KR102435147B1 - separator for fuel cells that can increase the diffusivity of the reaction gas - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반응기체의 확산성을 높일 수 있는 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.The present invention relates to a separator for a fuel cell that can increase the diffusivity of a reactive gas, and more particularly, by forming a grid region in a serpentine-type flow path in the region of the separator, the pressure, velocity, and turbulence of the reactive gas in the region The present invention relates to a separator for a fuel cell capable of increasing diffusivity into MEA of a reactive gas by controlling the formation.
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. A separator, one of the parts of a fuel cell that generates power through a chemical reaction between hydrogen and oxygen gas, is largely an intake/exhaust manifold for supply/discharge of reactive gas, a gasket for sealing, and fluid movement between intake/exhaust manifolds. made up of Euros to help
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.The flow path is joined in the order of a gas diffusion layer (GDL) that helps gas diffusion, and a membrane-electrode assembly (MEA) that causes a chemical reaction.
종래의 연료전지는 분리판의 영역에 따라 반응기체의 압력과 속도, 난류 형성의 조절이 가능한 구성을 구비하고 있지 않다. The conventional fuel cell does not have a configuration in which the pressure and velocity of the reaction gas and the formation of turbulence can be adjusted according to the area of the separator.
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.A fuel cell consumes reactive gas during power generation. Accordingly, the concentration distribution of the reaction gas in the region of the separator and the stack changes. In particular, in the case of the cathode, only oxygen in the air participates in the reaction, and this change becomes more severe. As it progresses to the high-output region, an output loss occurs due to a decrease in concentration.
따라서, 이와 같은 종래의 연료전지 분리판이 가지고 있는 문제들을 해결하여 발전효율을 극대화할 수 있도록 하는 분리판 구조 및 그 제조방법 기술이 요구된다.Therefore, there is a need for a separator structure and a method for manufacturing the same that can maximize power generation efficiency by solving the problems of the conventional fuel cell separator.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해소하고자 구불구불한 유로의 국소 부분에 격자무늬 형태로 배치된 유로를 포함하는 연료전지용 분리판을 제안하고자 한다.The present invention intends to propose a separator for a fuel cell including a flow path arranged in a grid pattern in a local portion of a tortuous flow path in order to solve the problems of the prior art.
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.Specifically, the present invention provides a separation plate for fuel cells that can increase the diffusivity of the reactive gas into MEA by forming a grid region in the serpentine-type flow path in the region of the separator and controlling the pressure, velocity, and turbulence formation of the reactive gas in the region. By providing a plate, it is intended to solve the existing problems.
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.When the invention proposed in the present specification is extended and applied to a stack, it is expected that the optimization difficulty of the stack, such as the voltage deviation between cells or the reverse voltage phenomenon of some cells, is reduced, and the progress speed is improved compared to the conventional stack design method. The reason is that, in the conventional method, since the separator has the same shape for all cells, the influence on individual cells is dependent upon design changes. Because.
본 발명은 연료전지 스택의 전 부분에서 고르게 발전이 이루어질 수 있도록 반응기체를 확산시키는 연료전지 스택용 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a separator for a fuel cell stack that diffuses a reactive gas so that power generation can be made evenly in all parts of the fuel cell stack.
본 발명은 다양한 크기와 형상을 가지는 연료전지 스택에 맞게 반응기체를 제공할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a reactive gas suitable for fuel cell stacks having various sizes and shapes.
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.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood
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.In the separator for a fuel cell applied to the present invention, an intake manifold for supplying the reactive gas; an exhaust manifold for discharging the reactive gas; a gasket for sealing the intake manifold and the exhaust manifold; and a flow path supporting movement of the reaction gas between the intake manifold and the exhaust manifold, wherein the reaction gas is capable of diffusing into a gas diffusion layer (GDL) in contact with the flow passage, and the gas diffusion layer (GDL) Silver is attached to the membrane electrode assembly (MEA) and supplies the reactive gas to the electrode of the membrane electrode assembly (MEA) to generate electricity through a chemical reaction, and the flow path is a first Euro; and a second flow path disposed in a grid pattern in a partial region of the first flow path.
또한, 상기 제 1 유로를 통과하는 경우와 비교하여, 상기 반응기체는 상기 제 2 유로를 통과하는 경우에 더 높은 압력 및 속도가 형성될 수 있다.In addition, a higher pressure and velocity may be formed when the reaction gas passes through the second flow path, compared to the case of passing through the first flow path.
또한, 상기 제 2 유로를 통과하는 반응기체는 와류와 난류를 형성할 수 있다.In addition, the reaction gas passing through the second flow path may form a vortex and turbulence.
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.In addition, the reaction gas passing through the first flow passage has a parallel flow, and the reaction gas passing through the second flow passage has a velocity vector that is displaced from the parallel flow, so that compared to the first flow passage, It can form vortices and turbulence.
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.In addition, diffusion of the reactive gas into the membrane electrode assembly (MEA) may be accelerated based on the high pressure and velocity and the vortex and turbulence formed along the second flow path.
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.In addition, based on the mixing effect of the horseshoe vortex and the reattachment zone induced by the vortex and turbulence, diffusion of the reactive gas into the membrane electrode assembly (MEA) is accelerated can be
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.In addition, a rib (Rib), which is a vertical length of each grid of the second flow path, has the same width as a rib (Rib) of the first flow path, and a channel that is a vertical length interval of each grid of the second flow path (channel) It may have the same width as a channel of the first flow path, and an interval between each grid of the second flow path and a horizontal length of each grid may be formed irrespective of the first flow path.
또한, 상기 제 1 유로의 전체 그리드의 세로 길이는 하기의 수학식 1을 따를 수 있다.In addition, the vertical length of the entire grid of the first flow path may follow
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.L is the vertical length of the entire grid of the first flow path, the number of serpentine channels means the number of channels in the first flow path, Channel means the channel width of the second flow path, and Rib is the channel width of the second flow path. Means the vertical length of each grid.
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.In addition, a rib that is a vertical length of each grid of the second flow path, a channel that is a vertical length interval of each grid of the second flow path, an interval between each grid of the second flow path, and a width of each grid The length may be formed irrespective of the first flow path.
또한, 상기 제 2 유로의 각 그리드는 사각형이 아닌 적어도 일부가 서로 다른 도형의 형태로 구현될 수 있다.In addition, each of the grids of the second flow path may be implemented in the form of a figure different from each other, at least a portion of which is not a rectangle.
전술한 연료전지용 분리판을 복수로 포함하는 연료전지용 스택이 제안될 수 있다.A fuel cell stack including a plurality of the above-described fuel cell separators may be proposed.
이때, 상기 복수의 연료전지용 분리판의 적어도 일부는 서로 다른 독립적인 형상을 가질 수 있다.In this case, at least some of the plurality of separator plates for fuel cells may have different independent shapes.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해소하고자 구불구불한 유로의 국소 부분에 격자무늬 형태로 배치된 유로를 포함하는 연료전지용 분리판을 제공할 수 있다.The present invention may provide a separator for a fuel cell including a flow path arranged in a grid pattern in a local portion of a tortuous flow path in order to solve the problems of the prior art.
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.Specifically, the present invention provides a separation plate for fuel cells that can increase the diffusivity of the reactive gas into MEA by forming a grid region in the serpentine-type flow path in the region of the separator and controlling the pressure, velocity, and turbulence formation of the reactive gas in the region. By providing the plate, it is possible to solve the existing problems.
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.When the invention proposed in this specification is extended and applied to a stack, it is possible to reduce the optimization difficulty of the stack, such as improving the voltage deviation between cells or the reverse voltage phenomenon of some cells, and improve the progress speed compared to the conventional stack design method.
본 발명에 따르면, 특정 분리판의 현상을 변경하여 셀마다 적합한 환경을 구성하는 미세 튜닝이 가능하다.According to the present invention, it is possible to fine-tune the configuration of a suitable environment for each cell by changing the phenomenon of a specific separator.
본 발명은 연료전지 스택의 전 부분에서 고르게 발전이 이루어질 수 있도록 반응기체를 확산시키는 연료전지 스택용 분리판을 제공할 수 있다.The present invention may provide a separator for a fuel cell stack in which a reactive gas is diffused so that power generation can be made evenly in all parts of the fuel cell stack.
본 발명은 다양한 크기와 형상을 가지는 연료전지 스택에 맞게 반응기체를 제공할 수 있다.The present invention can provide a reactive gas to suit fuel cell stacks having various sizes and shapes.
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.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. will be able
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.1 illustrates an example of a conventional separation plate flow path.
2A and 2B show an example of a differentiated separator plate design proposed by the present invention.
3 is a view showing the change in the direction of the velocity vector in the grid portion seen through the CFD results related to the present invention.
4 shows the velocity vector in the Serpentine channel seen through the CFD result related to the present invention.
5 is a comparison of oxygen consumption and partial pressure in the MEA when a grid is applied in relation to the present invention.
6 shows data related to changes in air composition from the inlet to the outlet in the stack in accordance with the present invention.
7 is a graph showing a change in partial pressure of oxygen at point X in relation to the present invention.
8 and 9 show a first embodiment in which a grid region is formed in a serpentine type flow path.
10 and 11 show a second embodiment of forming a grid region in a serpentine type flow path.
12 and 13 show a third embodiment in which a grid region is formed in a serpentine type flow path.
14 and 15 show a fourth embodiment in which a grid region is formed in a serpentine type flow path.
16 is a diagram for explaining an average streamline pattern in a grid area.
17 is a view for explaining an inlet manifold fluid distribution related to the present invention.
18 is a graph showing the fluid distribution of the inlet manifold according to the cell position in relation to the present invention.
19 shows an example of a stack fastening shape according to the contents of the present invention.
종래기술의 문제점Problems of the prior art
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.A fuel cell is a device that produces electrical energy through an electrochemical reaction using fuel such as hydrogen and air such as oxygen. ) and a separator for separation and flow induction of the working fluids is called a fuel cell unit cell, which is a basic energy production unit, and a plurality of fuel cell unit cells are stacked to obtain a required voltage. This is called a fuel cell stack.
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. The separator induces the flow of reactive gases such as oxygen and fuel gas (hydrogen) and supplies it to the membrane electrode assembly (MEA) through the gas diffusion layer (GDL), thereby generating electricity through a reaction in the membrane electrode assembly. role in making it possible.
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.A separator, one of the parts of a fuel cell that generates power through a chemical reaction between hydrogen and oxygen gas, is largely an intake/exhaust manifold for supply/discharge of reactive gas, a gasket for sealing, and fluid movement between intake/exhaust manifolds. made up of Euros to help The flow path is joined in the order of a gas diffusion layer (GDL) that helps gas diffusion, and a membrane-electrode assembly (MEA) that causes a chemical reaction.
도 1은 전통적 방식의 분리판 유로 형태의 일례를 도시한 것이다.1 illustrates an example of a conventional separation plate flow path.
도 1의 (a) 내지 (f)를 참조하면, 종래의 연료전지는 분리판의 영역에 따라 반응기체의 압력과 속도, 난류 형성의 조절이 가능한 구성을 구비하고 있지 않다. Referring to FIGS. 1A to 1F , the conventional fuel cell does not have a configuration capable of controlling the pressure and speed of the reaction gas and the formation of turbulence depending on the area of the separator.
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.A fuel cell consumes reactive gas during power generation. Accordingly, the concentration distribution of the reaction gas in the region of the separator and the stack changes. In particular, in the case of the cathode, only oxygen in the air participates in the reaction, and this change becomes more severe. As it progresses to the high-output region, an output loss occurs due to a decrease in concentration.
기존 방식에 따르면, 반응기체의 농도 분포는 동일 면적이더라도 분리판의 가로, 세로의 길이, 매니폴드의 형상, 내부압력 등에 따라 다른 양상을 보인다. According to the existing method, the concentration distribution of the reaction gas shows different aspects depending on the horizontal and vertical lengths of the separator, the shape of the manifold, the internal pressure, etc., even if the area is the same.
기존의 상용 제품은 Cathode의 산소 확산성을 위한 동일 패턴의 유로 형상을 채용하고 있다.Existing commercial products adopt the flow path shape of the same pattern for oxygen diffusivity of the cathode.
따라서, 이와 같은 종래의 연료전지 분리판이 가지고 있는 문제들을 해결하여 발전효율을 극대화할 수 있도록 하는 분리판 구조 및 그 제조방법 기술이 요구된다.Therefore, there is a need for a separator structure and a method for manufacturing the same that can maximize power generation efficiency by solving the problems of the conventional fuel cell separator.
본 명세서에서 제안하는 발명의 목적은 해당 유로의 형상 변화를 이용하여 연료전지 스택 및 시스템의 성능 변화를 주는 것이다.An object of the invention proposed in the present specification is to change the performance of a fuel cell stack and a system by using a shape change of a corresponding flow path.
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.This idea is to control the pressure, velocity, and turbulence of the reaction gas in the region by forming a grid region in the serpentine-type flow path in the region of the separator. In other words, high pressure and turbulence are formed in some local areas in the form of a grid in the same separation plate area to increase the diffusion of the reactive gas into the MEA.
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.When the present invention is extended and applied to a stack, it is possible to reduce the optimization difficulty of the stack, such as improving the voltage deviation between cells or the reverse voltage phenomenon of some cells, and improve the progress speed compared to the conventional stack design method. The reason is that in the conventional method, since the separator has the same shape for all cells, the influence on individual cells is dependent upon design changes. to be.
즉, 본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해소하고자 구불구불한 유로의 국소 부분에 격자무늬 형태로 배치된 유로를 포함하는 연료전지용 분리판을 제안하고자 한다.That is, the present invention intends to propose a separator for a fuel cell including a flow path arranged in a grid pattern in a local portion of a meandering flow path in order to solve the problems of the prior art.
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.Specifically, the present invention provides a separation plate for fuel cells that can increase the diffusivity of the reactive gas into MEA by forming a grid region in the serpentine-type flow path in the region of the separator and controlling the pressure, velocity, and turbulence formation of the reactive gas in the region. By providing a plate, it is intended to solve the existing problems.
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.When the invention proposed in the present specification is extended and applied to a stack, it is expected that the optimization difficulty of the stack, such as the voltage deviation between cells or the reverse voltage phenomenon of some cells, is reduced, and the progress speed is improved compared to the conventional stack design method. The reason is that, in the conventional method, since the separator has the same shape for all cells, the influence on individual cells is dependent upon design changes. Because.
본 발명은 연료전지 스택의 전 부분에서 고르게 발전이 이루어질 수 있도록 반응기체를 확산시키는 연료전지 스택용 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a separator for a fuel cell stack that diffuses a reactive gas so that power generation can be made evenly in all parts of the fuel cell stack.
본 발명은 다양한 크기와 형상을 가지는 연료전지 스택에 맞게 반응기체를 제공할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a reactive gas suitable for fuel cell stacks having various sizes and shapes.
구불구불한 유로의 국소 부분에 격자무늬 형태로 배치된 유로를 포함하는 연료전지용 분리판A separator for a fuel cell including a flow path arranged in a grid pattern in a local part of a tortuous flow path
도 2a 및 도 2b는 본 발명이 제안하는 차별화된 분리판 디자인의 일례를 도시한 것이다.2A and 2B show an example of a differentiated separator plate design proposed by the present invention.
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.Referring to FIG. 2A , the
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.Here, the reactive gas can be diffused into the gas diffusion layer (GDL) in contact with the flow path, and the gas diffusion layer (GDL) is attached to the membrane electrode assembly (MEA) to supply the reactive gas to the electrode of the membrane electrode assembly (MEA). The reaction generates electricity.
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.In this case, the flow path may include a
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.FIG. 2B shows a specific shape in which a
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.In this case, as compared with the case of passing through the
또한, 제 2 유로(20)를 통과하는 반응기체는 와류와 난류를 형성하게 된다.In addition, the reaction gas passing through the
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.The reaction gas passing through the
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.In addition, diffusion of the reactive gas into the membrane electrode assembly (MEA) may be accelerated based on the high pressure and velocity and the vortex and turbulence formed along the
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.In addition, based on the mixing effect of the horseshoe vortex and reattachment zone induced by vortex and turbulence, diffusion of the reactive gas into the membrane electrode assembly (MEA) will be accelerated. can
도 3은 본 발명과 관련된 CFD 결과를 통해 본 그리드 부분에서의 속도 벡터 방향 변화를 도시한 것이다.3 is a view showing the change in the direction of the velocity vector in the grid portion seen through the CFD results related to the present invention.
도 3을 참조하면, 속도 벡터 방향 변화로 인해 형성되는 난류가 가시화되어 표시된다.Referring to FIG. 3 , the turbulence formed due to the change in the direction of the velocity vector is visualized and displayed.
또한, 도 4는 본 발명과 관련된 CFD 결과를 통해서 본 Serpentine 채널에서의 속도 벡터를 도시한 것이다.In addition, FIG. 4 shows the velocity vector in the Serpentine channel seen through the CFD result related to the present invention.
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.5 is a comparison of oxygen consumption and partial pressure in the MEA when a grid is applied in relation to the present invention, and FIG. 6 shows data related to the change in air composition from the inlet to the outlet in the stack in relation to the present invention. will be.
도 5 및 도 6을 참조하면, 스택에서 소모되는 산소량은 전류량에 비례하여 소모된다.5 and 6 , the amount of oxygen consumed in the stack is consumed in proportion to the amount of current.
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.That is, based on the same rectification amount, the amount of oxygen consumed by the separator to which only the
또한, 도 7에 도시된 그래프와 같은 이유에 의해 동일 전류량에서도 높은 전압을 발생시켜 발전량을 증가시키는 것이 가능하다.In addition, for the same reason as the graph shown in FIG. 7 , it is possible to increase the amount of power generation by generating a high voltage even with the same amount of current.
도 7은 본 발명과 관련하여, 포인트 X에서의 산소의 분압 변화 그래프를 도시한 것이다.7 is a graph showing a change in partial pressure of oxygen at point X in relation to the present invention.
Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 1 실시예First embodiment of forming a grid region in a serpentine type flow path
도 8 및 도 9는 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 1 실시예를 도시한 것이다.8 and 9 show a first embodiment in which a grid region is formed in a serpentine type flow path.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제 1 실시예에 따른 Grid의 크기 및 형상이 도시된다.8 and 9, the size and shape of the grid according to the first embodiment are shown.
제 1 실시예에서는 그리드의 옆변을 Serpentine 분리판의 Channel 및 Rib의 방향과 일치하게 형성한다.In the first embodiment, the side of the grid is formed to coincide with the directions of the channels and ribs of the serpentine separator.
이때, Grid 행의 개수가 Serpentine 분리판의 Rib과 동일 할 필요는 없다(Grid 행 
또한, 각각의 요소가 의미하는 바는 다음과 같다.In addition, the meaning of each element is as follows.
Rib : Serpentine 분리판의 Rib과 같은 폭을 가짐Rib: Has the same width as the Rib of the Serpentine Separator
Channel : Serpentine 분리판의 Channel과 같은 폭을 가짐Channel: Has the same width as the channel of the Serpentine Separator
b : Grid간의 간격을 나타내며, b1, b2, b3 b(n)은 n열의 Grid를 가지며 간격은 독립적임b : indicates the spacing between grids, b1, b2, b3 b(n) has a grid of n columns and the spacing is independent
W : Gird의 너비W : Width of Grid
L : 전체 Grid의 길이를 나타내며 이 값은 다음 식을 성립함L: indicates the length of the entire grid, and this value holds the following expression
또한, 다음의 수식을 만족할 수 있다.In addition, the following equation may be satisfied.
수학식 1
L 
Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 2 실시예Second embodiment of forming a grid area in a serpentine type flow path
도 10 및 도 11은 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 2 실시예를 도시한 것이다.10 and 11 show a second embodiment of forming a grid region in a serpentine type flow path.
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.The second embodiment shown in FIGS. 10 and 11 developed the grid shape of the first embodiment to have the width as a dependent variable as an independent variable, and the meanings of each element are as follows.
Rib : Serpentine 분리판의 Rib과 같은 폭을 가짐Rib: Has the same width as the Rib of the Serpentine Separator
Channel : Serpentine 분리판의 Channel과 같은 폭을 가짐Channel: Has the same width as the channel of the Serpentine Separator
B : Grid간의 간격을 나타내며, b'1, b'2, b'3 b’(n)은 n열의 Grid를 가지며 간격은 독립적임B : Indicates the spacing between grids, b'1, b'2, b'3 b'(n) has n-column grid and the spacing is independent
W : Gird간의 너비를 나타내며, W11, W12, W21, W(n)(n)은 n행, n열 모두 독립적임W : Indicates the width between the Girds, and W11, W12, W21, and W(n)(n) are independent of n rows and n columns.
L : 전체 Grid의 길이를 나타내며 이 값은 다음 식을 성립한다.L: It represents the length of the entire grid, and this value holds the following expression.
또한, 다음의 수식을 만족한다.Also, the following equation is satisfied.
수학식 2
L 
Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 3 실시예Third embodiment of forming a grid region in a serpentine type flow path
도 12는 및 도 13은 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 3 실시예를 도시한 것이다.12 and 13 show a third embodiment in which a grid region is formed in a serpentine type flow path.
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.12 and 13 , in the third embodiment, the spacing and height of the grid are independent of the ribs and channels of the serpentine separator, and have independent lengths, and the meanings of each element are as follows.
H : Serpentine 분리판의 Rib에 독립적인 Grid의 높이H: The height of the grid independent of the rib of the serpentine separator
Channel : Serpentine 분리판의 Channel에 독립적인 Grid의 높이를 가짐Channel: The height of the grid independent of the channel of the serpentine separator
b : Grid간의 간격을 나타내며, b'11, b'12, b'21 b’(n)(n)은 n행, n열 모두 독립적임b : indicates the interval between grids, b'11, b'12, b'21 b'(n)(n) is independent of n rows and n columns
W : Gird간의 너비를 나타내며, W11, W12, W21, W(n)(n)은 n행, n열 모두 독립적임W : Indicates the width between the Girds, and W11, W12, W21, and W(n)(n) are independent of n rows and n columns.
L : 전체 Grid의 길이를 나타내며 이 값은 다음 식을 성립한다.L: It represents the length of the entire grid, and this value holds the following expression.
또한, 다음의 수식을 만족한다.Also, the following equation is satisfied.
수학식 3
L < Serpentine Channel의 수 * (Channel+Rib) + RibL < Number of Serpentine Channels * (Channel+Rib) + Rib
Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 4 실시예Fourth embodiment of forming a grid region in a serpentine-type flow path
도 14 및 도 15는 Serpentine 형태의 유로에 Grid 영역을 형성하는 제 4 실시예를 도시한 것이다.14 and 15 show a fourth embodiment in which a grid region is formed in a serpentine type flow path.
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.14 and 15 , the size and shape of the grid according to the fourth embodiment may be a grid in which the shape of the grid deviates from the existing rectangular frame and has various shapes.
또한, 제 3 실시예와 같이, 핀의 모양, 열 간격(b), 폭 간격(a)이 독립적으로 변경 가능하다.Also, like the third embodiment, the shape of the fins, the column spacing (b), and the width spacing (a) can be changed independently.
Grid 영역에서의 평균 유선 패턴Average Streamline Pattern in Grid Area
도 16은 Grid 영역에서의 평균 유선 패턴을 설명하기 위한 도면이다.16 is a diagram for explaining an average streamline pattern in a grid area.
도 16을 참조하면, Grid를 지나가는 유체가 형성하는 Vortex가 도시된다.Referring to FIG. 16 , the vortex formed by the fluid passing through the grid is shown.
즉, 스택內 유체가 Grid를 지나가며 와류와 난류를 형성하게 된다.That is, the stack fluid passes through the grid and forms vortex and turbulence.
또한, Grid를 형성하며 얻어지는 스택의 성능 상승은 그림 16의 Horseshoe vortex와 Reattachment zone에 의해 영향을 받게 되고, Mixing 효과로 인해 반응기체의 참여도가 증폭된다.In addition, the performance increase of the stack obtained by forming the grid is affected by the Horseshoe vortex and reattachment zone in Fig. 16, and the participation of reactive gas is amplified due to the mixing effect.
전술한 도 3 및 도 4를 참조하면, Grid를 지나가는 유체의 속도 벡터가 도시되고, 도 3 및 도 4에서 화살표는 속도 벡터를 나타낸다.3 and 4 described above, the velocity vector of the fluid passing through the grid is shown, and the arrow in FIGS. 3 and 4 indicates the velocity vector.
즉, Serpentine의 평행 유로(10) 부분을 지나가는 유체는 해당 구조에 평행한 흐름을 갖게 된다.That is, the fluid passing through the
또한, Grid(20)를 지나는 유체는 평행한 흐름에 어긋나는 속도 벡터를 가져 평행 유로 대비 난류를 형성하게 된다.In addition, the fluid passing through the
또한, Grid(20)를 지나가는 유체의 질량 변화를 설명한다.In addition, the mass change of the fluid passing through the
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.The graphs shown in FIGS. 6 and 7 compare the change in diffusivity (oxygen partial pressure of the MEA) of the reactive gas into the MEA by forming a grid on the separator made of serpentine (10) and the same.
수소 연료전지 스택의 사용 가스는 수소(Anode)와 산소(Cathode)이 된다(기준: PEMFC).The gases used in the hydrogen fuel cell stack are hydrogen (Anode) and oxygen (Cathode) (standard: PEMFC).
일반적으로 스택의 Cathode에 공기를 넣어주고, 공기 중 산소 외 다른 가스는 화학 반응을 방해하는 요소로 작용한다.In general, air is supplied to the cathode of the stack, and a gas other than oxygen in the air acts as a factor that interferes with the chemical reaction.
분리판의 Inlet에서 Outlet으로 공기 중 산소가 반응에 참여하여 산소분압이 점차 감소하게 된다.Oxygen in the air participates in the reaction from the inlet to the outlet of the separator, and the oxygen partial pressure gradually decreases.
Grid(20)를 지나면서 Horseshoe vortex와 reattachment zone에 의해 MEA로 확산하는 공기 중 산소의 농도를 Serpentine 대비 증가시킨다.As it passes through the grid (20), the concentration of oxygen in the air that diffuses into the MEA by the Horseshoe vortex and reattachment zone is increased compared to that of Serpentine.
독립적인 형상을 가지는 분리판으로 형성된 스택A stack formed of a separator having an independent shape
도 17은 본 발명과 관련된 Inlet manifold 유체 분배를 설명하기 위한 도면이다.17 is a view for explaining an inlet manifold fluid distribution related to the present invention.
도 17의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 스택에 적용되는 1번부터 n번까지의 분리판은 유동 분포가 균일하지 않은 문제점이 있다.Referring to (a) to (c) of FIG. 17 , the
일반적으로 스택에 적용되는 분리판은 1번부터 n번까지 동일 형상의 분리판을 적용하고 있다.In general, the separators applied to the stack have the same shape from No. 1 to No. n.
본 발명에 따른 실시예에서는 스택 분리판의 형상을 독립적으로 가져감으로 스택 내 유체의 분배를 조율하고자 한다.In the embodiment according to the present invention, the distribution of the fluid in the stack is adjusted by independently taking the shape of the stack separator.
도 18은 본 발명과 관련하여, 셀 위치에 따른 inlet manifold의 유체 분배를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.18 is a graph showing the fluid distribution of the inlet manifold according to the cell position in relation to the present invention.
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.As shown in FIG. 18 , the uniformity of fluid distribution can be secured by adjusting the pressure applied inside each separator to the position and shape of the grid, and the utilization of the reactive gas in the stack can be increased.
도 19는 본 발명이 제시하는 내용에 따른 스택 체결 형상의 일례를 도시한 것이다.19 shows an example of a stack fastening shape according to the contents of the present invention.
도 19를 참조하면, 연료전지용 분리판을 복수로 포함하는 연료전지용 스택이 도시되고, 복수의 연료전지용 분리판의 적어도 일부는 서로 다른 독립적인 형상을 갖게 된다.Referring to FIG. 19 , a fuel cell stack including a plurality of separator plates for fuel cells is illustrated, and at least some of the plurality of separator plates for fuel cells have different independent shapes.
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.Since at least some of the above-described first to fourth embodiments are selectively included in the stack, it is possible to implement a stack including a plurality of separators having different independent shapes.
이를 통해, 각 분리판 내부에 걸리는 압력을 Grid의 위치 및 모양으로 조절하여 유체 분배의 균일성을 확보하고, 스택 내 반응기체의 활용을 높일 수 있다.Through this, it is possible to secure the uniformity of fluid distribution by adjusting the pressure applied inside each separator to the position and shape of the grid, and to increase the utilization of the reactive gas in the stack.
스택 내 분리판 조합과 관련하여, 매니폴드 내에서 유체의 분배는 스택의 성능에 직접적인 영향을 미친다. With respect to the separator plate combination in the stack, the distribution of fluid within the manifold directly affects the performance of the stack.
스택의 성능은 적용된 분리판에 유체가 동일하게 분배될수록 높은 성능을 보여준다.The performance of the stack shows a higher performance as the fluid is equally distributed to the applied separator.
도 17의 (b)는 스택내 유체의 저항요소를 표현한 것이다.17 (b) shows the resistance element of the fluid in the stack.
즉, 동일 분리판을 적용하여 스택을 제작하면, 
여기서, n의 값이 증가하면 유체의 저항은 앞 단의 저항이 중첩되어 증가하고 이는 유체의 흐름을 저하시킨다. Here, when the value of n is increased, the resistance of the fluid is increased by overlapping the resistance of the previous stage, which reduces the flow of the fluid.
결국 동일 형태의 분리판을 이용하여 스택을 제조하면 Cell number가 증가할수록 저항의 중첩에 의해 도 17의 (C)와 같이 Air flow가 작아지게 된다.As a result, when a stack is manufactured using a separator of the same type, as the cell number increases, the air flow decreases as shown in FIG.
도 8 내지 도 15에 도시된 것과 같은 Grid가 구현된 연료전지용 분리판을 독립적으로 스택의 분리판으로 적용하면, 각각의 형상에 따라 셀 내부의 유체 저항(
또한, 스택에 적용되는 분리판의 
따라서 본 발명에서는 전술한 분리판을 적용하여 도 18에 도시된 것과 같이 스택내 분리판의 Air flow의 uniformity를 향상시킬 수 있다.Therefore, in the present invention, the uniformity of the air flow of the separator in the stack can be improved by applying the aforementioned separator as shown in FIG. 18 .
참고로, 도 9, 도 11, 도 13 및 도 15의 유체 저항 값 비교한 것은 다음의 표 1과 같다.For reference, a comparison of the fluid resistance values of FIGS. 9, 11, 13 and 15 is shown in Table 1 below.
본 발명에 따른 효과Effects according to the present invention
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해소하고자 구불구불한 유로의 국소 부분에 격자무늬 형태로 배치된 유로를 포함하는 연료전지용 분리판을 제공할 수 있다.The present invention may provide a separator for a fuel cell including a flow path arranged in a grid pattern in a local portion of a tortuous flow path in order to solve the problems of the prior art.
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.Specifically, the present invention provides a separation plate for fuel cells that can increase the diffusivity of the reactive gas into MEA by forming a grid region in the serpentine-type flow path in the region of the separator and controlling the pressure, velocity, and turbulence formation of the reactive gas in the region. By providing the plate, it is possible to solve the existing problems.
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.When the invention proposed in this specification is extended and applied to a stack, it is possible to reduce the optimization difficulty of the stack, such as improving the voltage deviation between cells or the reverse voltage phenomenon of some cells, and improve the progress speed compared to the conventional stack design method.
본 발명에 따르면, 특정 분리판의 현상을 변경하여 셀마다 적합한 환경을 구성하는 미세 튜닝이 가능하다.According to the present invention, it is possible to fine-tune the configuration of a suitable environment for each cell by changing the phenomenon of a specific separator.
본 발명은 연료전지 스택의 전 부분에서 고르게 발전이 이루어질 수 있도록 반응기체를 확산시키는 연료전지 스택용 분리판을 제공할 수 있다.The present invention may provide a separator for a fuel cell stack in which a reactive gas is diffused so that power generation can be made evenly in all parts of the fuel cell stack.
본 발명은 다양한 크기와 형상을 가지는 연료전지 스택에 맞게 반응기체를 제공할 수 있다.The present invention can provide a reactive gas to suit fuel cell stacks having various sizes and shapes.
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.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. will be able
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.The detailed description of the preferred embodiments of the present invention disclosed as described above is provided to enable any person skilled in the art to make and practice the present invention. Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the scope of the present invention. For example, those skilled in the art can use each configuration described in the above-described embodiments in a way in combination with each other. Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.
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.The present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics of the present invention. Accordingly, the above detailed description should not be construed as restrictive in all respects but as exemplary. The scope of the present invention should be determined by a reasonable interpretation of the appended claims, and all modifications within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention. The present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein. In addition, claims that are not explicitly cited in the claims may be combined to form an embodiment or may be included as a new claim by amendment after filing.
Claims (4)
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 상기 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 높아지고,
상기 제 2 유로에 따라 형성된 높은 압력 및 속도와 상기 와류 및 난류를 기초로, 상기 반응기체가 상기 막전극 접합체(MEA)로 확산되는 것이 가속화되며,
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.
In the fuel cell separator,
an intake manifold for supply of reactive gas;
an exhaust manifold for discharging the reactive gas;
a gasket for sealing the intake manifold and the exhaust manifold; and
a flow path supporting movement of the reaction gas between the intake manifold and the exhaust manifold;
The reactive gas can be diffused into the gas diffusion layer (GDL) bonded to the flow path,
The gas diffusion layer (GDL) is attached to the membrane electrode assembly (MEA) and supplies the reactive gas to the electrode of the membrane electrode assembly (MEA) to generate electricity through a chemical reaction,
The flow path is
a first flow path in the form of a serpentine; and
and a second flow path disposed in a grid pattern in a partial region of the first flow path,
Compared with the case of passing through the first flow path, a higher pressure and velocity is formed when the reaction gas passes through the second flow path,
The reaction gas passing through the second flow path forms a vortex and turbulence,
When the reactive gas reacts with a first region of the second flow path using the oxygen,
The oxygen is supplied to the first region from at least one of a plurality of regions other than the first region of the second flow path based on the formed vortex and turbulence, and the oxygen concentration of the first region through the supplied oxygen is rising,
Based on the high pressure and velocity formed along the second flow path and the vortex and turbulence, diffusion of the reactive gas into the membrane electrode assembly (MEA) is accelerated,
The rib (Rib), which is the vertical length of each grid of the second flow path, has the same width as the rib (Rib) of the first flow path,
A channel that is a longitudinal interval of each grid of the second flow path has the same width as a channel of the first flow path,
A separation plate for a fuel cell in which an interval between each grid of the second flow path and a horizontal length of each grid are formed irrespective of the first flow path.
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.
The method of claim 1,
The vertical length of the entire grid of the first flow path is a fuel cell separator according to Equation 1 below.
Equation 1
L is the vertical length of the entire grid of the first flow path, the number of serpentine channels means the number of channels in the first flow path, Channel means the channel width of the second flow path, and Rib is the channel width of the second flow path. Means the vertical length of each grid.
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.
The method of claim 1,
A rib that is a vertical length of each grid of the second flow path, a channel that is a vertical length interval of each grid of the second flow path, an interval between each grid of the second flow path, and a horizontal length of each grid are A separator for a fuel cell formed independently of the first flow path.
상기 제 2 유로의 각 그리드는 사각형이 아닌 적어도 일부가 서로 다른 도형의 형태로 구현되는 연료전지용 분리판.The method of claim 1,
Each grid of the second flow path is not a square, but at least a portion of the fuel cell separator is implemented in the form of a different figure.
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