KR100874072B1 - 세퍼레이터 및 이를 채용한 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스택 내부의 압력차를 간편하게 조절하여 유체 흐름을 원활하게 할 수 있는 세퍼레이터 및 이 세퍼레이터를 채용한 연료전지 스택에 관한 것이다. 본 발명의 세퍼레이터는, 플레이트와, 플레이트의 일면에 설치되는 유로와, 유로의 입구부에 연결되는 제1 매니폴드용 제1 개구부, 및 유로의 출구부에 연결되는 제2 매니폴드용 제2 개구부를 포함하되, 유로입구부의 단면적 크기는 유로출구부의 단면적 크기보다 작은 것을 특징으로 한다.

연료전지 스택, 압력차, 세퍼레이터, 유로, 입구, 출구, 압력 조절

Description

세퍼레이터 및 이를 채용한 연료전지 스택{Separator and fuel cell stack using the same}

본 발명은 스택 내부의 압력차를 간편하게 조절하여 유체 흐름을 원활하게 할 수 있는 세퍼레이터 및 이 세퍼레이터를 채용한 연료전지 스택에 관한 것이다.

연료전지는 수소 등의 연료가 갖는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 발전시스템이며, 노트북, 휴대용 전자기기의 소형 전원, 가정용 전원, 요트나 캠핑에 사용할 수 있는 이동용 전원, 전기자동차 전원, 대형 건물의 자가발전기 등으로 이용할 수 있다. 연료전지의 기본 구성인 단위전지(이하 "셀(cell)"이라 한다)는 통상 0.4V 내지 0.9V의 전압을 출력한다. 따라서 원하는 전압을 얻기 위하여 대부분의 연료전지는 복수의 셀을 전기적으로 직렬 연결한 스택 구조로 제작된다.

연료전지 스택은 셀에 해당하며 전해질막과 그 양면에 접합되는 애노드 및 캐소드를 구비한 막전극집합체(membrane electrode assembly)와 이 막전극집합체의 양면에 위치하며 막전극집합체에 연료 및/또는 산화제를 분배 공급하는 세퍼레이터(separator)를 복수개 적층한 구조로 제작될 수 있다. 이러한 스택 구조는 제작 이 용이하고 우수한 성능을 얻을 수 있어 많이 이용되고 있다.

한편, 액상 연료를 사용하는 연료전지 스택의 동작시 연료의 전기화학 반응으로 발생한 기체에 의해 애노드 인렛(anode inlet) 측의 제1 매니폴드 내의 압력보다 애노드 아웃렛(anode outlet) 측의 제2 매니폴드 내의 압력이 커져서 내부 유로를 통해 유동하는 유체가 역류하는 현상이 발생하게 된다. 이 경우, 스택 내의 각 셀에 공급되는 연료량이 불균일해지고 성능이 저하되는 문제가 발생한다.

전술한 문제를 해결하기 위하여 매니폴드의 구조를 변경하여 제1 매니폴드의 단면적을 제2 매니폴드의 단면적보다 작게 설치하는 방안을 고려할 수 있지만, 그러한 방안은 제1 매니폴드의 작아진 단면적으로 인하여 제1 매니폴드의 맨 안쪽에 위치하는 끝단의 셀에는 연료가 원활히 공급되지 못하는 현상이 발생할 수 있기 때문에 실제로 적용이 곤란하며 역류 방지에 큰 효과가 없다.

본 발명의 목적은 연료전지 스택의 작동 중에 스택 내부에 발생하는 큰 압력차를 간편하게 조절할 수 있는 연료전지용 세퍼레이터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 세퍼레이터를 채용함으로써 역류를 방지하고 셀들간의 편차를 줄이며 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 의하면, 플레이트; 플레이트의 일면에 설치되는 유로; 유로의 입구부에 연결되는 제1 매니폴드용 제1 개구부; 및 유로의 출구부에 연결되는 제2 매니폴드용 제2 개구부를 포함하되, 유로입구부의 단면적 크기는 유로출구부의 단면적 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 세퍼레이터가 제공된다.

바람직하게, 제1 개구부와 제2 개구부의 크기는 동일하다.

상기 세퍼레이터는 유로입구부와 유로와의 사이에 위치하는 단차부를 더 포함할 수 있다.

유로입구부는 동일한 단면적으로 일정 길이만큼 연장되며 단차부를 거쳐 유 로에 연결될 수 있다.

유로입구부는 제1 개구부로부터 유로를 향하여 그 단면적이 증가하도록 설치될 수 있다.

유로는 구불구불한 형상일 수 있다.

유로는 유로입구부와 유로출구부를 각각 구비한 복수의 서브 유로를 포함할 수 있다.

유로는 유로입구부 하나와 유로출구부 하나 사이에 연결되는 복수의 서브 유로를 포함할 수 있다.

복수의 서브 유로는 구불구불한 형상일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 막전극집합체; 막전극집합체의 애노드에 연료를 분배하거나 캐소드에 산화제를 분배하며 막전극집합체의 양면에 배치되는 세퍼레이터; 및 막전극집합체와 세퍼레이터의 적층체를 소정 압력으로 누르는 체결 수단을 포함하되, 상기 세퍼레이터는, 플레이트; 플레이트의 일면에 설치되는 유로; 유로의 입구부에 연결되는 제1 매니폴드용 제1 개구부; 및 유로의 출구부에 연결되는 제2 매니폴드용 제2 개구부를 포함하며, 유로입구부의 단면적 크기는 유로출구부의 단면적 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지 스택이 제공된다.

바람직하게, 세퍼레이터는 상기 본 발명의 일 측면에 의한 세퍼레이터의 구체적인 구조들 가운데 적어도 어느 하나의 특정 구조를 구비할 수 있다.

상기 연료전지 스택은 직접 액체 연료전지 방식으로 동작한다.

본 발명에 의하면, 애노드 인렛 측의 매니폴드에 연결되는 세퍼레이터의 유로 연결 부위의 유로 크기를 조절함으로써 내부 압력차를 용이하게 조절할 수 있다. 아울러 상기 세퍼레이터를 이용함으로써 적층된 다수의 셀들 간의 편차를 줄이고, 애노드 인렛 측의 매니폴드 안쪽에 위치하는 끝 단의 셀에도 연료를 원활히 공급할 수 있어 연료전지 스택의 신뢰성 및 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 목적과 더불어 그의 다른 목적 및 특징은, 본 명세서의 기재 및 첨부 도면에 의하여 명료해질 것이다. 이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시 예는 당 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 아울러, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었으며 실제의 막 두께나 크기와 다를 수 있다.

또한 이하의 설명에서 언급할 서브 유로의 단면적, 유로입구부의 단면적, 및 유로출구부의 단면적 등의 단면적은 각 유로를 형성하는 오목부의 상부를 직선 또는 평면으로 닫았을 때 생기는 공간의 면적에 대응하는 것으로 가정한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 평면도이다. 도 2a는 도 1의 세퍼레이터의 I-I'선에 의한 단면도이다. 그리고 도 2b는 도 1의 세퍼레이터의 Ⅱ-Ⅱ'선에 의한 단면도이다. 도 2a 및 도 2b에서 참조부호 R1 및 R2는 단면상에서 대략 직각으로 꺾인 부분에 대응된다.

도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 세퍼레이터(10)는 연료전지의 셀 양면에 배치되며 외부로부터 공급되는 연료를 셀의 애노드에 분배 공급하거나 외부로부터 공급되는 산화제를 셀의 캐소드에 분배 공급한다. 또한 세퍼레이터(10)는 셀에서 발생한 기체를 외부로 배출한다. 또한 세퍼레이터(10)는 인접한 셀들을 전기적으로 연결하는 커넥터 역할을 담당한다.

세퍼레이터(10)는 모재(basic material)가 되는 플레이트(11), 플레이트(11)의 일면 상에 설치되는 유로(12), 유로(12)의 입구부(13)에 연결되는 제1 매니폴드용 제1 개구부(14), 유로(12)의 출구부(15)에 연결되는 제2 매니폴드용 제2 개구부(16), 제3 매니폴드용 제3 개구부(18a), 및 제4 매니폴드용 제4 개구부(18b)를 포함한다.

플레이트(11)는 흑연, 카본(carbon), 내식성이 우수한 물질이 표면 코팅된 금속, 또는 내식성이 강한 합금 등의 재료로 구현될 수 있다. 세퍼레이터(20)의 재료로 스테인리스 강(stainless steel)을 사용하는 경우, 그것은 전도성 향상을 위하여 그 표면에 도전성 금속 미립자가 부동태피박을 뚫고 돌출된 구조를 구비할 수 있다.

유로(12)는 셀의 애노드의 액티브 영역에 연료를 분배하고 애노드에서 발생한 기체를 배출하기 위한 통로이다. 유로(12)는 애노드의 액티브 영역에 효과적으 로 연료를 분배하기 위한 구조를 구비할 수 있다. 예컨대, 구불구불한(meandering or winding) 형상을 구비할 수 있다. 물론, 세퍼레이터(10)가 셀의 캐소드 측에 설치되는 경우, 유로(12)는 셀의 캐소드의 액티브 영역에 산화제를 분배하고 애노드에서 발생한 유체를 배출하기 위한 통로로써 이용된다.

또한 유로(12)는 효과적인 연료 공급을 위하여 복수의 서브 유로(12a, 12b)를 포함하도록 설치되는 것이 바람직하다. 이 경우, 제1 서브 유로(12a)는 유로입구부(13a)를 통해 제1 매니폴드용 제1 개구부(14)에 연통하고 유로출구부(15a)를 통해 제2 매니폴드용 제2 개구부(16)에 연통한다. 그리고 제2 서브 유로(12b)는 또 다른 유로입구부(13b)를 통해 제1 매니폴드용 제1 개구부(14)에 연통하고 또 다른 유로출구부(15b)를 통해 제2 매니폴드용 제2 개구부(16)에 연통한다. 본 실시예에서 두 유로입구부(13a, 13b)는 서로 독립적으로 유로(12)의 일단과 제1 매니폴드용 제1 개구부(14)를 연통시키고 두 유로출구부(15a, 15b)도 서로 독립적으로 유로(12)의 타단과 제2 매니폴드용 제2 개구부(16)를 연통시킨다.

유로입구부(13a) 및 또 다른 유로입구부(13b)는 각각 일정한 단면적을 갖고 일정 길이로 제1 개구부(14)와 유로(12)의 일단 사이에 연장 설치된다. 그리고 유로입구부(13a)의 단면적은 서브 유로(12a)의 단면적보다 작다. 또 다른 유로입구부(13b)의 단면적도 서브 유로(12b)의 단면적보다 작다. 예를 들면, 서브 유로(12a, 12b)의 단면적이 대략 1.0㎜ 내지 1.5㎜(폭)×0.3㎜(높이)일 때, 유로입구부(13a, 13b)의 단면적은 대략 0.6㎜(폭)×0.3㎜(높이)로 설정될 수 있다. 이때, 두 유로입구부(13a, 13b)의 길이는 예컨대 압력 분배에 따라 대략 5.0㎜ 내지 15㎜ 로 설정될 수 있다. 여기서, 두 서브 유로(12a, 12b)의 단면적은 일정한 것이 바람직하다.

유로출구부(15a) 및 또 다른 유로출구부(15b)는 각각 일정한 단면적을 갖고 일정 길이로 제2 개구부(16)와 유로(12)의 타단 사이에 연장 설치된다. 그리고 유로출구부(15a)의 단면적은 서브 유로(12a)의 단면적과 실질적으로 동일한 크기를 가지며, 또 다른 유로출구부(15b)의 단면적도 서브 유로(12b)의 단면적과 실질적으로 동일한 크기를 가진다.

제1 개구부(14)는 세퍼레이터(10)가 셀의 일면에 설치되어 스택 구조를 형성할 때 애노드 인렛 측의 제1 매니폴드를 형성하기 위한 것이고, 제2 개구부(16)는 세퍼레이터(10)가 셀의 일면에 설치되어 스택 구조를 형성할 때 애노드 아웃렛 측의 제2 매니폴드를 형성하기 위한 것이다. 이와 유사하게, 제3 개구부(18a)는 세퍼레이터(10)가 셀의 일면에 설치되어 스택 구조를 형성할 때 캐소드 인렛(cathode inlet) 측의 제3 매니폴드를 형성하기 위한 것이고, 제4 개구부(18b)는 세퍼레이터(10)가 셀의 일면에 설치되어 스택 구조를 형성할 때 캐소드 아웃렛(cathode outlet) 측의 제4 매니폴드를 형성하기 위한 것이다. 본 실시예에서 제1 개구부(14)의 단면적 크기는 제2 개구부(16)의 단면적 크기와 실질적으로 동일하다. 상기 제1 및 제2 매니폴드는 애노드 매니폴드로, 상기 제3 및 제4 매니폴드는 캐소드 매니폴드로 각각 언급될 수 있다.

또한 세퍼레이터(10)는 유로(12)와 이 유로(12)의 단면적보다 작은 단면적을 구비한 유로 유입구(12a)가 서로 연통하도록 연결될 때 이들 사이에 위치하는 단차 부(17)를 구비할 수 있다.

전술한 세퍼레이터 구조에 의하면, 애노드 매니폴드의 압력차를 해결하여 애노드 아웃렛 쪽의 압력이 높아 애노드 인렛 쪽으로 유체 유동(fluid flow)이 역류하는 것을 방지할 수 있다.

도 3은 본 발명의 변형예에 따른 세퍼레이터의 평면도이다.

도 3을 참조하면, 세퍼레이터(10a)는 모재가 되는 플레이트(11), 플레이트(11)의 일면 상에 설치되는 유로(12), 유로(12)의 입구부(13')에 연결되는 제1 매니폴드용 제1 개구부(14), 유로(12)의 출구부(15')에 연결되는 제2 매니폴드용 제2 개구부(16), 제3 매니폴드용 제3 개구부(18a), 및 제4 매니폴드용 제4 개구부(18b)를 포함한다.

본 변형예의 세퍼레이터(10a)는 도 1의 세퍼레이터(10)와 대비할 때 하나의 유로입구부(13')가 두 서브 유로(12a, 12b)의 일단과 제1 개구부(14)를 연통시키면서 유로입구부(13')가 대략적으로 두 서브 유로(12a, 12b)의 단면적을 합한 단면적을 갖는 유로(12)로부터 그 단면적이 점차적으로 절반 이상으로 감소하면서 제1 개구부(14)에 연결되는 점에 특징이 있다. 또한, 세퍼레이터(10a)는 도 1의 세퍼레이터(10)와 대비할 때 하나의 유로출구부(15')가 두 서브 유로(12a, 12b)의 타단과 제2 개구부(16)를 연통시키는 점에서 차이를 갖는다.

본 변형예에서 두 서브 유로(12a, 12b)의 양단에 위치하는 유로입구부(13') 부분과 유로출구부(15') 부분은 다른 유로 부분의 폭에 비해 상당히 넓은 폭을 갖기 때문에 셀과의 적층시 셀의 일부가 내려앉아 유로가 막히는 문제를 발생할 수 있다. 따라서 본 변형예는 스택 제작시 상기 부분에 셀의 일부가 내려앉는 문제가 발생하지 않는 구조 및 구성을 구비한 연료전지 스택에 적용하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 세퍼레이터를 채용한 연료전지 스택의 단면도이다.

도 4를 참조하면, 연료전지 스택(100)은 전해질막(101), 애노드 촉매층(103a), 캐소드 촉매층(103b), 애노드 지지층(105a), 캐소드 지지층(105b), 세퍼레이터(107), 개스킷(109), 엔드 플레이트(111), 및 체결수단(113)을 포함한다. 또한 연료전지 스택(100)은 애노드 인렛 측에 설치되는 제1 매니폴드(121) 및 애노드 아웃렛 측에 설치되는 제2 매니폴드(123)를 구비한다.

전해질막(101)은 애노드 전극(7a)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(7b)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다. 전해질막(101)은 두께 50~200㎛인 고체 고분자 특히 수소이온 전도성 고분자로 제작가능하며, 수소이온 전도성 고분자로는 불소계 고분자, 케톤계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자, 이미드계 고분자, 설폰계 고분자, 스티렌계 고분자, 탄화수소 고분자 등이 있다.

애노드 촉매층(103a) 및 캐소드 촉매층(103b)은 외부로부터 공급되는 연료가 화학적으로 빠르게 산화 반응하고 외부로부터 유입되는 산소가 화학적으로 빠르게 환원 반응할 수 있도록 반응 촉진 역할을 담당한다. 그리고 애노드 지지층(105a) 및 캐소드 지지층(105b)은 촉매층(103a, 103b)을 지지하는 역할을 하면서 연료, 물, 공기 등의 분산 작용과, 생성된 전기의 집전 작용, 및 촉매층 물질의 소실을 방지한다.

전술한 전해질막(101), 이 전해질막(101)의 일면 상에 위치하는 애노드 촉매층(103a)과 애노드 지지층(105a), 및 상기 전해질막(101)의 타면 상에 위치하는 캐소드 촉매층(103b)과 캐소드 지지층(105b)으로 이루어진 단위체는 소위 막전극집합체(membrane electrode assembly, MEA)로 불린다.

세퍼레이터(107)는 도 1 또는 도 3을 참조하여 앞서 설명한 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터(107)는 그 일면에 연료 유동 유로(fuel flow field, 108a)를 구비하고, 그 타면에 산화제 유동 유로(oxidant flow field, 108b)를 구비한 바이폴라 플레이트 형태 또는 그 일면에만 연료 또는 산화제 유동 유로를 구비한 모노폴라 플레이트 형태로 설치될 수 있다.

개스킷(gasket, 109)은 전해질막(101)과 세퍼레이터(107) 사이에 주로 배치되며, 세퍼레이터(20)와 애노드 촉매층(103a) 또는 캐소드 촉매층(103b) 간의 유체 누설이나 외부 물질의 유입을 차단한다. 개스킷(109)은 탄성이 우수하고 열 사이클에 대한 응력의 유지력이 우수한 재료를 이용하여 제작가능하다. 예컨대, 개스킷(109)의 재료로는 고무, 아크릴계, 실리콘계 재료나 TPE(thermoplastic elastomer), 금속 등이 이용될 수 있다.

엔드 플레이트(111)는 두 개가 한 조를 이루어 스택의 양단을 지지한다. 엔드 플레이트(111)는 제1 매니폴드(121)를 외부와 연결하기 위한 유입공(미도시), 제2 매니폴드(123)를 외부와 연결하기 위한 유출공(미도시)을 구비할 수 있다. 또한 엔드 플레이트(111)는 체결수단(113)과의 결합을 위한 체결공(미도시)을 구비할 수 있다. 엔드 플레이트(111)의 재료로는 알루미늄 등의 금속, 스테인리스 강 등의 합금, 플라스틱 등의 고분자복합재료, 세라믹복합재료, 섬유강화 고분자복합재료 등이 사용될 수 있다.

체결수단(113)은 한 쌍의 엔드 플레이트(111) 간에 일정한 압력을 부여하여 스택을 지지하도록 작용한다. 체결수단(113)은 볼트 등을 이용한 나사 결합 구조, 스트링(string) 등을 이용한 묶음 구조, 또는 열경화성 수지 등을 이용한 몰딩 구조 등이 이용될 수 있다.

연료전지 스택(100)의 작동원리를 설명하면 다음과 같다. 이하의 설명에서는 메탄올 수용액을 연료로 사용하는 경우를 예를 들어 설명하기로 한다.

제1 매니폴드(121)를 통해 애노드에 메탄올 수용액이 공급되고 제3 매니폴드를 통해 캐소드에 산화제가 공급되면, 세퍼레이터(107)를 통해 애노드 촉매층(103a)에 공급되는 연료는 산화 반응에 의해 수소 이온(H⁺), 전자(e^-), 및 이산화탄소로 전환된다. 수소 이온은 수소 이온 전도성 전해질막(101)을 통과하여 캐소드 촉매층(103b)으로 이동하고, 전자는 외부 회로(130)를 통해 캐소드 촉매층(103b)으로 이동한다. 또한 세퍼레이터(107)를 통해 캐소드 촉매층(103a)에 공급되는 산화제는 수소 이온을 산화제 내의 산소 및 상기 전자로 환원시켜 물과 열을 발생시킨다.

한편, 애노드 촉매층(103a)에서 발생한 이산화탄소는 제2 매니폴드(123)로 배출된다. 이때 기존의 스택 내부에서는 미반응 연료인 메탄올 수용액과 스택 내부에서 발생한 기상의 이산화탄소의 부피로 인하여 제1 매니폴드(121)의 압력보다 제 2 매니폴드(123)의 압력이 커져 유체 유동에 역류가 발생할 수 있지만, 본 발명의 스택에서는 제1 매니폴드(121)와 세퍼레이터(107)의 연료 유동 유로(108a)의 연결 부위의 단면적을 유로의 다른 부분의 단면적보다 작게 형성함으로써, 연료 유동 유로(108a) 상에서 발생할 수 있는 역류를 방지한다. 상기 세퍼레이터(107)의 특정 구조는 연료 유동 유로(108a) 상의 유동 역류를 방지하기 위한 압력 차단부 또는 체크 밸브(check valve) 기능부로써 기능한다.

상기 메탄올 수용액을 연료로 사용하는 직접 액체 연료전지의 전기화학적 반응은 다음의 반응식 1과 같이 표현될 수 있다.

애노드: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^-

캐소드: 3/2O₂ + 6H⁺ + 6e^- → 3H₂O

전체 : CH₃OH + 3/2O₂ → CO₂ + 3H₂O

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 연료전지 스택과 일반적인 연료전지 스택의 출력 특성을 비교 설명하기 위한 그래프이다.

도 5a에 도시한 바와 같이, 애노드 인렛 측의 제1 매니폴더와 세퍼레이터의 유로와의 연결 부위의 유로 단면적을 애노드 아웃렛 측의 제2 매니폴더와 상기 유로와의 연결 부위의 유로 단면적보다 작게 형성한 본 발명의 연료전지 스택을 준비하고, 준비된 스택을 동작시켜 각 셀의 전압을 측정하였다. 측정 결과, 본 발명의 연료전지 스택은 제1 내지 제10 셀 모두가 약 7000초 동안 대략 0.45V의 균일한 전압을 나타냈었다.

그러나, 애노드 인렛 측의 제1 매니폴더와 세퍼레이터의 유로와의 연결 부위의 유로 단면적을 애노드 아웃렛 측의 제2 매니폴더와 상기 유로와의 연결 부위의 유로 단면적이 실질적으로 동일한 일반적인 연료전지 스택의 경우, 스택을 동작시켜 각 셀의 전압을 측정한 결과, 도 5b에 도시한 바와 같이, 대부분의 셀은 대략 0.4V 부근의 전압을 나타내었지만, 제1 매니폴드의 제일 안쪽에 위치한 끝단의 제1 셀(#1cell)은 적색의 굵은 실선으로 나타낸 바와 같이 스택 동작 초기에 대략 0.4V의 전압을 나타내다가 약 2000초 이후에 전압이 급격히 감소하더니 약 5500초에서 정지하였다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 애노드 인렛 측의 제1 매니폴드를 형성하는 제1 개구부의 크기와 애노드 아웃렛 측의 제2 매니폴드를 형성하는 제2 개구부의 크기를 동일하게 설계한 상태에서 제1 개구부와 유로의 일단이 연결되는 부위의 유로 단면적의 크기를 제2 개구부와 유로의 타단이 연결되는 부위의 유로 단면적의 크기보다 작게 설계한 세퍼레이터를 채용함으로써 스택 동작시에 발생할 수 있는 내부 압력차를 손쉽게 조절할 수 있고, 제1 매니폴드 안쪽의 끝단 셀까지 연료를 원활히 공급함으로써 셀들 간의 편차를 감소시켜 스택 성능을 향상시킬 수 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그것들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해지는 것이 아니고 특허청구범위에 기재 된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 평면도.

도 2a는 도 1의 세퍼레이터의 I-I'선에 의한 단면도.

도 2b는 도 1의 세퍼레이터의 Ⅱ-Ⅱ'선에 의한 단면도.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 변형예에 따른 세퍼레이터들의 평면도.

도 4는 본 발명의 세퍼레이터를 채용한 연료전지 스택의 단면도.

도 5는 본 발명의 연료전지 스택의 작동원리를 설명하기 위한 블록도.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 연료전지 스택과 일반적인 연료전지 스택의 출력 특성을 비교 설명하기 위한 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 10a, 107 : 세퍼레이터(separator) 11 : 플레이트

12 : 유로 12a, 12b : 서브 유로

13, 13a, 13b, 13' : 유로입구부 14 : 제1 매니폴드

15, 15a, 15b, 15' : 유로출구부 16 : 제2 매니폴드

17 : 단차부 18a : 제3 매니폴드

18b : 제4 매니폴드 100 : 연료전지 스택

Claims (18)

1. 플레이트;

   상기 플레이트의 일면에 설치되는 유로;

   상기 유로의 입구부에 연결되는 제1 매니폴드용 제1 개구부; 및

   상기 유로의 출구부에 연결되는 제2 매니폴드용 제2 개구부를 포함하되,

   상기 유로입구부의 단면적 크기는 상기 유로출구부의 단면적 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 개구부와 상기 제2 개구부의 크기는 동일한 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
3. 제2항에 있어서, 상기 유로입구부와 상기 유로와의 사이에 위치하는 단차부를 더 포함하는 세퍼레이터.
4. 제2항에 있어서, 상기 유로입구부는 일정한 단면적으로 일정 길이로 연장되며 단차부를 거쳐 상기 유로에 연결되는 세퍼레이터.
5. 제2항에 있어서, 상기 유로입구부는 상기 제1 개구부로부터 상기 유로를 향하여 그 단면적이 증가하는 세퍼레이터.
6. 제2항에 있어서, 상기 유로는 구불구불한 형상인 세퍼레이터.
7. 제2항에 있어서, 상기 유로는 상기 유로입구부와 상기 유로출구부를 각각 구비한 복수의 서브 유로를 포함하는 세퍼레이터.
8. 제2항에 있어서, 상기 유로는 상기 유로입구부 하나와 상기 유로출구부 하나 사이에 연결되는 복수의 서브 유로를 포함하는 세퍼레이터.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 복수의 서브 유로는 구불구불한 형상인 세퍼레이터.
10. 막전극집합체;

    상기 막전극집합체의 애노드에 연료를 분배하거나 캐소드에 산화제를 분배하며 상기 막전극집합체의 양면에 배치되는 세퍼레이터; 및

    상기 막전극집합체와 상기 세퍼레이터의 적층체를 소정 압력으로 누르는 체결 수단을 포함하되,

    상기 세퍼레이터는,

    플레이트;

    상기 플레이트의 일면에 설치되는 유로;

    상기 유로의 입구부에 연결되는 제1 매니폴드용 제1 개구부; 및

    상기 유로의 출구부에 연결되는 제2 매니폴드용 제2 개구부를 포함하며,

    상기 유로입구부의 단면적 크기는 상기 유로출구부의 단면적 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
11. 제10항에 있어서, 상기 제1 개구부와 상기 제2 개구부의 크기는 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
12. 제11항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 유로입구부와 상기 유로와의 사이에 위치하는 단차부를 더 포함하는 연료전지 스택.
13. 제11항에 있어서, 상기 유로입구부는 동일한 단면적으로 일정 길이로 연장되며 단차부를 거쳐 상기 유로에 연결되는 연료전지 스택.
14. 제11항에 있어서, 상기 유로입구부는 상기 제1 개구부로부터 상기 유로를 향하여 그 단면적이 증가하는 연료전지 스택.
15. 제11항에 있어서, 상기 유로는 구불구불한 형상인 연료전지 스택.
16. 제11항에 있어서, 상기 유로는 상기 유로입구부와 상기 유로출구부를 각각 구비한 복수의 서브 유로를 포함하는 연료전지 스택.
17. 제11항에 있어서, 상기 유로는 상기 유로 입구 하나와 상기 유로 출구 하나 사이에 연결되는 복수의 서브 유로를 포함하는 연료전지 스택.
18. 제11항에 있어서, 상기 스택은 직접 액체 연료전지 방식으로 동작하는 연료전지 스택.

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