KR102610727B1 - 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지는 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)와, 막 전극 접합체의 양측에 배치되는 가스 확산층들과, 막 전극 접합체와 가스 확산층들이 사이에 끼워지고, 반응 기체가 유동하는 채널을 구비하는 제1 분리판과 제2 분리판을 포함한다.
상기 제1 분리판의 제1 채널은, 적어도 일부분에서 상기 가스 확산층으로의 물의 유동이 억제되는 구조이다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료전지는 막 전극 접합체의 어느 일부가 건조하거나 또는 과습하게 되는 것을 방지하여, 연료전지 스택의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지{SEPARATOR FOR FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING THEREOF}
본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 채널 내부의 기체 유동 방향에 따라 채널 형상을 다르게 형성하여, 연료전지 내부의 습도 편차를 저감하기 위한 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
연료전지 시스템은 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산해내는 스택(FC STACK: Fuel Cell Stack), 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치들 뿐만 아니라 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 생성하는 모터 등을 포함하는 구조를 갖는다.
스택은 수십 또는 수백개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체를 일컫는 장치로써, 엔드플레이트들 사이에 복수개의 셀이 적층된 구조를 갖되, 각각의 셀의 내부는 전해질막으로 구획되고 일측은 애노드 타측은 캐소드가 마련된다.
각각의 셀들 사이에는 분리판이 배치되고, 분리판에는 수소와 산소가 유동하는 경로인 채널이 형성된다. 그리고, 분리판은 산화환원 반응시 전자를 이동시키도록 전도체로 제조된다. 이러한 스택(10)은 애노드에 수소가 공급되면 촉매에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 전자는 분리판을 통해 스택 외부로 이동하며 전기를 생산하며, 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드로 이동한 후 외기에서 공급되는 산소 및 전자와 결합하여 물을 형성하고 외부로 배출된다.
한편, 분리판에 형성되는 채널로는 수소나 산소 같은 반응 기체 뿐만 아니라 스택 외부에서 공급되거나 스택 내부에서 전기-화학적 반응에 의해 생성된 물이 유동한다. 종래기술로서, 채널에 경사면을 형성하여 중력에 의해 채널에서 막 전극 접합체를 향하여 물이 유동하도록 하는 구조가 이용되고 있다.
그러나, 종래에는 스택의 발전과정에서 생성되는 열과 스택 내부에서 생성되는 물이 스택의 위치에 따라 상이함에 따라 스택 내부의 습도 차이가 큰 문제점이 있었다. 예를 들면, 채널의 입구단에서는 전기-화학적 반응에 의해 생성되는 물의 양이 적어 건조하고, 채널의 출구단에서는 과습하여, 결과적으로 연료전지 스택의 발전성능이 저하될 수 있다.
따라서, 연료전지 스택의 채널의 가습도 편차를 저감하기 위한 구조가 필요하다.
본 발명은 연료전지 스택의 채널의 가습도 편차를 저감시키고 막 전극 접합체가 건조하거나 과습하게 되는 것을 방지함으로써 연료전지의 효율저하를 방지하기 위한 분리판의 구조를 제공하는 것에 주목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지는, 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)와; 상기 막 전극 접합체의 양측에 배치되는 가스 확산층들과; 상기 막 전극 접합체와 상기 가스 확산층들이 사이에 끼워지고, 반응 기체가 유동하는 채널을 구비하는 제1 분리판과 제2 분리판을 포함한다.
상기 제1 분리판의 제1 채널은, 적어도 일부분에서 상기 가스 확산층으로의 물의 유동이 억제되는 구조일 수 있다.
또는, 상기 제1 분리판의 제1 채널은, 상기 제1 채널을 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 복수 개의 영역으로 구분할 때, 복수 개의 영역 중 적어도 일부 영역들에서, 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 상류에 위치한 영역보다 하류에 위치한 영역의 상기 가스 확산층으로의 물의 유동이 더 억제되는 경향성을 가지는 구조일 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한, 막 전극 접합체와 가스 확산층들을 포함하는 연료전지용 분리판에 있어서, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은, 반응 기체가 유동하는 채널을 구비한다.
상기 분리판이 상기 막 전극 접합체 및 상기 가스 확산층과 결합된 상태에서, 상기 채널은, 적어도 일부분에서 상기 가스 확산층으로의 물의 유동이 억제되는 구조로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료전지는, 분리판에 의해 마련되는 채널 내부의 물이 가스 확산층으로 유동하는 것이 억제되는 구조를 구비함으로써, 채널로 유입된 물이 가스 확산층을 통해 막 전극 접합체로 유입되어 막 전극 접합체의 어느 일부분이 과습하게 되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 채널의 상류에 위치한 영역보다 채널의 하류에 위치한 영역의 가스 확산층으로의 물의 유동이 더 억제되는 경향성을 가진 구조의 분리판을 포함함으로써, 막 전극 접합체의 영역에 따른 수분 편차를 저감시킬 수 있다.
이를 통해, 막 전극 접합체가 어느 일부가 건조하거나 또는 과습하게 되는 것을 방지하여, 연료전지 스택의 발전 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 스택의 개략도이다.
도 2는 도 1의 캐소드 측 분리판과 가스 확산층을 일부 확대한 도면이다.
도 3은 도 2에서 채널 내의 물의 움직임을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예들에 따른 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서 “상(U)/하(D)/좌(Le)/우(Ri)”는 도면에 표시된 것과 같이 정의한다. 다만, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 이와 달리 “상(U)/하(D)/좌(Le)/우(Ri)”가 정의될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 스택의 개략도이다.
본 실시예에 따른 연료전지는 막 전극 접합체(10)(membrane electrode assembly, MEA)와, 상기 막 전극 접합체(10)의 양측에 배치되는 가스 확산층들(20a, 20b) 및 상기 막 전극 접합체(10)와 상기 가스 확산층들(20a, 20b)이 사이에 끼워지고, 공기나 수소와 같은 반응 기체가 유동하는 채널을 구비하는 캐소드 측 분리판(100a)과 애노드 측 분리판(100b)을 포함한다.
막 전극 접합체(10)는 촉매 코팅 막(Catalyst Coated Membrane, CCM)으로도 불리며, 반응 기체를 공급받아 전기-화학적 반응을 통하여 전력을 생산한다. 막 전극 접합체(10)는 수소 양이온이 통과 가능한 전해질막과, 전해질막 양측에 배치되어 수소와 산소와 반응하는 한 쌍의 전극인 캐소드(또는, 공기극) 및 애노드(또는, 연료극)를 포함한다. 막 전극 접합체(10)는 탄소종이나 탄소천과 같은 전극 지지체를 더 포함할 수도 있다.
가스 확산층들(20a, 20b)(Gas Diffusion Layer, GDL)은 분리판들(100a, 100b)의 채널들(102a, 102b)을 통하여 공급되는 반응 기체(e.g. 수소, 공기 등)를 확산시켜 막 전극 접합체(10)로 전달할 수 있다. 이를 위해, 가스 확산층들(20a, 20b)은 분리판(100a, 100b)과 막 전극 접합체(10) 사이에 배치된다.
가스 확산층(20a, 20b)은 막 전극 접합체(10)의 전극을 지지하는 기능을 할 수도 있다. 가스 확산층(20a, 20b)은 분리판의 채널로부터 유입된 물을 막 전극 접합체(10)로 제공할 수 있다. 이를 위해, 가스 확산층(20a, 20b)은 소수성의 재질로 구비될 수 있다.
분리판들(100a, 100b)은 막 전극 접합체(10)로 연료와 공기를 공급하고, 반응에 의해 발생된 물을 배출하기 위해 채널들(102a, 102b)이 형성될 수 있다. 분리판들(100a, 100b)은 서로 결합하여 사이에 냉각수가 유동하기 위한 냉각 유로(101)를 형성할 수 있다.
분리판들(100a, 100b)은 그 사이에 내측에 막 전극 접합체(10)와 가스 확산층들(20a, 20b)이 끼워질 수 있고, 분리판들(100a, 100b)의 바깥쪽에는 상기 각 구성들을 지지하고 고정시키기 위한 앤드 플레이트(미도시)가 결합된다.
연료전지의 애노드에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소 양이온과 전자가 발생하게 되고, 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드극으로 이동하게 된다.
이때, 캐소드극에서는 애노드극으로부터 이동한 수소 양이온과 전자, 분리판의 채널을 통해 공급받은 공기 중의 산소가 전기-화학적반응을하며 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름에 의해 연료전지는 전기에너지를 생성할 수 있다.
연료전지가 정상적으로 동작하기 위해서는 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되는 것이 필요하다. 전해질막의 습도가 일정 미만인 경우, 전해질막을 통한 수소 양이온의 이동이 원활하지 않아 연료전지의 발전성능이 저하될 수 있다(일명, dry out).
한편, 연료전지 내부의 습도가 과도하게 높을 경우에는 연료전지 내부의 물질전달이 방해받을 수 있다(일명, flooding). 예를 들면, 연료전지 내부가 과습한 경우, 애노드 극으로의 수소 공급이 방해받아 연료전지의 발전 성능이 저하될 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 연료전지 내부로 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습기를 별도로 구비하거나, 연료전지 내부에서 전기-화학적 반응에 의해 생성되는 물을 이용해 전해질막의 습도를 높이는 방법 등이 이용되고 있다.
그러나, 종래에는 반응 기체가 유입되는 입구에 가까운 부분에서는 전해질막이 건조한데 비해 반응 기체가 배출되는 출구에 가까운 부분에서는 과습한 문제가 있었다. 즉, 분리판에 형성된 채널 내부를 따라 유동하는 가스와 물의 유동 방향에 따라서 채널 내부의 습도 또는 수분에 편차가 존재하였다.
본 실시예에 따른 연료전지는 반응 기체가 유동하는 채널 내부에서 막 전극 접합체로 유입되는 물의 유동을 억제시키기 위한 것이다. 보다 구체적으로 본 실시에에 따른 연료전지는, 막 전극 접합체의 어느 일부가 건조하거나 또는 과습하게 되는 것을 방지하기 위해, 채널의 적어도 일부분에서 가스 확산층으로의 물의 유동이 억제되는 구조를 가지는 분리판을 포함하는 것에 기본적인 특징이 있다.
본 실시예에 따른 연료전지의 분리판의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
도 2는 도 1의 캐소드 측 분리판과 가스 확산층을 일부 확대한 도면이고, 도 3은 도 2에서 채널 내의 물의 움직임을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2에서 채널 내의 물의 움직임을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 분리판(100a, 100b)은 캐소드 측 분리판(100a)과 애노드 측 분리판(100b)을 포함할 수 있다. 막 전극 접합체(10), 가스 확산층들(20a, 20b) 및 분리판들(100a, 100b) 각각은 상하 방향으로 연장되어 수평 방향으로 서로 적층될 수 있다.
도 2를 참조하면, 캐소드 측 분리판(100a)은 상하 방향과 수평 방향에 수직한 기준 방향(즉, 도 2에서 전후 방향)을 따라 캐소드 측 분리판(100a)의 일측에서 타측으로 연장되고 상기 가스 확산층(20a)과 접촉하는 랜드부(110)를 상하 방향으로 복수 개 구비할 수 있다.
한편, 랜드부(110)는 전후 방향과 소정 각도 이내인 방향으로 연장되는 형상일 수도 있다. 즉, 랜드부(110)는 상하 방향과 수평 방향에 수직한 기준 방향에 대응되는 방향으로 연장되는 형상일 수 있다.
본 실시예에서, 랜드부(110)는 전후 방향으로 연장되어 가스 확산층(20a)과 접촉을 위한 접촉면을 구비할 수 있다.
캐소드 측 분리판(100a)은 복수의 랜드부(110) 사이에 상기 기준 방향(즉, 전후 방향)을 따라 분리판의 일측에서 타측으로 연장되고, 가스 확산층(20a)과의 사이에 공기공급 채널(102a)을 형성하는 채널부(120)를 상하 방향으로 복수 개 구비할 수 있다.
각각의 채널부(120)는 랜드부(110)와 연결되는 채널부 상측면(121)과, 일단이 채널부 상측면(121)과 연결되고 가스 확산층(20a)에 상기 기준 방향(즉, 전후 방향)에 대응되는 방향으로 연장되는 채널부 내측면(122)과, 일단이 채널부 내측면(122)과 연결되고 타단이 랜드부(110)와 연결되는 채널부 하측면(123)을 포함할 수 있다.
기준 방향에 대응되는 방향은 기준 방향에 평행한 방향은 물론 기준 방향과 소정 각도를 형성하되 대략적으로 평행한 방향으로 볼 수 있는 방향을 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
채널부 하측면(123)은 지면에 평행한 방향과 일정 각도(θ)을 이루며 가스 확산층(20a)을 향하여 하향 경사지게 구비될 수 있다.
막 전극 접합체(10)와 가스 확산층들(20a, 20b) 및 분리판들(100a, 100b)이 연장되는 상하 방향은 중력 방향이고, 공기공급 채널(102a) 내부의 물(wd)은 중력에 의해 가스 확산층(20a) 쪽으로 이동하게 된다. 즉, 공기공급 채널(102a) 내부의 물(wd)은 중력에 의해 채널부 하측면(123)의 경사면을 따라 가스 확산층(20a)으로 유입되고, 이를 통해 공기공급 채널(102a) 내부의 습도는 내려가는 대신 가스 확산층(20a, 20b) 및 막 전극 접합체(10)의 함습률을 높일 수 있다.
채널부 하측면(123)의 경사각(θ)이 클수록, 즉 채널부 하측면(123)의 가스 확산층(20a)을 향한 경사가 더 가파를수록 공기공급 채널(102a) 내부의 물(wd)이 가스 확산층(20a)으로 더 잘 유입될 수 있다.
이와 같은 캐소드 측 분리판(100a)에 관한 설명은 애노드 측 분리판(100b)에도 그대로 적용될 수 있다.
또는, 도시되지는 않았으나, 애노드 측 분리판(100b)은 다공성 분리판으로 구비될 수도 있다. 다공성 분리판으로 구성된 애노드 측 분리판(100b)은 반응 기체가 유동하는 채널이 지그재그 식으로 형성되어, 난류를 일으켜 채널에서 가스 확산층(20a, 20b)으로의 확산이 더 잘 일어날 수 있다.
이 경우, 애노드 측 분리판(100b)의 가스 확산층(20b)과 접촉하는 내측의 반대쪽인 외측에는 평판이 배치될 수 있다. 평판은 인접한 캐소드 측 분리판과 밀착하여 그 사이에 냉각 유로를 형성할 수 있다. 애노드 측 분리판(100b)은 다수의 유로홀이 지그재그 배열을 이루며 관통 형성되고, 가스 확산층(20a, 20b)에 밀착되는 융기부와 분리판의 일측에 배치되는 평판에 밀착되는 함몰부가 지그재그 배열로 형성될 수 있다. 다공성 분리판에 관하여는 종래 기술에서 상세하게 개시되고 있는 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
분리판(100a, 100b)은 연료전지 외부로부터 공급받거나 연료전지 내부에서 전기-화학적 반응에 의해 생성된 물이 중력에 의해 막 전극 접합체(10)를 향하여 유입되는 구조로써, 이를 통해 전해질막의 습도를 일정 수준 이상으로 유지하며 연료 전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예들에 따른 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
상기 공기공급 채널(102a)을 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 복수 개의 영역으로 구분할 때, 공기공급 채널(102a)은 복수 개의 영역 중 적어도 일부 영역들에서, 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 상류에 위치한 영역보다 하류에 위치한 영역의 상기 가스 확산층(20a)으로의 물의 유동이 더 억제되는 경향성을 가지는 구조일 수 있다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하여 예를 들면, 캐소드 측 분리판(100a)은 공기공급 채널(102a) 내의 복수의 영역에서 채널부 하측면(123)이 지면에 평행한 방향과 이루는 각도가 서로 다르도록 구비될 수 있다. 이에 대한 일 실시예 및 다른 실시예를 아래에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
일 실시예
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 측 분리판(100a)은 상하 방향으로 배열된 복수의 채널부(120-1, 120-2, 120-3, 120-4) 각각의 일측에서 타측으로 반응 기체가 유동될 수 있다.
예를 들면, 도 2와 같이 전후 방향으로 연장되는 채널부들(120-1, 120-2, 120-3, 120-4) 내에서 반응 기체(즉, 공기)는 앞에서 뒤를 향하는 방향으로 유동할 수 있다. 채널부들(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)은 반응 기체의 유동 방향(즉, 앞에서 뒤를 향하는 방향)을 기준으로 복수 개의 영역으로 구분될 수 있다.
각각의 채널부들(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)은 채널부(120-1, 120-2, 120-3, 120-4) 전단에 위치한 영역보다 채널부(120-1, 120-2, 120-3, 120-4) 후단에 위치한 영역에서 가스 확산층(20a)으로의 물의 유동이 더 억제되는 경향성을 가지는 구조일 수 있다. 각각의 채널부들(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)은 복수 개의 영역들 중 적어도 일부 영역들에서 위와 같은 경향성을 가지는 구조일 수 있다.
복수의 채널부들(120-1, 120-2, 120-3, 120-4) 중 어느 일부는 위와 같은 경향성을 갖지 않고 일정하게 형성되거나 또는 위와 반대의 경향성을 가지는 구조로 형성될 수도 있다.
예를 들면, 채널부(120)는 채널부(120)의 전단에서 후단까지를 서로 동등한 길이의 5개의 영역으로 구분할 때, 그 중 3개의 영역에서는 채널부(120) 전단에 위치한 영역보다 채널부(120) 후단에 위치한 영역에서의 가스 확산층(20a, 20b)을 향한 물의 유동이 더 억제되는 구조일 수 있다. 이때, 3개의 영역은 반드시 서로 연속되는 영역일 필요는 없다. 한편, 채널부(120)의 5개의 영역 중 2개의 영역에서는 이와 같은 경향성을 따르지 않고 채널부(120)의 후단에 위치한 영역 보다 전단에 위치한 영역에서 가스 확산층(20a, 20b)을 향한 물의 유동이 더 억제되는 구조일 수도 있다.
공기공급 채널(102a) 내에서 가스 확산층(20a)을 향한 물의 거동은 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이 채널부 하측면(123)의 경사 각도(θ)에 따라서 달라질 수 있다.
도 4a를 참조하면, 채널부(120)의 복수 개의 영역들 중 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 상류에 위치한 제1 영역은 채널부 하측면(123)이 제1 각도(θ1)로 가스 확산층(20a)을 향해 하향 경사지게 구비될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 채널부(120)의 복수 개의 영역들 중 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 제1 영역보다 하류에 위치한 제2 영역은 채널부 하측면(123)이 제2 각도(θ2)로 가스 확산층(20a)을 향해 하향 경사지게 구비될 수 있다.
도 4c를 참조하면, 채널부(120)의 복수 개의 영역들 중 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 제2 영역보다 하류에 위치한 제3 영역은 채널부 하측면(123)이 지면에 평행하게(θ3=0) 구비될 수 있다.
도 4d를 참조하면, 채널부(120)의 복수 개의 영역들 중 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 제3 영역보다 하류에 위치한 제4 영역은 채널부 하측면(123)이 제4 각도(θ4)로 가스 확산층(20a)에서 멀어지는 방향을 향해 하향 경사지게 구비될 수 있다.
이와 같이 채널부(120)는 반응 기체의 유동 방향을 기준으로, 상류에 위치한 영역에서 채널부 하측면(123)이 가스 확산층(20a)을 향해 하향 경사진 각도보다, 하류에 위치한 영역에서 채널부 하측면(123)이 가스 확산층(20a)을 향해 하향 경사진 각도가 더 작은 구조일 수 있다.
이상 캐소드 측 분리판(100a)이 채널부 하측면(123)의 기울기가 변하는 경우를 예로써 설명하였으나, 애노드 측 분리판(100b)도 캐소드 측 분리판(100a)과 같이 구성될 수 있다. 즉, 애노드 측 분리판(100b)에 관하여는 캐소드 측 분리판(100a)에 관한 설명이 적용될 수 있다.
또는, 애노드 측 분리판(100b)는 캐소드 측 분리판(100a)과는 달리 종래의 일정한 형상의 채널부를 가지는 분리판으로 구성되거나, 다공성 분리판으로 구성될 수도 있다.
이와 같이 구성되는 연료전지는 각각의 채널부 내에서 반응 기체의 상류측에서는 채널 내부의 물이 가스 확산층으로 잘 유입되고, 하류측에서는 채널 내부의 물이 가스 확산층으로 유입되는 것을 억제할 수 있다. 그리고, 채널 내부에 잔존하는 물이 채널을 따라 유동하도록 할 수 있다.
이를 통해, 막 전극 접합체가 상대적으로 건조한 채널의 상류측에서는 채널의 물이 막 전극 접합체를 향하여 유입되도록 하고, 막 전극 접합체가 상대적으로 습윤한 채널의 하류측에서는 채널의 물이 막 전극 접합체를 향하여 유입되는 것을 억제함으로써, 전해질막의 습도를 일정 범위 내로 유지하여 연료전지 스택의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
앞서 설명한 것과는 반대로, 채널의 상류 측보다 하류 측에서 막 전극 접합체가 건조한 경우에는, 상류측에서는 채널 내부의 물이 가스 확산층으로 유입되는 것을 억제하고, 하류측에서는 채널 내부의 물이 가스 확산층으로 잘 유입되도록 구비할 수도 있다. 이 경우는 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 전술한 구조의 배치 순서만 반대로 하면 되므로, 이를 자세히 설명하지 않더라도 전술한 구조를 균등한 범위 내에서 변경하여 적용할 수 있다.
다른 실시예
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐소드 측 분리판(100a)은 상하 방향으로 배열된 복수의 채널부들(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)들이 분리판의 일측 및 타측(도 6에서 좌측 및 우측)에서 교대로 서로 연결되어 하나의 공기공급 채널(102a)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 도 6과 같이 캐소드 측 분리판(100a)은 최상측에 위치한 채널부(120-1)로 공기가 유입되고, 최상측에 위치한 채널부를 통과한 공기는 상측에서 두 번째에 위치한 채널부(120-2)로 유입되고, 그와 같은 방식으로 최하측에 위치한 채널부(120-4)까지 공기가 통과한 후 외부로 배출되도록 구성될 수 있다.
이 경우, 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 볼 때, 상측에 위치한 채널부는 하측에 위치한 채널부보다 상류 측에 위치한 것으로 볼 수 있다. 즉, 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 볼 때, 하측에 위치한 채널부는 상측에 위치한 채널부보다 하류 측에 위치한 것으로 볼 수 있다.
복수 개의 채널부들(120-1, 120-2, 120-3, 120-4) 중 적어도 일부의 채널부들은 분리판의 상측에 위치한 채널부에서보다 하측에 위치한 채널부에서 상기 가스 확산층(20a)으로의 물의 유동이 더 억제되는 경향성을 가지는 구조일 수 있다.
예를 들면, 채널부(120)는 캐소드 측 분리판(100a)에 4개의 채널부들(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)이 존재한다고 할 때, 그 중 3개의 채널부들(채널부들(120-1, 120-3, 120-4)은 상측에 위치한 채널부 보다 하측에 위치한 채널부에서 가스 확산층(20a)을 향한 물의 유동이 더 억제되는 구조일 수 있다. 단, 4개의 채널부들(120) 중 다른 하나(120-2)는 이와 같은 경향성을 따르지 않고 그보다 상측에 위치한 채널부(120-1) 보다 가스 확산층(20a)을 향한 물의 유동이 더 잘 이뤄지는 구조일 수도 있다.
가스 확산층(20a)을 향한 물의 거동은 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이 채널부 하측면(123)의 경사 각도(θ)에 따라서 달라질 수 있다.
도 4a를 참조하면, 복수 개의 채널부들(120) 중 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 상류에 위치한 제1 채널부(120-1)는 채널부 하측면이 제1 각도(θ1)로 가스 확산층(20a)을 향해 하향 경사지게 구비될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 복수 개의 채널부들(120) 중 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 제1 채널부(120-1)보다 하류에 위치한 제2 채널부(120-2)는 채널부 하측면이 제2 각도(θ2)로 가스 확산층(20a)을 향해 하향 경사지게 구비될 수 있다.
도 4c를 참조하면, 복수 개의 채널부들(120) 중 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 제2 채널부(120-2)보다 하류에 위치한 제3 채널부(120-3)는 채널부 하측면이 지면에 평행하게(θ3=0) 구비될 수 있다.
도 4d를 참조하면, 채널부(120)의 복수 개의 영역들 중 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 제3 채널부(120-3)보다 하류에 위치한 제4 채널부(120-4)는 채널부 하측면이 제4 각도(θ4)로 가스 확산층(20a)에서 멀어지는 방향을 향해 하향 경사지게 구비될 수 있다.
이와 같이 복수의 채널부들(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)은 반응 기체의 유동 방향을 기준으로, 상류에 위치한 채널부의 채널부 하측면(123)이 가스 확산층(20a)을 향해 하향 경사진 각도보다, 하류에 위치한 채널부의 채널부 하측면(123)이 가스 확산층(20a, 20b)을 향해 하향 경사진 각도가 더 작게 형성된 구조일 수 있다.
이상 캐소드 측 분리판(100a)이 채널부 하측면(123)의 기울기가 변하는 경우를 예로써 설명하였으나, 애노드 측 분리판(100b)도 캐소드 측 분리판(100a)과 같이 구성될 수 있다. 즉, 애노드 측 분리판(100b)에 관하여는 캐소드 측 분리판(100a)에 관한 설명이 적용될 수 있다.
이를 통해, 막 전극 접합체가 상대적으로 건조한 상류측 채널부에서는 채널의 물이 막 전극 접합체를 향하여 유입되고, 막 전극 접합체가 상대적으로 습윤한 하류측 채널부에서는 채널의 물이 막 전극 접합체를 향하여 유입되는 것을 막아, 전해질막의 습도를 일정 범위로 유지하여 연료전지 스택의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또 다른 실시예
상기 일 실시예와 상기 다른 실시예에서는 채널 내부에서의 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 채널부의 형상이 서로 다르게 구성되는 경우를 설명하였다. 이와 달리, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분리판(100a)은 채널부들(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)의 형상이 일정하게 형성될 수 있다.
분리판(100a은 채널의 전 영역에서 가스 확산층(20a)으로의 물의 유동이 억제되는 구조로 구비될 수 있다.
예를 들면, 도 4d에 도시된 것과 같이, 분리판(100a)은 각각의 채널부들(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)의 하측면이 가스 확산층(20a)으로부터 멀어지는 방향으로 하향 경사(θ4) 지 게 형성되어, 채널에서 가스 확산층(20a)으로의 물의 유동이 억제되도록 구성될 수 있다.
예를 들면, 분리판(100a)은 도 7a~7d를 참조하여 이하에서 설명할 물배출 유로(231)가 각각의 채널부들(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)의 하측면에 형성되어, 채널에서 가스 확산층(20a)으로의 물의 유동이 억제되도록 구성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 분리판에 의해, 분리판의 채널로 유입된 물이 가스 확산층을 통해 막 전극 접합체로 유입되는 것이 억제되어, 막 전극 접합체의 어느 일부분이 과습하게 되거나 또 다른 어느 일부분이 건조하게 되는 것이 방지될 수 있다. 즉, 분리판의 채널을 통하여 물이 유동되도록 구성됨으로써, 채널 내부의 습도가 적정하게 유지되며 기체 확산에 의해 막 전극 접합체로 적당량의 수분이 함습될 수 있다.
물배출 유로
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캐소드 측 분리판(200a)은 공기공급 채널(202a)로부터 가스 확산층(20a)으로의 물의 유동을 억제시키기 위해, 공기공급 채널(202a) 내부에 물배출 유로(231)를 더 구비할 수 있다.
본 실시예에 따른 캐소드 측 분리판(200a)의 채널부(220)은 채널부 하측면(223)이 가스 확산층(20a)을 향하여 하향 경사지게 형성될 수 있다. 채널부(220)는 채널부 하측면(223)에서 하측으로 더 함몰된 형상인 물배출 유로부(230)를 구비하여, 물배출 유로(231)를 마련할 수 있다.
물배출 유로(231)는 공기공급 채널(202a)의 적어도 일부 구간에 공기공급 채널(202a)로부터 가스 확산층(20a)으로의 물의 유동을 억제시키기 위해 마련될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 측 분리판(100a)은 가스 확산층(20a)을 향해 경사진 채널부 하측면(123)의 경사 각도(θ)를 채널의 복수의 영역에서 서로 달리 형성하여 물의 유동을 억제한 것에 반해, 본 실시예에 따른 캐소드 측 분리판(200a)은 물배출 유로부(230)를 채널의 복수의 영역 중 적어도 어느 일부분에 형성하여 물의 유동을 억제하는 것에 특징이 있다.
물배출 유로부(230)는 채널부 하측면(223)에서 하측으로 더 돌출되되, 가스 확산층(20a, 20b)으로부터 멀어지는 방향으로 하향 경사지게 형성되어, 물배출 유로(231) 내로 유입된 물이 가스 확산층(20a, 20b)으로 유동하는 것이 억제될 수 있다.
물배출 유로부(230)는 채널부(220)가 연장되는 방향으로 연장되어, 물배출 유로(231)를 형성할 수 있다.
이와 같이 형성되는 물배출 유로부(230) 및 물배출 유로(231)는, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 공기공급 채널(102a) 상에서 가스 확산층(20a)에서 멀어지는 방향으로 채널부 하측면(123)이 하향 경사지게 형성되는 영역(도 4d에 해당하는 영역)에 구비될 수 있다. 즉, 도 4d와 같이 채널부 하측면이 가스 확산층(20a)에서 멀어지는 방향으로 하향 경사지게 구비되는 대신에 물배출 유로부(230)가 채널부 하측면(223)에 구비될 수 있다.
도 4d와 같이 채널부 하측면이 채널 내측으로 하향 경사지게 형성되는 경우는, 이는 이른바 언더컷 형상에 해당되며 이러한 형상은 제조가 어렵거나 제조 단가가 높아지는 문제점이 있다.
예를 들면, 금형가공을 통한 성형(stamping)과정을 이용하여 분리판을 제작하는 경우, 금형에 압력을 가하여 분리판의 형상을 제작한 후 금형 서로 분리하여야 한다. 도 4d와 같이 언더컷 형상의 분리판을 제작하기 위해서는 채널부 하측면의 경사각에 대응되는 방향으로 금형에 압력을 가해야 하고, 금형을 분리 시에도 채널부 하측면의 경사각에 대응되는 방향으로 분리해야하는 어려움이 있다.
이에 반해, 도 4a 내지 도 4c와 같은 채널부의 형상을 가진 분리판은 제작이 용이하다. 일차적으로 도 4a 내지 도 4c와 같은 채널부의 형상을 가지는 분리판을 제작하고, 2차 가공을 통하여 물배출 유로를 형성하면, 도 4d와 같은 형상의 채널부를 형성하는 것에 비해 제작이 용이하고 제작 과정에서의 파손 가능성도 낮출 수가 있는 이점이 있다.
한편, 물배출 유로부(230)는 도 7a와 같은 형상 이외에도 다양한 형상으로 구비될 수 있으며, 내부에 물배출 유로(231)를 형성할 수 있다면 어떤 형상이든 가능하다. 그 예들로써, 물배출 유로부(230)는 도 7b 내지 도 7d와 같은 형상으로 구비될 수 있다.
이와 같이 구성되는 연료전지용 분리판을 이용하면, 전해질막에 수분이 부족한 영역에서는 채널의 물이 가스 확산층을 통과해 전해질막으로 유동되고, 전해질막이 과습한 영역에서는 채널의 물이 가스 확산층으로 유동하는 것이 억제되도록 구성됨으로써, 전해질막의 수분 부족(dry out)이나 수분 과다(flooding)을 방지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 채널 내부에 물이 유동할 수 있는 물배출 유로를 구비함으로써, 전해질막이 수분 과다인 영역에서는 물이 가스 확산층으로 향하지 않고 채널을 따라 유동하여 배출될 수 있는 이점도 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지는 기존의 연료전지 구성에서 분리판만 교체하여 구성될 수 있으므로, 제조과정에서 추가적인 공정 없이 위와 같은 효과를 얻을 수 있는 이점도 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 실시가 가능하다.
10 : 막 전극 접합체
20a, 20b : 가스 확산층
100a, 200a : 캐소드 측 분리판
100b : 애노드 측 분리판
101 : 냉각 유로
102a, 202a : 공기공급 채널
102b : 수소공급 채널
110, 210 : 랜드부
120, 220 : 채널부
121, 221 : 채널부 상측면
122, 222 : 채널부 내측면
123, 223 : 채널부 하측면
230 : 물배출 유로부
231 : 물배출 유로

Claims (14)

  1. 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA);
    상기 막 전극 접합체의 양측에 배치되는 가스 확산층들; 및
    상기 막 전극 접합체와 상기 가스 확산층들이 사이에 끼워지고, 반응 기체가 유동하는 채널을 구비하는 제1 분리판과 제2 분리판을 포함하고,
    상기 제1 분리판의 제1 채널의 어느 일부를 제1 영역이라 하고, 상기 제1 영역과 다른 상기 제1 채널의 다른 일부를 제2 영역이라 할 때,
    상기 제1 분리판의 제1 채널은,
    상기 제1 영역보다 상기 제2 영역에서 상기 가스 확산층으로의 물의 유동이 상대적으로 더 잘 이뤄지도록, 상기 제2 영역보다 상기 제1 영역에서 상기 가스 확산층으로의 물의 유동이 상대적으로 더 억제되는 구조이고,
    상기 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 상류에 위치한 상기 제2 영역의 상기 가스 확산층을 향해 하향 경사진 하측면의 기울기와, 상기 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 하류에 위치한 상기 제1 영역의 상기 가스 확산층을 향해 하향 경사진 하측면의 기울기는 서로 다른, 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 막 전극 접합체, 상기 가스 확산층들 및 상기 분리판들 각각은 상하 방향으로 연장되어 수평 방향으로 서로 적층되고,
    상기 제1 분리판은,
    상기 상하 방향과 수평 방향에 수직한 기준 방향을 따라 분리판의 일측에서 타측으로 연장되고 상기 가스 확산층과 접촉하는 랜드부가 상하 방향으로 복수 개 구비되고,
    상기 복수 개의 랜드부 사이에 상기 기준 방향을 따라 분리판의 일측에서 타측으로 연장되고, 상기 가스 확산층과의 사이에 상기 제1 채널을 형성하는 채널부가 상하 방향으로 복수 개 구비되고,
    각각의 상기 채널부의 하측면이 상기 가스 확산층으로부터 멀어지는 방향으로 하향 경사지게 구비되는, 연료전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 분리판의 제1 채널은,
    상기 제1 채널을 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 복수 개의 영역으로 구분할 때,
    복수 개의 영역 중 적어도 일부 영역들에서, 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 상류에 위치한 영역보다 하류에 위치한 영역의 상기 가스 확산층으로의 물의 유동이 더 억제되는 경향성을 가지는 구조인, 연료전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 막 전극 접합체, 상기 가스 확산층들 및 상기 분리판들 각각은 상하 방향으로 연장되어 수평 방향으로 서로 적층되고,
    상기 제1 분리판은,
    상기 상하 방향과 수평 방향에 수직한 기준 방향을 따라 분리판의 일측에서 타측으로 연장되고 상기 가스 확산층과 접촉하는 랜드부가 상하 방향으로 복수 개 구비되고,
    상기 복수 개의 랜드부 사이에 상기 기준 방향을 따라 분리판의 일측에서 타측으로 연장되고, 상기 가스 확산층과의 사이에 상기 제1 채널을 형성하는 채널부가 상하 방향으로 복수 개 구비되고,
    상기 채널부는,
    상기 채널부를 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 복수 개의 영역으로 구분할 때,
    복수 개의 영역 중 적어도 일부 영역들에서, 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 상류에 위치한 영역보다 하류에 위치한 영역의 상기 가스 확산층으로의 물의 유동이 더 억제되는 경향성을 가지는 구조인, 연료전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 채널부는,
    상기 채널부를 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 복수 개의 영역으로 구분할 때,
    복수 개의 영역 중 적어도 일부 영역들에서, 반응 기체의 유동 방향을 기준으로, 상류에 위치한 영역의 상기 가스 확산층을 향해 하향 경사진 하측면의 기울기보다, 하류에 위치한 영역의 상기 가스 확산층을 향해 하향 경사진 하측면의 기울기가 더 작은 구조인, 연료전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 막 전극 접합체, 상기 가스 확산층들 및 상기 분리판들 각각은 상하 방향으로 연장되어 수평 방향으로 서로 적층되고,
    상기 제1 분리판은,
    상기 상하 방향과 수평 방향에 수직한 기준 방향을 따라 분리판의 일측에서 타측으로 연장되고 상기 가스 확산층과 접촉하는 랜드부가 상하 방향으로 복수 개 구비되고,
    상기 복수 개의 랜드부 사이에 상기 기준 방향을 따라 분리판의 일측에서 타측으로 연장되고, 분리판의 일측 및 타측에서 교대로 서로 연결되고, 상기 가스 확산층과의 사이에 상기 제1 채널을 형성하는 채널부가 상하 방향으로 복수 개 구비되고,
    상기 복수 개의 채널부 중 적어도 일부의 채널부들은,
    반응 기체의 유동 방향을 기준으로, 상류에 위치한 채널부에서보다 하류에 위치한 채널부에서 상기 가스 확산층으로의 물의 유동이 더 억제되는 경향성을 가지는 구조인, 연료전지.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수 개의 채널부 중 적어도 일부의 채널부들은,
    반응 기체의 유동 방향을 기준으로, 상류에 위치한 채널부의 상기 가스 확산층을 향해 하향 경사진 하측면의 기울기보다, 하류에 위치한 채널부의 상기 가스 확산층을 향해 하향 경사진 하측면의 기울기가 더 작은 구조인, 연료전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 복수 개의 채널부 중 적어도 어느 하나는,
    하측면이 상기 가스 확산층으로부터 멀어지는 방향으로 하향 경사지게 구비되는 채널부를 포함하는, 연료전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 막 전극 접합체, 상기 가스 확산층들 및 상기 분리판들 각각은 상하 방향으로 연장되어 수평 방향으로 서로 적층되고,
    상기 제1 채널은,
    하측면이 상기 가스 확산층을 향하여 하향 경사지게 형성되고,
    상기 제1 채널의 적어도 일부 구간에 하측면에서 하측으로 더 함몰된 형상의 물배출 유로를 구비하여,
    상기 물배출 유로로부터 상기 가스 확산층으로의 물의 유동이 억제되는, 연료전지.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 물배출 유로는,
    상기 가스 확산층으로부터 멀어지는 방향으로 하향 경사지게 형성되는, 연료전지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 분리판은, 캐소드 측 분리판이고,
    상기 제2 분리판은, 애노드 측 분리판인, 연료전지.
  12. 막 전극 접합체와 가스 확산층들을 포함하는 연료전지용 분리판에 있어서,
    반응 기체가 유동하는 채널을 구비하고,
    상기 분리판이 상기 막 전극 접합체 및 상기 가스 확산층과 결합된 상태에서,
    상기 채널의 어느 일부를 제1 영역이라 하고, 상기 제1 영역과 다른 상기 채널의 다른 일부를 제2 영역이라 할 때,
    상기 채널은,
    상기 제1 영역보다 상기 제2 영역에서 상기 가스 확산층으로의 물의 유동이 상대적으로 더 잘 이뤄지도록, 상기 제2 영역보다 상기 제1 영역에서 상기 가스 확산층으로의 물의 유동이 상대적으로 더 억제되는 구조이고,
    상기 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 상류에 위치한 상기 제2 영역의 상기 가스 확산층을 향해 하향 경사진 하측면의 기울기와, 상기 반응 기체의 유동 방향을 기준으로 하류에 위치한 상기 제1 영역의 상기 가스 확산층을 향해 하향 경사진 하측면의 기울기는 서로 다른, 연료전지용 분리판.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 막 전극 접합체, 상기 가스 확산층들 및 상기 분리판 각각은 상하 방향으로 연장되어 수평 방향으로 서로 적층되고,
    상기 분리판은,
    상기 상하 방향과 수직한 기준 방향을 따라 분리판의 일측에서 타측으로 연장되고 상기 가스 확산층과 접촉하는 랜드부가 상하 방향으로 복수 개 구비되고,
    상기 복수의 랜드부 사이에 상기 기준 방향을 따라 분리판의 일측에서 타측으로 연장되고, 상기 가스 확산층과의 사이에 상기 채널을 형성하는 채널부가 상하 방향으로 복수 개 구비되고,
    각각의 상기 채널부의 하측면이 상기 가스 확산층으로부터 멀어지는 방향으로 하향 경사지게 구비되는, 연료전지용 분리판.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 막 전극 접합체, 상기 가스 확산층들 및 상기 분리판들 각각은 상하 방향으로 연장되어 수평 방향으로 서로 적층되고,
    상기 채널은,
    하측면이 상기 가스 확산층을 향하여 하향 경사지게 형성되고,
    상기 채널의 적어도 일부 구간에 상기 가스 확산층으로의 물의 유동을 억제하기 위한 물배출 유로가 상기 하측면에서 하측으로 더 함몰된 형상으로 구비되는, 연료전지용 분리판.
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