KR20110062360A

KR20110062360A - 메쉬층을 갖는 연료전지 셀

Info

Publication number: KR20110062360A
Application number: KR1020090119062A
Authority: KR
Inventors: 김세훈; 진상문; 허성일; 백석민; 양유창
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2011-06-10

Abstract

본 발명은 메쉬층을 갖는 연료전지 셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 프레스 성형공법으로 제작되어 채널부 및 랜드부를 갖는 금속분리판에 3차원 구조의 메쉬(mesh)를 결합하여 연료전지 스택내의 기체 확산 반응성 및 물배출성을 증가시키고, 셀 내부저항을 감소시켜 연료전지 스택의 성능 향상을 도모할 수 있도록 한 메쉬층을 갖는 연료전지 셀에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 분리판과 가스확산층 사이에 3차원 구조를 갖는 메쉬를 배열시켜, 분리판의 랜드부와 가스확산층 사이에 존재하는 반응가스 및 생성수의 배출 유로가 형성되도록 하되, 상기 메쉬를 평면 방향에서 바라보았을 때 금속와이어가 직각으로 교차하며 짜여지고, 단면 방향에서 바라봤을 때 종선 및 횡선이 망목을 형성하며 교차되는 교차점의 두께(t1)를 가장 크게, 교차점과 교차점간의 중간부분 두께(t2)를 가장 작게 제작하여, 3차원 구조의 형상을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 메쉬층을 갖는 연료전지 셀을 제공한다.

연료전지, 셀, 메쉬, 분리판, 3차원 구조, 가스확산층, 망목, 랜드부

Description

메쉬층을 갖는 연료전지 셀{Fuel cell unit having mesh}

연료전지 스택의 구성을 첨부한 도 9를 참조로 살펴보면, 고분자 전해질막(10)과 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(12: cathode) 및 연료극(14: anode)으로 이루어진 전해질-전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)을 포함하고, 또한 공기극(12) 및 연료극(14)이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(16) 및 가스켓(18)이 차례로 적층되고, 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 결합되어, 하나의 셀 단위를 이루게 된다.

이러한 셀 단위의 연료전지가 다수 적층된 후, 그 가장 바깥쪽에 각 셀 단위의 구성들을 고정시키기 위한 엔드 플레이트(30)가 결합된다.

따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극(14)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(10)과 분리판(20)을 통하여 공기극(12)으로 이동하게 되며, 상기 공기극(12)에서는 연료극(14)으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.

상기 분리판(20)은 기체확산층(16)에 밀착 지지되는 랜드부(22)와, 반응기체가 흐르는 반응유로(26)를 이루는 채널부(24)가 반복되는 구조로 성형 제작된 것으로서, 전극막 접합체의 양쪽에 배열된 각 가스확산층(16)과 접하도록 적층 결합된다.

따라서, 분리판(20)의 각 반응유로를 따라 반응 기체(수소 또는 공기중 산소)가 흐르게 되고, 기체확산층(16)은 반응이 일어나는 이온교환막 즉, 그 안쪽에 위치하는 전해질막(10)에 반응기체인 수소 및 공기를 균일하게 분배해주는 역할을 한다.

PEMFC용 금속분리판은 일반적으로 원소재 두께 0.2mm 이하의 금속 박판을 스템핑 등의 공법을 이용하여 유로 단면을 정밀하게 성형하는 방식으로 제작되어야 하는데, 그 이유는 가스확산층과의 접촉면(랜드부)에서의 응력 집중에 의한 랜드/ 채널부간의 면압 불균일 내지 접촉저항 불균일이 발생되면, 랜드부 면압 집중에 의한 전해질막 손상, 그리고 랜드부에서의 물배출성 저하 및 랜드부에서의 반응성 저하(실제 반응면적의 감소 현상) 등의 문제점이 발생되어, 결국 스택의 고성능화 및 물배출성 향상에 제약이 따르게 된다.

이러한 점을 감안하여, 종래기술로서 미국특허 2009/0155665에는 가스확산층과의 접촉저항을 개선하고, 가스확산성과 반응성을 향상시키고자, 평평한(flat) 구조의 분리판에 메쉬 또는 계단형 콜렉터(collector)가 형성된 구조가 개시되어 있고, WO 03/061042에는 평평한 분리판에 메쉬 형태의 확산층이 소결(sintering) 과정으로 접합된 구조가 개시되어 있다.

그러나, 위의 종래 기술들은 기존의 유로가 있는 금속분리판을 평판과 다공성의 메쉬 구조로 단순 결합한 구조로서, 첫째 반응유로가 없어 반응 기체들이 전체 반응면적에 골고루 분포하기 힘들고, 둘째 반응면적의 일부 영역에서 생성수가 메쉬 구조내에 갖혀 정체될 경우에 반응기체의 흐름을 안내 및 통제해주는 별도의 유로가 없으므로 정체된 생성수를 제거하는데 어려움이 있으며, 셋째, 평판 사용으로 냉각유로가 없으므로 냉각유로를 형성시켜주기 위해 추가적인 구조(예: 평판 등에 펀칭(punching)으로 따내어 냉각수유로를 형성시켜 줌)가 필요한 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것로서, 랜드부와 채널부의 반 복 형성에 따른 반응유로를 갖는 금속 분리판과 기체확산층 사이에 금속와이어로 직조된 메쉬를 삽입하여, 일반 연료전지 셀 구조에서 발생되건 반응성 및 물배출성 저하 현상, 그리고 불균일 접촉저항 및 전해질 막 손상 문제를 해결할 수 있고, 기존 평판형 분리판 몸체에 메쉬가 결합된 구조에서 발생되던 반응 가스의 불균일 확산, 생성수 정체 및 배출의 어려움을 해결할 수 있도록 한 메쉬층을 갖는 연료전지 셀을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 분리판과 가스확산층 사이에 3차원 구조를 갖는 메쉬를 배열시켜, 분리판의 랜드부와 가스확산층 사이에 존재하는 반응가스 및 생성수의 배출 유로가 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 메쉬층을 갖는 연료전지 셀을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 3차원 구조를 갖는 메쉬는 평면 방향에서 바라보았을 때 금속와이어가 직각으로 교차하며 짜여지고, 단면 방향에서 바라봤을 때 종선 및 횡선이 망목을 형성하며 교차되는 교차점의 두께(t1)를 가장 크게하는 동시에 교차점과 교차점간의 중간부분 두께(t2)를 가장 작게하여, 3차원 구조의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 3차원 구조를 갖는 메쉬는 망목을 형성하는 종선 및 횡선의 교차점과, 교차점간의 중간부분이 서로 다른 높이를 갖게 되고, 그 높이 차이 만큼의 공간은 분리판의 랜드부와 가스확산층 사이에 존재하는 반응가스 및 생성수의 배출 통로로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 메쉬의 종선 및 횡선의 선경은 0.3mm 이하이고, 메쉬의 망목 크기는 분리판의 랜드부 폭보다 작게 형성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 메쉬는 종선 및 횡선이 망목을 형성하는 교차점의 두께(t1)를 최대 두께로 하되 선경의 2배가 되도록 하고, 교차점과 교차점간의 중간부분 두께(t2)를 최소 두께로 하되 선경과 동일하게 제작한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 메쉬는 종선 및 횡선을 이용하여 망목 형상이 원형, 타원형, 삼각형 및 평행사변형을 포함하는 다각형, 정방형, 비정형중 선택된 어느 하나가 되도록 제작된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 평면 방향에서 보았을 때 금속와이어가 직각으로 번갈아가며 교차하며 짜여지고, 단면 방향에서 바라봤을 때 종선 및 횡선이 망목을 형성하며 교차되는 교차점의 두께(t1)가 가장 크고, 교차점과 교차점간의 중간부분 두께(t2)가 가장 작게 하여, 3차원 구조 형상을 갖는 메쉬를 제작하여, 가스확산층과 분리판 사이에 배열함으로써, 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

(1) 분리판의 랜드부에서의 면압 집중의 해소로 가스확산층에 대한 과압축을 방지할 수 있고, 이에 가스확산층의 탄소섬유가 전해질막을 찌르는 현상을 방지하여 전해질막의 내구성 향상을 도모할 수 있다.

(2) 본 발명의 분리판의 채널부에서는 면압 향상으로 접촉저항이 낮아져서 열발생이 줄어들어 전해질막이 건조(dry-out)되는 현상을 막을 수 있다.

(3) 본 발명의 분리판의 랜드부와 가스확산층이 접촉하는 사이에 랜드부의 폭보다 작은 메쉬의 망목이 배열되도록 함으로써, 가스확산층과 랜드부간의 접촉부분에 반응기체 및 생성수의 통로가 형성되어, 반응기체의 확산 및 반응성, 그리고 물배출성이 향상되는 효과를 제공할 수 있고, 생성수 배출이 원할하게 되어 냉시동성이 향상될 수 있으며, 또한 가스확산층이 채널부쪽으로 침투되는 현상을 방지하여 채널부의 단면적이 셀별로 균일한 수준으로 유지될 수 있고, 그에 따라 스택에서의 셀간 성능 편차 감소를 얻을 수 있다.

(5) 본 발명의 연료전지 셀에 적용되는 분리판의 경우, 3차원 메쉬와 결합됨에 따라 초정밀 성형이 필요하지 않아, 분리판의 생산성 향상과 분리판 제작용 금형의 수명 연장이 가능하고, 가스확산층의 기계적 물성 편차에 제약을 덜 받기 때문에 가스확산층의 생산성 향상도 도모할 수 있다.

(6) 본 발명의 메쉬와 결합된 분리판을 적용하는 경우, 일반 셀 구조에서는 적합하지 않았던 기계적 강도가 떨어지는 박막 가스확산층도 사용할 수 있기 때문에, 메쉬 부가에 따른 전체적인 셀 간격(pitch)은 메쉬를 추가하지 않은 상태(일반 셀 구조)와 동일하게 유지할 수 있고, 그에 따라 스택의 부피도 일반 셀 구조를 갖는 스택과 동일하게 유지할 수 있다.

(7) 특히, 본 발명에 따른 가스확산층과 랜드부간의 접촉부분에 메쉬에 의한 반응기체 및 생성수의 통로(유로)가 형성되어, 기존에 유로를 갖지 않는 평판+메쉬 구조에서 망목에 반응가스 및 생성수가 갖히는 것을 방지하여, 반응가스의 균일한 확산 및 물의 제거가 용이하게 이루어질 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 기존의 일반적인 연료전지 셀 구조를 첨부한 도 7을 참조로 설명하면 다음과 같다.

일반적인 연료전지 셀은 분리판(20)/가스확산층(16)/연료극(14,anode)/전해질막(10)/공기극(12,cathode)/가스확산층(16)/분리판(20)이 적층된 구조로 되어 있으며, 분리판(20)은 가스확산층(16)과 접촉하는 랜드부(22)와 반응기체(수소 또는 공기)가 흐르는 반응유로를 형성하는 채널부(24)가 반복적으로 성형된 구조를 이루고 있다.

이러한 일반적인 연료전지 셀 구조에 있어서, ⅰ)분리판의 랜드부가 면압 집중에 따라 가스확산층을 과압축하게 되면, 가스확산층의 탄소섬유가 전해질막을 찌르는 현상이 발생하여 전해질막의 내구성에 심각한 영향을 줄 수 있고, ⅱ)분리판의 채널부에서는 면압이 작아지며 접촉저항이 높아져서 열이 많이 발생하므로 전해질막의 건조(dry-out) 현상이 나타나게 되며, ⅲ)랜드부와 가스확산층간의 접촉부분은 가스확산층에 대한 과압축이 발생하는 부분이 되어 반응기체 및 생성수의 통로가 제대로 형성되지 않아, 결국 반응기체의 반응성 및 생성된 물 배출성이 저하 되어 실제 반응면적의 감소와 함께 배출되지 못한 생성수가 동결하면서 냉시동성에 악영향을 미치는 단점이 있다.

성형 제작시 발생하는 분리판의 성형 오차에 가스확산층의 품질편차가 더해지면, 분리판을 가스확산층과의 적층 결합시 공기/수소 채널 내부 즉, 반응유로내로 가스확산층이 침투되는 깊이가 달라지면서 반응유로의 셀별 단면적이 서로 달라지게 되고, 이에 전체 스택에서의 셀간 성능 편차의 주요한 원인이 된다.

위와 같은 단점들은 (1)분리판의 랜드부 및 채널부에 대한 성형 정밀성(예를 들어, 단면 R부분의 최소화, 랜드 평탄도 향상)을 향상시키고, (2)분리판의 채널부 및 랜드부의 폭 비율을 적절히 유지한 상태로 채널부 피치(폭)를 최소화하며, (3)가스확산층의 굽힘강성 및 내찍힘성 등의 기계적 강도를 증가시키면 어느 정도 극복이 가능하지만, 위의 (1),(2)에 제시된 개선안은 박판 금속 성형성의 한계에 제약을 받고, 금형 마모 등이 심하여 금형 수명의 감소를 유발할 수 있고, (3)의 개선안의 경우 가스확산층을 카본 단섬유(carbon short fiber)들을 직물(cloth), 종이(paper), 펠트(felt) 형태 등 다양한 형태로 만들기 때문에 품질을 균일하게 유지하는데 어려움이 있다.

또한, (1)~(3)개선안이 모두 해결된다고 하더라도, 랜드부 근처의 반응성 저하 영역은 피할 수 없고, 결과적으로 실제 반응에 참가할 수 있는 실 반응면적의 감소 효과로 스택의 성능 저하가 나타나게 된다.

이러한 점을 해결하고자, 첨부한 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 본 발명은 랜드부(22)와 반응기체(수소 또는 공기)가 흐르는 반응유로를 형성하는 채널 부(24)가 반복적으로 성형된 분리판(20)과, 가스확산층(16) 사이에 금속 와이어로 직조된 메쉬(40)층을 삽입하여, 분리판(20)/메쉬(40)/가스확산층(16)/연료극(14)/전해질막(10)/공기극(12)/가스확산층(16)/메쉬(40)/분리판(20)이 차례로 적층된 연료전지 셀 구조를 제공하고자 한 것이다.

상기 메쉬(40)는 일반적인 산업용으로 사용되는 가는 금속 와이어를 이용한 것으로서, 종선(44) 및 횡선(46)이 상하 1:1 수직으로 교차하여 정방형의 망목(opening)을 형성하는 평직(plain weave) 형태를 채택하거나, 평직 형태의 메쉬와 기본 제작법은 동일하나 종선 및 횡선이 매 2가닥씩 수직 교차하여 망목을 형성하는 능직(twilled weave) 형태와 기타 원하는 형태로 와이어를 교차하여 직조(weaving)시킨 것도 채택 가능하다.

또한, 상기 메쉬(40)는 양산성이 확보된 제조공정이기 때문에 생산성 및 재료비 측면에서 유리하며, 재질은 금속분리판 재질과 같거나 유사한 스테인레스 스틸, 또는 기타 적용 가능한 금속 재질을 사용할 수 있다.

특히, 상기 메쉬(40)의 망목(42)은 꼭 정방형일 필요는 없으며, 제조가 가능하다면 삼각형, 평행사변형, 직사각형 등 다양한 형태로 형성되어도 무방하다.

한편, 상기 메쉬(40)를 금속 와이어로 직조하여 제조하는 공정 이외에도 망목이 형성되는 미세구조 패턴을 일반 전기 도금법으로 형성시키는 방법으로도 제조가 가능하고, 이 미세구조 패턴을 형성하는 방법은 금속 와이어 메쉬보다 망목 형상을 더욱 자유롭게 구성할 수 있어서 모든 다각형 형상, 원형, 타원형 형상과 더불어 비정형 형상까지 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 메쉬(40)는 첨부한 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 두께(단면) 방향으로 3차원 구조를 가지도록 한 점에 특징이 있으며, 그 이유는 도 6에 나타낸 2차원 구조의 메쉬는 단순하게 2차원 형태만 가지고 두께 방향으로 형태의 변화가 없어, 반응기체 및 생성수가 2차원 구조의 메쉬의 망목에 갖히게 되어 반응성 및 물 배출성이 떨어지기 때문이다.

따라서, 본 발명에 따른 연료전지 셀에 적용되는 메쉬(40)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 평면 방향에서 바라보았을 때, 금속와이어가 직각으로 번갈아가며 교차하며 짜여지고, 단면 방향에서 바라봤을 때, 종선(44) 및 횡선(46)이 망목(42)을 형성하며 교차되는 교차점(48)의 두께(t1)가 가장 크고, 교차점(48)과 교차점(48)간의 중간부분 두께(t2)가 가장 작게 하여 3차원 구조 형상을 갖게 된다.

이에, 망목(42)을 형성하는 교차점(48)과, 교차점(48)간의 중간부분이 서로 다른 높이를 갖게 되고, 그 높이 차이 만큼의 공간은 첨부한 도 1 및 도 2에서 잘 볼 수 있듯이 분리판의 랜드부와 가스확산층 사이에 존재하는 반응가스 및 생성수의 배출 통로(50)로 형성된다.

한편, 일반적인 도금법(증착법)으로 만들어진 메쉬 형태는 첨부한 도 6에 나타낸 바와 같이, 단면 방향의 형상이 직선으로 나타나게 되어, 분리판의 랜드부와 가스확산층 사이에 반응가스 및 생성수의 배출 통로 형성이 불가능하게 되고, 오히려 망목 내부에 가스확산층을 통해 빠져나온 생성수가 갇히는(trapped) 현상이 발생됨과 더불어 어는 경우에 스택 성능 및 냉시동성에 최악의 영향을 미치게 된다.

따라서, 금속 와이어를 직조해서 만들지 않고, 도금법 등으로 메쉬 형태를 만들고자 할 때에는 단면 방향에서 3차원 구조가 형성될 수 있도록(예: 두 선의 교차점의 두께를 두껍게 함) 만들어야 한다.

본 발명의 메쉬를 채택함에 있어서, 종선(44) 및 횡선(46)의 선경, 망목(42)의 크기 결정은 매우 중요한 고려 사항인 바, 연료전지 분리판과 가스확산층의 설계 형태를 고려하여 아래와 같은 최적 범위로 결정되도록 한다.

(1) 메쉬(40)층의 최대(max) 두께(t1) 및 최소 두께(t2): 연료전지 스택의 길이 증가가 최소화될 수 있도록 메쉬층의 두께는 되도록 얇게 하는 것이 필요하고, 이에 직조된 메쉬의 경우, 그 단면 방향에서 바라봤을 때, 종선 및 횡선이 망목을 형성하며 교차되는 교차점의 두께(t1)를 최대 두께로 하되 선경의 2배가 되도록 하고, 교차점과 교차점간의 중간부분 두께(t2)를 최소 두께로 하되 선경과 동일하게 되도록 하여, 3차원 구조 형상을 갖도록 한다.

(2) 메쉬(40)의 선경: 지름이 너무 크면 작은 망목을 만들기 힘들고(교차점에서 꺾이는 R이 작아지기 힘듬), 지름이 너무 작으면 큰 망목을 만들기가 힘들어지므로(교점에서 꺾이는 R이 너무 크기 때문에 메쉬 구조가 잘 풀려버림), 망목을 원할하게 형성하는 동시에 망목의 간격을 분리판의 랜드부 폭보다 작게 형성할 수 있도록 메쉬의 종선 및 횡선의 선경은 약 0.3mm 이하로 정하는 것이 바람직하다.

(3) 망목(42)의 크기: 메쉬층의 일면은 도 4에서 보듯이 분리판(20)의 채널부(24) 및 랜드부(22)를 덮도록 위치되고, 타면은 가스확산층에 밀착되게 위치되는 바, 도 3 및 도 5에서 보는 바와 같이 망목(42)의 크기에 따라 분리판(20)의 랜드부(22)와의 접촉 면적 및 배열 형태가 달라지게 된다.

즉, 도 5서 보듯이 분리판(20)의 랜드부(22) 폭보다 망목(42)이 더 클 경우, 망목(42)의 사이로 랜드부(22)가 체결압에 의하여 돌출되면 그 대응되는 가스확산층의 일부분이 분리판(20)의 랜드부(22)에 닿게 되고, 불균일 접촉저항 및 전해질 막 손상 문제 등이 발생할 수 있고, 반면 망목의 크기가 랜드부의 폭에 비하여 지나치게 작은 경우에는 생성수가 공기/수소 공급 유동으로는 제거가 힘들 정도로 망목내에 표면장력의 힘으로 갇히게 되어, 어는 경우 냉시동성에 문제를 야기시키게 되므로, 첨부한 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 메쉬(40)의 망목(42)이 너무 촘촘하지 않으면서도 너무 크지 않게 형성하여, 분리판(20)의 랜드부(22)에서 3차원 구조를 형성하도록 한다.

보다 상세하게는, 본 발명의 메쉬(40)가 갖는 망목(42)의 크기는 선경 0.3mm 이하의 종선(44) 및 횡선(46)을 이용하여 랜드부(22)의 폭보다 작게 형성되도록 하고, 종선(44) 및 횡선(46)이 망목(42)을 형성하며 교차되는 교차점(48)의 두께(t1)가 가장 크고, 교차점(48)과 교차점(48)간의 중간부분 두께(t2)가 가장 작게 하여 3차원 구조 형상을 갖도록 한다.

이에, 본 발명에 따른 메쉬(40)의 교차점(48)과, 교차점(48)간의 중간부분이 서로 다른 높이를 갖게 되고, 그 높이 차이 만큼의 공간은 분리판(20)의 랜드부(22)와 가스확산층(16) 사이에 존재하는 반응가스 및 생성수의 배출통로(50)가 되어, 반응기체의 확산 반응성 및 물 배출성을 향상시킬 수 있다.

시험예로서, 일반적인 연료전지 셀과, 평판과 다공성의 메쉬가 단순 결합된셀 구조(평판+메쉬구조), 본 발명의 3차원 메쉬를 갖는 셀 구조에 대한 연료전지 성능 즉, 전류밀도를 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 8에 나타낸 바와 같다.

도 8에서 보는 바와 같이, 일반적인 연료전지 셀 구조의 경우 고전류 영역으로 갈수록 기체의 확산 및 물배출이 원할하지 않아 성능 감소가 뚜렷하게 나타고, 평판과 다공성의 메쉬가 단순 결합된 셀 구조도 고전류 영역에서 성능 감소가 다소 나타났지만, 본 발명의 메쉬를 갖는 셀 구조의 경우에는 기체의 확산 및 물배출성이 향상되기 때문에 고전류에서의 급격한 성능 저하가 나타나지 않음을 알 수 있었고, 이에 고전류에서의 동일 전압에서 발생할 수 있는 전류량(스택 출력)이 약 25% 이상 증가하는 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 셀의 메쉬층 구조를 설명하는 평면도 및 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 메쉬층을 갖는 연료전지 셀 구조를 보여주는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 메쉬가 연료전지의 분리판에 적층된 모습을 보여주는 평면도,

도 4는 본 발명에 따른 메쉬가 연료전지의 분리판상에 적층되는 면적을 설명하는 평면도,

도 5는 본 발명에 따른 메쉬의 망목 크기를 크게 제작하여, 연료전지의 분리판에 적층시킨 모습을 보여주는 평면도,

도 6은 기존의 2차원 구조의 메쉬를 나타내는 평면도 및 단면도,

도 7은 일반적인 연료전지 셀 구조를 설명하는 개략도,

도 8은 본 발명에 따른 연료전지 셀과, 종래의 연료전지 셀간의 전류밀도 성능 평가 결과를 나타낸 그래프,

도 9는 연료전지 셀 구성을 설명하는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 전해질막 12 : 공기극

14 : 연료극 16 : 가스확산층

18 : 가스켓 20 : 분리판

22 : 랜드부 24 : 채널부

30 : 엔드 플레이트 40 : 메쉬

42 : 망목 44 : 종선

46 : 횡선 48 : 교차점

50 : 반응가스 및 생성수의 배출통로

Claims

분리판과 가스확산층 사이에 3차원 구조를 갖는 메쉬를 배열시켜, 분리판의 랜드부와 가스확산층 사이에 존재하는 반응가스 및 생성수의 배출 유로가 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 메쉬층을 갖는 연료전지 셀.
청구항 1에 있어서,

상기 3차원 구조를 갖는 메쉬는 평면 방향에서 바라보았을 때 금속와이어가 직각으로 교차하며 짜여지고, 단면 방향에서 바라봤을 때 종선 및 횡선이 망목을 형성하며 교차되는 교차점의 두께(t1)를 가장 크게하는 동시에 교차점과 교차점간의 중간부분 두께(t2)를 가장 작게하여, 3차원 구조의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 메쉬층을 갖는 연료전지 셀.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 3차원 구조를 갖는 메쉬는 망목을 형성하는 종선 및 횡선의 교차점과, 교차점간의 중간부분이 서로 다른 높이를 갖게 되고, 그 높이 차이 만큼의 공간은 분리판의 랜드부와 가스확산층 사이에 존재하는 반응가스 및 생성수의 배출 통로로 형성되는 것을 특징으로 하는 메쉬층을 갖는 연료전지 셀
청구항 2에 있어서,

상기 메쉬의 종선 및 횡선의 선경은 0.3mm 이하이고, 메쉬의 망목 크기는 분리판의 랜드부 폭보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 메쉬층을 갖는 연료전지 셀.
청구항 2에 있어서,

상기 메쉬는 종선 및 횡선이 망목을 형성하는 교차점의 두께(t1)를 최대 두께로 하되 선경의 2배가 되도록 하고, 교차점과 교차점간의 중간부분 두께(t2)를 최소 두께로 하되 선경과 동일하게 제작한 것을 특징으로 하는 메쉬층을 갖는 연료전지 셀.
청구항 2에 있어서,

상기 메쉬는 종선 및 횡선을 이용하여 망목 형상이 원형, 타원형, 삼각형 및 평행사변형을 포함하는 다각형, 정방형, 비정형중 선택된 어느 하나가 되도록 제작된 것을 특징으로 하는 메쉬층을 갖는 연료전지 셀.