KR100563226B1 - 연료전지용 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 수소와 수증기가 혼합된 가스 또는 산소와 수증기가 혼합된 가스가 동시에 분산 유입되고 그에 따라 이동되는 응축수가 원활히 우회할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명에서는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지에 있어서, 수소와 수증기의 유로인 평행채널 또는 산소와 수증기의 유로인 평행채널(20)이 다수 배열되는 본체기판(10)의 중앙에 동시에 응축수 막힘으로 인해 혼합가스가 흐르는 면적이 감소함을 보완하도록 가스와 수증기의 채널통로가 절단된 절단부(21)가 가스통로의 직각방향으로 형성되며, 상기 다수 평행채널(20)의 일측에 다수의 가스확산가이드(11)가 형성되며 상기 가스확산가이드(11)는 상기 평행채널(20)의 일측 단부에 일정한 간격으로 각각 배치되며, 상기 평행채널(20)의 타측 단부에 배출되는 가스가 집합될 수 있도록 가스배출가이드(12)의 일단이 일정한 간격으로 각각 배치되면서 상기 가스배출가이드(12)의 타단이 상기 다수 평행채널(20)의 타측에 집합 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판이 제안된다.

Description

연료전지용 분리판 {Bipolar-Plate for Fuel Cell}

도 1은 종래의 연료전지용 분리판의 평행채널을 나타낸 구성 상태도.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 전체적인 구성 상태도 및 A-A'선에 의한 단면 상태도.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 전기를 발생시키는 원리를 개략적으로 나타내는 개념도.

도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 수소용과 산소용 사이에 멤브레인을 넣고 만든 단위 연료전지를 겹층으로 연결하여 상용 가능한 연료전지로 만든 과정의 분리 상태도.

도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 기공과 크랙이 생긴 본체기판에 불포화 지방산액을 도포하여 씰링시킨 상태의 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 전산해석한 결과의 유체흐름을 도식적으로 나타낸 상태도.

도 7a, 도 7b는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 대해 물을 이용 실험한 결과의 유체흐름을 가시화한 상태도.

도 8은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 사용하여 연료전지를 제조한 후 에 수소와 반응하여 고착화되는 씰링제를 도포한 마감 상태도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 본체기판 11 : 가스확산가이드

12 : 가스배출가이드 20 : 평행채널

21 : 절단부 22 : 연결부

31 : 애노드 32 : 캐쏘드

33 : 전해질 34 : 멤브레인

40 : 불포화 지방산액 41 : 고형화

110,130 : 응축수 120 : 유로

본 발명은 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소와 수증기가 혼합된 가스 또는 산소와 수증기가 혼합된 가스가 동시에 분산 유입되고 그에 따라 이동되는 응축수가 원활히 우회할 수 있도록 하는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.

차세대 대체에너지인 수소를 원료로 하는 연료전지는 일반 배터리가 에너지를 저장해서 쓰는 것과 달리 수소와 산소의 직접 화학반응을 통해 전기 에너지를 만드는 방법으로 배터리보다 수명이 길다. 또한 일반 연소기관과 달리 기계적 손실 이 적기 때문에 총 발전 효율이 최고 80%정도로 매우 높다.

연료전지의 종류에는 고온에서 작동하는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물용 연료전지(SOFC) 및 비교적 낮은 온도에서 작동하는 인산형 연료전지(AFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DEMFC) 등이 있다.

이 중 고분자 연료전지는 80 °C 내외에서 작동하는 연료전지로 짧은 시동시간에 고출력을 얻을 수 있고 전류밀도가 높으며, 일반 가솔린이나 디젤 자동차와 비교하여, NOx의 배출량은 1/500, SOx의 배출량은 1/10,000이 되므로 환경 친화적인 고효율 발전 시스템이라고 할 수 있다.

최근 자동차, 핸드폰, 노트북 등 많은 산업분야에 적용시키고 상업화하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 연료전지 구성을 대략적으로 보면 분리판, 멤브레인 복합체, 그리고 부가장치가 있다. 이중 분리판은 수소와 산소가 흐르는 유로 역할과 전기가 흐를 수 있는 극 역할을 하는데 연료전지 부속 중 가격 비율이 높고 연료전지 성능에 많은 영향을 미치고 있다.

또한 분리판의 균일한 유동장과 유로에서의 수분 응축으로 인한 유로 막힘, 화학반응으로 생성되는 물의 배수, 분리판의 온도 분포 등 분리판에 중요한 문제를 해결하기 위한 개발이 필요한 실정이다.

연료전지용 분리판이 활용되는 연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 반응에 의하여 생성되는 전자의 이용으로 설명할 수 있다. 도 1에서 보는 바와 같이 수소는 애노드(Anode)(31)를 통과하고, 산소는 캐쏘드(Cathode)(32)를 통과하며, 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨 다. 도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 전기를 발생시키는 원리를 개략적으로 나타내는 개념도이다. 미도시 도면부호 20'는 산소용 평행채널을 나타낸다.

또한 전자가 전해질(33)을 통과하면서 직류 전력이 발생하며 이때 열이 부수적으로 생산된다. 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류 전류로 바꾸어 사용된다.

그리고 연료전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열원으로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기 열로 배출된다. 연료전지의 연료인 수소는 순수 수소를 이용하거나, 메탄이나 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여 개질 과정을 통해 생산된 수소를 이용한다.

아울러 순수한 산소는 연료전지의 효율을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있기 때문에 공기 중에 포함된 산소를 직접 사용한다.

종합적으로 다음과 같은 반응에 따라 전기와 열 및 물이 생성된다.

양극 : H₂ → 2H⁺ + 2e (1)

음극 : O₂ + 2H⁺ + 2e → H₂O (2)

전체 : H₂ + O₂ → H₂O + 전류 + 열 (3)

전해질(33)은 한 전극에서 다른 전극으로 수소 이온을 전달해 주는 역할을 하고 촉매는 전극의 반응을 향상시킨다. 2개의 전극으로 구성된 단위 셀은 이론적 으로 전압을 1.23V 까지 생성시킬 수 있으나, 실제는 0.6V~0.7V 정도를 생산한다.

아울러 도 2는 생성된 물과 응축된 물의 배출이 매우 용이하게 설계되어 현재 많이 쓰이고 있는 형태로써 채널(200)이 단일유로로 되어 있는 서펜타인 모델이다.)

그러나 도2의 모델은 배수를 용이하게 하도록 설계되어 있기 때문에 가스의 유입시 많은 동력이 필요하게 되고, 연료전지 전체의 효율을 급격히 감소하게 되는 단점이 있다.

또한 상기와 같은 종래기술은 형상이 단일한 일체형으로 연결되어 있어 유입된 가스가 동시에 분산되지 못해 상대적으로 가스의 공급에 있어 시간이 많이 걸리고, 가스가 유입된 후에도 마찰손실이 큰 문제점이 있었다.

연료전지 분리판 중 평행한 형태의 또 다른 모델은 주입된 가스가 투입되는 채널이 평행되게 다수의 유로가 형성된 평행형 분리판이 있다. 그러나 팽행형 분리판은 압력강하는 단일유로형에 비해 작아 많은 동력이 필요치 않으나, 가습을 위해 공급된 수증기가 유로에서 응축됨으로써 유로가 막혀 가스공급이 전체적으로 원활하지 못한 문제점이 있다.

한편, 연료전지 분리판은 단위전지 및 스택이 결합되는 형태이나 전체적으로 씰링이 잘 되지 않아 연료전지의 단위전지 및 스택 결합시 발생하는 틈과 플레이트 자체의 기공 및 크랙으로 인해 수소의 누수가 발생하는 문제점도 있었다.

따라서 본 발명은 이러한 사정을 감안하여 개발된 것으로, 동시다발적으로 가스를 분산 공급시켜 가스의 유입에 필요한 많은 동력이 필요하지 않게 하면서 가스가 유입되어 연료의 원활한 공급이 이루어지도록 함으로써 연료전지 전체의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판을 제공함에 그 목적이 있다.

또한 주입된 가스가 채널의 양단부에 몰리고 가습을 위해 공급된 수증기가 유로에서 응축됨으로써 유로가 막히는 것을 방지하며, 본체기판의 씰링을 확실히 하여 연료전지의 단위전지 및 겹침 결합시 발생하는 틈과 플레이트 자체의 기공 및 크랙으로 인해 수소가 새는 현상을 방지할 수 있는 연료전지용 분리판을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지용 분리판은, 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지에 있어서, 본체기판(10)의 중앙에 수소와 수증기의 유로인 평행채널 또는 산소와 수증기의 유로인 평행채널(20)이 다수 배열됨과 동시에 응축수 막힘으로 인해 혼합가스가 흐르는 면적이 감소함을 보완하도록 수소와 수증기의 채널통로가 절단된 절단부(21)가 가스통로의 직각방향으로 형성되며, 상기 다수 평행채널(20)의 일측에 다수의 가스확산가이드(11)가 형성되며 상기 가스확산가이드(11)는 상기 평행채널(20)의 일측 단부에 일정한 간격으로 각각 배치되며, 상기 평행채널(20)의 타측 단부에 배출되는 가스가 집합될 수 있도록 가스배출가이드(12)의 일단이 일정한 간격으로 각각 배치되면서 상기 가스 배출가이드(12)의 타단이 상기 다수 평행채널(20)의 타측에 집합 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서는 상기 평행채널(20)은 통로에서의 흐름을 원활히 하도록 상기 절단부에는 가스통로가 연결된 하나이상의 연결부(22)가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판이 제공된다.

또한 본 발명에서는 상기 절단부(21)와 연결부(22)는 일정간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판이 제공된다.

또한 본 발명에서는 상기 가스배출가이드(12)와 가스확산가이드(11)는 가스의 흐름방향을 원활하게 유도하는 라운드된 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판이 제공된다.

또한 본 발명에서 상기 본체기판(10)은 결합시 발생되는 틈과 크랙(14) 및 기공(13)으로 인해 수소가 새는 것을 방지하도록 수소와 반응하여 고착화(41)되는 불포화 지방산액(40)으로 씰링되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 발생시키는 원리를 이용한 연료전지의 구성을 이루며, 수소와 수증기가 혼합된 가스가 동시에 분산 공급되도록 하면서 절단부를 통해 응축수가 우회하도록 구성된다. 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 전체적인 구성을 나타내고, A-A'선의 단면도를 오른쪽에 나타낸다.

따라서 본체기판(10)의 중앙에 수소와 수증기의 혼합 가스의 유로인 평행채널 또는 산소와 수증기의 혼합 가스의 유로인 평행채널(20)이 수평으로 배열되되 상하로 평행하게 배치되고, 상기 평행채널(20)이 수평의 배열로 평행하게 배치된 상태에서 수소와 산소의 반응을 통해 발생되는 물의 배수를 원활히 하도록 상기 평행채널(20)의 측부는 수평의 균일한 위치에 일정한 간격으로 절단되어 절단부(21)가 형성된다. 여기서 평행채널(20)이 평행하게 배치되면서 그 사이를 띄게 되는 이유는 수소나 수증기의 응축을 피하기 위한 통로역할이 필요하기 때문이다.

또한 평행채널(20)은 배수를 원활히 하도록 절단부(21)가 형성되되 가스의 진행방향을 안내하여 가스가 임의로 분산되지 않고 절단된 평행채널(20)에 맞춰 분산될 수 있도록 상기 다수의 평행채널(20)은 상하 일정한 간격으로 다른 평행채널(20)과 달리 절단되지 않고 연결되는 연결부(22)가 형성된다.

그리고 다수 평행채널(20)의 일측 상부에 외부로부터 수소와 수증기가 혼합된 가스를 공급받아 상기 평행채널(20)에 공급할 수 있도록 다수의 가스확산가이드(11) 일단이 집합 형성된다.

또한 가스투입부측은 타단이 공급받은 가스를 고르게 분산시킬 수 있도록 상기 다수 평행채널(20)의 일측 단부에 다수개의 가스확산가이드(11)가 평행채널의 위치에 따라 골고루 배치된다. 이때 가스확산가이드(11)의 타단은 상기 가스확산가이드(11)를 배치시킬 위치의 평행채널(20) 단부에 연이어 형성하는 것이 가능하나, 이격하여 설치하는 것도 가능하다.

그리고 가스배출부측에는 일단이 분산되어 이동된 혼합 가스를 배출시킬 수 있도록 상기 다수 평행채널(20)의 타측 단부에 일정한 간격으로 상기 가스확산가이드와 대칭되게 각각 분산되어 배치된다. 이때 가스배출가이드(12)의 타단은 배치시킬 위치의 평행채널(20) 단부에 이격하여 설치하는 것이 가능하다. 혹은 평행채널의 단부와 연이어서 설치할 수 있음은 물론이다.

또한 수소 및 수증기를 같이 밀어내며 나온 혼합 가스를 받아 본체기판(10)의 외부로 배출할 수 있도록 다수의 가스확산가이드(11) 타단이 다수 평행채널(20)의 타측 하부에 집합 형성된다.

한편, 도 4에서 보는 바와 같이 단위 셀 즉, 수소용 본체기판(10)과 산소용 본체기판(10')의 사이에 전해질의 역할을 하는 멤브레인(34)을 위치시킨 하나의 단위 연료전지는 실제 전압이 미비하여 하나만으로는 사용되지 않고, 필요한 전압을 얻기 위하여 40~50겹의 겹층으로 구성된다.

또한 겹층으로 구성됨으로써 본체기판(10) 자체가 전극이 되어 겹층으로 부착시키는 자체가 요구되는 출력을 얻기 위한 표준 크기의 스택을 직렬로 연결되어 상용 연료전지(100)를 구성한다.

아울러 도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 수소용 본체기판(10)과 산소용 본체기판(10') 사이에 멤브레인(34)을 넣고 만든 단위 연료전지를 겹층으로 연결하여 상용 가능한 연료전지(100)로 만든 상태를 나타낸다.

한편, 도 5에서 보는 바와 같이 연료전지의 조성 중 결합시 발생되는 틈과 본체기판(10)의 기공(13) 및 크랙(14)으로 인해 수소가 새는 것을 방지하도록 본체기판(10)이 전체적으로 수소와 반응하여 고형화(41)되는 불포화 지방산액(40) 등으 로 씰링된다.

여기서 불포화 지방산은 수소와 만나서 고형화(41)되는 액체 또는 젤형식의 재질이며, 한 분자 속에 탄소-탄소의 불포화 결합과 카르복시기를 자지는 사슬모양의 화합물이다. 도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 기공(13)과 크랙(14)이 생긴 본체기판(10)에 불포화 지방산액(40)을 도포하여 씰링시킨 상태의 단면도를 나타낸다.

아울러 불포화 지방산액(40) 등의 씰링제를 도포하기 위해서는 단위 연료전지를 여러 겹 층으로 형성한 상태에서 분무기(50) 등의 분무장치를 이용하여 살포하는 것이 바람직하다. 도 8은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 겹층으로 부착하여 연료전지(100)를 제조한 후에 수소와 반응하여 고착화되는 씰링제를 도포한 상태를 나타낸다.

상기와 같은 구성 및 원리로 이루어진 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

도 3에서 보는 바와 같이 수소와 수증기가 혼합된 가스가 본체기판(10)의 평행채널(20)에 유입되면서 상기 수소와 수증기가 산소와 반응하면서 배출되도록 가스확산가이드(11)를 통해 가스가 공급되고, 공급된 가스는 분산 배치된 가스확산가이드(11)의 단부를 통해 상기 평행채널(20)로 분산된다.

또한 도 4에서 보는 바와 같이 분산되어 평행채널(20)에 유입된 가스의 수소는 전해질(33) 역할을 하는 멤브레인(34)을 통해 산소용 본체기판(10')의 평행채널 (20)로 이동하면서 공기 중의 산소와 반응을 통해 전기를 생산하면서 열을 방출하고 남은 수소나 수증기 또는 반응 중에 발생된 물을 밀어내면서 상기 수소용 본체기판(10)의 평행채널(20) 단부로 이동하고, 이동된 가스는 분산 배치된 가스배출가이드(12)의 일단부로 배출되면서 상기 가스배출가이드(12)의 타단부로 이동 집합되어 본체기판(10)의 외부로 배출된다.

아울러 도 3에서 보는 바와 같이 수소와 산소가 반응하면서 가스에 의해 배출되는 중에 평행채널(20)의 내부에서 이동되는 가스가 다수의 평행채널(20) 상하에 절단부(21)를 통해 우회하고, 상기 물의 배출을 위한 평행채널(20)의 절단부(21)에 의해 가스의 분산 이동이 저해되는 것은 상기 다수의 평행채널(20)이 상하 일정한 간격으로 절단되지 않고 연결된 연결부(22)에 의해 방지된다.

이하, 본 발명에 따른 연료전지용분리판에 대해 컴퓨터로 전산해석한 결과와 실험한 결과를 기술한다.

분리판에 영향을 주는 인자는 크게 온도, 생성되는 물, 가스분배, 가습 시 채널 내에 물의 응축 등이 있는데 전산해석에서는 온도는 고려하지 않고 연료전지 작동온도인 357K로 고정하였으며 가스분배부분과 응축을 피하고자 하는 부분을 각각 해석하였다. 가스유량은 0.041 m/s를 입구조건으로 하고 출구는 대기압을 적용하였다. 응축이 생긴다고 가정한 후단에서는 기체가 흐르지 않는다. 하지만 유로를 일부 이어놓으면 약간의 부분을 제외한 다른 부분은 기체가 흐르게 된다. 하지만 평행채널을 절단하면 도 6의 수소를 이용한 전산해석 결과에서 알 수 있는 바와 같이 수증기의 응축으로 흐르지 못하는 부분(130)이 있더라고 전달된 유로 후단에서 는 골고루 흐르게 되며 압력강하도 천천히 이루어짐을 알 수 있다.

또한 도 7a와 도 7b는 이에 따른 실험결과를 도시한 것으로서 도 7a에서는 응축수(110)가 존재하는 부분에서는 그 후단에 전혀 유로를 형성하지 못하지만, 절단된 부분을 지나고 나면 그 후단에서는 응축수가 존재했던 유로(120)일지라도 막히지 않고 유로가 균일하게 형성되며 모든 유로에서 압력분포 또한 균일하게 형성되는 것이다.

한편, 도 5에서 보는 바와 같이 불포화 지방산액(40) 등의 본체기판(10)의 씰링에 의해 연료전지용 분리판을 통한 연료전지의 조성 중 결합시 발생하는 틈, 상기 본체기판(10) 내부의 기공(13), 그리고 크랙(14)을 통해 배출되지 않아야 하는 수소가 새는 것을 방지한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 연료전지용 분리판은 평행채널에 가스투입관과 가스배출관을 분산 배치시킴으로써 동시다발적으로 가스를 분산 공급시켜 가스의 유입에 필요한 많은 동력이 필요하지 않게 하고 주입된 가스가 채널의 양단부에 몰리는 현상을 방지하여 연료전지 전체의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 다수의 평행채널을 일정한 간격의 상하방향으로 절단시킴으로써 가습을 위해 공급된 수증기가 유로에서 응축되어 우회할 수 있도록 할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

또한 수소와 반응하여 고착되는 불포화 지방산액 등으로 본체기판의 씰링을 확실히 함으로써, 연료전지의 단위전지 및 겹침 결합시 발생하는 틈과 플레이트 자체의 기공 및 크랙으로 인해 수소가 새는 현상을 방지할 수 있다.

Claims (5)

1. 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지에 있어서,

   수소와 수증기의 유로인 평행채널 또는 산소와 수증기의 유로인 평행채널(20)이 다수 배열되는 본체기판(10)의 중앙에 동시에 응축수 막힘으로 인해 혼합가스가 흐르는 면적이 감소함을 보완하도록 가스와 수증기의 채널통로가 절단된 절단부(21)가 가스통로의 직각방향으로 형성되며, 상기 다수 평행채널(20)의 일측에 다수의 가스확산가이드(11)가 형성되며 상기 가스확산가이드(11)는 상기 평행채널(20)의 일측 단부에 일정한 간격으로 각각 배치되며, 상기 평행채널(20)의 타측 단부에 배출되는 가스가 집합될 수 있도록 가스배출가이드(12)의 일단이 일정한 간격으로 각각 배치되면서 상기 가스배출가이드(12)의 타단이 상기 다수 평행채널(20)의 타측에 집합 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 평행채널(20)은 통로에서의 흐름을 원활히 하도록 상기 절단부에는 가스통로가 연결된 하나이상의 연결부(22)가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 절단부(21)와 연결부(22)는 일정간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 가스배출가이드(12)와 가스확산가이드(11)는 가스의 흐름방향을 원활하게 유도하는 라운드된 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 본체기판(10)은 결합시 발생되는 틈과 크랙(14) 및 기공(13)으로 인해 수소가 새는 것을 방지하도록 수소와 반응하여 고착화(41)되는 불포화 지방산액(40)으로 씰링되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.

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