KR20200020519A - 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 스택은, 복수의 단위세트가 적층되어 구성된다. 단위세트는, 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)와, 상기 막 전극 접합체의 캐소드 측과 애노드 측에 각각 배치되는 캐소드측 분리판과 애노드측 분리판과, 상기 애노드측 분리판과, 인접한 타 단위세트의 캐소드측 분리판 사이에 배치되는 내부 분리판을 포함한다. 상기 단위세트의, 상기 캐소드측 분리판과 상기 애노드측 분리판 중 적어도 어느 하나는, 상기 막 전극 접합체와 접하고, 상기 내부 분리판과의 사이에 물 배출채널을 마련하는 복수의 랜드부와, 상기 내부 분리판과 접하고, 상기 막 전극 접합체와의 사이에 반응기체 공급채널을 마련하는 복수의 채널부를 포함한다. 상기 랜드부에는, 모세관 작용에 의해 상기 막 전극 접합체로부터 상기 물 배출채널로 물이 유입되도록, 물 유입구가 상기 랜드부를 관통하며 형성된다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료전지 스택은, 막 전극 접합체의 분리판의 랜드부와 접촉되는 영역에서도 물 유입구를 통하여 막 전극 접합체 외부로 물이 배출될 수 있다.

Description

연료전지 스택{FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 막 전극 접합체가 과습해지는 것을 방지하기 위한 구조의 분리판을 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.
수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 따라서, 수소차는 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산해내는 스택(FC STACK: Fuel Cell Stack), 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치들뿐만 아니라 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 생성하는 모터 등을 포함하는 구조를 갖는다.
이중, 스택은 수십 또는 수백개의 셀을 직렬로 쌓아올린 연료전지 본체를 일컫는 장치로써, 엔드플레이트들 사이에 복수개의 셀이 적층된 구조를 갖되, 각각의 셀의 내부는 전해질막으로 구획되고 일측은 애노드, 타측은 캐소드가 마련된다.
각각의 셀들 사이에는 분리판이 배치되어 수소와 산소의 유동 경로를 제한하며 상기 분리판은 산화환원 반응시 전자를 이동시키도록 전도체로 제조된다. 이러한 스택은 애노드에 수소가 공급되면 촉매에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 전자는 분리판을 통해 스택 외부로 이동하며 전기를 생산하며, 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드로 이동한 후 외기에서 공급되는 산소 및 전자와 결합하여 물을 형성하고 외부로 배출된다.
종래에는 전해질막과 전극 촉매층으로 이루어지는 막 전극 접합체에서 생성된 물이 일부는 막 전극 접합체를 함습시키고, 다른 일부는 반응 기체(수소, 산소 등)가 유동하는 채널로 배출되도록 유도하여 막 전극 접합체가 과습해지는 문제를 해결하고자 하였다.
그러나, 반응기체가 유동하기 위한 채널을 형성하기 위해 막 전극 접합체와 분리판이 접촉되는데, 막 전극 접합체의 분리판과 접촉되는 영역에서는 물이 막 전극 접합체 외부로 배출되기 어렵다. 이에 따라, 반응 기체의 막 전극 접합체 내부로의 확산이 방해받고, 막 전극 접합체가 과습된 상태로 주변의 온도 변화에 따라 물이 냉해동되며 막 전극 접합체의 손상을 가져오는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 막 전극 접합체 외부로 물이 배출되도록 하는 분리판 구조를 제공함으로써, 발전 효율저하를 방지할 수 있는 차량용 연료전지 스택을 제공하는 것에 주목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 스택은, 복수의 단위세트가 적층되어 구성되고, 단위세트는, 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)와; 상기 막 전극 접합체의 캐소드 측과 애노드 측에 각각 배치되는 캐소드측 분리판과 애노드측 분리판과; 상기 애노드측 분리판과, 인접한 타 단위세트의 캐소드측 분리판 사이에 배치되는 내부 분리판을 포함한다.
상기 단위세트의, 상기 캐소드측 분리판과 상기 애노드측 분리판 중 적어도 어느 하나는, 상기 막 전극 접합체와 접하고, 상기 내부 분리판과의 사이에 물 배출채널을 마련하는 복수의 랜드부와, 상기 내부 분리판과 접하고, 상기 막 전극 접합체와의 사이에 반응기체 공급채널을 마련하는 복수의 채널부를 포함한다.
상기 랜드부에는, 모세관 작용에 의해 상기 막 전극 접합체로부터 상기 물 배출채널로 물이 유입되도록, 물 유입구가 상기 랜드부를 관통하며 형성된다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료전지 스택은, 막 전극 접합체의 분리판의 랜드부와 접촉되는 영역에서도 물 유입구를 통하여 막 전극 접합체 외부로 물이 배출되도록 구비됨으로써, 막 전극 접합체가 과습하게 되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 모세관 작용에 의해 막 전극 접합체의 외부로 물이 배출되도록 구성함으로써, 별도의 동력을 사용하지 않고도 연료전지 스택의 성능을 향상시킬 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 연료전지 스택을 이용하면 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 A를 확대한 도면이다.
도 4a 내지 도 7b는 물 유입구를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 8의 B를 확대한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
<제 1 실시예>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택은 복수의 단위세트가 적층되어 구성된다. 단위세트는 막 전극 접합체(11)(membrane electrode assembly, MEA)와, 캐소드측 분리판(100a)과, 애노드측 분리판(100b)과, 내부 분리판(200)을 포함한다.
막 전극 접합체(10)는 전극과 전해질 막이 일체형으로 접합된 촉매 코팅막(11)과, 촉매 코팅막(11)의 양측에 접합되는 가스 확산층(13)(gas diffusion layer, GDL)을 포함한다.
막 전극 접합체(10)는 연료전지 스택에서 실제 전기화학 반응이 발생하는 부분으로 연료전지의 성능을 좌우한다.
막 전극 접합체(10)는 후술하는 채널들(공기 공급채널, 수소 공급채널)을 통해 반응 기체(수소, 산소 등)을 공급받아 전기화학 반응을 통해 전력을 생성할 수 있다.
복수의 분리판들(100a, 100b)은 캐소드측 분리판(100a)과 애노드측 분리판(100b)을 포함한다.
복수의 분리판들(100a, 100b)은 막 전극 접합체(10)의 일측과 타측에 각각 접하는 복수의 랜드부(110)를 포함할 수 있다. 복수의 랜드부(110)는 후술하는 내부 분리판(200)과의 사이에 물 배출채널(150)을 마련할 수 있다.
복수의 분리판들(100a, 100b) 각각은 내부 분리판(200)과 접하는 복수의 채널부(120)를 포함할 수 있다. 복수의 채널부(120)는 막 전극 접합체(10)와의 사이에 반응기체 공급채널(102a, 102b)을 마련할 수 있다.
복수의 랜드부(110)와 복수의 채널부(120)는 복수의 연결부(130)에 의해 연결될 수 있다.
랜드부(110)는 모세관 작용에 의해 막 전극 접합체(11)로부터 물 배출채널(150)로 물이 유입되도록, 물 유입구(111)가 랜드부(110)를 관통하며 형성될 수 있다. 물 유입구(111)에 관하여는 아래에서 상술하기로 한다.
도 1을 참조하면, 내부 분리판들200) 은 캐소드측 내부분리판(200a)과 애노드측 내부분리판(200b)을 포함할 수 있다.
애노드측 내부분리판(200b)은 애노드측 분리판(100b)과 접할 수 있다. 캐소드측 내부분리판(200a)은 일측이 애노드측 내부분리판(200b)과 접하고 타측이 인접한 타 단위세트의 캐소드측 분리판(100a)과 접할 수 있다.
내부 분리판들(200)은 캐소드측 내부분리판(200a)과 애노드측 내부분리판(200b)의 결합에 의해 냉각수 채널(202)을 마련할 수 있다.
애노드측 내부분리판(200b)은 애노드측 분리판(100b)과의 사이에 물 배출채널(150)을 마련할 수 있다.
연료전지 스택은 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하며, 그와 함께 물을 생성한다. 생성된 물의 일부는 막 전극 접합체를 함습시키고, 또 다른 일부는 막 전극 접합체로부터 반응기체가 공급되는 채널로 배출된다. 반응기체가 공급되는 채널로 배출된 물은 채널을 따라 흘러 연료전지 스택 외부로 배출된다.
이때, 막 전극 접합체의 분리판의 채널 내에 위치하는 부분에서는 막 전극 접합체의 물이 반응기체가 유동하는 채널로 쉽게 배출될 수 있지만, 분리판의 채널 밖(분리판과 막 전극 접합체가 접촉되는 부분)에서는 막 전극 접합체의 물이 채널로 배출되기 어렵다. 이에 따라, 막 전극 접합체의 분리판의 랜드부와 접촉되는 영역에서는 막 전극 접합체(또는, 가스 확산층)가 과습(over humid)하게 되어, 기체의 확산이 방해되고, 막 전극 접합체의 성능이 저하되는 문제점이 존재하였다. 또한, 막 전극 접합체에 과다 함습된 물이 냉동 및 해동을 반복되며 가스 확산층이 손상이 야기되는 문제점이 존재하였다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이다. 보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 연료전지 스택은, 분리판과 접촉되는 막 전극 접합체의 일영역으로부터 막 전극 접합체의 외부로 물이 배출되도록 하기 위해, 분리판의 랜드부를 관통하는 물 유입구를 포함하고, 배출되는 물이 유동하는 물 배출채널을 반응 기체가 유동하는 채널과 별도로 구비하는 것에 기본적인 특징이 있다. 이를 통해, 모세관 작용에 의해 막 전극 접합체로부터 물 배출채널로 물이 배출되며, 막 전극 접합체가 과습해지는 것이 방지될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
도 1을 참조하면, 분리판들(100a, 100b)은 제1 방향 및 제2 방향으로 번갈아가며 복수회 굴곡진 형상일 수 있다.
분리판들(100a, 100b)은 막 전극 접합체(10)와 접촉하는 복수의 랜드부(110)를 포함할 수 있다. 랜드부(110)는 분리판들(100a, 100b)의 일측에서 타측으로 연장될 수 있다. 여기에서 일측에서 타측의 방향은, 도 1이 연료전지 스택을 전방에서 바라보는 것이라고 할 때, 전후 방향을 의미한다.
분리판들(100a, 100b)은 내부 분리판(200)과 접촉하는 복수의 채널부(120)를 포함할 수 있다. 채널부(120)는 랜드부(110)가 연장되는 방향인, 일측에서 타측으로 연장될 수 있다. 즉, 채널부(120)는, 도 1이 연료전지 스택을 전방에서 바라보는 것이라고 할 때, 전후 방향으로 연장될 수 있다.
랜드부(110)에는 물 유입구(111)가 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 형성될 수 있다. 물 유입구(111)는 복수의 물 유입홀로 이루어질 수 있다. 또는, 물 유입구(111)는 물 유입슬롯으로 이루어질 수 있다.
도 2 및 도 3은 도 1의 A를 확대한 도면으로서, 서로 다른 실시예를 나타낸다.
도 2를 참조하면 물 유입구(111)는 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 연장되는 하나의 가상의 선 상에 형성될 수 있다.
가스 확산층(13)의 랜드부(110)와 인접한 영역에 위치한 물(W)은 물 유입구(111)를 통하여 물 배출채널(150)로 유입될 수 있다. 이때, 물은 물 유입구의 일단과 타단의 압력차가 없이도, 모세관 현상에 의해 물 배출채널 내부로 쉽게 유입될 수 있다.
물 배출채널(150)은 애노드측 내부분리판(200b)과 애노드측 분리판(100b)의 결합에 의해 그 사이에 마련될 수 있다.
애노드측 내부분리판(200b)은 애노드측 분리판(100b)의 랜드부(110)를 향하여 돌출되는 내부분리판 굴곡부(210)를 포함할 수 있다. 애노드측 내부분리판(200b)은 애노드측 분리판(100b)의 채널부(120)와 접하는 내부분리판 랜드부(220)를 포함할 수 있다.
내부분리판 굴곡부(210)는 랜드부(110)와의 사이에 물 배출채널(150)를 마련하는 내부분리판 저면부(213) 를 포함할 수 있다. 내부분리판 저면부(213)는 랜드부(110)와 소정 거리 이격되게 위치할 수 있다.
내부분리판 굴곡부(210)는 연결부(130)와 접하는 내부분리판 측면부(214)를 포함할 수 있다. 내부분리판 측면부(214)는 연결부(130)와 접촉되도록, 연결부(130)에 대응되는 형상으로 구비될 수 있다. 즉, 내부분리판 측면부(214)는 연결부(130)가 평평하게 형성되는 부분에서 내부분리판 측면부(214)도 평평하게 형성되고, 연결부(130)가 굴곡지게 형성되는 부분에서 내부분리판 측면부(214)도 굴곡지게 형성될 수 있다.
내부분리판 굴곡부(210)는 내부분리판 저면부(213)가 연결부(130)의 하단에 위치하도록 형상이 구비될 수 있다.
내부분리판 랜드부(220)는 채널부(120)와 접촉되도록, 채널부(120)의 형상에 대응되는 형상으로 구비될 수 있다. 즉, 내부분리판 랜드부(220)는, 내부분리판 랜드부(220)의 채널부(120)와 접촉되는 면의 곡률이, 채널부(120)의 내부분리판 랜드부(220)와 접촉되는 면의 곡률과 동일하도록 구비될 수 있다.
애노드측 내부분리판(200b)은 애노드측 분리판(100b)과의 사이에 물 배출채널(150)를 형성하되, 가능한 애노드측 분리판(100b)과의 접촉 면적을 넓게 하기 위해, 애노드측 분리판(100b)의 랜드부(110)에 근접한 위치까지 내부분리판 굴곡부(210)가 삽입되도록 구비될 수 있다.
내부 분리판(200)은 물 배출채널(150)를 형성하기 위해 랜드부(110)와 이격되는 내부분리판 저면부(213)를 제외한 나머지 부분이 애노드측 분리판(100b)과 접촉되도록 형성될 수 있다.
이를 통해, 애노드측 내부분리판(200b)과 애노드측 분리판(100b)의 접촉 면적을 넓혀, 냉각수 채널을 따라 유동하는 냉각수에 의해 애노드측 분리판(100b)을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
도 3을 참조하면 물 유입구(111)는 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 연장되는 복수의 가상의 선 상에 형성될 수 있다. 이를 통해, 막 전극 접합체(10)로부터 물 배출채널(150)로의 물의 유입이 더 용이해질 수 있다.
도 4a 도 7b는 물 유입구를 설명하기 위한 도면으로써, 랜드부(110)의 막 전극 접합체(10)와 접촉되는 면을 바라본 것을 간략하게 나타낸 도면이다.
이하에서는 도 4a 내지 도 7b를 참조하여 물 유입구에 관하여 설명하기로 한다.
물 유입구는 다양한 형상 및 배열을 가질 수 있으며, 연료전지 스택의 작동 환경에 따라 다양한 형상 및 배열이 선택적으로 이용될 수 있다. 또는, 물 유입구는 막 전극 접합체의 물성, 막 전극 접합체로 유입되는 반응 기체의 유속 등에 기초하여, 그에 적합하게 다양한 형상 또는 배열을 가지도록 구성될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 물 유입구(111)는 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 연장되는 가상의 선 상에 배열되는 복수의 물 유입홀로 이루어질 수 있다. 복수의 물 유입홀은 서로 일정한 간격으로 배열될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 물 유입구(111)는 서로 나란히 연장되는 가상의 선 상에 배열되는 복수의 물 유입홀로 이루어질 수 있다.
도 4c를 참조하면, 물 유입구(111)는 제1 방향과 제2 방향으로 교대로 절곡되는 지그재그 선 상에 배열되는 복수의 물 유입홀로 이루어질 수 있다. 이를 통해, 막 전극 접합체의 보다 넓은 영역으로부터 물 배출채널(150)로 물이 유입될 수 있다.
도 4d를 참조하면, 물 유입구(111)는 서로 나란한 한 쌍의 지그재그 선 상에 배열되는 복수의 물 유입홀로 이루어질 수 있다.
도 4e를 참조하면, 물 유입구(111)는 제1 방향과 제2 방향으로 교대로 굴곡지는 곡선 상에 배열되는 복수의 물 유입홀로 이루어질 수 있다.
도 4f를 참조하면, 물 유입구(111)는 서로 나란한 한 쌍의 곡선 상에 배열되는 복수의 물 유입홀로 이루어질 수 있다.
도 5a를 참조하면, 물 유입구(111)는 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 연장되는 물 유입슬롯으로 이루어질 수 있다. 물 유입슬롯은 연장된 길이가 랜드부(110)가 연장된 길이보다는 짧은 길이로 형성될 수 있다. 즉, 도 5a에서, 랜드부(110)가 상하 방향으로 연장되는 길이보다 물 유입구(111)가 상하 방향으로 연장되는 길이가 짧게 형성될 수 있다. 이는, 물 유입구(111)에 의해 랜드부(110)가 두 파트로 나뉘는 것을 방지하기 위함이다.
도 5b를 참조하면, 물 유입구(111)는 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 나란하게 연장되는 한 쌍의 물 유입슬롯으로 이루어질 수 있다.
도 5c를 참조하면, 물 유입구(111)는 제1 방향과 제2 방향으로 교대로 절곡되는 지그재그 모양의 물 유입슬롯으로 이루어질 수 있다.도 5d를 참조하면, 물 유입구(111)는 서로 나란한 한 쌍의 지그재그 모양의 물 유입슬롯으로 이루어질 수 있다.
도 5e를 참조하면, 물 유입구(111)는 제1 방향과 제2 방향으로 교대로 굴곡지는 물 유입슬롯으로 이루어질 수 있다.
도 5f를 참조하면, 물 유입구(111)는 서로 나란한 한 쌍의 곡선을 이루는 물 유입슬롯으로 이루어질 수 있다.
한편, 물 유입구(111)는 수소 공급채널(102b)로 수소가 유입되는 유입구와 가까운 위치(도 6a 내지 도 7b의 INLET과 가까운 위치)보다, 수소 공급채널(102b)로부터 수소가 토출되는 토출구와 가까운 위치(도 6a 내지 도 7b에서 OUTLET과 가까운 위치)에서, 막 전극 접합체(10)로부터 물 배출채널(150)로 물의 유입이 용이하도록 구성될 수 있다.
도 6a를 참조하면, 물 유입구(111)는 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 연장되는 가상의 선 상에 배열되는 복수의 물 유입홀로 이루어질 수 있다. 복수의 물 유입홀은 서로 일정한 간격으로 배열될 수 있다.
수소 공급채널(102b)로 수소가 유입되는 유입구(INLET)와 가까운 위치의 제1 물 유입구(1111)보다 수소 공급채널(102b)로부터 수소가 토출되는 토출구(OUTLET)와 가까운 위치의 제2 물 유입구(1113)의 홀의 크기가 더 크게 형성될 수 있다.
즉, 물 유입구(111)는 반응기체 유입구와 가까운 위치(제1 물 유입구, 1111 참조)보다, 반응기체 토출구와 가까운 위치(제2 물 유입구, 1113 참조)에서, 물 유입구(111)를 통해 물이 유입되는 방향에 대하여 수직한 단면적이 더 크게 형성될 수 있다.
한편, 도 6a와 같이 이루어지는 물 유입구(111)는 한 쌍이 서로 나란하게 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 연장될 수 있다. 즉, 도 6a와 같은 물 유입구(111)가 한 쌍이 서로 나란하게 INLET에서 OUTLET 방향으로 연장될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 물 유입구(111)는 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 연장되는 물 유입슬롯으로 이루어질 수 있다.
물 유입구(111)는 수소 공급채널(102b)로 수소가 유입되는 유입구(INLET)와 가까이 위치하는 제1 물 유입구(1111)(또는, 물 유입구 전단부)와 수소 공급채널(102b)로부터 수소가 토출되는 토출구(OUTLET)과 가까이 위치하는 제2 물 유입구(1113)(또는, 물 유입구 후단부)로 이루어질 수 있다.
이때, 물 유입구 후단부(1113)는 물 유입구 전단부(1111)보다 물 유입슬릿의 폭이 더 넓게 형성되어, 물 유입구 후단부(1113)에서 물 배출채널(150)로 물의 유입이 더 용이해 수 있다.
한편, 도 6b와 같이 이루어지는 물 유입구(111)는 한 쌍이 서로 나란하게 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 연장될 수 있다. 즉, 도 6b와 같은 물 유입구(111)가 한 쌍이 서로 나란하게 INLET에서 OUTLET 방향으로 연장될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 물 유입구(111)는 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 연장되는 제1 가상의 선 상에 형성되는 제1 물 유입구(1111)를 포함할 수 있다. 제1 물 유입구(1111)는 복수의 물 유입홀로 이루어질 수 있다.
물 유입구(111)는 제1 물 유입구(1111)의 일단에서 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 더 연장되는 복수의 제2 가상의 선 상에 형성되는 제2 물 유입구(1113)를 포함할 수 있다. 제2 물 유입구(1113)는 복수의 물 유입홀로 이루어질 수 있다.
도 7b를 참조하면, 물 유입구(111)는 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 연장되는 제1 물 유입구(1111)를 포함할 수 있다. 제1 물 유입구(1111)는 물 유입슬롯으로 이루어질 수 있다.
물 유입구(111)는 제1 물 유입구(1111)의 일단에서 분기되어 랜드부(110)가 연장되는 방향으로 더 연장되는 복수의 제2 물 유입구(1113)를 포함할 수 있다. 제2 물 유입구(1113)는 물 유입슬롯으로 이루어질 수 있다.
일반적으로, 막 전극 접합체는 반응기체 공급채널 내부에서의 반응기체 이동 방향을 기준으로, 상류측보다 하류측에서 물의 생성량이 많다. 따라서, 반응기체의 이동방향을 기준으로 하류측, 즉 반응기체 유입구보다 반응기체 토출구에 가까운 위치에서 막 전극 접합체가 과습될 가능성이 높다.
위와 같이 구성되는 연료전지 스택은 막 전극 접합체의 내부에 물이 많이 생성되는 영역(반응기체의 이동방향을 기준으로 하류측 영역)에서 물 배출채널로 물이 효과적으로 배출되도록 할 수 있다.
한편, 연료전지 스택은 수소의 일부는 수소 공급채널(102b)로 유입되고, 나머지 일부는 물 배출채널(150)로 유입되도록 구성될 수 있다. 이를 통해, 물 배출채널(150) 내로 유입된 물이 수소의 유동에 의해 물 배출채널(150)을 따라 유동되고, 막 전극 접합체(10)로부터 물 배출채널(150)로의 물의 유입이 더욱 촉진될 수 있다.
<제 2 실시예>
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 도 8 이하를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 본 발명의 일 실시예에 따른 경우와 다른 부분을 중심으로 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 캐소드측 분리판(300a)은 반응 기체의 난류 흐름을 유도하기 위해 유로면에 다수의 유로홀이 형성되는 다공성 분리판으로 구성될 수 있다.
캐소드측 분리판(300a)은 막 전극 접합체(10)와 접하는 복수의 랜드부(310)와, 상기 내부 분리판과 접하는 복수의 채널부(320)를 포함할 수 있다.
다공성 분리판을 통과하는 반응기체가 유동하는 반응기체 공급채널은 막 전극 접합체(10)와 내부 분리판(400)의 결합에 의해 마련될 수 있다.
애노드측 분리판(300b)은 일측 및 타측으로 복수회 굴곡지게 형성되어, 막 전극 접합체(10)와 접하는 복수의 랜드부(310)와, 내부 분리판(400)과 접하는 복수의 채널부(320)가 마련될 수 있다.
캐소드측 분리판(300a)과 애노드측 분리판(300b) 사이에는 내부 분리판(400)이 배치될 수 있다.
애노드측 분리판(300b)의 복수의 랜드부(310)에는 물 유입구(311)가 형성될 수 있다. 물 유입구(311)에 관하여는 제 1 실시예에 따른 연료전지 스택의 물 유입구(311)에 관한 설명이 그대로 적용될 수 있다.
도 8 을 참조하면, 캐소드측 분리판(300a)의 랜드부(310)가 연장되는 방향과 애노드측 분리판(300b)의 랜드부(310)가 연장되는 방향은 서로 수직될 수 있다. 즉, 도 8을 기준으로 도 8을 바라보는 방향을 전방 방향이라고 할 때, 캐소드측 분리판(300a)의 랜드부는 전후 방향으로 연장되고, 애노드측 분리판(300b)의 랜드부(310)는 좌우 방향으로 연장되어, 캐소드측 분리판(300a)의 랜드부(310)가 연장되는 방향과 애노드측 분리판(300b)의 랜드부(310)가 연장되는 방향은 서로 수직될 수 있다.
이는, 막 전극 접합체(10)의 캐소드 측과 애노드 측에서 반응 기체가 서로 나란한 방향으로 유동하도록 하기 위함이다. 애노드측 분리판(300b)에서는 랜드부(310) 및 채널부(320)가 연장되는 방향과 나란하게 수소 공급채널이 형성되나, 캐소드측 분리판(300a)에서는 다수의 유로홀을 통과하며 랜드부(310) 및 채널부(320)가 연장되는 방향과 수직된 방향으로 공기 공급채널(302a)이 형성되기 때문이다.
도 9은 도 8의 B를 확대한 도면이다.
도 9을 참조하면, 캐소드측 분리판(300a)의 연결부(330)에는 유로홀(330h)가 연결부(330)를 관통하며 형성될 수 있다. 도 9를 참조하면, 유로홀(330h)는 인접하는 연결부(330)에 서로 교차되게 형성되어, 공기 공급채널(302a)를 따라 흐르는 유체의 흐름에 난류를 유도할 수 있다.
내부 분리판(400)은 캐소드측 분리판(300a)의 랜드부(310)를 향하여 돌출되는 내부분리판 굴곡부(410)를 포함하는 형상일 수 있다. 내부분리판 굴곡부(410)는 캐소드측 분리판(300a)의 수소 공급채널(302b)로 일정 길이 돌출되어 기체의 유동을 가스 확산층(13) 방향으로 유도할 수 있다.
보다 구체적으로, 내부 분리판(400)은 내부분리판 굴곡부(410)가 캐소드측 분리판(300a)의 유로홀(330h) 내측까지 돌출되어, 공기 공급채널(302a)을 따라 유동하는 유체에 유동 저항을 일으킬 수 있다. 내부분리판 굴곡부(410)는 캐소드측 분리판(300a)의 유로홀(330h) 내부까지 돌출되되, 유로홀(330h)의 막 전극 접합체(10)와 가까운 쪽의 일단보다 내부 분리판(400)과 가까운 쪽의 타단에 가까운 위치까지만 돌출되는 형상일 수 있다.
즉, 내부분리판 굴곡부(410)의 돌출단은 유로홀(330h)의 일단(분리판과 인접한 단부)과의 거리(d1)보다 유로홀(330h)의 타단(막 전극 접합체와 인접한 단부)과의 거리(d2)가 더 길도록, 캐소드측 분리판(300a)의 랜드부(310)를 향하여 돌출되는 형상일 수 있다.
이를 통해, 공기 공급채널(302a)을 따라 유동하는 공기가 막 전극 접합체(10)를 향하도록 유도해, 가스 확산층(13)으로의 기체 확산 효과를 향상시킬 수 있다. 또한, 공기 공급채널(302a) 내의 공기 유동을 과도하게 저해하지 않으면서도, 가스 확산층(13)로의 기체 확산을 적당히 유도할 수 있다.
<제 3 실시예>
도 10 및 도 11은 본 발명의 또 따른 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
도 8이 연료전지 스택을 우측에서 바라본 도면이고, 도 10은 전방에서 내부 분리판들(400a, 400b)을 바라본 도면이고, 도 11은 도 8과 동일하게 우측에서 내부 분리판들(400a, 400b)를 바라본 도면이다.
이하에서는 도 10 및 도 11을 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 본 발명의 제 2 실시예에 따른 경우와 다른 부분을 중심으로 설명하기로 한다.
제 3 실시예에 따른 연료전지 스택이 제 2 실시예에서와 다른 부분은 2개의 내부 분리판들(400a, 400b)을 구비한다는 점이다.
제 2 실시예에서 설명한 바와 같이, 다공성 분리판으로 구성되는 캐소드측 분리판(300a)은 애노드측 분리판(300b)과 랜드부(310) 및 채널부(320)가 연장되는 방향이 서로 교차될 수 있다.
따라서, 제 3 실시예에서는, 캐소드측 분리판(400a)과 애노드측 분리판(400b)의 형상에 대응되게, 2개의 내부 분리판들(400a, 400b)이 구비된다.
2개의 내부 분리판들(400a, 400b)는 도 8 내지 도 10의 분리판(400)의 위치에 배치될 수 있다.
캐소드측 내부 분리판(400a)은 일측 및 타측으로 복수 회 교대로 굴곡진 형상으로, 캐소드측 분리판(300a)의 랜드부(310)를 향해 돌출된 부분이 삽입될 수 있다. 이를 통해, 캐소드측 내부 분리판(400a)은 도 11을 참조하여 설명한 것과 같이 가스 확산층(13)으로의 기체 확산을 향상시킬 수 있다.
애노드측 내부 분리판(400b)은 일측 및 타측으로 복수 회 교대로 굴곡진 형상으로, 애노드측 분리판(300b)의 랜드부(310)를 향해 돌출된 부분이 삽입될 수 있다. 이를 통해, 애노드측 내부 분리판(400b)은, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 것과 같이, 애노드측 분리판(300b)과의 접촉면적을 넓혀 분리판의 냉각 효과를 향상시킬 수 있다.
애노드측 분리판(300b)과 애노드측 내부분리판(400b)은 결합에 의해 그 사이에 물 배출채널을 구비할 수 있다.
또한, 2개의 내부 분리판들(400a, 400b) 사이로는 냉각수가 흐르는 냉각수 채널(402)가 마련될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
10 : 막 전극 접합체
11 : 촉매 코팅막
13 : 가스 확산층
100a, 300a : 캐소드측 분리판
100b, 300b : 애노드측 분리판
102a, 302a : 공기 공급채널
102b, 302b : 수소 공급채널
110, 310 : 랜드부
111, 311 : 물 유입구
120, 320 : 채널부
130, 330 : 연결부
150 : 물 배출채널
200, 400 : 내부 분리판
200a, 400a : 캐소드측 내부분리판
200b, 400b : 애노드측 내부분리판
202 : 냉각수 채널
210, 410 : 내부분리판 굴곡부
213 : 내부분리판 저면부
214 : 내부분리판 측면부
220 : 내부분리판 랜드부
330h : 유로홀

Claims (17)

  1. 복수의 단위세트가 소정의 적층방향으로 적층되어 마련되는 연료전지 스택에 있어서,
    상기 단위세트는,
    막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA);
    상기 막 전극 접합체의 상기 적층방향의 양측에 각각 배치되는 제1 분리판과 제2 분리판; 및
    상기 제1 분리판과, 인접한 타 단위세트 사이에 배치되는 내부 분리판을 포함하고,
    상기 단위세트의 상기 제1 분리판은,
    상기 막 전극 접합체와 접하고, 상기 내부 분리판과의 사이에 물 배출채널을 마련하는 복수의 랜드부와,
    상기 내부 분리판과 접하고, 상기 랜드부와 함께 상기 막 전극 접합체와의 사이에 반응기체 공급채널을 마련하는 복수의 채널부와,
    상기 막 전극 접합체로부터 상기 물 배출채널로 모세관 작용에 의해 물이 유입되도록, 상기 랜드부를 관통하며 형성되는 물 유입구를 포함하는, 연료전지 스택.
  2. 청구항 1에 있어서,
    각각의 상기 랜드부 및 각각의 상기 채널부는, 분리판의 일측에서 타측으로 연장되고,
    상기 물 유입구는, 상기 랜드부가 연장되는 방향으로 형성되는, 연료 전지 스택.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 물 유입구는, 상기 랜드부가 연장되는 방향으로 배열되는 복수의 물 유입홀을 포함하는, 연료전지 스택.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 물 유입구는, 상기 랜드부가 연장되는 방향으로 연장되는 물 유입슬롯을 포함하는, 연료전지 스택.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 물 유입구는,
    상기 반응기체 공급채널로 반응기체가 유입되는 반응기체 유입구와 가까운 위치보다, 상기 반응기체 공급채널로부터 반응기체가 토출되는 반응기체 토출구와 가까운 위치에서, 상기 막 전극 접합체로부터 물의 유입이 용이하도록 구성되는, 연료전지 스택.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 물 유입구는,
    상기 반응기체 유입구와 가까운 위치보다, 상기 반응기체 토출구와 가까운 위치에서, 상기 물 유입구를 통해 물이 유입되는 방향에 수직한 단면의 단면적이 더 크게 형성되는, 연료전지 스택.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 물 유입구는, 상기 랜드부가 연장되는 방향으로 연장되는 하나 이상의 가상의 선 상에 형성되는, 연료전지 스택.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 물 유입구는,
    상기 랜드부가 연장되는 방향으로 연장되는 제1 가상의 선과, 상기 제1 가상의 선의 일단에서 상기 랜드부가 연장되는 방향으로 더 연장되는 복수의 제2 가상의 선 상에 형성되는, 연료전지 스택.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 하나 이상의 가상의 선은,
    상기 랜드부가 연장되는 방향과 평행하게 연장되는 기준선을 기준으로, 일측에서 타측으로 상기 기준선을 가로지르는 제1 방향과, 타측에서 일측으로 상기 기준선을 가로지르는 제2 방향으로 교대로 전환되는 지그재그 선인, 연료전지 스택.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 하나 이상의 가상의 선은,
    상기 랜드부가 연장되는 방향으로 연장되되, 일측 및 타측으로 교대로 볼록한 모양의 곡선인, 연료전지 스택.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 물 유입구는, 상기 막 전극 접합체를 향해 개구되는 일단의 단면적이 상기 물 배출채널을 향해 개구되는 타단의 단면적보다 작게 형성되는, 연료전지 스택.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 물 유입구는, 전체적으로 다각형 뿔 형상의 홀로 형성되는, 연료전지 스택.
  13. 청구항 1에 있어서,
    반응기체의 일부는 상기 반응기체 공급채널로 유입되고, 다른 일부는 상기 물 배출채널로 유입되는, 연료전지 스택.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 분리판은,
    상기 제1 분리판과 접하는 제1 내부 분리판과, 일측이 상기 제1 내부 분리판과 접하고 타측이 인접한 타 단위세트의 제2 분리판과 접하는 제2 내부 분리판을 포함하고,
    상기 제1 내부 분리판과 상기 제2 내부 분리판 중 적어도 어느 하나는, 인접하는 분리판의 랜드부를 향해 돌출되는 굴곡부를 포함하고,
    상기 제1 내부 분리판과 상기 제2 내부 분리판 사이에는 냉각수 채널이 마련되는, 연료전지 스택.
  15. 청구항 14에 있어서,
    각각의 상기 랜드부 및 상기 채널부는, 복수의 연결부에 의해 연결되고,
    상기 내부 분리판의 굴곡부는, 상기 랜드부와 소정 간격 이격되되, 상기 랜드부의 양측에 연결된 연결부들의 하단까지 삽입되는 형상인, 연료전지 스택.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위세트의 상기 제2 분리판은,
    반응 기체의 난류 흐름을 유도하기 위해 유로면에 다수의 유로홀이 형성되는 다공성 분리판으로 마련되고,
    상기 막 전극 접합체와 접하는 복수의 랜드부와, 상기 내부 분리판과 접하는 복수의 채널부를 포함하고,
    상기 막 전극 접합체와 상기 내부 분리판의 사이에는 반응기체 공급채널이 마련되고,
    상기 내부 분리판은, 상기 다공성 분리판의 랜드부를 향해 돌출되는 굴곡부를 포함하는 형상인, 연료전지 스택.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 내부 분리판은,
    상기 제1 분리판과 접하는 제1 내부 분리판과, 일측이 상기 제1 내부 분리판과 접하고 타측이 인접한 타 단위세트의 제2 분리판과 접하는 제2 내부 분리판을 포함하고,
    상기 제1 내부 분리판과 상기 제2 내부 분리판 중 적어도 어느 하나는, 인접하는 분리판의 랜드부를 향해 돌출되는 굴곡부를 포함하고,
    상기 제1 내부 분리판과 상기 제2 내부 분리판 사이에는 냉각수 채널이 마련되는, 연료전지 스택.
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