KR100651216B1 - Bipolar plate used in proton exchange membrane fuel cells having cooling channels - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 연료공급 유로의 부분 상세도이다.1 is a partial detailed view of a fuel supply passage of a bipolar plate according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 산화제 공급 및 냉각 역할 유로의 부분 상세도이다.2 is a partial detailed view of an oxidant supply and cooling role flow path of a bipolar plate according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 측면도이다.3 is a side view of a bipolar plate according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 매니폴드를 포함하는 단면도이다.4 is a cross-sectional view including a manifold of a bipolar plate according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
11 ---- 바이폴라 플레이트 12 ---- 중심선11 ----
13 ---- 연료공급 기체유로 14 ---- 연료공급 매니폴드13 ---- Fuel
15 ---- 산화제 공급 및 냉각공기 공급 기체유로15 ---- Oxidizer Supply and Cooling Air Supply Gas Flow
16 ---- 산화제 공급 및 냉각공기 공급 터널16 ---- oxidant supply and cooling air supply tunnel
17 ---- 기체 유로의 연결부분17 ---- Connecting part of gas flow path
본 발명은 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 연료를 공급하는 연료극 매니폴드의 입구와 출구만을 구비하고 있고, 산화제를 공급하는 공기극 유로와 냉각 매체를 공급하는 유로는 별도의 매니폴드를 구비하지 않고 외부에서 가습된 공기를 바이폴라 플레이트의 단면 방향의 터널을 통하여 직접 유입되게 함으로써 산화제 공급 역할과 냉각 역할을 동시에 수행할 수 있는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.The present invention relates to a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell including a cooling passage. More specifically, only the inlet and the outlet of the anode manifold for supplying the fuel, and the cathode channel for supplying the oxidant and the channel for supplying the cooling medium do not have a separate manifold. The present invention relates to a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell capable of simultaneously performing an oxidant supplying role and a cooling role by allowing a direct inflow through a tunnel in a cross-sectional direction of a.
연료전지는 물의 전기분해에 착안하여 그 반대 원리를 적용한 것으로 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 직접 전기에너지를 생성하는 일종의 발전 장치로서 순수 수소뿐 아니라 메탄올, 천연 가스 등 수소를 포함한 다양한 연료를 사용할 수 있는 유용한 장치이다. The fuel cell is based on the electrolysis of water and applies the opposite principle. It is a kind of power generation device that directly generates electric energy by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. It can use various fuels including hydrogen such as methanol and natural gas as well as pure hydrogen. It is a useful device that can.
그리고 연료전지는 수소를 연료로 사용하기 때문에 NOx나 SOx와 같은 유해가스의 배출이 거의 없어서 환경문제를 해결 할 수 있는 동시에 기존의 에너지 변환 방식에 비하여 높은 에너지 효율을 얻을 수 있으며, 분산용 현지 설치용 발전 시스템, 무공해 차량의 동력원, 이동용 전원 등 용도에 따라 다양한 크기와 용량으로 제작될 수 있기 때문에 대체 청정 에너지원으로 주목 받고 있는 차세대 에너지 발전장치이다.In addition, since fuel cells use hydrogen as fuel, there are almost no emissions of harmful gases such as NO x and SO x , which can solve environmental problems and at the same time obtain high energy efficiency compared to conventional energy conversion methods. It is a next generation energy generator that is attracting attention as an alternative clean energy source because it can be manufactured in various sizes and capacities according to the use such as power generation system for local installation, power source of pollution-free vehicle, and power source for mobile.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 인산 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 그리고 고체산화물 연료전지(SOFC) 등과 고분자 전해질 연료전지와 원리는 같으나 메탄올을 직접 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)가 있다. The fuel cell is composed of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a phosphate fuel cell (PAFC), an alkaline fuel cell (AFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), and a solid oxide fuel cell (SOFC). There is a direct methanol fuel cell (DMFC) using the same principle as an electrolyte fuel cell but using methanol directly.
그 중 고분자 전해질 연료전지는 액체가 아닌 수소 이온 교환 특성을 갖는 고체 고분자막을 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식과 증발의 위험이 없고, 다른 종류의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮기 때문에 구조가 간단하고 빠른 시동과 응답특성을 가지며, 우수한 내구성을 지니고 있는 동시에 전류 밀도 및 출력 밀도가 높고 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 자동차 동력원, 분산용 전원, 이동용 전원 등 다양한 분야에 응용이 가능하여 가장 활발히 연구되고 있다. 고분자 전해질 연료전지로 전기를 생산할 수 있는 기본 구성은 단위전지이고, 단위전지를 구성하는 핵심요소에는 분리판, 막 전극 접합체, 기체확산층 등이 있다.Among them, the polymer electrolyte fuel cell uses a solid polymer membrane having a hydrogen ion exchange characteristic instead of a liquid as an electrolyte, so there is no risk of corrosion and evaporation by the electrolyte, and the structure is simple because the operating temperature is lower than that of other fuel cells. It has high durability, high current density, high output density, and can use various fuels. It can be applied to various fields such as automotive power source, distributed power source and mobile power source. have. The basic configuration for producing electricity from a polymer electrolyte fuel cell is a unit cell, and the core elements of the unit cell include a separator, a membrane electrode assembly, and a gas diffusion layer.
일반적으로 단위전지로는 전압이 매우 낮아서 원하는 출력을 얻을 수 없기 때문에 용도에 맞게 원하는 출력을 얻기 위해서 여러 개의 단위전지를 직렬로 연결하는데 이것을 스택이라고 하며, 셀을 연결시키는 대표적인 방법은 산화제 공급 분리판의 한쪽에 다른 셀의 연료 공급 분리판을 연결시키는 바이폴라 플레이트이다. In general, the unit cell is so low in voltage that the desired output cannot be obtained. Therefore, in order to obtain the desired output according to the purpose, several unit cells are connected in series. This is called a stack. It is a bipolar plate that connects the fuel supply separator of the other cell to one side of the.
본 발명은 연료전지 스택의 구성 요소들 중 분리판에 관한 것으로서, 막 전극 접합체의 양쪽에 붙어 있으면서 연료인 수소와 산화제인 산소의 공급, 전자의 이동 통로, 생성된 수분의 배출 통로, 막 전극 접합체의 지지체 등의 역할을 하며, 분리판은 강도가 충분함과 동시에 가볍고 얇아야 하고, 내부식성, 내화학성, 낮은 기체투과도, 높은 전기전도도 등의 특성을 갖추어야 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a separator plate of components of a fuel cell stack, which is attached to both sides of a membrane electrode assembly and supplies hydrogen as fuel and oxygen as an oxidant, an electron transfer passage, a discharge passage of generated water, and a membrane electrode assembly. The separator should be light and thin at the same time with sufficient strength, and have characteristics such as corrosion resistance, chemical resistance, low gas permeability, and high electrical conductivity.
종래의 분리판에는 연료 공급 분리판과 산화제 공급 분리판이 있고, 각각 연료 공급 유로와 산화제 공급 유로가 형성되어 있으며, 연료 공급 분리판의 이면 또는 산화제 공급 분리판의 이면 또는 모든 분리판의 이면에는 냉각수 공급 유로가 형성되어 있다. The conventional separator has a fuel supply separator and an oxidant supply separator, and a fuel supply passage and an oxidant supply passage are formed, respectively, and a cooling water is provided on the back side of the fuel supply separator or on the back side of the oxidant feed separator or on all the separator plates. A supply flow path is formed.
따라서, 종래의 분리판으로 연료 전지 스택을 제작하기 위해서는 서로 다른 두 장의 분리판이 필요하였고, 이것은 스택 제작 시 분리판이 약간씩 어긋나는 경우가 발생하기 때문에 밀봉 문제 및 벤딩에 의한 크랙이 발생하며, 스택의 부피를 감소시키기 위해서 분리판의 두께를 줄일 경우에는 강도가 약해지는 문제점 등이 발생하게 되며, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 두 장의 분리판을 접착하여 하나의 분리판으로 만드는 연구도 진행되고 있다. Therefore, in order to fabricate a fuel cell stack with a conventional separator plate, two different separator plates were required, which causes a slight shift of the separator plate during manufacture of the stack, causing a sealing problem and cracking due to bending. When the thickness of the separator is reduced to reduce the volume, problems such as weakening of the strength occur. In order to solve the problem, studies are also being made to bond two sheets to form a separator. .
또한, 종래의 분리판은 주로 기계 가공이 용이하고 물성이 좋은 흑연을 많이 사용하지만 가공 비용이 많이 들고 가공 시간도 오래 걸리기 때문에 제조비용이 높아지는 단점이 있으며 최근에는 성형을 이용하여 분리판을 제조함으로써 시간과 비용을 줄이는 연구가 진행되고 있다.In addition, the conventional separation plate is mainly used for easy machining and graphite having good physical properties, but the manufacturing cost is high because the processing cost is high and the processing time is long, and recently, by manufacturing the separation plate using molding Research is underway to reduce time and costs.
이에 본 발명은 종래와 같이 두 장의 분리판을 이용하여 스택을 제조할 때의 단점인 밀봉 및 벤딩, 강도 감소 등의 문제점을 해결하고, 연료공급 분리판과 산화제 공급 분리판의 제조를 위하여 두 조의 금형을 제작해야 하는 문제를 해결하기 위한 것으로 사출성형에 의하여 한 장의 바이폴라 플레이트로 연료 공급, 산화제 공급, 냉각 역할을 하도록 하고, 또 성형 시 한 조의 금형만을 제작함으로써 제조 비용을 낮추고 생산성도 향상시킬 수 있는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. Accordingly, the present invention solves the problems of sealing and bending, strength reduction, etc., which are disadvantages when manufacturing a stack using two sheets of separators as in the prior art, and has two sets for manufacturing fuel supply separators and oxidant feed separators. It is to solve the problem of mold making, and it is possible to supply fuel, oxidant, and cooling to a single bipolar plate by injection molding, and to reduce manufacturing cost and improve productivity by making only one set of molds during molding. The purpose is to provide a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell.
본 발명의 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트는 한쪽 면에는 중심선을 기준으로 좌우 대칭으로 다수개의 U자형의 연료공급을 위한 기체유로와 연료극 매니폴드의 입구와 출구를 구비하고 있으며, 반대쪽 면에는 별도의 매니폴드를 포함하지 않으면서 직선형태의 산화제 공급 및 냉각공기공급을 위한 기체유로가 형성되어 있고, 단면 방향으로 산화제 공급과 냉각 역할을 동시에 수행할 수 있는 다수개의 터널이 형성되어 있어 이를 통하여 가습된 공기가 직접 유입되어 산화제 공급과 냉각 역할을 동시에 수행하도록 된 것을 특징으로 한다. The bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell including the cooling channel of the present invention has a gas channel for supplying a plurality of U-shaped fuels and a manifold inlet and an outlet of an anode manifold on one side thereof. The surface has a gas channel for supplying oxidant and cooling air in a straight shape without including a manifold, and a plurality of tunnels are formed to simultaneously perform oxidant supply and cooling in the cross-sectional direction. Through this, the humidified air is directly introduced, characterized in that to perform the role of oxidant supply and cooling at the same time.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 통하여 다음과 같이 자세히 설명한다.Preferred embodiments of the present invention through the accompanying drawings will be described in detail as follows.
첨부 도면 중 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 부분 상세도로서, 도 1에 도시된 바이폴라 플레이트(11)는 그의 중심선(12)을 기준으로 좌우 대칭인 다수개의 U자 형태의 연료공급 기체유로(13)가 형성되어 있고, 입구와 출구를 구성하는 연료공급 매니폴드(14)로 이루어져 있다.1 is a partial detailed view of a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell including a cooling channel according to an embodiment of the present invention, the
상기 바이폴라 플레이트(11)의 연료 공급 매니폴드(14)는 기체의 유동 방향에 따라 입구와 출구의 위치가 서로 바뀔 수 있으며, 연료공급 기체유로(13)는 연 료전지 스택의 용량에 따라 단일 유로 또는 다수개의 유로를 형성할 수 있다.In the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지 바이폴라 플레이트의 다른 한 면의 부분 상세도로서, 도 2에 도시된 바이폴라 플레이트(11)의 횡 방향으로 별도의 매니폴드를 포함하지 않는 직선형태의 유로가 형성되어져 있다. 이 유로는 산화제 공급 및 냉각공기 공급 기체유로(15)이다. FIG. 2 is a partial detailed view of the other side of the polymer electrolyte fuel cell bipolar plate including the cooling channel according to the embodiment of the present invention, and a separate manifold in the transverse direction of the
첨부 도면에서 도 3은 상기 바이폴라 플레이트(11)의 측면도로서, 단면 방향으로 산화제 공급과 냉각 역할을 동시에 수행할 수 있는 다수개의 산화제 공급 및 냉각공기 공급 터널(16)이 형성되어 있다.In the accompanying drawings, FIG. 3 is a side view of the
도 4는 상기 연료공급 매니폴드(14)를 포함하는 상기 바이폴라 플레이트(11)의 단면도로서, 연료공급 매니폴드(14)에서 연료공급 기체유로(13)를 연결하는 부분(17)의 유동의 흐름을 좋게 하기 위하여 약간의 각도, 예를 들면 약 1 내지 3도정도 경사져 있다. 4 is a cross-sectional view of the
다음에서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 바이폴라 플레이트(11)에 대한 사출성형에 의한 성형방법을 설명하기로 한다. Next, a molding method by injection molding of the
본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(11)는 레진과 흑연분말을 혼합하여 원료를 제조한 후 사출 성형기를 이용하여 바이폴라 플레이트를 제조하였고, 바이폴라 플레이트(11)의 전체 크기는 85.4mm X 120.2mm이고, 연료공급 기체유로(13)의 크기는 61.4mm X 82.2mm이며, 폭과 깊이는 각각 1.6mm, 0.8mm, 리브의 폭은 1mm이다. In the
그리고 산화제 및 냉각공기 공급 기체유로(15)의 폭과 깊이는 각각 3mm, 2mm이고, 리브의 폭은 1.4mm이며, 도 3에서 산화제 공급 및 냉각공기 공급 터널 (16) 의 폭은 1.2mm이다.The width and depth of the oxidant and cooling air
전술한 바와 같이, 본 발명에서 제시한 방법으로 제작한 바이폴라 플레이트로 제조한 연료전지 스택은 종래의 연료전지 스택과 비교하여 밀봉에 더 유리하고, 체결에 의한 벤딩을 감소시키고, 강도를 유지할 수 있으며, 무게가 가볍고, 부피가 더 작으며, 시간과 비용을 감소시킴으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.As described above, a fuel cell stack made of a bipolar plate manufactured by the method proposed by the present invention is more advantageous for sealing compared to a conventional fuel cell stack, and can reduce bending by fastening and maintain strength. It is lighter in weight, smaller in volume, and can increase productivity by reducing time and cost.
본 발명에 의해 제조된 연료전지 바이폴라 플레이트은 종래의 두 장의 분리판으로 구성된 셀을 연결하여 연료전지 스택을 제작하는 것과 비교하여, 단일 바이폴라 플레이트로 셀을 구성하기 때문에 금형을 제작하는 비용과 바이폴라 플레이트를 성형하는 시간 등을 줄일 수 있고, 그로 인해 생산성도 크게 향상시킬 수 있다.The fuel cell bipolar plate manufactured according to the present invention has a cost of producing a mold and a bipolar plate because the cell is composed of a single bipolar plate, as compared with a conventional fuel cell stack. The molding time and the like can be reduced, whereby the productivity can be greatly improved.
기체의 출입을 담당하는 종래의 매니폴드는 연료, 산화제, 냉각수 등 각각의 입·출구가 필요하여 분리판의 면적이 넓어야 했고, 두 장의 분리판으로 셀을 구성하기 때문에 두께 또한 줄일 수 없는 한계가 있었다. Conventional manifolds that take in and out of gas require separate inlets and outlets, such as fuel, oxidant, and cooling water, and the area of the separator should be large. there was.
본 발명에 의해 제조된 연료전지 바이폴라 플레이트을 적용하면 종래에 사용한 형태의 분리판과 동일한 기체 유로 면적과 비교하여 연료 공급 매니폴드만을 구비함으로써 분리판의 전체 면적은 약 18%를 감소시킬 수 있고, 두 장의 분리판으로 셀을 구성할 때의 분리판의 두께에 대하여 각 셀 당 약 26%의 두께를 감소시킴으로써 전제적으로 약 39%의 부피를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.The application of the fuel cell bipolar plate produced by the present invention provides only a fuel supply manifold compared to the same gas flow passage area as that of the separator of the conventional type, thereby reducing the total area of the separator by about 18%. By reducing the thickness of the separator about 26% with respect to the thickness of the separator when the cell is composed of the enteric separator, it is possible to reduce the volume of about 39%.
따라서, 연료전지 스택을 제작할 때 부피를 줄일 수 있으므로 공간의 효율성이 향상되어 생산성 향상이 기대된다.Therefore, since the volume can be reduced when manufacturing the fuel cell stack, the space efficiency is improved and productivity is expected to be improved.
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