KR20230045667A - 가변형 냉매 유로를 갖는 연료 전지용 세퍼레이터 - Google Patents
가변형 냉매 유로를 갖는 연료 전지용 세퍼레이터 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 제1 세퍼레이터; 제2 세퍼레이터; 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터 사이에 구비되며 냉매가 유동하는 냉매 유로; 및 냉매 유로의 내부에 배치되며 냉매의 온도에 따라 팽창하거나 수축하는 열 변형성 부재를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 연료 전지용 세퍼레이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 냉매 유로의 단면적을 세퍼레이터의 온도에 따라 자동으로 조절할 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 애노드에 수소를 공급하고 캐소드에 산소를 공급하여, 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 얻는 장치이다. 연료 전지는 유해 가스를 배출하지 않고 소음과 진동을 적게 발생하므로 차세대 에너지원으로서 각광을 받고 있다.
연료 전지는, 전해질 종류에 따라, 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체산화물 연료 전지(SOFC)로 분류된다. 이러한 연료 전지 중에서 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)가 널리 사용되고 있다.
고분자 전해질 연료 전지는 수십 내지 수백 개의 단위 셀이 직렬로 적층된 구조를 갖는다.
단위 셀은 한 쌍의 세퍼레이터(제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터)와 막 전극 조립체를 포함한다. 막 전극 조립체는 고체 고분자 전해질막, 전극, 가스 확산층을 포함한다. 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터는 막 전극 조립체의 서로 외면하는 양측에 결합된다.
제1 세퍼레이터가 막 전극 조립체에 결합됨에 따라, 제1 세퍼레이터와 막 전극 조립체 사이에는 제1 가스가 유동하는 제1 가스 유로가 형성된다. 제2 세퍼레이터가 막 전극 조립체에 결합됨에 따라, 제2 세퍼레이터와 막 전극 조립체 사이에는 제2 가스가 유동하는 제2 가스 유로가 형성된다. 그리고, 복수의 단위 셀이 적층됨에 따라 어느 하나의 단위 셀의 제1 세퍼레이터가 다른 하나의 단위 셀의 제2 세퍼레이터와 결합되며, 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터 사이에는 냉매가 유동하는 냉매 유로가 형성된다.
한편, 연료 전지는 연료인 수소와 산화제인 산소의 전기 화학적 반응을 통하여 전력과 열을 생성한다. 따라서, 연료 전지로 공급되는 수소와 산소의 유량을 적절하게 관리할 필요가 있다. 또한, 연료 전지의 작동 온도가 미리 설정된 온도보다 낮으면 연료 전지의 효율이 감소하여 수소 및 산소의 소모량이 증가한다. 그리고, 연료 전지의 작동 온도가 미리 설정된 온도보다 높으면 연료 전지 내의 고분자 전해질이 손상되어 연료 전지의 내구성이 저하될 수 있다. 따라서, 연료 전지의 작동 온도를 일정하게 유지하기 위해, 연료 전지의 내부에서 순환하는 냉매의 유량을 적절하게 관리할 필요가 있다.
종래 기술에 따르면, 냉매 유로의 단면적이 고정되어 있기 때문에, 냉매의 온도(세퍼레이터의 온도)에 따라 냉매의 유량을 조절하기 어려운 문제가 있다. 따라서, 세퍼레이터를 적절하게 냉각할 수 없는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 냉매 유로의 단면적을 세퍼레이터의 온도에 따라 자동으로 조절할 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 제1 세퍼레이터; 제2 세퍼레이터; 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터 사이에 구비되며 냉매가 유동하는 냉매 유로; 및 냉매 유로의 내부에 배치되며 냉매의 온도에 따라 팽창하거나 수축하는 열 변형성 부재를 포함할 수 있다.
열 변형성 부재는 냉매의 온도의 상승에 비례하여 수축될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 열 변형성 부재의 내부에 배치되어 냉매와 접촉하도록 구성되는 보호 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터에 따르면, 세퍼레이터의 온도(즉, 냉매의 온도)에 따라 냉매 유로의 단면적을 자동으로 조절할 수 있다. 따라서, 세퍼레이터의 온도(즉, 냉매의 온도)에 따라 냉매의 유량을 자동으로 조절할 수 있다. 따라서, 세퍼레이터를 적절하게 냉각할 수 있어, 세퍼레이터의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터가 막 전극 조립체에 결합된 구성이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터의 열 변형성 부재가 수축된 상태가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터의 열 변형성 부재가 팽창된 상태가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터가 막 전극 조립체에 결합된 구성이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터의 열 변형성 부재가 수축된 상태가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터의 열 변형성 부재가 팽창된 상태가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터가 개략적으로 도시된 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(50)는, 열경화성 수지, 전기 전도성 입자, 탄소 섬유를 혼합한 혼합물(이하, 성형 재료라 함)을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 세퍼레이터(50)는 20 내지 35 wt.%의 열경화성 수지와, 80 내지 65 wt.%의 전기 전도성 입자 및 탄소 섬유를 혼합하여 제조된 성형 재료를 사용하여 제조될 수 있다.
열경화성 수지는 페놀 수지일 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다양한 열경화성 수지가 사용될 수 있다.
전기 전도성 입자는 카본 블랙 입자일 수 있다. 카본 블랙 입자는 전기 전도성이 높으므로, 카본 블랙 입자를 사용하여 제조되는 세퍼레이터(50)의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 또한, 카본 블랙 입자는 가공성이 우수하므로, 카본 블랙 입자를 사용하여 제조되는 세퍼레이터(50)는 1 내지 2 mm 정도로 작은 두께를 가질 수 있다.
한편, 카본 블랙 입자의 양이 증가함에 따라 세퍼레이터(50)의 전기 전도성은 좋아지지만 세퍼레이터(50)의 강도가 저하될 수 있다. 따라서, 세퍼레이터(50)의 강도를 보완하기 위해, 세퍼레이터(50)는 카본 블랙 입자에 탄소 섬유를 혼합한 혼합물을 사용하여 제조된다. 예를 들면, 탄소 섬유는 PAN계 탄소 섬유, 피치계 탄소 섬유, 셀룰로오스계 탄소 섬유 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들면, 탄소 섬유는 1 내지 12 mm의 길이를 가질 수 있지만, 본 발명은 탄소 섬유의 길이에 한정되지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(50)는, 복수의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132), 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232), 복수의 유로 리브(300), 복수의 외곽 돌기(411, 421)를 구비한다.
복수의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132)은, 복수의 가스 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122) 및 한 쌍의 냉매 매니폴드 홀(131, 132)을 포함한다.
복수의 가스 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122)은, 한 쌍의 제1 가스 매니폴드 홀(111, 112) 및 한 쌍의 제2 가스 매니폴드 홀(121, 122)을 포함한다.
한 쌍의 제1 가스 매니폴드 홀(111, 112)은, 제1 가스가 유입되는 제1 가스 유입홀(111)과, 제1 가스가 배출되는 제1 가스 배출홀(112)을 포함한다. 제1 가스는 제1 가스 유입홀(111)을 통하여 세퍼레이터(50)의 내부로 유입되고, 세퍼레이터(50) 내부의 제1 가스 유로를 통과한 다음, 제1 가스 배출홀(112)을 통하여 세퍼레이터(50)의 외부로 배출된다.
한 쌍의 제2 가스 매니폴드 홀(121, 122)은, 제2 가스가 유입되는 제2 가스 유입홀(121)과, 제2 가스가 배출되는 제2 가스 배출홀(122)을 포함한다. 제2 가스는 제2 가스 유입홀(121)을 통하여 세퍼레이터(50)의 내부로 유입되고, 세퍼레이터(50) 내부의 제2 가스 유로를 통과한 다음, 제2 가스 배출홀(122)을 통하여 세퍼레이터(50)의 외부로 배출된다.
여기에서, 제1 가스 및 제2 가스 중 어느 하나는 연료 가스일 수 있고, 제1 가스 및 제2 가스 중 다른 하나는 산화제 가스일 수 있다.
각각의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)는 각각의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132)의 둘레를 따라 연장될 수 있다. 각각의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)는 각각의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132)을 둘러싸도록 형성된다. 각각의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)는 세퍼레이터(50)의 표면으로부터 돌출되어 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132)을 통하여 유동하는 냉매, 제1 가스 또는 제2 가스가 외부로 누출하는 것을 방지하는 역할을 한다.
복수의 외곽 돌기(411, 421)는 세퍼레이터(50)의 외곽을 따라 연장될 수 있다. 복수의 외곽 돌기(411, 421)는 제1 외곽 돌기(411) 및 제2 외곽 돌기(421)를 포함한다.
제1 외곽 돌기(411)는 복수의 유로 리브(300)를 둘러싸도록 형성된다. 제2 외곽 돌기(421)는 복수의 유로 리브(300), 복수의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132), 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)를 포위하도록 형성된다. 복수의 외곽 돌기(411, 421)는 세퍼레이터(50)의 내부에서 유동하는 냉매, 제1 가스 또는 제2 가스가 외부로 누출되는 것을 방지하는 역할을 한다.
복수의 유로 리브(300)는 세퍼레이터(50)의 표면으로부터 돌출될 수 있다. 복수의 유로 리브(300)는 서로 이격되게 형성될 수 있으며, 이에 따라, 복수의 유로 리브(300) 사이에는 가스가 통과하는 가스 유로(390)가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 한 쌍의 세퍼레이터(50)가 서로 결합되어 하나의 조립체를 구성할 수 있다. 한 쌍의 세퍼레이터(50)가 서로 결합되는 것에 의해 어느 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)가 다른 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)에 접합될 수 있다. 이때, 어느 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)의 접합면과 다른 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)의 접합면이 서로 접촉될 수 있다.
또한, 한 쌍의 세퍼레이터(50)가 서로 결합되는 것에 의해 어느 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 외곽 돌기(411, 421)가 다른 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 외곽 돌기(411, 421)에 접합될 수 있다. 이때, 어느 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 외곽 돌기(411, 421)의 접합면과 다른 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 외곽 돌기(411, 421)의 접합면이 서로 접촉될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 세퍼레이터(50)가 막 전극 조립체(60)에 결합되어 하나의 단위 셀을 형성한다. 그리고, 복수의 단위 셀이 적층되어 연료 전지 스택을 형성한다.
막 전극 조립체(60)는, 제1 전극(61), 제2 전극(62), 전해질 막(63)을 포함한다. 전해질 막(63)은 제1 전극(61) 및 제2 전극(62) 사이에 배치된다.
막 전극 조립체(60)와 세퍼레이터(50) 사이에는 가스 확산층(64)이 배치될 수 있다.
제1 전극(61) 및 제2 전극(62) 중 어느 하나는 애노드일 수 있고, 제1 전극(61) 및 제2 전극(62) 중 다른 하나는 캐소드일 수 있다.
한 쌍의 세퍼레이터(50)가 제1 전극(61) 및 제2 전극(62)에 결합되는 것에 의해 복수의 유로 리브(300) 사이의 공간이 밀폐되며, 이에 따라, 복수의 유로 리브(300)의 길이 방향으로 가스 유로(390)가 형성될 수 있다.
한 쌍의 세퍼레이터(50)는, 제1 전극(61)에 인접하게 배치되는 제1 세퍼레이터(51)와, 제2 전극(62)에 인접하게 배치되는 제2 세퍼레이터(52)를 포함한다.
그리고, 가스 유로(390)는, 제1 가스가 유동하는 제1 가스 유로(310)와, 제2 가스가 유동하는 제2 가스 유로(320)를 포함할 수 있다.
제1 세퍼레이터(51)가 제1 전극(61)에 결합되는 것에 의해, 제1 세퍼레이터(51) 및 제1 전극(61) 사이에 제1 가스 유로(310)가 형성될 수 있다. 제1 가스는 제1 가스 유로(310)를 따라 유동할 수 있다.
제2 세퍼레이터(52)가 제2 전극(62)에 결합되는 것에 의해, 제2 세퍼레이터(52) 및 제2 전극(62) 사이에 제2 가스 유로(320)가 형성될 수 있다. 제2 가스는 제2 가스 유로(320)를 따라 유동할 수 있다.
그리고, 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52)가 서로 결합되는 것에 의해, 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52) 사이에 냉매 유로(330)가 형성될 수 있다. 냉매는 냉매 유로(330)를 따라 유동할 수 있다.
냉매 유로(330)의 내부에는 열 변형성 부재(70)가 배치될 수 있다. 열 변형성 부재(70)는 중공형으로 형성된다. 열 변형성 부재(70)는 냉매 유로(330)의 내부의 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 열 변형성 부재(70)의 외면은 냉매 유로(330)의 내면에 밀착될 수 있다.
열 변형성 부재(70)는 냉매의 온도(세퍼레이터(50)의 온도)의 상승에 비례하여 수축되는 재료(열 수축성 재료)로 형성될 수 있다.
열 수축성 재료로는 폴리에틸렌테레프탈레이트계 수지나 폴리스티렌계 수지 등 다양한 재료가 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 냉매의 온도(세퍼레이터(50)의 온도)가 상승하면, 열 변형성 부재(70)가 수축될 수 있다. 따라서, 냉매 유로(330)의 단면적이 증가할 수 있다. 따라서, 냉매 유로(330)를 통과하는 냉매의 유량이 증가할 수 있다. 이와 같이, 세퍼레이터(50)의 온도의 상승에 따라 냉매의 유량이 증가하므로, 세퍼레이터(50)를 적절하게 냉각할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 냉매의 온도(세퍼레이터(50)의 온도)가 하강하면, 열 변형성 부재(70)가 팽창(또는 원래의 상태로 복귀)될 수 있다. 따라서, 냉매 유로(330)의 단면적이 감소할 수 있다. 따라서, 냉매 유로(330)를 통과하는 냉매의 유량이 감소할 수 있다. 이와 같이, 세퍼레이터(50)의 온도의 하강에 따라 냉매의 유량이 감소하므로, 세퍼레이터(50)의 온도를 적절하게 관리할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(50)는, 열 변형성 부재(70)의 내부에 배치되어 냉매와 접촉하도록 구성되는 보호 부재(80)를 포함할 수 있다.
보호 부재(80)는 열 전도성 재료로 형성될 수 있다. 따라서, 세퍼레이터(50)의 열이 보호 부재(80)를 통하여 냉매로 전달될 수 있다.
보호 부재(80)의 내부에 냉매 유로(330)가 형성될 수 있다. 열 변형성 부재(70)의 열 변형에 의해 냉매 유로(330)의 단면적이 조절될 수 있도록 보호 부재(80)는 유연성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 보호 부재(80)는 필름 형태로 구비될 수 있다.
보호 부재(80)는 열 변형성 부재(70)가 냉매와 직접적으로 접촉하는 것을 방지하도록 구성된다. 따라서, 보호 부재(80)는 냉매로부터 열 변형성 부재(70)를 보호할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 예시적으로 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경될 수 있다.
50: 세퍼레이터
51: 제1 세퍼레이터
52: 제2 세퍼레이터
330: 냉매 유로
70: 열 변형성 부재
80: 보호 부재
51: 제1 세퍼레이터
52: 제2 세퍼레이터
330: 냉매 유로
70: 열 변형성 부재
80: 보호 부재
Claims (3)
- 제1 세퍼레이터;
제2 세퍼레이터;
상기 제1 세퍼레이터 및 상기 제2 세퍼레이터 사이에 구비되며 냉매가 유동하는 냉매 유로; 및
상기 냉매 유로의 내부에 배치되며 상기 냉매의 온도에 따라 팽창하거나 수축하는 열 변형성 부재를 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터. - 청구항 1에 있어서,
상기 열 변형성 부재는 상기 냉매의 온도의 상승에 비례하여 수축되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터. - 청구항 1에 있어서,
상기 열 변형성 부재의 내부에 배치되어 상기 냉매와 접촉하도록 구성되는 보호 부재를 더 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210127212A KR102635814B1 (ko) | 2021-09-27 | 2021-09-27 | 가변형 냉매 유로를 갖는 연료 전지용 세퍼레이터 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210127212A KR102635814B1 (ko) | 2021-09-27 | 2021-09-27 | 가변형 냉매 유로를 갖는 연료 전지용 세퍼레이터 |
Publications (2)
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| KR20230045667A true KR20230045667A (ko) | 2023-04-05 |
| KR102635814B1 KR102635814B1 (ko) | 2024-02-14 |
Family
ID=85884314
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210127212A KR102635814B1 (ko) | 2021-09-27 | 2021-09-27 | 가변형 냉매 유로를 갖는 연료 전지용 세퍼레이터 |
Country Status (1)
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|---|---|
| KR (1) | KR102635814B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008262752A (ja) * | 2007-04-10 | 2008-10-30 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池スタック及びその暖機方法 |
| JP2019175596A (ja) * | 2018-03-27 | 2019-10-10 | 東邦瓦斯株式会社 | 固体酸化物形燃料電池および流量調節部材 |
-
2021
- 2021-09-27 KR KR1020210127212A patent/KR102635814B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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| JP2019175596A (ja) * | 2018-03-27 | 2019-10-10 | 東邦瓦斯株式会社 | 固体酸化物形燃料電池および流量調節部材 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102635814B1 (ko) | 2024-02-14 |
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