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KR101724793B1 - 연료전지의 바이폴라 플레이트 - Google Patents

연료전지의 바이폴라 플레이트 Download PDF

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KR101724793B1
KR101724793B1 KR1020140032505A KR20140032505A KR101724793B1 KR 101724793 B1 KR101724793 B1 KR 101724793B1 KR 1020140032505 A KR1020140032505 A KR 1020140032505A KR 20140032505 A KR20140032505 A KR 20140032505A KR 101724793 B1 KR101724793 B1 KR 101724793B1
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김형섭
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 연료전지의 바이폴라 플레이트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유로채널의 유로 방향과 수직하는 방향의 유체혼합부를 흡기 매니폴드 또는 배기 매니폴드의 부근에 밀집하여 형성함으로써, 흡기 매니폴드 또는 배기 매니폴드에 발생하는 연료전지의 국소전류밀도 불균형 또는 연료 또는 반응가스의 불균형한 공급을 방지하고자 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.

Description

연료전지의 바이폴라 플레이트{Bipolar plate for fuel cell}
본 발명은 연료전지의 바이폴라 플레이트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유로채널의 유로와 수직하는 방향의 유체혼합부를 매니폴드 부근에 밀집시켜 유로채널로 인해 분리되어 유동하던 유체가 매니폴드 부근에서 혼합과 분리를 반복하여 유동하도록 함으로써, 연료전지에서 발생하는 국소전류밀도의 불균형 현상과 연료전지의 전극으로 공급되는 연료 및 반응가스의 불균형한 공급을 방지하고자 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 산화반응에 의해 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로서, 반응물질인 연료와 반응가스가 외부에서 연속적으로 공급되고 산화반응에 의한 반응생성물이 연속적으로 배출되면서 작동하게 된다.
이러한 연료전지는 작동 온도 및 사용되는 전해질에 따라 구분되는데, 850℃ 이상에서 세라믹 산화물을 전해질로 사용하는 고체산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells;SOFC), 500℃~600℃에서 탄산염 전해질을 사용하는 용융 탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cells;MCFC), 200℃ 이하에서 인산 전해질을 사용하는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cells;PAFC), 상온에서 알칼리 전해질을 사용하는 알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell;AFC) 및 100℃ 이하의 상온에서 고분자막 전해질을 사용하는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell; PEFC) 등으로 분류된다.
특히, 수소가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell;PEMFC) 및 액상의 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell;DMFC) 등으로 분류되는 고분자 전해질형 연료전지는 상온에서 작동 가능하기 때문에 전기자동차, 열병합발전소 및 가정 발전 시스템 등에서 널리 사용되고 있다.
연료전지에서 전기 화학 반응은 산화 전극(Anode)에서의 산화 반응과 환원 전극(Cathode)에서의 환원 반응으로 구성된다. 이때 두 전극은 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위하여 백금 혹은 백금과 루테늄 금속을 사용한 촉매층이 형성되며, 백금촉매의 사용량을 줄이고 이용률을 높이기 위하여 미세한 카본입자를 촉매 지지체로 사용한다. 또한, 운전 온도가 400℃ 이상의 고온형 연료전지에서는 니켈 금속을 사용하는 촉매 층을 형성하여 산화 전극 및 환원 전극에서 발생하는 전기 화학 반응을 촉진시키게 된다. 반응의 결과 최종 부산물은 전기, 열 및 물로서, 열을 제거하기 위해 냉각과정을 필요로 할 수 있으며, 특히 상온에서 운전하는 연료전지의 경우 환원 전극에서 생성되는 물은 액체 또는 기체(수증기) 형태로 존재하며 환원 전극 쪽으로 환원가스(산소 혹은 반응가스)를 강하게 흘림으로써 제거한다.
이러한 과정에서 연료전지의 구성 중 바이폴라 플레이트는 유체가 유동하는 유로를 형성함으로써, 연료전지에 공급되는 연료와 반응가스가 섞이지 않고 전극에 균일하게 흘러가도록 하고, PEMFC 및 DMFC의 경우, 적절한 수분 관리를 통해 막이 건조되지 않도록 하는 연료전지에 있어서 중요한 기능을 수행하게 된다.
종래의 바이폴라 플레이트의 구조를 살펴보면, 유체의 입구와 출구까지 복수의 직선 유로채널을 바이폴라 플레이트에 형성하거나 유로채널의 유로 방향과 수직한 방향의 유로를 유체의 입구부터 출구에까지 동일 간격으로 추가하여 형성하는 구조를 가진다.
상술된 종래의 바이폴라 플레이트는 연료 사용량이 증가하는 경우 바이폴라 플레이트 내부로 유입되는 유체의 유량 증가와 함께 입/출구에 정체되는 유체의 유량 또한 증가하여 연료전지의 국소전류밀도가 연료전지 전 영역에 걸쳐 균형을 이루지 못하고, 국소전류밀도와 비례하는 발생열이 반응면 전체에서 국부적으로 증가하는 문제점을 가지고 있으며, 이는 반응면의 국소적인 열화현상으로 이어짐으로써 연료전지 셀의 성능 저하를 촉진시키게 된다.
이에, 본 발명자는 상술된 종래의 바이폴라 플레이트의 문제점을 해결하기 위해, 유로채널의 유로와 수직하는 방향의 유체혼합부를 매니폴드 부근에 밀집시켜 유로채널로 인해 분리되어 유동하던 유체가 매니폴드 부근에서 혼합과 분리를 반복하여 유동하도록 함으로써, 연료전지에서 발생하는 국소전류밀도의 불균형 현상과 연료전지의 전극으로 공급되는 연료 및 반응가스의 불균형한 공급을 방지하고자 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트를 발명하기에 이르렀다.
한국공개특허 제 10-2010-0119230 호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 유로채널의 유로와 수직하는 방향의 유체혼합부를 매니폴드 부근에 밀집시켜 유로채널로 인해 분리되어 유동하던 유체가 매니폴드 부근에서 혼합과 분리를 반복하여 유동하도록 함으로써, 연료전지에서 발생하는 국소전류밀도의 불균형 현상과 연료전지의 전극으로 공급되는 연료 및 반응가스의 불균형한 공급을 방지할 수 있는 연료전지의 바이폴라 플레이트를 제공하고자 한다.
보다 구체적으로, 유로채널과 유체혼합부가 음각된 플레이트 홈을 입구영역, 출구영역 및 중간영역으로 나누고 흡기 매니폴드 및 배기 매니폴드와 각각 접하는 입구영역 및 출구영역에만 유체혼합부를 구성하여 매니폴드 부근에 유체혼합부를 밀집시킴으로써, 연료전지에서 발생하는 국소전류밀도의 불균형 현상과 연료전지의 전극으로 공급되는 연료 및 반응가스의 불균형한 공급을 방지할 수 있는 연료전지의 바이폴라 플레이트를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 연료전지의 바이폴라 플레이트는 유체가 유동하는 복수의 유로채널이 음각되어 형성된 플레이트 홈; 상기 플레이트 홈에 연통되어 상기 유체가 상기 플레이트 홈으로 유입되도록 하는 흡기 매니폴드; 상기 플레이트 홈에 연통되어 상기 플레이트 홈으로 유입된 유체가 외부로 유출되도록 하는 배기 매니폴드; 및 상기 복수의 유로채널을 통해 복수의 채널로 분리된 유체가 다시 혼합되도록 상기 유로채널의 유로방향과 수직한 방향으로 음각되어 형성된 유체혼합부;를 포함할 수 있고, 상기 유체혼합부는 상기 흡기 매니폴드 또는 상기 배기 매니폴드 부근에 밀집하여 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 바이폴라 플레이트는 상기 유체혼합부의 유로 폭은 상기 유로채널의 최저 유로 길이보다 짧게 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 바이폴라 플레이트는 상기 유체혼합부가 상기 입구유로 및 상기 출구유로 부근에 형성되는 경우 상기 유체혼합부 각각의 유로 폭은 동일할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지의 바이폴라 플레이트는 상기 유체혼합부가 상기 흡기 매니폴드 및 상기 배기 매니폴드 부근에 형성되는 경우 상기 유체혼합부의 유로 폭은 상기 흡기 매니폴드 및 상기 배기 매니폴드에 근접하여 위치할수록 좁아질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 바이폴라 플레이트는 상기 유로채널의 유로 폭 및 상기 유로채널간의 간격은 전 영역에 걸쳐 일정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 바이폴라 플레이트는 상기 플레이트 홈의 깊이는 전 영역에 걸쳐 일정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 바이폴라 플레이트는 상기 유로채널 및 유로혼합부의 단면은 정사각형 형태, 직사각형 형태, 마름모 형태, 사다리꼴 형태 및 물결(Wave) 형태 중 어느 하나에 해당할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 바이폴라 플레이트는 상기 흡기 매니폴드와 연통되어 외부에서 상기 유체가 상기 흡기 매니폴드로 유입되도록 하는 입구유로;를 더 포함할 수 있다..
일 실시예에서, 상기 흡기 매니폴드는 상기 입구유로를 통해 유입되는 유체의 유량을 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 바이폴라 플레이트는 상기 배기 매니폴드와 연통되어 상기 플레이트 홈으로 유입된 상기 유체가 외부로 유출되도록 하는 출구유로;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 바이폴라 플레이트는 상기 흡기 미니폴드 및 배기 매니폴드의 형태는 원형, 직사각형, 정사각형 및 타원 중 어느 하나에 해당할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트는 유로채널의 유로 방향과 수직하는 방향의 유체혼합부를 흡기 매니폴드 또는 배기 매니폴드의 부근에 밀집하게 형성하여 연료전지의 국소전류밀도 불균형을 방지함으로써, 국소전류밀도와 비례하는 반응열의 국부적 발생을 방지하고 연료전지 셀의 수명을 증가시키는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 연료전지에 구성된 멤브레인 전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly;MEA)에 연료 및 반응가스를 균일하게 공급하도록 함으로써, 연료전지의 효율을 증가시키며 연료전지 셀의 성능저하를 방지하는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 2는 상기 도 1의 A-B의 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트에서 유체의 유동상태를 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트의 단면을 도시한 단면도이다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트의 단면을 도시한 단면도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도이고, 도 2는 상기 도 1의 A-B의 단면을 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트에서 유체의 유동상태를 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지의 바이폴라 플레이트(100)는 입구유로(111), 출구유로(112), 흡기 매니폴드(121), 배기 매니폴드(122), 플레이트 홈(130), 유로채널(141, 142, 143) 및 유체 혼합부(151, 152)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 연료전지의 바이폴라 플레이트(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 1에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트(100)의 한쪽 끝에는 흡기 매니폴드(121)와 연통되어 외부로부터 연료 또는 반응가스가 유입되는 통로인 입구유로(111)가 형성될 수 있고, 그 반대편에는 배기 매니폴드(122)와 연통되어 상술한 연료 또는 반응가스가 배기 매니폴드(122)를 통해 한 곳으로 모여 외부로 유출되는 통로인 출구유로(112)가 형성될 수 있다.
흡기 매니폴드(121)는 입구유로(111)로 유입된 연료 또는 반응가스가 복수의 배관(미도시)을 통해 분리되어 유동하도록 하는 역할을 수행할 수 있고, 반대로 배기 매니폴드(122)는 분리되어 유동하는 연료 또는 반응가스를 상술된 출구유로(112)로 모으는 역할을 수행할 수 있다.
또한 흡기 매니폴드(121)는 입구유로(111)를 통해 유입되는 연료 또는 반응가스의 유량에 따라 개폐를 조절함으로써, 유입되는 유량을 조절하는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명에 있어서, 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122)의 형태는 도 1 및 도 3에 도시된 형태에 한정짓지 않고, 바이폴라 플레이트(100)에 연통되어 상술한 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122)의 역할을 수행하는 한 어떠한 형태든 상관없으며 예를 들어, 원형, 직사각형, 정사각형 및 타원 형태일 수 있다.
플레이트 홈(130)은 유로채널(141, 142, 143) 및 유체혼합부(151, 152)가 일정한 깊이로 음각되어 형성될 수 있으며, 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122)와 연통되어 외부에서 플레이트 홈(130)으로 연료 또는 반응가스가 유입 및 유출된다.
플레이트 홈(130)으로 유입된 연료 또는 반응가스는 복수의 유로채널(141, 142, 143)의 유로를 따라 분리되어 유동하고, 유로채널(141, 142, 143)의 유로 방향과 수직하여 음각된 유체혼합부(151,152)를 통해 다시 혼합된다. 유로채널(141, 142, 143) 및 유체혼합부(151,152)를 통해 연료 또는 반응가스는 분리와 혼합을 반복하게 된다.
플레이트 홈(130)의 유로채널(141, 142, 143)은 음각되어 형성됨으로써, 상부가 개방되어 유로채널(141, 142, 143)의 유로에 흐르는 연료 또는 반응가스가 멤브레인 전극 어셈블리(10, Membrane Electrode Assembly;MEA)와 접촉할 수 있고 이를 통해, 산화 전극(12)에는 연료가 공급되어 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 양이온과 전자(e-)로 이온화되고 그 이온화된 양이온은 전해질을 통해 환원 전극(13)으로 이동하게 된다. 상술된 환원 전극(13)으로 이동한 양이온은 그 환원 전극(13)측으로 공급되는 반응가스의 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물 등의 부산물을 발생시키게 된다. 이 과정에서 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 또한, 산화 전극(12)에서 반응을 거친 연료와 환원 전극(13)에서 발생되는 물 및 기타 부산물은 배기 매니폴드(122)와 출구유로(112)를 거쳐 외부로 유출된다. 여기서, 플레이트 홈(130)에 음각되어 형성된 유로채널(141, 142, 143) 및 유체혼합부(151,152)는 상술한 바와 같이, 상부가 개방되어 있고 그 외의 영역은 MEA(10)와 맞닿아 지지대 역할을 수행할 수 있다.
도 2를 참조하여 상술된 연료전지의 MEA(10) 구조와 MEA(10)와 함께 구성된 연료전지의 바이폴라 플레이트(100, 100')을 자세히 살펴보면, MEA(10)는 전해질막(11), 산화반응이 일어나는 산화 전극(12) 및 환원 반응이 일어나는 환원 전극(13)으로 구성되며, 산화 전극(12) 및 환원 전극(13) 각각은 촉매층(12a, 13a), 연료확산층(12b, 13b), 전극 지지체(12c, 13c)으로 구성된다. 이러한 MEA(10) 양면에는 연료전지의 바이폴라 플레이트(100, 100')가 각각 맞닿아 접촉하고 연료전지의 바이폴라 플레이트(100)의 유로채널 중에서 MEA(10)와 접촉하는 유로채널(141, 142, 143)을 통해 연료가 공급되는 경우 반대편에 연료전지의 바이폴라 플레이트(100')의 유로채널(141', 142', 143')을 통해 반응가스가 공급된다.
이러한 연료전지는 연료 또는 반응가스가 유입되어 화학 반응을 거쳐 유출되는 과정에 있어서, 연료 이용률이 증가하는 경우 유입되는 연료 또는 반응가스의 유량이 증가하고 산화 전극(12)에서 반응을 거친 연료와 환원 전극(13)에서 발생되는 물 및 기타 부산물의 양 또한 증가하게 된다.
이에 따라, 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122) 부근의 플레이트 홈(130)에서 발생하는 국소전류밀도의 불균형과 MEA(10)로 공급되는 연료 또는 반응가스의 불균형을 해소하기 위하여, 플레이트 홈(130)을 흡기 매니폴드(121)와 접한 입구영역(161) 및 배기 매니폴드(122)와 접한 출구영역(162) 그리고 이외의 중간영역(163)으로 나누어 영역별로 유로채널(141, 142, 143) 및 유체혼합부(151, 152)의 구성을 상이하게 형성할 수 있다.
구체적으로, 플레이트 홈(130)의 입구영역(161) 및 출구영역(162)에는 유로채널(141, 143) 및 유체혼합부(151, 152)가 음각되어 있고, 플레이트 홈(130)의 중간 영역(163)에는 유로채널(143)만이 음각되어 있다. 이로 인해, 입구영역(161) 및 출구영역(162)에는 중간 영역(163)에 없는 유체혼합부(151, 152)가 밀집되어 형성되어 있으므로, 유로채널(141, 142, 143)로 인해 복수의 채널로 분리되어 유동하던 연료 또는 반응가스가 다시 혼합되어 유동하고, 이를 반복함으로써 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122) 부근의 플레이트 홈(130)에서 발생하는 국소전류밀도의 불균형 및 MEA(10)로 공급되는 연료 또는 반응가스의 불균형을 방지할 수 있다.
한편, 중간 영역(163) 중앙에는 유로채널(141, 142, 143)과 수직한 방향의 유로를 갖는 횡유로(173)가 음각되어 있고, 이로 인해 유체의 유동거리가 긴 중간 영역(163)에서 발생할 수 있는 승압 현상을 방지하는 역할을 수행한다.
또한, 상술된 횡유로(173)를 통해 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122) 부근의 유로채널(141, 142, 143)에서 발생하는 압력차를 감소시킴으로써, 상압의 운전환경에도 바이폴라 플레이트(100)를 운전 가능하도록 하는 역할을 수행한다. 연료전지의 균일한 국소전류밀도와 MEA(10)로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량을 일정하게 유지하기 위하여, 입구영역(161) 및 출구영역(162)의 유체혼합부 유로폭(151W, 152W)은 각각 같은 규격으로 형성되고 모든 영역(161, 162, 163)의 유로채널 유로길이(141L, 142L, 143L) 보다 짧게 형성될 수 있다. 또한, 상술된 일정한 국소전류밀도와 균일한 연료 또는 반응가스의 공급을 위하여, 모든 영역(161, 162, 163)의 유로채널(141, 142, 143)간의 간격은 동일하게 형성되고, 유로채널 유로폭(141W, 142W, 143W)은 같은 규격으로 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 유로채널(141, 142, 143) 및 유체혼합부(151, 152)의 단면 형태는 도 2에 도시된 형태에 한정짓지 않고, 바이폴라 플레이트(100)의 플레이트홈(130)에 음각되어 상술한 유로채널(141, 142, 143) 및 유체혼합부(151, 152)의 역할을 수행하는 한 어떠한 형태든 상관없으며 예를 들어, 물결(Wave)형태의 단면일 수 있다. 자세한 단면 형태는 후술되는 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명하도록 한다.
도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트(100)에서 유체의 유동상태를 살펴보면, 입구유로(111)로 유입된 유체가 흡기 매니폴드(111)를 통해 입구영역(161)의 채널유로로 진입하게 된다.
이후 채널유로의 유로를 따라 유체는 분리되어 유동하고 이후 만나는 유체혼합부를 통해 합쳐지고, 다시 채널유로를 만남으로써 채널별로 분리되어 유동하게 된다. 입구영역(161)에서의 분리와 혼합을 반복하여 유체가 유동하는 과정은 출구영역(162)에서도 동일하게 이뤄지며 이로 인해, 입구영역(161), 출구영역(162) 및 중간영역(163) 전체에 유체가 고르게 분배되어 흐르게될 뿐만 아니라 유체의 유동량이 증가하여 연료전지의 성능이 향상될 수 있다.
또한, 중간영역(163)의 중앙에 음각된 횡유로를 통해 유체가 유동함으로써, 중간 영역(163)에서 발생할 수 있는 승압 현상을 방지하고 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122) 부근의 유로채널에서 발생하는 압력차를 감소시켜 상압의 운전환경에도 바이폴라 플레이트(100)를 운전 가능하도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 4를 참조하면, 상술된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트(100)와 달리 연료전지의 바이폴라 플레이트(100a)는 입구영역(161a)에만 유체혼합부(151a)가 형성될 수 있다.
이러한 연료전지의 바이폴라 플레이트(100a)의 구성으로 인해, 흡기 매니폴드(121a)와 접하는 입구영역(161a)에서 발생되는 연료전지의 국소전류밀도 불균형 현상을 방지하고, 입구영역(161a)에서 MEA(미도시)로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량과 플레이트 홈(130a)의 모든 영역에서 MEA로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량의 편차가 발생하지 않도록 할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 연료전지의 균일한 국소전류밀도와 MEA로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량을 일정하게 유지하기 위하여, 모든 유체혼합부(151a)의 유로폭은 같은 규격으로 형성되고 유로채널(141a, 143a)의 최소 유로길이 보다 짧게 형성될 수 있다.
또한, 모든 유로채널(141a, 143a)간의 간격은 동일하게 형성되고, 유로채널(141a, 143a)의 유로폭은 같은 규격으로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 5를 참조하면, 상술된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트(100)와 달리 연료전지의 바이폴라 플레이트(100b)는 출구영역(162b)에만 유체혼합부(152b)가 형성될 수 있다.
이러한 연료전지의 바이폴라 플레이트(100b)의 구성으로 인해, 배기 매니폴드(122b)와 접하는 출구영역(162b)에서 발생되는 연료전지의 국소전류밀도 불균형 현상을 방지하고, 출구영역(162b)에서 MEA(미도시)로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량과 플레이트 홈(130b)의 모든 영역에서 MEA로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량의 편차가 발생하지 않도록 할 수 있다.
상술된 도 4의 연료전지의 바이폴라 플레이트(100a)와 동일하게, 연료전지의 균일한 국소전류밀도와 MEA(10)로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량을 일정하게 유지하기 위하여, 모든 유체혼합부(152b)의 유로폭은 같은 규격으로 형성되고 유로채널(142b, 143b)의 최소 유로길이 보다 짧게 형성될 수 있다. 또한, 모든 유로채널(142b, 143b)간의 간격은 동일하게 형성되고, 유로채널(142b, 143b)의 유로폭은 같은 규격으로 형성될 수 있다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트의 단면을 도시한 단면도이고, 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트의 단면을 도시한 단면도이다.
본 발명에 있어서, 연료전지의 바이폴라 플레이트(100)의 단면 형태는 도 2에 도시된 형태에 한정짓지 않으며, 상술된 바이폴라 플레이트(100)의 유체혼합부(151, 151')의 역할을 수행하는 한 어떠한 형태든 상관없다.
따라서, 도 6a 도시된 바와 같이, 유체혼합부(151, 151')의 단면 형태는 물결(Wave) 형태의 단면일 수 있고 도 6b에 도시된 바와 같이, 유체혼합부(151, 151')의 단면 형태는 사다리꼴 형태의 단면일 수 있다. 또한, 유체혼합부(151, 151')의 단면 형태는 도 6a 및 도 6b 각각에 도시된 물결(Wave) 형태 및 사다리꼴 형태 이외의 정사각형 형태, 직사각형 형태 및 마름모 형태 중 어느 하나에 해당할일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 연료전지의 바이폴라 플레이트
111 : 입구유로
112 : 출구유로
121 : 흡기 매니폴드
122 : 배기 매니폴드
130 : 플레이트 홈
141, 142, 143 : 유로채널
151, 152 : 유체혼합부
161 : 입구영역
162 : 출구영역
163 : 중간영역
173 : 횡유로

Claims (11)

  1. 유체가 유동하는 복수의 유로채널이 음각되어 형성된 플레이트 홈;
    상기 플레이트 홈에 연통되어 상기 유체가 상기 플레이트 홈으로 유입되도록 하는 흡기 매니폴드;
    상기 플레이트 홈에 연통되어 상기 플레이트 홈으로 유입된 유체가 외부로 유출되도록 하는 배기 매니폴드; 및
    상기 복수의 유로채널을 통해 복수의 채널로 분리된 유체가 다시 혼합되도록 상기 유로채널의 유로방향과 수직한 방향으로 음각되어 형성된 유체혼합부;를 포함하고,
    상기 플레이트 홈은,
    입구영역, 중간영역 및 출구영역으로 형성되며, 상기 입구영역 및 상기 출구영역에는 상기 유로채널 및 상기 유체혼합부가 음각되고, 상기 중간영역에는 상기 유로채널이 음각되는 것을 특징으로 하고,
    상기 유체혼합부는,
    상기 흡기 매니폴드 또는 상기 배기 매니폴드 부근에 밀집하여 형성되는 것을 특징으로 하는,
    상기 플레이트 홈은
    연료전지의 바이폴라 플레이트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유체혼합부의 유로 폭은 상기 유로채널의 최저 유로 길이보다 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지의 바이폴라 플레이트.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유체혼합부가 상기 흡기 매니폴드 및 상기 배기 매니폴드 부근에 형성되는 경우 상기 유체혼합부 각각의 유로 폭은 동일한 것을 특징으로 하는,
    연료전지의 바이폴라 플레이트.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유체혼합부가 상기 흡기 매니폴드 및 상기 배기 매니폴드 부근에 형성되는 경우 상기 유체혼합부의 유로 폭은 상기 흡기 매니폴드 및 상기 배기 매니폴드에 근접하여 위치할수록 좁아지는 것을 특징으로 하는,
    연료전지의 바이폴라 플레이트.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유로채널의 유로 폭 및 상기 유로채널간의 간격은 전 영역에 걸쳐 일정한 것을 특징으로 하는,
    연료전지의 바이폴라 플레이트.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 플레이트 홈의 깊이는 전 영역에 걸쳐 일정한 것을 특징으로 하는,
    연료전지의 바이폴라 플레이트.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 유로채널 및 유로혼합부의 단면은 정사각형 형태, 직사각형 형태, 마름모 형태, 사다리꼴 형태 및 물결(Wave) 형태 중 어느 하나에 해당하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지의 바이폴라 플레이트.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 흡기 매니폴드와 연통되어 외부에서 상기 유체가 상기 흡기 매니폴드로 유입되도록 하는 입구유로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지의 바이폴라 플레이트.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 흡기 매니폴드는,
    상기 입구유로를 통해 유입되는 유체의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지의 바이폴라 플레이트.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 배기 매니폴드와 연통되어 상기 플레이트 홈으로 유입된 상기 유체가 외부로 유출되도록 하는 출구유로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지의 바이폴라 플레이트.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 흡기 매니폴드 및 배기 매니폴드의 형태는 원형, 직사각형, 정사각형 및 타원 중 어느 하나에 해당하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지의 바이폴라 플레이트.
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