KR102118370B1 - 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 금속 재질로 형성되고, 복수 개의 기공을 가지며, 일부 영역은 친수성 표면을 갖고, 또 다른 일부 영역은 소수성 표면을 갖는 분리판이 제공된다.

Description

분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택{Separator, and Fuel cell stack comprising the same}
본 발명은 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 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.
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 가스 확산층으로 공급하고, 전기화학반응에 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.
다공체로 형성된 분리판은 원료 가스(에어, 산소)를 잘 분산시켜 원료 가스가 수고 이온과 반응하여 물이 잘 생성되도록 하며, 구체적으로, 분리판은 산소와 수소 이온의 반응성을 높이고, 생성된 물을 잘 배출시킬 수 있어야 한다.
한편 다량의 물이 발생하게 되면, 물이 분리판 내에 응결되면서 원료 가스의 흐름을 방해하게 되고, 원료 가스와 촉매층의 반응면이 감소하게 되어 결과적으로 반응성이 낮아지게 된다. 이러한 연속적인 현상으로 인해 고출력 운전에서는 다량의 물이 발생하게 되어 전압 강하 또는 출력 저하와 같은 현상이 발생하게 된다.
이와는 다르게 물이 너무 잘 배출되어 전극 표면의 습도가 낮으면 이온전도도가 낮아져서 전지의 저항이 증가하게 된다. 따라서, 전극 내에서 일정한 습도를 유지하며, 그 이상 발생되는 물은 적절하게 배출되는 것이 중요하다.
본 발명은 표면 처리를 통해 물의 경로와 반응 가스의 경로를 분리할 수 있는 분리판 및 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 물과 반응가스의 이동 경로의 크기를 조절할 수 있고, 일정 수분을 유지할 수 있는 분리판 및 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 금속 재질로 형성되고, 복수 개의 기공을 가지며, 일부 영역은 친수성 표면을 갖고, 또 다른 일부 영역은 소수성 표면을 갖는 분리판이 제공된다.
상기 분리판은 친수성 표면을 갖는 제1 금속 와이어 및 소정 크기의 기공이 형성되도록 제1 금속 와이어와 직조되며, 소수성 표면을 갖는 제2 금속 와이어를 포함할 수 있다.
또한, 제1 금속 와이어 및 제2 금속 와이어는 제1 방향을 따라 연속적으로 직조될 수 있다.
또한, 제1 방향에 따른 직조 지점 사이의 간격이 일정할 수 있다.
또한, 제1 방향에 따른 직조 지점 사이의 간격이 상이할 수 있다.
또한, 제1 금속 와이어 및 제2 금속 와이어는 직경이 동일할 수 있다.
또한, 제1 금속 와이어 및 제2 금속 와이어는 직경이 서로 다를 수 있다.
또한, 제1 및 제2 금속 와이어는 50 내지 500㎛의 직경을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 막-전극 접합체, 막-전극 접합체의 일면에 배치된 가스 확산층 및 적어도 일부 영역에서 가스 확산층과 접촉하도록 배치된 분리판을 포함하며, 분리판은 금속 재질로 형성되고, 복수 개의 기공을 가지며, 일부 영역은 친수성 표면을 갖고, 또 다른 일부 영역은 소수성 표면을 갖는 연료전지 스택이 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.
본 발명에 따르면, 표면 성질이 서로 다른 금속 와이어를 직조함으로써, 다양한 구조적, 성능적 적용 확대가 가능하다.
금속 와이어의 표면을 다양한 방식(열처리, anodizing, 플라즈마 등)으로 처리하여 금속 표면의 물성을 다르게 할 수 있다.
또한, 금속 와이어를 엮는 방법(예를 들어, 0.5회 회전, 1.5회 회전 또는 그 이상도 가능)의 차이에 의해 유체(액체, 기체)의 크기를 제어할 수 있다.
또한, 직조되는 2개의 금속 와이어의 두께를 서로 상이하게 하여, 각각의 유체 통로를 다르게 설정할 수 있고, 직조 지점 간의 간격을 조절하여 다공체의 수직 면에 대한 기공의 크기를 제어할 수 있다.
또한, 정체된 액체와 유동하는 기체의 계면에서 두 물질의 속도 차이에 의해 액체가 분산되거나 유동을 유도할 수 있다. 이러한 표면 성질은 친수 성질의 금속 와이어의 표면 장력과, 주입되는 습도, 기체의 유동 속도에 따라 각각의 범위가 결정될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 분리판에서 유체 흐름을 나타내는 개념도이다.
도 4는 직조방식의 일예를 설명하기 위한 개념도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택의 개념도(1)이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판(100)의 개념도이고, 도 3은 도 2에 도시된 분리판에서 유체 흐름을 나타내는 개념도이며, 도 4는 직조방식의 일예(0.5회 회전 엮음)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(1)은 막-전극 접합체(10), 막-전극 접합체의 일면에 배치된 가스 확산층(20) 및 적어도 일부 영역에서 가스 확산층과 접촉하도록 배치된 분리판(100)을 포함한다. 또한, 상기 연료전지 스택(1)은 분리판(100)의 일면을 지지하는 플레이트(30)를 포함한다. 여기서 상기 분리판(100)은 적어도 일부 영역이 플레이트(30)에 부착될 수 있고, 예를 들어, 스팟 용접될 수 있다. 상기 플레이트(30)는 분리판(30)과 함께 반응가스 및 생성수의 유동 통로를 형성한다.
상기 분리판(100)은 금속 재질로 형성되고, 복수 개의 기공을 가지며, 일부 영역은 친수성 표면을 갖고, 또 다른 일부 영역은 소수성 표면을 갖는다. 상기 분리판은 복수 개의 기공을 갖는 다공체이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 분리판(100)은 친수성 표면을 갖는 제1 금속 와이어(A, A') 및 소정 크기의 기공이 형성되도록 제1 금속 와이어(A, A')와 직조되며, 소수성 표면을 갖는 제2 금속 와이어(B, B')를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 금속 와이어는 다양한 처리에 의해 서로 다른 표면 물성(친수성 또는 소수성)을 가질 수 있다. 이때, 제1 방향을 따라 제1 금속 와이어와 제2 금속 와이어를 규칙적 또는 불규칙적으로 엮어서 소정 밀도의 금속 망(다공체)을 제조할 수 있다. 또한, 2개의 금속 와이어를 엮을 수도 있고, 3개 이상의 금속 와이어를 엮어서 분리판(100)을 제조할 수도 있다.
2개의 금속 와이어로 구성된 다공체를 세부적으로 관찰하면, 친수성 금속 와이어(제1 금속 와이어)와 소수성 금속 와이어(제2 금속 와이어)가 교차하여 얽혀있기 때문에, 일정 수분을 유지할 수 있다.
또한, 2개의 금속 와이어가 교차하는 위상(직조 지점)에서는 금속 와이어가 수직으로 배열되므로 상하 통로가 개방될 수 있다. 이 상하 통로로는 반응가스가 수직으로 저항없이 유동할 수 있다.
즉, 친수성 성질의 금속 와이어 측에는 일정량의 물이 흡착되어, 전체 습도가 낮아지는 것을 방지할 수 있고, 소수성 성질의 금속 와이어 측에서는 물이 흡착되지 않으므로, 다공체에 필요 이상의 물이 맺히는 것을 방지할 수 있다.
또한, 금속 와이어들의 엮음에 의해, 물의 이동 경로와 반응 가스의 이동 경로를 분리시킬 수 있다.
또한, 제1 금속 와이어 및 제2 금속 와이어는 제1 방향(소정 방향)을 따라 연속적으로 직조될 수 있다. 이때, 제1 방향에 따른 직조 지점 사이의 간격이 일정할 수도 있고, 제1 방향에 따른 직조 지점 사이의 간격이 상이할 수 있다.
또한, 제1 금속 와이어 및 제2 금속 와이어는 직경이 동일할 수도 있고, 제1 금속 와이어 및 제2 금속 와이어는 직경이 서로 다를 수 있다. 이와 같이, 금속 와이어의 직경(두께)을 조절하여, 물과 반응가스의 이동 경로의 크기를 조절할 수 있다.
또한, 금속 와이어의 직경(두께)에 의해 유체(액체, 기체)의 크기를 제어할 수 있다. 구체적으로, 금속 와이어의 두께가 너무 가늘 경우, 분리판('다공체'라고도 함) 다공체의 전체 두께가 얇아져서 수평 방향의 유체 이동 통로의 크기가 좁아지기 때문에 진입단과 배출단의 압력 차이가 커지게 된다. 이와는 다르게, 금속 와이어의 두께가 너무 두꺼울 경우, 다공체의 통로의 두께가 커져서 유체의 편향 이동이 발생할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 금속 와이어는 50 내지 500㎛의 직경을 갖는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 유체(물, 반응가스)가 상하방향으로 흐르는 경우, A와 A' 영역(제1 금속 와이어, 붉은색 화살표)에서는 액체(수분) 또는 상대적으로 습도가 높은 기체가 흐르게 된다. 또한, B와 B'영역(제2 금속 와이어, 파란색 화살표)에서는 소수성 표면에 연속적으로 노출되므로, 건조한 기체 또는 상대적으로 습도가 낮은 기체가 흐르게 된다.
또한, A와 A' 영역에서는 수분이 제1 금속 와이어의 친수성 표면에 흡착되므로 전체적으로 일정한 습도를 유지할 수 있게 된다. 또한, B와 B'영역에서는 물의 응결 또는 응집되기 어려우므로 반응가스가 흐르는 통로가 된다.
따라서 다공체는 일정 수분은 유지하면서 일정량의 기공도 동시에 유지하여 반응 가스의 원활한 유동을 용이하게 한다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
A, A': 제1 금속 와이어
B, B': 제2 금속 와이어
F: 유체 흐름
1: 연료전지 스택
100: 분리판

Claims (16)

  1. 금속 재질로 형성되고, 복수 개의 기공을 갖는 분리판으로서,
    친수성 표면을 갖는 제1 금속 와이어; 및
    소정 크기의 기공이 형성되도록 제1 금속 와이어와 직조되며, 소수성 표면을 갖는 제2 금속 와이어를 포함하는 분리판.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    제1 금속 와이어 및 제2 금속 와이어는 제1 방향을 따라 연속적으로 직조된 분리판.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제1 방향에 따른 직조 지점 사이의 간격이 일정한 분리판.
  5. 제 3 항에 있어서,
    제1 방향에 따른 직조 지점 사이의 간격이 상이한 분리판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제1 금속 와이어 및 제2 금속 와이어는 직경이 동일한 분리판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제1 금속 와이어 및 제2 금속 와이어는 직경이 서로 다른 분리판.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제1 및 제2 금속 와이어는 50 내지 500㎛의 직경을 갖는 분리판.
  9. 막-전극 접합체;
    막-전극 접합체의 일면에 배치된 가스 확산층; 및
    적어도 일부 영역에서 가스 확산층과 접촉하도록 배치된 분리판을 포함하며,
    분리판은 금속 재질로 형성되고, 복수 개의 기공을 가지며,
    분리판은, 친수성 표면을 갖는 제1 금속 와이어 및 소정 크기의 기공이 형성되도록 제1 금속 와이어와 직조되며, 소수성 표면을 갖는 제2 금속 와이어를 포함하는 연료전지 스택.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    제1 금속 와이어 및 제2 금속 와이어는 제1 방향을 따라 연속적으로 직조된 연료전지 스택.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제1 방향에 따른 직조 지점 사이의 간격이 일정한 연료전지 스택.
  13. 제 11 항에 있어서,
    제1 방향에 따른 직조 지점 사이의 간격이 상이한 연료전지 스택.
  14. 제 9 항에 있어서,
    제1 금속 와이어 및 제2 금속 와이어는 직경이 동일한 연료전지 스택.
  15. 제 9 항에 있어서,
    제1 금속 와이어 및 제2 금속 와이어는 직경이 서로 다른 연료전지 스택.
  16. 제 9 항에 있어서,
    제1 및 제2 금속 와이어는 50 내지 500㎛의 직경을 갖는 연료전지 스택.
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