KR20180069953A - 연료전지의 분리판용 다공체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가장자리 영역의 강성을 보강하여 손상 및 파손을 방지할 수 있는 연료전지의 분리판용 다공체에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지의 분리판용 다공체는 반응기체의 유동 방향을 따라 요철 형상이 반복하여 형성되고, 반응기체가 통과하는 다수의 유로홀이 형성된 요철부와; 상기 요철부의 가장자리 중 적어도 반응기체의 유동 방향과 수직되는 방향의 양측 단부에서 일체로 연장되어 반응기체의 유동 방향을 따라 형성된 요철 형상의 진폭이 상기 요철부보다 완화되는 완화부와; 상기 완화부의 단부에서 일체로 연장되어 반응기체의 유동 방향을 따라 형성된 요철 형상의 진폭이 없도록 형성되는 보강부를 포함한다.

Description

연료전지의 분리판용 다공체{MULTIPLE PERFORATION PLATE FOR SEPARATOR OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 분리판용 다공체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가장자리 영역의 강성을 보강하여 손상 및 파손을 방지할 수 있는 연료전지의 분리판용 다공체에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 일반적인 연료전지 스택은 가장 안쪽에 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 전극막 접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(10)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(12: cathode) 및 연료극(14: anode)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 전극막 집합체의 바깥 부분, 즉 공기극(12) 및 연료극(14)이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(16, GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 가스켓(18, Gasket)을 사이에 두고 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트(30, End plate)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 전선을 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.
한편, 상기 분리판(20)은 가스확산층에 밀착 지지되는 랜드와, 유체의 흐름 경로가 되는 채널(유로)이 반복 형성된 구조로 제작되는 것이 일반적이다.
즉, 일반적인 분리판은 랜드와 채널(유로)이 반복적으로 굴곡된 구조로 되어 있기 때문에 가스확산층(16)과 마주보는 일면쪽의 채널은 수소 또는 공기와 같은 반응기체가 흐르는 공간으로 활용되고, 동시에 반대쪽 채널은 냉각수가 흐르는 공간으로 활용됨에 따라, 수소/냉각수 채널을 갖는 분리판 1장과, 공기/냉각수 채널을 갖는 분리판 1장 등 총 2장의 분리판으로 하나의 단위 셀을 구성할 수 있다.
한편, 근래에는 기존의 일반적인 분리판에 비하여, 반응기체가 난류를 형성하며 가스확산층으로의 확산이 보다 용이하게 이루어질 수 있도록 한 다공성 분리판에 대한 연구가 이루어지고 있다.
도 2는 일반적인 다공성 분리판이 적용된 연료전지 스택을 보여주는 개략적 단면도이고, 도 3a는 일반적인 다공성 분리판의 다공체를 보여주는 사시도이며, 도 3b는 일반적인 다공체의 취약부에서 파손이 발생된 것을 보여주는 사진이다.
도 2 및 도 3a에서 알 수 있듯이 다공성 분리판(60)은 크게 다공체(40)와 평판(50)으로 이루어진다.
다공체(40)는 반응기체의 유동 방향을 따라 웨이브 파형 단면을 이루면서, 가스확산층(16)과 접촉되는 제 1 접촉부(41)와 평판(50)에 접촉되는 제 2 접촉부(42)가 반복하여 형성되고, 반응기체가 통과하는 다수의 유로홀(43)이 지그재그 배열로 형성된다.
평판(50)은 수소 또는 공기 채널을 위한 밀폐용 격벽 역할을 하고, 또한 하나의 셀에 포함된 평판(50)과 다른 셀에 포함된 평판(50) 사이 공간은 가스켓 등으로 밀폐되는 냉각수 채널이 된다.
따라서, 반응기체가 다공성 분리판(60)의 유로홀(43)을 통과하면서 웨이브 파형 단면을 따라 위쪽 및 아래쪽으로 유동하는 동시에 좌측 및 우측으로 유동하여, 반응기체의 흐름에 강제적인 난류가 부여될 수 있고, 이렇게 반응기체가 난류를 형성하며 가스확산층(16)으로 전달됨으로써, 기체확산량이 증가하여 연료전지 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 다공체(40)는 금속 박판에 유로홀과 웨이브 파형 단면을 이루는 3차원 구조체로서, 금속 박판에 유로홀(43)을 천공한 다음 프레스 공법을 이용하여 양산화한다.
하지만, 다공체(40)는 구조적 특성으로 인하여 가장자리가 구조적으로 취약한 문제가 있었다. 예를 들어 다공체(40)가 미세한 요철 형상, 즉 웨이브 파형 단면을 가질 수 있는 이유는 요철의 격벽 사이에 형성되는 유로홀(43) 때문에 성형시 연신 저항을 감소시켜 주기 때문이다. 만약 유로홀(43)이 없이 요철 형상을 성형한다면 연신 저항이 증가하기 때문에 다공체(40)의 모든 부분에서 파단이 발생할 수 있다. 하지만, 다공체(40)의 가장자리를 제외한 영역에서는 유로홀(43)이 형성되었기 때문에 연신 저항이 감소되지만, 다공체(40)의 가장자리는 유로홀(43)이 지그재그로 교차되는 패턴으로 인해 유로홀(43)이 없는 영역(취약부; A)이 발생하게 되고, 이러한 취약부(A)에서 성형시 연신 저항이 증가함으로서 도 3b와 같이 쉽게 파단(B)이 발생될 수 있다.
만약, 다공체에 파단부가 발생하게 되면 연료전지 스택 적층 시 전극막 접합체(MEA)를 손상시키는 문제가 발생된다.
등록특허 제10-1361298호 (2014. 02. 04)
본 발명은 가장자리 영역의 강성을 보강하여 손상 및 파손을 방지할 수 있는 연료전지의 분리판용 다공체를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지의 분리판용 다공체는 반응기체의 유동 방향을 따라 요철 형상이 반복하여 형성되고, 반응기체가 통과하는 다수의 유로홀이 형성된 요철부와; 상기 요철부의 가장자리 중 적어도 반응기체의 유동 방향과 수직되는 방향의 양측 단부에서 일체로 연장되어 반응기체의 유동 방향을 따라 형성된 요철 형상의 진폭이 상기 요철부보다 완화되는 완화부와; 상기 완화부의 단부에서 일체로 연장되어 반응기체의 유동 방향을 따라 형성된 요철 형상의 진폭이 없도록 형성되는 보강부를 포함한다.
상기 완화부는 상기 요철부에서 보강부 방향으로 유동 방향을 따라 형성된 요철 형상의 진폭이 점점 작아지는 것이 바람직하다.
상기 보강부는 상기 완화부에서 연장되어 평평하게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 완화부 및 보강부에는 유로홀이 형성되지 않은 것이 바람직하다.
상기 보강부의 단부에서 일체로 연장되면서 상기 보강부의 하부영역으로 절곡되는 보호부를 더 포함한다.
상기 보호부는 상기 보강부의 길이보다 짧게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 보호부에는 유로홀이 형성되지 않은 것이 바람직하다.
상기 요철부는 반응기체의 유동 방향을 따라 웨이브 파형 단면이 반복하여 형성되어 요철 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 요철 형상을 갖는 다공체의 가장자리에 평평한 보강부를 형성하여 다공체의 생산, 조립 및 사용시 파손되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 연료전지 스택 적층 시 전극막 접합체(MEA)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 보강부에서 절곡되어 형성되는 보호부를 형성하여 다공체의 첨예한 가장자리 영역을 처리하여 생산 및 조립 시에 작업자를 보호할 수 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이고,
도 2는 일반적인 다공성 분리판이 적용된 연료전지 스택을 보여주는 개략적 단면도이며,
도 3a는 일반적인 다공성 분리판의 다공체를 보여주는 사시도이고,
도 3b는 일반적인 다공체의 취약부에서 파손이 발생된 것을 보여주는 사진이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판용 다공체를 보여주는 개략적인 사시도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판용 다공체를 보여주는 개략적인 평면도 및 단면도이며,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 분리판용 다공체를 보여주는 사시도 및 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판용 다공체를 보여주는 개략적인 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판용 다공체를 보여주는 개략적인 평면도 및 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판용 다공체(100)는 반응기체가 난류를 형성하며 가스확산층으로의 확산이 보다 용이하게 이루어질 수 있도록 한 다공성 분리판에 사용되는 구성품으로서, 크게 요철부(110), 완화부(120) 및 보강부(130)로 구분되는데, 요철부(110)를 중심으로 하여 요철부(110)의 가장자리로부터 완화부(120) 및 보강부(130)가 순차적으로 형성된다.
요철부(110)는 종래의 다공체(도 3a의 40)에 대응하는 영역으로서, 반응기체의 유동 방향을 따라 요철 형상이 반복하여 형성되고, 반응기체가 통과하는 다수의 유로홀이 형성된다. 예를 들어 요철부는 도 3a와 같이 반응기체의 유동 방향을 따라 웨이브 파형 단면이 반복하여 이루어지면서, 가스확산층(16)과 접촉되는 제 1 접촉부(41)와 평판에 접촉되는 제 2 접촉부(42)가 반복하여 형성되고, 반응기체가 통과하는 다수의 유로홀(43)이 지그재그 배열로 형성될 수 있다. 또한, 물론 요철부(110)는 웨이브 파형 단면의 형상에 제한되는 것이 아니라 계단식 파형, 불규칙한 요철 등 다양한 형상으로 구현될 수 있을 것이다.
한편, 다수의 유로홀은 반응기체가 난류를 형성할 수 있는 다양한 패턴으로 배치되거나 불규칙하게 배치될 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예에서는 유로홀의 패턴이 요부가 아니기 때문에 도 4 및 도 5의 요철부에서 유로홀(미도시)을 생략하여 도시하였다. 물론 도 4 및 도 5의 요철부에는 유로홀이 생략되었지만, 도 4 및 도 5의 요철부에는 도 3a 및 도 3b와 같은 유로홀이 형성된 것으로 판단하여야 할 것이다.
완화부(120)는 요철부(110)와 보강부(130)를 매개하는 영역으로서, 요철부(110)의 가장자리 중 적어도 반응기체의 유동 방향과 수직되는 방향의 양측 단부에서 일체로 연장되어 반응기체의 유동 방향을 따라 형성된 요철 형상의 진폭이 요철부(110)보다 완화되도록 형성된다. 여기서 요철 형상의 진폭이란 요철 형상의 가장 높은 지점과 가장 낮은 지점 사이의 거리를 의미한다.
보강부(130)는 요철부(110)의 취약영역를 보강하는 영역으로서, 완화부(120)의 단부에서 일체로 연장되어 반응기체의 유동 방향을 따라 형성된 유동 방향을 따른 요철 형상의 진폭이 없도록 형성된다. 그래서 보강부(130)는 전체적으로 평평하게 형성되는 것이 바람직하다.
부연하자면, 완화부(120)는 요철부(110)에서 보강부(130) 방향으로 유동 방향을 따라 형성된 요철 형상의 진폭이 점점 작아져서, 보강부(130)에서는 요철 형상의 진폭이 없어지는 것이 바람직하다. 따라서, 도 5에 도시된 단면도에서 알 수 있듯이, 완화부(120)의 단면이 일정하게 경사지게 형성되다가 보강부(130)의 단면이 평평하게 형성되는 것이 바람직하다. 이때 도 5의 단면도는 도 5에 도시된 평면도의 C-C선에 대한 단면도이다. 여기서, C-C선은 요철부(110)에 형성된 요철 형상의 최상단 위치를 따라 연장된 가상의 선이다.
한편, 요철부(110)에는 유로홀이 형성되지만, 완화부(120) 및 보강부(130)에는 유로홀이 형성되지 않는 것이 바람직하다. 그래서, 유로홀로 유동되는 반응기체가 다공체(100)의 외곽으로 새어나가는 것을 방지하면서 요철부(110)의 가장자리에 형성될 수 있는 취약영역의 발생을 방지한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 다공체(100)는 금속 박판을 준비한 다음 요철부(110)에 해당되는 영역에 유로홀을 천공하여 형성한다. 그리고 천공된 금속 박판을 프레스 공법을 이용하여 성형하게 된다. 이때 프레스 공정시에 다공체(100)의 가장자리가 평평한 형상을 유지하기 때문에 다공체(100)의 성형시에 종래와 같이 가장자리가 파손되는 문제를 해결할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 다공체(100)는 금속 박판을 프레스 공법을 이용하여 성형하기 때문에 보강부(130)의 단부가 첨예하게 형성될 수 있고, 이에 따라 다공체(100)의 조립시 작업자가 부상을 당할 수 있기 때문에 보강부(130)의 단부를 변경하여 실시할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 분리판용 다공체를 보여주는 사시도 및 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 분리판용 다공체(100)는 앞서 설명된 실시예에 따른 다공체(도 4 및 도 5의 100)와 마찬가지로 요철부(110), 완화부(120) 및 보강부(130)가 구분되어 형성된다. 상기 요철부(110), 완화부(120) 및 보강부(130)의 설명은 중복을 피하기 위하여 생략하도록 한다. 다만, 본 실시예에서도 유로홀의 패턴이 요부가 아니기 때문에 도 6에서도 요철부의 유로홀(미도시)을 생략하여 도시하였다.
한편, 본 실시예에서는 보강부(130)의 단부에서 일체로 연장되면서 보강부(130)의 하부영역으로 절곡되는 보호부(140)를 더 포함한다.
보호부(140)는 보강부(130)의 단부가 첨예하게 형성되는 것을 방지하기 위하여 연장되는 영역으로서, 보강부(130)의 단부에서 연장되어 절곡될 수 있다면 그 절곡 형상은 어떠하여도 무방할 것이다. 다만, 보호부(140)는 요철부(110)와 같이 반응기체의 유동 방향을 따라 요철 형상을 형성하지 않고, 반응기체의 유동 방향을 따라 평평하게 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 보호부(140)는 요철부(110)에서 유동되는 반응기체의 유동을 방해하지 않도록 보강부(130)의 길이보다 짧게 형성되어 그 단부가 요철부(110)의 하부영역까지 연장되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이때 보호부(140)에도 완화부(120) 및 보강부(130)와 마찬가지로 유로홀이 형성되지 않는 것이 바람직하다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 전해질막 12: 공기극
14: 연료극 16: 가스확산층
18: 가스켓 20: 분리판
30: 엔드플레이트 40: 유로판
41: 제 1 접촉부 42: 제 2 접촉부
43: 유로홀 50: 평판
100: 다공체 110: 요철부
120: 완화부 130: 보강부
140: 보호부

Claims (8)

  1. 반응기체의 유동 방향을 따라 요철 형상이 반복하여 형성되고, 반응기체가 통과하는 다수의 유로홀이 형성된 요철부와;
    상기 요철부의 가장자리 중 적어도 반응기체의 유동 방향과 수직되는 방향의 양측 단부에서 일체로 연장되어 반응기체의 유동 방향을 따라 형성된 요철 형상의 진폭이 상기 요철부보다 완화되는 완화부와;
    상기 완화부의 단부에서 일체로 연장되어 반응기체의 유동 방향을 따라 형성된 요철 형상의 진폭이 없도록 형성되는 보강부를 포함하는 연료전지의 분리판용 다공체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 완화부는 상기 요철부에서 보강부 방향으로 유동 방향을 따라 형성된 요철 형상의 진폭이 점점 작아지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판용 다공체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보강부는 상기 완화부에서 연장되어 평평하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판용 다공체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 완화부 및 보강부에는 유로홀이 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판용 다공체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 보강부의 단부에서 일체로 연장되면서 상기 보강부의 하부영역으로 절곡되는 보호부를 더 포함하는 연료전지용 다공체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 보호부는 상기 보강부의 길이보다 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 보호부에는 유로홀이 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판용 다공체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 요철부는 반응기체의 유동 방향을 따라 웨이브 파형 단면이 반복하여 형성되어 요철 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판용 다공체.
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