KR20230056881A - A separator for a fuel cell for improving sealing performance and a fuel cell stack comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 스택의 밀봉성을 향상시킬 수 있는 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a separator capable of improving sealing properties of a fuel cell stack.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC)는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전지 내에서 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이다. 최근에는 자동차의 전원 등으로 관심 있게 연구되고 있는 무공해 발전장치이다.A solid oxide fuel cell (SOFC) is a device that directly converts chemical energy contained in fuel into electrical energy within a cell. Recently, it is a pollution-free power generation device that has been studied with interest as a power source for automobiles.
고체산화물 연료전지는 전기를 생산하는 단위셀 및 그 주변부품이 적층된 스택을 포함한다. 상기 스택의 애노드로 연료인 수소를 공급하고 캐소드로 산화제인 산소를 공급하여 전기를 생산한다.A solid oxide fuel cell includes a stack in which unit cells that generate electricity and peripheral parts thereof are stacked. Hydrogen as a fuel is supplied to the anode of the stack and oxygen as an oxidizing agent is supplied to the cathode to generate electricity.
고체산화물 연료전지에는 상기 단위셀의 주변으로 수소와 산소(공기)가 서로 섞이지 않도록 하거나 새지 않도록 하는 밀봉재가 구비되어 있다. 수소와 산소가 섞이게 되면 연료전지의 효율에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. In the solid oxide fuel cell, a sealing material is provided around the unit cell to prevent hydrogen and oxygen (air) from mixing or leaking. Mixing hydrogen and oxygen can have a fatal effect on the efficiency of a fuel cell.
일반적으로 상기 밀봉재는 유리계 소재로 이루어진 것을 사용한다. 고체산화물 연료전지는 700℃ 이상의 온도에서 작동하기 때문에 고온에서도 피접착재와 기밀 접합이 이루어져야 하고, 열팽창계수 및 내열성도 우수해야 하므로 밀봉재의 재질로는 세라믹 소재보다는 유리계 소재가 보다 적합하다.In general, the sealant is made of a glass-based material. Since the solid oxide fuel cell operates at a temperature of 700 ° C. or higher, it must be airtightly bonded with the adhesive material even at high temperatures, and must have excellent thermal expansion coefficient and heat resistance. Therefore, a glass-based material is more suitable as a sealing material than a ceramic material.
다만, 종래에는 고체산화물 연료전지의 분리판에 의해 상기 밀봉재에 국소적인 압력이 가해져 상기 밀봉재가 심하게 눌리거나 파괴되어 제 기능을 발휘하지 못했다.However, in the prior art, local pressure was applied to the sealant by the separator of the solid oxide fuel cell, so that the sealant was severely pressed or destroyed, so that its function could not be performed.
도 1a는 종래의 고체산화물 연료전지에 포함된 단위셀의 양극 측에 배치되는 분리판의 일면을 찍은 사진이고, 도 1b는 상기 단위셀의 음극 측에 배치되는 분리판에 밀봉재가 올려져 있는 사진이다. 도 1a 및 도 1b에 따른 분리판을 적층하되, 그 사이에 단위셀을 개재하고 상기 단위셀의 주변으로 상기 밀봉재를 배치하여 연료전지 스택을 구성한다.1A is a photograph of one side of a separator disposed on the anode side of a unit cell included in a conventional solid oxide fuel cell, and FIG. 1B is a photograph of a sealing material placed on the separator disposed on the cathode side of the unit cell. am. A fuel cell stack is formed by stacking the separators according to FIGS. 1A and 1B, interposing unit cells therebetween and disposing the sealant around the unit cells.
도 1a의 분리판은 한 쌍의 매니폴드(91, 92)와 이를 연결하는 채널(93)을 포함한다. 도 1b를 참조하면, 상기 도 1a의 분리판에 포함된 채널(93)에 의해 밀봉재(94)가 심하게 눌렸다는 것을 알 수 있다. 결과적으로 밀봉재(94)가 상기 채널(93)을 막아버리거나, 수소와 산소에 대한 밀봉성을 잃게 될 수 있다. 또한, 부분적인 과열 및 심각한 산화를 일으킬 수도 있다.The separator of FIG. 1A includes a pair of
본 발명은 한 쌍의 분리판 사이에 개재되는 밀봉재에 국소적인 압력을 가하지 않을 수 있는 새로운 형상의 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a separator having a new shape that can not apply local pressure to a sealing material interposed between a pair of separator plates.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 더욱 분명해질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. The objects of the present invention will become more apparent from the following description, and will be realized by means and combinations thereof set forth in the claims.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판은 판형의 몸체부; 상기 몸체부의 어느 한 모서리 부분에 관통 형성되어 유체를 유입시키는 유입 매니폴드, 및 상기 유입 매니폴드와 대향하는 방향의 상기 몸체부의 다른 한 모서리 부분에 관통 형성되어 유체를 배출시키는 배출 매니폴드를 포함하는 매니폴드부; 상기 유입 매니폴드와 배출 매니폴드 사이에서 상기 몸체부의 일면으로부터 함입 형성되어 상기 유입 매니폴드를 통해 유입되는 유체가 상기 배출 매니폴드를 향해 이동하도록 가이드하는 채널부;를 포함하고, 상기 채널부가 상기 매니폴드부와 일정 거리 떨어진 위치에서 함입 형성되어 상기 채널부와 상기 매니폴드부 사이에는 평편부가 형성되고, 상기 평편부의 내측으로 상기 매니폴드부와 상기 채널부가 연통부에 의해 연결되는 것을 특징으로 한다.A separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a plate-shaped body; Including an inlet manifold formed through one corner of the body portion to introduce fluid, and a discharge manifold formed through through the other corner portion of the body portion in a direction opposite to the inlet manifold to discharge fluid manifold unit; A channel portion formed by being recessed from one surface of the body between the inlet manifold and the outlet manifold and guiding the fluid flowing through the inlet manifold to move toward the outlet manifold; and It is characterized in that the flat part is formed between the channel part and the manifold part by being recessed at a position apart from the fold part, and the manifold part and the channel part are connected to the inside of the flat part part by a communication part.
상기 매니폴드부는 상기 몸체부의 모서리를 따라 일정 길이와 너비를 갖도록 형성되는 것일 수 있다.The manifold part may be formed to have a predetermined length and width along an edge of the body part.
상기 채널부는 일정 길이와 너비를 갖고, 소정 간격으로 배치된 복수 개의 유로를 포함할 수 있다.The channel unit may include a plurality of passages having a predetermined length and width and disposed at predetermined intervals.
상기 연통부는 그 일단이 상기 채널부의 말단과 연결되어 있고, 상기 채널부의 말단으로부터 경사지게 연장 형성되어 그 타단이 상기 매니폴드부와 연결되어 있는 것일 수 있다.The communication part may have one end connected to an end of the channel part and an obliquely extending form from the end of the channel part and the other end connected to the manifold part.
상기 매니폴드부는 상기 몸체부의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리 부분에 형성된 연료유입 매니폴드 및 연료배출 매니폴드; 및 상기 몸체부의 서로 대향되는 다른 한 쌍의 모서리 부분에 형성된 산소유입 매니폴드 및 산소배출 매니폴드를 포함하고, 상기 채널부는 상기 몸체부의 일면으로부터 함입 형성되어 상기 연료유입 매니폴드와 상기 연료배출 매니폴드 사이에서 연료를 유동시키는 연료 채널부; 및 상기 몸체부의 타면으로부터 함입 형성되어 상기 산소유입 매니폴드와 상기 산소배출 매니폴드 사이에서 산소를 유동시키는 산소 채널부를 포함하며, 상기 몸체부의 일면 및 타면에는 각각 상기 매니폴드부와 상기 채널부 사이에 평편부가 형성되는 것일 수 있다.The manifold unit may include a fuel inlet manifold and a fuel discharge manifold formed at a pair of opposite corner portions of the body portion; and an oxygen inlet manifold and an oxygen discharge manifold formed at another pair of opposite corner portions of the body portion, wherein the channel portion is recessed from one surface of the body portion to form the fuel inlet manifold and the fuel discharge manifold. a fuel channel unit for flowing fuel between them; and an oxygen channel portion formed indented from the other surface of the body portion to allow oxygen to flow between the oxygen inlet manifold and the oxygen discharge manifold. A flat part may be formed.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 상기 분리판을 복수 개로 포함하고, 인접한 한 쌍의 분리판 사이에서 상기 채널부 상에 위치하는 단위셀; 및 상기 단위셀의 주변부에 위치하고 상기 한 쌍의 분리판 사이에 개재되는 밀봉재;를 포함하며, 상기 밀봉재가 상기 한 쌍의 분리판의 평편부에 의해 가압되는 것을 특징으로 한다.A fuel cell stack according to an embodiment of the present invention includes a unit cell including a plurality of the separation plates and disposed on the channel portion between a pair of adjacent separation plates; and a sealant positioned at the periphery of the unit cell and interposed between the pair of separator plates, wherein the sealant is pressed by the flat portion of the pair of separator plates.
상기 밀봉재는 상기 분리판의 매니폴드부와 대응되는 위치에 형성된 관통홈을 포함할 수 있다.The sealing material may include a through hole formed at a position corresponding to the manifold portion of the separation plate.
본 발명에 따르면 밀봉재가 그 형상을 그대로 유지할 수 있으므로 스택의 적층 수를 늘리거나, 면적을 넓히더라도 밀봉성을 잃지 않는 고체산화물 연료전지를 얻을 수 있다.According to the present invention, since the sealant can maintain its shape, a solid oxide fuel cell that does not lose sealability even when the number of stacks is increased or the area is enlarged can be obtained.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.
도 1a는 종래의 분리판의 일면이다.
도 1b는 종래의 분리판의 타면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 단위셀의 단면도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 분리판의 상면을 도시한 사시도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 분리판의 하면을 도시한 사시도이다.
도 5a는 도 4a의 A-A'선의 단면도이다.
도 5b는 도 4b의 B-B'선의 단면도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 실시예에서 준비한 분리판의 상면이다.
도 6b는 본 발명에 따른 실시예에서 준비한 분리판의 하면이다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 따른 실시예에서 연료전지 스택을 준비하는 과정을 설명하기 위한 참고도이다.
도 8은 본 발명에 따른 실험예1에서 사용한 연료전지 스택의 승온 및 환원 프로토콜을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 실험예1에서 연료전지 스택의 개회로 전압을 측정한 결과이다.
도 10은 본 발명에 따른 실험예2에서 연료전지 스택 구동 상황 (정전류 출력)의 각 층(1F, 2F, 3F)의 셀 전압과 연료전지 스택의 스택 전압을 측정한 결과이다.
도 11은 본 발명에 따른 실험예2에서 연료전지 스택의 개회로 전압을 측정한 결과이다.1a is one side of a conventional separator.
Figure 1b is the other surface of a conventional separator.
2 is an exploded perspective view of a fuel cell stack according to the present invention.
3 is a cross-sectional view of a unit cell according to the present invention.
Figure 4a is a perspective view showing the upper surface of the separator according to the present invention.
Figure 4b is a perspective view showing the lower surface of the separator according to the present invention.
FIG. 5A is a cross-sectional view along the line A-A' of FIG. 4A.
5B is a cross-sectional view taken along line BB′ of FIG. 4B.
6a is an upper surface of a separator prepared in an embodiment according to the present invention.
6B is a bottom view of a separator prepared in an embodiment according to the present invention.
7A to 7E are reference views for explaining a process of preparing a fuel cell stack in an embodiment according to the present invention.
8 illustrates a temperature raising and reduction protocol of a fuel cell stack used in Experimental Example 1 according to the present invention.
9 is a result of measuring an open circuit voltage of a fuel cell stack in Experimental Example 1 according to the present invention.
10 is a result of measuring the cell voltage of each layer (1F, 2F, 3F) and the stack voltage of the fuel cell stack in the fuel cell stack driving situation (constant current output) in Experimental Example 2 according to the present invention.
11 is a result of measuring an open circuit voltage of a fuel cell stack in Experimental Example 2 according to the present invention.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown enlarged than actual for clarity of the present invention. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. In addition, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case where it is "directly on" the other part, but also the case where another part is present in the middle. Conversely, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "under" another part, this includes not only the case where it is "directly below" the other part, but also the case where another part is in the middle.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.Unless otherwise specified, all numbers, values and/or expressions expressing quantities of components, reaction conditions, polymer compositions and formulations used herein refer to the number of factors that such numbers arise, among other things, to obtain such values. Since these are approximations that reflect the various uncertainties of the measurement, they should be understood to be qualified by the term "about" in all cases. Also, when numerical ranges are disclosed herein, such ranges are contiguous and include all values from the minimum value of such range to the maximum value inclusive, unless otherwise indicated. Furthermore, where such ranges refer to integers, all integers from the minimum value to the maximum value inclusive are included unless otherwise indicated.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 일 부분을 도시한 분해 사시도이다. 이를 참조하면, 상기 연료전지 스택은 복수 개의 분리판(100, 100'), 인접한 한 쌍의 분리판(100, 100') 사이에 개재되는 단위셀(200) 및 상기 단위셀의 주변부에 위치하고 상기 한 쌍의 분리판(100, 100') 사이에 개재되는 밀봉재(300)를 포함한다.2 is an exploded perspective view showing a portion of a fuel cell stack according to the present invention. Referring to this, the fuel cell stack is located in a plurality of
도 3은 상기 단위셀(200)의 단면도이다. 참고로 상기 도 3은 도 2의 연료전지 스택의 적층 방향을 기준으로 상측과 하측을 정의하여 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 상기 단위셀(200)은 공기극(210), 전해질(220) 및 연료극(230)을 포함한다.3 is a cross-sectional view of the
상기 공기극(210)으로 공기, 산소 등의 산화제를 공급하면 이하의 화학식1과 같은 반응이 일어나 산소이온이 발생한다.When an oxidizing agent such as air or oxygen is supplied to the
[화학식1][Formula 1]
1/2O2 + 2e- → O2- 1/2O 2 + 2e - → O 2-
상기 산소이온은 전해질(220)을 통해 연료극(230)으로 이동한다. The oxygen ions move to the
상기 연료극(230)에 수소, 탄화수소 등의 연료를 공급하면 이하의 화학식2와 같이 상기 산소이온과 연료가 반응하여 물을 생성하면서 전자를 방출한다.When fuel such as hydrogen or hydrocarbon is supplied to the
[화학식2][Formula 2]
O2- + H2 → H2O + 2e- O 2- + H 2 → H 2 O + 2e -
공기극(210)에서 산화제로부터 형성된 산소이온은 산소이온의 농도 구배에 따라 연료극(230) 쪽으로 이동하고, 전자는 공기극(210)과 연료극(230)을 전기적으로 연결하는 외부 회로를 따라 연료극(230)에서 공기극(210)으로 흐르게 된다.Oxygen ions formed from the oxidizing agent in the
여기서 상기 전해질(220)은 산화제와 연료의 투과를 차단하며, 전자전도성은 없으나 산소이온을 투과시킬 수 있다.Here, the
이와 같이 산소이온이 공기극(210)에서 연료극(230)으로 이동하며 전체적인 전하의 평형을 유지한다면 연료의 산화반응을 통해 유용한 전력을 생산할 수 있다. 이때 반응 부산물로는 순수한 물과 열만 배출되어 이 또한 유용하게 활용할 수 있다.In this way, if oxygen ions move from the
도 4a는 상기 분리판(100)의 상면을 도시한 사시도이다. 도 4b는 상기 분리판(100)의 하면을 도시한 것이다. 도 4a 및 도 4b에서 각각 상면 및 하면은 도 2의 연료전지 스택의 적층 방향을 기준으로 정의한 것이다. Figure 4a is a perspective view showing the upper surface of the
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 분리판(100)은 판형의 몸체부(110), 상기 몸체부(110)의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리 부분에 형성된 연료유입 매니폴드(121a) 및 연료배출 매니폴드(121b), 상기 몸체부(11)의 서로 대향되는 다른 한 쌍의 모서리 부분에 형성된 산소유입 매니폴드(122a) 및 산소배출 매니폴드(122b), 상기 몸체부(110)의 양면에서 상기 유입 매니폴드(121a, 122a)와 배출 매니폴드(121b, 122b) 사이에서 연료 또는 산소의 이동을 가이드하는 채널부(131, 132)를 포함할 수 있다.4A and 4B, the
상기 몸체부(110)는 상기 분리판(100)의 상기 유입 매니폴드(121a, 122a) 등이 형성될 수 있는 공간을 제공하는 판상의 구성으로서, 그 소재는 특별히 한정되지 않고 스테인리스 스틸강, 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 니켈 합금 등의 금속; 또는 흑연, 탄소복합체 등의 탄소계 물질로 이루어진 것일 수 있다.The
도 4a를 참조하면, 상기 연료유입 매니폴드(121a)는 상기 몸체부(110)의 어느 한 모서리 부분에 일정 길이와 너비를 갖도록 관통 형성된 구성으로서, 상기 연료유입 매니폴드(121a)를 통해 연료가 유입된다.Referring to FIG. 4A, the
상기 연료배출 매니폴드(121b)는 상기 연료유입 매니폴드(121a)와 대향하는 다른 한 모서리 부분에 일정 길이와 너비를 갖도록 관통 형성된 구성으로서, 상기 연료배출 매니폴드(121b)를 통해 연료가 배출된다.The
상기 채널부는 상기 연료유입 매니폴드(121a)와 연료배출 매니폴드(121b) 사이에서 상기 몸체부(110)의 상면으로부터 함입 형성되어 상기 연료유입 매니폴드(121a)를 통해 유입된 연료가 상기 연료배출 매니폴드(121b)를 향해 이동하도록 가이드 하는 연료 채널부(131)를 포함한다.The channel part is recessed from the upper surface of the
상기 연료 채널부(131)는 일정 길이와 너비를 갖고, 소정 간격으로 배치된 복수 개의 유로(131a)를 포함할 수 있다. 상기 유로(131a)는 상기 연료유입 매니폴드(121a)와 연료배출 매니폴드(121b)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 길게 형성되어 상기 연료를 가이드할 수 있다.The
본 발명은 상기 연료 채널부(131)를 상기 연료유입 매니폴드(121a) 및 연료배출 매니폴드(121b)와 일정 거리 떨어진 위치에서 함입 형성한 것을 특징으로 한다. 도 1a는 종래의 분리판의 일면을 찍은 사진이다. 이를 참조하면, 채널(93)의 양 말단이 한 쌍의 매니폴드(91, 92)와 직접적으로 연통된 것을 알 수 있다. 그에 따라 상기 분리판을 복수 개로 적층하면 도 1b와 같이 밀봉재(94)에 국소적인 압력이 가해져 상기 밀봉재(94)가 채널(93)의 모양대로 눌리게 된다.The present invention is characterized in that the
도 5a는 상기 도 4a의 A-A' 선의 단면도이다. 이를 참조하면, 본 발명은 상기 연료 채널부(131)를 상기 연료유입 매니폴드(121a) 및 연료배출 매니폴드(121b)와 일정 거리 떨어진 위치에서 함입 형성하여 상기 몸체부(110)의 상면을 기준으로 그 사이에 평편부(140)가 구비되도록 하였다. 이를 위해 상기 평편부(140) 내측으로 상기 연료유입 매니폴드(121a), 연료 채널부(131)의 유로(131a) 및 연료배출 매니폴드(121b)가 서로 연결되도록 하는 연료 연통부(150a)를 형성할 수 있다.FIG. 5A is a cross-sectional view along the line A-A' of FIG. 4A. Referring to this, the present invention is formed by indenting the
구체적으로 상기 연료 연통부(150a)는 그 일단이 상기 연료 채널부(131)의 유로(131a)의 말단과 연결되어 있고, 상기 유로(131a)의 말단으로부터 경사지게 연장 형성되어 그 타단이 상기 연료유입 매니폴드(121a) 또는 연료배출 매니폴드(121b)와 연결되어 있는 것일 수 있다.Specifically, the
상기 평편부(140)가 구비된 분리판(100)을 도 2와 같이 복수 개로 적층하여 연료전지 스택을 구성하면 한 쌍의 분리판(100) 사이에 개재되는 밀봉재(300)가 연료 채널부(131)가 아니라 상기 평편부(140)에 의해 가압되기 때문에 종래와 달리 국소적인 압력이 가해지지 않는다.When a fuel cell stack is formed by stacking a plurality of
도 4b를 참조하면, 상기 산소유입 매니폴드(122a)는 상기 몸체부(110)의 어느 한 모서리 부분에 일정 길이와 너비를 갖도록 관통 형성된 구성으로서, 상기 산소유입 매니폴드(122a)를 통해 산소가 유입된다.Referring to FIG. 4B, the
상기 산소배출 매니폴드(122b)는 상기 산소유입 매니폴드(122a)와 대향하는 다른 한 모서리 부분에 일정 길이와 너비를 갖도록 관통 형성된 구성으로서, 상기 산소배출 매니폴드(122b)를 통해 산소가 배출된다.The
상기 채널부는 상기 상기 산소유입 매니폴드(122a)와 산소배출 매니폴드(122b) 사이에서 상기 몸체부(110)의 하면으로부터 함입 형성되어 상기 산소유입 매니폴드(122a)를 통해 유입된 산소가 상기 산소배출 매니폴드(122b)를 향해 이동하도록 가이드 하는 산소 채널부(132)를 포함한다.The channel part is indented from the lower surface of the
상기 산소 채널부(132)는 일정 길이와 너비를 갖고, 소정 간격으로 배치된 복수 개의 유로(132a)를 포함할 수 있다. 상기 유로(132a)는 상기 산소유입 매니폴드(122a)와 산소배출 매니폴드(122b)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 길게 형성되어 상기 산소를 가이드할 수 있다.The
도 5b는 상기 도 4b의 B-B' 선의 단면도이다. 이를 참조하면, 본 발명은 상기 산소 채널부(132)를 상기 산소유입 매니폴드(122a) 및 산소배출 매니폴드(122b)와 일정 거리 떨어진 위치에서 함입 형성하여 상기 몸체부(110)의 하면을 기준으로 그 사이에 평편부(140)가 구비되도록 하였다. 이를 위해 상기 평편부(140) 내측으로 상기 산소유입 매니폴드(122a), 산소 채널부(132)의 유로(132a) 및 산소배출 매니폴드(122b)가 서로 연결되도록 하는 산소 연통부(150b)를 형성할 수 있다.FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line BB′ of FIG. 4B. Referring to this, in the present invention, the
구체적으로 상기 산소 연통부(150b)는 그 일단이 상기 산소 채널부(132)의 유로(132a)의 말단과 연결되어 있고, 상기 유로(132a)의 말단으로부터 경사지게 연장 형성되어 그 타단이 상기 산소유입 매니폴드(122a) 또는 산소배출 매니폴드(122b)와 연결되어 있는 것일 수 있다.Specifically, the
상기 평편부(140)가 구비된 분리판(100)을 도 2와 같이 복수 개로 적층하여 연료전지 스택을 구성하면 한 쌍의 분리판(100) 사이에 개재되는 밀봉재(300)가 산소 채널부(132)가 아니라 상기 평편부(140)에 의해 가압되기 때문에 종래와 달리 국소적인 압력이 가해지지 않는다.When a fuel cell stack is formed by stacking a plurality of
상기 밀봉재(300)는 연료전지 스택 내에서 연료와 산소의 혼합 및 유출을 방지하기 위한 구성으로서, 상기 단위셀(200)의 주변부에 위치하도록 상기 한 쌍의 분리판(100) 사이에 개재된다.The
상기 밀봉재(300)는 소재는 특별히 제한되지 않으나, 유리계 소재를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.The material of the
상기 밀봉재(300)는 상기 분리판(100)과 같거나 작은 면적으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 밀봉재(300)에는 상기 분리판의 매니폴드(121a, 121b, 122a, 122b)와 대응되는 위치에 관통홈(미도시)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 밀봉재(300)는 그 중심부에 상기 단위셀(200)이 위치할 수 있는 공간이 존재할 수 있다.The
이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples. However, these Examples and Experimental Examples are for exemplifying the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
실시예Example
상면이 도 6a와 같고, 하면이 도 6b와 같은 분리판을 준비하였다. 채널부와 매니폴드부 사이에 평편부가 형성되어 있음을 알 수 있다.A separator having an upper surface as shown in FIG. 6A and a lower surface as shown in FIG. 6B was prepared. It can be seen that the flat part is formed between the channel part and the manifold part.
도 7a와 같이 어느 하나의 분리판 상에 니켈 폼(Ni-foam)을 올린 뒤, 도 7b와 같이 단위셀을 적층하였다. 이후 도 7c와 같이 상기 단위셀의 주변부로 밀봉재를 적층하고 도 7d와 같이 상기 단위셀에 금 메쉬(Au mesh)를 올렸다. 다른 하나의 분리판을 적층하여 1층의 스택 요소를 완성하였다. 이를 총 3번 반복하여 도 7e와 같은 총 3층의 연료전지 스택을 제조하였다.After placing nickel foam (Ni-foam) on one of the separators as shown in FIG. 7A, unit cells were stacked as shown in FIG. 7B. Thereafter, as shown in FIG. 7c, a sealing material was laminated on the periphery of the unit cell, and a gold mesh (Au mesh) was placed on the unit cell as shown in FIG. 7d. The stack element of the first layer was completed by stacking another separator plate. By repeating this a total of three times, a fuel cell stack with a total of three layers as shown in FIG. 7E was manufactured.
실험예1- 승온 및 환원 프로토콜 검증Experimental Example 1 - Verification of temperature rise and reduction protocol
상기 실시예에 따른 연료전지 스택을 도 8과 같은 운전조건으로 작동하고, 그에 따른 셀 성능을 평가하였다. 구체적으로 질소 퍼징 후 수소 분율을 서서히 올려가며 환원을 진행하였다. The fuel cell stack according to the embodiment was operated under the operating conditions as shown in FIG. 8, and cell performance was evaluated accordingly. Specifically, after nitrogen purging, reduction was performed while gradually increasing the hydrogen fraction.
도 9는 상기 연료전지 스택의 전압을 측정한 결과이다. 이를 참조하면, 수소 분율이 증가함에 따라 스택의 OCV가 안정적으로 상승하는 경향을 보여 상기 스택의 밀봉구조가 유효하게 작용하여 셀의 환원이 잘 진행되고 있음을 확인하였고, 결과적으로 순수 수소연료조건에서 3층의 단위셀로 구성된 스택에서 구현될 수 있는 이상적인 개회로전압 (Open Cell Voltage)인 3.3 V 이상을 확인하였기 때문에 개선된 밀봉구조로 인해 스택이 신뢰성 있게 작동될 수 있음을 알 수 있다.9 is a result of measuring the voltage of the fuel cell stack. Referring to this, as the hydrogen fraction increases, the OCV of the stack tends to rise stably, and it is confirmed that the sealing structure of the stack works effectively and the reduction of the cell proceeds well. As a result, under pure hydrogen fuel conditions Since the ideal open-circuit voltage that can be implemented in a stack composed of three-layer unit cells was 3.3 V or higher, it can be seen that the stack can operate reliably due to the improved sealing structure.
실험예2- 스택 정전류 안정성(Galbanostatic) 검증Experimental Example 2 - Verification of stack constant current stability (Galbanostatic)
상기 실시예에 따른 연료전지 스택의 정전류 안정성을 스택 구동 상황에서 사용자가 원하는 출력(전압)을 얼마나 안정적으로 취할 수 있는가에 대해 평가하였다. 다양한 출력 상황에서 연료전지의 발생 열이나 가스의 연료 이용률 변화로 인해 가스의 밀봉이 안정적인지에 대한 우려가 생기지만, 장시간 구동을 통해 출력이 안정적이라면 본 발명 디자인을 통해 가스 밀봉의 이슈 없이 안정적인 스택 구동이 가능하다고 할 수 있다.The constant current stability of the fuel cell stack according to the embodiment was evaluated in terms of how stably a user desired output (voltage) could be obtained in a stack driving situation. In various output situations, there are concerns about whether the gas sealing is stable due to the heat generated by the fuel cell or the change in the fuel utilization rate of the gas, but if the output is stable through long-term operation, a stable stack without gas sealing issues through the design of the present invention can be said to be driven.
도 10은 장시간 동안 다양한 출력 요구에 얼마나 안정적으로 출력에 대응하고 있는지를 보여주는 결과이다. 특히 다양한 부하조건에서 상기 스택 내 3개 층에 위치한 단위셀들이 큰 편차 없이 균일한 성능을 나타내며 장시간 동안 안정적인 출력을 보이기 때문에 상기 연료전지 스택에 채용된 밀봉재 및 밀봉구조가 문제없이 좋은 내구성을 가진다는 것을 알 수 있다.10 is a result showing how stably output is responding to various output requests for a long time. In particular, since the unit cells located on the three layers in the stack show uniform performance without large deviations and stable output for a long time under various load conditions, the sealing material and sealing structure employed in the fuel cell stack have good durability without problems. can know that
도 11은 상기 실험 사이사이에 스택의 OCV 값을 확인한 결과이다. 이를 참조하면, 그 결과가 다양한 출력 요구 조건으로 장시간 운전을 거쳤음에도 안정적인 값을 나타내기 때문에 상기 연료전지 스택에 채택된 밀봉재나 밀봉구조가 매우 안정적이라는 것을 알 수 있다.11 is a result of checking the OCV value of the stack between the above experiments. Referring to this, it can be seen that the sealing material or sealing structure employed in the fuel cell stack is very stable because the result shows a stable value even after long-term operation under various power requirements.
이상으로 본 발명의 실험예 및 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실험예 및 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.As above, the experimental examples and examples of the present invention have been described in detail, the scope of the present invention is not limited to the above-described experimental examples and examples, and the basic concept of the present invention defined in the following claims Various modifications and improvements made by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention.
100: 분리판
200: 단위셀
300: 밀봉재
110: 몸체부
121a: 연료유입 매니폴드
121b: 연료배출 매니폴드
122a: 산소유입 매니폴드
122b: 산소배출 매니폴드
131: 연료 채널부
132: 산소 채널부
131a, 132a: 유로
140: 평편부
150a: 연료 연통부
150b: 산소 연통부100: separator 200: unit cell 300: sealing material
110:
122a:
131: fuel channel unit 132:
140:
Claims (7)
상기 몸체부의 어느 한 모서리 부분에 관통 형성되어 유체를 유입시키는 유입 매니폴드, 및 상기 유입 매니폴드와 대향하는 방향의 상기 몸체부의 다른 한 모서리 부분에 관통 형성되어 유체를 배출시키는 배출 매니폴드를 포함하는 매니폴드부;
상기 유입 매니폴드와 배출 매니폴드 사이에서 상기 몸체부의 일면으로부터 함입 형성되어 상기 유입 매니폴드를 통해 유입되는 유체가 상기 배출 매니폴드를 향해 이동하도록 가이드하는 채널부;를 포함하고,
상기 채널부가 상기 매니폴드부와 일정 거리 떨어진 위치에서 함입 형성되어 상기 채널부와 상기 매니폴드부 사이에는 평편부가 형성되고,
상기 평편부의 내측으로 상기 매니폴드부와 상기 채널부가 연통부에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.a plate-shaped body;
Including an inlet manifold formed through one corner of the body portion to introduce fluid, and a discharge manifold formed through through the other corner portion of the body portion in a direction opposite to the inlet manifold to discharge fluid manifold unit;
A channel portion formed indented from one surface of the body between the inlet manifold and the outlet manifold and guiding the fluid flowing through the inlet manifold to move toward the outlet manifold; includes,
The channel part is recessed at a position separated from the manifold part by a predetermined distance, and a flat part is formed between the channel part and the manifold part,
The separator for a fuel cell, characterized in that the manifold part and the channel part are connected to the inside of the flat part part by a communication part.
상기 매니폴드부는 상기 몸체부의 모서리를 따라 일정 길이와 너비를 갖도록 형성되는 것인 연료전지용 분리판.According to claim 1,
The manifold part is formed to have a predetermined length and width along the edge of the body part.
상기 채널부는 일정 길이와 너비를 갖고, 소정 간격으로 배치된 복수 개의 유로를 포함하는 연료전지용 분리판.According to claim 1,
The channel portion has a predetermined length and width and includes a plurality of flow passages disposed at predetermined intervals.
상기 연통부는 그 일단이 상기 채널부의 말단과 연결되어 있고, 상기 채널부의 말단으로부터 경사지게 연장 형성되어 그 타단이 상기 매니폴드부와 연결되어 있는 것인 연료전지용 분리판.According to claim 1,
The communication part has one end connected to the end of the channel part, and is formed obliquely extending from the end of the channel part, and the other end is connected to the manifold part.
상기 매니폴드부는 상기 몸체부의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리 부분에 형성된 연료유입 매니폴드 및 연료배출 매니폴드; 및 상기 몸체부의 서로 대향되는 다른 한 쌍의 모서리 부분에 형성된 산소유입 매니폴드 및 산소배출 매니폴드를 포함하고,
상기 채널부는 상기 몸체부의 일면으로부터 함입 형성되어 상기 연료유입 매니폴드와 상기 연료배출 매니폴드 사이에서 연료를 유동시키는 연료 채널부; 및 상기 몸체부의 타면으로부터 함입 형성되어 상기 산소유입 매니폴드와 상기 산소배출 매니폴드 사이에서 산소를 유동시키는 산소 채널부를 포함하며,
상기 몸체부의 일면 및 타면에는 각각 상기 매니폴드부와 상기 채널부 사이에 평편부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.According to claim 1,
The manifold unit may include a fuel inlet manifold and a fuel discharge manifold formed at a pair of opposite corner portions of the body portion; And an oxygen inlet manifold and an oxygen outlet manifold formed at another pair of opposite corner portions of the body portion,
The channel unit is recessed from one surface of the body unit, and the fuel channel unit flows fuel between the fuel inlet manifold and the fuel discharge manifold; and an oxygen channel portion that is recessed from the other surface of the body portion and allows oxygen to flow between the oxygen inlet manifold and the oxygen outlet manifold.
Separation plate for a fuel cell, characterized in that a flat part is formed between the manifold part and the channel part on one surface and the other surface of the body part, respectively.
인접한 한 쌍의 분리판 사이에서 상기 채널부 상에 위치하는 단위셀; 및 상기 단위셀의 주변부에 위치하고 상기 한 쌍의 분리판 사이에 개재되는 밀봉재;를 포함하며,
상기 밀봉재가 상기 한 쌍의 분리판의 평편부에 의해 가압되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.Including a plurality of separators according to any one of claims 1 to 5,
a unit cell located on the channel part between a pair of adjacent separator plates; And a sealing material located in the periphery of the unit cell and interposed between the pair of separator plates;
The fuel cell stack, characterized in that the sealing material is pressed by the flat portion of the pair of separator plates.
상기 밀봉재는 상기 분리판의 매니폴드부와 대응되는 위치에 형성된 관통홈을 포함하는 것인 연료전지 스택.According to claim 6,
The fuel cell stack wherein the sealing material includes a through hole formed at a position corresponding to the manifold portion of the separation plate.
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