KR20130066012A - Separator for fuel cell - Google Patents

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KR20130066012A
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이미혜
조일희
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현대자동차주식회사
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Abstract

PURPOSE: A separator for fuel cell is provided to maximize area and number of channels without change of pattern and channel shape, thereby reducing resistance of material transfer resistance due to activation of reaction area. CONSTITUTION: A separator for fuel cells has an active area of 50cm^2. The channel area and land area are the same, or the channel area is larger than the land area. The separator is manufactured with 2:1 area ratio of the channel to the land. The active area of the separator for fuel cells is 50 cm^2. The channel area and land area in the separator are the same, or the channel area is larger than the land area while having 1-7 of channels. [Reference numerals] (AA) Ch 5 1:1 performance; (BB) Ch 5 2:1 performance; (CC) 360 performance; (DD) Ch 5 1:1 pressure; (EE) Ch 5 2:1 pressure; (FF) 360 pressure

Description

연료전지용 분리판{Separator for fuel cell}Separator for fuel cell

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 활면적 50㎠ 분리판의 유로 형상 및 패턴 변화 없이, 채널의 개수 및 채널 면적을 최적화시켜 연료전지 성능 향상을 도모하고자 한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
The present invention relates to a separator for a fuel cell, and more particularly, a fuel cell separator for improving fuel cell performance by optimizing the number of channels and the channel area without changing the flow path shape and pattern of a 50 cm2 separator. It is about.

연료전지 자동차는 수송용 에너지 분야에서 석유자원의 고갈을 대비한 미래의 에너지원인 수소를 사용함으로써, 에너지 자립도 및 저탄소 녹색성장을 실현시킬 수 있는 친환경 기술로 주목을 받고 있다.Fuel cell vehicles are attracting attention as eco-friendly technologies that can realize energy independence and low carbon green growth by using hydrogen, a future energy source in preparation for exhaustion of petroleum resources in transportation energy.

환경에 대한 관심이 높아지는 가운데, 주요 선진국에서 제시하는 이산화탄소 총량 규제에 대응하여, 수소 연료전지 자동차는 주요 대응 기술이라 할 수 있기에 다양한 형태의 연료전지 자동차가 개발되어 상업화에 상당히 근접한 성과를 보이고 있다.In response to the growing interest in the environment, in response to the regulation of the total amount of carbon dioxide proposed by major industrialized countries, hydrogen fuel cell vehicles are a major response technology, and thus, various types of fuel cell vehicles have been developed and are showing close results to commercialization.

연료전지 시스템의 구성중 전기를 실질적으로 발생시키는 연료전지 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA, 전극막 어셈블리, 전극막 접합체라고도 함)와, 반응 기체들의 전달 통로 및 전기전도 기능을 가지는 분리판(Separator)으로 이루어진 단위 셀이 수 십 내지 수 백개이상 적층된 구조를 가지고, 양끝단에는 적층된 각 구성들을 일정한 면압으로 고정시키는 동시에 집전 역할을 하는 엔드플레이트가 장착된다.The fuel cell stack, which substantially generates electricity during the construction of the fuel cell system, has a membrane-electrode assembly (also referred to as a MEA, an electrode membrane assembly, and an electrode membrane assembly), a reaction path for conducting gases, and an electric conduction function. It has a structure in which dozens or hundreds or more of unit cells made up of separators are stacked, and both ends are equipped with end plates that fix each stacked component at a constant surface pressure and serve as current collectors.

이때, 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막과, 이 고분자 전해질막을 사이에 두고 배열되는 촉매층인 애노드 및 캐소드, 촉매층의 외표면에 적층되어 반응 기체들의 확산 및 생성수 제거 등의 역할을 하는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)으로 구성된다.At this time, the membrane-electrode assembly is a gas diffusion layer which is stacked on the outer surface of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer, the anode and cathode, the catalyst layer arranged with the polymer electrolyte membrane interposed therebetween, which serves to diffuse the reaction gases and remove the generated water. (GDL: Gas Diffusion Layer).

또한, 상기 분리판은 각 반응기체의 통로 역할을 하는 공기측 유로와, 수소측 유로 그리고 냉각 유로를 포함한다.In addition, the separation plate includes an air side flow path serving as a passage of each reactor body, a hydrogen side flow path and a cooling flow path.

연료전지의 전기 생성 원리를 간략히 살펴보면, 연료전지 스택의 애노드에 수소가 공급됨과 함께 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드로 이동하게 되어, 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 최종 생성된 전기에너지는 엔드플레이트의 집전판을 통하여 전기에너지를 필요로 하는 부하(예를 들어, 연료전지 차량의 주행을 위한 모터)로 공급된다.Briefly looking at the electricity generation principle of the fuel cell, the hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell stack and the oxidation reaction of hydrogen at the anode proceeds to generate hydrogen ions (Proton) and electrons (Electron), and the generated hydrogen ions And electrons move to the cathode through the electrolyte membrane and the separator, respectively, and the cathode generates water through the electrochemical reaction involving hydrogen ions, electrons and oxygen in the air. The final generated electrical energy is supplied to a load (eg, a motor for driving a fuel cell vehicle) requiring electrical energy through the current collector plate of the end plate.

이러한 연료전지 초기 개발 단계에서는 동일한 연료에서 얻어내는 전기의 양을 증가시키기 위해, 즉 연비 향상을 위해 막전극-어셈블리/가스확산층(MEA/GDL)과 같은 소재 개발에 관심이 집중되었지만, 반응 기체의 흐름에 대한 균일한 분포, 생성된 물에 의한 플러딩(Flooding) 저감 및 우수한 전기전도성과 같은 측면을 고려하여, 분리판의 개발이 성능 증가 및 내구성 향상에 큰 역할을 할 수 있다는 인식하에 분리판의 중요성이 부각되고 있다.In the early stages of fuel cell development, attention was focused on the development of materials such as membrane electrode-assembly / gas diffusion layers (MEA / GDL) to increase the amount of electricity derived from the same fuel, ie to improve fuel economy. Taking into account aspects such as uniform distribution of flow, reduced flooding by generated water, and good electrical conductivity, the development of the separator can play a significant role in increasing performance and improving durability. Importance is on the rise.

한편, 상기 분리판의 활면적 50㎠ 은 환경에너지 연구의 중심인 미국 에너지부(DOE, Department of Energy)에서 표준으로 제정한 면적으로서, 학술분야 및 그 적용에 있어 평가 표준이 되고 있는 사양이기 때문에 활면적 50㎠ 에 대한 고출력 분리판 개발을 위한 연구가 진행되고 있다.On the other hand, the active area 50cm2 of the separator is an area established as a standard by the Department of Energy (DOE), which is the center of environmental energy research, and is a specification that has become an evaluation standard in academic fields and applications. Research is underway for the development of high power separators with a live area of 50cm2.

활면적 50㎠ 의 분리판 구조를 첨부한 도 1을 참조로 살펴보면, 공기 또는 수소와 같은 가스가 공급되는 가스주입구(11)와, 가스주입구(11)로 주입된 가스가 흐르는 채널(12)과, 채널(12)을 통과한 가스가 배출되는 가스배출구(13)와, 가스의 기밀을 위하여 외곽부에 장착되는 가스켓(14) 등을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1 attached to a separator structure having a smooth area of 50 cm 2, a gas inlet 11 to which gas such as air or hydrogen is supplied, and a channel 12 through which gas injected into the gas inlet 11 flows; And a gas outlet 13 through which the gas passing through the channel 12 is discharged, and a gasket 14 mounted on the outer portion for gastightness.

도 1에서, 붉은 동그라미로 표시한 가스주입구(11)로 입력된 가스는 각 채널(12)을 따라 이동한 후, 최종적으로 가스배출구(13)를 통해 배출되며, 이때 가스는 각 채널에서 막 전극 어셈블리의 전 영역에 공급된다.In FIG. 1, the gas inputted into the gas inlet 11 indicated by the red circle is moved along each channel 12 and finally discharged through the gas outlet 13, where the gas is discharged through the membrane electrode in each channel. It is supplied to all areas of the assembly.

이러한 분리판의 채널 구조는 연료전지의 작동 조건 및 사용 특성에 따라 다양한 형태로 변형시킬 수 있으며, 이에 동일한 실험 조건에서 채널 형상 및 패턴을 달리하였을 경우, 최대 50% 이상의 성능차이를 보이게 되며, 결국 분리판의 설계에 따라 효율적인 반응기체 확산 및 물 관리가 달라지고, 연료전지 성능에서 차이가 나게 된다.
The channel structure of the separator can be modified in various forms according to the operating conditions and the use characteristics of the fuel cell, and when the channel shape and pattern are changed under the same experimental conditions, a performance difference of up to 50% or more is eventually obtained. Depending on the design of the separator, efficient reactor diffusion and water management will vary and fuel cell performance will vary.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 활면적 50㎠ 분리판의 유로 형상 및 패턴 변화 없이, 채널의 개수를 조절하는 것과 채널 면적을 증가시킴으로써, 막-전극 어셈블리의 촉매층에 대한 반응면적 증가와 더불어 반응면적 활성화로 인한 물질전달 저항의 감소를 도모하여, 연료전지의 성능을 증대시킬 수 있도록 한 연료전지용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been made in view of the above, and the reaction of the membrane-electrode assembly to the catalyst layer by controlling the number of channels and increasing the channel area without changing the flow path shape and pattern of the active area 50 cm 2 separator plate It is an object of the present invention to provide a separator for fuel cells that can increase the area of the fuel cell and increase the performance of the fuel cell by reducing the material transfer resistance due to the activation of the reaction area.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 활면적 50㎠ 의 연료전지용 분리판에 있어서, 분리판의 채널 면적과 랜드 면적을 동일하게 형성하거나 채널 면적을 랜드 면적보다 크게 형성시키는 동시에 채널 개수를 3개 내지 7개로 형성시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell separator having a large area of 50 cm2, wherein the channel area and land area of the separator plate are the same or the channel area is larger than the land area, and the number of channels is three. Provided is a separator for a fuel cell, characterized in that formed from seven to seven.

바람직하게는, 상기 채널과 랜드 간의 면적비를 2:1 비율로 제작한 것을 특징으로 한다.Preferably, the area ratio between the channel and the land is produced in a 2: 1 ratio.

더욱 바람직하게는, 상기 분리판의 채널을 3개 채널로 형성시킨 것을 특징으로 한다.More preferably, it is characterized in that the channel of the separator is formed of three channels.

또한, 상기 채널 개수를 3개 채널로 형성시킨 경우, 채널 길이 및 채널의 턴 수가 증가되는 동시에 채널의 총 단면적이 감소되는 것을 특징으로 한다.
In addition, when the number of channels is formed into three channels, the channel length and the number of turns of the channels are increased and the total cross-sectional area of the channels is reduced.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above-mentioned means for solving the problems, the present invention provides the following effects.

본 발명에 따르면, 활면적 50㎠ 분리판의 유로 형상 및 패턴 변화 없이, 채널의 개수를 조절하는 것과 채널 면적을 증가시킴으로써, 막-전극 어셈블리의 촉매층에 대한 반응면적 증가와 더불어 반응면적 활성화로 인한 물질전달 저항의 감소를 도모하여, 연료전지의 성능을 증대시킬 수 있다.According to the present invention, by controlling the number of channels and increasing the channel area without changing the flow channel shape and pattern of the active area 50 cm 2 separator plate, the reaction area is increased due to the increase of the reaction area with respect to the catalyst layer of the membrane-electrode assembly. By reducing the material transfer resistance, the performance of the fuel cell can be increased.

또한, 채널 개수 조절을 통한 가스공급압력을 조절하여, 연료전지 반응 시 생성된 물 넘침(Water flooding) 현상으로 인한 전력밀도저하를 원천적으로 막을 수 있다.In addition, by adjusting the gas supply pressure by adjusting the number of channels, it is possible to prevent the power density decrease due to the water flooding phenomenon generated during the fuel cell reaction.

또한, 가스공급압력을 증가시켜 물 배출이 원활해짐과 함께 반응물인 수소와 산소가 채널의 입구부터 출구까지 고르게 전달되고, 전체 활성화 면적에서 전기화학적 반응이 일어나기에 전력밀도 향상을 도모할 수 있고, 따라서 연료전지의 부피를 줄이는 한편 전력생산비용도 낮출 수 있다.
In addition, the gas supply pressure is increased to facilitate the discharge of water, the reactants hydrogen and oxygen are evenly transferred from the inlet to the outlet of the channel, and the electrochemical reaction occurs at the entire activation area, thereby improving the power density. Therefore, the fuel cell volume can be reduced while the cost of power production can be lowered.

도 1은 활면적 50㎠ 분리판 구조를 나타낸 단면도,
도 2는 분리판의 가스공급과정을 나타낸 모식도,
도 3은 본 발명의 분리판 채널면적비율에 따른 가스공급압력 및 연료전지 성능을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 분리판 채널면적비율에 따른 임피던스를 측정한 그래프,
도 5는 본 발명의 분리판 채널 개수에 따른 가스공급압력 및 연료전지 성능을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 분리판 채널 개수에 따른 임피던스를 측정한 그래프,
도 7은 채널 입출구 압력차에 따른 액체 배출을 설명하는 모식도.
1 is a cross-sectional view showing a structure of the active area 50 cm 2 separator plate,
Figure 2 is a schematic diagram showing a gas supply process of the separator,
3 is a graph showing the gas supply pressure and the fuel cell performance according to the separation plate channel area ratio of the present invention;
Figure 4 is a graph measuring the impedance according to the channel area ratio of the separator of the present invention,
5 is a graph showing the gas supply pressure and fuel cell performance according to the number of channels of the separator plate of the present invention;
Figure 6 is a graph measuring the impedance according to the number of channel divider of the present invention,
7 is a schematic diagram illustrating liquid discharge according to a channel inlet and outlet pressure difference.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

전술한 바와 같이, 막-전극 어셈블리의 성능 향상을 위한 방안으로 분리판의 채널 형상 및 패턴을 달리하는 연구가 일반적으로 진행되고 있지만, 본 발명은 분리판의 채널 형상 및 패턴의 변화 없이 분리판 조건 개선으로 막-전극 어셈블리의 성능 향상을 도모할 수 있는 점에 주안점이 있다.As described above, studies to change the channel shape and pattern of the separator as a method for improving the performance of the membrane-electrode assembly have been generally conducted. The main point is to improve the performance of the membrane-electrode assembly.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 연료전지 스택에서의 가스 공급 과정을 첨부한 도 2를 참조로 살펴보면 다음과 같다.First, to assist in understanding the present invention, the gas supply process in the fuel cell stack will be described with reference to FIG. 2 as follows.

고분자 전해질막(20)을 사이에 두고 촉매층(22)인 애노드 및 캐소드가 적층되고(도 2에는 캐소드쪽만 도시함), 촉매층(22)의 외표면에 반응 기체들의 확산 및 생성수 제거 등의 역할을 하는 가스확산층(24)이 적층되며, 또한 가스확산층(24)의 바깥쪽에는 분리판(10)이 적층된다.An anode and a cathode, which are the catalyst layer 22, are stacked with the polymer electrolyte membrane 20 interposed therebetween (only the cathode side is shown in FIG. 2), and diffusion of reaction gases and removal of generated water on the outer surface of the catalyst layer 22, etc. A gas diffusion layer 24 serving as a stack is stacked, and a separation plate 10 is stacked outside the gas diffusion layer 24.

이때, 상기 분리판(10)의 내면에는 가스흐름을 위한 경로인 채널(12: 가스유로)과 가스확산층(24)에 밀착 지지되는 랜드(15)가 반복 형성된다.In this case, the inner surface of the separation plate 10 is formed with a channel 15 which is a path for gas flow and a land 15 closely supported by the gas diffusion layer 24.

따라서, 가스(수소 또는 공기)가 채널을 따라 흐르면서 가스확산층을 통하여 확산된 후, 전기 생성을 위한 반응을 위하여 막-전극 어셈블리로 공급되며, 도 2에서 원으로 해칭된 부분은 랜드와 밀착됨에 따라 가스가 원할하게 확산되지 못하는 데드존(dead zone)을 나타낸다.Thus, after gas (hydrogen or air) flows through the channel and diffuses through the gas diffusion layer, it is supplied to the membrane-electrode assembly for reaction for generating electricity, and the portion hatched in a circle in FIG. 2 is in close contact with the land. It represents a dead zone in which gas does not diffuse smoothly.

본 발명은 위와 같은 기능을 하는 분리판의 채널 형상 및 패턴의 변화 없이, 막-전극 어셈블리와 마주보는 채널 면적과 가스확산층과 접하는 랜드 간의 면적비율을 조절하여, 막-전극 어셈블리의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 점과, 가스공급 압력 증가에 따라 성능이 변화되는 점을 감안하여 채널 수의 증감 조절을 통하여 막-전극 어셈블리의 성능을 증가시킬 수 있도록 한 점에 특징이 있다.The present invention can improve the performance of the membrane-electrode assembly by adjusting the area ratio between the channel area facing the membrane-electrode assembly and the lands in contact with the gas diffusion layer without changing the channel shape and pattern of the separator having the above function. In consideration of the fact that the performance changes according to the increase in gas supply pressure and the increase in the number of channels, the performance of the membrane-electrode assembly can be increased.

여기서, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.Here, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

실시예 1 및 2Examples 1 and 2

전체 활면적 50㎠ 의 분리판을 이용하여, 표 1에 나타난 바와 같이 채널 구조 및 패턴이 동일한 5채널 분리판의 채널과 랜드의 면적비율을 1:1(실시예1)과 2:1(실시예2)로 제작하였다.As shown in Table 1, the area ratios of the channels and lands of the five-channel separator having the same channel structure and pattern are 1: 1 (Example 1) and 2: 1 (implemented) using the separator having a total active area of 50 cm 2. Made to Example 2).

실질적으로, 5채널 분리판의 채널과 랜드의 면적비율을 1.08:1(실시예1) 및 2.00:1(실시예2)로 제작하였다.Substantially, the area ratios of the channels and the lands of the five-channel separation plate were manufactured at 1.08: 1 (Example 1) and 2.00: 1 (Example 2).

Figure pat00001
Figure pat00001

비교예1Comparative Example 1

비교예로서, 종래의 대면적 분리판(360㎠)을 제작하였다.As a comparative example, a conventional large area separator (360 cm 2) was produced.

실험예1Experimental Example 1

5채널 분리판의 채널과 랜드의 면적비율을 1.08:1 및 2.00:1로 제작한 실시예1 및 2에 따른 분리판과, 비교예에 따른 대면적 분리판을 막-전극 어셈블리에 조립하여, 막-전극 어셈블리의 성능(전위) 및 가스공급압력 측정 시험을 수행하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 3의 그래프 및 아래의 표 2에 나타낸 바와 같다.The separation plates according to Examples 1 and 2, and the large-area separation plates according to the comparative example were manufactured by manufacturing the area ratios of the channels and the lands of the five-channel separation plates to 1.08: 1 and 2.00: 1, The performance (potential) and gas supply pressure measurement tests of the membrane-electrode assembly were performed, and the results are shown in the accompanying graph of FIG. 3 and Table 2 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

도 3의 그래프 및 표 2에서 보듯이, 실시예1 및 실시예2에 따른 분리판 모두 비교예에 따른 대면적 분리판에 비해 압력은 낮지만, 채널과 랜드 간의 면적비를 2:1 비율로 제작한 실시예2에 따른 분리판의 성능(전위)이 대면적 분리판보다 높음을 알 수 있었다.As shown in the graph and Table 2 of FIG. 3, the separators according to Example 1 and Example 2 are both lower in pressure than the large-area separator according to the comparative example, but have an area ratio of 2: 1 between the channel and the land. It was found that the performance (potential) of the separator according to Example 2 was higher than that of the large area separator.

반면에, 1:1의 비율로 제작된 실시예1에 따른 5채널 분리판의 경우 2:1로 제작된 실시예2에 따른 5채널 분리판과 가스공급압력은 비슷하지만, 성능(전위)은 대면적 분리판보다 낮음을 알 수 있었다.On the other hand, in the case of the five-channel separator according to Example 1 manufactured at a ratio of 1: 1, the gas supply pressure is similar to the five-channel separator according to Example 2 manufactured at 2: 1, but the performance (potential) is It was found to be lower than the large area separator.

결국, 본 발명의 실시예2에 따른 2:1로 제작된 5채널 분리판의 채널면적(막-전극 어셈블리의 촉매층과 마주보는 면)이 실시예1에 따른 1:1로 제작된 5채널 분리판에 비해 넓어짐으로써, 가스와 직접 접촉할 수 있는 막-전극 어셈블리의 전극(촉매층) 활면적이 증가하여 성능 및 가스공급압력을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.As a result, the channel area (surface facing the catalyst layer of the membrane-electrode assembly) of the 5-channel separator fabricated 2: 1 according to Example 2 of the present invention is separated into 5-channel fabricated 1: 1. As it is wider than the plate, it was found that the electrode (catalyst layer) active area of the membrane-electrode assembly which can be in direct contact with the gas is increased, thereby improving performance and gas supply pressure.

실험예2Experimental Example 2

5채널 분리판의 채널과 랜드의 면적비율을 1.08:1 및 2.00:1로 제작한 실시예1 및 2에 따른 분리판에 대한 임피던스를 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 4의 그래프에 나타낸 바와 같다.Impedance was measured for the separators according to Examples 1 and 2, in which the area ratios of the channels and lands of the five-channel separator were 1.08: 1 and 2.00: 1, and the results are shown in the graph of FIG. As shown.

도 4의 그래프에서 보듯이, 실시예1 및 2에 따른 분리판은 셀 저항의 변화가 미미한 것으로 보아 랜드 면적이 줄어들면서 접촉저항의 변화는 성능에 영향을 적게 미치는 것을 알 수 있으나, 물질전달저항 값은 상당한 차이가 나타냄을 알 수 있었다.As shown in the graph of Figure 4, the separation plate according to the first and second embodiments according to the change in the cell resistance is insignificant, as the land area is reduced it can be seen that the change in contact resistance has less effect on the performance, the material transfer resistance It can be seen that the value is a significant difference.

결국, 실시예2에 따른 분리판은 채널면적이 증가됨에 따라, 가스와의 접촉면적이 증가된 전극(촉매층) 활면적이 증가하면서 전기화학적 반응 활성 사이트가 증가함을 알 수 있고, 이는 물질전달 저항의 감소에 의한 것으로 확인할 수 있었다.As a result, in the separator according to Example 2, it can be seen that as the channel area is increased, the active area of the electrode (catalyst layer) with the increased contact area with the gas increases and the electrochemical reaction active site increases. It was confirmed by the decrease in resistance.

한편, 분리판의 가스공급 모식도를 나타낸 도 2를 참조하면, 랜드 면적이 넓은 분리판의 경우, 랜드 밑 부분과 접촉하여 눌려진 부분의 가스확산층으로 가스가 확산되지 못하여 데드 존이 발생하지만, 도 2의 우측에 도시된 바와 같이 랜드 면적이 좁은 분리판의 경우, 랜드 밑의 가스확산층까지 가스가 확산될 수 있고, 이는 상기와 같이 채널면적을 증가시켜 막-전극 어셈블리의 전기 활면적이 증가한 효과에 기인할 수 있고, 따라서 랜드 비율 대비 채널 면적 비율이 높은 분리판의 경우 성능이 높은 것으로 확인할 수 있다.On the other hand, referring to Figure 2 showing a gas supply schematic diagram of the separation plate, in the case of a separation plate having a large land area, the dead zone occurs because the gas does not diffuse into the gas diffusion layer of the portion pressed in contact with the land portion, Figure 2 As shown on the right side of the separator, in the case of a separator having a narrow land area, gas may diffuse to the gas diffusion layer under the land, which increases the channel area as described above, thereby increasing the electrical active area of the membrane-electrode assembly. It can be attributed to the high performance of the separator having a high ratio of channel area to land ratio.

실시예 3~5Examples 3-5

분리판의 채널 : 랜드 면적 비율을 균일하게 1:1로 고정하고, 아래의 표 3에 기재된 바와 같이 채널 수만 조정하여 분리판을 제작하였다.The channel: land area ratio of the separator plate was uniformly fixed at 1: 1, and as shown in Table 3 below, only the number of channels was adjusted to prepare a separator plate.

Figure pat00003
Figure pat00003

표 3에서 보듯이, 실시예3으로서 채널길이 780.18mm, 채널 : 랜드 면적 비율 0.98:1로 하여 3개 채널의 분리판을 제작하고, 실시예4로서 채널길이 495.02mm, 채널 : 랜드 면적 비율 1.08:1로 하여 5개 채널의 분리판을 제작하고, 실시예5로서 채널길이 354.23mm, 채널 : 랜드 면적 비율 1.08:1로 하여 7개 채널의 분리판을 제작하였다.As shown in Table 3, the separation plate of three channels was manufactured by setting the channel length 780.18mm and the channel: land area ratio 0.98: 1 as Example 3, and the channel length 495.02mm and the channel: land area ratio 1.08 as Example 4 The separation plate of five channels was produced as 1: 1, and the separation plate of seven channels was produced as Example 5 with a channel length of 354.23 mm and a channel-land area ratio of 1.08: 1.

이때, 동일 유량이라도 채널 수의 증감에 따라 공급 압력이 달라진다.At this time, even at the same flow rate, the supply pressure varies depending on the increase and decrease of the number of channels.

즉, 입력유량이 10 lpm[Liter per minite]일 경우, 실시예3에 따른 3개 채널 분리판은 각 채널당 3.33 lpm의 가스가 주입되고, 실시예4에 따른 5개 채널 분리판은 각 채널당 2 lpm, 7개 채널 분리판은 각 채널당 1.42 lpm의 가스가 공급된다.That is, when the input flow rate is 10 lpm [Liter per minite], the three channel separator according to Example 3 is injected with a gas of 3.33 lpm for each channel, the five channel separator according to Example 4 is 2 per channel The lpm, seven-channel separator is supplied with 1.42 lpm of gas per channel.

이렇게 채널 개수가 적어진다는 것은 채널 길이가 길어지고 턴 수가 많아지고, 공급 가스가 통과해야 하는 채널의 총 단면적이 줄어들어 가스공급압력이 높아짐을 의미한다.This decrease in the number of channels means that the channel length is longer, the number of turns is increased, and the total cross-sectional area of the channel through which the supply gas must pass is reduced, thereby increasing the gas supply pressure.

실험예3Experimental Example 3

가스공급압력이 연료전지의 각 셀 성능에 영향을 미치는 중요인자임을 채널 수 조절을 통하여 확인하고자, 셀의 채널 개수 조절을 통해 가스공급압력 변화를 가하여 나타나는 성능 추이 및 성능변화 요인을 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 5의 그래프 및 표 4에서 보는 바와 같다.In order to confirm that the gas supply pressure is an important factor that affects the performance of each cell of the fuel cell by adjusting the number of channels, the performance trend and performance change factors that resulted from the change of the gas supply pressure through the channel number of the cell were measured. The results are as shown in the attached graph and table 4 of FIG.

Figure pat00004
Figure pat00004

도 5는 3, 7, 9채널 분리판 셀의 성능 및 공급압력 곡선으로서, 실시예3에 따른 3채널 분리판의 셀 공급압력(가스 공급 압력)이 가장 높으며 셀 성능 또한 가장 높은 것을 알 수 있고, 이는 채널수가 적어질수록 셀 공급압력이 증가하며 이와 같은 경향으로 셀 성능 또한 증가함을 알 수 있다.5 is a performance and supply pressure curve of the 3, 7, 9-channel separator plate cell, it can be seen that the cell supply pressure (gas supply pressure) of the three-channel separator plate according to Example 3 has the highest and the cell performance is also the highest. As the number of channels decreases, the cell supply pressure increases, and as a result, the cell performance also increases.

특히, 고전류 영역으로 갈수록 셀 성능이 증가하는데, 이는 채널의 입구 및 출구의 압력차이가 클수록 생성된 액체 물을 배출하는 능력이 높아지고, 이로 인해 물질전달 저항을 감소시켜 성능이 증가하는 것을 의미한다.In particular, the cell performance increases toward the high current region, which means that the greater the pressure difference between the inlet and the outlet of the channel, the higher the ability to discharge the generated liquid water, thereby decreasing the material transfer resistance and thus increasing the performance.

즉, 첨부한 도 7의 개념도에서 보듯이 채널의 입구 및 출구 압력차가 큰 경우, 물의 이동거리가 크기 때문에 채널내의 물을 배출하는 능력이 높아지고, 이는 물질전달 저항을 감소시켜 성능이 증가하는 의미하는 것이다.That is, as shown in the conceptual diagram of FIG. 7, when the inlet and outlet pressure difference of the channel is large, the water moving distance is large, and thus the ability to discharge the water in the channel is increased, which means that the performance is increased by reducing the material transfer resistance. will be.

실험예4Experimental Example 4

셀 성능 증가 요인(접촉저항, 물질전달저항 등)은 임피던스 측정으로 확인 가능하므로, 실시예 3~5에 따른 분리판에 대하여 고전류 영역에서의 임피던스 측정을 실시하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 6의 그래프에서 나타낸 바와 같다.Since the factor of increasing cell performance (contact resistance, material transfer resistance, etc.) can be confirmed by impedance measurement, impedance measurement in a high current region was performed for the separator plates according to Examples 3 to 5, and the result is shown in FIG. As shown in the graph.

도 6은 1600mA/㎠에서 측정한 임피던스 데이터로서, 물질전달 저항의 크기는 7채널> 5채널> 3채널로 나타났다.6 is impedance data measured at 1600 mA / cm 2, and the magnitude of the material transfer resistance was 7 channels> 5 channels> 3 channels.

즉, 본 발명의 실시예3에 따른 3채널 분리판의 물질전달 저항이 다른 두 분리판의 물질전달 저항에 비해 상대적으로 낮음을 알 수 있고, 이는 채널의 입출구 압력차이로 인한 생성수 배출 능력 정도로 인해 플러딩(Flooding)이 줄고, 이로 인해 물질전달 저항 차이가 나타나 성능 변화가 나타나는 것으로 판단된다.
That is, it can be seen that the material transfer resistance of the three-channel separator according to the third embodiment of the present invention is relatively low compared to the material transfer resistance of the other two separators, which is enough to discharge the generated water due to the pressure difference between the inlet and outlet of the channel. As a result, the flooding is reduced, which causes a difference in material transfer resistance, which may result in a change in performance.

10 : 분리판
11 : 가스주입구
12 : 채널
13 : 가스배출구
14 : 가스켓
15 ; 랜드
20 : 고분자 전해질막
22 : 촉매층
24 : 가스확산층
10: Separator
11: gas inlet
12: channel
13 gas outlet
14: Gasket
15; rand
20: polymer electrolyte membrane
22: catalyst layer
24 gas diffusion layer

Claims (7)

활면적 50㎠ 의 연료전지용 분리판에 있어서,
상기 분리판의 채널 면적과 랜드 면적을 동일하게 형성하거나 채널 면적을 랜드 면적보다 크게 형성시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
In a fuel cell separator having a live area of 50 cm 2,
Separating plate for fuel cells, characterized in that the channel area and the land area of the separation plate is formed to be the same or the channel area is larger than the land area.
청구항 1에 있어서,
상기 채널과 랜드 간의 면적비를 2:1 비율로 제작한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
The method according to claim 1,
Separation plate for a fuel cell, characterized in that the area ratio between the channel and the land produced in a 2: 1 ratio.
청구항 1에 있어서,
상기 채널과 랜드 간의 면적비를 1.8:1 비율로 제작한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
The method according to claim 1,
Separation plate for a fuel cell, characterized in that the area ratio between the channel and the land produced in a ratio of 1.8: 1.
청구항 1에 있어서,
상기 채널과 랜드 간의 면적비를 2.2:1 비율로 제작한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
The method according to claim 1,
Separation plate for a fuel cell, characterized in that the area ratio between the channel and the land produced in a ratio of 2.2: 1.
활면적 50㎠ 의 연료전지용 분리판에 있어서,
상기 분리판의 채널 면적과 랜드 면적을 동일하게 형성하거나 채널 면적을 랜드 면적보다 크게 형성시키는 동시에 채널 개수를 1개 ~ 7개로 형성시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
In a fuel cell separator having a live area of 50 cm 2,
Separation plate for a fuel cell, characterized in that the channel area and the land area of the separator to be formed the same or the channel area is larger than the land area and the number of channels is formed from 1 to 7.
청구항 5에 있어서,
상기 분리판의 채널을 3개 채널로 형성시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
The method according to claim 5,
Separation plate for a fuel cell, characterized in that the channel of the separating plate formed of three channels.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 채널 개수를 3개 채널로 형성시킨 경우, 채널 길이 및 채널의 턴 수가 증가되는 동시에 채널의 총 단면적이 감소되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
The method according to claim 5 or 6,
When the channel number is formed into three channels, the channel cross-section and the number of turns of the channel is increased at the same time the total cross-sectional area of the channel is reduced.
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