WO2017022978A1 - 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택 Download PDF

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정혜미
양재춘
정지훈
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Definitions

  • the present invention relates to a separator, 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.
  • An object of the present invention is to provide a separator and a fuel cell stack including the same that can improve heat and mass transfer characteristics by turbulent flow and vortex formation.
  • an object of the present invention is to provide a separator and a fuel cell stack including the same that can effectively discharge condensate.
  • the present invention is to solve the problem to provide a separator and a fuel cell stack including the same that can improve the reaction gas supply efficiency through efficient moisture management, and can prevent performance instability.
  • a plurality of riblet elements arranged spaced at a predetermined interval; And a plurality of connecting bars connecting two adjacent riblet elements.
  • Each riblet element here comprises a contact portion having a predetermined area and a first partition wall and a second partition wall respectively extending on both sides of the contact portion.
  • the space formed by the first partition, the contact portion and the second partition is opened along the connection direction of the connection bar.
  • at least two riblet elements are provided such that each contact has a different area.
  • a plurality of riblet elements arranged spaced at a predetermined interval; And a plurality of connecting bars connecting two adjacent riblet elements.
  • Each riblet element here comprises a contact portion having a predetermined area and a first partition wall and a second partition wall respectively extending on both sides of the contact portion.
  • the space formed by the first partition, the contact portion and the second partition is opened along the connection direction of the connection bar. Further, the inclination of the first partition wall with respect to the contact portion and the inclination of the second partition wall with respect to the contact portion are set differently.
  • the membrane-electrode assembly A gas diffusion layer provided on one surface of the membrane-electrode assembly; A separation plate arranged at a predetermined interval, the separation plate including a plurality of riblets each contacting the gas diffusion layer and a plurality of connecting bars connecting two adjacent riblet elements; And a plate provided to surround the separator plate in contact with the plurality of connection bars.
  • Each riblet element here comprises a contact portion in contact with the gas diffusion layer in a predetermined area and a first partition wall and a second partition wall extending toward the plate on both sides of the contact portion, respectively. At least two riblet elements are provided such that each contact has a different area.
  • the membrane-electrode assembly A gas diffusion layer provided on one surface of the membrane-electrode assembly; A separation plate arranged at a predetermined interval, the separation plate including a plurality of riblets each contacting the gas diffusion layer and a plurality of connecting bars connecting two adjacent riblet elements; And a plate provided to surround the separator plate in contact with the plurality of connection bars.
  • Each riblet element here comprises a contact portion in contact with the gas diffusion layer and a first partition wall and a second partition wall extending toward the plate on both sides of the contact portion, respectively.
  • the space formed by the first partition, the contact portion and the second partition is opened along the connection direction of the connection bar. Further, the inclination of the first partition wall with respect to the contact portion and the inclination of the second partition wall with respect to the contact portion are set differently.
  • the separator and the fuel cell stack including the same according to an embodiment of the present invention 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. It is also possible to prevent condensate from accumulating in the separator.
  • the inclined surface is formed in the upper end of the three-dimensional discontinuous riblet element adjacent to the gas diffusion layer / membrane-electrode assembly, the oxidant delivery by the turbulent mixed convection is promoted, and the average flow velocity in the gas diffusion layer plane / thickness direction increases. This improves condensate discharge.
  • a discontinuous water movement passage is formed in the first half section (about 30 to 40% or less of the total reaction gas flow length) in which the reaction gas flows, and the second half section of the flow passage.
  • the manufacturing cost and manufacturing time of the separator can be reduced through metal lath cutting, etching, micro punching, and stamping.
  • FIG. 1 is a perspective view of a separator plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view of the separator shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a rear view of the separator shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a front view for explaining the flow of generated water and gas in the separator constituting the fuel cell stack.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram for describing angles of inclination of the first and second partition walls of the riblet element.
  • FIG. 7 and 8 are enlarged perspective views of portions A and C shown in FIG. 3, respectively.
  • each component member may be exaggerated or reduced. Can be.
  • FIG. 1 is a perspective view of a separator plate 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a front view of the separator plate 100 shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a separator plate 100 shown in FIG. 1. Is the rear view of the.
  • FIG. 4 is a front view for explaining the flow of generated water and gas in the separator constituting the fuel cell stack
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the fuel cell stack 1 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6. Is a conceptual diagram for explaining the inclination angles of the first and second partition walls of the riblet element.
  • FIG. 7 and 8 are enlarged perspective views of portions A and C shown in FIG. 3, respectively.
  • 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 such that the gas diffusion layer 20 contacts in some regions.
  • the separating plate 100 includes a plurality of connecting bars 130 connecting the plurality of riblet elements 110 and 120 and two adjacent riblet elements 110 and 120 spaced apart at predetermined intervals. .
  • the plurality of riblet elements 110 and 120 are spaced apart at predetermined intervals along the first direction (x-axis direction), and the plurality of riblet elements 110 and 120 are orthogonal to the first direction (x-axis direction). It is spaced apart at predetermined intervals along the second direction (y-axis direction).
  • the plurality of riblet elements 110, 120 are in contact with the gas diffusion layer 20, respectively.
  • each of the riblet elements 110 and 120 may include contact portions 111 and 121 having a predetermined area, and first and second partition walls 112 and 122 and second and second partition walls 113 and 123 respectively extending from both sides of the contact portion. It includes.
  • the at least two riblet elements 110 and 120 are provided such that the contact portions 111 and 121 have different areas. Through such a structure, it is possible to prevent the loss of performance due to contact resistance, for example, to secure a contact area of 20 to 40% of the reaction area.
  • the plurality of riblet elements include a plurality of first riblet elements 110 and a plurality of second riblet elements 120.
  • the first and second riblet elements 110 and 120 have the same structure, but differ only in the area of the connecting portions 111 and 121.
  • the area of the contact portion 111 of the first riblet element 110 is smaller than the area of the contact portion 121 of the second riblet element 120.
  • first riblet element 110 and the second riblet element 120 are connected via a connection bar 130.
  • the connection bar 130 may be provided to connect two adjacent first partitions 112 and 122 or two adjacent second partitions 113 and 123.
  • first riblet element 110 and the second riblet element 120 may be connected by the connecting bar 130 connecting the first partitions 112 and 122, and the first riblet element 110.
  • second riblet element 120 may be connected by the connecting bar 130 connecting the second partitions 113 and 123.
  • first and second barrier ribs 112 and 113 may have different inclination angles with respect to the connection bar 130, respectively.
  • each of the first and second barrier ribs 112 and 113 may have different inclination angles with respect to the contact portion 111.
  • the inclination of the first partition wall 112 with respect to the contact portion 111 and the inclination of the second partition wall 113 with respect to the contact portion 111 are set differently. This feature, as shown in FIG. 6, relates to heat and mass transfer properties, and will be described later along with the flow of fuel or reactant gas (hereinafter also referred to as “gas”).
  • first partition wall 112, the contact part 112, and the second partition wall 113 is opened along the connection direction of the connection bar 130.
  • a first space portion 140 through which gas or water may flow is formed between two adjacent riblet elements 110 and 120.
  • the plurality of riblet elements 110, 120 may be arranged to be coaxially along the first direction (x-axis direction).
  • the plurality of riblet elements 110 and 120 may be arranged such that the contact portions 111 and 121 alternately have different areas along the first direction.
  • the first riblet element 110 and the second riblet element 120 may be alternately arranged along the first direction. 4 and 5, the riblet element (eg, 110) may include the first partition wall 112 and the first partition wall along the second direction (y-axis direction) orthogonal to the first direction (x-axis direction).
  • the centers of the two partition walls 113 may be arranged so that they do not coincide with each other.
  • the plurality of riblet elements 110 and 120 may be arranged such that contact portions alternately have different areas along a second direction (y-axis direction) orthogonal to the first direction.
  • connection bars 130 connect adjacent riblet elements 110 and 120 along the first direction, and the adjacent connection bars 130 are continuously connected to the first. All can be connected along the direction (see section A).
  • connection bars 130 connect adjacent riblet elements 110 and 120 along the first direction, and the adjacent connection bars 130 intermittently include the first. Some connections may be made along the direction (see Part C).
  • the fuel cell stack 1 includes a plate 30 provided to surround the separator plate 100 in contact with the plurality of connection bars 130.
  • the flow of gas and water can be separated through the separator plate 100, in particular water (product water) can flow through the gap between the connection bars 130 and the surface of the plate 30.
  • water product water
  • the flow direction of the gas G and the flow direction of the product water W may be opposite to each other.
  • the plurality of riblet elements 110 and 120 may be arranged to be coaxially along the first direction.
  • each of the riblet elements 110 and 120 may be arranged such that the centers of the first and second partition walls 112 and 113 do not coincide with each other in a second direction orthogonal to the first direction.
  • the reaction gas G may be supplied to the first partition wall 112 so as to flow along the second direction.
  • oxidizing gas (G) mixed impingement cross flow, turbulent mixed convection flow of oxidizing gas along the inclined surface (eg, the first partition) of the riblet element, in-plane oxidizing gas delivery and electrochemical reaction By the discharge of the product water can be promoted.
  • localized heat load in the reaction plane can be prevented from being concentrated.
  • the separation plate 100 may be divided into a first flow path B1 and a second flow path B2 through which the reaction gas G flows at a specific position B along a second direction (y-axis direction or flow direction).
  • the second passage B2 may be provided such that the product water W may continuously flow through the space between the connection bars 130 (see part C of FIG. 8) in a direction opposite to the flow direction of the reaction gas.
  • adjacent connection bars 130 may be partially connected along the first direction intermittently to provide a flow passage of the product water W.
  • connection bars 130 may be connected all along the first direction in succession (see part A of FIG. 7).
  • the length of the second half flow path B2 in the second direction may be longer than the length of the first half flow path B1 in the second direction.
  • the contact portions of the plurality of riblet elements may be arranged to have the same area along the second direction.
  • a plurality of first riblet elements may be arranged in sequence.
  • the plurality of riblet elements may be arranged such that the contact portions alternately have different areas along the second direction.
  • the first and second passages may be adjusted to have different flow characteristics through the arrangement of the riblet elements.
  • the sections of the micro-molding flow path in the separator 100 may be separated.
  • the first half flow path section (B1) it is possible to arrange a discontinuous water movement passage, to increase the residence time in the electrode surface of the condensed water introduced to the lower end by its own weight. Therefore, it is possible to promote the reverse diffusion of water from the cathode inlet side to the anode outlet side, and to prevent drying of the cathode inlet side membrane-electrode assembly due to excessive oxidizing gas inflow.
  • the latter flow path section B2 by disposing a continuous water movement path and reducing the mass transfer resistance of the water transfer path, flooding on the cathode outlet side can be prevented.
  • the inclination of the first partition wall 112 with respect to the contact portion (for example 111) and the inclination of the second partition wall 113 with respect to the contact portion are set differently.
  • the reaction gas G is provided to be supplied to the first partition wall 111 side. 4 and 6, the first partition wall 111 is inclined to impart a velocity component directed to the gas diffusion layer 20 to the flow of the reaction gas G.
  • the first partition wall 112 may be provided to have a gentler slope than the second partition wall 113.
  • the separation plate 100 as described above may be manufactured by various methods, for example, may be manufactured through a thin metal material and a stamping process.
  • a separator plate and a fuel cell stack including the same may improve turbulent flow due to cross collision, thermal heat due to vortex formation, and mass transfer characteristics.

Abstract

본 발명은 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 소정 간격으로 이격 배열된 복수 개의 리블렛 요소; 및 인접하는 2개의 리블렛 요소를 연결하는, 복수 개의 연결 바를 포함하며, 각각의 리블렛 요소는, 소정 면적을 갖는 접촉부와 상기 접촉부의 양측에서 각각 연장된 제1 격벽 및 제2 격벽을 포함하고, 제1 격벽과 접촉부 및 제2 격벽으로 형성된 공간은 연결 바의 연결 방향을 따라 개방되고, 적어도 2개의 리블렛 요소는 각각의 접촉부가 서로 다른 면적을 갖도록 마련된 분리판이 제공된다.

Description

분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택
본 발명은 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 출원은 2015년 7월 31일자 한국 특허 출원 제10-2015-0108800호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 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.
특히, 고출력 영역에서 연료전지 내의 물 전달(공급/생성/배출) 불균형이 발생하고, 반응면 내 반응 가스의 높은 물질 전달 저항(통상 확산저항)이 발생하는 기술적 문제가 있다.
또한, 종래 분리판, 예를 들어 Metal Mesh, Expanded Metal 등을 적용한 분리판의 경우 반응 가스 및 생성수 이동 통로의 구분이 명확하지 않아 미세 유로 내 응축수 폐색에 의한 반응가스 공급 효율 저하 및 성능 분안정의 문제가 발생한다.
본 발명은 난류 유동 및 와류 형성에 의해 열 및 물질 전달 특성을 향상시킬 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 응축수를 효과적으로 배출시킬 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 효율적인 수분 관리를 통해 반응가스 공급 효율을 향상시킬 수 있고, 성능 불안정을 방지할 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 소정 간격으로 이격 배열된 복수 개의 리블렛 요소; 및 인접하는 2개의 리블렛 요소를 연결하는, 복수 개의 연결 바를 포함하는 분리판이 제공된다.
여기서 각각의 리블렛 요소는, 소정 면적을 갖는 접촉부와 상기 접촉부의 양측에서 각각 연장된 제1 격벽 및 제2 격벽을 포함한다. 또한, 제1 격벽과 접촉부 및 제2 격벽으로 형성된 공간은 연결 바의 연결 방향을 따라 개방된다. 또한, 적어도 2개의 리블렛 요소는 각각의 접촉부가 서로 다른 면적을 갖도록 마련된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 소정 간격으로 이격 배열된 복수 개의 리블렛 요소; 및 인접하는 2개의 리블렛 요소를 연결하는, 복수 개의 연결 바를 포함하는 분리판이 제공된다.
여기서 각각의 리블렛 요소는, 소정 면적을 갖는 접촉부와 상기 접촉부의 양측에서 각각 연장된 제1 격벽 및 제2 격벽을 포함한다. 또한, 제1 격벽과 접촉부 및 제2 격벽으로 형성된 공간은 연결 바의 연결 방향을 따라 개방된다. 또한, 접촉부에 대한 제1 격벽의 경사도와 접촉부에 대한 제2 격벽의 경사도는 서로 다르게 설정된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 막-전극 접합체; 막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층; 소정 간격으로 이격 배열되고, 각각 가스 확산층과 접촉하는 복수 개의 리블렛 요소 및 인접하는 2개의 리블렛 요소를 연결하는 복수 개의 연결 바를 포함하는 분리판; 및 복수 개의 연결 바와 접촉한 상태로 분리판을 둘러싸도록 마련된 플레이트를 포함하는 연료전지 스택이 제공된다.
여기서 각각의 리블렛 요소는, 소정 면적으로 가스 확산층과 접촉하는 접촉부와 상기 접촉부의 양측에서 각각 플레이트를 향하여 연장된 제1 격벽 및 제2 격벽을 포함한다. 적어도 2개의 리블렛 요소는 각각의 접촉부가 서로 다른 면적을 갖도록 마련된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 막-전극 접합체; 막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층; 소정 간격으로 이격 배열되고, 각각 가스 확산층과 접촉하는 복수 개의 리블렛 요소 및 인접하는 2개의 리블렛 요소를 연결하는 복수 개의 연결 바를 포함하는 분리판; 및 복수 개의 연결 바와 접촉한 상태로 분리판을 둘러싸도록 마련된 플레이트를 포함하는 연료전지 스택이 제공된다.
여기서 각각의 리블렛 요소는, 가스 확산층과 접촉하는 접촉부와 상기 접촉부의 양측에서 각각 플레이트를 향해 연장된 제1 격벽 및 제2 격벽을 포함한다. 또한, 제1 격벽과 접촉부 및 제2 격벽으로 형성된 공간은 연결 바의 연결 방향을 따라 개방된다. 또한, 접촉부에 대한 제1 격벽의 경사도와 접촉부에 대한 제2 격벽의 경사도는 서로 다르게 설정된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.
교차 충돌에 의한 난류 유동, 와류 형성에 의한 열 열 및 물질 전달 특성을 향상시킬 수 있다.
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. 또한, 응축수가 분리판 내에 축적되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 가스확산층/막-전극 접합체와 인접하는 3차원 불연속 리블렛 요소 상단부 내에 경사면이 형성됨에 따라, 난류 혼합 대류에 의한 산화제 전달이 촉진되고, 가스확산층 평면/두께 방향으로의 평균 유속이 증가함에 의해 응축수 배출이 향상된다.
또한, 산화 가스 과량 유입에 의한 건조 현상을 방지하기 위하여, 반응가스가 유입되는 유로 전반부 구간(전체 반응가스 유동 길이의 약 30 내지 40% 이하 구간)에는 불연속 물 이동 통로를 형성하고, 유로 후반부 구간에는 플러딩(flooding) 방지를 위해 연속적 물 이동 통로를 형성함으로써, 효율적인 수분 관리가 가능하고, 그 결과 효율적으로 수분을 관리할 수 있고, 반응가스 공급 효율을 향상시킬 수 있고, 성능 불안정을 방지할 수 있다.
또한, 메탈 라스(Metal Lath Cutting), 에칭, 마이크로 펀칭, 스탬핑 등을 통해 분리판의 제조비용 및 제조시간을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 분리판의 정면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 분리판의 배면도이다.
도 4는 연료전지 스택을 구성하는 분리판에서 생성수와 가스의 유동을 설명하기 위한 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택의 단면도이다.
도 6은 리블렛 요소의 제1 격벽 및 제2 격벽의 경사 각도를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7 및 도 8은 각각 도 3에 도시된 A부분과 C부분의 확대 사시도들이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판 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 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 분리판(100)의 정면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 분리판(100)의 배면도이다.
또한, 도 4는 연료전지 스택을 구성하는 분리판에서 생성수와 가스의 유동을 설명하기 위한 정면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(1)의 단면도이며, 도 6은 리블렛 요소의 제1 격벽 및 제2 격벽의 경사 각도를 설명하기 위한 개념도이다.
또한, 도 7 및 도 8은 각각 도 3에 도시된 A부분과 C부분의 확대 사시도들이다.
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. 또한, 상기 분리판(100)은 일부 영역에서 가스 확산층(20)가 접촉하도록 배치된다.
첨부된 도면을 참조하여 분리판(100)의 구조를 설명한다.
상기 분리판(100)은 소정 간격으로 이격 배치된 복수 개의 리블렛 요소(110, 120) 및 인접하는 2개의 리블렛 요소(110, 120)를 연결하는, 복수 개의 연결 바(130)를 포함한다. 복수 개의 리블렛 요소(110, 120)는 제1 방향(x축 방향)을 따라 소정 간격으로 이격 배열되며, 복수 개의 리블렛 요소(110, 120)는 제1 방향(x축 방향)에 직교하는 제2 방향(y축 방향)을 따라 소정 간격으로 이격 배열된다. 복수 개의 리블렛 요소(110, 120)는 각각 가스 확산층(20)과 접촉한다.
여기서, 각각의 리블렛 요소(110, 120)는, 소정 면적을 갖는 접촉부(111, 121)와 상기 접촉부의 양측에서 각각 연장된 제1 격벽(112, 122) 및 제2 격벽(113, 123)을 포함한다. 이때, 적어도 2개의 리블렛 요소(110, 120)는 각각의 접촉부(111, 121)가 서로 다른 면적을 갖도록 마련된다. 상기와 같은 구조를 통해 접촉 저항에 의한 성능 손실을 방지할 수 있고, 예를 들어 반응 영역의 20 내지 40% 수준의 접촉 면적을 확보할 수 있다.
구체적으로, 복수 개의 리블렛 요소는 복수 개의 제1 리블렛 요소(110) 및 복수 개의 제2 리블렛 요소(120)를 포함한다. 제1 및 제2 리블렛 요소(110, 120)는 동일한 구조를 가지고 있고, 다만, 접속부(111, 121)의 면적에서만 차이가 난다. 예를 들어, 제1 리블렛 요소(110)의 접촉부(111)의 면적은 제2 리블렛 요소(120)의 접촉부(121)의 면적보다 작다.
또한, 제1 리블렛 요소(110)와 제2 리블렛 요소(120)는 연결 바(130)를 통해 연결된다. 연결 바(130)는 인접하는 2개의 제1 격벽들(112, 122) 또는 인접하는 2개의 제2 격벽들(113, 123)을 연결하도록 마련될 수 있다.
예를 들어, 제1 리블렛 요소(110)와 제2 리블렛 요소(120)는 연결 바(130)가 제1 격벽(112, 122)들을 연결함으로써 연결될 수도 있고, 제1 리블렛 요소(110)와 제2 리블렛 요소(120)는 연결 바(130)가 제2 격벽(113, 123)들을 연결함으로써 연결될 수도 있다.
또한, 제1 격벽(112)과 제2 격벽(113)은 각각 연결 바(130)에 대한 경사 각도가 서로 다르게 형성될 수 있다. 또한, 제1 격벽(112)과 제2 격벽(113)은 각각 접촉부(111)에 대한 경사 각도가 서로 다르게 형성될 수 있다. 특히, 접촉부(111)에 대한 제1 격벽(112)의 경사도와 접촉부(111)에 대한 제2 격벽(113)의 경사도는 서로 다르게 설정된다. 이러한 특징은, 도 6에 도시된 바와 같이, 열 및 물질 전달 특성과 관련 있는 것으로서, 연료 또는 반응가스(이하, ‘가스’라고도 함)의 유동과 더불어 후술하기로 한다.
한편, 제1 격벽(112)과 접촉부(112) 및 제2 격벽(113)으로 형성된 공간은 연결 바(130)의 연결 방향을 따라 개방된다. 또한, 인접하는 2개의 리블렛 요소(110, 120) 사이에는 가스 또는 물이 유동할 수 있는 제1 공간부(140)가 형성된다.
이하, 리블렛 요소(110, 120)들의 배열을 구체적으로 설명한다.
복수 개의 리블렛 요소(110, 120)는 제1 방향(x축 방향)을 따라 동축 상에 위치하도록 배열될 수 있다. 또한, 복수 개의 리블렛 요소(110, 120)는, 제1 방향에 따라 접촉부(111, 121)가 서로 다른 면적을 교대로 갖도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 방향을 따라 제1 리블렛 요소(110)와 제2 리블렛 요소(120)는 교대로 배열될 수 있다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 리블렛 요소(예를 들어, 110)는, 제1 방향(x축 방향)과 직교하는 제2 방향(y축 방향)을 따라 제1 격벽(112)과 제2 격벽(113)의 중심이 일치하지 않도록 배열될 수 있다. 또한, 복수 개의 리블렛 요소(110, 120)는, 제1 방향과 직교하는 제2 방향(y축 방향)을 따라 접촉부가 서로 다른 면적을 교대로 갖도록 배열될 수 있다.
한편, 도 7을 참조하면, 복수 개의 연결 바(130)는, 제1 방향을 따라 인접하는 리블렛 요소들(110, 120)을 연결하고, 인접하는 연결 바(130)들은, 연속적으로 제1 방향을 따라 모두 연결될 수 있다(A부분 참조).
이와는 다르게, 도 8을 참조하면, 복수 개의 연결 바(130)는, 제1 방향을 따라 인접하는 리블렛 요소(110, 120)들을 연결하고, 인접하는 연결 바(130)들은, 단속적으로 제1 방향을 따라 일부 연결될 수 있다(C부분 참조).
한편, 연료전지 스택(1)은 복수 개의 연결 바(130)와 접촉한 상태로 분리판(100)을 둘러싸도록 마련된 플레이트(30)를 포함한다. 분리판(100)을 통해 가스와 물의 유동이 분리될 수 있고, 특히 물(생성수)은 연결 바(130)들 사이의 간격 및 플레이트(30)의 표면을 통해 유동할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 가스(G)의 유동방향과 생성수(W)의 유동방향은 서로 반대방향일 수 있다.
도 4를 참조하면, 복수 개의 리블렛 요소(110, 120)는 제1 방향을 따라 동축 상에 위치하도록 배열될 수 있다. 또한, 각각의 리블렛 요소(110, 120)는, 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 제1 격벽(112)과 제2 격벽(113)의 중심이 일치하지 않도록 배열될 수 있다. 또한, 반응 가스(G)는 상기 제2 방향을 따라 유동하도록 제1 격벽(112) 측으로 공급될 수 있다.
이러한 구조에서, 산화가스(G) 혼합 충돌 교차 유동, 리블렛 요소의 경사면(예를 들어, 제1 격벽)을 따른 산화가스의 난류 혼합 대류 유동에 의해, 반응 전극 면내 산화가스 전달 및 전기화학 반응에 의한 생성수 배출이 촉진될 수 있다. 특히, 가스확산층(20), 막-전극 접합체(10) 내부의 혼합 확산-대류 유동에 의한 반응 면 내 공랭 효과를 유도할 수 있다. 따라서, 반응 면 내 국부적 열 부하가 집중되는 것을 방지할 수 있따.
상기 분리판(100)은, 제2 방향(y축 방향 또는 유동 방향)을 따라 특정 위치(B)에서 반응가스(G)가 유동하는 전반 유로(B1) 및 후반 유로(B2)로 구분될 수 있다. 여기서 후반 유로(B2)는, 반응가스의 유동방향의 반대방향으로 생성수(W)가 연결 바(130)들 사이 공간(도 8의 C부분 참조)을 통해 연속적으로 유동 가능하게 마련될 수 있다. 이를 위하여, 후반 유로(B2)에서, 인접하는 연결 바(130)들은, 생성수(W)의 유동 통로를 제공하도록 단속적으로 제1 방향을 따라 일부 연결될 수 있다.
이와는 다르게, 전반 유로(B1)에서, 인접하는 연결 바(130)들은, 연속적으로 제1 방향을 따라 모두 연결될 수 있다(도 7의 A부분 참조). 또한, 제2 방향에 따른 후반 유로(B2)의 길이는 제2 방향에 따른 전반 유로(B1)의 길이보다 길게 형성될 수 있다.
한편, 전반 유로(B1)에서, 복수 개의 리블렛 요소의 접촉부는, 제2 방향에 따라 동일한 면적을 갖도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 제1 리블렛 요소들이 차례로 배열될 수 있다. 이와는 다르게, 후반 유로(B2)에서, 복수 개의 리블렛 요소는, 제2 방향을 따라 접촉부가 서로 다른 면적을 교대로 갖도록 배열될 수 있다. 이와 같이, 전반 유로 및 후반 유로가 리블렛 요소의 배열을 통해 서로 다른 유동특성을 갖도록 조절할 수 있다.
정리하면, 애노드/캐소드 간 상호 물 전달에 의한 전해질 막 내 물 균형 유지를 위해 분리판(100) 내 미세 성형 유로의 구간을 분리시킬 수 있다. 특히, 상기 전반 유로 구간(B1)에서, 불연속적인 물 이동 통로를 배치하고, 자중에 의해 하단부로 유입된 응축수의 전극면 내 체류 시간을 증가시킬 수 있다. 따라서, 캐소드 입구 측에서 애노드 출구 측으로의 물 역 확산을 촉진할 수 있고, 과량의 산화 가스 유입에 따른 캐소드 입구 측 막-전극 접합체의 건조를 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 후반 유로 구간(B2)에서, 연속적인 물 이동 통로를 배치하고, 물 전달 경로의 물질 전달 저항을 감소시킴으로써, 캐소드 출구 측의 플러딩을 방지할 수 있다.
한편, 접촉부(예를 들어, 111)에 대한 제1 격벽(112)의 경사도와 접촉부에 대한 제2 격벽(113)의 경사도는 서로 다르게 설정된다. 전술한 바와 같이, 반응가스(G)는, 제1 격벽(111) 측으로 공급되도록 마련된다. 도 4 및 도 6을 참조하면, 제1 격벽(111)은 반응가스(G)의 유동에 가스확산층(20)으로 향하는 속도 성분을 부여할 수 있도록 경사진다. 또한, 제1 격벽(112)은 제2 격벽(113)보다 완만한 경사를 갖도록 마련될 수 있다.
상기와 같은 분리판(100)은 다양한 방법으로 제조할 수 있으며, 예를 들어 박판 금속 소재와 스탬핑 공정을 통해 제조할 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 발명의 일 실시예와 관련된 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택은교차 충돌에 의한 난류 유동, 와류 형성에 의한 열 열 및 물질 전달 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (23)

  1. 소정 간격으로 이격 배열된 복수 개의 리블렛 요소; 및
    인접하는 2개의 리블렛 요소를 연결하는, 복수 개의 연결 바를 포함하며,
    각각의 리블렛 요소는, 소정 면적을 갖는 접촉부와 상기 접촉부의 양측에서 각각 연장된 제1 격벽 및 제2 격벽을 포함하고,
    제1 격벽과 접촉부 및 제2 격벽으로 형성된 공간은 연결 바의 연결 방향을 따라 개방되고,
    적어도 2개의 리블렛 요소는 각각의 접촉부가 서로 다른 면적을 갖도록 마련된 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    연결 바는 인접하는 2개의 제1 격벽들 또는 인접하는 2개의 제2 격벽들을 연결하도록 마련되는 분리판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제1 격벽과 제2 격벽은 각각 연결 바에 대한 경사 각도가 서로 다르게 형성된 분리판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    복수 개의 리블렛 요소는 제1 방향을 따라 동축 상에 위치하도록 배열된 분리판.
  5. 제 4 항에 있어서,
    리블렛 요소는, 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 제1 격벽과 제2 격벽의 중심이 일치하지 않도록 배열된 분리판.
  6. 제 4 항에 있어서,
    복수 개의 리블렛 요소는, 제1 방향에 따라 접촉부가 서로 다른 면적을 교대로 갖도록 배열된 분리판.
  7. 제 6 항에 있어서,
    복수 개의 리블렛 요소는, 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 접촉부가 서로 다른 면적을 교대로 갖도록 배열된 분리판.
  8. 제 1 항에 있어서,
    복수 개의 연결 바는, 제1 방향을 따라 인접하는 리블렛 요소들을 연결하고,
    인접하는 연결 바들은, 연속적으로 제1 방향을 따라 모두 연결된 분리판.
  9. 제 1 항에 있어서,
    복수 개의 연결 바는, 제1 방향을 따라 인접하는 리블렛 요소들을 연결하고,
    인접하는 연결 바들은, 단속적으로 제1 방향을 따라 일부 연결된 분리판.
  10. 소정 간격으로 이격 배열된 복수 개의 리블렛 요소; 및
    인접하는 2개의 리블렛 요소를 연결하는, 복수 개의 연결 바를 포함하며,
    각각의 리블렛 요소는, 소정 면적을 갖는 접촉부와 상기 접촉부의 양측에서 각각 연장된 제1 격벽 및 제2 격벽을 포함하고,
    제1 격벽과 접촉부 및 제2 격벽으로 형성된 공간은 연결 바의 연결 방향을 따라 개방되고,
    접촉부에 대한 제1 격벽의 경사도와 접촉부에 대한 제2 격벽의 경사도는 서로 다르게 설정된 분리판.
  11. 막-전극 접합체;
    막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층;
    소정 간격으로 이격 배열되고, 각각 가스 확산층과 접촉하는 복수 개의 리블렛 요소 및 인접하는 2개의 리블렛 요소를 연결하는 복수 개의 연결 바를 포함하는 분리판; 및
    복수 개의 연결 바와 접촉한 상태로 분리판을 둘러싸도록 마련된 플레이트를 포함하고,
    각각의 리블렛 요소는, 소정 면적으로 가스 확산층과 접촉하는 접촉부와 상기 접촉부의 양측에서 각각 플레이트를 향하여 연장된 제1 격벽 및 제2 격벽을 포함하고,
    적어도 2개의 리블렛 요소는 각각의 접촉부가 서로 다른 면적을 갖도록 마련된 연료전지 스택.
  12. 제 11 항에 있어서,
    연결 바는 인접하는 2개의 제1 격벽들 또는 인접하는 2개의 제2 격벽들을, 제1 방향을 따라 연결하도록 마련되는 연료전지 스택.
  13. 제 12 항에 있어서,
    복수 개의 리블렛 요소는 제1 방향을 따라 동축 상에 위치하도록 배열되고,
    각각의 리블렛 요소는, 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 제1 격벽과 제2 격벽의 중심이 일치하지 않도록 배열되며,
    반응 가스는 상기 제2 방향을 따라 유동하도록 제1 격벽 측으로 공급되는 연료전지 스택.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 분리판은, 제2 방향을 따라 특정 위치에서 반응가스가 유동하는 전반 유로 및 후반 유로로 구분되고,
    후반 유로는, 반응가스의 유동방향의 반대방향으로 생성수가 연결 바들 사이 공간을 통해 연속적으로 유동 가능하게 마련된 연료전지 스택.
  15. 제 14 항에 있어서,
    후반 유로에서, 인접하는 연결 바들은, 생성수의 유동 통로를 제공하도록 단속적으로 제1 방향을 따라 일부 연결된 연료전지 스택.
  16. 제 14 항에 있어서,
    전반 유로에서, 인접하는 연결 바들은, 연속적으로 제1 방향을 따라 모두 연결된 연료전지 스택.
  17. 제 14 항에 있어서,
    제2 방향에 따른 후반 유로의 길이는 제2 방향에 따른 전반 유로의 길이보다 길게 형성된 연료전지 스택.
  18. 제 14 항에 있어서,
    전반 유로에서, 복수 개의 리블렛 요소의 접촉부는, 제2 방향에 따라 동일한 면적을 갖도록 배열된 연료전지 스택.
  19. 제 6 항에 있어서,
    후반 유로에서, 복수 개의 리블렛 요소는, 제2 방향을 따라 접촉부가 서로 다른 면적을 교대로 갖도록 배열된 연료전지 스택.
  20. 막-전극 접합체;
    막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층;
    소정 간격으로 이격 배열되고, 각각 가스 확산층과 접촉하는 복수 개의 리블렛 요소 및 인접하는 2개의 리블렛 요소를 연결하는 복수 개의 연결 바를 포함하는 분리판; 및
    복수 개의 연결 바와 접촉한 상태로 분리판을 둘러싸도록 마련된 플레이트를 포함하며,
    각각의 리블렛 요소는, 가스 확산층과 접촉하는 접촉부와 상기 접촉부의 양측에서 각각 플레이트를 향해 연장된 제1 격벽 및 제2 격벽을 포함하고,
    제1 격벽과 접촉부 및 제2 격벽으로 형성된 공간은 연결 바의 연결 방향을 따라 개방되고,
    접촉부에 대한 제1 격벽의 경사도와 접촉부에 대한 제2 격벽의 경사도는 서로 다르게 설정된 연료전지 스택.
  21. 제 20 항에 있어서,
    반응가스는, 제1 격벽 측으로 공급되도록 마련된 연료전지 스택.
  22. 제 21 항에 있어서,
    제1 격벽은 반응가스의 유동에 가스확산층으로 향하는 속도 성분을 부여할 수 있도록 경사진 연료전지 스택.
  23. 제 21 항에 있어서,
    제1 격벽은 제2 격벽보다 완만한 경사를 갖도록 마련된 연료전지 스택.
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