KR101459961B1 - 개방형 공기 유로를 구비하는 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 구비하는 공냉식 연료전지 스택 - Google Patents

개방형 공기 유로를 구비하는 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 구비하는 공냉식 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

단변 방향으로 개구된 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴을 설계하여, 별도의 냉각판을 장착하는 것 없이도 냉각 성능 및 스택 성능을 향상시킬 수 있는 개구된 공기 유로를 구비하는 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 구비하는 공냉식 연료전지 스택에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판은 하면으로부터 상면 방향으로 매트릭스 배열을 이루도록 이격하여 돌출 형성되어 부분 절개되며, 단변 방향으로 개구된 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴을 갖는 채널부와, 상기 채널부의 양측 가장자리에 각각 배치된 반응가스 유입구 및 반응가스 배출구를 구비하는 매니폴드부를 갖는 금속 분리판 본체; 및 상기 금속 분리판 본체 상면의 상기 매니폴드부의 가장자리를 따라 형성된 제1 가스켓과, 상기 채널부의 가장자리에 배치되어 상기 돌출 패턴과 교번적으로 배열되는 아일랜드 구조로 형성된 제2 가스켓을 갖는 가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

개방형 공기 유로를 구비하는 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 구비하는 공냉식 연료전지 스택{METAL SEPARATOR FOR AIR COOLING TYPE FUEL CELL STACK HAVING OPEN TYPE AIR CHANNEL AND AIR COOLING TYPE FUEL CELL STACK HAVING THE SAME}
본 발명은 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 구비하는 공냉식 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단변 방향으로 개구된 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴을 설계하여, 별도의 냉각판을 장착하는 것 없이도 냉각 성능 및 스택 성능을 향상시킬 수 있는 개방형 공기 유로를 구비하는 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 구비하는 공냉식 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 수소 가스와 산소 가스를 이용하여 전기 화학적으로 전기를 생산하는 장치로서, 외부에서 연속적으로 공급되는 수소 및 공기를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지와 열에너지로 변환시키는 장치이다.
이러한 연료전지는 산화전극에서의 산화반응 및 환원전극에서의 환원반응을 이용하여 전력을 생성하게 된다. 이때, 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위해 백금 또는 백금-루테늄 금속 등을 포함하는 촉매층과 고분자 전해질막으로 구성된 막-전극 접합체(membrane electrode assembly : MEA)가 사용되며 막-전극 접합체 양단으로 전도성 물질의 분리판이 체결되어 셀(CELL) 구조를 이룬다.
연료전지의 단위 셀(Unit Cell)은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개 내지 수백개의 단위 셀을 적층하여 사용한다. 단위 셀의 적층 시, 각각의 단위 셀 간에 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 금속 분리판이다.
일반적인 연료전지용 금속 분리판은 직사각형 형태의 금속판의 중심부에 반응가스 채널 및 냉각수 채널이 형성되고, 그 주변을 둘러싸는 가스켓이 형성된다. 반응가스 채널과 냉각수 채널을 포함하여 통상 채널부라 한다. 통상 반응가스 채널은 금속판의 전면에서 배면으로 스탬핑 공정에 의해 돌출되어 형성되고, 냉각수 채널은 금속판의 배면에 돌출된 반응가스 채널 사이의 영역을 활용하여 형성된다. 이렇게 형성된 채널부의 구조는 반응가스가 금속판의 전면 상에서 유동하고, 냉각수는 금속판의 배면 상에서 유동하도록 한다. 이러한 점에서 금속판의 전면을 반응가스 유동면으로, 금속판의 배면을 냉각수 유동면이라 지칭하기도 한다.
이러한 구조를 갖는 금속 분리판은 수냉식(water-cooled) 금속 분리판 구조로서, 채널부 일측의 냉각수 유입 매니폴드로 유입되는 냉각수가 냉각수 채널을 통과하면서 연료전지 동작시 활성화 손실(activation loss), 양극에서의 환원 반응 및 주울 가열(Joule heating) 등의 원인으로 인하여 발생하는 열을 냉각시킨다. 상기의 냉각과정을 거친 냉각수는, 이후 채널부 타측의 냉각수 배출 매니폴드를 통하여 분리판 외부로 빠져나간다.
이러한, 수냉식 금속 분리판의 경우, 연료전지 동작시 발생하는 열을 냉각시키기 위하여, 냉각수를 금속 분리판에 지속적으로 공급해주어야 한다. 이 경우 냉각수 공급을 위한 펌프, 이온제거기, 열교환기 등의 장치가 필요하게 되며, 이로 인하여 연료전지 시스템 제조 비용의 상승을 초래하는 원인이 되며, 공냉식 금속 분리판은 이에 비해 시스템 제조 비용의 절감 효과가 있다.
종래의 공냉식 금속 분리판의 경우, 공기 공급을 위한 캐소드 분리판 1 장과, 원활한 공기 공급을 위한 수직 방향의 공간 확보 및 냉각 핀의 역할을 수행하는 냉각판 1 장, 총 2장으로 캐소드 층을 제작하고 있었으나, 이 경우 냉각판이 추가로 필요하기 때문에 연료전지 스택의 전체 부피 및 제조 비용을 증가시키는 문제가 있었다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0042633호(2003.06.02. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 공기냉각 구조를 갖는 냉각판이 단위전지 사이에 적층된 연료전지 스택에 대하여 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 별도의 냉각판을 장착하는 것 없이도 냉각 성능 및 스택 성능을 향상시킬 수 있는 개구된 공기 유로를 구비하는 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 구비하는 공냉식 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판은 하면으로부터 상면 방향으로 매트릭스 배열을 이루도록 이격하여 돌출 형성되어 부분 절개되며, 단변 방향으로 개구된 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴을 갖는 채널부와, 상기 채널부의 양측 가장자리에 각각 배치된 반응가스 유입구 및 반응가스 배출구를 구비하는 매니폴드부를 갖는 금속 분리판 본체; 및 상기 금속 분리판 본체 상면의 상기 매니폴드부의 가장자리를 따라 형성된 제1 가스켓과, 상기 채널부의 가장자리에 배치되어 상기 돌출 패턴과 교번적으로 배열되는 아일랜드 구조로 형성된 제2 가스켓을 갖는 가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택은 적어도 2장 이상의 금속 분리판; 및 상기 금속 분리판의 사이에 각각 개재된 막-전극 접합체;를 포함하며, 상기 2장의 금속 분리판은 캐소드용 금속 분리판과 애노드용 금속 분리판을 갖되, 상기 캐소드용 금속 분리판은 하면으로부터 상면 방향으로 매트릭스 배열을 이루도록 이격하여 돌출 형성되어 부분 절개되며, 단변 방향으로 개구된 3 ~ 5mm의 폭을 갖도록 드로우비드(drawbead) 형태로 브리지 성형된 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴을 갖고, 상기 애노드용 금속 분리판은 상면으로부터 하면 방향으로 돌출되어, 상기 돌출 패턴의 공기 유로와 교차하는 장변 방향을 따라 형성된 반응가스 유로를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판은 단변 방향으로 개구된 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴을 설계함과 더불어, 돌출 패턴 및 채널 영역에 배치되는 가스켓을 상호 교번적으로 엇갈리는 지그재그 형태로 배열함으로써 가스켓에 의한 공기 유입이 방해되는 것을 최소화하여 냉각 성능을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 공냉식 연료전지 스택은 캐소드용 금속 분리판이 개방형 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴을 가지므로, 별도의 냉각판을 장착하는 것 없이도 우수한 냉각 성능 및 스택 성능을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 별도의 냉각판이 생략될 수 있으므로 제조 비용을 절감할 수 있고, 전체 부피가 감소된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택을 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택의 일 부분을 확대하여 나타낸 결합 사시도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 개방형 공기 유로를 구비하는 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 구비하는 공냉식 연료전지 스택에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판을 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판(100)은 금속 분리판 본체(120) 및 가스켓(140)을 포함한다.
금속 분리판 본체(120)는 하면으로부터 상면 방향으로 매트릭스 배열을 이루도록 이격하여 돌출 형성되어 부분 절개되며, 단변 방향으로 개구된 공기 유로(127)를 구비하는 돌출 패턴(125)을 갖는 채널부(CH)와, 채널부(CH)의 양측 가장자리에 각각 배치된 반응가스 유입구(160) 및 반응가스 배출구(162)를 구비하는 매니폴드부(MA)를 포함한다.
이때, 공기 유로(127)를 구비하는 돌출 패턴(125)은 3 ~ 5mm의 폭을 갖도록 드로우비드(drawbead) 형태로 브리지 성형된다. 돌출 패턴(125)의 폭이 3mm 미만일 경우, 공기 유로(127)의 내부로 통과하는 공기량이 줄어드는 관계로 냉각 성능 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 돌출 패턴(125)의 폭이 5mm를 초과할 경우에는 돌출 패턴(125) 상호 간의 이격 간격이 협소해지는 관계로 패턴 설계에 어려움이 따를 수 있다.
특히, 돌출 패턴(125)은 금속 분리판 본체(120)의 단변 방향으로는 절개되어 열린 개방형 구조의 공기 유로(127)를 갖고, 장변 방향으로는 닫힌 폐쇄형 구조를 갖는다. 따라서, 돌출 패턴(125)의 공기 유로(127) 내부를 통과하는 공기는 금속 분리판 본체(120)의 일측 단변으로부터 유입되어, 타측 단변으로 배출이 이루어지게 된다.
가스켓(140)은 기밀성을 확보함과 더불어, 2장 이상의 금속 분리판을 스택할 시, 금속 분리판들 간의 체결력 및 부착력을 강화시키는 역할을 한다. 이러한 가스켓(140)의 재질로는 고무가 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 플라스틱이 이용될 수도 있다.
이러한 가스켓(140)은 제1 가스켓(142) 및 제2 가스켓(144)을 포함할 수 있다. 제1 가스켓(142)은 금속 분리판 본체(120) 상면의 매니폴드부(MA)의 가장자리를 따라 형성되고, 제2 가스켓(144)은 채널부(CH)의 가장자리에 배치되어 돌출 패턴(125)과 교번적으로 배열되는 아일랜드 구조(island structure)로 형성된다. 이때, 돌출 패턴(125) 및 제2 가스켓(144)은 공기 유로(127)로 공급되는 공기 유입의 확보를 위해, 상호 교번적으로 엇갈리는 지그재그 형태(zigzag shape)로 배열되는 것이 바람직한데, 이는 제2 가스켓(144)이 돌출 패턴(125)과 중첩되는 일 직선 상에 배치될 경우 제2 가스켓(144)이 돌출 패턴(125)의 공기 유로(127)로 공급되는 공기 유입을 차단하는데 기인하여 냉각 성능이 급격히 저하되는 요인으로 작용할 수 있기 때문이다. 따라서, 제2 가스켓(144)은 금속 분리판 본체(120)의 장변 방향을 따라 등 간격으로 이격 배치되되, 돌출 패턴(125)과 상호 중첩되지 않도록 지그재그 형태로 배열하는 것이 바람직하다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판은 단변 방향으로 개구된 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴을 설계함과 더불어, 돌출 패턴 및 채널 영역에 배치되는 가스켓을 상호 교번적으로 엇갈리는 지그재그 형태로 배열함으로써 가스켓에 의한 공기 유입이 방해되는 것을 최소화하여 냉각 성능을 극대화할 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택을 나타낸 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택(400)은 적어도 2장 이상의 금속 분리판과, 금속 분리판의 사이에 각각 개재된 막-전극 접합체(200)를 포함한다. 이때, 2장의 금속 분리판은 캐소드용 금속 분리판(100)과 애노드용 금속 분리판(300)을 갖는다.
캐소드용 금속 분리판(100)은 하면으로부터 상면 방향으로 매트릭스 배열을 이루도록 이격하여 돌출 형성되어 부분 절개되며, 단변 방향으로 개구된 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴(125)을 갖는다. 이때, 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴(125)은 3 ~ 5mm의 폭을 갖도록 드로우비드(drawbead) 형태로 브리지 성형된다.
이러한 캐소드용 금속 분리판(100)은 도 1 및 도 2에 도시하고 설명한 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판과 실질적으로 동일한 바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
애노드용 금속 분리판(300)은 상면으로부터 하면 방향으로 돌출되어, 돌출 패턴(125)의 공기 유로와 교차하는 장변 방향을 따라 형성된 반응가스 유로(325)를 갖는다. 또한, 애노드용 금속 분리판(300)은 캐소드용 금속 분리판(100)의 반응가스 유입구(160)와 대응되는 위치에 배치되는 반응가스 유입 매니폴드(360)와, 캐소드용 금속 분리판(100)의 반응가스 배출구(162)와 대응되는 위치에 배치되는 반응가스 배출 매니폴드(362)를 가질 수 있다.
이러한 애노드용 금속 분리판(300)은 매니폴드 영역(미도시)과 채널 영역(미도시)의 가장자리를 따라 형성된 가스켓(340)을 더 포함할 수 있다. 이러한 가스켓(340)은 기밀성을 확보함과 더불어, 캐소드용 금속 분리판(100)과의 스택시, 캐소드용 금속 분리판(100)과 막-전극 접합체(200) 상호 간의 체결력 및 부착력을 강화시키는 역할을 한다.
막-전극 접합체(200)는 캐소드용 금속 분리판(100) 및 애노드용 금속 분리판(300) 사이에 각각 삽입 배치된다. 막-전극 접합체(200)는 고분자 전해질막과 그 양쪽 면에 각각 형성되는 산화전극과 환원전극을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택의 일 부분을 확대하여 나타낸 결합 사시도이고, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다. 이때, 도 4는 도 3의 중앙 부분을 따라 절단한 면을 나타낸 결합 사시도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 공냉식 연료전지 스택(400)은 애노드용 금속 분리판(300), 막-전극 접합체(200) 및 캐소드용 금속 분리판(100)이 차례로 적층된 구조를 갖는 것을 알 수 있다. 이때, 애노드용 금속 분리판(300)의 반응가스 유로(325)는 캐소드용 금속 분리판(100)의 공기 유로(127)와 교차하는 형태로 배열되는 것을 알 수 있다.
이때, 캐소드용 금속 분리판(100)의 돌출 패턴(125)은 단변 방향으로는 절개되어 열린 개방형 구조를 갖고, 장변 방향으로는 닫힌 폐쇄형 구조를 갖는다. 이에 따라, 돌출 패턴(125)은 단변 방향을 따라 절개된 열린 개방형 구조의 공기 유로(127)를 구비하게 된다.
즉, 캐소드용 금속 분리판(100)은 개방형의 공기 유로(127)를 구비하는 돌출 패턴(125)이 설계되어 있기 때문에, 자체적인 냉각이 가능해질 수 있으므로, 별도의 냉각판을 장착하는 것 없이도 우수한 냉각 성능 및 스택 성능을 확보할 수 있다.
따라서, 연료전지 스택(400)의 가동시, 캐소드 및 애노드용 금속 분리판(100, 300)의 일측에 배치되는 냉각 팬(미도시)으로부터 유입되는 공기는 단변 방향을 따라 개구된 개방형의 공기 유로(127)를 통과하게 된다. 이때, 냉각 팬으로부터 유입되는 공기는 일 직선 상에 배열되는 공기 유로(127) 및 이와 인접한 위치에 배열되는 공기 유로(127)로 분산되어 통과될 수 있다. 이 결과, 캐소드 및 애노드용 금속 분리판(100, 300)의 일측에 배치되는 냉각 팬으로부터 공급되는 공기가 단변 방향을 따라 열린 개방형 구조로 설계된 돌출 패턴(125)의 공기 유로(127)를 통과하면서, 활성화 손실(activation loss), 환원 반응 및 주울 가열(Joule heating) 등의 원인으로 인하여 발생하는 열을 냉각시킬 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택은 캐소드용 금속 분리판이 개구된 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴을 가지므로, 별도의 냉각판을 장착하는 것 없이도 우수한 냉각 성능 및 스택 성능을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 별도의 냉각판이 생략될 수 있으므로 제조 비용을 절감할 수 있고, 전체 부피가 감소된다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 금속 분리판 120 : 금속 분리판 본체
125 : 돌출 패턴 127 : 공기 유로
140 : 가스켓 142 : 제1 가스켓
144 : 제2 가스켓 160 : 반응가스 유입구
162 : 반응가스 배출구 CA : 채널부
MA : 매니폴드부

Claims (4)

  1. 하면으로부터 상면 방향으로 매트릭스 배열을 이루도록 이격하여 돌출 형성되어 부분 절개되며, 단변 방향으로 개구된 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴을 갖는 채널부와, 상기 채널부의 양측 가장자리에 각각 배치된 반응가스 유입구 및 반응가스 배출구를 구비하는 매니폴드부를 갖는 금속 분리판 본체; 및
    상기 금속 분리판 본체 상면의 상기 매니폴드부의 가장자리를 따라 형성된 제1 가스켓과, 상기 채널부의 가장자리에 배치되어 상기 돌출 패턴과 교번적으로 배열되는 아일랜드 구조로 형성된 제2 가스켓을 갖는 가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌출 패턴 및 제2 가스켓은
    상기 공기 유로로 공급되는 공기 유입의 확보를 위해, 상호 교번적으로 엇갈리는 지그재그 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴은
    3 ~ 5mm의 폭을 갖도록 드로우비드(drawbead) 형태로 브리지 성형된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판.
  4. 적어도 2장 이상의 금속 분리판; 및
    상기 금속 분리판의 사이에 각각 개재된 막-전극 접합체;를 포함하며,
    상기 2장의 금속 분리판은 캐소드용 금속 분리판과 애노드용 금속 분리판을 갖되,
    상기 캐소드용 금속 분리판은 하면으로부터 상면 방향으로 매트릭스 배열을 이루도록 이격하여 돌출 형성되어 부분 절개되며, 단변 방향으로 개구된 3 ~ 5mm의 폭을 갖도록 드로우비드(drawbead) 형태로 브리지 성형된 공기 유로를 구비하는 돌출 패턴을 갖고,
    상기 애노드용 금속 분리판은 상면으로부터 하면 방향으로 돌출되어, 상기 돌출 패턴의 공기 유로와 교차하는 장변 방향을 따라 형성된 반응가스 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 스택.
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