KR102028962B1 - 연료전지 바이폴라-플레이트 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

연료전지 바이폴라-플레이트 및 이를 포함하는 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 막-전극 접합체와 인접한 상태에서 연료 또는 산화제의 유로를 제공하는 연료전지 바이폴라-플레이트에 있어서, 대향하는 양측 모서리에 각각 형성된 유로 입구 및 유로 출구; 상기 바이폴라-플레이트 상에서 상기 유로 입구와 유로 출구를 제외한 상태에서 서로 대향하도록 형성된 다수의 경계부; 및 상기 막-전극 접합체와 접하는 면에 형성되는 유로 구조체;를 포함하며, 상기 유로 구조체는 상기 유로 입구와 상기 유로 출구 사이를 연결하는 다수의 주 유로를 구비하며, 상기 다수의 주 유로는 그 길이 방향을 따라 파형 유로의 형태를 가지며, 상기 유로 입구 및 유로 출구에서 상기 바이폴라-플레이트의 중심부로 진행할수록 파형의 각도(θ)는 증가하고, 상기 다수의 경계부에서 상기 바이폴라-플레이트의 중심부로 진행할수록 파형의 각도는 증가한다.

Description

연료전지 바이폴라-플레이트 및 이를 포함하는 연료전지 스택{BIPOLAR PLAT OF FUEL CELL AND FUEL CELL STACK COMPRISING THE SAME}
본 발명은 연료전지 바이폴라-플레이트 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화제와 연료의 효과적인 흐름이 가능한 유로를 제공하는 연료전지 바이폴라-플레이트 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지는 화학 에너지를 전지 내에서 전기 화학적으로 직접 전기 에너지로 바꾸는 장치로서 자동차의 전원, 레이저 전기기구의 전원 등으로 관심 있게 연구되는 저공해 발전장치로서, 도 1은 대표적인 연료전지의 구조를 도시한 사시도이다.
이러한 연료전지 구조에서 연료전지 바이폴라-플레이트(bipolar plate, 11, 13)는 막-전극 접합체(MEA, 12)를 사이에 두고 연료와 산화제 (주로 공기)가 원활하게 반응하는 연료전지의 부품으로, 이러한 연료전지 바이폴라-플레이트는 높은 전기전도도, 부식에 대한 저항력, 낮은 연료와 공기의 흐름저항, 높은 연료와 산화제의 반응성, 높은 물의 회수능력, 높은 열전도도, 낮은 기체투과도, 높은 기계적강도, 작은 무게와 부피, 가공용이성, 가격경쟁력을 갖추어야 한다. 이들 조건 중에서 전기전도도, 내부식성, 내화학성, 열전도도, 기체투과도, 기계적강도, 밀도, 가공성은 재료에 따라 정해진다. 하지만, 같은 재료라 할지라도 바이폴라-플레이트에서 연료와 공기의 반응속도와 유로에 따라 흐름에 의한 유동손실이 달라지는데, 반응속도가 증가할수록 출력 즉, 연료전지 단위 면적당 전류량이 증가한다.
바이폴라-플레이트는 연료전지의 핵심부인 스택의 무게와 부피의 대부분을 차지하므로, 바이폴라-플레이트의 유로는 경량, 소형, 저가의 연료전지를 제작하는데 매우 중요한 요소이다. 이러한 바이폴라-플레이트에서 연료 펌프와 공기 송풍기의 소비동력은 연료와 공기의 유동 압력손실에 비례한다. 따라서 효과적인 바이폴라-플레이트의 유로는 생산된 전력 중에서 연료전지의 운용 전력을 감소하여 연료전지의 총괄효율을 증대할 수 있으며, 바이폴라-플레이트에서 유동손실이 적은 구조는 물의 배수성의 증가에도 관련이 있어서 연료전지에서 발생하는 물의 처리에도 유리하다.
종래의 유로는 크게 평행유로(도 2 참조), 사형유로(도 3 참조) 및 인터디지테이트유로로 구분된다. 평행유로는 입구에서 평행하게 배치된 직선유로로 분해되고 출구로 빠져나온다. 이 유로의 이점은 입구와 출구 사이의 낮은 압력강하이며, 단점은 각 유로에서 흐름의 분배가 균일하지 않을 수 있다는 것이다. 또한, 일부 유로에서 물이 축적될 수 있고 유로가 막히는 경우 막힌 유로의 하류 영역에서 물질전달에 큰 손실이 있을 여지가 있다. 연료전지에서는 물의 배출 문제는 필수적으로 해결할 문제이다. 물은 표면장력이 높기 때문에 뮬의 배출을 위하여 연료나 산화제 기체가 흐르는 유로의 단면적이 일정 크기 이상이어야 한다. 따라서, 일반적으로 고분자전해질 연료전지(FEFC)에 채용하는 연료나 산화제 기체가 흐르는 유로의 단면의 수력직경은 1 mm 내외이다.
사형유로의 장점은 유로 중에 생성된 물의 제거능력이다. 사형유로는 입구와 출구사이 큰 압력강하가 발생한다. 따라서 연료전지 유지 동력이 증가하여 연료전지에서 발생하는 전기중 사용량이 증가하여 결과적으로 총괄 효율이 감소한다.
인터디지테이트 유로는 기체 확산층을 통하여 기체 반응물이 강제로 대류된다. 인터디지테이트 유로 역시 압력강하는 크지만 물 관리에 유리한 점이 있다.
바이폴라-플레이트 유로 관련하여, 대한민국 공개특허 10-2008-0070124호는 비대칭형 유로의 바이폴라-플레이트 구조를 개시하나 여전히 바이폴라-플레이트의 유동손실은 개선할 여지가 많이 있다.
한편, 본 출원인의 선출원된 등록 특허인 제10-1486168호를 참조하면 연료전지를 이루는 잎맥형 전극판 유로에서는 유로의 입구와 출구를 직선 상으로 연결하는 영역을 중심으로 유량이 집중된다는 문제점이 있게 된다. 또한, 연료 전지의 특성상 유로의 폭, 깊이 및 상기 변수 간의 비율은 배수성, 제작성 및 재료의 한계로 인하여 변경하기 어려운 점이 있다는 현실적인 문제점이 있게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기존 기술 상에서 연료 전지의 특성상 배수성, 제작성 및 재료의 한계로 인하여 유로의 폭, 깊이(또는 수력 직경) 및 비율에 대해서 변경하기 어렵다는 한계가 있는바, 잎맥 형태의 전극판을 이루는 복수의 유로를 파형 구조로 형성함으로써 유량 분배 개선, 압력 손실 균등화를 달성하게 하여 바이폴라-플레이트에서의 반응이 효과적으로 이루어지게 하는 동시에 연료와 공기의 흐름 저항은 줄일 수 있는 새로운 유로 구조의 연료전지 바이폴라-플레이트 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
또한, 연료와 산화제의 흐름에서 파형 유로를 잎맥형 전극판 상에 효과적으로 배치하여 압력손실을 크게 줄이고 반응물과 생성물의 물질전달을 원활하게 하여 연료전지의 체적, 질량 및 재료비를 절감하고 반응수를 효과적으로 배출하여 총괄 성능을 향상하고자 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따라 막-전극 접합체와 인접한 상태에서 연료 또는 산화제의 유로를 제공하는 연료전지 바이폴라-플레이트에 있어서, 대향하는 양측 모서리에 각각 형성된 유로 입구 및 유로 출구; 상기 바이폴라-플레이트 상에서 상기 유로 입구와 유로 출구를 제외한 상태에서 서로 대향하도록 형성된 다수의 경계부; 및 상기 막-전극 접합체와 접하는 면에 형성되는 유로 구조체;를 포함하며, 상기 유로 구조체는 상기 유로 입구와 상기 유로 출구 사이를 연결하는 다수의 주 유로를 구비하며, 상기 다수의 주 유로는 그 길이 방향을 따라 파형 유로의 형태를 가지며, 상기 유로 입구 및 유로 출구에서 상기 바이폴라-플레이트의 중심부로 진행할수록 파형의 각도(θ)는 증가하고, 상기 다수의 경계부에서 상기 바이폴라-플레이트의 중심부로 진행할수록 파형의 각도는 증가하는 것을 특징으로 한다.
상기 유로 입구 및 유로 출구에서 상기 바이폴라-플레이트의 중심부로 진행할수록 파형의 주기(2Xf)는 증가한다.
파형의 주기에 대한 유로의 간격의 비(Fs/2Xf)는 0.1 내지 0.5 범위이다.
상기 파형의 각도(θ)는 0도에서 30도 이내이다.
상기 파형의 각도(θ)는 14.9°이고, 파형의 주기에 대한 유로의 간격의 비(Fs/2Xf)는 0.4 이하가 바람직하다.
상기 다수의 주 유로는 상기 유로 입구에서 방사상으로 연장된 후 서로 미교차된 상태에서 상기 유로 출구에서 합류하며, 중간 지점을 포함하는 일정 구간에 형성된 다수의 분기 유로를 구비한다.
상기 다수의 주 유로 사이를 연결하고 상기 주 유로보다 좁은 폭을 갖는 모세 유로를 구성하며, 상기 모세 유로는 Y자로 분기되어서, 상기 모세 유로로 둘러싸여서 형성되는 다수의 폐쇄된 셀을 포함한다.
상기 막-전극 접합체와 접촉하는 상기 폐쇄된 셀의 평균 면적이 15㎟ 이하이다.
상기 막-전극 접합체와 접촉하는 상기 폐쇄된 셀의 평균 수력 직경이 1.5㎜ 이하이다.
상기 막-전극 접합체와 평행한 평면 상에서 상기 폐쇄된 셀의 접촉면적/총면적의 비가 0.2 내지 0.8이다.
상기 연료전지 바이폴라-플레이트는, 상기 다수의 주 유로를 가로지르도록 연결하는 접속 유로;를 더 포함하고, 상기 접속 유로는 상기 다수의 주 유로와 연통하는 상태로 배치된다.
상기 접속 유로의 직경은 상기 주 유로의 직경보다는 크게 배치된다.
상기 다수의 주 유로의 중심부가 상기 유로 출구 측으로 만곡된 상태이다.
상기 연료전지 바이폴라-플레이트는 모서리가 소정의 곡률로 라운딩 처리된 직사각형 형태이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따라 상기 연료전지 바이폴라-플레이트를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명에 따른 바이폴라-플레이트는 막-전극 접합체의 단위 면적당 반응율 증가, 출력 증대를 유도할 수 있다. 또한, 전류밀도 증대하고, 고가의 막-전극 접합체의 사용을 절감하여 가격경쟁력을 증대하고, 아울러 무게를 감소하며, 유로방향으로 압력강하를 감소하여 시스템 압력을 낮추며, 이로 인한 기밀부하와 비용이 감소하고, 송풍기 또는 펌프의 소요동력은 감소하고, 물 공급 및 배출 능력을 증대하며, 정상 작동시간을 단축하고, 총괄 연료전지 효율을 증대하는 효과가 있다.
도 1은 대표적인 연료전지의 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 종래의 평행유로 바이폴라-플레이트의 구조를 도시한 그림이다.
도 3은 종래의 사형유로 바이폴라-플레이트의 구조를 도시한 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 바이폴라-플레이트의 평면도이다.
도 5는 주 유로 상에 형성된 파형 유로의 개략도를 보인다
도 6은 파형 유로의 각도에 따른 압력강하 특성을 보이고, 도 7은 파형 유로의 각도에 따른 열전달 특성을 보인다.
도 8은 파형 유로의 간격에 따른 압력강하 특성을 보이고, 도 9는 파형 유로의 간격에 따른 열전달 특성을 보인다.
도 10은 바이폴라-플레이트 상에서 유로 입구와 유로 출구를 연결하는 주 유로의 중심부가 유로 출구 측으로 만곡된 상태를 보인다.
도 11은 도 10 상에 도시된 복수의 주 유로의 위치에 따라 파형의 각도 및 주기가 변동되는 형태를 개략적으로 보이는 도면이다.
도 12에서는 바이폴라-플레이트의 입구와 출구를 연결하는 복수의 주 유로를 가로지르도록 연결하는 접속 유로를 보인다.
도 13은 접속 유로와 주 유로 간의 연결되는 형태를 구체적으로 보인다.
도 14는 막-전극 접합체와 바이폴라-플레이트가 접촉한 면에서 모세 유로에 의한 셀 단면적과 수력직경을 설명하는 그림이다.
도 15는 막-전극 접합체와 바이폴라-플레이트가 접촉한 면에서 수력직경에 대한 유로의 비와 총면적에 대한 접촉면적의 비의 관계를 도시한 그래프이다.
도 16은 막-전극 접합체와 바이폴라-플레이트가 접촉한 면에서 연료의 유로에 대하여 총면적에 대한 유동면적과 총저항의 관계의 예를 도시한 그래프이다.
도 17은 막-전극 접합체와 바이폴라-플레이트가 접촉한 면에서 산화제의 유로에 대하여 총면적에 대한 접촉면적과 총저항의 관계의 예를 도시한 그림이다.
본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
본 발명은 기존의 잎맥형 전극판 유로에서 유로의 입구와 출구를 직선 상으로 연결하는 영역을 중심으로 유량이 집중되는 과정에서 상기 전극판 유로 상의 유량이 전체적으로 균일하지 않다는 문제점을 극복하고자 하는 것이다.
이를 위하여, 기존의 잎맥형 유로 상에서 유량이 집중되는 영역 상에 직선 유로가 아닌 파형유로(herringbone 또는 smooth wave)를 배치하여 유로의 입구와 출구 사이의 파형 각도 및 파형의 주기 등을 조절함으로써 유량 분배를 개선하고자 하는 것이다. 또한, 바이폴라-플레이트의 입구와 출구를 연결하는 복수의 주유로를 가로지르도록 연결하는 접속 유로를 교호 배치함으로써 복수의 주유로 별로 유량의 균일성을 높이고자 하는 점에 그 기술적 특징을 가진다.
본 발명은 바이폴라-플레이트의 유로가 (1) 반응물인 연료와 산화제를 원활하게 공급하고 반응된 생성물을 제거한다는 점, (2) 연료전지에서 생성된 전기를 모으는 작용을 한다는 점과 및 (3)유로를 따라 막-전극 접합체 전체 표면 상에 균일하게 연료와 산화제를 공급하는 것은 전체의 성능에 중요하다는 점에 착안한 것이다. 따라서, 막-전극 접합체의 전체 표면에 대하여 평균 유로의 길이를 감소시키면 평균 농도차를 증가시켜 전류밀도를 높일 수 있고 전체 전류밀도 범위에서 셀의 성능을 높이고 전압손실을 줄일 수 있다는 점에서도 그 기술적 특징을 가진다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 입구와 출구 사이에서 Y자로 복수 회 분기하는 유로에 의하여, 복수 개의 폐회로 구조(이하 셀)을 구성하는 연료전지 바이폴라-플레이트를 제공한다. 즉, 본 발명에서 셀은 상기 바이폴라-플레이트에 형성된 유로로 둘러싸인 소정 형상을 의미하는 것으로, 본 발명에서 상기 셀의 형상은 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 또는 임의의 다각형 등 형상이 매우 다양할 수 있다.
유로가 갈라지는 분기점에서 3 갈래인 Y자 분기, 4 갈래인 +분기, 5 갈래 이상의 다분기 등으로 구성될 수 있다. 유체의 유동은 분기점에서 여러 갈래로 나누어질수록 각 갈래 유로에 유량과 유동손실의 균형을 맞추기가 쉽지 않다. 또한 갈래의 수가 많을수록 흐름방향으로 유동손실이 증가한다. 따라서 한 유로에서 다른 유로로 분기되는 경우 3 갈래인 Y자 분기가 가장 유용하다. 그 대표적인 예가 식물의 잎맥이나 동물의 혈관 그리고 기관지이다. 따라서 분기를 Y분기를 수선으로 한다. 평면상의 분기인 식물의 잎맥을 예를 들 경우 전체 분기중 80% 이상이 Y분기 인 경우가 다수이다.
Y자로 분기된 유로는 일 지점에서 적어도 하나 이상으로 분기되며, 상기 분기된 유로의 80% 이상이 Y자로 분기된다. 즉, 본 발명은 단순 일방향 유로를 Y자 분지형 유로로 대신하며, 이를 통하여 매우 많은 흐름 선택권을 부여하고, 그물모양 폐회로를 구성을 통하여 흐름 방향으로 다수의 압력균형 점을 설정하여 흐름분배를 좋게 하고, 다단계 유로의 직경을 조합하여 셀의 수력직경을 감소하여 단위 면적당 반응율을 향상시킨다.
그 결과, 본 발명에 따른 바이폴라-플레이트는 막-전극 접합체 단위 면적당 반응율 증가, 출력 증대를 유도할 수 있다. 또한, 전류밀도 증대하고, 고가의 고분자전해막 사용을 절감하여 가격경쟁력을 증대하고, 아울러 무게를 감소하며, 유로방향으로 압력강하를 감소하여 시스템 압력을 낮추며, 이로 인한 기밀부하와 비용이 감소하고, 휀 또는 펌프의 소요동력은 감소하고, 물 공급 및 배출 능력을 증대하며, 정상 작동시간을 단축하고, 총괄 연료전지 효율을 증대하는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 바이폴라-플레이트의 평면도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 바이폴라-플레이트는 일면에 형성된 유로 구조를 구비한다.
유로 구조는 바이폴라-플레이트의 서로 대향하는 두 모서리 각각에 형성된 유로 입구(111)와 유로 출구(112)의 사이에 형성된다. 한편, 바이폴라-플레이트 상에 형성된 복수의 유로 중 최외측에 형성된 유로에 인접한 모서리를 경계부로 정의한다. 상기 경계부는 예를 들어 사각 형태의 바이폴라-플레이트 상에서 상기 유로 입구와 출구를 제외한 상태에서 서로 대향하도록 형성된 제1 경계부(d1) 및 제2 경계부(d2)를 포함한다. 상기 경계부는 바이폴라-플레이트의 형태에 따라 3지점 이상으로 확장이 가능할 수 있다.
도 4 상에서는 정사각 형상의 바이폴라-플레이트를 도시하였지만 이는 편의에 따라 도시한 것으로서 이에 한정되는 것은 아니고 직사각형 및 마름모를 포함한 일반적인 사각형 형상을 포함하는 것일 수 있다. 본 발명 상에서 바이폴라-플레이트는 모퉁이 또는 모서리가 소정의 곡률로 라운딩 처리된 직사각형 형태일 수 있다.
유로 구조는 다수의 주 유로(113) 및 모세 유로(115)를 포함한다. 각 주 유로(113)는 유로 입구(111)와 유로 출구(112) 사이를 연결한다. 다수의 주 유로(113)는 유로 입구(111)에서 방사상으로 연장된 후 유로 출구(112)에서 합류한다. 그에 따라, 다수의 주 유로(113)는 서로 교차하지 않으면서 바이폴라-플레이트 일면의 전체 영역을 고르게 통과한다.
각 주 유로(113)는 유로 입구와 출구 간의 중간 지점을 포함하는 일정 구간에 형성된 다수의 분기 유로(114a, 114b, 114c)를 구비한다. 분기 유로(114a, 114b, 114c)에 의하여 주 유로(113) 사이의 간격이 일정 폭 이하로 유지된다. 분기 유로(114a, 114b, 114c)는 분기되기 전과 합쳐진 후의 유로 폭보다 좁게 형성된다. 본 발명에서 분기 유로(114a, 114b, 114c)는 주 유로(113)와 구별되는 별도의 유로가 아니라 상기 주 유로(113)에 포함되는 주 유로(113)의 하위 구성 요소가 된다.
모세 유로(115)는 분기 유로(114a, 114b, 114c)를 포함하는 주 유로(113)와 연통된 상태로 주 유로(113)에서부터 분기되어서 다른 주 유로(113)와 연통된다. 모세 유로(115)는 분기 유로(114a, 114b, 114c)보다 좁게 형성된다. 모세 유로(115)는 일 지점에서 복수 회로 Y자 분기하며, 분기된 모세 유로는 다시 다른 모세 유로(115)와 합류하여, 복수 개의 폐쇄된 셀로 이루어진 그물 구조(도 4에서는 육각 형태의 벌집 모양)의 셀을 이룬다. 상기 모세 유로는 분기 유로를 포함하는 주 유로 상에서의 국부 폐색을 방지하는 것을 주요 목적으로 한다.
본 발명의 범위는 도 4의 육각 구조의 벌집 형상의 셀 구조에 제한되지 않으며, 유로가 분기된 후 합쳐지는 방식에 의하여 폐회로의 셀을 이루는 한, 다양한 형상의 셀 구조 또한 본 발명의 범위에 속한다. 분기 유로(114a, 114b, 114c)를 포함하는 주 유로(113)와 모세 유로(115)는 대부분 수직으로 연결된다.
상기와 같이 형성된 유로 구조는 분기된 복수 개의 유로를 포함하며, 상기 복수 개의 유로는 다수의 폐 회로의 셀을 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지 바이폴라-플레이트에서의 압력구배를 균일하게 유지할 수 있다.
이하, 유량이 집중되는 주 유로(113) 상에 형성되는 파형 유로를 설명한다.
도 5는 주 유로(113) 상에 형성된 파형 유로의 개략도를 보인다. 유체의 흐름은 화살표 방향과 같이 좌측에서 우측으로 흐르며, Fs는 유로의 수직 간격, Fs'는 파형의 수직 간격, 2Xf는 파형의 주기, θ는 파형의 각도를 나타낸다.
Fs는 유체 유동이 이루어지는 유로의 수직 방향을 따른 상하단의 높이차를 의미하고, 2Xf는 반복적으로 이루어지는 파형의 주기를 나타내며, θ는 수평 방향을 기준으로 한 파형 유로의 기울어진 각도를 의미한다.
유로 입구(111)에서 중심부(O)로 진행할수록 파형의 각도(θ)는 증가하고, 유로 출구(112)에서 중심부(O)로 진행할수록 파형의 각도(θ)는 증가한다.
한편, 제1 경계부(d1)에서 중심부(O)로 진행할수록 파형의 각도(θ)는 증가하고, 제2 경계부(d2)에서 중심부(O)로 진행할수록 파형의 각도(θ)는 증가한다.
유로 입구(111)에서 중심부(O)로 진행할수록 파형의 주기(2Xf)는 증가하고, 유로 출구(112)에서 중심부(O)로 진행할수록 파형의 주기(2Xf)는 증가한다.
도 6은 파형유로의 각도에 따른 압력강하 특성을 보이고, 도 7은 파형유로의 각도에 따른 열전달 특성을 보인다.
도 6을 참조하면, 파형의 각도가 0도에서 30도로 증가함에 따라 압력 손실(fapp)은 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 파형유로의 각도가 30도 이상은 실질적으로 효과가 없다는 점에서, 파형유로의 각도를 0도에서 30도 이내로 유지하는 것이 바람직하다.
도 7을 참조하면, 파형의 각도가 0도에서 30도로 증가함에 따라 전체적으로는 열전달(Nu)이 증가하는 것을 확인할 수 있지만, 파형의 각도가 20도에서 30도로 증가함에 따라 열전달(Nu)의 증가분은 매우 미미한 것을 확인할 수 있다.
도 8은 파형유로의 간격에 따른 압력강하 특성을 보이고, 도 9는 파형유로의 간격에 따른 열전달 특성을 보인다.
도 8을 참조하면, 파형의 주기에 대한 유로의 수직 간격의 비(Fs/2Xf)가 증가함에 따라 압력 손실은 감소하는 것을 보인다.
한편, 도 9를 참조하면, 파형의 주기에 대한 유로의 수직 간격의 비(Fs/2Xf)가 증가함에 따라 전체적으로 Fs/2Xf는 0.1 내지 0.5 범위에서 열전달계수가 최대값을 갖는 것을 보인다.
구체적으로, 파형 각도 14.9°의 경우 Fs/2Xf가 증가함에 따라 압력 강하는 지속적으로 감소하며 Fs/2Xf는 0.2~0.3의 범위에서 유사한 값을 가진다.
열전달 계수는 증가하였다가 감소하며 0.3의 Fs/2Xf 이후 열전달 계수가 감소한다. 파형 각 30.0°의 경우에는 Fs/2Xf가 증가함에 따라 압력 강하와 열전달 계수가 증가하였다가 감소한다.
전면 유속이 동일한 경우, 파형 각도 30.0°는 Fs/2Xf = 0.2에서 14.9°와 압력강하가 유사하며, Fs/2Xf가 증가함에 따라 높은 값을 보인다.
한편, 열전달계수 측면을 보면, 파형 각도 30.0°는 14.9°에 비하여 낮은 값을 보인다.
상기의 내용을 토대로 파형 각도 14.9°와 30°에 대하여 유로 간격이 압력 강하와 열전달 계수에 미치는 영향을 정리하면 다음과 같다.
(1) 파형 각도 14.9°의 경우에, Fs/2Xf 가 증가함에 따라 압력 강하는 지속적으로 감소하며 열전달 계수는 감소하였다가 증가하며 Fs/2Xf =0.3 이후 감소한다. 파형 각도 30°의 경우 압력 강하와 열전달 계수는 증가하였다가 감소한다.
(2) 전면 유속이 동일할 때 파형 각도 30°의 경우 Fs/2Xf =0.2에서 파형 각도 14.9°와 동일한 압력강하 값이 유사하며, Fs/2Xf가 증가함에 따라 압력 강하는 약 217.9% 높은 값을 보인다. 30°의 경우 열전달계수는 79.2% 낮은 값을 보인다.
(3) 압력 강하와 열전달 계수를 고려하였을 때 압력 강하는 낮으면서 열전달 계수가 높은 파형 각도 14.9°의 Fs/2Xf =0.3 이하에서 효율이 가장 좋은 경향이 있다. 상기의 경향은 파형의 각도가 증가함에 따라 Fs/2Xf =0.4 까지 증가한다. 따라서, Fs/2Xf는 0.4 이하가 바람직하다.
한편, 최대 유로 간격은 파형의 각도와 유속에 따라 다를 수 있다.
상술한 구조를 따르는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 연료전지의 전기화학 반응은 실제 바이폴라-플레이트의 전체 면적으로 분화되어 있는 모세 유로에서 이루어지며, 이러한 모세 유로에서의 전기화학 반응량은 모세 유로가 세분화될수록 증가한다. 여기에서 모세 유로의 최소 크기는 전기화학 반응에서 생성된 물이나, 수증기의 배출에 의하여 제한되며, 모세 유로에 연료와 산화제의 공급 또한 필요하다. 상기 연료와 산화제 공급은 주 유로와 보조 유로에 의하여 수행되는데, 주 유로와 보조 유로의 직경 또는 폭이 클수록 연료와 산화제의 공급에 유리하지만, 유속이 낮아지므로, 전기화학적 반응량은 감소하고 발생된 전자를 막-전극 접합체로 전달하는데 전기저항이 증가하게 된다. 따라서, 주 유로를 지나는 연료 및 산화제의 안정된 유속 제어 및 또한 전기화학적 반응의 제어를 위한 모세 유로에 의한 셀 면적 제어가 필요하다.
도 10은 바이폴라-플레이트 상에서 유로 입구(111)와 유로 출구(112)를 연결하는 다수의 주 유로의 중심부가 유로 출구 측으로 만곡된 상태를 보인다. 즉, 유로 입구와 유로 출구를 연결하는 다수의 주 유로 각각에 대해서, 유동의 방향이 변하는 지점으로 볼 수 있는 중심부 라인이 유로 출구 측으로 만곡되어 꺽인 상태를 보인다.
일반적으로 연료전지를 구성하는 바이폴라-플레이트 상에서 전극파의 유로는 유로 입구에서 유로 출구 사이의 유로 중심에 대하여 점대칭이다. 그러나, 유로 입구에서 다수의 유로가 방사상으로 퍼지는 확장부에서는 와류의 발생이 활발한 반면에 유로 중심에서부터 다수의 유로 간의 간격이 좁아지는 축소부에서는 흐름이 훨씬 안정적이다. 따라서, 도 10과 같이 유로 중심을 유로 출구 쪽으로 이전하여 배치하는 것이 유동, 열 및 물질 전달에 유리하다.
도 11은 도 10 상에 도시된 복수의 주 유로의 위치에 따라 파형의 각도 및 주기가 변동되는 형태를 개략적으로 보이는 도면이다. 도 10에 도시된 Line B,C,D 중에서 Line B는 유로 입구(111)와 유로 출구(112)를 거의 직선으로 연결하는 주 유로 상의 길이 방향을 따른 단면을 보이는 것이고, Line C와 Line D는 Line B에서 경계부 측으로 소정거리 이격된 상태로 배치된 주 유로 상의 길이 방향을 따른 단면을 보인다. 즉, Line B에서 Line C 및 Line D 측으로 이동함에 따라 점점 파형 각도가 작아지게 된다.
도 12에서는 바이폴라-플레이트의 입구와 출구를 연결하는 복수의 주유로를 가로지르도록 연결하는 접속 유로(116,connecting flowpath)를 교호 배치한다. 이를 통해서 각 유로별로 유량의 균일성을 높인다. 도 12의 B 구역은 복수의 주유로를 통하는 불균일한 유체 유동의 정압성을 가능하게 하는 접속 영역으로 칭할 수 있다. 한편, 주유로와 접속 유로 간의 연결 각도는 수직이 유리할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 정압부의 역할을 위하여 접속 유로의 유로 단면적은 주유로의 단면적보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
도 13은 도 12의 A 부분에 대한 확대도로서, 접속 유로와 주 유로 간의 연결되는 형태를 구체적으로 보인다. 복수의 주 유로들이 경계부 사이에 일렬로 배열되 있는 상태에서, 접속 유로는 상기 복수의 주 유로들을 가로 질러 연통하도록 배치된다. 상기 상태에서, 복수의 주 유로들을 통과하는 유체는 접속 유로와 만나는 접점에서 순간적으로 접속 유로를 통해 인근의 주 유로로 이동함으로써 유량이 균일해지게 한다.
한편, 접속 유로는 제1,2 경계부를 따른 방향을 따라 요철이 형성된 상태를 갖는다. 구체적으로는, 접속 유로(116)는 인접한 주 유로 사이에서 일측 방향으로 꺽인 제1 돌출부(116a) 형상을 가진 다음에, 다음으로 인접한 주 유로 사이에서 타측 방향으로 꺽인 제2 돌출부(116b) 형상을 갖는 방식으로 복수의 주 유로를 하나씩 가로지를 때마다 접속 유로의 요철 방향이 반대로 형성되는 것이 가능하다. 여기에서, 접속 유로가 주 유로 상을 지나는 경우에는 중첩되는 방식으로 이루어질 수 있는데, 구체적으로는 접속 유로가 주 유로를 둘러싸는 방식으로 구성이 가능할 수 있다. 상기 접속 유로와 주 유로는 동일 평면 상에 배치되는 것이 가능하다.
상기 접속 유로는 복수개의 주 유로들 사이에서의 정압부의 기능을 위하여 유로의 단면적이 주유로의 단면적보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 도 14는 모세 유로에 의한 셀 단면적과 수력직경을 설명하는 그림이다. 도 14에서, 모세 유로(232)에 의하여 정의되는 복수 개의 셀(231)이 개시되는데, 상기 셀을 나누는 유로(232)는 소정 크기의 폭을 갖는다. 또한 상기 셀은 일정 크기의 면적(234)를 갖는다. 도 14에서 도면부호 '233'은 셀 주변 길이(P)를 의미한다.
도 15는 막-전극 접합체와 바이폴라-플레이트가 접촉한 면에서 수력직경에 대한 유로의 비와 총면적에 대한 접촉면적의 비의 관계를 도시한 그래프이다.
도 16은 막-전극 접합체와 바이폴라-플레이트가 접촉한 면에서 연료의 유로에 대하여 총면적에 대한 유동면적과 총저항의 관계의 예를 도시한 그래프이다.
도 17은 막-전극 접합체와 바이폴라-플레이트가 접촉한 면에서 산화제의 유로에 대하여 총면적에 대한 접촉면적과 총저항의 관계의 예를 도시한 그림이다.
유로에서 압력강하는 유로의 폭 (w)이 넓을수록 감소하며 길수록 증가한다. 유로에서의 물질전달은 고분자전해질막과 평행한 평면상의 셀의 평면수력직경이 감소할수록 반응 균일성도 좋고 반응량도 증가한다. 셀의 평면수력직경 (D h )은 (수력직경 = 4 x 셀단면적 (A cont ) / 셀 주변길이 (P))으로 정의한다.
셀의 형상은 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 또는 임의의 다각형 등 형상이 매우 다양하다. Y 갈래로 형성된 유로는 육각형 셀 형상이 가장 일반적이다. 수력직경에 대한 유로의 폭이 증가함에 따라 전체 평면적에 대한 셀의 면적은 감소한다. 한 변의 길이가 l 인 육각형 셀이라고 가정할 때 접촉 셀의 접촉면적/총면적의 비는
Figure 112018031756162-pat00001
이다.
전극접촉저항은 흐름판과 고분자전해질막과 셀의 접촉면적 (A cont )이 클수록 감소한다. 즉 셀의 접촉면적/ 총면적의 비가 증가할수록 유동면적은 감소하고 물직전달 과정의 대류저항은 증가한다. 일반적으로 연료제보다 산화제의 대류저항이 크며 이에 상응하는 유도면적을 확보하는 것이 중요하다.
결론적으로 셀의 평면수력직경은 작을수록 성능에 유리하다. 제한 조건은 수력직경이 감소하면 물 처리능력이 감소하는 점이 있다. 경험에 의하며 셀 수력직경이 1.5 mm 이하가 적합하다.
또한, 막-전극 접합체와 접촉하는 상기 셀의 평균 면적이 15㎟ 이하인 것이 바람직하다.
셀의 접촉면적/ 총면적의 비는 연료와 산화제의 종류에 따라 다르지만 수소와 공기를 연료와 산화제로 사용하는 것이 일반적이며 간단한 모델에 의하면 이는 0.2 내지 0.8이 적합하다.
이상 실시 예들을 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시 예들은 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 막-전극 접합체와 인접한 상태에서 연료 또는 산화제의 유로를 제공하는 연료전지 바이폴라-플레이트에 있어서,
    상기 연료전지 바이폴라-플레이트는,
    대향하는 양측 모서리에 각각 형성된 유로 입구 및 유로 출구;
    상기 바이폴라-플레이트 상에서 상기 유로 입구와 유로 출구를 제외한 상태에서 서로 대향하도록 형성된 다수의 경계부; 및
    상기 막-전극 접합체와 접하는 면에 형성되는 유로 구조체;를 포함하고,
    상기 유로 구조체는 상기 유로 입구와 상기 유로 출구 사이를 연결하는 다수의 주 유로를 구비하며,
    상기 다수의 주 유로는 그 길이 방향을 따라 파형 유로의 형태를 가지며,
    상기 유로 입구 및 유로 출구에서 상기 바이폴라-플레이트의 중심부로 진행할수록 파형의 각도(θ)는 증가하고,
    상기 다수의 주 유로를 가로지르도록 연결하는 접속 유로는 상기 다수의 주 유로와 연통하는 상태로 배치되고,
    상기 접속 유로는 상기 경계부를 연결하는 방향을 따라 요철이 형성된 상태를 가지고,
    상기 접속 유로는 인접한 주 유로 사이에서 일측 방향으로 꺽인 제1 돌출부 형상 및 상기 인접한 주 유로 사이에서 타측 방향으로 꺽인 제2 돌출부 형상을 갖는 방식으로 복수의 주 유로를 가로지를 때마다 상기 접속 유로의 요철 방향이 반대로 형성되며,
    상기 다수의 경계부에서 상기 바이폴라-플레이트의 중심부로 진행할수록 파형의 각도는 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 바이폴라-플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유로 입구 및 유로 출구에서 상기 바이폴라-플레이트의 중심부로 진행할수록 파형의 주기(2Xf)는 증가하는, 연료전지 바이폴라-플레이트.
  3. 제 2 항에 있어서,
    파형의 주기에 대한 유로의 간격의 비(Fs/2Xf)는 0.1 내지 0.5 범위인, 연료전지 바이폴라-플레이트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 파형의 각도(θ)는 0도에서 30도 이내인, 연료전지 바이폴라-플레이트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 파형의 각도(θ)는 14.9°이고, 파형의 주기에 대한 유로의 간격의 비(Fs/2Xf)는 0.4 이하인, 연료전지 바이폴라-플레이트.
    여기에서, Fs는 유로의 간격의 비, 2Xf는 파형의 주기, θ는 파형의 각도로 정의한다.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 주 유로는 상기 유로 입구에서 방사상으로 연장된 후 서로 미교차된 상태에서 상기 유로 출구에서 합류하며, 중간 지점을 포함하는 일정 구간에 형성된 다수의 분기 유로를 구비하는, 연료전지 바이폴라-플레이트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 다수의 주 유로 사이를 연결하고 상기 주 유로보다 좁은 폭을 갖는 모세 유로를 구성하며, 상기 모세 유로는 Y자로 분기되어서, 상기 모세 유로로 둘러싸여서 형성되는 다수의 폐쇄된 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 바이폴라-플레이트.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체와 접촉하는 상기 폐쇄된 셀의 평균 면적이 15㎟ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지 바이폴라-플레이트.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체와 접촉하는 상기 폐쇄된 셀의 평균 수력 직경이 1.5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지 바이폴라-플레이트.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체와 평행한 평면 상에서 상기 폐쇄된 셀의 접촉면적/총면적의 비가 0.2 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 연료전지 바이폴라-플레이트.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 접속 유로의 직경은 상기 주 유로의 직경보다는 크게 배치되는 연료전지 바이폴라-플레이트.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 주 유로의 중심부가 상기 유로 출구 측으로 만곡된 상태인 연료전지 바이폴라-플레이트.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 바이폴라-플레이트는 모서리가 소정의 곡률로 라운딩 처리된 직사각형 형태인 연료전지 바이폴라-플레이트.
  15. 제 1 항 내지 제 10 항 및 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 바이폴라-플레이트를 포함하는 연료전지 스택.
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