KR100792869B1 - 연료전지용 분리판 - Google Patents

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KR100792869B1
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cooling water
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이종현
양유창
이기춘
임태원
조규택
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고체 고분자 전해질형 연료전지에 있어서 연료전지스택의 구성부품들인 분리판, 기체확산층(GDL) 등의 소재특성과 구조를 개선하여, 연료전지시스템에 장착된 스택이 우수한 성능을 나타낼 수 있도록 물의 이동과 존재형태를 조절함과 동시에, 연료전지시스템에서의 공기공급압력을 낮추어서 전체 연료전지시스템의 효율을 향상시킬수 있고, 자동차용 연료전지 기술의 핵심과제인 냉시동에 대응할 수 있도록 한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 두장의 평판을 하나로 접착하여 이루어지고, 상기 평판의 양면에 반응기체들이 지나갈 수 있도록 형성된 가스(수소,산소)유로와, 상기 평판의 중간에 열을 제거하기 위해 형성된 냉각수유로와, 상기 가스유로 및 냉각수유로에 수소, 산소 및 냉각수를 공급하기 위해 유로양단부에 형성된 매니폴드를 포함하여 구성되되, 상기 수소, 산소유로 및 냉각수 유로의 양단부에 형성된 매니폴드는 크기가 각각 다르고, 서로 대칭되게 형성되어, 분리판의 조립시 상대적인 위치확인이 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
연료전지, 분리판, MEA, GDL, 채널, 랜드

Description

연료전지용 분리판{Separating plate for fuel cell}
도 1은 일반적인 연료전지를 나타내는 개략도이고,
도 2는 연료전지의 손실형태를 나타내는 그래프이고,
도 3a 및 도 3b는 연료전지 스택의 성능향상을 위한 설계인자를 나타내는 그래프이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 분리판 랜드부 형상의 일실시예를 나타내는 개략도이고,
도 5는 본 발명에 따른 수소유로, 공기유로, 냉각수유로 형상의 일실시예를 나타내는 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 분리판 11 : 막전극접합체(MEA)
12 : 기체확산층(GDL) 13 : 채널부
14 : 랜드부 15a : 수소측 매니폴드
15b : 공기측 매니폴드 15c : 냉각수 매니폴드
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고체 고분자 전해질형 연료전지에 있어서 연료전지스택의 구성부품들인 분리판, 기체확산층(GDL) 등의 소재특성과 구조를 개선하여, 연료전지시스템에 장착된 스택이 우수한 성능을 나타낼 수 있도록 물의 이동과 존재형태를 조절함과 동시에, 연료전지시스템에서의 공기공급압력을 낮추어서 전체 연료전지시스템의 효율을 향상시킬수 있고, 자동차용 연료전지 기술의 핵심과제인 냉시동에 대응할 수 있도록 한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지스택은 출력밀도가 높은 고 체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이다.
도 1은 연료전지스택의 구성을 나타내는 개략도로서, 연료전지스택은 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 3L MEA(Membrane Electrode Assembly)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구와, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판으로 구성되어 있다.
상기 고체 고분자 전해질형 연료전지에서는 수소가 양극(Anode, “연료극”이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, “공기극” 혹은 “산소극”이라고도 함)으로 공급된다.
양극으로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 음극으로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)과 분리판(Separator)을 통하여 음극으로 전달된다.
상기 음극에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 음극으로 공급된 공기중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 발생하는 외부 도선을 통한 전자 의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.
이러한 고체 고분자 전해질형 연료전지의 전극반응을 나타내면 아래의 반응식과 같다.
[연료극에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e-
[공기극에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지
상기와 같은 고체 고분자 전해질형 연료전지의 성능을 향상시키는 방법에 대해서는 다양한 회사 혹은 연구기관들에서 다양한 형태로 연구 및 개발이 진행되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 수소, 산소 및 냉각수유로에 형성된 수소측, 공기(산소)측 매니폴드의 면적비를 달리함으로써, 공기공급기의 운전압력을 낮추어 시스템의 효율을 향상시킬 수 있고, 상기 매니폴드에서 유로부분으로 도입되는 수소, 공기 및 냉각수 채널의 깊이를 달리해서 기체확산 정도 및 압력분포를 관리함과 동시에 분리판의 반응면적 전면부에 대한 온도편차를 최소화하여 사용자에 의해 요구되는 출력이 달라지는 부하변동 상태에서 물의 분포를 고르게 하여 출력성능 및 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 분리판 사이에 막전극접합체 및 기체확산층이 장착된 단위전지가 반복적층되는 연료전지용 스택에 있어서,
두장의 평판을 하나로 접착하여 이루어지고, 상기 평판의 양면에 반응기체들이 지나갈 수 있도록 형성된 가스(수소,산소)유로와, 상기 평판의 중간에 열을 제거하기 위해 형성된 냉각수유로와, 상기 가스유로 및 냉각수유로에 수소, 산소 및 냉각수를 공급하기 위해 유로양단부에 형성된 매니폴드를 포함하여 구성되되, 상기 수소, 산소유로 및 냉각수 유로의 양단부에 형성된 매니폴드는 크기가 각각 다르고, 서로 대칭되게 형성되어, 분리판의 조립시 상대적인 위치확인이 가능한 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 매니폴드에서 수소, 산소 및 냉각수유로부분으로 도입되는 채널부의 깊이를 달리하여, 공기극쪽에서 생성되는 물이 상기 채널부나 기체확산층에 고여서 반응기체들이 전달되지 않는 물질이동저항을 최소화하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 가스유로 및 냉각수유로는 직사각형의 요철형태로 형성되고, 기체확산층 방향으로 돌출형성된 랜드부와, 상기 기체확산층의 반대방향으로 오목하게 형성된 채널부로 구성되되, 상기 랜드부와 기체확산층 사이에 고인 물이 채널부로 이동되도록 랜드부의 끝부분이 0~45도로 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기체확산층과 접촉한 분리판 랜드부의 표면특성이 친수성이고, 상기 기체확산층의 표면특성은 소수성인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 채널부의 깊이는 0.2~0.8mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 채널부와 랜드부의 비는 0.5~1.5mm : 0.5~1.5mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 매니폴드에서 유로부분으로 도입되는 채널의 개수를 달리할 수 있도록 상기 수소측 및 공기측 매니폴드의 면적비가 1 : 1.5~3인 것을 특징으로 한다.
고체 고분자 전해질형 연료전지는 그 이론전압이 1.23V이며, 부하의 양 및 전기저항손실이 발생하는 형태와 양에 따라서 그 성능과 효율이 좌우된다.
보다 상세하게는, 도 1의 각 구성부품이 연료전지 스택의 형태로 적층되어 있을 때, 각각의 셀(단위전지)을 구성하는 구성단품에서 발생가능한 전기저항 손실들의 누적량이 최소화 되는 형태로 연료전지스택의 구성단품을 개발하여야 함을 의미한다.
이는 연료전지 스택을 구성하는 각각의 개별단위전지가 반응기체들 및 냉각수의 기밀에 필요한 기밀성능을 유지함과 동시에 전기적으로 잘 접촉하고 있어야 할 뿐만 아니라, 전기화학반응이 일어나는 개별단위전지에서 도 2에 도시한 바와 같은 산소환원반응 전기저항손실이나 수소산화반응 전기저항손실 및 물질이동저항을 최소화하는 것에 따라 성능과 효율이 향상됨을 의미한다.
이를 다시 연료전지 스택 및 그 구성부품의 설계요소로 구분하여 설명하면 다음과 같다.
자동차용 연료전지 스택은 자동차라는 공간의 제약에 의하여 패키지성을 확보하기 위해 반드시 고출력밀도화를 이루어야 하며, 이를 달성하기 위해서는 도 3a 및 도 3b에 도시한 촉매활성 증가, 전기전도성 증가, 물질이동 특성향상의 3가지 요건을 만족시킴과 동시에, 차량의 구동에 필요한 80kW이상의 고출력을 얻기 위한 구성부품들의 설계 및 개발이 필요하다.
또한, 차량의 구동에 직접적으로 관여하는 모터 및 모터제어기 등으로 구성되는 구동시스템의 사양에 의해 연료전지시스템 및 스택의 작동전압과 최대허용전류가 결정된다.
상기 연료전지시스템 및 스택의 작동전압과 최대허용전류의 제한으로 인하여 연료전지스택의 적층셀수와 운전시 최대허용전류의 제한이라는 설계적 제약사항이 발생함과 동시에 운전자 및 승객의 안전을 확보할 수 있는 구성부품들의 절연설계가 반드시 포함되어야만 한다.
이러한 설계인자들에 대한 사항들을 정리하면 다음과 같은 두가지의 형태로 구분할 수 있다.
1) 고출력화
- 적층셀수, 반응면적 증가
- 스택 활성화 기술 / 운전 최적화 기술 개발
: 운전온도 / 상대습도 / 운전압력 등 운전변수 조절
- 내부저항 감소 (스택 체결조건 최적화, MEA/GDL 계면 조정)
- 물질이동 특성 향상 (MEA/GDL/분리판 계면 및 표면특성 조정)
2) 고출력밀도화
- 분리판 개선 : 유로 디자인, 매니폴드(15a~15c) 최적화, 박판화 등
- 공용분배, 체결기구 개선 (Dead Space 최소화)
- MEA(11) 전류밀도 향상 (소재 특성 개선)
- 냉각구조 최적화에 의한 물질이동 특성 향상
아울러, 연료전지시스템의 효율을 고려하면 가장 많은 동력을 소모하는 공기공급기에 사용되는 에너지를 줄이기 위해, 연료전지시스템 구성부품들(특히, 연료전지 스택)에서의 차압을 낮추어야만 한다.
이와 동시에 다양한 부하조건에서 출력성능이 떨어지지 않도록 물질이동특성을 좌우하게 되는 수분의 관리를 위한 분리판의 소재 및 유로특성과 이러한 분리판이 적용된 스택에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이 자동차의 동력원으로 사용되는 연료전지스택은 “분리판/GDL/MEA/GDL/분리판”으로 이루어진 단위전지의 반복 적층에 의하여 구성된다.
이러한 반복 적층 부품중에서 분리판(10)은 일반적으로 두장의 흑연소재 (혹은 금속소재)로 구성된 두께가 얇은 평판에 대하여 각각의 평판에 기계가공 혹은 성형가공 등의 방법을 통하여 단면 혹은 양면에 필요에 따라 반응기체(수소 및 산소)들이 지나갈 수 있는 유로와 냉각수가 지나갈 수 있는 유로를 가공한 후 접착하 여 하나의 분리판(10)으로 사용한다.
두장의 평판을 가공한 후 하나로 접착하여 사용하는 연료전지 분리판(10)은 수소와 공기(산소)의 흐름을 각각 분리시켜 제공하도록 접착된 분리판의 양면에 가스유로가 각각 형성되고, 분리판의 중간에는 연료전지 반응 부산물인 열을 제거하기 위한 냉각수 유로가 형성된다.
또한, 이러한 각각의 수소, 공기(산소), 냉각수 유로에 각각 수소, 공기(산소), 냉각수를 공급하기 위하여 유로의 끝단부에는 매니폴드(15a,15b,15c)가 형성되며, 수소극 및 공기극과의 접촉부위에는 수소 및 공기(산소)의 누출을 방지함은 물론 서로 혼합되는 것을 방지하기 위해 기밀부재가 설치되어 기밀을 유지한다.
이와 동시에 연료전지용 분리판의 요구특성인 반응면적에 대한 수직방향으로의 전기전도성을 확보하기 위하여 MEA(11)/GDL(12)이 분리판 사이에 장착된 후, 성능발현에 필요한 일정 체결압 (통상적으로 50~150psi)하에서 다공성 소재인 GDL(12)에 의해 연료전지스택의 체결하에서 낮은 체결력으로도 전기전도성이 유지되도록 하는 구조를 형성하고 있다.
본 발명에서는 이러한 연료전지 분리판 및 스택에 있어서 전술한 바와 같이 공기공급기의 운전압력을 낮추어 시스템의 효율을 높일 수 있도록 분리판의 매니폴드(15a,15b,15c)에서 유로부분으로 도입되는 채널(13)의 개수를 달리한다.
이를 위해, 상기 수소측 : 공기측 매니폴드(15a,15b)의 면적비가 1 : 1.5~3 (바람직하게는 2)가 되도록 한다.
왜냐하면 상기 수소측에 대하여 공기측 매니폴드의 비율이 1.5 미만인 경우 에는 수소의 양론비를 1.5, 공기의 양론비를 2.0으로 스택을 운전할 경우, 공기측 매니폴드에서 연료전지 분리판내의 반응면으로 연결되는 연결통로의 갯수가 줄어들고 이는 공기측 반응면으로 공기를 공급하는 연결통로의 단면적을 줄이게 된다.
이러한 상태에서 연료전지 스택이 고전류밀도에서 운전되는 고부하 상태가 되면 고부하 운전을 위해 요구되는 공기의 양이 증가되고 이렇게 증가된 공기의 양은 줄어든 연결통로의 단면적에 기인하여 연료전지 스택으로 공급되는 공기공급기의 토출압력을 증가시키게 된다. 이러한 공기공급기의 토출압력이 증가하게 되면 공기공급기에서 요구되는 소모동력이 증가하게 되어 전체적인 시스템의 효율이 낮아지게 된다.
한편, 수소측에 대하여 공기측 매니폴드의 비율이 3 이상인 경우에는 수소의 양론비를 1.5, 공기의 양론비를 2.0으로 스택을 운전할 경우, 수소측 매니폴드에서 연료전지 분리판내의 반응면으로 연결되는 연결통로의 단면적을 줄이게 된다.
이러한 상태에서는 연료전지자동차의 경우 고압(350기압)수소탱크의 수소를 감압하여 공급하게 되는 압력조절밸브를 조정하여 스택으로 공급되는 수소의 공급압력을 전술한 최적비율인 1.5~3의 경우보다 감압된 수소의 스택으로의 공급압력을 약간 높게 함으로써, 스택이 고전류밀도에서 운전되는 고부하상태에서 요구되는 수소를 공급할 수 있으나, MEA를 중심으로 수소와 공기측의 압력차가 커지게 되므로 MEA의 기계적인 피로파괴를 유발할 수 있다.
이러한 피로파괴를 방지하기 위해 결국 공기측의 운전압력을 공기공급기의 토출압력을 증가시켜서 연료전지 스택의 안전성을 확보할 수 밖에 없다. 이러한 운 전압력의 증가는 결과적으로 전술한 바와 같이 공기공급기에서 요구되는 소모동력을 증대시켜 시스템의 효율이 낮아지게 된다.
또한, 고전류 영역에서 반응에 의해 공기극쪽에서 생성되는 물이 분리판(10)의 채널(13)이나 기체확산층(12)등에 고여서 반응기체들이 전달되지 않은 물질이동저항이 발생하고 있다.
이를 최소화하기 위해 냉각분리판의 바람직한 구조를 나타내고 있는 것으로서, 하나의 분리판(10)에서 각각의 반응기체인 수소와 공기 및 냉각수 채널(13)의 깊이를 달리 해서 기체확산 정도 및 압력분포를 관리한다.
그리고, 분리판(10)의 반응면적 전면부에 대한 온도편차를 최소화하여 사용자에 의해 요구되어지는 출력이 달라지는 부하변동시 고부하와 저부하 상태에서 물의 분포를 고르게 하여 출력성능과 내구성이 향상되도록 하는 것이다.
도 1에서 나타낸 단위전지 상태에서 선행특허들로 등록된 분리판(10)의 표면특성이 친수성인 경우에 위에서 언급한 효과들을 나타내는 최적의 채널(13) 깊이와 채널(13)/랜드(14)비는 다음 표 1과 같다.
Figure 112006091927356-pat00001
연료전지스택이 성능발현을 위해 일정한 체결압으로 조립된 상태에서 다공성 소재인 기체확산층은 분리판의 반응면에서 채널을 파고 들어가서 채널을 막는 현상이 발생한다.
이때 수소/공기의 채널깊이가 0.2mm미만일 경우 기체확산층이 채널 깊이의 약 50%수준까지 침해할 경우 반응기체들이 지나는 통로인 채널에서의 압력차이가 커져서 결국 반응기체들의 공급압력을 상승시켜야만 한다.
반대로 채널의 깊이가 0.8mm를 초과할 경우에는 반응기체들이 채널을 통해서만 MEA의 반응면으로 전달되고 기체확산층을 통하여 랜드부의 아래에 위치한 반응면으로는 전달되지 않은 현상이 나타나서 전체 반응면적에 대한 고른 반응기체들의 분포를 달성할 수 없게 된다.
또한, 채널과 랜드의 비율도 상기와 비슷한 이유로 설명될 수 있으며, 이때 채널과 채널사이의 간격은 1.5mm를 초과해서는 안된다. 만약 이러한 간격을 초과할 경우 채널과 채널사이에 위치한 랜드부 아래에 있는 반응면으로는 반응기체들이 전달되지 않아서 전체 반응면적을 효율적으로 사용할 수 없으며, 경우에 따라서는 수소의 경우 국부적으로 연료가 부족해 지는 현상이 발생하게 된다.
이때 채널 및 랜드의 형상은 도 5에 도시한 바와 같이 직사각형을 기본으로 하고 있으나, 랜드부(14) 아래에 고일 수 있는 수분을 채널부(13)로 잘 이동시키기 위해 랜드부(14)의 끝부분을 0~45도 범위로 가공할 수 있으며, 바람직하게는 10도이다.
보다 상세하게는, 기체확산층(12)은 탄소 섬유 혹은 탄소 종이에 소수성 발현을 위한 PTFE(Polytetrafluoro ethylene)가 함침된 다공성 소재로서 그 두께는 비 압축상태에서 통상 100~500㎛를 나타내고 있으며, 연료전지 스택의 구성시 이러한 기체확산층(12)은 체결압에 의해서 원래두께의 수십% 수준으로 압축된다.
상기 기체확산층(12)에서 랜드(14)에 의해 눌린 부분은 힘을 많이 전달받아 미세기공구조가 찌그러져서 모세관력이 더 많이 작용하여 랜드부(14) 아래에서 물이 고이는 형태로 된다.
그리고, 상기 물은 기체확산층(12)과 접촉한 분리판 랜드부(14)의 표면특성이 친수성이므로, 이에 의해 채널(13)부분으로 이동하여 기체확산층(12)내에서 제거되고 가스가 도입되는 채널부(13)로 공급되어 반응가스와 혼합된다.
이때 기체확산층(12)의 수분제거로 수분에 의한 블로킹(Blocking) 방지를 통해 랜드부 아래의 MEA(11)에 대해서 원활한 가스 공급이 가능해 짐과 동시에, 기체확산층(12)에 누적되는 수분을 채널부(13)로 회수하여 전체 반응면적에 대한 수분분포를 좀 더 고르게 할 수 있다.
그리고 분리판(10) 내부의 수분을 자체 순환시킴으로써 외부의 공급기체들에 포함된 수분의 양에 따른 출력성능의 영향을 최소화 하고, 자동차용에서 흔히 발생하는 공급기체의 상대 습도변화에 따른 출력성능 변화의 충격을 최소화 함으로써, 출력성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 드라이/웨트(Dry/Wet) 조건의 반복에 의한 MEA(11)의 부피팽창 변화를 최소화하여 MEA(11)의 기계적 손상을 저감함과 동시에, 플러딩(Flooding) 등에 의해 발생되는 전해질막 및 전극/촉매의 열화현상을 최소화함으로써 스택의 내구수명을 향상 시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 매니폴드(15a,15b,15c)의 비율을 달리 함으로써 연료전지 스택의 조립자동화시 조립성을 확보하기 위해 필수적으로 요구되는 분리판(10)의 조립시 반응기체가 분리판(10)의 유로쪽으로 도입되는 분리판 매니폴드(15a,15b,15c)부의 형상을 이용하여 분리판(10)의 상대적인 위치 확인을 위한 구조를 인식할 수 있다.
보다 상세하게는, 도 5에 도시한 바와 같이 분리판(10)의 수소와 공기측 매니폴드(15a,15b)의 크기를 다르게 하고, 180도 회전시에도 대칭되도록 분리판(100)을 구성하여, 어떠한 상태로 분리판(10)을 놓더라도 스택에서 요구되는 의도한 상태로 조립되도록 하여 조립성을 확보한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 의하면, 다음과 같은 장점이 있다.
1) 분리판의 표면특성이 친수성인 경우에 랜드부의 끝부분을 경사지게 가공하여 랜드부 아래에 고일 수 있는 수분을 채널부로 용이하게 이동할 수 있다.
2) 수소측 및 공기측 매니폴드의 면적비를 달리함으로써, 공기공급기의 운전압력을 낮추어 시스템의 효율을 향상시킬 수 있고, 수소, 공기 및 냉각수 채널의 깊이를 달리해서 분리판의 채널이나 기체확산층 등에 고여서 반응기체들이 전달되지 않는 물질이동저항을 최소화 할 수 있다.
3) 분리판의 공기와 수소측의 매니폴드 크기를 다르게 하고 180도 회전시에도 대칭되도록 구성함으로써, 어떠한 상태로 분리판을 놓더라도 스택에서 요구되는 상태로 조립이 되어 조립성을 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 분리판(10) 사이에 막전극접합체(11) 및 기체확산층(12)이 장착된 단위전지가 반복적층되는 연료전지용 스택에 있어서,
    두장의 평판을 하나로 접착하여 이루어지고, 상기 평판의 양면에 반응기체들이 지나갈 수 있도록 형성된 가스(수소,산소)유로와, 상기 평판의 중간에 열을 제거하기 위해 형성된 냉각수유로와, 상기 가스유로 및 냉각수유로에 수소, 산소 및 냉각수를 공급하기 위해 유로양단부에 형성된 매니폴드(15a,15b,15c)를 포함하여 구성되되, 상기 수소, 산소유로 및 냉각수 유로의 양단부에 형성된 매니폴드(15a,15b,15c)는 크기가 각각 다르고, 서로 대칭되게 형성되어, 분리판(10)의 조립시 상대적인 위치확인이 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 매니폴드(15a,15b,15c)에서 수소, 산소 및 냉각수유로부분으로 도입되는 채널부(13)의 깊이를 달리하여, 공기극쪽에서 생성되는 물이 상기 채널부(13)나 기체확산층(12)에 고여서 반응기체들이 전달되지 않는 물질이동저항을 최소화하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 가스유로 및 냉각수유로는 직사각형의 요철형태로 형성되고, 기체확산층 방향으로 돌출형성된 랜드부(14)와, 상기 기체확산층의 반대방향으로 오목하게 형성된 채널부(13)로 구성되되, 상기 랜드부(14)와 기체확산층(12) 사이에 고인 물이 채널부(13)로 이동되도록 랜드부(14)의 끝부분이 0~45도로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기체확산층(12)과 접촉한 분리판 랜드부(14)의 표면특성이 친수성이고, 상기 기체확산층(12)의 표면특성은 소수성인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 채널부(113)의 깊이는 0.2~0.8mm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 채널부(13)와 랜드부(14)의 비는 0.5~1.5mm : 0.5~1.5mm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 매니폴드에서 유로부분으로 도입되는 채널의 개수를 달리할 수 있도록 상기 수소측 및 공기측 매니폴드(15a,15b)의 면적비가 1 : 1.5~3인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0831434A (ja) * 1994-07-21 1996-02-02 Hitachi Zosen Corp 固体電解質型燃料電池

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0831434A (ja) * 1994-07-21 1996-02-02 Hitachi Zosen Corp 固体電解質型燃料電池

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8911919B2 (en) 2010-09-29 2014-12-16 Hyundai Motor Company Local hydrophilic gas diffusion layer and fuel cell stack comprising the same

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