KR20220092062A - 공냉식 연료전지용 분리판 조립체 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 냉각수가 유동되는 매니폴드를 삭제하고, 가스켓을 활용하여 면압과 접촉면적을 유지하면서 냉각용 공기가 유동되는 냉각공기 유로를 형성하는 공냉식 연료전지용 분리판 조립체 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다
본 발명의 일 실시형태에 따른 공냉식 연료전지용 분리판 조립체는 일면으로 반응면이 형성되고, 타면으로 냉각면이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드가 형성되는 캐소드 분리판과; 일면으로 반응면이 형성되고, 타면으로 냉각면이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드가 형성되는 애노드 분리판을 포함하고, 상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면이 대면되어 접합되며, 상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면 중 적어도 어느 하나의 분리판의 냉각면에는 복수의 입구 매니폴드와 출구 매니폴드를 각각 둘러싸서 실링하는 링 형태의 복수의 제 1 가스켓이 형성되어 서로 인접하는 제 1 가스켓 사이로 냉각면을 냉각시키는 냉각용 공기가 유동되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 공냉식 연료전지용 분리판 조립체는 일면으로 반응면이 형성되고, 타면으로 냉각면이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드가 형성되는 캐소드 분리판과; 일면으로 반응면이 형성되고, 타면으로 냉각면이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드가 형성되는 애노드 분리판을 포함하고, 상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면이 대면되어 접합되며, 상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면 중 적어도 어느 하나의 분리판의 냉각면에는 복수의 입구 매니폴드와 출구 매니폴드를 각각 둘러싸서 실링하는 링 형태의 복수의 제 1 가스켓이 형성되어 서로 인접하는 제 1 가스켓 사이로 냉각면을 냉각시키는 냉각용 공기가 유동되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 공냉식 연료전지용 분리판 조립체 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각수가 유동되는 매니폴드를 삭제하고, 가스켓을 활용하여 면압과 접촉면적을 유지하면서 냉각용 공기가 유동되는 냉각공기 유로를 형성하는 공냉식 연료전지용 분리판 조립체 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 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.
도 1b는 일체화된 종래의 분리판을 보여주는 도면이다.
도 1a에서 알 수 있듯이, 일반적인 연료전지 스택은 가장 안쪽에 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 막전극 접합체(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 연료극(12: anode) 및 공기극(13: cathode)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 막전극 접합체(10)의 바깥 부분, 즉 연료극(12) 및 공기극(13)이 위치한 바깥 부분에는 한 쌍의 가스확산층(20, GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 가스확산층(20)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 한 쌍의 분리판(30)이 가스켓(40, Gasket)을 사이에 두고 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트(50, End plate)가 결합된다.
이때 한 쌍의 분리판(30)은 연료극(anode)에 배치되는 애노드 분리판(31)과 공기극(cathode)에 배치되는 캐소드 분리판(32)으로 구분된다.
한편, 연료전지 스택은 다수의 단위 셀이 적층되어 이루어지는데, 이때 어느 하나의 단위 셀에 배치되는 애노드 분리판(31)은 상기 어느 하나의 단위 셀에 인접배치되는 단위 셀의 캐소드 분리판(32)과 맞대어지도록 배치되어 적층된다.
이에 따라 단위 셀의 적층 공정을 원활하게 실시하고, 각 단위 셀들의 정렬을 유지하기 위하여 서로 맞대어지도록 배치되는 서로 인접되는 단위 셀의 캐소드 분리판(32)과 애노드 분리판(31)을 일체화하여 단위 셀을 적층시킨다.
도 1b는 종래의 분리판을 보여주는 도면이다.
도 1b에 알 수 있듯이 종래의 분리판(30)은 중앙 영역에 막전극 접합체가 배치되는 반응면이 형성되고, 반응면의 양측 영역으로 복수의 입구 매니폴드(33a, 33b, 33c) 및 출구 매니폴드(34a, 34b, 34c)가 형성된다. 이때 반응면, 입구 매니폴드(33a, 33b, 33c) 및 출구 매니폴드(34a, 34b, 34c)의 실링을 위하여 가스켓(40)을 이용하여 반응면, 입구 매니폴드(33a, 33b, 33c) 및 출구 매니폴드(34a, 34b, 34c)가 형성되는 영역을 둘러싼다.
한편, 서로 인접되는 단위 셀의 캐소드 분리판(32)과 애노드 분리판(31)의 사이에는 냉각유로가 형성되어 냉각수가 유동된다.
이에 따라 캐소드 분리판(32)과 애노드 분리판(31)에는 반응가스용 공기와 수소가 유동되는 입구 매니폴드(33a, 33c) 및 출구 매니폴드(34a, 34c)와 함께 냉각수가 유동되는 입구 매니폴드(33b) 및 출구 매니폴드(34b)가 필수적으로 형성된다.
이렇게 캐소드 분리판(32)과 애노드 분리판(31) 사이로 유동되는 냉각수는 연료전지를 냉각시키는 역할을 하지만, 가스켓의 변형 및 손상이 발생하였을 때 실링 상태가 해제되면서 냉각수가 유출되는 문제가 발생할 수 있다.
그래서, 최근에는 공냉식 연료전지에 대한 연구가 이루어지고 있다.
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.
본 발명은 냉각수가 유동되는 매니폴드를 삭제하고, 가스켓을 활용하여 면압과 접촉면적을 유지하면서 냉각용 공기가 유동되는 냉각공기 유로를 형성하는 공냉식 연료전지용 분리판 조립체 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 공냉식 연료전지용 분리판 조립체는 일면으로 반응면이 형성되고, 타면으로 냉각면이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드가 형성되는 캐소드 분리판과; 일면으로 반응면이 형성되고, 타면으로 냉각면이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드가 형성되는 애노드 분리판을 포함하고, 상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면이 대면되어 접합되며, 상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면 중 적어도 어느 하나의 분리판의 냉각면에는 복수의 입구 매니폴드와 출구 매니폴드를 각각 둘러싸서 실링하는 링 형태의 복수의 제 1 가스켓이 형성되어 서로 인접하는 제 1 가스켓 사이로 냉각면을 냉각시키는 냉각용 공기가 유동되는 것을 특징으로 한다.
상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면 중 상기 제 1 가스켓이 형성되는 분리판의 냉각면에는 복수의 입구 매니폴드와 출구 매니폴드 사이 영역을 실링하도록 냉각면을 둘러싸는 라인 형태의 제 2 가스켓이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 가스켓은 한 쌍이 형성되어, 복수의 입구 매니폴드 중 양측 최외각의 입구 매니폴드와 복수의 출구 매니폴드 중 양측 최외각의 출구 매니폴드를 둘러싸는 제 1 가스켓에 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 캐소드 분리판의 반응면과 애노드 분리판의 반응면에는 복수의 입구 매니폴드 사이와 출구 매니폴드 사이에 상기 제 1 가스켓이 형성되는 위치와 대응되는 위치에 라인 형태의 제 3 가스켓이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 캐소드 분리판에 형성되는 복수의 입구 매니폴드 중 일부는 반응가스용 공기가 유동되어 캐소드 분리판의 반응면으로 반응가스용 공기를 유동시키는 캐소드 공기 입구 매니폴드이고, 나머지는 반응가스용 수소가 유동되는 캐소드 수소 입구 매니폴드이며, 상기 캐소드 분리판의 반응면에는 상기 캐소드 수소 입구 매니폴드와 그 사이에 형성된 제 3 가스켓 및 상기 캐소드 수소 출구 매니폴드와 그 사이에 형성된 제 3 가스켓을 둘러싸서 상기 캐소드 수소 입구 매니폴드 및 캐소드 수소 출구 매니폴드의 둘레를 실링하는 제 4 가스켓이 형성되는 것을 특징을 한다.
상기 애노드 분리판에 형성되는 복수의 입구 매니폴드 중 일부는 반응가스용 수소가 유동되는 되어 애노드 분리판의 반응면으로 수소를 유동시키는 애노드 수소 입구 매니폴드이고, 나머지는 반응가스용 공기가 유동되는 애노드 공기 입구 매니폴드이며, 상기 애노드 분리판의 반응면에는 상기 애노드 공기 입구 매니폴드와 그 사이에 형성된 제 3 가스켓을 둘러싸서 상기 애노드 공기 입구 매니폴드의 둘레를 실링하는 제 5 가스켓이 형성되는 것을 특징을 한다.
상기 캐소드 분리판의 반응면과 애노드 분리판의 반응면에는 복수의 입구 매니폴드와 출구 매니폴드가 형성된 영역과 그 사이 영역을 실링하도록 반응면을 둘러싸는 링 형태의 제 6 가스켓이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판에는 냉각수가 유입되는 입구 매니폴드와 냉각수가 배출되는 출구 매니폴드가 형성되지 않은 것을 특징으로 한다.
상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판의 반응면에는 반응가스가 일측에 형성된 복수의 입구 매니폴드로 유입되어 타측에 형성된 복수의 출구 매니폴드 방향으로 유동되도록 복수의 입구 매니폴드에서 복수의 출구 매니폴드 방향으로 음각구조를 갖는 복수의 반응가스 유로가 나란하게 형성되고, 상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판의 냉각면에서는 음각구조를 갖는 복수의 반응가스 유로에 의해 반응가스 유로 사이에 냉각용 공기가 유동되는 복수의 냉각공기 유로가 형성되며, 상기 반응가스 유로와 냉각공기 유로는 서로 평행하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택은 막전극 접합체와, 한 쌍의 가스확산층 및 캐소드 분리판과 애노드 분리판으로 이루어지는 다수의 연료전지 셀이 적층되어 형성되는 연료전지 스택으로서, 캐소드 분리판은 일면으로 반응면이 형성되고, 타면으로 냉각면이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드가 형성되고, 애노드 분리판은 일면으로 반응면이 형성되고, 타면으로 냉각면이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드가 형성되며, 상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면이 대면되어 조립되고, 상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면 중 적어도 어느 하나의 분리판의 냉각면에는 복수의 입구 매니폴드와 출구 매니폴드를 각각 둘러싸서 실링하는 링 형태의 복수의 제 1 가스켓이 형성되어 서로 인접하는 가스켓 사이로 냉각면을 냉각시키는 냉각용 공기가 유동되는 것을 특징으로 한다.
상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면 중 상기 제 1 가스켓이 형성되는 분리판의 냉각면에는 복수의 입구 매니폴드와 출구 매니폴드 사이 영역을 실링하도록 냉각면을 둘러싸는 라인 형태의 제 2 가스켓이 형성되고, 상기 제 2 가스켓은 한 쌍이 형성되어, 복수의 입구 매니폴드 중 양측 최외각의 입구 매니폴드와 복수의 출구 매니폴드 중 양측 최외각의 출구 매니폴드를 둘러싸는 제 1 가스켓에 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판의 반응면에는 반응가스가 일측에 형성된 복수의 입구 매니폴드로 유입되어 타측에 형성된 복수의 출구 매니폴드 방향으로 유동되도록 복수의 입구 매니폴드에서 복수의 출구 매니폴드 방향으로 음각구조를 갖는 복수의 반응가스 유로가 나란하게 형성되고, 상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판의 냉각면에서는 음각구조를 갖는 복수의 반응가스 유로에 의해 반응가스 유로 사이에 냉각용 공기가 유동되는 복수의 냉각공기 유로가 형성되며, 상기 반응가스 유로와 냉각공기 유로는 서로 평행하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 종래의 연료전지 구조와 유사한 구조의 분리판을 채택하여 반응면의 면압을 종래와 같은 수준으로 유지하면서, 냉각수가 유입 및 배출되는 냉각수 매니폴드를 삭제할 수 있기 때문에 반응면 매니폴드 공간 확보를 통하여 반응면적 상승 및 반응기체 확산 유로 폭을 저감시킬 수 있고, 이에 따라 연료전지의 출력밀도를 향상시킬 수 있다.
분리판의 반응면에 형성되는 유로의 음각구조를 활용하여 분리판의 냉각면에 냉각용 공기가 유동되는 냉각유로를 형성함으로써 셀 피치를 저감할 수 있고, 이에 따라 연료전지의 출력밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1a는 일반적인 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이고,
도 1b는 일체화된 종래의 분리판을 보여주는 도면이며,
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택을 보여주는 개념도이고,
도 2b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 요부를 보여주는 개념도이며,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시형태에 따른 공냉식 연료전지용 분리판 조립체를 개별적으로 보여주는 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 공냉식 연료전지용 분리판 조립체의 조립시 상태를 보여주는 도면이다.
도 1b는 일체화된 종래의 분리판을 보여주는 도면이며,
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택을 보여주는 개념도이고,
도 2b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 요부를 보여주는 개념도이며,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시형태에 따른 공냉식 연료전지용 분리판 조립체를 개별적으로 보여주는 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 공냉식 연료전지용 분리판 조립체의 조립시 상태를 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 도 1에 도시된 종래의 연료전지 스택 구성을 유지하면서 서로 대면되는 분리판의 구조를 공냉식으로 개선한 것이다. 이에 따라 분리판에 형성되는 냉각수용 매니폴드를 삭제할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 도 1에 도시된 바와 같이 막전극 접합체(10)와, 한 쌍의 가스확산층(20) 및 애노드 분리판(31, 이하 도면 부호 "200"으로 도시함)과 캐소드 분리판(32, 도면 부호 "300"으로 도시함)을 포함하여 단위 셀을 구성하고, 단위 셀이 수개 직렬로 연결되어 구성된다. 따라서, 하나의 셀에 구성되는 애노드 분리판(200)은 그에 인접되는 셀에 구성되는 캐소드 분리판(300)과 서로 대면되어 배치되는데, 본 실시예에서는 서로 대면되는 애노드 분리판(200)의 냉각면(C)과 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)을 서로 접합하여 분리판 조립체를 구성한다.
분리판 조립체에 대하여 부연하여 설명한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택을 보여주는 개념도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 요부를 보여주는 개념도이며, 도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시형태에 따른 공냉식 연료전지용 분리판 조립체를 개별적으로 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 공냉식 연료전지용 분리판 조립체의 조립시 상태를 보여주는 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료전지용 분리판 조립체는 일면으로 반응면(R)이 형성되고, 타면으로 냉각면(C)이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드(310a, 310b)가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드(320a, 320b)가 형성되는 캐소드 분리판(300)과; 일면으로 반응면(R)이 형성되고, 타면으로 냉각면(C)이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드(210a, 210b)가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드(220a, 220b)가 형성되는 애노드 분리판(200)을 포함한다.
그래서, 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)과 애노드 분리판(200)의 냉각면(C)이 대면되어 접합된다. 특히, 도 2b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 요부를 보여주는 개념도로서, 도 2b는 분리판 조립체의 길이방향 단면을 보여주는 도면이다. 여기서 길이방향이라 함은 캐소드 분리판(300)과 애노드 분리판(200)의 일측에 형성된 입구 매니폴드(210a, 210b, 310a, 310b)에서 타측에 형성된 출구 매니폴드(220a, 220b, 320a, 320b)를 향하는 방향을 의미한다.
도 2b에 도시된 바와 같이 캐소드 분리판(300)의 반응면(R)과 애노드 분리판(200)의 반응면(R)에는 반응가스가 일측에 형성된 복수의 입구 매니폴드(210a, 210b, 310a, 310b)로 유입되어 타측에 형성된 복수의 출구 매니폴드(220a, 220b, 320a, 320b) 방향으로 유동되도록 복수의 입구 매니폴드(210a, 210b, 310a, 310b)에서 복수의 출구 매니폴드(220a, 220b, 320a, 320b) 방향으로 음각구조를 갖는 복수의 반응가스 유로(200a. 300a)가 나란하게 형성된다. 이때 반응가스 유로(200a, 300a)를 형성하는 음각구조는 종래의 분리판에 적용되는 채널과 랜드 구조가 서로 반복되어 형성되는 구조를 의미한다.
이에 따라 캐소드 분리판(300)와 애노드 분리판(200)의 냉각면(C)에서는 음각구조를 갖는 복수의 반응가스 유로(200a, 300a)에 의해 반응가스 유로(200a, 300a) 사이에 냉각용 공기(Air2)가 유동되는 복수의 냉각공기 유로(200b, 300b)가 형성된다.
그래서, 반응가스 유로(200a, 300a)와 냉각공기 유로(200b, 300b)는 캐소드 분리판(300) 및 애노드 분리판(200)의 양면에서 서로 평행하게 형성된다. 이에 따라 반응가스 유로(200a, 300a)를 통하여 유동되는 반응가스용 수소(H) 및 공기(Air1)의 유동 방향과 냉각용 공기(Air2)의 유동 방향이 동일한 방향성을 갖는다. 그래서, 반응가스 유로(200a, 300a)끼리의 피치와 냉각공기 유로(200b, 300b)끼리의 피치를 저감시킬 수 있고, 이에 따라 연료전지 스택의 출력밀도을 상승시킬 수 있다.
한편, 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)과 애노드 분리판(200)의 냉각면(C) 중 적어도 어느 하나의 분리판의 냉각면(C)과, 캐소드 분리판(300)의 반응면(R) 및 애노드 분리판(200)의 반응면에는 가스켓(400)을 이용하여 반응가스(H, Air1)과 냉각용 공기(Air2)가 유동되는 유로를 확보하면서, 그 주변을 실링시킨다.
먼저, 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)과 애노드 분리판(200)의 냉각면(C) 중 적어도 어느 하나의 분리판의 냉각면(C)에 형성되는 가스켓(400)에 대하여 설명한다. 이때 서로 대면되는 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)과 애노드 분리판(200)의 냉각면(C) 사이로 냉각용 공기(Air2)가 유동된다.
본 실시예에서는 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)에 가스켓(400)이 형성되는 것을 예로 하여 설명한다. 물론 본 발명은 캐소드 분리판(300)의 냉각면에만 가스켓(400)이 형성되는 것에 한정되지 않고 애노드 분리판(200)의 냉각면(C)에만 가스켓(400)이 형성될 수 있으며, 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)과 애노드 분리판(200)의 냉각면(C)에 모두 가스켓(400)이 선택적으로 형성될 수 있을 것이다.
캐소드 분리판(300)은 일면으로 반응면(R)이 형성되고, 타면으로 냉각면(C)이 형성되며, 일측에 반응가스(H, Air1)가 유입되는 복수의 입구 매니폴드(310a, 310b)가 형성되고, 타측에 반응가스(H, Air1)가 배출되는 복수의 출구 매니폴드(320a, 320b)가 형성된다.
부연하자면, 도 3a는 캐소드 분리판의 냉각면을 보여주는 도면으로서, 도 3a와 같이 캐소드 분리판(300)의 일측에는 반응가스용 수소(H)를 애노드 분리판(200)의 반응면(R)으로 유동시키기 위한 복수의 캐소드 수소 입구 매니폴드(310a)와 반응가스용 공기(Air1)를 캐소드 분리판(300)의 반응면(R)으로 유입시키기 위한 복수의 캐소드 공기 입구 매니폴드(310b)가 형성된다. 그리고, 캐소드 분리판(300)의 타측에는 애노드 분리판(200)의 반응면(R)에서 배출된 반응가스용 수소(H)를 유동시키기 위한 복수의 캐소드 수소 출구 매니폴드(320a)와 캐소드 분리판(300)의 반응면(R)에서 반응가스용 공기(Air1)를 배출시키기 위한 복수의 캐소드 공기 출구 매니폴드(320b)가 형성된다.
이때, 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)으로는 반응가스용 공기(Air1)와 수소(H)가 유동되지 않아야 한다. 그래서, 도 3a와 같이 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)에는 복수의 캐소드 수소 입구 매니폴드(310a), 캐소드 공기 입구 매니폴드(310b), 캐소드 수소 출구 매니폴드(320a) 및 캐소드 공기 출구 매니폴드(320b)를 각각 둘러싸서 실링하는 복수의 제 1 가스켓(411a, 411b, 412a, 412b)이 형성된다.
제 1 가스켓(411a, 411b, 412a, 412b)은 캐소드 분리판(300)에 형성되어 냉각면(C)으로 노출되는 복수의 캐소드 수소 입구 매니폴드(310a), 캐소드 공기 입구 매니폴드(310b), 캐소드 수소 출구 매니폴드(320a) 및 캐소드 공기 출구 매니폴드(320b)를 완전히 둘러싸기 위하여 폐구조를 갖는 링 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)과 애노드 분리판(200)의 냉각면(C) 사이로 유동되는 냉각용 공기(Air2)가 캐소드 분리판(300)의 일측에서 타측으로 유동되는 동안 냉각면 중간 영역에서 외부로 유출되는 것을 방지하기 위하여 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)에는 복수의 입구 매니폴드(310a, 310b)와 출구 매니폴드(320a, 320b) 사이 영역을 실링하도록 냉각면을 둘러싸는 제 2 가스켓(413)이 형성된다.
제 2 가스켓(413)은 냉각면의 폭방향 양측 테두리를 둘러싸기 위하여 라인 형태로 형성되는 것이 바람 직하다. 이때 제 2 가스켓(413)은 한 쌍이 형성되어, 복수의 입구 매니폴드(310a, 310b) 중 양측 최외각의 입구 매니폴드(310a, 310b)와 복수의 출구 매니폴드(320a, 320b) 중 양측 최외각의 출구 매니폴드(320a, 320b)를 둘러싸는 제 1 가스켓(411a, 411b, 412a, 412b)에 각각 연결되는 것이 바람직하다.
한편, 도 3b는 캐소드 분리판의 반응면을 보여주는 도면으로서, 도 3b와 같이 캐소드 분리판(300)의 반응면(R)에는 복수의 캐소드 수소 입구 매니폴드(310a), 캐소드 공기 입구 매니폴드(310b), 캐소드 수소 출구 매니폴드(320a) 및 캐소드 공기 출구 매니폴드(320b) 사이에서 제 1 가스켓(411a, 411b, 412a, 412b)이 형성되는 위치와 대응되는 위치에 라인 형태의 제 3 가스켓(414b, 415b)이 형성된다.(도 4 참조)
이렇게 제 1 가스켓(411a, 411b, 412a, 412b)이 형성되는 위치와 제 3 가스켓(414b, 415b)이 형성되는 위치를 일치시킴으로써, 캐소드 분리판(300)과 애노드 분리판(200)의 접합하여 분리판 조립체를 형성하고, 다수의 연료전지 셀을 적층할 때 면압을 일정하게 유지시킬 수 있다.
그리고, 캐소드 분리판(300)의 반응면(R)으로는 반응가스용 공기(Air1)만 유입 및 배출시키고, 반응가스용 수소(H)는 유동되지 않아야 한다. 그래서, 도 3b와 같이 캐소드 분리판(300)의 반응면(R)에는 캐소드 수소 입구 매니폴드(310a)와 그 사이에 형성된 제 3 가스켓(414b, 415b) 및 캐소드 수소 출구 매니폴드(320a)와 그 사이에 형성된 제 3 가스켓(414b, 415b)을 둘러싸서 캐소드 수소 입구 매니폴드(310a) 및 캐소드 수소 출구 매니폴드(320a)의 둘레를 실링하는 제 4 가스켓(414a, 415a)이 형성된다.
제 4 가스켓(414a, 415a)은 캐소드 분리판(300)에 형성되어 반응면(R)으로 노출되는 복수의 캐소드 수소 입구 매니폴드(310a) 및 캐소드 수소 출구 매니폴드(320a)를 다른 가스켓과 연결되면서 완전히 둘러싼다.
그리고, 캐소드 분리판(300)의 반응면(R)에는 복수의 캐소드 수소 입구 매니폴드(310a), 캐소드 공기 입구 매니폴드(310b), 캐소드 수소 출구 매니폴드(320a) 및 캐소드 공기 출구 매니폴드(320b)가 형성된 영역과 그 사이 영역을 실링하도록 반응면(R)을 둘러싸는 제 6 가스켓(416)이 형성된다.
제 6 가스켓(416)은 캐소드 분리판(300)의 반응면(R) 둘레를 완전히 둘러싸기 위하여 폐구조를 갖는 링 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이때 캐소드 분리판(300)의 반응면(R)에 형성되는 제 6 가스켓(416)은 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)에 형성된 제 2 가스켓(413)이 배치된 위치와 대응되는 위치를 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.(도 4 참조)
그래서, 캐소드 분리판(300)의 반응면(R)으로 노출되는 복수의 캐소드 수소 입구 매니폴드(310a)와 캐소드 수소 출구 매니폴드(320a)는 제 4 가스켓(414a, 415a)과 제 6 가스켓(416)에 의해 그 둘레가 폐구조를 갖는 링 형태로 실링된다.
그리고, 캐소드 분리판(300)의 반응면(R)으로 노출되는 복수의 캐소드 공기 입구 매니폴드(310b)와 캐소드 공기 출구 매니폴드(320b)는 그 사이 공간으로 반응가스용 공기(Air1)가 유동될 수 있도록 오픈(open)된다.
한편, 애노드 분리판(200)도 캐소드 분리판(300)과 마찬가지로 일면으로 반응면(R)이 형성되고, 타면으로 냉각면(C)이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드(210a, 210b)가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드(220a, 220b)가 형성된다.
부연하자면, 도 3c는 애노드 분리판의 냉각면을 보여주는 도면으로서, 도 3c와 같이 애노드 분리판(200)의 일측에는 반응가스용 수소(H)를 애노드 분리판(200)의 반응면(R)으로 유입시키기 위한 복수의 애노드 수소 입구 매니폴드(210a)와 반응가스용 공기(Air1)를 캐소드 분리판(300)의 반응면(R)으로 유동시키기 위한 복수의 애노드 공기 입구 매니폴드(210b)가 형성된다. 그리고, 애노드 분리판(200)의 타측에는 애노드 분리판(200)의 반응면에서 배출된 반응가스용 수소(H)를 배출시키기 위한 복수의 애노드 수소 출구 매니폴드(220a)와 캐소드 분리판(300)의 반응면(R)에서 배출된 반응가스용 공기(Air1)를 유동시키기 위한 복수의 애노드 공기 출구 매니폴드(220b)가 형성된다.
이때 애노드 분리판(200)의 냉각면(C)으로는 반응가스용 공기(Air1)와 수소(H)가 유동되지 않아야 한다. 그래서, 애노드 분리판(200)의 냉각면(C)에 복수의 제 1 가스켓(411a, 411b, 412a, 412b)과 제 2 가스켓(413)이 형성될 수 있다. 다만, 서로 대면되는 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)과 애노드 분리판(200)의 냉각면(C) 중 어느 하나에 제 1 가스켓(411a, 411b, 412a, 412b)과 제 2 가스켓(413)이 형성되면 되기 때문에 본 실시예에서는 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)에 복수의 제 1 가스켓(411a, 411b, 412a, 412b)과 제 2 가스켓(413)을 형성하였는바, 애노드 분리판(200)의 냉각면(C)에는 제 1 가스켓(411a, 411b, 412a, 412b)과 제 2 가스켓(413)을 형성하지 않았다.
한편, 도 3d는 애노드 분리판의 반응면을 보여주는 도면으로서, 도 3d와 같이 애노드 분리판(200)의 반응면(R)에는 복수의 애노드 수소 입구 매니폴드(210a), 애노드 공기 입구 매니폴드(210b), 애노드 수소 출구 매니폴드(220a) 및 애노드 공기 출구 매니폴드(220b) 사이에서 제 1 가스켓(411a, 411b, 412a, 412b)이 형성되는 위치와 대응되는 위치에 라인 형태의 제 3 가스켓(421b, 422b)이 형성된다.(도 4 참조)
이렇게 애노드 분리판(200)에서도 제 1 가스켓(411a, 411b, 412a, 412b)이 형성되는 위치와 제 3 가스켓(421b, 422b)이 형성되는 위치를 일치시킴으로써, 캐소드 분리판(300)과 애노드 분리판(200)의 접합하여 분리판 조립체를 형성하고, 다수의 연료전지 셀을 적층할 때 면압을 일정하게 유지시킬 수 있다.
그리고, 애노드 분리판(200)의 반응면으로는 반응가스용 수소(H)만 유입 및 배출시키고, 반응가스용 공기(Air1)는 유동되지 않아야 한다. 그래서, 도 3d와 같이 애노드 분리판(200)의 반응면(R)에는 애노드 공기 입구 매니폴드(210b)와 그 사이에 형성된 제 3 가스켓(421b, 422b) 및 애노드 공기 출구 매니폴드(220b)와 그 사이에 형성된 제 3 가스켓(421b, 422b)을 둘러싸서 애노드 공기 입구 매니폴드(210b) 및 애노드 공기 출구 매니폴드(220b)의 둘레를 실링하는 제 5 가스켓(421a, 422a)이 형성된다.
제 5 가스켓(421a, 422a)은 애노드 분리판(200)에 형성되어 반응면(R)으로 노출되는 복수의 애노드 공기 입구 매니폴드(210b) 및 애노드 공기 출구 매니폴드(220b)를 다른 가스켓과 연결되면서 완전히 둘러싼다.
그리고, 애노드 분리판(200)의 반응면에는 복수의 애노드 수소 입구 매니폴드(210a), 애노드 공기 입구 매니폴드(210b), 애노드 수소 출구 매니폴드(220a) 및 애노드 공기 출구 매니폴드(220b)가 형성된 영역과 그 사이 영역을 실링하도록 반응면을 둘러싸는 제 6 가스켓(423)이 형성된다.
제 6 가스켓(423)은 애노드 분리판(200)의 반응면(R) 둘레를 완전히 둘러싸기 위하여 폐구조를 갖는 링 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이때 애노드 분리판(200)의 반응면(R)에 형성되는 제 6 가스켓(423)은 캐소드 분리판(300)의 냉각면(C)에 형성된 제 2 가스켓(413)이 배치된 위치와 대응되는 위치를 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.(도 4 참조)
그래서, 애노드 분리판(200)의 반응면(R)으로 노출되는 복수의 애노드 공기 입구 매니폴드(210b)와 애노드 공기 출구 매니폴드(220b)는 제 5 가스켓(421a, 422a)과 제 6 가스켓(423)에 의해 그 둘레가 폐구조를 갖는 링 형태로 실링된다.
그리고, 애노드 분리판(200)의 반응면(R)으로 노출되는 복수의 애노드 수소 입구 매니폴드(210a)와 애노드 수소 출구 매니폴드(220a)는 그 사이 공간으로 반응가스용 수소(H)가 유동될 수 있도록 오픈(open)된다.
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: 막전극 접합체(MEA)
20: 기체확산층(GDL)
30: 분리판 40: 가스켓
50: 엔드플레이트 100: EGA
200: 애노드 분리판 200a: 애노드 반응가스 유로
200b: 애노드 냉각공기 유로 210a: 애노드 수소 입구 매니폴드
210b: 애노드 공기 입구 매니폴드 220a: 애노드 수소 출구 매니폴드
220b: 애노드 공기 출구 매니폴드 300: 캐소드 분리판
300a: 캐소드 반응가스 유로 300b: 캐소드 냉각공기 유로
310a: 캐소드 수소 입구 매니폴드 310b: 캐소드 공기 입구 매니폴드
320a: 캐소드 수소 출구 매니폴드 320b: 캐소드 공기 출구 매니폴드
400: 가스켓 411a, 411b, 412a, 412b: 제 1 가스켓
413: 제 2 가스켓 414b, 415b, 421b, 422b: 제 3 가스켓
414a, 415a: 제 4 가스켓 421a, 422a: 제 5 가스켓
416, 423: 제 6 가스켓 C: 냉각면
R: 반응면 H: 수소
Air1: 반응가스용 공기 Air2: 냉각용 공기
30: 분리판 40: 가스켓
50: 엔드플레이트 100: EGA
200: 애노드 분리판 200a: 애노드 반응가스 유로
200b: 애노드 냉각공기 유로 210a: 애노드 수소 입구 매니폴드
210b: 애노드 공기 입구 매니폴드 220a: 애노드 수소 출구 매니폴드
220b: 애노드 공기 출구 매니폴드 300: 캐소드 분리판
300a: 캐소드 반응가스 유로 300b: 캐소드 냉각공기 유로
310a: 캐소드 수소 입구 매니폴드 310b: 캐소드 공기 입구 매니폴드
320a: 캐소드 수소 출구 매니폴드 320b: 캐소드 공기 출구 매니폴드
400: 가스켓 411a, 411b, 412a, 412b: 제 1 가스켓
413: 제 2 가스켓 414b, 415b, 421b, 422b: 제 3 가스켓
414a, 415a: 제 4 가스켓 421a, 422a: 제 5 가스켓
416, 423: 제 6 가스켓 C: 냉각면
R: 반응면 H: 수소
Air1: 반응가스용 공기 Air2: 냉각용 공기
Claims (12)
- 일면으로 반응면이 형성되고, 타면으로 냉각면이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드가 형성되는 캐소드 분리판과;
일면으로 반응면이 형성되고, 타면으로 냉각면이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드가 형성되는 애노드 분리판을 포함하고,
상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면이 대면되어 접합되며,
상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면 중 적어도 어느 하나의 분리판의 냉각면에는 복수의 입구 매니폴드와 출구 매니폴드를 각각 둘러싸서 실링하는 링 형태의 복수의 제 1 가스켓이 형성되어 서로 인접하는 제 1 가스켓 사이로 냉각면을 냉각시키는 냉각용 공기가 유동되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지용 분리판 조립체.
- 청구항 1에 있어서,
상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면 중 상기 제 1 가스켓이 형성되는 분리판의 냉각면에는 복수의 입구 매니폴드와 출구 매니폴드 사이 영역을 실링하도록 냉각면을 둘러싸는 라인 형태의 제 2 가스켓이 형성되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지용 분리판 조립체.
- 청구항 2에 있어서,
상기 제 2 가스켓은 한 쌍이 형성되어, 복수의 입구 매니폴드 중 양측 최외각의 입구 매니폴드와 복수의 출구 매니폴드 중 양측 최외각의 출구 매니폴드를 둘러싸는 제 1 가스켓에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지용 분리판 조립체.
- 청구항 1에 있어서,
상기 캐소드 분리판의 반응면과 애노드 분리판의 반응면에는 복수의 입구 매니폴드 사이와 출구 매니폴드 사이에 상기 제 1 가스켓이 형성되는 위치와 대응되는 위치에 라인 형태의 제 3 가스켓이 형성되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지용 분리판 조립체.
- 청구항 4에 있어서,
상기 캐소드 분리판에 형성되는 복수의 입구 매니폴드 중 일부는 반응가스용 공기가 유동되어 캐소드 분리판의 반응면으로 반응가스용 공기를 유동시키는 캐소드 공기 입구 매니폴드이고, 나머지는 반응가스용 수소가 유동되는 캐소드 수소 입구 매니폴드이며,
상기 캐소드 분리판의 반응면에는 상기 캐소드 수소 입구 매니폴드와 그 사이에 형성된 제 3 가스켓 및 상기 캐소드 수소 출구 매니폴드와 그 사이에 형성된 제 3 가스켓을 둘러싸서 상기 캐소드 수소 입구 매니폴드 및 캐소드 수소 출구 매니폴드의 둘레를 실링하는 제 4 가스켓이 형성되는 것을 특징을 하는 공냉식 연료전지용 분리판 조립체.
- 청구항 4에 있어서,
상기 애노드 분리판에 형성되는 복수의 입구 매니폴드 중 일부는 반응가스용 수소가 유동되는 되어 애노드 분리판의 반응면으로 수소를 유동시키는 애노드 수소 입구 매니폴드이고, 나머지는 반응가스용 공기가 유동되는 애노드 공기 입구 매니폴드이며,
상기 애노드 분리판의 반응면에는 상기 애노드 공기 입구 매니폴드와 그 사이에 형성된 제 3 가스켓을 둘러싸서 상기 애노드 공기 입구 매니폴드의 둘레를 실링하는 제 5 가스켓이 형성되는 것을 특징을 하는 공냉식 연료전지용 분리판 조립체.
- 청구항 4에 있어서,
상기 캐소드 분리판의 반응면과 애노드 분리판의 반응면에는 복수의 입구 매니폴드와 출구 매니폴드가 형성된 영역과 그 사이 영역을 실링하도록 반응면을 둘러싸는 링 형태의 제 6 가스켓이 형성되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지용 분리판 조립체.
- 청구항 1에 있어서,
상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판에는 냉각수가 유입되는 입구 매니폴드와 냉각수가 배출되는 출구 매니폴드가 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지용 분리판 조립체.
- 청구항 1에 있어서,
상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판의 반응면에는 반응가스가 일측에 형성된 복수의 입구 매니폴드로 유입되어 타측에 형성된 복수의 출구 매니폴드 방향으로 유동되도록 복수의 입구 매니폴드에서 복수의 출구 매니폴드 방향으로 음각구조를 갖는 복수의 반응가스 유로가 나란하게 형성되고,
상기 캐소드 분리판와 애노드 분리판의 냉각면에서는 음각구조를 갖는 복수의 반응가스 유로에 의해 반응가스 유로 사이에 냉각용 공기가 유동되는 복수의 냉각공기 유로가 형성되며,
상기 반응가스 유로와 냉각공기 유로는 서로 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지용 분리판 조립체.
- 막전극 접합체와, 한 쌍의 가스확산층 및 캐소드 분리판과 애노드 분리판으로 이루어지는 다수의 연료전지 셀이 적층되어 형성되는 연료전지 스택으로서,
캐소드 분리판은 일면으로 반응면이 형성되고, 타면으로 냉각면이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드가 형성되고,
애노드 분리판은 일면으로 반응면이 형성되고, 타면으로 냉각면이 형성되며, 일측에 반응가스가 유입되는 복수의 입구 매니폴드가 형성되고, 타측에 반응가스가 배출되는 복수의 출구 매니폴드가 형성되며,
상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면이 대면되어 조립되고,
상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면 중 적어도 어느 하나의 분리판의 냉각면에는 복수의 입구 매니폴드와 출구 매니폴드를 각각 둘러싸서 실링하는 링 형태의 복수의 제 1 가스켓이 형성되어 서로 인접하는 가스켓 사이로 냉각면을 냉각시키는 냉각용 공기가 유동되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
- 청구항 10에 있어서,
상기 캐소드 분리판의 냉각면과 애노드 분리판의 냉각면 중 상기 제 1 가스켓이 형성되는 분리판의 냉각면에는 복수의 입구 매니폴드와 출구 매니폴드 사이 영역을 실링하도록 냉각면을 둘러싸는 라인 형태의 제 2 가스켓이 형성되고,
상기 제 2 가스켓은 한 쌍이 형성되어, 복수의 입구 매니폴드 중 양측 최외각의 입구 매니폴드와 복수의 출구 매니폴드 중 양측 최외각의 출구 매니폴드를 둘러싸는 제 1 가스켓에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
- 청구항 10에 있어서,
상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판의 반응면에는 반응가스가 일측에 형성된 복수의 입구 매니폴드로 유입되어 타측에 형성된 복수의 출구 매니폴드 방향으로 유동되도록 복수의 입구 매니폴드에서 복수의 출구 매니폴드 방향으로 음각구조를 갖는 복수의 반응가스 유로가 나란하게 형성되고,
상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판의 냉각면에서는 음각구조를 갖는 복수의 반응가스 유로에 의해 반응가스 유로 사이에 냉각용 공기가 유동되는 복수의 냉각공기 유로가 형성되며,
상기 반응가스 유로와 냉각공기 유로는 서로 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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