KR100821773B1 - 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판 - Google Patents

자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 막-전극 접합체에 결합되어 연료와 냉각수 및 공기의 통로가 되며 상기 막-전극 접합체를 지지하는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 분리판은 메인 분리판 및 서브 분리판으로 구성되고, 상기 메인 분리판 및 서브 분리판의 길이 방향 양단부에 각각 관통 형성되어 연료가 흡기 및 배기되는 복수의 흡기 매니폴드 및 배기 매니폴드; 상기 메인 분리판의 상면에 형성되어 서로 다른 흡기 매니폴드로부터 연료를 공급받아 서로 다른 배기 매니폴드로 연료를 배기함으로써 연료가 흐르는 방향이 서로 반대 방향을 이루는 복수의 유로; 및 상기 메인 분리판의 하면 및 상기 서브 분리판의 상면과 하면에 형성되어 상기 흡기 매니폴드와 상기 배기 매니폴드를 상기 유로에 연결시키는 보조 유로를 포함하는 것을 특징으로 한다. 연료전지 내에서 발생하는 물을 이용해 연료전지 스택에 공급되는 연료를 가습할 수 있어 별도의 가습 장치를 삭제하거나 크기를 줄일 수 있으며, 유로의 단부에서 물방울이 고여 유로를 막는 flooding 현상을 방지할 수 있다.
연료전지, 분리판, 유로, 자체 가습, 연결 유로, 보조 유로, 매니폴드

Description

자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판{A separator for a fuel-cell which has channels possible self humidifing}
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 분리판 유로 상에서 연료의 흐름을 도시한 평면도.
도 2a는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 분리판의 분해 사시도.
도 2b는 도 2a에 따른 분리판의 저면도.
도 3은 도 2a에 따른 분리판의 결합 사시도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 메인 분리판의 상면 및 서브 분리판의 하면을 도시한 평면도.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 분리판의 사시도.
도 6은 도 5에 따른 분리판의 저면도.
도 7a는 도 5에 따른 분리판의 상면을 도시한 평면도.
도 7b는 도 5에 따른 분리판의 하면을 도시한 평면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
S1, S2 : 분리판 100, 400 : 매니폴드
210, 500 : 제 1 유로 220, 600 : 제2 유로
230, 700 : 연결 유로 310, 330, 800 : 보조 유로
900 : 보조 통로
본 발명은 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이웃한 유로간의 연료 흐름이 반대가 되도록 하나의 분리판에 복수의 cathode 및 anode 흡배기 매니폴드를 형성하고 GDL을 통해 습도가 높은 쪽으로부터 낮은 쪽으로 수분이 공급되도록 함으로써 별도의 가습 장치 없이 자체 가습이 가능한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
연료전지 스택으로 공급되는 기체는 가습된 상태에서 공급되는데, 이는 연료전지 스택 내부에 수분이 부족하게 되면 수소 이온의 전도도가 떨어지기 때문이다.
고분자 전해질 막을 사용하는 고분자 전해질형 연료전지의 경우 수분이 부족하면 수소 이온의 전도도가 감소되는 것은 물론 전해질막의 수축으로 인해 전극과 고분자 전해질막 사이의 접촉 저항이 증가하게 된다.
반대로 수분이 너무 많으면 전극에 수분이 응결되어 맺히는 현상(flooding)이 발생해 반응 기체의 확산을 방해하여 연료전지의 성능을 감소시키기도 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 연료전지 스택 입구단에 별도의 가습기를 설치하여 입구단 습도를 조절하는 한편, 스택에서 발생한 물을 원활하게 배출하기 위해 분리판의 형상을 개선하려는 시도가 있어 왔다.
그러나 별도의 가습기를 설치하는 것은 연료전지 시스템 용량이 커짐에 따라 부피가 비례해서 증가하는 문제가 발생할 뿐만 아니라 가습기에서의 압력 손실 또한 문제가 될 수 있다.
따라서 별도의 가습기를 사용하지 않고도 연료전지 스택을 가습하며, 스택에서 발생하는 flooding 문제를 동시에 해결할 수 있는 방법이 필요하게 되었다.
본 발명의 목적은 분리판의 유로를 변경함으로써 별도의 가습 장치 없이 연료전지 스택에 공급되는 연료를 가습하는 한편, cathode 및 anode 유로의 단부에서 물방울이 고여 유로를 막는 flooding 현상을 방지할 수 있는 자체가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 막-전극 접합체에 결합되어 연료와 냉각수 및 공기의 통로가 되며 상기 막-전극 접합체를 지지하는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 분리판은 메인 분리판 및 서브 분리판으로 구성되고, 상기 메인 분리판 및 서브 분리판의 길이 방향 양단부에 각각 관통 형성되어 연료가 흡기 및 배기되는 복수의 흡기 매니폴드 및 배기 매니폴드; 상기 메인 분리판의 상면에 형성되어 서로 다른 흡기 매니폴드로부터 연료를 공급받아 서로 다른 배기 매니폴드로 연료를 배기함으로써 연료가 흐르는 방향이 서로 반대 방향을 이루는 복수의 유로; 및 상기 메인 분리판의 하면 및 상기 서브 분리판의 상면과 하면에 형성되어 상기 흡기 매니폴드와 상기 배기 매니폴드를 상기 유로에 연결시키는 보조 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분 리판을 제공한다.
상기 메인 분리판은 하면에 형성되되, 상기 서브 분리판의 상면에 형성된 보조 유로에 대응하는 위치에 형성되어 상기 유로와 연통되며, 상기 유로가 상기 보조 유로와 연통되도록 연결하는 연결 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 유로는 사행 형태로 형성되되 서로 겹치지 않으며, 서로 이웃한 유로와 연료의 흐름이 반대 방향이 되도록 메인 분리판의 상면에 함몰 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 막-전극 접합체에 결합되어 연료와 냉각수 및 공기의 통로가 되며 상기 막-전극 접합체를 지지하는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 분리판은, 길이 방향 양단부에 각각 관통 형성되어 연료가 흡기 및 배기되는 복수의 흡기 매니폴드 및 배기 매니폴드; 상면에 형성되어 서로 다른 흡기 매니폴드로부터 연료를 공급받아 서로 다른 배기 매니폴드로 연료를 배기함으로써 연료가 흐르는 방향이 서로 반대 방향을 이루는 복수의 유로; 상면에 형성되어 복수의 상기 흡기 매니폴드 및 배기 매니폴드 중 어느 한 쌍의 흡배기 매니폴드와 상기 유로를 연결하는 연결 유로; 및 하면에 형성되어 복수의 상기 흡기 매니폴드 및 배기 매니폴드 중 어느 한 쌍의 흡배기 매니폴드와 상기 유로를 연결하는 보조 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판을 제공한다.
상기 분리판은 하면에 형성되어 상기 연결 유로와 상기 유로를 연통시키는 보조 통로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 유로는 사행 형태로 형성되되 서로 겹치지 않으며, 서로 이웃한 유로와 연료의 흐름이 반대 방향이 되도록 상기 분리판의 상면에 함몰 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 제1 및 제2 실시 예에 따른 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저 본 발명의 제1 실시 예에 따른 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 분리판에 대해 설명하기로 한다.
첨부된 도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 분리판 유로 상에서 연료의 흐름을 도시한 평면도이고, 도 2a는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 분리판의 분해 사시도이며, 도 2b는 도 2a에 따른 분리판의 저면도이다. 도 3은 도 2a에 따른 분리판의 결합 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 메인 분리판의 상면 및 서브 분리판의 하면을 도시한 평면도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 분리판()은 고분자 전해질막과 애노드(anode) 및 캐소드(cathode) 전극에 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL)가 접합된 막-전극 접합체에 결합되어 막-전극 접합체를 지지하며, 연료가 골고루 확산되도록 한다. 분리판(S1)에는 별도의 가습 장치 없이 연료전지 스택 내부의 막-전극 접합체를 가습할 수 있도록 유로(210, 220)가 형성된다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 분리판(S1)은 메인 분리판(200)과, 메인 분리판(200)의 하부에 결합되는 서브 분리판(300)으로 구성된다. 메인 분리판(200) 및 서브 분리판(300)에는 복수의 매니폴드(100)와 유로(210, 220) 및 연결 유로(230)가 형성되며, 서브 분리판(300)에는 보조 유로(310, 330)가 형성된다.
매니폴드(100)는 분리판(S1)의 길이 방향 양단부에 각각 관통 형성되는데, 일단에 애노드(anode) 흡기 매니폴드(112)와 냉각수 유입 매니폴드(114), 그리고 캐소드(cathode) 배기 매니폴드(118) 및 흡기 매니폴드(116)가 순서대로 형성된다. 타단에는 캐소드 흡기 매니폴드(128) 및 배기 매니폴드(126)와, 냉각수 배기 매니폴드(124), 그리고 애노드 배기 매니폴드(122)가 순차적으로 형성된다(이하 도 1을 기준으로 좌측에 형성된 캐소드 흡기 매니폴드를 제1 흡기 매니폴드, 우측에 형성된 캐소드 배기 매니폴드를 제1 배기 매니폴드로, 우측에 형성된 캐소드 흡기 매니폴드를 제2 흡기 매니폴드, 좌측에 형성된 캐소드 배기 매니폴드를 제2 배기 매니폴드라고 지칭하기로 한다).
각각의 흡기 매니폴드(116, 128)를 통해 공급되는 연료는 별도의 가습 장치가 없으므로 습도가 낮은 상태로 공급되고, 각각의 배기 매니폴드(118, 126)를 통해 배기되는 연료는 연료전지의 반응 생성물인 물을 포함하고 있어 습도가 높은 상태이다. 이렇게 습도가 높은 쪽 연료로부터 낮은 쪽 연료로 수분이 전달될 수 있도록 유로(210, 220)와 연결 유로(230) 및 보조 유로(310, 330)가 형성되는 것이다.
메인 분리판(200)의 상면에는 제1 흡기 매니폴드(116) 쪽에서 제1 배기 매니폴드(126) 쪽으로 연료가 흐르도록 통로 역할을 하는 복수의 유로(210, 이하 제1 유로)와, 제2 흡기 매니폴드(128) 쪽에서 제2 배기 매니폴드(118) 쪽으로 연료가 흐르도록 통로 역할을 하는 복수의 유로(220, 이하 제2 유로)가 형성된다.
제1 유로(210) 및 제2 유로(220)는 사행 형태로 형성되며, 서로 이웃한 유로간의 연료 흐름 방향이 반대가 되도록 형성된다. 제1 유로(210) 및 제2 유로(220)는 메인 분리판(200)의 하면 및 서브 분리판(300)의 상하면에 각각 형성된 연결 유로(230) 및 보조 유로(310, 330)에 의해 매니폴드(100)와 연결된다.
연결 유로(230)는 메인 분리판(200)의 하면에 형성되며, 제1 흡기 매니폴드(116) 및 제1 배기 매니폴드(126)와 제1 유로(210)의 양단부를 각각 연결시킨다. 이를 위해 제1 유로(210)의 양단부에는 연결 유로(230)와 연통되는 홀(H)이 관통 형성된다.
보조 유로(310, 330)는 서브 분리판(300)의 상면 및 하면에 각각 형성된다. 서브 분리판(300)의 상면에 형성되는 상면 보조 유로(310)는 메인 분리판(200)의 하면에 형성된 연결 유로(230)와 동일한 형상으로 가공되어 제1 흡기 매니폴드(116) 및 제1 배기 매니폴드(126)와 제1 유로(210)를 연결시킨다.
서브 분리판(300)의 하면에 형성되는 하면 보조 유로(330)는 제2 흡기 매니폴드(128) 및 제2 배기 매니폴드(118)와 제2 유로(220)의 양단부를 각각 연결시킨다. 이를 위해 제2 유로(220)의 양단부에는 하면 보조 유로(330)와 연통되는 홀(H)이 형성되며, 서브 분리판(300)의 상면에는 홀(H)과 연통되는 연통홀(320)이 관통 형성된다.
이러한 구성에 의해 제1 유로(210) 및 제2 유로(220)는 서로 다른 연료의 흐름 방향을 갖게 된다. 또한, 수분이 많이 함유된 연료가 배기되는 배기 매니폴드(118, 126)가 분리판(S1)의 양쪽에 분산되고, 수분이 많은 쪽에서 적은 쪽으로 가스 확산층을 따라 수분이 이동되므로 별도의 가습 장치 없이도 막-전극 접합체를 가습할 수 있다.
이 과정에서 수분이 골고루 확산되므로 캐소드 측 유로의 단부에서 과도한 수분의 응결에 의한 flooding 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
다음으로 본 발명의 제2 실시 예에 따른 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판에 대해 설명하면 다음과 같다(제2 실시 예의 구성 요소에 대한 설명 중 생략된 부분은 제1 실시 예의 구성 요소와 중복되는 부분으로 편의상 그 설명을 생략하였다).
첨부된 도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 분리판의 사시도이고, 도 6은 도 5에 따른 분리판의 저면도이다. 도 7a는 도 5에 따른 분리판의 상면을 도시한 평면도이며, 도 7b는 도 5에 따른 분리판의 하면을 도시한 평면도이다.
도 5 내지 도 7b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 분리판(S2)은 길이 방향의 양단에 매니폴드(400)가 형성되고, 상면에는 복수의 유로(500, 600) 및 유로(500, 600) 중 일부와 매니폴드(400)를 연결하는 연결 유로(700)가 형성된다. 분리판(S2)의 하면에는 상면에 형성된 유로(500, 600) 중 나머지와 매니폴드(400)를 연결하는 보조 유로(800)가 형성된다.
매니폴드(400)는 분리판(S2)의 길이 방향 양단부에 각각 관통 형성되는데, 일단에 애노드(anode) 흡기 매니폴드(412)와 냉각수 유입 매니폴드(414), 그리고 캐소드(cathode) 배기 매니폴드(418) 및 흡기 매니폴드(416)가 순서대로 형성된다. 타단에는 캐소드 흡기 매니폴드(428) 및 배기 매니폴드(426)와, 냉각수 배기 매니 폴드(424), 그리고 애노드 배기 매니폴드(422)가 순차적으로 형성된다.
유로(500, 600)는 복수의 제1 유로(500) 및 제2 유로(600)가 서로 다른 캐소드 흡기 매니폴드(416, 428)를 통해 연료를 공급받고 서로 다른 캐소드 배기 매니폴드(418, 426)를 통해 연료를 배출하며, 서로 이웃한 유로(500, 600) 간의 연료 흐름 방향이 반대가 되도록 사행 형태로 배치된다(유로는 제1 실시 예와 동일하게 형성되므로 상세한 설명은 생략함).
연결 유로(700)는 분리판(S2)의 일단에 형성된 캐소드 흡기 매니폴드(416)와 타단에 형성된 캐소드 배기 매니 폴드(426)에 각각 연결된다. 연결 유로(700)에는 관통공(710)이 형성되어 분리판(S2)의 하면에 형성된 보조 유로(800)와 연결되며, 보조 유로(800)를 통해 제1 유로(500)와 연결된다. 이를 위해 보조 유로(800) 및 제1 유로(500)의 단부에는 홀(H)이 형성된다.
분리판(S2)의 하면에는 보조 통로(900)가 형성되어 분리판(S2)의 나머지 캐소드 흡기 매니폴드(428) 및 캐소드 배기 매니폴드(418)를 제2 유로(600)와 연결시킨다. 이를 위해 보조 통로(900) 및 제2 유로(600)의 단부에는 홀(H)이 형성된다.
이러한 구성에 의해 제1 유로(500) 및 제2 유로(600)는 서로 다른 연료의 흐름 방향을 갖게 된다. 또한, 수분이 많이 함유된 연료가 배기되는 배기 매니폴드(418, 426)가 분리판(S2)의 양쪽에 분산되고, 수분이 많은 쪽에서 적은 쪽으로 가스 확산층을 따라 수분이 이동되므로 별도의 가습 장치 없이도 막-전극 접합체를 가습할 수 있다.
전술한 실시 예에서 캐소드 흡기 매니폴드 및 캐소드 배기 매니폴드가 복수 로 형성된 분리판을 예로 들어 설명하였으나 애노드 흡기 매니폴드 및 애노드 배기 매니폴드에도 동일하게 적용할 수 있음은 물론이다.
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.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판은 연료전지 내에서 발생하는 물을 이용해 연료전지 스택에 공급되는 연료를 가습할 수 있어 별도의 가습 장치를 삭제하거나 크기를 줄일 수 있다.
또한, 연료전지 내에서 발생되는 수분을 이용해 연료를 가습하므로 cathode 및 anode 유로의 단부에서 물방울이 고여 유로를 막는 flooding 현상을 방지할 수 있어 연료전지 스택의 성능 및 내구성이 향상된다.

Claims (6)

  1. 막-전극 접합체에 결합되어 연료와 냉각수 및 공기의 통로가 되며 상기 막-전극 접합체를 지지하는 연료전지용 분리판(S1)에 있어서,
    상기 분리판(S1)은 메인 분리판(200) 및 서브 분리판(300)으로 구성되고,
    상기 메인 분리판(200) 및 서브 분리판(300)의 길이 방향 양단부에 각각 관통 형성되어 연료가 흡기 및 배기되는 복수의 흡기 매니폴드(116, 128) 및 배기 매니폴드(118, 126);
    상기 메인 분리판(200)의 상면에 형성되어 서로 다른 흡기 매니폴드(116, 128)로부터 연료를 공급받아 서로 다른 배기 매니폴드(118, 126)로 연료를 배기함으로써 연료가 흐르는 방향이 서로 반대 방향을 이루는 복수의 유로(210, 220); 및
    상기 메인 분리판(200)의 하면 및 상기 서브 분리판(300)의 상면과 하면에 형성되어 상기 흡기 매니폴드(116, 128)와 상기 배기 매니폴드(118, 126)를 상기 유로(210, 220)에 연결시키는 보조 유로(310, 330)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 분리판(200)은 하면에 형성되되, 상기 서브 분리판(300)의 상면에 형성된 보조 유로(310)에 대응하는 위치에 형성되어 상기 유로(210, 220)와 연통되며, 상기 유로(210, 220)가 상기 보조 유로(310)와 연통되도록 연결하는 연결 유 로(230)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유로(210, 220)는 사행 형태로 형성되되 서로 겹치지 않으며, 서로 이웃한 유로(210, 220)와 연료의 흐름이 반대 방향이 되도록 메인 분리판(200)의 상면에 함몰 형성되는 것을 특징으로 하는 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판.
  4. 막-전극 접합체에 결합되어 연료와 냉각수 및 공기의 통로가 되며 상기 막-전극 접합체를 지지하는 연료전지용 분리판(S2)에 있어서,
    상기 분리판(S2)은,
    길이 방향 양단부에 각각 관통 형성되어 연료가 흡기 및 배기되는 복수의 흡기 매니폴드(416, 428) 및 배기 매니폴드(418, 426);
    상면에 형성되어 서로 다른 흡기 매니폴드(416, 428)로부터 연료를 공급받아 서로 다른 배기 매니폴드(418, 426)로 연료를 배기함으로써 연료가 흐르는 방향이 서로 반대 방향을 이루는 복수의 유로(500, 600);
    상면에 형성되어 복수의 상기 흡기 매니폴드(416, 428) 및 배기 매니폴드(418, 426) 중 어느 한 쌍의 흡배기 매니폴드와 상기 유로(500, 600)를 연결하는 연결 유로(700); 및
    하면에 형성되어 복수의 상기 흡기 매니폴드(416, 428) 및 배기 매니폴드(418, 426) 중 다른 한 쌍의 흡배기 매니폴드와 상기 유로(500, 600)를 연결하는 보조 유로(800)를 포함하며,
    상기 분리판(S2)은 하면에 형성되어 상기 연결 유로(700)와 상기 유로(500, 600)를 연통시키는 보조 통로(900)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 유로(500, 600)는 사행 형태로 형성되되 서로 겹치지 않으며, 서로 이웃한 유로(500, 600)와 연료의 흐름이 반대 방향이 되도록 상기 분리판(S2)의 상면에 함몰 형성되는 것을 특징으로 하는 자체 가습이 가능한 유로를 갖는 연료전지용 분리판.
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