KR20210007730A - 연료전지 스택 - Google Patents

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KR20210007730A
KR20210007730A KR1020190084670A KR20190084670A KR20210007730A KR 20210007730 A KR20210007730 A KR 20210007730A KR 1020190084670 A KR1020190084670 A KR 1020190084670A KR 20190084670 A KR20190084670 A KR 20190084670A KR 20210007730 A KR20210007730 A KR 20210007730A
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박준근
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 막전극접합체(MEA)를 구비하는 반응층; 상기 반응층을 마주하는 일면에는 제1반응기체가 유동되는 기체채널이 형성되고, 다른 일면에는 냉각수가 유동되는 냉각채널이 형성되며, 상기 반응층에 밀착되는 애노드 분리판; 일면이 상기 냉각채널을 평평하게 덮도록 상기 애노드 분리판에 밀착되는 평판형(flat type) 캐소드 분리판; 및 상기 캐소드 분리판의 다른 일면에 돌출된 격벽을 형성하며, 제2반응기체의 유로를 형성하는 다공성 구조체(porous structural unit);를 포함하는 것에 의하여, 냉각 온도 편차를 최소화하고, 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지 스택{FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 구체적으로 냉각 온도 편차를 최소화하고, 작동 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.
수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 따라서, 수소차는 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산해내는 연료전지 스택(FC STACK: Fuel Cell Stack), 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치들뿐만 아니라 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 발생시키는 모터 등을 포함한다.
연료전지 스택은 수십 또는 수백 개의 셀을 직렬로 적층한 연료전지 본체를 의미하며, 연료전지 셀은, 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)의 양면에 분리판을 각각 배치하여 구성된다.
분리판은 수소 및 공기를 막전극접합체에 각각 공급하는 기체유로와, 냉각수를 유통시키는 냉각유로를 구비한다.
한편, 최근에는 연료전지 스택의 성능을 극대화하기 위해서, 메탈 폼(metal foam) 또는 와이어 메쉬(wire mesh) 등과 같은 다공성부재를 분리판(캐소드 분리판)에 마련하여, 막전극접합체의 면압을 균등하게 분산시키고, 반응기체의 확산 및 생성수 배출 성능을 향상시키는 방안이 제시되었다.
그런데, 다공성부재는 셀에 대응하는 큰 크기로 제작되기 어려우므로, 복수개로 분할되어 개별적으로 제작되고 있으며, 개별적으로 제작된 복수개의 다공성부재는 분리판 상에서 서로 겹쳐지지 않도록 분리판에 돌출 형성된 격벽에 의해 분리되도록 배치된다.
그러나, 기존에는 복수개의 다공성부재를 독립적으로 배치하기 위한 격벽이 분리판의 일면에 돌출(예를 들어, 프레스 가공에 의한 돌출)되게 형성됨으로 인해, 격벽의 내부 공간과 냉각유로가 겹쳐지는 부위에서는, 격벽의 내부 공간이 겹쳐진 만큼 냉각유로의 단면적이 불가피하게 커지게 되므로, 다른 냉각유로(격벽의 내부 공간과 겹쳐지지 않는 냉각유로)들에 비해 상대적으로 많은 냉각수 유동이 발생되어 연료전지 셀의 국부적인 온도 편차(냉각 온도 편차)가 발생하는 문제점이 있으며, 연료전지 셀의 국부적인 냉각 온도 편차에 의해 연료전지 스택의 성능 및 작동 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 분리판에 다공성부재를 적용함에 따른 냉각 온도 편차를 최소화하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 연료전지 스택의 내부 온도(냉각 온도) 편차를 최소화하고, 성능 및 작동 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 캐소드 분리판에 다공성 구조체를 적용하면서, 냉각채널에 의한 냉각수 유동을 전체적으로 균일하게 유지할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 캐소드 분리판의 입구 및 출구의 습도 편차를 최소화하고, 성능 및 작동 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
무엇보다도, 본 발명은 별도의 가습기를 추가적으로 마련하지 않고도, 캐소드 분리판의 입구 습도를 높일 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 구조 및 제작 공정을 간소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 스택은, 막전극접합체(MEA)를 구비하는 반응층; 상기 반응층을 마주하는 일면에는 제1반응기체가 유동되는 기체채널이 형성되고, 다른 일면에는 냉각수가 유동되는 냉각채널이 형성되며, 상기 반응층에 밀착되는 애노드 분리판; 일면이 상기 냉각채널을 평평하게 덮도록 상기 애노드 분리판에 밀착되는 평판형(flat type) 캐소드 분리판; 및 상기 캐소드 분리판의 다른 일면에 돌출된 격벽을 형성하며, 제2반응기체의 유로를 형성하는 다공성 구조체(porous structural unit);를 포함한다.
이는, 연료전지 스택의 내부 온도(냉각 온도) 편차를 최소화하고, 성능 및 작동 효율을 향상시키기 위함이다.
즉, 기존에는 복수개의 다공성부재를 독립적으로 배치하기 위한 격벽이 분리판의 일면에 돌출되게 형성됨으로 인해, 격벽의 내부 공간과 냉각유로가 겹쳐지는 부위에서는, 격벽의 내부 공간이 겹쳐진 만큼 냉각유로의 단면적이 불가피하게 커지게 되므로, 다른 냉각유로(격벽의 내부 공간과 겹쳐지지 않는 냉각유로)들에 비해 상대적으로 많은 냉각수 유동이 발생되어 연료전지 셀의 국부적인 온도 편차(냉각 온도 편차)가 발생하는 문제점이 있으며, 연료전지 셀의 국부적인 냉각 온도 편차에 의해 연료전지 스택의 성능 및 작동 효율이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 냉각채널을 덮는 캐소드 분리판을 평판형으로 형성하고, 다공성 구조체에 의해 격벽이 제공되도록 하는 것에 의하여, 캐소드 분리판에 다공성 구조체를 적용하면서도, 냉각채널에 의한 냉각수 유동을 전체적으로 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 특정 냉각채널에서 냉각수가 과도하게 유동하는 것을 방지할 수 있으므로, 연료전지 셀의 국부적인 온도 편차를 최소화할 수 있으며, 연료전지 셀의 국부적인 냉각 온도 편차에 의한 연료전지 스택의 성능 및 작동 효율 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 냉각채널은 서로 이격되게 복수개가 형성될 수 있으며, 캐소드 분리판에 의해 차단되는 복수개의 냉각채널은 서로 동일한 범위의 단면적을 갖는다.
다공성 구조체는 격벽을 갖는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 다공성 구조체는 격벽에 의해 분할 배치될 수 있다.
일 예로, 다공성 구조체는, 캐소드 분리판의 다른 일면에 제공되는 제1다공성부재, 및 캐소드 분리판의 다른 일면에 제공되며 제1다공성부재와 상호 협조적으로 격벽을 형성하는 제2다공성부재를 포함한다.
보다 구체적으로, 제1다공성부재는, 캐소드 분리판의 다른 일면에 지지되는 제1지지부, 및 제1지지부의 단부에 절곡 형성되는 제1캔틸레버 슬래브(first cantilever slab)를 포함하고, 제2다공성부재는, 캐소드 분리판의 다른 일면에 지지되는 제2지지부, 및 제2지지부의 단부에 절곡 형성되는 제2캔틸레버 슬래브(second cantilever slab)를 포함한다.
일 예로, 제1캔틸레버 슬래브의 단부와 제2캔틸레버 슬래브의 단부는 용접(W)에 의해 일체로 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1다공성부재와 제2다공성부재 중 어느 하나가 단독적으로 격벽을 형성하는 것도 가능하다.
일 예로, 다공성 구조체는, 캐소드 분리판의 다른 일면에 제공되며 격벽을 독립적으로 형성하는 제1다공성부재, 및 제1다공성부재에 연결되는 제2다공성부재를 포함한다.
보다 구체적으로, 제1다공성부재는, 캐소드 분리판의 다른 일면에 지지되는 제1지지부, 제1지지부와 이격되게 캐소드 분리판의 다른 일면에 지지되는 제2지지부, 및 제1지지부와 제2지지부의 단부를 연결하는 슬래브;를 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 캐소드 분리판은 중력 방향을 따라 입구가 하부에 위치하고 출구가 상부에 위치하며, 격벽은 중력 방향을 따라 배치된다.
이는, 연료전지 스택에서 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 물(생성수)을 이용하여 막전극접합체의 습도를 증가시키기 위함이다.
즉, 연료전지가 정상적으로 동작하기 위해서는 막전극접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되는 것이 필요하다. 즉, 전해질막의 습도가 일정 미만인 경우에는, 전해질막을 통한 수소 양이온의 이동이 원활하지 않아 연료전지의 발전성능이 저하될 수 있다.
특히, 연료전지 스택은 전기화학반응에 의해 캐소드에서 물을 생성하므로, 캐소드의 출구로 갈수록 습도가 증가하는 반면, 캐소드의 입구는 건조가 공기가 유입되므로 습도가 매우 낮은 문제점이 있다.
이를 위해, 연료전지 내부에 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습기를 별도로 마련할 수 있으나, 가습기를 장착하기 위한 공간이 필연적으로 마련되어야 하므로, 설계자유도 및 공간활용성이 저하되고 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다.
이에 본 발명은, 캐소드 분리판을 중력 방향을 따라 수직으로 세워서 배치하고, 다공성 구조체의 격벽을 중력 방향을 따라 배치하는 것에 의하여, 상부(캐소드 분리판 출구)로 유동하는 제2반응기체에 포함된 수분(생성수)이 격벽에 달라붙은 상태로 중력에 의해 격벽을 타고 아래로 흘러내리게 할 수 있으므로, 별도의 가습기를 마련하지 않고도, 캐소드 분리판의 입구의 습도를 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 격벽을 형성하는 제1지지부와 제2지지부 중 어느 하나 이상에는 제1관통홀이 형성된다.
이와 같이, 제1지지부(또는 제2지지부)에 제1관통홀을 형성하는 것에 의하여, 수분을 포함한 제2반응기체가 격벽의 외부에서 제1관통홀을 통해 격벽의 내부로 유입될 수 있으므로, 격벽에 의한 수분 포집 성능을 향상시킬 수 있으며, 캐소드 분리판의 입구의 습도를 보다 빠르게 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제1캔틸레버 슬래브와 제2캔틸레버 슬래브에 의해 형성되며 반응층에 밀착되는 격벽의 밀착면에는, 제2관통홀이 형성될 수 있다.
이와 같이, 반응층과 밀착되는 격벽의 밀착면에 제2관통홀을 형성하는 것에 의하여, 반응층에 맺힌 물이 제2관통홀을 통해 격벽의 내부로 유입될 수 있으므로, 격벽에 의한 수분 포집 성능을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게, 제1관통홀의 내벽면에는 격벽의 내부 공간으로 연장되는 제1리브가 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1리브를 경사지게 배치하는 것에 의하여, 제1리브에 포집된 물이 제1리브를 타고 아래(캐소드 입구)로 자연스럽게 흘러내리게 유도함과 동시에, 제1리브에 포집된 물이 격벽의 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있으므로, 캐소드 분리판의 입구의 습도를 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
일 예로, 제1리브는 제1지지부(또는 제2지지부)의 일부를 부분적으로 절개한 후 절곡시켜 형성된다. 이와 같이, 제1지지부의 일부를 절개 및 절곡시켜 제1리브를 형성하는 것에 의하여, 제1리브 및 제1관통홀의 제작 공정을 간소화하고, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2관통홀의 내벽면에는 격벽의 내부 공간으로 연장되는 제2리브가 형성될 수 있다.
이와 같이, 격벽의 내부 공간에 제2리브를 형성하는 것에 의하여, 격벽의 내부 공간에서 제2반응기체가 접촉되는 면적을 증가시킬 수 있으므로, 제2반응기체에 포함된 수분을 보다 효과적으로 포집하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 반응층에 맺힌 물이 제2리브를 타고 격벽의 내부로 유입될 수 있으므로, 격벽에 의한 수분 포집 성능을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
일 예로, 제2리브는 격벽의 밀착면의 일부를 부분적으로 절개한 후 절곡시켜 형성된다.
또한, 다공성 구조체는 파형(waveform)을 이루도록 연속적으로 연결되는 산부와 골부를 포함하되, 산부의 길이 방향을 따른 산부 중심선, 및 골부의 길이 방향을 따른 골부 중심선은, 격벽에 수직한 수평선에 대해 경사지게 형성된다.
이와 같이, 산부 중심선과 골부 중심선을 격벽에 수직한 수평선에 대해 경사지게 형성하는 것에 의하여, 산부 및 골부에 맺힌 물이 중력에 의해 산부 및 골부를 타고 격벽으로 흘러내리게 유도할 수 있으므로, 격벽에 의한 수분 포집 성능을 보다 향상시킬 수 있으며, 캐소드 분리판의 입구의 습도 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 산부 중심선이라 함은, 산부의 길이 방향을 따라 산부의 임계점(중심)을 연속적으로 연결한 선으로 정의된다. 또한, 골부 중심선이라 함은, 골부의 길이 방향을 따라 골부의 임계점을 연속적으로 연결한 선으로 정의된다.
일 예로, 산부 중심선 및 골부 중심선은 전체가 수평선을 기준으로 격벽을 향해 하향 경사지게 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 산부 중심선 및 골부 중심선의 전체가 아닌 격벽에 인접한 일부 구간(격벽과 연결되는 중심선의 말단 구간)만이 수평선을 기준으로 격벽을 향해 하향 경사지게 형성하는 것도 가능하다.
아울러, 산부 중심선 및 골부 중심선은 직선 형태, 곡선 형태, 직선과 곡선을 조합한 형태 중 어느 하나로 정의될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 연료전지 스택의 내부 온도(냉각 온도) 편차를 최소화하고, 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면 캐소드 분리판에 다공성 구조체를 적용하면서, 냉각채널에 의한 냉각수 유동을 전체적으로 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 캐소드 분리판의 입구 및 출구의 습도 편차를 최소화하고, 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명에 따르면 별도의 가습기를 추가적으로 마련하지 않고도, 캐소드 분리판의 입구 습도를 높일 수 있으며, 캐소드 분리판의 입구 습도 저하에 따른 성능 저하를 방지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 구조 및 제작 공정을 간소화하고, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 캐소드 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체의 제작 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체의 격벽을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 내지 도 16은 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체의 격벽의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 17 및 도 18은 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체의 골부 및 산부를 설명하기 위한 도면이다.
도 19 내지 도 23은 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체의 골부 및 산부의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 캐소드 분리판을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 5 내지 도 9는 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체의 제작 공정을 설명하기 위한 도면이다.
또한, 도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체의 격벽을 설명하기 위한 도면이고, 도 12 내지 도 16은 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체의 격벽을 설명하기 위한 도면이다.
또한, 도 17 및 도 18은 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체의 골부 및 산부를 설명하기 위한 도면이고, 도 19 내지 도 23은 본 발명에 따른 연료전지 스택으로서, 다공성 구조체의 골부 및 산부의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 23을 참조하면, 연료전지 스택(10)은, 막전극접합체(MEA)(110)를 구비하는 반응층(100); 상기 반응층(100)을 마주하는 일면에는 제1반응기체가 유동되는 기체채널(210)이 형성되고, 다른 일면에는 냉각수가 유동되는 냉각채널(220)이 형성되며, 상기 반응층(100)에 밀착되는 애노드 분리판(200); 일면이 상기 냉각채널(220)을 평평하게 덮도록 상기 애노드 분리판(200)에 밀착되는 평판형(flat type) 캐소드 분리판(300); 및 상기 캐소드 분리판(300)의 다른 일면에 돌출된 격벽(402)을 형성하며, 제2반응기체의 유로를 형성하는 다공성 구조체(porous structural unit)(400);를 포함한다.
참고로, 연료전지 스택(10)은, 복수개의 단위셀을 기준 방향(도 1을 기준으로 상하 방향)적층하여 구성되며, 반응층(100), 애노드 분리판(200), 캐소드 분리판(300), 및 다공성 구조체(400)는 하나의 단위셀을 구성한다.
반응층(100)은, 제1반응기체인 연료(예를 들어, 수소)와 제2반응기체인 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산한다.
일 예로, 반응층(100)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(110), 및 막전극접합체(110)의 양측에 밀착되어 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)을 포함한다.
참고로, 연료인 수소와 산화제인 공기가 분리판(캐소드 분리판(300) 및 애노드 분리판(200))의 유로를 통해 막전극접합체(110)의 애노드(미도시)와 캐소드(미도시)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구비된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
애노드 분리판(200)과 캐소드 분리판(300)은, 제1반응기체(예를 들어, 수소) 및 제2반응기체(예를 들어, 공기)를 반응층(100)에 공급하도록 마련되며, 단위셀의 적층 방향을 기준으로 반응층(100)의 일측 및 타측에 각각 밀착되게 배치된다.
일 예로, 도 1을 기준으로, 반응층(100)의 상면에는 애노드 분리판(200)이 배치될 수 있고, 반응층(100)의 저면에는 캐소드 분리판(300)이 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 애노드 분리판(200)은 반응층(100)의 상면에 밀착되되, 반응층(100)을 마주하는 애노드 분리판(200)의 일면(도 1을 기준으로 저면)에는 제1반응기체가 유동되는 기체채널(210)이 형성되고, 애노드 분리판(200)의 다른 일면(도 1을 기준으로 상면)에는 냉각수가 유동되는 냉각채널(220)이 형성된다.
일 예로, 냉각채널(220) 및 기체채널(210)은 일 방향(도 1 기준으로 가로 방향)을 따라 교호적으로 배치되도록 애노드 분리판(200)의 일면 및 다른 일면에 각각 복수개가 마련된다.
냉각채널(220) 및 기체채널(210)의 사이즈 및 개수는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 냉각채널(220) 및 기체채널(210)의 사이즈 및 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 캐소드 분리판(300)은, 요철부가 없는 평판형(flat type)으로 형성되며, 냉각채널(220)을 평평하게 덮도록 애노드 분리판(200)의 다른 일면에 밀착되게 배치된다.
캐소드 분리판(300)의 일단(도 2를 기준으로 하단)에는 제2반응기체가 유입되는 입구(301a)가 형성되고, 캐소드 분리판(300)의 다른 일단(도 2를 기준으로 상단)에는 제2반응기체 및 생성수가 배출되는 출구(301b)가 형성된다.
캐소드 분리판(300)의 입구(301a)에 유입된 제2반응기체는, 입구 매니폴드(미도시)를 거쳐 막전극접합체(110)에 공급될 수 있고, 전기에너지를 생성한 후에는 생성수 등과 함께 출구 매니폴드(미도시)를 거쳐 출구(301b)를 통해 배출된다.
일 예로, 냉각채널(220)은 이격되게 복수개가 형성될 수 있으며, 캐소드 분리판(300)에 의해 차단되는 복수개의 냉각채널(220)은 서로 동일한 범위의 단면적을 갖는다.
다공성 구조체(porous structural unit)(400)는 캐소드 분리판(300)의 다른 일면에 마련되어 제2반응기체의 유로를 형성한다.
보다 구체적으로, 다공성 구조체(400)는, 막전극접합체(110)의 면압을 균등하게 분산시키고, 제2반응기체의 확산 및 생성수 배출 성능을 향상시키기 위하여, 막전극접합체(110)와 캐소드 분리판(300)의 사이에 구비되며, 캐소드 분리판(300)의 다른 일면에 돌출된 격벽(402)을 형성하도록 구성된다.
다공성 구조체(400)의 종류 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 일 예로, 다공성 구조체(400)로서는 소정의 기공률을 갖는 메탈 폼(metal foam) 또는 와이어 메쉬(wire mesh) 등이 사용될 수 있다. 이하에서는 다공성 구조체(400)가 금속(예를 들어, 은, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 금속 합금) 재질로 형성된 예를 들어 설명하기로 한다.
다공성 구조체(400)는 격벽(402)을 갖는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 다공성 구조체(400)는 격벽(402)에 의해 분할 배치될 수 있다.
일 예로, 도 3을 참조하면, 다공성 구조체(400)는, 캐소드 분리판(300)의 다른 일면에 제공되는 제1다공성부재(410), 및 캐소드 분리판(300)의 다른 일면에 제공되며 제1다공성부재(410)와 상호 협조적으로 격벽(402)을 형성하는 제2다공성부재(420)를 포함한다.
여기서, 제1다공성부재(410)와 제2다공성부재(420)가 상호 협조적으로 격벽(402)을 형성한다 함은, 제1다공성부재(410)의 일부와 제2다공성부재(420)의 일부가 서로 연결되어 격벽(402)을 형성하는 것으로 정의된다.
보다 구체적으로, 제1다공성부재(410)는, 캐소드 분리판(300)의 다른 일면(도 3을 기준으로 상면)에 지지되는 제1지지부(412), 및 제1지지부(412)의 단부에 절곡 형성되는 제1캔틸레버 슬래브(first cantilever slab)(414)를 포함한다. 일 예로, 제1지지부(412)는 캐소드 분리판(300)의 상면에 수직하게(또는 경사지게) 지지되며, 제1캔틸레버 슬래브(414)는 제1지지부(412)의 상단에 외팔보 형태로 연결된다.
제2다공성부재(420)는, 캐소드 분리판(300)의 다른 일면에 지지되는 제2지지부(422), 및 제2지지부(422)의 단부에 절곡 형성되는 제2캔틸레버 슬래브(second cantilever slab)(424)를 포함한다. 일 예로, 제2지지부(422)는 제1지지부(412)와 이격되게 캐소드 분리판(300)의 상면에 수직하게(또는 경사지게) 지지되며, 제2캔틸레버 슬래브(424)는 제2지지부(422)의 상단에 외팔보 형태로 연결된다.
격벽(402)은, 제1캔틸레버 슬래브(414)의 단부와 제2캔틸레버 슬래브(424)의 단부를 일체로 연결하여 형성된다. 일 예로, 제1캔틸레버 슬래브(414)의 단부와 제2캔틸레버 슬래브(424)의 단부는 용접(W)에 의해 일체로 연결될 수 있다.
제1캔틸레버 슬래브(414)와 제2캔틸레버 슬래브(424)가 연결되어 형성되는 격벽(402)의 밀착면(도 3을 기준으로 격벽의 상면)(도 10의 402a)은 반응층(100)에 밀착되며, 격벽(402)을 기준으로 다공성 구조체(400)는 분할될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에서는 제1다공성부재(410)와 제2다공성부재(420)가 상호 협조적으로 격벽(402)을 형성하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1다공성부재와 제2다공성부재 중 어느 하나가 단독적으로 격벽을 형성하는 것도 가능하다.
도 4를 참조하면, 다공성 구조체(400)는, 캐소드 분리판(300)의 다른 일면에 제공되며 격벽(402)을 독립적으로 형성하는 제1다공성부재(410'), 및 제1다공성부재(410)에 연결되는 제2다공성부재(420)를 포함한다.
보다 구체적으로, 제1다공성부재(410')는, 캐소드 분리판(300)의 다른 일면(도 4을 기준으로 상면)에 지지되는 제1지지부(412'), 제1지지부(412')와 이격되게 캐소드 분리판(300)의 다른 일면에 지지되는 제2지지부(414'), 및 제1지지부(412')와 제2지지부(414')의 단부를 연결하는 슬래브(416');를 포함하고, 격벽(402)은, 제1지지부(412'), 제2지지부(414'), 및 슬래브(416')를 포함하여 대략 U자 형태로 형성된다.
아울러, 제2다공성부재(420)는 제1다공성부재(410')(예를 들어, 제2지지부의 단부)에 용접(W)으로 연결될 수 있다.
이와 같이, 캐소드 분리판(300)을 평판형으로 형성하는 것에 의하여, 캐소드 분리판(300)에 의해 차단되는 복수개의 냉각채널(220)은 서로 동일한 범위의 단면적을 갖게 된다.
여기서, 복수개의 냉각채널(220)이 동일한 범위의 단면적을 가진다 함은, 복수개의 냉각채널(220)을 통해 유동되는 냉각수의 유량이 서로 동일한 범위에 있는 것으로 정의된다.
기존에는 복수개의 다공성부재를 분할 배치하기 위한 격벽(402)이 분리판의 일면에 돌출되게 형성됨으로 인해, 격벽(402)의 내부 공간과 냉각유로가 겹쳐지는 부위에서는, 격벽(402)의 내부 공간이 겹쳐진 만큼 냉각유로의 단면적이 불가피하게 커지게 되므로, 다른 냉각유로(격벽(402)의 내부 공간과 겹쳐지지 않는 냉각유로)들에 비해 상대적으로 많은 냉각수 유동이 발생되어 연료전지 셀의 국부적인 온도 편차(냉각 온도 편차)가 발생하는 문제점이 있으며, 연료전지 셀의 국부적인 냉각 온도 편차에 의해 연료전지 스택(10)의 성능 및 작동 효율이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 냉각채널(220)을 덮는 캐소드 분리판(300)을 평판형으로 형성하고, 다공성 구조체(400)에 일체로 마련되는 격벽(402)에 의해 다공성 구조체(400)가 복수개로 분할 배치되도록 하는 것에 의하여, 캐소드 분리판(300)에 다공성 구조체(400)를 적용하면서도, 냉각채널(220)에 의한 냉각수 유동을 전체적으로 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 특정 냉각채널(220)에서 냉각수가 과도하게 유동하는 것을 방지할 수 있으므로, 연료전지 셀의 국부적인 온도 편차를 최소화할 수 있으며, 연료전지 셀의 국부적인 냉각 온도 편차에 의한 연료전지 스택(10)의 성능 및 작동 효율 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 다공성 구조체(400)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 제조될 수 있다.
일 예로, 도 5 내지 도 9를 참조하면, 다공성 구조체(400)를 구성하는 제1다공성부재(410)는, 금속 플레이트(도 5의 410a)를 블랭킹(blanking) 가공(구멍 형성)하여 다공체로 형성하고(도 6 참조), 금속 플레이트(410a)의 일부를 절곡시켜 제1지지부(412)와 제1캔틸레버 슬래브(414)를 형성(도 7 참조)하는 것에 의해 제작될 수 있다.
참고로, 금속 플레이트(410a)의 블랭킹 가공시에는 후술할 제1관통홀(422a) 및 제2관통홀(402b)이 함께 가공될 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1다공성부재(410)의 제1지지부(412)는 캐소드 분리판(300)에 지지되고, 제1캔틸레버 슬래브(414)는 캐소드 분리판(300)으로부터 이격된 외팔보 형태로 배치된다.
제2다공성부재(420)도 제1다공성부재(410)와 같은 방식으로 금속 플레이트를 가공하여 형성될 수 있으며, 도 9와 같이, 제1다공성부재(410)의 제1캔틸레버 슬래브(414)와 제2다공성부재(420)의 제2캔틸레버 슬래브(424)를 서로 마주하게 배치시킨 후 연결(예를 들어, 용접)함으로써, 격벽(402)을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 캐소드 분리판(300)은 중력 방향(G)을 따라 입구가 하부에 위치하고 출구가 상부에 위치하며, 격벽(402)은 중력 방향(G)을 따라 배치된다.
이는, 연료전지 스택(10)에서 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 물(생성수)을 이용하여 막전극접합체(110)의 습도를 증가시키기 위함이다.
즉, 연료전지가 정상적으로 동작하기 위해서는 막전극접합체(110)의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되는 것이 필요하다. 즉, 전해질막의 습도가 일정 미만인 경우에는, 전해질막을 통한 수소 양이온의 이동이 원활하지 않아 연료전지의 발전성능이 저하될 수 있다.(일명, dry out)
특히, 연료전지 스택(10)은 전기화학반응에 의해 캐소드에서 물을 생성하므로, 캐소드의 출구로 갈수록 습도가 증가하는 반면, 캐소드의 입구는 건조가 공기가 유입되므로 습도가 매우 낮은 문제점이 있다.
이를 위해, 연료전지 내부에 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습기를 별도로 마련할 수 있으나, 가습기를 장착하기 위한 공간이 필연적으로 마련되어야 하므로, 설계자유도 및 공간활용성이 저하되고 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다.
이에 본 발명은, 캐소드 분리판(300)을 중력 방향(G)을 따라 수직으로 세워서 배치하고, 다공성 구조체(400)의 격벽(402)을 중력 방향(G)을 따라 배치하는 것에 의하여, 상부(캐소드 분리판(300) 출구)로 유동하는 제2반응기체에 포함된 수분(생성수)이 격벽(402)에 달라붙은 상태로 중력에 의해 격벽(402)을 타고 아래로 흘러내리게 할 수 있으므로, 별도의 가습기를 마련하지 않고도, 캐소드 분리판(300)의 입구의 습도를 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 도 10 및 도 11을 참조하면, 캐소드 분리판(300)은, 입구가 하부에 위치하고 출구가 상부에 위치하도록 중력 방향(상하 방향)을 따라 세워서 배치되고, 다공성 구조체(400)의 격벽(402)은 중력 방향(G)을 따라 배치된다.
바람직하게, 격벽(402)을 형성하는 제1지지부(412)와 제2지지부(422) 중 어느 하나 이상에는 제1관통홀(422a)이 형성된다.
일 예로, 제2지지부(422)에 사각 형태의 제1관통홀(422a)이 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1지지부에 제1관통홀을 형성하거나, 제1지지부와 제2지지부에 각각 제1관통홀을 형성하는 것도 가능하다.
이와 같이, 제1지지부(412)(또는 제2지지부)에 제1관통홀(422a)을 형성하는 것에 의하여, 수분을 포함한 제2반응기체가 격벽(402)의 외부에서 제1관통홀(422a)을 통해 격벽(402)의 내부로 유입될 수 있으므로, 격벽(402)에 의한 수분 포집 성능을 향상시킬 수 있으며, 캐소드 분리판(300)의 입구의 습도를 보다 빠르게 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제1캔틸레버 슬래브(414)와 제2캔틸레버 슬래브(424)에 의해 형성되며 반응층(100)(예를 들어, 가스확산층)에 밀착되는 격벽(402)의 밀착면(402a)에는, 사각 형태의 제2관통홀(402b)이 형성될 수 있다.
이와 같이, 반응층(100)과 밀착되는 격벽(402)의 밀착면(402a)에 제2관통홀(402b)을 형성하는 것에 의하여, 반응층(100)에 맺힌 물이 제2관통홀(402b)을 통해 격벽(402)의 내부로 유입될 수 있으므로, 격벽(402)에 의한 수분 포집 성능을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게, 제1관통홀(422a)의 내벽면에는 격벽(402)의 내부 공간으로 연장되는 사각 형태의 제1리브(422b)가 형성될 수 있다.
제1리브(422b)는 제1관통홀(422a)의 내벽면으로부터 연장되어 격벽(402)의 내부 공간에 배치된다. 이와 같이, 격벽(402)의 내부 공간에 제1리브(422b)를 형성하는 것에 의하여, 격벽(402)의 내부 공간에서 제2반응기체가 접촉되는 면적을 증가시킬 수 있으므로, 제2반응기체에 포함된 수분을 보다 효과적으로 포집하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 제1리브(422b)는 격벽(402)의 내부 공간에서 캐소드 입구를 향하도록 하향 경사지게 배치된다. 이와 같이, 제1리브(422b)를 경사지게 배치하는 것에 의하여, 제1리브(422b)에 포집된 물이 제1리브(422b)를 타고 아래(캐소드 입구)로 자연스럽게 흘러내리게 유도함과 동시에, 제1리브(422b)에 포집된 물이 격벽(402)의 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있으므로, 캐소드 분리판(300)의 입구의 습도를 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제1리브(422b)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
일 예로, 제1리브(422b)는 통상의 랜싱(Lancing) 가공 방법 등에 의해 제1지지부(412)(또는 제2지지부)의 일부를 부분적으로 절개한 후 절곡시켜 형성된다.
아울러, 제1지지부(412)의 일부를 부분적으로 절개한 후 절곡시켜 제1리브(422b)를 형성함에 따라, 제1지지부(412)에는 제1관통홀(422a)이 함께 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1지지부(412)의 일부를 절개 및 절곡시켜 제1리브(422b)를 형성하는 것에 의하여, 제1리브(422b) 및 제1관통홀(422a)의 제작 공정을 간소화하고, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1지지부에 제1관통홀을 형성한 후, 제1리브를 별도 공정에 의해 장착하는 것도 가능하다.
또한, 제2관통홀(402b)의 내벽면에는 격벽(402)의 내부 공간으로 연장되는 사각 형태의 제2리브(402c)가 형성될 수 있다.
제2리브(402c)는 제2관통홀(402b)의 내벽면으로부터 연장되어 격벽(402)의 내부 공간에 배치된다. 이와 같이, 격벽(402)의 내부 공간에 제2리브(402c)를 형성하는 것에 의하여, 격벽(402)의 내부 공간에서 제2반응기체가 접촉되는 면적을 증가시킬 수 있으므로, 제2반응기체에 포함된 수분을 보다 효과적으로 포집하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 반응층(100)에 맺힌 물이 제2리브(402c)를 타고 격벽(402)의 내부로 유입될 수 있으므로, 격벽(402)에 의한 수분 포집 성능을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 제2리브(402c)는 격벽(402)의 내부 공간에서 캐소드 입구를 향하도록 하향 경사지게 배치된다. 이와 같이, 제2리브(402c)를 경사지게 배치하는 것에 의하여, 제2리브(402c)에 포집된 물이 제2리브(402c)를 타고 아래(캐소드 입구)로 자연스럽게 흘러내리게 유도함과 동시에, 제2리브(402c)에 포집된 물이 격벽(402)의 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있으므로, 캐소드 분리판(300)의 입구의 습도를 보다 효과적으로 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제2리브(402c)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
일 예로, 제2리브(402c)는 통상의 랜싱(Lancing) 가공 방법 등에 의해 격벽(402)의 밀착면(402a)의 일부를 부분적으로 절개한 후 절곡시켜 형성된다.
아울러, 밀착면(402a)의 일부를 부분적으로 절개한 후 절곡시켜 제2리브(402c)를 형성함에 따라, 제2지지부(422)에는 제2관통홀(402b)이 함께 형성될 수 있다.
이와 같이, 밀착면(402a)의 일부를 절개 및 절곡시켜 제2리브(402c)를 형성하는 것에 의하여, 제2리브(402c) 및 제2관통홀(402b)의 제작 공정을 간소화하고, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 밀착면에 제2관통홀을 형성한 후, 제2리브를 별도 공정에 의해 장착하는 것도 가능하다.
참고로, 격벽(402)의 폭(수평 방향을 따른 폭)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 바람직하게, 격벽(402)의 폭은, 격벽(402)의 외측 영역에서 유동하는 제2반응기체의 유동을 방해하지 않는 사이즈로 형성된다.
또한, 제1관통홀(422a)(제1리브) 및 제2관통홀(402b)(제2리브)의 사이즈가 일정 이상 큰 경우에는, 격벽(402)의 구조적 강성이 저하될 수 있으므로, 제1관통홀(422a)(또는 제1리브) 및 제2관통홀(402b)(또는 제2리브)은 격벽(402)의 폭의 절반 이하의 폭을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는, 격벽(402)에 제1관통홀(422a), 제1리브(422b), 제2관통홀(402b), 및 제2리브(402c)가 모두 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1관통홀(422a), 제1리브(422b), 제2관통홀(402b), 및 제2리브(402c) 중 일부만을 형성하는 것도 가능하며, 제1관통홀(422a), 제1리브(422b), 제2관통홀(402b), 및 제2리브(402c)의 형태 및 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
일 예로, 도 12를 참조하면, 제1관통홀(422a), 제1리브(422b), 제2관통홀(402b), 및 제2리브(402c)는 원형 형태로 형성될 수 있다. 다르게는 제1관통홀(422a), 제1리브(422b), 제2관통홀(402b), 및 제2리브(402c)를 타원 형태 또는 여타 다른 다각형 형태로 형성하는 것도 가능하다.
다른 일 예로, 도 13을 참조하면, 격벽(402)에 제1리브(422b) 및 제2리브(402c)를 형성하지 않고, 원형 형태의 제1관통홀(422a)과 원형 형태의 제2관통홀(402b)만을 형성하는 것도 가능하다.
다른 일 예로, 도 14를 참조하면, 격벽(402)에 제1리브(422b) 및 제2리브(402c)를 형성하지 않고, 사각 형태의 제1관통홀(422a)과 사각 형태의 제2관통홀(402b)만을 형성하는 것도 가능하다.
다른 일 예로, 도 15를 참조하면, 격벽(402)에 제1리브(422b), 제2리브(402c), 및 제1관통홀(422a)을 형성하지 않고, 사각 형태(또는 원형 형태)의 제2관통홀(402b) 만을 형성하는 것도 가능하다.
다른 일 예로, 도 16을 참조하면, 격벽(402)에는 제1리브(422b), 제2리브(402c), 및 제2관통홀(402b)을 형성하지 않고, 사각 형태(또는 원형 형태)의 제1관통홀(422a) 만을 형성하는 것도 가능하다.
한편, 도 17 및 도 18을 참조하면, 다공성 구조체(400)는 파형(waveform)을 이루도록 연속적으로 연결되는 산부(401a)와 골부(401b)를 포함한다.
보다 구체적으로, 다공성 구조체(400)의 산부(401a)와 골부(401b)는 공기(제2반응기체)의 유동 방향을 따라 교호(alternation)적으로 배치되어 연속적인 파형을 이루도록 형성된다.
아울러, 산부(401a)와 골부(401b)의 높이, 및 산부(401a)와 산부(401a) 사이의 이격 간격은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 적절히 변경될 수 있으며, 산부(401a) 및 골부(401b)의 사이즈 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
산부(401a) 또는 골부(401b)는 복수개의 구멍(미도시)이 형성된 다공체로 형성되며, 산부(401a) 또는 골부(401b)의 구멍은 금속 플레이트의 블랭킹 가공시(도 6 참조) 함께 형성될 수 있다.
바람직하게, 산부(401a)의 길이 방향을 따른 산부 중심선(C1), 및 골부(401b)의 길이 방향을 따른 골부 중심선(C2)은, 격벽(402)에 수직한 수평선에 대해 경사지게 형성된다.
이와 같이, 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)을 격벽(402)에 수직한 수평선에 대해 경사지게 형성하는 것에 의하여, 산부(401a) 및 골부(401b)에 맺힌 물이 중력에 의해 산부(401a) 및 골부(401b)를 타고 격벽(402)으로 흘러내리게 유도할 수 있으므로, 격벽(402)에 의한 수분 포집 성능을 보다 향상시킬 수 있으며, 캐소드 분리판(300)의 입구의 습도 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 산부 중심선(C1)이라 함은, 산부(401a)의 길이 방향을 따라 산부(401a)의 임계점(중심)을 연속적으로 연결한 선으로 정의된다. 또한, 골부 중심선(C2)이라 함은, 골부(401b)의 길이 방향을 따라 골부(401b)의 임계점을 연속적으로 연결한 선으로 정의된다.
일 예로, 산부 중심선(C1) 및 골부 중심선(C2)은 전체가 수평선을 기준으로 격벽(402)을 향해 하향 경사지게 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 산부 중심선(C1) 및 골부 중심선(C2)의 전체가 아닌 격벽(402)에 인접한 일부 구간(격벽과 연결되는 중심선의 말단 구간)만이 수평선을 기준으로 격벽(402)을 향해 하향 경사지게 형성하는 것도 가능하다.
참고로, 산부 중심선(C1) 및 골부 중심선(C2)은 직선 형태, 곡선 형태, 직선과 곡선을 조합한 형태 중 어느 하나로 정의될 수 있으며, 산부 중심선(C1) 및 골부 중심선(C2)의 형태 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
보다 구체적으로, 도 19 내지 도 23을 참조하면, 다공성 구조체(400)는 중력 방향(G)을 따라 형성되는 복수개의 격벽(402)을 포함할 수 있으며, 격벽(402)의 주변에 위치하는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 전체 또는 일부가 격벽(402)을 향해 하향 경사지게 형성될 수 있다.
일 예로, 도 19를 참조하면, 다공성 구조체(400)는 중력 방향(G)을 따라 형성되는 제1격벽(402'), 및 중력 방향(G)을 따라 형성되며 제1격벽(402')과 이격되게 배치되는 제2격벽(402")을 포함한다. 도 19를 기준으로, 제1격벽(402')의 좌측에 배치되는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 제1격벽(402')을 향해 하향 경사지게 형성되고, 제2격벽(402")의 우측에 배치되는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 제2격벽(402")을 향해 하향 경사지게 형성되며, 제1격벽(402')과 제2격벽(402")의 사이에 위치하는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 대략 V자 형태로 절곡되어 제1격벽(402')과 제2격벽(402")을 향해 하향 경사지게 형성된다. 따라서, 산부(401a) 및 골부(401b)에 맺힌 물은 중력에 의해 산부(401a) 및 골부(401b)를 타고 흘러내려 제1격벽(402')과 제2격벽(402")으로 유도될 수 있다.
다른 일 예로, 도 20을 참조하면, 다공성 구조체(400)는 중력 방향(G)을 따라 형성되는 제1격벽(402'), 및 중력 방향(G)을 따라 형성되며 제1격벽(402')과 이격되게 배치되는 제2격벽(402")을 포함한다. 도 20을 기준으로, 제1격벽(402')의 좌측에 배치되는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 제1격벽(402')을 향해 하향 경사지게 형성되고, 제2격벽(402")의 우측에 배치되는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 제2격벽(402")을 향해 하향 경사지게 형성되며, 제1격벽(402')과 제2격벽(402")의 사이에 위치하는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은, 수평선에 수평한 직선 구간(중앙부)과 제1격벽(402')과 제2격벽(402")을 향해 하향 경사지게 배치되는 경사 구간(양단부)을 조합한 대략 사다리꼴 형태로 형성될 수 있다.
다른 일 예로, 도 21을 참조하면, 다공성 구조체(400)는 중력 방향(G)을 따라 형성되는 제1격벽(402'), 및 중력 방향(G)을 따라 형성되며 제1격벽(402')과 이격되게 배치되는 제2격벽(402")을 포함한다. 도 21을 기준으로, 제1격벽(402')의 좌측에 배치되는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 제1격벽(402')을 향해 하향 경사지게 형성되고, 제2격벽(402")의 우측에 배치되는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 제2격벽(402")을 향해 하향 경사지게 형성되며, 제1격벽(402')과 제2격벽(402")의 사이에 위치하는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 제2격벽(402")을 향해 하향 경사지게 형성될 수 있다.
다른 일 예로, 도 22를 참조하면, 다공성 구조체(400)는 중력 방향(G)을 따라 형성되는 제1격벽(402'), 중력 방향(G)을 따라 형성되며 제1격벽(402')과 이격되게 배치되는 제2격벽(402"), 및 중력 방향(G)을 따라 형성되며 제2격벽(402")과 이격되게 배치되는 제3격벽(402"')을 포함한다. 도 22를 기준으로, 제1격벽(402')의 좌측에 배치되는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 제1격벽(402')을 향해 하향 경사지게 형성되고, 제2격벽(402")의 우측에 배치되는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 제3격벽(402"')을 향해 하향 경사지게 형성되며, 제1격벽(402')과 제2격벽(402")의 사이에 위치하는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 제2격벽(402")을 향해 하향 경사지게 형성될 수 있다.
다른 일 예로, 도 23을 참조하면, 다공성 구조체(400)는 중력 방향(G)을 따라 형성되는 제1격벽(402'), 및 중력 방향(G)을 따라 형성되며 제1격벽(402')과 이격되게 배치되는 제2격벽(402")을 포함한다. 도 23을 기준으로, 제1격벽(402')의 좌측에 배치되는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 제1격벽(402')을 향해 하향 경사지게 형성되고, 제2격벽(402")의 우측에 배치되는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 제2격벽(402")을 향해 하향 경사지게 형성되며, 제1격벽(402')과 제2격벽(402")의 사이에 위치하는 산부(401a)와 골부(401b)의 산부 중심선(C1)과 골부 중심선(C2)은 수평선에 수평하게 형성될 수 있다.
아울러, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 다공성 구조체(400)가 격벽(402)을 일체로 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 격벽과 다공성 구조체를 각각 별도로 제작한 후, 다공성 구조체에 격벽을 결합하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 연료전지 스택
100 : 반응층
110 : 막전극접합체
120 : 가스확산층
200 : 애노드 분리판
210 : 기체채널
220 : 냉각채널
300 : 캐소드 분리판
301a : 입구
301b : 출구
400 : 다공성 구조체
401a : 산부
401b : 골부
402 : 격벽
402' : 제1격벽
402" : 제2격벽
402"' : 제3격벽
402a : 밀착면
402b : 제2관통홀
402c : 제2리브
410 : 제1다공성부재
412 : 제1지지부
414 : 제1캔틸레버 슬래브
420 : 제2다공성부재
422 : 제2지지부
422a : 제1관통홀
422b : 제1리브
424 : 제2캔틸레버 슬래브
C1 : 산부 중심선
C2 : 골부 중심선

Claims (17)

  1. 막전극접합체(MEA)를 구비하는 반응층;
    상기 반응층을 마주하는 일면에는 제1반응기체가 유동되는 기체채널이 형성되고, 다른 일면에는 냉각수가 유동되는 냉각채널이 형성되며, 상기 반응층에 밀착되는 애노드 분리판;
    일면이 상기 냉각채널을 평평하게 덮도록 상기 애노드 분리판에 밀착되는 평판형(flat type) 캐소드 분리판; 및
    상기 캐소드 분리판의 다른 일면에 돌출된 격벽을 형성하며, 제2반응기체의 유로를 형성하는 다공성 구조체(porous structural unit);
    를 포함하는 연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 구조체는,
    상기 캐소드 분리판의 다른 일면에 제공되는 제1다공성부재; 및
    상기 캐소드 분리판의 다른 일면에 제공되며, 상기 제1다공성부재와 상호 협조적으로 상기 격벽을 형성하는 제2다공성부재;
    를 포함하는 연료전지 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1다공성부재는, 상기 캐소드 분리판의 다른 일면에 지지되는 제1지지부, 및 상기 제1지지부의 단부에 절곡 형성되는 제1캔틸레버 슬래브(first cantilever slab)를 포함하고,
    상기 제2다공성부재는, 상기 캐소드 분리판의 다른 일면에 지지되는 제2지지부, 및 상기 제2지지부의 단부에 절곡 형성되는 제2캔틸레버 슬래브(second cantilever slab)를 포함하되,
    상기 격벽은 상기 제1캔틸레버 슬래브의 단부와 상기 제2캔틸레버 슬래브의 단부를 연결하여 형성되는 연료전지 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1캔틸레버 슬래브의 단부와 상기 제2캔틸레버 슬래브의 단부는 용접으로 연결되는 연료전지 스택.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 캐소드 분리판은 중력 방향을 따라 입구가 하부에 위치하고 출구가 상부에 위치하되,
    상기 격벽은 중력 방향을 따라 배치되는 연료전지 스택.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1지지부와 상기 제2지지부 중 어느 하나 이상에는 제1관통홀이 형성되는 연료전지 스택.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1관통홀의 내벽면에는 상기 격벽의 내부 공간으로 연장되는 제1리브가 형성되는 연료전지 스택.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1리브는 상기 제1지지부 또는 상기 제2지지부의 일부를 부분적으로 절개한 후 절곡시켜 형성되는 연료전지 스택.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1캔틸레버 슬래브와 상기 제2캔틸레버 슬래브에 의해 형성되며 상기 반응층에 밀착되는 상기 격벽의 밀착면에는, 제2관통홀이 형성되는 연료전지 스택.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2관통홀의 내벽면에는 상기 격벽의 내부 공간으로 연장되는 제2리브가 형성되는 연료전지 스택.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1리브는 상기 제1캔틸레버 슬래브와 상기 제2캔틸레버 슬래브 중 어느 하나 이상의 일부를 부분적으로 절개한 후 절곡시켜 형성되고,
    상기 제2리브는 상기 격벽의 상기 밀착면의 일부를 부분적으로 절개한 후 절곡시켜 형성되는 연료전지 스택.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 다공성 구조체는, 파형(waveform)을 이루도록 연속적으로 연결되는 산부와 골부를 포함하되,
    상기 산부의 길이 방향을 따른 산부 중심선, 및 상기 골부의 길이 방향을 따른 골부 중심선은, 상기 격벽에 수직한 수평선에 대해 경사지게 형성되는 연료전지 스택.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 산부 중심선 및 상기 골부 중심선의 전체 또는 일부는 상기 수평선을 기준으로 상기 격벽을 향해 하향 경사지게 형성되는 연료전지 스택.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 산부 중심선 및 상기 골부 중심선은 직선 형태, 곡선 형태, 직선과 곡선을 조합한 형태 중 어느 하나로 정의되는 연료전지 스택.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 격벽은,
    중력 방향을 따라 형성되는 제1격벽; 및
    중력 방향을 따라 형성되며, 상기 제1격벽과 이격되게 배치되는 제2격벽;
    을 포함하는 연료전지 스택.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 구조체는,
    상기 캐소드 분리판의 다른 일면에 제공되며 상기 격벽을 독립적으로 형성하는 제1다공성부재; 및
    상기 제1다공성부재에 연결되는 제2다공성부재;
    를 포함하는 연료전지 스택.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1다공성부재는,
    상기 캐소드 분리판의 다른 일면에 지지되는 제1지지부;
    상기 제1지지부와 이격되게 상기 캐소드 분리판의 다른 일면에 지지되는 제2지지부; 및
    상기 제1지지부와 상기 제2지지부의 단부를 연결하는 슬래브;를 포함하고,
    상기 격벽은, 상기 제1지지부, 상기 제2지지부, 및 상기 슬래브에 의해 형성되는 연료전지 스택.
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