KR20160053371A - 연료전지용 분리판 - Google Patents

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Abstract

연료전지용 분리판에 대한 발명이 개시된다. 개시된 발명은: 전극에 결합되는 베이스판과; 베이스판에 형성되어 가스를 유통시키는 제1채널부; 및 제1채널부와 병렬로 연결되도록 베이스판에 형성되고, 제1채널부와의 사이에 압력구배가 형성되도록 가스를 유통시키는 제2채널부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 제1채널부 및 제2채널부를 통한 가스 공급 외에 랜드부 영역을 통한 가스의 공급이 증대될 수 있도록 함으로써, 연료전지의 셀에서 일어나는 반응이 더욱 활발하게 이루어지도록 하고, 이로써 연료전지의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Description

연료전지용 분리판{SEPARATOR FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 두 전극을 분리하도록 구비되는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 따라서, 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않기 때문에 종래의 발전장치보다 발전 효율이 높고 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없다. 또한, 연료전지는 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비의 초기 투자비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
이러한 연료전지를 이용한 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 연료인 LNG, 석탄가스, 메탄올 등을 수소로 개질하여 수소가 많은 연료가스로 만드는 연료변환기(Reformer), 발전된 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키는 전력 변환기 및 제어기 등으로 구성된다. 이때, 연료전지 스택은 적층된 수백 장의 셀(Cell)들로 구성되어 있으며, 물, 연료, 공기 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다. 기본적으로 각 셀은 전해질(Electrolyte)에 의하여 분리된 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)의 두 전극으로 구성되며, 각 셀은 분리판(Separator)에 의하여 분리된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0938023호(2010년 01월 13일 등록, 발명의 명칭 : 연료 전지용 공냉식 금속 분리판 및 이를 이용한 연료 전지 스택)에 개시되어 있다.
본 발명은 랜드부를 통한 가스의 공급을 증대시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판은: 전극에 결합되는 베이스판과; 상기 베이스판에 형성되어 가스를 유통시키는 제1채널부; 및 상기 제1채널부와 병렬로 연결되도록 상기 베이스판에 형성되고, 상기 제1채널부와의 사이에 압력구배가 형성되도록 가스를 유통시키는 제2채널부를 포함한다.
또한 상기 제1채널부와 상기 제2채널부는, 가스가 유통되도록 상기 베이스판에 형성되는 제1유로; 및 상기 제1유로를 통해 유입되는 가스가 유통되도록 상기 베이스판에 형성되고, 상기 제1유로로부터 분기되어 서로 병렬로 연결되며, 상기 제1유로를 통해 유통되는 가스의 흐름이 분기되도록 가스를 유통시키는 복수개의 제2유로를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 제1채널부와 상기 제2채널부는, 서로 다른 개수의 상기 제2유로를 포함하도록 형성되고; 상기 제1채널부와 상기 제2채널부 사이의 압력구배는, 상기 제1채널부가 포함하는 상기 제2유로의 개수와 상기 제2채널부가 포함하는 상기 제2유로의 개수 간의 차이에 의해 발생되는 것이 바람직하다.
또한 상기 제1채널부는, 상기 제2채널부보다 많은 개수의 상기 제2유로를 포함하도록 형성되고; 상기 제1채널부와 상기 제2채널부에 각각 동일한 유량의 가스가 유통될 때, 상기 제2채널부를 통해 유통되는 가스는 상기 제1채널부를 통해 유통되는 가스보다 높은 압력을 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료전지용 분리판에 따르면, 제1채널부 및 제2채널부를 통한 가스 공급 외에 랜드부 영역을 통한 가스의 공급이 증대될 수 있도록 함으로써, 연료전지의 셀에서 일어나는 반응이 더욱 활발하게 이루어지도록 하고, 이로써 연료전지의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 "A" 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 연료전지용 분리판의 가스 유통 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 연료전지용 분리판의 압력 구배 형성 상태를 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 2에 도시된 연료전지용 분리판의 랜드부를 통한 가스 유통 상태를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 일 실시예를 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1에 "A" 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판(100)은, 연료전지 스택에 구비된다. 연료전지 스택은 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응이 동시에 일어나는 전기화학 반응으로 전기 에너지를 생성한다. 이러한 연료전지 스택은, 적층된 수백장의 셀(Cell)들로 구성되어 있으며, 물, 연료, 공기 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다.
각 셀은 전해질(Electrolyte)에 의하여 분리된 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)의 두 전극을 포함하여 구성되며, 각 셀은 연료전지용 분리판(100)에 의하여 분리된다. 본 실시예에 따르면, 연료전지용 분리판(100)은 베이스판(110)과, 제1채널부(120) 및 제2채널부(130)를 포함한다.
베이스판(110)은 전극, 즉 연료극 또는 공기극에 결합되도록 구비된다. 이러한 베이스판(110)의 전극과 결합되는 면에는 가스가 유통되는 유로가 형성된다. 여기서 가스는 연료로서 공급되는 수소 또는 수소와 반응하도록 공급되는 산소 중 어느 하나가 될 수 있으며, 본 실시예에서는 제1채널부(120) 및 후술할 제2채널부(130)를 통해 유통되는 가스가 수소인 경우를 예로 들어 설명한다.
제1채널부(120)는 베이스판(110)에 형성된다. 이러한 제1채널부(120)는 베이스판(110)의 전극과 결합되는 면에 형성되어 가스를 유통시키며, 가스가 유통되는 제1유로(121)와 제2유로(123)를 포함한다.
제1유로(121)는 베이스판(110)에 오목하게 형성되고, 이와 같이 형성되는 제1유로(121)에는 연료공급장치(미도시)로부터 공급되는 가스가 유통된다.
제2유로는(123)는 제1유로(121)를 통해 유입되는 가스가 연속적으로 유통되도록 베이스판(110)에 오목하게 형성된다. 제1채널부(120)에는 복수개의 제2유로(123)가 형성되고, 이처럼 제1채널부(120)에 형성되는 복수개의 제2유로(123)는 제1유로(121)로부터 분기되어 서로 병렬로 연결된다.
즉 제1채널부(120)에 형성된 복수개의 제2유로(123)는 제1유로(121)로부터 갈라져 나오는 복수개의 분기 유로를 형성하고, 제1유로(121)를 통해 유입되는 가스의 흐름은 제1유로(121)와 제2유로(123)의 접점에서 제2유로(123)의 개수에 대응되는 복수개의 경로로 분기된다.
이때 제1유로(121)와 각각의 제2유로(123)는 서로 동일한 폭을 갖도록 형성됨이 바람직하며, 각각의 제2유로(123)의 형태는 가스가 전극에 골고루 접촉될 수 있는 어떠한 형태이든지 무방하다.
제2채널부(130)는 제1채널부(120)와 병렬로 연결되도록 베이스판(110)에 형성된다. 이러한 제2채널부(130)는 베이스판(110) 상에서 제1채널부(120)와 동일한 평면에 형성되고, 제1채널부(120)와 인접한 측부에 배치된다.
본 실시예에서는, 제1채널부(120)와 제2채널부(130)가 베이스판(110)의 동일 평면에 복수개 배치되는 것으로 예시된다. 이에 따르면, 복수개의 제1채널부(120)는 베이스판(110)의 측 방향으로 소정 간격 이격되게 배치되고, 제2채널부(130)는 제1채널부(120)와 제1채널부(120) 사이에 배치된다.
상기와 같이 제1채널부(120)와 제1채널부(120) 사이에 형성되는 제2채널부(130)는 제1채널부(120)와의 사이에 압력구배가 형성되도록 가스를 유통시키며, 제1유로(131)와 제2유로(133)를 포함한다.
제1유로(131)는 제1채널부(120)의 제1유로(121)와 병렬로 연결되도록 베이스판(110)에 오목하게 형성되고, 이와 같이 형성되는 제1유로(131)에는 연료공급장치(미도시)로부터 공급되는 가스가 유통된다. 본 실시예에서, 제1채널부(120)의 제1유로(121)와 제2채널부(130)의 제1유로(131)에는 서로 동일한 유량의 가스가 유입되는 것으로 예시된다.
제2유로는(133)는 제1유로(131)를 통해 유입되는 가스가 유통되도록 베이스판(110)에 오목하게 형성된다. 제2채널부(130)에는 복수개의 제2유로(133)가 형성되고, 이처럼 제2채널부(130)에 형성되는 복수개의 제2유로(133)는 제1유로(131)로부터 분기되어 서로 병렬로 연결된다.
즉 제2채널부(130)에 형성된 복수개의 제2유로(133)는, 제2유로(131)로부터 갈라져 나오는 복수개의 분기 유로를 형성하고, 제1유로(131)를 통해 유입되는 가스의 흐름은, 제1유로(131)와 제2유로(133)의 접점에서 제2유로(133)의 개수에 대응되는 복수개의 경로로 분기된다.
이때 제1유로(131)와 각각의 제2유로(133)는 서로 동일한 폭을 갖도록 형성됨이 바람직하며, 각각의 제2유로(133)의 형태는 가스가 전극에 골고루 접촉될 수 있는 어떠한 형태이든지 무방하다. 바람직하게는, 각각의 제2유로(133)는 제1채널부(120)의 제2유로(133)와 동일한 형태로 형성될 수 있다.
그리고 오목하게 형성된 제1 및 제2채널부(120,130)의 제2유로(123,133) 사이에는 랜드부(115)가 형성되며, 이 랜드부(115)는 베이스판(110) 상의 평평한 형상부로서 제2유로(123,133)와 대향되게 형성된다.
한편, 제1채널부(120)와 제2채널부(130)는 서로 다른 개수의 제2유로(121,131)를 포함하도록 형성된다. 그리고 제1채널부(120)와 제2채널부(130) 사이의 압력구배는 제1채널부(120)가 포함하는 제2유로(121)의 개수와 제2채널부(130)가 포함하는 제2유로(131)의 개수 간의 차이에 의해 발생된다.
본 실시예에 따르면, 제1채널부(120)가 제2채널부(130)보다 많은 개수의 제2유로(121)를 포함하도록 형성된다. 이에 따라 제2채널부(130)는 제1채널부(120)와 제2채널부(130)에 각각 동일한 유량의 가스가 유통될 때 제1채널부(120)보다 높은 압력을 유지하며 가스를 유통시키게 된다.
도 3은 도 2에 도시된 연료전지용 분리판의 가스 유통 상태를 보여주는 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 연료전지용 분리판의 압력 구배 형성 상태를 보여주는 그래프이며, 도 5는 도 2에 도시된 연료전지용 분리판의 랜드부를 통한 가스 유통 상태를 보여주는 도면이다.
이하, 제1채널부(120)가 3개의 제2유로(123)를 포함하고 제2채널부(130)가 2개의 제2유로(133)를 포함하도록 형성되는 경우를 예로 들어 제1채널부(120)와 제2채널부(130) 간에 압력구배가 형성되는 원리를 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1채널부(120)를 통해 유통되는 가스의 흐름을 살펴보면, 제1유로(121)를 통해 유입되는 가스는 제1유로(121)와 제2유로(123)의 접점에서 3갈래로 분기되어 3개의 제2유로(123)로 각각 나뉘어 흐르게 된다.
제1유로(121)와 제2유로(123)를 흐르는 가스의 유량이 동일하다고 할 때, 가스의 흐름 속도는 유로의 단면적에 반비례하므로, 제1유로(121)를 통해 흐르는 가스의 속도를 v라고 하면, 제2유로(123)를 통해 흐르는 가스의 속도는 대략 v/3가 된다.
그리고 제1채널부(120)와 제2채널부(130)를 통해 유통되는 가스의 유량이 동일하다고 가정하고 제2채널부(130)를 통해 유통되는 가스의 흐름을 살펴보면, 제1유로(131)에는 제1채널부(120)의 제1유로(121)와 동일한 유량의 가스가 유입되고, 이처럼 제1유로(131)를 통해 유입되는 가스는 제1유로(131)와 제2유로(133)의 접점에서 2갈래로 분기되어 2개의 제2유로(133)로 각각 나뉘어 흐르게 된다.
제1유로(131)와 제2유로(133)를 흐르는 가스의 유량이 동일하다고 할 때, 가스의 흐름 속도는 유로의 단면적에 반비례하므로, 제1유로(131)를 통해 흐르는 가스의 속도를 제1채널부(120)의 제2유로(123)의 속도와 동일하게 v라고 하면, 제2유로(133)를 통해 흐르는 가스의 속도는 대략 v/2가 된다.
즉 제1채널부(120)의 제2유로(123)를 통해 흐르는 가스에 비해 제2채널부(130)의 제2유로(133)를 통해 흐르는 가스가 더 빠른 속도로 흐르게 된다.
이로 인해 제2채널부(130)를 통해 흐르는 가스의 동압(Dynamic pressure)은 제1채널부(120)를 통해 흐르는 가스의 동압보다 더 큰 폭으로 감소하게 되고, 이에 따라 제1채널부(120)를 통해 유통되는 가스는 제2채널부(130)를 통해 유통되는 가스보다 높은 압력을 유지하며 흐르게 된다.
상기와 같이 제1채널부(120)와 제2채널부(130) 간에 압력 차이가 발생됨에 따라, 본 실시예의 연료전지용 분리판(100)에는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1채널부(120)가 형성된 부분에서는 상대적으로 높은 압력이 유지되고 제2채널부(130)가 형성된 부분에서는 상대적으로 낮은 압력이 유지되는 패턴이 반복되는 압력구배가 발생된다.
이처럼 제1채널부(120)와 제2채널부(130) 사이에 압력구배가 형성되면, 상대적으로 높은 압력으로 제1채널부(120)를 흐르고 있던 가스가 상대적으로 압력이 낮은 제2채널부(120) 측으로 이동을 유도하는 흐름이 발생하게 된다.
이로써 제1채널부(120)를 통해 유통되는 가스 중 일부는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2채널부(130) 측으로 이동되는 방향으로 그 흐름이 유도되어 복수개의 제2유로(123,133) 사이의 영역, 즉 랜드부(115)가 형성된 영역으로 이동되고, 랜드부(115)가 형성된 영역에서 전극을 통해 유통된다.
즉 가스의 흐름이 제1채널부(120) 및 제2채널부(130) 뿐 아니라, 복수개의 제2유로(123,133) 사이에 형성된 랜드부(115) 영역에서도 이루어질 수 있게 되므로, 가스가 전극과 접촉되는 영역이 크게 증대되고, 이에 따라 연료전지의 셀에서 일어나는 반응 역시 더욱 활발하게 이루어지게 됨으로써 궁극적으로 연료전지의 성능이 비약적으로 향상될 수 있게 되는 것이다.
상기한 바와 같은 본 실시예의 연료전지용 분리판(100)은, 제1채널부(120) 및 제2채널부(130)를 통한 가스 공급 외에 랜드부(115) 영역을 통한 가스의 공급이 증대될 수 있도록 함으로써, 연료전지의 셀에서 일어나는 반응이 더욱 활발하게 이루어지도록 하고, 이로써 연료전지의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 연료전지용 분리판 110 : 베이스판
115 : 랜드부 120 : 제1채널부
121 : 제1유로 123 : 제2유로
130 : 제2채널부 131 : 제1유로
133 : 제2유로

Claims (4)

  1. 전극에 결합되는 베이스판;
    상기 베이스판에 형성되어 가스를 유통시키는 제1채널부; 및
    상기 제1채널부와 병렬로 연결되도록 상기 베이스판에 형성되고, 상기 제1채널부와의 사이에 압력구배가 형성되도록 가스를 유통시키는 제2채널부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1채널부와 상기 제2채널부는,
    가스가 유통되도록 상기 베이스판에 형성되는 제1유로; 및
    상기 제1유로를 통해 유입되는 가스가 유통되도록 상기 베이스판에 형성되고, 상기 제1유로로부터 분기되어 서로 병렬로 연결되며, 상기 제1유로를 통해 유통되는 가스의 흐름이 분기되도록 가스를 유통시키는 복수개의 제2유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1채널부와 상기 제2채널부는, 서로 다른 개수의 상기 제2유로를 포함하도록 형성되고;
    상기 제1채널부와 상기 제2채널부 사이의 압력구배는, 상기 제1채널부가 포함하는 상기 제2유로의 개수와 상기 제2채널부가 포함하는 상기 제2유로의 개수 간의 차이에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1채널부는, 상기 제2채널부보다 많은 개수의 상기 제2유로를 포함하도록 형성되고;
    상기 제1채널부와 상기 제2채널부에 각각 동일한 유량의 가스가 유통될 때, 상기 제2채널부를 통해 유통되는 가스는 상기 제1채널부를 통해 유통되는 가스보다 높은 압력을 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
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Citations (3)

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KR100697670B1 (ko) * 2005-12-31 2007-03-20 성균관대학교산학협력단 계수형 유로가 형성된 세퍼레이터를 구비한 디메틸에테르 연료전지
KR100864653B1 (ko) * 2002-07-02 2008-10-23 엘지전자 주식회사 연료전지의 압력손실 방지구조
KR101080310B1 (ko) * 2009-03-27 2011-11-04 (주)퓨얼셀 파워 세퍼레이터 및 이를 이용한 연료 전지 스택

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