KR101755937B1 - 연료전지용 분리판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리판의 공기 입구에서의 내부채널과 랜드부가 갖는 폭과 단면 형상 등을 서로 상반되게 가변시키는 구조를 적용하거나, 공기 출구에서의 내부채널과 랜드부가 갖는 폭과 단면 형상 등을 서로 상반되게 가변시키는 구조를 적용함으로써, 연료전지 출력을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 공기 입구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상 등을 축소하는 동시에 랜드부 폭 및 단면 형상을 확대하거나, 공기 출구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상 등을 확대하는 동시에 랜드부 폭 및 단면 형상 등을 축소시킬 수 있도록 함으로써, 연료전지 출력을 향상시킬 수 있고, 또한 공기 출구에서의 랜드부에 내부채널 간을 연결하는 관통 유로를 형성하여 공기 출구에서의 랜드부 하단 영역의 가스(공기) 농도를 증대시킴으로써, 공기 출구에서의 전류밀도를 증대시킬 수 있도록 한 연료전지용 분리판을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지용 분리판{SEPARATOR FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판의 공기 입구에서의 내부채널과 랜드부가 갖는 폭과 단면 형상 등을 서로 상반되게 가변시키는 구조를 적용하거나, 공기 출구에서의 내부채널과 랜드부가 갖는 폭과 단면 형상 등을 서로 상반되게 가변시키는 구조를 적용함으로써, 연료전지 출력을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
일반적으로, 수십에서 수백개의 연료전지 셀이 적층되어 연료전지 스택으로 제작되며, 연료전지 셀 단위에 대한 구성은 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(cathode) 및 연료극과, 공기극 및 연료극이 위치한 바깥 부분에 적층되는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)과, 기체확산층의 바깥 쪽에 적층되어 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하는 분리판 등을 포함하여 구성된다.
첨부한 도 1에서 보듯이, 연료전지 셀 단위 구성 중 가장 안쪽 위치에는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(11)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(12, cathode) 및 연료극(13, anode)을 포함하는 전극막 접합체(10, Membrane-Electrode Assembly)가 위치된다.
또한, 상기 공기극(12) 및 연료극(13)의 바깥 부분에는 기체확산층(16, GDL: Gas Diffusion Layer) 및 가스켓(18, Gasket)이 차례로 적층되고, 기체확산층(16)의 바깥 쪽에는 각각 연료(수소)와 산화제(공기)를 공급하고 배출하는 유로(Flow Field)와 냉각수의 공급 및 배출을 위한 유로를 갖는 분리판(20)이 적층되며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 셀 단위 구성들을 지지 고정시키기 위한 엔드 플레이트(30, End plate)가 결합된다.
특히, 상기 분리판(20)은 기체확산층(16)과 직접적으로 접합되는 평평한 부분인 랜드부(21, Land)와, 랜드부(21) 사이의 공간으로서 연료인 수소와 공기(산소)의 통로가 되는 채널(22, Channel)로 구성된 반응면적부(23)와, 반응면적부(23)의 양측단부에 공기, 냉각수, 수소 등의 공급 및 배출을 위한 관통홀 형태로 형성되는 매니폴드를 포함한다.
이때, 상기 기체확산층(16)과 접촉하는 랜드부(21)와 랜드부(21) 사이의 내부채널(22a)에는 연료인 수소 또는 공기가 흐르게 되고, 랜드부(21)의 외면 공간인 외부채널(22b)에는 냉각수가 흐르게 된다.
또한, 상기 매니폴드는 반응면적부(23)의 일측단부에 나란히 관통 형성되는 공기공급 매니폴드(24), 냉각수공급 매니폴드(25), 수소공급 매니폴드(26)와, 그리고 타측단부에 나란히 관통 형성되는 공기배출 매니폴드(27), 냉각수배출 매니폴드(28), 수소배출 매니폴드(29)를 포함하여 구성된다.
이러한 분리판은 고출력 연료전지 스택 제조를 위하여 보통 200㎠ ~ 400㎠ 수준의 반응면적을 사용하므로, 분리판의 채널 길이도 수십 cm 이상의 길이로 길어지게 되어, 공급 가스와 반응열, 수분 등의 분포가 분리판의 위치에 따라 일정하지 않게 되고, 결국 출력 밀도 차이가 초래된다.
한편, 상기 분리판의 각 내부채널을 따라 흐르는 수소와 공기는 항상 반대 방향으로 흐르게 될 때, 공기와 냉각수 유동 방향이 동일하면 병류 흐름이라 하고, 공기와 냉각수 유동 방향이 반대이면 향류 흐름이라 한다.
이에, 상기 분리판의 각 내부채널을 따라 수소와 공기가 서로 반대방향으로 흐르게 되는 동시에 가스확산층을 통해 촉매층(수소극 및 공기극)으로 공급되어 전기 생성을 위한 반응을 하게 된다.
그러나, 공급 가스와 반응열, 수분 등의 분포가 분리판의 위치에 따라 일정하지 않은 이유로 수소가 흐르는 내부 채널의 말단부에서 촉매층과의 반응 특성이 저하되거나, 또는 공기가 흐르는 내부 채널의 말단부에서 촉매층과의 반응 특성이 저하되는 현상이 발생하고, 결국 분리판의 위치에 따라 출력 밀도 차이가 초래되는 문제점이 있다.
첨부한 도 2는 기존의 분리판 내부채널을 따라 공기가 흐르고, 외부채널을 따라 냉각수가 흐를 때, 공기와 냉각수 유동 방향이 동일한 병류 흐름 상태에서의 전류밀도를 측정하고, 공기와 냉각수 유동 방향이 다른 향류 흐름 상태에서의 전류밀도를 측정한 결과를 나타내고, 도 3은 병류 및 향류 흐름시 분리판의 공기 입출구에서의 전류밀도를 비교한 그래프이다.
병류 흐름 상태에서 분리판의 내부채널 입구 즉, 공기 입구(도 2의 단면 A 부분)에서 측정된 전류밀도(도 3(a)의 파란색 라인)와, 향류 흐름 상태에서의 분리판의 내부채널 입구 즉, 공기 입구(도 2의 단면 C 부분)에서 측정된 전류밀도(도 3(b)의 붉은색 라인)를 비교했을 때, 그 크기 차이는 있으나, 분리판의 랜드부(리브라고도 함)에서 전류밀도가 높게 나타나고, 내부채널에서는 전류밀도가 낮은 성능을 보임을 알 수 있다.
또한, 병류 흐름 상태에서 분리판의 내부채널 출구 즉, 공기 출구(도 2의 단면 C 부분)에서 측정된 전류밀도(도 3(b)의 파란색 라인)와, 향류 흐름 상태에서 분리판의 내부채널 출구 즉, 공기 출구(도 2의 단면 A 부분)에서 측정된 전류밀도(도 3(a)의 붉은색 라인)를 비교했을 때, 분리판의 랜드부에서 전류밀도가 감소하고, 내부채널에서는 전류밀도가 높은 성능을 보임을 알 수 있다.
이와 같이, 분리판의 채널과 랜드부(특히, 랜드부의 하단부) 간의 전류밀도 성능 차이는 전체 성능을 저하시키는 요인의 하나로 작용하므로, 이에 대한 개선이 필요한 상황에 있다.
본 발명은 상기와 같이 분리판의 채널과 랜드부에서의 전류밀도를 분석한 결과, 수소와 공기의 유동 방향이 반대이면서 병류 또는 향류 흐름을 갖는 경우, 분리판의 공기 입구에서 내부채널에 비하여 랜드부의 전류밀도(출력밀도)가 높게 나타나고, 공기 출구에서는 내부채널의 전류밀도가 랜드부에 비하여 높게 나타나는 점을 감안하여 안출한 것으로서, 공기 입구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상 등을 축소하는 동시에 랜드부 폭 및 단면 형상을 확대하거나, 공기 출구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상 등을 확대하는 동시에 랜드부 폭 및 단면 형상 등을 축소시킬 수 있도록 함으로써, 연료전지 출력을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 공기 출구에서는 내부채널의 전류밀도가 랜드부에 비하여 높게 나타나는 점을 감안하여, 공기 출구에서의 랜드부에 내부채널 간을 연결하는 관통 유로를 형성하여, 공기 출구에서의 랜드부 하단 영역의 가스(공기) 농도를 증대시킴으로써, 공기 출구에서의 전류밀도를 증대시킬 수 있도록 한 연료전지용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는: 수소와 공기의 유동 방향이 반대이면서 병류 또는 향류 흐름을 허용하는 연료전지용 분리판에 있어서, 공기 입구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상을 공기 출구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상에 비하여 축소하는 동시에 공기 입구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상을 공기 출구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상에 비하여 확대하거나, 공기 출구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상을 공기 입구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상에 비하여 확대하는 동시에 공기 출구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상을 공기 입구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상에 비하여 축소시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 공기 입구에서 공기 출구까지의 내부채널의 폭 및 단면 형상이 점차 증가되는 확대관 구조로 적용된 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 내부채널의 전체 길이 구간 중, 중간 지점에 공기입구에서 출구쪽으로 확대되며 경사진 확대관이 형성되어, 공기 입구에서 확대관까지의 폭 및 단면 형상이 확대관에서 공기 출구까지의 폭 및 단면 형상에 비하여 더 작게 형성된 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 내부채널의 전체 길이 구간 중, 중간 지점에 공기입구에서 출구쪽으로 확대되는 단차부가 형성되어, 공기 입구에서 단차부까지의 폭 및 단면 형상이 단차부에서 공기 출구까지의 폭 및 단면 형상에 비하여 더 작게 형성된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 수소와 공기의 유동 방향이 반대이면서 병류 또는 향류 흐름을 허용하는 연료전지용 분리판에 있어서, 공기 출구에서의 랜드부에 공기 흐름량 증대 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 공기 흐름량 증대 공간은 공기 출구에서의 랜드부에 내부채널 간을 연결하는 관통 유로가 형성된 것임을 특징으로 한다.
이때, 상기 관통 유로는 서로 이웃하는 랜드부에 각각 길이방향을 따라 평행한 배열을 이루는 직각 단면홈 형상으로 형성되거나, 상기 관통 유로는 서로 이웃하는 랜드부에 각각 길이방향을 따라 지그재그 배열을 이루는 직각 단면홈 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 공기 흐름량 증대 공간은 서로 이웃하는 랜드부 측면에 다수의 직각 단면홈을 길이방향을 따라 등간격으로 가공하거나, 서로 이웃하는 랜드부 측면에 다수의 물결 모양 곡선홈을 길이방향을 따라 등간격으로 가공하여서 된 것임 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음와 같은 효과를 제공한다.
첫째, 수소와 공기의 유동 방향이 반대이면서 병류 또는 향류 흐름을 허용하는 분리판의 구조를 개선하되, 공기 입구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상을 공기 출구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상에 비하여 확대하는 구조로 개선함으로써, 분리판의 공기 입구에서 내부채널에 비하여 랜드부의 전류밀도(출력밀도)가 높게 나타나는 점을 비추어볼 때, 공기 입구에서의 랜드부의 폭 및 단면 형상이 확대됨에 따라 전류밀도를 더 높게 향상시킬 수 있고, 결국 연료전지 출력 향상을 실현할 수 있다.
둘째, 공기 출구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상을 공기 입구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상에 비하여 확대하는 구조로 개선함으로써, 공기 출구에서는 내부채널의 전류밀도가 랜드부에 비하여 높게 나타나는 점을 비추어볼 때, 공기 출구에서의 내부채널의 폭 및 단면 형상이 확대됨에 따라 전류밀도를 더 높게 향상시킬 수 있고, 결국 연료전지 출력 향상을 실현할 수 있다.
셋째, 공기 출구에서의 랜드부에 내부채널 간을 연결하는 공기 흐름량 증대 공간(예, 관통 유로)를 형성하여, 공기 출구에서의 랜드부 하단 영역의 가스(공기) 농도를 증대시킴으로써, 공기 출구에서는 내부채널의 전류밀도가 랜드부에 비하여 높게 나타나는 점을 비추어볼 때, 공기 출구에서의 내부채널 면적이 공기 흐름량 증대 공간에 의하여 확대됨에 따라 전류밀도를 증대시킬 수 있고, 결국 연료전지 출력 향상을 실현할 수 있다.
넷째, 공기가 흐르는 내부채널외에 수소가 흐르는 내부채널도 그 유동(흐름) 방향을 따라 폭과 단면적이 감소된 구조로 적용함으로써, 수소 유속 증가와 관성력 증가로 수소 내부채널내의 물 배출 성능을 향상시킬 수 있다.
즉, 물 배출 성능에 있어서 수소 밀도가 공기에 비해 매우 작아서 수소 내부채널내의 물 배출력이 공기 내부채널에 비하여 약 1/10 수준으로 약하기 때문에 수소 내부채널내의 물 배출력을 향상시켜 플러딩 문제를 해소하는데 일조할 수 있다.
다섯째, 공기가 흐르는 내부채널의 출구쪽에 응축수가 누적될 경우, 중력의 힘으로 공기 흐름량 증대 공간(예, 관통 유로)를 통해 이웃하는 다른 내부채널로 응축수가 이동하여 분산되는 것을 유도할 수 있어, 특정 내부채널내에 응축수가 누적되어 공기 흐름을 방해하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 연료전지 단위 셀 구성을 설명하기 위한 개략도,
도 2는 분리판의 내부채널을 따라 공기가 흐르고, 외부채널을 따라 냉각수가 흐를 때, 병류 흐름 상태에서의 전류밀도와 향류 흐름 상태에서의 전류밀도를 측정한 결과를 나타낸 전류밀도 분포도,
도 3은 도 2의 단면 A 및 단면 C에서의 전류밀도를 비교한 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판으로서, 내부채널 및 랜드부의 폭 및 단면 형상을 가변시키는 원리를 나타낸 전류밀도 분포도,
도 5는 도 4의 단면 A 및 단면 C에서의 전류밀도를 비교한 그래프,
도 6 내지 8은 본 발명에 따른 분리판의 내부채널 및 랜드부를 폭 및 단면 형상을 가변시킨 구조로 적용한 예를 도시한 개략도,
도 9 내지 도 13은 본 발명에 따른 분리판의 랜드부에 공기 흐름 확대 공간을 형성한 구조의 각 실시예를 나타낸 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판으로서, 내부채널 및 랜드부의 폭 및 단면 형상을 가변시키는 원리를 나타낸 전류밀도 분포도이고, 도 5는 도 4의 단면 A 및 단면 C에서의 전류밀도를 비교한 그래프이다.
병류 흐름 상태에서 분리판의 내부채널 입구 즉, 공기 입구(도 4의 단면 A 부분)에서 측정된 전류밀도(도 5(a)의 파란색 라인) 분포를 보면, 분리판의 랜드부에서 전류밀도가 높게 나타나고, 내부채널에서는 전류밀도가 낮게 나타남을 알 수 있다.
마찬가지로, 향류 흐름 상태에서도 분리판의 공기 입구에서 측정된 전류밀도 분포를 보면, 분리판의 랜드부에서 전류밀도가 높게 나타나고, 내부채널에서는 전류밀도가 낮은 나타난다.
또한, 병류 흐름 상태에서 분리판의 내부채널 출구 즉, 공기 출구(도 4의 단면 C 부분)에서 측정된 전류밀도(도 5(b)의 파란색 라인) 분포를 보면, 분리판의 랜드부에서 전류밀도가 감소하고, 내부채널에서는 전류밀도가 높게 나타남을 알 수 있다.
마찬가지로, 향류 흐름 상태에서도 분리판의 공기 출구에서 측정된 전류밀도 분포를 보면, 분리판의 랜드부에서 전류밀도가 감소하고, 내부채널에서는 전류밀도가 높게 나타난다.
이러한 점을 감안하여, 본 발명은 도 5의 (a)에 화살표로 지시한 바와 같이 공기 입구에서의 출력밀도가 높은 랜드부의 폭 및 단면 형상을 증가시키는 동시에 출력밀도가 낮은 내부채널의 폭 및 단면 형상은 감소시킴으로써, 출력밀도 즉 전류밀도 향상을 도모할 수 있고, 궁극적으로는 연료전지 출력 향상을 기대할 수 있다.
또한, 도 5의 (b)에 화살표로 지시한 바와 같이 공기 출구에서의 출력밀도가 높은 내부채널의 폭 및 단면 형상을 증가시키는 동시에 출력밀도가 낮은 랜드부의 폭 및 단면 형상은 감소시킴으로써, 출력밀도 즉 전류밀도 향상을 더욱 도모할 수 있고, 궁극적으로는 연료전지 출력 향상을 더욱 기대할 수 있다.
이를 위해, 본 발명은 수소와 공기의 유동 방향이 반대이면서 병류 또는 향류 흐름을 허용하는 연료전지용 분리판을 제공하되, 공기 입구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상을 공기 출구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상에 비하여 축소하는 동시에 공기 입구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상을 공기 출구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상에 비하여 확대한 구조의 연료전지 분리판을 제공하고자 한 것이다.
또한, 본 발명은 수소와 공기의 유동 방향이 반대이면서 병류 또는 향류 흐름을 허용하는 연료전지용 분리판을 제공하되, 공기 출구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상을 공기 입구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상에 비하여 확대하는 동시에 공기 출구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상을 공기 입구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상에 비하여 축소시킨 구조의 연료전지용 분리판을 제공하고자 한 것이다.
본 발명의 분리판에 대한 일 실시예로서, 첨부한 도 6에서 보듯이 병류 및 향류 흐름을 갖는 분리판에 있어서, 공기 입구(102)에서 공기 출구(104)까지의 내부채널(100)의 폭 및 단면 형상이 점차 증가되는 확대관 구조로 적용된다.
물론, 상기 내부채널(100)의 폭 및 단면 형상이 점차 증가되는 확대관 구조로 적용됨에 따라 내부채널(100)을 사이에 두고 위치한 랜드부(110)의 폭 및 단면 형상은 공기 입구(102)는 넓게 공기 출구(104)는 좁게 형성된다.
이때, 첨부한 도 6에서 보듯이 상기 랜드부(110)는 기체확산층과 밀착 지지되는 부분이고, 랜드부(110)의 외면 공간은 전술한 바와 같이 냉각수가 흐르는 외부채널로 형성된다.
이에, 공기와 냉각수 유동 방향이 동일한 병류 흐름시, 상기 랜드부(110)의 폭 및 단면 형상이 공기 입구(102)는 넓게 공기 출구(104)는 좁게 형성된다는 의미는 냉각수가 흐르는 외부채널의 폭 및 단면 형상도 공기 입구(102)쪽은 넓게 공기 출구(104)쪽은 좁게 형성된다는 의미를 나타내고, 또한 공기와 냉각수 유동 방향이 반대인 향류 흐름시에도 랜드부(110)의 폭 및 단면 형상이 공기 입구(102)쪽은 넓게 공기 출구(104)쪽은 좁게 형성됨에 따라 냉각수가 흐르는 외부채널의 폭 및 단면 형상도 공기 입구(102)쪽은 넓게 공기 출구(104)쪽은 좁게 형성될 수 밖에 없다.
본 발명의 분리판에 대한 다른 실시예로서, 도 7에서 보듯이 상기 내부채널(100)의 전체 길이 구간 중, 중간 지점에 공기 입구(102)에서 공기 출구(104)쪽으로 확대되며 경사진 확대관(106)이 형성되어, 공기 입구(102)에서 확대관(106)까지의 폭 및 단면 형상이 확대관(106)에서 공기 출구(104)까지의 폭 및 단면 형상에 비하여 더 작게 형성된 구조로 채택된다.
본 발명의 분리판에 대한 또 다른 실시예로서, 도 8에서 보듯이 상기 내부채널(100)의 전체 길이 구간 중, 중간 지점에 공기 입구(102)에서 공기 출구(104)쪽으로 확대되는 단차부(108)가 형성되어, 공기 입구(102)에서 단차부(108)까지의 폭 및 단면 형상이 단차부(108)에서 공기 출구(104)까지의 폭 및 단면 형상에 비하여 더 작게 형성된다.
이와 같은 각 실시예의 분리판은 공기 입구(102)에서의 출력밀도가 높은 랜드부(110)의 폭 및 단면 형상이 증가되는 동시에 출력밀도가 낮은 내부채널(100)의 폭 및 단면 형상은 감소된 구조로 적용됨으로써, 도 5의 (a)에 화살표로 지시한 바와 같이 출력밀도 즉 전류밀도 향상을 도모할 수 있고, 궁극적으로는 연료전지 출력 향상을 기대할 수 있다.
또한, 위의 각 실시예의 분리판은 공기 출구(104)에서의 출력밀도가 높은 내부채널(100)의 폭 및 단면 형상이 증가되는 동시에 출력밀도가 낮은 랜드부(110)의 폭 및 단면 형상은 감소된 구조로 적용됨으로서, 도 5의 (b)에 화살표로 지시한 바와 같이 출력밀도 즉 전류밀도 향상을 더욱 도모할 수 있고, 궁극적으로는 연료전지 출력 향상을 더욱 기대할 수 있다.
한편, 공기가 흐르는 내부채널외에 수소가 흐르는 내부채널도 그 유동(흐름) 방향을 따라 폭과 단면적이 감소된 구조로 적용함으로써, 수소 유속 증가와 관성력 증가를 유도할 수 있으므로, 수소 내부채널내의 물 배출 성능을 향상시킬 수 있다.
다시 말해서, 수소 내부채널에서의 물 배출 성능에 있어서 수소 밀도가 공기에 비해 매우 작아서 수소 내부채널내의 물 배출력이 공기 내부채널에 비하여 약 1/10 수준으로 약하기 때문에 수소 유속 증가와 관성력 증가로 인하여 수소 내부채널내의 물 배출력을 향상시켜 플러딩 문제를 해소하는데 일조할 수 있다.
여기서, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 수소와 공기의 유동 방향이 반대이면서 병류 또는 향류 흐름을 허용하는 연료전지용 분리판을 제공하되, 공기 출구에서는 내부채널의 전류밀도가 랜드부에 비하여 높게 나타나는 점을 감안하여, 공기 출구에서의 랜드부에 공기 흐름량 증대 공간이 형성된 분리판을 제공한다.
이를 위해, 첨부한 도 9 내지 도 13에 도시된 바와 같이 분리판의 공기 출구(104)에서의 랜드부(110)에 공기 흐름량 증대 공간(120)이 형성된다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 공기 흐름량 증대 공간(120)은 공기 출구(104)에서의 랜드부(110)에 형성되며, 내부채널(100) 간을 연결하는 관통 유로(122) 형태로 형성된다.
이때, 상기 관통 유로(122)는 도 9에서 보듯이 서로 이웃하는 랜드부(110)에 각각 길이방향을 따라 평행한 배열을 이루는 직각 단면홈 형상으로 형성되거나, 도 10에서 보듯이 서로 이웃하는 랜드부(110)에 각각 길이방향을 따라 지그재그 배열을 이루는 직각 단면홈 형상으로 형성된다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 상기 공기 흐름량 증대 공간(120)은 도 12에서 보듯이 서로 이웃하는 랜드부(110) 측면에 다수의 직각 단면홈을 길이방향을 따라 등간격으로 가공하여서 형성될 수 있고, 도 13에서 보듯이 서로 이웃하는 랜드부(110) 측면에 다수의 물결 모양 곡선홈을 길이방향을 따라 등간격으로 가공하여서 형성될 수 있다.
이러한 각 공기 흐름량 증대 공간(120)은 공기 출구(104)에서의 랜드부(110) 하단 영역의 가스(공기) 농도를 증대시키는 역할을 하게 된다.
다시 말해서, 상기 각 공기 흐름량 증대 공간(120)은 공기 출구(104)에서의 내부채널(100) 면적을 확대시키는 기능을 하는 동시에 가스(공기) 흐름량 증대 및 농도 증대를 위한 수용공간으로 활용된다.
이에, 상기 공기 흐름량 증대 공간(120)내로 흐르는 공기가 기체확산층을 통해 촉매층(공기극)으로 더 들어가 전기 생성 반응을 하게 되므로, 공기 출구에서의 전류밀도 향상을 도모할 수 있다.
따라서, 수소와 공기의 유동 방향이 반대이면서 병류 또는 향류 흐름을 허용하는 기존 분리판에 있어서, 공기 출구에서는 내부채널의 전류밀도가 랜드부에 비하여 높게 나타나는 점을 비추어볼 때, 위와 같이 공기 출구(104)에서의 내부채널(100)의 면적이 공기 흐름량 증대 공간(120)에 의하여 확대됨에 따라, 공기 흐름량 증대 공간(120)으로 가스(공기) 흐름량 증대 및 농도 증대를 유도할 수 있으므로, 공기 출구에서의 내부채널의 전류밀도 향상을 더욱 도모할 수 있고, 결국 연료전지 출력 향상을 실현할 수 있다.
한편, 공기가 흐르는 내부채널(110)의 출구, 즉 공기 출구(104)쪽에 응축수가 누적될 경우, 첨부한 도 11에서 보듯이 응축수가 중력에 의하여 공기 흐름량 증대 공간(120, 예, 관통 유로)를 통해 이웃하는 다른 내부채널(110)로 이동하여 분산되는 것을 유도할 수 있어, 이에 특정 내부채널내에 응축수가 누적되어 공기 흐름을 방해하는 것을 방지할 수 있다.
100 : 내부채널
102 : 공기 입구
104 : 공기 출구
106 : 확대관
108 : 단차부
110 : 랜드부
120 : 공기 흐름량 증대 공간
122 : 관통 유로

Claims (10)

  1. 수소 또는 공기가 흐르는 채널로서 기체확산층과 접촉하는 랜드부와 랜드부 사이의 내부채널과, 냉각수가 흐르는 채널로서 랜드부의 외면 공간인 외부채널을 포함하고, 상기 내부채널을 따라 흐르는 수소와 공기는 항상 반대 방향으로 흐르는 동시에 상기 외부채널을 따라 냉각수가 흐를 때, 공기와 냉각수 유동 방향이 동일한 병류 흐름 또는 공기와 냉각수 유동 방향이 반대인 향류 흐름을 허용하는 연료전지용 분리판에 있어서,
    공기 입구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상을 공기 출구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상에 비하여 축소하는 동시에 공기 입구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상을 공기 출구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상에 비하여 확대하거나,
    공기 출구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상을 공기 입구에서의 내부채널 폭 및 단면 형상에 비하여 확대하는 동시에 공기 출구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상을 공기 입구에서의 랜드부 폭 및 단면 형상에 비하여 축소시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 입구에서 공기 출구까지의 내부채널의 폭 및 단면 형상이 점차 증가되는 확대관 구조로 적용된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부채널의 전체 길이 구간 중, 중간 지점에 공기입구에서 출구쪽으로 확대되며 경사진 확대관이 형성되어, 공기 입구에서 확대관까지의 폭 및 단면 형상이 확대관에서 공기 출구까지의 폭 및 단면 형상에 비하여 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부채널의 전체 길이 구간 중, 중간 지점에 공기입구에서 출구쪽으로 확대되는 단차부가 형성되어, 공기 입구에서 단차부까지의 폭 및 단면 형상이 단차부에서 공기 출구까지의 폭 및 단면 형상에 비하여 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
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