KR20240074100A - 연료전지용 분리판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응기체가 배출유로를 통하여 유동되는 전형적인 유동경로와는 다르게 반응기체가 유동되는 서브 경로를 함께 제공하여 배출유로에서 생성수가 정체되거나 막히는 현상을 억제시킬 수 있는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 중앙에 형성되는 반응영역과; 상기 반응영역의 양측으로 각각 반응기체가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드가 관통되어 형성되는 한 쌍의 매니폴드영역을 포함하고, 상기 매니폴드영역에는 반응기체가 배출되는 매니폴드의 가장자리를 따라 기밀라인을 형성하는 출구측 가스켓라인이 형성되고, 상기 출구측 가스켓라인 중 상기 반응영역에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 상기 매니폴드 방향으로 연장되는 다수의 출구측 가스켓발이 형성되며, 상기 매니폴드영역에는 상기 다수의 출구측 가스켓발 사이 공간으로 반응기체가 배출되는 다수의 배출유로가 형성되고, 상기 다수의 출구측 가스켓발 중 적어도 하나 이상의 출구측 가스켓발에는 반응기체가 상기 배출유로에 의해 유동되는 경로와 다른 유동경로를 제공하는 서브유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 중앙에 형성되는 반응영역과; 상기 반응영역의 양측으로 각각 반응기체가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드가 관통되어 형성되는 한 쌍의 매니폴드영역을 포함하고, 상기 매니폴드영역에는 반응기체가 배출되는 매니폴드의 가장자리를 따라 기밀라인을 형성하는 출구측 가스켓라인이 형성되고, 상기 출구측 가스켓라인 중 상기 반응영역에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 상기 매니폴드 방향으로 연장되는 다수의 출구측 가스켓발이 형성되며, 상기 매니폴드영역에는 상기 다수의 출구측 가스켓발 사이 공간으로 반응기체가 배출되는 다수의 배출유로가 형성되고, 상기 다수의 출구측 가스켓발 중 적어도 하나 이상의 출구측 가스켓발에는 반응기체가 상기 배출유로에 의해 유동되는 경로와 다른 유동경로를 제공하는 서브유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응기체가 배출유로를 통하여 유동되는 전형적인 유동경로와는 다르게 반응기체가 유동되는 서브 경로를 함께 제공하여 배출유로에서 생성수가 정체되거나 막히는 현상을 억제시킬 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.
그리고, 한 쌍의 매니폴드영역(10b)에는 다수의 매니폴드(11)의 가장자리를 따라 기밀라인을 형성하는 가스켓라인(20a, 20b)이 형성되고, 가스켓라인(20a, 20b) 중 확산영역(10c)에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 확산영역(10c)으로 연장되는 다수의 가스켓발(21a, 21b)이 형성된다. 그래서 반응기체 유입구(12a)와 반응기체 배출구(12b)는 각각 가스켓발(21a, 21b) 사이 공간에 형성되어 가스켓발(21a, 21b)의 가이드에 의해 유동 경로가 설정되면서 확산영역(10c)으로 반응기체를 유동시키거나 확산영역(10c)으로부터 유동된 반응기체를 매니폴드(11)로 배출시킨다.
이때 반응기체 유입구(12a) 및 반응기체 배출구(12b)는 가스켓발(21a, 21b) 사이 공간에서 위치가 일정하게 형성되어 규칙적으로 배치된다.
또한, 다수의 가스켓발(21a, 21b)도 서로 일정한 두께로 형성되면서 일정한 간격으로 이격된 상태로 형성된다.
한편, 가스켓라인(20a, 20b) 및 다수의 가스켓발(21a, 21b)은 1회 또는 2회 이상의 사출 성형에 의해 형성되는데, 다수의 가스켓발(21a, 21b) 사이 공간, 즉 반응기체 또는 냉각수가 유동되는 유로는 상당히 좁은 단면적으로 형성된다. 특히, 반응기체가 배출되는 유로의 경우에는 반응기체와 더불어 반응영역에서 발전과정 중에 생성된 생성수도 반응기체와 함께 배출되는데 반응기체의 표면 에너지로 인해 유로가 막히는 현상이 발생하였다.
이렇게 생성수에 의해 반응기체가 배출되는 유로가 막히는 현상으로 인해 연료전지 내부로 주입되는 수분 또는 발전과정에서 생성되는 생성수가 제대로 배출되지 않는 문제가 발생되고, 이로 인해 분리판 부식 및 전압 강하 등의 문제가 야기되었다.
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 배출되는 배출유로에 의해 유동되는 경로와 다른 유동경로를 제공하여 배출유로에서 유동 분배 및 교란을 유도함에 따라 생성수의 표면 에너지로 인해 배출유로가 막히는 현상을 억제시킬 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 주변으로 각각 반응기체가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드가 관통되어 형성되는 매니폴드영역을 포함하고, 상기 매니폴드영역에는 반응기체가 배출되는 매니폴드의 가장자리를 따라 기밀라인을 형성하는 출구측 가스켓라인이 형성되고, 상기 출구측 가스켓라인 중 상기 반응영역에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 상기 매니폴드 방향으로 연장되는 다수의 출구측 가스켓발이 형성되며, 상기 매니폴드영역에는 상기 다수의 출구측 가스켓발 사이 공간으로 반응기체가 배출되는 다수의 배출유로가 형성되고, 상기 다수의 출구측 가스켓발 중 적어도 하나 이상의 출구측 가스켓발에는 반응기체가 상기 배출유로에 의해 유동되는 경로와 다른 유동경로를 제공하는 서브유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 서브유로는 서로 인접하는 배출유로를 서로 연결하여 소정 위치의 배출유로로 유동되는 반응기체가 인접하는 배출유로로 유동되도록 출구측 가스켓발을 관통하여 형성되는 관통형 서브유로일 수 있다.
상기 관통형 서브유로는 상기 소정 위치의 배출유로로부터 상기 출구측 가스켓발의 일측 측벽에서 분기되어 상기 출구측 가스켓발의 타측 측벽을 통하여 인접하는 배출유로로 합류되도록 상기 출구측 가스켓발을 가로질러 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 관통형 서브유로는 중력방향을 기준으로 반응기체의 유동방향을 따라 하향 경사지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 관통형 서브유로의 높이는 상기 출구측 가스켓발의 높이와 같은 것을 특징으로 한다.
상기 관통형 서브유로의 높이는 상기 출구측 가스켓발의 높이보다 낮아서 요홈형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 서브유로는 반응기체가 소정 위치의 배출유로를 우회하여 다시 해당 배출유로로 합류하도록 상기 출구측 가스켓발을 관통하여 형성되는 우회형 서브유로일 수 있다.
상기 우회형 서브유로는 상기 출구측 가스켓발의 측벽에서 분기되어 출구측 가스켓발의 내부를 통과한 다음 다시 출구측 가스켓발의 해당 측벽을 통하여 상기 배출유로로 합류되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 우회형 서브유로의 높이는 상기 출구측 가스켓발의 높이와 같은 것을 특징으로 한다.
상기 우회형 서브유로의 높이는 상기 출구측 가스켓발의 높이보다 낮아서 요홈형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 서브유로는 반응기체가 소정 위치의 배출유로로 유동되면서 배출유로의 가장자리에서 다수의 와류를 형성하도록 상기 출구측 가스켓발의 측벽에 요철형태로 형성되는 와류유도형 서브유로일 수 있다.
상기 와류유도형 서브유로는 상기 출구측 가스켓발의 측벽에서 소정 간격을 유지한 상태로 배출유로 방향으로 돌출되는 다수의 돌기에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 와류유도형 서브유로는 중력방향으로 기준으로 상기 출구측 가스켓발의 측벽 중 상부측 측벽 및 하부측 측벽에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 와류유도형 서브유로는 중력방향으로 기준으로 상기 출구측 가스켓발의 측벽 중 상부측 측벽에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 서브유로는 다수의 출구측 가스켓발 중 중력방향으로 기준으로 하측에 위치되는 출구측 가스켓발에 편중되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 서브유로의 단면적은 배출유로의 단면적보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반응기체가 배출되는 배출경로를 형성하는 출구측 가스켓발의 형상을 개선하여 반응기체가 배출유로를 통하여 유동되는 전형적인 유동경로와는 다르게 반응기체가 유동되는 서브 경로를 함께 제공하여 반응기체의 유동 분배 및 교란을 유도함에 따라 생성수의 표면 에너지로 인해 배출유로가 막히는 현상을 억제시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이에 따라 금속소재의 분리판이 생성수의 정체 및 막힘에 의해 부식되는 것을 억제할 수 있고, 고무소재의 가스켓이 열화되는 것을 억제할 수 있으며, 연료전지의 발전과정 중 전압이 강하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이고,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역을 보여주는 도면이며,
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 요부를 보여주는 도면이고,
도 2c는 도 2a의 A-A선 단면을 보여주는 도면이며,
도 3a는 본 발명의 일 실시예의 변형예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역을 보여주는 도면이고,
도 3b는 도 3a의 B-B선 단면을 보여주는 도면이며,
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 보여주는 도면이고,
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 요부를 보여주는 도면이며,
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 변형예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 보여주는 도면이고,
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 보여주는 도면이며,
도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 요부를 보여주는 도면이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예의 변형예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 보여주는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역을 보여주는 도면이며,
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 요부를 보여주는 도면이고,
도 2c는 도 2a의 A-A선 단면을 보여주는 도면이며,
도 3a는 본 발명의 일 실시예의 변형예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역을 보여주는 도면이고,
도 3b는 도 3a의 B-B선 단면을 보여주는 도면이며,
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 보여주는 도면이고,
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 요부를 보여주는 도면이며,
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 변형예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 보여주는 도면이고,
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 보여주는 도면이며,
도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 요부를 보여주는 도면이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예의 변형예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 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 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역을 보여주는 도면이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 요부를 보여주는 도면이며, 도 2c는 도 2a의 A-A선 단면을 보여주는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판은 종래의 일반적인 연료전지용 분리판(10)과 마찬가지로 중앙에 막전극 접합체 및 기체확산층이 적층되어 반응기체인 수소와 공기(산소)가 반응하는 반응영역(10a)이 형성되고, 반응영역(10a)의 주변으로 각각 반응기체가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드(11)가 관통되는 매니폴드영역(10b)이 형성된다. 예를 들어 매니폴드영역(10b)이 반응영역(10a)의 양측으로 한 쌍이 형성될 수 있다. 그리고, 한 쌍의 매니폴드영역(10b)과 반응영역(10a) 사이에는 반응기체의 유동을 확산시키는 한 쌍의 확산영역(10c)이 형성된다.
이때 매니폴드영역(10b)에 형성되는 다수의 매니폴드(11)는 반응기체인 수소가 유입 또는 배출되는 매니폴드 및 반응기체인 공기가 유입 또는 배출되는 매니폴드가 형성된다. 또한, 매니폴드영역(10b)에는 냉각수가 유입 또는 배출되는 매니폴드가 더 형성될 수 있다.
예를 들어 분리판이 캐소드 분리판인 경우에는 입구측 매니폴드(11a)의 인근에 공기가 유입되는 다수의 반응기체 유입구(12a)가 형성되고, 출구측 매니폴드(11f)의 인근에 공기가 배출되는 다수의 반응기체 배출구(110)가 형성된다.
그리고,한 쌍의 매니폴드영역(10b)에는 다수의 매니폴드(11)의 가장자리를 따라 기밀라인을 형성하는 가스켓라인(20a, 20b)이 형성되고, 가스켓라인(20a, 20b) 중 반응영역(10a) 및 확산영역(10c)에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 매니폴드(11) 방향으로 연장되는 다수의 가스켓발(100)이 형성된다.
특히, 본 실시예는 반응기체가 배출되는 영역에 형성되는 가스켓발(100)의 형상을 개선한 것에 특징이 있는 바, 반응기체가 배출되는 매니폴드(11f)의 가장자리를 따라 기밀라인을 형성하는 가스켓라인(20b)을 출구측 가스켓라인(20b)로 지칭하고, 출구측 가스켓라인(20b) 중 반응영역(10a)에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 반응기체가 배출되는 매니폴드(11f) 방향으로 연장되는 다수의 가스켓발을 출구측 가스켓발(100)로 지칭하도록 한다.
그래서, 출구측 가스켓발(100) 사이 공간으로 확산영역(10b)으로부터 유동된 반응기체를 출구측 매니폴드(11f)로 배출시키는 다수의 배출유로(120)가 형성된다.
그리고, 반응기체 배출구(110)는 각각 출구측 가스켓발(100) 사이 공간, 즉 배출유로(120) 상에 형성된다.
한편, 본 실시예에서는 다수의 출구측 가스켓발(100) 중 적어도 하나 이상의 출구측 가스켓발(100)에는 반응기체가 배출유로(120)에 의해 유동되는 경로와 다른 유동경로를 제공하는 서브유로가 형성된다.
예를 들어 도 2a에 도시된 바와 같이 서브유로는 서로 인접하는 배출유로(120)를 서로 연결하여 소정 위치의 배출유로(120)로 유동되는 반응기체가 인접하는 배출유로(120)로 유동되도록 출구측 가스켓발(100)을 관통하여 형성되는 관통형 서브유로(210)로 구현될 수 있다.
관통형 서브유로(210)는 소정 위치의 배출유로(120)로부터 출구측 가스켓발(100)의 일측 측벽에서 분기되어 출구측 가스켓발(100)의 타측 측벽을 통하여 인접하는 배출유로(120)로 합류되도록 출구측 가스켓발(100)을 가로질러 형성된다.
이때 도 2c에 도시된 바와 같이 관통형 서브유로(210)는 그 높이(h1)를 출구측 가스켓발(100)의 높이(h2)와 같게 하여 관통형 서브유로(210)의 단면적을 충분히 확보하여 반응기체가 관통형 서브유로(210)를 통하여 충분히 유동될 수 있도록 한다. 다만, 관통형 서브유로(210)의 단면적은 배출유로(120)의 단면적보다 작게 형성되도록 한다.
그 이유는 배출유로(120)로 유동되는 반응기체의 일부가 관통형 서브유로(210)로 분기되어 유동되면서 국부적으로 좁아진 관통형 서브유로(210)의 단면적에 의해 유속이 증대되면서 인접하는 배출유로(120)로 다시 합류되고, 이에 따라 해당 배출유로(120)로 유동되는 반응기체의 유동을 교란시키면서 해당 배출유로(120)에 정체되는 생성수의 배출성을 향상시키기 위함이다.
그리고, 관통형 서브유로(210)는 배출유로(120)로 유동되는 반응기체의 분배 효과를 향상시키고, 유동성이 저하되지 않도록 하면서 자중에 의해 상대적으로 중력방향의 하부영역에서 정체되는 생성수의 배출성을 향상시키기 위하여 중력방향을 기준으로 반응기체의 유동방향을 따라 하향 경사지도록 형성되는 것이 바람직하다.
그래서, 도 2b에 도시된 바와 같이 배출유로(120)로 유동되는 반응기체의 일부는 상대적으로 중력방향의 하부에 배치된 출구측 가스켓발(100)의 관통형 서브유로(210)를 통하여 유동된 다음 상대적으로 하부에 형성된 배출유로로 합류하면서 해당 배출유로로 유동되는 반응기체를 교란시키거나 반응기체의 유속을 증가시킴으로써 해당 배출유로(120)를 통한 생성수의 배출성을 향상시킬 수 있다.
또한, 관통형 서브유로(210)를 형성하는 주목적은 생성수의 배출성을 향상시키기 위함인 바, 생성수가 집중되는 유동되는 영역에 관통형 서브유로(210)를 집중하여 형성함으로써, 관통형 서브유로(210)가 형성되지 않는 영역으로는 반응기체가 비교적 균일한 속도 및 유동량을 유지하면서 배출되도록 하고, 관통형 서브유로(210)가 형성되는 영역으로는 반응기체와 함께 생성수의 배출성을 향상시킬 수 있다.
그래서, 생성수는 중력의 영향으로 중력방향을 기준으로 다수의 배출유로(120) 중 하측에 형성된 배출유로(120)로 집중되는 바, 관통형 서브유로(210)는 다수의 출구측 가스켓발(100) 중 중력방향으로 기준으로 하측에 위치되는 출구측 가스켓발(100)에 편중되어 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어 본 실시예에서는 다수의 출구측 가스켓발(100) 중 중력방향을 기준으로 하측에 위치되는 2개의 출구측 가스켓발(100)에 관통형 서브유로(210)를 형성하였다.
한편, 관통형 서브유로(210)는 관통형 서브유로(210)를 통하여 유동되는 반응기체의 유속을 증대시키기 위하여 관통형 서브유로(210)의 단면적을 더 줄일 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예의 변형예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역을 보여주는 도면이고, 도 3b는 도 3a의 B-B선 단면을 보여주는 도면으로서, 예를 들어 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 관통형 서브유로(211)의 높이(h3)를 출구측 가스켓발(100)의 높이(h2)보다 낮게 형성할 수 있다. 그래서 관통형 서브유로(211)는 상면이 개구되는 요홈형태로 형성될 수 있다.
이렇게 관통형 서브유로(211)를 요홈형태로 형성함에 따라 관통형 서브유로(211)가 형성되는 출구측 가스켓발(100)의 사출을 용이하게 실시할 수 있게 하면서, 관통형 서브유로(211)를 통하여 유동되는 반응기체의 유속을 증대시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예 및 그 변형예에서는 관통형 서브유로(210, 211)를 직선형으로 예시하였지만, 이에 한정되지 않고, 관통형 서브유로(210, 211)가 소정의 곡률반경을 갖는 곡선의 형태로 형성될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 일 실시예 및 그 변형예에서는 하나의 출구측 가스켓발(100)에 하나의 관통형 서브유로(210, 211)를 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 하나의 출구측 가스켓발(100)에 다수의 관통형 서브 유로(210, 211)를 형성할 수 있을 것이다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 설명한다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 보여주는 도면이고, 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 요부를 보여주는 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판은 전술된 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판과 마찬가지로 반응기체가 배출되는 매니폴드(11f)의 가장자리를 따라 기밀라인을 형성하는 출구측 가스켓라인(20b)이 형성되고, 출구측 가스켓라인(20b) 중 반응영역(10a)에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 반응기체가 배출되는 매니폴드(11f) 방향으로 연장되는 다수의 출구측 가스켓발(100)이 형성된다.
그래서, 출구측 가스켓발(100) 사이 공간으로 확산영역(10b)으로부터 유동된 반응기체를 출구측 매니폴드(11f)로 배출시키는 다수의 배출유로(120)가 형성된다.
그리고, 반응기체 배출구(110)는 각각 출구측 가스켓발(100) 사이 공간, 즉 배출유로(120) 상에 형성된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 배출유로(120)에서 분기되어 서브유로를 통하여 유동되는 반응기체가 인접하는 다른 배출유로(120)로 합류되지 않고, 해당 배출유로(120)로 다시 합류하도록 하여 해당 배출유로(120)를 통하여 유동되는 반응기체의 유속을 증대시킬 수 있다.
예를 들어 도 4a에 도시된 바와 같이 서브유로는 반응기체가 소정 위치의 배출유로(120)를 우회하여 다시 해당 배출유로(120)로 합류하도록 출구측 가스켓발(100)을 관통하여 형성되는 우회형 서브유로(220)로 구현될 수 있다.
우회형 서브유로(220)는 출구측 가스켓발(100)의 측벽에서 분기되어 출구측 가스켓발(100)의 내부를 통과한 다음 다시 출구측 가스켓발(100)의 해당 측벽을 통하여 해당 배출유로(120)로 합류되도록 형성된다.
이때 우회형 서브유로(220)도 관통형 서브유로(210)와 마찬가지로 그 높이를 출구측 가스켓발(100)의 높이와 같게 하여 우회형 서브유로(220)의 단면적을 충분히 확보하여 반응기체가 우회형 서브유로(220)를 통하여 충분히 유동될 수 있도록 한다. 다만, 우회형 서브유로(220)의 단면적은 배출유로(120)의 단면적보다 작게 형성되도록 한다.
그래서, 도 4b에 도시된 바와 같이 배출유로(120)로 유동되는 반응기체의 일부는 출구측 가스켓발(100)의 우회형 서브유로(220)를 통하여 유동되면서 유속이 증가된 다음 다시 해당 배출유로(120)로 합류하면서 해당 배출유로(120)로 유동되는 반응기체를 교란시키거나 반응기체의 유속을 증가시킴으로써 해당 배출유로(120)를 통한 생성수의 배출성을 향상시킬 수 있다.
이때 배출유로(120)로 유동되는 반응기체를 효과적으로 교란시키기 위하여 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 우회형 서브유로(220)는 출구측 가스켓발(100)의 측벽 중 중력방향을 기준으로 하부측 측벽에 형성되어 배출유로(120)로 유동되는 반응기체의 상부측으로 합류되도록 할 수 있다.
그 이유는 배출유로(120)에 생성수가 정체되는 경우에 생성수는 자중 및 표면 에너지에 의해 배출유로(120)의 하부측에서 상대적으로 먼저 정체되고, 이 경우에 배출유로(120)로 유동되는 반응기체는 배출유로(120)의 상부측 공간으로 배출되기 때문에 생성수에 의해 우회형 서브유로(220)가 막히는 것을 방지하면서 우회형 서브유로(220)를 통한 반응기체의 분기 및 합류가 배출유로(120)의 상부측 공간에서 이루어지도록 하기 위함이다.
한편, 우회형 서브유로(220)는 우회형 서브유로(220)를 통하여 유동되는 반응기체가 분기 및 합류되는 지점을 변경할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 변형예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 보여주는 도면으로서, 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이 우회형 서브유로(221)는 출구측 가스켓발(100)의 측벽 중 중력방향을 기준으로 상부측 측벽에 형성되어 배출유로(120)로 유동되는 반응기체의 하부측으로 합류되도록 할 수 있다. 이때 우회형 서브유로(221)는 소정의 곡률반경을 갖는 곡선의 형태로 형성될 수 있다.
그 이유는 배출유로(120)에 생성수가 정체되는 경우에 생성수는 자중 및 표면 에너지에 의해 배출유로(120)의 하부측에서 상대적으로 먼저 정체되고, 이 경우에 배출유로(120)로 유동되는 반응기체는 배출유로(120)의 상부측 공간으로 배출되기 때문에 우회형 서브유로(220)를 통한 반응기체의 분기 및 합류가 배출유로(120)의 하상부측 공간에서 이루어지게 하여 우회형 서브유로(221)를 통하여 유속이 증가된 반응기체에 의해 정체된 생성수를 직접적으로 교란되거나 분산되도록 하기 위함이다.
또한, 우회형 서브유로(221)의 높이를 출구측 가스켓발(100)의 높이보다 낮게 형성할 수 있다. 그래서 우회형 서브유로(221)는 상면이 개구되는 요홈형태로 형성될 수 있다.
이렇게 우회형 서브유로(221)를 요홈형태로 형성함에 따라 우회형 서브유로(221)가 형성되는 출구측 가스켓발(100)의 사출을 용이하게 실시할 수 있게 하면서 우회형 서브유로(221)를 통하여 유동되는 반응기체의 유속을 증대시킬 수 있다.
한편, 관통형 서브유로(210, 211)와 마찬가지로 우회형 서브유로(220, 221)를 형성하는 주목적은 생성수의 배출성을 향상시키기 위함인 바, 생성수가 집중되는 유동되는 영역에 우회형 서브유로(220, 221)를 집중하여 형성할 수 있다.
그래서, 우회형 서브유로(220, 221)는 다수의 출구측 가스켓발(100) 중 중력방향으로 기준으로 하측에 위치되는 출구측 가스켓발(100)에 편중되어 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어 본 실시예에서는 다수의 출구측 가스켓발(100) 중 중력방향을 기준으로 하측에 위치되는 2개의 출구측 가스켓발(100)에 우회형 서브유로(220, 221)를 형성하였다.
또한, 본 발명의 다른 실시예 및 그 변형예에서는 우회형 서브유로(220, 221)를 소정의 곡률반경을 갖는 곡선의 형태로 예시하였지만, 이에 한정되지 않고, 우회형 서브유로(220, 221)가 다수의 변곡점이 형성된 직선형태로 형성될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 일 실시예 및 그 변형예에서는 하나의 출구측 가스켓발(100)에 하나의 우회형 서브유로(220, 221)를 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 하나의 출구측 가스켓발(100)에 다수의 우회형 서브 유로(220, 221)를 형성할 수 있을 것이다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 설명한다.
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 보여주는 도면이고, 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 요부를 보여주는 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판은 전술된 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판과 마찬가지로 반응기체가 배출되는 매니폴드(11f)의 가장자리를 따라 기밀라인을 형성하는 출구측 가스켓라인(20b)이 형성되고, 출구측 가스켓라인(20b) 중 반응영역(10a)에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 반응기체가 배출되는 매니폴드(11f) 방향으로 연장되는 다수의 출구측 가스켓발(100)이 형성된다.
그래서, 출구측 가스켓발(100) 사이 공간으로 확산영역(10b)으로부터 유동된 반응기체를 출구측 매니폴드(11f)로 배출시키는 다수의 배출유로(120)가 형성된다.
그리고, 반응기체 배출구(110)는 각각 출구측 가스켓발(100) 사이 공간, 즉 배출유로(120) 상에 형성된다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 배출유로(120)를 통하여 유동되는 반응기체의 유동경로 상에 와류를 형성하여 반응기체의 유동을 교란시킬 수 있다.
예를 들어 도 6a에 도시된 바와 같이 서브유로는 출구측 가스켓발(100)의 측벽에 요철형태로 형성되는 와류유도형 서브유로(230)로 구현될 수 있다.
와류유도형 서브유로(230)는 출구측 가스켓발(100)의 측벽에서 소정 간격을 유지한 상태로 배출유로 방향으로 돌출되는 다수의 돌기에 의해 요철 형태로 형성된다.
그래서, 도 6b에 도시된 바와 같이 배출유로(120)로 유동되는 반응기체의 일부는 출구측 가스켓발(100)의 측벽에 형성되는 와류유도형 서브유로(230)에 의해 출구측 가스켓발(100)의 측벽에서 와류를 형성하고, 이러한 와류에 의해 반응기체가 교란되고, 출구측 가스켓발(100)의 측벽에 생성수가 정체되기 어렵도록 에어 장벽(air barrier)이 형성됨으로써, 해당 배출유로(120)를 통한 생성수가 정체되는 것을 억제시킬 수 있다.
이때 배출유로(120)로 유동되는 반응기체를 효과적으로 교란시키면서 출구측 가스켓발(100)의 측벽에 에어 장벽을 형성하기 위하여 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 와류유도형 서브유로(230)는 중력방향으로 기준으로 출구측 가스켓발(100)의 측벽 중 상부측 측벽 및 하부측 측벽 모두에 형성될 수 있다.
한편, 와류유도형 서브유로(230)는 와류유도형 서브유로(230)에 의해 와류의 형성 지점을 소정의 위치로 집중시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예의 변형예에 따른 연료전지용 분리판에서 반응기체가 배출되는 영역의 보여주는 도면으로서, 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 와류유도형 서브유로(230)는 중력방향으로 기준으로 출구측 가스켓발(100)의 측벽 중 상부측 측벽에 집중하여 형성시킬 수 있다.
그 이유는 배출유로(120)에 생성수가 정체되는 경우에 생성수는 자중 및 표면 에너지에 의해 배출유로(120)의 하부측에서 상대적으로 먼저 정체되는데, 이때 출구측 가스켓발(100)의 측벽 중 상부측 측벽에 형성되는 와류유도형 서브유로(230)에 의해 출구측 가스켓발(100)의 상부측 측벽에서 와류를 집중하여 형성하고, 이러한 와류에 의해 반응기체가 교란되고, 출구측 가스켓발(100)의 상부측 측벽에 생성수가 정체되기 어렵도록 에어 장벽(air barrier)이 형성하기 위함이다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예 및 그 변형예에서는 와류유도형 서브유로를 삼각형 형상이 돌기에 의해 형성하는 것을 예시하였지만, 이에 한정되지 않고, 돌기의 형상 및 간격을 다양하게 변경하여 형성시킬 수 있을 것이다.
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: 출구측 가스켓발
110: 반응기체 배출구
120: 배출유로 210: 관통형 서브유로
220: 우회형 서브유로 230: 와류유도형 서브유로
120: 배출유로 210: 관통형 서브유로
220: 우회형 서브유로 230: 와류유도형 서브유로
Claims (16)
- 연료전지용 분리판으로서,
중앙에 형성되는 반응영역과;
상기 반응영역의 주변으로 각각 반응기체가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드가 관통되어 형성되는 매니폴드영역을 포함하고,
상기 매니폴드영역에는 반응기체가 배출되는 매니폴드의 가장자리를 따라 기밀라인을 형성하는 출구측 가스켓라인이 형성되고, 상기 출구측 가스켓라인 중 상기 반응영역에 대향되는 가장자리를 따라 서로 이격되어 상기 매니폴드 방향으로 연장되는 다수의 출구측 가스켓발이 형성되며,
상기 매니폴드영역에는 상기 다수의 출구측 가스켓발 사이 공간으로 반응기체가 배출되는 다수의 배출유로가 형성되고,
상기 다수의 출구측 가스켓발 중 적어도 하나 이상의 출구측 가스켓발에는 반응기체가 상기 배출유로에 의해 유동되는 경로와 다른 유동경로를 제공하는 서브유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 서브유로는 서로 인접하는 배출유로를 서로 연결하여 소정 위치의 배출유로로 유동되는 반응기체가 인접하는 배출유로로 유동되도록 출구측 가스켓발을 관통하여 형성되는 관통형 서브유로인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 2에 있어서,
상기 관통형 서브유로는 상기 소정 위치의 배출유로로부터 상기 출구측 가스켓발의 일측 측벽에서 분기되어 상기 출구측 가스켓발의 타측 측벽을 통하여 인접하는 배출유로로 합류되도록 상기 출구측 가스켓발을 가로질러 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 3에 있어서,
상기 관통형 서브유로는 중력방향을 기준으로 반응기체의 유동방향을 따라 하향 경사지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 2에 있어서,
상기 관통형 서브유로의 높이는 상기 출구측 가스켓발의 높이와 같은 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 5에 있어서,
상기 관통형 서브유로의 높이는 상기 출구측 가스켓발의 높이보다 낮아서 요홈형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 서브유로는 반응기체가 소정 위치의 배출유로를 우회하여 다시 해당 배출유로로 합류하도록 상기 출구측 가스켓발을 관통하여 형성되는 우회형 서브유로인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 7에 있어서,
상기 우회형 서브유로는 상기 출구측 가스켓발의 측벽에서 분기되어 출구측 가스켓발의 내부를 통과한 다음 다시 출구측 가스켓발의 해당 측벽을 통하여 상기 배출유로로 합류되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 7에 있어서,
상기 우회형 서브유로의 높이는 상기 출구측 가스켓발의 높이와 같은 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 7에 있어서,
상기 우회형 서브유로의 높이는 상기 출구측 가스켓발의 높이보다 낮아서 요홈형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 서브유로는 반응기체가 소정 위치의 배출유로로 유동되면서 배출유로의 가장자리에서 다수의 와류를 형성하도록 상기 출구측 가스켓발의 측벽에 요철형태로 형성되는 와류유도형 서브유로인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 11에 있어서,
상기 와류유도형 서브유로는 상기 출구측 가스켓발의 측벽에서 소정 간격을 유지한 상태로 배출유로 방향으로 돌출되는 다수의 돌기에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 12에 있어서,
상기 와류유도형 서브유로는 중력방향으로 기준으로 상기 출구측 가스켓발의 측벽 중 상부측 측벽 및 하부측 측벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 12에 있어서,
상기 와류유도형 서브유로는 중력방향으로 기준으로 상기 출구측 가스켓발의 측벽 중 상부측 측벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 서브유로는 다수의 출구측 가스켓발 중 중력방향으로 기준으로 하측에 위치되는 출구측 가스켓발에 편중되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 서브유로의 단면적은 배출유로의 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240074100A true KR20240074100A (ko) | 2024-05-28 |
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