KR20160017316A - 연료전지용 분리판 및 이를 갖는 고온형 고분자 전해질 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작동 시 온도 분포가 일정하고 연료전지의 작동 성능을 향상시킬 수 있는 개선된 구조의 연료전지용 분리판 및 이를 갖는 고온형 고분자 전해질 연료전지를 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 의한 연료전지용 분리판은, 판형 몸체와, 몸체의 한쪽 측면에 마련되는 입구와, 몸체의 한쪽 측면에 상기 입구와 나란하게 배치되는 출구와, 상기 입구에서 시작하여 상기 몸체의 중앙부를 통과하여 상기 출구까지 연장되도록 상기 몸체의 일면에 구불구불하게 마련되는 사행형(蛇行形) 유로를 포함한다. 본 발명에 의한 분리판은 전면적에 걸쳐 가스 분포가 균일하게 나타나는 가스 유동 구조를 가지므로, 온도 분포 및 전류 분포가 전체적으로 균일하게 나타나고, 이에 의해 연료전지의 성능 및 신뢰성을 향상시킨다.

Description

연료전지용 분리판 및 이를 갖는 고온형 고분자 전해질 연료전지{Separator for Fuel Cell and High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Having the Same}

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스를 안내하기 위한 유로를 갖는 연료전지용 분리판 및 이를 갖는 고온형 고분자 전해질 연료전지에 관한 것이다.

연료전지(fuel Cell) 기술은 수소, 산소와 같이 지구 상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 새로운 친환경적 미래형 에너지 기술로서 오늘날 관심이 집중되고 있는 기술 중 하나이다.

연료전지의 원리는 수소와 산소가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 것으로서, 음극(cathode), 양극(anode) 및 이들 사이에 수용되는 전해질로 구성된다. 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기와 열, 물이 발생하게 되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 얻을 수 있다. 이와 같은 연료전지는 그 전해질 종류에 따라 인산 연료전지(PAFC), 용융 탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 메탄올 연료전지(DMFC), 알칼리 연료전지(AFC) 등이 있다.

이 중에서 고분자 전해질형 연료전지는 전해질이 액체가 아닌 고체 고분자 중합체로써 다른 연료전지와는 구별된다. 고분자 전해질형 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크고, 시동 시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 갖는 장점이 있어 다양한 분야에 응용된다. 고분자 전해질 연료전지의 연료로는 수소를 연료극(음극)에, 공기를 산화극(양극)에 사용하는 것이 가장 실용적인 것으로 평가되고 있다. 수소를 직접 탑재하여 연료로 사용하는 것보다는 안전성을 고려하여 천연가스, 가솔린, 메탄올 등의 원료로부터 부분 산화(partial oxidation), 증기 개질(steam reforming) 및 분해(decomposition) 등의 반응을 통하여 수소를 생산하는 방식이 채택되고 있다.

일반적인 고분자 전해질형 연료전지가 60~80℃에서 작동하는 것에 비해, 고온형 고분자 전해질 연료전지(HT-PEMFC)는 120℃ 이상의 높은 온도에서 작동하는 것이다. 고온형 고분자 전해질 연료전지는 높은 작동 온도로 인해 일산화탄소와 같은 연료에 포함되어 있는 오염물질에 대한 저항성 증가, 연료전지 반응 속도 증가, 저가습 혹은 무가습 상태 운전에 의한 물 관리 장치의 단순화 등의 장점이 있어 최근 많은 연구가 진행되고 있다.

실제 고분자 전해질 연료전지는 높은 전력을 내기 위해 막전극복합체(MEA)와 분리판을 여러 장 적층한 스택(stack) 구조로 만들어진다. 막전극복합체는 전해질이 함유된 전해질판과 연료극 및 공기극을 일체형으로 구성한 것이다. 분리판은 막전극복합체에 수소와 공기를 균일하게 공급되도록 하고, 전기적으로는 막전극복합체를 연결하여 전력을 높이는 역할을 한다.

분리판은 연료 또는 공기를 안내하는 유로를 갖는다. 분리판은 공급되는 연료를 내부로 골고루 확산시키는 구조를 가져야 하며, 이를 통해 내부에서의 전류 분포 및 온도 분포를 일정하게 함으로써 연료전지 성능 및 신뢰성을 확보할 수 있다.

그런데 종래 분리판은 고온형 고분자 전해질 연료전지에 적용할 경우, 가스가 유로를 따라 흐르며 화학반응을 통해 열이 축적되어 가스 유입 채널에 비하여 가스 배출 채널의 온도가 과도하게 높아지는 문제가 있고, 온도 분포가 불균일하게 나타나 연료전지의 성능을 저하시키는 원인을 제공한다.

본 발명은 상술한 것과 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 작동 시 온도 분포가 균일하고 연료전지의 작동 성능을 향상시킬 수 있는 개선된 구조의 연료전지용 분리판 및 이를 갖는 고온형 고분자 전해질 연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전기화학 반응을 촉진함으로써 효율을 향상시킬 수 있는 개선된 구조의 고온형 고분자 전해질 연료전지를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의한 연료전지용 분리판은, 판형 몸체와, 상기 몸체의 한쪽 측면에 마련되는 입구와, 상기 몸체의 한쪽 측면에 상기 입구와 나란하게 배치되는 출구와, 상기 입구에서 시작하여 상기 몸체의 중앙부를 통과하여 상기 출구까지 연장되도록 상기 몸체의 일면에 구불구불하게 마련되는 사행형(蛇行形) 유로를 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의한 연료전지용 분리판은, 판형 몸체와, 상기 몸체의 중간에 상기 몸체의 일면에서 타면을 관통하도록 마련되는 입구와, 상기 몸체의 측면에 상호 이격되도록 마련되는 복수의 출구와, 상기 입구에서 분기되어 상기 복수의 출구 각각에 연결되도록 상기 몸체의 일면에 구불구불하게 마련되는 복수의 사행형 유로를 포함한다.

상기 몸체의 일면에서 상기 복수의 사행형 유로를 통한 가스의 유동 영역은 상기 각각의 사행형 유로에 의해 균등 분할될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 의한 연료전지용 분리판은, 판형 몸체와, 상기 몸체의 중간에 상기 몸체의 일면에서 타면을 관통하도록 마련되는 입구와, 상기 입구로부터 이격된 상기 몸체의 중간중간에 상호 이격되도록 상기 몸체의 일면에서 타면을 관통하여 마련되는 복수의 출구와, 상기 입구에서 분기되어 상기 복수의 출구 각각에 연결되도록 상기 몸체의 일면에 구불구불하게 마련되는 복수의 사행형 유로를 포함한다.

상기 몸체의 일면에서 상기 복수의 사행형 유로를 통한 가스의 유동 영역은 상기 각각의 사행형 유로에 의해 균등 분할될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의한 고온형 고분자 전해질 연료전지는, 전해질이 함유된 전해질판의 양쪽 면에 연료극 및 공기극이 결합되어 이루어진 막전극복합체와, 상기 막전극복합체의 양쪽면에 각각 결합되는 한 쌍의 분리판을 포함하고, 상기 분리판은, 판형 몸체와, 상기 몸체의 한쪽 측면에 마련되는 입구와, 상기 몸체의 한쪽 측면에 상기 입구와 나란하게 배치되는 출구와, 상기 입구에서 시작하여 상기 몸체의 중앙부를 통과하여 상기 출구까지 연장되도록 상기 몸체의 일면에 구불구불하게 마련되는 사행형 유로를 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의한 고온형 고분자 전해질 연료전지는, 전해질이 함유된 전해질판에 연료극 및 공기극이 결합된 막전극복합체의 양쪽 면에 분리판이 결합된 단위 전지가 복수로 적층된 스택(stack)과, 상기 스택 내부에 가스를 공급하기 위해 상기 스택에 연결되는 유입 라인과, 상기 스택 내부로부터 가스를 배출하기 위해 상기 스택에 연결되는 배출 라인과, 상기 유입 라인을 따라 유동하는 유입 가스와 상기 배출 라인을 따라 유동하는 배출 가스를 열교환시키기 위해 상기 유입 라인과 상기 배출 라인을 연결하는 열교환기를 포함하고, 상기 스택의 분리판은, 판형 몸체와, 상기 몸체의 한쪽 측면에 마련되는 입구와, 상기 몸체의 한쪽 측면에 상기 입구와 나란하게 배치되는 출구와, 상기 입구에서 시작하여 상기 몸체의 중앙부를 통과하여 상기 출구까지 연장되도록 상기 몸체의 일면에 구불구불하게 마련되는 사행형 유로를 포함한다.

본 발명에 의한 고온형 고분자 전해질 연료전지는 이에 구비되는 분리판이 전면적에 걸쳐 가스 분포가 균일하게 나타나는 가스 유동 구조를 갖는다. 따라서, 분리판에서 온도 분포 및 전류 분포가 전체적으로 균일하게 나타나고, 이에 의해 연료전지의 성능 및 신뢰성을 향상시킨다.

또한 본 발에 의한 고온형 고분자 전해질 연료전지는 유입관과 배출관이 나란하게 배치되고 이들을 이중관식 열교환기(double pipe heat exchanger)가 연결함으로써, 스택으로 공급되는 유입 가스의 온도가 상승한다. 따라서, 스택에서 전기화학 반응이 촉진되어 시스템 전체의 효율이 향상되고, 스택의 온도를 빨리 높여 스택의 시동시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 일실시예에 의한 연료전지용 분리판 및 이를 갖는 고온형 고분자 전해질 연료전지를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 분리판을 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 일시예에 의한 연료전지용 분리판을 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 일시예에 의한 연료전지용 분리판을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제 4 일시예에 의한 연료전지용 분리판을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 고온형 고분자 전해질 연료전지를 나타낸 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 연료전지용 분리판 및 이를 갖는 고온형 고분자 전해질 연료전지에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 제 1 일실시예에 의한 연료전지용 분리판 및 이를 갖는 고온형 고분자 전해질 연료전지를 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 분리판을 나타낸 평면도이다.

도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 고온형 고분자 전해질 연료전지(10)는 막전극복합체(12)와, 막전극복합체(12)의 양쪽 면에 각각 결합되는 한 쌍의 가스 확산막(12)과, 가스 확산막(14)을 사이에 두고 막전극복합체(12)의 양쪽 면에 각각 결합되는 한 쌍의 분리판(20)을 포함한다. 여기에서, 막전극복합체(12)는 통상적인 연료전지에 구비되는 것과 같이 전해질이 함유된 전해질판의 양쪽 면에 연료극 및 공기극이 각각 일체형으로 결합된 구조로 이루어진 것이고, 가스 확산막(14)도 통상적인 연료전지에 구비되는 것과 같은 것이다. 이하에서는 이들 종래 기술과 같은 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이러한 본 발명에 의한 고온형 고분자 전해질 연료전지(10)는 통상적인 고온형 고분자 전해질 연료전지와 같이 120℃ 이상의 높은 온도에서 작동하는 것이다. 기존의 고분자 전해질 연료전지의 경우, 유로 형상 설계에 있어서 플러딩(flooding)을 고려하여야 한다. 플러딩은 유로에서 물이 고이는 현상으로 플러딩이 발생하게 되면, 가스의 흐름을 막기 때문에 성능이 감소한다. 따라서, 유로 형상 설계 시 유로 내에서 물이 고이지 않도록 유로가 아래에서 위로 올라가는 구조는 피해야 한다. 그러나 본 발명에 의한 고온형 고분자 전해질 연료전지(10)는 유로가 아래에서 위로 올라오는 구조를 갖더라도 플러딩 현상이 발생하지 않아 유로 설계가 보다 용이하다.

한 쌍의 분리판(20)은 막전극복합체(12) 양쪽 면의 연료극 및 공기극에 각각 결합된다. 막전극복합체(12)의 연료극에 결합되는 분리판(20)은 연료극에 연료 가스를 균일하게 공급하는 역할을 하고, 막전극복합체(12)의 공기극에 결합되는 분리판(20)은 공기극에 공기를 균일하게 공급하는 역할을 한다. 이들 한 쌍의 분리판(20)은 그 기능은 다르지만 구조는 동일하다.

도 1 및 도 2에 나타낸 것과 같이, 분리판(20)은 판형의 몸체(21)와, 몸체(21)의 한쪽 측면에 마련되는 입구(22) 및 출구(23)와, 입구(22)와 출구(23)를 연결하도록 몸체(21)의 막전극복합체(12)와 결합되는 일면에 마련되는 사행형(蛇行形) 유로(24)를 포함한다. 입구(22)와 출구(23)는 개방 방향이 동일하도록 몸체(21)의 네 측면 중 하나의 측면에 나란하게 배치된다. 또한 입구(22)와 출구(23)는 이들 각각을 통해 유동하는 가스(연료 가스 또는 공기)가 서로 열교환될 수 있도록 서로 인접하여 배치된다. 즉, 입구(22)를 통과하는 유입 가스는 출구(23)를 통과하는 고온의 배출 가스로부터 열을 제공받아 가열된다.

사행형 유로(24)는 입구(22)에서 시작하여 몸체(21)의 중앙부를 통과하여 출구(23)까지 연장되도록 몸체(21)의 일면에 구불구불하게 형성된다. 사행형 유로(24)는 직각으로 다수회 절곡된 사행(蛇行) 구조를 취한다. 구체적으로, 사행형 유로(24)는 몸체(21)의 한쪽 측면에서 몸체(21)의 가장자리를 따라 이어지다가 몸체(21)의 중앙부 쪽으로 방향을 바꾼 후, 중앙부에서 다시 몸체(21)의 다른 가장자리 쪽으로 연장되어 처음 시작된 몸체(21)의 한쪽 측면에 연결된다. 따라서, 입구(22)로 유입되는 가스는 사행형 유로(24)를 따라 몸체(21)의 가장자리와 중앙부, 그리고 가장자리와 중앙부 사이의 부분 등 몸체(21)의 최외곽 등의 일부분을 제외한 대부분을 균일하게 통과하여 출구(23)로 배출된다.

종래의 고온형 고분자 전해질 연료전지의 분리판의 경우, 유입되는 가스가 분리판의 유로를 따라 유동하면서 화학 반응에 의해 열이 지속적으로 축적되어 입구의 온도에 비해 출구의 온도가 과도하게 높은 현상이 발생한다. 그러나 본 발명에 의한 분리판(20)은 출구(23)를 통과하는 배출 가스의 열이 입구(22)를 통과하는 유입 가스에 전달되어 출구(23)의 온도가 입구(22)에 비해 과도하게 상승하지 않는다. 그리고 입구(22)를 통해 유입되는 유입 가스가 출구(23)를 통과하는 배출 가스로부터 열을 받아 가열되므로, 입구(22) 쪽 가스와 출구(23) 쪽 가스의 온도 편차가 줄어든다. 또한 사행형 유로(24)의 입구(22)에서 중앙부까지 연장된 부분과, 사행형 유로(24)의 중앙부에서 출구(23)까지 연장된 부분이 인접하게 배치되어 있어, 입구(22)에서 중앙부로 유동하는 가스와 중앙부에서 출구(23)로 유동하는 가스 사이에서도 열교환이 활발하게 일어난다. 따라서, 분리판(20)의 가장자리와 중앙부 사이에서의 열 편차가 작고 분리판(20) 전체의 온도 분포가 균일하게 나타난다.

이와 같이, 본 실시예에 의한 분리판(20)은 전면적에 걸쳐 가스 분포가 균일하게 나타나는 가스 유동 구조를 갖는다. 따라서, 온도 분포 및 전류 분포가 전체적으로 균일하게 나타나고, 이를 통해 고온형 고분자 전해질 연료전지(10)의 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 실시예에 있어서, 분리판(20)의 구체적인 구조는 도시된 것으로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 예컨대, 몸체는 도시된 것과 같은 사각 형상 이외에 타원형 등 다양한 다른 형상으로 변경될 수 있다. 그리고 사행형 유로는 직각 이외의 다양한 다른 각도로 다수회 절곡된 사행 구조, 또는 곡선 형태의 사행 구조 등 다른 구조로 변경될 수 있다. 또한 도면에는 입구(22)와 출구(23)가 같은 방향으로 개방되도록 형성된 것으로 나타냈으나, 입구와 출구는 개방 방향이 다소 다르더라도 나란하게 인접하여 배치되어 각각을 통과하는 가스 사이에서 열교환이 일어날 수 있는 배치 구조를 가질 수 있다.

한편, 도 3은 본 발명의 제 2 일시예에 의한 연료전지용 분리판을 나타낸 평면도이다.

도 3에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 의한 분리판(30)은 판형의 몸체(31)와, 몸체(31)의 한쪽 측면에 마련되는 두 개의 입구(32)(35) 및 두 개의 출구(33)(36)와, 몸체(31)의 일면에 마련되는 두 개의 사행형 유로(34)(37)를 포함한다.

제 1 입구(32)와 제 1 출구(33)는 몸체(31)의 한쪽 측면에 같은 방향으로 개방되도록 나란하게 배치된다. 제 2 입구(35)와 제 2 출구(36)도 몸체(31)의 한쪽 측면에 같은 방향으로 개방되도록 나란하게 배치된다. 이들 입구(32)(35)와 출구(33)(36)는 몸체(21)의 동일 측면에 나란하게 인접하여 배치되므로, 입구(32)(35)를 통과하는 유입 가스와 출구(33)(36)를 통과하는 배출 가스 사이에서는 열교환이 활발하게 일어난다.

제 1 사행형 유로(34)는 제 1 입구(32)에서 시작하여 몸체(31)의 중앙부를 통과하여 제 1 출구(33)까지 연장되도록 몸체(31)의 일면에 구불구불하게 형성된다. 제 1 사행형 유로(34)는 몸체(31)의 한쪽 측면에서 몸체(31)의 가장자리를 따라 이어지다가 몸체(31)의 중앙부 쪽으로 방향을 바꾼 후, 중앙부에서 다시 몸체(31)의 다른 가장자리 쪽으로 연장되어 처음 시작된 몸체(31)의 한쪽 측면에 연결된다. 제 2 사행형 유로(37)는 제 1 사행형 유로(34)와 동일한 형상을 갖는 것으로, 제 2 입구(35)에서 시작하여 몸체(31)의 중앙부를 통과하여 제 2 출구(36)까지 연장되도록 몸체(31)의 일면에 구불구불하게 형성된다. 제 2 사행형 유로(37)는 제 1 사행형 유로(34)와 같이 직각으로 다수회 절곡된 사행 구조를 취한다. 이러한 사행형 유로(34)(37)의 구조에 따라, 입구(32)(35)로 유입되는 가스는 사행형 유로(34)(37)를 따라 몸체(31)의 가장자리와 중앙부, 그리고 가장자리와 중앙부 사이의 부분 등 몸체(31)의 최외곽 등의 일부분을 제외한 대부분을 균일하게 통과하여 출구(33)(36)로 배출된다.

본 실시예에서, 한 쌍의 입구(32)(35)에는 하나의 유입관이 연결되고 한 쌍의 출구(33)(36)에는 하나의 배출관이 연결될 수 있다. 그리고 입구와 출구 및 각각의 입구와 출구를 연결하는 사행형 유로의 개수는 도시된 것과 같이, 두 개씩으로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 제 3 일시예에 의한 연료전지용 분리판을 나타낸 사시도이다.

도 4에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 의한 분리판(40)은 판형의 몸체(41)와, 몸체(41)의 중앙에 마련되는 입구(44)와, 몸체(41)의 측면(42)(43)에 상호 이격되도록 마련되는 복수의 출구(45)(47)(49)(51)와, 입구(44)와 각각의 출구(45)(47)(49)(51)를 연결하는 복수의 사행형 유로(46)(48)(50)(52)를 포함한다. 입구(44)는 몸체(41)의 중앙에 몸체(41)의 일면에서 타면을 관통하도록 하나가 마련된다.

복수의 출구(45)(47)(49)(51)는 몸체(41)의 네 측면 중 서로 대향하는 두 개의 측면(42)(43)에 두 개씩 마련된다. 복수의 사행형 유로(46)(48)(50)(52)는 하나의 입구(44)에서 분기되어 복수의 출구(45)(47)(49)(51) 각각에 연결되도록 몸체(41)의 일면에 구불구불하게 마련된다. 이들 복수의 출구(45)(47)(49)(51)는 직각으로 다수회 절곡된 사행 구조를 취한다.

몸체(41)의 일면에서 복수의 사행형 유로(46)(48)(50)(52)를 통한 가스의 유동 영역은 각각의 사행형 유로(46)(48)(50)(52)에 의해 균등 분할된다. 즉, 입구(44)에서 제 1 사행형 유로(46)를 거쳐 제 1 출구(45)로 이어지는 제 1 유동 영역(53)과, 입구(44)에서 제 2 사행형 유로(48)를 거쳐 제 2 출구(47)로 이어지는 제 2 유동 영역(54)과, 입구(44)에서 제 3 사행형 유로(50)를 거쳐 제 3 출구(49)로 이어지는 제 3 유동 영역(55)과, 입구(44)에서 제 4 사행형 유로(52)를 거쳐 제 4 출구(51)로 이어지는 제 4 유동 영역(56)은 입구(44) 주위에 동일한 면적으로 형성된다.

이러한 본 실시예에 따른 분리판(40)은 전면적에 걸쳐 가스 분포가 균일하게 나타나는 가스 유동 구조를 갖는다. 따라서, 온도 분포 및 전류 분포가 전체적으로 균일하게 나타나 고온형 고분자 전해질 연료전지의 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 실시예에서, 입구와 출구 및 각각의 입구와 출구를 연결하는 사행형 유로의 개수는 도시된 것으로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 또한 입구(44)는 몸체(41)의 중앙에서 벗어난 중간에 일면에서 타면을 관통하도록 마련될 수도 있다. 또한 복수의 출구는 도시된 배치 구조 이외에 몸체 측면에 다양한 배치 구조로 배치될 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 제 4 일시예에 의한 연료전지용 분리판을 나타낸 사시도이다.

도 5에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 제 4 실시예에 의한 분리판(60)은 판형의 몸체(61)와, 몸체(61)의 중앙에 마련되는 입구(62)와, 몸체(61)의 중간중간에 마련되는 복수의 출구(63)(65)(67)(69)와, 몸체(61)의 일면에 마련되는 복수의 사행형 유로(64)(66)(68)(70)를 포함한다.

입구(62)는 몸체(61)의 중앙에 몸체(61)의 일면에서 타면을 관통하도록 하나가 마련된다. 복수의 출구(63)(65)(67)(69)는 입구로부터 이격된 몸체(61)의 중간중간에 상호 이격되도록 몸체(61)의 일면에서 타면을 관통하여 마련된다. 입구(62)에서 각각의 출구(63)(65)(67)(69)까지의 이격 거리는 모두 동일하다.

복수의 사행형 유로(64)(66)(68)(70)는 하나의 입구(62)에서 분기되어 복수의 출구(63)(65)(67)(69) 각각에 연결되도록 몸체(61)의 일면에 구불구불하게 마련된다. 이들 복수의 출구(63)(65)(67)(69)는 직각으로 다수회 절곡된 사행 구조, 즉 입구(62)에서 각각의 출구(63)(65)(67)(69)를 향해 소용돌이치면서 수렴하는 형태를 취한다.

몸체(61)의 일면에서 복수의 사행형 유로(64)(66)(68)(70)를 통한 가스의 유동 영역은 각각의 사행형 유로(64)(66)(68)(70)에 의해 균등 분할된다. 즉, 입구(62)에서 제 1 사행형 유로(64)를 거쳐 제 1 출구(63)로 이어지는 제 1 유동 영역(71)과, 입구(62)에서 제 2 사행형 유로(66)를 거쳐 제 2 출구(65)로 이어지는 제 2 유동 영역(72)과, 입구(62)에서 제 3 사행형 유로(68)를 거쳐 제 3 출구(67)로 이어지는 제 3 유동 영역(73)과, 입구(62)에서 제 4 사행형 유로(70)를 거쳐 제 4 출구(69)로 이어지는 제 4 유동 영역(74)은 입구(62) 주위에 동일한 면적으로 형성된다.

이러한 본 실시예에 따른 분리판(60)은 복수의 유동 영역(71)(72)(73)(74)으로 균등 분할된 구조를 취함으로써, 전면적에 걸쳐 가스 분포가 균일하고, 이를 통해 온도 분포 및 전류 분포가 전체적으로 고르게 나타난다.

본 실시예에서, 입구와 출구 및 각각의 입구와 출구를 연결하는 사행형 유로의 개수는 도시된 것으로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 그리고 복수의 출구는 도시된 것과 같은 배치 구조 이외의 다른 배치 구조로 마련될 수 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 고온형 고분자 전해질 연료전지를 나타낸 것이다.

도 6에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에 의한 고온형 고분자 전해질 연료전지(80)는 단위 전기가 적층된 스택(81)과, 스택(81) 내부로 가스를 공급하기 위해 스택(81)에 연결되는 유입관(82)과, 스택(81)으로부터 가스를 배출하기 위해 스택(81)에 연결되는 배출관(83)과, 유입관(82)과 배출관(83)을 연결하는 열교환기(84)를 포함한다. 여기에서, 스택(81)을 구성하는 단위 전지는 도 1에 나타낸 연료전지(10)와 같이 막전극복합체의 양쪽 면에 한 쌍의 분리판이 결합된 구조로 이루어지는 것이다. 그리고 단위 전지를 구성하는 한 쌍의 분리판은 도 1 및 도 2에 나타낸 분리판(20), 또는 도 3에 나타낸 분리판(30)과 같이, 입구와 출구가 몸체의 같은 측면에 나란히 인접하게 배치된 구조의 것이다.

이러한 고온형 고분자 전해질 연료전지(80)는 분리판의 입구에 연결되는 유입관(82)과 분리판의 출구에 연결되는 배출관(83)이 나란하게 인접하여 배치되고, 이들 유입관(82)과 배출관(83)이 열교환기(84)로 연결된 구조를 취한다. 열교환기(84)는 유입관(82)과 배출관(83) 사이에서의 활발한 열교환을 유도한다. 고온형 고분자 전해질 연료전지(80)의 작동 시, 배출관(83)을 통과하는 고온 배출 가스의 열은 유입관(82)을 통과하는 유입 가스에 활발하게 전달된다.

이와 같이, 본 실시예에 의한 고온형 고분자 전해질 연료전지(80)는 유입관(82)과 배출관(83)이 나란하게 배치되고 이들을 이중관식 열교환기(double pipe heat exchanger, 84)가 연결함으로써 스택(81)으로 공급되는 유입 가스의 온도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 스택(81)에서 전기화학 반응이 촉진되어 시스템 전체의 효율이 향상되고, 스택(81)의 온도를 빨리 높여 스택(81)의 시동시간(start-up time)을 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 실시예에 의한 고온형 고분자 전해질 연료전지(80)에 있어서, 스택(81)을 구성하는 단위 전지의 분리판은 도 4 또는 도 5에 나타낸 것과 같은 구조를 취할 수도 있다. 도 4와 같은 구조의 분리판을 구비하는 경우, 복수의 출구(45)(47)(49)(51)를 하나의 배출관으로 연결하고, 배출관 또는 입구에 연결되는 유입관을 절곡하여 나란하게 배치한 상태에서 이들을 열교환기로 연결할 수 있다. 또한 분리판이 도 5와 같은 구조로 이루어지는 경우, 복수의 출구(63)(65)(67)(69)를 하나의 배출관으로 연결하고, 배출관 또는 입구에 연결되는 유입관을 절곡하여 나란하게 배치한 상태에서 이들을 열교환기로 연결할 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

10, 80 : 고온형 고분자 전해질 연료전지
12 : 막전극복합체 14 : 가스 확산막
20, 30, 40, 60 : 분리판 21, 31, 41, 61 : 몸체
22, 32, 35, 44, 62 : 입구
23, 33, 36, 45, 47, 49, 51, 63, 65, 67, 69 : 출구
24, 34, 37, 46, 48, 50, 52, 64, 66, 68, 70 : 사행형 유로
53, 54, 55, 56, 71, 72, 73, 74 : 유동 영역
81 : 스택 82 : 유입관
83 : 배출관 84 : 열교환기

Claims (7)

1. 판형 몸체;
   상기 몸체의 한쪽 측면에 마련되는 입구;
   상기 몸체의 한쪽 측면에 상기 입구와 나란하게 배치되는 출구; 및
   상기 입구에서 시작하여 상기 몸체의 중앙부를 통과하여 상기 출구까지 연장되도록 상기 몸체의 일면에 구불구불하게 마련되는 사행형(蛇行形) 유로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
2. 판형 몸체;
   상기 몸체의 중간에 상기 몸체의 일면에서 타면을 관통하도록 마련되는 입구;
   상기 몸체의 측면에 상호 이격되도록 마련되는 복수의 출구; 및
   상기 입구에서 분기되어 상기 복수의 출구 각각에 연결되도록 상기 몸체의 일면에 구불구불하게 마련되는 복수의 사행형 유로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 몸체의 일면에서 상기 복수의 사행형 유로를 통한 가스의 유동 영역은 상기 각각의 사행형 유로에 의해 균등 분할되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
4. 판형 몸체;
   상기 몸체의 중간에 상기 몸체의 일면에서 타면을 관통하도록 마련되는 입구;
   상기 입구로부터 이격된 상기 몸체의 중간중간에 상호 이격되도록 상기 몸체의 일면에서 타면을 관통하여 마련되는 복수의 출구; 및
   상기 입구에서 분기되어 상기 복수의 출구 각각에 연결되도록 상기 몸체의 일면에 구불구불하게 마련되는 복수의 사행형 유로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 몸체의 일면에서 상기 복수의 사행형 유로를 통한 가스의 유동 영역은 상기 각각의 사행형 유로에 의해 균등 분할되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
6. 전해질이 함유된 전해질판의 양쪽 면에 연료극 및 공기극이 결합되어 이루어진 막전극복합체; 및
   상기 막전극복합체의 양쪽면에 각각 결합되는 한 쌍의 분리판;을 포함하고,
   상기 분리판은,
   판형 몸체,
   상기 몸체의 한쪽 측면에 마련되는 입구,
   상기 몸체의 한쪽 측면에 상기 입구와 나란하게 배치되는 출구, 및
   상기 입구에서 시작하여 상기 몸체의 중앙부를 통과하여 상기 출구까지 연장되도록 상기 몸체의 일면에 구불구불하게 마련되는 사행형 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질 연료전지.
7. 전해질이 함유된 전해질판에 연료극 및 공기극이 결합된 막전극복합체의 양쪽 면에 분리판이 결합된 단위 전지가 복수로 적층된 스택(stack);
   상기 스택 내부에 가스를 공급하기 위해 상기 스택에 연결되는 유입 라인;
   상기 스택 내부로부터 가스를 배출하기 위해 상기 스택에 연결되는 배출 라인; 및
   상기 유입 라인을 따라 유동하는 유입 가스와 상기 배출 라인을 따라 유동하는 배출 가스를 열교환시키기 위해 상기 유입 라인과 상기 배출 라인을 연결하는 열교환기;를 포함하고,
   상기 스택의 분리판은,
   판형 몸체,
   상기 몸체의 한쪽 측면에 마련되는 입구,
   상기 몸체의 한쪽 측면에 상기 입구와 나란하게 배치되는 출구, 및
   상기 입구에서 시작하여 상기 몸체의 중앙부를 통과하여 상기 출구까지 연장되도록 상기 몸체의 일면에 구불구불하게 마련되는 사행형 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질 연료전지.

Images