KR20110087123A - 보조유동유로를 가지는 연료전지용 분리판 - Google Patents

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KR20110087123A
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최갑승
김형만
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Abstract

본 발명은 반응가스 체류시간 증가로 인한 전기화학반응의 활성화를 도모하는 한편, 물 배출 특성을 향상시켜 주로 분리판 립(rib)부분에서 과량 생성되는 물에 의한 플러딩(flooding) 영향을 최소화하고, 분리판의 내부 압력강하를 최소화하여 전류밀도분포를 균일하게 할 수 있도록 함과 아울러, 주유동유로 사이의 간극을 좁힐 수 있도록 하여 분리판의 응력집중 현상 해소에 따른 기계적 강도 향상을 도모할 수 있도록 한 고분자전해질 연료전지의 분리판을 제공하기 위한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 수소, 공기 혹은 산소 등이 이동할 수 있는 주유동유로(main channel)와; 상기 주유동유로(main channel)와 주유동유로(main channel) 사이를 구분하는 립(rib)과; 상기 립(rib) 부분에서 생성되는 물 배출과 반응가스의 체류시간을 증가시켜 반응률을 높이기 위한 보조유동유로(sub channel)를 구비한 고분자전해질 연료전지용 분리판을 제공한다.

Description

보조유동유로를 가지는 연료전지용 분리판{bipolar plate for fuel cell comprising sub channel}
본 발명은 고분자전해질 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 립부분에서 생성되는 물의 배출 특성 향상, 전기화학반응의 활성화, 막-전극 접합체(MEA)의 내구성 향상 등을 기할 수 있도록 한 고분자전해질 연료전지에 적용되는 분리판의 구조 개선에 관한 것이다.
일반적으로, 전기적으로 절연체이며 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지는 메탄올이나 수소 등의 화학연료를 전기에너지로 직접 바꾸는 고효율, 무공해, 무소음의 미래형 발전기술의 일종으로서, 기존의 내연기관에 비해 1.5배 이상의 에너지변환 효율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 유독한 대기오염 물질을 전혀 배출하지 않는 장점을 내포하고 있다. 특히 고분자전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 100℃ 미만의 온도에서 작동되고 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 나타내는 동시에 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템이다.
이와 같은 고분자전해질 연료전지는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용범위가 매우 다양하다. 고분자전해질 연료전지에 대한 연구는 1955년 미국의 GE에서 처음으로 시작되어 1962년에 이미 1 kW급 고분자전해질 연료전지 스택 2개로 이루어진 모듈을 Gemini 우주선 3호부터 12호에 사용하였다. 이후로 고분자전해질 연료전지를 연료전지자동차 등 민수용으로 응용하기 위한 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되고 있다.
도 1은 기존 분리판의 대표적인 형상인 사행 유동유로 형상을 보여주는 평면도이고, 도 2는 도 1의 분리판이 적용된 고분자전해질 연료전지 스택의 구성을 보여주는 단면도로서, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 전기적으로 절연체이며 수소이온교환 특성을 갖는 고분자전해질막(polymer electrolyte membrane)과 전극(anode, cathode)의 조립체인 막-전극 접합체(MEA; Membrane-Electrode Assembly), 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판(1a)(separator), 상기 분리판(1a)과 막-전극 접합체 사이에 구비되는 가스확산층(2)(GDL: Gas Diffusion Layer)을 포함하여 구성된다.
그리고, 미설명부호 4는 연료전지의 전극을 구성하는 촉매층이다.
상기 막-전극 접합체(MEA)는 고분자전해질막을 중심으로 양쪽에 다공성의 연료극과 공기극이 부착되어 있으며, 연료극에서는 수소의 전기화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나게 된다.
그리고, 상기 분리판(1a)은 일반적으로 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고 불리며, 한쪽 면에서는 연료극 가스 채널이 있고, 다른 쪽 면에서는 공기극 가스 채널이 새겨져 있는 전기전도성 판으로서 막-전극 접합체(MEA; Membrane-Electrode Assembly)를 지지해 주고, 연료극과 공기극에 각각 연료와 산화제를 공급해 주는 통로 역할을 하며, 연료극에서 생성된 전자를 전달하는 전류 집전체 역할과 함께 전지 운전 중에 생긴 물을 제거해 주는 통로 역할을 한다.
상기 분리판이 갖추어야 할 특성으로 전기전도성이 좋고, 화학적으로 안정하며 가볍고, 내부식성이 좋아야 한다. 또한 기계적 강도와 가공성이 좋아야 하며 얇고, 가격이 저렴해야 하며, 대량생산에 용이해야 한다. 현재 사용되는 분리판의 재질은 주로 흑연을 사용하나 최근에는 금속 분리판에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 흑연은 내부식성이 좋고 가벼워서 현재 가장 많이 사용되고 있지만, 가공이 어렵고 부서지기 쉬워 쉽게 깨질 위험이 있으며 비교적 값이 비싸다. 금속은 가공성이 좋고 높은 전기 전도도를 가지며, 기계적 강도가 우수하고 가격이 저렴하지만, 흑연에 비해 내부식성이 좋지 않고 무거운 단점이 있다.
한편, 상기 분리판 제작 시 특히 중요하게 고려해야 할 것이 채널, 즉 유로의 설계이다.
공기극에서의 산소 환원반응으로 인하여 생기는 물이 유로상에 축적되어 반응기체가 흐르지 않는 정체영역(deadspot)이 형성되면 전극의 효율성이 떨어져 전지성능 저하의 원인이 발생한다. 또한, 반응기체를 공급해주는 채널과 전기화학반응에서 생성된 전자를 외부로 이동시켜주는 립들(ribs)간의 적당한 크기 배합에 의해서 원활한 가스공급과 전자 이동을 가능하게 하여 전지성능을 증가시킬 수 있다.
도 1은 기존 분리판의 대표적인 형상인 사행 유동유로 형상을 보여주는 평면도로서, 기존 분리판은 1개 또는 다수개의 사행의 유동유로와, 상기 유동유로 사이에 구비되는 립(rib)으로 구성된다.
이와 같이 구성된 기존 분리판(1a)이 적용된 경우의 문제점은 다음과 같다.
먼저, 고분자전해질 연료전지는 주로 대류와 확산에 의해 물질전달이 이루어지며 유동유로(100)(main channel)와 이에 인접한 유동유로(100)(main channel) 사이의 립(rib) 아랫부분을 가로지르는 반응가스의 유동이 발생하는데, 기존의 분리판(1a)을 채용한 경우에는 립(110)(rib) 아랫부분으로 가로질러 이동하는 반응가스를 오랜 시간 체류시키지 못함에 따라 반응가스의 이용률을 높일 수 없고 전기화학반응을 활성화할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 일반적으로 동일 화학양론 유량비를 기준으로 반응가스를 공급할 경우 주로 높은 전류밀도를 나타내는 부분은 주유동유로(main channel) 부분보다 립(rib)부분으로서, 상기 립(rib)의 폭이 넓으면 평균전류밀도는 향상되나 립(rib) 아래 부분에서 생성되는 물의 배출이 힘들어져 장시간 사용할 경우 플러딩(flooding)에 의한 성능 저하를 야기하게 된다.
그리고, 기존의 분리판(1a)에 있어서는, 분리판 내부의 반응가스 유동을 분산시킬 수 없어 분리판(1a) 내부에서 압력강하 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 전체 반응면적에 대해 균일한 전류밀도분포를 얻기가 어려워 유동 유로에서 발생하는 막-전극접합체(MEA)의 열화 현상을 방지할 수 없었으며, 이로 인해 고분자전해질 연료전지 성능과 막-전극접합체(MEA)의 내구성을 향상시키는데 어려움이 있었다.
한편, 연료전지 시스템에 적용을 위해 필요한 전압은 단위전지의 전압보다 높기 때문에 분리판(1a)을 연속적으로 적층시킨 스택을 사용하고 양끝단에 압력판(End plate)을 설치하여 분리판과 분리판 사이의 기밀유지를 위해 강한 체결력으로 체결하게 된다. 따라서 유동유로(100)(main channel) 사이의 간극을 좁힐 수 있으면, 분리판 혹은 가스확산층(GDL)의 변형을 최소화할 수 있고, 분리판에 균일한 하중이 작용하여 전극의 균열 방지 및 분리판의 응력집중 현상을 감소시켜 전체적인 기계적 강도를 향상시킬 수 있으나, 상기한 구성의 기존의 분리판은 유동유로(100)(main channel) 사이의 간극이 넓어 분리판 혹은 가스확산층(2)(GDL)의 스택을 위한 압력판 체결시 분리판(1a)의 변형을 초래하게 되며, 불균일한 하중 작용으로 인해 전극의 균열 및 분리판의 응력집중 현상을 초래함으로써 전체적인 기계적 강도를 떨어뜨리게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존에 주를 이루는 유동 유로 형상인 병렬형(parellel type), 사행형(serpentine type), 핀형(pin type), 맞물림형(interdigitated type) 등의 유로 패턴을 갖는 분리판에 있어서, 반응가스 체류시간 증가로 인한 전기화학반응의 활성화를 도모하는 한편, 물 배출 특성을 향상시켜 주로 분리판 립(rib)부분에서 과량 생성되는 물에 의한 플러딩(flooding) 영향을 최소화하며, 분리판의 내부 압력강하를 최소화하여 전류밀도분포를 균일하게 할 수 있도록 한 고분자전해질 연료전지의 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 목적은, 주유동유로 사이의 간극을 좁힐 수 있도록 하여 분리판의 응력집중 현상 해소에 따른 기계적 강도 향상을 도모할 수 있도록 하는데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 수소, 공기 혹은 산소 등이 이동할 수 있는 주유동유로(main channel)와; 상기 주유동유로(main channel)와 주유동유로(main channel) 사이를 구분하는 립(rib)과; 상기 립(rib) 부분에서 생성되는 물 배출과 반응가스의 체류시간을 증가시켜 반응률을 높이기 위한 보조유동유로(sub channel)를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판이 제공된다.
전술한 구성에 있어서, 본 발명은 상기 보조유동유로(sub channel)에 존재하는 물 배출과 압력강하를 최소화하기 위해 주유동유로(main channel)와 보조유동유로를 연결하는 우회유로(by-passage)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 우회유로는, 유로 패턴의 입구 및 출구측, 그리고 추가적으로 턴-립(turn-rib) 부분에 형성됨을 특징으로 한다.
본 발명은 고분자전해질 연료전지에 있어서, 본 발명은 반응가스 체류시간 증가로 인한 전기화학반응의 활성화를 도모하게 된다.
한편, 본 발명은 전기화학반응의 활성화를 통해 생성된 물의 배출 특성을 향상시켜 주로 분리판 립(rib)부분에서 과량 생성되는 물에 의한 플러딩(flooding) 영향을 최소화시킬 수 있으며, 이로써 전해질막의 수분 함유률을 균일하게 하여 전류밀도분포를 균일하게 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 반응가스 체류시간 증가로 인한 전기화학반응의 활성화를 도모하는 한편, 분리판의 응력집중 현상 해소에 따른 기계적 강도 향상을 도모할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 균일한 높은 전류밀도 분포로 인해 단위면적당 출력이 향상되어 시스템 효율이 증가되고, 추가적인 장치 없이 분리판 제조 시, 주유동유로(main channel)와 보조유동유로(sub channel)를 동시에 가공할 수 있어 원가 절감 및 생산성 향상 등의 효과가 예상된다.
한편, 본 발명은 기존의 기계가공 공정에 바로 적용 가능하며 분리판 제조 시, 주유동유로(main channel)과 보조유동유로(sub channel)를 동시에 가공할 수 있으므로 추가적인 설비, 인력 확충 등에 의한 제조단가 상승을 피할 수 있어 원가 절감 및 생산성 향상 등의 효과가 예상된다.
도 1은 기존 분리판의 대표적인 형상인 사행 유동유로 형상을 보여주는 평면도 및 부분 확대도
도 2는 도 1의 분리판이 적용된 고분자전해질 연료전지 스택의 구성을 보여주는 단면도
도 3은 본 발명에 따른 분리판을 나타낸 사시도
도 4는 도 3의 분리판의 유로 패턴을 보여주는 평면도 및 부분 확대도
도 5는 본 발명에 따른 도 3의 분리판이 적용된 고분자전해질 연료전지의 구성을 보여주는 단면도
도 6a 및 도 6b은 종래 분리판이 적용된 경우와 본 발명에 따른 분리판이 적용된 경우의 전류밀도분포를 비교하여 나타낸 것으로서,
도 6a는 종래 분리판에서의 전류밀도 분포도
도 6b는 본 발명에 따른 분리판에서의 전류밀도 분포도
도 7은 주유동유로 형상과 보조유동유로 형상에서 셀 전압과 입출구 압력차 를 비교한 그래프
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 분리판에 적용할 수 있는 유로 형상을 나타낸 개략도
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부도면 도 3 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 분리판을 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 분리판의 유로 패턴을 보여주는 평면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 분리판이 적용된 고분자전해질 연료전지의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 고분자전해질 연료전지용 분리판(1)은, 수소, 공기 혹은 산소 등이 이동할 수 있는 주유동유로(100)(main channel)와; 상기 주유동유로(100)(main channel)와 주유동유로(100)(main channel) 사이를 구분하는 립(110)(rib)과; 상기 립(110)(rib) 부분에서 생성되는 물 배출과 반응가스의 체류시간을 증가시켜 반응률을 높이기 위한 보조유동유로(120)(sub channel)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 보조유동유로(120)(sub channel)에 존재하는 물 배출과 압력강하를 최소화하기 위해 주유동유로(100)(main channel)와 보조유동유로(120)를 연결하는 우회유로(130a)(130b)(130c)(by-passage)가 더 구비된다.
그리고, 상기 우회유로는, 기본적으로 유로 패턴의 입구 및 출구측에 형성되는 우회유로(130a)와, 추가적으로 턴-립(turn-rib) 부분에 형성되는 우회유로(130b)(130c)로 구성된다.
여기서, 턴-립(turn-rib) 부분은 유로 방향이 턴(turn)되는 부분에 위치한 립(rib) 부분을 말한다(도 3의 상세 B,C 참조).
그리고, 도 4에서 미설명 부호 4는 연료전지의 전극을 구성하는 촉매층이다.
이와 같이 구성된 본 발명의 작용은 다음과 같다.
먼저, 반응가스의 체류시간을 증가시킴으로써 전기화학반응의 활성화를 도모할 수 있다.
즉, 고분자전해질 연료전지는 주로 대류와 확산에 의해 물질전달이 이루어지며 주유동유로(100)(main channel)(본 실시예에서는 주유동유로가 5개인 경우를 예시함)와 인접한 주유동유로(100)(main channel) 사이의 립(110)(rib) 아랫부분을 가로지르는 반응가스의 유동이 발생하는데, 이때 립(110)(rib) 아랫부분으로 가로질러 이동하는 반응가스를 보조유동유로(120)(sub channel)에서 오랜 시간 체류시킴에 따라 반응가스의 이용률 향상과 전기화학반응을 활성화시키게 된다.
도 5의 단면도 상에 표시된 화살표(검은색)를 참조하면, 주유동유로(100)와 주유동유로(100) 사이에 형성된 보조유동유로(120)의 압력이 주유동유로(100)의 압력보다 낮아 보조유동유로(120) 주위에 있는 주유동유로(100)로부터 보조유동유로(120)로 공급기체가 쉽게 넘어오게 됨을 알 수 있으며, 상기 보조유동유로(120)(sub channel)로 넘어온 공급기체는 오랜 시간 체류하여 반응가스의 이용율을 향상시키게 된다.
다음으로, 본 발명의 분리판(1)은 립(110)(rib) 부분에서 생성되는 물의 배출을 원활하게 하여 플러딩(flooding)에 의해 발생되는 성능 저감을 최소화하게 된다.
즉, 기본적으로 분리판의 유동 유로는 1개 혹은 다수의 주유동유로(100)(main channel)와 립(110)(rib)으로 구성되어져 있으며, 일반적으로 동일 화학양론 유량비를 기준으로 반응가스를 공급할 경우 주로 높은 전류밀도를 나타내는 부분은 주유동유로(100)(main channel) 부분보다 립(110)(rib)부분으로서, 립(110)(rib)의 폭이 넓으면 평균전류밀도는 향상되나 립(110)(rib) 아래 부분에서 생성되는 물의 배출이 힘들어져 장시간 사용할 경우 플러딩(flooding)에 의한 성능 저하를 발생하게 된다.
그러나, 본 발명에서는 립(110)(rib) 부분에 보조유동유로(120)(sub channel)가 설치되어 립(110)(rib) 아랫부분에서 생성된 물이 보조유동유로(120)(sub channel)를 통해 원활히 배출됨으로써 플러딩(flooding)에 의한 성능 저감을 감소시킬 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하면, 유로 패턴의 입구 및 출구측 및 턴-립(turn-rib) 부분에 주유동유로(100)와 보조유동유로(120)를 연결하는 우회유로(130a)(130b)(130c)가 형성되어 있어, 보조 유동 유로(sub channel)에 존재하는 물 배출과 압력강하를 최소화하게 된다.
도 5의 단면도 상에 표시된 작은 화살표(붉은색)를 참조하면, 립(110)(rib) 아랫부분에서 생성된 물이 보조유동유로(120)(sub channel)를 통해 원활히 배출됨을 확인할 수 있다.
도 5에서 채널상에 도시된
Figure pat00001
표시는 가스 아웃렛 방향을 의미하고,
Figure pat00002
표시는 가스 인렛(유입) 방향을 나타낸다. 즉,
Figure pat00003
표시 채널과
Figure pat00004
표시 채널에서의 가스 흐름 방향은 반대이다.
다음으로, 본 발명의 분리판(1)은 압력강하를 감소시키며 균일한 전류밀도 분포에 의해 전해질막의 내구성을 향상시키게 된다.
즉, 본 발명의 분리판(1)은, 보조유동유로(120)(sub channel)가 설치되어 분리판 내부 반응가스 유동을 분산시킴에 따라 내부 압력강하를 최소화하여 전체 반응면적에 대해 균일한 전류밀도분포를 얻을 수 있으며, 이에 따라 기존 분리판 유동 유로에서 발생하는 막-전극접합체(MEA)의 열화 현상을 최소화하여 고분자전해질 연료전지 성능과 막-전극접합체(MEA)의 내구성을 동시에 향상시킬 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명은 분리판(1)의 응력집중 현상을 분산시켜 기계적 강도를 향상시키게 된다.
즉, 실제 연료전지 시스템에 적용을 위해 필요한 전압은 단위전지의 전압보다 높기 때문에 분리판을 연속적으로 적층시킨 스택을 사용하고 양끝단에 압력판(End plate)을 설치하여 분리판과 분리판 사이의 기밀유지를 위해 강한 체결력으로 체결하게 된다. 따라서 본 발명에서와 같이 보조유동유로(120)(sub channel)를 설치하면 주유동유로(100)(main channel) 사이의 간극을 좁힐 수 있어 분리판(1) 혹은 가스확산층(2)(GDL)의 변형을 최소화 할 수 있으며, 분리판(1)에 균일한 하중이 작용하여 전극의 균열 방지 및 분리판(1)의 응력집중 현상을 감소시켜 전체적인 기계적 강도를 향상시킬 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명의 보조유동유로 및 우회유동유로는 도 8a 내지 도 8d에 개략적으로 도시된 바와 같이 여러 가지 유동 유로 패턴을 갖는 분리판에 대해 적용 가능하며, 제작시 생산성을 향상시키게 된다.
즉, 본 발명의 분리판(1)에 적용된 보조유동유로 및 우회유로 구조는, 병렬형(parellel type)(도 8a), 맞물림형(interdigitated type)(도 8b)등과 이들 형상을 조합한 병렬물결형(parallel corrugated type)(도 8c), 분할 맞물림형(separated interdigitated type)(도 8d의 좌, 우 도면) 유로 형상 등의 립(rib) 부분에 적용 가능하며, 분리판 제작 시 주유동유로(main channel)와 보조유동유로(sub channel)를 동시에 제작할 수 있으므로 생산성 향상을 도모할 수 있다.
한편, 이하에서는 도 6 및 도 7를 참조하여 기존 분리판과 본 발명의 분리판(1)의 작용상의 차이점을 설명한다.
도 6a 및 도 6b은 종래 분리판이 적용된 경우와 본 발명에 따른 분리판이 적용된 경우의 전류밀도분포를 비교하여 나타낸 도면이고, 도 7은 주유동유로 형상과 보조유동유로 형상에서 셀 전압과 입출구의 압력차를 비교한 그래프이다.
이들 도면 중, 먼저, 도 6a와 도 6b는 기존 사행성유로와 보조 유동유로가 적용된 본 발명의 사행성 유로의 전류밀도분포를 평균전류밀도 0.6 A/cm2에서 나타낸 것이다.
연료전지의 경우 물질전달에 의한 전기화학 반응은 주로 채널과 채널 사이의 립(110)(rib)부분에서 주로 발생을 하게 되며 이는 채널과 채널간의 압력차에 의해 고분자전해질막(3)과 립(110) 사이로 이동하는 언더-립 컨벡션(under-rib convection)에 의해 립(110)(rib) 아랫부분의 유량이 증가하여 물질전달에 의한 전기화학반응을 증가시키게 된다. 따라서 전기화학반응에 의한 생성물이 립(110) 아랫부분에서 배출되지 못하고 정체되어 과도운전의 경우 립(110) 부분에서 생성된 물 배출이 원활하지 못하여 플러딩 현상을 유발시키게 된다.
도 6a의 기존 분리판의 경우, 채널과 채널 사이에서 발생하는 언더-립 컨벡션(under-rib convection)과 입구쪽의 높은 공급기체의 농도에 의해 립(110) 부분에서 높은 전류밀도를 나타내며 입구에서 출구쪽으로 이동할수록 급격한 전류밀도 감소를 보이게 된다. 국부적으로 높은 전류밀도는 고분자전해질막(3)이 열화에 의한 손상을 가져올 수 있어 큰 문제점을 가지고 있다.
도 6b의 본 발명의 구조가 채택된 분리판(1)의 경우, 채널과 채널 사이에서 발생된 언더-립 컨벡션(under-rib convection)에 의해 공급기체가 립(110) 부분의 보조유동유로(120)로 이동하면서 립(110) 아랫부분에서 생성된 물을 보조유동유로(120)로 밀어내어 물 배출을 원활하게 한다. 또한 입구쪽에서 공급되는 공급기체를 보조유동유로(120)로 분산시킴에 따라 도 6a의 기존 분리판이 적용된 경우와는 달리 입구쪽에서 높은 전류 밀도를 나타내지 않으며, 보조유동유로(120)로 이동하는 공급기체들은 주유동유로(100) 내에서의 체류시간보다 길어져서 전체적인 전류밀도 분포를 균일하게 해주게 된다.
도 6a와 도 6b를 비교해볼 때, 기존 분리판은 입구쪽에서 출구쪽으로 갈수록 전류 밀도가 확연히 낮아지는 것을 확인할 수 있으나, 본 발명의 분리판(1)의 경우에는 출구쪽으로 이동함에 따른 전류밀도 감소폭이 낮아 전체적인 전류밀도 분포가 기존의 분리판에 비해 향상된 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 7의 경우 평균전류밀도 0.6 A/cm2일 때 셀 전압(cell voltage)과 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)의 입출구간의 압력차를 나타낸 것이다. 주유동유로(100)와 보조유동유로(120)의 동일 전류밀도에서의 셀 전압(cell voltage)를 비교해볼 때 극히 미소한 차이(0.001V)를 보이고 있으며 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)의 입출구간의 압력차는 보조유동유로(120)가 낮음을 확연히 알 수 있다.
이는 연료전지 시스템에서 본 발명을 적용하게 될 경우 낮은 압력차에 의해 공급기체 공급에 필요한 공급장치의 동력 손실을 감소시킬 수 있어 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다.
한편, 본 발명은 상기한 실시예로 한정되지 아니하며, 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 한 여러 가지 다양한 형태로 변형 및 수정이 될 수 있음은 물론이다. 즉, 본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
본 발명은 높은 에너지 효율과 실용화 가능성 측면에서 설득력을 가지고 있는 고분자전해질 연료전지 자동차, 가정용 분산형 연료전지 시스템, 휴대용 발전 시스템, 군사용 비상 전원 발전 시스템 등의 분야에 응용되어 제품화가 시도되고 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.
또한, 2004년도 삼성경제연구소 자료에 의하면 2030년 출시되는 자동차용, 가정용, 휴대용 제품 중 신제품에 연료전지가 모두 탑재될 경우 연료전지 시장 규모는 1,500억 달러 정도로 추산하고 있고, 야외용 전원 장치와 산업용 시스템까지 포함하게 되면 연간 1조 달러를 훨씬 상회 할 것으로 예상하고 있으며, 지구 온난화방지 정책 및 기후변화 협약 등에 의해 발생되는 청정개발체제(Clean Development Mechanism, CDM), 배출권거래제(Emission Trading, ET), 공동이행제도(Joint Implementation, JI) 등과 같은 제도 시행에 있어서 수익 발생에 기여할 수 있을 것으로 예상되는 등 본 발명은 산업상 이용 가능성이 매우 높은 발명이다.
1:분리판 100:주유동유로(main channel)
110:립(rib) 120:보조유동유로(sub channel)
130a,130b,130c:우회유로(by-passage)
2:가스확산층 3: 고분자전해질막

Claims (9)

  1. 수소, 공기 혹은 산소 등이 이동할 수 있는 주유동유로(main channel)와;
    상기 주유동유로(main channel)와 주유동유로(main channel) 사이를 구분하는 립(rib)과;
    상기 립(rib) 부분에서 생성되는 물 배출과 반응가스의 체류시간을 증가시켜 반응률을 높이기 위한 보조유동유로(sub channel)를 구비하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조유동유로에 존재하는 물 배출과 압력강하를 최소화하기 위해 주유동유로와 보조유동유로를 연결하는 우회유로(by-passage)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 분리판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 우회유로는 유로 패턴의 입구 및 출구측에 형성됨을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 분리판.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 우회유로는 유로 패턴의 턴-립(turn-rib) 부위에 형성됨을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 분리판.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주유동유로가 사행형(serpentine type)의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 분리판.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주유동유로가 병렬형(parellel type)의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 분리판.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주유동유로가 맞물림형(interdigitated type)의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 분리판.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주유동유로가 병렬 물결형(parallel corrugated type)의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 분리판.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주유동유로가 분할 맞물림형(separated interdigitated type)의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 분리판.
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