KR20120037699A - Bipolar plate having bypass channels and electrochemical stack having the same - Google Patents

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KR20120037699A KR1020100099313A KR20100099313A KR20120037699A KR 20120037699 A KR20120037699 A KR 20120037699A KR 1020100099313 A KR1020100099313 A KR 1020100099313A KR 20100099313 A KR20100099313 A KR 20100099313A KR 20120037699 A KR20120037699 A KR 20120037699A
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엄석기
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: An electrochemical cell separator having sub bypass flow channels is provided to prevent the degradation of reaction efficiency by preventing channel clogging phenomenon, thereby improving the efficiency of electrochemical cell. CONSTITUTION: An electrochemical cell separator comprises: a distribution manifold(10) in which reactive fluid is supplied, a recover manifold(20) flowing the reactive fluid out, a plurality of main flow channels(30), and additionally comprises sub bypass flow channels(40) for interlocking two main flow channels near each other. One end of the main flow channel is connected to the distribution manifold, and the other end is connected to the recovery manifold, for flowing the reaction fluid supplied to the distribution manifold to the recovery manifold, and arranged to be separated from each other.

Description

보조우회유로를 갖는 전기화학 셀 분리판 및 이를 구비한 전기화학 셀 스택{Bipolar plate having bypass channels and electrochemical stack having the same}Bipolar plate having bypass channels and electrochemical stack having the same}

본 발명은 연료전지, 레독스 흐름 배터리, 전기투석 공정을 이용한 수소 발생 장치, 전기 분해 장치 등과 같은 전기화학 셀에 구비되는 반응유체의 공급을 위한 분리판 및 이를 구비한 전기화학 셀 스택에 관한 것이다. The present invention relates to a separator for supplying a reaction fluid provided in an electrochemical cell such as a fuel cell, a redox flow battery, a hydrogen generator using an electrodialysis process, an electrolysis device, and an electrochemical cell stack having the same. .

일반적으로 전해질과 전극들로 구성되어 있는 전기화학 셀(electrochemical cell)은 갈바니 전지(galvanic cell)와 전기 분해 장치를 모두 아우르는 포괄적 의미를 갖는다. 따라서, 연료(수소)와 산화제(순수 산소, 혹은 공기 중 산소)를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지(fuel cell), 물의 전기 분해를 통해 수소와 산소를 발생시키는 전기 분해 셀 등은 모두 전기화학 셀의 범주에 속한다고 볼 수 있다. In general, an electrochemical cell composed of an electrolyte and electrodes has a comprehensive meaning encompassing both a galvanic cell and an electrolysis device. Therefore, a fuel cell that generates electrical energy by electrochemically reacting a fuel (hydrogen) and an oxidant (pure oxygen or oxygen in the air), an electrolysis cell that generates hydrogen and oxygen through electrolysis of water, and the like. All belong to the category of electrochemical cells.

전술한 전기화학 셀은 기본적으로 두 개 이상의 도체 전극과 수용액, 혹은 고분자 물질의 전해질로 구성되어 있는 단위 전지(unit cell)로 이루어져 있으며, 실제 사용 시에는 용량 증대를 위해 여러 개의 단위 전지들이 직렬 연결(series connection)되어 있는 고밀도 셀 스택(cell stack)의 구조를 갖는다. 상기 전기화학 셀 스택에는 전기화학적 산화/환원 반응에 참여하는 작동 유체(working fluid)를 연속적으로 외부에서 공급함과 동시에, 산화/환원 반응 유체 간 직접적 접촉에 의한 화학적 산화/환원 반응의 차단, 전기화학적 산화/환원 반응에 따른 자유 전자의 이동 통로 확보, 산화/환원 반응이 진행되는 전극의 구조적 지지 역할을 담당하는 다수의 분리판(separator, bipolar plate, flow-field plate)이 구비되어 있다. 종래의 전기화학 셀 스택에 구비되어 있는 분리판의 내부 형상 및 구조에 대한 이해를 돕고자 개략적인 구성도를 도 1에 나타내었다. The electrochemical cell described above basically comprises a unit cell composed of two or more conductor electrodes, an aqueous solution, or an electrolyte of a polymer material. In actual use, several unit cells are connected in series to increase capacity. (series connection) has a structure of a high density cell stack (cell stack). The electrochemical cell stack supplies a working fluid that participates in the electrochemical oxidation / reduction reaction from the outside continuously, and blocks the chemical oxidation / reduction reaction by direct contact between the oxidation / reduction reaction fluids and the electrochemical reaction. A plurality of separators, bipolar plates, and flow-field plates are provided to secure the movement path of free electrons according to the oxidation / reduction reaction and to structurally support the electrode where the oxidation / reduction reaction proceeds. A schematic configuration diagram is shown in FIG. 1 to help an understanding of an internal shape and a structure of a separator provided in a conventional electrochemical cell stack.

도 1을 참조하면, 분리판(9)에는 산화/환원 반응에 참여하는 작동 유체를 반응면(전극)에 공급, 혹은 전기화학반응에 의한 반응 생성물을 반응면에서 외부로 배출시키기 위한 매니폴드(manifold)(2~4)와, 반응 면과 인접해 있는 다수의 미세 유로(1)가 형성되어 있다. 통상적으로 전기화학 셀 스택에 공급되는 작동 유체는 크게 산화/환원 반응에 참여하는 각각의 반응 유체와, 원활한 전기화학반응이 진행될 수 있도록 셀 스택의 온도를 균일하게 제어해 주기 위한 냉각 매체(cooling material) 혹은 가열 매체(heating material)로 구분된다. Referring to FIG. 1, the separator 9 has a manifold for supplying a working fluid that participates in an oxidation / reduction reaction to the reaction surface (electrode), or for discharging the reaction product by the electrochemical reaction from the reaction surface to the outside ( Manifolds 2 to 4 and a plurality of fine flow paths 1 adjacent to the reaction surface are formed. Typically, the working fluid supplied to the electrochemical cell stack is a cooling material for uniformly controlling the temperature of the cell stack to facilitate smooth electrochemical reactions with the respective reaction fluids that greatly participate in the oxidation / reduction reaction. ) Or heating material.

상기 작동 유체 중 산화/환원 반응에 참여하는 반응 유체는 도 1의 분리판 좌측 하단에 위치한 사각 단면 형태의 매니폴드(2)를 통해 셀 내부로 공급되며, 전기화학반응에 의한 반응 생성물 및 반응에 참여하지 않은 미 반응 유체들은 도 1의 분리판 우측 상단에 위치한 매니폴드(3)를 통해 외부로 배출된다. 이 경우 전기화학 셀 스택의 반응 온도를 일정하게 유지시키기 위한 냉각/가열 매체는 스택의 고밀도화 및 경량/경박화를 위해 별도의 외부 장치를 추가하여 공급하는 대신, 분리판의 좌/우 중앙부에 형성되어 있는 매니폴드(4)를 이용하여 직접 스택 내부로 공급/ 배출시키는 구조를 갖는다. The reaction fluid that participates in the oxidation / reduction reaction in the working fluid is supplied into the cell through the square manifold 2 located at the bottom left of the separator of FIG. 1, and reacts with the reaction product and the reaction by electrochemical reaction. Unreacted fluids that do not participate are discharged to the outside through the manifold 3 located at the upper right of the separator of FIG. 1. In this case, a cooling / heating medium for maintaining a constant reaction temperature of the electrochemical cell stack is formed in the left / right center of the separator plate instead of supplying an additional external device for higher density and lighter weight / thinning of the stack. By using the manifold (4) has a structure to supply / discharge directly into the stack.

한편, 다수의 단위 전지가 직렬로 연결되어 있는 스택 (9A)의 경우, 적층된 분리판의 동일한 위치마다 형성되어 있는 산화/환원 반응 유체와 냉각/가열 매체의 공급/배출 매니폴드(2~4)가 서로 연결되어 일련의 공급관(supply pipe) 혹은 배출관(discharge pipe)을 형성하게 된다. 이때, 통상 전기화학 셀 스택 제조 시 분리판 내부에 형성되어 있는 매니폴드의 작동 유체 간 혼입 및 누설을 방지하고 스택 내부 구성 요소 간 접촉 저항을 최소화시키기 위해 스택의 양쪽 끝에서 일정한 체결 압력을 부여해 주는데, 이와 같은 과정을 통해 스택 내부에 견고한 구조의 산화/환원 반응 유체와 냉각/가열 매체 공급/배출관이 만들어지게 된다. On the other hand, in the stack 9A in which a plurality of unit cells are connected in series, supply / discharge manifolds 2 through 4 of the oxidation / reduction reaction fluid and the cooling / heating medium formed at the same positions of the stacked separator plates. ) Are connected to each other to form a series of supply pipes or discharge pipes. At this time, in the manufacture of the electrochemical cell stack, a constant clamping pressure is applied at both ends of the stack to prevent mixing and leakage between working fluids of the manifold formed inside the separator plate and to minimize contact resistance between components inside the stack. Through this process, a solid structured oxidation / reduction reaction fluid and cooling / heating medium supply / exhaust tubes are formed in the stack.

그리고, 공급관을 통해 매니폴드로부터 분리판 내부로 이송된 산화/환원 반응 유체는 분리판 중앙부의 반응 영역(active area)에 걸쳐 형성되어 있는 다수의 유로(1)를 통해 전기화학 셀 내부로 공급된 후 전극 반응 면으로 이동하여 산화/환원 반응, 혹은 전기 분해 반응에 참여하게 된다. In addition, the oxidation / reduction reaction fluid transferred from the manifold to the separator through the supply pipe is supplied into the electrochemical cell through a plurality of flow paths 1 formed over the active area in the center of the separator. After moving to the electrode reaction surface to participate in the oxidation / reduction reaction, or electrolysis reaction.

종래의 경우 전술한 전기화학 셀 스택의 제작/운전 시, 체결 압력에 따른 분리판 유로(1) 내 전극/전해질의 함입, 산화/환원 반응 유체에 포함된 입자상 불순물 및 전기화학반응에 의한 반응 생성물의 유로 내부 침적, 스택 내 불균일 온도 제어에 의한 고형물 및 액상 응축물의 유로 내부 축적 등에 의해 전기화학 셀의 성능이 저하되는 문제가 발생하였다. 일례로 과도한 체결 압력에 의해 분리판 유로(1) 내부로 전극/전해질이 함입되는 경우, 유로(1) 내부의 반응 유체가 통과할 수 있는 실제 유동 가용 면적이 축소되어 유로 전체의 압력 손실이 증가하게 된다. 이 경우 전기화학 셀 스택 내부로 반응 가스를 이송하기 위해 사용되는 펌프, 송풍기, 압축기 등 주변 기기의 소요 동력이 증가함으로써 전기화학 시스템 전체의 효율이 저하될 뿐만 아니라, 도 1에 확대되어 도시된 바와 같이 전기화학반응에 의해 생성된 고상/액상의 반응물(I)이 좁아진 유로 내부에 침적/축적될 가능성이 높아진다. 이와 같이, 분리판 반응 면에 걸쳐 형성되어 있는 유로(1) 중 일부 구간이 고형 침적물, 혹은 액상 응축물(I)에 의해 막히게 되면, 해당 유로의 이후 구간에서 반응 유체의 흐름이 차단되어 국부적으로 유체 흐름의 불연속 구간을 형성함으로써 전기화학 셀의 급격한 성능 저하 현상을 유발하게 된다.In the conventional case of the electrochemical cell stack described above, the electrode / electrolyte in the separator flow path 1 according to the fastening pressure, the particulate impurities contained in the oxidation / reduction reaction fluid and the reaction product by the electrochemical reaction The problem of deterioration of the performance of the electrochemical cell has arisen due to internal deposition of the flow path and accumulation of solids and liquid condensate in the flow path due to uneven temperature control in the stack. For example, when an electrode / electrolyte is introduced into the separator flow path 1 due to excessive clamping pressure, the actual flow available area through which the reaction fluid inside the flow path 1 can pass is reduced, thereby increasing the pressure loss of the entire flow path. Done. In this case, not only the efficiency of the entire electrochemical system is reduced by increasing the power required by peripheral devices such as a pump, a blower, and a compressor used to transfer the reaction gas into the electrochemical cell stack, but is enlarged in FIG. Likewise, the solid / liquid reactant (I) produced by the electrochemical reaction is likely to be deposited / accumulated inside the narrow passage. As such, when a portion of the flow path 1 formed over the separation plate reaction surface is blocked by the solid deposit or the liquid condensate I, the flow of the reaction fluid is blocked in the subsequent section of the flow path to locally. The formation of discontinuous sections of fluid flow causes a drastic deterioration of the electrochemical cell.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기화학 셀의 수명 및 성능 저하의 주 요인으로 분석되는 유로 막힘 현상을 방지할 수 있도록 구조가 전기화학 셀 분리판 및 이를 구비한 전기화학 셀 스택을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is the electrochemical cell separator and the structure so as to prevent the flow path blockage that is analyzed as a major factor of the life and performance degradation of the electrochemical cell It is to provide an electrochemical cell stack provided.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전기화학 셀 분리판은 전기화학 시스템에서 전기화학 단위 셀을 분리하기 위한 것으로, 반응유체가 공급되는 분배매니폴드와, 상기 반응유체가 유출되는 회수매니폴드와, 상기 분배매니폴드로 공급된 상기 반응유체가 상기 회수매니폴드쪽으로 유동하도록, 일단부는 상기 분배매니폴드와 연결되고 타단부는 상기 회수매니폴드와 연결되며, 서로 이격되게 배치되는 복수의 메인유로가 형성되어 있는 전기화학 셀 분리판에 있어서, 상기 복수의 메인유로 중 인접한 두 개의 메인유로를 서로 연통시키는 보조우회유로가 더 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an electrochemical cell separator according to the present invention is for separating an electrochemical unit cell in an electrochemical system, a distribution manifold to which a reaction fluid is supplied, and a recovery manifold from which the reaction fluid flows out. And a plurality of main flow paths, one end of which is connected to the distribution manifold and the other end of which is connected to the recovery manifold, spaced apart from each other so that the reaction fluid supplied to the distribution manifold flows toward the recovery manifold. In the electrochemical cell separator is formed, the secondary bypass flow passage for communicating two adjacent main flow passages of the plurality of main flow passages with each other is further provided.

본 발명에 따르면, 상기 보조우회유로는, 상기 인접한 두 개의 메인유로 중 하나의 메인유로에 연결되되, 상기 메인유로를 따라 흐르는 반응유체의 유동 방향과 90도 이상의 각도를 이루면서 연결되는 제1유로부와, 상기 인접한 두 개의 메인유로 중 다른 하나의 메인유로에 연결되되, 상기 메인유로를 따라 흐르는 반응유체의 유동 방향과 90도 이상의 각도를 이루면서 연결되며, 상기 제1유로부와 연통되는 제2유로부를 가지는 것이 바람직하다.According to the present invention, the auxiliary bypass passage is connected to one main passage of the two adjacent main passages, the first passage portion connected at an angle of 90 degrees or more with the flow direction of the reaction fluid flowing along the main passage; And a second channel connected to the other main channel of the two adjacent main flow passages, the second flow passage being connected at an angle of 90 degrees or more with a flow direction of the reaction fluid flowing along the main flow passage, and communicating with the first flow passage portion. It is desirable to have wealth.

또한, 본 발명에 따르면 상기 보조우회유로의 폭은 상기 메인유로의 폭 보다 좁게 형성되는 것이 바람직하다.In addition, according to the present invention, it is preferable that the width of the auxiliary bypass passage is smaller than that of the main passage.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 메인유로의 막힘 현상으로 인해 반응 효율이 저하되는 것이 방지되며, 그 결과 전기화학 셀의 효율이 향상된다. According to the present invention having the above-described configuration, the reaction efficiency is prevented from being lowered due to the clogging phenomenon of the main flow path, and as a result, the efficiency of the electrochemical cell is improved.

도 1은 종래의 전기화학 셀 분리판의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 대표적 실시예에 따른 전기화학 셀 스택의 개략적인 분리사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전기화학 셀 분리판의 평면도이다.
도 4는 도 2의 화살표(A) 방향으로 바라본 분배기의 사시도이다.
도 5는 전기화학 셀 분리판 내에서의 반응유체의 유동을 설명하기 위한 부분 확대도이다.1 is a perspective view of a conventional electrochemical cell separator.
2 is a schematic exploded perspective view of an electrochemical cell stack in accordance with a representative embodiment of the present invention.
3 is a plan view of the electrochemical cell separator shown in FIG. 2.
4 is a perspective view of the distributor viewed in the direction of arrow A of FIG. 2.
5 is a partially enlarged view for explaining the flow of the reaction fluid in the electrochemical cell separator.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학 셀 스택 및 전기화학 셀 분리판에 관하여 설명한다.Hereinafter, an electrochemical cell stack and an electrochemical cell separator according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 대표적 실시예를 설명하기 위하여 삽입된 도면을 설명하면, 도 2는 본 발명의 대표적 실시예에 따른 전기화학 셀 스택의 개략적인 분리사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 전기화학 셀 분리판의 평면도이며, 도 4는 도 2의 화살표(A) 방향으로 바라본 분배기의 사시도이며, 도 5는 전기화학 셀 분리판 내에서의 반응유체의 유동을 설명하기 위한 부분 확대도이다.2 is a schematic exploded perspective view of an electrochemical cell stack according to a representative embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an electrochemical cell shown in FIG. 2. 4 is a perspective view of a distributor viewed in the direction of arrow A of FIG. 2, and FIG. 5 is a partially enlarged view for explaining the flow of the reaction fluid in the electrochemical cell separator.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 전기화학 셀 스택(1000)은 전기화학적 산화/환원 반응에 참여하는 반응유체가 공급되는 전기화학 셀 분리판(100)(이하, '분리판'이라 함)과, 반응유체 및 냉각/가열 매체를 외부 배관으로부터 분리판으로 공급하기 위한 분배기(200)를 포함하여 기본적으로 구성된다.2 to 5, the electrochemical cell stack 1000 according to the present embodiment includes an electrochemical cell separator 100 (hereinafter, referred to as a “separator plate”) in which a reaction fluid participating in an electrochemical oxidation / reduction reaction is supplied. And a distributor 200 for supplying the reaction fluid and the cooling / heating medium from the external pipe to the separator plate.

분리판(100)은 기본적으로 판상의 형태로 제작되며, 분배매니폴드(10), 회수매니폴드(20), 메인유로(30) 및 보조우회유로(40)가 마련되어 있다.The separation plate 100 is basically manufactured in the form of a plate, and is provided with a distribution manifold 10, a recovery manifold 20, a main flow path 30, and an auxiliary bypass flow path 40.

전술한 바와 같이, 전기화학 셀 스택에서 외부 공급 배관과 연계하여 분배기 (200)를 통과한 반응유체 및 냉각/가열 매체는 분배매니폴드(10)를 거쳐 분리판에 형성된 메인유로로 이송된다. 이때, 전술한 바와 같이 다수의 단위 전지가 직렬로 연결되어 있는 전기화학 셀 스택에서 분리판의 동일한 위치마다 형성되어 있는 분배매니폴드(10)와 회수매니폴드(20)는 적층 과정을 통해 분리판의 두께 방향으로 스택의 길이에 해당하는 일련의 공급/배출관의 형태를 갖는다. 본 실시 예의 경우 도 3에 제시한 바와 같이 분리판의 우측에 3개의 분배매니폴드(10)가 사각 단면 형태로 관통 형성되어 있으며, 이들 분배매니폴드를 통해 산화 반응 유체, 환원 반응 유체, 냉각/가열 매체가 각각 공급된다. 마찬가지로 분배매니폴드(10)의 정반대 맞은편에 위치에 3개의 회수매니폴드(20)가 사각 단면 형태로 관통 형성되며, 이 회수매니폴드를 통해 산화/환원 반응 유체 및 냉각/가열 매체가 스택 외부로 배출된다. As described above, in the electrochemical cell stack, the reaction fluid and the cooling / heating medium passing through the distributor 200 in association with the external supply pipe are transferred to the main flow path formed in the separator through the distribution manifold 10. In this case, as described above, in the electrochemical cell stack in which a plurality of unit cells are connected in series, the distribution manifold 10 and the recovery manifold 20 formed at the same positions of the separator plates are separated through a stacking process. It has the form of a series of supply / discharge tubes corresponding to the length of the stack in the thickness direction of. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, three distribution manifolds 10 are formed in a rectangular cross-section through the right side of the separation plate, and through these distribution manifolds, oxidation reaction fluid, reduction reaction fluid, cooling / Heating media are supplied respectively. Similarly, three recovery manifolds 20 are formed in a rectangular cross-section through opposite locations of the distribution manifold 10, through which the oxidation / reduction reaction fluid and the cooling / heating medium are outside the stack. Is discharged.

메인유로(30)는 분배매니폴드(10)를 통해 유입된 반응유체가 회수매니폴드(20)로 배출되기 전까지 전기화학반응이 발생하는 구간이다. 이 메인유로(30)는 반응유체가 반응면으로 확산에 의해 균일 이송될 수 있도록 하기 위해, 분배매니폴드(10)로 공급된 반응유체가 복수의 메인유로 각각에 균일하게 분배될 수 있도록 설계되어야 하며, 전기화학반응에 의한 생성물을 회수매니폴드(20)쪽으로 효과적으로 배출하기 위해 메인유로 입/출구 간 차압(pressure difference)이 형성될 수 있도록 해야 한다. The main flow path 30 is a section in which an electrochemical reaction occurs until the reaction fluid introduced through the distribution manifold 10 is discharged to the recovery manifold 20. The main flow path 30 should be designed so that the reaction fluid supplied to the distribution manifold 10 can be uniformly distributed to each of the plurality of main flow paths so that the reaction fluid can be uniformly transferred to the reaction surface by diffusion. In addition, in order to effectively discharge the product by the electrochemical reaction toward the recovery manifold 20, a pressure difference between the inlet and the outlet to the main oil should be formed.

따라서, 본 실시 예의 경우 메인유로(30)는 반응유체의 균일 분배 및 반응 체류 시간 확보, 각 메인유로의 입/출구 간 차압 조정을 위해, 복수 개의 메인유로가 "다중 사행 형상(serpentine configuration)"으로 구성된다. 즉, 메인유로(30)는 전기화학 셀 분리판(100)의 중앙 부분에 복수로 형성되는데, 이때 각 메인유로(30)는 반응유체의 유동경로가 길어지도록 "ㄹ"자 형태로 꺾어진 형상으로 형성되며, 각 메인유로(30)의 길이가 동일하게 형성된다. 그리고, 각 메인유로(30)는 서로 동일한 간격으로 이격되게 배치된다. Therefore, in the present embodiment, the main flow path 30 has a plurality of main flow paths having a "serpentine configuration" in order to uniformly distribute the reaction fluid, secure the residence time of the reaction, and adjust the pressure difference between the inlet and the outlet of each main flow path. It consists of. That is, the main flow path 30 is formed in a plurality in the central portion of the electrochemical cell separator 100, wherein each main flow path 30 is bent in the shape of "" "so that the flow path of the reaction fluid is long The length of each main flow path 30 is formed to be the same. Each main flow path 30 is spaced apart from each other at the same interval.

한편, 이 메인유로(30)는 전화화학 셀 분리판(100)의 한쪽 면에만 형성될 수도 있고, 양쪽 면에 모두 형성될 수 있는데, 본 실시예의 경우 메인유로는 전기화학 셀 분리판의 전면에만 형성된다. 그리고, 전기화학 셀 분리판의 후면에 형성된 보조유로(도면 미도시)를 통해, 각 메인유로(30)의 일측(우측) 단부는 분배매니폴드(10)와 연통되며, 타측(좌측) 단부는 회수매니폴드(20)와 연통된다. On the other hand, the main flow path 30 may be formed only on one side of the inverted chemical cell separator plate 100, or may be formed on both sides, in the present embodiment, the main flow path only on the front surface of the electrochemical cell separator plate Is formed. Then, one side (right) end of each main flow path 30 communicates with the distribution manifold 10 through an auxiliary flow path (not shown) formed on the rear surface of the electrochemical cell separation plate, and the other end (left) end It is in communication with the recovery manifold 20.

보조우회유로(40)는 복수의 메인유로(30) 중 인접한 두 개의 메인유로(30)를 서로 연통시키기 위한 것이다. 보조우회유로(40)는 인접한 메인유로 사이에 형성되며, 메인유로(30)의 길이 방향 즉 반응유체의 유동흐름 방향을 따라 서로 이격되게 복수로 형성된다. 그리고, 본 실시예의 경우 각 보조우회유로(40)는 쐐기 모양(wedge-shaped), 즉 ">"모양으로 형성되며, 제1유로부(41)와 제2유로부(42)로 구성된다. The auxiliary bypass passage 40 is for communicating two adjacent main passages 30 of the plurality of main passages 30 with each other. The auxiliary bypass passages 40 are formed between adjacent main passages, and are formed in plural to be spaced apart from each other along the longitudinal direction of the main passage 30, that is, the flow direction of the reaction fluid. In addition, in the present embodiment, each auxiliary bypass passage 40 is formed in a wedge-shaped shape, that is, ">", and includes the first passage portion 41 and the second passage portion 42.

도 3에 확대되어 도시된 바와 같이, 제1유로부(41)는 인접한 두 개의 메인유로 중 상측에 위치한 메인유로(30)에 연결된다. 이때, 제1유로부(41)가 연결된 메인유로 즉 상측 메인유로의 내부를 흐르는 반응유체의 방향(d)과 제1유로부 사이의 각(θ1)이 90도 이상이 되도록 연결된다. 그리고, 제2유로부(42)는 인접한 두 개의 메인유로 중 하측에 위치한 메인유로(30)에 연결되되, 이때 하측 메인유로의 내부를 흐르는 반응유체의 방향(d)과 제2유로부(42) 사이의 각(θ2)이 90도 이상이 되도록 연결된다. 또한, 제2유로부(42)는 제1유로부(41)와 연결되어 서로 연통된다. As enlarged in FIG. 3, the first channel part 41 is connected to a main channel 30 located above the two main channels. At this time, the angle (θ 1 ) between the direction (d) of the reaction fluid flowing through the inside of the main flow path, ie, the upper main flow path, to which the first flow path part 41 is connected, becomes 90 degrees or more. In addition, the second flow path part 42 is connected to the main flow path 30 located at the lower side of two adjacent main flow paths, wherein the direction d of the reaction fluid flowing inside the lower main flow path d and the second flow path part 42 Are connected such that an angle θ 2 between the angles is greater than or equal to 90 degrees. In addition, the second flow path part 42 is connected to the first flow path part 41 to communicate with each other.

이와 같이, 반응유체의 흐름 방향(d)과 제1유로부(41) 및 제2유로부(42)가 90도 이상, 가장 바람직하게는 약 135도 정도가 되도록 연결하는 것은, 정상상태에서 메인유로(30)를 따라 흐르는 반응유체가 보조우회유로(40) 내부로 유입/유실되는 것을 최소화하기 위함이다. 여기서, 정상상태란 메인유로(30) 내부에 유체 흐름을 저해할 수 있는 고형 침적물, 액상 응축물 및 반응 유체 입자상 불순물 축적이 발생하지 않은 상태를 말한다.In this way, the connection between the flow direction (d) of the reaction fluid and the first flow path part 41 and the second flow path part 42 is 90 degrees or more, and most preferably about 135 degrees. This is to minimize the inflow / loss of the reaction fluid flowing along the flow path 30 into the auxiliary bypass flow path (40). Here, the steady state refers to a state in which solid deposits, liquid condensates, and reactive fluid particulate impurities may not accumulate in the main flow passage 30.

그리고, 제1유로부(41) 및 제2유로부(42)의 폭은 메인유로(30)의 폭 보다 좁게 형성되는 것이 바람직한데, 이 역시 정상상태에서 메인유로를 따라 흐르는 반응유체가 제1유로부 또는 제2유로부로 유입되는 것을 최소화하고, 반응유체의 유동저항을 최소화하기 위함이다.In addition, the width of the first flow path part 41 and the second flow path part 42 is preferably formed to be narrower than the width of the main flow path 30, which is also the reaction fluid flowing along the main flow path in the normal state of the first This is to minimize the flow into the flow path portion or the second flow path portion, and to minimize the flow resistance of the reaction fluid.

한편, 정상 운전 조건(정상상태) 하에서 보조우회유로(40)가 맞닿아 있는 메인유로(30)의 벽면에서 반응유체의 속도는 점착 속도 조건에 의해 거의 0에 근접한 상태이며, 보조우회유로의 폭 또한 메인유로의 폭에 비해 상대적으로 좁게 형성되어 있으므로 보조우회유로 내부로 유입되는 반응 유체의 양은 현격히 감소하게 된다. On the other hand, the velocity of the reaction fluid in the wall surface of the main flow path 30 in which the auxiliary bypass flow path 40 abuts under normal operating conditions (steady state) is almost near zero due to the adhesion speed condition, and the width of the auxiliary bypass flow path In addition, since the width of the main flow path is relatively narrow, the amount of reaction fluid flowing into the auxiliary bypass flow path is significantly reduced.

상기와 같이 구성된 분리판(100)과 전극/전해질 접합체를 직렬 방식으로 다수 적층하여 구성한 전기화학 셀 스택의 양쪽 끝 부분에는, 산화/환원 반응유체 및 냉각/가열 매체를 스택 내부로 공급함과 동시에, 일정한 체결 압력 부여를 통한 전기화학 셀 스택의 견고한 구조 유지를 목적으로 분배기(200)가 배치되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 분배기(200)의 한쪽 면에는 공급관(300)이 연결되는 결합공(201)이 형성되어 있다. 그리고, 이 결합공(201)에는 작동 유체의 누설 방지를 위한 원형 개스킷(O-ring gasket)이 삽입 구성된다. 여기서, 공급관(300)은 반응유체 및 냉각/가열 매체 저장 탱크로부터 스택 내부로 이들 작동 유체를 이송하기 위한 관이다. At both ends of the electrochemical cell stack formed by stacking a plurality of separator plates 100 and the electrode / electrolyte assembly configured as described above in series, an oxidation / reduction reaction fluid and a cooling / heating medium are supplied into the stack, The dispenser 200 is arranged for the purpose of maintaining a rigid structure of the electrochemical cell stack by applying a constant clamping pressure. As shown in FIG. 2, one side of the distributor 200 has a coupling hole 201 to which the supply pipe 300 is connected. In addition, the coupling hole 201 is inserted into a circular gasket (O-ring gasket) for preventing the leakage of the working fluid. Here, supply pipe 300 is a pipe for transferring these working fluids from the reaction fluid and the cooling / heating medium storage tank into the stack.

그리고, 도 4에 도시된 바와 같이 분배기(200)의 반대쪽 면에는, 상대적으로 유동 가용 면적이 작은 공급관(300)을 통해 빠른 속도로 스택 내부로 이송된 반응 유체가 갖고 있는 큰 운동량을 적정하게 분산시켜 주기 위한 유동 완충 구간(202)이 형성되어 있어, 분배매니폴드(10)로부터 반응유체 및 냉각/가열 매체가 각 전기화학 셀로 균일 분배될 수 있도록 구성되어 있다. In addition, as shown in FIG. 4, on the opposite side of the distributor 200, a large momentum of the reaction fluid transferred into the stack at a high speed through the supply pipe 300 having a relatively small flow available area is properly distributed. The flow buffer section 202 is formed to allow the reaction fluid and the cooling / heating medium to be uniformly distributed to each electrochemical cell from the distribution manifold 10.

상술한 바와 같이 구성된 전기화학 셀 스택에 있어서, 정상상태에서는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 분배매니폴드를 통해 각 메인유로로 유입된 반응유체는 메인유로를 따라 유동한다. 이때, 앞서 설명한 바와 같이, 보조우회유로가 반응유체의 흐름 방향과 90도 이상의 각도를 형성하고, 보조우회유로의 폭이 메인유로의 폭 보다 좁으므로, 정상상태에서는 보조우회유로로 반응유체가 거의 유입되지 않는다.In the electrochemical cell stack configured as described above, in the steady state, as shown in FIG. 5 (a), the reaction fluid introduced into each main channel through the distribution manifold flows along the main channel. At this time, as described above, the auxiliary bypass flow path forms an angle of 90 degrees or more with the flow direction of the reaction fluid, and the width of the auxiliary bypass flow path is narrower than that of the main flow path. It does not flow in.

한편, 전기화학 셀 스택이 정상 운전 범위를 벗어나는 경우, 반응영역에 걸쳐 형성되어 있는 분리판 표면의 메인유로(30) 내부에 반응유체의 흐름을 저해할 수 있는 고형 침적물, 액상 응축물 및 반응 유체 상 불순물이 축적됨에 따라, 도 5의 (b)와 같이 메인유로의 일부 영역이 폐색되는 현상이 발생하게 된다. 도 5의 (b)와 같이 메인유로의 일부 영역(I)이 폐색된 경우, 메인유로 내부의 반응 유체는 폐색 지점 (I)에 충돌한 후 보조우회유로 측으로 유체 흐름 방향을 바꾸어 이동하게 되며, 폐색 지점 이후의 구간에서는 자연적으로 운동량 평형에 의해 상단에 위치한 메인유로에 집중된 반응유체가 보조우회유로를 통해 하단에 위치한 메인유로로 이동함으로써 종국에는 상단 및 하단의 메인유로 내 반응 유체의 흐름이 정상 운전 상태로 회복된다. 따라서 본 실시 예에 따르면 메인유로 내부에 일부 폐색이 발생하더라도 보조우회유로를 통해 국부적 불안정 구간을 최소화시킬 수 있기 때문에, 결과적으로 메인유로 폐색에 의한 전기화학 셀의 급격한 성능 및 수명 저하 현상을 개선할 수 있게 된다. On the other hand, when the electrochemical cell stack is outside the normal operating range, solid deposits, liquid condensates, and reaction fluids that may inhibit the flow of the reaction fluid inside the main flow path 30 on the surface of the separator plate formed over the reaction region. As phase impurities accumulate, a phenomenon occurs in which a part of the main flow path is blocked, as shown in FIG. When a part (I) of the main flow path is occluded as shown in FIG. 5 (b), the reaction fluid inside the main flow path collides with the occlusion point (I), and then moves the fluid flow direction to the auxiliary bypass flow path. In the section after the occlusion point, the reaction fluid concentrated in the main channel located at the top due to momentum equilibrium moves to the main channel located at the bottom through the secondary bypass channel, so that the flow of the reaction fluid in the main channel at the top and the bottom is normally normal. The state of operation is restored. Therefore, according to the present embodiment, even if some blockages occur in the main channel, the local instability can be minimized through the secondary bypass channel. As a result, the abrupt performance and lifespan degradation of the electrochemical cells due to the main channel blockage can be improved. It becomes possible.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the claims.

예를 들어, 분배매니폴드 및 회수매니폴드의 수, 위치 및 형상은 전기화학반응에 필요한 반응유체와 냉각/가열 매체의 물리/화학적 특성에 의거하여 다양하게 변결될 수 있다.For example, the number, location and shape of the distribution and recovery manifolds may vary depending on the physical and chemical properties of the reaction fluid and the cooling / heating medium required for the electrochemical reaction.

1000...전기화학 셀 스택 100...전기화학 셀 분리판
10...분배매니폴드 20...회수매니폴드
30...메인유로 40...보조우회유로
41...제1유로부 42...제2유로부
200...분배기 300...공급관1000 ... electrochemical cell stack 100 ... electrochemical cell separator
10 ... Distribution Manifold 20 ... Recovery Manifold
30 ... main euro 40 ... secondary bypass euro
41 ... Euro 1st part 42 ... Euro 2nd part
200 ... distributor 300 ... supply pipe

Claims (6)

전기화학 시스템에서 전기화학 단위 셀을 분리하기 위한 것으로,
반응유체가 공급되는 분배매니폴드와,
상기 반응유체가 유출되는 회수매니폴드와,
상기 분배매니폴드로 공급된 상기 반응유체가 상기 회수매니폴드쪽으로 유동하도록, 일단부는 상기 분배매니폴드와 연결되고 타단부는 상기 회수매니폴드와 연결되며, 서로 이격되게 배치되는 복수의 메인유로가 형성되어 있는 전기화학 셀 분리판에 있어서,
상기 복수의 메인유로 중 인접한 두 개의 메인유로를 서로 연통시키는 보조우회유로가 더 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 분리판.For separating electrochemical unit cells from an electrochemical system,
A distribution manifold to which a reaction fluid is supplied;
A recovery manifold through which the reaction fluid flows out;
In order to flow the reaction fluid supplied to the distribution manifold toward the recovery manifold, one end is connected to the distribution manifold and the other end is connected to the recovery manifold, and a plurality of main flow paths are formed to be spaced apart from each other. In the electrochemical cell separator,
An electrochemical cell separator, characterized in that the auxiliary bypass flow passage for communicating two adjacent main flow passages of the plurality of main flow passages further with each other. 제1항에 있어서,
상기 복수의 메인유로는 다중 사행 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 분리판. The method of claim 1,
The plurality of main flow passages are electrochemical cell separator, characterized in that formed in a multi- meandering shape. 제1항에 있어서,
상기 보조우회유로는,
상기 인접한 두 개의 메인유로 중 하나의 메인유로에 연결되되, 상기 메인유로를 따라 흐르는 반응유체의 유동 방향과 90도 이상의 각도를 이루면서 연결되는 제1유로부와,
상기 인접한 두 개의 메인유로 중 다른 하나의 메인유로에 연결되되, 상기 메인유로를 따라 흐르는 반응유체의 유동 방향과 90도 이상의 각도를 이루면서 연결되며, 상기 제1유로부와 연통되는 제2유로부를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 분리판.The method of claim 1,
The secondary bypass flow path,
A first flow passage part connected to one main flow passage of the two adjacent main flow passages, the first flow passage portion being connected at an angle of 90 degrees or more with a flow direction of the reaction fluid flowing along the main flow passage,
It is connected to the other one of the two adjacent main flow path, and is formed at an angle of 90 degrees or more with the flow direction of the reaction fluid flowing along the main flow path, and has a second flow path portion communicating with the first flow path portion Electrochemical cell separator, characterized in that. 제3항에 있어서,
상기 보조우회유로의 폭은 상기 메인유로의 폭 보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 분리판.The method of claim 3,
The width of the secondary bypass flow path is electrochemical cell separator, characterized in that formed smaller than the width of the main flow path. 제3항에 있어서,
상기 보조우회유로는 상기 반응유체의 유동흐름이 형성되는 상기 메인유로의 길이방향을 따라 서로 이격되게 복수로 마련되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 분리판.The method of claim 3,
The auxiliary bypass flow passage is electrochemical cell separator, characterized in that provided in a plurality of spaced apart from each other along the longitudinal direction of the main flow path in which the flow flow of the reaction fluid is formed. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재되어 있으며, 서로 적층되게 배치되는 복수의 전기화학 셀 분리판; 및
상기 적층된 복수의 전기화학 셀 분리판에 결합되며, 상기 전기화학 셀 분리판의 분배매니폴드로 상기 반응유체를 공급하는 분배기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 스택.A plurality of electrochemical cell separators as described in any one of claims 1 to 5, arranged to be stacked on each other; And
And a distributor coupled to the stacked plurality of electrochemical cell separators, the distributor supplying the reaction fluid to a distribution manifold of the electrochemical cell separators.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110492128A (en) * 2018-05-14 2019-11-22 现代自动车株式会社 Partition for fuel cell

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