KR20180070751A - 연료전지용 분리판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생성수의 효과적인 배출 및 함습이 가능한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 반응기체 및 생성수가 유동되는 다수의 채널이 반응면 상에서 중력방향을 따라 형성되어 막전극 접합체(MEA) 및 기체 확산층(GDL)와 함께 연료전지의 단위셀을 구성하는 연료전지용 분리판으로서, 상기 다수의 채널은 반응면 상에서 파형(wave type)으로 형성되어 곡선부와 직선부가 교대로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 반응기체 및 생성수가 유동되는 다수의 채널이 반응면 상에서 중력방향을 따라 형성되어 막전극 접합체(MEA) 및 기체 확산층(GDL)와 함께 연료전지의 단위셀을 구성하는 연료전지용 분리판으로서, 상기 다수의 채널은 반응면 상에서 파형(wave type)으로 형성되어 곡선부와 직선부가 교대로 배치되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생성수의 효과적인 배출 및 함습이 가능한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.
도 1은 일반적인 연료전지의 단위셀을 보여주는 분해 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 연료전기의 단위셀(10)은 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 구성된 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA, 12)와 막전극 접합체(12)의 전극에 각각 접합되어 반응기체의 확산을 돕는 한 쌍의 기체 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL, 14) 및 각각의 기체 확산층(14)에 밀착결합되어 반응기체를 공급하는 분리판(16)을 포함한다. 또한 도시하지는 않았지만 기체 확산층(14)과 분리판(16) 사이에 기체를 분산 및 확산 시킬 수 있는 다공체를 개재할 수 있다.
한편, 분리판(16)은 반응기체인 수소와 산소가 서로 섞이지 않도록 하면서, 막전극 접합체(12)를 전기적으로 연결 및 지지함으로써, 연료전지 스택의 형태를 유지시키는 역활을 한다.
따라서, 분리판(16)은 반응기체가 서로 혼합되지 않도록 그 구조가 치밀해야 할 뿐만 아니라 전도체 및 지지체의 역할을 위해 전도성이 우수하면서 강도가 우수한 강도를 가져야 한다. 이에, 주로 금속 재질의 분리판(16)이 주로 사용되었다.
그리고, 분리판에는 반응기체의 유동방향을 따라 채널부와 랜드부가 동일한 간격을 유지하면서 나란하게 형성되고, 이때 채널부는 반응기체가 유동되는 유로 역할을 하는 한편, 연료전지 작동 중 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 생성된 물(이하, '생성수'라고 함)이 연료전지 스택의 외부로 배출되도록 하는 유로의 역할을 하기도 한다.
만약, 연료전지 반응으로 인한 생성수가 원활하게 배출되지 않고 적체되면 국부적으로 반응기체의 확산 및 배출을 방해하여 연료전지 성능 및 효율을 저하시키는 원인이 된다.
채널부에서 생성수로 인한 유로 막힘이 발생되는 경우 반응기체의 차압으로 인한 생성수의 배출이 이뤄지기도 하지만, 저전류 구간에서는 기체 유량이 작고, 차압이 크지 않기 때문에 생성수가 원활하게 배출되지 않는 문제가 발생한다.
한편, 도 2는 종래의 연료전지용 분리판을 보여주는 도면으로서, 반응기체의 유동방향을 중력방향과 같게 하기 위하여 채널부(31) 및 랜드부(32)가 중력방향을 따라 형성되도록 분리판(30)을 개선하여 사용되기도 한다. 이런 경우 생성수의 배출이 원활하게 이루어지는 장점을 기대할 수 있다.
하지만, 분리판에서 유동되는 생성수는 셀로 유입되는 반응기체에 습도를 유지시켜 셀 성능을 유지시키는 역할을 하는바, 생성수가 과도하게 배출되는 경우에는 셀 내 수분이 저감되어 셀 내부가 건조(Dry) 되는 현상이 발생하게 된다. 이로 인해 전해질 막 내의 수분 함량이 적어지며 셀 성능이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명은 생성수의 효과적인 배출 및 함습이 가능한 연료전지용 분리판을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 반응기체 및 생성수가 유동되는 다수의 채널이 반응면 상에서 중력방향을 따라 형성되어 막전극 접합체(MEA) 및 기체 확산층(GDL)와 함께 연료전지의 단위셀을 구성하는 연료전지용 분리판으로서, 상기 다수의 채널은 반응면 상에서 파형(wave type)으로 형성되어 곡선부와 직선부가 교대로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 채널에 형성된 곡선부의 폭이 직선부의 폭보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 채널의 곡선부를 형성하는 양 측벽의 곡률을 서로 다르게 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 채널에 형성되는 곡선부 중 반응기체가 유입되는 영역 및 배출되는 영역의 측부에 배치되는 랜드의 평탄면 폭이 곡선부 중 중간영역의 측부에 배치되는 랜드의 평탄면 폭보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 채널에 형성되는 곡선부 중 반응기체가 유입되는 영역 및 배출되는 영역의 측부에 배치되는 랜드의 측벽 경사각이 곡선부 중 중간영역의 측부에 배치되는 랜드의 측벽 경사각보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 채널은 파형의 피치(pitch)가 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 점점 짧아지는 것을 특징으로 한다.
상기 채널은 파형의 곡률이 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 점점 커지는 것을 특징으로 한다.
상기 채널의 곡선부는 반응기체가 유입되는 영역의 길이가 배출되는 영역의 길이보다 길게 형성하는 것을 특징으로 한다.
반응기체가 유입되는 영역의 길이가 배출되는 영역의 길이보다 길게 형성하는 채널의 곡선부는 중력방향을 기준으로 반응면의 하부영역에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 반응기체는 산소이고, 상기 반응면은 막전극 접합체(MEA)의 공기극(cathode)측으로 대면되는 면인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 채널의 형상을 개선하여 생성수가 채널을 통하여 원할하게 배출되도록 하면서, 유동 시간을 증가시켜 셀 내부가 건조되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 갈수록 생성수가 채널에 체류하는 시간을 증가시켜 셀 내부의 함습 효과를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 연료전지의 단위셀을 보여주는 분해 구성도이고,
도 2는 종래의 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이고,
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 분리판에서 채널의 폭을 변형한 예를 보여주는 구성도이며,
도 7은 본 발명에 따른 분리판에서 채널의 피치를 변형한 예를 보여주는 구성도이고,
도 8은 본 발명에 따른 분리판에서 채널의 곡선부를 변형한 예를 보여주는 구성도이다.
도 2는 종래의 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이고,
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 분리판에서 채널의 폭을 변형한 예를 보여주는 구성도이며,
도 7은 본 발명에 따른 분리판에서 채널의 피치를 변형한 예를 보여주는 구성도이고,
도 8은 본 발명에 따른 분리판에서 채널의 곡선부를 변형한 예를 보여주는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 보여주는 도면이고, 도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 분리판의 채널 형상을 변형한 예를 보여주는 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판(100)은 막전극 접합체(MEA) 및 기체 확산층(GDL)와 함께 연료전지의 단위셀을 구성하는 요소로서, 반응기체 및 생성수가 유동되는 다수의 채널(101) 및 랜드(102)가 반응면 상에서 중력방향을 따라 형성되는 연료전지용 분리판을 대상으로 한다. 예를 들어 중력방향을 기준으로 상부에는 반응기체가 공급되는 입구 매니폴드(110)가 형성되고, 하부에는 잉여 반응기체 및 생성수가 배출되는 출구 매니폴드(120)가 형성된다.
그리고 입구 매니폴드(110)와 출구 매니폴드(120) 사이에 반응기체가 유동되는 영역이 채널(101) 및 랜드(102)에 의해 형성되는데, 이때 채널(101) 및 랜드(102)가 형성되는 영역은 입구 매니폴드(110)에서 공급되는 반응기체가 확산되는 확산부(110a)와, 확산된 반응기체가 중력방향을 따라 유동되는 반응면(100b)과, 잉여 반응기체 및 생성수가 출구 매니폴드(120)를 향하도록 하는 수집부(100c)로 구분된다.
이렇게 본 실시예는 채널이 중력방향을 따라 형성되도록 함에 따라 입구 매니폴드와 출구 매니폴드가 좌우 방향으로 배치되어 채널이 좌우 방향으로 형성되는 것에 비하여 중력 및 기체 차압을 통해 순간적으로 대량의 생성수가 유입되더라도 생성수가 용이하게 배출되는 것을 기대할 수 있다.
한편, 본 실시예는 분리판(100)의 채널(101) 형상, 정확하게는 상기 반응면(100b)에 형성된 채널(101)의 형상을 개선하여 반응기체 및 생성수의 배출을 원활하게 하면서 체류 시간을 증가시켜 채널(101)에 생성수가 적체되지 않으면서도 셀 내부로 공급된 반응기체의 습도를 원하는 수준으로 유지시키도록 한다. 따라서, 상기 반응기체는 산소이고, 상기 반응면은 막전극 접합체(MEA)의 공기극(cathode)측으로 대면되는 면인 것이 바람직하다.
이를 위하여 본 실시예에 따른 연료전지용 분리판(100)은 반응면(100b)에 형성된 다수의 채널(101)을 반응면(100b) 상에서 파형(wave type)으로 형성되어 곡선부(101a)와 직선부(101b)가 교대로 배치되도록 한다. 그래서, 채널(101)의 길이를 증가시켜 생성수가 반응면(100b)에 체류하는 시간을 증가시킬 수 있다.
또한, 채널(101)을 따라 유동되는 생성수가 곡선부(101a)와 직선부(101b)를 지나게 함으로써 상대적으로 직선부(101b) 대비 곡선부(101a)에서는 생성수의 유동 속도가 느려지게 됨으로써, 곡선부(101a)에서 생성수가 정체되어 생성수가 반응면(100b)에 체류하는 시간을 증가시키는 동시에 반응기체의 확산성을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
한편, 채널(101)의 폭은 곡선부(101a)와 직선부(101b)에서 동일하게 유지시킬 수 있지만, 채널(101)의 폭을 변경하여 생성수의 체류 및 배출을 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 분리판에서 채널의 폭을 변형한 예를 보여주는 구성도로서, 도 4에 도시된 바와 같이 채널(101)에 형성된 곡선부(101a)의 폭이 직선부(101b)의 폭보다 넓게 형성시킬 수 있다.
이렇게 곡선부(101a)와 직선부(101b)의 폭을 다르게 형성함으로써 채널(101) 폭이 넓은 곡선부(101a)에서는 반응기체의 유동 속도가 느려지며 유동 정체 영역이 생성된다. 이를 통해 기체 확산성을 향상 시키고 수분 배출을 억제할 수 있다.
또한, 유동 정체 영역, 즉 곡선부(101a)에서 생성수가 체류하면서 액적이 발생하더라도 생성된 액적이 유동되어 직선부(101b)에 도달된다. 그러면 직선부(101b)에서는 다시 채널(101)의 폭이 좁아짐에 따라 반응기체의 유동 속도가 빨라지고 이에 따라 액적 생성 속도가 줄어들거나 액적을 증발시켜 셀 내부의 습도를 조절하는 효과를 기대할 수 있다.
만약, 직선부(101b)의 폭을 곡선부(101a)의 폭보다 넓게 형성하게 되면, 상대적으로 곡선부(101a)에 비해 유속이 느려져서 직선부(101b)에 액적이 생성될 것이고, 이렇게 생성된 액적은 상대적으로 폭이 작은 곡선부(101a)를 지나지 못하고 막음으로써, 반응이 불가한 영역을 만들거나, 저온에서 플러딩 현상을 유발시킬 수 있다. 이는 연료전지 셀의 운전 조건을 충분히 만족시키지 못하기 때문에, 본 실시예에서는 곡선부(101a)의 폭을 직선부(101b)의 폭보다 넓게 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 채널(101)의 폭을 변경하는 방법은 다양하게 구현될 수 있다.
예를 들어 도 3과 같이 채널(101)의 곡선부(101a)를 형성하는 양 측벽의 곡률(R1, R2)을 서로 다르게 형성(R1≠R2)하여, 동일한 폭의 랜드(102)를 형성하면서 채널(101)의 곡선부(101a) 폭을 변경할 수 있다.
또한, 도 5 및 도 6도 본 발명에 따른 분리판에서 채널의 폭을 변형한 예를 보여주는 구성도이다.
도 5와 같이 채널(101)에 형성되는 곡선부(101a) 중 반응기체가 유입되는 영역 및 배출되는 영역의 측부에 배치되는 랜드(102)의 평탄면(102a) 폭이 곡선부(101a) 중 중간영역의 측부에 배치되는 랜드(102)의 평탄면(102b) 폭보다 좁게 형성하여, 채널(101)의 곡선부(101a)에 형성되는 바닥부의 폭을 동일하게 유지하면서 채널(101)의 곡선부(101a) 폭을 변경할 수 있다. 도 5에서 (a)는 채널(101)에 형성되는 곡선부(101a) 중 반응기체가 유입되는 영역 및 배출되는 영역, 즉 채널(101)의 폭이 상대적으로 넓은 영역을 보여주고, (b)는 곡선부(101a) 중 중간영역, 즉 채널(101)의 폭이 상대적으로 좁은 영역을 보여준다.
그리고, 도 6과 같이 채널(101)에 형성되는 곡선부(101a) 중 반응기체가 유입되는 영역 및 배출되는 영역의 측부에 배치되는 랜드(102)의 측벽 경사각(θa)이 곡선부(101a) 중 중간영역의 측부에 배치되는 랜드(102)의 측벽 경사각(θb)보다 작게 형성하여 채널(101)의 곡선부(101a) 측부에 배치되는 랜드(102)의 평탄면 폭을 일정하게 유지하면서 채널(101)의 곡선부(101a) 폭을 변경할 수 있다. 도 6에서 (a)는 채널(101)에 형성되는 곡선부(101a) 중 반응기체가 유입되는 영역 및 배출되는 영역, 즉 채널(101)의 폭이 상대적으로 넓은 영역을 보여주고, (b)는 곡선부(101a) 중 중간영역, 즉 채널(101)의 폭이 상대적으로 좁은 영역을 보여준다.
한편, 연료전지 셀의 저가습 조건에서는 수분 함량이 입구 매니폴드(110)에서 출구 매니폴드(120) 방향으로 갈수록 수분 함량이 작아진다.(Anode 기준)
따라서, 채널(101)의 파형 피치를 구간별로 다르게 변경하여 생성수의 체류 및 배출을 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 분리판에서 채널의 피치를 변형한 예를 보여주는 구성도로서, 도 7에 도시된 바와 같이 채널(101)은 파형의 피치(pitch)가 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 점점 짧아지게 형성시킬 수 있다. 이때 채널(101)의 폭(진폭)은 동일하게 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 도 7의 "C"는 채널(101)의 파형 피치(wave pitch)를 설명하기 위한 가상의 선이다.
반응면 상부영역에서 채널(101)의 파형 피치(wave pitch)를 크게 형상함으로써, 직선부(101b)가 길어지면서 반응기체의 유동 속도를 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 중력 방향으로 유입된 생성수를 빠르게 배출할 수 있다.
그리고 반응면(100b) 중앙영역에서는 채널(101)의 파형 피치(wave pitch)를 상부영역보다 줄이고, 반응면(100b) 하부영역에서는 채널의 파형 피치(wave pitch)를 최소화한다. 이렇게 채널(101)은 파형의 피치(pitch)가 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 점점 짧아지게 형성됨으로써, 하부영역으로 향할수록 반응기체의 유동을 정체시켜 생성수의 배출을 억제 시킬 수 있다.
또한, 채널(101)이 형성하는 파형의 피치(pitch)가 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 점점 짧아지게 형성됨으로써, 채널(101)은 파형의 곡률이 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 점점 커지도록 형성됨에 따라 채널(101) 골의 각도가 줄어들어 반응기체의 유동을 정체시켜 생성수의 배출을 억제 시킬 수 있다.
이렇게 채널(101)의 파형 피치(wave pitch) 및 파형의 곡률을 변경함에 따라 생성수의 배출을 억제하여 셀 내부의 수분이 증가하는 방향으로 채널(101)을 설계할 수 있고, 이러한 구조를 이용하여 고유량에서의 공기극(cathode)측 입구영역의 Dry-out을 완화시킬 수 있고, 저유량에서의 수분 조절을 가능하게 한다.
한편, 채널(101)를 형성하는 곡선부(101a)의 형상을 변경하여 생성수의 체류 및 배출을 조절할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 분리판에서 채널의 곡선부를 변형한 예를 보여주는 구성도로서, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 채널(101)의 곡선부(101a)는 유입되는 영역의 길이가 배출되는 영역의 길이보다 점점 길어지게 형성할 수 있다. 여기서, 도 8의 "θ1"은 곡선부에서 반응기체가 유입되는 영역의 각도(파형의 골 기준)를 의미하고, "θ2"는 곡선부에서 반응기체가 배출되는 영역의 각도를 의미한다.
이렇게 곡선부(101a)에서 반응기체가 유입되는 영역의 각도(θ1)을 곡선부(101a)에서 반응기체가 배출되는 영역의 각도(θ2)보다 크게 형성하여 채널(101)의 곡선부(101a)는 유입되는 영역의 길이가 배출되는 영역의 길이보다 길게 형성할 수 있다.
이에 따라 곡선부(101a)에서 액적이 생성될 경우 체류하는 시간을 증가시키는 동시에, 반응기체의 체류를 길게 하여 반응효율을 증가시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 막전극 접합체
20: 기체 확산층
30: 분리판 31: 채널부
32: 랜드부 100: 분리판
101: 채널 102: 랜드
101a: 곡선부 101b: 직선부
110: 입구 매니폴드 120: 출구 매니폴드
30: 분리판 31: 채널부
32: 랜드부 100: 분리판
101: 채널 102: 랜드
101a: 곡선부 101b: 직선부
110: 입구 매니폴드 120: 출구 매니폴드
Claims (10)
- 반응기체 및 생성수가 유동되는 다수의 채널이 반응면 상에서 중력방향을 따라 형성되어 막전극 접합체(MEA) 및 기체 확산층(GDL)와 함께 연료전지의 단위셀을 구성하는 연료전지용 분리판으로서,
상기 다수의 채널은 반응면 상에서 파형(wave type)으로 형성되어 곡선부와 직선부가 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 채널에 형성된 곡선부의 폭이 직선부의 폭보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 2에 있어서,
상기 채널의 곡선부를 형성하는 양 측벽의 곡률을 서로 다르게 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 2에 있어서,
상기 채널에 형성되는 곡선부 중 반응기체가 유입되는 영역 및 배출되는 영역의 측부에 배치되는 랜드의 평탄면 폭이 곡선부 중 중간영역의 측부에 배치되는 랜드의 평탄면 폭보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 2에 있어서,
상기 채널에 형성되는 곡선부 중 반응기체가 유입되는 영역 및 배출되는 영역의 측부에 배치되는 랜드의 측벽 경사각이 곡선부 중 중간영역의 측부에 배치되는 랜드의 측벽 경사각보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 채널은 파형의 피치(pitch)가 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 점점 짧아지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 채널은 파형의 곡률이 중력방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 점점 커지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 채널의 곡선부는 반응기체가 유입되는 영역의 길이가 배출되는 영역의 길이보다 길게 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 8에 있어서,
반응기체가 유입되는 영역의 길이가 배출되는 영역의 길이보다 길게 형성하는 채널의 곡선부는 중력방향을 기준으로 반응면의 하부영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 반응기체는 산소이고, 상기 반응면은 막전극 접합체(MEA)의 공기극(cathode)측으로 대면되는 면인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
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