WO2018088701A1 - 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지 - Google Patents

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WO2018088701A1
WO2018088701A1 PCT/KR2017/011212 KR2017011212W WO2018088701A1 WO 2018088701 A1 WO2018088701 A1 WO 2018088701A1 KR 2017011212 W KR2017011212 W KR 2017011212W WO 2018088701 A1 WO2018088701 A1 WO 2018088701A1
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fuel cell
flow path
separator
flow
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PCT/KR2017/011212
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English (en)
French (fr)
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김봉수
정지훈
강경문
양재춘
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주식회사 엘지화학
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    • 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
    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell separator and a fuel cell using the same that can increase the efficiency of the fuel cell by changing the shape of the flow path formed in the fuel cell separator.
  • Fuel cell is a power generation device that converts chemical energy of fuel directly into electric energy by electrochemical reaction. It is more energy efficient than existing combustion engines and has no emission of pollutants. Very wide In other words, fuel cells are not subject to the thermodynamic limitations (Carnot efficiency) of heat engines in principle, resulting in higher power generation efficiency than existing power generation equipments, and no environmental problems with no pollution and noise. It is a high-tech energy generator that has high expectations in terms of power system operation, such as easy installation inside, which can reduce transmission and transmission facilities.
  • the basic concept of a fuel cell can be explained by the use of electrons generated by the reaction of hydrogen and oxygen. Hydrogen passes through the anode and oxygen passes through the cathode. Hydrogen reacts with oxygen electrochemically to generate water, generating current at the electrode. As the electrons pass through the electrolyte, direct current power is generated, which in turn generates heat. DC current is used as the power of a DC motor or converted into alternating current by an inverter. The heat generated from the fuel cell can be used to generate steam for reforming or to be used for heating and cooling. If not used, it is discharged as exhaust heat. Hydrogen, the fuel of a fuel cell, uses hydrogen produced through a process called reforming using pure hydrogen or hydrocarbons such as methane or ethanol. Pure oxygen can increase the efficiency of fuel cells, but there is a problem in that cost and weight increase due to oxygen storage. Therefore, the air contains a lot of oxygen, so the efficiency is slightly lower, but also directly use the air.
  • the separator of such a fuel cell has a function of maintaining the shape of the fuel cell, transferring electrons, and supplying gas.
  • materials such as graphite and metal having electrical conductivity are used for shape maintenance and electron transfer.
  • non-conductor a material having electrical conductivity is applied.
  • the gas flow path formed in a part of the separation plate is a passage through which the reactor body flows, and gas is supplied to the electrode of the electrolyte-electrode assembly located between the two separation plates through the gas flow path to generate an electrochemical reaction, thereby generating electricity.
  • the separator for fuel cells must be stable in both the cathode oxidation atmosphere and the anode reduction atmosphere of the fuel cell, and must be compact to prevent mixing of each fuel gas, and have sufficient electrical conductivity.
  • a gas flow path must be formed in the fuel cell separation plate, and the depth, width, and pattern of the gas flow channel of the separation plate are very important for smooth gas flow.
  • the flow path of the conventional separation plate is mainly used in the straight form, in this case, there is a problem that a large amount of fuel flowing out without participating in the reaction is generated by the gas flow without circulation due to the laminar flow generation In addition, some problems were alleviated by creating a cycle of reuse of the spent fuel. However, there is a problem in that a separate device and cost are consumed in order to have a circulation cycle for fuel reuse.
  • the separation plate (Patent Document 001) that can adjust the concentration of the fluid by adjusting the distance of each pattern, and to form an island-shaped pattern at the rear end of the flow path
  • Patent Document 002 A fuel cell separator (patent document 002) has been developed that allows the formation of vortices when passing through a fluid.
  • the flow path of the separator plate for fuel cells is higher. Precise structural improvement is needed.
  • Patent Document 1 Korean Unexamined Patent Publication No. 2014-0078904, "Solid Oxide Fuel Cell Having Vertical and Lateral Channels"
  • Patent Document 2 Korean Unexamined Patent Publication No. 2010-0082501, "Separation plate for fuel cell with improved flow structure and fuel cell using the same"
  • the inventors have conducted various studies to solve the above problems, and as a result, when an island-shaped pattern is formed in the flow path in a fuel cell separator formed with a flow path, irregular flow velocity distribution of the fluid in the flow path is formed. And by inducing a uniform flow rate distribution to improve the efficiency of the fuel cell, it was confirmed that the drying of the membrane during low-humidity operation to complete the present invention.
  • Another object of the present invention is to provide a fuel cell including a separator having an improved flow path structure.
  • the separation plate for a fuel cell formed with a flow path comprising a transverse channel and a longitudinal channel
  • It includes a first pattern and a second pattern arranged alternately spaced in the transverse channel,
  • the first pattern and the second pattern is a three-dimensional structure of a columnar cross-section polygonal
  • the first pattern and the second pattern are arranged such that the cross section is rotated by 180 ° to each other,
  • a separator for a fuel cell characterized in that the distance from which the first pattern and the second pattern are spaced apart from the side wall of the transverse channel, respectively.
  • the first pattern is different from the distance from each side wall of the transverse channel, respectively.
  • the second pattern is a separation plate for a fuel cell, characterized in that different distances from both side walls of the transverse channel.
  • the polygon may be at least one selected from a trapezoid, a triangle, a parallelogram, a rectangle, a pentagon, and a hexagon.
  • the present invention provides a fuel cell including the separator.
  • the flow rate is uniformly distributed while the flow rate is uniformly maintained throughout the flow path, thereby improving the performance and efficiency of the fuel cell.
  • a wide cross-sectional flow passage and a narrow cross-sectional flow passage are distributed together, and the pressure increases at the point where the cross-sectional flow passage enters the narrow passage improves the efficiency of the fuel cell. Turbulence is generated and the concentration of fuel can be uniformly mixed to improve performance.
  • the pattern formed in the flow path is a columnar three-dimensional structure having a trapezoidal cross section
  • water droplets which may be stagnant due to the slow flow rate in the flow path having a large cross-sectional area, meet a high flow rate as they ride on the trapezoidal slope, through the wide flow path. It is discharged, and part of it is formed in the flow path, so that drying of the membrane can be prevented during low-humidity operation of the fuel cell.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a flow path formed in a separator for a fuel cell according to the prior art.
  • FIG 2 is a schematic view of a flow path formed in the separator plate for a fuel cell according to the present invention.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing the shape of the flow path that can be formed in the separator for fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a pattern in which the pattern is arranged in the transverse channel of the flow path in the separator plate for a fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view of a flow path formed in the separator according to the first embodiment, a perspective view (a) of the fuel cell separator and a flow diagram (b) when the first and second separators have a trapezoidal cross section. .
  • FIG. 6 is a schematic view of a flow path formed in the separator according to the second embodiment, a perspective view (a) of the fuel cell separator and a flow diagram (b) when the first and second separators are columnar having a triangular cross section. .
  • FIG. 7 is a schematic view of a flow path formed in the separator according to the third embodiment, a perspective view (a) of the fuel cell separator and a flow path (b) in the case where the first and second separators are columnar having a parallelogram cross section. to be.
  • FIG. 8 is a schematic view of a flow path formed in the separator according to Comparative Example 1.
  • FIG. 9 is a schematic view of a flow path formed in the separator according to Comparative Example 2.
  • 10A to 10C illustrate CFD analysis results of flow paths formed in the separator for a fuel cell according to Example 1;
  • FIG. 11A and 11B are results of Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of a flow path formed in a separator for a fuel cell according to Example 2.
  • FIG. 11A and 11B are results of Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of a flow path formed in a separator for a fuel cell according to Example 2.
  • FIG. 12A and 12B show CFD analysis results of flow paths formed in the separator for a fuel cell according to Example 3.
  • FIG. 12A and 12B show CFD analysis results of flow paths formed in the separator for a fuel cell according to Example 3.
  • FIG. 13 is a CFD analysis result of a flow path formed in the separator for fuel cell according to Comparative Example 1.
  • FIG. 14 is a CFD analysis result of a flow path formed in the separator for fuel cell according to Comparative Example 2.
  • FIG. 15 is a graph illustrating a correlation between current density and cell voltage of separator plates for fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1.
  • FIG. 15 is a graph illustrating a correlation between current density and cell voltage of separator plates for fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1.
  • the term 'lateral channel' refers to a straight channel formed in the transverse direction in the flow path
  • the 'vertical channel' refers to a straight channel formed in the longitudinal direction
  • side wall means a wall surface of both sides of a straight flow path.
  • FIG 2 is a schematic view of a flow path formed in the separator plate for a fuel cell according to the present invention.
  • the present invention relates to a separator 1 for a fuel cell in which a flow path 100 including a transverse channel 110 and a longitudinal channel 120 is formed. And a first pattern 141 and a second pattern 142 that are alternately spaced apart from each other in the transverse channel 110, wherein the first pattern 141 and the second pattern 142 have a polygonal cross section. It is a three-dimensional structure of the shape, the first pattern 141 and the second pattern 142 is arranged so that the cross-section is rotated by 180 ° to each other, the first pattern 141 and from the side wall of the transverse channel 110
  • the separation plate 1 for a fuel cell is characterized in that the distance from which the second pattern 142 is separated from each other is different.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing the shape of the flow path that can be formed in the separator for fuel cell according to the present invention.
  • the flow path 100 of the separator plate 1 for a fuel cell may have a shape including a horizontal channel 110 and a vertical channel 120.
  • a serpentine (FIG. 3A) may be one or more selected from an intergrated (b) of FIG. 3 and a parallel (c) of FIG. 3.
  • island-shaped first patterns 141 and second patterns 142 may be alternately spaced apart at regular intervals.
  • a columnar pattern having a rectangular cross section may be formed in the vertical channel 120.
  • the first pattern 141 and the second pattern 142 are columnar three-dimensional structures having a polygonal cross section, and the cross section of the polygon may be one of a trapezoid, a triangle, a rectangle, a pentagon, and a hexagon, and the first pattern ( Considering the irregular flow rate distribution and the uniform flow rate distribution in the flow path 100 by the second pattern 142 and 142, the cross section of the polygon is preferably trapezoidal.
  • the width of such polygons can be from 0.1 mm to 5 mm, and the height can be from 0.1 mm to 5 mm. If the width and height are less than the lower limit, it is impossible to process, which can increase the cost burden for manufacturing a practically usable fuel cell. If the size is larger than the upper limit, a large polygon can provide efficient fuel transfer between the flow path and the electrolyte membrane. As a result, the practicality may be reduced.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a pattern in which a pattern is arranged in a transverse channel of a flow path in the separator plate for a fuel cell according to the present invention, wherein the cross section of the pattern is trapezoidal.
  • the first pattern 141 and the second pattern 142 may be arranged to be spaced apart from each other by a distance between the patterns Dw at a predetermined interval inside the flow path 100.
  • the first pattern 141 and the second pattern 142 may be a three-dimensional structure having the same size and shape, or when arranged in the flow path 100 may be arranged to be rotated by 180 ° to each other, a polygon as described above By alternately arranged so as to be rotated 180 ° to each other, it is possible to provide an irregular flow rate distribution, a constant flow rate distribution to provide a fuel cell separation plate that can improve the performance and efficiency of the fuel cell.
  • the first pattern 141 and the second pattern 142 may be arranged to be spaced apart from both sidewalls 130 of the horizontal channel 110 in the horizontal channel 110, respectively.
  • both sidewalls 130 of the lateral channel 110 are referred to as a first sidewall 131 and a second sidewall 132, respectively.
  • first pattern separation distance 1 (1a) and the first pattern 141 the distance between the first pattern 141 and the first sidewall 131 of the lateral channel 110 is referred to as a first pattern separation distance 1 (1a) and the first pattern 141.
  • first pattern separation distance 2 (1b) the distance between the second sidewall 132 of the flow path 100 is referred to as a first pattern separation distance 2 (1b).
  • the separation distance refers to a straight line which is the shortest distance between the pattern and the sidewall 130 of the lateral channel 110 of the flow path 100.
  • the distance between the second pattern 142 and the first wall surface 101w of the flow path 100 is referred to as a second pattern separation distance 1 (2a), and the second pattern ( The distance between the 142 and the second sidewall 132 of the flow path 100 is referred to as a second pattern separation distance 2 (2b).
  • the first pattern separation distance 1 (1a) and the first pattern separation distance 2 (1b) are different, and in the second pattern 142, the second pattern separation distance 1 (2a) and the second pattern The separation distance 2 (b) is different.
  • the first pattern 141 As the distances 1a and 1b spaced apart from both sidewalls 131 and 132 of the horizontal channel 130 are different from each other, the first pattern 141 is formed in the channel 100 horizontal channel ( 130 is not located at the center, and thus, the cross-sectional area of the two flow paths formed on both sides of the first pattern 141 is different, and thus the flow velocity is different.
  • the second pattern 141 is centered in the flow path 100. Since the cross-sectional area of the two flow paths formed on both sides of the second pattern 142 is different from each other, the flow rate is different.
  • first pattern separation distance 1 (1a) and the second pattern separation distance 1 (the distance from which the first pattern 141 and the second pattern 142 are separated from the first sidewall 131 of the flow path 100, respectively) 2a) is different, and the first pattern separation distance 2 (1b) and the second pattern separation distance 2 (2b), which are distances from the second sidewall 132, are also different.
  • a flow path having a different cross-sectional area may be formed.
  • a bottleneck area is formed where local pressure is generated and turbulence occurs, and the high pressure in the bottleneck area can improve the efficiency of the fuel cell.
  • the present invention also provides a fuel cell comprising the separator for the fuel cell.
  • the fuel cell including the fuel cell separator may have a nonuniform flow velocity distribution and uniform flow rate due to the pattern shape of the passage formed on the separator, thereby improving efficiency and performance, and operating in low-humidity conditions. Even drying can be prevented.
  • Example 1 Example 2 Example 3 Comparative Example 1 Comparative Example 2 Euro Howitzer Howitzer Howitzer Howitzer Howitzer Howitzer Howitzer Howitzer Presence or absence of a pattern in the flow path U U U radish U Cross section of the pattern Trapezoid triangle Parallelogram - Trapezoid Shape of the first and second pattern Cross sections of the pattern are the same as rotated 180 ° to each other Cross sections of the pattern are the same as rotated 180 ° to each other Cross sections of the pattern are the same as rotated 180 ° to each other - Cross sections of the pattern are the same as rotated 180 ° to each other First pattern tooth distance 1 (1a) 500 ⁇ m 500 ⁇ m 500 ⁇ m 500 ⁇ m - 750 ⁇ m 1st pattern separation distance 2 (1b) 1000 ⁇ m 1000 ⁇ m 1000 ⁇ m 1000 ⁇ m - 750 ⁇ m 2nd pattern separation distance 1 (2a) 1000 ⁇ m 1000 ⁇ m 1000 ⁇ m 1000 ⁇ m - 750 ⁇ m 2nd pattern separation distance 2 (2b)
  • Example 1 Separation plate for fuel cell in which a columnar pattern having a trapezoidal cross section is arranged at regular intervals in the center of the passage.
  • a fuel cell separation plate having a pattern formed in the flow path was prepared, (a) is a perspective view of the separation plate for fuel cell, and (b) is a schematic view of the flow path formed in the separation plate.
  • columnar patterns having a trapezoidal cross section are arranged at regular intervals in the transverse channel 110 of the flow path 100, and two adjacent patterns, that is, The first pattern 141 and the second pattern 142 are arranged such that the cross sections are rotated 180 ° from each other.
  • the first pattern spacing distance 1 (the first pattern 141 is a distance spaced from the first side wall 131 and the second side wall 132 of the flow channel 100, the transverse channel 110, respectively) 1 a) and the first pattern separation distance 2 (1 b) are 50 ⁇ m and 1000 ⁇ m
  • the second pattern 142 is formed from the first sidewall 131 and the second sidewall 132 of the channel 100 transverse channel 110.
  • the second pattern separation distance 1 (2a) and the second pattern separation distance 2 (2b) which are spaced apart from each other, are 1000 ⁇ m and 50 ⁇ m, respectively, and the distance between the two adjacent patterns Dw is 700 ⁇ m.
  • Example 2 Separation plate for fuel cell in which columnar patterns having a triangular cross section are arranged at regular intervals in the center of the passage.
  • a fuel cell separation plate having the same shape as in Example 1 but having a triangle formed instead of a trapezoid was prepared.
  • FIG. 6 is a schematic view of a flow path formed in the separator according to the second embodiment, a perspective view (a) of the fuel cell separator and a flow diagram (b) when the first and second separators are columnar having a triangular cross section. .
  • Example 3 Separation plate for fuel cell in which columnar patterns having a triangular cross section are arranged at regular intervals in the center of the passage.
  • a fuel cell separation plate having the same shape as in Example 1 but having a parallelogram instead of a trapezoidal pattern formed in the flow path was prepared.
  • FIG. 7 is a schematic view of a flow path formed in the separator according to the third embodiment, a perspective view (a) of the fuel cell separator and a flow path (b) in the case where the first and second separators are columnar having a parallelogram cross section. to be.
  • Comparative Example 1 Separation Plate for Fuel Cell Formed with Straight Passage Curve
  • Comparative example 2 Separation plate for fuel cell in which columnar patterns having a trapezoidal cross section are arranged at regular intervals in the center of the passage.
  • a fuel cell separation plate formed by arranging patterns in the center of the flow path was prepared, (a) is a schematic diagram of a fuel cell separation plate, and (b) is a schematic diagram of a flow path formed in the separation plate.
  • a separator for a fuel cell including a flow path 100 in which the first pattern 141 and the second pattern 142 are arranged in the same shape as in the first embodiment, except that the first pattern 141 and the second pattern 142 are provided. ) Is arranged in the center of the flow path (100).
  • the first pattern 141 and the second pattern 142 are spaced apart from the first side wall 131 and the second side wall 132 of the flow channel 100, the transverse channel 110, respectively.
  • the first pattern separation distance 1 (1a), the first pattern separation distance 2 (1b), the second pattern separation distance 1 (2a), and the second pattern separation distance 2 (2b), which are distances, are all equal to 750 ⁇ m
  • the separation distance Dw between the two patterns is 700 ⁇ m.
  • 10A to 10C illustrate CFD analysis results of flow paths formed in a separator for a fuel cell according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 10A illustrates a flow rate distribution in a flow path formed in a fuel cell separator.
  • flow paths having different cross-sectional areas are formed by arranging first and second patterns in the flow passage. It can be seen that vortices occur at intersections A and B where flow paths having different cross-sectional areas meet. As vortices occur in the flow path, an improvement in flow characteristics can be expected.
  • FIG. 10B illustrates the flow rate distribution in the flow path formed in the separator for fuel cell.
  • flow paths having different cross-sectional areas are formed by arranging the first and second patterns in the flow path. It is understood that the flow velocity is high in the small cross-sectional flow path and the flow velocity is small in the flow-path having a large cross-sectional area, thus exhibiting a non-uniform flow velocity distribution throughout the flow path.
  • FIG. 10C illustrates the flow rate distribution in the flow path formed in the separator for fuel cell in more detail.
  • the flow rate is faster in the flow path F1 having a smaller cross-sectional area, and the flow velocity is relatively higher in the flow path F2 having a larger cross-sectional area.
  • This slow, but trapezoidal hypotenuse of the patterns showed that the flow of the fluid was concentrated and the flow rate was increased.In order to show a uniform flow distribution throughout the flow path, the parts with the high flow rate could be alternated on both sides of the pattern. You can arrange the patterns.
  • FIG. 11A and 11B illustrate CFD analysis results of flow paths formed in the separator for a fuel cell according to Example 2.
  • the triangular pattern of Example 2 has a tendency to decrease the average flow rate of the entire flow path since the area of the individual patterns is relatively reduced compared to the trapezoidal pattern of Example 1.
  • FIG. it can be seen that flow paths having different cross-sectional areas are formed due to the arrangement of the triangular patterns in the flow path, and vortices due to turbulence and flow velocity change occur at the points where the flow paths having different cross-sectional areas meet. As vortices occur in the flow path, an improvement in flow characteristics can be expected.
  • FIG. 12A and 12B show CFD analysis results of flow paths formed in the separator for a fuel cell according to Example 3.
  • FIG. 12A and 12B show CFD analysis results of flow paths formed in the separator for a fuel cell according to Example 3.
  • FIG. 13 is a CFD analysis result of the flow path formed in the separator for fuel cell according to Comparative Example 1
  • FIG. 14 is a CFD analysis result of the flow path formed in the separator for fuel cell according to Comparative Example 2.
  • the flow path formed in the separator for fuel cell according to Comparative Example 2 has a laminar flow in the flow path formed on both sides of the patterns, so that there is no change in flow velocity on the same streamline. It can be seen that it does not appear.
  • FIG. 15 is a graph (I-V Curve) showing a correlation between current density and cell voltage of the separator plates for fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1.
  • FIG. 15 is a graph (I-V Curve) showing a correlation between current density and cell voltage of the separator plates for fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1.
  • Example 1 it can be seen that the voltage drop phenomenon due to the material movement is significantly improved compared to Comparative Example 1.
  • Table 1 below shows the results of measuring the current cell density at specific cell voltages, that is, 0.6 V and 0.7 V, for the separator plates for fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1.
  • Example 1 showed a higher amount of current than in Comparative Example 1, whereby Example 1 is more than Comparative Example 1 It can be seen that it shows high efficiency and power.

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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 연료전지용 분리판에 형성된 유로의 내부에 섬(island) 형태의 패턴을 형성하여 유로 내에서 불규칙적인 유속분포와 일정한 유량분포를 유도함으로써 연료전지의 효율과 성능을 향상시키고, 연료전지 구동시 건조 현상을 방지할 수 있다.

Description

연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지
본 출원은 2016년 11월 14일자 한국 특허 출원 제10-2016-0151351호 및 2017년 3월 16일자 한국 특허 출원 제10-2017-0033061호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함한다.
본 발명은 연료전지용 분리판에 형성된 유로의 형태 변화를 통해 연료전지의 효율을 상승시킬 수 있는 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학 반응에 의해서 연료가 갖고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 기존의 연소기관에 비하여 에너지 효율이 높고, 공해물질의 배출이 없기 때문에 소형에서 대규모 시스템까지 적용범위가 매우 넓다. 즉, 연료전지는 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한(Carnot 효율)을 받지 않기 때문에 기존의 발전장치보다 발전효율이 높고, 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없으며, 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비를 절감할 수 있는 등 전력계통의 운영 측면에서도 기대가 큰 첨단 에너지 발전장치이다.
연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 반응에 의하여 생성되는 전자의 이용으로 설명할 수 있다. 수소는 연료극을 통과하고 산소는 공기극을 통과한다. 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다. 전자가 전해질을 통과하면서 직류 전력이 발생하며, 부수적으로 열도 생산된다. 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류 전류로 바꾸어 사용된다. 연료전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기열로 배출된다. 연료전지의 연료인 수소는 순수 수소를 이용하거나, 메탄이나 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여 개질이라는 과정을 통해 생산된 수소를 이용한다. 순수한 산소는 연료전지의 효율을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있다. 따라서 공기 중에 산소가 많이 포함되어 있으므로 효율은 좀 떨어지지만 공기를 직접 이용하기도 한다.
이와 같은 연료전지의 분리판은 연료전지의 형태유지, 전자를 이동시키는 역할, 기체를 공급하는 기능을 가진다. 분리판의 재료로는 형태 유지와 전자 이동을 위하여 전기 전도도가 있는 그라파이트, 금속과 같은 물질을 사용하나, 부도체인 경우에는 전기 전도도를 가지는 물질을 도포하여 사용한다. 분리판의 일부에 형성된 기체 유로는 반응기체가 흐르는 통로이며, 이 기체 유로를 통하여 2장의 분리판 사이에 위치한 전해질-전극 접합체의 전극에 기체가 공급됨으로써 전기화학반응이 일어나 전기가 발생된다.
따라서, 연료전지용 분리판은 연료전지의 공기극 산화분위기와 연료극 환원분위기에 모두 안정해야 하고, 각 연료가스의 혼합을 방지할 수 있도록 치밀해야 하며, 충분한 전기 전도도를 가져야 한다.
또한, 연료전지용 분리판에는 기체가 흐르는 유로가 성형 되어져야 하는데, 이 때 분리판의 기체 유로 채널의 깊이와 폭 그리고 패턴은 기체의 유동을 원활하게 하는데 매우 중요하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 분리판의 유로 형태는 직선형이 주로 사용되었으나, 이 경우, 층류 발생으로 인하여 순환 없이 가스 유동이 발생되어 반응에 참여하지 않고 흘러나가는 연료가 다량 발생하는 문제가 있어, 사용한 연료를 재사용하는 순환 사이클을 만들어 문제를 일부 완화시켰다. 그러나, 연료 재사용을 위한 순환 사이클을 구비하기 위하기 위해 별도의 장치와 비용이 소모되는 문제가 있었다.
이에 연료전지용 분리판에 형성된 유로 구조를 개선하여 연료전지의 효율과 성능을 개선하고자 하는 연구가 지속되고 있다.
예컨대, 분리판에 형성된 유로에 패턴을 형성하되, 각 패턴의 거리를 조절하여 유체의 농도를 조절할 수 있는 분리판 (특허문헌 001), 및 유로의 후단에 섬(island) 형태의 패턴을 형성하여 유체 통과시 와류형성을 가능하게 한 연료전지용 분리판(특허문헌 002)이 개발된 바 있으나, 연료전지의 효율 및 성능과 관련하여 요구 조건이 더욱 높아짐에 따라, 연료전지용 분리판의 유로에 대하여 보다 정밀한 구조 개선이 필요한 실정이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허 제2014-0078904호, "종채널과 횡채널을 가지는 고체 산화물 연료전지"
(특허문헌 2) 대한민국 공개특허 제2010-0082501호, "유로 구조가 개선된 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지"
본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 다각적으로 연구를 수행한 결과, 유로가 형성된 연료전지용 분리판에서 유로의 내부에 섬(island) 형태의 패턴을 형성할 경우, 상기 유로 내부에서 유체의 불규칙한 유속분포 및 균일한 유량분포를 유도함으로써 연료전지의 효율을 향상시키고, 저가습 운전시 막의 건조를 막을 수 있다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 유로 내에서의 불규칙한 유속분포 및 균일한 유량분포에 의해 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 유로 구조를 가지는 연료전지용 분리판을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 개선된 유로 구조를 가진 분리판을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 횡채널과 종채널을 포함하는 유로가 형성된 연료전지용 분리판에 있어서,
상기 횡채널에 교호로 이격되어 배열된 제1 패턴 및 제2 패턴을 포함하되,
상기 제1 패턴 및 제2 패턴은 횡단면이 다각형인 기둥 형상의 입체 구조물이며,
상기 제1 패턴 및 제2 패턴은 횡단면이 서로 180°회전된 형상이 되도록 배열되고,
상기 횡채널의 측벽으로부터 상기 제1 패턴 및 제2 패턴이 각각 이격된 거리가 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
이때, 상기 제1 패턴은 상기 횡채널의 양 측벽으로부터 각각 이격된 거리가 상이하고,
상기 제2 패턴은 상기 횡채널의 양 측벽으로부터 각각 이격된 거리가 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
상기 다각형은 사다리꼴, 삼각형, 평행 사변형, 사각형, 오각형 및 육각형 중에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 분리판을 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 패턴 배열에 의해 유로 구조가 개선됨에 따라, 유로 전체적으로 유속이 불균일하게 분포되는 반면 유량은 균일하게 유지되어 연료전지의 성능과 효율을 향상시킬 수 있다.
다시 말해, 단면적인 넓은 유로와 단면적인 좁은 유로들이 함께 분포되어, 단면적이 넓은 유로에서 좁은 유로로 들어가는 지점에는 압력이 높아져 연료전지의 효율을 향상시키고, 단면적인 좁은 유로에서 넓은 유로로 들어가는 지점에는 난류가 발생하여 연료의 농도를 균일하게 혼합하여 줄 수 있어 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 유로 내에 형성된 패턴이 사다리꼴 횡단면을 가진 기둥형상의 입체 구조물일 경우, 단면적이 넓은 유로에서의 느린 유속으로 인해 정체될 수 있는 물방울이 사다리꼴의 빗면을 타면서 빠른 유속을 만나게 되면서 넓은 유로를 통해 배출되고, 일부는 유로에 맺히므로, 연료전지의 저가습 운전시 막의 건조를 막을 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 형성될 수 있는 유로의 형태를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에서 패턴이 유로의 횡채널 내에서 배열된 형태를 나타낸 모식도이다.
도 5는 실시예 1에 따른 분리판에 형성된 유로의 모식도로서, 제1 및 제2 분리판이 사다리꼴의 횡단면을 가지는 기둥형상인 경우 연료전지용 분리판의 사시도(a) 및 유로의 모식도(b)이다.
도 6은 실시예 2에 따른 분리판에 형성된 유로의 모식도로서, 제1 및 제2 분리판이 삼각형의 횡단면을 가지는 기둥형상인 경우 연료전지용 분리판의 사시도(a) 및 유로의 모식도(b)이다.
도 7은 실시예 3에 따른 분리판에 형성된 유로의 모식도로서, 제1 및 제2 분리판이 평행 사변형의 횡단면을 가지는 기둥형상인 경우 연료전지용 분리판의 사시도(a) 및 유로의 모식도(b)이다.
도 8은 비교예 1에 따른 분리판에 형성된 유로의 모식도이다.
도 9는 비교예 2에 따른 분리판에 형성된 유로의 모식도이다.
도 10a 내지 10c는 실시예 1에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로에 대한 CFD 분석 결과이다.
도 11a 및 11b는 실시예 2에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로에 대한 CFD(Computational Fluid Dynamics) 분석 결과이다.
도 12a 및 12b는 실시예 3에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로에 대한 CFD 분석 결과이다.
도 13은 비교예 1에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로에 대한 CFD 분석 결과이다.
도 14는 비교예 2에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로에 대한 CFD 분석 결과이다.
도 15은 실시예 1 및 비교예 1의 연료전지용 분리판의 전류밀도(Current Density)와 셀 전압(Cell Voltage)의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서 사용된 용어 '횡채널'은 유로에서 횡 방향으로 형성된 직선 유로를 의미하고, '종채널'은 종 방향으로 형성된 직선 유로를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어 유로의 '측벽'이란 직선형 유로 양 측면의 벽면을 의미한다.
연료전지용 분리판
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로의 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 횡채널(110)과 종채널(120)을 포함하는 유로(100)가 형성된 연료전지용 분리판(1)에 관한 것으로, 연료전지용 분리판(1)은, 상기 횡채널(110)에 교호로 이격되어 배열된 제1 패턴(141) 및 제2 패턴(142)을 포함하되, 제1 패턴(141) 및 제2 패턴(142)은 횡단면이 다각형인 기둥 형상의 입체 구조물이며, 제1 패턴(141) 및 제2 패턴(142)은 횡단면이 서로 180°회전된 형상이 되도록 배열되고, 상기 횡채널(110)의 측벽으로부터 상기 제1 패턴(141) 및 제2 패턴(142)이 각각 이격된 거리가 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판(1)을 제시한다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 형성될 수 있는 유로의 형태를 나타낸 모식도이다.
연료전지용 분리판(1)의 유로(100)는 횡채널(110)과 종채널(120)을 포함하는 형태일 수 있으며, 구체적으로는, 곡사형(serpentine, 도 3의 (a)), 깍지형(intergrated, 도 3의 (b)) 및 평행형(parallel, 도 3의 (c)) 중에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
유로(100)의 횡채널(110) 내부에는 섬 형태의 제1 패턴(141) 및 제2 패턴(142)이 서로 번갈아 가면서 일정 간격으로 이격되어 배열될 수 있다.
또한, 종채널(120) 내부에는 횡단면이 직사각형인 기둥형상의 패턴이 형성될 수 있다.
제1 패턴(141) 및 제2 패턴(142)은 횡단면이 다각형인 기둥 형상의 입체 구조물로서, 상기 다각형의 횡단면은 사다리꼴, 삼각형, 사각형, 오각형 및 육각형 중에서 선택된 1종일 수 있으며, 제1 패턴(141) 및 제2 패턴(142)에 의한 유로(100) 내에서의 불규칙한 유속분포 및 균일한 유량분포를 고려하면 상기 다각형의 횡단면은 사다리꼴이 바람직하다.
이와 같은 다각형의 너비는 0.1 mm 내지 5 mm일 수 있고, 높이는 0.1 mm 내지 5mm 가 될 수 있다. 상기 너비와 높이가 하한치 미만일 경우 가공이 불가능해 실제 사용 가능한 연료전지를 제작하는데 비용부담이 커질 수 있고, 상한치 초과로 크기가 큰 경우 크기가 큰 다각형이 유로와 전해질막 사이의 효율적인 연료의 전달을 막으므로 실용성이 저하될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에서 패턴이 유로의 횡채널 내에서 배열된 형태를 나타낸 모식도로서, 패턴의 횡단면이 사다리꼴인 경우이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 패턴(141) 및 제2 패턴(142)은 유로(100)의 내부에 일정 간격의 패턴간 이격 거리(Dw)만큼 이격되어 배열될 수 있다.
제1 패턴(141) 및 제2 패턴(142)은 동일한 크기와 형상을 가진 입체 구조물이나, 유로(100) 내에 배열될 때에는 서로 180°회전된 형상이 되도록 배열될 수 있으며, 상술한 바와 같은 다각형을 서로 180°회전된 형상이 되도록 교호로 배열되도록 함으로써 불규칙한 유속분포, 일정한 유량분포를 구현할 수 있도록 하여 연료전지의 성능 및 효율을 향상시킬 수 연료전지용 분리판을 제공할 수 있다.
제1 패턴(141) 및 제2 패턴(142)은 각각 횡채널(110) 내에서 횡채널(110)의 양 측벽(130)으로부터 이격되어 배열되는 것일 수 있다. 이때, 횡채널(110)의 양 측벽(130)은 각각 제1 측벽(131) 및 제2 측벽(132)이라 한다.
제1 패턴(141)에서, 제1 패턴(141)과 횡채널(110)의 제1 측벽(131)과의 이격된 거리를 제1 패턴 이격 거리1(1a)라 하고, 제1 패턴(141)과 유로(100)의 제2 측벽(132)과의 거리를 제1 패턴 이격 거리2(1b)라고 한다. 이때, 이격 거리는 패턴과 유로(100)의 횡채널(110) 측벽(130) 사이의 최단거리인 직선거리를 의미한다.
또한, 제2 패턴(142)에서, 제2 패턴(142)과 유로(100)의 제1 벽면(101w)과의 이격된 거리를 제2 패턴 이격 거리1(2a)라 하고, 제2 패턴(142)과 유로(100)의 제2 측벽(132)과의 거리를 제2 패턴 이격 거리2(2b)라고 한다.
제1 패턴(141)에서 제1 패턴 이격 거리1(1a)과 제1 패턴 이격 거리2(1b)는 상이하고, 제2 패턴(142)에서 제2 패턴 이격 거리1(2a)과 제2 패턴 이격 거리2(2b)는 상이하다.
제1 패턴(141)에서, 횡채널(130)의 양 측벽(131, 132)과의 이격된 거리(1a, 1b)가 상이함에 따라, 제1 패턴(141)이 유로(100) 횡채널(130)의 중앙에 위치하지 않게 되고, 이에 따라, 제1 패턴(141)의 양쪽으로 형성되는 두 개의 유로의 단면적이 상이하게 되므로, 유속도 상이하게 된다.
제2 패턴(142)에서도 역시, 횡채널(130)의 양 측벽(131, 132)과의 이격된 거리(2a, 2b)가 상이함에 따라, 제2 패턴(141)이 유로(100)의 중앙에 위치하지 않게 되고, 이에 따라, 제2 패턴(142)의 양쪽으로 형성되는 두 개의 유로의 단면적이 상이하게 되므로, 유속도 상이하게 된다.
또한, 제1 패턴(141)과 제2 패턴(142)이 각각 유로(100)의 제1 측벽(131)으로부터 이격된 거리인 제1 패턴 이격 거리1(1a) 및 제2 패턴 이격 거리1(2a)은 상이하고, 제2 측벽(132)로부터 이격된 거리인 제1 패턴 이격 거리2(1b) 및 제2 패턴 이격 거리2(2b) 역시 상이하다.
제1 패턴(141)과 제2 패턴(142)이 유로(100) 횡채널(130)의 제1 측벽(131)으로부터 이격된 거리가 상이함으로 인하여, 단면적이 상이한 유로가 형성될 수 있다.
예컨대, 단면적인 큰 유로에서 단면적이 작은 유로로 유체가 흐르는 지점에서는 국부적인 압력이 생성되고 난류가 발생하는 병목 지역이 형성되며, 병목 지역에서의 높은 압력으로 인하여 연료전지의 효율이 향상될 수 있다.
반대로, 단면적인 작은 유로에서 단면적이 큰 유로로 유체가 흐르는 지점에서는 유체가 흐르는 유동 방향의 차이로 인하여 난류가 발생하는 합류 지역이 형성되며, 난류는 연료의 농도가 균일하도록 섞어주는 역할을 할 수 있다.
또한, 유체가 흐르는 동안 물이 생성되면 대부분 단면적이 큰 유로로 배출되고 일부가 좁은 지역에 맺히므로, 연료전지의 저가습 운전시 분리판의 건조를 방지할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지를 제시한다.
상기 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지는 분리판에 형성된 유로의 패턴 형상에 의하여, 유로 전체적으로 불균일한 유속분포를 가지면서도 유량은 균일하여 효율 및 성능이 향상될 수 있고, 저가습 조건에서 운전시에도 건조를 방지할 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다
하기 실시예 및 비교예의 연료전지용 분리판에 형성된 유로의 구체적인 형상 및 크기는 표 1에 기재된 바와 같다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
유로 곡사형 곡사형 곡사형 곡사형 곡사형
유로 내의 패턴 유무 유 유 유 무 유
패턴의 횡단면 사다리꼴 삼각형 평행 사변형 - 사다리꼴
제1 및 제2 패턴의 형상 패턴의 횡단면이 서로180°회전한 형상과 동일 패턴의 횡단면이 서로180°회전한 형상과 동일 패턴의 횡단면이 서로180°회전한 형상과 동일 - 패턴의 횡단면이 서로180°회전한 형상과 동일
제1 패턴 이 거리1 (1a) 500 ㎛ 500 ㎛ 500 ㎛ - 750 ㎛
제1 패턴 이격 거리2 (1b) 1000 ㎛ 1000 ㎛ 1000 ㎛ - 750 ㎛
제2 패턴 이격 거리1 (2a) 1000 ㎛ 1000 ㎛ 1000 ㎛ - 750 ㎛
제2 패턴 이격 거리2 (2b) 500 ㎛ 500 ㎛ 500 ㎛ - 750 ㎛
패턴간 이격 거리 (Dw) 700 ㎛ 700 ㎛ 700 ㎛ - 700 ㎛
실시예 1: 유로 내부의 중앙에 횡단면이 사다리꼴인 기둥형상의 패턴이 일정 간격으로 배열된 연료전지용 분리판
도 5에 도시된 바와 같이 유로에 패턴이 형성된 연료전지용 분리판을 준비하였으며, (a)는 연료전지용 분리판의 사시도, (b)는 분리판에 형성된 유로의 모식도이다.
직선 유로가 곡사형으로 형성된 연료전지용 분리판(1)에서, 유로(100)의 횡채널(110)에 횡단면이 사다리꼴인 기둥형상의 패턴이 일정 간격으로 이격되어 배열되며, 인접한 두 패턴, 즉, 제1 패턴(141)과 제2 패턴(142)은 횡단면이 서로 180°회전된 형상을 가지도록 배열된다.
상기 표 1에 기재된 바와 같이, 제1 패턴(141)이 유로(100) 횡채널(110) 제1 측벽(131) 및 제2 측벽(132)로부터 각각 이격된 거리인 제1 패턴 이격 거리1(1a) 및 제1 패턴 이격 거리2(1b)는 50 ㎛ 및 1000 ㎛ 이고, 제2 패턴(142)이 유로(100) 횡채널(110) 제1 측벽(131) 및 제2 측벽(132)로부터 각각 이격된 거리인 제2 패턴 이격 거리1(2a) 및 제2 패턴 이격 거리2(2b)는 1000 ㎛ 및 50 ㎛ 이며, 인접한 두 패턴간 이격 거리(Dw) 700 ㎛ 이다.
실시예 2: 유로 내부의 중앙에 횡단면이 삼각형인 기둥형상의 패턴이 일정 간격으로 배열된 연료전지용 분리판
실시예 1과 동일한 형태를 가지되, 다만 유로에 형성된 패턴이 사다리꼴이 아닌 삼각형인 연료전지용 분리판을 준비하였다.
도 6은 실시예 2에 따른 분리판에 형성된 유로의 모식도로서, 제1 및 제2 분리판이 삼각형의 횡단면을 가지는 기둥형상인 경우 연료전지용 분리판의 사시도(a) 및 유로의 모식도(b)이다.
실시예 3: 유로 내부의 중앙에 횡단면이 삼각형인 기둥형상의 패턴이 일정 간격으로 배열된 연료전지용 분리판
실시예 1과 동일한 형태를 가지되, 다만 유로에 형성된 패턴이 사다리꼴이 아닌 평행 사변형인 연료전지용 분리판을 준비하였다.
도 7은 실시예 3에 따른 분리판에 형성된 유로의 모식도로서, 제1 및 제2 분리판이 평행 사변형의 횡단면을 가지는 기둥형상인 경우 연료전지용 분리판의 사시도(a) 및 유로의 모식도(b)이다.
비교예 1: 직선 유로 곡사형으로 형성된 연료전지용 분리판
도 8에 도시된 바와 같이, 직선 유로가 곡사형으로 형성된 연료전지용 분리판을 준비하였다.
비교예 2: 유로 내부의 중앙에 횡단면이 사다리꼴인 기둥형상의 패턴이 일정 간격으로 배열된 연료전지용 분리판
도 9에 도시된 바와 같이 유로의 중앙에 패턴이 배열되어 형성된 연료전지용 분리판을 준비하였으며, (a)는 연료전지용 분리판의 모식도, (b)는 분리판에 형성된 유로의 모식도이다.
실시예 1과 동일한 형상으로 제1 패턴(141) 및 제2 패턴(142)이 배열된 유로(100)를 포함하는 연료전지용 분리판이며, 다만, 제1 패턴(141) 및 제2 패턴(142)이 유로(100)의 중앙에 배열되도록 하였다.
즉, 상기 표 1에 기재된 바와 같이, 제1 패턴(141)과 제2 패턴(142)이 유로(100) 횡채널(110) 제1 측벽(131) 및 제2 측벽(132)로부터 각각 이격된 거리인 제1 패턴 이격 거리1(1a), 제1 패턴 이격 거리2(1b), 제2 패턴 이격 거리1(2a) 및 제2 패턴 이격 거리2(2b)는 모두 동일하게 750 ㎛이며, 인접한 두 패턴간 이격 거리(Dw) 700 ㎛ 이다.
실험예 1: CFD(Computational Fluid Dynamics) 분석
실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 연료전지용 분리판에 대한 CFD 분석을 실시하여, 유로 형태에 따른 유선형태 및 유속분포를 분석하였다.
도 10a 내지 10c는 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로에 대한 CFD 분석 결과이다.
도 10a는 연료전지용 분리판에 형성된 유로에서의 유량분포를 나타낸 것으로, 실시예 1에 따른 연료전지용 분리판에서는 유로 내에서 제1 및 제2 패턴의 배열에 의해, 단면적이 상이한 유로들이 형성되며, 단면적이 상이한 유로들이 만나는 교차점(A, B)에서 와류가 발생하는 것을 알 수 있다. 유로 내에서 와류가 발생함에 따라 유동 특성 개선 효과를 기대할 수 있다.
또한, 도 10b는 연료전지용 분리판에 형성된 유로에서의 유속분포를 나타낸 것으로, 실시예 1에 따른 연료전지용 분리판에서는 유로 내에서 제1 및 제2 패턴의 배열에 의해, 단면적이 상이한 유로들이 형성되며, 단면적인 작은 유로에서는 유속이 빠르고, 단면적이 큰 유로에서는 유속이 작으므로, 유로 전반에 걸쳐 균일하지 않은 유속분포를 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 도 10c는 연료전지용 분리판에 형성된 유로에서의 유속분포를 보다 구체적으로 나타낸 것으로, 단면적이 작은 유로(F1)에서 유속이 빠른 것으로 나타났으며, 단면적인 큰 유로(F2)에서는 상대적으로 유속이 느리지만 패턴들의 사다리꼴 빗변에 의해 유체의 흐름이 집중되어 유속이 빨라지는 것으로 나타났으며, 유로 전체적으로 균일한 유량분포를 나타낼 수 있도록 하기 위해서 빠른 유속이 나타나는 부분이 패턴의 양쪽에서 번갈아 나타날 수 있도록 패턴을 배열할 수 있다. 또한, 패턴들 사이에 형성된 유로(F3)에서 느린 유속으로 인해 정체될 수 있는 물방울은 중력으로 인하여 횡단면이 사다리꼴인 패턴의 빗변을 따라 흐르게 되며, 빠른 유속을 만나게 되면 신속히 흐름 방향으로 이동하여 배출될 수 있다. 다시 말해, 유로 내에서 물이 생성될 경우 대부분은 넓은 유로를 통해 배출되고, 일부는 좁은 유로에 맺히므로, 연료전지의 저가습 운전시 분리판의 건조를 방지할 수 있다.
도 11a 및 11b는 실시예 2에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로에 대한 CFD 분석 결과이다.
도 11a 및 11b를 참조하면, 실시예 2의 삼각형 패턴은 실시예 1의 사다리꼴 패턴에 비해 상대적으로 개별 패턴의 면적이 감소되므로, 유로 전반적으로 평균유속을 감소하는 경향을 나타낸다. 그러나, 실시예 1과 마찬가지로, 유로 내에 삼각형 패턴들의 배열로 인하여 단면적이 상이한 유로들이 형성되고, 이와 같이 단면적이 상이한 유로들이 만나는 지점에서 난류와 유속 변화에 의한 와류가 발생하는 것을 알 수 있다. 유로 내에서 와류가 발생함에 따라 유동 특성 개선 효과를 기대할 수 있다.
도 12a 및 12b는 실시예 3에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로에 대한 CFD 분석 결과이다.
도 12a 및 12b를 참조하면, 실시예 3의 평행 사변형 패턴은 실시예 1의 사다리꼴 패턴에 비해 상대적으로 개별 패턴의 면적이 증가되므로, 유로 전반적으로 평균유속이 증가하는 경향을 나타낸다. 그러나, 실시예 1과 마찬가지로, 유로 내에 평행 사변형 패턴들의 배열로 인하여 단면적이 상이한 유로들이 형성되고, 이와 같이 단면적이 상이한 유로들이 만나는 지점에서 난류와 유속 변화에 의한 와류가 발생하는 것을 알 수 있다. 유로 내에서 와류가 발생함에 따라 유동 특성 개선 효과를 기대할 수 있다.
도 13은 비교예 1에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로에 대한 CFD 분석 결과이고, 도 14는 비교예 2에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로에 대한 CFD 분석결과이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 직선 유로에서는 유로 전체적으로 유속이 일정하고 와류가 발생하지 않은 것으로 나타났다.
또한, 도 14에 도시된 바와 같이, 비교예 2에 따른 연료전지용 분리판에 형성된 유로는 패턴들의 양쪽으로 형성된 유로에서 층류(laminar flow)가 발달하여 동일 유선 상에서 유속변화가 없으며, 이에 따라 와류가 나타나지 않는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 연료전지용 분리판에 대한 유동해석에 따르면, 패턴과 유로의 벽면 사이의 거리가 반복적으로 상이하게 나타나도록 유로 내부에 패턴이 배열될 경우, 즉, 상이한 단면적을 가지는 유로가 반복될 경우, 단면적인 넓은 유로에서 단면적이 작은 유로 쪽으로 유도하는 빗변이 존재하면 와류가 발생되어 유동 특성이 개선되는 효과를 기대할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
실험예 2: 전류밀도(Current Density)와 셀 전압(Cell Voltage)의 상관관계
실시예 1 및 비교예 1의 연료전지용 분리판에 대하여 전류밀도(Current Density)와 셀 전압(Cell Voltage)의 상관관계를 측정하였다.
도 15는 실시예 1 및 비교예 1의 연료전지용 분리판의 전류밀도(Current Density)와 셀 전압(Cell Voltage)의 상관관계를 나타낸 그래프(I-V Curve)이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 실시예 1 및 비교예 1의 연료전지용 분리판은 전류밀도가 증가함에 따라 전압이 감소하는 것을 알 수 있다. 전류밀도가 커짐에 따라 전압 강하량의 차이가 커지는 것은 많은 양의 전류를 생성할 때 산소 및 수소의 물질이동에 의한 현상으로 알려져 있다.
따라서, 실시예 1의 경우 비교예 1에 비해 물질이동에 의한 전압강하 현상이 상당량 개선된 것을 알 수 있다.
하기 표 1은 실시예 1 및 비교예 1의 연료전지용 분리판에 대하여, 특정 셀 전압, 즉, 0.6 V 및 0.7 V에서의 전류밀도를 측정한 결과이다.
셀 전압(Cell Voltage) 실시예 1 비교예 1
OCV(Open-circuit voltage) 0.94 V 0.942 V
@ 0.6 V 1,346 (mA/㎠) 1,134 (mA/㎠)
@ 0.7 V 678 (mA/㎠) 631 (mA/㎠)
상기 표 1에 나타난 바와 같이 셀 전압이 0.6 V 및 0.7 V일 때, 실시예 1이 비교예 1에 비해 모두 더 높은 전류량을 나타낸 것을 알 수 있으며, 이로부터 실시예 1이 비교예 1에 비해 더 높은 효율과 출력을 나타냄을 알 수 있다.
[부호의 설명]
1: 연료전지용 분리판
100: 유로
110: 횡채널
120: 종채널
130: 측벽
131: 제1 측벽
132: 제2 측벽
140: 패턴
141: 제1 패턴
142: 제2 패턴
1a: 제1 패턴 이격 거리1
1b: 제1 패턴 이격 거리2
2a: 제2 패턴 이격 거리1
2b: 제2 패턴 이격 거리2

Claims (5)

  1. 횡채널과 종채널을 포함하는 유로가 형성된 연료전지용 분리판에 있어서,
    상기 횡채널에 교호로 이격되어 배열된 제1 패턴 및 제2 패턴을 포함하되,
    상기 제1 패턴 및 제2 패턴은 횡단면이 다각형인 기둥 형상의 입체 구조물이며,
    상기 제1 패턴 및 제2 패턴은 횡단면이 서로 180°회전된 형상이 되도록 배열되고,
    상기 횡채널의 측벽으로부터 상기 제1 패턴 및 제2 패턴이 각각 이격된 거리가 상이한, 연료전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 상기 횡채널의 양 측벽으로부터 각각 이격된 거리가 상이하고,
    상기 제2 패턴은 상기 횡채널의 양 측벽으로부터 각각 이격된 거리가 상이한, 연료전지용 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다각형은 사다리꼴, 삼각형, 평행 사변형, 사각형, 오각형 및 육각형 중에서 선택된 1종 이상인, 연료전지용 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유로는 곡사형(serpentine), 깍지형(intergrated) 및 평행형(parallel) 중에서 선택된 1종 이상인, 연료전지용 분리판.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 연료전지용 분리판을 포함하는, 연료전지.
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