KR101806688B1 - 연료전지의 비균등 냉각 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응기체가 흐르는 채널의 외면에 비균등 폭을 갖는 냉각수 이동통로를 형성하여, 연료전지의 내구성 향상 및 성능 향상을 도모할 수 있도록 한 연료전지의 비균등 냉각 분리판에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 채널 내를 흐르는 반응기체와 수직인 방향으로 냉각수가 흐르는 통로로서 채널 외면에서 채널 내측으로 볼록하게 돌출되는 형상을 갖는 다수의 냉각수 이동통로를 형성하되, 채널의 전체 길이 구간 중 선택된 구간마다 비균등한 폭으로 형성하여, 냉각수가 비균등한 폭을 갖는 각 냉각수 이동통로들을 통과할 때마다 냉각수의 압력 손실 변화 및 유량 및 압력 손실 변화를 유도할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지의 비균등 냉각 분리판을 제공한다.

Description

연료전지의 비균등 냉각 분리판{Separator for fuel cell}

본 발명은 연료전지의 비균등 냉각 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응기체가 흐르는 채널의 외면에 비균등 폭을 갖는 냉각수 이동통로를 형성하여, 연료전지의 내구성 향상 및 성능 향상을 도모할 수 있도록 한 연료전지의 비균등 냉각 분리판에 관한 것이다.

통상적으로, 연료전지는 요구되는 출력 수준을 충족하기 위해 셀들을 적층하여 조립한 스택 형태로 사용하는데, 차량에 탑재되는 연료전지의 경우에도 높은 출력이 요구됨에 따라 수백 개의 셀들을 스택 형태로 적층하여 그 요건을 충족시키고 있다.

연료전지 스택의 단위 셀 구성에서 가장 안쪽에는 전극막 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)가 위치하는 바, 이 전극막 접합체는 수소 양이온(proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 전해질막의 양면에 촉매를 도포하여 구성되는 촉매전극, 즉 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 구성된다.

또한, 상기 전극막 접합체의 바깥 부분, 즉 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥 부분에는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 기체 누출을 방지하는 가스켓(gasket) 등이 적층되고, 기체확산층의 바깥쪽에는 반응기체 및 냉각수, 반응에 의해 생성된 물이 흐르는 채널을 갖는 분리판이 접합된다.

이러한 구성에서 연료전지의 애노드에서는 연료인 수소의 산화반응이 진행되어 수소 이온(proton)과 전자(electron)가 발생하고, 이때 생성된 수소 이온과 전자가 각각 전해질막과 분리판을 통해 캐소드로 이동하게 된다.

이에, 상기 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소 이온과 전자, 공기 중 산소가 참여하는 전기화학 반응을 통해 물을 생성하게 되고, 이 전기화학 반응 과정에서 물과 더불어 열이 발생하게 된다. 또한, 전자의 흐름으로부터 전기에너지가 만들어지게 된다.

한편, 상기 분리판은 연료전지 스택 내에서 단위 셀을 분리하는 동시에 셀 간의 전류 통로가 되는 부분(발생한 전기를 전달하는 부분)이고, 또한 분리판에 형성된 유로는 반응기체를 기체확산층에 전달하기 위한 통로, 냉각수를 통과시키기 위한 통로, 전기화학 반응에 의해 생성되어 기체확산층을 통해 배출되는 물을 외부로 배출하기 위한 통로가 된다.

이러한 분리판으로 흑연계 소재로 제작되는 흑연계 분리판과, 스테인리스강 등의 금속 소재로 제작되는 금속계 분리판 등이 사용될 수 있는데, 가공성 및 양산성 등을 고려하여 흑연계 분리판을 금속계 분리판으로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

흑연계 분리판은 기계가공을 필요로 하며, 기계가공을 할 경우 복잡한 형상을 구현할 수 있지만 가격이 상승하고 분리판의 두께를 얇게 만들기 어렵기 때문에 양산성이 떨어져 근래에는 흑연계 분리판을 많이 사용하지 않는다.

반면, 금형을 이용한 프레스 성형을 통하여 가공되는 금속계 분리판은 복잡한 형상의 구현이 어렵지만 얇은 판재를 사용하므로 분리판의 두께 및 무게, 그리고 단위 셀의 부피를 크게 줄일 수 있고, 무엇보다 대량 생산이 가능하므로 많은 연료전지 제작 업체에서 사용하고 있다.

보통 프레스 성형을 통해 금속 판재에 양각/음각의 형상을 만들어 분리판을 제작한 뒤, 두 장의 분리판을 결합하여 분리판이 서로 맞닿아 있는 채널 공간에 냉각수가 흐르도록 하고, 양쪽에 기체확산층을 배치하여 기체확산층과 마주보는 채널 공간에 각각 반응기체로서 수소와 산소를 흐르도록 한다.

첨부한 도 1은 통상의 연료전지용 분리판을 나타내고, 도 2는 분리판이 연료전지 스택에 적층된 상태를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 상기 분리판(10)은 일반적으로 직사각형 모양으로 이루어지며, 공기, 수소, 냉각수의 유로가 형성된 유로부(채널)(11)를 제외한 분리판 양단부에 공기, 수소, 냉각수의 3 종류 유체가 들어가고 나갈 수 있는 매니폴드, 즉 입구 매니폴드(캐소드/애노드/냉각수)(12,14,16)와 출구 매니폴드(캐소드/애노드/냉각수)(13,15,17)가 형성된다.

상기 캐소드, 애노드측의 입구 매니폴드(12,14)로는 연료전지가 작동할 수 있도록 가습된 공기와 수소가 스택의 외부공급원으로부터 공급되고, 캐소드, 애노드측의 출구 매니폴드(13,15)를 통해서는 공급된 기체에 셀 내부에서 생성된 물이 더해져서 기체 또는 액체 상태의 물이 함께 스택의 외부로 배출된다.

그리고, 상기 입구 매니폴드(12,14,16)로 공급된 반응기체(공기,수소)와 냉각수가 각 셀의 유로(캐소드/애노드/냉각수 채널)로 분배되어 반응 및 냉각을 한 뒤 출구 매니폴드(13,15,17)에서 합쳐져 스택 외부로 배출된다.

도 2에서, 도면부호 21은 촉매층(촉매전극, 즉 캐소드 및 애노드)을 포함하는 전극막 접합체를 지시한다.

또한, 분리판(10)에서 기체확산층(22)과 맞닿아 있는 부분이 랜드부(10-1)이고, 분리판과 분리판이 맞닿아 있는 부분이 채널부(10b)이다.

또한, 상기 채널부(10-2)가 형성하는 유로로서, 반응기체가 흐르는 채널, 즉 공기(산소)가 흐르는 캐소드 채널(공기 채널)(11a) 및 수소가 흐르는 애노드 채널(수소 채널)(11b)을 포함하고, 랜드부(10a)가 형성하는 유로는 냉각수가 흐르는 냉각수 채널(11c)이 된다.

이렇게 분리판 유로는 캐소드 채널(11a)과 애노드 채널(11b), 냉각수 채널(11c)로 구분되는데, 공기와 수소, 냉각수가 흐르는 방향은 서로 평행한 방향으로 이루어져 있고, 이는 금속 소재를 프레스 가공하여 제작하는 분리판에서 그 자체 형상의 한계로 인하여 설계에 많은 제약 사항이 되고 있다.

또한, 금속계 분리판은 복잡한 형상의 구현이 어렵기 때문에 여러 형태의 유로를 설계하고 있지만 기본적인 채널 형상과 유로 패턴은 거의 유사한 형태를 가진다.

그러나, 종래의 분리판에서는 공기 및 수소와 같은 반응기체가, 전기화학 반응이 나타나는 촉매층으로의 물질전달이 이루어지는 방향과 직각방향으로 흐르기 때문에, 채널(11a,11b)과 전극막 접합체(21)의 촉매층 간의 농도차 및 부분적인 압력차에 의한 확산에 의존하여 촉매층으로의 물질전달이 이루어지는 단점이 존재한다.

즉, 반응기체의 흐름방향과 전기화학 반응이 일어나는 촉매층에서의 물질전달 방향이 직각이므로, 기체확산층(22)을 통한 촉매층까지의 물질전달이 반응기체 유로 채널(11a,11b)의 입출구 압력차, 그리고 채널(11a,11b)과 촉매층 간의 농도차에 의한 확산에 의해서만 이루어지는 것이다.

이는 반응기체를 필요로 하는 부분으로 공급하는 개념에 있어서 수동적인 전달 방식이 되며, 필요한 양을 전달하기 위해서 반응기체를 과급하거나, 또는 채널의 압력을 높이는 방법이 부가적으로 이루어져야 한다.

또한, 이러한 방식으로 인하여 운전 조건이나 특별한 경우에 따라서는 유로 채널의 후단부(출구부)에서 전기화학 반응에 필요한 반응기체 농도를 촉매층으로 전달하지 못하여 출력 손실을 가져올 수 있고, GDL 내에 존재하는 수분을 효과적으로 제거하지 못할 수 있다.

따라서, 촉매층으로의 효과적인 물질전달을 위해서는 기존의 확산뿐만 아니라 유로 채널 내에 대류에 의한 GDL 수직방향으로의 유동을 만들어줄 필요가 있으며, 채널 내 난류 유동을 유도(종래의 경우 채널 내 층류 유동임)하여 반응기체의 공급 및 효과적인 물 제거를 구현할 수 있는 분리판 설계가 필요하다.

상기한 목적을 위해 제안된 대표적인 분리판 설계로는 인터-디지테이티드(Inter-digitated) 채널, 다공체 분리판 등을 예시로 들 수 있지만, 이 역시 각자의 단점이 있다.

인터-디지테이티드 채널은 입구와 출구가 각각 별도로 존재하여 채널 사이의 GDL을 통한 반응기체의 크로스-오버(cross-over)를 이용하지만, 이로 인해 과도한 압력 상승이 발생할 수 있고, 운전 효율 측면에서 불리한 단점을 가진다.

또한, 다공체 분리판의 경우 반응면적 내에 난류 유동을 강제적으로 만들어 GDL로의 반응기체 공급을 원활하게 함으로써 출력 성능을 증가시키지만, 제작이 어려울 뿐만 아니라 부가적인 부재를 필요로 하므로, 무게, 가격, 양산 측면에서 기존의 분리판 대비 불리한 측면들이 존재한다.

본원 출원인은 상기와 같은 점을 감안하여, 반응기체 채널의 일면에 볼록하게 돌출된 형상을 가지는 엠보싱 형상부가 반응기체 흐름 방향인 채널 길이방향을 따라 정해진 간격으로 반복 형성되어, 채널을 따라 이동하는 반응기체의 난류 유동 및 난류 유동에 의한 기체확산층으로의 반응기체 유동이 생성될 수 있고, 두 장의 분리판이 맞닿은 엠보싱부 사이로 냉각수가 흐르도록 하여 분리판의 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 분리판을 특허 출원하여 이미 특허등록(등록번호 10-1534940(2015.07.01)) 받은 바 있다.

그러나, 분리판 전체 영역의 온도 편차가 존재하는 점을 감안하면, 냉각수 유량을 온도 편차별로 분배 제어하는데 어려움이 있고, 그에 따라 분리판의 냉각 효율이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지의 반응면적 내의 온도 균일성을 높이는 동시에 최대온도를 낮추어 연료전지의 내구성 향상 및 성능 향상을 도모할 수 있도록 한 연료전지의 비균등 냉각 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 채널 내를 흐르는 반응기체와 수직인 방향으로 냉각수가 흐르는 통로로서 채널 외면에서 채널 내측으로 볼록하게 돌출되는 형상을 갖는 다수의 냉각수 이동통로를 형성하되, 채널의 전체 길이 구간 중 선택된 구간마다 비균등한 폭으로 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지의 비균등 냉각 분리판을 제공한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 냉각수 이동통로는: 분리판의 공기 입구부 또는 수소 출구부를 나타내는 제1영역과, 분리판의 공기 출구부 또는 수소 입구부을 나타내는 제3영역과, 상기 제1영역과 제3영역 사이의 반응면적인 제2영역별로 서로 다른 비균등한 폭으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1영역 내지 제3영역에 형성되는 냉각수 이동통로 중, 제1영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되고, 제2영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되며, 제3영역의 냉각수 이동통로 폭은 제1영역과 제2영역에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 제1영역 내지 제3영역에 형성되는 냉각수 이동통로 중, 제2영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되고, 제3영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되며, 제1영역의 냉각수 이동통로 폭은 제2영역과 제3영역에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 제1영역 내지 제3영역에 형성되는 냉각수 이동통로 중, 제1영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되고, 제3영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되며, 제2영역의 냉각수 이동통로 폭은 제1영역과 제3영역에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 제1영역 내지 제3영역에 형성되는 냉각수 이동통로 중, 제1영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되고, 제3영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되며, 제2영역의 냉각수 이동통로 폭은 제1영역과 제3영역에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분리판의 공기 입구부 또는 수소 출구부를 나타내는 제1영역과, 분리판의 공기 출구부 또는 수소 입구부을 나타내는 제3영역과, 상기 제1영역과 제3영역 사이의 반응면적인 제2영역에서의 냉각수 이동통로는 냉각수 유동방향인 길이방향을 따라 확대 또는 축소되는 단면적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응기체가 흐르는 채널의 내부는 비균등한 폭을 갖는 냉각수 이동통로의 형성에 따라 반응기체가 흐르는 길이방향을 따라 불규칙한 웨이브 경로를 이루게 되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 분리판의 채널 내를 흐르는 반응기체와 수직인 방향으로 냉각수 이동통로를 형성하되, 원하는 위치마다 폭이 서로 다른 비균등한 폭을 갖는 구조로 형성하여, 냉각수가 각 냉각수 이동통로들을 통과할 때마다 냉각수의 압력 손실 변화 및 유량 손실 변화를 유도할 수 있다.

즉, 냉각수가 비균등한 폭을 갖는 각 냉각수의 이동통로를 흐를 때, 압력 손실이 달라지게 되므로, 분리판의 원하는 영역별로 냉각수 유량 변화를 조절할 수 있다.

둘째, 냉각수 이동통로를 분리판의 영역별로 비균등한 폭 구조로 형성하여, 공기/수소의 입출구 부분과 그 사이의 반응면적(멤브레인 부위)의 냉각 유량을 서로 다르게 조절할 수 있고, 이에 전기를 생성하기 위한 연료전지 반응면적 내에서 반응기체의 전기화학적 반응이나 유동 특성에 따라서 국소적으로 온도가 변화하는 것을 보다 능동적으로 제어할 수 있다.

셋째, 연료전지 반응면적 내에서 국소적으로 온도 제어가 가능하므로, 반응면적 내의 최대 온도를 낮출 수 있으며, 반응면적 내의 최대 온도를 낮춤에 따라 높은 온도로 인한 전해질막(멤브레인)에 핫 스팟(Hot-spot)의 발생을 억제할 수 있고, 그에 따라 전해질막의 이온전도도 및 함수율을 전기 생성을 위한 최적 수준으로 향상시킬 수 있다.

넷째, 연료전지의 고온 저가습 조건에서도 냉각수에 의한 반응면적의 강제적인 온도 감소로 인하여 반응기체의 상대습도를 조절할 수 있고, 또한 플러딩(Flooding) 조건에서도 플러딩(Flooding) 발생 부위의 온도 감소를 최대한 늦추어줌으로써, 가습된 반응기체의 응축을 늦출 수 있다.

도 1은 종래의 연료전지용 분리판을 나타내는 평면도,
도 2는 종래의 분리판이 연료전지 스택에 조립되었을 때, 반응기체가 흐르는 캐소드 채널 및 애노드 채널, 냉각수 채널을 나타내는 셀 단위의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 나타낸 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 전극막 접합체에 적층 조립한 상태를 나타낸 일부 단면 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 전극막 접합체에 적층 조립한 상태를 나타낸 도 4의 A-A선 단면도,
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 냉각수 이동통로에 대한 폭을 영역별로 비균등하게 형성하는 것을 도시한 개념도,
도 9는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 냉각수 이동통로에 대한 폭을 영역별 뿐만 아니라, 냉각수 흐름방향을 따라 비균등하게 형성하는 개념을 도시한 개념도,
도 10은 본 발명에 따른 연료전지 분리판과 기존 분리판을 적용할 때, 전해질막의 반응면적 온도 분포를 측정한 결과의 이미지도,
도 11은 본 발명에 따른 연료전지 분리판과 기존 분리판을 적용할 때, 전해질막의 이온전도도를 측정한 결과의 이미지도,
도 12는 본 발명에 따른 연료전지 분리판과 기존 분리판을 적용할 때, 전해질막의 함수율을 측정한 결과의 이미지도,
도 13은 본 발명에 따른 연료전지 분리판과 기존 분리판을 적용할 때, 냉각수 저항 손실을 측정한 결과의 이미지도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 분리판의 개략적인 평면도를 나타낸다.

도 3에서 보듯이, 본 발명의 분리판은 수소 및 공기를 포함하는 반응기체의 흐름 방향에 대하여 냉각수의 흐름방향을 거의 수직인 방향으로 흐르도록 개선된 것이다.

이를 위해, 수소와 공기가 도입(각 채널로의 분배) 및 배출되는 입/출구 매니폴드(12,13,14,15)가 분리판(10)의 한쪽 변에 위치한다면, 냉각수 입/출구 매니폴드(16,17)는 다른 변에 위치시켜, 냉각수 흐름이 전체적으로 반응기체 흐름과 직각방향으로 이루어질 수 있도록 한다.

도 3을 참조하면, 수소와 공기의 매니폴드(12,13,14,15)를 도면상 분리판(10)의 좌/우측 각 변에 위치시키고, 냉각수의 매니폴드(16,17)를 도면상 상/하측 각 변에 위치시킨 실시예의 구조를 나타내고 있으며, 냉각수 입구 매니폴드(16)와 출구 매니폴드(17)가 반응기체 매니폴드(12,13,14,15)와 직각방향에 위치됨을 볼 수 있다.

이와 같이 직사각형 분리판 형상에서 각 매니폴드를 사방 각 변에 배치하되, 반응기체 매니폴드(12,13,14,15)의 위치를 분리판(10)의 장방향 양단부(단변 위치)에, 냉각수 매니폴드(16,17)의 위치를 단방향 양단부(장변 위치)에 설정하는 것이 가능하다.

물론, 냉각수 매니폴드(16,17)의 위치는 연료전지의 온도 분포나 기타 목적에 의해 변경이 가능하다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 전극막 접합체에 적층 조립한 상태를 나타낸 일부 단면 사시도이고, 도 5는 단면도를 나타낸다.

도 4 및 도 5에서, 도면부호 20은 수소 또는 공기가 흐르는 채널을 지시한다.

상기 채널(20)은 수소 입구측 매니폴드(14)에서 수소 출구측 매니폴드(15) 쪽으로 반응기체인 수소가 통과하는 통로이거나, 공기 입구측 매니폴드(12)에서 공기 출구측 매니폴드(13)쪽으로 반응기체인 공기가 통과하는 통로를 말한다.

본 발명에 따르면, 상기 채널(20)의 외면에 비균등한 폭을 갖는 다수의 냉각수 이동통로(30)가 채널의 길이방향과 수직으로 이루며 형성된다.

좀 더 상세하게는, 상기 냉각수 이동통로(30)는 채널(20) 내를 흐르는 반응기체와 수직인 방향으로 냉각수가 흐르는 통로로서, 채널(20)의 외면에서 채널 내측으로 볼록하게 돌출되는 형상으로 형성되며, 채널의 전체 길이 구간 중 선택된 구간마다 서로 다른 폭 즉, 비균등한 폭으로 형성된다.

이때, 상기 냉각수 이동통로(30)를 형성하기 위하여 채널(20)의 외면에서 채널 내측으로 볼록하게 돌출되는 깊이는 채널(20) 전체 높이의 절반 이하로 조절하는 것이 바람직하며, 그 이유는 채널(20)의 내부를 따라 반응기체가 원활하게 흐를 수 있도록 함에 있다.

이렇게 상기 채널(20)의 외부에 비균등한 폭을 갖는 냉각수 이동통로(30)를 형성함에 따라, 첨부한 도 5에서 보듯이 반응기체가 흐르는 채널(20)의 내부공간은 그 길이방향을 따라 불규칙한 웨이브(wave) 경로를 이루게 된다.

상기 채널(20)의 내부공간이 그 길이방향을 따라 불규칙한 웨이브 경로를 이루게 됨에 따라, 반응기체의 난류 유동을 유도할 수 있고, 그에 따라 기체확산층 방향으로 반응기체의 유속이 발생하여 기존의 확산에 의존하던 직선형 채널에 비하여 추가적인 대류 물질전달 효과를 기대할 수 있고, 채널 내 압력 변동 또한 발생하여 기체확산층에 존재하는 물 배출 효과를 크게 얻을 수 있다.

또한, 상기 채널(20)의 내부공간이 그 길이방향을 따라 불규칙한 웨이브 경로를 이루게 됨에 따라, 기존 직선형 채널에 비하여 채널(20)의 전체 구간내에서 반응기체의 농도가 증가하여, 채널의 입출구에서의 반응기체 농도 편차 감소를 기대할 수 있고, 이를 통하여 촉매층 내의 반응기체 농도가 올라가서 연료전지의 출력 성능 향상을 도모할 수 있다.

상기와 같이 냉각수 이동통로(30)는 채널(20) 내를 흐르는 반응기체와 수직인 방향으로 냉각수가 흐르는 통로로서, 채널(20)의 외면에서 채널 내측으로 볼록하게 돌출되는 형상으로 형성되며, 채널의 전체 길이 구간 중 선택된 구간마다 서로 다른 폭 즉, 비균등한 폭으로 형성된다.

바람직하게는, 상기 냉각수 이동통로(30)들은 연료전지의 반응면적 내의 최대온도를 낮추는 동시에 반응면적의 온도 균일화를 실현할 수 있는 배열을 이루면서 비균등한 폭으로 형성된다.

이에, 상기 냉각수 입구측 매니폴드(16)에서 출구측 매니폴드(17)를 향하여 냉각수가 흐를 때, 비균등한 폭을 갖는 각 냉각수 이동통로(30)들을 통과하게 되고, 각 냉각수 이동통로(30)를 통과할 때마다 냉각수의 압력 손실 변화 및 유량 변화를 다르게 유도할 수 있다.

즉, 냉각수가 비균등한 폭을 갖는 각 냉각수의 이동통로(30)를 흐를 때, 압력 손실이 달라지게 되므로, 분리판의 원하는 영역별로 냉각수 유량 변화를 조절할 수 있다.

이와 같이, 상기 냉각수 이동통로(30)를 분리판의 영역별로 비균등한 폭 구조로 형성하여, 공기/수소의 입출구 부분과 그 사이의 반응면적(멤브레인 부위)의 냉각 유량을 서로 다르게 조절할 수 있고, 이에 전기를 생성하기 위한 연료전지 반응면적 내에서 반응기체의 전기화학적 반응이나 유동 특성에 따라서 국소적으로 온도가 변화하는 것을 보다 능동적으로 제어할 수 있다.

여기서, 본 발명의 분리판에 적용되는 냉각수 이동통로에 대한 구체적인 실시예를 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 냉각수 이동통로에 대한 폭을 영역별로 비균등하게 형성하는 것을 도시한 개념도이다.

도 6 내지 도 8에서, 가장 큰 화살표/중간 크기 화살표/가장 작은 화살표는 각각 서로 다른 폭을 갖는 냉각수 이동통로를 지시하는 동시에 냉각수 유량을 표시한 것이다.

즉, 가장 큰 화살표는 가장 넓은 폭의 냉각수 이동통로를 지시하는 동시에 가장 많은 냉각수 유량을 나타내고, 가장 작은 화살표는 가장 작은 폭의 냉각수 이동통로를 지시하는 동시에 가장 작은 냉각수 유량을 나타내며, 중간 크기 화살표는 중간 폭의 냉각수 이동통로를 지시하는 동시에 중간 량 정도의 냉각수 유량을 나타낸다.

도 6 내지 도 8에서 화살표로 지시된 냉각수 이동통로는 분리판(10)의 공기 입구부 또는 수소 출구부를 나타내는 제1영역(10a)과, 분리판(10)의 공기 출구부 또는 수소 입구부을 나타내는 제3영역(10c)과, 상기 제1영역(10a)과 제3영역(10c) 사이의 반응면적인 제2영역(10b)별로 서로 다른 폭 즉, 비균등한 폭으로 형성된다.

본 발명의 제1실시예로서, 도 6에서 보듯이 제1영역(10a)의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되고, 제3영역(10c)의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되며, 제2영역(10b)의 냉각수 이동통로 폭은 제1영역(10a)과 제3영역(10c)에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성된다.

본 발명의 제2실시예로서, 미도시되었지만 제1영역(10a)의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되고, 제2영역(10b)의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되며, 제3영역(10c)의 냉각수 이동통로 폭은 제1영역(10a)과 제2영역(10b)에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 비균등 냉각 분리판.

본 발명의 제3실시예로서, 도 7에서 보듯이 상기 제2영역(10b)의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되고, 제3영역(10c)의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되며, 제1영역(10a)의 냉각수 이동통로 폭은 제2영역(10b)과 제3영역(10c)에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성된다.

본 발명의 제4실시예로서, 도 8에서 보듯이 제1영역(10a)의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되고, 제3영역(10c)의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되며, 제2영역(10b)의 냉각수 이동통로 폭은 제1영역(10a)과 제3영역(10c)에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성된다.

이와 같은 본 발명의 제1 내지 제4실시예에 따르면, 분리판을 3개의 영역으로 나누고, 나누어진 영역별로 냉각수 이동통로의 폭을 서로 다른 즉, 비균등한 폭으로 적용함으로써, 각 냉각수 이동통로(30)마다 냉각수의 압력 손실 변화 및 유량 변화를 다르게 유도할 수 있다.

즉, 냉각수가 비균등한 폭을 갖는 각 냉각수 이동통로(30)를 흐를 때, 압력 손실이 달라지게 되므로, 분리판의 원하는 영역별로 냉각수 유량 변화를 조절할 수 있고, 이에 전기를 생성하기 위한 연료전지 반응면적 내에서 반응기체의 전기화학적 반응이나 유동 특성에 따라서 국소적으로 온도가 변화하는 것을 보다 능동적으로 제어할 수 있다.

또한, 연료전지의 주요 운전조건이 결정되고, 그에 따른 문제점이 예상되면 냉각수 이동통로의 폭 설계를 상기한 제1 내지 제4실시예 이외에 또 다른 배열을 갖는 비균등한 폭 구조로 다시 적용하여 냉각 유량을 재조절할 수 있고, 그에 따라 연료전지의 드라이(Dry) 혹은 플러딩(Flooding)을 방지할 수 있는 분리판 설계가 가능하다.

본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 9를 참조하면 상기 분리판(10)의 공기 입구부 또는 수소 출구부를 나타내는 제1영역(10a)과, 분리판(10)의 공기 출구부 또는 수소 입구부을 나타내는 제3영역(10c)과, 상기 제1영역(10a)과 제3영역(10c) 사이의 반응면적인 제2영역(10b)에서의 냉각수 이동통로는 그 길이방향을 따라 확대 또는 축소되는 단면적으로 형성된다.

예를 들어, 도 9의 (a) 도면에서 가장 좌측쪽에 화살표로 지시된 바와 같이, 냉각수 이동통로를 냉각수 입구에서 출구쪽까지 점차 축소되는 단면적 구조로 적용할 수 있거나, 도 9의 (c) 도면에서 중간쪽에 화살표로 지시된 바와 같이 냉각수 이동통로를 냉각수 입구에서 출구쪽까지 점차 확대되는 단면적 구조로 적용할 수 있다.

이에, 냉각수가 냉각수 입구에서 출구쪽으로 흐를 때, 냉각 유량의 변화를 유도할 수 있다.

좀 더 상세하게는, 상기 냉각수 이동통로의 폭을 조절하여 적용하는 것 외에 연료전지의 반응면적 및 냉각수의 유량, 운전조건 등에 의하여 최적의 냉각 분배 방식을 택할 수 있도록 각 영역별로 냉각수 이동통로의 폭을 그 길이방향을 따라 확대 또는 축소시키는 구조로 적용함으로써, 냉각수의 유동 방향에 따른 냉각 유량도 조절이 가능하고, 이를 통해서 반응면적의 위쪽 및 아래쪽 부위의 온도편차를 감소할 수 있으며, 특정 부위의 국소 온도 조절도 가능하다.

여기서, 상기한 본 발명의 각 실시예에 대한 시험예를 살펴보면 다음과 같다.

분리판을 3개의 영역으로 나누고, 나누어진 영역별로 냉각수 이동통로의 폭을 서로 다른 즉, 비균등한 폭으로 적용시킨 상기한 제1 내지 제4실시예에 대하여 유동해석 시험 방법(CFD, Computational Fluid Dynamics)를 이용한 성능해석 시험을 실시하였다.

각 실시예에 따른 냉각수 이동통로의 폭은 채널의 폭 대비하여 0.8/1.2배로 적용하여, 평균 유량 대비 ±20% 이내에서 비균등 냉각을 실시하였다.

이때, 평균 유량 대비 ±20% 이내를 유지하는 이유는 ±20% 를 벗어나면 반응면적 내의 냉각수 최소 유량이 반응열을 충분히 냉각시킬 수 있는 냉각량이 안되고, 그에 따라 냉각수의 유량을 증가시켜서 이를 보상해 주어야 하는 등 추가적인 펌핑 손실(Pumping Loss)를 유발하여 전체 성능 증가에 영향을 주기 때문이다.

물론, 냉각수 이동통로의 폭 조절은 평균 유량 대비 ±20% 이내에 국한되지 않고, 반응면적의 크기나 냉각수의 유량, 운전조건에 따라서 달라질 수 있다.

제1시험예

비교예로서, 냉각수 이동통로가 분리판의 전체영역에 걸쳐 균등한 간격의 엠보싱 구조로 형성된 것을 채택하였다.

각 실시예 및 비교예에 따른 냉각수 이동통로에 냉각수를 공급한 후, 전해질막(멤브레인)의 온도를 유동해석 시험 방법(CFD)을 이용하여 측정하였는 바, 그 결과는 도 10에 도시된 바와 같다.

도 10에서 보듯이, 상기한 제2실시예의 냉각수 이동통로가 전해질막 내의 최대온도를 비교예 대비 약 1.3℃ 감소시키는 것으로 나타났다.

즉, 상기한 제2실시예에서 설명한 바와 같이, 제1영역(10a)의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되고, 제2영역(10b)의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되며, 제3영역(10c)의 냉각수 이동통로 폭은 제1영역(10a)과 제2영역(10b)에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성된 경우, 비교예 대비 약 1.3℃ 감소시키는 것으로 나타났다.

이에, 전해질막(멤브레인) 내의 최대온도를 감소할 수 있고, 균일한 온도분포를 유지할 수 있어 멤브레인 양측의 촉매층에 대한 내구 향상을 도모할 수 있다.

제2시험예

전해질막의 이온전도도, 함수율, 저항 손실을 유동해석 시험 방법(CFD)을 이용하여 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 11 내지 12의 그래프에서 보는 바와 같다.

도 11에서 보듯이, 상기한 제2실시예, 제3실시예, 제4실시예의 경우, 비교예 및 다른 실시예에 비하여 전해질막의 이온 전도도가 더 우수함을 알 수 있었다.

도 12에서 보듯이, 상기한 제2실시예, 제3실시예, 제4실시예의 경우, 비교예 및 다른 실시예에 비하여 전해질막의 함수율이 더 우수함을 알 수 있었다.

도 13에서 보듯이, 상기한 제2실시예, 제3실시예, 제4실시예의 경우, 비교예 및 다른 실시예에 비하여 전해질막의 저항 손실이 더 감소함을 알 수 있었다.

이와 같이, 제2시험예에 따른 해석 결과에서 보듯이, 전해질막의 이온전도도, 저항손실, 함수율(water contents), 전압 등에 대한 지표를 보고 판단할 때, 공기입구부(수소출구부)의 냉각 유량이 상대적으로 많을 때 성능이 증가하는 것으로 판단되며, 이는 수소 출구부의 물이 전해질막을 거쳐서 수분이 전달되어, 공기입구부의 건조한 공기에 가습을 증가시키는 효과 때문으로 판단된다.

10 : 분리판
10a : 제1영역
10b : 제2영역
10c : 제영역
10-1 : 랜드부
10-2 : 채널부
11a : 캐소드 채널
11b : 애노드 채널
11c : 냉각수 채널
12 : 캐소드 입구 매니폴드
13 : 캐소드 출구 매니폴드
14 : 애노드 입구 매니폴드
15 : 애노드 출구 매니폴드
16 : 냉각수 입구 매니폴드
17 : 냉각수 출구 매니폴드
20 : 채널
21 : 전극막 접합체
22 : 기체확산층
30 : 냉각수 이동통로

Claims (8)

1. 채널 내를 흐르는 반응기체와 수직인 방향으로 냉각수가 흐르는 통로로서 채널 외면에서 채널 내측으로 볼록하게 돌출되는 형상을 갖는 다수의 냉각수 이동통로를 형성하되, 채널의 전체 길이 구간 중 선택된 구간마다 비균등한 폭으로 형성하고,
   상기 냉각수 이동통로는:
   분리판의 공기 입구부 또는 수소 출구부를 나타내는 제1영역과;
   분리판의 공기 출구부 또는 수소 입구부을 나타내는 제3영역과;
   상기 제1영역과 제3영역 사이의 반응면적인 제2영역별로 서로 다른 비균등한 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 비균등 냉각 분리판.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1영역 내지 제3영역에 형성되는 냉각수 이동통로 중, 제1영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되고, 제2영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되며, 제3영역의 냉각수 이동통로 폭은 제1영역과 제2영역에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 비균등 냉각 분리판.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1영역 내지 제3영역에 형성되는 냉각수 이동통로 중, 제2영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되고, 제3영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되며, 제1영역의 냉각수 이동통로 폭은 제2영역과 제3영역에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 비균등 냉각 분리판.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1영역 내지 제3영역에 형성되는 냉각수 이동통로 중, 제1영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되고, 제3영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되며, 제2영역의 냉각수 이동통로 폭은 제1영역과 제3영역에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 비균등 냉각 분리판.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1영역 내지 제3영역에 형성되는 냉각수 이동통로 중, 제1영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 작게 형성되고, 제3영역의 냉각수 이동통로 폭이 가장 크게 형성되며, 제2영역의 냉각수 이동통로 폭은 제1영역과 제3영역에 형성된 냉각수 이동통로 폭의 중간 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 비균등 냉각 분리판.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 분리판의 공기 입구부 또는 수소 출구부를 나타내는 제1영역과, 분리판의 공기 출구부 또는 수소 입구부을 나타내는 제3영역과, 상기 제1영역과 제3영역 사이의 반응면적인 제2영역에서의 냉각수 이동통로는 냉각수 유동방향을 따라 확대 또는 축소되는 단면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 비균등 냉각 분리판.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 반응기체가 흐르는 채널의 내부는 비균등한 폭을 갖는 냉각수 이동통로의 형성에 따라 반응기체가 흐르는 길이방향을 따라 불규칙한 웨이브 경로를 이루게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 비균등 냉각 분리판.

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