KR102516958B1 - 연료전지 애노드 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 애노드 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정간격 이격되어 일렬로 형성되는 경사벽이 전극의 길이 방향과 일정 각도의 경사를 가지면서 서로 평행하게 복수의 열을 형성하도록 하여, 고온부로 수분을 강제 이송시킬 수 있도록 함으로써, 응축수의 정체를 최소화하고 원활한 수소의 공급이 가능하도록 하며, 강성의 확보를 통해 구조 손상을 방지하고, 이에 더하여 고온부의 Dry out을 완화하고 외부 공기 온도의 상승에도 냉각 효과를 유지할 수 있도록 하는 연료전지 애노드 분리판에 관한 것이다.

Description

연료전지 애노드 분리판{An Anode Bipolar Plate for Fuel Cell}

본 발명은 연료전지 애노드 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정간격 이격되어 일렬로 형성되는 경사벽이 전극의 길이 방향과 일정 각도의 경사를 가지면서 서로 평행하게 복수의 열을 형성하도록 하여, 고온부로 수분을 강제 이송시킬 수 있도록 함으로써, 응축수의 정체를 최소화하고 원활한 수소의 공급이 가능하도록 하며, 강성의 확보를 통해 구조 손상을 방지하고, 이에 더하여 고온부의 Dry out을 완화하고 외부 공기 온도의 상승에도 냉각 효과를 유지할 수 있도록 하는 연료전지 애노드 분리판에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 휴대기기의 전력을 공급하는데에도 이용될 수 있다.

연료전지는 여러 종류가 존재하나 높은 전력 밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)이 주로 사용되고 있으며, 가장 안쪽에 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)가 위치하고, 막전극접합체에는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성된다.

또한, 연료전지는 냉각방식에 따라 수냉식 연료전지와 공냉식 연료전지로 구분될 수 있으며, 드론 등과 같이 연료전지의 초경량화가 필요한 경우에는 구조가 단순하고 가벼운 공냉식 연료전지가 사용되고 있다.

한편, 연료전지는 수소의 공급 방식에 따라 Dead End 방식과 수소 재순환 방식으로 나눌 수 있는데, 이중 수소 재순환 방식은 수소를 지속적으로 순환시켜 수소의 공급이 이루어지도록 하는 것으로, 응축수의 제거와 수소 이용율 측면에서 높은 안정성과 효율을 보이고 있으나, 재순환 펌프 및 순환 구조를 형성해야 하므로 시스템의 경량·소형화에 한계를 가지고 있다.

또한, Dead End 방식은 수소를 격실 내에 정체시켜 수소의 공급이 이루어지도록 하는 것으로, 경량·소형화에 유리하나 수소가 정체되어 있어 응축수가 수소의 이동 통로를 막는 Flooding 현상으로 급격한 성능 저하가 발생하며, Hot spot 발생으로 전극과 스택 부품의 손상이 발생하기 쉬워 연료전지의 안정적 운전과 전류밀도 상승에 한계를 가지고 있다.

더욱 구체적으로, Dead End 방식으로 형성된 공냉식 연료전지에 있어서 아래 특허문헌과 같이 수소와 공기의 흐름 방향이 수직을 이루도록 형성되며, 도 1에서 보는 바와 같이 평판형의 애노드분리판()과 일정 돌출부()를 가진 캐소드분리판()으로 형성되는 것이 일반적이다. 다만, 이러한 경우 애노드 측에서는 공기 입구측의 과도한 냉각으로 인해 수분 응축부가 형성되고, 이에 따라 수소의 퍼지시 수분이 충분히 배출될 수 없게 된다. 따라서, 이러한 수분 응축부가 전극 촉매를 덮어 운전이 불가능한 Dead Zone을 형성하게 되며, 실제 반응 면적의 감소에 따른 전류밀도의 증가로 고온부(공기 출구부)의 온도가 급격하게 상승하거나 Hot Spot을 만들어 전극 손상을 발생시키는 문제가 있다.

(특허문헌)

등록특허공보 제10-2131702호(2020.07.02. 등록)"연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택"

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,

본 발명은 일정간격 이격되어 일렬로 형성되는 경사벽이 전극의 길이 방향과 일정 각도의 경사를 가지면서 서로 평행하게 복수의 열을 형성하도록 하여, 고온부로 수분을 강제 이송시킬 수 있도록 함으로써, 응축수의 정체를 최소화하고 원활한 수소의 공급이 가능하도록 하며, 강성의 확보를 통해 구조 손상을 방지하고, 이에 더하여 고온부의 Dry out을 완화하고 외부 공기 온도의 상승에도 냉각 효과를 유지할 수 있도록 하는 연료전지 애노드 분리판을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 경사벽 사이의 공간이격부가 경사벽에 의해 폐쇄된 구조를 갖도록 하여, 경사벽 사이의 유동공간부 전체가 응축수의 정체없이 응축수에 의한 냉각 효과를 갖도록 함으로써 Flooding 및 Dry out 현상의 차단이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있도록 하는 연료전지 애노드 분리판을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 수소출구부의 단면적을 수소입구부보다 2배 이상 넓게 형성하도록 하여 효과적인 응축수의 포집 및 배출이 가능하도록 하는 연료전지 애노드 분리판을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 애노드 분리판의 일측면을 따라 응축수가 유동할 수 있는 공간을 형성하도록 하여 응축수의 정체를 방지하고 더욱 효과적인 응축수의 포집 및 배출이 가능하도록 하는 연료전지 애노드 분리판을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지 애노드 분리판은 애노드 측으로 돌출되며, 일정 간격 이격되어 복수개가 일렬로 형성되는 경사벽과; 상기 경사벽 사이에 형성되는 복수의 공간이격부;를 포함하고, 상기 경사벽은 전극의 길이 방향과 일정 각도 경사지게 형성되며, 서로 평행을 이루도록 복수개의 열을 형성하여 각 열 사이로 수소 및 응축수가 유동하는 유동공간부를 형성하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지 애노드 분리판에 있어서, 상기 경사벽은 전극의 길이 방향과 1~89°의 각도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지 애노드 분리판에 있어서, 상기 공간이격부는 수소의 진행 방향과 수직을 이루는 일직선 상에서 상기 경사벽에 의해 폐쇄되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지 애노드 분리판은 분리판 일단에 형성되어 수소가 주입되는 수소입구부와, 분리판 타단에 형성되어 수소 및 응축수가 배출되는 수소출구부를 포함하고, 상기 수소출구부는 수소입구부보다 넓은 단면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지 애노드 분리판은 상기 수소입구부 및 수소출구부가 형성되는 일측면을 따라 형성되어 강제 이송에 실패한 응축수가 수소출구부로 이송되는 공간을 형성하는 배출공간부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 일정간격 이격되어 일렬로 형성되는 경사벽이 전극의 길이 방향과 일정 각도의 경사를 가지면서 서로 평행하게 복수의 열을 형성하도록 하여, 고온부로 수분을 강제 이송시킬 수 있도록 함으로써, 응축수의 정체를 최소화하고 원활한 수소의 공급이 가능하도록 하며, 강성의 확보를 통해 구조 손상을 방지하고, 이에 더하여 고온부의 Dry out을 완화하고 외부 공기 온도의 상승에도 냉각 효과를 유지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 경사벽 사이의 공간이격부가 경사벽에 의해 폐쇄된 구조를 갖도록 하여, 경사벽 사이의 유동공간부 전체가 응축수의 정체없이 응축수에 의한 냉각 효과를 갖도록 함으로써 Flooding 및 Dry out 현상의 차단이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.

전극의 길이방향과 수직으로 연통되지 않고 서로 벗어나게 형성되도록 하여, 응축수의 정체를 최소화할 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 수소출구부의 단면적을 수소입구부보다 2배 이상 넓게 형성하도록 하여 효과적인 응축수의 포집 및 배출이 가능하도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 애노드 분리판의 일측면을 따라 응축수가 유동할 수 있는 공간을 형성하도록 하여 응축수의 정체를 방지하고 더욱 효과적인 응축수의 포집 및 배출이 가능하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래 애노드분리판(a), 캐소드분리판(b)의 구조 및 수분응축부(c)의 형성 위치를 나타내는 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 애노드 분리판의 평면도
도 3은 도 2의 A 부분의 확대도
도 4는 종래 다른 구조의 애노드분리판 및 이에 따른 Flooding 형성 과정을 나타내는 도면
도 5는 종래 또 다른 구조의 애노드분리판 및 이에 따른 Flooding 완화 과정을 나타내는 도면
도 6은 도 5의 문제점을 나타내는 도면

이하에서는 본 발명에 따른 연료전지 애노드 분리판의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 애노드 분리판을 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 상기 애노드 분리판은 애노드 측으로 돌출되며, 일정 간격 이격되어 복수개가 일렬로 형성되는 경사벽(1)과; 상기 경사벽(1) 사이에 형성되는 복수의 공간이격부(2)와; 평행하게 형성되는 경사벽(1) 사이에서 수소 및 응축수가 이송되는 공간을 형성하는 유동공간부(3)와; 분리판 일단에 형성되어 수소가 주입되는 수소입구부(4)와; 분리판 타단에 형성되어 수소 및 응축수가 배출되는 수소출구부(5)와; 상기 수소입구부(4) 및 수소출구부(5)가 형성되는 일측면을 따라 형성되어 강제 이송에 실패한 응축수가 수소출구부(5)로 이송되는 공간을 형성하는 배출공간부(6);를 포함한다.

종래 애노드분리판(200)은 도 1에서 보는 바와 같이 평판의 형태로 형성되었으며, 배경기술에서 설명한 바와 같이 공기입구측의 낮은 온도로 인해 수분이 응축된 수분응축부가 형성되고, 수분응축부의 정체에 따른 Flooding 현상이 발생하게 된다. 이러한 경우 수소의 이동이 막힐 뿐만 아니라 반응 전극의 감소에 따른 전류 밀도의 증가로 공기출구부에 온도가 급격히 상승하는 Hot Spot이 발생되어 전극을 손상시키게 된다.

따라서, 도 3에서 보는 바와 같이 애노드분리판(200)에 격벽(201)을 형성하여 캐소드분리판(100) 측에서의 공기의 유동방향과 수직으로 수소의 유동 방향을 형성하는 것을 생각해볼 수 있다. 이러한 경우 도 1에 비하여 Flooding 현상을 완화할 수는 있으나 수소 유로가 전극 방향으로 길게 형성됨에 따라 cold zone에 쉽게 물이 모여 도 1과 같이 Flooding 현상이 발생하는 문제가 있다. 또한, 전극의 길이 방향으로 길게 형성된 애노드분리판(200)은 구조물의 적층에 따른 변형이 쉽게 발생하여 변형된 부분에 응축수가 고일 수 있고, 이에 따라 Flooding 현상이 더욱 쉽게 발생하게 되는 문제가 있다.

또한, 응축수에 의한 정체현상을 완화하기 위해 도 4에서 보는 바와 같이 격벽(201)을 일정 간격 이격되도록 형성하여 패턴 형상을 갖도록 할 수 있으며, 이를 통해 전극과 수직 방향으로의 수소 및 물의 유동이 가능하도록 하여 Flooding 현상을 완화하도록 할 수 있다. 그러나 도 5에서 보는 바와 같이 캐소드분리판(100)의 돌출부(101)에 의해 기체확산층(GDL,300)이 눌려 변형이 발생하고 Cross Section에 의해 응축수가 정체되는 현상이 발생하게 되며, 이에 따라 여전히 고온부(공기출구부)에서는 냉각이 어려워 Dry out 현상이 발생하고 이에 따라 연료전지의 성능이 떨어지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 도 2에서 보는 바와 같이 전극의 길이 방향과 경사진 방향으로 수소와 함께 응축수가 강제 이송될 수 있는 공간을 형성하도록 하여, 응축수의 정체를 최소화하도록 함과 함께 응축수의 이송을 통한 고온부(공기출구부)의 냉각이 이루어지도록 할 수 있어 Dry out 현상을 완화시킬 수 있게 된다. 또한, 외부 공기 온도가 올라가는 경우에도 응축수의 이송에 의한 냉각으로 냉각 효과를 유지하도록 하여 안정적인 운전이 가능하도록 할 수 있다.

상기 경사벽(1)은 애노드분리판(200)에서 애노드(전극) 측으로 돌출되어 형성되는 구성으로, 수소의 이동경로를 구획하도록 한다. 특히, 상기 경사벽(1)은 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 전극의 길이 방향과 1 ~ 89°의 각도로 기울어지도록 형성될 수 있으며, 공기의 입구(저온부)에서 응축되는 응축수가 경사벽(1) 사이의 유동공간부(3)를 따라 공기의 출구(고온부) 측으로 이송될 수 있도록 한다. 또한, 상기 경사벽(1)은 복수개가 일정간격 이격되도록 일렬로 형성되도록 할 수 있으며, 일렬로 형성되는 경사벽(1) 사이에는 공간이격부(2)가 형성되어 수소 및 응축수의 유동이 이루어지도록 할 수 있다. 따라서, 상기 경사벽(1)은 복수개가 일렬로 형성된 상태에서 서로 평행하게 복수의 열을 형성하도록 형성되어 미세패턴 형상을 갖도록 할 수 있으며, 이를 통해 응축수의 정체를 방지하고 강제 이송을 통해 Flooding 및 Dry out 현상을 최소화할 수 있도록 한다. 또한, 상기 경사벽(1)은 일정간격 이격되는 미세패턴 형태로 형성됨에 따라 분리판의 강성을 확보하도록 할 수 있고, 이를 통해 구조 손상을 방지하도록 할 수 있다.

상기 공간이격부(2)는 일렬로 형성되는 경사벽(1) 사이에 형성되는 공간으로 수소 및 응축수의 유동이 가능하도록 한다. 따라서, 상기 공간이격부(2)는 유동공간부(3)를 통한 수소 및 응축수의 유동이 정체되는 것을 최소화하도록 할 수 있고, 수소의 원활한 공급과 응축수의 고온부 이송을 통한 냉각과 Dry out 방지가 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 상기 공간이격부(2)는 수소의 진행 방향, 즉 유동공간부(3)가 형성되는 방향과 수직을 이루는 방향에서 상기 경사벽(1)에 의해 폐쇄되도록 하여 고온부측을 향하는 응축수가 경사벽(1) 사이의 유동공간부(3) 전체에 전달될 수 있도록 하여 응축수의 정체에 따른 Flooding 현상과 고온부에 의한 Dry out 현상을 더욱 효과적으로 차단할 수 있도록 한다. 다시 말해, 복수 열의 공간이격부(2)가 수소의 진행 방향과 수직을 이루는 일직선 상에서 서로 연통되도록 형성되는 경우 공간이격부(2)를 통과하는 응축수가 다음 열의 공간이격부(2)로 유통되어 빠져나갈 수 있고, 이렇게 되면 수소 진행 방향의 경사벽(1) 사이는 응축수의 이송이 제대로 이루어지지 않아 응축수의 정체가 발생하며, 이에 따른 Flooding 현상이 발생하게 된다. 그리고 고온부에서 응축수의 이송이 제대로 이루어지지 않을 경우 종래와 같이 Dry out 현상이 발생하게 된다. 따라서, 상기 공간이격부(2)는 수소가 진행하는 방향과 수직을 이루는 방향에서 경사벽(1)에 의해 폐쇄되도록 하여 공간이격부(2)를 통과하는 응축수가 수소의 진행 방향을 따라 경사벽(1) 사이 공간을 유동할 수 있도록 하여 응축수의 정체와 Dry out 현상을 효과적으로 차단하도록 할 수 있다.

상기 유동공간부(3)는 평행을 이루는 경사진 경사벽(1) 사이에 형성되어 수소 및 응축수가 유동하는 공간을 형성하는 구성으로, 경사벽(1)이 1~89°의 각도를 가짐에 따라 유동공간부(3)도 동일한 1~89°의 각도를 갖도록 경사지게 형성된다. 따라서, 응축수는 유동공간부(3)를 따라 고온부 측으로 이송되면서 정체 현상이 완화되도록 할 수 있으며, 상기 공간이격부(2)를 통해서도 유동이 이루어지므로 정체 현상이 더욱 최소화되도록 할 수 있다. 따라서, 상기 유동공간부(3)는 경사진 상태로 평행을 이루면서 전체 분리판 상에 복수의 열을 이루어 형성되고, 전체 전극에 대해 수소의 원활한 공급이 이루어지도록 할 수 있으며, 이를 통해 전극의 반응 면적을 극대화하여 전력 생산 효율을 높이도록 할 수 있다.

상기 수소입구부(4)는 애노드 분리판 상에 수소의 주입이 이루어지도록 하는 구성으로, 도 2에 도시된 바와 같이 분리판의 일단에 형성되도록 할 수 있다.

상기 수소출구부(5)는 전극 상에서 반응을 마친 수소와 응축수를 외부로 배출시키는 구성으로, 수소입구부(4)의 반대측인 분리판 타단에 형성되도록 할 수 있다. 상기 수소출구부(5)는 수소입구부(4)보다 2배 이상의 단면적을 갖도록 하는 것이 바람직하며, 이를 통해 분리판 상의 응축수를 효과적으로 수집하여 배출시키도록 할 수 있다. 또한, 상기 수소출구부(5)는 분리판의 일측에 형성되는 배출공간부(6)와도 연통되도록 형성되어 고온부 측으로 강제 이송되지 못하는 응축수의 배출이 원활하게 이루어지도록 함으로써, 응축수에 의한 Flooding 현상을 최소화하도록 할 수 있다.

상기 배출공간부(6)는 분리판의 일측단을 따라 형성되어 고온부로 이송되지 못하는 응축수의 배출이 이루어질 수 있도록 하는 구성으로, 상기 경사벽(1)의 일측 끝단과 분리판 끝단 사이에 일정 공간을 형성하도록 한다. 따라서, 상기 유동공간부(3)에서 발생된 응축수가 고온부로 이송되지 못하는 경우 상기 배출공간부(6)에 수용되며, 상기 배출공간부(6)는 수소출구부(5)와 연통되어 수용된 응축수의 배출이 이루어질 수 있게 된다. 따라서, 상기 배출공간부(6)은 응축수의 배출을 유도하여 응축수의 정체에 따른 Flooding 현상을 완화하도록 할 수 있다.

이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

1: 경사벽
2: 공간이격부
3: 유동공간부
4: 수소입구부
5: 수소출구부
6: 배출공간부
* 종래기술에 관한 부호의 설명
100: 캐소드분리판 101: 돌출부
200: 애노드분리판 201: 격벽
300: 기체확산층

Claims (5)

1. 애노드 측으로 돌출되며, 일정 간격 이격되어 복수개가 일렬로 형성되는 경사벽과; 상기 경사벽 사이에 형성되는 복수의 공간이격부;를 포함하고,
   상기 경사벽은 캐소드분리판의 공기 유동 방향 및 전극의 길이 방향과 일정 각도 경사지게 형성되며, 서로 평행을 이루도록 복수개의 열을 형성하여 각 열 사이로 수소 및 응축수가 유동하는 유동공간부를 형성하도록 하며,
   복수의 공간이격부 각각은 모두 수소의 진행 방향과 수직을 이루는 일직선 상에서 상기 경사벽에 의해 폐쇄되도록 하여 응축수의 정체를 막고 응축수가 수소에 의해 공기출구측까지 유동할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드 분리판.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 연료전지 애노드 분리판은
   분리판 일단에 형성되어 수소가 주입되는 수소입구부와, 분리판 타단에 형성되어 수소 및 응축수가 배출되는 수소출구부를 포함하고,
   상기 수소출구부는 수소입구부보다 넓은 단면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드 분리판.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 연료전지 애노드 분리판은
   상기 수소입구부 및 수소출구부가 형성되는 일측면을 따라 형성되어 강제 이송에 실패한 응축수가 수소출구부로 이송되는 공간을 형성하는 배출공간부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연로전지 애노드 분리판.
   

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