KR102518538B1

KR102518538B1 - 연료전지용 다공체

Info

Publication number: KR102518538B1
Application number: KR1020160173036A
Authority: KR
Inventors: 조장호; 박순홍
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2023-04-07
Also published as: US11289715B2; US20180175405A1; US20200194808A1; KR20180070399A; US10615428B2

Abstract

본 발명은, 연료전지용 다공체에 관한 것으로서, 막-전극 접합체와 분리판 사이에 개재되어 반응 가스가 미리 정해진 유동 방향을 따라 유동하는 가스 유로를 형성하는 연료전지용 다공체에 있어서, 상기 분리판과 접촉되도록 배치되는 본체; 및 상기 기체 확산층과 접촉되도록 배치되는 랜드부와, 상기 랜드부와 상기 본체를 연결하는 연결부를 각각 구비하며, 상기 가스 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 랜드부의 면적이 좁아지도록 형성되는 복수의 리브들을 포함한다.

Description

연료전지용 다공체{POROUS BODY FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 다공체에 관한 것이다.

연료전지는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 단위 셀로 이루어진다. 연료전지는 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)의 양면에 분리판을 각각 배치하여 구성될 수 있다. 분리판은 수소, 공기 등의 반응 가스를 막-전극 접합체로 각각 공급하는 가스 유로와, 냉각수를 유통시키는 냉각 유로를 구비한다.

한편, 일반적으로 막-전극 접합체에 분포된 수분의 양은 분리판의 가스 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 증가된다. 이로 인해, 막-전극 접합체는 가스 유로의 상류 쪽으로 갈수록 건조해지고 가스 유로의 하류 쪽으로 갈수록 습해진다.

그런데, 막-전극 접합체가 적정 수준에 비해 건조해지거나 습해지면, 반응 가스가 막-전극 접합체를 통과하는 속도가 느려져 연료전지의 성능이 저하되고, 막-전극 접합체의 전해질막이 손상되어 연료전지의 내구성이 저하된다. 따라서, 연료전지의 성능과 내구성을 향상시키기 위해서는, 막-전극 접합체의 전체 영역에 걸쳐 적정량의 수분이 고르게 분포되는 것이 바람직하다. 그런데, 종래의 연료전지는 막-전극 접합체에 적정량의 수분을 고르게 분포 가능한 구성을 구비하고 있지 않다는 점에서 문제점이 있다.

한편, 분리판의 가스 유로는, 반응 가스의 원활한 공급과 배출을 위하여 공급 매니폴드와 배출 매니폴드 부근에서는 유로 저항이 감소되도록 마련되는 것이 바람직하다. 그런데, 종래의 연료전지는 분리판의 유로 저항을 분리판의 영역에 따라 용이하게 조절 가능한 구성을 구비하고 있지 않다는 점에서 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연료전지의 막-전극 접합체에 적정량의 수분을 고르게 분포시킬 수 있도록 구조를 개선한 연료전지용 다공체를 제공하는데 그 목적이 있다.

나아가, 본 발명은, 가스 유로의 유로 저항을 가스 유로의 영역에 따라 용이하게 조절 가능하도록 구조를 개선한 연료전지용 다공체를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 다공체는, 막-전극 접합체와 분리판 사이에 개재되어 반응 가스가 미리 정해진 유동 방향을 따라 유동하는 가스 유로를 형성하는 연료전지용 다공체에 있어서, 상기 분리판과 접촉되도록 배치되는 본체, 및 상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되는 랜드부와, 상기 랜드부와 상기 본체를 연결하는 연결부를 각각 구비하는 복수의 리브들을 포함하고, 상기 연결부는 상기 유동 방향과 미리 정해진 경사각을 이루도록 경사지게 형성되고, 상기 리브들은 상기 가스 유로의 상류 측에서 하류 측으로 상기 경사각이 커지도록 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 본체는, 미리 정해진 간격을 두고 천공되는 복수의 제1 개구홀들을 구비하며, 상기 리브들은 각각, 상기 연결부가 상기 제1 개구홀들 중 어느 하나의 제1 개구홀의 내측면과 연결되도록 상기 어느 하나의 제1 개구홀의 내측면으로부터 연장 형성된다.

바람직하게, 상기 리브들은 각각, 상기 랜드부와 상기 연결부의 합산 면적과 상기 어느 하나의 제1 개구홀의 면적이 동일하도록 마련된다.

바람직하게, 상기 랜드부의 면적은 상기 가스 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 좁아질 수 있다.

바람직하게, 상기 리브들은, 상기 상류 측에 배치되는 복수의 제1 리브들과, 상기 제1 리드들에 비해 상기 하류 측에 배치되는 복수의 제2 리브들을 분류되고, 상기 제1 리브들은 각각, 상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되는 제1 랜드부와, 상기 제1 랜드부와 상기 본체를 연결하는 제1 연결부를 구비하며, 상기 제2 리브들은 각각, 상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되고, 상기 제1 랜드부에 비해 면적이 좁은 제2 랜드부와, 상기 제2 랜드부와 상기 본체를 연결하는 제2 연결부를 구비한다.

바람직하게, 상기 제2 리브들은 각각, 상기 제2 랜드부에 천공되는 제2 개구홀을 구비한다.

바람직하게, 상기 유동 방향은 중력 방향과 평행하도록 설정되며, 상기 제1 연결부는 상기 본체에서 상기 제1 랜드부 쪽으로 갈수록 상기 중력 방향의 반대 방향을 향하도록 경사지게 형성되고, 상기 제2 연결부는 상기 본체에서 상기 제2 랜드부 쪽으로 갈수록 상기 중력 방향을 향하도록 경사지게 형성된다.

상기 막-전극 접합체에는 기체 확산층이 밀착되도록 배치되고, 상기 다공체는 상기 기체 확산층과 상기 분리판 사이에 개재된다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 다공체는, 막-전극 접합체와 분리판 사이에 개재되어 반응 가스가 미리 정해진 유동 방향을 따라 유동하는 가스 유로를 형성하는 연료전지용 다공체에 있어서, 상기 분리판과 접촉되도록 배치되는 본체; 및 상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되는 랜드부와, 상기 랜드부와 상기 본체를 연결하는 연결부를 각각 구비하는 복수의 리브들을 포함하며; 상기 가스 유로는, 상기 막-전극 접합체와 대면하는 발전부와, 상기 발전부에 비해 상류 측에 위치하는 확산부를 구비하고, 상기 확산부에 위치하는 리브들은 상기 발전부에 위치하는 리브들에 비해 상기 랜드부의 면적이 좁도록 형성된다.

바람직하게, 상기 가스 유로는, 상기 발전부에 비해 하류 측에 위치하는 배출부를 더 구비하고, 상기 배출부에 위치하는 리브들은 상기 발전부에 위치하는 리브들에 비해 상기 랜드부의 면적이 좁도록 형성된다.

바람직하게, 상기 연결부는 상기 유동 방향과 미리 정해진 경사각을 이루도록 경사지게 형성되고, 상기 확산부 또는 상기 배출부에 위치한 리브들은 상기 발전부에 위치한 리브들에 비해 상기 경사각이 높도록 형성된다.

본 발명에 따른 연료전지용 다공체는 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 본 발명은, 기체 확산층과 막-전극 접합체에 수분을 고르게 분포시켜, 가스 유로의 상류 측에서 막-전극 접합체가 적정 수준에 비해 건조해지는 것을 방지하고, 가스 유로의 하류 측에서 막-전극 접합체가 적정 수준에 비해 습해지는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해 본 발명은, 연료전지의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

둘째, 본 발명은, 가스 유로의 확산부와 배출부의 유로 저항을 선택적으로 감소시켜 반응 가스를 원활하게 공급 및 배출시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 다공체가 설치된 연료전지의 부분 단면도.
도 2는 도 3에 도시된 분리판의 평면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 다공체의 사시도.
도 4는 도 1에 도시된 리브의 형성 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 다공체가 설치된 연료전지의 부분 단면도.
도 6은 일반적인 분리판과 기체 확산층의 위치 관계를 설명하기 위한 평면도.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 다공체가 설치된 연료전지의 부분 단면도.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 다공체가 설치된 연료전지의 부분 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 분리판의 평면도이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 다공체(이하, '다공체(1)'라고 함)는, 반응 가스(G)가 미리 정해진 유동 방향을 따라 유동하는 가스 유로(40)를 형성하기 위한 것이다. 반응 가스(G)는 산소를 포함하는 공기인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 반응 가스(G)는 수소일 수도 있다. 이러한 다공체(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 분리판(2)과 기체 확산층(3) 사이에 개재되도록 설치된다.

일반적으로 막-전극 접합체(4)는, 전해질막(미도시)과, 전해질막의 일면에 밀착되도록 배치되는 애노드와, 전해질막의 타면에 밀착되도록 배치되는 캐소드(5) 등을 구비할 수 있다.

기체 확산층(3)은, 이러한 막-전극 접합체(4)에 밀착되도록 배치된다. 예를 들어, 기체 확산층(3)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 캐소드(5)의 외면에 밀착되도록 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 기체 확산층(3)은 애노드의 외면에 밀착되도록 배치될 수도 있다. 이러한 기체 확산층(3)은, 가스 유로(40)를 통해 공급된 반응 가스(G)를 애노드 또는 캐소드(5)에 확산시켜 전달하거나 막-전극 접합체(4)에서 발생한 전기를 외부로 전달할 수 있다.

분리판(2)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 후술할 본체(10)의 외면에 밀착되도록 배치된다. 분리판(2)은 가스 유로(40)를 통과하는 반응 가스(G)와 수분(W)이 외부로 누출되지 않도록 연료 전지 스택을 밀폐할 수 있다. 이러한 분리판(2)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 외부로부터 공급된 반응 가스(G)를 가스 유로(40)에 공급 가능한 공급 매니폴드(2a)와, 가스 유로(40)를 통과한 반응 가스(G) 및 수분(W)을 외부로 배출 가능한 배출 매니폴드(2b)와, 연료전지를 냉각하기 위한 냉각수가 유동하는 냉각 유로(미도시) 등을 구비할 수 있다. 예를 들어, 가스 유로(40)를 이용해 공기를 이송하고자 하는 경우에, 공급 매니폴드(2a)는 외부로부터 공급된 공기를 가스 유로(40)에 공급하는 공기 공급 매니폴드일 수 있고, 배출 매니폴드(2b)는 가스 유로(40)를 통과한 공기 및 수분(W)을 외부로 배출 가능한 공기 배출 매니폴드일 수 있다.

이하에서는, 가스 유로(40)의 상류(40a) 측 방향은 공급 매니폴드(2a)를 향하는 방향을 말하고 가스 유로(40)의 하류(40b) 측 방향은 배출 매니폴드(2b)를 향하는 말하는 것을 기준으로 본 발명을 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 다공체의 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 리브의 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.

다공체(1)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 다공체(1)의 지지 골격을 형성하는 본체(10)와, 가스 유로(40)를 형성하는 복수의 리브(20, 30)들을 포함할 수 있다. 먼저, 본체(10)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 미리 정해진 면적을 갖는 플레이트 형상을 갖는다. 본체(10)는 금속 소재로 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 본체(10)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 미리 정해진 간격을 두고 형성되는 복수의 제1 개구홀(12)들을 구비하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 본체(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기체 확산층(3)과 대면하는 분리판(2)의 내면에 밀착되도록 배치된다. 따라서, 제1 개구홀(12)들은 분리판(2)에 의하여 밀폐된다.

다음으로, 리브(20, 30)들은 각각, 도 3에 도시된 바와 같이, 기체 확산층(3)과 접촉 가능하도록 마련되는 랜드부(22, 32)와, 랜드부(22, 32)와 본체(10)를 연결하는 연결부(24, 34)를 구비할 수 있다.

이러한 리브(20, 30)들의 형성 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 리브(20, 30)들은 각각, 도 4에 도시된 바와 같이, 미리 정해진 간격을 두고 위치하는 본체(10)의 절개 부위(14)들을 'ㄷ' 자 형태로 절개하여 형성할 수 있다. 랜드부(22, 32)와 연결부(24, 34)는, 본체(10)와 연결된 리브(20, 30)의 일측 단부와, 리브(20, 30)의 중간부를 각각 절곡하여 형성할 수 있다. 이처럼 리브(20, 30)들을 형성하면, 본체(10)의 절개 부위(14)들에는 각각 전술할 제1 개구홀(12)이 형성된다. 또한, 리브(20, 30)들은, 제1 개구홀(12)들의 배치 간격과 동일한 배치 간격을 두고 배치되고, 제1 개구홀(12)들과 동일한 면적을 갖는다. 이러한 리브(20, 30)들은 각각, 도 3에 도시된 바와 같이, 가스 유로(40)의 상류(40a) 측을 향한 제1 개구홀(12)의 어느 한 쪽 내측면과 연결부(24, 34)가 연결되도록 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

랜드부(22, 32)들은, 도 1에 도시된 바와 같이, 분리판(2)의 내면과 대면하는 기체 확산층(3)의 외면과 접촉되도록 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 랜드부(22, 32)들은 서로 이격되어 배치되므로, 이러한 랜드부(22, 32)들 사이에는 가스 유로(40)와 기체 확산층(3)을 연통시키는 연통홀(50)이 형성된다. 그러면, 가스 유로(40)를 통과하는 반응 가스(G)는 연통홀(50)을 통해 기체 확산층(3)으로 유입될 수 있고, 기체 확산층(3)을 통과하는 반응 가스(G)와 수분(W)은 연통홀(50)을 통해 가스 유로(40)로 유입될 수 있다.

연결부(24, 34)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 본체(10)와 기체 확산층(3) 사이에 경사지게 배치된다. 예를 들어, 연결부(24, 34)는, 분리판(2)에서 기체 확산층(3)으로 갈수록 가스 유로(40)의 하류(40b) 측을 향하도록 경사지게 형성될 수 있다. 이러한 연결부(24, 34)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 본체(10)와 기체 확산층(3)을 미리 정해진 간격만큼 이격시켜 가스 유로(40)를 형성한다. 이러한 가스 유로(40)는, 공급 매니폴드(2a) 또는 기체 확산층(3)에서 가스 유로(40)로 유입된 반응 가스(G)나 수분(W)을 배출 매니폴드(2b)를 향해 이송할 수 있다.

한편, 가스 유로가 일면에 직접 형성된 분리판을 포함하는 종래의 연료전지에 있어서, 막-전극 접합체에 분포된 수분의 양은 가스 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 증가된다. 이로 인해, 종래의 연료전지는, 막-전극 접합체가 가스 유로의 상류 쪽으로 갈수록 건조해지고 가스 유로의 하류(40b) 쪽으로 갈수록 습해지므로, 연료전지의 성능 및 내구성이 저하되는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위하여, 리브(20, 30)들은 막-전극 접합체(4)의 전체 영역에 걸쳐 적정량의 수분(W)이 고르게 분포되도록 개선된 구조를 갖는다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 리브(20, 30)들을 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에 배치되는 제1 리브(20)들과, 제1 리브(20)들에 비해 가스 유로(40)의 하류(40b) 측에 배치되는 제2 리브(30)들로 분류하고, 제1 리브(20)들과 제2 리브(30)들을 서로 상이한 구조를 갖도록 형성할 수 있다. 이하에서는, 제1 리브(20)들에 마련된 랜드부(22, 32)와 연결부(24, 34)를 각각 제1 랜드부(22)와 제1 연결부(24)라고 명명하고, 제2 리브(30)들에 마련된 랜드부(22, 32)와 연결부(24, 34)를 각각 제2 랜드부(32)와 제2 연결부(34)라고 명명하기로 한다.

이러한 제1 리브(20)들과 제2 리브(30)들은, 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에서는 기체 확산층(3)을 통과하는 수분(W)이 가스 유로(40)로 유입되기 어렵고 또한 가스 유로(40)의 하류(40b) 측에서는 기체 확산층(3)을 통과하는 수분(W)이 가스 유로(40)로 유입되기 용이하도록 마련된다.

예를 들어 제2 리브(30)들은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 랜드부(32)가 제1 랜드부(22)에 비해 면적이 좁도록 마련될 수 있다. 그러면, 연통홀(50)의 면적은, 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에 비해 하류(40b) 측에서 상대적으로 더 커진다.

그런데, 수분(W)은, 기체 확산층(3)를 통과하다가 랜드부(22, 32)를 만난 경우에, 랜드부(22, 32)를 투과하여 바로 가스 유로(40)로 유입되지 못하고 랜드부(22, 32)를 따라 이동하다가 연통홀(50)을 통해 가스 유로(40)로 유입된다. 이로 인해, 제1 랜드부(22)가 위치하는 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에서는 제2 랜드부(32)가 위치하는 가스 유로(40)의 하류(40b)에 비해 가스 확산층(3)으로부터 가스 유로(40)로 진입하기 위한 수분(W)의 유동 경로가 상대적으로 길어 진다. 따라서, 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에서는 기체 확산층(3)을 통과하는 수분(W)이 연통홀(50)을 통해 가스 유로(40)로 유입되기가 상대적으로 어려워지고, 가스 유로(40)의 하류(40b) 측에서는 기체 확산층(3)을 통과하는 수분(W)이 연통홀(50)을 통해 가스 유로(40)로 유입되기가 상대적으로 용이해진다. 이를 통해, 제1 리브(20)들과 제2 리브(30)들은, 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에서는 수분(W)을 기체 확산층(3)에 가둬두고 가스 유로(40)의 하류(40b) 측에서는 수분(W)을 기체 확산층(3)으로부터 원활하게 배출시킴으로써, 기체 확산층(3) 및 막-전극 접합체(4)의 전체 영역에 걸쳐 적정량의 수분(W)을 고르게 분포시킬 수 있다.

예를 들어, 제2 리브(30)들은 각각, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 랜드부(32)에 천공된 제2 개구홀(36)을 더 구비할 수 있다. 제2 개구홀(36)은, 가스 유로(40)의 하류(40b) 측에서 연통홀(50)의 면적을 더욱 높여 줌으로써, 가스 유로(40)의 하류(40b) 측에서 수분(W)을 기체 확산층(3)으로부터 더욱 원활하게 배출시킬 수 있다. 한편, 도 3에는 제2 랜드부(32)를 제1 랜드부(22)에 비해 면적이 작도록 형성한 상태에서 제2 랜드부(32)에 제2 개구홀(36)을 추가적으로 형성한 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제2 랜드부(32)와 제1 랜드부(22)를 동일한 면적으로 형성한 상태에서 제2 랜드부(32)에 제2 개구홀(36)을 천공하여, 제2 랜드부(32)의 면적을 제1 랜드부(22)의 면적에 비해 작도록 조절할 수도 있다.

예를 들어, 제1 연결부(24)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 반응 가스(G)의 유동 방향과 제1 연결부(24)가 이루는 경사각(θ1)이 반응 가스(G)의 유동 방향과 제2 연결부(34)가 이루는 경사각(θ2)에 비해 낮도록 형성될 수 있다.

연통홀(50)을 통해 가스 유로(40)로 유입된 수분(W) 중 일부는 제1 연결부(24) 또는 제2 연결부(34)를 만나 제1 연결부(24) 또는 제2 연결부(34)에 응집된다. 이처럼 응집된 수분(W) 중 일부는 연료전지의 열에 의해 증발되어 연통홀(50)을 통해 다시 기체 확산층(3)으로 유입될 수 있다. 그런데, 제1 연결부(24)는, 제2 연결부(34)에 비해 경사각(θ2)이 낮도록 형성되므로, 제2 연결부(34)에 비해 넓은 면적을 갖는다. 이로 인해, 제1 연결부(24)의 표면에는 제2 연결부(34)의 표면에 비해 많은 양의 수분(W)이 응집될 수 있다. 따라서, 제1 연결부(24)는, 제2 연결부(34)에 비해 많은 양의 수분(W)을 다시 기체 확산층(3)으로 재유입시킴으로써, 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에서 막-전극 접합체(4)가 건조해지는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.

반응 가스(G)는 가스 유로(40)를 통과하는 과정에서 연통홀(50)을 통해 기체 확산층(3)으로 유입되어 산화 환원 반응에 의해 생성수로 치환되므로, 반응 가스(G)의 유량은 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에서 하류(40b) 측으로 갈수록 줄어든다. 그런데, 연통홀(50)의 면적은 가스 유로(40)의 상류(40a)에 비해 가스 유로(40)의 하류(40b)에서 더 크므로, 이를 통해 반응 가스(G)의 유량의 편차를 보상하여 반응 가스(G)를 가스 유로(40)의 상류(40a) 및 하류(40b)에 걸쳐 기체 확산층(3)에 고르게 공급할 수 있다.

한편, 리브(20, 30)들을 제1 리브(20)들과 제2 리브(30)들로 구분하여 제1 리브(20)들과 제2 리브(30)들을 서로 상이한 구조를 갖도록 형성하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 리브(20)들과 제2 리브(30)들의 구별 없이 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에서 하류(40b) 측으로 갈수록 랜드부(22, 32)의 면적이 점진적으로 좁아지도록 리브(20, 30)들을 마련할 수도 있다. 이 경우에, 리브(20, 30)들은 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에서 하류(40b) 측으로 갈수록 연결부(22, 32)의 경사각이 커지도록 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 다공체가 설치된 연료전지의 부분 단면도이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 다공체(이하, '다공체(2)'라고 함)는, 리브(120, 130)의 구조에 있어서 전술한 다공체(1)에 비해 차별점을 갖는다. 다공체(2)에 포함된 구성 요소들 중 전술한 다공체(1)에도 동일하게 포함된 구성 요소들은, 전술한 다공체(1)의 경우와 동일한 도면 부호를 사용하여 표시하기로 한다.

일반적으로 연료전지는 반응 가스(G)의 유동성을 고려해 반응 가스(G)의 유동 방향과 중력 방향이 평행을 이루도록 마련된다. 따라서, 다공체(2)가 설치된 연료전지 역시 반응 가스(G)의 유동 방향과 중력 방향이 평행을 이루도록 마련된다. 이를 전제로, 제1 리브(120)와 제2 리브(130)는, 제1 연결부(124)와 제2 연결부(134)의 경사 방향이 서로 반대되도록 마련된다. 제1 리브(120)는 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에 배치되는 리브(120, 130)를 말하고, 제2 리브(130)는 제1 리브(120)에 비해 가스 유로(40)의 하류 측(40b)에 배치되는 리브(120, 130)를 말한다.

제1 연결부(124)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 본체(10)에서 제1 랜드부(122) 쪽으로 갈수록 중력 방향의 반대 방향을 향하도록 경사지게 형성된다. 이에 반해, 제2 연결부(134)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 본체(10)에서 제2 랜드부(132) 쪽으로 갈수록 중력 방향을 향하도록 경사지게 형성된다. 이처럼 제1 연결부(124)와 제2 연결부(134)를 형성하면, 가스 유로(40)를 통과하는 수분(W)은 제2 연결부(134)에 비해 제1 연결부(124)에 용이하게 응집될 수 있다. 따라서, 다공체(2)는 제1 리브(120)가 위치한 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에서 막-전극 접합체가 건조해지는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다. 한편, 수분(W)이 응집되는 제1 연결부(124)의 일면(124a)은, 수분(W)이 더욱 원활하게 응집될 수 있도록 샌드 블래스터 등을 이용해 거칠게 표면 처리하는 것이 바람직하다.

한편 미설명된 도면 부호 136은 제2 랜드부(132)의 제2 개구홀을 가리킨다.

도 6은 일반적인 분리판과 기체 확산층의 위치 관계를 설명하기 위한 평면도이며, 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 다공체가 설치된 연료전지의 부분 단면도이다.

도 6을 참조하면, 일반적으로 기체 확산층(3) 및 막-전극 접합체(4)는. 분리판(2)에 비해 작은 면적을 갖고, 공급 매니폴드(2a)와 배출 매니폴드(2b)와 사이에 위치하도록 설정된 분리판(2)의 발전 영역(2c)과 대면하도록 배치된다. 또한, 분리판(2)의 발전 영역(2c)은 공급 매니폴드(2a) 및 배출 매니폴드(2b)와 각각 미리 정해진 간격만큼 이격되도록 설정된다. 또한, 공급 매니폴드(2a)와 발전 영역(2c) 사이의 간격에는 확산 영역(2d)이 설정되고, 발전 영역(2c)과 배출 매니폴드(2b) 사이에는 배출 영역(2e)이 설정된다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 다공체(이하, '다공체(7)라고 함)는, 분리판(2)과 기체 확산층(3) 사이에 개재되어 가스 유로(40)를 형성한다. 가스 유로(40)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 가스 유로(40)의 중류 측에 위치하는 발전부(40c)와, 발전부(40c)에 비해 가스 유로(40)의 상류(40a) 측에 위치하는 확산부(40d)와, 발전부(40c)에 가스 유로(40)의 하류(40b) 측에 위치하는 배출부(40e)로 구획될 수 있다.

발전부(40c)는, 기체 확산층(3)과 발전 영역(2c) 사이에 개재되며, 기체 확산층(3) 및 발전 영역(2c)과 각각 대면한다. 확산부(40d)는 테두리 부재(8)와 확산 영역(2d) 사이에 개재되며, 테두리 부재(8) 및 확산 영역(2d)과 각각 대면된다. 테두리 부재(8)는, 기체 확산층(3)과 막-전극 접합체(4)를 고정하기 위해 기체 확산층(3)과 막-전극 접합체(4)의 테두리에 장착된 부재를 말한다. 배출부(40e)는, 테두리 부재(8)와 배출 영역(2e) 사이에 개재되며, 테두리 부재(8) 및 배출 영역(2e)과 각각 대면된다.

다공체(7)는, 가스 유로(40)의 각 구역 별로 반응 가스(G)의 유동 특성을 상이하게 조절할 수 있도록 마련된다.

예를 들어, 다공체(7)는, 확산부(40d)와 배출부(40e)에 위치하는 리브(220, 230)들이 발전부(40c)에 위치하는 리브(220, 230)들에 비해 랜드부(222, 232)의 면적이 좁도록 형성될 수 있다. 이를 위하여, 다공체(7)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 확산부(40d)와 배출부(40e)에 각각 위치하는 제1 리브(220)들과, 발전부(40c)에 위치하는 제2 리브(230)들을 구비할 수 있다.

제1 리브(220)들은 각각, 테두리 부재(8)와 접촉되도록 배치되는 제1 랜드부(222)와, 제1 랜드부(222)와 본체(10)를 연결하는 제1 연결부(224)를 구비할 수 있다. 제2 리브(230)들은 각각, 기체 확산층(3)과 접촉되도록 배치되는 제2 랜드부(232)와, 제2 랜드부(232)와 본체(10)를 연결하는 제2 연결부(234)를 구비할 수 있다.

제1 랜드부(222)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 랜드부(232)에 비해 면적이 좁도록 형성될 수 있다. 그러면, 가스 유로(40)의 확산부(40d)에서는 공급 매니폴드(2a)를 통해 유입된 반응 가스(G)가 발전부(40c)에 균일하게 공급될 수 있도록 원활하게 확산된다. 또한, 가스 유로(40)의 배출부(40e)에서는 반응 가스(G)가 배출 매니폴드(2b)를 통해 원활하게 배출될 수 있도록 반응 가스(G)의 유로 저항이 효과적으로 감소된다.

제1 연결부(224)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 반응 가스(G)의 유동 방향과 제1 연결부(224)가 이루는 경사각(θ1)이 반응 가스(G)의 유동 방향과 제2 연결부(234)가 이루는 경사각(θ2)에 비해 높도록 형성될 수 있다. 그러면, 가스 유로(40)의 확산부(40d)에서는 공급 매니폴드(2a)를 통해 유입된 반응 가스(G)가 발전부(40c)에 더욱 균일하게 공급될 수 있도록 더욱 원활하게 확산된다. 또한, 가스 유로(40)의 배출부(40e)에서는 반응 가스(G)가 배출 매니폴드(2b)를 통해 더욱 원활하게 배출될 수 있도록 반응 가스(G)의 유로 저항이 더욱 효과적으로 감소된다.

한편, 다공체(1, 6, 7)는, 분리판(2)과 기체 확산층(3) 사이에 개재되도록 설치되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 기체 확산층(3)이 생략되는 경우에, 다공체(1)는 분리판(2)과 막-전극 접합체(4)의 애노드 또는 캐소드(5) 사이에 개재되도록 설치될 수도 있다. 이 경우에, 랜드부(22, 32, 122, 132, 222, 232)는 애노드 또는 캐소드(5)와 접촉되도록 배치될 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1, 6, 7 : 연료전지 다공체
2 : 분리판
3 : 기체 확산층
4 : 막-전극 접합체
5 : 캐소드
8 : 테두리 부재
10 : 본체
12 : 제1 개구홀
14 : 절개 부위
20, 120, 220 : 제1 리브
22, 122, 222 : 제1 랜드부
24, 124, 124 : 제1 연결부
30, 130, 230 : 제2 리브
32, 132, 232 : 제2 랜드부
34, 134, 234 : 제2 연결부
36, 136 : 제2 개구홀
40 : 가스 유로
40a : 상류 측
40b ; 하류 측
40c : 발전부
40d : 확산부
40e : 배출부
50 : 연통홀
G : 반응 가스
W : 수분

Claims

막-전극 접합체와 분리판 사이에 개재되어 반응 가스가 미리 정해진 유동 방향을 따라 유동하는 가스 유로를 형성하는 연료전지용 다공체에 있어서,
상기 분리판과 접촉되도록 배치되는 본체; 및
상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되는 랜드부와, 상기 랜드부와 상기 본체를 연결하는 연결부를 각각 구비하는 복수의 리브들을 포함하고,
상기 연결부는 상기 유동 방향과 미리 정해진 경사각을 이루도록 경사지게 형성되고,
상기 리브들은 상기 가스 유로의 상류 측에서 하류 측으로 상기 경사각이 커지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
제1항에 있어서,
상기 본체는, 미리 정해진 간격을 두고 천공되는 복수의 제1 개구홀들을 구비하며,
상기 리브들은 각각, 상기 연결부가 상기 제1 개구홀들 중 어느 하나의 제1 개구홀의 내측면과 연결되도록 상기 어느 하나의 제1 개구홀의 내측면으로부터 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
제2항에 있어서,
상기 리브들은 각각, 상기 랜드부와 상기 연결부의 합산 면적과 상기 어느 하나의 제1 개구홀의 면적이 동일하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
제1항에 있어서,
상기 랜드부의 면적은 상기 가스 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 좁아지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
제1항에 있어서,
상기 리브들은, 상기 상류 측에 배치되는 복수의 제1 리브들과, 상기 제1 리브들에 비해 상기 하류 측에 배치되는 복수의 제2 리브들을 분류되고,
상기 제1 리브들은 각각, 상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되는 제1 랜드부와, 상기 제1 랜드부와 상기 본체를 연결하는 제1 연결부를 구비하며,
상기 제2 리브들은 각각, 상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되고, 상기 제1 랜드부에 비해 면적이 좁은 제2 랜드부와, 상기 제2 랜드부와 상기 본체를 연결하는 제2 연결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
막-전극 접합체와 분리판 사이에 개재되어 반응 가스가 미리 정해진 유동 방향을 따라 유동하는 가스 유로를 형성하는 연료전지용 다공체에 있어서,
상기 분리판과 접촉되도록 배치되는 본체; 및
상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되는 랜드부와, 상기 랜드부와 상기 본체를 연결하는 연결부를 각각 구비하는 복수의 리브들을 포함하고,
상기 리브들은, 상기 가스 유로의 상류 측에 배치되는 복수의 제1 리브들과, 상기 제1 리브들에 비해 하류 측에 배치되는 복수의 제2 리브들을 분류되고,
상기 제1 리브들은 각각, 상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되는 제1 랜드부와, 상기 제1 랜드부와 상기 본체를 연결하는 제1 연결부를 구비하며,
상기 제2 리브들은 각각, 상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되는 제2 랜드부와, 상기 제2 랜드부와 상기 본체를 연결하는 제2 연결부를 구비하고,
상기 제2 리브들은 각각, 상기 제2 랜드부에 천공되는 제2 개구홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
막-전극 접합체와 분리판 사이에 개재되어 반응 가스가 미리 정해진 유동 방향을 따라 유동하는 가스 유로를 형성하는 연료전지용 다공체에 있어서,
상기 분리판과 접촉되도록 배치되는 본체; 및
상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되는 랜드부와, 상기 랜드부와 상기 본체를 연결하는 연결부를 각각 구비하는 복수의 리브들을 포함하고,
상기 리브들은, 상기 가스 유로의 상류 측에 배치되는 복수의 제1 리브들과, 상기 제1 리브들에 비해 하류 측에 배치되는 복수의 제2 리브들을 분류되고,
상기 제1 리브들은 각각, 상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되는 제1 랜드부와, 상기 제1 랜드부와 상기 본체를 연결하는 제1 연결부를 구비하며,
상기 제2 리브들은 각각, 상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되는 제2 랜드부와, 상기 제2 랜드부와 상기 본체를 연결하는 제2 연결부를 구비하고,
상기 유동 방향은 중력 방향과 평행하도록 설정되며,
상기 제1 연결부는 상기 본체에서 상기 제1 랜드부 쪽으로 갈수록 상기 중력 방향의 반대 방향을 향하도록 경사지게 형성되고,
상기 제2 연결부는 상기 본체에서 상기 제2 랜드부 쪽으로 갈수록 상기 중력 방향을 향하도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
제1항에 있어서,
상기 막-전극 접합체에는 기체 확산층이 밀착되도록 배치되고,
상기 다공체는 상기 기체 확산층과 상기 분리판 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
막-전극 접합체와 분리판 사이에 개재되어 반응 가스가 미리 정해진 유동 방향을 따라 유동하는 가스 유로를 형성하는 연료전지용 다공체에 있어서,
상기 분리판과 접촉되도록 배치되는 본체; 및
상기 막-전극 접합체와 접촉되도록 배치되는 랜드부와, 상기 랜드부와 상기 본체를 연결하는 연결부를 각각 구비하는 복수의 리브들을 포함하며;
상기 가스 유로는, 상기 막-전극 접합체와 대면하는 발전부와, 상기 발전부에 비해 상류 측에 위치하는 확산부를 구비하고,
상기 확산부에 위치하는 리브들은 상기 발전부에 위치하는 리브들에 비해 상기 랜드부의 면적이 좁도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
제9항에 있어서,
상기 가스 유로는, 상기 발전부에 비해 하류 측에 위치하는 배출부를 더 구비하고,
상기 배출부에 위치하는 리브들은 상기 발전부에 위치하는 리브들에 비해 상기 랜드부의 면적이 좁도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
제10항에 있어서,
상기 연결부는 상기 유동 방향과 미리 정해진 경사각을 이루도록 경사지게 형성되고,
상기 확산부와 상기 배출부에 위치한 리브들은 상기 발전부에 위치한 리브들에 비해 상기 경사각이 높도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
제9항에 있어서,
상기 막-전극 접합체에는 기체 확산층이 밀착되도록 배치되고,
상기 다공체는 상기 기체 확산층과 상기 분리판 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.