KR20200000913A - 연료전지용 세퍼레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상면에는 연료가스가 통과되도록 제1채널이 일정간격으로 복수 개가 형성되고, 하면에는 상기 제1채널과 교차되는 방향으로 산화제가스가 통과되도록 제2채널이 일정간격으로 복수 개가 형성되는 연료전지용 세퍼레이터에 있어서, 상기 세퍼레이터 내부에는, 상기 제2채널의 출구측에 인접하는 곳에 상기 제1채널의 반대방향으로 연료가스가 유입되어 배출되는 제3채널이 더 형성되어 내부 열응력을 제거되게 하는 것을 특징으로 연료전지용 세퍼레이터를 제공한다.

Description

연료전지용 세퍼레이터{The separator for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 세퍼레이터에 관한 것으로, 연료전지의 화학적 반응에 의해 높은 열응력이 발생되는 부분을 냉각하여 열응력을 제거할 수 있는 연료전지용 세퍼레이터에 관한 기술이다.

연료전지는 수소와 산소가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시켜 주는 장치이다.

연료전지는 용융탄산염 연료전지용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)로 구분되며, 본 발명과 관련된 연료전지는 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)이다.

여기서 본 발명과 관련된 고체산화물 연료전지를 예를 들면 연료전지의 핵심부품인 셀(cell)은 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극, cathode) 및 연료극(음극, anode)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리이다.

여기서, 셀 사이에는 반응기체인 수소와 산소가 공급되는 채널을 가진 세퍼레이터가 구비되게 된다. 셀은 화학적 반응에 의해 열을 방출하게 되고, 이 열은 상기 세퍼레이터에 의해 전해지게 되는데 산소가 세퍼레이터 내부 이동 중에 셀의 공기극과 반응하여 입구측보다 출구측에서 약 100℃ 내지 200℃ 높아져 출구측에 열응력이 커지게 된다.

결국, 세퍼레이터에 열응력이 커지게 되면 연료전지의 효율이 떨어지는 문제점이 있게 된다.

KR 10-2007-0036502 A

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 세퍼레이터 화학적 반응에 의해 내부에서 발생하는 열응력을 방지할 수 있는 연료전지용 세퍼레이터를 제공하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은 상면에는 연료가스가 통과되도록 제1채널이 일정간격으로 복수 개가 형성되고, 하면에는 상기 제1채널과 교차되는 방향으로 산화제가스가 통과되도록 제2채널이 일정간격으로 복수 개가 형성되는 연료전지용 세퍼레이터에 있어서, 상기 세퍼레이터 내부에는, 상기 제2채널의 출구측에 인접하는 곳에 상기 제1채널의 반대방향으로 연료가스가 유입되고 배출되는 제3채널이 더 형성되어 내부 열응력을 제거되게 하는 것을 특징으로 연료전지용 세퍼레이터를 제공한다.

상기 제3채널에는 상기 제2채널의 산화제가스 보다 상대적으로 온도가 낮은 산화제가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터를 제공한다.

상기 제3채널의 출구는 상기 제2채널의 입구와 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터를 제공한다.

상기 제3채널의 부피는 상기 제2채널의 총 부피에 상당한 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터를 제공한다.

본 과제의 해결 수단에 제공된 구성에 의하면, 연료전지의 반응에 의해 높은 열응력이 발생하는 부분에 낮은 온도의 산화제가스를 공급함으로써 내부 열응력을 제거하여 연료전지의 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스텍의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 기체 흐름을 도시한 도.

이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에 나타난 바는 본 발명의 전반적인 이해를 위해 제시된 것이므로 본 발명의 기술적 범위가 그것들에 한정되는 것은 아니다 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 구성 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스텍의 사시도이다.

도 1은 본원발명의 스텍 사시도이고, 본원발명의 스텍(100)은 공급되는 기체와 반응하여 전기 에너지를 생성하게 된다. 여기서 스텍(100)은 셀(10, cell)이 적층된 것으로 셀(10) 사이에 세퍼레이터(20)가 개재되어 있으며, 세퍼레이터(20)에는 기체가 통과되게 되므로 셀과 화학적 반응에 의해 전기를 생산하게 된다.

여기서, 기체는 셀과 반응하는 것으로 연료가스(이하 '수소')와 산화제가스(이하 '산소')이다. 그리고 이 기체는 세퍼레이터(20)의 상면에 수소가 유입되게 되며 세퍼레이터(20)의 하면에 산소가 유입되게 된다.

상기 셀(10)은 산소 이온전도성 전해질과, 그 일면에는 연료극(음극, Anode)이 위치하고, 반대쪽 타면에는 공기극(양극, Cathode)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 기체 흐름을 도시한 도이다.

도 2를 참조하면, 세퍼레이터(20)의 상면에는 수소가 통과되도록 제1채널(22)이 일정간격으로 복수 개가 형성되고, 하면에는 상기 제1채널과 교차되는 방향으로 산소가 통과되도록 제2채널(24)이 일정간격으로 복수 개가 형성되어 있으며 이는 통상적인 세퍼레이터(20)의 채널 형성과 동일하다.

본 발명은 상기의 기본 구성에서 상기 세퍼레이터 내부에는 상기 제2채널(24)의 출구측에 인접하는 곳에 상기 제1채널(22)의 반대방향으로 산소가 유입되고 배출되는 제3채널(26)이 더 형성되어 내부 열응력을 제거되게 하는 것을 특징으로 한다.

물론, 상기 제3채널(26)에 유입되는 산소 온도는 상기 제2채널(24)에 유입되는 산소 온도보다 상대적으로 온도가 낮게 공급되는 것을 특징으로 하여 냉각함으로써 내부 열응력을 제거할 수 있다.

그리고, 상기 제3채널(26)의 출구는 상기 제2채널(24)의 입구와 연결되어 상기 제3채널(26)을 냉매로 통과한 산소가 상기 제2채널(24)에 통과되도록 하여 셀(10)의 공기극과 반응하는 기체로 활용할 수 있다.

여기서, 상기 제3채널(26)의 부피는 상기 제2채널(24)의 총 부피에 상당한 것으로 하여 상기 제3철널(26)을 통과한 산소가 상기 제2채널(24)로 통과할때 압력 변화가 없도록 하는 것이 바람직하다.

따라서, 본원발명은 세퍼레이터(20)의 반응하는 산소 출구측에 발생하는 열응력을 제거하기 위해 세페레이터(20)의 내부로 산소를 유입되게 하여 냉각되게 할 수 있다. 상기 세퍼레이터(20)의 선 냉각에 의해 산소와 반응시 발생되는 열응력을 제거할 수 있게 되므로 연료 전지의 효율을 높일 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 특허청구범위의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

10: 셀
20: 세퍼레이터
22: 제1채널
24: 제2채널
26: 제3채널
100: 스텍

Claims (4)

1. 상면에는 연료가스가 통과되도록 제1채널이 일정간격으로 복수 개가 형성되고, 하면에는 상기 제1채널과 교차되는 방향으로 산화제가스가 통과되도록 제2채널이 일정간격으로 복수 개가 형성되는 연료전지용 세퍼레이터에 있어서,
   상기 세퍼레이터 내부에는,
   상기 제2채널의 출구측에 인접하는 곳에 상기 제1채널의 반대방향으로 산화 제가스가 유입되고 배출되는 제3채널이 더 형성되어 내부 열응력을 제거되게 하는 것을 특징으로 연료전지용 세퍼레이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제3채널에는,
   상기 제2채널의 산화제가스 보다 상대적으로 온도가 낮은 산화제가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제3채널의 출구는,
   상기 제2채널의 입구와 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제3채널의 부피는,
   상기 제2채널의 총 부피에 상당한 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.

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