KR102217884B1 - 냉각 유로 개선형 연료전지 분리판 및 연료전지스택 - Google Patents

냉각 유로 개선형 연료전지 분리판 및 연료전지스택 Download PDF

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세종공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 연료전지스택(100)에 적용된 연료전지 분리판(1)은 중간 구간을 채널 유로(8)로 하는 좌 매니폴드(2-1)와 우 매니폴드(2-2)가 형성된 앞면(A)과 뒷면(B)으로 구분되고, 상기 앞면(A)의 냉각수 통로(7)에서 상기 좌 매니폴드(2-1)에서 상기 우 매니폴드(2-2)로 냉각수 흐름을 안내해 주는 앞면 시일부재(10-1) 및 상기 뒷면(B)의 냉각수 통로(7)에서 상기 좌 매니폴드(2-1)와 상기 우 매니폴드(2-2)의 각각에 대한 냉각수 흐름을 차단해 주는 뒷면 시일부재(10-2)가 포함됨으로써 연료전지 분리판(1)의 앞면(A)과 뒷면(B)에 대한 시일부재(10)의 적용 구조를 달리해 스택 체결압을 받는 압착 변형에서도 냉각수 흐름이 형성되는 앞면(A))에 대한 냉각수 흐름 유지와 냉각수 흐름이 차단되는 뒷면(B))에 대한 누수 차단에 대한 기능이 크게 개선되는 특징으로 갖는다.

Description

냉각 유로 개선형 연료전지 분리판 및 연료전지스택{Cooling Channel Improvement type Fuel Cell Separator having and Fuel Cell Stack thereby}
본 발명은 연료전지 분리판에 관한 것으로, 특히 분리판의 앞면과 뒷면에 대한 시일부재 적용 구조를 달리함으로써 냉각수 흐름 및 차단 성능이 개선된 연료전지 분리판이 적용된 연료전지스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지자동차에 사용되는 연료전지스택은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킴으로써 자동차의 동력을 생성한다.
이를 위해 상기 연료전지스택은 주요 구성 부품으로 전극막 접합체(Membrane-Electrode Assembly)와 가스확산층(Gas Diffusion Layer), 연료전지 분리판, 개스킷 및 시일부재로 이루어진 단위 셀을 포함한다.
구체적으로 상기 전극막 접합체(MEA)는 고분자 전해질막의 양쪽면에 촉매층이 도포된 형태로 구성되어 연료전지스택의 가장 중심부에 위치하고, 상기 가스확산층(GDL)은 전극막 접합체 바깥부분에 위치하며, 상기 연료전지 분리판은 채널 유로(Flow Field)를 형성하여 가스 확산층의 바깥부분으로 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하고, 상기 개스킷은 연료전지 분리판의 테두리에 덧대어져 수소/공기/냉각수의 흐름 각각이 독립적으로 이루어지도록 실링을 형성해 주며, 상기 시일부재는 복수개로 적층된 연료전지 분리판을 흐르는 냉각수 흐름 유지와 함께 누수를 차단시켜 준다.
그러므로 1장의 전극막 접합체, 2장의 가스 확산층, 2장의 연료전지 분리판, 다수의 개스킷 및 다수의 시일부재는 단위 셀을 이루는 구성단위로 취급된다.
따라서 상기 연료전지 스택은 각 단위 셀을 수십개에서 수백개 적층함으로써 원하는 규모의 출력을 확보할 수 있도록 구성된다.
국내등록특허 10-1491349(2015년02월02일)
하지만, 상기 연료전지 스택은 수백개로 적층된 연료전지 분리판을 체결하기 위해 강한 체결압을 가해 주어야 함으로써 시일부재가 분리판 적층으로 인해 압착 변형될 수밖에 없다.
특히 시일부재의 압착 변형 과정은 연료전지 분리판에 형성된 채널 유로를 좁혀줌으로써 기밀 성능을 확보함에 반해 수소와 공기 및 냉각수의 흐름 성능 저하로 발전 될 수 있다.
통상 연료전지 분리판과 가스 확산층 사이에 위치되는 별도의 지지부재는 시일부재에서 발생되는 과도한 압착 변형에 의한 채널 유로 축소를 어느 정도 방지하여 주나 가스 확산층에 대한 간섭으로 채널 유로를 복잡하게 하면서 채널 유로의 압력 손실도 발생 되는 단점도 존재한다.
그러므로 상기 연료전지 스택은 스택 조립 후 시일부재가 냉각수 공급 성능 및 기밀성능을 설계안대로 유지할 수 있는 특성이 매우 중요하고, 이를 위해 시일부재를 연료전지 분리판의 채널 유로에 최적화하고자 하는 기술 개발이 크게 요구되고 있다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 연료전지 분리판의 앞면과 뒷면에 대한 시일부재 적용 구조를 달리하고, 특히 수백개로 적층된 분리판에 가해지는 스택 체결압을 받는 시일부재의 압착 변형에서도 냉각수 흐름 면(예, 앞면)에 대한 냉각수 흐름 유지와 냉각수 미 흐름 면(예, 뒷면)에 대한 누수 차단에 대한 기능이 크게 개선되는 냉각 유로 개선형 연료전지 분리판 및 연료전지스택의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 분리판은 냉각수 통로가 천공된 앞면과 뒷면으로 구분되고, 상기 냉각수 통로를 나오는 냉각수를 안내하여 상기 앞면에서 냉각수 흐름이 형성되도록 하는 반면 상기 냉각수 통로를 나오는 냉각수를 차단하여 상기 뒷면에서 냉각수 흐름이 형성되지 않도록 하는 시일 부재가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 시일 부재는 수소와 공기 및 냉각수가 흐르는 채널 유로의 좌측을 이루는 좌 매니폴드와 우측을 이루는 우 매니폴드에 각각 적용된다.
바람직한 실시예로서, 상기 시일 부재는 상기 좌 매니폴드에서 상기 냉각수 통로와 연계된 앞면 시일부재, 상기 우 매니폴드에서 상기 냉각수 통로와 연계된 뒷면 시일부재로 구분된다.
바람직한 실시예로서, 상기 앞면 시일부재는 상기 좌 매니폴드에서 상기 냉각수 통로와 연결된 냉각수 가이드 부에 위치되고, 상기 냉각수 가이드 부가 형성하는 유로 흐름 방향과 동일한 방향으로 배열된다.
바람직한 실시예로서, 상기 앞면 시일부재는 상기 냉각수 가이드 부의 폭보다 좁은 폭 크기를 갖는 직선 막대 형상으로 이루어지고, 2개를 한 쌍으로 하여 상기 냉각수 가이드 부에 서로 간격을 두고 배열된다.
바람직한 실시예로서, 상기 뒷면 시일부재는 상기 우 매니폴드에서 상기 냉각수 통로와 연결된 냉각수 가이드 부에 위치되고, 상기 냉각수 가이드 부가 형성하는 유로 흐름 방향에 직각 방향으로 배열된다.
바람직한 실시예로서, 상기 뒷면 시일부재는 상기 냉각수 가이드 부의 폭과 동일한 길이를 갖는 직선 막대 형상으로 이루어지고, 2개를 한 쌍으로 하여 상기 냉각수 가이드 부에 서로 간격을 두고 배열된다.
바람직한 실시예로서, 상기 냉각수 통로는 중간 구간을 채널 유로로 하는 좌 매니폴드와 우 매니폴드의 각각에 형성되고, 상기 좌 매니폴드에서 상기 우 매니폴드의 각각에는 상기 냉각수 통로를 중앙 구간으로 하여 수소 통로와 공기 통로가 형성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 좌 매니폴드와 상기 채널 유로 및 상기 우 매니폴드는 개스킷 테두리로 에워싸인다.
그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지스택은 중간 구간을 채널 유로로 하는 좌 매니폴드와 우 매니폴드가 형성된 앞면과 뒷면으로 구분되고, 상기 앞면의 냉각수 통로에서 상기 좌 매니폴드에서 상기 우 매니폴드로 냉각수 흐름을 안내해 주는 앞면 시일부재 및 상기 뒷면의 냉각수 통로에서 상기 좌 매니폴드와 상기 우 매니폴드의 각각에 대한 냉각수 흐름을 차단해 주는 뒷면 시일부재가 구비된 연료전지 분리판; 상기 연료전지 분리판이 적용되어 출력을 발생하는 단위 셀이 포함된 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 단위 셀에는 상기 연료전지 분리판과 함께 전극막 접합체와 가스 확산층 및 개스킷이 포함된다.
바람직한 실시예로서, 상기 개스킷은 상기 좌 매니폴드와 상기 채널 유로 및 상기 우 매니폴드를 에워싸는 개스킷 테두리에 끼워진다.
바람직한 실시예로서, 상기 연료전지 분리판은 상/하부 연료전지 분리판으로 구분되어 상기 가스 확산층의 바깥부분으로 적층되고, 상기 전극막 접합체는 고분자 전해질막의 양쪽면에 촉매층이 도포되어 연료전지스택의 중심부에 위치하며, 상기 가스 확산층은 상/하부 가스 확산층으로 구분되어 상기 전극막 접합체의 바깥부분으로 위치되고, 상기 개스킷은 상기 상/하부 연료전지 분리판의 각각에 위치된다.
이러한 본 발명의 연료전지스택에 적용된 연료전지 분리판은 냉각 유로를 개선함으로써 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.
첫째, 연료전지 분리판의 냉각수 입출구 역할을 수행하는 가이드부에 시일부재를 보강재로 적용함으로써 스택 적층 시 분리판 내 가이드부의 변형을 방지하고, 특히 별도의 지지부재에 의한 기존 방식의 채널 유로 복잡화 및 채널 유로 압력 손실을 완전히 해소할 수 있다.
둘째, 시일부재가 냉각수가 공급되는 앞면과 냉각수가 공급되지 않는 뒷면에 대한 시일부재 구조를 달리함으로써 냉각수 입/출구 가이드부 앞면과 뒷면에서 요구되는 냉각수 흐름 유지와 냉각수 누수 차단을 모두 만족할 수 있다.
셋째, 냉각수가 공급되는 앞면의 시일부재를 세로방향(유로 흐름 방향)으로 하는 반면 냉각수가 공급되지 않는 뒷면의 시일부재를 가로방향(유로 직각 방향)으로 하여 가이드부의 압착을 더 효율적으로 방지할 수 있다.
넷째, 연료전지스택이 상하 방향 이격 형상의 시일부재가 적용된 연료전지 분리판을 사용함으로써 분리판에 형성된 냉각유로 가이드부의 압착 방지에 유리하고, 특히 상하 방향으로 이격된 시일부재를 분리판의 냉각유로 가이드부에 설치함으로써 수백개로 적층된 분리판에 가해지는 스택 체결압으로 인한 냉각유로 내 형상 변형 방지로 원활한 냉각수 공급이 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 냉각 유로 개선형 연료전지 분리판의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 냉각 유로 개선형 연료전지 분리판의 냉각수/수소/공기 매니폴드 레이아웃 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 냉각 유로 개선형 연료전지 분리판이 적용된 연료전지스택의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지스택에서 상부 연료전지 분리판의 냉각수 흐름 및 수소 흐름 상태이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 연료전지 분리판(1)은 분리판 앞면(A)과 분리판 뒷면(B)의 각각으로 냉각수 통로(7)와 연계된 시일부재(10)를 구비한다.
일례로 상기 시일부재(10)는 채널 유로(8)의 한쪽부위(즉. 좌측부위)에 형성된 좌 매니폴드(2-1)와 반대쪽부위(즉. 우측부위)에 형성된 우 매니폴드(2-2)의 각각으로 적용되고, 분리판 앞면(A)의 시일부재 형상과 분리판 뒷면(B)의 시일부재 형상을 달리 적용함으로써 연료전지 분리판(1)이 단위 셀(도 3 참조)로 구성되어 스택으로 체결 시 분리판 앞면(A)에서 냉각수 통로(7)의 냉각수 흐름을 유지하면서도 분리판 뒷면(B)에서 냉각수 통로(7)의 냉각수 흐름을 차단하여 준다.
그러므로 상기 연료전지 분리판(1)은 냉각 유로 개선형 연료전지 분리판(1)으로 특징 된다.
구체적으로 상기 시일부재(10)는 연료전지 분리판(1)의 앞면 시일부재(10-1)와 연료전지 분리판(1)의 뒷면 시일부재(10-2)로 구분되고, 상기 앞면 시일부재(10-1)와 상기 뒷면 시일부재(10-2)의 각각은 냉각수 통로(7)의 냉각수 가이드 부(7-1)에 구비된다.
특히 상기 냉각수 통로(7)는 냉각수가 나오거나 들어가는 천공 형상부와 함께 냉각수 흐름을 안내 해주는 직선 홈의 냉각수 가이드 부(7-1)를 형성하여 전체적으로 깔대기 형상으로 이루어진다.
일례로 상기 앞면 시일부재(10-1)는 입구 흐름 부재(11)와 출구 흐름 부재(13)로 구성되고, 좌 매니폴드(2-1)와 우 매니폴드(2-2)의 각각에 동일한 위치로 배열된다.
특히 레이아웃 측면에서, 상기 입구 흐름 부재(11)는 냉각수 가이드 부(7-1)에서 냉각수 통로(7)쪽에 인접되며, 상기 출구 흐름 부재(13)는 입구 흐름 부재(11)와 간격을 두고 냉각수 가이드 부(7-1)에서 채널 유로(8)쪽에 인접된다.
또한, 형상 측면에서, 상기 입구 흐름 부재(11)와 상기 출구 흐름 부재(13)의 각각은 소정 길이와 폭 넓이로 직선 막대 형상을 이루고, 상기 직선 막대 형상은 가이드 부(7-1)의 길이 대비 1/10~2/10 길이 또는 폭 넓이와 동일한 길이 및 냉각수 가이드 부(7-1)의 폭 넓이 대비 1/5~2/5 두께로 형성된다, 특히 상기 직선 막대 형상의 두께는 스택 체결의 체결 압에 따른 압착 변형으로 눌려진 상태에서 서로 포개진 2개의 연료전지 분리판(1-1,1-2)(도 3 참조)의 사이에서 면 접촉될 수 있도록 형성된다.
그러므로 상기 입구 흐름 부재(11)와 상기 출구 흐름 부재(13)의 각각은 냉각수 가이드 부(7-1)의 세로방향(즉, 유로 흐름 방향)으로 배열됨으로써 냉각수 유로를 막지 않고 냉각수가 공급될 수 있도록 작용한다.
일례로 상기 뒷면 시일부재(10-2)는 입구 차단 부재(15)와 출구 차단 부재(17)로 구성되고, 좌 매니폴드(2-1)와 우 매니폴드(2-2)의 각각에 동일한 위치로 배열된다.
특히 레이아웃 측면에서, 상기 입구 차단 부재(15)는 냉각수 가이드 부(7-1)에서 냉각수 통로(7)쪽에 인접되며, 상기 출구 차단 부재(17)는 입구 차단 부재(15)와 간격을 두고 냉각수 가이드 부(7-1)에서 채널 유로(8)쪽에 인접된다.
또한, 형상 측면에서, 상기 입구 차단 부재(15)와 상기 출구 차단 부재(17)의 각각은 소정 길이와 폭 넓이로 직선 막대 형상을 이룬다. 일례로 상기 직선 막대 형상은 가이드 부(7-1)의 폭 넓이와 동일한 길이 및 냉각수 가이드 부(7-1)의 폭 넓이 대비 1/5~2/5 폭 넓이로 형성된다, 특히 상기 직선 막대 형상의 두께는 스택 체결의 체결 압에 따른 압착 변형으로 눌려진 상태에서 서로 포개진 2개의 연료전지 분리판(1-1,1-2)(도 3 참조)의 사이에서 면 접촉될 수 있도록 형성된다.
그러므로 상기 입구 차단 부재(15)와 상기 출구 차단 부재(17)의 각각은 냉각수 가이드 부(7-1)의 가로방향(즉, 유로 직각 방향)으로 배열됨으로써 냉각수 유로를 막아 냉각수 누수가 방지되도록 작용하면서도 냉각수 가이드 부(7-1)의 압착을 더 효율적으로 방지할 수 있도록 작용한다.
한편, 도 2의 연료전지 분리판(1)을 참조하면, 상기 연료전지 분리판(1)은 개스킷 테두리(9)로 에워싸인 좌 매니폴드(2-1)와 채널 유로(8) 및 우 매니폴드(2-2)로 구분된다. 그러므로 상기 연료전지 분리판(1)은 채널 유로(8)에 대해 한쪽구간(예, 좌측부위)으로 좌 매니폴드(2-1)를 다른쪽 구간(예, 우측부위)으로 우 매니폴드(2-2)를 형성한다.
구체적으로 상기 좌 매니폴드(2-1)와 상기 우 매니폴드(2-2)의 각각에는 동일한 형상과 구조로 이루어진 수소 통로(3)와 공기 통로(5) 및 냉각수 통로(7)가 형성된다. 그리고 상기 채널 유로(8)는 좌 매니폴드(2-1)와 우 매니폴드(2-2)의 사이에서 수소와 공기 및 냉각수 흐름을 안내하도록 도시되지 않았으나 복잡한 유로 구조로 이루어진다. 상기 좌 매니폴드(2-1)와 상기 우 매니폴드(2-2)의 각각은 수소 통로(3)와 공기 통로(5) 및 냉각수 통로(7)를 형성한다.
특히 상기 수소 통로(3)는 좌 매니폴드(2-1)에서 냉각수 통로(7)의 위쪽에서 채널 유로(8)를 거쳐 우 매니폴드(2-2)에서 냉각수 통로(7)의 아래쪽으로 이어짐으로써 좌측에서 우측을 향해 하방향 사선으로 수소의 흐름 경로를 형성하여 준다. 반면 상기 공기 통로(5)는 좌 매니폴드(2-1)에서 냉각수 통로(7)의 아래에서 채널 유로(8)를 거쳐 우 매니폴드(2-2)에서 냉각수 통로(7)의 위쪽으로 이어짐으로써 좌측에서 우측을 향해 상방향 사선으로 공기의 흐름 경로를 형성하여 준다. 그러므로 상기 냉각수 통로(7)는 수소 통로(3)와 공기 통로(5)의 중간에 위치됨으로써 좌 매니폴드(2-1)에서 우 매니폴드(2-2)를 향해 수평방향 직선으로 냉각수의 흐름 경로를 형성하여 준다.
구체적으로 상기 개스킷 테두리(9)는 연료전지 분리판(1)에 직사각형상을 이룸으로써 좌 매니폴드(2-1)와 채널 유로(8) 및 우 매니폴드(2-2)를 에워싸는 홈으로 형성된다. 그러므로 상기 개스킷 테두리(9)는 연료전지 분리판(1)을 흐르는 수소와 공기 및 냉각수에 대한 기밀이 유지되도록 개스킷(40)(도 3 참조)이 끼워지는 홈으로 제공된다.
한편, 도 3을 참조하면, 연료전지스택(100)은 앞/뒤면 시일부재(10-1,10-2)가 냉각수 가이드 부(7-1)에 끼워진 연료전지 분리판(1), 전극막 접합체(20), 가스 확산층(30) 및 개스킷(40)을 하나의 단위 셀(100-1)로 구성한다. 이 경우 상기 연료전지 분리판(1)은 도 1 및 도 2를 통해 기술된 시일부재(10)를 갖춘 냉각 유로 개선형 연료전지 분리판(1)과 동일하다.
구체적으로 상기 단위 셀(100-1)은 상/하부 연료전지 분리판(1-1,1-2)으로 구분된 2장의 연료전지 분리판(1), 고분자 전해질막의 양쪽면에 촉매층이 도포된 1장의 전극막 접합체(20), 상/하부 가스 확산층(30-1,30-2)으로 구분된 2장의 가스확산층(30) 및 상/하부 연료전지 분리판(1-1,1-2)의 개스킷 테두리(9)에 끼워져 압착 변형으로 기밀을 형성하는 복수개 개스킷(40)으로 구성된다. 나아가 상기 단위 셀(100-1)은 상/하부 연료전지 분리판(1-1,)과 상/하부 가스 확산층(30-1,30-2)의 사이에 위치시켜 기밀을 더욱 강화하도록 별도의 씨일(Seal)이 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 단위 셀(100-1)의 적층상태에서, 상기 상/하부 연료전지 분리판(1-1,1-2)은 가스 확산층(30)의 바깥부분으로 적층되고, 상기 전극막 접합체(20)는 연료전지스택(100)의 가장 중심부에 위치하며, 상기 가스 확산층(30)은 전극막 접합체(20)의 바깥부분으로 위치되며, 상기 개스킷(40)은 상/하부 연료전지 분리판(1-1,1-2)에 위치된다.
특히 상기 앞/뒷면 시일부재(10-1,10-2)의 각각은 고무 재질로 이루어지거나 압착 변형이 가능한 탄성력을 갖는 재질이 적용됨으로써 스택 적층시 상/하부 연료전지 분리판(1-1,1-2) 내 냉각수 통로(7)에서 냉각수 가이드 부(7-1)의 변형이 방지하는데 기여한다.
이와 같이 상기 연료전지 스택(100)은 단위 셀이 제1~N 단위 셀(100-1, ..., 100-N)로 수십개에서 수백개 적층된 상태로 체결됨으로써 원하는 규모의 출력을 확보하여 준다.
한편, 도 4는 연료전지 스택(100)에서 상부 연료전지 분리판(1-1)의 냉각수와 수소 흐름 시 앞/뒷면 시일부재(10-1,10-2)의 작용을 예시한다.
구체적으로 상기 상부 연료전지 분리판(1-1)의 앞면(A)에서 냉각수가 좌 매니폴드(2-1)와 채널 유로(8) 및 우 매니폴드(2-2)로 흐르는 경우, 좌 매니폴드(2-1)와 우 매니폴드(2-2)에서 냉각수 흐름은 하기와 같다.
일례로 좌 매니폴드(2-1)를 참조하면, 앞면 시일부재(10-1)의 입구 흐름 부재(11)는 냉각수 가이드 부(7-1)에서 냉각수 통로(7)쪽에 인접됨으로써 냉각수 통로(7)를 빠져 나온 냉각수가 냉각수 가이드 부(7-1)를 따라 흘러 나가도록 유도한다. 계속해서 앞면 시일부재(10-1)의 출구 흐름 부재(13)는 입구 흐름 부재(11)와 간격을 두도록 냉각수 가이드 부(7-1)에서 채널 유로(8)쪽에 인접됨으로써 냉각수가 냉각수 가이드 부(7-1)에서 채널 유로(8)로 원활하게 빠져나가도록 유도한다.
또한, 우 매니폴드(2-2)에서, 앞면 시일부재(10-1)의 출구 흐름 부재(13)는 입구 흐름 부재(11)와 간격을 두도록 냉각수 가이드 부(7-1)에서 채널 유로(8)쪽에 인접됨으로써 냉각수가 채널 유로(8)에서 냉각수 가이드 부(7-1)로 원활하게 들어오도록 유도한다. 계속해서 앞면 시일부재(10-1)의 입구 흐름 부재(11)는 냉각수 가이드 부(7-1)에서 냉각수 통로(7)쪽에 인접됨으로써 냉각수 가이드 부(7-1)를 빠져나온 냉각수가 냉각수 통로(7)로 들어가도록 유도한다.
그리고 좌/우 매니폴드(2-1,2-2)의 각각을 참조하면, 뒷면 시일부재(10-1)의 입구 차단 부재(15)는 냉각수 가이드 부(7-1)에서 냉각수 통로(7)쪽에 인접됨으로써 냉각수가 냉각수 통로(7)를 빠져 나와 냉각수 가이드 부(7-1)로 흘러가지 못하도록 흐름을 막아준다. 계속해서 뒷면 시일부재(10-2)의 출구 차단 부재(17)는 입구 차단 부재(15)와 간격을 두도록 냉각수 가이드 부(7-1)에서 채널 유로(8)쪽에 인접됨으로써 입구 차단 부재(15)를 통과한 냉각수가 냉각수 가이드 부(7-1)에서 채널 유로(8)로 빠져 나가지 못하도록 차단하여 준다.
한편, 수소 통로(3)의 수소 흐름에 대해 개스킷(40)의 기밀 작용을 참조하면, 상기 상부 연료전지 분리판(1-1)의 앞면(A)의 개스킷 테두리(9)에 끼워진 개스킷(40)은 앞면(A)에서 수소 통로(3)와 공기 통로(5)에 대해 기밀 구조를 형성함으로써 수소와 공기가 흐르지 않고 냉각수 흐름만 형성되도록 작용하고, 반면 상기 상부 연료전지 분리판(1-1)의 뒷면(B)의 개스킷 테두리(9)에 끼워진 개스킷(40)은 뒷면(B)에서 공기 통로(5)와 냉각수 통로(7)에 대해 기밀 구조를 형성함으로써 냉각수와 공기가 흐르지 않고 수소 흐름만 형성되도록 작용한다.
또한, 공기 통로(5)의 공기 흐름에 대해 개스킷(40)의 기밀 작용은 수소 통로(3)를 차단하여 공기 통로(5)에 대한 공기 흐름만 형성되도록 작용하므로 상세 설명을 생략한다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지스택(100)에 적용된 연료전지 분리판(1)은 중간 구간을 채널 유로(8)로 하는 좌 매니폴드(2-1)와 우 매니폴드(2-2)가 형성된 앞면(A)과 뒷면(B)으로 구분되고, 상기 앞면(A)의 냉각수 통로(7)에서 상기 좌 매니폴드(2-1)에서 상기 우 매니폴드(2-2)로 냉각수 흐름을 안내해 주는 앞면 시일부재(10-1) 및 상기 뒷면(B)의 냉각수 통로(7)에서 상기 좌 매니폴드(2-1)와 상기 우 매니폴드(2-2)의 각각에 대한 냉각수 흐름을 차단해 주는 뒷면 시일부재(10-2)가 포함됨으로써 연료전지 분리판(1)의 앞면(A)과 뒷면(B)에 대한 시일부재(10)의 적용 구조를 달리해 스택 체결압을 받는 압착 변형에서도 냉각수 흐름이 형성되는 앞면(A))에 대한 냉각수 흐름 유지와 냉각수 흐름이 차단되는 뒷면(B))에 대한 누수 차단에 대한 기능이 크게 개선된다.
1 : 연료전지 분리판 1-1,1-2 : 상/하부 연료전지 분리판
2-1,2-2 : 좌/우 매니폴드 3 : 수소 통로
5 : 공기 통로 7 : 냉각수 통로
7-1 : 냉각수 가이드 부 8 : 채널 유로
9 : 개스킷 테두리 10 : 시일부재
10-1 : 앞면 시일부재 10-2 : 뒷면 시일부재
11,13 : 입/출구 흐름 부재 15,17 : 입/출구 차단 부재
20 : 전극막 접합체 30 : 가스 확산층
30-1,30-2 : 상/하부 가스 확산층
40 : 개스킷
100 : 연료전지스택 100-1, ..., 100-N : 제1~N 단위 셀

Claims (17)

  1. 냉각수 통로가 천공된 앞면과 뒷면으로 구분되고, 상기 냉각수 통로를 나오는 냉각수를 안내하여 상기 앞면에서 냉각수 흐름이 형성되도록 하는 반면 상기 냉각수 통로를 나오는 냉각수를 차단하여 상기 뒷면에서 냉각수 흐름이 형성되지 않도록 하는 시일 부재;가 포함되며,
    상기 시일 부재는 수소와 공기 및 냉각수가 흐르는 채널 유로의 좌측을 이루는 좌 매니폴드와 우측을 이루는 우 매니폴드에 각각 적용되며, 상기 시일 부재는 상기 좌 매니폴드에서 상기 냉각수 통로와 연계된 앞면 시일부재, 상기 우 매니폴드에서 상기 냉각수 통로와 연계된 뒷면 시일부재로 구분되는
    것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 앞면 시일부재는 상기 좌 매니폴드에서 상기 냉각수 통로와 연결된 냉각수 가이드 부에 위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 앞면 시일부재는 상기 냉각수 가이드 부가 형성하는 유로 흐름 방향과 동일한 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 앞면 시일부재는 상기 냉각수 가이드 부의 폭보다 좁은 폭 크기를 갖는 직선 막대 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 앞면 시일부재는 2개를 한 쌍으로 하여 상기 냉각수 가이드 부에 서로 간격을 두고 배열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 뒷면 시일부재는 상기 우 매니폴드에서 상기 냉각수 통로와 연결된 냉각수 가이드 부에 위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 뒷면 시일부재는 상기 냉각수 가이드 부가 형성하는 유로 흐름 방향에 직각 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 뒷면 시일부재는 상기 냉각수 가이드 부의 폭과 동일한 길이를 갖는 직선 막대 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 뒷면 시일부재는 2개를 한 쌍으로 하여 상기 냉각수 가이드 부에 서로 간격을 두고 배열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각수 통로는 중간 구간을 채널 유로로 하는 좌 매니폴드와 우 매니폴드의 각각에 형성되고, 상기 좌 매니폴드에서 상기 우 매니폴드의 각각에는 상기 냉각수 통로를 중앙 구간으로 하여 수소 통로와 공기 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 좌 매니폴드와 상기 채널 유로 및 상기 우 매니폴드는 개스킷 테두리로 에워싸이는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  14. 중간 구간을 채널 유로로 하는 좌 매니폴드와 우 매니폴드가 형성된 앞면과 뒷면으로 구분되고, 상기 앞면의 냉각수 통로에서 상기 좌 매니폴드에서 상기 우 매니폴드로 냉각수 흐름을 안내해 주는 앞면 시일부재 및 상기 뒷면의 냉각수 통로에서 상기 좌 매니폴드와 상기 우 매니폴드의 각각에 대한 냉각수 흐름을 차단해 주는 뒷면 시일부재가 구비된 연료전지 분리판;
    상기 연료전지 분리판이 적용되어 출력을 발생하는 단위 셀;이 포함되며,
    상기 시일 부재는 수소와 공기 및 냉각수가 흐르는 채널 유로의 좌측을 이루는 좌 매니폴드와 우측을 이루는 우 매니폴드에 각각 적용되며, 상기 시일 부재는 상기 좌 매니폴드에서 상기 냉각수 통로와 연계된 앞면 시일부재, 상기 우 매니폴드에서 상기 냉각수 통로와 연계된 뒷면 시일부재로 구분되는
    것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 단위 셀에는 상기 연료전지 분리판과 함께 전극막 접합체와 가스 확산층 및 개스킷이 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 개스킷은 상기 좌 매니폴드와 상기 채널 유로 및 상기 우 매니폴드를 에워싸는 개스킷 테두리에 끼워지는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 연료전지 분리판은 상/하부 연료전지 분리판으로 구분되어 상기 가스 확산층의 바깥부분으로 적층되고, 상기 전극막 접합체는 고분자 전해질막의 양쪽면에 촉매층이 도포되어 연료전지스택의 중심부에 위치하며, 상기 가스 확산층은 상/하부 가스 확산층으로 구분되어 상기 전극막 접합체의 바깥부분으로 위치되고, 상기 개스킷은 상기 상/하부 연료전지 분리판의 각각에 위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20130076938A (ko) * 2011-12-29 2013-07-09 현대자동차주식회사 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조
KR101491349B1 (ko) 2013-11-19 2015-02-06 현대자동차주식회사 연료전지 스택
KR101889002B1 (ko) * 2017-03-24 2018-08-16 세종공업 주식회사 이중 개스킷타입 연료전지 분리판 어셈블리

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130076938A (ko) * 2011-12-29 2013-07-09 현대자동차주식회사 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조
KR101491349B1 (ko) 2013-11-19 2015-02-06 현대자동차주식회사 연료전지 스택
KR101889002B1 (ko) * 2017-03-24 2018-08-16 세종공업 주식회사 이중 개스킷타입 연료전지 분리판 어셈블리

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