KR102556458B1 - 응축수 배출 효율이 향상된 연료 전지용 세퍼레이터 - Google Patents

응축수 배출 효율이 향상된 연료 전지용 세퍼레이터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 가스가 유동하는 가스 유로를 형성하는 채널부; 채널부에 연결되고, 가스 확산층과 접촉하고, 가스 확산층에 대면하는 랜드면을 갖는 랜드부; 및 랜드부의 랜드면에 형성되어 응축수의 유동을 안내하는 응축수 유동 통로를 포함할 수 있고, 응축수 유동 통로는 랜드부의 랜드면으로부터 돌출되는 복수의 안내 돌기를 포함할 수 있고, 복수의 안내 돌기에는 열을 발생시키는 복수의 발열 소자가 각각 설치될 수 있다.

Description

응축수 배출 효율이 향상된 연료 전지용 세퍼레이터{SEPARATOR FOR FUEL CELL WITH IMPROVED EFFICIENCY IN DISCHARGING CONDENSATE}
본 발명은 연료 전지용 세퍼레이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 발열 소자를 사용하여 응축수를 가열하여 응축수의 유동성을 증가시킴으로써 응축수의 배출 효율을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 애노드에 수소를 공급하고 캐소드에 산소를 공급하여, 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 얻는 장치이다. 연료 전지는 유해 가스를 배출하지 않고 소음과 진동을 적게 발생하므로 차세대 에너지원으로서 각광을 받고 있다.
연료 전지는, 전해질 종류에 따라, 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체산화물 연료 전지(SOFC)로 분류된다. 이러한 연료 전지 중에서 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)가 널리 사용되고 있다.
고분자 전해질 연료 전지는 수십 내지 수백 개의 단위 셀이 직렬로 적층된 구조를 갖는다. 단위 셀은 고체 고분자 전해질막, 전극, 가스 확산층, 세퍼레이터로 구성된다.
연료 전지 내에서는 반응 가스 간의 전기 화학 반응에 의해 물이 생성된다. 연료 전지의 작동 온도가 물의 노점보다 낮은 경우, 전극, 가스 확산층, 세퍼레이터 상에 물이 응축됨에 따라 응축수가 생성된다. 이러한 응축수는 가스의 유동을 방해하여 연료 전지의 성능을 저하시키는 문제가 있다. 또한, 연료 전지의 온도 변화에 따른 응축수의 체적 변화로 인해 전극, 가스 확산층, 세퍼레이터가 변형되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 발열 소자를 사용하여 응축수를 가열하여 응축수의 유동성을 증가시킴으로써 응축수의 배출 효율을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는 막 전극 조립체 상의 가스 확산층에 적층되는 연료 전지용 세퍼레이터로서, 가스가 유동하는 가스 유로를 형성하는 채널부; 채널부에 연결되고, 가스 확산층과 접촉하고, 가스 확산층에 대면하는 랜드면을 갖는 랜드부; 및 랜드부의 랜드면에 형성되어 응축수의 유동을 안내하는 응축수 유동 통로를 포함할 수 있고, 응축수 유동 통로는 랜드부의 랜드면으로부터 돌출되는 복수의 안내 돌기를 포함할 수 있고, 복수의 안내 돌기에는 열을 발생시키는 복수의 발열 소자가 각각 설치될 수 있다.
복수의 안내 돌기는, 응축수의 유동 방향으로의 상류측에 배치되는 제1 안내 돌기와, 응축수의 유동 방향으로의 하류측에 배치되는 제2 안내 돌기를 포함할 수 있고, 복수의 발열 소자는, 제1 안내 돌기에 설치되는 제1 발열 소자와, 제2 안내 돌기에 설치되는 제2 발열 소자를 포함할 수 있고, 제1 발열 소자에서 발생하는 열의 온도는 제2 발열 소자에서 발생하는 열의 온도보다 낮을 수 있다.
제1 안내 돌기 및 제2 안내 돌기는 랜드부의 폭 방향에 대하여 경사진 방향으로 연장될 수 있고, 제1 안내 돌기 및 제2 안내 돌기는 서로 이격될 수 있고, 제1 안내 돌기 및 제2 안내 돌기는 직선형으로 동일선 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터에 따르면, 발열 소자를 사용하여 응축수를 가열하여 응축수의 유동성을 증가시킴으로써 응축수의 배출 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 세퍼레이터의 랜드부 및 가스 확산층 사이에서 생성된 응축수를 효과적으로 배출시킬 수 있다. 따라서, 가스 확산층 및 세퍼레이터의 랜드부 사이에 응축수가 잔류하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 잔류 응축수로 인해 발생하는 연료 전지의 성능 및 효율의 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터가 막 전극 조립체에 결합된 구성이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 3 및 도 4는 세퍼레이터의 랜드부에 형성되는 응축수 유동 통로가 개략적으로 도시된 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(50)는, 열경화성 수지, 전기 전도성 입자, 탄소 섬유를 혼합한 혼합물(이하, 성형 재료라 함)을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 세퍼레이터(50)는 20 내지 35 wt.%의 열경화성 수지와, 80 내지 65 wt.%의 전기 전도성 입자 및 탄소 섬유를 혼합하여 제조된 성형 재료를 사용하여 제조될 수 있다.
열경화성 수지는 페놀 수지일 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다양한 열경화성 수지가 사용될 수 있다.
전기 전도성 입자는 카본 블랙 입자일 수 있다. 카본 블랙 입자는 전기 전도성이 높으므로, 카본 블랙 입자를 사용하여 제조되는 세퍼레이터(50)의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 또한, 카본 블랙 입자는 가공성이 우수하므로, 카본 블랙 입자를 사용하여 제조되는 세퍼레이터(50)는 1 내지 2 mm 정도로 작은 두께를 가질 수 있다.
한편, 카본 블랙 입자의 양이 증가함에 따라 세퍼레이터(50)의 전기 전도성은 좋아지지만 세퍼레이터(50)의 강도가 저하될 수 있다. 따라서, 세퍼레이터(50)의 강도를 보완하기 위해, 세퍼레이터(50)는 카본 블랙 입자에 탄소 섬유를 혼합한 혼합물을 사용하여 제조된다. 예를 들면, 탄소 섬유는 PAN계 탄소 섬유, 피치계 탄소 섬유, 셀룰로오스계 탄소 섬유 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들면, 탄소 섬유는 1 내지 12 mm의 길이를 가질 수 있지만, 본 발명은 탄소 섬유의 길이에 한정되지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(50)는, 복수의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132), 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232), 복수의 유로 리브(300), 복수의 외곽 돌기(411, 421)를 구비한다.
복수의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132)은, 복수의 가스 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122) 및 한 쌍의 냉매 매니폴드 홀(131, 132)을 포함한다.
복수의 가스 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122)은, 한 쌍의 제1 가스 매니폴드 홀(111, 112) 및 한 쌍의 제2 가스 매니폴드 홀(121, 122)을 포함한다.
한 쌍의 제1 가스 매니폴드 홀(111, 112)은, 제1 가스가 유입되는 제1 가스 유입홀(111)과, 제1 가스가 배출되는 제1 가스 배출홀(112)을 포함한다. 제1 가스는 제1 가스 유입홀(111)을 통하여 세퍼레이터(50)의 내부로 유입되고, 세퍼레이터(50) 내부의 제1 가스 유로를 통과한 다음, 제1 가스 배출홀(112)을 통하여 세퍼레이터(50)의 외부로 배출된다.
한 쌍의 제2 가스 매니폴드 홀(121, 122)은, 제2 가스가 유입되는 제2 가스 유입홀(121)과, 제2 가스가 배출되는 제2 가스 배출홀(122)을 포함한다. 제2 가스는 제2 가스 유입홀(121)을 통하여 세퍼레이터(50)의 내부로 유입되고, 세퍼레이터(50) 내부의 제2 가스 유로를 통과한 다음, 제2 가스 배출홀(122)을 통하여 세퍼레이터(50)의 외부로 배출된다.
여기에서, 제1 가스 및 제2 가스 중 어느 하나는 연료 가스일 수 있고, 제1 가스 및 제2 가스 중 다른 하나는 산화제 가스일 수 있다.
각각의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)는 각각의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132)의 둘레를 따라 연장될 수 있다. 각각의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)는 각각의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132)을 둘러싸도록 형성된다. 각각의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)는 세퍼레이터(50)의 표면으로부터 돌출되어 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132)을 통하여 유동하는 냉매, 제1 가스 또는 제2 가스가 외부로 누출하는 것을 방지하는 역할을 한다.
복수의 외곽 돌기(411, 421)는 세퍼레이터(50)의 외곽을 따라 연장될 수 있다. 복수의 외곽 돌기(411, 421)는 제1 외곽 돌기(411) 및 제2 외곽 돌기(421)를 포함한다.
제1 외곽 돌기(411)는 복수의 유로 리브(300)를 둘러싸도록 형성된다. 제2 외곽 돌기(421)는 복수의 유로 리브(300), 복수의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132), 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)를 포위하도록 형성된다. 복수의 외곽 돌기(411, 421)는 세퍼레이터(50)의 내부에서 유동하는 냉매, 제1 가스 또는 제2 가스가 외부로 누출되는 것을 방지하는 역할을 한다.
복수의 유로 리브(300)는 세퍼레이터(50)의 표면으로부터 돌출될 수 있다. 복수의 유로 리브(300)는 서로 이격되게 형성될 수 있으며, 이에 따라, 복수의 유로 리브(300) 사이에는 가스가 통과하는 가스 유로(390)가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 한 쌍의 세퍼레이터(50)가 서로 결합되어 하나의 조립체를 구성할 수 있다. 한 쌍의 세퍼레이터(50)가 서로 결합되는 것에 의해 어느 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)가 다른 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)에 접합될 수 있다. 이때, 어느 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)의 접합면과 다른 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)의 접합면이 서로 접촉될 수 있다.
또한, 한 쌍의 세퍼레이터(50)가 서로 결합되는 것에 의해 어느 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 외곽 돌기(411, 421)가 다른 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 외곽 돌기(411, 421)에 접합될 수 있다. 이때, 어느 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 외곽 돌기(411, 421)의 접합면과 다른 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 외곽 돌기(411, 421)의 접합면이 서로 접촉될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 세퍼레이터(50)가 막 전극 조립체(60)에 결합되어 하나의 단위 셀을 형성한다. 그리고, 복수의 단위 셀이 적층되어 연료 전지 스택을 형성한다.
막 전극 조립체(60)는, 제1 전극(61), 제2 전극(62), 전해질 막(63)을 포함한다. 전해질 막(63)은 제1 전극(61) 및 제2 전극(62) 사이에 배치된다.
막 전극 조립체(60)와 세퍼레이터(50) 사이에는 가스 확산층(64)이 배치될 수 있다.
제1 전극(61) 및 제2 전극(62) 중 어느 하나는 애노드일 수 있고, 제1 전극(61) 및 제2 전극(62) 중 다른 하나는 캐소드일 수 있다.
한 쌍의 세퍼레이터(50)가 제1 전극(61) 및 제2 전극(62)에 결합되는 것에 의해 복수의 유로 리브(300) 사이의 공간이 밀폐되며, 이에 따라, 복수의 유로 리브(300)의 길이 방향으로 가스 유로(390)가 형성될 수 있다.
한 쌍의 세퍼레이터(50)는, 제1 전극(61)에 인접하게 배치되는 제1 세퍼레이터(51)와, 제2 전극(62)에 인접하게 배치되는 제2 세퍼레이터(52)를 포함한다.
그리고, 가스 유로(390)는, 제1 가스가 유동하는 제1 가스 유로(310)와, 제2 가스가 유동하는 제2 가스 유로(320)를 포함할 수 있다.
제1 세퍼레이터(51)가 제1 전극(61)에 결합되는 것에 의해, 제1 세퍼레이터(51) 및 제1 전극(61) 사이에 제1 가스 유로(310)가 형성될 수 있다. 제1 가스는 제1 가스 유로(310)를 따라 유동할 수 있다.
제2 세퍼레이터(52)가 제2 전극(62)에 결합되는 것에 의해, 제2 세퍼레이터(52) 및 제2 전극(62) 사이에 제2 가스 유로(320)가 형성될 수 있다. 제2 가스는 제2 가스 유로(320)를 따라 유동할 수 있다.
그리고, 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52)가 서로 결합되는 것에 의해, 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52) 사이에 냉매 유로(330)가 형성될 수 있다. 냉매는 냉매 유로(330)를 따라 유동할 수 있다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터(50)는, 채널부(56), 랜드부(57), 응축수 유동 통로(58)를 포함할 수 있다.
채널부(56)는 가스가 유동하는 가스 유로(390)를 형성한다.
랜드부(57)는 채널부(56)와 연결된다. 랜드부(57)는 가스 확산층(64)과 접촉한다. 랜드부(57)는 가스 확산층(64)에 대면하는 랜드면(571)을 갖는다. 랜드면(571)은 가스 확산층(64)과 접촉한다.
응축수 유동 통로(58)는 랜드부(57)의 랜드면(571) 상에 형성된다. 인접하는 가스 유로(390) 중 어느 하나의 가스 유로(390) 내에서 유동하는 가스 중 일부가 응축수 유동 통로(58)로 유입될 수 있다. 이에 따라, 랜드부(57) 상에 존재하는 응축수가 가스와 함께 응축수 유동 통로(58)를 통하여 유동한 다음 인접하는 가스 유로(390) 중 다른 하나의 가스 유로(390)로 배출될 수 있다.
한편, 응축수 유동 통로(58)가 형성된 부분을 제외한 랜드면(571)의 다른 부분은 가스 확산층(64)과 직접적으로 접촉할 수 있다.
응축수 유동 통로(58)는 복수의 안내 돌기(581, 582)를 포함한다.
복수의 안내 돌기(581, 582)는 응축수를 미리 설정된 방향(도 2 및 도 4의 화살표 참조)으로 안내하도록 구성된다. 도 4에 화살표로 도시된 바와 같이, 응축수는 복수의 안내 돌기(581, 582)에 의해 안내되어 미리 설정된 방향으로 유동할 수 있다. 즉, 응축수는 가스 유로(390)를 향하는 미리 설정된 방향으로 유동할 수 있다. 따라서, 랜드부(57) 상의 응축수가 가스 유로(390)로 원활하게 배출될 수 있다. 따라서, 응축수가 미리 설정된 방향이 아닌 다른 방향으로 유동하여 랜드부(57)로부터 배출되지 않고 정체되는 상태를 방지할 수 있다.
복수의 안내 돌기(581, 582)는 랜드면(571)으로부터 가스 확산층(64)을 향하여 돌출된다.
복수의 안내 돌기(581, 582)는 랜드부(57)의 폭 방향에 경사진 방향으로 연장된다. 따라서, 복수의 안내 돌기(581, 582)가 연장되는 방향에 따라 응축수가 유동하는 방향이 결정될 수 있다.
복수의 안내 돌기(581, 582)는 서로 소정의 간격으로 이격된다. 따라서, 복수의 안내 돌기(581, 582) 사이에는 응축수가 유동하는 통로가 형성된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 안내 돌기(581, 582)는, 응축수의 유동 방향으로의 상류측에 배치되는 제1 안내 돌기(581)와, 응축수의 유동 방향으로의 하류측에 배치되는 제2 안내 돌기(582)를 포함할 수 있다.
제1 안내 돌기(581) 및 제2 안내 돌기(582)는 서로 이격된다. 따라서, 제1 안내 돌기(581) 및 제2 안내 돌기(582) 사이에는 응축수가 유동하는 통로가 형성된다.
제1 안내 돌기(581) 및 제2 안내 돌기(582)는 랜드부(57)의 폭 방향에 경사진 방향으로 연장된다.
응축수의 유동을 보다 원활하게 하기 위해, 제1 안내 돌기(581) 및 제2 안내 돌기(582)는 직선형으로 연장되고 동일선 상에 배치될 수 있다. 이에 따라, 응축수의 유동 방향이 정확하게 설정될 수 있다.
복수의 안내 돌기(581, 582)에는 열을 발생시키는 복수의 발열 소자(583, 584)가 각각 설치될 수 있다. 복수의 발열 소자(583, 584)는 복수의 안내 돌기(581, 582)에 각각 내장될 수 있다. 일 예로서, 복수의 발열 소자(583, 584) 각각은 열전 소자일 수 있다. 다른 예로서, 복수의 발열 소자(583, 584)는 각각 저항 가열 또는 유도 가열을 통해 열을 발생시킬 수 있다.
복수의 발열 소자(583, 584)는 제1 안내 돌기(581)에 설치되는 제1 발열 소자(583)와, 제2 안내 돌기(582)에 설치되는 제2 발열 소자(584)를 포함한다.
제1 발열 소자(583)는 제1 안내 돌기(581)에 내장될 수 있다. 제1 발열 소자(583)는 제1 안내 돌기(581)의 형상과 대응하는 형상을 가질 수 있다.
제2 발열 소자(584)는 제2 안내 돌기(582)에 내장될 수 있다. 제2 발열 소자(584)는 제2 안내 돌기(582)의 형상과 대응하는 형상을 가질 수 있다.
제1 발열 소자(583) 및 제2 발열 소자(584)는 응축수의 유동 방향으로 순차적으로 배치될 수 있다.
여기에서, 제1 발열 소자(583)에서 발생하는 열의 온도는 제2 발열 소자(584)에서 발생하는 열의 온도보다 낮을 수 있다.
제1 발열 소자(583)에서 발생하는 열의 온도 및 제2 발열 소자(584)에서 발생하는 열의 온도는 응축수의 유동 방향의 변화에 따라 변화될 수 있다.
따라서, 응축수가 유동 방향으로 유동하면서 순차적으로 가열될 수 있다. 따라서, 응축수를 일시적으로 가열하는 경우에 비하여, 응축수의 과열을 방지할 수 있고, 응축수를 가열하는 데에 요구되는 에너지를 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 세퍼레이터에 따르면, 응축수의 유동 방향을 결정하기 위한 복수의 안내 돌기(581, 582)가 구비되며, 복수의 안내 돌기(581, 582)에 의해 응축수가 안내되면서 원활하게 배출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 세퍼레이터에 따르면, 응축수를 가열하기 위한 복수의 발열 소자(583, 584)가 구비되며, 복수의 발열 소자(583, 584)에 의해 응축수가 가열되면서 응축수의 유동성이 증가된다. 따라서, 가스 확산층(64) 및 세퍼레이터(50)의 랜드부(57) 사이에서 생성되는 응축수가 보다 원활하게 배출될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(50)에 따르면, 가스 확산층(64) 및 세퍼레이터(50)의 랜드부(57) 사이에서 생성되는 응축수를 효과적으로 배출할 수 있다. 따라서, 가스 확산층(64) 및 세퍼레이터(50)의 랜드부(57) 사이에 응축수가 잔류하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 잔류 응축수로 인해 발생하는 연료 전지의 성능 및 효율의 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 예시적으로 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경될 수 있다.
50: 세퍼레이터
60: 막 전극 조립체
57: 랜드부
58: 응축수 유동 통로

Claims (3)

  1. 막 전극 조립체 상의 가스 확산층에 적층되는 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서,
    가스가 유동하는 가스 유로를 형성하는 채널부;
    상기 채널부에 연결되고, 상기 가스 확산층과 접촉하고, 상기 가스 확산층에 대면하는 랜드면을 갖는 랜드부; 및
    상기 랜드부의 랜드면에 형성되어 응축수의 유동을 안내하는 응축수 유동 통로를 포함하고,
    상기 응축수 유동 통로는,
    상기 랜드부의 랜드면으로부터 돌출되는 복수의 안내 돌기를 포함하고,
    상기 복수의 안내 돌기에는 열을 발생시키는 복수의 발열 소자가 각각 설치되고,
    상기 복수의 안내 돌기는, 상기 응축수의 유동 방향으로의 상류측에 배치되는 제1 안내 돌기와, 상기 응축수의 유동 방향으로의 하류측에 배치되는 제2 안내 돌기를 포함하고,
    상기 복수의 발열 소자는, 상기 제1 안내 돌기에 설치되는 제1 발열 소자와, 상기 제2 안내 돌기에 설치되는 제2 발열 소자를 포함하고,
    상기 제1 발열 소자에서 발생하는 열의 온도는 상기 제2 발열 소자에서 발생하는 열의 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 안내 돌기 및 상기 제2 안내 돌기는 상기 랜드부의 폭 방향에 대하여 경사진 방향으로 직선형으로 연장되며 동일선 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터.
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