KR20240051733A

KR20240051733A - 연료전지용 분리판

Info

Publication number: KR20240051733A
Application number: KR1020220131791A
Authority: KR
Inventors: 김선휘; 최현규; 김배정; 김찬기; 김현정; 김아름
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2022-10-13
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2024-04-22
Also published as: JP2024058532A; CN117895019A; EP4354557A1; US20240128480A1

Abstract

본 발명의 실시예는, 막전극접합체(MEA)를 포함하는 반응층에 적층되는 연료전지용 분리판으로, 반응층에 적층되는 플레이트 바디, 반응층을 마주하는 플레이트 바디의 일면에 마련되며 반응기체가 공급되는 제1방향을 따라 반응층과 플레이트 바디의 사이에 반응기체가 이동하는 반응채널을 정의하는 웨이브패턴, 및 웨이브패턴의 측단부를 따라 마련되며 반응층에 접촉하는 랜드(land)를 포함하는 것에 의하여, 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지용 분리판{SEPARATOR FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 보다 구체적으로 성능 및 작동 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판에 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 포함할 수 있다.

한편, 연료전지 스택의 성능을 극대화하기 위해서는 막전극접합체에 공급되는 반응기체의 반응면적 및 전달효율을 향상시킬 수 있어야 한다.

특히, 연료전지 스택의 성능 및 출력은 막전극접합체에 전달되는 반응기체의 전달 유량에 따라 정해지게 되므로, 연료전지 스택의 성능 및 출력을 향상시키기 위해서는 막전극접합체에 전달되는 반응기체의 전달 유량을 충분히 확보할 수 있어야 한다.

그러나, 기존에는 막전극접합체와 분리판의 사이에 공급된 반응기체가 막전극접합체에 수평한 방향을 따라서 이동하도록 구성됨에 따라, 분리판에서 막전극접합체를 향하는 반응기체의 유동 흐름을 형성하기 어려운 문제점이 있고, 이로 인해, 막전극접합체에 전달되는 반응기체의 전달 유량을 충분하게 확보하기 어려워(막전극접합체로 공급되는 반응기체의 반응면적 및 전달효율을 확보하기 어려워), 연료전지 스택의 성능 및 출력을 향상시키기 어려운 문제점이 있다.

또한, 기존에는 연료전지 스택의 성능을 극대화하기 위해서, 메탈 폼(metal foam) 또는 와이어 메쉬(wire mesh) 등과 같은 다공성부재를 분리판(예를 들어, 캐소드 분리판)에 마련하여, 막전극접합체의 면압을 균등하게 분산시키고, 반응기체의 확산 및 생성수(응축수) 배출 성능을 향상시키는 방안이 제시된 바 있다. 그러나, 기존에는 기체확산층과 분리판의 사이에 별도의 다공성부재를 마련해야 함에 따라, 구조 및 제작공정이 복잡해지고 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다.

이에 따라, 최근에는 반응기체의 반응면적 및 전달효율을 확보하면서 구조를 간소화하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 성능(출력) 및 작동 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명의 실시예는 막전극접합체(반응층)로 공급되는 반응기체의 반응면적 및 전달 효율을 보장할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

무엇보다도, 본 발명의 실시예는 분리판의 평면 방향(제1방향)을 따른 반응기체의 유동 흐름을 보장하면서, 분리판의 두께 방향(분리판에서 막전극접합체를 향하는 제3방향)을 따른 반응기체의 유동 흐름을 형성할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 구조 및 제조공정을 간소화하고, 제조 원가를 절감할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 응축수의 배출 성능을 향상시키고, 플러딩(flooding) 현상을 억제할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 냉각수의 원활한 유동 흐름을 보장하고 냉각 성능 및 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 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, 막전극접합체(MEA)를 포함하는 반응층에 적층되는 연료전지용 분리판은, 반응층에 적층되는 플레이트 바디, 반응층을 마주하는 플레이트 바디의 일면에 마련되며 반응기체가 공급되는 제1방향을 따라 반응층과 플레이트 바디의 사이에 반응기체가 이동하는 반응채널을 정의하는 웨이브패턴, 및 웨이브패턴의 측단부를 따라 마련되며 반응층에 접촉하는 랜드(land)를 포함한다.

이는, 연료전지 스택의 성능 및 작동 효율을 향상시키기 위함이다.

즉, 연료전지 스택의 성능 및 출력은 막전극접합체(반응층)에 전달되는 반응기체의 전달 유량에 따라 정해지게 되므로, 연료전지 스택의 성능 및 출력을 향상시키기 위해서는 막전극접합체에 전달되는 반응기체의 전달 유량을 최대한 확보할 수 있어야 한다.

하지만, 본 발명의 실시예는, 반응층을 마주하는 플레이트 바디에 일면에 웨이브패턴을 마련하고, 웨이브패턴을 따라 반응기체가 유동하도록 하는 것에 의하여, 막전극접합체(반응층)로 공급되는 반응기체의 반응면적 및 전달 효율을 보장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명의 실시예는 반응기체가 웨이브패턴의 울퉁불퉁한 표면을 따라 이동하도록 하는 것에 의하여, 분리판의 평면 방향(제1방향)을 따른 반응기체의 유동 흐름을 보장하면서, 분리판의 두께 방향(분리판에서 막전극접합체를 향하는 제3방향)을 따른 반응기체의 유동 흐름을 형성할 수 있으므로, 막전극접합체로의 물질 전달 성능(반응 기체 전달 유량)을 보다 향상시킬 수 있으며, 연료전지 스택의 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예는 다공성부재를 배제하고, 분리판이 직접 기체확산층에 접촉되도록 하는 것에 의하여, 기체확산층과 분리판 간의 접촉저항(전기저항)을 낮출 수 있으며, 응력집중현상을 최소화할 수 있으므로 연료전지 스택의 체결시 기체확산층의 변형 및 손상을 최소화하고 내구성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

더욱이, 본 발명의 실시예는 다공성부재를 배제할 수 있으므로, 다공성부재를 분리판에 결합하기 위한 용접 공정을 배제할 수 있으므로, 분리판의 구조 및 제작 공정을 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

웨이브패턴은 요철(concave-convex)과 같이 울퉁불퉁한 표면을 갖는 다양한 구조로 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 웨이브패턴은, 반응층을 마주하는 플레이트 바디의 일면에 돌출되게 제공되는 산부(crest portion), 및 산부와 연속적인 파형(waveform)을 이루도록 제1방향을 따른 산부의 단부에 연결되는 골부(trough portion)를 포함할 수 있다.

산부는 플레이트 바디의 일면에 돌출 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 산부는, 반응기체를 반응층을 향해 안내하는 제1경사부, 및 제1경사부의 하류에 마련되며 제1경사부를 통과한 반응기체를 플레이트 바디를 향해 안내하는 제2경사부를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 산부는 제1경사부와 제2경사부의 사이에 마련되는 평탄부를 포함하는 것도 가능하다.

산부의 기준높이(분리판의 두께 방향을 따른 높이)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

일 예로, 산부는 플레이트 바디의 두께 방향을 따른 제3방향을 따라 기설정된 기준높이를 갖도록 정의될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 웨이브패턴과 랜드는 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 교호적(alternation)으로 배치되도록 복수개가 마련될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지용 분리판은, 플레이트 바디의 다른 일면에 마련되며, 냉각수가 유동하는 냉각채널을 포함할 수 있다.

냉각채널은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 냉각채널은 랜드의 내부 공간을 따라 정의될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지용 분리판은, 플레이트 바디의 다른 일면에 마련되며, 서로 인접한 냉각채널을 연통되게 연결하는 연결냉각채널을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 연결냉각채널은 산부의 내부 공간을 따라 정의될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 연결냉각채널을 매개로 서로 인접한 냉각채널이 서로 연통되도록 하는 것에 의하여, 냉각수의 이동성을 보다 향상시킬 수 있으므로, 냉각수에 의한 냉각 성능 및 냉각 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명의 실시예는 연결냉각채널이 산부의 내부 공간을 가로지르도록 하는 것에 의하여, 웨이브채널에 대응하는 분리판의 다른 일면을 직접 냉각하는 가능하므로, 냉각수에 의한 냉각 성능 및 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

더욱이, 본 발명의 실시예는, 서로 다른 냉각채널이 연결냉각채널을 매개로 상호 연통되도록 하는 것에 의하여, 서로 다른 냉각채널을 따라 이동하는 냉각수가 연결냉각채널을 매개로 혼합될 수 있으므로, 서로 냉각채널을 따라 이동하는 냉각수 간의 온도 편차를 최소화하고, 분리판의 전체 영역을 균일한 온도로 냉각하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 웨이브패턴 및 랜드는 제2방향(Y 방향)을 따라 교호적(alternation)으로 배치되도록 복수개가 마련되되, 각 웨이브패턴의 산부는 제2방향을 따라 서로 다른 선상에 배치될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 서로 다른 웨이브패턴을 구성하는 복수개의 산부가 서로 다른 선상에 교번적으로 배치되도록 하는 것에 의하여, 반응채널 간 반응기체의 이동을 촉진(특정 반응채널을 따라 이동하는 반응기체가 기체확산층을 거쳐 다른 반응채널로 이동하는 것을 촉진)시킬 수 있으므로, 반응기체의 반응 효율을 보다 향상시킬 수 있고, 반응층에서의 응축수 배출 성능을 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 연료전지 스택의 출력 성능을 향상시키고 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 각 웨이브패턴의 산부가 제2방향을 따라 서로 다른 선상에 배치되도록 하는 것에 의하여, 산부의 내부 공간을 따라 정의되는 연결냉각채널 역시 제2방향을 따라 서로 다른 선상에 배치될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 각 산부의 내부 공간을 따라 정의되는 연결냉각채널이 서로 다른 선상에 교번적으로 배치되도록 하는 것에 의하여, 서로 다른 냉각채널 간 냉각수의 이동을 보장하면서 제1방향을 따른 냉각수의 원활한 흐름을 보장(냉각채널의 차압 감소)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

산부를 구성하는 제1경사부의 제1각도와 제2경사부의 제2각도는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 웨이브패턴을 구성하는 산부는 제1경사부 및 제2경사부를 포함하되, 제1경사부는 제1각도를 갖도록 정의되고, 제2경사부는 제1각도와 다른 제2각도를 갖도록 정의될 수 있다.

바람직하게, 제1경사부의 제1각도는 제2경사부의 제2각도보다 작게 정의될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 제1경사부의 제1각도를 제2경사부의 제2각도보다 작게 하는 것에 의하여, 반응기체가 제1경사부에 접촉함에 따른 반응기체의 압력손실(압력강하)을 최소화할 수 있고, 반응기체가 제1경사부를 통과한 이후에는 반응기체가 제2경사부를 따라 보다 빠르게 이동할 수 있으므로, 반응기체의 이동(공급) 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 반응채널은, 반응기체가 유입되는 입구부, 입구부의 하류(down-stream)에 정의되는 중앙부, 중앙부의 하류(down-stream)에 정의되며 반응기체가 배출되는 출구부를 포함할 수 있고, 산부는 입구부, 중앙부, 출구부 중 적어도 어느 하나에 마련될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 산부는 제1방향을 따라 이격되게 복수개가 제공되되, 서로 인접한 산부 사이의 기준거리는 입구부, 중앙부, 출구부 별로 서로 다르게 정의될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 산부의 기준거리는 제1방향을 따라 하류로 갈수록 감소하도록 정의될 수 있다.

이는, 제1방향을 따라 반응채널의 하류로 갈수록(입구부에서 출구부 방향으로 갈수록) 반응기체의 농도가 저하된다는 것에 기인한 것으로, 제1방향을 따라 반응채널의 하류로 갈수록 산부의 기준거리가 감소하도록 하는 것에 의하여, 다시 말해서, 제1방향을 따라 반응채널의 하류로 갈수록 산부가 보다 짧은 간격으로 촘촘히 배치되도록 하는 것에 의하여, 막전극접합체를 통과하는 반응기체의 유속(또는 유량)을 조절할 수 있으므로, 반응채널의 전 구간에서 막전극접합체로의 물질 전달 성능(반응 기체 전달 유량) 및 반응 효율을 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 반응채널의 구간(예를 들어, 입구부, 중앙부, 출구부) 별로 웨이브패턴을 구성하는 산부의 기준높이를 다르게 정의하여 반응채널의 구간 별로 막전극접합체로의 물질 전달 성능을 조절하는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 웨이브패턴은, 플레이트 바디의 일면에 제공되며 플레이트 바디의 두께 방향을 따라 제1기준높이를 갖도록 정의되는 제1산부, 및 제1방향을 따라 제1산부로부터 이격되게 제1산부의 하류에 제공되며 제1기준높이와 다른 제2기준높이를 갖도록 정의되는 제2산부를 포함할 수 있다.

바람직하게, 제2산부의 제2기준높이는 제1산부의 제1기준높이보다 크게 정의될 수 있다.

이와 같이, 제1산부보다 하류에 위치하는 제2산부의 제2기준높이를 제1산부의 제1기준높이보다 크게 정의하는 것에 의하여, 반응채널의 하류로 갈수록 반응기체의 농도가 저하되더라도, 막전극접합체를 통과하는 반응기체의 유속(또는 유량)을 조절할 수 있으므로, 반응채널의 전 구간에서 막전극접합체로의 물질 전달 성능(반응 기체 전달 유량) 및 반응 효율을 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 스택의 성능(출력) 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따르면 막전극접합체(반응층)로 공급되는 반응기체의 반응면적 및 전달 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명의 실시예에 따르면 분리판의 평면 방향(제1방향)을 따른 반응기체의 유동 흐름을 보장하면서, 분리판의 두께 방향(분리판에서 막전극접합체를 향하는 제3방향)을 따른 반응기체의 유동 흐름을 형성할 수 있으며, 막전극접합체(반응층)로의 물질 전달 성능(반응 기체 전달 성능)을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 기체확산층과 분리판 간의 접촉저항(전기저항)을 낮출 수 있으며, 연료전지 스택의 출력을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 구조 및 제조공정을 간소화하고, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 응축수의 배출 성능을 향상시키고, 플러딩(flooding) 현상을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 냉각수의 원활한 유동 흐름을 보장하고 냉각 성능 및 냉각 효율을 향상시키는 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 연료전지용 분리판이 적용된 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판으로서, 웨이브패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판으로서, 연결냉각채널을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판으로서, 웨이브패턴의 변형예를 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 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(10)은, 막전극접합체(MEA)(110)를 포함하는 반응층(100), 반응층(100)에 적층되는 플레이트 바디(210), 반응층(100)을 마주하는 플레이트 바디(210)의 일면에 마련되며 반응기체가 공급되는 제1방향(X 방향)을 따라 반응층(100)과 플레이트 바디(210)의 사이에 반응기체가 이동하는 반응채널(221)을 정의하는 웨이브패턴(220), 및 웨이브패턴(220)의 측단부를 따라 마련되며 반응층(100)에 접촉하는 랜드(land)(230)를 포함한다.

참고로, 연료전지 스택(10)은, 복수개의 단위셀을 기준 방향(예를 들어, 도 1을 기준으로 상하 방향)(Z 방향)적층하여 구성될 수 있다.

연료전지 셀(단위 셀)은, 반응층(100), 및 반응층(100)의 양면에 각각 적층되는 분리판(200)을 포함할 수 있으며, 복수개의 연료전지 셀을 기준 방향으로 적층한 후, 그 양단에 엔드플레이트(미도시)를 조립함으로써 연료전지 스택(10)을 구성할 수 있다.

보다 구체적으로, 반응층(100)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(110), 및 막전극접합체(110)에 적층되어 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(120)을 포함할 수 있다.

막전극접합체(110)는, 제1반응기체인 연료(예를 들어, 수소)와 제2반응기체인 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하도록 마련된다.

막전극접합체(110)의 구조 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 막전극접합체(110)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 막전극접합체(110)는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 전해질막의 양면에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층을 부착하여 구성될 수 있다.

기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(120)은, 막전극접합체(110)의 양측에 적층되며, 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행한다.

기체확산층(120)은 반응기체를 확산시킬 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 기체확산층(120)은 소정 사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조로 제공될 수 있다.

기체확산층(120)의 기공 사이즈 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 기체확산층(120)의 기공 사이즈 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

분리판(200)은, 반응기체인 수소와 공기를 차단(분리)하는 역할 외에, 반응기체의 유로 확보 및 외부 회로에 전류를 전달하는 역할을 수행하도록 마련된다.

또한, 분리판(200)은 연료전지 셀(단위셀)에서 발생된 열을 연료전지 셀 전체에 분배하는 역할도 수행하며, 과도하게 발생된 열은 분리판(200)의 냉각채널(240)을 따라 이동하는 냉각수에 의해 외부로 배출될 수 있다.

본 발명의 실시예에서 분리판(200)이라 함은, 연료인 수소의 유로를 형성하는 애노드 분리판, 및 산화제인 공기의 유로를 형성하는 캐소드 분리판을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.

일 예로, 분리판(200)은 박막 금속(예를 들어, 스테인리스, 인코넬, 알루미늄)으로 형성될 수 있다. 분리판(200)(애노드 분리판, 캐소드 분리판)은 반응층(100)과 함께 하나의 연료전지 셀(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.

참고로, 연료인 수소와 산화제인 공기가 분리판(200)(캐소드 분리판 및 애노드 분리판)의 반응채널(221)을 통해 막전극접합체(110)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(120)과 분리판(200)을 통해 캐소드로 전달된다.

캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판(200)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(110)의 일면에는 수소를 공급하는 분리판(200)(예를 들어, 애노드 분리판)이 배치될 수 있고, 막전극접합체(110)의 다른 일면에는 공기를 공급하는 분리판(200)(예를 들어, 캐소드 분리판)이 배치될 수 있다.

보다 구체적으로, 분리판(200)은, 반응층(100)의 외면(막전극접합체에 적층되는 기체확산층의 외면)에 적층되는 플레이트 바디(210), 반응층(100)을 마주하는 플레이트 바디(210)의 일면에 마련되며 반응기체가 공급되는 제1방향(X 방향)을 따라 반응층(100)과 플레이트 바디(210)의 사이에 반응기체가 이동하는 반응채널(221)을 정의하는 웨이브패턴(220), 및 웨이브패턴(220)의 측단부를 따라 마련되며 반응층(100)에 접촉하는 랜드(land)(230)를 포함한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 플레이트 바디(210)는 평평한 박막의 플레이트로 형성될 수 있으며, 플레이트 바디(210)의 사이즈, 재질 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 플레이트 바디(210)는 평평한 사각형 플레이트 형태로 형성될 수 있으며, 통상의 금속 재질(예를 들어, 스테인리스, 인코넬, 알루미늄)로 형성될 수 있다.

웨이브패턴(220)은 반응기체가 공급되는 제1방향(X 방향)을 따라 반응기체가 이동하는 반응채널(221)을 정의하도록 반응층(100)을 마주하는 플레이트 바디(210)의 일면(도 2를 기준으로 상면)에 마련된다.

참고로, 본 발명의 실시예에서 제1방향(X 방향)이라 함은, 분리판(200)의 일단에서 분리판(200)의 내부(또는 분리판의 다른 일단)를 향해 공급되는 반응기체의 공급 방향으로 정의될 수 있다.

웨이브패턴(220)은 요철(concave-convex)과 같이 울퉁불퉁한 표면을 갖는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 웨이브패턴(220)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예에 따르면, 웨이브패턴(220)은, 반응층(100)을 마주하는 플레이트 바디(210)의 일면에 돌출되게 제공되는 산부(crest portion)(222), 및 산부(222)와 연속적인 파형(waveform)을 이루도록 제1방향(X 방향)을 따른 산부(222)의 단부에 연결되는 골부(trough portion)(224)를 포함할 수 있다.

산부(222)는 플레이트 바디(210)의 일면에 돌출 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 산부(222)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예에 따르면, 산부(222)는, 반응기체를 반응층(100)을 향해 안내하는 제1경사부(222a), 제1경사부(222a)의 하류에 마련되며 제1경사부(222a)를 통과한 반응기체를 플레이트 바디(210)를 향해 안내하는 제2경사부(222c), 및 제1경사부(222a)와 제2경사부(222c)의 사이에 마련되는 평탄부(222b)를 포함할 수 있으며, 제1경사부(222a), 제2경사부(222c) 및 평탄부(222b)는 상호 협조적으로 대략 사다리꼴 형태를 이루도록 제공될 수 있다.

일 예로, 제1경사부(222a)는 제1각도(θ1)를 갖도록 대략 직선 형태로 형성될 수 있고, 제2경사부(222c)는 제2각도(θ2)를 갖도록 대략 직선 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1경사부와 제2경사부를 곡선 형태(예를 들어, 원호 형태) 또는 직선 형태와 곡선 형태를 조합한 구조로 형성하는 것도 가능하다.

제1경사부(222a)의 제1각도(θ1) 및 제2경사부(222c)의 제2각도(θ2)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1각도(θ1) 및 제2각도(θ2)에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 도 3을 참조하면, 제1경사부(222a)의 제1각도(θ1) 및 제2경사부(222c)의 제2각도(θ2)는 서로 동일하게 정의될 수 있다.

참고로, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 산부(222)가 제1경사부(222a), 제2경사부(222c) 및 평탄부(222b)를 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 평탄부를 배제하고 제1경사부 및 제2경사부만으로 대략 삼각형 형태를 갖는 산부를 구성하는 것도 가능하다.

산부(222)의 기준높이(분리판의 두께 방향을 따른 높이)(H)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 산부(222)의 기준높이(H)에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

참고로, 산부(222)의 기준높이가 증가할수록 산부(222)를 타고 넘어가며 반응층(100)에 전달되는 반응기체의 농도가 증가할 수 있다. 다만, 산부(222)의 기준높이가 증가할수록 반응층(100)에 전달되는 반응기체의 농도가 증가할 수 있으나, 산부(222)에 의해 제1방향(X 방향)을 따른 반응기체의 유동 흐름이 저하(차압 증가)될 수 있으므로, 제1방향(X 방향)을 따른 반응기체의 원활한 유동 흐름을 보장할 수 있는 조건 내에서 산부(222)를 기준높이를 결정하는 것이 바람직하다.

일 예로, 웨이브패턴(220)을 구성하는 복수개의 산부(222)는 플레이트 바디(210)의 두께 방향을 따른 제3방향(Z 방향)을 따라 기설정된 동일한 기준높이(H)를 갖도록 구성될 수 있다.

골부(224)는 산부(222)와 연속적인 파형을 형성할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 골부(224)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 골부(224)는 대략 평탄한 직선 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 골부를 오목하거나 절곡된 곡선 형태로 형성하는 것도 가능하다.

바람직하게, 산부(222)와 골부(224)는 제1방향(X 방향)을 따라 교호적(alternation)으로 배치될 수 있다.

일 예로, 산부(222)는 제1방향(X 방향)을 따라 기설정된 기준거리(피치)(P)만큼 이격되게 복수개가 제공될 수 있다. 이때, 산부(222)의 기준거리(피치)(P)는 제1방향(X 방향)을 따른 제1경사부(222a)의 직선 길이(밑변 길이), 제1방향(X 방향)을 따른 평탄부(222b)의 길이, 제1방향(X 방향)을 따른 제2경사부(222c)의 직선 길이(밑변 길이), 제1방향(X 방향)을 따른 골부(224)의 직선 길이의 총 합으로 정의될 수 있다.

웨이브패턴(220)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 바람직하게, 웨이브패턴(220)은 플레이트 바디(210)의 일부를 부분적으로 가공(예를 들어, 프레스 가공)하여 플레이트 바디(210)에 일체로 형성될 수 있다.

더욱 바람직하게, 웨이브패턴(220)은 플레이트 바디(210)의 일부를 부분적으로 가공(예를 들어, 프레스 가공)하여 플레이트 바디(210)의 일면에 양각(relief)으로 형성될 수 있다. 아울러, 웨이브패턴(220)은 플레이트 바디(210)와 동일한 두께를 갖도록 형성될 수 있다.

이와 같이, 플레이트 바디(210)의 일부를 부분적으로 가공하여 웨이브패턴(220)을 형성하는 것에 의하여, 웨이브패턴(220)을 형성하기 위한 제조 공정을 간소화하고, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 다이캐스팅 또는 절삭 가공 등에 의해 플레이트 바디에 웨이브패턴을 형성하는 것도 가능하다. 다르게는 웨이브패턴을 플레이트 바디와 별도로 제작한 후, 플레이트 바디에 부착 또는 결합하는 것도 가능하다.

랜드(230)는 웨이브패턴(220)의 측단부를 따라 마련되며, 랜드(230)의 랜드(230)면(반응층에 인접한 최상면)(미도시)은 반응층(100)(반응층의 기체확산층)에 접촉한다.

랜드(230)는 반응층(100)에 접촉 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 랜드(230)의 형태 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 랜드(230)는 대략 사각 직선 블럭 형태를 갖도록 웨이브패턴(220)의 측단부를 따라 연속적으로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 랜드를 곡선 형태 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 웨이브패턴(220)과 랜드(230)는 제1방향(X 방향)에 교차하는 제2방향(Y 방향)을 따라 교호적(alternation)으로 배치되도록 복수개가 마련될 수 있다.

제2방향(Y 방향)은 제1방향(X 방향)과 동일 평면상에서 교차하는 다양한 방향으로 정의될 수 있다. 바람직하게, 제1방향(X 방향)과 제2방향(Y 방향)은 서로 수직(직교)하게 정의될 수 있다.

이하에서는, 각 웨이브패턴(220)의 산부(222)가 제2방향(Y 방향)을 따라 동일 선상(C)에 배치되는 예를 들어 설명하기로 한다.

아울러, 랜드(230)의 폭(제2방향을 따른 폭) 및 높이(분리판의 두께 방향을 따른 높이)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 랜드(230)의 높이 및 폭에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

랜드(230)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 바람직하게, 랜드(230)는 플레이트 바디(210)의 일부를 부분적으로 가공(예를 들어, 프레스 가공)하여 플레이트 바디(210)에 일체로 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게, 웨이브패턴(220)과 랜드(230)는 단일 공정으로 함께 형성될 수 있다.

웨이브패턴(220)과 마찬가지로, 랜드(230)는 플레이트 바디(210)의 일부를 부분적으로 가공하여 플레이트 바디(210)의 일면(반응층을 마주하는 면)에 양각(relief)으로 형성될 수 있고, 랜드(230)는 웨이브패턴(220) 및 플레이트 바디(210)와 동일한 두께를 갖도록 형성될 수 있다.

이와 같이, 플레이트 바디(210)의 일부를 부분적으로 가공하여 랜드(230)를 형성하는 것에 의하여, 랜드(230)를 형성하기 위한 제조 공정을 간소화하고, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 다이캐스팅 또는 절삭 가공 등에 의해 단차부에 랜드를 형성하는 것도 가능하다. 다르게는 랜드를 플레이트 바디와 별도로 제작한 후, 플레이트 바디에 부착 또는 결합하는 것도 가능하다.

반응채널(221)은 서로 인접한 랜드(230)의 사이에 배치되도록 플레이트 바디(210)와 반응층(100)의 사이에 정의되며, 분리판(200)에 공급된 반응기체는 반응채널(221)을 따라 제1방향(X 방향)으로 이동할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 분리판(200)에 공급된 반응기체가 울퉁불퉁한 표면을 갖는 웨이브패턴(220) 따라 이동하도록 하는 것에 의하여, 분리판(200)의 평면 방향(제1방향)을 따른 반응기체의 유동 흐름을 보장하면서, 분리판(200)의 두께 방향(분리판에서 막전극접합체를 향하는 제3방향)을 따른 반응기체의 유동 흐름(도 2 및 도 3의 GF1)을 형성할 수 있으므로, 막전극접합체(110)로의 물질 전달 성능(반응 기체 전달 유량)을 보다 향상시킬 수 있으며, 연료전지 스택(10)의 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예는 반응기체가 산부(222)를 타고 넘어가면서, 분리판(200)에서 반응층(100)을 향하는 방향을 따른 반응기체의 유동 흐름(GF1)이 형성되도록 하는 것에 의하여, 반응층(100)으로의 반응 기체 전달 성능을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지용 분리판(200)은, 플레이트 바디(210)의 다른 일면에 마련되며, 냉각수가 유동하는 냉각채널(240)을 포함할 수 있다.

냉각채널(240)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 냉각채널(240)에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

바람직하게, 냉각채널(240)은 랜드(230)의 내부 공간을 따라 연속적으로 정의된다.

여기서, 냉각채널(240)이 랜드(230)의 내부 공간에 정의된다 함은, 플레이트 바디(210)에 랜드(230)를 형성함에 따라 랜드(230)에 대응되게 플레이트 바디(210)의 다른 일면에 형성되는 공간(음각 공간)에 의해 냉각채널(240)이 제공되는 것으로 이해될 수 있다.

이와 같이, 플레이트 바디(210)에 랜드(230)를 형성함과 동시에, 냉각채널(240)이 함께 형성되도록 하는 것에 의하여, 분리판(200)의 구조 및 제조 공정을 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

바람직하게, 플레이트 바디(210)는 서로 밀착되게 적어도 2개가 마련되고, 각 플레이트 바디(210)에 마련되는 냉각채널(240)은 서로 연통되게 배치될 수 있다.

예를 들어, 2개의 플레이트 바디(210)는 서로 다른 연료전지 셀(단위셀)을 형성하도록 밀착(각 플레이트 바디의 다른 일면이 서로 마주하도록 밀착)될 수 있고, 각 플레이트 바디(210)에 마련되는 냉각채널(240)은 서로 연통되며 공용 냉각채널(미도시)을 정의할 수 있다.

이와 같이, 2개의 냉각채널(240)을 연통시켜 보다 확장된 단면적(예를 들어, 냉각채널의 단면적×2)을 갖는 공용 냉각채널이 제공되도록 하는 것에 의하여, 냉각수의 이동성을 향상시킬 수 있으므로, 냉각수에 의한 냉각 성능 및 냉각 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지용 분리판(200)은, 플레이트 바디(210)의 다른 일면에 마련되며, 서로 인접한 냉각채널(240)을 연통되게 연결하는 연결냉각채널(250)을 포함할 수 있다.

연결냉각채널(250)은 서로 인접한 냉각채널(240)을 연통되게 연결할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 연결냉각채널(250)에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예에 따르면, 연결냉각채널(250)은 산부(222)의 내부 공간을 따라 정의될 수 있다.

여기서, 연결냉각채널(250)이 산부(222)의 내부 공간에 정의된다 함은, 플레이트 바디(210)에 산부(222)를 형성함에 따라 산부(222)에 대응되게 플레이트 바디(210)의 다른 일면에 형성되는 공간(음각 공간)에 의해 연결냉각채널(250)이 제공되는 것으로 이해될 수 있다. 이와 같이, 플레이트 바디(210)에 산부(222)를 형성함과 동시에, 연결냉각채널(250)이 함께 형성되도록 하는 것에 의하여, 분리판(200)의 구조 및 제조 공정을 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 연결냉각채널(250)을 매개로 서로 인접한 냉각채널(240)이 서로 연통되도록 하는 것에 의하여, 냉각수의 이동성을 보다 향상시킬 수 있으므로, 냉각수에 의한 냉각 성능 및 냉각 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명의 실시예는 연결냉각채널(250)이 산부(222)의 내부 공간을 가로지르도록 하는 것에 의하여, 웨이브채널에 대응하는 분리판(200)의 다른 일면을 직접 냉각하는 가능하므로, 냉각수에 의한 냉각 성능 및 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

더욱이, 본 발명의 실시예는, 서로 다른 냉각채널(240)이 연결냉각채널(250)을 매개로 상호 연통되도록 하는 것에 의하여, 서로 다른 냉각채널(240)을 따라 이동하는 냉각수가 연결냉각채널(250)을 매개로 혼합될 수 있으므로, 서로 냉각채널(240)을 따라 이동하는 냉각수 간의 온도 편차를 최소화하고, 분리판(200)의 전체 영역을 균일한 온도로 냉각하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 웨이브패턴(220) 및 랜드(230)가 제2방향(Y 방향)을 따라 교호적(alternation)으로 배치되도록 복수개가 마련되되, 각 웨이브패턴(220)의 산부(222)가 제2방향(Y 방향)을 따라 동일 선상(C)에 배치된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 각 웨이브패턴의 산부가 제2방향을 따라 서로 다른 선상에 배치되도록 구성하는 것도 가능하다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 웨이브패턴(220) 및 랜드(230)는 제2방향(Y 방향)을 따라 교호적(alternation)으로 배치되도록 복수개가 마련되되, 각 웨이브패턴(220)의 산부(222)는 제2방향(Y 방향)을 따라 서로 다른 선상에 배치될 수 있다.

일 예로, 복수개의 웨이브패턴(220) 중 적어도 어느 하나를 구성하는 산부(222)는 제1라인(C1)을 중심으로 제2방향(Y 방향)을 따라 배치될 수 있고, 복수개의 웨이브패턴(220) 중 적어도 어느 다른 하나를 구성하는 산부(222)는 제1라인(C1)과 이격된 제2라인(C2)을 중심으로 제2방향(Y 방향)을 따라 배치될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 서로 다른 웨이브패턴(220)을 구성하는 복수개의 산부(222)가 서로 다른 선상에 교번적으로 배치되도록 하는 것에 의하여, 반응채널 간 반응기체의 이동을 촉진(특정 반응채널을 따라 이동하는 반응기체가 기체확산층을 거쳐 다른 반응채널로 이동하는 것을 촉진)시킬 수 있으므로, 반응기체의 반응 효율을 보다 향상시킬 수 있고, 반응층에서의 응축수 배출 성능을 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 연료전지 스택(10)의 출력 성능을 향상시키고 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도 4를 참조하면, 각 웨이브패턴(220)의 산부(222)가 제2방향(Y 방향)을 따라 서로 다른 선상에 배치되도록 하는 것에 의하여, 산부(222)의 내부 공간을 따라 정의되는 연결냉각채널(250) 역시 제2방향(Y 방향)을 따라 서로 다른 선상에 배치될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 각 산부(222)의 내부 공간을 따라 정의되는 연결냉각채널(250)이 서로 다른 선상에 교번적으로 배치되도록 하는 것에 의하여, 서로 다른 냉각채널(240) 간 냉각수의 이동을 보장하면서 제1방향(X 방향)을 따른 냉각수의 원활한 흐름을 보장(냉각채널의 차압 감소)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 산부(222)를 구성하는 제1경사부(222a)의 제1각도(θ1)와 제2경사부(222c)의 제2각도(θ2)가 서로 동일하게 정의된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 산부를 구성하는 제1경사부의 제1각도와 제2경사부의 제2각도를 서로 다르게 정의하는 것도 가능하다.

도 6 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 웨이브패턴(220)을 구성하는 산부(222',222")는 제1경사부(222a',222a") 및 제2경사부(222c',222c")를 포함하되, 제1경사부(222a',222a")는 제1각도(θ1',θ1")를 갖도록 정의되고, 제2경사부(222c',222c")는 제1각도(θ1',θ1")와 다른 제2각도(θ2',θ2")를 갖도록 정의될 수 있다.

바람직하게, 제1경사부(222a',222a")의 제1각도(θ1',θ1")는 제2경사부(222c',222c")의 제2각도(θ2',θ2")보다 작게 정의될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 제1경사부(222a',222a")의 제1각도(θ1',θ1")를 제2경사부(222c',222c")의 제2각도(θ2',θ2")보다 작게(예를 들어, θ1'<θ2') 하는 것에 의하여, 반응기체가 제1경사부(222a',222a")에 접촉함에 따른 반응기체의 압력손실(압력강하)을 최소화할 수 있고, 반응기체가 제1경사부(222a',222a")를 통과한 이후에는 반응기체가 제2경사부(222c',222c")를 따라 보다 빠르게 이동할 수 있으므로, 반응기체의 이동(공급) 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

더욱 바람직하게, 제1경사부(222a',222a")의 길이(또는 제1방향을 따른 제1경사부의 직선 길이)는 제2경사부(222c',222c")의 길이(또는 제1방향을 따른 제2경사부의 직선 길이)보다 길게 정의될 수 있다.

이와 같이, 제1경사부(222a',222a")의 길이를 제2경사부(222c',222c")의 길이보다 길게 형성하는 것에 의하여, 실질적으로 분리판(200)의 두께 방향(분리판에서 막전극접합체를 향하는 제3방향)을 따른 반응기체의 유동 흐름을 발생시키는 구간을 충분히 확보하는 것이 가능하며, 막전극접합체(110)로의 물질 전달 성능(반응 기체 전달 유량)을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 반응채널(221)은, 반응기체가 유입되는 입구부(221a), 입구부(221a)의 하류(down-stream)에 정의되는 중앙부(221b), 중앙부(221b)의 하류(down-stream)에 정의되며 반응기체가 배출되는 출구부(221c)를 포함할 수 있고, 산부(222)는 입구부(221a), 중앙부(221b), 출구부(221c) 중 적어도 어느 하나에 마련될 수 있다.

이하에서는, 반응채널(221)의 전 구간(예를 들어, 입구부, 중앙부, 출구부)에 걸쳐 산부(222)가 마련된 예를 들어 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 반응채널의 입구부에만 산부를 마련하거나, 반응채널의 출구부에만 산부를 마련하는 것도 가능하다. 다르게는 반응채널의 중앙부에는 산부를 형성하지 않고 반응채널의 입구부와 반응채널의 출구부에만 산부를 마련하는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 산부(222)는 제1방향(X 방향)을 따라 이격되게 복수개가 제공되되, 서로 인접한 산부(222) 사이의 기준거리는 입구부(221a), 중앙부(221b), 출구부(221c) 별로 서로 다르게 정의될 수 있다.

바람직하게, 산부(222)의 기준거리는 제1방향(X 방향)을 따라 하류로 갈수록 감소하도록 정의될 수 있다. 예를 들어, 기준거리는 입구부(221a)에서 출구부(221c) 방향으로 갈수록 감소하도록 정의될 수 있다.

예를 들어, 도 9를 참조하면, 웨이브패턴(220)은, 제1기준거리(P1)를 갖도록 정의되는 제1산부(222'), 및 제1방향(X 방향)을 따라 제1산부(222')의 하류에 제공되며 제1기준거리(P1)보다 짧은 기준거리(P2)를 갖도록 정의되는 제2산부(222")를 포함할 수 있다.

이는, 제1방향(X 방향)을 따라 반응채널(221)의 하류로 갈수록(예를 들어, 입구부에서 출구부 방향으로 갈수록) 반응기체의 농도가 저하된다는 것에 기인한 것으로, 제1방향(X 방향)을 따라 반응채널(221)의 하류로 갈수록 산부(222)의 기준거리가 감소(P1>P2)하도록 하는 것에 의하여, 다시 말해서, 제1방향(X 방향)을 따라 반응채널(221)의 하류로 갈수록 산부(222)가 보다 짧은 간격으로 촘촘히 배치되도록 하는 것에 의하여, 막전극접합체(110)를 통과하는 반응기체의 유속(또는 유량)을 조절할 수 있으므로(예를 들어, 반응채널의 하류로 갈수록 반응기체의 유속을 증가시킬 수 있으므로), 반응채널(221)의 전 구간에서 막전극접합체(110)로의 물질 전달 성능(반응 기체 전달 유량) 및 반응 효율을 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

전술한 실시예에서는 산부(222)의 기준거리(예를 들어, P1, P2)에 기초하여 반응채널(221)의 구간 별로 막전극접합체(110)로의 물질 전달 성능(반응 기체 전달 유량)을 조절하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 산부의 기준높이에 기초하여 반응채널의 구간 별로 막전극접합체로의 물질 전달 성능을 조절하는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 반응채널(221)의 구간(예를 들어, 입구부, 중앙부, 출구부) 별로 웨이브패턴(220)을 구성하는 산부(222',222")의 기준높이(예를 들어, H1,H2)를 다르게 정의하여 반응채널(221)의 구간 별로 막전극접합체(110)로의 물질 전달 성능을 조절할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 9를 참조하면, 웨이브패턴(220)은, 플레이트 바디(210)의 일면에 제공되며 플레이트 바디(210)의 두께 방향을 따라 제1기준높이(H1)를 갖도록 정의되는 제1산부(222'), 및 제1방향(X 방향)을 따라 제1산부(222')로부터 이격되게 제1산부(222')의 하류에 제공되며 제1기준높이(H1)와 다른 제2기준높이(H2)를 갖도록 정의되는 제2산부(222")를 포함할 수 있다.

바람직하게, 제2산부(222")의 제2기준높이(H2)는 제1산부(222')의 제1기준높이(H1)보다 크게 정의될 수 있다.

이와 같이, 제1산부(222')보다 하류에 위치하는 제2산부(222")의 제2기준높이(H2)를 제1산부(222')의 제1기준높이(H1)보다 크게 정의하는 것에 의하여, 반응채널(221)의 하류로 갈수록 반응기체의 농도가 저하되더라도, 막전극접합체(110)를 통과하는 반응기체의 유속(또는 유량)을 조절할 수 있으므로(예를 들어, 반응채널의 하류로 갈수록 반응기체의 유속을 증가시킬 수 있으므로), 반응채널(221)의 전 구간에서 막전극접합체(110)로의 물질 전달 성능(반응 기체 전달 유량) 및 반응 효율을 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 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 스택
100 : 반응층
110 : 막전극접합체
120 : 기체확산층
200 : 분리판
210 : 플레이트 바디
220 : 웨이브패턴
221 : 반응채널
221a : 입구부
221b : 중앙부
221c : 출구부
222 : 산부
222' : 제1산부
222" : 제2산부
222a,222a',222a" : 제1경사부
222b,222b',222b" : 평탄부
222c,222c',222c" : 제2경사부
224 : 골부
230 : 랜드
240 : 냉각채널
250 : 연결냉각채널

Claims

막전극접합체(MEA)를 포함하는 반응층에 적층되는 연료전지용 분리판으로서,
상기 반응층에 적층되는 플레이트 바디;
상기 반응층을 마주하는 상기 플레이트 바디의 일면에 마련되며, 반응기체가 공급되는 제1방향을 따라 상기 반응층과 상기 플레이트 바디의 사이에 상기 반응기체가 이동하는 반응채널을 정의하는 웨이브패턴; 및
상기 웨이브패턴의 측단부를 따라 마련되며, 상기 반응층에 접촉하는 랜드(land);
를 포함하는 연료전지용 분리판.
제1항에 있어서,
상기 웨이브패턴은,
상기 반응층을 마주하는 상기 플레이트 바디의 일면에 돌출되게 제공되는 산부(crest portion); 및
상기 산부와 연속적인 파형(waveform)을 이루도록 상기 제1방향을 따른 상기 산부의 단부에 연결되는 골부(trough portion);
를 포함하는 연료전지용 분리판.
제2항에 있어서,
상기 산부는,
상기 반응기체를 상기 반응층을 향해 안내하는 제1경사부; 및
상기 제1경사부의 하류에 마련되며, 상기 제1경사부를 통과한 상기 반응기체를 상기 플레이트 바디를 향해 안내하는 제2경사부;
를 포함하는 연료전지용 분리판.
제3항에 있어서,
상기 제1경사부는 제1각도를 갖도록 정의되고, 상기 제2경사부는 상기 제1각도와 다른 제2각도를 갖도록 정의되는 연료전지용 분리판.
제4항에 있어서,
상기 제1각도는 상기 제2각도보다 작게 정의되는 연료전지용 분리판.
제3항에 있어서,
상기 산부는 상기 제1경사부와 상기 제2경사부의 사이에 마련되는 평탄부를 포함하는 연료전지용 분리판.
제2항에 있어서,
상기 웨이브패턴과 상기 랜드는 상기 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 교호적(alternation)으로 배치되도록 복수개가 마련되는 연료전지용 분리판.
제7항에 있어서,
상기 산부는 상기 제2방향을 따라 동일 선상에 배치되는 연료전지용 분리판.
제7항에 있어서,
상기 산부는 상기 제2방향을 따라 서로 다른 선상에 배치되는 연료전지용 분리판.
제2항에 있어서,
상기 플레이트 바디의 다른 일면에 마련되며, 냉각수가 유동하는 냉각채널을 포함하는 연료전지용 분리판.
제10항에 있어서,
상기 냉각채널은 상기 랜드의 내부 공간을 따라 정의되는 연료전지용 분리판.
제10항에 있어서,
상기 플레이트 바디의 다른 일면에 마련되며, 서로 인접한 상기 냉각채널을 연통되게 연결하는 연결냉각채널을 포함하는 연료전지용 분리판.
제12항에 있어서,
상기 연결냉각채널은 상기 산부의 내부 공간을 따라 정의되는 연료전지용 분리판.
제2항에 있어서,
상기 산부는 상기 제1방향을 따라 기설정된 기준거리만큼 이격되게 복수개가 제공되는 연료전지용 분리판.
제2항에 있어서,
상기 반응채널은,
상기 반응기체가 유입되는 입구부;
상기 입구부의 하류(down-stream)에 정의되는 중앙부;
상기 중앙부의 하류(down-stream)에 정의되며, 상기 반응기체가 배출되는 출구부;를 포함하고,
상기 산부는 상기 입구부, 상기 중앙부, 상기 출구부 중 적어도 어느 하나에 마련되는 연료전지용 분리판.
제15항에 있어서,
상기 산부는 상기 제1방향을 따라 이격되게 복수개가 제공되되,
서로 인접한 상기 산부 사이의 기준거리는 상기 입구부, 상기 중앙부, 상기 출구부 별로 서로 다르게 정의되는 연료전지용 분리판.
제16항에 있어서,
상기 기준거리는 상기 제1방향을 따라 하류로 갈수록 감소하도록 정의되는 연료전지용 분리판.
제2항에 있어서,
상기 산부는 상기 플레이트 바디의 두께 방향을 따른 제3방향을 따라 기설정된 기준높이를 갖도록 정의되는 연료전지용 분리판.
제2항에 있어서,
상기 웨이브패턴은,
상기 플레이트 바디의 상기 일면에 제공되며, 상기 플레이트 바디의 두께 방향을 따른 제3방향을 따라 제1기준높이를 갖도록 정의되는 제1산부; 및
상기 제1방향을 따라 제1산부로부터 이격되게 상기 제1산부의 하류에 제공되며, 상기 제1기준높이와 다른 제2기준높이를 갖도록 정의되는 제2산부;
를 포함하는 연료전지용 분리판.
제19항에 있어서,
상기 제2기준높이는 상기 제1기준높이보다 크게 정의되는 연료전지용 분리판.