KR20240082462A - 연료전지용 분리판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폭방향 양측의 채널 형상을 개선하여 반응영역 전체에서 균일한 반응 성능을 유지하면서 생성수를 효과적으로 배출할 수 있는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 막전극 접합체(MEA) 및 기체 확산층(GDL)와 함께 연료전지의 단위셀을 구성하는 연료전지용 분리판으로서, 반응기체 또는 냉각수가 유동되는 다수의 채널과 랜드가 폭방향으로 따라 교대로 배치되어 형성되는 유로영역과, 상기 유로영역의 길이방향 양측 단부에 반응기체 또는 냉각수가 유입 및 배출되는 한 쌍의 매니폴드영역을 포함하고, 상기 다수의 채널은 파형(wave type)으로 형성되어 골부와 마루부가 교대로 형성되면서 길이방향을 따라 형성되며, 상기 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널의 골부에는 골부의 선단지점과 후단지점이 연결되는 직선부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 막전극 접합체(MEA) 및 기체 확산층(GDL)와 함께 연료전지의 단위셀을 구성하는 연료전지용 분리판으로서, 반응기체 또는 냉각수가 유동되는 다수의 채널과 랜드가 폭방향으로 따라 교대로 배치되어 형성되는 유로영역과, 상기 유로영역의 길이방향 양측 단부에 반응기체 또는 냉각수가 유입 및 배출되는 한 쌍의 매니폴드영역을 포함하고, 상기 다수의 채널은 파형(wave type)으로 형성되어 골부와 마루부가 교대로 형성되면서 길이방향을 따라 형성되며, 상기 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널의 골부에는 골부의 선단지점과 후단지점이 연결되는 직선부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폭방향 양측의 채널 형상을 개선하여 반응영역 전체에서 균일한 반응 성능을 유지하면서 생성수를 효과적으로 배출할 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 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 기체확산층의 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, 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 기체확산층과 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 일반적인 연료전지의 단위셀을 보여주는 분해 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 연료전지의 단위셀(10)은 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 구성된 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA, 10)와 막전극 접합체(10)의 전극에 각각 접합되어 반응기체의 확산을 돕는 한 쌍의 기체확산층(Gas Diffusion Layer; GDL, 20) 및 각각의 기체확산층(20)에 밀착결합되어 반응기체를 공급하는 분리판(30)을 포함한다. 또한 도시하지는 않았지만 기체 확산층(20)과 분리판(30) 사이에 기체를 분산 및 확산시킬 수 있는 다공체를 개재할 수 있다.
한편, 분리판(30)은 반응기체인 수소와 산소가 서로 섞이지 않도록 하면서, 막전극 접합체(10)를 전기적으로 연결 및 지지함으로써, 연료전지 스택의 형태를 유지시키는 역할을 한다.
따라서, 분리판(30)은 반응기체가 서로 혼합되지 않도록 그 구조가 치밀해야 할 뿐만 아니라 전도체 및 지지체의 역할을 위해 전도성이 우수하면서 강도가 우수한 강도를 가져야 한다. 이에, 주로 금속 재질의 분리판(30)이 주로 사용되었다.
그리고, 분리판(30)에는 반응기체의 유동방향을 따라 채널(31)과 랜드(32)가 동일한 간격을 유지하면서 나란하게 형성되고, 이때 채널(31)은 반응기체가 유동되는 유로 역할을 하는 한편, 연료전지 작동 중 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 생성된 물(이하, '생성수'라고 함)이 연료전지 스택의 외부로 배출되도록 하는 유로의 역할을 하기도 한다.
만약, 연료전지 반응으로 인한 생성수가 원활하게 배출되지 않고 적체되면 국부적으로 반응기체의 확산 및 배출을 방해하여 연료전지 성능 및 효율을 저하시키는 원인이 된다.
채널(31)에서 생성수로 인한 유로 막힘이 발생되는 경우 반응기체의 차압으로 인한 생성수의 배출이 이뤄지기도 하지만, 저전류 구간에서는 기체 유량이 작고, 차압이 크지 않기 때문에 생성수가 원활하게 배출되지 않는 문제가 발생한다.
한편, 종래의 일반적인 채널은 반응기체의 유동방향을 따라 직선형으로 형성되는데, 이러한 직선형 채널이 형성된 분리판의 경우에는 반응기체의 압력 강하를 감소시켜 유동효율을 향상시킬 수 있다. 하지만, 반응기체의 유속이 너무 빨라 반응효율이 낮아지는 문제가 발생된다.
그래서, 채널(31)을 파형(wave type)으로 형성한 파형 채널이 고안되어 적용되고 있다.
이러한 파형 채널이 형성된 분리판의 경우에는 의도적인 압력강하에 의해 반응효율이 증가할 수 있으며, 발전의 균일성이 증가할 수 있다.
도 2는 일반적인 파형 채널이 형성된 분리판을 보여주는 도면이고, 도 3a는 일반적인 파형 채널이 형성된 분리판의 요부를 보여주는 도면이며, 도 3b는 일반적인 파형 채널이 형성된 분리판과 막전극 접합체 및 기체확산층의 적층 상태를 보여주는 요부 단면도이다. 이때 도 3b는 도 3a의 B-B선에 대한 단면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 일반적인 파형 채널(31)이 형성된 분리판(30)은 반응기체 또는 냉각수가 유동되는 다수의 채널(31)과 랜드(32)가 폭방향으로 따라 교대로 배치되어 형성되는 유로영역(30a)과, 상기 유로영역(30a)의 길이방향 양측 단부에 반응기체 또는 생성수가 유입 및 배출되는 한 쌍의 매니폴드영역(30b)을 포함한다. 그리고, 유로영역(30a)과 한 쌍의 매니폴드영역(30b) 사이에는 반응기체 및 냉각수를 확산시키는 한 쌍의 확산영역(30c)이 형성된다.
한편, 유로영역(30a)에 형성되는 다수의 채널(31)과 랜드(32)는 파형(wave type)으로 형성된다.
예를 들어 다수의 채널(31)은 골부(31a)와 마루부(31b)가 교대로 형성되면서 길이방향을 따라 형성된다.
이때, 유로영역(30a)은 막전극 접합체(10)가 적층되는 영역에 대응되는 반응영역(30d)과, 반응영역(30d)의 폭방향 양측에서 막전극 접합체(10)가 적층되지 않고 기체확산층(20)만 적층되는 미반응영역(30e)으로 구분된다.
그래서, 도 3a 및 도 3b와 같이 다수의 채널(31) 중 폭방향으로 최외각 채널(31)의 골부(31a)와 마루부(31b) 사이에 반응영역(30d)과 미반응영역(30e)의 경계선(L)이 형성된다.
한편, 파형 채널(31)이 형성된 분리판(30)은 폭방향으로 양측 끝단의 랜드(32)가 다른 랜드(32)보다 넓게 분포하게 되고, 이에 따라 폭방향의 양측 단부영역에서 반응영역(30d)과 미반응영역(30e)의 경계선(L)이 형성된 영역에서 반응기체의 공급이 원활하지 않은 구조적인 문제가 발생하였다.
또한, 폭방향으로 양측 끝단의 랜드(32)가 다른 랜드(32)보다 넓게 형성되어 생성수의 배수성이 나빠지는 문제도 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 폭방향 양측의 파형 채널에 직선형 채널을 추가로 형성하여 반응기체의 유동량 및 생성수의 배수성을 향상시켜서 반응영역 전체에서 균일한 반응 성능을 유지하면서 생성수를 효과적으로 배출할 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 막전극 접합체(MEA) 및 기체 확산층(GDL)와 함께 연료전지의 단위셀을 구성하는 연료전지용 분리판으로서, 반응기체 또는 냉각수가 유동되는 다수의 채널과 랜드가 폭방향으로 따라 교대로 배치되어 형성되는 유로영역과, 상기 유로영역의 길이방향 양측 단부에 반응기체 또는 냉각수가 유입 및 배출되는 한 쌍의 매니폴드영역을 포함하고, 상기 다수의 채널은 파형(wave type)으로 형성되어 골부와 마루부가 교대로 형성되면서 길이방향을 따라 형성되며, 상기 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널의 골부에는 골부의 선단지점과 후단지점이 연결되는 직선부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 유로영역은 상기 막전극 접합체가 적층되는 영역에 대응되는 반응영역과, 상기 반응영역의 폭방향 양측에서 상기 막전극 접합체가 적층되지 않는 영역인 미반응영역으로 구분되고, 상기 직선부는 상기 반응영역과 미반응영역의 경계선 또는 상기 경계선과 인접한 지점에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 직선부는 상기 미반응영역에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 직선부는 상기 반응영역과 미반응영역의 경계선과 평행하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 직선부는 파형 채널의 진폭 방향을 기준으로 일측 방향 끝단 지점과 타측 방향 끝단 지점 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 경계선과 상기 직선부 사이의 간격은 상기 반응영역에 형성되는 랜드 폭보다 좁은 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는 상기 경계선과 상기 직선부 사이의 간격은 상기 반응영역에 형성되는 랜드 폭의 1/2보다 좁은 것을 특징으로 한다.
상기 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널의 폭은 다른 채널의 폭과 같거나 좁게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널의 폭은 다른 채널의 폭에 대하여 60 ~ 100%의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 직선부의 폭은 상기 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널의 폭과 같거나 좁게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 직선부의 폭은 상기 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널의 폭에 대하여 40 ~ 100%의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 한 쌍의 매니폴드영역은 유로영역의 상부와 하부에 각각 형성되고, 상기 유로영역에 형성되는 다수의 채널은 중력방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 채널을 따라 유동되는 반응기체는 공기인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유로영역에서 폭방향 양측의 파형 채널에 직선형 채널이 연결되도록 추가로 형성함으로써, 폭방향 최외각에 형성되는 랜드의 면적을 줄이고, 반응기체 및 생성수가 유동되는 채널을 확보하여 반응기체의 유동량 및 생성수의 배수성을 향상시킬 수 있다.
또한, 반응영역과 미반응영역의 경계선 부근으로도 반응기체가 균일하게 유동될 수 있도록 폭방향 최외각 파형 채널에 직선부를 추가로 형성함에 따라 반응영역 전체에서 균일한 반응 성능을 유지하면서 생성수를 효과적으로 배출할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
파형 채널의 형상을 개선하여 생성수가 채널을 통하여 원활하게 배출되도록 하면서, 유동 시간을 증가시켜 셀 내부가 건조되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 갈수록 생성수가 채널에 체류하는 시간을 증가시켜 셀 내부의 함습 효과를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 연료전지의 단위셀을 보여주는 분해 구성도이고,
도 2는 일반적인 파형 채널이 형성된 분리판을 보여주는 도면이며,
도 3a는 일반적인 파형 채널이 형성된 분리판의 요부를 보여주는 도면이고,
도 3b는 일반적인 파형 채널이 형성된 분리판과 막전극 접합체 및 기체확산층의 적층 상태를 보여주는 요부 단면도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 요부를 보여주는 도면이며,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판과 막전극 접합체 및 기체확산층의 적층 상태를 보여주는 요부 단면도이다.
도 2는 일반적인 파형 채널이 형성된 분리판을 보여주는 도면이며,
도 3a는 일반적인 파형 채널이 형성된 분리판의 요부를 보여주는 도면이고,
도 3b는 일반적인 파형 채널이 형성된 분리판과 막전극 접합체 및 기체확산층의 적층 상태를 보여주는 요부 단면도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 요부를 보여주는 도면이며,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판과 막전극 접합체 및 기체확산층의 적층 상태를 보여주는 요부 단면도이다.
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 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 요부를 보여주는 도면이며, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판과 막전극 접합체 및 기체확산층의 적층 상태를 보여주는 요부 단면도이다. 이때 도 6a는 도 5의 A-A선에 대한 단면을 보여주고, 도 6b는 도 5의 B-B선에 대한 단면을 보여준다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판(300)은 막전극 접합체(100) 및 기체 확산층(200)와 함께 연료전지의 단위셀을 구성하는 연료전지용 분리판으로서, 반응기체 또는 냉각수가 유동되는 다수의 채널(310)과 랜드(320)가 폭방향으로 따라 교대로 배치되어 형성되는 유로영역(301)과, 상기 유로영역(301)의 길이방향 양측 단부에 반응기체 또는 냉각수가 유입 및 배출되는 한 쌍의 매니폴드영역(302)을 포함한다. 그리고, 유로영역(301)과 한 쌍의 매니폴드영역(302) 사이에는 반응기체 및 냉각수를 확산시키는 한 쌍의 확산영역(303)이 형성된다.
이때 유로영역(301)은 막전극 접합체(100)가 적층되는 영역에 대응되는 반응영역(301a)과, 반응영역(301a)의 폭방향 양측에서 막전극 접합체(100)가 적층되지 않고 기체확산층(200)만 적층되는 미반응영역(301b)으로 구분된다.
본 실시예에서는 한 쌍의 매니폴드영역(302)은 유로영역(301)의 상부와 하부에 각각 형성되고, 유로영역(301)에 형성되는 다수의 채널은 중력방향을 따라 형성될 수 있다.
이렇게 본 실시예는 채널이 중력방향을 따라 형성되도록 함에 따라 한 쌍의 매니폴드영역(302)이 좌우 방향으로 배치되어 채널(310)이 좌우 방향으로 형성되는 것에 비하여 중력 및 기체 차압을 통해 순간적으로 대량의 생성수가 유입되더라도 생성수가 용이하게 배출되는 것을 기대할 수 있다.
그리고, 본 실시예는 분리판(300)의 유로영역(301)에 형성되는 파형 채널(310)의 형상을 개선하여 반응기체의 유동 및 생성수의 배출이 균일하고 원활하게 이루어지도록 한다. 따라서, 본 실시예에 따른 분리판(300)에 의해 유동되는 반응기체는 공기이고, 파형 채널(310)이 막전극 접합체(100)의 공기극(cathode)측으로 대면되는 것이 바람직하다. 물론 분리판(300)에 의해 유동되는 반응기체는 공기로만 한정되는 것이 아니라, 반응기체는 수소일 수 있다. 만약 반응기체가 수소인 경우에는 파형 채널(310)이 막전극 접합체(100)의 수소극(anode)측으로 대면되는 것이 바람직하다.
한편, 유로영역(301)에 형성되는 다수의 채널(310)과 랜드(320)는 파형(wave type)으로 형성되어 분리판(300)의 폭방향을 따라 서로 이격되어 교대로 배치된다.
이때 각각의 채널(310)은 골부(311)와 마루부(312)가 교대로 형성되면서 길이방향을 따라 파형을 이루면서 형성된다.
여기서, 마루부(312)는 채널(310) 중 미반응영역(301b)을 향하여 절곡된 지점의 정점을 의미하고, 골부(311)는 채널(310) 중 마루부(312)를 제외한 영역을 의미한다. 따라서, 골부(311)는 채널(310) 중 서로 인접하는 마루부(312)에서 연장되어 반응영역(301a)을 향하여 절곡되는 대략 "U" 또는 "V"자 형태의 영역을 의미한다.
특히, 다수의 채널(310) 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널(310a)의 골부(311)에는 골부(311)의 선단지점과 후단지점이 연결되는 직선부(313)가 형성된다.
이때 직선부(313)는 반응영역(301a)과 미반응영역(301b)의 경계선 또는 경계선(L)과 인접한 지점에 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는 직선부(313)가 서로 인접하는 마루부(312)를 연결하는 것이 아니라 골부(311)에 형성되는 것이 바람직하다. 부연하자면, 직선부(313)는 채널(310)을 구성하는 마루부(312)에서 연결되는 것이 아니라 채널(310)의 최우측 끝단 지점을 제외한 지점에서 연결되는 것이 바람직하다. 그래서, 직선부(313)은 파형 채널(310)의 진폭 방향을 기준으로 일측 방향 끝단 지점과 타측 방향 끝단 지점 사이, 도 5를 기준으로는 채널(310)의 최우측 끝단 지점과 최좌측 끝단 지점 사이에 형성되는 것이 바람직하다.
이때 경계선(L)과 직선부(313) 사이의 간격(Wa)은 반응영역(301a)에 형성되는 랜드(320) 폭(Wb)보다 좁게 형성하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 경계선(L)과 직선부(313) 사이의 간격(Wa)은 반응영역(301a)에 형성되는 랜드(320) 폭(Wb)의 1/2보다 좁게 형성하는 것이 좋다.
그래서, 직선부(313)를 통하여 반응기체 및 생성수가 유동 및 배출되도록 함으로써 반응영역(301a)과 미반응영역(301b)의 경계선(L) 부근에서 반응기체의 유동량을 증대시킬 수 있고, 생성수의 배출이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.
바람직하게는 직선부(313)를 미반응영역(301b)에 형성함으로써, 폭방향으로 최외각에 형성되는 랜드(320a)의 면적을 줄이고, 반응기체가 유동되는 경로 또는 생생수가 배출되는 경로를 확보할 수 있다. 특히, 직선부(313)를 통하여 생성수가 배출되는 경로를 확보하여 생성수의 배출성을 향상시킬 수 있다.
이때 직선부(313)는 반응영역(301a)과 미반응영역(301b)의 경계선(L)과 평행하게 형성되는 것이 바람직하다.
그래서, 다른 채널(310)에 비하여 상대적으로 좁을 수 있는 직선부(313)를 통하여 반응기체 또는 생성수가 지체되지 않고 원활하게 유동 및 배출될 수 있도록 할 수 있다.
한편, 다수의 채널(310) 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널(310a)의 폭(Wc)은 다른 채널(310)의 폭(Wd)과 같거나 좁게 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 바람직하게는 다수의 채널(310) 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널(310a)의 폭(Wc)은 다른 채널(310)의 폭(Wd)에 대하여 60 ~ 100%의 폭으로 형성되는 것이 좋다.
만약, 폭방향으로 최외각에 형성된 채널(310a)의 폭(Wc)이 제시된 범위보다 좁을 경우에는 해당 채널(310)을 통한 반응기체의 유량이 감소하여 반응영역의 가장자리에서 발전 성능이 저하되는 문제가 발생되기 때문이다.
그리고, 폭방향으로 최외각에 형성된 채널(310a)의 폭(Wc)이 제시된 범위보다 넓을 경우에는 다른 채널(310)을 통한 반응기체의 유량이 감소하여 반응영역(301a) 내부의 발전 성능이 저하되는 문제가 발생되기 때문이다.
따라서, 다수의 채널(310) 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널(310a)의 폭(We)은 다른 채널(310)의 폭(Wd)에 대하여 60 ~ 100%의 폭으로 형성하고, 폭방향으로 최외각에 형성된 채널(310a)에 직선부(313)를 형성하여 반응영역(301a) 전체에서 반응기체의 유동량이 균일하게 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 직선부(313)의 폭(We)은 다수의 채널(310) 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널(310a)의 폭과 같거나 좁게 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 바람직하게는 직선부(313)의 폭(We)은 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널(310a)의 폭(Wc)에 대하여 40 ~ 100%의 폭으로 형성되는 것이 좋다.
만약, 직선부(313)의 폭(We)이 제시된 범위보다 좁을 경우에는 직선부(313) 및 폭방향으로 최외각에 형성된 채널(310a)로 유동되는 반응기체의 유량이 감소하여 직선부(313)의 추가적인 형성에 따라 반응영역(301a)과 미반응영역(301b)의 경계선(L) 부근으로 반응기체가 추가적으로 유동되는 효과가 미미해질 수 있다.
그리고, 직선부(313)의 폭(We)이 제시된 범위보다 넓을 경우에는 폭방향으로 최외각에 형성된 채널(310a)로 유동되는 반응기체의 유량이 감소하여 파형 채널의 형성에 따라 기대할 수 있는 효과가 미미해질 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: 막전극 접합체
200: 기체확산층
300: 분리판 301: 유로영역
301a: 반응영역 301b: 미반응영역
302: 매니폴드영역 303: 확산영역
310: 채널 311: 골부
312: 마루부 323: 직선부
3220: 랜드
300: 분리판 301: 유로영역
301a: 반응영역 301b: 미반응영역
302: 매니폴드영역 303: 확산영역
310: 채널 311: 골부
312: 마루부 323: 직선부
3220: 랜드
Claims (13)
- 막전극 접합체(MEA) 및 기체 확산층(GDL)와 함께 연료전지의 단위셀을 구성하는 연료전지용 분리판으로서,
반응기체 또는 냉각수가 유동되는 다수의 채널과 랜드가 폭방향으로 따라 교대로 배치되어 형성되는 유로영역과, 상기 유로영역의 길이방향 양측 단부에 반응기체 또는 냉각수가 유입 및 배출되는 한 쌍의 매니폴드영역을 포함하고,
상기 다수의 채널은 파형(wave type)으로 형성되어 골부와 마루부가 교대로 형성되면서 길이방향을 따라 형성되며,
상기 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널의 골부에는 골부의 선단지점과 후단지점이 연결되는 직선부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 유로영역은 상기 막전극 접합체가 적층되는 영역에 대응되는 반응영역과, 상기 반응영역의 폭방향 양측에서 상기 막전극 접합체가 적층되지 않는 영역인 미반응영역으로 구분되고,
상기 직선부는 상기 반응영역과 미반응영역의 경계선 또는 상기 경계선과 인접한 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 2에 있어서,
상기 직선부는 상기 미반응영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 2에 있어서,
상기 직선부는 상기 반응영역과 미반응영역의 경계선과 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 2에 있어서,
상기 직선부는 파형 채널의 진폭 방향을 기준으로 일측 방향 끝단 지점과 타측 방향 끝단 지점 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 5에 있어서,
상기 경계선과 상기 직선부 사이의 간격은 상기 반응영역에 형성되는 랜드 폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 6에 있어서,
상기 경계선과 상기 직선부 사이의 간격은 상기 반응영역에 형성되는 랜드 폭의 1/2보다 좁은 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널의 폭은 다른 채널의 폭과 같거나 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 8에 있어서
상기 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널의 폭은 다른 채널의 폭에 대하여 60 ~ 100%의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 직선부의 폭은 상기 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널의 폭과 같거나 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 10에 있어서,
상기 직선부의 폭은 상기 다수의 채널 중 폭방향으로 최외각에 형성된 채널의 폭에 대하여 40 ~ 100%의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 한 쌍의 매니폴드영역은 유로영역의 상부와 하부에 각각 형성되고,
상기 유로영역에 형성되는 다수의 채널은 중력방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 12에 있어서,
상기 채널을 따라 유동되는 반응기체는 공기인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220165926A KR20240082462A (ko) | 2022-12-01 | 2022-12-01 | 연료전지용 분리판 |
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| KR1020220165926A KR20240082462A (ko) | 2022-12-01 | 2022-12-01 | 연료전지용 분리판 |
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| KR20240082462A true KR20240082462A (ko) | 2024-06-11 |
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| KR1020220165926A KR20240082462A (ko) | 2022-12-01 | 2022-12-01 | 연료전지용 분리판 |
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| KR (1) | KR20240082462A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2021034170A (ja) | 2019-08-21 | 2021-03-01 | 株式会社Ｓｏｋｅｎ | 燃料電池セパレータ |
-
2022
- 2022-12-01 KR KR1020220165926A patent/KR20240082462A/ko unknown
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