KR101745065B1

KR101745065B1 - 연료전지용 다공체 유로 구조

Info

Publication number: KR101745065B1
Application number: KR1020140183249A
Authority: KR
Inventors: 양유창; 진상문
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2017-06-08
Also published as: DE102015207397A1; CN106207216A; KR20160074213A; US20160181625A1

Abstract

본 발명은 연료전지용 다공체 유로 구조에 관한 것으로, 웨이브 파형 단면을 이루도록 GDL과 접하는 다수개의 랜드부와 수밀을 유지하도록 하는 평판과 접하는 다수개의 채널부가 반복형성되고, 반응기체가 통과하는 유로홀이 규칙적으로 형성된 유로판을 포함하는 연료전지용 다공체 유로 구조에 있어서, 유로홀은 랜드부 또는 채널부 중 적어도 어느 하나의 일부분을 포함하도록 천공됨으로써, 유로홀을 통과한 반응기체가 상하방향 난류와 좌우방향 난류를 동시에 형성하게 되므로, GDL을 향한 반응기체의 유동발달이 향상되는 효과가 있는 연료전지용 다공체 유로 구조를 제공한다.

Description

연료전지용 다공체 유로 구조{MULTIPLE PERFORATION FLOW PATH STRUCTURE FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 다공체 유로 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반응기체의 수평방향 유동뿐만 아니라 상하방향의 유동을 발생시킬 수 있는 연료전지용 다공체 유로 구조에 관한 것이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 금속분리판을 적용한 연료전지 셀(1)의 구조는 반응기체 및 냉각수의 유로가 형성되어 있는 금속 분리판(6,7)과 반응기체의 확산을 돕는 GDL(2; 가스 확산층; GAS DIFFUSION LAYER) 사이에 화학반응이 일어나는 MEA(3; 전극막 접합체; MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)가 위치된다.

금속 분리판(6,7)에는 반응 기체의 흐름과 동일한 방향으로 GDL 과 접촉하지 않는 채널부(4)와 GDL 과 접촉하는 랜드부(5)가 반복적으로 형성된다. 또한, 양극과 음극에 해당하는 애노드 분리판(6) 및 캐소드 분리판(7)로 구분되며, 애노드 분리판(6) 및 캐소드 분리판(7)이 적층됨으로써 채널부(4)와 랜드부(5)가 대칭되도록 합쳐져 냉각수가 흐르는 냉각유로(8)를 형성하게 된다.

따라서, 각 반응기체의 통로가 되는 애노드 분리판(6) 및 캐소드 분리판(7)의 채널부(4, 4')는 동일 선상에 존재하게 되며, 애노드 분리판(6')의 채널부(4')에 흐르는 반응기체와 캐소드 분리판(7)의 채널부(4)에 흐르는 반응기체가 동일한 방향 또는 역방향으로 흐르게 된다. 일반적으로 연료전지의 성능을 극대화하기 위해서 각 분리판에 흐르는 반응기체는 역방향으로 흐르게 된다.

또한, 연료전지 성능을 극대화하기 위해서, 채널부(4) 및 랜드부(5)의 간격을 조밀하게 형성하게 된다. 이때, GDL(2) 및 MEA(3)로의 면압을 균일하게 하고 GDL(2)이 전면에 걸쳐 일정한 투과성을 지닐 수 있게 한다. 그러나, 성형단계에서 발생하는 불량 예를 들어 크랙 또는 형태 변형 전 형상으로 돌아가고자 하는 스프링 백(SPRING BACK)현상을 방지하기 위해서 채널부(4) 및 랜드부(5)의 간격을 줄이는데에는 한계가 있다.

이러한 제조상의 한계로 인하여 다음과 같은 연료전지의 성능 저하가 발생된다. 채널부(4) 및 랜드부(5)가 한번 반복되는 길이로 정의되는 채널피치가 크면, 금속 분리판(6,7)과 GDL(2)이 접촉하는 랜드면으로 응력이 집중되어 면압 불균일이 발생 된다. 이로 인하여 GDL(2)의 다공성 구조가 파괴되어 투과성이 나빠지게 되며, 반응기체 확산성 및 생성수의 배출성이 저하된다. 또한, GDL(2)이 채널부(4)로 침투하여 반응기체 흐름을 방해하게 된다.

채널 피치가 커 랜드면에 응력이 집중됨으로써, GDL(2)이 파손되면, 랜드부(5)에서 탄소섬유(CARBON FIBER)가 MEA(3)까지 침투하게 되어 MEA(3)가 손상된다.

아울러 채널부의 GDL(2) 및 MEA(3) 사이의 면압이 부족하여, 접촉저항이 증가 되고, 생성된 전자의 이동을 어렵게 한다.

한편, 위와 같은 종래 연료전지의 아쉬움을 해소하고자, 종래 금속 분리판을 대신하여, 도 3에 도시된 바와 같은, 다수개의 유로홀(9)이 형성된 오픈 플로우 필드(OPEN FLOW FIELD)형태의 미세 다공 구조체(10)를 GDL과 냉각수 통로를 구분하는 판 사이에 삽입한 기술이 등장하였다.

그러나, 종래 미세 다공 구조체(10)를 포함하는 연료전지는, 유로홀(9)이 유로 단면의 경사면에만 존재하기 때문에 유로홀을 통과한 반응기체(11)가 구조체에 막혀 좌우방향으로의 난류 만을 형성하였기 때문에, MEA/GDL을 향한 반응기체(11)의 유동발달이 충분하지 못하였다.

대한민국 등록특허공보 제10-1361298호(2014.02.04.)

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 종래 미세 다공 구조체가 삽입된 연료전지의 단점인 MEA/GDL로의 반응가스 유동 발달 불충분을 해결하여, 연료전지의 효율을 상승시키는 연료전지용 다공체 유로 구조를 제공하는 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 연료전지용 다공체 유로 구조는, 웨이브 파형 단면을 이루도록 GDL과 접하는 다수개의 랜드부와 수밀을 유지하도록 하는 평판과 접하는 다수개의 채널부가 반복형성되고, 반응기체가 통과하는 유로홀이 규칙적으로 형성된 유로판을 포함하는 연료전지용 다공체 유로 구조에 있어서, 유로홀은 랜드부 또는 채널부 중 적어도 어느 하나의 일부분을 포함하도록 천공된다. 또한, 반응기체는, 유로홀을 통과하며, 상하방향 난류와 좌우방향 난류를 동시에 형성할 수 있다.

위와 같은 본 발명의 연료전지용 다공체 유로 구조에 따르면, 유로홀을 통과한 반응기체가 상하방향 난류와 좌우방향 난류를 동시에 형성하게 되므로, GDL을 향한 반응기체의 유동발달이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 종래 연료전지 셀의 요부 단면도,
도 2는 종래 연료전지 셀의 요부 사시 단면도,
도 3은 종래 연료전지 셀에 구비되는 미세 다공 구조체의 평면도 및 요부 단면도,
도 4는 본 발명의 일실시예의 연료전지용 다공체 유로 구조의 요부 사시도,
도 5는 도 4의 연료전지용 다공체 유로 구조의 평면도,
도 6은 도 5의 A-A선의 단면도,
도 7은 도 5의 B-B선의 단면도,
도 8은 종래 미세 다공 구조체 및 본 발명의 연료전지용 다공체 유로 구조가 적용된 연료전지 셀의 성능 그래프이다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 다공체 유로 구조는, 웨이브 파형 단면을 이루도록 GDL(400; 가스확산층; GAS DIFFUSION LAYER)과 접하는 다수개의 랜드부(100)와 수밀을 유지하도록 하는 평판(300)과 접하는 다수개의 채널부(200)가 반복형성되고, 반응기체(700)가 통과하는 유로홀(500)이 규칙적으로 형성된 유로판(600)을 포함하는 연료전지용 다공체 유로 구조에 있어서, 유로홀(500)의 너비가 랜드부(100) 및 채널부(200)의 길이의 합으로 이루어진 피치의 약 1/2 정도로 형성된다. 유로홀(500)의 길이는 유로홀(500) 간의 간격과 반응기체(700) 유동해석 결과를 토대로 결정되는 것이 바람직하다.

유로홀(500)은, 홀의 일부가 랜드부(100)를 포함하는 제1 타입 유로홀(510) 및, 홀의 일부가 채널부(200)를 포함하는 제2 타입 유로홀(520)을 포함한다. 본 발명의 일실시예에서, 제1 타입 유로홀(510)은 랜드부(100) 중 GDL(400)과 접촉하는 부분을 포함하여 천공되고, 제2 타입 유로홀(520)은 채널부(200) 중 평판(300)과 접촉하는 부분을 포함하여 천공된다.

제1 타입 유로홀(510) 및 제2 타입 유로홀(520)은, 유로판(600)의 웨이브 방향을 따라 등간격으로 다수개 형성된다. 이때, 제1 타입 유로홀(510)과 제2 타입 유로홀(520)이 유로판(600)의 세로변과 가로변을 잇는 임의의 사선을 이루며, 반복적으로 배치되어 다수개의 유로홀(500)을 형성한다.

좀더 정확히는, 제1 타입 유로홀(510) 또는 제2 타입 유로홀(520)의 중심을 중점으로 제1 타입 유로홀(510) 또는 제2 타입 유로홀(520)의 길이방향 중심축과 0도 내지 90도 이하의 각도를 이루는 임의의 연장선 상에 다수개의 제1 타입 유로홀(510) 및 제2 타입 유로홀(520)이 반복 형성된다.

또한, 랜드부(100) 또는 채널부(200)가 이루는 골을 따라서 동일한 형상의 유로홀(500)이 등간격으로 다수개 형성된다.

제1 타입 유로홀(510)을 통과한 반응기체(700)는 랜드부(100)의 곡면을 타고 방향성을 갖도록 이동하고, 평판(300)을 향해 상하 유동하게 된다. 제2 타입 유로홀(520)을 통과한 반응기체(700)는 채널부(200)의 곡면을 타고 방향성을 갖도록 이동하고, GDL(400)을 향해 상하 유동하게 된다. 즉, 상하방향으로의 난류를 형성하게 되며, 제1 및 제2 타입 유로홀(510, 520)을 통과한 반응기체(700)가 GDL(400)을 향해 유동하게 되므로 종래에 비하여, GDL(400)로의 반응가스 유동량이 향상된다.

한편, 유로홀을 통과한 반응가스는, 유로홀의 형상에 따라 좌우방향으로 유동하게 된다. 즉, 좌우방향으로의 난류를 형성하게 된다. 특히, 유로홀(500)이 직사각형 좀더 정확히는 마름모 형상으로 형성될 경우, 유로홀(500)과 반응기체(700) 간의 마찰이 증대되므로 좌우방향의 난류 크기가 증대된다. 유로홀(500)의 형상은 원형, 타원형 또는 사각형 중 어느 하나일 수 있다.

유로홀(500)을 통과한 반응기체(700)는 채널부(200) 또는 랜드부(100)의 곡면을 따라 이동됨으로써, 상하방향 난류를 형성하게 된다. 또한, 유로홀(500)의 형상과 채널부(200) 및 랜드부(100)로의 확산을 통해 좌우방향 난류도 형성하게 된다.

특히, 상하방향 난류로 인하여 GDL(400)로의 반응가스 유동량이 종래 미세 다공 구조체가 장착될 경우에 비하여 향상된다. 또한, 좌우방향 난류로 인하여, 제1 타입 유로홀(510)과 제2 타입 유로홀(520) 간의 반응기체(700) 유동이 원활히 이루어진다.

도 8에는 종래 미세 다공 구조체 및 본 발명의 연료전지용 다공체 유로 구조가 적용된 연료전지 셀의 성능 그래프가 도시되었다.

도 8의 그래프의 가로축은 전류밀도이고, 세로축은 전압이다. A지점 이하의 영역에서는 종래 미세 다공 구조체가 장착될 경우와 차이가 없으나, A지점 이후 영역에서 차이가 점점 커지며, B지점에서는 4.4%의 전압 향상 효과가 나타나고 있다. 연료전지 특성상 B지점 이상의 전류밀도 영역으로 갈수록 더 큰 차이를 나타낼 것으로 예상된다. 더 큰 전류밀도 영역에서 같은 전압을 발휘하는 것은, 결과적으로 좀더 작은 반응면적을 사용하면서도 동일한 출력을 발생시킬 수 있음을 의미한다. 그러므로, 연료전지 스택의 소형화 및 전극면적 감소가 가능하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 랜드부 200: 채널부
300: 평판 400: GDL
500: 유로홀 510: 제1 타입 유로홀
520: 제2 타입 유로홀 600: 유로판
700: 반응기체

Claims

기체의 흐름 방향을 따라 웨이브 파형 단면을 이루도록 GDL(가스확산층; GAS DIFFUSION LAYER)과 접하는 다수개의 랜드부와 수밀을 유지하도록 하는 평판과 접하는 다수개의 채널부가 반복형성되고, 반응기체가 통과하는 유로홀이 규칙적으로 형성된 유로판을 포함하는 연료전지용 다공체 유로 구조에 있어서,
상기 유로홀은,
랜드부의 골, 및 상기 랜드부의 골과 채널부의 골을 연결하는 경사면의 적어도 일부분에 걸쳐 천공되는 제1 타입 유로홀; 및
상기 채널부의 골, 및 상기 경사면의 적어도 일부분에 걸쳐 천공되는 제2 타입 유로홀을 포함하며,
상기 제1 타입 유로홀과 상기 제2 타입 유로홀은, 상기 기체의 흐름 방향의 수직 방향을 기준으로 적어도 일부분이 서로 동일 선상에 위치하도록 천공되는 연료전지용 다공체 유로 구조.
제1항에 있어서,
상기 제1 타입 유로홀과 상기 제2 타입 유로홀은, 상기 기체의 흐름 방향을 기준으로 서로 다른 선상에 위치하도록 천공되는 연료전지용 다공체 유로 구조.
제2항에 있어서,
상기 제1 타입 유로홀 및 상기 제2 타입 유로홀이 상기 유로판의 웨이브 방향을 따라 등간격으로 다수개 형성된 연료전지용 다공체 유로 구조.
제2항에 있어서,
상기 제1타입 유로홀과 상기 제2 타입 유로홀이 사선 상에 위치되도록 형성된 연료전지용 다공체 유로 구조.
제2항에 있어서,
상기 제1 타입 유로홀을 통과한 상기 반응기체 중 일부가 인접한 상기 제2 타입 유로홀을 통과하면서 상기 평판을 향해 수직 방향 유동하는 연료전지용 다공체 유로 구조.
제2항에 있어서,
상기 제2 타입 유로홀을 통과한 상기 반응기체 중 일부가 인접한 상기 제1 타입 유로홀을 통과하면서 상기 GDL을 향해 수직 방향 유동하는 연료전지용 다공체 유로 구조.
제1항에 있어서,
상기 유로홀의 형상이,
원형, 타원형 또는 사각형 중 어느 하나인 연료전지용 다공체 유로 구조.
삭제
제1항에 있어서,
상기 유로홀은,
상기 랜드부 및 상기 채널부 폭의 합으로 이루어진 피치 길이와 같거나 큰 길이를 갖도록 형성된 연료전지용 다공체 유로 구조.
제1항에 있어서,
상기 반응기체는,
상기 유로홀을 통과하며, 상하방향 난류와 좌우방향 난류를 동시에 형성하는 연료전지용 다공체 유로 구조.
제1항에 있어서,
상기 유로홀은,
상기 채널부의 골을 따라서 등간격으로 다수개 형성된 연료전지용 다공체 유로 구조.