KR100477201B1 - 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수개의 직선형 바가 설치된 기체 유로가 'ㄹ' 모양의 패턴(이하 '지그재그 구조'라 칭함)으로 반복 배치된 형태이고, 부품을 고정시키기 위한 기준 구멍이 형성되며, 발생 전류의 출력경로가 최단경로가 되도록 출력선이 설치된 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판에 관한 것이다. 본 발명에 따른 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판은, 전기전도도를 가지는 재질에 기체가 흐르는 통로인 기체 유로가 형성된 연료전지용 분리판으로서, 상기 기체 유로는 지그재그 구조의 반복 패턴을 가지며, 상기 기체 유로 내에는 하나 이상의 직선형 바가 설치되고, 상기 직선형 바는 다수개를 한 조로 하여 지그재그 구조의 기체 유로내에 반복 배치되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판은, 연료전지 체결시 구성부품의 위치를 고정시키기 위한 기준 구멍이 설치되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판은, 연료전지에서 발생한 전류를 얻기 위한 출력선이 분리판에 직접 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판{Bipolar Plate for Fuel Cell comprising Zigzag Type Gas Flow Channel}

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수개의 직선형 바가 설치된 기체 유로가 'ㄹ' 모양의 패턴(이하 '지그재그 구조'라 칭함)으로 반복 배치된 형태이고, 부품을 고정시키기 위한 기준 구멍이 형성되며, 발생 전류의 출력경로가 최단경로가 되도록 출력선이 설치된 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.

연료전지는 전기화학 반응에 의해서 연료가 갖고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 기존의 연소기관에 비하여 에너지 효율이 높고, 공해물질의 배출이 없기 때문에 소형에서 대규모 시스템까지 적용범위가 매우 넓다. 즉, 연료전지는 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한(Carnot 효율)을 받지 않기 때문에 기존의 발전장치보다 발전효율이 높고, 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없으며, 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비를 절감할 수 있는 등 전력계통의 운영 측면에서도 기대가 큰 첨단 에너지 발전장치이다.

연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 반응에 의하여 생성되는 전자의 이용으로 설명할 수 있다. 수소는 연료극을 통과하고 산소는 공기극을 통과한다. 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다. 전자가 전해질을 통과하면서 직류 전력이 발생하며, 부수적으로 열도 생산된다. 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류 전류로 바꾸어 사용된다. 연료전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기열로 배출된다. 연료전지의 연료인 수소는 순수 수소를 이용하거나, 메탄이나 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여 개질이라는 과정을 통해 생산된 수소를 이용한다. 순수한 산소는 연료전지의 효율을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있다. 따라서 공기 중에 산소가 많이 포함되어 있으므로 효율은 좀 떨어지지만 공기를 직접 이용하기도 한다.

연료전지는 전해질의 종류 및 동작온도에 따라 분류되는데, 인산 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체산화물 연료전지는 민수용 전력 대체용으로 개발되고 있으며, 알칼리 연료전지 및 고분자 연료전지는 단위 무게당 에너지 출력이 커서 수송용, 군사용, 우주선 등의 용도로 개발되고 있다.

본 발명은 상기의 구성요소 가운데 분리판에 관한 것으로서, 연료전지에 사용하는 분리판은 연료전지의 형태유지, 전자를 이동시키는 역할, 기체를 공급하는 기능을 가진다. 분리판의 재료로는 형태 유지와 전자 이동을 위하여 전기전도도가 있는 그라파이트, 금속과 같은 물질을 사용하나, 부도체인 경우에는 전기전도도를 가지는 물질을 도포하여 사용한다. 분리판의 일부에 형성된 기체 유로는 반응기체가 흐르는 통로이며, 이 기체 유로를 통하여 2장의 분리판 사이에 위치한 전해질-전극 접합체의 전극에 기체가 공급됨으로써 전기화학반응이 일어나 전기가 발생된다.

연료전지용 분리판은 연료전지의 공기극 산화분위기와 연료극 환원분위기에 모두 안정해야 하고, 각 연료가스의 혼합을 방지할 수 있도록 치밀해야 하며, 충분한 전기전도도를 가져야 한다.

또한, 연료전지용 분리판에는 기체가 흐르는 유로가 성형되어져야 하는데, 이 때 분리판의 기체 유로 채널의 깊이와 폭 그리고 패턴은 기체의 유동을 원활하게 하는데 매우 중요하다. 종래 기체 유로 형태로서 직선형이나 Z형이 주로 사용되었는데, 이러한 기체 유로 형태에서는 기체 흐름이 일정하지 않아 연료전지 성능이 떨어지는 문제점이 있고, 개량된 Z형(대한민국 특허등록 10-0195093)의 기체 유로를 사용하는 경우에는 유로가 복잡하여 가공하는데 어려움이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지그재그 구조의 기체 유로를 도입하여 기체 흐름을 균일하게 하고, 기준 구멍의 설치로 연료전지 구성부품을 용이하게 고정시키며, 출력선의 설치로 발생 전류의 손실을 최소화함으로써 가공이 용이하고 성능이 향상된 연료전지용 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판은, 전기전도도를 가지는 재질에 기체가 흐르는 통로인 기체 유로가 형성된 연료전지용 분리판으로서, 상기 기체 유로는 지그재그 구조의 반복 패턴을 가지며, 상기 기체 유로 내에는 하나 이상의 직선형 바가 설치되고, 상기 직선형 바는 다수개를 한 조로 하여 지그재그 구조의 기체 유로내에 반복 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판은, 연료전지 체결시 구성부품의 위치를 고정시키기 위한 기준 구멍이 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판은, 연료전지에서 발생한 전류를 얻기 위한 출력선이 분리판에 직접 설치되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판의 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판의 측면도이다. 도 2에서 도시된 연료전지용 분리판(11)은, 반응기체가 흐르면서 전기화학 반응을 일으키는 기체 유로(12), 연료전지의 구성부품, 예컨대 분리판, 가스킷, 전해질-전극 접합체 등을 적층하여 전지를 구성할 때 전극과 기체 유로(12)의 위치가 일치하도록 하는 기준 구멍(13), 연료전지에서 발생한 전류를 외부 부하에 연결하기 위하여 분리판에 직접 연결된 전선인 출력선(14), 및 기체 출입구(15)로 구성된다. 이 때 분리판을 통하여 전극에 공급되는 기체는 분리판의 뒤쪽으로 형성된 기체 출입구(15)를 통하여 기체 유로(12)로 유입되며, 반응에 사용된 후의 기체는 반대쪽 기체 출입구(15)를 통하여 배출된다.

도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 있어서, 기체의 유로는 종래의 직선형이나 Z형과 달리 지그재그 구조의 패턴을 가지며, 상기 기체 유로 내에는 하나 이상의 직선형의 바가 설치되고, 상기 직선형 바는 다수개, 예컨대 4개를 하나의 묶음으로 하여 반복 배치되는 형태이다. 본 발명은 종래와 같이 단순한 직선형 기체 유로를 분리판 전체에 형성하지 않고, 다수개의 직선형 바가 설치된 좁은 폭의 기체 유로를 지그재그 구조의 패턴으로 반복 배치시킴으로써 기체의 분포를 균일하게 하였고, 그 결과 연료전지의 성능을 향상시켰다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 있어서, 분리판의 측면에는 연료전지에서 발생한 전류를 부하와 연결하기 위한 전선을 설치하였으며, 이러한 전선의 설치는 분리판의 측면에 구멍을 형성하고 전선을 넣은 다음 고정하는 방법을 사용하였다. 본 발명은 이와 같이 전류가 발생한 전극에서 가장 가까운 위치인 분리판에 전선을 설치하여 전류를 얻음으로서 저항이 감소되도록 하였다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 있어서, 분리판에 형성된 기준 구멍(13)은 연료전지를 장착할 때 분리판의 기체 유로(12)와 전해질-전극 접합체의 전극의 위치를 일치시키기 위한 기준이 되도록 설치한 것으로, 상기 기준 구멍(13)에 그보다 작은 크기의 막대를 삽입하여 위치를 고정한다.

이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 발명효과를 보다 상세하게 설명한다.

<실시예 1>

본 발명에 따른 분리판을 제작한 후 연료전지 성능을 시험하였다. 분리판의 재질은 그라파이트를 사용하였고, 분리판에 형성하는 유로의 전체 크기는 50.0 x 50.0 mm로 하고 직선형 바는 폭 1.0 mm, 길이 44.0 mm로 하여 직선형 바 4개를 한 조로 하여 5조를 설치하였다. 각 조를 구분하는 직선형 바는 지그재그형이 되도록 형성하며 폭 1.25 mm 길이 47.0 mm로 총 4개를 설치하였고 대각선 방향의 양끝에는 기체출입구를 각각 1개씩 설치하였다. 모든 바의 간격은 1.0 mm, 유로의 깊이는 1.0 mm로 하여 분리판을 제작하였다.

연료전지를 구성하기 위한 전해질-전극 접합체(MEA)는 전해질로 나피온(Nafion), 전극으로 Pt/C를 사용하고 고온접합법을 이용하여 제조하였으며, 이를 분리판 사이에 설치하여 연료전지를 구성하였다.

상기의 실시예에서 제조된 연료전지는, 기체 이용율을 각각 애노드 0.5, 캐소드 0.25로 하여 80℃의 온도에서 그 성능을 실험하였으며, 그 결과는 도 4에 나타내었다.

비록 상기에서 본 발명은 기재된 실시예를 중심으로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 본 발명자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은, 기체 유로 내에 다수개의 직선형 바를 한 조로 하여 반복배치하고, 상기 좁은 폭의 기체 유로를 지그재그 구조의 패턴으로 반복 배치함으로써 기체가 균일하게 공급되도록 하여 연료전지의 성능을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은, 출력선의 설치로 전류를 최단경로로 얻을 수 있게 하여 저항을 감소시켰으며, 또한 기준 구멍의 설치로 연료전지의 구성부품, 예컨대 분리판, 가스킷, 전해질-전극 접합체, 및 기체 유로 등의 위치가 용이하게 고정되도록 하였다. 이와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은, 안정화된 구성을 가지고, 가스 밀봉효율이 우수하며, 장시간의 운전에도 위치 변형을 방지하는 등 전지의 성능이 저하되는 것을 최소화하고, 전지 성능을 극대화하였다.

도 1은 본 발명에 따른 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판의 정면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판의 측면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에서 직선형 바가 설치된 기체 유로가 지그재그 구조의 패턴으로 반복 배치된 것을 보여주는 상세도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지의 성능 실험 결과를 도시한 것이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

11 : 연료전지용 분리판 12 : 기체 유로

13 : 기준 구멍 14 : 출력선

15 : 기체 출입구 16 : 직선형 바

Claims (3)

1. 전기전도도를 가지는 재질에 기체가 흐르는 통로인 기체 유로가 형성된 연료전지용 분리판으로서,

   상기 기체 유로는 지그재그 구조의 반복 패턴을 가지며, 상기 기체 유로 내에는 하나 이상의 직선형 바가 설치되고, 상기 직선형 바는 다수개를 한 조로 하여 지그재그 구조의 기체 유로내에 반복 배치되며,

   상기 분리판에는 체결 수단에 의한 연료전지 체결시 구성부품의 위치를 고정시키기 위한, 상기 체결 수단과는 별도인, 기준 막대가 삽입되는 기준 구멍이 설치되고,

   연료전지에서 발생한 전류를 얻기 위한 출력선이 직접 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 지그재그 구조의 기체 유로를 가지는 연료전지용 분리판.
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