WO2017007174A1 - 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택 Download PDF

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WO2017007174A1
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riblet
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separator
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정혜미
양재춘
정지훈
공창선
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주식회사 엘지화학
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a separator, a method for manufacturing the same, and a fuel cell stack including the same.
  • a fuel cell is a energy conversion device that generates electrical energy through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, and has the advantage of continuously generating power as long as fuel is continuously supplied.
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • the polymer electrolyte fuel cell stack includes a membrane-electrode assembly (MEA) having an electrode layer formed by applying an anode and a cathode, respectively, around an electrolyte membrane made of a polymer material, and reacting gases in the entire reaction region.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • the gas diffusion layer (GDL) which distributes the electrons generated by the oxidation reaction of the anode electrode toward the cathode electrode, and supplies the reaction gases to the gas diffusion layer, and generates an electrochemical reaction.
  • GDL gas diffusion layer
  • a gasket made of elastic rubber material disposed on the outer periphery of the reaction zone of the bipolar plate, separator or membrane-electrode assembly for discharging water to prevent leakage of the reaction gas and cooling water. Can be.
  • Conventional separators for fuel cell stacks are configured such that the flow of reactant gas and generated water travels in the same direction through two-dimensional channels or is distributed and discharged through intersecting three-dimensional solid shapes.
  • it has a structure unsuitable for efficiently discharging a variable amount of water under various operating conditions, thereby lowering the performance of the fuel cell stack.
  • the present invention provides a separator, a method for manufacturing the same, and a fuel cell stack including the same, by applying a riblet element to promote mass transfer of reactant gas in a fuel cell reaction plane by minimizing drag and laminar-turbulent transition flow of fluid.
  • the task is to solve the problem.
  • an object of the present invention is to provide a separator, a method for manufacturing the same, and a fuel cell stack including the same, which can improve heat and mass transfer characteristics.
  • another object of the present invention is to provide a separator plate capable of effectively discharging condensate, a method of manufacturing the same, and a fuel cell stack including the same.
  • a plurality of channels each extending in the first direction; And a plurality of riblet elements provided to connect sidewalls of two adjacent channels along a second direction orthogonal to the first direction.
  • the plurality of riblet elements connecting the sidewalls of two adjacent channels are spaced at predetermined intervals along the first direction, and a first opening is provided between the two adjacent riblet elements along the first direction.
  • the riblet element is provided to have a parallelogram shape.
  • the two riblet elements adjacent in the second direction are provided to have a symmetrical or antisymmetrical shape with respect to the channel.
  • the width of the riblet element along the second direction may be larger than the width of the channel.
  • the first opening may be provided to have a parallelogram shape.
  • the first opening may be provided such that a pair of long sides are inclined with respect to the first direction and the second direction, respectively.
  • the riblet element may be provided such that a pair of long sides of the riblet are inclined with respect to the first direction and the second direction, respectively.
  • the length of the riblet element in the first direction may be larger than the length of the first opening.
  • a second opening connected to the first opening and formed on the sidewall of the channel may be provided.
  • the second opening may have a parallelogram shape.
  • the membrane-electrode assembly A gas diffusion layer provided on one surface of the membrane-electrode assembly; And a separator provided in contact with the gas diffusion layer in some regions.
  • the separator is provided to connect sidewalls of a plurality of channels each extending in a first direction and adjacent two channels along a second direction orthogonal to the first direction and disposed to contact the gas diffusion layer. It includes a plurality of riblet elements.
  • the plurality of riblet elements connecting the sidewalls of two adjacent channels are spaced at a predetermined interval along the first direction, and a first opening is provided between two adjacent riblet elements along the first direction.
  • the side wall of the channel is provided with a second opening connected to the first opening.
  • the riblet element is provided to have a parallelogram shape, and the two riblet elements adjacent along the second direction are provided to have a symmetrical or antisymmetrical shape with respect to the channel.
  • the opening is provided to have a parallelogram shape.
  • the opening pattern may be formed through etching or punching.
  • a separator, a method of manufacturing the same, and a fuel cell stack including the same have the following effects.
  • the gas flow and liquid (eg water) flow in the separator can be efficiently distributed and the gas flow and liquid (eg water) flow in the separator can be optimized.
  • the condensate can be prevented from accumulating in the separator plate, and the condensate can be effectively discharged by the convection flow and the curved flow path at the upper end of the riblet element.
  • vortices can be formed by wall impingement of the fluid passing through the parallelogram-shaped reaction gas flow path, promote heat / mass transfer by the double diffusion convection effect of the reaction gas, and discharge condensate discharge at the top of the riblet element. Can be induced.
  • the manufacturing cost and manufacturing time of the separator can be reduced.
  • FIG. 1 is a plan view of a separator plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the separator shown in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a perspective view of the separator shown in FIG. 1.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view for explaining the flow of water in the separator constituting the fuel cell stack.
  • FIG. 5 is a perspective view for explaining the flow of gas in the separator constituting the fuel cell stack.
  • FIG. 6 is a simulation result for explaining vortex formation at the upper end of the riblet element.
  • 7 and 8 are plan views of the plate for explaining the manufacturing method of the separator.
  • each component member may be exaggerated or reduced. Can be.
  • FIG. 1 is a plan view of a separator plate 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view of the separator plate 100 shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a fuel cell according to an embodiment of the present invention. Cross section of the stack.
  • FIG. 4 is a perspective view for explaining the flow of water (blue arrow) in the separator plate 100 constituting the fuel cell stack
  • FIG. 5 is a flow of gas (red) in the separator plate 100 constituting the fuel cell stack.
  • Arrow is a simulation result for explaining vortex formation at the upper end of the riblet element.
  • the fuel cell stack 1 includes a membrane-electrode assembly 10, a gas diffusion layer 20, and a separator 100 provided on one surface of the membrane-electrode assembly 10.
  • the separation plate 100 is disposed to contact the gas diffusion layer 20 in a partial region.
  • the separation plate 100 may include a plurality of channels 110 extending in a first direction (x-axis direction or a longitudinal direction), respectively, and a second direction (y-axis perpendicular to the first direction).
  • a plurality of riblet elements 120 arranged to connect sidewalls 112 of two adjacent channels 110 along a direction or a width direction).
  • the channel 110 has an open structure toward the riblet element 120.
  • the channel 110 may include a bottom portion 111 and sidewalls 112, and the bottom portion 111 and each sidewall 112 may be provided to be orthogonal to each other.
  • the bottom 111 of the channel 110 and the riblet element 120 may be provided in parallel.
  • the plurality of riblet elements 120 connecting the sidewalls 112 of two adjacent channels 110 are spaced at predetermined intervals along the first direction, and two adjacent riblet elements 120 along the first direction. Between the first opening 130 is provided.
  • the width V1 of the riblet element 120 in the second direction may be larger than the width V2 of the channel 110, and the condensed water may be prevented from accumulating by this structure.
  • the first opening 130 may have various shapes, for example, may have a circular, elliptical, or polygonal shape.
  • the first opening 130 may be provided to have a parallelogram shape.
  • the first opening 130 may be provided such that a pair of long sides of the first opening 130 may be inclined with respect to the first direction and the second direction, respectively.
  • the riblet element 120 may have a shape determined by the shape of the adjacent first openings 130.
  • the riblet element 120 may have a polygonal shape, specifically, the riblet element 120 may be provided to have a parallelogram shape, wherein the riblet element 120 has a long length.
  • a pair of feces may be provided to be inclined with respect to the first direction and the second direction, respectively.
  • the length H2 of the riblet element 120 in the first direction may be greater than the length H1 of the first opening 130.
  • two riblet elements 120 adjacent to each other in the second direction may be provided to have a symmetrical shape with respect to the channel 110 with respect to the first (first direction).
  • a second opening 140 connected to the first opening 130 may be provided in the sidewall 112 region of the channel 110.
  • the second opening 140 may have various shapes, for example, may have a circular, elliptical, or polygonal shape. In one embodiment, the second opening 140 may have a parallelogram shape.
  • an opening provided between the riblet element 120 may be referred to as a first opening 130, and an opening provided in a sidewall of the channel may be referred to as a second opening 140.
  • the plurality of riblet elements 120 connecting the sidewalls 112 of two adjacent channels 110 are spaced at predetermined intervals along the first direction, and two adjacent riblets along the first direction.
  • a first opening 130 is provided between the elements 120, and a side opening 112 of the channel 110 is provided with a second opening 140 connected to the first opening.
  • fuel or a reaction gas may be supplied to flow through the second opening 140 along the second direction of the separator 100.
  • the gas may flow along the second openings 140 formed in the sidewall of the channel 110.
  • adjacent second openings 140 along the second direction may not form a straight flow path, but may form a wave-like flow path.
  • the vortex is formed by the wall collision of the fluid passing through the parallelogram-shaped reaction gas flow path, through this structure to promote heat / mass transfer by the double diffusion convection effect of the reaction gas And induce condensate discharge at the top of the riblet element 120.
  • the separation plate 100 may be arranged such that the ribet elements 120 contact the gas diffusion layer 20, and the channels 110 contact the gas diffusion layer 20 while the separation plate 100 is inverted. It may be arranged to.
  • the separator 100 having the same structure may be disposed in the forward or reverse direction with respect to the gas diffusion layer 20.
  • the separation plate 100 may include a plurality of channels 110 extending in a first direction and perpendicular to the first direction, respectively. And a plurality of riblet elements 120 arranged to connect sidewalls of two adjacent channels along two directions and arranged to contact the gas diffusion layer 20.
  • the plurality of riblet elements 120 connecting the sidewalls 112 of the two adjacent channels 110 are spaced at predetermined intervals along the first direction, and the two adjacent riblet elements (1) along the first direction are separated from each other.
  • the first opening 130 is provided between the 120, and the second opening 140 connected to the first opening 130 is provided at the sidewall 112 of the channel 110. That is, the channel 110 is disposed to open toward the gas diffusion layer 20, and the bottom 111 of the channel 110 is spaced apart from the gas diffusion layer 20.
  • the separation plates 100 extend in the first direction, respectively, and the plurality of channels provided to contact the gas diffusion layer 20 ( 110 and a plurality of riblet elements 120 arranged to connect sidewalls of two adjacent channels 110 along a second direction perpendicular to the first direction and spaced apart from the gas diffusion layer 20. .
  • the separator 100 is disposed such that the bottom 111 of the channel 110 contacts the gas diffusion layer 20.
  • the plurality of riblet elements 120 connecting the sidewalls of two adjacent channels 110 are spaced at predetermined intervals along the first direction, and two adjacent riblet elements 120 along the first direction.
  • the first opening 130 is provided therebetween, and the sidewall 112 of the channel 110 is provided with a second opening 140 connected to the first opening 130.
  • the plate 200 may be a metal / carbon based thin plate.
  • metal sheets, graphite foil / sheets, metal wire mesh, expanded metal lath, or the like may be widely used as the pattern processing plate 200.
  • the manufacturing method of the separating plate includes forming a pair of openings 210 having a symmetrical shape along the longitudinal direction in the plate 200 (see FIG. 7).
  • the pair of openings 210 are spaced at predetermined intervals, and a region between them is formed by the channel 110 described above.
  • the opening 210 pattern means that the plurality of openings 210 are arranged to have a predetermined rule.
  • the opening 210 of FIG. 7 may correspond to the first and second openings 130 and 140 of the separation plate 100.
  • the opening 210 may have a circular, elliptical, polygonal (eg parallelogram) shape.
  • the opening 210 pattern may be formed through etching or punching.
  • the manufacturing method may include a riblet element 120 (see FIG. 1) corresponding to a region of the opening pattern 210 and a channel 110 (see FIG. 1) corresponding to a region adjacent to the opening pattern 210. Stamping along the longitudinal direction of the plate 200 to have this stepped structure.
  • a 2D flow path may be formed in the plate by forming an opening pattern through an etching or punching process, and the separation plate 100 may be formed to have a final 3D riblet shape through a stamping process.
  • the shape of the simple straight molding flow path is applied in the stamping process, it is possible to reduce the mold manufacturing cost, to minimize the influence of the sensitivity of the mold manufacturing tolerance, and to reduce the molding difficulty.
  • the manufacturing method of the conventional separator plate, the production period of the mold and molding takes a minimum of two to three months, but according to the manufacturing method related to the present invention can be produced within approximately two weeks, accordingly compared to the conventional production period And manufacturing costs can be reduced by more than 50%.
  • the present invention it is possible to efficiently distribute the gas flow and the liquid (eg water) flow in the separator plate and optimize the gas flow and the liquid (eg water) flow in the separator plate.
  • the condensate can be prevented from accumulating in the separator plate, and the condensate can be effectively discharged by the convection flow and the curved flow path at the upper end of the riblet element.

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Abstract

본 발명은 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 방향을 따라 각각 길게 연장된 복수 개의 채널 및 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 인접하는 2개의 채널들의 측벽을 연결하도록 마련된 복수 개의 리블렛 요소를 포함하고, 인접하는 2개의 채널들의 측벽을 연결하는 복수 개의 리블렛 요소는, 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되며, 제1 방향을 따라 인접한 2개의 리블렛 요소 사이에는 제1 개구부가 마련된 분리판이 제공된다.

Description

분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택
본 발명은 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 출원은 2015년 7월 3일자 한국 특허 출원 제10-2015-0094967호 및 2016년 6월 30일자 한국 특허 출원 제10-2016-0082317호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌들에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.
수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 낮은 약 100℃ 이하의 작동온도를 가지며, 에너지 전환 효율과 출력밀도가 높고 응답특성이 빠른 장점이 있다. 뿐만 아니라, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 제공될 수 있다.
고분자 전해질 연료전지 스택은 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(anode)와 캐소드(cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 반응 영역 전체에 걸쳐 고르게 분포시키고, 애노드 전극의 산화반응에 의해 발생된 전자를 캐소드 전극 쪽으로 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들을 가스 확산층으로 공급하고, 전기화학반응에 의해 발생된 물을 외부로 배출시키는 분리판(bipolar plate), 분리판 또는 막-전극 접합체의 반응 영역 외주에 배치되어 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는, 탄성을 갖는 고무 소재의 가스켓(gasket)을 포함할 수 있다.
종래 연료전지 스택용 분리판은 반응 기체와 생성된 물의 흐름이 2차원 채널을 통해 같은 방향을 따라 진행하도록 구성되거나, 교차하는 3차원 입체 형상을 통해 분배 및 배출되도록 구성된다. 그러나 다양한 운전 조건 하에서 가변적인 양의 물을 효율적으로 배출시키기에 부적합한 구조를 가지며, 이에 따라 연료전지 스택의 성능을 저하시키는 문제를 갖는다.
본 발명은 리블렛 요소를 적용하여 유체의 층류-난류 천이 유동 및 항력 최소화를 통해 연료전지 반응 면내 반응 가스의 물질 전달을 촉진할 수 있는 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 열 및 물질 전달 특성을 향상시킬 수 있는 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 응축수를 효과적으로 배출시킬 수 있는 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 방향을 따라 각각 길게 연장된 복수 개의 채널; 및 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 인접하는 2개의 채널들의 측벽을 연결하도록 마련된 복수 개의 리블렛(riblet) 요소를 포함하는 분리판이 제공된다.
또한, 인접하는 2개의 채널들의 측벽을 연결하는 복수 개의 리블렛 요소는, 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되며, 제1 방향을 따라 인접한 2개의 리블렛 요소 사이에는 제1 개구부가 마련된다.
또한, 리블렛 요소는, 평행사변형 형상을 갖도록 마련된다.
또한, 제2 방향에 따라 인접하는 2개의 리블렛 요소는 채널을 기준으로 대칭, 또는 역대칭(antisymmetric)된 형상을 갖도록 마련된다.
또한, 제2 방향에 따른 리블렛 요소의 폭은 채널의 폭보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 제1 개구부는 평행사변형 형상을 갖도록 마련될 수 있다.
또한, 제1 개구부는 길이가 긴 한 쌍의 대변이 제1 방향 및 제2 방향에 대하여 각각 경사지도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 리블렛 요소는 길이가 긴 한 쌍의 대변이 제1 방향 및 제2 방향에 대하여 각각 경사지도록 마련될 수 있다.
또한, 제1 방향에 따른 리블렛 요소의 길이는 제1 개구부의 길이보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 제1 개구부와 연결되며, 채널의 측벽에 형성된 제2 개구부가 마련될 수 있다.
또한, 제2 개구부는, 평행사변형 형상을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 막-전극 접합체; 막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층; 및 일부 영역에서 가스 확산층에 접촉하도록 마련된 분리판을 포함하는 연료전지 스택이 제공된다.
여기서 상기 분리판은, 제1 방향을 따라 각각 길게 연장된 복수 개의 채널 및 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 인접하는 2개의 채널들의 측벽을 연결하도록 마련되고, 가스 확산층에 접촉하도록 배치된 복수 개의 리블렛 요소를 포함한다.
또한, 인접하는 2개의 채널들의 측벽을 연결하는 복수 개의 리블렛 요소는, 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되며, 제1 방향을 따라 인접한 2개의 리블렛 요소 사이에는 제1 개구부가 마련되고, 채널의 측벽에는 제1 개구부와 연결된 제2 개구부가 마련된다.
또한, 리블렛 요소는, 평행사변형 형상을 갖도록 마련되고, 제2 방향에 따라 인접하는 2개의 리블렛 요소는 채널을 기준으로 대칭, 또는 역대칭(antisymmetric)된 형상을 갖도록 마련된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 플레이트에 길이방향을 따라 대칭, 또는 역대칭 형상을 갖는 한 쌍의 개구부 패턴을 형성하는 단계 및 개구부 패턴 영역에 대응하는 리블렛 요소와 개구부 패턴과 인접한 영역에 대응하는 채널이 단차 구조를 갖도록 플레이트의 길이방향을 따라 스탬핑하는 단계를 포함하는 분리판의 제조방법에 제공된다.
여기서 상기 개구부는 평행사변형 형상을 갖도록 마련된다.
또한, 개구부 패턴은 에칭 또는 펀칭을 통해 형성될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.
분리판 내의 기체 흐름과 액체(예를 들어, 물) 흐름을 효율적으로 분배할 수 있고, 분리판 내의 기체 흐름과 액체(예를 들어, 물) 흐름을 최적화할 수 있다. 특히, 응축수가 분리판 내에 축적되는 것을 방지할 수 있으며, 리블렛 요소의 상단부의 대류 유동 및 굴곡 유로에 의해 응축수를 효과적으로 배출시킬 수 있다.
또한, 층류-난류 유동 천이, 와류 형성 및 난류 경계층 교란 유도를 통해 열 및 물질 전달 특성을 향상시킬 수 있다. 특히, 평행사변형 형상의 반응 가스 유로를 통과한 유체의 벽면 충돌에 의해 와류가 형성될 수 있고, 반응 가스의 이중 확산 대류 효과에 의해 열/물질 전달을 촉진시키고, 리블렛 요소 상단부의 응축수 배출을 유도할 수 있다.
또한, 분리판의 제조비용 및 제조시간을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 분리판의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택의 단면도이다.
도 4는 연료전지 스택을 구성하는 분리판에서 물의 흐름을 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 연료전지 스택을 구성하는 분리판에서 가스의 흐름을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 리블렛 요소 상단부의 와류 형성을 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 7 및 도 8은 분리판의 제조방법을 설명하기 위한 플레이트의 평면도들이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판(100)의 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 분리판(100)의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택의 단면도이다.
또한, 도 4는 연료전지 스택을 구성하는 분리판(100)에서 물의 흐름(파란색 화살표)을 설명하기 위한 사시도이고, 도 5는 연료전지 스택을 구성하는 분리판(100)에서 가스의 흐름(빨간색 화살표)을 설명하기 위한 사시도이며, 도 6은 리블렛 요소 상단부의 와류 형성을 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(1)은 막-전극 접합체(10)와 막-전극 접합체(10)의 일면에 마련된 가스 확산층(20) 및 분리판(100)을 포함한다. 상기 분리판(100)은 일부 영역에서 가스 확산층(20)가 접촉하도록 배치된다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판(100)은 제1 방향(x축 방향 또는 길이방향)을 따라 각각 길게 연장된 복수 개의 채널(110) 및 제1 방향과 직교하는 제2 방향(y축 방향 또는 폭 방향)을 따라 인접하는 2개의 채널(110)들의 측벽(112)을 연결하도록 마련된 복수 개의 리블렛 요소(120)를 포함한다. 상기 채널(110)은 리블렛 요소(120) 측으로 개방된 구조를 갖는다. 상기 채널(110)은 바닥부(111)와 측벽(112)을 포함하며, 바닥부(111)와 각각의 측벽(112)은 직교하도록 마련될 수 있다. 또한, 채널(110)의 바닥부(111)와 리블렛 요소(120)는 평행하게 마련될 수 있다.
인접하는 2개의 채널(110)들의 측벽(112)을 연결하는 복수 개의 리블렛 요소(120)는, 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되며, 제1 방향을 따라 인접한 2개의 리블렛 요소(120) 사이에는 제1 개구부(130)가 마련된다.
여기서 제2 방향에 따른 리블렛 요소(120)의 폭(V1)은 채널(110)의 폭(V2)보다 크게 형성될 수 있으며, 이러한 구조에 의하여 응축수가 축적되는 것을 방지할 수 있다. 상기 제1 개구부(130)는 다양한 형상을 가질 수 있고, 예를 들어, 원형, 타원형, 또는 다각형 형상을 가질 수도 있다. 일 실시태양으로, 제1 개구부(130)는 평행사변형 형상을 갖도록 마련될 수 있다. 구체적으로, 제1 개구부(130)는 길이가 긴 한 쌍의 대변이 제1 방향 및 제2 방향에 대하여 각각 경사지도록 마련될 수 있다.
또한, 리블렛 요소(120)는, 인접하는 제1 개구부(130)들의 형상에 의해 결정된 형상을 가질 수 있다. 일 실시태양으로, 리블렛 요소(120)는 다각형 형상을 가질 수 있고, 구체적으로, 리블렛 요소(120)는 평행사변형 형상을 갖도록 마련될 수 있고, 이때 리블렛 요소(120)는 길이가 긴 한 쌍의 대변이 제1 방향 및 제2 방향에 대하여 각각 경사지도록 마련될 수 있다.
또한, 제1 방향에 따른 리블렛 요소(120)의 길이(H2)는 제1 개구부(130)의 길이(H1)보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 제2 방향에 따라 인접하는 2개의 리블렛 요소(120)는 채널(110)을 기준(제1 방향)으로 대칭된 형상을 갖도록 마련될 수 있다. 또한, 채널(110)의 측벽(112) 영역에는 제1 개구부(130)와 연결되는 제2 개구부(140)가 마련될 수 있다. 제2 개구부(140)는 다양한 형상을 가질 수 있고, 예를 들어, 원형, 타원형, 또는 다각형 형상을 가질 수 있다. 일 실시태양으로, 제2 개구부(140)는 평행사변형 형상을 가질 수 있다.
살펴본 바와 같이, 리블렛 요소(120) 사이에 마련된 개구부를 제1 개구부(130)라 지칭하고, 채널의 측벽에 마련된 개구부를 제2 개구부(140)라 지칭할 수 있다. 구체적으로, 인접하는 2개의 채널(110)들의 측벽(112)을 연결하는 복수 개의 리블렛 요소(120)는, 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되며, 제1 방향을 따라 인접한 2개의 리블렛 요소(120) 사이에는 제1 개구부(130)가 마련되고, 채널(110)의 측벽(112)에는 제1 개구부와 연결된 제2 개구부(140)가 마련된다.
또한, 연료 또는 반응가스(‘가스’라고도 함)는 분리판(100)의 제2 방향을 따라 제2 개구부(140)를 통해 유동하도록 공급될 수 있다. 이러한 경우, 가스는 채널(110)의 측벽에 형성된 제2 개구부(140)들을 따라 유동할 수 있다. 리블렛 요소(120)가 평행사변형 형상을 가짐에 따라, 제2 방향을 따라 인접한 제2 개구부(140)들은 직선 유로를 형성하지 못하고, 굴곡(wave-like) 유로를 형성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 평행사변형 형상의 반응 가스 유로를 통과한 유체의 벽면 충돌에 의해 와류가 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 구조를 통해 반응 가스의 이중 확산 대류 효과에 의해 열/물질 전달을 촉진시키고, 리블렛 요소(120) 상단부의 응축수 배출을 유도할 수 있다.
한편, 상기 분리판(100)은 리블렛 요소(120)들이 가스 확산층(20)에 접촉하도록 배치될 수도 있고, 분리판(100)을 뒤집은 상태에서 채널(110)들이 가스 확산층(20)에 접촉하도록 배치될 수도 있다. 동일한 구조의 분리판(100)을 가스 확산층(20)에 대하여 정방향 또는 역방향으로 배치시킬 수 있다.
리블렛 요소(120)들이 가스 확산층(20)에 접촉하도록 배치된 경우, 상기 분리판(100)은, 제1 방향을 따라 각각 길게 연장된 복수 개의 채널(110) 및 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 인접하는 2개의 채널들의 측벽을 연결하도록 마련되고, 가스 확산층(20)에 접촉하도록 배치된 복수 개의 리블렛 요소(120)를 포함한다. 여기서 인접하는 2개의 채널(110)들의 측벽(112)을 연결하는 복수 개의 리블렛 요소(120)는, 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되며, 제1 방향을 따라 인접한 2개의 리블렛 요소(120) 사이에는 제1 개구부(130)가 마련되고, 채널(110)의 측벽(112)에는 제1 개구부(130)와 연결된 제2 개구부(140)가 마련된다. 즉, 채널(110)은 가스 확산층(20)을 향하여 개방되도록 배치되고, 채널(110)의 바닥부(111)는 가스 확산층(20)으로부터 이격된다.
한편, 채널(110)들이 가스 확산층(20)에 접촉하도록 배치된 경우, 상기 분리판(100)은, 제1 방향을 따라 각각 길게 연장되며, 가스 확산층(20)과 접촉하도록 마련된 복수 개의 채널(110) 및 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 인접하는 2개의 채널(110)들의 측벽을 연결하도록 마련되고, 가스 확산층(20)과 이격되도록 마련된 복수 개의 리블렛 요소(120)를 포함한다. 구체적으로, 채널(110)의 바닥부(111)가 가스 확산층(20)과 접촉하도록 분리판(100)이 배치된다. 또한, 인접하는 2개의 채널(110)들의 측벽을 연결하는 복수 개의 리블렛 요소(120)는, 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되며, 제1 방향을 따라 인접한 2개의 리블렛 요소(120) 사이에는 제1 개구부(130)가 마련되고, 채널(110)의 측벽(112)에는 제1 개구부(130)와 연결된 제2 개구부(140)가 마련된다.
도 7및 도 8은 분리판의 제조방법을 설명하기 위한 플레이트(200)의 평면도이다. 상기 플레이트(200)는 금속/탄소 계열의 박판일 수 있다. 이때, 패턴 가공용 플레이트(200)로는, metal sheets, graphite foil/sheets, metal wire Mesh, expanded metal lath 등이 광범위하게 사용될 수 있다.
분리판의 제조방법은, 플레이트(200)에 길이방향을 따라 대칭 형상을 갖는 한 쌍의 개구부(210) 패턴을 형성하는 단계를 포함한다(도 7 참조). 한 쌍의 개구부(210)는 소정 간격으로 이격되며, 그 사이 영역은 전술한 채널(110)로 형성된다. 개구부(210) 패턴이라 함은 복수 개의 개구부(210)들이 일정한 규칙을 갖도록 배열된 것을 의미한다. 도 7의 개구부(210)는 분리판(100)의 제1 및 제2 개구부(130, 140)에 대응될 수 있다. 한편, 상기 개구부(210)는 원형, 타원형, 다각형(예를 들어, 평행사변형) 형상을 가질 수 있다. 상기 개구부(210) 패턴은 에칭(etching) 또는 펀칭(punching)을 통해 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제조방법은, 개구부 패턴(210) 영역에 대응하는 리블렛 요소(120, 도 1참조)와 개구부 패턴(210)과 인접한 영역에 대응하는 채널(110, 도 1참조)이 단차 구조를 갖도록 플레이트(200)의 길이방향을 따라 스탬핑(stamping)하는 단계를 포함한다
도 7에서와 같이, 에칭 또는 펀칭 공정을 통해 개구부 패턴을 형성함으로써 플레이트에 2D 유로를 형성할 수 있고, 스탬핑 공정을 통해 최종 3D 리블렛 형상을 갖도록 분리판(100)을 성형할 수 있다. 특히, 스탬핑 공정에서 단순한 직선 성형 유로의 형상이 적용됨에 따라, 금형 제작 비용을 절감할 수 있고, 금형 제작 공차의 민감도 영향을 최소화할 수 있으며, 성형 난이도를 낮출 수 있다.
특히, 종래 분리판의 제조방법은, 금형 제작과 성형에 최소 2 내지 3개월의 제작 기간이 소요되지만, 본 발명과 관련된 제조방법에 따르면 대략 2주 이내에 제작이 가능하고, 이에 따라 종래 대비 제작 기간과 제조 비용을 50% 이상 절감할 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 분리판 내의 기체 흐름과 액체(예를 들어, 물) 흐름을 효율적으로 분배할 수 있고, 분리판 내의 기체 흐름과 액체(예를 들어, 물) 흐름을 최적화할 수 있다. 특히, 응축수가 분리판 내에 축적되는 것을 방지할 수 있으며, 리블렛 요소의 상단부의 대류 유동 및 굴곡 유로에 의해 응축수를 효과적으로 배출시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 제1 방향을 따라 각각 길게 연장된 복수 개의 채널; 및
    제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 인접하는 2개의 채널들의 측벽을 연결하도록 마련된 복수 개의 리블렛(riblet) 요소를 포함하고,
    인접하는 2개의 채널들의 측벽을 연결하는 복수 개의 리블렛 요소는, 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되며, 제1 방향을 따라 인접한 2개의 리블렛 요소 사이에는 제1 개구부가 마련되며,
    리블렛 요소는, 평행사변형 형상을 갖도록 마련되고,
    제2 방향에 따라 인접하는 2개의 리블렛 요소는 채널을 기준으로 대칭, 또는 역대칭(antisymmetric)된 형상을 갖도록 마련된 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제2 방향에 따른 리블렛 요소의 폭은 채널의 폭보다 크게 형성된 분리판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제1 개구부는 평행사변형 형상을 갖도록 마련된 분리판.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제1 개구부는 길이가 긴 한 쌍의 대변이 제1 방향 및 제2 방향에 대하여 각각 경사지도록 마련된 분리판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    리블렛 요소는 길이가 긴 한 쌍의 대변이 제1 방향 및 제2 방향에 대하여 각각 경사지도록 마련된 분리판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제1 방향에 따른 리블렛 요소의 길이는 제1 개구부의 길이보다 크게 형성된 분리판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제1 개구부와 연결되며, 채널의 측벽에 형성된 제2 개구부가 마련된 분리판.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제2 개구부는, 평행사변형 형상을 갖는 분리판.
  9. 막-전극 접합체;
    막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층; 및
    일부 영역에서 가스 확산층에 접촉하도록 마련된 분리판을 포함하며,
    상기 분리판은, 제1 방향을 따라 각각 길게 연장된 복수 개의 채널 및 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 인접하는 2개의 채널들의 측벽을 연결하도록 마련되고, 가스 확산층에 접촉하도록 배치된 복수 개의 리블렛 요소를 포함하고,
    인접하는 2개의 채널들의 측벽을 연결하는 복수 개의 리블렛 요소는, 제1 방향을 따라 소정 간격으로 이격되며, 제1 방향을 따라 인접한 2개의 리블렛 요소 사이에는 제1 개구부가 마련되고, 채널의 측벽에는 제1 개구부와 연결된 제2 개구부가 마련되며,
    리블렛 요소는, 평행사변형 형상을 갖도록 마련되고,
    제2 방향에 따라 인접하는 2개의 리블렛 요소는 채널을 기준으로 대칭, 또는 역대칭(antisymmetric)된 형상을 갖도록 마련된 연료전지 스택.
  10. 제 9 항에 있어서,
    제2 방향에 따른 리블렛 요소의 폭은 채널의 폭보다 크게 형성된 연료전지 스택.
  11. 제 9 항에 있어서,
    제1 개구부는 평행사변형 형상을 갖도록 마련되고, 제1 개구부는 길이가 긴 한 쌍의 대변이 제1 방향 및 제2 방향에 대하여 각각 경사지도록 마련된 연료전지 스택.
  12. 제 9 항에 있어서,
    리블렛 요소는 길이가 긴 한 쌍의 대변이 제1 방향 및 제2 방향에 대하여 각각 경사지도록 마련된 연료전지 스택.
  13. 제 9 항에 있어서,
    제1 방향에 따른 리블렛 요소의 길이는 제1 개구부의 길이보다 크게 형성된 연료전지 스택.
  14. 제 9 항에 있어서,
    제2 개구부는 평행사변형 형상을 갖도록 마련된 연료전지 스택.
  15. 제 9 항에 있어서,
    연료 또는 반응가스는 분리판의 제2 방향을 따라 제2 개구부를 통해 유동하도록 공급되는 연료전지 스택.
  16. 플레이트에 길이방향을 따라 대칭, 또는 역대칭 형상을 갖는 한 쌍의 개구부 패턴을 형성하는 단계; 및
    개구부 패턴 영역에 대응하는 리블렛 요소와 개구부 패턴과 인접한 영역에 대응하는 채널이 단차 구조를 갖도록 플레이트의 길이방향을 따라 스탬핑하는 단계를 포함하며,
    상기 개구부는 평행사변형 형상을 갖도록 마련된 분리판의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    개구부 패턴은 에칭 또는 펀칭을 통해 형성되는 분리판의 제조방법.
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