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KR20150142845A - 연료전지 셀 - Google Patents

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KR20150142845A
KR20150142845A KR1020140071238A KR20140071238A KR20150142845A KR 20150142845 A KR20150142845 A KR 20150142845A KR 1020140071238 A KR1020140071238 A KR 1020140071238A KR 20140071238 A KR20140071238 A KR 20140071238A KR 20150142845 A KR20150142845 A KR 20150142845A
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catalyst layer
channel
vent holes
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KR1020140071238A
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진상문
양유창
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현대자동차주식회사
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Abstract

양면으로 수소 또는 공기가 유입되는 촉매층; 상기 촉매층의 일측에 마련되고, 상기 수소 또는 공기 중 어느 하나가 유동되도록 복수개의 제1채널들을 포함하는 일측 분리판; 및 상기 촉매층의 타측에 마련되고, 상기 제1채널들의 수직방향으로 배치된 복수개의 제2채널들을 포함하는 타측 분리판;을 포함하며, 상기 제2채널들 각각은 상기 수소 또는 공기 중 다른 하나가 상기 제2채널의 수직방향으로 유동할 수 있도록 복수개의 통기홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀이 소개된다.

Description

연료전지 셀{Fuel Cell}
본 발명은 연료전지 셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 분리판의 유로구조의 변경을 통해 반응기체의 확산성 향상과 반응면의 면압 균일화를 구현하는 연료전지 셀에 관한 것이다.
일반적으로 금속분리판을 적용한 연료전지 셀의 구조는 반응 기체 및 냉각수의 유로가 형성되어 있는 금속 분리판과 반응기체의 확산을 돕는 한 쌍의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)(12)사이에 화학반응이 일어나는 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)(11)가 위치하고 있다.
일반적으로 금속 분리판에는 도 1에 도시된 바와 같이 반응 기체의 흐름과 동일한 방향으로 반응 기체가 흐르는 채널부(41)와 상기 GDL(12)과 접촉하는 랜드부(42)가 반복적으로 형성되어 있으며, 양극(애노드) 분리판(30)과 음극(캐소드) 분리판(20)의 유로는 서로 대칭되어 두 분리판 사이를 냉각유로(50)로 활용하게 된다.
또한 연료전지 성능 극대화를 위해서는 분리판(20,30)의 채널 간격을 조밀하게 하여 GDL(12) 및 MEA(11)로의 면압을 균일하게 하고 GDL(12)이 반응 전면에 걸쳐 일정한 투과성을 지닐 수 있게 해야 하지만, 성형단계에서 발생하는 불량(Crack, Spring back)을 방지하기 위해서는 분리판(20,30) 채널 간격을 줄이는데 한계가 있으며 이러한 현실적인 문제로 인해 다음과 같은 성능 저하 요인이 발생한다.
1. 반응기체 확산성 및 생성수 배출성 저하: 채널 피치가 크게 되면 분리판과 GDL(12)이 접촉하는 랜드부(42)로 응력이 집중되어 면압 불균일 이 발생한다. 이로 인해 GDL(12)의 다공성 구조가 파괴되어 투과성이 나빠지게 되며, 반응기체 확산성 및 생성수의 배출성을 저하시키게 된다. 또한 채널부(41)의 경우에는 응력이 낮아 GDL(12)이 상기 채널부(41)로 침투하여 유체 흐름성을 저하시킨다
2. 전극막 손상: GDL(12) 구조가 파괴된 랜드부(42)에서는 탄소섬유(carbon fiber)들이 전극막까지 침투하게 되어 막을 손상시킨다.
3. 전기 전도성 불균일: GDL(12)이 노출되어 있는 채널부(41)의 경우에는 반응기체의 공급이 원활하여 화학반응은 활발하나 GDL(12) 및 MEA(11)사이의 면압 부족으로 접촉저항이 증가하게 되어, 반응에 의해 생성된 전자의 이동을 어렵게 한다.
따라서 상기한 문제들을 해결할 수단이 필요로 하게 된 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 2009-037759 A (2009.02.19)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 채널 방향을 반응기체의 유동 방향과 수직이 되게 구성하고, 반응기체의 유동 통로를 형성하기 위해 각 채널을 관통하는 개구부를 채널 벽면에 규칙적으로 형성하며, 양극과 음극에 해당하는 분리판의 각 채널이 서로 교차되게 형성되는 연료전지 셀을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 셀은 양면으로 수소 또는 공기가 유입되는 촉매층; 상기 촉매층의 일측에 마련되고, 상기 수소 또는 공기 중 어느 하나가 유동되도록 복수개의 제1채널들을 포함하는 일측 분리판; 및 상기 촉매층의 타측에 마련되고, 상기 제1채널들의 수직방향으로 배치된 복수개의 제2채널들을 포함하는 타측 분리판;을 포함하며, 상기 제2채널들 각각은 상기 수소 또는 공기 중 다른 하나가 상기 제2채널의 수직방향으로 유동할 수 있도록 복수개의 통기홀들을 포함할 수 있다.
상기 일측 분리판 및 타측 분리판은 지그재그 형상으로 절곡되고, 각각의 일측면에 형성된 절곡된 단부가 상기 촉매층과 접촉하여 각각의 분리판 및 촉매층 사이에 폐루프을 형성함으로써 제1채널 및 제2채널을 형성할 수 있다.
상기 통기홀은 상기 타측 분리판 중 절곡된 일단과 타단을 잇는 경사면에 형성되며, 상기 통기홀은 상기 제2채널의 길이를 따라 기 설정된 간격을 두고 형성될 수 있다.
상기 복수개의 경사면들 중 어느 하나의 경사면에 형성된 통기홀들은 인접하는 경사면에 형성된 통기홀들과 서로 엇갈리게 되도록 배열될 수 있다.
상기 복수개의 경사면들 중 어느 하나의 경사면에 형성된 통기홀들은 각각 인접하는 경사면에 형성된 두 개의 통기홀들 사이의 중앙부에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
상기 일측 분리판 또는 타측 분리판 중 적어도 어느 하나의 타측면을 덮도록 기밀패널을 더 포함할 수 있다.
상기 일측 분리판의 일측면과 상기 촉매층 간의 접촉면적은 상기 일측 분리판의 타측면과 상기 기밀패널 간의 접촉면적보다 더 클 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 셀에 따르면, 촉매층에 작용하는 면압을 증가시키고 반응기체의 확산성을 향상시켜 연료전지 셀의 성능을 증대시킬 수 있다.
또한, 제1채널과 제2채널이 서로 수직하게 배열됨에 따라 연료전지 셀의 구조 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 연료전지 셀 구조를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀의 유체 흐름도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀의 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀과 종래의 연료전지 셀의 공기 당량비에 따른 출력전압을 비교한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 셀에 대하여 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀의 구성도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀은 양면으로 수소 또는 공기가 유입되는 촉매층(100); 상기 촉매층(100)의 일측에 마련되고, 상기 수소 또는 공기 중 어느 하나가 유동되도록 복수개의 제1채널(210)들을 포함하는 일측 분리판(200); 및 상기 촉매층(100)의 타측에 마련되고, 상기 제1채널(210)들의 수직방향으로 배치된 복수개의 제2채널(310)들을 포함하는 타측 분리판(300);을 포함하며, 상기 제2채널(310)들 각각은 상기 수소 또는 공기 중 다른 하나가 상기 제2채널(310)의 수직방향으로 유동할 수 있도록 복수개의 통기홀(320)들을 포함할 수 있다.
더 구체적으로 설명하자면, 상기 일측 분리판(200) 및 타측 분리판(300)은 단면 형상이 지그재그 형상으로 절곡되어 절곡된 일단(201,301)과 타단(203,303)을 형성하고, 상기 일측 분리판(200) 및 타측 분리판(300)의 일측면이 상기 촉매층(100)과 접촉하며, 절곡된 일단(201,301)이 상기 촉매층(100)과 접촉하여 각각의 분리판(200,300) 및 촉매층(100) 사이에 폐루프을 형성함으로써 제1채널(210) 및 제2채널(310)을 구성할 수 있다.
여기서 상기 촉매층(100)은 도 6에 도시된 바와 같이, 연료전지 셀의 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)(110) 및 상기 막전극 접합체의 양면에 접합되는 한 쌍의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)(120)으로 이루어진 접합체가 됨이 바람직하며, 상기 제1채널(210) 및 제2채널(310)은 상기 가스 확산층(120)의 외측면과 접촉하게 됨이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 제1채널(210)에는 수소가 유동하고 상기 제2채널(310)에는 산소가 유동하게 될 수 있다. 물론, 상기 제1채널(210)과 제2채널(310)을 흐르는 물질에 대해서는 설계자의 의도에 따라 변화될 수 있다.
상기 제1채널(210)과 제2채널(310)이 서로 교차되도록 배열됨에 따라 상기 촉매층(100)에 고른 면압이 가해질 수 있고, 접촉면에서의 응력이 분산되어 응력집중 발생이 저지됨에 따라, 상기 촉매층(100)의 손상 및 반응성 저하를 방지할 수 있다.
한편, 상기 통기홀(320)은 상기 타측 분리판(300) 중 절곡된 일단(301)과 타단(303)을 잇는 경사면(302)에 형성되며, 상기 통기홀(320)은 상기 제2채널(310)의 길이를 따라 기 설정된 간격을 두고 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는 상기 복수개의 경사면(302)들 중 어느 하나의 경사면(302)에 형성된 통기홀(320)들은 인접하는 경사면(302)에 형성된 통기홀(320)들과 서로 엇갈리게 되도록 배열됨이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀의 유체 흐름도로서, 도 1을 위에서 바라본 도면이다. 수소 또는 산소는 복수개의 통기홀(320)들 중 어느 하나의 통기홀(320)에 유입되기 시작하며, 유입된 수소 또는 산소는 각각의 제2채널(310) 내부 또는 제2채널(310)과 제2채널(310) 사이의 공간으로 유입되며, 유입된 수소 또는 산소는 통기홀(320)을 통해 다시 제2채널(310)과 제2채널(310) 사이의 공간 및 각각의 제2채널(310) 내부로 유입되는 것이다.
유입된 수소 또는 산소는 통기홀(320)들을 통해 상기 제2채널(310)의 길이방향에 수직한 방향, 즉 상기 제1채널(210)의 길이방향과 나란한 방향으로 이동하게 되며, 각 통기홀(320)이 서로 기 설정된 간격을 두고 배치되면서 인접하는 경사면(302)에 형성된 통기홀(320)들과 서로 엇갈리게 되도록 배열되어 있기 때문에 상기 제2채널(310)의 내부를 일정 구간 이동하게 되고, 따라서 상기 촉매층(100)과의 반응면적 및 시간을 증대시킬 수 있게 된다. 이는 수소 또는 산소의 확산성을 증대시켜 유입된 수소 또는 산소에 대한 반응 효율을 향상시키게 하는 것이다.
특히, 상기 복수개의 경사면(302)들 중 어느 하나의 경사면(302)에 형성된 통기홀(320)들은 각각 인접하는 경사면(302)에 형성된 두 개의 통기홀(320)들 사이의 중앙부에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 유입되는 수소 또는 공기가 복수개의 통기홀(320)들을 통해 이동하면서 통기홀(320)과 통기홀(320)간의 거리를 모든 통기홀(320)들에 대해 동등하게 할 수 있기 때문에 확산의 균일함을 유지하고, 상기 촉매층(100) 전체에 걸쳐서 고른 반응성을 유도할 수 있는 것이다.
확산성의 효과는 도 5를 통해 분명이 확인할 수 있다. 도 5는 상기 제2채널(310)에 공기가 유입되는 경우로서, 유입된 공기의 확산성을 종래와 비교한 그래프이며, 공급되는 공기의 양을 축소하였을 때 출력되는 전압의 편차를 비교한 것이다. 반응 기체의 확산성이 좋아진다는 것은 그만큼 연료공급이 원활히 이루어져서 적은 연료를 공급하더라도 성능 저하가 덜 하다는 것을 의미하는데, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 공기의 당량비를 축소하여도 본 발명의 연료전지 셀에서 출력되는 전압은 종래의 연료전지 셀 보다 그 감소폭이 더 작은 것을 볼 수 있다. 이는 반응기체의 확산성이 본 발명에서 더욱 좋아졌음을 의미하는 것이다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀은 상기 일측 분리판(200) 또는 타측 분리판(300) 중 적어도 어느 하나의 타측면을 덮는 기밀패널(400)을 더 포함할 수 있다.
상기 기밀패널(400)은 일측 분리판(200) 또는 타측 분리판(300)의 타측면과 접촉되되, 상기 절곡된 타단(203,303)과 접촉됨이 바람직하며, 상기 일측 분리판(200)과 상기 기밀패널(400) 사이의 공간 및 상기 타측 분리판(300)과 상기 기밀패널(400) 사이의 공간에 폐루프를 형성하여 상기 제1채널(210)과 제1채널(210) 사이의 공간에는 냉각수가 흐를 수 있게 하고, 냉각수가 상기 제2채널(310)과 제2채널(310) 사이의 공간으로는 유입되지 않도록 한다.
상기 기밀패널(400)은 상기 일측 분리판(200)의 타측면 또는 타측 분리판(300)의 타측면 중 어느 하나에만 마련되어 복수개의 연료전지 셀의 적층시, 상기 기밀패널(400)의 일측면에는 상기 일측 분리판(200)의 타측면이 접촉되고, 상기 기밀패널(400)의 타측면에는 상기 타측 분리판(300)의 타측면이 접촉되도록 구성될 수 있으며, 또는 상기 일측 분리판(200)의 타측면 및 타측 분리판(300)의 타측면 각각에 대해 마련되어 복수개의 연료전지 셀 적층시 기밀패널(400) 간에 접촉 되도록 할 수도 있다.
지금까지 서술한 상기 촉매층(100), 일측 분리판(200), 타측 분리판(300) 및 기밀패널(400)은 모두 외력에 의해 가압되어 접촉상태를 유지할 수 있고, 전체 또는 부분적으로 접합되어 일체로 형성될 수도 있다. 상기 접합방법에는 용접, 접착등이 포함되며 이 외에도 볼팅,리벳팅 등 다양한 접합방법이 사용될 수 있다.
한편, 도 4는 도 1의 A-A 단면도로서, 도시된 바와 같이 상기 일측 분리판(200)의 일측면과 상기 촉매층(100) 간의 접촉면적은 상기 일측 분리판(200)의 타측면과 상기 기밀패널(400) 간의 접촉면적보다 더 크게 됨이 바람직하다. 상기 타측 분리판(300)에는 상기 복수개의 통기홀(320)들로 인해 제2채널(310)의 내외부가 서로 통공됨으로써 냉각수가 흐를 수 없는 구조로 이루어져 있고, 이를 보충하기 위하여 냉각수가 유동할 수 있는 유로의 크기를 증대시킬 필요가 있는 것이다. 따라서, 상기 일측 분리판(200)의 일측면과 상기 촉매층(100) 간의 접촉면적을 상기 일측 분리판(200)의 타측면과 상기 기밀패널(400) 간의 접촉면적보다 더 크게 하여 상기 일측 분리판(200)과 상기 기밀패널(400) 사이의 공간을 흐르는 냉각수의 양을 증대시키고, 또한 상기 일측 분리판(200)이 상기 촉매층(100)을 지지하는 면적을 증대시켜 상기 촉매층(100)의 면압 불균형을 해소할 수 있게 함이 바람직하다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 셀에 따르면, 촉매층(100)에 작용하는 면압을 증가시키고 반응기체의 확산성을 향상시켜 연료전지 셀의 성능을 증대시킬 수 있다.
또한, 제1채널(210)과 제2채널(310)이 서로 수직하게 배열됨에 따라 연료전지 셀의 구조 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 촉매층 200 : 일측 분리판
210 : 제1채널 300 : 타측 분리판
310 : 제2채널 320 : 통기홀
400 : 기밀패널

Claims (7)

  1. 양면으로 수소 또는 공기가 유입되는 촉매층;
    상기 촉매층의 일측에 마련되고, 상기 수소 또는 공기 중 어느 하나가 유동되도록 복수개의 제1채널들을 포함하는 일측 분리판; 및
    상기 촉매층의 타측에 마련되고, 상기 제1채널들의 수직방향으로 배치된 복수개의 제2채널들을 포함하는 타측 분리판;을 포함하며,
    상기 제2채널들 각각은 상기 수소 또는 공기 중 다른 하나가 상기 제2채널의 수직방향으로 유동할 수 있도록 복수개의 통기홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 일측 분리판 및 타측 분리판은 지그재그 형상으로 절곡되고, 각각의 일측면에 형성된 절곡된 단부가 상기 촉매층과 접촉하여 각각의 분리판 및 촉매층 사이에 폐루프을 형성함으로써 제1채널 및 제2채널을 형성하는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 통기홀은 상기 타측 분리판 중 절곡된 일단과 타단을 잇는 경사면에 형성되며, 상기 통기홀은 상기 제2채널의 길이를 따라 기 설정된 간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수개의 경사면들 중 어느 하나의 경사면에 형성된 통기홀들은 인접하는 경사면에 형성된 통기홀들과 서로 엇갈리게 되도록 배열된 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수개의 경사면들 중 어느 하나의 경사면에 형성된 통기홀들은 각각 인접하는 경사면에 형성된 두 개의 통기홀들 사이의 중앙부에 대응되는 위치에 형성된 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 일측 분리판 또는 타측 분리판 중 적어도 어느 하나의 타측면을 덮도록 기밀패널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 일측 분리판의 일측면과 상기 촉매층 간의 접촉면적은 상기 일측 분리판의 타측면과 상기 기밀패널 간의 접촉면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
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