KR20140052406A - Separator and fuel cell having the same - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a separator and a fuel cell including same. The separator according to an aspect of the present invention is a separator that is provided inside the fuel cell, separates a fuel or an oxidizing agent which is supplied from an inlet side manifold, and discharges the fuel or the oxidizing agent to an outlet side manifold. The present invention includes a flat plate portion that is linked to at least one inlet side manifold and outlet side manifold; at least one first multi-division flow path portion that is arranged to be inclined on the surface of the flat plate portion and is divided in multiple to form a flow path through which the fuel or the oxidizing agent passes; and at least one second multi-division flow path portion that is arranged across the first multi-division flow path portion on the surface of the flat plate portion, is divided in multiple to cross and communicate with the first multi-division flow path portion, and forms a flow path into and through which a part of the fuel or the oxidizing agent passing through the first multi-division flow path portion flows in a mixed state and passes.

Description

분리판 및 이를 포함하는 연료전지 {SEPARATOR AND FUEL CELL HAVING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a separation plate and a fuel cell including the separator,

본 발명은 연료전지에서 연료를 분배하도록 제공된 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 연료를 고르게 분배하도록 하여 발전효율을 향상시키도록 한 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a separator plate for distributing fuel in a fuel cell, and more particularly, to a separator plate for uniformly distributing fuel of a fuel cell to improve power generation efficiency and a fuel cell including the separator .

일반적으로 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전시스템으로, 예컨대 아노드(anode)측에 수소연료가 공급되고, 캐소드(cathode)에는 공기가 주입되며, 이들의 반응시 발생하는 화학적 에너지를 이용하여 전기적 에너지로 변환한다.Generally, a fuel cell is a power generation system that converts the chemical energy of a fuel into electric energy, for example, hydrogen fuel is supplied to the anode side, air is injected to the cathode, Energy is converted into electrical energy.

이러한 연료전지는 작동온도, 전해질 종류에 따라 저온형, 고온형으로 구분할 수 있으며, 저온형은 주로 자동차 등에 사용되는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 대표적이며, 고온형은 MCFC(Molen Carbonate Fuel Cell), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)및 SOFC의 역반응을 이용한 SOEC(solid oxide electrolysis cell)이 대표적으로 사용된다.This type of fuel cell can be classified into low-temperature type and high-temperature type depending on the operating temperature and electrolyte type. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), which is mainly used for automobiles, is a representative example, and high temperature type is Molten Carbonate Fuel Cell ), SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), and SOEC (solid oxide electrolysis cell) using the reverse reaction of SOFC.

연료전지는 연료(수소)와 공기가 지속적으로 주입되는 과정에서 연속적인 발전이 가능하며, 연료의 경우 발전효율, 경제성을 고려하여 이용률을 높여야 상업적 가치를 높일 수 있다.Fuel cells are capable of continuous power generation in the process of continuously injecting fuel (hydrogen) and air. In the case of fuel, it is necessary to increase the utilization rate in consideration of power generation efficiency and economical efficiency to increase the commercial value.

종래의 연료전지용 분리판은 연료를 공급하는 매니폴드, 연료가 통과하는 홀, 연료의 분배가 이루어지는 유로(channel)를 포함하여 제공되며, 매니폴드, 홀, 유로 등의 인자의 디자인을 개선하여 연료의 이용률을 높일 수 있다.The conventional separator for a fuel cell is provided with a manifold for supplying fuel, a hole through which the fuel passes, and a channel through which the fuel is distributed, thereby improving the design of factors such as manifold, hole, Can be increased.

종래의 연료전지용 분리판은 연료 또는 산화제가 통과하는 유로가 직선형 구조로 이루어져 있고, 접촉면적의 증가를 위해 꺾인 형태로 제공된다. 이러한 유로는 연료를 분배하는데 한계가 있으며, 이에 따라 종래에는 매니폴드나 홀의 디자인을 통해 연료의 분배의 균일성을 향상시키는 기술이 개발되고 있다.In the conventional separation plate for a fuel cell, a flow path through which a fuel or an oxidant passes is linear, and is provided in a bent form for an increase in contact area. Such flow paths have limitations in distributing fuel, and accordingly, techniques for improving uniformity of fuel distribution through the design of manifolds and holes have been developed.

그러나, 종래에는 연료의 분배가 매니폴드와 홀의 디자인에 의존되고 있으며, 매니폴드와 홀 사이에 연료가 불균일하게 분배될 경우 연료의 흐름이 불균일해지는 요인이 되고 있어, 이에 대한 개선이 요구되고 있다.Conventionally, however, the distribution of the fuel depends on the design of the manifold and the hole. When the fuel is unevenly distributed between the manifold and the hole, the flow of the fuel becomes uneven, and improvement is required.

본 발명의 일 실시예는 매니폴드와 홀 사이를 통과한 연료가 유로를 통과하는 과정에서 분산 및 혼합이 이루어지도록 하여 능동적인 연료분배가 가능해지도록 구조를 개선한 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.In one embodiment of the present invention, there is provided a separator improved in structure so that fuel passing between a manifold and a hole is dispersed and mixed in a process of passing through the passage, thereby enabling active fuel distribution, and a fuel cell including the separator. The purpose is to provide.

본 발명의 일 측면에 따른 분리판은 연료전지의 내측에 제공되어 입측 매니폴드로부터 공급된 연료 또는 산화제를 분리하여 출측 매니폴드로 배출하는 분리판으로, 적어도 하나의 입측 매니폴드 및 출측 매니폴드와 연계되는 평판부; 평판부의 표면에 연료 또는 산화제의 진행방향에 대해 복수열의 제1유로를 형성하는 제1유로부; 및 제1유로부의 후단에서 연료 또는 산화제의 진행방향에 대해 복수열로 제공되되, 제1유로부의 후단에서 제1유로부의 제1유로 사이에 엇갈리게 배치되어 제1유로부의 제1유로를 통과한 연료 또는 산화제의 일부가 혼합 유입되며 통과하는 제2유로를 형성하는 제2유로부;를 포함한다.The separator according to one aspect of the present invention is a separator provided inside the fuel cell to separate the fuel or the oxidizer supplied from the inlet manifold and discharge the oxidizer to the outlet manifold. The separator includes at least one inlet manifold and an outlet manifold A flat plate portion connected thereto; A first flow path portion for forming a plurality of rows of first flow paths on the surface of the flat plate portion with respect to the traveling direction of the fuel or the oxidant; And a plurality of heat exchangers arranged in the downstream of the first flow path portion and arranged in a staggered manner between the first flow path portion and the downstream end of the first flow path portion, Or a portion of the oxidant is mixed and flows and forms a second flow path through which the oxidant flows.

여기서, 제1유로부의 제1유로 및 제2유로부의 제2유로는 각각 연료 또는 산화제가 통과하는 영역인 골부분과, 골부분의 양측을 구획하도록 제공되는 산부분을 포함하고, 제2유로의 산부분은 제1유로의 골부분 사이에 배치될 수 있다.Here, the first flow path of the first flow path portion and the second flow path portion of the second flow path portion each include a valley portion which is a region through which the fuel or the oxidizer passes, and an acid portion which is provided to divide both sides of the valley portion, The acid portion may be disposed between the valley portions of the first flow path.

또한, 제1유로와 제2유로의 산부분은 진행방향에 대해 양단부가 유선형 또는 곡선형으로 형성될 수 있다.Further, the acid portion of the first flow path and the second flow path may be formed at both ends in a streamline or curved shape with respect to the traveling direction.

또한, 분리판은 단면 또는 양면으로 제공될 수 있다.Further, the separator plate may be provided in one or both surfaces.

바람직하게는 분리판은 상, 하면이 대칭인 양면으로 제공될 수 있다.Preferably, the separator plate may be provided on both sides with the upper and lower sides being symmetrical.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지는 적어도 하나의 단위 셀유닛이 적층되어 제공되는 연료전지에 있어서, 단위 셀유닛은 프레임; 프레임의 내부에 마련되는 전술된 분리판; 및 분리판을 차폐토록 제공되며 프레임 내부 공간을 연료공급공간과 산화제공급공간으로 구획하는 분리막;을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising at least one unit cell unit stacked, wherein the unit cell unit comprises: a frame; The aforementioned separation plate provided inside the frame; And a separation membrane provided to shield the separator plate and partitioning the space inside the frame into a fuel supply space and an oxidant supply space.

여기서, 산화제는 산소가스를 포함하고, 연료는 수소가스를 포함하고, 분리막은 산소가스로부터 분리된 산소이온 또는 수소가스로부터 분리된 수소이온이 투과되는 전해질을 포함할 수 있다. Here, the oxidant includes oxygen gas, the fuel includes hydrogen gas, and the separation membrane may include an electrolyte through which oxygen ions separated from oxygen gas or hydrogen ions separated from hydrogen gas are transmitted.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 또는 산화제가 공급후, 분리판을 통과하는 과정에서 빠른 시간내에 균일하게 분배가 이루어질 수 있으므로, 연료 또는 산화제의 반응성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 연료이용률을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시예의 분리판은 연료 또는 산화제가 균일하게 분배되므로 연료 또는 산화제의 공급을 위한 매니폴드들의 설계제약요인을 줄일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since the fuel or the oxidizer can be uniformly distributed in a short period of time in the process of passing through the separator plate after the supply, the reactivity of the fuel or the oxidizer can be improved, Can be improved. In addition, the separator of this embodiment can reduce design constraints of the manifolds for the supply of fuel or oxidant because the fuel or oxidant is uniformly distributed.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판의 평면도.
도 3은 도 2의 A부분을 확대한 도면.
도 4는 일반적인 분리판에 공급된 산화제가 환원되는 과정을 시간순으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판에 공급된 산화제가 환원되는 과정을 시간순으로 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판이 적용된 연료전지의 단면도.1 is a perspective view of a separation plate according to an embodiment of the present invention;
2 is a plan view of a separation plate according to an embodiment of the present invention;
Fig. 3 is an enlarged view of a portion A in Fig. 2; Fig.
FIG. 4 is a view showing a process of reducing the oxidizing agent supplied to a general separation plate in a chronological order; FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating a process of reducing the oxidizing agent supplied to the separator according to an embodiment of the present invention in chronological order; FIG.
6 is a sectional view of a fuel cell to which a separator according to an embodiment of the present invention is applied.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The shape and the size of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity and the same elements are denoted by the same reference numerals in the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판의 평면도이다. 또한 도 3은 도 2의 A부분을 확대한 도면이다.FIG. 1 is a perspective view of a separation plate according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of a separation plate according to an embodiment of the present invention. 3 is an enlarged view of a portion A in Fig.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예의 분리판(10)은 연료전지의 내측에 제공되어 연료 또는 산화제의 이동을 안내하도록 제공될 수 있다.Referring to Figs. 1 to 3, the separator plate 10 of this embodiment is provided inside the fuel cell and can be provided to guide the movement of the fuel or oxidizer.

본 실시예에서 연료전지는 적어도 하나의 단위 셀유닛이 적층되어 제공될 수 있다. 이러한 단위 셀유닛은 적어도 하나의 분리판(10)을 포함하며, 분리판(10)으로 공급되는 연료와 산화제의 산화, 환원 반응에 의해 전기를 생산할 수 있다.In this embodiment, the fuel cell may be provided by stacking at least one unit cell unit. This unit cell unit includes at least one separator plate 10 and can produce electricity by oxidation and reduction reactions of the fuel and the oxidizer supplied to the separator plate 10.

이를 위해, 분리판(10)에는 연료와 산화제의 공급 또는 배출을 위한 입측 매니폴드(12)와 출측 매니폴드(14)가 마련될 수 있다.To this end, the separation plate 10 may be provided with an inlet manifold 12 and an outlet manifold 14 for supplying or discharging fuel and an oxidant.

여기서, 분리판(10)은 연료 또는 산화제의 이동을 안내할 수 있으며, 연료 또는 산화제가 이동하는 과정에서 균일하게 혼합되어 분배되도록 제공될 수 있다.Here, the separator 10 can guide the movement of the fuel or the oxidizer, and can be provided to be uniformly mixed and distributed in the process of moving the fuel or the oxidizer.

이를 위해, 분리판(10)은 적어도 하나의 입측 매니폴드(12) 및 출측 매니폴드(14)와 연계되는 평판부(16)를 포함할 수 있다.To this end, the separator plate 10 may include a flat plate portion 16 associated with at least one inlet manifold 12 and the outlet manifold 14.

일례로, 입측 매니폴드(12)와 출측 매니폴드(14)는 중심선을 기준으로 양측에 위치되며, 입측 매니폴드(12)와 출측 매니폴드(14)는 서로 엇갈리는 위치에 위치될 수 있다.For example, the inlet manifold 12 and the outlet manifold 14 may be positioned on both sides with respect to the center line, and the inlet manifold 12 and the outlet manifold 14 may be located at staggered positions.

즉, 입측 매니폴드(12) 사이의 중간위치에서 연장되는 선상에 출측 매니폴드(14)가 위치될 수 있다.That is, the output manifold 14 can be positioned on a line extending from an intermediate position between the inlet manifolds 12.

또한, 평판부(16)는 주변부를 차폐하도록 돌출된 단턱부(18)가 일체로 형성될 수 있다. 또한, 입측 매니폴드(12)와 출측 매니폴드(14)의 주변부에 제공되는 단턱부(18)는 연료 또는 산화제의 유동저항을 최소화하며, 연료 또는 산화제의 유동방향을 안내하기 위해 굴곡진 형태로 제공될 수 있다.In addition, the flat plate portion 16 may be formed integrally with the step portion 18 protruding to shield the peripheral portion. The stepped portion 18 provided at the periphery of the inlet side manifold 12 and the outlet side manifold 14 minimizes the flow resistance of the fuel or the oxidant and is bent in a bent shape to guide the flow direction of the fuel or the oxidant Can be provided.

또한, 평판부(16)의 표면에는 연료 또는 산화제의 이동을 위한 제1유로부(20) 및 제1유로부(20)와 교차로 배치되는 제2유로부(30)가 제공될 수 있다.The surface of the flat plate portion 16 may be provided with a first flow path portion 20 for the movement of a fuel or an oxidant and a second flow path portion 30 disposed to intersect with the first flow path portion 20.

여기서, 제1유로부(20)는 평판부의 표면에 진행방향에 대해 형성되는 복수열의 제1유로(22)를 포함할 수 있다.Here, the first flow path portion 20 may include a plurality of rows of first flow paths 22 formed on the surface of the flat plate portion with respect to the traveling direction.

또한, 제2유로부(30)는 제1유로부(20)의 후단에 연계되어 제1유로부(20)의 제1유로(22)를 통과한 연료 또는 산화제의 일부가 교차되어 혼합 유입되며 통과하는 제2유로(32)를 포함할 수 있다.The second flow path portion 30 is connected to the rear end of the first flow path portion 20 so that a part of the fuel or the oxidant passing through the first flow path portion 22 of the first flow path portion 20 is cross- And a second flow path 32 passing therethrough.

여기서, 제2유로부(30)는 제1유로부(20)의 후단에 연료 또는 산화제의 진행방향에 대해 복수열로 제공될 수 있으며, 제2유로부(30)의 제2유로(32)는 연료 또는 산화제의 일부가 교차되어 혼합 유입될 수 있도록 제1유로부(20)의 제1유로(22) 사이에 엇갈리게 배치될 수 있다.Here, the second flow path portion 30 may be provided in a plurality of rows with respect to the advancing direction of the fuel or the oxidant at the rear end of the first flow path portion 20, and the second flow path portion 32 of the second flow path portion 30, May be staggered between the first flow paths (22) of the first flow path portion (20) so that a part of the fuel or the oxidant may be mixed and introduced into the flow path.

즉, 제1유로부(20)의 제1유로(22)는 후단부에서 인접하는 다른 2개의 제2유로부(30)의 제2유로(32)와 연계될 수 있으며, 이에 따라 제1유로(22)를 통과한 연료 또는 산화제의 일부가 교차되며 제2유로(32)로 혼합 유입될 수 있으며, 이 과정을 반복하여 통과함에 따라 공급되는 연료 또는 산화제가 균일화될 수 있다.
That is, the first flow path 22 of the first flow path portion 20 can be connected to the second flow path 32 of the two adjacent second flow path portions 30 at the rear end portion, A portion of the fuel or the oxidant passing through the first passage 22 may be crossed and mixed with the second passage 32. The fuel or the oxidant may be uniformed as the passage of the fuel or the oxidant is repeated.

보다 상세하게는 도 3을 참고하면, 본 실시예에서 제1유로부(20)의 제1유로(22) 및 제2유로부(30)의 제2유로(32)는 각각 연료 또는 산화제가 통과하는 영역인 골부분(22a, 32a)과, 이 골부분(22a, 32a)의 양측을 구획하도록 제공되는 산부분(22b, 32b)을 포함할 수 있다.3, in the present embodiment, the first flow path 22 of the first flow path portion 20 and the second flow path 32 of the second flow path portion 30 are formed by passing fuel or oxidizing agent And the mountain portions 22b and 32b provided to divide both sides of the valley portions 22a and 32a.

또한, 제2유로(32)의 산부분(32b)은 제1유로(22)의 골부분(22a) 사이에 배치될 수 있다.The acid portion 32b of the second flow path 32 may be disposed between the valley portions 22a of the first flow path 22.

이때, 제1유로(22)와 제2유로(32)의 산부분(22b, 32b)은 진행방향에 대해 양단부가 유선형 또는 곡선형으로 형성될 수 있다. 따라서, 제1유로(22) 또는 제2유로(32)를 통해 공급 또는 유입되는 연료 또는 산화제는 산부분(22b, 32b)과의 유로저항이 최소화되며 공급될 수 있다.At this time, the acid portions 22b and 32b of the first flow path 22 and the second flow path 32 may be formed at both ends in a streamline or curved shape with respect to the traveling direction. Therefore, the fuel or the oxidant supplied or introduced through the first flow path 22 or the second flow path 32 can be supplied with the flow path resistance with the acid portions 22b, 32b being minimized.

또한, 제1유로부(20)의 제1유로(22)로부터 공급되는 연료 또는 산화제는 제2유로부(30)의 인접하는 2개의 제2유로(32)와 연계되어 연료 또는 산화제를 분배하며 공급할 수 있다.The fuel or the oxidant supplied from the first flow path 22 of the first flow path portion 20 distributes the fuel or the oxidizer in association with the adjacent two second flow paths 32 of the second flow path portion 30 Can supply.

일례로 본 실시예에서 제1유로부(20)의 어느 하나의 제1유로(22)를 통과한 연료 또는 산화제는 일부가 제2유로부(30)의 어느 하나의 제2유로(32)로 공급되고, 나머지는 인접하는 다른 하나의 제2유로(32)로 분배되며 공급될 수 있다.For example, in the present embodiment, the fuel or the oxidant that has passed through any one of the first flow paths 22 of the first flow path portion 20 partially flows into any one of the second flow paths 32 of the second flow path portion 30 And the remainder may be distributed to and supplied to the other adjacent second flow path 32. [

또한, 제2유로부(30)의 후단에는 제1유로부(20)가 교차하여 배치될 수 있으며, 이에 따라 제2유로부(30)를 통과한 연료 또는 산화제는 일부가 제1유로부(20)의 어느 하나의 제1유로(22)로 공급되고, 나머지는 인접하는 다른 하나의 제1유로(22)로 분배되며 공급되는 과정을 반복하며 연료 또는 산화제를 균일하게 재분배할 수 있다.The first passage portion 20 may be disposed at the rear end of the second passage portion 30 so that the fuel or the oxidant that has passed through the second passage portion 30 may partially pass through the first passage portion 20 and the remainder is distributed and supplied to the adjacent one of the first flow paths 22, so that the fuel or the oxidizer can be uniformly redistributed.

예컨대, 제1유로부(20)의 제1유로(22) 중 어느 하나의 제1유로(22)로부터 공급되는 연료량(X11)이 '100'이라고 가정할 경우, 제2유로부(30)의 제2유로(32) 중 어느 하나의 제2유로(32)에는 약 '50'의 연료량(x1)만이 공급되며, 다른 하나의 제2유로(32)에는 나머지인 약 '50'의 연료량(x1)이 공급될 수 있다.For example, when it is assumed that the fuel amount X 11 supplied from any one of the first flow paths 22 of the first flow paths 20 is '100', the second flow path portion 30, Only one fuel amount x 1 is supplied to any one of the second flow paths 32 of the first flow path 32 and the remaining amount of fuel 50 is supplied to the other second flow path 32. [ (x 1 ) may be supplied.

한편, 제1유로부(20)의 다른 하나의 제1유로(22)에서 공급되는 '100'의 연료량(X22)은 제2유로부(30)의 어느 하나의 제2유로(32)로 '50'의 연료량(x2)을 공급하며, 이에 따라 어느 하나의 제2유로(32)에는 총량 '100'의 연료량(X12)이 공급될 수 있다. On the other hand, the fuel amount X 22 of '100' supplied from the first one of the first flow paths 22 of the first flow path portion 20 is supplied to one of the second flow paths 32 of the second flow path portion 30 supplying a quantity of fuel (x 2) of '50', and thus can be supplied to any one of the second amount of fuel (12 x), the total amount of the "100" channel 32.

또한, 제1유로부(20)의 다른 하나의 제1유로(22)에서 공급되는 나머지 '50'의 연료량(x2)은 또 다른 제2유로(32)로 공급될 수 있다. 또한, 제2유로부(30)의 다른 제2유로(32)는 제1유로부(20)의 또 다른 하나의 제1유로(22)로부터 공급되는 '50'의 연료량(x3)이 혼합되며, 이에 따라 총량 '100'의 연료량(X23)을 통과시킬 수 있다.
The remaining fuel amount x 2 supplied from the other one of the first flow paths 22 of the first flow path portion 20 may be supplied to another second flow path 32. The other second flow path 32 of the second flow path portion 30 is configured such that the fuel amount x 3 of '50' supplied from the other first flow path 22 of the first flow path portion 20 is mixed So that the fuel amount X 23 of the total amount of 100 can be passed.

도 4는 일반적인 분리판에 공급된 산화제가 환원되는 과정을 시간순으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판에 공급된 산화제가 환원되는 과정을 시간순으로 도시한 도면이다.FIG. 4 is a view illustrating a process of reducing the oxidizing agent supplied to a separating plate in a chronological order, and FIG. 5 is a view showing a process of reducing the oxidizing agent supplied to the separating plate according to an embodiment of the present invention in chronological order .

본 실시예의 분리판(10)은, 입측 매니폴드(12)를 통해 유입된 연료 또는 산화제가 하류측으로 흘러 이동하는 과정에서 제1유로부(20) 및 제2유로부(30)를 반복적으로 교차하여 통과하게 된다.The separator 10 of the present embodiment repeatedly crosses the first flow path portion 20 and the second flow path portion 30 in the process of flowing the fuel or the oxidant flowing through the inlet manifold 12 to the downstream side, .

일반적인 분리판(10)에 공급되는 산화제가 환원되는 과정을 시각적으로 도시한 도면인 도 4를 참고하면, 일반적인 분리판(10)은 5%의 산화제는 입측 매니폴드(12)와 인접한 부분에는 비교적 균일하게 확산되어 공급되나, 입측 매니폴드(12)와 먼 부분으로는 균일하게 공급되지 않고 있음을 알 수 있다.4, which is a diagram showing a process of reducing oxidizing agent supplied to a general separating plate 10, a general separating plate 10 has a structure in which a 5% It can be seen that the gas is uniformly diffused and supplied but is not uniformly supplied to the portion far from the inlet manifold 12.

이러한 일반적인 분리판(10)은 산화제가 전체적으로 균일하게 공급되기까지 약 30분 정도의 시간이 소요됨을 알 수 있다.It can be seen that it takes about 30 minutes for the general separation plate 10 to uniformly supply the oxidizing agent as a whole.

반면에 도 5는 본 실시예의 분리판(10)으로, 5%의 산화제는 입측 매니폴드(12)로 공급된 후, 제1유로부(20)의 제1유로(22)를 통과하여 제2유로부(30)의 제2유로(32)로 공급되는 과정에서 분배와 혼합이 일어나며, 이에 따라 전체적으로 균일하게 공급되고 있음을 알 수 있다.5 is a sectional view of the separator 10 according to the present embodiment in which 5% of the oxidant is supplied to the inlet manifold 12 and then passes through the first flow path 22 of the first flow path portion 20, Distribution and mixing are performed in the process of being supplied to the second flow path 32 of the flow path portion 30, and thus, it can be understood that the whole is uniformly supplied.

이와 같이, 본 실시의 분리판(10)은 5%의 산화제가 공급된 후, 전체적으로 균일하게 공급되기까지 약 5분 정도의 시간이 소요됨을 알 수 있다.As described above, it is found that about 5 minutes is required for the separation plate 10 of the present embodiment to uniformly supply the oxidizing agent after 5% of the oxidizing agent is supplied.

이러한 분리판(10)은 단위 셀 유닛에 적층되는 구조에 따라 단면 또는 양면으로 제공될 수 있다. 즉, 분리판(10)은 단면 또는 양면에 제1유로부(20)와 제2유로부(30)가 각각 제공될 수 있으며, 각각에 입측 매니폴드(12) 또는 출측 매니폴드(14)가 연계될 수 있다.Such a separator plate 10 may be provided in a cross-section or on both sides depending on the structure to be laminated on the unit cell unit. That is, the separation plate 10 may be provided with a first flow path portion 20 and a second flow path portion 30 on one or both surfaces thereof, and the inlet manifold 12 or the outlet manifold 14 may be provided Can be linked.

바람직하게는 분리판(10)은 양면으로 제공될 수 있으며, 상, 하면이 대칭으로 제공될 수 있다. 따라서, 분리판(10)이 대칭으로 제공됨에 따라 예컨대 상면에는 연료가 공급될 수 있고, 하면에는 산화제가 공급될 수 있으며, 이를 위해 각각의 입측 매니폴드(12)와 출측 매니폴드(14)의 위치가 적절하게 배치되도록 설계하는 것이 바람직하다.
Preferably, the separator plate 10 may be provided on both sides, and the upper and lower surfaces may be provided symmetrically. Accordingly, as the separator 10 is provided symmetrically, fuel can be supplied, for example, to the upper surface, and oxidant can be supplied to the lower surface of the separator 10. For this purpose, the inlet manifold 12 and the outlet manifold 14 It is preferable to design such that the position is properly arranged.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판(10)이 적용된 연료전지의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of a fuel cell to which a separation plate 10 according to an embodiment of the present invention is applied.

도 6을 참고하면, 연료전지(100)는 적어도 하나의 단위 셀유닛(110)이 적층되어 제공될 수 있으며, 여기서 단위 셀유닛(110)은 단위전지(120)와, 단위전지(120)의 가장자리에 고정되어 단위전지(120)를 지지하는 프레임(130)과, 단위전지(120)와 프레임(130)의 양측에 배치된 한 쌍의 분리판(10)을 포함할 수 있다.6, the fuel cell 100 may be provided by stacking at least one unit cell unit 110, wherein the unit cell unit 110 includes a unit cell 120, And a pair of separation plates 10 disposed on both sides of the unit cell 120 and the frame 130. The frame 130 supports the unit cell 120,

본 실시예의 연료전지(100)는, 일례로 고체산화물 연료전지(100)(Solid oxide fuel cell, SOFC)를 포함할 수 있다.The fuel cell 100 of the present embodiment may include, for example, a solid oxide fuel cell 100 (SOFC).

이러한 연료전지(100)에 활용되는 단위 셀유닛(110)은 공급되는 전압을 증가시키기 적층되어 연결될 수 있다.The unit cell units 110 used in the fuel cell 100 may be stacked and connected to increase the supplied voltage.

단위전지(120)는 분리막(121)과, 분리막(121)의 일면에 형성된 공기극(122)과, 분리막(121)의 다른 일면에 형성된 연료극(123)을 포함할 수 있다. 공기극(122)의 외측에는 공기극 집전체(124)와 분리판(10), 즉 제1분리판(10a)이 위치하고, 연료극(123)의 외측에는 연료극 집전체(125)와 분리판(10), 즉 제2분리판(10b)이 위치한다.The unit cell 120 may include a separator 121, an air electrode 122 formed on one surface of the separator 121, and a fuel electrode 123 formed on the other surface of the separator 121. An air electrode collector 124 and a separator plate 10 or a first separator plate 10a are positioned outside the air electrode 122 and a fuel electrode collector 125 and a separator plate 10 are disposed outside the fuel electrode 123. [ That is, the second separation plate 10b.

공기극 집전체(124)와 마주하는 제1분리판(10a)의 일면에는 공기유로가 형성되어 공기극(122)으로 공기를 전달한다. 연료극 집전체(125)와 마주하는 제2분리판(10b)의 일면에는 연료유로가 형성되어 연료극(123)으로 연료를 전달한다.An air passage is formed on one surface of the first separator plate 10a facing the air electrode collector 124 to transmit air to the air electrode 122. [ A fuel flow path is formed on one surface of the second separation plate 10b facing the fuel electrode collector 125 to transfer fuel to the fuel electrode 123. [

본 실시예에서 연료는 수소가스를 포함할 수 있다. 또한, 산화제는 산소가스를 포함할 수 있다.In this embodiment, the fuel may include hydrogen gas. Further, the oxidizing agent may include oxygen gas.

더불어, 산소가스는 순산소가 사용되는 것도 가능하며 본 실시예에서는 산소가스를 포함하는 있는 대기, 즉 공기를 사용하는 것도 가능하다.In addition, it is also possible that pure oxygen is used as the oxygen gas, and in this embodiment, it is also possible to use an atmosphere containing oxygen gas, that is, air.

또한, 분리막(121)은 치밀하게 구성되어 연료와 공기의 투과를 차단하며, 전자전도성은 없으나 산소이온은 투과할 수 있는 전해질을 포함할 수 있다.In addition, the separator 121 may include an electrolyte that is dense and configured to shut off the permeation of fuel and air, and which is not electronically conductive but can transmit oxygen ions.

또한, 공기극(122)과 연료극(123)은 공기와 연료가스가 잘 확산 공급되도록 다공질로 구성되고, 높은 전자전도성을 갖는 물질로 형성될 수 있다.The air electrode 122 and the fuel electrode 123 may be formed of a porous material so that air and fuel gas are diffused and supplied, and may be formed of a material having high electron conductivity.

공기극(122)은 음극(cathode)으로 대전되거나 촉매로 제공될 수 있으며, 이에 따라 공기극(122)에 의해 주변의 공기에 포함된 산화제, 즉 산소가 환원반응에 의해 전자와 분리되며 산소이온으로 바뀐다. 그리고, 산소이온은 분리막(121)을 통과하여 연료극(123)으로 이동된 후 연료가스인 수소가스와 산화반응에 의해 물(H20)을 생성하며, 이 과정에서 전자를 발생시킨다. 이러한 반응과정은 다음의 화학식 1과 같다.
The air electrode 122 can be charged with a cathode or can be provided with a catalyst so that the oxidant contained in the surrounding air, that is, oxygen, is separated from the electrons by the reduction reaction and converted into oxygen ions by the air electrode 122 . The oxygen ions pass through the separation membrane 121, move to the fuel electrode 123, and generate water (H 2 O) by an oxidation reaction with hydrogen gas, which is a fuel gas. In this process, electrons are generated. This reaction process is represented by the following formula (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

한편, 공기극 집전체(124)는 공기극(122)의 기계적 강도를 높이면서 공기극(122)과 제1분리판(10a)이 전기를 잘 통하도록 이들의 접촉성능을 보강하는 역할을 한다. 연료극 집전체(125) 또한 연료극(123)의 기계적 강도를 높이면서 연료극(123)과 제2분리판(10b)이 전기를 잘 통하도록 이들의 접촉성능을 보강하는 역할을 한다. 공기극 집전체(124)와 연료극 집전체(125)는 금속 발포체일 수 있으며, 제1분리판(10a)과 제2분리판(10b)은 금속으로 제조될 수 있다.
On the other hand, the air electrode current collector 124 enhances mechanical strength of the air electrode 122 and reinforces the contact performance of the air electrode 122 and the first separator 10a so as to allow electricity to pass through. The anode current collector 125 also enhances the mechanical strength of the anode electrode 123 and reinforces the contact performance of the anode electrode 123 and the second separator 10b so as to allow electricity to flow well. The cathode current collector 124 and the anode current collector 125 may be metal foams and the first and second separation plates 10a and 10b may be made of metal.

프레임(130)은 접합층(132)에 의해 단위전지(120)의 가장자리에 부착되어 단위전지(120)를 지지할 수 있다. 프레임(130)은 금속으로 제조되고, 접합층(132)은 유리 계열 물질, 예를 들어 글라스 프릿(Glass Frit)을 포함할 수 있다. 그리고 프레임(130)과 제1분리판(10a) 사이 및 프레임(130)과 제2분리판(10b) 사이에는 밀봉재(134)가 위치하여 단위전지(120)로 공급된 공기와 연료가스의 누출을 방지할 수 있다. 밀봉재(134)는 접합층(132)과 같은 물질, 즉 글라스 프릿으로 제공될 수 있다.The frame 130 may be attached to the edge of the unit cell 120 by the bonding layer 132 to support the unit cell 120. The frame 130 may be made of metal and the bonding layer 132 may comprise a glass-based material, for example, glass frit. A sealing material 134 is disposed between the frame 130 and the first separator 10a and between the frame 130 and the second separator 10b to prevent leakage of air and fuel gas Can be prevented. The sealing material 134 may be provided with the same material as the bonding layer 132, i.e., as a glass frit.

단위전지(120)에서 공기극(122)과 공기극 집전체(124)는 연료극(123) 및 연료극 집전체(125)보다 작은 크기로 형성되고, 공기극(122)과 공기극 집전체(124)의 둘레를 따라 분리막(121) 위로 접합층(132)이 위치할 수 있다. 프레임(130)은 단위전지(120)를 향한 일측에 접합층(132) 전체와 분리막(121)의 일부 및 연료극(123)의 일부를 수용하는 절개부(131)를 형성할 수 있다. 이로써 프레임(130)은 접합층(132)에 밀착 고정되는 고정부(130a)와, 고정부(130a)를 지지하는 지지부(130b)로 구분될 수 있다.The air electrode 122 and the air electrode collector 124 of the unit cell 120 are formed to be smaller in size than the fuel electrode 123 and the fuel electrode collector 125 and the air electrode 122 and the periphery of the air electrode collector 124 Accordingly, the bonding layer 132 may be positioned above the separation membrane 121. The frame 130 may form a cutout 131 that receives the entirety of the bonding layer 132, a part of the separation membrane 121, and a part of the fuel electrode 123 on one side toward the unit cell 120. The frame 130 may be divided into a fixing portion 130a which is fixedly attached to the bonding layer 132 and a supporting portion 130b which supports the fixing portion 130a.

고정부(130a)는 단위전지(120)의 두께방향을 따라 접합층(132)과 중첩되며, 제1의 두께(t1)를 가진다. 지지부(130b)는 고정부(130a)의 외측에서 한 쌍의 밀봉재(134) 사이에 위치하고, 고정부(130a)의 두께보다 큰 제2의 두께(t2)를 가질 수 있다.The fixing portion 130a overlaps the bonding layer 132 along the thickness direction of the unit cell 120 and has a first thickness t1. The supporting portion 130b may be located between the pair of sealing materials 134 on the outer side of the fixing portion 130a and may have a second thickness t2 larger than the thickness of the fixing portion 130a.

이때 연료극(123)이 프레임(130)과 접촉하지 않도록 서로 마주하는 지지부(130b)의 측면간 거리는 연료극(123)의 폭보다 크게 형성할 수 있다. 그리고, 절개부(131)의 수직 높이, 즉 단위전지(120)와 마주하는 지지부(130b)의 측면 높이는 접합층(132)과 분리막(121) 및 연료극(123)의 두께를 합한 값보다 작은 값으로 형성되어 프레임(130)과 연료극 집전체(125)가 접촉하지 않도록 한다.At this time, the distance between the side surfaces of the support portion 130b facing each other may be larger than the width of the fuel electrode 123 so that the fuel electrode 123 does not contact the frame 130. The vertical height of the cutout portion 131, that is, the side height of the support portion 130b facing the unit cell 120 is set to a value smaller than the sum of the thicknesses of the bonding layer 132, the separation membrane 121 and the fuel electrode 123 So that the frame 130 and the anode current collector 125 are not in contact with each other.

단위전지(120), 접합층(132), 프레임(130), 밀봉재(134) 및 한 쌍의 분리판(10)은, 도 6에 도시한 순서로 적층되고, 고온에서 가압되어 일체로 조립된다. 이때 밀봉재(134)는 고온에서 소정의 점성을 가지면서 가스 투과를 차단하는 기능을 한다.The unit cell 120, the bonding layer 132, the frame 130, the sealing material 134, and the pair of separation plates 10 are stacked in the order shown in Fig. 6, pressed at a high temperature, . At this time, the sealing material 134 has a function of blocking gas permeation while having a predetermined viscosity at a high temperature.

이 과정에서 단위전자와 프레임(130)의 접합을 원활하게 할 수 있도록 제1분리판(10a)의 내면에 제1유로부(20) 및 제2유로부(30)가 형성될 수 있다.In this process, the first flow path portion 20 and the second flow path portion 30 may be formed on the inner surface of the first partition plate 10a so as to facilitate the bonding of the unit electrons and the frame 130. [

돌출부는 프레임(130)의 고정부(130a) 및 지지부(130b)의 일부와 마주하도록 형성될 수 있다. 따라서, 제1분리판(10a)의 외측에서 돌출부가 형성된 부위로 압력을 강하게 가하면, 돌출부가 프레임(130)과 접합층(132)으로 압력을 전달하여 프레임(130)이 단위전지(120)에 견고하게 고정되도록 할 수 있다.
The projecting portion may be formed to face the fixed portion 130a of the frame 130 and a part of the support portion 130b. Therefore, when the pressure is strongly applied to the portion where the protrusion is formed on the outer side of the first separator 10a, the protrusion transmits pressure to the frame 130 and the bonding layer 132, It can be fixed firmly.

한편, 본 실시예에서 연료전지는 산소이온이 분리막을 투과하여 이동함에 따라 전기가 발생하는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 분리막의 전해질 종류 등에 따라 수소이온이 분리막을 투과하여 이동함에 따라 전기가 발생하는 것도 가능하다.However, the present invention is not limited thereto. Depending on the kind of the electrolyte of the separation membrane, etc., as the hydrogen ions pass through the separation membrane, It is also possible to occur.

이때에 연료전지에서 발생하는 반응식은 화학식 2와 같다.
The reaction formula generated in the fuel cell at this time is represented by the general formula (2).

Figure pat00002
Figure pat00002

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and their equivalents. It will be clear to those who have knowledge.

10: 분리판 12: 입측 매니폴드
14: 출측 매니폴드 16: 평판부
18: 단턱부 20: 제1유로부
22: 제1유로 22a: 골부분
22b: 산부분 30: 제2유로부
32: 제2유로 32a: 골부분
32b: 산부분10: separator plate 12: inlet manifold
14: output manifold 16: flat plate section
18: step portion 20: first flow portion
22: first flow path 22a:
22b: acid portion 30: second flow path portion
32: second flow path 32a:
32b: Mountain portion

Claims (7)

연료전지의 내측에 제공되어 입측 매니폴드로부터 공급된 연료 또는 산화제를 분리하여 출측 매니폴드로 배출하는 분리판으로,
적어도 하나의 입측 매니폴드 및 출측 매니폴드와 연계되는 평판부;
상기 평판부의 표면에 연료 또는 산화제의 진행방향에 대해 복수열의 제1유로를 형성하는 제1유로부; 및
상기 제1유로부의 후단에서 연료 또는 산화제의 진행방향에 대해 복수열로 제공되되, 상기 제1유로부의 후단에서 상기 제1유로부의 제1유로 사이에 엇갈리게 배치되어 상기 제1유로부의 제1유로를 통과한 연료 또는 산화제의 일부가 혼합 유입되며 통과하는 제2유로를 형성하는 제2유로부;
를 포함하는 분리판.
A separation plate provided on the inside of the fuel cell for separating the fuel or the oxidizer supplied from the inlet manifold and discharging the fuel or the oxidizer to the outlet manifold,
A flat plate portion connected to at least one of the inlet manifold and the outlet manifold;
A first flow path portion forming a plurality of rows of first flow paths on the surface of the flat plate portion with respect to a traveling direction of fuel or oxidant; And
Wherein the first flow path is provided in a plurality of rows with respect to a traveling direction of the fuel or the oxidant at the rear end of the first flow path portion and the first flow path is disposed staggered between the first flow path of the first flow path portion and the rear end of the first flow path portion, A second flow path forming a second flow path through which a part of the passed fuel or the oxidizing agent is mixed and flows;
.
청구항 1에 있어서,
상기 제1유로부의 제1유로 및 상기 제2유로부의 제2유로는 각각 연료 또는 산화제가 통과하는 영역인 골부분과, 상기 골부분의 양측을 구획하도록 제공되는 산부분을 포함하고,
상기 제2유로의 산부분은 상기 제1유로의 골부분 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 분리판.
The method according to claim 1,
Wherein the first flow path of the first flow path portion and the second flow path portion of the second flow path portion each include a valley portion that is a region through which fuel or oxidant passes and an acid portion that is provided to partition both sides of the valley portion,
And the acid portion of the second flow path is disposed between the valley portions of the first flow path.
청구항 2에 있어서,
상기 제1유로와 상기 제2유로의 산부분은 진행방향에 대해 양단부가 유선형 또는 곡선형으로 형성된 것을 특징으로 하는 분리판.
The method of claim 2,
Wherein the mountain portion of the first flow path and the second flow path are formed at both ends in a streamline or curved shape with respect to the traveling direction.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리판은 단면 또는 양면으로 제공된 것을 특징으로 하는 분리판.
The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the separating plate is provided in one or both sides.
청구항 4에 있어서,
상기 분리판은 상, 하면이 대칭인 양면으로 제공되는 것을 특징으로 하는 분리판.
The method of claim 4,
Wherein the separating plate is provided on both sides whose upper and lower surfaces are symmetrical.
적어도 하나의 단위 셀유닛이 적층되어 제공되는 연료전지에 있어서,
상기 단위 셀유닛은
프레임;
상기 프레임의 내부에 마련되는 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 분리판; 및
상기 분리판을 차폐토록 제공되며 상기 프레임 내부 공간을 연료공급공간과 산화제공급공간으로 구획하는 분리막;
을 포함하는 연료전지.
1. A fuel cell in which at least one unit cell unit is stacked,
The unit cell unit
frame;
A separation plate according to any one of claims 1 to 3 provided inside the frame; And
A separation membrane provided for shielding the separator plate and dividing the space inside the frame into a fuel supply space and an oxidant supply space;
. ≪ / RTI >
청구항 6에 있어서,
상기 산화제는 산소가스를 포함하고,
상기 연료는 수소가스를 포함하고,
상기 분리막은 상기 산소가스로부터 분리된 산소이온 또는 상기 수소가스로부터 분리된 수소이온이 투과되는 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.The method of claim 6,
Wherein the oxidant comprises an oxygen gas,
Wherein the fuel comprises hydrogen gas,
Wherein the separation membrane comprises an electrolyte through which oxygen ions separated from the oxygen gas or hydrogen ions separated from the hydrogen gas permeate.
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JPH09147884A (en) * 1995-11-22 1997-06-06 Tokyo Gas Co Ltd Flat solid electrolyte fuel cell
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