KR102032650B1 - 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 - Google Patents

분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR102032650B1
KR102032650B1 KR1020180058144A KR20180058144A KR102032650B1 KR 102032650 B1 KR102032650 B1 KR 102032650B1 KR 1020180058144 A KR1020180058144 A KR 1020180058144A KR 20180058144 A KR20180058144 A KR 20180058144A KR 102032650 B1 KR102032650 B1 KR 102032650B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
module
separator
diffusion layer
gas diffusion
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020180058144A
Other languages
English (en)
Inventor
엄석기
김아름
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020180058144A priority Critical patent/KR102032650B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102032650B1 publication Critical patent/KR102032650B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

연료 전지용 분리판이 개시된다. 연료 전지용 분리판은 기체 확산층으로 반응 기체를 공급하며, 적어도 하나 이상 제공되는 제1모듈; 및 적어도 하나 이상 제공되며, 상기 제1모듈과 분리가능하도록 결합되는 제2모듈을 포함한다.

Description

분리판 및 이를 포함하는 연료 전지{Separator and fuel cell including the separator}
본 발명은 연료 전지용 분리판에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 분리가능한 복수 개의 모듈들이 결합된 연료 전지용 분리판에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.
수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 낮은 약 100℃ 이하의 작동온도를 가지며, 에너지 전환 효율과 출력밀도가 높고 응답특성이 빠른 장점이 있다. 뿐만 아니라, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 제공될 수 있다.
고분자 전해질 연료전지 스택은 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(anode)와 캐소드(cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 반응 영역 전체에 걸쳐 고르게 분포시키고, 애노드 전극의 산화반응에 의해 발생된 전자를 캐소드 전극 쪽으로 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들을 기체 확산층으로 공급하고, 전기화학 반응에 의해 발생된 물을 외부로 배출시키는 분리판(bipolar plate), 분리판 또는 막-전극 접합체의 반응 영역 외주에 배치되어 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는, 탄성을 갖는 고무 소재의 가스켓(gasket)을 포함할 수 있다.
한국등록특허 제10-0434779호에는 분리판의 유로를 미세하게 가공하여 기체 확산층으로 반응 기체의 확산을 촉진시키는 분리판이 개시된다.
그러나 상기 분리판은 국부적 열화가 발생되었을 때, 분리판 전체를 교체해야 하는 문제가 있다. 또한, 일정 형상의 유로로 인하여 기체 확산층으로 반응 기체의 전달 효율 향상에 한계가 있다.
본 발명은 복수 개의 모듈들이 분리 가능하도록 결합된 연료전지용 분리판을 제공한다.
또한, 본 발명은 기체 확산층으로 반응 기체의 종방향 유동을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판을 제공한다.
본 발명에 따른 연료 전지용 분리판은 기체 확산층으로 반응 기체를 공급하며, 적어도 하나 이상 제공되는 제1모듈; 및 적어도 하나 이상 제공되며, 상기 제1모듈과 분리가능하도록 결합되는 제2모듈을 포함한다.
또한, 상기 제1모듈과 상기 제2모듈은 서로 상이한 기체 투과도를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1모듈과 상기 제2모듈은 각각 다공성 재질로 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1모듈은 제1범위의 직경을 갖는 입자들로 이루어지고, 상기 제2모듈은 상기 제1범위와 상이한 제2범위의 직경을 갖는 입자들로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1모듈은 상기 기체 확산층과 마주하는 일 면에 제1유동 저항체가 형성되고, 상기 제2모듈은 상기 기체 확산층과 마주하는 일 면에 상기 제1유동 저항체와 상이한 형상을 갖는 제2유동 저항체가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1유동 저항체와 상기 제2유동 저항체 중 어느 하나는 기둥 형상을 갖고, 다른 하나는 반구 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 제1모듈과 상기 제2모듈 각각의 일 측면에는 결합 돌기가 형성되고, 타 측면에는 결합 홈이 형성되며, 상기 결합 돌기는 그와 인접한 모듈의 일 측면에 형성된 상기 결합 홈에 삽입될 수 있다.
또한, 상기 제1모듈과 상기 제2모듈은 상기 연료 전지용 분리판의 제1방향 및 이와 수직한 제2방향 각각으로 교대로 반복하여 배치될 수 있다.
또한, 상기 연료 전지용 분리판은 상기 반응 기체가 유입되는 유입구를 가지는 전방 영역과 상기 반응 기체가 배출되는 배출구를 가지는 후방 영역으로 양분되며, 상기 제1모듈들은 상기 전방 영역에 배열되고, 상기 제2모듈들은 상기 후방 영역에 배열될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지는 막-전극 접합체; 상기 막-전극 접합체의 일 면에 제공된 기체 확산층; 및 반응 기체를 상기 기체 확산층으로 공급하는 분리판을 포함하되, 상기 분리판은 적어도 하나 이상 제공되는 제1모듈; 및 적어도 하나 이상 제공되며, 상기 제1모듈과 분리가능하도록 결합되는 제2모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1모듈과 상기 제2모듈은 서로 상이한 기체 투과도를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1모듈은 상기 기체 확산층과 마주하는 일 면에 제1유동 저항체가 형성되고, 상기 제2모듈은 상기 기체 확산층과 마주하는 일 면에 상기 제1유동 저항체와 상이한 형상을 갖는 제2유동 저항체가 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 연료전지용 분리판은 분리 가능한 복수 개의 모듈들의 결합으로 제공되므로, 국부적 열화가 발생시 해당 모듈만의 교체로 유지보수가 가능하다.
또한, 본 발명에 의하면, 기체투과도 및 기공률이 다른 모듈들을 다양한 조합으로 배열함으로써, 반응 기체의 종방향 유동을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 서로 다른 형상의 유체 저항체를 갖는 모듈들을 다양한 조합으로 배열함으로써, 반응 기체의 종방향 유동을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지의 일부를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 분리판을 나타내는 평면도 및 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 및 제2 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 서로 다른 실시 예에 따른 제1 및 제2 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 분리판을 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시 예에 따른 분리판을 나타내는 평면도이다.
도 8은 도 7의 분리판에 포함된 제1 및 제2모듈을 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지(A)와 비교 예에 따른 연료 전지(B)에서 반응기체의 단면속도벡터분포를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 연료 전지(A)와 비교 예에 따른 연료 전지(B)에서 기체확산층내 반응 기체의 질량 속도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제3실시 예에 따른 연료 전지의 분리판 내에서 반응 기체의 압력분포와 속도 벡터 분포를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제3실시 예에 따른 연료 전지의 분리판에서, 제1모듈과 제2모듈의 배치 순서를 달리 했을 때 분리판 및 기체 확산층 내에서의 반응 기체의 속도 분포를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제3실시 예에 따른 연료 전지의 분리판 및 기체 확산층 내에서 반응 기체의 압력분포와 속도 벡터 분포(A)와 비교 예에 따른 연료 전지의 분리판 및 기체 확산층 내에서 반응 기체의 압력분포와 속도 벡터 분포(B)를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13에서 본 발명에 따른 연료 전지와 비교 예에 따른 연료 전기의 기체 확산층 최상단에서 반응 기체의 질량 속도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 분리판을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지의 일부를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 분리판을 나타내는 평면도 및 부분 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 연료 전지(1)는 막-전극 접합체(10), 기체 확산층(20), 그리고 분리판(30)을 포함한다.
막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, 10)는 전해질 막, 애노드 전극, 그리고 캐소드 전극의 접합체이다.
기체 확산층(20)은 막-전극 접합체(10)의 일 면에 제공된다. 기체 확산층(20)은 상기 전극들의 촉매층에 반응 기체를 공급한다. 또한, 기체 확산층(20)은 상기 애노드 전극의 산화반응에 의해 발생된 전자가 캐소드 전극 쪽으로 이동하는 채널을 제공한다.
분리판(30)은 기체 확산층(20)의 일 면에 제공된다. 분리판(30)은 반응 기체(g)를 기체 확산층(20)으로 공급하고, 전기화학반응에서 발생된 응축수를 외부로 배출시킨다.
분리판(30)은 분리 가능한 복수 개의 모듈(110, 120)들이 결합되어 하나의 판을 형성한다. 모듈(110, 120)들은 분리판(30)을 따라 흐르는 반응 기체들이 모듈(110, 120)들을 통과하는 과정에서 서로 다른 유체역학적 특성을 가지도록 설계된다. 모듈(110, 120)들은 반응 기체 유동의 저항체 역할을 하며, 이에 의해 막-전극 접합체(10) 측으로 반응 기체의 종방향(through-plane) 유동을 증가시킨다. 모듈(110, 120)들은 금속재질의 다공체로 제공될 수 있다. 모듈(110, 120)들은 Ni, SUS 등의 재질로 제공될 수 있다. 분리판(30)은 모듈(110, 120)들이 분리 가능한 상태로 결합되므로, 부식으로 국부적 열화가 발생될 경우, 분리판(30) 전체가 아닌 열화가 발생된 모듈(110, 120)만을 교체할 수 있으므로, 유지 보수가 용이하다.
실시 예에 의하면, 모듈(110, 120)들은 제1모듈(110)과 제2모듈(120)을 포함할 수 있다. 제1모듈(110)과 제2모듈(120)은 적어도 하나 이상 제공된다. 제1모듈(110)과 제2모듈(120)은 다공성 구조체로, 서로 다른 기공률과 기체 투과도를 갖는다. 제1모듈(110)은 제1범위의 직경을 갖는 금속 입자들이 결합되어 다공성 구조체를 이루고, 제2모듈(120)은 제2범위의 직경을 갖는 금속 입자들이 결합되어 구조체를 이룰 수 있다. 실시 예에 의하면, 제1모듈(110)을 구성하는 입자들의 직경 범위는 제2모듈(120)을 구성하는 입자들의 직경 범위보다 클 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 및 제2 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 3을 참조하면, 제1 및 제2 모듈(110, 120)은 동일한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 제1 및 제2 모듈(110, 120)은 대체로 사각 형상으로 제공되며, 4개의 측면 각각에 결합 돌기(111, 121) 또는 결합 홈(112, 122)이 형성된다. 구체적으로, 서로 마주하는 두 개의 측면에는 결합 돌기(111, 121) 가 형성되고, 서로 마주하는 다른 두 개의 측면에는 결합 홈(122, 132) 이 형성된다. 결합 돌기(111, 121) 와 결함 홈(112, 122) 은 사각 형상을 갖는다.
상술한 형상을 갖는 제1 및 제2모듈(110, 120)은 어느 하나의 결합 돌기(111, 121)가 다른 하나의 결합 홈(112, 122)에 삽입되어 결합된다. 결합 돌기(111, 121)와 결합 홈(112, 122)에 의해, 제1모듈(120)들끼리 결합할 수 있고, 제2모듈(120)들끼리 결합할 수 있다. 또한, 제1모듈(110)과 제2모듈(120)끼리 결합할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 서로 다른 실시 예에 따른 제1 및 제2 모듈을 나타내는 평면도이다.
먼저 도 4를 참조하면, 제1 및 제2모듈(110, 120)에 형성된 결합 돌기(111, 121)와 결합 홈(112, 122)은 반원 형상의 단면을 가질 수 있다.
이와 달리, 도 5를 참조하면, 제1 및 제2모듈(110, 120)에 형성된 결합 돌기(111, 121)와 결합 홈(112, 122)은 삼각 형상의 단면을 가질 수 있다.
제1 및 제2모듈에 형성된 결합 돌기(111, 121)와 결합 홈(112, 122)의 형상은 이에 국한되지 않으며, 다양하게 변경가능하다.
다시 도 2를 참조하면, 도 3 내지 도 5에서 설명한 제1 및 제2모듈은 다양한 방법으로 배열될 수 있다.
일 예에 의하면, 분리판(30)의 제1방향을 따라 제1모듈(110)과 제2모듈(120)이 교대로 반복하여 배치 및 결합하고, 상기 제1방향에 수직한 제2방향을 따라 제1모듈(110)과 제2모듈(120)이 교대로 반복하여 배치 및 결합될 수 있다. 여기서 분리판(30)의 제1방향은 반응 기체가 유입구에서 유출구로 흐르는 방향과 동일 방향이다.
도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 분리판을 나타내는 평면도이다.
도 6을 참조하면, 분리판(30)은 반응 기체가 유입되는 유입구(Air In)가 포함된 전방 영역(31)과 반응 기체가 배출되는 배출구(Air Out)가 포함된 후방 영역(32)으로 양분되고, 제1모듈(110)과 제2모듈(120) 중 어느 하나는 전방 영역(31)에 배열되고, 다른 하나는 후방 영역(32)에 배열될 수 있다. 실시 예에 의하면, 제1모듈(110)이 전방 영역(31)에 배열되고 제2모듈(120)이 후방 영역(32)에 배열될 수 있다.
이와 같이, 분리판(30)은 분리 가능한 복수의 모듈(110, 120)들이 서로 결합된 구조로 제공되므로, 사용자는 제1 및 제2모듈(110, 120)들의 배열을 다양하게 변경할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3실시 예에 따른 분리판을 나타내는 평면도이고, 도 8은 도 7의 분리판에 포함된 제1 및 제2모듈을 나타내는 사시도이다. 도 8의 (A)는 제1모듈의 사시도이고, (B)는 제2모듈의 사시도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제1모듈(110)의 일면과 제2모듈(120)의 일면에는 유동 저항체(115, 125)가 형상된다. 유동 형상체(115, 125)가 형성되는 제1모듈(110)의 일면과 제2모듈(120)의 일면은 기체 확산층(20)과 마주하는 면이다. 실시 예에 의하면, 제1모듈(110)의 일면과 제2모듈(120)의 일면에는 서로 다른 형상의 유동 저항체(115, 125)가 형상된다. 제1모듈(110)의 일면에 형성된 제1유동 저항체(115)는 원 기둥 형상을 가지고, 제2모듈(120)의 일면에 형성된 제2유동 저항체(125)는 반구 형상을 가질 수 있다. 또한, 제1모듈(110)의 일면으로부터 제1유동 저항체(115)의 상단까지의 높이는 제2모듈(120)의 일면으로부터 제2유동 저항체(125)의 상단까지의 높이보다 높을 수 있다. 또한, 제1유동 저항체(115)들의 사이 간격은 제2유동 저항체(125)들의 사이 간격보다 좁을 수 있다.
상술한 제1 및 제2유동 저항체(115, 125)의 차이로 인해, 제1모듈(110)의 일면과 제2모듈(120)의 일면을 따라 흐르는 반응 기체의 유동은 서로 상이하게 형성될 수 있다. 제1 및 제2유동 저항체(110, 120)들은 반응 기체의 유동 저항체 역할을 하며, 이에 의해 막-전극 접합체 측으로 반응 기체의 종방향(through-plane) 유동을 증가시킨다.
유동 저항체(115, 125)는 상술한 형상 이외에 유선형, 수직 배열 번들 형상을 가질 수 있다. 또한, 유동 저항체(115, 125)들은 다양한 크기 조합으로 모듈(110, 120)들 각각에 형성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지(A)와 비교 예에 따른 연료 전지(B)에서 반응기체의 단면속도벡터분포를 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명에 따른 연료 전지(A)와 비교 예에 따른 연료 전지(B)에서 기체확산층내 반응 기체의 질량 속도 변화를 나타내는 그래프이다. 본 발명에 따른 연료 전지는 도 6에서 설명한 분리판을 적용하였고, 비교예에 따른 연료 전지는 기공률이 균일한 분리판을 사용하였다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 기체확산층(20a, 20b)의 최상단은 촉매층과 맞닿는 지점으로 전기화학 반응이 발생한다. 기체확산층(20a, 20b)의 최상단 지점에서 반응 기체의 유동방향을 따라 질량 속도를 비교한 결과 본 발명에 따른 분리판(A)은 비교예에 따른 분리판(B)에 비해 기체 확산층(20a, 20b) 내부로 반응기체의 전달이 향상됨을 알 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 분리판(A)은 기체투과도가 변화는 지점, 즉 전방영역과 후방영역의 경계지점(D)에서 기체 확산층(20a) 내 반응 기체의 질량 속도가 약 1.27배로 크게 증가함을 알 수 있다. 이로 인해 기체 확산층(20a) 내부로 반응기체의 전달 효과가 약 27% 향상된다.
도 11은 본 발명의 제3실시 예에 따른 연료 전지의 분리판 내에서 반응 기체의 압력분포와 속도 벡터 분포를 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 모듈(110, 120)에 제공된 유동 저항체(115, 125)의 형상에 따라 반응 기체의 압력분포 및 속도 벡터 분포가 다르게 나타남을 확인할 수 있다. 사용자는 유동 저항체(115, 125)의 형상에 따른 반응 기체의 압력분포 및 속도 벡터 분포를 고려하여 모듈(110, 120)들의 배치를 다양하게 변경할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제3실시 예에 따른 연료 전지의 분리판에서, 제1모듈과 제2모듈의 배치 순서를 달리 했을 때 분리판 및 기체 확산층 내에서의 반응 기체의 속도 분포를 나타내는 도면이다. 도 12의 (A)는 제1모듈과 제2모듈의 순서로 반복 배열되는 분리판에서의 반응 기체의 속도 분포를 나타내고, (B)는 제2모듈과 제1모듈의 순서로 반복 배열되는 분리판에서의 반응 기체의 속도 분포를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 형상이 다른 유동 저항체의 배열 순서에 따라 분리판 및 기체 확산층 내에서의 반응 기체의 속도 분포가 달라짐을 확인할 수 있다. 제1모듈과 제2모듈의 순서로 반복 배열되는 분리판의 경우(A), 유출단에서 분리판 및 기체 확산층 내에서의 반응 기체의 속도 분포가 증가함을 알 수 있고, 제2모듈과 제1모듈의 순서로 반복 배열되는 분리판의 경우(B), 유입단에서 분리판 및 기체 확산층 내에서의 반응 기체의 속도 분포가 증가함을 알 수 있다. 사용자는 유동 저항체의 배열에 따른 반응 기체의 속도 분포를 고려하여 모듈들의 배치를 다양하게 변경할 수 있다.
도 13은 본 발명의 제3실시 예에 따른 연료 전지의 분리판 및 기체 확산층 내에서 반응 기체의 압력분포와 속도 벡터 분포(A)와 비교 예에 따른 연료 전지의 분리판 및 기체 확산층 내에서 반응 기체의 압력분포와 속도 벡터 분포(B)를 나타내는 도면이고, 도 14는 도 13에서 본 발명에 따른 연료 전지와 비교 예에 따른 연료 전기의 기체 확산층 최상단에서 반응 기체의 질량 속도 분포를 나타내는 그래프이다. 비교 예에 따른 연료 전지는 상술한 유동 저항체가 형성되지 않고 직선 유로를 형성하는 분리판이 사용되었다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지는 유동 저항체의 형성으로 기체확산층 방향으로 반응 기체의 유동이 효과적으로 발생된다. 실시 예에 의하면, 본 발명은 비교 예에 비해 기체확산층 최상단 지점에서 반응 기체의 질량 속도 분포가 약 13배 증가된다. 이를 통해 본 발명에 따른 분리판은 기체 확산층 방향으로 물질전달효율이 향상되는 것을 알 수 있다.
도 15는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 분리판을 나타내는 도면이다.
도 15를 참조하면, 분리판을 구성하는 모듈들은 다양한 형상을 가질 수 있다. 분리판은 (A)와 같이 삼각 형상의 모듈들이 서로 결합될 수 있고, (B)와 같이 육각 형상의 모듈들이 서로 결합될 수 있고, (C)와 같이 직사각 형상의 모듈들이 서로 결합될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
1: 연료 전지
10: 막-전극 접합체
20: 기체 확산층
30: 분리판
110: 제1모듈
120: 제2모듈
111, 121: 결합돌기
112, 122: 결합 홈
115: 125: 유동 저항체

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 기체 확산층으로 반응 기체를 공급하는 연료 전지용 분리판에 있어서,
    적어도 하나 이상 제공되는 제1모듈; 및
    적어도 하나 이상 제공되며, 상기 제1모듈과 분리가능하도록 결합되는 제2모듈을 포함하며,
    상기 제1모듈과 상기 제2모듈은 서로 상이한 기체 투과도를 갖는 연료 전지용 분리판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1모듈과 상기 제2모듈은 각각 다공성 재질로 제공되는 연료 전지용 분리판.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1모듈은 제1범위의 직경을 갖는 입자들로 이루어지고,
    상기 제2모듈은 상기 제1범위와 상이한 제2범위의 직경을 갖는 입자들로 이루어지는 연료 전지용 분리판.
  5. 기체 확산층으로 반응 기체를 공급하는 연료 전지용 분리판에 있어서,
    적어도 하나 이상 제공되는 제1모듈; 및
    적어도 하나 이상 제공되며, 상기 제1모듈과 분리가능하도록 결합되는 제2모듈을 포함하며,
    상기 제1모듈은 상기 기체 확산층과 마주하는 일 면에 제1유동 저항체가 형성되고,
    상기 제2모듈은 상기 기체 확산층과 마주하는 일 면에 상기 제1유동 저항체와 상이한 형상을 갖는 제2유동 저항체가 형성되는 연료 전지용 분리판.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1유동 저항체와 상기 제2유동 저항체 중 어느 하나는 기둥 형상을 갖고, 다른 하나는 반구 형상을 갖는 연료 전지용 분리판.
  7. 기체 확산층으로 반응 기체를 공급하는 연료 전지용 분리판에 있어서,
    적어도 하나 이상 제공되는 제1모듈; 및
    적어도 하나 이상 제공되며, 상기 제1모듈과 분리가능하도록 결합되는 제2모듈을 포함하며,
    상기 제1모듈과 상기 제2모듈 각각의 일 측면에는 결합 돌기가 형성되고, 타 측면에는 결합 홈이 형성되며,
    상기 결합 돌기는 그와 인접한 모듈의 일 측면에 형성된 상기 결합 홈에 삽입되는 연료 전지용 분리판.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제1모듈과 상기 제2모듈은 상기 연료 전지용 분리판의 제1방향 및 이와 수직한 제2방향 각각으로 교대로 반복하여 배치되는 연료 전지용 분리판.
  9. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 연료 전지용 분리판은 상기 반응 기체가 유입되는 유입구를 가지는 전방 영역과 상기 반응 기체가 배출되는 배출구를 가지는 후방 영역으로 양분되며,
    상기 제1모듈들은 상기 전방 영역에 배열되고, 상기 제2모듈들은 상기 후방 영역에 배열되는 연료 전지용 분리판.
  10. 삭제
  11. 막-전극 접합체;
    상기 막-전극 접합체의 일 면에 제공된 기체 확산층; 및
    반응 기체를 상기 기체 확산층으로 공급하는 분리판을 포함하되,
    상기 분리판은
    적어도 하나 이상 제공되는 제1모듈; 및
    적어도 하나 이상 제공되며, 상기 제1모듈과 분리가능하도록 결합되는 제2모듈을 포함하며,
    상기 제1모듈과 상기 제2모듈은 서로 상이한 기체 투과도를 갖는 연료 전지.
  12. 막-전극 접합체;
    상기 막-전극 접합체의 일 면에 제공된 기체 확산층; 및
    반응 기체를 상기 기체 확산층으로 공급하는 분리판을 포함하되,
    상기 분리판은
    적어도 하나 이상 제공되는 제1모듈; 및
    적어도 하나 이상 제공되며, 상기 제1모듈과 분리가능하도록 결합되는 제2모듈을 포함하며,
    상기 제1모듈은 상기 기체 확산층과 마주하는 일 면에 제1유동 저항체가 형성되고,
    상기 제2모듈은 상기 기체 확산층과 마주하는 일 면에 상기 제1유동 저항체와 상이한 형상을 갖는 제2유동 저항체가 형성되는 연료 전지.
KR1020180058144A 2018-05-23 2018-05-23 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 KR102032650B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180058144A KR102032650B1 (ko) 2018-05-23 2018-05-23 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180058144A KR102032650B1 (ko) 2018-05-23 2018-05-23 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102032650B1 true KR102032650B1 (ko) 2019-10-15

Family

ID=68209524

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180058144A KR102032650B1 (ko) 2018-05-23 2018-05-23 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102032650B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060093792A (ko) * 2005-02-22 2006-08-25 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
KR20060128850A (ko) * 2003-10-16 2006-12-14 슝-후에이 창 포터블 장치들에 사용되는 연료전지들
KR20090102175A (ko) * 2008-03-25 2009-09-30 한국과학기술연구원 연료전지용 기체 확산층 및 이를 이용한 연료전지

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060128850A (ko) * 2003-10-16 2006-12-14 슝-후에이 창 포터블 장치들에 사용되는 연료전지들
KR20060093792A (ko) * 2005-02-22 2006-08-25 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
KR20090102175A (ko) * 2008-03-25 2009-09-30 한국과학기술연구원 연료전지용 기체 확산층 및 이를 이용한 연료전지

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101693993B1 (ko) 연료전지용 분리판
US10141584B2 (en) Separator of fuel cell and fuel cell having the same
US7736785B2 (en) Fuel cell
CN107732278B (zh) 燃料电池堆组件
US9214682B2 (en) Fuel cell
US8062807B2 (en) Fuel cell
JP6890916B2 (ja) 分離板およびこれを含む燃料電池
KR102034457B1 (ko) 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택
KR101886492B1 (ko) 연료전지 스택 및 연료전지 스택 제조 방법
US9559376B2 (en) Fuel cell with an electrolyte membrane and gas diffusion layers
JP2004146303A (ja) 燃料電池
US20140162165A1 (en) Fuel cell stack including cooling plate for improving temperature distribution
CN108091900B (zh) 利用凸缘近邻处的压制压纹减少压力变化
US7927754B2 (en) Pressure relief feature for a fuel cell stack
KR20200029707A (ko) 연료전지용 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지 단위셀
JPH0950819A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
KR101315622B1 (ko) 분기유로를 이용한 연료전지 스택
JP2011096498A (ja) 燃料電池積層体
KR102032650B1 (ko) 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지
EP3576200B1 (en) Fuel cell stack
KR102034458B1 (ko) 연료전지 스택
EP2224524B1 (en) Fuel cell structure and separator plate for use therein
KR102118370B1 (ko) 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택
US20240120510A1 (en) Gas diffusion layer, separator and electrochemical reactor
JP7188323B2 (ja) 燃料電池用セパレーター及び燃料電池セル

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant