KR20120042563A - 연료전지용 분리판 - Google Patents

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KR20120042563A
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양유창
구유선
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Abstract

본 발명은 분리판의 채널면에 와류 발생 구조를 형성하여, 채널을 흐르는 유체(수소, 공기)의 와류 흐름을 유도함으로써, 전극에 대한 반응 기체의 공급 및 가스 확산층(GDL) 내의 액적 제거가 용이하게 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 분리판의 채널 표면에 반응가스의 와류 발생을 유도할 수 있는 와류 발생 수단을 일체로 형성하여, 반응가스의 와류 흐름에 의하여 가스확산층에 갖힌 액적이 용이하게 이동하며 제거될 수 있도록 한 연료전지용 분리판을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지용 분리판{Separator for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판의 채널면에 와류 발생 구조를 형성하여, 채널을 흐르는 유체(수소, 공기)의 와류 흐름을 유도함으로써, 전극에 대한 반응 기체의 공급 및 가스 확산층(GDL) 내의 액적 제거가 용이하게 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
환경 친화적인 미래형 자동차로서 수소 연료전지 자동차에 대한 연구 및 개발이 지속되고 있으며, 이러한 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템 구성은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 나누어진다.
상기 연료전지 스택의 셀 단위 구성을 첨부한 도 7 및 도 8을 참조로 살펴보면, 가장 안쪽 위치에는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(10)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(12, cathode) 및 연료극(14, anode)을 포함하는 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치된다.
또한, 상기 공기극(12) 및 연료극(14)의 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(16) 및 개스킷(Gasket)(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 상기한 각 구성들을 지지 고정시키기 위한 엔드 플레이트(End plate)(30)가 결합된다.
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)극으로 이동하게 되어, 상기 공기극(12)에서 연료극(14)극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 최종 생성된 전기에너지는 엔드플레이트(30)의 집전판(미도시됨)을 통하여 전기에너지를 요구하는 부하로 공급된다.
상기 분리판(20)은 도 7에서 잘 볼 수 있듯이, 기체확산층(16)과 직접적으로 접합되는 평평한 부분인 랜드(22, Land)와, 이 랜드(22)부 사이의 공간으로서 연료인 수소와 공기(산소)의 통로가 되는 채널(24, Channel)로 구성되어 있고, 수소와 공기 등과 같은 반응가스의 공급통로 뿐만 아니라 공기극에서 가스확산층쪽으로 생성되는 물의 제거통로 기능을 가지고 있으며, 특히 외부회로로 전기를 흘리는 역할도 한다.
이러한 분리판은 기계가공으로 제작되는 흑연분리판, 스탬핑 가공으로 제작되는 금속분리판으로 나누어지고, 도 7의 (a) 도면에서 보듯이 채널의 단면이 직각으로 형성되거나, 도 7의 (b) 도면에서 보듯이 채널의 단면이 사다리꼴(trapezoid) 형태로 형성되며, 각 채널의 표면이 매끄럽운 면으로 되어 있기 때문에 실제 반응가스의 흐름은 층류 특성을 나타낸다.
그러나, 층류는 채널의 중심부에 비해 벽면의 유속이 느린 흐름으로서, 액적의 활발한 막 흐름을 유도하지 못하여 가스확산층의 기공에 갖힌(trap) 물을 제거하는데 불리한 단점이 있다.
이러한 점을 해결하기 위한 종래기술로서, 친수성 채널 표면을 갖도록 채널면을 친수성 소재로 코팅하여 막 흐름(film flow)을 유도하고 있지만, 스택의 장시간 운전시 반응가스의 흐름에 따른 코팅 막의 마멸 또는 막 분리와 같은 손실이 발생하게 되고, 이에 코팅 막의 친수성 감소로 인하여 물 제거 성능이 감소할 수 밖에 없으며, 결국 스택의 각 셀에 플러딩과 같은 현상을 일으켜 발전량 감소 뿐만 아니라, 전극 및 전해질 막 등에 열화를 촉진하게 되는 문제점이 있었다.
다른 종래기술로서, 채널 구조 대신에 반응가스의 원형 흐름을 유도하는 동시에 집전 기능을 수행할 수 있는 칼럼(column) 형태의 돌기를 형성시킨 분리판이 제안되었는 바, 이 분리판은 반응가스 흐름을 정밀하게 유도하는데 어려움이 있고, 스택의 각 셀 작동조건에 따라 불균일 유동이 발생하여 전극 및 전해질 막의 국부 손상을 초래하며, 가스확산층내의 기공에 갖힌 물을 제거하는데 불리한 단점이 있다.
그 밖에 종래기술로서, 반응가스의 이용률 향상 및 기생전력 감소를 위하여 분리판의 채널에 꾸불꾸불한(serpentine) 패턴 또는 1회 이상의 절곡부를 갖는 직선, 또는 물결 패턴 등을 적용하였지만, 물 제거는 용이하면서도 기생전력은 증가하는 모순되는 특성이 나타남에 따라, 채널 표면을 매끈한 평면이거나, 또는 서브 마이크로 수준의 미세 돌기를 갖는 구조로 적용하고 있다.
이렇게 종래 기술에 따른 분리판은 채널내를 흐르는 액적을 채널의 벽면을 통해 제거하거나 또는 반응가스에 섞여 2상 유동과 같이 제거할 수 있으나, 실제 채널내의 반응가스 유동은 층류가 발달하여 가스확산층내 개기공에 응축된 작은 액적을 제거하는데 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 분리판의 채널 표면에 반응가스의 와류 발생을 유도할 수 있는 와류 발생 수단을 일체로 형성하여, 반응가스의 와류 흐름에 의하여 가스확산층에 갖힌 액적이 용이하게 이동하며 제거될 수 있도록 한 연료전지용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기체확산층과 접합되는 랜드와, 랜드 사이에 형성되어 반응가스의 통로가 되는 채널로 구성되는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 채널의 표면에 반응가스의 와류 흐름을 유도할 수 있는 와류 발생용 구조체를 일체로 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예로서, 상기 와류 발생용 구조체는 전체 표면 또는 국부적인 표면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예로서, 상기 와류 발생용 구조체는 채널의 표면에 직접 가공되어 형성된 것임을 특징으로 한다.
또는, 상기 와류 발생용 구조체는 채널의 표면에 부착시킬 수 있도록 미리 가공되어 구비된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 와류 발생용 구조체는 반응가스의 흐름 방향을 따라 반원 곡면을 갖는 복수개의 나선형 돌기와 홈이 반복 형성된 것임을 특징으로 한다.
또는, 상기 와류 발생용 구조체는 반응가스의 흐름 방향을 따라 타원 곡면을 갖는 복수개의 나선형 돌기와 홈이 반복 형성된 것임을 특징으로 한다.
특히, 상기 와류 발생용 구조체의 나선형 돌기와 홈의 회전수 및 반경, 길이를 조절하여 반응가스의 와류 발생 강도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 스택을 구성하는 분리판의 채널 표면에 반응가스의 와류 흐름을 유도할 수 있는 와류 발생용 구조체를 일체로 형성하여, 스택의 각 셀 내의 반응가스가 와류(turbulence)를 형성하며 흐르도록 함으로써, 채널과 마주보고 있는 가스확산층에 갖힌(trap) 액적이 가스확산층 표면으로 빠져나오는 동시에 반응가스의 흐름방향을 따라 이동하며 용이하게 제거될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 저면도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 반응가스 와류 발생과 더불어 가스확산층의 액적이 제거되는 것을 나타내는 도면,
도 6은 기존의 분리판에서 반응가스가 층류 흐름을 갖는 것을 나타내는 도면,
도 7은 기존의 분리판 구조를 설명하는 도면,
도 8은 연료전지 스택의 구성을 설명하는 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 스택을 구성하는 분리판의 채널 구조를 반응가스의 와류 흐름을 유도할 수 있는 구조로 개선하여, 가스확산층내에 갖힌 액적을 용이하게 제거할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 첨부한 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 분리판(20)의 채널(24) 전체 표면 또는 국부적인 표면에 걸쳐 반응가스의 와류를 발생시키는 매개물로서 와류 발생용 구조체(40)가 일체로 형성된다.
즉, 상기 분리판(20)은 가스확산층과 접합되는 랜드와, 랜드 사이에 형성되어 반응가스의 통로가 되는 채널이 반복 형성된 구조로서, 각 채널(24)의 표면에 반응가스의 와류 흐름을 유도할 수 있는 와류 발생용 구조체(40)가 일체로 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리판의 와류 발생용 구조체(40)를 살펴보면, 도 1에서 보듯이 채널(24)의 내부가 반원 단면 구조이면서 그 내표면에 반응가스의 흐름 방향을 따라 반원 곡면을 갖는 복수개의 나선형 돌기(42)와 홈(44)이 반복 형성된 구조로 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판의 와류 발생용 구조체(40)를 살펴보면, 도 2에서 보듯이 채널(24)의 내부가 타원 단면 구조이면서 그 내표면에 반응가스의 흐름 방향을 따라 타원 곡면을 갖는 복수개의 나선형 돌기(42)와 홈(44)이 반복 형성된 구조로 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분리판의 와류 발생용 구조체(40)를 살펴보면, 도 3에서 보듯이 채널(24)의 내부가 사다리꼴 단면 구조이면서 그 내표면에 반응가스의 흐름 방향을 따라 반원 또는 타원 곡면을 갖는 복수개의 나선형 돌기(42)와 홈(44)이 반복 형성된 구조로 형성된다.
상기와 같은 각 실시예에 따른 와류 발생용 구조체(40)에 의하여 채널(24)내를 흐르는 반응가스의 와류 흐름이 용이하게 유도되는 동시에 반응가스는 보다 나은 직진성을 부여받으며 이동할 수 있으며, 특히 채널(24)과 마주보는 가스확산층(16) 표면은 소수성을 가지므로 와류 발생용 구조체(40)로 이루어진 채널(24)의 벽면을 따라 액적의 부피가 커지더라도 가스확산층(16)으로 유입되지 않을 뿐만 아니라, 반응가스의 와류 흐름에 의하여 가스확산층(16)의 개기공에 있는 작은 액적까지 채널(24)쪽으로 밀려 올라와서 용이하게 제거될 수 있다.
한편, 스택의 크기 및 종류에 따라 가스확산층(16)으로부터 유출되는 액적 발생량이 다른 경우를 감안하여, 상기한 각 실시예의 와류 발생용 구조체(40)는 분리판(20)의 채널(24) 전체 표면에 형성되거나, 채널(24)의 국부적인 표면에 형성될 수 있다.
또한, 도 4에서 보듯이 각 실시예에 따른 와류 발생용 구조체(40)의 나선형 돌기(42)와 홈(44)의 회전수 및 반경, 길이를 조절하여 반응가스의 와류 발생 강도를 조절하는 동시에 와류 흐름에 의하여 가스확산층(16)으로부터 제거되며 이동되는 액적의 제거 효율을 조절할 수 있다.
상기와 같은 각 실시예의 와류 발생용 구조체(40)는 기계 가공 또는 스탬핑 가공에 의하여 채널(24)의 표면에 직접 형성될 수 있고, 또는 와류 발생용 구조체(40)만을 별도로 미리 가공하여 구비한 다음, 채널(24)의 표면에 접착수단 등을 이용하여 부착시킬 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 분리판(20)의 각 채널(24)내에 반응가스(수소, 공기중 산소)가 흐르게 되면, 채널(24)의 표면에 형성된 와류 발생용 구조체(40)의 나선형 돌기(42)와 홈(44)을 따라 반응가스가 흐르는 동시에 가스확산층(16)쪽으로 하강하는 유동 흐름을 함으로써, 반응가스의 와류 흐름이 발생된다.
이에 따라, 각 채널(24) 내의 반응가스는 와류 흐름을 가지므로, 기존의 층류 흐름에 비하여 가스확산층(16)을 통해 전극 즉, 연료극 또는 공기극으로 보다 활발하게 공급될 수 있다.
특히, 가스확산층(16)을 향하는 반응가스의 하강 유동에 의하여 가스확산층(16)의 개기공에 갖힌 작은 부피의 액적이 채널(24)쪽으로 튀어 오르며 이동함으로써, 가스확산층에 대한 물 제거 효율을 증대시킬 수 있고, 동시에 가스확산층내의 액적 제거로 인하여 전극을 향하는 반응가스의 공급 경로가 증가되어 반응가스의 공급 효율도 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 분리판의 채널 표면에 반응가스의 흐름 방향을 따라 나선형으로 형성된 간단한 구조의 와류 발생 경로를 형성함으로써, 반응가스의 와류 흐름에 의하여 가스확산층내의 액적 제거가 용이하게 이루어질 수 있고, 궁극적으로 불충분한 물 제거로 인하여 가스확산층 및 전극에서 플러딩 현상이 발생되는 것을 방지하여 스택의 성능 감소를 방지할 수 있다.
10 : 고분자 전해질막
12 : 공기극
14 : 연료극
16 : 가스확산층
18 : 개스킷
20 : 분리판
22 : 랜드
24 : 채널
30 : 엔드 플레이트
40 : 와류 발생용 구조체
42 : 나선형 돌기
44 : 나선형 홈

Claims (6)

  1. 연료전지 스택의 기체확산층과 접합되는 랜드와, 랜드 사이에 형성되어 반응가스의 통로가 되는 채널을 포함하는 연료전지용 분리판에 있어서,
    상기 채널의 표면에 반응가스의 와류 흐름을 유도할 수 있는 와류 발생용 구조체를 일체로 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 와류 발생용 구조체는 채널의 전체 표면 또는 국부적인 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 와류 발생용 구조체는 채널의 표면에 직접 가공되어 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 와류 발생용 구조체는 채널의 표면에 부착시킬 수 있도록 미리 가공되어 구비된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 와류 발생용 구조체는 반응가스의 흐름 방향을 따라 반원 또는 타원 곡면을 갖는 복수개의 나선형 돌기와 홈이 반복 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 와류 발생용 구조체의 나선형 돌기와 홈의 회전수 및 반경, 길이를 조절하여 반응가스의 와류 발생 강도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
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