KR20070107549A - 연료전지용 분리판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 본 발명에 따르면, 반응물인 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 연료전지의 애노드 전극과 캐소드 전극에 대면하여 설치되고 유체소통이 가능한 채널이 가공되어 있는 플레이트로 이루어진 분리판은 상기 채널을 구분하는 리브를 포함하고, 상기 리브의 배출단은 상기 플레이트의 표면을 향해서 제1경사각을 갖는 경사단부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하므로, 캐소드 전극에서 생성된 물이 용이하게 배출되고 캐소드 전극에 공기를 원활하게 공급할 수 있어 고효율의 연료전지 발전이 가능하다.
연료전지, 분리판, 캐소드 전극, 배수

Description

연료전지용 분리판{separator for the fuel cell}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 캐소드측 분리판을 나타낸 평면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 캐소드측 분리판을 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐소드측 분리판의 변형예를 나타낸 평면도,
도 4는 통상의 연료전지를 구성하는 단위연료전지를 나타낸 개략도,
도 5는 통상의 연료전지에 사용되는 캐소드측 분리판을 나타낸 평면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 캐소드측 플레이트
110, 210 : 플레이트
120, 220 : 유입구
130, 230 : 배출구
140, 240 : 유입헤더
150, 250 : 배출헤더
160, 260 : 채널
161, 261 : 리브
본 발명은 연료전지에서 사용하는 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 캐소드 전극에서 발생하는 물의 배출을 용이하게 하는 분리판에 관한 것이다.
연료전지는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올형 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 동일하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질막 등이 서로 다를 수 있다.
일반적으로 연료전지는 연료로써 사용되는 수소와 산화제로써 사용되는 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소를 직접 사용할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 생성된 수소를 사용할 수도 있다. 상기 산소는 순수한 산소를 직접 사용할 수도 있고, 공기 펌프 등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 사용할 수도 있다. 한편 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)는 연료로써 수소를 사용하지 않고 액상의 고농도 메탄올과 물을 혼합한 혼합 연료를 사용할 수 있다.
도 4는 통상의 연료전지를 구성하는 단위연료전지를 나타낸 개략도이다.
도 4를 참조하면 연료전지는 전기에너지를 발생하는 적어도 하나의 단위 연료 전지로써, 전극 전해질막 접합체(370)와 캐소드측 분리판(300) 및 애노드측 분리판(390)을 포함할 수 있다. 전극 전해질막 접합체(370)는 양측면을 이루는 애노드 전극(381)과 캐소드 전극(382) 사이에 전해질막(380)이 개재된 통상적인 전극 전해질막 접합체의 구조를 가질 수 있다.
캐소드측 분리판(300)은 캐소드 전극(382)에 접하여 설치되며, 캐소드측 분리판(300)의 표면에 형성된 채널(360)을 따라 공기가 유동하면서 공기 중에 포함된 산소를 캐소드 전극(382)에 공급한다. 또한 캐소드 전극(382)에서 산소의 환원 반응 후 생성되는 물은 캐소드측 분리판(300)의 채널(360)을 따라 이동하여 외부로 배출된다.
애노드측 분리판(390)은 애노드 전극(381)에 접하여 설치되며, 애노드측 분리판(390)의 표면에 형성된 채널(391)을 따라 연료가 유동하면서 애노드 전극(381)에 연료를 공급한다. 또한 애노드 전극(381)에서 반응 후 생성되는 이산화탄소 등은 애노드측 분리판(390)의 채널(391)을 따라 이동하여 외부로 배출된다.
도 5는 통상의 연료전지에 사용되는 캐소드측 분리판(300)을 나타낸 평면도이다.
도 5를 참조하면 유입구(320)를 통해 유입된 공기는 상부모서리(341)가 플레이트(310)의 모서리와 평행하게 형성된 유입헤더(340)를 지나 리브(361)로 형성된 채널(360)을 따라 아래로 유동한다. 채널(360)을 지난 공기는 하부모서리(351)가 플레이트(310)의 모서리와 평행하게 형성된 배출헤더(350)를 지나 배출구(330)로 배출된다. 또한 전술한 바와 같이 캐소드 전극(382; 도 4 참조)에서 생성된 물은 중력작용을 통해 채널(360)을 따라 배출헤더(350)로 적하하여 배출구(330)로 배출된다. 그런데 배출헤더(350)의 하부 모서리(351)는 플레이트(310)의 모서리와 수평으로 형성되어 있기 때문에 적하된 물이 배출구(330)로 완전하게 배출되는 것이 어렵게 된다. 그러면 배출헤더(350)에 물이 적체되기 때문에 채널(360)를 흐르는 공기의 흐름을 방해하게 되어, 캐소드 전극(382; 도 4 참조)에 충분한 공기를 공급할 수 없게 된다. 이에 따라 연료전지 시스템의 발전 효율이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
또한, 배출헤더(350)에 위치하는 리브(361)의 하단부가 플레이트(310)의 바닥면으로부터 직각으로 돌출하여 형성되어 있으며, 이는 캐소드 전극에서 생성되는 물이 표면장력 등에 의해서 리브(361)의 하단부로부터 용이하게 배출되지 못하고 잔류하게 된다. 그 결과, 리브 사이의 채널(360)이 잔류하는 물에 의해서 막혀지게 되므로 채널을 통한 공기공급이 원활하지 못하게 되어 연료전지 시스템의 발전효율을 저하시키는 문제점이 발생된다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 캐소드 전극에서 생성된 물을 원활하게 배출할 수 있는 구조를 가진 연료전지의 캐소드 측 분리판을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 채널을 형성하는 리브의 물배출단을 경사형으로 형성하여 캐소드 전극에서 생성된 후에 채널을 따라 흐르는 물이 리브의 물배출단에서 원활하게 배출될 수 있도록 하는 연료전지의 캐소드측 분리판을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 캐소드 전극에서 생성된 후에 리브의 물배출단에서 배출된 물이 배출구 측으로 원활하게 유동할 수 있도록 배출헤더의 하부 모서리가 수평면에 대해 소정의 기울기를 갖는 연료전지의 캐소드측 분리판을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 반응물인 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 연료전지의 애노드 전극과 캐소드 전극에 대면하여 설치되고 유체소통이 가능한 채널이 가공되어 있는 플레이트로 이루어진 분리판은 상기 채널을 구분하는 리브를 포함하고, 상기 리브의 배출단은 상기 플레이트의 표면을 향해서 제1경사각을 갖는 경사단부로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 경사단부의 제1경사각은 40°내지 50°로 유지된다.
상기 플레이트에는 상기 반응물이 유입되는 유입구와, 상기 유입구를 상기 채널에 유체소통이 가능하게 연결하는 유입헤더가 형성되어 있다. 또한, 상기 플레이트에는 상기 반응물의 반응결과 생성되는 생성물이 배출되는 배출구와, 상기 배출구를 상기 채널에 유체소통이 가능하게 연결하는 배출헤더가 형성되어 있다.
상기 경사단부는 상기 배출헤더를 향해서 형성되어 있다.
상기 배출헤더의 하부 모서리는 상기 배출구에서 상기 채널을 향해 제2경사각을 갖고, 상기 제2경사각은 30°내지 45°이다.
상기 채널에는 친수성 물질이 코팅되어 있고, 상기 배출헤더에는 친수성 물질이 코팅되어 있다.
상기 플레이트는 상기 산화제가 유입되는 캐소드 전극에 대면하여 설치되고, 상기 생성물은 물이다.
상기 배출헤더는 상기 배출구 주위에서부터 상기 채널까지 상기 플레이트의 표면을 소정의 깊이로 절삭하여 형성되고, 상기 리브의 높이는 상기 배출헤더의 깊이와 동일하다.
상기 유입헤더는 상기 유입구 주위에서부터 상기 채널까지 상기 플레이트의 표면을 소정의 깊이로 절삭하여 형성된다.
이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시한 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다. 또한 도면상에 나타나는 각 구성요소의 형상 및 각 구성요소간의 크기의 비는 설명의 편의상 임의로 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 캐소드측 분리판(100)을 나타낸 평면도이고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 캐소드측 분리판(100)을 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 캐소드측 분리판(100)은 유입구(120), 유입헤더(140), 채널(160), 리브(161), 배출헤더(150) 및 배출구(130)가 형성된 플레이트(110)로 구성된다.
유입구(120)는 플레이트(110)를 관통하여 형성된다. 유입헤더(140)는 유입구(120) 주위에서 플레이트(110)의 표면을 소정의 깊이로 절삭하여 형성되는 바닥면으로 구성된다. 유입헤더(140)의 상부모서리(141)는 플레이트(110)의 모서리와 수평으로 형성된다. 상부모서리(141)의 반대측인 유입헤더(140)의 하부에는 플레이트(110)의 바닥면으로부터 돌출하는 다수의 리브(161)가 형성된다.
각각의 리브(161)는 유사한 간격을 가지고 평행하게 형성되며, 그 결과 인접하는 리브(161)들 사이의 간극은 공기와 물이 유동할 수 있는 채널(160)을 형성한다.
리브(161)의 높이는 유입헤더(140)의 상기 깊이와 유사하다. 리브(161)의 하부에는 플레이트(110)의 표면을 향해서 소정의 기울기를 갖는 경사면을 포함하는 경사단부(161a)가 형성된다. 리브(161)의 상부면과 경사단부(161a)의 상부면은 서로 평행하게 유지될 수 있다. 리브(161)의 경사단부(161a)는 물의 표면장력을 최소화시키기 위하여 제공된다. 경사단부(161a)는 리브(161)의 상부면에서 플레이트(110)의 바닥면을 향해 소정의 경사각, 예를 들어 35°~55°, 바람직하게 40°~50°의 경사각을 갖는다.
배출구(130)는 플레이트(110)를 관통하여 형성된다. 배출헤더(150)는 유입헤더(140)와 유사하게 배출구(130) 주위에서 플레이트(110)의 표면을 소정의 깊이로 절삭되어 형성되며, 채널(160)과 연통되어 있다. 즉, 배출헤더(150)는 채널(160)에서 배출되는 물을 배출구(130)로 수렴시키는 부분이다. 이때, 배출헤더(150)의 수렴작용을 향상시키기 위하여, 배출헤더(150)의 하부모서리(151)는 배출구(130)를 중심으로 하여 플레이트(110)의 하부모서리에 대하여 소정의 각도(170)를 갖도록 형성된다. 즉, 배출헤더(150)는 채널(160) 측의 상부 폭이 배출구(130)의 하부 폭보다 크게 유지되어 있는 형상으로 형성된다. 이때, 각도(170)는, 채널(160)로부터 배출되는 물이 배출구(130)를 향하여 배출헤더(150)의 하부모서리(151)를 따라 용이하게 흐를 수 있는 임의의 크기이며, 바람직하게는 30°이상 45°이하이다. 각도(170)가 상기 값보다 작을 때에는 물이 용이하게 배출될 수 없고, 각도(170)가 상기 값보다 클 때에는 배출헤더(150)의 면적이 불필요하게 커질 수 있다.
한편, 배출헤더(150)의 표면은 이산화티타늄이나 실란트커플링제등의 친수성을 가진 물질로 코팅될 수 있다. 또한, 이러한 친수성 물질은 채널(160)에도 코팅될 수 있다.
상기 구성을 통하여 본 발명의 실시예에 따른 캐소드측 분리판(100)의 작용을 설명하면 다음과 같다.
유입구(120)를 통하여 유입된 공기는 유입헤더(140)를 통해 각 채널(160)로 분산되어 공급된다. 각 채널(160)에 공급된 공기는 캐소드측 분리판(100)에 접하여 설치된 캐소드 전극(382; 도 4 참조)에 공급된다. 공기가 공급된 캐소드 전극(382) 표면에서는 공기 중 산소가 환원반응한 후 물이 생성된다. 이처럼 생성된 물은 중 력의 작용으로 채널(160)을 따라 이동하여 배출헤더(150)로 낙하된다. 이때, 리브(161)의 하단에는 경사면을 갖는 경사단부(161a)가 형성되어 있기 때문에, 리브(161)의 하단에 물이 맺히지 않고 배출헤더(150)로 용이하게 낙하될 수 있다.
또한, 배출헤더(150)의 하부모서리(151)는 플레이트(110)의 하부모서리에 대해서 소정의 각도(170)를 갖고 형성되기 때문에, 배출헤더(150)에 낙하되는 물은 배출헤더(150)의 하부모서리(151)를 따라 용이하게 아래로 유동하여 배출구(130)를 통해 외부로 배출된다.
한편, 배출헤더(150)의 표면은 친수성 물질로 코팅이 되어 있기 때문에, 물이 더욱 용이하게 흘러 배출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐소드측 분리판(200)의 변형예를 나타낸 평면도이다.
도 3을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐소드측 분리판(200)은, 유입구(220), 유입헤더(240), 채널(260), 리브(261), 배출헤더(250) 및 배출구(230)가 형성된 플레이트(210)로 구성된다. 도 3의 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐소드측 분리판(200)은, 도 1의 본 발명의 실시예에 따른 캐소드측 분리판(100)과 비교하여, 유입헤더(240)의 형상만 상이하며 기타 다른 구성은 유사하다.
유입헤더(240)는 유입구(220) 주위에서 플레이트(210)의 표면에 소정의 깊이로 절삭되어 형성되며, 유입헤더(240)의 상부모서리(241)는 유입구(220)를 중심으로 하여 플레이트(210)의 상부모서리에 대해서 소정의 경사각을 갖는다. 상기 경사 각은, 유입구(220)를 통해 유입된 공기가 유입헤더(240)를 통해 각 채널(260)로 균등하게 분배될 수 있는 임의의 크기이며, 바람직하게는 30°이상 45°이하이다. 상기 경사각이 상기 값보다 작을 때에는 공기가 각 채널(260)로 균등하게 분배될 수 없고, 상기 경사각이 상기 값보다 클 때에는 유입헤더(240)의 면적이 불필요하게 커질 수 있다.
이와 같은 유입헤더(240)의 형상은 유입구(220)에서 멀어지더라도 공기의 유동 저항을 최소화할 수 있어서 각 채널(260)에 균일하게 공기를 공급할 수 있는 장점이 있다. 캐소드측 분리판(200)의 기타 구성은 전술한 도 1의 캐소드측 분리판(100)과 유사하므로, 설명의 편의상 전술한 설명으로 대체한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다. 예를 들면, 본 발명에 따른 캐소드측 분리판은 유입헤더와 채널과 배출헤더를 플레이트의 일측에만 형성하는 것으로 도시하였지만, 플레이트의 타측에도 형성할 수 있다. 이와 같이 양면으로 형성된 분리판은 다수의 단위 연료전지를 적층할 때 유용할 수 있다.
즉, 상술된 바와 같은 배출헤더, 리브 및 유입헤더의 구조는 애노드측 분리판에도 적용될 수 있다. 이 경우에, 애노드측 분리판에 형성되어 있는 채널을 통해서 애노드 전극에 공급되는 액상의 수소함유연료중 애노드 전극에서의 화학반응에 참여하지 못한 미반응 수소함유연료가 채널로부터 원활하게 배출될 수 있다.
본 발명에 따른 분리판에 따르면, 캐소드 전극에서 생성된 물이 용이하게 배출될 수 있기 때문에 캐소드 전극에 공기를 원활하게 공급할 수 있다. 이에 따라 보다 고효율의 연료전지 발전이 가능하다.

Claims (15)

  1. 반응물인 수소함유연료의 수소성분과 산화제의 산소성분 사이의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 연료전지에 설치되고 유체소통이 가능한 채널이 가공되어 있는 플레이트로 이루어진 분리판에 있어서,
    상기 채널을 구분하는 리브를 포함하고,
    상기 리브의 배출단은 상기 플레이트의 표면을 향해서 제1경사각을 갖는 경사단부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경사단부의 제1경사각은 40°내지 50°로 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트에는 상기 반응물이 유입되는 유입구와, 상기 유입구를 상기 채널에 유체소통이 가능하게 연결하는 유입헤더가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플레이트에는 상기 반응물의 반응결과 생성되는 생성물이 배출되는 배출구와, 상기 배출구를 상기 채널에 유체소통이 가능하게 연결하는 배출헤더가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 경사단부는 상기 배출헤더를 향해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배출헤더의 하부 모서리는 상기 배출구에서 상기 채널을 향해 제2경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2경사각은 30°내지 45°인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 채널에는 친수성 물질이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 배출헤더에는 친수성 물질이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 산화제가 유입되는 캐소드 전극에 대면하여 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 생성물은 물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 수소함유연료가 유입되는 애노드 전극에 대면하여 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 배출헤더는 상기 배출구 주위에서부터 상기 채널까지 상기 플레이트의 표면을 소정의 깊이로 절삭하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 리브의 높이는 상기 배출헤더의 깊이와 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 유입헤더는 상기 유입구 주위에서부터 상기 채널까지 상기 플레이트의 표면을 소정의 깊이로 절삭하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
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