WO2018021773A1 - 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

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respect
openings
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정혜미
양재춘
강경문
한승훈
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주식회사 엘지화학
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    • Y02E60/50—Fuel cells

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.
  • the present invention is to solve the problem to provide a separator and a fuel cell stack including the same that can directly transfer the reaction gas into the electrode surface.
  • 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 transfer rate and water discharge performance.
  • an object of the present invention is to provide a separator and a fuel cell stack including the same, which can sufficiently secure a contact area in contact with the gas diffusion layer and reduce contact resistance.
  • 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 convective / diffused mixed flow.
  • 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.
  • it comprises a plurality of convex portions and a plurality of concave portions provided in sequence along the first direction, each of the convex portions perpendicular to the first direction on the upper surface
  • the first openings are provided at predetermined intervals along the second direction, and the first openings of the two adjacent convex portions are provided so as not to be coaxially positioned with respect to the imaginary first line parallel to the first direction. do.
  • the length of the first opening is greater than the width of the first direction.
  • the first opening is formed over the upper surface and a part of the partition wall.
  • the present invention comprises a plurality of convex portions and a plurality of concave portions provided in sequence along the first direction, each of the convex portions along a second direction perpendicular to the first direction on the upper surface First openings are provided at predetermined intervals, and the at least one convex portion includes a partition wall connected to the adjacent concave portion and an upper surface connected to the partition wall, and the at least one concave portion is connected to the partition wall and the partition wall connected to the adjacent convex portion.
  • top surface and the bottom surface are each inclined at a predetermined angle with respect to the partition wall, and the first openings of the two convex portions adjacent to each other are positioned coaxially with respect to the imaginary first line parallel to the first direction.
  • the separating plates provided respectively are provided so as not to be.
  • a fuel cell stack comprising a membrane-electrode assembly, a gas diffusion layer provided on one surface of the membrane-electrode assembly, and at least a portion of the separation plate disposed to contact the gas diffusion layer.
  • the separation plate includes a plurality of convex portions contacting the gas diffusion layer and a plurality of concave portions not contacting the gas diffusion layer, wherein the convex portions and the concave portions are sequentially provided in a first direction, and each convex portion is provided.
  • the upper surface is provided with a first opening at predetermined intervals along a second direction orthogonal to the first direction, and the first openings of two adjacent convex portions are coaxial with respect to an imaginary first line parallel to the first direction. Each is provided so as not to be located in a phase.
  • the separator and the fuel cell stack including the same according to an embodiment of the present invention have the following effects.
  • the separator according to an embodiment of the present invention includes a base unit having a flat top surface and an inclined surface inclined at an angle with respect to the electrode surface, and the base unit has a shape in which the base unit is cross-repetitively aligned along a predetermined direction. At this time, the reaction gas may be directly transferred into the electrode surface through the first opening provided in the separator.
  • the heat and mass transfer properties can be improved by inducing a convective / diffused mixed flow of reaction gas through a cross-aligned structure.
  • the basic unit is inclined in the main flow direction of the reaction gas, and as the condensate discharge passage is formed, efficient condensate discharge is achieved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a separator plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a bottom perspective view of a separator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a separator plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view for explaining the flow of gas and condensate in the separator constituting the fuel cell stack.
  • FIG. 6 is a side view of the separator plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell stack 1 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view of a separator plate 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an embodiment of the present invention. Bottom perspective view of a separator plate 100 associated with it.
  • Figure 4 is a plan view of a separator plate 100 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a view for explaining the flow of the reaction gas and condensate in the separator plate 100 constituting the fuel cell stack
  • 6 is a side view of the separator 100 according to an embodiment of the present invention.
  • 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 separator 100 is disposed such that the gas diffusion layer 20 contacts at least a portion of the region.
  • the fuel cell stack 1 includes a bottom plate 30 disposed in a direction opposite to the gas diffusion layer 20 with respect to the separation plate 100.
  • the separation plate 100 may include a plurality of convex portions 110 contacting the gas diffusion layer 20 and a plurality of concave portions 130 not contacting the gas diffusion layer 20. Include. Moreover, the convex part and the recessed part are formed continuously one by one along the 1st direction L. FIG. For example, the first convex portion 110-1, the first concave portion 130-1, the second convex portion 110-2, and the second concave portion 130-2 along the first direction L. FIG. ), The third convex portion 110-3 and the fourth concave portion 130-3 may be sequentially provided in sequence. For example, the side cross sections (see FIGS. 1 and 6) of the convex portion and the concave portion may have substantially “c” shapes in opposite directions.
  • the separation plate 100 may be a wave type plate having a first surface 101 and a second surface 102 opposite to the first surface 101.
  • the convex portion 110 may have a structure protruding toward the first surface 101
  • the concave portion 130 may have a shape recessed toward the second surface 102.
  • the first surface 101 is disposed in contact with the gas diffusion layer 20 in at least some regions
  • the second surface 102 is disposed in contact with the bottom plate 30 in at least some regions. That is, the separation plate 100 is disposed between the gas diffusion layer 20 and the bottom plate 30.
  • the boundary region between the first surface 101 of the separation plate 100 and the gas diffusion layer 20 is provided to function as a passage of the reaction gas, and the second surface 102 of the separation plate 100
  • the boundary area between the bottom plate 30 is provided to perform the function of the discharge passage of the condensed water (product water).
  • the separation plate 100 includes a plurality of convex parts 110: 110-1, 110-2, and 110-3 that are sequentially provided along the first direction L and And a plurality of recesses 130-130, 130-2, and 130-3.
  • the plurality of convex parts 110-110-1, 110-2, and 110-3 are arranged such that at least some regions (eg, upper surfaces) contact the gas diffusion layer 20, and a plurality of concave portions ( 130: 130-1, 130-2, and 130-3 may be arranged such that at least some regions (eg, bottom surfaces) contact the bottom plate 30.
  • each convex portion 110: 110-1, 110-2, and 110-3 has an upper surface 111 at predetermined intervals along a second direction orthogonal to the first direction L.
  • First openings 120: 120-1, 120-2, and 120-3 are provided.
  • the first openings 120-1 and 120-2 of the two convex portions 110-1 and 110-2 which are adjacent to each other are coaxial with respect to an imaginary first line parallel to the first direction L.
  • FIG. Each is provided so as not to be located in.
  • the at least one convex portion 110 includes a partition wall 112 connected to the adjacent concave portion 130 and an upper surface 111 connected to the partition wall 112.
  • the at least one convex portion 110 may include a pair of partitions 112 connected to the concave portions 130 adjacent to both sides, and an upper surface 111 connecting the pair of partitions 112, respectively. It may include.
  • the pair of partition walls 112 and the upper surface 111 is connected to form a substantially "C" shape.
  • the upper surface 111 of the convex portion 110 is formed as a flat surface rather than a curved surface.
  • the separator 100 is disposed such that the upper surface 111 is in contact with the gas diffusion layer 20.
  • the boundary border between the partition wall 112 and the upper surface 111 may be rounded.
  • the length of the first opening 120 in the first direction L may be greater than the width in the second direction.
  • the first opening 120 may have a shape such as a slit.
  • the upper surface 111 of the convex portion 110 is provided so that the first opening portion 120 does not contact the gas diffusion layer 20. That is, the upper surface 111 of the convex portion 110 contacts the gas diffusion layer 20 in the remaining region except for the first opening 120. Accordingly, the area of contact with the gas diffusion layer 20 may be adjusted by adjusting the number, spacing, size, and the like of the first opening 120. As such, through the above-described contact structure, performance loss due to contact resistance can be prevented, and a contact area of about 50% or more of the reaction region can be ensured, for example.
  • first opening 120 may be formed over a portion of the upper surface 111 and the partition wall 112. In addition, the first opening 120 may be formed over each partial region of the pair of partitions 112 connected to the upper surface 111 and the upper surface 111. In addition, the first opening 120 may include a top surface 111, a partial region of each of the pair of partition walls 112 connected to the top surface 111, and a bottom surface 131 of the adjacent recess 130. It may be formed over some areas.
  • first openings 120-not adjacent among the first openings 120-1, 120-2, and 120-3 of the three convex portions 110-1, 110-2, and 110-3 that are adjacent to each other. 1 and 120-3 may be provided to be coaxially positioned with respect to the first virtual line parallel to the first direction L.
  • FIG. For example, when the first convex portion 110-1, the second convex portion 110-2, and the third convex portion 110-3 are sequentially arranged along the first direction L, two adjacent portions are arranged.
  • First openings 120-1 and 120-2 of the first convex portions 110-1 and second convex portions 110-2 are based on an imaginary first line parallel to the first direction L
  • the first openings 120-2 and 120-3 of the two second convex parts 110-2 and the third convex part 110-3 which are provided so as not to be coaxially positioned with each other are respectively provided. It may be provided so as not to be located coaxially with respect to the imaginary first line parallel to the direction (L).
  • the first of the convex portions eg, the first and third convex portions respectively located on both sides of the convex portion may be used.
  • the first openings may be provided to be coaxially with respect to the virtual first line parallel to the first direction L.
  • each of the recesses 130-130, 130-2, and 130-3 is predetermined along the bottom surface 131 in a second direction perpendicular to the first direction L.
  • Second openings 140: 140-1, 140-2, and 140-3 are provided at intervals.
  • the second openings 140-1 and 140-2 of the two adjacent recesses 130-1 and 130-2 are coaxial with respect to an imaginary first line parallel to the first direction L.
  • FIG. Each is provided so as not to be located in.
  • the at least one concave portion 130 includes a partition wall 112 connected to the adjacent convex portion 110 and a bottom surface 131 connected to the partition wall 112.
  • the at least one recess 130 may include a pair of partitions 112 connected to the convex portions 110 adjacent to both sides, and a bottom surface 131 connecting the pair of partitions 112 to each other. It may include.
  • the pair of partition walls 112 and the bottom surface 131 are connected to form a substantially "C" shape.
  • the bottom surface 131 of the recess 130 may be formed as a flat surface rather than a curved surface.
  • the separation plate 100 is disposed such that the bottom surface 131 is in contact with the bottom plate 30.
  • the boundary border between the partition wall 112 and the bottom surface 131 may be rounded.
  • the second opening 140 may have a length in the first direction L that is greater than a width in the second direction.
  • the second opening 140 may have a shape such as a slit.
  • the second opening 140 may be formed over a portion of the bottom surface 131 and the partition wall 112. In addition, the second opening 140 may be formed over each partial region of the pair of partitions 112 connected to the bottom surface 111 and the bottom surface 131. In addition, the second opening 120 may include a bottom surface 131, a partial region of each of the pair of partition walls 112 connected to the bottom surface 131, and an upper surface 111 of the adjacent convex portion 110. It may be formed over some areas.
  • two second openings 140- which are not adjacent among the second openings 140-1, 140-2, and 140-3 of the three adjacent recesses 130-1, 130-2, and 130-3. 1 and 140-3 may be provided to be coaxially positioned with respect to the first virtual line parallel to the first direction L.
  • FIG. For example, when the first concave portion 130-1, the second concave portion 130-2, and the third concave portion 130-3 are sequentially arranged along the first direction L, two adjacent portions are disposed.
  • the first openings 130-1 and the second openings 140-1 and 140-2 of the second recesses 130-2 are based on an imaginary first line parallel to the first direction L.
  • the second openings 140-2 and 140-3 of the two second concave portions 130-2 and the third concave portion 130-3 are respectively provided so as not to be coaxially positioned. It may be provided so as not to be located coaxially with respect to the imaginary first line parallel to the direction (L).
  • the second openings of the recesses eg, the first and the third recesses respectively positioned on both sides of the recess with respect to the second opening of the recess (eg, the second protrusion) may be used.
  • the two openings may be provided to be coaxially with respect to the virtual first line parallel to the first direction L.
  • first opening portion 120 and the second opening portion 140 of the convex portion 110 and the concave portion 130 adjacent to each other are coaxially with respect to an imaginary first line parallel to the first direction L.
  • FIG. It may be arranged so as not to be located.
  • two adjacent first openings 120 may be staggered in a zig zag shape along a first direction
  • two adjacent second openings 140 may be staggered in a zig zag shape. Can be arranged.
  • the partition wall 112 may be inclined at a predetermined angle with respect to the bottom surface 131, and the partition wall 112 may be inclined at a predetermined angle with respect to the upper surface 111.
  • the bottom surface 131 of the concave portion 130 and the upper surface 111 of the convex portion 110 may be provided in parallel.
  • the convex portion 130 may be provided to be inclined in the first direction L side.
  • the reaction gas may be provided to the separator 100 along the first direction L.
  • the first direction L may mean a flow direction (main flow direction) of the reaction gas.
  • the separation plate 100 may be disposed such that an opposite direction of the first direction L becomes a gravity direction. Through this arrangement structure, the flow direction of the condensed water (product water) can be determined in the direction of gravity that is opposite to the first direction (L).
  • condensate flows down the separator plate 100 by gravity.
  • the condensate flows along the boundary area between the bottom plate 30 and the bottom surface 131 of the recess 130 and flows through the second opening 140.
  • the second opening 140 is arranged in a zig-zag shape along the gravity direction, the condensate that has passed through any one of the second openings 140 in the process of flowing in the gravity direction is formed in the partition 112. Colliding, branching into the second openings 140 on both sides, or joining again.
  • the partition wall 112 is formed as an inclined surface inclined with respect to the bottom surface 131, as shown in FIG. 6, condensate temporarily accumulates at the lower end of the inclined surface, and may have a structure in which the flow is performed again.
  • the flow of the reaction gas is made in the direction of the gas diffusion layer 20 along the partition wall 112, where a gentle upward flow toward the gas diffusion layer 20 can be made as the partition wall 112 is formed as an inclined surface.
  • a mixed flow form of convection / diffusion may be created. Can be.
  • the present invention it is possible to efficiently distribute the gas flow (reaction gas) and liquid (eg water) flow in the separator plate, and to optimize the gas flow and liquid (eg water) flow in the separator plate. Can be.

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Abstract

본 발명은 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 방향을 따라 차례로 마련되는 복수 개의 볼록부 및 복수 개의 오목부를 포함하며, 각각의 볼록부에는 상부면에 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 제1 개구부가 마련되고, 인접하는 2개의 볼록부의 제1 개구부들은 제1 방향에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련된 분리판이 제공된다.

Description

분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택
본 발명은 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 출원은 2016년 7월 25일자 한국 특허 출원 제10-2016-0093977에 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 응축수(생성수) 이동 통로의 구분이 명확하지 않아, 미세 유로 내 응축수 폐색에 의한 반응가스 공급 효율 저하 및 성능 불안정의 문제가 발생한다.
본 발명은 전극 면 내부로 반응 가스를 직접 이송할 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 반응가스 전달률 및 물배출 성능을 향상시킬 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 가스 확산층과 접하는 접촉 면적을 충분히 확보함과 동시에 접촉 저항을 감소시킬 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 대류/확산 혼합 유동에 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, 제1 방향을 따라 차례로 마련되는 복수 개의 볼록부 및 복수 개의 오목부를 포함하며, 각각의 볼록부에는 상부면에 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 제1 개구부가 마련되고, 인접하는 2개의 볼록부의 제1 개구부들은 제1 방향에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련된 분리판이 제공된다.
이때, 제1 개구부는 제1 방향에 따른 길이가 제2 방향에 따른 폭보다 크게 형성된다.
또한, 제1 개구부는 상부면 및 격벽의 일부 영역에 걸쳐 형성된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 방향을 따라 차례로 마련되는 복수 개의 볼록부 및 복수 개의 오목부를 포함하며, 각각의 볼록부에는 상부면에 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 제1 개구부가 마련되고, 적어도 하나의 볼록부는 인접하는 오목부와 연결된 격벽 및 격벽과 연결된 상부면을 포함하며, 적어도 하나의 오목부는 인접하는 볼록부와 연결된 격벽 및 격벽과 연결된 바닥면을 포함하고, 상부면과 바닥면은 각각 격벽에 대하여 소정 각도로 기울어지도록 마련되며, 인접하는 2개의 볼록부의 제1 개구부들은 제1 방향에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련된 분리판이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층 및 적어도 일부 영역이 가스 확산층과 접촉하도록 배치되는 분리판을 포함하는 연료전지 스택이 제공된다. 여기서, 상기 분리판은, 가스 확산층과 접촉하는 복수 개의 볼록부와 가스 확산층과 접촉하지 않는 복수 개의 오목부를 포함하며, 볼록부와 오목부는 제1 방향을 따라 차례로 연속하여 마련되고, 각각의 볼록부에는 상부면에 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 제1 개구부가 마련되며, 인접하는 2개의 볼록부의 제1 개구부들은 제1 방향에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판은 전극 면에 대하여 일정한 각도로 기울어진 경사면과 평탄한 상부면을 갖는 기본 유니트를 포함하며, 기본 유니트가 소정 방향을 따라 교차 반복 정렬된 형상을 갖는다. 이때, 분리판에 마련된 제1 개구부를 통해 전극 면 내부로 반응 가스를 직접 이송할 수 있다.
또한, 교차 정렬 구조를 통해 반응 가스의 대류/확산 혼합 유동을 유도함으로써, 열 및 물질 전달 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 가스 확산층과 접하는 접촉 면적을 충분히 확보함과 동시에 접촉 저항을 감소(ohmic 전압 손실 감소)시킬 수 있다.
또한, 제1 개구부와 제2 개구부를 통해, 분리판 내의 기체 흐름(반응 가스)과 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. 구체적으로, 반응 가스의 주 유동방향으로 기본 유닛이 기울어져 있고, 응축수 배출 유로가 형성됨에 따라 효율적인 응축수 배출이 이루어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 저면 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 평면도이다.
도 5는 연료전지 스택을 구성하는 분리판에서 가스와 응축수의 유동을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 측면도이다.
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 연료전지 스택(1)의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판(100)의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판(100)의 저면 사시도이다.
또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판(100)의 평면도이고, 도 5는 연료전지 스택(1)을 구성하는 분리판(100)에서 반응 가스와 응축수의 유동을 설명하기 위한 사시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판(100)의 측면도이다.
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 적어도 일부 영역에서 가스 확산층(20)가 접촉하도록 배치된다. 또한, 상기 연료전지 스택(1)은 상기 분리판(100)을 기준으로 가스 확산층(20)의 반대방향에 배치되는 바닥판(30)을 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 분리판(100)은, 가스 확산층(20)과 접촉하는 복수 개의 볼록부(110)와 가스 확산층(20)과 접촉하지 않는 복수 개의 오목부(130)를 포함한다. 또한, 볼록부와 오목부는 제1 방향(L)을 따라 차례로 연속하여 형성된다. 예를 들어, 제1 방향(L)을 따라 제1 볼록부(110-1), 제1 오목부(130-1), 제2 볼록부(110-2), 제2 오목부(130-2), 제3 볼록부(110-3) 및 제4 오목부(130-3)가 차례로 연속하여 마련될 수 있다. 예를 들어, 볼록부 및 오목부의 측 단면(도 1 및 도 6 참조)은 서로 반대방향의 대략 "ㄷ"자 형상을 가질 수 있다.
상기 분리판(100)은 제1 면(101)과 제1 면(101)과 반대방형의 제2 면(102)을 갖는 파형(wave type) 플레이트일 수 있다. 이때, 볼록부(110)는 제1 면(101) 측으로 돌출된 구조를 갖고, 오목부(130)는 제2 면(102) 측으로 함몰된 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 면(101)은 가스 확산층(20)과 적어도 일부 영역에서 접촉하도록 배치되고, 제2 면(102)은 바닥판(30)과 적어도 일부 영역에서 접촉하도록 배치된다. 즉, 분리판(100)은 가스 확산층(20)과 바닥판(30) 사이에 배치된다. 이때, 분리판(100)의 제1 면(101)과 가스 확산층(20) 사이의 경계 영역은 반응 가스의 통로의 기능을 수행하도록 마련되고, 분리판(100)의 제2 면(102)과 바닥판(30) 사이의 경계 영역은 응축수(생성수)의 배출 통로의 기능을 수행하도록 마련된다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 분리판(100)은 제1 방향(L)을 따라 차례로 마련되는 복수 개의 볼록부(110: 110-1, 110-2, 110-3) 및 복수 개의 오목부(130: 130-1, 130-2, 130-3)를 포함한다. 이때, 복수 개의 볼록부(110: 110-1, 110-2, 110-3)는 적어도 일부 영역(예를 들어, 상부면)이 가스 확산층(20)과 접촉하도록 배치되고, 복수 개의 오목부(130: 130-1, 130-2, 130-3)는 적어도 일부 영역(예를 들어, 바닥면)이 바닥판(30)과 접촉하도록 배치될 수 있다.
도 2를 참조하면, 각각의 볼록부(110: 110-1, 110-2, 110-3)에는 상부면(111)에, 제1 방향(L)과 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 제1 개구부(120: 120-1, 120-2, 120-3)가 마련된다. 또한, 인접하는 2개의 볼록부(110-1, 110-2)의 제1 개구부(120-1, 120-2)들은 제1 방향(L)에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련된다.
또한, 적어도 하나의 볼록부(110)는, 인접하는 오목부(130)와 연결된 격벽(112) 및 격벽(112)과 연결된 상부면(111)을 포함한다. 예를 들어, 적어도 하나의 볼록부(110)는, 양 측으로 인접하는 오목부(130)와 각각 연결된 한 쌍의 격벽(112) 및 한 쌍의 격벽(112)을 연결하는 상부면(111)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 격벽(112)과 상부면(111)은 대략 "ㄷ"자 형상을 이루도록 연결된다. 이때, 볼록부(110)의 상부면(111)은 곡면이 아닌 평탄면으로 형성된다. 또한, 분리판(100)은 상부면(111)이 가스 확산층(20)과 접촉하도록 배치된다. 또한, 격벽(112)과 상부면(111)의 경계 테두리는 라운드 처리될 수도 있다.
한편, 제1 개구부(120)는 제1 방향(L)에 따른 길이가 제2 방향에 따른 폭보다 크게 형성될 수 있다. 제1 개구부(120)는 슬릿(slit)과 같은 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 볼록부(110)의 상부면(111)은 제1 개구부(120)가 가스 확산층(20)과 접촉하지 않도록 마련된다. 즉, 볼록부(110)의 상부면(111)은 제1 개구부(120)를 제외한 나머지 영역에서 가스 확산층(20)과 접촉한다. 따라서, 제1 개구부(120)의 개수, 간격, 크기 등을 조절함으로써, 가스 확산층(20)과의 접촉 면적이 조절될 수 있다. 이와 같이, 상기와 같은 접촉 구조를 통해 접촉 저항에 의한 성능 손실을 방지할 수 있고, 예를 들어 반응 영역의 대략 50% 이상의 접촉 면적을 확보할 수 있다.
또한, 제1 개구부(120)는 상부면(111) 및 격벽(112)의 일부 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 개구부(120)는 상부면(111) 및 상부면(111)과 연결된 한 쌍의 격벽(112)의 각각의 일부 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 또한, 제1 개구부(120)는 상부면(111)과, 상부면(111)과 연결된 한 쌍의 격벽(112)의 각각의 일부 영역 및 인접하는 오목부(130)의 바닥면(131)의 일부 영역에 걸쳐 형성될 수 있다.
또한, 인접하는 3개의 볼록부(110-1, 110-2, 110-3)의 제1 개구부(120-1, 120-2, 120-3) 중 인접하지 않는 2개의 제1 개구부(120-1, 120-3)는 제1 방향(L)에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 볼록부(110-1)와 제2 볼록부(110-2) 및 제3 볼록부(110-3)가 제1 방향(L)을 따라 차례로 배열된 경우, 인접하는 2개의 제1 볼록부(110-1)와 제2 볼록부(110-2)의 제1 개구부(120-1, 120-2)들은 제1 방향(L)에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련되고, 인접하는 2개의 제2 볼록부(110-2)와 제3 볼록부(110-3)의 제1 개구부(120-2, 120-3)들은 제1 방향(L)에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련될 수 있다. 이와는 다르게, 어느 한 볼록부(예를 들어, 제2 볼록부)의 제1 개구부를 기준으로, 상기 볼록부의 양 측에 각각 위치한 볼록부들(예를 들어, 제1 및 제3 볼록부들)의 제1 개구부들은 제1 방향(L)에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하도록 마련될 수 있다. 즉, 어느 한 볼록부를 기준으로, 양 측의 볼록부들은 대칭된 형상을 가질 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 각각의 오목부(130: 130-1, 130-2, 130-3)에는 바닥면(131)에, 제1 방향(L)과 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 제2 개구부(140: 140-1, 140-2, 140-3)가 마련된다. 또한, 인접하는 2개의 오목부(130-1, 130-2)의 제2 개구부(140-1, 140-2)들은 제1 방향(L)에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련된다.
또한, 적어도 하나의 오목부(130)는, 인접하는 볼록부(110)와 연결된 격벽(112) 및 격벽(112)과 연결된 바닥면(131)을 포함한다. 예를 들어, 적어도 하나의 오목부(130)는, 양 측으로 인접하는 볼록부(110)와 각각 연결된 한 쌍의 격벽(112) 및 한 쌍의 격벽(112)을 연결하는 바닥면(131)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 격벽(112)과 바닥면(131)은 대략 "ㄷ"자 형상을 이루도록 연결된다. 이때, 오목부(130)의 바닥면(131)은 곡면이 아닌 평탄면으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 분리판(100)은 바닥면(131)이 바닥판(30)과 접촉하도록 배치된다. 또한, 격벽(112)과 바닥면(131)의 경계 테두리는 라운드 처리될 수도 있다.
한편, 제2 개구부(140)는 제1 방향(L)에 따른 길이가 제2 방향에 따른 폭보다 크게 형성될 수 있다. 제2 개구부(140)는 슬릿(slit)과 같은 형상을 가질 수 있다.
또한, 제2 개구부(140)는 바닥면(131) 및 격벽(112)의 일부 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 개구부(140)는 바닥면(111) 및 바닥면(131)과 연결된 한 쌍의 격벽(112)의 각각의 일부 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 또한, 제2 개구부(120)는 바닥면(131)과, 바닥면(131)과 연결된 한 쌍의 격벽(112)의 각각의 일부 영역 및 인접하는 볼록부(110)의 상부면(111)의 일부 영역에 걸쳐 형성될 수 있다.
또한, 인접하는 3개의 오목부(130-1, 130-2, 130-3)의 제2 개구부(140-1, 140-2, 140-3) 중 인접하지 않는 2개의 제2 개구부(140-1, 140-3)는 제1 방향(L)에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 오목부(130-1)와 제2 오목부(130-2) 및 제3 오목부(130-3)가 제1 방향(L)을 따라 차례로 배열된 경우, 인접하는 2개의 제1 오목부(130-1)와 제2 오목부(130-2)의 제2 개구부(140-1, 140-2)들은 제1 방향(L)에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련되고, 인접하는 2개의 제2 오목부(130-2)와 제3 오목부(130-3)의 제2 개구부(140-2, 140-3)들은 제1 방향(L)에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련될 수 있다. 이와는 다르게, 어느 한 오목부(예를 들어, 제2 볼록부)의 제2 개구부를 기준으로, 상기 오목부의 양 측에 각각 위치한 오목부들(예를 들어, 제1 및 제3 오목부들)의 제2 개구부들은 제1 방향(L)에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하도록 마련될 수 있다. 즉, 어느 한 오목부를 기준으로, 양 측의 오목부들은 대칭된 형상을 가질 수 있다.
또한, 인접하는 볼록부(110)와 오목부(130)의 제1 개구부(120)와 제2 개구부(140)는 제1 방향(L)에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 마련될 수도 있다.
정리하면, 제1 방향을 따라, 인접하는 2개의 제1 개구부(120)들은 지그 재그(zig zag) 형상으로 엇갈려 배열될 수 있고, 인접하는 2개의 제2 개구부(140)들은 지그 재그 형상으로 엇갈려 배열될 수 있다.
한편, 격벽(112)은 바닥면(131)에 대하여 소정 각도로 기울어지고, 격벽(112)은 상부면(111)에 대하여 소정 각도로 기울어질 수 있다. 또한, 오목부(130)의 바닥면(131)과 볼록부(110)의 상부면(111)은 평행하게 마련될 수 있다. 예를 들어, 볼록부(130)는 제1 방향(L) 측으로 기울어지도록 마련될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 방향(L)을 따라 반응가스(산화가스)가 분리판(100)으로 공급되도록 마련될 수 있다. 본 문서에서, 제1 방향(L)이라 함은 반응가스의 유동방향(주 유동방향)을 의미할 수 있다. 또한, 분리판(100)은 제1 방향(L)의 반대방향이 중력 방향이 되도록 배치될 수 있다. 이와 같은 배치 구조를 통해, 응축수(생성수)의 유동 방향은 제1 방향(L)의 반대방향인 중력 방향으로 결정될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 응축수는 중력에 의해 분리판(100) 상에서 흘러내려오게 된다. 특히, 상기 응축수는 바닥판(30)과 오목부(130)의 바닥면(131)의 경계 영역을 따라 유동하며, 제2 개구부(140)를 통해 유동하게 된다. 이때, 제2 개구부(140)가 중력방향을 따라 지그 재그 형상으로 교차 배열됨에 따라, 응축수가 중력 방향을 따라 유동하는 과정에서 어느 한 제2 개구부(140)를 통과한 응축수가 격벽(112)에 충돌하게 되고, 양 측 제2 개구부(140)들로 분지되거나, 다시 합류하게 되는 등의 일련의 과정을 거칠 수 있다. 또한, 격벽(112)이 바닥면(131)에 대하여 기울어진 경사면으로 형성됨에 따라, 도 6에서와 같이, 경사면 하단부에 응축수가 일시적으로 고인 후, 다시 유동이 이루어지는 구조를 가질 수 있다.
또한, 반응가스의 유동은, 격벽(112)을 따라 가스 확산층(20) 방향으로 이루어지며, 이때, 격벽(112)이 경사면으로 형성됨에 따라 가스 확산층(20)을 향하여 완만한 상승 유동이 이루어질 수 있다. 또한, 제1 개구부(120)를 통과하여 제1 방향(L)을 따라 계속적으로 유동이 이루어지는 과정에서, 제1 개구부(120)의 지그 재그 배열로 인해, 대류/확산의 혼합 유동 형태가 만들어질 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 흐름(반응 가스)과 액체(예를 들어, 물) 흐름을 효율적으로 분배할 수 있고, 분리판 내의 기체 흐름과 액체(예를 들어, 물) 흐름을 최적화할 수 있다.

Claims (16)

  1. 제1 방향을 따라 차례로 마련되는 복수 개의 볼록부 및 복수 개의 오목부를 포함하며,
    각각의 볼록부에는 상부면에 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 제1 개구부가 마련되고,
    인접하는 2개의 볼록부의 제1 개구부들은 제1 방향에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련되며,
    제1 개구부는 제1 방향에 따른 길이가 제2 방향에 따른 폭보다 크게 형성되고,
    제1 개구부는 상부면 및 격벽의 일부 영역에 걸쳐 형성된 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 볼록부는, 인접하는 오목부와 연결된 격벽 및 격벽과 연결된 상부면을 포함하며,
    상부면은 평탄면으로 형성된 분리판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    인접하는 3개의 볼록부의 제1 개구부 중 2개의 제1 개구부는 제1 방향에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하도록 마련된 분리판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각각의 오목부에는 바닥면에 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 제2 개구부가 마련된 분리판.
  5. 제 4 항에 있어서,
    인접하는 2개의 오목부의 제2 개구부들은 제1 방향에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련된 분리판.
  6. 제 4 항에 있어서,
    적어도 하나의 오목부는, 인접하는 볼록부와 연결된 격벽 및 격벽과 연결된 바닥면을 포함하며,
    바닥면은 평탄면으로 형성된 분리판.
  7. 제 4 항에 있어서,
    제2 개구부는 제1 방향에 따른 길이가 제2 방향에 따른 폭보다 크게 형성된 분리판.
  8. 제 4 항에 있어서,
    제2 개구부는 바닥면 및 격벽의 일부 영역에 걸쳐 형성되는 분리판.
  9. 제 4 항에 있어서,
    인접하는 3개의 오목부의 제2 개구부 중 2개의 제2 개구부는 제1 방향에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하도록 마련된 분리판.
  10. 제 1 항에 있어서,
    인접하는 볼록부와 오목부의 제1 개구부와 제2 개구부는 제1 방향에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 마련된 분리판.
  11. 제 6 항에 있어서,
    격벽은 바닥면에 대하여 소정 각도로 기울어지고,
    격벽은 상부면에 대하여 소정 각도로 기울어진 분리판.
  12. 제 11 항에 있어서,
    오목부의 바닥면과 볼록부의 상부면은 평행하게 마련된 분리판.
  13. 제1 방향을 따라 차례로 마련되는 복수 개의 볼록부 및 복수 개의 오목부를 포함하며,
    각각의 볼록부에는 상부면에 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 제1 개구부가 마련되고,
    적어도 하나의 볼록부는 인접하는 오목부와 연결된 격벽 및 격벽과 연결된 상부면을 포함하며,
    적어도 하나의 오목부는 인접하는 볼록부와 연결된 격벽 및 격벽과 연결된 바닥면을 포함하고,
    상부면과 바닥면은 각각 격벽에 대하여 소정 각도로 기울어지도록 마련되며,
    인접하는 2개의 볼록부의 제1 개구부들은 제1 방향에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련되며,
    제1 개구부는 제1 방향에 따른 길이가 제2 방향에 따른 폭보다 크게 형성되고,
    제1 개구부는 상부면 및 격벽의 일부 영역에 걸쳐 형성된 분리판.
  14. 막-전극 접합체;
    막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층; 및
    적어도 일부 영역이 가스 확산층과 접촉하도록 배치되는 분리판을 포함하며,
    상기 분리판은, 가스 확산층과 접촉하는 복수 개의 볼록부와 가스 확산층과 접촉하지 않는 복수 개의 오목부를 포함하며,
    볼록부와 오목부는 제1 방향을 따라 차례로 연속하여 마련되고,
    각각의 볼록부에는 상부면에 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 소정 간격으로 제1 개구부가 마련되며,
    인접하는 2개의 볼록부의 제1 개구부들은 제1 방향에 평행한 가상의 제1 선을 기준으로 동축 상에 위치하지 않도록 각각 마련되고,
    제1 개구부는 제1 방향에 따른 길이가 제2 방향에 따른 폭보다 크게 형성되며,
    제1 개구부는 상부면 및 격벽의 일부 영역에 걸쳐 형성된 연료전지 스택.
  15. 제 14 항에 있어서,
    제1 방향을 따라 반응가스가 분리판으로 공급되도록 마련된 연료전지 스택.
  16. 제 14 항에 있어서,
    볼록부는 제1 방향 측으로 기울어지도록 마련된 연료전지 스택.
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