WO2018143610A1 - 연료전지 스택 - Google Patents

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WO2018143610A1
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separator
separation plate
plate
channel
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정혜미
양재춘
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LG Chem Ltd
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack.
  • a fuel cell is a energy conversion device that generates electrical energy through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, and has the advantage of continuously generating power as long as fuel is continuously supplied.
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • the polymer electrolyte fuel cell stack has a structure in which a plurality of fuel cell cells are stacked, and each fuel cell has an electrode layer formed by coating an anode and a cathode around an electrolyte membrane made of a polymer material.
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • GDL Gas Diffusion Layer
  • the reaction gases are supplied to the gas diffusion layer and disposed outside the reaction zone of the bipolar plate, the separator or the membrane-electrode assembly to discharge the water generated by the electrochemical reaction to the outside. It may include a gasket of elastic material that prevents leakage.
  • the separator having both reaction gas channels and cooling water channels provided on both sides has technical problems of water transfer balance in the fuel cell and high mass transfer resistance (typically diffusion resistance) of the reaction gas in the reaction surface in the high power region.
  • a separator plate (hereinafter referred to as a 'porous body') using metal foam, metal mesh, and expanded metal has been proposed. Since the shape and structure act as an important factor for determining the flow characteristics of the cooling water supply flow path, research for improving the cooling water flow path of the porous body is required.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of reducing pressure loss in a reaction gas and cooling water flow path.
  • another object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of reinforcing structure and improving cooling performance when compressing a fuel cell.
  • a fuel cell stack including a plurality of fuel cell, the fuel cell, the membrane-electrode assembly having an anode electrode and a cathode electrode, and a membrane-electrode
  • the first diffusion plate and the gas diffusion layer having a gas diffusion layer disposed on both sides of the bonding body and a first surface facing the anode electrode side and a second surface opposite to the first surface so as to contact the gas diffusion layer.
  • a second separator having a first face facing the cathode electrode side and a second face opposite to the first face, wherein at least one of a second face of the first separator plate and a second face of the second separator plate;
  • the fuel cell stack is provided with one or more protrusions protruding outward.
  • the fuel cell stack according to an embodiment of the present invention has the following effects.
  • FIG. 1 and 2 are conceptual diagrams of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a plan view and a sectional view of the main portion showing the first separator.
  • 4A and 4B are plan views illustrating the second separator.
  • FIG. 5 is a view illustrating a flow of fuel gas in the first separator.
  • FIG. 6 is a view showing a flow of oxidizing gas in the second separator.
  • 7A and 7B are principal part perspective views showing a first protrusion and a second protrusion.
  • FIG. 8 is a view for explaining a cooling water flow path.
  • FIG. 9 is a cutaway perspective view of a fuel cell stack.
  • FIGS. 1 and 2 are conceptual views of a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a plan view and a sectional view showing main parts of the first separator 110
  • FIGS. 4A and 4B are second separators ( 150 are plan views.
  • FIG. 5 is a view showing the flow of fuel gas in the first separation plate 110
  • FIG. 6 is a view showing the flow of oxidizing gas in the second separation plate 150
  • Figures 7a and 7b is the first Main parts perspective views showing the protrusions and the second protrusions.
  • FIG. 8 is a view for explaining the cooling water flow path
  • FIG. 9 is a cutaway perspective view of the fuel cell stack.
  • the fuel cell stack includes a plurality of fuel cell cells 100, 100-1, and 100-2.
  • the fuel cell 100 includes a membrane-electrode assembly 10 having an anode electrode 11 and a cathode electrode 12, and a gas diffusion layer 20 disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, respectively. Include.
  • the red region represents the anode side gas diffusion layer 20
  • the green region represents the cathode side gas diffusion layer 20.
  • the fuel cell 100 may have a first surface 111 facing the anode electrode 11 side and a second surface 112 opposite to the first surface such that the fuel cell 100 contacts at least a portion of the gas diffusion layer 20. It includes a first separator plate having a.
  • the fuel cell 100 has a first surface 151 facing the cathode electrode 12 side and a second surface opposite to the first surface 151 so as to contact the gas diffusion layer 20 at least in part.
  • a second separator plate 150 having a 152.
  • At least one of the second surface 112 of the first separator plate 110 and the second surface 152 of the second separator plate 150 includes one or more protrusions 131, 132, and 171 protruding from the outside. Prepared. Meaning that the protrusions 131, 132, and 171 protrude outwardly means protruding outward from the second surface.
  • the plurality of fuel cell cells 100, 100-1, and 100-2 have the same structure.
  • two adjacent fuel cell cells 100-1 and 100-2 are connected to a second surface of the first separator plate 110 of one fuel cell cell 100-2.
  • Reference numeral 112 and the second surface 152 of the second separation plate 150 of the remaining fuel cell 100-1 are stacked to face each other.
  • the second surface 112 of the first separation plate 110 and the second surface 152 of the second separation plate 150 are spaced apart by the protrusion at predetermined intervals, and the cooling water into the space 200 therebetween. Is supplied.
  • first separation plate 110 may be provided with one or more first protrusions 131 and 132 protruding outward from the second surface 112.
  • second separation plate 150 may be provided with one or more second protrusions 171 protruding to the outside so as to contact the first protrusions 131 and 132 on the second surface 152.
  • first protrusions 131 and 132 and the second protrusion 171 may be provided in contact with each other in a 1: 1 corresponding structure.
  • the 1: 1 support structure can contribute to compression tightening, structural reinforcement and cooling performance.
  • the coolant flow space 200 between two adjacent fuel cell cells 100-1 and 100-2 has a thickness equal to or greater than the sum of the heights of the first protrusion 131 and the second protrusion 171.
  • the first separation plate 110 has a reaction region 120 including a plurality of first channels 113 through which fuel gas (hydrogen) flows on the first surface 111, and cooling water on the second surface 112. It includes a second channel 115 provided between two adjacent first channel 113 to flow.
  • the first channel 113 forms the flow space 117 of the fuel gas
  • the second channel 115 forms the flow space 119 of the coolant.
  • the first separation plate 110 is located on both sides of the fuel gas inlet / outlet 141 and the coolant inlet / outlet 142 and the width direction of the first channel located on both sides in the longitudinal direction of the first channel.
  • the oxidizing gas inlet / outlet 143 is provided respectively.
  • first channel 113 and the second channel 115 may be formed long in the flow direction of the fuel gas, respectively.
  • two adjacent first channels 113 may be connected through the second channel 115.
  • the first separation plate 110 is surface-structured such that the first surface 111 and the second surface 112 each have a flow path.
  • the first separator plate 110 may be a stamping molded metal separator plate.
  • the first channel 113 and the second channel 115 may have a front and back inversion structure.
  • the first separation plate 110 has a structure in which the second channel for supplying the cooling water is determined on the second surface when the first channel for supplying the fuel gas is formed on the first surface due to the molding process characteristic. According to such a straight flow path structure, it is possible to reduce the flow resistance of the reaction gas (hydrogen) and the cooling water flowing in excess in the high output region, in particular.
  • the plurality of first protrusions 131 and 132 may be provided at the edge of the first separation plate 110 so as not to be located in the reaction region 120.
  • the plurality of first protrusions 131 and 132 may be disposed at one side of the reaction region 120, and may be provided in the distribution region 130 for distributing fuel gas to respective channels of the reaction region 120. have.
  • the first protrusions 131 and 132 together perform a function of improving distribution uniformity of the reaction gas.
  • the first protrusions 131 and 132 may have a circular or rectangular cross section.
  • the first protrusion 131 protruding out of the first surface may have a rectangular cross section
  • the first protrusion 132 protruding out of the second surface may have a circular cross section.
  • the first protrusion 132 protruding out of the second surface is in contact with the second protrusion 171 of the second separation plate.
  • the distribution area 130 performs a flow buffer / distribution function.
  • the first separation plate 110 is provided with a gasket (G) for sealing the reaction zone and the inlet / outlet.
  • the second surface 152 of the second separator plate 150 may have a flat surface that faces the second channel 115 of the first separator plate 110.
  • the second channel 115 of the first separator plate 110 may have a second surface 152 of the second separator plate 150. Do not touch
  • the second separation plate 150 includes a reaction region 160 in which the porous body 180 having a plurality of holes is located on the first surface 151 so that the oxidizing gas flows, and the second surface 152 is a flat surface. Is formed. That is, the second separator 150 has a first surface 151 surface structured for the flow of oxidizing gas.
  • the porous body 180 coupled to the flat surface of the second separator plate 150 is the reaction region. It has a structure to form 160.
  • the second separation plate 150 may be coupled to the porous body 180 (the blue region of FIG. 9) of the metal material on the first surface.
  • the porous body 180 may be fixed to the first surface 151 through welding (for example, spot welding).
  • the porous body 180 may have a plurality of flow holes for forming a flow path of a reaction gas (for example, an oxidizing gas).
  • the plurality of flow holes may form a reaction gas and a product water flow path of a fixed or amorphous shape.
  • the second separator 150 may be provided with a gasket G for sealing the reaction region, the inlet / outlet, and the like, and the cell voltage monitoring terminal 155 may be provided.
  • the plurality of second protrusions 171 may be provided at edges (positions corresponding to the distribution areas of the first separation plate) of the second separation plate 150 so as not to be located in the reaction area 160.
  • the second separation plate 150 may be provided with a distribution area 170 in which a plurality of second protrusions 171 are formed at a position corresponding to the distribution area 130 of the first separation plate 110.
  • the distribution uniformity of the reaction gas may be improved.
  • the second separation plate 150 is provided with a fuel gas inlet / outlet 191, a coolant inlet / outlet 192, and an oxidizing gas inlet / outlet 193 positioned at both sides in the width direction of the first channel, respectively. do.
  • the flow direction of the fuel gas in the first separation plate 110 and the flow direction of the oxidizing gas in the second separation plate 150 may be inclined at a predetermined angle.
  • the main flow direction of the fuel gas in the first separation plate 110 and the main flow direction of the oxidizing gas in the second separation plate 150 may be supplied to be substantially orthogonal to each other.
  • the first separator plate 110 and the second separator plate 150 may have different structures.
  • one surface forming the cooling water flow path is formed as a flat surface so that the depth of the cooling water flow path is Will be lowered.
  • the cooling water supply flow rate increases by an increase in the cell performance, the cooling water flow available area decreases, which may cause an increase in pressure loss of the cooling water flow path 200.
  • the depth of the cooling water flow path may be increased through the matching structure of the first protrusion 131 and the second protrusion 171.
  • the fuel cell stack according to the exemplary embodiment of the present invention, it is possible to reduce the fluid resistance of the cooling water inlet, and to improve the cooling performance and reduce the power consumption of the fluid device connected to the cooling water supply system.

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수 개의 연료전지 셀을 포함하는 연료전지 스택으로서, 연료전지 셀은, 애노드 전극과 캐소드 전극을 갖는 막-전극 접합체, 막-전극 접합체의 양면에 각각 배치된 가스 확산층, 가스 확산층과 접촉하도록 상기 애노드 전극 측과 마주보는 제1 면과 제1 면의 반대방향의 제2 면을 갖는 제1 분리판 및 가스 확산층과 접촉하도록 상기 캐소드 전극 측과 마주보는 제1 면과 제1 면의 반대방향의 제2 면을 갖는 제2 분리판을 포함하며, 제1 분리판의 제2 면 및 제2 분리판의 제2 면 중 적어도 하나에는 외부로 돌출된 하나 이상의 돌출부가 마련된 연료전지 스택이 제공된다.

Description

연료전지 스택
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 출원은 2017년 1월 31일자 한국 특허 출원 제10-2017-0013514호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.
수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 낮은 약 100℃ 이하의 작동온도를 가지며, 에너지 전환 효율과 출력밀도가 높고 응답특성이 빠른 장점이 있다. 뿐만 아니라, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 제공될 수 있다.
고분자 전해질 연료전지 스택은 복수 개의 연료전지 셀이 적층된 구조를 갖고, 각각의 연료전지 셀은 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(anode)와 캐소드(cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 반응 영역 전체에 걸쳐 고르게 분포시키고, 애노드 전극의 산화반응에 의해 발생된 전자를 캐소드 전극 쪽으로 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들을 가스 확산층으로 공급하고, 전기화학반응에 의해 발생된 물을 외부로 배출시키는 분리판(bipolar plate), 분리판 또는 막-전극 접합체의 반응 영역 외주에 배치되어 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는, 탄성을 갖는 소재의 가스켓(gasket)을 포함할 수 있다.
종래 반응가스 채널 및 냉각수 채널이 양면에 각각 마련된 분리판은 고출력 영역에서 연료전지 내 물전달 분균형 및 반응 면 내 반응가스의 높은 물질 전달 저항(통상 확산 저항)의 기술적 문제를 갖는다.
또한 최근 고출력 운전 영역에서의 확산 저항 저감을 통해 연료전지의 성능을 향상시키기 위해, Metal Foam, Metal Mesh, Expanded Metal 등을 적용한 분리판(이하, '다공체'라고도 함)이 제안되고 있으나, 다공체의 형상 및 구조는 냉각수 공급 유로의 유동 특성을 결정하는 중요한 인자로 작용하기 때문에, 다공체의 냉각수 유로 개선을 위한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 반응가스 및 냉각수 유로 내 압력 손실을 낮출 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 연료전기 셀 적층 시 압축 체결에 대한 구조 보강 및 냉각 성능 향상이 가능한 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수 개의 연료전지 셀을 포함하는 연료전지 스택으로서, 연료전지 셀은, 애노드 전극과 캐소드 전극을 갖는 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체의 양면에 각각 배치된 가스 확산층과, 가스 확산층과 접촉하도록 상기 애노드 전극 측과 마주보는 제1 면과 제1 면의 반대방향의 제2 면을 갖는 제1 분리판 및 가스 확산층과 접촉하도록 상기 캐소드 전극 측과 마주보는 제1 면과 제1 면의 반대방향의 제2 면을 갖는 제2 분리판을 포함하며, 제1 분리판의 제2 면 및 제2 분리판의 제2 면 중 적어도 하나에는 외부로 돌출된 하나 이상의 돌출부가 마련된 연료전지 스택이 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.
냉각수 진입부의 유체 저항을 감소시킬 수 있고, 냉각 성능 향상 및 냉각수 공급계통에 연계되어 있는 유체기기의 동력 소모를 감소시킬 수 있으며, 연료전지 시스템의 성능, 안정성 및 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택의 개념도들이다.
도 3은 제1 분리판을 나타내는 평면도 및 요부 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 제2 분리판을 나타내는 평면도들이다.
도 5는 제1 분리판에서 연료가스의 유동을 나타내는 도면이다.
도 6은 제2 분리판에서 산화가스의 유동을 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 제1 돌출부와 제2 돌출부를 나타내는 요부 사시도들이다.
도 8은 냉각수 유로를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 연료전지 스택의 절개 사시도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택의 개념도들이고, 도 3은 제1 분리판(110)을 나타내는 평면도 및 요부 단면도이며, 도 4a 및 도 4b는 제2 분리판(150)을 나타내는 평면도들이다.
또한, 도 5는 제1 분리판(110)에서 연료가스의 유동을 나타내는 도면이고, 도 6은 제2 분리판(150)에서 산화가스의 유동을 나타내는 도면이며, 도 7a 및 도 7b는 제1 돌출부와 제2 돌출부를 나타내는 요부 사시도들이다.
또한, 도 8은 냉각수 유로를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 연료전지 스택의 절개 사시도이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택은 복수 개의 연료전지 셀(100, 100-1, 100-2)을 포함한다.
도 1을 참조하면, 연료전지 셀(100)은 애노드 전극(11)과 캐소드 전극(12)을 갖는 막-전극 접합체(10) 및 막-전극 접합체의 양면에 각각 배치된 가스 확산층(20)를 포함한다.
도 9에서 붉은색 영역은 애노드 측 가스확산층(20)을 나타내고, 녹색 영역은 캐소드 측 가스확산층(20)을 나타낸다.
또한, 연료전지 셀(100)은 가스 확산층(20)과 적어도 일부에서 접촉하도록 상기 애노드 전극(11) 측과 마주보는 제1 면(111)과 제1 면의 반대방향의 제2 면(112)을 갖는 제1 분리판(110)을 포함한다.
또한, 연료전지 셀(100)은 가스 확산층(20)과 적어도 일부에서 접촉하도록 상기 캐소드 전극(12) 측과 마주보는 제1 면(151)과 제1 면(151)의 반대방향의 제2 면(152)을 갖는 제2 분리판(150)을 포함한다.
또한, 제1 분리판(110)의 제2 면(112) 및 제2 분리판(150)의 제2 면(152) 중 적어도 하나에는 외부로 돌출된 하나 이상의 돌출부(131, 132, 171)가 마련된다. 상기 돌출부(131, 132, 171)가 외부로 돌출된다는 의미는 제2 면 바깥쪽으로 돌출되는 것을 의미한다.
또한, 복수 개의 연료전지 셀(100, 100-1, 100-2)는 동일한 구조를 갖는다.
도 2를 참조하면, 연료전지 스택에서, 인접하는 2개의 연료전지 셀(100-1, 100-2)은 어느 한 연료전지 셀(100-2)의 제1 분리판(110)의 제2 면(112)과 나머지 연료전지 셀(100-1)의 제2 분리판(150)의 제2 면(152)이 마주하도록 적층된다. 또한, 제1 분리판(110)의 제2 면(112)과 제2 분리판(150)의 제2 면(152)은 상기 돌출부에 의해 소정 간격으로 이격되고, 그 사이 공간(200)으로 냉각수가 공급된다.
또한, 제1 분리판(110)에는 제2 면(112)에 외부로 돌출된 하나 이상의 제1 돌출부(131, 132)가 마련될 수 있다. 또한, 제2 분리판(150)에는 제2 면(152)에 상기 제1 돌출부(131, 132)와 접촉하도록 외부로 돌출된 하나 이상의 제2 돌출부(171)가 마련될 수 있다. 예를 들어, 연료전지 셀의 적층 시, 제1 돌출부(131, 132) 및 제2 돌출부(171)는 1:1 대응 구조로 접촉하도록 마련될 수 있다. 1:1 대응구조를 통해, 압축 체결에 해나 구조 보강 및 냉각 성능 향상에 기여할 수 있다.
이와 같은 구조에서, 인접하는 2개의 연료전지 셀(100-1, 100-2) 사이의 냉각수 유동공간(200)은 제1 돌출부(131) 및 제2 돌출부(171)의 높이의 합 이상의 두께를 가질 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하여, 제1 분리판(110)의 구조 및 연료가스의 유동을 설명한다.
제1 분리판(110)은 제1 면(111)에 연료가스(수소)가 유동하는 복수 개의 제1 채널(113)을 포함하는 반응영역(120)을 가지고, 제2 면(112)에 냉각수가 유동하도록 인접하는 2개의 제1 채널(113) 사이에 마련된 제2 채널(115)을 포함한다. 또한, 제1 채널(113)은 연료가스의 유동공간(117)을 형성하며, 제2 채널(115)는 냉각수의 유동공간(119)를 형성한다.
또한, 제1 분리판(110)에는 제1 채널의 길이방향의 양 측에 위치하는 연료가스 유입/배출구(141)와 냉각수 유입/배출구(142) 및 제1 채널의 폭 방향의 양 측에 위치하는 산화가스 유입/배출구(143)가 각각 마련된다.
또한, 제1 채널(113) 및 제2 채널(115)은 연료가스의 유동방향을 따라 각각 길게 형성될 수 있다. 또한, 인접하는 2개의 제1 채널(113)은 제2 채널(115)을 통해 연결될 수 있다. 또한, 제1 분리판(110)은 제1 면(111)과 제2 면(112)이 각각 유로를 갖도록 표면 구조화된다.
예를 들어, 제1 분리판(110)은 스탬핑 성형 금속 분리판일 수 있다. 또한, 제1 채널(113)과 제2 채널(115)은 표리 반전 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 분리판(110)은 성형 공정 특성 상 제1 면에 연료 가스 공급용 제1 채널을 형성하면, 종속적으로 제2 면에 냉각수 공급용 제2 채널이 결정되는 구조를 갖는다. 이와 같은 직선 유로 구조에 따르면, 특히 고출력 영역에서 과량으로 유입되는 반응 가스(수소)와 냉각수의 유동 저항을 저감할 수 있다.
또한, 복수 개의 제1 돌출부(131, 132)는 반응영역(120)에 위치하지 않게 제1 분리판(110)의 가장자리에 마련될 수 있다. 구체적으로, 복수 개의 제1 돌출부(131, 132)는 반응영역(120)의 일 측에 위치하고, 연료가스를 반응영역(120)의 각각의 채널로 분배하기 위한 분배영역(130)에 마련될 수 있다. 상기 제1 돌출부(131, 132)는 반응가스의 분배 균일도를 향상시키는 기능을 함께 수행한다.
한편, 제1 돌출부(131, 132)는 원형 또는 사각형 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 면 외부로 돌출된 제1 돌출부(131)는 사각형 단면을 가질 수 있고, 제2 면 외부로 돌출된 제1 돌출부(132)는 원형 단면을 가질 수 있다. 한편, 제2 면 외부로 돌출된 제1 돌출부(132)는 제2 분리판의 제2 돌출부(171)와 접촉하게 된다. 이와 같이, 다양한 형상의 돌출부를 소정 배열로 분배영역(130)에 형성함으로써, 연료/냉각수 유입/배출구의 유동 손실을 저감하고, 유량 분배의 균일도를 향상시킬 수 있다. 상기 분배영역(130)은 유동 완충/분배 기능을 수행한다. 또한, 제1 분리판(110)에는 반응영역과 유입/유출구 등을 실링하기 위한 가스켓(G)이 마련된다.
한편, 제2 분리판(150)의 제2 면(152)은 제1 분리판(110)의 제2 채널(115)과 마주하는 면이 평탄면으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 돌출부(131, 132)와 제2 돌출부(171)가 접촉할 때, 제1 분리판(110)의 제2 채널(115)은 제2 분리판(150)의 제2 면(152)과 접촉하지 않는다.
이하, 도 4a, 4b 및 도 6을 참조하여, 제2 분리판(150)의 구조 및 산화가스(산소)의 유동을 설명한다.
제2 분리판(150)은 제1 면(151)에 산화가스가 유동하도록 복수 개의 홀을 갖는 다공체(180)가 위치하는 반응영역(160)을 구비하고, 제2 면(152)이 평탄면으로 형성된다. 즉, 제2 분리판(150)은 제1 면(151)이 산화 가스의 유동을 위해 표면 구조화된다.
구체적으로, 상기 제1 분리판(110)에는 반응영역(120)에 복수 개의 채널(113)이 직접 성형되지만, 제2 분리판(150)은 평탄면 상에 결합된 다공체(180)가 반응영역(160)을 형성하는 구조를 갖는다. 제2 분리판(150)은 제1 면에 금속 재질의 다공체(180)(도 9의 파란색 영역)가 결합될 수 있다. 이때, 상기 다공체(180)는 용접(예를 들어, spot welding 등)을 통해 제1 면(151)에 고정될 수 있다.
상기 다공체(180)는 반응가스(예를 들어, 산화가스)의 유로 형성을 위한 복수 개의 유동홀을 가질 수 있다. 상기 복수 개의 유동홀은 정형 또는 비정형의 반응가스 및 생성수 유로를 형성할 수 있다.
또한, 제2 분리판(150)에는 반응영역과 유입/유출구 등을 실링하기 위한 가스켓(G)이 마련되고, 셀 전압 모니터링 단자(155)가 마련될 수 있다.
또한, 복수 개의 제2 돌출부(171)는 반응영역(160)에 위치하지 않게 제2 분리판(150)의 가장자리(제1 분리판의 분배영역에 대응하는 위치)에 마련될 수 있다. 또한, 제2 분리판(150)에는 제1 분리판(110)의 분배영역(130)에 대응하는 위치에 복수 개의 제2 돌출부(171)가 형성된 분배영역(170)이 마련될 수 있다.
상기 분배영역(130, 170)을 통해 반응가스(연료가스, 산화가스)의 분배 균일도를 향상시킬 수 있다.
또한, 제2 분리판(150)에는 연료가스 유입/배출구(191)와 냉각수 유입/배출구(192) 및 제1 채널의 폭 방향의 양 측에 위치하는 산화가스 유입/배출구(193)가 각각 마련된다.
또한, 제1 분리판(110)에서 연료가스의 유동방향과 제2 분리판(150)에서 산화가스의 유동방향은 소정 각도로 기울어질 수 있다. 예를 들어, 제1 분리판(110)에서 연료가스의 주된 유동방향과 제2 분리판(150)에서 산화가스의 주된 유동방향은 실질적으로 직교하도록 각각 공급될 수 있다.
이와 같이, 제1 분리판(110)과 제2 분리판(150)은 서로 다른 구조를 가질 수 있다. 이때, 애노드 측/캐소드 측 분리판을 모두 스탬핑 성형 분리판으로 형성하는 경우 비해, 어느 한 분리판에 다공체를 적용하는 경우에는 냉각수 유로를 형성하는 일면이 평탄면으로 형성되기 때문에 냉각수 유로의 깊이가 낮아지게 된다. 이때, 셀 성능 증가분만큼 냉각수 공급 유량이 증가한 반면에 냉각수 유동 가용 면적이 감소하기 때문에 냉각수 유로(200)의 압력 손실 증가 문제가 발생할 수 있다. 이때, 제1 돌출부(131)와 제2 돌출부(171)의 정합 구조를 통해 냉각수 유로 깊이를 증가시킬 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택에 따르면, 냉각수 진입부의 유체 저항을 감소시킬 수 있고, 냉각 성능 향상 및 냉각수 공급계통에 연계되어 있는 유체기기의 동력 소모를 감소시킬 수 있다.

Claims (14)

  1. 복수 개의 연료전지 셀을 포함하는 연료전지 스택으로서,
    연료전지 셀은, 애노드 전극과 캐소드 전극을 갖는 막-전극 접합체;
    막-전극 접합체의 양면에 각각 배치된 가스 확산층;
    가스 확산층과 접촉하도록 상기 애노드 전극 측과 마주보는 제1 면과 제1 면의 반대방향의 제2 면을 갖는 제1 분리판; 및
    가스 확산층과 접촉하도록 상기 캐소드 전극 측과 마주보는 제1 면과 제1 면의 반대방향의 제2 면을 갖는 제2 분리판을 포함하며,
    제1 분리판의 제2 면 및 제2 분리판의 제2 면 중 적어도 하나에는 외부로 돌출된 하나 이상의 돌출부가 마련된 연료전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    인접하는 2개의 연료전지 셀은 어느 한 연료전지 셀의 제1 분리판의 제2 면과 나머지 연료전지 셀의 제2 분리판의 제2 면이 마주하도록 적층되며,
    제1 분리판의 제2 면과 제2 분리판의 제2 면은 상기 돌출부에 의해 이격되고, 그 사이 공간으로 냉각수가 공급되는 연료전지 스택.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제1 분리판에는 제2 면에 외부로 돌출된 하나 이상의 제1 돌출부가 마련되고,
    제2 분리판에는 제2 면에 상기 제1 돌출부와 접촉하도록 외부로 돌출된 하나 이상의 제2 돌출부가 마련된 연료전지 스택.
  4. 제 3 항에 있어서,
    인접하는 2개의 연료전지 셀 사이의 냉각수 유동공간은 제1 돌출부 및 제2 돌출부의 높이의 합 이상의 두께를 갖는 연료전지 스택.
  5. 제 3 항에 있어서,
    제1 분리판은 제1 면에 연료가스가 유동하는 복수 개의 제1 채널을 포함하는 반응영역을 가지고, 제2 면에 냉각수가 유동하도록 인접하는 2개의 제1 채널 사이에 마련된 제2 채널을 포함하는 연료전지 스택.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제1 채널 및 제2 채널은 연료가스의 유동방향을 따라 각각 길게 형성된 연료전지 스택.
  7. 제 5 항에 있어서,
    인접하는 2개의 제1 채널은 제2 채널을 통해 연결되는 연료전지 스택.
  8. 제 3 항에 있어서,
    복수 개의 제1 돌출부는 반응영역에 위치하지 않게 제1 분리판의 가장자리에 마련된 연료전지 스택.
  9. 제 8 항에 있어서,
    복수 개의 제1 돌출부는 반응영역의 일 측에 위치하고, 연료가스를 반응영역의 각각의 채널로 분배하기 위한 분배영역에 마련된 연료전지 스택.
  10. 제 5 항에 있어서,
    제2 분리판의 제2 면은 제1 분리판의 제2 채널과 마주하는 면이 평탄면으로 형성된 연료전지 스택.
  11. 제 10 항에 있어서,
    제1 돌출부와 제2 돌출부가 접촉할 때, 제1 분리판의 제2 채널은 제2 분리판의 제2 면과 접촉하지 않는 연료전지 스택.
  12. 제 3 항에 있어서,
    제2 분리판은 제1 면에 산화가스가 유동하도록 복수 개의 홀을 갖는 다공체가 위치하는 반응영역을 구비하고, 제2 면이 평탄면으로 형성된 연료전지 스택.
  13. 제 12 항에 있어서,
    복수 개의 제2 돌출부는 반응영역에 위치하지 않게 제2 분리판의 가장자리에 마련된 연료전지 스택.
  14. 제 12 항에 있어서,
    제1 분리판에서 연료가스의 유동방향과 제2 분리판에서 산화가스의 유동방향은 소정 각도로 기울어진 연료전지 스택.
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