KR100862419B1

KR100862419B1 - 연료전지용 분리판

Info

Publication number: KR100862419B1
Application number: KR1020060122270A
Authority: KR
Inventors: 이종현; 고재준; 김영민; 오승찬; 신환수; 손익제; 윤종진
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: US20080131755A1; US7709128B2; KR20080051355A

Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지스택에서 구성부품인 냉각분리판의 구조를 개선하여 낮은 공기공급압력을 가진 연료전지시스템에서도 우수한 성능 및 출력밀도를 나타냄과 동시에 내구성이 향상될 수 있도록 한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 수소유로, 산소유로 및 냉각수 유로에 수소, 산소 및 냉각수를 공급하기 위해 상기 유로 끝단부가 연결통로를 통해 매니폴드와 연결되되, 상기 연결통로가 상기 두개의 평판 모두에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.

분리판, MEA, GDL, 접착재, 가스켓, 연결통로

Description

연료전지용 분리판{Separating plate for fuel cell}

도 1은 일반적인 연료전지를 나타내는 개략도이고,

도 2a 및 도 2b는 종래의 분리판에서 매니폴드와 유로의 연결형태를 나타내는 일부발췌사시도이고,

도 3은 연료전지의 손실형태를 나타내는 그래프이고,

도 4a 및 도 4b는 연료전지 스택의 성능향상을 위한 설계인자를 나타내는 그래프이고,

도 5는 종래의 분리판에서 매니폴드와 유로의 연결통로를 나타내는 단면도이고,

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 매니폴드와 유로를 연결하는 수소연결통로를 나타내는 단면도이고,

도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 냉각분리판의 구조를 나타내는 구성도이고,

도 8은 본 발명에 따른 수소유로, 공기유로, 냉각수유로 형상의 일실시예를 나타내는 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 분리판 11 : 막전극접합체(MEA)

12 : 기체확산층(GDL)

13 : 연결통로(수소(13a),산소(13b),냉각수(13c)연결통로)

14 : 가스유로(수소(14a),산소(14b),냉각수(14c)유로)

15 : 매니폴드(수소(15a),산소(15b),냉각수(15c)매니폴드)

16 : 접착재 17a,17b : 연결홀

18 : 제1번판 19 : 제2번판

20 : 가스켓 그루브 21 : 접착재 그루브

일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.

상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.

이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.

현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지스택은 출력밀도가 높은 고체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이다.

도 1은 연료전지스택의 구성을 나타내는 개략도로서, 연료전지스택은 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 3L MEA(11)(Membrane Electrode Assembly;이하 막전극접합체라고함)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 GDL(12)(Gas Diffusion Layer, 이하, 기체확산층라고 함)과, 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구와, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판(10)으로 구성되어 있다.

이때 상기 분리판(10)은 도 2a에 도시한 바와 같이 분리판(10)의 두께방향에 대해 90도의 각도에서 매니폴드(15)와 유로(14)를 연결하는 통로(103)를 직선형으로 가공한 후 외각기밀을 위해 매니폴드(15) 외곽부분을 별도의 충진재(105)로 다시 매립하는 방법을 사용한다.

또는, 도 2b에 도시한 바와 같이 두장의 분리판(10)을 접착하여 사용함에 있 어서 매니폴드(15)와 유로(14)를 동일면에서 분리판(10)의 두께방향에 대해 90도의 각도에서 직선형으로 가공한 후 가스켓 장착을 위한 덮개(106)를 가공부 위에 접착하는 형태를 사용하고 있다.

그런데 이러한 형태는 하나의 냉각분리판(10)에서 3가지 서로 혼합되지 않아야만 되는 유체(수소, 공기, 냉각수)를 분리판(10) 두께에 대해서 서로 다른 높이에서 3개의 유로층을 형성해야 하므로 분리판(10)의 두께가 두꺼워지는 단점이 있다.

또한, 연결통로를 반드시 직선으로만 가공할 수 있으므로 연료전지스택 및 연료전지시스템을 낮은 압력으로 운전하기 위해 매니폴드(15)의 크기와 유로의 개수를 조절하는데 있어서 공간의 제약을 받게 된다.

한편, 상기 고체 고분자 전해질형 연료전지에서는 수소가 양극(Anode, “연료극”이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, “공기극” 혹은 “산소극”이라고도 함)으로 공급된다.

양극으로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H⁺)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H⁺)만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 음극으로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL(12))과 분리판(10)(Separator)을 통하여 음극으로 전달된다.

상기 음극에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소이온과 분리판(10)을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 음극으로 공급된 공기중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.

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

이러한 고체 고분자 전해질형 연료전지의 전극반응을 나타내면 아래의 반응식과 같다.

[연료극에서의 반응] 2H₂ → 4H⁺ + 4e-

[공기극에서의 반응] O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O

[전체반응] 2H₂ + O₂ → 2H₂O + 전기에너지 + 열에너지

그러나, 종래의 분리판은 두께가 두꺼워서 분리판 내부에서 반응부산물인 열의 전달에 있어서 본 발명에 따른 분리판을 적용한 스택에 비해 분리판 두께방향으로 더 큰 온도구배를 가지게 된다.

따라서, 연료전지반응부의 전체면적에 대한 연료전지반응에 필요한 가습수분과 공기극에서 발생한 반응생성수분의 수분 재분포 효과가 감소되어 출력성능이 상대적으로 낮게 나타나게 된다.

특히 자동차용과 같은 출력의 변화가 심한 사용조건에서는 반응열의 효과적인 전달과 제거가 지연되고, 연료전지반응부에서 국부적으로 수분이 응축(Flooding 현상)되어 반응기체들의 MEA로의 접근을 제한하게 됨으로써, 공기극에서 탄소로 이루어진 촉매지지체에 대해 부식현상을 일으키게 된다.

또한, 공기극에서 발생되어 전달되는 반응열을 효과적으로 제거하지 못해 전해질막의 국부적인 건조현상을 일으켜서 전해질막의 이온전도도가 떨어지게 되어 성능이 저하되거나 출력부하변동에 따라 건조/젖음현상이 반복되어 MEA를 구성하는 전해질막과 전극(촉매와 촉매담지체 등으로 구성)의 계면 분리를 유발하는 등 연료전지 스택의 성능과 내구성에 대해 나쁜 영향을 주게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지용 분리판에서 연료전지반응에 필요한 연료기체와 산화제를 MEA와 GDL로 구성된 연료전지반응부로 도입하기 위한 가스 매니폴드와, 연료전지반응부의 유로를 연결함과 동시에 연료전지반응의 부산물인 열을 제거하고 연료전지반응부 전면적에 걸쳐 연료전지 스택의 성능에 영향을 주는 물의 재분포를 위해 냉각수를 공급하기 위한 매니폴드와, 연료전지반응부 아래에 위치한 냉각수 유로를 연결함에 있어서, 두장의 판을 접착하여 구성되는 연료전지 분리판에서 접착된 냉각분리판의 두께를 최소화하여 공기극에서 발생하는 반응열이 전달되는 거리를 최소화함으로써, 분리판의 온도구배를 최소화하고 연료전지반응부에서 연료전지 반응에 필요한 가습을 위한 수분 및 반응생성물인 수분의 재분포가 원할하게 일어나도록 하여, 이러한 분리판으로 제작된 스택의 출력성능 및 출력밀도를 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 분리판을 제 공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 두장의 평판을 가공한 후 하나로 접착하되, 수소와 공기(산소)의 흐름을 각각 분리시켜 제공하도록 상기 평판의 양면에는 가스유로가 각각 형성되고, 중간에는 냉각수 유로가 형성된 연료전지용 분리판에 있어서,

수소유로, 산소유로 및 냉각수 유로에 수소, 산소 및 냉각수를 공급하기 위해 상기 유로 끝단부가 연결통로를 통해 매니폴드와 연결되되, 상기 연결통로가 상기 두개의 평판 모두에 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 전면부에 수소유로가 형성된 제1번판과, 전면부에 산소유로가 형성된 제2번판과, 상기 제1번판 및 제2번판의 후면부가 접합되어 제1번판과 제2번판 사이에 형성된 냉각수 유로와, 상기 제1번판 및 제2번판의 두께방향으로 관통형성된 매니폴드를 포함하여 구성되되,

상기 수소는 입구 매니폴드에서 제1번판의 후면부의 끝이 수소유로와 연결가능하도록 분리판의 두께방향으로 경사지게 형성된 연결통로와, 상기 제2번판의 후면부에 수소매니폴드와 연결되고 그 끝이 막혀있는 연결통로가 합쳐진 단면적을 갖는 제1수소연결통로를 통해 상기 수소유로로 전달되고, 수소유로를 통과한 잔류수소 및 가습수분은 상기 제1수소연결통로와 같은 구성의 제2수소연결통로를 통해 출구 매니폴드로 배출되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 산소는 입구매니폴드에서 제2번판의 후면부의 끝이 산소유로와 연결가능하도록 분리판의 두께방향으로 경사지게 형성된 연결통로와, 상기 제1번판의 후면부에 산소매니폴드와 연결되고 그 끝이 막혀있는 연결통로가 합쳐진 단면적을 갖는 제1산소연결통로를 통해 상기 산소유로로 전달되고, 상기 산소유로를 통과한 잔류수소 및 가습수분은 상기 제1산소연결통로와 같은 구성의 제2산소연결통로를 통해 출구 매니폴드로 배출되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각수는 제1번판과 제2번판의 후면부 중 어느 하나 또는 둘 다에 형성된 냉각수 매니폴드와 연결통로 및 유로를 통하여 접착재 그루브에 장착된 접착재에 의해 냉각수와 반응기체들이 서로 혼합되지 않도록 기밀성을 유지하면서 흐르는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

고체 고분자 전해질형 연료전지는 그 이론전압이 1.23V이며, 부하의 양과 전기저항손실이 발생하는 형태 및 양에 따라 그 성능과 효율이 좌우된다.

보다 상세하게는, 도 1의 연료전지스택 개략도에서 각 구성부품이 연료전지 스택의 형태로 적층되어 있을 때, 각각의 셀을 구성하는 구성단품에서 발생가능한 전기저항 손실들의 누적량이 최소화 되는 형태로 연료전지스택의 구성단품을 개발하여야 함을 의미한다.

이는 연료전지 스택을 구성하는 각각의 개별단위전지가 반응기체들 및 냉각수의 기밀에 필요한 기밀성능을 유지함과 동시에 전기적으로 잘 접촉하고 있어야 할 뿐만 아니라, 전기화학반응이 일어나는 개별단위전지에서 도 3의 산소환원반응 이나 수소산화반응 및 물질이동저항을 최소화하는 것에 따라 성능과 효율이 향상됨을 의미한다.

이를 다시 연료전지 스택 및 그 구성부품의 설계요소로 구분하여 설명하면 아래와 같다.

자동차용 연료전지 스택은 자동차라는 공간의 제약에 의하여 패키지성을 확보하기 위해 반드시 고출력밀도화를 이루어야 하며, 이를 달성하기 위해서는 도 4에 도시한 바와 같이 촉매활성 증가, 전기전도성 증가, 물질이동 특성향상의 3가지 요건을 만족시킴과 동시에, 차량의 구동에 필요한 80kW이상의 출력을 얻기 위해 고출력화를 위한 구성부품들의 설계 및 개발이 필요하다.

또한, 차량의 구동에 직접적으로 관여하는 모터 및 모터제어기 등으로 구성되는 구동시스템의 사양에 의해 결정되는 연료전지시스템 및 스택의 작동전압과 최대허용전류의 제한으로 인하여 연료전지스택의 적층셀수와 운전시 최대허용전류의 제한이라는 설계적 제약사항이 발생함과 동시에, 운전자 및 승객의 안전을 확보할 수 있는 구성부품들의 절연설계가 반드시 포함되어야만 한다.

이러한 설계인자들에 대한 사항들을 정리하면 다음과 같은 두가지의 형태로 구분할 수 있다.

1) 고출력화

- 적층셀수, 반응면적 증가

- 스택 활성화 기술 / 운전 최적화 기술 개발

: 운전온도 / 상대습도 / 운전압력 등 운전변수 조절

- 내부저항 감소 (스택 체결조건 최적화, MEA(11)/GDL(12) 계면 조정)

- 물질이동 특성 향상 (MEA(11)/GDL(12)/분리판(10) 계면 및 표면특성 조정)

2) 고출력밀도화

- 분리판(10) 개선 : 유로 디자인, 매니폴드(15) 최적화, 박판화 등

- 공용분배, 체결기구 개선 (Dead Space 최소화)

- MEA(11) 전류밀도 향상 (소재 특성 개선)

- 냉각구조 최적화 및 물질이동 특성 향상

아울러, 연료전지시스템의 효율을 고려하면 가장 많은 동력을 소모하는 공기공급기에 사용되는 에너지를 줄이기 위해 연료전지시스템 구성부품들(특히, 연료전지 스택)에서의 차압을 낮추어야만 한다.

그리고, 이와 동시에 다양한 부하조건에서 출력성능이 떨어지지 않도록 물질이동특성을 좌우하게 되는 수분의 관리를 위한 분리판(10)의 소재 및 매니폴드(15)와 유로의 크기와 형상 등을 적절히 조절하여야만 한다.

본 발명은 이러한 냉각 분리판(10)의 매니폴드와 유로의 개수조정에 대한 자유도를 높힘과 동시에 냉각 분리판(10)의 두께를 줄일 수 있는 구조에 대해 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 도시한 바와 같이 자동차의 동력원으로 사용되는 연료전지스택은 단위전지(“분리판(10)/GDL(12)/MEA(11)/GDL(12)/분리판(10)”으로 구성)의 반복 적층에 의하여 구성된다.

이러한 반복 적층 부품중에서 분리판(10)은 두장의 흑연소재(혹은 금속소재)로 구성된 두께가 얇은 평판에 기계가공 혹은 성형가공 등의 방법을 통하여 단면 혹은 양면에 필요에 따라 반응기체들이 지나갈 수 있는 유로와, 냉각수가 지나갈 수 있는 유로를 가공한 후 접착하여 하나의 냉각분리판(10)으로 사용하는 것이 일반적이다.

두장의 평판을 가공한 후 하나로 접착하여 사용하는 연료전지 냉각분리판(10)은 수소와 공기(산소)의 흐름을 각각 분리시켜 제공하도록 접착된 분리판(10)의 양면에 가스유로(14a,14b)가 각각 형성되고, 분리판(10)의 중간에는 연료전지 반응 부산물인 열을 제거하기 위한 냉각수 유로(14c)가 형성된다.

또한, 이러한 각각의 수소, 공기(산소), 냉각수 유로(14a,14b,14c)에 각각 수소, 공기(산소), 냉각수를 공급하기 위하여 유로의 끝단부는 연결통로(13a,13b,13c)를 통하여 매니폴드(15a,15b,15c)와 연결된 형태로 구성되어 있다.

그리고, 수소극 및 공기극과의 접촉부위로는 수소 및 공기(산소)의 누출을 방지함은 물론 서로 혼합되는 것을 방지하기 위해 가스유로(14a,14b,14c) 및 매니폴드(15a,15b)의 외각에 판형 가스켓(혹은 리브 구조를 가진 가스켓) 또는 O-링 형태의 가스켓이 끼워지는 구조이다.

상기 냉각수는 매니폴드(15c)와 연결통로(13c) 및 유로가 반응기체들과 혼합되지 않도록 접착재(16)로 분리되어 기밀을 유지하는 구조로 이루어져 있다.

이와같은 구조에서 연료전지 분리판(10)은 매니폴드(15)와 가스유로사이에 기밀유지를 위한 가스켓이 장착될 수 있는 공간을 형성해야 하므로 분리판(10)의 두께 방향으로 가스켓의 장착공간 하부로 매니폴드(15)와 가스유로를 연결하는 연결홀을 가공해야만 한다.

종래에는 상기 분리판(100)에 연결홀을 가공하기 위해 아래의 도 5a 와 도 5b에 도시한 바와 같이 매니폴드(15)와 가스유로(14a,14b,14c)를 연결하기 위한 연결홀(103)을 동일 평판위에서 단면방향으로 요철구조(이 경우 요철구조의 기능은 밀봉부재(104)로 접착된 가스켓이 장착되는 그루브를 가진 뚜껑을 덮는 형태의 덮개에 대한 하중 지지 기능을 수행)를 갖는 형태로 가공한다.

계속해서 상기 연결홀(103)의 상면에 밀봉부재(104)를 사용하여 뚜껑을 덮는 형태로 1차 가공한 후, 밀봉부재를 이용하여 분리판(100)과 접착된 뚜껑부문에 가스켓이 장착되는 그루브(Groove)를 2차적으로 가공하는 형태를 취하였다.

이러한 경우 매니폴드(15)에서 유입된 반응가스들을 실제 반응이 일어나는 채널부분으로 압력강하를 최소화하면서 도입하기 위해서는 반응가스들이 지나가는 연결통로의 충분한 단면적이 확보되어야 한다.

따라서, 2장의 얇은 판을 가공하여 접착하는 형태의 경우 분리판(100)의 두께가 커지는 문제점이 있어서 차량에서의 탑재성을 고려할 때 전체 연료전지 스택의 부피가 증가되는 문제를 유발시킨다. 이에 종래기술에서는 상기 형태의 분리판(100) 두께를 2.8mm까지 축소하였다.

여기서, 본 발명은 상기 냉각 분리판(10)의 두께를 최소한으로 축소하여 차량에서의 탑재성을 확보하고, 연료전지 스택의 출력밀도를 증가시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이 제1번판(18)의 전면부는 연료기체인 수소가 매니폴드(15a)에서 연료전지반응부의 유로로 전달될 수 있도록 수소 매니폴드(15a), 수소유로(14a) 및 이들을 연결하기 위해 후면부 아래에 가공된 연결통로(13a), 그 끝이 열려있는 연결홀(17a), 공기와 냉각수의 매니폴드(15b,15c) 및 가스켓 장착을 위한 가스켓 그루브(20)로 구성되어 있다.

또한 제1번판(18)의 후면부는 수소 매니폴드(15a) 및 이와 연결되어 그 끝이 열려 있는 연결홀(17a)을 통하여 제1번판(18) 전면부의 수소유로(14a)와 연결되는 연결통로(13a), 공기 매니폴드(15b) 및 이와 연결되어 그 끝이 막혀 있는 연결통로(13b), 냉각수 매니폴드(15c) 및 이와 연결된 냉각수 연결통로(13c)와 유로 및 냉각수 라인을 가스라인과 분리하여 냉각분리판(10) 접착시 기밀기능과 접착기능을 동시에 가지는 접착재그루브(21)로 구성되어 있다.

한편 제2번판(19)의 전면부는 산화제인 공기(산소)가 매니폴드(15b)에서 연료전지반응부의 유로로 전달될 수 있도록 공기(산소) 매니폴드(15b), 공기(산소)유로(14b) 및 이들을 연결하기 위해 후면부의 아래에 가공된 연결통로(13b), 그 끝이 열려있는 연결홀(17b), 수소와 냉각수의 매니폴드(15a,15b) 및 가스켓 장착을 위한 가스켓 그루브(20)로 구성되어 있다.

또한, 제2번판(19)의 후면부는 공기(산소) 매니폴드(15b) 및 이와 연결되어 그 끝이 열려 있는 연결홀(17b)을 통하여 제2번판(19) 전면부의 공기(산소)유로(14b)와 연결할 수 연결통로, 수소 매니폴드(15a) 및 이와 연결되어 그 끝이 막혀 있는 연결통로(13a), 냉각수 매니폴드(15c) 및 이와 연결된 냉각수 연결통 로(13c)와 유로 및 냉각수 라인을 가스라인과 분리하여 냉각분리판(10) 접착시 기밀기능과 접착기능을 동시에 가지는 접착재그루브(21)로 구성되어 있다.

상기 제1번판(19)과 제2번판(19)을 냉각수 유로(14c)를 중심으로 접착하여 하나의 냉각 분리판(10)을 구성하게 된다.

이러한 냉각분리판(10)에서 연료기체인 수소는 입구 매니폴드(15a)에서 제1번판(18)의 후면부의 끝이 연료전지반응부의 수소유로(14a)와 연결가능하도록 분리판(10)의 두께방향으로 경사가공된 연결홀(17a)과 연결되어 있는 연결통로(13a')와 제2번판(19)의 후면부에 수소매니폴드(15a)와 연결되고 그 끝이 막혀있는 연결통로(13a")가 합쳐진 단면적을 가지는 수소연결통로(13a)를 통하여 제1번판(18)의 연결홀(17a)을 통해 제1번판(18)의 전면부에 구성된 연료전지반응부의 수소유로(14a)로 전달되고 수소 유로(14a)를 통과한 잔류수소 및 가습수 등은 동일한 구성을 가진 출구 매니폴드로 연결되어 외부로 배출된다.

한편, 산화제인 공기(산소)는 입구 매니폴드(15b)에서 제2번판(19)의 후면부에 끝이 연료전지반응부의 공기(산소)유로(14b)와 연결가능하도록 분리판(10)의 두께방향으로 경사가공된 연결홀(17b)과 연결되어 있는 연결통로(13b')와 제1번판(18)의 후면부에 공기(산소)매니폴드(15b)와 연결되고 그 끝이 막혀있는 연결통로(13b")가 합쳐진 단면적을 가지는 공기(산소) 연결통로(13b)를 통하여, 제2번판(19)의 연결홀을 통해 제2번판(19)의 전면부에 구성된 연료전지반응부의 공기(산소)유로(14b)로 전달되고, 공기(산소)유로(14b)를 통과한 잔류공기(산소) 및 반응생성수 등은 동일한 구성을 가진 출구 매니폴드와 연결되어 외부로 배출된다.

또한 냉각수의 경우는 제1번판(18)과 제2번판(19)의 후면부 모두 (혹은 하나의 판에만 가공할 수도 있음)에 가공된 냉각수 매니폴드(15c)와 연결통로(13c) 및 유로(14c)를 통하여 접착재 그루브(21)에 장착된 접착재(16)에 의해 냉각수와 반응기체들이 서로 혼합되지 않도록 기밀성을 유지하면서 냉각분리판(10)의 중간을 냉각수가 흐르도록 구성된다.

이러한 냉각분리판(10)의 구조상의 특징은 종래의 분리판(100)의 경우 매니폴드(15)에서 연료전지반응부의 유로로 연결하기 위한 연결통로의 구성이 하나의 판에서만 이루어지는데 비해, 본 발명에 따른 분리판(10)의 경우 두개의 판으로 나누어 구성할 수 있게 되어 동일한 유량을 흘리고 동일한 채널수를 가진 냉각분리판(10)이라고 가정할 때 제1번판(18)과 제2번판(19)의 연결통로의 단면적을 50%까지 축소하여 두께를 얇게 할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다.

이러한 연결통로는 반응기체들이 매니폴드(15)에서 가스 유로쪽으로 전달될 때, 많은 유량이 일시에 지나가도 압력강하가 최소화 될 수 있고, 연료전지반응을 위해 공급된 가습수가 연결통로에서 쉽게 응축되지 않도록 경사진 형태를 가지는 것을 특징으로 하고 있다.

또한 연결통로의 형상을 종래 기술에 비해 좀 더 자유롭게 변경할 수 있는 장점을 가질 수 있으므로, 각각의 매니폴드의 크기와 유로들의 개수를 쉽게 조정할 수 있어서, 연료전지시스템의 운전압력을 낮추어 공기공급기의 소모동력을 최소화하기 위해 필요한 분리판(10) 내부의 공기 매니폴드(15b)의 크기와 유로의 개수 및 단면적을 증대시켜 스택에서 발생되는 차압을 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있 다.

이러한 매니폴드(15)의 형상 변경의 자유도를 이용하여 본 발명에서는 연료전지 스택의 조립자동화시 조립성을 확보하기 위해 필수적으로 요구되는 분리판(10)의 조립시 상대적인 위치 확인을 위한 구조를 반응기체가 분리판(10)의 유로쪽으로 도입되는 분리판(10) 매니폴드부의 형상을 이용하여 인식할 수 있도록 하였다.

이를 좀더 자세히 설명하면, 분리판(10)의 공기와 수소측의 매니폴드(15b,15a) 사이즈를 다르게 하고 180도 회전시에도 대칭되도록 분리판(10)을 구성하여 어떠한 상태로 분리판(10)을 놓더라도 스택에서 요구되는 의도한 상태로 조립이 되도록 하여 조립성을 확보하였으며, 이러한 구성의 예는 도 8에 나타내었다.

또한, 이러한 형태의 구성에서 분리판(10) 반응면적내부의 유로 형태는 다양한 형태들이 구성될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 분리판(10)을 적용한 스택의 경우 종래의 분리판(100)을 적용한 경우에 비해 두께가 얇아져서 공기극의 전극에서 발생되는 반응부산물인 열의 전달에 있어서 분리판(10) 두께방향으로 좀 더 작은 온도구배를 가지게 됨으로써, 연료전지반응부의 전체면적에 대한 연료전지반응에 필요한 가습수분과 공기극에서 발생한 반응생성수분의 수분 재분포의 효과가 개선되어 출력성능이 상대적으로 높게 나타나게 된다.

특히 자동차용과 같은 출력의 변화가 심한 사용조건에서는 반응열의 효과적인 전달과 제거를 촉진함으로써, 연료전지반응부에서 국부적으로 수분이 응 축(Flooding 현상)되어 반응기체들의 MEA(11)로의 접근을 제한하게 되어 공기극의 전극에서의 탄소로 이루어진 촉매지지체에 대해 부식현상을 일으키거나, 공기극의 전극에서 발생되어 전달되는 반응열을 효과적으로 제거하지 못해 전해질막의 국부적인 건조현상을 일으켜서 전해질막의 이온전도도가 떨어지게 됨으로써, 성능이 저하되거나 출력부하변동에 따라 건조/젖음현상이 반복되어 MEA(11)를 구성하는 전해질막과 전극(촉매와 촉매담지체 등으로 구성)의 계면 분리를 유발하는 등 연료전지 스택의 성능과 내구성에 대해 나쁜 영향을 주는 인자들에 대해 개선된 특성을 가질 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

1) 매니폴드에서 연료전지반응부의 유로를 연결하기 위한 연결통로을 두개의 판으로 나누어 구성함으로써, 동일한 유량 및 채널수를 갖는 분리판이라고 가정할 때 제1번판 과 제2번판의 연결통로의 단면적을 50%까지 축소하여 두께를 얇게 할 수 있다.

2) 상기 연결통로는 매니폴드의 중간부분(분리판의 두께방향 기준)에서 제1번판 및 제2번판의 전면부로 경사지게 형성됨으로써, 연료전지반응을 위해 공급된 가습수가 연결통로에서 쉽게 응축되지 않는 효과가 있다.

3) 분리판 내부의 공기 매니폴드의 크기와 유로의 개수 및 단면적을 증대시켜 스택에서 발생되는 차압을 최소화함으로써, 연료전지시스템의 운전압력을 낮추어 공기공급기의 소모동력을 최소화 할 수 있다.

4) 분리판 매니폴드의 형상을 이용하여 분리판 조립시 상대적인 위치를 용이하게 인식할 수 있어, 스택의 조립자동화시 조립성을 확보할 수 있다.

5) 본 발명에 따른 분리판의 경우 두께를 얇게하여 반응부산물인 열의 전달에 있어서, 분리판 두께방향으로 좀 더 작은 온도구배를 가지게 되어 연료전지반응부의 전체면적에 대한 연료전지반응에 필요한 가습수분과 공기극에서 발생한 반응생성수분의 수분 재분포가 개선되어 출력성능을 향상시킬 수 있다.

Claims

두장의 평판을 가공한 후 하나로 접착하되, 수소와 공기(산소)의 흐름을 각각 분리시켜 제공하도록 상기 평판의 양면에는 가스유로가 각각 형성되고, 중간에는 냉각수 유로가 형성된 연료전지용 분리판에 있어서,

수소유로(14a), 산소유로(14b) 및 냉각수 유로(14c)에 수소, 산소 및 냉각수를 공급하기 위해 상기 유로 끝단부가 연결통로(13a,13b,13c)를 통해 매니폴드(15)와 연결되되, 상기 연결통로가 상기 두개의 평판(18,19) 모두에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
청구항 1에 있어서,

전면부에 수소유로(14a)가 형성된 제1번판(18)과, 전면부에 산소유로(14b)가 형성된 제2번판(19)과, 상기 제1번판(18) 및 제2번판(19)의 후면부가 접합되어 제1번판(18)과 제2번판(19) 사이에 형성된 냉각수 유로(14c)와, 상기 제1번판(18) 및 제2번판(19)의 두께방향으로 관통형성된 매니폴드(15)를 포함하여 구성되되,

상기 수소는 입구 매니폴드(15a)에서 제1번판(18)의 후면부의 끝이 수소유로(14a)와 연결가능하도록 분리판(10)의 두께방향으로 경사지게 형성된 연결통로(13a')와, 상기 제2번판(19)의 후면부에 수소매니폴드(15a)와 연결되고 그 끝이 막혀있는 연결통로(13a")가 합쳐진 단면적을 갖는 제1수소연결통로(13a)를 통해 상 기 수소유로(14a)로 전달되고, 수소유로(14a)를 통과한 잔류수소 및 가습수분은 상기 제1수소연결통로(13a)와 같은 구성의 제2수소연결통로를 통해 출구 매니폴드로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 산소는 입구매니폴드(15b)에서 제2번판(19)의 후면부의 끝이 산소유로(14b)와 연결가능하도록 분리판(10)의 두께방향으로 경사지게 형성된 연결통로(13b')와, 상기 제1번판(18)의 후면부에 산소매니폴드(15b)와 연결되고 그 끝이 막혀있는 연결통로(13b")가 합쳐진 단면적을 갖는 제1산소연결통로(13b)를 통해 상기 산소유로(14b)로 전달되고, 상기 산소유로(14b)를 통과한 잔류수소 및 가습수분은 상기 제1산소연결통로(14b)와 같은 구성의 제2산소연결통로를 통해 출구 매니폴드로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 냉각수는 제1번판(18)과 제2번판(19)의 후면부 중 어느 하나 또는 둘 다에 형성된 냉각수 매니폴드(15c)와 연결통로(13c) 및 유로(14c)를 통하여 접착재 그루브(21)에 장착된 접착재에 의해 냉각수와 반응기체들이 서로 혼합되지 않도록 기밀성을 유지하면서 흐르는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.