KR101394281B1 - Separator for proton exchange membrane fuel cell with patterned for water movement in channel and proton exchange membrane fuel cell using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 채널 내 수분의 이동을 위한 패턴을 갖는 고분자 전해질 연료전지용 분리판 및 이것을 이용한 고분자 전해질 연료전지를 개시한다. 본 발명의 고분자 전해질 연료전지는, 양극과 음극 사이에 배치되어 있는 고분자 전해질막을 갖는 막-전극 어셈블리와, 막-전극 어셈블리의 양측에 배치되어 있는 제1 및 제2 가스확산층과, 제1 및 제2 가스확산층의 양측에 배치되어 있고 채널이 형성되어 있는 제1 및 제2 분리판을 가지며, 적층되어 있는 복수의 단위전지들과; 복수의 단위전지들의 양측에 배치되어 있는 두 개의 엔드플레이트들과; 엔드플레이트들을 체결하고 있는 체결수단을 포함한다. 제1 및 제2 분리판 중 음극에 이웃하는 분리판의 채널에 수분의 이동을 위하여 소수성/친수성 패턴이 형성되어 있다. 본 발명에 의하면, 분리판의 채널 내에 소수성/친수성 패턴이 형성되어 수분의 이동이 원활해지므로, 물 넘침이 방지되어 성능의 저하 및 수명 단축을 방지할 수 있고, 냉시동의 특성을 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다. Disclosed is a separator for a polymer electrolyte fuel cell having a pattern for movement of moisture in a channel, and a polymer electrolyte fuel cell using the separator. The polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a membrane-electrode assembly having a polymer electrolyte membrane disposed between an anode and a cathode, first and second gas diffusion layers disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, A plurality of unit cells arranged on both sides of the first and second gas diffusion layers and having first and second separation plates on which channels are formed; Two end plates disposed on both sides of the plurality of unit cells; And fastening means for fastening the end plates. A hydrophobic / hydrophilic pattern is formed on the channel of the separator adjacent to the cathode of the first and second separator plates for movement of water. According to the present invention, a hydrophobic / hydrophilic pattern is formed in the channel of the separator to smooth the movement of water, so that water overflow is prevented to prevent performance deterioration and shortening of life, There is an excellent effect.

Description

고분자 전해질 연료전지용 분리판 및 이것을 이용한 고분자 전해질 연료전지{SEPARATOR FOR PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL WITH PATTERNED FOR WATER MOVEMENT IN CHANNEL AND PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL USING THE SAME}Technical Field [0001] The present invention relates to a separator for a polymer electrolyte fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell using the separator. [0001] The present invention relates to a separator for a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell using the separator,

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 채널 내 수분의 이동을 위한 패턴(Pattern)을 갖는 고분자 전해질 연료전지용 분리판 및 이것을 이용한 고분자 전해질 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a separator for a polymer electrolyte fuel cell having a pattern for movement of moisture in a channel and a polymer electrolyte fuel cell using the same.

연료전지는 연료의 산화에 의하여 발생되는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 주는 에너지 변환장치이다. 연료전지는 전지에 이용되는 연료의 종류에 따라 다양한 형태와 구조로 개발되어 있다. 고분자 전해질 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하며, SPEFC(Solid polymer electrolyte fuel cell), SPFC(Solid polymer fuel cell), PEFC(polymer electrolyte fuel cell) 등으로 부르고도 있다. 이러한 고분자 전해질 연료전지는 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 시동 시간이 짧고, 부하 변화에 빠른 응답 특성을 갖는 장점으로 인하여 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용하고자 하는 시도가 활발하게 이루어지고 있다. Fuel cells are energy conversion devices that directly convert the chemical energy generated by the oxidation of fuel into electrical energy. Fuel cells have been developed in various forms and structures depending on the type of fuel used in the battery. Polymer electrolyte fuel cells use polymer membranes with hydrogen ion exchange properties as electrolytes and are also called solid polymer electrolyte fuel cell (SPEFC), solid polymer fuel cell (SPFC), and polymer electrolyte fuel cell (PEFC). These polymer electrolyte fuel cells have high efficiency, high current density and power density, short start-up time, and fast response characteristics to load changes. As a result, they can be used in a variety of fields such as power source for automobiles, mobile power generation, And the like.

고분자 전해질 연료전지는 미국 특허 제7,862,922호, 제7,901,836호의 특허 문헌들에 개시되어 있다. 이 특허 문헌들에 개시되어 있는 고분자 전해질 연료전지의 스택(Stack)은 기본적으로 복수의 단위전지(Unit cell/Single cell)들과 두 개의 엔드플레이트(End plate)들로 구성되어 있다. Polymer electrolyte fuel cells are disclosed in U.S. Patent Nos. 7,862,922 and 7,901,836. The stack of a polymer electrolyte fuel cell disclosed in these patent documents is basically composed of a plurality of unit cells (single cells) and two end plates (end plates).

고분자 전해질 연료전지의 단위전지는 양극(Anode), 음극(Cathode), 고분자 전해질막(Polymer electrolyte membrane), 두 개의 가스확산층(Gas diffusion layer, GDL)들, 복수의 개스킷(Gasket)들과 두 개의 분리판들로 구성되어 있다. 고분자 전해질막은 양극과 음극 사이에서 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할도 한다. 양극과 음극의 두 전극들이 고분자 전해질막에 핫프레싱(Hot-pressing)에 의하여 접합되어 있는 것을 막-전극 어셈블리(Membrane-electrode assembly, MEA)라 한다. A unit cell of a polymer electrolyte fuel cell includes an anode, a cathode, a polymer electrolyte membrane, two gas diffusion layers (GDLs), a plurality of gaskets, And separators. The polymer electrolyte membrane acts as a carrier of hydrogen ions between the anode and the cathode, and also serves to prevent contact between oxygen and hydrogen. A membrane-electrode assembly (MEA) in which two electrodes, an anode and a cathode, are bonded to a polymer electrolyte membrane by hot-pressing, is called a membrane-electrode assembly (MEA).

분리판은 막-전극 어셈블리의 양쪽에 배치되어 있고, 양극판(Bipolar plate) 또는 유로판(Flow field plate)으로 부르고도 있는 전기전도성 판이다. 분리판의 한쪽 면에 양극측 채널이 형성되어 있고, 다른 쪽 면에 음극측 채널이 형성되어 있다. 엔드플레이트들은 구성요소 사이의 접촉저항을 줄이기 위하여 타이로드(Tie rod)나 공기압으로 체결하게 되어 있으며, 반응기체의 출구, 입구, 냉각수 순환구, 전력의 출력을 위한 커넥터를 갖는다. The separator is an electrically conductive plate disposed on both sides of the membrane-electrode assembly and also referred to as a bipolar plate or a flow field plate. An anode side channel is formed on one side of the separator and a cathode side channel is formed on the other side. The end plates are fastened with a tie rod or air pressure to reduce the contact resistance between the components, and have connectors for the outlet, inlet, cooling water circulation hole, and power output of the reaction gas.

한편, 고분자 전해질 연료전지의 양극에서는 수소의 산화반응에 의하여 수소 양이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생된다. 생성된 수소 양이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 음극으로 이동하게 된다. 음극에서는 수소 양이온, 전자와 산소의 산소환원반응에 의하여 물, 즉 수분이 생성되고, 이러한 전자의 흐름으로부터 전력이 생성된다. On the other hand, in the anode of a polymer electrolyte fuel cell, hydrogen cations (protons) and electrons are generated by the oxidation reaction of hydrogen. The generated hydrogen cations and electrons move to the cathode through the electrolyte membrane and the separator, respectively. In the cathode, water, that is, water is generated by hydrogen cations and oxygen reduction reactions of electrons and oxygen, and electric power is generated from the flow of electrons.

상기한 바와 같은 종래기술의 고분자 전해질 연료전지에서 물 평형을 유지하는 것이 매우 중요하다. 연료전지 내부의 습도가 일정 수준으로 유지되지 않으면, 막-전극 어셈블리 표면의 수분이 제거되어 건조해지면서 이온전도도가 저하되고, 결과적으로 스택의 성능 저하와 막-전극 어셈블리의 수명을 단축시키는 원인이 된다. 전기화학반응 과정에서 반응생성물로 양극에서 발생되는 수분이 원활하게 배출되지 않고 가스확산층에 잔류할 경우, 가스확산층에 수증기가 응결되어 산소의 흐름을 방해하여 전기화학반응이 일어나지 않는 물 넘침(Water flooding)이 발생된다. 또한, 양극에서 수분이 응결되면서 연료의 유동을 방해하여 성능 저하시키게 된다. 채널 내의 잔류하는 수분은 냉시동을 방해하게 된다.It is very important to maintain water balance in the conventional polymer electrolyte fuel cell as described above. If the humidity inside the fuel cell is not maintained at a certain level, the moisture on the surface of the membrane-electrode assembly is removed and dried to lower the ion conductivity. As a result, the performance of the stack deteriorates and the life of the membrane- do. In the electrochemical reaction process, when the water generated from the anode is not discharged smoothly and remains in the gas diffusion layer, the water flooding occurs because the water vapor condenses on the gas diffusion layer, ) Is generated. In addition, the water is condensed at the anode, which interferes with the flow of the fuel, thereby deteriorating the performance. Residual moisture in the channel interferes with cold start.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것이다. 본 발명의 목적은, 채널 내 수분의 이동을 위하여 소수성/친수성 패턴을 구비하는 고분자 전해질 연료전지용 분리판 및 이것을 이용한 고분자 전해질 연료전지를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art. An object of the present invention is to provide a separator for a polymer electrolyte fuel cell having a hydrophobic / hydrophilic pattern for movement of moisture in a channel and a polymer electrolyte fuel cell using the separator.

본 발명의 다른 목적은, 물 넘침이 방지되어 성능의 저하 및 수명 단축을 방지할 수 있는 고분자 전해질 연료전지용 분리판 및 이것을 이용한 고분자 전해질 연료전지를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a separator for a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell using the separator, which can prevent the water overflow and prevent a reduction in performance and a shortening of life.

본 발명의 또 따른 목적은, 냉시동의 특성을 향상시킬 수 있는 고분자 전해질 연료전지용 분리판 및 이것을 이용한 고분자 전해질 연료전지를 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a separator for a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell using the same, which can improve the characteristics of cold starting.

본 발명의 일 측면에 따르면, 새로운 고분자 전해질 연료전지용 분리판이 제공된다. 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지용 분리판은, 한쪽 면에 채널이 형성되어 있고, 채널의 표면에 채널 내에서 수분의 이동을 위하여 소수성/친수성 패턴이 형성되어 있다. 소수성/친수성 패턴은 채널의 표면에 형성되어 있는 소수성 표면층과, 소수성 표면층의 표면에 형성되어 있는 복수의 친수성 표면층들로 이루어진다. According to an aspect of the present invention, a separation plate for a new polymer electrolyte fuel cell is provided. In the separator for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, a channel is formed on one surface, and a hydrophobic / hydrophilic pattern is formed on the surface of the channel for transferring moisture in the channel. The hydrophobic / hydrophilic pattern is composed of a hydrophobic surface layer formed on the surface of the channel and a plurality of hydrophilic surface layers formed on the surface of the hydrophobic surface layer.

본 발명의 다른 측면에 따른 고분자 전해질 연료전지는, 양극과 음극 사이에 배치되어 있는 고분자 전해질막을 갖는 막-전극 어셈블리와, 막-전극 어셈블리의 양측에 배치되어 있는 제1 및 제2 가스확산층과, 제1 및 제2 가스확산층의 양측에 배치되어 있고 채널이 형성되어 있는 제1 및 제2 분리판을 가지며, 적층되어 있는 복수의 단위전지들과; 복수의 단위전지들의 양측에 배치되어 있는 두 개의 엔드플레이트들과; 엔드플레이트들을 체결하고 있는 체결수단을 포함하고, 제1 및 제2 분리판 중 음극에 이웃하는 분리판의 채널에 수분의 이동을 위하여 소수성/친수성 패턴이 형성되어 있다. A polymer electrolyte fuel cell according to another aspect of the present invention includes a membrane-electrode assembly having a polymer electrolyte membrane disposed between an anode and a cathode, first and second gas diffusion layers disposed on both sides of the membrane- A plurality of unit cells arranged on both sides of the first and second gas diffusion layers and having first and second separation plates on which channels are formed; Two end plates disposed on both sides of the plurality of unit cells; And hydrophobic / hydrophilic patterns are formed in the first and second separation plates for movement of water in the channels of the separation plates adjacent to the cathodes.

본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지용 분리판 및 이것을 이용한 고분자 전해질 연료전지는, 분리판의 채널 내에 소수성/친수성 패턴이 형성되어 수분의 이동이 원활해지므로, 물 넘침이 방지되어 성능의 저하 및 수명 단축을 방지할 수 있고, 냉시동의 특성을 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다. The separator for a polymer electrolyte fuel cell and the polymer electrolyte fuel cell using the same according to the present invention have hydrophobic / hydrophilic patterns formed in the channels of the separator to smooth water movement, so that water overflow is prevented, Can be prevented, and the characteristics of the cold start can be improved.

도 1은 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지에서 단위전지의 구성을 분리하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지에서 제2 분리판을 부분적으로 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지에서 소수성/친수성 패턴의 작용을 설명하기 위하여 부분적으로 확대하여 나타낸 단면도이다.1 is a view showing a configuration of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, in which the structure of a unit cell is separated.
3 is a partially enlarged cross-sectional view of a second separator plate in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
4 is a partially enlarged cross-sectional view for explaining the action of the hydrophobic / hydrophilic pattern in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

이하, 본 발명에 따른 채널 내 수분의 이동을 위한 패턴을 갖는 고분자 전해질 연료전지용 분리판 및 이것을 이용한 고분자 전해질 연료전지에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of a separator for a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지는 적층되어 있는 복수의 단위전지(10)들, 두 개의 엔드플레이트(12)들, 두개의 집전체(Current collector: 14)들과 체결수단으로 복수의 타이로드(16)들로 구성되어 있다. 엔드플레이트(12)들은 적층되어 있는 복수의 단위전지(10)들의 양측에 각각 배치되어 있다. 집전체(14)들은 전류의 집전을 위하여 엔드플레이트(12)들의 내측에 각각 배치되어 있다. 타이로드(16)들은 엔드플레이트(12)들에 결합되어 단위전지(10)들에 체결력을 부여한다. 단위전지(10)들에 부여되는 체결력은 공기압으로 대체될 수 있다.1, a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a plurality of unit cells 10, two end plates 12, two current collectors 14, And a plurality of tie rods 16 as fastening means. The end plates 12 are disposed on both sides of a plurality of stacked unit cells 10, respectively. The current collectors 14 are respectively disposed inside the end plates 12 for current collection. The tie rods 16 are coupled to the end plates 12 to impart a fastening force to the unit cells 10. The tightening force applied to the unit cells 10 can be replaced with air pressure.

단위전지(10)들은 막-전극 어셈블리(20), 제1 및 제2 가스확산층(Gas diffusion layer: 30, 32), 제1 및 제2 가스확산층(30, 32)의 양측에 배치되어 있는 제1 및 제2 분리판(40, 50)로 구성되어 있다. 막-전극 어셈블리(20)는 연료로 수소의 전기화학적 산화를 발생시키기 위한 양극(22), 산화제로 산소의 전기화학적 환원을 발생시키기 위한 음극(24), 양극(22)과 음극(24) 사이에 배치되어 있는 고분자 전해질막(26)으로 구성되어 있다. The unit cells 10 include a membrane electrode assembly 20, first and second gas diffusion layers 30 and 32, first and second gas diffusion layers 30 and 32, 1 and second separator plates 40, 50, respectively. The membrane-electrode assembly 20 includes an anode 22 for generating electrochemical oxidation of hydrogen with fuel, a cathode 24 for generating electrochemical reduction of oxygen with an oxidizing agent, And the polymer electrolyte membrane 26 disposed in the polymer electrolyte membrane.

제1 가스확산층(30)은 양극(22)의 한쪽에 배치되고, 제2 가스확산층(32)은 음극(24)의 한쪽에 배치되어 가스를 균일하게 확산시킨다. 제1 분리판(40)은 제1 가스확산층(30)의 한쪽에 배치되고, 제2 분리판(50)은 제2 가스확산층(32)의 한쪽에 배치되어 있다. 복수의 가스킷(Gasket: 60)들이 기밀을 유지하도록 양극(22)과 음극(24) 중 어느 하나와 제1 및 제2 가스확산층(30, 32) 사이에 배치되어 있다. The first gas diffusion layer 30 is disposed on one side of the anode 22 and the second gas diffusion layer 32 is disposed on one side of the cathode 24 to uniformly diffuse the gas. The first separator plate 40 is disposed on one side of the first gas diffusion layer 30 and the second separator plate 50 is disposed on one side of the second gas diffusion layer 32. A plurality of gaskets 60 are disposed between the first and second gas diffusion layers 30 and 32 and between the anode 22 and the cathode 24 so as to maintain the airtightness.

도 1과 도 2를 참조하면, 제1 분리판(40)은 그 한쪽 면에 양극(24)과 이웃하도록 형성되어 있는 복수의 채널(42)들을 구비한다. 제2 분리판(50)은 그 한쪽 면에 음극(52)과 이웃하도록 형성되어 있는 복수의 채널(52)들을 구비한다. 수소는 제1 분리판(40)의 채널(42)들에 공급되고, 산소는 제2 분리판(50)의 채널(52)들에 공급된다. Referring to FIGS. 1 and 2, the first separator plate 40 has a plurality of channels 42 formed on one side of the first separator plate 40 so as to be adjacent to the anode 24. The second separator plate 50 has a plurality of channels 52 formed on one side thereof so as to be adjacent to the cathode 52. Hydrogen is supplied to the channels 42 of the first separator plate 40 and oxygen is supplied to the channels 52 of the second separator plate 50. [

도 2와 도 3을 참조하면, 채널(52)의 표면에 수분의 이동을 위하여 소수성/친수성 패턴(100)이 형성되어 있다. 소수성/친수성 패턴(100)은 채널(52)의 표면에 형성되어 있는 소수성 표면층(102)과, 소수성 표면층(102)에 형성되어 있는 복수의 친수성 표면층(104)들로 구성되어 있다. 소수성 표면층(102)은 채널(52)가 형성되어 있는 제2 분리판(50)의 한쪽 면에도 형성되어 있다. 친수성 표면층(104)들은 채널(52) 안에 형성되어 있는 소수성 표면층(102)의 표면에 등간격으로 배열되어 있다. 소수성 표면층(102)과 친수성 표면층(104)들 각각은 소수성 물질과 친수성 물질의 코팅(Coating), 증착(Sputtering) 등에 의하여 형성될 수 있다. Referring to FIGS. 2 and 3, a hydrophobic / hydrophilic pattern 100 is formed on the surface of the channel 52 for movement of water. The hydrophobic / hydrophilic pattern 100 is composed of a hydrophobic surface layer 102 formed on the surface of the channel 52 and a plurality of hydrophilic surface layers 104 formed on the hydrophobic surface layer 102. The hydrophobic surface layer 102 is also formed on one surface of the second separation plate 50 on which the channel 52 is formed. The hydrophilic surface layers 104 are arranged at regular intervals on the surface of the hydrophobic surface layer 102 formed in the channel 52. Each of the hydrophobic surface layer 102 and the hydrophilic surface layer 104 may be formed by coating, sputtering, or the like of a hydrophobic material and a hydrophilic material.

친수성 표면층(104)들은 반구 패턴(Dome patten), 도트 패턴(Dot patten), 다각형 패턴(Polygon pattern) 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 나노미터(Nanometer)의 크기에서 마이크로미터(Micrometer)의 크기까지 형성될 수 있다. 도 에 친수성 표면층(104)들이 반구 패턴으로 형성되어 있는 것이 예시적으로 도시되어 있다. 반구 패턴은 볼록하게 돌출되어 있는 엠보싱 패턴(Embossing pattern)이라 할 수 있다. The hydrophilic surface layers 104 may be formed in various shapes such as a dome pattern, a dot pattern, a polygon pattern, and the like. The size of the nanometer may be the size of the micrometer As shown in FIG. Illustratively, the hydrophilic surface layers 104 are formed in a hemispherical pattern. The hemispherical pattern may be referred to as an embossing pattern which is convexly protruded.

이와 같은 구성을 갖는 고분자 전해질 연료전지의 음극(24)에서는, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 수소 양이온, 전자와 산소의 산소환원반응에 의하여 물, 즉 수분(2)이 생성된다. 수분(2)은 제2 가스확산층(32)에 잔류되지 않고 친수성 표면층(104)들 위에 응집되면서 채널(52)들로 이동하게 된다. 이때, 채널(52) 내의 친수성 표면층(104)들 위에 물방울(4)이 생성되면서 물 넘침을 방지하게 된다. 친수성 표면층(104)들의 크기보다 물방울(4)의 크기가 커지면, 물방울(4)이 친수성 표면층(104)들 위에서 소수성 표면층(102)의 표면으로 이동되면서 채널(52)들 밖으로 원활하게 배출된다.  In the cathode 24 of the polymer electrolyte fuel cell having such a structure, as shown in Fig. 4, water (i.e., water 2) is generated by an oxygen reduction reaction of hydrogen cations and electrons and oxygen. The water 2 does not remain in the second gas diffusion layer 32 but migrates to the channels 52 while being concentrated on the hydrophilic surface layers 104. At this time, a water droplet 4 is generated on the hydrophilic surface layers 104 in the channel 52 to prevent water overflow. The droplet 4 is smoothly discharged out of the channels 52 while moving to the surface of the hydrophobic surface layer 102 on the hydrophilic surface layer 104. As the size of the water droplet 4 becomes larger than the size of the hydrophilic surface layer 104,

한편, 제2 분리판(50)의 한쪽 면과 채널(52)의 표면이 친수성 표면층으로 형성되는 경우, 막-전극 에셈블리(20)에서 생성되는 수분, 즉 물이 제2 가스확산층(32)을 통하여 채널(52)로 잘 배출된다. 그러나 채널(52)의 친수성 표면층에 대한 물의 부착력이 강하게 작용되면서 물이 채널(52) 밖으로 잘 배출되지 않는다. 제2 분리판(50)의 한쪽 면과 채널(52)의 표면이 소수성 표면층으로 형성되는 경우, 물은 제2 가스확산층(32)의 내부 또는 표면, 제2 가스확산층(32)과 제2 분리판(50)의 계면에 잔류하게 된다. 그리고 물방울이 성장되면서 제2 채널(52)들을 막게 된다. On the other hand, when one surface of the second separator plate 50 and the surface of the channel 52 are formed as a hydrophilic surface layer, moisture generated in the membrane-electrode assembly 20, that is, water, Lt; RTI ID = 0.0 > 52 < / RTI > However, the strong adhesion of the water to the hydrophilic surface layer of the channel 52 prevents water from being well discharged out of the channel 52. When one surface of the second separator plate 50 and the surface of the channel 52 are formed of a hydrophobic surface layer, the water is separated from the inside or the surface of the second gas diffusion layer 32, And remains on the interface of the plate 50. And water droplets are grown to block the second channels 52.

본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 제2 분리판(50)에서는 산소환원반응에 의하여 생성되는 수분이 소수성/친수성 패턴(100)에 의하여 제2 가스확산층(32)으로부터 채널(52)들로 원활하게 이동되며, 또한 채널(52)들 안에서 생성되는 물방울이 채널(52) 밖으로 원활하게 배출되면서 물 넘침을 방지하게 된다. 따라서 고분자 전해질 연료전지의 성능 저하 및 수명 단축이 방지되어 신뢰성이 향상되고, 냉시동의 특성이 향상된다. In the second separator 50 of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the moisture generated by the oxygen reduction reaction flows smoothly from the second gas diffusion layer 32 to the channels 52 by the hydrophobic / And the water droplets generated in the channels 52 are smoothly discharged out of the channel 52 to prevent water overflow. Therefore, the performance of the polymer electrolyte fuel cell is prevented from being reduced and the service life shortened, thereby improving the reliability and improving the characteristics of the cold start.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

10: 단위전지 12: 엔드플레이트
20: 막-전극 어셈블리 22: 양극
24: 음극 26: 고분자 전해질막
30: 제1 가스확산층 32: 제2 가스확산층
40: 제1 분리판 42: 채널
50: 제2 분리판 52: 채널
60: 가스킷 100: 소수성/친수성 패턴
102: 소수성 표면층 104: 친수성 표면층10: unit cell 12: end plate
20: membrane-electrode assembly 22: anode
24: cathode 26: polymer electrolyte membrane
30: first gas diffusion layer 32: second gas diffusion layer
40: first separator plate 42: channel
50: second separator plate 52: channel
60: gasket 100: hydrophobic / hydrophilic pattern
102: hydrophobic surface layer 104: hydrophilic surface layer

Claims (8)

한쪽 면에 채널이 형성되어 있고, 상기 채널의 표면에 상기 채널 내에서 수분의 이동을 위하여 소수성/친수성 패턴이 형성되어 있는 고분자 전해질 연료전지용 분리판.Wherein a channel is formed on one side of the channel and a hydrophobic / hydrophilic pattern is formed on a surface of the channel for movement of moisture in the channel. 제1항에 있어서,
상기 소수성/친수성 패턴은 상기 채널의 표면에 형성되어 있는 소수성 표면층과, 상기 소수성 표면층의 표면에 형성되어 있는 복수의 친수성 표면층들로 이루어지는 고분자 전해질 연료전지용 분리판. The method according to claim 1,
Wherein the hydrophobic / hydrophilic pattern comprises a hydrophobic surface layer formed on a surface of the channel and a plurality of hydrophilic surface layers formed on a surface of the hydrophobic surface layer. 제2항에 있어서,
상기 복수의 친수성 표면층들은 상기 소수성 표면층에 등간격으로 배열되어 있는 고분자 전해질 연료전지용 분리판.3. The method of claim 2,
Wherein the plurality of hydrophilic surface layers are arranged at regular intervals in the hydrophobic surface layer. 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 소수성 표면층은 상기 채널이 형성되어 있는 상기 한쪽 면에 더 형성되어 있는 고분자 전해질 연료전지용 분리판. The method according to claim 2 or 3,
Wherein the hydrophobic surface layer is further formed on the one surface on which the channel is formed. 양극과 음극 사이에 배치되어 있는 고분자 전해질막을 갖는 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 배치되어 있는 제1 및 제2 가스확산층과, 상기 제1 및 제2 가스확산층의 양측에 배치되어 있고 채널이 형성되어 있는 제1 및 제2 분리판을 가지며, 적층되어 있는 복수의 단위전지들과;
상기 복수의 단위전지들의 양측에 배치되어 있는 두 개의 엔드플레이트들과;
상기 엔드플레이트들을 체결하고 있는 체결수단을 포함하고,
상기 제1 및 제2 분리판 중 상기 음극에 이웃하는 분리판의 채널에 수분의 이동을 위하여 소수성/친수성 패턴이 형성되어 있는 고분자 전해질 연료전지.A membrane-electrode assembly having a polymer electrolyte membrane disposed between an anode and a cathode, first and second gas diffusion layers disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, and first and second gas diffusion layers disposed on both sides of the first and second gas diffusion layers A plurality of stacked unit cells having first and second separator plates each having a channel formed therein;
Two end plates disposed on both sides of the plurality of unit cells;
And fastening means for fastening the end plates,
Wherein a hydrophobic / hydrophilic pattern is formed on the channel of the separator adjacent to the cathode of the first and second separators to move moisture therein. 제5항에 있어서,
상기 소수성/친수성 패턴은 상기 채널의 표면에 형성되어 있는 소수성 표면층과, 상기 소수성 표면층의 표면에 형성되어 있는 복수의 친수성 표면층들로 이루어지는 고분자 전해질 연료전지. 6. The method of claim 5,
Wherein the hydrophobic / hydrophilic pattern comprises a hydrophobic surface layer formed on a surface of the channel and a plurality of hydrophilic surface layers formed on a surface of the hydrophobic surface layer. 제6항에 있어서,
상기 복수의 친수성 표면층들은 상기 소수성 표면층에 등간격으로 배열되어 있는 고분자 전해질 연료전지.The method according to claim 6,
Wherein the plurality of hydrophilic surface layers are arranged at regular intervals in the hydrophobic surface layer. 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 소수성 표면층은 상기 채널이 형성되어 있는 상기 제1 및 제2 분리판의 한쪽 면에 더 형성되어 있는 고분자 전해질 연료전지. 8. The method according to claim 6 or 7,
Wherein the hydrophobic surface layer is further formed on one surface of the first and second separator plates on which the channel is formed.
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