KR20180018009A - 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 방향을 따라 연속적으로 배열되고, 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 떨어져 배열된 복수 개의 단위체를 포함하며, 각각의 단위체는 정점부에서 소정 각도로 연결된 제1 경사면과 제2 경사면을 구비하는 쐐기(wedge) 형상을 갖고, 제2 방향을 따라 인접한 2개의 단위체는 각각의 정점부가 제2 방향과 평행한 가상의 선에 대하여 동축 상에 위치하지 않도록 배열된 분리판이 제공된다.

Description

분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택{Separator, and Fuel cell stack comprising the same}
본 발명은 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.
수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 낮은 약 100℃ 이하의 작동온도를 가지며, 에너지 전환 효율과 출력밀도가 높고 응답특성이 빠른 장점이 있다. 뿐만 아니라, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 제공될 수 있다.
고분자 전해질 연료전지 스택은 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(anode)와 캐소드(cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 반응 영역 전체에 걸쳐 고르게 분포시키고, 애노드 전극의 산화반응에 의해 발생된 전자를 캐소드 전극 쪽으로 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들을 가스 확산층으로 공급하고, 전기화학반응에 의해 발생된 물을 외부로 배출시키는 분리판(bipolar plate), 분리판 또는 막-전극 접합체의 반응 영역 외주에 배치되어 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는, 탄성을 갖는 고무 소재의 가스켓(gasket)을 포함할 수 있다.
종래 연료전지 스택용 분리판은 반응 기체와 생성된 물의 흐름이 2차원 채널을 통해 같은 방향을 따라 진행하도록 구성되거나, 교차하는 3차원 입체 형상을 통해 분배 및 배출되도록 구성된다. 그러나 다양한 운전 조건 하에서 가변적인 양의 물을 효율적으로 배출시키기에 부적합한 구조를 가지며, 이에 따라 연료전지 스택의 성능을 저하시키는 문제를 갖는다.
특히, 고출력 영역에서 연료전지 내의 물 전달(공급/생성/배출) 불균형이 발생하고, 반응면 내 반응 가스의 높은 물질 전달 저항(통상 확산저항)이 발생하는 기술적 문제가 있다.
또한, 종래 분리판, 예를 들어 Metal Mesh, Expanded Metal 등을 적용한 분리판의 경우 반응 가스 및 응축수(생성수) 이동 통로의 구분이 명확하지 않아, 미세 유로 내 응축수 폐색에 의한 반응가스 공급 효율 저하 및 성능 분안정의 문제가 발생한다.
본 발명은 전극 면 내부로 반응 가스를 직접 이송할 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 반응가스 전달률 및 물배출 성능을 향상시킬 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 가스 확산층과 접하는 접촉 면적을 충분히 확보함과 동시에 접촉 저항을 감소시킬 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 대류/확산 혼합 유동에 의해 열 및 물질 전달 특성을 향상시킬 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 응축수를 효과적으로 배출시킬 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 효율적인 수분 관리를 통해 반응가스 공급 효율을 향상시킬 수 있고, 성능 불안정을 방지할 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 방향을 따라 연속적으로 배열되고, 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 떨어져 배열된 복수 개의 단위체를 포함하며, 각각의 단위체는 정점부에서 소정 각도로 연결된 제1 경사면과 제2 경사면을 구비하는 쐐기(wedge) 형상을 갖고, 제2 방향을 따라 인접한 2개의 단위체는 각각의 정점부가 제2 방향과 평행한 가상의 선에 대하여 동축 상에 위치하지 않도록 배열된 분리판이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층 및 적어도 일부 영역이 가스 확산층과 접촉하도록 배치되는 분리판을 포함하는 연료전지 스택이 제공된다. 여기서 상기 분리판은, 제1 방향을 따라 연속적으로 배열되고, 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 떨어져 배열된 복수 개의 단위체를 포함하며, 각각의 단위체는 가스 확산부와 접촉하도록 배치되는 정점부에서 소정 각도로 연결된 제1 경사면과 제2 경사면을 구비하는 쐐기(wedge) 형상을 갖고, 제2 방향을 따라 인접한 2개의 단위체는 각각의 정점부가 제2 방향과 평행한 가상의 선에 대하여 동축 상에 위치하지 않도록 배열된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판은 전극 면에 대하여 다양한 각도로 각도로 기울어진 복수 개의 경사면을 갖는 단위체를 포함하며, 복수 개의 단위체가 소정 방향을 따라 교차 반복 정렬된 형상을 갖는다. 또한, 가스 확산층과 접촉하는 영역이 지그재그 형상을 가질 수 있으며, 경사각도 및 경사면적 중 적어도 하나가 상이한 쐐기(wedge) 형상의 단위체를 가스 확산층과 접촉시킴으로써, 가스 확산층과 접촉하는 인접 영역 내 유속 차이에 의한 전단력을 증가시킬 수 있다.
또한, 교차 정렬 구조를 통해 반응 가스의 대류/확산 혼합 유동을 유도함으로써, 열 및 물질 전달 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 가스 확산층과 접하는 접촉 면적을 충분히 확보함과 동시에 접촉 저항을 감소(ohmic 전압 손실 감소)시킬 수 있다.
또한, 응축수(생성수)가 중력에 의해 단위체의 경사면 및 골을 따라 이동하여 물 부족분을 충당시킬 수도 있고, 배수홀에 의해 스택 외부로 배출될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 사시도이다.
도 4 및 도 5는 연료전지 스택을 구성하는 분리판에서 반응 가스와 응축수의 유동을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 분리판의 평면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 분리판에서 반응 가스와 응축수의 유동을 설명하기 위한 사시도이다.
도 8은 도 6에 도시된 분리판의 사시도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(1)의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판(100)의 평면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판(100)의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(1)은 막-전극 접합체(10)와 막-전극 접합체(10)의 일면에 마련된 가스 확산층(20) 및 분리판(100)을 포함한다.
또한, 상기 분리판(100)은 적어도 일부 영역에서 가스 확산층(20)가 접촉하도록 배치된다. 또한, 상기 연료전지 스택(1)은 상기 분리판(100)을 기준으로 가스 확산층(20)의 반대방향에 배치되는 바닥판(30)을 포함한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 분리판(100)은, 제1 방향(x축 방향)을 따라 연속적으로 배열되고, 제1 방향에 직교하는 제2 방향(y축 방향)을 따라 소정 간격으로 떨어져 배열된 복수 개의 단위체(110)를 포함한다.
상기 분리판(100)은 도 2에서 보이는 제1 면(평면)과 제1 면(101)과 반대방향의 제2 면(배면)을 가지며, 전술한 제1 및 제2 방향을 따라 연속적으로 굴곡진 파형(wave type) 플레이트일 수 있다.
각각의 단위체(110)는 정점부(113)에서 소정 각도로 연결된 복수 개의 경사면을 갖는다. 구체적으로, 각각의 단위체(110)는 정점부(113)에서 소정 각도로 연결된 제1 경사면(111)과 제2 경사면(112)을 구비하는 쐐기(wedge) 형상을 갖는다. 이때, 분리판(100)은 각각의 단위체(110)의 정점부(113)가 가스 확산층(20)과 접촉하도록 배치된다.
또한, 제2 방향을 따라 인접한 2개의 단위체(110)(110-1, 110-3)는 각각의 정점부가 제2 방향(y축 방향)과 평행한 가상의 선에 대하여 동축 상에 위치하지 않도록 배열된다. 구체적으로, 제1 방향을 따라 복수 개의 단위체(110)는 연속하여 배치되고, 제2 방향을 따라 인접한 2개의 단위체(110)(110-1, 110-3)는 각각의 정점부가 제2 방향(y축 방향)을 따라 지그재그 형상을 갖도록 배열된다.
또한, 제1 방향을 따라 인접하는 2개의 단위체(110-1, 110-2) 사이에는 제1 및 제2 경사면에 의해 골(120)이 형성된다. 예를 들어, 제1 방향을 따라 인접하는 2개의 단위체는 제1 단위체(110-1)와 제2 단위체(110-2)를 포함하고, 제1 단위체(110-1)의 제2 경사면(112)과 제2 단위체(110-2)의 제1 경사면은 골(120)을 형성하도록 연결된다. 또한, 상기 골(120)은 “V”자 형상을 가질 수 있다. 후술하겠지만, 상기 골(120)은 응축수(생성수)의 유동 통로의 기능을 수행한다.
또한, 제1 방향을 따라 인접하는 2개의 단위체(110-1, 110-2)들 사이에 형성된 골은, 제2 방향을 따라 지그 재그로 배열된다.
제1 경사면(111)과 제2 경사면(112)의 경사각도는 제1 방향과 제2 방향을 2개의 축(x축, y축)으로 하는 가상의 평면을 기준으로부터 기울어진 각도로 정의될 수 있다. 예를 들어, 가상의 평면은 바닥판(30)일 수 있고, 제1 경사면(111)과 제2 경사면(112)의 경사각도는 각각 바닥판(30)으로부터 가스확산층(20)을 향하여 기울어진 각도를 의미할 수 있다.
상기 쐐기 형상의 단위체(110)는 정점부(113)를 기준으로, 대칭 형상을 갖도록 마련될 수도 있고, 비대칭 형상을 갖도록 마련될 수도 있다.
예를 들어, 제1 경사면(111)과 제2 경사면(112)은 경사각도가 서로 다르게 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 단위체(110)는 쐐기 형상이 소정 방향으로 기울어진 형상을 갖도록 마련될 수 있다. 또한, 제1 경사면(111)과 제2 경사면(112)은 면적이 서로 다르게 형성될 수 있다.
상기 가스확산부(20)와 접촉하도록 배치되는 정점부(113)는 선으로 형성될 수도 있고, 전기적 접점 확보 측면에서 압연(평탄화) 공정을 거쳐 소정 며넉을 갖는 평탄면으로 형성될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 제2 방향을 따라 인접하는 2개의 단위체(110: 110-1, 110-3)는 소정 간격으로 떨어져 배열될 수 있다. 상기 분리판(100)은 제2 방향을 따라 인접한 2개의 단위체(110-1, 110-3)를 연결하는 연결부(130)를 포함한다. 이때, 상기 연결부(130)는 적어도 2회 이상 구부러지도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 상기 연결부(130)는, 제2 방향을 따라 인접한 2개의 단위체(110-1, 110-3)의 제1 경사면을 연결하기 위한 적어도 2개의 경사부(131, 132)를 포함할 수 있다. 또한, 인접하는 2개의 경사부(131, 132)는 경사각도 및 면적 중 적어도 하나가 서로 다르게 형성될 수 있다. 이때, 정점부(113)를 기준으로, 가스 확산층(20)과 접촉하는 복수 개의 경사면(111, 112) 및 경사부(131, 132) 중 적어도 2개 이상이 서로 다른 경사각도, 경사방향 및 면적을 가질 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5는 연료전지 스택(1)을 구성하는 분리판(100)에서 반응 가스와 응축수의 유동을 설명하기 위한 사시도이다.
연료전지 스택(1)에서, 분리판(100)은, 제2 방향을 따라 반응가스가 유동하도록 배치될 수 있다. 이때, 제2 방향은 중력 방향의 반대방향일 수 있다. 또한, 연료전지 스택(1)에서 반응 가스의 주 유동방향은 중력 방향의 반대방향일 수 있다. 또한, 연료전지 스택(1)에서 응축수(생성수)의 유동방향을 중력 방향일 수 있고, 반응 가스의 주 유동방향과 응축수의 주 유동방향은 서로 반대방향일 수 있다.
반응가스는 제2 방향을 따라 배열된 단위체(110)의 제1 경사면과 제2 경사면(111, 112)을 따라 가스 확산층(20) 측으로 이동할 수 있다. 또한, 반응가스는, 연결부(130)를 따라 제2 방향을 따라 배열된 단위체(110) 들의 경사면으로 유동할 수 있다. 전술한 바와 같이, 어느 한 단위체(110)의 정점부(113)를 기준으로, 가스 확산층(20)과 접촉하는 복수 개의 경사면(111, 112) 및 경사부(131, 132) 중 적어도 2개 이상이 서로 다른 경사각도, 경사방향 및 면적을 가질 수 있다. 이때, 가스 확산층(20)과 접촉하는 인접 영역 내 반응 가스의 유속 차이가 발생하고, 이에 따라 전단력이 증가할 수 있다. 또한, 응축수는 연결부(130) 및 골(120)을 따라 중력 방향으로 이동될 수 있다.
지금까지는 분리판(100)의 제1 면 상에서 반응가스와 응축수가 모두 이동하고, 제2 면 측으로 이동하지 않는 경우를 예로 들어 설명하였다. 즉, 반응가스와 응축수의 이동이 가스 확산층(20)과 마주보는 분리판(100)의 제1 면에서만 이루어진다. 이러한 구조에서, 응축수는 중력 방향으로 이동하며, 물 부족분을 충당하는 역할을 수행할 수 있다. 이와 같이, 분리판(100)의 제1 면 상에서만 모든 유동이 이루어질 수 있도록 형성된 구조는 저 가습용 또는 무 가습용 연료전지 셀/스택에 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 분리판(100)의 평면도이고, 도 7은 도 6에 도시된 분리판(100)에서 반응 가스와 응축수의 유동을 설명하기 위한 사시도이며, 도 8은 도 6에 도시된 분리판(100)의 사시도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 상기 골(120) 및 연결부(130) 중 적어도 하나에는 응축수의 유동을 위한 배수홀이 형성될 수 있다. 상기 배수홀은 분리판(100)의 제1 면과 제2 면을 관통하는 관통홀이다. 상기 배수홀의 형상은 원형, 다각형, 평행사변형 등으로 다양하게 형성될 수 있다.
구체적으로, 연결부(130)에는 적어도 일부 영역에 제1 배수홀(140)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 골(120)에는 적어도 일부 영역에 제2 배수홀(150)이 형성될 수 있다. 제1 배수홀(140) 및 제2 배수홀(150)의 형상 및 크기는 동일하게 형성될 수도 있고, 서로 다르게 형성될 수도 있다.
이와 같은 구조에서, 응축수는 배수홀(140, 150)을 통해 분리판(100)의 제2 면과 바닥판(30) 사이의 공간으로 이동하며, 연료전지 스택(1) 외부로 배출될 수 있다. 이와 같은, 분리판(100)의 구조는, 중/고 가습용 또는 고출력 연료전지 셀/스택에 적용될 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
1: 연료전지 스택
10: 막-전극 접합체
20: 가스 확산층
30: 플레이트
100: 분리판
110: 단위체
111: 제1 경사면
112: 제2 경사면
113: 정점부
120: 골
130: 연결부
140: 제1 배수홀
150: 제2 배수홀

Claims (18)

  1. 제1 방향을 따라 연속적으로 배열되고, 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 떨어져 배열된 복수 개의 단위체를 포함하며,
    각각의 단위체는 정점부에서 소정 각도로 연결된 제1 경사면과 제2 경사면을 구비하는 쐐기(wedge) 형상을 갖고,
    제2 방향을 따라 인접한 2개의 단위체는 각각의 정점부가 제2 방향과 평행한 가상의 선에 대하여 동축 상에 위치하지 않도록 배열된 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 방향을 따라 인접하는 2개의 단위체 사이에는 제1 및 제2 경사면에 의해 골이 형성된 분리판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 골은 “V”자 형상을 갖는 분리판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제1 경사면과 제2 경사면은 경사각도가 서로 다르게 형성된 분리판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제1 경사면과 제2 경사면은 면적이 서로 다르게 형성된 분리판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    정점부는 선으로 형성된 분리판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    정점부는 면으로 형성된 분리판.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제2 방향을 따라 인접한 2개의 단위체를 연결하는 연결부를 포함하며,
    연결부는 적어도 2회 이상 구부러지도록 마련된 분리판.
  9. 제 8 항에 있어서,
    연결부는, 제2 방향을 따라 인접한 2개의 단위체의 제1 경사면을 연결하기 위한 적어도 2개의 경사부를 포함하는 분리판.
  10. 제 9 항에 있어서,
    인접하는 2개의 경사부는 경사각도 및 면적 중 적어도 하나가 서로 다르게 형성된 분리판.
  11. 제 8 항에 있어서,
    연결부에는 적어도 일부 영역에 제1 배수홀이 형성된 분리판.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 골에는 적어도 일부 영역에 제2 배수홀이 형성된 분리판.
  13. 막-전극 접합체;
    막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층; 및 적어도 일부 영역이 가스 확산층과 접촉하도록 배치되는 분리판을 포함하며,
    상기 분리판은, 제1 방향을 따라 연속적으로 배열되고, 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 떨어져 배열된 복수 개의 단위체를 포함하며,
    각각의 단위체는 가스 확산부와 접촉하도록 배치되는 정점부에서 소정 각도로 연결된 제1 경사면과 제2 경사면을 구비하는 쐐기(wedge) 형상을 갖고,
    제2 방향을 따라 인접한 2개의 단위체는 각각의 정점부가 제2 방향과 평행한 가상의 선에 대하여 동축 상에 위치하지 않도록 배열된 연료전지 스택.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 가스 확산층과 접촉하는 정점부는 선 또는 면으로 형성되는 연료전지 스택.
  15. 제 13 항에 있어서,
    분리판은, 제2 방향을 따라 반응가스가 유동하도록 배치된 연료전지 스택.
  16. 제 13 항에 있어서,
    분리판에는 제1 방향을 따라 인접하는 2개의 단위체 사이에는 제1 및 제2 경사면에 의해 골이 형성된 연료전지 스택.
  17. 제 16 항에 있어서,
    제2 방향을 따라 인접한 2개의 단위체를 연결하는 연결부를 포함하며, 연결부는 적어도 2회 이상 구부러지도록 마련된 분리판.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 골 및 연결부 중 적어도 하나에는 응축수의 유동을 위한 배수홀이 형성된 연료전지 스택.
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