KR101475920B1 - 연료 전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

연료 전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지가 제공된다. 상기 연료 전지용 분리판은 연료 유로와 공기 유로를 포함하는 몸체부 및 상기 몸체부의 일측 또는 양측에 배치되는 매니폴드부를 포함한다. 상기 매니폴드부는 상기 몸체부에 연결된 제1 매니폴드 부분과 상기 제1 매니폴드 부분 위에 배치되는 제2 매니폴드 부분을 포함한다. 상기 연료 전지는 상기 연료 전지용 분리판을 포함한다.

Description

연료 전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지{SEPARATOR FOR FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 연료 전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.
최근 노트북, 모바일 폰, PDA 등의 휴대용 전자 장치가 일반화되어 널리 사용되고 있다. 상기 휴대용 전자 장치의 기능이 복합화되고, 그 크기가 소형화되면서 기존의 배터리보다 장시간 사용할 수 있는 새로운 전원의 연구 개발이 진행되고 있다. 특히 연료 전지 중 직접 메탄올 연료 전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)는 연료변환공정이 필요없고 상온에서도 작동이 가능하여 휴대용 전자 장치의 연료 전지로 개발되고 있다.
상기 직접 메탄올 연료 전지는 고분자 전해질막과 전극으로 이루어진 막전극 접합체와 분리판을 적층하여 형성된다. 상기 직접 메탄올 연료 전지의 분리판은 한 장에 연료 유로와 공기 유로가 형성되고, 분리판 측면 밖에서 드릴로 홀을 뚫어 매니폴드와 상기 유로들을 연결하는 유입구를 형성한다. 그러나, 상기 매니폴드와 상기 유로들 사이뿐만 아니라 상기 매니폴드를 한정하는 상기 분리판의 외부 측벽에도 홀이 형성된다. 상기 홀에 실리콘 등으로 막아서 연료 전지를 형성하고 있지만 연료의 흐름과 내부 압력 등으로 인해 상기 홀을 통하여 연료 및 공기가 누출될 수 있다. 또, 상기 홀을 막는 실리콘이 연료 등과 접촉하여 오염이 발생할 수 있다. 이에 의해 연료 전지의 성능이 저하될 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 연료와 공기의 누출을 방지할 수 있는 연료 전지용 분리판을 제공한다.
본 발명은 상기 연료 전지용 분리판을 포함하여 성능이 향상된 연료 전지를 제공한다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지용 분리판은, 연료 유로와 공기 유로를 포함하는 몸체부 및 상기 몸체부의 일측 또는 양측에 배치되는 매니폴드부를 포함한다. 상기 매니폴드부는, 상기 몸체부에 연결된 제1 매니폴드 부분과, 상기 제1 매니폴드 부분 위에 배치되는 제2 매니폴드 부분을 포함한다.
상기 제1 매니폴드 부분과 상기 제2 매니폴드 부분은 서로 대칭이 되는 형상을 가질 수 있다.
상기 매니폴드부는, 상기 연료 유로에 연결되는 연료 공급 영역과 상기 공기 유로에 연결되는 공기 공급 영역 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 매니폴드부는, 상기 연료 공급 영역과 상기 연료 유로 사이 및 상기 제1 매니폴드 부분과 상기 제2 매니폴드 부분 사이에 형성된 연료 유입구와, 상기 공기 공급 영역과 상기 공기 유로 사이 및 상기 제1 매니폴드 부분과 상기 제2 매니폴드 부분 사이에 형성된 공기 유입구를 가질 수 있다.
상기 제1 매니폴드 부분은 몰딩 성형 공정에 의해 상기 몸체부와 일체로 형성된 것일 수 있다.
상기 제1 매니폴드 부분의 두께와 상기 제2 매니폴드 두께의 합은 상기 몸체부의 두께와 같을 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지는, 제1 멤브레인, 상기 제1 멤브레인 일측에 배치되는 제1 애노드 전극, 및 상기 제1 멤브레인 타측에 배치되는 제1 캐소드 전극을 포함하는 제1 막전극 접합체, 제2 멤브레인, 상기 제2 멤브레인 일측에 배치되는 제2 애노드 전극, 및 상기 제2 멤브레인 타측에 배치되는 제2 캐소드 전극을 포함하는 제2 막전극 접합체, 및 상기 제1 막전극 접합체 및 상기 제2 막전극 접합체 사이에 배치되는 분리판을 포함한다. 상기 분리판은, 연료 유로와 공기 유로를 포함하는 몸체부와, 상기 몸체부의 일측 또는 양측에 배치되는 매니폴드부를 포함한다. 상기 매니폴드부는, 상기 몸체부에 연결된 제1 매니폴드 부분과, 상기 제1 매니폴드 부분 위에 배치되는 제2 매니폴드 부분을 포함한다.
상기 제1 매니폴드 부분과 상기 제2 매니폴드 부분은 서로 대칭이 되는 형상을 가질 수 있다.
상기 매니폴드부는, 상기 연료 유로에 연결되는 연료 공급 영역과 상기 공기 유로에 연결되는 공기 공급 영역 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 매니폴드부는, 상기 연료 공급 영역과 상기 연료 유로 사이 및 상기 제1 매니폴드 부분과 상기 제2 매니폴드 부분 사이에 형성된 연료 유입구와, 상기 공기 공급 영역과 상기 공기 유로 사이 및 상기 제1 매니폴드 부분과 상기 제2 매니폴드 부분 사이에 형성된 공기 유입구를 가질 수 있다.
상기 제1 매니폴드 부분은 몰딩 성형 공정에 의해 상기 몸체부와 일체로 형성될 수 있다.
상기 제1 매니폴드 부분의 두께와 상기 제2 매니폴드 두께의 합은 상기 몸체부의 두께와 같을 수 있다.
상기 연료 전지는 직접 메탄올 연료 전지일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지용 분리판은 그 몸체부의 일측 또는 양측에 제1 매니폴드 부분과 제2 매니폴드 부분을 서로 포개어 형성함으로써 매니폴드와 유로 사이에 연료 및 공기가 누출되는 것을 방지할 수 있다. 상기 연료 전지용 분리판의 몸체부와 제1 매니폴드 부분을 몰딩 성형 공정에 의해 일체로 형성할 수 있어 제조 공정이 단순해진다. 상기 제1 매니폴드 부분과 제2 매니폴드 부분이 서로 대칭이 되는 형상으로 형성되어 접착되므로 치수 정확도와 공차 제어가 용이하다. 이와 같이 간단한 공정으로 성능이 향상된 연료 전지용 분리판이 제조될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지는 상기 연료 전지용 분리판을 포함하는 것에 의해 연료 및 공기의 누출을 방지할 수 있어 성능이 향상될 수 있고, 제조 공정이 단순해져 생산성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료 전지를 개략적으로 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료 전지를 개략적으로 나타낸다.
도 1을 참조하면, 직접 메탄올 연료 전지(10)는 제1 막전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)(100), 제2 막전극 접합체(200), 및 분리판(300)을 포함한다.
제1 막전극 접합체(100)는 제1 애노드 전극(110), 제1 캐소드 전극(120), 및 제1 멤브레인(130)을 포함한다. 제1 애노드 전극(110)과 제1 캐소드 전극(120)은 제1 멤브레인(130)을 사이에 두고 하나 또는 둘 이상 배치될 수 있다.
제2 막전극 접합체(200)는 제2 애노드 전극(210), 제2 캐소드 전극(220), 및 제2 멤브레인(230)을 포함한다. 제2 애노드 전극(210)과 제1 캐소드 전극(220)은 제2 멤브레인(230)을 사이에 두고 하나 또는 둘 이상 배치될 수 있다.
분리판(300)은 연료 유로와 공기 유로를 포함하는 몸체부(310)와 매니폴드부(320)를 포함한다. 매니폴드부(320)는 몸체부(310) 일측 또는 양측에 배치될 수 있다. 매니폴드부(300)는 상기 연료 유로에 연결되는 연료 공급 영역과 상기 공기 유로에 연결되는 공기 공급 영역을 포함할 수 있다.
분리판(300)은 제1 막전극 접합체(100)와 제2 막전극 접합체(200) 사이에 배치되어 제1 막전극 접합체(100)에 연료를 제공하고 제2 막전극 접합체(200)에 공기(산소)를 제공한다.
제1 막전극 접합체(100)의 제1 애노드 전극(110)에서는 분리판(300)의 연료 유로를 통하여 제공되는 메탄올과 물이 반응하여 수소 이온과 전자가 형성된다. 제1 애노드 전극(110)에서 형성된 수소 이온 및 전자는 제1 멤브레인(130)을 통해서 제1 캐소드 전극(120)으로 이동한다. 이동한 수소 이온 및 전자는 제1 캐소드 전극(120)에서 산소와 반응하여 물을 형성한다. 상기 산소는 제1 캐소드 전극(120) 위에 배치된 다른 분리판(미도시)의 공기 유로를 통하여 제공된다.
제2 막전극 접합체(200)의 제2 애노드 전극(220)에서는 그 아래에 배치된 또 다른 분리판(미도시)의 연료 유료를 통하여 제공되는 메탄올과 물이 반응하여 수소 이온과 전자가 형성된다. 제2 애노드 전극(210)에서 형성된 수소 이온 및 전자는 제2 멤브레인(230)을 통해서 제2 캐소드 전극(220)으로 이동한다. 이동한 수소 이온 및 전자는 제2 캐소드 전극(220)에서 분리판(300)의 공기 유로를 통하여 제공되는 산소와 반응하여 물을 형성한다.
위 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
제1 및 제2 애노드 전극 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
제1 및 제2 캐소드 전극 : 1.5O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
전체 : CH3OH + 1.5O2 → CO2 + 2H2O
상기 반응식과 같이 직접 메탄올 연료 전지(10) 내에서 화학반응에 의해 형성된 에너지가 전기 에너지로 저장되어 공급된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판을 개략적으로 나타낸다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 분리판(300)은 몸체부(310)와 그 일측 또는 양측에 배치되는 매니폴드부(320)를 포함한다.
몸체부(310)는 그 한쪽 면의 영역에 형성된 연료 유로(311)와, 그 반대 쪽 면의 영역에 형성된 공기 유로(미도시)를 포함한다. 몸체부(310) 내에 연료 유로(311)와 공기 유로가 형성되는 위치와 모양 등에 의해 본 발명이 제한되지 않는다.
매니폴드부(320)는 제1 매니폴드 부분(321)과 제2 매니폴드 부분(322)을 포함한다. 제1 매니폴드 부분(321)은 예를 들어, 몰딩 성형 공정에 의해 몸체부(310)와 일체로 형성될 수 있다. 몸체부(310)와 제1 매니폴드 부분(321)은 예를 들어, 흑연으로 형성될 수 있다. 제1 매니폴드 부분(321)은 몸체부(310)와 단차가 형성되도록 몸체부(310)보다 얇은 두께로 형성된다. 제2 매니폴드 부분(322)은 예를 들어, 몰딩 성형 공정에 의해 제1 매니폴드 부분(321)과 대칭이 되는 형상으로 형성될 수 있다. 제2 매니폴드 부분(321)은 제1 매니폴드 부분(321)과 포개어지도록 배치된 후 표면 연마되어, 제1 매니폴드 부분(321)의 두께와 제2 매니폴드 부분(322)의 두께의 합이 몸체부(310)의 두께와 같아질 수 있다. 이에 의해 매니폴드부(320)의 가장자리 위에 가스킷(미도시)이 균일하게 배치될 수 있다.
매니폴드부(320)는 연료 유로(311)와 연결되는 부분에 연료 공급 영역(325)을 포함하고, 공기 유로와 연결되는 부분에 공기 공급 영역(326)을 포함한다.
매니폴드부(320)는 연료 공급 영역(325)과 연료 유로(311) 사이 및 제1 매니폴드 부분(321)과 제2 매니폴드 부분(322) 사이에 형성된 복수 개의 연료 유입구(325a)를 가질 수 있고, 공기 공급 영역(326)과 공기 유로 사이 및 제1 매니폴드 부분(321)과 제2 매니폴드 부분(322) 사이에 형성된 복수 개의 공기 유입구(326a)를 가질 수 있다. 제2 매니폴드 부분(322)이 제1 매니폴드 부분(321)에 포개어져서 배치되기 때문에 연료 유입구(325a)와 공기 유입구(326a)가 외부로부터 밀폐되므로 연료 및 공기가 누출되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서 매니폴드부(320)는 연료 공급 영역(325)과 공기 공급 영역(326)을 모두 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 몸체부(320)의 일측 또는 양측에 배치되는 매니폴드부(320)는 연료 공급 영역(325)과 공기 공급 영역(326) 모두를 포함할 수도 있고, 둘 중에 하나만을 포함할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 몸체부(310)와 일체로 제1 매니폴드 판(320a)이 형성된다. 제1 매니폴드 판(320a)은 몸체부(310)와 단차를 갖도록 형성되고, 제1 매니폴드 판(320a)에 연료 유로(311)에 연결되는 연료 유입구(325a)와 공기 유로(미도시)에 연결되는 공기 유입구(326a)가 형성된다. 제1 매니폴드 판(320a) 위에 이와 동일한 형상을 갖는 제2 매니폴드 판(320b)을 배치한 후 제1 매니폴드 판(320a)과 제2 매니폴드 판(320b)을 동시에 패터닝하여 도 2b에 도시된 매니폴드부(320)를 형성할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 연료 유로와 공기 유로를 포함하는 몸체부; 및
    상기 몸체부의 일측 또는 양측에 배치되는 매니폴드부를 포함하고,
    상기 매니폴드부는,
    상기 몸체부에 연결된 제1 매니폴드 부분과 상기 제1 매니폴드 부분 위에 배치되는 제2 매니폴드 부분을 포함하고,
    상기 연료 유로에 연결되는 연료 공급 영역과 상기 공기 유로에 연결되는 공기 공급 영역 중 하나 이상을 포함하며,
    상기 제1 매니폴드 부분과 상기 제2 매니폴드 부분의 결합에 의해 상기 연료 공급 영역과 상기 연료 유로 사이에 형성되는 연료 유입구와 상기 공기 공급 영역과 상기 공기 유로 사이에 형성되는 공기 유입구 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 매니폴드 부분과 상기 제2 매니폴드 부분은 서로 대칭이 되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 매니폴드 부분은 몰딩 성형 공정에 의해 상기 몸체부와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 매니폴드 부분의 두께와 상기 제2 매니폴드 두께의 합은 상기 몸체부의 두께와 같은 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판.
  7. 제1 멤브레인, 상기 제1 멤브레인 일측에 배치되는 제1 애노드 전극, 및 상기 제1 멤브레인 타측에 배치되는 제1 캐소드 전극을 포함하는 제1 막전극 접합체;
    제2 멤브레인, 상기 제2 멤브레인 일측에 배치되는 제2 애노드 전극, 및 상기 제2 멤브레인 타측에 배치되는 제2 캐소드 전극을 포함하는 제2 막전극 접합체; 및
    상기 제1 막전극 접합체 및 상기 제2 막전극 접합체 사이에 배치되는 분리판을 포함하고,
    상기 분리판은,
    연료 유로와 공기 유로를 포함하는 몸체부와,
    상기 몸체부의 일측 또는 양측에 배치되는 매니폴드부를 포함하며,
    상기 매니폴드부는,
    상기 몸체부에 연결된 제1 매니폴드 부분과 상기 제1 매니폴드 부분 위에 배치되는 제2 매니폴드 부분을 포함하고,
    상기 연료 유로에 연결되는 연료 공급 영역과 상기 공기 유로에 연결되는 공기 공급 영역 중 하나 이상을 포함하며,
    상기 제1 매니폴드 부분과 상기 제2 매니폴드 부분의 결합에 의해 상기 연료 공급 영역과 상기 연료 유로 사이에 형성되는 연료 유입구와 상기 공기 공급 영역과 상기 공기 유로 사이에 형성되는 공기 유입구 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 매니폴드 부분과 상기 제2 매니폴드 부분은 서로 대칭이 되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 매니폴드 부분은 몰딩 성형 공정에 의해 상기 몸체부와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 매니폴드 부분의 두께와 상기 제2 매니폴드 두께의 합은 상기 몸체부의 두께와 같은 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 직접 메탄올 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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