KR101481186B1 - 연료전지 스택용 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판의 유로 구조를 개선하여, 실제 전기 생성을 위해 반응하지 않고 바이패스되는 유체량을 최소화함으로써, 반응기체 및 냉각수의 균일 분배를 통해 연료전지 스택의 출력 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 스택용 분리판에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 가스켓과 접하는 분리판의 외곽쪽 냉각수유로 구간중 일부 구간을 외곽쪽 반응면쪽으로 돌출시켜 외곽쪽 반응유로의 면적을 최소화시키는 동시에 외곽쪽 반응유로내를 흐르는 반응기체의 바이패스 량을 최소화시키고; 상기 가스켓과 접하는 분리판의 외곽쪽 반응유로 구간중 다른 일부 구간을 외곽쪽 냉각면쪽으로 돌출시켜 외곽쪽 냉각수유로의 면적을 최소화시키는 동시에 외곽쪽 냉각수유로내를 흐르는 냉각수의 바이패스 량을 최소화시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판을 제공한다.

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Description

연료전지 스택용 분리판{Separator for fuel cell stack}

본 발명은 연료전지용 스택용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판의 유로 구조를 개선하여, 실제 전기 생성을 위해 반응하지 않고 바이패스되는 유체량을 최소화시키며, 연료전지 스택 냉각면 외곽쪽으로 흐르는 냉각수의 양을 최소화 함으로써, 반응기체 및 냉각수의 균일 분배를 통해 연료전지 스택의 출력 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 스택용 분리판에 관한 것이다.

연료전지 스택의 구성을 첨부한 도 5를 참조로 살펴보면, 고분자 전해질막(10)과 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(12: cathode) 및 연료극(14: anode)으로 이루어진 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)을 포함하고, 또한 공기극(12) 및 연료극(14)이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(16) 및 가스켓(18)이 차례로 적층되고, 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 위치하며, 가장 바깥 쪽에는 각 구성들을 고정시키기 위한 엔드 플레이트(30)가 결합된다.

따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극(14)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(10)과 분리판(20)을 통하여 공기극(12)으로 이동하게 되며, 상기 공기극(12)에서는 연료극(14)으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.

첨부한 도 4를 참조로 분리판 구조를 살펴보면 다음과 같다.

상기 분리판은 기체확산층(16)에 밀착 지지되는 랜드부와, 반응기체가 흐르는 반응유로를 이루는 채널부가 반복되는 구조로 제작된 것으로서, 전극막 접합체의 양쪽에 배열된 각 가스확산층(16)과 접하도록 적층 결합되며, 두 장이 한 세트로 이루어진 제1 및 제2분리판(20a,20b)이 각 가스확산층(16)에 접하면서 결합된다.

이때, 상기 제1분리판(20a)의 저면과 가스확산층(16)의 사이 공간은 수소가 흐르는 연료극 반응유로(22)가 되고, 상기 제2분리판(20b)의 상면과 가스확산층(16)의 사이 공간은 공기가 흐르는 공기극 반응유로(24)가 되며, 두 장의 이루어진 제1분리판(20a)간의 사이공간 및 제2분리판(20b)간의 사이공간은 냉각수유로(26)가 된다.

또한, 상기 제1 및 제2분리판(20a,20b)의 테두리 부분에는 반응기체의 외부 유출을 방지하는 동시에 각 유체의 밀폐성을 제공하여 주며, 각 분리판의 적층시 지지 역할을 하는 가스켓(18)이 삽입 부착된다.

따라서, 분리판(20a,20b)의 수소, 공기, 냉각수 매니폴드를 통해 유입된 유체가 각각 수소 반응유로(22)와, 산소 반응유로(24)와, 냉각수 유로(26)로 공급되어지며, 각 반응유로는 기체확산층(16)이 마주보며 위치하는 바, 이 기체확산층은 반응이 일어나는 이온교환막 즉, 그 안쪽에 위치하는 전해질막에 반응기체인 수소 및 공기를 균일하게 분배해주는 역할을 한다.

그러나, 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이 각 분리판(20a,20b)의 테두리쪽인 외곽쪽 반응유로(28a,28b), 즉 가스켓(18)과 접하고 있는 외곽쪽 반응유로(28a,28b)내에는 기체확산층(16)이 위치하고 있지 않아, 결과적으로 전기 생성을 위한 반응 자체가 일어나지 않게 되는 외곽쪽 반응유로에 불필요한 기체(수소 또는 공기)가 흐르게 되어, 스택 출력에 제약이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

또한, 냉각유로중 그 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)에도 필요 이상의 냉각수가 흐르게 되어, 실제 냉각을 필요로 하는 중앙쪽 반응유로쪽과 접하는 냉각유로내에 냉각수 흐름량이 저하될 수 있다.

이렇게 실제 기체 반응이 발생하지 않는 외곽쪽 반응유로 및 냉각수유로는 가스켓 제조 공정으로 인하여 금형 설계상 생성된 면적이다.

즉, 분리판에 가스켓을 부착하는 공정을 위하여, 분리판(20a,20b)의 외곽부에 가스켓 금형(40)의 클램핑(clamping) 허용면적이 필요하지만, 가스켓 금형(40)이 맞물리는 실제 클램핑 면적보다 더 큰 클램핑 면적부(50)가 분리판의 외곽부에 형성됨에 따라, 실제 기체 반응이 발생하지 않는 필요 이상의 반응기체가 흐르는 외곽쪽 반응유로(28a,28b) 및 필요 이상의 냉각수가 흐르는 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)가 만들어지게 된다.

이와 같이, 불필요한 반응기체(수소 또는 공기)가 외곽쪽 반응유로에 흐름에 따라, 첫째 이온교환막에 도달하지 않고 바이패스(By-pass)되는 불필요한 반응기체가 발생함으로써, 반응기체의 분배성이 떨어지게 되고, 둘째 반응기체의 압력이 떨어짐으로써 기체확산층을 통해 이온교환막에 도달하는 반응기체의 양이 감소하게 되어 전체적인 스택 시스템의 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

또한, 불필요한 냉각수가 외곽쪽 냉각수유로를 흐르게 됨에 따라, 분리판의 냉각 균일성이 저하되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 분리판의 유로 구조를 가스켓 금형의 클램핑 면적을 최소화시키는 동시에 분리판의 외곽쪽으로 흐르는 반응기체와 냉각수의 흐름량을 최소화시키는 구조로 개선하여, 실제 전기 생성을 위해 반응하지 않고 바이패스되는 반응기체 및 냉각수 유량을 최소화하여, 반응기체 및 냉각수의 균일 분배를 통해 연료전지 스택의 출력 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 스택용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가스켓과 접하는 분리판의 외곽쪽 냉각수유로 구간중 일부 구간을 외곽쪽 반응면쪽으로 돌출시켜 외곽쪽 반응유로의 면적을 최소화시키는 동시에 외곽쪽 반응유로내를 흐르는 반응기체의 바이패스 량을 최소화시키고; 상기 가스켓과 접하는 분리판의 외곽쪽 반응유로 구간중 일부 구간을 외곽쪽 냉각수면쪽으로 돌출시켜 외곽쪽 냉각수유로의 면적을 최소화시키는 동시에 외곽쪽 냉각수유로내를 흐르는 냉각수의 바이패스 량을 최소화시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판을 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 외곽쪽 냉각수유로를 이루면서 가스확산층에 밀착되는 랜드부 면적을 증가시키는 동시에 외곽쪽 반응유로를 이루는 채널부의 면적을 감소시켜서, 외곽쪽 반응유로의 면적을 최소화시키는 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 외곽쪽 반응유로를 이루는 채널부의 면적을 증가시키는 동시에 외곽쪽 냉각수유로를 이루면서 가스확산층에 밀착되는 랜드부 면적을 감소시켜서, 외곽쪽 냉각수유로의 면적을 최소화시키는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 가스켓과 접하는 분리판의 외곽단부에 형성되는 가스켓 금형의 클램핑 허용면적은 가스켓 금형이 맞물리는 실제 클램핑 면적과 동일하게 형성된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 가스켓과 인접하는 분리판의 외곽(테두리)쪽 반응유로 및 냉각수유로의 일부 구간에 대한 단면적을 감소시키고, 가스켓 부착을 위한 금형 클램핑 면적을 최소화시켜서, 분리판의 외곽쪽 유로를 흐르는 반응기체와 냉각수의 흐름량을 최소화시킬 수 있고, 그에 따라 실제 전기 생성을 위해 반응하지 않고 바이패스되는 반응기체 및 냉각수 유량을 최소화시켜서 반응기체 및 냉각수의 균일 분배를 통해 연료전지 스택의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판을 나타내는 단면도로서, 미설명부호 34,36,38은 각각 수소 매니폴드, 공기 매니폴드, 냉각수 매니폴드를 나타낸다.

도 1에서, A-A선 단면은 분리판(20)에 가스켓을 일체로 사출할 때, 그 사출 금형이 클램핑되는 클램핑 면적부를 최소한의 면적으로 남겨두고, 동시에 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)를 외곽쪽 반응면(28a,28b) 쪽으로 돌출시켜, 외곽쪽 반응유로(28a,28b)내를 흐르는 반응기체(수소 또는 산소)가 기체확산층(16)과 접하지 않고 바이패스되는 것을 최소화시킴으로써, 반응기체의 분배성을 향상시킬 수 있는 구조를 나타낸다.

즉, 상기 가스켓 사출 금형(40)에 의하여 사출 성형되는 가스켓(18)과 인접 하면서 분리판(20)의 길이방향을 따라 형성되는 분리판의 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b: 분리판의 가장 바깥쪽에 형성되는 냉각수 유로) 구간중 그 일부 구간을 외곽쪽 반응면(28a,28b: 가스켓의 클램핑 면적부와 외곽쪽 냉각수유로 사이에 형성되는 반응유로)쪽으로 돌출시켜, 외곽쪽 반응면(28a,28b)의 단면적을 최소화시킬 수 있고, 그에 따라 외곽쪽 반응면(28a,28b)내를 흐르는 반응기체의 바이패스 량을 감소시킬 수 있다.

보다 상세하게는, 상기 외곽쪽 반응유로(28a,28b)의 단면적을 최소화시키는 방법은 분리판(20)의 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)를 이루면서 가스확산층(16)에 밀착되는 랜드부(42) 면적을 증가시키는 동시에 외곽쪽 반응유로(28a,28b)를 이루는 채널부(44)의 면적을 감소시킴으로써, 분리판(20)의 가장 바깥쪽 즉, 가스켓(18)의 클램핑 면적부(50)와 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b) 사이에 형성되는 외곽쪽 반응유로(28a,28b)의 단면적을 최소화시킬 수 있다.

이때, 종래에는 가스켓 금형(40)이 맞물리는 실제 클램핑 면적보다 더 큰 클램핑 면적부(50)가 분리판(20)의 외곽부에 형성되었지만, 본 발명에서는 가스켓(18)과 접하는 분리판(20)의 외곽단부에 형성되는 가스켓 금형(40)의 클램핑 허용면적 즉, 클램핑 면적부(50)가 가스켓 금형(40)이 실제 맞물리는 클램핑 면적과 동일한 수준으로 형성된다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판의 반응기체 유동해석 시험 결과를 종래와 비교하여 나타낸 그래프로서, 도 2에 나타낸 A-B선에서의 반응기체 흐름 유동을 측정한 결과이다.

도 2에서 보듯이, 기존 분리판의 반응기체 유동 해석의 경우, 도 4에 나타낸 외곽쪽 반응유로(32a,32b)내에서 반응기체의 유동이 높게 나타나는데 비해서, 도 1의 A-A단면에 나타낸 본 발명의 외곽쪽 반응유로(32a,32b)내에서의 반응기체 유동은 기존 대비 낮은 것으로 해석되었으며, 이로 인해서 나머지 반응유로를 통해 반응기체가 균일하게 분배되며, 그 분배양이 증가하는 것으로 해석되었다.

기존에는 분리판의 외곽쪽 반응유로를 흐르는 반응기체 양 즉, 기체확산층과 접하지 않아 반응하지 않고 그대로 바이패스되는 반응기체 양이 크고, 결과적으로 연료전지 스택에 주입된 반응기체 중에 반응하지 않고 스택을 통과하여 나오는 반응기체가 발생되어 스택의 출력이 떨어지는 단점이 있었지만, 본 발명의 유로 구조가 적용된 경우에는 최소 단면적으로 축소된 외곽쪽 반응유로를 통과하여 반응하지 않고 배출되는 반응기체의 양이 최소화되어, 반응기체의 반응 효율을 증대시키는 동시에 스택의 출력 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 유로구조를 적용함에 따라, 외곽쪽 반응유로를 흐르는 반응기체가 감소하는 동시에 나머지 반응유로내를 흐르는 반응기체 흐름량이 증가하게 되므로, 반응기체의 분배성이 균일해지기 때문에, 반응에 의해 생성되는 물을 반응유로의 바깥쪽으로 효과적으로 배출시킬 수 있어, 스택 성능 향상 및 전압 안정성 개선에 일조할 수 있다.

도 1에서, B-B선 단면은 분리판에 가스켓을 일체로 사출할 때, 그 사출 금형(40)이 클램핑되는 클램핑 면적부(50)를 최소한의 면적으로 남겨두고, 동시에 외곽쪽 반응유로(28a,28b)를 외곽쪽 냉각수면(32a,32b) 쪽으로 돌출시켜, 외곽쪽 냉 각수유로(32a,32b)내를 흐르는 냉각수 흐름량을 최소화하여, 나머지 냉각수유로에 대한 냉각수 분배성을 향상시킬 수 있도록 한 구조를 나타낸다.

즉, 상기 가스켓 사출 금형(40)에 의하여 사출 성형되는 가스켓(18)과 인접하면서 분리판(20)의 길이방향을 따라 형성되는 분리판(20)의 외곽쪽 반응유로(28a,28b: 가스켓의 클램핑 면적부와 바로 인접하며 형성된 반응유로) 구간중 그 일부 구간을 외곽쪽 냉각수면(32a,32b: 분리판의 가장 바깥쪽에 형성되는 냉각수 유로)쪽으로 돌출시켜, 외곽쪽 냉각면(32a,32b)의 단면적을 최소화시킬 수 있고, 그에 따라 외곽쪽 냉각면내를 흐르는 냉각수의 바이패스 량을 감소시킬 수 있다.

보다 상세하게는, 상기 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)의 단면적을 최소화시키는 방법은 분리판(20)의 외곽쪽 반응유로(28a,28b)를 이루는 채널부(44)의 면적을 증가시키는 동시에 분리판(20)의 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)를 이루면서 가스확산층(16)에 밀착되는 랜드부(42)의 면적을 감소시킴으로써, 분리판(20)의 가장 바깥쪽에 위치하는 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)의 면적을 최소화시킬 수 있다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판의 냉각수 유동해석 시험 결과를 종래와 비교하여 나타낸 그래프로서, 도 3에 나타낸 A-B선에서의 냉각수 흐름 유동을 측정한 결과이다.

기존 분리판에 대한 냉각수 유동 해석의 경우, 도 4에 나타낸 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)에서의 냉각수 유동이 높게 나타나는데 비해서, 도 1의 B-B 단면에 나타낸 본 발명의 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)에서의 냉각수 유동은 기존 대비 낮은 것으로 해석되었으며, 이로 인해서 나머지 냉각수유로의 냉각수의 분배성이 개 선되어, 외곽쪽을 제외한 나머지 냉각수유로내의 냉각수 흐름이 증가하는 것으로 해석되었다.

기존에는 분리판의 외곽쪽 냉각수유로를 흐르는 냉각수 양이 나머지 중앙부쪽 냉각수유로를 흐르는 양에 비해서 크기 때문에, 나머지 중앙부쪽 냉각수유로를 흐르는 냉각수의 양이 작아지는 바, 스택의 특성상 그 외곽쪽이 온도가 낮고 중앙쪽이 높지만 외곽쪽 냉각수유로의 냉각수 흐름량이 크기 때문에 스택의 냉각 효율이 떨어지는 단점이 있었지만, 본 발명의 냉각수유로가 적용된 경우 외곽쪽 냉각수유로의 냉각수 흐름양이 최소화되어, 나머지 중앙부쪽 냉각수유로의 냉각수 흐름량이 증가하게 되고, 결국 온도가 높은 스택의 중앙부에 대한 냉각 효율이 증가하여 스택의 성능이 개선될 수 있다.

한편, 도 1에서 C-C선 단면은 직선 유로부에 대한 단면도로서, 분리판(20)의 외곽쪽 반응유로(28a,28b) 및 냉각수유로(32a,32b)의 일부 구간에 대한 단면적을 상기와 같이 감소시키되, 직선유로부에서의 외곽쪽 반응유로(28a,28b) 및 냉각수유로(32a,32b)의 단면적은 그 유체 흐름에 대한 흐름성이 좋기 때문에 기존 구조와 동일하게 형성시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판을 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판의 반응기체 유동해석 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판의 냉각수 유동해석 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 4는 종래의 연료전지 스택용 분리판 구조를 나타낸 단면도,

도 5는 연료전지 스택의 구성을 설명하는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 전해질막 12 : 공기극

14 : 연료극 16 : 가스확산층

18 : 가스켓 20 : 분리판

20a : 제1분리판 20b : 제2분리판

22, 24 : 반응유로 26 : 냉각수유로

28a,28b : 외곽쪽 반응유로 30 : 엔드 플레이트

32a,32b : 외곽쪽 냉각수유로 34 : 수소 매니폴드

36 : 공기 매니폴드 38 : 냉각수 매니폴드

40 : 가스켓 금형 42 : 랜드부

44 : 채널부 50 : 클램핑 면적부

Claims (4)

1. 가스켓과 접하는 분리판의 외곽쪽 냉각수유로 구간중 일부 구간을 외곽쪽 반응면쪽으로 돌출시켜 외곽쪽 반응유로의 면적을 최소화시키는 동시에 외곽쪽 반응유로내를 흐르는 반응기체의 바이패스 량을 최소화시키고;

   상기 가스켓과 접하는 분리판의 외곽쪽 반응유로 구간중 일부 구간을 외곽쪽 냉각수면쪽으로 돌출시켜 외곽쪽 냉각수유로의 면적을 최소화시키는 동시에 외곽쪽 냉각수유로내를 흐르는 냉각수의 바이패스 량을 최소화시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 외곽쪽 냉각수유로를 이루면서 가스확산층에 밀착되는 랜드부 면적을 증가시키는 동시에 외곽쪽 반응유로를 이루는 채널부의 면적을 감소시켜서, 외곽쪽 반응유로의 면적을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 외곽쪽 반응유로를 이루는 채널부의 면적을 증가시키는 동시에 외곽쪽 냉각수유로를 이루면서 가스확산층에 밀착되는 랜드부 면적을 감소시켜서, 외곽쪽 냉각수유로의 면적을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 가스켓과 접하는 분리판의 외곽단부에 형성되는 가스켓 금형의 클램핑 허용면적은 가스켓 금형이 맞물리는 실제 클램핑 면적과 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판.

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