KR20240037659A - 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20240037659A
KR20240037659A KR1020220116451A KR20220116451A KR20240037659A KR 20240037659 A KR20240037659 A KR 20240037659A KR 1020220116451 A KR1020220116451 A KR 1020220116451A KR 20220116451 A KR20220116451 A KR 20220116451A KR 20240037659 A KR20240037659 A KR 20240037659A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal separator
flow channel
fuel cell
protruding
separator plate
Prior art date
Application number
KR1020220116451A
Other languages
English (en)
Inventor
나영승
김초은
Original Assignee
서울시립대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울시립대학교 산학협력단 filed Critical 서울시립대학교 산학협력단
Priority to KR1020220116451A priority Critical patent/KR20240037659A/ko
Priority to PCT/KR2023/007811 priority patent/WO2024058353A1/ko
Publication of KR20240037659A publication Critical patent/KR20240037659A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H01M8/0208—Alloys
    • H01M8/021—Alloys based on iron
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

복수개의 연료전지용 금속 분리판의 적층으로 인한 응력에 의해 유체의 유동 채널이 구조적으로 변형되는 것을 방지하기 위한 연료전지용 금속 분리판이 개시된다.
개시된 연료전지용 금속 분리판은,
일측에 형성되며 유체가 유입되는 유입구; 타측에 형성되며 상기 유체가 유출되는 유출구; 및, 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역과 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역이 교대로 반복 형성되고, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역의 적어도 일부가 중첩되어 형성된 응력 강화부와, 상기 유동 채널의 외형을 형성하는 리브를 구비한 유동 채널;을 포함한다.

Description

연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 {Metal separator for fuel cell and fuel cell comprising it}
본 발명은 복수개의 연료전지용 금속 분리판의 적층으로 인한 응력에 의해 유체의 유동 채널이 구조적으로 변형되는 것을 방지하기 위한 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
연료 전지의 종류에는 600도씨 이상의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells) 및 고체 산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells)와 200도씨 이하의 비교적 저온에서 작동하는 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells), 고분자 전해질형 연료전지(PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cells) 등이 있다.
도 1은 일반적인 고분자 전해질형 연료전지가 도시된 분해 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고분자 전해질형 연료전지(100)는 복수의 단위 전지(110)와 적층된 단위 전지(110)들의 외측에 배치된 체결판(120, 130)을 포함한다. 단위 전지(110)들은 막전극 접합체(111)와 그 양측에 배치된 분리판(112)을 포함하며, 복수의 단위 전지(110)들은 체결판(120, 130,end plate) 사이에서 적층 배열된다. 막전극 접합체(111)와 분리판(112) 사이에는 가스 확산층(113, GDL(Gas Diffusion Layer))이 배치된다.
도 2 내지 도 5를 참조하여 종래의 연료전지용 금속 분리판에 대해 설명한다. 도 2는 종래의 연료전지용 금속 분리판이 도시된 평면도이고, 도 3은 도 2의 A1 부분이 확대 도시된 사시도이며, 도 4는 도 3의 A-A'라인에서 바라본 단면도이고, 도 5는 종래의 연료전지용 금속 분리판의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 연료전지용 금속 분리판(112)은 유입구(112a)와 유출구(112b)가 유동 채널(112c)에 의해 연결 형성되며, 유동 채널(112c)을 통해 유체가 유동하면서 막전극 접합체(111)로 공급될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 종래의 유동 채널(112c)은 길이 방향으로 연장된 일자형으로 형성되고, 그 단면은 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있다.
이와 같이 형성되는 종래의 연료전지용 금속 분리판(112)이 복수개로 누적 적층되는데, 적층으로 인한 응력이 분리판(112)에 가해져서 도 5와 같이 금속 분리판(112)이 구조적으로 변형될 수 있다. 이러한 구조적 변형에 의해 가스 확산층(113)과 금속 분리판(112)의 접촉 면적과 금속분리판(112) 사이의 접촉 면적이 감소되고, 그 결과 전하 이동에 대한 저항이 증가한다. 또한 변형으로 인해 가스 확산층(113)에 충분한 압축력을 가하지 못하면 전하 이동에 대한 저항이 증가하여 연료전지의 효율이 떨어지는 문제가 있다.
한국등록특허 10-1410477호 (연료전지용 분리판 제조방법)
본 발명은 복수개의 연료전지용 금속 분리판의 적층으로 인한 응력에 의해 유체의 유동 채널이 구조적으로 변형되는 것을 방지하기 위한 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판은,
일측에 형성되며 유체가 유입되는 유입구; 타측에 형성되며 상기 유체가 유출되는 유출구; 및, 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역과 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역이 교대로 반복 형성되고, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역의 적어도 일부가 중첩되어 형성된 응력 강화부와, 상기 유동 채널의 외형을 형성하는 리브를 구비한 유동 채널;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 있어서, 상기 유동 채널에 가해지는 응력의 크기와 상기 유동 채널의 길이를 고려하여 상기 리브의 길이가 결정되고, 어느 한 라인의 유동 채널과 인접 라인의 유동 채널과의 간격을 고려하여 상기 리브의 양단부에서 돌출되는 폭의 크기가 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 있어서, 금속 분리판의 재료로 스텐레스 스틸을 사용하며, 스탬핑 방식으로 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부가 형성된 유동 채널을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 있어서, 상기 리브는 주름진 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 있어서, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며, 상기 응력 강화 패턴의 크기는, 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 작게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 있어서, 상기 응력 강화 패턴의 밀도는, 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 크게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지는,
막전극 접합체와 유체가 유동하는 유동 채널을 구비한 금속 분리판을 포함하는 복수개의 단위 전지; 및, 상기 복수개의 단위 전지들의 외측에 배치된 체결판;을 포함한다. 여기서, 상기 유동 채널은, 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역과 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역이 교대로 반복 형성되고, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역의 적어도 일부가 중첩되어 형성된 응력 강화부와, 상기 유동 채널의 외형을 형성하는 리브를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 유동 채널에 가해지는 응력의 크기와 상기 유동 채널의 길이를 고려하여 상기 리브의 길이가 결정되고, 어느 한 라인의 유동 채널과 인접 라인의 유동 채널과의 간격을 고려하여 상기 리브의 양단부에서 돌출되는 폭의 크기가 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 금속 분리판의 재료로 스텐레스 스틸을 사용하며, 스탬핑 방식으로 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부가 형성된 유동 채널을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 리브는 주름진 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며, 상기 응력 강화 패턴의 크기는, 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 작게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 응력 강화 패턴의 밀도는, 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 크게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 복수개의 단위 전지에 각각 포함된 금속 분리판들 중에서, 상기 체결판과 인접하여 배치되는 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 크기가 가장 작고, 중앙 부분의 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 크기가 가장 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 복수개의 단위 전지에 각각 포함된 금속 분리판들 중에서, 상기 체결판과 인접하여 배치되는 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 밀도가 가장 크고, 중앙 부분의 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 밀도가 가장 작게 형성될 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면,
복수개의 연료전지용 금속 분리판의 적층으로 인한 응력에 의해 유체의 유동 채널이 구조적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 가스 확산층과 접하는 경계와 분리판 끼리 접하는 경계면이 커지고, 유체의 지그재그 유동에 따라 전기화학반응면에 도달하는 유체가 증가하게 되어, 가스 확산층을 통해 막전극 접합체로 공급되는 유체의 농도(또는 유량)를 증가시킬 수 있게 되어, 연료 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 고분자 전해질형 연료전지가 도시된 분해 사시도이다.
도 2는 종래의 연료전지용 금속 분리판이 도시된 평면도이다.
도 3은 도 2의 A1 부분이 확대 도시된 사시도이다.
도 4는 도 3의 A-A'라인에서 바라본 단면도이다.
도 5는 종래의 연료전지용 금속 분리판의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판이 도시된 평면도이다.
도 7은 도 6의 B1 부분이 확대 도시된 사시도이다.
도 8은 도 7의 B-B'라인에서 바라본 단면도이다.
도 9는 도 7의 평면도이다.
도 10 내지 도 13은 종래의 금속 분리판과 본 발명의 금속 분리판을 비교 설명하기 위한 도면들이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 유동 채널이 도시된 평면도이다.
도 15는 연료전지 스택에서 종래의 금속 분리판 적층으로 인한 응력의 크기 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판이 도시된 평면도이다.
도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 사용시 응력의 크기 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판을 구비한 연료전지 스택이 도시된 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 설명한다.
먼저, 다시 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지용 금속 분리판을 포함하는 연료전지 스택에 대해 설명한다.
연료 전지(100)는 복수의 단위 전지(110)와 적층된 단위 전지(110)들의 외측에 배치된 체결판(120, 130)을 포함한다. 단위 전지(110)들은 막전극 접합체(111)와 그 양측에 배치된 분리판(200)을 포함하며, 복수의 단위 전지(110)들은 체결판(120, 130) 사이에서 적층 배열된다. 막전극 접합체(111)와 분리판(200) 사이에는 가스 확산층(113)이 배치된다. 본 발명의 실시예들에서 분리판(200)은 유동 채널의 구조적 변형을 방지하기 위해 도 6, 도 14, 도 15, 도 18에 도시된 형태로 제공된다.
막전극 접합체(111)는 전해질막과 애노드 전극, 캐소드 전극을 포함하는 통상적인 구조로 이루어진다. 전해질막은 대략 5㎛ 내지 200㎛의 두께로 형성되는 고분자 전해질로서, 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환 기능을 가진다. 본 실시예에서는 연료 전지(100)가 고분자 전해질 연료전지로 이루어진 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 다양한 타입의 연료 전지에 적용될 수 있다.
체결판(120, 130) 중 어느 하나에는 산화제 유입구 포트와 연료 입구 포트가 형성되고, 나머지 체결판에는 산화제 출구 포트와 연료 출구 포트가 형성될 수 있다. 또는, 체결판(120, 130) 중 어느 하나에 산화제 유입구 포트, 연료 입구 포트, 산화제 출구 포트, 연료 출구 포트가 모두 형성될 수도 있다. 체결판(120, 130)은 전류를 집전하기 위한 집전판과 절연을 위한 절연판을 포함할 수 있다.
연료는 체결판(120, 130)을 통해서 단위 전지(110)들로 공급되며 분리판(200)에 형성된 유동 채널을 통해서 애노드 전극으로 공급될 수 있다. 또한, 산화제는 체결판(120, 130)을 통해서 단위 전지(110)들로 공급되며 분리판(200)에 형성된 유동 채널를 통해서 캐소드 전극으로 공급될 수 있다.
여기서, 산화제는 산소를 포함하는 공기 또는 순산소로 이루어질 수 있으며, 연료는 수소 또는 수소를 포함하는 탄화수소계 연료로 이루어질 수 있다. 본 명세서에서 산화제와 연료를 통칭하여 유체라 한다. 유동 채널(230)은 분리판(200)의 위치에 따라 연료가 유동하거나 산화제가 유동할 수 있다.
다음, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판이 도시된 평면도이고, 도 7은 도 6의 B1 부분이 확대 도시된 사시도이며, 도 8은 도 7의 B-B'라인에서 바라본 단면도이고, 도 9는 도 7의 평면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판(200, 이하, 금속 분리판)은, 유입구(210)와 유출구(220)와 유동 채널(230)을 포함한다.
유입구(210)는 금속 분리판(200)의 일측에 형성되며 유체가 유입되고, 유출구(220)는 금속 분리판(200)의 타측에 형성되며 유체가 유출된다.
유동 채널(230)은 유입구(210)와 유출구(220)를 연결하며, 그 내부에는 유체가 유동한다. 유동 채널(230)은 하나의 금속 분리판(200) 내에 복수개로 형성된다. 본 발명에서 유동 채널(230)은 금속 분리판(200)의 적층으로 인한 응력에 대항하기 위한 응력 강화부(233)를 구비한다. 이에 대해 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 유동 채널(230)은 전체적으로 일자 형상이 아니라, 길이 방향을 기준으로 채널의 좌우 측면이 반복적으로 돌출 및 함몰된 지그재그 형상으로 형성된다.
구체적으로 유동 채널(230)은 유체의 유동 방향(채널의 길이 방향)에 대체로 수직인 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역(231)과, 제1 방향과는 반대 방향이면서 유체의 유동 방향에 대체로 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역(232)이 교대로 반복 형성된다. 이때, 제1 돌출 영역(231)과 제2 돌출 영역(232)의 적어도 일부는 중첩되어 응력 강화부(233)를 형성한다. 여기서, '중첩'은 물리적으로 접촉되면서 포개어지는 것을 의미하는 것이 아니라, 유동 채널(230)의 측면에서 바라볼 때 이격된 상태에서 일부가 겹쳐지는 것을 의미한다. 예를 들어, 도 9에서와 같이 유동 채널(230)의 측면 방향(도 9에서 상하 방향)에서 바라볼 때, 제1 돌출 영역(231)과 제2 돌출 영역(232)이 L1 만큼 겹쳐진 상태를 의미한다. 미설명 부호 234는 유동 채널(230)의 외형을 형성하는 리브(rib)이다.
제1 돌출 영역(231)과 제2 돌출 영역(232)이 겹쳐진 길이가 L1이고, 리브(234) 양단부에서 돌출된 폭이 W1이며 유동 채널(230)의 높이를 H라고 할 때, 응력 강화부(233)는 "L1*W1*H"의 체적에 해당하는 지지대를 형성하게 된다.
이와 같이 응력 강화부(233)가 유동 채널(230) 내에서 소정 체적의 지지대를 형성함에 따라, 금속 분리판(200)의 적층으로 인한 응력에 의해 유체의 유동 채널(230)이 구조적으로 변형되는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편, 가해지는 응력의 크기와 유동 채널(230)의 길이를 고려하여 리브(234)의 길이 L0가 결정될 수 있다. 또한, 어느 한 라인의 유동 채널과 인접 라인의 유동 채널과의 간격을 고려하여 리브(234) 양단부에서 돌출된 폭 W1가 결정될 수 있다. 예를 들어, 폭 W1는 유동 채널(230)의 폭 W0 의 1/2이하가 되도록 할 수 있다.
분리판(200)의 재료로 스텐레스 스틸을 사용할 수 있으며, 스탬핑(Stamping) 방식으로, 제1 돌출 영역(231)과 제2 돌출 영역(232)과 응력 강화부(233)가 형성된 유동 채널(230)을 구비한 분리판(200)을 제조할 수 있다.
다음, 도 10 내지 도 13을 참조하여 종래의 금속 분리판과 본 발명의 금속 분리판을 비교 설명한다. 도 10 내지 도 13은 종래의 금속 분리판과 본 발명의 금속 분리판을 비교 설명하기 위한 도면들이다.
도 10은 실험실용 유압 프레스기로 압력을 가하여 유동 채널의 변형 여부에 대해 실험한 결과이다. 실험실용 유압 프레스기에 각각의 금속 분리판을 배치시키고 각각의 금속 분리판 하부에 감압지를 배치시킨 후, 각각의 금속 분리판을 일정 압력으로 가압하였다. 도 10의 (a)는 도 2 내지 도 4에 도시된 종래의 금속 분리판에 대한 실험 결과이고, 도 10의 (b)는 도 6 내지 도 9에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 금속 분리판에 대한 실험 결과이다.
도 10 (a)의 감압지 실험 결과를 참조하면, 빨간색 라인으로 표시된 유동 채널 영역 중앙에 흰색 영역이 나타난 것을 확인할 수 있다. 흰색 영역은 압력이 실질적으로 0인 영역으로, 도 6과 같이 금속 분리판이 변형된 결과임을 알 수 있다.
반면, 도 10 (b)의 감압지 실험 결과를 참조하면, 빨간색 라인으로 표시된 유동 채널 영역에 흰색 영역이 없음을 확인할 수 있다. 이는, 본 발명의 금속 분리판에서는 응력 강화부(233)가 금속 분리판 적층으로 인한 응력을 흡수하여 유동 채널의 구조적 변형을 방지함을 알 수 있다.
한편, 종래의 금속 분리판과 비교하여 본 발명의 금속 분리판은 막전극 접합체(111)로 공급되는 유체의 농도(또는 유량)를 증가시킬 수 있다. 이에 대해 도 11 내지 도 13을 참조하여 설명한다.
도 11에는 종래의 금속 분리판에서 유동 채널 내를 유동하는 유체의 흐름 방향이 도시되어 있고, 도 12에는 본 발명의 금속 분리판에서 유동 채널 내를 유동하는 유체의 흐름 방향이 도시되어 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 종래의 금속 분리판에서는 유체가 일 방향으로 유동하므로, 유동 채널 내에서 주로 가스 확산층(113)과 접하는 영역을 유동하는 유체가 가스 확산층(113)을 통해 막전극 접합체(111)로 공급된다.
반면, 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 금속 분리판에서는 제1 돌출 영역(231)과 제2 돌출 영역(232)과 응력 강화부(233)에 의해 유동 채널(230)과 가스 확산층(113) 간의 경계면이 증가하게 된다. 또한, 이들에 의해 유체는 일 방향으로 유동하지 못하고, 지그재그 방향으로 유동하게 된다.
즉, 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이, 가스 확산층(113)과 접하는 영역(경계면)이 커지고, 유체의 지그재그 유동에 따라 경계면에 도달하는 유체가 증가하게 되어, 가스 확산층(113)을 통해 막전극 접합체(111)로 공급되는 유체의 농도(또는 유량)를 증가시킬 수 있게 된다.
도 13은 종래의 금속 분리판과 본 발명의 금속 분리판을 각각 적용할 경우의 전류 밀도에 대해 보여준다. 도 13을 참조하면, 전술한 도 11 및 도 12의 유동 경로 차이로 인해, 본 발명의 금속 분리판은 고전류밀도 구간에서 3.2% 증가된 전류 밀도를 보임을 확인할 수 있다.
다음, 도 14를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 대해 설명한다. 도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 유동 채널이 도시된 평면도이다.
본 실시예의 금속 분리판은 유동 채널의 형상이 전술한 제1 실시예와 다를 뿐, 다른 구성은 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
도 14를 참조하면, 본 실시예의 금속 분리판에서 유동 채널(230a)은 주름진 형상의 리브(234a, rib)를 구비하며, 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역(231a)과, 제1 방향과는 반대 방향이면서 유체의 유동 방향에 대체로 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역(232a)이 교대로 반복 형성된다. 이때, 제1 돌출 영역(231a)과 제2 돌출 영역(232a)의 적어도 일부는 중첩되어 응력 강화부(233a)를 형성한다.
본 실시예에서 리브가 주름진 형상으로 형성됨으로써, 제1 실시예의 금속 분리판 대비 리브의 길이가 길어지게 됨에 따라, 응력 강화부(233a)와 함께 금속 분리판 적층으로 인한 응력을 흡수하여 유동 채널의 구조적 변형을 더욱 더 방지할 수 있다. 또한, 유동 채널(230a)과 가스 확산층(113) 간의 경계면이 더욱 증가하게 되어 가스 확산층(113)을 통해 막전극 접합체(111)로 공급되는 유체의 농도(또는 유량)를 더욱 증가시킬 수 있게 된다.
다음, 도 15 내지 도 17을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 대해 설명한다. 도 15는 연료전지 스택에서 종래의 금속 분리판 적층으로 인한 응력의 크기 분포를 설명하기 위한 도면이고, 도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판이 도시된 평면도이며, 도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 사용시 응력의 크기 분포를 설명하기 위한 도면이다. 도 15는 "Review on current research of materials, fabrication and application for bipolar plate in proton exchange membrane fuel cell (2019), Int. J. of Hydrogen Enegry, 45(54) DOI:10.1016/j.ijhydene.2019.07.231"에 개시되어 있다.
도 15를 참조하면, 연료전지 스택에서 종래의 금속 분리판 적층으로 인한 응력의 크기는, 하나의 금속 분리판(200b)에서 모든 영역에 동일한 것은 아니며, 금속 분리판(200b)의 중앙 부분에 작용하는 응력이 가장 작으며, 중앙 부분에서 가장자리 부분으로 갈수록 응력의 크기는 커짐을 알 수 있다.
따라서, 일률적으로 동일한 크기로 제1 돌출 영역(231b), 제2 돌출 영역(232b), 응력 강화부(233b), 리브(234b) 등을 제조할 경우, 응력으로 인한 변형 대항력이 금속 분리판의 각 영역에 따라 상이하게 되어, 연료 전지의 효율이 불균일해질 수도 있다.
이를 해소하기 위해, 도 16에 도시된 바와 같이, 하나의 금속 분리판(200b) 내에 형성된 복수개의 유동 채널 각각에 형성된 제1 돌출 영역(231b), 제2 돌출 영역(232b), 응력 강화부(233b), 리브(234b)의 크기가 위치에 따라 상이하게 형성될 수 있다.
바람직하게는, 본 실시예에서 금속 분리판(200b)의 중앙 부분에서 응력 강화 패턴의 크기를 가장 작게 형성하고, 가장 자리 부분으로 갈수록 크기를 크게 형성할 수 있다. 다른 표현으로, 금속 분리판(200b)의 중앙 부분의 응력 강화 패턴 밀도가 가장 크고, 가장 자리 부분으로 갈수록 밀도가 작게 형성할 수 있다. "응력 강화 패턴"이란, 제1 돌출 영역(231b), 제2 돌출 영역(232b), 응력 강화부(233b), 및 리브(234b)로 이루어진 구조체를 의미한다.
상기와 같이 응력 강화 패턴의 크기를 달리하여 형성함으로써, 도 17에 도시된 바와 같이, 전체적으로 균일한 응력(압축률)이 되도록 할 수 있다.
그 결과, 같은 힘이 균일하게 가해질 때는 기존의 금속 분리판 보다 유로 변형이 적으므로 전기 전도 저항을 줄일 수 있게 되고, 힘이 불균일하게 가해질 때는 강성 차이를 이용하여 내부 부품인 가스 확산층(113, GDL)을 균일하게 압축할 수 있게 된다. 가스 확산층(113, GDL)이 균일하게 압축되면 전기 전도 저항이 줄어 들며 물질 전달에 의한 저항을 줄일 수 있게 된다.
다음, 도 18을 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 대해 설명한다. 도 18은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판을 구비한 연료전지 스택이 도시된 도면이다.
복수개의 금속 분리판을 포함하는 연료전지 스택(S)에서, 금속 분리판 적층으로 인한 응력의 크기가 모든 금속 분리판에 대해 동일한 것은 아니며, 연료전지 스택(S)의 중앙 부분(Z2)에 배치된 금속 분리판(200c)에 작용하는 응력이 가장 작고 균일하며, 체결판(120, 130)과 인접한 영역(Z1)에 배치된 금속 분리판(200d)에 작용하는 응력이 가장 크고 불균일함을 본 발명의 발명자는 확인하였다. 이는 체결판(120, 130)의 체결 압력이, 체결판(120, 130)과 인접한 영역(Z1)에 배치된 금속 분리판(200d)에 가장 많이 전달되고, 중앙 부분(Z2)으로 갈수록 적게 전달되기 때문으로 추정된다.
따라서, 일률적으로 동일하게 금속 분리판을 제조할 경우, 응력으로 인한 변형 대항력이 각각의 금속 분리판에 따라 상이하게 되어, 연료 전지의 효율이 불균일해질 수도 있다.
이를 해소하기 위해, 하나의 연료전지 스택(S)에서 금속 분리판의 위치에 따라 응력 강화 패턴의 크기가 상이하게 형성될 수 있다.
바람직하게는, 본 실시예에서 연료전지 스택(S)의 중앙 부분에 배치된 금속 분리판(200c)에서 셀 중앙부와 가장자리 강성 차이를 작게 두고, 체결판(120, 130)으로 갈수록 셀 중앙부와 가장자리 강성 차이를 크게 한다. 다른 표현으로, 연료전지 스택(S)의 중앙 부분에 배치된 금속 분리판(200c)의 응력 강화 패턴 밀도가 가장 작고, 체결판(120, 130)과 인접하여 배치된 금속 분리판(200d)으로 갈수록 밀도가 크게 형성할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 연료전지
110 : 단위 전지
120, 130 : 체결판
111 : 막전극 접합체
200 : 금속 분리판
230 : 유동 채널
231 : 제1 돌출 영역
232 : 제2 돌출 영역
233 : 응력 강화부
234 : 리브

Claims (10)

  1. 일측에 형성되며 유체가 유입되는 유입구;
    타측에 형성되며 상기 유체가 유출되는 유출구; 및,
    외형을 형성하는 리브와, 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역과 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역이 교대로 반복 형성되고, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역의 적어도 일부가 중첩되어 형성된 응력 강화부를 포함하는 유동 채널;
    을 포함하는, 연료전지용 금속 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유동 채널에 가해지는 응력의 크기와 상기 유동 채널의 길이를 고려하여 상기 리브의 길이가 결정되고, 어느 한 라인의 유동 채널과 인접 라인의 유동 채널과의 간격을 고려하여 상기 리브의 양단부에서 돌출되는 폭의 크기가 결정되는, 연료전지용 금속 분리판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    금속 분리판의 재료로 스텐레스 스틸을 사용하며, 스탬핑 방식으로 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부가 형성된 유동 채널을 제조하는, 연료전지용 금속 분리판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 리브는 주름진 형상으로 형성되는, 연료전지용 금속 분리판.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며,
    상기 응력 강화 패턴의 크기는, 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 작게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 크게 형성되는, 연료전지용 금속 분리판.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며,
    상기 응력 강화 패턴의 밀도는, 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 크게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 작게 형성되는, 연료전지용 금속 분리판.
  7. 막전극 접합체와 상기 막전극 접합체의 양측에 각각 형성되며, 유체가 유동하는 유동 채널을 구비한 금속 분리판을 포함하는 복수개의 단위 전지; 및,
    상기 복수개의 단위 전지들의 외측에 배치된 체결판;을 포함하고,
    상기 유동 채널은,
    상기 유체의 유동 방향에 수직인 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역과 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역이 교대로 반복 형성되고, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역의 적어도 일부가 중첩되어 형성된 응력 강화부와, 상기 유동 채널의 외형을 형성하는 리브를 포함하는, 연료전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며,
    상기 응력 강화 패턴의 크기는 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 작게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 크게 형성되거나, 또는
    상기 응력 강화 패턴의 밀도는 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 크게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 작게 형성되는, 연료전지.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며,
    상기 복수개의 단위 전지에 각각 포함된 금속 분리판들 중에서,
    상기 체결판과 인접하여 배치되는 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 크기가 가장 작고, 중앙 부분의 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 크기가 가장 큰 것을 특징으로 하는 연료전지.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며,
    상기 복수개의 단위 전지에 각각 포함된 금속 분리판들 중에서,
    상기 체결판과 인접하여 배치되는 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 밀도가 가장 크고, 중앙 부분의 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 밀도가 가장 작은 것을 특징으로 하는 연료전지.
KR1020220116451A 2022-09-15 2022-09-15 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 KR20240037659A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220116451A KR20240037659A (ko) 2022-09-15 2022-09-15 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지
PCT/KR2023/007811 WO2024058353A1 (ko) 2022-09-15 2023-06-08 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220116451A KR20240037659A (ko) 2022-09-15 2022-09-15 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240037659A true KR20240037659A (ko) 2024-03-22

Family

ID=90275416

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220116451A KR20240037659A (ko) 2022-09-15 2022-09-15 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20240037659A (ko)
WO (1) WO2024058353A1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101410477B1 (ko) 2012-12-28 2014-06-27 (주)퓨얼셀 파워 연료전지용 분리판 제조방법

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100821389B1 (ko) * 2006-09-07 2008-04-11 현대자동차주식회사 연료전지 스택용 금속 분리판의 적층성 향상을 위한 구조
KR20160053347A (ko) * 2014-11-03 2016-05-13 현대제철 주식회사 기밀성 및 냉각 성능이 향상된 연료전지 스택용 금속 분리판
KR102034457B1 (ko) * 2015-10-30 2019-10-21 주식회사 엘지화학 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택
KR102034458B1 (ko) * 2015-11-30 2019-10-21 주식회사 엘지화학 연료전지 스택
KR101878030B1 (ko) * 2016-04-22 2018-08-07 현대제철 주식회사 연료전지 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101410477B1 (ko) 2012-12-28 2014-06-27 (주)퓨얼셀 파워 연료전지용 분리판 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024058353A1 (ko) 2024-03-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101693993B1 (ko) 연료전지용 분리판
US7309542B2 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
JP4245091B2 (ja) 燃料電池
US7867666B2 (en) Fuel cell with triangular buffers for reactant gas and coolant
US7569301B2 (en) Fuel cell
JP4753599B2 (ja) 燃料電池
US8153288B2 (en) Fuel cell and fuel cell stack
JP5060143B2 (ja) 燃料電池スタック
EP2296213B1 (en) Fuel cell stack
WO2002054507A1 (en) Fuel cell hybrid flow field humidification zone
CA2594530C (en) Fuel cell separator
US7846613B2 (en) Fuel cell with separator having a ridge member
JP4634737B2 (ja) 燃料電池スタック
US7883814B2 (en) Fuel cell separator with integral seal member
US7951508B2 (en) Fuel cell
JP4723196B2 (ja) 燃料電池
KR20240037659A (ko) 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지
CN115275253A (zh) 燃料电池
JP7451377B2 (ja) 燃料電池及び燃料電池スタック
CN115668561A (zh) 固体高分子型燃料电池堆
EP3576200B1 (en) Fuel cell stack
JP4422505B2 (ja) 燃料電池
EP4075554B1 (en) Fuel cell with a separator and fuel cell stack
JP4358083B2 (ja) 燃料電池
KR102722790B1 (ko) 고체산화물 연료전지용 집전체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택