KR101959460B1 - 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 면 및 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지며, 제1 유체의 유동 공간을 제공하도록 제1 면으로부터 제2 면 측으로 돌출되고, 길이방향을 따라 직선 유로를 갖도록 마련된 복수 개의 제1 채널을 갖는 제1 플레이트; 및 제1 플레이트의 제2 면과 마주보는 제1 면과 제1 면과 반대방향의 제2 면을 가지며, 제2 유체의 유동공간을 제공하도록 제2 면으로부터 제1 면 측으로 돌출된 복수 개의 제2 채널을 갖는 제2 플레이트를 포함하며, 제1 플레이트는, 제 1 플레이트와 제2 플레이트 사이 공간에 제3 유체의 유동공간을 제공하도록, 제2 플레이트의 제1 면과 마주보는 제1 채널의 일면에 마련된 복수 개의 제3 채널을 가지고, 제1 플레이트는, 폭 방향을 따라 인접하는 적어도 2개의 제3 채널들의 중심을 연결한 가상의 제1 선분이 폭 방향에 대하여 경사지도록 마련된 분리판이 제공된다.

Description

분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택{Separator and Fuel cell stack comprising the same}
본 발명은 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택과 연료 전지 스택에 수소를 포함하는 연료를 공급하는 연료 공급부 및 연료 전지 스택의 전기 화학 반응에 필요한 산소를 포함하는 산화제를 공급하는 공기 공급부를 포함할 수 있다. 상기와 같은 구조를 갖는 연료 전지 시스템은 연료와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.
연료 전지 스택은 분리판들이 연속적으로 배열됨으로써 이루어지며, 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 막-전극 어셈블리의 양측에 각각 분리판이 배치될 수 있다.
상기 분리판은 한 쌍의 금속 플레이트를 포함할 수 있으며, 상기 분리판에는 연료 및 공기를 각각 막-전극 어셈블리로 공급하는 수소 유로와 공기 유로 및 냉각매체(예를 들어, 냉각수)를 유동시키기 위한 냉각수 유로가 각각 마련된다. 이때, 냉각수 유로는 냉각매체가 한 쌍의 플레이트 사이 공간으로 유동하도록 마련될 수 있다.
한편, 종래 스탬핑(stamping) 성형 금속 분리판은 냉각수 유로가 수소 유로(애노드 유로)와 공기 유로(캐소드 유로)에 대하여 종속적으로 형성됨에 따라, 설계 제약으로 반응면에 걸쳐 냉각수의 균일한 공급이 어려운 문제를 갖는다. 특히, 반응면에 걸쳐 냉각수를 균일하게 공급하지 못하는 경우, 반응면의 온도 제어가 불균일해지고, 연료전지의 성능 및 내구성이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명은 분리판의 반응영역 전체에 걸쳐 냉각수를 균일하게 공급할 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 반응가스의 확산저항을 감소시킬 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 면 및 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지며, 제1 유체의 유동 공간을 제공하도록 제1 면으로부터 제2 면 측으로 돌출되고, 길이방향을 따라 직선 유로를 갖도록 마련된 복수 개의 제1 채널을 갖는 제1 플레이트; 및 제1 플레이트의 제2 면과 마주보는 제1 면과 제1 면과 반대방향의 제2 면을 가지며, 제2 유체의 유동공간을 제공하도록 제2 면으로부터 제1 면 측으로 돌출되고, 길이방향을 따라 직선 유로를 갖도록 마련된 복수 개의 제2 채널을 갖는 제2 플레이트를 포함하는 분리판이 제공된다.
또한, 제1 플레이트는, 제1 플레이트와 제2 플레이트 사이 공간에 제3 유체의 유동공간을 제공하도록, 제2 플레이트의 제1 면과 마주보는 제1 채널들의 일면에 마련된 복수 개의 제3 채널을 갖는다.
또한, 제2 플레이트는, 제1 플레이트와 제2 플레이트 사이 공간에 제3 유체의 유동공간을 제공하도록, 제1 플레이트의 제2 면과 마주보는 제2 채널들의 일면에 마련된 복수 개의 제4 채널을 갖는다.
또한, 제1 플레이트와 제2 플레이트는, 폭 방향을 따라 인접하는 제3 채널들의 중심을 연결한 가상의 제1 선분과 폭 방향을 따라 인접하는 제4 채널들의 중심을 연결한 가상의 제2 선분이 일부 영역에서 교차하도록 결합된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 면 및 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지며, 제1 유체의 유동 공간을 제공하도록 제1 면으로부터 제2 면 측으로 돌출되고, 길이방향을 따라 직선 유로를 갖도록 마련된 복수 개의 제1 채널을 갖는 제1 플레이트; 및 제1 플레이트의 제2 면과 마주보는 제1 면과 제1 면과 반대방향의 제2 면을 가지며, 제2 유체의 유동공간을 제공하도록 제2 면으로부터 제1 면 측으로 돌출된 복수 개의 제2 채널을 갖는 제2 플레이트를 포함하는 분리판이 제공된다.
또한, 제1 플레이트는, 제 1 플레이트와 제2 플레이트 사이 공간에 제3 유체의 유동공간을 제공하도록, 제2 플레이트의 제1 면과 마주보는 제1 채널의 일면에 마련된 복수 개의 제3 채널을 갖는다.
또한, 제1 플레이트는, 폭 방향을 따라 인접하는 적어도 2개의 제3 채널들의 중심을 연결한 가상의 제1 선분이 폭 방향에 대하여 경사지도록 마련된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 막-전극 어셈블리 및 상기 분리판을 포함하는 연료전지 스택이 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.
분리판을 구성하는 각각의 플레이트(양극 및 음극 분리판)에 직선 유로 상에서 채널의 깊이가 다르게 마련된 단차 구조를 갖는 연료 유로 및 공기 유로가 형성된다. 특히, 애노드/캐소드 측 반응가스 성형 유로 형상 설계시 완전 발달된 층류 유동 특성을 갖는 수평 유로 구간에 높이 단차가 형성된다. 따라서, 반응가스 수평 유로 내에 높낮이가 다른 단차에 의하여 반응가스 유동은 물결(wave-like) 유동과 같은 특성을 갖게 된다. 또한, 속도 경계층 교란에 의한 물질전달계수를 증가시킬 수 있다. 또한, 단차 구간과 인접하는 가스확산층(GDL) 내부 및 전극 내부에 국부적인 대류 유동을 형성할 수 있다. 또한, 반응가스의 확산 저항이 감소하게 되어 반응가스의 전달을 촉진할 수 있고, 응축수의 배출이 용이해진다. 이에 따라, 연료 전지 스택의 성능 및 내구성이 향상된다. 특히, 고 전류 영역에서 발생하는 반응가스 결핍 및 응축수 축적에 의한 성능 저하 개선에 효과적이다.
또한, 반응 영역 전 구간에 걸쳐 균일한 냉각수 공급 및 열 회수가 가능한 냉각수 유로가 형성된다. 따라서, 반응 면의 온도 조정이 용이하고, 열 부하에 의하여 성능 및 내구성이 감소되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판을 구성하는 제1 플레이트의 제1 면을 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 플레이트의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판을 구성하는 제1 플레이트의 제2 면을 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 제1 플레이트의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판을 구성하는 제2 플레이트의 제2 면을 나타내는 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 제2 플레이트의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판을 구성하는 제2 플레이트의 제1 면을 나타내는 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 제2 플레이트의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 결합 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 냉각수 유동을 설명하기 위한 개념도이다.
도 11은 도 10의 도시된 분리판의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택의 개략 단면도이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 분리판을 구성하는 플레이트들의 평면도들이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판을 구성하는 제1 플레이트(100)의 제1 면(101)을 나타내는 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 제1 플레이트(100)의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판을 구성하는 제1 플레이트(100)의 제2 면(102)을 나타내는 평면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 제1 플레이트(100)의 사시도이다.
또한, 도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판을 구성하는 제2 플레이트(200)의 제2 면(201)을 나타내는 평면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 제2 플레이트(200)의 사시도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판을 구성하는 제2 플레이트(200)의 제1 면(202)을 나타내는 평면도이고, 도 8은 도 7에 도시된 제2 플레이트(200)의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 결합 상태를 설명하기 위한 개념도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판(10)의 냉각수 유동을 설명하기 위한 개념도이며, 도 11은 도 10의 도시된 분리판의 단면도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(300)의 개략 단면도이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 시스템은 연료전지 스택(300, 도 12참조)을 포함한다. 또한, 연료전지 스택(300)은 막-전극 어셈블리(20) 및 하나 이상의 분리판(10)을 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리(20)는 전해질막(21)과 가스확산층(22)을 포함할 수 있다. 또한, 전해질막(21)의 양 면에는 애노드 및 캐소드 전극을 형성하기 위한 촉매가 마련될 수 있다.
상기 분리판(10)은 제1 플레이트(100)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 플레이트(100)는 제1 면(101) 및 제1 면(101)의 반대방향의 제2 면(102)을 갖는다. 또한, 제1 플레이트(100)는 제1 유체의 유동 공간을 제공하도록 제1 면(101)으로부터 제2 면(102) 측으로 돌출된 복수 개의 제1 채널(130)을 갖는다. 각각의 제1 채널(130)은 제1 플레이트(100)의 길이방향(도 1의 y축 방향)을 따라 연장된다. 또한, 복수 개의 제1 채널(130)은 각각 제1 플레이트(100)의 길이방향을 따라 직선유로를 갖도록 마련된다.
또한, 제1 플레이트(100)에는 복수 개의 제1 채널(130)과 연결된 공급 매니폴드(110) 및 회수 매니폴드(120)가 마련된다. 또한, 상기 제1 플레이트(100)의 제1 면(101)에는 공급 매니폴드(110)에서 회수 매니폴드(120)를 향하는 방향을 따라 공급 유로(A1)와 분배 유로(B1) 및 직선 유로(C1)가 차례로 마련된다. 이때, 상기 공급 유로(A1)는 상기 공급 매니폴드(110) 측에 마련되고, 상기 직선 유로(C1)는 상기 제1 플레이트(100)의 중앙부에 마련된다.
도 2를 참조하면, 제1 채널(130)은 직선유로(C1)에서 길이방향을 따라 채널 깊이가 달라지도록 마련된다. 구체적으로, 제1 채널(130)은, 제1 깊이를 갖는 제1 영역(140)과 제1 깊이보다 작은 제2 깊이를 갖는 제2 영역(150)을 포함할 수 있다. 또한, 직선유로(C1)에서 제1 플레이트의 길이방향을 따라 제1 영역(140)과 제2 영역(150)이 교대로 마련될 수 있다. 또한, 깊이 차이를 갖는 제1 영역(140)과 제2 영역(150)이 교대로 마련됨에 따라 제1 채널(130)은 직선유로(C1)에서 단차 구조를 갖는다.
제1 영역(140)과 제2 영역(150)의 경계영역에서 제1 채널(130)을 유동하는 제1 유체의 상승 유동 또는 하강 유동이 이루어지도록 마련될 수 있다. 특히, 연료전지 스택(300)에서 상기 제1 플레이트(100)는 제1 면(101)이 막-전극 어셈블리(20)의 일면과 마주보도록 배치된다. 즉, 제1 채널(130)은 제1 면(101), 즉 가스확산층(22) 측으로 개방된다. 또한, 제1 유체의 상승 유동이라 함은 가스확산층(22) 측을 향하여 상승이 이루어지는 유동을 의미한다.
한편, 제1 채널(130)에서 직선유로(C1)의 전체 길이에 대한 제2 영역(150)의 전체 길이의 비율은 평행 유로 구간의 압력 손실 및 평균 유속을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 유체가 연료(수소)인 경우, 제1 채널(130)에서 직선유로의 전체 길이에 대한 제2 영역(150)의 전체 길이의 비율은 70% 미만으로 형성될 수 있다. 이와는 다르게, 제1 유체가 공기(산화제)인 경우, 제1 채널(130)에서 직선유로의 전체 길이에 대한 제2 영역(150)의 전체 길이의 비율은 30% 미만으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 채널(130)은 길이방향을 따라 폭이 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 제1 플레이트(100)의 폭 방향(x축 방향)을 따라 인접하는 제1 채널(130)들의 제2 영역(150)들의 중심을 연결한 가상의 선분(L1)은 제1 플레이트(100)의 폭 방향에 대하여 경사지도록 마련될 수 있다. 또한, 제1 플레이트(100)의 폭 방향을 따라 인접하는 제1 채널(130)들의 제2 영역(150)들의 중심을 연결한 가상의 선분(L1)은 제1 플레이트(100)의 폭 방향과 평행하게 마련될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 플레이트(100)의 폭 방향(x축 방향)을 따라 인접하는 적어도 2개의 제1 채널(130)들의 제2 영역(150)들의 중심을 연결한 가상의 선분(L1)은, 제1 플레이트(100)의 폭 방향에 대하여 경사지도록 마련될 수도 있고, 폭 방향과 평행하게 마련될 수 있다.
한편, 분리판(10)은 제2 플레이트(200)를 포함한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제2 플레이트(200)는 제1 플레이트(100)의 제2 면(102)과 마주보는 제1 면(202) 및 제1 면(202)의 반대방향의 제2 면(201)을 갖는다. 또한, 제2 플레이트(200)는 제2 유체의 유동 공간을 제공하도록 제2 면(201)으로부터 제1 면(202) 측으로 돌출된 복수 개의 제2 채널(230)을 갖는다. 각각의 제2 채널(230)은 제2 플레이트(200)의 길이방향(제1 플레이트의 길이방향과 동일)을 따라 연장된다. 또한, 복수 개의 제2 채널(230)은 각각 제2 플레이트(200)의 길이방향을 따라 직선유로를 갖도록 마련된다.
또한, 제2 플레이트(200)에는 복수 개의 제2 채널(230)과 연결된 공급 매니폴드(210) 및 회수 매니폴드(220)가 마련된다. 또한, 상기 제2 플레이트(200)의 제2 면(201)에는 공급 매니폴드(210)에서 회수 매니폴드(220)를 향하는 방향을 따라 공급 유로(A2)와 분배 유로(B2) 및 직선 유로(C2)가 차례로 마련된다. 이때, 상기 공급 유로(A2)는 상기 공급 매니폴드(210) 측에 마련되고, 상기 직선 유로(C2)는 상기 제2 플레이트(200)의 중앙부에 마련된다.
도 6을 참조하면, 제2 채널(230)은 직선유로(C2)에서 길이방향을 따라 채널 깊이가 달라지도록 마련된다. 구체적으로, 제2 채널(230)은, 제1 깊이를 갖는 제1 영역(240)과 제1 깊이보다 작은 제2 깊이를 갖는 제2 영역(250)을 포함할 수 있다. 또한, 직선유로(C2)에서 제2 플레이트의 길이방향을 따라 제1 영역(240)과 제2 영역(250)이 교대로 마련될 수 있다. 또한, 깊이 차이를 갖는 제1 영역(240)과 제2 영역(250)이 교대로 마련됨에 따라 제2 채널(230)은 직선유로(C2)에서 단차 구조를 갖는다.
제1 영역(240)과 제2 영역(250)의 경계영역에서 제2 채널(230)을 유동하는 제2 유체의 상승 유동 또는 하강 유동이 이루어지도록 마련될 수 있다. 특히, 연료전지 스택(300)에서 상기 제2 플레이트(200)는 제2 면(201)이 막-전극 어셈블리(20)의 일면과 마주보도록 배치된다. 즉, 제2 채널(230)은 제2 면(101), 즉 가스확산층(22) 측으로 개방된다. 또한, 제2 유체의 상승 유동이라 함은 가스확산층(22) 측을 향하여 상승이 이루어지는 유동을 의미한다.
전술한 바와 같이, 제1 채널(130) 및 제2 채널(230)에서 직선유로(C1, C2)의 전체 길이에 대한 제2 영역(150)의 전체 길이의 비율은 평행 유로 구간의 압력 손실 및 평균 유속을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 유체는 연료이고, 제2 유체는 산화제일 수 있다. 여기서 제1 유체가 연료(수소)인 경우, 제1 채널(130)에서 직선유로의 전체 길이에 대한 제2 영역(150)의 전체 길이의 비율은 70% 미만으로 형성될 수 있다. 또한, 제2 유체가 공기(산화제)인 경우, 제2 채널(230)에서 직선유로의 전체 길이에 대한 제2 영역(250)의 전체 길이의 비율은 30% 미만으로 형성될 수 있다. 또한, 제2 채널(230)은 길이방향을 따라 폭이 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 제2 플레이트(200)의 폭 방향(x축 방향)을 따라 인접하는 제2 채널(230)들의 제2 영역(250)들의 중심을 연결한 가상의 선분(L2)은 제2 플레이트(200)의 폭 방향에 대하여 경사지도록 마련될 수 있다. 또한, 제2 플레이트(200)의 폭 방향을 따라 인접하는 제2 채널(230)들의 제2 영역(250)들의 중심을 연결한 가상의 선분(L2)은 제2 플레이트(200)의 폭 방향과 평행하게 마련될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 플레이트(200)의 폭 방향(x축 방향)을 따라 인접하는 적어도 2개의 제2 채널(230)들의 제2 영역(250)들의 중심을 연결한 가상의 선분(L2)은, 제2 플레이트(200)의 폭 방향에 대하여 경사지도록 마련될 수도 있고, 폭 방향과 평행하게 마련될 수 있다.
한편, 제1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200)는 밀봉을 위하여 가장자리에 마련된 가스켓을 통해 결합될 수 있다. 또한, 도 9를 참조하면, 제1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200)는 제1 플레이트(100)의 제2 면(102)과 제2 플레이트(200)의 제1 면(202)이 마주보도록 결합될 수 있다. 이러한 구조에서, 제1 플레이트(100)의 제2 면(102) 및 제2 플레이트(200)의 제1 면(202) 사이에, 제1 채널(130) 및 제2 채널(230) 사이 공간으로 제3 유체가 유동하도록 마련될 수 있다. 또한, 제3 유체가 제1 및 제2 플레이트(100, 200)의 폭 방향을 따라 유동하도록 마련될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 제1 및 제2 채널(130, 230)은 각각 직선유로(C1, C2)에서 길이방향을 따라 채널 깊이가 달라지도록 마련된다. 또한, 제1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200)는, 일부 영역에서 제1 채널(130)과 제2 채널(230)이 접촉하고, 나머지 영역에서 제1 채널(130)과 제2 채널(230)이 접촉하지 않도록 결합될 수 있다. 도 11을 참조하면, 제1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200)는 일부영역(M1)에서 제1 채널(130)의 하부면과 제2 채널(230)의 하부면이 접촉하고, 나머지영역(M2)에서 제1 채널(130)의 하부면과 제2 채널(230)의 하부면이 접촉하지 않도록 결합된다. 한편, 접촉 영역과 비접촉 영역의 비율은 후술할 냉각수 유동을 고려하여 결정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 플레이트(100)는 길이방향을 따라 직선 유로를 갖도록 마련된 복수 개의 제1 채널(130)을 갖는다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 플레이트(100)는, 제 1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200) 사이 공간에 제3 유체의 유동공간을 제공하도록, 제2 플레이트(200)의 제1 면(202)과 마주보는 제1 채널(130)의 일면(하부면)에 마련된 복수 개의 제3 채널(160)을 갖는다. 또한, 제1 플레이트(100)는, 폭 방향을 따라 인접하는 적어도 2개의 제3 채널(160)들의 중심을 연결한 가상의 제1 선분(E1)이 폭 방향에 대하여 경사지도록 마련될 수 있다. 또한, 제1 유체는 연료이고, 제2 유체는 산화제이며, 제3 유체는 냉각수일 수 있다. 또한, 제1 선분(E1)은 제3 유체의 유동방향, 즉 냉각수의 유동방향을 나타낸다. 또한, 인접하는 제3 채널(160)들로 이루어진 가상의 영역(D1)은, 제1 냉각수 유로(D1)를 나타낸다. 정리하면, 제1 플레이트(100)의 제1 면(101)을 통해 연료의 유동이 이루어지고, 제2 면(102)을 통해 냉각수의 유동이 이루어질 수 있다. 한편, 제1 플레이트(100)는, 폭 방향을 따라 인접하는 적어도 2개의 제3 채널(160)들의 중심을 연결한 가상의 제1 선분이 폭 방향과 평행하도록 마련될 수도 있다. 또한, 제1 플레이트(100)는, 폭 방향을 따라 인접하는 제3 채널(160)들의 중심을 연결한 가상의 제1 선분이 일부 영역에서 폭 방향에 대하여 경사지도록 마련되고, 일부 영역에서 폭 방향과 평행하도록 마련될 수도 있다. 또한, 복수 개의 제3 채널(160)은, 제1 채널(130)의 직선유로(C1)에서 길이방향(y축 방향)을 따라 소정 간격으로 이격되도록 마련될 수 있다. 즉, 제1 플레이트(100)의 길이방향(y측 방향)을 따라 복수 개의 제1 선분(E1)이 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 채널(130)은 직선유로(C1)에서 길이방향을 따라 채널 깊이가 달라지도록 마련되고, 제1 채널(130)은, 제1 깊이를 갖는 제1 영역(140)과 제1 깊이보다 작은 제2 깊이를 갖는 제2 영역(150)을 포함할 수 있다. 여기서 상기 제3 채널(160)은 상기 제1 채널(130)의 제2 영역(150)으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 플레이트(100)에서 제1 채널(130)의 단차 구조에 의하여 제3 채널(160)이 종속적으로 형성될 수도 있다.
한편, 제2 플레이트(200)는 길이방향을 따라 직선 유로를 갖도록 마련된 복수 개의 제2 채널(230)을 포함한다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 제2 플레이트(200)는, 제1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200) 사이 공간에 제3 유체의 유동공간을 제공하도록, 제1 플레이트(100)의 제2 면(102)과 마주보는 제2 채널(230)들의 일면(하부면)에 마련된 복수 개의 제4 채널(260)을 갖는다. 도 10을 참조하면, 제1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200)는, 폭 방향을 따라 인접하는 제3 채널(160)들의 중심을 연결한 가상의 제1 선분(E1)과 폭 방향을 따라 인접하는 제4 채널(260)들의 중심을 연결한 가상의 제2 선분(E2)이 일부 영역에서 교차하도록 결합된다.
또한, 제2 선분(E2)은 제3 유체의 유동방향, 즉 냉각수의 유동방향을 나타낸다. 또한, 인접하는 제4 채널(260)들로 이루어진 가상의 영역(D2)은, 제2 냉각수 유로(D2)를 나타낸다. 정리하면, 제2 플레이트(200)의 제1 면(202)을 통해 냉각수의 유동이 이루어지고, 제2 면(201)을 통해 산화제(공기)의 유동이 이루어질 수 있다. 한편, 제2 플레이트(100)는, 폭 방향을 따라 인접하는 적어도 2개의 제4 채널(260)들의 중심을 연결한 가상의 제2 선분(E2)이 폭 방향과 평행하도록 마련될 수도 있다. 또한, 제2 플레이트(200)는, 폭 방향을 따라 인접하는 제4 채널(260)들의 중심을 연결한 가상의 제2 선분(E2)이 일부 영역에서 폭 방향에 대하여 경사지도록 마련되고, 일부 영역에서 폭 방향과 평행하도록 마련될 수도 있다. 또한, 복수 개의 제4 채널(260)은, 제2 채널(230)의 직선유로(C2)에서 길이방향(y축 방향)을 따라 소정 간격으로 이격되도록 마련될 수 있다. 즉, 제2 플레이트(200)의 길이방향(y측 방향)을 따라 복수 개의 제2 선분(E2)이 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2 채널(230)은 직선유로(C2)에서 길이방향을 따라 채널 깊이가 달라지도록 마련되고, 제2 채널(230)은, 제1 깊이를 갖는 제1 영역(240)과 제1 깊이보다 작은 제2 깊이를 갖는 제2 영역(250)을 포함할 수 있다. 여기서 상기 제4 채널(260)은 상기 제2 채널(230)의 제2 영역(250)으로 형성될 수 있다. 또한, 제2 플레이트(200)에서 제2 채널(230)의 단차 구조에 의하여 제4 채널(260)이 종속적으로 형성될 수도 있다.
가상의 제1 선분(E1)과 제2 선분(E2)이 일부 영역에서 교차하도록 제1 플레이트(100) 및 제2 플레이트(200)는, 제1 선분(E1) 및 제2 선분(E2)이 각각 폭 방향에 대하여 경사지도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 도 9 및 도 10을 참조하면, 제1 선분(E1)은 제1 방향(반시계 방향)으로 경사지도록 마련되고, 제2 선분(E2)은 제1 방향과 반대방향인 제2 방향(시계방향)으로 경사지도록 마련될 수 있다. 또한, 도 9를 참조하면, 제1 채널(130)의 길이방향에 따른 제3 채널(160)의 길이와 제2 채널(230)의 길이방향에 따른 제4 채널(260)의 길이는 서로 다르게 마련될 수 있다. 이것은, 각 채널(130, 230)에서의 제1 영역과 제2 영역의 길이의 비율에 의한 것일 수 있다.
또한, 도 9 및 도 10을 참조하면, 제1 플레이트(100) 측에서 제1 선분(E1) 방향을 따라 유동하는 제3 유체와 제2 플레이트(200) 측에서 제2 선분 방향을 따라 유동하는 제3 유체(E2)는 교차 영역에서 합치 및 분기된다. 구체적으로, 제1 냉각수 유로(D1)과 제2 냉각수 유로(D2)는 교차 영역에서 합치 및 분기되도록 마련된다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 분리판을 구성하는 플레이트들(100', 200')의 평면도들이다. 도 13 및 도 14는 제1 플레이트(100')의 제1 면(101')과 제2 면(102')의 변형예를 각각 나타내고, 도 15 및 도 16은 제2 플레이트(200')의 제2 면(201')과 제1 면(202')의 변형예를 각각 나타낸다. 도 13에 도시된 화살표는 수소의 유동 방향을 나타내고, 도 14에 도시된 화살표는 제1 냉각수 유로의 유동 방향을 나타내며, 도 15는 공기의 유동 방향을 나타내고, 도 16에 도시된 화살표는 제2 냉각수 유로의 유동 방향을 나타낸다.
도 13 내지 도 16을 참조하면, 각각의 플레이트는, 제1 및 제2 냉각수 유로와 관련하여, 제1 및 제2 플레이트(100', 200')의 길이 방향뿐만 아니라 폭 방향을 따라 복수 개의 가상의 선분이 형성되도록 마련될 수도 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 분리판
20: 막-전극 어셈블리
100: 제1 플레이트
200: 제2 플레이트
300: 연료전지 스택

Claims (20)

  1. 제1 면 및 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지며, 제1 유체의 유동 공간을 제공하도록 제1 면으로부터 제2 면 측으로 돌출되고, 길이방향을 따라 직선 유로를 갖도록 마련된 복수 개의 제1 채널을 갖는 제1 플레이트; 및
    제1 플레이트의 제2 면과 마주보는 제1 면과 제1 면과 반대방향의 제2 면을 가지며, 제2 유체의 유동공간을 제공하도록 제2 면으로부터 제1 면 측으로 돌출되고, 길이방향을 따라 직선 유로를 갖도록 마련된 복수 개의 제2 채널을 갖는 제2 플레이트를 포함하고,
    제1 플레이트는, 제1 플레이트와 제2 플레이트 사이 공간에 제3 유체의 유동공간을 제공하도록, 제2 플레이트의 제1 면과 마주보는 제1 채널들의 일면에 마련된 복수 개의 제3 채널을 가지며,
    제2 플레이트는, 제1 플레이트와 제2 플레이트 사이 공간에 제3 유체의 유동공간을 제공하도록, 제1 플레이트의 제2 면과 마주보는 제2 채널들의 일면에 마련된 복수 개의 제4 채널을 가지며,
    제1 플레이트와 제2 플레이트는, 폭 방향을 따라 인접하는 제3 채널들의 중심을 연결한 가상의 제1 선분과 폭 방향을 따라 인접하는 제4 채널들의 중심을 연결한 가상의 제2 선분이 일부 영역에서 교차하도록 결합된 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 플레이트 및 제2 플레이트는, 제1 선분 및 제2 선분이 각각 폭 방향에 대하여 경사지도록 마련된 분리판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제1 선분은 제1 방향으로 경사지도록 마련되고, 제2 선분은 제1 방향과 반대방향인 제2 방향으로 경사지도록 마련된 분리판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    복수 개의 제3 채널은, 제1 채널의 직선유로에서 길이방향을 따라 소정 간격으로 이격되도록 마련되고,
    복수 개의 제4 채널은, 제2 채널의 직선유로에서 길이방향을 따라 소정 간격으로 이격되도록 마련된 분리판.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제1 채널의 길이방향에 따른 제3 채널의 길이와 제2 채널의 길이방향에 따른 제4 채널의 길이는 서로 다르게 마련된 분리판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제1 채널 및 제2 채널은, 직선유로에서 길이방향을 따라 채널 깊이가 달라지도록 각각 마련되고,
    제1 채널 및 제2 채널은, 제1 깊이를 갖는 제1 영역과 제1 깊이보다 작은 제2 깊이를 갖는 제2 영역을 각각 포함하며,
    제3 채널은 제1 채널의 제2 영역으로 형성되고,
    제4 채널은 제2 채널의 제2 영역으로 형성된 분리판.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제1 채널에서 직선유로의 전체 길이에 대한 제2 영역의 전체 길이의 비율은 70% 미만으로 형성되고,
    제2 채널에서 직선유로의 전체 길이에 대한 제2 영역의 전체 길이의 비율은 30% 미만으로 형성된 분리판.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제1 유체는 연료이고, 제2 유체는 산화제이며, 제3 유체는 냉각수인 분리판.
  9. 제 1 항에 있어서,
    제1 플레이트와 제2 플레이트는, 일부 영역에서 제1 채널과 제2 채널이 접촉하고, 나머지 영역에서 제1 채널과 제2 채널이 접촉하지 않도록 결합된 분리판.
  10. 제 1 항에 있어서,
    제1 플레이트 측에서 제1 선분 방향을 따라 유동하는 제3 유체와 제2 플레이트 측에서 제2 선분 방향을 따라 유동하는 제3 유체는 교차 영역에서 합치 및 분기되는 분리판.
  11. 막-전극 어셈블리; 및
    제 1 항에 따른 분리판을 포함하는 연료 전지 스택.
  12. 제1 면 및 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지며, 제1 유체의 유동 공간을 제공하도록 제1 면으로부터 제2 면 측으로 돌출되고, 길이방향을 따라 직선 유로를 갖도록 마련된 복수 개의 제1 채널을 갖는 제1 플레이트; 및
    제1 플레이트의 제2 면과 마주보는 제1 면과 제1 면과 반대방향의 제2 면을 가지며, 제2 유체의 유동공간을 제공하도록 제2 면으로부터 제1 면 측으로 돌출된 복수 개의 제2 채널을 갖는 제2 플레이트를 포함하고,
    제1 플레이트는, 제 1 플레이트와 제2 플레이트 사이 공간에 제3 유체의 유동공간을 제공하도록, 제2 플레이트의 제1 면과 마주보는 제1 채널의 일면에 마련된 복수 개의 제3 채널을 가지며,
    제1 플레이트는, 폭 방향을 따라 인접하는 적어도 2개의 제3 채널들의 중심을 연결한 가상의 제1 선분이 폭 방향에 대하여 경사지도록 마련되고,
    제1 채널은 직선유로에서 길이방향을 따라 채널 깊이가 달라지도록 마련되며,
    제1 채널은, 제1 깊이를 갖는 제1 영역과 제1 깊이보다 작은 제2 깊이를 갖는 제2 영역을 포함하고,
    제3 채널은 제1 채널의 제2 영역으로 형성된 분리판.
  13. 제 12 항에 있어서,
    제1 플레이트는, 폭 방향을 따라 인접하는 적어도 2개의 제3 채널들의 중심을 연결한 가상의 제1 선분이 폭 방향과 평행하도록 마련된 분리판.
  14. 제 12 항에 있어서,
    복수 개의 제3 채널은, 제1 채널의 직선유로에서 길이방향을 따라 소정 간격으로 이격되도록 마련된 분리판.
  15. 삭제
  16. 제 12 항에 있어서,
    제1 영역과 제2 영역의 경계영역에서 제1 채널을 유동하는 제1 유체의 상승 유동 또는 하강 유동이 이루어지도록 마련된 분리판.
  17. 제 12 항에 있어서,
    제1 채널에서 직선유로의 전체 길이에 대한 제2 영역의 전체 길이의 비율은 70% 미만으로 형성된 분리판.
  18. 제 12 항에 있어서,
    제1 유체는 연료이고, 제2 유체는 산화제이며, 제3 유체는 냉각수인 분리판.
  19. 제 12 항에 있어서,
    제1 플레이트와 제2 플레이트는 가장자리에 마련된 가스켓을 통해 결합된 분리판.
  20. 막-전극 어셈블리; 및
    제 12 항에 따른 분리판을 포함하는 연료전지 스택.
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