KR102414766B1 - 구불구불한 유로의 국소 부분에 격자무늬 형태로 배치된 유로를 포함하는 연료전지용 분리판 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 적용되는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 반응기체의 공급을 위한 흡기 매니폴드; 상기 반응기체의 배출을 위한 배기 매니폴드; 상기 흡기 매니폴드 및 상기 배기 매니폴드의 실링을 위한 가스켓; 및 상기 흡기 매니폴드와 상기 배기 매니폴드 간 상기 반응기체의 이동을 지원하는 유로;를 포함하고, 상기 반응기체는 상기 유로와 접한된 가스 확산층(GDL)으로 확산 가능하고, 상기 가스 확산층(GDL)은 막전극 접합체(MEA)에 부착되어 상기 반응기체를 상기 막전극 접합체(MEA)의 전극에 공급함으로써, 화학반응을 통해 전기를 발생시키며, 상기 유로는, 구불구불한(serpentine) 형태의 제 1 유로; 및 상기 제 1유로의 일부 영역에 격자무늬(grid) 형태로 배치된 제 2 유로를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 구불구불한 유로의 국소 부분에 격자무늬 형태로 배치된 유로를 포함하는 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리판의 영역에서 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하여, 영역 내 반응기체의 압력, 속도, 난류 형성을 조절함으로써, 반응기체의 MEA로 확산성을 높일 수 있는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
수소와 산소기체의 화학 반응을 통해 발전하는 연료전지의 부품 중 하나인 분리판은 크게 반응기체의 공급·배출을 위한 흡·배기 매니폴드, 실링을 위한 가스켓, 흡·배기 매니폴드 간 유체의 이동을 돕는 유로로 구성되었다.
유로는 가스의 확산을 돕는 가스 확산층(GDL), 화학 반응을 일으키는 막-전극 접합체(MEA) 순서로 접합하고 있으며, 유로에서 MEA로 반응기체의 확산 용이성은 연료전지의 성능 향상 요인 중 하나이다.
종래의 연료전지는 분리판의 영역에 따라 반응기체의 압력과 속도, 난류 형성의 조절이 가능한 구성을 구비하고 있지 않다.
연료전지는 발전이 진행되는 동안 반응기체를 소모하게 된다. 이에 따라 분리판 및 스택의 영역에서 반응기체의 농도 분포는 변하게 되며, 특히 Cathode의 경우 공기의 산소만이 반응에 참여하여 이 변화는 더욱 심해진다. 이는 고출력 영역으로 진행될수록 농도 저하로 인한 출력 손실이 발생하게 된다.
따라서, 이와 같은 종래의 연료전지 분리판이 가지고 있는 문제들을 해결하여 발전효율을 극대화할 수 있도록 하는 분리판 구조 및 그 제조방법 기술이 요구된다.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해소하고자 구불구불한 유로의 국소 부분에 격자무늬 형태로 배치된 유로를 포함하는 연료전지용 분리판을 제안하고자 한다.
구체적으로 본 발명은 분리판의 영역에서 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하여, 영역 내 반응기체의 압력, 속도, 난류 형성을 조절함으로써, 반응기체의 MEA로 확산성을 높일 수 있는 연료전지용 분리판을 제공함으로써, 기존의 문제점을 해소하고자 한다.
본 명세서에서 제안하는 발명을 스택에 확장 적용하면 종래의 스택 설계 방식보다 셀 간의 전압 편차나 일부 셀의 역전압 현상 개선 등의 스택의 최적화 난이도 감소 및 진행 속도 향상이 예상된다. 그 이유는 종래의 방식은 분리판이 전체 셀마다 동일 형상이어서 설계 변경 시 개별 셀에 미치는 영향력이 종속적이나, 본 발명은 특정 분리판의 현상을 변경하여 셀마다 적합한 환경을 구성하는 미세 튜닝이 가능하기 때문이다.
본 발명은 연료전지 스택의 전 부분에서 고르게 발전이 이루어질 수 있도록 반응기체를 확산시키는 연료전지 스택용 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 다양한 크기와 형상을 가지는 연료전지 스택에 맞게 반응기체를 제공할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 적용되는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 반응기체의 공급을 위한 흡기 매니폴드; 상기 반응기체의 배출을 위한 배기 매니폴드; 상기 흡기 매니폴드 및 상기 배기 매니폴드의 실링을 위한 가스켓; 및 상기 흡기 매니폴드와 상기 배기 매니폴드 간 상기 반응기체의 이동을 지원하는 유로;를 포함하고, 상기 반응기체는 상기 유로와 접한된 가스 확산층(GDL)으로 확산 가능하고, 상기 가스 확산층(GDL)은 막전극 접합체(MEA)에 부착되어 상기 반응기체를 상기 막전극 접합체(MEA)의 전극에 공급함으로써, 화학반응을 통해 전기를 발생시키며, 상기 유로는, 구불구불한(serpentine) 형태의 제 1 유로; 및 상기 제 1유로의 일부 영역에 격자무늬(grid) 형태로 배치된 제 2 유로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 유로를 통과하는 경우와 비교하여, 상기 반응기체는 상기 제 2 유로를 통과하는 경우에 더 높은 압력 및 속도가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 유로를 통과하는 반응기체는 와류와 난류를 형성할 수 있다.
또한, 상기 제 1 유로를 통과하는 상기 반응기체는 평행한 흐름을 가지고, 상기 제 2 유로를 통과하는 상기 반응기체는 상기 평행한 흐름에 어긋나는 속도 벡터를 가짐으로써, 상기 제 1 유로와 대비하여 상기 와류 및 난류를 형성할 수 있다.
또한, 상기 제 2 유로에 따라 형성된 높은 압력 및 속도와 상기 와류 및 난류를 기초로, 상기 반응기체가 상기 막전극 접합체(MEA)로 확산되는 것이 가속화될 수 있다.
또한, 상기 와류 및 난류에 의해 유도되는 말굽와류(Horseshoe vortex)와 재유착 영역(reattachment zone)의 믹싱(mixing) 효과를 기초로, 상기 반응기체가 상기 막전극 접합체(MEA)로 확산되는 것이 가속화될 수 있다.
또한, 상기 제 2 유로의 각 그리드의 세로 길이인 립(Rib)은 상기 제 1 유로의 립(Rib)과 같은 폭을 갖고, 상기 제 2 유로의 각 그리드의 세로 길이 간격인 채널(channel)은 상기 제 1 유로의 채널(channel)과 같은 폭을 갖으며, 상기 제 2 유로의 각 그리드 간의 간격과 상기 각 그리드의 가로 길이는 상기 제 1 유로와 무관하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 유로의 전체 그리드의 세로 길이는 하기의 수학식 1을 따를 수 있다.
수학식 1
L은 상기 제 1 유로의 전체 그리드의 세로 길이이고, Serpentine Channel의 수는 상기 제 1 유로의 채널 수를 의미하며, Channel은 상기 제 2 유로의 채널 폭을 의미하고, Rib는 상기 제 2 유로의 각 그리드의 세로 길이를 의미한다.
또한, 상기 제 2 유로의 각 그리드의 세로 길이인 립(Rib), 상기 제 2 유로의 각 그리드의 세로 길이 간격인 채널(channel), 상기 제 2 유로의 각 그리드 간의 간격 및 상기 각 그리드의 가로 길이는 상기 제 1 유로와 무관하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 유로의 각 그리드는 사각형이 아닌 적어도 일부가 서로 다른 도형의 형태로 구현될 수 있다.
전술한 연료전지용 분리판을 복수로 포함하는 연료전지용 스택이 제안될 수 있다.
이때, 상기 복수의 연료전지용 분리판의 적어도 일부는 서로 다른 독립적인 형상을 가질 수 있다.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해소하고자 구불구불한 유로의 국소 부분에 격자무늬 형태로 배치된 유로를 포함하는 연료전지용 분리판을 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 분리판의 영역에서 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하여, 영역 내 반응기체의 압력, 속도, 난류 형성을 조절함으로써, 반응기체의 MEA로 확산성을 높일 수 있는 연료전지용 분리판을 제공함으로써, 기존의 문제점을 해소할 수 있다.
본 명세서에서 제안하는 발명을 스택에 확장 적용하면 종래의 스택 설계 방식보다 셀 간의 전압 편차나 일부 셀의 역전압 현상 개선 등의 스택의 최적화 난이도 감소 및 진행 속도 향상이 가능하다.
본 발명에 따르면, 특정 분리판의 현상을 변경하여 셀마다 적합한 환경을 구성하는 미세 튜닝이 가능하다.
본 발명은 연료전지 스택의 전 부분에서 고르게 발전이 이루어질 수 있도록 반응기체를 확산시키는 연료전지 스택용 분리판을 제공할 수 있다.
본 발명은 다양한 크기와 형상을 가지는 연료전지 스택에 맞게 반응기체를 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 전통적 방식의 분리판 유로 형태의 일례를 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명이 제안하는 차별화된 분리판 디자인의 일례를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명과 관련된 CFD 결과를 통해 본 그리드 부분에서의 속도 벡터 방향 변화를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명과 관련된 CFD 결과를 통해서 본 Serpentine 채널에서의 속도 벡터를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명과 관련하여, 그리드를 적용하는 경우, MEA 내 산소 소모량과 분압을 비교한 것이다.
도 6은 본 발명과 관련하여 스택 내 입구에서 출구로의 공기 조성의 변화 관련된 자료를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명과 관련하여, 포인트 X에서의 산소의 분압 변화 그래프를 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 1 실시예를 도시한 것이다.
도 10 및 도 11은 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 2 실시예를 도시한 것이다.
도 12는 및 도 13은 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 3 실시예를 도시한 것이다.
도 14 및 도 15는 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 4 실시예를 도시한 것이다.
도 16은 Grid 영역에서의 평균 유선 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명과 관련된 Inlet manifold 유체 분배를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명과 관련하여, 셀 위치에 따른 inlet manifold의 유체 분배를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 19는 본 발명이 제시하는 내용에 따른 스택 체결 형상의 일례를 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명이 제안하는 차별화된 분리판 디자인의 일례를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명과 관련된 CFD 결과를 통해 본 그리드 부분에서의 속도 벡터 방향 변화를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명과 관련된 CFD 결과를 통해서 본 Serpentine 채널에서의 속도 벡터를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명과 관련하여, 그리드를 적용하는 경우, MEA 내 산소 소모량과 분압을 비교한 것이다.
도 6은 본 발명과 관련하여 스택 내 입구에서 출구로의 공기 조성의 변화 관련된 자료를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명과 관련하여, 포인트 X에서의 산소의 분압 변화 그래프를 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 1 실시예를 도시한 것이다.
도 10 및 도 11은 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 2 실시예를 도시한 것이다.
도 12는 및 도 13은 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 3 실시예를 도시한 것이다.
도 14 및 도 15는 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 4 실시예를 도시한 것이다.
도 16은 Grid 영역에서의 평균 유선 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명과 관련된 Inlet manifold 유체 분배를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명과 관련하여, 셀 위치에 따른 inlet manifold의 유체 분배를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 19는 본 발명이 제시하는 내용에 따른 스택 체결 형상의 일례를 도시한 것이다.
종래기술의 문제점
연료전지는 수소 등의 연료와 산소 등의 공기를 이용하여 전기화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생산하는 장치로, 전기화학적 반응이 일어나는 양극, 음극 및 전해질을 접합한 막전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)와 작동 유체들의 분리 및 흐름 유도를 위한 분리판으로 이루어진 구조를 기본적인 에너지 생산 단위인 연료전지 단위 셀(Unit Cell)이라고 하며, 연료전지 단위 셀을 복수로 적층하여 필요한 만큼의 전압을 얻을 수 있도록 한 것을 연료전지 스택(Stack)이라고 한다.
분리판은 산소 및 연료기체(수소) 등의 반응기체의 흐름을 유도하여 가스 확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)을 통해 막 전극 접합체(MEA)에 공급시킴으로써, 막전극 접합체에서 반응을 통해 전기가 생성될 수 있도록 하는 역할을 한다.
수소와 산소기체의 화학 반응을 통해 발전하는 연료전지의 부품 중 하나인 분리판은 크게 반응기체의 공급·배출을 위한 흡·배기 매니폴드, 실링을 위한 가스켓, 흡·배기 매니폴드 간 유체의 이동을 돕는 유로로 구성되었다. 유로는 가스의 확산을 돕는 가스 확산층(GDL), 화학 반응을 일으키는 막-전극 접합체(MEA) 순서로 접합하고 있으며, 유로에서 MEA로 반응기체의 확산 용이성은 연료전지의 성능 향상 요인 중 하나이다.
도 1은 전통적 방식의 분리판 유로 형태의 일례를 도시한 것이다.
도 1의 (a) 내지 (f)를 참조하면, 종래의 연료전지는 분리판의 영역에 따라 반응기체의 압력과 속도, 난류 형성의 조절이 가능한 구성을 구비하고 있지 않다.
연료전지는 발전이 진행되는 동안 반응기체를 소모하게 된다. 이에 따라 분리판 및 스택의 영역에서 반응기체의 농도 분포는 변하게 되며, 특히 Cathode의 경우 공기의 산소만이 반응에 참여하여 이 변화는 더욱 심해진다. 이는 고출력 영역으로 진행될수록 농도 저하로 인한 출력 손실이 발생하게 된다.
기존 방식에 따르면, 반응기체의 농도 분포는 동일 면적이더라도 분리판의 가로, 세로의 길이, 매니폴드의 형상, 내부압력 등에 따라 다른 양상을 보인다.
기존의 상용 제품은 Cathode의 산소 확산성을 위한 동일 패턴의 유로 형상을 채용하고 있다.
따라서, 이와 같은 종래의 연료전지 분리판이 가지고 있는 문제들을 해결하여 발전효율을 극대화할 수 있도록 하는 분리판 구조 및 그 제조방법 기술이 요구된다.
본 명세서에서 제안하는 발명의 목적은 해당 유로의 형상 변화를 이용하여 연료전지 스택 및 시스템의 성능 변화를 주는 것이다.
본 아이디어는 분리판의 영역에서 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하여, 영역 내 반응기체의 압력, 속도, 난류 형성을 조절하고자 한다. 즉, 반응기체의 MEA로 확산성을 증가시키기 위해 동일 분리판 영역에서 Grid 형태의 일부 국소 영역에 높은 압력과 난류를 형성한다.
본 발명을 스택에 확장 적용하면 종래의 스택 설계 방식보다 셀 간의 전압 편차나 일부 셀의 역전압 현상 개선 등의 스택의 최적화 난이도 감소 및 진행 속도 향상이 가능하다. 이유는 종래의 방식은 분리판이 전체 셀마다 동일 형상이어서 설계 변경 시 개별 셀에 미치는 영향력이 종속적이나, 본 아이디어는 특정 분리판의 현상을 변경하여 셀마다 적합한 환경을 구성하는 미세 튜닝이 가능하기 때문이다.
즉, 본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해소하고자 구불구불한 유로의 국소 부분에 격자무늬 형태로 배치된 유로를 포함하는 연료전지용 분리판을 제안하고자 한다.
구체적으로 본 발명은 분리판의 영역에서 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하여, 영역 내 반응기체의 압력, 속도, 난류 형성을 조절함으로써, 반응기체의 MEA로 확산성을 높일 수 있는 연료전지용 분리판을 제공함으로써, 기존의 문제점을 해소하고자 한다.
본 명세서에서 제안하는 발명을 스택에 확장 적용하면 종래의 스택 설계 방식보다 셀 간의 전압 편차나 일부 셀의 역전압 현상 개선 등의 스택의 최적화 난이도 감소 및 진행 속도 향상이 예상된다. 그 이유는 종래의 방식은 분리판이 전체 셀마다 동일 형상이어서 설계 변경 시 개별 셀에 미치는 영향력이 종속적이나, 본 발명은 특정 분리판의 현상을 변경하여 셀마다 적합한 환경을 구성하는 미세 튜닝이 가능하기 때문이다.
본 발명은 연료전지 스택의 전 부분에서 고르게 발전이 이루어질 수 있도록 반응기체를 확산시키는 연료전지 스택용 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 다양한 크기와 형상을 가지는 연료전지 스택에 맞게 반응기체를 제공할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
구불구불한 유로의 국소 부분에 격자무늬 형태로 배치된 유로를 포함하는 연료전지용 분리판
도 2a 및 도 2b는 본 발명이 제안하는 차별화된 분리판 디자인의 일례를 도시한 것이다.
도 2a를 참조하면, 연료전지용 분리판(100)은 반응기체의 공급을 위한 흡기 매니폴드, 반응기체의 배출을 위한 배기 매니폴드, 흡기 매니폴드 및 배기 매니폴드의 실링을 위한 가스켓 및 흡기 매니폴드와 상기 배기 매니폴드 간 상기 반응기체의 이동을 지원하는 유로를 포함할 수 있다.
여기서, 반응기체는 유로와 접한된 가스 확산층(GDL)으로 확산 가능하고, 가스 확산층(GDL)은 막전극 접합체(MEA)에 부착되어 반응기체를 막전극 접합체(MEA)의 전극에 공급함으로써, 화학반응을 통해 전기를 발생시키게 된다.
이때, 상기 유로는, 구불구불한(serpentine) 형태의 제 1 유로(10) 및 제 1유로의 일부 영역에 격자무늬(grid) 형태로 배치된 제 2 유로(20)를 포함할 수 있다.
도 2b는 구불구불한(serpentine) 형태의 제 1 유로(10)와 제 1유로의 일부 영역에 격자무늬(grid) 형태로 배치된 제 2 유로(20)가 함께 배치된 구체적 형태를 도시한 것이다.
이때, 제 1 유로(10)를 통과하는 경우와 비교하여, 반응기체는 제 2 유로(20)를 통과하는 경우에 더 높은 압력 및 속도가 형성될 수 있다.
또한, 제 2 유로(20)를 통과하는 반응기체는 와류와 난류를 형성하게 된다.
제 1 유로(10)를 통과하는 반응기체는 평행한 흐름을 가지고, 제 2 유로(20)를 통과하는 반응기체는 상기 평행한 흐름에 어긋나는 속도 벡터를 가짐으로써, 제 1 유로(10)와 대비하여 와류 및 난류를 형성하게 된다.
또한, 제 2 유로(20)에 따라 형성된 높은 압력 및 속도와 와류 및 난류를 기초로, 반응기체가 막전극 접합체(MEA)로 확산되는 것이 가속화될 수 있다.
또한, 와류 및 난류에 의해 유도되는 말굽와류(Horseshoe vortex)와 재유착 영역(reattachment zone)의 믹싱(mixing) 효과를 기초로, 상기 반응기체가 상기 막전극 접합체(MEA)로 확산되는 것이 가속화될 수 있다.
도 3은 본 발명과 관련된 CFD 결과를 통해 본 그리드 부분에서의 속도 벡터 방향 변화를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 속도 벡터 방향 변화로 인해 형성되는 난류가 가시화되어 표시된다.
또한, 도 4는 본 발명과 관련된 CFD 결과를 통해서 본 Serpentine 채널에서의 속도 벡터를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명과 관련하여, 그리드를 적용하는 경우, MEA 내 산소 소모량과 분압을 비교한 것이고, 도 6은 본 발명과 관련하여 스택 내 입구에서 출구로의 공기 조성의 변화 관련된 자료를 도시한 것이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 스택에서 소모되는 산소량은 전류량에 비례하여 소모된다.
즉, 동일 정류량을 기준으로 구불구불한 유로(10)만 적용한 분리판과 구불구불한 유로(10)의 국소 부분에 격자무늬 형태 유로(20)를 형성한 분리판에서 소모되는 산소량은 동일하다.
또한, 도 7에 도시된 그래프와 같은 이유에 의해 동일 전류량에서도 높은 전압을 발생시켜 발전량을 증가시키는 것이 가능하다.
도 7은 본 발명과 관련하여, 포인트 X에서의 산소의 분압 변화 그래프를 도시한 것이다.
Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 1 실시예
도 8 및 도 9는 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 1 실시예를 도시한 것이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제 1 실시예에 따른 Grid의 크기 및 형상이 도시된다.
제 1 실시예에서는 그리드의 옆변을 Serpentine 분리판의 Channel 및 Rib의 방향과 일치하게 형성한다.
이때, Grid 행의 개수가 Serpentine 분리판의 Rib과 동일 할 필요는 없다(Grid 행 
Rib 수).
또한, 각각의 요소가 의미하는 바는 다음과 같다.
Rib : Serpentine 분리판의 Rib과 같은 폭을 가짐
Channel : Serpentine 분리판의 Channel과 같은 폭을 가짐
b : Grid간의 간격을 나타내며, b1, b2, b3 b(n)은 n열의 Grid를 가지며 간격은 독립적임
W : Gird의 너비
L : 전체 Grid의 길이를 나타내며 이 값은 다음 식을 성립함
또한, 다음의 수식을 만족할 수 있다.
수학식 1
L 
Serpentine Channel의 수 * (Channel+Rib) + Rib
Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 2 실시예
도 10 및 도 11은 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 2 실시예를 도시한 것이다.
도 10 및 도 11에 도시된 제 2 실시예는 제 1 실시예의 Grid 형상을 발전시켜 종속변수로 너비를 독립변수로 가지게 한 것으로 각 요소가 의미하는 바는 다음과 같다.
Rib : Serpentine 분리판의 Rib과 같은 폭을 가짐
Channel : Serpentine 분리판의 Channel과 같은 폭을 가짐
B : Grid간의 간격을 나타내며, b'1, b'2, b'3 b’(n)은 n열의 Grid를 가지며 간격은 독립적임
W : Gird간의 너비를 나타내며, W11, W12, W21, W(n)(n)은 n행, n열 모두 독립적임
L : 전체 Grid의 길이를 나타내며 이 값은 다음 식을 성립한다.
또한, 다음의 수식을 만족한다.
수학식 2
L 
Serpentine Channel의 수 * (Channel+Rib) + Rib
Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 3 실시예
도 12는 및 도 13은 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 3 실시예를 도시한 것이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 제 3 실시예에서는 Grid의 간격과 높이가 Serpentine 분리판의 Rib과 Channel에 종속되지 않고 독립적인 길이를 갖게 되고, 각 요소가 의미하는 바는 다음과 같다.
H : Serpentine 분리판의 Rib에 독립적인 Grid의 높이
Channel : Serpentine 분리판의 Channel에 독립적인 Grid의 높이를 가짐
b : Grid간의 간격을 나타내며, b'11, b'12, b'21 b’(n)(n)은 n행, n열 모두 독립적임
W : Gird간의 너비를 나타내며, W11, W12, W21, W(n)(n)은 n행, n열 모두 독립적임
L : 전체 Grid의 길이를 나타내며 이 값은 다음 식을 성립한다.
또한, 다음의 수식을 만족한다.
수학식 3
L < Serpentine Channel의 수 * (Channel+Rib) + Rib
Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 4 실시예
도 14 및 도 15는 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 4 실시예를 도시한 것이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 제 4 실시예에 따른 Grid의 크기 및 형상은, Grid의 모양이 기존의 사각형의 틀을 벗어나 다양한 형태를 가지는 Grid가 될 수 있다.
또한, 제 3 실시예와 같이, 핀의 모양, 열 간격(b), 폭 간격(a)이 독립적으로 변경 가능하다.
Grid 영역에서의 평균 유선 패턴
도 16은 Grid 영역에서의 평균 유선 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 16을 참조하면, Grid를 지나가는 유체가 형성하는 Vortex가 도시된다.
즉, 스택內 유체가 Grid를 지나가며 와류와 난류를 형성하게 된다.
또한, Grid를 형성하며 얻어지는 스택의 성능 상승은 그림 16의 Horseshoe vortex와 Reattachment zone에 의해 영향을 받게 되고, Mixing 효과로 인해 반응기체의 참여도가 증폭된다.
전술한 도 3 및 도 4를 참조하면, Grid를 지나가는 유체의 속도 벡터가 도시되고, 도 3 및 도 4에서 화살표는 속도 벡터를 나타낸다.
즉, Serpentine의 평행 유로(10) 부분을 지나가는 유체는 해당 구조에 평행한 흐름을 갖게 된다.
또한, Grid(20)를 지나는 유체는 평행한 흐름에 어긋나는 속도 벡터를 가져 평행 유로 대비 난류를 형성하게 된다.
또한, Grid(20)를 지나가는 유체의 질량 변화를 설명한다.
도 6 및 도 7에 도시된 그래프는 Serpentine(10)으로 구성된 분리판과 同 분리판에 Grid를 형성하여 MEA로 반응기체의 확산성(MEA의 산소 분압) 변화를 비교한 것이다.
수소 연료전지 스택의 사용 가스는 수소(Anode)와 산소(Cathode)이 된다(기준: PEMFC).
일반적으로 스택의 Cathode에 공기를 넣어주고, 공기 중 산소 외 다른 가스는 화학 반응을 방해하는 요소로 작용한다.
분리판의 Inlet에서 Outlet으로 공기 중 산소가 반응에 참여하여 산소분압이 점차 감소하게 된다.
Grid(20)를 지나면서 Horseshoe vortex와 reattachment zone에 의해 MEA로 확산하는 공기 중 산소의 농도를 Serpentine 대비 증가시킨다.
독립적인 형상을 가지는 분리판으로 형성된 스택
도 17은 본 발명과 관련된 Inlet manifold 유체 분배를 설명하기 위한 도면이다.
도 17의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 스택에 적용되는 1번부터 n번까지의 분리판은 유동 분포가 균일하지 않은 문제점이 있다.
일반적으로 스택에 적용되는 분리판은 1번부터 n번까지 동일 형상의 분리판을 적용하고 있다.
본 발명에 따른 실시예에서는 스택 분리판의 형상을 독립적으로 가져감으로 스택 내 유체의 분배를 조율하고자 한다.
도 18은 본 발명과 관련하여, 셀 위치에 따른 inlet manifold의 유체 분배를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 18에 도시된 것과 같이, 각 분리판 내부에 걸리는 압력을 Grid의 위치 및 모양으로 조절하여 유체 분배의 균일성을 확보하고, 스택 내 반응기체의 활용을 높일 수 있다.
도 19는 본 발명이 제시하는 내용에 따른 스택 체결 형상의 일례를 도시한 것이다.
도 19를 참조하면, 연료전지용 분리판을 복수로 포함하는 연료전지용 스택이 도시되고, 복수의 연료전지용 분리판의 적어도 일부는 서로 다른 독립적인 형상을 갖게 된다.
전술한 제 1 실시예 내지 제 4 실시예 중 적어도 일부가 상기 스택에 선택적으로 포함됨으로써, 서로 다른 독립적인 형상을 갖는 복수의 분리판을 포함하는 스택 구현이 가능하다.
이를 통해, 각 분리판 내부에 걸리는 압력을 Grid의 위치 및 모양으로 조절하여 유체 분배의 균일성을 확보하고, 스택 내 반응기체의 활용을 높일 수 있다.
스택 내 분리판 조합과 관련하여, 매니폴드 내에서 유체의 분배는 스택의 성능에 직접적인 영향을 미친다.
스택의 성능은 적용된 분리판에 유체가 동일하게 분배될수록 높은 성능을 보여준다.
도 17의 (b)는 스택내 유체의 저항요소를 표현한 것이다.
즉, 동일 분리판을 적용하여 스택을 제작하면, 
~ 
, 
~ 
은 동일 저항을 가지게 된다.
여기서, n의 값이 증가하면 유체의 저항은 앞 단의 저항이 중첩되어 증가하고 이는 유체의 흐름을 저하시킨다.
결국 동일 형태의 분리판을 이용하여 스택을 제조하면 Cell number가 증가할수록 저항의 중첩에 의해 도 17의 (C)와 같이 Air flow가 작아지게 된다.
도 8 내지 도 15에 도시된 것과 같은 Grid가 구현된 연료전지용 분리판을 독립적으로 스택의 분리판으로 적용하면, 각각의 형상에 따라 셀 내부의 유체 저항(
을 독립적으로 구현 가능하다(매니폴드의 유체 저항은 동일 
).
또한, 스택에 적용되는 분리판의 
값은 Cell number가 증가할수록 작게, 작아질수록 크게 설계되며, 셀 내부의 유체 저항(
과 매니폴드의 유체 저항(
의 합이 동일하도록 분리판을 적용한다.
따라서 본 발명에서는 전술한 분리판을 적용하여 도 18에 도시된 것과 같이 스택내 분리판의 Air flow의 uniformity를 향상시킬 수 있다.
참고로, 도 9, 도 11, 도 13 및 도 15의 유체 저항 값 비교한 것은 다음의 표 1과 같다.
매니폴드 ( |
[도 9] = [도 11] = [도 13] = [도 15] |
셀 내부 ( |
[도 13] > [도 15] > [도 9] > [도 11] |
본 발명에 따른 효과
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해소하고자 구불구불한 유로의 국소 부분에 격자무늬 형태로 배치된 유로를 포함하는 연료전지용 분리판을 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 분리판의 영역에서 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하여, 영역 내 반응기체의 압력, 속도, 난류 형성을 조절함으로써, 반응기체의 MEA로 확산성을 높일 수 있는 연료전지용 분리판을 제공함으로써, 기존의 문제점을 해소할 수 있다.
본 명세서에서 제안하는 발명을 스택에 확장 적용하면 종래의 스택 설계 방식보다 셀 간의 전압 편차나 일부 셀의 역전압 현상 개선 등의 스택의 최적화 난이도 감소 및 진행 속도 향상이 가능하다.
본 발명에 따르면, 특정 분리판의 현상을 변경하여 셀마다 적합한 환경을 구성하는 미세 튜닝이 가능하다.
본 발명은 연료전지 스택의 전 부분에서 고르게 발전이 이루어질 수 있도록 반응기체를 확산시키는 연료전지 스택용 분리판을 제공할 수 있다.
본 발명은 다양한 크기와 형상을 가지는 연료전지 스택에 맞게 반응기체를 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
Claims (12)
- 연료전지용 분리판에 있어서,
반응기체의 공급을 위한 흡기 매니폴드;
상기 반응기체의 배출을 위한 배기 매니폴드;
상기 흡기 매니폴드 및 상기 배기 매니폴드의 실링을 위한 가스켓; 및
상기 흡기 매니폴드와 상기 배기 매니폴드 간 상기 반응기체의 이동을 지원하는 유로;를 포함하고,
상기 반응기체는 상기 유로와 접합된 가스 확산층(GDL)으로 확산 가능하고,
상기 가스 확산층(GDL)은 막전극 접합체(MEA)에 부착되어 상기 반응기체를 상기 막전극 접합체(MEA)의 전극에 공급함으로써, 화학반응을 통해 전기를 발생시키며,
상기 유로는,
구불구불한(serpentine) 형태의 제 1 유로; 및
상기 제 1유로의 일부 영역에 격자무늬(grid) 형태로 배치된 제 2 유로를 포함하며,
상기 제 1 유로를 통과하는 경우와 비교하여, 상기 반응기체는 상기 제 2 유로를 통과하는 경우에 더 높은 압력 및 속도가 형성되고,
상기 제 2 유로를 통과하는 반응기체는 와류와 난류를 형성하며,
상기 반응기체가 상기 제 2 유로 중 제 1 영역과 산소를 이용하여 반응하는 경우,
상기 형성된 와류 및 난류를 기초로 상기 제 2 유로 중 상기 제 1 영역을 제외한 복수의 영역 중 적어도 하나로부터 상기 산소가 상기 제 1 영역으로 공급되고, 상기 공급된 산소를 통해 상기 제 1 영역의 산소 농도가 높아지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1 유로를 통과하는 상기 반응기체는 평행한 흐름을 가지고,
상기 제 2 유로를 통과하는 상기 반응기체는 상기 평행한 흐름에 어긋나는 속도 벡터를 가짐으로써, 상기 제 1 유로와 대비하여 상기 와류 및 난류를 형성하는 연료전지용 분리판.
- ◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1항에 있어서,
상기 제 2 유로에 따라 형성된 높은 압력 및 속도와 상기 와류 및 난류를 기초로, 상기 반응기체가 상기 막전극 접합체(MEA)로 확산되는 것이 가속화되는 연료전지용 분리판.
- ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 5항에 있어서,
상기 와류 및 난류에 의해 유도되는 말굽와류(Horseshoe vortex)와 재유착 영역(reattachment zone)의 믹싱(mixing) 효과를 기초로, 상기 반응기체가 상기 막전극 접합체(MEA)로 확산되는 것이 가속화되는 연료전지용 분리판. - ◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 5항에 있어서,
상기 제 2 유로의 각 그리드의 세로 길이인 립(Rib)은 상기 제 1 유로의 립(Rib)과 같은 폭을 갖고,
상기 제 2 유로의 각 그리드의 세로 길이 간격인 채널(channel)은 상기 제 1 유로의 채널(channel)과 같은 폭을 갖으며,
상기 제 2 유로의 각 그리드 간의 간격과 상기 각 그리드의 가로 길이는 상기 제 1 유로와 무관하게 형성되는 연료전지용 분리판. - ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 7항에 있어서,
상기 제 1 유로의 전체 그리드의 세로 길이는 하기의 수학식 1을 따르는 연료전지용 분리판.
수학식 1
L은 상기 제 1 유로의 전체 그리드의 세로 길이이고, Serpentine Channel의 수는 상기 제 1 유로의 채널 수를 의미하며, Channel은 상기 제 2 유로의 채널 폭을 의미하고, Rib는 상기 제 2 유로의 각 그리드의 세로 길이를 의미한다. - ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 7항에 있어서,
상기 제 2 유로의 각 그리드의 세로 길이인 립(Rib), 상기 제 2 유로의 각 그리드의 세로 길이 간격인 채널(channel), 상기 제 2 유로의 각 그리드 간의 간격 및 상기 각 그리드의 가로 길이는 상기 제 1 유로와 무관하게 형성되는 연료전지용 분리판. - ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 7항에 있어서,
상기 제 2 유로의 각 그리드는 사각형이 아닌 적어도 일부가 서로 다른 도형의 형태로 구현되는 연료전지용 분리판. - ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1항 및 제4항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 분리판을 복수로 포함하는 연료전지용 스택.
- ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 11항에 있어서,
상기 복수의 연료전지용 분리판의 적어도 일부는 서로 다른 독립적인 형상을 갖는 연료전지용 스택.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| A107 | Divisional application of patent | ||
| GRNT | Written decision to grant |