KR101483488B1 - 연료 전지용 분리판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입측 매니폴드와 출측 매니폴드가 형성된 본체 평판; 및 상기 입측 매니폴드와 출측 매니폴드 사이에 평행하게 배치되어 가스 유로를 형성하는 다수의 금속 박막 필름들을 포함하며, 상기 금속 박막 필름은 주기적으로 형성된 다수의 곡선형 요철을 포함하는 것인 연료 전지용 분리판에 관한 것이다.

Description

연료 전지용 분리판{SEPERATOR FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지용 분리판에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 가스 유동 특성을 균일화하고, 기계적 구성요소들의 공차를 흡수하여 접촉 손실을 최소화할 수 있도록 개발된 연료 전지용 분리판에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지는 일반적으로 연료전지 중 가장 높은 온도(700 ~ 900℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 현재 활발히 이루어지고 있다.
고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 전기화학적 에너지 변환장치로서, 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극 및 연료극으로 이루어진다. 공기극에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이다.
그러나, 상기 공기극, 전해질 및 연료극을 기본으로 하는 단위전지 하나에서 발생하는 전력은 상당히 작기 때문에, 여러 개의 단위 전지를 적층(스택)하여 연료 전지를 구성함으로써 상당량의 전력을 출력시킬 수 있게 되고, 나아가 다양한 발전 시스템 분야에 적용할 수 있게 된다. 상기 적층을 위해서, 한 단위전지의 공기극과 다른 단위전지의 연료극은 전기적으로 연결되어야 할 필요가 있으며, 이를 위해 분리판(separator)이 사용된다.
종래의 연료전지용 분리판은 도 1에 도시된 바와 같이, 입측 매니폴드(1a)와 출측 매니폴드(1b)가 형성된 본체평판(1), 상기 본체평판(1)에 돌출되어 가스유로를 형성시키는 립(2)을 포함하는데, 이때 가스유로(3)의 패턴이 동일한 경우 전기화학적 반응이나 열분포가 불균일하게 일어날 수 있다.
즉, 가스의 유동이 시작되는 분리판의 앞쪽에서 전기화학반응이 활발하게 일어나서 전류밀도가 집중되어 열응력분포에 영향을 줄 수 있으며, 또한 전기화학반응으로 발생된 열이 반응가스의 유동에 의해 분리판의 뒤쪽에서 고온부가 형성될 수 있다. 결과적으로, 전기화학반응의 불균일로 인하여 연료가스 이용률이 떨어지며, 아울러 열응력의 불균일로 인하여 분리판의 열변형 또는 손상이 발생될 수 있다.
또한, 상기와 같은 종래의 연료전지용 분리판은 공차 흡수율이 작아, 접촉 손실이 발생하기 쉽다는 문제점이 있었다.
따라서, 기체의 전기화학반응 및 열응력분포를 균일하게 조절할 수 있고, 공차 흡수율이 큰 분리판의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 분리판의 유로를 다수의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름으로 형성함으로써, 연료 전지 내에서의 기체 유동을 조절하고, 접촉 손실을 최소화할 수 있도록 개발된 연료 전지용 분리판을 제공하고자 한다.
일 측면에서, 본 발명은 입측 매니폴드와 출측 매니폴드가 형성된 본체 평판; 및 상기 입측 매니폴드와 출측 매니폴드 사이에 평행하게 배치되어 가스 유로를 형성하는 다수의 금속 박막 필름들을 포함하며, 상기 금속 박막 필름은 주기적으로 형성된 다수의 곡선형 요철을 포함하는 것인 연료 전지용 분리판을 제공한다.
이때, 상기 각각의 금속 박막 필름들의 곡선형 요철의 피치(pitch) 또는 금속 박막 필름의 폭 또는 이격 간격은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 다수의 금속 박막 필름들은 이웃한 금속 박막 필름들의 곡선형 요철의 산부가 서로 엇갈리도록 배치될 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 다수의 금속 박막 필름들은 다양한 배치 형태를 가질 수 있으며, 예를 들면, 입측 매니폴드 측에 상대적으로 작은 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름을 배치하고, 상기 출측 매니폴드 측에 상대적으로 큰 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름을 배치할 수 있다.
또는, 이와 반대로, 출측 매니폴드 측에 상대적으로 작은 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름을 배치하고, 입측 매니폴드 측에 상대적으로 큰 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름을 배치할 수 있다.
또한, 상기 분리판은 상기 본체 평판의 일면과 타면에 각각 다수의 금속 박막 필름들을 배치할 수 있으며, 이때 상기 본체 평판의 상부에 배치되는 다수의 금속 박막 필름들과 하부에 배치되는 다수의 금속 박막 필름들은 그 배치 형태가 동일하거나 상이할 수 있다.
한편, 상기 금속 박막 필름들은 스테인레스계 강판을 띠 형상으로 슬릿한 후, 곡선형 요철이 음각된 금형을 이용하여 스탬핑하여 형성된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 곡선형 요철 패턴이 형성된 다수의 금속 박막 필름을 평행하게 배치하여 가스 유로를 형성함으로써, 길이 방향뿐 아니라, 폭 방향으로도 가스 유로가 형성되기 때문에 전기 화학적 반응이 전체적으로 균일하게 발생할 수 있으며, 결과적으로 공급되는 연료 가스의 이용율을 향상시키는 효과를 가져온다.
또한, 본 발명과 같이 금속 박막 필름들을 이용하여 가스 유로를 형성할 경우, 금속 박막 필름들의 배치 간격 또는 곡선형 요철 패턴의 피치 등을 매우 다양하게 조절할 수 있으므로, 최적화된 가스 유동 분배를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 분리판은 가스 유로를 금속 박막 필름으로 형성하기 때문에, 구성요소 간의 기계적 공차 흡수율이 상대적으로 높아 접촉 손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래의 연료 전지용 분리판의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지용 분리판의 일 구현예를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 금속 박막 필름의 일 구현예를 보여주는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 하기 도면은 본 발명의 이해를 원활하게 하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위가 도면에 기재된 범위로 한정되는 것은 아니다. 또한 하기 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 발명의 원활한 이해를 위해 일부 구성요소가 과장, 축소 또는 생략되어 표현될 수 있다.
도 2에는 본 발명의 연료 전지용 분리판의 다양한 구현예들이 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료 전지용 분리판은 입측 매니폴드(10a)와 출측 매니폴드(10b)가 형성된 본체 평판(10) 및 상기 본체 평판(10)의 적어도 일면 상에 적층되는 다수의 금속 박막 필름(20)을 포함한다.
상기 본체평판(10)은 판재로서 일측에 형성된 입측 매니폴드(10a)를 통해 수소가 포함된 연료가스 또는 산소가 포함된 공기가 인입되며, 타측에 형성된 출측 매니폴드(10b)를 통해 상기 연료가스 또는 공기가 배출된다. 여기에서, 상기 연료가스 또는 공기를 '가스'로 지칭하기로 한다. 상기 본체평판(10)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니나, 내식성 및 강도가 우수한 스테인레스 강을 이용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 금속 박막 필름(20)은 가스 유로를 형성하기 위한 것으로, 상기 입측 매니폴드와 출측 매니폴드 사이에 평행하게 배치된다. 이때, 상기 금속 박막 필름(20)은 일 방향, 예를 들면, 분리판의 폭 방향을 따라 길게 연장된 띠 형상의 필름인 것이 바람직하다. 이때, 상기 폭 방향은, 도 2에 도시된 바와 같이, 본체 평판(10)의 종 방향을 의미한다. 또한, 길이 방향은 상기 폭 방향에 수직한 방향, 즉, 횡 방향을 의미한다.
한편, 도 3에는 본 발명의 금속 박막 필름(20)의 일례가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 금속 박막 필름(20)은 주기적으로 형성된 다수의 곡선형 요철을 포함한다. 상기 곡선형 요철은 산부(22) 및 골부(24)가 교대로 형성된 형태로 형성되며, 상기 곡선형 요철에 의해 가스 유로가 형성된다. 한편, 본 발명에서, 상기 곡선형 요철의 주기(P)는 산부에서 산부까지의 거리, 또는 골부에서 골부까지의 거리를 의미하며, 상기 곡선형 요철의 높이(H)는 골부에서 산부까지의 거리를 의미한다.
상기와 같은 금속 박막 필름(20)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는, 내식성 및 강도가 스테인레스계 강으로 이루어질 수 있으며, 예를 들면, 스테인레스계 강판을 띠 형상으로 슬릿한 후, 곡선형 요철이 음각된 금형을 이용하여 스탬핑함으로써 제조될 수 있다.
본 발명과 같이, 곡선형 요철이 형성된 다수의 금속 박막 필름(20)을 이용하여 가스 유로를 형성할 경우, 금속 박막 필름의 폭이나, 배치 간격 또는 사용되는 금속 박막 필름의 요철 형상, 폭, 높이, 피치 등을 조절함으로써, 매우 다양한 형태의 가스 유로를 형성할 수 있다.
예를 들면, 본 발명에 있어서, 상기 다수의 금속 박막 필름(20)들은, 이로써 한정되는 것은 아니나, 이웃한 금속 박막 필름들의 곡선형 요철의 산부(22)가 서로 엇갈리도록 배치될 수 있다. 금속 박막 필름들이 이와 같이 배치될 경우, 가스 혼합이 잘 일어나 가스 유동을 보다 균일화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 금속 박막 필름을 서로 이격되게 배치하여 가스 유로를 형성할 경우, 길이 방향(횡 방향)뿐 아니라, 폭 방향(종 방향)으로도 가스 유로가 형성되게 된다. 보다 구체적으로는, 상기 금속 박막 필름의 요철을 통해 입측 매니폴드에서 출측 매니폴드 측으로 길이 방향의 가스 유로가 형성되고, 상기 금속 박막 필름간의 간격에 의해 폭 방향의 가스 유로가 형성되게 된다. 이와 같이, 본 발명의 분리판의 경우, 길이 방향과 폭 방향으로 모두 가스 유로가 형성되기 때문에 길이 방향으로만 가스 유로가 형성되었던 종래의 분리판에 비해 가스 혼합이 잘 일어나 가스 유동을 보다 균일화할 수 있다.
한편, 본 발명에서 사용되는 상기 금속 박막 필름의 폭이나 금속 박막 필름 사이의 간격 또는 곡선형 요철의 피치나 높이 등은 특별히 제한되지 않으며, 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 상기 금속 박막 필름은 그 폭이 1mm 내지 5mm 정도일 수 있으며, 금속 박막 필름 간의 간격은 0.2mm 내지 0.5mm 정도일 수 있다. 또한, 상기 금속 박막 필름의 곡선형 요철의 피치(P)는 1mm 내지 3mm 정도일 수 있으며, 상기 곡선형 요철의 높이는 0.5mm 내지 3mm 정도일 수 있다.
한편, 하나의 분리판에 사용되는 다수의 금속 박막 필름들은 금속 박막 필름들의 폭, 이격 간격 또는 요철의 피치 등이 서로 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 이와 같이 본 발명의 분리판은 금속 박막 필름들의 폭이나 이격 간격, 요철의 피치 등을 다양하게 구성할 수 있으므로, 가스 유로의 형상을 매우 다양하게 형성할 수 있으며, 이로 인해 최적의 가스 유동 분배를 구현할 수 있다.
기존의 분리판에서는 가스유로의 패턴이 균일하기 때문에, 전기화학적 반응이 입측 매니폴드(10a) 측에서 집중적으로 활발하게 이루어지고, 출측 매니폴드(10b) 측으로 갈수록 점차적으로 감소하였다. 즉, 반응가스가 유입되어 유동이 시작되는 부분인 입측 매니폴드(10a) 측에서 전기화학적 반응이 먼저 일어나기 때문에 집중적으로 발생하며, 출측 매니폴드(10b) 측으로 갈수록 미반응 가스가 줄어듦으로써 전기화학적 반응이 감소하게 된다. 아울러, 가스 유로의 전체적인 부분에서 일어나는 전기화학적 반응에 의한 열이 가스의 유동에 따라 출측 매니폴드(10b) 측으로 이동되어 모여짐에 따라, 출측 매니폴드(10b) 측에 고열부가 발생하게 되는데, 이로 인하여 분리판에서의 열응력분포 불균일을 초래함으로써 분리판의 변형 또는 손상을 야기하게 된다.
그러나, 본 발명과 같이 금속 박막 필름을 사용하여 가스 유로를 형성할 경우, 가스 유로의 형태를 매우 자유롭게 변형시킬 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 박막 필름으로 곡선형 요철의 피치가 서로 다른 2종류 이상의 금속 박막 필름들을 준비하고, 입측 매니폴드 측에 상대적으로 작은 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름들을 배치하고, 출측 매니폴드 측에 상대적으로 큰 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름들을 배치할 수 있다. 또는 이와 반대로, 입측 매니폴드 측에 상대적으로 큰 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름들을 배치하고, 출측 매니폴드 측에 상대적으로 작은 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름을 배치할 수도 있다.
전자의 경우, 입측 매니폴드 측에는 상대적으로 폭이 좁은 가스 유로가 형성되게 되며, 출측 매니폴드 측에는 상대적으로 폭이 넓은 가스 유로가 형성되게 된다. 이 경우 출측 매니폴드 측으로 갈수록 가스 유량이 커지게 되므로, 출측 매니폴드 측에 가스의 양이 더 많아지게 되고, 이로 인해 쿨링 효과가 발생하여 열 응력을 균일하게 분포하도록 할 수 있다.
후자의 경우에는 입측 매니폴드 측에 상대적으로 폭이 넓은 가스 유로가 형성되게 되며, 출측 매니폴드 측에 상대적으로 폭이 좁은 가스 유로가 형성되게 되며, 이 경우, 출측 매니폴드 측으로 갈수록 가스의 유속이 빨라지게 된다. 이와 같이 가스의 유속이 빨라지면, 반응이 완료된 가스가 외부로 빨리 빠져나가게 되어 가스 성분 분포를 비교적 균일하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같이 금속 박막 필름의 요철 피치를 조절하는 방법 이외에도 금속 박막 필름의 폭이나 이격 간격 등을 조절하는 등의 방법으로 가스 유로의 형상을 조절할 수 있다.
또한, 상기 분리판은 상기 본체 평판의 일면(상면)과 타면(하면)에 각각 다수의 금속 박막 필름들을 배치할 수도 있다. 이때 상기 본체 평판의 일면에 배치되는 다수의 금속 박막 필름들과 타면에 배치되는 다수의 금속 박막 필름들은 그 배치 간격 및 형상 등이 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 분리판은 본체 평판의 공기극 측에 배치되는 면에는, 입측 매니폴드 측에 상대적으로 작은 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름들을 배치하고, 출측 매니폴드 측에 상대적으로 큰 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름들을 배치하고, 본체 평판의 연료극 측에 배치되는 면에는 입측 매니폴드 측에 상대적으로 큰 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름들을 배치하고, 출측 매니폴드 측에 상대적으로 작은 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름을 배치하는 형태로 구성할 수 있다. 이 경우, 공기극 측 면에서는 쿨링 효과를 얻을 수 있고, 연료극 측 면에서는 가스 성분 분포를 균일화하는 효과를 얻을 수 있다.
다만, 상기 금속 박막 필름의 배치 형태는 본 발명의 예시에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 예시한 배치 형태 이외에도 다양한 변형이 가능하며, 이러한 변형들은 모두 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 본체평판
10a : 입측 매니폴드
10b : 출측 매니폴드
20 : 금속 박막 필름
22 : 산부
24 : 골부

Claims (9)

  1. 입측 매니폴드와 출측 매니폴드가 형성된 본체 평판; 및
    상기 입측 매니폴드와 출측 매니폴드 사이에 평행하게 배치되어 가스 유로를 형성하는 다수의 금속 박막 필름들을 포함하며,
    상기 금속 박막 필름은 주기적으로 형성된 다수의 곡선형 요철을 포함하는 것인 연료 전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 금속 박막 필름들은 곡선형 요철의 피치(pitch)가 서로 동일하거나 상이한 것인 연료 전지형 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 금속 박막 필름들은 폭 또는 이격 간격이 서로 동일하거나 상이한 것인 연료 전지형 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 금속 박막 필름들은 이웃한 금속 박막 필름들의 곡선형 요철의 산부가 서로 엇갈리도록 배치되는 것인 연료 전지형 분리판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입측 매니폴드 측에 상대적으로 작은 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름을 배치하고, 상기 출측 매니폴드 측에 상대적으로 큰 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름을 배치하는 것인 연료 전지형 분리판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 입측 매니폴드 측에 상대적으로 큰 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름을 배치하고, 상기 출측 매니폴드 측에 상대적으로 작은 피치의 곡선형 요철을 갖는 금속 박막 필름을 배치하는 것인 연료 전지형 분리판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분리판은 상기 본체 평판의 일면 및 타면에 각각 다수의 금속 박막 필름들을 포함하는 것인 연료 전지형 분리판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 본체 평판의 일면에 배치되는 다수의 금속 박막 필름들과 타면에 배치되는 다수의 금속 박막 필름들은 그 배치 형태가 서로 동일하거나 상이한 것인 연료 전지형 분리판.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 박막 필름들은 스테인레스계 강판을 띠 형상으로 슬릿한 후, 곡선형 요철이 음각된 금형을 이용하여 스탬핑하여 형성된 것인 연료 전지형 분리판.
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