KR20020092694A - Bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cells - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 더 자세하게는 연료전지 반응에 필요한 산화가스와 연료가스를 양면으로 공급하면서 단위 연료전지들을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 역할을 수행하는 바이폴라 플레이트의 가스 유로 채널을, 기본적으로는 "ㄷ "자 형태를 단면 형상을 취하도록 하면서 바이폴라 플레이트 일측 표면의 외부에서 중심부로, 다시 중심부에서 외부로 가스가 흐르도록 다수의 가스 유로 채널들로 구성된 채널 밴드를 바이폴라 플레이트의 일측 표면에 형성시켜 수소나 산소가 풍부한 가스에 연결된 입구측 가스 유로 채널 밴드와 수소나 산소가 적은 가스에 연결된 출구측 가스 유로 채널밴드가, 바이폴라 플레이트의 전구간에 걸쳐 인접하여 평행하게 형성되도록 함으로써, 바이폴라 플레이트의 전체면에 부여되는 반응가스의 압력 분포가 균일하게 유지되도록 한 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.The present invention relates to a bipolar plate used in a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly, to a bipolar plate that supplies oxidizing gas and fuel gas required for a fuel cell reaction to both sides, and serves as a conductor that connects unit fuel cells in series. The gas flow channel of the plate is composed of a plurality of gas flow channels so that gas flows from the outside to the center and back from the center to the outside of the bipolar plate one surface, basically having the cross-sectional shape of the letter “c”. A band is formed on one surface of the bipolar plate so that an inlet gas channel channel band connected to a hydrogen or oxygen rich gas and an outlet gas channel channel band connected to a gas containing less hydrogen or oxygen are adjacent and parallel across the entire bipolar plate. Bipolar play The present invention relates to a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell in which the pressure distribution of the reaction gas applied to the entire surface of the sheet is kept uniform.
연료전지는 수소와 같은 연료가스의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 연료전지는 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지이며, 종래의 전지와는 달리 외부에서 연료와 공기를 공급받아 연속적으로 전기를 생산한다.A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel gas such as hydrogen into electrical energy. A fuel cell is a battery having a capability of producing a direct current. Unlike a conventional battery, a fuel cell is continuously supplied with fuel and air from the outside. Produces electricity.
즉, 연료전지는 메탄올이나 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템으로서 고효율의 청정에너지 변환장치이며, 연소과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다.In other words, a fuel cell is a power generation system that directly converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction generated by using hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol or natural gas and oxygen in air as a fuel, and converts clean energy with high efficiency. The device is characterized in that it can simultaneously use electricity generated by electrochemical reaction of fuel gas and oxidant gas and heat as a byproduct thereof without a combustion process.
상기 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 그리고, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체산화물형 등의 연료전지로 분류되며, 각 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해서 작동하나, 서로 다른 점은 연료의 종류, 운전 온도, 촉매와 전해질이다.The fuel cell is a phosphoric acid type operating in the vicinity of 150 ~ 200 ℃ largely, a polymer electrolyte type and an alkaline type, and a molten carbonate type operating at a high temperature of 600 ~ 700 ℃ depending on the type of electrolyte used In addition, the fuel cell is classified into a fuel cell such as a solid oxide type that operates at a high temperature of 1000 ° C. or higher, and each fuel cell operates based on the same principle, but the differences are the type of fuel, operating temperature, catalyst and electrolyte.
여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 전해질 연료전지는, 고체인 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질 관리가 용이하고 전해질에 의한 부식이나 전해질이 증발되는 문제가 없으며, 단위 면적당 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 특징이 있다.Among the various fuel cells, the polymer electrolyte fuel cell uses a solid polymer as an electrolyte, so it is easy to manage the electrolyte, and there is no problem of corrosion of the electrolyte or evaporation of the electrolyte, and high current density per unit area is obtained. have.
그리고, 고분자 전해질 연료전지는 타 연료전지에 비하여 출력특성이 월등히 높은 동시에 작동 온도가 낮을 뿐 아니라, 설비 유지 및 보수가 간편하고, 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 연료로서 수소 이외의 메탄올이나 에탄올, 천연가스 등을 개질하여 사용할 수 있기 때문에, 연료의 수송과 저장이 용이하여 자동차용 등과 같은 이동용 전원이나 주택과 공공 건물 등의 분산용 전원 및 전자기기용 소형전원으로 이용하기 위하여 개발이 활발히 추진되고 있다.In addition, the polymer electrolyte fuel cell has much higher output characteristics and lower operating temperatures than other fuel cells, and is easy to maintain and repair equipment, and has fast start-up and response characteristics. Since natural gas and the like can be reformed and used, fuel is easily transported and stored, and development has been actively promoted for use as a mobile power source for automobiles, a distributed power source for homes and public buildings, and a small power source for electronic devices. .
상기 고분자 전해질 연료전지 스택 본체는, 고분자 이온교환막인 고체의 전해질막을 중심으로 그 양쪽면에 연료극 및 공기극을 열간 가압에 의하여 부착시킨 단위 전지로 이루어지며, 상기의 단위 전지를 여러 층으로 적층하여 수 W에서 수백 KW에 이르는 연료전지 발전시스템을 구성하게 된다.The polymer electrolyte fuel cell stack main body includes a unit cell in which a fuel electrode and an air electrode are attached to each side of the polymer electrolyte exchange membrane as a polymer ion exchange membrane by hot pressing, and the unit cells are stacked in several layers. It will form a fuel cell power generation system ranging from W to hundreds of kilowatts.
고분자 전해질 연료전지를 구성하는 단위 전지에서 전기가 생성되는 과정은 다음과 같다.The process of generating electricity in the unit cell constituting the polymer electrolyte fuel cell is as follows.
연료전지의 연료는 순수 수소를 이용하거나, 메탄이나 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여 개질이라는 과정을 통해 생산된 수소를 이용하며, 산화제 가스로서의 순수한 산소는 연료전지의 효율을 높일 수 있지만, 산소 저장에 따른 비용과 연료전지의 무게가 증가하게 되는 문제가 있다. 따라서 공기 중에 산소가 많이 포함되어 있으므로 효율은 좀 떨어지지만 공기를 직접 이용하며, 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 열 및 물이 생성된다.Fuel of fuel cell uses pure hydrogen or hydrogen produced through reforming process using hydrocarbon such as methane or ethanol. Pure oxygen as an oxidant gas can increase efficiency of fuel cell, There is a problem that the cost and weight of the fuel cell increases. Therefore, the air contains a lot of oxygen, but the efficiency is a little lower, but directly using the air, according to the reaction shown in Scheme 1 below, electricity, heat and water are generated.
음극반응 : O2+ 2H++ 2e-→ H2OCathodic reaction: O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O
전체반응 : H2+ O2→ H2O + 전류 + 열Total reaction: H 2 + O 2 → H 2 O + current + heat
이때, 양극에서 발생된 전자는 외부 회로를 따라 음극인 공기극으로 이동하여 산소 가스를 환원, 산소 이온으로 변화시키고, 이 산소 이온은 고분자 전해질막을 통과하여 양극인 연료극에서 음극인 공기극으로 이동해 온 수소 이온과 공기극 표면에서 반응하여 물을 생성시키게 된다.At this time, the electrons generated at the anode move along the external circuit to the cathode, which is the cathode, to change oxygen gas into reducing and oxygen ions, and the oxygen ions pass through the polymer electrolyte membrane to move to the cathode, which is the cathode, from the anode. And react at the surface of the cathode to produce water.
즉, 고분자 전해질 연료전지의 이온 전도성 전해질막은 양극과 전해질 계면의 촉매 표면에서 생성된 수소 양이온을 음극과 전해질 계면의 촉매 표면으로 이동시켜 음극으로 공급되는 산소와 양극으로부터 외부회로를 따라 이동해 온 전자가 반응하여 물을 생성하도록 해준다.That is, the ion-conducting electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell moves the hydrogen cations generated at the catalyst surface at the anode and electrolyte interface to the catalyst surface at the cathode and electrolyte interface, and electrons moved along the external circuit from oxygen and anode supplied to the cathode. React to produce water.
연료전지의 최종 생성물질은 물과 열, 직류 전류이므로 대기환경오염을 상당 부분 줄일 수 있다. 게다가 연료전지는 동력원의 시스템 효율이 50% 이상이고(기존 내연기관의 효율은 25% 이하이다), NOx, SOx등의 유해 가스의 배출이 1% 이하인 청정 고효율 발전 시스템이다.The final products of fuel cells are water, heat and direct current, which can significantly reduce air pollution. In addition, the fuel cell is a clean, high efficiency power generation system with a system efficiency of more than 50% of the power source (the efficiency of the existing internal combustion engine is less than 25%) and emission of harmful gases such as NO x and SO x of 1% or less.
고분자 전해질 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 연료전지 본체와, 연료인 천연가스나 석탄가스 또는 메탄올 등을 수소로 개질하여 수소가 많은 연료가스로 만드는 개질기와, 발전된 직류전기를 교류전기로 변환시키는 직교류변압기 및 제어장치와, 발전 과정에서 발생된 열을 계외로 방출하고 이용하기 위한 배열 이용 시스템 등으로 구성된다.The polymer electrolyte fuel cell system includes a fuel cell main body that produces electricity, a reformer that reforms natural gas, coal gas, or methanol, which is a fuel, into hydrogen-rich fuel gas, and converts the generated direct current electricity into alternating current electricity. AC transformer and control device, and an array using system for discharging and using heat generated during power generation out of the system.
연료전지 본체는 적층된 수십장의 단위전지로 구성되며, 연료와 공기 등의 반응가스가 각 단위전지로 공급되도록 설계되어 있다. 기본적으로 각 단위전지는 전해질에 의하여 분리된 연료극과 공기극의 두 전극으로 구성되어 있고, 각 단위전지는 바이폴라 플레이트에 의해 구성된다.The fuel cell body is composed of dozens of unit cells stacked, and is designed to supply reaction gases such as fuel and air to each unit cell. Basically, each unit cell is composed of two electrodes, a fuel electrode and an air electrode separated by an electrolyte, and each unit cell is constituted by a bipolar plate.
바이폴라 플레이트는 연료전지 반응에 필요한 산화가스와 연료가스가 양면으로 공급되는 통로의 역할과 각 단위 전지의 양극과 음극을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 역할을 동시에 수행하게 되는 사각판상의 카본판이다.The bipolar plate is a rectangular plate carbon plate which simultaneously serves as a passage for supplying oxidizing gas and fuel gas for both sides of the fuel cell and a conductor for connecting the anode and cathode of each unit cell in series.
바이폴라 플레이트가 전도체의 역할을 수행하는 동시에 반응에 필요한 가스를 원활히 공급하기 위해서 전극에 밀착되는 바이폴라 플레이트의 일측 표면에는 가스의 이동 통로인 가스 유로 채널들이 형성되며, 이 가스 유로 채널과 연료전지의 전극-전해질 합성체(MEA, membrane and electrode assembly) 사이에는 다공성 탄소종이나 탄소천으로 이루어진 확산층이 형성되며, 가스 유로에서 이 확산층을 통해 전극-전해질 합성체에 가스가 공급된다.In order for the bipolar plate to function as a conductor and to smoothly supply the gas necessary for the reaction, gas flow channels, which are gas passages, are formed on one surface of the bipolar plate that is in close contact with the electrodes, and the gas flow channel and the electrode of the fuel cell are formed. A diffusion layer of porous carbon species or carbon cloth is formed between the membrane and electrode assembly (MEA), and gas is supplied to the electrode-electrolyte composite through the diffusion layer in the gas flow path.
상기 전극-전해질 합성체는 연료전지의 음극 및 양극이 되는 두 장의 전극과 확산층이 고온에서 압착된 것으로, 통상적으로 1mm 이하의 두께를 갖는다.The electrode-electrolyte composite is formed by compressing two electrodes and a diffusion layer, which are a cathode and an anode of a fuel cell, at a high temperature, and typically have a thickness of 1 mm or less.
따라서, 상기 다공성 확산층의 가스 확산효과에 의해 유로 채널의 면적뿐만 아니라 전극과 바이폴라 플레이트의 접촉면까지도 반응이 일어나는 활성면이 된다. 즉 전극-전해질 합성체의 전체 면적에 걸쳐 전자와 이온의 이동이 이루어지게 된다.Therefore, due to the gas diffusion effect of the porous diffusion layer, not only the area of the flow channel but also the contact surface of the electrode and the bipolar plate becomes the active surface where the reaction occurs. In other words, electrons and ions move over the entire area of the electrode-electrolyte composite.
상기의 채널들은 서로 평행한 다수의 채널들로 이루어지고, 이 일단의 채널들을 채널 밴드라 하면, 이 채널 밴드가 어떠한 기하학적인 형상을 하느냐에 따라 채널들을 통과하는 반응가스의 압력과 유량이 변화하게 된다.The channels are composed of a plurality of channels parallel to each other. If the group of channels is called a channel band, the pressure and flow rate of the reaction gas passing through the channels change depending on the geometric shape of the channel band. .
상기 가스 유로 채널들을 통하여 연료전지의 반응가스가 공급되고, 공급되는반응가스의 압력이 일정하게 유지되어야 유로 채널 밴드의 길이 방향으로 균일한 전기화학반응이 일어나고 균일한 전기를 얻을 수 있으며, 동시에 일정한 열이 발생되어 연료전지의 성능을 최적화시킬 수 있고, 또한 상기 각 채널의 형태와 단면 크기는 가스 공급 뿐만 아니라 고분자 전해질막의 이온전도에 필요한 수분을 공급하고 배출하는데 영향을 주기 때문에 가스 유로 채널의 구조와 형태는 매우 중요하다.When the reaction gas of the fuel cell is supplied through the gas flow channel, and the pressure of the supplied reaction gas is kept constant, a uniform electrochemical reaction occurs in the longitudinal direction of the flow channel channel band and uniform electricity is obtained. Heat is generated to optimize the performance of the fuel cell, and the shape and cross-sectional size of each channel affects not only the gas supply but also the supply and discharge of moisture required for ion conduction of the polymer electrolyte membrane. And form are very important.
그러나, 가스 유로 채널의 구조와 형태가 적절치 못하여 채널을 따라 흐르는 반응가스의 흐름과 압력이 일정하지 않을 경우에는 전류와 온도의 분포가 불균일하게 되어 국부적인 전기 및 열적 과부하 상태가 초래되므로써 연료전지의 효율 저하는 물론 수명이 단축될 수가 있다.However, when the flow path and pressure of the reaction gas flowing along the channel are not constant because the structure and shape of the gas flow channel are not appropriate, the distribution of current and temperature becomes uneven, resulting in local electric and thermal overload conditions. The reduction in efficiency can of course be shortened.
그리고, 고분자 전해질 연료전지는 전해질로 사용되는 고분자막의 특성상 원활한 이온전도를 위해 전해질막은 항상 습한 상태로 유지되어야 하기 때문에 반응공기에 의해 전해질막이 건조되는 것을 방지하기 위하여 전해질막을 가습하여 주어야 한다.In addition, in the polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte membrane must always be kept in a humid state for smooth ion conduction, so the electrolyte membrane must be humidified to prevent the electrolyte membrane from being dried by the reaction air.
그러나, 고분자 전해질 연료전지의 경우 작동온도가 100℃ 이하이기 때문에 가습을 위해 공급된 수분과 반응가스인 수소 및 산소가 반응하여 생성된 물이 상기 가스 유로 채널내에서 응축되어 사점(dead spot)이 형성되는 문제가 초래될 수 있다.However, in the case of the polymer electrolyte fuel cell, since the operating temperature is 100 ° C. or less, water generated by the reaction of hydrogen and oxygen, which are moisture and reactant gas supplied for humidification, is condensed in the gas flow channel and dead spots are formed. The problem of formation can result.
따라서, 수분을 원활히 배출하기 위하여 가스 유로 채널의 입, 출구 사이에 압력차를 부여하여 상대적으로 저압 상태인 출구에서 팽창된 가스로 하여금 많은수분이 함유된 상태에서 배출될 수 있도록 상기 채널을 구성하거나, 채널의 수를 적게 하여 각 채널에서의 가스 유동 속도를 증가시킴으로써 가스의 유동 관성에 의해 물배출이 원할히 이루어지도록 한다.Therefore, in order to discharge moisture smoothly, the channel is configured to provide a pressure difference between the inlet and the outlet of the gas flow channel so that the expanded gas can be discharged in a state containing a large amount of water at the outlet at a relatively low pressure. In addition, the number of channels is reduced to increase the gas flow rate in each channel so that the water discharge is smoothed by the flow inertia of the gas.
그러나, 채널의 수를 적게하고 유로를 길게 하여 채널당 가스의 유동 속도를 높이고 압력손실이 크게 발생하도록 하게 되면 상대적으로 적은 채널 수에 의해 가스 유로 채널의 길이가 길어지게 되는 동시에 그 형태가 복잡해질 수 밖에 없기 때문에, 이에 대한 적절한 설계가 이루어지지 않으면 채널 사이의 균일한 가스의 압력 분포가 이루어지지 않아 가스의 일정한 유동 분포와 반응 및 원활한 수분 배출을 기대할 수 없게 된다.However, if the number of channels is reduced, the flow path is increased to increase the flow rate of gas per channel, and the pressure loss is large, the length of the gas channel can be complicated by the relatively small number of channels, and the shape can be complicated. Since there is only a proper design for this, there is no uniform pressure distribution of the gas between the channels, it is impossible to expect a constant flow distribution, reaction and smooth moisture discharge of the gas.
국내특허 제199866호에 개시된 바와 같이, 기존의 바이폴라 플레이트의 가스 유로 채널은, 채널의 입구와 출구를 통과하는 가스의 압력차를 가능한 크게 하면서 바이폴라 플레이트의 면적을 최대로 이용하기 위하여 채널의 단면 형상을 6각형의 형태로 하여 그 가공이 어렵고, 예각과 둔각으로 꺽인 부위가 많아 오히려 국부적인 가스의 정체 구간이 적지 않게 형성되므로써 반응가스의 분포가 균일하지 않게 될 뿐 아니라 수분 배출도 원활하지 못하게 되는 단점이 있다.As disclosed in Korean Patent No. 199866, the gas flow channel of a conventional bipolar plate has a cross-sectional shape of the channel in order to maximize the area of the bipolar plate while increasing the pressure difference between the gas passing through the inlet and the outlet of the channel as much as possible. It has a hexagonal shape, and its processing is difficult, and there are many areas that are bent at an acute angle and an obtuse angle. Instead, there are not many local gas stagnation sections, so that the distribution of the reaction gas is not uniform and moisture is not smoothly discharged. There are disadvantages.
상기의 단점을 보완하기 위하여 가스 유로 채널의 단면 형상을 사각형으로 하고 길이 방향 형상을 단순하게 "ㄷ" 자형의 지그재그 형태로 상기 채널을 구성하여 일측 모서리부에서 가스가 공급되어 타측 대각선 다른쪽 모서리부에서 가스가 배출되도록 할 경우에는, 가스의 유동측면에서는 상기의 6각형 형태보다는 양호하나 입구에서 출구까지의 길이에 비례하여 가스의 압력 강하가 발생되므로써 구조적으로 입구측에서는 높은 압력이, 출구측에서는 낮은 압력이 되고, 이는 연료전지 스택에 구조적으로 불균일한 응력 문제를 초래할 수 있다.In order to compensate for the above disadvantages, the cross-sectional shape of the gas flow channel is rectangular and the longitudinal shape is simply formed in the form of a zigzag in the shape of a "c" shape, so that gas is supplied from one corner part to the other diagonal part. When the gas is discharged from the gas, the pressure side of the gas is better than the hexagonal shape on the flow side of the gas, but the pressure drop of the gas occurs in proportion to the length from the inlet to the outlet. This can lead to structurally non-uniform stress problems in the fuel cell stack.
또한, 사용되는 반응 가스량에 따라 입구측은 반응 효율이 높고 출구측은 반응 효율이 낮게 되어 반응 및 온도 분포가 불균일하게 되어 전체적인 연료전지의 효율이 저하되는 단점이 있다.In addition, depending on the amount of reaction gas used, the inlet side has a high reaction efficiency and the outlet side has a low reaction efficiency, resulting in a nonuniform reaction and temperature distribution, which lowers the efficiency of the overall fuel cell.
본 발명은 종래 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 가스 유로 채널이 가진 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 가스 유로 채널의 단면 형상은 기본적으로 "ㄷ "자 형태를 취하나, 수소나 산소가 풍부한 입구측 가스와 연결된 채널을 산소나 수소의 양이 적은 출구측 가스에 연결된 채널와 함께 바이폴라 플레이트의 전체 구간에 걸쳐 인접하여 평행하게 흐르도록 가스 유로 채널을 구성하여 바이폴라 플레이트 전체에 걸쳐 반응가스의 압력 분포가 균일하게 유지되어 스택이 구조적으로 안정되는 것은 물론, 채널의 입구와 출구가 분리되어 반응의 불균일성이 방지되므로써 활성면 전체적으로 전기와 열이 균일하게 발생될 수 있도록 하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 바이폴라 플레이트를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.The present invention is to solve all the problems of the gas flow channel of the conventional bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell, the cross-sectional shape of the gas flow channel basically takes the form of "c", but the inlet gas rich in hydrogen or oxygen The gas flow channel is configured so that the connected channel flows in parallel with the channel connected to the outlet gas having a low amount of oxygen or hydrogen, and is parallel to and over the entire section of the bipolar plate, thereby maintaining a uniform pressure distribution of the reaction gas throughout the bipolar plate. As a result, the stack is structurally stable, and the inlet and the outlet of the channel are separated to prevent nonuniformity of the reaction so that electricity and heat can be generated evenly throughout the active surface, thereby improving the performance of the fuel cell. It is an object of the present invention to provide.
도 1은 본 발명 일실시예 바이폴라 플레이트를 사용한 연료전지의 개략적인 분해 구성도.1 is a schematic exploded configuration diagram of a fuel cell using an embodiment of the present invention bipolar plate.
도 2는 본 발명 일실시예 바이폴라 플레이트의 평면도.Figure 2 is a plan view of one embodiment bipolar plate of the present invention.
도 3은 본 발명 바이폴라 플레이트의 가스 흐름 모식도.Figure 3 is a schematic diagram of the gas flow of the present invention bipolar plate.
((도면의 주요 부분에 부호의 설명))((Explanation of a sign in the main part of the drawing))
11. 고분자 전해질막 12.전극11.Polyelectrolyte Membrane 12.Electrode
13. 확산층 2,14. 바이폴라 플레이트13. Diffusion layer 2,14. Bipolar plate
15. 집전체 21. 가스 유로 채널 밴드15. Current collector 21. Gas Euro Channel Band
14A,21A. 가스 유로 채널14A, 21A. Gas euro channel
21B. 가스 유로 채널벽21B. Gas flow channel wall
S1,S2,S3,S4. 바이폴라 플레이트 일측 표면의 4변S1, S2, S3, S4. 4 sides of one surface of bipolar plate
본 발명의 상기 목적은 바이폴라 플레이트 일측 표면의 일측 모서리부에서시작되어 상기 일측 표면 중심부를 거쳐 상기 일측 모서리부의 대각선 방향에 있는 타측 모서리부까지 일체로 형성되며 인접하여 평행한 다수의 가스 유로 채널들에 의하여 달성된다.The object of the present invention starts at one corner of one surface of the bipolar plate and is integrally formed to the other corner in the diagonal direction of the one corner of the one surface through the center of the one surface and in a plurality of adjacent parallel gas flow channels. Is achieved.
즉, 본 발명의 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 일측 표면에 형성된 반응가스의 유동로인 상기 가스 유로 채널들은, 항상 바이폴라 플레이트의 두 변에는 평행하고 다른 두 변에는 수직한 상태를 유지하면서 수회에 걸쳐 직각 방향으로 꺽여 상기 일측 표면의 중심부로 이어진 후, 중심부로부터 상기 모서리부의 대각선 방향에 있는 타측 모서리부로 이어진다.That is, the gas flow channel, which is a flow path of the reaction gas formed on one surface of the bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, is always maintained several times while maintaining a state parallel to two sides and perpendicular to the other two sides of the bipolar plate. It bends at right angles to the center of the one surface, and then from the center to the other corner in the diagonal direction of the corner.
본 발명의 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 일측 표면에 형성된 상기 가스 유로 채널들은, 일측 모서리부에서 중심부를 통하여 일측 모서리부의 대각선 방향에 위치한 타측 모서리부로 이어지기 때문에 모서리부에서 중심부로 들어가는 방향의 채널들과, 중심부에서 상기 타측 모서리부로 나가는 방향의 채널이들 상호 접하도록 형성됨에 본 발명의 기술적 특징이 있다.The gas flow channel formed on one surface of the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the channel in the direction from the corner to the center because it leads from one corner to the other corner located in the diagonal direction of one corner through the center And, there is a technical feature of the present invention is formed so that the channels in the direction from the center to the other edge portion in contact with each other.
그리고, 본 발명의 바이폴라 플레이트의 일측 표면에 형성된 상기 다수의 가스 유로 채널들은, 각 채널의 단면 형상이 "ㄷ"자형을 유지하여 가스의 흐름을 방해하지 않으면서 수 회의 직각 꺽임을 통하여 각 채널들의 직선부 길이가 변화되면서 각 채널들의 총길이가 동일하게 형성되므로써, 바이폴라 플레이트의 전체 활성면에 걸쳐 반응가스에 의해 부여되는 압력과 유량이 균일하게 된다.And, the plurality of gas flow channel formed on one surface of the bipolar plate of the present invention, the cross-sectional shape of each channel to maintain the "c" shape of the respective channels through the right angle bend several times without disturbing the flow of gas As the lengths of the straight portions are changed, the total lengths of the channels are equal, so that the pressure and flow rate applied by the reaction gas are uniform over the entire active surface of the bipolar plate.
상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.Details of the effects and effects according to the object and technical configuration of the present invention will be clearly understood by the following description with reference to the drawings showing a preferred embodiment of the present invention.
도 1에 일반적인 고분자 전해질 연료전지의 개략적인 분해 구성도를, 도 2에 본 발명 일실시예 바이폴라 플레이트의 평면도를 도시하였다.1 is a schematic exploded configuration diagram of a polymer electrolyte fuel cell in general, and FIG. 2 is a plan view of a bipolar plate according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 상기 연료전지는 고분자 전해질막(11)을 중심으로 양측에 각각 음극과 양극이 되는 전극(12), 확산층(13), 바이폴라 플레이트(14), 집전체(15)가 일련의 순서로 양면에 적층되며, 고분자 전해질막(11)과 각각 음극 및 양극이 되는 두 장의 전극(12) 및 확산층(13)은 전기가 발생되는 주요 요소인 전극-전해질 합성체가 된다.As shown in the drawing, the fuel cell includes a series of electrodes 12, a diffusion layer 13, a bipolar plate 14, and a current collector 15, which are cathodes and anodes on both sides of the polymer electrolyte membrane 11, respectively. Stacked on both sides in order, the polymer electrolyte membrane 11 and the two electrodes 12 and the diffusion layer 13 serving as the cathode and the anode, respectively, become an electrode-electrolyte composite which is a main element for generating electricity.
이때, 상기 확산층(13)은 반응가스로부터 발생되는 전자와 이온의 균일하고 원활한 이동을 위한 것으로, 바이폴라 플레이트(14)의 표면에 형성된 가스 유로 채널들의 단면 형상은 냉각핀과 같은 형상을 하게 되고, 상기 냉각핀 즉, 각 체널의 분리벽이 전극에 밀착하게 되면 분리벽과 밀착된 부분을 통해서는 상기 전자와 이온의 이동이 불가하게 되고, 전극의 전면이 아닌 채널의 형상과 일치되는 부분에서만 전자와 이온의 이동이 가능하게 되어 효율이 떨어지게 된다.At this time, the diffusion layer 13 is for the uniform and smooth movement of electrons and ions generated from the reaction gas, the cross-sectional shape of the gas flow channel formed on the surface of the bipolar plate 14 is shaped like a cooling fin, When the cooling fin, that is, the partition wall of each channel is in close contact with the electrode, the electrons and ions cannot be moved through the part in close contact with the partition wall, and the electrons are only at the part matching the shape of the channel, not the front of the electrode. And ions can be moved, and the efficiency is reduced.
따라서, 바이폴라 플레이트(14)와 전극(12) 사이에 확산층(13)을 개재시켜 채널의 분리벽과 전극이 밀착되지 않도록 하여 확산층이 개재된 상태에서 분리벽과 접한 전극 부위를 통해서도 전자와 이온의 이동이 가능하도록 함으로써, 전극 전체면에 걸쳐 전자와 이온의 균일한 이동이 가능하게 된다.Therefore, the diffusion layer 13 is interposed between the bipolar plate 14 and the electrode 12 to prevent the channel and the electrode from coming into close contact with each other. By enabling movement, uniform movement of electrons and ions is possible over the entire electrode surface.
그리고, 바이폴라 플레이트의 일측 표면에 형성된 가스 유로 채널을 통과하는 반응가스의 전기화학반응에 의해 두 전극에서 발생된 전기는 집전체(15)로 모아져 사용된다.In addition, electricity generated at the two electrodes by the electrochemical reaction of the reaction gas passing through the gas flow channel formed on one surface of the bipolar plate is collected and used by the current collector 15.
결국, 확산층이 개재된 상태에서 전극에 밀착되는 바이폴라 플레이트(14)의 일측 표면에 형성되는 가스 유로 채널(14A)의 구조가 전기 발생에 매우 중요한 영향을 끼치게 된다.As a result, the structure of the gas flow channel 14A formed on one surface of the bipolar plate 14 in close contact with the electrode in the state where the diffusion layer is interposed has a very important influence on the generation of electricity.
본 발명 바이폴라 플레이트(2)의 일측 표면에 형성된 가스 유로 채널(21A)들은, 표면의 일측 모서리부에서 시작된 후 표면 중심부를 통하여 타측 모서리부에 도달하게 된다.The gas flow channel channels 21A formed on one surface of the bipolar plate 2 of the present invention start at one corner of the surface and then reach the other corner through the center of the surface.
즉, 다수의 평행한 가스 유로 채널(21A)들이 모인 채널 밴드(21)는, 전극과 밀착하는 바이폴라 플레이트(2) 일측 표면의 일측 모서리부와 타측 모서리부에서 각각 시작되어 마주보는 방향으로 상호 마주보는 두 변(S1)(S2)을 따라 바이폴라 플레이트 일측 표면의 두 최외곽부에 각각(21')(21") 형성된 후, 상기 두 변(S1)(S2)에 수직하게 만나며 상호 마주보는 다른 두 변(S3)(S4)을 만나 직각으로 꺽인 상태에서 상기 다른 두 변(S3)(S4)을 따라 상기 바이폴라 플레이트 일측 표면의 다른 두 최외곽부에 각각 연장형성된 다음, 이전에 형성된 채널 밴드를 만나게 되면 다시 직각으로 꺽여 이전에 형성된 채널 밴드와 인접하여 평행하게 각각 진행하고, 다시 이전에 형성된 채널 밴드를 만나게 되면, 직각으로 꺽여 상기와 동일한 방식으로 각각 진행하여 최종적으로는 상기 일측 모서리부와 타측 모서리부에서 각각 시작된 채널 밴드(21')(21")가 바이폴라 플레이트 일측 표면의 중심부에서 만나 하나(21)로 일체화 된다.That is, the channel bands 21 in which the plurality of parallel gas flow channel channels 21A are collected face each other in a direction starting from one edge portion and the other edge portion of one surface of the bipolar plate 2 in close contact with the electrodes. After the two sides (S1) and (S2) are formed (21 ', 21 ") respectively at the two outermost portions of one surface of the bipolar plate, the two sides (S1) (S2) perpendicular to each other and face each other The two bands (S3) and (S4) meet each other and bent at right angles. The two bands (S3) and (S4) extend along the other two outermost portions of one surface of the bipolar plate, respectively, and then form a previously formed channel band. When it meets, it bends again at right angles and proceeds to be parallel to the previously formed channel bands, and when it meets previously formed channel bands, it is bent at right angles and proceeds in the same manner as described above. Channel bands 21 ′, 21 ″ respectively started at one edge and at the other edge meet at the center of the bipolar plate one surface and are integrated into one 21.
이때, 일측 모서리부의 채널 밴드부는 가스의 유입구가 되고, 타측 모서리부의 채널 밴드부는 가스의 배출구가 되기 때문에 결국, 본 발명의 바이폴라 플레이트에 형성된 가스 유로 채널을 통과하는 반응가스는 도 3에 도시된 가스 흐름 모식도와 같이 바이폴라 플레이트 일측 표면의 일측 모서리부로 유입되어 중심부를 통과한 후 타측 모서리부로 배출되게 된다.At this time, the channel band portion of the one corner portion is the inlet of the gas, the channel band portion of the other corner portion is the outlet of the gas, the reaction gas passing through the gas flow channel formed in the bipolar plate of the present invention is the gas shown in FIG. As shown in the flow diagram, it is introduced into one corner of the surface of one side of the bipolar plate and passes through the center to be discharged to the other corner.
따라서, 채널 밴드(21)를 구성하는 각 채널(21A)들은 반복된 직각 꺽임을 통하여 상호 각각의 전체 길이가 일정하게 되어 각 채널을 통과하는 반응가스의 압력과 유량이 균일하게 유지되며, 각 체널 사이의 채널벽(21B)은 연료전지에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각핀의 역할도 수행하게 된다.Therefore, each channel 21A constituting the channel band 21 has a constant total length of each other through repeated orthogonal bending to maintain a uniform pressure and flow rate of the reaction gas passing through each channel. The channel wall 21B therebetween also serves as a cooling fin for cooling heat generated in the fuel cell.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명 바이폴라 플레이트의 일측 표면에는 단면 형상을 "ㄷ" 자 형태로 하면서, 반응가스가 바이폴라 플레이트 표면의 외부로부터 중심부를 통해 다시 외부로 흐르도록 함으로써, 수소나 산소가 풍부한 입구측과 산소나 수소의 양이 적은 출구측에 연결된 채널 밴드가 바이폴라 플레이트의 일측 표면 중심부를 기준으로 전 구간에 걸쳐 인접하여 평행하도록 하여 바이폴라 플레이트의 일측 표면 전체적으로 반응가스의 압력 분포가 균일하게 유지되어 연료전지 스택이 구조적으로 안정되는 것은 물론, 반응이 잘 일어나는 구간과 반응이 잘 일어나지 않는 구간이 인접되므로써 전기와 열의 발생이 균일화되어 연료전지의 성능과 내구성을 향상되는 효과가 있다.As described above, the one side surface of the bipolar plate of the present invention has a cross-sectional shape of the letter 'C', while allowing the reaction gas to flow back from the outside of the bipolar plate surface to the outside through the center, thereby enriching hydrogen or oxygen. The channel band connected to the side and the outlet side with less amount of oxygen or hydrogen is parallel to all parts adjacent to the center of one surface of the bipolar plate so that the pressure distribution of the reaction gas is uniformly maintained on one surface of the bipolar plate. As well as the structural stability of the fuel cell stack, the sections in which the reactions occur well and the sections in which the reactions do not occur well are adjacent to generate electricity and heat, thereby improving the performance and durability of the fuel cell.
그리고, 각 채널 당 길이와 꺾어지는 횟수 등이 같기 때문에 각 채널별 압력강하 정도와 유속 분포가 균일하게 되어 일정하게 반응가스를 공급할 수 있으며, 물을 배출할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the length and the number of times of bending of each channel are the same, the degree of pressure drop and flow velocity distribution of each channel are uniform, so that the reaction gas can be uniformly supplied and water can be discharged.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100910078B1 (en) * | 2004-12-30 | 2009-07-30 | 비와이디 컴퍼니 리미티드 | A fuel bettery |
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