KR101060275B1 - Bipolar plate for fuel cell with fin and serpentine - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A separator for a polymer electrolyte fuel cell is provided to obtain uniform and excellent gas flow property and to improve the contact area with a membrane electrode assembly. CONSTITUTION: A separator(10) for a polymer electrolyte fuel cell is such that channels flowing gas is formed in a multi-stage. The channel of the separator has a serpentine channel part(13) by a plurality of ribs(15) formed in a U-shaped at a turn part where the flow direction of the gas is changed. A pin channel part(12) is formed in a lattice form by a plurality of polyhedral ribs(14) excluding the turn part. The polyhedral rib is a square form.

Description

핀과 사행이 혼합된 연료전지용 분리판{Bipolar Plate for Fuel Cell with Fin and Serpentine}Bipolar Plate for Fuel Cell with Fin and Serpentine

본 발명은 고분자전해질 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소 등의 가스가 유동하는 채널의 구조를 개선하여 가스의 유동이 원활하게 이루어짐과 더불어 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)와의 접촉 면적을 향상시켜 우수한 성능을 갖는 고분자전해질 연료전지용 분리판에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly, to improve the structure of a channel through which a gas, such as hydrogen, flows, to facilitate gas flow, and to contact a membrane electrode assembly (MEA) with a membrane electrode assembly. The present invention relates to a separator for a polymer electrolyte fuel cell having excellent performance.

일반적으로, 전기적으로 절연체이며 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 메탄올이나 수소 등의 화학연료를 전기에너지로 직접 바꾸는 고효율, 무공해, 무소음의 미래형 발전기술의 일종으로서, 기존의 내연기관에 비해 1.5배 이상의 에너지변환 효율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 유독한 대기오염 물질을 전혀 배출하지 않는 장점을 내포하고 있다. 특히 고분자전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 100℃ 미만의 온도에서 작동되고 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 나타내는 동시에 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템이다. Generally, Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), which uses an electrically insulator and has a hydrogen ion exchange polymer membrane as an electrolyte, is a high-efficiency, pollution-free method for directly converting chemical fuels such as methanol and hydrogen into electrical energy. It is a kind of noiseless future power generation technology, and it has the advantage of not only generating 1.5 times more energy conversion efficiency than existing internal combustion engines but also emitting no toxic air pollutants at all. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is a high output fuel cell with a higher current density than other fuel cells, which operates at temperatures below 100 ° C, has a simple structure, shows fast start-up and response characteristics, and excellent durability. Can be used as a fuel, making it a suitable system as a power source for automobiles.

이러한 고분자 전해질 연료전지의 성능은 작동온도, 압력, 연료의 가습량 등 다양한 요인에 의하여 달라진다고 알려져 있다. 특히, 분리판(separator)의 유동장(flow field) 형상은 연료전지의 성능에 영향을 주는 중요한 요소 중의 하나로 많은 연구들이 진행되어 왔다. The performance of such a polymer electrolyte fuel cell is known to vary depending on various factors such as operating temperature, pressure, amount of fuel humidification. In particular, the flow field shape of the separator is one of the important factors affecting the performance of the fuel cell has been studied a lot.

기존의 연료전지에 사용되는 분리판은 전체적으로 사형 채널(serpentine channel)을 갖거나, 핀 채널(pin channel)을 갖는다. 상기 사형채널은 높은 성능으로 일반적으로 많이 사용되지만 채널 내부에서 생성되는 물이 수소, 산소 또는 공기의 유로를 막아 채널 전체에 영향을 끼쳐 연료전지의 출력을 떨어뜨리는 문제가 있다. 그리고, 핀 채널은 채널 내부에 형성된 물이 유로를 막더라도 가스가 우회유로를 통해 유동할 수 있으므로 유동 특성은 우수하나 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)와의 접촉면적이 작기 때문에 출력이 낮은 문제가 있다.
Separators used in conventional fuel cells generally have a serpentine channel or a pin channel. The sand channel is generally used due to its high performance, but water generated inside the channel blocks the flow path of hydrogen, oxygen, or air and affects the entire channel, thereby lowering the output of the fuel cell. In addition, even though the water formed inside the channel blocks the flow path, the fin channel has excellent flow characteristics because the gas can flow through the bypass flow path, but the output power is low because the contact area with the membrane electrode assembly (MEA) is small. There is.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 가스가 유동하는 채널의 구조를 사형(serpentine) 및 핀(pin)이 복합된 구조로 개선하여 가스의 유동이 원활하게 이루어짐과 더불어 막전극접합체(MEA)와의 접촉 면적을 향상시켜 우수한 성능을 갖는 고분자전해질 연료전지용 분리판을 제공함에 있다. The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to improve the structure of the channel through which the gas flows to the structure of the composite (serpentine) and pin (pin) is made of a smooth gas flow and In addition, to improve the contact area with the membrane electrode assembly (MEA) to provide a separator for a polymer electrolyte fuel cell having excellent performance.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일면에 가스가 유동하는 복수개의 채널이 'ㄹ'자형으로 연속 다단 절곡되게 형성되어 있는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 분리판의 채널은 가스의 유동방향이 변화되는 각각의 턴(turn) 부분에서는 'U'자형으로 형성되는 복수개의 리브(rib)에 의해 사형(serpentine) 채널부를 이루고, 상기 턴 부분 이외의 부분에서는 복수개의 다각형 리브(rib)에 의해 격자 형태로 된 핀(pin) 채널부를 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention is a fuel cell separator in which a plurality of channels through which gas flows on one surface is continuously formed in a bent '-' shape, and the channel of the separator is a gas flow. In each turn portion whose direction changes, a serpentine channel portion is formed by a plurality of ribs formed in a 'U' shape, and in a portion other than the turn portion, a plurality of polygonal ribs are formed. Provided is a separator for a fuel cell, which comprises a pin channel portion having a lattice shape.

이러한 본 발명에 따르면, 분리판의 채널 중 가스의 유동방향이 변화되는 턴(turn) 부분에서는 사형 채널부가 형성되어 유동을 원활하게 함과 더불어 막전극접합체와의 접촉 면적을 증대시키고, 턴 부분 이외부분, 즉 가스가 유입되는 부분과 사형 채널부 사이, 가스가 배출되는 부분 등 직선부는 핀 채널부가 형성되어 채널에서 생성된 물이 채널의 일부를 막더라도 가스가 우회하여 유동할 수 있으므로 유동 특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 전체적으로 균일하고 우수한 가스 유동 특성을 얻을 수 있음과 동시에 막전극접합체와의 접촉 면적을 향상시킬 수 있어 우수한 성능의 연료전지를 구현할 수 있다.
According to the present invention, in the turn portion in which the flow direction of gas is changed in the channel of the separator plate, a sand-shaped channel portion is formed to facilitate the flow and increase the contact area with the membrane electrode assembly, and other than the turn portion. The straight part, such as between the gas inlet and the sand channel part, and the gas discharge part, is formed with a fin channel part so that even if the water generated in the channel blocks a part of the channel, the gas can bypass and flow, so that the flow characteristics are The effect can be improved. Therefore, the overall uniform and excellent gas flow characteristics can be obtained, and the contact area with the membrane electrode assembly can be improved, thereby realizing a fuel cell having excellent performance.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 정면도이다.
도 2는 도 1의 연료전지용 분리판의 사시도 및 확대도이다.
도 3은 도 1의 I-I 선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 연료전지용 분리판에서 일어나는 가스 유동 특성을 설명하는 도면이다.
1 is a front view of a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view and an enlarged view of the separator for fuel cell of FIG. 1.
3 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.
4 is a front view of a separator for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining the gas flow characteristics occurring in the separator plate for a fuel cell of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of a separator for a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 첫번째 실시예를 나타낸 것으로, 이 실시예의 분리판(10)은 막전극접합체(MEA)(미도시)와 접하는 면에 채널(11)이 전체적으로 'ㄹ'자형태로 2단 절곡된 형태로 형성되되, 상기 채널(11)은 가스의 유동방향이 변화되는 각각의 턴(turn) 부분에서는 'U'자형으로 형성된 복수개의 리브(rib)(15)에 의해 사형(serpentine) 채널부(13)를 이루고, 턴 부분 이외의 직선 구간 부분, 즉 가스가 유입되는 부분과 상기 사형 채널부(13) 사이 부분, 가스가 배출되는 부분에서는 복수개의 직사각형 리브(rib)(14)에 의해 격자 형태로 된 핀(pin) 채널부(12)를 이룬다. 1 to 3 show a first embodiment of a fuel cell separator according to the present invention, in which the separator 10 has a channel 11 on a surface in contact with a membrane electrode assembly (MEA) (not shown). It is formed in the form of a two-stage bent in the form of a 'r' as a whole, the channel 11 is a plurality of ribs (R) formed in the 'U' shape at each turn (change) the flow direction of the gas ( 15 to form a serpentine channel portion 13, and a plurality of rectangles in a straight section portion other than the turn portion, that is, a portion into which the gas flows in and a portion between the sand-shaped channel portion 13, and a portion in which the gas is discharged. The ribs 14 form pin channel portions 12 in the form of lattice.

상기 핀 채널부(12)의 리브(14)는 가스(수소, 공기 혹은 산소)의 유동 방향을 따라 길이가 긴 직사각형으로 되어, 휜(fin) 타입의 채널을 형성한다. 그리고, 상기 핀 채널부(12)의 리브(14)들은 일렬로 반듯하게 배열되는 것보다 도 1에 도시된 것처럼 서로 지그재그로 엇갈리면서 배열되는 것이 유동 특성을 향상시키는데 더 바람직하다. The ribs 14 of the fin channel portion 12 are rectangular in length along the flow direction of gas (hydrogen, air or oxygen) to form a fin type channel. In addition, it is more preferable for the ribs 14 of the fin channel portion 12 to be staggered and staggered with each other as shown in FIG. 1 rather than being arranged in a straight line.

상기 사형 채널부(13)는 각각의 턴 부분에서의 가스 유동을 원활하게 하는 작용과 더불어, 핀 채널부(12)와 비교하여 막전극접합체(MEA)와의 접촉 면적을 상대적으로 증대시킴으로써 전류 밀도를 증대시키고, 출력을 증대시키는 이점을 제공한다. 여기서, 상기 사형 채널부(13)의 리브(15)가 'U'자형으로 형성된 것이라 함은 도 1에 도시된 것처럼 리브(15)의 중간부가 직선형인 것뿐만 아니라 리브(15)의 중간부가 곡선형으로 된 것도 포함하는 것이다. The sand channel portion 13 facilitates gas flow at each turn, and increases the current density by relatively increasing the contact area with the membrane electrode assembly MEA compared to the fin channel portion 12. Increase, and increase the power. Here, the rib 15 of the sand channel portion 13 is formed in a 'U' shape, as shown in FIG. 1, not only the middle portion of the rib 15 is straight but also the middle portion of the rib 15 is curved. It also includes the type.

한편, 전술한 실시예의 분리판(10)은 상기 핀 채널부(12)를 형성하는 리브(14)가 직사각형으로 된 것이 적용되었지만, 이와 다르게 원형이나 타원형, 육각형, 마름모 형상 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있으며, 도 4에 다른 실시예로 도시된 것처럼 핀 채널부(12)의 리브(14)들이 정사각형의 핀(pin) 형태로 이루어질 수도 있다. Meanwhile, although the ribs 14 forming the pin channel part 12 are rectangular, the separation plate 10 of the above-described embodiment may be formed in various shapes such as a circle, an ellipse, a hexagon, and a rhombus. 4, the ribs 14 of the fin channel part 12 may be formed in a square pin shape.

본 발명과 같이, 분리판(10)의 채널(11)이 사형 채널부(13)와 핀 채널부(12)가 복합된 구조로 이루어지면, 도 5에 도시된 것처럼 핀 채널부(12)에서 물이 생성되어 채널(11)을 막더라도 가스가 바로 옆의 채널(11)로 우회하여 유동할 수 있으므로 가스의 유동 특성이 향상되는 이점을 얻을 수 있다.As in the present invention, when the channel 11 of the separating plate 10 has a complex structure in which the sand channel portion 13 and the fin channel portion 12 are formed, as shown in FIG. Even if water is generated to block the channel 11, the gas may flow by bypassing the channel 11 adjacent to the channel 11, so that the flow characteristics of the gas may be improved.

또한, 각각의 턴 부분에서는 가스가 사형 채널부(13)에 의해 원활하게 안내되면서 다음 위치로 유동하게 된다. In addition, in each turn portion, the gas is smoothly guided by the sand-shaped channel portion 13 to flow to the next position.

시뮬레이션 결과, 본 발명의 분리판(10)은 기존의 사형 채널로만 이루어진 분리판과 비교하여 전체적으로 균일한 전류밀도를 가지며, 이에 따라 음극(cathod)에서 양극(anode)로 수분이 이동되는 역확산 현상과 열화에 의한 손실을 줄일 수 있다. 또한, 막전극접합체(MEA)(미도시)의 수분 함유율과 물의 거동, 압력분포를 비교해볼 때, 효율적인 물 관리가 가능하다. As a result of the simulation, the separator 10 of the present invention has a uniform current density as compared with the conventional separator consisting only of a sand-shaped channel, and thus the back diffusion phenomenon in which moisture moves from the cathode to the anode. The loss due to overheating can be reduced. In addition, when the moisture content of the membrane electrode assembly (MEA) (not shown) is compared with the water behavior and pressure distribution, efficient water management is possible.

전술한 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 대한 실시예들은 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제시된 것으로 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술 사상의 범주 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.
Embodiments of the separator for a fuel cell according to the present invention described above are presented for illustrative purposes only to help understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art to which the present invention pertains are attached. Various changes and implementations may be made within the scope of the technical idea described in the appended claims.

10 : 분리판 11 : 채널
12 : 핀 채널부 13 : 사형 채널부
14 : 핀 채널부의 리브 15 : 사형 채널부의 리브
10: separator 11: channel
12: pin channel portion 13: dead channel portion
14: rib of the pin channel portion 15: rib of the square channel portion

Claims (3)

가스가 유동하는 채널이 'ㄹ'자형으로 연속 다단으로 절곡되게 형성되어 있는 연료전지용 분리판에 있어서,
상기 분리판의 채널은 가스의 유동방향이 변화되는 각각의 턴(turn) 부분에서는 'U'자형으로 형성되는 복수개의 리브(rib)에 의해 사형(serpentine) 채널부(13)를 이루고, 턴(turn) 부분 이외의 부분에서는 복수개의 다각형 리브(rib)에 의해 격자 형태로 된 핀(pin) 채널부(12)를 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
In the separation plate for a fuel cell in which a gas flow channel is formed to be bent in a continuous multi-stage in a '-' shape,
The channel of the separating plate forms a serpentine channel portion 13 by a plurality of ribs formed in a 'U' shape at each turn portion in which a gas flow direction is changed. Separation plate for a fuel cell, characterized in that the pin channel portion 12 in a lattice form by a plurality of polygonal ribs in a portion other than the turn portion.
제1항에 있어서, 상기 핀 채널부(12)를 이루는 다각형 리브는 사각형인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
2. The separator plate according to claim 1, wherein the polygonal ribs forming the pin channel portion are rectangular.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 핀 채널부를 이루는 다각형 리브들은 서로 엇갈리게 배열된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
3. The separator plate according to claim 1 or 2, wherein the polygonal ribs forming the fin channel portion are alternately arranged.
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