전지 스택에 구비된다. 연료전지 스택은 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응이 동시에 일어나는 전기화학 반응으로 전기 에너지를 생성한다. 이러한 연료전지 스택은, 적층된 수백장의 셀(Cell)들로 구성되어 있으며, 물, 연료, 공기 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다.

각 셀은 전해질(Electrolyte)에 의하여 분리된 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)의 두 전극을 포함하여 구성되고, 각 전극 사이에는 막전극접합체(MEA; 20)가 구비되며, 막전극접합체(20)의 외측에는 가스확산층(GDL; 30)이 구비된다.

또한 가스확산층(30)의 외측에는, 연료전지용 유로형성부재(100)가 마련되어 가스 또는 공기가 유통되는 유로를 형성한다.

본 실시예에 따르면, 연료전지용 유로형성부재(100)는, 베이스판(110)과, 돌출유로부(120) 및 평면유로부(130)를 포함한다.

베이스판(110)은, 베이스판(110)은 연료전지의 가스확산층(30)에 접촉되도록 구비된다. 이러한 베이스판(110)은, 소정 두께를 갖도록 형성되고, 폭방향 및 길이방향으로 연장되게 형성되어 가스확산층(30)의 외측에 구비될 수 있다.

돌출유로부(120)는 베이스판(110)의 일측면에 베이스판(110)의 두께방향으로 돌출되게 형성된다. 이러한 돌출유로부(120)의 내부에는, 가스가 유통되는 유로(121)가 베이스판(110)의 길이방향을 따라 관통되게 형성된다. 즉 유로(121)는, 베이스판(110)의 길이방향을 따라 일측과 타측이 개방되도록, 돌출유로부(120)의 내부에 베이스판(110)의 길이방향으로 관통되게 형성된다.

여기서 유로(121)를 통해 유통되는 가스는 연료로서 공급되는 수소 또는 수소와 반응하도록 공급되는 산소 중 어느 하나가 될 수 있으며, 본 실시예에서는 유로(121)를 통해 유통되는 가스가 수소인 경우를 예로 들어 설명한다.

상기와 같이 형성되는 유로(121)의 개방된 일측에는, 가스가 유로(121)로 유입되는 입구(121a)가 형성된다. 그리고 유로(121)의 개방된 타측에는 유로(121)로 유입된 가스가 유로(121)의 외부로 배출되는 출구(121b)가 형성된다.

본 실시예에 따르면, 돌출유로부(120)는 출구(121b)가 입구(121a)보다 좁은 폭을 갖도록 형성되되, 유로(121)의 폭이 입구(121a) 측으로부터 출구(121b) 측으로 갈수록 점차 좁아지도록 형성된다.

이와 같은 유로(121)가 내부에 형성되는 돌출유로부(120)는, 베이스판(110)의 두께방향에 따른 단면과 베이스판(110)의 폭방향에 따른 단면 중 적어도 어느 하나가 사다리꼴 형상을 갖도록 형성된다.

본 실시예에서는, 돌출유로부(120)가 베이스판(110)의 두께방향에 따른 단면과 베이스판(110)의 폭방향에 따른 단면 모두가 사다리꼴 형상을 갖도록 형성되는 것으로 예시된다.

이에 따르면, 돌출유로부(120)는, 입구(121a)와 인접한 측의 길이가 출구(121b)와 인접한 측의 길이가 길게 형성된 사다리꼴 형상을 갖도록 형성됨으로써, 그 내부에 유로(121)가 입구(121a) 측으로부터 출구(121b) 측으로 갈수록 점차 좁아지는 형태로 형성될 수 있도록 한다.

또한 돌출유로부(120)는, 베이스판(110)에 인접한 하면 측의 길이가 베이스판(110)과 이격된 상면 측의 길이보다 길게 형성된 사다리꼴 형상을 갖도록 형성됨으로써, 구조적 안정성을 확보할 수 있을 뿐 아니라, 인접한 돌출유로부(120)들 사이에 가스가 유통될 수 있는 충분한 폭의 통로가 형성될 수 있도록 한다.

상기와 같이 형성되는 돌출유로부(120)는 연료전지의 각 셀을 분리하는 평면 형태의 분리판(10)에 접촉되도록 구비되고, 돌출유로부(120)의 베이스판(110)으로부터 돌출된 면에는 결합면(125)이 형성된다.

결합면(125)은 돌출유로부(120)의 베이스판(110)으로부터 돌출된 면, 즉 돌출유로부(120)의 상면에 베이스판(110)과 나란한 평면 형태로 형성되고, 유로형성부재(100)가 분리판(10)과 결합되는 결합면이 된다.

이에 따라 본 실시예의 연료전지용 유로형성부재(100)는, 결합면(125)을 통해 분리판(10)과 면접촉하며 결합될 수 있으므로, 스팟 용접 등의 방법을 이용하여 분리판(10)과 효과적으로 결합될 수 있다.

이와 같이 이루어지는 분리판(10)과의 결합을 통해, 본 실시예의 연료전지용 유로형성부재(100)는 분리판(10)과 일체화된 형태로 제공되어 연료전지 스택의 생산성을 향상시킬 수 있다.

한편 평면유로부(130)는, 베이스판(110)과 동일면을 이루도록 돌출유로부(120)에 인접되게 형성된다.

본 실시예에 따르면, 돌출유로부(120)와 평면유로부(130)는 각각 복수개가 구비된다. 이와 같이 구비되는 각각의 돌출유로부(120) 및 평면유로부(130)는, 베이스판(110)의 폭방향을 따라 서로 교대로 배열되고, 베이스판(110)의 길이방향을 따라 서로 교대로 배열된다.

이로써 돌출유로부(120)와 평면유로부(130)는, 베이스판(110)의 폭방향을 따라 베이스판(110)의 두께방향으로 올록볼록한 파형을 이루도록 배열되고, 베이스판(110)의 폭방향 및 베이스판(110)의 길이방향을 따라 각각 지그재그 형태로 배열된다.

즉 복수개의 돌출유로부(120)와 평면유로부(130)는, 하나의 평면유로부(130)를 중심으로 평면유로부(130)의 좌측과 우측, 및 전방 측과 후방 측에 돌출유로부(120)가 각각 배치되는 형태로 배열된다.

이에 따라 평면유로부(130)의 상부에는, 평면유로부(130)의 양측에 돌출된 돌출유로부(120)에 의해 그 폭이 제한되는 통로가 형성된다.

그리고 돌출유로부(120) 내부에 형성된 유로(121)는, 베이스판(110)의 길이방향으로 인접된 다른 돌출유로부(120)의 유로(121)와 연결되되, 두 돌출유로부(120) 사이에 배치된 평면유로부(130)의 상부에 형성된 통로를 통해 연결된다.

한편, 돌출유로부(120) 및 평면유로부(130)가 형성되는 베이스판(110)의 일측면의 반대면인 베이스판(110)의 타측면에는, 접촉면(115)이 형성된다.

접촉면(115)은 가스확산층(30)과 면접촉되도록 형성되며, 이러한 접촉면(115)을 통해 베이스판(110)이 가스확산층(30)과 면접촉되어 베이스판(110)과 가스확산층(30) 간의 접촉 면적이 확장된다. 이로써 본 실시예의 연료전지용 유로형성부재(100)는, 가스확산층(30)과의 전기적 전달 성능 및 열전달 성능이 향상될 수 있다.

도 4는 도 3에 도시된 연료전지용 유로형성부재에서의 가스 유통 상태를 보여주는 도면이다.

이하, 도 1 및 도 4를 참조하여 본 실시예에 따른 연료전지용 유로형성부재의 작용, 효과에 대하여 설명한다.

도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지용 유로형성부재(100)를 통해 유통되는 가스의 흐름을 살펴보면, 연료전지용 유로형성부재(100)로 유입되는 가스는 입구(121a)를 통해 유로(121)의 내부로 유입되며, 유로(121) 내부를 통과하여 출구(121b)를 통해 배출된다.

그리고 이와 같이 유로(121)를 통해 돌출유로부(120)를 통과한 가스는, 해당 돌출유로부(120)의 전방 측에 위치한 평면유로부(130)를 통과한 후 그 전방에 위치한 돌출유로부(120)의 유로(121)를 통과하기를 반복하며 전방 측으로 확산된다.

이때 가스는, 유로(121)를 통과하는 과정에서, 입구(121a) 측에서 출구(121b) 측으로 갈수록 그 폭이 좁아지게 형성되는 유로(121)의 형상으로 인해 그 압력이 변화된다.

즉 유로(121)를 통과하는 가스의 동압(動壓)이 출구(121b) 측으로 갈수록 상승됨에 따라, 유로(121)의 내부에는 차압(差壓)이 발생되고, 이러한 차압은 출구(121b) 측으로 갈수록 상승된다.

이처럼 유로(121)의 내부에 발생되는 차압으로 인해, 유로(121)의 내부에서는, 유로(121)로부터 가스확산층(30) 내부로의 가스 확산을 유도하는 흐름이 생성된다.

또한 상기와 같이 유로(121)의 내부에 발생되는 차압으로 인해, 유로(121)의 내부에서는 가스를 전방 측 방향, 즉 베이스판(110)의 길이방향으로 유통시키는 흐름뿐 아니라, 가스를 유로(121)의 측부 측 방향으로 유통시키는 흐름이 생성된다.

이에 따라 유로(121)를 통과하는 가스는, 해당 유로(121)의 전방 측에 위치한 평면유로부(130) 및 돌출유로부(120)를 순차적으로 통과하는 흐름뿐 아니라, 해당 유로(121)의 대각선 측에 위치한 돌출유로부(120) 내부의 유로(121)로 유입되는 흐름을 따라 확산될 수 있다.

즉 본 실시예의 연료전지용 유로형성부재(100)에 따르면, 유로(121)의 내부에 차압이 발생되도록 돌출유도부(120)가 구비되어 유로(121)로부터 가스확산층(30) 내부로의 가스 확산을 유도하는 흐름이 생성되도록 하는 한편, 복수개의 돌출유로부(120)가 지그재그 형태로 배열되어 양측 대각선 방향으로 가스가 확산되는 흐름이 생성되도록 함으로써, 가스 확산의 효과를 극대화시킬 수 있다.

이에 따라 본 실시예의 연료전지용 유로형성부재(100)를 통해 유통되는 가스는, 연료전지용 유로형성부재(100)의 전체에 걸쳐 고르게 확산되며 유통되면서, 가스확산층(30) 내부로 효과적으로 확산될 수 있다.

아울러 돌출유로부(120)는, 접촉면(115)을 통해 가스확산층(30)과 면접촉되어 가스확산층(30)과의 접촉 면적이 확장될 수 있다. 이와 같이 접촉면(115)이 형성된 돌출유로부(120)를 구비하는 본 실시예의 연료전지용 유로형성부재(100)는, 가스확산층(30)과의 전기적 전달 성능 및 열전달 성능이 향상될 수 있다.

한편 상기와 같이 구비되는 연료전지용 유로형성부재(100)는, 베이스판(110)의 타측면에 형성된 결합면(125)을 통해 분리판(10)과 면접촉하며 결합될 수 있으므로, 스팟 용접 등의 방법을 이용하여 분리판(10)과 효과적으로 결합될 수 있다.

이와 같이 이루어지는 베이스판(110)과 분리판(10) 간의 결합을 통해, 본 실시예의 연료전지용 유로형성부재(100)는 분리판(10)과 일체화된 형태로 제공되어 연료전지 스택의 생산성을 향상시킬 수 있다.

상기한 바와 같은 본 실시예의 연료전지용 유로형성부재(100)는, 유로(121)로부터 가스확산층(30) 내부로의 가스 확산을 유도하는 흐름 및 대각선 방향으로 가스가 확산되는 흐름이 생성되어 가스 확산의 효과를 극대화시킴으로써, 연료전지 스택의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

또한 본 실시예의 연료전지용 유로형성부재(100)는, 돌출유로부(120)와 가스확산층(30) 간의 접촉 면적을 확장시켜 전기적 전달 성능 및 열전달 성능을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 분리판(10)과의 일체화가 용이하여 연료전지 스택의 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100 : 연료전지용 유로형성부재 110 : 베이스판
115 : 결합면 120 : 돌출유로부
121 : 유로 121a : 입구
121b : 출구 125 : 접촉면
130 : 평면유로부

Claims (6)

1. 연료전지의 기체확산층에 접촉되고, 소정 두께를 갖도록 형성되며, 폭방향 및 길이방향으로 연장되게 형성되는 베이스판;
   상기 베이스판의 일측면에 상기 베이스판의 두께방향으로 돌출되게 형성되고, 내부에 가스가 유통되는 유로가 상기 베이스판의 길이방향을 따라 관통되게 형성되는 복수개의 돌출유로부; 및
   상기 베이스판과 동일면을 이루도록 상기 돌출유로부에 인접되게 형성되는 복수개의 평면유로부를 포함하고,
   각각의 상기 평면유로부와 상기 돌출유로부는, 상기 베이스판의 폭방향을 따라 서로 교대로 배열되고, 상기 베이스판의 길이방향을 따라 서로 교대로 배열되고,
   상기 유로의 개방된 일측에는 가스가 상기 유로로 유입되는 입구가 형성되며, 상기 유로의 개방된 타측에는 상기 유로로 유입된 가스가 배출되는 출구가 형성되고,
   상기 돌출유로부는 상기 출구가 상기 입구보다 좁은 폭을 갖도록 형성되고, 상기 유로의 폭이 상기 입구 측으로부터 상기 출구 측으로 갈수록 점차 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유로형성부재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 평면유로부와 상기 돌출유로부는, 상기 베이스판의 폭방향을 따라 상기 베이스판의 두께방향으로 올록볼록한 파형을 이루도록 배열되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유로형성부재.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 평면유로부와 상기 돌출유로부는, 상기 베이스판의 폭방향 및 상기 베이스판의 길이방향을 따라 지그재그 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유로형성부재.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 돌출유로부는, 상기 베이스판의 두께방향에 따른 단면과 상기 베이스판의 폭방향에 따른 단면 중 적어도 어느 하나가 사다리꼴 형상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유로형성부재.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 돌출유로부는, 연료전지의 각 셀을 분리하는 평면 형태의 분리판에 접촉되도록 구비되고,
   상기 돌출유로부의 상기 베이스판으로부터 돌출된 면에는, 상기 베이스판과 나란한 평면 형태로 형성되어 상기 분리판과 결합되는 결합면이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유로형성부재.

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