KR102357410B1 - 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법 및 그에의한 연료전지 다공 분리판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 양극측 기체확산층과 접촉되는 분리판의 랜드 영역에 관통홀을 형성하되, 공냉식 팬의 공기속도의 편차에 따른 스택효율 차이를 균일하게 할 수 있는 다공 분리판 연료전지 셀 및 이를 포함하는 공랭식 연료 전지 스택 에 관한 발명이다.

Description

연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법 및 그에의한 연료전지 다공 분리판 {Method of Hole Size Determination of Bipolar Plate, Fuel Cell, Fuel Stack with Bipolar Plate Thereof}
본 발명은 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법 및 다공 분리판 및 다공 분리판이 적용된 셀과 연료 전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 양극측 기체확산층과 접촉되는 분리판에 관통홀을 형성하되, 전체 스택면적에 대해 연료전지 스택의 효율을 균일하게 유지시킬 수 있는 다공성 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 발명이다.
일반적으로 무인항공기 및 드론의 에너지원으로 이차전지가 가장 많이 적용되고 있다. 그러나, 이차전지를 사용할 경우 낮은 에너지 밀도로 인하여 체공시간이 1시간 이내로 매우 짧은 한계가 있다. 따라서 무인항공기 및 드론에 이차전지보다 에너지밀도가 우수한 연료전지를 대안으로 적용하려는 시도가 있다.
연료전지는, 수소와 산소를 전기화학 반응을 이용하여 전기를 생산하는 장치로서, 연료전지 한 개의 셀은 막전극접합체(Membrane-Electrode Assembly), 기체확산층(Gas Diffusion Layer), 양극측 분리판, 음극측 분리판, 집전판, 엔드플레이트 등으로 구성된다.
연료전지 스택의 위의 연료전지 셀이 여러 장 적층된다. 연료전지 스택은 냉각방식에 따라 수냉식 연료전지와 공랭식 연료전지로 분류되며, 공랭식 연료전지는 액티브 타입(Active type)과 패시브 타입(Passive type)으로 분류된다.
패시브 타입 공랭식 연료전지 스택은 연료전지 반응에 필요한 산소를 공급하기 위한 공기 공급시스템과 연료전지 냉각을 위한 냉각용 공기 공급시스템을 분리할 수 있는 것은 물론이고, 공통으로도 사용할 수 있다. 즉, 블로어 또는 팬을 이용하여 공급되는 대기중의 공기를 연료전지 반응에 필요한 산소 공급과 연료전지 반응으로 생성되는 열을 외부로 배출하는 냉각에 동시에 사용할 수 있다.
또한, 패시브 타입 공랭식 연료전지 스택은 별도의 공기공급장치가 필요하지 않기 때문에 무게 및 부피를 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나, 팬을 이용하여 공기공급 및 열방출을 동시에 수행하기 때문에 연료전지 운전 제어에 있어서, 팬과 연료전지의 위치에 따라, 연료전지의 안정적인 성능을 발현하지 못하는 부분이 생길 수 있다.
즉, 팬에 의해 공기를 공급하게 되면 덕트에서 발생하는 데드존(dead zone)이 형성되어 공랭식 연료전지 스택에는 공기가 원활하게 공급되지 못하는 현상이 발생하는 영역이 존재할 수 있다. 이러한 불균일한 공기 공급은 결국 스택이 국부적으로 사용되지 않는 결과를 초래하며, 최종적으로는 공랭식 연료전지 스택의 전체의 성능 저하를 가져오게 되는 문제점을 유발시킨다.
한국 등록특허공보 제1399664호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 연료전지의 양극측 기체확산층과 접촉되는 분리판의 랜드 영역에 형성된 관통홀에 대해, 팬의 크기 및 작동면적에 따라 관통홀의 면적을 다르게 함으로서, 연료전지 스택 면적의 전체적인 효율을 고르게 상승시키는 데 목적이 있다.
본 발명에 대한 일 실시예로서 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법은, 양극측 기체확산층 쪽으로 맞닿는 랜드 영역을 포함하는 양극측 제1 분리판; 상기 양극측 제1 분리판의 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;를 포함하는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법에 있어서, 다수개의 상기 관통홀을 통해 상기 양극측 기체확산층으로 공급되는 공기의 평균속도가 속도센서에 의해 측정되는 단계; 다수개의 상기 관통홀 중 상기 공기의 평균속도보다 일정 작은 속도가 측정되는 저속관통홀에 대해서는 상기 저속관통홀의 관통면적을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 관통면적의 증가는 상기 관통리브의 감소에 의해서 정할 수 있다. 본 발명에 대한 또 다른 실시예에 의한 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법은, 양극측 기체확산층 쪽으로 맞닿는 랜드 영역을 포함하는 양극측 분리판; 상기 양극측 분리판의 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;를 포함하는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법에 있어서, 다수개의 상기 관통홀을 통해 상기 양극측 기체확산층으로 공급되는 공기의 평균속도가 속도센서에 의해 측정되는 단계; 상기 공기의 평균속도보다 일정 큰 속도가 측정되는 고속관통홀에 대해서는 상기 고속관통홀의 관통면적을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 관통면적의 감소는 상기 관통리브의 증가에 의해서 정할 수 있다.
본 발명에 대한 또 다른 실시예에 의한 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법은, 양극측 기체확산층 쪽으로 맞닿는 랜드 영역을 포함하는 양극측 분리판; 상기 양극측 분리판의 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;를 포함하는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법에 있어서, 상기 스택의 일측면에 위치한 공기공급 매니폴드를 통해 상기 스택으로 공급되는 공기의 평균속도가 속도센서에 의해 측정되는 단계; 상기 공기의 평균속도보다 일정 작은 속도가 측정되는 저속스택영역에 대해서는 상기 저속스택영역에 속하는 다공분리판의 관통홀의 관통면적을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 관통면적을 증가는 상기 저속스택영역에 속하는 다공분리판의 관통리브 감소에 의해서 정할 수 있다.
본 발명에 대한 또 다른 실시예에 의한 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법은, 양극측 기체확산층 쪽으로 맞닿는 랜드 영역을 포함하는 양극측 분리판; 상기 양극측 분리판의 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;를 포함하는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법에 있어서, 상기 스택의 일측면에 위치한 공기공급 매니폴드를 통해 상기 스택으로 공급되는 공기의 평균속도가 속도센서에 의해 측정되는 단계; 상기 공기의 평균속도보다 일정 큰 속도가 측정되는 고속스택영역에 대해서는 상기 고속스택영역에 속하는 다공분리판의 관통홀의 관통면적을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 관통면적을 감소는 상기 고속스택영역에 속하는 다공분리판의 관통리브 증가에 의해서 정할 수 있다.
본 발명에 대한 또 다른 실시예에 의한 다공 분리판이 형성된 연료전지 셀은 막(Membrane)과 전극(Electrode)이 결합된 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 양극측에 적층되는 양극측 기체확산층; 상기 양극측 기체확산층 쪽으로 랜드 영역이 맞닿도록 적층되는 양극측 분리판; 상기 막전극 접합체에서 상기 양극측 분리판의 랜드 영역과 접촉되는 부분에 반응기체인 공기가 블로어에 의해 공급되며, 상기 양극측 분리판의 랜드 영역에는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법 또는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법에 의한 관통홀을 포함할 수 있다.
본 발명에 대한 또 다른 실시예에 의한 다공 분리판이 형성된 연료전지 셀은 막(Membrane)과 전극(Electrode)이 결합된 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 양극측에 적층되는 양극측 기체확산층; 상기 막전극 접합체의 음극측에 적층되는 음극측 기체확산층; 상기 양극측 기체확산층 쪽으로 랜드 영역이 맞닿도록 적층되는 양극측 제1 분리판; 상기 양극측 제1 분리판과 대칭되도록 적층되는 양극측 제2 분리판; 상기 막전극 접합체를 기준으로 상기 양극측 제1 분리판과 대칭되도록 적층되는 음극측 제1 분리판; 상기 음극측 제1 분리판과 대칭되도록 적층되는 음극측 제2 분리판;을 포함하고, 상기 막전극 접합체에서 상기 양극측 제1 분리판의 랜드 영역과 접촉되는 부분에도 반응기체인 공기가 블로어에 의해 공급되며, 상기 양극측 제1 분리판의 랜드 영역에는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법 또는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법에 의한 관통홀을 포함할 수 있다.
본 발명에 대한 또 다른 실시예에 의한 다공 분리판이 형성된 연료전지 스택은, 막(Membrane)과 전극(Electrode)이 결합된 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 양극측에 적층되는 양극측 기체확산층; 상기 양극측 기체확산층 쪽으로 랜드 영역이 맞닿도록 적층되는 양극측 분리판; 상기 막전극 접합체에서 상기 양극측 제1 분리판의 랜드 영역과 접촉되는 부분에 반응기체인 공기가 블로어에 의해 공급되며, 상기 양극측 분리판의 랜드 영역에는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법 또는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법에 의한 관통홀을 포함할 수 있다.
본 발명에 대한 또 다른 실시예에 의한 다공 분리판이 형성된 연료전지 스택은, 막(Membrane)과 전극(Electrode)이 결합된 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 양극측에 적층되는 양극측 기체확산층; 상기 막전극 접합체의 음극측에 적층되는 음극측 기체확산층; 상기 양극측 기체확산층 쪽으로 랜드 영역이 맞닿도록 적층되는 양극측 제1 분리판; 상기 양극측 제1 분리판과 대칭되도록 적층되는 양극측 제2 분리판; 상기 막전극 접합체를 기준으로 상기 양극측 제1 분리판과 대칭되도록 적층되는 음극측 제1 분리판; 상기 음극측 제1 분리판과 대칭되도록 적층되는 음극측 제2 분리판;을 포함하고, 상기 막전극 접합체에서 상기 양극측 제1 분리판의 랜드 영역과 접촉되는 부분에도 반응기체인 공기가 블로어에 의해 공급되며, 상기 양극측 제1 분리판의 랜드 영역에는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법 또는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법에 의한 관통홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 효과는 팬의 크기 및 작동면적에 따라 관통홀의 면적을 다르게 함으로서, 연료전지 스택 면적의 전체적인 효율을 고르게 할 수 있다. 또한, 랜드 영역과 맞닿는 위치의 기체확산층 및 막전극 접합체에 반응 기체(공기)를 균일하게 공급하여 스택에 데드존을 없애고 국부적으로 사용되지 않는 영역을 줄일 수 있다. 스택의 위치에 따라 연료전지 셀의 효율이 달라지는 것을 방지함으로서 연료전지의 전체적인 출력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 연료전지용 분리판의 사시도.
도 2는 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지 스택의 단면도.
도 3은 연료전지용 다공성 분리판
도 4는 다공성 분리판 연료전지 스택의 단면도
도 5는 연료전지용 다공성 분리판의 적용예
도 6은 다공성 분리판의 랜드영역과 관통리브
도 7은 다공성 분리판 연료전지 스택의 단면에서의 공기속도
도 8는 다공성 분리판 연료전지 스택의 전류 전압관계
도 9는 다공성 분리판 연료전지 스택의 전압편차
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
연료전지는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 수소 양이온을 이동시켜 줄 수 있는 막(Membrane)과 수소와 산소가 반응할 수 있도록 상기 막의 양쪽면에 도포된 전극(Electrode)이 결합된 막전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)(2), 상기 막전극에 수소 및 산소 연료를 공급할 뿐만 아니라 반응에 의해 생성된 물을 배출하는 기능을 담당하는 기체확산층(Gas diffusion layer, GDL)(4a)(4b), 마지막으로 유로가 형성된 분리판(Bipolar plate)(6a)(6b) 등으로 구성된다.
분리판은 연료가스인 수소와 공기를 차단하는 역할 외에 연료가스와 공기의 유로 확보 및 외부 회로에 전류를 전달하는 역할을 하므로 높은 전기 전도성, 내식성, 열전도성과 함께 낮은 기체 투과성이 요구된다. 이외에도 분리판은 전지에서 발생된 열을 연료전지 스택 전체에 분배하는 역할도 하며, 과도하게 발생된 열은 냉각유로를 통해 외부로 배출하는 기능도 가지고 있다.
분리판은 연료전지에서 각 전지를 분리하고 있는 전도성판으로 연료극판(음극측 분리판)(6a) 및 공기극판(양극측 분리판)(6b)으로 나뉘며, 연료전지 전체 영역에 기체를 고르게 공급할 수 있도록 유체의 흐름을 돕는 유로(10)와 상기 막전극 접합체(2)와 접하는 부분인 랜드 영역(8)으로 형성된다.
상기 공기극판(양극측 분리판)(6b)의 유로(10) 부분에서는 반응 기체(공기)의 공급이 양극측 기체확산층(4b)을 통해 막전극 접합체(2) 쪽으로 원활하게 공급되지만, 상기 공기극판 (양극측 분리판)(6b)의 랜드 영역(8)과 맞닿는 부분에서는 반응 기체(공기)가 양극 측 기체확산층(4b)을 통해 막전극 접합체(2) 쪽으로 원활하게 공급되지 못할 수 있다.
이에, 도 3에서 보듯이 양극측 기체확산층(4b)과 접촉되는 분리판(20)의 랜드 영역(28)에 관통홀(30)을 형성하여 연료전지의 활성화 반응 면적을 증가시키고, 연료전지 내부에서 발생되는 수분 관리 기술을 향상시켜 막전극 접합체(2)의 대부분의 영역에서 전기를 생산할 수 있는 다공성 분리판이 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 공냉식 연료전지에서의 다공성 분리판을 포함하는 연료전지 스택의 단면도를 도시하고 있다. 본 발명의 연료전지 스택은 수소 양이온을 이동시켜줄 수 있는 막(Membrane)과 수소와 산소가 반응할 수 있도록 상기 막의 양쪽면에 도포된 전극(Electrode)이 결합된 막전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)(2), 상기 막전극 접합체(2)의 음극측에 적층되는 음극측 기체확산층(4a), 상기 막전극 접합체(2)의 양극측에 적층되는 양극측 기체확산층(4b), 상기 막전극 접합체(2)의 음극측과 양극측에 적층되는 다수개 개의 분리판(20, 22, 24, 26) 등으로 구성되며, 분리판(20, 22, 24, 26)은 요철 구조로 형성되며, 상기 요철 구조는 랜드 영역과 유로로 구분된다.
분리판(20, 22, 24, 26) 중 상기 관통홀(30)이 형성된 분리판(20)의 요철 구조이며, 상기 막전극 접합체(2)의 양극측 기체확산층(4b)에 접촉되는 부분인 다수개 개의 랜드 영역(28)과 상기 다수개 개의 랜드 영역(28) 사이에 형성된 유로로 구분된다. 상기 다수개 개의 분리판(20, 22, 24, 26) 중 상기 막전극 접합체(2)의 양극측 기체확산층(4b)에 랜드 영역(28)이 접촉되는 분리판(20)의 랜드 영역(28)에 상기 랜드 영역(28)의 상면과 하면을 관통하는 다수개 개의 관통홀(30)을 형성할 수 있다.
상기 다수개 개의 분리판(20, 22, 24, 26)을 포함하는 연료전지 스택은, 상기 막전극 접합체(2)의 상기 양극측 기체확산층(4b) 쪽으로 랜드 영역(28)이 맞닿도록 적층되는 양극측 제1 분리판(20)과 상기 양극측 제1 분리판(20)과 대칭되도록 적층되는 양극측 제2 분리판(22)과 상기 막전극 접합체(2)를 기준으로 상기 양극측 제1 분리판(20)과 대칭되도록 적층되는 음극측 제1 분리판(24)과 상기 음극측 제1 분리판(24)과 대칭되도록 적층되는 음극측 제2 분리판(26)을 포함하여 구성된다. 제1 분리판(20)은 상기 양극측 기체확산층(4b)과 접촉되는 위치에 적층되어지며, 상기 양극측 제1 분리판(20)에 상기 관통홀(30)이 형성될 수 있다.
상기 양극측 제1 분리판(20)과 상기 양극측 제2 분리판(22) 사이에는 양극측 박판(32b)이 배치되어, 상기 양극측 박판(32b)을 기준으로 상기 양극측 제1 분리판(20)과 상기 양극측 제2 분리판(22)이 서로 대칭되며, 상기 음극측 제1 분리판(24)과 상기 음극측 제2 분리판(26) 사이에는 음극측 박판(32a)이 배치되어, 상기 음극측 박판(32a)을 기준으로 상기 음극측 제1 분리판(24)과 상기 음극측 제2 분리판(26)이 서로 대칭되는 구조이다.
상기 양극측 제1 분리판(20)의 랜드 영역(28)과 상기 양극측 박판(32b) 사이의 공간에는 공기가 공급되는 양극측 제2 주유로(36)가 형성되고, 상기 양극측 제2 분리판(22)과 상기 양극측 박판(32b) 사이의 공간에도 냉각을 위해 공기가 공급되는 양극측 제2 보조유로(38)가 형성될 수 있다.
양극측 제1 주유로(34) 뿐만 아니라 상기 양극측 제2 주유로(36)에서도 공기가 공급되어 상기 양극측 제1 분리판(20)의 랜드 영역(28)에 형성된 상기 관통홀(30)을 통해 상기 막전극 접합체(2)에 공기를 공급하게 됨으로써, 상기 막전극 접합체(2)에서 상기 양극측 제1 분리판(20)의 랜드 영역(28)과 접촉되는 부분에도 반응기체인 공기가 공급될 수 있게 된다.
도 6에서 상기 양극측 제1 분리판(20)의 랜드 영역(28)에 다수개 개의 관통홀(30)이 형성되며, 관통홀은 랜드영역에는 관통리브(28a)를 피해 형성되고 냉각채널을 통과하는 공기는 관통리브를 통해서는 양극측 기체확산층으로 전달이 안되고, 오직 관통홀을 통해서만 가능하다.
한편, 공냉을 위한 공기 및 공기채널을 통과하는 공기는 팬에 의해 패시브 타입으로 공급되게 된다. 도 7에서 보듯이 적층된 셀에 전체적으로 팬에 의한 공기유동이 고르게 전달되지 않을 수 있다. 즉, 팬 유동이 약한 영역에 위치한 셀의 경우 공급 공기가 충분하지 않아 공기공급 속도가 거의 0인 영역이 나타날 수 있을 뿐 아니라, 주변에 비해 공기공급 속도가 평균적으로도 높은 영역이 나타날 수도 있다. 즉, 연료전지 스택의 효율이 공급되는 공기의 속도차이에 의해 비균일하게 될 수 있으므로, 데드존을 없애는 것이 바람직하다.
도 8은 다공 분리판이 적용된 경우에 연료전지 스탠의 전압과 전류에 있어서, 전압이 높은 경우에는 일반 분리판에서의 스택 전류가 더 크며, 전압이 낮은 경우에 스택 전류는 다공 분리판이 적용된 경우에 더 증가한다. 다만, 이러한 차이는 전력량 생성에 있어서는 큰 차이가 없으나, 안정적인 전압을 유지할 수 있는 가에 있어서는 도 9에서 보듯이 일반 분리판에서는 스택 전류의 증가에 따라 스택 전압의 편차도 증가함을 알 수 있다. 한편 공냉 팬의 속도차이에 대한 보상을 관통홀 면적에 대해 적용한 경우에 있어서는 스택 전류에 따른 표준편차가 더욱 차이가 적다.
이를 위해 데드존에만 관통홀을 형성시킬 수 있으며, 관통리브를 줄여 관통홀을 더욱 크게 형성할 수도 있다. 또한, 데드존은 영역단위로 형성되므로, 팬 속도에 맞춰 관통홀의 면적의 합에 차이를 줄 수도 있다. 즉, 전체 평균 속도 대비 데드존에서의 속도의 비율에 맞춰, 전체 관통홀의 면적 대비 데드존의 관통홀 면적을 크게한다. 즉, Vm x Am = V dead zone x A dead zone, m은 평균이고 V는 팬의 속도, A는 데드존에서의 관통홀의 총면적이다.
본 발명에 대한 일 실시예로서 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법은, 양극측 기체확산층 쪽으로 맞닿는 랜드 영역을 포함하는 양극측 제1 분리판; 상기 양극측 제1 분리판의 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;를 포함하는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법에 있어서, 다수개의 상기 관통홀을 통해 상기 양극측 기체확산층으로 공급되는 공기의 평균속도가 속도센서에 의해 측정되는 단계; 다수개의 상기 관통홀 중 상기 공기의 평균속도보다 일정 작은 속도가 측정되는 저속관통홀에 대해서는 상기 저속관통홀의 관통면적을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 관통면적의 증가는 상기 관통리브의 감소에 의해서 정할 수 있다.
본 발명에 대한 또 다른 실시예에 의한 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법은, 양극측 기체확산층 쪽으로 맞닿는 랜드 영역을 포함하는 양극측 제1 분리판; 상기 양극측 제1 분리판의 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;를 포함하는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법에 있어서, 다수개의 상기 관통홀을 통해 상기 양극측 기체확산층으로 공급되는 공기의 평균속도가 속도센서에 의해 측정되는 단계; 상기 공기의 평균속도보다 일정 큰 속도가 측정되는 고속관통홀에 대해서는 상기 고속관통홀의 관통면적을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 관통면적의 감소는 상기 관통리브의 증가에 의해서 정할 수 있다.
본 발명에 대한 또 다른 실시예에 의한 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법은, 양극측 기체확산층 쪽으로 맞닿는 랜드 영역을 포함하는 양극측 제1 분리판; 상기 양극측 제1 분리판의 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;를 포함하는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법에 있어서, 상기 스택의 일측면에 위치한 공기공급 매니폴드를 통해 상기 스택으로 공급되는 공기의 평균속도가 속도센서에 의해 측정되는 단계; 상기 공기의 평균속도보다 일정 작은 속도가 측정되는 저속스택영역에 대해서는 상기 저속스택영역에 속하는 다공분리판의 관통홀의 관통면적을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 관통면적을 증가는 상기 저속스택영역에 속하는 다공분리판의 관통리브 감소에 의해서 정할 수 있다.
본 발명에 대한 또 다른 실시예에 의한 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법은, 양극측 기체확산층 쪽으로 맞닿는 랜드 영역을 포함하는 양극측 제1 분리판; 상기 양극측 제1 분리판의 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;를 포함하는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법에 있어서, 상기 스택의 일측면에 위치한 공기공급 매니폴드를 통해 상기 스택으로 공급되는 공기의 평균속도가 속도센서에 의해 측정되는 단계; 상기 공기의 평균속도보다 일정 큰 속도가 측정되는 고속스택영역에 대해서는 상기 고속스택영역에 속하는 다공분리판의 관통홀의 관통면적을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 관통면적을 감소는 상기 고속스택영역에 속하는 다공분리판의 관통리브 증가에 의해서 정할 수 있다.
본 발명에 대한 또 다른 실시예에 의한 다공 분리판이 형성된 연료전지 셀은 막(Membrane)과 전극(Electrode)이 결합된 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 양극측에 적층되는 양극측 기체확산층; 상기 양극측 기체확산층 쪽으로 랜드 영역이 맞닿도록 적층되는 양극측 제1 분리판; 상기 막전극 접합체에서 상기 양극측 제1 분리판의 랜드 영역과 접촉되는 부분에 반응기체인 공기가 블로어에 의해 공급되며, 상기 양극측 제1 분리판의 랜드 영역에는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법 또는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법에 의한 관통홀을 포함할 수 있다.
본 발명에서 블로어에 의해 직접적으로 스택이나 셀의 일측에 공기를 공급할 수도 있고, 스택이나 셀의 일측에 연결된 공기공급 매니폴드를 통해 공기를 공급할 수도 있다.
본 발명에서 양극측 분리판은 양극측 제1 분리판 및 양극측 제2 분리판을 통칭한 것이며, 음극측 분리판에 대해서도 마찬가지이다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
2 : 막전극 접합체
4 : 기체확산층
4a : 음극측 기체확산층
4b : 양극측 기체확산층
6 : 분리판
6a : 음극측 분리판
6b : 양극측 분리판
8 : 랜드 영역
10 : 유로
20 : 양극측 제1 분리판
22 : 양극측 제2 분리판
24 : 음극측 제1 분리판
26 : 음극측 제2 분리판
28 : 랜드 영역
30 : 관통홀
32 : 박판
32a : 음극측 박판
32b : 양극측 박판
34 : 양극측 제1 주유로
36 : 양극측 제2 주유로
38 : 양극측 제2 보조유로
40 : 음극측 제1 주유로
42 : 음극측 제2 주유로
44 : 음극측 제2 보조유로
46 : 음극측 제2 분리판의 랜드 영역

Claims (18)

  1. 양극측 기체확산층 쪽으로 맞닿는 랜드 영역을 포함하는 양극측 분리판;
    상기 양극측 분리판의 상기 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;를 포함하는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법에 있어서,
    다수개의 상기 관통홀을 통해 상기 양극측 기체확산층으로 공급되는 공기의 평균속도가 속도센서에 의해 측정되는 단계;
    다수개의 상기 관통홀 중 상기 공기의 평균속도보다 일정 작은 속도가 측정되는 저속관통홀에 대해서는 상기 저속관통홀의 관통면적을 증가시키는 단계;를 포함하는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관통면적의 증가는 상기 관통리브의 감소에 의해서 정해지는 것을 특징으로 하는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법.
  3. 양극측 기체확산층 쪽으로 맞닿는 랜드 영역을 포함하는 양극측 분리판;
    상기 양극측 분리판의 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;를 포함하는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법에 있어서,
    다수개의 상기 관통홀을 통해 상기 양극측 기체확산층으로 공급되는 공기의 평균속도가 속도센서에 의해 측정되는 단계;
    다수개의 상기 관통홀 중 상기 공기의 평균속도보다 일정 큰 속도가 측정되는 고속관통홀에 대해서는 상기 고속관통홀의 관통면적을 감소시키는 단계;를 포함하는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 관통면적의 감소는 상기 관통리브의 증가에 의해서 정해지는 것을 특징으로 하는 연료전지 다공 분리판의 관통홀 크기 결정방법.
  5. 삭제
  6. 양극측 기체확산층 쪽으로 맞닿는 랜드 영역을 포함하는 양극측 분리판;
    상기 양극측 분리판의 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;를 포함하는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법에 있어서,
    상기 스택의 일측면에 위치한 공기공급 매니폴드를 통해 상기 스택으로 공급되는 공기의 평균속도가 속도센서에 의해 측정되는 단계;
    상기 공기의 평균속도보다 일정 작은 속도가 측정되는 저속스택영역에 대해서는 상기 저속스택영역에 속하는 상기 다공분리판의 관통홀의 관통면적을 증가시키는 단계;를 포함하는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 관통면적을 증가는 상기 저속스택영역에 속하는 다공분리판의 관통리브 감소에 의해서 정해지는 것을 특징으로 하는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법.
  8. 양극측 기체확산층 쪽으로 맞닿는 랜드 영역을 포함하는 양극측 분리판;
    상기 양극측 분리판의 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;를 포함하는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법에 있어서,
    상기 스택의 일측면에 위치한 공기공급 매니폴드를 통해 상기 스택으로 공급되는 공기의 평균속도가 속도센서에 의해 측정되는 단계;
    상기 공기의 평균속도보다 일정 큰 속도가 측정되는 고속스택영역에 대해서는 상기 고속스택영역에 속하는 다공분리판의 관통홀의 관통면적을 감소시키는 단계;를 포함하는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 관통면적을 감소는 상기 고속스택영역에 속하는 다공분리판의 관통리브 증가에 의해서 정해지는 것을 특징으로 하는 연료전지 다공 분리판이 적층된 스택의 관통홀 크기 결정방법.
  10. 삭제
  11. 연료전지 셀에 있어서,
    막(Membrane)과 전극(Electrode)이 결합된 막전극 접합체;
    상기 막전극 접합체의 양극측에 적층되는 양극측 기체확산층;
    상기 양극측 기체확산층 쪽으로 랜드 영역이 맞닿도록 적층되는 양극측 분리판; 및
    상기 양극측 분리판의 상기 랜드 영역에서 다수개의 관통홀을 형성하는 관통리브;을 포함하며,
    상기 관통홀의 크기는 다수개의 상기 관통홀을 통해 상기 양극측 기체확산층으로 공급되는 공기의 평균속도를 측정하고, 다수개의 상기 관통홀 중 상기 공기의 평균속도보다 일정 작은 속도가 측정되는 저속관통홀의 관통면적을 증가시키되, 상기 관통면적의 증가는 상기 관통리브의 감소에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는
    다공 분리판이 형성된 연료전지 셀.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 막전극 접합체에서 상기 양극측 분리판의 랜드 영역과 접촉되는 부분의 상기 관통홀을 통과하는 반응기체인 공기를 블로어에 의해 공급되며,
    상기 블로어는 상기 양극측 분리판의 일측으로 공기가 공급되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 다공 분리판이 형성된 연료전지 셀.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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