KR101154396B1

KR101154396B1 - Separator of fuel cell stack for vehicle

Info

Publication number: KR101154396B1
Application number: KR1020090116096A
Authority: KR
Inventors: 정병헌
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2012-06-15
Also published as: KR20110059381A

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 연료 전지 스택에 구비되는 세퍼레이터는, 연료 또는 산화제의 반응 소스 및 냉각매체의 흐름을 가능케 하는 채널 영역과, 상기 반응 소스 및 냉각매체의 입출구로서 형성되는 복수의 매니폴드들을 포함하고, 몸체 양면의 외곽 가장자리와 상기 각 매니폴드의 가장자리를 둘러싸는 가스켓이 사출 성형 방식으로서 상기 몸체에 일체로 형성되며, 상기 가스켓의 평면 상에는 상기 몸체의 평면이 노출되도록 다수의 홀들이 형성될 수 있다.The separator provided in the fuel cell stack for automobiles according to the exemplary embodiment of the present invention includes a channel region which enables the flow of the reaction source and the cooling medium of the fuel or the oxidant, and a plurality of the inlet and outlet of the reaction source and the cooling medium. A gasket surrounding the outer edges of both sides of the body and the edges of the manifolds are integrally formed in the body by injection molding, and the plane of the body is exposed on the plane of the gasket. Holes may be formed.

연료전지, 스택, 가스켓, 일체, 사출 Fuel cell, stack, gasket, integral, injection

Description

자동차용 연료 전지 스택에 구비되는 세퍼레이터 {SEPARATOR OF FUEL CELL STACK FOR VEHICLE}Separators in Automotive Fuel Cell Stacks {SEPARATOR OF FUEL CELL STACK FOR VEHICLE}

본 발명의 예시적인 실시예는 자동차에 적용되는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 스택에 구비되는 세퍼레이터에 관한 것이다.An exemplary embodiment of the present invention relates to a fuel cell system applied to an automobile, and more particularly to a separator provided in a fuel cell stack.

알려진 바와 같이 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다. As is known, fuel cell systems are a type of power generation system that converts the chemical energy of a fuel directly into electrical energy.

연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 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. The fuel cell system includes a fuel cell stack that largely generates electrical energy, a fuel supply unit supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, an air supply unit supplying oxygen in the air, which is an oxidant required for an electrochemical reaction, to the fuel cell stack, And a heat and water management device that removes the heat of reaction of the fuel cell stack out of the system and controls the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.In such a configuration, the fuel cell stack of the fuel cell system generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen as a fuel and oxygen in the air, and heat and water are discharged as reaction by-products.

상기한 바와 같은 연료 전지 스택은 다수의 단위 전지들을 연속적으로 적층하여 구성되는 바, 각각의 단위 전지는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터를 구비하여 이루어진다.The fuel cell stack as described above is configured by stacking a plurality of unit cells in succession, each unit cell having a membrane electrode assembly (MEA) and a membrane electrode assembly interposed therebetween. The separator is provided in close contact with each other.

여기서, 단위 전지들의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터 사이에는 이들 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터 사이의 기밀을 유지하기 위한 가스켓을 형성하고 있다. Here, a gasket is formed between the membrane electrode assembly and the separator of the unit cells to maintain airtightness between the membrane electrode assembly and the separator.

그리고, 상기 각각의 세퍼레이터에는 연료 및 공기를 막-전극 어셈블리로 공급하거나 배출하고, 반응 부산물인 수분을 배출함과 아울러 냉각수와 같은 냉각 매체를 유동시키기 위한 복수의 매니폴드들을 형성하고 있다.Each separator is provided with a plurality of manifolds for supplying or discharging fuel and air to the membrane-electrode assembly, discharging water as a reaction by-product, and flowing a cooling medium such as cooling water.

한편, 종래 기술에서는 대한민국 공개특허 제2009-0006973호, 및 일본공개특허 제2002-260692호에서와 같이, 가스켓이 세퍼레이터의 가장자리부를 감싸는 구조를 개시하고 있다.On the other hand, the prior art discloses a structure in which the gasket wraps around the edge of the separator, as in Republic of Korea Patent Publication No. 2009-0006973, and Japanese Patent Laid-Open No. 2002-260692.

전자의 경우, 상기 가스켓은 사출 성형 방식을 통해 세퍼레이터에 일체로서 형성되며 그 세퍼레이터의 가장자리부를 감싸는 형태로 이루어진다.In the former case, the gasket is formed integrally with the separator through an injection molding method and surrounds the edge of the separator.

후자의 경우는 가스켓을 별도로 성형하고 그 가스켓을 세퍼레이터의 가장자리부에 조립하는 구조로서 이루어진다.In the latter case, the gasket is formed separately and the gasket is assembled to the edge of the separator.

이 경우, 상기한 가스켓은 접착제를 통하여 세퍼레이터의 가장자리부에 접착되며, 세퍼레이터는 금속 플레이트로서 이루어진다.In this case, the gasket is adhered to the edge of the separator through an adhesive, and the separator is made of a metal plate.

그런데, 종래 기술에서는 가스켓이 세퍼레이터의 가장자리부 만을 감싸는 구조로서 이루어지므로, 세퍼레이터와 가스켓 사이의 계면에서 상호 간의 접착력이 약해지거나 단위 전지들의 적층 시 단위 전지들 간의 얼라인이 양호하지 않은 경우, 가스켓이 원래의 위치에서 밀려나거나 이탈하는 현상이 발생하게 된다.However, in the prior art, since the gasket is formed as a structure covering only the edge of the separator, when the adhesive force between the separator and the gasket becomes weak or when the alignment between the unit cells is not good when the unit cells are stacked, the gasket is The phenomenon of being pushed out of the original position or leaving it occurs.

따라서, 종래 기술에서는 가스켓의 밀림이나 이탈 현상으로 인해 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 간의 기밀 유지 불량을 야기시키며, 이로 인해 스택의 단품을 교체해야 하는 경우가 발생된다.Therefore, in the prior art, the gasket may be pushed or released, causing airtightness between the separator and the membrane-electrode assembly, which causes a case in which a single unit of the stack needs to be replaced.

또한, 종래 기술에서는 가스켓이 세퍼레이터의 가장자리부 만을 감싸고 있으므로, 외부 응력에 의해 단위 전지들 간의 세퍼레이터들이 서로 접촉하여 단위 전지들 간의 단락이 발생하게 되며, 전체 스택과 인클로져 사이의 절연이 이루어지지 않아 별도의 절연판을 필요로 하고, 절연 불량으로 인해 단위 전지들 또는 스택 전체를 교체해야 한다는 문제점을 내포하고 있다.In addition, in the prior art, since the gasket surrounds only the edge of the separator, the separators between the unit cells come into contact with each other due to external stress, and a short circuit occurs between the unit cells, and insulation between the entire stack and the enclosure is not achieved. Insulation plate is required, and there is a problem that the whole unit cell or the stack must be replaced due to poor insulation.

그리고, 종래 기술에서는 가스켓이 세퍼레이터의 가장자리부 만을 감싸고 있을 뿐, 매니폴드들의 안쪽 가장자리부에 가스켓이 형성되지 않으므로, 그 매니폴드 부분에 잔류하는 연료, 공기 또는 냉각 매체 등이 세퍼레이터의 몸체와 접촉하면서 매니폴드 부분이 높은 전위에 의해 부식되거나 녹과 같은 부식물이 발생하게 된다는 문제점을 내포하고 있다. 이렇게 매니폴드 부분이 부식되면서 생성되는 부식물은 단위 전지의 성능을 저하시키는 요인으로서 작용하게 된다.In the prior art, since the gasket only covers the edge of the separator, and no gasket is formed at the inner edge of the manifolds, fuel, air, or a cooling medium remaining in the manifold portion contacts the body of the separator. The problem is that the manifold portion is corroded by a high potential or a corrosive such as rust is generated. Corrosion generated as the manifold portion is corroded acts as a factor to deteriorate the performance of the unit cell.

또한, 종래 기술에서는 가스켓을 세퍼레이터의 가장자리부에 구성할 경우, 그 세퍼레이터의 몸체에 도포되는 접착제가 가스켓과 세퍼레이터 사이로 용출되면서 연료, 공기 또는 냉각 매체의 유동을 저해하게 된다는 문제점을 내포하고 있다.In addition, the prior art has a problem that when the gasket is configured at the edge of the separator, the adhesive applied to the body of the separator is eluted between the gasket and the separator to inhibit the flow of fuel, air or cooling medium.

아울러, 종래 기술에서는 가스켓을 세퍼레이터에 접착하기 위해 접착제를 사 용하고, 세퍼레이터 간의 절연을 위해 별도의 절연판을 필요로 하므로, 가스켓의 제작이 복잡해지고, 전체 스택의 생산성이 저하되며, 제작 원가가 상승하게 된다는 문제점도 내포하고 있다.In addition, in the prior art, an adhesive is used to adhere the gasket to the separator, and a separate insulating plate is required to insulate the separator, which makes the gasket complicated, reduces the productivity of the entire stack, and increases the manufacturing cost. There is also a problem.

본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 가스켓이 몸체의 가장자리와 매니폴드를 둘러싸며 사출 성형 방식으로서 몸체에 일체로 형성되도록 한 자동차용 연료 전지 스택에 구비되는 세퍼레이터를 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention have been created to improve the above problems, and are provided in a fuel cell stack for automobiles in which a gasket is formed integrally with the body by injection molding surrounding the edge of the body and the manifold. Provide a separator.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 연료 전지 스택에 구비되는 세퍼레이터는, ⅰ)연료 또는 산화제의 반응 소스 및 냉각매체의 흐름을 가능케 하는 채널 영역과, 상기 반응 소스 및 냉각매체의 입출구로서 형성되는 복수의 매니폴드들을 포함하고, ⅱ)몸체의 외곽 가장자리와 상기 각 매니폴드의 가장자리를 둘러싸는 가스켓이 상기 몸체에 일체로서 형성될 수 있다.To this end, the separator provided in the fuel cell stack for automobiles according to the exemplary embodiment of the present invention includes: (i) a channel region enabling the flow of a reaction source and a cooling medium of fuel or an oxidant, and an inlet and an outlet of the reaction source and the cooling medium. A plurality of manifolds formed as: ii) a gasket surrounding the outer edge of the body and the edge of each manifold may be integrally formed in the body.

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상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 가스켓이 세퍼레이터의 몸체에 일체로서 형성되므로, 단위 셀들의 조립 시간을 단축할 수 있고, 단위 셀들 간의 적층 정밀도를 높일 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention as described above, since the gasket is integrally formed in the body of the separator, the assembly time of the unit cells can be shortened, and the stacking accuracy between the unit cells can be increased.

그리고, 본 실시예에서는 가스켓이 세퍼레이터의 가장자리와 매니폴드를 둘러싸며 형성되므로, 단위 셀들의 체결 시, 세퍼레이터로부터 가스켓이 밀려나거나 이탈되는 현상을 방지할 수 있고, 반응 소스 또는 냉각 매체에 의해 매니폴드의 안쪽 가장자리 부분이 부식되는 것을 방지할 수 있다.In addition, since the gasket is formed around the edge of the separator and the manifold in this embodiment, when the unit cells are fastened, it is possible to prevent the gasket from being pushed or released from the separator, and the manifold is formed by the reaction source or the cooling medium. It can prevent the inner edge part of the corrosion.

따라서, 본 실시예에서는 가스켓이 원래의 위치에서 밀려나거나 이탈되는 현상을 방지할 수 있으므로 가스켓을 통한 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 간의 기밀 성능을 더욱 향상시킬 수 있고, 매니폴드의 안쪽 가장자리 부분에 부식이 발생하지 않으므로 녹과 같은 부식물에 의한 연료 전지의 성능 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 탄성을 갖는 가스켓이 박막의 세퍼레이터 매니폴드 부분을 둘러싸며 형성되므로, 꺽임 변형 등을 감소시킬 수 있다.Therefore, in this embodiment, it is possible to prevent the gasket from being pushed out or released from the original position, thereby further improving the airtight performance between the separator and the membrane-electrode assembly through the gasket, and the corrosion of the inner edge of the manifold. Since it does not occur, it is possible to prevent the deterioration of the fuel cell due to the corrosives such as rust.
In addition, in the present embodiment, since the elastic gasket is formed surrounding the separator manifold portion of the thin film, bending deformation and the like can be reduced.

또한, 본 실시예에서는 접착제를 사용하지 않고 가스켓을 세퍼레이터에 일체로서 형성할 수 있으므로, 접착제 성분이 용출될 염려가 없다.In addition, in this embodiment, since the gasket can be formed integrally with the separator without using the adhesive, there is no fear that the adhesive component will elute.

아울러, 본 실시예에서는 가스켓이 세퍼레이터의 가장자리와 각 매니폴드를 둘러싸며 형성되므로, 단위 셀들 간에 세퍼레이터들이 접촉하여 단위 셀 간의 단락이 발생하지 않고, 전체 스택과 인클로져 사이의 절연을 효과적으로 달성할 수 있으며, 세퍼레이터 사이 및 스택과 인클로져 사이의 절연을 위한 별도의 절연판을 필요로 하지 않고, 절연 불량으로 인해 단위 셀들 또는 스택을 교체할 필요가 없다. In addition, in the present embodiment, since the gasket is formed around the edge of the separator and each manifold, the separators are in contact with each other so that the short circuit between the unit cells does not occur, and insulation between the entire stack and the enclosure can be effectively achieved. There is no need for a separate insulation plate for insulation between the separators and between the stack and the enclosure, and there is no need to replace the unit cells or stack due to poor insulation.

그리고, 본 실시예에서는 종래 기술과 달리 접착제와 별도의 절연판을 필요로 하지 않으므로, 가스켓의 제작을 간소화시킬 수 있으며, 가스켓 버(burr) 제거 시간 단축 등 전체 스택의 생산성을 향상시킬 수 있고, 제작 원가를 절감할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 가스켓이 날카로운 세퍼레이터 외곽 가장자리 및 매니폴드 가장자리를 둘러싸며 형성되므로, 스택 체결 및 보수시 발생하는 작업자의 자상 문제를 근원적으로 해결할 수 있다.In addition, unlike the prior art, the present embodiment does not require a separate insulating plate from the adhesive, thereby simplifying the manufacture of the gasket, and improving the productivity of the entire stack such as reducing the time for removing the gasket burr. Cost can be reduced.
In addition, in the present embodiment, since the gasket is formed to surround the edge of the sharp separator and the edge of the manifold, it is possible to fundamentally solve the operator's magnetic problem that occurs during stack fastening and repair.

또한, 본 실시예에서는 가스켓의 평면 상에 다수의 홀들 및 단일의 홀을 형성하고 있으므로, 단위 셀들의 적층 시 그 단위 셀들이 홀에 의해 진공 흡착됨에 따라 단위 셀들 간의 밀착력을 증대시킬 수 있다.In addition, in the present embodiment, since a plurality of holes and a single hole are formed on the plane of the gasket, the adhesion between the unit cells can be increased as the unit cells are vacuum-adsorbed by the holes when the unit cells are stacked.

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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to the illustrated.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity.

그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Whenever a portion such as a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" or "on" another portion, it includes not only the case where it is "directly on" another portion but also the case where there is another portion in between.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택용 세퍼레이터를 도시한 평면 구성도이고, 도 3은 도 2의 A-A 선에 따른 단면 구성도이다.1 is an exploded perspective view schematically showing a fuel cell stack for an automobile according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view showing a separator for a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 2.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 연료 전지 스택(100)은 연료 전지 자동차에 구성되는 것으로, 반응 소스인 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생 집합체(10)로서 이루어진다.Referring to the drawings, the fuel cell stack 100 for an automobile according to an exemplary embodiment of the present invention is configured in a fuel cell vehicle, and generates electric energy by electrochemical reaction of a fuel and an oxidant as a reaction source. It is made as the generation aggregate 10.

여기서, 연료는 연료 전지 스택(100)이 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.Here, when the fuel cell stack 100 is configured as a direct oxidation fuel cell method, the fuel may include an alcoholic liquid fuel such as methanol and ethanol, and may include methane, ethane, propane, butane. Hydrocarbon-based liquefied gas fuel containing a main component may be included.

그리고, 연료는 연료 전지 스택(100)이 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식으로 구성되는 경우, 순수한 수소 가스를 포함할 수 있으며, 당 업계에서 "리포머(Reformer)"라고 하는 개질 장치를 통해 상기한 액체 연료 또는 액화 가스 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스를 포함할 수도 있다.In addition, the fuel may include pure hydrogen gas when the fuel cell stack 100 is constituted by a polymer electrolyte fuel cell, and is referred to as a "reformer" in the art. The apparatus may also include reformed gas of a hydrogen component produced from the liquid fuel or liquefied gas fuel described above.

또한, 상기 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다.In addition, the oxidant may be oxygen gas stored in a separate storage tank, or may be natural air.

상기에서 전기 발생 집합체(10)는 기본적으로 다수 개의 단위 셀들(11)을 연속적으로 배열한 스택 어셈블리로서 구성된다.The electricity generating assembly 10 is basically configured as a stack assembly in which a plurality of unit cells 11 are continuously arranged.

단위 셀들(11)은 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 단위의 연료 전지로서 구비되며, 상술한 바 있는 연료에 따라 고분자 전해질형 연료 전지로 이루어질 수 있으며, 직접 산화형 연료 전지로서 이루어질 수도 있다.The unit cells 11 are provided as a fuel cell of a unit that generates electrical energy through an electrochemical reaction of a fuel and an oxidant. The unit cells 11 may be formed of a polymer electrolyte fuel cell according to the fuel described above, and may be directly oxidized fuel. It may be made as a battery.

상기 각 단위 셀(11)은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(21)와, 막-전극 어셈블리(21)를 사이에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터(31)를 포함한다.Each unit cell 11 includes a membrane electrode assembly (MEA) 21 and a separator 31 disposed in close contact with both sides of the membrane electrode assembly 21. .

여기서, 상기 전기 발생 집합체(10)에는 단위 셀들(11)의 막-전극 어셈블 리(21)와 세퍼레이터(31) 사이에 형성되어 이들 막-전극 어셈블리(21)와 세퍼레이터(31) 사이의 기밀을 유지하기 위한 가스켓(40)을 포함하고 있다.Here, the electricity generation assembly 10 is formed between the membrane-electrode assembly 21 and the separator 31 of the unit cells 11 to provide an airtight between the membrane-electrode assembly 21 and the separator 31. And a gasket 40 for holding.

그리고, 세퍼레이터(31)는 도전성을 지닌 플레이트 형태로서 이루어지며, 막-전극 어셈블리(21)에 밀착되는 일면에 연료 또는 산화제로서의 반응 소스를 유동시키기 위한 제1 채널 영역(CH1)을 형성하고, 다른 일면에 냉각 매체를 유동시키기 위한 제2 채널 영역(CH2) 형성하고 있다.The separator 31 is formed in a conductive plate shape, and forms a first channel region CH1 for flowing a reaction source as a fuel or an oxidant on one surface in close contact with the membrane-electrode assembly 21, and the other. The second channel region CH2 is formed on one surface for flowing the cooling medium.

이에 더하여, 상기 각 세퍼레이터(31)에는 반응 소스 및 냉각매체의 입출구로서 형성되는 복수의 매니폴드들(51, 52, 53)을 구비하고 있다.In addition, each of the separators 31 includes a plurality of manifolds 51, 52, 53 formed as inlets and outlets of the reaction source and the cooling medium.

이들 매니폴드(51, 52, 53)는 연료를 제1 채널 영역(CH1)을 통해서 막-전극 어셈블리(21)로 공급하고 그 막-전극 어셈블리(21)에서 반응하고 남은 연료를 배출하기 위한 제1 매니폴드(51)와, 산화제를 제1 채널 영역(CH1)을 통해서 막-전극 어셈블리(21)로 공급하고 그 막-전극 어셈블리(21)에서 반응하고 남은 산화제 및 막-전극 어셈블리(21)에서 생성된 수분을 배출하기 위한 제2 매니폴드(52)와, 냉각 매체를 제2 채널 영역(CH2)으로 공급하고 그 채널 영역(CH2)을 거친 냉각 매체를 외부로 배출하기 위한 제3 매니폴드(53)로서 구분할 수 있다.These manifolds 51, 52, 53 are provided for supplying fuel to the membrane-electrode assembly 21 through the first channel region CH1 and reacting at the membrane-electrode assembly 21 to discharge the remaining fuel. The manifold 51 and the oxidant are supplied to the membrane-electrode assembly 21 through the first channel region CH1 and reacted in the membrane-electrode assembly 21, and the remaining oxidant and the membrane-electrode assembly 21 are retained. The second manifold 52 for discharging the water generated in the second and the third manifold for supplying the cooling medium to the second channel region (CH2) and for discharging the cooling medium through the channel region (CH2) to the outside It can be classified as (53).

이 경우, 상기 세퍼레이터(31)는 그라파이트 또는 복합 소재로서 이루어지며, 금속 플레이트로 이루어질 수도 있다.In this case, the separator 31 is made of graphite or a composite material, and may be made of a metal plate.

상기 막-전극 어셈블리(21)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.The membrane-electrode assembly 21 has an structure in which an anode electrode is formed on one surface, a cathode electrode is formed on the other surface, and an electrolyte membrane is formed between these two electrodes.

애노드 전극은 세퍼레이터(31)의 제1 채널 영역(CH1)을 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 기능을 하게 된다.The anode electrode oxidizes the fuel supplied through the first channel region CH1 of the separator 31 to separate electrons and hydrogen ions, and the electrolyte membrane serves to move the hydrogen ions to the cathode electrode.

그리고, 캐소드 전극은 애노드 전극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터(31)의 제1 채널 영역(CH1)을 통해 제공받은 산화제를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.The cathode electrode functions to reduce and react the electrons, hydrogen ions received from the anode electrode side, and the oxidant provided through the first channel region CH1 of the separator 31 to generate moisture and heat.

본 실시예에서, 상기 가스켓(40)은 각 세퍼레이터(31)에 있어 몸체의 가장자리와 각 매니폴드(51, 52, 53)를 둘러싸며 그 세퍼레이터(31)의 몸체에 일체로서 형성된다.In this embodiment, the gasket 40 surrounds the edge of the body and each manifold 51, 52, 53 in each separator 31 and is formed integrally with the body of the separator 31.

여기서, 상기 가스켓(40)은 사출 금형을 통한 사출 성형 방식으로서 세퍼레이터(31)의 몸체에 일체로 형성되며, 탄성을 지닌 고무 탄성체(elastomer)로서 이루어진다.Here, the gasket 40 is integrally formed in the body of the separator 31 as an injection molding method through an injection mold, and is formed as an elastic rubber elastomer.

이 경우, 상기 가스켓(40)이 형성되는 세퍼레이터(31)의 몸체 평면에는 그 가스켓(40)을 세퍼레이터(31)의 몸체 평면에 부착시킬 수 있도록 접착제가 도포될 수 있으며, 본 실시예에서는 세퍼레이터(31)의 몸체 평면에 접착제를 도포하지 않는 것이 바람직하다.In this case, an adhesive may be applied to the body plane of the separator 31 on which the gasket 40 is formed so that the gasket 40 may be attached to the body plane of the separator 31, and in this embodiment, the separator ( It is preferable not to apply the adhesive to the body plane of 31).

또한, 본 실시예에서 상기 가스켓(40)에는 그 가스켓(40)의 사출 성형 시, 사출 금형(도면에 도시하지 않음)의 지지툴(도면에 도시하지 않음)을 통해 세퍼레이터(31)를 지지하기 위한 다수의 홀들(41)을 형성하고 있다.In the present embodiment, the gasket 40 supports the separator 31 through a support tool (not shown) of an injection mold (not shown) during injection molding of the gasket 40. It forms a plurality of holes 41 for.

상기 홀들(41)은 가스켓(40)의 평면 상에 세퍼레이터(31)의 평면이 일부 노 출되도록 형성되는 바, 그 가스켓(40)이 둘러싸는 세퍼레이터(31)의 평면 부분에 사각 형상으로서 형성된다.The holes 41 are formed to partially expose the plane of the separator 31 on the plane of the gasket 40, and are formed as a rectangular shape in the plane portion of the separator 31 surrounded by the gasket 40. .

참고로, 상기 지지툴은 가스켓(40)이 형성되는 세퍼레이터(31)의 평면에서 폭 길이의 중앙 부분에 대응하여 위치되며, 그 가스켓(40)의 폭 보다 작고, 세퍼레이터(31)에 손상을 주지 않는 편평한 바닥면을 지닌 형태로서 이루어진다.For reference, the support tool is positioned corresponding to the central portion of the width length in the plane of the separator 31 in which the gasket 40 is formed, is smaller than the width of the gasket 40, and does not damage the separator 31. It is made as a form with a flat bottom surface.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 연료 전지 스택(100)에 의하면, 가스켓(40)이 세퍼레이터(31)의 몸체에 일체로서 형성되므로, 단위 셀들(11)의 조립 시간을 단축할 수 있고, 단위 셀들(11) 간의 적층 정밀도를 높일 수 있다.Therefore, according to the fuel cell stack 100 for automobiles according to the exemplary embodiment of the present invention configured as described above, since the gasket 40 is formed integrally with the body of the separator 31, the unit cells 11 The assembly time can be shortened and the stacking accuracy between the unit cells 11 can be increased.

그리고, 본 실시예에서는 가스켓(40)이 세퍼레이터(31)의 가장자리와 각 매니폴드(51, 52, 53)를 둘러싸며 형성되므로, 단위 셀들(11)의 체결 시, 세퍼레이터(31)로부터 가스켓(40)이 밀려나거나 이탈되는 현상을 방지할 수 있고, 연료, 산화제, 수분 또는 냉각 매체에 의해 매니폴드(51, 52, 53)의 안쪽 가장자리 부분이 부식되는 것을 방지할 수 있다.In addition, since the gasket 40 is formed around the edge of the separator 31 and the manifolds 51, 52, and 53 in the present embodiment, when the unit cells 11 are fastened, the gasket 40 is separated from the separator 31. 40 can be prevented from being pushed out or pulled out, and corrosion of the inner edge portions of the manifolds 51, 52, 53 by fuel, oxidant, moisture or cooling medium can be prevented.

이로써, 본 실시예에서는 가스켓(40)이 원래의 위치에서 밀려나거나 이탈되는 현상을 방지할 수 있으므로 가스켓(40)을 통한 세퍼레이터(31)와 막-전극 어셈블리(21) 간의 기밀 성능을 더욱 향상시킬 수 있고, 매니폴드(51, 52, 53)의 안쪽 가장자리 부분에 부식이 발생하지 않으므로 녹과 같은 부식물에 의한 연료 전지의 성능 저하를 방지할 수 있다.As a result, in the present embodiment, the gasket 40 may be prevented from being pushed away from the original position, or the separation thereof may further improve the airtight performance between the separator 31 and the membrane-electrode assembly 21 through the gasket 40. Since corrosion does not occur in the inner edge portions of the manifolds 51, 52, and 53, it is possible to prevent performance degradation of the fuel cell due to corrosives such as rust.

또한, 본 실시예에서는 접착제를 사용하지 않고 가스켓(40)을 세퍼레이 터(31)에 일체로서 형성할 수 있으므로, 접착제 성분이 용출될 염려가 없다.In addition, in this embodiment, since the gasket 40 can be formed integrally with the separator 31 without using an adhesive agent, there is no fear that an adhesive component will elute.

아울러, 본 실시예에서는 가스켓(40)이 세퍼레이터(31)의 가장자리와 각 매니폴드(51, 52, 53)를 둘러싸며 형성되므로, 단위 셀들(11) 간에 세퍼레이터(31)들이 접촉하여 단위 셀(11) 간의 단락이 발생하지 않고, 전체 스택(100)과 인클로져 사이의 절연을 효과적으로 달성할 수 있으며, 세퍼레이터(31) 사이 및 스택(100)과 인클로져 사이의 절연을 위한 별도의 절연판을 필요로 하지 않고, 상기와 같은 절연 불량으로 인해 단위 셀들(11) 또는 스택(100)을 교체할 필요가 없다. In addition, since the gasket 40 is formed around the edge of the separator 31 and the manifolds 51, 52, and 53 in the present embodiment, the separators 31 are in contact with the unit cells 11 so that the unit cells ( 11) No short-circuit between and effectively achieve insulation between the entire stack 100 and the enclosure, and does not require a separate insulation plate for insulation between the separator 31 and between the stack 100 and the enclosure. In addition, it is not necessary to replace the unit cells 11 or the stack 100 due to the insulation failure as described above.

그리고, 본 실시예에서는 종래 기술과 달리 접착제와 별도의 절연판을 필요로 하지 않으므로, 가스켓(40)의 제작을 간소화시킬 수 있으며, 전체 스택(100)의 생산성을 향상시킬 수 있고, 제작 원가를 절감할 수 있다.In addition, in the present embodiment, unlike the prior art, an adhesive and a separate insulating plate are not required, so that the manufacturing of the gasket 40 may be simplified, the productivity of the entire stack 100 may be improved, and the manufacturing cost may be reduced. can do.

또한, 본 실시예에서는 가스켓의 평면 상에 다수의 홀들을 형성하고 있으므로, 단위 셀들의 적층 시 그 단위 셀들이 홀들에 의해 진공 흡착됨에 따라 단위 셀들 간의 밀착력을 증대시킬 수 있다.In addition, in the present embodiment, since a plurality of holes are formed on the plane of the gasket, the adhesion between the unit cells may be increased as the unit cells are vacuum-adsorbed by the holes when the unit cells are stacked.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택용 세퍼레이터의 변형예를 개략적으로 도시한 평면 구성도이다.4 to 6 are schematic plan views showing a modification of a separator for a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 실시예에서는 도 4에서와 같이, 제1 변형예로서 가스켓(40)의 평면에 형성되는 홀들(42)이 원형으로 이루어는 세퍼레이터(31)를 구성할 수 있다.In the present embodiment, as shown in FIG. 4, as a first modification, the separator 31 may be formed in a circular shape with holes 42 formed in the plane of the gasket 40.

그리고, 본 실시예에서는 도 5에서와 같이, 제2 변형예로서 가스켓(40)의 평면에 형성되는 홀들(43)이 타원형으로 이루어지는 세퍼레이터(31)를 구성할 수도 있다.In the present embodiment, as shown in FIG. 5, as a second modification, the separator 31 may be configured in which the holes 43 formed in the plane of the gasket 40 have an elliptical shape.

또한, 본 실시예에서는 제3 변형예로서, 가스켓(40)의 평면에 그 평면을 따라서 상호 연결된 단일의 홀(44)이 형성되는 세퍼레이터(31)를 구성할 수도 있다.In addition, in the present embodiment, as a third modification, the separator 31 may be formed in the plane of the gasket 40 with a single hole 44 interconnected along the plane.

상기에서와 같은 본 변형예들에 따른 세퍼레이터(31)의 나머지 구성 및 작용은 전술한 바와 같으므로, 이하에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since the rest of the configuration and operation of the separator 31 according to the present modifications as described above are as described above, a more detailed description thereof will be omitted below.

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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.Since these drawings are for reference in describing exemplary embodiments of the present invention, the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.1 is an exploded perspective view schematically showing a fuel cell stack for an automobile according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택용 세퍼레이터를 도시한 평면 구성도이다.2 is a plan view illustrating a separator for a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 도 2의 A-A 선에 따른 단면 구성도이다.3 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.

Claims

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자동차용 연료 전지 스택에 구비되는 세퍼레이터에 있어서,In the separator provided in the fuel cell stack for automobiles,

연료 또는 산화제의 반응 소스 및 냉각매체의 흐름을 가능케 하는 채널 영역과, 상기 반응 소스 및 냉각매체의 입출구로서 형성되는 복수의 매니폴드들을 포함하고,A channel region for allowing flow of a reaction source and a cooling medium of a fuel or an oxidant, and a plurality of manifolds formed as inlets and outlets of the reaction source and the cooling medium,

세퍼레이터 몸체 양면의 외곽 가장자리와 상기 각 매니폴드의 가장자리를 둘러싸는 가스켓이 사출 성형 방식으로서 상기 몸체에 일체로 형성되며,The outer edges of both sides of the separator body and the gaskets surrounding the edges of the manifolds are integrally formed in the body by injection molding.

상기 가스켓의 평면 상에는 상기 몸체의 평면이 노출되도록 다수의 홀들이 형성되는 자동차용 연료 전지 스택에 구비되는 세퍼레이터.The separator is provided in the fuel cell stack for automobiles are formed in the plane of the gasket so that a plurality of holes are formed to expose the plane of the body.