KR101025306B1 - 유로 구조가 개선된 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지 - Google Patents

Abstract

유로가 형성된 연료전지용 분리판으로서, 상기 분리판은 유로의 패턴이 서로 상이한 둘 이상의 영역들을 가지며, 상기 영역들 중 분리판의 입구 측에 인접한 영역에서 출구 측에 인접한 영역으로 갈수록 영역 내에서 유로의 진행 방향이 변화하는 지점인 변곡점의 개수가 증가하는 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지가 제공된다. 유로 구조의 개선을 통하여 연료와 전극의 접촉면적을 높이고 반응물 및 생성물의 흐름 특성(유동 특성)을 개선할 수 있다. 또한, 공기극 출구 쪽의 물 배출을 용이하게 하여 물질전달 증가와 이로 인한 연료 전지 성능 향상을 이룰 수 있다.

연료전지, 분리판, 유로, 위치, 물 배출, 물질전달

Description

유로 구조가 개선된 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지{SEPARATOR FOR FUEL CELL HAVING IMPROVED FLOW FIELD AND FUEL CELL USING THE SAME}

본 발명은 연료전지용 분리판의 유로 구조 개선에 의하여 물질 전달 특성이 향상된 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지에 관한 기술이다. 상세하게는 연료전지의 분리판의 유로 구조의 개선을 통해 연료와 전극의 접촉 면적을 높이고 반응물의 공급 및 생성물의 제거를 원활히 함으로써 연료전지 성능을 향상시킨 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지에 관한 기술이다.

일반적으로 고분자 전해질 연료전지의 산화극에서는 수소나 메탄올 등 연료의 산화반응이 일어나서 이산화탄소와 전자 그리고 이온이 발생된다.

이 중 생성된 이온은 전해질막을 통해 환원극으로 이동하여 산소와 만나 전기화학반응을 일으켜 물을 생성하고, 발생한 전자는 외부 회로를 통해 이동하여 전기적 일을 하게 된다.

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.

이러한 장점을 바탕으로 수소를 사용하는 연료전지의 경우는 자동차 전원이나 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.

고분자 전해질 형 연료전지의 기본 구조는 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 촉매가 입혀진 공기극(cathode)과 연료극(anode)이 존재하고, 외부에 분리판이 위치한다.

분리판은 연료극에 수소나 메탄올과 같은 연료를 공급하거나 공기극에 산화제인 산소 또는 공기를 공급하는 통로 즉, 반응물의 공급 통로가 된다. 또한, 분리판은 연료극에서 생성된 전자를 공기극쪽으로 전도해주는 집전역할을 수행하며, 전지 운전에 의하여 생성된 물이나 이산화탄소 등의 생성물을 제거하는 통로가 된다.

연료전지용 분리판의 유로 구조 개선을 통해 연료와 전극간의 접촉 면적을 넓히고 공기극의 물 배출을 용이하게 하며 반응물과 생성물의 물질전달을 높임으로써 전체적인 연료전지의 성능을 향상할 수 있다.

본 발명의 예시적인 구현예에서는, 유로가 형성된 연료전지용 분리판으로서, 상기 분리판은 유로의 패턴이 서로 상이한 둘 이상의 영역들을 가지며, 상기 영역들 중 분리판의 입구 측에 인접한 영역에서 출구 측에 인접한 영역으로 갈수록 영역 내에서 유로의 진행 방향이 변화하는 지점인 변곡점의 개수가 증가하는 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지가 제공된다.

분리판의 영역에 따라 서로 다른 두 가지 이상의 패턴을 갖도록 하되 분리판의 입구 측에 인접한 영역에서 출구 측에 인접한 영역으로 갈수록 영역 내에서 유로의 진행 방향이 변화하는 지점인 변곡점의 개수를 증가시키고 나아가 유로의 골의 폭이나 깊이를 조절하는 등과 같이 유로 구조를 개선하는 것에 의하여, 전극과 연료의 접촉 면적이 증가하며, 전체적인 연료의 흐름 특성(유동 특성)을 개선함과 동시에, 특히 공기극 출구 방향에서의 물 배출을 용이하게 함으로써 물질전달 증가와 이로 인한 연료전지 성능 향상이 가능하다. 또한, 위와 같은 유로 구조는 미세 가공이나 대량 생산이 가능하다.

이하, 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 이용하는 연료전지에 대하여 상술한다.

도 1은 일반적인 대면적 막전극 접합체 (MEA) 및 분리판이 결합된 연료전지의 평면도로서, 연료전지의 영역을 공기극 분리판의 입구에서 출구 방향으로 Ca1, Ca2, Ca3로 삼등분하였다.

도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 연료전지의 각 영역 Ca1, Ca2, Ca3 별로 전류-전압 특성 곡선을 나타낸 그래프로서, 연료전지를 약 500시간 동안 두 가지 운전 조건에서 연속 운전 한 후, Ca1, Ca2, Ca3 영역 별로 성능을 테스트 한 결과이다.

도 2a 내지 도 2c를 각각 참조하면, Ca1, Ca2, Ca3로 갈수록 즉, 공기극 분리판의 입구 방향에서 출구 방향으로 갈수록 성능 감소가 더 뚜렷하게 발생함을 알 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 연료전지의 각 영역 Ca1, Ca2, Ca3에서의 순환전위(cyclic voltammetry)(도 3a) 및 임피던스(도 3b) 분석 결과를 나타내는 그래프이다.

도 3a 및 도 3b의 순환전위법과 임피던스 분석법의 결과에서도 알 수 있 있듯이, Ca1, Ca2, Ca3로 갈수록 성능이 감소하는 것은 공기극 촉매의 퇴화에 의한 전기화학적 활성 면적의 감소와 저항의 증가 때문임을 알 수 있다. 분리판의 출구 방향으로 갈수록 반응물의 양이 감소하고, 발생한 물의 집적에 의한 홍수 현상 등 으로 국부적인 전위차가 발생하여 촉매의 퇴화를 일으킬 수 있다. 이와 같이 반응물의 전달이나 생성물의 제거가 원활하게 수행되지 않으면 농도 분극(concentration overpotential)이 증가한다. 따라서, 입구 방향에 인접하는 분리판 영역 보다 출구 방향에 인접하는 분리판 영역에서 성능의 감소가 나타날 수 있다.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 위와 같이 연료전지의 분리판에 있어서 분리판의 위치에 따라서 성능이 다르고 특히 분리판의 입구에서 출구로 갈수록 연료전지의 성능이 감소한다는 점에 대응하여, 분리판의 유로의 기본 패턴(기본 구조)을 위치에 따라서 특히 입구에서 출구에 이르는 영역별로 다르게 변경하되, 분리판의 입구 측에 인접한 영역에서 출구 측에 인접한 영역으로 갈수록 유로의 진행 방향이 변화하는 지점인 변곡점의 개수가 증가하도록 함으로써, 위와 같은 성능 감소를 줄이거나 또는 최소화하도록 할 수 있다. 상기 유로의 기본적 패턴은 예컨대, 곡사형(serpentine), 깍지형(interdigited), 평행형(parallel) 또는 섬형(island) 중 하나일 수 있다.

구체적으로, 유로가 형성된 연료전지용 분리판에 있어서, 유로의 패턴을 곡사형(serpentine), 깍지형(interdigited), 평행형(parallel) 또는 섬형(island)과 같은 단일 패턴으로 하는 것보다 두 가지 이상의 패턴으로 한다.

상기 두 가지 이상의 패턴을 형성함에 있어서, 분리판의 입구 측에 인접한 영역에서 출구 측에 인접한 영역으로 갈수록 유로의 진행 방향이 변화하는 지점인 변곡점의 개수가 증가하도록 각 영역의 유로 패턴을 선정할 수 있다. 이와 같은 이 른바 복합 패턴의 유로 구조는 단일 패턴의 유로 형태를 사용하는 것보다 연료와 전극간의 접촉 면적을 높일 수 있고 반응물 및 생성물의 유동 특성이 개선될 수 있다.

변곡점에서의 연료 전지 성능 개선을 다음과 같은 실험을 통하여 확인할 수 있다.

도 4a는 유로 패턴 중의 하나의 예인 곡사형 유로를 가지는 공기극 분리판을 나타낸 평면도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 공기극 분리판의 유로의 위치에 따른 전류 밀도의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 공기극 분리판의 유로를 공기극 분리판의 입구에서 출구 방향으로 49 등분하여 각각 번호(1~49)를 부여하고, 각 위치 별 전류 밀도의 분포를 관찰한 결과, 유로가 꺾이는 부분인 7, 14, 21, 28, 35, 42, 49번 위치 근방에서 전류 밀도가 증가함을 알 수 있다.

이는 유로가 꺾이는 부분에서 와류의 발생에 의해 반응물과 생성물의 유동 특성이 개선되었기 때문이라고 할 수 있다.

위와 같이 유로의 진행 방향이 꺽이는 점(이를 본 명세서에서는 변곡점으로 정의한다)에서 유동 특성의 개선이 있으므로, 유로의 타입을 변경하는 경우에, 분리판의 입구 영역에서 출구 영역으로 갈수록 전류 밀도가 저하된다는 점을 고려하여, 분리판의 입구 영역에서 출구 영역으로 갈수록 해당 영역에서의 변곡점의 개수가 증가하도록 한다.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 연료전지의 분리판의 영역을 구획하고, 해 당 구획된 영역들 중 인접한 두 영역에서 서로 다른 타입의 유로의 형태를 사용하도록 할 수 있다. 예시로서, 분리판 입구에 인접한 제 1 영역과 분리판 출구에 인접한 제 2 영역으로 분리판 영역을 구획할 수 있고, 상기 제 1 영역의 제 1 유로와 상기 제 2 영역의 제 2 유로는 서로 다른 패턴을 가지도록 할 수 있다.

상기 연료전지의 분리판의 영역 구획은 구체적인 연료전의 분리판의 사이즈나 재질, 운전 조건에 따라서 달라질 수 있으며, 앞서 언급한 바와 같이, 예컨대 제 1 영역 및 제 2 영역으로 구획하거나, 도 1에서와 같이 세가지 영역으로 구분할 수 있다. 또한, 두 가지 영역, 세 가지 영역 들로 구획한 경우에 각 구획된 영역의 면적들도 달리할 수 있다.

예컨대, 유동 특성의 개선을 가져오기 위하여 제 1 유로와 제 2 유로의 패턴을 상이하게 하되 제 1 영역의 변곡점의 개수 보다 제 2 영역에서의 변곡점의 개수를 증가시키기 위하여, 분리판의 유로 구조를 곡사형->섬형, 깍지형->섬형, 평행형->섬형, 평행형->깍지형, 평행형->곡사형, 곡사형->깍지형이 되도록 할 수 있다. 유로 패턴에 있어서 변곡점은 섬형, 깍지형, 곡사형, 평행형 순서로 많다고 할 수 있다.

다른 예로서, 제 1 유로, 제 2 유로, 제 3 유로를 형성한다면, 평행형->곡사형->깍지형, 평행형->깍지형->섬형, 곡사형->깍지형->섬형이 되도록 할 수 있다. 또한, 제 1 유로, 제 2 유로, 제 3 유로, 제 4 유로를 형성한다면, 평행형->곡사형->깍지형->섬형이 되도록 할 수 있다.

섬형 유로를 특히 출구 측 영역에 배치하는 것은 연료와 전극의 접촉 면적 증가, 유동 특성의 개선과 물 배출 향상 등의 관점에서 유리하다. 또한 섬형 유로의 형성은 상술한 바와 같은 유동 특성을 개선하는 와류의 발생을 증가시킬 수 있는 구조를 가진다.

따라서, 전류 밀도의 저하가 있는 특히 출구 측 영역에서 섬형 유로를 배치하면 연료와 전극의 접촉 면적이 증가하여 반응물 감소에 의한 영향을 상쇄할 수 있고 유동 특성이 개선되며 물의 집적을 방지하여 홍수 현상으로 인한 국부적 전위차 발생이나 촉매의 퇴화를 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 분리판은 분리판의 입구에 인접한 제 1 영역과 분리판의 출구에 인접한 제 2 영역을 포함하고, 상기 제 1 영역의 제 1 유로는 곡사형, 깍지형 또는 평행형 중 어느 하나의 패턴을 가지고, 상기 제 2 영역의 제 2 유로는 섬형 패턴을 가지도록 한다.

도 5a는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 연료전지용 분리판을 나타낸 개략도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 연료전지용 분리판의 평면도이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 하나의 구현예에 따른 연료전지용 분리판(100)은 입구(110), 출구(120) 및 유로(130)를 가진다.

본 구현예에서, 상기 입구(110)와 출구(120)는 분리판(100)의 대각선 상에 각각 위치한다. 상기 입구(110)로는 반응물이 유입되고, 상기 출구(120)로는 미반응된 반응물과 생성물이 배출된다.

상기 유로(130)는 입구(110)와 출구(120)를 연결하여 반응물 및 생성물을 입구(110)에서 출구(120) 방향으로 이동시키며, 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.

본 구현예에서는, 상기 유로(130)를 입구(110)에 인접한 제1 유로(131)와 상기 출구(120)에 인접한 제2 유로(132)로 나누고, 상기 제1 및 제2 유로(131, 132)가 서로 다른 형상을 가지도록 한다.

도 5a 및 도 5b가 비제한적인 일예를 보여주는 것과 같이, 제1 유로(131)는 곡사형(serpentine)의 형상을 갖고, 상기 제2 유로(132)는 섬형(island)의 패턴을 갖도록 구성할 수 있다.

상기 제2 유로(132)는 섬형의 패턴을 가짐으로써, 제1 유로(131) 보다 더 많은 변곡점을 가질 수 있다. 따라서, 분리판(100)의 출구(120) 쪽 유로에서 와류 생성이 원활화되고, 출구(120) 쪽 유로의 유동 특성이 개선될 수 있으며, 그로 인해 생성물의 배출이 용이해진다.

여기서, 섬형 유로의 형성 비율은 제한하는 것이 바람직하다. 즉, 출구 측에 가까운 지점에서 섬형 유로의 형성 면적이 일정 수준까지는 크게 할수록 전지 성능이 증가하지만, 일정 수준을 넘게 되면 전지 성능이 더 증가하지 않을 수 있으므로, 섬형 유로를 형성하는 비율을 제한하도록 하는 것이 바람직하다. 섬형 유로의 형성 비율은 전체 분리판의 면적의 0 초과 내지 1/3 정도의 비율인 것이 바람직하다. 상기 범위 내의 비율은 분리판의 크기, 가로 세로 길이의 비율 등 분리판의 디멘션에 따라서 달라질 수 있다.

이상의 곡사형, 깍지형, 평행형, 산형 유로에서 각 유로는 산(상대적으로 돌출된 부분) 및 골(상대적으로 함몰된 부분)을 가지며, 비제한적인 예시로서, 상기 산의 폭은 0.2내지 3.0 밀리미터일 수 있고, 상기 골의 폭은 0.2내지 3.0밀리미터 일 수 있으며, 상기 골의 깊이는 0.1내지 2.0밀리미터일 수 있다. 또한, 상기 산 부분의 단면 형상은 직사각형, 정사각형, 삼각형, 사다리꼴 또는 반원 등이 되도록 다양하게 변형할 수 있음은 물론이다.

위와 같은 분리판을 제조하기 위하여 기계적 가공(machining), 사출(injection or molding), 스탬핑(stamping), 식각(ething) 등의 방법을 이용할 수 있다. 상기 분리판의 재질은 그라파이트(graphite), 금속(metal), 합성 그라파이트(composite graphite), 세라믹(ceramic) 및 이들 재료에 내부식성 코팅을 형성한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

본 명세서의 예시적인 구현예들에 있어서, 분리판의 입구 측에서 출구 측으로 갈수록 상기 골의 폭 또는 깊이 중에서 선택되는 하나 이상을 변경함으로써 선속도를 조절하고 와류의 형성 가능성을 높일 수 있다. 예컨대, 유로 골의 폭 즉, 산과 산 사이의 너비를 좁히거나 유로의 골의 깊이를 낮출 수 있다.

도 6a는 유로 골의 폭을 달리한 경우의 효과를 확인하여 위하여 유로 골의 폭을 감소시킨 곡사형 분리판을 나타내는 개략도이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 분리판의 평면도이다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 연료전지용 분리판(100)에서 제1 및 제2 유로(131, 132)는 하나의 형태, 즉 곡사형 형태로 연속하여 형성되고, 상기 제1 유로(131)에서 상기 제2 유로(132)로 갈수록 유로의 골의 폭이 감소한다.

따라서, 상기 제2 유로(132)의 골의 폭(W2)은 상기 제1 유로(131)의 골의 폭(W1) 보다 작게 형성된다. 이처럼, 분리판(100)의 출구에 인접한 상기 제2 유 로(132)의 골의 폭을 감소시킴으로써, 선속도를 증가시키며 이로 인해 미반응된 반응물 및 생성물의 배출을 용이하게 할 수 있다.

한편, 상기 제1 유로에서 제2 유로로 갈수록 유로의 골의 깊이를 감소시킴으로써, 제1 및 제2 유로의 유동 특성을 서로 다르게 할 수 있으며, 마찬가지로 선속도를 증가시키며 이로 인해 미반응된 반응물 및 생성물의 배출을 용이하게 할 수 있다.

본 명세서의 예시적인 구현예들에 있어서, 산과 골을 가지는 유로에 있어서, 유로의 산 부분에 도랑 형상의 홈을 형성할 수 있다. 이러한 홈은 예컨대 제 1 영역 및 제 2 영역으로 구획하는 경우에, 제 1 영역의 제 1 유로 및 제 2 영역의 제 2 유로 중 어느 하나 또는 모두에서 형성될 수 있다.

도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 예시적인 구현예들에 있어서의 다양한 형태의 도랑 형상의 홈을 갖는 유로가 형성된 분리판을 나타내는 개략도이다.

도 7a를 참조하면, 산과 골로 이루어진 유로 골격을 바탕으로, 예컨대 산(rib)의 평평한 면 부분에 도랑(ditch) 형상의 홈을 적어도 하나 이상 형성할 수 있다. 여기서, 상기 도랑 형상의 홈은 상기 유로가 꺽이는 부분이 아닌 직선으로 진행하는 선형 부분 유로의 산에 형성되는 것이 바람직한데, 유로가 꺽이는 부분에서는 와류가 형성되므로 별도로 도랑 형상의 홈을 형성할 필요가 없고 또한, 꺽이는 부분에 도랑 형상의 홈 구조를 형성하는 것은 가공상의 어려움이 있을 수 있다.

이와 같이 연료전지용 분리판에서 산에 도랑 형상의 홈을 형성시키면 연료와 전극 간의 접촉면적을 높일 수 있게 되고, 이에 따라 연료와 반응 생성물의 물질 전달 속도를 증가시킬 수 있다.

또한 상기 도랑 형상 홈의 수, 도랑 형상 홈의 형태, 도랑 형상 홈의 형성 위치, 산에 대한 도랑 형상 홈의 깊이, 산에 대한 도랑 형상 홈의 방향 또는 유로의 진행 방향에 대한 도랑 형성 홈의 방향을 변경함으로써, 연료와 전극 간의 접촉 면적을 다르게 조절하고 유동 특성을 다르게 설계할 수 있다. 도랑 형상 홈은 산을 관통하지 않도록 형성하도록 한다. 참고로, 도랑 형상의 홈의 형태 내지 사이즈는 폭(산의 측면에서 바라본 경우의 해당 홈의 가로 길이), 깊이(산의 측면에서 바라본 경우의 해당 홈의 세로 길이), 길이(골에서 산으로 직각 방향으로 파고 들어간 길이)로 표현할 수 있다. 도랑 형상 홈의 폭은 예컨대 골의 폭의 200% 이하로 할 수 있고 도랑 형상 홈의 깊이는 골의 깊이의 100% 이하로 할 수 있다. 상기 개별 도랑 형상 홈은 분리판의 유로 중 산의 투사면(분리판을 위에서 바라본 면, 즉 평면)을 기준으로 하여 직사각형, 정사각형, 삼각형, 사다리꼴 또는 반원 형태를 가지도록 형성될 수 있다.

도 7b 내지 7f를 참조하면, 도 7a의 분리판의 경우 도랑 형상 홈이 마주보도록 형성되었지만, 도랑 형상 홈이 서로 마주보지 않고 지그 재그로 형성되도록 도랑의 위치를 변형하거나(도 7b), 도랑 형상 홈의 깊이를 변형할 수 있고(도 7c), 또한 도랑 형성 홈의 방향도 깊이 방향의 선이 사선이 되거나(도 7d), 길이 방향의 선이 사선이 되도록 하는 것(도 7e)과 같이 다양하게 변형할 수 있다(도 7d 내지 도 7f). 참고로, 도 7e 및 7f는 반응물의 흐름 방향이 반대인 경우를 표시한다.

상기한 도랑 형상의 홈 형성을 위하여 앞서 언급한 분리판 형성 방법인 기계적 가공(machining), 사출(injection or molding), 스탬핑(stamping), 식각(ething) 등의 방법을 이용할 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 분리판의 유로의 유동 특성이 출구로 갈수록 저하되므로, 유로의 위치별로 서로 다른 유동 특성을 갖도록 분리판의 위치에 따라 서로 다른 두 가지 이상의 형상을 갖는 유로를 형성하는 것이나 골의 폭이나 깊이 조절하는 등과 같이 유로 구조를 개선함으로써, 전극과 연료의 접촉 면적을 증가시키고, 전체적인 연료의 흐름 특성(유동 특성)을 개선함과 동시에, 특히 공기극 출구 방향에서의 물 배출을 용이하게 함으로써 물질전달 증가와 이로 인한 연료전지 성능 향상이 가능하다.

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 대비하여 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이며, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것이 아니고 첨부된 특허 청구 범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있다.

<비교예 1: 그라파이트 재질을 가지는 일반 곡사형 분리판; 도 8a 참조>

일반적으로 사용하는 함침된 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판(산의 폭은 1.0 mm이고, 골의 폭은 1.0 mm이며, 골의 깊이가 1.0 mm인 분리판)을 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 실험을 하였다.

<실시예 1: 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판의 공기극 출구쪽에 섬 형 유로를 전체의 1/7 정도 면적으로 도입한 분리판; 도 8b 참조>

비교예 1에서 사용된 곡사형 분리판 유로의 공기극 출구방향에 가로 x 세로 1.0mm x 1.0mm 크기의 섬형 산을 1.0mm 간격으로 형성하였다. 형성된 섬형 유로는 전체 유로 대비 약 1/7 정도의 면적을 가진다. 이 분리판을 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 성능 평가 실험을 하였다.

<실시예 2: 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판의 공기극 출구쪽에 섬형 유로를 전체의 3/7 정도 면적으로 도입한 분리판; 도 8c 참조>

비교예 1에서 사용된 곡사형 분리판 유로의 공기극 출구방향에 가로 x 세로 1.0mm x 1.0mm 크기의 섬형 산을 1.0mm 간격으로 형성하였다. 형성된 섬형 유로는 전체 유로 대비 약 3/7 정도의 면적을 가진다. 이 분리판을 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 성능 평가 실험을 하였다.

단위전지의 성능을 비교하기 위한 실험은 다음과 같이 수행하였다.

<실험예: 일정한 전류변화에 따른 전압과 전력의 변화 차이 비교>

실시예들 및 비교예의 분리판 각각의 성능을 비교하기 위하여 각각의 분리판을 이용하여 3개의 셀을 체결하였다. 직접메탄올연료전지의 단위전지의 운전조건을 같게 하여, 산화극에는 1M 메탄올을 5 cc/min으로 공급해 주었고, 환원극에는 가습된 1250 sccm의 공기를 공급해 주었다. 전류의 변화에 따라 전압과 전력의 차이를 비교 관찰하였다.

도 9는 본 발명의 실시예들 및 비교예의 경우의 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 곡사형 유로만으로 구성된 비교예 1의 경우보다, 섬형 유로가 공기극 출구쪽에 도입된 실시예들의 성능이 전체적으로 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 출구쪽에서의 섬형 유로에 의한 와류의 발생으로 반응물의 공급 및 생성된 물의 제거가 원활하며, 전극과 반응물의 접촉 면적이 증가했기 때문으로 볼 수 있다. 섬형 유로의 면적이 전체 유로 면적의 1/7을 차지하는 실시예 1의 경우는 3/7을 차지하는 실시예 2의 경우보다 성능이 높았다.

도 1은 일반적인 대면적 막전극 접합체(MEA) 및 분리판이 결합된 연료전지의 평면도이다.

도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 연료전지의 평면도상의 위치에 따른 전류-전압 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.

도 3a 및 도 3b는 순환전위법(cyclic voltammetry)과 임피던스 분석법의 결과를 각각 나타낸 그래프이다.

도 4a는 일반적인 곡사형 유로를 가지는 공기극 분리판을 나타낸 평면도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 공기극 분리판의 유로의 위치에 따른 전류 밀도의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 5a는 본 발명의 하나의 구현예에 따른 연료전지용 분리판을 나타낸 개략도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 연료전지용 분리판의 평면도이다.

도 6a는 유로 골의 폭을 달리한 경우의 효과를 확인하여 위하여 유로 골의 폭을 감소시킨 곡사형 분리판을 나타내는 개략도이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 분리판의 평면도이다.

도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 구현예들에 있어서의 다양한 형태의 도랑을 갖는 유로가 형성된 분리판을 나타내는 개략도이다.

도 8a는 본 발명의 비교예에 따른 일반 곡사형 유로를 가지는 연료전지용 분리판을 나타낸 평면도이고, 도 8b 및 도 8c는 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타낸 평면도이다.

도 9는 본 발명의 실시예들 및 비교예의 경우의 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.

Claims (9)

1. 유로가 형성된 연료전지용 분리판으로서,

   상기 분리판은 유로의 패턴이 서로 상이한 둘 이상의 영역들을 가지며,

   상기 영역들 중 분리판의 입구 측에 인접한 영역에서 출구 측에 인접한 영역으로 갈수록 영역 내에서 유로의 진행 방향이 변화하는 지점인 변곡점의 개수가 증가하고,

   상기 분리판은 분리판의 입구 측에 인접한 영역에 형성된 제 1 유로와 분리판의 출구 측에 인접한 영역에 형성된 제 2 유로를 포함하며, 상기 제 1 유로는 곡사형(serpentine) 패턴을 가지고, 상기 제 2 유로는 섬형(island) 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 유로가 형성된 영역의 면적은 분리판 전체 면적의 0 초과 1/3의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 유로는 산과 골을 가지는 것이며,

   상기 분리판의 입구 측에서 출구 측으로 갈수록 상기 골의 폭 또는 깊이 중에서 선택되는 하나 이상이 감소되는 것을 특징으로 연료전지용 분리판.
6. 제 1 항, 제 4 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유로는 산과 골을 가지는 것이고, 상기 산 부분에는 홈이 하나 이상 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 홈은 직선으로 진행하는 유로의 산 부분에서만 형성된 것을 특징으로 연료전지용 분리판.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 홈의 수, 상기 홈의 형태, 상기 홈의 형성 위치, 상기 홈의 깊이 또는 상기 홈의 형성 방향을 변경함으로써, 연료와 전극 간의 접촉 면적이 조절된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
9. 제 1 항, 제 4 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.

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