KR20240028148A - 연료전지용 분리판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응기체가 유입 및 배출되는 홀의 영역별 크기를 개선하여 반응기체의 유량을 균일하게 분배하면서 생성수의 배출성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 중앙에 형성되는 반응영역과; 상기 반응영역의 양측으로 각각 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드가 관통되어 형성되는 한 쌍의 매니폴드영역과; 상기 반응영역과 한 쌍의 매니폴드영역 사이에서 반응기체 또는 냉각수의 유동을 확산시키는 한 쌍의 확산영역을 포함하고, 상기 매니폴드영역에는 반응기체가 유입되는 매니폴드의 가장자리 중 상기 확산영역에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 형성되어 상기 매니폴드로부터 유입되는 반응기체를 상기 확산영역으로 유입시키는 다수의 반응기체 유입구가 형성되고, 상기 다수의 반응기체 유입구는 영역별로 크기가 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 중앙에 형성되는 반응영역과; 상기 반응영역의 양측으로 각각 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드가 관통되어 형성되는 한 쌍의 매니폴드영역과; 상기 반응영역과 한 쌍의 매니폴드영역 사이에서 반응기체 또는 냉각수의 유동을 확산시키는 한 쌍의 확산영역을 포함하고, 상기 매니폴드영역에는 반응기체가 유입되는 매니폴드의 가장자리 중 상기 확산영역에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 형성되어 상기 매니폴드로부터 유입되는 반응기체를 상기 확산영역으로 유입시키는 다수의 반응기체 유입구가 형성되고, 상기 다수의 반응기체 유입구는 영역별로 크기가 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응기체가 유입 및 배출되는 홀의 영역별 크기를 개선하여 반응기체의 유량을 균일하게 분배하면서 생성수의 배출성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판에 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.
일반적인 연료전지 스택은 가장 안쪽에 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 막전극 접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 연료극(anode) 및 공기극(cathode)으로 구성되어 있다.
그리고, 상기 막전극 집합체의 바깥 부분, 즉 연료극 및 공기극이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 가스확산층의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 배치되며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트가 결합된다. 이때 분리판에서 유동되는 수소 및 산소(공기)와 냉각수의 기밀유지를 위하여 가스켓이 다양한 패턴으로 형성된다.
한편, 상기 분리판은 지지역할을 하는 랜드와 유체의 흐름 경로가 되는 채널(유로)이 반복 형성된 구조로 제작되는 것이 일반적이다.
즉, 일반적인 분리판은 랜드와 채널이 반복적으로 굴곡된 구조로 되어 있기 때문에 가스확산층과 마주보는 일면쪽의 채널은 수소 또는 공기와 같은 반응기체가 흐르는 공간으로 활용되고, 동시에 반대쪽 채널은 냉각수와 같은 냉각매체가 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.
도 1은 종래의 일반적인 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 일반적인 분리판(10)은 중앙에 막전극 접합체 및 기체확산층이 적층되어 반응기체인 수소와 공기(산소)가 반응하는 반응영역(10a)이 형성되고, 반응영역(10a)의 양측으로 각각 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드(11)가 관통되는 한 쌍의 매니폴드영역(10b)이 형성된다. 그리고, 한 쌍의 매니폴드영역(10b)과 반응영역(10a) 사이에는 반응기체 또는 냉각수의 유동을 확산시키는 한 쌍의 확산영역(10c)이 형성된다.
이때 매니폴드영역(10b)에 형성되는 다수의 매니폴드(11)는 반응기체인 수소가 유입 또는 배출되는 매니폴드(11d, 11c), 반응기체인 공기가 유입 또는 배출되는 매니폴드(11a, 11f) 및 냉각수가 유입 또는 배출되는 매니폴드(11b, 11e)로 구분된다.
또한, 한 쌍의 확산영역(10c)에는 입구측 매니폴드(11a, 11d, 11e)에서 유입되는 반응기체 및 냉각수를 확산시켜서 반응영역(10a)으로 유동시키고, 반응영역(10a)에서 배출되는 반응기체 및 냉각수를 모아서 출구측 매니폴드(11b, 11c, 11f)로 유동시키는 다수의 확산리브(13)가 형성된다.
예를 들어 분리판이 캐소드 분리판인 경우에는 입구측 매니폴드(11a)의 인근에 공기가 유입되는 반응기체 유입구(12a)가 형성되고, 출구측 매니폴드(11f)의 인근에 공기가 배출되는 반응기체 배출구(12b)가 형성된다.
그리고, 입구측 매니폴드(11a)에서 반응영역(10a)으로 반응기체인 공기가 확산되면서 유동되도록 다수의 입구측 확산리브(13a)가 서로 이격되어 형성된다.
또한, 반응영역에서 출구측 매니폴드(11f)로 반응기체인 공기가 모이면서 유동되도록 다수의 출구측 확산리브(13b)가 서로 이격되어 형성된다.
이때 반응기체 유입구(12a) 및 반응기체 배출구(12b)는 크기가 일정하게 형성되어 규칙적으로 배치된다.
그리고, 다수의 입구측 확산리브(13a)는 입구측 매니폴드(11a)에 인접한 단부에서 두께 및 인접한 입구측 확산리브(13a)의 간격이 서로 동일하게 형성되고, 반응영역에 인접한 단부에서 두께 및 인접한 입구측 확산리브(13a)와의 사이 간격이 서로 동일하게 형성된다.
또한, 다수의 출구측 확산리브(13b)도 반응영역에 인접한 단부에서 두께 및 인접한 출구측 확산리브(13b)와의 사이 간격이 서로 동일하게 형성되고, 출구측 매니폴드(11f)에 인접한 단부에서 두께 및 인접한 출구측 확산리브(13b)의 간격도 서로 동일하게 형성된다.
특히, 다수의 반응기체 유입구(12a)는 다수의 반응기체 배출구(12b)와 반응영역(10a)의 중심지점을 기준으로 점대칭 형태로 형성되고, 다수의 입구측 확산리브(13a)는 다수의 출구측 확산리브(13b)와 반응영역(10a)의 중심지점을 기준으로 점대칭 형태로 형성된다.
이렇게 다수의 반응기체 유입구(12a) 및 반응기체 배출구(12b)와 다수의 입구측 확산리브(13a) 및 출구측 확산리브(13b)는 그 두께 및 간격이 동일한 조건으로 형성되기 때문에 이론상으로 반응기체인 공기가 균일하게 확산되면서 유입되고, 균일하게 모이면서 배출되어야 하지만, 실제 스택에서는 확산영역(10c)에서 공기의 유동경로가 짧을수록 공기의 유량이 과하게 유동되고, 유속도 빠르게 유동되는 문제가 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 반응기체가 유입 및 배출되는 홀의 크기를 영역별로 조정하여 반응기체의 유량을 균일하게 분배하면서 생성수의 배출성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 중앙에 형성되는 반응영역과; 상기 반응영역의 양측으로 각각 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드가 관통되어 형성되는 한 쌍의 매니폴드영역과; 상기 반응영역과 한 쌍의 매니폴드영역 사이에서 반응기체 또는 냉각수의 유동을 확산시키는 한 쌍의 확산영역을 포함하고, 상기 매니폴드영역에는 반응기체가 유입되는 매니폴드의 가장자리 중 상기 확산영역에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 형성되어 상기 매니폴드로부터 유입되는 반응기체를 상기 확산영역으로 유입시키는 다수의 반응기체 유입구가 형성되고, 상기 다수의 반응기체 유입구는 영역별로 크기가 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 매니폴드영역에는 반응기체가 배출되는 매니폴드의 가장자리 중 상기 확산영역에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 형성되어 상기 확산영역으로부터 배출되는 반응기체를 상기 매니폴드로 배출시키는 다수의 반응기체 배출구가 형성되고, 상기 다수의 반응기체 배출구는 영역별로 크기가 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 다수의 반응기체 유입구의 크기와 상기 다수의 반응기체 배출구의 크기는 상기 반응영역의 중심지점을 기준으로 비대칭인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 다수의 반응기체 유입구는 반응기체가 유입되는 매니폴드 쪽으로 편중되어 배치되고, 상기 다수의 반응기체 배출구는 반응기체가 배출되는 매니폴드 쪽으로 편중되어 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 한 쌍의 매니폴드영역은 반응기체가 유입되는 측에 형성되는 입구측 매니폴드영역과 반응기체가 배출되는 측에 형성되는 출구측 매니폴드영역으로 구분되고, 상기 입구측 매니폴드영역과 출구측 매니폴드영역에는 각각 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 다수의 매니폴드가 이격되어 형성되며, 반응기체가 유입되는 매니폴드는 상기 입구측 매니폴드영역에 형성된 매니폴드 중 최상부에 형성된 매니폴드이고, 반응기체가 배출되는 매니폴드는 상기 출구측 매니폴드영역에 형성된 매니폴드 중 최하부에 형성된 매니폴드인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 반응영역은 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 상부 반응영역, 중앙 반응영역 및 하부 반응영역으로 구분되고, 상기 다수의 반응기체 유입구는 상기 확산영역을 통하여 상기 상부 반응영역으로 반응기체를 유입시키는 다수의 상부 반응기체 유입구, 상기 중앙 반응영역으로 반응기체를 유입시키는 다수의 중앙 반응기체 유입구 및 상기 하부 반응영역으로 반응기체를 유입시키는 다수의 하부 반응기체 유입구로 구분되며, 상기 상부 반응기체 유입구의 크기는 상기 하부 반응기체 유입구의 크기보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 반응기체 유입구의 개수는 상기 중앙 반응기체 유입구의 개수와 같거나 적게 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 다수의 중앙 반응기체 유입구의 크기는 각각 상기 상부 반응기체 유입구의 크기와 같거나 크게 형성되거나 상기 하부 반응기체 유입구의 크기와 같거나 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 다수의 반응기체 유입구의 크기는 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 점진적으로 크게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 다수의 반응기체 배출구는 상기 확산영역을 통하여 상기 상부 반응영역으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 상부 반응기체 배출구, 상기 중앙 반응영역으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 중앙 반응기체 배출구 및 상기 하부 반응영역으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 하부 반응기체 배출구로 구분되며, 상기 상부 반응기체 배출구의 크기는 하부 반응기체 배출구의 크기보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 다수의 중앙 반응기체 배출구의 크기는 각각 상기 상부 반응기체 배출구의 크기와 같거나 크게 형성되거나 상기 하부 반응기체 배출구의 크기와 같거나 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 다수의 반응기체 배출구의 크기는 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 점진적으로 크게 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 하부 반응기체 배출구의 크기는 상기 하부 반응기체 유입구의 크기보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 반응영역은 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 상부 반응영역, 중앙 반응영역 및 하부 반응영역으로 구분되고, 상기 다수의 반응기체 유입구는 상기 확산영역을 통하여 상기 상부 반응영역으로 반응기체를 유입시키는 다수의 상부 반응기체 유입구, 상기 중앙 반응영역으로 반응기체를 유입시키는 다수의 중앙 반응기체 유입구 및 상기 하부 반응영역으로 반응기체를 유입시키는 다수의 하부 반응기체 유입구로 구분되며, 상기 다수의 상부 반응기체 유입구 중 일부 상부 반응기체 유입구의 크기는 상기 하부 반응기체 유입구의 크기보다 작게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 다수의 반응기체 배출구는 상기 확산영역을 통하여 상기 상부 반응영역으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 상부 반응기체 배출구, 상기 중앙 반응영역으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 중앙 반응기체 배출구 및 상기 하부 반응영역으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 하부 반응기체 배출구로 구분되며, 상기 다수의 상부 반응기체 배출구 중 일부 상부 반응기체 배출구의 크기는 하부 반응기체 배출구의 크기보다 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반응기체가 유입 및 배출되는 반응기체 유입구 및 반응기체 배출구의 크기를 영역별로 조정하여 반응영역 전체에서 반응기체의 유량이 균일하게 분배되고 균일한 유속이 유지되는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 다수의 반응기체 유입구의 크기와 다수의 반응기체 배출구의 크기를 반응영역의 중심지점을 기준으로 비대칭으로 형성함에 따라 반응기체의 균일한 유동 및 유속을 유지하고, 생성수의 균일한 배출을 기대할 수 있기 때문에 스택의 내구성을 향상시킬 수 있고, 스택 상하단부의 불균일한 전기화학 반응을 방지할 수 있다.
또한, 이러한 효과를 통하여 스택의 성능을 향상시킬 수 있고, 스택 운전시 전압에 편차가 발생하는 것을 억제할 수 있고, 셀의 떨림을 완화시키는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 분리판을 보여주는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이며,
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판에 형성되는 다수의 반응기체 유입구를 보여주는 도면이고,
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판에 형성되는 다수의 반응기체 배출구를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이며,
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판에 형성되는 다수의 반응기체 유입구를 보여주는 도면이고,
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판에 형성되는 다수의 반응기체 배출구를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이고, 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판에 형성되는 다수의 반응기체 유입구를 보여주는 도면이며, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판에 형성되는 다수의 반응기체 배출구를 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판(100)은 종래의 일반적인 연료전지용 분리판(10)과 마찬가지로 중앙에 막전극 접합체 및 기체확산층이 적층되어 반응기체인 수소와 공기(산소)가 반응하는 반응영역(110)이 형성되고, 반응영역(110)의 양측으로 각각 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드(121)가 관통되는 한 쌍의 매니폴드영역(120)이 형성된다. 그리고, 한 쌍의 매니폴드영역(120)과 반응영역(110) 사이에는 반응기체 또는 냉각수의 유동을 확산시키는 한 쌍의 확산영역(130)이 형성된다.
이때 매니폴드영역(120)에 형성되는 다수의 매니폴드(121)는 반응기체인 수소가 유입 또는 배출되는 매니폴드(121), 반응기체인 공기가 유입 또는 배출되는 매니폴드(121) 및 냉각수가 유입 또는 배출되는 매니폴드(121)가 형성된다.
또한, 한 쌍의 확산영역(130)에는 입구측 매니폴드(121)에서 유입되는 반응기체 및 냉각수를 확산시켜서 반응영역(110)으로 유동시키고, 반응영역(110)에서 배출되는 반응기체 및 냉각수를 모아서 출구측 매니폴드(121)로 유동시키는 다수의 확산리브(131)가 형성된다.
예를 들어 분리판(100)이 캐소드 분리판인 경우에는 입구측 매니폴드(121)의 인근에 공기가 유입되는 다수의 반응기체 유입구(141)가 형성되고, 출구측 매니폴드(121)의 인근에 공기가 배출되는 다수의 반응기체 배출구(142)가 형성된다.
이때 확산영역(130)에는 반응기체가 유입되는 매니폴드(121a)에서 반응영역(110)으로 반응기체의 유동을 확산시키고, 반응영역(110)에서 반응기체가 배출되는 매니폴드(121b)로 반응기체의 유동을 모이게 하는 다수의 확산리브(131)가 서로 이격되어 형성된다.
한편, 본 발명에서는 다수의 반응기체 유입구(141)와 반응기체 배출구(142)의 크기를 영역별로 다르게 형성하는 바, 정확한 설명을 위하여 분리판을 각 영역별로 구분한다.
예를 들어 한 쌍의 매니폴드영역(120)은 반응기체가 유입되는 측에 형성되는 입구측 매니폴드영역(120a)과 반응기체가 배출되는 측에 형성되는 출구측 매니폴드영역(120b)으로 구분된다.
그리고, 한 쌍의 확산영역(130)은 반응기체가 유입되는 측에 형성되는 입구측 확산영역(130a)과 반응기체가 배출되는 측에 형성되는 출구측 확산영역(130b)으로 구분된다.
또한, 반응영역(110)은 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 상부 반응영역(R1), 중앙 반응영역(R2) 및 하부 반응영역(R3)으로 구분된다.
그리고, 입구측 매니폴드영역(120a)과 출구측 매니폴드영역(120b)에는 각각 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 다수의 매니폴드(121)가 이격되어 형성된다. 본 실시예에서는 반응기체인 수소와 공기(산소)가 유입 및 배출되고, 냉각수가 유입 및 배출되기 때문에 입구측 매니폴드영역(120a)과 출구측 매니폴드영역(120b)에 중력방향을 기준으로 상부에서 하부방향을 따라 각각 3개의 매니폴드(121)가 형성된다.
예를 들어 본 실시예에 따른 분리판(100)이 캐소드 분리판에 적용될 경우에는 입구측 매니폴드영역(120a)에 형성된 매니폴드(121) 중 최상부에 형성된 매니폴드(121a)를 통하여 공기가 유입된다. 이렇게 유입된 공기는 입구측 확산영역(130a)에서 확산되면서 유동되어 반응영역(110)으로 공급되고, 반응영역(110)을 통과한 공기는 출구측 확산영역(130b)에서 모아져서 출구측 매니폴드영역(120b)에 형성된 매니폴드(121) 중 최하부에 형성된 매니폴드(121b)를 통하여 배출된다.
이를 위하여 입구측 확산영역(130a)에 형성되는 확산리브(131)는 입구측 매니폴드영역(120a)에 형성된 매니폴드(121) 중 최상부에 형성된 매니폴드(121a)에서 반응영역(110)으로 연장되도록 형성된다.
그리고, 출구측 확산영역(130b)에 형성되는 확산리브(131)는 반응영역(110)에서 출구측 매니폴드영역(120b)에 형성된 매니폴드(121) 중 최하부에 형성된 매니폴드(121b)로 연장되도록 형성된다.
한편, 전술된 바와 같이 본 발명에서는 다수의 반응기체 유입구(141) 및 반응기체 배출구(142)의 크기를 영역별로 조정하여 반응영역(110) 전체에서 반응기체의 유량이 균일하게 분배되고 균일한 유속이 유지되도록 한다.
먼저, 다수의 반응기체 유입구(141)에 대하여 설명하면, 도 3a에 도시된 바와 같이 다수의 반응기체 유입구(141)는 입구측 확산영역(130a)을 통하여 상부 반응영역(R1)으로 반응기체를 유입시키는 다수의 상부 반응기체 유입구(141a)와, 중앙 반응영역(R2)으로 반응기체를 유입시키는 다수의 중앙 반응기체 유입구(141b)와, 하부 반응영역(R3)으로 반응기체를 유입시키는 다수의 하부 반응기체 유입구(141c)로 구분된다.
그래서, 상부에 배치되는 상부 반응기체 유입구(141a)를 통하여 상부 반응영역(R1)으로 유동되는 반응기체의 유동거리가 하부에 배치되는 하부 반응기체 유입구(141c)를 통하여 하부 반응영역(R3)으로 유동되는 반응기체의 유동거리보다 짧게 형성되기 때문에 상부 반응기체 유입구(141a)를 통하여 유입되는 반응기체의 유동량을 줄이고, 하부 반응기체 유입구(141c)를 통하여 유입되는 반응기체의 유동량을 늘리는 것이 바람직하다.
이를 위하여 상부 반응기체 유입구(141a)의 크기가 하부 반응기체 유입구(141c)의 크기보다 작게 형성되도록 하여 상부 반응기체 유입구(141a)를 통하여 유입되는 반응기체의 유동량과 하부 반응기체 유입구(141c)를 통하여 유입되는 반응기체의 유동량이 비슷하게 유지되도록 한다.
바람직하게는 다수의 반응기체 유입구(141)의 크기는 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 점진적으로 크게 형성되도록 한다.
그래서, 다수의 중앙 반응기체 유입구(141b)의 크기는 각각 상부 반응기체 유입구(141a)의 크기와 같거나 크게 형성되거나 하부 반응기체 유입구(141c)의 크기와 같거나 작게 형성되도록 한다. 예를 들어 중앙 반응기체 유입구(141b) 중 상대적으로 상부에 형성되는 중앙 반응기체 유입구(141b)는 상부 반응기체 유입구(141a)의 크기와 같거나 크게 형성되고, 상대적으로 하부에 형성되는 중앙 반응기체 유입구(141b)는 하부 반응기체 유입구(141c)의 크기와 같거나 작게 형성될 수 있다.
한편, 상부 반응기체 유입구(141a)를 통하여 유입되는 반응기체의 유동량을 줄이기 위하여 상부 반응기체 유입구(141a)의 개수를 상대적으로 적게 형성할 수 있다. 예를 들어 상부 반응기체 유입구(141a)의 개수는 중앙 반응기체 유입구(141b)의 개수와 같거나 적게 형성될 수 있다.
부연하자면, 도 3a에 도시된 바와 같이 다수의 반응기체 유입구(141)가 형성되는 예상지점이 10개 형성되는 경우에 상부 반응기체 유입구(141a)가 형성되는 예상지점이 3개이고, 중앙 반응기체 유입구(141b)가 형성되는 예상지점이 3개이며, 하부 반응기체 유입구(141c)가 형성되는 예상지점이 4개이다. 이때 반응기체 유입구(141)가 형성되는 예상지점에 대응되도록 중앙 반응기체 유입구(141b)는 3개를 형성하고, 하부 반응기체 유입구(141c)는 4개를 형성하는 반면에, 상부 반응기체 유입구(141a)는 1개 또는 2개만 형성할 수 있다. 이때 상부 반응기체 유입구(141a)가 형성되지 않는 예상지점은 반응기체 유입구(141)가 형성되는 예상지점 중 가능한 상부에 위치되는 예상지점인 것이 바람직하다.
한편, 다수의 반응기체 유입구(141)는 영역별로 그 크기를 다르게 형성하는데, 그 목적이 해당 반응기체 유입구(141)를 통하여 유입되는 반응기체의 유량을 조정하거나 유동경로를 조정하는 것에 있기 때문에, 다수의 반응기체 유입구(141)는 반응기체가 유입되는 매니폴드(121a) 쪽으로 편중되어 배치되는 것이 바람직하다.
다음으로, 다수의 반응기체 배출구(142)에 대하여 설명하면, 도 3b에 도시된 바와 같이 다수의 반응기체 배출구(142)는 확산영역(130)을 통하여 상부 반응영역(R1)으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 상부 반응기체 배출구(142a)와, 중앙 반응영역(R2)으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 중앙 반응기체 배출구(142b)와, 하부 반응영역(R3)으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 하부 반응기체 배출구(142c)로 구분된다.
이때 다수의 반응기체 배출구(142)를 통하여 배출되는 생성수는 중력의 영향을 많이 받기 때문에 중력방향을 기준으로 하부 쪽으로 생성수의 유동이 많아진다. 이에 따라 생성수의 배출성을 향상시키기 위하여 상부 반응기체 배출구(142a)를 통하여 배출되는 반응기체의 유동량을 줄이고, 하부 반응기체 배출구(142c)를 통하여 배출되는 반응기체의 유동량을 늘리는 것이 바람직하다.
이를 위하여 상부 반응기체 배출구(142a)의 크기가 하부 반응기체 배출구(142c)의 크기보다 작게 형성되도록 하여 상부 반응기체 배출구(142a)를 통하여 배출되는 반응기체의 유동량과 하부 반응기체 배출구(142c)를 통하여 배출되는 반응기체의 유동량이 비슷하거나 상대적으로 하부 반응기체 배출구(142c)를 통하여 배출되는 반응기체의 유동량이 많아지도록 한다.
바람직하게는 다수의 반응기체 배출구(142)의 크기는 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 점진적으로 크게 형성되도록 한다.
그래서, 다수의 중앙 반응기체 배출구(142b)의 크기는 각각 상부 반응기체 배출구(142a)의 크기와 같거나 크게 형성되거나 하부 반응기체 배출구(142c)의 크기와 같거나 작게 형성되도록 한다. 예를 들어 중앙 반응기체 배출구(142b) 중 상대적으로 상부에 형성되는 중앙 반응기체 배출구(142b)는 상부 반응기체 배출구(142a)의 크기와 같거나 크게 형성되고, 상대적으로 하부에 형성되는 중앙 반응기체 배출구(142b)는 하부 반응기체 배출구(142c)의 크기와 같거나 작게 형성될 수 있다.
한편, 다수의 반응기체 배출구(142)는 영역별로 그 크기를 다르게 형성하는데, 그 목적이 해당 반응기체 유입구(141)를 통하여 배출되는 반응기체의 유량을 조정하거나 유동경로를 조정하는 것에 있기 때문에, 다수의 반응기체 배출구(142)는 반응기체가 배출되는 매니폴드(121b) 쪽으로 편중되어 배치되는 것이 바람직하다.
그리고, 생성수의 원활한 배출을 위하여 생성수의 배출이 집중되는 반응기체 배출구(142)인 하부 반응기체 배출구(142c)의 크기를 확장시키는 것이 좋기 때문에 하부 반응기체 배출구(142c)의 크기는 하부 반응기체 유입구(141c)의 크기보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
이에 따라 다수의 반응기체 유입구(141)의 크기와 다수의 반응기체 배출구(142)의 크기는 반응영역(110)의 중심지점을 기준으로 점대칭되지 않고, 비대칭 형상으로 형성된다.
한편, 전술된 실시예에서는 반응기체 유입구 및 반응기체 배출구는 각 영역별로 그 크기의 조정을 균일하게 적용하였지만, 이에 한정되지 않고, 각 영역별로 일부의 반응기체 유입구 및 반응기체 배출구만 크기를 조정할 수 있다.
예를 들어 다수의 상부 반응기체 유입구 중 일부 상부 반응기체 유입구의 크기는 하부 반응기체 유입구의 크기보다 작게 형성된다. 그리고, 다수의 상부 반응기체 유입구 중 나머지 상부 반응기체 유입구의 크기는 하부 반응기체 유입구의 크기와 같게 형성될 수 있다. 마찬가지로 다수의 중앙 반응기체 유입구 중 일부 중앙 반응기체 유입구의 크기는 하부 반응기체 유입구의 크기보다 작게 형성되지만, 다수의 중앙 반응기체 유입구 중 나머지 상부 반응기체 유입구의 크기는 하부 반응기체 유입구의 크기와 같게 형성될 수 있다.
또한, 다수의 상부 반응기체 배출구 중 일부 상부 반응기체 배출구의 크기는 하부 반응기체 배출구의 크기보다 작게 형성된다. 그리고, 다수의 상부 반응기체 배출구 중 나머지 상부 반응기체 배출구의 크기는 하부 반응기체 배출구의 크기와 같게 형성될 수 있다. 마찬가지로 다수의 중앙 반응기체 유입구 중 일부 중앙 반응기체 유입구의 크기는 하부 반응기체 유입구의 크기보다 작게 형성되지만, 다수의 중앙 반응기체 배출구 중 나머지 상부 반응기체 배출구의 크기는 하부 반응기체 배출구의 크기와 같게 형성될 수 있다.
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.
100: 분리판
110: 반응영역
120: 매니폴드영역 121: 매니폴드
130: 확산영역 131: 확산리브
141: 반응기체 유입구 142: 반응기체 배출구
120: 매니폴드영역 121: 매니폴드
130: 확산영역 131: 확산리브
141: 반응기체 유입구 142: 반응기체 배출구
Claims (15)
- 연료전지용 분리판으로서,
중앙에 형성되는 반응영역과;
상기 반응영역의 양측으로 각각 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드가 관통되어 형성되는 한 쌍의 매니폴드영역과;
상기 반응영역과 한 쌍의 매니폴드영역 사이에서 반응기체 또는 냉각수의 유동을 확산시키는 한 쌍의 확산영역을 포함하고,
상기 매니폴드영역에는 반응기체가 유입되는 매니폴드의 가장자리 중 상기 확산영역에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 형성되어 상기 매니폴드로부터 유입되는 반응기체를 상기 확산영역으로 유입시키는 다수의 반응기체 유입구가 형성되고,
상기 다수의 반응기체 유입구는 영역별로 크기가 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 매니폴드영역에는 반응기체가 배출되는 매니폴드의 가장자리 중 상기 확산영역에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 형성되어 상기 확산영역으로부터 배출되는 반응기체를 상기 매니폴드로 배출시키는 다수의 반응기체 배출구가 형성되고,
상기 다수의 반응기체 배출구는 영역별로 크기가 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 2에 있어서,
상기 다수의 반응기체 유입구의 크기와 상기 다수의 반응기체 배출구의 크기는 상기 반응영역의 중심지점을 기준으로 비대칭인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 2에 있어서,
상기 다수의 반응기체 유입구는 반응기체가 유입되는 매니폴드 쪽으로 편중되어 배치되고,
상기 다수의 반응기체 배출구는 반응기체가 배출되는 매니폴드 쪽으로 편중되어 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 2에 있어서,
상기 한 쌍의 매니폴드영역은 반응기체가 유입되는 측에 형성되는 입구측 매니폴드영역과 반응기체가 배출되는 측에 형성되는 출구측 매니폴드영역으로 구분되고,
상기 입구측 매니폴드영역과 출구측 매니폴드영역에는 각각 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 다수의 매니폴드가 이격되어 형성되며,
반응기체가 유입되는 매니폴드는 상기 입구측 매니폴드영역에 형성된 매니폴드 중 최상부에 형성된 매니폴드이고,
반응기체가 배출되는 매니폴드는 상기 출구측 매니폴드영역에 형성된 매니폴드 중 최하부에 형성된 매니폴드인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 5에 있어서,
상기 반응영역은 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 상부 반응영역, 중앙 반응영역 및 하부 반응영역으로 구분되고,
상기 다수의 반응기체 유입구는 상기 확산영역을 통하여 상기 상부 반응영역으로 반응기체를 유입시키는 다수의 상부 반응기체 유입구, 상기 중앙 반응영역으로 반응기체를 유입시키는 다수의 중앙 반응기체 유입구 및 상기 하부 반응영역으로 반응기체를 유입시키는 다수의 하부 반응기체 유입구로 구분되며,
상기 상부 반응기체 유입구의 크기는 상기 하부 반응기체 유입구의 크기보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 6에 있어서,
상기 상부 반응기체 유입구의 개수는 상기 중앙 반응기체 유입구의 개수와 같거나 적게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 7에 있어서,
상기 다수의 중앙 반응기체 유입구의 크기는 각각 상기 상부 반응기체 유입구의 크기와 같거나 크게 형성되거나 상기 하부 반응기체 유입구의 크기와 같거나 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 6에 있어서,
상기 다수의 반응기체 유입구의 크기는 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 점진적으로 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 6에 있어서,
상기 다수의 반응기체 배출구는 상기 확산영역을 통하여 상기 상부 반응영역으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 상부 반응기체 배출구, 상기 중앙 반응영역으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 중앙 반응기체 배출구 및 상기 하부 반응영역으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 하부 반응기체 배출구로 구분되며,
상기 상부 반응기체 배출구의 크기는 하부 반응기체 배출구의 크기보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 10에 있어서,
상기 다수의 중앙 반응기체 배출구의 크기는 각각 상기 상부 반응기체 배출구의 크기와 같거나 크게 형성되거나 상기 하부 반응기체 배출구의 크기와 같거나 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 10에 있어서,
상기 다수의 반응기체 배출구의 크기는 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 점진적으로 크게 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 10에 있어서,
상기 하부 반응기체 배출구의 크기는 상기 하부 반응기체 유입구의 크기보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 5에 있어서,
상기 반응영역은 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향을 따라 상부 반응영역, 중앙 반응영역 및 하부 반응영역으로 구분되고,
상기 다수의 반응기체 유입구는 상기 확산영역을 통하여 상기 상부 반응영역으로 반응기체를 유입시키는 다수의 상부 반응기체 유입구, 상기 중앙 반응영역으로 반응기체를 유입시키는 다수의 중앙 반응기체 유입구 및 상기 하부 반응영역으로 반응기체를 유입시키는 다수의 하부 반응기체 유입구로 구분되며,
상기 다수의 상부 반응기체 유입구 중 일부 상부 반응기체 유입구의 크기는 상기 하부 반응기체 유입구의 크기보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 14에 있어서,
상기 다수의 반응기체 배출구는 상기 확산영역을 통하여 상기 상부 반응영역으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 상부 반응기체 배출구, 상기 중앙 반응영역으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 중앙 반응기체 배출구 및 상기 하부 반응영역으로부터 반응기체가 배출되는 다수의 하부 반응기체 배출구로 구분되며,
상기 다수의 상부 반응기체 배출구 중 일부 상부 반응기체 배출구의 크기는 하부 반응기체 배출구의 크기보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
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