KR102673750B1 - 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판 - Google Patents

반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지에 공급되는 반응가스의 흐름에 의도적인 난류발생을 유도하기 위해 분리판의 유로구조를 변경하여 가스확산층(GDL)으로 반응가스가 원활하게 전달되도록 하는 분리판에 관한 것으로, 복수의 채널부와 랜드부를 포함하여 구성하되, 랜드부는 가스확산층(GDL)에 면접촉으로 결합되고, 채널부는 가스확산층과 이격된 공간을 형성하도록 지지되며, 그 이격된 공간은 반응가스를 가스확산층(GDL)으로 전달할 수 있는 유로로서의 기능을 수행하되, 유로의 내부에는 일정간격의 스키점프대형 요철이 길이방향으로 배열되어 있는 구조로 이루어지며, 상기 스키점프대형 요철은 반응가스의 흐름방향을 기준으로 급경사부, 평탄부, 완경사부를 차례로 구비하되, 상기 완경사부의 길이는 평탄부의 길이보다 길고, 평탄부의 길이는 급경사부의 길이보다 길게 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 반응가스 유로 내에 정체류 구간(Dead Zone)의 발생을 방지하여 GDL로의 반응가스 전달기능을 강화할 수 있고, 반응부산물(H2O)의 원활한 배출로 연료전지의 출력성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판 {Separator of fuel cell with enhanced reaction gas delivery function}
본 발명은 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지에 공급되는 반응가스의 흐름에 의도적인 난류발생을 유도하기 위해 분리판의 유로구조를 변경하여 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)으로 반응가스가 원활하게 전달되도록 함으로써, 연료전지의 출력성능을 향상시킬 수 있는 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판에 관한 것이다.
연료전지는 수소 등의 친환경 연료를 사용하여 전기를 생산하는 에너지 변환장치로서 미래 탈탄소 시대의 핵심기술 가운데 하나로 부각되고 있다.
그 중에서도 고분자 전해질막을 이용하는 연료전지는 에너지 변환효율과 출력밀도가 높으면서도 시동기간이 비교적 짧고 부하변동에 신속대응이 가능하다는 장점 때문에 더 큰 관심을 받고 있으며, 최근에는 그러한 장점을 극대화시키려는 방향으로 지속적인 기술개발이 이루어지고 있다.
일반적으로 연료전지는 필요한 출력을 얻기 위해 다수의 단위 셀(Cell)을 적층하여 조립한 스택(Stack) 형태로 제작되는데, 이때의 각 단위 셀은 고분자 전해질막의 상·하부에 촉매물질을 도포하여 만든 연료극(anode)과 산소극(cathode)을 가진 막-전극접합체(MEA)와 그 MEA의 양면에 면접촉된 가스확산층(GDL)으로 구성되어 있으며, 그러한 각 단위 셀들이 분리판(Separator)을 매개로 적층되어 스택 형태가 완성되는 구조로 이루어져 있다.
이러한 스택형 연료전지에서는 분리판(Separator)의 기능이 매우 중요한데, 분리판은 연료전지 스택 내에서 단위 셀을 분리하는 고유기능 뿐만 아니라 각 단위 셀 간의 전류통로로서의 기능, 그리고 반응가스와 냉각수 및 반응부산물의 유·출입 통로(유로)로서의 기능을 갖는다. 특히, 분리판은 단위 셀의 적층시 인접 셀과의 유기적 결합을 지원하는 부재로서. GDL로의 반응가스 전달유로를 형성하는 채널부와 냉각수의 유로를 형성하는 랜드부를 구비하고 있으며, 그 채널부와 랜드부의 형상과 구조적 특성에 따라 연료전지의 출력성능이 좌우되는 핵심적 기술 요소라 할 수 있다. 그러한 기술적 중요성 때문에 최근에는 분리판(Separator)의 형상과 구조를 변경하여 연료전지의 출력성능을 향상시키고자 하는 기술들이 지속적으로 개발되고 있다.
대표적으로 특허 제10-1534940호(선행특허 1)에는 분리판의 반응가스 공급유로에 구비된 엠보싱 요철을 통해 반응가스의 흐름에 난류를 유발하여 GDL(가스확산층)로의 반응가스 전달기능을 활성화시키려는 기술이 개시되어 있고, 특허 제10-2346472호(선행특허 2)에는 반응가스 공급경로에 메쉬망 구조의 유로부재를 부가하고 그 유로부재를 통해 반응기체의 흐름에 난류를 유발하여 GDL로의 반응가스 전달기능을 활성시키려는 기술이 나타나 있으며, 특허 제10-2100053호(선행특허 3)에는 GDL(가스확산층)과 평판(분리판) 사이에 놓인 다공체판을 통해 반응기체의 난류를 유발하여 GDL(가스확산층)로의 반응가스 전달기능이 활성화되도록 구현한 기술이 개시되어 있다.
그러나 위 종래기술에 개시된 분리판의 구조는 모두 반응가스의 흐름에 난류를 유발시킬 수 있는 장점은 있으나, 선행특허 1의 분리판은 유로 내에 일정한 간격으로 설치된 볼록한 곡면형상의 엠보싱 요철로 인해 정체류 구간(Dead Zone)이 발생하고, 그 정체류 구간이 반응가스의 원활한 흐름을 방해하여 연료전지의 출력손실을 초래하는 문제가 있었고, 선행특허 2, 3은 각각 반응가스 유로에 별도로 제작된 메시망 구조의 유로부재나 다공체판 구조의 유로부재를 부가하는 구조이기 때문에 제작비용이 상승하고 연료전지 자체의 무게를 증가시킬 뿐만 아니라 단위 셀의 적층공정이 복잡해진다는 현실적인 문제점를 안고 있었다.
(선행특허 1) 특허 제10-1534940 (선행특허 2) 특허 제10-2346472 (선행특허 3) 특허 제10-2100053
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 극복하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 분리판에 의해 형성되는 유로의 구조와 형상을 변경함으로써, 반응가스의 흐름에 난류발생을 유도하여 반응가스가 가스확산층(GDL)으로 원활하게 전달될 수 있도록 하고, 연료전지에 공급되는 반응가스의 흐름에 정체류 구간(Dead Zone)이 발생하지 않도록 하여 연료전지의 출력성능을 향상시킬 수 있는 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판을 제공하는데 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판은 복수의 채널부와 랜드부를 포함하여 구성하되, 상기 랜드부는 가스확산층(GDL)에 면접촉으로 결합되고, 상기 채널부는 가스확산층과 이격된 공간을 형성하도록 지지되며, 상기 이격된 공간은 반응가스를 가스확산층(GDL)으로 전달할 수 있는 유로로서의 기능을 수행하되, 상기 유로의 내부에는 일정 간격의 스키점프대형 요철이 길이 방향으로 배열되어있는 구조로 이루어지며, 상기 스키점프대형 요철은 반응가스의 흐름방향을 기준으로 급경사부, 평탄부, 완경사부를 차례로 구비하되, 상기 완경사부의 길이는 상기 평탄부의 길이보다 길고, 상기 평탄부의 길이는 상기 급경사부의 길이보다 길게 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 채택하고 있는 스키점프대형 요철구조는 평탄부의 길이가 상기 급경사부 길이의 1.5배, 완경사부의 길이가 평탄부 길이의 2배가 되는 비율로 설정한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 분리판은 금속계 재질 또는 흑연계 재질 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하며, 상기 금속계 재질의 분리판은 프레스 성형을 통해 스키점프대형 요철을 형성하고, 상기 흑연계 재질의 분리판은 기계가공이나 압연 성형을 통해 스키점프대형 요철을 형성하도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 분리판은 스키점프대형 요철구조에 의해 반응가스 유로와 평행하게 배열된 냉각수의 메인 유로 사이에 연결통로가 형성되도록 구성한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 분리판은 반응가스 유로에 형성된 스키점프대형 요철의 설치간격을 반응가스의 흐름에 정체류 발생구간(Dead Zone)이 발생하지 않는 범위에서 최적의 거리로 일정하게 설정하고, 가스확산층(GDL)은 막-전극접합체(MEA)의 상·하면에 면접촉으로 결합된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 반응가스 유로 내에 정체류 구간(Dead Zone)의 발생을 방지하여 GDL로의 반응가스 전달기능을 강화할 수 있을 뿐만 아니라, 반응부산물(H2O)의 원활한 배출이 가능하여 연료전지의 출력성능이 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 반응가스 유로에 별도로 제작된 메시망 구조의 유로부재나 다공체판 구조의 유로부재를 부가하지 않고도 분리판 자체에 형성된 스키점프대형 요철구조를 통해 난류를 유발할 수 있어, 제작비용의 절감이 가능하고 단위 셀의 적층공정이 단순해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 반응가스 유로와 평행하게 배열된 메인 냉각수 유로들 사이에 연결통로가 형성되어 분리판 전체의 균일한 냉각효과를 기대할 수 있고, 그에 따라 화학반응에 불균일이 발생되는 것이 방지되어 연료전지의 출력향상을 기대할 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 스택구조의 연료전지를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 일반적인 단위 셀(Cell)의 결합구조를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 종래의 유로구조를 설명하기 위한 예시도로서, (a)는 유로방향의 단면도이고, (b)는 유로방향의 횡단면도이며, (c)는 종래의 유로구조를 모델링하여 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법을 통해 반응가스의 유동상태를 분석한 그래픽이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분리판의 유로구조를 설명하기 위한 도면으로, (a)는 전체 사시도이고, (b)는 부분 확대도이다.
도 5는 본 발명의 스키점프대형 요철구조를 설명하기 위한 예시도로서, (a)는 기본적인 형상이고, (b)는 변형된 형상이다.
도 6는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분리판의 유로구조를 모델링하여 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법을 통해 반응가스의 유동상태를 분석한 그래픽이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
참고로, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성이나 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단될 경우에는 그에 대한 상세한 설명이 생략되어 있다는 점을 밝혀둔다. 그리고 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 바람직한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 도면은 본 발명의 설명내용을 뒷받침하기 위한 것일 뿐, 실제크기와는 다를 수 있다는 점도 밝혀둔다.
도 1은 일반적인 연료전지 스택의 전체구성을 보여주고 있다. 통상적으로 연료전지 스택은 전·후면 엔드플레이트 사이에 다수의 단위 셀이 적층되는 구조로 되어 있다. 여기에서의 각 단위 셀은 막-전극접합체(MEA), 가스확산층(GDL), 분리판(Separator) 및 기밀유지용 가스켓을 주요구성으로 포함하고 있는데, MEA의 상·하부에는 촉매물질을 도포하여 연료극(Anode)과 산소극(Cathode)이 형성되고, 그 연료극과 산소극의 외면에는 각각 GDL의 일면이 면접촉으로 결합되며, 그 GDL의 다른쪽 면에는 연료극 분리판과 산소극 분리판이 결합되고, MEA의 외곽부에는 반응가스의 누출을 방지하기 위한 가스킷이 구비된 구조로 이루어져 있다. 이러한 단위 셀을 다수 적층할 때는 인접한 단위 셀의 분리판을 서로 위치맞춤하여 결합하고 최종적으로 전·후면 엔드플레이트를 부가하여 고정하면 연료전지 스택을 완성하게 된다. 이때 전·후면 엔드플레이트에는 수소와 산소 등의 반응가스 공급과 반응부산물(H2O)의 배출을 지원하는 유입·유출구와 함께 화학반응에 의해 발생하는 열을 냉각시키기 위한 별도의 냉각수 유입·유출구를 구비하고 있다.
한편, 도 2에는 통상적인 단위 셀의 횡단면 구조를 보여주고 있다. 도 2의 단위 셀 구조에는 4개의 분리판(A,B,C,D)과 막-전극접합체(MEA) 및 가스확산층(GDL)의 결합관계가 나타나 있으며, 그 결합관계는 MEA의 하면에 산소극이 형성되고 그 반대쪽 상면에 연료극(수소극)이 형성되는 것을 전제로 도시되어 있다. 도 2에서 보면, GDL의 일면이 MEA의 상면에 접촉되고 GDL의 타면은 외부로 노출되는데, 그 노출면에 분리판 B의 랜드부가 GDL과 면접촉되고, GDL과 직접 접촉되지 않는 분리판 B의 채널부를 통해 수소유로가 생성되며, MEA의 하면에도 분리판 C가 동일한 방식으로 결합되어 산소유로가 형성되는 결합구조가 나타나 있다. 이러한 형태의 단위 셀 구조체를 위치 맞춤하여 상하로 적층하면, 분리판 A, B와 분리판 C, D 사이에는 도 2에 나타낸 것처럼 보통 육각형 구조의 냉각수 유로가 형성되게 된다.
본 발명에서 주목하는 것은 연료극(anode) 방향의 분리판 B에 구비된 채널부를 통해 형성되는 수소유로와 산소극(cathode) 방향의 분리판 C에 구비된 채널부를 통해 형성되는 산소유로의 형태와 구조에 관한 부분이다.
지금까지는 분리판 B, C의 채널부 형상은 전·후면을 평평하게 제작한 것이 일반적이어서 그 채널부에 의해 형성된 수소유로와 산소유로는 단순히 긴 사각터널과 같은 구조였다. 이에 따라 그 유로를 통해 공급되는 반응가스(수소, 산소)의 기류는 특별한 교란없이 안정적인 층류상태의 흐름이 유지되었으나, 그와 같은 층류흐름 때문에 오히려 반응가스의 흐름방향과 수직으로 배치된 GDL(가스확산층)로 반응가스를 전달하는 방법은 오로지 압력차와 농도차에 기반한 확산 매카니즘에만 의존할 수밖에 없다는 한계가 있었다.
그러한 한계를 극복할 목적으로, 최근에는 GDL로의 반응가스 전달기능을 강화하는 새로운 기술들이 등장하고 있는데, 그 대표적인 것이 바로 분리판의 구조와 형상을 변경하여 반응가스의 흐름에 난류의 발생을 유도하고, 그 난류에 의해 GDL로의 반응가스 전달기능을 강화하는 기술이다.
도 3의 (a), (b)는 종래기술로서 유로의 구조와 형상을 변경시켜 반응가스 흐름에 의도적인 난류형성을 유도하는 분리판의 구조가 예시되어 있다.
도 3(a), (b)의 분리판(10)에는 곡면을 이루면서 돌출된 형태의 구조(엠보싱 요철)가 일정한 간격으로 배열된 채널부(10c)의 형상이 나타나 있다.
도 3(a), (b)에서 볼 수 있는 것처럼, 분리판(10)의 랜드부(10a)와 GDL(22)을 면접촉으로 결합시키면, 분리판(10)의 채널부(10c) 형상을 통해 반응가스 유로(11b)가 생성되는데, 이때의 반응가스 유로(11b)는 단순히 사각형태의 긴 터널구조가 아니라 도 3(a)와 같이 일정간격으로 배열된 돌출부(엠보싱 요철)에 의해 단면적이 주기적으로 가변되는 형태의 통로가 될 것이다. 이를 횡단면 구조로 보면, 도 3(b)와 같이, 분리판(10)의 채널부(10c)에 위치하는 유로의 형태가 GDL쪽 방향으로 볼록한 곡면을 이루면서 돌출된 구조(엠보싱 요철)를 가진 모습으로 형성될 것이기 때문에 그 유로 내의 반응가스의 흐름은 주기적으로 기류방향이 변하고 유속도 변화되어 난류가 형성될 것이고, 그러한 난류발생으로 인해 GDL(22)로의 반응가스 전달이 더욱 원활해지는 결과를 얻을 수 있게 될 것이다.
그러나 위와 같은 도 3의 종래기술은 유로 내의 돌출부(엠보싱 요철)를 통해 난류발생을 유도하여 반응가스 전달기능이 강화되는 효과를 기대할 수는 있지만, 도 3의 엠보싱 요철은 볼록한 곡면을 이루면서 돌출된 형상으로 분리판의 채널부에 일정한 간격으로 배열되어 있기 때문에, 인접한 엠보싱 요철 사이에서 나타나는 정체류 구간(Dead Zone)과 그에 따른 부작용이 연료전지의 성능에 미치는 영향을 무시할 수 없다는 현실적이면서도 구조적인 문제점을 안고 있었다.
그러한 문제점은 도 3(c)의 그래픽에 의해 뒷받침되고 있는데, 도 3(c)는 일정한 간격으로 돌출부(엠보싱 요철)가 배열된 종래기술의 유로구조를 모델링하여 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법을 통해 분석한 반응가스의 유동상태를 그래픽으로 보여주고 있다. 이때의 모델링은 유로의 폭을 1mm, 요철의 최대높이 0.3mm, 현의 길이를 1.6mm, 배열간격 4mm의 규격으로 설정하여 분석하였다. 도 3(c)에서 보면, 종래의 유로구조에서는 인접한 엠보싱 요철 사이에 정체류 발생구간(Dead Zone)이 존재한다는 사실을 확인할 수 있었다. 그처럼 확인된 정체류 구간(Dead Zone)의 존재는 GDL로의 반응가스 전달기능에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 반응부산물(H2O)의 원활한 배출을 방해하여 연료전지의 출력성능을 저하시키는 요인이 될 수 있다는 점에서 시급히 해결해야 할 현안문제로 인식할 수 있는 계기를 제공해주었다.
본 발명은 그러한 문제인식에 기반하여 이루어진 것으로, 연료전지의 분리판에 대한 구조변경을 통해 난류발생을 원활하게 유도하면서도 반응가스 유로의 정체류 구간(Dead Zone)이 발생하지 않도록 하여 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판을 제안하는 것이 그 특징이라 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분리판의 구조를 보여주고 있는데, (a)는 분리판의 전체사시도이고, (b)는 분리판의 유로 구조를 부분적으로 확대한 설명도이다. 도 4는 기존의 엠보싱 요철구조를 대체하여 스키점프대형 요철구조(300)가 형성된 유로(200)의 구조를 개괄적으로 보여주고 있을 뿐, 연료전지의 주요구성인 막-전극접합체(MEA), 가스확산층(GDL), 분리판 및 기밀유지용 가스켓은 당연히 구비된 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 5의 (a), (b)는 본 발명에서 채택한 스키점프대형 요철구조(300)를 확대하여 보여주고 있는데, 우선 도 5(a)의 스키점프대형 요철구조(300)는 반응가스의 흐름방향을 기준으로 입구측에 급경사부(310), 중앙에 평탄부(320) 및 출구측에 완경사부(330)를 갖는 형태로 채널부(220)가 유로 내에서 GDL쪽 방향으로 돌출되어 일정한 간격으로 배열된 구조로 되어 있다. 여기에서 GDL쪽 방향으로 돌출된다는 의미는 GDL이 랜드부(210)와 면접촉으로 결합되기 때문에 랜드부(210)의 접촉면이 위치하는 방향으로 스키점프대형 요철구조(300)가 돌출되어 있다는 것으로 이해되어야 할 것이다. 도 5(a)의 스키점프대형 요철구조(300)에서 급경사부(310)는 반응가스의 상승기류를 유도하고, 평탄부(320)는 유로의 단면적을 좁혀 빠른 유속이 형성되도록 하며, 완경사부(330)는 유속을 늦추면서 정체류 구간(Dead Zone)이 발생하지 않도록 기능하는데, 이러한 스키점프대형 요철구조(300)를 통해 반응가스의 기류와 유속의 변화를 유발하여 GDL로 반응가스가 원활하게 전달되도록 지원된다.
이때 스키점프대형 요철구조(300)는 급경사부(310)의 길이를 상대적으로 짧게 설정하고, 평탄부(320)의 길이는 급경사부(310)의 1.5배, 완경사부(330)의 길이는 평탄부(320)의 2배가 되도록 설계하는 것이 바람직하다. 예컨대, 유로의 폭을 1mm, 요철의 최대높이를 0.3mm, 급경사부(310)의 길이를 0.6mm로 설정하면, 평탄부(320)의 길이는 0.9mm, 완경사부(330)의 길이는 1.8mm가 되도록 설계하여 제작하는 것이 바람직할 것이다.
다만, 그러한 스키점프대형 요철구조(300)의 바람직한 설계규격은 정체류 구간(Dead Zone)의 해소를 위해 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법을 활용하여 산출한 이상적인 비율을 예시한 것일 뿐, 분리판(100)의 두께나 유로(200)의 폭과 길이, 그리고 요철구조(300)의 높이 등을 고려하여 그 적용 분야나 수요자의 요구에 맞게 그 비율을 적절히 조정하는 것은 얼마든지 가능할 것이다.
이처럼 스키점프대형 요철구조(300)를 채택하는 이유는 반응가스 유로(200)에 정체류 구간(Dead Zone)이 발생되지 않게 하면서, 일정한 간격으로 배열된 스키점프대형 요철구조(300)를 통해 유로 내 반응가스의 흐름에 난류를 유도하여 GDL로의 반응가스 전달기능이 강화되도록 하고, 유로 내에서의 주기적인 유속의 변화를 유도하여 물방울 형태로 존재하는 반응부산물(H2O)이 효과적으로 배출될 수 있게 하려는데 있다.
그리고 도 5(b)는 본 발명에서 채택한 스키점프대형 요철구조(300)의 변형례를 보여주고 있는데, 도 5(b)는 스키점프대형 요철구조(300)의 반대쪽 면에 반응가스 유로(200)와 평행하게 배열된 냉각수의 유로 사이에 연결통로(350)가 형성되는 것만 다를 뿐, 나머지는 도 5(a)와 동일한 구성이다. 도 5(b)에 나타낸 연결통로(350)는 인접한 냉각수 유로 사이에서도 냉각수가 서로 유통되도록 하여 분리판 전체의 균일냉각에 기여하게 될 것이고, 이는 곧 국부적인 온도차에 따른 화학반응의 불균일로 연료전지의 출력이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과로 이어질 것이다.
도 6은 일정한 간격으로 스키점프대형 요철구조(300)가 배열된 본 발명의 유로구조를 모델링하여 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법을 통해 분석한 반응가스의 유동상태를 그래픽으로 보여주고 있다. 이때의 모델링은 도 3(c)에 나타낸 종래기술의 그래픽과 비교하기 위하여 의도적으로 유로(200)의 폭을 1mm, 요철(300)의 높이 0.3mm, 급경사부(310)의 길이를 0.6mm, 평탄부(320)의 길이 0.9mm, 완경사부(330)의 길이 1.8mm, 배열간격 4mm의 규격으로 설정하여 분석하였다. 도 6에서 보면, 도 3(c)에 나타낸 엠보싱 요철구조에 대한 그래픽과 달리 본 발명의 스키점프대형 요철구조(300)에서는 정체류 발생구간(Dead Zone)이 관찰되지 않았고, 난류형태의 반응가스 흐름도 비교적 안정된 모습을 보여주고 있었다.
한편, 본 발명의 스키점프대형 요철구조(300)를 구비한 분리판(100)은 프레스 성형이 가능하고 양산성이 뛰어나며 분리판 자체의 두께와 무게를 줄이기 쉬운 금속계 재질로 제작하는 것이 바람직할 것이다. 그러나 본 발명의 분리판(100)은 흑연계 재질로 제작하는 것을 완전히 배제하지는 않는다. 이는 비록 흑연계 재질의 분리판이 기계가공이나 압연성형을 필요로 하여 제조비용이 높아지고 양산성이 떨어지며 두께를 줄이기 어렵다는 단점은 있으나, 전기전도도가 우수하고 기존의 범용 연료전지와 호환성 측면에서 장점을 갖고 있어 그 적용분야에 따라서는 여전히 효용가치가 높기 때문이다.
이러한 본 발명의 스키점프대형 요철구조가 형성된 분리판(100)에 의하면, 반응가스 유로 내에 정체류 구간(Dead Zone)의 발생을 방지하여 GDL로의 반응가스 전달기능을 강화할 수 있고, 반응부산물(H2O)의 원활한 배출이 가능하여 연료전지의 출력성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 반응가스 유로(200)에 별도로 제작된 메시구조의 유로부재나 다공체판의 유로부재를 부가하지 않고도 분리판 자체에 형성된 스키점프대형 요철구조(300)를 통해 난류발생을 유도할 수 있기 때문에 반응가스가 GDL에 효율적으로 전달되어 연료전지의 출력성능을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 반응가스 유로(200)와 평행하게 형성된 냉각수의 유로들 사이에서 연결통로(350)를 통한 냉각수 유동이 가능하여 분리판 전체를 균일하게 냉각할 수 있고, 그에 따라 화학반응에 불균일이 발생되는 것이 방지되어 연료전지의 출력향상을 기대할 수 있을 것이다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 그 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형실시가 가능할 것이다.
100 : 분리판 200 : 유로 210 : 랜드부 220 : 채널부
300 : 스키점프대형 요철구조 310 : 급경사부 320 : 평탄부
330 : 완경사부 340 : 채널부 저면 350 : 연결통로
A, B, C, D : 분리판

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 다수의 단위 셀이 적층된 연료전지 스택에 구비되고, 각 단위 셀의 결합부재로서 반응가스와 냉각수의 유로형성을 지원하는 분리판(100)에 있어서,
    상기 분리판은 복수의 채널부(220)와 랜드부(210)를 포함하여 구성하되,
    상기 랜드부(210)는 가스확산층(GDL)에 면접촉으로 결합되고,
    상기 채널부(220)는 상기 가스확산층(GDL)과 이격된 공간을 형성하도록 결합되며,
    상기 이격된 공간은 반응가스를 상기 가스확산층(GDL)으로 전달할 수 있는 유로(200)로서의 기능을 수행하되,
    상기 유로(200)의 내부에는 일정간격의 스키점프대형 요철(300)이 길이방향으로 배열되어 있는 구조로 이루어지며,
    상기 스키점프대형 요철(300)은 반응가스의 흐름방향을 기준으로 급경사부(310), 평탄부(320), 완경사부(330)를 차례로 구비하되,
    상기 평탄부(320)의 길이는 상기 급경사부(310) 길이의 1.5배, 상기 완경사부(330)의 길이는 상기 평탄부(320) 길이의 2배가 되도록 구성한 것이 특징인 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분리판(100)은 금속계 재질 또는 흑연계 재질 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 GDL층으로의 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속계 재질의 분리판(100)은 프레스 성형을 통해 상기 스키점프대형 요철을 형성하고, 상기 흑연계 재질의 분리판(100)은 기계가공이나 압연 성형을 통해 상기 스키점프대형 요철(300)을 형성하는 것이 특징인 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판
  5. 제2항에 있어서,
    상기 스키점프대형 요철구조(300)에 의해 반응가스 유로(200)와 평행하게 배열된 냉각수의 메인 유로 사이에 연결통로(350)가 형성되는 것을 특징으로 하는 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판
  6. 제2항에 있어서,
    상기 스키점프대형 요철구조(300)의 설치간격은 반응가스의 흐름에 정체류 발생구간(Dead Zone)이 발생하지 않는 범위에서 최적의 거리로 일정하게 설정한 것을 특징으로 하는 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판
  7. 제2항에 있어서,
    상기 가스확산층(GDL)의 일면은 막-전극접합체(MEA)의 연료극 또는 산소극이 면접촉으로 결합되고, 상기 가스확산층(GDL)의 타면은 상기 분리판(100)의 랜드부(210)와 면접촉으로 결합되되, 상기 가스확산층(GDL)과의 면접촉이 없는 채널부(220)에 의해 형성되는 상기 유로(200)에는 일정한 간격의 상기 스키점프대형 요철(300)이 상기 가스확산층(GDL) 방향으로 돌출되어 길이방향으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 반응가스 전달기능이 강화된 연료전지의 분리판
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