KR101836648B1 - 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀 - Google Patents

Abstract

복수개의 유로들; 및 상기 유로들의 일측벽과 타측벽에 반응가스가 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 포함하는 연료전지 반응면으로 유출입할 수 있도록 형성된 입구홀과 출구홀;을 포함하며, 상기 입구홀의 크기는 상기 출구홀의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판이 소개된다.

Description

연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀{SEPARATOR OF FUEL CELL}

본 발명은 연료전지로 공급되는 반응가스의 유동을 활성화시켜 연료전지의 반응효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀에 관한 것이다.

최근 화석 연료의 고갈 및 환경 오염의 문제로 인하여 대체 어네지에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 수소와 산소의 반응으로 전기를 발생시키는 연료전지의 경우 원료를 쉽게 구할 수 있고, 환경오염의 문제가 거의 없다는 점에서 대체에너지원으로 각광받고 있다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변호나시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동영 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.

이러한 연료전지의 예로 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체, 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층, 반응기체들 및 냉가수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판을 포함하여 구성된다.

연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 공기가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드와 캐소드로 각각 공급되는데 수소는 애노드로 공급되고 공기는 캐소드로 공급된다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매레 의해 수소 이온과 전자로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

이에 따라 일반적으로 분리판은 분리판과 기체확산층이 맞닿는 면인 랜드와 유체(반응가스와 냉각수를 포함)의 흐름 경로가 되는 유로가 반복적으로 굴곡된 구조로 되어 있기 때문에 기체확산층과 마주보는 일면쪽의 유로는 수소 또는 공기와 같은 반응가스가 흐르는 공간으로 활용되고, 동시에 반대쪽 유로는 냉각수가 흐르는 공간으로 활용됨에 따라, 수소/냉각수 유로를 갖는 분리판 1장과, 공기/냉각수 유로를 갖는 분리판 1장 등 총 2장의 분리판으로 구성되게 된다.

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.

KR 2009-0096774 A

본 발명은 반응가스가 유동하는 유로의 입구홀과 출구홀의 크기에 차이를 통해 반응가스의 유동속도를 빠르게 증가시켜 연료전지의 반응효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 분리판은 복수개의 유로들; 및 상기 유로들의 일측벽과 타측벽에 반응가스가 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 포함하는 연료전지 반응면으로 유출입할 수 있도록 형성된 입구홀과 출구홀;을 포함하며, 상기 입구홀의 크기는 상기 출구홀의 크기보다 큰 것을 특징으로 한다.

상기 입구홀과 출구홀은 각각 유로의 길이방향에 수직방향으로 유출입되는 반응가스의 유동이 상기 반응면측으로 유도될 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 입구홀과 상기 출구홀은 상기 유로의 길이방향으로 복수개 형성되며, 상기 입구홀과 상기 출구홀의 중심은 서로 일치하지 않는 것을 특징으로 한다.

상기 입구홀의 중심은 상기 출구홀의 중심보다 상기 반응면으로부터 상방에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 입구홀과 상기 출구홀의 홀형상은 서로 상이한 것을 특징으로 한다.

상기 입구홀의 홀형상은 직사각형 형상이며, 상기 출구홀의 홀형상은 타원 형상인 것을 특징으로 한다.

상기 출구홀의 장축과 단축의 길이는 상구 입구홀의 장축과 단축 길이의 1/2 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 분리판은 요철 형상으로 절곡되며 상기 일측벽은 반응가스가 유입되는 측의 경사면에 해당되고, 상기 타측벽은 반응가스가 배출되는 측의 경사면에 해당되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지 분리판은 복수개의 유로들; 상기 유로들의 일측벽과 타측벽에 반응가스가 유출입할 수 있도록 형성된 입구홀과 출구홀;을 포함하며, 반응가스가 유입되는 유로 상류측의 상기 입구홀의 크기는 상기 출구홀의 크기보다 큰 것을 특징으로 한다.

반응가스가 배출되는 유로 하류측의 상기 입구홀과 상기 출구홀의 크기 차이는 상기 유로 상류측의 입구홀과 출구홀의 크기 차이보다 작은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지 셀은 복수개의 유로로 구성되며, 상기 유로들의 일측벽과 타측벽에 반응가스가 유출입할 수 있도록 마련된 입구홀과 출구홀을 포함하고, 상기 입구홀의 크기는 상기 출구홀의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판; 및 상기 분리판의 하측면과 막전극접합체 사이에 마련되어 상기 입구홀로부터 유입되는 반응가스를 활성화시켜 막전극접합체로 이동시키는 기체확산층;을 포함한다.

본 발명에 따를 경우 반응가스가 배출되는 출구홀의 크기가 유입되는 입구홀보다 작게 형성됨으로써 유로내에서 반응가스의 유동속도가 점차 증가하게 되어 반응가스의 유동 교란을 촉진시켜 반응가스와 기체확산층간 접촉이 활발해져 연료전지 반응효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 화학 반응에 의하여 생성된 생성수의 배출도 원활하게 될 수 있도록 하며, 입구홀과 출구홀의 홀형상 조절을 통해 연료전지 효율을 극대화시킬 수 있도록 셀 내부 차압을 유지할 수 있다.

도 1은 종래 기술과 본 발명에 따른 연료전지 분리판 형상 비교도
도 2는 종래 기술과 본 발명에 따른 연료전지 분리판 입구홀과 출구홀 크기 비교도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분리판 입구홀과 출구홀 형상 비교도
도 4는 종래 기술과 본 발명에 따른 연료전지 분리판 내 반응가스 유동 비교도
도5은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 유로 상류측과 하류측 입구홀과 출구홀 크기 비교도

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명에서 제시하고 있는 연료전지 분리판(10)은 복수개의 유로들; 및 상기 유로들의 일측벽과 타측벽에 반응가스가 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 포함하는 연료전지 반응면으로 유출입할 수 있도록 형성된 입구홀(12)과 출구홀(14);을 포함하며, 상기 입구홀(12)의 크기는 상기 출구홀(14)의 크기보다 크며 상기 입구홀(12)과 출구홀(14)은 각각의 유로들로 유입되는 반응가스가 상기 유로들의 수직방향으로 유동될 수 있도록 형성된다.

도1 (b)에서 본 발명에 따른 연료전지 분리판(10)을 도시하고 있으며, 본 발명의 특징에 대한 이해를 돕기 위하여 도1 (a)에서 종래 기술에 따른 연료전지 분리판(10)을 도시하고 있다. 본격적으로 종래기술과 본 발명에 따른 분리판(10)을 비교하기에 앞서 여기서의 종래 기술이라함은 통상의 기술자에게 공지된 기술이 아닐 수 있다는 것을 밝힌다.

도1에서 도시하고 있는 분리판(10)은 모두 다공체 분리판(10)으로써 연료전지 유로의 길이방향에 따라 반응가스가 유동하는 것이 아니라 연료전지 분리판(10) 유로의 일측벽과 타측벽에 형성된 홀을 통하여 반응가스가 유동하는 구조이다. 도1 (a)의 분리판(10) 구조는 종래 기술에 의한 다공체 분리판(10) 구조로 입구홀(12)과 출구홀(14)의 크기가 동일한 구조에 해당한다. 반면에 도1 (b) 분리판(10) 구조는 도시되어 있는 바와 같이 반응가스가 유동하는 입구홀(12)과 출구홀(14)의 크기가 다르다. 즉, 입구홀(12)의 크기가 출구홀(14)의 크기보다 큰 구조를 가지는 것이다.

분리판(10) 입구홀(12)과 출구홀(14)의 크기를 보기 쉽게 하기 위해 종래기술과 본 발명에 따른 분리판(10)을 측면에서 본 구조를 도시한 것이 도2이다. 도2에 도시된 분리판(10)은 본 발명의 일 실시 예로써 분리판(10)은 요철 형상으로 절곡되며 앞서 언급한 입구홀(12)이 형성되는 분리판(10)의 일측벽은 반응가스가 유입되는 측의 경사면에 해당되고, 출구홀(14)이 형성되는 분리판(10)의 타측벽은 반응가스가 배출되는 측의 경사면에 해당되는 구조이다.

구체적으로 도2 (a), (b)의 위에 도시된 분리판(10)의 형상이 입구홀(12) 측의 측면도에 해당하며 아래에 도시된 분리판(10)의 형상이 출구홀(14) 측의 측면도에 해당한다. 따라서 이를 바탕으로 도2 (a)의 위, 아래 도면을 비교해보면 종래기술의 입구홀(12)과 출구홀(14)은 분리판(10)이 절곡된 위치가 비슷하므로 입구홀(12)과 출구홀(14)의 크기는 동일하거나 혹은 큰 차이가 없다고 볼 수 있다. 그러나 도2 (b)에서 도시하고 있는 본 발명에 따른 분리판(10)은 입구홀(12)의 크기는 종래기술에 따른 분리판(10)의 입구홀(12) 크기와 비슷하나 출구홀(14)의 크기가 종래기술에 비해 더 작은 것을 확인할 수 있다.

이처럼 입구홀(12)과 출구홀(14)의 크기차이를 두는 이유는 분리판(10) 유로를 유동하는 유동가스의 유동 속도를 증가시켜 유동 교란을 촉진시키고 이를 통해 연료전지의 반응효율을 상승시킴과 동시에 화학반응에 의해 생성된 생성수를 원활하게 배출시키기 위함이다.

주지된 바와 같이 동일한 유량이 이동하는 입구홀(12)과 출구홀(14)의 단면적과 유체이동속도의 곱은 동일하다. 따라서 입구홀(12)과 출구홀(14)간 크기 차이가 존재한다는 의미는 입구홀(12)과 출구홀(14)의 단면적에 차이가 있다는 것을 의미하며, 이에 따라 출구홀(14)의 크기가 더 작은 본 발명에서는 출구홀(14)에서의 유체 이동속도가 입구홀(12)에서의 유체 이동속도보다 더 빠르다는 것을 알 수 있다. 즉, 입구홀(12)로 유입된 반응가스가 점점 속도가 증가하여 출구홀(14)로 배출되게 되는 것이다. 따라서 증가된 속도에 따라 반응가스의 파형 유동이 커지게 되는데, 도4에서 이러한 반응가스의 유동경로를 자세하게 도시하고 있다.

도4 (a)는 종래기술에 해당하는 입구홀(12)과 출구홀(14)의 홀크기가 동일한 다공성 분리판(10)에서의 반응가스 유동흐름을 나타내는 것인데, 이 경우에는 반응가스의 유동흐름이 파형의 변화없이 거의 직진성을 나타내게 된다. 그러나 본 발명에 따를 경우 도4 (b)에서 도시하고 있는 바와 같이 반응가스는 입구홀(12)과 출구홀(14)의 속도차이로 인하여 유동 교란이 생겨 반응가스의 유동흐름이 웨이브 형태를 가지게 된다. 따라서 이와 같은 웨이브 형태를 통해 분리판(10)의 하측면에 마련되는 기체확산층(20)에 반응가스가 접촉할 확률이 더욱 높아지게 되는 것이다. 그러므로 본 발명에 따를 경우 기체확산층(20)에 반응가스가 더 많이 접촉되게 되고 이는 막전극접합체를 통해 이동하는 이온의 수가 많아질 가능성이 더 높아졌다는 의미가 되므로 결국 연료전지의 반응효율이 향상되게 되는 것이다. 더불어 앞서 언급한 바와 같이 본 발명에 따를 경우 반응가스의 유동속도가 종래에 비해 빨라지므로 화학반응으로 인하여 발생하는 생성수를 종래에 비해 더 원활하게 배출할 수 있게 되므로 연료전지의 플러딩 현상을 방지할 수 있으며 이를 통해 궁극적으로 연료전지 내구성이 향상될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 연료전지 분리판(10)의 입구홀(12)과 출구홀(14)은 도3 (a)에 도시된 바와 같이 상기 유로의 길이방향으로 복수개 형성될 수 있을 것이며, 상기 입구홀(12)과 상기 출구홀(14)의 중심은 서로 일치하지 않는 것이 바람직할 것이다. 왜냐하면 입구홀(12)과 출구홀(14)의 중심이 일치하여 입구홀(12)과 출구홀(14)이 나란히 형성되게 되면 입구홀(12)로 유입된 반응가스가 기체확산층(20)과 접촉하지 않고 바로 출구홀(14)로 배출될 수 있기 때문이다. 따라서 본 발명은 입구홀(12)과 출구홀(14)의 중심을 서로 일치하지 않도록 하여 입구홀(12)로 유입된 반응가스가 기체확산층(20)과 반응할 수 있는 시간을 주고 있는 것이다. 더불어, 도2 (b)에서 도시하고 있는바와 같이 입구홀의 중심은 출구홀의 중심보다 연료전지의 반응면으로부터 상방에 위치하는 것이 바람직할 것인데, 이를 통해 반응가스와 기체확산층(20)간의 반응시간을 증가시킬 수 있을 것이다.

뿐만 아니라 도3 (a)에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 입구홀(12)과 상기 출구홀(14)의 홀형상은 서로 상이할 수 있는데, 일례로써 도3에서는 입구홀(12)의 홀형상은 직사각형 형상으로 형성하고, 상기 출구홀(14)의 홀형상은 타원 형상으로 형성된 경우를 도시하고 있다. 입구홀(12)을 직사각형의 형태로 하고 출구홀(14)을 타원형의 형태로 형성한 것은 동일한 장축과 단축의 길이를 가정하였을 때 도3 (b)와 (c)에서 비교하고 있는 바와 같이 직사각형의 크기가 타원의 크기보다 크므로 도3에서는 입구홀(12)이 직사각형 홀형상을 가지고 출구홀(14)이 타원형 홀형상을 가지는 형태를 도시하고 있다.

물론 장축과 단축의 길이를 조절하여 출구홀(14)의 크기를 입구홀(12)의 크기보다 줄이는 방법도 고려해 볼 수 있을 것이다. 이 경우, 길이를 가능한 많이 줄일수록 출구홀(14)의 크기와 입구홀(12)의 크기 차이가 커지므로 반응가스의 유동속도는 더욱 빨라지는 효과는 있을 것이나, 지나치게 차이가 커지는 경우 연료전지 내부 차압이 증가하여 연료전지 시스템 효율이 감소될 수 있으므로 어느 정도 한계를 두는 것이 바람직한 바 본 발명에서는 상기 출구홀(14)의 장축과 단축의 길이를 상구 입구홀(12)의 장축과 단축 길이의 1/2 이상이 되도록 한정하는 방법을 제시하고 있다.

앞서 언급하였듯이 입구홀(12)과 출구홀(14)의 차이를 크게 하면 할수록 반응가스의 유동속도의 증가폭은 커지므로 연료전지의 반응효율이 향상 될 수 있을 것이나 모든 연료전지 분리판(10)의 입구홀(12)과 출구홀(14)을 이와 같이 구성할 경우 반응가스가 유동하는 유로 상류측과 하류측의 압력차이가 지나치게 커져 오히려 연료전지 시스템의 효율이 감소될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 단점을 보완하기 위하여 반응가스가 유입되는 유로 상류측의 입구홀(12) 크기는 출구홀(14)의 크기보다 크게 하고, 반응가스가 배출되는 유로 하류측의 입구홀(12')과 출구홀(14')의 크기 차이는 유로 상류측의 입구홀(12)과 출구홀(14)의 크기 차이보다 작은 분리판(10)을 제시하고 있다.

도5에서 위와 같은 구조를 가지는 분리판(10)을 도시하고 있는데, 도5의 유로 상류측 분리판(10)의 입구홀(12)과 출구홀(14)은 크기 차이가 시각적으로도 확연히 있음에 반해 유로 하류측은 입구홀(12')과 출구홀(14')의 크기가 거의 유사한 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 반응가스의 유동이 충분히 발달하지 않은 유로 상류측은 입구홀(12)과 출구홀(14)의 크기를 서로 달리하여 유동 교란을 촉진시키고, 반응가스의 유동이 충분히 발달된 유로 하류측은 홀의 크기를 유사하게 하여 생성수 배출을 용이하게 할 뿐만 아니라 내부 차압을 적절한 수준으로 유지시킬 수 있게 된다.

앞서 유로 하류측의 입구홀(12')과 출구홀(14')의 크기 차이는 상류측의 입구홀(12)과 출구홀(14)의 크기 차이보다 작도록 설정한다고 하였는바, 하류측의 입구홀(12')과 출구홀(14')의 크기차이는 상류측 입구홀(12)과 출구홀(14)의 크기차이보다 작기만 하면 될 것이나 출구홀(14')의 크기가 입구홀(12')의 크기보다 커지면 안 될 것이며, 앞서 언급한 유로 하류측 특성을 고려해 볼 때 유로 하류측의 입구홀(12')과 출구홀(14')의 크기는 동일한 크기가 되는 것이 가장 이상적일 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 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.

10: 분리판 12: 입구홀
14: 출구홀 12': 하류측입구홀
14': 하류측출구홀 20: 기체확산층

Claims (11)

1. 복수개의 유로들; 및
   상기 유로들의 일측벽과 타측벽에 반응가스가 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 포함하는 연료전지 반응면으로 유출입할 수 있도록 형성된 입구홀과 출구홀;을 포함하며,
   상기 입구홀의 크기는 상기 출구홀의 크기보다 크고, 상기 입구홀과 상기 출구홀의 중심은 서로 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 입구홀과 출구홀은 각각 유로의 길이방향에 수직방향으로 유출입되는 반응가스의 유동이 상기 반응면측으로 유도될 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 입구홀과 상기 출구홀은 상기 유로의 길이방향으로 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 입구홀의 중심은 상기 출구홀의 중심보다 상기 반응면으로부터 상방에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 입구홀과 상기 출구홀의 홀형상은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 입구홀의 홀형상은 직사각형 형상이며, 상기 출구홀의 홀형상은 타원 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 출구홀의 장축과 단축의 길이는 상구 입구홀의 장축과 단축 길이의 1/2 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 분리판은 요철 형상으로 절곡되며 상기 일측벽은 반응가스가 유입되는 측의 경사면에 해당되고, 상기 타측벽은 반응가스가 배출되는 측의 경사면에 해당되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
9. 복수개의 유로들;
   상기 유로들의 일측벽과 타측벽에 반응가스가 유출입할 수 있도록 형성된 입구홀과 출구홀;을 포함하며,
   반응가스가 유입되는 유로 상류측의 상기 입구홀의 크기는 상기 출구홀의 크기보다 크고, 상기 입구홀과 상기 출구홀의 중심은 서로 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
10. 청구항 9에 있어서,
    반응가스가 배출되는 유로 하류측의 상기 입구홀과 상기 출구홀의 크기 차이는 상기 유로 상류측의 입구홀과 출구홀의 크기 차이보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
11. 복수개의 유로로 구성되며, 상기 유로들의 일측벽과 타측벽에 반응가스가 유출입할 수 있도록 마련된 입구홀과 출구홀을 포함하고, 상기 입구홀의 크기는 상기 출구홀의 크기보다 크며, 상기 입구홀과 상기 출구홀의 중심은 서로 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판; 및
    상기 분리판의 하측면과 막전극접합체 사이에 마련되어 상기 입구홀로부터 유입되는 반응가스를 활성화시켜 막전극접합체로 이동시키는 기체확산층;을 포함하는 연료전지 셀.

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