KR101361247B1 - 연료전지용 분리판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지차량의 최대 등판 능력을 고려하여 유로를 경사지게 형성하고, 수소/공기의 공급 매니폴드 및 배출 매니폴드를 두 개씩 구성하여 플러딩(유로막힘, flooding)으로 인한 성능저하를 최소화하여 운행 안전성을 확보하는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 연료전지용 분리판에 있어서,
수소와 공기 및 냉각수의 공급을 위한 각 공급 매니폴드가 두 개로 구성되어 좌우 양단부에 각각 분리 배치되고, 수소와 공기의 배출을 위한 각 배출 매니폴드가 하단부에 두 개로 구성되어 좌우 위치에 각각 분리 배치되며,
냉각수 배출을 위한 배출 매니폴드는 하단부에 한 개로 구성되고, 상기 공급 매니폴드와 배출 매니폴드를 연결하는 유로가 하방으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
연료전지, 분리판, 공급 매니폴드, 배출 매니폴드, 유로, 플러딩

Description

연료전지용 분리판{Separating plate for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지차량의 최대 등판 능력을 고려하여 유로를 경사지게 형성하고, 수소/공기의 공급 매니폴드 및 배출 매니폴드를 두 개씩 구성하여 플러딩(유로막힘, flooding)으로 인한 성능저하를 최소화하여 운행 안전성을 확보하는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 갖고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다. 전기 에너지가 연소 등이 아닌 전기화학반응에 의하여 발생되므로 열효율이 높을 뿐 아니라 환경오염의 생성이 적고 소음 등의 발생이 없다는 장점이 있는 반면, 고온에서 작동하는 데에 따르는 전해질의 증발 및 재료의 열화 등과 같은 단점도 있으나, 자동차용 전원, 전력용 발전설비, 항공우주기지의 전원, 해상 또는 해안에 있어서의 무인시설이 전원, 고정 또는 이동무선의 전원, 가정용 전기기구의 전원 또는 레저용 전기기구의 전원 등으로 관심있게 검토되고 있다.
이러한 연료전지(fuel cell)는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 셀(10)이 적층되어 이루어지는데, 이를 스택(stack)이라고 한다.
상기 셀(10)들의 사이에는 분리판(50)이 구비되며, 스택의 양단에는 엔드플레이트(20)가 구비되어, 통상 이에 볼트(30)를 관통시키고 그 단부에 너트(40)를 조여줌으로써 스택의 결합상태를 유지하게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 셀(10)은 중앙의 전해질막(11) 양측에 연료극(12)과 공기극(13)이 코팅되어 이루어진다.
그리고, 셀(10)의 양측면에 밀착되는 상기 분리판(50)의 대응면에는 유로(51)가 형성되는데, 연료극(12)측 유로(51)에는 연료가 공급되어 연료통로 역할을 하게 되고, 공기극(13)측 유로(51)에는 공기가 공급되어 공기통로 역할을 하게 된다.
상기 분리판(50)의 각 모서리에는 수소 및 공기를 각각 공급하기 위한 매니폴드(미도시)가 형성된다.
따라서, 연료통로에 연료(H2)가스가 공급되고 공기통로에 공기(O2 포함)가 공급되면 연료극(12)의 수소가 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분해되어 수소이온은 전해질막(11)을 통과하여 공기극(13)으로 전달되고 전자는 외부회로를 통해서 공기극(13)으로 이동한다.
따라서, 상기 전자의 흐름에 의해 전류가 생성되고, 공기극(13)으로 이동한 수소이온은 산소와 만나서 물을 생성하면서 열을 발생시키도록 되어 있다.
상기 전해질막(11)의 이온 전도도는 일정범위까지는 물의 함량에 비례하게 되는데, 물이 부족한 경우에는 막의 이온 전도도가 감소하게 되어 연료전지의 성능을 감소시키게 된다.
그러나 등판 또는 강판길 주행 등으로 인해 물이 너무 많이 공급되면 반응 3상계면을 형성하는 작은 기공들을 막아 플러딩(flooding)을 초래하여 전극 반응 면적을 감소시켜 또 다른 연료전지의 성능저하를 발생시키는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 차량의 최대 등판 성능을 고려하여 유로를 경사지게 형성하고, 수소/공기의 공급을 위한 공급 매니폴드 및 배출을 위한 배출 매니폴드를 각각 2개씩 구성하고 좌우 위치에 분리 배치하므로써 경사로 주행시 발생할 수 있는 플러딩(flooding)에 의한 성능저하를 최소화한 연료전지용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 연료전지용 분리판에 있어서,
수소와 공기 및 냉각수의 공급을 위한 각 공급 매니폴드가 두 개로 구성되어 좌우 양단부에 각각 분리 배치되고, 수소와 공기의 배출을 위한 각 배출 매니폴드가 하단부에 두 개로 구성되어 좌우 위치에 각각 분리 배치되며,
냉각수 배출을 위한 배출 매니폴드는 하단부에 한 개로 구성되고, 상기 공급 매니폴드와 배출 매니폴드를 연결하는 유로가 하방으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
바람직하게, 상기 냉각수 배출을 위한 배출 매니폴드는 수소와 공기의 배출을 위한 각 배출 매니폴드의 중앙 위치에 배치되는 것을 특징으로 하며,
더욱 바람직하게, 상기 유로는 차량의 최대 등판 성능을 고려하여 평지에 대해 최대 등판각으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 공급 매니폴드에서 공급된 수소와 공기는 일정한 각도로 경사진 유로를 거쳐 이동하게 되고, 유로 내 물을 하단에 구성된 배출 매니폴드로 이동시켜줌으로써 차량의 등판 또는 강판시 발생할 수 있는 플러딩(flooding) 현상을 최소화하는 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 기존에 분리판이 등판 또는 강판길에서 유로의 일측에 물이 고이는 플러딩(flooding) 현상이 발생할 가능성이 컸던데 반해, 본 발명에 따른 분리판은 유량을 조절함으로써 플러딩을 저감시켜 연료전지의 효율성 및 안정성을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 다량의 수소 공급을 요구하는 고부하 조건에서도 두 개의 공급 매니폴드를 통해 수소가 공급될 수 있으므로 연료부족(fuel starvation) 현상을 최소화할 수 있으며, 부하변동이 심한 연료전지 시스템의 연료공급에 대한 빠른 반응속도를 만족시키는데 유리하다.
또한, 기존에 비해 유로 길이가 단축되어 더 많은 물을 빠르게 제거할 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 실시 예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명한다.
도 3a ~ 도 3b는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 일실시예를 도시한 개략도이다.
본 발명에 따라 바람직하게 구현된 연료전지용 분리판은 수소와 공기에 대한 공급 매니폴드(110,120)와 배출 매니폴드(210,220)가 각각 2개씩 구성되고, 차량의 최대 등판 성능을 고려하여 유로(310,320)가 경사지게 형성되어 화학반응에 의해 생성되거나 응축된 물이 원활하게 배출되어 플러딩(flooding)에 의한 성능저하를 최소화한다.
본 발명에 따른 분리판은 좌우 양단부에 수소와 공기 및 냉각수의 공급을 위한 각 공급 매니폴드(100)가 형성되고, 하단부에는 수소와 공기 및 냉각수의 배출 을 위한 각 배출 매니폴드(200)가 형성된다.
다시 말하면, 상기 공급 매니폴드(100)는 수소 공급을 위한 수소 공급 매니폴드(110)와 공기 공급을 위한 공기 공급 매니폴드(120)가 각각 두 개로 구성되어 분리판의 좌우 양단부에 분리 배치되고, 상기 수소 공급 매니폴드(110)와 공기 공급 매니폴드(120) 사이에는 냉각수 공급을 위한 냉각수 공급 매니폴드(130)가 형성된다.
그리고, 상기 배출 매니폴드(200)는 수소 배출을 위한 수소 배출 매니폴드(210)와 공기 배출을 위한 공기 배출 매니폴드(220)가 각각 두 개로 구성되어 분리판의 하단부 좌우 위치에 분리 배치되고, 상기 수소 배출 매니폴드(210) 혹은 공기 배출 매니폴드(220) 사이에 냉각수 배출을 위한 냉각수 배출 매니폴드(230)가 하나로 구성되어 분리판의 하단부 중앙에 배치된다.
상기 공급 매니폴드(100)와 배출 매니폴드(200)를 연결하여 공급된 수소와 공기 및 냉각수의 통로 역할을 하는 유로(300)는 셀의 수소극(혹은 연료극)에 밀착되는 대응면에 형성되는 수소극 유로(310)와, 셀의 공기극에 밀착되는 대응면에는 형성되는 공기극 유로(320)와, 내부에 냉각수 이동을 위해 형성되는 냉각수로(330) 등으로 구성되며, 수소와 공기의 화학반응에 의해 생성되는 생성수의 원활한 배출을 위해 일정 각도로 경사지게 형성된다.
이때, 상기 유로(300)는 차량의 최대 등판 성능을 고려하여 최대 등판각도에 해당하는 기울기로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.
그럼, 좌우 공급 매니폴드(100)에서 공급된 수소와 공기는 일정한 각도로 경 사진 유로를 거쳐 이동하게 되고, 이동하면서 화학반응에 의한 생성수 및 유로 상에 응축된 응축수를 하단에 구성된 배출 매니폴드(200)로 이동시켜줌으로써 차량의 등판 또는 강판시 발생할 수 있는 플러딩(유로막힘) 현상을 방지할 수 있다.
또한, 유로(300)의 기울기에 따라 작용하는 중력을 이용하여 물이 더욱 효율적으로 배출되는 효과를 얻을 수 있다.
도 4a ~ 도 5c는 차량 주행시 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 상태를 보여주는 도면이다.
차량이 평지 이동시에는 도 4a 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 양측 하단의 배출 매니폴드(210,220)를 통하여 비슷한 양의 냉각수가 배출된다.
이때, 경사진 유로(310,320)를 따라 중력에 의해 물이 중앙으로 원활하게 이동하며, 공급 매니폴드(110,120)를 통해 수소와 공기가 공급되면서 유로(310,320)에 붙어 있는 응축수를 밀어내어 물배출이 유리하게 된다.
반면, 도 4b 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 차량이 강판시에는 분리판의 우측 하단에 배출 매니폴드를 통해 대부분의 물이 배출되고, 도 4c 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 등판시에는 분리판의 좌측 하단에 배출 매니폴드를 통해 대부분의 물이 배출된다.
이와 같이 본 발명에 따른 분리판은 수소와 공기뿐 아니라 유로의 기울기에 따라 작용하는 중력을 이용하여 아래 방향으로 효율적인 물배출이 가능하게 된다.
한편, 냉각수의 경우 수소 및 공기와 달리 경사로에 큰 영향을 받지 않으므 로 배출 매니폴드(230)를 1개로 구성하여도 무난하며, 수소나 공기와 같은 방향으로 이동하는 것이 바람직하므로 냉각수로도 수소극 유로 및 공기극 유로와 동일한 방향으로 경사지게 형성한다.
통상 연료전지 차량의 최대 등판 성능은 18℃ 정도이므로 분리판의 유로 경사각을 약 18℃로 설정하면 생성수 및 응축수 등 물에 의해 유로가 막히는 문제를 제거할 수 있다.
도 6은 전류에 따른 셀전압 분포를 보여주는 그래프로서, 본 발명에 따른 분리판을 이용한 연료전지의 셀전압은 전류 증가시에도 셀전압이 안정적으로 거동하고 총 전압이 종래에 비해 상승하는 것을 알 수 있으며, 종래 분리판을 이용한 연료전지의 셀전압은 전압분포가 균일하지 못하여 플러딩 현상이 발생하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 분리판을 이용함에 따라 운전자의 운행 안정성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 전류에 따른 연료전지 차량의 효율을 나타내는 그래프로서, 종래 대비 본 발명에 따른 분리판을 이용한 연료전지가 전체적으로 효율이 향상되었음을 알 수 있으며, 이는 차량의 연비에 직접적으로 영향을 주어 연비 향상을 유도한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 분리판을 이용하면, 고속으로 주행하거나 가파른 등판길을 주행할 시 차량에 큰 부하가 걸리게 되어 많은 양의 생성수가 발생하더라도 두 개의 공급 매니폴드(110,120)에서 공급되는 수소와 공기가 생성수를 밀어내고 더불어 중력이 작용하여 생성수를 효율적으로 제거할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 연료전지 스택의 개략적인 구성도
도 2는 연료전지 스택을 구성하는 셀의 구성도
도 3a ~ 도 3b는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 일실시예를 도시한 개략도
도 4a ~ 도 5c는 차량 주행시 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 상태를 보여주는 도면
도 6은 전류에 따른 셀전압 분포를 보여주는 그래프
도 7은 전류에 따른 연료전지 차량의 효율을 나타내는 그래프
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 공급 매니폴드 110 : 수소 공급 매니폴드
120 : 공기 공급 매니폴드 130 : 냉각수 공
200 : 배출 매니폴드 210 : 수소 배출 매니폴드
220 : 공기 배출 매니폴드 230 : 냉각수 배출 매니폴드
300 : 유로 310 : 수소극 유로
320 : 공기극 유로 330 : 냉각수로

Claims (3)

  1. 연료전지용 분리판에 있어서,
    수소와 공기 및 냉각수의 공급을 위한 각 공급 매니폴드가 두 개로 구성되어 좌우 양단부에 각각 분리 배치되고, 수소와 공기의 배출을 위한 각 배출 매니폴드가 하단부에 두 개로 구성되어 좌우 위치에 각각 분리 배치되며,
    냉각수 배출을 위한 배출 매니폴드는 하단부에 한 개로 구성되고, 상기 공급 매니폴드와 배출 매니폴드를 연결하는 유로가 하방으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각수 배출을 위한 배출 매니폴드는 수소와 공기의 배출을 위한 각 배출 매니폴드의 중앙 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유로는 차량의 최대 등판 성능을 고려하여 평지에 대해 최대 등판각으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
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