KR100987096B1 - 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 산과 골로 구성되는 유로를 가지는 연료전지의 분리판으로서, 상기 유로의 산에 도랑 형상의 홈이 하나 이상 형성된 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지를 제공한다. 위와 같이 분리판 유로의 산 부분에 도랑 형상의 홈을 형성하는 것에 의하면 전체적인 연료 및 생성물의 흐름 특성(유동 특성)을 유지하면서도 연료와 전극 간의 접촉면적을 증가시켜 물질전달 증가와 이로 인한 연료 전지 성능 향상을 이룰 수 있다.

연료전지, 분리판, 산, 골, 도랑, 접촉면적, 물질전달

Description

연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지{SEPARATOR FOR FUEL CELL AND FUEL CELL USING THE SAME}

본 발명은 전극 이용효율이 향상된 연료전지용 분리판 및 이를 이용하는 연료전지에 관한 것으로서, 상세하게는 분리판 구조의 개선을 통해 반응물의 공급 및 생성물의 제거를 원활히 함으로써 연료전지 성능을 향상시킨 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로 고분자 전해질 연료전지의 산화극에서는 수소나 메탄올 등 연료의 산화반응이 일어나서 이산화탄소와 전자 그리고 이온이 발생된다.

이 중 생성된 이온은 전해질막을 통해 환원극으로 이동하여 산소와 만나 전기화학반응을 일으켜 물을 생성하고, 발생한 전자는 외부 회로를 통해 이동하여 전기적 일을 하게 된다.

고분자 전해질 막을 사용하는 연료전지는 수소나 메탄올 등의 연료만 공급해 주면 사용시간을 얼마든지 늘릴 수 있다는 장점 때문에 이차전지의 용량 제한이나 충전시간에 따른 불편함 등의 문제점을 해소할 수 있다.

이러한 장점을 바탕으로 수소를 사용하는 연료전지의 경우는 자동차 전원이 나 가정용 발전기 등으로 사용될 수 있다. 또한, 메탄올을 연료로 사용하는 연료전지의 경우는 메탄올의 저장과 수송이 용이하여 휴대폰이나 PDA, 노트북 PC 등의 휴대용 전자기기에 사용되는 배터리 대체용으로 사용될 수 있다.

이러한 고분자 전해질 막을 사용하는 연료전지의 성능향상 및 상업화를 위해서 높은 활성과 선택성을 가지는 촉매의 개발, 연료의 크로스오버 (cross-over)를 효과적으로 억제하면서 높은 전도성을 가지는 고분자 막 개발이 필요하며, 그 외에도 분리판에 관한 개발이 필요하다.

분리판 유로의 작용은 연료를 전극에 원활하고 균일하게 공급하는 것과 물과 이산화탄소 등 생성물의 원활한 제거에 있으며, 반응물의 전달이 유로에서부터 전극까지 원활히 일어나지 않게 되면 농도 분극(concentration overpotential)의 증가로 인해 연료전지의 성능이 저하된다.

본 발명의 목적은 연료전지용 분리판의 유로 구조 개선을 통해 연료와 전극의 접촉면적을 증가시킴으로서 물질전달을 높이고 이로 인해 전체적인 연료전지의 성능을 높일 수 있는 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 구현예에서는 산과 골로 구성되는 유로를 가지는 연료전지의 분리판으로서, 상기 유로의 산에 도랑 형상의 홈이 하나 이상 형성된 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지가 제공된다.

본 발명에서와 같이 분리판 유로의 산 부분에 도랑을 만들어 주는 것에 의한 유로 구조의 개선에 의하여, 전체적인 연료의 흐름 특성(유동 특성)은 유지하면서도 연료와 전극간의 접촉면적을 증가시켜 물질전달 증가와 이로 인한 성능 향상이 가능하다. 위와 같은 도랑 형성은 일반적인 유로 골격을 기본 골격(1차 구조)으로 채용하면서도 그 골격의 유로의 산 부분에 특히 도랑 즉 홈을 형성하는 것(2차 구조)이므로, 미세 가공이나 대량 생산이 가능하면서도, 분리판에서 연료의 분산도 균일하게 이루어질 수 있다.

이하, 본 발명의 구현 예에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전 지에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판(1b)을 일반적인 분리판(1a)과 대비하여 나타내는 개략도이다. 도 1에서는 연료전지용 분리판에서의 연료의 흐름을 나타내는 평면도를 함께 도시하였다.

참고로, 도 1의 분리판은 그라파이트 재질의 곡사형 (serpentine) 분리판을 바탕으로 한 것이지만, 본 발명이 위와 같은 특정 재질 및 유로 형상의 분리판에 제한되는 것은 아니며 다른 형상의 유로나 재질을 가지는 분리판에 본 발명이 적용되는 것이 가능함은 물론이다.

도 1을 참조하면, 일반적인 분리판(1a)의 산과 골로 이루어진 유로 골격(1차 구조)을 바탕으로, 산(rib)의 평평한 면 부분에 도랑(ditch) 형상의 홈을 적어도 하나 이상 형성한다(도 1b). 즉, 상기 분리판은 분리판 유로(1차 구조) 중 산(rib)에 만들어진 도랑 형상의 홈(2차 구조) 구조를 가지는 것이다.

이와 같이 연료전지 분리판에서 산에 도랑을 형성시키면 연료와 전극 간의 접촉면적을 높일 수 있게 되고, 이에 따라 연료와 반응 생성물의 물질 전달 속도를 증가시킬 수 있다.

상기 1차 구조인 분리판 유로는 곡사형(sepentine), 깍지형(interdigitated), 섬 모양(island), 평행형(parallel) 등의 형태를 가진다. 위와 같은 분리판을 제조하기 위하여 기계적 가공(machining), 사출(injection or molding), 스탬핑(stamping), 식각(ething) 등의 방법을 이용할 수 있다.

상기 1차 구조인 분리판 유로에서 산의 폭은 0.3 내지 3.0mm인 것이 바람직 하고, 상기 골의 폭은 0.3 내지 3.0mm인 것이 바람직하며, 상기 골의 깊이는 0.1 내지 2.0mm인 것이 바람직하다.

상기 분리판의 재질은 그라파이트(graphite), 금속(metal), 합성 그라파이트(composite graphite), 세라믹(ceramic) 및 이들 재료에 내부식성 코팅을 형성한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 2차 구조는 다양하게 변형할 수 있다. 즉, 산에 대한 도랑의 형태, 산에 대한 도랑의 위치, 산에 대한 도랑의 깊이, 산에 대한 도랑의 방향 또는 유로 방향에 대한 도랑의 방향을 변경함으로써, 2차 구조를 다양하게 변형할 수 있고 이에 따라 연료와 전극 간의 접촉 면적을 다르게 조절할 수 있다.

예컨대, 상기 개별 도랑 형태는 분리판 유로 중 산의 투사면(분리판을 위에서 바라본 면, 즉 평면)을 기준으로 하여 직사각형, 정사각형, 삼각형, 사다리꼴 또는 반원일 수 있다.

도 2 내지 6은 본 발명의 구현예들에 있어서의 다양한 도랑 형상을 나타내는 개략도이다.

도 2 내지 6을 참조하면, 도 1의 분리판의 경우 도랑을 직각 형태로 형성하였지만, 도랑의 위치를 변형하거나(도 2), 도랑의 깊이를 변형할 수 있고(도 3), 또한 도량의 방향도 다양하게 변형할 수 있다(도 4 내지 6).

위와 같은 2차 구조에 있어서 도랑의 길이는 반대편 유로를 침범하지 않도록 하여야 한다. 즉, 인접한 유로는 서로 관통되지 않아야 한다. 도랑과 도랑 사이의 거리는 제한이 없으며, 도랑의 폭은 골의 폭의 200% 이내로 하여야 하며, 도랑의 깊이는 골의 깊이의 100% 이내로 한다.

위와 같은 2차 구조 형성을 위한 방법으로는 앞서 언급한 기계적 가공(machining), 사출(injection or molding), 스탬핑(stamping), 식각(ething) 등의 방법을 사용할 수 있다. 이중 하나의 예로서 식각 방법으로는 이온 식각, 플라즈마 식각, 화학적 식각 방법 등이 있다. 도 7은 예컨대 본 발명의 제 4 구현예(도 4의 분리판)에 있어서 도랑의 형상을 형성하기 위한 이온 식각 장치의 예를 나타내고 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 비교예와 대비하여 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이며, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것이 아니고 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있다.

<비교예 1: 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판; 도 1a 참조>

일반적으로 사용하는 함침된 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판(산의 폭은 1.0mm이고, 골의 폭은 1.0mm이며, 골의 깊이가 1.0mm인 분리판)을 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 실험을 하였다.

<실시예 1: 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판에 식각을 통해 균일한 도랑을 형성함; 도 1b 참조>

비교예 1에서 사용된 분리판 유로의 산에 식각을 통해 폭 0.1 mm, 길이 0.2 mm (골에서 산 쪽으로 직각방향으로 파고 들어간 길이), 깊이 0.1 mm의 도랑을 1.0 mm 간격으로 형성하였다. 도랑이 형성된 분리판을 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 성능 평가 실험을 하였다.

<실시예 2: 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판에 식각을 통해 균일한 도랑을 형성시키되 도랑의 위치를 변형함; 도 2 참조>

실시예 1과 동일한 조건을 가지는 분리판을 형성하되 도랑의 위치를 지그재그 방법으로 형성시키고 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 성능 평가 실험을 하였다.

<실시예 3: 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판에 식각을 통해 균일한 도랑을 형성시키되 도랑의 깊이를 변형함; 도 3 참조>

실시예 1과 동일한 조건을 가지는 분리판에 도랑의 깊이를 0.5 mm로 형성시키고 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 성능 평가 실험을 하였다.

<실시예 4: 그라파이트 재질을 가지는 곡사형 분리판에 식각을 통해 깊이 방향으로 사선 모양의 균일한 도랑을 형성함; 도 4 참조>

실시예 1과 동일한 조건을 가지는 분리판에 사선 모양의 도랑을 형성시키고 직접메탄올연료전지에 적용하여 단위전지 성능 평가 실험을 하였다.

단위전지의 성능을 비교하기 위한 실험은 다음과 같이 수행하였다.

<실험예: 일정한 전류변화에 따른 전압과 전력의 변화 차이 비교>

실시예들 및 비교예의 분리판 각각의 성능을 비교하기 위하여 각각의 분리판을 이용하여 5개의 셀을 체결하였다. 직접메탄올연료전지의 단위전지의 운전조건을 같게 하여, 산화극에는 1M 메탄올을 5 cc/min으로 공급해 주었고, 환원극에는 가습 된 1250 sccm의 공기를 공급해 주었다. 전류의 변화에 따라 전압과 전력의 차이를 비교 관찰하였다.

도 8은 실시예들 및 비교예의 경우의 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 산에 도랑이 형성되지 않은 비교예 1의 경우보다, 도랑이 형성된 실시예들의 성능이 전체적으로 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 그러므로, 비교예 1의 연료의 접촉면적이 낮은 기존 분리판보다 도랑으로 인해 연료의 접촉면적이 높아진 분리판 구조가 원활한 물질전달로 인해 성능이 높은 것을 확인할 수 있었다.

도 1은 본 발명의 제 1 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판(1b)을 일반적인 분리판(1a)과 대비하여 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판으로서, 도 1b의 분리판에 있어서 도랑의 위치를 바꾼 것을 나타내는 개략도이다.

도 3은 본 발명의 제 3 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판으로서, 도 1b의 분리판에 있어서 도랑의 깊이를 바꾼 것을 나타내는 개략도이다.

도 4는 본 발명의 제 4 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판으로서, 도 1b의 분리판에 있어서 도랑의 방향을 깊이 방향을 직선에서 사선으로 변형한 것을 나타내는 개략도이다.

도 5는 본 발명의 제 5 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판으로서, 도 1b의 분리판에 있어서 도랑의 형태를 유로의 흐름과 같은 사선 방향으로 변형한 것을 나타내는 개략도이다.

도 6은 본 발명의 제 6 구현예에 따른 도랑을 가지는 연료전지용 분리판으로서, 도 1b의 분리판에 있어서 도랑의 형태를 유로의 흐름과 반대 방향으로 변형한 것을 나타내는 개략도이다.

도 7은 본 발명의 구현예들에 있어서 도랑의 형상을 형성하기 위한 식각 장치의 예를 나타내는 개략도이다.

도 8은 본 발명의 실시예들 및 비교예의 경우의 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.

Claims (9)

1. 산 부분 및 골 부분으로 구성되는 유로 골격 구조가 분리판 상에 존재하는 연료전지의 분리판으로서,

   상기 유로의 산 부분의 양쪽 측면에는 도랑 형상의 홈이 복수 개 형성된 것이고, 상기 도랑 형상의 홈은 상기 산 부분을 관통하지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 유로의 산 부분의 양쪽 측면에 형성된 도랑 형상의 홈은 홈의 깊이 방향이 산의 수직 높이 방향에 대하여 사선이 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 도랑 형상의 홈의 폭은 상기 골 부분의 폭의 200% 이하이고, 상기 도랑 형상의 홈의 깊이는 상기 골 부분의 깊이의 100% 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 도랑의 형상, 상기 도랑의 형성 위치, 상기 도랑의 깊이 또는 상기 도랑의 방향을 변경함으로써, 연료와 전극 간의 접촉 면적이 조절된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 분리판의 유로 형태는 곡사형(serpentine), 깍지형(interdigitated), 평행형(parallel) 또는 섬 모양(island) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합 형태인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 도랑의 형상은 산의 평면을 기준으로 하여 직사각형, 정사각형, 삼각형, 사다리꼴 또는 반원 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 분리판은 그라파이트, 합성 그라파이트, 또는 이들에 내부식성 코팅이 수행된 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 전지.
9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.

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