KR100884936B1 - 기체확산층을 통하여 반응가스를 공급하는 보조유로가삽입된 고분자연료전지 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체확산층을 통하여 반응가스를 공급하는 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판에 관한 것으로, 그 목적은 전지분리판의 전체적인 반응 균일성을 높이고 국부적인 물배출 저하현상을 방지할 수 있도록 보조유로를 삽입하여 연료전지의 성능감소영역에 신선한 반응가스를 국부적으로 주입시킨 분리전지판을 제공하는 데 있다.

본 발명의 구성은 유로가 새겨진 분리판, 가스확산층, 촉매층, 전해질 막으로 구성된 연료전지의 분리판에 있어서, 분리판(1)에 다수의 격벽(11)이 병렬로 형성되어 다수개의 사행유로(12)를 형성하되, 사행유로를 형성시키는 다수개의 입구측 격벽(11) 중 가장 짧은 사행구간을 가지는 격벽(11)에서 분지 후 분리판과 연결되는 보조격벽(13)이 설치되어 보조유로(14)를 형성하고, 이 보조유로를 통해 반응가스가 추가 공급되도록 구성한 것을 특징으로 하는 기체확산층을 통하여 반응가스를 공급하는 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판.

분리판, 격벽, 사행유로, 보조격벽, 보조유로, 성능감소영역, 연료전지

Description

기체확산층을 통하여 반응가스를 공급하는 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판{Bipolar plate using a secondary flow channel for a PEM fuel cell}

본 발명은 기체확산층을 통하여 반응가스를 공급하는 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판에 관한 것으로, 자세하게는 평행사행유로 구조의 분리판에 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판에 관한 것이다.

연료전지의 구조는 도 1과 같이 유로가 새겨진 분리판, 가스확산층, 촉매층, 전해질 막으로 구성된다.

도시된 바와 같이 분리판의 유로를 통해서 산소와 수소같은 반응가스가 공급되며, 공급된 반응가스는 매우 많은 기공을 갖고 있는 가스확산층을 통과하여 촉매층으로 확산되고 촉매층에서 반응이 일어나게 된다.

반응가스와 촉매층사이에 존재하는 가스확산층은 높은 다공도를 갖는 다공성매질로 만들어져 반응가스와 생성물인 물이 원활하게 통과되도록 만들어진다.

종래 고분자 연료전지가 갖고 있는 문제들 중 가장 중요한 사안은 반응의 균일성과 물배출이다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여 여러 가지 형태의 분리판 유로형태가 개발 되었는데, 대표적인 분리판 유로형태로는 사행유로(serpentine channel)가 있다.

도 2는 하나의 유로만을 갖는 단일 사행유로를 보여준다.

단일사행유로(single sepentine channel)는 물배출 성능이 우수하다고 알려져 있다. 왜냐하면 단일사행유로에서는 반응가스가 단 하나의 유로만을 통과하기 때문에 상대적으로 높은 유속을 유지할 수 있으며, 결과적으로 기체가 갖고 있는 모멘텀이 증가하여 유로내부에 응축된 물 액적을 배출하는데 매우 유리해지기 때문이다.

그러나 이 경우 유로의 길이가 매우 길어지기 때문에 입출구의 압력손실이 필요 이상으로 커지며 유로가 직선 형태를 유지하지 못하고 'ㄷ'자로 수 회 구부러진 형태를 가질 수밖에 없다.

상기와 같은 단일 사행유로의 문제점을 해결하기 위한 것으로 평행유로와 사행유로가 서로 혼합된 형태인 평행사행유로(parallel-serpentine channel)가 널리 사용되게 되었다. 평행사행유로는 도 3과 같이 다수의 사행유로를 병렬로 배열한 것으로 유로의 길이와 구부러진 횟수도 적절한 수준으로 줄 일 수 있다.

한편, 앞서 언급한 사행유로가 갖게 되는 가장 큰 특징 중 하나는 인접한 유로 간에 매우 큰 압력차이가 존재한다는 점이다. 이러한 압력 차이는 반응가스가 벽과의 마찰로 인해 잃어버리게 되는 압력손실로 발생하는데 이로 인하여 도 4에서와 같이 입구부와 출구 영역에서 화살표 방향으로 흐르는 유동이 발생할 확률이 높아진다. 즉 매우 많은 다공을 갖고 있는 가스확산층을 통하여 일정부분의 반응가스가 이동하게 되는 것이다. 이러한 유동의 양은 반응면적의 종횡비가 커질수록 증가하며, 전체 유동의 10% 이상을 차지하게 된다. 연료전지의 국부적인 성능은 유로를 흐르는 반응가스량에 비례하기 때문에 가스확산층을 통과하는 반응가스의 우회유동 지역에서는 좋은 성능을 보인다.

하지만 실제로는 이 때문에 성능이 오히려 감소하는 영역이 발생한다.

연료전지 내부의 특정영역에서는 가스확산층을 통과하는 반응가스의 양이 증가할수록 유로를 흐르는 반응가스의 양은 줄어들게 되며 결과적으로 국부적인 물배출 저하와 전류밀도 감소 현상이 발생한다.

도 5를 보면 가스확산층에서의 우회유동 때문에 반응가스의 상당 부분이 유로의 입구와 출구를 잇는 직선부인 A영역을 따라 흐르게 되며 이 영역에서는 높은 전류밀도와 우수한 물배출 능력을 갖게 된다. 이에 반해 C 영역에서는 반응가스의 공급이 상대적으로 줄어들어 전류밀도가 떨어지고 반응가스가 많은 물을 포함하고 있어 물배출 성능이 감소한다. B영역에서는 반응가스의 공급이 적기는 하지만 반응이 비교적 적게 일어난 신선한 가스이고 발생된 물도 많지 않기 때문에 높은 전류밀도를 유지할 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전지분리판의 전체적인 반응 균일성을 높이고 국부적인 물배출 저하현상을 방지할 수 있도록 보조유로를 삽입하여 연료전지의 성능감소영역에 신선한 반응가스를 국부적으로 주입시킨 분리전지판을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 목적은 신선한 반응가스를 가스확산층을 통과하여 주입하기 때문에 보조유로의 형상을 바꾸어 반응가스 주입량을 손쉽게 조절할 수 있는 분리전지판을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 유로가 새겨진 분리판, 가스확산층, 촉매층, 전해질 막으로 구성된 연료전지의 분리판에 있어서,

분리판에 다수의 격벽이 병렬로 형성되어 다수개의 사행유로를 형성하되, 사행유로를 형성시키는 다수개의 입구측 격벽 중 가장 짧은 사행구간을 가지는 격벽에서 입구와 출구의 위치에 따라 발생되는 성능감소영역 쪽으로 분지 후 분리판과 연결되는 보조격벽이 설치되어 보조유로를 형성하고, 이 보조유로를 통해 반응가스 가 추가 공급되도록 구성한 것을 특징으로 하는 기체확산층을 통하여 반응가스를 공급하는 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판을 제공함으로써 달성된다.

상기 보조격벽은 입구와 출구의 위치에 따라 발생되는 성능감소영역 쪽으로 분지되어 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 반응가스는 기체확산층을 통해 반응가스가 추가 공급되도록 구성한 것을 특징으로 한다.

상기 보조유로의 너비, 깊이, 반응가스가 통과할 가스확산층의 너비를 조절하여 성능감소영역에 부족한 반응가스양만큼만 공급할 반응가스의 양을 조절토록 구성한 것을 특징으로 한다.

상기 보조격벽에 의해 형성되는 보조유로는 공급되는 가스가 사행유로와 같이 입구(구멍)을 통하여 공급되도록 하되, 출구를 형성하지 않아 가스확산층을 통과하여 옆 유로로 전부 넘어가게 형성한 것을 특징으로 한다.

상기 보조격벽에 의해 형성되는 보조유로는 국부적인 임의의 성능감소지역에 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 보조유로의 삽입은 연료전지의 성능감소영역에 신선한 반응가스를 국부적으로 주입시킴으로써 전체적인 반응 균일성을 높이고 국부적인 물배출 저하현상을 방지할 수 있게 도와준다.

또한 신선한 반응가스를 가스확산층을 통과하여 주입하기 때문에 보조유로의 형상을 바꾸어 반응가스 주입량을 손쉽게 조절할 수 있는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명에 따른 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판인데, 도시된 바와 같이 분리판(1)에 다수의 격벽(11)이 병렬로 형성되어 다수개의 사행유로(12)가 형성된 것을 알 수 있다. 반응가스는 사향유로의 입구를 통해 공급된 후 출구측으로 배출되게 된다. 특히 사행유로를 형성시키는 다수개의 격벽(11) 중 마지막 격벽(11) 즉, 입구측 격벽중에서 가장 짧은 사행구간을 가지는 격벽(11)에서 성능감소영역(15) 쪽으로 분지 후 분리판과 연결되는 보조격벽(13)이 설치되어 보조유로(14)를 형성하고 있다.

상기와 같이 보조유로를 삽입하여 국부적인 성능감소지역에 반응가스를 추가 로 공급시키면 전체적인 성능을 균일하게 맞출 수 있다. 보조유로의 설치위치는 국부적인 성능감소지역이라면 어디든지 상관없다.

또한 보조 유로의 출구는 형성하지 않는다. 그 이유는 보조유로로 들어온 가스는 도1의 가스확산층을 통하여 옆 유로로 모두 넘어가게 되기 때문이다. 즉, 보조유로의 입구는 주유로인 사행유로와 같이 입구(구멍)을 통하여 공급된다. 하지만 보조유로에는 출구가 없다. 따라서 입구로 들어온 가스는 전부 가스확산층을 통과하여 옆 사행유로로 넘어가게 된다.

단, 주의할 점은 보조유로를 통한 반응가스의 공급량이 적절한 수준으로 유지하기 위해 직접 주입보다는 가스확산층을 통하여 문제되는 지역에 공급시키는 것이 적절하다. 이러한 경우에는 가스확산층을 통과하면서 압력손실이 크게 발생하기 때문에 a-a' 지점을 거쳐 오면서 발생한 압력손실량과 가스확산층을 넘어오면서 발생하는 압력손실이 비슷한 수준을 유지한다.

따라서 보조유로의 너비, 깊이, 반응가스가 통과할 가스확산층의 너비를 조절하면 문제영역에 공급할 반응가스의 양을 손쉽게 조절할 수 있다. 즉, 최적유로의 형태로 조절해야하는데, 보조유로의 크기가 너무 작은 경우 충분한 반응가스가 보조유로로 흘러들어가지 않는다. 반대로 보조유로가 너무 큰 경우 너무 많은 양의 반응가스가 흘러가게 되어 주유로에 충분한 반응가스가 공급되지 못한다. 가장 적절하게 공급되어야 할 반응가스의 양은 반응가스공급부족지역에서 원하는 양 만큼이다. 즉, 도 5의 C지역에서 반응가스가 부족한 만큼만 보조유로를 통해서 반응가 스가 공급되도록 한다.

결과적으로 보조유로의 삽입은 연료전지의 성능감소영역에 신선한 반응가스를 국부적으로 주입시킴으로써 전체적인 반응 균일성을 높이고 국부적인 물배출 저하현상을 방지할 수 있게 도와준다.

또한 신선한 반응가스를 가스확산층을 통과하여 주입하기 때문에 보조유로의 형상을 바꾸어 반응가스 주입량을 손쉽게 조절할 수 있는 장점을 갖게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 일반적인 연료전지의 단면을 보인 구조도이고,

도 2는 종래 연료전지의 분리판 형태 중 단일사행유로 구조를 보인 예시도이고,

도 3은 종래 연료전지의 분리판 형태 중 평행사행유로 구조를 보인 예시도이고,

도 4는 종래 평행사행유로 구조의 분리판 사용시 가스확산층을 통한 반응가스의 우회유동을 보인 예시도이고,

도 5는 종래 평행사행유로 구조의 분리판 사용시 연료전지 내부의 성능편차을 보인 예시도이고,

도 6은 본 발명에 따른 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 분리판

(11) : 격벽

(12) : 사행유로

(13) : 보조격벽

(14) : 보조유로

(15) : 성능감소영역

Claims (6)

1. 유로가 새겨진 분리판, 가스확산층, 촉매층, 전해질 막으로 구성된 연료전지의 분리판에 있어서,

   분리판(1)에 다수의 격벽(11)이 병렬로 형성되어 다수개의 사행유로(12)를 형성하되, 사행유로를 형성시키는 다수개의 입구측 격벽(11) 중 가장 짧은 사행구간을 가지는 격벽(11)에서 분지 후 분리판과 연결되는 보조격벽(13)이 설치되어 보조유로(14)를 형성하고, 이 보조유로를 통해 반응가스가 추가 공급되도록 구성한 것을 특징으로 하는 기체확산층을 통하여 반응가스를 공급하는 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 보조격벽(13)은 입구와 출구의 위치에 따라 발생되는 성능감소영역(15) 쪽으로 분지되어 설치된 것을 특징으로 하는 기체확산층을 통하여 반응가스를 공급하는 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 반응가스는 기체확산층을 통해 반응가스가 추가 공급되도록 구성한 것 을 특징으로 하는 기체확산층을 통하여 반응가스를 공급하는 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 보조유로의 너비, 깊이, 반응가스가 통과할 가스확산층의 너비를 조절하여 성능감소영역에 부족한 반응가스양만큼만 공급할 반응가스의 양을 조절토록 구성한 것을 특징으로 하는 기체확산층을 통하여 반응가스를 공급하는 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 보조격벽(13)에 의해 형성되는 보조유로는 공급되는 가스가 사행유로와 같이 입구(구멍)을 통하여 공급되도록 하되, 출구를 형성하지 않아 가스확산층을 통과하여 옆 유로로 전부 넘어가게 형성한 것을 특징으로 하는 기체확산층을 통하여 반응가스를 공급하는 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 보조격벽(13)에 의해 형성되는 보조유로는 국부적인 임의의 성능감소지 역에 설치되는 것을 특징으로 하는 기체확산층을 통하여 반응가스를 공급하는 보조유로가 삽입된 고분자연료전지 분리판.

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