KR20200117958A - 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

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KR20200117958A
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Abstract

본 발명은 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 반응가스가 유입되는 유입구, 반응가스가 토출되는 토출구, 반응가스의 유동통로를 형성하는 복수 개의 채널을 구비하며 유입구와 토출구를 연결하는 채널 영역 및 인접하는 채널을 구획하며, 가스 확산층과 접촉되는 복수 개의 리브를 포함하고, 채널 영역은 적어도 일부 영역에서 유입 채널 및 토출 채널이 이웃하도록 마련되고, 복수 개의 리브 중 하나는 이웃한 유입 채널 및 토출 채널을 구획하는 제1 리브이며, 제1 리브는 유입 채널 및 토출 채널에 반응가스가 유동할 때, 토출 채널 내 생성수를 유입 채널 측으로 전달시키도록 마련된 분리판이 제공된다.

Description

분리판 및 이를 포함하는 연료전지{Separator, and Fuel cell comprising the same}
본 발명은 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.
고분자 전해질 연료전지는 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(anode)와 캐소드(cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 가스를 반응 영역 전체에 걸쳐 고르게 분포시키고, 애노드 전극의 산화반응에 의해 발생된 전자를 캐소드 전극 쪽으로 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 가스들을 가스 확산층으로 공급하고, 전기화학반응에 의해 발생된 물을 외부로 배출시키는 분리판(bipolar plate), 분리판 또는 막-전극 접합체의 반응 영역 외주에 배치되어 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는, 탄성을 갖는 고무 소재의 가스켓(gasket)을 포함할 수 있다.
특히, 고분자 전해질 연료전지는 고분자 전해질의 이온전도도 확보를 위하여 연료의 가습이 필요하다. 통상 가습기를 연료전지 전단에 설치하고 있으나, 무게와 부피 등의 제약이 있다.
따라서, 저가습 환경에서 가습량 확보를 위한 다양한 자가 가습 방식에 대한 기술이 개발되고 있다.
본 발명은 생성수를 활용하여 자가 가습이 가능한 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 반응가스가 유입되는 유입구, 반응가스가 토출되는 토출구, 반응가스의 유동통로를 형성하는 복수 개의 채널을 구비하며 유입구와 토출구를 연결하는 채널 영역 및 인접하는 채널을 구획하며, 가스 확산층과 접촉되는 복수 개의 리브를 포함하고, 채널 영역은 적어도 일부 영역에서 유입 채널 및 토출 채널이 이웃하도록 마련되고, 복수 개의 리브 중 하나는 이웃한 유입 채널 및 토출 채널을 구획하는 제1 리브이며, 제1 리브는 유입 채널 및 토출 채널에 반응가스가 유동할 때, 토출 채널 내 생성수를 유입 채널 측으로 전달시키도록 마련된 분리판이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 막-전극 접합체; 막-전극 접합체의 일면에 배치된 가스 확산층; 및 반응가스가 유입되는 유입구, 반응가스가 토출되는 토출구, 반응가스의 유동통로를 형성하는 복수 개의 채널을 구비하며 유입구와 토출구를 연결하는 채널 영역 및 인접하는 채널을 구획하며, 가스 확산층과 접촉되는 복수 개의 리브를 갖는 분리판을 포함하는 연료전지가 제공된다. 여기서 채널 영역은 적어도 일부 영역에서 유입 채널 및 토출 채널이 이웃하도록 마련되고, 복수 개의 리브 중 하나는 이웃한 유입 채널 및 토출 채널을 구획하는 제1 리브이며, 제1 리브는 유입 채널 및 토출 채널에 반응가스가 유동할 때, 토출 채널 내 생성수를 유입 채널 측으로 전달시키도록 마련된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지는 다음과 같은 효과를 갖는다.
일반적으로 반응 가스의 유동에 따라 분리판의 토출 영역에는 다량의 생성수가 발생하게 된다. 이러한 물이 분리판 내에 응결되면서 반응 가스의 흐름을 방해하게 되고, 반응 가스와 촉매층의 반응 면적이 감소하게 되어 결과적으로 반응성이 낮아지게 된다.
그러나 본 발명에 따른 분리판에서는, 유입 채널과 토출 채널이 이웃하게 배치되고, 유입 채널과 토출 채널이 흡수성 재질의 리브로 구획됨에 따라, 토출 채널 측 생성수가 흡수성 재질의 리브를 통과하여 유입 채널 측으로 이동될 수 있다.
따라서 자가 가습이 가능함과 동시에, 토출 채널 측 생성수를 제거할 수 있어서, 반응성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 채널 영역을 나타내는 개략도이다.
도 3은 제1 리브 및 생성수의 이동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 사시도이다.
도 5는 반응시 생성되는 생성수의 양과 가습에 필요한 수증기량을 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지를 나타내는 개략 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 채널 영역을 나타내는 개략도이다.
또한, 도 3은 제1 리브 및 생성수의 이동을 설명하기 위한 개략도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 사시도이다.
또한, 도 5는 반응시 생성되는 생성수의 양과 가습에 필요한 수증기량을 비교한 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 연료전지(1)는 막-전극 접합체(10), 막-전극 접합체의 일면에 배치된 가스 확산층(20) 및 분리판(100)을 포함한다.
분리판(100)은 가스 확산층(20)과 접촉하기 위한 복수 개의 리브 (110) 및 가스 확산층(20)과 접촉하지 않고, 반응가스의 유동통로(A)를 형성하는 채널 영역(120)을 갖는다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 분리판(100)은 유입구(130), 토출구(140), 채널 영역(120), 및 복수 개의 리브(110)를 포함한다. 구체적으로, 상기 분리판(100)은 반응가스가 유입되는 유입구(130), 반응가스가 토출되는 토출구(140), 반응가스의 유동통로를 형성하는 복수 개의 채널을 구비하며 유입구(130)와 토출구(140)를 연결하는 채널 영역(120) 및 인접하는 채널을 구획하며, 가스 확산층(20)과 접촉되는 복수 개의 리브(110)를 포함한다.
채널 영역(120)은 반응가스의 유동통로의 기능을 수행하고, 복수 개의 채널이 연속적으로 연결(직렬/병렬)되도록 형성되어 유입구(130)와 토출구(140)를 연결하도록 형성된다. 또한, 유입구(130) 및 토출구(140)를 연결하는 유동통로는 단일의 유동통로일 수도 있고, 적어도 일부에서 분기 및/또는 합류되는 구조를 가질 수도 있다. 각각의 채널의 깊이/폭/길이 등은 동일할 수도 있고, 서로 다르게 형성될 수도 있다.
한편, 채널 영역(120)은 적어도 일부 영역에서 유입 채널(121) 및 토출 채널(125)이 이웃하도록 마련된다. 유입 채널(121)은 상대적으로 유입구(130) 측에 가까운 채널을 의미하고, 토출 채널(125)은 상대적으로 토출구(140) 측에 가까운 채널을 의미할 수 있다. 이때, 유입 채널(121)과 토출 채널(125)이 이웃하여 배치된다는 의미는, 유입 채널(121과 토출 채널(125)이 단일의 리브에 의해 구획됨을 의미할 수 있다.
또한, 토출 채널(125)에는 반응가스의 유동에 따라 생성수가 생성된다. 이웃한, 유입 채널(121) 및 토출 채널(125)에서의 반응가스의 흐름 방향은 서로 평행할 수 있고, 동일한 방향 또는 대향하는 방향일 수 있다. 또한, 유입 채널(121) 및 토출 채널(125)은 직선형 또는 나선형으로 형성될 수 있다.
이때, 복수 개의 리브(120) 중 하나는 이웃한 유입 채널(121) 및 토출 채널(125)을 구획하는 제1 리브(200)이다. 제1 리브(200)는 유입 채널(121) 및 토출 채널(125)에 반응가스가 유동할 때, 토출 채널(125) 내 생성수를 유입 채널(121) 측으로 전달시키도록 마련된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 리브(200)는 흡수성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 리브(200)는 흡수성 수지 또는 세라믹로 형성될 수 있다.
구체적으로, 제1 리브(200)는 녹말, 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드 등 친수성 고분자를 포함한 다공성 수지, 또는 실리카, 알루미나, 타이타니아 등의 산화물계 세라믹 재료로 구성된 다공성 블록으로 형성될 수 있다.
또한, 제1 리브(200)는 기공을 가질 수 있고, 제1 리브(200)는 10㎛이하 크기의 기공을 가질 수 있다. 10㎛ 초과의 기공을 가지면, 기체 투과도가 커지므로, 유입채널(121)에서 토출채널(125)로 반응가스의 유실이 커질 수 있다.
이에 따라, 제1 리브(200)는 토출 채널(125) 내 생성수가 모세관 압력에 의해 유입 채널 측으로 이동(확산)되도록 마련될 수 있다. 유입 채널(121)과 토출 채널(125) 내 각각의 반응가스의 유동에 따라, 모세관 압력을 유도하기 위하여, 흡수성 수지 또는 산화물계 세라믹 등 친수성 표면을 가진 재료로 구성되어 다공성 구조를 가진 제1 리브가 형성될 수 있다. 또한, 연료전지 작동 중에는 토출 채널(125)의 습도가 높으므로, 토출 채널(125)에서 유입 채널(121) 측으로 확산이 유도된다.
또한, 제1 리브(200)는 100 sccm/cm2이하의 가스투과성을 갖도록 마련될 수 있다. 연료전지 구동 시, 투입된 공기의 약 10% 미만의 유실율을 가지도록 함이며, 10% 이상의 투입 공기가 유실될 경우, 가습에 의한 성능 향상 효과 보다 큰 부영향을 줄 수 있기 때문에, 제1 리브(200)는 100 sccm/cm2이하의 가스투과성을 갖는 것이 바람직하다.
이러한 구조에서, 연료전지의 IV 곡선에서, 낮은 가습도에서 운전 시 막의 가습도 확보로 더 높은 성능이 확보됨을 확인할 수 있다.
또한, 연료전지(10)에 중력이 작용하는 방향을 따라, 토출 채널(125)이 유입 채널(121) 보다 상측에 위치하는 것이 바람직하다.
또한, 유입 채널(121) 및 토출 채널(125)은 다른 채널보다 유동 단면적이 크게 형성될 수 있다. 해당 채널에서 반응가스의 유속을 늦추어 자가 가습 효과를 향상시키기 위함이다.
또한, 제1 리브(200)에 물이 흡수되면, 기체 투과도는 더욱 낮아지게 되므로, 반응가스의 손실은 거의 발생하지 않는다.
도 5를 참조하면, 반응 생성수는 완전히 건조된 공기를 상대습도 50%로 가습시킬 수 있는 물의 양의 약 2배 정도이므로, 토출 채널(125) 측의 생성수만으로도 충분한 가습 효과를 얻을 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
1: 연료전지
10: 막-전극 접합체
20: 가스 확산층
100: 분리판
121: 유입 채널
125: 토출 채널
200: 제1 리브

Claims (5)

  1. 반응가스가 유입되는 유입구, 반응가스가 토출되는 토출구, 반응가스의 유동통로를 형성하는 복수 개의 채널을 구비하며 유입구와 토출구를 연결하는 채널 영역 및 인접하는 채널을 구획하며, 가스 확산층과 접촉되는 복수 개의 리브를 포함하고,
    채널 영역은 적어도 일부 영역에서 유입 채널 및 토출 채널이 이웃하도록 마련되고, 복수 개의 리브 중 하나는 이웃한 유입 채널 및 토출 채널을 구획하는 제1 리브이며,
    제1 리브는 유입 채널 및 토출 채널에 반응가스가 유동할 때, 토출 채널 내 생성수를 유입 채널 측으로 전달시키도록 마련되며,
    유입 채널 및 토출 채널은 다른 채널보다 유동 단면적이 크게 형성되며,
    제1 리브는 토출 채널 내 생성수가 모세관 압력에 의해 유입 채널 측으로 이동되도록 마련되고,
    토출 채널에는 반응가스의 유동에 따라 생성수가 생성되고, 이웃한, 유입 채널 및 토출 채널에서의 반응가스의 흐름 방향은 대향하는 방향이며,
    제1 리브는 기공을 갖고, 친수성 표면을 갖는 재료로 구성되며,
    제1 리브는 10㎛이하 크기의 기공을 갖고,
    제1 리브는 100 sccm/cm2 이하의 가스투과성을 갖도록 마련된 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 리브는 흡수성 재질로 형성된 분리판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제1 리브는 흡수성 수지 또는 세라믹으로 형성된 분리판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    유입 채널 및 토출 채널은 직선형 또는 나선형으로 형성된 분리판.
  5. 막-전극 접합체;
    막-전극 접합체의 일면에 배치된 가스 확산층; 및
    반응가스가 유입되는 유입구, 반응가스가 토출되는 토출구, 반응가스의 유동통로를 형성하는 복수 개의 채널을 구비하며 유입구와 토출구를 연결하는 채널 영역 및 인접하는 채널을 구획하며, 가스 확산층과 접촉되는 복수 개의 리브를 갖는 분리판을 포함하고,
    채널 영역은 적어도 일부 영역에서 유입 채널 및 토출 채널이 이웃하도록 마련되고, 복수 개의 리브 중 하나는 이웃한 유입 채널 및 토출 채널을 구획하는 제1 리브이며,
    제1 리브는 유입 채널 및 토출 채널에 반응가스가 유동할 때, 토출 채널 내 생성수를 유입 채널 측으로 전달시키도록 마련되며,
    유입 채널 및 토출 채널은 다른 채널보다 유동 단면적이 크게 형성되며,
    제1 리브는 토출 채널 내 생성수가 모세관 압력에 의해 유입 채널 측으로 이동되도록 마련되고,
    토출 채널에는 반응가스의 유동에 따라 생성수가 생성되고, 이웃한, 유입 채널 및 토출 채널에서의 반응가스의 흐름 방향은 대향하는 방향이며,
    제1 리브는 기공을 갖고, 친수성 표면을 갖는 재료로 구성되며,
    제1 리브는 10㎛이하 크기의 기공을 갖고,
    제1 리브는 100 sccm/cm2 이하의 가스투과성을 갖도록 마련된 연료전지.
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