KR20220046199A - 연료전지 셀 - Google Patents

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KR20220046199A
KR20220046199A KR1020200129344A KR20200129344A KR20220046199A KR 20220046199 A KR20220046199 A KR 20220046199A KR 1020200129344 A KR1020200129344 A KR 1020200129344A KR 20200129344 A KR20200129344 A KR 20200129344A KR 20220046199 A KR20220046199 A KR 20220046199A
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유승헌
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 연료전지 스택에 관한 것으로, 막전극접합체(MEA), 막전극접합체에 적층되는 기체확산층, 기체확산층에 적층되며 반응기체가 이동하는 채널(channel) 및 기체확산층에 접촉하는 랜드(land)가 구비된 분리판, 및 기체확산층에 접촉하는 랜드의 랜드면에 돌출되게 마련되며 랜드면과 기체확산층의 사이에 응축수를 이동시키기 위한 응축수 이동유로를 제공하는 유로형성부를 포함하는 것에 의하여, 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지 셀{FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 셀에 관한 것으로, 보다 구체적으로 성능 및 작동 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 셀에 관한 것이다.
연료전지 스택은, 연료(예를 들어, 수소)의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하는 일종의 발전 장치로서, 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(단위 셀)을 직렬로 적층하여 구성될 수 있다.
연료전지 셀은, 수소 양이온을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과 수소와 산소가 반응할 수 있도록 전해질막의 양쪽면에 마련된 전극(촉매전극층)이 결합된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 막전극접합체의 양면에 밀착되어 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 및 기체확산층에 밀착되며 유로를 형성하는 분리판(Bipolar plate)을 포함할 수 있다.
분리판은 연료인 수소를 공급하는 애노드 분리판, 및 산화제인 공기를 공급하는 캐소드 분리판으로 구분될 수 있으며, 연료 또는 산화제가 유동하는 채널(channel) 및 기체확산층과 접촉되어 전기적 통로 역할을 하는 랜드(land)를 포함한다.
한편, 연료전지 스택의 캐소드 측에서는 전기화학 반응에 의해서 물이 생성되기 때문에 반응 기체의 노점온도가 연료전지 스택의 작동 온도보다 높으면 채널, 기체확산층 혹은 전극 내부에서 수증기 응축에 의한 물방울이 발생한다.
이를 플러딩(flooding) 현상이라고 하는데, 플러딩 현상은 반응 기체의 불균일한 유동 및 전극에서 반응 기체의 결핍을 유발하여 연료전지 스택의 성능을 저하시키는 원인이 된다.
따라서, 플러딩 현상을 방지하고 연료전지 스택의 성능을 안정화시키기 위해서는 기체확산층과 분리판의 사이에 발생된 응축수(물)를 효과적으로 배출할 수 있어야 한다.
그런데, 기존에는 채널(분리판의 채널)과 기체확산층의 사이에서 발생된 응축수만을 채널을 따라 유동하는 기체에 의해 외부로 배출할 수 있을 뿐, 랜드(분리판의 랜드)와 기체확산층의 사이에서 발생된 응축수는 랜드의 외측(채널)으로 배출하기 어려운 문제점이 있고, 랜드와 기체확산층의 사이에 응축수가 잔류함에 따라 연료전지 스택의 성능 및 작동 효율이 저하되는 문제점이 있다.
더욱이, 기존에는 연료전지 스택이 반복적으로 냉해동될 시, 랜드와 기체확산층의 사이에 잔류된 응축수가 냉해동됨에 따라 기체확산층의 구조가 변형 및 손상되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 기체확산층과 분리판의 랜드 사이에 발생된 응축수를 효과적으로 배출하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 성능 및 작동 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 기체확산층과 분리판의 랜드 사이에 발생된 응축수를 효과적으로 배출시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 기체확산층의 변형 및 손상을 최소화하고 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 기체확산층과 분리판의 랜드 사이에 발생된 응축수의 잔류를 최소화하면서, 기체확산층과 분리판 간의 접촉저항을 낮출 수 있도록 한 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 것을 목적으로 한다.
실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 셀은, 막전극접합체(MEA), 막전극접합체에 적층되는 기체확산층, 기체확산층에 적층되며 반응기체가 이동하는 채널(channel) 및 기체확산층에 접촉하는 랜드(land)가 구비된 분리판, 및 기체확산층에 접촉하는 랜드의 랜드면에 돌출되게 마련되며 랜드면과 기체확산층의 사이에 응축수를 이동시키기 위한 응축수 이동유로를 제공하는 유로형성부를 포함한다.
이는, 연료전지 셀의 성능 및 작동 효율을 향상시키기 위함이다.
즉, 기존에는 분리판의 채널과 기체확산층의 사이에서 발생된 응축수만을 채널을 따라 유동하는 기체에 의해 외부로 배출할 수 있을 뿐, 분리판의 랜드와 기체확산층의 사이에서 발생된 응축수는 랜드의 외측(채널)으로 배출하기 어려운 문제점이 있고, 랜드와 기체확산층의 사이에 응축수가 잔류함에 따라 연료전지 셀의 성능 및 작동 효율이 저하되는 문제점이 있다. 더욱이, 기존에는 연료전지 셀이 반복적으로 냉해동될 시, 랜드와 기체확산층의 사이에 잔류된 응축수가 냉해동됨에 따라 기체확산층의 구조가 변형 및 손상되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는, 기체확산층에 접촉하는 랜드의 랜드면에 응축수를 이동시키기 위한 응축수 이동유로를 형성하는 유로형성부를 마련하는 것에 의하여, 랜드면에 잔류하는 응축수를 최소화할 수 있으며, 연료전지 셀의 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
유로형성부는 응축수 이동유로를 제공할 수 있는 다양한 구조로 마련될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 응축수 이동유로는 기체확산층의 기공보다 큰 사이즈의 공간으로 정의될 수 있다. 이와 같이, 유로형성부에 의한 응축수 이동유로가 기체확산층의 기공 사이즈보다 큰 사이즈의 공간(예를 들어, 큰 사이즈의 기공)으로 이루어지도록 하는 것에 의하여, 기체확산층의 내부에 존재하는 응축수를 보다 효과적으로 응축수 이동유로에 포집(이동)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 응축수 이동유로의 적어도 일부는 채널과 연통된다.
이와 같이, 응축수 이동유로의 일부가 채널과 연통되도록 하는 것에 의하여, 응축수 이동유로를 따라 이동하는 응축수가 채널을 통과하는 반응기체를 따라 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 유로형성부는 서로 이격되게 랜드면에 돌출되는 복수개의 돌기패턴을 포함할 수 있고, 복수개의 돌기패턴은 상호 협조적으로 응축수 이동유로를 형성할 수 있다.
바람직하게, 돌기패턴은 개방 루프(open loop)를 형성하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 돌기패턴은, 제1방향을 따라 형성되는 제1돌기, 제1방향을 따라 형성되며 제1방향을 따라 제1돌기에 대해 이격되는 제2돌기, 제1돌기와 이격되며 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 형성되는 제3돌기, 제2방향을 따라 형성되며 제2방향을 따라 제3돌기에 대해 이격되는 제4돌기를 포함할 수 있다.
바람직하게, 제1돌기, 제2돌기, 제3돌기 및 제4돌기는 상호 협조적으로 X자를 형태를 이루도록 배치될 수 있다.
유로형성부를 구성하는 돌기패턴의 개수 및 배열 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
일 예로, 유로형성부는, 제1돌기패턴, 랜드의 폭 방향을 따라 제1돌기패턴과 이격되는 제2돌기패턴, 랜드의 길이 방향을 따라 제1돌기패턴과 이격되는 제3돌기패턴, 및 랜드의 길이 방향을 따라 제2돌기패턴과 이격되는 제4돌기패턴을 포함할 수 있다.
이와 같이, X자를 형태를 갖는 4개의 돌기패턴(제1돌기패턴 내지 제4돌기패턴)을 2×2 행렬로 배열하는 것에 의하여, 응축수의 배출 효과를 보장하면서 응축수의 체류 시간(응축수 이동유로에서 체류하는 시간)을 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1돌기, 제2돌기, 제3돌기 및 제4돌기는 중 적어도 어느 하나는 직선 형태 또는 곡선 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
유로형성부는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 유로형성부는 분리판의 일부를 부분적으로 포밍하여 형성될 수 있다.
이와 같이, 분리판의 일부를 부분적으로 포밍하여 유로형성부를 형성하는 것에 의하여, 유로형성부를 형성하기 위한 구조 및 제조 공정을 간소화하고, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 셀은, 랜드면에 돌출되게 마련되는 연결돌기패턴을 포함할 수 있고, 연결돌기패턴은 서로 인접한 돌기패턴을 연결할 수 있다.
이와 같이, 서로 인접한 돌기패턴이 연결돌기패턴에 의해 연결되도록 하는 것에 의하여, 서로 인접한 돌기패턴의 사이 간극을 통해 응축수가 랜드의 사이드(채널) 측으로 곧바로 배출되는 것을 억제할 수 있으므로, 응축수 이동유로에서 체류하는 응축수의 체류 시간을 보다 연장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 연결돌기패턴은 랜드의 폭 방향을 따라 돌기패턴의 최외각부에 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 유로형성부는, 랜드면에 마련되는 제1유로형성부, 및 랜드의 길이 방향을 따라 제1유로형성부와 이격되게 랜드면에 마련되는 제2유로형성부를 포함하되, 제1유로형성부와 제2유로형성부의 사이에는 응축수 이동유로와 연통되며 반응기체가 통과하는 배출경로가 마련되고, 응축수는 배출경로를 통과하는 반응기체를 따라 채널로 배출될 수 있다.
이와 같이, 랜드면에 돌출 형성된 제1유로형성부와 제2유로형성부의 사이에 배출경로를 정의하는 것에 의하여, 배출경로에 대응하는 랜드면에 발생된 응축수뿐만 아니라, 응축수 이동유로의 가장자리부(사이드부)로 이동한 응축수를 보다 효과적으로 배출(채널로 배출) 또는 건조하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 배출경로는 랜드의 폭 방향을 기준으로 랜드를 따라 이동하는 반응기체의 이동 방향을 향해 경사지게 형성될 수 있다.
이와 같이, 반응기체가 통과하는 배출경로를 랜드의 폭 방향에 대해 경사지게 형성하는 것에 의하여, 반응기체의 유동 압력 저하를 최소화할 수 있으며, 반응기체를 따라 배출되는 응축수의 배출 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 유로형성부는, 랜드면에 마련되며 다공성 구조체(porous structural member)를 포함하고, 응축수 이동유로는 다공성 구조체의 기공에 의해 정의될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 기체확산층과 분리판의 랜드 사이에 발생된 응축수를 효과적으로 배출시킬 수 있으며, 잔류 응축수에 의한 성능 저하 및 작동 효율 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 기체확산층의 변형 및 손상을 최소화하고 내구성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 기체확산층과 분리판의 랜드 사이에 발생된 응축수의 잔류를 최소화하면서, 기체확산층과 분리판 간의 접촉저항을 낮추는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀로서, 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀로서, 유로형성부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀로서, 응축수의 이동 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀로서, 유로형성부의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀로서, 연결돌기패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀로서, 제1유로형성부 및 제2유로형성부의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀로서, 다공성 구조체를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀(10)은, 막전극접합체(MEA)(100), 막전극접합체(100)에 적층되는 기체확산층(200), 기체확산층(200)에 적층되며 반응기체(RG)가 이동하는 채널(channel)(310) 및 기체확산층(200)에 접촉하는 랜드(land)(320)가 구비된 분리판(300), 및 기체확산층(200)에 접촉하는 랜드(320)의 랜드면(322)에 돌출되게 마련되며 랜드면(322)과 기체확산층(200)의 사이에 응축수를 이동시키기 위한 응축수 이동유로(401)를 제공하는 유로형성부(400)를 포함한다.
막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)(100)는, 제1반응기체인 연료(예를 들어, 수소)와 제2반응기체인 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하도록 마련된다.
막전극접합체(100)의 구조 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 막전극접합체(100)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 막전극접합체(100)는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 전해질막의 양면에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층을 부착하여 구성될 수 있다.
기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(200)은, 반응기체(RG)들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하도록, 막전극접합체(100)의 양측에 적층된다.
기체확산층(200)은 소정 사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조로 제공될 수 있다.
기체확산층(200)의 기공 사이즈 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 기체확산층(200)의 기공 사이즈 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
분리판(300)은, 반응기체(RG)인 수소와 공기를 차단하는 역할 외에, 반응기체(RG)와 공기의 유로 확보 및 외부 회로에 전류를 전달하는 역할을 수행하도록 마련된다.
또한, 분리판(300)은 연료전지 셀(10)에서 발생된 열을 연료전지 셀(10) 전체에 분배하는 역할도 하며, 과도하게 발생된 열은 분리판(300)의 냉각유로(미도시)를 따라 이동하는 냉각수에 의해 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 분리판(300)이라 함은, 연료인 수소의 유로를 형성하는 애노드 분리판, 및 산화제인 공기의 유로를 형성하는 캐소드 분리판을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
일 예로, 분리판(300)은 박막 금속으로 형성될 수 있다. 분리판(300)(애노드 분리판, 캐소드 분리판)은 막전극접합체(100)와 함께 하나의 연료전지 셀(10)(단위 셀)을 이루며 서로 독립적으로 수소, 공기, 냉각수의 유로를 형성할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 분리판을 흑연 또는 탄소복합소재 등과 같은 여타 다른 재질로 형성하는 것도 가능하다.
즉, 연료전지 셀(10)(단위 셀)은, 막전극접합체(100), 막전극접합체(100)의 양면에 각각 적층되는 분리판(300)을 포함할 수 있으며, 복수개의 연료전지 셀(10)을 기준 방향(예를 들어, 상하 방향)으로 적층한 후, 그 양단에 엔드플레이트(미도시)를 조립함으로써 연료전지 스택(미도시)을 구성할 수 있다.
참고로, 연료인 수소와 산화제인 공기가 분리판(300)(캐소드 분리판 및 애노드 분리판)의 채널(310)을 통해 막전극접합체(100)의 애노드(미도시)와 캐소드(미도시)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급될 수 있다.
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 기체확산층(200)과 분리판(300)을 통해 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판(300)을 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.
일 예로, 도 1을 기준으로 막전극접합체(100)의 상면에는 수소를 공급하는 분리판(300)(애노드 분리판)이 배치될 수 있고, 막전극접합체(100)의 저면에는 공기를 공급하는 분리판(300)(캐소드 분리판)이 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 막전극접합체(100)에 적층되는 기체확산층(200)의 외면에 밀착되되, 기체확산층(200)을 마주하는 분리판(300)의 일면에는 반응기체(RG)(수소 및 공기)가 이동하는 채널(channel)(310) 및 기체확산층(200)에 접촉하는 랜드(land)(320)가 마련된다.
채널(310) 및 랜드(320)는 일 방향(예를 들어, 도 1을 기준으로 가로 방향)을 따라 교호적으로 배치되도록 마련되며, 채널(310) 및 랜드(320)의 사이즈 및 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 유로형성부(400)는 기체확산층(200)과 접촉하는 랜드(320)의 랜드면(322)에 마련되며, 랜드면(322)과 기체확산층(200)의 사이에 반응에 의해 발생된 응축수(물)를 이동시키기 위한 응축수 이동유로(401)를 제공한다.
참고로, 본 발명의 실시예에서, 응축수 이동유로(401)라 함은, 랜드면(322)과 기체확산층(200)의 사이에서 응축수가 정체되지 않고 이동(예를 들어, 랜드면(322)의 외측으로 이동)할 수 있는 공간(기체확산층(200)의 두께 방향을 따라 기체확산층(200)과 랜드(320)의 사이에 확보되는 공간) 또는 통로로 정의될 수 있다.
유로형성부(400)는 응축수 이동유로(401)를 제공할 수 있는 다양한 구조로 마련될 수 있으며, 유로형성부(400)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 응축수 이동유로(401)는 기체확산층(200)의 기공보다 큰 사이즈의 공간(예를 들어, 기공으로 연결된 공간)으로 정의될 수 있다.
일 예로, 응축수 이동유로(401)는 기체확산층(200)의 기공 사이즈(예를 들어, 기체확산층(200)의 평균 기공 사이즈)보다 큰 사이즈를 갖는 공간으로 정의될 수 있다.
이는, 기체확산층(200)의 기공보다 응축수 이동유로(401)의 기공(공간)이 큰 경우에는, 기체확산층(200)의 내부에 존재하는 응축수가 모세관 현상에 의해 응축수 이동유로(401)로 이동한다는 것에 기인한 것이다.
이와 같이, 유로형성부(400)에 의한 응축수 이동유로(401)가 기체확산층(200)의 기공 사이즈보다 큰 사이즈의 공간(예를 들어, 큰 사이즈의 기공)으로 이루어지도록 하는 것에 의하여, 기체확산층(200)의 내부에 존재하는 응축수(도 4 및 도 5의 W2)를 보다 효과적으로 응축수 이동유로(401)에 포집(이동)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 응축수 이동유로(401)의 적어도 일부는 채널(310)과 연통된다.
여기서, 응축수 이동유로(401)의 적어도 일부가 채널(310)과 연통된다 함은, 응축수 이동유로(401)가 채널(310)에 직접 연통되거나, 다른 경로(예를 들어, 배출경로)를 거쳐 간접적으로 연통되는 것을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
이와 같이, 응축수 이동유로(401)의 일부가 채널(310)과 연통되도록 하는 것에 의하여, 응축수 이동유로(401)를 따라 이동하는 응축수가 채널(310)을 통과하는 반응기체(RG)를 따라 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 유로형성부(400)는, 랜드면(322)에 마련되는 제1유로형성부(400a), 및 랜드(320)의 길이 방향을 따라 제1유로형성부(400a)와 이격되게 랜드면(322)에 마련되는 제2유로형성부(400b)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료전지 셀이 단일 유로형성부를 포함하거나, 3개 이상의 유로형성부를 포함하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1유로형성부(400a) 및 제2유로형성부(400b)는 각각 서로 이격되도록 랜드면(322)에 돌출되게 형성되는 복수개의 돌기패턴(410,420,430,440)을 포함할 수 있고, 복수개의 돌기패턴(410,420,430,440)은 상호 협조적으로 응축수 이동유로(401)를 형성할 수 있다.
돌기패턴(410,420,430,440)은 응축수 이동유로(401)를 형성할 수 있는 다양한 구조로 마련될 수 있으며, 돌기패턴(410,420,430,440)의 구조, 형태, 배열 및 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 돌기패턴(410,420,430,440)은 개방 루프(open loop)를 형성하도록 마련될 수 있다.
여기서, 돌기패턴(410,420,430,440)이 개방 루프를 형성한다 함은, 돌기패턴(410,420,430,440)의 전체적인 형태가 적어도 일부가 개방된(끊어진) 루프 형태를 갖는 것으로 정의된다.
이와 같이, 돌기패턴(410,420,430,440)이 개방 루프 형태를 갖도록 하는 것에 의하여, 돌기패턴(410,420,430,440)에 의해 정의되는 응축수 이동유로(401)를 따라 이동하는 응축수를 응축수 이동유로(401)의 개방 부위(루프가 끊어진 부위)를 통해 돌기패턴의 외부로 배출시키는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 돌기패턴(410,420,430,440)은, 제1방향(D1)을 따라 형성되는 제1돌기(471), 제1방향(D1)을 따라 형성되며 제1방향(D1)을 따라 제1돌기(471)에 대해 이격되는 제2돌기(472), 제1돌기(471)와 이격되며 제1방향(D1)과 교차하는 제2방향(D2)을 따라 형성되는 제3돌기(473), 제2방향(D2)을 따라 형성되며 제2방향(D2)을 따라 제3돌기(473)에 대해 이격되는 제4돌기(474)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 제1돌기(471), 제2돌기(472), 제3돌기(473) 및 제4돌기(474)는 상호 협조적으로 X자를 형태를 이루도록 배치될 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에서는 돌기패턴(410,420,430,440)이 4개의 돌기(제1돌기, 제2돌기, 제3돌기 및 제4돌기)를 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 돌기패턴이 3개 이하의 돌기로 구성되거나, 5개 이상의 돌기를 포함하는 것도 가능하다.
제1유로형성부(400a) 및 제2유로형성부(400b)를 구성하는 돌기패턴(410,420,430,440)의 개수 및 배열 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 돌기패턴(410,420,430,440)의 개수 및 배열 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도 6을 참조하면, 유로형성부(400)(제1유로형성부 및 제2유로형성부)는, 제1돌기패턴(410), 랜드(320)의 폭 방향을 따라 제1돌기패턴(410)과 이격되는 제2돌기패턴(420), 랜드(320)의 길이 방향을 따라 제1돌기패턴(410)과 이격되는 제3돌기패턴(430), 및 랜드(320)의 길이 방향을 따라 제2돌기패턴(420)과 이격되는 제4돌기패턴(440)을 포함할 수 있으며, 제1돌기패턴(410) 내지 제4돌기패턴(440)은 2×2 행렬로 배열될 수 있다.
제1돌기패턴(410) 내지 제4돌기패턴(440)은, 제1돌기(471), 제2돌기(472), 제3돌기(473) 및 제4돌기(474)를 상호 협조적으로 X자를 형태로 배열함으로써 각각 제공될 수 있다.
이와 같이, X자를 형태를 갖는 4개의 돌기패턴(제1돌기패턴 내지 제4돌기패턴)을 2×2 행렬로 배열하는 것에 의하여, 응축수의 배출 효과를 보장하면서 응축수의 체류 시간(응축수 이동유로(401)에서 체류하는 시간)을 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 응축수 유로를 통해 응축수를 랜드(320)의 외부로 배출하는 것에 의하여, 잔류 응축수에 의한 성능 저하 및 작동 효율 저하를 최소화할 수 있다. 그런데, 기체확산층(200)과 랜드(320) 사이의 응축수가 짧은 시간안에 급격하게 배출되면, 기체확산층(200)과 분리판(300)의 랜드(320) 간의 접촉저항이 증가하게 되므로, 전압손실이 증가하는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 X자를 형태를 갖는 4개의 돌기패턴(제1돌기패턴 내지 제4돌기패턴)(410,420,430,440)을 2×2 행렬로 배열하는 것에 의하여, 응축수 이동유로(401)의 대략 중앙부(예를 들어, 도 6의 마름모 형태 영역)에서는 응축수를 일시적으로 정체(체류 시간 연장)시킬 수 있고, 응축수 이동유로(401)의 가장자리부(사이드부)에서는 응축수를 배출 또는 건조할 수 있으므로, 응축수의 급격한 배출을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
참고로, 응축수 이동유로(401)의 가장자리부(사이드부)에서의 응축수가 배출(건조)되는 속도(또는 배출량)는, 서로 인접한 돌기패턴(410,420,430,440) 사이의 간극(G)(이격 거리) 또는 서로 인접한 돌기 사이의 간극(G)의 사이즈를 조절함으로써 제어될 수 있고, 간극(G)의 사이즈에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1유로형성부(400a) 및 제2유로형성부(400b)가 4개의 돌기패턴(410,420,430,440)을 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1유로형성부 및 제2유로형성부가 3개 이하의 돌기패턴으로 구성되거나, 5개 이상의 돌기패턴을 포함하는 것도 가능하다.
한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 유로형성부(400)를 형성하는 돌기가 직선 형태로 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 유로형성부를 형성하는 돌기(돌기패턴)를 곡선 형태, 절곡된 형태 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
일 예로, 도 7을 참조하면, 유로형성부(400)는 대략 'S'자 형태를 갖는 곡선 돌기(482)를 포함할 수 있으며, 복수개의 곡선 돌기(482)의 사이 영역에는 응축수 이동유로(401)가 정의될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 곡선 돌기를 호(arc) 형태로 형성하거나 여타 다른 곡선 형태로 형성하는 것도 가능하다.
다른 일 예로, 도 8을 참조하면, 유로형성부(400)는 대략 'L'자 형태로 절곡된 절곡 돌기(482)를 포함할 수 있으며, 복수개의 절곡 돌기(482)의 사이 영역에는 응축수 이동유로(401)가 정의될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 곡선 돌기를 'U'자 형태로 형성하거나 여타 다른 절곡된 구조로 형성하는 것도 가능하다.
또 다른 일 예로, 도 9를 참조하면, 유로형성부(400)는 대략 원형 링 형태를 갖는 링 돌기(486)를 포함할 수 있으며, 복수개의 링 돌기(486)의 사이 영역에는 응축수 이동유로(401)가 정의될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 링 돌기가 삼각링, 사각링 형태로 형성하거나 여타 다른 링 형태로 형성하는 것도 가능하다.
유로형성부(400)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 유로형성부(400)는 분리판(300)의 일부를 부분적으로 포밍하여 형성될 수 있다.
이와 같이, 분리판(300)(예를 들어, 금속 재질)의 일부를 부분적으로 포밍하여 유로형성부(400)(예를 들어, 돌기패턴)을 형성하는 것에 의하여, 유로형성부(400)를 형성하기 위한 구조 및 제조 공정을 간소화하고, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유로형성부를 별도로 제작한 후 분리판에 부착 또는 결합하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 셀(10)은, 랜드면(322)에 돌출되게 마련되는 연결돌기패턴(450)을 포함할 수 있고, 연결돌기패턴(450)은 서로 인접한 돌기패턴(410,420,430,440)을 연결할 수 있다.
일 예로, 도 10을 참조하면, 연료전지 셀(10)은, 랜드(320)의 길이 방향(LD)을 따라 이격되게 배치되는 제1돌기패턴(410) 및 제3돌기패턴(430)(또는 제2돌기패턴 및 제4돌기패턴)을 연결하는 연결돌기패턴(450)을 포함할 수 있다.
이와 같이, 서로 인접한 제1돌기패턴(410) 및 제3돌기패턴(430)이 연결돌기패턴(450)에 의해 연결되도록 하는 것에 의하여, 제1돌기패턴(410) 및 제3돌기패턴(430)의 사이 간극(G)을 통해 응축수가 랜드(320)의 사이드(채널) 측으로 곧바로 배출되는 것을 억제할 수 있으므로, 응축수 이동유로(401)에서 체류하는 응축수의 체류 시간을 보다 연장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 연결돌기패턴(450)은 랜드(320)의 폭 방향(WD)을 따라 돌기패턴의 최외각부에 연결된다. 이와 같이, 연결돌기패턴(450)이 돌기패턴의 최외각(예를 들어, 도 10을 기준으로, 제1돌기패턴 및 제3돌기패턴의 좌측 단부)에 연결되도록 하는 것에 의하여, 응축수의 체류 공간을 보다 확장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 연결돌기패턴(450)은 제1돌기패턴(410) 및 제3돌기패턴(430)(또는 제2돌기패턴 및 제4돌기패턴)과 함께 분리판(300)의 일부를 부분적으로 포밍하여 형성될 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에서는 연결돌기패턴(450)이 랜드(320)의 길이 방향을 따라 서로 인접한 돌기패턴을 연결하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연결돌기패턴이 랜드의 폭 방향을 따라 서로 인접한 돌기패턴을 연결하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 유로형성부(400)는, 랜드면(322)에 마련되는 제1유로형성부(400a), 및 랜드(320)의 길이 방향을 따라 제1유로형성부(400a)와 이격되게 랜드면(322)에 마련되는 제2유로형성부(400b)를 포함하되, 제1유로형성부(400a)와 제2유로형성부(400b)의 사이에는 응축수 이동유로(401)와 연통되며 반응기체(RG)가 통과하는 배출경로(400c)가 마련되고, 응축수는 배출경로(400c)를 통과하는 반응기체(RG)를 따라 채널(310)로 배출될 수 있다.
이와 같이, 랜드면(322)에 돌출 형성된 제1유로형성부(400a)와 제2유로형성부(400b)의 사이에 배출경로(400c)를 정의하는 것에 의하여, 배출경로(400c)에 대응하는 랜드면(322)에 발생된 응축수(W1)뿐만 아니라, 응축수 이동유로(401)의 가장자리부(사이드부)로 이동한 응축수(W2)를 보다 효과적으로 배출(채널(310)로 배출) 또는 건조하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
참고로, 배출경로(400c)(제1유로형성부와 제2유로형성부의 사이 영역)에 대응하는 기체확산층(200) 부위의 기공은, 제1유로형성부(400a) 및 제2유로형성부(400b)가 접촉(가압)되는 부위의 기공보다 팽창(확장)된 사이즈를 가질 수 있다. 이와 같이, 배출경로(400c)를 따라 이동하는 반응기체(RG)의 유동 저항(반응기체(RG)의 이동을 억제하는 저항)을 최소화(기공 사이즈 확보)하는 것에 의하여, 반응기체(RG)의 원활한 이동을 보장하고, 응축수의 배출 효율을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 랜드(320)의 길이 방향을 따른 배출경로(400c)의 폭(길이)은 기체확산층(200)이 랜드면(322)에 접촉 가능한 길이로 정의될 수 있다. 이와 같이, 배출경로(400c)의 폭을 기체확산층(200)이 랜드면(322)에 접촉되는 길이로 형성하는 것에 의하여, 배출경로(400c)에 의한 접촉저항 증가를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1유로형성부(400a)와 제2유로형성부(400b)의 사이에, 랜드(320)의 길이 방향에 수직하는 방향(랜드(320)의 폭 방향)을 따라 배출경로(400c)가 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배출경로를 랜드의 폭 방향에 대해 경사지게 형성하는 것도 가능하다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 배출경로(400c)는 랜드(320)의 폭 방향을 기준으로 랜드(320)를 따라 이동하는 반응기체(RG)의 이동 방향을 향해 경사지게 형성될 수 있다.
이는, 배출경로(400c)를 따라 이동하는 반응기체(RG)의 유동 압력 저하를 최소화하고, 응축수(W1,W2)의 배출 효율을 높이기 위함이다.
도 11을 기준으로, 반응기체(RG)는 랜드(320)(채널)의 길이 방향을 따라 하부에서 상부 방향으로 이동하고, 반응기체(RG) 중 일부는 경사진 배출경로(400c)를 거쳐 인접한 다른 채널(310)로 이동할 수 있다.
이와 같이, 반응기체(RG)가 통과하는 배출경로(400c)를 랜드(320)의 폭 방향에 대해 경사지게 형성(도 11을 기준으로 우상향 방향으로 경사지게 형성)하는 것에 의하여, 반응기체(RG)의 유동 압력 저하를 최소화할 수 있으며, 반응기체(RG)를 따라 배출되는 응축수(W1,W2)의 배출 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 돌기패턴(410,420,430,440)에 의해 응축수 이동유로(401)가 정의되는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 다공성 구조체에 의해 응축수 이동유로를 정의하는 것도 가능하다.
도 12를 참조하면, 유로형성부(400)(예를 들어, 제1유로형성부 및 제2유로형성부)는, 랜드면(322)에 마련되며 다공성 구조체(porous structural member)(480)를 포함하고, 응축수 이동유로(401)는 다공성 구조체(480)의 기공에 의해 정의될 수 있다.
다공성 구조체(480)로서는 응축수 이동유로(401)를 형성 가능한 기공을 갖는 통상의 다공체로 형성될 수 있으며, 다공성 구조체(480)의 종류 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 다공성 구조체(480)로서는 기체확산층(200)의 기공보다 큰 사이즈의 기공을 갖는 미세다공층(MPL: micro porous layer)이 사용될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 연료전지 셀
100 : 막전극접합체
200 : 기체확산층
300 : 분리판
310 : 채널
320 : 랜드
322 : 랜드면
400 : 유로형성부
400a : 제1유로형성부
400b : 제2유로형성부
400c : 배출경로
401 : 응축수 이동유로
410 : 제1돌기패턴
420 : 제2돌기패턴
430 : 제3돌기패턴
440 : 제4돌기패턴
450 : 연결돌기패턴
471 : 제1돌기
472 : 제2돌기
473 : 제3돌기
474 : 제4돌기
480 : 다공성 구조체

Claims (15)

  1. 막전극접합체(MEA);
    막전극접합체에 적층되는 기체확산층;
    상기 기체확산층에 적층되며, 반응기체가 이동하는 채널(channel) 및 상기 기체확산층에 접촉하는 랜드(land)가 구비된 분리판; 및
    상기 기체확산층에 접촉하는 상기 랜드의 랜드면에 마련되며, 상기 랜드면과 상기 기체확산층의 사이에 응축수를 이동시키기 위한 응축수 이동유로를 제공하는 유로형성부;
    을 포함하는 연료전지 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 응축수 이동유로는 상기 기체확산층의 기공보다 큰 사이즈의 공간으로 정의되는 연료전지 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 응축수 이동유로의 적어도 일부는 상기 채널과 연통되는 연료전지 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유로형성부는, 서로 이격되게 상기 랜드면에 돌출되는 복수개의 돌기패턴을 포함하고,
    상기 복수개의 돌기패턴은 상호 협조적으로 상기 응축수 이동유로를 형성하는 연료전지 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 돌기패턴은 개방 루프(open loop)를 형성하도록 마련되는 연료전지 셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 돌기패턴은,
    제1방향을 따라 형성되는 제1돌기;
    상기 제1방향을 따라 형성되며, 상기 제1방향을 따라 상기 제1돌기에 대해 이격되는 제2돌기;
    상기 제1돌기와 이격되며, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 형성되는 제3돌기;
    상기 제2방향을 따라 형성되며, 상기 제2방향을 따라 상기 제3돌기에 대해 이격되는 제4돌기;
    를 포함하는 연료전지 셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1돌기, 상기 제2돌기, 상기 제3돌기 및 상기 제4돌기는 상호 협조적으로 X자를 형태를 이루도록 배치되는 연료전지 셀.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유로형성부는,
    제1돌기패턴;
    상기 랜드의 폭 방향을 따라 상기 제1돌기패턴과 이격되는 제2돌기패턴;
    상기 랜드의 길이 방향을 따라 상기 제1돌기패턴과 이격되는 제3돌기패턴; 및
    상기 랜드의 길이 방향을 따라 상기 제2돌기패턴과 이격되는 제4돌기패턴;
    을 포함하는 연료전지 셀.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1돌기, 상기 제2돌기, 상기 제3돌기 및 상기 제4돌기 중 적어도 어느 하나는 직선 형태 또는 곡선 형태를 갖도록 제공되는 연료전지 셀.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 랜드면에 돌출되게 마련되며, 서로 인접한 상기 돌기패턴을 연결하는 연결돌기패턴을 포함하는 연료전지 셀.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연결돌기패턴은 상기 랜드의 폭 방향을 따라 상기 돌기패턴의 최외각부에 연결되는 연료전지 셀.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 유로형성부는,
    상기 랜드면에 마련되는 제1유로형성부; 및
    상기 랜드의 길이 방향을 따라 상기 제1유로형성부와 이격되게 상기 랜드면에 마련되는 제2유로형성부;를 포함하고,
    상기 제1유로형성부와 상기 제2유로형성부의 사이에는 상기 응축수 이동유로와 연통되며 상기 반응기체가 통과하는 배출경로가 마련되고,
    상기 응축수는 상기 배출경로를 통과하는 상기 반응기체를 따라 상기 채널로 배출되는 연료전지 셀.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배출경로는 상기 랜드의 폭 방향을 기준으로 상기 랜드를 따라 이동하는 상기 반응기체의 이동 방향을 향해 경사지게 정의되는 연료전지 셀.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 유로형성부는 상기 분리판의 일부를 부분적으로 포밍하여 형성되는 연료전지 셀.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 유로형성부는,
    상기 랜드면에 마련되는 다공성 구조체를 포함하고,
    상기 응축수 이동유로는 상기 다공성 구조체의 기공에 의해 정의되는 연료전지 셀.
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