WO2022255710A1 - 연료전지용 비선형 다공체 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

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WO2022255710A1
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fuel cell
porous body
nonlinear
fluid
flow hole
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PCT/KR2022/007354
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김준기
윤석일
이재광
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주식회사 에스제이엠
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a nonlinear porous body for a fuel cell and a fuel cell including the same, and more particularly, to a nonlinear porous body for a fuel cell installed in a fuel cell and used to diffuse a fluid, and a fuel cell including the same.
  • a fuel cell is a device that directly converts the chemical energy of hydrogen and oxygen into electrical energy through an electrochemical reaction.
  • Common fuel cells include Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), and PAFC. : Phosphoric Acid Fuel Cell).
  • a cell a core part of a fuel cell, is composed of an oxygen ion conductive electrolyte, an oxygen electrode (cathode) and a fuel electrode (anode) located on both sides of the electrolyte.
  • Oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen at the oxygen electrode move to the fuel electrode through the electrolyte.
  • Oxygen ions react with hydrogen supplied to the anode to generate water, electrons are generated at the anode, and electrons are consumed at the anode, so the operating principle of a fuel cell is to connect two electrodes to generate current.
  • the separator may be positioned at the oxygen electrode or the fuel electrode.
  • the separator allows the incoming gas to diffuse with the oxygen electrode or the fuel electrode. Gas such as oxygen or hydrogen must be smoothly diffused between the oxygen electrode and the fuel electrode so that the power production efficiency of the fuel cell can be increased.
  • Conventional linear porous bodies have limitations in increasing the power production efficiency of fuel cells because the flow of gas is simply implemented in a straight line.
  • An object of the present invention is to provide a nonlinear porous body for a fuel cell capable of improving electric energy production efficiency and a fuel cell including the same.
  • a nonlinear porous body for a fuel cell includes a base portion having a vertical cross section curved along a longitudinal direction, which is a flow direction of a fluid; and a fluid penetration portion penetrating the base portion and formed in a non-linear pattern along the longitudinal direction of the base portion so that the flow path of the fluid is non-linear.
  • a nonlinear porous body for a fuel cell includes a base portion having a vertical cross section curved along a longitudinal direction, which is a flow direction of a fluid; and a fluid penetration portion passing through the base portion so that the fluid moves along the longitudinal direction of the base portion and opening at least a portion of the fluid penetration portion when viewed from a portion through which the fluid is introduced.
  • the fluid penetration part may be formed in a non-linear pattern along the longitudinal direction of the base part so that the flow path of the fluid is non-linear.
  • the entire arrangement of the fluid penetration parts may be formed in a curved shape or a zigzag shape along the longitudinal direction of the base part.
  • each of the fluid penetration portion may be made of any one selected from a slot type, circular, elliptical and polygonal shape.
  • each of the fluid penetration parts may be a combination of two or more of a slot type, a circular shape, an elliptical shape, and a polygonal shape.
  • the fluid penetration part may be arranged such that a plurality of holes form a pattern.
  • the fluid penetration portion a first flow hole positioned to be spaced apart along the width direction of the base portion; and a second flow hole spaced apart from the first flow hole in the longitudinal direction of the base portion and positioned between two adjacent first flow holes, wherein the fluid penetration part includes the first flow hole and the first flow hole.
  • Second passage holes may be alternately arranged along the length direction of the base part.
  • first flow hole and the second flow hole may have the same shape.
  • first flow hole and the second flow hole may have different shapes.
  • the distance between the first flow hole and the second flow hole in the fluid passage part may be made the same along the longitudinal direction of the base part.
  • a distance between the first flow hole and the second flow hole in the fluid penetration part may be made variable along the longitudinal direction of the base part.
  • the base portion may be made such that stress increases from a convex upper side to a concave lower side in the process of manufacturing the vertical cross section to be curved.
  • a fuel cell includes a membrane-electrode assembly; a gas diffusion layer positioned to be in contact with the membrane-electrode assembly; a separator installed adjacent to the gas diffusion layer and supplying gas supplied from the outside to the gas diffusion layer; and a non-linear porous body interposed between the separation plate and the gas diffusion layer, and receiving gas from the separation plate and transferring the gas to the gas diffusion layer.
  • the nonlinear porous body may be installed to contact a gas diffusion layer supplied with oxygen.
  • the nonlinear porous body for fuel cells implements various nonlinear flow paths such as S-shaped, V-shaped, W-shaped, and Z-shaped rather than linear flow paths, so that air or hydrogen Flow may be generated in a curved or zigzag shape while moving through the separator. Therefore, the reaction density with the gas diffusion layer can be increased by applying a turbulent flow to the flow of air or hydrogen as the reaction gas to increase the amount of diffusion of the reaction gas into the gas diffusion layer.
  • the area where air or hydrogen reacts with the gas diffusion layer can be improved by approximately 10% to 15% compared to the conventional linear porous body. Also, since the moving speed of the fluid can be somewhat reduced compared to the conventional linear porous body, the gas diffusion layer and air or hydrogen can react for a sufficient time.
  • the output of the cell is increased by maximizing the reaction area between the gas (hydrogen, oxygen) and the gas diffusion layer, which improves the overall performance of the fuel cell.
  • the gas hydrogen, oxygen
  • the nonlinear porous body for fuel cells according to the present invention has only a difference in the arrangement shape of the fluid penetration part compared to the conventional linear porous body, and the manufacturing process is carried out almost similarly to the existing process, so the manufacturing cost will not increase.
  • FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell to which a nonlinear porous body for a fuel cell according to an embodiment of the present invention can be applied.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a non-linear porous body for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view showing the non-linear porous body for a fuel cell of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a view of the nonlinear porous body for a fuel cell of FIG. 3 viewed from the B direction.
  • FIG. 5 is a view of the non-linear porous body for a fuel cell of FIG. 3 viewed from the A direction.
  • FIG. 6 is a view showing a nonlinear porous body for a fuel cell made so that a portion of the first passage hole appears to pass through, as viewed from a direction in which fluid flows.
  • FIG. 7 is a view showing a nonlinear porous body for a fuel cell made so that most of the first passage holes pass through, as viewed from a direction in which fluid flows.
  • FIG 8 is a view viewed from a portion where gas is introduced in a conventional linear porous body.
  • FIG. 9 is a view showing the expanded nonlinear porous body for a fuel cell of FIG. 2 .
  • 10 to 12 are diagrams illustrating fluid penetrating portions having various shapes.
  • 13 is a numerical analysis showing the color difference according to the height of a nonlinear porous body for a fuel cell.
  • FIG. 14 is a diagram showing a flow path of a fluid in a nonlinear porous body for a fuel cell.
  • 15 is a plan view illustrating a nonlinear porous body for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a view of the nonlinear porous body for a fuel cell of FIG. 15 viewed from top to bottom from the direction A.
  • FIG. 17 is a diagram showing a fluid flow path in the nonlinear porous body for a fuel cell of FIG. 16 .
  • FIG. 18 is a view of a non-linear porous body for a fuel cell according to another embodiment of the present invention viewed from one side above.
  • FIG. 19 is a diagram showing a fluid flow path in the nonlinear porous body for a fuel cell of FIG. 18 .
  • the fuel cell 10 includes a membrane electrode assembly (MEA) 11a, a gas diffusion layer (GDL) 11b, a separator 12 and a nonlinear porous body 100.
  • MEA membrane electrode assembly
  • GDL gas diffusion layer
  • separator 12 separator 12
  • nonlinear porous body 100 include
  • the membrane-electrode assembly 11a may include an electrolyte membrane capable of transporting hydrogen ions and a catalyst layer capable of reacting hydrogen ions with oxygen. A detailed description of the membrane-electrode assembly 11a will be omitted.
  • the gas diffusion layer 11b is placed in contact with the membrane-electrode assembly 11a.
  • two gas diffusion layers 11b are respectively provided on both sides of the membrane-electrode assembly 11a. At this time, one gas diffusion layer 11b diffuses hydrogen, and the other gas diffusion layer 11b diffuses oxygen.
  • the gas diffusion layer 11b may be positioned between the separator 12 and the membrane-electrode assembly 11a to support the catalyst layer.
  • the gas diffusion layer 11b may assist gas diffusion by transferring gas introduced through the separation plate 12 to the catalyst layer and moving water generated by a chemical reaction back to the separation plate 12 . Also, the gas diffusion layer 11b may transfer electrons generated by an electrochemical reaction to the separator 12 .
  • the gas diffusion layer 11b for this purpose may be a material having excellent chemical stability and high electrical conductivity.
  • the gas diffusion layer 11b may be made of a material such as carbon paper, carbon cloth, or carbon felt, but is not limited thereto.
  • the separator 12 is installed adjacent to the gas diffusion layer 11b and supplies air or hydrogen, which is a gas supplied from the outside, to the gas diffusion layer 11b.
  • the nonlinear porous body 100 is interposed between the separation plate 12 and the gas diffusion layer 11b, receives fluid from the separation plate 12, and transfers the fluid to the gas diffusion layer 11b.
  • the fluid may be, for example, a gas such as oxygen or hydrogen. More specifically, the nonlinear porous body 100 can receive gas such as oxygen or hydrogen from the separator 12 or receive water generated from the membrane-electrode assembly 11a and flow it to the outside.
  • nonlinear porous bodies 100 there are two non-linear porous bodies 100, but it is not limited thereto. Alternatively, there is only one nonlinear porous body 100, and one nonlinear porous body 100 may be installed in contact with the gas diffusion layer 11b supplied with oxygen.
  • the number of gas diffusion layers 11b may be two, and one nonlinear porous body 100 may be installed adjacent to the gas diffusion layer 11b that diffuses oxygen to improve oxygen diffusion. have. That is, the nonlinear porous body 100 may be installed on an oxygen electrode (anode, cathode).
  • the gas diffusion layer 11b for diffusing hydrogen may be in close contact with the separator 12 having a linear flow path (not shown) formed thereon. As hydrogen moves along the passage, it can pass through the gas diffusion layer 11b and come into contact with the membrane-electrode assembly 11a.
  • the nonlinear porous body 100 is installed in the fuel cell 10 to improve the diffusivity of the fluid, so that the membrane-electrode assembly 11a and the fluid react more smoothly and the efficiency of electric energy production can be improved.
  • a detailed description of the nonlinear porous body 100 for this purpose will be described later.
  • the aforementioned membrane-electrode assembly 11a, the gas diffusion layer 11b, the separator 12, and the nonlinear porous body 100 may be combined to form one cell 13. These cells 13 can generate electrical energy by allowing hydrogen and oxygen to react.
  • the fuel cell 10 may be a stack of a plurality of cells 13 .
  • the fastening plates 14 are positioned at both ends of the fuel cell 10 stack, and can maintain the fastened state of the fuel cell 10 stack.
  • the fastening plate 14 may pressurize and fasten the fuel cell 10 by bolts and nuts. It is not limited to this.
  • nonlinear porous body 100 for a fuel cell is not necessarily limited to being applied only to the fuel cell 10 having the above structure.
  • nonlinear porous body 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
  • a nonlinear porous body 100 for a fuel cell includes a base portion 110 and a fluid penetration portion 120 .
  • the base portion 110 is formed to have a vertical cross section curved along the longitudinal direction, which is the flow direction of the fluid.
  • the base portion 110 may be a plate having a certain thickness and may have a structure in which a convex portion and a concave portion are repeatedly formed. It may be a body of the nonlinear porous body 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and it may be preferable that the curved portion of the base portion 110 is uniform in height as a whole.
  • the height of the base portion 110 is not uniform throughout, it may be difficult for the fluid to be uniformly diffused throughout the nonlinear porous body 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • the fluid penetration part 120 penetrates the base part 110 and is formed in a non-linear pattern along the longitudinal direction of the base part 110 so that the flow path of the fluid becomes non-linear.
  • the entire arrangement of the fluid penetration parts 120 may be formed in a curved shape or a zigzag shape along the longitudinal direction of the base part 110 .
  • the fluid penetration part 120 for this may be arranged so that a plurality of holes form a pattern.
  • the fluid penetration part 120 may include, for example, a first flow hole 121 and a second flow hole 122 .
  • the first flow hole 121 is spaced apart from each other along the width direction of the base part 110 .
  • the second passage hole 122 is spaced apart from the first passage hole 121 in the longitudinal direction of the base part 110 . Also, the second passage hole 122 is located between two adjacent first passage holes 121 .
  • any one second flow hole 122 may be positioned parallel to the space between the two adjacent first flow holes 121 .
  • the first flow hole 121 and the second flow hole 122 may be disposed alternately along the longitudinal direction of the base part 110 .
  • direction A may correspond to the length direction of the base part 110
  • direction B may correspond to the width direction of the base part 110 .
  • the fluid penetration part 120 is formed in a non-linear pattern along the longitudinal direction of the base part 110 as described above, when viewed from the A direction, the fluid penetration part 120 cannot be seen on the other side by the base part 110, Even if it is visible, only part of it may be visible. Accordingly, the flow path F of the fluid supplied along the A direction may have a non-linear shape such as a curve or a zigzag shape while passing through the fluid penetration part 120 .
  • the fluid penetration part 120 may further include a third passage hole 123 .
  • the third passage hole 123 may be disposed adjacent to an edge of the base part 110 along the length direction of the base part 110 .
  • a portion of the third passage hole 123 adjacent to the edge of the base portion 110 may be formed in a semicircular shape. Accordingly, strength at the boundary between the base portion 110 and the fluid penetration portion 120 may be improved.
  • the first flow hole 121 , the second flow hole 122 , and the third flow hole 123 may have the same shape.
  • the first flow hole 121, the second flow hole 122, and the third flow hole 123 may have different shapes, but are not limited thereto.
  • the fluid penetration part 120 allows the fluid to move along the longitudinal direction of the base part 110.
  • at least a portion thereof may be opened or may not be opened.
  • the fluid penetration part 120 may be formed in a non-linear pattern along the longitudinal direction of the base part 110 so that the flow path of the fluid becomes non-linear.
  • each of the above-described fluid penetration parts 120 may have a shape selected from among a slit shape, a circular shape, an elliptical shape, and a polygonal shape.
  • each of the fluid penetration parts 120 may have a slot shape.
  • each fluid penetration part 220 may have a rectangular shape, and as shown in FIG. 11 , each fluid penetration part 320 may have a hexagonal shape.
  • the shape of each of the fluid penetration parts 420 may be elliptical.
  • the shape of each of the fluid penetration parts 320 may also be circular.
  • FIGS. 9 to 12 are diagrams showing a state before manufacturing a wave shape by pressing a flat metal plate.
  • the nonlinear porous body 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention may be manufactured by a pressing operation, and a detailed description thereof will be described later.
  • each shape of the first flow hole 121 and the second flow hole 122 as described above can be variously selected according to the design of the nonlinear porous body 100, it is not limited to a specific shape.
  • the shape of each of the fluid penetration parts 120 may be a combination of two or more of a slot type, a circular shape, an elliptical shape, and a polygonal shape.
  • first flow hole 121 and the second flow hole 122 included in the fluid penetration part 120 may have the same shape.
  • first flow hole 121 and the second flow hole 122 may have different shapes.
  • the distance between the first flow hole 121 and the second flow hole 122 in the fluid penetration part 120 may be the same along the longitudinal direction of the base part 110 . Unlike this, although not shown in the drawing, the distance between the first flow hole 121 and the second flow hole 122 in the fluid penetration part 120 is variable along the length direction of the base part 110. It is also possible that it has been made so.
  • the shape and interval of the fluid penetration part 120 may be variously implemented according to the design of the nonlinear porous body 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • a flat metal plate is prepared. Holes are created in a metal plate using chemical or mechanical methods. Thereafter, the metal plate having the hole may be placed in a wave-shaped frame and pressed with a press to complete manufacturing.
  • the base portion 110 which can be manufactured by the above method, can be made so that the stress increases from the convex upper side to the concave lower side in the process of manufacturing the vertical cross section to be curved.
  • the nonlinear porous body 100 for a fuel cell can become a three-dimensional porous structure while being entirely deformed during the pressing process.
  • each color (yellow green, blue, red) shows a relatively low height change from the initial position in blue, and as it gradually changes from the initial position, the yellow green color changes. It is shown as turning red.
  • the blue part may be the protruding part 111 of the base part 110
  • the red part may be the inlet part 112 of the base part 110
  • the light green part may be the connecting part of the base part 110.
  • the nonlinear porous body 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention manufactured by the above method is closely adhered to one surface of the gas diffusion layer 11b (see FIG. 1) of the fuel cell 10, so that hydrogen or air is introduced into the gas diffusion layer. It can be moved along (11b, see FIG. 1).
  • a flat plate (not shown) that enables stable movement of hydrogen or air may be bonded to one surface of the nonlinear porous body 100.
  • the flat plate (not shown) may prevent hydrogen or air from leaking to the outside.
  • the entire arrangement of the fluid penetration parts 120 is curved, so that the flow path F of the fluid has an S-shape. It can be.
  • the overall arrangement of the fluid penetration parts 120 may be bent once in the middle to become a shape similar to the letter V. have.
  • the flow path of the fluid may be implemented to be bent only once. Accordingly, as shown in FIG. 17 , the flow path F of the fluid may be V-shaped.
  • the entire arrangement of the fluid penetration parts 120 is bent several times to have a shape similar to the letter W (see FIG. 9).
  • the flow path of the fluid may be a W shape.
  • the overall arrangement of the fluid penetration parts 120 is bent several times to have a shape similar to the letter Z. It can be. Accordingly, as shown in FIG. 19 , the fluid flow path F may be a Z shape.
  • the flow path of the fluid is implemented to be bent several times, so that the reaction area between the gas diffusion layer 11b (see FIG. 1) and the fluid is greater than that of the nonlinear porous body 200 (see FIG. 16) for a fuel cell of the above-described embodiment. This can be further increased.
  • the nonlinear porous bodies (100, 200, 300, 400) for fuel cells according to the present invention have various nonlinearities such as S-shaped, V-shaped, W-shaped, and Z-shaped, rather than linear porous bodies, unlike conventional linear porous bodies.
  • air or hydrogen may flow in a curved or zigzag shape while moving through the nonlinear porous bodies 100, 200, and 300 for a fuel cell. Therefore, the reaction density with the gas diffusion layer 11b can be increased by applying a turbulent flow to the flow of air or hydrogen as the reaction gas to increase the amount of diffusion of the reaction gas into the gas diffusion layer 11b.
  • the area where air or hydrogen reacts with the gas diffusion layer 11b can be improved by approximately 10% to 15% compared to the conventional linear porous body. Also, since the moving speed of the fluid can be slightly reduced compared to the conventional linear porous body, the gas diffusion layer 11b and air or hydrogen can react for a sufficient time.
  • the nonlinear porous body 100 for a fuel cell according to the present invention when the nonlinear porous body 100 for a fuel cell according to the present invention is applied to the fuel cell 10, by maximizing the reaction area between the gas (hydrogen, oxygen) used for electron exchange and the gas diffusion layer 11b, the cell ( 13), which improves the performance of the entire fuel cell 10 and can generate more electric energy per unit size, thereby reducing the manufacturing cost of the hydrogen vehicle and making it compact.
  • the nonlinear porous body 100 for a fuel cell according to the present invention has a difference in the arrangement shape of the fluid penetration part 120 compared to the conventional linear porous body, and the manufacturing process is almost similar to the existing process. As a result, the manufacturing cost may not be increased.

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Abstract

본 발명의 연료전지용 비선형 다공체는 전기 에너지 생산 효율이 향상시키는 것을 목적으로 한다. 이를 위한 본 발명의 연료전지용 비선형 다공체는 유체의 흐름 방향인 길이 방향을 따라서 수직 단면이 굴곡지게 형성되는 베이스부 및 상기 베이스부를 관통하고, 유체의 이동 경로가 비선형이 되도록 상기 베이스부의 길이 방향을 따라서 비선형 패턴으로 이루어진 유체 관통부를 포함한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 비선형 다공체가 연료전지에 적용되는 경우, 기체와 기체 확산층과의 반응 면적을 극대화시킴으로써 셀의 출력을 증가시키게 되며, 이는 전체 연료전지의 성능을 개선하여 단위 크기당 더욱 많은 전기 에너지를 생성할 수 있게 되어 수소차량의 제조비용을 절감하면서 콤팩트화 할 수 있다.

Description

연료전지용 비선형 다공체 및 이를 포함하는 연료전지
본 발명은 연료전지용 비선형 다공체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지에 설치되어 유체를 확산시키는데 사용되는 연료전지용 비선형 다공체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래기술이라고 인정되는 것은 아니다.
연료 전지는 수소와 산소가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기 에너지로 변환시켜 주는 장치이다. 일반적인 연료 전지는 용융 탄산염 연료 전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 고분자전해질 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 고체산화물 연료 전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), 인산형 연료 전지 (PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell)로 구분될 수 있다.
연료 전지의 핵심부품인 셀(cell)은 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 산소극(양극, cathode) 및 연료극(음극, anode)으로 이루어져 있다. 산소극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동한다. 산소 이온은 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 전자가 연료극에서 생성되며, 산소극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 연료 전지의 작동원리이다.
여기서, 분리판이 산소극 또는 연료극에 위치될 수 있다. 분리판은 유입되는 기체가 산소극이나 연료극과 확산되도록 한다. 산소극과 연료극은 산소나 수소와 같은 기체가 원활하게 확산되어야 연료 전지의 전력 생산 효율이 증가될 수 있다. 종래의 선형 다공체는 기체의 흐름이 단순하게 직선 형상으로만 구현됨으로써, 연료 전지의 전력 생산 효율을 증가시키는데 한계가 있다.
본 발명의 목적은 전기 에너지 생산 효율이 향상될 수 있는 연료전지용 비선형 다공체 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지용 비선형 다공체는 유체의 흐름 방향인 길이 방향을 따라서 수직 단면이 굴곡지게 형성되는 베이스부; 및 상기 베이스부를 관통하고, 유체의 이동 경로가 비선형이 되도록 상기 베이스부의 길이 방향을 따라서 비선형 패턴으로 이루어진 유체 관통부;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지용 비선형 다공체는 유체의 흐름 방향인 길이 방향을 따라서 수직 단면이 굴곡지게 형성되는 베이스부; 및 유체가 상기 베이스부의 길이 방향을 따라 이동되도록 상기 베이스부를 관통하고, 유체가 유입되는 부분에서 바라보는 경우, 적어도 일부분이 개방되도록 이루어지거나, 개방되지 않도록 이루어진 유체 관통부;를 포함한다.
한편, 상기 유체 관통부는 유체의 이동 경로가 비선형이 되도록 상기 베이스부의 길이 방향을 따라서 비선형 패턴으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 유체 관통부는 전체적인 배열 형상이 상기 베이스부의 길이 방향을 따라서 곡선 형상 또는 지그재그 형상으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 유체 관통부 각각의 형상은 슬롯형, 원형, 타원형 및 다각형 중 선택된 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 유체 관통부 각각의 형상은 슬롯형, 원형, 타원형 및 다각형 중 두 개 이상의 형상이 복합적으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 유체 관통부는 복수의 홀이 패턴을 이루도록 배열될 수 있다.
한편, 상기 유체 관통부는, 상기 베이스부의 폭방향을 따라서 이격되게 위치되는 제1 유로홀; 및 상기 제1 유로홀에 대해 상기 베이스부의 길이 방향으로 이격되게 위치되면서, 인접한 두 개의 제1 유로홀 사이에 위치되는 제2 유로홀;을 포함하며, 상기 유체 관통부는 상기 제1 유로홀과 상기 제2 유로홀이 상기 베이스부의 길이 방향을 따라서 교번하도록 배치될 수 있다.
한편, 상기 제1 유로홀과 상기 제2 유로홀의 형상은 동일한 형상일 수 있다.
한편, 상기 제1 유로홀과 상기 제2 유로홀의 형상은 상이한 형상일 수 있다.
한편, 상기 유체 관통부에서 상기 제1 유로홀과 상기 제2 유로홀 사이의 간격은 상기 베이스부의 길이 방향을 따라 동일하게 이루어질 수 있다.
한편, 상기 유체 관통부에서 상기 제1 유로홀과 상기 제2 유로홀 사이의 간격은 상기 베이스부의 길이 방향을 따라 가변되게 이루어질 수 있다.
한편, 상기 베이스부는 수직 단면이 굴곡지게 제조되는 과정에서 볼록한 상측에서 오목한 하측으로 갈수록 응력이 증가되도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지는 막-전극 접합체; 막-전극 접합체과 접촉되도록 위치되는 기체 확산층; 상기 기체 확산층에 인접하게 설치되고, 외부로부터 공급되는 기체를 기체 확산층 측으로 공급하는 분리판; 및 상기 분리판과 상기 기체 확산층 사이에 개재되고, 상기 분리판으로부터 기체를 공급받아서 상기 기체 확산층으로 전달하는 비선형 다공체;를 포함한다.
한편, 상기 비선형 다공체는 산소가 공급되는 기체 확산층과 접촉되도록 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체는 종래의 선형 다공체와 다르게 직선 형상의 유로가 아닌 S자형, V자형, W자형 및 Z자형등의 다양한 비선형성의 유로를 구현함으로써, 공기 또는 수소가 분리판을 통하여 이동되면서 곡선 또는 지그재그 형상으로 유동이 발생될 수 있다. 그러므로, 반응 기체인 공기 또는 수소 흐름에 대하여 난류 흐름을 부여하여 기체 확산층에 대한 반응 기체의 확산량을 증가시켜서 기체 확산층과의 반응 밀도는 증가시킬 수 있다.
이에 따라, 공기 또는 수소가 기체 확산층과 반응되는 면적이 종래의 선형 다공체와 비교하여 대략 10% 내지 15% 정도 향상될 수 있다. 또한, 유체의 이동 속도도 종래의 선형 다공체보다 다소 감소될 수 있으므로, 기체 확산층과 공기 또는 수소가 충분한 시간동안 반응할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 비선형 다공체가 연료전지에 적용되는 경우, 기체(수소, 산소)와 기체 확산층과의 반응 면적을 극대화시킴으로써 셀의 출력을 증가시키게 되며, 이는 전체 연료전지의 성능을 개선하여 단위 크기당 더욱 많은 전기 에너지를 생성할 수 있게 되어 수소차량의 제조비용을 절감하면서 콤팩트화 할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 연료전지용 비선형 다공체는 종래의 선형 다공체와 비교하여 유체 관통부의 배열 형상에 있어서 차이가 있을 뿐, 제조하는 공정은 기존의 공정을 거의 유사하게 실시됨으로써 제조비용을 증가시키지 않을 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체가 적용될 수 있는 연료전지를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체를 도시한 사시도이다.
도 3은, 도 2의 연료전지용 비선형 다공체를 도시한 평면도이다.
도 4는, 도 3의 연료전지용 비선형 다공체를 B방향에서 바라본 도면이다.
도 5는, 도 3의 연료전지용 비선형 다공체를 A방향에서 바라본 도면이다.
도 6은 제1 유로홀의 일부분이 관통되게 보이도록 이루어진 연료전지용 비선형 다공체를 유체가 유입되는 방향에서 바라본 도시한 도면이다.
도 7은 제1 유로홀의 대부분이 관통되게 보이도록 이루어진 연료전지용 비선형 다공체를 유체가 유입되는 방향에서 바라본 도시한 도면이다.
도 8은 종래의 선형 다공체에서 기체가 유입되는 부분에서 바라본 도면이다.
도 9는, 도 2의 연료전지용 비선형 다공체를 전개하여 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 다양한 형상으로 이루어진 유체 관통부를 도시한 도면이다.
도 13은 연료전지용 비선형 다공체의 높낮이에 따른 색상 차이를 수치해석으로 도시한 것이다.
도 14는 연료전지용 비선형 다공체에서 유체의 유동 경로를 표시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체를 도시한 평면도이다.
도 16은, 도 15의 연료전지용 비선형 다공체를 A방향쪽에서 위에서 아래로 바라본 도면이다.
도 17은, 도 16의 연료전지용 비선형 다공체에서 유체의 유동 경로를 표시한 도면이다.
도 18은, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체를 일측상방에서 바라본 도면이다.
도 19는, 도 18의 연료전지용 비선형 다공체에서 유체의 유동 경로를 표시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적인 실시예에서만 설명하고, 그 외의 다른 실시예에서는 대표적인 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체를 설명하기에 앞서 연료전지용 비선형 다공체가 적용될 수 있는 연료전지에 대해 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 연료전지(10)는 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly, 11a), 기체 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer, 11b), 분리판(12) 및 비선형 다공체(100)를 포함한다.
막-전극 접합체(11a)는 수소 이온을 이동시켜줄 수 있는 전해질막 및 수소 이온과 산소가 반응할 수 있도록 촉매층을 포함할 수 있다. 이러한 막-전극 접합체(11a)에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
기체 확산층(11b)은 막-전극 접합체(11a)와 접촉되도록 위치된다. 예를 들어, 두 개의 기체 확산층(11b)이 막-전극 접합체(11a)의 양면에 각각 설치된다. 이때, 어느 하나의 기체 확산층(11b)은 수소를 확산시키고, 나머지 기체 확산층(11b)은 산소를 확산시킨다.
기체 확산층(11b)은 분리판(12) 및 막-전극 접합체(11a) 사이에 위치하여 촉매층을 지지할 수 있다. 기체 확산층(11b)은 분리판(12)을 통해 유입된 기체를 촉매층에 전달하고, 화학반응으로 생긴 물을 다시 분리판(12)으로 이동하게 하는 등, 기체의 확산을 보조할 수 있다. 또한 기체 확산층(11b)은 전기화학 반응에 의해 발생한 전자를 분리판(12)에 전달해 줄 수 있다.
이를 위한 기체 확산층(11b)은 화학적 안정성이 우수하며, 전기 전도도가 큰 소재일 수 있다. 예를 들어, 기체 확산층(11b)은 탄소 종이(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth) 또는 탄소 펠트(carbon felt) 등의 소재로 구성될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
분리판(12)은 상기 기체 확산층(11b)에 인접하게 설치되고, 외부로부터 공급되는 기체인 공기 또는 수소를 기체 확산층(11b) 측으로 공급한다.
비선형 다공체(100)는 상기 분리판(12)과 상기 기체 확산층(11b) 사이에 개재되고, 상기 분리판(12)으로부터 유체를 공급받아서 상기 기체 확산층(11b)으로 전달한다. 여기서, 유체는 일례로 산소 또는 수소와 같은 기체일 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 비선형 다공체(100)는 분리판(12)으로부터 산소나 수소와 같은 기체를 공급받거나, 막-전극 접합체(11a)부터 생성되는 물을 전달받아 외부로 흘려 보낼 수 있다.
도면에서는 비선형 다공체(100)가 두개인 것으로 도시하였으나 이에 한정하지는 않는다. 이와 다르게, 상기 비선형 다공체(100)는 하나이며, 하나의 비선형 다공체(100)는 산소가 공급되는 기체 확산층(11b)과 접촉되도록 설치될 수 있다.
더욱 상세하게 설명하면, 전술한 바와 같이 기체 확산층(11b)은 두 개일 수 있고, 하나의 비선형 다공체(100)는 산소를 확산시키는 기체 확산층(11b)에 인접하게 설치되어 산소의 확산을 향상시킬 수 있다. 즉, 비선형 다공체(100)는 산소극(양극, cathode)에 설치될 수 있다.
그리고, 수소를 확산시키는 기체 확산층(11b)은 직선 형상의 유로(미도시)가 형성된 분리판(12)과 밀착될 수 있다. 수소가 유로를 따라 이동되면서 기체 확산층(11b)을 지나서 막-전극 접합체(11a)와 접촉될 수 있다.
이와 같이 비선형 다공체(100)는 연료전지(10) 내에 설치되어 유체의 확산성을 향상시킴으로써, 막-전극 접합체(11a)와 유체가 더욱 원활하게 반응하면서 전기 에너지 생산 효율이 향상될 수 있다. 이를 위한 비선형 다공체(100)에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
전술한 막-전극 접합체(11a), 기체 확산층(11b), 분리판(12) 및 비선형 다공체(100)가 합쳐져서 하나의 셀(13)을 구성할 수 있다. 이러한 셀(13)은 수소와 산소가 반응하도록 하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 연료전지(10)는 복수의 셀(13)이 적층된 것일 수 있다.
한편, 체결판(14)이 연료전지(10) 스택의 양 끝단에 위치하며, 연료전지(10) 스택의 체결 상태를 유지시킬 수 있다. 예를 들어, 체결판(14)은 볼트 및 너트에 의하여 연료전지(10)를 가압하며 체결할 수 있으나. 이에 한정하지는 않는다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)가 반드시 상기와 같은 구조로 이루어진 연료전지(10)에만 적용되는 것으로 한정하지는 않는다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 7를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)는 베이스부(110) 및 유체 관통부(120)를 포함한다.
베이스부(110)는 유체의 흐름 방향인 길이 방향을 따라서 수직 단면이 굴곡지게 형성된다. 이러한 베이스부(110)는 일정한 두께로 이루어진 판이면서, 볼록한 부분과 오목한 부분이 반복적으로 형성된 구조일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)의 몸체가 될 수 있으며, 베이스부(110)의 굴곡진 부분은 전체적으로 높이가 균일하게 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.
이유인 즉, 베이스부(110)의 높이가 전체적으로 균일하지 않은 경우, 유체가 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100) 전체에 균일하게 확산되기가 어려울 수 있다.
유체 관통부(120)는 상기 베이스부(110)를 관통하고, 유체의 이동 경로가 비선형이 되도록 상기 베이스부(110)의 길이 방향을 따라서 비선형 패턴으로 이루어진다. 예를 들어, 상기 유체 관통부(120)는 전체적인 배열 형상이 상기 베이스부(110)의 길이 방향을 따라서 곡선 형상 또는 지그재그 형상으로 이루어질 수 있다. 이를 위한 유체 관통부(120)는 복수의 홀이 패턴을 이루도록 배열되는 것일 수 있다.
더욱 상세하게 설명하면 유체 관통부(120)는 일례로 제1 유로홀(121)과 제2 유로홀(122)을 포함할 수 있다.
제1 유로홀(121)은 상기 베이스부(110)의 폭방향을 따라서 이격되게 위치된다.
제2 유로홀(122)은 상기 제1 유로홀(121)에 대해 상기 베이스부(110)의 길이 방향으로 이격되게 위치된다. 그리고, 제2 유로홀(122)은 인접한 두 개의 제1 유로홀(121) 사이에 위치된다.
즉, 어느 하나의 제2 유로홀(122)의 중심은 서로 인접한 두 개의 제1 유로홀(121) 사이와 나란하게 위치될 수 있다. 상기와 같은 상기 유체 관통부(120)는 상기 제1 유로홀(121)과 제2 유로홀(122)이 상기 베이스부(110)의 길이 방향을 따라서 교번하도록 배치될 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, A방향은 베이스부(110)의 길이 방향과 대응되고, B방향은 베이스부(110)의 폭 방향과 대응될 수 있다. 유체 관통부(120)가 상기와 같이 베이스부(110)의 길이방향을 따라 비선형 패턴으로 이루어짐으로써, A방향에서 볼 때 유체 관통부(120)는 베이스부(110)에 의해 반대편이 보이지 않거나, 보이더라도 일부만 보일 수 있다. 이에 따라, A방향을 따라 공급되는 유체의 유동 경로(F)가 유체 관통부(120)를 통과하면서 곡선 또는 지그재그 형상과 같은 비선형 형상이 될 수 있다.
한편, 유체 관통부(120)는 제3 유로홀(123)을 더 포함할 수 있다.
제3 유로홀(123)은 상기 베이스부(110)의 길이 방향을 따라서 상기 베이스부(110)의 가장 자리에 인접하게 배치될 수 있다. 제3 유로홀(123)에서 베이스부(110)의 가장자리에 인접한 부분은 반원 형상으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 베이스부(110)와 유체 관통부(120)의 경계 부분에서의 강도가 향상될 수 있다.
그리고, 상기 제1 유로홀(121), 상기 제2 유로홀(122) 및 제3 유로홀(123)의 형상은 동일할 수 있다. 이와 다르게, 상기 제1 유로홀(121), 상기 제2 유로홀(122) 및 제3 유로홀(123)의 형상은 상이한 형상인 것도 가능할 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
한편, 도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)에서 유체 관통부(120)는 유체가 상기 베이스부(110)의 길이 방향을 따라 이동되도록 상기 베이스부(110)를 관통하고, 유체가 유입되는 부분에서 바라보는 경우, 적어도 일부분이 개방되도록 이루어지거나, 개방되지 않도록 이루어질 수 있다.
이러한 상기 유체 관통부(120)는 전술한 바와 같이 유체의 이동 경로가 비선형이 되도록 상기 베이스부(110)의 길이 방향을 따라서 비선형 패턴으로 이루어질 수 있다.
반면, 도 8에 도시된 바와 같이, 종래의 선형 다공체(1)는 몸체(2)를 관통하는 관통홀(3)의 배열이 직선 형상이므로, 기체가 유입되는 곳에서 바라보는 경우, 관통홀(3)의 끝부분까지 모두 개방된 상태이다. 이와 같은 종래의 선형 다공체(1)에서는 유체의 이동 경로가 선형으로만 구현되어 기체 확산층과 유체의 반응 면적을 증가시키기 어려울 수 있다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 전술한 상기 유체 관통부(120) 각각의 형상은 슬릿형, 원형, 타원형 및 다각형 중 선택된 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 유체 관통부(120) 각각의 형상은 슬롯형일 수 있다. 이와 다르게, 도 10에 도시된 바와 같이, 유체 관통부(220) 각각의 형상은 사각형일 수 있고, 도 11에 도시된 바와 같이, 유체 관통부(320) 각각의 형상은 육각형일 수 있다. 그리고, 도 12에 도시된 바와 같이, 유체 관통부(420) 각각의 형상은 타원형인 것도 가능할 수 있다. 도면에 도시하지는 않았으나, 유체 관통부(320) 각각의 형상은 원형인 것도 가능할 수 있다.
여기서, 도 9 내지 도 12는 평평한 금속판을 프레싱하여 웨이브 형상으로 제조하기 전의 상태를 도시한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)는 프레싱 작업에 의해 제조될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
상기와 같은 제1 유로홀(121)과 제2 유로홀(122) 각각의 형상은 비선형 다공체(100)의 설계에 따라 다양하게 선택될 수 있으므로, 특정 형상으로 한정하지는 않는다. 예를 들어, 상기 유체 관통부(120) 각각의 형상은 슬롯형, 원형, 타원형 및 다각형 중 두 개 이상의 형상이 복합적으로 이루어진 것도 가능할 수 있다.
그리고, 유체 관통부(120)에 포함되는 상기 제1 유로홀(121)과 상기 제2 유로홀(122)의 형상은 동일한 형상일 수 있다. 이와 다르게, 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 제1 유로홀(121)과 상기 제2 유로홀(122)의 형상은 상이한 형상인 것도 가능할 수 있다.
또한, 상기 유체 관통부(120)에서 상기 제1 유로홀(121)과 상기 제2 유로홀(122) 사이의 간격은 상기 베이스부(110)의 길이 방향을 따라 동일할 수 있다. 이와 다르게, 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 유체 관통부(120)에서 상기 제1 유로홀(121)과 상기 제2 유로홀(122) 사이의 간격은 상기 베이스부(110)의 길이 방향을 따라 가변되게 이루어진 것도 가능할 수 있다.
상기와 같이 유체 관통부(120) 형상 및 간격은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)의 설계에 따라 다양하게 구현될 수 있다.
한편, 상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)의 제조 과정을 설명하기로 한다. 우선, 평평한 금속판이 마련된다. 금속판에 화학적인 방법이나 기계적인 방법을 사용하여 홀을 생성한다. 이후, 홀이 형성된 금속판을 웨이브 형상의 틀에 위치시키고, 프레스로 가압하여 제조를 완료할 수 있다.
한편, 상기와 같은 방법에 의해 제조될 수 있는 상기 베이스부(110)는 수직 단면이 굴곡지게 제조되는 과정에서 볼록한 상측에서 오목한 하측으로 갈수록 응력이 증가되도록 이루어질 수 있다.
이에 따라, 도 13에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)는 프레싱 과정에서 전체적으로 변형이 되면서 입체적인 다공성 구조가 될 수 있다. 연료전지용 비선형 다공체(100)를 수치해석 프로그램을 실시한 결과에서 각 색상(연두색, 파란색, 붉은색)은 초기 위치에서 높이 변화가 상대적으로 낮은 부분은 파란색으로 도시하였고, 초기 위치에서 점차 변경될수록 연두색에서 붉은색으로 변하는 것으로 도시하였다.
여기서, 파란색 부분은 베이스부(110)의 돌출부(111)가 될 수 있고, 붉은색 부분은 베이스부(110)의 인입부(112)가 될 수 있으며, 연두색 부분은 베이스부(110)의 연결부(113)가 될 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조되는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)는 연료전지(10)의 기체 확산층(11b, 도 1 참조)의 일면에 밀착되어, 수소 또는 공기가 기체 확산층(11b, 도 1 참조)을 따라서 이동되도록 할 수 있다. 도면에 도시하지는 않았으나, 수소 또는 공기의 이동이 안정적으로 구현될 수 있게 하는 평판(미도시)이 비선형 다공체(100)의 일면에 접합될 수 있다. 평판(미도시)은 수소 또는 공기가 외부로 누설되는 것을 방지할 수 있다.
도 14을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)는 유체 관통부(120)의 전체적인 배열 형상이 곡선이 되게 함으로써, 유체의 유동 경로(F)가 S자 형상이 될 수 있다.
도 15 내지 도 17를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(200)는 유체 관통부(120)의 전체적인 배열 형상이 중간에서 한번 절곡되어 알파벳 V와 유사한 형상이 될 수 있다. 이러한 연료전지용 비선형 다공체(200)에서는 유체의 유동 경로가 한번만 휘어지도록 구현될 수 있다. 이에 따라, 도 17에 도시된 바와 같이, 유체의 유동 경로(F)가 V형상이 될 수 있다.
한편, 유체 관통부(120)의 전체적인 배열 형상이 여러 번 절곡되어 알파벳 W와 유사한 형상(도 9 참조)인 것도 가능할 수 있다. 이 경우, 유체의 유동 경로는 W형상이 될 수 있다.
이와 다르게, 도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지용 비선형 다공체(300)는 유체 관통부(120)의 전체적인 배열 형상이 여러 번 절곡되어 알파벳 Z와 유사한 형상이 될 수 있다. 이에 따라, 도 19에 도시된 바와 같이, 유체의 유동 경로(F)가 Z형상이 될 수 있다.
이러한 연료전지용 비선형 다공체(300)에서는 유체의 유동 경로가 여러 번 휘어지도록 구현되어 전술한 실시예의 연료전지용 비선형 다공체(200, 도 16 참조)보다 기체 확산층(11b, 도 1 참조)과 유체의 반응 면적이 더욱 증가될 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100, 200, 300, 400)는 종래의 선형 다공체와 다르게 직선 형상의 유로가 아닌 S자형, V자형, W자형 및 Z자형 등의 다양한 비선형성의 유로를 구현함으로써, 공기 또는 수소가 연료전지용 비선형 다공체(100, 200, 300)를 통하여 이동되면서 곡선 또는 지그재그 형상으로 유동이 발생될 수 있다. 그러므로, 반응 기체인 공기 또는 수소 흐름에 대하여 난류 흐름을 부여하여 기체 확산층(11b)에 대한 반응 기체의 확산량을 증가시켜서 기체 확산층(11b)과의 반응 밀도는 증가시킬 수 있다.
이에 따라, 공기 또는 수소가 기체 확산층(11b)과 반응되는 면적이 종래의 선형 다공체와 비교하여 대략 10% 내지 15% 정도 향상될 수 있다. 또한, 유체의 이동 속도도 종래의 선형 다공체보다 다소 감소될 수 있으므로, 기체 확산층(11b)과 공기 또는 수소가 충분한 시간동안 반응할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)가 연료전지(10)에 적용되는 경우, 전자교환에 사용되는 기체(수소, 산소)와 기체 확산층(11b)과의 반응 면적을 극대화시킴으로써 셀(13)의 출력을 증가시키게 되며, 이는 전체 연료전지(10)의 성능을 개선하여 단위 크기당 더욱 많은 전기 에너지를 생성할 수 있게 되어 수소차량의 제조비용을 절감하면서 콤팩트화 할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 연료전지용 비선형 다공체(100)는 종래의 선형 다공체와 비교하여 유체 관통부(120)의 배열 형상에 있어서 차이가 있을 뿐, 제조하는 공정은 기존의 공정을 거의 유사하게 실시됨으로써 제조비용을 증가시키지 않을 수 있다.
이상에서 본 발명의 여러 실시예에 대하여 설명하였으나, 지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 유체의 흐름 방향인 길이 방향을 따라서 수직 단면이 굴곡지게 형성되는 베이스부; 및
    상기 베이스부를 관통하고, 유체의 이동 경로가 비선형이 되도록 상기 베이스부의 길이 방향을 따라서 비선형 패턴으로 이루어진 유체 관통부;를 포함하는 연료전지용 비선형 다공체.
  2. 유체의 흐름 방향인 길이 방향을 따라서 수직 단면이 굴곡지게 형성되는 베이스부; 및
    유체가 상기 베이스부의 길이 방향을 따라 이동되도록 상기 베이스부를 관통하고, 유체가 유입되는 부분에서 바라보는 경우, 적어도 일부분이 개방되도록 이루어지거나, 개방되지 않도록 이루어진 유체 관통부;를 포함하는 연료전지용 비선형 다공체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유체 관통부는 유체의 이동 경로가 비선형이 되도록 상기 베이스부의 길이 방향을 따라서 비선형 패턴으로 이루어진 연료전지용 비선형 다공체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유체 관통부는 전체적인 배열 형상이 상기 베이스부의 길이 방향을 따라서 곡선 형상 또는 지그재그 형상으로 이루어진 연료전지용 비선형 다공체.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유체 관통부 각각의 형상은 슬롯형, 원형, 타원형 및 다각형 중 선택된 어느 하나의 형상으로 이루어진 연료전지용 비선형 다공체.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유체 관통부 각각의 형상은 슬롯형, 원형, 타원형 및 다각형 중 두 개 이상의 형상이 복합적으로 이루어진 연료전지용 비선형 다공체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유체 관통부는 복수의 홀이 패턴을 이루도록 배열되는 연료전지용 비선형 다공체.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유체 관통부는,
    상기 베이스부의 폭방향을 따라서 이격되게 위치되는 제1 유로홀; 및
    상기 제1 유로홀에 대해 상기 베이스부의 길이 방향으로 이격되게 위치되면서, 인접한 두 개의 제1 유로홀 사이에 위치되는 제2 유로홀;을 포함하며,
    상기 유체 관통부는 상기 제1 유로홀과 상기 제2 유로홀이 상기 베이스부의 길이 방향을 따라서 교번하도록 배치되는 연료전지용 비선형 다공체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 유로홀과 상기 제2 유로홀의 형상은 동일한 형상인 연료전지용 비선형 다공체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 유로홀과 상기 제2 유로홀의 형상은 상이한 형상인 연료전지용 비선형 다공체.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 유체 관통부에서 상기 제1 유로홀과 상기 제2 유로홀 사이의 간격은 상기 베이스부의 길이 방향을 따라 동일하게 이루어진 연료전지용 비선형 다공체.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 유체 관통부에서 상기 제1 유로홀과 상기 제2 유로홀 사이의 간격은 상기 베이스부의 길이 방향을 따라 가변되게 이루어진 연료전지용 비선형 다공체.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 유체 관통부는,
    상기 베이스부의 길이 방향을 따라서 상기 베이스부의 가장 자리에 인접하게 배치되는 제3 유로홀을 더 포함하는 비선형 다공체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 유로홀, 상기 제2 유로홀 및 상기 제3 유로홀의 형상은 동일한 형상인 연료전지용 비선형 다공체.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 유로홀, 상기 제2 유로홀 및 상기 제3 유로홀의 형상은 상이한 형상인 연료전지용 비선형 다공체.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베이스부는 수직 단면이 굴곡지게 제조되는 과정에서 볼록한 상측에서 오목한 하측으로 갈수록 응력이 증가되도록 이루어진 연료전지용 비선형 다공체.
  17. 막-전극 접합체;
    막-전극 접합체과 접촉되도록 위치되는 기체 확산층;
    상기 기체 확산층에 인접하게 설치되고, 외부로부터 공급되는 기체를 기체 확산층 측으로 공급하는 분리판; 및
    상기 분리판과 상기 기체 확산층 사이에 개재되고, 상기 분리판으로부터 기체를 공급받아서 상기 기체 확산층으로 전달하는 비선형 다공체;를 포함하고,
    상기 비선형 다공체는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 비선형 다공체인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 비선형 다공체는 산소가 공급되는 기체 확산층과 접촉되도록 설치되는 연료전지.
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