KR100778584B1 - A fuel cell having a multiple-layered type separator - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 복층형 분리판을 도시한 분해 사시도.Figure 1a is an exploded perspective view showing a multilayer separator according to a first embodiment of the present invention.
도 1b는 도 1a에 따른 복층형 분리판을 도시한 결합 사시도.Figure 1b is a perspective view of the combination showing the multilayer separator according to Figure 1a.
도 2a는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복층형 분리판을 도시한 분해 사시도.Figure 2a is an exploded perspective view showing a multilayer separator according to a second embodiment of the present invention.
도 2b는 도 2a에 따른 복층형 분리판을 도시한 결합 사시도.Figure 2b is a perspective view of the combination showing the multilayer separator according to Figure 2a.
도 3a은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 복층형 분리판을 도시한 분해 사시도.Figure 3a is an exploded perspective view showing a multilayer separator according to a third embodiment of the present invention.
도 3b는 도 3a에 따른 복층형 분리판을 도시한 결합 사시도.Figure 3b is a perspective view of the combination showing the multilayer separator according to Figure 3a.
도 4a은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 복층형 분리판을 도시한 분해 사시도.Figure 4a is an exploded perspective view showing a multilayer separator according to a fourth embodiment of the present invention.
도 4b는 도 4a에 따른 복층형 분리판을 도시한 결합 사시도.Figure 4b is a perspective view of the combination showing the multilayer separator according to Figure 4a.
도 5a은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 복층형 분리판을 도시한 분해 사시도.Figure 5a is an exploded perspective view showing a multilayer separator according to a fifth embodiment of the present invention.
도 5b는 도 5a에 따른 복층형 분리판을 도시한 결합 사시도.Figure 5b is a perspective view of the combination showing the multilayer separator according to Figure 5a.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
100 : 분리판 110 : 주 유로용 분리판100: separator 110: main flow separator
112 : 주 유로 113 : 배출홀112: main passage 113: discharge hole
120 : 보조 유로용 분리판 122 : 미세 유로120: separator plate for the auxiliary flow path 122: fine flow path
본 발명은 복층형 분리판을 갖는 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주 유로용 분리판과 보조 유로용 분리판을 복층 구조로 형성한 복층형 분리판을 갖는 연료전지에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell having a multilayer separator, and more particularly, to a fuel cell having a multilayer separator in which a separator for main flow passage and a separator for auxiliary flow passage are formed in a multilayer structure.
고분자 전해질 막을 사용하는 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)의 산화전극(anode)에서는 수소가 공급 및 배출되는 과정에서 산화반응이 일어나 전자가 생성되고, 환원전극(cathode)에서는 산소가 공급 및 배출되는 과정에서 환원반응을 통해 전자가 흡수되고 물이 생성된다.In the anode of the Proton Exchange Membrane Fuel Cells using the polymer electrolyte membrane, an oxidation reaction occurs during hydrogen supply and discharge, and electrons are generated, and oxygen is supplied from the cathode. And electrons are absorbed and water is generated through a reduction reaction in the discharge process.
이때, 고분자 전해질 막의 이온 전도도는 가습 상태와 밀접한 관계가 있기 때문에 일정량의 수분이 공급되어야만 수소이온을 환원전극으로 잘 전달할 수 있다. 따라서 연료전지의 반응 과정에서 생성된 물은 연료전지의 초기 운전시 고분자 전해질 막을 가습시키는 중요한 역할을 하게 된다.At this time, since the ion conductivity of the polymer electrolyte membrane is closely related to the humidification state, it is possible to transfer hydrogen ions to the reduction electrode only when a certain amount of moisture is supplied. Therefore, the water generated during the reaction of the fuel cell plays an important role in humidifying the polymer electrolyte membrane during the initial operation of the fuel cell.
그러나 정상상태 운전시 또는 운전 종료시에는 연료전지의 반응 과정에서 생성되는 물이 너무 많이 때문에 반응 상계면을 형성하는 작은 기공들이 수분에 의해 막히는 현상(flooding)이 발생한다.However, during steady state operation or at the end of operation, too much water is generated during the reaction of the fuel cell, so that small pores forming the reaction phase interface are blocked by moisture.
또한 환원전극에서는 산소와 수소 이온의 반응이 저하되며, 액화된 수분에 의해 공기를 공급하는 유로가 차단되므로 결과적으로 전극 반응 면적을 감소시켜 연료전지의 성능저하를 가져온다.In addition, since the reaction between the oxygen and the hydrogen ions is reduced in the cathode, the flow path for supplying air is blocked by the liquefied water, and as a result, the electrode reaction area is reduced, resulting in deterioration of the fuel cell.
이를 방지하기 위해 폭이 넓은 주 유로와 이보다 좁은 폭을 갖는 보조 유로를 추가한 분리판을 사용해왔다.To prevent this, the separator has been added with a wide main flow channel and a narrower auxiliary flow path.
그러나 주 유로 방향과 동일한 방향으로 보조 유로를 가공하게 되면 액화된 수분이 이송된 주 유로는 다른 주 유로에 비해 상대적으로 이송 압력이 높아진다. 이로 인해 유로간 반응 기체의 공급에 차이가 나타나게 되어 분리판 화학 반응의 균일도가 저하되는 문제가 있다.However, when the auxiliary flow path is processed in the same direction as the main flow path, the main flow path to which the liquefied water is transferred has a higher transfer pressure than other main flow paths. This causes a difference in the supply of the reaction gas between the flow paths, resulting in a problem that the uniformity of the separator chemical reaction is lowered.
또한, 통상적으로 운전 온도가 낮아지는 연료전기의 외곽부분에서 액화수분이 많이 발생하기 때문에 중앙부의 습도 분포가 불균일해지는데, 이러한 이송 압력의 차이에 의해 분리판 전체의 습도 분표 역시 균일화되기 힘든 문제가 있다.In addition, since the liquefied water is generated in the outer portion of the fuel cell, which generally lowers the operating temperature, the humidity distribution in the center becomes nonuniform. have.
본 발명의 목적은 주 유로를 갖는 분리판과 미세 유로를 갖는 분리판을 복층 제작함으로써 액화수분에 의한 주 유로의 막힘 현상(Flooding)을 방지하는 것이다.An object of the present invention is to prevent the clogging of the main flow path due to liquefied water by making a multi-layer manufacturing of the separation plate having a main flow path and the separation plate having a fine flow path.
본 발명의 다른 목적은 주 유로를 갖는 분리판과 미세 유로를 갖는 분리판을 복층 사용함으로써 주 유로간의 이송 압력을 고르게 하고, 분리판 전체의 습도 분포를 균일화하는 것이다.Another object of the present invention is to evenly transfer the pressure between the main flow paths by using multiple layers of the separation plate having a main flow path and the separation plate having a fine flow path, and to equalize the humidity distribution of the whole separation plate.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다수의 단위전지와, 상기 단위전지의 사이에 각각 삽입되어 각각의 단위전지를 분리하는 분리판이 구비된 연료전지에 있어서, 상기 분리판은, 상기 연료전지의 반응시 생성된 액화 수분이 이송되며 직선 형태를 갖는 다수의 주 유로가 관통 형성된 한 쌍의 주 유로용 분리판; 및 상기 한 쌍의 주 유로용 분리판 사이에 삽입되어 상기 주 유로용 분리판과 상호 밀착 결합되고, 상기 주 유로보다 좁은 폭을 가지며 상기 액화 수분을 이송하는 미세 유로가 양쪽 표면에 형성된 보조 유로용 분리판으로 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is a fuel cell having a plurality of unit cells and a separator plate which is inserted between each of the unit cells to separate each unit cell, the separator plate, the fuel A pair of separation plates for main flow passages in which liquefied moisture generated during the reaction of the battery is transferred and a plurality of main flow passages having a straight line are formed therethrough; And an auxiliary flow path inserted between the pair of main flow path separator plates to be in close contact with the main flow path separation plate, and having a narrower width than the main flow path, and having a fine flow path for transporting the liquefied water on both surfaces. It is characterized by consisting of a separator.
상기 보조 유로용 분리판에는 상기 주 유로와 수직으로 교차하는 직선 형태의 미세 유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.The auxiliary flow path separating plate is characterized in that the fine flow path of the straight line form perpendicular to the main flow path is formed.
상기 보조 유로용 분리판에는 상기 주 유로의 방향과 다른 방향으로 교차하되, 사행 형태의 미세 유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.The auxiliary flow path separator plate may cross in a direction different from the direction of the main flow path, and may be formed with a meandering fine flow path.
상기 보조 유로용 분리판에는 격자 형태의 미세 유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.The auxiliary flow channel separator is characterized in that the fine flow path of the grid form is formed.
상기 보조 유로용 분리판에는 상기 주 유로의 방향과 비스듬하게 교차하는 사선 형태의 미세 유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.The auxiliary flow path separating plate is characterized in that the fine flow path of the diagonal shape that crosses the direction of the main flow path obliquely.
상기 미세 유로는 상기 배출홀에 연통되도록 상기 배출홀의 위치에 대응되는 상기 보조 유로용 분리판의 외측까지 연장 형성되는 것을 특징으로 한다.The micro-channel is characterized in that it extends to the outside of the separation plate for the auxiliary channel corresponding to the position of the discharge hole to communicate with the discharge hole.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 제1 내지 제5 실시 예에 따른 복층형 분리판을 갖는 연료전지에 대해 상세히 설명하기로 한다(동일한 구성 요소 에 대해서는 동일한 번호를 참조하여 설명하기로 하며, 다른 참조 번호로 표시되더라도 동일한 기능을 하는 경우 중복되는 설명은 생략하기로 한다).Hereinafter, a fuel cell having a multilayer separator according to the first to fifth embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings (the same components will be described with reference to the same reference numerals). Even if it is indicated by a reference number, duplicate descriptions will be omitted when the same function is performed).
먼저 본 발명의 제1 내지 제5 실시 예에 따른 복층형 분리판의 구조를 살펴보면 다음과 같다.First, the structure of the multilayer separator according to the first to fifth embodiments of the present invention will be described.
첨부된 도 1a은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 복층형 분리판을 도시한 분해 사시도이고, 도 1b는 도 1a에 따른 복층형 분리판을 도시한 결합 사시도이다.1A is an exploded perspective view illustrating a multilayer separator according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a combined perspective view illustrating the multilayer separator according to FIG. 1A.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택의 내부에서 다수의 단위전지를 분리하는 분리판(100)은 판면에 관통 형성된 다수의 직선 주 유로(112)가 구비된 주 유로용 분리판(110)과, 주 유로용 분리판(110)의 하측에 결합되며 주 유로(112)와 직교하는 다수의 미세 유로(122)가 양쪽 표면에 형성된 보조 유로용 분리판(120)과, 보조 유로용 분리판(120)의 하측에 결합되는 주 유로용 분리판(110)으로 구성된다.As shown in FIGS. 1A and 1B, a
즉, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 분리판(100)은 한 쌍의 주 유로용 분리판(110) 사이에 보조 유로용 분리판(120)이 삽입되고 상호 밀착 결합됨으로써 복층형으로 구성된다.That is, the
분리판(100)은 주 유로(112) 및 미세 유로(122) 성형의 편리성을 위해 금속 재질로 만들어지나 플라스틱 등과 같은 다른 재질의 분리판에 적용하더라도 몰딩(molding) 등의 여러 가공 방법을 통해 주 유로(112) 및 미세 유로(122)를 성형하여 사용할 수 있다(본 발명의 제2 내지 제5 실시 예에도 공통적으로 적용됨).The
첨부된 도 2a는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복층형 분리판을 도시한 분해 사시도이고, 도 2b는 도 2a에 따른 복층형 분리판을 도시한 결합 사시도이다.2A is an exploded perspective view illustrating a multilayer separator according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a combined perspective view illustrating the multilayer separator according to FIG. 2A.
도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 분리판(200)은 판면에 관통 형성된 다수의 직선 주 유로(112)가 구비된 주 유로용 분리판(110)과, 주 유로용 분리판(110)의 하측에 결합되며 주 유로(112)와 다른 방향을 갖는 사행 형태의 다수의 미세 유로(222)가 양쪽 표면에 형성된 보조 유로용 분리판(120)과, 보조 유로용 분리판(120)의 하측에 결합되는 주 유로용 분리판(110)으로 구성된다.As shown in FIGS. 2A and 2B, the
즉, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 분리판(200)은 한 쌍의 주 유로용 분리판(110) 사이에 보조 유로용 분리판(220)이 삽입되고 상호 밀착 결합됨으로써 복층형으로 구성된다.That is, the
미세 유로(222)는 사행(serpentine motion) 형태로 구성되며, 이러한 미세 유로(222)의 구조에 의해 액화 수분을 한 방향이 아닌 분리판(200) 전체로 분산되도록 이송시킬 수 있다.The
첨부된 도 3a은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 복층형 분리판을 도시한 분해 사시도이고, 도 3b는 도 3a에 따른 복층형 분리판을 도시한 결합 사시도이다.FIG. 3A is an exploded perspective view illustrating a multilayer separator according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a combined perspective view illustrating the multilayer separator according to FIG. 3A.
본 발명의 제3 실시 예에 따른 분리판(300)은 제2 실시 예의 또 다른 형태로, 직선형 주 유로(112)가 형성된 한 쌍의 주 유로용 분리판(110) 사이에 사행 형태의 미세 유로(322)가 구비된 보조 유로용 분리판(320)이 삽입되어 복층형으로 구성된다.The
첨부된 도 4a은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 복층형 분리판을 도시한 분해 사시도이고, 도 4b는 도 4a에 따른 복층형 분리판을 도시한 결합 사시도이다.4A is an exploded perspective view illustrating a multilayer separator according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a combined perspective view illustrating the multilayer separator according to FIG. 4A.
본 발명의 제4 실시 예에 따른 분리판(400)은 판면에 관통 형성된 다수의 직선 주 유로(112)가 구비된 한 쌍의 주 유로용 분리판(110)과, 한 쌍의 주 유로용 분리판(110) 사이에 결합되며 주 유로(112)와 다른 방향을 갖는 격자 형태의 다수의 미세 유로(422)가 양쪽 표면에 형성된 보조 유로용 분리판(420)이 결합된 복층 구조를 갖는다.The
격자 형태의 미세 유로(422)는 주 유로(112)와 수직으로 형성되는 유로 및 수평으로 형성되는 유로로 구성된다. 그러나 격자 형태의 미세 유로(422)가 주 유로와 비스듬한 각도를 이루도록 형성되어도 무방하다.The
이러한 격자 형태의 미세 유로(422)는 주 유로(112)의 모든 위치에 미세 유로(422)가 가공되기 때문에 생성되는 액화 수분에 보다 빠르게 대처할 수 있는 장점이 있다.The micro-channels 422 having a lattice form have an advantage in that the micro-channels 422 are processed at all positions of the
첨부된 도 5a은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 복층형 분리판을 도시한 분해 사시도이고, 도 5b는 도 5a에 따른 복층형 분리판을 도시한 결합 사시도이다.5A is an exploded perspective view illustrating a multilayer separator according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a combined perspective view illustrating the multilayer separator according to FIG. 5A.
본 발명의 제5 실시 예에 따른 분리판(500)은 판면에 관통 형성된 다수의 직선 주 유로(112)가 구비된 한 쌍의 주 유로용 분리판(110)과, 한 쌍의 주 유로용 분리판(110)의 사이에 결합되며 주 유로(112)와 비스듬하게 교차하는 사선 형태의 미세 유로(522)가 양쪽 표면에 다수 개 형성된 보조 유로용 분리판(520)이 결합된 복층 구조로 이루어진다.The
이러한 사선 형태의 미세 유로(522)는 막힘(flooding) 현상이 잘 나타나는 분리판(500)의 외각 부분과 상대적으로 온도가 높은 분리판(500)의 안쪽 부분을 직접 연결하므로, 분리판 전체의 습도를 보다 균일하게 맞출 수 있다.Since the
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제1 내지 제5 실시 예에 따른 분리판에 있어서, 액화 수분이 이송되는 원리를 설명하면 다음과 같다.In the separation plate according to the first to fifth embodiments of the present invention having the configuration as described above, the principle of liquefied water is described as follows.
본 발명의 제1 내지 제5 실시 예에 따른 주 유로용 분리판(110)의 양측에는 주 유로(112)를 통해 이송된 액화 수분을 외부로 배출하기 위한 배출홀(114)이 형성된다. 배출홀(114)은 분리판(100, 200, 300, 400, 500)의 중앙부로 이송되지 못하거나 과잉 생산된 액화 수분을 분리판 외부로 배출시킨다.Discharge holes 114 for discharging the liquefied water transferred through the
연료전지 스택 내부에서 반응에 의해 생성되는 수분은 주 유로(112)에서 액화되어 액적(waterdrop)의 형태로 주 유로(112)에 유입된다. 주 유로(112)가 주 유로용 분리판(110)의 판면에 관통 형성되므로, 주 유로(112)에 형성된 액화 수분은 보조 유로용 분리판(120, 220, 320, 420, 520)에 형성된 미세 유로(122, 222, 322, 422, 522)로 이동된다. Water generated by the reaction in the fuel cell stack is liquefied in the
즉, 액화 수분은 농도의 차이나 모세관 현상 및 확산에 의해 폭이 큰 주 유로(112)에서 폭이 좁은 미세 유로(122, 222, 322, 422, 522)로 유입된다. That is, the liquefied water flows from the wide
도 1b, 2b, 3b, 4b 및 5b에 도시된 바와 같이, 주 유로용 분리판(110)과 보조 유로용 분리판(120, 220, 320, 420, 520)이 결합되어 하나의 분리판(100, 200, 300, 400, 500)을 형성한다. 반응 가스의 주된 유동 방향은 주 유로(112)의 방향(A)을 따르며, 액화 수분은 주 유로(112)에서 형성되어 미세 유로(122, 222, 322, 422, 522)의 방향(B)을 따라 퍼져나간다.As shown in FIGS. 1B, 2B, 3B, 4B, and 5B, the main
주 유로(112)에서 형성된 액화 수분이 미세 유로(122, 222, 322, 422, 522)로 분산되므로 주 유로(112)간의 이송 압력 차를 감소시켜 액화 수분에 의한 주 유로(112)의 막힘(fooding) 현상이 해소된다.Since the liquefied water formed in the
또한, 미세 유로(122, 222, 322, 422, 522)가 주 유로(112)와 직각 또는 비스듬한 각도로 교차하도록 형성되므로 액화 수분에 의한 주 유로(112)간의 압력 차이가 낮아져 분리판(100, 200, 300, 400, 500)의 반응 면 전체의 균일한 화학 반응과 균일한 온도 분포를 보장할 수 있다.In addition, since the
미세 유로(122, 222, 322, 422, 522)에 의해 분리판(100, 200, 300, 400, 500)의 주변에서 생성된 액화 수분이 다양한 경로를 통해 분리판(100, 200, 300, 400, 500)의 중앙부로 이송되어 분리판 전체의 습도 분포를 균일하게 만든다. Liquefied water generated around the
분리판(100, 200, 300, 400, 500)의 중앙부로 이송되지 못한 액화 수분은 분리판(100, 200, 300, 400, 500) 외부로 빠르게 배출되는 것이 바람직하므로, 이를 위해 배출홀(114)에 대응하는 보조 유로용 분리판(120, 220, 320, 420, 520)의 외측까지 미세 유로(122, 222, 322, 422, 522)가 연장 가공된다.Liquefied water that is not transferred to the center of the separation plate (100, 200, 300, 400, 500) is preferably discharged quickly to the outside of the separation plate (100, 200, 300, 400, 500), the
분리판의 원활한 화학 반응을 위해서는 MEA(Membrane-Electrode Assembly, 막-전극 접합체)가 고르게 가습되어야 하는데, 이러한 구성에 의해 본 발명의 제1 내지 제5 실시 예에 따른 분리판을 사용하면 액화 수분이 골고루 분산되므로, 분리판의 원활한 전기 화학 반응이 보장된다.MEA (Membrane-Electrode Assembly, Membrane-electrode assembly) must be evenly humidified for smooth chemical reaction of the separator. With such a configuration, when the separator according to the first to fifth embodiments of the present invention is used, Evenly distributed, a smooth electrochemical reaction of the separator is ensured.
본 발명의 제1 내지 제5 실시 예에 따른 분리판을 사용하면 분리판 반응 면적 전체의 습도 균일성을 유지할 수 있어 다양한 조건에서 연료전지 성능의 신뢰성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.When the separator according to the first to fifth embodiments of the present invention is used, humidity uniformity of the entire separator reaction area can be maintained, thereby improving reliability and durability of fuel cell performance under various conditions.
또한, 본 발명의 제1 내지 제5 실시 예에 따른 분리판은 주 유로용 분리판과 보조 유로용 분리판을 나누어 제작하기 때문에 가공의 편의성이 증대되는 효과도 있다.In addition, since the separation plate according to the first to fifth embodiments of the present invention is manufactured by dividing the separation plate for the main flow path and the separation plate for the auxiliary flow path, the convenience of processing may be increased.
한편, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.On the other hand, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the gist of the invention claimed in the claims can be variously modified. Of course, such changes are intended to be within the scope of the claims set forth.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 복층형 분리판을 갖는 연료전지는 주 유로가 가공된 분리판과 미세 유로가 가공된 분리판을 복층 구조로 구성함으로써 주 유로의 막힘 현상(Flooding)을 방지할 수 있다.As described above, in the fuel cell having the multilayer separator according to an embodiment of the present invention, the main flow passage is formed by forming a split structure in which the main flow passage is processed and a separation plate in which the fine flow passage is processed. Can be prevented.
또한, 주 유로와 미세 유로를 다른 방향으로 가공함으로써 주 유로간의 이송 압력을 고르게 하고, 분리판 전체의 습도 분포를 균일화할 수 있다.In addition, by processing the main flow path and the fine flow path in different directions, the transfer pressure between the main flow paths can be evened, and the humidity distribution of the whole separation plate can be made uniform.
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