KR100766154B1 - Seperator of a fuel cell - Google Patents

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KR100766154B1
KR100766154B1 KR1020060093142A KR20060093142A KR100766154B1 KR 100766154 B1 KR100766154 B1 KR 100766154B1 KR 1020060093142 A KR1020060093142 A KR 1020060093142A KR 20060093142 A KR20060093142 A KR 20060093142A KR 100766154 B1 KR100766154 B1 KR 100766154B1
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fuel cell
fuel
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조형희
이동호
편원형
이상훈
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현대자동차주식회사
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Abstract

A separator of a fuel cell is provided to secure a space that enables reaction fluid to flow without clogging channels in various operation conditions, promote the diffusion of the fluid into a catalytic layer, and discharge excessive water generated from a cathode effectively. A separator(10) of a fuel cell which supports a membrane-electrode assembly has fluid inlets(26) at one end, fluid outlets(27) at the other end, and main channels(20) as extended grooves, which are formed on the surface of the separator. At least one inner channel(30) is formed along the main channel. The inner channel has a width narrower than that of the main channel and gets in contact with the main channel with the surface open.

Description

연료전지의 분리판{SEPERATOR OF A FUEL CELL}Separator of fuel cell {SEPERATOR OF A FUEL CELL}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판을 도시한 도면.1 is a view showing a fuel cell separator according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 분리판을 도시한 도면.2 illustrates a fuel cell separator according to another embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 분리판을 도시한 도면.3 illustrates a fuel cell separator according to another embodiment of the present invention.

도 4 는 시험시편을 사용한 본 발명에 따른 연료전지 분리판을 작용을 설명하기 위한 도면.4 is a view for explaining the operation of the fuel cell separator according to the present invention using the test specimen.

도 5 는 본 발명에 따른 연료전지 분리판을 도시한 도면.5 is a view showing a fuel cell separator according to the present invention;

도 6a 및 도 6b 는 도 5 에 도시된 연료전지 분리판을 사용한 연료전지에서 기준 유량 공급시의 연료전지 성능을 나타낸 그래프.6A and 6B are graphs showing fuel cell performance at reference flow rate supply in a fuel cell using the fuel cell separator shown in FIG. 5;

도 7a 및 도 7b 는 도 5 에 도시된 연료전지 분리판을 사용한 연료전지에서 기준 유량의 1.5배 공급시의 연료전지 성능을 나타낸 그래프.7A and 7B are graphs showing fuel cell performance at 1.5 times the reference flow rate in a fuel cell using the fuel cell separator shown in FIG. 5;

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>

10: 분리판 20: 주유로10: separator plate 20: gas passage

30,40,50: 내부 유로30,40,50: internal euro

본 발명은 연료전지 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 주유로를 따라 액적이 신속하게 이동, 배출될 수 있도록 내부 유로를 형성시킨 연료전지 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell separation plate, and more particularly, to a fuel cell separation plate in which an internal flow path is formed so that droplets can be quickly moved and discharged along a gas passage.

연료전지는 외부의 연료와 산화제를 연속적으로 공급하고, 그 전기화학반응에 의한 자유에너지 변화로부터 전기에너지를 얻는 장치로서, 전해질의 종류에 따라 600℃ 이상의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells) 및 고체산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells)와, 200℃ 이하의 비교적 저온에서 작동하는 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells), 고분자 전해질형 연료전지(PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell) 등으로 분류된다. A fuel cell is a device that continuously supplies external fuel and an oxidant and obtains electrical energy from a change in free energy due to the electrochemical reaction. A molten carbonate fuel cell (MCFC) operating at a high temperature of 600 ° C. or higher depending on the type of electrolyte is used. , Molten Carbonate Fuel Cells (SOFC) and Solid Oxide Fuel Cells (SOFC), Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) that operate at relatively low temperatures below 200 ° C, and Polymer Electrolyte Fuel Cells ( PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell).

연료전지에서 전기 화학 반응은 두개의 반응, 즉 산화전극(anode)에서의 산화반응과 환원전극(cathode)에서의 환원반응으로 구성된다. 두 전극은 산화 및 환원반응을 촉진시키기 위하여 백금 혹은 백금과 루테늄 금속을 사용한 촉매층을 형성한다. 백금촉매의 사용량을 줄이고 이용률을 높이기 위하여 미세한 카본입자를 촉매 지지체로 사용한다. 반응의 결과 최종 부산물은 전기, 열 및 물이다. 열을 제거하기 위해 냉각과정을 필요로 할 수 있으며, 환원전극(cathode)에서 생성되는 물은 물 및 수증기의 형태인데 일반적으로 환원전극(cathode)쪽으로 환원가스(산소 혹은 공기)를 강하게 흘려서 제거한다.In a fuel cell, an electrochemical reaction consists of two reactions: an oxidation reaction at an anode and a reduction reaction at a cathode. Both electrodes form a catalyst layer using platinum or platinum and ruthenium metal to promote oxidation and reduction. In order to reduce the amount of platinum catalyst used and increase the utilization rate, fine carbon particles are used as the catalyst support. The final byproducts of the reaction are electricity, heat and water. Cooling process may be required to remove heat, and the water generated from the cathode is in the form of water and steam, and is generally removed by strongly flowing reducing gas (oxygen or air) toward the cathode. .

스택의 기본을 이루는 단위전지는 고분자전해질 막에 의하여 분리된 산화전극(anode)과 환원전극(cathode)의 두 전극으로 구성되었고, 이러한 고분자전해질 막 외면의 산화전극 및 환원전극은 열간압착(hot press)에 의하여 막전극접합체(MEA)를 구성하게 되고, 상기의 막전극접합체는 연료인 수소(직접메탄올 연료전지인 경우는 메탄올)와 환원가스인 산소 혹은 공기를 공급하여 주고 산화환원반응에 의하여 생성되는 물을 배출시켜줄 수 있는 유로가 형성된 분리판에 의하여 지지되고 있다. 상기 분리판의 유로를 통하여 공급 또는 배출되는 기체 또는 액체가 유출되지 아니하도록 가스켓을 구비한다. 이러한 막전극접합체(MEA), 분리판 및 가스켓으로 구성된 단위전지는 요구되는 출력을 얻기 위해 직렬로 적층되며 이들을 고정하는 수단으로 양끝에 엔드 플레이트로 고정하여 스택이 구성된다. The unit cell that forms the basis of the stack consists of two electrodes, an anode and a cathode, separated by a polymer electrolyte membrane. The anode and the cathode on the outer surface of the polymer electrolyte membrane are hot pressed. Membrane electrode assembly (MEA), and the membrane electrode assembly supplies hydrogen (fuel, methanol in the case of a direct methanol fuel cell) and oxygen or air, a reducing gas, and is produced by a redox reaction. It is supported by a separator plate formed with a flow path for discharging the water. A gasket is provided to prevent gas or liquid from being supplied or discharged through the flow path of the separation plate. Unit cells composed of such a membrane electrode assembly (MEA), a separator and a gasket are stacked in series to obtain a desired output, and a stack is formed by fixing them with end plates at both ends as a means for fixing them.

분리판은 전지 내에 연료(수소,메탄올)와 환원가스(산소,공기)가 서로 섞이지 않도록 하고 두 전극을 전기적으로 연결하는 역할과 함께 적층된 단위 전지들의 기계적인 지지체 기능을 수행하며, 표면에 형성된 유로를 통해 연료가스(수소, 메탄올) 및 환원가스(산소,공기)가 전극에 균일하게(uniform) 흘러가도록 하고 적절한 수분 관리를 통해 막이 건조되지 않도록 하는 기능을 수행한다. 고분자전해질 연료전지 운전시, 충분히 가습된 연료 및 환원가스(산소, 공기)를 공급하는 것이 중요하다. The separator serves to prevent the fuel (hydrogen, methanol) and the reducing gas (oxygen, air) from mixing in the cells, and to electrically connect the two electrodes, and serves as a mechanical support for the stacked unit cells. Through the flow path, the fuel gas (hydrogen, methanol) and reducing gas (oxygen, air) flows uniformly to the electrode (uniform) and performs a function to prevent the membrane from drying through proper moisture management. When operating a polymer electrolyte fuel cell, it is important to supply sufficiently humidified fuel and reducing gas (oxygen, air).

산화환원반응을 통해 발생한 수소이온이 고분자전해질 막을 통해 이동하려면 적절한 수분에 의해 고분자전해질 막이 수화(hydrated)되어야 한다. 수화된 고분자전해질 막을 통하여 이온이 이동하며, 외부 회로를 통한 전자의 흐름이 전력으로서 이용된다. In order for the hydrogen ions generated through the redox reaction to move through the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane must be hydrated by appropriate moisture. Ions move through the hydrated polymer electrolyte membrane, and the flow of electrons through an external circuit is used as power.

고분자전해질 막의 이온 전도도는 일정범위까지는 물의 함량에 비례하게 되 는 데, 물이 부족한 경우에는 막의 이온 전도도가 감소하게 되어 연료전지의 성능을 감소시키게 된다. The ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane is proportional to the water content up to a certain range. When the water is insufficient, the ionic conductivity of the membrane is reduced, thereby reducing the performance of the fuel cell.

그러나 물이 너무 많이 공급되면 반응 3상계면을 형성하는 작은 기공들을 막아서(flooding) 전극 반응 면적을 감소시켜 또 다른 연료전지 성능저하 원인을 제공한다. However, when too much water is supplied, the small pores that form the reaction three-phase interface can be reduced, reducing the electrode reaction area, providing another cause of fuel cell degradation.

고분자전해질 막을 사용하는 연료전지 내부의 물 이동 메카니즘(mechanism)은 다음의 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 수소이온이 산화전극(anode)에서 환원전극(cathode)으로 고분자 전해질막을 통과하면서 수 개의 물분자와 함께 이동하는 전기삼투(electro osmotic drag)현상이 일어난다. 그리고 환원전극(cathode)에서 발생하는 물이 전해질막 양단의 농도구배에 의해 산화전극(anode)으로 이동하는 역확산(back diffusion)이 발생한다. 또한 산화전극(anode) 혹은 환원전극(cathode)에 존재하는 물이 대류와 확산에 의해 연료 혹은 환원가스 흐름 속으로 전달되는 현상이 일어난다. 전기삼투에 의한 물의 이동은 전류밀도가 높아질수록 증가하며, 환원전극(cathode)에서의 역확산은 전류밀도와는 무관하게 막의 두께에 반비례한다. 연료 혹은 환원가스에 의한 물의 이송은 공급되는 연료 혹은 환원가스의 압력, 온도, 가습량 등의 함수이다.The water transport mechanism inside the fuel cell using the polymer electrolyte membrane is known to be affected by the following. In general, an electroosmotic drag phenomenon occurs in which hydrogen ions move together with several water molecules while passing through a polymer electrolyte membrane from an anode to a cathode. In addition, back diffusion occurs in which water generated from the cathode moves to the anode by the concentration gradient across the electrolyte membrane. In addition, water present in the anode or cathode is transferred to the fuel or reducing gas stream by convection and diffusion. The movement of water by electroosmosis increases with increasing current density, and the back diffusion at the cathode is inversely proportional to the thickness of the film regardless of the current density. The transport of water by fuel or reducing gas is a function of the pressure, temperature, humidification amount, etc. of the fuel or reducing gas supplied.

고분자전해질 막에서 산화환원반응에 의해 환원전극(cathode) 쪽에서 생성되는 물은 채널 입구부근에서는 수증기의 형태로 존재하다가 채널의 길이방향을 따라 반응이 진행되면서 점차로 물의 생성이 누적되어 공기의 포화수증기압이상이 되면 수증기와 물이 동시에 존재하는 2상(two phase)유동을 형성하게 된다. 2상 유동 영 역에서는 생성된 물방울이 전극을 구성하는 다공성 탄소소재의 기체확산층의 기공을 막게 되어 공기가 전극으로 원활하게 흐르는 것을 방해하게 되며 그 정도가 심한 경우에는 산소나 공기의 흐름을 막아(flooding 현상) 전극의 활성면적을 감소시키게 된다.In the polymer electrolyte membrane, the water generated at the cathode side by the redox reaction exists in the form of water vapor near the channel inlet, and as the reaction proceeds along the length of the channel, water is gradually accumulated, resulting in an excess of saturated steam pressure of air. This results in a two-phase flow where water vapor and water coexist. In the two-phase flow zone, the generated water droplets block the pores of the gas diffusion layer of the porous carbon material constituting the electrode, preventing air from flowing smoothly to the electrode. flooding phenomenon) to reduce the active area of the electrode.

2상 유동 조건이 되면 물방울들이 공기가 전극으로 원활히 흐르는 것을 방해하며 기체확산층의 기공을 막아서 전극의 활성면적이 줄어들게 되며 이러한 물방울들을 제거하기 위해 추가적으로 공기의 압력을 높이는 등의 방법이 필요하게 되며, 이로 인한 에너지가 소모되기 때문에 연료전지 성능 측면에서 바람직하지 않다. Under the two-phase flow conditions, the water droplets prevent the air from flowing smoothly to the electrode, which blocks the pores of the gas diffusion layer, reducing the active area of the electrode. This consumes energy, which is undesirable in terms of fuel cell performance.

따라서 2상유동이 발생하는 임계전류밀도는 높을수록 바람직하며 이를 위해 얇은 기체확산층을 사용하고, 기체확산층에서의 수증기의 확산과 유로채널로의 물질전달이 원활하도록 분리판를 설계하는 것이 중요하며, 공급되는 공기의 상대습도와 채널입구의 공기유입속도를 운전조건에 맞게 제어해야 한다.Therefore, the higher the critical current density at which two-phase flow occurs, the more preferable. For this purpose, it is important to use a thin gas diffusion layer and to design a separator to facilitate the diffusion of water vapor in the gas diffusion layer and the mass transfer to the channel. The relative humidity of the air and the air inlet velocity at the channel inlet should be controlled according to the operating conditions.

상술한 바와 같이 임계전류밀도를 넘어선 고전류 운전조건의 경우, 환원전극(cathode)에는 전기화학반응에 의해 생성되는 물과 전기삼투현상에 의해 산화전극(anode)에서 이동한 물이 과량으로 존재하게 되며 이 과량의 물은 분리판 채널 속을 흐르는 환원가스(산소 혹은 공기)로 일부 증발하여 환원가스를 포화시키며, 증발하지 못한 물은 액체상태로 기체확산층이나 분리판 채널에 존재하게 된다. As described above, in the case of a high current operating condition exceeding the critical current density, the cathode is formed with an excess of water generated by the electrochemical reaction and water moved from the anode by the electroosmotic phenomenon. This excess water is partially evaporated with the reducing gas (oxygen or air) flowing through the separator channel to saturate the reducing gas, and the non-vaporized water is present in the gas diffusion layer or separator channel in a liquid state.

기체확산층이나 분리판 채널에 존재하는 과량의 물은 적절한 공학적 기구에 의해 외부로 배출되지 못하면 플러딩(flooding) 현상을 유발시켜 연료전지의 성능이나 신뢰성 측면에서 치명적인 문제가 된다.Excess water present in the gas diffusion layer or the separator channel causes flooding if it is not discharged to the outside by appropriate engineering equipment, which is a fatal problem in terms of fuel cell performance or reliability.

상기의 문제점과 관련된 종래의 기술로서 미국특허 제4988583호 및 제5441819호가 있는 데, 분리판 표면에 단일패스 혹은 2 ~ 3개의 패스를 갖는 유로를 가공하여 채널 내부에 존재하는 물방울들을 기체흐름에 의한 강제 대류현상을 이용하여 외부로 배출시키거나, 공기의 수증기압을 포화수증기압보다 낮추어서 환원전극의 액화된 수분을 수소 또는 공기로 기화시키는 방식이 사용된다. Conventional techniques related to the above problems are U.S. Pat.Nos.4988583 and 5441819, which process a flow path having a single pass or two to three passes on the surface of a separator plate by gas flow. A method of discharging the liquefied water of the cathode by hydrogen or air by using a forced convection to discharge to the outside or lowering the water vapor pressure of the air below the saturated water vapor pressure is used.

그러나 이러한 방식은 채널의 길이 증가로 인한 가공비 상승과 공기의 압력손실 증가를 유발하게 되어 결과적으로 과도한 유량의 공기를 공급하여 액화된 수분을 처리하게 된다. 이러한 방식은 반응기체의 소요량 증가와 공기 공급에 필요한 압력상승을 전제로 하고 있기 때문에 연료 공급 장치가 복잡해지고 연료전지의 대형화를 가져오게 되는 단점이 있다. However, this method causes an increase in the processing cost and an increase in the pressure loss of the air due to an increase in the length of the channel, and consequently supplies an excessive amount of air to treat the liquefied water. This method has a disadvantage in that the fuel supply device becomes complicated and the fuel cell becomes larger because it requires the increase in the required amount of the reactor gas and the pressure increase necessary for supplying air.

이러한 단점을 극복하기 위하여 특허공개 제2003-60669호에는 주유로 사이의 격벽에 모세관 효과를 유발하는 보조 유로를 가공하는 방법이 제안하고 있다. In order to overcome this disadvantage, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-60669 proposes a method of processing an auxiliary flow path that causes a capillary effect on partition walls between gas passages.

그러나 스택을 구성하기 위해 연료전지 셀에 압력을 가하게 되면 각 유로의 표면과 접촉하는 가스확산층으로 압력이 전달될 수밖에 없다. 주유로의 경우에는 폭이 넓기 때문에 가스 확산층과 분리판가 맞닿는 부분에서도 큰 압력변화가 발생하지 않지만, 내부 유로의 경우에는 폭이 매우 좁기 때문에 내부 유로와 가스확산층이 직접 닿는 부분에서는 가스확산층에 작용하는 압력이 크게 상승하여 부분적인 경화 현상 및 노치 영향으로 인한 확산층 파손 또는 변형을 불러일으킬수 있다. 즉, 내부 유로와 주유로의 접촉면적 차이는 분리판와 가스확산층의 균일한 접촉을 저해하여 가스확산층을 파손시킬 우려가 있으며 공급되는 반응기체의 농도분포 균 일도도 감소시키게 된다. However, when pressure is applied to the fuel cell to form a stack, the pressure must be transferred to the gas diffusion layer in contact with the surface of each flow path. In the case of the gas passage, since the width is wide, a large pressure change does not occur even in the area where the gas diffusion layer and the separator are in contact, but in the case of the inner flow passage, the width is very narrow, so that the gas diffusion layer acts on the gas diffusion layer in the area where the inner flow passage and the gas diffusion layer directly contact each other. Significant pressure increases can cause diffusion layer breakage or deformation due to partial hardening and notch effects. That is, the difference in the contact area between the inner flow path and the oil flow path may inhibit the uniform contact between the separator and the gas diffusion layer, which may damage the gas diffusion layer, and reduce the uniformity of the concentration distribution of the supplied reactor.

또한 보조 유로를 통한 액화수분의 이송능력을 우수하지만 주유로와 내부 유로가 연결되는 부분에서는 유로가 확대되기 때문에 표면장력에 의해 수분이 주유로 쪽으로 이동하지 못하고 내부 유로에 액적상태로 맺혀있는 경우가 발생할 수 있다. In addition, it is excellent in the ability to transfer liquefied water through the auxiliary flow path, but because the flow path is enlarged at the part where the fuel flow path and the internal flow path are connected, the water cannot be moved to the fuel flow path due to surface tension, and it is in the form of droplets in the internal flow path. May occur.

또한 주유로 사이의 격벽에 내부 유로를 가공하게 되면, 내부 유로 형성으로 인해 분리판의 강도가 약화될 가능성이 있어, 주유로만의 가공시보다 주유로의 간격이 늘어가게 되는 데, 이는 주유로를 통해 흘러가는 유량의 접촉면적 감소를 초래하여 반응기체의 공급압을 증가시키는 요인이 되는 문제점이 있다. In addition, when the inner flow path is processed in the partition walls between the gas passages, the strength of the separation plate may be weakened due to the formation of the internal flow path, which increases the spacing of the gas passages than the processing of the gas passage alone. There is a problem that causes a reduction in the contact area of the flow rate flowing through the factor to increase the supply pressure of the reactor body.

따라서 본 발명의 목적은 연료전지의 분리판에 유체의 흐름을 유도하는 채널을 형성함에 있어 주유로를 따라 액적이 신속히 이동할 수 있는 내부 유로를 형성함으로써, 다양한 운전조건에서 유로의 막힘없이 반응유체가 흐를 수 있는 공간을 확보하여 유체가 촉매층으로 확산되는 것을 촉진하고 환원전극(cathode)에서 생성되는 과량의 물을 원활히 배출할 수 있는 연료전지의 분리판를 제공하는 데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to form an internal flow path for droplets to move quickly along the main flow path in forming a channel for inducing the flow of fluid in the separator plate of the fuel cell, so that the reaction fluid without clogging the flow path under various operating conditions It is to provide a separation plate of the fuel cell to secure the space to flow to promote the diffusion of the fluid to the catalyst layer and to smoothly discharge the excess water generated from the cathode (cathode).

또한, 본 발명의 다른 목적은 습도 및 온도의 균일성을 확보하는 데 유리하고, 주유로 간의 간격 허용치를 최소화하여 주유로와 반응기체의 접촉면적 증대를 통한 반응기체 공급압 감소를 이룰 수 있는 연료전지의 분리판를 제공하는 데 있다. In addition, another object of the present invention is advantageous to ensure the uniformity of the humidity and temperature, fuel that can reduce the supply pressure of the reactor through the increase of the contact area between the main passage and the reactor by minimizing the allowable gap between the main passage It is to provide a separator plate of the battery.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 막전극접합체를 지지하는 연료전지의 분리판에 있어서, 상기 분리판의 표면에는 일단에 유체 인렛을 가지고 다른 단부에 유체 아웃렛을 가지며 연장되는 홈인 주유로가 형성되고, 상기 주유로를 따라 상기 주유로의 폭보다 적은 폭을 가지며 상기 주유로보다 적은 단면적을 가지며, 표면이 개구되어 상기 주유로와 접촉하는 적어도 하나의 내부 유로가 연장 형성된 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the present invention is a separation plate of a fuel cell for supporting a membrane electrode assembly, the surface of the separation plate has a fluid inlet at one end and a fluid outlet at the other end of the gas passage is an extension And at least one internal flow path extending along the fuel passage, the width of the fuel passage being smaller than the width of the fuel passage and having a cross-sectional area smaller than that of the fuel passage.

본 발명에 의하면, 상기 내부 유로는 상기 주유로의 바닥면에 형성된다. 주유로 보다 좁은 폭과 적은 단면적의 내부 유로가 주유로의 바닥면을 따라 형성됨으로 인해 주유로에 형성된 액적은 내부 유로를 만나면서 내부 유로를 따라 빠르게 전파되어 주유로를 통한 유체 흐름을 방해하지 않게 된다 .According to the present invention, the inner flow passage is formed on the bottom surface of the fuel passage. As the narrower width and smaller cross-sectional internal flow paths are formed along the bottom of the fuel flow path, droplets formed in the fuel flow path rapidly propagate along the internal flow path as they meet the internal flow path and do not obstruct the flow of fluid through the fuel flow path. .

또한, 상기 내부 유로는 단일의 패스 또는 복수개의 패스로 형성되며, 적어도 부분적으로 상기 주유로의 바닥면의 일측으로 위치하여 상기 주유로의 벽면 하부에 위치하는 구간을 가진다. 이로 인해 주유로 벽면 하부에 위치하는 내부 유로로 주유로 벽면에 맺힌 액적이 빠르게 내부 유로로 이동하여 내부 유로를 따라 전파되어 배출되게 된다. In addition, the inner flow passage is formed of a single pass or a plurality of passes, and has a section located at least partially on one side of the bottom surface of the oil passage to be located below the wall surface of the oil passage. As a result, the droplets formed on the wall of the gas passage are quickly moved to the inner flow path and discharged along the inner flow path.

이를 위해 본 발명의 내부 유로는 상기 주유로의 바닥면의 일측으로 상기 주유로를 따라 평행하게 형성되는 제1직선부와, 상기 바닥면의 타측으로 상기 주유로를 따라 평행하게 형성되는 제2직선부와, 상기 제1직선부 및 상기 제2직선부를 상기 주유로의 연장방향의 교차 방향으로 연결하는 교차부가 반복되어 이루어진 사행 채널로 되거나, 상기 주유로의 바닥면 중앙부로 형성되는 복수개의 분리된 단일의 패스와, 상기 분리된 단일의 패스를 서로 연결하며 주유로의 벽면 하부에 위치하는 두 개의 패스로 이루어진 채널로 형성된다. To this end, the inner flow path of the present invention has a first straight portion formed in parallel along the oil passage to one side of the bottom surface of the oil passage, and a second straight line formed in parallel along the oil passage to the other side of the bottom surface. And a plurality of separate portions formed as meandering channels formed by repetition of intersection portions connecting the first straight portion and the second straight portion in an intersecting direction in the extending direction of the oil passage, or formed as a central portion of the bottom surface of the oil passage. It consists of a channel consisting of a single path and two paths connecting the separated single paths to each other and located below the wall of the gas passage.

한편, 단일의 패스와 그 사이를 연결하는 두 개의 패스로 이루어진 패턴의 내부 유로에서는 두 개의 패스로 형성된 구간이 액화수분의 저장공간 역할을 하게 되는 이점도 있다. On the other hand, in the internal flow path of the pattern consisting of a single path and two paths connecting therebetween, the section formed by the two paths also has the advantage of serving as a storage space of the liquefied water.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 분리판의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 1 to 3 are views for explaining the configuration of a separator plate of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 분리판는 전기적 접촉저항성이 작고 내부식성이 강한 흑연 및 복합탄소계 소재가 사용되는 데, 분리판의 표면에는 스택 외부와의 가스 교환을 위해 연료가스공급매니폴드와 연료가스배출매니폴드, 공기공급매니폴드 및 공기배출매니폴드가 각각 형성되며, 주유로 및 내부 유로가 건식 식각 공정에 의하여 형성된다. In the separator according to the present invention, graphite and a composite carbon-based material having low electrical contact resistance and strong corrosion resistance are used, and a fuel gas supply manifold and a fuel gas discharge manifold are used on the surface of the separator for gas exchange with the outside of the stack. The air supply manifold and the air discharge manifold are formed, respectively, and the oil passage and the internal flow path are formed by a dry etching process.

주유로(20)는 일단의 인렛(26)과 타단의 아웃렛(27)을 가지고 분리판의 표면의 중앙 영역에 형성되는 데, 본 발명에 따르면 이러한 주유로(20)을 따라 주유로보다 폭이 좁은 내부 유로(30,40,50)가 표면이 개구되어 주유로와 접촉된 상태로 연장형성된다. The oil passage 20 is formed in the central region of the surface of the separator plate having one end of the inlet 26 and the other end 27. According to the present invention, the oil passage 20 is wider than the oil passage 20 along the oil passage 20. Narrow inner flow passages 30, 40, and 50 are formed with the surface open and in contact with the fuel passage.

본 발명의 일 실시예가 도시된 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지의 분리판(10)은 주유로(20)를 따라 평행하게 형성된 적어도 하나의 내부 유로(30)를 포함한다. 주유로(20)는 여러개의 홈을 사행시킨 서펜타입(serpertine)으로 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않고 평행 유로 또는 변형 사행 유로가 될 수 있다.Referring to FIG. 1, in which an embodiment of the present invention is shown, the separator 10 of the fuel cell according to the present invention includes at least one internal flow path 30 formed in parallel along the oil passage 20. The gas passage 20 is illustrated as a serpentine that meanders a plurality of grooves, but is not limited thereto and may be a parallel passage or a deformation meandering passage.

내부 유로(30)는 주유로(20)의 바닥면(22)에 형성된다. 주유로는 편평한 바닥면에 수직형태의 벽면이 형성된 직사각형 유로가 될 수 있으며, 벽면이 편평한 바닥면에 대하여 90도 내지 130의 각도를 가진 사다리꼴형 유로가 될 수 있다. The inner flow passage 30 is formed on the bottom surface 22 of the oil passage 20. The main flow path may be a rectangular flow path having a vertical wall surface formed on a flat bottom surface, and may be a trapezoidal flow path having an angle of 90 degrees to 130 with respect to the flat bottom surface.

내부 유로(30)는 주유로의 바닥면 보다 폭이 좁게 형성되며, 폭이 수백 마이크로미터의 이하인 사각 형태 또는 수분 배출이 용이한 기타의 형상을 갖는 것이 가능하며, 하나 또는 복수개의 내부 유로(30)가 주유로(20)를 따라 형성될 수 있다. 이때, 하나의 내부 유로(30)가 형성되는 경우 주유로(20)의 바닥면(22) 중앙부를 따라 형성된다. The inner flow path 30 is formed to have a narrower width than the bottom surface of the oil passage, and may have a rectangular shape having a width of several hundred micrometers or less, or another shape that facilitates water discharge, and has one or a plurality of internal flow paths 30. ) May be formed along the oil passage 20. In this case, when one inner flow passage 30 is formed, it is formed along the center portion of the bottom surface 22 of the oil passage 20.

본 발명의 다른 실시예가 도시된 도 2를 참조하면, 내부 유로(40)는 주유로(20)의 바닥면(22)의 중앙부를 따라 형성되며 서로 분리된 다수개의 단일의 패스(42)와, 상기 단일의 패스(42) 사이를 연결하는 두 개의 패스(44,45)로 구성된다. 즉, 단일의 패스(42)가 진행하다가 두 개의 패스(44,45)로 분기된 후 두 개의 패스(44,45) 말단부에서 다시 단일의 패스(42)로 연결되는 패턴이 반복된다. 이때 두개의 패스(44,45) 각각의 단면적은 상기 두 개의 패스(44,45) 사이의 단일의 패스(42)와 단면적이 동일하게 형성된다. Referring to FIG. 2, which shows another embodiment of the present invention, the inner passage 40 is formed along a central portion of the bottom surface 22 of the filling passage 20 and includes a plurality of single passes 42 separated from each other. It consists of two paths 44 and 45 that connect between the single paths 42. That is, a single pass 42 proceeds and branches into two paths 44 and 45 and then repeats a pattern in which the ends of the two paths 44 and 45 are connected to the single path 42 again. In this case, the cross-sectional area of each of the two paths 44 and 45 is the same as that of the single path 42 between the two paths 44 and 45.

이러한 내부 유로(40)의 패턴은 구간별로 하나의 유로와 두 개의 유로가 반복되는 패턴이 되는 데, 단일의 패스(42) 사이에 형성된 두 개의 패스(44,45) 구간이 액화수분의 저장 공간의 역할을 하면서 보다 신속하게 액적을 내부 유로(40)를 따라 전파시킨다. The pattern of the internal flow path 40 is a pattern in which one flow path and two flow paths are repeated for each section, and two paths 44 and 45 formed between a single path 42 have a storage space for liquefied moisture. The droplets propagate along the inner passage 40 more quickly.

나아가, 본 발명에 의하면, 두 개의 패스(44,45)는 각각이 주유로의 바닥면(22)의 일측 및 타측으로 형성되어, 각각이 주유로(20)의 양측 벽면(24)의 하부에 위치한다. 따라서, 주유로(20)의 벽면(24) 하부에 위치하는 내부 유로(40)의 두 개의 패스(44,45) 구간에 의해, 주유로(20)의 벽면(44)에 형성되는 액화수분이 보다 신속하게 내부 유로(40)로 유입되어 이동될 수 있다. Furthermore, according to the present invention, the two paths 44 and 45 are each formed at one side and the other side of the bottom surface 22 of the oil passage, each of which is disposed at the lower side of both side wall surfaces 24 of the oil passage 20. Located. Accordingly, the liquefied water formed on the wall surface 44 of the oil passage 20 is formed by the two paths 44 and 45 of the inner flow passage 40 positioned below the wall surface 24 of the oil passage 20. It can be flowed into the inner flow path 40 more quickly.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 3 shows another embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 주유로(20)의 바닥면(22)에 내부 유로(50)가 사행으로 형성된다. 주유로(20)의 바닥면(22)의 일측으로 주유로(20)를 따라 평행하게 형성되는 제1직선부(52)와, 상기 바닥면(22)의 타측으로 주유로(20)를 따라 평행하게 형성되는 제2직선부(54)을 구비하며, 제1직선부(52)과 제2직선부(54)은 주유로(20)의 연장방향에 교차되게 형성되는 연결부(55)에 의해 하나의 연속된 패스로 연결된다. Referring to FIG. 3, an inner flow path 50 is formed in a meander on the bottom surface 22 of the oil passage 20. The first straight portion 52 formed in parallel along the oil passage 20 to one side of the bottom surface 22 of the oil passage 20 and the oil passage 20 to the other side of the bottom surface 22. A second straight portion 54 is formed in parallel, and the first straight portion 52 and the second straight portion 54 are connected by the connecting portion 55 formed to cross the extending direction of the oil passage 20. It is connected by one continuous pass.

이와 같은 사행 형태의 내부 유로(50)는 수백 마이크로미터 이하의 사각형태 및 사다리꼴 형태의 단면을 가지는 것이 가능하며, 제1직선부(52) 및 제2직선부(54) 각각 주유로(20)의 벽면(24) 하부에 위치하기 때문에, 주유로(20) 벽멱(24)에 형성된 액화수분이 보다 신속하게 내부 유로(50)로 유입되어 내부 유로(50)를 따라 전파 배출될 수 있게 한다. The internal flow path 50 of the meandering shape may have a rectangular shape and a trapezoidal cross section of several hundred micrometers or less, and each of the first linear part 52 and the second linear part 54 may have a gas path 20. Since it is located below the wall surface 24, the liquefied water formed in the wall (24) of the gas passage 20 can be more quickly introduced into the inner flow path 50 to be propagated and discharged along the inner flow path (50).

이하, 본 발명에 따른 연료전지 분리판의 작용의 도면을 참조하면 설명한다. Hereinafter, with reference to the drawings of the operation of the fuel cell separator according to the present invention.

연료전지의 분리판에서 주유로는 마스크 패턴(mask pattern)공정과 같은 건식 식각 공정을 사용하여 미세 유로로 형성되는 데, 일반적으로 유로의 폭은 100~3000 ㎛ 의 범위이며, 깊이는 80~1000 ㎛ 의 범위로 형성된다. 내부 유로는 주유로의 바닥면을 따라 형성되는 데, 유로의 폭이 수 백마이크로미터 이하로서 주유로의 폭보다 좁게 예컨대 4:1 이하로 형성되는 것이 바람직하다. The fuel cell in the separator plate is formed as a fine flow path using a dry etching process such as a mask pattern process. Generally, the width of the flow path is in the range of 100 to 3000 μm and the depth is 80 to 1000. It is formed in the range of 탆. The inner flow passage is formed along the bottom surface of the fuel passage, and the width of the passage is several hundred micrometers or less, preferably smaller than the width of the fuel passage, for example, 4: 1 or less.

내부 유로의 단면 형상은 직사각형이나, 90도 이상 135도 이하의 측면을 갖는 사다리꼴 형상이 사용될 수 있으며, 사라디꼴 형상의 유로의 경우 액적과의 접촉 면적을 증대시켜 액적의 전파를 보다 신속하게 할 수 있다. The cross-sectional shape of the inner flow path is rectangular, but a trapezoidal shape having a side of 90 degrees or more and 135 degrees or less may be used. In the case of the Saradoid shape flow path, the propagation of the droplets can be faster by increasing the contact area with the droplet. have.

본 발명에 따르면 주유로(20)를 따라 형성되는 내부 유로(30,40,50)는 연료 전지 분리판(10)에 형성되는 액적(1, 액화수분)을 주유로(20)의 경로를 따라 빠르게 전파시킴으로써 연료전지 분리판(10)의 원활한 전기화학 반응을 보장하며, 전극 반응 면적 전체의 습도를 균일하게 유지할 수 있게 한다.According to the present invention, the internal flow paths 30, 40, and 50 formed along the fuel path 20 may include droplets 1 (liquefied water) formed on the fuel cell separator 10 along the path of the fuel path 20. By fast propagation ensures a smooth electrochemical reaction of the fuel cell separator 10, it is possible to maintain a uniform humidity throughout the electrode reaction area.

도 4는 시험시편을 사용하여 주유로를 따라 내부 유로를 형성시킨 경우의 액적 전파 형태를 보여주는 도면으로서, 2.5mm의 폭을 갖는 주유로(20)의 바닥면(22)의 중앙부에 0.5×0.5mm2 의 내부 유로(30)를 형성한 시편이 도시되어 있다. FIG. 4 is a view showing droplet propagation when an internal flow path is formed along a fuel flow path using test specimens. A specimen is shown forming an internal flow path 30 of mm 2 .

도 4의 (a)를 참조하면, 주유로(20) 상에 액적(1)이 형성되어 주유로(20)를 막음으로써 공기의 흐름을 방해하고 있는 현상이 발생하고 있다. 그러나 도 4의 (b)를 참조하면, 액적(1)이 내부 유로(30)가 없는 부분에서 내부 유로(30)가 형성된 부분으로 진행하여, 내부 유로(30)를 만나면 액적(1)이 내부 유로(30)를 따라 신속하게 퍼져 가고, 주유로(20)에는 도 4의 (a)와 같은 공기 흐름을 방해하는 액적이 남아 있지 않는다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 내부 유로의 단면적 이 0.6×0.6mm2, 0.4×0.4mm2으로 변화시킨 경우에도 동일하다. 이러한 현상은 일종의 모세관 현상으로 보여지며, 액적이 주유로(20)보다 좁은 단면적의 내부 유로(30)를 만나면 내부 유로를 따라 신속하게 이동됨을 알 수 있다. Referring to FIG. 4A, the droplet 1 is formed on the oil passage 20 to block the oil passage 20, thereby preventing the flow of air. However, referring to FIG. 4B, the droplet 1 proceeds from a portion where the inner passage 30 is not formed to a portion where the inner passage 30 is formed. When the droplet 1 meets the inner passage 30, the droplet 1 is inside. It can be seen that the liquid droplets spread rapidly along the flow path 30 and the oil flow path 20 has no droplets that hinder the air flow as shown in FIG. 4A. This phenomenon is the same even when the cross-sectional area of the internal flow path is changed to 0.6 × 0.6 mm 2 and 0.4 × 0.4 mm 2 . This phenomenon is seen as a kind of capillary phenomenon, it can be seen that the droplet is quickly moved along the inner flow path when the inner flow path 30 of the narrower cross-sectional area than the main flow path (20).

도 5 는 연료전지의 분리판(10)에서 폭 2.5mm 의 주유로(20)와 상기 주유로(20)의 바닥면 중앙부를 따라 0.6×0.6mm2 의 내부 유로(30)를 형성시킨 패너럴 타입 분리판(Parallel Type Seperator)을 도시한 도면이다.FIG. 5 shows a pannel formed by forming a gas channel 20 having a width of 2.5 mm and an inner channel 30 having a diameter of 0.6 × 0.6 mm 2 along a central portion of a bottom surface of the fuel channel 20 in the separator plate 10 of the fuel cell. It is a figure which shows a parallel type separator.

그리고, 도 6a 및 도 6b 는 도 5 에 도시된 분리판에서 기준 유량 공급시의 연료전지의 성능을 나타내는 그래프이고, 도 7a 및 도 7b는 도 5 에 도시된 분리판에서 기준 유량의 1.5배 공급시의 연료전지의 성능 그래프이다. 도 6a 내지 도 7b 에서 A 곡선은 비고예로서 주유로만 형성시킨 경우를 나타내고 있으며, B 곡선은 도 5 와 같이 내부 유로를 형성시킨 경우를 나타내고 있다. 6A and 6B are graphs showing the performance of the fuel cell when the reference flow rate is supplied in the separator shown in FIG. 5, and FIGS. 7A and 7B are 1.5 times the reference flow rates in the separator shown in FIG. 5. It is a performance graph of the city's fuel cell. 6A to 7B, the A curve shows a case of forming only a fuel oil as a non-example, and the B curve shows a case of forming an internal flow path as shown in FIG. 5.

도 6a 내지 도 7b를 참조하면, 주유로를 따라 내부 유로를 형성시킨 경우, 기준유량 및 기준유량의 1.5 배 되는 유량을 공급한 경우 모두 Concentration Loss 가 발생하는 영역에서의 전압 및 전력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 공급 유량이 증가함에 따라 그 격차는 더욱 증대되는 것을 확인할 수 있다. 이는 액적이 내부 유로를 따라 신속하게 전파되어 배출되므로 공급된 연료가스 또는 공기의 유동이 주유로를 따라 원활하게 이루어지기 때문이다. 이를 통해 본 발명과 같이 주유로를 따라 내부 유로를 형성시킨 경우의 분리판을 사용한 연료전지는 주유로만 형성된 분리판을 사용한 연료전지와 대비하여 실험적으로 대략 10~30%의 성능 개선 을 효과를 달성할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 6A to 7B, when the internal flow path is formed along the fuel passage, the voltage and the power in the region where the concentration loss occurs are increased when both the reference flow rate and the flow rate 1.5 times the reference flow rate are supplied. You can check it. In addition, it can be seen that the gap further increases as the supply flow rate increases. This is because the droplets are quickly propagated and discharged along the inner flow path so that the flow of the supplied fuel gas or air is performed smoothly along the oil passage. Through this, the fuel cell using the separator plate when the internal flow path is formed along the fuel passage as in the present invention achieves an effect of about 10-30% performance improvement in comparison with the fuel cell using the separator plate formed only as the fuel passage. You can see that you can.

본 발명에 의하면, 다양한 운전조건에서 연료전지 분리판에 형성된 유로의 막힘없이 반응 유체가 흐를 수 있는 공간을 확보하게 되므로 유체가 촉매층으로 확산되는 것을 촉진키시고 환원전극(cathode)에서 생성되는 과량의 물을 원활히 배출할 수 있게 된다. 또한, 고분자전해질막의 습도 및 온도의 균일성을 확보하는 데 유리하고, 주유로 간의 간격 허용치를 최소화하여 주유로와 반응기체의 접촉면적 증대를 통한 반응기체 공급압 감소를 이룰 수 있게 된다.According to the present invention, it is possible to secure a space for the reaction fluid to flow without clogging the flow path formed in the fuel cell separator under various operating conditions, thereby promoting the diffusion of the fluid into the catalyst layer, The water can be discharged smoothly. In addition, it is advantageous to ensure the uniformity of humidity and temperature of the polymer electrolyte membrane, it is possible to achieve a reduction in the supply pressure of the reactor through the increase of the contact area between the main passage and the reactor by minimizing the allowable gap between the main passage.

Claims (10)

막전극접합체(MEA)를 지지하는 연료전지의 분리판에 있어서, In the separator of a fuel cell for supporting a membrane electrode assembly (MEA), 상기 분리판의 표면에는 일단에 유체 인렛을 가지고 다른 단부에 유체 아웃렛을 가지며 연장되는 홈인 주유로가 형성되고,On the surface of the separating plate is formed a flow path which is a groove having a fluid inlet at one end and a fluid outlet at the other end and extending, 상기 주유로를 따라, 상기 주유로의 폭보다 적은 폭을 가지며, 표면이 개구되어 상기 주유로와 접촉하는 적어도 하나의 내부 유로가 연통 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.The fuel cell separating plate of the fuel cell having a width smaller than the width of the oil passage, the at least one inner passage communicating with the oil passage is formed in communication with the oil passage. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 내부 유로는 상기 주유로의 폭 보다 1/4 이하의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.The inner passage has a width of 1/4 or less than the width of the fuel passage separation plate of the fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 내부 유로는 주유로의 바닥면에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.The inner passage is a separator of a fuel cell, characterized in that formed on the bottom surface of the oil passage. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 내부 유로는 상기 바닥면을 따라 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.The inner flow passage is a separator of a fuel cell, characterized in that formed in parallel along the bottom surface. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 내부 유로는 상기 주유로의 바닥면 중앙부를 따라 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.The inner flow passage is a separator of a fuel cell, characterized in that extending along the bottom center portion of the fuel passage. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 내부 유로는 적어도 부분적으로 상기 주유로의 바닥면의 일측으로 위치하여 상기 주유로의 벽면 하부로 위치하는 구간을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.The inner flow passage is at least partly positioned to one side of the bottom surface of the fuel passage has a section located below the wall surface of the fuel passage. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 내부 유로는 상기 주유로의 바닥면의 일측으로 상기 주유로를 따라 연장된 제1직선부과, 상기 바닥면의 타측으로 상기 주유로를 따라 연장된 제2 직선부와, 상기 제1직선부과 상기 제2직선부를 연결하며 상기 주유로의 연장방향으로 교차 방향으로 연장된 연결부가 반복적으로 이루어진 사행 채널로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.The inner flow passage may include a first straight portion extending along the oil passage to one side of the bottom surface of the oil passage, a second straight portion extending along the oil passage to the other side of the bottom surface, and the first straight portion and the Separation plate of the fuel cell, characterized in that the connecting portion extending in the cross direction in the extending direction of the fuel passage connecting the second straight portion is formed of a meandering channel repeatedly made. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 내부 유로는 단일의 패스로 진행하다가 두 개의 패스로 분기된 후 상기 두 개의 패스 말단부에서 다시 단일의 패스로 연결되는 패턴이 반복적으로 형성된 타입인 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.The inner flow passage is divided into two passes, and then divided into two passes, the separation plate of the fuel cell, characterized in that the pattern is formed repeatedly connected to a single pass at the end of the two passes. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 두 개의 패스 각각은 상기 주유로의 바닥면의 양측으로 위치하여 상기 주유로의 양측 벽면 하부로 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.Each of the two paths is disposed on both sides of the bottom surface of the fuel passage and located below both side walls of the fuel passage. 제8항 또는 제9항에 있어서,The method according to claim 8 or 9, 상기 두 개의 패스 각각은 상기 단일의 패스와 동일한 단면적으로 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판. Wherein each of the two passes has the same cross-sectional area as the single pass.
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