KR20150124726A - 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

연료전지용 분리판이 개시된다. 개시된 연료전지용 분리판은 반응면 및 냉각면 가장자리에 기밀부와 지지부들로 이루어진 가스켓을 형성하고 있으며, 기밀부와 일체로 연결된 지지부들 사이의 유로 공간에서 지지부들의 두께 방향으로 돌출 형성된 지지랜드를 포함할 수 있다.

Description

연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 {SEPARATOR FOR FUEL CELL AND FUEL CELL STACK USING THE SAME}

본 발명의 실시예는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 기밀을 유지하기 위한 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지를 변환시키는 일종의 발전 소자이다. 연료전지는 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 단위 셀인데, 그 단위 셀은 막-전극 어셈블리(MEA)와, 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 분리판을 구비한다.

연료전지의 단위 셀은 1V 이하의 전압을 생성하므로 자동차의 구동이나 발전 등에 활용되기 위해 수백 개 이상으로 적층되며 전기 발생 집합체인 연료전지 스택으로 구성될 수 있다. 여기서, 연료전지 스택은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 열을 발생시키는 바, 분리판을 통해 유동하는 냉각수로서 열을 냉각시킬 수 있다.

한편, 상기에서와 같은 연료전지를 다수 개로 적층하여 연료전지 스택을 구성하기 위해서는 막-전극 어셈블리와 분리판의 반응면 사이 및 분리판의 냉각면 사이에 기밀을 유지해야 한다.

이를 위해 막-전극 어셈블리와 분리판의 반응면 사이 및 분리판의 냉각면 사이에는 가스켓을 형성하고 있다. 가스켓은 분리판의 반응면으로 유동하는 연료 및 산화제(이하에서는 편의 상 "반응기체" 라고 한다)와, 분리판의 냉각면으로 유동하는 냉각수가 연료전지 스택의 외부로 새는 것을 방지하는 기능을 하게 된다. 이러한 가스켓은 분리판의 양면 가장자리 부분 및 반응기체와 냉각수를 유출입시키는 매니폴드의 양면 가장자리 부분에 일체로 사출 성형될 수 있다.

예를 들면, 도 1에서와 같이 연료전지의 분리판(1)에 적용되는 가스켓(3)은 매니폴드(5)의 가장자리를 실링하는 기밀부(7)와, 그 기밀부(7)에 연결되며 다수의 유로 공간(8)을 구획 형성하는 지지부들(9)로 이루어질 수 있다.

그러나, 지지부들(9) 사이의 영역에는 분리판(1)의 반응면 및 냉각면으로 반응기체 및 냉각수를 유동시키기 위한 유로 공간(8)을 형성하고 있기 때문에, 가스켓(3)은 그 유로 공간(8)으로 인해 기밀부(7)의 면압이 상당히 낮아지는 영역이 존재하게 되고, 유로 공간(8)에서의 기밀부(7)가 부풀어올라 그 유로 공간(8)을 따라 유동하는 반응기체 및 냉각수의 흐름을 막을 수 있다.

구체적으로, 종래 기술에서는 다수 매의 연료전지들을 가압 체결하여 연료전지 스택을 제작할 때, 가스켓(3)이 압축되면 지지부들(9)과 연결된 기밀부(7) 부위에 큰 압축이 발생하면서 지지부들(9) 사이의 유로 공간(8)에 대응하는 기밀부(7) 부위가 부풀어오르게 된다.

이와 같이 지지부들(9) 사이의 유로 공간(8)에 대응하는 기밀부(7) 부위가 부풀어오르기 때문에, 그 기밀부(7) 부위의 부풀어오르는 힘은 분리판(1)을 그대로 변형시키면서 그 영역의 기밀부(7) 면압이 낮아지게 되어 이를 통해 반응기체와 냉각수가 유출될 수 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 가스켓의 면압을 일정하게 유지시키며 반응기체와 냉각수의 기밀을 도모할 수 있도록 한 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판은, 반응면 및 냉각면 가장자리에 기밀부와 지지부들로 이루어진 가스켓을 형성하고 있으며, 상기 기밀부와 일체로 연결된 지지부들 사이의 유로 공간에서 상기 지지부들의 두께 방향으로 돌출 형성된 지지랜드를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 지지랜드는 상기 유로 공간으로 유입되는 유체를 유동시키기 위한 유동 통로를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 지지랜드는 상기 유로 공간에서 연결홀을 통해 유입된 유체를 유동시키기 위한 유동 통로를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 지지랜드는 상기 유로 공간에서 양단이 개방되며 상기 연결홀과 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 지지랜드는 상기 유동 통로를 통해 상기 연결홀과 연결되며, "ㄷ"의 단면 형태로서 상기 지지부들의 두께 방향으로 돌출 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 지지랜드의 돌출 높이는 상기 지지부 설계 압축량의 ±10%를 만족할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 지지부의 설계 압축량은 그 지지부의 두께 대비 20%를 만족할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 지지랜드의 너비는 그 지지랜드 두께의 50% 이상을 만족할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 지지랜드는 상기 연결홀과 지지부 끝단 사이의 거리 범위 내에서 일정한 길이로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 지지랜드는 상기 유로 공간에 대응하는 면에서 프레스 성형되어 이루어질 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은, 막-전극 어셈블리의 양측에 상술한 바와 같은 연료전지용 분리판이 밀착된 연료전지를 다수 개로 적층하여 전기 발생 집합체를 구성할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 가스켓 지지부들 사이의 유로 공간에서 지지랜드에 의해 기밀부의 기밀라인이 유로 공간으로 부풀어오르는 것을 막고, 반응기체 및 냉각수의 유동 공간을 확보할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 가스켓 지지부들 사이의 유로 공간으로 기밀부의 기밀라인이 부풀어올라 그 부풀어오르는 힘에 의해 분리판이 변형되는 것을 지지랜드로서 방지할 수 있으므로, 가스켓의 면압을 일정하게 유지시키며, 반응기체와 냉각수가 유출되는 것을 방지할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지용 분리판의 가스켓 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판이 적용되는 연료전지 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 일부를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 일부를 도시한 평면 및 정면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 작용 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

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.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판이 적용되는 연료전지 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 반응기체인 연료(수소가스) 및 산화제(공기)의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지들(11)(당 업계에서는 통상적으로 "단위 전지들" 및 "단위 셀들" 이라고도 한다)의 전기 발생 집합체(10)로 이루어진다. 예를 들면, 연료전지 스택(100)은 연료전지 차량에 채용되는 연료전지 시스템에 적용될 수 있다.

여기서, 상기 각각의 연료전지(11)는 막-전극 어셈블리(MEA)(13)를 사이에 두고 이의 양측에 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판(50)을 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.

이 경우 막-전극 어셈블리(13)의 애노드 전극 측에 밀착되는 분리판(50)은 산화극 플레이트로 정의할 수 있으며, 막-전극 어셈블리(13)의 캐소드 측에 밀착되는 분리판(50)은 환원극 플레이트로 정의할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판(50)은 금속 플레이트로 이루어지는 바, 막-전극 어셈블리(13)에 밀착되는 반응면에 반응기체를 유동시키는 반응기체 채널을 형성할 수 있으며, 그 반응면의 반대 쪽 면에는 냉각수를 유동시키는 냉각수 채널을 형성할 수 있다.

그리고, 상기 연료전지용 분리판(50)의 양측 가장자리에는 반응기체 및 냉각수를 반응기체 채널 및 냉각수 채널로 유출입시키기 위한 매니폴드(도면에 도시되지 않음)를 형성하고 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 일부를 도시한 사시도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판(50)은 이의 반응면 및 냉각면 가장자리 부분에 반응기체와 냉각수의 기밀을 유지하는 가스켓(60)을 형성하고 있다.

즉, 상기 가스켓(60)은 분리판(50)의 반응면으로 유동하는 반응기체와, 분리판(50)의 냉각면으로 유동하는 냉각수가 연료전지 스택(100)의 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.

이러한 가스켓(60)은 분리판(50)의 양면 가장자리 부분 및 반응기체와 냉각수를 유출입시키는 매니폴드(도면에 도시되지 않음)의 양면 가장자리 부분에 일체로 사출 성형될 수 있다.

예를 들면, 상기 가스켓(60)은 매니폴드의 가장자리를 실링하는 기밀라인으로서의 기밀부(61)와, 그 기밀부(61)에 일체로 연결되며 다수의 유로 공간(63)을 구획 형성하는 지지부들(65)로 이루어질 수 있다.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판(50)은 연료전지들(11)의 적층 시 가스켓(60)의 면압을 일정하게 유지시키며 반응기체와 냉각수의 기밀을 도모할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 분리판(50)은 가스켓 지지부들(65) 사이의 유로 공간(63)에서 기밀부(61)의 기밀라인이 그 유로 공간(63)으로 부풀어오르는 것을 막고 반응기체 및 냉각수의 유동 공간을 확보하기 위한 지지랜드(70)를 포함하고 있다.

즉, 상기 지지랜드(70)는 지지부들(65) 사이의 유로 공간(63)으로 기밀부(61)의 기밀라인이 부풀어올라 그 부풀어오르는 힘에 의해 분리판(50)이 변형되며, 그 변형 부위를 통해 반응기체와 냉각수가 유출되는 것을 방지하기 위한 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 일부를 도시한 평면 및 정면 구성도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 상기 지지랜드(70)는 가스켓 지지부들(65) 사이의 유로 공간(63)에서 그 지지부들(65)의 두께 방향(높이 방향)으로 돌출 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 지지랜드(70)는 유로 공간(63)에 대응하는 유로 면에서 프레스 성형되어 이루어질 수 있다.

즉, 상기 지지랜드(70)는 지지부들(65) 사이의 유로 공간(63)으로 유입되는 유체(반응기체 및 냉각수)의 유동 방향을 따라 그 유로 공간(63)에 대응하는 유로 면에서 지지부들(65)의 두께 방향으로 돌출 형성될 수 있다.

이러한 지지랜드(70)는 지지부들(65) 사이의 유로 공간(63)으로 유입되는 유체의 흐름을 방해하지 않고 그 유체를 유동시키기 위한 유동 통로(71)를 형성하고 있다.

상기 유동 통로(71)는 유로 공간(63)에서 연결홀(73)을 통해 유입된 유체를 유동시키기 위한 것으로, 그 유로 공간(63)에서 양단이 개방되며 연결홀(73)과 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 지지랜드(70)의 형상 및 구조를 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 지지랜드(70)는 유동 통로(71)를 통해 연결홀(73)과 연결되며, "ㄷ"자의 단면 형태로서 지지부들(65)의 두께 방향(높이 방향)으로 돌출 형성될 수 있다.

여기서, 상기 지지랜드(70)의 돌출 높이(두께)는, 지지부(65)의 설계 압축량이 그 지지부(65)의 두께 대비 20%인 경우, 지지부 설계 압축량의 ±10%를 만족할 수 있다.

이 경우, 상기 지지랜드(70)의 돌출 높이는 지지부(65)의 설계 압축량과 동일한 것이 이상적이나 분리판의 제작 공차 등을 고려하여 지지부 설계 압축량의 ±10%로 설정한 것이다.

상기 지지랜드(70)의 돌출 높이가 설정된 범위 보다 크면 지지부들(65)의 면압이 낮아져 기밀 불량을 유발할 수 있고, 그 지지랜드(70)의 돌출 높이가 설정된 범위 보다 작으면 지지부들(65) 사이의 유로 공간(63)으로 기밀부(61)의 기밀라인이 부풀어오르는 것을 방지할 수 없다.

그리고, 상기 지지랜드(70)의 너비는 그 지지랜드 두께의 50% 이상이 되도록 설정한다. 여기서, 상기 지지랜드(70)의 너비는 지지랜드(70)가 프레스 성형되어 이루어짐에 따라 그 너비가 지지랜드 두께 대비 50% 미만이 되면 지지랜드(70)의 두께가 작아지기 때문에, 지지랜드 두께의 50% 이상이 되도록 설정하는 것이다.

또한, 상기 지지랜드(70)는 위에서 언급한 바 있는 연결홀(73)과 지지부(65) 끝단 사이의 거리 범위 내에서 일정한 길이로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 지지랜드(70)의 길이는 연결홀(73)과 지지부(65) 끝단 사이의 거리 범위 내에서 다양하게 가변될 수 있다.

여기서, 상기 지지랜드(70)는 지지부들(65) 사이의 유로 공간(63)에서 일단이 연결홀(73)과 연결될 수 있는데, 다른 일단이 지지부(65)의 끝단을 넘어서지 않는 길이로 설정해야 한다. 이는 상기 지지랜드(70)의 길이가 연결홀(73)에서 지지부(65)의 끝단을 넘어서게 되면 반응기체 및 냉각수가 유출될 수 있기 때문이다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)의 분리판(50)에 의하면, 가스켓 지지부들(65) 사이의 유로 공간(63)에서 지지부들(65)의 두께 방향(높이 방향)으로 돌출 형성되는 지지랜드(70)를 구성할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 가스켓 지지부들(65) 사이의 유로 공간(63)에서 지지랜드(70)에 의해 기밀부(61)의 기밀라인이 유로 공간(63)으로 부풀어오르는 것을 막고, 반응기체 및 냉각수의 유동 공간을 확보할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 가스켓 지지부들(65) 사이의 유로 공간(63)으로 기밀부(61)의 기밀라인이 부풀어올라 그 부풀어오르는 힘에 의해 분리판(50)이 변형되는 것을 지지랜드(70)로서 방지할 수 있으므로, 가스켓(60)의 면압을 일정하게 유지시키며, 반응기체와 냉각수가 유출되는 것을 방지할 수 있다.

즉, 가스켓 지지부들(65) 사이의 유로 공간(63)에 지지랜드(70)를 형성한 본 발명의 실시예와, 지지랜드(70)를 형성하지 않은 비교예를 비교해 볼 때, 도 5에서와 같이 본 발명의 실시예에서는 가스켓(60)의 셀 피치 기준 20% 압축 시, 비교예 대비 기밀부(61)의 기밀라인 면압 평균이 약 1.6배 이상 증가한 것을 알 수 있으며, 최소 면압이 약 3.3배 이상 증가한 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 기밀부(61)의 기밀라인 최소 면압을 지지랜드(70)를 통해 증가시킴으로써 가스켓 기밀라인의 면압을 일정하게 유지할 수 있고, 이를 통해 반응기체와 냉각수의 기밀을 도모할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

10... 전기 발생 집합체 11... 연료전지
13... 막-전극 어셈블리 50... 분리판
60... 가스켓 61...기밀부
63... 유로 공간 65... 지지부
70... 지지랜드 71... 유동 통로
73... 연결홀

Claims (10)

1. 반응면 및 냉각면 가장자리에 기밀부와 지지부들로 이루어진 가스켓을 형성하고 있는 연료전지용 분리판에 있어서,
   상기 기밀부와 일체로 연결된 지지부들 사이의 유로 공간에서 상기 지지부들의 두께 방향으로 돌출 형성된 지지랜드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 지지랜드는,
   상기 유로 공간으로 유입되는 유체를 유동시키기 위한 유동 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 지지랜드는,
   상기 유로 공간에서 연결홀을 통해 유입된 유체를 유동시키기 위한 유동 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 지지랜드는,
   상기 유로 공간에서 양단이 개방되며 상기 연결홀과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 지지랜드는,
   상기 유동 통로를 통해 상기 연결홀과 연결되며, "ㄷ"의 단면 형태로서 상기 지지부들의 두께 방향으로 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
6. 제3 항에 있어서,
   상기 지지랜드의 돌출 높이는 상기 지지부 설계 압축량의 ±10%를 만족하며,
   상기 지지부의 설계 압축량은 그 지지부의 두께 대비 20%를 만족하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
7. 제3 항에 있어서,
   상기 지지랜드의 너비는 그 지지랜드 두께의 50% 이상을 만족하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
8. 제3 항에 있어서,
   상기 지지랜드는 상기 연결홀과 지지부 끝단 사이의 거리 범위 내에서 일정한 길이로 이루어지는 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 지지랜드는 상기 유로 공간에 대응하는 면에서 프레스 성형되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
10. 막-전극 어셈블리의 양측에 청구항 1 내지 9 중에서 선택되는 어느 한 항의 연료전지용 분리판이 밀착된 연료전지를 다수 개로 적층하여 전기 발생 집합체를 구성하는 연료전지 스택.

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