KR101637630B1 - 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 - Google Patents

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Abstract

막전극 접합체의 양측에 배치되는 가스 확산층에 압착 결합되어 연료 가스 또는 공기를 공급하는 연료 전지용 분리판에 있어서, 상기 양측의 가스 확산층 중 하나에 공급될 연료 가스가 유동하는 연료 가스 채널; 및 상기 양측의 가스 확산층 중 다른 하나에 공급될 산소가 유동하는 산소 채널을 포함하고, 상기 연료 가스의 유동 방향과 상기 산소의 유동 방향이 상이하며, 상기 산소 채널 및 상기 연료 가스 채널의 적어도 일부분의 높이가 나머지 부분의 높이와 상이한 것을 특징으로 하는 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택이 소개된다.

Description

연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택{Fuel cell separator and fuel cell stack including the same}
본 발명은 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분리판의 채널 높이를 조정함으로써 연료 전지 스택의 출력을 향상시킬 수 있는 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다. 연료 전지 스택은 다수의 단위 전지들을 연속적으로 적층하여 구성되는 바, 각각의 단위 전지는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 분리판(separator)을 구비하여 이루어진다.
여기서, 단위 전지들의 막-전극 어셈블리와 분리판 사이에는 이들 막-전극 어셈블리와 분리판 사이의 기밀을 유지하기 위한 가스켓을 형성하고 있다. 그리고, 각각의 분리판에는 연료 및 공기를 막-전극 어셈블리로 공급하거나 배출하고, 반응 부산물인 수분을 배출함과 아울러 냉각수와 같은 냉각 매체를 유동시키기 위한 복수의 매니폴드들을 형성하고 있다.
연료 전지에 사용되는 분리판은 주로 흑연을 기계 가공하거나, 금속의 판재를 금형과 프레스 기기를 사용하여 제작한다. 기계 가공시 원하는 형상을 다양하게 구현할 수 있지만, 제조 단가가 증가하고, 분리판의 두께를 얇게 만들기가 어려워 양산성이 떨어진다. 금형을 이용한 프레스 성형은 다양한 형상을 구현하기는 어려우나 얇은 판재를 이용하여 분리판의 두께 및 크기를 크게 감소시킬 수 있으며 대량 생산이 가능하여 현재 많은 연료 전지 제작 업체에서 사용하고 있다.
그러나, 복잡한 형상의 구현이 어렵게 때문에 기본적인 채널의 형상과 유로 패턴은 거의 유사한 형태를 가지고 있다. 평평한 금속의 얇은 편재에 양각, 음각을 통해 반응 기체가 분재되는 유로를 형성하고 그 반대면은 냉각수 혹은 다른 기체가 흐르도록하여 분리판이 유로의 역할을 수행하도록 한다. 유로 채널의 단면은 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 등의 단면을 가지게 되며, 유로의 분배 구조는 조금씩은 다르지만 반응 기체의 공급 매니폴드로부터 배출 매니폴드까지 긴 터널 형태의 유로를 갖는 것이 일반적이다. 반응 기체의 유동 방향과 전기 화학 반응이 일어나는 촉매층은 수직으로 위치하고 있어, 기체 확산층(Gas Diffusion Layer : GDL)을 통해 촉매층까지의 물질 전달은 유로 채널의 입출구 압력차 및 채널과 촉매층의 농도차에 따른 확산에 의해서만 이루어지고 있다. 이는 반응 기체를 필요로 하는 부분으로 공급하는 개념으로 보았을 때 수동적인 전달 방식이 되며, 필요한 양을 전달하기 위해서는 반응 기체를 과급하거나 도는 채널의 압력을 높이는 방법이 부가적으로 요구된다. 또한, 이러한 방식으로 반응 기체를 전달하는 경우 유로 채널의 출구부에서는 전기 화학 반응에 필요한 반응 기체가 촉매층으로 잘 전달되지 못해 출력의 손실을 가져오거나 도는 기체 확산층 내에 존재하는 수분을 효과적으로 제거하지 못하는 문제점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 분리판의 채널 높이를 조정함으로써 연료 전지 스택의 출력을 향상시킬 수 있는 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 분리판은, 막전극 접합체의 양측에 배치되는 가스 확산층에 압착 결합되어 연료 가스 또는 공기를 공급하는 연료 전지용 분리판에 있어서, 상기 양측의 가스 확산층 중 하나에 공급될 연료 가스가 유동하는 연료 가스 채널; 및 상기 양측의 가스 확산층 중 다른 하나에 공급될 산소가 유동하는 산소 채널을 포함하고, 상기 연료 가스의 유동 방향과 상기 산소의 유동 방향이 상이하며, 상기 산소 채널 및 상기 연료 가스 채널의 적어도 일부분의 높이가 나머지 부분의 높이와 상이한 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 산소 채널 및 상기 연료 가스 채널의 입구부의 높이보다 출구부의 높이가 더 낮은 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 연료 가스 채널 및 산소 채널의 높이는 입구부로부터 출구부까지 일정한 기울기를 가지고 감소하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 연료 가스 채널 및 산소 채널에 각각 접하는 복수의 냉각 채널을 더 포함하고, 상기 냉각 채널은 상기 산소 채널 및 상기 연료 가스 채널의 높이 변화에 대응하여 형상이 변화하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 연료 가스 채널 및 산소 채널에 각각 접하는 복수의 냉각 채널을 더 포함하고, 상기 냉각 채널의 단면적은 상기 산소 채널 및 상기 연료 가스 채널의 적어도 일부분의 높이의 변화에 따라 변하지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 연료 가스 채널 및 산소 채널의 높이는 입구부에서부터 기설정된 제1 부분까지 그리고 출구부에서 기설정된 제2 부분 이전부터 출구부까지 일정한 기울기를 가지고 감소하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 높이가 감소되는 부분을 제외한 나머지 부분의 연료 가스 채널 및 산소 채널의 높이는 일정한 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 연료 가스 채널 및 상기 산소 채널은 각각의 출구부 위치하는 방해판을 포함하고, 상기 방해판의 높이에 따라 상기 산소 채널 및 상기 연료 가스 채널에서 상기 산소 및 연료 가스가 유동가능한 채널의 높이가 가변되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 상기 연료 전지 분리판을 포함할 수 있다.
애노드 측의 분리판과 캐소드 측의 분리판 채널이 맞닿는 부분에서 채널들의 높이를 변화시킴으로써 냉각 채널이 이에 매칭하도록 구성하여 기존의 냉각 채널 컨셉을 그대로 유지하면서도 채널의 높이를 변화시킬 수 있다.
채널의 높이를 변화시킴으로써 채널의 단면적도 변화되고, 단면적이 작은 부분을 통과하기 위해 산소 또는 연료 가스의 유속이 빨라지게 되며, 채널을 유동하기 위한 압력 소모도 증가한다. 이를 통해 채널로부터 기체 확산층으로의 확산을 증가시킬 수 있고, 따라서 채널의 높이가 낮은 부분에서의 반응 기체 농도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
일 예로 채널들의 출구부에서의 높이가 낮은 경우, 출구부의 촉매층에서 반응기체 농도가 증가하게 되고, 따라서 고전류 구간에서 전기 화학 반응에 의해 소모되는 반응 기체의 공급이 더 원활해지므로 농도 손실이 줄어들게 되고, 한계 전류 밀도 값은 증가하게 된다.
동일한 연료 전지 셀에서의 최대 출력 값이 증가함에 따라 동일한 스택 부피에서 출력 밀도가 개선된다. 즉, 연료 전지 스택의 전체 부피를 줄이면서 동일한 출력 성능을 나타내도록 할 수 있어 연료 전지 스택을 소형화시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 분리판에 대한 도면이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 분리판에 대한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료 전지 분리판에 대한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택에 대하여 살펴본다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 분리판에 대한 도면이다. 연료 전지 스택은 수소 이온이 이동하는 전해질 막을 중심으로 막의 양쪽에 전기 화학 반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 MEA(Membrane Electrode Assembly)와, 반응 기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 가스 확산층(60, Gas Diffusion Layer : GDL), 반응 기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결 기구와, MEA의 양측에 배치되는 가스 확산층(60)에 압착 결합되어 반응 기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판(10)으로 구성된다.
연료 전지 단위 셀은 MEA와 분리판(10)을 포함하며, 이러한 연료 전지 단위 셀들이 적층되어 연료 전지 스택을 이룬다. 분리판(10)은 양측의 가스 확산층(60) 중 하나에, 그리고 결과적으로 MEA에 연료를 공급할 수 있는 연료 가스 채널(24), 양측의 가스 확산층(60) 중 다른 하나에 그리고 결과적으로 MEA에 공기를 공급할 수 있는 산소 채널(22) 및 연료 가스 채널(24) 및 산소 채널(22)을 냉각시키기 위한 냉각 매체가 유동하는 냉각 채널(26)을 포함할 수 있다. 상기 산소 채널(22), 연료 가스 채널(24) 및 냉각 채널(26)은 그 단면이 다각형일 수 있다. 도 1a를 참조하면, 분리판(10)은 복수의 매니폴드를 포함할 수 있고, 구체적으로 연료 가스 공급 매니폴드(30), 냉각수 공급 매니폴드(40), 산소 공급 매니폴드(50), 연료 가스 배출 매니폴드(35), 냉각수 배출 매니폴드(45) 및 산소 배출 매니폴드(55)를 포함할 수 있다. 연료 가스 공급/배출 매니폴드(30, 35)의 위치는 산소 공급/배출 매니폴드(50, 55)의 위치와 서로 바뀔 수 있다.
즉, 산소와 냉각수의 공급 매니폴드가 동일 방향에, 연료 가스의 공급 매니폴드가 반대 방향에 위치될 수 있다. 연료 가스 채널(24) 내의 연료 가스 유동 방향과 산소 채널(22) 내의 산소의 유동 방향은 상이하며, 일 예로 반대 방향일 수 있다.
산소와 연료 가스의 공급 매니폴드에서부터 산소 채널(22) 및 연료 가스 채널(24)이 분기되며, 산소 채널(22) 및 연료 가스 채널(24)의 적어도 일부분의 높이는 나머지 부분의 높이와 상이할 수 있다.
구체적으로, 도 2b에 도시된 바와 같이 산소 채널(22) 및 연료 가스 채널(24)의 입구부의 높이보다 출구부의 높이가 더 낮게 형성될 수 있다. 이때, 연료 가스 채널(24) 및 산소 채널(22)의 높이는 입구부로부터 출구부까지 일정한 기울기를 가지고 감소할 수 있다. 즉, 입구부에서 출구부까지 동일한 각도를 가지면서 채널의 높이가 감소하도록 연료 가스 채널(24) 및 산소 채널(22)이 형성될 수 있다. 출구부를 지나서 다시 연료 가스 채널(24) 및 산소 채널(22)들이 합쳐져 각각의 배출 매니폴드들로 나가는 부분의 채널 높이는 종래의 채널 높이와 동일할 수 있다.
즉, 분기를 위한 채널은 그대로 유지하고, 반응이 일어나는 반응 영역에서의 채널 높이를 변화시키며, 다시 매니폴드로 연결되는 영역에서는 채널의 높이를 그대로 유지함으로써 연료 전지 단위 셀 당 피치는 그대로 유지할 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 냉각 채널(26)의 단면은 육각형 형태를 유지하며, 산소 채널(22)과 연료 가스 채널(24)의 높이에 따라 그 형상이 변화할 수 있다. 즉, 도 1b의 A-A', B-B' 및 C-C'를 기준으로 냉각 채널(26)의 단면이 도 1c에 도시되어 있으며, A-A' 단면에 따른 냉각 채널(26)의 형상은 육각형의 윗부분이 좁고 아랫부분이 넓은 형상을 가지며, B-B' 단면에 따른 냉각 채널(26)의 형상은 기존과 동일하게 윗부분과 아랫부분이 동일하고, C-C' 단면에 따른 냉각 채널(26)의 형상은 윗부분이 넓고 아랫부분이 더 좁은 형상을 가진다. 그러나, 전체 냉각 채널(26)의 단면적은 거의 변화하지 않는다.
채널(22, 24)들의 출구부에서의 높이가 낮은 경우, 출구부의 촉매층에서 반응기체 농도가 증가하게 되고, 따라서 고전류 구간에서 전기 화학 반응에 의해 소모되는 반응 기체의 공급이 더 원활해지므로 농도 손실이 줄어들게 되고, 한계 전류 밀도 값은 증가하게 된다. 또한 동일한 연료 전지 셀에서의 최대 출력 값이 증가함에 따라 동일한 스택 부피에서 출력 밀도가 개선된다. 즉, 연료 전지 스택의 전체 부피를 줄이면서 동일한 출력 성능을 나타내도록 할 수 있어 연료 전지 스택을 소형화시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 분리판에 대한 도면이다. 도 2a 내지 도 2b에 따른 분리판은 전체 직선 채널부의 입구측과 출구측에만 상이한 높이를 갖는 채널을 포함하도록 구성되어 있음을 알 수 있다. 즉 도 1a는 전체 직선 채널부의 전체가 일정한 기울기를 가지고 상이한 높이를 갖는 채널들로 형성되어 있는 반면, 도 2a에는 입구부와 출구부측에만 그 채널의 높이가 상이하게 구성되어 있음을 알 수 있다.
구체적으로 연료 가스 채널(24) 및 산소 채널(22)의 높이는 입구부에서부터 기설정된 제1 부분까지 그리고 출구부에서 기설정된 제2 부분 이전부터 출구부까지 일정한 기울기를 가지고 감소할 수 있다. 즉, 도 2b에 도시된 바와 같이, 연료 가스 채널(24)과 산소 채널(22)의 높이는 입구부에서 증가하여 일정한 기울기를 가지고 기존 채널의 높이를 갖게 되는 기설정된 제1 부분까지 감소하며, 기존 채널의 높이로 유지되다가 출구부로부터 기설정된 제2 부분 이전부터 시작하여 출구부까지 일정한 기울기를 가지고 감소한다. 출구부 이후에는 다시 기존 채널의 높이로 복귀된다. 입구부로부터 감소되는 채널의 높이의 감소 기울기와 출구부로부터 일정부분 이전부터 감소되는 채널의 높이 감소 기울기는 동일할 수 있다. 높이가 감소되는 부분을 제외한 나머지 부분의 연료 가스 채널(24) 및 산소 채널(22)의 높이는 일정할 수 있다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료 전지 분리판에 대한 도면이다. 도 3a와 같이 분리판(10)에는 산소 채널(22) 및 연료 가스 채널(24)에서 산소 및 연료 가스가 유동가능한 채널의 높이를 변화시키기 위해 방해판(70)이 형성될 수 있다. 도 3b를 참조하면, 이러한 방해판(70)은 산소 채널(22) 및 연료 가스 채널(24)의 출구부측에 형성되어, 산소 및 연료 가스가 유동가능한 채널의 높이를 가변시킬 수 있다. 즉, 채널(22, 24)의 의미를 연료 가스 및 산소가 유동할 수 있는 공간으로 본다면, 채널(22, 24)의 높이가 방해판(70)에 의해 조정되어, 채널(22, 24)의 단면적도 변화되고, 단면적이 작은 부분을 통과하기 위해 산소 또는 연료 가스의 유속이 빨라지게 되며, 채널(22, 24)을 유동하기 위한 압력 소모도 증가한다. 이를 통해 채널(22, 24)로부터 가스 확산층(60)으로의 확산을 증가시킬 수 있고, 따라서 채널(22, 24)의 높이가 낮은 부분에서의 반응 기체 농도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
21 : MEA 30 : 연료 전지 분리판
40 : 제1 채널판 41 : 제1 유로 채널
50 : 제2 채널판 51 : 제2 유로 채널
60 : 냉각 채널 70 : 분할 핀

Claims (9)

  1. 막전극 접합체의 양측에 배치되는 가스 확산층에 압착 결합되어 연료 가스 또는 공기를 공급하는 연료 전지용 분리판에 있어서,
    상기 양측의 가스 확산층 중 하나에 공급될 연료 가스가 유동하는 연료 가스 채널; 및
    상기 양측의 가스 확산층 중 다른 하나에 공급될 산소가 유동하는 산소 채널을 포함하고,
    상기 연료 가스의 유동 방향과 상기 산소의 유동 방향이 상이하며, 상기 산소 채널 및 상기 연료 가스 채널의 적어도 일부분의 높이가 나머지 부분의 높이와 상이하고, 상기 산소 채널 및 상기 연료 가스 채널의 입구부의 높이보다 출구부의 높이가 더 낮은 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 분리판.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 가스 채널 및 산소 채널의 높이는 입구부로부터 출구부까지 일정한 기울기를 가지고 감소하는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료 가스 채널 및 산소 채널에 각각 접하는 복수의 냉각 채널을 더 포함하고,
    상기 냉각 채널은 상기 산소 채널 및 상기 연료 가스 채널의 높이 변화에 대응하여 형상이 변화하는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 분리판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료 가스 채널 및 산소 채널에 각각 접하는 복수의 냉각 채널을 더 포함하고,
    상기 냉각 채널의 단면적은 상기 산소 채널 및 상기 연료 가스 채널의 적어도 일부분의 높이의 변화에 따라 변하지 않는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 분리판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료 가스 채널 및 산소 채널의 높이는 입구부에서부터 기설정된 제1 부분까지 그리고 출구부에서 기설정된 제2 부분 이전부터 출구부까지 일정한 기울기를 가지고 감소하는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 분리판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 높이가 감소되는 부분을 제외한 나머지 부분의 연료 가스 채널 및 산소 채널의 높이는 일정한 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 분리판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료 가스 채널 및 상기 산소 채널은 각각의 출구부에 위치하는 방해판을 포함하고,
    상기 방해판의 높이에 따라 상기 산소 채널 및 상기 연료 가스 채널에서 상기 산소 및 연료 가스가 유동가능한 채널의 높이가 가변되는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 분리판.
  9. 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 분리판을 포함하는,
    연료 전지 스택.
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