KR101052702B1 - Separator for fuel cell with zigzag flow path - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지그재그 구조의 반복되는 패턴의 유로의 구조를 갖는 연료전지 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 유로를 갖는 연료전지용 분리판에 있어서, 각각의 유로는 기체 출입구에서 일자형이며, 상기 일자형의 직각방향으로는 상기 각각의 유로는 하나씩 개별적으로 지그재그 형태이고, 각각의 지그재그 유로가 꺾이는 부분이 둥글며, 인접 유로와의 간격이 넓어서 생기는 유로 없는 부분이 없이 연속적이어야 하고, 상기 다수의 유로 구조는 전체적으로 상기 다수의 유로 중심에서 대칭인 형태가 되도록 상기 각각의 유로의 일자형 길이가 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판에 관한 것이다.    The present invention relates to a fuel cell separation plate having a structure of a repeating pattern of flow paths in a zigzag structure, and more particularly, in a fuel cell separation plate having a plurality of flow paths, each flow path is straight at the gas entrance and exit. Each of the flow paths is a zigzag shape, each of which has a zigzag shape, each of the zigzag flow paths is rounded, and there are no flow paths formed by a wide interval from adjacent flow paths. Relates to a separator for a fuel cell, characterized in that the straight lengths of the respective flow passages are adjusted to be symmetrical at the center of the plurality of flow passages.

유로 구조, 분리판, 연료전지, 그라파이트 Flow path structure, separator plate, fuel cell, graphite

Description

지그재그 구조의 유로를 갖는 연료전지용 분리판{Separator having the structure of zigzag channel}Separator having the structure of zigzag channel

본 발명은 지그재그 구조의 반복되는 패턴의 유로의 구조를 갖는 연료전지 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 유로를 갖는 연료전지용 분리판에 있어서, 각각의 유로는 기체 출입구에서 일자형이며, 상기 일자형의 직각방향으로는 지그재그 형태이며, 상기 다수의 유로 구조는 전체적으로 상기 다수의 유로 중심에서 대칭인 형태가 되도록 상기 각각의 유로의 일자형 길이가 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판에 관한 것이다.    The present invention relates to a fuel cell separation plate having a structure of a repeating pattern of flow paths in a zigzag structure, and more particularly, in a fuel cell separation plate having a plurality of flow paths, each flow path is straight at the gas entrance and exit. The straight line has a zigzag shape, and the plurality of flow path structures are related to a fuel cell separator, characterized in that the straight length of each flow path is adjusted to be symmetrical with respect to the center of the plurality of flow paths as a whole. .

연료전지는 전기화학 반응에 의해서 연료가 갖고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 기존의 연소기관에 비하여 에너지 효율이 높고, 공해물질의 배출이 없기 때문에 소형에서 대규모 시스템까지 적용 범위가 매우 넓다. 즉, 연료전지는 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한(Carnot효율)을 받지 않기 때문에 기존의 발전장치보다 발전효율이 높고, 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없으며, 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비를 절감할 수 있는 등 전력계통의 운영 측면에서도 기대가 큰 첨단 에너지 발전장치이다.    Fuel cell is a power generation device that converts chemical energy of fuel directly into electric energy by electrochemical reaction. It is more energy efficient than existing combustion engines and has no emission of pollutants. Very wide In other words, fuel cells are not subject to the thermodynamic limitations (Carnot efficiency) of heat engines in principle, and thus have higher power generation efficiency than existing power generation equipments, and have no environmental problems with no pollution and noise. It is a high-tech energy generator that has high expectations in terms of power system operation, such as easy installation inside, which can reduce transmission and transmission facilities.

연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 반응에 의하여 생성되는 전자의 이용으로 설명할 수 있다. 수소는 연료극을 통과하고 산소는 공기극을 통과한다. 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다. 전자가 전해질을 통과하면서 직류 전력이 발생하며, 부수적으로 열도 생성된다. 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류전류로 바꾸어 사용된다. 연료전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기열로 배출된다. 연료전지의 연료인 수소는 순수 수소를 이용하거나, 메탄이나 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여 개질이라는 과정을 통해 생산된 수소를 이용한다. 순수한 산소는 연료전지의 효율을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있다. 따라서 공기 중에 산소가 많이 포함되어 있으므로 효율은 좀 떨어지지만 공기를 직접 이용하기도 한다.The basic concept of a fuel cell can be explained by the use of electrons generated by the reaction of hydrogen and oxygen. Hydrogen passes through the anode and oxygen passes through the cathode. Hydrogen reacts with oxygen electrochemically to generate water, generating current at the electrode. As electrons pass through the electrolyte, direct current power is generated, and heat is incidentally generated. DC current is used as the power of a DC motor or converted into AC current by an inverter. The heat generated from the fuel cell can be used to generate steam for reforming or to be used for heating and cooling. If not used, it is discharged as exhaust heat. Hydrogen, the fuel of a fuel cell, uses hydrogen produced through a process called reforming using pure hydrogen or hydrocarbons such as methane or ethanol. Pure oxygen can increase the efficiency of fuel cells, but there is a problem in that cost and weight increase due to oxygen storage. Therefore, the air contains a lot of oxygen, so the efficiency is slightly lower, but also directly use the air.

본 발명은 연료전지의 구성요소 가운데 분리판에 관한 것으로서, 연료전지에 사용하는 분리판은 연료전지의 형태유지, 전자를 이동시키는 역할, 기체를 공급하는 기능을 가진다. 분리판의 재료로는 형태 유지와 전자 이동을 위하여 전기 전도 도가 있는 그라파이트, 금속과 같은 물질을 사용하나, 부도체인 경우에는 전기전도도를 가지는 물질을 도포하여 사용한다. 분리판의 일부에 형성된 기체 유로는 반응기체가 흐르는 통로이며, 이 기체 유로를 통하여 2장의 분리판 사이에 위치한 전해질-전극 접합체의 전극에 기체가 공급됨으로써 전기화학반응이 일어나 전기가 발생된다. 연료전지용 분리판은 연료전지의 공기극 산화분위기와 연료극 환원분위기에 모두 안정해야 하고, 각 연료가스의 혼합을 방지할 수 있도록 치밀해야 하며, 충분한 전기전도도를 가져야 한다. 도 1의 (a)는 종전의 한 줄의 유로를 갖는 분리판을 나타낸다. 이와 같은 구조는 전극 전체를 한 줄의 유로가 담당하게 되어 유로의 길이가 늘어나고 한 개의 유로가 감당하게 되는 유량이 많아져서 높은 압력 강하를 일으키게 되어서, 효율이 떨어진다는 문제점이 있었다. 이와 같은 단점을 보완하기 위하여 유로의 갯수를 늘여서 한 개의 유로가 담당하는 유량을 줄이고 유로 길이를 짧게 하여 압력 강하를 감소시킬 필요가 있었다. 따라서 높은 압력 강하를 피하고자 도 1의 (b)와 같이 지그재그 형식의 유로를 여러줄로 만들어 사용하였다. 도 1의 (b)는 여러 줄의 유로들이 지그재그 형식으로 꼬인 형태의 분리판을 나타낸다. 그러나, 이러한 형상의 문제점은 유로들이 서로 평행한 곳이 많은 부분을 차지하기 때문에 평행한 구조에서처럼 인근 유로간의 압력차이가 없어서, 물질전달에 불리하다.The present invention relates to a separator plate among the components of a fuel cell, and the separator plate used in the fuel cell has a function of maintaining the shape of the fuel cell, transferring electrons, and supplying gas. As the material of the separator, materials such as graphite and metal having electrical conductivity are used for shape maintenance and electron transfer. In the case of insulators, a material having electrical conductivity is applied. The gas flow path formed in a part of the separation plate is a passage through which the reactor body flows, and gas is supplied to the electrode of the electrolyte-electrode assembly located between the two separation plates through the gas flow path to generate an electrochemical reaction, thereby generating electricity. The separator for fuel cells should be stable in both the cathode oxidation atmosphere and the anode reduction atmosphere of the fuel cell, should be compact to prevent mixing of each fuel gas, and have sufficient electrical conductivity. 1 (a) shows a separator having a conventional single row flow path. Such a structure has a problem in that a single flow path covers the entire electrode, so that the length of the flow path increases and the flow rate that one flow path is increased causes a high pressure drop, resulting in poor efficiency. In order to compensate for this disadvantage, it was necessary to reduce the pressure drop by increasing the number of flow paths to reduce the flow rate of one flow path and shortening the flow path length. Therefore, in order to avoid high pressure drop, the zigzag-type flow path was formed in several lines as shown in FIG. Figure 1 (b) shows the separation plate of the plurality of rows of flow paths twisted in a zigzag form. However, this shape problem is disadvantageous in mass transfer because there is no pressure difference between adjacent flow paths as in the parallel structure because the flow paths occupy a large portion of the parallel paths.

연료전지용 분리판은 기체 및 액체 연료나 공기를 전극에 고르게 분포시켜야 하며 생성물질이 있는 경우 효과적으로 제거하여 전극 밖으로 배출시켜야 한다. 상 기에서 지적한 바와 같이, 기존의 연료전지 분리판의 경우 유로가 직접 닿지 않는 부분에서 연료가 고르게 분포하지 않거나 다공성 층에 생성물질이 차있어서 빠져나가지 않는 등의 문제점을 가지고 있다.Separators for fuel cells should distribute the gas and liquid fuel or air evenly over the electrodes and, if any, are to be removed, they must be effectively removed and discharged out of the electrodes. As pointed out above, the conventional fuel cell separator has problems such that fuel is not evenly distributed in the part where the flow path does not directly reach, or the product does not escape due to the filling material in the porous layer.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다수의 독립적인 지그재그 구조의 유로를 도입하여 다공성 재질로 구성된 전극에 균일한 연료 분포를 유도하고 다공성 층에 차있는 생성물질을 효과적으로 제거하여 물질전달이 효율적으로 이루어지며 압력강하를 적게 하여 연료전지 시스템의 효율을 향상시키는 연료전지 분리판을 설계하는 것을 목적으로 한다.    The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by introducing a plurality of independent zigzag flow paths to induce a uniform fuel distribution on the electrode consisting of a porous material and to effectively remove the product filling the porous layer Therefore, the object of the present invention is to design a fuel cell separator that efficiently transfers materials and reduces the pressure drop to improve the efficiency of the fuel cell system.

본 발명에 따르면, 다수의 유로를 갖는 연료전지용 분리판에 있어서,    According to the present invention, in a separator for a fuel cell having a plurality of flow paths,

각각의 유로는 기체 출입구에서 일자형이며, 상기 일자형의 직각방향으로는 지그재그 형태이며, 상기 다수의 유로 구조는 전체적으로 상기 다수의 유로 중심에서 대칭인 형태가 되도록 상기 각각의 유로의 일자형 길이가 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판이 제공된다. 이 때, 각각의 유로는 각각의 유로 내의 압력이 동일하도록 유로의 길이가 동일한 것이 바람직하다.     Each flow passage is straight at the gas inlet, and is zigzag in a direction perpendicular to the straight passage, and the plurality of flow passage structures are adjusted such that the straight length of each flow passage is adjusted to be symmetrical at the center of the plurality of flow passages. A separator for a fuel cell is provided. At this time, it is preferable that each flow path has the same length of the flow path so that the pressure in each flow path is the same.

평행한 유로와 같은 구조에서는 도 2의 (a)와 같이 인근 유로간의 압력이 같으므로 유로가 직접 닿지 않는 부분에서는 연료를 고르게 분포시키기 어렵지만, 도 2의 (b)와 같이 지그재그로 꼬인 구조에서는 유로간의 압력 차이가 생기므로 연료가 확산층을 통해 인근의 유로로 이동하는 현상이 발생한다. 이러한 원리로 인하여 지 그재그 형식으로 꼬인 형상에서는 유로가 직접 닿지 않는 부분까지 효과적으로 연료를 전달하거나 확산층 및 전극에 고여 있는 생성물을 제거할 수 있다. 이와 같은 이유로 인하여 지그재그 구조를 갖는 유로를 본 발명에 도입한 것이다.     In a structure such as a parallel flow path, as the pressure between neighboring flow paths is the same as in FIG. 2 (a), it is difficult to distribute fuel evenly in a portion where the flow path does not directly reach, but in the structure twisted in a zigzag structure as shown in FIG. The pressure difference between the two causes the fuel to move to the adjacent passage through the diffusion layer occurs. Due to this principle, the zigzag twisted shape effectively delivers fuel to areas not directly touching the flow path or removes products accumulated in the diffusion layer and the electrode. For this reason, a zigzag channel has been introduced into the present invention.

독립적인 지그재그 구조의 유로를 도입하여 유로간 압력 차이를 유발시켜 다공성 층 사이의 연료 흐름을 유발하여 유로가 직접 닿지 않는 부분까지 균일한 연료 분포를 유도하고 다공성 층에 차있는 반응 생성물질을 압력차로 밀어내어 물질전달에 효과적이며 기체가 유로 통과시 압력강하를 줄여 연료전지 시스템의 효율을 증가시킬 수 있는 연료전지 분리판을 설계할 수 있는 것이다.   Independent zigzag flow paths introduce pressure differentials between the flow paths to induce fuel flow between the porous layers, inducing a uniform fuel distribution even where the flow paths are not directly in contact with each other. It is possible to design a fuel cell separation plate that is effective in pushing out materials and reducing the pressure drop as the gas passes through the flow path, thereby increasing the efficiency of the fuel cell system.

본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 다수의 유로가 독립적으로 지그재그 패턴을 가짐으로서 유체가 균일하게 공급되며 반응 생성물이 다공성 층으로부터 효과적으로 제거되어 물질전달이 향상되는 효과가 있다. 또한 유로의 길이를 줄여 유로 통과시의 압력강하를 줄여 기체 이송 펌프의 용량을 줄여 연료전지 시스템의 효율을 높일 수 있다.    In the separator for fuel cells according to the present invention, a plurality of flow paths independently have a zigzag pattern, and the fluid is uniformly supplied, and the reaction product is effectively removed from the porous layer, thereby improving material transfer. In addition, it is possible to increase the efficiency of the fuel cell system by reducing the length of the flow path and reducing the pressure drop during passage, thereby reducing the capacity of the gas transfer pump.

본 발명에 따른 분리판을 공기극으로 제작한 후 직접메탄올 연료전지 성능을 시험하였으며 개별 유로의 개수는 20개로 하였다. 연료극은 한 개의 유로가 지그재 그 형태로 진행되도록 하였다. 분리판의 재질은 그라파이트(Graphite)를 사용하였으며 전극 면적은 150 × 100 mm로 하였고 모든 유로의 폭과 깊이는 1mm로 하였다. 총 5개의 전극을 직렬로 쌓아 스택을 제작하였다. 전해질은 나피온(Nafion)을 사용하였고, 연료극의 전극 촉매는 PtRu 블랙(black), 공기극의 전극 촉매는 Pt 블랙(black)을 사용하였으며, 확산층으로 다공성인 카본 페이퍼를 사용하였다. 온도는 60℃, 연료는 1M 농도의 메탄올 수용액을 당량 2.5로 공급하였으며, 공기는 당량 4로 공급하였다. 5셀로 이루어진 스택의 성능 결과는 도 4에 나타내었다. 성능 시험은 전류를 0 A에서 1 A씩 점차 증가시키면서 셀의 전압을 측정하는 방식으로 수행하였다. 비교재는 도 1(b)와 같은 형태의 5줄 유로구조를 사용하였다. 도 4에서 보면 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 경우가 종전의 유로구조의 분리판을 갖는 직접메탄올 연료전지에 비해서 전압이 더 높게 나오는 것으로부터 본 발명에 의한 분리판을 갖는 직접메탄올 연료전지의 효율이 더 좋다는 것을 알 수 있다.    Direct methanol fuel cell performance was tested after fabricating the separator according to the present invention and the number of individual flow paths was 20. The anode allowed one flow path to proceed in a zigzag form. Graphite was used for the separator, and the electrode area was 150 × 100 mm, and the width and depth of all the channels were 1 mm. A total of five electrodes were stacked in series to make a stack. Nafion was used as the electrolyte, PtRu black was used as the electrode catalyst of the anode, Pt black was used as the electrode catalyst of the cathode, and porous carbon paper was used as the diffusion layer. The temperature was 60 ° C., the fuel was supplied with a 1 M aqueous methanol solution at 2.5 equivalent, and the air was supplied at 4 equivalent. The performance result of the 5-cell stack is shown in FIG. 4. The performance test was performed by measuring the voltage of the cell while gradually increasing the current from 0 A to 1 A. The comparative material used a five-row flow channel structure of the type shown in Figure 1 (b). As can be seen from Fig. 4, the case of the present invention is a direct methanol fuel cell having a separator according to the present invention because the voltage is higher than that of the direct methanol fuel cell having a separator having a flow path structure. It can be seen that the efficiency of is better.

도 1은 종전의 유로구조의 분리판1 is a separator of a conventional flow path structure

도 2는 지그재그 구조의 유용성을 설명하기 위한 개념도 2 is a conceptual diagram illustrating the usefulness of the zigzag structure

도 3은 본 발명에 의한 유로구조의 분리판3 is a separator of the flow path structure according to the present invention

도 4는 직접메탄올 연료전지의 전류에 따른 전압을 나타낸 그래프4 is a graph showing the voltage according to the current of the direct methanol fuel cell

((도면 부호에 대한 설명))((Description of drawing))

1 : 분리판 2 : 유로 3 : 기체 출입구DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Separation plate 2: Euro 3: Gas entrance

11 : 분리판 12 : 유로 13 : 기체 출입구11: Separator 12: Euro 13: gas entrance

Claims (2)

다수의 유로를 갖는 연료전지용 분리판에 있어서,    In a separator for a fuel cell having a plurality of flow paths, 각각의 유로는 기체 출입구에서 일자형이며, 상기 일자형의 직각방향으로는 상기 각각의 유로는 하나씩 개별적으로 지그재그 형태이고, 각각의 지그재그 유로가 꺾이는 부분이 둥글며, 인접 유로와의 간격이 넓어서 생기는 유로 없는 부분이 없이 연속적이어야 하고, 상기 다수의 유로 구조는 전체적으로 상기 다수의 유로 중심에서 대칭인 형태가 되도록 상기 각각의 유로의 일자형 길이가 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판.   Each flow path is straight at the gas entrance, and in the right-angle direction of the straight path, each flow path is individually zigzag-shaped, and each zigzag flow path is rounded, and a flow path without a wide gap with adjacent flow paths is formed. Separation without a continuous, the plurality of flow path structure is a fuel cell separator, characterized in that the straight length of each flow path is adjusted so as to be symmetrical in the center of the plurality of flow path as a whole. 제1항에 있어서,    The method of claim 1, 상기 각각의 유로는 상기 각각의 유로 내의 압력이 동일하여 특정 유로로만 유체가 흐르지 않도록 유로의 길이가 동일한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판.   And each of the flow paths has the same pressure in each flow path, so that the length of the flow path is the same so that no fluid flows only in a specific flow path.
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