KR101703575B1 - 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

Abstract

연료전지가 개시된다. 개시된 연료전지는 막-전극 어셈블리와, 막-전극 어셈블리의 양측에 구비되는 분리판을 포함하는 것으로서, 막-전극 어셈블리에 대응하는 분리판의 반응면에 형성되며 그 반응면을 다수의 반응 영역으로 구획하는 격벽들과, 분리판과 막-전극 어셈블리 사이에 설치되는 미세 다공체를 포함하며, 미세 다공체는 각 반응 영역에 구비되는 다공부들과, 다공부들과 일체로 연결되며 격벽에 평면적으로 접촉되는 연결부를 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 배분할 수 있고, 반응기체의 이용률을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지 스택의 제작성을 향상시킬 수 있도록 한 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지는, 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 구비되는 분리판을 포함하는 것으로서, 상기 막-전극 어셈블리에 대응하는 상기 분리판의 반응면에 형성되며 그 반응면을 다수의 반응 영역으로 구획하는 격벽들과, 상기 분리판과 막-전극 어셈블리 사이에 설치되는 미세 다공체를 포함하며, 상기 미세 다공체는 상기 각 반응 영역에 구비되는 다공부들과, 상기 다공부들과 일체로 연결되며 상기 격벽에 평면적으로 접촉되는 연결부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지는, 상기 미세 다공체와 상기 분리판이 일체로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 연결부는 레이저 접합을 통해 상기 격벽에 일체로 접합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 미세 다공체는 금속 박판에 미세한 홀들과 유로를 지닌 성형 다공체로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 연결부는 상기 격벽에 평면적으로 접촉되는 평탄면을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 평탄면은 레이저 접합을 통해 상기 격벽에 일체로 접합될 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 분리판은 상기 반응기체를 유출입시키는 입구 및 출구 매니폴드와, 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에 연결되며 반응기체를 상기 각 반응 영역으로 유도하는 채널부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 채널부는 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에서 상기 각 반응 영역으로 확산되는 채널들을 포함할 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 각 반응 영역들과 연결될 수 있다.

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

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 격벽은 상기 리브와 연결되며, 상기 분리판의 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.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판은, 막-전극 어셈블리의 양측에 구비되며, 반응기체를 상기 막-전극 어셈블리로 공급하는 것으로서, 상기 막-전극 어셈블리에 대응하는 반응면에 형성되며 그 반응면을 다수의 반응 영역으로 구획하는 격벽들과, 상기 반응기체를 유출입시키는 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에 연결되며 반응기체를 상기 각 반응 영역으로 유도하는 채널부와, 상기 격벽에 일체로 연결되며 상기 각 반응 영역에서 반응기체와 생성수를 유동시키는 미세 다공체를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 미세 다공체는 상기 각 반응 영역에 구비되는 다공부들과, 상기 다공부들과 일체로 연결되며 상기 격벽에 평면적으로 접합되는 연결부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 미세 다공체는 금속 박판에 미세한 홀들과 유로를 지닌 성형 다공체로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 연결부는 평탄한 형상으로서 레이저 접합을 통해 상기 격벽에 일체로 접합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 채널부는 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에서 상기 각 반응 영역으로 연결되는 채널들을 포함할 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 각 반응 영역으로 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 채널들 사이에는 리브들이 돌출 형성되고, 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.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 격벽은 상기 반응면의 반대쪽 면에 요홈으로서 형성되며 상기 반응면으로 돌출되고, 상기 요홈은 냉각 매체를 유동시키는 냉각 통로로서 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예는 분리판의 반응면을 다수의 반응 영역으로 구획하는 격벽들과, 각 반응 영역으로 반응기체를 균일하게 분포시키는 채널부와, 각각의 반응 영역에 배치되는 미세 다공체를 포함하므로, 연료전지 스택의 성능을 대폭 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 분리판의 격벽들 및 채널부를 통해 각 반응영역으로 분배되는 반응기체를 미세 다공체의 다공부에 지속적으로 균일하게 분포시킬 수 있으므로, 응축수 과다 유입과 같은 순간적인 외부 교란에서도 연료전지의 안정적인 성능 유지가 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예에는 분리판의 각 반응 영역에 미세 다공체의 다공부를 형성하므로, 반응기체의 반응에 의해 생성된 생성수의 부분적인 쏠림에 의해 반응기체의 유동 정체가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

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

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 각각의 반응 영역에 대응하는 다공부들을 연결부를 통해 일체로 연결하고 그 연결부를 격벽들에 일체로 접합하는 미세 다공체를 포함하므로, 연료전지 스택의 적층 수 감소를 통해 연료전지 스택의 제작 시간을 단축시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 미세 다공체 형상의 강성 증대를 통해 취급의 용이성을 도모할 수 있고, 미세 다공체의 다공부와 격벽 사이의 간격 축소를 통해 반응기체의 이용률을 증가시키며 연료전지 스택의 성능을 향상시킬 수 있고, 미세 다공체의 다공부들을 연결하는 연결부를 분리판에 접합함으로써 연료전지 스택을 더욱 컴팩트 하게 구성할 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 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판에 적용되는 채널부를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 다른 작용 효과를 설명하기 위한 비교예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 분리판 내부의 유동 해석을 나타내 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 연료전지의 성능 평가를 나타내 보인 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 양측에 각각 구비되는 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.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)는 막-전극 어셈블리(10)에 대한 면압을 균등하게 분산시킬 수 있고, 반응기체의 확산 및 생성수의 배출성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 반응기체의 흐름을 균등하게 배분시킬 수 있을 뿐만 아니라, 수분의 과다 응축으로 인한 순간적인 수분 유입과 같은 외부 교란 상태에서도 안정적인 연료전지의 작동을 가능케 하는 연료전지(100)를 제공한다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)는 반응기체의 이용률을 증가시킬 수 있고, 스택의 제작성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 도시한 평면 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 일부를 확대한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판에 적용되는 채널부를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)는 분리판(50)에 형성되는 격벽들(20)과 채널부(40), 그리고 분리판(50)과 기체 확산층(30) 사이에 설치되는 미세 다공체(60)를 포함하고 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 격벽들(20)은 기체 확산층(30)에 대응하는 분리판(50)의 반응면(53)에 형성된다. 상기 격벽들(20)은 분리판(50)의 반응면(53)을 다수 개의 반응 영역(55)으로 구획한다.

이러한 격벽들(20)은 반응면(53)의 반대 면에 요홈(21)으로서 형성되고, 그 반응면(53)으로 돌출되게 형성되며, 분리판(50)의 입구 매니폴드(51) 측에서 출구 매니폴드(52) 측으로 길게 형성된다.

즉, 상기 격벽들(20)은 분리판(50)의 반응면(53)에 돌출 형성되며 그 반응면(53)을 다수 개의 반응 영역(55)으로 분할할 수 있다.

이와 같은 격벽들(20)은 분리판(50)에 있어 반응면(53)의 반대 면에 요홈(21)으로서 형성되는 바, 그 요홈(21)은 연료전지들(100)의 적층 시 냉각 매체를 유동시키는 냉각 통로(80)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(80)는 그 반대 면의 요홈(21)이 서로 합쳐지면서 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 채널부(40)는 입구 매니폴드(51)로 유입되는 반응기체의 흐름을 반응면(53)의 각 반응 영역(55)으로 균등하게 배분시키며, 반응기체의 반응에 의해 생성된 생성수의 부분적인 쏠림 현상 및 이로 인한 반응기체의 유동 정체를 방지하기 위한 것이다.

또한, 상기 채널부(40)는 입구 매니폴드(51)로 유입되는 반응기체를 반응면(53)의 각 반응 영역(55)으로 용이하게 유도하고, 그 반응 영역(55)을 통과한 반응기체를 출구 매니폴드(52)로 용이하게 유출시킬 수 있다.

이러한 채널부(40)는 다수 개의 채널들(41)을 포함한다. 상기 채널들(41)은 입구 매니폴드(51) 및 출구 매니폴드(52)와 연결되며, 반응면(53)의 각 반응 영역(55)으로 연결된다.

상기 채널들(41)은 입구 매니폴드(51) 및 출구 매니폴드(52)에서 반응면(53)의 각 반응 영역(55)으로 확산되는 형상으로 구비되며, 입구 매니폴드(51)와 반응면(53) 사이 및 출구 매니폴드(52)와 반응면(53) 사이에 각각 형성된다.

예를 들면, 상기 채널들(41)은 입구 매니폴드(51) 및 출구 매니폴드(52)의 한 쪽에서 다른 한 쪽으로 갈수록 길이가 점차 길어지며 반응면(53)의 각 반응 영역(55)들과 연결될 수 있다.

여기서, 상기 채널들(41) 사이에는 리브들(43)이 돌출되게 형성되는 바, 이들 리브(43) 또한 입구 매니폴드(51) 및 출구 매니폴드(52)의 한 쪽에서 다른 한 쪽으로 갈수록 길이가 점차 길어지는 형상으로 형성될 수 있다.

한편, 상기와 같은 분리판(50)에 있어 반응면(53)의 각 반응 영역(55)은 입구 매니폴드(51) 및 출구 매니폴드(52) 측의 채널들(41)과 연결되는 바, 위에서 언급한 바 있는 격벽들(20)은 채널부(40)의 리브(43)와 연결된다.

즉, 상기 격벽들(20)은 입구 매니폴드(51) 측에서 채널부(40)의 리브(43)와 연결되며, 출구 매니폴드(52) 측에서 채널부(40)의 리브(43)와 연결될 수 있다. 이에 상기한 격벽들(20)은 채널부(40)의 리브(43)와 연결되며, 반응면(53)을 다수 개의 반응 영역(55)으로 구획할 수 있고, 채널부(40)의 채널들(41)을 각각의 반응 영역(55)과 연결되는 다수 개의 채널군(45)으로 구획할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 미세 다공체(60)는 분리판(50)의 입구 매니폴드(51)를 통해 유입되는 반응기체를 기체 확산층(30)을 통해 막-전극 어셈블리(10)로 공급하기 위한 것으로서, 분리판(50)과 기체 확산층(30) 사이에 설치된다. 즉 상기 미세 다공체(60)는 분리판 반응면(53)의 각 반응 영역(55)에서 반응기체와 생성수를 유동시키는 기능을 하게 된다.

이러한 미세 다공체(60)는 소정의 개구율(당 업계에서는 "기공율" 이라고도 한다)을 지닌 메탈 또는 카본 폼으로서 형성될 수 있다. 또한 상기 미세 다공체(60)는 와이어 메쉬로 형성될 수도 있다.

그러나, 이하에서는 상기 미세 다공체(60)로서, 이중 금속 박판에 미세한 홀들(61)과 유로(63)를 형성하고 있는 성형 다공체를 예로 들어 설명하기로 한다. 상기 성형 다공체는 3차원 미세 다공 구조체로서 제작 방법이 간단하고, 대량 생산에 용이하다는 장점이 있다.

상기와 같은 미세 다공체(60)는 연료전지들(100)의 반응 효율을 증대시키기 위해 분리판(50)의 반응면(53) 내에 삽입되는 오픈 플로우 필드(open flow field) 형태의 미세 다공 구조체로서 구비된다.

여기서, 상기 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.

상기한 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.

또한, 상기 미세 다공체(60)는 미세 기공을 통한 국부적인 반응기체의 확산성을 향상시키며 그 반응기체 및 생성수의 이동을 용이하게 하고, 기체 확산층(30)을 균일하게 압축시켜 면압을 분산시킬 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 의한 상기 미세 다공체(60)는 분리판(50)과 일체로 구성되는 바, 예를 들면 분리판(50)의 격벽들(20)에 일체로 연결되며, 분리판 반응면(53)의 각 반응 영역(55)에서 반응기체와 생성수를 유동시킬 수 있다.

이를 위해 본 발명의 실시예에서 상기 미세 다공체(60)는 반응면(53)의 각 반응 영역(55)에 구비되는 다공부들(71)과, 그 다공부들(71)과 일체로 연결되며 격벽들(20)에 평면적으로 접촉되는 연결부(73)를 포함한다.

상기 다공부들(71)은 미세한 기공들을 갖는 파트로, 기체 확산층(30)에 대응하며 분리판(50)의 각 반응 영역(55)에 배치된다. 상기 다공부들(71)은 앞서 설명한 바와 같이 각 반응 영역(55)에서 반응기체와 생성수를 유동시키는 기능을 하게 된다.

그리고 상기 연결부(73)는 반응 영역들(55)에 배치되는 각각의 다공부들(71)을 일체로 연결하는 것으로, 본 발명의 실시예에서는 평탄한 형상으로서 격벽들(20)에 평면적으로 접합될 수 있다.

즉, 상기 연결부(73)는 다공부들(71) 사이에서 격벽들(20)의 격벽면을 통과하며 그 격벽들(20)에 평면적으로 면 접촉된 상태로, 그 격벽들(20)에 일체로 접합될 수 있다.

이러한 연결부(73)는 격벽들(20)의 격벽면에 평면적으로 접촉되는 평탄면(75)을 형성하는 바, 그 평탄면(75)은 레이저 혹은 접착제를 통해 격벽들(20)의 격벽면에 일체로 접합될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)의 작용 효과를 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

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(40)의 채널들(41)을 통해 확산되며, 분리판(50)의 반응면(53)에서 각 반응 영역(55)으로 배분되어 유도되고, 각 반응 영역(55)에서 미세 다공체(60)의 다공부(71)로 균일하게 유입된다.

여기서, 본 발명의 실시예에서는 격벽들(20)에 의해 분리판(50)의 반응면(53)을 다수의 반응 영역(55)으로 구획하고, 그 격벽들(20)에 의해 채널부(40)의 채널들(41)을 다수의 채널군(45)으로 구획하고 있다.

따라서, 반응기체는 채널들(41)의 각 채널군(45)을 통해 반응면(53)의 각 반응 영역(55)으로 유도되며, 그 반응 영역(55)에서 미세 다공체(60)의 다공부(71)로 균일하게 유입될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 상기한 각 반응 영역(55)에 미세 다공체(60)의 다공부(71)를 형성하고 있기 때문에, 그 다공부(71)의 미세 기공을 통해 반응기체를 용이하게 유동시키며 반응기체의 국부적인 확산성을 향상시킬 수 있고, 다공부(71)를 통해 기체 확산층(30)을 균일하게 압축시키며 기체 확산층(30)에 작용하는 면압을 분산시킬 수 있다.

한편, 상기한 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 다공부들(71)을 통과한 반응기체는 채널부(40)의 채널들(41)을 통해 출구 매니폴드(52)로 용이하게 배출될 수 있다.

다른 한편으로, 본 발명의 실시예에서 상기한 바와 같이 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 발생하는 열은 서로 인접하는 연료전지들(100)의 분리판(50) 사이의 냉각 통로(80)를 통해 유동하는 냉각 매체에 의해 냉각될 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)에 의하면, 분리판(50)의 반응면(53)을 다수 개의 반응 영역(55)으로 구획하는 격벽들(20)과, 반응기체를 각 반응 영역(55)으로 균일하게 분포시키는 채널부(40)와, 각 반응 영역(55)에 배치되는 미세 다공체(60)를 포함하고 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 반응기체를 미세 다공체(60)의 다공부(71)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 있고, 연료전지 스택의 성능을 대폭 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 격벽들(20)을 형성하는 요홈(21)을 냉각 매체를 유동시키는 냉각 통로(80)로서 활용할 수 있으므로, 연료전지의 냉각 효율을 증대시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)의 다른 작용 효과를 일 예의 비교예와 비교하여 부연 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 다른 작용 효과를 설명하기 위한 비교예를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 대응하는 비교예의 연료전지(1)는 격벽들(3)을 통해 분리판(5)의 반응면을 다수의 반응 영역(6)으로 구획하고, 각각의 반응 영역에 서로 분할된 미세 다공체(7)를 설치하는 구조로 이루어진다.

따라서, 상기 비교예에서는 분리판(5)의 반응 영역(6)에 서로 분할된 미세 다공체(7)를 설치하므로, 반응기체의 분배성 향상을 위해 격벽들(3)의 수를 증가시킬수록 미세 다공체(7)의 분할 개수 또한 증가하게 된다.

이로 인해 상기 비교예에서는 서로 분할된 다수 개의 미세 다공체(7)를 분리판(5)의 각 반응 영역(6)에 안착시켜야 하며, 이로 인하여 연료전지(1)를 수직으로 수백 장 적층하는데 따른 연료전지 스택의 제작이 어려워질 수 있다.

예를 들면, 상기 비교예에서는 격벽들(3)이 3개 인 구조를 기준으로 할 때, 서로 분할된 미세 다공체(7)를 각각의 반응 영역(6)에 설치하므로, 단일 셀의 연료전지(1)에 4번의 미세 다공체(7) 적층 공정을 필요로 하기 때문에, 연료전지(1)를 수직으로 수백 장 적층하는데 따른 연료전지 스택의 제작 시간이 길어질 수 있다.

또한, 상기 비교예에서는 미세 다공체(7)로서 0.1t 이하의 금속 박판을 사용하기 때문에, 그 미세 다공체(7)의 자체만으로 전체 형상을 유지하기가 힘들며, 연료전지들(1)을 적층하여 연료전지 스택을 제작하는 공정에서 미세 다공체(7)의 취급이 어려워진다.

그리고, 상기 비교예에서는 연료전지 스택의 적층을 위해 미세 다공체(7)를 이송할 때, 그 미세 다공체(7)의 휨 발생 등으로 인해 연료전지 스택의 적층 정밀도를 저하시킬 수 있다.

더 나아가, 상기 비교예에서는 서로 분할된 미세 다공체(7)의 형상에서 일정한 평탄부를 구비하고 있지 않으므로, 미세 다공체(7)를 분리판(5)에 접합할 수 있는 접합 영역이 존재하지 않는다.

따라서, 상기 비교예에서는 미세 다공체(7)에 분리판(5)과의 접합을 위한 별도의 접합 영역을 그 미세 다공체(7)의 외곽에 형성해야 하기 때문에, 연료전지 스택의 부피 증가라는 단점을 수반할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)는 앞서 개시한 도면들에서와 같이, 격벽들(20)에 의해 구획된 분리판(50)의 각 반응 영역(55)에 구비되는 다공부들(71)과, 그 다공부들(71)에 일체로 연결되며 격벽들(20)에 평면적으로 접합되는 연결부(73)를 포함하는 미세 다공체(60)를 구성할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 각각의 반응 영역(55)에 대응하는 다공부들(71)을 연결부(73)를 통해 일체로 연결하고 그 연결부(73)를 격벽들(20)에 일체로 접합하는 미세 다공체(60)를 구성하므로, 한 셀의 연료전지(100)에 미세 다공체(60)를 적층하는 공정 수를 한 번으로 축소시킬 수 있다.

이에 본 발명의 실시예에서는 연료전지 스택을 제작하는데 따른 연료전지들(100)의 적층 시간을 비교예의 25% 수준으로 단축시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 다수의 다공부들(71)이 연결부(73)를 통해 일체로 연결된 미세 다공체(60)를 포함하므로, 그 연결부(73) 자체가 비드 역할을 함으로써 미세 다공체(60)의 강성이 증대되어 취급이 용이해지고, 연료전지 스택의 적층을 위해 미세 다공체(60)를 이송할 때 그 미세 다공체(60)의 휨을 방지하여 연료전지 스택의 적층 정밀도를 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 미세 다공체(60)의 다공부들(61)을 일체로 연결하는 연결부(73)에 평탄면(75)을 형성하므로, 그 연결부(73)를 분리판(50)과 미세 다공체(60)를 접합할 수 있는 접합 영역으로서 활용할 수 있기 때문에 연료전지 스택을 더욱 컴팩트하게 구성할 수 있다.

한편, 상기 비교예에서는 서로 분할된 각각의 미세 다공체(7)를 격벽들(3)과의 간섭이 발생하지 않게 안착시키기 위해 그 미세 다공체(7)와 격벽(3) 사이에 공차를 두고 각각의 반응 영역(6)에 미세 다공체(7)를 설치한다.

그러나, 이러한 미세 다공체(7)와 격벽(3) 사이의 공간은 미세 다공체(7)의 유로 대비 차압이 낮은 영역으로서 반응기체의 유동 쏠림을 야기시키며 그 반응기체의 이용률을 저하시키는 문제를 야기할 수 있다.

부연 설명하면, 상기 비교예에서 격벽들(3) 사이의 각 반응 영역(6)에 미세 다공체(7)를 안정적으로 안착시키기 위해서는 일정 간격 이상의 적층 공차가 확보되어야 한다.

또한, 분리판(5)과 미세 다공체(7)가 0.1t 이하의 금속 박판으로 형성됨에 따라 평탄도를 확보하기 어려운 점을 고려할 경우, 격벽(3)과 미세 다공체(7) 사이의 적층 공차는 대략 2mm 이상을 확보해 주어야 한다.

따라서, 상기 비교예에서는 격벽들(3)이 3개 인 구조를 기준으로 격벽들(3) 사이의 반응 영역(6)에 서로 분할된 4 개의 미세 다공체(7)를 설치하는 경우, 이들 미세 다공체(7) 각각에 대해 2mm 이상의 여유 공간을 확보해야 하기 때문에, 총 8mm 이상의 미세 다공체 미적용 영역이 발생하게 된다.

이로써, 상기 비교예에서는 격벽(3)과 미세 다공체(7)의 여유 공간인 미세 다공체 미적용 영역에서 반응기체의 유동 쏠림 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 반응기체의 이용률을 감소시킬 수 있다.

그러나, 본 발명의 실시예에서는 각각의 반응 영역(55)에 대응하는 다공부들(71)을 연결부(73)를 통해 일체로 연결하고 그 연결부(73)를 격벽들(20)에 일체로 접합하는 미세 다공체(60)를 구성하므로, 비교예에 비해 미세 다공체(60)의 다공부(71)와 격벽(20) 사이의 적층 공차 영역을 25% 이하로 감소시킬 수 있게 되며, 이는 반응기체의 이용률 증가를 통한 연료전지의 성능 향상으로 이어지게 된다.

도 6은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 분리판 내부의 유동 해석을 나타내 보인 그래프로서, 이를 참조하면 상기 비교예에서는 미세 다공체(7)와 격벽(3) 사이에 공차를 두고 각각의 반응 영역(6)에 미세 다공체(7)를 설치하므로, 그 미세 다공체(7)에서는 일정한 수준으로 반응기체를 분배하는 양상을 보이다가 격벽(3) 부분에서 반응기체의 유량이 급격하게 증가함을 알 수 있다.

이는 미세 다공체(7)와 격벽(3) 사이의 빈 공간으로 반응기체의 유동 쏠림이 발생하기 때문이다. 이로 인해 상기 비교예에서는 반응기체의 이용률을 감소시킬 수 있다.

그러나, 본 발명의 실시예에서는 분리판(50)의 각 반응 영역에 대응하는 다공부들(71)을 연결부(73)를 통해 일체로 연결하고 그 연결부(73)를 격벽들(20)에 접합한 구조를 가지므로, 다공부(71)와 격벽(20) 사이의 공간을 최소화시킬 수 있기 때문에, 격벽(20) 부분에서 반응기체의 급격한 유동 쏠림이 발생하지 않으며, 반응기체의 균일한 분배 편차를 보이는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 연료전지의 성능 평가를 나타내 보인 그래프로서, 이를 참조하면 비교예에서는 앞서 설명한 바와 같이 미세 다공체(7)와 격벽(3) 사이의 빈 공간으로 반응기체의 유동 쏠림이 발생하여 반응기체의 이용률이 감소하게 된다.

그러나, 본 발명의 실시예에서는 다공부(71)와 격벽(20) 사이의 공간을 최소화시킬 수 있으므로, 격벽(20) 부분에서 반응기체의 급격한 유동 쏠림이 발생하지 않게 되어 반응기체의 균일한 분배를 도모할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 도면에 나타난 연료전지의 성능 평가 결과에서와 같이, 비교예에 비해 고 전류 구간에서 대략 1% 이상의 성능 향상을 보이고 있다.

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 20... 격벽
21... 요홈 30... 기체 확산층
40... 채널부 41... 채널
43... 리브 45... 채널군
50... 분리판 51... 입구 매니폴드
52... 출구 매니폴드 53... 반응면
55... 반응 영역 60... 미세 다공체
61... 미세홀 63... 유로
71... 다공부 73... 연결부
75... 평탄면 80... 냉각 통로

Claims (20)

1. 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 구비되는 분리판을 포함하는 연료전지에 있어서,
   상기 막-전극 어셈블리에 대응하는 상기 분리판의 반응면에 형성되며 그 반응면을 다수의 반응 영역으로 구획하고, 상기 반응면의 반대 면에 요홈으로서 형성되는 격벽들; 및
   상기 분리판과 막-전극 어셈블리 사이에 설치되는 금속 박판 형태의 미세 다공체;를 포함하며,
   상기 미세 다공체는 상기 각 반응 영역에 구비되는 다공부들과, 상기 다공부들과 일체로 연결되며 상기 격벽에 평면적으로 접합되는 평탄면을 지닌 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 미세 다공체와 상기 분리판이 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 미세 다공체는 금속 박판에 미세한 홀들과 유로를 지닌 성형 다공체로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 평탄면은 레이저 접합을 통해 상기 격벽에 일체로 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 격벽은 상기 반응면으로 돌출되게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 요홈은 냉각 매체를 유동시키는 냉각 통로로서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 분리판은,
   반응기체를 유출입시키는 입구 및 출구 매니폴드와,
   상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에 연결되며, 반응기체를 상기 각 반응 영역으로 유도하는 채널부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 채널부는,
   상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에서 상기 각 반응 영역으로 확산되는 채널들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 채널들은,
    상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드의 한 쪽에서 다른 한 쪽으로 갈수록 길이가 점차 길어지며 상기 각 반응 영역들과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
11. 제9 항에 있어서,
    상기 채널부는,
    상기 채널들 사이에 형성되는 리브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 격벽은,
    상기 리브와 연결되며, 상기 분리판의 반응면을 다수 개의 반응 영역으로 구획하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 격벽은,
    상기 채널들을 상기 각 반응 영역과 연결되는 다수 개의 채널군으로 구획하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
14. 막-전극 어셈블리의 양측에 구비되며, 반응기체를 상기 막-전극 어셈블리로 공급하는 연료전지용 분리판에 있어서,
    상기 막-전극 어셈블리에 대응하는 반응면에 형성되며 그 반응면을 다수의 반응 영역으로 구획하는 격벽들;
    상기 반응기체를 유출입시키는 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에 연결되며, 반응기체를 상기 각 반응 영역으로 유도하는 채널부; 및
    상기 격벽에 일체로 연결되며, 상기 각 반응 영역에서 반응기체와 생성수를 유동시키는 금속 박판 형태의 미세 다공체;를 포함하며,
    상기 격벽은 상기 반응면의 반대쪽 면에 요홈으로서 형성되고,
    상기 미세 다공체는 상기 각 반응 영역에 구비되는 다공부들과, 상기 다공부들과 일체로 연결되며 상기 격벽에 평면적으로 접합되는 평탄면을 지닌 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
15. 삭제
16. 제14 항에 있어서,
    상기 미세 다공체는 금속 박판에 미세한 홀들과 유로를 지닌 성형 다공체로 구비되고,
    상기 평탄면은 레이저 접합을 통해 상기 격벽에 일체로 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
17. 제14 항에 있어서,
    상기 채널부는 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에서 상기 각 반응 영역으로 연결되는 채널들을 포함하며,
    상기 채널들은 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드의 한 쪽에서 다른 한 쪽으로 갈수록 길이가 점차 길어지며 상기 각 반응 영역으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
18. 제17 항에 있어서,
    상기 채널들 사이에는 리브들이 돌출 형성되고,
    상기 격벽은 상기 리브와 연결되며, 상기 반응면을 다수 개의 반응 영역으로 구획하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
19. 제17 항에 있어서,
    상기 격벽은,
    상기 채널들을 상기 각 반응 영역과 연결되는 다수 개의 채널군으로 구획하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
20. 제14 항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 반응면으로 돌출되고, 상기 요홈은 냉각 매체를 유동시키는 냉각 통로로서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.

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