KR20180032242A - 연료전지용 다공체 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀 - Google Patents

연료전지용 다공체 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀 Download PDF

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Abstract

다공체 유로를 포함하며, 상기 분리판의 일측에 마련되어 반응가스가 유입되는 입구매니폴드; 상기 분리판의 타측에 마련되어 반응가스가 배출되는 출구매니폴드; 및 상기 분리판이 연료전지 셀에 체결되는 경우 상기 분리판에서 생성된 물이 고일 수 있도록 중력방향으로 상기 분리판의 하측면에 마련된 연장부;를 포함하는 연료전지용 다공체 분리판이 소개된다.

Description

연료전지용 다공체 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀{SEPARATOR FOR FUEL CELL HAVING HOLES AND FUEL CELL}
본 발명은 다공체 분리판을 포함하는 연료전지 셀에서 발생할 수 있는 플러딩 현상과 드라이 현상을 동시에 방지할 수 있는 연료전지용 다공체 분리판에 관한 것이다.
연료전지 자동차에 탑재되는 연료전지 스택은 다수의 연료전지 셀이 적층된 것으로서, 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치를 말한다.
연료전지 스택의 각 셀 단위 구성 중, 가장 안쪽에는 전극막접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)가 위치하는 바, 이 전극막접합체는 고분자 전해질막의 양쪽 면에 각각 애노드 및 캐소드극을 위한 촉매층이 도포된 형태로 구성되어 있다.
또한, 상기 전극막접합체의 바깥 부분, 즉 촉매층의 바깥 부분에 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하고 기체확산층의 바깥 부분으로 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 채널 유로가 형성된 분리판이 적층된다.
이렇게 상기 연료전지의 단위 셀은 기본적으로 1자의 전극막접합체와 2장의 기체확산층과 2장의 분리판으로 구성되며 각 단위 셀을 수십에서 수백개 적층함으로써 원하는 규모의 연료전지 스택을 구성할 수 있다. 이렇게 구성된 연료전지 스택은 분리판의 매니폴드를 통하여 연료가 채널 유로로 공급된 후, 기체확산층을 거쳐 전극막접합체로 공급됨으로써 전기화학적 반응에 의거 전기를 생성하는 동시에 전기 생성시 발생되는 물과 증기의 외부 배출이 이루어진다.
그러나 최근에는 이와 같은 일반적인 분리판의 형상을 대체하여 분리판 유로에 복수의 유로홀을 포함하는 다공체 분리판에 대해 활발한 연구가 이뤄지고 있다. 도1에서 도시하고 있는 분리판이 종래기술에 따른 다공체 분리판의 형상인데 이와 같은 다공체 분리판을 활용하게 되면 분리판을 통과하는 반응기체에 난류 흐름을 부여하는 것은 물론 기존 분리판에 비하여 형상 단순화에 따른 가공 우수성 효과가 있을 뿐만 아니라 기체확산층에 대한 반응기체의 확산량을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.
한편, 앞서 언급하였듯이 연료전지는 그 전기화학적 반응에 의하여 발전과정에서 자연스럽게 스택 내부에서 물이 생성된다. 그리고 이러한 물이 스택 외부로 배출되지 못하고 스택 내부에 잔존하게 되면 연료전지의 발전을 방해하는 요소가 되는데 플러딩(Flooding) 현상이 대표적인 예에 해당한다. 뿐만 아니라 이와 반대로 물의 배출이 지나치게 잘 되면 연료전지 스택이 드라이해져 연료전지의 내구성이 하락될 수 있다. 따라서 연료전지 스택에서 발생하는 물을 적절히 활용하여 스택 내부의 습도를 적절히 유지하는 것이 연료전지 분야에서의 핵심적 기술에 해당한다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 2013-0066795 A
본 발명은 스택 내부에서 전기화학적 반응에 의하여 생성되는 물을 스택 반응면이 아닌 공간에 일시적으로 저장될 수 있게 함으로써 스택의 플러딩 현상을 방지할 수 있음과 필요에 따라 상기 저장된 물을 이용하여 스택을 가습시킬 수 있는 연료전지용 다공체 분리판을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 다공체 분리판은, 상기 분리판의 일측에 마련되어 반응가스가 유입되는 입구매니폴드; 상기 분리판의 타측에 마련되어 반응가스가 배출되는 출구매니폴드; 및 상기 분리판이 연료전지 셀에 체결되는 경우 상기 분리판에서 생성된 물이 저장될 수 있도록 상기 분리판에서 중력방향으로 연장된 연장부;를 포함한다.
상기 입구매니폴드는 상기 출구매니폴드보다 더 높은 곳에 마련될 수 있다.
상기 입구매니폴드와 출구매니폴드는 상기 분리판의 좌우 양측에 각각 마련되고 상기 연장부는 상기 분리판의 하측단에 형성될 수 있다.
상기 연장부에는 비드가 돌출 형성될 수 있다.
상기 비드는 상기 분리판 상에서 흐르는 반응가스의 유동방향을 따라 배열된 복수의 비드일 수 있다.
상기 비드는 상기 분리판이 적층되는 방향으로 돌출될 수 있다.
본 발명의 연료전지용 다공체 분리판을 포함하는 연료전지 셀은, 상기 분리판의 테두리를 따라 가스켓이 결합되고, 상기 가스켓은 상기 연장부의 테두리를 따라 연장됨으로써 분리판과 연장부를 포괄하는 폐루프를 형성할 수 있다.
상기 분리판과 연장부를 덮는 패널 형상으로써, 분리판에 결합된 상태에서 연장부 및 가스켓과 함께 생성된 물이 저장되는 워터탱크를 구성하는 서브가스켓;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 다공체 유로를 포함하며 연료전지의 캐소드측에 결합되는 연료전지용 다공체 분리판은, 상기 분리판의 일측에 마련되어 반응가스가 유입되는 입구매니폴드; 상기 분리판의 타측에 마련되어 반응가스가 배출되는 출구매니폴드; 및 상기 분리판이 연료전지 셀에 체결되는 경우 상기 분리판에서 생성된 물이 저장될 수 있도록 상기 분리판에서 중력방향으로 연장된 연장부;를 포함한다.
본 발명에 따를 경우 다공체 분리판의 하부에 고인 물이 워터탱크로 흘러 들어가 플러딩 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 연료전지 스택이 드라이해지는 경우에는 상기 워터탱크에 저장된 물이 고온으로 상승된 분리판의 온도에 의해 기화되어 셀을 가습시켜 드라이현상을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지용 다공체 분리판
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 다공체 분리판
도 3은 비드가 추가된 워터탱크를 구비하는 연료전지용 다공체 분리판
도 4는 본 발명의 실시에 따른 연료전지 셀의 분해 사시도
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본 발명에 대해 본격적으로 살펴보기에 앞서, 본 발명이 적용되는 전제가 되는 다공체 분리판(100)에 대해 살펴보면, 다공체 분리판은 다양한 형태를 가질 수 있겠지만 기본적으로 도 1과 같은 형상을 지닌다. 이러한 형상을 통해 반응기체(수소 또는 공기)가 유로방향을 따라 유동하는 것이 아니라 유로와 수직한 방향인 홀을 따라 유동함으로써 홀을 통과하는 반응기체의 확산력이 종래 분리판에 비해 더 강해지고, 이를 통해 연료전지의 반응효율이 향상되는 것이다.
그러나 이와 같은 다공체 분리판의 경우, 끊기지 않고 연속되는 일련의 유로를 통해 반응기체가 공급되는 일반적인 분리판과는 달리 연료전지의 전기화학적 반응에 의하여 생성된 생성수가 불연속적인 유로를 따라 이동하지 않고 분리판의 제일 하측면으로 자중에 의해 흘러내려 고이게 되는 현상이 발생할 수밖에 없다.
물론, 강해진 반응기체의 확산력에 의하여 생성수의 상당수는 스택 외부로 배출이 되겠지만 미처 배출되지 못하고 스택 내부에 잔존할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 잔존수는 스택 온도가 하강하게 되면 얼어 반응기체의 유동을 방해하게 됨으로써 연료전지의 발전 효율이 저하될 뿐만 아니라 내구성에도 악영향을 끼치게 된다. 이에 따라 다공체 분리판에 있어서, 연료전지의 구동에 따라 분리판 하측면에 고이게 되는 생성수를 어떻게 처리할 것인가는 다공체 분리판을 활용하는 연료전지 분야에서 중요한 문제에 해당한다.
본 발명에서는 이러한 생성수에 의한 연료전지 성능 및 내구성 저하현상을 방지하기 위하여 도 2에서 도시하고 있는 바와 같이 다공체 유로(30)를 포함하는 연료전지용 분리판(100)에 있어서 상기 분리판(100)의 일측에 마련되어 반응가스가 유입되는 입구매니폴드(10); 상기 분리판(100)의 타측에 마련되어 반응가스가 배출되는 출구매니폴드(20); 및 상기 분리판(100)이 연료전지 셀에 체결되는 경우 상기 분리판(100)에서 생성된 물이 고일 수 있도록 중력방향으로 상기 분리판(100)의 하방으로 연장된 연장부(40);를 포함하도록 하고 있다.
입구매니폴드(10)와 출구매니폴드(20)는 반응가스 즉, 공기 또는 수소가 유입되고 배출되는 부분으로 분리판(100)의 일측과 타측에 각각 마련되는데, 도 2에 도시된 바와 같은 다공체 분리판(100)에서 다공체 유로(30)의 방향은 중력방향과 동일하게 분리판(100)의 상측면에서 하측면 방향이 되므로 유로 방향과 수직되는 방향으로 유동하는 반응기체가 유입 및 배출되는 입구매니폴드(10)와 출구매니폴드(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 분리판(100)의 좌우 측면에 각각 마련되는 것이 반응가스의 유동성 측면에서 바람직할 것이다. 좀 더 정확히, 입구매니폴드(10)와 출구매니폴드(20)는 복수의 분리판(100)들이 적층됨으로써 분리판(100)에 형성된 홀이 중첩되어 일련의 유로를 형성함으로써 구성된다.
덧붙여, 본 발명에 따를 경우 도 2에서 도시하고 있는 바와 같이 입구매니폴드(10)는 출구매니폴드(20)보다 중력방향에서 더 높은 곳에 마련될 수 있는데, 이는 입구매니폴드(10)를 통해 유입된 반응가스에 의하여 생성된 물이 중력의 도움을 받아 분리판(100)의 하측면에 마련되어 있는 연장부(40)로 원활하게 유입되기 위함이다.
이에 따라 다공체 유로(30)에서 연료전지의 발전에 따라 생성된 생성수가 중력의 영향으로 인해 분리판(100)의 하측면으로 떨어지게 되며, 떨어진 생성수는 분리판(100)의 하측면에 마련된 연장부(40)로 유입되어 연장부(40)가 형성하는 워터탱크 내에 고이게 되는 것이다. 따라서 분리판(100) 내부에는 생성수가 고이지 않게 되므로 플러딩 현상을 원천적으로 봉쇄할 수 있게 되는 것이다.
뿐만 아니라, 연료전지 온도가 고온으로 상승되어 스택 내부가 드라이해지는 경우, 본 발명에 따른 분리판(100)의 구조를 활용하면 워터탱크에 저장되어 있는 생성수가 고온의 분리판(100) 온도에 따라 연장부(40)로 열이 전도되고, 그 열로 워터탱크의 물은 기화되어 상승하여 분리판(100)에 공급됨으로써 연료전지 스택의 드라이 현상으로 인한 내구성 약화 정도를 감소시킬 수 있게 된다.
분리판(100)과 연장부(40)가 접하는 부분은 도 2에서 도시하고 있는 바와 같이 별도의 비드를 형성하지 않고 구성할 수도 있을 것이나 도 3에서 도시하고 있는 것처럼 분리판(100)의 하측면과 접하는 연장부(40)에 비드를 형성할 수도 있다. 비드의 형상은 도 3에 도시된 직사각형의 형상 외에 다양한 형상으로 제작될 수 있을 것이며 상기 비드는 도 3에 도시된 바와 같이 분리판(100)의 입구매니폴드(10)로 유입되는 반응가스의 유동방향을 따라 기설정된 간격으로 복수 개 형성될 수 있을 것이다.
제작성의 어려움에도 불구하고 도 3과 같이 비드를 형성하는 이유는 상기 비드를 통해 연장부(40)내 생성수와 분리판(100)과의 접촉면적을 증가시킬 수 있게 되어 연장부(40)와 워터탱크 내부 생성수 간의 열전달 면적을 증가시켜 연료전지가 드라이해지는 경우 공기 기화량이 증가되어 연료전지 셀에 더 많은 증기를 공급할 수 있기 때문이다.
뿐만 아니라, 연장부(40)에 마련되는 비드는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 비드는 상기 분리판이 적층되는 방향으로 돌출 형성될 수 있다. 왜냐하면 이와 같이 비드가 형성될 경우 비드를 통해 연장부(40)내 유동 저항이 증가되어 연장부(40)로 유입되는 공기 유속을 감소시킴으로써 플러딩시 반응가스에 의한 연장부(40)내 생성수가 출구매니폴드(20)로 배출되는 것을 감소시킬 수 있기 때문이다.
즉, 종래 분리판은 연료전지 발전에 따라 생성수가 과도하게 발생하더라도 발생된 생성수를 따로 보관할 공간이 없었기 때문에 플러딩 현상을 방지하기 위해 무조건적으로 배출시키기 위한 분리판 구조를 가졌다면, 본 발명에 따른 분리판(100)은 생성수를 보관할 수 있는 연장부(40)를 마련함으로써 종래와 반대로 반응가스의 유동에 의하여 생성수가 스택 외부로 배출되는 것을 최소화하기 위한 분리판(100) 구조를 가지게 되는 것이다.
본 발명에 따른 분리판(100)은 애노드측과 캐소드측 어느 곳에나 적용이 가능할 것인데, 일반적으로 공기가 공급되는 캐소드측에 생성수가 많이 발생하므로 연료전지용 캐소드측 분리판(100)에만 연장부(40)를 마련하는 것도 고려해 볼 수 있을 것이다.
도 4에서는 본 발명에 따른 연료전지용 다공체 분리판(100)을 포함하는 연료전지 셀의 분해 사시도를 도시한다.
도시된 셀의 경우 분리판(100)의 테두리를 따라 가스켓(120)이 결합되고, 상기 가스켓(120)은 상기 연장부(40)의 테두리를 따라 연장됨으로써 분리판(100)과 연장부(40)를 포괄하는 폐루프를 형성하도록 한다.
그리고 서브가스켓(140)은 상기 분리판(100)과 연장부(40)를 덮는 패널 형상으로써, 분리판(100)에 결합된 상태에서 연장부(40) 및 가스켓(120)과 함께 생성된 물이 저장되는 워터탱크를 구성하도록 하는 것이다. 따라서, 워터탱크에 의해 생성수가 저장되어 플러딩이 방지되고, 생성수는 추후 기화되어 드라이 현상을 방지토록 한다. 도 3의 정면도에는 서브가스켓이 없는 상태의 분리판을 나타내며, 도 3의 A-A 단면도에는 서브가스켓(140)이 결합된 상태를 나타낸 것이다. 그리고 도 4에는 그러한 서브가스켓(140)의 사시도가 도시되어 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 셀도 종래와 동일하게 막전극접합체, 기체확산층, 분리판이 접합된 구조를 가진다. 다만 분리판(100)의 하측면에 중력에 의하여 낙하하는 생성수가 고일 수 있도록 연장부(40)를 포함하고 있다. 여기서 연장부(40)가 마련되는 분리판(100)의 하측면에는 기체확산층(300) 또는 막전극접합체(200)가 접촉되지 않도록 할 수 있다. 왜냐하면 연장부(40)는 단순히 생성수를 보관하기 위해 마련된 장치이므로 연장부(40)가 마련되는 면까지 기체확산층이나 막전극접합체가 확장될 필요는 없기 때문이다. 따라서 종래의 막전극접합체와 기체확산층을 이용하면서도 분리판만을 본 발명의 연장부(40)를 포함하고 있는 분리판(100)으로 교체함으로써 본 발명에서 제시하고 있는 연료전지 셀 구조를 완성시킬 수 있다.
다만 이와 같은 경우에도 연료전지 셀의 기밀성은 유지가 되어야 하므로 상기 분리판(100)의 테두리를 따라 배치되는 가스켓은 상기 분리판(100)의 하측면에서 상기 연장부(40)의 테두리를 따라 확장되어 배치되어 폐루프를 형성하여야 할 것이다. 만약, 앞서 언급한 바와 같이 본 발명에 따른 연장부(40)를 포함하는 다공체 분리판(100)이 캐소드측에만 적용이 된다고 하더라도 연료전지 셀의 기밀성은 여전히 유지되어야 하므로 애노드측 분리판(100)에도 연장부(40)와 동일한 외곽형상을 가지는 추가적인 형상이 필요로 할 것이며 애노드측 분리판(100)의 가스켓 역시 캐소드측 가스켓과 동일하게 애노드측 분리판(100)의 하측면에 추가된 형상의 테두리를 따라 확장되어 배치되어 폐루프를 형성하게 될 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 입구매니폴드 20: 출구매니폴드
30: 다공체 유로 40: 연장부
100: 분리판 120 : 가스켓
140 : 서브가스켓

Claims (9)

  1. 다공체 유로를 포함하는 연료전지용 분리판에 있어서,
    상기 분리판의 일측에 마련되어 반응가스가 유입되는 입구매니폴드;
    상기 분리판의 타측에 마련되어 반응가스가 배출되는 출구매니폴드; 및
    상기 분리판이 연료전지 셀에 체결되는 경우 상기 분리판에서 생성된 물이 저장될 수 있도록 상기 분리판에서 중력방향으로 연장된 연장부;를 포함하는 연료전지용 다공체 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 입구매니폴드는 상기 출구매니폴드보다 더 높은 곳에 마련되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체 분리판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 입구매니폴드와 출구매니폴드는 상기 분리판의 좌우 양측에 각각 마련되고 상기 연장부는 상기 분리판의 하측단에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체 분리판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연장부에는 비드가 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체 분리판.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 비드는 상기 분리판 상에서 흐르는 반응가스의 유동방향을 따라 배열된 복수의 비드인 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체 분리판.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 비드는 상기 분리판이 적층되는 방향으로 돌출된 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공체 분리판.
  7. 청구항 1의 연료전지용 다공체 분리판을 포함하는 연료전지 셀에 있어서,
    상기 분리판의 테두리를 따라 가스켓이 결합되고, 상기 가스켓은 상기 연장부의 테두리를 따라 연장됨으로써 분리판과 연장부를 포괄하는 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 분리판과 연장부를 덮는 패널 형상으로써, 분리판에 결합된 상태에서 연장부 및 가스켓과 함께 생성된 물이 저장되는 워터탱크를 구성하는 서브가스켓;을 더 포함하는 연료전지 셀.
  9. 다공체 유로를 포함하며 연료전지의 캐소드측에 결합되는 연료전지용 다공체 분리판으로서,
    상기 분리판의 일측에 마련되어 반응가스가 유입되는 입구매니폴드;
    상기 분리판의 타측에 마련되어 반응가스가 배출되는 출구매니폴드; 및
    상기 분리판이 연료전지 셀에 체결되는 경우 상기 분리판에서 생성된 물이 저장될 수 있도록 상기 분리판에서 중력방향으로 연장된 연장부;를 포함하는 연료전지용 다공체 분리판.
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