KR20210076309A - 연료전지용 탄성체 셀 프레임 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생성수의 배출을 원활하게 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 셀 프레임으로서, 고분자 전해질막의 일면에 애노드가 형성되고, 타면에 캐소드가 형성되는 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층으로 이루어진 인서트와; 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리를 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 상기 인서트의 테두리와 그 계면에서 접합되는 시트 형태로 구비되어 폭방향의 가장자리에 길이방향을 따라 상기 인서트에서 생성되는 생성수를 배출시키는 배출유로가 형성된 탄성체 프레임을 포함한다.

Description

연료전지용 탄성체 셀 프레임{Elastomeric cell frame for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 탄성체 셀 프레임에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생성수의 배출을 원활하게 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.
일반적인 연료전지의 단위셀은 가장 안쪽에 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 막전극접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)로 구성되어 있다.
또한, 상기 막전극접합체의 바깥 부분, 즉 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥 부분에는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 기체확산층의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치한다.
상기와 같은 구성으로 이루어지는 단위셀은 연료전지에서 원하는 수준의 출력을 발생시키기 위하여 다수개를 직렬로 적층시켜서 연료전지 스택을 구성한다. 연료전지 스택에는 다수개의 단위셀을 지지 및 고정시키기 위하여 단위셀들의 가장 바깥쪽에 엔드 플레이트가 결합된다.
한편, 종래에는 단위셀의 기밀 유지 및 적층 공정에서의 편의를 위하여 막전극접합체와 가스켓을 일체화시킨 막-전극-가스켓 접합체(Membrane-Electrode-Gasket Assembly, MEGA)를 제작하여 사용하기도 하였다.
또한, 최근에는 막전극접합체에 기체확산층을 접합한 인서트와 가스켓을 일체화시킨 일체형 프레임이 제안되기도 하였다.
하지만, 종래의 일체형 프레임은 플라스틱 재질의 프레임과 인서트를 접착제를 사용하여 접합시켰다. 또한, 종래의 일체형 프레임을 사용하여 단위셀을 제작하는 경우에 분리판과 일체형 프레임의 접착을 위하여 별도의 접착 부재 및 실링 부재가 필요하였다. 이러한 공정은 재료비용 및 생산비용을 상승시키는 원인이 되었다.
한편, 연료전지의 경우, 화학반응 결과 생성된 생성수들이 반응영역의 외곽부에 고여 막전극접합체(MEA)가 부식되는 문제가 있었다.
막전극접합체(MEA)의 부식은 연료전지의 내구성능에 크게 영향을 주는 것으로, 반드시 방지해야 할 요소이다.
일반적으로 연료전지에서 생성수를 효과적으로 배출하기 위하여 물을 빠져나가게 하기 위한 홈 구조를 형성한 경우가 많았다. 하지만 막전극접합체(MEA)이나 기체확산층(GDL)에 생성수가 배출되는 홈을 형성하여 생성수를 배출하거나, 금속분리판 상에 생성수를 모으는 방법의 경우, 여전히 생성수가 반응영역 상에 남아있는 문제가 있었다.
그리고 막전극접합체(MEA) 및 기체확산층(GDL)과 같은 얇은 층에 홈 구조를 제작하는 것은 실제로 구현하기가 매우 어렵고, 금속분리판에 포밍을 통해 구조를 제작할 경우에는 반응영역이 변경될 수 있다는 단점이 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
일본공개특허공보 제2004-327358호 (2004.11.18)
본 발명은 탄성체 프레임에 생성수의 배출을 위한 배출유로를 형성하여 생성수의 배출을 원활하게 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 셀 프레임으로서, 고분자 전해질막의 일면에 애노드가 형성되고, 타면에 캐소드가 형성되는 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층으로 이루어진 인서트와; 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리를 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 상기 인서트의 테두리와 그 계면에서 접합되는 시트 형태로 구비되어 폭방향의 가장자리에 길이방향을 따라 상기 인서트에서 생성되는 생성수를 배출시키는 배출유로가 형성된 탄성체 프레임을 포함한다.
상기 탄성체 프레임의 중앙영역에는 상기 인서트의 테두리가 안착되면서 배치되는 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀을 기준으로 길이방향 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유출입되는 복수의 제 1 매니폴드 관통홀이 형성되며, 길이방향 타측에는 반응가스 및 냉각수가 유출입되는 복수의 제 2 매니폴드 관통홀이 형성되고, 상기 탄성체 프레임의 양면에는 각각 상기 제 1 매니폴드 관통홀과 관통홀 사이에는 반응가스가 확산되면서 유출입되는 제 1 확산부가 형성되고, 상기 관통홀과 제 2 매니폴드 관통홀 사이에는 반응가스가 확산되면서 유출입되는 제 2 확산부가 형성되며, 상기 배출유로는 관통홀과 구분되도록 형성되어 상기 제 1 확산부와 제 2 확산부를 직접 연통시키는 것을 특징으로 한다.
상기 배출유로는 탄성체 프레임의 양면에서 서로 대응되는 위치에 각각 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 배출유로는 탄성체 프레임의 양면 중 애노드가 배치되는 일면에 형성되는 애노드측 배출유로와; 탄성체 프레임의 양면 중 캐소드가 배치되는 타면에 형성되는 캐소드측 배출유로로 구분되고, 상기 애노드측 배출유로와 캐소드측 배출유로는 서로 구조가 다른 것을 특징으로 한다.
상기 애노드측 배출유로는 상기 탄성체 프레임의 양면 중 애노드가 배치되는 일면에 형성되는 애노드측 제 1 확산부와 애노드측 제 2 확산부를 직접 연통시키는 메인 배출유로와 상기 메인 배출유로에서 길이방향을 따라 소정 간격 이격되어 상기 관통홀로 분기되는 분기 배출유로로 구분되는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 배출유로와 분기 배출유로는 한 쌍의 기체확산층 중 애노드와 접하는 애노드측 기체확산층과 직접 접하지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 배출유로는 반응가스의 유동 방향을 기준으로 반응가스가 배출되는 출구측 단부가 점점 폭이 넓어지는 디퓨져 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 배출유로는 반응가스의 유동 방향을 기준으로 반응가스가 배출되는 출구측으로 갈수록 점점 깊이가 깊어지는 형태로 형성되는 특징으로 한다.
상기 캐소드측 배출유로는 상기 탄성체 프레임의 양면 중 캐소드가 배치되는 타면에 형성되는 캐소드측 제 1 확산부와 캐소드측 제 2 확산부를 직접 연통시키도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 캐소드측 배출유로는 한 쌍의 기체확산층 중 캐소드와 접하는 캐소드측 기체확산층과 직접 접하는 것을 특징으로 한다.
상기 캐소드측 배출유로는 반응가스의 유동 방향을 기준으로 반응가스가 배출되는 출구측 단부가 점점 폭이 넓어지는 디퓨져 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 캐소드측 배출유로는 반응가스의 유동 방향을 기준으로 반응가스가 배출되는 출구측으로 갈수록 점점 깊이가 깊어지는 형태로 형성되는 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 반응영역에서 생성되는 생성수의 유동을 반응영역 이외의 영역으로 유도하여 MEA의 부식을 막을 수 있다.
둘째, 탄성체 프레임 상에 생성수를 배출하는 구조를 형성하여 별도로 금속분리판에 생성수의 배출을 위한 추가적인 구조를 형성할 필요가 없다.
셋째, 금속분리판의 추가적인 구조 변경이 필요하지 않기 때문에 반응영역을 최대한 유지할 수 있다.
넷째, 탄성체 프레임에 생성수를 배출시키는 배출유로를 형성하기 때문에 사출금형의 간단한 구조변경으로도 배출유로를 손쉽게 구현할 수 있다.
도 1은 탄성체 셀 프레임의 구성을 보여주는 도면이고,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성체 프레임의 애노드측 면을 보여주는 도면이며,
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성체 프레임의 캐소드측 면을 보여주는 도면이고,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성체 프레임의 요부 단면도를 보여주는 도면이며,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성체 프레임에서 생성수가 유동되는 모습을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
먼저, 본 발명의 설명을 위하여 탄성체 셀 프레임이 적용되는 단위셀에 대하여 설명한다.
도 1은 탄성체 셀 프레임의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 탄성체 셀 프레임은 막전극접합체(10)와 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층(20)이 접합된 인서트가 마련되고, 열융착에 의해 인서트의 외곽영역에 일체로 형성되는 탄성체 프레임(40)을 포함한다. 그리고, 막전극접합체(10) 및 한 쌍의 기체확산층(20)과 일체로 형성된 탄성체 프레임(40)의 양면으로 반응가스를 공급하고 반응에 의해 발생된 생성수를 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 한 쌍의 분리판(30a, 30b)이 위치한다.
인서트는 막전극접합체(10)와 한 쌍의 기체확산층(20)을 적층시킨 접합체로서, 바람직하게는 막전극접합체(10)의 일면 및 타면에 기체확산층(20)이 각각 배치되어 적층된다. 이때 막전극접합체(10)는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(11)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 애노드(anode; 12) 및 캐소드(cathode; 13)으로 구성되어 있다.
탄성체 프레임(40)은 인서트의 기밀 유지 및 적층 공정에서의 편의를 위하여 인서트의 외곽영역에 일체로 형성되는 수단으로서, 탄성체 프레임(40)은 소정의 형상을 유지하면서 별도의 접착부재 없이 열융착에 의해 접합하기 위하여 열가소성 탄성체(TPE; Thermo Plastic Elastomer)로 형성된다.
이때 열가소성 탄성체(TPE)는 수지계 하드 세그먼트(Hard-segment)와 고무계 소프트 세그먼트(Soft-segment)로 형성될 수 있다. 그래서 수지계 하드 세그먼트는 탄성체 프레임(40)의 열융착에 기여하고, 소프트 세그먼트는 탄성 및 형태 유지에 기여한다.
그래서, 열가소성 탄성체(TPE)로는 스타이렌계, 올레핀계, 우레탄계, 아미드계, 폴리에스테계 등을 적용할 수 있고, 바람직하게는 폴리올레핀계 열가소성 탄성체(TPE)를 적용할 수 있다. 그러면, 수지계 하드 세그먼트(Hard-segment)는 PE, PP 등의 폴리올레핀 수지로 형성되고, 고무계 소프트 세그먼트(Soft-segment)는 EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer Rubber) 등의 올레핀계 고무로 형성될 수 있다.
한편, 탄성체 프레임(40)은 인서트의 외곽영역에서 인서트의 테두리 양면 중 어느 한 면과 측면을 둘러싸도록 배치되고, 인서트의 테두리 양면 중 어느 한 면 및 측면으로 노출되는 막전극접합체(10) 및 기체확산층(20)과 그 계면에서 열융착되어 일체로 형성된다. 여기서 인서트의 '외곽영역'이란 인서트의 가장자리 영역과 그 주변의 공간을 포함하는 영역을 의미하고, 인서트의 '테두리'란 인서트의 가장자리 영역을 의미한다.
탄성체 프레임(40)은 인서트의 테두리 일면 및 측면에서 대면되면서, 인서트의 외곽영역을 둘러싸도록 배치된다. 특히, 탄성체 프레임(40)에는 인서트와의 기밀한 접착을 위하여 인서트와의 계면을 확장시킬 수 있다.
예를 들어, 탄성체 프레임(40)에는 인서트가 배치되는 인서트 관통홀(41)이 형성되고, 인서트 관통홀(41)의 내주면에는 인서트의 일면 및 측면을 감싸는 단턱부(44)가 형성된다.
이에 따라, 인서트와 탄성체 프레임(40) 사이에는 각각 계면에 열융착에 의한 융착부가 형성되어 상호 간에 견고한 접합 및 일체화가 이루어진다.
그리고, 탄성체 프레임(40)에는 인서트, 즉 막전극접합체(10) 및 기체확산층(20)에 의해 형성되는 반응영역으로 반응가스 및 냉각수를 유입시키고 배출시키는 매니폴드를 형성하기 위한 유입매니폴드 관통홀(42)과 배출매니폴드 관통홀(43)이 형성된다.
한편, 분리판(30a, 30b)은 금속지지역할을 하는 랜드와, 유체의 흐름 경로가 되는 채널(유로)이 반복 형성된 구조로 제작되는 것이 일반적이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 탄성체 셀 프레임에 대하여 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하겠다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성체 프레임의 애노드측 면을 보여주는 도면이며, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성체 프레임의 캐소드측 면을 보여주는 도면이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성체 프레임의 요부 단면도를 보여주는 도면이다. 이때 도 3a는 도 2a의 A-A선에 대한 단면을 보여주고, 도 3b는 도 2a의 B-B선에 대한 단면을 보여준다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성체 셀 프레임은 도 1을 참조하여 설명한 탄성체 셀 프레임(40)과 마찬가지로 고분자 전해질막(11)의 일면에 애노드(12)가 형성되고, 타면에 캐소드(13)가 형성되는 막전극접합체(10)와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층(20a, 20b)이 접합된 인서트와; 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리를 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 상기 인서트의 테두리와 그 계면에서 접합되는 시트 형태로 구비되는 탄성체 프레임(100)을 포함한다.
인서트는 도 1을 참조하여 설명한 탄성체 셀 프레임을 구성하는 인서트와 그 구성이 동일하기 때문에 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
탄성체 프레임(100)도 마찬가지로 도 1을 참조하여 설명한 탄성체 셀 프레임을 구성하는 탄성체 프레임(40)과 그 구성이 유사하기 때문에 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
탄성체 프레임(100)은 중앙영역에 인서트의 테두리가 안착되면서 배치되는 인서트 관통홀(101)이 형성된다. 그리고, 인서트 관통홀(101)을 기준으로 길이방향 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유출입되는 복수의 제 1 매니폴드 관통홀(110)이 형성되며, 길이방향 타측에는 반응가스 및 냉각수가 유출입되는 복수의 제 2 매니폴드 관통홀(120)이 형성된다.
여기서 탄성체 프레임(100)의 길이방향은 탄성체 프레임에서 반응가스 및 냉각수가 유동되는 방향을 의미하는 것이고, 후술되는 탄성체 프레임(100)의 폭방향은 탄성체 프레임(100)의 길이방향에 수직인 방향을 의미한다. 도 2a 및 도 2b에서 길이방향은 "y"방향을 의미하고, 폭방향은 "x"방향을 의미한다.
또한, 탄성체 프레임(100)의 양면에는 각각 제 1 매니폴드 관통홀(110)과 인서트 관통홀(101) 사이에는 반응가스가 확산되면서 유출입되는 제 1 확산부(102a, 102b)가 형성되고, 인서트 관통홀(101)과 제 2 매니폴드 관통홀(120) 사이에는 반응가스가 확산되면서 유출입되는 제 2 확산부(103a, 103b)가 형성된다.
한편, 본 발명에 따른 탄성체 프레임(100)의 폭방향 가장자리에는 길이방향을 따라 인서트에서 생성되는 생성수를 배출시키는 배출유로(130, 140)가 형성된다.
이때 배출유로(130, 140)는 인서트 관통홀(101)과 구분되도록 형성되어 상기 제 1 확산부(102a, 102b)와 제 2 확산부(103a, 103b)를 직접 연통시킨다. 그래서 제 1 확산부(102a, 102b)와 제 2 확산부(103a, 103b)를 통하여 유동되는 반응가스의 압력을 직접 전달받아 배출유로 상의 생성수를 원활하게 유동시킬 수 있다.
한편, 탄성체 프레임(100)은 애노드(12)가 배치되는 일면과 캐소드(13)가 배치되는 타면의 구조에 차이가 있다. 또한 애노드(12)와 캐소드(13)에서 생성되는 생성수의 양과 흐름도 차이가 있다.
이에 따라 탄성체 프레임(100)의 양면에 형성되는 배출유로(130, 140)는 탄성체 프레임(100)의 양면 중 애노드(12)가 배치되는 일면에 형성되는 애노드측 배출유로(130)와; 탄성체 프레임(100)의 양면 중 캐소드(13)가 배치되는 타면에 형성되는 캐소드측 배출유로(140)로 구분된다. 그리고, 애노드측 배출유로(130)와 캐소드측 배출유로(140)는 서로 다른 구조로 형성하는 것이 바람직하다.
다만, 생성수는 중력의 영향을 많이 받기 때문에 탄성체 프레임(100)의 양면에 형성되는 배출유로(130, 140), 즉 애노드측 배출유로(130)와 캐소드측 배출유로(140)는 탄성체 프레임(100)의 양면에서 서로 대응되는 위치에 각각 형성된다. 바람직하게는 탄성체 프레임(100)이 연료전지용 단위 셀을 구성하기 위하여 설치되는 경우에 중력방향을 기준으로 하부 방향의 폭방향 가장자리에는 배출유로(130, 140)를 형성하는 것이 좋다.
이하에서는 탄성체 프레임(100)의 양면을 구분하여 설명한다.
먼저, 탄성체 프레임(100)의 양면 중 애노드(12)가 배치되는 일면에 대하여 설명한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 탄성체 프레임(100)의 일면에는 각각 제 1 매니폴드 관통홀(110)과 인서트 관통홀(101) 사이에는 반응가스가 확산되면서 유출입되는 애노드측 제 1 확산부(102a)가 형성되고, 인서트 관통홀(101)과 제 2 매니폴드 관통홀(120) 사이에는 반응가스가 확산되면서 유출입되는 애노드측 제 2 확산부(103a)가 형성된다.
그래서, 애노드측 배출유로(130)는 애노드측 제 1 확산부(102a)와 애노드측 제 2 확산부(103a)를 연결시키도록 형성된다.
이때 애노드측 배출유로(130)는 애노드측 제 1 확산부(102a)와 애노드측 제 2 확산부(103a)를 직접 연통시키는 메인 배출유로(131)와, 메인 배출유로(131)에서 길이방향을 따라 소정 간격 이격되어 인서트 관통홀(101)로 분기되는 분기 배출유로(132)로 구분된다.
한편, 분기 배출유로(132)는 애노드측 반응영역(101a)에서 생성된 생성수가 메인 배출유로(131)로 손쉽게 빠져나오도록 하는 역할을 하는 유로이다. 이를 위하여 분기 배출유로(132)는 인서트가 배치되는 인서트 관통홀(101)과 연통되도록 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 도 2a에서 알 수 있듯이, 메인 배출유로(131)는 반응가스의 유동 방향을 기준으로 반응가스가 배출되는 출구측 단부가 점점 폭이 넓어지는 디퓨져 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 그래서 생성수의 배출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 메인 배출유로(131)는 반응가스의 유동 방향을 기준으로 반응가스가 배출되는 출구측으로 갈수록 점점 깊이가 깊어지는 형태로 형성시킬 수 있다. 그래서 생성수의 배출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
다음으로, 탄성체 프레임(100)의 양면 중 캐소드(13)가 배치되는 타면에 대하여 설명한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 탄성체 프레임(100)의 타면에는 각각 제 1 매니폴드 관통홀(110)과 인서트 관통홀(101) 사이에는 반응가스가 확산되면서 유출입되는 캐소드측 제 1 확산부(102b)가 형성되고, 인서트 관통홀(101)과 제 2 매니폴드 관통홀(120) 사이에는 반응가스가 확산되면서 유출입되는 캐소드측 제 2 확산부(103b)가 형성된다.
그래서, 캐소드측 배출유로(140)는 캐소드측 반응영역(101b)에서 생성된 생성수를 외부로 손쉽게 빠져나오도록 하는 역할을 하는 유로로서, 캐소드측 제 1 확산부(102b)와 캐소드측 제 2 확산부(103b)를 연결시키도록 형성된다.
다만, 캐소드측 배출유로(140)는 캐소드측 기체확산층(20b)과 직접 접하도록 형성한다. 그래서 캐소드(13)에서 생성되는 생성수가 캐소드측 기체확산층(20b)으로 유동된 다음 직접 캐소드측 배출유로(140)로 유입되어 원활하게 배출되도록 한다.
그리고, 도 2b서 알 수 있듯이, 캐소드측 배출유로(140)는 반응가스의 유동 방향을 기준으로 반응가스가 배출되는 출구측 단부가 점점 폭이 넓어지는 디퓨져 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 그래서 생성수의 배출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 캐소드측 배출유로(140)는 반응가스의 유동 방향을 기준으로 반응가스가 배출되는 출구측으로 갈수록 점점 깊이가 깊어지는 형태로 형성시킬 수 있다. 그래서 생성수의 배출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
다음으로, 도면을 참조하여 탄성체 프레임에서 생성수가 유동되는 모습을 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성체 프레임에서 생성수가 유동되는 모습을 보여주는 도면이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이 캐소드(13)에서 생성된 생성수는 캐소드측 기체확산층(20b)과 직접 접하도록 형성한다. 그래서 캐소드(13)에서 생성되는 생성수가 캐소드측 기체확산층(20b)으로 유동된 다음 직접 캐소드측 배출유로(140)로 유입되어 원활하게 배출되도록 한다.
이때 캐소드측 분리판(30b)의 단부가 탄성체 프레임(100)에 테두리에 거치되는 형태로 배치되기 때문에 캐소드측 분리판(30b)의 단부 영역 응력을 탄성체 프레임(100)에서 흡수하여 전해질막(11)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이 애노드(12)에서 생성된 생성수는 분기 배출유로(132)를 통하여 메인 배출유로(131)로 유동된 다음 메인 배출유로(131)의 양단 사이 차압에 의해 출구방향으로 생성수가 이동된다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 막전극접합체 11: 전해질막
12: 애노드 13: 캐소드
20: 기체확산층 30a, 30b: 분리판
100: 탄성체 프레임 101: 인서트 관통홀
101a: 애노드측 반응영역 101b: 캐소드측 반응영역
102a: 애노드측 제 1 확산부 102b: 캐소드측 제 1 확산부
103a: 애노드측 제 2 확산부 103b: 캐소드측 제 2 확산부
110: 제 1 매니폴드 관통홀 120: 제 2 매니폴드 관통홀
130: 애노드측 배출유로 131: 메인 배출유로
132: 분기 배출유로 140: 캐소드측 배출유로

Claims (12)

  1. 연료전지의 단위 셀을 구성하는 셀 프레임으로서,
    고분자 전해질막의 일면에 애노드가 형성되고, 타면에 캐소드가 형성되는 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층으로 이루어진 인서트와;
    상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리를 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 상기 인서트의 테두리와 그 계면에서 접합되는 시트 형태로 구비되어 폭방향의 가장자리에 길이방향을 따라 상기 인서트에서 생성되는 생성수를 배출시키는 배출유로가 형성된 탄성체 프레임을 포함하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성체 프레임의 중앙영역에는 상기 인서트의 테두리가 안착되면서 배치되는 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀을 기준으로 길이방향 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유출입되는 복수의 제 1 매니폴드 관통홀이 형성되며, 길이방향 타측에는 반응가스 및 냉각수가 유출입되는 복수의 제 2 매니폴드 관통홀이 형성되고,
    상기 탄성체 프레임의 양면에는 각각 상기 제 1 매니폴드 관통홀과 관통홀 사이에는 반응가스가 확산되면서 유출입되는 제 1 확산부가 형성되고, 상기 관통홀과 제 2 매니폴드 관통홀 사이에는 반응가스가 확산되면서 유출입되는 제 2 확산부가 형성되며,
    상기 배출유로는 관통홀과 구분되도록 형성되어 상기 제 1 확산부와 제 2 확산부를 직접 연통시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 배출유로는 탄성체 프레임의 양면에서 서로 대응되는 위치에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 배출유로는 탄성체 프레임의 양면 중 애노드가 배치되는 일면에 형성되는 애노드측 배출유로와; 탄성체 프레임의 양면 중 캐소드가 배치되는 타면에 형성되는 캐소드측 배출유로로 구분되고,
    상기 애노드측 배출유로와 캐소드측 배출유로는 서로 구조가 다른 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 애노드측 배출유로는 상기 탄성체 프레임의 양면 중 애노드가 배치되는 일면에 형성되는 애노드측 제 1 확산부와 애노드측 제 2 확산부를 직접 연통시키는 메인 배출유로와 상기 메인 배출유로에서 길이방향을 따라 소정 간격 이격되어 상기 관통홀로 분기되는 분기 배출유로로 구분되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 메인 배출유로와 분기 배출유로는 한 쌍의 기체확산층 중 애노드와 접하는 애노드측 기체확산층과 직접 접하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 메인 배출유로는 반응가스의 유동 방향을 기준으로 반응가스가 배출되는 출구측 단부가 점점 폭이 넓어지는 디퓨져 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 메인 배출유로는 반응가스의 유동 방향을 기준으로 반응가스가 배출되는 출구측으로 갈수록 점점 깊이가 깊어지는 형태로 형성되는 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 캐소드측 배출유로는 상기 탄성체 프레임의 양면 중 캐소드가 배치되는 타면에 형성되는 캐소드측 제 1 확산부와 캐소드측 제 2 확산부를 직접 연통시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 캐소드측 배출유로는 한 쌍의 기체확산층 중 캐소드와 접하는 캐소드측 기체확산층과 직접 접하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 캐소드측 배출유로는 반응가스의 유동 방향을 기준으로 반응가스가 배출되는 출구측 단부가 점점 폭이 넓어지는 디퓨져 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 캐소드측 배출유로는 반응가스의 유동 방향을 기준으로 반응가스가 배출되는 출구측으로 갈수록 점점 깊이가 깊어지는 형태로 형성되는 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
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