KR100625698B1 - 연료전지의 분리판 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명 연료전지의 분리판 구조는 막-전극 접합체의 양측에 분리판(310)이 밀착결합된 연료전지에 있어서, 상기 분리판(310)은 몸체부의 내측면 일정영역이 요입되도록 확산홈부(340)가 형성되고, 그 확산홈부(340)의 내측에 확산홈부(340)로 유입되는 가스를 안내하기 위한 수개의 안내가이드(350)가 형성되어서, 발전이 시작되어 확산홈부(340)로 가스가 유입이 되면 가스가 촉매층(200)의 전면에 일시에 확산되며 전기화학적인 반응이 일어나므로, 종래에 연료전지의 제작시 필수적으로 사용되던 확산판(8)의 배제할 수 있게 되어, 부품의 절감 및 장비전체의 소형화가 가능하다.

Description

연료전지의 분리판 구조{SEPARATOR STRUCTURE FOR FUEL CELL}

도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 개략구성도.

도 2은 종래 연료전지의 단위셀 구조를 보인 단면도.

도 3은 종래 분리판을 보인 사시도.

도 4는 본 발명의 분리판 구조를 갖는 연료전지를 보인 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 분리판을 보인 사시도.

도 6은 본 발명에서 가스가 확산되는 상태를 보인 평면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

300 : 분리판 310 : 몸체부

340 : 확산홈부 350 : 안내가이드

360 : 차단가이드

본 발명은 연료전지의 분리판 구조에 관한 것으로, 특히 분리판의 가스유입공을 통하여 유입되는 연료가 일시에 촉매층의 전면에 확산되도록 함으로써 연료를 확산시키기 위한 별도의 부품을 배제할 수 있도록 하는데 적합한 연료전지의 분리판 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 통상 발전이 이루어지는 스택(1)의 일측에 연료가스공급라인(2)과 공기공급라인(3)이 각각 연결되어 있고, 하측에는 반응하고난 후의 배출가스가 배출이되는 배출라인(4)이 구비되어 있다.

그리고, 상기 스택(1)은 통상적으로 단위 셀(SINGLE CELL)(5)이 적층된 것으로, 도 2를 참고로 단일셀(5) 구조를 간단히 설명하면 고분자 전해질 막(6)의 양측에 각각 촉매층(7)과 확산판(8)이 접합되어 양극과 음극이 되는 막-전극 접합체(MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY, MEA)(9)를 이루도록 되어 있고, 그 막-전극 접합체(9)의 양측에 각각 내측면에 가스유로홈(10a)이 형성된 분리판(SEPARATOR)(10)이 밀착결합되어 있으며, 그 분리판(10)의 양측에는 양극과 음극의 집전극이 되는 집전판(11)이 밀착되도록 결합되어 있다.

상기 분리판(10)은 도 3에 도시된 바와 같이 몸체부의 내측에 형성되는 가스 유로 홈(10a)은 일정깊이의 대략 지그재그 형상으로 형성되어 있고, 그 가스유로홈(10a)의 일단부는 반응가스가 유입이 되는 가스유입공(10b)에 연결되어 있으며, 타단부는 반응하고난 후의 가스가 배출되는 가스배출공(10c)에 연결되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 발전이 시작되면 연료가스공급라인(2)과 공기공급라인(3) 상에 설치된 밸브를 열어서 가스유로홈(10a)의 내측으로 연료와 공기가 공급되도록 한다.

그리고, 상기와 같이 유입되는 연료는 양극의 가스 유로홈(10a)을 따라 흐르며 확산판(8)에 의하여 촉매층(7)의 전면에 확산이되고, 그와 같이 확산된 연료(수소가스)에 의하여 양극에서는 전기화학적인 산화가 발생이되며, 음극의 가스 유로홈(10a)을 따라 흐르는 공기도 역시 확산판(8)에 의하여 촉매층(7)의 전면에 확산이 되어 전기화학적인 환원이 발생되어 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기적인 에너지가 발생되고, 이와 같이 발생되는 전기를 집전판(11)에서 집전하여 부하를 구동하는 전원으로 사용하게 된다.

이와 같은 연료전지에 공급되는 연료는 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기(미도시)에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 가스형태로 사용되거나 액체 상태의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; DIRECT METHANOL FUEL CELL)방식으로 사용되어진다.

그리고, 상기와 같이 발전이 이루어지는 연료전지는 발생되는 전기에너지와 열에너지가 각각 40%에 달하므로, 전체적인 효율이 상당히 높은 특징을 가진다.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지는 양극과 음극에 연료가스와 공기를 촉매층(7)에 확산시키기 위해서는 확산판(8)이 반드시 구비되어야 하고, 이러한 확산판(8)은 여러개의 단위셀(5)을 적층하여 스택(1)을 구성하는 경우에는 더욱 많은 수량이 필요하게 되므로 부품수량의 절감에 따른 원가절감에 한계가 있는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 분리판의 가스유입공을 통하여 유입되는 반응가스가 촉매층의 전면에 즉시 확산되도록 하여 반응가스를 촉매층에 확산시키기 위한 확산판의 사용을 배제하는데 따른 단순화 및 소형화가 이루어지도록 하는데 적합한 연료전지의 분리판 구조를 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 막-전극 접합체의 양측에 분리판이 결합되어 있고, 그 분리판의 외측에 집전판이 밀착결합되어 있는 연료전지에 있어서, 상기 분리판은 몸체부의 내측에는 반응가스가 전면 걸쳐 일시에 유입되도록 일정깊이의 확산홈부가 일정영역에 형성이되고, 그 확산홈부의 내측으로 유입되는 반응가스를 골고루 흐르도록 안내하는 수개의 안내 가이드들이 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판 구조가 제공된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 연료전지의 분리판 구조를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명한다. 그리고 종래와 동일한 부분에 대하여 은 동일부호를 부여하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 분리판 구조를 갖는 연료전지를 보인 단면도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명의 분리판 구조를 갖는 연료전지는 전해질 막(100)의 양측에 양극과 음극이 되는 일정두께의 촉매층(200)이 접착되어 있고, 그 촉매층(200)의 외측에는 각각 반응가스의 유로를 형성하는 분리판(300)이 결합되어 있고, 그 분리판(300)의 외측에는 양극과 음극의 집전극이 되는 집전판(400)이 밀착결합되어 있다.

상기 전해질 막(100)은 고분자 재료, 예를 들면 불소계수지에 의해 형성된 이온교환막이고, 습윤상태에서 양호한 전기전도성을 나타낸다.

상기 촉매층(200)은 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 백금(Pt)를 일정 두께로 코팅한 것으로, 높은 전기화학적 반응활성을 갖는 특징이 있으며, 이러한 촉매층은 접촉저항 및 물질전달저항을 최소화할 수 있도록 가능하면 얇고 균일하게 형성하는 것이 바람직하다.

상기 분리판(300)은 도 5에 도시된 바와 같이, 그라파이트 재질의 판체인 몸체부(310)의 대각선 방향에 각각 가스유입공(320)과 가스배출공(330)이 형성되어 있고, 상기 몸체부(310)의 내측에 일정영역이 요입되도록 확산홈부(340)가 형성되어 일측은 가스유입공(320)에 유입 채널(321)로 연결됨과 아울러 타측은 유출 채널(331)로 연결되어 있으며, 그 확산홈부(340)의 내부 양측에는 반응가스의 입,출이 안내되도록 각각 한쌍의 안내 가이드(350)가 형성됨과 아울러 중앙에는 그 안내가이드(350)에 의하여 안내되는 가스가 가스배출공(330)으로 급속하게 빠져나가 지 않도록 단하기 위한 차단 가이드(360)가 대각선 방향으로 형성되어 있어서, 가스유입공(320)으로 유입된 반응가스가 안내가이드(350)와 차단 가이드(360)에 의하여 일시에 유입 및 확산되도록 되어 있다.

상기와 같이 구성되는 연료전지는 발전이 시작되면 연료공급라인(2)을 통하여 내부로 유입된 연료가스가 양극의 가스유입공(320)으로 공급이 되고, 공기공급라인(3)을 통하여 유입된 공기가 음극의 가스유입공(320)으로 공급이 되어 각각 유입채널(321)을 통하여 확산홈부(340)의 내측으로 유입이 된다.

그리고, 상기와 같이 가스유입공(320)으로 유입된 연료가스와 공기는 도 6에 화살표로 표시한 것과 같이 확산홈부(340)로 유입시에는 가스 유입공(320)측의 안내 가이드(350)들에 의하여 가이드되며 일시에 전영역에 확산이 되고, 배출시에는 가스 배출공(330)측의 안내 가이드(350)들에 의하여 가이드되며 가스배출공(330)으로 배출되어지며, 중앙부에 형성된 차단가이드(360)에 의하여 확산홈부(340)로 유입된 가스가 가스배출공(330)으로 급속히 빠져나가는 것이 저지되므로 연료가스나 공기가 일시에 확산이 이루어짐과 아울러 충분한 확산이 진행된다.

그리고, 상기와 같이 확산홈부(340)에 확산되는 가스와 공기는 양측의 촉매층(200)에서는 산화반응이 진행되고, 음극의 촉매층(200)에서는 환원반응이 진행되며 이러한 전기화학적인 반응에 의하여 생성되는 전자의 이동으로 전기에너지가 발생되며, 이러한 전기에너지는 집전판(400)에서 집전하여 조명기기 및 전기기기를 구동하는데 사용하게 된다.

참고로, 각 전극에서의 반응식과 총반응식은 다음과 같다.

양극(ANODE): H₂(g) → 2H⁺ + 2e^-

음극(CATHODE): 1/2O₂(g) + 2H⁺ + 2e^_ → H₂O

총반응식 : H₂ + 1/2O₂ → H₂O

즉, 상기와 같이 양극과 음극에서의 전기화학적인 산화, 환원반응이 활발하게 진행되기 위해서는 양극과 음극이 되는 촉매층(200)에 가스를 빠르게 확산시킬 수 있도록 분리판(300)을 설계하는 것이 무엇 보다도 중요하며, 이러한 점을 고려할때 본 발명에서는 빠른 확산을 위해 종래에 필수적으로 사용하던 확산판(8)을 배제하고도 발전이 시작되면 일시에 전극의 전면에 가스를 확산시키게 되므로 부품의 절감 및 장치의 소형화가 가능하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지의 분리판 구조는 막-전극 접합체의 양측에 분리판이 결합되어 있고, 그 분리판의 외측에 집전판이 밀착결합되어 있는 연료전지에 있어서, 상기 분리판은 몸체부의 내측에는 반응가스가 전면 걸쳐 일시에 유입되도록 일정깊이의 확산홈부가 일정영역에 형성이되고, 그 확산홈부의 내측으로 유입되는 반응가스가 확산홈부의 내측에 균일하게 흐르도록 안내하는 수개의 안내 가이드들이 형성되어, 연료전지의 발전이 시작되면 확산홈부로 유입되는 반응가스들이 촉매층의 전면에 일시에 확산되므로, 종래와 같이 반응가스를 촉매층에 확산시키기 위한 확산판의 사용을 배제하게 되어 전체 크기를 소 형화시킬 수 있을뿐 아니라, 부품의 절감에 따른 원가절감의 효과가 있다.

Claims (2)

1. 막-전극 접합체의 양측에 분리판이 결합되어 있고, 그 분리판의 외측에 집전판이 밀착결합되어 있는 연료전지에 있어서, 상기 분리판은 몸체부의 내측에 반응가스가 전면 걸쳐 일시에 유입되도록 일정깊이의 확산홈부가 일정영역에 형성이되고, 그 확산홈부의 내측으로 유입되는 반응가스를 골고루 흐르도록 안내하는 수개의 안내 가이드들이 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판 구조.
2. 제 1항에 있어서, 상기 확산홈부의 내부에 유입되는 가스가 급속히 배출되는 것을 저지하기 위한 차단 가이드가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판 구조.

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