WO2014104732A1 - 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

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fuel
inlet
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양충모
김승구
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a separator for a fuel cell and a fuel cell including the same, and to a separator for a fuel cell and a fuel cell including the same to improve horizontal distribution of a fuel or an oxidant and to secure an effective flow area.
  • a fuel cell is a power generation system that converts chemical energy of a fuel into electrical energy.
  • a hydrogen fuel is supplied to an anode side, an oxidant is injected to a cathode, and chemicals generated during the reaction thereof. The energy is converted into electrical energy.
  • These fuel cells can be classified into low temperature type and high temperature type according to operating temperature and electrolyte type.
  • the low temperature type is representative of PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) mainly used in automobiles
  • high temperature type is MCFC (Molen Carbonate Fuel Cell).
  • SOFC Solid oxide fuel cell
  • SOEC solid oxide electrolysis cell
  • the fuel cell 10 may be continuously generated in the process of continuously injecting fuel (hydrogen) and an oxidant, and in the case of fuel, the commercial value may be increased by increasing the utilization rate in consideration of power generation efficiency and economic efficiency.
  • the conventional separator plates 20 and 30 for the fuel cell 10 include flat plates 22 and 32 provided with flow paths through which fuel or oxidant flows, and the flat plates 22 and 32 have fuel or fuel at one end thereof. Entry manifolds 24 and 34 into which the oxidant is introduced are provided, and exit manifolds 26 and 36 are provided opposite fuel entry manifolds 24 and 34 to discharge fuel or oxidant at the other end.
  • the separator plates 20 and 30 for the fuel cell 10 are alternately stacked and provided in a stack form.
  • the conventional fuel cell 10 is divided in various ways according to the arrangement of the separation plate 20, 30, etc., for example, as shown in Figure 1 is the fuel and oxidant flowing in the same direction is arranged in the same direction
  • a cross-flow method arranged at right angles is typically used.
  • the flow direction and operating conditions (load, utilization rate, etc.) of fuel and oxidant are determined according to the structure or arrangement of the separation plates 20 and 30, and thus, an electrochemical reaction occurs. The part is decided.
  • the electrochemical reactions are generated by one side, and thus the temperature gradient is generated by one side.
  • the thermal stress distribution of the entire stack is asymmetrically formed, and thus the power generation efficiency is lowered due to the uneven flow or the deflected flow of the fuel or the oxidant. As a result, it is a factor that adversely affects the structural stability of the stack during the heat cycle of the stack.
  • the cross shift flow type fuel cell 50 is provided to alternately form a manifold structure of odd-numbered unit battery cells and even-numbered unit battery cells to reduce the overall non-uniformity of the temperature gradient.
  • the separator 60 through which fuel or oxidant is circulated is provided to the inlet manifolds 62 and 72 into which the fuel or the oxidant is introduced, and the rest of the fuel. Or to manifolds 64 and 74 through which oxidant is discharged.
  • separator plates 80 and 90 in which fuel or oxidant is circulated in the even-numbered unit battery cells 55 intersect symmetrically with the separator plates 60 and 70 of the odd-numbered unit battery cells 51.
  • Inlet manifolds 82, 92 and outlet manifolds 84, 94 are provided.
  • the cross-shift flow fuel cell 50 can eliminate the temperature gradient to some extent, but some of the inlet manifolds 82 and 92 and the outlet manifolds 84 and 94 are blocked in the corresponding cells. As a result, the flow distribution in the horizontal direction is deteriorated. As a result, the fuel is not evenly supplied to the entire cell area, thereby degrading the overall performance of the fuel cell 50.
  • the conventional cross shift flow fuel cell 50 has a sealant 63, 73 for sealing between the inlet manifolds 62, 72, 82, 92 and the outlet manifolds 64, 74, 84, 94.
  • , 83, 93 are positioned so that the seals 63, 73, 83, 93 are fuel or oxidant as fuel or oxidant from the inlet manifolds 62, 72, 82, 92 flows into the reaction surface of the cell. This hinders the horizontal flow diffusion of the manifold, resulting in a flow drift between the location of the manifold hole and the blockage.
  • the fuel cell 50 of the cross-shift flow method is modified to separate the separation plate 60 'through which the fuel or oxidant is circulated in the unit cell cell 51 located in an odd number, for example, to make the horizontal flow diffusion more uniform.
  • the inlet manifold 62 was positioned at the center and divided into outlet manifolds 64a and 64b.
  • the inlet manifold 82 is positioned at the center of the separator plate 80 ′ in which the fuel or oxidant is circulated in the even-numbered unit battery cell 55, and the discharge manifolds 84a and 84b are disposed. Split formed. At this time, the inflow manifold 82 and the discharge manifolds 84a and 84b are kept sealed by the sealing materials 63 and 83.
  • the conventional cross shift flow fuel cell 50 may uniformly generate horizontal flow diffusion as the number of inlet and outlet manifolds increases, whereby the seals 63 and 83 are formed.
  • the area occupied also increases, reducing the effective area for the actual flow, thereby lowering the overall reaction efficiency and fuel utilization.
  • the width of the inflow and discharge manifolds is LH and the width of the sealing material is LS, the number of sealing materials having the same width is (n-1) with respect to the number n of the manifolds.
  • Equation 1 The width L of the effective flow area of the fuel cell is expressed by Equation 1 below.
  • the conventional fuel cell is required to develop a structure that improves the horizontal distribution of the fuel or oxidant, and does not reduce the effective flow area (L) of the fuel cell.
  • One embodiment of the present invention is to provide an improved fuel cell separator and a fuel cell including the same to improve the horizontal distribution of the fuel or oxidant and to secure an effective flow area.
  • a fuel cell separator includes a separator plate body; A first inlet manifold provided on one side of the separator plate body; A second inlet manifold provided to a space partitioned from the first inlet manifold on the other side of the separation plate body; A first discharge manifold provided outside of the second inlet manifold on the other side of the separation plate body; And a second discharge manifold provided to a space partitioned from the first discharge manifold on an outer side of the first inlet manifold on one side of the separation plate body.
  • first inlet manifold and the second inlet manifold may be provided as at least one of the separator body.
  • first discharge manifold and the second discharge manifold may be formed to elongate in the width direction of the separator body.
  • a circulation passage may be formed in the separator body between the first inlet manifold and the first discharge manifold.
  • the unit cell unit includes the plurality of fuel cell separator plates described above, and the fuel cell separator plate is vertically Stacked alternately may be provided so that the gas, which is a fuel or an oxidant, is alternately circulated.
  • a circulation passage may be formed in the separator plate body for the fuel cell between the first inlet manifold and the first discharge manifold.
  • circulation passage may be provided such that the gas supplied from the first inlet manifold passes through the second inlet manifold and is discharged to the first discharge manifold.
  • the fuel cell separator may be connected with the second inlet manifold sealed to the first inlet manifold of another separator, and the second outlet manifold may be sealed with the first outlet manifold of the other separator. have.
  • an effective area can be secured by securing a free space for diffusion of fuel or oxidant from the inlet manifold, and horizontally.
  • the fuel cell of the present embodiment can improve the overall reaction efficiency and utilization rate of the fuel as the overall horizontal distribution is improved, the effective area is secured, and the flow tilting is reduced.
  • Figure 3 is an operation example of a cross-flow type fuel cell according to the prior art.
  • Figure 4 is a perspective view of a cross-shift-flow fuel cell according to the prior art.
  • FIG. 5 is a plan view illustrating an odd-numbered separator of a cross-shift-flow type fuel cell according to the related art.
  • FIG. 6 is a plan view illustrating an even-numbered separator of a cross-shift-flow type fuel cell according to the prior art.
  • FIG. 7 is a plan view showing a modified plate of the cross-shift-flow type fuel cell according to the prior art.
  • Figure 8 is a plan view showing a modification of another separator of the cross-shift-flow type fuel cell according to the prior art.
  • FIG. 9 is a view showing an effective flow area of a cross-shift-flow type fuel cell according to the prior art.
  • FIG. 10 is a plan view showing a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view schematically showing a reaction role of a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a plan view showing a separator for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a plan view illustrating a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell 100 of the present embodiment may be provided by stacking at least one unit cell unit.
  • the fuel cell 100 may be provided in a stack structure in which the fuel cell 100 is alternately stacked in a structure such as a separator plate, a cell, a separator plate, a cell, and the like.
  • the unit cell unit includes at least one separator plate 110 and 120, and may produce energy by oxidation and reduction of fuel and oxidant supplied to the separator plate 110 and 120.
  • the separator plates 110 and 120 of each unit cell unit are alternately stacked, and even-numbered separator plates 110 and 120 are connected to each other and odd-numbered separator plates ( 110 and 120 may be provided in a structure that is connected to each other.
  • the fuel cell 100 of the present embodiment may include, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) 100.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the unit cell units utilized in the fuel cell 100 may be stacked and connected to increase a supplied voltage.
  • the fuel cell 100 includes an electrolyte membrane provided to separate the fuel and the oxidant from the separator plate in addition to the separator plates 110 and 120 for separating and supplying the fuel and the oxidant, and anodes provided on both sides of the electrolyte membrane. ananode and cathode electrodes.
  • the fuel cell 100 includes a fuel separation plate 110 through which fuel is supplied, and the fuel separation plate 110 includes an oxidant separation plate through which an oxidant is supplied. 120 may be associated.
  • the fuel separation plate 110 and the oxidant separation plate 120 may be provided to cross vertically, and thus the fuel or oxidant may be provided to cross and circulate in a direction perpendicular to each other.
  • the separation plates 110 and 120 may include a flat plate that is a separation plate body having a circulation passage therein for guiding the movement of fuel or oxidant.
  • first inlet manifolds 112 and 122 may be provided at one side of the main body of the separators 110 and 120 to supply a gas that is a fuel or an oxidant.
  • the second inlet manifolds 116 and 126 provided as a space partitioned from the first inlet manifolds 112 and 122 may be connected to the other side of the main body of the separating plates 110 and 120.
  • the second inflow manifolds 116 and 126 may be provided by being sealed to the other side of the separation plate body using a sealant, and the like, and do not supply gas to the separation plates 110 and 120.
  • the first inlet manifolds 112 and 122 of the separators 110 and 120 may be connected to supply gas.
  • first inlet manifolds 112 and 122 are supplied to the other side of the main body of the separation plate 110 and 120, that is, the region opposite to the cell through the effective reaction region.
  • First discharge manifolds 114 and 124 may be provided that pass through the discharge.
  • the second discharge manifolds 119 and 128 may be spaced apart from the first discharge manifolds 114 and 124 on one side of the main body of the separating plates 110 and 120 to the outside of the first inlet manifolds 112 and 122. ) May be provided.
  • the second discharge manifolds 118 and 128 may be provided on one side of the main body of the separating plates 110 and 120 by being sealed with a sealant or the like on the outside of the first inlet manifolds 112 and 122.
  • the second discharge manifolds 118 and 128 may be associated with the first discharge manifolds 114 and 124 of the other separation plates, so that the gas is not discharged to the separation plates 110 and 120. It is connected to the first discharge manifold (114, 124) of the other separation plate (110, 120) to be connected to discharge the gas.
  • the first inlet manifolds 112 and 122 may be provided on at least one side of the separator body.
  • the first inflow manifolds 112 and 124 may be provided in two, and may be provided spaced apart from each other by a predetermined interval.
  • first discharge manifolds 114 and 124 may be formed to extend in the widthwise direction on the other side of the separation plate body. That is, in the present embodiment, the first discharge manifolds 114 and 124 may be provided in one hole shape and may be provided as long slot holes in the width direction.
  • the first discharge manifolds 114 and 124 can quickly discharge the fuel or oxidant that has undergone the electrochemical reaction inside the cell to the second discharge manifolds 118 and 128, and thus the flow is directed at the outlet side. It is possible to prevent the occurrence of the phenomenon, and to minimize the flow resistance as the bottleneck does not occur.
  • first discharge manifold (114, 124) is provided with a second inlet manifold (116, 126) associated with the first inlet manifold (112, 122) of the other separation plate (110, 120) Can be.
  • the second inlet manifolds 116 and 126 may be provided as passages for supplying fuel or gas that is an oxidant to the first inlet manifolds 112 and 122 of the other separation plates 110 and 120.
  • second discharge manifolds 118 and 128 associated with the first discharge manifolds 114 and 124 of the other separation plates 110 and 120 may be provided behind the first inlet manifolds 112 and 122.
  • second discharge manifolds 118 and 128 associated with the first discharge manifolds 114 and 124 of the other separation plates 110 and 120 may be provided behind the first inlet manifolds 112 and 122.
  • second discharge manifolds 118 and 128 associated with the first discharge manifolds 114 and 124 of the other separation plates 110 and 120 may be provided behind the first inlet manifolds 112 and 122.
  • the second discharge manifolds 118 and 128 and the first inlet manifolds 112 and 122, and the second inlet manifolds 116 and 126 and the first discharge are disposed on both sides of the separator plate main body.
  • the manifolds 114 and 124 may be provided in the form of two rows, respectively.
  • the gas supplied as the fuel or the oxidant supplied from the first inlet manifolds 112 and 122 may fill the space between the second inlet manifolds 116 and 126 while being discharged to the first discharge manifolds 114 and 124. Go through.
  • the fuel may include hydrogen gas.
  • the oxidant may include oxygen gas.
  • oxygen may be used as pure oxygen, and in the present embodiment, it is also possible to use an atmosphere containing oxygen gas, that is, air.
  • the separators 110 and 120 may be stacked with the other separator plates 110 and 120 adjacent thereto and the electrolyte membrane therebetween.
  • the fuel may be circulated to one separator plate 110 and the oxidant may be circulated to the other separator plate 120.
  • the electrolyte membrane blocks the permeation of the fuel and the oxidant and has no electron conductivity, but any one of oxygen ions and hydrogen ions may permeate.
  • the fuel passing through one cell is electrochemically reacted with the oxidant of the other cell, and either hydrogen ions, which are raw materials, or oxygen ions, which are oxidants, pass through the electrolyte membrane, and the water (H20) is reduced by oxidation and reduction. To generate electrons in the process.
  • This reaction process is the same as the following formula (1) or (2).
  • the fuel cell 100 of the present embodiment described above provides a flow horizontal gradient without reducing the effective passage area of fuel or oxidant gas supplied from the first inlet manifolds 112 and 122 of the separators 110 and 120. It can be improved to increase the actual circulation flow rate, thereby increasing fuel utilization and reactivity.
  • FIG. 11 is a diagram schematically illustrating a reaction region of a separator of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • the gas flowing into the two first inlet manifolds 112 and 122 is connected to the first discharge manifolds 114 and 124 in the separator plates 110 and 120 for the fuel cell 100.
  • a reaction zone may be formed.
  • the separators 110 and 120 of the fuel cell 100 are discharged to the first inlet manifolds 112 and 122 and one first discharge manifold 114 and 124 corresponding thereto.
  • a second inlet manifold (110, 120) is connected to the first inlet manifold (112, 122) of the other separation plate (110, 120) and one corresponding first outlet manifold (114, 124) ( 116 and 126 and the second discharge manifolds 118 and 128 are described as being formed, but are not limited by the present embodiment and may be modified in various forms.
  • the separators 110 and 120 of the fuel cell 100 include three first inlet manifolds 112, which are connected to second inlet manifolds 116 and 126 of another separator. Fuel or oxidant introduced into 122 may be discharged to one first discharge manifold 114, 124. In addition, the first discharge manifolds 114 and 124 may be connected to the second discharge manifolds 118 and 128 of different separation plates, respectively.
  • the first inlet manifolds 112 and 122 are sequentially arranged in two rows,
  • the fuel or oxidant may be supplied, and may be provided in a structure in which the fuel or oxidant after the reaction is discharged in the rear heat through the reaction zone.
  • separators 110 and 120 are provided to vertically intersect with the other separator, so that fuel is circulated in one separator plate (eg 110) and an oxidant is placed in the other separator plate (eg 120). May be provided to circulate in the direction orthogonal to the fuel.
  • separators 110 and 120 may be formed with guide protrusions 119 for guiding the circulation of fuel or oxidant.
  • each manifold may be connected through the bottom.
  • the first inlet manifolds 112 and 122 and the first outlet manifolds 114 and 124 and the second inlet manifolds 126 and 128 and the second outlet which are connected to the respective separating plates 110 and 120.
  • the manifolds 118 and 128 may be connected through the bottom of the separation plates 110 and 120, and may be connected to pass through other separation plates.

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 연료 또는 산화제의 수평적 분배를 향상시키며 유효 유동 면적을 확보할 수 있도록 개선된 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것으로, 분리판 본체; 상기 분리판 본체의 일측에 제공되는 제1유입 매니폴드; 상기 분리판 본체의 타측에 상기 제1유입 매니폴드와 구획되는 공간으로 제공되는 제2유입 매니폴드; 상기 분리판 본체의 타측에서 상기 제2유입 매니폴드의 바깥쪽에 제공되는 제1배출 매니폴드; 및 상기 분리판 본체의 일측에서 상기 제1유입 매니폴드의 바깥쪽에 상기 제1배출 매니폴드와 구획되는 공간으로 제공되는 제2배출 매니폴드;를 포함한다.

Description

연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지
본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 연료 또는 산화제의 수평적 분배를 향상시키며 유효 유동 면적을 확보할 수 있도록 한 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전시스템으로, 예컨대 아노드(anode)측에 수소연료가 공급되고, 캐소드(cathode)에는 산화제가 주입되며, 이들의 반응시 발생하는 화학적 에너지를 이용하여 전기적 에너지로 변환한다.
이러한 연료전지는 작동온도, 전해질 종류에 따라 저온형, 고온형으로 구분할 수 있으며, 저온형은 주로 자동차 등에 사용되는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 대표적이며, 고온형은 MCFC(Molen Carbonate Fuel Cell), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 및 SOFC의 역반응을 이용한 SOEC(solid oxide electrolysis cell)이 대표적으로 사용된다.
연료전지(10)는 연료(수소)와 산화제가 지속적으로 주입되는 과정에서 연속적인 발전이 가능하며, 연료의 경우 발전효율, 경제성을 고려하여 이용률을 높여야 상업적 가치를 높일 수 있다.
종래의 연료전지(10)용 분리판(20, 30)은 연료 또는 산화제가 유동하는 유로를 제공된 평판부(22, 32)를 포함하고, 이 평판부(22, 32)에는 일측 단부에 연료 또는 산화제가 유입되는 입측 매니폴드(24, 34)가 제공되고, 입측 매니폴드(24, 34)와 대향되어 타측 단부에 연료 또는 산화제가 배출되는 출측 매니폴드(26, 36)가 제공된다.
이러한, 연료전지(10)용 분리판(20, 30)은 교번적으로 적층되며 스택 형태로 제공된다.
한편, 종래의 연료전지(10)는 분리판(20, 30)의 배치형태 등에 따라 다양한 방식으로 구분되며, 일례로 도 1에 도시된 바와 같이 연료와 산화제가 유입되는 방향이 같은 방향으로 배치되는 코-플로우(co-flow)방식과, 도 2와 같이 연료와 산화제가 유입되는 방향이 반대 방향으로 배치되는 카운트-플로우(count-flow)방식 및 도 3과 같이 연료와 산화제가 유입되는 방향이 직각으로 배치되는 크로스-플로우(cross-flow)방식이 대표적으로 사용된다.
그런데, 종래의 연료전지(10)는 분리판(20, 30)의 구조 또는 배치형태 등에 따라 연료 및 산화제의 유동 방향과 운전 조건(부하, 이용률 등)이 결정되며, 이에 따라 전기화학반응이 일어나는 부분이 정해진다.
더욱이 종래에는 분리판(20, 30)의 구조적인 제약에 따라 전기화학반응이 발생하는 부분이 한쪽으로 쏠려서 발생하며, 이에 따라 온도 구배도 한쪽으로 쏠린 형태로 발생한다.
따라서, 종래의 연료전지(10)는 스택 전체의 열응력 분포가 비대칭적으로 형성되며, 이에 따라 연료 또는 산화제의 불균일한 흐름 또는 편향적인 흐름에 의해 발전효율이 저하되고, 이와 같은 불균형이 지속됨에 따라 결국에는 스택의 열사이클 과정에서 스택의 구조적 안정성에 나쁜 영향을 주는 요인이 되고 있다.
이에 따라, 최근에는 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 코-플로우(co-flow)방식과, 카운트-플로우(count-flow)방식 및 크로스-플로우(cross-flow)방식의 구조적인 제약을 해결하기 위한 방식으로 크로스 쉬프트 플로우(cross-shift flow)방식이 제안되었다.
크로스 쉬프트 플로우 방식의 연료전지(50)는 홀수번째 위치하는 단위전지셀과 짝수번째 위치하는 단위전지셀의 매니폴드 구조를 교번적으로 형성함으로써 전체적인 온도구배의 불균일성을 저감하도록 제공된다.
즉, 홀수번째 위치하는 단위전지셀(51)에서 연료 또는 산화제가 순환되는 분리판(60)은, 일부 영역은 연료 또는 산화제가 유입되는 유입 매니폴드(62, 72)로 제공되고, 나머지는 연료 또는 산화제가 배출되는 배출 매니폴드(64, 74)로 제공된다.
또한, 짝수번째 위치하는 단위전지셀(55)에서 연료 또는 산화제가 순환되는 분리판(80, 90)은, 홀수번째 위치하는 단위전지셀(51)의 분리판(60, 70)과 대칭으로 교차하여 유입 매니폴드(82, 92) 및 배출 매니폴드(84, 94)가 제공된다.
이러한, 크로스 쉬프트 플로우 방식의 연료전지(50)는 온도구배의 불균일은 어느 정도 해소할 수 있으나, 유입 매니폴드(82, 92) 및 배출 매니폴드(84, 94) 중 일부가 해당 셀에서 막혀있는 구조로 수평 방향의 유동 분배가 나빠지게 되며, 이로 인해 연료가 셀 면적 전체에 고르게 공급되지 못하여 연료전지(50)의 전체적인 성능이 저하된다.
이에 따라 유입 매니폴드(82, 92) 및 배출 매니폴드(84, 94)를 여러 개로 분산하여 배치함으로써 유동이 보다 고르게 셀 면적 전체에 퍼지도록 한 기술이 개발되었다.
그러나, 종래의 크로스 쉬프트 플로우 방식의 연료전지(50)는 유입 매니폴드(62, 72, 82, 92)와 배출 매니폴드(64, 74, 84, 94) 사이의 밀봉을 위해 밀봉재(63, 73, 83, 93)가 위치하게 되므로 유입 매니폴드(62, 72, 82, 92)에서 나오는 연료 또는 산화제가 셀의 반응면으로 흘러가는 과정에서 밀봉재(63, 73, 83, 93)가 연료 또는 산화제의 수평 유동 확산을 방해하여 결국 매니폴드 홀이 위치한 부분과 막힌 부분간의 유동 편차가 존재한다.
한편, 크로스 쉬프트 플로우 방식의 연료전지(50)는 수평 유동 확산을 더욱 균일하게 하기 위해, 예컨대 홀수번째 위치하는 단위전지셀(51)에서 연료 또는 산화제가 순환되는 분리판(60')을 변형하여 유입 매니폴드(62)를 중앙부에 위치시키고, 배출 매니폴드(64a, 64b)로 분할 형성하였다.
또한, 예컨대 짝수번째 위치하는 단위전지셀(55)에서 연료 또는 산화제가 순환되는 분리판(80')을 변형하여 유입 매니폴드(82)를 중앙부에 위치시키고, 배출 매니폴드(84a, 84b)로 분할 형성하였다. 이때, 유입 매니폴드(82)와 배출 매니폴드(84a, 84b)는 밀봉재(63, 83)에 의해 밀봉 유지된다.
한편, 도 9를 참고하면, 종래의 크로스 쉬프트 플로우 방식의 연료전지(50)는 유입 및 배출 매니폴드의 수가 증가함에 따라 수평 유동 확산을 균일하게 발생할 수 있으며, 이에 따라 밀봉재(63, 83)가 차지하는 면적도 증가하게 되어 실제 유동이 흐르기 위한 유효면적이 감소하게 되며, 이에 따라 전체적인 반응효율 및 연료 이용률이 낮아진다.
즉, 유입 및 배출 매니폴드의 폭이 LH이고, 밀봉재의 폭은 LS라고 하면, 매니폴드의 개수 n에 대하여 동일 폭의 밀봉재 개수는 (n-1)이 필요하다.
연료전지의 유효 유동 면적의 폭(L)은 수학식 1과 같다.
수학식 1
Figure PCTKR2013012151-appb-M000001
따라서, 종래의 연료전지는 연료 또는 산화제의 수평적 분배를 향상시키며, 연료전지의 유효 유동 면적(L)을 감소시키지 않는 구조의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 연료 또는 산화제의 수평적 분배를 향상시키며 유효 유동 면적을 확보할 수 있도록 개선된 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지용 분리판은 분리판 본체; 상기 분리판 본체의 일측에 제공되는 제1유입 매니폴드; 상기 분리판 본체의 타측에 상기 제1유입 매니폴드와 구획되는 공간으로 제공되는 제2유입 매니폴드; 상기 분리판 본체의 타측에서 상기 제2유입 매니폴드의 바깥쪽에 제공되는 제1배출 매니폴드; 및 상기 분리판 본체의 일측에서 상기 제1유입 매니폴드의 바깥쪽에 상기 제1배출 매니폴드와 구획되는 공간으로 제공되는 제2배출 매니폴드;를 포함한다.
또한, 상기 제1유입 매니폴드와 상기 제2유입 매니폴드는 상기 분리판 본체의 적어도 하나로 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1배출 매니폴드와 상기 제2배출 매니폴드는 상기 분리판 본체의 폭방향으로 긴 형태로 연장 형성될 수 있다.
또한, 상기 분리판 본체에는 내부에 상기 제1유입 매니폴드와 상기 제1배출 매니폴드 사이에 순환유로가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 적어도 하나의 단위 셀유닛이 적층되어 제공되는 연료전지에 있어서, 상기 단위 셀유닛은 전술된 복수의 연료전지용 분리판을 포함하고, 상기 연료전지용 분리판은 수직으로 교차하여 적층되어 연료 또는 산화제인 가스가 교차하여 순환되도록 제공될 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 분리판 본체에는 내부에 상기 제1유입 매니폴드와 상기 제1배출 매니폴드 사이에 순환유로가 형성될 수 있다.
또한, 상기 순환유로는 상기 제1유입 매니폴드로부터 공급된 가스가 상기 제2유입 매니폴드 사이를 통과하여 상기 제1배출 매니폴드로 배출되도록 제공될 수 있다.
상기 연료전지용 분리판은 상기 제2유입 매니폴드가 다른 분리판의 제1유입 매니폴드와 밀봉되어 연계되고, 상기 제2배출 매니폴드는 다른 분리판의 제1배출 매니폴드와 밀봉되어 연계될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유입 매니폴드와 배출 매니폴드가 2열로 배치됨에 따라 유입 매니폴드에서 나온 연료 또는 산화제가 확산될 수 있는 여유 공간이 확보됨에 따라 유효 면적의 확보가 가능하며, 수평 분배가 향상되고, 배출 매니폴드가 하나로 연결됨에 따라 반응에 따른 유량 변화 등으로 인한 배출 매니폴드에서 발생할 수 있는 유동 쏠림 현상을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 본 실시예의 연료전지는 전체적인 수평적 분배 향상, 유효 면적의 확보 및 유동 쏠림 현상의 감소에 따라 전체적인 연료의 반응효율 및 이용률을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 co-flow 방식의 연료전지의 작동예시도.
도 2는 종래 기술에 따른 count-flow 방식의 연료전지의 작동예시도.
도 3은 종래 기술에 따른 cross-flow 방식의 연료전지의 작동예시도.
도 4는 종래 기술에 따른 cross-shift-flow 방식의 연료전지의 사시도.
도 5는 종래 기술에 따른 cross-shift-flow 방식의 연료전지의 홀수번째 분리판을 도시한 평면도.
도 6은 종래 기술에 따른 cross-shift-flow 방식의 연료전지의 짝수번째 분리판을 도시한 평면도.
도 7은 종래 기술에 따른 cross-shift-flow 방식의 연료전지의 분리판을 변형하여 도시한 평면도.
도 8은 종래 기술에 따른 cross-shift-flow 방식의 연료전지의 다른 분리판을 변형하여 도시한 평면도.
도 9는 종래 기술에 따른 cross-shift-flow 방식의 연료전지의 유효 유동 면적을 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 도시한 평면도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 반응역영을 도식적으로 나타낸 도면.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 도시한 평면도.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 도시한 평면도이다.
도 10을 참고하면, 본 실시예의 연료전지(100)는 적어도 하나의 단위 셀유닛이 적층되어 제공될 수 있다. 예컨대, 연료전지(100)는 분리판, 셀, 분리판, 셀 등과 같은 구조로 교번적으로 적층되는 스택구조로 제공될 수 있다.
이러한 단위 셀유닛은 적어도 하나의 분리판(110, 120)을 포함하며, 분리판(110, 120)으로 공급되는 연료와 산화제의 산화, 환원 반응에 의해 에너지를 생산할 수 있다.
본 실시예에서 연료전지(100)는 각 단위 셀유닛의 분리판(110, 120)이 교번적으로 적층되되, 짝수번째 위치한 분리판(110, 120)이 서로 연결되고, 홀수번째 위치한 분리판(110, 120)이 서로 연결되는 구조로 제공될 수 있다.
또한, 본 실시예의 연료전지(100)는, 일례로 고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC) (100)를 포함할 수 있다.
이러한 연료전지(100)에 활용되는 단위 셀유닛은 공급되는 전압을 증가시키기 적층되어 연결될 수 있다.
연료전지(100)는 연료와 산화제를 분리하여 공급 및 배출하기 위한 분리판(110, 120) 외에도 분리판에서 연료와 산화제를 구분하도록 제공되는 전해질막과, 전해질막을 기준으로 양측에 제공되는 아노드(anode) 및 캐소드(cathode) 전극을 포함한다.
보다 상세하게는, 본 실시예에서 연료전지(100)는 연료의 공급이 이루어지는 연료용 분리판(110)을 포함하며, 이 연료용 분리판(110)에는 산화제의 공급이 이루어지는 산화제용 분리판(120)이 연계될 수 있다.
연료용 분리판(110)과 산화제용 분리판(120)은 수직으로 교차하도록 제공되며, 이에 따라 연료 또는 산화제가 서로 직교한 방향으로 교차하며 순환되도록 제공될 수 있다.
한편, 분리판(110, 120)은 연료 또는 산화제의 이동을 안내하기 위해 내부에 순환유로가 구비되는 분리판 본체인 평면판을 포함할 수 있다.
또한, 분리판(110, 120) 본체의 일측에는 연료 또는 산화제인 가스가 공급되는 제1유입 매니폴드(112, 122)가 제공될 수 있다.
또한, 분리판(110, 120) 본체의 타측에는 제1유입 매니폴드(112, 122)와 구획되는 공간으로 제공되는 제2유입 매니폴드(116, 126)가 연계될 수 있다. 제2유입 매니폴드(116, 126)은 분리판 본체의 타측에 밀봉제 등을 이용하여 밀봉되어 제공될 수 있으며, 이에 분리판(110, 120)으로는 가스를 공급하지 않으며, 이와 연결되는 다른 분리판(110, 120)의 제1유입 매니폴드(112, 122)와 연결되어 가스를 공급할 수 있다.
또한, 분리판(110, 120) 본체의 타측, 즉 셀의 유효 반응 영역을 통과한 반대편 영역에는 제1유입 매니폴드(112, 122)로부터 공급된 가스가 제2유입 매니폴드(116, 126) 사이를 통과하여 배출되는 제1배출 매니폴드(114, 124)가 제공될 수 있다.
또한, 분리판(110, 120) 본체의 일측에는 제1유입 매니폴드(112, 122)의 바깥쪽에 제1배출 매니폴드(114, 124)와 구획되는 공간으로 제2배출 매니폴드(119, 128)가 제공될 수 있다.
또한, 분리판(110, 120) 본체의 일측에는 제1유입 매니폴드(112, 122)의 바깥쪽에 제2배출 매니폴드(118, 128)이 밀봉제 등을 이용하여 밀봉되어 제공될 수 있다. 제2배출 매니폴드(118, 128)은 다른 분리판의 제1배출 매니폴드(114, 124)와 연계될 수 있으며, 이에 분리판(110, 120)으로는 가스의 배출이 이루어지지 않으며, 이와 연결되는 다른 분리판(110, 120)의 제1배출 매니폴드(114, 124)와 연결되어 가스를 배출하게 된다.
본 실시예에서 제1유입 매니폴드(112, 122)는 분리판 본체의 일측에 적어도 하나로 제공될 수 있다. 바람직하게는 본 실시예에서 제1유입 매니폴드(112, 124)는 2개로 제공될 수 있으며, 서로 일정간격 이격되어 제공될 수 있다.
또한, 제1배출 매니폴드(114, 124)는 분리판 본체의 타측에 폭방향으로 긴 형태로 연장 형성될 수 있다. 즉, 본 실시예에서 제1배출 매니폴드(114, 124)는 하나의 홀 형태로 제공되며, 폭방향에 대해 긴 슬롯홀로 제공될 수 있다.
따라서, 제1배출 매니폴드(114, 124)는 셀 내부에서 전기화학반응을 한 연료 또는 산화제를 제2배출 매니폴드(118, 128)으로 신속하게 배출할 수 있으며, 이에 따라 출구측에서 유동 쏠림 현상 등의 발생을 방지하며, 병목 현상이 발생되지 않음에 따라 유량 저항을 최소화할 수 있다.
한편, 제1배출 매니폴드(114, 124)의 안쪽에는 다른 분리판(110, 120)의 제1유입 매니폴드(112, 122)와 연계되는 제2유입 매니폴드(116, 126))이 구비될 수 있다. 이러한 제2유입 매니폴드(116, 126)은 다른 분리판(110, 120)의 제1유입 매니폴드(112, 122)로 연료 또는 산화제인 가스를 공급하는 통로로 제공될 수 있다.
또한, 제1유입 매니폴드(112, 122)의 배후에는 다른 분리판(110, 120)의 제1배출 매니폴드(114, 124)와 연계되는 제2배출 매니폴드(118, 128)가 구비될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서 분리판 본체의 양측에는 제2배출 매니폴드(118, 128) 및 제1유입 매니폴드(112, 122), 그리고 제2유입 매니폴드(116, 126)와 제1배출 매니폴드(114, 124)가 각각 2열로 배치되는 형태로 제공될 수 있다.
따라서, 제1유입 매니폴드(112, 122)로부터 공급된 연료 또는 산화제인 가스는 제1배출 매니폴드(114, 124)로 배출되는 과정에서 제2유입 매니폴드(116, 126) 사이의 공간을 통과하며 이동한다.
한편, 본 실시예에서 연료는 수소가스를 포함할 수 있다. 또한, 산화제는 산소가스를 포함할 수 있다.
더불어, 산소가스는 순산소가 사용되는 것도 가능하며 본 실시예에서는 산소가스를 포함하는 있는 대기, 즉 공기를 사용하는 것도 가능하다.
한편, 본 실시예에서 분리판(110, 120)은 인접한 다른 분리판(110, 120)과 전해질막을 사이에 두고 적층될 수 있다.
이때, 한쪽의 분리판(110)으로는 연료가 순환되고, 다른 쪽의 분리판(120)으로는 산화제가 순환될 수 있다. 여기서, 전해질막은 연료와 산화제의 투과를 차단하며, 전자전도성은 없으나 산소이온 또는 수소이온 중 어느 하나는 투과할 수 있다.
따라서, 한쪽의 셀을 통과하는 연료는 다른 쪽 셀의 산화제와 전기화학반응에 의해, 원료인 수소이온 또는 산화제인 산소이온 중 어느 하나가 전해질막을 통과하며 산화, 환원반응에 의해 물(H20)을 생성하며, 이 과정에서 전자를 발생시킨다. 이러한 반응과정은 다음의 화학식 1 또는 화학식 2와 같다.
화학식 1
Figure PCTKR2013012151-appb-C000001
화학식 2
Figure PCTKR2013012151-appb-C000002
전술된 본 실시예의 연료전지(100)는 분리판(110, 120)의 제1유입 매니폴드(112, 122)로부터 공급된 연료 또는 산화제인 가스의 유효 통과 면적을 감소시키지 않으면서도 유동 수평 구배를 개선하여 실질적인 순환유량을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 연료 이용률 및 반응성을 증가시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판의 반응영역을 도식적으로 나타낸 도면이다.
한편, 본 실시예에서 연료전지(100)용 분리판(110, 120)에는 2개의 제1유입 매니폴드(112, 122)로 유입된 가스가 하나의 제1배출 매니폴드(114, 124)로 배출되는 과정에서 반응영역이 형성될 수 있다.
이러한 본 실시예의 연료전지(100)의 분리판(110, 120)에서 제1유입 매니폴드(112, 122) 및 이에 대응하는 하나의 제1배출 매니폴드(114, 124)로 배출되고, 분리판(110, 120)에는 다른 분리판(110, 120)의 제1유입 매니폴드(112, 122) 및 이에 대응하는 하나의 제1배출 매니폴드(114, 124)와 연결되는 제2유입 매니폴드(116, 126)와 제2배출 매니폴드(118, 128)이 형성되는 것으로 설명하고 있으나, 본 실시예에 의해 한정되지 않으며 다양한 형태로 변형될 수 있다.
일례로, 도 12를 참고하면, 연료전지(100)의 분리판(110, 120)에는 다른 분리판의 제2유입 매니폴드(116, 126)와 연결되는 3개의 제1유입 매니폴드(112, 122)로 유입된 연료 또는 산화제가 하나의 제1배출 매니폴드(114, 124)로 배출될 수 있다. 또한, 제1배출 매니폴드(114, 124)가 각각 다른 분리판의 제2배출 매니폴드(118, 128)와 연결될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서 제1유입 매니폴드(112, 122)와 제1배출 매니폴드(114, 124)는 종래에 교번적으로 배열되는 구조와 달리, 순차적으로 2열로 배치되는 구조로 이루어져 전열에서는 연료 또는 산화제가 공급되고, 반응영역을 통과하여 후열에서 반응후의 연료 또는 산화제가 배출되는 구조로 제공될 수 있다.
또한, 분리판(110, 120)은 다른 분리판과 수직으로 교차하도록 제공되며, 이에 따라 한쪽의 분리판(일례로 110)에는 연료가 순환되고, 다른 한쪽의 분리판(일례로 120)에는 산화제가 연료가 직교하는 방향으로 순환하도록 제공될 수 있다.
또한, 분리판(110, 120)에는 연료 또는 산화제의 순환을 안내하기 위한 안내돌기(119)가 형성되는 것도 가능하다.
한편, 본 실시예에서 연료전지(100)에 제공되는 각 매니폴드의 연결위치는 시각적인 이해를 돕기 위해 도시된 것으로, 각 매니폴드의 연결위치는 한정되지 않으며, 다양한 형태로 변형될 수 있다. 일례로 각 매니폴드는 하부를 통해 연결되는 것도 가능하다. 구체적으로는 각 분리판(110, 120)에 연계되는 제1유입 매니폴드(112, 122) 및 제1배출 매니폴드(114, 124)와 제2유입 매니폴드(126, 128) 및 제2배출 매니폴드(118, 128)는 분리판(110, 120)의 하부를 통해 연결될 수 있으며, 이때 다른 분리판들을 통과하도록 연계될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

Claims (8)

  1. 분리판 본체;
    상기 분리판 본체의 일측에 제공되는 제1유입 매니폴드;
    상기 분리판 본체의 타측에 상기 제1유입 매니폴드와 구획되는 공간으로 제공되는 제2유입 매니폴드;
    상기 분리판 본체의 타측에서 상기 제2유입 매니폴드의 바깥쪽에 제공되는 제1배출 매니폴드; 및
    상기 분리판 본체의 일측에서 상기 제1유입 매니폴드의 바깥쪽에 상기 제1배출 매니폴드와 구획되는 공간으로 제공되는 제2배출 매니폴드;
    를 포함하는 연료전지용 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유입 매니폴드와 상기 제2유입 매니폴드는 상기 분리판 본체의 적어도 하나로 제공되는 연료전지용 분리판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1배출 매니폴드와 상기 제2배출 매니폴드는 상기 분리판 본체의 폭방향으로 긴 형태로 연장 형성되는 연료전지용 분리판.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리판 본체에는 내부에 상기 제1유입 매니폴드와 상기 제1배출 매니폴드 사이에 순환유로가 형성되는 연료전지용 분리판.
  5. 적어도 하나의 단위 셀유닛이 적층되어 제공되는 연료전지에 있어서,
    상기 단위 셀유닛은
    청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 복수의 연료전지용 분리판을 포함하고,
    상기 연료전지용 분리판은 수직으로 교차하여 적층되어 연료 또는 산화제인 가스가 교차하여 순환되도록 제공되는 연료전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연료전지용 분리판 본체에는 내부에 상기 제1유입 매니폴드와 상기 제1배출 매니폴드 사이에 순환유로가 형성되는 연료전지.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 순환유로는
    상기 제1유입 매니폴드로부터 공급된 가스가 상기 제2유입 매니폴드 사이를 통과하여 상기 제1배출 매니폴드로 배출되도록 제공되는 연료전지.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 연료전지용 분리판은
    상기 제2유입 매니폴드가 다른 분리판의 제1유입 매니폴드와 밀봉되어 연계되고,
    상기 제2배출 매니폴드는 다른 분리판의 제1배출 매니폴드와 밀봉되어 연계되는 연료전지.
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