KR102034457B1 - 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 면과 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지고, 제2 면에서 제1 면 측으로 돌출된 복수 개의 채널 요소를 가지며, 상기 채널 요소는, 제1 면 상에서 유동하는 유체의 흐름방향에 따라 유입구 및 배출구를 각각 갖도록 마련되고, 유입구와 배출구를 연결하는 가상의 축의 축 방향을 따라 적어도 일부에서 높이가 변화하는 리브를 가지며, 상기 리브의 높이 변화에 의해 유입구와 배출구의 단면적이 서로 다르게 결정된 분리판이 제공된다.

Description

분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 {Separator and Fuel cell stack comprising the same}

본 발명은 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(Fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.

수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 낮은 약 100℃의 작동온도를 가지며, 에너지 전환 효율과 출력밀도가 높고 응답특성이 빠른 장점이 있다. 뿐만 아니라, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 제공될 수 있다.

고분자 전해질 연료전지 스택은 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들을 가스 확산층으로 공급하고 발생된 물을 배출시키는 분리판(Bipolar Plate), 전해질 막과 분리판 사이에서 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는 가스켓(Gasket)을 포함할 수 있다.

종래 연료전지 스택용 분리판은 반응기체와 생성된 물의 흐름이 2차원 채널을 통해 같은 방향을 따라 진행하도록 구성되거나, 교차하는 3차원 입체 형상을 통해 분배 및 배출되도록 구성된다. 그러나 다양한 운전조건 하에서 가변적인 양의 물을 효율적으로 배출시키기에 부적합한 구조를 가지며, 이에 따라 연료전지 스택의 성능을 저하시키는 문제를 갖는다.

본 발명은 분리판 내의 기체 흐름과 액체(예를 들어, 물) 흐름을 효율적으로 분배할 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 분리판 내의 기체 흐름과 액체 흐름을 최적화할 수 있는 분리판 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 제작비용을 절감할 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 기체 흐름과 액체 흐름에 상호 간섭을 최소화할 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 면과 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지고, 제2 면에서 제1 면 측으로 돌출된 복수 개의 채널 요소를 갖는 분리판이 제공된다.

여기서 상기 채널 요소는, 제1 면 상에서 유동하는 유체의 흐름방향에 따라 유입구 및 배출구를 각각 갖도록 마련되고, 유입구와 배출구를 연결하는 가상의 축의 축 방향을 따라 적어도 일부에서 높이가 변화하는 리브를 갖는다.

여기서 상기 리브의 높이 변화에 의해 유입구와 배출구의 단면적이 서로 다르게 결정된다.

또한, 상기 리브는 상기 축 방향을 따라 외주면에 수평면 및 경사면을 가질 수 있다.

또한, 상기 리브는 상기 축 방향을 따라 내주면에 수평면 및 경사면을 가질 수 있다.

또한, 복수 개의 채널요소는, 제1 면의 가로 방향 및 세로 방향을 따라 각각 소정 간격으로 이격 배열될 수 있다.

또한, 인접하는 2개의 채널요소는 유체의 흐름방향에 따라 어느 한 채널요소의 배출구와 다른 채널요소의 유입구가 적어도 일부 중첩되도록 배열될 수 있다.

또한, 채널 요소는, 유입구 및 배출구를 연결하는 가상의 축이 제1 면의 가로축 및 세로축에 대하여 각각 경사지도록 마련될 수 있다.

또한, 인접하는 채널 요소 사이에는, 제1 면과 제2 면을 관통하는 하나 이상의 개구부가 마련될 수 있다.

또한, 상기 개구부는, 유입구 및 배출구 보다 작게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 막-전극 접합체; 막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층; 및 가스 확산층과 마주보도록 배치된 제1 면 및 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지고, 가스 확산층과 접촉하도록 제2 면에서 제1 면 측으로 돌출된 복수 개의 채널 요소를 갖는 분리판을 포함하는 연료전지 스택이 제공된다.

여기서 상기 채널 요소는, 제1 면 상에서 유동하는 유체의 흐름방향에 따라 유입구 및 배출구를 각각 갖도록 마련되고, 유입구와 배출구를 연결하는 가상의 축의 축 방향을 따라 적어도 일부에서 높이가 변화하는 리브를 갖는다.

여기서 상기 리브는 적어도 일부 영역에서 가스 확산층과 접촉되고, 나머지 영역에서 가스 확산층과 이격되도록 마련된다. 특히, 상기 리브는 높이 변화에 의해 적어도 일부 영역에서 가스 확산층과 접촉되고, 나머지 영역에서 가스 확산층과 이격되도록 마련된다.

또한, 인접하는 2개의 리브의 외주면으로 형성된 공간으로 물이 유동하도록 마련될 수 있다.

또한, 상기 리브는 상기 축 방향을 따라 외주면에 수평면 및 경사면을 가질 수 있다. 여기서 수평면은 가스 확산층과 접촉하고, 경사면은 가스 확산층과 접촉하지 않는다.

또한, 상기 리브는 상기 축 방향을 따라 내주면에 수평면 및 경사면을 가질 수 있다.

또한, 복수 개의 채널요소는, 제1 면의 가로 방향 및 세로 방향을 따라 각각 소정 간격으로 이격 배열될 수 있다.

또한, 인접하는 2개의 채널요소는 유체의 흐름방향에 따라 어느 한 채널요소의 배출구와 다른 채널요소의 유입구가 적어도 일부 중첩되도록 배열될 수 있다.

또한, 채널 요소는, 유입구 및 배출구를 연결하는 가상의 축이 분리판의 가로축 및 세로축에 대하여 각각 경사지도록 마련될 수 있다.

또한, 인접하는 채널 요소 사이에는, 제1 면과 제2 면을 관통하는 하나 이상의 개구부가 마련될 수 있다.

또한, 상기 개구부는, 유입구 및 배출구 보다 작게 형성될 수 있다.

또한, 상기 리브의 높이 변화에 의해 유입구와 배출구의 단면적이 서로 다르게 결정될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.

분리판 내의 기체 흐름과 액체(예를 들어, 물) 흐름을 효율적으로 분배할 수 있고, 분리판 내의 기체 흐름과 액체(예를 들어, 물) 흐름을 최적화할 수 있다. 특히, 기체 유로와 액체 유로의 흐름 방향 단면의 폭의 비를 크게 하여, 작은 단면적을 갖는 유로에서 액체의 응축이 더 빨리 일어날 수 있도록 유도한다. 또한, 기체의 흐름을 난류로 바꾸어 물 배출에 유리하게 된다.

또한, 기체 흐름과 액체 흐름에 상호 간섭을 최소화할 수 있다. 구체적으로, 작은 단면적을 갖는 상대적으로 좁은 유로는 액체 흐름을 위한 액체 유로가 되고, 큰 단면적을 갖는 상대적으로 넓은 유로는 기체 흐름(반응 가스 등)을 위한 기체 유로가 됨으로써, 기체와 액체의 흐름영역을 효과적으로 분리시킬 수 있다.

또한, 연료전지 스택에서, 전지화학반응으로 생성되거나, 반응가스 중 수분의 응축에 의해 발생한 물을 효율적으로 배출시킬 수 있으며, 이에 따라 플러딩(flooding) 현상을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택의 단면도이다.
도 3은 도 1의 분리판의 채널 요소의 확대 사시도이다.
도 4는 도 1의 분리판을 구성하는 채널 요소의 단면을 나타내기 위한 절개 사시도이다.
도 5는 도 1의 분리판의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 분리판의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 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 분리판의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택의 단면도이며, 도 3은 도 1의 분리판의 채널 요소의 확대 사시도이다.

또한, 도 4는 도 1의 분리판을 구성하는 채널 요소의 단면을 나타내기 위한 절개 사시도이고, 도 5는 도 1의 분리판의 정면도이다.

본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(10)은 막-전극 접합체(20)와 막-전극 접합체(20)의 일면에 마련된 가스 확산층(30) 및 분리판(100)을 포함한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 분리판(100)은 제1 면(101)과 제1 면(101)의 반대방향의 제2 면(102)을 가지고, 제2 면(102)에서 제1 면(101) 측으로 돌출된 복수 개의 채널 요소(110)를 갖는다. 또한, 인접하는 2개의 리브(113)의 외주면으로 형성된 공간으로 물이 유동하도록 마련될 수 있다.

또한, 상기 채널 요소(110)는, 제1 면(101) 상에서 유동하는 유체(도 1의 반응 가스 유로 F)의 흐름방향에 따라 유입구(111) 및 배출구(112)를 각각 갖도록 마련된다. 또한, 상기 채널 요소(110)는 유입구(111)와 배출구(112)를 연결하는 가상의 축(L)의 축 방향을 따라 적어도 일부에서 높이(h)가 변화하는 리브(113)를 갖는다.

특히, 채널 요소(110)는 제1 면(101)이 가스 확산층(30)과 마주보도록 배치된다. 또한, 채널 요소(110)는 상기 리브(113)가 가스 확산층(30)가 적어도 일부 영역에서 접촉하고, 나머지 영역에서 접촉하지 않도록 마련된다. 상기 리브(113)는 적어도 일부 영역에서 가스 확산층(30)과 접촉되고, 나머지 영역에서 가스 확산층(30)과 이격되도록 마련된다. 특히, 상기 리브(113)는 높이(h) 변화에 의해 적어도 일부 영역에서 가스 확산층(30)과 접촉되고, 나머지 영역에서 가스 확산층(30)과 이격되도록 마련된다.

여기서 상기 리브(113)의 높이 변화에 의해 유입구(111)와 배출구(112)의 단면적이 서로 다르게 결정된다. 도 1을 참조하면, 유입구(111)는 배출구(112) 보다 큰 단면적을 갖도록 마련된다.

본 문서에서, 채널 요소(110)의 외주면이라 함은 제1 면(101)과 연속되는 면을 의미하고, 채널 요소(110)의 내주면이라 함은 제2 면(102)과 연속되는 면을 의미할 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 리브(110)는 상기 축 방향을 따라 외주면에 수평면(114a) 및 경사면(114b)을 가질 수 있다. 여기서 수평면(114a)은 가스 확산층(30)과 접촉하고, 경사면(114b)은 가스 확산층과 접촉하지 않는다. 이와 같이, 리브(113)의 높이 변화를 통해, 일부 영역에서 가스 확산층(30)과 접촉하고, 나머지 영역에서 가스 확산층(30)가 이격되는 경우, 상기 이격된 공간에서 대류 및 확산 작용이 일어남에 따라 물질 전달에 유리할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 리브(113)는 상기 축 방향을 따라 내주면(115)에 수평면(115a) 및 경사면(115b)을 가질 수 있다. 예를 들어, 수평면(115a) 및 경사면(115b)은 약 150°의 각도(θ)로 기울어질 수 있다.

또한, 채널 요소(110)의 내주면은 적어도 일부가 곡면으로 형성된다. 본 문서에서, 유입구(111)는 리브(113)의 상류 측 외주연과 제1 면(101)에 의해 형성되는 개구부를 의미하고, 배출구(112)는 리브(113)의 하류 측 외주연과 제1 면(101)에 의해 형성되는 개구부를 의미할 수 있다.

여기서, 인접하는 채널 요소의 내부를 통해 가스(반응 가스 또는 연료)의 유동이 이루어질 수 있고, 인접하는 채널 요소들의 외부(외주면 사이 영역)을 통해 물의 유동이 이루어지도록 할 수 있다. 구체적으로, 인접하는 2개의 리브(113)의 외주면으로 형성된 공간으로 물이 유동하도록 마련될 수 있다. 이때, 채널 요소(110)의 유입구(111)는 흐름방향 단면의 크기(가스 유로의 단면적)가 인접하는 2개의 리브(113)의 외주면으로 형성된 단면의 크기(물 유로의 단면적)보다 크게 형성될 수 있다.

또한, 도 4를 참조하면, 채널 요소(110)의 측벽에 해당하는 리브(113)의 외주면(114)은, 분리판(100)의 제1 면(101)과 제2 면(102)을 관통하는 가상의 수직선분에 대하여 소정 각도로 경사질 수 있다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 또한, 복수 개의 채널요소(110)는, 제1 면(101)의 가로 방향 및 세로 방향을 따라 각각 소정 간격으로 이격 배열될 수 있다. 또한, 인접하는 2개의 채널요소(110)는 유체(예를 들어, 반응 가스 또는 연료)의 흐름방향에 따라 어느 한 채널요소(110)의 배출구(112)와 다른 채널요소(110)의 유입구(111)가 적어도 일부 중첩되도록 배열될 수 있다.

한편, 채널 요소(110)는, 유입구(111) 및 배출구(112)를 연결하는 가상의 축(L)이 제1 면(101)의 가로축 및 세로축에 대하여 각각 경사지도록 마련될 수 있다.

도 5를 참조하면, 분리판 내의 기체 흐름(반응 가스 또는 연료)(채널 요소 내부)과 액체(예를 들어, 물) 흐름(채널 요소 외부)을 효율적으로 분배할 수 있고, 분리판 내의 기체 흐름과 액체(예를 들어, 물) 흐름을 최적화할 수 있다. 특히, 기체 유로와 액체 유로의 흐름 방향 단면의 폭의 비를 크게 하여, 작은 단면적을 갖는 유로에서 액체의 응축이 더 빨리 일어날 수 있도록 유도한다.

또한, 작은 단면적을 갖는 상대적으로 좁은 폭(w2)의 유로는 액체 흐름을 위한 액체 유로가 되고, 큰 단면적을 갖는 상대적으로 넓은 폭(w1)의 유로는 기체 흐름(반응 가스 등)을 위한 기체 유로가 됨으로써, 기체와 액체의 흐름영역을 효과적으로 분리시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 분리판(100)의 사시도이다.

도 6을 참조하면, 인접하는 채널 요소(110) 사이에는, 제1 면(101)과 제2 면(102)을 관통하는 하나 이상의 개구부(120)가 마련될 수 있다. 또한, 상기 개구부(120)는, 유입구(111) 및 배출구(112) 보다 작게 형성될 수 있다. 상기 개구부(120)를 통해 생성수 및 가스가 통과할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.

도 7을 참조하면, 로터리(rotary) 방식을 통해 분리판이 제조될 수 있다. 상기 롤(200)의 표면에는 채널 요소를 형성할 수 있는 양각 패턴(210)이 마련될 수 있다. 이때, 플레이트(P)를 이송시키면서 롤(200)로 가압시킴으로써, 분리판(100)을 제조할 수 있다.

이와는 다르게, 스탬핑 방식으로도 분리판(100)이 제조될 수 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: 연료전지 스택
20: 막-전극 접합체
30: 가스 확산층
100: 분리판
110: 채널 요소

Claims (18)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 막-전극 접합체;
   막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층; 및
   가스 확산층과 마주보도록 배치된 제1 면 및 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지고, 가스 확산층과 접촉하도록 제2 면에서 제1 면 측으로 돌출된 복수 개의 채널 요소를 갖는 분리판을 포함하며,
   채널 요소는, 제1 면 상에서 유동하는 유체의 흐름방향에 따라 유입구 및 배출구를 각각 갖도록 마련되고, 유입구와 배출구를 연결하는 가상의 축의 축 방향을 따라 적어도 일부에서 높이가 변화하는 리브를 가지며,
   상기 리브는 적어도 일부 영역에서 가스 확산층과 접촉되고, 나머지 영역에서 가스 확산층과 이격되도록 마련되며,
   인접하는 2개의 리브의 외주면으로 형성된 공간으로 물이 유동하도록 마련되고,
   채널 요소의 내부를 통해 가스의 유동이 이루어지며,
   채널 요소의 유입구는 가스 유로의 단면적이 인접하는 2개의 리브의 외주면으로 형성된 물 유로의 단면적 보다 크게 형성된 연료전지 스택..
10. 삭제
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 리브는 상기 축 방향을 따라 외주면에 수평면 및 경사면을 가지며,
    수평면은 가스 확산층과 접촉하고, 경사면은 가스 확산층과 접촉하지 않는 연료전지 스택.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 리브는 상기 축 방향을 따라 내주면에 수평면 및 경사면을 갖는 연료전지 스택.
13. 제 9 항에 있어서,
    복수 개의 채널요소는, 제1 면의 가로 방향 및 세로 방향을 따라 각각 소정 간격으로 이격 배열된 연료전지 스택.
14. 제 9 항에 있어서,
    인접하는 2개의 채널요소는 유체의 흐름방향에 따라 어느 한 채널요소의 배출구와 다른 채널요소의 유입구가 적어도 일부 중첩되도록 배열된 연료전지 스택.
15. 제 9 항에 있어서,
    채널 요소는, 유입구 및 배출구를 연결하는 가상의 축이 분리판의 가로축 및 세로축에 대하여 각각 경사지도록 마련된 연료전지 스택.
16. 제 9 항에 있어서,
    인접하는 채널 요소 사이에는, 제1 면과 제2 면을 관통하는 하나 이상의 개구부가 마련된 연료전지 스택.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 개구부는, 유입구 및 배출구보다 작게 형성된 연료전지 스택.
18. 제 9 항에 있어서,
    상기 리브의 높이 변화에 의해 유입구와 배출구의 단면적이 서로 다르게 결정된 연료전지 스택.
    

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