KR102550850B1 - 연료전지 및 그의 단위셀과 전지 스택 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 및 그의 단위셀과 전지스택 구조체를 제공한다. 상기 연료전지는 단위셀의 면내에 2차원으로 배열되는 각종 형상의 개구부로 구성되는 내부 공용 통로 구조를 구비하며, 개구부의 2차원 배열은 주기성을 갖거나 또는 어느 정도의 파동이 존재하는 주기성을 지니고, 또한 연료전지로 공급 및 배출되는 연료 유체, 냉각 매질 및 산화 유체는 단위셀의 면내 방향과 적층 방향에서 균일하게 공급 및 배출된다. 단위셀의 각층 중의 개구부에 밀봉재료가 설치되어, 연료 유체, 냉각 매질 및 산화 유체가 대응되는 층으로 적절하게 흐르도록 안내한다.

Description

연료전지 및 그의 단위셀과 전지 스택 구조체
본 출원은 2018년 1월 31일에 출원된 명칭이 "연료전지 및 그의 단위셀과 전지 스택 구조체"인 국체출원번호 제PCT/CN2018/074657호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 특히 고출력밀도와 고용량 연료전지의 단위셀 및 전지 스택 구조체에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소가 전해질을 거치면서 화학반응이 일어나 전기를 발생시키는 장치로서, 환경 부하 감소에 도움이 되기 때문에 실용화와 보급이 기대된다. 또한, 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 발전 온도, 특성에도 차이가 존재하며, 주로 어떤 물질을 전해질로 사용하는가에 따라 분류된다. 대체로 구분하자면, 고체 고분자 전해질형(PEFC), 고체 산화물형(SOFC), 인산형(PAFC) 및 용융 탄산염형(MCMF)의 4종이 있다.
예를 들어, 고체 고분자 전해질형 연료전지(PEFC)에는 하기의 전해질막·전극 접합체(MEA)가 구비된다. 즉, 고분자 이온교환막으로 형성되는 전해질막의 일면에 양극 전극이 배치되고, 타면에 음극 전극이 배치되며, 격판을 통해 MEA를 협지하여 전지 유닛을 구성한다. PEFC의 장점은 작동 온도가 60℃~90℃로서, 소형화하더라도 양호한 출력 효율을 갖는다는데 있다. PEFC 연료전지는 자동차에 응용될 수 있다. PEFC 연료전지는 태양전지조합 에너지저장, 통신안테나의 예비 배터리, 인구 희소지역의 전원, 드론 등에도 응용될 수 있다.
포지티브와 네거티브 전극 플레이트가 전해질막을 협지하는 구조를 단위셀이라고 한다. 단위셀의 정극(산소극)과 부극(수소극)에 수량이 비교적 많은 미세 유로가 존재하며, 외부원으로부터 제공되는 산소와 수소가 전해질막에 개재되어 상기 유로를 통과함으로써 반응이 발생하여 전기가 발생된다. 한 그룹의 단위셀의 출력에는 한계가 있기 때문에, 필요한 출력을 획득하기 위해서는 다수의 전지를 중첩하고 패키징하여 하나의 소자를 획득하며, 이를 전지 스택형 연료전지라고 칭한다.
연료전지의 경우, 고출력밀도와 고용량(고에너지밀도)을 갖출 것이 요구된다. 즉, 연료전지가 고효율로 전기를 발생시키도록 하기 위해서는 연료전지 스택을 구성하는 각 단위셀들이 고효율로 전기를 발생시켜야 한다. 이를 위해, 각 단위셀로 공급되는 수소, 냉각수, 공기 등 각종 유체의 공급이 균일해지도록 설계할 필요가 있다. 연료전지의 출력은 막의 면적과 비례하고, 그 용적과는 비례하지 않는다. 전지 스택형 연료전지의 소형화와 고출력화를 구현하고자 할 경우, 단위셀의 면적(촉매 반응 면적)을 증가시키고, 단위셀의 간격을 단축시키는 것이 가장 효과적이다. 촉매 반응 면적의 증가를 통해 스택의 발전 전류를 효과적으로 증가시킬 수 있으며, 또한 간격을 단축시킴으로써, 연료전지의 출력밀도를 높일 수 있다.
그러나, 단위셀의 면적을 증가시키거나 간격을 단축시키기만 해서는 수소, 냉각수, 공기 등 각종 유체가 단위셀의 내부면을 통과 시의 압력 손실이 커질 수 있으며, 과도한 압력 손실은 배터리의 발전 효율을 떨어트릴 수 있기 때문에, 최대한 손실을 감소시키려는 노력이 필요하다.
또한 종래 기술에서는, 공용 통로의 주변 배치와 각종 유체가 유동하는 교차 배치를 통해, 연료 유체, 냉각 매질 또는 산화 유체의 유동 저항이 커지게 되어, 비교적 큰 단위셀의 면적을 획득할 수 없다.
비특허문헌 1과 특허문헌 2에 공개된 연료전지는 촉매층 주위에 공용 통로를 설치하는 구조를 채택하였으며, 따라서 촉매 반응 면적을 2차원으로 확장할 수 있는 유연성이 부족하다. 이밖에, 비특허문헌 1에 공개된 차량 탑재용 연료전지의 경우, 유로의 유동 분포가 3차원 방식으로 교차하기 때문에, 촉매 반응 면적의 확대가 더욱 어렵다. 또한, 특허문헌 1에 공개된 연료전지의 경우, 격판에 형성되는 유로의 그루브가 비교적 깊기 때문에, 다음과 같은 결함이 존재한다. 즉 국부적인 변형 응력이 상기 유로의 그루브 모서리와 접촉되는 발전 기능층에 집중적으로 인가됨으로써, 내구성 감소를 초래하며, 연료전지의 수명에 비교적 큰 문제가 발생한다.
특허문헌 3은 폭 방향으로 넓은 낮은 길이폭비 구조를 갖는 연료전지를 제공하였으며, 이는 막전극 접합체의 대향하는 2개 변의 외주부에 다수의 연료 유체 유로 개구부, 냉각수 유로 개구부 및 산화 유체 유로 개구부가 설치된다. 이러한 설계는 비록 촉매 반응 면적을 2차원적으로 확장시키는데 도움이 되나, 단 폭 방향으로 계속 확대될 경우, 유체가 단위셀 내부면을 통과 시의 압력 손실이 여전히 허용할 수 없을 정도로 커질 수 있다.
통로가 연료 유체, 냉각 매질 또는 산화 유체의 유동 저항 및 공용 통로에 공급되는 기체의 고압에 대처해야 하기 때문에, 종래 기술은 단위셀의 스택 개수를 증가시키기 어렵다. 또한, 종래 기술의 문제점으로서, 차량 탑재용 단위셀 스택이 설치될 수 있는 공간이 제한적이기 때문에, 단위셀 스택 개수의 증가에는 한계가 있다.
일본특허 특개 2017-147134호 공보 일본특허 특개 2016-096015호 공보 WO2014/136965
2016년도 도요타 MIRAI 세단형 연료전지 자동차의 제품 정보
상기 특허문헌 1에서, 연료전지를 구성하는 유로는 그 유동 분포가 복잡한 3차원 방식으로 교차하는 형상을 갖는다. 따라서, 연료전지의 성능을 향상시키는데 관건이 되는 촉매 반응 면적의 확대를 구현하기가 불가능하기 때문에, 구조가 복잡하고, 연료전지 완전체의 제조 비용이 상승하는 문제가 존재한다.
본 발명은 고출력밀도, 고용량(고에너지밀도)을 갖는 연료전지 및 그 단위셀과 전지 스택 구조체를 제공한다.
상기 목적을 구현하기 위하여, 이하 방식에 따라 구성되는 연료전지를 제공한다.
본 발명의 일 방면은 단위셀을 제공하며, 이는 서로 대향하는 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터 및 상기 제1과 제2 세퍼레이터 사이에 적층되는 막전극 접합체를 포함하고, 상기 막전극 접합체는 촉매 코팅막 및 상기 촉매 코팅막의 제1측과 제2측에 각각 설치되는 제1 기체 확산층과 제2 기체 확산층을 포함하며, 그 중 상기 단위셀은 단위셀로부터 연장되는 면이 상기 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터와 상기 막전극 접합체를 관통하는 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부 및 다수의 산화 유체용 개구부를 구비하며, 그 중 적어도 하나의 연료 유체용 개구부, 적어도 하나의 냉각 매질용 개구부와 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 상기 단위셀의 중앙 영역에 분포되고; 그 중 상기 제1 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 연료 유체용 개구부는 연료 유체가 단위셀의 연장방향에서 상기 제1 기체 확산층을 경유하여 흐르도록 하는 연료 유체 포트를 구비하고, 상기 제2 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 연료 유체용 개구부는 연료 유체가 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제2 기체 확산층을 경유하여 흐르는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비하며; 그 중, 상기 제2 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 산화 유체가 단위셀의 연장방향에서 상기 제2 기체 확산층을 경유하여 흐르도록 하는 산화 유체 포트를 구비하고, 상기 제1 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 산화 유체가 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제1 기체 확산층을 경유하여 흐르는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비하며; 그 중 상기 제1 기체 확산층, 상기 촉매 코팅막과 상기 제2 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 냉각 매질용 개구부는 냉각 매질이 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제1 기체 확산층, 상기 촉매 코팅막과 상기 제2 기체 확산층을 경유하여 흐르는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 촉매 코팅막은 전해질막 및 상기 전해질막의 제1측과 제2측에 각각 설치되는 제1 촉매층과 제2 촉매층을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 막전극 접합체는 상기 촉매 코팅막을 유지하기 위한 지지막을 더 포함하며, 상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 상기 지지막을 관통하고, 상기 지지막은 적어도 상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부의 측벽에 밀봉재료가 구비된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 지지막에 감합 구조체가 구비되어, 상기 촉매 코팅막이 상기 감합 구조체에 감입된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 전체적인 상기 단위셀에서 주기적으로 반복되거나 또는 어느 정도의 파동을 가지고 주기적으로 반복되며, 각각의 주기적인 반복은 하나 또는 다수의 동종의 기본 단위로 구성되거나, 또는 다수의 이종 기본 단위로 구성되며; 상기 단위셀은 상기 중앙 영역 이외의 에지 영역과 이종 기본 단위의 경계 사이에 상기 기본 단위의 주기적인 반복을 종료시키는 에지(edge) 구조를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 상기 단위셀에 위치하는 하나의 기본 단위를 구성하며, 상기 단위셀은 상기 중앙 영역 이외의 가장자리 영역에 상기 기본 단위를 종료시키는 에지 구조를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 각각 공급용 개구부 및 배출용 개구부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기본 단위는 적어도 2개의 상기 연료 유체용 개구부, 적어도 2개의 상기 냉각 매질용 개구부와 적어도 2개의 상기 산화 유체용 개구부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기본 단위는 2차원 브라베이 격자(Bravais lattice)로 배열되어 형성되는 개구부 패턴의 최소 반복 배열 주기를 갖는 단위이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 연료 유체용 개구부는 완전히 개방된 개구부 또는 일부가 밀봉된 개구부이고; 및/또는 그 중 상기 제2 기체 확산층에서의 상기 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 완전히 개방된 개구부 또는 일부가 밀봉된 개구부이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 촉매 코팅막, 상기 제1 기체 확산층과 상기 제2 기체 확산층은 라미네이팅 방식으로 상기 단위셀을 형성한다.
상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부의 적어도 일부분의 형상은, 각각의 개구부의 제I 사분면(quadrant), 제Ⅱ 사분면, 제Ⅲ 사분면 및 제Ⅳ 사분면을 향해 유입, 유출되는 각종 유체의 발산각도와 수렴각도가 1도 이상 180도 이하인 전방위로 설계된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부의 적어도 일부분의 형상은, 각각의 개구부의 제I 사분면(quadrant), 제Ⅱ 사분면, 제Ⅲ 사분면 및 제Ⅳ 사분면에 부합되는 포트를 향해 유입, 유출되는 각종 유체의 발산각도와 수렴각도가 1도 이상 90도 이하인 반방위로 설계된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부의 적어도 일부분의 형상은, 4개의 사분면 중 어느 하나의 사분면에 단독으로 배치되는 포트를 향해 유입, 유출되는 각종 유체의 발산각도와 수렴각도가 1도 이상 90도 이하, 및 4개의 사분면 중 어느 2개의 이웃한 사분면에 동시에 배치되는 포트를 향해 유입, 유출되는 각종 유체의 발산각도와 수렴각도가 1도 이상 180도 이하로 설계된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부의 평면 형상은 다변형, 변형 다변형, 세장형, 타원형, 원형 또는 이들의 조합이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 기체 확산층은 상기 연료 유체 포트 주변 중 상기 촉매 코팅막에 인접한 측에 연료 유체 안내 유로가 설치되며, 상기 연료 유체 안내 유로는 상기 제1 기체 확산층의 양단에 위치한 연료 유체 공급용 유로 및 연료 유체 배출용 유로와 서로 연통된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 산화 유체 포트는 상기 촉매 코팅막에 인접한 측에 산화 유체 안내 유로가 설치되고, 상기 산화 유체 안내 유로는 상기 제2 기체 확산층의 양단에 위치한 산화 유체 공급용 유로 및 산화 유체 배출용 유로와 서로 연통된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 기체 확산층은 상기 촉매 코팅막측에 위치한 연료 유체 공급 배출 유로와 중첩되도록 배치되고, 상기 세퍼레이터측에 위치한 연료 유체 공급 배출 유로와 중첩되도록 배치되며, 상기 제2 기체 확산층은 상기 촉매 코팅막측에 위치한 상기 산화 유체 공급 배출 유로와 중첩되도록 배치되고, 상기 세퍼레이터측에 위치한 산화 유체 공급 배출 유로와 중첩되도록 배치된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전방위형(omni-directional) 개구부의 2차원 확장을 종료시키는 에지 구조는, 각종 반응 유체가 상기 전방위형 개구부의 포트로부터 방사상으로 유입, 유출되는 특성을 이용하여, 각종 반응 유체의 공급 또는 배출용 개구부 중 하나가 중심에 위치하는 상황에서, 그 배출 또는 공급용 개구부의 하나를 4개로 나누어 모서리부에 배치하거나, 또는 그 배출 또는 공급용 개구부의 하나를 2개로 나누어 가장자리부에 배치하고, 상기 반방위형(semi-directional) 개구부의 2차원 확장을 종료시키는 에지 구조는, 각종 반응 유체가 상기 반방위형 개구부의 포트로부터 부채꼴 형상으로 유입, 유출되는 특성을 이용하여, 각종 반응 유체의 공급 또는 배출용 개구부 중 하나가 중심에 위치하는 상황에서, 그 배출 또는 공급용 개구부의 하나를 2개로 나누어 모서리부에 배치하거나, 또는 그 배출 또는 공급용 개구부의 하나를 2개로 나누어 가장자리부에 배치함으로써, 그 배출 또는 공급용 개구부의 하나를 기타 가장자리부에 직접 배치한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 기체 확산층의 모서리부 또는 가장자리부의 연료 유체 배출용 개구부는 연료 유체가 단위셀의 연장방향에서 상기 제1 기체 확산층으로 유출되도록 하는 연료 유체 포트를 구비하고, 상기 제2 기체 확산층의 모서리부 또는 가장자리부에 위치하는 연료 유체 배출용 개구부는 산화 유체가 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제2 기체 확산층으로 유출되는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비하며; 그 중, 상기 제2 기체 확산층의 모서리부 또는 가장자리부의 산화 유체 배출용 개구부는 산화 유체가 단위셀의 연장방향에서 상기 제2 기체 확산층으로 유출되도록 하는 산화 유체 포트를 구비하고, 상기 제1 기체 확산층의 모서리부 또는 가장자리부의 산화 유체 배출용 개구부는 연료 유체가 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제2 기체 확산층으로 유출되는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비하며; 그 중, 상기 제1 기체 확산층, 상기 촉매 코팅막 및 상기 제2 기체 확산층의 모서리부 또는 가장자리부의 냉각 매질 배출용 개구부는 대응되는 유체가 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제1 기체 확산층, 상기 촉매 코팅막 및 상기 제2 기체 확산층으로 유출되는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비한다.
본 발명은 또 다른 방면으로, 다수의 상기와 같은 단위셀을 포함하고, 상기 다수의 단위셀이 스택되어 형성되는 전지 스택 구조체를 제공하며; 그 중, 상기 다수의 단위셀의 연료 유체용 개구부, 냉각 매질용 개구부와 산화 유체용 개구부가 중첩되어 각각 상기 전지 스택 구조체의 내부 공용 통로를 구성하며, 상기 내부 공용 통로는 연료 유체, 냉각 매질과 산화 유체를 상기 다수의 단위셀로 공급 및 배출하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 인접한 단위셀의 인접한 세퍼레이터 사이는 냉각 매질이 유동하기 위한 것이고, 상기 세퍼레이터의 적어도 하나의 냉각 매질용 개구부는 냉각 매질이 단위셀의 연장방향에서 상기 세퍼레이터를 경유하도록 하는 냉각 매질 포트를 구비한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 세퍼레이터의 양측에 냉각 매질 안내 유로가 설치되며, 상기 냉각 매질 안내 유로는 냉각 매질의 공급용 유로 및 배출용 유로와 서로 연통된다.
본 발명의 일 실시예에서, 인접한 단위셀의 제1 세퍼레이터의 상부면 사이의 간격은 0.1mm 이상 1.2mm 이하이다.
본 발명의 또 다른 방면은 연료전지를 제공하며, 이는 상기와 같은 전지 스택 구조체; 및 상기 전지 스택 구조체를 양측에서 협지하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트를 포함하며, 상기 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트 중의 적어도 하나에 외부 공용 통로가 설치되고, 상기 외부 공용 통로는 연료 유체, 냉각 매질 또는 산화 유체를 공급 및 배출하기 위해 상기 내부 공용 통로와 대응된다.
도 1은 본 발명의 일 실시방식 중 전지 스택형 연료전지의 구조도로서, 도 1(a)는 전지 스택형 연료전지의 구조 외관도이고, 도 1(b)는 전지 스택형 연료전지의 구조 단면도이며, 도 1(c)는 단위셀의 구조 단면도이다.
도 2(a), 2(b), 2(c)는 본 발명의 일 실시방식에 관통 설치되는 2차원 브라베이 격자(Bravais lattice)가 전개되는 규칙성을 응용한 단위셀(8)의 면내 개구부(11), (12), (13)의 배열을 설명하기 위한 평면 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시방식 중 개구부의 각종 형상을 설명하기 위한 도면으로서, 도 3(a)는 전방위형 개구부를 나타낸 도면이고, 도 3(b), 도 3(c), 도 3(e)는 반방위형 개구부를 나타낸 도면이며, 도 3(d)는 준방위형 개구부이다.
도 4는 본 발명의 일 실시방식에 관통 설치되는 단위셀(8)의 면내 개구부(11), (12), (13) 배열의 규칙성을 설명하기 위한 평면도이고, 도 4(b)는 도 4(a)의 전방위형 개구부의 포트로 진출입하는 유동 방향을 나타낸 국부 확대도이다.
도 5(a), 도 5(b)는 도 4의 단위셀(8)의 면내에 관통 설치되는 전방위형 개구부(11), (12), (13) 중, 상이한 형상의 포트로부터 유입 또는 유출되는 반응 기체의 전방위적인 유동을 나타낸 도면이다.
도 6(a)는 본 발명의 일 실시방식의 CCM막(M101), 이를 유지하는 CCM 지지막(M102), 및 CCM 지지막(M102)에 관통 설치되는 개구부(11), (12), (13)를 CCM판(M100)이라 통칭하는 구조를 나타낸 평면도이고, 도 6(b)는 도 6(a)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 CCM판(M100)의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시방식 1의 CCM판(M100)의 양극측의 유로를 설명하는 도면으로서, 도 7(a)는 도 7(b)와 도 7(c)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 7(b)는 양극측 세퍼레이터(6)를 제거 시 나타나는 양극측 기체 확산층(4)을 나타낸 평면도이며, 도 7(c)는 양극측 기체 확산층(4)을 향하는 CCM판(M100)측의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시방식 1의 CCM판(M100)의 음극측의 유로를 설명하는 도면으로서, 도 8(a)는 도 8(b)와 도 8(c)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 8(b)는 음극측 세퍼레이터(7)를 제거 시 나타나는 음극측 기체 확산층(5)을 나타낸 평면도이며, 도 8(c)는 음극측 기체 확산층(5)을 향하는 CCM판(M100)측의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 실시방식 1의 양극측 세퍼레이터(6)에 형성되는 유로를 설명하는 도면으로서, 도 9(a)는 도 9(b)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 9(b)는 연료 유체의 전방위형 개구부(11)의 포트 및 연료 유체의 유로(31)가 형성된 양극측 세퍼레이터(6)의 단면 구조를 나타낸 평면도이다.
도 10은 본 발명의 실시방식 1의 음극측 세퍼레이터(7)에 형성되는 유로를 설명하는 도면으로서, 도 10(a)는 도 10(b)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 10(b)는 산화 유체의 전방위형 개구부(13)의 포트 및 산화 유체의 유로(33)가 형성된 음극측 세퍼레이터(7)의 단면 구조를 나타낸 평면도이다.
도 11은 본 발명의 실시방식 1의 양극측 세퍼레이터(6)와 음극측 세퍼레이터(7) 사이에 형성되는 냉각매질의 유로를 설명하는 도면으로서, 도 11(a)는 도 11(b)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 11(b)는 냉각 매질의 전방위형 개구부(12)가 형성된 포트 및 냉각 매질의 유로(32)를 향하는 세퍼레이터(6), (7) 측의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 12는 본 발명의 실시방식 1의 에지 구조를 설명하는 도면으로서, 도 12(a)는 단위셀(8)의 면내에서 2차원으로 확장되는 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001) 및 2개의 굵은 선으로 표시되는 에지 처리 후의 전방위형 개구부의 배치 영역(E002), (E004)을 나타낸 도면이고, 도 12(b)는 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)에서 에지 처리 후의 전방위형 개구부 배치 영역(E002)을 절취한 후 획득되는 에지 처리 완료 개구부 배치 구조(E003)를 갖는 단위셀(8), 및 상기 단위셀(8)로 구성되는 단위셀 스택 구조체(9)를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시방식의 에지 구조를 갖는 전방위형 개구부의 평면형상을 나타낸 도면으로서, 도 13(a)는 전방위형 개구부의 완전한 형상을 나타낸 도면이고, 도 13(b)는 완전한 형상을 둘로 나눈 후 획득되는 전방위형 개구부의 2개의 형상을 나타낸 도면이며, 도 13(c)는 완전한 형상을 넷으로 나눈 후 획득되는 전방위형 개구부의 형상을 나타낸 도면이다.
도 14(a)는 본 발명 중 실시방식 2의 단위셀(8)의 면내에 관통 설치되는 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 배열의 규칙성을 설명하기 위한 예시성 평면도이고, 도 14(b)는 도 14(a)의 반방위형 개구부의 포트로 진출입하는 유동방향을 나타낸 국부 확대도이다.
도 15(a), 도 15(b)는 도 14의 단위셀(8)의 면내에 관통 설치되는 반방위형 개구부(11), (12), (13) 중, 상이한 형상의 포트로부터 유입 또는 유출되는 반응 기체의 반방위적인 유동을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시방식 2의 CCM판(M100)의 양극측의 유로를 설명하는 도면으로서, 도 16(a)는 도 16(b)와 도 16(c)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 16(b)는 양극측 세퍼레이터(6)를 제거 시 나타나는 양극측 기체 확산층(4)을 나타낸 평면도이며, 도 16(c)는 양극측 기체 확산층(4)을 향하는 CCM판(M100)측의 평면도이다.
도 17은 본 발명의 실시방식 2의 CCM판(M100)의 음극측의 유로를 설명하는 도면으로서, 도 17(a)는 도 17(b)와 도 17(c)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 17(b)는 음극측 세퍼레이터(7)를 제거 시 나타나는 음극측 기체 확산층(5)을 나타낸 평면도이며, 도 17(c)는 음극측 기체 확산층(5)을 향하는 CCM판(M100)측의 평면도이다.
도 18은 본 발명의 실시방식 2의 양극측 세퍼레이터(6)에 형성되는 유로를 설명하는 도면으로서, 도 18(a)는 도 18(b)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 18(b)는 연료 유체의 반방위형 개구부(11)의 포트 및 연료 유체의 유로(31)가 형성된 양극측 세퍼레이터(6)의 단면 구조를 나타낸 평면도이다.
도 19는 본 발명의 실시방식 2의 음극측 세퍼레이터(7)에 형성되는 유로를 설명하는 도면으로서, 도 19(a)는 도 19(b)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 19(b)는 산화 유체의 반방위형 개구부(13)의 포트 및 산화 유체의 유로(33)가 형성된 음극측 세퍼레이터(7)의 단면 구조를 나타낸 평면도이다.
도 20은 본 발명의 실시방식 2의 양극측 세퍼레이터(6)와 음극측 세퍼레이터(7) 사이에 형성되는 냉각 매질의 유로를 설명하는 도면으로서, 도 20(a)는 도 20(b)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 20(b)는 냉각 매질의 반방위형 개구부(12)가 형성된 포트 및 냉각 매질의 유로(32)를 향하는 세퍼레이터(6), (7) 측의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 21은 본 발명의 실시방식 2의 에지 구조를 설명하는 도면으로서, 도 21(a)는 단위셀(8)의 면내에서 2차원으로 확장되는 반방위형 개구부의 배열 패턴(E001) 및 굵은 선으로 표시된 에지 처리 후의 반방위형 개구부의 배치 영역(E002)을 나타낸 도면이고, 도 21(b)는 반방위형 개구부의 배열 패턴(E001)으로부터 에지 처리 후의 전방위형 개구부 배치 영역(E002)을 잘라낸 후 획득되는 에지 처리 완료 개구부의 배치 구조(E003)를 갖는 단위셀(8), 및 상기 단위셀(8)로 구성되는 단위셀 스택 구조체(9)를 나타낸 도면이다.
본 발명의 상기 목적, 특징과 장점이 더욱 명확하고 쉽게 이해될 수 있도록, 이하 첨부도면을 결합하여 본 발명의 구체적인 실시방식에 대해 상세히 설명한다.
아래의 묘사에서는 본 발명을 충분히 이해하도록 많은 구체적인 세부 내용을 설명하였으나, 단 본 발명은 여기에 묘사된 것과 다른 기타 방식으로도 실시될 수도 있다. 따라서 본 발명은 아래에 공개된 구체적인 실시예로 한정되지 않는다.
본 출원과 청구항에 설명한 바와 같이, 상, 하문에서 예외의 상황을 명확히 제시하지 않는 한, "일", "하나", "일종" 및/또는 "상기" 등 용어는 특별히 단수를 지칭하는 것이 아니며, 복수를 포함할 수도 있다. 일반적으로, "포함하다"와 "함유한다"라는 용어는 단지 명확히 식별되는 단계와 원소를 포함함을 제시할 뿐으로, 이러한 단계와 원소는 배타적인 나열을 구성하지 않으며, 방법 또는 장치에 기타 단계 또는 원소가 포함될 수도 있다.
여기서, 도면을 참조하여, 바람직한 실시방식의 예를 들어 본 발명의 전지 스택형 연료전지를 상세히 설명한다. 또한, 아래의 설명에서, 연료전지가 고체 고분자형 연료전지인 경우를 예로 들어 설명한다. 그 중, 본 발명의 일 실시방식에 기재되는 구조 부재의 재질, 크기, 형상, 각도, 상대적인 배치 등은 특별히 기재하지 않는 한, 본 발명의 범위는 이러한 내용으로 한정되지 않는다.
본 발명의 일 방면에 따르면, 단위셀은 서로 대향하는 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터 및 상기 제1과 제2 세퍼레이터 사이에 적층되는 막전극 접합체를 포함한다. 단위셀은 단위셀로부터 연장되는 면이 상기 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터와 상기 막전극 접합체를 관통하는 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부 및 다수의 산화 유체용 개구부를 구비한다. 적어도 하나의 연료 유체용 개구부, 적어도 하나의 냉각 매질용 개구부와 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 상기 단위셀의 중앙 영역에 분포된다. 제1 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 연료 유체용 개구부는 연료 유체가 단위셀의 연장방향에서 상기 제1 기체 확산층을 통과하여 흐르도록 하기 위한 연료 유체 포트를 구비하고, 상기 제2 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 연료 유체용 개구부는 연료유체가 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제2 기체 확산층을 통과하는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비한다. 또한, 제2 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 산화 유체가 단위셀의 연장방향에서 상기 제2 기체 확산층을 통과하여 흐르도록 하는 산화유체 포트를 구비하고, 상기 제1 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 산화 유체가 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제1 기체 확산층을 통과하는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비한다. 또한, 제1 기체 확산층, 상기 촉매 코팅막과 상기 제2 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 냉각 매질용 개구부는 냉각 매질이 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제1 기체 확산층, 상기 촉매 코팅막과 상기 제2 기체 확산층을 통과하는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비한다.
가장자리 영역에만 개구부를 분포시키는 경우와 비교하여, 중앙 영역에 개구부를 분포시키면, 연료 유체, 냉각 매질, 산화 유체의 흐름이 단위셀 내에서 더욱 균형을 이룰 수 있다. 개구부는 중앙 영역의 일부분에 분포될 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 상, 하 본문에서, "중앙 영역"이라는 용어의 범위는 광의로 이해하여야 하며, 단위셀 중심의 작은 영역에 한정되지 않는다. 예를 들어 중앙 영역의 면적은 단위셀 표면의 80% 이상에 달할 수 있다.
일 실시방식에서, 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 전체적인 상기 단위셀에서 주기적으로 반복되거나 또는 어느 정도의 파동을 가지고 주기적으로 반복된다. 각각의 주기적인 반복은 그 개구부의 구성과 배열이 모두 동일한 하나 또는 다수의 동종 기본 단위를 구비하거나, 또는 그 개구부의 구성 또는 배열이 동일하지 않은 다수의 이종 기본 단위를 구비한다. 이러한 실시방식에서, 개구부는 중앙 영역에 배열되는 데에 한정되지 않고, 중앙 영역 이외의 가장자리 영역에도 배열될 수 있다. 또한, 단위셀은 중앙 영역 이외의 가장자리 영역에 기본 단위의 주기적인 반복을 종료시키는 에지(edge) 구조를 가질 수 있다. 주기적인 반복에 그 개구부의 구성 또는 배열이 상이한 다수의 이종 기본 단위를 구비 시, 단위셀은 이종 기본 단위의 경계 사이에도 기본 단위의 주기적인 반복을 종료시키는 에지 구조를 가질 수 있다. 단순화된 실시방식에서, 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부 및 다수의 산화 유체용 개구부는 전체적인 단위셀에서 하나의 기본 단위만 구성하며, 또한 단위셀은 중앙 영역 이외의 가장자리 영역에 기본 단위를 종료시키는 에지 구조를 가질 수 있다.
이하, 적당한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시방식에 대해 상세히 설명한다. 참조하는 도면에서, 도 1은 전지 스택형 연료전지를 나타낸 도면으로서, 도 1(a)는 전지 스택형 연료전지의 구조 외관도이고, 도 1(b)는 전지 스택형 연료전지의 구조 단면도이며, 도 1(c)는 단위셀의 구조 단면도이다. 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 다수의 단위셀(8)을 스택하여 획득되는 단위셀 스택 구조체(9)(이후 전지 스택 구조체라 칭함)의 양단은 엔드 플레이트(101), (102)로 체결 고정된다. 또한 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 엔드 플레이트(101), (102)에 외부 공용 통로(51), (52), (53)가 설치되며, 전지 스택 구조체(9) 내에 연료 유체, 냉각 매질 및 산화 유체를 포함하는 각종 유체를 각각 공급 및 배출하기 위한 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 설치된다.
단위셀(8)은 도 1(c)에 도시된 적층 라미네이트 구조일 수 있으며, 단위셀(8)에서, 1은 전해질막이고, 전해질막(1)을 사이에 두고 한 쌍의 전극 촉매층(2), (3)(즉 음극측 촉매층, 양극측 촉매층)이 배치된다. 이어서, 전극 촉매층(2), (3)의 외측에 각각 기체 확산층(4), (5)이 배치되고, 각각의 기체 확산층(4), (5)의 더 외측에 한 쌍의 세퍼레이터(6), (7)가 배치되며, 층 1-5는 막전극 접합체(MEA)를 구성한다.
본 발명의 각 실시방식의 연료 유체와 산화 유체는 기체를 예로 들어 설명한다. 본 발명의 각 실시방식의 전지 스택형 연료전지는 순수소, 메탄올 등 각종 연료를 연료로 한다. 이하 예시에서는 수소를 연료로 하여 설명한다.
[연료전지의 작동 원리]
전지 스택형 연료전지의 작동 원리는 다음과 같다. 수소가스가 양극(연료극이라 칭함)에 제공되면, 촉매의 도움에 의해, 제공된 수소가스로부터 전자가 분리되어 외부 회로로 이동한다. 여기서, 수소는 수소 이온(프로톤으로 칭함)으로 변화된다. 다른 한편으로, 산소가 음극(공기극이라 칭함)에 제공되면, 산소가 전해질막을 통과한 프로톤 및 외부 회로로부터 유입된 전자와 반응하여 물을 생성한다.
일 예시로서, 본 발명의 전지 스택형 연료전지는 하기의 고체 고분자 연료전지이다. 즉 전해질막(1)은 고체 고분자 전해질을 사용할 수 있으며, 상기 전해질막(1)에 양극측 촉매층(2)과 음극측 촉매층(3)이 추가된다. 양극측 촉매층(2)에 음극측 기체 확산층(4)을 사이에 두는 방식으로 음극측 세퍼레이터(6)가 추가되고, 음극측 촉매층(3)에 음극측 기체 확산층(5)을 사이에 두는 방식으로 음극측 세퍼레이터(7)가 추가되며, 이와 같이 적층판형의 단위셀(8)을 구성하고, 다수의 상기 적층판형 단위셀(8)을 스택하여 도 1(a)와 같은 고체 고분자 연료전지를 획득한다. 본 발명에서는 2차원 브라베이 격자 배열 패턴을 따라 반복되는 각종 개구부의 기본 단위(16)를 사용하여 단위셀(8)의 면내에 관통 설치되는 개부구(11), (12), (13) 배열의 배치를 설계하였다. 전기를 발생시키는데 필요한 최소한도의 개구부(11), (12), (13)의 종류에 관해서는, 최소 발전체(17)를 사용하여 설명한다.
도 2(a), 2(b), 2(c)에 도시된 단위셀(8)의 개념도는 도 1의 전지 스택 구조체(9)를 구성하는 하나의 단위셀(8)을 나타낸 것이다. 도 2는 2차원으로 확장되는 브라베이 격자의 규칙성을 응용하여 본 발명의 단위셀(8)의 면내에 관통 설치되는 개구부(11), (12), (13)의 배열을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 개구부(11), (12), (13)는 각각 공급용 개구부와 배출용 개구부로 사용되며, 하기 방식에 따라 연료 유체 공급용 개구부(11A), 냉각 매질 공급용 개구부(12A), 산화 유체 공급용 개구부(13A), 연료 유체 배출용 개구부(11B), 냉각 매질 배출용 개구부(12B), 산화 유체 배출용 개구부(13B)로 구분된다.
여기서, 도 2(a)는 개구부가 주기적으로 반복되는 다수의 동종 기본 단위를 구성하는 예시를 나타낸 것이고, 도 2(b)는 개구부가 하나의 기본 단위를 구성하는 예시를 나타낸 것이며, 도 2(c)는 개구부가 주기적으로 반복되는 다수의 이종 기본 단위를 구성하는 예시를 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 기본 단위(16)는 벡터 A(도 2의 부호 14)와 벡터 B(도 2의 부호 15)에 의해 그려진 2차원 브라베이 격자의 패턴을 따라 반복되는 각종 개구부의 최소 단위를 나타낸다. 최소 발전체(17)는 전기를 발생시키는데 필요한 최소한도의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)와 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)의 6종을 포함한다. 이하 설명에서, 도 2(a)를 예로 들어 설명한다.
또한, 도 2(a), 2(c)에 도시된 사변형 중 확장을 진행하는 점선 화살표는 도면 제작의 편의를 위해 반복적으로 연속 배열되는 개구부(11), (12), (13)가 생략된 부분을 나타내나, 단 상기 중복 배열이 무한히 확장된다는 의미는 포함하지 않는다. 이밖에, 도 2(a), 2(c)의 단위셀(8)의 사변형에 표시된 물결형 윤곽선은 생략된 부분을 잘라낸 후의 상태를 나타낸다. 도 2(a)의 점선 화살표로 "반복"을 나타내고자 한 의도는 이때, 이 곳의 상황에 더욱 잘 매치시킴으로써 2차원 확장을 바탕으로 하는 개구부(11), (12), (13)의 배열을 구현하기 위해서이다. 또한, 도 2에서, 각종 유체의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)의 부호는 X 표기로 표시하였고, 각종 유체의 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)의 부호는 검정색 원형 표기로 표시하였다.
도 2(a) 중 본 발명의 단위셀(8)의 개구부(11), (12), (13)의 열 사이에 그려진 우하향 점선은 각종 유체와 각각 대응되는 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)와 배출용 개구부(11B), (12B), (13B) 사이에 형성되는 유로(연료 유체의 공급 배출 유로(31), 냉각 매질의 공급 배출 유로(32), 산화 유체의 공급 배출 유로(33))를 나타내는 개념상의 선이나, 단 이러한 선이 반드시 실제의 유로(31), (32), (33)와 동일하다는 것에 한정되지 않는다. 또한, 각종 유체는 비록 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)로부터 가장 근접한 대응 위치에 위치하는 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)를 향해 유동하나, 단 설사 가장 근접한 대응 위치에 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)가 존재하더라도, 공급 배출 유로(31), (32), (33)가 안내하지 않는 비대응 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)로는 흐르지 않는다.
구성 개념으로서 2차원으로 확장되는 브라베이 격자의 규칙성을 응용한 개구부(11), (12), (13)의 배열을 고려하는 방법의 특징 중 하나는 다음과 같다. 즉, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 2차원으로 확장되는 브라베이 격자의 패턴을 따르는 기본단위(16)를 반복 단위로 하여 개구부(11), (12), (13)를 배열한다. 구체적으로 설명하면, 벡터 A(도 2(a)의 부호 14)와 벡터 B(도 2(a)의 부호 15)로 그려진 사방격자(orthorhombic lattice)를 본떠 획득되는 기본 단위(16)로 둘러싸인 영역 내측의 개구부(11), (12), (13)로서의 개수는, 상기 4개의 선분과 서로 만나는 4개의 연료 유체의 개구부(11A), (11B)가 그 내측에서 각각 2분의 1이므로, 따라서 총 합계는 2개(1/2x4=2)이고, 2개의 선분과 서로 만나는 2개의 냉각 매질의 개구부(12A)는 그 내측에서 2분의 1이므로 총 1개(1/2x2=1)이고, 선분과 만나지 않는 내측에 위치한 냉각 매질의 개구부(12B)는 1개이므로, 이들의 총 합은 2개(1/2x2+1=1)이며, 기본 단위(16)의 4개의 모서리에 위치한 4개의 산화 유체의 개구부(13A)는 그 내측에서 약 4분의 1이므로, 총 1개(1/4x4=1)이고, 선분과 만나지 않는 내측에 위치한 산화 유체의 개구부(13B)는 1개이므로, 이들의 총 합은 2개(1/4x4+1=2)이다. 이들을 전부 더하면, 즉 2개의 연료 유체의 개구부(11), 2개의 냉각 매질의 개구부(12) 및 2개의 산화 유체의 개구부(13)를 전부 더하면 6개의 공급용 개구부와 배출용 개구부를 구성하며, 이는 사방격자의 기분 단위(16)의 구조이다. 여기에서 말하는 "둘러싸인"의 의미는 2차원 브라비에 격자의 사방격자를 본떠 획득되는 기본 단위(16)의 4개의 선분(벡터)으로 둘러싸인 내측 영역의 개구부를 포함한다. 또한, 2차원 브라비에 격자 배열의 패턴을 따르는 기본 단위(16)는 특별히 사방격자에 한정되지 않고, 장방형 격자, 육방격자, 정방형 격자, 면심장방형 격자를 적용할 수도 있다.
당연하게, 본 발명의 전지 스택형 연료전지가 전기를 발생시키는데 필요한 최소한도의 개구부(11), (12), (13)는 연료 유체 공급용 개구부(11A), 냉각 매질 공급용 개구부(12A), 산화 유체 공급용 개구부(13A), 연료 유체 배출용 개구부(11B), 냉각 매질 배출용 개구부(12B), 산화 유체 배출용 개구부(13B)의 6종이다. 이러한 개구부의 조합을 최소 발전체(17)로 하며, 도 2(a)에 도시된 바와 같다.
도 2(a)에 따르면, 최소 발전체(17) 중, 각종 유체의 개구부(11), (12), (13)로서의 개수는, 4분의 1 이상 또는 4분의 1 미만의 연료 유체의 공급용 개구부(11A), 4분의 1 이상 또는 4분의 1 미만의 연료 유체의 배출용 개구부(11B), 2분의 1 이상 또는 2분의 1 미만의 냉각 매질 공급용 개구부(12A), 2분의 1 이상 또는 2분의 1 미만의 냉각 매질 배출용 개구부(12B), 4분의 1 이상 또는 4분의 1 미만의 산화 유체의 공급용 개구부(13A), 4분의 1 이상 또는 4분의 1 미만의 산화 유체의 배출용 개구부(13B)를 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 단위셀(8)의 면내에 관통 설치되는 개구부(11), (12), (13) 포트의 평면 형상의 경우, 연료 유체의 개구부(11)와 산화 유체의 개구부(13)는 형상이 서로 유사하다. 또한, 도 3(a)는 전방위형 개구부의 포트를 나타낸 도면이고, 도 3(b), (c), (e)는 반방위형 개구부의 포트를 나타낸 도면이며, 도 3(d)는 준방위형 개구부의 포트를 나타낸 도면이다. 본 발명에서 언급하는 "포트"란 유체가 진출입하는 개구부 바깥 둘레의 가장자리와 제1 안내 유로의 경계 부분을 말하며, 도 3 중 P1-P5로 대표되는 선이다. 밀봉재료(19)를 이용하여 단위셀(8)을 구성하는 어느 특정 기능층과 접하는 개구부의 전체적인 바깥 둘레에 대해 밀봉을 실시함으로써, 이 개구부로부터 상기 기능층으로의 공급 유동을 완전히 차단시키거나, 또는 상기 기능층과 인접한 층 사이의 공급 유동을 완전히 차단시키거나 또는 상기 기능층으로부터 개구부로의 배출 유동을 완전히 차단시키거나, 또는 상기 기능층과 인접한 층 사이의 배출 유동을 완전히 차단시킨다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 밀봉재료(19)를 이용하여 단위셀(8)을 구성하는 어느 특정 기능층과 접하는 개구부의 바깥 둘레의 일부에 대해 밀봉을 실시하는 방식을 통해 개구부의 포트를 형성하며, 개구부로부터 상기 기능층으로의 공급 유동, 또는 상기 기능층과 인접한 층 사이의 공급 유동, 또는 상기 기능층으로부터 개구부로의 배출 유동, 또는 상기 기능층과 인접한 층 사이의 배출 유동을 형성한다. 즉, 각종 유체가 단위셀(8)을 향하는 진출입이 밀봉재료(19)에 의해 제어되는 것으로 간주할 수 있다.
상기 개구부(11), (12), (13)의 평면 형상과 밀봉재료(19)를 실시한 부위를 바탕으로, 개구부의 형상을 분류할 수 있다. 도 3에서, 2개의 Y축과 하나의 X축을 사용하고, 제Ⅰ사분면, 제Ⅱ사분면, 제Ⅲ사분면, 제Ⅳ사분면을 사용하여 5종의 개구부의 포트를 구분하였다. 도 3에 도시된 모든 개구부 (A)부터 (E)까지 중, 제Ⅰ사분면의 회전각도는 0~90도이고, 제Ⅱ사분면의 회전각도는 90~180도이며, 제Ⅲ사분면의 회전각도는 180~270도이고, 제Ⅳ사분면의 회전각도는 270~360도이다. Y1축과 Y2축 사이에 밀봉재료(19)가 실시되며, 이 부위는 유체의 유동이 차단되는 부위로서, 어떠한 사분면에도 속하지 않는다. 도 3에 따르면, 즉 각 사분면에 존재하는 개구부 포트의 발산각도(α1, β1)와 수렴각도(α2, β2)는 다음과 같다. 발산각도 α1은 1~180도이고, 발산각도 β1은 1~90도이며, 수렴각도 α2는 1~180도이고, 수렴각도 β2는 1~90도이다.
도 3의 각 도면에 대해 상세히 설명한다. 도 3(a)에 도시된 전방위형 개구부의 예시에서, 상기 개구부의 포트(P1)는 모든 제Ⅰ사분면, 제Ⅱ사분면, 제Ⅲ사분면, 제Ⅳ사분면 내에 배치되며, 각 사분면의 전부 또는 일부에 하나의 부위 또는 하나 이상의 부위의 포트가 배치된다. 밀봉재료(19)가 실시되는 위치는 어떠한 사분면에도 속하지 않는 비동작 영역인 Y1축과 Y2축 사이이다. 본 예에서, 포트의 수는 4개이다. 반방위형 개구부의 포트는 제Ⅰ사분면, 제Ⅱ사분면, 제Ⅲ사분면, 제Ⅳ사분면인 4개의 사분면 중 선택된 임의의 2개의 사분면 내의 전부 또는 일부에 배치된다. 도 3(b)에 도시된 반방위형 개구부의 예시에서, 상기 개구부의 포트(P2)는 제Ⅰ사분면과 제Ⅱ사분면 내의 전부 또는 일부에 배치된다. 밀봉재료(19)가 실시되는 부위는 어떠한 사분면에도 속하지 않는 비동작 영역인 Y1축과 Y2축 사이, 및 제Ⅲ사분면과 제Ⅳ사분면 내의 전부에 배치된다. 본 예에서, 포트의 수는 2개이다. 상기 반방위형 개구부 중 역방향형의 형상이 존재한다. 도 3(c)에 도시된 기타 반방위형 개구부의 예시에서, 상기 개구부의 포트(P3)는 제Ⅰ사분면과 제Ⅲ사분면 내의 전부 또는 일부에 배치된다. 밀봉재료(19)가 실시되는 부위는 어떠한 사분면에도 속하지 않는 비동작 영역인 Y1축과 Y2축 사이, 및 제Ⅱ사분면과 제Ⅳ사분면 내의 전부에 배치된다. 본 예에서, 포트의 수는 2개이다. 상기 반방위형 개구부 중 역방향형의 형상이 존재한다. 준방위형 개구부의 포트는 제Ⅰ사분면, 제Ⅱ사분면, 제Ⅲ사분면, 제Ⅳ사분면인 4개의 사분면에서 선택된 임의의 3개의 사분면 내의 전부 또는 일부에 배치된다. 도 3(d)에 도시된 준방위형 개구부의 예시에서, 상기 개구부의 포트(P4)는 제Ⅰ사분면, 제Ⅲ사분면, 제Ⅳ사분면 내의 전부 또는 일부에 배치된다. 밀봉재료(19)가 실시되는 부위는 어떠한 사분면에도 속하지 않는 비동작 영역인 Y1축과 Y2축 사이, 및 제Ⅱ사분면의 전부에 배치된다. 본 예에서, 포트의 수는 3개이다. 상기 준방위형 개구부 중 역방향형의 형상이 존재한다. 도 3(e)에 도시된 기타 반방위형 개구부의 예시에서, 상기 개구부의 포트(P5)는 제Ⅱ사분면과 제Ⅲ사분면 내의 전부 또는 일부에 배치된다. 밀봉재료(19)가 실시되는 부위는 어떠한 사분면에도 속하지 않는 비동작 영역인 Y1축과 Y2축 사이, 및 제Ⅰ사분면과 제Ⅳ사분면 내의 전부에 배치된다. 본 예에서, 포트의 수는 2개이다. 상기 반방위형 개구부 중 역방향형의 형상이 존재한다.
또한, 도 3에는 3종 개구부의 형상이 도시되었으나, 단 본 발명은 이러한 형상에만 국한되는 것은 아니다.
실시방식 1
첨부도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 방식에 대해 설명한다. 또한, 각 도면에서, 동일하거나 맞먹는 부분은 동일한 부호를 표시하였으며, 그에 대한 중복 설명은 적당히 단순화하거나 생략하였다.
이하, 도 1, 4~13을 사용하여, 본 발명의 실시방식 1의 전지 스택형 연료전지에 대해 설명한다. 또한, 본 발명은 실시방식 1에만 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시방식을 구성하는 단위셀(8)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전해질막(1), 전극 촉매층(2), (3), 기체 확산층(4), (5) 및 세퍼레이터(6), (7)의 부재를 포함한다. 본 발명의 실시방식 1에서, 이러한 구성부재, 및 이들과 관련된 요소가 조립된 전지 스택형 연료전지에 대해 설명한다.
내부 공용 통로(41), (42), (43)(도 1 참조)를 구성하는 단위셀(8)의 면내에, 도 4에 도시된 전방위형 개구부(11), (12), (13)가 관통 설치된다. 도 7~11에 도시된 바와 같이, 양극측 기체 확산층(4), 음극측 기체 확산층(5), 양극측 세퍼레이터(6) 및 음극측 세퍼레이터(7)에 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 구성하는 전방위형 개구부(11), (12), (13)가 관통 설치된다. 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 배열이 확장된 후의 다수의 단위셀(8)을 스택한 결과, 내부 공용 통로(41), (42), (43)가 전지 스택 구조체(9)의 내측에 형성된다.
본 발명의 일 실시방식에서 다루는 단위셀(8)은 양극측 세퍼레이터(6), 음극측 기체 확산층(4), 양극측 촉매층(2), 전해질막(1), 음극측 촉매층(3), 음극측 기체 확산층(5), 음극측 세퍼레이터(7)의 이 7가지 기능층이 순차적으로 병합되고 적층되어 구성되며, 현재 통상적으로 사용되는 연료전지 단위셀의 두께보다 얇은 두께로 제작하는 것이 바람직하다. 도 7-11을 참조하면, 본 발명의 일 실시방식의 전지 스택 구조체(9)의 주기 두께, 즉 인접한 단위셀(8)의 상부면(또는 하부면 역시 가능) 사이의 간격(Th)에 관하여 설명하면, 상기 두께는 0.9<Th≤1.2이거나, 또는 0.5<Th≤0.9, 또는 0.1<Th≤1.2이다. 이러한 간격은 단위셀(8)의 두께와 단위셀(8) 사이의 냉각 매질 유로(32)로 사용되는 간격을 포함한다. 따라서, 단위셀(8) 두께의 최대값은 1.2mm를 초과하지 않는다. 통상적으로, 두께가 두꺼울수록, 제작 비용이 저렴해지나, 단 배터리의 에너지밀도 역시 낮아지고; 반대로, 두께가 얇을수록, 제작 비용이 증가하나, 단 배터리의 에너지밀도 역시 증가한다. 상기 범위 내에서 제작 비용과 배터리의 에너지밀도 간에 균형을 얻을 수 있도록 적합한 하위 범위(subrange)를 선택할 수 있다.
본 발명의 일 실시방식에서 다루는 단위셀(8)의 구성부재 및 이들과 관련된 요소는 공지의 기재(substrate)를 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 관용적인 기술을 사용하여 단위셀(8)의 구성부재 및 그들과 관련된 요소를 제작할 수 있으며, 본 발명에서는 공지의 기재와 관용 기술에 관해 특별한 제한이 없다. 이하, 각 구성부재에 대해 간단히 설명한다.
[전해질막]
전기화(electrification)부로서의 전해질막(1)은 통상적으로 대략 불소계 고분자 전해질막과 탄화수소계 고분자 전해질막으로 구분할 수 있다. 불소계와 탄화수소계 중의 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있으며, 또한, 한 종류의 전해질을 단독으로 사용할 수도 있고, 두 종류 이상의 다수의 전해질을 병합하여 사용할 수도 있다. 전해질막(1)이 갖추어야 할 주요 기능은 양호한 프로톤(proton) 전도성, 반응 기체의 비투과성, 전자 절연성 및 물리 화학적 고 내구성을 들 수 있다.
[ 촉매층 ]
전해질막(1)의 양측에 배치되는 양극측 촉매층(2)과 음극측 촉매층(3)에서, 양극과 음극의 연료전지 반응이 발생한다. 양극측 촉매층(2)에서 수소가 프로톤과 전자로 분해되는 반응(수산화 반응)이 촉진되고, 음극측 촉매층(2)에서, 프로톤, 전자, 산소로부터 물이 생성되는 반응(산소 환원반응)이 촉진된다. 부하형 카본블랙 촉매와 부하형 백금 촉매 등으로부터 촉매 입자가 형성되며, 양극측 촉매층(2)과 음극측 촉매층(3)은 예를 들어 촉매로서의 백금 또는 백금과 기타 금속으로 구성되는 합금을 포함한다.
또한, 본 발명 중 전해질막(1), 및 전해질막(1)의 양측에 배치되는 양극측 촉매층(2)과 음극측 촉매층(3)은 촉매 코팅막(Catalyst Coated Membrane, CCM)(M101)을 구성한다(도 6 참조). CCM막(M101)과 CCM 지지막(M102)은 감합 구조체(M103)와 함께 CCM판(M100)을 구성한다.
[기체 확산층 ]
양극측 기체 확산층(4)은 CCM판(M100)과 양극측 세퍼레이터(6) 사이에 위치하고, 음극측 기체 확산층(5)은 CCM판(M100)과 음극측 세퍼레이터(7) 사이에 위치한다. 기체 확산층(4), (5)은 화학반응에 필요한 수소와 공기를 전해질막(1)의 면 방향을 따라 효율적으로 안내하는 기능을 구비한 층이다. 즉, 각 도면에 도시된 바와 같이, 양극측 기체 확산층(4)에 연료 유체를 확산시킬 수 있는 유로가 설치되고, 음극측 기체 확산층(5)에 산화 유체를 확산시킬 수 있는 유로가 설치된다. 양극측 기체 확산층(4)과 음극측 기체 확산층(5)은 예를 들어 탄소섬유로 구성되는 실로 직조된 카본직물, 또는 카본지, 카본펠트를 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
[ 세퍼레이터 ]
세퍼레이터는 발전체로서의 단위셀(8)을 서로 획분하는 금속판으로서, 한 쌍의 세퍼레이터(6), (7) 사이에 전기를 발생시키는데 필요한 전해질막(1), 양극측 촉매층(2), 음극측 촉매층(3), 양극측 기체 확산층(4), 음극측 기체 확산층(5)이 수납된다. 양극측 세퍼레이터(6)와 음극측 세퍼레이터(7)는 기체 확산층(4), (5)측과 서로 접하는 면에 각각 반응 기체가 흐를 수 있는 제1 안내 유로, 제2 안내 유로 및 메인 유로가 구성되고, 양극측 세퍼레이터(6)와 음극측 세퍼레이터(7)의 반대측 면에 각각 냉각 매질이 흐르기 위한 유로가 형성된다.
세퍼레이터(6), (7)는 기체 차단성, 화학 안정성 및 전자 전도성을 구비한 판으로 구성된다. 세퍼레이터로서, 예를 들어 알루미늄, 구리, 스테인리스강 등 각종 다양한 금속판, 금속호일, 금속 박막등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 이러한 금속판, 금속호일, 금속박막은 내부식성과 기계강도를 지닌 전도성 재료로 형성된다. 또한 상기 금속판, 금속호일, 금속박막은 표면 도포, 코팅 및 표면의 물리 화학적 처리를 통해 내부식성, 기계강도 및 전도성을 더욱 향상시킨 부재인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명 중 구성부재의 형태는 상기 구조로 한정되지 않고 적당히 변경을 실시할 수 있다.
이하, 도 3, 4를 참조하여, 본 발명의 실시방식 1 중 단위셀(8)의 면내에 배열되는 전방위형 개구부 포트의 특징, 및 그 배열의 배치에 대해 설명한다.
도 4는 2차원으로 확장되는 브라비에 격자의 규칙성을 응용하여 본 발명의 단위셀(8)의 면내에 관통 설치되는 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 배열을 도시한 것이다. 도 4에 도시된 전방위형 개구부(11), (12), (13)는 각각 각종 유체의 공급용 개구부 및 배출용 개구부로서, 하기 방식, 즉, 연료 유체 공급용 개구부(11A), 냉각 매질 공급용 개구부(12A), 산화 유체 공급용 개구부(13A), 연료 유체 배출용 개구부(11B), 냉각 매질 배출용 개구부(12B), 산화 유체 배출용 개구부(13B)로 구분한다. 도 4에서 다양한 개구부 형상의 일종으로서 전방위형을 도시하였으며, 따라서 상기 전방위형 개구부에 발산각도를 갖는 유출을 설정할 수 있다. 도 4에 도시된 예시에서, 전방위형 개구부(11), (12), (13) 포트의 배치에 관하여 설명하면, 제Ⅰ사분면과 제Ⅳ사분면 또는 제Ⅱ사분면과 제Ⅲ사분면에 배치되는 포트를 통해 유출되는 각종 유체는 각종 유체의 발산 각도가 1도 이상 180도 이하인 전방위 유출로 설계된다. 또한, 상기 사분면에 배치되는 포트를 통해 유입되는 각종 유체는 각종 유체의 수렴각도가 1도 이상 180도 이하인 전방위 유입으로 설계된다.
각종 유체의 유동을 눈으로 관찰할 수 없기 때문에, 화살표 부호를 사용하여 유동을 가시화하였다. 제Ⅰ사분면, 제Ⅱ사분면, 제Ⅲ사분면, 및 제Ⅳ사분면에 배치되는 전방위형 개구부의 포트를 향하는 화살표는 각종 유체가 전방위형 개구부로 유입되는 방향을 도시한 것이고, 제Ⅰ사분면, 제Ⅱ사분면, 제Ⅲ사분면, 및 제Ⅳ사분면에 배치되는 전방위형 개구부의 포트로부터 방사상으로 방출되는 화살표는 각종 유체가 전방위형 개구부로부터 유출되는 방향을 도시한 것이다. 도 4에서, 전방위형 개구부의 형상에 관하여 설명하면, 냉각 매질의 개구부(12)는 직사각형이고, 연료 유체의 개구부(11)와 산화 유체의 개구부(13)는 각각의 면적이 상이한 육변형으로 형성된다(즉, 산화 유체 개구부(13)의 면적이 연료 유체의 개구부(11)의 면적보다 크다). 또한, 도 3(a)에 도시된 전방위형 개구부의 형상은 대칭이므로, 따라서 그 역방향형은 존재하지 않는다.
기본단위(16)는 벡터 A(도 4의 부호 14)와 벡터 B(도 4의 부호 15)로 그려진 2차원 브라비에 격자 배열의 패턴을 따르는 최소 중복 단위를 나타내며, 전방위형 개구부의 2차원 배열을 확장시키는 중복 단위이다(2차원 확장을 응용한 것은 도 2, 도 4 중 A축과 B축으로 구성된 평면에 위치하는 단위셀(8)의 면내이다). 전방위형 개구부의 배열 패턴은 벡터 A(도 4의 부호 14)의 A 방향 및/또는 그 역방향 및 벡터 B(도 4의 부호 15)의 B 방향 및/또는 그 역방향이며, 상기 기본 단위(16)가 반복되면서 평행하게 이동하여 획득되는 패턴이다. 전방위형 개구부의 배치는 상기 패턴의 주기적 또는 준주기적인 배열에 따른다. 최소 발전체(17)는 전기를 발생시키는데 필요한 전방위형 개구부의 종류를 갖는 최소 구성체로서, 상기 최소 구성체(17)는 전기를 발생시키는데 필요한 최소한의 각종 유체의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)와 각종 유체의 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)의 6종을 포함한다.
또한, 도 4에 기재된 사변형 중 확장을 진행하는 점선 화살표는 도면 제작의 편의를 위해 반복적으로 연속 배열되는 전방위형 개구부(11), (12), (13)를 생략한 부분을 나타내나, 단 상기 반복적인 배열이 무한히 확장된다는 의미는 포함하지 않는다. 또한, 도 4의 단위셀(8)의 사변형에 나타낸 물결형 윤곽선은 생략 부분을 잘라낸 후의 상태를 나타낸다. 도 4의 점선 화살표로 "반복"을 나타내고자 한 의도는 이때, 이 곳의 상황에 더욱 잘 매치시킴으로써 2차원 확장을 바탕으로 하는 개구부(11), (12), (13)의 배열을 구현하기 위해서이다. 또한, 도 4에서, 각종 유체의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)의 부호는 X 표기로 표시하였고, 각종 유체의 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)의 부호는 검정색 원형 표기로 표시하였다.
도 4에 도시된 본 발명의 단위셀(8)의 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 열 사이에 그려진 우하향 점선은 각종 유체에 각각 대응되는 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)와 각종 유체의 배출용 개구부(11B), (12B), (13B) 사이에 형성된 유로(연료 유체의 공급 배출 유로(31), 냉각 매질의 공급 배출 유로(32), 산화 유체의 공급 배출 유로(33))의 개념상의 선을 나타내는 것이나, 단 이러한 선이 반드시 실제의 유로(31), (32), (33)와 동일하다는 것에 한정되지 않는다. 또한, 각종 유체는 비록 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)로부터 가장 인접한 대응 위치에 위치한 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)를 향해 유동하나, 설사 가장 근접한 대응위치에 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)가 존재하더라도, 공급 배출 유로(31), (32), (33)가 안내하지 않는 비대응 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)로는 유동하지 않는다.
따라서, 본 발명의 실시방식 1에서, 2차원으로 확장되는 브라비에 격자의 규칙성을 응용한 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 배열을 고려하는 방법의 특징 중 하나는 다음과 같다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 2차원으로 확장되는 브라베이 격자의 패턴을 따르는 기본단위(16)를 반복 단위로 하여 전방위형 개구부(11), (12), (13)를 배열한다. 일 예시로서, 벡터 A(도 4의 부호 14)와 벡터 B(도 4의 부호 15)로 그려진 사방격자를 본떠 획득되는 기본 단위(16)로 둘러싸인 영역 내측의 전방위형 개구부(11), (12), (13)로서의 면적은, 상기 4개의 선분과 서로 만나는 4개의 연료 유체의 개구부(11A), (11B)가 그 내측에서는 2분의 1이므로, 따라서 총 합계는 2개의 개구부(1/2x4=2)이다. 그 중 2개의 선분과 서로 만나는 4개의 냉각 매질의 개구부(12A) 중, 그 내측은 2분의 1이므로, 병합하면 즉 2개의 개구부 (1/2x4=2)가 되며, 선분과 만나지 않는 내측에 위치한 냉각 매질의 개구부(12B)는 2개이므로, 이들을 병합하면, 즉 4개의 개구부(1/2x4+2=4)로 계산된다. 기본 단위(16)의 4개의 모서리에 위치한 4개의 산화 유체의 개구부(13A)는 그 내측에서는 4분의 1으므로, 병합하면 1개의 개구부(1/4x4=1)가 되며, 선분과 만나지 않는 내측에 위치한 산화 유체의 개구부(13B)는 1개이므로, 이들을 병합하면, 즉 2개의 개구부(1/4x4+1=2)가 된다. 4개의 선분과 만나지 않는 내측에 위치한 개구부(12B), (13B)도 포함시키고, 이들을 모두 병합하며, 2개의 연료 유체의 개구부(11), 4개의 냉각 매질의 개구부(12), 및 2개의 산화 유체의 개구부(13)를 전부 병합하여 8개의 공급용 개구부와 배출용 개구부를 획득한다. 이는 사방격자의 기본단위(16)의 구조이다. 여기에서 말하는 "둘러싸인"이라는 의미는 2차원 브라비에 격자의 사방격자를 본떠 획득되는 기본 단위(16)의 4개의 선분(벡터)으로 둘러싸인 내측 영역의 전방위형 개구부를 포함한다. 또한, 2차원 브라비에 격자 배열의 패턴을 따르는 기본 단위(16)는 특별히 사방격자에 한정되지 않고, 장방형 격자, 육방격자, 정방형 격자, 면심장방형 격자를 적용할 수도 있다.
당연하게, 본 발명의 실시방식 1의 전지 스택형 연료전지가 전기를 발생시키는데 필요한 최소한도의 전방위형 개구부(11), (12), (13)는 연료 유체 공급용 개구부(11A), 냉각 매질 공급용 개구부(12A), 산화 유체 공급용 개구부(13A), 연료 유체 배출용 개구부(11B), 냉각 매질 배출용 개구부(12B), 산화 유체 배출용 개구부(13B)인 6종이다. 이를 최소 발전체(17)로 하며, 도 4에 도시된 바와 같다. 본 발명의 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 배열의 배치를 설계 시 주의해야 할 점으로, 고출력밀도와 고용량을 가지는 전지 스택형 연료전지를 획득하기 위해서는, 반응 기체가 단위셀(8)의 양극측 촉매층(2)과 음극측 촉매층(3)의 발전 영역에 가장 효과적으로 확산되어, 고효율로 열을 냉각시킬 수 있도록, 필요한 최소한의 16종의 전방위형 개구부(11), (12), (13)를 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 기본 단위(16)를 이용하여 설계된 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 종류 및 이들의 면적은 적어도 반드시 최소 발전체(17)의 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 종류 및 이들의 면적을 충족시켜야 한다. 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 종류 및 면적에 관해서는, 기본 단위(16)와 최소 발전체(17)는 같을 수도 있고, 기본 단위(16)가 최소 발전체(17)보다 클 수도 있으나, 기본 단위(16)가 최소 발전체(17)보다 작은 관계는 성립되지 않는다.
도 4에 따르면, 최소 발전체(17)로 둘러싸인 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 면적은 다음과 같다. 하나의 연료 유체의 공급용 개구부(11A) 면적의 4분의 1, 하나의 연료 유체의 배출용 개구부(11B) 면적의 4분의 1, 하나의 냉각 매질의 공급용 개구부(12A) 면적의 2분의 1, 하나의 냉각 매질의 배출용 개구부(12B) 면적의 2분의 1, 하나의 산화 유체의 공급용 개구부(13A) 면적의 4분의 1, 하나의 산화 유체의 배출용 개구부(13B) 4분의 1이다.
이하, 도 5를 사용하여 전방위형 개구부의 포트로부터 유입, 유출되는 각종 유체(반응 기체)의 유동에 대해 설명한다. 단 본 발명은 상기 형상으로 한정되지 않는다(전방위형).
도 5 중 전방위형 개구부와 관련된 유동을 나타낸 예시에 따르면, 포트의 형상은 각각의 개구부 중 제Ⅰ사분면과 제Ⅳ사분면 또는 제Ⅱ사분면과 제Ⅲ사분면에 배치되는 포트를 통해 유출되는 반응 기체(연료 유체, 산화 유체)의 발산 각도가 1도 이상 180도 이하로 설계된다. 또한, 각종 반응 기체의 유동은 눈으로 관찰할 수 없기 때문에, 도 5에서는 화살표를 사용하여 유동을 가시화하였다. 전방위형 개구부의 포트를 향하는 화살표는 반응 기체가 제1 안내 유로로부터 포트를 통과하여 배출용 전방위형 개구부(11B), (13B)로 유입되는 유동선을 나타낸 것이고, 전방위형 개구부의 포트로부터 방사상으로 방출되는 화살표는 반응 기체가 공급용 전방위형 개구부(11A), (13A)로부터 포트를 통과하여 제1 안내 유로로 배출되는 유동선을 나타낸 것이다. 도 5에서, 각종 반응 기체가 연료 유체의 전방위형 개구부(11) 및 산화 유체의 전방위형 개구부(13)의 좌우 위치(즉, 제Ⅰ사분면에서 제Ⅳ사분면까지)에 존재하는 포트를 향해 유입, 유출되는 상황을 도시하였다. 도 5(a)는 연료 유체의 전방위형 개구부(11)와 산화 유체의 전방위형 개구부(13) 중 상이한 면적을 지닌 육변형 포트의 형상을 도시하였다. 도 5(b)는 호도를 갖는 연결선을 구비한 동일한 포트의 형상을 도시하였다. 또한, 본 발명의 포트 형상이 다변형(예를 들어 직사각형, 육변형), 변형 다변형(다변형의 일부 변이 곡선으로 변형되는 경우), 원형, 타원형 및 이들의 세장형의 임의의 변형, 또는 이들의 조합이더라도, 실시가 가능하다. 또한, 본 발명의 포트 형상으로서, 본 발명의 실시방식 1의 전방위형 개구부의 단일한 구조에 한정될 필요 없이, 후술하는 기타 포트의 형상(반방위형, 준방위형 등)과 각종 조합을 실시하여 단위셀(8)에 형성할 수도 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시방식 1의 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 포트 형상을 변경하는 방식을 통해, 유로의 설계를 최적화할 수 있으며, 이에 따라 CCM의 발전량을 최대화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시방식 중 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 CCM판(M100)에 대해 상세히 설명한다. CCM 촉매 코팅막은 3층 MEA라고도 칭한다. CCM판(M100)은 전해질막(1), 양극측 촉매층(2) 및 음극측 촉매층(3)으로 구성되는 CCM막(M101), 상기 CCM막(M101)을 유지시키는 CCM 지지막(M102), 및 이들에 관통 설치되는 개구부(11), (12), (13)의 총칭이다.
도 6(a)는 본 발명의 일 실시방식의 CCM막(M101), 이를 유지시키는 CCM 지지막(M102), 및 개구부(11), (12), (13)를 포함하는 CCM판(M100)의 구조 평면도이고, 도 6(b)는 도 6(a)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 CCM판(M100)의 단면도이다.
도 6에 도시된 개구부(11), (12), (13)의 열의 양측에 CCM막(M101)이 배치된다. 도 6은 본 발명의 일 실시방식인 전방위인 경우를 도시하였으나, 후술하는 실시방식 2에 기재된 반방위 및 기타 변형예에 기재된 준방위의 경우 역시 동일하다. 도 6(b)의 단면도에 도시된 바와 같이, CCM 지지막(M102)에 감합 구조체(M103)가 구비되어, 다수의 CCM막(M101)이 감합되며, 감합 구조체(M103)의 양단에 CCM막(M101)이 감합되는 방식으로 유지된다. 도 6에 도시된 바와 같이, CCM 지지막(M102)의 기재(substrate)부에 개구부(11), (12), (13)가 관통 설치된다. 또한, 개구부(11), (12), (13)의 부근에 제1 안내 유로와 제2 안내 유로가 형성된다. 지지막(M102)은 적어도 개구부(11), (12), (13)의 측벽에 밀봉재료를 구비하여, 연료 유체, 냉각 매질과 산화 유체가 개구부(11), (12), (13)로부터 단위셀의 연장방향을 따라 CCM막(M101) 내에 유입되는 것을 차단한다. 전형적으로, 전체적인 지지막(M102)은 밀봉재료로 구성될 수 있다. 지지막(M102)이 적어도 개구부(11), (12), (13)의 측벽에 밀봉재료를 구비 시, 이 한 층의 밀봉재료는 밀봉재료(19)와 동일한 재료를 사용할 수도 있고, 상이한 재료를 선택하여 사용할 수도 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, CCM 지지막(M102)의 기재부에 개구부(11), (12), (13)가 관통 설치되며, CCM막(M101)이 CCM 지지막(M102) 단부의 감합 구조체(M103)에 의해 협지되어, 이와 같이 CCM판(M100)을 구성한다. 양극측에서, 연료 유체의 공급용 개구부(11A)의 포트를 통해 연료 유체, 물, 수증기가 공급되어, 양측에 의해 협지되는 CCM막(M101)에서 유통되고, 촉매 반응을 통해 획득되는 수소 이온은 CCM막(M101)을 투과하며, 미반응 연료 유체, 물, 수증기는 연료 유체의 배출용 개구부(11B) 포트를 통해 배출된다. 음극측에서, 산화 유체의 공급용 개구부(13A)의 포트를 통해 산화 유체, 물, 수증기가 공급되며, 산화 유체는 CCM막(M101)을 투과하여 수소 이온과 반응하여 물을 형성하고, 반응으로 형성된 물은 미반응 산화 유체, 물, 수증기와 함께 산화 유체의 배출용 개구부(13B)의 포트를 통해 배출된다.
개구부(11), (12), (13)와 CCM막(M101)을 교대로 협지하는 설계 구조를 응용할 경우, 정밀하게 재단된 CCM막(M101)을 한 장도 낭비하지 않고 이용할 수 있으며, 따라서 고가의 CCM막(M101)을 효과적으로 이용할 수 있어 생산성이 향상되는 장점을 지닌다.
이어서, 도 7~11, 16~20을 참조하여 밀봉재료(19)와 기체 확산층(4), (5)에 관련된 유로 형성에 대해 설명한다. 또한, 이러한 도면에서, 도면의 이해와 설명의 편의를 위해, 정확한 비례척을 사용하지 않고, 두께가 비교적 얇은 부재의 두께를 확대시켜 표시하였음에 유의한다. 도면 중, 동일한 부재는 동일한 부호로 표시하였다.
본 발명의 일 실시방식에서, 밀봉재료(19)가 실시되는 부위는 개구부(11), (12), (13)의 주변이다. 밀봉재료(19)가 실시되지 않은 개구부(11), (13)의 주변에는 반응 기체가 유입, 유출되는 부위가 되는 포트가 구비되며, 상기 포트는 제1 안내 유로(31M1), (33M1)와 직접 연결된다. 제1 안내 유로(31M1), (33M1)는 가는 수염 형상의 선으로 나타내었다.
본 발명의 일 실시방식에서, 밀봉재료(19)를 단위셀(8) 사이와 내부에 적당히 제작하고, 두 장의 서로 인접한 단위셀(8) 사이의 냉각 매질 공급 배출 유로(32)와 각종 유체의 개구부(11), (12), (13)의 연결부, 및 연료 유체 공급 배출 유로(31), 산화 유체 공급 배출 유로(33)와 각종 유체의 개구부(11), (12), (13)의 연결부를 형성함으로써, 밀봉재료(19)가 반응 기체와 냉각 매질을 단위셀(8)로 공급 및 배출하는 유동을 안내하는 기능을 담당한다.
본 발명에서 사용 가능한 밀봉재료(19)로서, 특별한 제한이 없는 한, 스크린인쇄를 통해 평탄부에 도포될 수 있는 고무, 접착테이프, 고무 밀봉테이프, 밀봉 접착제 등을 사용할 수 있다. 밀봉재료(19)는 상기 공급용 개구부와 배출용 개구부의 바깥 둘레 가장자리에 실시되며, 기체를 밀봉할 필요가 있는 부분에 대해서는 완전히 밀봉되어 기체의 누설이 없는 상태로 설치해야 한다. 또한, 화학, 열학적 안정성을 구비하고, 강도 내구성이 양호한 밀봉 구조체를 획득하는 것이 더욱 바람직하다.
먼저, 본 발명의 실시방식 1의 단위셀(8)의 양극측 유로와 전방위형 개구부(11), (12), (13) 주변의 구조에 관하여, 도 7을 참조하면서 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시방식 1의 CCM판(M100)의 양극측 유로를 설명한 도면이고, 도 7(a)는 도 7(b)와 도 7(c)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따른 단위셀(8)의 입체 단면도이며, 도 7(b)는 양극측 세퍼레이터(6)를 제거 시 나타나는 양극측 기체 확산층(4)의 평면도이고, 도 7(c)는 도 7(b)의 양극측 기체 확산층(4)을 제거 시 나타나는 CCM판(M100)의 평면도이다. 도 7(a)의 좌측 상방에 위치한 수직 방향의 두 화살표(C)는 단위셀(8)의 스택 방향을 나타낸다. 하나의 단위셀(8)을 도시한 도 7(a)의 좌측에 공급 배출 유로(31), (32), (33)의 위치 관계를 도시하였다. 별표 "*"가 표시된 유로는 도 7(a)의 예시에서는 유로(31)만 활성화(active)된 유로이고, 다른 유로는 활성화되지 않았음을 설명하나, 실제 작동 시, 기타 유로 역시 활성화된 것일 수 있다. 도 7(a)의 활성화된 유로(31)에서 인출된 횡방향 화살표는 연료 유체가 유로(31)를 통과하여 흐르는 방향을 나타낸다. 상향 종방향 화살표는 연료 유체의 공급용 내부 공용통로(41A)의 유동을 나타내고, 하향 종방향 화살표는 연료 유체의 배출용 내부 공용통로(41B)의 유동을 나타낸다.
본 발명의 실시방식 1에 따르면, 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 주변에 위치하는 밀봉재료(19)를 이용하여 각종 유체의 유동을 제어하는 구조를 채택하였다. 구체적으로 설명하면, 도 7(b)의 양극측 기체 확산층(4)의 평면도에서 볼 수 있듯이, 수소 이온이 CCM막(M101)을 투과하므로, 냉각 매질의 공급 배출용 개구부(12A), (12B)와 산화 유체의 공급 배출용 개구부(13A), (13B)의 주위에 냉각 매질과 산화 유체가 양극측 기체 확산층(4)으로 유입되지 않도록 차단하는 밀봉재료(19)가 실시되고, 연료 유체의 공급 배출용 개구부(11A), (12B)의 포트에는 연료 유체가 양극측 기체 확산층(4)으로 유입되도록 밀봉재료(19)가 설치되지 않는다.
도 7(c)의 CCM판(M100)의 평면도를 관찰해보면 알 수 있듯이, 양극측 기체 확산층(4)의 CCM판(M100)측을 향하는 연료 유체의 공급 배출용 개구부(11A), (12B)의 주변에, 31M1A, 31M1B로 구성되는 제1 안내 유로 및 31M2A, 31M2B로 구성되는 제2 안내 유로가 설치된다. 그 중 31M1A는 공급용 제1 안내 유로이고, 31M1B는 배출용 제1 안내 유로이며, 31M1A, 31M1B는 유사하다. 부합되지 않는 냉각 매질의 개구부(12)와 산화 유체의 개구부(13)의 주변에는 밀봉재료(19)가 설치되며, 상기 밀봉재료(19)는 각각의 전방위형 개구부(12), (13)와 연결될 수도 있고, 연결되지 않을 수도 있다.
도 7(a)의 입체도는 연료 유체의 공급용 개구부(11A)와 배출용 개구부(11B)의 밀봉 부위를 나타낸 것이다. 양극측 기체 확산층(4) 및 그것과 서로 인접한 제1 안내 유로(31M1A), (31M1B)와 연결되는 연료 유체의 개구부(11A), (11B)의 포트에 대해 밀봉재료(19)를 실시하지 않기 때문에, 연료 유체가 유로(31)로 유동하는 것을 확실히 보장할 수 있다. 이와 동시에, 음극측 기체 확산층(5) 및 산화 유체 유로(33)와 연결되는 연료 유체 개구부(11A), (11B)의 부위, 및 양극측 세퍼레이터(6) 및 그것과 인접한 음극측 세퍼레이터(7) 사이의 냉각 매질의 유로(32)와 연결되는 연료 유체 개구부(11A), (11B)의 부위는 전부 밀봉재료(19)에 의해 차단되므로, 연료 유체가 상기 무관한 유로인 유로(32), (33)로는 유입되지 않는다.
이밖에, 도 7(a)의 확대도를 통해 알 수 있듯이, 연료 유체의 공급용 내부 공용통로(41A)를 통해 제공되는 연료 유체의 유동은 연료 유체의 공급용 개구부(11A)에서 두 경로로 갈라진다. 이 두 갈래 경로로의 유동 중, 상측의 화살표가 나타내는 유동은 도 11에서 설명할 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 양극측 세퍼레이터(6)에 설치되는 제1 안내 유로(31S1A), 제2 안내 유로(31S2A)와 메인 유로(31S0)의 유동을 나타내고, 하측의 화살표가 나타내는 유동은 양극측 기체 확산층(4) 측을 향하는 CCM판(M100)에 설치되는 제1 안내 유로(31M1A)와 제2 안내 유로(31M2A)의 유동을 나타낸다. 따라서, 활성화된 유로인 연료 유체의 유로(31)는 이 2개의 유로로 구성된다. 그 중 하나의 유로는 양극측 세퍼레이터(6)에 설치되는 유로로서, 제1 안내 유로(31S1A), 제2 안내 유로(31S2A)와 메인 유로(31S0)로 구성된다. 다른 유로는 CCM판(M100)에 설치되는 유로로서, 제1 안내 유로(31M1A)와 제2 안내 유로(31M2A)로 구성된다. 마찬가지로, 상기 갈라진 후의 2개의 미반응 연료 유체의 유동은 연료 유체의 배출용 개구부(11B) 부위에서 합류하여, 연료 유체의 배출용 내부 공용통로(41B)로 배출된다.
연료 유체의 유동 경로(31)는 하기의 순서이다. 즉, 연료 유체의 공급 경로는 1) 연료 유체의 공급용 개구부(11A)→ 제1 안내 유로(31S1A)→ 제2 안내 유로(31S2A)→ 메인 유로(31S0)→ 양극측 기체 확산층(4)으로 구성된 양극측 세퍼레이터(6) 측의 경로, 및 2) 연료 유체의 공급용 개구부(11A)→ 제1 안내 유로(31M1A)→ 제2 안내 유로(31M2A)→양극측 기체 확산층(4)으로 구성되는 CCM판(M100)측의 경로이다. 공급되는 연료 유체의 일부분은 양극측 기체 확산층(4)으로 확산되고, 양극측 촉매층(2)에서 수산화 반응이 발생하여, 수소 이온이 CCM막(M101)을 투과한다. 다른 한편으로, 미반응된 연료 유체의 배출 경로는 1) 메인 유로(31S0)(양극측 기체 확산층(4)→ 메인 유로(31S0) 포함)→ 제2 안내 유로(31S2A)→ 제1 안내 유로(31S1A)ㅍ 연료 유체의 배출용 개구부(11B)로 구성된 양극측 세퍼레이터(6)측의 경로, 및 2) 양극측 기체 확산층(4)→ 제2 안내 유로(31M2B)→ 제1 안내 유로(31M1B)→ 연료 유체의 배출용 개구부(11B)로 구성되는 CCM판(M100)측의 경로이다. 이러한 공급, 배출 경로의 상황을 "공급 배출 유로(31)"라고 칭한다. 또한, 안내 유로는 상기 각 안내 유로로 한정되지 않으며, 예를 들어, 제3 안내 유로를 형성할 수도 있다.
또한, 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 양극측 세퍼레이터(6), 및 그것과 서로 인접한 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 음극측 세퍼레이터(7) 사이에 냉각 매질의 유로(32)(이후 설명할 것이다)가 설치된다.
또한, 도 7(b)와 7(c)에 도시된 바와 같이, 산화 유체의 전방위형 개구부(13)의 주변에 실시되는 밀봉재료(19), 및 냉각 매질의 전방위형 개구부(12) 주변에 실시되는 밀봉재료(19)는 일체화될 수도 있고, 밀봉재료(19)의 가공이 용이해지도록 연결되지 않을 수도 있다.
또한, 도 7(a)를 통해 알 수 있듯이, 양극측 기체 확산층(4)은 상기 CCM판(M100)측에 형성되는 연료 유체의 공급 배출 유로(31)(제1 안내 유로(31M1), 제2 안내 유로(31M2))에 중첩되게 배치된다. 이와 동시에, 상기 양극측 기체 확산층(4)은 상기 양극측 세퍼레이터(6)를 향하는 측에 형성되는 연료 유체의 공급 배출 유로(31)(제1 안내 유로(31S1), 제2 안내 유로(31S2), 메인 유로(31S0))에 중첩되게 배치된다.
또한, 도 7에 도시된 전방위형 개구부의 배열 배치는 각종 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부가 동일한 열에 동종 유체의 공급용 개구부만 설치되거나 또는 동종 유체의 배출용 개구부만 설치되는 예시이며, 각종 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부로 구성되는 열 사이는 대체로 등간격으로 설치된다. 또한, 전방위형 개구부의 배열 배치는 특별히 본 예로 한정되지 않는다.
이어서, 본 발명의 실시방식 1의 단위셀(8)의 음극측 유로 및 전방위형 개구부(11), (12), (13) 주변의 구조에 관하여, 도 8을 참조하면서 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시방식 1의 CCM판(M100)의 음극측 유로를 설명한 도면으로서, 도 8(a)는 도 8(b)와 도 8(c)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따른 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 8(b)는 음극측 세퍼레이터(7)를 제거 시 나타나는 음극측 기체 확산층(5)의 평면도이며, 도 8(c)는 도 8(b)의 음극측 기체 확산층(5)을 제거 시 나타나는 CCM판(M100)의 평면도이다. 도 8(a)의 좌측 상방에 위치한 수직 방향의 두 화살표(C)는 단위셀(8)의 스택 방향을 나타낸다. 하나의 단위셀(8)을 도시한 도 8(a)의 좌측에 공급 배출 유로(31), (32), (33)의 위치 관계를 도시하였다. 별표 "*"가 표시된 유로는, 도 8(a)의 예시에서는 유로(33)만 활성화(active)된 유로이나, 실제 작동 시, 기타 유로 역시 활성화된 것일 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 도 8(a)의 활성화된 유로(33)에서 인출된 횡방향 화살표는 산화 유체가 유로(33)를 통과하여 흐르는 방향을 나타낸다. 상향 종방향 화살표는 산화 유체의 공급용 내부 공용통로(43A)의 흐름을 나타내고, 하향 종방향 화살표는 산화 유체의 배출용 내부 공용통로(43B)의 흐름을 나타낸다.
본 발명의 실시방식 1에 따르면, 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 주변에 위치하는 밀봉재료(19)를 이용하여 각종 유체의 유동을 제어하는 구조를 채택한다. 구체적으로 설명하면, 도 8(b)의 음극측 기체 확산층(5) 측의 평면도를 통해 볼 수 있듯이, CCM막(M101)으로부터 투과되는 수소 이온과 산화 유체의 반응을 촉진시키기 위하여, 연료 유체의 공급 배출용 개구부(11A), (11B), 냉각 매질의 공급 배출용 개구부(12A), (12B)에 대해, 연료 유체와 냉각 매질이 음극측 기체 확산층(5)으로 유입되지 않도록 차단하는 밀봉재료(19)가 실시되고, 산화 유체의 공급 배출용 개구부(13A), (13B)의 포트에는 산화 유체가 음극측 기체 확산층(5)으로 유입되도록 하기 위해 밀봉재료(19)가 설치되지 않는다.
도 8(c)의 CCM판(M100)의 평면도를 관찰해보면 알 수 있듯이, 음극측 기체 확산층(5)의 CCM판(M100)측을 향하는 산화 유체의 공급 배출용 개구부(13A), (13B)의 주변에, 제1 안내 유로(33M1A), (33M1B) 및 제2 안내 유로(33M2A), (33M2B)가 설치된다. 부합되지 않는 연료 유체의 개구부(11)와 냉각 매질의 개구부(12)의 주변에는 밀봉재료(19)가 설치되며, 상기 밀봉재료(19)는 각각의 전방위형 개구부(11), (12)와 연결될 수도 있고, 연결되지 않을 수도 있다.
도 8(c)의 CCM판(M100)의 평면도를 관찰해보면 알 수 있듯이, 음극측 기체 확산층(5)의 CCM판(M100)측을 향하는 산화 유체의 공급 배출용 개구부(13A), (13B)의 주변에, 제1 안내 유로(33M1A), (33M1B) 및 제2 안내 유로(33M2A), (33M2B)가 설치된다. 부합되지 않는 연료 유체의 개구부(11)와 냉각 매질의 개구부(12)의 주변에는 밀봉재료(19)가 설치되며, 상기 밀봉재료(19)는 각각의 전방위형 개구부(11), (12)와 연결될 수도 있고, 연결되지 않을 수도 있다.
도 8(a)의 입체도는 산화 유체의 공급용 개구부(13A)와 배출용 개구부(13B)의 밀봉 부위를 나타낸 것이다. 음극측 기체 확산층(5) 및 그것과 서로 인접한 산화 유체의 제1 안내 유로(33M1A), (33M1B)와 연결되는 산화 유체의 개구부(13A), (13B)의 포트에 대해 밀봉재료(19)를 실시하지 않기 때문에, 산화 유체가 유로(33)로 유동하는 것을 확실히 보장할 수 있다. 이와 동시에, 양극측 기체 확산층(4) 및 연료 유체 유로(31)와 연결되는 산화 유체 개구부(13A), (13B)의 부위, 및 양극측 세퍼레이터(6) 및 그것과 인접한 음극측 세퍼레이터(7) 사이의 냉각 매질의 유로(32)와 연결되는 산화 유체 개구부(13A), (13B)의 부위는 전부 밀봉재료(19)에 의해 차단되므로, 연료 유체가 상기 무관한 유로인 유로(31), (32)로는 유입되지 않는다.
이밖에, 도 7(a)의 확대도에 도시된 연료 유체의 흐름과 마찬가지로, 도 8(a)를 통해 알 수 있듯이, 산화 유체의 공급용 내부 공용통로(43A)를 통해 제공되는 산화 유체의 흐름은 산화 유체의 공급용 개구부(13A)에서 두 경로로 갈라진다. 이 두 갈래 경로로의 흐름 중, 하측의 흐름(음극측 세퍼레이터(7) 측)은 아래에서 설명할 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 음극측 세퍼레이터(7)에 설치되는 제1 안내 유로(33S1A), 제2 안내 유로(33S2A)와 메인 유로(33S0)의 흐름을 나타내고, 상측의 흐름(CCM판(M100)측)은 음극측 기체 확산층(5) 측을 향하는 CCM판(M100)에 설치되는 제1 안내 유로(33M1A)와 제2 안내 유로(33M2A)의 흐름을 나타낸다. 따라서, 활성화된 유로인 산화 유체의 공급 유로(33)는 이 2개의 유로로 구성된다. 그 중 하나의 유로는 음극측 세퍼레이터(7)에 설치되는 유로로서, 제1 안내 유로(33S1A), 제2 안내 유로(33S2A)와 메인 유로(33S0)로 구성된다. 다른 하나의 유로는 CCM판(M100)에 설치되는 유로로서, 제1 안내 유로(33M1A)와 제2 안내 유로(33M2A)로 구성된다. 마찬가지로, 도 8(a)의 확대도를 통해 알 수 있듯이, 상기 갈라진 후의 2개의 미반응 산화 유체의 흐름은 산화 유체의 배출용 개구부(13B) 부위에서 합류하여, 산화 유체의 배출용 내부 공용통로(43B)를 향해 배출된다.
산화 유체의 유동 경로(33)는 하기의 순서이다. 즉, 산화 유체의 공급 경로는 1) 산화 유체의 공급용 개구부(13A)→제1 안내 유로(33S1A)→제2 안내 유로(33S2A)→ 메인 유로(33S0)→음극측 기체 확산층(5)으로 구성되는 음극측 세퍼레이터(7) 측의 경로, 및 2) 산화 유체의 공급용 개구부(13A)→제1 안내 유로(33M1A)→ 제2 안내 유로(33M2A)→음극측 기체 확산층(5)으로 구성되는 CCM판(M100)측의 경로이다. 공급되는 산화 유체의 일부분은 음극측 기체 확산층(5)으로 확산되고, 음극측 촉매층(3)에서 CCM막(M101)으로 투과되는 수소 이온과 산화 환원 반응이 발생한다. 다른 한편으로, 미반응된 산화 유체의 배출 경로는 1) 메인 유로(33S0)(음극측 기체 확산층(5)→ 메인 유로(33S0) 포함)→ 제2 안내 유로(33S2B)→ 제1 안내 유로(33S1B)→ 산화 유체의 배출용 개구부(13B)로 구성되는 음극측 세퍼레이터(7)측의 경로, 및 2) 음극측 기체 확산층(5)→ 제2 안내 유로(33M2B)→ 제1 안내 유로(33M1B)→ 산화 유체의 배출용 개구부(13B)로 구성되는 CCM판(M100)측의 경로이다. 이러한 공급, 배출 경로의 상황을 "공급 배출 유로(33)"라고 칭한다. 또한, 안내 유로는 상기 각 안내 유로로 한정되지 않으며, 예를 들어, 제3 안내 유로를 형성할 수도 있다.
또한, 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 음극측 세퍼레이터(7), 및 그것과 서로 인접한 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 양극측 세퍼레이터(6) 사이에 냉각 매질의 유로(32)가 설치된다(이후 설명할 것이다).
또한, 도 8(b)와 8(c)에 도시된 바와 같이, 연료 유체의 전방위형 개구부(11)의 주변에 실시되는 밀봉재료(19), 및 냉각 매질의 전방위형 개구부(12) 주변에 실시되는 밀봉재료(19)는 일체화될 수도 있고, 밀봉재료(19)의 가공이 용이해지도록 연결되지 않을 수도 있다.
또한, 도 8(a)를 통해 알 수 있듯이, 음극측 기체 확산층(5)은 상기 CCM판(M100)측의 산화 유체의 공급 배출 유로(33)(제1 안내 유로(33M1), 제2 안내 유로(33M2))에 중첩되게 배치된다. 이와 동시에, 상기 음극측 기체 확산층(5)은 상기 음극측 세퍼레이터(7)를 향하는 측의 기체의 공급 배출 유로(33)(제1 안내 유로(33S1), 제2 안내 유로(33S2), 메인 유로(33S0))에 중첩되게 배치된다.
또한, 도 8에 도시된 전방위형 개구부의 배열 배치는 각종 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부가 동일한 열에 동종 유체의 공급용 개구부만 설치되거나 또는 동종 유체의 배출용 개구부만 설치된 예시이며, 각종 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부로 구성되는 열 사이는 대체로 등간격으로 설치된다. 또한, 전방위형 개구부의 배열 배치는 특별히 본 예만으로 한정되지 않는다.
이어서, 도 9, 10, 11을 참조하여 세퍼레이터와 관련된 유로 형성에 대해 설명한다. 또한, 이러한 도면에서, 도면의 용이한 이해와 설명의 편의를 위해, 정확한 비례척을 사용하지 않았고, 두께가 비교적 얇은 부재의 두께는 확대하여 표시하였음에 유의한다.
도 9는 본 발명의 실시방식 1의 양극측 세퍼레이터(6)에 형성되는 유로를 설명하는 도면으로서, 도 9(a)는 도 9(b)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 9(b)는 연료 유체의 전방위형 개구부(11)의 포트 및 연료 유체의 유로(31)가 형성된 양극측 세퍼레이터(6)의 단면 구조를 나타낸 평면도이다.
도 10은 본 발명의 실시방식 1의 음극측 세퍼레이터(7)에 형성되는 유로를 설명하는 도면으로서, 도 10(a)는 도 10(b)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 10(b)는 산화 유체의 전방위형 개구부(13)의 포트 및 산화 유체의 유로(33)가 형성된 음극측 세퍼레이터(7)의 단면 구조를 나타낸 평면도이다.
도 11은 본 발명의 실시방식 1의 양극측 세퍼레이터(6)와 음극측 세퍼레이터(7) 사이에 형성되는 냉각매질의 유로를 설명하는 도면으로서, 도 11(a)는 도 11(b)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 11(b)는 냉각 매질의 전방위형 개구부(12)가 형성된 포트 및 냉각 매질의 유로(32)를 향하는 세퍼레이터(6), (7) 측의 구조를 나타낸 평면도이다. 여기서, 서로 인접한 세퍼레이터(6), (7) 사이에 냉각 매질의 유로(32)가 형성되며, 제1 안내 유로(32S1)와 메인 유로(32S0)가 설치된다.
도 9(b)에 따르면, 즉 본 발명의 실시방식 1의 양극측 세퍼레이터(6)의 양면 중 양극측 기체 확산층(4)과 대향하는 면에 양극 기체인 연료 유체 공급 배출 유로(31)(제1 안내 유로(31S1), 제2 안내 유로(31S2) 및 메인 유로(31S0))가 형성된다. 도 9(b)는 양극측 세퍼레이터(6)를 제거 시의 세퍼레이터(6)의 양극측 평면도이다. 즉 공급용 내부 공용통로(41A)로부터 제공되는 연료 유체가 그 공급용 개구부(11A)를 통과하여 제1 안내 유로(31S1A)→ 제2 안내 유로(31S2A)→ 메인 유로(31S0)로 유입되어, 양극측 기체 확산층(4)까지 확산된다. 다른 한편으로, 미반응된 연료 유체는 메인 유로(31S0)→ 제2 안내 유로(31S2B)→ 제1 안내 유로(31S1B)→ 배출용 개구부(11B)를 따라 흐른다.
도 9의 양극측 세퍼레이터(6)의 양면 중 양극측 기체 확산층(4)이 위치하는 측의 반대측 면에 냉각 매질이 유동하는 공급용 배출 유로(32)가 형성된다(도 11 참조). 내부 공용 통로로부터 제공되는 냉각 매질은 냉각 매질 공급용 개구부(12A)를 통과하여, 제1 안내 유로(32S1A)→ 메인 유로(32S0)로 유입된다. 상기 냉각 매질은 발전 영역을 냉각시키면서, 메인 유로(32S0)→ 제1 안내 유로(32S1B)를 경유한 후 배출용 내부 공용 통로(42B)로 도출된다. 또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 양극측 세퍼레이터(6)의 음극측 세퍼레이터(7)와 대향하는 면에 형성되는 안내 유로 중 제1 안내 유로(32S1)만 형성하였으나, 제2 안내 유로가 설치될 수도 있다. 또한, 안내 유로는 상기 각 안내 유로로 한정되지 않으며, 예를 들어 제3 안내 유로를 형성할 수도 있다.
도 10(b)에 따르면, 즉 본 발명의 실시방식 1의 음극측 세퍼레이터(7)의 양면 중 음극측 기체 확산층(5)과 대향하는 면에 음극 기체인 산화 유체 공급 배출 유로(33)(제1 안내 유로(33S1), 제2 안내 유로(33S2) 및 메인 유로(33S0))가 형성된다. 도 10(b)는 음극측 세퍼레이터(7)를 제거 시의 세퍼레이터(7)의 음극측 평면도이다. 즉 공급용 내부 공용통로(43A)로부터 제공되는 산화 유체가 그 공급용 개구부(13A)를 통과하여 제1 안내 유로(33S1A)→ 제2 안내 유로(33S2A)→ 메인 유로(33S0)로 유입되어, 음극측 기체 확산층(5)으로 확산된다. 다른 한편으로, 미반응된 산화 유체는 메인 유로(33S0)→ 제2 안내 유로(33S2B)→ 제1 안내 유로(33S1B)→ 배출용 개구부(13B)를 따라 흐른다.
도 10의 음극측 세퍼레이터(7)의 양면 중 음극측 기체 확산층(5)이 위치하는 측의 반대측 면에 냉각 매질이 흐르는 공급용 배출 유로(32)가 형성된다(도 11 참조). 내부 공용 통로로부터 제공되는 냉각 매질은 냉각 매질 공급용 개구부(12A)를 통과하여, 제1 안내 유로(32S1A)→ 메인 유로(32S0)로 유입된다. 상기 냉각 매질은 발전 영역을 냉각시키면서, 메인 유로(32S0)→ 제1 안내 유로(32S1B)를 경유한 후 배출용 내부 공용 통로(42B)로 도출된다. 또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 음극측 세퍼레이터(7)의 양극측 세퍼레이터(6)와 대향하는 면에 형성되는 안내 유로 중 제1 안내 유로(32S1)만 형성하였으나, 제2 안내 유로가 설치될 수도 있다. 또한, 안내 유로는 상기 각 안내 유로로 한정되지 않으며, 예를 들어 제3 안내 유로를 형성할 수도 있다.
본 발명의 실시방식 1에 따르면, 공급 배출 유로(31), (32), (33) 중 각각 제1 안내 유로, 제2 안내 유로와 메인 유로가 설치되나, 단 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 기타 각종 안내 유로, 메인 유로가 설치될 수도 있다.
이하, 도 3, 12, 13, 21을 사용하여 본 발명의 일 실시방식의 전지 스택형 연료전지의 내부 공용 통로(41), (42), (43) 및 외부 공용 통로(51), (52), (53)에 대해 실시하는 에지 처리를 상세히 설명한다.
실제로, 단위셀(8)의 면내에 관통 설치되는 개구부(11), (12), (13)의 2차원 확장은 아무 위치까지 연속되는 것이 아니라, 반드시 에지를 설계하여 확장을 종료시켜야 한다. 내부 공용 통로(41), (42), (43) 및 외부 공용 통로(51), (52), (53) 중 에지 구조를 설치하여, 외부 BOP(balance of Plant: 발전 보조 시스템)로부터 엔드 플레이트(101), (102)가 내장된 외부 공용 통로(51), (52), (53), 및 단위셀(8)을 스택하여 구성되는 전지 스택 구조체(9)에 내장된 내부 공용 통로(41), (42), (43)를 향해 주입되는 각종 유체의 공급, 및 배출이 균형을 이루도록 해야 한다.
2차원으로 확장되는 브라비에 격자를 바탕으로 하는 개구부 배열의 주기적인(반복) 기본 단위(16), 및 전기를 발생시키는데 필요한 최소한도의 최소 발전체(17)에 관해서는 이미 설명한 바와 같다. 본 발명의 일 실시방식에서, 2차원 브라베이 격자의 사방격자를 일 예시로 설명하나, 단 이에 한정되지 않으며, 기타 브라비에 격자의 대칭성을 응용하여 주기성을 가지거나 또는 어느 정도의 파동이 존재하는 주기성을 갖는 개구부의 배열 배치로 설계할 수도 있다. "파동"이란 단위셀(8)의 면내 배치의 설계 시, 개구부(11), (12), (13)의 크기, 형상과 배열 위치는 완벽하지 않고, 설사 약간의 파동을 가지는 크기, 형상 및 위치이더라도 괜찮음을 말한다.
이하, 도 12, 13을 사용하여, 본 발명의 실시방식 1의 에지 구조에 대해 설명한다.
도 12에 도시된 본 발명의 실시방식 1의 에지 구조에서, 전방위형 개구부 배열 패턴(E001)의 B축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 12의 A 방향), 및 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 A축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 12의 B 방향)가 존재한다. 이러한 양 단부의 에지 구조를 형성하기 위하여, 기본 구간(18)을 이용하여 도 12(a)에 도시된 2차원 브라베이 격자의 규칙성을 바탕으로 하는 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)을 구분하고, 이에 따라 도 12(a), (b)의 굵은 선으로 둘러싸인 "에지 처리 후의 전방위형 개구부의 배치 영역(E002)"을 잘라낸다.
도 12(a)는 단위셀(8)의 면내에서 2차원으로 확장되는 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001) 및 2개의 굵은 선으로 표시되는 에지 처리 후의 전방위형 개구부의 배치 영역(Assigned area: 지정 영역)(E002)을 나타낸 도면이다. 도 12(b)는 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)에서 에지 처리 후의 전방위형 개구부 배치 영역(E002)을 잘라낸 후 획득되는 에지 처리가 완료된 개구부 배치 구조(E003)를 갖는 단위셀(8), 및 상기 단위셀(8)로 구성되는 단위셀 스택 구조체(9)를 나타낸 도면이다. 에지 처리 후의 전방위형 개구부 배치 영역(E002) 내에서, 각종 유체의 공급의 총 유량 및 분포와 배출의 총 유량 및 분포가 각각 균형을 이루도록 하기 위하여, 각종 유체의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)의 면적(가장자리부와 중간부 포함), 및 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)의 면적(가장자리부와 중간부 포함)을 각각 더한 후 획득되는 총 면적이 서로 같거나 또는 대체로 같도록 설계함으로써, 에지 처리를 수행한다.
도 12(a)에 도시된 바와 같이, B축과 A축의 2개의 축방향의 확장을 종료시키는 에지 구조는 각각 축방향 확장과 대응되는 기본 구간(18)의 정수배를 이루는 구획을 기준으로 한다. 기본 구간(18)은 발전 기능을 유지하면서 연료 유체, 냉각 매질 및 산화 유체 3종의 개구부(11), (12), (13)로 구성되는 특징, 및/또는 각종 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부가 일대일 관계로 구성되는 특징을 갖는다. 단위셀(8) 내에서 유동하는 각 반응 기체와 두 단위셀(8) 사이에서 유동하는 냉각 매질 중, 기본 구간(18)의 정수배를 이루는 구획을 기준으로 전방위형 개구부의 B축과 A축 2개의 축방향의 확장을 종료시키며, 이에 따라 각 공급 및 배출의 균형을 유지한다.
이하, 2x4의 에지 구조를 예로 들어 설명하나, 단 본 발명의 에지 구조는 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시방식 1의 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 B축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 12(b)의 A 방향)는 도 12(a)의 에지 처리 후의 전방위형 개구부 배치 영역(E002)의 A 방향을 따라 설치되는 에지 구조이다. 도 12(a)에 도시된 바와 같이, 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 B축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 12(b)의 A 방향)의 구획 기준은 기본 구간(SB1), (SB2), (SB3)의 정수배이다. 기본 구간(SB1) 및/또는 기본 구간(SB2) 및/또는 기본 구간(SB3)의 구획(구간)을 기준으로 하여, 그것의 정수배로 설정하며, 이와 같은 방식으로 전방위형 개구부의 배열 패턴(EOO1)의 B축의 양방향 확장을 종료시킨다. 도 3(a)에 따르면, 즉 전방위형 개구부의 포트는 모든 제Ⅰ사분면, 제Ⅱ사분면, 제Ⅲ사분면 및 제Ⅳ사분면 내에 배치되며, 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 B축의 양방향 확장을 종료시키기 위하여, 제Ⅰ사분면과 제Ⅳ사분면 사이, 및 제Ⅱ사분면과 제Ⅲ사분면 사이의 영역을 잘라내면, 도 13에 도시된 바와 같이 전방위형 개구부는 하나가 둘로 나누어진다. 도 12에 따르면, 즉 기본 구간(SB1), (SB2), (SB3)의 시작점을 이루는 전방위형 개구부와 종점을 이루는 전방위형 개구부는 동일한 종류가 되며, 각각 하나가 둘로 나누어진 연료 유체 개구부(11), 하나가 둘로 나누어진 냉각 매질 개구부(12), 하나가 둘로 나누어진 산화 유체 개구부(13)이다. 따라서 도 12(a)에 도시된 바와 같이, 기본 구간(SB1)은 하나가 둘로 나누어진 2개의 연료 유체 개구부(11), 2개의 냉각 매질 개구부(12), 및 하나의 산화 유체 개구부(13)로 구성된다. 기본 구간(SB2)은 하나가 둘로 나누어진 2개의 냉각 매질 개구부(12), 하나의 연료 유체 개구부(11), 하나의 냉각 매질 개구부(12), 및 하나의 산화 유체 개구부(13)로 구성된다. 기본 구간(SB3)은 하나가 둘로 나누어진 2개의 산화 유체 개구부(13), 2개의 냉각 매질 개구부(12), 및 하나의 연료 유체 개구부(11)로 구성된다. 기본 구간(SB1), (SB2), (SB3)의 길이(B 방향의 길이)는 같을 수도 있고 다를 수도 있다. B 방향의 길이가 같은 경우란, 도 12의 예시에서, 연료 유체의 개구부(11), 냉각 매질의 개구부(12), 산화 유체의 개구부(13)가 모두 동일한 열에 곧게 배열되고, 기본 구간(SB1), (SB2), (SB3)의 길이가 균등함을 말한다. 다른 한편으로, 연료 유체의 개구부(11), 냉각 매질의 개구부(12), 및 산화 유체의 개구부(13)가 B 방향에서 지그재그형으로 배열된 경우, B 방향을 따르는 기본 구간(SB1), (SB2), (SB3)의 길이는 상이하다. 따라서, 도 12(b)에 도시된 2x4의 에지 구조에서, B축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 12의 A 방향)는 2개의 기본 구간(SB1)과 2개의 기본 구간(SB3)으로 구성된다.
본 발명의 실시방식 1의 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 A축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 12(b)의 B 방향)은 도 12(a)의 에지 처리 후의 전방위형 개구부 배치 영역(E002)의 B 방향을 따라 설치되는 에지 구조이다. 도 12(a)에 도시된 바와 같이, 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 A축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 12(b)의 B 방향)의 구획 기준은 기본 구간(SB1), (SB2), (SB3)의 정수배이다. 기본 구간(SB1) 및/또는 기본 구간(SB2) 및/또는 기본 구간(SB3)의 구획(구간)을 기준으로 하여, 그것의 정수배로 설정하며, 이와 같은 방식으로 전방위형 개구부의 배열 패턴(EOO1)의 A축의 양방향 확장을 종료시킨다. 도 3(a)에 따를 경우, 즉 전방위형 개구부의 포트는 모든 제Ⅰ사분면, 제Ⅱ사분면, 제Ⅲ사분면 및 제Ⅳ사분면 내에 배치되며, 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 A축의 양방향 확장을 종료시키기 위하여, 제Ⅰ사분면과 제Ⅱ사분면 사이, 및 제Ⅲ사분면과 제Ⅳ사분면 사이의 영역의 중간을 잘라내면, 도 13에 도시된 바와 같이 전방위형 개구부는 하나가 둘로 나누어진다. 도 12에 따르면, 즉 기본 구간(SA1), (SA2), (SA3)의 시작점을 이루는 전방위형 개구부와 종점을 이루는 전방위형 개구부는 동일한 종류가 되며, 각각 하나가 둘로 나누어진 연료 유체 개구부(11), 하나가 둘로 나누어진 냉각 매질 개구부(12), 하나가 둘로 나누어진 산화 유체 개구부(13)이다. 따라서 도 12(a)에 도시된 바와 같이, 기본 구간(SA1)은 둘로 나누어진 1개의 연료 유체 개구부(11)와 둘로 나누어진 1개의 연료 유체 배출용 개구부(11B)로 구성된다. 기본 구간(SA2)은 둘로 나누어진 1개의 냉각 매질 공급용 개구부(12A)와 둘로 나누어진 1개의 냉각 매질 배출용 개구부(12B)로 구성된다. 기본 구간(SA3)은 둘로 나누어진 1개의 산화 유체 공급용 개구부(13A)와 둘로 나누어진 1개의 산화유체 배출용 개구부(13B)로 구성된다. 도 12(a)에 도시된 예시에서, 연료유체의 개구부(11), 냉각 매질의 개구부(12), 산화 유체의 개구부(13)가 동일한 B열에 배열되기 때문에, 기본 구간(SA1), (SA2), (SA3)의 길이는 B열 사이의 거리이면서 서로 동일하다. 기본 구간(SA1), (SA2), (SA3)의 길이(A 방향의 길이)는 같을 수도 있고, 다를 수도 있다. 연료 유체의 개구부(11), 냉각 매질의 개구부(12), 및 산화 유체의 개구부(13)가 A 방향에서 지그재그형으로 배열된 경우, 기본 구간(SA1), (SA2), (SA3)의 길이는 상이하다.
따라서, 도 12(b)에 도시된 2x4의 에지 구조에서, A축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 12의 B 방향)는 4개의 기본 구간(SA1)과 4개의 기본 구간(SA2) 및 4개의 기본 구간(SA3)으로 구성된다.
상기 방식에 따라, 도 12(a), (b)에 도시된 바와 같이, 2x4로 획분되는 기본 구간을 바탕으로 하는 에지 구조가 형성된다. 이와 유사하게, 도 2(b)를 참조하면, 1개의 기본 단위만 있는 단위셀(8)에도 에지 처리를 실시하며; 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 주기적으로 반복되는 다수의 이종 기본 단위를 가진 단위셀(8)에서, 이종 기본 단위의 경계 사이에도 에지 처리가 실시된다.
따라서, 본 발명의 실시방식 1의 전방위형 개구부(11), (12), (13)가 배열된 단위셀(8)의 면내에서, 각종 유체의 공급용 내부 공용 통로(41A), (42A), (43A)의 배치 및 단면적(공급 유동의 분포와 유량), 및 각종 유체의 배출용 내부 공용 통로(41B), (42B), (43B)의 배치 및 단면적(배출 유동의 분포와 유량)이 균형을 이룰 수 있다.
아래의 표1은 도 12(b)의 에지 처리가 완료된 개구부의 배치구조(E003)에 포함되는 전방위형 개구부의 개수를 나타낸 것이다.
실시방식 1 전방위형 개구부의 개수（1＝완전한 형상의 개구부）
개구부의 종류 중간부 에지부 모서리부 총합
연료 유체 공급용(11A) 2 1/2X4=2 - 4
연료 유체 배출용(11B) 2 1/2X4=2 - 4
냉각 매질 공급용(12A) 4 1/2X8=4 - 8
냉각 매질 배출용(12B) 8 - - 8
산화 유체 공급용(13A) 1 1/2X4=2 1/4X4=1 4
산화 유체 배출용(13B) 4 - - 4
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 도 12(b)의 에지 처리가 완료된 개구부의 배치 구조(E003)에 포함되는 동일한 종류의 공급용 개구부의 개수(면적)의 총합과 배출용 개구부의 개수(면적)의 총합은 같다.
도 12(b)를 통해 알 수 있듯이, 굵은 선으로 둘러싸인 에지 처리가 완료된 개구부의 배치 구조(E003)를 갖는 전방위형 개구부의 배열 배치를 나타낸 예시에서, 즉 2x4의 기본 구간으로 획분하여 획득되는 에지 구조에서, 그 중간부에 위치한 완전한 형상의 전방위형 개구부(본 예에서는 산화 유체 공급용 개구부(13B))의 면적을 1이라고 설정하면, 즉 그 4개의 모서리에 위치한 전방위형 개구부(본 예에서는 산화 유체 공급용 개구부(13A) 전체)는 그것의 4분의 1이다. 공급과 배출의 균형은(종합적으로 일대일의 관계가 구축되었는지 여부를 살펴본다), 각 전방위형 개구부의 개수(면적)를 병합하고 계수하는 방식을 통해 확인할 수 있다.
그 결과, 도 12(a)의 2차원으로 확장되는 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)으로부터 에지 처리 후의 전방위형 개구부 배치 영역(E002)을 잘라냄으로써, 전방위형 개구부(11), (12), (13)가 배열된 단위셀(8)을 획득할 수 있으며, 상기 전방위형 개구부(11), (12), (13)는 공급 배출의 균형 관계가 성립된 에지 처리가 완료된 개구부 배치 구조(E003)를 갖는다. 도 12에서, 브라비에 격자의 규칙성을 응용한 전방위형 개구부 배열의 2차원 확장 패턴(E001)에서 굵은 선으로 둘러싸인 부분을"에지 처리 후의 전방위형 개구부의 배치 영역(E002)"으로 하여, 상기 부분을 잘라낸다. 본 발명의 실시방식 1에서, "에지 처리 후의 전방위형 개구부의 배치 영역(E002)"을 바탕으로, 전방위형 개구부(11), (12), (13)를 단위셀(8)의 면내에 배열시킨다.
본 발명의 특징 중 하나인 에지 구조를 형성하고 이용하는 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 형상의 특수한 예시에 관하여, 도 13을 참조하여 상세히 설명한다. 도 13은 실시방식 1의 에지 구조를 갖는 산화 유체의 전방위형 개구부(13)의 면내 형상을 나타낸 도면으로서, 도 13(a)는 전방위형 개구부의 완전한 형상을 나타낸 도면이며, 도 13(b)는 완전한 형상을 둘로 나눈 후 획득되는 전방위형 개구부의 2개의 형상을 나타낸 도면이고, 도 13(c)는 완전한 형상을 넷으로 나눈 후 획득된 전방위형 개구부의 형상을 나타낸 도면이다.
에지 처리를 실시하고, 2차원 확장을 종료시킨다는 구체적인 의미는, 도 13(b)의 전방위형 개구부에 도시된 바와 같이, 전방위형 개구부의 전체 면적의 절반 형상을 전지 스택 구조체(9)의 에지 부분(가장자리부)에 배치하는 것을 말한다. 도 13(b)에 도시된 바와 같이 면적을 절반으로 설정한 전방위형 개구부를 에지 부분에 배치한 경우(예를 들어, 산화 유체 공급용 개구부(13A)), 가장자리부 이외의 위치인 중간부에는 완전한 형상의 산화 유체의 배출용 개구부(13B)가 설치되고, 상대측의 가장자리부에는 면적이 절반인 산화 유체의 공급용 개구부(13A)가 설치되며, 이와 같은 방식으로 전체적인 공급과 배출의 균형을 획득하고, 에지 구조를 구축할 수 있다. 본 발명 중 에지 구조를 형성한다 함은, 도 13(a)에 도시된 완전한 형상으로서의 전방위형 개구부의 면적을 1이라 설정하면, 즉 에지부(가장자리부와 모서리부)에는 도 13(b), (c)에 도시된 1 미만(2분의 1 또는 4분의 1)의 전방위형 개구부가 설치되는 것을 말한다. 그 결과, 2x4의 에지 구조가 형성되며, 간단히 말하면, 전방위형 개구부로부터의 유동은 전방위의 전경(360도)이므로, 전방위형 개구부를 둘로 나누면, 즉 에지부(가장자리부)의 전방위형 개구부로 이용될 수 있는 구조를 형성한다. 또한, 전방위형 개구부를 넷으로 나누면, 즉 에지부(모서리부)의 전방위형 개구부로써 이용 가능한 구조를 형성한다.
또한, 도 13(b)에 도시된 하나를 둘로 나눈 전방위형 개구부는 2가지 유형을 도시하였다. 각 유형에 역방향형이 존재하기 때문에, 하나를 둘로 나눈 후의 전방위형 개구부의 총합은 4종이다. 도 13(c)의 하나를 넷으로 나눈 전방위형 개구부의 총합은 4종이다. 배치 가능한 위치에 이상과 같은 각종 방향의 전방위형 개구부를 적당히 설치함으로써, 에지 구조를 순조롭게 형성할 수 있다. 도 13의 예시에서는 산화 유체의 개구부(13)만 도시하였으나, 연료 유체의 개구부(11)와 냉각 매질의 개구부(12)의 형상의 경우에도 동일한 개념으로 에지 구조를 형성할 수 있다.
도 13(a), (b), (c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시방식 1의 전방위형 개구부에서 다루는 에지 구조의 특징은, 단위셀(8)의 가장자리부를 따라 설계되는 전방위형 개구부의 치수, 형상 및 면적(2분의 1 이상 또는 2분의 1 미만 포함), 모서리부에 위치하는 전방위형 개구부의 치수, 형상 및 면적(4분의 1 이상 또는 4분의 1 미만(포함), 가장자리부와 모서리부 이외의 위치에 위치하는 전방위형 개구부, 즉 중간부에 위치하는 전방위형 개구부의 치수, 형상 및 면적(1 이상 또는 1 미만(포함))이 각기 다르다는데 있다. 괄호 표기 중의 값은 완전한 형상의 전방위형 개구부의 면적을 1로 설정 시의 수치이다.
이상으로, 전방위형 개구부의 측면에서 단위셀(8)의 면재의 에지 구조에 대하여 설명하였다. 이어서, 전방위형 개구부와 연통되는 내부 공용 통로와 관련된 에지 구조에 대해 설명한다. 내부 공용 통로는 본 발명의 단위셀(8)을 스택하여 형성되는 전지 스택 구조체(9)의 내측에 형성된다. 따라서, 하나의 단위셀(8)의 면내에서, 각종 유체의 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 공급과 배출의 균형을 획득한다면, 설사 내부 공용 통로의 형상 및 치수를 변형시키더라도, 종합적으로는 내부 공용 통로의 공급과 배출의 균형을 획득할 수 있다.
즉, 내부 공용 통로의 단면 형상 및 단면적은 전방위형 개구부의 면내 형상 및 면적과 기본적으로 동일하며, 단위셀(8)의 면내에 설치되는 전방위형 개구부의 면내 형상 및 면적과 동일하고, 내부 공용 통로의 단면 형상 및 단면적은 그 모서리부, 가장자리부(에지 부분), 및 중간부(에지 이외의 부분)이 각기 다르다. 비교한다면, 즉 중간부에 위치하는 완전한 형상의 내부 공용 통로의 단면적을 1로 설정한 경우, 가장자리부의 내부 공용 통로의 단면적이 중간부의 내부 공용 통로의 단면적보다 작아, 약 2분의 1이다. 모서리부의 내부 공용 통로의 단면적은 중간부의 내부 공용 통로의 단면적보다 작아, 약 4분의 1이다. 상기 이러한 구조는 내부 공용 통로와 외부 공용 통로 양측에 적용된다.
따라서, 본 발명의 실시방식 1의 단위셀(8)의 면내에서, 연료 유체의 공급용 내부 공용 통로(41A)의 배치와 단면적(공급 유동의 분포와 유량)과 연료 유체의 배출용 내부 공용 통로(41B)의 배치와 단면적(배출 유동의 분포와 유량)은 서로 균형을 이룬다. 또한, 냉각 매질의 공급용 내부 공용 통로(42A)의 배치와 단면적(공급 유동의 분포와 유량)과 냉각 매질의 배출용 내부 공용 통로(42B)의 배치와 단면적(배출 유동의 분포와 유량)은 서로 균형을 이룬다. 또한, 산화 유체의 공급용 내부 공용 통로(43A)의 배치와 단면적(공급 유동의 분포와 유량)과 산화 유체의 배출용 내부 공용 통로(43B)의 배치와 단면적(배출 유동의 분포와 유량)은 서로 균형을 이룬다.
본 발명의 실시방식 1의 전방위형 개구부의 사례에서, 2차원 브라비에 격자의 배열의 확장 종료는 상기 에지 구조의 설치를 통해 구현될 수 있다.
그 효과는 전방위형 개구부(11), (12), (13)가 배열된 전지셀(8)로 공급 및 배출되는 각종 유체의 효과적인 이용 및 균일화된 공급 및 배출이다.
에지 구조를 실시하지 않을 경우, 단부 부근에 위치한 각종 유체의 공급 및 배출의 균형이 파괴되고, 국부적인 반응이 강화되어, 촉매층에 비교적 큰 손실을 조성하고, 파손을 초래할 수 있으며, 또한 내구성 역시 현저하게 감소한다.
실시방식 2
이어서, 도 1~3, 14~21을 사용하여, 본 발명의 실시방식 2의 전지 스택형 연료전지에 대해 설명한다. 또한, 본 발명은 실시방식 2로만 한정되지 않는다.
본 발명의 실시방식 2에서, 도 1~3, 14~21에 도시된 바와 같이, 주요 차이점은 단위셀(8)의 면내에 반방위형 개구부를 배열하여 실시된다는데 있으며, 기타 구조, 메커니즘은 도 1~13에 도시된 실시방식 1과 기본적으로 동일하다. 또한, 본 발명의 실시방식 1의 도 1~13의 내용과 중복되는 부분은 동일한 부호를 표시하고, 그 부분의 설명은 생략한다.
이하, 도 3, 14를 참조하여, 본 발명의 실시방식 2 중 단위셀(8)의 면내에 배열되는 반방위형 개구부 포트의 특징, 및 그 배열 배치에 대해 설명한다.
도 14는 2차원으로 확장되는 브라비에 격자의 규칙성을 응용하여 본 발명의 단위셀(8)의 면내에 관통 설치되는 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 배열을 도시한 것이다. 도 14에 도시된 반방위형 개구부(11), (12), (13)는 각각 각종 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부로서, 하기의 방식, 즉, 연료 유체 공급용 개구부(11A), 냉각 매질 공급용 개구부(12A), 산화 유체 공급용 개구부(13A), 연료 유체 배출용 개구부(11B), 냉각 매질 배출용 개구부(12B), 산화 유체 배출용 개구부(13B)로 구분된다. 도 14 중 다수의 개구부 형상의 일종으로서 반방위형을 도시하였으며, 따라서 상기 반방위형 개구부에 발산각도를 갖는 유출을 설정할 수 있다. 도 14에 도시된 예시에서, 반방위형 개구부(11), (12), (13) 포트의 배치에 관하여, 제Ⅰ사분면과 제Ⅱ사분면 또는 제Ⅲ사분면과 제Ⅳ사분면에 배치되는 포트로부터 유출되는 각종 유체는 발산각도가 1도 이상 90도 이하인 반방위 유출로 설계된다. 또한, 상기 사분면에 배치되는 포트를 거쳐 유입되는 각종 유체는 수렴각도가 1도 이상 90도 이하인 반방위 유입으로 설계된다.
각종 유체의 흐름을 눈으로 관찰할 수 없기 때문에, 화살표를 이용하여 흐름을 가시화하였다. 제Ⅰ사분면과 제Ⅱ사분면에 배치되는 반방위형 개구부의 포트, 또는 제Ⅲ사분면과 제Ⅳ사분면에 배치되는 반방위형 개구부의 포트를 향하는 화살표는, 각종 유체가 전방위형 개구부로 유입되는 방향을 가리킨다. 제Ⅰ사분면과 제Ⅱ사분면에 배치되는 반방위형 개구부의 포트, 또는 제Ⅲ사분면과 제Ⅳ사분면에 배치되는 반방위형 개구부의 포트로부터 방사상으로 방출되는 화살표는, 각종 유체가 반방위형 개구부로부터 유출되는 방향을 가리킨다. 도 14에서, 반방위형 개구부의 형상에 관하여, 냉각 매질의 개구부(12)는 직사각형이고, 연료 유체의 개구부(11)와 산화 유체의 개구부(13)는 각 면적이 상이한 사다리꼴로 형성된다(즉, 산화 유체 개구부(13)의 면적이 연료 유체의 개구부(11)의 면적보다 크다).
도 3(b)에 도시된 반응 기체의 반방위형 개구부의 형상 역시 상하가 비대칭인 형상이므로, 각각 역방향형이 존재한다. 상기 특성을 이용하여, 도 14에 도시된 예시에서, 상향 포트(정방향 사다리꼴)를 갖는 반방위형 개구부를 공급용 개구부로 사용하고, 하향 포트(역방향 사다리꼴)를 갖는 반방위형 개구부를 배출용 개구부로 사용한다. 따라서, 공급용 개구부의 포트는 제Ⅰ사분면과 제Ⅱ사분면에 위치하고, 대응되는 배출용 개구부의 포트는 제Ⅲ사분면과 제Ⅳ사분면에 위치한다. 따라서, 포트로부터의 반응 기체의 유동이 공급 및 배출 유로 방향에서 순조롭게 서로를 향해 매칭된다. 또한, 도 3(c)에 도시된 반응 기체의 반방위형 개구부의 형상 역시 비대칭 형상이므로, 역방향형이 존재한다. 또한, 도 3(e)에 도시된 반응 기체의 반방위형 개구부의 형상 역시 비대칭 형상이므로, 각각 역방향형이 존재한다.
기본 단위(16)는 벡터 A(도 14의 부호 14)와 벡터 B(도 14의 부호 15)에 의해 그려진 2차원 브라베이 격자 배열을 따르는 개구부 패턴의 반복 배열되는 최소 단위를 나타내며, 여기서는 반방위형 개구부의 이차원 배열을 확장시키는 반복 최소 단위(2차원 확장을 응용한 것은 도 2, 도 14 중 A축과 B축으로 구성되는 평면에 위치한 단위셀(8)의 면내)이다. 반방위형 개구부의 배열 패턴은 벡터 A(도 14의 부호 14)의 A 방향 또는 그 반대방향 및/또는 벡터 B(도 14의 부호 15)의 B 방향 및/또는 그의 반대방향을 따라, 상기 기본단위(16)를 반복하면서 평행하게 이동하여 획득되는 패턴이다. 반방위형 개구부의 배치는 상기 패턴을 따라 주기적 또는 준주기적으로 배열된다. 최소 발전체(17)는 전기를 발생시키는데 필요한 반방위형 개구부의 종류를 갖는 최소 구성체로서, 상기 최소 구성체(17)는 전기를 발생시키는데 필요한 최소한도의 각종 유체의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)와 각종 유체의 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)의 6종을 포함한다.
또한, 도 14에 도시된 사변형 중 확장이 진행되는 점선 화살표는 도면 제작의 편의를 위해 반복적으로 연속 배열되는 개구부(11), (12), (13)가 생략된 부분을 나타내나, 단 상기 중복 배열이 무한히 확장된다는 의미는 포함하지 않는다. 이밖에, 도 14의 단위셀(8)의 사변형에 표시된 물결형 윤곽선은 생략된 부분을 절취한 후의 상태를 나타낸다. 도 14의 점선 화살표로 "반복"을 나타낸 것은 이때, 이 곳의 상황에 매치시킴으로써 2차원 확장에 기초한 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 배열을 구현하기 위해서이다. 또한, 도 14에서, 각종 유체의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)의 부호는 X 표기로 표시하였고, 각종 유체의 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)의 부호는 검정색 원형 표기로 표시하였다.
도 14에 도시된 본 발명의 단위셀(8)의 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 열 사이에 그려진 우하향 점선은 각종 유체와 각각 대응되는 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)와 배출용 개구부(11B), (12B), (13B) 사이에 형성되는 유로(연료 유체의 공급 배출 유로(31), 냉각 매질의 공급 배출 유로(32), 산화 유체의 공급 배출 유로(33))를 나타내는 개념상의 선이나, 단 이러한 선이 반드시 실제의 유로(31), (32), (33)와 동일하다는 것에 한정되지 않는다. 또한, 각종 유체가 비록 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)로부터 가장 근접한 대응 위치에 위치하는 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)를 향해 유동하나, 단 설사 가장 근접한 대면 위치에 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)가 존재하더라도, 공급 배출 유로(31), (32), (33)가 안내하지 않는 비대응 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)로는 유동하지 않는다.
따라서, 본 발명의 실시방식 2에서 2차원으로 확장되는 브라베이 격자의 규칙성을 응용한 개구부(11), (12), (13) 배열을 고려하는 방법의 특징 중 하나는 다음과 같다. 즉, 도 14에 도시된 바와 같이, 2차원으로 확장되는 브라베이 격자의 패턴을 따르는 기본단위(16)를 반복 단위로 하여 반방위형 개구부(11), (12), (13)를 배열한다. 일 예시로서, 벡터 A(도 14의 부호 14)와 벡터 B(도 14의 부호 15)로 그려진 사방격자(orthorhombic lattice)를 본떠 획득되는 기본 단위(16)로 둘러싸인 영역 내측의 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 면적으로서, 상기 4개의 선분과 서로 만나는 4개의 연료 유체의 개구부(11A), (11B)는 그 내측에서는 약 2분의 1이므로, 따라서 총 합계는 2개의 개구부(1/2x4=2)이다. 그 중 2개의 선분과 서로 만나는 2개의 냉각 매질의 개구부(12A) 중, 그 내측은 2분의 1이므로, 병합하면 1개의 개구부(1/2x2=1)가 되며, 선분과 만나지 않는 내측에 위치한 냉각 매질의 개구부(12B)가 1개이므로, 둘을 병합하면, 즉 2개의 개구부(1/2x2+1=1)가 된다. 기본 단위(16)의 4개의 모서리에 위치한 4개의 산화 유체의 개구부(13A)는 그 내측이 약 4분의 1으므로, 병합하면 즉 1개의 개구부 (1/4x4=1)가 되고, 선분과 만나지 않는 내측에 위치한 산화 유체의 개구부(13B)는 1개이므로, 둘을 병합하면 즉 2개의 개구부(1/4x4+1=2)로 계산된다. 선분과 만나지 않는 내측에 위치한 개구부(12B), (13B)도 포함시키고, 이들 모두를 병합하면, 즉 2개의 연료 유체의 개구부(11), 2개의 냉각 매질의 개구부(12) 및 2개의 산화 유체의 개구부(13)를 전부 병합하면 6개의 공급용 개구부와 배출용 개구부를 획득한다. 이는 사방격자의 기본 단위(16)의 구조이다. 여기에서 말하는 "둘러싸인"이라는 의미는 2차원 브라비에 격자의 사방격자를 본떠 획득되는 기본 단위(16)의 4개의 선분(벡터)으로 둘러싸인 내측 영역 내의 반방위형 개구부를 포함한다. 또한, 2차원 브라비에 격자의 기본 단위(16)로서, 특별히 사방격자에 한정되지 않고, 장방형 격자, 육방격자, 정방형 격자, 면심장방형 격자를 적용할 수도 있다.
당연하게, 본 발명의 실시방식 2의 전지 스택형 연료전지가 전기를 발생시키는데 필요한 최소한도의 반방위형 개구부(11), (12), (13)는 연료 유체 공급용 개구부(11A), 냉각 매질 공급용 개구부(12A), 산화 유체 공급용 개구부(13A), 연료 유체 배출용 개구부(11B), 냉각 매질 배출용 개구부(12B), 산화 유체 배출용 개구부(13B)의 이 6종이다. 이러한 개구부의 조합을 최소 발전체(17)로 하며, 도 14에 도시된 바와 같다. 본 발명의 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 배열 배치를 설계 시 주의할 점으로, 고출력밀도와 고용량 전지 스택형 연료전지를 획득하기 위해서는, 반응 기체가 단위셀(8)의 양극측 촉매층(2)과 음극측 촉매층(3)의 발전 영역에 가장 효과적으로 분배되어, 효과적으로 열을 냉각시킬 수 있도록 하는데 필요한 최소한도의 6종의 반방위형 개구부(11), (12), (13)를 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 적어도 반드시 기본단위(16)를 이용하여 설계된 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 6개의 종류와 이들의 면적이 최소 발전체(17)의 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 6개의 종류와 이들의 면적을 충족시켜야 한다. 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 6개 종류와 면적에 관해서는, 기본 단위(16)와 최소 발전체(17)는 같을 수도 있고, 기본 단위(16)가 최소 발전체(17)보다 클 수도 있으나, 단 기본 단위(16)가 최소 발전체(17)보다 작은 관계는 성립되지 않는다.
도 14에 따르면, 최소 발전체(17)에 의해 둘러싸인 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 면적은, 하나의 연료 유체의 공급용 개구부(11A) 면적의 약 4분의 1, 하나의 연료 유체의 배출용 개구부(11B) 면적의 약 4분의 1, 하나의 냉각 매질 공급용 개구부(12A) 면적의 2분의 1, 하나의 냉각 매질 공급 배출용 개구부(12B) 면적의 2분의 1, 하나의 산화 유체의 공급용 개구부(13A) 면적의 약 4분의 1, 하나의 산화 유체의 배출용 개구부(13B)의 약 4분의 1을 포함한다.
이하, 도 15를 사용하여 반방위형 개구부의 포트로부터 유입, 유출되는 각종 유체(반응 기체)의 유동에 대해 설명한다. 단 본 발명은 상기 형상(반방위형)으로 한정되지 않는다.
도 15 중 반방위형 개구부와 관련된 유동을 나타낸 예시에 따르면, 포트의 형상은 각각의 개구부 중 제Ⅰ사분면과 제Ⅱ사분면에 배치되는 포트로부터 유출되는 반응기체(연료 유체, 산화 유체)의 발산각도가 1도 이상 90도 이하로 설계된다. 또한, 각종 반응 기체의 유동을 육안으로 관찰할 수 없기 때문에, 도 15에서는 화살표를 사용하여 유동을 가시화하였다. 반방위형 개구부의 포트를 향하도록 그려진 화살표는 반응 기체가 제1 안내 유로로부터 포트를 통과하여 배출용 반방위형 개구부(11B), (13B)로 유입되는 유동선을 나타낸 것이고, 반방위형 개구부의 포트로부터 부채꼴 형상으로 방출되는 화살표는 반응 기체가 공급용 반방위형 개구부(11A), (13A)로부터 포트를 통과하여 제1 안내 유로를 향해 유출되는 유동선을 나타낸 것이다. 도 15에서, 각종 반응 기체가 연료 유체가 존재하는 반방위형 개구부(11) 및 산화 유체의 반방위형 개구부(13)의 좌우 위치(즉, 제Ⅰ사분면으로부터 제Ⅳ사분면까지)의 포트를 향해 유입, 유출되는 상황을 도시하였다. 도 15(a)는 연료 유체의 반방위형 개구부(11)와 산화 유체의 반방위형 개구부(13) 중 상이한 면적을 가진 사다리꼴 포트 형상을 도시하였다. 도 15(b)는 호도를 지닌 연결선을 구비한 동일한 포트 형상을 도시하였다. 또한, 본 발명의 포트의 형상은 다변형, 변형 다변형, 원형, 타원형 및 이들의 세장형 형상의 임의의 변형이거나 또는 이들의 조합이더라도 실시가 가능하다. 또한, 본 발명의 포트 형상으로서, 본 발명의 실시방식 2의 반방위형 개구부의 단일 구조에 한정될 필요 없이, 실시방식 1의 상기 전방위형 개구부의 포트 형상, 및 후술하는 기타 변형예의 포트 형상(준방위형)과의 각종 조합 방식으로 단위셀(8)을 형성할 수도 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시방식 2의 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 포트 형상을 변경함으로써, 유로 설계를 최적화하여, CCM의 발전량을 최대화할 수 있다.
이어서, 도 16, 17을 참조하여 밀봉재료(19)와 기체 확산층(4), (5)에 관련된 유로 형성에 대해 설명한다. 또한, 이러한 도면에서, 도면의 이해와 설명의 편의를 위해, 정확한 비례척을 사용하지 않고, 두께가 비교적 얇은 부재의 두께를 확대시켜 표시하였음에 유의한다. 도면 중, 동일한 부재는 동일한 부호로 표시하였다.
먼저, 본 발명의 실시방식 2의 단위셀(8)의 양극측 유로와 반방위형 개구부(11), (12), (13) 주변의 구조에 관하여, 도 16을 참조하면서 설명한다. 또한, 도 16은 실시방식 1에서 설명한 도 7과 대체로 동일하며, 중복되는 부분은 동일한 부호를 표시하였다.
도 16은 본 발명의 실시방식 1의 CCM판(M100)의 양극측 유로를 설명한 도면으로서, 도 16(a)는 도 16(b)와 도 16(c)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 16(b)는 양극측 세퍼레이터(6)를 제거 시 나타나는 양극측 기체 확산층(4)을 나타낸 평면도이며, 도 16(c)는 도 16(b)의 양극측 기체 확산층(4)을 제거시 나타나는 CCM판(M100)의 평면도이다. 도 16(a)의 좌측 상방에 위치한 수직 방향의 두 화살표(C)는 단위셀(8)의 스택 방향을 나타낸다. 하나의 단위셀(8)을 도시한 도 16(a)의 좌측에 공급 배출 유로(31), (32), (33)의 위치 관계를 도시하였다. 별표 "*"가 표시된 유로는 도 16(a)의 예시에서는 유로(31)만 활성화(active)된 유로이고, 다른 유로는 활성화하지 않았음을 설명하나, 실제 작동 시, 기타 유로 역시 활성화된 것일 수 있다. 도 16(a)의 활성화된 유로(31)에서 인출된 횡방향 화살표는 연료 유체가 유로(31)를 통과하여 흐르는 방향을 나타낸다. 상향 종방향 화살표는 연료 유체의 공급용 내부 공용통로(41A)의 유동을 나타내고, 하향 종방향 화살표는 연료 유체의 배출용 내부 공용통로(41B)의 유동을 나타낸다.
본 발명의 실시방식 2에 따르면, 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 주변에 위치하는 밀봉재료(19)를 이용하여 각종 유체의 유동을 제어하는 구조를 채택한다. 구체적으로 설명하면, 도 16(b)의 양극측 기체 확산층(4)의 평면도에서 볼 수 있듯이, 수소 이온이 CCM막(M101)을 투과하므로, 냉각 매질의 공급 배출용 개구부(12A), (12B), 및 산화 유체의 공급 배출용 개구부(13A), (13B)의 주위에 냉각 매질과 산화 유체가 양극측 기체 확산층(4)으로 유입되지 않도록 차단하는 밀봉재료(19)가 실시되고, 연료 유체의 공급 배출용 개구부(11A), (12B)의 포트에는 연료 유체가 양극측 기체 확산층(4)으로 유입되도록 밀봉재료(19)가 설치되지 않는다.
도 16(c)의 CCM판(M100)의 평면도를 관찰해보면 알 수 있듯이, 양극측 기체 확산층(4)의 CCM판(M100)측을 향하는 연료 유체의 공급 배출용 개구부(11A), (12B)의 주변에, 제1 안내 유로(31M1A), (31M1B) 및 제2 안내 유로(31M2A), (31M2B)가 설치된다. 관련이 없는 냉각 매질의 개구부(12)와 산화 유체의 개구부(13)의 주변에는 밀봉재료(19)가 설치되며, 상기 밀봉재료(19)는 각각의 전방위형 개구부(12), (13)와 연결될 수도 있고, 연결되지 않을 수도 있다.
도 16(a)의 입체도는 연료 유체의 공급용 개구부(11A)와 배출용 개구부(11B)의 밀봉 부위를 나타낸 것이다. 양극측 기체 확산층(4) 및 그것과 서로 인접한 제1 안내 유로(31M1A), (31M1B)와 연결되는 연료 유체의 개구부(11A), (11B)의 포트에 대해 밀봉재료(19)를 실시하지 않기 때문에, 연료 유체가 유로(31)로 흐르는 것을 확실히 보장할 수 있다. 이와 동시에, 음극측 기체 확산층(5) 및 산화 유체 유로(33)와 연결되는 연료 유체 개구부(11A), (11B)의 부위, 및 양극측 세퍼레이터(6) 및 그것과 인접한 음극측 세퍼레이터(7) 사이의 냉각 매질의 유로(32)와 연결되는 연료 유체 개구부(11A), (11B)의 부위는 전부 밀봉재료(19)에 의해 차단되므로, 연료 유체가 상기 무관한 유로인 유로(32), (33)로는 유입되지 않는다.
이밖에, 도 16(a)의 확대도를 통해 알 수 있듯이, 연료 유체의 공급용 내부 공용통로(41A)를 통해 제공되는 연료 유체의 유동은 연료 유체의 공급용 개구부(11A)에서 두 경로로 갈라진다. 이 두 갈래 경로로의 유동 중, 상측의 화살표가 나타내는 흐름은 도 20에서 설명할 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 양극측 세퍼레이터(6)에 설치되는 제1 안내 유로(31S1A), 제2 안내 유로(31S2A)와 메인 유로(31S0)의 유동을 나타내고, 하측의 화살표가 나타내는 흐름은 양극측 기체 확산층(4) 측을 향하는 CCM판(M100)에 설치되는 제1 안내 유로(31M1A)와 제2 안내 유로(31M2A)의 유동을 나타낸다. 따라서, 활성화된 유로인 연료 유체의 유로(31)는 이 2개의 유로로 구성된다. 그 중 하나의 유로는 양극측 세퍼레이터(6)에 설치되는 유로로서, 제1 안내 유로(31S1A), 제2 안내 유로(31S2A)와 메인 유로(31S0)로 구성되고, 다른 유로는 CCM판(M100)에 설치되는 유로로서, 제1 안내 유로(31M1A)와 제2 안내 유로(31M2A)로 구성된다. 마찬가지로, 상기 갈라진 후의 2개의 미반응 연료 유체의 흐름은 연료 유체의 배출용 개구부(11B) 부위에서 합류하여, 연료 유체의 배출용 내부 공용통로(41B)로 배출된다.
연료 유체의 유동 경로(31)는 하기의 순서이다. 즉, 연료 유체의 공급 경로는 1) 연료 유체의 공급용 개구부(11A)→ 제1 안내 유로(31S1A)→ 제2 안내 유로(31S2A)→ 메인 유로(31S0)→ 양극측 기체 확산층(4)으로 구성된 양극측 세퍼레이터(6) 측의 경로, 및 2) 연료 유체의 공급용 개구부(11A)→ 제1 안내 유로(31M1A)→ 제2 안내 유로(31M2A)→ 양극측 기체 확산층(4)으로 구성되는 CCM판(M100)측의 경로이다. 공급되는 연료 유체의 일부분은 양극측 기체 확산층(4)으로 확산되고, 양극측 촉매층(2)에서 수산화 반응이 발생하여, 수소 이온이 CCM막(M101)을 투과한다. 다른 한편으로, 미반응된 연료 유체의 배출 경로는 1) 메인 유로(31S0)(양극측 기체 확산층(4)→ 메인 유로(31S0) 포함)→ 제2 안내 유로(31S2B)→ 제1 안내 유로(31S1B)→ 연료 유체의 배출용 개구부(11B)로 구성된 양극측 세퍼레이터(6)측의 경로, 및 2) 양극측 기체 확산층(4)→ 제2 안내 유로(31M2B)→ 제1 안내 유로(31M1B)→ 연료 유체의 배출용 개구부(11B)로 구성되는 CCM판(M100)측의 경로이다. 이러한 공급, 배출 경로의 상황을 "공급 배출 유로(31)"라고 칭한다. 또한, 안내 유로는 상기 각 안내 유로로 한정되지 않으며, 예를 들어, 제3 안내 유로를 형성할 수도 있다.
또한, 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 양극측 세퍼레이터(6), 및 그것과 서로 인접한 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 음극측 세퍼레이터(7) 사이에 냉각 매질의 유로(32)(이후 설명할 것이다)가 설치된다.
또한, 도 16(b)와 16(c)에 도시된 바와 같이, 산화 유체의 반방위형 개구부(13)의 주변에 실시되는 밀봉재료(19), 및 냉각 매질의 반방위형 개구부(12) 주변에 실시되는 밀봉재료(19)는 일체화될 수도 있고, 밀봉재료(19)의 가공이 용이해지도록 연결되지 않을 수도 있다.
또한, 도 16(a)를 통해 알 수 있듯이, 양극측 기체 확산층(4)은 상기 CCM판(M100)측에 형성되는 연료 유체의 공급 배출 유로(31)(제1 안내 유로(31M1), 제2 안내 유로(31M2))에 중첩되게 배치된다. 이와 동시에, 상기 양극측 기체 확산층(4)은 상기 양극측 세퍼레이터(6)를 향하는 측에 형성되는 연료 유체의 공급 배출 유로(31)(제1 안내 유로(31S1), 제2 안내 유로(31S2), 메인 유로(31S0))에 중첩되게 배치된다.
또한, 도 16에 도시된 반방위형 개구부의 배열 배치는 각종 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부가 동일한 열에 동종 유체의 공급용 개구부만 설치되거나 또는 동종 유체의 배출용 개구부만 설치되는 예시이며, 각종 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부로 구성되는 열 사이는 대체로 등간격으로 설치된다. 또한, 전방위형 개구부의 배열 배치는 특별히 본 예로 한정되지 않는다.
이어서, 본 발명의 실시방식 2의 단위셀(8)의 음극측 유로 및 반방위형 개구부(11), (12), (13) 주변의 구조에 관하여, 도 17을 참조하면서 설명한다. 또한, 도 17은 실시방식 1에서 설명한 도 8과 대체로 동일하므로, 중복되는 부분은 동일한 부호를 표시하였다.
도 17은 본 발명의 실시방식 1의 CCM판(M100)의 음극측 유로를 설명한 도면이고, 도 17(a)는 도 17(b)와 도 17(c)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따른 단위셀(8)의 입체 단면도이며, 도 17(b)는 음극측 세퍼레이터(7)를 제거 시 나타나는 음극측 기체 확산층(5)의 평면도이고, 도 17(c)는 도 17(b)의 음극측 기체 확산층(5)을 제거 시 나타나는 CCM판(M100)의 평면도이다. 도 17(a)의 좌측 상방에 위치한 수직 방향의 두 화살표(C)는 단위셀(8)의 스택 방향을 나타낸다. 하나의 단위셀(8)을 도시한 도 17(a)의 좌측에 공급 배출 유로(31), (32), (33)의 위치 관계를 도시하였다. 별표 "*"가 표시된 유로인 도 17(a)의 예시 중의 유로(33)만 활성화(active)된 유로로 설명하나, 실제 작동 시, 기타 유로 역시 활성화된 것일 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 도 17(a)의 활성화된 유로(33)에서 인출된 횡방향 화살표는 산화 유체가 유로(33)를 통과하여 흐르는 방향을 나타낸다. 상향 종방향 화살표는 산화 유체의 공급용 내부 공용통로(43A)의 유동을 나타내고, 하향 종방향 화살표는 산화 유체의 배출용 내부 공용통로(43B)의 유동을 나타낸다.
본 발명의 실시방식 2에 따르면, 반방위형 개구부(11), (12), (13)의 주변에 위치하는 밀봉재료(19)를 이용하여 각종 유체의 유동을 제어하는 구조를 채택한다. 구체적으로 설명하면, 도 17(b)의 음극측 기체 확산층(5) 측의 평면도를 통해 볼 수 있듯이, CCM막(M101)으로부터 투과되는 수소 이온과 산화 유체의 반응을 촉진시키기 위하여, 연료 유체의 공급 배출용 개구부(11A), (11B), 냉각 매질의 공급 배출용 개구부(12A), (12B)에 대해, 연료 유체와 냉각 매질이 음극측 기체 확산층(5)으로 유입되지 않도록 차단하는 밀봉재료(19)를 실시하고, 또한 산화 유체의 공급 배출용 개구부(13A), (13B)의 포트에는 산화 유체가 음극측 기체 확산층(5)으로 유입되도록 밀봉재료(19)를 설치하지 않는다.
도 17(c)의 CCM판(M100)의 평면도를 관찰해보면 알 수 있듯이, 음극측 기체 확산층(5)의 CCM판(M100)측을 향하는 산화 유체의 공급 배출용 개구부(13A), (13B)의 주변에, 제1 안내 유로(33M1A), (33M1B) 및 제2 안내 유로(33M2A), (33M2B)가 설치된다. 관련이 없는 연료 유체의 개구부(11)와 냉각 매질의 개구부(12)의 주변에 밀봉재료(19)가 설치되며, 상기 밀봉재료(19)는 각각의 반방위형 개구부(11), (12)와 연결될 수도 있고, 연결되지 않을 수도 있다.
도 17(a)의 입체도는 산화 유체의 공급용 개구부(13A)와 배출용 개구부(13B)의 밀봉 부위를 나타낸 것이다. 음극측 기체 확산층(5) 및 그것과 서로 인접한 산화 유체의 제1 안내 유로(33M1A), (33M1B)와 연결되는 산화 유체의 개구부(13A), (13B)의 포트에 대해 밀봉재료(19)를 실시하지 않기 때문에, 산화 유체가 유로(33)로 흐르는 것을 확실히 보장할 수 있다. 이와 동시에, 양극측 기체 확산층(4) 및 연료 유체 유로(31)와 연결되는 산화 유체 개구부(13A), (13B)의 부위, 및 양극측 세퍼레이터(6) 및 그것과 인접한 음극측 세퍼레이터(7) 사이의 냉각 매질의 유로(32)와 연결되는 산화 유체 개구부(13A), (13B)의 부위는 전부 밀봉재료(19)에 의해 차단되므로, 연료 유체가 상기 무관한 유로인 유로(31), (32)로는 유입되지 않는다.
또한, 도 16(a)의 확대도에 도시된 연료 유체의 흐름과 마찬가지로, 도 17(a)를 통해 알 수 있듯이, 산화 유체의 공급용 내부 공용통로(43A)를 통해 제공되는 산화 유체의 흐름은 산화 유체의 공급용 개구부(13A)에서 두 경로로 갈라진다. 이 두 갈래 경로로의 흐름 중, 하측의 흐름(음극측 세퍼레이터(7) 측)은 아래에서 설명할 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 음극측 세퍼레이터(7)에 설치되는 제1 안내 유로(33S1A), 제2 안내 유로(33S2A)와 메인 유로(33S0)의 유동을 나타내고, 상측의 흐름(CCM판(M100)측)은 음극측 기체 확산층(5) 측을 향하는 CCM판(M100)에 설치되는 제1 안내 유로(33M1A)와 제2 안내 유로(33M2A)의 유동을 나타낸다. 따라서, 활성화된 유로인 산화 유체의 공급 유로(33)는 이 2개의 유로로 구성된다. 그 중 하나의 유로는 음극측 세퍼레이터(7)에 설치되는 유로로서, 제1 안내 유로(33S1A), 제2 안내 유로(33S2A)와 메인 유로(33S0)로 구성된다. 다른 하나의 유로는 CCM판(M100)에 설치되는 유로로서, 제1 안내 유로(33M1A)와 제2 안내 유로(33M2A)로 구성된다. 마찬가지로, 도 17(a)의 확대도를 통해 알 수 있듯이, 상기 갈라진 후의 2개의 미반응 산화 유체의 유동은 산화 유체의 배출용 개구부(13B) 부위에서 합류하여, 산화 유체의 배출용 내부 공용통로(43B)를 향해 배출된다.
산화 유체의 유동 경로(33)는 하기의 순서이다. 즉, 산화 유체의 공급 경로는 1) 산화 유체의 공급용 개구부(13A)→ 제1 안내 유로(33S1A)→ 제2 안내 유로(33S2A)→ 메인 유로(33S0)→음극측 기체 확산층(5)으로 구성되는 음극측 세퍼레이터(7) 측의 경로, 및 2) 산화 유체의 공급용 개구부(13A)→ 제1 안내 유로(33M1A)→ 제2 안내 유로(33M2A)→ 음극측 기체 확산층(5)으로 구성되는 CCM판(M100)측의 경로이다. 공급되는 산화 유체의 일부분은 음극측 기체 확산층(5)으로 확산되고, 음극측 촉매층(3)에서 CCM막(M101)으로 투과되는 수소 이온과 산화 환원 반응이 발생한다. 다른 한편으로, 미반응된 산화 유체의 배출 경로는 1) 메인 유로(33S0)(음극측 기체 확산층(5)→ 메인 유로(33S0) 포함)→ 제2 안내 유로(33S2B)→ 제1 안내 유로(33S1B)→ 산화 유체의 배출용 개구부(13B)로 구성되는 음극측 세퍼레이터(7)측의 경로, 및 2) 음극측 기체 확산층(5)→ 제2 안내 유로(33M2B)→ 제1 안내 유로(33M1B)→ 산화 유체의 배출용 개구부(13B)로 구성되는 CCM판(M100)측의 경로이다. 이러한 공급, 배출 경로의 상황을 "공급 배출 유로(33)"라고 칭한다. 또한, 안내 유로는 상기 각 안내 유로로 한정되지 않으며, 예를 들어, 제3 안내 유로를 형성할 수도 있다.
또한, 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 음극측 세퍼레이터(7), 및 그것과 서로 인접한 단위셀(8)의 일부분을 구성하는 양극측 세퍼레이터(6) 사이에 냉각 매질의 유로(32)가 설치된다(이후 설명할 것이다).
또한, 도 17(b)와 17(c)에 도시된 바와 같이, 연료 유체의 반방위형 개구부(11)의 주변에 실시되는 밀봉재료(19), 및 냉각 매질의 반방위형 개구부(12) 주변에 실시되는 밀봉재료(19)는 일체화될 수도 있고, 밀봉재료(19)의 가공이 용이해지도록 연결되지 않을 수도 있다.
또한, 도 17(a)를 통해 알 수 있듯이, 음극측 기체 확산층(5)은 상기 CCM판(M100)측의 산화 유체의 공급 배출 유로(33)(제1 안내 유로(33M1), 제2 안내 유로(33M2))에 중첩되게 배치된다. 이와 동시에, 상기 음극측 기체 확산층(5)은 상기 음극측 세퍼레이터(7)를 향하는 측의 기체의 공급 배출 유로(33)(제1 안내 유로(33S1), 제2 안내 유로(33S2), 메인 유로(33S0))에 중첩되게 배치된다.
또한, 도 17에 도시된 반방위형 개구부의 배열 배치는 각종 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부가 동일한 열에 동종 유체의 공급용 개구부만 설치되거나 또는 동종 유체의 배출용 개구부만 설치된 예시이며, 각종 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부로 구성되는 열 사이는 대체로 등간격으로 설치된다. 또한, 반위형 개구부의 배열 배치는 특별히 본 예만로 한정되지 않는다.
이어서, 도 18, 19, 20을 참조하여 세퍼레이터와 관련된 유로 형성에 대해 설명한다. 또한, 이러한 도면에서, 도면의 용이한 이해와 설명의 편의를 위해, 정확한 비례척을 사용하지 않았고, 두께가 비교적 얇은 부재의 두께는 확대하여 표시하였음에 유의한다.
도 18은 본 발명의 실시방식 2의 양극측 세퍼레이터(6)에 형성되는 유로를 설명하는 도면으로서, 도 18(a)는 도 18(b)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 18(b)는 연료 유체의 전방위형 개구부(11)의 포트 및 연료 유체의 유로(31)가 형성된 양극측 세퍼레이터(6)의 단면 구조를 나타낸 평면도이다. 또한 도 18은 실시방식 1에서 설명한 도 9와 대체로 동일하므로, 중복되는 부분은 동일한 부호를 표시하였다.
도 19는 본 발명의 실시방식 2의 음극측 세퍼레이터(7)에 형성되는 유로를 설명하는 도면으로서, 도 19(a)는 도 19(b)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 19(b)는 산화 유체의 전방위형 개구부(13)의 포트 및 산화 유체의 유로(33)가 형성된 음극측 세퍼레이터(7)의 단면 구조를 나타낸 평면도이다. 또한 도 19는 실시방식 1에서 설명한 도 10과 대체로 동일하므로, 중복되는 부분은 동일한 부호를 표시하였다.
도 20은 본 발명의 실시방식 2의 양극측 세퍼레이터(6)와 음극측 세퍼레이터(7) 사이에 형성되는 냉각매질의 유로를 설명하는 도면으로서, 도 20(a)는 도 20(b)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단위셀(8)의 입체 단면도이고, 도 20(b)는 냉각 매질의 전방위형 개구부(12)가 형성된 포트 및 냉각 매질의 유로(32)를 향하는 세퍼레이터(6), (7) 측의 구조를 나타낸 평면도이다. 여기서, 서로 인접한 세퍼레이터(6), (7) 사이에 냉각 매질의 유로(32)가 형성되며, 제1 안내 유로(32S1)와 메인 유로(32S0)가 설치된다. 또한 도 20은 실시방식 1에서 설명한 도 11과 대체로 동일하므로, 중복되는 부분은 동일한 부호를 표시하였다.
도 18(b)에 따르면, 즉 본 발명의 실시방식 2의 양극측 세퍼레이터(6)의 양면 중 양극측 기체 확산층(4)과 대향하는 면에 양극 기체인 연료 유체 공급 배출 유로(31)(제1 안내 유로(31S1), 제2 안내 유로(31S2) 및 메인 유로(31S0))가 형성된다. 도 18(b)는 양극측 세퍼레이터(6)를 제거 시의 세퍼레이터(6)의 양극측 평면도이다. 즉 공급용 내부 공용통로(41A)로부터 제공되는 연료 유체가 그 공급용 개구부(11A)를 통과하여 제1 안내 유로(31S1A)→ 제2 안내 유로(31S2A)→ 메인 유로(31S0)로 유입되어, 양극측 기체 확산층(4)까지 확산된다. 다른 한편으로, 미반응된 연료 유체는 메인 유로(31S0)→ 제2 안내 유로(31S2B)→ 제1 안내 유로(31S1B)→배출용 개구부(11B)를 따라 유동한다.
도 18의 양극측 세퍼레이터(6)의 양면 중 양극측 기체 확산층(4)이 위치하는 측의 반대측 면에 냉각 매질이 흐르는 공급용 배출 유로(32)가 형성된다(도 20 참조). 내부 공용 통로로부터 제공되는 냉각 매질은 냉각 매질 공급용 개구부(12A)를 통과하여, 제1 안내 유로(32S1A)→ 메인 유로(32S0)로 유입된다. 상기 냉각 매질은 발전 영역을 냉각시키면서, 메인 유로(32S0)→ 제1 안내 유로(32S1B)를 경유한 후 배출용 내부 공용 통로(42B)로 도출된다. 또한, 도 20에 도시된 바와 같이, 양극측 세퍼레이터(6)의 음극측 세퍼레이터(7)와 대향하는 면에 형성되는 안내 유로 중 제1 안내 유로(32S1)만 형성하였으나, 제2 안내 유로가 설치될 수도 있다.
도 19(b)에 따르면, 즉 본 발명의 실시방식 1의 음극측 세퍼레이터(7)의 양면 중 음극측 기체 확산층(5)과 대향하는 면에 음극 기체인 산화 유체 공급 배출 유로(33)(제1 안내 유로(33S1), 제2 안내 유로(33S2) 및 메인 유로(33S0))가 형성된다. 도 19(b)는 음극측 세퍼레이터(7)를 제거 시의 세퍼레이터(7)의 음극측 평면도이다. 즉 공급용 내부 공용통로(43A)로부터 제공되는 산화 유체가 그 공급용 개구부(13A)를 통과하여 제1 안내 유로(33S1A)→ 제2 안내 유로(33S2A)→ 메인 유로(33S0)로 유입되어, 음극측 기체 확산층(5)으로 확산된다. 다른 한편으로, 미반응된 산화 유체는 메인 유로(33S0)→ 제2 안내 유로(33S2B)→ 제1 안내 유로(33S1B)→ 배출용 개구부(13B)를 따라 유동한다.
도 19의 음극측 세퍼레이터(7)의 양면 중 음극측 기체 확산층(5)이 위치하는 측의 반대측 면에 냉각 매질이 흐르는 공급용 배출 유로(32)가 형성된다(도 20 참조). 내부 공용 통로로부터 제공되는 냉각 매질은 냉각 매질 공급용 개구부(12A)를 통과하여, 제1 안내 유로(32S1A)→ 메인 유로(32S0)로 유입된다. 상기 냉각 매질은 발전 영역을 냉각시키면서, 메인 유로(32S0)→ 제1 안내 유로(32S1B)를 경유한 후 배출용 내부 공용 통로(42B)로 도출된다. 또한, 도 20에 도시된 바와 같이, 음극측 세퍼레이터(7)의 양극측 세퍼레이터(6)와 대향하는 면에 형성되는 안내 유로 중 제1 안내 유로(32S1)만 형성하였으나, 제2 안내 유로가 설치될 수도 있다. 또한, 안내 유로는 상기 각 안내 유로로 한정되지 않으며, 예를 들어 제3 안내 유로를 형성할 수도 있다.
본 발명의 실시방식 2에 따르면, 공급 배출 유로(31), (32), (33) 중 각각 제1 안내 유로, 제2 안내 유로와 메인 유로가 설치되나, 단 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 기타 각종 안내 유로, 메인 유로가 설치될 수도 있다.
이하, 도 13, 21을 사용하여 본 발명의 실시방식 2의 에지 처리에 대해 상세히 설명한다. 또한 도 21은 실시방식 1의 에지 구조에서 설명한 도 12와 대체로 동일하므로, 중복되는 부분은 동일한 부호를 표시하였다.
도 21에 도시된 본 발명의 실시방식 1의 에지 구조에서, 전방위형 개구부 배열 패턴(E001)의 B축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 21의 A 방향), 및 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 A축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 21의 B 방향)가 존재한다. 이러한 양 단부의 에지 구조를 형성하기 위하여, 기본 구간(18)을 이용하여 도 21(a)에 도시된 2차원 브라베이 격자의 규칙성을 바탕으로 하는 반방위형 개구부의 배열 패턴(E001)을 구분하고, 이에 따라 도 21(a), (b)의 굵은 선으로 둘러싸인 "에지 처리 후의 전방위형 개구부의 배치 영역(E002)"을 잘라낸다.
도 21(a)는 단위셀(8)의 면내에서 2차원으로 확장되는 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001) 및 2개의 굵은 선으로 표시되는 에지 처리 후의 반방위형 개구부의 배치 영역(Assigned area: 지정 영역)(E002)을 나타낸 도면이다. 도 21(b)는 전방위형 개구부의 배열 패턴(E001)에서 에지 처리 후의 전방위형 개구부 배치 영역(E002)을 절취한 후 획득되는 에지 처리 완료 개구부 배치 구조(E003)를 갖는 단위셀(8), 및 상기 단위셀(8)로 구성되는 단위셀 스택 구조체(9)를 나타낸 도면이다. 에지 처리 후의 전방위형 개구부 배치 영역(E002) 내에서, 각종 유체의 공급 총 유량 및 분포와 배출의 총 유량 및 분포가 각각 균형을 이루도록 하기 위하여, 각종 유체의 공급용 개구부(11A), (12A), (13A)의 면적(에지부와 중간부 포함), 및 배출용 개구부(11B), (12B), (13B)의 면적(에지부와 중간부 포함)를 각각 더한 후 획득되는 총 면적이 서로 같거나 또는 대체로 같도록 설계함으로써, 에지 처리를 수행한다.
도 21(a)에 도시된 바와 같이, B축과 A축의 2개의 축방향의 확장을 종료시키는 에지 구조는 각각 축방향 확장과 대응되는 기본 구간(18)의 정수배를 이루는 구획을 기준으로 한다. 기본 구간(18)은 발전 기능을 유지하면서 연료 유체, 냉각 매질 및 산화 유체 3종의 개구부(11), (12), (13)로 구성되는 특징, 및/또는 각종 유체의 공급용 개구부와 배출용 개구부가 일대일 관계로 구성되는 특징을 갖는다. 단위셀(8) 내에서 유동하는 각 반응 기체와 두 단위셀(8) 사이에서 유동하는 냉각 매질 중, 기본 구간(18)의 정수배를 이루는 구획을 기준으로 반방위형 개구부의 B축과 A축 2개의 축방향의 확장을 종료시키며, 이에 따라 각 공급 및 배출의 균형을 유지한다.
이하, 2x3의 에지 구조를 예로 들어 설명하나, 단 본 발명의 에지 구조는 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시방식 2의 반방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 B축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 21(b)의 A 방향)는 도 21(a)의 에지 처리 후의 반방위형 개구부 배치 영역(E002)의 A 방향을 따라 설치되는 에지 구조이다. 도 21(a)에 도시된 바와 같이, 반방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 B축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 21(b)의 A 방향)의 구획 기준은 기본 구간(SB1)과 기본구간(SB2)의 정수배이다. 기본 구간(SB1) 및/또는 기본 구간(SB2)의 구획(구간)을 기준으로 하여, 그것의 정수배로 설정하며, 이와 같은 방식으로 반방위형 개구부의 배열 패턴(EOO1)의 B축의 양방향 확장을 종료시킨다. 도 3(b)에 따르면, 즉 모든 사분면에 포트를 가지는 전방위형 개구부의 포트 배치와 달리, 반방위형 개구부의 포트는 제Ⅰ사분면과 제Ⅱ사분면 내, 또는 제Ⅲ사분면과 제Ⅳ사분면 내에 배치된다. 전방위형 개구부의 배치와 흐름은 B방향을 따라 상향 방향과 하향 방향이 동시에 존재하는 특징이 있으며, 에지 구조를 형성하기 위하여, 상하를 둘로 나누는 방식으로 전방위형 개구부 자체를 획분한다. 한편, 반방위형 개구부 포트의 특징은 다음과 같다. 즉, 상기 부위를 향해 진출입하는 유동은 방사상의 유동선이 아니라, 반방위형 개구부의 상반부분 또는 하반부분 중의 어느 한쪽을 향해 부채꼴 방식으로 확장된다. 즉, 반방위형 개구부의 포트에서 진출입하는 유동이 상반부분 또는 하반부분 중의 어느 한 쪽에 응집된다. 상기 반방위형 개구부의 포트의 배치와 흐름은 단지 B 방향을 따라 위를 향하거나 또는 아래를 향하며, 상향 방향과 하향 방향이 동시에 존재하는 전방위 개구부 포트의 배치 및 유동과 다르다. 반방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 B축의 양방향 확장을 종료시키기 위해서는, 반방위형 개구부 자체를 둘로 나눌 필요 없이, 인접한 2개의 반방위형 개구부 사이에 구역을 삽입하기만 하면 된다. 또한 발전 기능을 유지하는 연료 유체와 산화 유체의 유동을 형성하기 위하여, 기본 구간(SB1) 및 기본 구간(SB2)은 각각 상향 포트인 연료 유체의 반방위형 개구부(11)와 하향 포트인 산화 유체의 반방위형 개구부(13)의 일대일 대면 관계, 및 상향 포트인 산화 유체의 반방위 개구부(13)와 하향 포트인 연료 유체의 반방위 개구부(11)의 일대일 대면 관계를 갖는다.
따라서, 도 21(a)에 도시된 바와 같이, 기본 구간(SB1)은 상향 포트를 갖는 1개의 연료 유체 개구부(11), 1개의 냉각 매질 개구부(12), 및 하향 포트를 갖는 1개의 산화 유체 개구부(13)로 구성된다. 기본 구간(SB2)은 상향 포트를 갖는 1개의 산화 유체 개구부(13), 1개의 냉각 매질 개구부(12), 및 하향 포트를 갖는 1개의 하나의 연료 유체 개구부(11)로 구성된다. 기본 구간(SB1), (SB2)의 길이(B 방향의 길이)는 같을 수도 있고 다를 수도 있다. B 방향의 길이가 같은 경우란, 도 21의 예시에서, 연료 유체의 개구부(11), 냉각 매질의 개구부(12), 산화 유체의 개구부(13)가 모두 동일한 열에 곧게 배열되고, 기본 구간(SB1), (SB2)의 길이가 균등함을 말한다. 다른 한편으로, 연료 유체의 개구부(11), 냉각 매질의 개구부(12), 및 산화 유체의 개구부(13)가 B 방향에서 지그재그형으로 배열된 경우, B 방향을 따르는 기본 구간(SB1)과 기본구간(SB2)의 길이는 상이하다. 따라서, 도 21(b)에 도시된 2x3의 에지 구조에서, B축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 21의 A 방향)는 2개의 기본 구간(SB1)과 2개의 기본 구간(SB2)으로 구성된다.
본 발명의 실시방식 2의 반방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 A축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 21(b)의 B 방향)는 도 21(a)의 에지 처리 후의 반방위형 개구부 배치 영역(E002)의 B 방향을 따라 설치되는 에지 구조이다. 도 21(a)에 도시된 바와 같이, 반방위형 개구부의 배열 패턴(E001)의 A축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 21(b)의 B 방향)의 구획 기준은 기본 구간(SB1), (SB2), (SB3)의 정수배이다. 기본 구간(SB1) 및/또는 기본 구간(SB2) 및/또는 기본 구간(SB3)의 구획(구간)을 기준으로 하여, 그것의 정수배로 설정하며, 이와 같은 방식으로 반방위형 개구부의 배열 패턴(EOO1)의 A축의 양방향 확장을 종료시킨다. 도 3(b)에 따르면, 즉 반방위형 개구부의 포트는 모든 제Ⅰ사분면 및 제Ⅱ사분면, 또는 제Ⅲ사분면 및 제Ⅳ사분면 내에 배치되며, 반방위형 개구부의 A축의 양방향 확장을 종료시키기 위하여, 제Ⅰ사분면과 제Ⅱ사분면 사이, 및 제Ⅲ사분면과 제Ⅳ사분면 사이의 영역의 중간을 잘라내어, 반방위형 개구부를 둘로 나눈다. 도 21에 따르면, 발전 기능을 유지하는 연료 유체와 산화 유체의 흐름을 형성하기 위하여, 기본 구간(SB1), (SB2), (SB3)은 각자의 공급용 반방위형 개구부 포트 및 배출용 반방위형 개구부 포트의 일대일 대면 관계를 갖는다. 따라서 도 21(a)에 도시된 바와 같이, 기본 구간(SB1)은 둘로 나누어진 1개의 연료 유체 공급용 개구부(11A)와 둘로 나누어진 1개의 연료 유체 배출용 개구부(11B)로 구성된다. 기본 구간(SB2)은 둘로 나누어진 1개의 냉각 매질 공급용 개구부(12A)와 둘로 나누어진 1개의 냉각 매질 배출용 개구부(12B)로 구성된다. 기본 구간(SB3)은 둘로 나누어진 1개의 산화 유체 공급용 개구부(13A)와 둘로 나누어진 1개의 산화유체 배출용 개구부(13B)로 구성된다. 도 21(a)에 도시된 예시에서, 연료유체의 개구부(11), 냉각 매질의 개구부(12), 산화 유체의 개구부(13)가 동일한 B열에 배열되기 때문에, 기본 구간(SB1), (SB2), (SB3)의 길이는 B열 사이의 거리이면서 서로 동일하다. 기본 구간(SB1), (SB2), (SB3)의 길이(A 방향의 길이)는 같을 수도 있고, 다를 수도 있다. 연료 유체의 개구부(11), 냉각 매질의 개구부(12), 및 산화 유체의 개구부(13)가 A 방향에서 지그재그형으로 배열된 경우, 기본 구간(SB1), (SB2), (SB3)의 길이는 상이하다.
따라서, 도 21(b)에 도시된 2x3의 에지 구조에서, A축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조(도 21의 B 방향)는 3개의 기본 구간(SB1), (SA2) 및 (SB3)으로 구성된다.
상기 방식에 따라, 도 21(a), (b)에 도시된 바와 같이, 2x3으로 획분되는 기분 구간을 바탕으로 하는 에지 구조가 형성된다.
따라서, 본 발명의 실시방식 2의 반방위형 개구부(11), (12), (13)가 배열된 단위셀(8)의 면내에서, 각종 유체의 반방위형 개구부로 구성되는 공급용 내부 공용 통로(41A), (42A), (43A)의 배치 및 단면적(공급 유동의 분포와 유량), 및 각종 유체의 반방위형 개구부로 구성되는 배출용 내부 공용 통로(41B), (42B), (43B)의 배치 및 단면적(배출 유동의 분포와 유량)이 균형을 이루게 된다.
아래의 표2는 도 21(b)의 에지 처리가 완료된 개구부의 배치구조(E003)에 포함되는 전방위형 개구부의 개수를 나타낸 것이다.
실시방식 2 반방위형 개구부의 개수（1＝완전한 형상의 개구부）
개구부의 종류 중간부 에지부 모서리부 총합
연료 유체 공급용(11A) 2 1/2X1=1/2 1/2X1=1/2 3
연료 유체 배출용(11B) 2 1/2X1=1/2 1/2X1=1/2 3
냉각 매질 공급용(12A) 2 1/2X2=1 - 3
냉각 매질 배출용(12B) 2 1/2X2=1 - 3
산화 유체 공급용(13A) 2 1/2X1=1/2 1/2X1=1/2 3
산화 유체 배출용(13B) 2 1/2X1=1/2 1/2X1=1/2 3
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 도 21(b)의 에지 처리가 완료된 개구부의 배치 구조(E003)에 포함되는 동일한 종류의 공급용 개구부의 개수(면적)의 총합과 배출용 개구부의 개수(면적)의 총합은 같다.
도 21(b)를 통해 알 수 있듯이, 굵은 선으로 둘러싸인 에지 처리가 완료된 개구부의 배치 구조(E003)를 나타낸 예시에서, 즉 2x3의 기분 구간으로 구분하여 획득되는 에지 구조에서, 그 중간부에 위치한 완전한 형상의 반방위형 개구부(본 예에서는 연료 유체 공급용 개구부(11A), 산화 유체 공급용 개구부(13A), 연료 유체 배출용 개구부(11B), 산화 유체 배출용 개구부(13B))의 면적을 1이라고 설정하면, 즉 그 2개의 모서리에 위치한 반방위형 개구부(본 예에서는 연료 유체 공급용 개구부(11A), 산화 유체 공급용 개구부(13A), 연료 유체 배출용 개구부(11B), 산화 유체 배출용 개구부(13B))는 그것의 2분의 1이다. 공급과 배출의 균형은(일대일의 관계가 구축되었는지 여부를 종합적으로 살펴본다), 각 반방위형 개구부의 개수(면적)를 병합하고 계수하는 방식을 통해 확인할 수 있다.
그 결과, 도 21(a)의 2차원으로 확장되는 반방위형 개구부의 배열 패턴(E001)으로부터 에지 처리 후의 반방위형 개구부 배치 영역(E002)을 잘라냄으로써, 반방위형 개구부(11), (12), (13)가 배열된 단위셀(8)을 획득할 수 있으며, 상기 반방위형 개구부(11), (12), (13)는 공급 배출의 균형 관계가 성립된 에지 처리가 완료된 개구부 배치 구조(E003)를 갖는다.
도 21에서, 브라비에 격자의 규칙성을 응용한 반방위형 개구부 배열의 2차원 확장 패턴(E001)에서 굵은 선으로 둘러싸인 부분을"에지 처리 후의 반방위형 개구부의 배치 영역(E002)"으로 하여, 상기 부분을 잘라낸다. 본 발명의 실시방식 2에서, "에지 처리 후의 반방위형 개구부의 배치 영역(E002)"을 바탕으로, 반방위형 개구부(11), (12), (13)를 단위셀(8)의 면내에 배열시킨다.
이상으로, 반방위형 개구부의 측면에서 단위셀(8)의 면내의 에지구조에 대해 설명하였다. 이어서, 반방위형 개구부와 연통되는 내부 공용 통로와 관련된 에지 구조에 대해 설명한다.
내부 공용 통로는 본 발명의 단위셀(8)을 스택하여 형성되는 전지 스택 구조체(9)의 내측에 형성된다. 따라서, 하나의 단위셀(8)의 면내에서, 각종 유체의 전방위형 개구부(11), (12), (13)의 공급과 배출의 균형을 획득한다면, 설사 내부 공용 통로의 형상 및 치수를 변형시키더라도, 종합적으로는 내부 공용 통로의 공급과 배출의 균형을 획득할 수 있다.
즉, 내부 공용 통로의 단면 형상 및 단면적은 반방위형 개구부의 면내 형상 및 면적과 기본적으로 동일하며, 단위셀(8)의 면내에 설치되는 반방위형 개구부의 면내 형상 및 면적과 동일하고, 내부 공용 통로의 단면 형상 및 단면적은 그 모서리부, 가장자리부(에지 부분), 및 중간부(에지 이외의 부분)이 각기 다르다. 즉, 에지 구조를 갖는 내부 공용 통로에 관하여, 중간부에 위치하는 완전한 형상의 내부 공용 통로의 단면적을 1로 설정할 경우, 도 21의 B 방향을 따르는 에지 부분(가장자리부와 모서리부)에 위치한 내부 공용 통로의 단면적은 중간부에 위치한 완전한 형상의 내부 공용 통로의 단면적의 약 2분의 1이 되도록 형성된다. 다른 한편으로, 도 21의 A 방향을 따르는 에지 부분의 가장자리부에 위치한 내부 공용통로의 단면적은 중간부에 위치한 완전한 형상의 내부 공용 통로의 단면적과 동일하게 형성된다. 상기 이러한 구조는 내부 공용 통로와 외부 공용 통로 양측에 적용된다.
따라서, 본 발명의 실시방식 2의 단위셀(8)의 면내에서, 연료 유체의 공급용 내부 공용 통로(41A)의 배치와 단면적(공급 유동의 분포와 유량)과 연료 유체의 배출용 내부 공용 통로(41B)의 배치와 단면적(배출 유동의 분포와 유량)은 서로 균형을 이룬다. 또한, 냉각 매질의 공급용 내부 공용 통로(42A)의 배치와 단면적(공급 유동의 분포와 유량)과 냉각 매질의 배출용 내부 공용 통로(42B)의 배치와 단면적(배출 유동의 분포와 유량)은 서로 균형을 이룬다. 또한, 산화 유체의 공급용 내부 공용 통로(43A)의 배치와 단면적(공급 유동의 분포와 유량)과 산화 유체의 배출용 내부 공용 통로(43B)의 배치와 단면적(배출 유동의 분포와 유량)은 서로 균형을 이룬다.
본 발명의 실시방식 2의 반방위형 개구부의 사례에서, 2차원 브라비에 격자의 배열의 확장 종료는 상기 에지 구조의 설치를 통해 구현될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시방식 2와 관련된 에지 구조는 하나의 예시일 뿐, 본 명세서에 기재된 내용에 한정되지 않는다.
기타 변형예
이어서, 도 3을 사용하여, 본 발명의 기타 변형예를 응용한 전지 스택형 연료전지에 대해 설명한다.
상기 기타 변형예에서, 주요 차이점은 도 3(d)에 도시된 준방위형 개구부 배열의 배치에 따라 실시된다는데 있으며, 기타 구조, 메커니즘은 도 1~13에 도시된 실시방식 1, 및 도 1~3, 14~21에 도시된 실시방식 2와 기본적으로 동일하다.
본 발명의 특징 중 하나인 개구부의 형상에 관하여, 도 3(b), (c), (e)에 도시된 반방위형 개구부의 형상과 동일하며, 도 3(d)에 도시된 준방위형 개구부는 역시 비대칭 형상이므로, 각각 역방향형이 존재한다. 또한, 도 3(a)에 도시된 전방향형 개구부는 대칭 형상이므로, 역방향형이 존재하지 않으나, 단 대칭 형상이 아닌 경우, 역방향형이 존재한다.
본 발명의 상기 기타 변형예에 따르면, 2차원으로 확장되는 브라비에 격자의 규칙성을 응용한 본 발명의 단위셀(8)의 면내에 준방위성 개구부(11), (12), (13)가 배열된다. 도 3(d)에 도시된 준방위성 개구부 포트의 배치는, 제Ⅰ사분면, 제Ⅲ사분면 및 제Ⅳ사분면에 배치되는 포트를 경유하여 유출되는 각종 유체의 발산각도가 1도 이상 90도 이하 및 1도 이상 180도 이하인 준방위 방식으로 유출되도록 설계된다. 또한, 상기 사분면에 배치되는 포트로부터 유입되는 각종 유체는 수렴각도가 1도 이상 90도 이하 및 1도 이상 180도 이하인 준방위 방식으로 유입되도록 설계된다.
또한, 이미 설명한 실시방식 1에서, 전방위형 개구부의 배열 배치로 실시하는 상황을 상세히 설명하였고, 이미 설명한 실시방식 2에서, 반방위형 개구부를 사용한 배열 배치에 따라 실시하는 상황을 상세히 설명하였다. 상기 기타 변형예에서, 준방위형 개구부를 사용한 배열 배치에 따라 실시하는 상황을 간략히 설명하며, 단 본 발명은 이러한 개구부 형상에 따른 단일한 구조의 배열 배치에 한정되는 것이 아니라, 전방위형 개구부, 반방위형 개구부 또는 준방위형 개구부를 적당히 조합하여 실시할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시방식 1 중의 전방위형 개구부에 구비된 포트 형상의 일 실시예는 도 3(a)에 도시된 바와 같다. 본 발명의 실시방식 2 중의 반방위형 개구부에 구비된 포트 형상의 일 예시는 도 3(b), (c), (e)에 도시된 바와 같다. 본 발명의 상기 기타 실시예 중의 준방위형 개구부에 구비된 포트 형상의 일 예시는 도 3(d)에 도시된 바와 같다. 이밖에, 본 발명의 포트 형상으로서, 전방위형, 반방위형 또는 준방위형 중의 어느 하나의 단일한 구조에 한정될 필요 없이, 각종 조합의 방식으로 단위셀(8)에서 확장될 수 있다.
또한, 도 5의 전방위형 개구부에 구비된 포트의 평면 형상은 도 3(a)에 도시된 육변형 이외에, 다변형, 변형 다변형, 원형, 타원형 및 이들의 세장형 형상의 임의의 변형이거나, 또는 이들의 조합일 수도 있다. 마찬가지로, 도 15의 반방위형 개구부에 구비된 포트의 평면 형상은 도 3(b), (c), (e)에 도시된 사다리꼴, 평행사변형, 오변형 이외에, 다변형, 변형 다변형, 원형, 타원형 및 이들의 세장형 형상의 임의의 변형이거나, 또는 이들의 조합일 수도 있다. 마찬가지로, 준방위형 개구부에 구비된 포트의 평면 형상은 도 3(d)에 도시된 오변형 이외에, 다변형, 변형 다변형, 원형, 타원형 및 이들의 세장형 형상의 임의의 변형이거나, 또는 이들의 조합일 수도 있다.
상기 기타 변형예에서, 준방위형 개구부의 각종 형상을 포함하는 개구부의 특징을 감안하여, 이들에 대해 각종 다양한 조합을 실시하여 단위셀(8)에 배열함으로써, 이들의 특성 및 조합을 통해 획득되는 새로운 특성에 따라 유로의 설계를 실시할 수 있다. 또한, 각종 개구부의 형상에 따라 에지 처리를 수행함으로써, 각종 유체의 공급과 배출의 균형을 확실하게 보장할 수 있다.
설계의 표준에 따라, 각종 형상의 개구부를 적당히 선택하면, 유동의 방위, 발산각도, 수렴각도를 자유롭게 선택할 수 있어, 반응 효율을 높일 수 있는 유로 설계를 구현할 수 있다.
발명의효과
본 발명은 상기 구조를 통해 하기의 효과를 발휘한다.
본 발명에 따르면, 세퍼레이터 중 유로부와 금속부가 일체형으로 형성되며, 따라서 소자의 개수가 감소할 뿐만 아니라, 단일한 단위셀을 스택하여 연료전지를 제조 시, 조립이 용이하고 신뢰할 수 있다.
본 발명에 따르면, 내구성을 구비하고, 가격이 저렴하며, 제조가 용이한 연료전지의 단위셀을 제공할 수 있으며, 제조비용 삭감 등의 측면에서 당연히 바람직하다.
본 발명의 일 실시방식에 따르면, 냉각 매질을 사용하는 연료전지의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 전체 유로 중 반응 기체를 균일하게 분산시키는 효과를 얻을 수 있다.
제조비용 삭감 등의 측면에서 당연히 바람직하다.
상기 단위셀의 면내 방향에 2차원 확장을 구현할 수 있는 개구부, 내부 공용 통로 및 외부 공용 통로를 이용하여, 연료전지의 고출력밀도를 구현할 수 있다. 또한, 다량의 염가 재료 사용을 통해, 양산 응용성 측면의 비용 삭감, 조립 개수의 삭감이 가능하여, 염가의 가격으로 제조할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 이러한 방식에 따라 구성되는 연료전지는 각 기능층의 표면이 2차원 방식으로 분산 배치되는 각종 형상의 개구부를 구비하므로, 거의 전체 면에서 농도가 같은 반응 기체를 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시방식에 한정되지 않으며, 그 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 각종 변경을 실시할 수 있다. 즉 청구항의 범위를 벗어나지 않는 경우, 당업자가 생각해낼 수 있는 범위 내의 각종 변형 방식 역시 본 발명에 포함된다.
공업상 실용성
본 발명의 일 실시방식은 차량 탑재용 연료전지로 사용될 수 있다.
본 발명은 상기 실시방식 1, 2에 국한되지 않으며, 그 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 각종 구조를 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 문제 및 효과의 일부 또는 전부를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시방식 1, 2, 상기 기타 변형예에 기재된 기술 특징을 적당히 교체 및 조합할 수 있다.
1: 전해질막 2: 양극측 촉매층
3: 음극측 촉매층 4: 양극측 기체 확산층
5: 음극측 기체 확산층 6: 양극측 세퍼레이터
7: 음극측 세퍼레이터 8: 단위셀
9: 단위셀 스택 구조체
11: 연료 유체의 개구부 11A: 연료 유체 공급용 개구부
11B: 연료 유체 배출용 개구부 12: 냉각 매질의 개구부
12A: 냉각 매질 공급용 개구부 12B: 냉각 매질 배출용 개구부
13: 산화 유체의 개구부 13A: 산화 유체 공급용 개구부
13B: 산화 유체 배출용 개구부 14: 벡터 A
15: 벡터 B
16: 2차원 브라베이 격자를 따르는 개구부의 반복 배열되는 기본 단위
17: 최소 발전체 18: 기본 구간
SB1: 기본 구간, B축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조
SB2: 기본 구간, B축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조
SB3: 기본 구간, B축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조
SA1: 기본 구간, A축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조
SA2: 기본 구간, A축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조
SA3: 기본 구간, A축의 양방향 확장을 종료시키는 에지 구조
P1-P5: 포트
19: 밀봉재료
31: 연료 유체의 공급 배출 유로 32: 냉각 매질의 공급 배출 유로
33: 산화 유체의 공급 배출 유로 41: 연료 유체의 내부 공용 통로
41A: 연료 유체의 공급용 내부 공용 통로
41B: 연료 유체의 배출용 내부 공용 통로
42: 냉각 매질의 내부 공용 통로
42A: 냉각 매질의 공급용 내부 공용 통로
42B: 냉각 매질의 배출용 내부 공용 통로
43: 산화 유체의 내부 공용 통로
43A: 산화 유체의 공급용 내부 공용 통로
43B: 산화 유체의 배출용 내부 공용 통로
51: 연료 유체의 외부 공용 통로
51A: 연료 유체의 공급용 내부 공용 통로
51B: 연료 유체의 배출용 내부 공용 통로
52: 냉각 매질의 외부 공용 통로
52A: 냉각 매질의 공급용 외부 공용 통로
52B: 냉각 매질의 배출용 외부 공용 통로
53: 산화 유체의 외부 공용 통로
53A: 산화 유체의 공급용 외부 공용 통로
53B: 산화 유체의 배출용 외부 공용 통로
101: 엔드 플레이트 102: 엔드 플레이트
B: 개구부의 B열 C: 단위셀의 스택 방향
Th: 단위셀의 두께 M100: CCM판
M101: CCM 막 M102: CCM 지지막
M103: 감합 구조체
31M1: 연료 유체, 제1 안내 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 CCM판측
31M1A: 연료 유체, 공급, 제1 안내 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 CCM판측
31M1B: 연료 유체, 배출, 제1 안내 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 CCM판측
31M2: 연료 유체, 제2 안내 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 CCM판측
31M2A: 연료 유체, 공급, 제2 안내 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 CCM판측
31M2B: 연료 유체, 배출, 제2 안내 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 CCM판측
31S1: 연료 유체, 제1 안내 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 세퍼레이터(6)측
31S1A: 연료 유체, 공급, 제1 안내 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 세퍼레이터(6)측
31S1B: 연료 유체, 배출, 제1 안내 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 세퍼레이터(6)측
31S2: 연료 유체, 제2 안내 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 세퍼레이터(6)측
31S2A: 연료 유체, 공급, 제2 안내 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 세퍼레이터(6)측
31S2B: 연료 유체, 배출, 제2 안내 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 세퍼레이터(6)측
31S0: 연료 유체, 메인 유로, 양극측 기체 확산층(4)의 세퍼레이터(6)측
33M1: 산화 유체, 제1 안내 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 CCM판측
33M1A: 산화 유체, 공급, 제1 안내 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 CCM판측
33M1B: 산화 유체, 배출, 제1 안내 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 CCM판측
33M2: 산화 유체, 제2 안내 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 CCM판측
33M2A: 산화 유체, 공급, 제2 안내 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 CCM판측
33M2B: 산화 유체, 배출, 제2 안내 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 CCM판측
33S1: 산화 유체, 제1 안내 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 세퍼레이터(7)측
33S1A: 산화 유체, 공급, 제1 안내 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 세퍼레이터(7)측
33S1B: 산화 유체, 배출, 제1 안내 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 세퍼레이터(7)측
33S2: 산화 유체, 제2 안내 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 세퍼레이터(7)측
33S2A: 산화 유체, 공급, 제2 안내 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 세퍼레이터(7)측
33S2B: 산화 유체, 배출, 제2 안내 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 세퍼레이터(7)측
33SO: 산화 유체, 메인 유로, 음극측 기체 확산층(5)의 세퍼레이터(7)측
32S1: 냉각 매질, 제1 안내 유로
32S1A: 냉각 매질, 공급, 제1 안내 유로
32S1B: 냉각 매질, 배출, 제1 안내 유로
32SO: 냉각 매질, 메인 유로
E001: 2차원으로 확장되는 개구부의 배열 패턴
E002: 에지 처리 후의 개구부 배치 영역
E003: 에지 처리로 완성된 개구부의 배치 구조

Claims (25)

  1. 서로 대향하는 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터 및 상기 제1과 제2 세퍼레이터 사이에 적층되는 막전극 접합체를 포함하고, 상기 막전극 접합체는 촉매 코팅막 및 상기 촉매 코팅막의 제1측과 제2측에 각각 설치되는 제1 기체 확산층과 제2 기체 확산층을 포함하는 단위셀에 있어서,
    상기 단위셀은 단위셀로부터 연장되는 면이 상기 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터와 상기 막전극 접합체를 관통하는 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부 및 다수의 산화 유체용 개구부를 구비하며, 그 중 적어도 하나의 연료 유체용 개구부, 적어도 하나의 냉각 매질용 개구부와 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 상기 단위셀의 중앙 영역에 분포되고;
    상기 제1 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 연료 유체용 개구부는 연료 유체가 단위셀의 연장방향에서 상기 제1 기체 확산층을 경유하여 흐르도록 하는 연료 유체 포트를 구비하고, 상기 제2 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 연료 유체용 개구부는 연료 유체가 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제2 기체 확산층을 경유하여 흐르는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비하며;
    상기 제2 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 산화 유체가 단위셀의 연장방향에서 상기 제2 기체 확산층을 경유하여 흐르도록 하는 산화 유체 포트를 구비하고, 상기 제1 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 산화 유체가 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제1 기체 확산층을 경유하여 흐르는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비하며;
    상기 제1 기체 확산층, 상기 촉매 코팅막과 상기 제2 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 냉각 매질용 개구부는 냉각 매질이 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제1 기체 확산층, 상기 촉매 코팅막과 상기 제2 기체 확산층을 경유하여 흐르는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비하는 단위셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 코팅막은 전해질막 및 상기 전해질막의 제1측과 제2측에 각각 설치되는 제1 촉매층과 제2 촉매층을 포함하는 단위셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 막전극 접합체는 상기 촉매 코팅막을 유지하기 위한 지지막을 더 포함하며, 상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 상기 지지막을 관통하고, 상기 지지막은 적어도 상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부의 측벽에 밀봉재료가 구비되는 단위셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지지막에 감합 구조체가 구비되어, 상기 촉매 코팅막이 상기 감합 구조체에 감입되는 단위셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 전체적인 상기 단위셀에서 주기적으로 반복되거나 또는 어느 정도의 파동을 가지고 주기적으로 반복되며, 각각의 주기적인 반복은 하나 또는 다수의 동종의 기본 단위로 구성되거나, 또는 다수의 이종 기본 단위로 구성되며; 상기 단위셀은 상기 중앙 영역 이외의 에지 영역과 이종 기본 단위의 경계 사이에 상기 기본 단위의 주기적인 반복을 종료시키는 에지(edge) 구조를 갖는 단위셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 상기 단위셀에 위치하는 하나의 기본 단위를 구성하며, 상기 단위셀은 상기 중앙 영역 이외의 가장자리 영역에 상기 기본 단위를 종료시키는 에지 구조를 갖는 단위셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부는 각각 공급용 개구부 및 배출용 개구부를 포함하는 단위셀.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 기본 단위는 적어도 2개의 상기 연료 유체용 개구부, 적어도 2개의 상기 냉각 매질용 개구부와 적어도 2개의 상기 산화 유체용 개구부를 포함하는 단위셀.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 기본 단위는 2차원 브라베이 격자(Bravais lattice)로 배열되어 형성되는 개구부 패턴의 최소 반복 배열 주기를 갖는 단위인 단위셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기체 확산층의 상기 적어도 하나의 연료 유체용 개구부는 완전히 개방된 개구부 또는 일부가 밀봉된 개구부이고; 그리고
    상기 제2 기체 확산층에서의 상기 적어도 하나의 산화 유체용 개구부는 완전히 개방된 개구부 또는 일부가 밀봉된 개구부인 단위셀.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 코팅막, 상기 제1 기체 확산층과 상기 제2 기체 확산층은 라미네이팅 방식으로 상기 단위셀을 형성하는 단위셀.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부의 적어도 일부분의 형상은, 각각의 개구부의 제I 사분면(quadrant), 제Ⅱ사분면, 제Ⅲ사분면 및 제Ⅳ사분면을 향해 유입, 유출되는 각종 유체의 발산각도와 수렴각도가 1도 이상 180도 이하인 전방위로 설계되는 단위셀.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부의 적어도 일부분의 형상은, 각각의 개구부의 제I사분면, 제Ⅱ사분면, 제Ⅲ사분면 및 제Ⅳ사분면에 부합되는 포트를 향해 유입, 유출되는 각종 유체의 발산각도와 수렴각도가 1도 이상 90도 이하인 반방위로 설계되는 단위셀.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부의 적어도 일부분의 형상은, 4개의 사분면 중 어느 하나의 사분면에 단독으로 배치되는 포트를 향해 유입, 유출되는 각종 유체의 발산각도와 수렴각도가 1도 이상 90도 이하, 및 4개의 사분면 중 어느 2개의 이웃한 사분면에 동시에 배치되는 포트를 향해 유입, 유출되는 각종 유체의 발산각도와 수렴각도가 1도 이상 180도 이하로 설계되는 단위셀.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 연료 유체용 개구부, 다수의 냉각 매질용 개구부와 다수의 산화 유체용 개구부의 평면 형상은 다변형, 변형 다변형, 세장형, 타원형, 원형 또는 이들의 조합인 단위셀.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기체 확산층은 상기 연료 유체 포트 주변 중 상기 촉매 코팅막에 인접한 측에 연료 유체 안내 유로가 설치되며, 상기 연료 유체 안내 유로는 상기 제1 기체 확산층의 양단에 위치한 연료 유체 공급용 유로 및 연료 유체 배출용 유로와 서로 연통되는 단위셀.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 산화 유체 포트는 상기 촉매 코팅막에 인접한 측에 산화 유체 안내 유로가 설치되고, 상기 산화 유체 안내 유로는 상기 제2 기체 확산층의 양단에 위치한 산화 유체 공급용 유로 및 산화 유체 배출용 유로와 서로 연통되는 단위셀.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기체 확산층은 상기 촉매 코팅막측에 위치한 연료 유체 공급 배출 유로와 중첩되도록 배치되고, 상기 제1 세퍼레이터측에 위치한 연료 유체 공급 배출 유로와 중첩되도록 배치되며,
    상기 제2 기체 확산층은 상기 촉매 코팅막측에 위치한 산화 유체 공급 배출 유로와 중첩되도록 배치되고, 상기 제2 세퍼레이터측에 위치한 산화 유체 공급 배출 유로와 중첩되도록 배치되는 단위셀.
  19. 제12항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서,
    전방위형(omni-directional) 개구부의 2차원 확장을 종료시키는 에지 구조는, 각종 반응 유체가 상기 전방위형 개구부의 포트로부터 방사상으로 유입, 유출되는 특성을 이용하여, 각종 반응 유체의 공급 또는 배출용 개구부 중 하나가 중심에 위치하는 상황에서, 그 배출 또는 공급용 개구부의 하나를 4개로 나누어 모서리부에 배치하거나, 또는 그 배출 또는 공급용 개구부의 하나를 2개로 나누어 가장자리부에 배치하고,
    반방위형(semi-directional) 개구부의 2차원 확장을 종료시키는 에지 구조는, 각종 반응 유체가 상기 반방위형 개구부의 포트로부터 부채꼴 형상으로 유입, 유출되는 특성을 이용하여, 각종 반응 유체의 공급 또는 배출용 개구부 중 하나가 중심에 위치하는 상황에서, 그 배출 또는 공급용 개구부의 하나를 2개로 나누어 모서리부에 배치하거나, 또는 그 배출 또는 공급용 개구부의 하나를 2개로 나누어 가장자리부에 배치함으로써, 그 배출 또는 공급용 개구부의 하나가 다른 가장자리부에 직접 배치되는 단위셀.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 기체 확산층의 모서리부 또는 가장자리부에 위치하는 연료 유체 배출용 개구부는 연료 유체가 단위셀의 연장 방향에서 상기 제1 기체 확산층으로 유출되도록 하는 연료 유체 포트를 구비하고, 상기 제2 기체 확산층의 모서리부 또는 가장자리부에 위치하는 연료 유체 배출용 개구부는 산화 유체가 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제2 기체 확산층으로 유출되는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비하며;
    상기 제2 기체 확산층의 모서리부 또는 가장자리부의 산화 유체 배출용 개구부는 산화 유체가 단위셀의 연장방향에서 상기 제2 기체 확산층으로 유출되도록 하는 산화 유체 포트를 구비하고, 상기 제1 기체 확산층의 모서리부 또는 가장자리부의 산화 유체 배출용 개구부는 연료 유체가 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제2 기체 확산층으로 유출되는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비하며;
    상기 제1 기체 확산층, 상기 촉매 코팅막 및 상기 제2 기체 확산층의 모서리부 또는 가장자리부의 냉각 매질 배출용 개구부는 대응되는 유체가 상기 단위셀의 연장방향에서 상기 제1 기체 확산층, 상기 촉매 코팅막 및 상기 제2 기체 확산층으로 유출되는 것을 저지하는 밀봉재료를 구비하는 단위셀.
  21. 제1항에 따른 상기 다수의 단위셀을 포함하고, 상기 다수의 단위셀이 스택되어 형성되는 전지 스택 구조체에 있어서,
    상기 다수의 단위셀의 연료 유체용 개구부, 냉각 매질용 개구부와 산화 유체용 개구부가 중첩되어 각각 상기 전지 스택 구조체의 내부 공용 통로를 구성하며, 상기 내부 공용 통로는 연료 유체, 냉각 매질과 산화 유체를 상기 다수의 단위셀로 공급 및 배출하기 위한 것인 전지 스택 구조체.
  22. 제21항에 있어서,
    인접한 단위셀의 인접한 세퍼레이터 사이는 냉각 매질이 유동하기 위한 것이고, 상기 세퍼레이터의 적어도 하나의 냉각 매질용 개구부에 냉각 매질이 단위셀의 연장방향에서 상기 세퍼레이터를 경유하도록 하는 냉각 매질 포트가 구비되는 전지 스택 구조체.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 세퍼레이터의 양측에 냉각 매질 안내 유로가 설치되며, 상기 냉각 매질 안내 유로는 냉각 매질의 공급용 유로 및 배출용 유로와 서로 연통되는 전지 스택 구조체.
  24. 제21항에 있어서,
    인접한 단위셀의 제1 세퍼레이터의 상부면 사이의 간격은 0.1mm 이상 1.2mm 이하인 전지 스택 구조체.
  25. 연료전지에 있어서,
    제21항에 따른 전지 스택 구조체와;
    상기 전지 스택 구조체를 양측에서 협지하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트를 포함하며, 상기 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트 중의 적어도 하나에 외부 공용 통로가 설치되고, 상기 외부 공용 통로가 연료 유체, 냉각 매질 또는 산화 유체를 공급 및 배출하기 위해 상기 내부 공용 통로와 대응되는 연료전지.
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