KR101060275B1

KR101060275B1 - 핀과 사행이 혼합된 연료전지용 분리판

Info

Publication number: KR101060275B1
Application number: KR1020100052840A
Authority: KR
Inventors: 신기수; 장상훈; 최갑승; 김형만
Original assignee: 인제대학교 산학협력단
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2011-08-30

Abstract

본 발명은 고분자전해질 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 가스가 유동하는 채널의 구조를 사형(serpentine) 및 핀(pin)이 복합된 구조로 개선하여 가스의 유동이 원활하게 이루어짐과 더불어 막전극접합체(MEA)와의 접촉 면적을 향상시켜 우수한 성능을 갖도록 한 것이다. 이러한 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은, 일면에 가스가 유동하는 복수개의 채널이 'ㄹ'자형으로 연속 다단 절곡되게 형성되어 있는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 분리판의 채널은 각각의 턴(turn) 부분에서는 'U'자형으로 형성되는 복수개의 리브(rib)에 의해 사형(serpentine) 채널부를 이루고, 턴 부분 이외의 부분에서는 복수개의 다각형 리브(rib)에 의해 격자 형태로 된 핀(pin) 채널부를 이루는 것을 특징으로 한다.

Description

핀과 사행이 혼합된 연료전지용 분리판{Bipolar Plate for Fuel Cell with Fin and Serpentine}

본 발명은 고분자전해질 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소 등의 가스가 유동하는 채널의 구조를 개선하여 가스의 유동이 원활하게 이루어짐과 더불어 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)와의 접촉 면적을 향상시켜 우수한 성능을 갖는 고분자전해질 연료전지용 분리판에 관한 것이다.

일반적으로, 전기적으로 절연체이며 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 메탄올이나 수소 등의 화학연료를 전기에너지로 직접 바꾸는 고효율, 무공해, 무소음의 미래형 발전기술의 일종으로서, 기존의 내연기관에 비해 1.5배 이상의 에너지변환 효율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 유독한 대기오염 물질을 전혀 배출하지 않는 장점을 내포하고 있다. 특히 고분자전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 100℃ 미만의 온도에서 작동되고 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 나타내는 동시에 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템이다.

이러한 고분자 전해질 연료전지의 성능은 작동온도, 압력, 연료의 가습량 등 다양한 요인에 의하여 달라진다고 알려져 있다. 특히, 분리판(separator)의 유동장(flow field) 형상은 연료전지의 성능에 영향을 주는 중요한 요소 중의 하나로 많은 연구들이 진행되어 왔다.

기존의 연료전지에 사용되는 분리판은 전체적으로 사형 채널(serpentine channel)을 갖거나, 핀 채널(pin channel)을 갖는다. 상기 사형채널은 높은 성능으로 일반적으로 많이 사용되지만 채널 내부에서 생성되는 물이 수소, 산소 또는 공기의 유로를 막아 채널 전체에 영향을 끼쳐 연료전지의 출력을 떨어뜨리는 문제가 있다. 그리고, 핀 채널은 채널 내부에 형성된 물이 유로를 막더라도 가스가 우회유로를 통해 유동할 수 있으므로 유동 특성은 우수하나 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)와의 접촉면적이 작기 때문에 출력이 낮은 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 가스가 유동하는 채널의 구조를 사형(serpentine) 및 핀(pin)이 복합된 구조로 개선하여 가스의 유동이 원활하게 이루어짐과 더불어 막전극접합체(MEA)와의 접촉 면적을 향상시켜 우수한 성능을 갖는 고분자전해질 연료전지용 분리판을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일면에 가스가 유동하는 복수개의 채널이 'ㄹ'자형으로 연속 다단 절곡되게 형성되어 있는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 분리판의 채널은 가스의 유동방향이 변화되는 각각의 턴(turn) 부분에서는 'U'자형으로 형성되는 복수개의 리브(rib)에 의해 사형(serpentine) 채널부를 이루고, 상기 턴 부분 이외의 부분에서는 복수개의 다각형 리브(rib)에 의해 격자 형태로 된 핀(pin) 채널부를 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.

이러한 본 발명에 따르면, 분리판의 채널 중 가스의 유동방향이 변화되는 턴(turn) 부분에서는 사형 채널부가 형성되어 유동을 원활하게 함과 더불어 막전극접합체와의 접촉 면적을 증대시키고, 턴 부분 이외부분, 즉 가스가 유입되는 부분과 사형 채널부 사이, 가스가 배출되는 부분 등 직선부는 핀 채널부가 형성되어 채널에서 생성된 물이 채널의 일부를 막더라도 가스가 우회하여 유동할 수 있으므로 유동 특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 전체적으로 균일하고 우수한 가스 유동 특성을 얻을 수 있음과 동시에 막전극접합체와의 접촉 면적을 향상시킬 수 있어 우수한 성능의 연료전지를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 정면도이다.
도 2는 도 1의 연료전지용 분리판의 사시도 및 확대도이다.
도 3은 도 1의 I-I 선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 연료전지용 분리판에서 일어나는 가스 유동 특성을 설명하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 첫번째 실시예를 나타낸 것으로, 이 실시예의 분리판(10)은 막전극접합체(MEA)(미도시)와 접하는 면에 채널(11)이 전체적으로 'ㄹ'자형태로 2단 절곡된 형태로 형성되되, 상기 채널(11)은 가스의 유동방향이 변화되는 각각의 턴(turn) 부분에서는 'U'자형으로 형성된 복수개의 리브(rib)(15)에 의해 사형(serpentine) 채널부(13)를 이루고, 턴 부분 이외의 직선 구간 부분, 즉 가스가 유입되는 부분과 상기 사형 채널부(13) 사이 부분, 가스가 배출되는 부분에서는 복수개의 직사각형 리브(rib)(14)에 의해 격자 형태로 된 핀(pin) 채널부(12)를 이룬다.

상기 핀 채널부(12)의 리브(14)는 가스(수소, 공기 혹은 산소)의 유동 방향을 따라 길이가 긴 직사각형으로 되어, 휜(fin) 타입의 채널을 형성한다. 그리고, 상기 핀 채널부(12)의 리브(14)들은 일렬로 반듯하게 배열되는 것보다 도 1에 도시된 것처럼 서로 지그재그로 엇갈리면서 배열되는 것이 유동 특성을 향상시키는데 더 바람직하다.

상기 사형 채널부(13)는 각각의 턴 부분에서의 가스 유동을 원활하게 하는 작용과 더불어, 핀 채널부(12)와 비교하여 막전극접합체(MEA)와의 접촉 면적을 상대적으로 증대시킴으로써 전류 밀도를 증대시키고, 출력을 증대시키는 이점을 제공한다. 여기서, 상기 사형 채널부(13)의 리브(15)가 'U'자형으로 형성된 것이라 함은 도 1에 도시된 것처럼 리브(15)의 중간부가 직선형인 것뿐만 아니라 리브(15)의 중간부가 곡선형으로 된 것도 포함하는 것이다.

한편, 전술한 실시예의 분리판(10)은 상기 핀 채널부(12)를 형성하는 리브(14)가 직사각형으로 된 것이 적용되었지만, 이와 다르게 원형이나 타원형, 육각형, 마름모 형상 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있으며, 도 4에 다른 실시예로 도시된 것처럼 핀 채널부(12)의 리브(14)들이 정사각형의 핀(pin) 형태로 이루어질 수도 있다.

본 발명과 같이, 분리판(10)의 채널(11)이 사형 채널부(13)와 핀 채널부(12)가 복합된 구조로 이루어지면, 도 5에 도시된 것처럼 핀 채널부(12)에서 물이 생성되어 채널(11)을 막더라도 가스가 바로 옆의 채널(11)로 우회하여 유동할 수 있으므로 가스의 유동 특성이 향상되는 이점을 얻을 수 있다.

또한, 각각의 턴 부분에서는 가스가 사형 채널부(13)에 의해 원활하게 안내되면서 다음 위치로 유동하게 된다.

시뮬레이션 결과, 본 발명의 분리판(10)은 기존의 사형 채널로만 이루어진 분리판과 비교하여 전체적으로 균일한 전류밀도를 가지며, 이에 따라 음극(cathod)에서 양극(anode)로 수분이 이동되는 역확산 현상과 열화에 의한 손실을 줄일 수 있다. 또한, 막전극접합체(MEA)(미도시)의 수분 함유율과 물의 거동, 압력분포를 비교해볼 때, 효율적인 물 관리가 가능하다.

전술한 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 대한 실시예들은 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제시된 것으로 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술 사상의 범주 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.

10 : 분리판 11 : 채널
12 : 핀 채널부 13 : 사형 채널부
14 : 핀 채널부의 리브 15 : 사형 채널부의 리브

Claims

가스가 유동하는 채널이 'ㄹ'자형으로 연속 다단으로 절곡되게 형성되어 있는 연료전지용 분리판에 있어서,
상기 분리판의 채널은 가스의 유동방향이 변화되는 각각의 턴(turn) 부분에서는 'U'자형으로 형성되는 복수개의 리브(rib)에 의해 사형(serpentine) 채널부(13)를 이루고, 턴(turn) 부분 이외의 부분에서는 복수개의 다각형 리브(rib)에 의해 격자 형태로 된 핀(pin) 채널부(12)를 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
제1항에 있어서, 상기 핀 채널부(12)를 이루는 다각형 리브는 사각형인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 핀 채널부를 이루는 다각형 리브들은 서로 엇갈리게 배열된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.