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KR101013853B1 - 연료전지용 분리판 - Google Patents

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KR101013853B1
KR101013853B1 KR1020080106443A KR20080106443A KR101013853B1 KR 101013853 B1 KR101013853 B1 KR 101013853B1 KR 1020080106443 A KR1020080106443 A KR 1020080106443A KR 20080106443 A KR20080106443 A KR 20080106443A KR 101013853 B1 KR101013853 B1 KR 101013853B1
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separator
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유성필
이남우
권상욱
정희석
최서호
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 기체확산층과 접촉되는 분리판의 랜드부에 벤튜리 관과 같은 물 배출용 홀 또는 물의 응축을 위한 금속판 등을 포함하는 물 배출수단을 형성하고, 연료전지 반응에 의하여 생성된 물이 기체확산층으로부터 물 배출수단을 통해 매우 용이하게 배출될 수 있도록 한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지의 기체확산층과 접촉되며 접합되는 랜드와, 각 랜드 사이의 공간으로서 수소 또는 공기의 통로가 되는 유로를 포함하는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 랜드와 유로간에 복수개의 물 배출수단을 별도로 형성하여, 상기 기체확산층으로부터 유로를 향해 물 배출이 원할하게 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
연료전지, 분리판, 물 배출수단, 물 배출홀, 랜드, 유로, 기체확산층

Description

연료전지용 분리판{Separator for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 기체확산층과 접촉되는 분리판의 랜드부에 벤튜리 관과 같은 물 배출용 홀 또는 물의 응축을 위한 금속판 등을 포함하는 물 배출수단을 형성하고, 연료전지 반응에 의하여 생성된 물이 기체확산층으로부터 물 배출수단을 통해 매우 용이하게 배출될 수 있도록 한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 고분자 전해질 연료전지(Fuel Cell)는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며, 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있고, 또한 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친 환경적인 동력원이기 때문에 현재 자동차 업계 전반에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.
이러한 연료전지의 구성을 첨부한 도 1을 참조로 살펴보면, 가장 안쪽에 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 전극막 접합체 는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(10)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드(12: 공기극(cathode)) 및 애노드(14: 연료극(anode))로 구성되어 있다.
또한, 상기 전극막의 바깥 부분, 즉 캐소드(12) 및 애노드(14)가 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(16) 및 개스킷(Gasket)(18)이 차례로 적층되고, 상기 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 고정시키기 위한 엔드 플레이트(End plate)(30)가 결합된다.
따라서, 상기 연료전지 스택의 애노드(14)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(10)과 분리판(20)을 통하여 캐소드(12)극으로 이동하게 되어, 상기 캐소드(12)극에서는 애노드(14)극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 최종 생성된 전기에너지는 상기 엔드플레이트(30)의 집전판(미도시됨)을 통하여 전기에너지를 요하는 부하로 공급된다.
이러한 구성을 기반으로 전기에너지를 생성하는 연료전지의 구성에 있어서, 연료전지의 단위 셀만을 나타낸 첨부한 도 2에서 잘 볼 수 있듯이, 상기 분리판(20)은 기체확산층(16)과 직접적으로 접합되는 평평한 부분인 랜드(32: Land)와, 이 랜드(32)부 사이의 공간으로서 연료인 수소와 공기의 통로가 되는 유로(34: Flow Field = Channel)로 구성되어 있고, 수소와 공기의 공급통로 뿐만 아니라 캐소드 측에서 생성된 물의 제거통로서의 기능을 가지고 있으며, 특히 외부회로로 전기를 흘리는 역할도 한다.
종래기술에 따른 분리판은 대부분 요철 형상의 랜드 및 유로로 구성된 것을 기반으로 하고, 상기 유로는 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 직선형 유로(36) 또는 직선형 유로를 개선한 웨이브 형상의 유로(38)로 이루어져 있으며, 웨이브 형상의 유로(38)는 수소 및 공기가 해당 유로 벽면에 부딪히면서 그 직진 방향을 변경시켜 가스확산층으로의 확산이 보다 잘되는 장점을 갖는 동시에 전기 발생을 상당히 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.
그러나, 첨부한 도 4에서 보는 바와 같이, 캐소드(12) 측에서 반응에 의하여 다량 생성되는 물은 캐소드(12)측의 가스확산층(16)으로부터 분리판(20)의 유로(34)로 배출되고, 반면에 분리판(20)의 유로(34)로부터 공급되어 가스확산층(16)으로 공기가 확산되는 바, 배출되는 물의 흐름과 확산되는 공기 흐름이 서로 맞부딪쳐 상호간의 흐름을 방해하는 물리적 모순이 있는 단점이 있다.
이에, 물의 배출흐름이 공기 흐름에 의하여 저해되어 물 배출 효율이 떨어지고, 반대로 공기 흐름이 물의 배출흐름에 의하여 저해되어 기체확산층으로 공기가 확산되는 효율이 떨어지는 문제점이 야기된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지의 기체확산층과 접촉되며 접합되는 분리판의 랜드와, 각 랜드 사이의 공간으로서 수소 또는 공기의 통로가 되는 유로간에 벤튜리 관과 같은 물 배출용 홀을 형성함으로써, 연료전지의 전극막 접합체내에서 전기에너지를 얻기 위한 반응과 함께 생성되는 물이 기체확산층으로부터 물 배출용 홀을 통해 용이하게 배출될 수 있고, 분리판의 유로로부터 공급되는 공기가 가스확산층으로 보다 용이하게 확산될 수 있도록 한 연료전지용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지의 기체확산층과 접촉되며 접합되는 랜드와, 각 랜드 사이의 공간으로서 수소 또는 공기의 통로가 되는 유로를 포함하는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 랜드와 유로간에 복수개의 물 배출수단을 별도로 형성하여, 상기 기체확산층으로부터 유로를 향해 물 배출이 원할하게 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 물 배출수단은 랜드와 유로간에 벤튜리 효과를 갖는 복수개의 물 배출홀을 관통 형성시킨 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 복수개의 물 배출홀은 직각경로 또는 사선경로로 관통 형성된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 사선경로로 이루어진 복수개의 물 배출홀은 상기 유로에 공급된 공기 흐름 방향 및 상기 랜드 표면에 대하여 45°각도로 형성된 것 을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수개의 물 배출홀내에는 마이크로 다공이 형성된 다공물질이 채워지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 물 배출수단은 물의 응축을 위하여 상기 랜드의 표면에서 그 내부에 압입시킨 열전도성 금속판인 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지의 기체확산층과 접촉되며 접합되는 분리판의 랜드와, 각 랜드 사이의 공간으로서 수소 또는 공기의 통로가 되는 유로간에 벤튜리 관과 같은 물 배출용 홀을 형성함으로써, 전기에너지를 얻기 위한 반응과 함께 생성되는 물이 기체확산층으로부터 물 배출용 홀의 벤튜리 작용에 의하여 유로쪽으로 용이하게 배출될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 물 배출홀을 따라 랜드에서 유로쪽으로 물의 배출흐름이 이루어지므로, 배출되는 물이 유로에서 기체확산층으로 공급되는 공기 흐름에 저해되지 않아, 물 배출 효율 및 기체확산층으로 공기가 확산되는 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 물 배출홀은 유로에서의 공기 흐름 방향에 대하여 45°꺽인 경로로 형성됨에 따라, 공기 흐름이 물 배출홀쪽으로 역류되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 직각경로의 물 배출홀이 형성된 구조 및 그에 따른 물 배출 및 공기 확산 작용을 설명하는 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 사선경로의 물 배출홀이 형성된 것을 설명하는 요부 평면도 및 단면도이다.
연료전지는 고분자 전해질막(10)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드(12) 및 애노드(14)와, 이 캐소드(12) 및 애노드(14)가 위치한 바깥 부분에는 적층 부착되는 가스확산층(16)과, 이 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로가 형성된 분리판(20) 등을 포함하여 구성된다.
상기 분리판(20)은 기체확산층(16)과 직접적으로 접합되는 평평한 부분인 랜드(32)와, 이 랜드(32) 사이의 공간으로서 연료인 수소와 공기의 통로가 되는 유로(34)로 구성되어 있다.
본 발명에 따르면, 상기 기체확산층(16)과 접촉되며 접합되는 랜드(32)와, 각 랜드(32) 사이의 공간으로서 수소 또는 공기의 통로가 되는 유로간에 물 배출수단으로서 벤튜리 효과를 갖는 복수개의 물 배출홀(40)을 관통 형성한 점에 특징이 있고, 이 복수개의 물 배출홀(40)은 직각경로 또는 사선경로로 관통 형성된다.
따라서, 캐소드(12) 측에서 전기에너지를 생성하기 위한 반응에 의하여 다량의 물이 생성되는 바, 이때 생성된 물이 가스확산층(16)으로부터 상기 물 배출홀(40)을 통해 분리판(20)의 유로(34)로 배출된다.
즉, 상기 물 배출홀(40)의 벤튜리 효과에 의하여 가스확산층(16)에서의 물이 랜드(32)의 물 배출홀(40)쪽으로 집중되는 동시에 유로(34)쪽으로 용이하게 배출된다.
이때, 상기 분리판(20)의 유로(34)로 공급되어 가스확산층(16)으로 공기가 확산되는 바, 상기 물 배출홀(40)을 통해 배출되는 물의 흐름이 확산되는 공기 흐름에 맞부딪치지 않게 되므로, 기존과 같이 상호간의 흐름을 방해하지 않게 된다.
이에, 상기 물 배출홀(40)을 통해 물의 배출흐름 효율이 좋아지는 동시에 공기 흐름도 물의 배출흐름에 의하여 저해되지 않으므로 기체확산층(16)으로 공기가 확산되는 효율도 좋아지게 된다.
첨부한 도 7은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 형성되는 물 배출홀의 형성 각도를 설명하는 개략도이다.
도 7에서 보는 바와 같이, 상기 물 배출홀(40)을 가스확산층(16)과 접하고 있는 랜드(32)에서 유로(34)까지 관통 형성하되, 상기 유로(34)에 공급된 공기 흐름 방향 및 상기 랜드 표면에 대하여 45°로 꺽인 경로로 형성함으로써, 공기 흐름이 물 배출홀(40)쪽으로 역류되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 물 배출수단을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 8은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 물 배출을 위한 다공성 물질이 형성된 것을 보여주는 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 물 배출수단은 상기 기체확산층(16)과 접촉되며 접합되는 랜드(32)와, 각 랜드(32) 사이의 공간으로서 수소 또는 공기의 통로가 되는 유로(34)간에 복수개의 물 배출홀(40)을 형성하는 동시에 이 물 배출홀(40)에 마이크로 단위의 다공이 형성된 별도의 다공물질(42)을 충진시키거나, 또는 물 배출홀(40) 자체를 미세한 다공이 형성된 구조로 형성한 점에 특징이 있다.
따라서, 다공물질(42)을 통해 물의 배출이 완만한 속도로 조절되며 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 물 배출수단을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 9는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 물 배출을 위한 금속판이 장착된 것을 보여주는 단면도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 물 배출수단은 분리판(20)의 랜드(32)와 유로(34)간에 물 배출홀(40)을 형성하지 않고, 기체확산층(16)으로부터의 물을 응축시킬 수 있는 열전도성 금속판(44)을 상기 랜드(32)의 표면에서 그 내부에 압입시킨 점에 특징이 있다.
따라서, 캐소드(12) 측에서 반응에 의하여 다량 생성된 가스확산층(16)내의 물이 상기 랜드(32)의 열전도성 금속판(44)에 닿게 되면, 열전도성 금속판(44)의 온도가 낮은 상태이므로 물의 응축이 이루어지게 된다.
이에, 상기 가스확산층(16)내의 물이 열전도성 금속판(44)쪽으로 응축되며 몰리게 되고, 모아진 물이 랜드(32)로부터 서서히 유로(34)의 벽면을 따라 배출될 수 있으며, 특히 가스확산층(16)내의 물이 랜드(32)의 금속판(44)쪽으로 응축되며 모아진 상태이므로, 상기 분리판(20)의 유로(34)내로 공급된 공기가 물의 흐름 저항을 받지 않고 가스확산층(16)으로 용이하게 확산될 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 물 배출홀을 금속분리판에 형성시키는 방법을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판이 금속분리판인 경우 물 배출홀을 형성하는 방법을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
상기 금속분리판(50)은 연료전지의 기체확산층과 접촉되며 접합되는 랜드(32)와, 각 랜드(32) 사이의 공간으로서 수소 또는 공기의 통로가 되는 유로(34)가 요철 구조로 형성된 것으로서, 상기 랜드(32)의 이면 공간은 냉각수 통로로 이용된다.
통상, 상기 금속분리판(50)은 프레스 등과 같은 수단에 의하여 요철 구조로 제작되는데, 프레스에 의한 프레싱 공정시 상기 랜드(32)에 유로(34)와 연통될 수 있는 다수개의 홈(52)이 형성되도록 한다.
이렇게 가공된 각 홈(52)의 개방부위를 밀봉수단(54)으로 밀봉하면, 그 내부가 상기 랜드(32)와 유로(34)를 연결하는 물 배출홀(40)로 형성되어진다.
이때, 도 10a에 도시된 바와 같이 상기 밀봉수단(54)은 각 홈(52)의 개방부위에 한 번에 부착되는 테이프를 사용할 수 있고, 도 10b에 도시된 바와 같이 각 홈(52)의 개방부위에 압입되는 별도의 실링재를 사용할 수 있으며, 상기 각 홈(52)의 개방부위를 밀봉하여 그 내부가 물 배출홀(40)로 형성될 수 있는 어떠한 밀봉수 단도 채택 가능함은 물론이다.
도 1은 연료전지의 구성을 설명하기 위한 개략도,
도 2는 연료전지의 단위 셀만을 나타낸 단면도로서, 분리판의 랜드 및 유로 구조를 잘 보여주는 단면도,
도 3은 종래의 분리판 유로 구조를 설명하는 평면도,
도 4는 종래의 분리판에서 발생되는 문제점을 설명하는 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 직각경로의 물 배출홀이 형성된 구조 및 그에 따른 물 배출 및 공기 확산 작용을 설명하는 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 사선경로의 물 배출홀이 형성된 것을 설명하는 요부 평면도 및 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 형성되는 물 배출홀의 형성 각도를 설명하는 개략도,
도 8은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 물 배출을 위한 다공성 물질이 형성된 것을 보여주는 단면도,
도 9는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 물 배출을 위한 금속판이 장착된 것을 보여주는 단면도,
도 10a 및 도 10b는은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판이 금속분리판인 경우 물 배출홀을 형성하는 방법을 개략적으로 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 고분자 전해질막 12 : 캐소드
14 : 애노드 16 : 가스확산층
18 : 개스킷 20 : 분리판
30 : 엔드 플레이트 32 : 랜드
34 : 유로 36 : 직선형 유로
38 : 웨이브 형상의 유로 40 : 물 배출홀
42 : 다공물질 44 : 열전도성 금속판
50 : 금속분리판 52 : 홈
54 : 밀봉수단

Claims (7)

  1. 연료전지의 기체확산층과 접촉되며 접합되는 랜드와, 각 랜드 사이의 공간으로서 수소 또는 공기의 통로가 되는 유로를 포함하는 연료전지용 분리판에 있어서,
    상기 랜드와 유로간에 복수개의 물 배출수단을 별도로 형성하여, 상기 기체확산층으로부터 유로를 향해 물 배출이 원할하게 이루어질 수 있도록 하며,
    상기 물 배출수단은 랜드와 유로간에 벤튜리 효과를 갖는 복수개의 물 배출홀을 관통 형성시킨 것이고,
    상기 복수개의 물 배출홀내에는 마이크로 다공이 형성된 다공물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 복수개의 물 배출홀은 직각경로 또는 사선경로로 관통 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 사선경로로 이루어진 복수개의 물 배출홀은 상기 유로에 공급된 공기 흐름 방향 및 상기 랜드 표면에 대하여 45°각도로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 물 배출수단은 물의 응축을 위하여 상기 랜드의 표면에서 그 내부에 압입시킨 열전도성 금속판인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  7. 연료전지의 기체확산층과 접촉되며 접합되는 랜드와, 각 랜드 사이의 공간으로서 수소 또는 공기의 통로가 되는 유로가 요철 구조로 형성된 연료전지용 금속분리판에 있어서,
    상기 금속분리판의 랜드에 상기 유로와 연통되는 다수개의 홈을 가공하고, 가공된 홈의 개방부위를 밀봉수단으로 밀봉하여, 그 내부가 상기 랜드와 유로를 연결하는 물 배출홀로 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
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