KR20110059029A - Separater for fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 스택용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지용 분리판에 형성된 유체 공급용 매니폴드의 구조를 새롭게 개선하여, 매니폴드내에 응축된 물에 의하여 부식이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지 스택용 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a separator for a fuel cell stack, and more particularly, to newly improve the structure of a fluid supply manifold formed in a separator for a fuel cell to prevent corrosion caused by water condensed in the manifold. A separator for a fuel cell stack is provided.
연료전지 스택의 구성을 첨부한 도 6을 참조로 살펴보면, 고분자 전해질막(10)과 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(12: cathode) 및 연료극(14: anode)으로 이루어진 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)을 포함하고, 또한 공기극(12) 및 연료극(14)이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(16) 및 가스켓(18)이 차례로 적층되고, 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 각 구성들을 고정시키기 위한 엔드 플레이트(30)가 결합된다.Referring to FIG. 6 attached to the configuration of the fuel cell stack, a cathode (12: cathode) and a cathode (14), which is a
따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극(14)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(10)과 분리판(20)을 통하여 공기극(12)으로 이동하게 되며, 상기 공기극(12)에서는 연료극(14)으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.Accordingly, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the
첨부한 도 2를 참조로 분리판 구조를 살펴보면 다음과 같다.Looking at the structure of the separator with reference to the accompanying Figure 2 as follows.
상기 분리판(20)은 일반적으로 직사각형 모양으로 이루어져 있으며, 그 양단부에는 반응기체인 공기 및 수소, 그리고 냉각수 등 3종류의 유체가 들어가고 나갈 수 있는 각각의 인렛 및 아웃렛 매니폴드가 형성되어 있고, 양단의 매니폴드 사이 영역에는 전극막 접합체의 기체확산층에 밀착 지지되는 랜드판와, 반응기체가 흐르는 반응유로 및 냉각수 유로를 이루는 채널판이 반복되는 요철 구조로 제작된다.The
일반적인 금속분리판의 매니폴드부는 분리판의 형상이 직사각형일 경우 매니폴드도 직사각형의 형태를 띄게 되는데, 도 2에 도시된 바와 같이 공기 및 수소 인렛 매니폴드(22,32)와 공기 및 수소 아웃렛 매니폴드(24,34)는 서로 대각선으로 위치하여 중력의 효과로 생성수가 하향 방향으로 배출되도록 설계된다.The manifold of the general metal separator plate has a rectangular shape when the separator plate has a rectangular shape. As shown in FIG. 2, the air and hydrogen inlet manifolds 22 and 32 and the air and hydrogen outlet manifold are shown. The
상기 분리판(20)의 공기 및 수소 인렛 매니폴드(22,32)는 전해질막을 포함하는 전극막 접합체가 원할하게 작동할 수 있도록 가습된 반응기체인 공기와 수소가 스택의 외부 공급원으로부터 공급되는 통로가 되고, 공기 및 수소 아웃렛 매니폴드(24,34)는 가습되어 공급된 반응기체와 셀 내부에서 생성되는 물이 더해진 기체 또는 액체 상태가 스택의 외부로 배출되는 통로가 된다.The air and hydrogen inlet manifolds 22 and 32 of the
이때, 상기 반응기체 즉, 반응가스가 공기인 경우, 공기극(cathode)에서 생성된 물이 더해지고, 공기극에서 생성된 물이 전해질막을 투과하여 연료극으로 넘어가게 된다.At this time, when the reaction body, that is, the reaction gas is air, water generated in the cathode is added, and the water generated in the cathode passes through the electrolyte membrane and passes to the fuel electrode.
특히, 스택 외부에서 공급되는 반응기체의 온도와 스택의 내부 온도가 서로 다를 경우, 가습되어 들어온 기체가 공기 및 수소 인렛 매니폴드의 내부에서 응축되어 쌓이는 경우가 발생할 수 있다.In particular, when the temperature of the reactor gas supplied from the outside of the stack and the internal temperature of the stack are different from each other, a humidified gas may condense and accumulate inside the air and hydrogen inlet manifolds.
연료전지 스택은 분리판을 포함하는 각각의 셀들이 아주 좁은 간격으로 촘촘하게 배열되어 있기 때문에, 각 분리판이 적층 배열되었을 때, 분리판의 매니폴드 내부에 응축되어 쌓인 물이 여러 셀에 걸쳐 고이는 현상이 발생하기도 한다.Since the fuel cell stacks are closely arranged at very narrow intervals, each cell including the separator plate has a problem that, when each separator plate is stacked, water condensed and accumulated in the manifold of the separator plate is accumulated over several cells. Occurs.
이러한 상황에서, 연료전지 스택의 각 셀들이 고전위에 노출되어 있는 경우(예를 들어, 개회로전압(open circuit voltage)), 여러 셀에 걸쳐 고여있는 물에 의해서 수 V의 전위차가 형성될 수 있어, 금속 분리판의 매니폴드부가 극심한 전기 부식 분위기에 노출될 수 있고, 또한 각 셀 내부로의 금속이온 유입에 의한 전극막 접합체(MEA)의 열화 현상과 더불어 시간이 오래 지남에 따라 부식의 진전으로 매니폴드부가 삭아버리는 경우가 발생할 수 있다.In such a situation, when each cell of the fuel cell stack is exposed to high potentials (eg, open circuit voltage), a potential difference of several V may be formed by water accumulated over several cells. In addition, the manifold of the metal separator may be exposed to an extreme electrocorrosive atmosphere, and the corrosion progresses over time with the deterioration of the electrode membrane assembly (MEA) due to the introduction of metal ions into each cell. The manifold portion may be cut off.
특히, 도 2에 지시된 A, B 위치와 같이, 공기 인렛 및 수소 인렛 매니폴드(22,32)의 하단부에 응축수가 여러 셀에 걸쳐 고여서 산화 현상을 발생시킬 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 가스켓(18)을 사이에 두면서 홈을 이루고 있는 1셀의 매니폴드(22,32)의 바닥체(23,33)에 물이 고이게 되거나, 1세트의 매니폴 드(22,32)의 바닥에 물이 고인 상태에서 1V 이하이며 완전 제거가 어려운 문제점이 있다.In particular, as shown in positions A and B shown in FIG. 2, condensate may accumulate in the lower ends of the air inlet and
따라서, 1V의 이상~수 V의 고전위가 여러 셀에 걸쳐 형성될 수 있고, 금속분리판으로 사용되는 금속재질은 전위차 부식이 매우 격렬하게 일어날 수 있으며, 실제로 전위차 부식이 발생되는 조건이 스택내에 형성될 경우, 수십 시간의 스택 운전 시간 밖에 지나지 않은 경우에도 매니폴드 하단부가 물이 고여있는 형상대로 매니폴드의 부식이 심하게 발생된다.Therefore, a high potential of more than 1 V and a few V may be formed over several cells, and a metal material used as a metal separator may cause a very high potential difference corrosion, and indeed, a condition in which the potential difference corrosion occurs may occur in the stack. When formed, even if only a few tens of hours of stack operation time, corrosion of the manifold is severely generated in a shape in which the bottom of the manifold is water.
이를 해결하기 위해, 종래 기술의 경우 매니폴드부를 비전도성 재질로 만들거나, 금속분리판의 경우 매니폴드부와 반응면 부분의 코팅 재질을 다르게 하여 매니폴드부의 코팅 내식성 강화 또는 비전도성 코팅 적용을 하는 경우가 있지만, 이는 금속분리판의 생산 공정중 코팅을 부분적으로 다르게 해야 하기 때문에 제조공정이 복잡해지고 제조원가가 상승하는 단점을 초래한다.In order to solve this problem, in the prior art, the manifold part is made of a non-conductive material, or, in the case of a metal separator, the coating material of the manifold part and the reaction surface part is different so that the coating resistance of the manifold part is enhanced or the non-conductive coating is applied. In some cases, this causes the manufacturing process of the metal separator plate to be partially different, resulting in a complicated manufacturing process and an increase in manufacturing cost.
또한. 분리판의 매니폴드부를 고분자와 같은 재질로 도포하는 경우, 그 도포 두께의 정밀 제어가 힘들어지고, 반응면과의 표면 높이 단차가 발생하여 수백 셀을 적층하는 경우에 스택의 위치별로 길이 및 면압이 달라져서 스택의 구조적 불안정성 및 성능 불균일성을 야기할 수 있다.Also. When the manifold part of the separator is coated with the same material as the polymer, it is difficult to precisely control the coating thickness, and when the surface height step with the reaction surface occurs, and when stacking hundreds of cells, the length and the surface pressure are different for each stack position. Can lead to structural instability and performance nonuniformity of the stack.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 연 료전지용 분리판에 형성된 유체 공급용 매니폴드중 공기 및 수소 인렛 매니폴드의 바닥체에 응축된 물이 분리판의 반응유로로 흐를 수 있는 경사각을 부여함으로써, 공기 및 수소 매니폴드내에 물이 응축되는 것이 방지하는 동시에 매니폴드의 부식현상을 방지할 수 있도록 한 연료전지 스택용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the water condensed in the bottom of the air and hydrogen inlet manifold of the fluid supply manifold formed in the fuel cell separator flows into the reaction flow path of the separator plate It is an object of the present invention to provide a separator plate for a fuel cell stack that can prevent the condensation of water in the air and hydrogen manifolds while providing a possible inclination angle.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 양측단부에 각각 공기, 냉각수, 수소의 통로가 되는 매니폴드가 형성된 연료전지 스택의 금속분리판에 있어서, 상기 공기 및 수소가 유입되는 공기 인렛 매니폴드 및 수소 인렛 매니폴드에 응축수 제거를 위한 경사구간을 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a metal separator of a fuel cell stack in which a manifold serving as a passage for air, cooling water, and hydrogen is formed at both ends, respectively, wherein the air inlet manifold and hydrogen are introduced. Provided is a separator for a fuel cell stack, characterized by forming an inclined section for removing condensate in an inlet manifold.
바람직한 구현예로서, 상기 공기 인렛 매니폴드 및 수소 인렛 매니폴드의 바닥체에 반응유로쪽으로 하향 경사진 경사각을 갖도록 하여, 응축수가 반응유로쪽으로 흘러가 제거될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the bottom of the air inlet manifold and the hydrogen inlet manifold has an inclined angle that is inclined downward toward the reaction flow passage, so that condensed water can flow toward the reaction flow passage and be removed.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 공기 인렛 매니폴드 및 수소 인렛 매니폴드의 바닥체에 대한 경사각은 응축수의 표면장력을 이길 수 있는 0°이상 90°이하 범위로 조절하여 형성된 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the inclination angle with respect to the bottom of the air inlet manifold and hydrogen inlet manifold is characterized in that it is formed by adjusting the range of 0 ° or more and 90 ° or less to overcome the surface tension of the condensate.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above problem solving means, the present invention provides the following effects.
본 발명에 따르면, 연료전지용 분리판에 형성된 유체 공급용 매니폴드중 공기 및 수소 인렛 매니폴드의 바닥체에 반응유로쪽으로 소정 하향 경사각을 부여함으로써, 공기 및 수소 인렛 매니폴드내에 응축되는 물이 반응유로쪽으로 흘러가 용이하게 제거될 수 있고, 동시에 응축수 제거로 인하여 매니폴드의 부식현상을 용이하게 방지할 수 있다.According to the present invention, water is condensed in the air and hydrogen inlet manifolds by giving a predetermined downward inclination angle to the reaction flow path to the bottom of the air and hydrogen inlet manifolds of the fluid supply manifold formed in the separator for fuel cell. It can be easily flowed to the side, and at the same time, it is possible to easily prevent corrosion of the manifold due to the removal of condensate.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 첨부한 도 4 및 도 5를 참조로 기존 분리판의 매니폴드 구조 및 그에 따른 응축수 발생 과정을 설명하면 다음과 같다.First, the manifold structure of the existing separator and the condensate generation process according to the present invention will be described with reference to the accompanying FIGS. 4 and 5 to help understand the present invention.
도 4에서, 도면부호 100은 고분자 전해질막과 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 이루어진 전극막 접합체(MEA)를 나타낸다.In FIG. 4, reference numeral 100 denotes an electrode membrane assembly (MEA) consisting of a cathode and an anode, which are a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer applied to react hydrogen and oxygen on both surfaces of the electrolyte membrane.
상기 전극막 접합체의 바깥 부분에는 가스확산층(GDL)을 사이에 두고, 가스켓이 부착된 분리판들이 차례로 적층되어 하나의 셀을 이루게 된다.In the outer portion of the electrode membrane assembly, a gas diffusion layer (GDL) is interposed therebetween, and separator plates having a gasket are sequentially stacked to form one cell.
또한, 상기 분리판(20)의 일단부에는 공기 인렛 매니폴드(22)와, 냉각수 인렛 매니폴드(42)와, 수소 아웃렛 매니폴드(34)가 위에서 아래쪽 방향으로 배열되며 형성되어 있고, 분리판(20)의 타측단부에는 수소 인렛 매니폴드(32)와, 냉각수 아 울렛 매니폴드(44)와, 공기 아웃렛 매니폴드(24)가 위에서 아래쪽 방향으로 배열되며 형성되어 있으며, 그 중앙부에는 채널판과 랜프판으로 이루어진 반응유로(50)가 소정의 배열로 형성되어 있다.In addition, an
이에, 도 5a에 A로 지시된 바와 같이 공기 인렛 매니폴드(22)의 바닥체(23)의 외측부(공기 인렛 매니폴드의 바닥체 구간중 반응유로로 들어가는 입구와 먼쪽 구석)와, 도 5b에 B로 지시된 바와 같이 수소 인렛 매니폴드(32)의 바닥체(33)의 외측부(수소 인렛 매니폴드의 바닥체 구간중 반응유로로 들어가는 입구와 먼쪽 구석)에 응축수가 고여있을 가능성이 높고, 이로 인하여 매니폴드의 부식을 초래할 수 있다.Thus, as indicated by A in FIG. 5A, the outer portion of the
즉, 공기 및 수소 인렛 매니폴드(22,32)에서는 반응유로(50) 방향으로 반응기체가 유동하며 빨려 들어가게 되지만, 상대적으로 도 5a와 도 5b에 지시된 A 및 B의 위치에서는 반응기체의 유동이 정체되어 응축된 물을 반응유로쪽으로 밀어내며 제거하는 힘이 작기 때문에, 공기 및 수소 인렛 매니폴드(22,32)의 바닥체(23,33)상에 응축수가 계속 존재하며 부식을 초래하게 된다.That is, in the air and hydrogen inlet manifolds 22 and 32, the reactant flows into the
반면에, 공기 및 수소 아웃렛 매니폴드(24,34)에서는 반응유로(50)로부터 나온 반응을 마친 반응기체의 유동이 매니폴드의 반대면 벽(외측벽)에 부딪히는 효과로 인하여, 매니폴드의 구석에 존재하는 물이 유동되는 동시에 반응기체의 배출압에 의하여 외부로 배출될 수 있다.On the other hand, in the air and hydrogen outlet manifolds 24 and 34, the flow of the reactant after the reaction from the
본 발명은 공기 및 수소 인렛 매니폴드(22,32)에서 존재하는 응축수를 용이하게 제거하고자, 반응기체의 흐름압력 및 중력에 의하여 응축수가 반응유로(50)쪽 으로 자연스럽게 흘러가도록 공기 및 수소 인렛 매니폴드(22,32)의 구조를 개선한 점에 특징이 있다.In order to easily remove the condensate present in the air and hydrogen inlet manifolds (22, 32), the air and hydrogen inlet manifold so that the condensate flows naturally into the reaction flow path (50) by the flow pressure and gravity of the reactor body It is characteristic in that the structure of the
즉, 응축수가 반응유로(50)쪽으로 자연스럽게 흘러가도록 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분리판(20)의 공기 및 수소 인렛 매니폴드(22,32)의 바닥체(23,33)에 경사각도를 부여한 점에 특징이 있다.That is, as shown in FIG. 1 attached so that the condensed water naturally flows toward the
보다 상세하게는, 도 1에 D로 지시된 바와 같이 공기 인렛 매니폴드(22)의 바닥체(23)와, 수소 인렛 매니폴드(32)의 바닥체(33)를 분리판(20)의 중앙부 반응유로(50)쪽으로 경사지게 형성하되, 0°이상 90°이하 범위의 경사각으로 경사지게 형성함으로써, 공기 및 수소 인렛 매니폴드(22,32)에서 발생된 응축수가 반응기체의 흐름압력 및 중력에 의하여 반응유로(50)쪽으로 자연스럽게 흘러가도록 하여 응축수 제거가 용이하게 이루어질 수 있다.More specifically, as indicated by D in FIG. 1, the
일반적으로, 금속 표면에 있는 물방울은 그 표면 장력에 의해 뭉치면서 표면에서 움직이지 않으려 하는 경향이 있지만, 상기와 같이 공기 및 수소 인렛 매니폴드의 바닥체에 표면장력을 이길 수 있는 경사 각도를 부여함으로써, 차량의 운행 조건(가속, 감속, 전진, 후진, 회전, 노면 충격 등)에 따라 고인 응축수가 충분히 반응유로쪽으로 흘러 내려가 제거될 수 있다.Generally, water droplets on a metal surface tend to stick together due to their surface tension and not move on the surface, but by giving the bottom of the air and hydrogen inlet manifolds an angle of inclination to overcome surface tension. Depending on the driving conditions of the vehicle (acceleration, deceleration, forward, reverse, rotation, road impact, etc.), the condensed water can be sufficiently flowed down the reaction flow path and removed.
이때, 공기 및 수소 아웃렛 매니폴드(24,34)에도 동일한 개념의 경사 구조를 적용할 경우, 반응유로쪽으로 오히려 물이 흘러 들어가기 쉽기 때문에 생성수 배출성에 악영향을 미칠 수 있고, 반대방향으로 경사를 줄 경우에는 매니폴드 테두리에 예각의 홈이 형성되어 고인 물이 나가기 힘들어지는 동시에 분리판의 아랫면에 데 드 스페이스(dead space)가 형성되어 스택의 부피가 커지는 단점이 발생하므로, 공기 및 수소 인렛 매니폴드의 바닥체에만 경사 구조를 적용하는 것이 바람직하다.At this time, if the same concept of inclined structure is applied to the air and hydrogen outlet manifolds 24 and 34, water tends to flow toward the reaction flow path, which may adversely affect the discharge of generated water and reduce the inclination in the opposite direction. In this case, an acute angle groove is formed at the manifold edge, which makes it difficult for the stagnant water to flow out, and a dead space is formed at the bottom of the separator plate, which increases the volume of the stack. It is preferable to apply the inclined structure only to the bottom of the.
한편, 본 발명에 따른 분리판(20)의 위치결정용 홀(52) 즉, 분리판간의 결합을 위한 홀의 위치를 매니폴드내에서 벗어나 분리판의 외곽에 형성함으로써, 냉각수 매니폴드의 입출구 면적을 확대할 수 있고, 이에 냉각수 차압을 감소시킴으로써 연료전지 운전 조건을 안정적으로 유지할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.On the other hand, the
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판을 나타내는 평면도,1 is a plan view showing a separator for a fuel cell stack according to the present invention;
도 2는 종래의 연료전지 스택용 분리판을 나타내는 평면도 및 응축수에 의한 산화 현상을 설명하는 사진,2 is a plan view showing a conventional separator for a fuel cell stack and a photograph illustrating oxidation by condensate;
도 3은 종래의 연료전지 스택용 분리판에서 응축수가 고이는 현상을 설명하는 단면도,3 is a cross-sectional view illustrating a phenomenon in which condensate accumulates in a conventional separator for fuel cell stacks;
도 4 및 도 5는 종래의 연료전지 스택용 분리판 및 유체 흐름 방향을 설명하는 사시도 및 요부 평면도,4 and 5 are a perspective view and a main part plan view illustrating a conventional separator and a fluid flow direction for a fuel cell stack;
도 6은 연료전지 스택의 구성을 설명하기 위한 개략도.6 is a schematic view for explaining the configuration of a fuel cell stack;
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 전해질막 12 : 공기극10: electrolyte membrane 12: air electrode
14 : 연료극 16 : 가스확산층14
18 : 가스켓 20 : 분리판18: Gasket 20: Separator
22 : 공기 인렛 매니폴드 23 : 바닥체22: air inlet manifold 23: bottom body
24 : 공기 아웃렛 매니폴드 30 : 엔드 플레이트24: Air outlet manifold 30: End plate
32 : 수소 인렛 매니폴드 33 : 바닥체32: hydrogen inlet manifold 33: bottom body
34 : 수소 아웃렛 매니폴드 42 : 냉각수 인렛 매니폴드34: Hydrogen Outlet Manifold 42: Coolant Inlet Manifold
44 : 냉각수 아웃렛 매니폴드 50 : 반응유로44: coolant outlet manifold 50: reaction flow path
52 : 위치결정용 홀52: positioning hole
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2009
- 2009-11-27 KR KR1020090115625A patent/KR20110059029A/en not_active Application Discontinuation
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