KR102240687B1 - 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택 - Google Patents

공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택 Download PDF

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강동균
박찬영
최성훈
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은, 바이폴라 플레이트의 캐소드면에 평행 유로 구조와 다공성 유로구조가 혼합된 혼합형 유로 구조의 공기 유로가 모두 형성됨으로써, 구조가 간단하면서도 공기의 공급 및 유동이 보다 원활하게 이루어질 수 있는 이점이 있다. 또한, 외부 공기가 평행 유로 구조의 공기 공급 유로부를 통해 공급되어 공기 공급이 활발하게 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 공기 공급 유량을 증가시키더라도 전해질막이 마르는 현상은 방지되어 연료전지 성능이 향상될 수 있다. 또한, 공기 공급 유로부를 통과한 공기가 다공성 유로부에서 막 전극 어셈블리와 접촉함으로써 접촉 면적이 최대화될 수 있으므로, 연료전지 성능이 향상될 수 있다. 또한, 공기 공급 유로부와 공기 배출 유로부의 높이가 다르게 형성됨으로써, 공기가 다공성 유로부를 통과시 대각선 방향으로 보다 잘 퍼질 수 있는 이점이 있다. 또한, 바이폴라 플레이트의 중앙부에만 다공성 유로부가 형성됨으로써, 바이폴라 플레이트에서 다공성 유로부를 제외한 나머지 부분에 개스킷이 밀착될 수 있으므로, 수소 유로 내 수소가 새는 현상이 방지될 수 있다.

Description

공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택{Air breathing polymer electrolyte membrane fuel cell with porous flow field}
본 발명은 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바이폴라 플레이트의 캐소드면에 채널 형상의 공기 공급 유로부와 다공성 메탈 폼으로 형성된 다공성 유로부가 서로 연통되게 형성됨으로써, 막 전극 어셈블리에서 반응하는 공기 반응 면적을 최대화시키면서도 외부 공기의 공급도 원활하게 이루어질 수 있는 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 장치이다. 상기 연료전지는, 전해질의 종류에 따라 고체산화물 연료전지, 용융탄산염 연료전지 및 고분자 전해질막 연료전지 등으로 구분된다.
최근에는 주변의 대기로부터 자연대류 또는 강제대류를 이용해 연료전지 구동에 필요한 공기를 공급받는 양극 개방 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지에 대한 관심이 생기고 있다. 양극 개방 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지는, 일반적인 고분자 전해질막 연료전지 시스템에서 필수적인 공기 공급장치, 수분 공급장치 및 냉각장치가 필요하지 않으므로, 시스템의 소형화에 용이하다.
그러나, 종래의 양극 개방 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지는 전해질막으로 공기를 활발하게 공급해주는 것이 중요하므로, 소형 블로워나 팬 등을 이용하여 공기 공급을 해주어야 한다. 공기 공급 유량이 많아질수록 반응 물질의 효과적인 전달과 냉각 효과 향상을 기대할 수 있으나, 전해질막이 마르는 현상이 발생하는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1836648호
본 발명의 목적은, 공기 공급 면적과 공기 반응 면적을 모두 증대시켜 효율을 향상시킬 수 있는 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택은, 캐소드, 전해질막 및 애노드를 포함하는 막 전극 어셈블리와; 상기 막 전극 어셈블리에 적층 배치되고, 일측면에 외부 공기를 측방향으로 유입하는 복수의 공기 유입구들이 개방되게 형성되고, 상기 캐소드에 대향되는 캐소드면에는 상기 공기 유입구들을 통해 유입된 공기가 통과하는 공기 유로가 형성된 바이폴라 플레이트를 포함하고, 상기 공기 유로는, 상기 캐소드면에 형성되고, 상기 복수의 공기 유입구들에 각각 연통되고 상하방향으로 서로 이격되게 형성된 복수의 공급 채널들을 포함하여, 상기 공기 유입구로부터 유입된 공기를 중심부를 향해 공급하는 공기 공급 유로부와, 상기 캐소드면에서 상기 공기 공급 유로부와 연통되게 구비된 다공성 메탈 폼을 포함하여, 상기 공기 공급 유로부를 통해 공급된 공기가 통과하는 다공성 유로부와, 상기 캐소드면에 형성되고, 상기 다공성 유로부 중 적어도 일부분과 연통되고 상하방향으로 서로 이격되게 형성된 복수의 배출 채널들을 포함하여, 상기 다공성 유로부를 통과한 공기를 외부로 배출하는 공기 배출 유로부를 포함한다.
상기 공기 공급 유로부와 상기 공기 배출 유로부는, 상기 다공성 유로부를 중심으로 대각선 방향으로 서로 이격되게 위치된다.
상기 다공성 유로부의 면적은, 상기 전해질막의 면적 이하로 설정된다.
상기 바이폴라 플레이트의 타측면에는, 상기 배출 채널들을 통과한 공기를 측방향으로 배출하는 공기 배출구들이 개방되게 형성된다.
상기 바이폴라 플레이트와 상기 막 전극 어셈블리 사이에 삽입되는 개스킷을 더 포함하고, 상기 개스킷은, 상기 다공성 유로부에 대향되는 중앙부는 개구되게 형성되고, 상기 바이폴라 플레이트에서 상기 다공성 유로부를 제외한 나머지 부분에 밀착되어 상기 공급 채널들과 상기 배출 채널들을 덮도록 형성된다.
상기 공급 채널들과 상기 배출 채널들은, 상기 캐소드면에서 오목하게 형성된 홈이고, 상기 다공성 메탈 폼은, 상기 캐소드면에 오목하게 형성된 폼 결합홈에 삽입된다.
상기 공급 채널들은, 상기 다공성 메탈 폼의 좌,우측 중 어느 하나에서 각각 상기 바이폴라 플레이트의 좌우 방향으로 길게 형성된 홈이고, 상기 바이폴라 플레이트의 상하방향으로 서로 평행하게 배치되고, 상기 배출 채널들은, 상기 다공성 메탈 폼의 좌,우측 중 나머지 하나에서 상기 바이폴라 플레이트의 좌우 방향으로 길게 형성된 홈이고, 상기 바이폴라 플레이트의 상하방향으로 서로 평행하게 배치된다.
상기 바이폴라 플레이트는, 상기 애노드에 대향되는 애노드면에 형성되어 수소가 통과하도록 오목한 홈 형상으로 형성된 수소 유로와, 상기 수소 유로에 연통되고 상기 바이폴라 플레이트를 관통하도록 형성되어 상기 수소 유로로 수소를 공급하는 수소 공급홀과, 상기 수소 유로에 연통되고 상기 바이폴라 플레이트를 관통하도록 형성되어 상기 수소 유로를 통과한 수소를 배출하는 수소 배출홀을 더 포함한다.
상기 수소 공급홀은, 상기 바이폴라 플레이트에서 상기 공기 배출 유로부보다 상측에 구비되고, 상기 수소 배출홀은, 상기 바이폴라 플레이트에서 상기 공기 공급 유로부보다 하측에 구비된다.
본 발명의 다른 측면에 따른 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택은, 캐소드, 전해질막 및 애노드를 포함하는 막 전극 어셈블리와; 상기 막 전극 어셈블리에 적층 배치되고, 일측면에 외부 공기를 측방향으로 유입하는 복수의 공기 유입구들이 개방되게 형성되고, 상기 캐소드에 대향되는 캐소드면에는 상기 공기 유입구들을 통해 유입된 공기가 통과하는 공기 유로가 형성된 바이폴라 플레이트와; 상기 바이폴라 플레이트와 상기 막 전극 어셈블리 사이에 삽입되는 개스킷을 포함하고, 상기 공기 유로는, 상기 캐소드면에 형성되고, 상기 복수의 공기 유입구들에 각각 연통되고 상하방향으로 서로 이격되게 형성된 복수의 공급 채널들을 포함하여, 상기 공기 유입구로부터 유입된 공기를 중심부를 향해 공급하는 공기 공급 유로부와, 상기 캐소드면에서 상기 공기 공급 유로부와 연통되게 구비된 다공성 메탈 폼을 포함하여, 상기 공기 공급 유로부를 통해 공급된 공기가 통과하는 다공성 유로부와, 상기 캐소드면에 형성되고, 상기 다공성 유로부 중 적어도 일부분과 연통되고 상하방향으로 서로 이격되게 형성된 복수의 배출 채널들을 포함하여, 상기 다공성 유로부를 통과한 공기를 외부로 배출하는 공기 배출 유로부를 포함하고, 상기 공기 공급 유로부와 상기 공기 배출 유로부는, 상기 다공성 유로부를 중심으로 대각선 방향으로 서로 이격되게 위치되고, 상기 공급 채널들과 상기 배출 채널들은, 상기 캐소드면에 오목하게 형성된 홈이고, 상기 다공성 메탈 폼은, 상기 캐소드면에 오목하게 형성된 폼 결합홈에 삽입되고, 상기 개스킷은, 상기 다공성 유로부에 대향되는 중앙부는 개구되게 형성되고, 상기 바이폴라 플레이트에서 상기 다공성 유로부를 제외한 나머지 부분에 밀착되어 상기 공급 채널들과 상기 배출 채널들을 덮도록 형성된다.
본 발명은, 바이폴라 플레이트의 캐소드면에 평행 유로 구조와 다공성 유로구조가 혼합된 혼합형 유로 구조의 공기 유로가 모두 형성됨으로써, 구조가 간단하면서도 공기의 공급 및 유동이 보다 원활하게 이루어질 수 있는 이점이 있다.
또한, 외부 공기가 평행 유로 구조의 공기 공급 유로부를 통해 공급되어 공기 공급이 활발하게 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 공기 공급 유량을 증가시키더라도 전해질막이 마르는 현상은 방지되어 연료전지 성능이 향상될 수 있다.
또한, 공기 공급 유로부를 통과한 공기가 다공성 유로부에서 막 전극 어셈블리와 접촉함으로써 접촉 면적이 최대화될 수 있으므로, 연료전지 성능이 향상될 수 있다.
또한, 공기 공급 유로부와 공기 배출 유로부의 높이가 다르게 형성됨으로써, 공기가 다공성 유로부를 통과시 대각선 방향으로 보다 잘 퍼질 수 있는 이점이 있다.
또한, 바이폴라 플레이트의 중앙부에만 다공성 유로부가 형성됨으로써, 바이폴라 플레이트에서 다공성 유로부를 제외한 나머지 부분에 개스킷이 밀착될 수 있으므로, 수소 유로 내 수소가 새는 현상이 방지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기 호흡형 연료전지 스택의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 스택의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 바이폴라 플레이트의 정면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 바이폴라 플레이트의 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트를 적용한 연료전지 스택의 성능을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 공기 호흡형 연료전지 스택은, 공기 유입구와 공기 배출구가 개방되게 형성된 양극 개방 공기 호흡형 연료전지이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기 호흡형 연료전지 스택의 분해 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 연료전지 스택의 측단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 공기 호흡형 연료전지 스택(100)은, 앤드 플레이트(10), 전류 콜렉터(20), 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)(30), 개스킷(40), 기체 확산층(50) 및 막 전극 어셈블리(60)가 적어도 하나 이상씩 적층된다.
상기 앤드 플레이트(10)는, 상기 연료전지 스택(100)의 양단부에 구비된 2개의 제1,2앤드 플레이트(11)(12)를 포함한다. 상기 제1,2앤드 플레이트들(11)(12) 중 적어도 하나에는 수소를 공급하는 수소 공급부(미도시)와, 수소를 배출하는 수소 배출부(미도시)가 구비된다.
상기 전류 콜렉터(20)는, 상기 제1,2앤드 플레이트(11)(12)에 각각 적층되도록 2개의 제1,2전류 콜렉터(21)(22)를 포함한다.
상기 바이폴라 플레이트(30)는, 총 4개를 포함하는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 연료전지 스택의 용량이나 설치 장소에 따라 다르게 적용 가능하다.
상기 바이폴라 플레이트(30)는, 분리판(Separator)이라고도 하며, 상기 막 전극 어셈블리(60)에 적층되고, 적어도 일면이 상기 막 전극 어셈블리(60)와 대향되게 배치된다.
상기 바이폴라 플레이트(30)는, 상기 제1전류 콜렉터(21)와 상기 막 전극 어셈블리(60)사이에 적층되고 캐소드면(30a)만 구비된 캐소드 플레이트(31)와, 상기 막 전극 어셈블리들(60)사이에 적층되어 캐소드면(30a)과 애노드면이 모두 구비된 캐소드-애노드 플레이트(32)(33)와, 상기 막 전극 어셈블리(60)와 상기 제2전류 콜렉터(22)사이에 적층되고 애노드면만이 구비된 애노드 플레이트(34)를 포함한다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 상기 바이폴라 플레이트(30) 중에서 상기 캐소드-애노드 플레이트(32)(33)에 대해 설명한다.
상기 바이폴라 플레이트(30)는, 일측면에 외부 공기를 측방향으로 유입하는 복수의 공기 유입구들(301)이 개방되게 형성되고, 타측면에는 후술하는 공기 유로(300)를 통과한 공기를 외부로 배출하도록 복수의 공기 배출구들(302)이 개방되게 형성된다.
상기 바이폴라 플레이트(30)에서 상기 막 전극 어셈블리(60)의 캐소드에 대향되는 캐소드면(30a)에는 상기 공기 유입구들(301)을 통해 유입된 공기가 통과하는 공기 유로(300)가 형성된다.
상기 공기 유로(300)는, 공기 공급 유로부(310), 다공성 유로부(320) 및 공기 배출 유로부(330)를 포함한다. 상기 공기 유로(300)는 모두 상기 캐소드면(30a)에 형성되어, 공기는 동일 평면상에서 흐르게 된다.
상기 공기 공급 유로부(310)는, 일단은 상기 복수의 공기 유입구들(301)에 연통되고, 타단은 상기 다공성 유로부(320)에 연통된다. 상기 공기 공급 유로부(310)는, 상기 캐소드면(30a)에서 상기 다공성 유로부(320)의 좌측에서 형성된다.
상기 공기 공급 유로부(310)는, 상기 캐소드면(30a)에서 오목하게 형성된 홈 형상의 복수의 공급 채널들(310a)을 포함한다.
상기 복수의 공급 채널들(310a)은, 상기 바이폴라 플레이트(30)의 좌우방향(x)으로 길게 형성되고, 상하방향(y)으로 서로 소정간격 이격되어 서로 평행하게 형성된 평행 유로이다.
상기 다공성 유로부(320)는, 상기 바이폴라 플레이트(30)의 중앙에 구비된다. 상기 다공성 유로부(320)는, 상기 캐소드면(30a)에 오목하게 형성된 폼 결합홈에 삽입된 다공성 메탈 폼으로 이루어져, 상기 공기 공급 유로부(310)를 통해 공급된 공기가 통과하는 유로를 형성한다. 상기 다공성 메탈 폼은 단면이 사각형 형상으로 형성된 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 다공성 유로부(320)의 면적은, 공기와 접촉하여 반응하는 상기 전해질막의 반응 면적 이하이거나 상기 기체 확산층(50)의 면적 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 상기 다공성 유로부(320)의 면적은 상기 전해질막의 반응 면적과 동일하게 설정된 것으로 예를 들어 설명한다.
또한, 상기 다공성 유로부(320)의 면적은 상기 개스킷(40)의 개구부(40a)보다 작게 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 개스킷(40)은 상기 다공성 메탈 폼의 표면보다 상기 바이폴라 플레이트(30)의 단단하고 평평한 표면에 밀착될 경우 실링 효과가 좋기 때문에, 상기 다공성 유로부(320)의 면적은 상기 개스킷(40)의 개구부보다 작게 형성되어야 한다.
상기 다공성 유로부(320)의 면적이 증가할수록 상기 캐소드에서 반응하는 공기 반응 면적이 증가하나, 상기 다공성 유로부(320)의 면적이 너무 커서 상기 개스킷(40)이 상기 다공성 메탈 폼에 밀착될 경우 실링 효과가 저하되어, 상기 수소 유로내의 수소 기체가 밀봉되지 못하여 수소 기체가 새는 현상이 발생될 수 있다. 상기 공기 유로(300)는 상기 공기 공급 유로부(310), 상기 다공성 유로부(320) 및 상기 공기 배출 유로부(330)의 면적을 적절하게 조절해야 한다.
상기 공기 배출 유로부(330)는, 일단은 상기 다공성 유로부(320)에 연통되고, 타단은 상기 공기 배출구들(302)에 연통된다. 상기 공기 배출 유로부(330)는, 상기 캐소드면(30a)에서 상기 다공성 유로부(320)의 우측에 형성된다.
상기 공기 배출 유로부(330)는, 상기 캐소드면(30a)에서 오목하게 형성된 홈 형상의 복수의 배출 채널들(330a)을 포함한다.
상기 복수의 배출 채널들(330a)은, 상기 바이폴라 플레이트(30)의 좌우방향(x)으로 길게 형성되고, 상하방향(y)으로 서로 소정간격 이격되어 서로 평행하게 형성된 평행 유로이다.
상기 공기 공급 유로부(310)와 상기 공기 배출 유로부(330)는, 상기 다공성 유로부(320)를 중심으로 좌,우측에 각각 구비되되, 상기 다공성 유로부(320)를 중심으로 대각선 방향으로 서로 이격되게 위치된다.
도 4를 참조하면, 상기 공기 공급 유로부(310)의 상하방향 길이(l1)와 상기 공기 배출 유로부(330)의 상하방향 길이(l2)는 서로 동일하나, 상기 다공성 유로부(320)의 상하방향 길이(l3)보다는 짧고, 상기 공기 공급 유로부(310)는 상기 공기 배출 유로부(330)보다 높은 위치에 형성된다. 즉, 상기 공기 공급 유로부(310)의 상단은 상기 공기 배출 유로부(330)의 상단보다 높게 위치되며, 상기 공기 공급 유로부(310)의 하단은 상기 공기 배출 유로부(330)의 하단보다 높게 위치된다. 또한, 상기 공기 공급 유로부(310)의 상단은 상기 다공성 유로부(320)의 상단과 동일 선상에 형성되나, 상기 공기 공급 유로부(310)의 하단은 상기 다공성 유로부(320)의 하단보다 높은 위치에 형성된다. 또한, 상기 공기 배출유로부(330)의 상단은 상기 다공성 유로부(320)의 하단보다 낮은 위치에 형성되고, 상기 공기 배출유로부(330)의 하단은 상기 다공성 유로부(320)의 하단과 동일 선상에 형성된다.
따라서, 상기 공기 공급 유로부(310)를 통과한 공기는 상기 공기 배출 유로부(330)를 향한 대각선 하방향으로 유동할 수 있으므로, 상기 다공성 유로(320)에서 보다 넓게 퍼지는 것이 용이하다.
상기 바이폴라 플레이트(30)에서 상기 막 전극 어셈블리(60)의 애노드에 대향되는 애노드면(30b)에는 수소가 통과하는 수소 유로(400)가 형성된다.
상기 수소 유로(400)는 상기 애노드면(30b)에서 오목한 홈 형상으로 이루어지고, 지그재그나 다중 절곡된 경로로 형성될 수 있다.
상기 바이폴라 플레이트(30)에는, 상기 수소 유로(400)에 연통되고 상기 바이폴라 플레이트(30)를 관통하도록 형성되어 상기 수소 유로(400)로 수소를 공급하는 수소 공급홀(401)과, 상기 수소 유로(400)를 통과한 수소를 배출하는 수소 배출홀(402)이 형성된다.
상기 수소 공급홀(401)은, 상기 바이폴라 플레이트(30)에서 상기 공기 배출 유로부(330)보다 상측에 구비된다. 상기 수소 배출홀(402)은, 상기 바이폴라 플레이트(30)에서 상기 공기 공급 유로부(310)보다 하측에 구비된다.
상기 개스킷(40)은, 상기 바이폴라 플레이트(300)와 상기 막 전극 어셈블리(60)사이에 삽입된다. 상기 개스킷(40)은, 상기 다공성 유로부(320)에 대향되는 중앙부에는 사각형 형상의 개구부(40a)가 개구되어 형성된다. 상기 개스킷(40)은, 상기 바이폴라 플레이트(320)에 밀착되되, 상기 다공성 유로부(320)를 제외한 나머지 부분에 밀착되어, 상기 공기 공급 유로부(310)와 상기 공기 배출 유로부(330)를 덮도록 형성된다.
상기 개스킷(40)에는 상기 수소 공급홀(401)에 연통되는 제1관통홀과, 상기 수소 배출홀(402)에 연통되는 제2관통홀(40b)이 형성된다.
상기 기체 확산층(50)은, 상기 개스킷(40)의 상기 개구부(40a)에 끼워져 결합되어, 상기 다공성 유로부(320)와 대향되게 배치된다.
상기 막 전극 어셈블리(60)는, 캐소드, 전해질막 및 애노드를 포함하고, 상기 바이폴라 플레이트들(30)사이에 적층된다. 상기 전해질막은 고분자 전해질막이며, 이온 교환막이라고도 한다.
또한, 상기 바이폴라 플레이트들(30)의 외측에 블로워나 팬을 설치하여, 외부 공기를 상기 공기 유입구(301)로 송풍할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 공기 호흡형 연료전지 스택의 바이폴라 플레이트의 작용을 설명하면, 다음과 같다.
외부 공기는 상기 바이폴라 플레이트(30)의 공기 유입구(301)를 통해 상기 바이폴라 플레이트(30)로 유입된다.
상기 공기 유입구(301)로 유입된 공기는 상기 공기 공급 유로부(310), 상기다공성 유로부(320) 및 상기 공기 배출 유로부(330)를 차례로 통과한 후, 상기 공기 배출구(302)를 통해 외부로 배출된다.
상기 공기 공급 유로부(310)는 상기 복수의 공급 채널들(310a)로 형성됨으로써, 상기 공기 공급 유로부(310)가 다공성 폼으로 형성된 경우나 단일 유로로 형성된 경우보다 많은 양의 공기가 상기 공기 공급 유로부(310)를 통해 상기 다공성 유로부(320)로 활발하게 공급될 수 있다.
또한, 상기 공기 공급 유로부(310)는 상기 복수의 공급 채널들(310a)로 형성됨으로써, 상기 공기 유입구(301)의 외측에 블로워나 팬 등의 송풍기를 설치하고, 송풍기의 유량을 증가하여 공급 유량을 증가시키더라도 상기 전해질막이 마르는 현상이 방지되어, 성능 저하를 방지할 수 있다.
또한, 상기 공기 유로(300)가 상기 공기 공급 유로부(310), 상기 다공성 유로부(320) 및 상기 공기 배출 유로부(330)를 포함하여, 평행 유로 구조와 다공성 유로 구조를 혼합한 혼합형 유로 구조로 이루어짐으로써, 상기 공기 유로(300) 전체가 다공성 폼으로 형성될 경우 발생되는 문제점을 방지할 수 있다. 즉, 상기 공기 유로(300) 전체 또는 대부분이 다공성 폼으로 형성될 경우, 상기 다공성 폼의 소재 특성상 상기 다공성 폼과 상기 개스킷(40)이 밀착되지 않고 갭이 발생되며, 이로 인해 상기 수소 유로(400)를 덮는 개스킷(40)도 상기 수소 유로(400)에 밀착되지 못하므로, 상기 개스킷(40)이 상기 수소 유로(400)내 수소를 밀봉시키기 어려우므로 수소가 새는 문제점이 있다.
또한, 상기 공기 유로(300)가 상기 다공성 메탈 폼으로 형성된 상기 다공성 유로(320)를 포함함으로써, 상기 공기 공급 유로부(310)를 통해 공급된 공기가 상기 막 전극 어셈블리(60)와 접하는 접촉 면적이 증가되어 반응 면적이 증대될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 바이폴라 플레이트(30)는 동일 평면상에서 평행 유로 구조와 다공성 유로 구조가 혼합된 혼합형 유로 구조로 이루어짐으로써, 공기 공급 면적 및 반응 면적을 모두 확보할 수 있으므로, 연료전지 성능이 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트를 적용한 연료전지 스택의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 6에서 타입 1(Type 1)은 종래의 연료전지 스택의 성능을 나타내고, 타입 2(Type 2)는 본 발명에 따른 혼합형 유로 구조가 적용된 연료전지 스택의 성능을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 혼합형 유로 구조가 적용된 경우, 종래보다 연료전지 성능이 크게 증가하였음을 확인할 수 있다.
즉, 상기 다공성 메탈 폼을 적용하여 상기 전해질막과의 넓은 접촉 면적을 유지함과 동시에 공기 공급 면적도 최대화시키면서도 전해질막이 마르는 현상을 방지함으로써, 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 앤드 플레이트 11: 제1앤드 플레이트
12: 제2앤드 플레이트 20: 전류 콜렉터
21: 제1전류 콜렉터 22: 제2전류 콜렉터
30: 바이폴라 플레이트 40: 개스킷
50: 기체 확산층 60: 막 전극 어셈블리
300: 공기 유로 301: 공기 유입구
302: 공기 배출구 310: 공기 공급 유로부
310a: 공급 채널 320: 다공성 유로부
330: 공기 배출 유로부 330a: 배출 채널
400: 수소 유로

Claims (10)

  1. 캐소드, 전해질막 및 애노드를 포함하는 막 전극 어셈블리와;
    상기 막 전극 어셈블리에 적층 배치되고, 일측면에 외부 공기를 측방향으로 유입하는 복수의 공기 유입구들이 개방되게 형성되고, 상기 캐소드에 대향되는 캐소드면에는 상기 공기 유입구들을 통해 유입된 공기가 통과하는 공기 유로가 형성된 바이폴라 플레이트를 포함하고,
    상기 공기 유로는,
    상기 캐소드면에 형성되고, 상기 복수의 공기 유입구들에 각각 연통되고 상하방향으로 서로 이격되게 형성된 복수의 공급 채널들을 포함하여, 상기 공기 유입구로부터 유입된 공기를 중심부를 향해 공급하는 공기 공급 유로부와,
    상기 캐소드면에서 상기 공기 공급 유로부와 연통되게 구비된 다공성 메탈 폼을 포함하여, 상기 공기 공급 유로부를 통해 공급된 공기가 통과하는 다공성 유로부와,
    상기 캐소드면에 형성되고, 상기 다공성 유로부 중 적어도 일부분과 연통되고 상하방향으로 서로 이격되게 형성된 복수의 배출 채널들을 포함하여, 상기 다공성 유로부를 통과한 공기를 외부로 배출하는 공기 배출 유로부를 포함하는 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 공급 유로부와 상기 공기 배출 유로부는, 상기 다공성 유로부를 중심으로 대각선 방향으로 서로 이격되게 위치된 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공성 유로부의 면적은, 상기 전해질막의 면적 이하로 설정된 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트의 타측면에는, 상기 배출 채널들을 통과한 공기를 측방향으로 배출하는 공기 배출구들이 개방되게 형성된 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트와 상기 막 전극 어셈블리 사이에 삽입되는 개스킷을 더 포함하고,
    상기 개스킷은, 상기 다공성 유로부에 대향되는 중앙부는 개구되게 형성되고, 상기 바이폴라 플레이트에서 상기 다공성 유로부를 제외한 나머지 부분에 밀착되어 상기 공급 채널들과 상기 배출 채널들을 덮도록 형성된 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공급 채널들과 상기 배출 채널들은, 상기 캐소드면에서 오목하게 형성된 홈이고,
    상기 다공성 메탈 폼은, 상기 캐소드면에 오목하게 형성된 폼 결합홈에 삽입된 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 공급 채널들은, 상기 다공성 메탈 폼의 좌,우측 중 어느 하나에서 각각 상기 바이폴라 플레이트의 좌우 방향으로 길게 형성된 홈이고, 상기 바이폴라 플레이트의 상하방향으로 서로 평행하게 배치되고,
    상기 배출 채널들은, 상기 다공성 메탈 폼의 좌,우측 중 나머지 하나에서 상기 바이폴라 플레이트의 좌우 방향으로 길게 형성된 홈이고, 상기 바이폴라 플레이트의 상하방향으로 서로 평행하게 배치된 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트는,
    상기 애노드에 대향되는 애노드면에 형성되어 수소가 통과하도록 오목한 홈 형상으로 형성된 수소 유로와,
    상기 수소 유로에 연통되고 상기 바이폴라 플레이트를 관통하도록 형성되어 상기 수소 유로로 수소를 공급하는 수소 공급홀과,
    상기 수소 유로에 연통되고 상기 바이폴라 플레이트를 관통하도록 형성되어 상기 수소 유로를 통과한 수소를 배출하는 수소 배출홀을 더 포함하는 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 수소 공급홀은, 상기 바이폴라 플레이트에서 상기 공기 배출 유로부보다 상측에 구비되고,
    상기 수소 배출홀은, 상기 바이폴라 플레이트에서 상기 공기 공급 유로부보다 하측에 구비된 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  10. 캐소드, 전해질막 및 애노드를 포함하는 막 전극 어셈블리와;
    상기 막 전극 어셈블리에 적층 배치되고, 일측면에 외부 공기를 측방향으로 유입하는 복수의 공기 유입구들이 개방되게 형성되고, 상기 캐소드에 대향되는 캐소드면에는 상기 공기 유입구들을 통해 유입된 공기가 통과하는 공기 유로가 형성된 바이폴라 플레이트와;
    상기 바이폴라 플레이트와 상기 막 전극 어셈블리 사이에 삽입되는 개스킷을 포함하고,
    상기 공기 유로는,
    상기 캐소드면에 형성되고, 상기 복수의 공기 유입구들에 각각 연통되고 상하방향으로 서로 이격되게 형성된 복수의 공급 채널들을 포함하여, 상기 공기 유입구로부터 유입된 공기를 중심부를 향해 공급하는 공기 공급 유로부와,
    상기 캐소드면에서 상기 공기 공급 유로부와 연통되게 구비된 다공성 메탈 폼을 포함하여, 상기 공기 공급 유로부를 통해 공급된 공기가 통과하는 다공성 유로부와,
    상기 캐소드면에 형성되고, 상기 다공성 유로부 중 적어도 일부분과 연통되고 상하방향으로 서로 이격되게 형성된 복수의 배출 채널들을 포함하여, 상기 다공성 유로부를 통과한 공기를 외부로 배출하는 공기 배출 유로부를 포함하고,
    상기 공기 공급 유로부와 상기 공기 배출 유로부는, 상기 다공성 유로부를 중심으로 대각선 방향으로 서로 이격되게 위치되고,
    상기 공급 채널들과 상기 배출 채널들은, 상기 캐소드면에 오목하게 형성된 홈이고,
    상기 다공성 메탈 폼은, 상기 캐소드면에 오목하게 형성된 폼 결합홈에 삽입되고,
    상기 개스킷은,
    상기 다공성 유로부에 대향되는 중앙부는 개구되게 형성되고, 상기 바이폴라 플레이트에서 상기 다공성 유로부를 제외한 나머지 부분에 밀착되어 상기 공급 채널들과 상기 배출 채널들을 덮도록 형성된 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
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