KR100987096B1 - Separator for fuel cell and fuel cell using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 산과 골로 구성되는 유로를 가지는 연료전지의 분리판으로서, 상기 유로의 산에 도랑 형상의 홈이 하나 이상 형성된 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지를 제공한다. 위와 같이 분리판 유로의 산 부분에 도랑 형상의 홈을 형성하는 것에 의하면 전체적인 연료 및 생성물의 흐름 특성(유동 특성)을 유지하면서도 연료와 전극 간의 접촉면적을 증가시켜 물질전달 증가와 이로 인한 연료 전지 성능 향상을 이룰 수 있다. The present invention provides a separator for a fuel cell having a flow channel composed of an acid and a valley, wherein the at least one groove-shaped groove is formed in the acid of the flow path, and a fuel cell using the same. As described above, by forming a groove-shaped groove in the acid portion of the separator flow path, the contact area between the fuel and the electrode is increased while maintaining the overall fuel and product flow characteristics (flow characteristics), thereby increasing material transfer and thereby fuel cell performance. Improvements can be made.
연료전지, 분리판, 산, 골, 도랑, 접촉면적, 물질전달 Fuel Cell, Separator, Acid, Goal, Ditch, Contact Area, Mass Transfer
Description
본 발명은 전극 이용효율이 향상된 연료전지용 분리판 및 이를 이용하는 연료전지에 관한 것으로서, 상세하게는 분리판 구조의 개선을 통해 반응물의 공급 및 생성물의 제거를 원활히 함으로써 연료전지 성능을 향상시킨 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a separator for a fuel cell with improved electrode utilization efficiency and a fuel cell using the same. Specifically, the separator for a fuel cell improves fuel cell performance by smoothly supplying reactants and removing products by improving the separator structure. Plates and a fuel cell using the same.
일반적으로 고분자 전해질 연료전지의 산화극에서는 수소나 메탄올 등 연료의 산화반응이 일어나서 이산화탄소와 전자 그리고 이온이 발생된다. In general, in the anode of a polymer electrolyte fuel cell, an oxidation reaction of a fuel such as hydrogen or methanol occurs to generate carbon dioxide, electrons, and ions.
이 중 생성된 이온은 전해질막을 통해 환원극으로 이동하여 산소와 만나 전기화학반응을 일으켜 물을 생성하고, 발생한 전자는 외부 회로를 통해 이동하여 전기적 일을 하게 된다.The generated ions move to the reduction electrode through the electrolyte membrane and meet with oxygen to cause an electrochemical reaction to generate water, and the generated electrons move through an external circuit to perform electrical work.
고분자 전해질 막을 사용하는 연료전지는 수소나 메탄올 등의 연료만 공급해 주면 사용시간을 얼마든지 늘릴 수 있다는 장점 때문에 이차전지의 용량 제한이나 충전시간에 따른 불편함 등의 문제점을 해소할 수 있다. The fuel cell using the polymer electrolyte membrane can solve the problems such as the limitation of the capacity of the secondary battery or the inconvenience caused by the charging time because of the advantage that the use time can be increased by supplying only fuel such as hydrogen or methanol.
이러한 장점을 바탕으로 수소를 사용하는 연료전지의 경우는 자동차 전원이 나 가정용 발전기 등으로 사용될 수 있다. 또한, 메탄올을 연료로 사용하는 연료전지의 경우는 메탄올의 저장과 수송이 용이하여 휴대폰이나 PDA, 노트북 PC 등의 휴대용 전자기기에 사용되는 배터리 대체용으로 사용될 수 있다. Based on these advantages, a fuel cell using hydrogen can be used as an automobile power source or a household generator. In addition, in the case of a fuel cell using methanol as a fuel, methanol can be easily stored and transported and used as a battery replacement for portable electronic devices such as mobile phones, PDAs, and notebook PCs.
이러한 고분자 전해질 막을 사용하는 연료전지의 성능향상 및 상업화를 위해서 높은 활성과 선택성을 가지는 촉매의 개발, 연료의 크로스오버 (cross-over)를 효과적으로 억제하면서 높은 전도성을 가지는 고분자 막 개발이 필요하며, 그 외에도 분리판에 관한 개발이 필요하다.In order to improve the performance and commercialization of a fuel cell using such a polymer electrolyte membrane, development of a catalyst having high activity and selectivity, development of a polymer membrane having high conductivity while effectively suppressing cross-over of fuel, is necessary. In addition, development of the separator is necessary.
분리판 유로의 작용은 연료를 전극에 원활하고 균일하게 공급하는 것과 물과 이산화탄소 등 생성물의 원활한 제거에 있으며, 반응물의 전달이 유로에서부터 전극까지 원활히 일어나지 않게 되면 농도 분극(concentration overpotential)의 증가로 인해 연료전지의 성능이 저하된다. The action of the separator channel is to supply fuel to the electrode smoothly and uniformly, and to smoothly remove products such as water and carbon dioxide.If the transfer of reactants does not occur smoothly from the channel to the electrode, the concentration overpotential increases. The performance of the fuel cell is degraded.
본 발명의 목적은 연료전지용 분리판의 유로 구조 개선을 통해 연료와 전극의 접촉면적을 증가시킴으로서 물질전달을 높이고 이로 인해 전체적인 연료전지의 성능을 높일 수 있는 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell separator plate and a fuel cell using the same, which can increase the material transfer by increasing the contact area between the fuel and the electrode by improving the flow path structure of the separator plate for the fuel cell, thereby increasing the performance of the overall fuel cell. It is.
본 발명의 하나의 구현예에서는 산과 골로 구성되는 유로를 가지는 연료전지의 분리판으로서, 상기 유로의 산에 도랑 형상의 홈이 하나 이상 형성된 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지가 제공된다. In one embodiment of the present invention, there is provided a separator for a fuel cell having a flow channel composed of an acid and a valley, and a fuel cell separator having at least one groove-shaped groove formed in an acid of the flow path and a fuel cell using the same.
본 발명에서와 같이 분리판 유로의 산 부분에 도랑을 만들어 주는 것에 의한 유로 구조의 개선에 의하여, 전체적인 연료의 흐름 특성(유동 특성)은 유지하면서도 연료와 전극간의 접촉면적을 증가시켜 물질전달 증가와 이로 인한 성능 향상이 가능하다. 위와 같은 도랑 형성은 일반적인 유로 골격을 기본 골격(1차 구조)으로 채용하면서도 그 골격의 유로의 산 부분에 특히 도랑 즉 홈을 형성하는 것(2차 구조)이므로, 미세 가공이나 대량 생산이 가능하면서도, 분리판에서 연료의 분산도 균일하게 이루어질 수 있다. As in the present invention, by improving the flow path structure by making a groove in the acid portion of the separator flow path, while increasing the contact area between the fuel and the electrode while maintaining the overall fuel flow characteristics (flow characteristics), This can improve performance. Ditch formation as above is to adopt a common flow path skeleton as a primary skeleton (primary structure), but to form a groove or groove in the mountain part of the flow path of the skeleton (secondary structure), so that fine processing and mass production are possible. In this case, the fuel may be evenly dispersed in the separator.
이하, 본 발명의 구현 예에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전 지에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a separator for a fuel cell and a fuel cell using the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 제 1 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판(1b)을 일반적인 분리판(1a)과 대비하여 나타내는 개략도이다. 도 1에서는 연료전지용 분리판에서의 연료의 흐름을 나타내는 평면도를 함께 도시하였다.1 is a schematic view showing a fuel cell separator 1b having a trench according to a first embodiment of the present invention in comparison with a general separator 1a. 1 is a plan view showing a flow of fuel in a separator for fuel cells.
참고로, 도 1의 분리판은 그라파이트 재질의 곡사형 (serpentine) 분리판을 바탕으로 한 것이지만, 본 발명이 위와 같은 특정 재질 및 유로 형상의 분리판에 제한되는 것은 아니며 다른 형상의 유로나 재질을 가지는 분리판에 본 발명이 적용되는 것이 가능함은 물론이다. For reference, although the separator of FIG. 1 is based on a graphite-type serpentine separator, the present invention is not limited to the above-described specific material and the channel-shaped separator, and different flow paths or materials may be used. Of course, it is possible that the present invention is applied to the separation plate.
도 1을 참조하면, 일반적인 분리판(1a)의 산과 골로 이루어진 유로 골격(1차 구조)을 바탕으로, 산(rib)의 평평한 면 부분에 도랑(ditch) 형상의 홈을 적어도 하나 이상 형성한다(도 1b). 즉, 상기 분리판은 분리판 유로(1차 구조) 중 산(rib)에 만들어진 도랑 형상의 홈(2차 구조) 구조를 가지는 것이다. Referring to FIG. 1, at least one groove having a ditch shape is formed in a flat surface portion of a rib based on a channel structure (primary structure) consisting of a peak and a valley of a general separation plate 1a ( 1b). That is, the separator has a groove-shaped groove (secondary structure) structure formed in a rib of the separator flow path (primary structure).
이와 같이 연료전지 분리판에서 산에 도랑을 형성시키면 연료와 전극 간의 접촉면적을 높일 수 있게 되고, 이에 따라 연료와 반응 생성물의 물질 전달 속도를 증가시킬 수 있다.Forming a trench in the acid in the fuel cell separator can increase the contact area between the fuel and the electrode, thereby increasing the mass transfer rate of the fuel and the reaction product.
상기 1차 구조인 분리판 유로는 곡사형(sepentine), 깍지형(interdigitated), 섬 모양(island), 평행형(parallel) 등의 형태를 가진다. 위와 같은 분리판을 제조하기 위하여 기계적 가공(machining), 사출(injection or molding), 스탬핑(stamping), 식각(ething) 등의 방법을 이용할 수 있다. The primary flow path of the separator plate has a shape of sepentine, interdigitated, island, parallel, or the like. In order to manufacture the separator as described above, a method such as mechanical machining, injection or molding, stamping, and etching may be used.
상기 1차 구조인 분리판 유로에서 산의 폭은 0.3 내지 3.0mm인 것이 바람직 하고, 상기 골의 폭은 0.3 내지 3.0mm인 것이 바람직하며, 상기 골의 깊이는 0.1 내지 2.0mm인 것이 바람직하다.It is preferable that the width of the acid in the separator flow channel having the primary structure is 0.3 to 3.0 mm, the width of the valley is preferably 0.3 to 3.0 mm, and the depth of the valley is preferably 0.1 to 2.0 mm.
상기 분리판의 재질은 그라파이트(graphite), 금속(metal), 합성 그라파이트(composite graphite), 세라믹(ceramic) 및 이들 재료에 내부식성 코팅을 형성한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.The material of the separator is preferably graphite, metal, composite graphite, ceramic, and a material having a corrosion resistant coating formed on these materials.
상기 2차 구조는 다양하게 변형할 수 있다. 즉, 산에 대한 도랑의 형태, 산에 대한 도랑의 위치, 산에 대한 도랑의 깊이, 산에 대한 도랑의 방향 또는 유로 방향에 대한 도랑의 방향을 변경함으로써, 2차 구조를 다양하게 변형할 수 있고 이에 따라 연료와 전극 간의 접촉 면적을 다르게 조절할 수 있다. The secondary structure may be modified in various ways. That is, the secondary structure can be variously modified by changing the shape of the trench for the mountain, the position of the trench for the mountain, the depth of the trench for the mountain, the direction of the trench for the mountain, or the direction of the trench for the flow path direction. Therefore, the contact area between the fuel and the electrode can be adjusted differently.
예컨대, 상기 개별 도랑 형태는 분리판 유로 중 산의 투사면(분리판을 위에서 바라본 면, 즉 평면)을 기준으로 하여 직사각형, 정사각형, 삼각형, 사다리꼴 또는 반원일 수 있다.For example, the individual grooves may be rectangular, square, triangular, trapezoidal or semicircular with respect to the projection surface of the mountain (the plane viewed from above, that is, the plane) of the separation channel.
도 2 내지 6은 본 발명의 구현예들에 있어서의 다양한 도랑 형상을 나타내는 개략도이다.2 to 6 are schematic diagrams illustrating various groove shapes in embodiments of the present invention.
도 2 내지 6을 참조하면, 도 1의 분리판의 경우 도랑을 직각 형태로 형성하였지만, 도랑의 위치를 변형하거나(도 2), 도랑의 깊이를 변형할 수 있고(도 3), 또한 도량의 방향도 다양하게 변형할 수 있다(도 4 내지 6).2 to 6, in the case of the separating plate of FIG. 1, the trench is formed at right angles, but the position of the trench may be modified (FIG. 2), or the depth of the trench may be modified (FIG. 3). Orientation can also be variously modified (Figs. 4 to 6).
위와 같은 2차 구조에 있어서 도랑의 길이는 반대편 유로를 침범하지 않도록 하여야 한다. 즉, 인접한 유로는 서로 관통되지 않아야 한다. 도랑과 도랑 사이의 거리는 제한이 없으며, 도랑의 폭은 골의 폭의 200% 이내로 하여야 하며, 도랑의 깊이는 골의 깊이의 100% 이내로 한다. In the secondary structure as above, the length of the trench should not interfere with the opposite flow path. That is, adjacent flow paths should not penetrate each other. The distance between the trench and the trench is not limited, and the width of the trench should be within 200% of the width of the valley, and the depth of the trench should be within 100% of the depth of the valley.
위와 같은 2차 구조 형성을 위한 방법으로는 앞서 언급한 기계적 가공(machining), 사출(injection or molding), 스탬핑(stamping), 식각(ething) 등의 방법을 사용할 수 있다. 이중 하나의 예로서 식각 방법으로는 이온 식각, 플라즈마 식각, 화학적 식각 방법 등이 있다. 도 7은 예컨대 본 발명의 제 4 구현예(도 4의 분리판)에 있어서 도랑의 형상을 형성하기 위한 이온 식각 장치의 예를 나타내고 있다.As a method for forming the secondary structure as described above, the above-described methods such as machining, injection or molding, stamping, and etching may be used. As one example, etching methods include ion etching, plasma etching, and chemical etching. FIG. 7 shows an example of an ion etching apparatus for forming the shape of a ditch, for example, in a fourth embodiment of the present invention (separator of FIG. 4).
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 비교예와 대비하여 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이며, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것이 아니고 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by explaining preferred embodiments of the present invention in comparison with comparative examples. The following examples are intended to facilitate the implementation of the invention to those of ordinary skill in the art, while at the same time complete the disclosure of the present invention, the present invention is not limited to the following examples and appended claims Various forms of embodiments may be implemented within the scope.
<비교예 1: 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판; 도 1a 참조><Comparative Example 1: Curved Separating Plate having a Graphite Material; See FIG. 1A>
일반적으로 사용하는 함침된 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판(산의 폭은 1.0mm이고, 골의 폭은 1.0mm이며, 골의 깊이가 1.0mm인 분리판)을 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 실험을 하였다. A curvature separator (impregnated plate with a width of 1.0 mm, a bone width of 1.0 mm and a bone depth of 1.0 mm) of impregnated graphite material is applied to a direct methanol fuel cell. Cell experiments were conducted.
<실시예 1: 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판에 식각을 통해 균일한 도랑을 형성함; 도 1b 참조><Example 1: forming a uniform groove through etching on the curved type plate having a graphite material; See FIG. 1b>
비교예 1에서 사용된 분리판 유로의 산에 식각을 통해 폭 0.1 mm, 길이 0.2 mm (골에서 산 쪽으로 직각방향으로 파고 들어간 길이), 깊이 0.1 mm의 도랑을 1.0 mm 간격으로 형성하였다. 도랑이 형성된 분리판을 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 성능 평가 실험을 하였다.Ditches having a width of 0.1 mm, a length of 0.2 mm (length penetrated perpendicularly from the bone to the mountain), and a depth of 0.1 mm were formed at intervals of 1.0 mm through etching in the mountains of the separator flow channel used in Comparative Example 1. Experimental evaluation of unit cell performance was carried out by applying a grooved separator to a direct methanol fuel cell.
<실시예 2: 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판에 식각을 통해 균일한 도랑을 형성시키되 도랑의 위치를 변형함; 도 2 참조><Example 2: forming a uniform groove through etching on the curved type partition plate having a graphite material, but changing the position of the groove; See Figure 2>
실시예 1과 동일한 조건을 가지는 분리판을 형성하되 도랑의 위치를 지그재그 방법으로 형성시키고 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 성능 평가 실험을 하였다.The separation plate having the same conditions as in Example 1 was formed, but the location of the trench was formed by the zigzag method, and applied to the direct methanol fuel cell to evaluate the unit cell performance.
<실시예 3: 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판에 식각을 통해 균일한 도랑을 형성시키되 도랑의 깊이를 변형함; 도 3 참조><Example 3: A uniform groove is formed on the curved partition plate having a graphite material by etching, but the depth of the groove is deformed; See Figure 3>
실시예 1과 동일한 조건을 가지는 분리판에 도랑의 깊이를 0.5 mm로 형성시키고 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 성능 평가 실험을 하였다.In the separator having the same condition as Example 1, the depth of the trench was formed to be 0.5 mm, and the unit cell performance evaluation experiment was performed by applying to a direct methanol fuel cell.
<실시예 4: 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판에 식각을 통해 깊이 방향으로 사선 모양의 균일한 도랑을 형성함; 도 4 참조>Example 4 Forming Diagonal Uniform Ditch in the Depth Direction through Etching on the Curved Separator Having a Graphite Material; See Figure 4>
실시예 1과 동일한 조건을 가지는 분리판에 사선 모양의 도랑을 형성시키고 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 성능 평가 실험을 하였다.An oblique groove was formed on the separator having the same conditions as in Example 1, and the unit cell performance evaluation experiment was performed by applying to a direct methanol fuel cell.
단위전지의 성능을 비교하기 위한 실험은 다음과 같이 수행하였다.The experiment for comparing the performance of the unit cell was performed as follows.
<실험예: 일정한 전류변화에 따른 전압과 전력의 변화 차이 비교>Experimental Example: Comparison of Differences in Voltage and Power with Constant Current Changes
실시예들 및 비교예의 분리판 각각의 성능을 비교하기 위하여 각각의 분리판을 이용하여 5개의 셀을 체결하였다. 직접메탄올연료전지의 단위전지의 운전조건을 같게 하여, 산화극에는 1M 메탄올을 5 cc/min으로 공급해 주었고, 환원극에는 가습 된 1250 sccm의 공기를 공급해 주었다. 전류의 변화에 따라 전압과 전력의 차이를 비교 관찰하였다. Five cells were fastened using each separator to compare the performance of each of the separators of the Examples and Comparative Examples. The operating conditions of the unit cell of the direct methanol fuel cell were the same, 1M methanol was supplied to the anode at 5 cc / min, and 1250 sccm of humidified air was supplied to the cathode. The difference between voltage and power was observed as the current changed.
도 8은 실시예들 및 비교예의 경우의 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing the current-voltage characteristic curves in the case of Examples and Comparative Examples.
도 8에 도시된 바와 같이, 산에 도랑이 형성되지 않은 비교예 1의 경우보다, 도랑이 형성된 실시예들의 성능이 전체적으로 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 그러므로, 비교예 1의 연료의 접촉면적이 낮은 기존 분리판보다 도랑으로 인해 연료의 접촉면적이 높아진 분리판 구조가 원활한 물질전달로 인해 성능이 높은 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 8, it can be seen that the performance of the ditched embodiments is generally higher than that of Comparative Example 1 in which the ditch is not formed in the mountain. Therefore, it was confirmed that the separator structure having a higher contact area of the fuel due to the ditch than the conventional separator having a low contact area of the fuel of Comparative Example 1 has high performance due to smooth material transfer.
도 1은 본 발명의 제 1 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판(1b)을 일반적인 분리판(1a)과 대비하여 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view showing a fuel cell separator 1b having a trench according to a first embodiment of the present invention in comparison with a general separator 1a.
도 2는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판으로서, 도 1b의 분리판에 있어서 도랑의 위치를 바꾼 것을 나타내는 개략도이다.FIG. 2 is a schematic view showing a fuel cell separator having a trench according to a second embodiment of the present invention, the position of the trench being changed in the separator of FIG.
도 3은 본 발명의 제 3 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판으로서, 도 1b의 분리판에 있어서 도랑의 깊이를 바꾼 것을 나타내는 개략도이다.FIG. 3 is a schematic view showing a fuel cell separator having a trench according to a third embodiment of the present invention, the depth of the trench being changed in the separator of FIG. 1B.
도 4는 본 발명의 제 4 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판으로서, 도 1b의 분리판에 있어서 도랑의 방향을 깊이 방향을 직선에서 사선으로 변형한 것을 나타내는 개략도이다.4 is a schematic view showing a fuel cell separator having a trench according to a fourth embodiment of the present invention, in which the direction of the trench is modified from a straight line to a diagonal line in a depth direction of the separator of FIG. 1B.
도 5는 본 발명의 제 5 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판으로서, 도 1b의 분리판에 있어서 도랑의 형태를 유로의 흐름과 같은 사선 방향으로 변형한 것을 나타내는 개략도이다.FIG. 5 is a schematic view illustrating a fuel cell separator having a trench according to a fifth embodiment of the present invention, in which the trench is modified in a diagonal direction such as a flow path in the separator of FIG.
도 6은 본 발명의 제 6 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판으로서, 도 1b의 분리판에 있어서 도랑의 형태를 유로의 흐름과 반대 방향으로 변형한 것을 나타내는 개략도이다.FIG. 6 is a schematic view illustrating a fuel cell separator having a trench according to a sixth embodiment of the present invention, in which the trench is modified in a direction opposite to the flow of the flow path in the separator of FIG.
도 7은 본 발명의 구현예들에 있어서 도랑의 형상을 형성하기 위한 식각 장치의 예를 나타내는 개략도이다. 7 is a schematic diagram showing an example of an etching apparatus for forming the shape of a trench in embodiments of the present invention.
도 8은 본 발명의 실시예들 및 비교예의 경우의 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing a current-voltage characteristic curve in the case of the examples and comparative examples of the present invention.
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