KR20090025687A - Flow channel structure formatting method of bipolar plate for fuel cell - Google Patents

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Abstract

A method for forming a flow channel structure of bipolar plate for a fuel cell is provided to discharge reaction product (H2O) generated in the electric chemistry reaction efficiently and to increase electric current density by leveling the fuel concentration and moisture concentration in a bipolar plate for a fuel cell, a diffusing plate and an electrode. A method for forming a flow channel structure which is formed in the flow channel region of a bipolar plate(100) for a fuel cell and moves the fuel supplied from a supply manifold(110) to a discharge manifold(120), comprises (a) a step for setting up flow channel region on a bipolar plate; (b) a step for dividing the set flow channel region into two or more independent regions(131,132,133,134); (c) a step for forming independent flow channels(141,142,143,144) in the divided independent regions; and (d) a step for forming a connection part which connects the formed independent flow channels to a supply manifold and a discharge manifold.

Description

연료전지용 분리판의 유로 구조 형성 방법{Flow channel structure formatting method of bipolar plate for fuel cell}Flow channel structure formatting method of bipolar plate for fuel cell

본 발명은 연료전지용 분리판의 유로 구조 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 스택에 적용되는 분리판에 유로를 형성하는 유로영역을 다수개의 독립영역으로 분할하고, 분할된 영역에 독립적인 유로를 형성함으로써, 전기화학반응 시 생성된 반응생성물(H2O)을 효율적으로 배출하고 연료전지 분리판, 확산판 및 전극영역에서 연료농도와 수분농도를 고르게 하여 전체적인 전류밀도를 높이고, 전기화학반응시 액티베이션 포텐셜(Activation Potential)를 낮추며, 분리판에 가해지는 압력을 효율적으로 분산시킬 수 있는 것이다.The present invention relates to a method for forming a flow path structure of a separator for a fuel cell, and more particularly, to divide a flow path area forming a flow path into a plurality of independent areas and independent of the divided area. By forming the phosphorus flow path, the reaction product (H 2 O) generated during the electrochemical reaction can be discharged efficiently, and the fuel and water concentrations are evenly distributed in the fuel cell separator, diffusion plate and electrode area to increase the overall current density and It lowers Activation Potential during chemical reaction and can effectively disperse the pressure applied to the separator.

따라서, 다양한 스택 면적에 모두 적용이 가능함은 물론, 스택 및 이를 이용한 연료전지의 안전성 및 성능을 향상시킬 수 있는 것이다.Therefore, it is possible to apply to all the various stack areas as well as to improve the safety and performance of the stack and the fuel cell using the same.

일반적으로, 연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지를 말하며, 기본적으로는 보통의 화학전지와 유사하지만, 닫힌 계의 내부에서 전지반응을 하는 화학전지와 달리, 반응물이 외부에서 연 속적으로 공급되고, 반응생성물이 연속적으로 계의 외부로 제거되면서 전지반응을 하게 된다.In general, a fuel cell refers to a cell that directly converts chemical energy generated by oxidation of a fuel into electrical energy. Basically, a fuel cell is similar to a general chemical cell, but unlike a chemical cell that performs a cell reaction inside a closed system, The reactants are continuously supplied from the outside, and the reaction products are continuously removed to the outside of the system to undergo a cell reaction.

이러한 연료전지는 고온(500~700℃)에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃정도에서 작동하는 인산전해질형 연료전지, 100℃ 내지 상온에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지와 고분자 전해질형 연료전지 등이 있으며, 그 중 고분자 전해질형 연료전지는 다시 수소가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell : PEMFC), 액상의 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC) 등으로 구분된다.These fuel cells include molten carbonate electrolyte fuel cells operating at high temperatures (500-700 ° C.), phosphate electrolyte fuel cells operating at about 200 ° C., alkaline electrolyte fuel cells and polymer electrolyte fuels operating at 100 ° C. to room temperature. Among them, a polymer electrolyte fuel cell includes a hydrogen ion exchange membrane fuel cell (PEMFC) that uses hydrogen gas as a fuel, and a direct methanol fuel cell that uses liquid methanol as a fuel. Methanol Fuel Cell (DMFC).

특히, 상기 고분자 전해질형 연료전지는 석유에너지를 대체할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있으며, 무엇보다도 출력밀도와 에너지 전환효율이 높은데다 상온에서도 작동이 가능하기 때문에 전기자동차, 가정용 발전시스템, 레저용 전기기구 등의 분야에 폭넓게 사용 가능하다.In particular, the polymer electrolyte fuel cell is attracting attention as a clean energy source that can replace petroleum energy, and above all, since it has high power density and energy conversion efficiency and can operate at room temperature, it is possible to operate electric vehicles, household power generation systems, and leisure. It can be widely used in fields such as electric appliances.

도 1을 참조하여 상기 고분자 전해질형 연료전지 중 수소를 이용하는 연료전지의 발전원리를 살펴보면, 애노드(Anode) 분리판(23)의 애노드 유로(24)로 공급되는 수소(H2)는 애노드 확산판(22)으로 확산되어 애노드 전극(21)으로 이동하고, 상기 애노드 전극(21)에서 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분리되며, 상기 수소이온(H+)은 고분자 전해질 막(Proton Exchange Membrane)(10)을 통해 캐소드 전극(31)으로 이동한다.Referring to the power generation principle of the fuel cell using hydrogen of the polymer electrolyte fuel cell with reference to Figure 1, the hydrogen (H 2 ) supplied to the anode passage 24 of the anode (Anode) separating plate 23 is an anode diffusion plate Diffused to (22) and moved to the anode electrode 21, which is separated into hydrogen ions (H +) and electrons (e-) in the anode electrode 21, the hydrogen ions (H +) is a polymer electrolyte membrane (Proton Exchange) It moves to the cathode electrode 31 through the membrane 10.

그리고, 애노드 전극(21)에서 분리된 전자(e-)는 전자회로 등의 부하(R)를 동작시킨 후 캐소드(Cathode) 전극(31)으로 이동하게 된다.Then, the electron e- separated from the anode electrode 21 moves to the cathode electrode 31 after operating a load R such as an electronic circuit.

한편, 캐소드 분리판(33)의 캐소드 유로(34)로 공급되는 산소(O2)는 캐소드 확산판(32)으로 확산되어 캐소드 전극(31)으로 이동하고, 수소이온(H+) 및 전자(e-)와 반응하며, 반응결과에 의해 생성된 반응생성물(H2O)은 캐소드 유로(34)를 통해 외부로 배출된다.On the other hand, oxygen (O 2 ) supplied to the cathode flow path 34 of the cathode separation plate 33 diffuses into the cathode diffusion plate 32 and moves to the cathode electrode 31, and hydrogen ions (H +) and electrons (e). -) And the reaction product (H 2 O) generated by the reaction result is discharged to the outside through the cathode flow path (34).

도 2a 및 도2b는 종래의 연료전지에 사용되는 분리판의 유로 구조에 대한 예를 나타낸 것으로, 공급용 메니폴드(40)로 공급되는 수소(H2)와 산소(O2) 등의 연료가 분리판(60)의 유로(61)를 통해 배출용 매니폴드(50)로 배출된다.2A and 2B show an example of a flow path structure of a separator plate used in a conventional fuel cell, in which fuel such as hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) supplied to a supply manifold 40 is separated. It is discharged to the discharge manifold 50 through the flow path 61 of the plate 60.

도면에도 나타난 바와 같이, 종래의 유로 구조는 주로 지그재그형(도 2a) 또는 소용돌이형(도 2b)의 패턴이 분리판의 전체범위에 형성되는 구조를 갖는다.As shown in the figure, the conventional flow channel structure has a structure in which a zigzag pattern (FIG. 2A) or a swirl pattern (FIG. 2B) is formed in the whole range of the separator.

한편, 연료전지의 성능을 향상시키기 위해서는, 애노드 유로(24) 및 캐소드 유로(34)로 공급되는 연료가 애노드 확산판(22) 및 캐소드 확산판(32)에서 고르게 확산되어야 하며, 전극영역 전영역에 연료 및 수분 농도가 고르게 분포되어야 평균전류밀도가 향상되어, 출력 전압과 출력 전류에 의한 전기적 능력이 향상될 수 있다.On the other hand, in order to improve the performance of the fuel cell, the fuel supplied to the anode flow passage 24 and the cathode flow passage 34 should be evenly spread in the anode diffusion plate 22 and the cathode diffusion plate 32, and the entire electrode region. When the fuel and moisture concentrations are evenly distributed, the average current density may be improved, and thus the electrical capability by the output voltage and the output current may be improved.

이러한 연료의 확산과 수분 농도의 분포는 각 유로내의 연료 압력에 영향을 받기 때문에, 공급되는 연료의 압력을 고르게 하는 것이 연료전지의 성능향상에 가장 중요한 점이라 할 수 있다.Since the fuel diffusion and water concentration distribution are affected by the fuel pressure in each flow path, it is the most important point to improve the performance of the fuel cell to equalize the pressure of the supplied fuel.

그러나, 도 2a에 나타난 지그재그형 유로 구조는 대면적 연료전지 스택의 경우, 넓은 면적 전체를 하나의 유로로 형성해야 하기 때문에, 공급용 매니폴드(40)로부터 배출용 매니폴드(50)까지 형성되는 유로의 꺾임부분이 많아지게 되어 압력손실이 커지면서, 공급용 매니폴드(40)측에서는 필요이상의 압력이 발생하고, 배출용 매니폴드(50)측에서는 연료의 확산이 낮아지게 되어, 스택의 안정성 저하와 더불어 전체적으로 에너지 전환효율이 저하되는 문제점이 있었다.However, the zigzag flow path structure shown in FIG. 2A is formed from the supply manifold 40 to the discharge manifold 50 because a large area fuel cell stack has to form a whole large area as one flow path. As the bent portion of the flow path increases and the pressure loss increases, more pressure than necessary occurs on the supply manifold 40 side, and diffusion of fuel decreases on the discharge manifold 50 side, resulting in a decrease in stack stability. There was a problem that the overall energy conversion efficiency is lowered.

또한, 도 2b에 나타난 소용돌이형 유로 구조는 중심부분에서 반응생성물(H2O) 등에 의한 정체가 발생되고, 공급용 매니폴드(40)와 연결된 고압의 유로와 배출용 매니폴드(50)와 연결된 저압의 유로가 인접한 구조로 인해, 두 유로간 압력 차가 커지게 되면(스택의 면적이 커질수록 압력차는 더욱 커지게 된다), 유로내의 연료가 바이패스하게 되어 중심부분까지 연료가 이동하지 못하는 문제점이 있었다.In addition, in the spiral flow channel structure shown in FIG. 2B, congestion occurs due to reaction product (H 2 O) in the central portion, and is connected to the high-pressure flow path connected to the supply manifold 40 and the discharge manifold 50. Due to the structure of the low pressure flow paths adjacent to each other, when the pressure difference between the two flow paths increases (the larger the stack area, the pressure difference increases), the fuel in the flow path is bypassed and the fuel cannot move to the center part. there was.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 분리판에 유로를 형성하는 유로영역을 다수개의 독립영역으로 분할하고, 분할된 영역에 독립적인 유로를 형성함으로써, 전기화학반응 시 생성된 반응생성물(H2O)을 효율적으로 배출하고 연료전지 분리판, 확산판 및 전극영역에서 연료농도와 수분농도를 고르게 하여 전체적인 전류밀도를 높이는 연료전지용 분리판의 유로 구조 형성 방법을 제공하는데 목적이 있다. In order to solve the above problems, the present invention divides the flow path region forming a flow path in the separator plate into a plurality of independent regions, and forms an independent flow path in the divided region, thereby generating a reaction product generated during the electrochemical reaction ( It is an object of the present invention to provide a method for forming a flow path structure of a separator plate for a fuel cell which efficiently discharges H 2 O) and improves an overall current density by uniformly adjusting fuel concentration and water concentration in a fuel cell separator, a diffusion plate, and an electrode region.

또한, 본 발명은 전기화학반응 시 생성된 반응생성물(H2O)을 효율적으로 배출함으로써, 연료농도를 높여 액티베이션 포텐셜(Activation Potential)을 낮추고, 분리판에 가해지는 압력을 효율적으로 분산시킴으로써, 다양한 스택 면적에 모두 적용이 가능함은 물론, 스택 및 이를 이용한 연료전지의 안전성 및 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판의 유로 구조 형성 방법을 제공하는데 목적이 있다.In addition, the present invention by efficiently discharging the reaction product (H 2 O) generated during the electrochemical reaction, increasing the fuel concentration to lower the activation potential (Activation Potential), by efficiently dispersing the pressure applied to the separator, It is an object of the present invention to provide a method for forming a flow path structure of a separator plate for a fuel cell, which can be applied to the stack area, as well as to improve the safety and performance of the stack and the fuel cell using the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 유로 구조 형성 방법은, 연료전지용 분리판의 유로영역에 형성되며, 공급용 매니폴드(manifold)로부터 공급되는 연료가 배출용 매니폴드로 이동하는 유로구조의 형성방법에 있어서, a) 상기 분리판에 유로영역을 설정하는 단계; b) 상기 설정된 유로영역을 둘 이상의 독립영역으로 분할하는 단계; c) 상기 분할된 독립영역에 독립유 로를 형성하는 단계; 및 d) 상기 형성된 독립유로를 상기 공급용 매니폴드 및 배출용 매니폴드를 연결하는 연결부를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the flow path structure forming method of the fuel cell separator according to the present invention is formed in the flow path region of the fuel cell separator plate, the fuel supplied from the supply manifold for the discharge manifold A method of forming a flow path structure moving to a fold, said method comprising the steps of: a) setting a flow path area in said separation plate; b) dividing the set flow path region into two or more independent regions; c) forming an independent flow path in the divided independent regions; And d) forming a connection part connecting the formed independent flow path to the supply manifold and the discharge manifold.

상기와 같은 해결수단에 의해, 본 발명은 연료전지 스택에 구성되는 분리판에 유로를 형성하는 유로영역을 다수개의 독립영역으로 분할하고, 분할된 영역에 독립적인 유로를 형성함으로써, 전기화학반응 시 생성된 반응생성물(H2O)을 효율적으로 배출하고 연료전지 분리판, 확산판 및 전극영역에서 연료농도와 수분 농도를 고르게 하여 전체적인 전류밀도를 높여 스택의 전기적 능력을 향상시킬 수 있는 것이다.According to the above-described solutions, the present invention divides the flow path region forming a flow path into a plurality of independent areas in the separator plate of the fuel cell stack, and forms an independent flow path in the divided area, thereby providing an electrochemical reaction. Efficient discharge of the generated reaction product (H 2 O) and even fuel concentration and water concentration in the fuel cell separator, diffusion plate and electrode area to increase the overall current density to improve the electrical capacity of the stack.

또한, 본 발명은 전기화학반응 시 생성된 반응생성물(H2O)을 효율적으로 배출함으로써, 연료농도를 높여 액티베이션 포텐셜(Activation Potential)을 낮추고, 분리판에 가해지는 압력을 효율적으로 분산시킬 수 있는 것이다.In addition, the present invention by efficiently discharging the reaction product (H 2 O) generated during the electrochemical reaction, to increase the fuel concentration to lower the Activation Potential (Activation Potential), it is possible to efficiently distribute the pressure applied to the separator will be.

따라서, 연료전지용 스택 및 이를 이용한 연료전지의 안전성 및 성능을 향상시킬 수 있는 것이다.Therefore, it is possible to improve the safety and performance of the fuel cell stack and the fuel cell using the same.

또한, 다양한 스택 면적의 크기에 적용이 가능함으로써, 스택 및 연료전지의 상품성을 향상시킬 수 있는 것이다. In addition, by applying to various sizes of the stack area, it is possible to improve the commerciality of the stack and the fuel cell.

본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 유로 구조 형성 방법에 대한 예는 다양 하게 적용할 수 있으며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명하기로 한다.An example of a method of forming a flow path structure of a separator plate for a fuel cell according to the present invention may be applied in various ways. Hereinafter, the most preferred embodiment will be described with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 의한 분리판의 유로 구조에 대한 일 예를 나타낸 것으로, 분리판(100)의 공급용 매니폴드(110)와 배출용 매니폴드(120)를 연결하기 위한 유로가 형성되는 유로영역(130)을 제1 독립영역(131) 내지 제4 독립영역(134)로 분할한다.Figure 3 shows an example of the flow path structure of the separation plate according to the present invention, a flow path for forming a flow path for connecting the supply manifold 110 and the discharge manifold 120 of the separation plate 100. The region 130 is divided into first independent regions 131 to fourth independent regions 134.

여기서, 상기 유로영역(130)은 분리판에 연료의 이동통로가 되는 채널이 형성되는 영역을 말하며, 상기 유로영역(130)의 분할 개수는 당업자의 요구에 따라 적용되는 스택의 면적을 고려하여 다양하게 선택될 수 있음은 물론이다.Here, the flow path region 130 refers to a region in which a channel for moving the fuel passage is formed in the separator plate, and the number of divisions of the flow path region 130 is varied in consideration of the area of the stack applied according to the needs of those skilled in the art. Of course it can be selected.

상기와 같이 독립영역이 분할되면, 각 독립영역마다 독립유로를 형성한다.When the independent areas are divided as described above, independent channels are formed in each independent area.

다시 말해, 제1 독립영역(131)에는 제1 독립유로(141)를 형성하고, 제2 독립영역(132)에는 제2 독립유로(142)를 형성하며, 제3 독립영역(133)에는 제3 독립유로(143)를 형성하고, 제4 독립영역(134)에는 제4 독립유로(144)를 형성한다.In other words, a first independent passage 141 is formed in the first independent region 131, a second independent passage 142 is formed in the second independent region 132, and a second independent passage 142 is formed in the third independent region 133. Three independent flow paths 143 are formed, and a fourth independent flow path 144 is formed in the fourth independent area 134.

그리고, 제1 독립유로(141) 내지 제4 독립유로(144)는 지그재그형으로 형성하여 공급용 매니폴드(110) 및 배출용 매니폴드(120)와 독립적으로 연결된다.In addition, the first independent passage 141 to the fourth independent passage 144 are formed in a zigzag shape and connected to the supply manifold 110 and the discharge manifold 120 independently.

여기서, 상기 독립유로는 상기 독립영역을 통과하는 연료의 이동통로인 채널이며, 또한, 인접한 독립영역의 채널과 연결되지 않는 의미에서의 채널을 말한다.Here, the independent channel refers to a channel which is a moving passage of fuel passing through the independent region, and also refers to a channel in a meaning that is not connected to a channel of an adjacent independent region.

한편, 각 독립영역에 독립유로를 형성함에 있어, 어느 하나의 독립영역에 형성되는 독립유로의 출구측이, 인접한 다른 독립영역에 형성되는 독립유로의 입구측과 인접하도록 형성한다.On the other hand, in forming an independent flow path in each independent region, the outlet side of the independent flow passage formed in one independent region is formed so as to be adjacent to the inlet side of the independent flow passage formed in another adjacent independent region.

다시 말해, 도 3에 나타난 바와 같이, 제1 독립영역(131)에 형성된 제1 독립유로(141)의 출구부(141b)가, 제2 독립영역(132)에 형성된 제2 독립유로(142)의 입구부(142a)와 인접하도록 형성하는 것이다.In other words, as shown in FIG. 3, the outlet portion 141b of the first independent passage 141 formed in the first independent region 131 is the second independent passage 142 formed in the second independent region 132. It is formed to be adjacent to the inlet portion (142a) of.

마찬가지로, 제2 독립영역(132)에 형성된 제2 독립유로(142)의 출구부(142b)가, 제3독립영역(133)에 형성된 제3 독립유로(143)의 입구부(143a)와 인접하도록 형성하며, 제3 독립영역(133)에 형성된 제3 독립유로(143)의 출구부(143b)가, 제4 독립영역(134)에 형성된 제4 독립유로(144)의 입구부(144a)와 인접하도록 형성한다.Similarly, the outlet portion 142b of the second independent passage 142 formed in the second independent region 132 is adjacent to the inlet portion 143a of the third independent passage 143 formed in the third independent region 133. And the outlet portion 143b of the third independent passage 143 formed in the third independent region 133 is formed at the inlet portion 144a of the fourth independent passage 144 formed in the fourth independent region 134. It is formed adjacent to.

한편, 분할된 영역을 갖지 않는 종래의 분리판 유로 구조는, 출구측으로 갈수록 유체의 점성으로 인한 저항과 유로의 복잡성으로 인하여 압력손실이 생겨 연료의 압력이 낮아짐에 따라 발생되는 반응생성물(H2O)의 배출력이 약화되고, 이에 따라 출구측과 인접한 부분은 액화된 물이 효과적으로 제거되지 않아 물이 쌓이게 되어 물의 양이 급격하게 증가되면서 유로와 확산판에서 막힘 현상 등이 발생되고, 그로 인해 전극영역에서의 연료의 농도가 급격하게 저하되면서 액티베이션 포텐셜이 높아지고 전류밀도가 낮아지게 된다.On the other hand, in the conventional separation plate flow path structure having no divided area, the reaction product (H 2 O) generated as the pressure loss occurs due to the pressure loss due to the complexity of the flow path and the resistance due to the viscosity of the fluid toward the outlet side (H 2 O ), The discharge power is weakened, and the liquid adjacent to the outlet side is not removed effectively, so that the water accumulates and the amount of water increases rapidly, causing clogging in the flow path and the diffusion plate. As the concentration of fuel in the region decreases rapidly, the activation potential increases and the current density decreases.

그러나, 본 발명에 나타난 바와 같이 유로를 형성한 경우, 제1 독립유로(141)의 출구부(141b)의 낮아진 연료 압력을 제2 독립유로(142)의 입구부(142a)의 높은 연료 압력으로 보상함으로써, 확산판의 연료 농도를 향상 및 균일화하는 효과가 있으며, 전체적으로는 각 전극영역의 액티베이션 포텐셜을 낮추어 전류밀도 를 향상시키게 된다.However, when the flow path is formed as shown in the present invention, the lower fuel pressure of the outlet portion 141b of the first independent flow passage 141 is set to a higher fuel pressure of the inlet portion 142a of the second independent flow passage 142. By compensating, there is an effect of improving and homogenizing the fuel concentration of the diffusion plate, and overall lowering the activation potential of each electrode region to improve the current density.

또한, 일정한 연료 압력을 유지함으로써, 출구측에서 발생되어 유로로 유입되는 반응생성물(H2O)을 신속하게 배출함은 물론, 상대적으로 물농도가 높은 각 독립영역의 출구측 립에서 인접한 다른 독립영역의 입구측 립으로 적절한 수분이 공급되도록 함으로써, 각 독립영역의 입구측에서 수소이온(H+)의 이동을 원활히 하여 스택의 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 여기서, 상기 립은 분리판에서 유로와 유로 사이에 돌출된 부분을 말한다.In addition, by maintaining a constant fuel pressure, it is possible to quickly discharge the reaction product (H 2 O) generated at the outlet side and flow into the flow path, as well as other adjacent ones at the outlet lip of each independent zone having a relatively high water concentration. By supplying appropriate moisture to the inlet side lip of the region, it is possible to smoothly move the hydrogen ions (H +) at the inlet side of each independent region to improve the stack efficiency. Here, the lip refers to a portion protruding between the flow path and the flow path in the separation plate.

특히, 도 2a와 같은 유로 구조를 대면적 스택에 적용하는 경우, 꺾임횟수가 지나치게 증가되어 출구부와 가까운 부분에서는 압력손실이 커져, 물배출이 어렵게 되어 균일한 전류밀도를 얻기가 어려워지고, 적절한 물배출이 이루어지지 않은 것에 따른 압력손실도 증가한다.In particular, when the flow path structure as shown in FIG. 2A is applied to a large area stack, the number of bending is excessively increased, and the pressure loss increases at the portion close to the outlet, making it difficult to discharge water, making it difficult to obtain a uniform current density. The pressure loss due to no water discharge also increases.

이에 반해, 본 발명에서는 각 독립영역의 출구부에서 물을 효율적으로 제거함으로써, 연료공급을 원활하게 하고 압력손실을 최소화할 수 있는 것이다.On the other hand, in the present invention, by efficiently removing the water at the outlet of each independent region, it is possible to facilitate fuel supply and minimize pressure loss.

또한, 도 2b와 같은 유로 구조에 비하여, 연료흐름의 원활성이 월등히 향상되어, 스택의 전기적 능력이 현저하게 향상될 수 있음은 쉽게 알 수 있다.In addition, compared to the flow path structure as shown in Figure 2b, it is easy to see that the smoothness of the fuel flow is significantly improved, the electrical capability of the stack can be significantly improved.

여기서, 스택의 전기적 능력은 파워를 말하며, 상기 파워는 전압과 전류의 곱으로 나타낼 수 있다.Here, the electrical capability of the stack refers to power, and the power may be expressed as a product of voltage and current.

그리고, 도 3을 살펴보면, 제1 독립영역(131)에 제2 독립유로(142) 내지 제4 독립유로(144)가 지나가는 것으로 나타나 있으나, 이는 각 독립영역 내에 형성된 독립유로와 공급용 매니폴드(110)를 연결하기 위한 것으로, 본 발명의 요지를 위반한다 할 수 없으며, 실질적으로 제1 독립영역(131) 내에 제1 독립유로(141)가 형성된다 함은 반복형성되는 패턴에 의한 유로가 해당 영역에 형성됨을 말하는 것이다.3, the second independent passage 142 to the fourth independent passage 144 pass through the first independent region 131. However, the independent independent passage and the supply manifolds formed in the respective independent regions 131 pass through the first independent region 131. It is for connecting the 110, and it is not possible to violate the gist of the present invention, and the fact that the first independent flow path 141 is formed in the first independent area 131 substantially corresponds to the flow path due to the repeated pattern. It is formed in the area.

도 4는 본 발명에 의한 분리판의 유로 구조에 대한 다른 예를 나타낸 것으로, 도 3에 나타난 제1 독립유로(141) 내지 제4 독립유로(144)의 채널을 2중 채널로 형성한 것이다.4 shows another example of the flow path structure of the separator according to the present invention, in which the channels of the first independent channel 141 to the fourth independent channel 144 shown in FIG. 3 are formed as double channels.

여기서 채널이란 독립유로에 포함되는 연료의 이동통로를 말하며, 도 3에 나타난 바와 같이 하나의 채널이 하나의 독립유로를 형성하는 것을 기초로 하며, 당업자의 요구에 따라 도 4에 나타난 바와 같이 하나의 독립유로를 따라 서로 다른 두 개의 채널을 형성할 수 있다.Here, the channel refers to a movement path of fuel included in the independent channel, and is based on one channel forming one independent channel as shown in FIG. 3, and as shown in FIG. Two independent channels can be formed along the independent flow path.

상기와 같이 독립유로의 채널을 2중 채널로 형성할 경우, 유로 내에서 연료의 유속을 감소시킴으로써, 각 유로의 꺾임부분에서 일어나는 압력손실을 최소화할 수 있다.When the channel of the independent channel is formed as a double channel as described above, by reducing the flow rate of the fuel in the flow path, it is possible to minimize the pressure loss occurring in the bent portion of each flow path.

이때, 독립유로의 채널개수는 당업자의 요구에 따라 다양하게 적용될 수 있으나, 유로 내에서 연료의 유속이 과도하게 낮아지게 되면, 유로 내에 액화된 물을 효과적으로 제거하지 못하여 물의 양이 증가되는 종래의 문제점이 발생될 수 있으므로, 공급용 매니폴드(110)로 공급되는 연료의 압력, 독립유로의 폭과 길이 및 형상, 분리판(100)의 면적 등을 고려하여 결정됨은 당연하다.At this time, the number of channels of the independent channel can be variously applied according to the needs of those skilled in the art, but if the flow rate of the fuel is excessively lowered in the flow path, the conventional problem that the amount of water is increased by not effectively removing the liquefied water in the flow path Since this may occur, it is obvious that the pressure is determined in consideration of the pressure of the fuel supplied to the supply manifold 110, the width and length and shape of the independent flow path, the area of the separation plate 100, and the like.

도 5는 본 발명에 의한 분리판의 유로 구조에 대한 또 다른 예를 나타낸 것으로, 분리판(100)의 유로영역(130)을 분할한 제1 독립영역(131) 내지 제4 독립영 역(134)에 형성되는 제1 독립유로(141) 내지 제4 독립유로(144)를 소용돌이형으로 형성한 것이다.5 shows another example of the flow path structure of the separator plate according to the present invention, wherein the first independent region 131 to the fourth independent region 134 in which the flow passage region 130 of the separator plate 100 is divided. The first independent channel 141 to the fourth independent channel 144 formed in the helical shape is formed in a spiral shape.

예를 들어, 연료전지의 전체구성(또는 시스템)을 단순화하고 전기화학반응의 효율을 향상시키기 위해, 애노드 또는 캐소드를 가습하지 않는 경우에 적용된다.For example, in order to simplify the overall configuration (or system) of the fuel cell and to improve the efficiency of the electrochemical reaction, it is applied when the anode or the cathode is not humidified.

다시 말해, 애노드 또는 캐소드를 가습하지 않는 경우, 제1 독립유로(141)의 입구부(미부호)와 출구부(미부호)를 인접하여 형성함으로써, 수분함유량이 높은 출구부로부터 수분함유량이 낮은 입구부로 수분을 공급하여, 입구부의 수분농도를 증가시켜, 수소이온(H+)의 전도성을 향상시킬 수 있는 것이다.In other words, when the anode or the cathode is not humidified, the inlet part (unsigned) and the outlet part (unsigned) of the first independent channel 141 are formed adjacent to each other, so that the moisture content is low from the outlet part having a high moisture content. By supplying water to the inlet, by increasing the water concentration of the inlet, it is possible to improve the conductivity of hydrogen ions (H +).

이러한 소용돌이형 구조는 도 3에 나타난 지그재그형의 수분조절기능을 보다 향상시킨 것으로, 향상된 수분조절기능으로 인해 연료전지의 전체구성(또는 시스템)을 단순화할 수 있음은 물론, 전기화학반응의 효율을 향상시킴으로써, 제품의 경쟁력 및 상품성을 향상시킬 수 있는 것이다.Such a vortex structure further improves the zigzag moisture control function shown in FIG. 3. The improved moisture control function simplifies the overall configuration (or system) of the fuel cell, and improves the efficiency of the electrochemical reaction. By improving, the competitiveness and productability of a product can be improved.

또한, 당업자의 요구에 따라, 분할한 유로영역(130)의 각 독립영역에 형성되는 독립유로는, 도 6에 나타난 바와 같이 서로 다른 두 형태를 동시에 적용할 수 있다.In addition, according to the needs of those skilled in the art, as the independent flow path formed in each independent region of the divided flow path region 130, two different forms can be applied simultaneously as shown in FIG.

다시 말해, 제1 독립영역(131)에 형성되는 제1 독립유로(141)와 제2 독립영역(132)에 형성되는 제2 독립유로(142)는 소용돌이형으로 형성하고, 제3 독립영역(133)에 형성되는 제3 독립유로(143)와 제4 독립영역(134)에 형성되는 제4 독립유로(144)는 지그재그형으로 형성할 수 있다.In other words, the first independent channel 141 formed in the first independent region 131 and the second independent channel 142 formed in the second independent region 132 are formed in a spiral shape, and the third independent region ( The third independent passage 143 formed in the 133 and the fourth independent passage 144 formed in the fourth independent region 134 may be zigzag-shaped.

도 6에 나타난 바와 같이 서로 다른 형태의 독립유로를 형성할 경우, 각 유 로의 길이가 서로 달라질 수 있다. 이러한 이유로 인하여 상대적으로 길이가 긴 제1 독립유로(141)와 제2 독립유로(142)는 연료의 소모가 더 많아지게 된다.As shown in FIG. 6, when independent channels of different types are formed, lengths of the respective channels may be different from each other. For this reason, the first and second independent passages 141 and 142 having relatively long lengths consume more fuel.

따라서, 공급용 매니플드(110)에서 제3 독립유로(143)로 연결되는 제3 연결부(153)와 제4 독립유로(144)로 연결되는 제4 연결부(154)의 입구측 폭에 비하여, 제1 독립유로(141)로 연결되는 제1 연결부(151)와 제2 독립유로(142)로 연결되는 제2 연결부(152)의 입구측 폭을 확장하여 상대적으로 많은 양의 연료가 공급될 수 있도록 함으로써, 본 발명의 목적과 효과를 달성할 수 있다.Therefore, compared to the width of the inlet side of the third connecting portion 153 connected to the third independent passage 143 and the fourth connecting portion 154 connected to the fourth independent passage 144 in the supply manifold 110, A relatively large amount of fuel may be supplied by extending the width of the inlet side of the first connecting portion 151 connected to the first independent passage 141 and the second connecting portion 152 connected to the second independent passage 142. By doing so, the object and effect of the present invention can be achieved.

이하에서는, 상기와 같은 본 발명에 의한 유로 구조가 적용된 분리판을 사용하여 연료전지의 성능을 측정한 결과를 살펴보기로 한다. 여기서, 도면에 나타난 그림은 해당 데이터가 높은 값일수록 붉은색으로 표현되고 낮은 값일수록 푸른색으로 표현된다. 또한, 그림의 우측상부가 입구측이며 좌측하부가 출구측이다. 그리고, 가습조건은 애노드 무가습/캐소드 가습인 경우이다.Hereinafter, the results of measuring the performance of the fuel cell using the separator plate to which the flow path structure according to the present invention is applied will be described. Here, the figure shown in the figure is represented by a red color as the value of the corresponding data is high, and blue by a lower value. In addition, the upper right part of the figure is the inlet side and the lower left part is the exit side. And, the humidification condition is the case of the anode no humidification / cathode humidification.

도 7a는 종래의 분리판이 적용된 연료전지의 전류밀도분포를 나타낸 그림이고, 도 7b는 본 발명의 분리판이 적용된 연료전지의 전류밀도분포를 나타낸 그림으로, 종래에서는 출구측으로 갈수록 전류밀도가 감소함을 볼 수 있으며, 본 발명에서는 도 7b에 나타난 바와 같이 출구측의 전류밀도가 높아진 것을 알 수 있다.7A is a diagram showing a current density distribution of a fuel cell to which a conventional separator is applied, and FIG. 7B is a diagram showing a current density distribution of a fuel cell to which a separator of the present invention is applied, and in the related art, the current density decreases toward the outlet side. It can be seen, in the present invention, as shown in Figure 7b it can be seen that the current density of the outlet side is increased.

종래 및 본 발명에 대하여 200cm2의 전극면적을 100개로 적층한 셀에 적용한 결과, 도 7a의 경우 11.978kW가 출력되고, 도 7b의 경우 12.474kW가 출력되어 약 500W의 출력향상효과가 있음을 알 수 있다.As a result of applying to the cells stacked 100 with 200 cm 2 electrode area according to the prior art and the present invention, 11.978kW is output in FIG. 7A and 12.474kW is output in FIG. 7B, resulting in an output improvement effect of about 500W. Can be.

도 8a는 종래의 분리판이 적용된 연료전지의 전극의 액티베이션 포텐셜을 나타낸 그림이고, 도 8b는 본 발명의 분리판이 적용된 연료전지의 전극의 액티베이션 포텐셜을 나타낸 그림으로, 종래의 경우 출구측의 액티베이션 포텐셜이 높게 나타나는 반면, 본 발명에서는 각 독립영역의 출구쪽으로 갈수록 액티베이션 포텐셜이 증가하지만 전체적으로는 액티베이션 포텐셜이 낮게 나타남을 알 수 있다.8A is a view showing the activation potential of the electrode of the fuel cell to which the conventional separator is applied, Figure 8b is a view showing the activation potential of the electrode of the fuel cell to which the separator is applied of the present invention, the activation potential of the exit side in the conventional case On the other hand, in the present invention, the activation potential increases toward the exit of each independent region, but the activation potential is generally low.

도 9a는 종래의 분리판이 적용된 연료전지의 확산판에 가해지는 압력분포를 나타낸 그림이고, 도 9b는 본 발명의 분리판이 적용된 연료전지의 확산판에 가해지는 압력분포를 나타낸 그림으로, 본 발명의 경우 종래에 비하여 입구측과 출구측의 압력차가 적고, 어느 하나의 독립영역에서 발생하는 압력이 인접한 독립영역에 영향을 주고 있음을 알 수 있다.Figure 9a is a diagram showing the pressure distribution applied to the diffusion plate of the conventional fuel cell diffusion plate, Figure 9b is a diagram showing the pressure distribution applied to the diffusion plate of the fuel cell applied the separator of the present invention, In this case, the pressure difference between the inlet side and the outlet side is smaller than in the related art, and it can be seen that the pressure generated in any one independent region affects the adjacent independent region.

따라서, 전체적으로 발생하는 압력이 고르게 분포됨을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the pressure generated as a whole is evenly distributed.

도 10a는 종래의 분리판이 적용된 연료전지의 확산판의 산소농도분포를 나타낸 그림이고, 도 10b는 본 발명의 분리판이 적용된 연료전지의 확산판의 산소농도분포를 나타낸 그림으로, 종래에 비하여 본 발명의 산소농도분포가 고르게 나타남을 알 수 있다.10A is a diagram illustrating an oxygen concentration distribution of a diffusion plate of a fuel cell to which a conventional separator is applied, and FIG. 10B is a diagram illustrating an oxygen concentration distribution of a diffusion plate of a fuel cell to which a separator of the present invention is applied. It can be seen that the oxygen concentration distribution of is shown evenly.

이상에서 본 발명에 의한 연료전지용 분리판의 유로 구조 형성 방법에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.In the above, the method for forming the flow path structure of the separator for fuel cell according to the present invention has been described. Such a technical configuration of the present invention will be understood by those skilled in the art that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적 인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. Therefore, the above-described embodiments are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive, and the scope of the present invention is indicated by the appended claims rather than the foregoing description, and the meanings of the claims and All changes or modifications derived from the scope and the equivalent concept should be construed as being included in the scope of the present invention.

도 1은 연료전지에서 일어나는 전기화학반응을 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating an electrochemical reaction occurring in a fuel cell.

도 2a 및 도 2b는 종래의 연료전지에 사용되는 분리판의 유로 구조에 대한 예를 나타낸 도면이다.2A and 2B are diagrams showing an example of a flow path structure of a separator plate used in a conventional fuel cell.

도 3은 본 발명에 의한 분리판의 유로 구조에 대한 일 예를 나타낸 도면이다.3 is a view showing an example of the flow path structure of the separator plate according to the present invention.

도 4는 본 발명에 의한 분리판의 유로 구조에 대한 다른 예를 나타낸 도면이다.4 is a view showing another example of the flow path structure of the separator plate according to the present invention.

도 5는 본 발명에 의한 분리판의 유로 구조에 대한 또 다른 예를 나타낸 도면이다.5 is a view showing another example of the flow path structure of the separator plate according to the present invention.

도 6은 본 발명에 의한 분리판의 유로 구조에 대한 또 다른 예를 나타낸 부분확대도이다.6 is a partially enlarged view showing still another example of the flow path structure of the separator plate according to the present invention.

도 7a는 종래의 분리판이 적용된 연료전지의 전류밀도분포를 나타낸 그림이고, 도 7b는 본 발명의 분리판이 적용된 연료전지의 전류밀도분포를 나타낸 그림이다.7A is a diagram showing a current density distribution of a fuel cell to which a conventional separator is applied, and FIG. 7B is a diagram showing a current density distribution of a fuel cell to which a separator of the present invention is applied.

도 8a는 종래의 분리판이 적용된 연료전지의 전극의 액티베이션 포텐셜을 나타낸 그림이고, 도 8b는 본 발명의 분리판이 적용된 연료전지의 전극의 액티베이션 포텐셜을 나타낸 그림이다.FIG. 8A is a diagram illustrating an activation potential of an electrode of a fuel cell to which a conventional separator is applied, and FIG. 8B is a diagram illustrating an activation potential of an electrode of a fuel cell to which the separator of the present invention is applied.

도 9a는 종래의 분리판이 적용된 연료전지의 확산판에 가해지는 압력분포를 나타낸 그림이고, 도 9b는 본 발명의 분리판이 적용된 연료전지의 확산판에 가해지 는 압력분포를 나타낸 그림이다.FIG. 9A illustrates a pressure distribution applied to a diffusion plate of a fuel cell to which a conventional separator is applied, and FIG. 9B illustrates a pressure distribution applied to a diffusion plate of a fuel cell to which the separator of the present invention is applied.

도 10a는 종래의 분리판이 적용된 연료전지의 확산판의 산소농도분포를 나타낸 그림이고, 도 10b는 본 발명의 분리판이 적용된 연료전지의 확산판의 산소농도분포를 나타낸 그림이다.FIG. 10A is a diagram illustrating an oxygen concentration distribution of a diffusion plate of a fuel cell to which a conventional separator is applied, and FIG. 10B is a diagram illustrating an oxygen concentration distribution of a diffusion plate of a fuel cell to which the separator of the present invention is applied.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 분리판 110 : 공급용 매니폴드100 separation plate 110 supply manifold

120 : 배출용 매니폴드 130 : 유로영역120 discharge manifold 130 flow path region

131 : 제1 독립영역 132 : 제2 독립영역131: first independent region 132: second independent region

133 : 제3 독립영역 134 : 제4 독립영역133: third independent region 134: fourth independent region

141 : 제1 독립유로 142 : 제2 독립유로141: first independent euro 142: second independent euro

143 : 제3 독립유로 144 : 제4 독립유로143: third independent euro 144: fourth independent euro

151 : 제1 연결부 152 : 제2 연결부151: first connecting portion 152: second connecting portion

153 : 제3 연결부 154 : 제4 연결부153: third connecting portion 154: fourth connecting portion

Claims (5)

연료전지용 분리판의 유로영역에 형성되며, 공급용 매니폴드(manifold)로부터 공급되는 연료가 배출용 매니폴드로 이동하는 유로구조의 형성방법에 있어서,In the method of forming a flow path structure is formed in the flow path region of the fuel cell separator plate, the fuel supplied from the supply manifold moves to the discharge manifold, a) 상기 분리판에 유로영역을 설정하는 단계;a) setting a flow path area in the separator; b) 상기 설정된 유로영역을 둘 이상의 독립영역으로 분할하는 단계;b) dividing the set flow path region into two or more independent regions; c) 상기 분할된 독립영역에 독립유로를 형성하는 단계; 및c) forming an independent channel in the divided independent region; And d) 상기 형성된 독립유로를 상기 공급용 매니폴드 및 배출용 매니폴드를 연결하는 연결부를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 연료전지용 분리판의 유로 구조 형성 방법.and d) forming a connecting portion connecting the formed independent flow path to the supply manifold and the discharge manifold. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 c)는,Step c) is c') 상기 서로 다른 독립영역 중 어느 하나의 독립영역에 형성되는 독립유로의 입구부와 인접한 다른 하나의 독립영역에 형성되는 독립유로의 출구부가 인접하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 유로 구조 형성 방법.c ') of the fuel cell separator, characterized in that the inlet portion of the independent flow channel formed in any one of the independent regions and the outlet of the independent flow channel formed in the other independent region adjacent to each other. How to form the flow structure. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, d') 상기 공급용 매니폴드와 연결되는 연결부의 폭은, 상기 연결부와 연결되는 독립유로의 길이에 대응하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 의 유로 구조 형성 방법.d ') The flow path structure forming method of the separator plate for fuel cells, characterized in that the width of the connecting portion connected to the supply manifold is formed so as to correspond to the length of the independent passage connected to the connecting portion. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 독립유로는 지그재그형상과 소용돌이형상 중 적어도 하나의 형상으로 형성한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 유로 구조 형성 방법.The independent channel is formed in at least one of a zigzag shape and a vortex shape of the flow path structure forming method of the separator plate for fuel cells. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 독립유로는 서로 다른 둘 이상의 채널로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 유로 구조 형성 방법.The independent channel is a flow path structure forming method of a separator for a fuel cell, characterized in that consisting of two or more different channels.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101241814B1 (en) * 2010-10-12 2013-03-14 한양대학교 산학협력단 Bipolar plate having guide vane and electrochemical stack having the same

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