KR20100051257A - 지그재그 구조의 유로를 갖는 연료전지용 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지그재그 구조의 반복되는 패턴의 유로의 구조를 갖는 연료전지 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 유로를 갖는 연료전지용 분리판에 있어서, 각각의 유로는 기체 출입구에서 일자형이며, 상기 일자형의 직각방향으로는 지그재그 형태이며, 상기 다수의 유로 구조는 전체적으로 상기 다수의 유로 중심에서 대칭인 형태가 되도록 상기 각각의 유로의 일자형 길이가 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판에 관한 것이다.

유로 구조, 분리판, 연료전지, 그라파이트

Description

지그재그 구조의 유로를 갖는 연료전지용 분리판{Separator having the structure of zigzag channel}

본 발명은 지그재그 구조의 반복되는 패턴의 유로의 구조를 갖는 연료전지 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 유로를 갖는 연료전지용 분리판에 있어서, 각각의 유로는 기체 출입구에서 일자형이며, 상기 일자형의 직각방향으로는 지그재그 형태이며, 상기 다수의 유로 구조는 전체적으로 상기 다수의 유로 중심에서 대칭인 형태가 되도록 상기 각각의 유로의 일자형 길이가 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판에 관한 것이다.

연료전지는 전기화학 반응에 의해서 연료가 갖고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 기존의 연소기관에 비하여 에너지 효율이 높고, 공해물질의 배출이 없기 때문에 소형에서 대규모 시스템까지 적용 범위가 매우 넓다. 즉, 연료전지는 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한(Carnot효율)을 받지 않기 때문에 기존의 발전장치보다 발전효율이 높고, 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없으며, 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비를 절감할 수 있는 등 전력계통의 운영 측면에서도 기대가 큰 첨단 에너지 발전장치이다.

연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 반응에 의하여 생성되는 전자의 이용으로 설명할 수 있다. 수소는 연료극을 통과하고 산소는 공기극을 통과한다. 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다. 전자가 전해질을 통과하면서 직류 전력이 발생하며, 부수적으로 열도 생성된다. 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류전류로 바꾸어 사용된다. 연료전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기열로 배출된다. 연료전지의 연료인 수소는 순수 수소를 이용하거나, 메탄이나 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여 개질이라는 과정을 통해 생산된 수소를 이용한다. 순수한 산소는 연료전지의 효율을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있다. 따라서 공기 중에 산소가 많이 포함되어 있으므로 효율은 좀 떨어지지만 공기를 직접 이용하기도 한다.

본 발명은 연료전지의 구성요소 가운데 분리판에 관한 것으로서, 연료전지에 사용하는 분리판은 연료전지의 형태유지, 전자를 이동시키는 역할, 기체를 공급하는 기능을 가진다. 분리판의 재료로는 형태 유지와 전자 이동을 위하여 전기 전도 도가 있는 그라파이트, 금속과 같은 물질을 사용하나, 부도체인 경우에는 전기전도도를 가지는 물질을 도포하여 사용한다. 분리판의 일부에 형성된 기체 유로는 반응기체가 흐르는 통로이며, 이 기체 유로를 통하여 2장의 분리판 사이에 위치한 전해질-전극 접합체의 전극에 기체가 공급됨으로써 전기화학반응이 일어나 전기가 발생된다. 연료전지용 분리판은 연료전지의 공기극 산화분위기와 연료극 환원분위기에 모두 안정해야 하고, 각 연료가스의 혼합을 방지할 수 있도록 치밀해야 하며, 충분한 전기전도도를 가져야 한다. 도 1의 (a)는 종전의 한 줄의 유로를 갖는 분리판을 나타낸다. 이와 같은 구조는 전극 전체를 한 줄의 유로가 담당하게 되어 유로의 길이가 늘어나고 한 개의 유로가 감당하게 되는 유량이 많아져서 높은 압력 강하를 일으키게 되어서, 효율이 떨어진다는 문제점이 있었다. 이와 같은 단점을 보완하기 위하여 유로의 갯수를 늘여서 한 개의 유로가 담당하는 유량을 줄이고 유로 길이를 짧게 하여 압력 강하를 감소시킬 필요가 있었다. 따라서 높은 압력 강하를 피하고자 도 1의 (b)와 같이 지그재그 형식의 유로를 여러줄로 만들어 사용하였다. 도 1의 (b)는 여러 줄의 유로들이 지그재그 형식으로 꼬인 형태의 분리판을 나타낸다. 그러나, 이러한 형상의 문제점은 유로들이 서로 평행한 곳이 많은 부분을 차지하기 때문에 평행한 구조에서처럼 인근 유로간의 압력차이가 없어서, 물질전달에 불리하다.

연료전지용 분리판은 기체 및 액체 연료나 공기를 전극에 고르게 분포시켜야 하며 생성물질이 있는 경우 효과적으로 제거하여 전극 밖으로 배출시켜야 한다. 상 기에서 지적한 바와 같이, 기존의 연료전지 분리판의 경우 유로가 직접 닿지 않는 부분에서 연료가 고르게 분포하지 않거나 다공성 층에 생성물질이 차있어서 빠져나가지 않는 등의 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다수의 독립적인 지그재그 구조의 유로를 도입하여 다공성 재질로 구성된 전극에 균일한 연료 분포를 유도하고 다공성 층에 차있는 생성물질을 효과적으로 제거하여 물질전달이 효율적으로 이루어지며 압력강하를 적게 하여 연료전지 시스템의 효율을 향상시키는 연료전지 분리판을 설계하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 다수의 유로를 갖는 연료전지용 분리판에 있어서,

각각의 유로는 기체 출입구에서 일자형이며, 상기 일자형의 직각방향으로는 지그재그 형태이며, 상기 다수의 유로 구조는 전체적으로 상기 다수의 유로 중심에서 대칭인 형태가 되도록 상기 각각의 유로의 일자형 길이가 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판이 제공된다. 이 때, 각각의 유로는 각각의 유로 내의 압력이 동일하도록 유로의 길이가 동일한 것이 바람직하다.

평행한 유로와 같은 구조에서는 도 2의 (a)와 같이 인근 유로간의 압력이 같으므로 유로가 직접 닿지 않는 부분에서는 연료를 고르게 분포시키기 어렵지만, 도 2의 (b)와 같이 지그재그로 꼬인 구조에서는 유로간의 압력 차이가 생기므로 연료가 확산층을 통해 인근의 유로로 이동하는 현상이 발생한다. 이러한 원리로 인하여 지 그재그 형식으로 꼬인 형상에서는 유로가 직접 닿지 않는 부분까지 효과적으로 연료를 전달하거나 확산층 및 전극에 고여 있는 생성물을 제거할 수 있다. 이와 같은 이유로 인하여 지그재그 구조를 갖는 유로를 본 발명에 도입한 것이다.

독립적인 지그재그 구조의 유로를 도입하여 유로간 압력 차이를 유발시켜 다공성 층 사이의 연료 흐름을 유발하여 유로가 직접 닿지 않는 부분까지 균일한 연료 분포를 유도하고 다공성 층에 차있는 반응 생성물질을 압력차로 밀어내어 물질전달에 효과적이며 기체가 유로 통과시 압력강하를 줄여 연료전지 시스템의 효율을 증가시킬 수 있는 연료전지 분리판을 설계할 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 다수의 유로가 독립적으로 지그재그 패턴을 가짐으로서 유체가 균일하게 공급되며 반응 생성물이 다공성 층으로부터 효과적으로 제거되어 물질전달이 향상되는 효과가 있다. 또한 유로의 길이를 줄여 유로 통과시의 압력강하를 줄여 기체 이송 펌프의 용량을 줄여 연료전지 시스템의 효율을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 분리판을 공기극으로 제작한 후 직접메탄올 연료전지 성능을 시험하였으며 개별 유로의 개수는 20개로 하였다. 연료극은 한 개의 유로가 지그재 그 형태로 진행되도록 하였다. 분리판의 재질은 그라파이트(Graphite)를 사용하였으며 전극 면적은 150 × 100 mm로 하였고 모든 유로의 폭과 깊이는 1mm로 하였다. 총 5개의 전극을 직렬로 쌓아 스택을 제작하였다. 전해질은 나피온(Nafion)을 사용하였고, 연료극의 전극 촉매는 PtRu 블랙(black), 공기극의 전극 촉매는 Pt 블랙(black)을 사용하였으며, 확산층으로 다공성인 카본 페이퍼를 사용하였다. 온도는 60℃, 연료는 1M 농도의 메탄올 수용액을 당량 2.5로 공급하였으며, 공기는 당량 4로 공급하였다. 5셀로 이루어진 스택의 성능 결과는 도 4에 나타내었다. 성능 시험은 전류를 0 A에서 1 A씩 점차 증가시키면서 셀의 전압을 측정하는 방식으로 수행하였다. 비교재는 도 1(b)와 같은 형태의 5줄 유로구조를 사용하였다. 도 4에서 보면 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 경우가 종전의 유로구조의 분리판을 갖는 직접메탄올 연료전지에 비해서 전압이 더 높게 나오는 것으로부터 본 발명에 의한 분리판을 갖는 직접메탄올 연료전지의 효율이 더 좋다는 것을 알 수 있다.

도 1은 종전의 유로구조의 분리판

도 2는 지그재그 구조의 유용성을 설명하기 위한 개념도

도 3은 본 발명에 의한 유로구조의 분리판

도 4는 직접메탄올 연료전지의 전류에 따른 전압을 나타낸 그래프

((도면 부호에 대한 설명))

1 : 분리판 2 : 유로 3 : 기체 출입구

11 : 분리판 12 : 유로 13 : 기체 출입구

Claims (2)

1. 다수의 유로를 갖는 연료전지용 분리판에 있어서,

   각각의 유로는 기체 출입구에서 일자형이며, 상기 일자형의 직각방향으로는 지그재그 형태이며, 상기 다수의 유로 구조는 전체적으로 상기 다수의 유로 중심에서 대칭인 형태가 되도록 상기 각각의 유로의 일자형 길이가 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판.
2. 제1항에 있어서,

   상기 각각의 유로는 상기 각각의 유로 내의 압력이 동일하도록 유로의 길이가 동일한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판.

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