KR101092486B1 - 연료전지용 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 유로 형상을 개선하여 연료전지의 성능과 신뢰성을 향상시키는 연료전지용 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 전기전도도를 가지는 재질로 이루어지며, 연료전지의 형태유지와 전자의 이동 및 기체를 공급하기 위해 설치되어 하부에는 랜드가 마련되고, 상부에는 전해질막에 의해 밀폐되는 연료전지용 분리판으로, 상기 분리판은 내부에 기체의 이동을 위한 통로를 제공하는 기체 유로부가 형성되고, 상기 기체 유로부에는 종횡으로 굴곡이 반복되는 지그재그 형태의 패턴을 갖는 채널이 다수개로 형성되되, 상기 채널은 다수개를 한 조로 하여 반복적으로 연속하게 배치된다.

연료전지, 분리판, 연료극, 기체유로, 패턴

Description

연료전지용 분리판 {FLOW CHANNEL PLATE FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지에 설치되는 분리판의 구조를 개선하여 연료전지의 효율과 성능을 향상시키는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 전기화학 반응에 의해 연료가 갖고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치이다. 이러한 연료전지는 기존의 연소기관에 비하여 에너지 효율이 높고, 공해물질의 배출이 없으며, 그 크기와 용량을 다양하게 할 수 있다.

이러한 연료전지는 수소와 산소의 반응에 의하여 생성되는 전자의 이동에 의해 발전이 이루어진다. 수소는 연료극을 통과하고 산소는 공기극을 통과한다. 그리고, 수소가 산소와 반응하는 과정에서 물이 생성되며, 전극에 전류를 발생시킨다. 그리고, 전자가 전해질을 통과하면서 열과 함께 전기가 발생한다.

이와 같이 연료전지에서 발생된 전기는 전기 사용처로 보내지고, 연료전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용되거나 배기열로 배출된다.

종래 기술에 따른 연료전지용 분리판(10)을 도시한 도 1과 도 2를 참고하면, 연료전지에 사용하는 분리판(10)은 연료전지의 형태유지, 전자를 이동시키는 역할, 기체를 공급하는 기능을 갖는다. 이러한 분리판(10)은 형태 유지와 전자 이동을 위하여 전기전도도가 있는 그라파이트 또는 금속과 같은 재질로 형성되나, 부도체인 경우 전기전도도를 가지는 물질을 도포하여 형성된다.

분리판(10)의 일부에 형성된 기체 유로부(20)는 반응기체가 흐르는 통로이며, 이 기체 유로부(20)를 통하여 2장의 분리판(10) 사이에 위치한 전해질-전극 접합체의 전극에 기체가 공급됨으로써 전기화학반응이 일어나 전기가 발생된다. 연료전지용 분리판(10)은 연료전지의 공기극 산화분위기와 연료극 환원분위기에 모두 안정해야 하고, 각 연료가스의 혼합을 방지할 수 있도록 치밀해야 하며, 충분한 전기전도도를 가져야 한다. 또한, 연료전지용 분리판(10)에는 기체가 흐르는 유로가 형성되야 하는데, 이 때 분리판(10)의 기체 유로부(20) 채널의 깊이와 폭 그리고 패턴은 기체의 유동을 원활하게 하는데 매우 중요하다.

이러한 연료전지용 분리판(10)은 스테인레스 등의 금속이 사용되고 있으며, 최근에는 부식 및 무게를 개선한 흑연블록(graphite block) 등이 주로 사용되며, 유로 형상은 주로 굴곡형(serpentine type)구조를 사용하고 있다.

그러나, 종래의 연료전지용 분리판(10)에 형성되는 굴곡형 유로 구조는 연료 공급시 유체의 흐름 저항을 증가시켜 유체의 원활한 공급이 되지 않아 전극 활성 반응을 저해하게 되므로 연료전지 셀 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서 이러한 유체 흐름 저항을 개선하여 향상된 셀 성능을 얻기 위해서 새로운 형태의 유로 형상 및 구조를 갖는 분리판(10)에 대한 연구 및 개발이 요구된다.

또한, 종래의 연료전지용 분리판(10)에 형성되는 굴곡형 유로 형상은 전해질막의 수분분포, 기체 입구(24)측과 기체 출구(26)측의 높은 압력차, 불균일한 전류 분포를 생성하여 막전극접합체인 MEA의 수명이 짧고, 낮은 연료 이용효율 및 환원극 측의 수분 배출이 용이하지 않게 되어 연료전지 성능의 성능 및 그 신뢰성이 낮다.

또한, 종래의 연료전지용 분리판(10)에 형성되는 굴곡형 유로 형상은 연료 공급시 유체 흐름 저항 증가를 피할 수 없게 되고, 그로 인해 연료의 원활한 공급이 불리해져 연료전지 셀 성능이 감소하는 현상이 발생한다. 나타났다. 따라서 연료전지 성능 향상을 위한 분리판(10)의 구조 및 유로 형상에 대한 연구 및 개발이 요구된다.

본 발명의 목적은 전술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유로 형상을 개선하여 연료전지의 성능과 신뢰성을 향상시키는 연료전지용 분리판을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 전기전도도를 가지는 재질로 이루어지며, 연료전지의 형태유지와 전자의 이동 및 기체를 공급하기 위해 설치되어 하부에는 랜드가 마련되고, 상부에는 전해질막에 의해 밀폐 되는 연료전지용 분리판으로, 상기 분리판은 내부에 기체의 이동을 위한 통로를 제공하는 기체 유로부가 형성되고, 상기 기체 유로부에는 종횡으로 굴곡이 반복되는 지그재그 형태의 패턴을 갖는 채널이 다수개로 형성되되, 상기 채널은 다수개를 한 조로 하여 반복적으로 연속하게 배치된다.

여기에서, 상기 채널은 폭이 0.5mm 내지 2mm 인 것이 바람직하다. 또한, 상기 채널은 깊이가 0.5㎛ 내지 1.5㎛ 인 것이 바람직하다. 상기 채널의 측면과 상기 랜드가 이루는 각도는 90도 내지 140도 인 것이 바람직하다.

전술된 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 연료전지의 연료 및 환원가스(공기, 산소)를 유도하는 유로 채널을 흑연 및 복합탄소계 소재의 분리판 혹은 기체 확산층에 미세 가공하여 연료 및 환원가스가 촉매층으로 확산되는 것을 촉진시키고, 분리판 영역에서 균일한 농도분포를 제공함으로써 고성능, 고신뢰성을 갖는 연료 전지를 제조할 수 있다. 또한, 흑연 및 복합탄소계 소개 분리판의 유로 채널 제작시, 다수개의 패턴을 형성하여 분리판 혹은 기체확산층의 변형을 줄이고 전극에 균일한 하중이 작용하게 하여 전극의 균열을 방지하고, 고분자전해질 막에 작용하는 응력의 집중현상을 감소시켜, 고신뢰성의 연료전지 제조방법을 제공할 수 있다. 또한, 이 발명은 전해질막의 고른 수분분포, 입구측과 출구측의 적은 압력차, 균일한 전류 분포를 유도하여 막전극접합체인 MEA의 장수명화, 높은 연료이용효율 및 환원극 측의 수분 배출을 용이하게 하여 고성능, 고신뢰성의 연료전지 제조방법을 제공할 수 있고, 스택의 용량이 증가할수록 더욱 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 도이다.

본 발명의 연료전지용 분리판(50)에는, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 랜드의 표면에 기체가 통과하는 기체 유로부(60)가 형성된다.

이 기체 유로부(60)는 내부를 다수의 유로로 구획하는 채널(62)이 형성된다. 이 채널(62)은 다수개를 한 조로 이루어지며, 종횡으로 굴곡되어 전체적인 형상이 지그재그 형태를 갖도록 형성된다.

또한, 지그재그 형태인 1조의 채널로 이루어지는 기체 유로부(60)는 2 이상 복수개를 설치하되, 반복하여 연속적으로 배치하여 반복형 굴곡 유로를 형성하도록 한다.

또한, 기체 유로부(60)의 상부는 고분자전해질막이 설치되어 내부를 밀폐한다. 또한, 각각의 채널(62)에는 각각 기체 입구(64) 및 기체 출구(66)가 개별적으로 형성된다. 바람직하게는, 각각의 기체 입구(64)는 기체주입장치로부터 공급되는 반응기체가 분기되어 각각의 채널(62)로 균일한 압력으로 공급되도록 연결될 수 있다.

이러한 기체 유로부(60)는 기체 입구(64)로부터 유입된 반응기체가 채널(62)을 통해 흐르면서 전기화학 반응을 일으키게 되고, 반응에 사용된 후에는 반대쪽의 기체 출구(66)를 통해 배출된다.

여기서, 각각의 채널(62)은 폭이 0.5mm~2mm로 형성될 수 있고, 그 깊이는 0.5㎛~1.5㎛로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 채널(62)은 저면의 랜드와 이루는 각도가 90도~140도로 형성될 수 있다.

본 발명의 분리판(50)의 측면에는 전극이 설치되며, 이 전극에는 연료전지에서 발생한 전류를 부하와 연결하기 위한 전선이 연결된다.

이와 같이, 연료전지용 분리판(50)은 각각의 기체 입구(64)와 출구를 갖는 복수의 채널(62)이 반복적으로 배치됨에 따라 연료전지용 분리판(50) 또는 기체확산층의 변형을 줄일 수 있고, 전극에 균일한 하중이 작용하게 할 수 있다. 또한, 기체 유로부(60)에 작용하는 부하량이 줄어듦에 따라 전극의 균열을 방지할 수 있고, 고분자전해질막의 응력 집중 현상을 감소시킬 수 있다.

이와 같이 구성된 분리판(50)을 갖는 연료전지는 전산모사를 통해 성능을 예측할 수 있다.

이를 위해 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법을 적용하여, 유로형상에 따른 인가전압대비 발생 전류의 크기와, 생성된 물 및 전류 밀도 등의 분포 특성 등을 통해 유로의 형상에 따른 고체고분자형 연료전지(PEMFC : MFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)의 성능 특성의 변화를 살펴보면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 연료전지용 분리판이 적용된 유로의 형상에 따른 공기극 유로에서의 물의 체적 분율을 보인 도면이다. 여기서, 도 5의 (a)는 종래의 연속 형 굴곡 유로를 갖는 연료전지용 분리판(50)이 적용된 예이고, (b)는 본 발명의 반복형 굴곡 유로를 갖는 연료전지용 분리판(50)이 적용된 예이다.

도 5의 (a)를 참고하면, 연속형 굴곡 유로를 갖는 연료전지용 분리판(50)은, 수소와 공기가 각각 좌측에서 유입되어 우측으로 진행되며, 각각 기체의 하류에 해당하는 우측에 발생되는 물의 분포가 높음을 알 수 있다. 또한, 도 5의 (b)를 보면, 굴곡형 반복 유로를 갖는 연료전지용 분리판(50)은, 각각 유로의 하류에 해당하는 지점에서 물이 생성됨을 알 수 있으며, 각각의 저점의 물의 분포가 균일하게 발생됨을 알 수 있다. 이러한 물 생성 특성은 전류밀도의 값에도 영향을 미치며, 이에 따라 도 6에 도시한 바와 같이, 물이 생성되는 영역에서 낮은 전류밀도를 보임을 알 수 있다. 여기에서, 도 6은 본 발명의 연료전지용 분리판이 적용된 유로형태에 따른 고분자전해질 연료전지의 전류밀도 분포를 보인 도면이다. 도 6의 (a)는 종래의 연속형 굴곡 유로를 갖는 연료전지용 분리판(50)이 적용된 예이고, (b)는 본 발명의 반복형 굴곡 유로를 갖는 연료전지용 분리판(50)이 적용된 예이다.

이와 같이, 연속 굴곡형 유로를 갖는 연료전지용 분리판(50)과, 굴곡형 반복 유로를 갖는 연료전지용 분리판(50)의 성능은 고전압 조건에서 인가 전압의 감소에 따라 전류밀도가 급속히 증가하였으며 저전압 영역에서는 포화되어 적은 값으로 증가 등의 전형적인 양상으로 나타난다.

이러한 성능 특성의 변화에 따라 본 발명의 분리판(50) 구조를 갖는 연료전지는 전류분포가 비교적 균일한 것을 확인할 수 있고, 이와 같은 유로 형상은 분리판(50) 혹은 기체확산층의 변형을 줄이고 전극에 균일한 하중이 작용하게 하여 전극의 균열을 방지하고 고분자전해질 막에 작용하는 응력의 집중현상을 감소시켜, 고신뢰성의 연료전지를 제조할 수 있다. 또한, 이 발명은 전해질막의 고른 수분분포, 입구측과 출구측의 적은 압력차, 균일한 전류 분포를 유도하여 막전극접합체인 MEA의 장수명화, 높은 연료이용효율 및 환원극 측의 수분 배출을 용이하게 하여 고성능, 고신뢰성의 연료전지를 제공할 수 있다.

한편, 연료전지 스테이션은 단위전지에 수소를 공급하기 위한 수소공급시스템, 공기를 공급해주기 위한 공기공급 시스템, 가습을 위한 가습 시스템과 데이터를 관리하기 위한 자동데이터 관리 장치 등으로 구성된다.

또한, 수소 및 공기공급시스템은 레귤레이터, MFM(Mass Flow Meter), MFC(Mass Flow Controller), 버블러 타입의 가습기 등으로 구성되어 있고, 스택 냉각 시스템은 냉각수를 보내주기 위한 펌프, 냉각수 온도조절을 위한 공랭식 타입의 열교환기 등으로 구성되어 있다. 이밖에 단위전지에서 나오는 전류를 소모시켜 주기 위한 전기부하장치, 스택의 각 셀의 전압을 측정하기 위한 전압 측정 장치, 각종 온도측정을 위한 계측장치 등이 설치된다. 더불어, 이 실험에 사용한 전지는 전극면적이 25cm²인 단위전지가 사용된다. 또한, 전류밀도, 수소 당량비, 공기 당량비, 수소 압력, 공기 압력이 일정한 조건에서 실험한다.

단위전지의 전압 및 전류의 측정은 연료전지의 전반적인 특성을 모두 파악할 수 있도록 1.1~0.1V 범위에서 각각 측정하였다. 먼저 각 전류 조건에 맞는 수소 및 공기 유량을 계산하여 전지에 먼저 공급한 뒤, 유량이 전지에 균일하게 공급이 될 수 있게 하였다. 이후 부하를 전지에 가하여 전류를 소모하면서 전지의 전압을 각각 측정하였다. anode 측에 수소를 공급한 상태에서 OCV(Open Circuit Voltage)실험은 전류부하를 인가할 때와 전지의 유사한 실험 상황을 맞추기 위해 전류부하 실험 직후에 수행하였다. 이때에 anode와 cathode 측에 공급한 수소와 공기의 유량은 일정한 값으로 유지시키고 실험을 수행하였다.

도 7은 본 발명에 따른 분리판(을 적용한 연료전지를 가습하에서 실험한 전압/전압에 따른 그래프이다. 본 발명의 실험에서 얻은 데이터는 CNL force(data acquisition program)을 이용하여 유량, 라인온도, 가습기 온도, 전기부하장치를 제어하였고, 연료전지에서 발생하는 전압과 전류를 측정하여 전산입력을 실시하였다.

이러한 실험의 결과를 보면 상대습도는 anode 측 80%로 유지되었으며, 전지의 전압은 전류밀도가 증가하면서 과전압이 증가하기 때문에 점점 감소한다. 이러한 특성을 갖는 본 발명의 분리판(50)을 적용한 연료전지는 기존에 비해 4~9% 정도의 효율 향상효과가 있다.

더불어, 본 발명의 분리판(50)을 적용한 연료전지는 장기간 고성능을 유지할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 연료전지의 연료 및 환원가스(공기, 산소)를 유도하는 유로 채널(62)을 흑연 및 복합탄소계 소재의 분리판(50) 혹은 기체 확산층에 미세 가공하여 연료 및 환원가스가 촉매층으로 확산되는 것을 촉진시키고, 분리판(50) 영역에서 균일한 농도분포를 제공함으로써 고성능, 고신뢰성을 갖는 연료 전지를 제조할 수 있다. 또한, 흑연 및 복합탄소계 소개 분리판(50)의 유로 채널(62) 제 작시, 다수개의 패턴을 형성하여 분리판(50) 혹은 기체확산층의 변형을 줄이고 전극에 균이란 하중이 작용하게 하여 전극의 균열을 방지하고, 고분자전해질 막에 작용하는 응력의 집중현상을 감소시켜, 고신뢰성의 연료전지 제조방법을 제공할 수 있다. 또한, 이 발명은 전해질막의 고른 수분분포, 입구측과 출구측의 적은 압력차, 균일한 전류 분포를 유도하여 막전극접합체인 MEA의 장수명화, 높은 연료이용효율 및 환원극 측의 수분 배출을 용이하게 하여 고성능, 고신뢰성의 연료전지 제조방법을 제공할 수 있고, 스택의 용량이 증가할수록 더욱 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

그리고, 본 발명의 유로 형상은 고체산화물연료전지(SOFC), 직접메탄올연료전지(DMFC), 용융탄상염 연료전지(MCFC) 등 다양한 연료전지에 적용할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지용 분리판을 도시한 도.

도 2는 종래 기술에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 도.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 도시한 도.

도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 도.

도 5는 본 발명의 연료전지용 분리판이 적용된 유로의 형상에 따른 공기극 유로에서의 물의 체적 분율을 보인 도.

도 6은 본 발명의 연료전지용 분리판이 적용된 유로형태에 따른 고분자전해질 연료전지의 전류밀도 분포를 보인 도.

도 7은 본 발명에 따른 분리판을 적용한 연료전지를 가습하에서 실험한 전압/전압에 따른 그래프.

Claims (4)

1. 전기전도도를 가지는 재질로 이루어지며, 연료전지의 형태유지와 전자의 이동 및 기체를 공급하기 위해 설치되어 하부에는 랜드가 마련되고, 상부에는 전해질막에 의해 밀폐되는 연료전지용 분리판으로,

   상기 분리판은 내부에 기체의 이동을 위한 통로를 제공하는 기체 유로부가 2 이상 반복하여 연속적으로 배치되고,

   상기 기체 유로부는 종횡으로 굴곡이 반복되는 지그재그 형태의 패턴을 갖는 다수개의 채널을 1조로 하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 채널은 폭이 0.5mm 내지 2mm 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 채널은 깊이가 0.5㎛ 내지 1.5㎛ 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 채널의 측면과 상기 랜드가 이루는 각도는 90도 내지 140도 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.

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