KR101714295B1

KR101714295B1 - 연료전지

Info

Publication number: KR101714295B1
Application number: KR1020160001420A
Authority: KR
Inventors: 진상문; 양유창
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2016-01-06
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2036-01-06
Also published as: US9960434B2; US20170194658A1; CN106953107A; CN106953107B; DE102016109423A1; DE102016109423B4

Abstract

본 발명에 의한 연료전지는, 양측에 매니폴드홀이 형성되고, 양측 매니폴드홀의 사이로 돌출된 복수의 유로랜드 및 유로랜드 사이의 복수의 유로채널이 형성되며, 유로채널의 단부와 매니폴드홀의 사이에 일정간격을 두고 통공된 복수의 연통홀이 형성된 분리판 및 분리판에 결합되며, 매니폴드홀과 연통홀의 사이에 배치되어 매니폴드홀과 연통홀의 사이를 차단하는 차단부 및 차단부에서 각각의 연통홀의 사이로 돌출되어 연통홀들을 분리시키는 복수의 분리부로 구성된 가스켓을 포함하고, 분리부와 마주하지 않는 유로랜드는 분리부와 마주하는 유로랜드보다 단부가 연통홀을 향해 더 길게 연장된 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지{FUEL CELL}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 응축수의 하부 정체 현상을 방지할 수 있는 연료전지에 관한 것이다.

도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 연료전지의 반응박막(200)을 고정시키는 분리판(100)의 양측에는 각각 매니폴드홀(110)이 형성되어 있다.

이중 일측에 위치한 공기공급 매니폴드(111)를 통해 연료전지의 연료가 되는 산소, 수소가 공급되고, 타측에 위치한 공기배출 매니폴드(112)를 통해 반응 이후 남은 공기 및 물이 배출되게 된다.

반응박막(200)은 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)과 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA라)로 구성되어 있고, 분리판(100)은 이러한 반응박막(200)을 고정시키고 연료 및 냉각수가 유동하는 유로채널(320)을 형성시키는 구조로서, 분리판(100)은 애노드 분리판(100(b))과 캐소드 분리판(100(a))이 교번 적층되도록 구성되어 있다.

유로채널(320)은 분리판(100)의 표면에 형성된 요철 구조인 유로랜드(310)의 사이로 형성된 공간으로서, 유로랜드(310)는 화학반응에 의해 발생된 전기의 이동 통로 역할과 유로채널(320)의 외곽면을 형성하는 역할을 수행한다.

도 4에 더 자세히 도시된 바와 같이, 매니폴드홀(110)과 유로채널(320) 사이에 이 둘을 연통 시키기 위한 입출구 구조가 위치하게 된다. 매니폴드홀(110)을 통해 공급되는 연료는 연통홀(140)을 통해 유로채널(320)로 유입되는데, 연통홀(140)은 분리판(100)에 복수 개가 형성되어 있다.

이중 가스켓(120, 130)은 분리판(100)에 형성된 연통홀(140)과 매니폴드홀(110) 사이에 설치된 차단부(121, 131)와, 연통홀(140) 사이에 설치된 분리부(122, 132)로 구성된다. 이러한 가스켓(120, 130)은 복수 개가 적층된 분리판(100) 사이에서 일종의 지지체 역할도 수행하게 된다.

이러한 입출구 구조의 이해를 돕기 위해 연료전지 셀의 평단면의 모습이 도 2에 도시되어 있다. 화학 반응이 일어나는 반응박막(200)을 경계로 애노드 분리판(100(b))과 캐소드 분리판(100(a))이 인접해 있으며, 공기공급 매니폴드(111)에서 유입된 연료는 가스켓(120, 130) 및 지지체(150)로 지지되는 통로와 연통홀(140)을 지나 유로채널(320)로 유입되고, 반대로 유로채널(320)에서 배출되는 기체 및 물은 연통홀(140)을 지나 공기배출 매니폴드(112)로 배출된다.

입/출구부에서 가스켓(120, 130)과 유로채널(320) 사이에는 평행하게 형성된 경계부가 존재하는데, 가스켓을 금속 재질의 분리판에 일체형으로 사출시키기 위해, 분리판에 금형을 설치할 공간이 필요하기 때문이다. 이를 위해 유로채널(320)과 가스켓(120, 130)의 분리부(122, 132) 단부와는 일정 길이, 약 1mm 이상의 평탄부가 형성될 필요가 있다.

도 3에는 작동 중인 연료전지 내부의 중성자 사진이 나타나 있다. 물 분자의 농도가 높을수록 붉은색, 낮을수록 파란색에 가까워진다.

도 3에 도시된 바와 같이, 화학 반응에 의해 생성된 물이 왼쪽(입구부)에서 오른쪽(출구부)로 갈수록 많아지는 것은 연료의 반응에 의해 물의 생성량이 많아지기 때문이다. 그리고 물은 중력에 의해 하단으로 모여 고이게 되는데, 도 3의 우측 하단에 녹색으로 나타낸 출구홀의 모습에서 알 수 있듯이, 물이 지나치게 누적되면서 출구홀을 통해 제대로 배출되지 않고, 누적된 물에 의해 공기가 제대로 배출될 수 없게 되어 발전에 문제가 생기게 된다.

물의 배출이 제대로 되지 않을 경우, 이렇게 전력 공급에 문제가 생길 뿐만 아니라, 반응박막과 물이 장시간 접촉함으로써 열화되어 성능이 저하되는 문제가 생길 수도 있다.

종래에는 상술한 평탄부가 상하로 직선 형태로 배치됨에 따라 물이 하단부에 위치한 출구홀(122)에 쉽게 흘러내려 집중될 수 있는 구조였다.

이러한 문제는 앞서 설명한 연료전지의 출구부분뿐만 아니라 입구부분에서도 발생한다. 일반적으로 연료전지의 성능 향상을 위해 가습된 연료를 공급하게 되는데, 이 때 반응면 내로 응축수가 유입될 수 있으며 매니폴드에서 유입된 응축수들은 유로채널과 가스켓 사이의 평탄부를 통해 아래쪽 유로로 집중될 수 있다.

따라서, 물이 아래쪽 방향에 위치한 출구홀에 집중되는 것을 방지할 수 있는 입출구 구조를 갖는 연료전지가 요구되고 있는 실정이다.

일본 공개특허 2007-207744 (2007.08.16)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 연료전지 내부를 유동하는 물이 최하단부로 집중되는 현상을 방지할 수 있는 입출구 구조를 갖는 연료전지를 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는, 양측에 매니폴드홀이 형성되고, 양측 매니폴드홀의 사이로 돌출된 복수의 유로랜드 및 유로랜드 사이의 복수의 유로채널이 형성되며, 유로채널의 단부와 매니폴드홀의 사이에 일정간격을 두고 통공된 복수의 연통홀이 형성된 분리판 및 분리판에 결합되며, 매니폴드홀과 연통홀의 사이에 배치되어 매니폴드홀과 연통홀의 사이를 차단하는 차단부 및 차단부에서 각각의 연통홀의 사이로 돌출되어 연통홀들을 분리시키는 복수의 분리부로 구성된 가스켓을 포함하고, 분리부와 마주하지 않는 유로랜드는 분리부와 마주하는 유로랜드보다 단부가 연통홀을 향해 더 길게 연장된 것을 특징으로 한다.

일측 매니폴드홀은 공기공급 매니폴드이고, 타측 매니폴드홀은 공기배출 매니폴드인 것을 특징으로 한다.

공기공급 매니폴드와 공기배출 매니폴드 중 공기배출 매니폴드측에서, 분리부와 마주하지 않는 유로랜드가 분리부와 마주하는 유로랜드보다 단부가 연통홀을 향해 더 길게 연장된 것을 특징으로 한다.

분리판은 지면에 수직한 방향으로 배치되고, 공기배출 매니폴드는 분리판의 하단부에 형성된 것을 특징으로 한다.

분리부의 단부는 분리부와 마주하지 않는 유로랜드의 단부와 분리부와 마주하는 유로랜드의 단부 사이에 위치된 것을 특징으로 한다.

분리부의 단부는 유로랜드의 단부에 인접하도록 연장되어 유로랜드의 단부를 마주하는 것을 특징으로 한다.

분리부는 하나의 유로랜드를 마주하고, 연통홀은 양측 분리부의 사이에서 복수의 유로채널과 연결된 것을 특징으로 한다.

가스켓은 차단부와 양측의 분리부를 통해 연통홀의 3면을 감싸는 형상인 것을 특징으로 한다.

분리부의 단부와 유로랜드의 단부는 서로 인접하여 마주보며, 대응되는 형상의 볼록부와 오목부로 각각 형성된 것을 특징으로 한다.

분리부의 단부와 유로랜드의 단부는 서로 인접하여 마주보며, 분리부의 단부는 볼록부로 형성되고 유로랜드의 단부는 볼록부에 대응되는 오목부로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 연료전지에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 연료전지 내부의 응축수가 연료전지의 하부에 집중되는 현상을 방지하여 연료전지의 발전 효율과 수명을 증가시킬 수 있다.

둘째, 분리판의 단부에 형성되는 채널의 끝단면의 위치를 분산시켜 가공성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 연료전지를 나타낸 도면,
도 2는 종래의 연료전지의 평단면도,
도 3은 종래의 연료전지의 작동중 중성자 사진,
도 4는 종래의 연료전지의 입구부 및 출구부를 확대한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 입구부 및 출구부를 확대한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 제1랜드와 분리부의 근접부를 확대한 도면이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 연료전지에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 대략적인 형상은, 도 1 및 5에 도시된 바와 같이 양측에 매니폴드홀(110)이 형성된 분리판(100)과, 분리판(100)상에 설치된 가스켓(120, 130)으로 나타난다.

분리판(100)은 복수 개가 적층되는데, 도면에는 그 중 한 장의 분리판(100)만이 도시되어 있다. 분리판(100) 사이에는 반응박막(200)이 설치되어 산소와 수소를 이용하여 전기를 생산하게 된다.

분리판(100)은 요철 형상으로 형성되어, 볼록한 유로랜드(310) 사이로 오목한 유로채널(320)이 형성되는 구조이다. 또한 유로채널(320)의 양단부에는 연통홀(140)이 형성되는데, 연통홀(140)은 공기공급 매니폴드에서 연료를 공급받는 입구홀(141)과, 공기배출 매니폴드로 공기 및 물을 배출시키는 출구홀(142)로 구분된다.

입구홀(141)을 통해 공급된 연료는 유로채널(320)로 유동되면서 반응박막(200)과 반응하여 전기 및 물을 발생시킨 후, 출구홀(142)을 통해 배출되는 것이다.

가스켓(120, 130)은 크게 차단부(121, 131)와 분리부(122, 132)로 구분되는데, 차단부(121, 131)는 공기공급 매니폴드(111)와 입구홀(141) 사이를 가로막도록 설치된 입구 차단부(121)와, 공기배출 매니폴드(112)와 출구홀(142) 사이를 가로막도록 설치된 출구 차단부(131)를 포함하고, 분리부(122, 132)는 입구홀(141) 사이에 설치된 입구 분리부(122)와, 출구홀(142) 사이에 설치된 출구 분리부(132)를 포함하게 된다. 이때 차단부(121, 131)와 분리부(122, 132)는 동일한 재질로 일체형으로 제조되는 것이 바람직하다. 이는 가스켓(120, 130)의 강도, 접착력, 열팽창율 등을 동일하게 유지하여 이러한 차이에 의해 발생되는 파손을 방지하기 위함이다.

입구 차단부(121)와 입구 분리부(122)로 구성된 입구 가스켓(120)과, 출구 차단부(131)와 출구 분리부(132)로 구성된 출구 가스켓(130)은 각각 별개의 구성일 수도 있고, 일체로 형성된 구성일 수도 있다.

본 발명의 핵심이 되는 사상은, 분리부(122, 132)와 마주하는 유로랜드(310)의 단부보다, 분리부(122, 132)와 마주하지 않는 유로랜드(310)의 단부가 더 길게 형성되는 것에 있다. 즉, 유로랜드(310)에 의해 형성되는 유로채널(320)의 단부가 보다 연통홀(140)에 가까워짐으로써, 유로채널(320)에서 배출되는 물이 중력에 의해 낙하하더라도, 분리부(122, 132)에 의해 그 낙하가 저지되어 출구홀(142)을 통해 배출될 수 있는 것이다.

이러한 물의 낙하는 특히 공기배출 매니폴드(112) 주변에서 잘 일어나므로, 유로랜드(310) 중 일부가 돌출되는 본 발명의 형상은 이러한 출구홀(142) 주변에 설치된 출구 분리부(132) 및 이와 마주하는 유로랜드(310)의 형상에 적용하는 것이 바람직하다. 물론, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 입구홀(141) 주변에 설치된 입구 분리부(122) 및 이와 마주하는 유로랜드(310)의 형상에 적용하는 것도 가능할 것이다.

이를 더 구체적으로 살펴보면, 도 5에 도시된 바와 같이, 입구 분리부(122) 또는 출구 분리부(132)와 대응되는 높이에서 서로 마주보도록 설치된 유로랜드(310)를 제1랜드(311)로 하고, 그 위로 차례로 제2랜드(312), 제3랜드(313)의 세 유로랜드(310)가 교번되어 형성될 때, 제1랜드(311)에 비해 제2랜드(312) 및 제3랜드(313)의 길이가 더 길게 형성되는 것이다. 또한 제3랜드(313) 위에는 또 다른 제1랜드(311)가 형성되는데, 상술한 분리부(122, 132)의 위에 형성된 또 다른 분리부(122, 132)와 마주보게 된다.

또한, 제1랜드(321)와 제2랜드(322) 사이에 형성되는 유로채널(320)을 제1채널(311), 제2랜드(322)와 제3랜드(323) 사이에 형성되는 유로채널(320)을 제2채널(312), 제3랜드(323)와 제1랜드(321) 사이에 형성되는 유로채널(320)을 제3채널(313)이라 부르도록 한다.

이때, 제2채널(322)의 단부가 제1채널(321) 및 제3채널(323)의 단부보다 연통홀(140)에 가깝게 형성되고, 제2채널(322)은 연통홀(140)과 대응되는 높이로 형성되는 것이 바람직할 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제1채널(321)은 제3랜드(313)의 상면과 제1랜드(311)의 하면 사이의 공간으로 형성되고, 제2채널(322)은 제1랜드(311)의 상면과 제2랜드(312)의 하면 사이의 공간으로 형성된다.

제1랜드(311)는 분리부(122, 132)와 서로 마주본 상태로 인접하여, 제1랜드(311)와 분리부(122, 132) 사이 공간을 최소화하여 이 공간을 통해 물이 하방으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분리부(122, 132)와 제1랜드(311)를 서로 대응되는 형상으로 형성시키되, 한 쪽이 볼록하고, 다른 한 쪽이 오목하게 형성하여, 유로채널(320)을 흐르는 기체 및 물의 흐름에 역행해야만 하방으로 이동할 수 있도록 형성시키는 것이 바람직하다. 이를 통해 물이 연료전지의 하방으로 집중되는 문제를 최소화시킬 수 있는 것이다. 이들이 서로 대면하는 면은 매끈하게 형성될 수도 있고, 지그재그형으로 형성되어 물의 유동을 더욱 어렵게 만들 수도 있을 것이다.

이를 통해 연료 또는 물이 원래 흐름에 역행하는 방향으로 보다 길게 움직여야 다른 채널로 이동할 수 있으므로, 연료 및 물이 다른 채널, 즉, 하부의 채널로 이동하는 것을 방지할 수 있다.

제1랜드(311)의 길이는 제2랜드(312) 및 제2랜드(312)의 길이보다 짧게 형성되지만, 제1랜드(311)와 마주보게 설치된 분리부(122, 132)에 의해 제1채널(321)의 상면, 제3채널(323)의 하면이 연장 형성되어 유로채널(320)을 통해 유동하는 유체를 각각의 연통홀(140)로 배분시키게 된다.

이를 통해, 각각의 연통홀(140)마다 세 개씩의 유로채널(320)이 배정되어, 각각의 연통홀(140)로 동등한 양의 유체가 통과함으로써, 상술한 물이 집중되는 현상을 보다 효과적으로 방지할 수 있는 것이다.

이러한 모든 구성은 분리판(100)이 지면에 수직한 방향으로 배치되어 있기 때문에 필요한 구성이다. 즉, 분리판(100)이 수직하게 배치되어 있으므로 물이 분리부(122, 132)와 유로랜드(310) 사이의 공간을 통해 하부로 이동하기 때문이다. 또한, 공기배출 매니폴드(112)를 하방에 배치시켜, 물이 보다 쉽게 배출되도록 하면서도 최하단부에 물이 집중되는 현상을 방지할 수 있는 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 분리판 100(a): 캐소드 분리판
100(b): 애노드 분리판 110: 매니폴드홀
111: 공기공급 매니폴드 112: 공기배출 매니폴드
120: (입구)가스켓 121: (입구)차단부
122: (입구)분리부 130: (출구)가스켓
131: (출구)차단부 132: (출구)분리부
140: 연통홀 141: 입구홀
142: 출구홀 150: 지지체
200: 반응박막 310: 유로랜드
311: 제1랜드 312: 제2랜드
313: 제3랜드 320: 유로채널
321: 제1채널 322: 제2채널
323: 제3채널
I: 입구부 O: 출구부

Claims

양측에 매니폴드홀이 형성되고, 양측 매니폴드홀의 사이로 돌출된 복수의 유로랜드 및 유로랜드 사이의 복수의 유로채널이 형성되며, 유로채널의 단부와 매니폴드홀의 사이에 일정간격을 두고 통공된 복수의 연통홀이 형성된 분리판; 및
분리판에 결합되며, 매니폴드홀과 연통홀의 사이에 배치되어 매니폴드홀과 연통홀의 사이를 차단하는 차단부 및 차단부에서 각각의 연통홀의 사이로 돌출되어 연통홀들을 분리시키는 복수의 분리부로 구성된 가스켓;을 포함하고,
분리부와 마주하지 않는 유로랜드는 분리부와 마주하는 유로랜드보다 단부가 연통홀을 향해 더 길게 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지.
청구항 1에 있어서,
일측 매니폴드홀은 공기공급 매니폴드이고, 타측 매니폴드홀은 공기배출 매니폴드인 것을 특징으로 하는 연료전지.
청구항 2에 있어서,
공기공급 매니폴드와 공기배출 매니폴드 중 공기배출 매니폴드측에서, 분리부와 마주하지 않는 유로랜드가 분리부와 마주하는 유로랜드보다 단부가 연통홀을 향해 더 길게 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지.
청구항 3에 있어서,
분리판은 지면에 수직한 방향으로 배치되고, 공기배출 매니폴드는 분리판의 하단부에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지.
청구항 1에 있어서,
분리부의 단부는 분리부와 마주하지 않는 유로랜드의 단부와 분리부와 마주하는 유로랜드의 단부 사이에 위치된 것을 특징으로 하는 연료전지.
청구항 1에 있어서,
분리부의 단부는 유로랜드의 단부에 인접하도록 연장되어 유로랜드의 단부를 마주하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
청구항 1에 있어서,
분리부는 하나의 유로랜드를 마주하고, 연통홀은 양측 분리부의 사이에서 복수의 유로채널과 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지.
청구항 1에 있어서,
가스켓은 차단부와 양측의 분리부를 통해 연통홀의 3면을 감싸는 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지.
청구항 1에 있어서,
분리부의 단부와 유로랜드의 단부는 서로 인접하여 마주보며, 대응되는 형상의 볼록부와 오목부로 각각 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지.
청구항 1에 있어서,
분리부의 단부와 유로랜드의 단부는 서로 인접하여 마주보며, 분리부의 단부는 볼록부로 형성되고 유로랜드의 단부는 볼록부에 대응되는 오목부로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지.