KR100569421B1 - 자동차의 연료전지용 분리판 구조 - Google Patents

자동차의 연료전지용 분리판 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차의 연료전지용 분리판 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일면에 수소 분리판과 공기 분리판을 동시에 형성하는 동시에 그 중간을 공용의 매니폴드로 연결 구성함으로써, 한 번에 두 개의 연료 전지 스택을 제공하는 효과를 얻을 수 있도록 한 자동차용 연료전지용 분리판 구조에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 일끝단부에 매니폴드가 형성된 자동차의 연료전지용 분리판 구조에 있어서, 일면에 아노드(anode)로써, 수소가스가 흐르는 제1유로와, 캐소드(cathode)로써 공기가 흐르는 제2유로가 이등분되어 형성되는 동시에 그 사이에는 통전 방지수단이 일체로 형성되고, 상기 제1유로의 이면에는 캐소드로써 공기가 흐르는 제3유로가 형성되며, 상기 제2유로의 이면에는 아노드로써 수소가스가 흐르는 제4유로가 형성된 것을 특징으로 하는 자동차의 연료전지용 분리판 구조를 제공한다.
분리판, 연료전지, 수소유로면, 공기유로면, 공용 매니폴드

Description

자동차의 연료전지용 분리판 구조{Separating plate for fuel cell of vehicle}
도 1a,1b는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 구조를 나타내는 정면도 및 배면도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판으로 연료전지 스택을 구성하는 상태를 나타내는 분리 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택을 적층 구성하는 예를 설명하는 개략도,
도 4a,4b는 종래의 연료전지용 분리판을 나타내는 정면도 및 배면도,
도 5는 종래의 연료전지용 분리판으로 연료전지 스택을 구성한 상태를 설명하는 분리 사시도,
도 6은 종래의 연료전지 스택을 적층 구성하는 예를 설명하는 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10a,10b : 엔드 플레이트 12 : 수소유로면
14 : 공기유로면 16 : 매니폴드
18 : 스택 20 : 전선
22, 22' : 제1유로 24, 24' : 제2유로
26, 26' : 제3유로 28, 28' : 제4유로
30 : 공용 매니폴드 32 : 체결수단
34 : 제1분리판 36 : 제2분리판
38 : 제3분리판 40 : 전극막 접합체
100,200 : 분리판
본 발명은 자동차의 연료전지용 분리판 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일면에 수소 분리판과 공기 분리판을 동시에 형성하는 동시에 그 중간을 공용의 매니폴드로 연결 구성함으로써, 한 번에 두 개의 연료 전지 스택을 제공하는 효과를 얻을 수 있도록 한 자동차용 연료전지용 분리판 구조에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 수소와 공기 분리판을 하나의 분리판으로 사용함으로써, 셀에 있어서 높은 전압값을 가짐과 동시에 수소 및 공기 분리판 중간의 공용 매니 폴드로 인하여 분리판 공유에 따른 데드 존(dead zone)의 범위를 줄일 수 있는 분리판 구조에 관한 것이다.
통상적으로 연료전지(Fuel Cell)는 크게 전기 화학적 반응을 일으키는 전극과, 이 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질막과, 이러한 전극과 전해 질을 지지하는 분리판으로 이루어져 있다.
고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요없는 장점을 가지고 있다.
또한, 배기가스로 순수하게 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기 때문에 현재 전세계 자동차업계에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.
상기 고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치로서, 전지내(분리판)로 공급된 수소가 아노드(Anode)전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 이 분리된 수소이온은 상기 전해질막을 통해 캐소드(Cathode)로 넘어가게 되어, 결국 수소이온은 전지내(분리판)로 공급된 산소 및 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.
이때 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며 반응식은 다음과 같다.
Anode : H2 → 2H+ + 2e-
Cathode : 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O
실제 자동차용 연료전지에서는 위에서 나타난 전위보다 더 큰 전위를 필요로 하는데, 더 높은 전위를 얻기 위해서는 개별 단위전지를 필요한 전위만큼 적층하여야 한다.
이렇게 적층하는 것을 스택(Stack)이라 하며, 그 스택 모형도는 첨부한 도 5 에 도시된 바와 같다.
도 5에 도시된 연료전지 스택의 구조를 간략히 살펴보면, 다수의 분리판(200)이 전극막 접합체(MEA;Membrane Electrolyte Assembly) 및 가스확산층을 사이에 두고 적층 부착되며, 이 분리판(200)의 양단면에는 엔드플레이트(10a,10b)가 밀착 고정되며, 상기 분리판(200)과 엔드플레이트(10a,10b)를 체결수단(미도시됨)으로 묶어주는 구조를 이루고 있다.
이때, 상기 엔드 플레이트(10a,10b)에는 하나의 단자((+) 또는 (-) 단자)가 형성되어 있다.
이러한 연료전지 스택의 평가는 스택에서 발생되는 전류와 전압 측정으로 이루어지는데, 특히 각 셀(단위전지)의 전압 측정값이 클수록 성능이 우수하다고 할 수 있다.
상기 셀의 성능은 스택에 사용되는 이온 전극막의 성능에 많은 영향을 받지만, 스택 제작시 분리판의 면적을 얼마나 최대한 사용하는가도 연료전지 스택의 제작에 있어 중요한 요소로 작용하기 때문에, 상기 분리판 면적의 활용여부에 따라 스택의 크기 및 가스의 분배 방식이 좌우되기도 한다.
첨부한 도 4a,4b에서 보는 바와 같이, 기존의 분리판(200) 구조는 한쪽면은 수소가스가 흐르는 수소유로면(12)으로, 다른 한쪽면은 공기가 흐르는 공기유로면(14)으로 형성되어 있고, 양측단부에는 수소, 공기 그리고 냉각수 흐름용 매니폴드(16)가 형성되어 있다.
보다 상세하게는, 기존의 분리판은 한쪽면은 아노드(anode)로써, 수소가스가 흐르는 유로로 구성되어 있고, 다른 한쪽면은 캐소드(cathode)로써 공기가 흐르는 유로로 구성되어 있으며, 또한 각각 가스와 냉각수가 출입하는 매니폴드가 양단부에 형성된 구조로 이루어져 있으며, 이러한 분리판에 상기 MEA를 넣어 적층함으로써 연료전지 스택으로 제작된다.
한편, 상기 분리판(200)을 적층하는 방향에 따라 스택의 +/-극이 결정되며, 수소유로면(12)쪽이 (-)극이 되고, 공기유로면(14)쪽이 (+)극이 되며, 이에 스택의 양쪽에 위치된 엔드플레이트(10)의 단자중 하나는 (+)단자로, 다른 하나는 (-)단자로 정해지게 된다.
즉, 첨부한 도 5에 도시한 바와 같이, 분리판(100)이 여러개 적층되면, 최초 분리판의 일면에는 (-)극을 띠는 수소유로면(12) 이 노출되고, 마지막 분리판의 일면은 (+)극을 띠는 공기유로면(14)이 노출되며, 각 끝단부에 밀착 고정되는 엔드플레이트(10a,10b)중 하나(10a)에는 수소유로면(12)과 연결되는 (-)단자가 형성되고, 다른 하나(10b)에는 공기유로면(14)과 연결되는 (+)단자가 형성된다.
이러한 연료전지 스택에서 높은 전압값을 얻기 위해서는 분리판을 최대한 많이 쌓아서 스택 전체 전압을 크게 하는 방법이 있고, 상기 분리판의 활성 면적을 크게 하는 방법이 있다.
상기 분리판을 많이 쌓아서 스택의 전체 전압을 크게 하는 방법은 분리판을 쌓는 작업성의 한계와 함께 분리판을 쌓았다고 해도 스택의 체결 문제와 함께 가스의 불균일한 분배 문제가 있다.
따라서, 스택의 전압값을 높이기 위해서 분리판을 최대한 쌓은 것은 좋은 방법으로 여겨지지 않는다.
한편, 스택을 구성하기에 가장 적절한 분리판의 개수는 100∼110셀로 여겨지고 있다.
높은 전압의 스택을 구성하기 위한 또 다른 방법으로 분리판의 활성 면적을 넓히는 방법은 가스의 유로가 길어짐에 따라 발생하는 물 처리 문제와 압력 문제의 한계로 인해 제약을 받는다.
이러한 문제점을 감안하여 스택 두 개를 제작한 다음, 첨부한 6과 같은 방법으로 연결하는 방법이 있지만, 이러한 방법은 또 다른 분배구조 블록을 사용해야 하며, 그로 인해 전체 스택의 부피가 증가하는 단점이 있다.
또한, 기존 분리판을 사용한 두 개의 스택(18)을 연결하기 위해서 즉, 서로 반대위치에 있는 한쪽 엔드플레이트(10a)의 (-)단자와 다른 한쪽 엔드플레이트(10b)의 (+)단자를 연결하기 위해서 전선(20)의 길이가 길게 사용되어야 하는 단점이 있다(도 6참조).
보다 상세하게는, 각각의 스택은 서로 같은 극이 같은 방향으로 존재하기 때문에, 두 스택을 연결하기 위해서는 외부로 전선을 길게 사용하여 반대편의 다른 극끼리 서로 연결을 해야 하는 단점이 있다.
만일, 이러한 전선이 길어지는 문제를 해결하기 위해서 스택의 위치를 바꾼다면, 제1스택의 한쪽 엔드플레이트와 제2스택의 한쪽 엔드플레이트의 단자는 각각 (-)단자와 (+)단자로 적용되고, 제1스택의 다른쪽 엔드플레이와 제2스택의 다른쪽 엔드플레이트의 단자는 각각 (+)단자와 (-)단자로 적용된다.
결국, 같은 방향으로 (+)단자와 (-)단자가 위아래로 인접 위치되어, 이들을 짧은 길이의 전선으로 용이하게 연결할 수 있다. 그러나, 각 분리판의 끝단부에 형성된 매니폴드(가스의 출입 경로)가 다르기 때문에 스택을 서로 엇갈리게 적층 연결하는 것은 불가능하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구 개발된 것으로서, 일면과 그 이면에 수소 및 공기 분리판이 동일한 면적으로 구획 형성되어 한 면에 (+)극 및 (-)극이 공존되고, 그 사이에는 통전 방지를 위한 공용의 매니폴드를 연결 구성함으로써, 한 번에 두 개의 연료 전지 스택을 제공하는 효과를 얻을 수 있고, 두 스택을 연결함에 있어서 동일한 엔드플레이트에서 서로 인접된 (+)단자 및 (-)단자끼리 짧은 길이의 전선으로 용이하게 연결할 수 있으므로, 스택의 부피 감소 및 장착 공간 확보에 유리한 잇점을 제공할 수 있도록 한 자동차의 연료전지용 분리판 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일끝단부에 매니폴드가 형성된 자동차의 연료전지용 분리판 구조에 있어서,
일면에 아노드(anode)로써, 수소가스가 흐르는 제1유로와, 캐소드(cathode) 로써 공기가 흐르는 제2유로가 이등분되어 형성되는 동시에 그 사이에는 통전 방지수단이 일체로 형성되고, 상기 제1유로의 이면에는 캐소드로써 공기가 흐르는 제3유로가 형성되며, 상기 제2유로의 이면에는 아노드로써 수소가스가 흐르는 제4유로가 형성된 것을 특징으로 하는 자동차의 연료전지용 분리판 구조를 제공한다.
바람직한 구현예로서, 상기 통전 방지 수단은 수소 또는 공기 및 냉각수 흐름을 위한 공용의 매니폴드로 형성되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 분리판이 여러개 적층되어 그 양끝단부에 밀착 고정되는 엔드플레이트에는 수소가스 유로와 연결되는 (+)단자 및 공기 유로와 연결되는 (-)단자가 동시에 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1a,1b는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 구조를 나타내는 정면도 및 배면도이다.
전술한 바와 같이, 기존의 연료전지용 분리판(200)은 한쪽면은 수소가스가 흐르는 수소유로면(12)으로, 다른 한쪽면은 공기가 흐르는 공기유로면(14)으로 구성되어 있고, 양측단부에는 수소, 공기 그리고 냉각수 흐름용 매니폴드(16)가 형성되어 있다.
본 발명은 기존의 분리판 두 개를 통전수단을 가운데에 두고 일체로 연결한 구조와 유사하다.
본 발명의 분리판(100)은 도 1a의 정면도에서 보듯이, 일면에 아노드(anode) 로써, 수소가스가 흐르는 제1유로(22)와, 캐소드(cathode)로써 공기가 흐르는 제2유로(24)가 이등분되어 동시에 형성되고, 제1유로(22) 및 제2유로(24) 사이에는 통전 방지수단이 일체로 연결된다.
또한, 도 1b의 배면도에서 보듯이, 상기 제1유로(22)의 이면에는 캐소드로써 공기가 흐르는 제3유로(26)가 형성되고, 상기 제2유로(24)의 이면에는 아노드로써 수소가스가 흐르는 제4유로(28)가 형성되며, 그 사이에는 상기 통전 방지수단이 일체로 연결된다.
한편, 상기 통전 방지수단은 수소 또는 공기 및 냉각수 흐름을 위한 공용 매니폴드(30)로 형성되며, 이 공용 매니폴드(30)는 제1유로(22)용 수소가스 및 냉각수 통로 또는 제2유로(24)용 공기 및 냉각수 통로, 또는 제4유로(28)용 수소가스 및 냉각수 통로 또는 제3유로(26)용 공기 및 냉각수 통로로 공용/활용될 수 있다.
이렇게 상기 분리판(100)의 양단끝에 본래 형성된 매니폴드(16)외에 통전 방지수단으로 중간에 공용 매니폴드(30)가 더 증가되어, 중간부분이 데드존(dead zone)이 되는 것을 방지할 수 있다.
물론, 상기 공용 매니폴드(30)는 비전도성 물질을 사용하여야 하며, 매니폴드 부분은 따로 제작되어 분리판과 연결이 되어도 무관하다.
이러한 본 발명의 분리판을 여러개 적층하여 연료전지 스택을 구성하는 상태를 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판으로 연료전지 스택을 구성하는 상태를 나타내는 분리 사시도이다.
본 발명의 분리판(100)을 전극막 접합체(40) 및 가스확산층(미도시됨)을 사이에 두고 적층 부착하는 동시에 이들 분리판(100)의 양단면에 엔드플레이트(10a,10b)를 밀착 고정시킨 다음, 상기 분리판(100)과 엔드플레이트(10a,10b)를 체결수단으로 묶어주는 구조를 이루게 된다.
상기 분리판(100)의 적층상태를 보면, 하나의 분리판 즉, 제1분리판(34)의 일면에 제1유로(22)와 제2유로(24)가 형성되고, 그 이면에 제3유로(26) 및 제4유로(28)가 형성된 상태에서, 다른 분리판 즉, 제2분리판(36) 및 제3분리판(38)을 양쪽에서 적층하게 되면, 상기 제1분리판(34)의 제1유로(22)와 제2유로(24)는 전극막 접합체(40)를 사이에 두고 상기 제2분리판(36)의 제3유로(26') 및 제4유로(28')와 각각 밀착되고, 상기 제1분리판(34)의 제3유로(26)와 제4유로(28)는 전극막 접합체를 사이에 두고 제3분리판(38)의 제1유로(22')와 제2유로(24')와 각각 밀착된다.
이러한 스택 구성의 전극 배열 순서는 첨부한 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 제1분리판(34)의 제1유로(22)는 수소통로로서 (-)극을, 제2유로(24)는 공기통로로서 (+)극을 띠고, 상기 제2분리판(36)의 제3유로(26')는 공기통로로서 (+)극을, 제4유로(28')는 (-)극을 띠게 되며, 상기 제3분리판(38)의 제1유로(22')는 수소통로로서 (-)극을, 제2유로(24')는 공기통로로서 (+)극을 띠게 된다.
즉, 하나의 분리판(100)에 (+)극과 (-)극이 공존하게 되어, 여러개의 분리판이 쌓이게 되면, 적층된 여러개 분리판의 양단끝에 위치하는 엔드플레이트(10a,10b)에는 (+) 및 (-)단자가 공존하여 형성된다.
보다 상세하게는, 상기 분리판(100)이 여러개 적층되어 그 양끝단부에 밀착 고정되는 엔드플레이트(10a,10b)에는 수소가스 유로와 연결되는 (+)단자 및 공기 유로와 연결되는 (-)단자가 동시에 형성된다.
결국, 본 발명의 분리판(100)은 한 분리판(100)에 (+)극와 (-)극이 동시에 존재하고, 그 사이에 공유 매니폴드(30)를 가짐으로써, 기존의 분리판보다 더 높은 면적의 사용률을 가질 수 있다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택을 적층 구성하는 예를 설명하는 개략도이다.
본 발명의 분리판(100)을 이용하여 구성한 연료전지 스택을 적층하는 경우, 즉 스택간의 결합시 연결 작업의 편리성을 도모 할 수 있다.
즉, 기존에 두 스택을 연결하기 위해 외부로 길게 전선을 사용하던 점에 반하여, 서로 다른 극이 하나의 분리판에 존재하고, 이 서로 다른 극과 연결되는 (+) 및 (-)단자가 엔드플레이트(10a,10b)에 동시에 존재하게 되므로, 두 개의 연료전지 스택(18)을 적층하였을 때, 바로 옆 단자와 짧은 길이의 전선(20)으로 연결만 하면 된다.
따라서, 전선의 길이가 매우 짧아지게 되어, 연결의 간편함 및 용이성을 제공하게 되고, 이러한 적층 스택을 차량에 장착할 때 장착 공간 확보에 매우 유리한 잇점을 제공할 수 있다.
결국, 본 발명의 분리판을 이용하면, 하나의 스택을 제작함을 통해서 두 개의 스택을 연결하는 효과를 얻을 수 있게 된다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차의 연료전지용 분리판 구조에 의하면, 하나의 분리판에 음극(수소가스가 흐르는 유로)와, 양극(공기가 흐르는 유로)가 동시에 형성되고, 그 사이에는 통전 방지수단이 일체로 형성된 분리판 구조를 제공함으로써, 분리판의 사용 면적을 높일 수 있고, 스택 모듈을 제작하여 연결할 때 외부 전선의 길이를 현격히 줄일 수 있다.
또한, 음극과 양극이 공존하는 분리판을 사용함으로써, 스택의 크기(길이)를 줄일 수 있고, 하나의 스택을 제작하고 양끝 단자만을 외부에서 연결함으로써, 기존의 두 개의 스택을 연결한 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 일끝단부에 매니폴드가 형성된 자동차의 연료전지용 분리판 구조에 있어서,
    일면에 아노드(anode)로써, 수소가스가 흐르는 제1유로와, 캐소드(cathode)로써 공기가 흐르는 제2유로가 이등분되어 형성되는 동시에 그 사이에는 통전 방지수단이 일체로 형성되고, 상기 제1유로의 이면에는 캐소드로써 공기가 흐르는 제3유로가 형성되며, 상기 제2유로의 이면에는 아노드로써 수소가스가 흐르는 제4유로가 형성된 것을 특징으로 하는 자동차의 연료전지용 분리판 구조.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 통전 방지 수단은 수소 또는 공기 및 냉각수 흐름을 위한 공용의 매니폴드로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 연료전지용 분리판 구조.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 분리판이 여러개 적층되어 그 양끝단부에 밀착 고정되는 엔드플레이트에는 수소가스 유로와 연결되는 (+)단자 및 공기 유로와 연결되는 (-)단자가 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 연료전지용 분리판 구조.
KR1020040055847A 2004-07-19 2004-07-19 자동차의 연료전지용 분리판 구조 KR100569421B1 (ko)

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