KR100801430B1 - 연료전지용 분리판, 이를 구비하는 연료전지 시스템 및연료전지 스택 - Google Patents

연료전지용 분리판, 이를 구비하는 연료전지 시스템 및연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 반응가스 채널 및 냉각수 채널을 포함하며, 냉각수 채널 간을 연결하는 냉각수 유출입구를 더 포함하는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
본 발명의 분리판은 금속 재질의 분리판에 적용될 경우, 종래의 스탬핑 공정으로 냉각수 유출입부를 생성할 수 있어 분리판의 제조 시간을 단축시키고, 제조 단가를 낮출 수 있다.
또한 본 발명에 따른 분리판은 제2 채널 내로 냉각수가 유입되는 양을 조절하여, 발열이 많은 부분을 집중적으로 냉각할 수 있어, 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
연료전지, 분리판, 냉각, 채널, 냉각수 유입 구조, 고분자연료전지

Description

연료전지용 분리판, 이를 구비하는 연료전지 시스템 및 연료전지 스택{SEPERATOR FOR FUEL CELL, FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAMES AND FUEL CELL STACK}
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판 두 개가 서로 접합된 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사행형(serpentine) 채널을 구비하는 연료전지용 분리판을 가상의 3 영역으로 나눈 모습을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 3 영역에 각 유입되는 냉각수 유량을 산출한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 냉각수 면을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 반응가스 면을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 유출입부를 구비하는 분리판을 포함하는 연료전지 스택을 도시한 도면이다.
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 반응가스 채널 및 냉각수 채널을 포함하며, 냉각수 채널 간을 연결하는 냉각수 유출입구를 더 포함하는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
연료전지란, 일반적으로 수소와 산소의 산화, 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치이다. 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(cathode)으로 이동한다. 이때, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동한다. 양극에서 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다.
연료전지, 특히 고체고분자 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell:PEMFC)에서 고분자 전해질막(polymer electrolyte membrane)이 함유하고 있는 물의 양은 연료전지의 성능을 좌우하는 중요한 요소 중 하나이다. 물은 수소이온을 양극으로 전달하는 매개체 역할을 하기 때문이다.
또한 물관리 외에 중요하게 관리되어야하는 대상이 온도이다. 연료전지에서 반응이 일어날 때 상당히 많은 열이 발생하는데, 액티베이션 로스(activation loss), 양극에서의 환원 반응 및 주울 히팅(Joule heating) 등이 그 원인이다. 많은 열이 발생하면 촉매를 활성화하는 역할도 하지만, 전해질막의 수분 감소를 촉진하여 전해질막의 내구성을 떨어트린다. 따라서 물관리, 내구성 향상과 맞물려 온도의 제어 또한 연료전지 성능에 필요한 핵심 요소이다.
연료전지의 온도 제어를 위해 일반적으로 냉각수를 이용한 냉각 방법이 이용된다. 기존의 연료전지는 흑연 재질 및 금속 재질로 제조된 분리판을 이용한다. 흑연 분리판은 밀링 가공을 통해, 금속 분리판은 프레스 가공을 통해 냉각수 채널을 형성한다. 이때, 냉각수 채널의 폭이 좁을 뿐 아니라, 굴곡을 가지는 구조로 형성되어 냉각수의 유출입이 원활하지 못하였다. 기존의 흑연 분리판은 반응면과 냉각면의 유로를 다르게 제작할 수 있으나, 특히 금속 분리판은 반응 가스 채널을 스탬핑 가공함에 따라 반대면에 채널의 형태가 그대로 투영되므로 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 별개로 확보하기 어렵다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 별도의 냉각수 유입구조를 만들기가 어려운 금속계 분리판에서 원활한 냉각수 유입을 위하여, 일반적으로 매니폴더와 채널 사이에 완충 영역을 만들어 냉각수가 유입되도록 하는 구조가 이용되었다. 그러나 분리판 내에서 열의 축적이 가장 이루어지는 중간 부분으로 냉각수의 유입이 잘 이루어지지 않고, 완충 영역을 별도로 구비함으로써 분리판의 크기가 커지는 단점이 있다.
또한, 미국 특허공보 US6924052에 에칭으로 별도의 냉각 유로를 만드는 분리판이 개시되어 있다. 이를 통해, 반응열의 축적이 상대적으로 많은 분리판의 중간 부분으로 냉각수를 다량 유입할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 금속의 밀도가 높아 스텍의 무게가 증가하게 된다. 또한 분리판 사이에 박판을 사용하는 것은 비용 증가 및 스택 적층에 있어 구조적 복잡함을 초래한다.
또한, 분리판에 냉각핀이 적용하는 구조가 있으나, 역시 스택의 부피가 증가 하는 단점, 분리판을 복수 개 중첩사용으로 인한 생산비용의 증가를 초래한다.
또한, 기존의 흑연 분리판 및 금속 분리판은 반응열의 축척이 많은 분리판의 중간 부분으로 냉각수 공급이 원활하지 않아, 분리판의 열 분포가 고르지 않은 문제점이 있었다. 또한 이에 의해 분리판에서 일부는 건조하고, 일부는 습한 수분의 불균형도 야기되었다.
본 발명은 상기한 기술적 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 분리판의 크기를 최소화하면서 냉각 성능을 확보할 수 있는 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 간단한 성형 방법으로 제조될 수 있는 구조를 통해, 냉각수의 원활한 유출입을 확보할 있는 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 분리판의 중간 부분으로 냉각수가 유입되어, 특히 반응열의 축적이 많은 분리판의 중간 부분을 효율적으로 냉각할 수 있는 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 냉각수 유입 개구부 및 냉각수 배출 개구부와 냉각수 채널을 연결하는 냉각수 연결 통로를 더 포함하는 분리판의 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 이러한 분리판을 구비하는 연료전지 시스템 및 연료전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 분리판의 일 측에 형성된 반응가스 유입 개구부, 분리판의 반대편 일 측에 형성된 반응가스 배출되도록 반응가스 배출 개구부, 분리판의 일 측에 형성된 냉각수 유입 개구부, 분리판의 반대편 일 측에 형성된 냉각수 배출 개구부, 분리판의 일면에 형성되되 반응가스가 흐를 수 있는 제1 채널, 분리판의 타면에 형성되되, 냉각수가 흐를 수 있는 제2 채널, 제2 채널을 서로 연결하여 냉각수가 제2 채널을 관통하여 흐르도록 하는 냉각수 유출입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 제2 채널을 흐르는 냉각수가 한 채널로부터 이웃하는 채널로 쉽게 유입될 수 있어, 냉각수의 흐름이 더욱 원활해질 수 있다.
또한 본 발명은 제1 채널 및 제2 채널은, 사행형(serpentine) 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 중간 영역에서 반응열의 축적이 높은 사행형의 채널을 가지는 분리판을 효과적으로 냉각할 수 있다.
또한 본 발명은 냉각수 유출입구가 제2 채널 간 영역이 구비하는 단차에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 특히 스탬핑 공정에 의해 제작되는 금속 재질의 분리판의 경우, 냉각수 유출입구를 간단한 공정으로 제작할 수 있을 뿐 아니라, 분리판의 부피 및 크기 증가 없이 제작할 수 있다. 또한, 흑연 재질의 분리판 및 금속 재질의 분리판 모두에서 추가의 부품을 설치할 필요가 없어, 연료전지 스택의 부피를 증가시키지 않고 냉각 효율을 높일 수 있다.
또한 본 발명은 냉각수 유출입구는, 냉각수가 분리판의 중간 영역으로 안내 되도록, 냉각수 유입 개구부 및 출입 개구부 중 어느 하나 이상으로부터, 분리판의 중간 영역까지 제2 채널을 관통하여 흐르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 상대적으로 반응열의 축적이 많은 분리판의 중간 영역으로 냉각수가 원활하게 유출입할 수 있어, 분리판의 냉각 성능을 높일 수 있다.
또한 본 발명은 냉각수 유입 개구부 및 냉각수 배출 개구부와 제2 채널을 연결하는 냉각수 연결 통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리판을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 냉각수가 분리판으로 안정적으로 공급될 수 있다.
또한 본 발명은 분리판이 금속 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 제1 채널을 제2 채널과 별개로 확보하기 힘든 금속 분리판에서, 냉각수의 출입을 원활하게 할 수 있다. 또한, 기존의 금속 분리판의 제조 공정으로 용이하게 제조할 수 있다.
또한 본 발명은 분리판이 흑연 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
또한 본 발명은 분리판의 일 측에 형성된 반응가스 유입 개구부, 분리판의 반대편 일 측에 형성된 반응가스 배출되도록 반응가스 배출 개구부, 분리판의 일 측에 형성된 냉각수 유입 개구부, 분리판의 반대편 일 측에 형성된 냉각수 배출 개구부, 분리판의 일면에 형성되되, 반응가스 유입 개구부로부터 반응 가스가 유입되어 반응가스 배출 개구부로 흐를 수 있는 제1 채널, 분리판의 타면에 형성되되, 냉각수 유입 개구부로부터 냉각수가 유입되어 냉각수 배출 개구부로 흐를 수 있는 제 2 채널, 제2 채널을 서로 연결하여 냉각수가 제2 채널을 관통하여 흐르도록 하는 냉각수 유출입구;를 구비하는 분리판을 포함하는 연료전지 시스템 및 연료전지 스택을 제공한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 분리판을 도시한 도면이다. 분리판(1)은 반응가스 유입 개구부(11), 냉각수 유입 개구부(12), 제1 채널(21), 제2 채널(31), 냉각수 유출입부(32) 및 냉각수 연결 통로(41)을 구비한다. 또한 분리판(1)으로부터 반응 가스 및 냉각수가 누출되지 않도록 밀봉하는 가스켓(2)이 분리판(1)에 부착된다. 분리판(1)은 일반적으로 흑연 재질 및 금속 재질 중 선택된 어느 하나의 재질로 제작된다. 반응가스 유입 개구부(11)는 분리판(1)으로 반응 가스를 공급하는 역할을 한다. 일반적으로 반응가스 유입 개구부(11)는 분리판(1)의 일측에 위치하며, 반응가스 유입 개구부(11)를 통해 분리판(1)으로 유입된 반응 가스는 분리판(1)에 형성된 제1 채널(21)에 의해 안내되어, 분리판(1) 표면을 흐르며 전극(미도시)과 반응한다. 분리판(1)과 전극(미도시) 사이에 가스확산층(gas diffusion layer:GDL)이 개재되기도 한다.
금속 재질의 분리판(1)의 경우, 연료전지의 스택 부피를 줄이기 위해 박판으로 형성되며, 분리판(1)에서 제1 채널(21)은 프레스 기계에 의해 스탬핑 공정으로 형성된다. 이때, 제1 채널(21)의 형태는 일면에서 타면으로 돌출된 형태이며, 일면에서의 요홈부가 타면에서의 돌출부가 되는 형태이다. 이하, 제1 채널(21)이 요홈부가 되는 면을 반응가스면, 제1 채널(21)이 돌출부가 되는 면을 냉각수면이라고 한다. 냉각수면에서, 돌출된 제1 채널(21) 사이에 상대적으로 오목한 요홈부가 제2 채널(31)이 된다. 제2 개구부(12)를 통해 분리판(1)으로 유입된 냉각수가 제2 채널(31)를 따라 흐르면서 연료전지의 반응열을 냉각한다.
또한 흑연 재질의 분리판(1)의 경우, 분리판(1)의 일면에 밀링 등 기계적으로 홈을 형성하는 공정을 통해 제1 채널(21)을 형성하고, 타면에 제2 채널(31)을 형성한다. 이때, 제1 채널(21)과 제2 채널(31)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 엇갈려 형성되는 것이 바람직하다.
분리판(1)에서 냉각수 유출입부(32)는 제2 채널(31)을 연결하여, 냉각수가 전체 제2 채널(31) 내에서 고르게 흐를 수 있게 한다. 이때, 제1 채널(21) 및 제2 채널(31)은 각각 하나 또는 복수의 채널로 형성될 수 있다. 제1 채널(21) 및 제2 채널(31)이 각각 하나의 채널로 형성된 때, 제2 채널(31)의 여러 부분들을 서로 연결하여 각 부분으로 냉각수가 고르게 흐를 수 있게 한다. 일 예로, 제1 채널(21) 및 제2 채널(31)이 사행형(serpentine)으로 형성된 경우, 평행하게 형성된 제2 채널(31)의 각 부분을 서로 연결하도록 냉각수 유출입부(32)를 형성한다. 또한 제1 채널(21) 및 제2 채널(31)이 복수 개로 형성된 때, 복수 개의 평행한 제2 채널(31)을 서로 연결하도록 냉각수 유출입부(32)를 형성한다. 이러한 구성을 통해, 길이에 비해 폭이 상당히 좁은 제2 채널(31)에서 냉각수의 유동을 원활하게 할 수 있다. 따라서 분리판(1)의 냉각 성능을 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 두 개의 분리판(1)이 접합된 모습을 도시한 것이다. 각 분리판(1)의 돌출된 제1 채널(21)들이 서로 맞닿게 적층 한다. 이때, 냉각수 유출입부(32)는 제2 채널(31) 사이의 영역에 형성된 단차부이다. 즉 금속 재질의 분리판에서는 제1 채널(21)에서 타부분보다 덜 돌출된 단차에 의해 이웃하는 제2 채널(31)들이 연결되어 냉각수가 유출입하게 된다. 이러한 구성을 통해, 종래의 스탬핑 공정에 다른 공정을 추가하지 않고 분리판(1)에 냉각수 유출입부(32)를 형성할 수 있다. 또한, 흑연 재질의 분리판(1)에서는 제2 채널(31)간의 영역을 일부 제거하여 형성되는 단차에 의해 이웃하는 제2 채널(31)들이 서로 연결된다. 이러한 구성을 통해, 분리판(1)의 두께 및 부피를 증가시키지 않고 냉각 성능을 높일 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 일 실시예에 따른 분리판은, 제2 채널(31) 사이의 영역이 구비하는 단차가, 일부분이 타부분보다 더 돌출되어 구비되는 단차이다. 이때, 돌출되는 부분이 냉각수 유출입부의 전, 후방을 제외한 부분에 형성되는 것이 바람직하다. 냉각수의 흐름을 방해하는 것을 최소화하기 위해서이다. 이 실시예는, 제1 채널(21)이 구비하는 돌출된 부분을 제외한 전 부분이 냉각수 유출입부(32)가 된다는 점에서 앞에 기술한 실시예와 차이가 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 냉각수를 분리판의 중간 영역으로 안내하도록 냉각수 유출입부가 형성된 분리판을 도시한 것이다. 분리판(1)을 도시된 바와 같이 세 영역으로 구분할 경우, 영역 1 및 영역 3과 같은 분리판(1)의 가장자리 영역은 스택의 외부로 열을 방출할 수 있으나, 영역 2, 즉 분리판(1)의 중간 영역은 스택의 외부로 열을 방출하기 어려워 반응열이 축적이 많다. 여기서, 영역 2를 지나는 제2 채널(31)에 유입되는 냉각수의 유량이 타 영역보다 많아지도 록 냉각수를 안내하는 냉각수 유출입부(32)를 분리판(1)에 형성한다. 즉, 냉각수가 냉각수 유입 개구부 측의 제2 채널(21)로부터 중간 영역에 해당하는 제2 채널(21)까지 안내되도록, 냉각수 유출입부(32)가 소정의 길이를 가지며, 제1 채널(11)에 형성된다. 냉각수 유출입부(32)에 의해 형성되는 제2 채널(31)을 관통하며 흐르는 냉각수의 흐름이 중간 영역까지 끊기지 않고 이어질 수 있는 형상을 가져야 한다. 본 실시예와 같은 사행형 구조의 채널에서는 가장 냉각수 유입 개구부 측에 형성된 제2 채널(31)로부터, 영역 2와 영역 3의 중간에 해당하는 제2 채널(31)까지, 냉각수가 막히는 부분이 없이 흐를 수 있어야 한다. 따라서 도 1에 도시된 바와 같이 냉각수 유출입부(32)의 전체적인 형상이 삼각형을 이루도록 형성될 수도 있다. 또한 분리판(1)은 냉각수 유입 개구부(12)와 제2 채널(31)을 연결하는 연결통로(41)를 더 포함한다. 냉각수 연결통로(41)는 냉각수 유입 개구부(12) 및 제2 채널(21) 주변을 실링하는 가스켓(2)과 분리판(1)에 의해 형성된다. 냉각수는 냉각수 유입 개구부(12)를 통해 분리판(1)으로 유입되고, 냉각수 연결통로(41)에 의해 안내되어 제2 채널(21)로 유입된다. 냉각수 유입 개구부(12) 및 냉각수 연결통로(41)는 영역 2에 가깝게 위치하며, 냉각수 유출입부(32)는 냉각수 연결통로(41)로부터 냉각수가 유입되어 오는 방향과 최대한 일치시켜, 냉각수의 흐름을 방해하지 않고 영역 2로 유입되도록 하는 것이 바람직하다.
이때, 냉각수 유입 개구부(12) 및 연결통로(41)의 위치는 임의로 선택될 수 있다. 또한, 각 제1 채널(21)에 형성되는 냉각수 유출입부(32)의 길이, 높이 및 위치도 임의로 선택될 수 있다. 또한, 냉각수 유출입부(32)의 길이, 높이 및 위치를 조절하여, 각 제2 채널(31)에 유입되는 냉각수의 양을 조절할 수 있다. 또한 각 제1 채널(21)에서 냉각수 유출입부(32)가 형성되는 위치를 조절하여, 즉 냉각수 유출입부(32) 전체의 형상을 조절하여 냉각수가 제2 채널(31)을 관통하여 흐르는 방향을 조절할 수 있다. 이를 통해, 필요한 부분, 즉 반응열의 축적이 많은 부분에 냉각수가 다량 유입되도록 조정하여 냉각 효율을 높일 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 유출입부를 구비하는 분리판의 각 영역별 냉각수 유량을 그래프로 나타낸 것이다. 분리판의 제2 채널에서 채널별 냉각 유량을 시뮬레이션으로 예측한 것이다. 시뮬레이션 결과 그래프에 도시된 바와 같이, 냉각유량의 편차는 존재하나 반응열의 축적이 상대적으로 높은 영역 2에서 냉각유량. 따라서 같은 양의 냉각수를 이용할 때, 반응열의 축적이 많은 영역 2를 더 많이 냉각하므로 냉각 효율이 향상된다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예에 따른 분리판 및 분리판에 장착된 가스켓의 냉각수 면 및 반응가스 면을 도시한 것이다. 분리판(1)은 반응가스 유입 개구부(11), 냉각수 유입 개구부(12), 반응가스 배출 개구부(13), 냉각수 배출 개구부(14), 제1 채널(21), 제2 채널(31), 냉각수 유출입부(32) 및 냉각수 연결 통로(41, 42)를 포함한다. 분리판(1)은 그 일측 모서리에 반응가스 유입 개구부(11)를 구비하고, 대각선 모서리에 반응가스 유출 개구부(13)를 구비한다. 또한, 반응가스 유입 개구부(11)와 반응가스 유출 개구부(13)를 연결하며, 사행형(serpentine)으로 형성된 제1 채널(21)을 구비한다. 반응가스는 반응가스 유입 개구부(11)를 통해 유입되고, 제1 채널(21)을 따라 흐르면서 막-전극접 합체(MEA: 미도시)에서 산화 또는 환원 반응을 하며 연료전지가 작동된다. 또한 분리판은 일 측 중앙부에 냉각수 유입 개구부(12)를 구비하고, 반대측 중앙부에 냉각수 유출 개구부(14)를 구비한다. 제1 채널(21)의 형상이 타면으로 돌출되어, 타면에서 제1 채널(21)의 돌출된 형상에 의해 정의되는 제2 채널(31)을 따라 냉각수가 흐르며, 분리판(1)의 반응열을 냉각한다. 따라서, 냉각수 유입 개구부(12)로부터 냉각수 연결 통로(41)를 통해 유입되는 냉각수의 방향과, 냉각수 연결 통로(41) 부근에서 제2 채널(31)의 형상이 서로 법선 방향이 된다. 여기서, 제1 채널(21)이 구비하는 단차에 의해 냉각수 유출입부(32)가 형성된다. 냉각수 유출입구(32)가 형성됨에 따라, 사행형(serpentine) 구조의 채널을 구비하는 분리판(1)에서 냉각수가 냉각수 유입 개구부(12)로부터 유입되는 방향과 제2 채널(31)이 서로 법선 방향이 되어, 냉각수의 흐름이 가로막히는 것을 개선할 수 있다. 또한, 냉각수 유출입부(32)가 제1 채널(21) 및 제1 채널(21)이 구비하는 단차에 의해 형성되면서, 냉각수 유출입부(32)의 전체적인 형상이 분리판(1)의 중간 영역으로 흐를 수 있도록 형성된다. 이러한 구성을 통해, 상대적으로 반응열의 축적이 많은 분리판(1)의 중간 영역에 더 많은 양의 냉각수를 흐르도록 하여, 냉각 효율을 높일 수 있다. 냉각수 유출입부(32)는 냉각수 유입 개구부(12) 쪽뿐만 아니라, 냉각수 배출 개구부(14) 쪽에도 형성되는 것이 냉각 효율을 더욱 높일 수 있다. 냉각수가 냉각수 배출 개구부(14)로 배출되는 방향과, 제2 채널(31)의 방향도 서로 법선 방향이므로, 냉각수의 정체가 발생할 수 있기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리판(1)을 구비하는 연료전지 시스템은, 도 4 에 도시된 바와 같이, 분리판(1)의 냉각수 면에서 제1 채널(21)이 서로 접하도록 두 개의 분리판(1)을 접합시킨다. 분리판(1) 접합 어셈블리는 제1 채널(21), 제2 채널(31) 및 냉각수 유출입부(32) 등 분리판(1)에 가공되는 형상이 서로 선대칭이다. 두 쌍의 분리판(1) 접합 어셈블리 사이에 막-전극 접합체(MEA)를 개재하고, 분리판(1)에 형성된 제1 채널(21)에 반응가스를 흘려보내, 막-전극 접합체(MEA)와 반응을 일으키도록 한다. 또한, 바람직하게는 막-전극 접합체(MEA)와 분리판(1) 접합 어셈블리 사이에 가스확산층(GDL)이 개재될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판 스택의 일부를 도시한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판을 구비하는 연료전지 스택은, 상기한 바와 같은 분리판 접합 어셈블리(100)를 이용하여 적층된다. 분리판 접합 어셈블리(100)와 막-전극 접합체(MEA:200)를 교대로 적층하여 연료전지 스택을 제작한다. 분리판 접합 어셈블리(100)는 제1 분리판(101) 및 제2 분리판(102)를 포함한다. 제1 분리판(101) 및 제2 분리판(102)은 냉각수 면이 서로 접합된다. 또한 반응가스 면은 막-전극 접합체(200)와 접합된다. 즉, 제2 분리판(102), 제1 분리판(101), 막-전극 접합체(200), 타 분리판 접합 어셈블리의 제2 분리판(112), 제 1 분리판(미도시), 타 막-전극 접합체(미도시) 순으로 접합된다. 이때, 제1 분리판(101)에 형성된 채널을 통해 흐르는 반응 가스는 각각 연료 가스 및 환원 가스 중에서 선택된 어느 한 가스이며, 제2 분리판(102)에 형성된 채널을 통해 흐르는 반응 가스는 남은 다른 가스이다. 또한, 분리판 접합 어셈블리(100)에서 제1 분리판(101) 및 제2 분리판(102) 사이로 냉각수가 흐르며 분리판에서 발생하는 반응열을 냉각해준다. 여기 서, 냉각수가 흐르는 제2 채널을 연결해주는 냉각수 유출입구(131)에 의해, 반응열의 축적이 많은 분리판(101, 102)의 중간 영역을 효율적으로 냉각할 수 있다. 또한 좀 더 바람직하게는 막-전극 접합체(200)는 양 면에 가스확산층(GDL)을 더 포함한다.
본 발명에 따른 분리판은 냉각수가 제2 채널의 각 부분 간 또는 각 냉각수 채널 간을 유출입할 수 있게 하는 냉각수 유출입부를 구비하여, 냉각 성능을 향상시켰다.
또한 본 발명에 따른 분리판은 냉각수 유출입부가 제1 채널에 구비되는 단차에 의해 형성되어, 분리판의 두께, 면적, 부피를 키우지 않으면서 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 분리판은 금속 재질의 분리판의 경우, 종래의 스탬핑 공정으로 냉각수 유출입부를 생성할 수 있어 분리판의 제조 시간을 단축시키고, 제조 단가를 낮출 수 있다.
또한 본 발명에 따른 분리판은 제2 채널 내로 냉각수가 유입되는 양을 조절하여, 발열이 많은 부분을 집중적으로 냉각할 수 있어, 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 분리판의 일 측에 형성된 반응가스 유입 개구부;
    분리판의 반대편 일 측에 형성된 반응가스 배출되도록 반응가스 배출 개구부;
    분리판의 일 측에 형성된 냉각수 유입 개구부;
    분리판의 반대편 일 측에 형성된 냉각수 배출 개구부;
    분리판의 일면에 형성되되, 반응 가스가 흐를 수 있는 제1 채널;
    분리판의 타면에 형성되되, 냉각수가 흐를 수 있는 제2 채널;
    제2 채널을 서로 연결하여 냉각수가 제2 채널을 관통하여 흐르도록 하는 냉각수 유출입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 채널 및 제2 채널은, 사행형(serpentine) 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    냉각수 유출입구는, 제2 채널 간 영역이 구비하는 단차에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    냉각수 유출입구는, 냉각수가 분리판의 중간 영역으로 안내되도록, 냉각수 유입 개구부 및 출입 개구부 중 어느 하나 이상으로부터, 분리판의 중간 영역까지 제2 채널을 관통하여 흐르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    냉각수 유입 개구부 및 냉각수 배출 개구부와 제2 채널을 연결하는 냉각수 연결 통로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    분리판은, 금속 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    분리판은, 흑연 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  8. 분리판의 일 측에 형성된 반응가스 유입 개구부;
    분리판의 반대편 일 측에 형성된 반응가스 배출되도록 반응가스 배출 개구부;
    분리판의 일 측에 형성된 냉각수 유입 개구부;
    분리판의 반대편 일 측에 형성된 냉각수 배출 개구부;
    분리판의 일면에 형성되되, 반응가스 유입 개구부로부터 반응 가스가 유입되어 반응가스 배출 개구부로 흐를 수 있는 제1 채널;
    분리판의 타면에 형성되되, 냉각수 유입 개구부로부터 냉각수가 유입되어 냉각수 배출 개구부로 흐를 수 있는 제2 채널;
    제2 채널을 서로 연결하여 냉각수가 제2 채널을 관통하여 흐르도록 하는 냉각수 유출입구;를 구비하는 분리판을 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 분리판의 일 측에 형성된 반응가스 유입 개구부;
    분리판의 반대편 일 측에 형성된 반응가스 배출되도록 반응가스 배출 개구부;
    분리판의 일 측에 형성된 냉각수 유입 개구부;
    분리판의 반대편 일 측에 형성된 냉각수 배출 개구부;
    분리판의 일면에 형성되되, 반응가스 흐를 수 있는 제1 채널;
    분리판의 타면에 형성되되, 냉각수가 흐를 수 있는 제2 채널;
    제2 채널을 서로 연결하여 냉각수가 제2 채널을 관통하여 흐르도록 하는 냉각수 유출입구;를 구비하는 분리판을 포함하는 연료전지 시스템용 스택.
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