KR20210076414A

KR20210076414A - 연료전지용 분리판

Info

Publication number: KR20210076414A
Application number: KR1020190167580A
Authority: KR
Inventors: 정희석
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-06-24
Also published as: CN112993306A; DE102020207581A1; CN112993306B; US20210184230A1; US12322838B2

Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 반응가스가 유입되기 위한 입구 매니폴드와, 상기 반응가스가 배출되기 위한 출구 매니폴드와, 상기 입구 매니폴드와 상기 출구 매니폴드의 사이에서 상기 반응가스가 유동하게 마련되는 유동영역을 갖는 본체부, 및 상기 본체부의 입구 매니폴드에 인접하게 상기 본체부의 유동영역 중에 구비되되, 상기 입구 매니폴드에서 유입되어 상기 출구 매니폴드를 향해 유동하는 상기 반응가스에 대한 유동저항을 증가시키도록 마련되는 저항부를 포함한다.

Description

연료전지용 분리판 {SEPARATOR FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것이다.

고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에선 반응가스로서 공기와 연료(수소)가 연료전지 스택의 공기극(anode)과 연료극(cathode)으로 공급된다. 공기 또는 연료는 가습기에서 가습된 후 공기극 또는 연료극으로 공급된다. 연료전지 반응에선 물이 생성된다. 이를 고려해서 가습기에 의한 가습의 정도가 결정된다. 공기와 연료가 서로 반대방향으로 유동하는 경우 연료전지 반응은 반응가스의 상류보다 하류에서 더 크게 일어난다. 따라서 반응가스의 상류에선 전해질 막의 수분 함습도가 낮아 전해질 막이 열화되기 쉽다. 공기와 연료 중 주로 공기가 가습되므로 위와 같은 문제는 공기 유동의 상류에서 주로 나타난다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 분리판의 구조 자체를 변경하는 것을 고려할 수 있다. 그러나 이는 개발의 난이도나 제작의 난이도를 높일 수 있다는 문제가 있다.

본 발명의 과제는, 기존 분리판의 구조를 그대로 이용하면서도 반응가스의 상류에서 주로 발생하는 전해질 막의 열화 문제를 해결할 수 있는 연료전지용 분리판을 제공하는 것이다.

일 예에서 연료전지용 분리판은, 반응가스가 유입되기 위한 입구 매니폴드와, 상기 반응가스가 배출되기 위한 출구 매니폴드와, 상기 입구 매니폴드와 상기 출구 매니폴드의 사이에서 상기 반응가스가 유동하게 마련되는 유동영역을 갖는 본체부, 및 상기 본체부의 입구 매니폴드에 인접하게 상기 본체부의 유동영역 중에 구비되되, 상기 입구 매니폴드에서 유입되어 상기 출구 매니폴드를 향해 유동하는 상기 반응가스에 대한 유동저항을 증가시키도록 마련되는 저항부를 포함한다.

다른 예에서 상기 유동영역은 상기 반응가스를 막-전극 접합체의 전극으로 안내하게 마련되는 반응가스 안내채널이 배치되는 반응영역, 및 상기 반응영역과 상기 입구 매니폴드의 사이에 위치하여, 상기 입구 매니폴드에서 유입되는 상기 반응가스를 상기 반응영역을 향해 확산시키도록 마련되는 확산채널이 배치되는 확산영역을 포함할 수 있고, 상기 저항부는 상기 확산영역의 확산채널에 배치될 수 있다.

또 다른 예에서 상기 저항부는 상기 확산채널을 통과하는 상기 반응가스의 유동속도를 낮추도록 마련되는 확산영역 다공체를 포함할 수 있다.

또 다른 예에서 상기 확산영역 다공체는 상기 반응영역에 배치되어 상기 반응가스 안내채널을 형성하는 반응영역 다공체보다 친수성이 높게 형성될 수 있다.

또 다른 예에서 상기 확산영역 다공체는 상기 반응영역에 배치되어 상기 반응가스 안내채널을 형성하는 반응영역 다공체와 일체로 형성될 수 있다.

또 다른 예에서 상기 입구 매니폴드는, 공기의 유입을 위한 제1 입구 매니폴드와 수소의 유입을 위한 제2 입구 매니폴드를 포함할 수 있고, 상기 출구 매니폴드는, 상기 공기의 배출을 위한 제1 출구 매니폴드와, 상기 수소의 배출을 위한 제2 출구 매니폴드를 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 입구 매니폴드와 상기 제1 및 제2 출구 매니폴드는, 상기 공기와 상기 수소가 서로 반대방향으로 유동하게, 또한 상기 제1 입구 매니폴드에서 상기 제1 출구 매니폴드를 향해 그은 선이 상기 제2 입구 매니폴드에서 상기 제2 출구 매니폴드를 향해 그은 선과 X자를 형성하게 배치될 수 있고, 상기 유동영역은 상기 공기를 막-전극 접합체의 공기극으로 안내하게 마련되는 제1 반응가스 안내채널이 배치되는 제1 반응영역, 및 상기 제1 반응영역과 상기 제1 입구 매니폴드의 사이에 위치하여, 상기 제1 입구 매니폴드에서 유입되는 상기 공기를 상기 제1 반응영역을 향해 확산시키도록 마련되는 제1 확산채널이 배치되는 제1 확산영역을 포함할 수 있고, 상기 저항부는, 상기 제1 확산영역의 제1 확산채널에 배치될 수 있다.

또 다른 예에서 상기 저항부는 상기 제1 확산채널 중 상기 제1 입구 매니폴드에 인접한 영역에 배치되는 상측 부분과, 상기 제1 확산채널 중 상기 제2 출구 매니폴드에 인접한 영역에 배치되는 하측 부분을 포함할 수 있고, 상기 저항부의 상측 부분은 상기 저항부의 하측 부분보다 친수성이 높게 형성될 수 있다.

또 다른 예에서 상기 입구 매니폴드는 상기 반응가스로서 공기가 유입되게 마련될 수 있고, 상기 출구 매니폴드는 상기 공기가 배출되게 마련될 수 있다.

또 다른 예에서 연료전지용 분리판은, 반응가스가 유입되기 위한 입구 매니폴드와, 상기 반응가스가 배출되기 위한 출구 매니폴드와, 상기 입구 매니폴드와 상기 출구 매니폴드의 사이에서 상기 반응가스가 유동하게 마련되는 유동영역을 갖는 본체부, 및 상기 본체부의 입구 매니폴드에 인접하게 상기 본체부의 유동영역 중에 구비되되, 상기 입구 매니폴드에서 유입되어 상기 출구 매니폴드를 향해 유동하는 상기 반응가스 중의 수분을 정체시키도록 마련되는 저항부를 포함할 수 있다.

또 다른 예에서 상기 유동영역은 상기 반응가스를 막-전극 접합체의 전극으로 안내하게 마련되는 반응가스 안내채널을 형성하기 위한 반응영역 다공체가 배치되는 반응영역을 포함할 수 있고, 상기 반응영역 다공체는 상기 입구 매니폴드에 인접하게 배치되어 상기 반응가스가 유입되는 상류 부분과, 상기 상류 부분보다 하류 측에 배치는 하류 부분을 포함할 수 있고, 상기 반응영역 다공체의 상류 부분은 상기 반응영역 다공체의 하류 부분보다 친수성이 높게 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 기존 분리판 중의 일부 영역에 저항부를 배치시켜 저항부의 배치 영역에서 유동저항을 증가시킴으로써, 반응가스 중의 수분을 저항부의 배치 영역에 더 잔류시킬 수 있고, 또한 잔류되어 있는 수분을 저항부의 배치 영역에 더 오래 남겨둘 수 있으므로, 저항부의 배치 영역과 그 하류 영역에서 전해질 막의 수분 함습도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 분리판을 도시하고 있는 평면도이다.
도 2는 도 1의 분리판을 포함하는 연료전지 스택 중의 일부를 도시하고 있는 단면도이다.
도 3은 도 1의 분리판 중 반응영역에 배치될 수 있는 다공성 구조체를 도시하고 있는 사시도이다.
도 4는 도 1의 분리판을 포함하는 연료전지 스택 중 확산영역의 일부를 도시하고 있는 단면도이다.
도 5는 도 1의 분리판 중 일부를 확대해서 도시하고 있는 평면도이다.
도 6은 도 1의 분리판 중 반응영역에 배치될 수 있되 그 일부가 저항체로서 기능하는 다공성 구조체를 도시하고 있는 평면도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해서 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해선 비록 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있다. 또한 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되면 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 이하에서 설명할 분리판(100, 도 1 참조)에 적용될 수 있다. 도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 분리판을 도시하고 있는 평면도이다.

도 1에 도시되어 있는 분리판(100)은 본체부(110)를 구비할 수 있다. 본체부(110)는 복수 개의 평판들이 적층되어 형성될 수 있다.

본체부(110)는 입구 매니폴드(120)와 출구 매니폴드(130)를 가질 수 있다. 입구 매니폴드(120)는 공기의 유입을 위한 제1 입구 매니폴드(121)와 수소(연료)의 유입을 위한 제2 입구 매니폴드(122)를 포함할 수 있다. 출구 매니폴드(130)는 공기의 배출을 위한 제1 출구 매니폴드(131)와 수소의 배출을 위한 제2 출구 매니폴드(132)를 포함할 수 있다.

제1 및 제2 입구 매니폴드(121, 122)와 제1 및 제2 출구 매니폴드(131, 132)는 공기와 수소가 서로 반대방향으로 유동하게 배치될 수 있다. 예를 들어 도 1에 도시되어 있듯이 제1 입구 매니폴드(121)는 본체부(110)의 좌측 말단부에 형성될 수 있고, 제1 출구 매니폴드(131)는 본체부(110)의 우측 말단부에 형성될 수 있다. 제2 입구 매니폴드(122)는 본체부(110)의 우측 말단부에 형성될 수 있고, 제2 출구 매니폴드(132)는 본체부(110)의 좌측 말단부에 형성될 수 있다.

제1 및 제2 입구 매니폴드(121, 122)와 제1 및 제2 출구 매니폴드(131, 132)는 제1 입구 매니폴드(121)에서 제1 출구 매니폴드(131)를 향해 그은 선이 제2 입구 매니폴드(122)에서 제2 출구 매니폴드(132)를 향해 그은 선과 X자를 형성하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시되어 있듯이 제1 입구 매니폴드(121)는 본체부(110)의 좌측 상단부에 형성될 수 있고, 제1 출구 매니폴드(131)는 본체부(110)의 우측 하단부에 형성될 수 있다. 제2 입구 매니폴드(122)는 본체부(110)의 우측 상단부에 형성될 수 있고, 제2 출구 매니폴드(132)는 본체부(110)의 좌측 하단부에 형성될 수 있다

입구 매니폴드(120)는 도 1에 도시되어 있듯이 냉각수의 유입을 위한 제3 입구 매니폴드(123)를 더 포함할 수 있다. 그리고 출구 매니폴드(130)는 냉각수의 배출을 위한 제3 출구 매니폴드(133)를 더 포함할 수 있다.

매니폴드 등은 개스킷(G)에 의해 서로 분리될 수 있다.

본체부(110)는 유동영역(140)을 더 가질 수 있다. 유동영역(140)은 입구 매니폴드(120)와 출구 매니폴드(130)의 사이에서 반응가스가 유동하게 마련되는 영역이다. 연료전지 스택 중의 분리판(100)은 반응가스가 유동하는 유로를 형성할 수 있다. 유동영역(140)은 본체부(110)의 유로형성 면 중의 적어도 일부일 수 있다.

분리판(100)의 본체부(110)는 도 2에 도시되어 있듯이 공기극 분리판(114)과 연료극 분리판(115)의 적층으로 형성될 수 있다. 도 2는 도 1의 분리판을 포함하는 연료전지 스택 중의 일부를 도시하고 있는 단면도이다. 공기극 분리판(114)과 이에 대향되는 막-전극 접합체(MEA, 111)의 사이에는 공기가 유동하기 위한 공기 안내채널(150a)이 마련될 수 있다. 연료극 분리판(115)과 이에 대향되는 막-전극 접합체(111)의 사이에는 연료가 유동하기 위한 연료 안내채널(150b)이 형성될 수 있다. 이와 같이 본체부(110)의 일면과 타면에는 반응가스가 유동하기 위한 채널들(150a, 150b)이 마련될 수 있다. 본체부(110) 중 채널이 마련되는 부분이 도 1의 유동영역(140)일 수 있다. 도 2 중 W는 냉각수 안내채널이다.

막-전극 접합체(111)는 전해질 막의 양면에 각각 공기극(cathode)과 연료극(anode)을 형성하여 마련될 수 있다. 막-전극 접합체(111)의 양면에는 각각 가스 확산층(GDL)이 배치될 수 있다. 도 2 중 도면부호 112는 공기극 가스 확산층을 나타내고, 도면부호 113은 연료극 가스 확산층을 나타낸다.

유동영역(140)은 도 1에 도시되어 있듯이 반응영역(141)을 포함할 수 있다. 반응영역(141)은 반응가스를 막-전극 접합체(111)의 전극으로 안내하게 마련되는 반응가스 안내채널(150, 도 2 참조)이 배치되는 영역이다. 반응가스 안내채널(150)은 공기를 막-전극 접합체(111)의 공기극으로 안내하게 마련되는 제1 반응가스 안내채널(150a)과, 연료를 막-전극 접합체(111)의 연료극으로 안내하게 마련되는 제2 반응가스 안내채널(150b)을 포함할 수 있다. 제1 반응가스 안내채널(150a)은 전술한 공기 안내채널에 대응되고 제2 반응가스 안내채널(150b)은 전술한 연료 안내채널에 대응된다. 반응영역(141)은 제1 반응가스 안내채널(150a)이 배치되는 제1 반응영역(141a)과 제2 반응가스 안내채널(150b)이 배치되는 제2 반응영역(미도시)을 포함할 수 있다. 제2 반응영역은 도 1의 본체부(110)의 뒷면에 마련될 수 있다.

반응영역(141)에는 도 2와 도 3에 도시되어 있는 반응영역 다공체(190)가 배치될 수 있다. 도 2에는 공기극 분리판(114)과 이에 대향되는 막-전극 접합체(111)의 사이에 배치되는 다공성 구조체가 반응영역 다공체(190)로서 도시되어 있다. 반응영역 다공체(190)는 공기극 분리판(114)과 함께 공기 안내채널을 형성할 수 있다. 반응영역 다공체(190)로 인해 공기 안내채널에서 공기가 더 원활하게 공기극으로 안내될 수 있다. 참고로 반응영역(141)에는 반응영역 다공체(190) 대신 분리판들에 의해 형성되는 일반적인 반응가스 유로가 마련될 수도 있다.

유동영역(140)은 도 1에 도시되어 있듯이 확산영역(142)을 더 포함할 수 있다. 확산영역(142)은 반응영역(141)과 입구 매니폴드(120)의 사이에 위치한다. 확산영역(142)에는 입구 매니폴드(120)에서 유입되는 반응가스를 반응영역(141)을 향해 확산시키도록 마련되는 확산채널(160)이 배치된다. 입구 매니폴드(121) 중의 반응가스는 홀(H)을 통해 확산채널(160)로 이동된 후, 확산채널(160)을 통해 반응영역(141)으로 확산될 수 있다. 확산채널(160, 도 5 참조)은 랜드들(161)의 사이에 형성될 수 있다.

확산영역(142)은 제1 반응영역(141a)과 제1 입구 매니폴드(121)의 사이에 위치하는 제1 확산영역(142a)을 포함할 수 있다. 제1 확산영역(142a)은 제1 입구 매니폴드(121)에서 유입되는 공기를 제1 반응영역(141a)을 향해 확산시키도록 마련되는 제1 확산채널(160a, 도 4 참조)이 배치되는 영역이다.

유동영역(140)은 도 1에 도시되어 있듯이 회수영역(143)을 더 포함할 수 있다. 회수영역(143)은 반응영역(141)과 출구 매니폴드(130)의 사이에 위치한다. 회수영역(143)에는 반응영역(141)의 반응가스를 출구 매니폴드(130)로 안내시키도록 마련되는 회수채널(미도시)이 배치되는 영역이다. 회수채널의 구조는 확산채널(160)의 구조와 실질적으로 동일할 수 있다.

실시예 1

본 발명의 실시예 1에 따른 분리판은 본체부(110)와 저항부(180)를 포함할 수 있다. 본 실시예의 본체부(110)는 앞서 설명한 본체부(110)일 수 있다.

본 실시예의 저항부(180, 도 4 참조)는 입구 매니폴드(120)에서 유입되어 출구 매니폴드(130)를 향해 유동하는 반응가스에 대한 유동저항(Flow Resistance)을 증가시키도록 마련된다. 유동저항은 유체의 유동에 대항하는 힘을 말한다. 유동저항은 주로 유체가 유동하는 관의 직경, 관의 길이, 유체의 점성 등에 의해 결정된다. 본 실시예의 저항부(180)는 관의 직경을 감소시키는 방식으로 유동저항을 증가시킬 수 있다.

예를 들어, 본 실시예의 저항부(180)는 반응가스가 유동하는 채널의 일부를 가로막는 방식으로 유동저항을 증가시킬 수 있다. 보다 구체적으로 본 실시예의 저항부(180)는 다공체를 포함할 수 있다. 반응가스가 유동하기 위한 채널에 다공체를 채워 넣으면 반응가스에 대한 유동저항이 증가할 것이다. 본 실시예의 다공체는 다공성의 재료들 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 다공체는 메탈 폼(metal foam)일 수 있다. 또는 다공체는 흑연 섬유가 뭉쳐져서 형성되는 가스 확산층(GDL)과 유사 형상으로 형성될 수 있다.

유동저항이 증가하면 반응가스의 속도는 느려질 것이다. 반응가스의 속도가 느려지면 반응가스 중의 수분이 잔류하는 정도가 높아질 것이다. 본 실시예의 분리판은 저항부(180)에 의한 유동저항의 증가를 통해 반응가스 중의 수분을 저항부(180)의 배치 영역에 더 잔류시킬 수 있고, 잔류되어 있는 수분을 저항부(180)의 배치 영역에 더 오래 남겨둘 수 있다.

본 실시예의 분리판은 전해질 막의 열화가 우려되는 곳에 저항부(180)를 배치시킴으로써 전해질 막의 열화 문제를 개선시킬 수 있다. 또한 저항부(180)의 배치 영역에 인접하게 배치되는 저항부(180)의 하류 영역에 있어서도 저항부(180)의 배치 영역의 수분 증가로 인해 전해질 막의 열화 문제를 개선시킬 수 있다.

본 실시예의 저항부(180)는 본체부(110)의 유동영역(140, 도 2 참조) 중에 배치되되, 본체부(110)의 입구 매니폴드(120)에 인접하게 배치될 수 있다. 유동영역(140) 중 입구 매니폴드(120)에 인접하게 위치하는 영역은 해당 영역에 대응되게 위치하는 전해질 막의 수분 함습도가 낮아지기 쉬운 영역이다. 이에 따라 본 실시예의 저항부(180)는 입구 매니폴드(120)에 인접하게 위치하는 영역에서 전해질 막의 수분 함습도를 높이기 위해 입구 매니폴드(120)에 인접하게 배치될 수 있다.

본 실시예의 저항부(180)는 도 4에 도시되어 있듯이 확산영역(142, 도 5 참조)의 확산채널(160)에 배치될 수 있다. 도 4는 도 1의 분리판을 포함하는 연료전지 스택 중 확산영역의 일부를 도시하고 있는 단면도이다. 확산영역(142, 도 5 참조)의 랜드(161)와 랜드(161)의 사이에는 입구 매니폴드(120)에서 유입되는 반응가스를 반응영역(141)을 향해 확산시키도록 마련되는 확산채널(160)이 배치된다. 확산채널(160, 도 4 참조)에는 본 실시예의 저항부(180)가 배치될 수 있다.

공기 유입을 위한 제1 입구 매니폴드(121)에 인접하게 위치하는 영역에서 주로 전해질 막의 수분 함습도가 저하될 수 있다. 이에 따라 본 실시예의 저항부(180)는 제1 확산영역(142a, 도 5 참조)에 배치되는 제1 확산채널(160a)에 마련될 수 있다.

제1 확산채널(160a)은 도 5에 도시되어 있듯이 제1 입구 매니폴드(121)에 인접한 상측 영역(A1)과 제2 출구 매니폴드(132)에 인접한 하측 영역(A2)을 포함할 수 있다. 본 실시예의 저항부(180)는 상측 영역(A1)에 배치되는 상측 부분과 하측 영역(A2)에 배치되는 하측 부분을 포함할 수 있다.

반응영역(141)에선 연료전지 반응에 의해 물이 생성된다. 하측 영역(A2)은 반응가스가 배출되는 제2 출구 매니폴드(132)에 인접하게 배치되는 영역이다. 따라서 하측 영역(A2)에선 상측 영역(A1)에서보다 수분 교환이 활발하게 일어날 수 있다. 이로 인해 하측 영역(A2)보단 상측 영역(A1)에서 수분 정체의 필요성이 크다. 이를 반영하여 저항부(180)의 상측 부분은 저항부(180)의 하측 부분보다 친수성이 높게 형성될 수 있다. 친수성이 높으면 수분이 잔류하는 정도가 더 높을 수 있다. 또한 하측 영역(A2)에선 수분의 정체보다 수분의 배출이 더 중요할 수도 있다. 제1 입구 매니폴드(121)로부터 유입된 물은 하측 영역(A2)에 모여 있기 쉽기 때문이다. 이는 다음 2가지로 설명될 수 있다. 첫째로 물은 반응가스보다 무겁다. 둘째로 반응가스는 매니폴드에서 확산채널로 유입되면서 유속이 낮아진다. 이에 따라 반응가스를 따라 매니폴드에서 확산채널로 유입되는 물은 하측 영역(A2)에 모여 있기 쉽다.

한편, 확산영역 다공체(181)는 반응영역 다공체(190)보다 친수성이 높게 형성될 수 있다. 이를 통해 확산영역(142)에서 수분이 잔류하는 정도를 더 높일 수 있다. 참고로 대상체의 표면을 특정하게 처리하여 대상체의 친수성 또는 소수성을 높이는 방법들이 알려져 있다. 예를 들어, 플라즈마 처리, 화학적 처리, 코팅 처리 등의 방법이 알려져 있다. 이와 같은 처리를 통해 확산영역 다공체(181)의 친수성을 높일 수 있다.

본 실시예의 저항부(180)는 본체부(110)의 구조변경 없이 본체부(110) 중 제1 확산영역(142a)의 제1 확산채널(160a)에 채워질 수 있다. 따라서 본 실시예의 저항부(180)는 종래의 본체부에 그대로 적용되어, 수분 함습도가 저하되는 문제를 해소할 수 있다.

제1 확산채널(160a)은 랜드들(161, 도 4 참조)의 사이에 마련된다. 랜드들(161)은 이미 전도체의 역할을 수행하고 있다. 따라서 제1 확산채널(160a)에 채워지는 저항부(180)는 전도성의 고려 없이 유동저항의 증가만 고려해서 선택될 수 있다.

실시예 2

본 발명의 실시예 2에 따른 분리판은 본체부(110)와 저항부(280)를 포함한다. 실시예 2의 분리판은 실시예 1의 분리판과 저항부에 있어 차이가 있다. 이하에선 저항부(280)를 중심으로 설명한다.

본 실시예의 저항부(280)는 입구 매니폴드(120)에서 유입되어 출구 매니폴드(130)를 향해 유동하는 반응가스 중의 수분을 정체시키도록 마련된다. 저항부(280)로 인해 반응가스 중의 수분이 더 정체되면 반응가스 중의 수분을 저항부(280)의 배치 영역에 더 잔류시킬 수 있다.

본 실시예에서는 반응영역 다공체(290, 도 6 참조)의 일부가 저항부(290)로서 역할할 수 있다. 도 6의 반응영역 다공체(290)는 앞서 설명한 실시예 1의 반응영역 다공체(190)와 동일하게, 반응영역(141, 도 1 참조)에 배치되어, 반응가스를 막-전극 접합체(111)의 전극으로 안내하게 마련되는 반응가스 안내채널을 형성할 수 있다. 본 실시예의 반응영역 다공체(290)는 기본 구조에 있어 실시예 1의 반응영역 다공체(190)와 실질적으로 동일할 수 있다.

반응영역 다공체(290)는 입구 매니폴드(120)에 인접하게 배치되어 반응가스가 유입되는 상류 부분(290a)과, 상류 부분(290a)보다 하류 측에 배치되는 하류 부분(290b)을 포함할 수 있다. 상류 부분(290a)은 하류 부분(290b)보다 친수성이 높게 형성될 수 있다. 친수성이 높아지면 반응가스 중의 수분이 쉽게 정체될 수 있다.

본 실시예의 분리판은 반응영역 다공체(290) 중 상류 부분(290a)의 친수성을 높여, 상류 부분(290a)에 대응되게 배치되는 전해질 막의 함습도를 높일 수 있다. 이와 같이 반응영역 다공체(290) 중 상류 부분(290a)은 반응가스 중의 수분을 정체시키도록 마련되는 저항부(280)일 수 있다.

종래에도 반응영역(141)에 다공체를 이용하는 예가 존재한다. 그러나 종래에는 반응영역(141)의 전체에서 동일 특성이 나타나게 다공체가 구성됐다. 이와 대비하여 본 실시예의 반응영역 다공체(290)는 상류 부분(290a)과 하류 부분(290b)의 특성이 서로 다르도록 구성된다. 이를 통해 전해질 막의 열화 문제가 발생하기 쉬운 상류 부분(290a)에서 막의 함습도를 높일 수 있다.

반응영역 다공체(290) 중의 상류 부분(290a)은 전해질 막의 열화가 일어나기 쉬운 영역을 고려해서 적절하게 선택될 수 있다.

상류 부분(290a)의 친수성을 높이기 위해 상류 부분(290a)의 접촉각을 하류 부분(290b)보다 작게 형성시킬 수 있다. 친수성 또는 소수성의 정도를 나타내기 위해 접촉각을 이용할 수 있다. 접촉각이 작을수록 친수성의 정도가 증가한다. 이는 통상적인 사항이기 때문에 자세한 설명은 생략한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 분리판
110: 본체부
120: 입구 매니폴드
121: 제1 입구 매니폴드 (공기 입구 매니폴드)
122: 제2 입구 매니폴드 (연료 입구 매니폴드)
123: 제3 입구 매니폴드 (냉각수 입구 매니폴드)
130: 출구 매니폴드
131: 제1 출구 매니폴드 (공기 출구 매니폴드)
132: 제2 출구 매니폴드 (연료 출구 매니폴드)
133: 제3 출구 매니폴드 (냉각수 출구 매니폴드)
140: 유동영역
141: 반응영역
141a: 제1 반응영역
142: 확산영역
142a: 제1 확산영역
143: 회수영역
150: 반응가스 안내채널
150a: 제1 반응가스 안내채널 (공기 안내채널)
150b: 제2 반응가스 안내채널 (연료 안내채널)
160: 확산채널
160a: 제1 확산채널
161: 랜드
180, 280: 저항부
181: 확산영역 다공체
190, 290: 반응영역 다공체
G: 개스킷
H: 공기 유입홀
W: 냉각수 안내채널

Claims

반응가스가 유입되기 위한 입구 매니폴드와, 상기 반응가스가 배출되기 위한 출구 매니폴드와, 상기 입구 매니폴드와 상기 출구 매니폴드의 사이에서 상기 반응가스가 유동하게 마련되는 유동영역을 갖는 본체부; 및
상기 본체부의 입구 매니폴드에 인접하게 상기 본체부의 유동영역 중에 구비되되, 상기 입구 매니폴드에서 유입되어 상기 출구 매니폴드를 향해 유동하는 상기 반응가스에 대한 유동저항을 증가시키도록 마련되는 저항부를 포함하는, 연료전지용 분리판.
청구항 1에 있어서,
상기 유동영역은,
상기 반응가스를 막-전극 접합체의 전극으로 안내하게 마련되는 반응가스 안내채널이 배치되는 반응영역; 및
상기 반응영역과 상기 입구 매니폴드의 사이에 위치하여, 상기 입구 매니폴드에서 유입되는 상기 반응가스를 상기 반응영역을 향해 확산시키도록 마련되는 확산채널이 배치되는 확산영역을 포함하고,
상기 저항부는,
상기 확산영역의 확산채널에 배치되는, 연료전지용 분리판.
청구항 2에 있어서,
상기 저항부는,
상기 확산채널을 통과하는 상기 반응가스의 유동속도를 낮추도록 마련되는 확산영역 다공체를 포함하는, 연료전지용 분리판.
청구항 3에 있어서,
상기 확산영역 다공체는,
상기 반응영역에 배치되어 상기 반응가스 안내채널을 형성하는 반응영역 다공체보다 친수성이 높게 형성되는, 연료전지용 분리판.
청구항 3에 있어서,
상기 확산영역 다공체는,
상기 반응영역에 배치되어 상기 반응가스 안내채널을 형성하는 반응영역 다공체와 일체로 형성되는, 연료전지용 분리판.
청구항 1에 있어서,
상기 입구 매니폴드는, 공기의 유입을 위한 제1 입구 매니폴드와 수소의 유입을 위한 제2 입구 매니폴드를 포함하고,
상기 출구 매니폴드는, 상기 공기의 배출을 위한 제1 출구 매니폴드와, 상기 수소의 배출을 위한 제2 출구 매니폴드를 포함하고,
상기 제1 및 제2 입구 매니폴드와 상기 제1 및 제2 출구 매니폴드는, 상기 공기와 상기 수소가 서로 반대방향으로 유동하게, 또한 상기 제1 입구 매니폴드에서 상기 제1 출구 매니폴드를 향해 그은 선이 상기 제2 입구 매니폴드에서 상기 제2 출구 매니폴드를 향해 그은 선과 X자를 형성하게 배치되고,
상기 유동영역은,
상기 공기를 막-전극 접합체의 공기극으로 안내하게 마련되는 제1 반응가스 안내채널이 배치되는 제1 반응영역; 및
상기 제1 반응영역과 상기 제1 입구 매니폴드의 사이에 위치하여, 상기 제1 입구 매니폴드에서 유입되는 상기 공기를 상기 제1 반응영역을 향해 확산시키도록 마련되는 제1 확산채널이 배치되는 제1 확산영역을 포함하고,
상기 저항부는, 상기 제1 확산영역의 제1 확산채널에 배치되는, 연료전지용 분리판.
청구항 6에 있어서,
상기 저항부는,
상기 제1 확산채널 중 상기 제1 입구 매니폴드에 인접한 영역에 배치되는 상측 부분과, 상기 제1 확산채널 중 상기 제2 출구 매니폴드에 인접한 영역에 배치되는 하측 부분을 포함하고,
상기 저항부의 상측 부분은,
상기 저항부의 하측 부분보다 친수성이 높게 형성되는, 연료전지용 분리판.
청구항 1에 있어서,
상기 입구 매니폴드는, 상기 반응가스로서 공기가 유입되게 마련되고,
상기 출구 매니폴드는, 상기 공기가 배출되게 마련되는, 연료전지용 분리판.
반응가스가 유입되기 위한 입구 매니폴드와, 상기 반응가스가 배출되기 위한 출구 매니폴드와, 상기 입구 매니폴드와 상기 출구 매니폴드의 사이에서 상기 반응가스가 유동하게 마련되는 유동영역을 갖는 본체부; 및
상기 본체부의 입구 매니폴드에 인접하게 상기 본체부의 유동영역 중에 구비되되, 상기 입구 매니폴드에서 유입되어 상기 출구 매니폴드를 향해 유동하는 상기 반응가스 중의 수분을 정체시키도록 마련되는 저항부를 포함하는, 연료전지용 분리판.
청구항 9에 있어서,
상기 유동영역은,
상기 반응가스를 막-전극 접합체의 전극으로 안내하게 마련되는 반응가스 안내채널을 형성하기 위한 반응영역 다공체가 배치되는 반응영역을 포함하고,
상기 반응영역 다공체는,
상기 입구 매니폴드에 인접하게 배치되어 상기 반응가스가 유입되는 상류 부분과, 상기 상류 부분보다 하류 측에 배치는 하류 부분을 포함하고,
상기 반응영역 다공체의 상류 부분은,
상기 반응영역 다공체의 하류 부분보다 친수성이 높게 형성되는, 연료전지용 분리판.