WO2013100554A1 - 분기유로를 이용한 연료전지 스택 - Google Patents

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WO2013100554A1
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한성호
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주식회사 효성
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly, to a fuel cell stack capable of adjusting the gas fluid velocity in each flow path using a branch flow path.
  • a fuel cell is a device that converts chemical energy of a fuel directly into electrical energy by a chemical reaction, and is a kind of power generation device capable of continuously generating electricity as long as fuel is supplied. That is, when oxygen-containing air is supplied to the cathode of the unit cell and hydrogen gas as a fuel is supplied to the anode, electricity is generated while the reverse reaction of water electrolysis proceeds through the electrolyte membrane therebetween. .
  • electricity generated in one unit cell is not high enough to be usefully used, it is generally used in the form of a stack in which several unit cells are connected in series. Such fuel cells are spotlighted as environmentally friendly future power sources because they emit pure water as exhaust gas.
  • Fuel cells can be broadly classified into a polymer electrolyte fuel cell, a direct oxidation fuel cell, and a direct methanol fuel cell.
  • the polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly composed of a polymer electrolyte membrane and an electrode, a fluid distribution layer for delivering a gas used for the reaction to the electrode and discharging the reaction product, and a reaction gas. It is composed of a separation plate for supplying cooling water from the outside and separating the anode and cathode.
  • the fuel cell stack is constructed by stacking the membrane electrode assembly, the fluid diffusion layer, and the separator as much as necessary, and the stack is integrated without slipping or slipping through a device that provides an appropriate pressure from the outside.
  • the separator serves to mechanically support the membrane electrode assembly and to electrically connect the membrane electrode assembly, and to supply the reaction gas to the electrode surface of the part in contact with the membrane electrode assembly and to carry the surplus gas and the reaction product.
  • the flow path is typically formed in the shape of a groove on the surface of the separator. Background art related to the flow path of the present invention is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4291575.
  • the fuel cell is humidified to a certain level or higher when supplying the reaction gas to improve the conductivity of hydrogen ions in the electrolyte membrane.Because water is generated by an electrochemical reaction at the cathode, the dew point temperature of the reaction gas is increased. If it is higher than the operating temperature, water droplets are generated by condensation of water vapor in the gas flow path or inside the electrode.
  • this phenomenon may occur at the anode as well as the cathode, by the water transferred through the electrolyte membrane.
  • This phenomenon is called flooding, and clogging of the flow path caused by the flooding phenomenon causes uneven flow of reactant gas and reactant deficiency at the electrode, resulting in uneven current density distribution, resulting in overall fuel cell performance. This causes a decrease.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell stack that eliminates flooding by adjusting a gas fluid velocity of a flow path in a fuel cell stack.
  • the fuel cell stack according to the present invention for solving the above technical problem is a membrane electrode assembly (MEA) comprising a polymer electrolyte membrane and an anode and a cathode formed on both sides thereof, and the anode and the membrane of the membrane electrode assembly.
  • MEA membrane electrode assembly
  • N2H2W2 f1 (N1H1W1)
  • H1 height of the first direction flow path
  • N1 number of first flow paths
  • H2 height of the second direction flow path
  • N2 number of flow paths in the second direction
  • the fuel cell stack according to the present invention faces a membrane electrode assembly (MEA) including a polymer electrolyte membrane and an anode and a cathode formed on both sides thereof, and the anode and the cathode of the membrane electrode assembly, respectively.
  • MEA membrane electrode assembly
  • a pair of separator plates each having a flow path through which a hydrogen-containing fuel or an oxygen-containing gas flows, the flow paths comprising: a plurality of first direction flow paths traveling in a first direction; And a second direction flow path running in a second direction crossing the first direction, wherein the width and width of the first direction flow path and the second direction flow path have a relaxation factor f1 of greater than 0 and less than or equal to 1. It is characterized in that it is set to satisfy the following formula.
  • N2H2W2 f1 (N1H1W1)
  • H1 height of the first direction flow path
  • N1 number of first flow paths
  • H2 height of the second direction flow path
  • N2 number of flow paths in the second direction
  • the flow path may include a plurality of third direction flow paths running in a third direction;
  • a fourth direction flow path that joins in the third direction flow path and travels in a fourth direction crossing the third direction, wherein the width and width of the third direction flow path and the fourth direction flow path are relaxed.
  • the value of the coefficient f3 is greater than 0 and less than or equal to 1, and is set to satisfy the following formula.
  • N4H4W4 f3 (N3H3W3)
  • H3 height of the third direction flow path
  • N3 Number of flow paths in the third direction
  • H4 height of the fourth direction flow path
  • W4 width of the fourth direction flow path
  • N4 Number of flow paths in the fourth direction
  • NiHiWi f (i-1) N (i-1) H (i-1) W (i-1)
  • Hi is the height of the i-th flow path.
  • Wi width of the i-th euro
  • the present invention it is possible to eliminate the flooding phenomenon by adjusting the gas fluid velocity of the flow path in the fuel cell stack, through which the current density distribution is uniform, thereby improving fuel cell performance.
  • it is possible to improve the fuel cell reaction by preventing the pressure drop in the fuel cell stack and increasing the residence time of the reaction gas in the separator, and there is no need to use a separate pump to increase the pressure in the flow path.
  • FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a partial perspective view illustrating a separator having a branched flow path according to an embodiment of the present invention.
  • 4A, 4B, 5A, and 5B are partial perspective views of a separator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a partial bottom perspective view illustrating a separator having a joined channel according to another embodiment of the present invention.
  • 7A, 7B, 8A, and 8B are partial bottom perspective views of a separator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 1 and 2 are a perspective view and a cross-sectional view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell stack 10 stacks a membrane electrode assembly (MEA), a fluid diffusion layer 170, and separators 140 and 150 in this order.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the number of cells 100 to be stacked according to the output of the stack 10, that is, the number of unit cells constituted by the membrane electrode assembly 130, the fluid diffusion layer 170, and the separators 140 and 150 is determined. do.
  • a pair of fastening plates 210 are coupled to both sides of the fuel cell stack 10 outside the stack structure.
  • the membrane electrode assembly 130 is composed of a polymer electrolyte membrane 131 and an anode 132 and a cathode 133 respectively formed on both sides thereof, and a fluid diffusion layer 170 on the electrodes. ) Is covered.
  • the electrodes may be formed on the surface of the polymer electrolyte membrane 130 or may be formed on the surface of the fluid diffusion layer 170.
  • the fluid diffusion layer 170 functions to protect the electrode, supply hydrogen and air required for the reaction to the electrode, and discharge water generated from the electrode. In addition, an electrical connection is made between the electrode and the separator, where it contracts under an appropriate pressure to minimize contact resistance.
  • porous carbon species, carbon cloth, or finely processed graphite foil may be used as the fluid diffusion layer 170.
  • the separation plates 140 and 150 are closely coupled to the outer surface of the fluid diffusion layer 170, and a plurality of flow paths are formed on the surface.
  • the flow path of the separator is combined with the fluid diffusion layer 170 to form a fuel flow path or an oxidant flow path to form a reaction zone, and is connected to a manifold to receive a reaction gas from the outside of the stack 10.
  • the separator 140 having the fuel flow path is disposed on the side of the anode 132 of the membrane electrode assembly 130, and the separator 150 having the oxidant flow path is formed on the cathode 133 of the membrane electrode assembly. Is placed on the side.
  • the separators 140 and 150 prevent hydrogen and air from mixing in the fuel cell, electrically connect the membrane electrode assembly 130, and mechanically support the stacked unit cells.
  • the reactor flows evenly over the electrode, prevents the membrane from drying through proper moisture management, and discharges water generated in the reduction electrode 133.
  • the material of the separator graphite or carbon composite material may be used, and a metal plate may be used. When a metal plate is used, the surface of the metal plate is coated with a high conductivity and corrosion resistance because of its low electrical conductivity and potential for corrosion.
  • the electricity generated in the membrane electrode assembly 130 is transferred to the outside through the separator plates 140 and 150 for measurement.
  • the current collector plate 220 serves to connect electricity generated from the membrane electrode assembly 130 with an external load, and may be manufactured using a copper material or a gold plated metal material to reduce resistance.
  • the fastening plate 210 is used to apply a fastening pressure to the fuel cell stack 10, and a metal plate or a reinforced plastic plate having a predetermined thickness or more is used to provide a uniform pressure.
  • the fastening plate is formed with a plurality of connectors for supplying and discharging the reaction gas into the fuel cell stack (10).
  • the connector consists of a hydrogen supply port, a cooling water supply port, an air supply port, an air outlet port, a cooling water outlet port, and a hydrogen outlet port, each of which is connected to a manifold in the fuel cell stack.
  • the gasket 160 performs a structural role and a sealing function, and the material may be made of a material such as rubber having elasticity.
  • a reaction zone is formed between the separator plates 140 and 150 and the membrane electrode assembly 130. In the reaction zone, a gasket 160 is disposed in parallel along the outer side of the reaction zone to seal the reaction gas.
  • the flow path 159 of the separating plates 140 and 150 will be described in detail. Since the structure of the separator 140 on the side of the anode 132 and the separator 150 on the side of the cathode 133 has the same shape, the separator 150 on the side of the cathode 133 will be described. .
  • FIG. 3 is a partial perspective view of a cathode-side separator.
  • the first direction flow path 151 and the second direction flow path 152 are formed in a groove-shaped channel on the separator 150 side of the reduction electrode 133, and a plurality of flow paths are arranged in a group.
  • the flow paths are divided into pluralities by the ribs 158.
  • the rib 158 serves to determine a zone so that reaction gas is not mixed between the flow paths, and also serves as an electrical passage in contact with the electrode.
  • the first direction and the second direction are perpendicular to each other, the second direction flow path 152 is bifurcated from the first direction flow path 151, the cross-sectional area of the first direction flow path 151 and the first direction flow path
  • the sum of the cross-sectional areas of the two second direction flow paths 152 branched at 151 is determined in consideration of the moving speed of the fluid in each flow path. That is, the width W1 and the depth H1 of the first direction flow path 151 and the width W2 and the depth H2 of the second direction flow path 152 are determined in consideration of the fluid velocity in each flow path.
  • the sum of the cross sectional area of the first directional flow path 151 and the cross sectional area of the second directional flow path 152 is the same so that the fluid velocity in the first directional flow path 151 and the fluid speed of the second directional flow path 152 are the same.
  • the width W1 and the depth H1 of the first direction flow path 151 and the width W2 and the depth H2 of the second direction flow path 152 are determined.
  • the widths W1 and W2 of the first direction flow path 151 and the second direction flow path 152 are the same, but the depth H2 of the second direction flow path 152 is changed to the first direction. It may be formed to have a half of the depth (H1) of the flow path (151).
  • the relationship between the width and the depth of the flow path is changed so that the depths H1 and H2 of the first direction flow path 151 and the second flow path are the same, but the width of the second direction flow path 152 ( W2 may be formed to have half of the width W1 of the first direction flow path 151.
  • the sum of the cross-sectional area of the first direction flow path 151 and the cross-sectional area of the second direction flow path 152 may be equal, and thus the velocity of the fluid flowing in each flow path is the same.
  • Equation 1 The relationship between the width and the depth of each of the first and second direction flow paths 151 and 152 may be expressed as Equation 1 below.
  • N2H2W2 (N1H1W1)
  • H1 height of the first direction flow path
  • N1 number of first flow paths
  • H2 height of the second direction flow path
  • N2 number of flow paths in the second direction
  • the present invention is not limited to changing only one width or depth as in the previous embodiment, and each channel has the same sum of the cross-sectional area of the first direction flow path 151 and the second direction flow path 152 as shown in the above formula. It can also be formed by changing the width and depth of at the same time.
  • the sum of the cross-sectional areas of the second direction flow path 152 is greater than the cross-sectional area of the first direction flow path 151.
  • the width W1 and the depth H1 of the first direction flow path 151 and the width W2 and the depth H2 of the second direction flow path 152 are determined for this purpose.
  • the widths W1 and W2 of the first direction flow path 151 and the second direction flow path 152 are the same, and the depth H2 of the second direction flow path 152 is adjusted to the first direction. It may be formed to have less than half of the depth (H1) of the flow path (151).
  • the relationship between the width and the depth of the flow path is changed so that the depths H1 and H2 of the first direction flow path 151 and the second direction flow path are the same, and the width of the second direction flow path 152 is the same.
  • the W2 may be formed to have less than half the width W1 of the first direction flow path 151.
  • the width W2 and depth H2 of the second direction flow path 152 and the first direction flow path 151 so that the sum of the cross-sectional areas of the second direction flow path 152 is smaller than the cross-sectional area of the first direction flow path 151.
  • the width W1 and the depth H2 may be formed, whereby the fluid velocity in each of the second direction flow paths 152 may be faster than the fluid velocity in the first direction flow path 151.
  • Equation 2 The relationship between the width and the depth of each of the first and second direction flow paths 151 and 152 may be expressed by Equation 2 below.
  • H1 height of the first direction flow path
  • N1 number of first flow paths
  • H2 height of the second direction flow path
  • N2 number of flow paths in the second direction
  • f1 is a relaxation coefficient and represents a ratio of the fluid velocity in the first direction flow path 151 to the fluid velocity in the second direction flow path 152. That is, if the fluid velocity in the second direction flow path 152 is 1, the fluid speed in the first direction flow path 151 has f1, which is a value between 0 and 1, so that the speed in the second direction flow path 152 is zero. It is faster than the speed in the one-way flow path 151.
  • FIG. 6 is a partial perspective view of the separator 150 on the side of the cathode 133.
  • the first direction and the second direction are orthogonal to each other, and the two first direction flow paths 151 join to form one second direction flow path 152.
  • the sum of the cross-sectional areas of the two first direction flow paths 151 and the cross-sectional area of one second direction flow path 152 are determined in consideration of the moving speed of the fluid in each flow path. That is, the width W1 and the depth H1 of the first direction flow path 151 and the width W2 and the depth H2 of the second direction flow path 152 are determined in consideration of the fluid velocity in each flow path.
  • the sum of the cross-sectional area of the first direction flow path 151 and the cross-sectional area of the second direction flow path 152 so that the fluid speed in the first direction flow path 151 and the fluid speed of the second direction flow path 152 are the same.
  • the width W1 and the depth H1 of the first direction flow path 151 and the width W2 and the depth H2 of the second direction flow path 152 are determined for this purpose.
  • the widths W1 and W2 of the first direction flow path 151 and the second direction flow path 152 are the same, and the depth H2 of the second direction flow path 152 is adjusted to the first direction. It may be formed to have a half of the depth (H1) of the flow path (151).
  • the relationship between the width and the depth of the flow path is changed so that the depths H1 and H2 of the first direction flow path 151 and the second flow path are the same, and the width ( W2 may be formed to have half the width W1 of the first direction flow path 151.
  • the sum of the cross-sectional area of the first direction flow path 151 and the cross-sectional area of the second direction flow path 152 is the same, and the velocity of the fluid flowing in each flow path is equal.
  • the present invention is not limited to changing only one width or depth selectively, as in the previous embodiment, and the sum of the cross-sectional area of the first direction flow path 151 and the cross-sectional area of the second direction flow path 152 is the same as the above formula. It can be formed by changing the width and depth of each fluid channel simultaneously.
  • the cross-sectional area of the second direction flow path 152 is greater than the sum of the cross-sectional areas of the first direction flow path 151 so that the fluid speed of the second direction flow path 152 is faster than the fluid speed of the first direction flow path 151.
  • the width W1 and the depth H1 of the first direction flow path 151 and the width W2 and the depth H2 of the second direction flow path 152 are determined for this purpose.
  • the widths W1 and W2 of the first direction flow path 151 and the second direction flow path 152 are the same, and the depth H2 of the second direction flow path 152 is set in the first direction. It may be formed to have less than half of the depth (H1) of the flow path (151).
  • the relationship between the width and the depth of the flow path is changed so that the depths H1 and H2 of the first direction flow path 151 and the second flow path are the same, and the width of the second direction flow path 152 ( W2) may be formed to have less than half the width W1 of the first direction flow path 151.
  • the fluid velocity in the second direction flow path 152 may be faster than the fluid velocity in the first direction flow path 151.
  • the relationship between the width W1 and the depth H1 of the first direction flow path 151 and the width W2 and the depth H2 of the second direction flow path 152 may be expressed in the same manner as in Equation 2 above.
  • the speed of the fluid gradually increases toward the outlet of the flow path, thereby eliminating flooding that may occur in the flow path, thereby improving fuel cell performance.
  • first and second directions mentioned herein are described as being orthogonal to each other, but the present invention is not limited thereto, and the first and second directions may only have different directions.

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 자세하게는 분기유로를 이용하여 각 유로 내의 가스 유체속도를 조정할 수 있는 연료전지 스택에 관한 것으로, 고분자 전해질막과 그 양쪽 면에 각각 형성된 산화전극 및 환원전극을 포함하는 막전극접합체(MEA) 및 상기 막전극접합체의 상기 산화전극과 상기 환원전극에 각각 대면하고 수소함유연료 또는 산소함유기체가 유동하는 유로를 각각 갖는 한 쌍의 분리판를 포함하는 연료전지 스택에 있어서, 상기 유로는 제1 방향으로 진행하는 적어도 하나의 제1 방향 유로;와 상기 제1 방향 유로에서 분기하고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 진행하는 복수의 제2 방향 유로;를 포함하며, 상기 제1 방향 유로 및 상기 제2 방향 유로를 흐르는 유체의 유체속도가 서로 동일한 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 연료전지 스택 내 유로의 가스 유체속도를 조절하여 플러딩 현상을 제거할 수 있으며, 이를 통해 전류밀도분포가 균일해져 연료전지 성능이 향상된다.

Description

분기유로를 이용한 연료전지 스택
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 자세하게는 분기유로를 이용하여 각 유로 내의 가스 유체속도를 조정할 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 즉, 단위 셀의 환원전극(Cathode)에 산소를 포함한 공기가, 산화전극(Anode)에 연료인 수소가스가 각각 공급되면, 그 사이의 전해질막을 통해 물 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 생성된다. 그런데 이러한 단위 셀 하나에서 발생하는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 여러 개의 단위 셀을 직렬로 연결한 스택(Stack)의 형태로 사용하는 것이 일반적이다. 이러한 연료전지는 배기가스로 순수한 물을 배출하기 때문에 친환경적인 미래형 동력원으로 각광받고 있다.
연료전지는 크게 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료전지(Direct Oxydation Fuel Cell), 및 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)로 구분될 수 있다.
이하에서는 연료전지의 기본구조에 대한 설명은, 편의상 최근 각광을 받고 있는 고분자 전해질형 연료전지를 위주로 설명한다.
고분자 전해질형 연료전지는 고분자 전해질막과 전극으로 이루어진 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)와, 반응에 사용되는 가스를 전극에 전달하고 반응 생성물을 배출하는 유체확산층(Fluid Distribution Layer), 및 반응가스와 냉각수를 외부로부터 공급하며 산화전극(Anode)과 환원전극(Cathode)을 분리하는 기능을 하는 분리판 등으로 구성된다.
연료전지 스택(Stack)은 이러한 막전극접합체, 유체확산층 및 분리판을 필요한 용량만큼 적층하여 구성하며, 스택은 외부에서 적절한 압력을 제공하는 장치를 통해 어긋나거나 미끄러짐 없이 일체형을 이루게 된다.
일반적으로 분리판은 막전극접합체를 기계적으로 지지함과 동시에 서로 전기적으로 접속시키는 역할을 하며, 막전극접합체와 접촉하는 부분의 전극면에 반응가스를 공급하고 잉여가스와 반응 생성물을 운반하기 위한 유로를 형성한다. 유로는 통상적으로 분리판의 표면에 홈 형태로 형성된다. 본 발명의 유로와 관련된 배경기술은 일본특허공보 제4291575호에 개시되어 있다.
연료전지는 전해질막에서 수소이온의 전도성을 향상시키기 위해서 반응가스를 공급할 때 일정 수준 이상으로 가습해서 공급하는데, 환원전극 측에서 전기화학 반응에 의해서 물이 생성되기 때문에 반응 가스의 노점온도가 연료전지 작동 온도보다 높으면 가스유로나 전극 내부에서 수증기 응축에 의한 물방울이 발생한다.
또한, 이러한 현상은 환원전극 뿐만 아니라 전해질 막을 통과해 전달된 물에 의해 산화전극에서도 발생할 수 있다.
이러한 현상을 플러딩(flooding) 현상이라고 하는데, 본 플러딩 현상으로 인한 유로 막힘은 반응 가스의 불균일한 유동 및 전극에서 반응 가스 결핍을 유발하여 결과적으로 전류밀도분포의 불균일을 야기하고, 전체적으로 연료전지의 성능을 저하시키는 원인이 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 연료전지 스택 내 유로의 가스 유체속도를 조절하여 플러딩 현상을 제거하는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 스택은 고분자 전해질막과 그 양쪽 면에 각각 형성된 산화전극 및 환원전극을 포함하는 막전극접합체(MEA) 및 상기 막전극접합체의 상기 산화전극과 상기 환원전극에 각각 대면하고 수소함유연료 또는 산소함유기체가 유동하는 유로를 각각 갖는 한 쌍의 분리판을 포함하고, 상기 유로는 제1 방향으로 진행하는 제1 방향 유로;와 상기 제1 방향 유로에서 분기하고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 진행하는 제2 방향 유로;를 포함하며, 상기 제1 방향 유로 및 상기 제2 방향 유로의 폭과 넓이는 완화계수 f1의 값이 0을 초과하고 1 이하이며, 하기의 수식을 만족하도록 설정된 것을 특징으로 한다.
N2H2W2=f1(N1H1W1)
단, H1 : 제1 방향 유로의 높이
W1 : 제1 방향 유로의 폭
N1 : 제1 방향 유로 개수
H2 : 제2 방향 유로의 높이
W2 : 제2 방향 유로의 폭
N2 : 제2 방향 유로 개수
f1 : 완화계수
또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택은 고분자 전해질막과 그 양쪽 면에 각각 형성된 산화전극 및 환원전극을 포함하는 막전극접합체(MEA) 및 상기 막전극접합체의 상기 산화전극과 상기 환원전극에 각각 대면하고 수소함유연료 또는 산소함유기체가 유동하는 유로를 각각 갖는 한 쌍의 분리판를 포함하며, 상기 유로는 제1 방향으로 진행하는 복수의 제1 방향 유로;와 상기 제1 방향 유로에서 합류하고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 진행하는 하나의 제2 방향 유로;를 포함하며, 상기 제1 방향 유로 및 상기 제2 방향 유로의 폭과 넓이는 완화계수 f1의 값이 0을 초과하고 1 이하이며, 하기의 수식을 만족하도록 설정된 것을 특징으로 한다.
N2H2W2=f1(N1H1W1)
단, H1 : 제1 방향 유로의 높이
W1 : 제1 방향 유로의 폭
N1 : 제1 방향 유로 개수
H2 : 제2 방향 유로의 높이
W2 : 제2 방향 유로의 폭
N2 : 제2 방향 유로 개수
f1 : 완화계수
또한, 상기 유로는 제3 방향으로 진행하는 복수의 제3 방향 유로;와
상기 제3 방향 유로에서 합류하고 상기 제3 방향과 교차하는 제4 방향으로 진행하는 하나의 제4 방향 유로;를 더 포함하며, 상기 제3 방향 유로 및 상기 제4 방향 유로의 폭과 넓이는 완화계수 f3의 값이 0을 초과하고 1 이하이며, 하기의 수식을 만족하도록 설정된 것을 특징으로 한다.
N4H4W4=f3(N3H3W3)
단, H3 : 제3 방향 유로의 높이
W3 : 제3 방향 유로의 폭
N3 : 제3 방향 유로 개수
H4 : 제4 방향 유로의 높이
W4 : 제4 방향 유로의 폭
N4 : 제4 방향 유로 개수
f3 : 완화계수
또한, 상기 제2 방향 유로에서 분기하고 상기 제2 방향과 교차하는 제3 방향으로 진행하는 복수의 제3 방향 유로; 상기 제3 방향 유로에서 합류하고 상기 제3 방향 유로와 교차하는 제4 방향으로 진행하는 제4 방향 유로; 상기 제4 방향 유로에서 합류하고 상기 제4 방향 유로와 교차하는 제5 방향으로 진행하는 제5 방향 유로;를 포함하며, 상기 제3 내지 제5 방향 유로의 폭과 넓이는 완화계수 f2, f3, f4의 값이 0을 초과하고 1이하이며, 하기의 수식을 만족하도록 설정된 것을 특징으로 한다.
NiHiWi=f(i-1)N(i-1)H(i-1)W(i-1)
단, Hi : 제i 유로의 높이
Wi : 제i 유로의 폭
Ni : 제i 유로 개수
fi : 완화계수
i : 3, 4, 5 중 어느 하나인 자연수
본 발명에 의하면, 연료전지 스택 내 유로의 가스 유체속도를 조절하여 플러딩 현상을 제거할 수 있으며, 이를 통해 전류밀도분포가 균일해져 연료전지 성능이 향상된다. 또한, 연료전지 스택 내 압력강하를 방지하여 분리판 내 반응가스의 체류시간을 증가시킴으로써 연료전지 반응을 향상시킬 수 있으며, 유로 내 압력을 높이기 위해 별도의 펌프를 사용할 필요가 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 사시도이다.
도 2a 및 도2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분기된 유로를 갖는 분리판을 나타내는 부분 사시도이다.
도 4a, 도 4b, 도 5a, 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판의 부분 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 합류된 유로를 갖는 분리판을 나타내는 부분 저면 사시도이다.
도 7a, 도 7b, 도 8a, 도 8b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분리판의 부분 저면 사시도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 사시도 및 단면도이다.
도 1 및 도2를 참고하면, 연료전지 스택(stack)(10)은 막전극접합체(MEA, Mebrane and Electrode Assembly)(130)와 유체확산층(170) 및 분리판(140, 150)을 차례로 적층하는 구조로 되어 있으며 스택(10)의 출력에 따라 적층하는 셀(100)의 수, 즉 막전극접합체(130), 유체확산층(170) 및 분리판(140, 150)이 구성하는 단위전지 수가 결정된다. 상기 연료전지 스택(10)의 적층구조 외측에는 양쪽으로 한 쌍의 체결판(210)이 결합된다.
막전극접합체(130)는 고분자 전해질막(131)과 그 양쪽 면에 각각 형성되는 산화전극(anode)(132)과 환원전극(cathode)(133)으로 이루어져 있으며, 이 전극들 상에는 유체확산층(170)이 덮여져 있다. 상기 전극들은 고분자 전해질막(130)의 표면에 형성될 수 있으며, 유체확산층(170)의 표면에 형성될 수도 있다.
유체확산층(170)은 전극을 보호하고 반응에 필요한 수소 및 공기를 전극으로 공급하며 전극에서 생성된 물을 배출시키는 기능을 한다. 또한, 전극과 분리판 사이에서 전기적 연결을 해주며, 이때 적절한 압력하에서 수축되어 접촉저항을 최소로 한다. 유체확산층(170)으로는 다공성 탄소종이나 탄소천 혹은 미세 가공된 흑연박을 사용할 수 있다.
분리판(140, 150)은 유체확산층(170)의 바깥쪽 면에 밀착 결합되며, 표면에 다수 개의 유로가 형성된다. 분리판의 유로는 유체확산층(170)과 결합하여 연료유로 또는 산화제유로를 형성하며 반응영역을 이루게 되며, 매니폴드(manifold)와 연결되어 스택(10) 외부로부터 반응가스를 공급받게 된다. 더욱 상세하게, 연료유로가 형성된 분리판(140)은 막전극접합체(130)의 산화전극(132) 측에 배치되고, 산화제유로가 형성된 분리판(150)은 막전극접합체의 환원전극(133) 측에 배치된다. 또한, 분리판(140, 150)은 연료전지 내에 수소와 공기가 서로 섞이지 않도록 하고, 막전극접합체(130)를 전기적으로 연결하는 역할을 하며, 적층된 단위전지들을 기계적으로 지지하는 역할을 한다. 그리고 반응기체가 전극에 골고루 흘러가도록 하고 적절한 수분 관리를 통해 막이 건조되지 않도록 하며 환원전극(133)에서 생성되는 물을 배출시키는 기능을 한다. 분리판의 소재는 흑연 또는 탄소복합재가 사용될 수 있으며, 금속판이 사용되기도 한다. 금속판이 사용될 때는 전기전도도가 낮고 부식 가능성이 있으므로 금속판의 표면에 고전도성, 내부식성 코팅을 한다. 막전극접합체(130)에서 발생한 전기는 측정을 위해 분리판(140, 150)을 통해 외부로 전달된다.
집전판(220)은 막전극접합체(130)에서 발생한 전기를 외부 부하와 연결하는 역할을 하며, 저항을 줄이기 위해 구리소재 혹은 금도금한 금속소재를 사용하여 제조될 수 있다.
체결판(210)은 연료전지 스택(10)에 체결압력을 가하기 위해 사용되며, 균일한 압력을 제공할 수 있도록 일정 두께 이상의 금속판 또는 강화 플라스틱판이 사용된다. 이러한 체결판은 연료전지 스택(10) 내부로 반응가스 등을 공급 및 배출하기 위하여 다수의 연결구가 형성된다. 연결구는 수소공급구, 냉각수공급구, 공기공급구, 공기배출구, 냉각수배출구 및 수소배출구로 구성되며, 이들 연결구 각각은 연료전지 스택 내의 매니폴드와 연결된다.
가스켓(160)은 구조적 역할 및 밀봉 기능을 수행하며, 소재는 탄성을 갖는 고무와 같은 재료로 이루어질 수 있다. 분리판(140, 150)과 막전극접합체(130)의 사이에 반응영역이 형성되는데, 반응영역에는 반응가스의 밀봉을 위해 가스켓(160)이 반응영역의 외곽을 따라 병렬로 배치된다.
이하 분리판(140, 150)의 유로(159)에 대해서 자세히 설명한다. 산화전극(132) 측의 분리판(140)과 환원전극(133) 측의 분리판(150)의 구조는 동일한 형상을 가지므로 환원전극(133) 측의 분리판(150)을 기준으로 설명한다.
도 3은 환원전극 측 분리판의 부분 사시도이다.
제1 방향 유로(151) 및 제2 방향 유로(152)는 환원전극(133) 측 분리판(150)에 홈 형태의 채널로 이루어지며, 복수 개의 유로가 무리를 이루어 배치된다. 유로들은 리브(158)들에 의하여 복수 개로 나누어진다. 리브(158)는 유로 간에 반응 가스가 섞이지 않도록 구역을 확정하는 기능을 하며 전극과 접촉하여 전기적 통로의 역할도 수행한다.
제1 방향과 제2 방향은 서로 직교하며, 제2 방향 유로(152)는 제1 방향 유로(151)로부터 두 갈래로 분기되며, 한 개의 제1 방향 유로(151)의 단면적과 제1 방향 유로(151)에서 분기된 두 개의 제2 방향 유로(152)의 단면적 합은 각 유로 내 유체의 이동 속도를 고려하여 결정한다. 즉, 각 유로 내 유체속도를 고려하여 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)과 깊이(H1) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)과 깊이(H2)를 결정한다.
제1 방향 유로(151) 내 유체속도와 제2 방향 유로(152)의 유체속도가 동일하게 되도록, 제1 방향 유로(151)의 단면적과 제2 방향 유로(152)의 단면적의 합을 같게 할 수 있으며, 이를 위해 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)과 깊이(H1) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)과 깊이(H2)을 결정한다.
한편, 도4a와 같이, 제1 방향 유로(151) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W1, W2)은 동일하게 하되, 제2 방향 유로(152)의 깊이(H2)를 제1 방향 유로(151)의 깊이(H1)의 절반을 갖도록 형성할 수도 있다.
또한, 도4b와 같이, 유로의 폭과 깊이의 관계를 바꾸어, 제1 방향 유로(151) 및 제2 유로의 깊이(H1, H2)는 동일하게 하되, 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)을 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)의 절반을 갖도록 형성할 수 있다.
이와 같이, 제1 방향 유로(151)의 단면적과 제2 방향 유로(152)의 단면적의 합을 동일하게 할 수 있으며, 이를 통해 각 유로 내 흐르는 유체의 속도는 같아진다.
이와 같은 제1 방향 및 제2 방향 유로(151, 152)의 각각의 폭과 깊이 간의 관계는 하기의 수식 1 같이 표현될 수 있다.
수식 1 : N2H2W2=(N1H1W1)
단, H1 : 제1 방향 유로의 높이
W1 : 제1 방향 유로의 폭
N1 : 제1 방향 유로 개수
H2 : 제2 방향 유로의 높이
W2 : 제2 방향 유로의 폭
N2 : 제2 방향 유로 개수
본 발명은 앞선 실시예와 같이 폭 또는 깊이 하나만을 변경하는 것에 한정되지 않으며, 상기 수식과 같이 제1 방향 유로(151)의 단면적과 제2 방향 유로(152)의 단면적의 합이 동일하도록 각 유로의 폭과 깊이를 동시에 변경하여 형성할 수도 있다.
한편, 제2 방향 유로(152)의 유체속도가 제1 방향 유로(151)의 유체속도보다 빠르게 하기 위해, 제2 방향 유로(152)의 단면적의 합이 제1 방향 유로(151)의 단면적보다 작게 할 수 있으며, 이를 위해 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)과 깊이(H1) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)과 깊이(H2)를 결정한다.
즉, 도 5a와 같이, 제1 방향 유로(151) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W1, W2)은 동일하게 하고, 제2 방향 유로(152)의 깊이(H2)를 제1 방향 유로(151)의 깊이(H1)의 절반 미만을 갖도록 형성할 수 있다.
또한, 도5b와 같이, 유로의 폭과 깊이의 관계를 바꾸어, 제1 방향 유로(151) 및 제2 방향 유로의 깊이(H1, H2)는 동일하게 하고, 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)을 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)의 절반 미만을 갖도록 형성할 수 있다.
이처럼 제2 방향 유로(152)의 단면적의 합이 제1 방향 유로(151)의 단면적보다 작도록, 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)과 깊이(H2) 및 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)과 깊이(H2)를 형성할 수 있으며, 이를 통해 각 제2 방향 유로(152) 내 유체속도가 제1 방향 유로(151) 내 유체속도보다 빠르게 할 수 있다.
이와 같은 제1 방향 및 제2 방향 유로(151, 152)의 각각의 폭과 깊이 간의 관계는 하기의 수식2로 표현될 수 있다.
수식 2 : N2H2W2=f1(N1H1W1)
단, H1 : 제1 방향 유로의 높이
W1 : 제1 방향 유로의 폭
N1 : 제1 방향 유로 개수
H2 : 제2 방향 유로의 높이
W2 : 제2 방향 유로의 폭
N2 : 제2 방향 유로 개수
f1 : 완화계수, 단 0<f1<1
f1은 완화계수로서, 제2 방향 유로(152) 내 유체속도에 대한 제1 방향 유로(151) 내의 유체속도의 상대적인 비율을 나타낸다. 즉, 제2 방향 유로(152) 내 유체속도가 1이라고 한다면, 제1 방향 유로(151) 내 유체속도는 0 내지 1 사이의 값인 f1을 가지므로, 제2 방향 유로(152) 내 속도가 제1 방향 유로(151) 내 속도보다 빠르다.
다음으로 유로의 합류와 관련하여 설명한다.
도 6은 환원전극(133) 측 분리판(150)의 부분 사시도이다.
제1 방향과 제2 방향은 서로 직교하며, 두 갈래의 제1 방향 유로(151)가 합류하여 하나의 제2 방향 유로(152)를 이룬다. 이때, 두 개의 제1 방향 유로(151)의 단면적의 합과 하나의 제2 방향 유로(152)의 단면적은 각 유로 내 유체의 이동 속도를 고려하여 결정한다. 즉, 각 유로 내 유체속도를 고려하여 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)과 깊이(H1) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)과 깊이(H2)를 결정한다.
먼저, 제1 방향 유로(151) 내 유체속도와 제2 방향 유로(152)의 유체속도가 동일하게 하기 위해, 제1 방향 유로(151)의 단면적의 합과 제2 방향 유로(152)의 단면적이 같게 할 수 있으며, 이를 위해 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)과 깊이(H1) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)과 깊이(H2)를 결정한다.
한편, 도7a와 같이, 제1 방향 유로(151) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W1, W2)은 동일하게 하고, 제2 방향 유로(152)의 깊이(H2)를 제1 방향 유로(151)의 깊이(H1)의 절반을 갖도록 형성할 수도 있다.
또한, 도7b와 같이, 유로의 폭과 깊이의 관계를 바꾸어, 제1 방향 유로(151) 및 제2 유로의 깊이(H1, H2)는 동일하게 하고, 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)을 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)의 절반을 갖도록 형성할 수도 있다.
이와 같이, 제1 방향 유로(151)의 단면적과 제2 방향 유로(152)의 단면적의 합을 동일하게 하여, 각 유로 내 흐르는 유체의 속도를 동일하게 한다.
유로의 분기 때와 마찬가지로 유로의 합류의 경우에도, 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)과 깊이(H1) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)과 깊이(H2) 간의 관계를 앞서 언급한 수식 1과 동일한 수식으로 표현할 수 있다.
본 발명은 앞선 실시예와 같이 선택적으로 폭 또는 깊이 하나만을 변경하는 것에 한정되지 않으며, 상기 수식과 같이 제1 방향 유로(151)의 단면적과 제2 방향 유로(152)의 단면적의 합이 동일하도록 각 유동채녈의 폭과 깊이를 동시에 변경하여 형성할 수 있다.
이때, 각 유로 내 동일한 속도로 유체가 이동하므로, 각 유로 내 동일한 유량의 반응가스를 분배할 수 있다. 이는 반응 가스의 균일한 반응으로 이어지고, 결과적으로 전류밀도분포를 고르게 하고 전체적인 연료전지 성능의 향상에 이바지한다.
한편, 제2 방향 유로(152)의 유체속도가 제1 방향 유로(151)의 유체속도보다 빠르게 하기 위해, 제2 방향 유로(152)의 단면적이 제1 방향 유로(151)의 단면적의 합보다 작게 할 수 있으며, 이를 위해 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)과 깊이(H1) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)과 깊이(H2)를 결정한다.
즉, 도 8a와 같이, 제1 방향 유로(151) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W1, W2)은 동일하게 하고, 제2 방향 유로(152)의 깊이(H2)를 제1 방향 유로(151)의 깊이(H1)의 절반 미만을 갖도록 형성할 수 있다.
또한, 도 8b와 같이, 유로의 폭과 깊이의 관계를 바꾸어, 제1 방향 유로(151) 및 제2 유로의 깊이(H1, H2)는 동일하게 하고, 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)을 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)의 절반 미만을 갖도록 형성할 수 있다.
이와 같이, 제2 방향 유로(152)의 단면적이 제1 방향 유로(151)의 단면적의 합보다 작도록, 제1 방향 유로(151)의 폭(W1) 또는 깊이(H1) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W2) 또는 깊이(H2)를 형성하여, 제2 방향 유로(152) 내 유체속도가 제1 방향 유로(151) 내 유체속도보다 빠르게 할 수 있다.
이를 위한 제1 방향 유로(151)의 폭(W1)과 깊이(H1) 및 제2 방향 유로(152)의 폭(W2)과 깊이(H2) 간의 관계는 앞선 수식 2와 동일하게 표현할 수 있다.
이처럼 유로의 출구방향으로 갈수록 유체의 속도를 점차적으로 빠르게 하여, 유로 내 발생할 수 있는 플러딩 현상을 제거하고, 이를 통하여 연료전지 성능을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서 언급된 제1 방향과 제2 방향은 서로 직교하는 것으로 설명했으나 이에 한정되지 않으며, 제1 방향 및 제2 방향은 서로 다른 방향을 갖기만 하면 된다.
한편, 매니폴드는 그 형상 또는 구조가 당업자에게 널리 알려진 구조이므로 본 명세서에서는 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (4)

  1. 고분자 전해질막과 그 양쪽 면에 각각 형성된 산화전극 및 환원전극을 포함하는 막전극접합체(MEA) 및 상기 막전극접합체의 상기 산화전극과 상기 환원전극에 각각 대면하고 수소함유연료 또는 산소함유기체가 유동하는 유로를 각각 갖는 한 쌍의 분리판을 포함하는 연료전지 스택에 있어서,
    상기 유로는 제1 방향으로 진행하는 제1 방향 유로;와
    상기 제1 방향 유로에서 분기하고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 진행하는 제2 방향 유로;
    를 포함하며,
    상기 제1 방향 유로 및 상기 제2 방향 유로의 폭과 넓이는 완화계수 f1의 값이 0을 초과하고 1 이하이며, 하기의 수식을 만족하도록 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
    N2H2W2=f1(N1H1W1)
    단, H1 : 제1 방향 유로의 높이
    W1 : 제1 방향 유로의 폭
    N1 : 제1 방향 유로 개수
    H2 : 제2 방향 유로의 높이
    W2 : 제2 방향 유로의 폭
    N2 : 제2 방향 유로 개수
    f1 : 완화계수
  2. 고분자 전해질막과 그 양쪽 면에 각각 형성된 산화전극 및 환원전극을 포함하는 막전극접합체(MEA) 및 상기 막전극접합체의 상기 산화전극과 상기 환원전극에 각각 대면하고 수소함유연료 또는 산소함유기체가 유동하는 유로를 각각 갖는 한 쌍의 분리판를 포함하는 연료전지 스택에 있어서,
    상기 유로는 제1 방향으로 진행하는 복수의 제1 방향 유로;와
    상기 제1 방향 유로에서 합류하고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 진행하는 하나의 제2 방향 유로;
    를 포함하며,
    상기 제1 방향 유로 및 상기 제2 방향 유로의 폭과 넓이는 완화계수 f1의 값이 0을 초과하고 1 이하이며, 하기의 수식을 만족하도록 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
    N2H2W2=f1(N1H1W1)
    단, H1 : 제1 방향 유로의 높이
    W1 : 제1 방향 유로의 폭
    N1 : 제1 방향 유로 개수
    H2 : 제2 방향 유로의 높이
    W2 : 제2 방향 유로의 폭
    N2 : 제2 방향 유로 개수
    f1 : 완화계수
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 유로는 제3 방향으로 진행하는 복수의 제3 방향 유로;와
    상기 제3 방향 유로에서 합류하고 상기 제3 방향과 교차하는 제4 방향으로 진행하는 하나의 제4 방향 유로;
    를 더 포함하며,
    상기 제3 방향 유로 및 상기 제4 방향 유로의 폭과 넓이는 완화계수 f3의 값이 0을 초과하고 1 이하이며, 하기의 수식을 만족하도록 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
    N4H4W4=f3(N3H3W3)
    단, H3 : 제3 방향 유로의 높이
    W3 : 제3 방향 유로의 폭
    N3 : 제3 방향 유로 개수
    H4 : 제4 방향 유로의 높이
    W4 : 제4 방향 유로의 폭
    N4 : 제4 방향 유로 개수
    f3 : 완화계수
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 방향 유로에서 분기하고 상기 제2 방향과 교차하는 제3 방향으로 진행하는 복수의 제3 방향 유로;
    상기 제3 방향 유로에서 합류하고 상기 제3 방향 유로와 교차하는 제4 방향으로 진행하는 제4 방향 유로;
    상기 제4 방향 유로에서 합류하고 상기 제4 방향 유로와 교차하는 제5 방향으로 진행하는 제5 방향 유로;
    를 포함하며,
    상기 제3 내지 제5 방향 유로의 폭과 넓이는 완화계수 f2, f3, f4의 값이 0을 초과하고 1이하이며, 하기의 수식을 만족하도록 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
    NiHiWi=f(i-1)N(i-1)H(i-1)W(i-1)
    단, Hi : 제i 유로의 높이
    Wi : 제i 유로의 폭
    Ni : 제i 유로 개수
    fi : 완화계수
    i : 3, 4, 5 중 어느 하나인 자연수
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