KR102025749B1 - 연료전지용 다공체 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

연료전지용 다공체 및 이를 포함하는 연료전지 스택 Download PDF

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김명주
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Abstract

본 발명은 연료전지용 다공체 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지용 다공체는 복수개의 채널 요소를 포함하고, 상기 채널 요소는 제1홀 및 제2홀을 갖는 곡선형의 유로가 형성되어 다양한 운전 조건 하에서 가변적인 양의 유체를 효율적으로 배출시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

연료전지용 다공체 및 이를 포함하는 연료전지 스택{Fuel cell separator for and the fuel cell stack having the same}
본 발명은 연료전지용 다공체 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 수소 등의 친환경연료를 사용하여 전기를 생산하는데 있어서 가장 효율이 높은 이상적인 에너지 변환장치로 일컬어지고 있으며, 미래사회의 핵심이 되는 기술이 될 것이다. 한편 에너지원과 에너지 저장매체로 화석연료를 사용하는 현 시점에서도 고효율의 친환경적인 에너지전환장치로서의 연료전지는 응용 가능 분야가 다양하고, 에너지 절약 및 기타 특수 목적을 위해 현재 세계 각국에서 상용화를 위한 연구가 활발히 진행 중이다.
연료전지(Fuel cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 에너지 변환 장치이다. 도 1을 참조하여, 연료전지 스택(1)의 구성을 살펴보면, 가장 안쪽에 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 전극막 집합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(2)과 이 전해질막(2) 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(4) 및 연료극(6)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 전극막의 바깥 부분, 즉 공기극(4) 및 연료극(6)이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(8, GDL: Gas Diffusion Layer) 이 적층되고, 상기 가스확산층(8)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물이 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(10)이 가스켓(9)을 사이에 두고 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트가 결합된다.
따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극(6)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(2)과 분리막을 통하여 공기극(4)으로 이동하게 되며, 상기 공기극(4)에서는 연료극(6)으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.
한편, 상기 분리판(10)은 가스확산층(8)에 밀착되는 랜드와 유체의 흐름 경로가 되는 채널(유로)이 반복 형성된 구조로 제작되는 것이 일반적이다.
즉, 일반적인 분리판(10)은 랜드와 채널(유로)이 반복적으로 굴곡된 구조로 되어 있기 때문에 가스확산층(8)과 마주보는 일면쪽의 채널은 수소 또는 공기와 같은 반응기체가 흐르는 공간으로 활용되고, 동시에 반대쪽 채널은 냉각수가 흐르는 공간으로 활용됨에 따라, 수소/냉각수 채널을 갖는 분리판(10) 1장과, 공기/냉각수 채널을 갖는 분리판(10) 1장 등 총 2장의 분리판(10)으로 하나의 단위전지를 구성할 수 있다(도 2 참조).
연료전지 성능을 극대화하기 위해서, 채널 및 랜드의 간격을 조밀하게 형성하게 된다. 이때, 가스확산층(8) 및 전해질막(2)으로의 면압을 균일하게 하고, 가스확산층(8)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 채널 및 랜드부의 간격을 줄이는데에는 한계가 있다.
이러한 제조상의 한계로 인하여 다음과 같은 연료전지의 성능 저하가 발생하게 된다. 채널 및 랜드가 한번 반복되는 길이로 정의되는 채널피치가 크면, 분리판(10)과 가스확산층(8)이 접촉하는 랜드면으로 응력이 집중되어 면압 불균일이 발생된다. 이로 인하여 가스확산층(8)의 다공성 구조가 파괴되어 투과성이 나빠지게 되며, 반응기체 확산성 및 생성수의 배출성이 저하된다. 또한, 가스확산층(8)이 채널로 침투하여 반응기체 흐름을 방해하게 된다.
채널 피치가 커 랜드면에 응력이 집중됨으로써, 가스확산층(8)이 파손되면, 랜드에서 탄소섬유(carbon fiber)가 전해질막(2)까지 침투하게 되어 전해질막(2)이 손상된다.
아울러, 채널의 가스확산층(8) 및 전해질막(2) 사이의 면압이 부족하여, 접촉저항이 증가되고, 생성된 전자의 이동을 어렵게한다.
한편, 상술한 종래 연료전지의 문제점을 해소하고자, 도 3에 도시된 바와 같은 다수개의 유로홀(12)이 형성된 오픈 플로우 필드(open flow field) 형태의 다공체(11)를 가스확산층(8)과 분리판(10) 사이에 삽입하는 기술이 등장하였다.
그러나, 종래 다공체(11)를 포함하는 연료전지는 유로홀(12)이 유로 단면의 경사면에 존재하였기 때문에 유로홀(12)을 통과하는 반응기체(A)가 구조체에 막혀 좌우방향으로 난류만을 형성하였기 때문에 전해질막/가스확산층을 향한 반응기체(A)의 유동발달이 충분하지 못하였다.
즉, 다양한 운전 조건 하에서 가변적인 양의 유체를 효율적으로 배출시키기에 부적합한 구조를 가지며, 이에 따라 연료전지 스택의 성능을 저하시키는 문제를 갖는다.
한국 등록특허 제10-1361298호
전술한 문제점을 해결하기 위하여,
본 발명의 목적은 분리판 내의 기체 흐름과 액체(예를 들어, 물) 흐름을 효율적으로 분배할 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 분리판 내의 기체 흐름과 액체 흐름을 최적화할 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 일 실시예에서,
제1면과 제1면의 반대방향의 제2면을 갖는 플레이트; 및
플레이트에 형성되며, 제2면에서 제1면으로 돌출되도록 형성된 복수개의 채널 요소; 를 포함하며,
상기 채널 요소는 제1면 상에서 유동하는 유체의 흐름방향에 따라 제1홀 및 제2홀을 갖는 곡선형의 유로가 형성되는 연료전지용 다공체를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에서,
상기 연료전지용 다공체를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 다공체는 복수개의 채널 요소를 포함하고, 상기 채널 요소는 제1홀 및 제2홀을 갖는 곡선형의 유로가 형성되어 다양한 운전 조건 하에서 가변적인 양의 유체를 효율적으로 배출시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러, 상기 유로를 통하여 유체가 유동됨과 동시에, 유로의 외주면에 형성된 공간으로 유체가 유동하도록 공간이 마련됨으로써, 반응기체의 난류 흐름을 부여하고, 반응기체의 유동 저항성 등을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 연료전지 스택의 구성을 설명하는 개략도이다.
도 2는 연료전지 스택의 단면도이다.
도 3은 종래의 연료전지용 다공체를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 다공체의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 다공체의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 다공체의 채널 요소를 설명하기 위한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 다공체의 채널 요소를 설명하기 위한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 다공체에서의 유체 흐름을 설명하기 위한 사시도이다.
본 발명은 연료전지용 다공체 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 다공체는 복수개의 채널 요소를 포함하고, 상기 채널 요소는 제1홀 및 제2홀을 갖는 곡선형의 유로가 형성되어 다양한 운전 조건 하에서 가변적인 양의 유체를 효율적으로 배출시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러, 상기 상기 유로를 통하여 유체가 유동됨과 동시에, 유로의 외주면에 형성된 공간으로 유체가 유동하도록 공간이 마련됨으로써, 반응기체의 난류 흐름을 부여하고, 반응기체의 유동 저항성 등을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 "연료전지"는 연료의 화학적 에너지를 전기적으로 에너지로 변환하는 발전시스템으로, 애노드(anode) 측인 연료극에는 연료(예를 들어, 수소가스)가 공급되고, 캐소드(cathode)측인 공기극에는 산화제(일례로 공기)가 주입되며, 이들의 반응시 발생하는 화학적 에너지를 이용하여 전기적 에너지로 변환되는 장치이다. 이러한 반응과정은 다음의 반응식 1 또는 2와 같다.
[반응식 1]
음극(Cathode): 1/2O2 + 2e- ↔ O-2
양극(Anode): O-2 + H2 ↔ H2O + 2e-
[반응식 2]
음극(Cathode): 1/2O2 + 2H+ → H2O
양극(Anode): H2 → 2H+ + 2e-
한편, 연료전지는 작동온도, 전해질 종류에 따라 저온형, 고온형으로 구분할 수 있으며, 저온형은 주로 자동차 등에 사용되는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 대표적이며, 고온형은 MCFC(Molen Carbonate Fuel Cell), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 및 SOFC 의 역반응을 이용한 SOEC(solid oxide electrolysis cell)이 대표적으로 사용된다.
연료전지는 연료(수소)와 산화제가 지속적으로 주입되는 과정에서 연속적인 발전이 가능하며, 연료의 경우 발전 효율, 경제성을 고려하여 이용률을 높여야 상업적으로 가치를 높일 수 있다.
일 예로, 본 발명에서 연료전지는 산소 이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면에 위치한 전극으로 공기극 및 연료극을 포함할 수 있다. 이와 같이, 전해질, 공기극 및 연료극으로 이루어진 연료전지를 단위전지라 하며, 이러한 단위전지는 공기극과 연료극 사이에 연료전지용 반응가스인 산화제 또는 연료를 각각 순환하여 반응시 에너지를 생산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 전기에너지의 생산량을 증가시키기 위해 다수의 단위전지를 적층하여 일체로 결합하여 스택 형태로 적층한 연료전지 스택(stack)으로 제공되며, 연료전지 스택을 이루는 각각의 단위전지에서 공기극과 연료극을 전기적으로 연결하면서 반응가스의 혼합을 막기 위해 본 실시예의 "연료전지 분리판"이 설치될 수 있다.
아울러, 상기 가스확산층과 분리판 사이에 연료전지용 다공체가 삽입된다.
여기서, "연료전지용 다공체" 이라 함은, 가스확산층과 분리판의 사이에 좌측으로 도입되는 가스를 우측으로 안내하며, 동시에 가스의 유로를 직선이 아닌 형태로 확산시켜 좀 더 확실히 기체확산층과 반응하도록 하기 위한 것이다. 특히, 본 발명에서 연료전지용 다공체는 기체와 액체를 유로 사이에서 안내하는 효과, 가스는 채널 요소의 유로 내부에서 오래 머물다 이동하는 효과가 있다. 또한, 상기 연료전지용 다공체는 구조적 지지 및 압력 분산 효과를 제공할 수 있다.
본 발명에서 "일면"은 제1면을 의미하는 것으로, 도면상에 도시된 연료전지용 다공체의 상면인 전면을 의미하며, "타면"이라 함은 제2면을 의미하는 것으로, 도면상에 도시된 연료전지용 다공체의 상면의 반대면인 배면을 의미한다.
본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 다공체의 사시도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 다공체의 평면도, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 다공체의 채널 요소를 설명하기 위한 사시도, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 다공체의 채널 요소를 설명하기 위한 사시도, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 다공체에서의 유체 흐름을 설명하기 위한 사시도이다.
이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 연료전지 다공체 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 상세히 설명한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 연료전지 다공체(100)는 제1면과 제1면의 반대면에 제2면을 갖는 플레이트(101)와 플레이트에 형성되며, 제2면에서 제1면측으로 돌출된 복수개의 채널 요소(110)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 채널 요소(110)는 제1홀(1111) 및 제2홀(1121)을 갖는 곡선형의 유로(111)가 형성된 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 채널 요소(110)는 제2면에서 제1면측으로 돌출되도록 형성되는데, 이는 제1홀(1111) 및 제2홀(1121)을 갖는 곡선형의 유로가 제1면 방향으로는 폐쇄되고, 제2면 방향으로는 개방되는 것을 의미한다.
이때, "제1홀(1111)" 및 "제2홀(1121)" 이라 함은 유체가 이동하는 입구를 의미하는 것이며, 이는 "유입구" 및 "유출구"를 의미할 수 있다. 다만, 유체의 흐름 방향에 따라서 유입구 및 유출구는 서로 변경가능 하다.
플레이트(101)는 얇은 박막의 금속 형태로 제공될 수 있으며, 특히, 금속 다공체 또는 메탈폼(METAL FOAM) 이라고 하며, 금속으로는 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 알루미늄일 수 있으며, 또는 Cu-Al 의 합금일 수 있다.
아울러, 상기 플레이트(110)는 평편한 금속판에 화학적 에칭 또는 기계적 펀칭 등의 공정을 이용한 후, 금속판을 프레스 금형내에 배치하여 프레싱하는 과정을 통하여 제작된다.
한편, 상기 채널 요소(110)는 제1면이 가스확산층과 마주보도록 배치된다. 또한, 상기 채널 요소(110)의 외주면이 가스확산층과 접촉하도록 배치된다. 한편, 금속 다공체는 양면이 동일한 형상을 갖는 양면형상이 가능하도록 설계 변형 가능하다.
도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지용 다공체의 채널 요소를 상세히 설명하도록 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 다공체(100)의 채널 요소(110)는 곡선형의 유로(111)가 형성되어 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 다공체의 유로(111)가 곡선형으로 형성됨으로써, 싸이클로이드 곡면에 의해서 유로 내부로는 반응가스를 보다 효율적으로 배출시킬 수 있는 효과가 있으며, 유로 외부로는 구조적 병목현상에 의해서 반응가스의 이동 저항성을 증가시킬 수 있어, 응축수를 보다 효율적으로 배출시킬 수 있는 효과가 있다.
채널 요소(110)는 제1면 상에서 제1홀(1111) 및 제2홀(1121)을 갖고, 상기 제1홀(1111) 및 제2홀(1121)은 도면상에서 y축을 따라 개방되되, 서로 다른 축선상에 형성될 수 있다. 즉, 상기 채널 요소(110)는 곡선형상으로 형성되되, 제1홀(1111) 및 제2홀(1121)은 유체흐름 방향에 따라 개방되어 있는 것이다.
구체적으로, 제1홀(1111) 및 제2홀(1121)은 도면상에서 y축을 따라 개방되되, 동일 평면에서 서로 다른 축선상에 형성될 수 있다. 이는 x축 기준으로 서로 다른 축선상에 형성되는 것을 의미한다.
채널 요소(110)는 제1홀(1111)과 연통되는 제1유로(1110), 제2홀(1121)과 연통되는 제2유로(1120) 및 상기 제1유로(1110) 및 제2유로(1121)를 연결하는 연통유로(1130)을 포함한다.
각각의 유로(1110, 1120, 1130)는 직선으로 형성되되, 상기 유로가 서로 연결되는 부분에 만곡부(1131, 1132)가 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1유로(1110)의 타측은 연통유로(1130)의 일측과 연통될 수 있으며, 상기 연통유로(1130)의 타측은 제2유로(1120)에 의해서 연통될 수 있다. 아울러, 상기 제1유로(1110)가 연통유로(1130)와 연결될 때, 소정부분 만곡되며, 상기 연통유로(1130)가 제2유로(1120)와 연통될 때, 상기 만곡된 부분과 반대방향으로 만곡될 수 있다. 이에 따라, 제1유로(1110), 연통유로(1130), 제2유로(1120)에 의해서 형성되는 채널 요소(110)는 곡선형의 유로(111)로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제1유로(1110) 및 연통유로(1130)의 연결부를 제1만곡부(1131)라 하고, 상기 연통유로(1130) 및 제2유로(1120)의 연결부를 제2만곡부(1132)라 한다.
상술한 바와 같이, 제1유로(1110)와 연통유로(1130), 제2유로(1120)와 연통유로(1130)는 각각 상술한 바와 같이 소정각도(θ) 만곡될 수 있으며, 구체적으로, 평균 100 내지 160˚ 의 각도(θ)로 만곡될 수 있다. 또는 105 내지 150˚, 110 내지 140˚ 또는 115 내지 130˚의 각도로 만곡될 수 있다.
즉, 채널 요소(110)는 서로 반대되는 위치에 각각 제1만곡부(1131) 및 제2만곡부(1132)를 형성함으로써, 곡선형의 유로를 형성할 수 있다.
한편, 만곡부(1131, 1132)의 소정각도가 100 미만인 경우, 만곡부의 각도가 너무 작아, 유로를 통과하는 유체(반응기체)의 흐름이 원활하지 않으며, 160˚를 초과하게 되면, 만곡부가 너무 완만하여, 유체(반응기체)가 너무 빨리 통과하게 되어, 반응주체들과의 시간적 확보가 충분하지 않아 반응이 충분히 일어나지 않게되고, 결과적으로 스택의 전기 생산 능력이 저하될 수 있다.
이에 더하여, 채널 요소(110)는 유로의 외주면 및 내주면의 일부 영역이 둘레방향을 따라 사이클로이드(cycloid) 곡면으로 형성될 수 있다. 여기서, 유로의 외주면이라 함은 플레이트(101)의 제1면과 연속되는 면을 의미할 수 있으며, 유로의 내주면이라 함은 제2면과 연속되는 면을 의미할 수 있다.
여기서, "사이클로이드(cycloid) 곡면" 이라 함은, 원의 한 곳에서 점을 찍고, 그 원을 평평한 면에서 굴리면 원위에 있는 점은 곡선을 그리게 된다. 이때, 나오는 곡선을 사이클로이드 곡선이라 한다. 특히, 사이클로이드 경로는 시점과 종점을 지나는 여러 경로 중 가장 빠른 시간을 통과할 수 있는 경로이다.
아울러, 사이클로이드 경로는 어느 위치에서 강하하여도 끝점에 도착하는 시간은 일정하다.
특히, 본 발명에서, 유로의 내주면과 외주면의 일부 영역이 둘레를 따라 사이클로이드 곡면으로 형성됨으로써, 유체의 흐름성 측면에 적용하여 연료전지 반응 기체들의 반응 속도를 높일 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 채널 요소(110)는 유로의 외주면에 형성된 공간으로 유체가 유동하도록 공간이 마련되는 것을 특징으로 한다.
한편, 채널 요소(110)는 플레이트(101)상에 복수개 형성되되, x축 및 y축 방향으로 배열될 수 있으며, 상기 채널 요소(110)가 x축 방향으로 복수개로 배열될 때, 서로 인접하는 채널 요소(110)와 y축을 기준으로 대칭되도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 채널 요소(110)는 제1홀(1111) 및 제2홀(1121)을 갖는 유로 형태이며, 제1홀(1111) 및 제2홀(1121)은 y축을 따라 개방되되, 서로 다른 축선에 형성되며, 한 쌍의 채널 요소(110)가 플레이트(101)에 반복 형성될 수 있다.
이때, 한 쌍의 채널 요소(110)라 함은 인접하는 2개의 채널요소(110)를 한 쌍의 채널요소(110)라 하며, 도 7(a) 및 도 7(b)를 각각 한 쌍의 채널요소(110)라 한다. 즉, 각각의 채널요소(110)가 y축을 기준으로 서로 대칭되어 이루는 유로를 한 쌍의 채널요소(110)라 할 수 있다.
아울러, 하나의 채널 요소(110)는 서로 인접하는 채널 요소(110')와 y축을 기준으로 대칭되는 형상을 갖고, 상기 y축을 기준으로 대칭되는 채널 요소(110')와 병목구간(120)을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 채널 요소(110)의 외부 유로는 단면적(폭)이 축소되는 공간을 병목구간(120)이라 할 수 있다. 보다 구체적으로, 한 쌍의 채널요소는 유로의 외주면에 유체가 유동하도록 공간이 마련되며, 공간은 유로의 일측에서 타측으로 갈수록 상기 공간이 좁아지는 병목구간이 형성될 수 있다. 한편, "일측" 및 "타측"은 방향을 의미하는 것으로, "일측"은 응축수의 유입되는 구간을 의미하며, "타측"은 응축수가 배출되는 구간을 의미할 수 있다.
일 예로, 일측에서 타측이란 도 7(b) 에서 V1에서 V2 방향을 의미할 수 있다.
특히, 상기 병목구간(120)에서 벤츄리 효과가 나타나 압력 차이가 생길 수 있으며, 베르누이의 원리를 의거하여 설명하자면, 일체형의 관이 있고, 그 관의 지름이 서로 다르다면, 그 압력과 속도 사이에는 규칙적인 원리가 작용하는데, 관의 지름이 좁으면, 그 내측을 지나는 유속이 빠르고 압력이 작아진다는 것이다.
즉, 본 발명에서는 외부 유로의 폭을 다르게 하여, 그 압력과 속도를 조절할 수 있다.
도 7에 도시된 도면에서, V1에 비하여, V2의 유속은 폭의 차이에 따라, V2의 유속이 더 빠를 수 있다. 본 발명은 이러한 베르누이 원리를 활용하여, 외부 유로에 물을 유동시킬 수 있다.
8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 다공체에서의 유체 흐름을 설명하기 위한 사시도이다.
도 8을 참조하면, 채널 요소(110)의 내부 유로(111)를 통해 가스(반응가스 또는 연료)의 유동이 이루어질 수 있고, 인접하는 채널 요소(110, 110')들의 외부유로(외주면 사이 영역)를 통해 물의 유동이 이루어질 수 있다. 구체적으로, 인접하는 2개의 채널 요소(100, 100')의 외주면에 형성된 공간으로 물이 유동하도록 마련될 수 있다. 상기 채널 요소(100, 100')의 외주면에 형성된 공간으로 액체(예를 들면, 물)가 유동하는 공간은 외부유로일 수 있다.
이때, 채널 요소(110)는 y축 방향으로 복수개로 배열되되, 적어도 하나의 채널 요소(110)의 제2유로는 인접하는 채널 요소의 제1유로와 일부 영역이 중첩될 수 있다.
이는 액체(예를 들면, 물)를 용이하게 가이드 하기 위함이다.
여기서, 일부 영역의 중첩은 유로가 서로 교차하는 것을 의미하는 것이 아니라, 도 8에 도시된 바와 같이, 병목구간을 형성하는 유로가 한 쌍의 채널요소에 의해 형성되는 유로의 일측 공간으로 삽입되는 것을 의미한다.
즉, 액체를 용이하게 가이드 하기 위하여, 한 쌍의 채널 요소에 의해서 형성되는 공간에 병목구간을 형성하는 유로가 삽입될 수 있다.
아울러, 상술한 바와 같이, 반응가스는 내부유로(111)를 통하여 가스의 유동이 이루어질 수 있으며, 물은 외부유로를 통하여 물의 유동이 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 다공체 내의 기체 흐름은 최적화하기 위해서는, 가스의 충분한 화학적 반응시간을 확보하기 위하여, 가스의 흐름을 천천히 유지하여야 한다. 이때, 상기 가스가 곡선형의 내부유로에 머무는 시간을 길게 함으로써, 가스의 유동시간을 늦출 수 있다.
반면, 액체(예를 들어, 물)의 경우, 수소와 산소의 화학반응으로 물이 생성되는데, 이 과정은 물넘침 현상이 발생할 수 있다. 물넘침 현상에 의해서 전력밀도를 떨어뜨리므로 물배출을 원활하게 하여 전기생산을 원활하게 할 수 있는 환경을 조성해야 한다. 이에 따라, 상기 액체의 유속을 빠르게 유지하는 것이 바람직하다. 이때, 인접하는 2개의 채널 요소(100, 100')의 외주면에 상기 물의 유동이 이루어지게 할 수 있으며, 이때, 상기 액체가 병목공간(120)을 통과함으로써, 유속을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 물과 가스가 경로를 공유할 수 있어, 내부유로(111)를 통하여, 물의 유동이 이루어질 수 있으며, 외부유로를 통하여, 가스의 유동이 이루어질 수 있다.
도 8을 참조하면, 다공체 내의 기체 흐름(반응 가스 또는 연료)(내부 유로)와 액체(예를 들어, 물) 흐름(외부 유로)을 효율적으로 분배할 수 있고, 다공체 내의 기체 흐름과 액체(예를 들어, 물) 흐름을 최적화시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 다른 하나의 실시예에서, 상술한 연료전지용 다공체를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.
구체적으로, 막전극 접합체; 막전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층; 가스 확산층과 마주보도록 배치된 분리판; 및 상기 가스 확산층 및 분리판 사이에 배치되는 연료전지용 다공체; 를 포함하는 스텍을 제공할 수 있다.
연료전지용 다공체를 포함함으로써 유체의 흐름을 효율적으로 유입 및 배출시킴으로써, 연료전지 스택의 전체적인 성능 향상이 가능할 수 있다.
이상에서 본 발명에 의한 연료전지용 집전체 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 구체적으로 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시양태를 기재한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의해서 그 범위가 결정 되어지고 한정되어진다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 명세서의 기재내용에 의한 다양한 변형 및 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다.
1: 연료전지 스택 2: 전해질막
4: 공기극 6: 연료극
8: 가스확산층 9: 가스켓
10: 분리판 11: 다공체
12: 유로홀 13: 반응기체
20: 엔드 플레이트
100: 연료전지용 다공체
101: 플레이트 110: 채널 요소
111: 유로
1110: 제1유로 1111: 제1홀
1120: 제2유로 1121: 제2홀
1130: 연통유로
1131: 제1만곡부 1132: 제2만곡부
120: 병목구간

Claims (14)

  1. 제1면과 제1면의 반대방향의 제2면을 갖는 플레이트; 및
    플레이트에 형성되며, 제2면에서 제1면으로 돌출되도록 형성된 복수개의 채널 요소; 를 포함하며,
    상기 채널 요소는 제1면 상에서 제1홀 및 제2홀을 가지며,
    채널 요소는, 제1 홀과 연통되는 제1 유로, 제2 홀과 연통되는 제2 유로 및 제1 유로와 제2 유로를 연결하는 연통유로를 포함하며,
    제1 유로, 제2 유로 및 연통 유로는 각각 직선으로 형성되되,
    채널 요소는 곡선형의 유로를 갖도록, 제1 유로 및 연통유로의 연결부에 소정 각도로 만곡된 제1 만곡부가 형성되고, 제2 유로 및 연통유로이 연결부에, 제1 만곡부와 반대방향으로 만곡된 제2 만곡부가 형성되며,
    곡선형의 유로는 제1면 방향으로 폐쇄되며, 제2면방향으로 개방되고,
    제1홀 및 제2홀은 y축을 따라 개방되되, 서로 다른 축선에 형성된 연료전지용 다공체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    제1유로 및 제2유로는
    상기 연통유로와 평균 100 내지 160˚ 각도를 이루도록 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
  6. 제1항에 있어서,
    채널 요소는
    유로의 외주면 및 내주면의 일부 영역이 둘레방향을 따라 사이클로이드(cycloid) 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
  7. 제1항에 있어서,
    채널 요소는
    x축 방향으로 복수개로 배열되되,
    한 쌍의 채널 요소가 플레이트에 반복 형성되되,
    한 쌍의 채널 요소는, 각각의 채널요소가 인접하는 채널 요소와 y 축을 기준으로 대칭되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제7항에 있어서,
    한 쌍의 채널요소는
    유로의 외주면에 유체가 유동하도록 공간이 마련되며,
    공간은 유로의 일측에서 타측으로 갈수록 상기 공간이 좁아지는 병목구간이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
  12. 제11항에 있어서,
    병목구간을 형성하는 유로는
    한 쌍의 채널요소에 의해 형성되는 유로의 일측 공간으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
  13. 막전극 접합체;
    막전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층;
    가스 확산층과 마주보도록 배치된 분리판; 및
    상기 가스 확산층 및 분리판 사이에 배치되는, 제1 항에 따른 연료전지용 다공체; 를 포함하는 연료전지 스택.
  14. 삭제
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