KR102138129B1 - 연료전지용 분리판 - Google Patents

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KR102138129B1
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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 유체의 유동방향으로 연장되게 형성되고, 하측으로 오목하게 형성되는 채널부와, 채널부와 교대로 배치되고, 상측으로 볼록하게 형성되는 랜드부와, 채널부 상에 상측으로 볼록하게 형성되고, 유체의 유동방향 전환을 유도하는 제1활성화촉진유도부와, 제1활성화촉진유도부를 통과한 유체를 랜드부를 통해 이웃한 다른 채널부로 분산시키는 제2활성화촉진유도부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 분리판{SEPERATOR FOR FUELCELL}
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지에 이용되는 유체의 유로를 형성하는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 전해질과 애노드(anode) 및 캐소드(cathode) 전극으로 이루어진 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)의 양측에 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)과 분리판(separator)이 적층된 단위전지 구조를 가지며, 이러한 단위전지 복수개가 직렬로 연결된 것을 연료전지 스택이라고 한다.
근래에는 차량용 연료전지 스택의 성능을 향상시키기 위해, 애노드 분리판, 캐소드 분리판 외에 다공체형 유로를 추가로 적용하고 있다. 이는 연료(수소, 개질 가스 등)나 산화제(공기, 산소 등) 등의 반응유체와 기체확산층 간의 반응면적을 보다 확장시키기 위한 것이나, 다공체 유로 적용 시 상대적으로 냉각수 유로 단면적이 줄어들어 냉각성능이 저하된다는 단점이 있다. 이러한 냉각성능의 저하는 연료전지의 성능을 향상시킴에 있어서 한계로 작용하고 있다.
또한, 통상 연료전지 스택의 분리판은 차량 하나당 총 1,300여장이 사용되고 있는데, 다공체형 유로가 셀 하나당 추가로 구비됨으로 인해, 즉 2개의 분리판이 아니라 3개의 분리판이 구비됨으로 인해, 연료전지 스택 및 차량의 중량이 현저히 증가한다는 문제점이 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2018-0082234호(2018.07.18 공개, 발명의 명칭: 다공성 연료전지 분리판 및 이의 제조방법)에 개시되어 있다.
본 발명은 다공체형 유로를 설치하지 않고 분리판만으로 기체확산층과 반응유체 간의 반응면적과, 반응유체와 냉각수 간의 접촉면적을 안정적으로 확보함으로써, 연료전지의 성능 향상과 경량화를 구현할 수 있는 연료전지용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판은, 유체의 유동방향으로 연장되게 형성되고, 하측으로 오목하게 형성되는 채널부; 상기 채널부와 교대로 배치되고, 상측으로 볼록하게 형성되는 랜드부; 상기 채널부 상에 상측으로 볼록하게 형성되고, 유체의 유동방향 전환을 유도하는 제1활성화촉진유도부; 및 상기 제1활성화촉진유도부를 통과한 유체를 상기 랜드부를 통해 이웃한 다른 상기 채널부로 분산시키는 제2활성화촉진유도부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 채널부는, x방향으로 연장되게 형성되고, 상기 랜드부는, 상기 채널부와 y방향으로 교대로 배치되며, 상기 제1활성화촉진유도부는, 상기 채널부 상에서 x방향으로 유동 중인 유체의 z방향 유동을 유도하고, 상기 제2활성화촉진유도부는, 상기 제1활성화촉진유도부를 통과한 유체의 y방향 유동을 유도하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2활성화촉진유도부는, 상기 제1활성화촉진유도부보다 확장된 유로 단면적을 가지고, 상기 제1활성화촉진유도부의 하류측에 형성되며, 상기 제1활성화촉진유도부를 통과한 유체의 와류가 발생되는 와류유도부; 및 상기 랜드부 상에 하측으로 오목하게 형성되고, 이웃한 상기 와류유도부의 사이에 연통되게 형성되며, 상기 제1활성화촉진유도부 또는 상기 와류유도부로부터 유체가 유입되는 확산연통부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 채널부는, x방향으로 연장되게 형성되고, 상기 랜드부는, 상기 채널부와 y방향으로 교대로 배치되며, 상기 제1활성화촉진유도부는, x방향으로 유동 중인 유체를 유로 단면적 가변에 의해 y방향, z방향으로 1차 유도하고, 상기 와류유도부는, 상기 제1활성화촉진유도부를 통과한 유체를 와류에 의해 y방향, z방향으로 2차 유도하며, 상기 확산연통부는, 상기 제1활성화촉진유도부와 상기 와류유도부에 의해 y방향으로 유도된 유체의 유로를 이루는 것을 특징으로 한다.
상기 채널부와 상기 랜드부, 상기 제1활성화촉진유도부, 상기 제2활성화촉진유도부는, 일정한 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 채널부와 상기 랜드부의 일측에 형성되고, 제1유체가 유동되는 유로를 이루는 제1유로부; 및 상기 채널부와 상기 랜드부의 타측에 형성되고, 제2유체가 유동되는 유로를 이루는 제2유로부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1유로부 상에서 상기 제1유체의 측방향 유동 경로를 이루는 상기 제2활성화촉진유도부는, 상기 제2유로부 상에서 상기 제2유체의 상하방향 유동을 유도하는 상기 제1활성화촉진유도부를 이루고, 상기 제1유로부 상에서 상기 제1활성화촉진유도부는, 상기 제2유로부 상에서 상기 제2활성화촉진유도부를 이루는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은, 제1유체가 유동되는 유로를 이루는 제1유로부와, 제2유체가 유동되는 유로를 이루는 제2유로부를 구획가능한 패널 형상을 가지는 제1분리판; 및 제3유체가 유동되는 유로를 이루는 제3유로부와, 상기 제2유로부를 구획가능한 패널 형상을 가지고, 상기 제1분리판과 겹쳐지는 제2분리판;을 포함하고, 상기 제1분리판은, 상기 제1유체의 유동방향으로 연장되게 형성되고, 하측으로 오목하게 형성되는 채널부; 상기 채널부와 교대로 배치되고, 상측으로 볼록하게 형성되는 랜드부; 상기 채널부 상에 상측으로 볼록하게 형성되고, 상기 제1유체의 유동방향 전환을 유도하는 제1활성화촉진유도부; 및 상기 제1활성화촉진유도부를 통과한 상기 제1유체를 상기 랜드부를 통해 이웃한 다른 상기 채널부로 분산시키는 제2활성화촉진유도부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1분리판과 상기 제2분리판은, 동일한 형상을 가지고 상호 대칭되게 겹쳐지며, 상기 제1유로부는, 상기 제1분리판에 형성된 상기 채널부와 상기 제2활성화촉진유도부에 의해 격자형으로 연통된 형상을 이루고, 상기 제3유로부는, 상기 제2분리판에 형성된 상기 채널부와 상기 제2활성화촉진유도부에 의해 격자형으로 연통된 형상을 이루며, 상기 제2유로부는, 상기 제1분리판과 상기 제2분리판의 사이에서 상기 랜드부와 상기 제1활성화촉진유도부에 의해 격자형으로 연통된 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.
상기 제2활성화촉진유도부는, 상기 제1활성화촉진유도부보다 확장된 유로 단면적을 가지고, 상기 제1활성화촉진유도부의 하류측에 형성되며, 상기 제1활성화촉진유도부를 통과한 유체의 와류가 발생되는 와류유도부; 및 상기 랜드부 상에 하측으로 오목하게 형성되고, 이웃한 상기 와류유도부의 사이에 연통되게 형성되며, 상기 제1활성화촉진유도부 또는 상기 와류유도부로부터 유체가 유입되는 확산연통부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 채널부 통해 일방향으로 유동 중인 유체는 제1활성화촉진유도부에 의해 다른 방향으로의 유동성을 가지게 되고, 제2활성화촉진유도부에 의해 이웃한 다른 채널부로 연속하여 유동되면서, 연료전지용 분리판 전반에 걸쳐 격자형으로 연속하여 연결되고, 요철부를 가지는 3차원 유동 형태를 가지게 된다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 유체로서 반응유체를 적용하는 경우 반응유체와 기체확산층간의 반응면적을 안정적으로 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지용 분리판의 일측와 타측에 각각 반응유체와 냉각수를 유동시키는 경우 반응유체와 냉각수 간의 접촉면적 또한 안정적으로 확보할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 반응유체와 기체확산층간의 반응면적 확장에 의해 연료전지의 성능을 향상시키면서도, 냉각 기능의 저하로 인한 성능의 한계를 극복하여 성능의 안정화를 구현할 수 있으며, 연료전지용 분리판만으로 다공체형 유로를 추가로 구비하던 경우에 준하는 성능을 구현할 수 있으므로, 다공체형 유로를 생략하는 만큼 연료전지 및 차량의 경량화를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 제1분리판에 의한 제1유체의 유동을 설명하고자 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 제2분리판에 의한 제2유체의 유동을 설명하고자 도시한 개념도이다.
도 6은 도 1의 A-A'선 단면도이다.
도 7은 도 1의 B-B'선 단면도이다.
도 8은 도 1의 C-C'선 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 제1유로부를 도시한 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 제2유로부를 도시한 개념도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 분해사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판은, 제1분리판(10), 제2분리판(20), 기체확산층(40)을 포함한다. 이하에서는 편의상 도 1에 도시된 x방향(전후방향, 상하류방향), y방향(좌우방향), z방향(상하방향)을 기준으로 하여 그 방향과 상대 위치를 설명하기로 한다.
제1분리판(10)은 서로 다른 유체의 유동 경로를 상호 분리, 구획할 수 있는 패널 형상을 가지며, 유체의 유동을 설정 경로로 유도할 수 있는 유로가 형성된다. 제2분리판(20)은 제1분리판(10)과 동일한 패널 형상을 가지고, 제1분리판(10)의 하측에 대칭되게 겹쳐진다. 기체확산층(40)은 제1분리판(10)과 제2분리판(20)을 사이에 두고 상하측 한 쌍이 겹쳐진다.
상측 기체확산층(40)과 제1분리판(10)의 사이에는 제1유체가 유동되는 유로를 이루는 제1유로부(31)가 형성된다. 제1분리판(10)과 제2분리판(20)의 사이에는 제2유체가 유동되는 유로를 이루는 제2유로부(32)가 형성된다. 제2분리판(20)과 하측 기체확산층(40)의 사이에는 제3유체가 유동되는 유로를 이루는 제3유로부(33)가 형성된다. 제1유체로는 공기, 산소 등의 산화제를 적용할 수 있고, 제3유체로는 수소, 메탄, 질소, 개질 가스 등의 연료를 적용할 수 있다. 제3유체로는 냉각수를 적용시킬 수 있다.
도 2, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 제1분리판(10)은 채널부(11), 랜드부(12), 제1활성화촉진유도부(13), 제2활성화촉진유도부(14)를 포함한다.
채널부(11)는 제1유체의 주요 유동 경로를 이루는 부분으로, 하측으로 오목하게 형성되고, 일정한 단면적을 가지고 제1유체의 주요 유동방향으로, 즉 x방향으로 연장되게 형성된다. 제1유체는 채널부(11)를 통해 x방향으로 유입, 유출된다. 랜드부(12)는 기체확산층(40)과 접하며 제1유체의 유동이 이루어지지 않게 되는 부분으로, 채널부(11)와 비교해 상측으로 볼록하게 형성된다. 랜드부(12)는 일정한 단면적을 가지고 x방향으로 연장되게 형성되고, 복수개의 채널부(11)와 교대로 배치된다. 이에 따라 제1유체는 복수개의 랜드부(12) 사이에서 복수개의 채널부(11)를 통해 x방향으로 유입, 진행, 유출된다.
랜드부(12)를 설명함에 있서서, 제1유체의 유동이 이루어지지 않는다 함은, 제1유체의 유동이 주요하게 내지 상시로 이루어지지 않는 것을 의미하는 것으로, 제1유체의 유동이 전혀 이루어지지 않는 경우만으로 한정되지 않고, 기체확산층(40)과 채널부(11) 간의 협소한 간극을 이용해 미량이 임의로 유동되는 경우도 포함한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 제1분리판에 의한 제1유체의 유동을 설명하고자 도시한 개념도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 제2분리판에 의한 제2유체의 유동을 설명하고자 도시한 개념도이며, 도 6은 도 1의 A-A'선 단면도이고, 도 7은 도 1의 B-B'선 단면도이며, 도 8은 도 1의 C-C'선 단면도이다.
제1활성화촉진유도부(13)는 채널부(11)의 하부에 상측(z방향)으로 볼록하게 형성된다. 도 4, 도 8을 참조하면, 채널부(11) 상에서 하류측으로(x방향으로) 진행중이던 제1유체의 일부는 제1활성화촉진유도부(13)에 가로막히며 제1활성화촉진유도부(13)를 타고 상측으로(z방향으로) 유동된다. 이에 따라, 제1유체는 제1활성화촉진유도부(13)를 통과하면서 z방향 유동성을 가지게 된다.
또한, 도 6, 도 7을 참조하면, 제1활성화촉진유도부(13)의 돌출높이에 해당되는 만큼 기체확산층(40)과의 간격이 좁아들고, 제1유체가 통과할 수 있는 유로의 단면적이 축소된다. 이에 따라 제1활성화촉진유도부(13)를 통과한 제1유체는, 노즐을 통과한 것과 마찬가지로 상하방향(z방향) 및 좌우방향(y방향)으로 보다 확산되는 유동을 하게 된다. 즉, 제1활성화촉진유도부(13)는 x방향의 유동성만을 가지던 제1유체가 y방향 및 z방향 유동성을 가지도록 유도한다.
제2활성화촉진유도부(14)는 제1활성화촉진유도부(13)를 통과한 제1유체가 랜드부(12)를 통해 이웃한 다른 채널부(11)로 연속하여 유동될 수 있게, 복수개의 채널부(11)를 연통되게 연결한다. 본 발명의 일실시예에 따른 제2활성화촉진유도부(14)는, 와류유도부(15)와 확산연통부(16)를 포함한다.
와류유도부(15)는 제1활성화촉진유도부(13)보다 확장된 유로 단면적을 가지고, 제1활성화촉진유도부(13)의 하류측에 형성된다. 제1활성화촉진유도부(13)를 통과한 제1유체는 상기와 같이 다방향으로 확산되는 유동성을 가지는데, 상측의 기체확산층(40), 좌우측의 채널부(11), 하류측에 위치한 다른 제1활성화촉진유도부(13)에 의해 원활한 유동이 저해, 교란되면서 소용돌이치는 현상이, 즉 와류가 발생된다.
제1유체는 와류유도부(15) 상에서 와류의 흐름을 가지게 되면서, y방향, z방향으로의 유동성을 가지게 된다. 즉, x방향으로 유동 중인 제1유체는 제1활성화촉진유도부(13)를 통과하며 유로 단면적 가변에 의해 y방향, z방향으로 1차 유도되고, 와류유도부(15) 상에서 와류의 흐름을 가지면서 y방향, z방향으로 2차 유도된다. 상기와 같은 다방향 다단 유도 작용에 의해 y방향, z방향으로의 유동성을 가지게 된 제1유체의 일부는 자연히 와류유도부(15)의 좌우측 상부에 위치되는 확산연통부(16)에 능동적으로 유입된다.
또한, 제1유체는 와류유도부(15) 상에서 와류의 흐름을 가지게 되면서, x방향 본류와 반대되는 -x방향으로의 유동성도 가지게 된다. 이러한 -x방향으로의 유동성에 의해 제1유체의 원활한 x방향 진행이 방해, 지연될 수 있다. 이러한 작용에 의해 와류유도부(15)는 제1유체의 정체가 주요하게 이루어지는 공간부가 되며, 이러한 제1유체의 와류, 정체는 제1유체와 기체확산층(40)간의 반응시간을 보다 연장시킴으로써 반응이 안정적으로 이루어질 수 있도록 하고, 나아가 연료전지의 성능 향상시킬 수 있다.
확산연통부(16)는 제1활성화촉진유도부(13) 또는 와류유도부(15)로부터 제1유체가, 보다 구체적으로는 제1활성화촉진유도부(13)와 와류유도부(15)에 의해 y방향으로 유도된 제1유체의 일부가 유입, 유동될 수 있는 유로를 이룬다. 도 4, 도 7을 참조하면, 확산연통부(16)는 랜드부(12) 상에 하측(-z방향)으로 오목하게 형성되고, 이웃한 와류유도부(15)의 사이에 연통되게 형성된다.
즉, 확산연통부(16)는 와류유도부(15)의 좌우측 상부에 위치되고, y방향으로 배열되는 복수개의 와류유도부(15)를 연통되게 상호 연결한다. 이에 따라 채널부(11) 상에서 y방향, z방향으로의 유동성을 가지게 된 제1유체가 확산연통부(16)를 통해 이웃한 다른 채널부(11)로 능동적으로 유입될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 제1유로부를 도시한 개념도이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 제2유로부를 도시한 개념도이다.
제1분리판(10)이 채널부(11)와 랜드부(12)를 포함하는 단순한 구조가 아닌, 제1활성화촉진유도부(13) 외에 제2활성화촉진유도부(14)를 더 포함하는 구조를 가짐에 따라, 제1유로부(31)는 단순한 스트라이프 형태를 가지는 것이 아니라 도 9의 (a), (b)에 도시된 바와 같이 제1분리판(10)의 전반에 걸쳐 격자형으로 연속하여 연결되고, 요철부를 가지는 3차원 구조를 안정적으로 형성하게 된다.
도 9의 (a)는 상측 기체확산층(40)와 접하는 평면측 사시도이고, 도 9의 (b)는 제1분리판(10)와 접하는 저면측 사시도이다. 제1유로부(31)는 채널부(11)와 확산연통부(16)에 의해, x방향, y방향으로 연속하여 연결된 격자 형태를 가지게 되고, 제1활성화촉진유도부(13)와 와류유도부(16)에 의해 이러한 유동을 보다 안정적, 능동적으로 지속, 유지할 수 있다.
제1분리판(10)을 금속재 패널로 구성하는 경우, 프레스 가공 등에 의해 채널부(11), 랜드부(12), 제1활성화촉진유도부(13), 제2활성화촉진유도부(14)를 용이하게 형성할 수 있다. 이때 채널부(11), 랜드부(12), 제1활성화촉진유도부(13), 제2활성화촉진유도부(14)는 일정한 두께를 가지게 된다. 일정한 두께를 가진다는 것은 금속재 패널의 가공 과정에서 발생될 수 있는 설정 오차 범위를 포함한다.
도 4, 도 5에 도시된 P1, P2, P3, P4 지점은 제1분리판(10)과 제2분리판(20)이 겹쳐진 상태에서 서로 접하게 되는 부분이다. 제1분리판(10)의 저면부와, 제2분리판(20)의 상면부는 상호 대칭되는 형상을 가지므로, 제2분리판(20)의 상면부에서 채널부(11), 랜드부(12), 제1활성화촉진유도부(13), 와류유도부(15), 확산연통부(16)의 형상, 기능을 한다는 것은, 제1분리판(10)의 저면부에서 동일한 형상, 기능을 한다는 것을 의미한다. 이하에서 제1분리판(10)의 저면부를 설명함에 있어서는, 제2분리판(20)의 상면부를 도시한 도 5를 참조한다.
도 4, 도 5를 참조하면, 상기와 같이 채널부(11), 랜드부(12), 제1활성화촉진유도부(13), 제2활성화촉진유도부(14)는 일정한 두께를 가지는 경우, 제1유로부(31) 상에서 제1유체의 유동이 발생되지 않던 랜드부(12)의 저면부는 제2유로부(32) 상에서 제2유체의 주요 유동 경로가 되는 채널부(11)와, 와류가 발생되는 와류유도부(15)의 형상, 작용을 하게 된다(P5 지점 참조). 그리고, 제1유로부(31) 상에서 제1유체의 와류가 조성되던 와류유도부(15)의 저면부는 제2유로부(32) 상에서 제2유체의 유동이 발생되지 않는 랜드부(12)에 대응되는 형상, 작용을 하게 된다(P1, P2, P3, P4 지점 참조)
또한, 제1유로부(31) 상에서 제1유체의 y방향 유동 경로를 이루는 확산연통부(16)의 저면부는, 제2유로부(32) 상에서 제2유체의 z방향 유동을 유도하는 제1활성화촉진유도부(13)의 형상, 작용을 하게 된다(P1과 P2 사이 지점 참조). 그리고, 제1유로부(31) 상에서 제1유체의 상향 유동을 유도하던 제1활성화촉진유도부(13)는 제2유로부(32) 상에서 제2유체의 y방향 유동 경로를 이루는 확산연통부(16)의 형상, 작용을 하게 된다(P2와 P3 사이 지점 참조).
상기와 같은 형상, 작용에 의해 제1분리판(10)과 제2분리판(20)의 사이에 형성되는 제2유로부(32) 또한, 단순한 스트라이프 형태를 가지는 것이 아니라 도 10에 도시된 바와 같이 제1분리판(10)과 제2분리판(20)의 전반에 걸쳐 격자형으로 연속하여 연결되고, 요철부를 가지는 3차원 구조를 안정적으로 형성하게 된다.
제2분리판(20)과 하측 기체확산층(40)의 사이에 형성되는 제3유로부(33)는 제1유로부(31)와 상하 대칭의 형상을 가진다. 즉, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같은 저면부 형상과, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같은 상면부 형상을 가진다. 즉, 제3유체의 유로를 이루는 제3유로부(33) 또한 제1유로부(31)와 마찬가지로, 제2분리판(20)의 전반에 걸쳐 격자형으로 연속하여 연결되고, 요철부를 가지는 3차원 구조를 안정적으로 형성하게 된다.
기체확산층(40)은 탄소기재와 미세기공층으로 구성되며, 촉매층인 공기극 및 연료극을 지지하고, 제1유체, 제3유체와 같은 반응유체가 촉매층에 골고루 분산되도록 한다. 또한, 기체확산층(40)은 촉매층에서 발생한 전자를 모아서 외부의 전기회로로 이동시키는 집전체의 작용을 하고, 전기화학반응에 의하여 발생하는 수분을 배출하는 작용을 수행한다. 본 발명에 따른 기체확산층(40)은 공지기술을 포함하여 특정한 구조와 형상으로 한정되지 않으므로, 그 구조와 작용에 대한 상세한 설명을 생략한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 의하면, 채널부(11) 통해 일방향으로 유동 중인 유체는 제1활성화촉진유도부(13)에 의해 다른 방향으로의 유동성을 가지게 되고, 제2활성화촉진유도부(14)에 의해 이웃한 다른 채널부(11)로 연속하여 유동되면서, 연료전지용 분리판 전반에 걸쳐 격자형으로 연속하여 연결되고, 요철부를 가지는 3차원 유동 형태를 가지게 된다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 유체로서 반응유체를 적용하는 경우 반응유체와 기체확산층(40)간의 반응면적을 안정적으로 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지용 분리판의 일측와 타측에 각각 반응유체와 냉각수를 유동시키는 경우 반응유체와 냉각수 간의 접촉면적 또한 안정적으로 확보할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 반응유체와 기체확산층(40)간의 반응면적 확장에 의해 연료전지의 성능을 향상시키면서도, 냉각 기능의 저하로 인한 성능의 한계를 극복하여 성능의 안정화를 구현할 수 있으며, 연료전지용 분리판만으로 다공체형 유로를 추가로 구비하던 경우에 준하는 성능을 구현할 수 있으므로, 다공체형 유로를 생략하는 만큼 연료전지 및 차량의 경량화를 구현할 수 있다.
10 : 제1분리판 11 : 채널부
12 : 랜드부 13 : 제1활성화촉진유도부
14 : 제2활성화촉진유도부 15 : 와류유도부
16 : 확산연통부 20 : 제2분리판
31 : 제1유로부 32 : 제2유로부
33 : 제3유로부 40 : 기체확산층

Claims (10)

  1. 유체의 유동방향으로 연장되게 형성되고, 하측으로 오목하게 형성되는 채널부;
    상기 채널부와 교대로 배치되고, 상측으로 볼록하게 형성되는 랜드부;
    상기 채널부 상에 상측으로 볼록하게 형성되고, 유체의 유동방향 전환을 유도하는 제1활성화촉진유도부; 및
    상기 제1활성화촉진유도부를 통과한 유체를 상기 랜드부를 통해 이웃한 다른 상기 채널부로 분산시키는 제2활성화촉진유도부;를 포함하고,
    상기 제2활성화촉진유도부는,
    상기 제1활성화촉진유도부보다 확장된 유로 단면적을 가지고, 상기 제1활성화촉진유도부의 하류측에 형성되며, 상기 제1활성화촉진유도부를 통과한 유체의 와류가 발생되는 와류유도부; 및
    상기 랜드부 상에 하측으로 오목하게 형성되고, 이웃한 상기 와류유도부의 사이에 연통되게 형성되며, 상기 제1활성화촉진유도부 또는 상기 와류유도부로부터 유체가 유입되는 확산연통부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 채널부는, x방향으로 연장되게 형성되고,
    상기 랜드부는, 상기 채널부와 y방향으로 교대로 배치되며,
    상기 제1활성화촉진유도부는, 상기 채널부 상에서 x방향으로 유동 중인 유체의 z방향 유동을 유도하고,
    상기 제2활성화촉진유도부는, 상기 제1활성화촉진유도부를 통과한 유체의 y방향 유동을 유도하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 채널부는, x방향으로 연장되게 형성되고,
    상기 랜드부는, 상기 채널부와 y방향으로 교대로 배치되며,
    상기 제1활성화촉진유도부는, x방향으로 유동 중인 유체를 유로 단면적 가변에 의해 y방향, z방향으로 1차 유도하고,
    상기 와류유도부는, 상기 제1활성화촉진유도부를 통과한 유체를 와류에 의해 y방향, z방향으로 2차 유도하며,
    상기 확산연통부는, 상기 제1활성화촉진유도부와 상기 와류유도부에 의해 y방향으로 유도된 유체의 유로를 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 채널부와 상기 랜드부, 상기 제1활성화촉진유도부, 상기 제2활성화촉진유도부는, 일정한 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 채널부와 상기 랜드부의 일측에 형성되고, 제1유체가 유동되는 유로를 이루는 제1유로부; 및
    상기 채널부와 상기 랜드부의 타측에 형성되고, 제2유체가 유동되는 유로를 이루는 제2유로부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1유로부 상에서 상기 제1유체의 측방향 유동 경로를 이루는 상기 제2활성화촉진유도부는,
    상기 제2유로부 상에서 상기 제2유체의 상하방향 유동을 유도하는 상기 제1활성화촉진유도부를 이루고,
    상기 제1유로부 상에서 상기 제1활성화촉진유도부는,
    상기 제2유로부 상에서 상기 제2활성화촉진유도부를 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판
  8. 제1유체가 유동되는 유로를 이루는 제1유로부와, 제2유체가 유동되는 유로를 이루는 제2유로부를 구획가능한 패널 형상을 가지는 제1분리판; 및
    제3유체가 유동되는 유로를 이루는 제3유로부와, 상기 제2유로부를 구획가능한 패널 형상을 가지고, 상기 제1분리판과 겹쳐지는 제2분리판;을 포함하고,
    상기 제1분리판은,
    상기 제1유체의 유동방향으로 연장되게 형성되고, 하측으로 오목하게 형성되는 채널부;
    상기 채널부와 교대로 배치되고, 상측으로 볼록하게 형성되는 랜드부;
    상기 채널부 상에 상측으로 볼록하게 형성되고, 상기 제1유체의 유동방향 전환을 유도하는 제1활성화촉진유도부; 및
    상기 제1활성화촉진유도부를 통과한 상기 제1유체를 상기 랜드부를 통해 이웃한 다른 상기 채널부로 분산시키는 제2활성화촉진유도부;를 포함하며,
    상기 제2활성화촉진유도부는,
    상기 제1활성화촉진유도부보다 확장된 유로 단면적을 가지고, 상기 제1활성화촉진유도부의 하류측에 형성되며, 상기 제1활성화촉진유도부를 통과한 상기 제1유체의 와류가 발생되는 와류유도부; 및
    상기 랜드부 상에 하측으로 오목하게 형성되고, 이웃한 상기 와류유도부의 사이에 연통되게 형성되며, 상기 제1활성화촉진유도부 또는 상기 와류유도부로부터 상기 제1유체가 유입되는 확산연통부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1분리판과 상기 제2분리판은, 동일한 형상을 가지고 상호 대칭되게 겹쳐지며,
    상기 제1유로부는, 상기 제1분리판에 형성된 상기 채널부와 상기 제2활성화촉진유도부에 의해 격자형으로 연통된 형상을 이루고,
    상기 제3유로부는, 상기 제2분리판에 형성된 상기 채널부와 상기 제2활성화촉진유도부에 의해 격자형으로 연통된 형상을 이루며,
    상기 제2유로부는, 상기 제1분리판과 상기 제2분리판의 사이에서 상기 랜드부와 상기 제1활성화촉진유도부에 의해 격자형으로 연통된 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  10. 삭제
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