KR101304884B1 - Cooling path structure for reducing flooding of fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 운전조건 및 스택 재료를 변경하지 않고 냉각 유로의 구조를 변경하여 플러딩을 저감할 수 있도록 한 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조에 관한 것이다.The present invention relates to a cooling passage structure for reducing flooding of a fuel cell, and more particularly, to flooding a fuel cell to reduce flooding by changing a structure of a cooling passage without changing existing operating conditions and stack materials. It relates to a cooling flow path structure for reduction.

이를 위해, 본 발명은 수소유로가 형성된 수소측 분리판; 공기유로가 형성된 공기측 분리판; 및 상기 수소측 분리판과 공기측 분리판 사이에 형성되어 반응열을 제거하는 냉각유로;를 포함하여 구성되고, 상기 냉각유로는 냉각수 입구매니폴드 옆면에 반응기체의 출구단이 인접하여 반응기체의 출구쪽 유로와 냉각수 입구쪽 유로가 겹치는 부분에 형성되지 않고, 상기 반응기체의 출구부를 기점으로 분리판의 전면적으로 확대되어, 상기 반응기체의 출구부가 냉각수에 의해 과냉각되지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조를 제공한다.To this end, the present invention is the hydrogen side separation plate formed hydrogen side; An air side separator plate on which an air flow path is formed; And a cooling flow path formed between the hydrogen side separation plate and the air side separation plate to remove the heat of reaction, wherein the cooling flow path is adjacent to the outlet end of the reactor on the side surface of the cooling water inlet manifold, and the outlet of the reaction body. In the fuel cell, characterized in that the side flow path and the coolant inlet flow path are not formed in an overlapping portion, and the outlet portion of the reactor body is enlarged over the entire surface of the separator plate from the outlet portion, so that the outlet portion of the reactor body is not supercooled by the cooling water. It provides a cooling flow path structure to reduce flooding.

연료전지, 플러딩, 냉각유로, 매니폴드 Fuel Cell, Flooding, Cooling Channel, Manifold

Description

연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조{Cooling path structure for reducing flooding of fuel cell}Cooling path structure for reducing flooding of fuel cells

본 발명은 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 운전조건 및 스택 재료를 변경하지 않고 냉각 유로의 구조를 변경하여 플러딩을 저감할 수 있도록 한 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조에 관한 것이다.The present invention relates to a cooling passage structure for reducing flooding of a fuel cell, and more particularly, to flooding a fuel cell to reduce flooding by changing a structure of a cooling passage without changing existing operating conditions and stack materials. It relates to a cooling flow path structure for reduction.

일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다. In general, a fuel cell system is a type of power generation system that converts chemical energy of a fuel directly into electrical energy.

상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다. The fuel cell system includes a fuel cell stack that generates electric energy largely, a fuel supply system for supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, and an air supply for supplying oxygen in the air, which is an oxidant for the electrochemical reaction, to the fuel cell stack. The system consists of a heat and water management system that removes the reaction heat from the fuel cell stack to the outside of the system and controls the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.With such a configuration, the fuel cell system generates electricity by an electrochemical reaction by hydrogen, which is a fuel, and oxygen in the air, and discharges heat and water as reaction byproducts.

상기 연료전지스택은 연료전지 차량의 주동력공급원으로서, 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 장치이다. 또한, 자동차에 적용되는 연료전지스택은 약 400개 이상의 단위전지로 구성되어 있고, 각 단위전지는 약 0V ~1.23V의 전압을 형성한다.The fuel cell stack is a main power supply source of a fuel cell vehicle, and is an apparatus for producing electricity by receiving oxygen in air and hydrogen as fuel. In addition, the fuel cell stack applied to automobiles is composed of about 400 or more unit cells, and each unit cell forms a voltage of about 0V to 1.23V.

현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지스택은 출력밀도가 높은 고체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이다.The fuel cell stack, which is widely used for automobiles, is a high-density solid polymer electrolyte fuel cell (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC).

도 1은 연료전지스택의 구성을 나타내는 개략도로서, 연료전지스택은 수소이온이 이동하는 전해질막(10)을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층(11)이 부착된 3L MEA(Membrane Electrode Assembly)(12)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)(13), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓(14) 및 서브가스켓(15)과, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판(16)으로 구성되어 있다.FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell stack, wherein the fuel cell stack is a 3L MEA having an electrode / catalyst layer 11 having electrochemical reactions on both sides of the membrane centered on an electrolyte membrane 10 through which hydrogen ions move. Membrane Electrode Assembly (12), Gas Diffusion Layer (GDL) 13, which distributes the reactants evenly and deliver the generated electricity, and the tightness and proper clamping pressure of the reactants and cooling water. It is composed of a gasket 14 and a sub-gasket 15 for holding, and a separator plate 16 through which the reactor bodies and the cooling water move.

상기 고체 고분자 전해질형 연료전지에서는 수소가 양극(Anode, “연료극”이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, “공기극” 혹은 “산소극”이라고도 함)으로 공급된다. In the solid polymer electrolyte fuel cell, hydrogen is supplied to an anode (also referred to as a “fuel electrode”), and oxygen (air) is supplied to a cathode (also referred to as a cathode, “air electrode” or “oxygen electrode”).

양극으로 공급된 수소는 전해질막(10)의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의 해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막(10)을 통과하여 음극으로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층(13)과 분리판(Separator)(16)을 통하여 음극으로 전달된다. Hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions (Proton, H + ) and electrons (Electron, e-) by the catalyst of the electrode layer formed on both sides of the electrolyte membrane 10, of which hydrogen ions (Proton, H + ) Is selectively transferred to the cathode through the electrolyte membrane 10, which is a cation exchange membrane, and at the same time, electrons (Electron, e-) are transferred to the cathode through the gas diffusion layer 13 and the separator 16, which are conductors. do.

상기 음극에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소이온과 분리판(16)을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 음극으로 공급된 공기중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.In the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator 16 meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply to generate water.

이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 발생하는 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.At this time, current is generated by the flow of electrons through the external conductor generated due to the movement of hydrogen ions, and heat is incidentally generated in the water generation reaction.

이러한 고체 고분자 전해질형 연료전지의 전극반응을 나타내면 아래의 반응식과 같다.The electrode reaction of the solid polymer electrolyte fuel cell is shown in the following reaction formula.

[연료극에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e-[Reaction in Fuel Pole] 2H 2 → 4H + + 4e-

[공기극에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O[Reaction at air electrode] O 2 + 4H + + 4e- → 2H 2 O

[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지[Total reaction] 2H 2 + O 2 → 2H 2 O + electric energy + thermal energy

여기서, 상기 화학반응에 의해 생성된 물이 응축되어 외부로 적절히 배출되지 않으면 반응가스의 확산을 저해하여 연료전지의 성능을 저하시키게 된다. 이를 플러딩(Flooding)이라 하며, 스택의 플러딩을 저감하는 것이 연료전지의 성능을 향 상시키는 중요한 기술이다. Here, if the water produced by the chemical reaction is not condensed and properly discharged to the outside, it inhibits the diffusion of the reaction gas to lower the performance of the fuel cell. This is called flooding, and reducing the flooding of the stack is an important technique for improving fuel cell performance.

일반적으로 플러딩을 저감시키기 위해서 반응기체의 통로가 되는 분리판 유로 디자인 개선, 반응기체의 확산 및 생성된 물 배출을 돕는 GDL 구조의 개선 그리고 스택의 운전 온도를 상승시켜 응축된 물 생성을 방지하는 등의 방법들이 사용되고 있다. In general, to reduce flooding, it is necessary to improve the design of the separator flow path, which is a passage of the reactor, to improve the GDL structure to help the diffusion and discharge of the generated water, and to increase the operating temperature of the stack to prevent condensation. Methods are being used.

그러나, 유로 디자인 및 GDL 구조 개선을 통해 플러딩을 저감시키기 위해서는 유로 패턴 및 GDL 구조가 단순해져야 하며, 이는 반대로 반응기체의 확산 정도를 저하시켜 성능을 감소시키는 단점이 있다. However, in order to reduce flooding by improving the flow channel design and the GDL structure, the flow path pattern and the GDL structure should be simplified, which in turn lowers the diffusion degree of the reactor, thereby reducing the performance.

또한 전극막의 재료가 되는 나피온(Nafione) 막의 손상을 막기 위해서는 운전온도를 90℃이상으로 높일 수 없기 때문에 스택 운전온도를 올리는 것도 한계가 있다.In addition, in order to prevent damage to the Nafion membrane, which is the material of the electrode membrane, the operating temperature cannot be increased above 90 ° C., so the stack operating temperature is also limited.

한편, 연료전지의 분리판을 구성하는 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이에 형성되는 냉각유로의 형태는 반응기체의 입출구 구조 및 냉각수의 입출구 방향에 의해 결정된다. On the other hand, the shape of the cooling flow path formed between the anode separator and the cathode separator constituting the separator of the fuel cell is determined by the inlet / outlet structure of the reactor body and the inlet / outlet direction of the cooling water.

일반적으로 연료전지 성능을 향상시키기 위해 반응기체 입출구는 반대흐름형(counter flow)과 교차흐름형(Cross flow)으로 나뉘어 진다.In general, the reactor inlet and outlet are divided into counter flow and cross flow in order to improve fuel cell performance.

도 1은 종래의 반대흐름형 연료전지용 분리판의 일례를 나타내고, 도 2는 교차흐름형 분리판의 일례를 나타내는 도면으로서, 공기입구매니폴드와 수소출구매니폴드가 왼쪽에 위치하고 있고, 수소입구매니폴드 및 공기출구매니폴드가 오른쪽에 위치하여 공기는 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 흘러가고, 수소는 오른쪽 위에서 왼쪽 아래로 흘러가는 구조로 형성되어 있다.1 shows an example of a conventional counterflow type fuel cell separator, and FIG. 2 shows an example of a crossflow separator. An air inlet manifold and a hydrogen outlet manifold are located on the left side, and a hydrogen inlet manifold. The fold and the air outlet manifold are located on the right side so that air flows from the top left to the bottom right, and hydrogen flows from the top right to the bottom left.

도 1에 도시한 냉각유로의 형태는 한 방향에서 나와 분리판 전면적을 냉각한 후 반대면으로 나아가며, 이때 냉각유로 입구의 옆면에는 각기 다른 반응기체의 입출구와 접하게 된다. The cooling flow path shown in FIG. 1 is formed from one direction and cools the entire area of the separator plate and then proceeds to the opposite side.

예를 들면 냉각유로 입구의 옆면은 도 1에 도시한 바와 같이 공기 입구(Cathode Inlet)및 수소 출구(Anode Outlet)와 접하게 된다. For example, the side surface of the cooling channel inlet is in contact with the air inlet and the hydrogen outlet as shown in FIG. 1.

따라서 반응에 의해 뜨거워진 반응기체(공기 or 수소)는 출구 쪽으로 흘러가면서 냉각수 입구 쪽에서 들어오는 차가운 냉각수에 의해 과응축 되어 플러딩을 가중시키게 된다. Therefore, the reaction gas (air or hydrogen) heated by the reaction is condensed by the cold cooling water flowing from the cooling water inlet as it flows toward the outlet, thereby increasing the flooding.

즉, 연료전지 내 화학반응으로 생성된 열을 효율적으로 제거해야 하는 냉각유로의 특성상, 냉각유로에는 냉각수가 실제 스택 운전 온도보다 낮은 온도로 주입되어야 하지만, 이는 반응열에 의해 충분히 뜨거워진(스택 운전온도보다 높은) 반응기체의 출구부를 과냉각시켜 플러딩을 유발하게 된다.In other words, due to the nature of the cooling flow path that must efficiently remove the heat generated by the chemical reaction in the fuel cell, the cooling flow should be injected at a temperature lower than the actual stack operating temperature, but it is sufficiently heated by the reaction heat (stack operating temperature). Supercooling the outlet of the reactor body (higher) will cause flooding.

도 3은 종래의 반대흐름형 연료전지용 분리판의 다른 예를 나타내고, 도 4는 종래의 교차흐름형 연료전지용 분리판의 다른 예를 나타내는 도면으로서, 냉각유로가 공기 및 수소의 진행방향에 대하여 횡방향으로 이루어진 구조로 형성되어 있고, 공기 및 수소 유로는 도 1 및 도 2와 유사하다.Figure 3 shows another example of a conventional counter-flow fuel cell separator, Figure 4 is a view showing another example of a conventional cross-flow fuel cell separator plate, the cooling flow path is transverse to the direction of the air and hydrogen The air and hydrogen flow paths are similar to those of FIGS. 1 and 2.

도 5는 위에서 언급한 반응기체 출구단에서 과냉각에 의한 플러딩 현상을 확인하기 위해 도 1의 반대흐름형 분리판을 이용하여 운전 중 스택의 단면 온도를 부분별로 측정한 결과이다. 5 is a result of measuring the cross-sectional temperature of the stack partly during operation by using the counterflow separator of FIG. 1 to confirm the flooding phenomenon due to subcooling at the outlet end of the reactor.

화학반응에 의해 충분히 가열된 수소가스의 포화수증기압이 높아져 그만큼 많은 양의 기체상태의 물을 포함하지만, 출구 쪽으로 나아가면서 포화수증기압이 낮아지게 기체상태의 상당부분의 물이 응축되게 된다. The chemical vapor reaction raises the saturated steam pressure of the sufficiently heated hydrogen gas to include a large amount of gaseous water, but condenses a substantial portion of the gaseous water to lower the saturated steam pressure toward the outlet.

또한 이러한 현상은 도 2 내지 도 4에 도시한 여러 형태의 분리판에서도 나타난다. This phenomenon also occurs in the various types of separators shown in FIGS. 2 to 4.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 냉각수 입구단에 의해 과냉각되는 반응기체의 출구부분에 냉각유로가 지나지 않게 함으로써, 반응기체의 출구의 온도를 스택 온도 이상으로 유지하여 반응기체의 과냉각을 방지하여 플러딩을 저감하고 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, and by not allowing the cooling passage to pass through the outlet portion of the reactor body supercooled by the cooling water inlet end, the temperature of the outlet of the reactor body is maintained above the stack temperature, It is an object of the present invention to provide a cooling flow path structure for reducing flooding of a fuel cell to prevent flooding and to improve the performance of a fuel cell.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC) 분리판에 있어서,The present invention for achieving the above object in the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) separator,

수소유로가 형성된 수소측 분리판; 공기유로가 형성된 공기측 분리판; 및 상기 수소측 분리판과 공기측 분리판 사이에 형성되어 반응열을 제거하는 냉각유로;를 포함하여 구성되고, 상기 냉각유로는 냉각수 입구매니폴드 옆면에 반응기체의 출구단이 인접하여 반응기체의 출구쪽 유로와 냉각수 입구쪽 유로가 겹치는 부분에 형성되지 않고, 상기 반응기체의 출구부를 기점으로 분리판의 전면적으로 확대되어, 상기 반응기체의 출구부가 냉각수에 의해 과냉각되지 않는 것을 특징으로 한다.A hydrogen side separator on which a hydrogen flow path is formed; An air side separator plate on which an air flow path is formed; And a cooling flow path formed between the hydrogen side separation plate and the air side separation plate to remove the heat of reaction, wherein the cooling flow path is adjacent to the outlet end of the reactor on the side surface of the cooling water inlet manifold, and the outlet of the reaction body. The side flow path and the cooling water inlet side flow path are not formed in an overlapping portion, and the outlet part of the reactor body extends from the front side of the separator plate so that the outlet part of the reactor body is not supercooled by the cooling water.

바람직한 구현예로서, 상기 냉각유로는 반대흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 또는 수소유로와 동일한 방향으로 진행되는 구조로 이루어진 것 을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the cooling flow passage is applicable to the counter-flow separator, characterized in that the cooling water is made of a structure in which the air flow path or the hydrogen flow path in the same direction.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 냉각유로는 반대흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 또는 수소유로의 진행방향에 대하여 횡방향으로 진행되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the cooling flow path is applicable to the counter-flow separation plate, characterized in that the cooling water is made of a structure that proceeds in the transverse direction with respect to the traveling direction of the air flow path or hydrogen flow path.

또한, 상기 냉각유로는 교차흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 및 수소유로와 반대방향으로 진행되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the cooling flow path is applicable to the cross-flow separator, characterized in that the cooling water is made of a structure in which the air flow path and the hydrogen flow path in the opposite direction.

또한, 상기 냉각유로는 교차흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 및 수소유로의 진행방향에 대하여 횡방향으로 진행되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the cooling flow path is applicable to the cross-flow type separator, characterized in that the cooling water is made of a structure that proceeds in the transverse direction with respect to the traveling direction of the air flow path and the hydrogen flow path.

또한, 상기 냉각유로가 일정한 각도로 경사지게 형성되어, 연료전지 해체시 분리판 냉부에 존재하는 냉각수를 제거하는 것을 특징으로 한다.In addition, the cooling passage is formed to be inclined at a predetermined angle, it characterized in that to remove the cooling water present in the cold portion of the separator plate during fuel cell disassembly.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조에 의하면, 냉각수 입구단 옆면에 존재하는 반응기체의 출구부분에 냉각유로가 지나가지 않게 설계함으로써, 반응기체의 출구단의 온도를 스택온도 이상으로 유지하여 플러딩을 저감하고 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the cooling passage structure for reducing the flooding of the fuel cell according to the present invention, by designing so that the cooling passage does not pass through the outlet portion of the reactor body on the side of the cooling water inlet end, the outlet end of the reactor body Keeping the temperature above the stack temperature can reduce flooding and improve the performance of the fuel cell.

상기 플러딩 저감을 통해 안정적인 출력을 유지할 수 있고, 냉각유로의 단순화를 통해 냉각수의 압력차이를 저감할 수 있으며, 냉각유로가 단축되어 가공비를 절감할 수 있다.Stable output can be maintained by reducing the flooding, pressure difference of the cooling water can be reduced by simplifying the cooling passage, and the cooling passage can be shortened to reduce the processing cost.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 구성도이다.6 is a block diagram illustrating a separator for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명은 냉각수 입구단에 의해 과냉각 되는 부분에 냉각유로가 지나가지 않게 함으로써, 반응기체 출구단의 온도를 스택 운전온도 이상으로 유지하여 반응기체의 과냉각을 방지할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.The present invention focuses on the fact that the cooling flow passage does not pass to the portion to be supercooled by the cooling water inlet, thereby maintaining the temperature at the outlet end of the reactor above the stack operating temperature to prevent overcooling of the reactor.

본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판은 냉각수 입구매니폴드(10)를 사이에두고 공기입구매니폴드(12)가 상측에, 수소출구매니폴드(15)가 하측에 형성되어 있고, 냉각수 출구매니폴드(11)를 사이에 두고 수소입구매니폴드(14)가 상측에, 공기출구매니폴드(13)가 하측에 형성되는 구조로 이루어진다.In the separator for fuel cell according to the exemplary embodiment of the present invention, the air inlet manifold 12 is disposed on the upper side and the hydrogen outlet manifold 15 is formed on the lower side with the cooling water inlet manifold 10 interposed therebetween. The hydrogen inlet manifold 14 is formed on the upper side and the air outlet manifold 13 is formed on the lower side with the outlet manifold 11 interposed therebetween.

상기와 같은 구조에서 수소는 수소탱크로부터 수소입구매니폴드(14)를 통해 수소유로에 전달되어 애노드 측에 공급되고, 공기는 대기로부터 공기입구매니폴드(12)를 통해 공기유로에 전달되어 캐소드 측에 공급되게 된다.In such a structure, hydrogen is delivered from the hydrogen tank to the hydrogen channel through the hydrogen inlet manifold 14 and supplied to the anode side, and air is transferred from the atmosphere to the air channel through the air inlet manifold 12 to the cathode side. To be supplied.

여기서, 냉각 유로(16)는 상기 수소 또는 공기유로의 냉각을 위해 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 이면에 각각 형성되고, 냉각수 입구매니폴드(10)에서 분리판의 전면적을 냉각한 후 냉각수 출구매니폴드(11)로 이동하는 구조로 형성되어 있다.Here, the cooling channel 16 is formed on the back surface of the anode separation plate and the cathode separation plate for cooling the hydrogen or air flow path, respectively, and after cooling the entire area of the separation plate in the cooling water inlet manifold 10, the cooling water outlet manifold. It is formed in the structure which moves to the fold 11.

특히, 상기 냉각 유로(16)가 냉각수 입구매니폴드(10)의 옆면에 위치한 수소 출구 측으로 냉각수가 지나가지 않도록 냉각유로를 변경한다. 즉, 기존에 상기 수소출구 측으로 지나던 냉각유로(도 6의 "A"부)를 삭제한다.In particular, the cooling flow path 16 is changed so that the cooling water does not pass to the hydrogen outlet side located on the side of the cooling water inlet manifold 10. That is, the cooling passage ("A" part of Figure 6) that has previously passed to the hydrogen outlet side is deleted.

이와 같이 반응기체 출구부(공기 or 수소)에 냉각수가 흐르지 않게 됨에 따라 기존에 과냉각 되는 부분의 온도가 상승한다. 따라서 기존 방식에 비해 응축되는 양의 물이 줄어들어 플러딩이 저감되게 된다. 이는 원활한 반응기체의 확산을 도와 연료전지의 성능을 증가시키고 안정적인 출력을 유지할 수 있게 된다.As the cooling water does not flow in the outlet portion of the reactor (air or hydrogen), the temperature of the existing supercooled portion increases. Therefore, the amount of condensed water is reduced compared to the conventional method, thereby reducing flooding. This helps to smoothly spread the reactor, increase the fuel cell performance and maintain a stable output.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 구성도이다.7 is a block diagram showing a separator for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에는 공기입구매니폴드(12)가 좌측 상부에, 수소출구매니폴드(15)가 좌측 하부에 형성되어 있고, 수소입구매니폴드(14)가 우측 상부에, 공기출구매니폴드(13)가 우측 하부에 형성되어 있다.In the fuel cell separator according to another embodiment of the present invention, the air inlet manifold 12 is formed on the upper left side, the hydrogen outlet manifold 15 is formed on the lower left side, and the hydrogen inlet manifold 14 is the upper right side. The air outlet manifold 13 is formed at the lower right side.

또한, 냉각수 입구매니폴드(20)는 중간 하부에, 냉각수 출구매니폴드(21)가 중간 상부에 형성되어, 냉각수는 공기 및 수소의 진행방향에 대하여 횡방향으로 진행된다.In addition, the cooling water inlet manifold 20 is formed in the middle lower part, and the cooling water outlet manifold 21 is formed in the middle upper part, and the cooling water advances transversely with respect to the advancing direction of air and hydrogen.

이와 같은 구조에서, 상기 수소는 우측 상단에서 좌측 하단으로 흐르고, 상기 공기는 좌측 상단에서 우측 하단으로 흐르게 되며, 이때 냉각수 입구매니폴드(20)의 옆면 양쪽으로 수소 및 공기가 이동하게 된다.In this structure, the hydrogen flows from the upper right side to the lower left, and the air flows from the upper left to the lower right, where hydrogen and air move to both sides of the cooling water inlet manifold 20.

여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각유로(36)는 수소 또는 공기유로의 냉각을 위해 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 이면에 각각 형성되고, 냉각수 입구매니폴드(20)에서 분리판의 전면적을 냉각한 후 냉각수 출구매니폴드(21)로 이 동하는 구조로 형성되되, 특히, 상기 냉각 유로(36)가 냉각수 입구매니폴드의 옆면에 위치한 수소 및 공기출구 측으로 냉각수가 지나가지 않도록 냉각유로를 변경한다. 즉, 기존에 수소출구 및 공기출구 측으로 지나던 냉각유로(도 7의 "B" 및 "C"부)를 삭제한다.Here, the cooling channel 36 according to another embodiment of the present invention is formed on the rear surface of the anode separation plate and the cathode separation plate, respectively, for cooling the hydrogen or air flow path, the front surface of the separation plate in the cooling water inlet manifold 20 After cooling to form a structure to move to the cooling water outlet manifold 21, in particular, the cooling flow path 36 is a cooling flow path so that the cooling water does not pass to the hydrogen and air outlet side located on the side of the cooling water inlet manifold Change it. That is, the cooling passages ("B" and "C" in FIG. 7) that have previously passed to the hydrogen outlet and the air outlet side are deleted.

또한, 본 발명은 냉각수의 위치에 상관없이 냉각수 입구의 옆면에 반응기체의(공기 or 수소) 출구단이 인접하여 반응기체 출구측 유로와 냉각수 입구측 유로가 겹치는 부분이 존재한다면 적용 가능하다. Further, the present invention is applicable if the outlet end of the reactor body (air or hydrogen) is adjacent to the side of the cooling water inlet irrespective of the position of the cooling water so that there exists an overlapping portion of the reactor outlet outlet flow path and the cooling water inlet flow path.

본 발명은 반응기체의 유동 패턴이 반대흐름형 및 교차흐름형인 연료전지용 분리판에 적용될 수 있다. The present invention can be applied to a separator for a fuel cell in which the flow pattern of the reactor body is counterflow and crossflow.

도 8는 본 발명의 일실시예의 효과를 검증하기 위해 실제 운전 중의 스택 단면 온도를 측정한 결과이다. 종래의 수소출구단의 온도(도 5)에 비해 온도가 68.8℃에서 73.2℃로 상승하였으며, 이는 상승된 온도만큼의 포화수증기량이 기체상태로 분리판을 빠져나가 기존 방식에 비해 플러딩이 저감됨을 확인 할 수 있다.8 is a result of measuring the stack cross-sectional temperature during actual operation to verify the effect of one embodiment of the present invention. Compared to the temperature of the conventional hydrogen outlet stage (Fig. 5), the temperature was increased from 68.8 ° C to 73.2 ° C, which confirmed that the saturated steam as much as the elevated temperature exited the separation plate in the gas state, thereby reducing the flooding compared with the conventional method. can do.

상기 플러딩 저감을 위해 제거되는 냉각유로 부분은 반응기체 출구부(공기 or 수소)를 기점으로 분리판 전면적으로 확대될 수 있다. The cooling flow path portion removed to reduce the flooding may be extended to the entire separator plate from the outlet of the reactor gas (air or hydrogen).

도 6의 형태를 띄는 분리판의 경우, 냉각수 라인의 경사면을 완만히 함으로써, 스택 해체 시 분리판 내부에 존재하는 냉각수를 효율적으로 제거할 수 있다.In the case of the separator having the shape of FIG. 6, by smoothing the inclined surface of the cooling water line, it is possible to efficiently remove the coolant present in the separator when dismantling the stack.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야 에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments, the invention is not limited to these embodiments, and those of ordinary skill in the art claim the invention as claimed in the claims It includes all the various forms of embodiments that can be carried out without departing from the spirit.

도 1은 종래의 반대흐름형 연료전지용 분리판의 일례를 나타내는 구성도이고,1 is a configuration diagram showing an example of a conventional separator for a reverse flow type fuel cell,

도 2는 종래의 교차흐름형 연료전지용 분리판의 일례를 나타내는 구성도이고,2 is a block diagram showing an example of a conventional cross-flow fuel cell separator,

도 3은 종래의 반대흐름형 연료전지용 분리판의 다른 예를 나타내는 구성도이고, 3 is a configuration diagram showing another example of a conventional separator for a reverse flow type fuel cell,

도 4는 종래의 교차흐름형 연료전지용 분리판의 다른 예를 나타내는 구성도이고,Figure 4 is a block diagram showing another example of a conventional cross-flow fuel cell separator,

도 5는 도 1의 반대흐름형 분리판을 이용하여 운전 중 스택의 단면 온도를 부분별로 측정한 결과를 나타내는 도면이고,FIG. 5 is a diagram illustrating a result of measuring the cross-sectional temperature of each part of the stack during operation by using the counterflow separator of FIG. 1;

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 구성도이고,6 is a block diagram showing a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention,

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 구성도이고,7 is a configuration diagram showing a separator for a fuel cell according to another embodiment of the present invention,

도 8은 도 6의 반대흐름형 분리판을 이용하여 운전 중 스택의 단면 온도를 부분별로 측정한 결과를 나타내는 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating a result of measuring the cross-sectional temperature of each part of the stack during operation by using the counterflow separator of FIG. 6.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10,20 : 냉각수입구매니폴드 11,21 : 냉각수출구매니폴드10,20: cooling water inlet manifold 11,21: cooling water inlet manifold

12 : 공기입구매니폴드 13 : 공기출구매니폴드12: air inlet manifold 13: air outlet manifold

14 : 수소입구매니폴드 15 : 수소출구매니폴드14: hydrogen inlet manifold 15: hydrogen outlet manifold

16,26,36 : 냉각유로16,26,36: Cooling flow path

Claims (6)

고분자 전해질형 연료전지(PEMFC) 분리판에 있어서,In the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) separator, 수소유로가 형성된 수소측 분리판;A hydrogen side separator on which a hydrogen flow path is formed; 공기유로가 형성된 공기측 분리판; 및An air side separator plate on which an air flow path is formed; And 상기 수소측 분리판과 공기측 분리판 사이에 형성되어 반응열을 제거하는 냉각유로;A cooling passage formed between the hydrogen side separator and the air side separator to remove reaction heat; 를 포함하여 구성되고, 상기 냉각유로는 냉각수 입구매니폴드 옆면에 반응기체의 출구단이 인접하여 반응기체의 출구쪽 유로와 냉각수 입구쪽 유로가 겹치는 부분에 형성되지 않고, 상기 반응기체의 출구부를 기점으로 분리판의 전면적으로 확대되어, 상기 반응기체의 출구부가 냉각수에 의해 과냉각되지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조.Wherein the cooling flow path is not formed in a portion where the outlet end of the reactor body is adjacent to the side of the cooling water inlet manifold so that the outlet flow path of the reactor body overlaps with the cooling water inlet flow path, and starts from the outlet of the reactor body. The expansion of the separator to the entire surface, the cooling passage structure for reducing the flooding of the fuel cell, characterized in that the outlet portion of the reactor body is not supercooled by the cooling water. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 냉각유로는 반대흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 또는 수소유로와 동일한 방향으로 진행되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조.The cooling channel is applicable to the counter-flow separator, the cooling channel structure for reducing the flooding of the fuel cell, characterized in that the cooling water is made in the same direction as the air flow path or hydrogen flow path. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 냉각유로는 반대흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 또는 수소유로의 진행방향에 대하여 횡방향으로 진행되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조.The cooling flow path structure is applicable to the counter-flow separation plate, the cooling flow path structure for reducing the flooding of the fuel cell, characterized in that the cooling water is made in a transverse direction relative to the traveling direction of the air flow path or hydrogen flow path. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 냉각유로는 교차흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 및 수소유로와 반대방향으로 진행되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조.The cooling flow path is applicable to the cross-flow separation plate, the cooling flow path structure for reducing the flooding of the fuel cell, characterized in that the cooling water is made of a structure in which the air flow path and the hydrogen flow path in the opposite direction. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 냉각유로는 교차흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 및 수소유로의 진행방향에 대하여 횡방향으로 진행되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조.The cooling channel is applicable to the cross-flow type separator, the cooling channel structure for reducing the flooding of the fuel cell, characterized in that the cooling water is made in a transverse direction relative to the traveling direction of the air channel and the hydrogen channel. 삭제delete
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