KR20150142797A - 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀 - Google Patents

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Abstract

복수개의 유로들; 및 각각의 유로들로 유입되는 물질이 상기 유로들의 수직방향으로 유동할 수 있도록 상기 각각의 유로들의 일측벽과 타측벽에 각각 형성된 입구부와 출구부;를 포함하며, 상기 입구부는 상기 출구부보다 상방에 위치한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀이 소개된다.

Description

연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀{FUEL CELL SEPARATOR, AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판 유로의 길이에 수직한 방향으로 반응물질이 유동하도록 하여 반응물질의 확산성과 반응효율을 증진시키는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀에 관한 것이다.
일반적으로 금속분리판을 적용한 연료전지 셀의 구조는 반응 기체 및 냉각수의 유로가 형성되어 있는 금속 분리판과 반응기체의 확산을 돕는 한 쌍의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)사이에 화학반응이 일어나는 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)가 위치하고 있다.
일반적으로 금속 분리판에는 반응 기체의 흐름과 동일한 방향으로 반응 기체가 흐르는 채널부와 상기 GDL과 접촉하는 랜드부가 반복적으로 형성되어 있으며, 양극(애노드) 분리판과 음극(캐소드) 분리판의 유로는 서로 대칭되어 두 분리판 사이를 냉각유로로 활용하게 된다.
또한 연료전지 성능 극대화를 위해서는 분리판의 채널 간격을 조밀하게 하여 GDL 및 MEA로의 면압을 균일하게 하고 GDL이 반응 전면에 걸쳐 일정한 투과성을 지닐 수 있게 해야 하지만, 성형단계에서 발생하는 불량(Crack, Spring back)을 방지하기 위해서는 분리판 채널 간격을 줄이는데 한계가 있으며 이러한 현실적인 문제로 인해 다음과 같은 성능 저하 요인이 발생한다.
1. 반응기체 확산성 및 생성수 배출성 저하: 채널 피치가 크게 되면 분리판과 GDL이 접촉하는 랜드부로 응력이 집중되어 면압 불균일 이 발생한다. 이로 인해 GDL의 다공성 구조가 파괴되어 투과성이 나빠지게 되며, 반응기체 확산성 및 생성수의 배출성을 저하시키게 된다. 또한 채널부의 경우에는 응력이 낮아 GDL이 상기 채널부로 침투하여 유체 흐름성을 저하시킨다
2. 전극막 손상: GDL 구조가 파괴된 랜드부에서는 탄소섬유(carbon fiber)들이 전극막까지 침투하게 되어 막을 손상시킨다.
3. 전기 전도성 불균일: GDL이 노출되어 있는 채널부의 경우에는 반응기체의 공급이 원활하여 화학반응은 활발하나 GDL 및 MEA사이의 면압 부족으로 접촉저항이 증가하게 되어, 반응에 의해 생성된 전자의 이동을 어렵게 한다.
따라서 상기한 문제들을 해결할 수단이 필요로 하게 된 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 2009-037759 A (2009.02.19)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 채널 방향을 반응기체의 유동 방향과 수직이 되게 구성하고, 반응기체의 유동 통로를 형성하기 위해 각 채널을 관통하는 개구부를 채널 벽면에 다수개 형성하며, 반응성 향상을 위해 반응기체가 유입되고 나가는 개구부에 높이 편차를 둔 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀은 복수개의 유로들; 및 각각의 유로들로 유입되는 물질이 상기 유로들의 수직방향으로 유동할 수 있도록 상기 각각의 유로들의 일측벽과 타측벽에 각각 형성된 입구부와 출구부;를 포함하며, 상기 입구부는 상기 출구부보다 상방에 위치할 수 있다.
상기 입구부와 출구부는 서로 동일선상에 위치되지 않도록 형성될 수 있다.
상기 입구부와 출구부는 상기 유로의 길이를 따라 다수개 형성되며, 입구부와 출구부가 서로 기 설정된 거리만큼 이격될 수 있다.
상기 입구부와 출구부는 상기 입구부의 중앙지점이 상기 출구부의 중앙지점보다 더 상방에 위치되도록 형성될 수 있다.
상기 분리판은 지그재그 형상으로 절곡되고, 상기 분리판의 절곡된 하단의 하측면과 접합하는 촉매층을 더 포함하며, 상기 유로는 상기 분리판과 상기 촉매층 사이에 형성된 폐구간일 수 있다.
상기 입구부는 상기 입구부의 중앙지점이 상기 촉매층과 상기 분리판의 절곡된 상단 사이의 중앙지점보다 더 상방에 위치되도록 형성될 수 있다.
상기 출구부는 상기 출구부의 중앙지점이 상기 촉매층과 상기 분리판의 절곡된 상단 사이의 중앙지점보다 더 하방에 위치되도록 형성될 수 있다.
상기 분리판의 절곡된 상단이 각각 상기 입구부를 일부 포함하도록 상기 입구부가 상기 분리판의 절곡된 상단까지 연장되게 형성될 수 있다.
상기 분리판의 절곡된 하단이 각각 상기 출구부를 일부 포함하도록 상기 출구부가 상기 분리판의 절곡된 하단까지 연장되게 형성될 수 있다.
상기 분리판은 지그재그 형상으로 절곡되고, 상기 분리판의 상측으로 절곡된 상단과 접하는 패널이 마련될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀에 따르면, 입구부와 출구부가 동일 선상에 위치하지 않고 교차되면서 위치됨에 따라 반응물질의 확산성을 증진시키고 촉매층과의 반응효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 상기 입구부와 출구부에 높이 편차를 둠으로써 입구부에서 유입된 반응물질과 촉매층의 반응 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 평면도.
도 3은 도 1의 A-A단면도.
도 4는 도 1의 B-B단면도.
도 5는 도 1의 A-A 단면에서의 물질 흐름도.
도 6은 도 1의 B-B 단면에서의 물질 흐름도.
도 7은 입구부와 출구부의 높이 편차 유무에 따른 출력 비교 선도를 도시한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀의 구성도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판(100)은 복수개의 유로(110)들; 및 각각의 유로(110)들로 유입되는 물질이 상기 유로(110)들의 수직방향으로 유동할 수 있도록 상기 각각의 유로(110)들의 일측벽과 타측벽에 각각 형성된 입구부(111)와 출구부(113);를 포함하며, 상기 입구부(111)는 상기 출구부(113)보다 상방에 위치할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀은 상기 분리판(100)이 지그재그 형상으로 절곡되고, 상기 분리판(100)의 절곡된 하단의 하측면과 접합하는 촉매층(200)을 더 포함하며, 상기 유로(110)는 상기 분리판(100)과 상기 촉매층(200) 사이에 형성된 폐구간이 됨이 바람직하다.
이에 더해 상기 분리판(100)의 절곡된 상단의 상측면과 접하는 패널(300)이 마련되어 상기 분리판(100)과 상기 패널(300) 사이에 폐구간을 형성함으로써 보조유로(130)가 마련됨이 바람직하다.
상기 패널(300)은 상기 입구부(111)와 출구부(113)를 따라 흐르는 물질이 외부로 누출되는 것을 방지하며 연료전지 셀 간의 기밀성을 유지하는 역할을 수행한다.
또한 상기 촉매층(200)은 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)와 상기 막전극 접합체의 양면에 마련되는 한 쌍의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)으로 구성됨이 바람직하다. 또한 상기 촉매층(200)은 막전극 접합체로만 구성될 수도 있다. 물론 상기 촉매층(200)의 구성에는 다양한 실시예가 가능하다.
상기 입구부(111)와 출구부(113)는 모두 상기 유로(110)의 일측벽과 타측벽에 홀의 형태로 형성되고, 입구부(111)를 통해 유입된 물질이 상기 유로(110) 내부를 이동하여 상기 출구부(113)로 토출되며, 상기 보조유로(130)를 따라 이동한 물질이 다시 이웃한 유로(110)의 입구부(111)를 통해 이웃한 유로(110)의 내부로 유입되는 것이다.
여기서 상기 물질은 수소,공기,냉각수 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 이들을 포함하지 않는 다른 물질이 될 수도 있음은 물론이다.
특히, 상기 입구부(111)와 출구부(113)는 서로 동일선상에 위치되지 않도록 형성됨이 바람직한데, 이는 물질의 확산성을 향상시키기 위해서이다. 즉, 상기한 바와 같이 입구부(111)를 통해 유입된 물질이 상기 유로(110)를 따라 설정된 거리만큼 이동한 뒤 상기 출구부(113)를 통해 빠져나가게 되는데, 상기 물질이 상기 유로(110) 내에 체류하는 시간을 증가시켜 상기 촉매층(200)과의 반응 효율을 증가시킬 수 있게 되는 것이다.
여기서 상기 동일선상이란 상기 유로(110)에 수직한 방향으로의 동일선상을 말한다.
이에 대해 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판(100)의 평면도로서, 입구부(111)와 출구부(113)의 배치 및 물질의 유동을 보여주고 있다. 바람직하게는, 상기 입구부(111)와 출구부(113)가 상기 유로(110)의 길이를 따라 다수개 형성되며, 입구부(111)와 출구부(113)가 서로 기 설정된 거리만큼 이격됨이 바람직하다. 즉, 일정한 간격을 두고 상기 입구부(111)와 출구부(113)가 배치될 수 있는 것이다.
여기서 상기 입구부(111)와 출구부(113) 사이의 거리는 입구부(111)와 출구부(113) 각각의 중심점 간의 거리가 될 수 있으며, 또는 입구부(111)와 출구부(113) 각각의 양측단부 중 서로 인접하게 위치한 단부간의 거리가 될 수도 있다. 이 외에도 상기 입구부(111)와 출구부(113) 사이의 거리를 설정하는데는 다양한 실시예가 가능하다. 상기 입구부(111)와 출구부(113) 사이의 거리는 설계자의 의도에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
입구부(111)와 출구부(113)는 원, 타원, 사각형, 다이아몬드 등의 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 유동 저항을 최소화 할 수 있는 형상, 예컨데 모서리부에 곡면이 적용된 형상이 됨이 바람직하다. 이때, 입구부(111)와 출구부(113)의 형상이나 면적이 동일할 필요는 없으며, 면적이나 형상이 다르더라도 입구부(111)와 출구부(113)의 중앙지점의 위치가 다르게 설정될 수 있으며, 촉매층(200)과 입구부(111)및 출구부(113)의 중앙지점과의 거리가 입구부(111)가 출구부(113)보다 더 크게 됨이 바람직하다.
한편, 도 3은 도 1의 A-A단면도이고, 도 4는 도 1의 B-B단면도로서, 도 3은 상기 입구부(111)의 단면을, 도 4는 상기 출구부(113)의 단면을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 입구부(111)와 출구부(113)는 상기 입구부(111)의 중앙지점(b)이 상기 출구부(113)의 중앙지점(c)보다 더 상방에 위치되도록 형성됨이 바람직하다. 여기서 상기 중앙지점(b,c)은 상기 입구부(111) 및 출구부(113) 각각의 상단과 하단에 상기 촉매층(200)과 평행한 선을 그었을 때 상단과 하단 높이 차의 중간지점을 말한다.
상기 입구부(111)가 출구부(113)보다 상방에 위치하기 때문에 물질이 상기 유로(110) 내부로 유입되고 나감에 있어서 낙차가 발생하게 되며, 낙차로 인해 위치 포텐셜 에너지가 운동 에너지로 변화하면서, 도 5에 도시된 바와 같이 물질이 상기 촉매층(200)에 침투하게 되며, 따라서 종래와 같이 유로(110)를 따라 상기 촉매층(200)의 표면위를 평행하게 이동하였던 것과 다르게 촉매층(200)과의 반응 활성이 더 향상될 수 있게 되는 것이다.
또한 더 바람직하게는, 상기 입구부(111)의 중앙지점(b)이 상기 촉매층(200)과 상기 분리판(100)의 절곡된 상단의 상측면 사이의 중앙지점(a)보다 더 상방에 위치되도록 형성됨이 바람직하다. 다시 말해, 상기 입구부(111)의 중앙지점(b)이 상기 촉매층(200)과 패널(300) 사이의 중앙지점(a)보다 더 상방에 위치되도록 형성됨이 바람직하다.
이는 이웃한 유로(110)의 출구부(113)에서 토출된 물질이 상기 입구부(111)로 유입될 때 위치 포텐셜 에너지를 갖도록 하기 위함이며, 토출된 물질은 입구부(111) 하방의 상기 유로(110)의 일측벽을 타고 상방으로 이동하여 상기 물질이 위치 포텐셜 에너지를 갖게 될 수 있다.
또한, 상기 출구부(113)는 상기 출구부(113)의 중앙지점(c)이 상기 촉매층(200)과 상기 분리판(100)의 절곡된 상단의 상측면 사이의 중앙지점(b)보다 더 하방에 위치되도록 형성됨이 바람직하다. 다시 말해, 상기 출구부(113)의 중앙지점(c)이 상기 촉매층(200)과 패널(300) 사이의 중앙지점(a)보다 더 하방에 위치되도록 형성됨이 바람직하다.
이는 도 6에 도시된 바와 같이, 출구부(113) 상방에 상기 유로(110)의 타측벽이 존재하여 상기 입구부(111)에서 유입된 물질을 하방으로 가이드 하는 역할을 수행할 수 있도록 하기 위함이며, 유입된 물질이 상기 촉매층(200)을 향해 이동할 수 있도록 하여 물질과 촉매층(200) 간의 반응성을 증진시킬 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 도 1, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 분리판(100)의 절곡된 상단이 각각 상기 입구부(111)를 일부 포함하도록 상기 입구부(111)가 상기 분리판(100)의 절곡된 상단까지 연장되게 형성됨이 바람직하다.
이는 상기 출구부(113)에서 토출된 물질이 상기 입구부(111)로 유입될 때 포물선을 그리며 유입되기 때문이며, 물질의 유입 이동 경로상에 상기 분리판(100)의 절곡된 상단이 위치되지 않도록 하여 월활한 유입이 가능하도록 하기 위함이다.
또한, 도 1, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 분리판(100)의 절곡된 하단이 각각 상기 출구부(113)를 일부 포함하도록 상기 출구부(113)가 상기 분리판(100)의 절곡된 하단까지 연장되게 형성됨이 바람직하다.
이는 상기 입구부(111)에서 유입된 물질이 상기 출구부(113)로 토출될 때 출구부(113) 상방의 상기 유로(110)의 타측벽에 의해 포물선을 그리며 토출되기 때문이며, 상기 물질의 이동 경로와 상기 촉매층(200)이 접하는 면적을 증가시켜 물질과 촉매층 간의 반응성을 향상시키기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀에 의한 효과를 도 7을 참조하여 설명하자면, 도 7은 입구부와 출구부의 높이 편차 유무에 따른 출력 비교 선도를 도시한 도면으로서, 대부분의 구간에서 입구부(111)와 출구부(113)의 높이 편차가 발생한 경우가 동일한 높이를 가진 경우보다 더 큰 출력값을 보이고 있음을 알 수 있다. 이는 촉매층(200)으로 침투하는 유동에 의해 물질의 확산성이 증대하여 반응 효율이 증대되었기 때문이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀에 따르면, 입구부(111)와 출구부(113)가 동일 선상에 위치하지 않고 교차되면서 위치됨에 따라 물질의 확산성을 증진시키고 촉매층(200)과의 반응효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 상기 입구부(111)와 출구부(113)에 높이 편차를 둠으로써 입구부(111)에서 유입된 물질과 촉매층(200)의 반응 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 분리판 110 : 유로
111 : 입구부 113 : 출구부
130 : 보조유로 200 : 촉매층
300 : 패널

Claims (10)

  1. 복수개의 유로들; 및
    각각의 유로들로 유입되는 물질이 상기 유로들의 수직방향으로 유동할 수 있도록 상기 각각의 유로들의 일측벽과 타측벽에 각각 형성된 입구부와 출구부;를 포함하며,
    상기 입구부는 상기 출구부보다 상방에 위치한 것을 특징으로 하는
    연료전지용 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 입구부와 출구부는 서로 동일선상에 위치되지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는
    연료전지용 분리판.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 입구부와 출구부는 상기 유로의 길이를 따라 다수개 형성되며, 입구부와 출구부가 서로 기 설정된 거리만큼 이격된 것을 특징으로 하는
    연료전지용 분리판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 입구부와 출구부는 상기 입구부의 중앙지점이 상기 출구부의 중앙지점보다 더 상방에 위치되도록 형성된 것을 특징으로 하는
    연료전지용 분리판.
  5. 청구항 1의 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지 셀로서,
    상기 분리판은 지그재그 형상으로 절곡되고, 상기 분리판의 절곡된 하단의 하측면과 접합하는 촉매층을 더 포함하며, 상기 유로는 상기 분리판과 상기 촉매층 사이에 형성된 폐구간인 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 입구부는 상기 입구부의 중앙지점이 상기 촉매층과 상기 분리판의 절곡된 상단 사이의 중앙지점보다 더 상방에 위치되도록 형성된 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 출구부는 상기 출구부의 중앙지점이 상기 촉매층과 상기 분리판의 절곡된 상단 사이의 중앙지점보다 더 하방에 위치되도록 형성된 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 분리판의 절곡된 상단이 각각 상기 입구부를 일부 포함하도록 상기 입구부가 상기 분리판의 절곡된 상단까지 연장되게 형성된 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 분리판의 절곡된 하단이 각각 상기 출구부를 일부 포함하도록 상기 출구부가 상기 분리판의 절곡된 하단까지 연장되게 형성된 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 분리판은 지그재그 형상으로 절곡되고, 상기 분리판의 상측으로 절곡된 상단과 접하는 패널이 마련된 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
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