KR20120042376A - 연료 전지용 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 분리판은, 막-전극 어셈블리로 연료를 공급하는 채널들이 형성된 제1 채널판과, 상기 막-전극 어셈블리로 산화제를 공급하는 채널들이 형성된 제2 채널판을 포함하며, 상기 제1 및 제2 채널판 사이에 냉각수 유로를 형성하고, 상기 제1 및 제2 채널판 중 적어도 어느 하나에 상기 채널들을 연결하는 적어도 하나의 바이패스 유로를 형성한다.

Description

연료 전지용 분리판 {SEPARATOR FOR FUEL CELL}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉시동성 개선을 위한 연료 전지용 분리판(당 업계에서는 통상적으로 "세퍼레이터" 또는 "바이폴라 플레이트" 라고도 한다)에 관한 것이다.

알려진 바와 같이 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템으로서, 모터 구동을 위한 전동력을 발생시키는 차량에 적용되고 있다.

연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다.

이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.

연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 단위 전지가 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 전지는 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하며, 이 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.

또한 상기 막-전극 어셈블리(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치한다.

따라서, 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소 쪽은 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 산소 쪽은 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물이 생성되는 환원 반응을 한다.

즉, 수소가 애노드(Anode, "산화전극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원전극"이라고도 함)로 공급되는 바, 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체 확산층과 분리판을 통하여 캐소드로 전달된다.

이에, 캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.

이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.

그런데, 주위의 온도가 0℃ 이하로 하강된 겨울철에 저온 방치된 자동차를 시동할 경우, 스택 내부의 외부 온도에 의해 결빙되어 있기 때문에, 역전압에 의한 냉 시동이 불가능해진다.

특히, 상기한 분리판은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 물이 유로에 축적됨으로, 빙점 이하의 외부 기후 조건에서 물이 유로에서 국부적으로 동결되며 그 유로를 따라 유동하는 반응가스의 흐름을 막는 아이스 블로킹(ice blocking)이 발생할 수 있다.

이러한 아이스 블로킹 현상은 분리판의 전 유로에 대한 반응 가스의 흐름을 막아 연료 전지 시스템의 원활한 운전이 이루어지지 않는 등 적용 차량의 냉 시동성을 저하시키는 요인으로서 작용하게 된다.

본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 유로의 구조를 개선하여 빙점 이하의 외부 기후 조건에서 아이스 블로킹에 의한 반응가스의 막힘 현상을 방지함으로써 냉 시동성을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 연료 전지용 분리판을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 분리판은, 막-전극 어셈블리로 연료를 공급하는 채널들이 형성된 제1 채널판과, 상기 막-전극 어셈블리로 산화제를 공급하는 채널들이 형성된 제2 채널판을 포함하며, 상기 제1 및 제2 채널판 사이에 냉각수 유로를 형성하고, 상기 제1 및 제2 채널판 중 적어도 어느 하나에 상기 채널들을 연결하는 적어도 하나의 바이패스 유로를 형성한다.

상기 연료 전지용 분리판에 있어서, 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 대응하는 상기 제1 채널판에 상기 바이패스 유로를 형성할 수 있다.

상기 연료 전지용 분리판에 있어서, 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일면에 대응하는 상기 제2 채널판에 상기 바이패스 유로를 형성할 수 있다.

상기 연료 전지용 분리판에 있어서, 상기 제1 채널판 및 제2 채널판에는 상기 바이패스 유로가 각각 형성되고, 상기 바이패스 유로는 상기 제1 및 제2 채널판에서 서로 겹치지 않는 위치에 형성될 수 있다.

상기 연료 전지용 분리판에 있어서, 상기 바이패스 유로는 상기 채널들의 가로 방향을 기준으로 할 때 사선 방향으로 형성될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 빙점 이하의 외부 기후 조건에서 채널판의 국부적인 아이스 블로킹 현상에 의한 채널들의 반응 가스 막힘 현상을 방지하여 적용 차량의 냉 시동성을 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들이 적용되는 연료 전지를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지용 분리판을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 일 부분을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지용 분리판을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 연료 전지용 분리판을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들이 적용되는 연료 전지를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 분리판(100)은 연료 전지 자동차에 구성되는 것으로 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생 집합체로서의 연료 전지 스택에 적용될 있다.

여기서, 연료는 연료 전지 스택이 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성되는 경우, 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스 연료를 포함할 수 있다.

그리고, 연료는 연료 전지 스택이 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식으로 구성되는 경우, 당 업계에서 "리포머(Reformer)"라고 하는 개질 장치를 통해 상기한 액체 연료 또는 액화 가스 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스를 포함할 수도 있다.

또한, 상기 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 분리판(100)은 단위 셀이라고 하는 연료 전지(1)에 구성되는 것으로서, 상술한 바 있는 연료에 따라 고분자 전해질형 연료 전지로 이루어질 수 있으며, 직접 산화형 연료 전지로서 이루어질 수도 있다.

이 때, 상기 연료 전지(1)는 막-전극 어셈블리(3)와, 막-전극 어셈블리의 양측면에 각각 밀착되게 배치되는 본 실시예에 의한 분리판(100)(당 업계에서는 통상적으로 "세퍼레이터" 또는 "바이폴라 플레이트" 라고도 한다)으로 이루어지는 바, 그 분리판(100)은 막-전극 어셈블리(3)의 일측면으로 연료를 공급하고, 막-전극 어셈블리(3)의 다른 일측면으로 산화제를 공급하기 위한 것이다.

여기서, 막-전극 어셈블리(3)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.

애노드 전극은 분리판(100)을 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 기능을 하게 된다.

그리고, 캐소드 전극은 애노드 전극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 분리판(100)을 통해 제공받은 산화제를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.

한편, 본 실시예에 의한 상기 연료 전지용 분리판(100)은 막-전극 어셈블리(3)의 애노드 전극으로 연료를 공급하는 채널들(11)이 형성된 제1 채널판(10)과, 막-전극 어셈블리(3)의 캐소드 전극으로 산화제를 공급하는 채널들(21)이 형성된 제2 채널판(20)을 포함하여 이루어진다.

이 경우, 상기 채널들(11, 21)은 제1 및 제2 채널판(10, 20)에 길이 방향을 따라 형성되며, 일측 매니폴드에서 공급되는 연료와 산화제를 유동시키며 다른 일측 매니폴드를 통해 배출할 수 있는 다양한 형태의 유로로 이루어진다.

상기한 제1 및 제2 채널판(10, 20)은 일 예로서 금속 소재로 이루어지며 이들 금속판이 용접 접합되는 바, 제1 및 제2 채널판(10, 20) 사이에는 냉각 매체의 일 예로서 냉각수를 유통시킬 수 있는 냉각수 유로(30)를 형성하고 있다.

이와 같은 상기 연료 전지용 분리판(100)은 연료와 산화제(이하에서는 편의 상 " 반응 가스" 라고 한다)의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 물이 제1 및 제2 채널판(10, 20)의 채널들(11, 21)에 축적됨으로 빙점 이하의 외부 기후 조건에 채널들(11, 21)에서 물이 국부적으로 동결되면서 채널들(11, 21)을 따라 유동하는 반응가스의 흐름을 막는 아이스 블로킹(ice blocking)이 발생할 수 있다.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지용 분리판(100)은 빙점 이하의 외부 기후 조건에서 국소부의 아이스 블로킹에 의한 전 채널들(11, 21)의 반응가스의 막힘 현상을 방지하여 적용 차량의 냉 시동성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

도 2는 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지용 분리판을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 일 부분을 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지용 분리판(100)은 제1 채널판(10)의 채널들(11)을 연결하는 적어도 하나의 바이패스 유로(50)를 형성할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 바이패스 유로(50)는 빙점 이하의 외부 기후 조건에서, 제1 채널판(10)의 국소부에 예컨대, 길이 방향으로 한 개의 채널(11)에서 물이 동결되며 반응가스(연료)의 유입을 막는 아이스 블로킹(도 3에 "B"로 표시) 현상이 발생한 경우 그 반응 가스를 바이패스시키기 위한 것이다.

즉, 상기 바이패스 유로(50)는 어느 하나의 채널(11)에서 반응가스의 아이스 블로킹 현상이 국소적으로 발생한 경우, 다른 채널(11)로 유입되는 반응가스를 바이패스시키며 원래의 채널(11)로 유입시키는 기능을 하게 된다.

여기서, 상기 바이패스 유로(50)는 채널들(11)의 길이 방향을 기준으로 할 때, 사선 방향으로 형성되며, 가능한한 반응 가스의 흐름을 방해하지 않으며 소정 간격으로 이격되게 형성될 수 있다.

이렇게 바이패스 유로(50)를 사선 방향으로 형성하는 이유는, 만약 바이패스 유로를 세로 방향으로 수직하게 형성하는 경우에는 반응가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 물이 바이패스 유로를 따라 중력 방향으로 흘러 내리면서 물 고임 현상이 발생하기 때문에 이를 방지하기 위함이다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 분리판(100)에 의하면, 빙점 이하의 외부 기후 조건에서 제1 채널판(10)의 국부적인 아이스 블로킹 현상에 의한 채널들(11)의 반응 가스 막힘 현상을 방지하여 적용 차량의 냉 시동성을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지용 분리판을 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지용 분리판(200)은 제2 채널판(20)의 채널들(21)을 연결하는 적어도 하나의 바이패스 유로(150)를 형성할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 바이패스 유로(150)는 빙점 이하의 외부 기후 조건에서 제2 채널판(20)의 국소부에 아이스 블로킹에 의한 채널들(21)의 반응가스(산화제) 유입을 막는 경우 그 반응 가스를 바이패스시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 연료 전지용 분리판을 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 연료 전지용 분리판(300)은 제1 채널판(10)의 채널들(11) 간에 바이패스 유로(50)를 형성하고, 제2 채널판(20: 이하 도 4 참조)의 채널들(21: 이하 도 4 참조)에 바이패스 유로(150)(도면에 점선으로 표시)를 형성할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 바이패스 유로(50, 150)는 제1 및 제2 채널판(10, 20)에서 서로 겹치지 않는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.

이는 상기 바이패스 유로(50, 150)가 상하에서 서로 겹쳐지는 경우, 냉각수 유로(30: 도 1 참조)의 냉각수 유동 경로를 막을 수 있기 때문이다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10... 제1 채널판 11, 21... 채널들
20... 제2 채널판 30... 냉각수 유로
50, 150... 바이패스 유로

Claims (5)

1. 막-전극 어셈블리로 연료를 공급하는 채널들이 형성된 제1 채널판과, 상기 막-전극 어셈블리로 산화제를 공급하는 채널들이 형성된 제2 채널판을 포함하며,
   상기 제1 및 제2 채널판 사이에 냉각수 유로를 형성하는 연료 전지용 분리판으로서,
   상기 제1 및 제2 채널판 중 적어도 어느 하나에 상기 채널들을 연결하는 적어도 하나의 바이패스 유로를 형성하는 연료 전지용 분리판.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 막-전극 어셈블리의 일면에 대응하는 상기 제1 채널판에 상기 바이패스 유로를 형성하는 연료 전지용 분리판.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 막-전극 어셈블리의 다른 일면에 대응하는 상기 제2 채널판에 상기 바이패스 유로를 형성하는 연료 전지용 분리판.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 막-전극 어셈블리의 일면에 대응하는 상기 제1 채널판에 상기 바이패스 유로를 형성하고,
   상기 막-전극 어셈블리의 다른 일면에 대응하는 상기 제2 채널판에 상기 바이패스 유로를 형성하며,
   상기 바이패스 유로는 상기 제1 및 제2 채널판에서 서로 겹치지 않는 위치에 형성되는 연료 전지용 분리판.
5. 제1 항 내지 제4 항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
   상기 바이패스 유로는,
   상기 채널들의 가로 방향을 기준으로 할 때 사선 방향으로 형성되는 연료 전지용 분리판.

Images