KR101291568B1 - 연료전지의 분리판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 막전극접합체를 지지하는 연료전지의 분리판에 관한 것이다. 구체적으로는 상기 분리판의 표면에는 물 입구 부분에서 물 출구 부분을 따라 주유로(110)가 형성되어 격벽(120)을 이루고, 상기 격벽의 일측면에는 산화환원반응에 의해 생긴 물을 용이하게 배출하여 플러딩을 방지하도록 보조유로(130)가 형성되고, 상기 격벽의 타측면에는 상기 보조유로의 형성으로 인한 강성저하를 방지하도록 격벽의 길이방향을 따라 보강부(140)가 형성되는 구성으로 되어 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 물의 배출이 용이한 최적의 구조로써 플러딩을 방지하고 유로 형성으로 인한 강도저하를 방지하여 스택의 안정적인 성능과 내구성을 확보하는 효과가 있다.

Description

연료전지의 분리판{separator of fuel cell}
본 발명은 연료전지의 분리판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물의 배출이 용이한 보조유로를 구비하는 연료전지의 분리판에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가지는 화학 에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기 화학적으로 직접 전기 에너지로 바꾸는 장치로서 자동차의 전원, 레이저 전기기구의 전원 등으로 관심있게 연구되는 무공해 발전장치이다.
이러한 연료전지의 애노드로 연료기체인 수소가 공급되고 캐소드로 산화제인 산소가 공급되는 바, 상기 수소와 산소로부터 전자를 분리시켜 이온화를 촉진시키기 위하여 수소와 산소에 수분을 공급하기 위한 가습장치가 연료전지의 애노드와 캐소드에 각각 장착된다.
상기 연료전지는 작동온도, 전해질의 종류에 따라 고체산화물 연료전지(Solid Oxiede Fuel Cell)와, 용융탄산염 연료전지(Molton Carbonate Fuel Cell)와, 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)로 구분된다.
연료전지에서 전기화학 반응은 두 개의 반응, 즉 산화전극(anode)에서의 산화반응과 환원전극(cathode)에서의 환원반응으로 구성된다. 두 전극은 산화 및 환원을 촉진시키기 위하여 백금 혹은 백금과 루테늄 금속을 사용한 촉매층을 형성한다. 백금촉매의 사용량을 줄이고 이용율을 높이기 위하여 미세한 카본입자를 촉매 지지체로 사용한다. 반응의 결과 최종 부산물은 전기, 열 및 물이다. 환원전극(cathode)에서 생성되는 물은 물 및 수증기의 형태인데 일반적으로 환원전극(cathode) 쪽으로 환원가스(산소 혹은 공기)를 강하게 흘려서 제거한다.
스택의 기본을 이루는 단위전지는 고분자전해질 막에 의하여 분리된 산화전극(anode)과 환원전극(cathode)의 두 전극으로 구성되었고, 이러한 고분자전해질 막 외면의 산화전극 및 환원전극은 열간압착(hot press)에 의하여 막전극접합체(MEA)를 구성하게 되고, 상기 막전극접합체는 연료인 수소(직접메탄올 연료전지인 경우는 메탄올)와 환원가스인 산소 혹은 공기를 공급하여 주고 산화환원반응에 의하여 생성되는 물을 배출시켜 줄 수 있는 유로가 형성된 분리판에 의하여 지지되고 있다. 상기 분리판의 유로를 통하여 공급 또는 배출되는 기체 또는 액체가 유출되지 아니하도록 가스켓을 구비한다. 이러한 막전극접찹체(MEA), 분리판 및 가스켓으로 구성된 단위전지는 요구되는 출력을 얻기 위해서 직렬로 적층되며 이들을 고정하는 수단으로 양끝에 엔드 플레이트로 고정하여 스택이 구성된다.
분리판은 전지 내에 연료(수소, 메탄올)와 환원가스(산소, 공기)가 서로 섞이지 않도록 하고 두 전극을 전기적으로 연결하는 역할과 함께 적층된 단위 전지들의 기계적인 지지체 기능을 수행하며, 표면에 형성된 유로를 통해 연료가스(수소, 메탄올) 및 환원가스(산소, 공기)가 전극에 균일하게 흘러가도록 하고 적절한 수분 관리를 통해 막이 건조되지 않도록 하는 기능을 수행한다. 고분자전해질 연료전지 운전시, 충분히 가습된 연료 및 환원가스(산소, 공기)를 공급하는 것이 중요하다.
임계전류밀도를 넘어선 고전류 운전조건의 경우, 환원전극(cathode)에는 전기화학반응에 의해 생성되는 물과 전기삼투현상에 의해 산화전극(anode)에서 이동한 물이 과량으로 존재하게 되며 이 과량의 물은 분리판 채널 속을 흐르는 환원가스(산소 혹은 공기)로 일부 증발하여 환원가스를 포화시키며, 증발하지 못한 물은 액체상태로 기체확산층(GDL : gas diffusion layer)이나 분리판 채널에 존재하게 된다.
기체확산층이나 분리판 채널에 존재하는 과량의 물은 적절한 공학적 기구에 의해 외부로 배출되지 못하면 플러딩(flooding) 현상을 유발시켜 연료전지 성능이나 신뢰성 측면에서 치명적인 문제가 된다.
상기 문제점과 관련된 종래의 기술로서, 미국특허 제4,988,583호에서는 단일 채널 혹은 2~3개의 최소한의 채널로써 사형 유로(serpentine)를 가공하고 채널 내의 차압을 높여 강제적으로 물을 배출시키는 방식을 사용하고 있으며, 미국특허 제5,441,819호에서는 공기의 수증기압을 포화수증기압보다 낮추어서 환원전극의 액화된 수분을 수소 또는 공기로 기화시키는 방식을 이용하고 있다.
그러나 이러한 방식은 채널 길이가 불필요하게 길어지고 또한 채널 길이가 증가함에 따라 가공비 상승과 공기의 압력 손실을 유발하게 되어 결과적으로 과도한 유량의 공기를 공급하여 반응기체의 소요량 증가를 유발하게 된다. 또한 다양한 운전조건에서 물의 압력강하 조절에 실패할 경우 채널 내에 생긴 물이 정체될 가능성이 크다. 따라서 이러한 과도한 공기유량 공급과 과량의 물을 처리하기 위한 소요동력 및 설비가 복잡해져 연료전지의 대형화를 가져오게 된다는 단점이 있었다.
이러한 단점을 해소하기 위한 기술로서, 한국등록특허 제0766154호에 개시된 연료전지의 분리판(10)에서는 도1에 도시한 바와 같이 주유로(20)의 바닥면(22)에 보조 유로(30)가 평행하게 형성된 구조가 개시되어 있다.
그런데, 일반적으로 스택의 경우 분리판의 채널 입구에서 출구방향으로 중력 방향을 기준으로 유체 및 산화환원 반응시 발생하는 유체가 잘 배출되도록 스택을 수직으로 세워 운전을 하게 되므로, 한국등록특허 제0766154호와 같이 주유로의 바닥면에 보조 유로를 형성한 구조에서는 응축수가 용이하게 배출하지 못하게 된다. 따라서, 스택 내 환경 조건 변화 및 산화환원 반응에 의해 생성된 물이 분리판의 채널 내에 정체되어 연료가스 및 공기의 흐름을 방해하여 플러딩(flooding)을 유발하는 문제점이 계속되었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서 본 발명의 목적은 물의 배출이 용이한 최적의 구조로써 플러딩을 방지하고 유로 형성으로 인한 강도저하를 방지하여 스택의 안정적인 성능과 내구성을 확보하는 연료전지의 분리판을 제공하는 데 있다.
본 발명에 의한 연료전지의 분리판은, 막전극접합체를 지지하는 연료전지의 분리판에 있어서, 상기 분리판의 표면에는 물 입구 부분에서 물 출구 부분을 따라 주유로가 형성되어 격벽을 이루고, 상기 격벽의 일측면에는 산화환원반응에 의해 생긴 물을 용이하게 배출하여 플러딩을 방지하도록 보조유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 보조유로는 상기 격벽의 측면을 따라 평행하게 형성되며, 그 단면 형태는 삼각형, 사각형, 사다리꼴형 등의 다각형과, 정원형, 타원형. U형 등의 곡면형으로 형성된다.
상기 보조유로의 폭은 상기 주유로의 깊이의 1/4 이상 1/2 이하로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 보조유로의 유로 단면적은 물의 이동방향을 따라 서서히 증가하게 되어 있다.
상기 격벽의 타측면에는 상기 보조유로의 형성으로 인한 강성저하를 방지하도록 격벽의 길이방향을 따라 보강부가 형성되어 있다.
상기 보강부는 상기 격벽과 일체로 형성되거나, 별도의 보강대가 상기 격벽의 타측면에 부착되어 있다.
상기 보강부는 상기 주유로의 표면으로 갈수록 주유로의 폭이 넓어지도록 삼각단면 형태로 이루어지는 경사면을 구비한다.
본 발명에 의한 연료전지의 분리판에 의하면, 주유로 사이의 격벽측면에 형성된 보조유로를 통해 물이 용이하게 배출되므로 플러딩을 방지하게 되는데, 스택을 수직으로 세워 운전하는 경우에 중력방향으로 유체가 용이하게 유도된다.
그리고, 주유로와 가스확산층 사이에서 생기는 응축수는 보강부에 형성된 경사면을 따라 용이하게 흘러 내린 후 보조유로를 통해 원활하게 배출된다.
또한 격벽에 형성된 보강부는 보조유로의 형성으로 인한 격벽의 강성저하를 방지하되, 보강부는 삼각단면형태로 이루어져 경사면을 이루어 주유로의 표면으로 갈수록 주유로가 넓어지므로 반응활성면적의 저하를 방지한다.
도1은 종래 연료전지의 분리판을 나타내는 구성도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지의 분리판을 나타내는 구성도,
도3은 도2의 주유로와 보조유로 및 격벽을 설명하기 위한 단면도,
도4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 연료전지의 분리판을 나타내는 구성도,
도5는 본 발명에 의한 연료전지의 분리판의 주유로에 가스확산층이 접촉하는 상태를 나타내는 도면이다.
이하 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지의 분리판이 세워진 상태를 나타내는 개략도 및 일부상세 사시도이다. 도시한 바와 같이 막전극접합체를 지지하는 분리판(100)은 전기적 접촉저항성이 작고 내부식성이 강한 흑연 및 복합탄소계 소재가 사용되거나 금속재가 사용되는데, 분리판의 표면에는 스택 외부와의 가스교환을 위해 연료가스공급 매니폴드, 연료가스배출 매니폴드, 공기공급 매니폴드 및 공기배출 매니폴드가 각각 형성되는 한편, 물 입구 부분에서 물 출구 부분을 따라 주유로(110)가 형성되어 격벽(120)을 이루고 있다.
상기 격벽(120)의 일측면(상측면)에는 산화환원반응에 의해 생긴 유체를 용이하게 배출하여 플러딩을 방지하도록 보조유로(130)가 형성되고, 상기 격벽(120)의 타측면(저측면)에는 상기 보조유로(130)의 형성으로 인한 강성저하를 방지하도록 격벽(120)의 길이방향을 따라 보강부(140)가 형성되어 있다..
상기 주유로(110)는 대체로 사각단면을 이루며 스택이 세워진 상태로 볼 때 수평방향으로 다수의 줄로 형성되어 각 줄 사이는 상기 격벽(120)을 이루게 된다.
상기 보조유로(130)는 상기 격벽(120)의 상측면을 따라 평행하게 형성되며, 그 단면 형태는 삼각형으로 되어 있다. 상기 보조유로의 단면 형태는 사각형, 사다리꼴형 등의 다각형과, 정원형, 타원형, U형 등의 곡면형으로 형성될 수도 있다.
도3에 도시한 바와 같이, 상기 보조유로(130)는 상기 주유로(110)의 깊이(Dp1)의 중간에 형성되며, 보조유로(130)의 폭(W2)은 상기 주유로(110)의 깊이(Dp1)의 1/4 이상 1/2 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 보조유로(130)의 깊이(Dp2)는 폭(W2)의 1~1.5배 정도로 하는 것이 바람직하다.
상기 보조유로(130)의 폭(W2)이 주유로(110)의 깊이(Dp1)의 1/4보다 적으면 보조유로를 형성하는 효과가 거의 없고, 보조유로(130)의 폭(W2)이 주유로(110)의 깊이(Dp1)의 1/2보다 크면 격벽의 내구성에 악영향을 끼치게 된다.
상기 보조유로(130)의 유로 단면적은 물의 이동방향을 따라 서서히 증가하게 되어 있다. 따라서 주유로의 물 입구측에서 물 출구측으로 갈수록 보조유로의 폭(W2)이나 깊이(Dp2), 또는 폭(W2)과 깊이(Dp2)는 증가하게 되어 있다.
상기 주유로(110)과 보조유로(130)는 건식 식각 공정에 의해 형성된다.
상기 보강부(140)는 상기 격벽(120)과 일체로 형성되거나, 별도의 보강대가 부착수단 또는 체결수단에 의해 상기 격벽(120)의 타측면(저측면)에 부착되어 형성된다.
상기 보강부(140)는 상기 주유로(110)의 표면으로 갈수록 주유로(110)의 폭(W1 : 도3에 표시)이 넓어지도록 삼각단면 형태로 이루어지는 경사면(141)을 구비한다.
한편, 도4는 보강부(240)가 격벽(120)의 저측면에 간헐적으로 격벽에 부착되어 있는 분리판(200)을 나타낸다. 도4의 나머지 구성은 도2의 구성과 동일하므로 동일한 부호를 붙이고 자세한 설명은 생략한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 연료전지의 분리판에 의하면, 주유로(110) 사이의 격벽(120)에 보조유로((130)가 형성되어 있으므로 스택 내에서 산화-환원 반응 시 발생하는 물의 배출을 용이하게 함으로써 플러딩(flooding)을 방지할 수 있는데, 보조 유로(130)의 형성으로 인한 강도저하를 보강부(140)가 보완하므로 분리판의 내구성을 높인다.
그리고, 도5에 도시한 바와 같이, 주유로(110)와 가스확산층(GDL) 사이에서 생기는 응축수는 보강부에 형성된 경사면(141)을 따라 용이하게 흘러 내린 후 보조유로(130)를 통해 원활하게 배출된다.
이때, 상기 보강부(140)는 삼각단면형태로 이루어져 경사면(141)을 이루어 주유로(110)의 표면으로 갈수록 주유로(110)가 넓어지므로 가스확산층과의 반응활성면적의 저하를 방지한다. 도5는 분리판(110)의 주유로(110)를 덮는 가스확산층(GDL)를 도시하고 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능함은 물론이고, 본 발명의 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100, 200 : 분리판 110 : 주유로
120 : 격벽 130 : 보조유로
140 : 보강부

Claims (9)

  1. 막전극접합체를 지지하는 연료전지의 분리판에 있어서,
    상기 분리판의 표면에는 물 입구 부분에서 물 출구 부분을 따라 주유로가 형성되어 격벽을 이루고,
    상기 격벽의 일측면에는 산화환원반응에 의해 생긴 물을 배출하는 보조유로가 형성되고,
    상기 격벽의 타측면에는 격벽의 길이방향을 따라 보강부가 형성되어 있으며, 상기 보강부는 주유로의 표면으로 갈수록 주유로의 폭이 넓어지는 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조유로는 상기 격벽의 측면을 따라 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조유로의 단면 형태는 다각형 또는 곡면형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조유로의 폭은 상기 주유로의 깊이의 1/4 이상 1/2 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조유로의 유로 단면적은 물의 이동방향을 따라 서서히 증가하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 보강부는 상기 격벽과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 보강부는 별도의 보강대가 상기 격벽의 타측면에 부착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 보강부는 상기 주유로의 표면으로 갈수록 주유로의 폭이 넓어지도록 삼각단면 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.
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