KR100938023B1 - 연료 전지용 공냉식 금속 분리판 및 이를 이용한 연료 전지 스택 - Google Patents

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Abstract

냉각수를 필요로 하지 않는 공냉식 금속 분리판에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 공냉식 금속 분리판은 금속판의 중앙부에, 전면으로부터 배면으로 돌출 형성되는 반응가스 채널과 상기 배면에 돌출된 반응가스 채널 사이에 형성되는 공기 유로를 포함하는 채널부; 상기 채널부 전면의 테두리에 연속적으로 형성되는 제1가스켓; 및 상기 채널부 배면의 테두리에 비연속적으로 형성되어, 상기 비연속적 부분이 공기의 이동 통로가 되는 제2가스켓; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지용 공냉식 금속 분리판 및 이를 이용한 연료 전지 스택{AIR COOLED METAL SEPARATOR FOR FUEL CELL AND FUEL CELL STACK USING THE AIR COOLED METAL SEPARATOR}
본 발명은 연료 전지용 금속 분리판(metal separator)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기 냉각 방식을 통하여 냉각수 공급이 요구되지 않으며, 공기의 이동 통로 및 분리판 지지를 위한 비연속적 가스켓이 적용될 수 있는 공냉식 금속 분리판에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)란 연료의 산화로 인해 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 전지로서, 최근 화석 연료의 고갈 문제, 이산화탄소 발생에 의한 온실효과와 지구 온난화 등의 문제점을 극복하고자 태양전지 등과 함께 많은 연구가 이루어지고 있다.
연료전지는 일반적으로 수소와 산소의 산화, 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환한다. 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전 자로 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.
연료전지의 단위 셀(Unit Cell)은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개 내지 수백개의 단위 셀을 적층하여 사용한다. 단위 셀의 적층 시, 각각의 단위 셀 간에 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 분리판(Separator)이고, 이를 다수 개 연결한 것을 통상 연료전지 스택(Stack)이라 한다.
종래의 연료전지용 분리판의 제조는 그라파이트(Graphite)를 유로 형태에 따라 밀링 가공하여 제작하였다. 이 경우 그라파이트 재질의 분리판이 차지하는 비중이 스택 전체에서 비용은 50%, 무게에서는 80% 이상을 차지하였다. 따라서, 그라파이트 재질의 분리판은 고비용, 큰 부피 등의 문제점이 있었다.
상기의 그라파이트 재질의 분리판의 문제점을 극복하기 위해, 금속재질의 금속 분리판이 개발되었는데, 금속 분리판은 가공성이 용이하고, 제조단가를 낮출 수 있는 등의 여러 장점이 있다.
일반적인 연료전지용 금속 분리판은 다음과 같다.
먼저 직사각형 형태의 금속판의 중심부에 반응가스 채널 및 냉각수 채널이 형성되고, 그 주변을 둘러싸는 가스켓이 형성된다. 반응가스 채널과 냉각수 채널을 포함하여 통상 채널부라 한다. 통상 반응가스 채널은 금속판의 전면에서 배면으로 스탬핑 공정에 의해 돌출되어 형성되고, 냉각수 채널은 금속판의 배면에 돌출된 반응가스 채널 사이의 영역을 활용하여 형성된다. 이렇게 형성된 채널부의 구조는 반응가스가 금속판의 전면 상에서 유동하고, 냉각수는 금속판의 배면 상에서 유동하도록 한다. 이러한 점에서 금속판의 전면을 반응가스 유동면으로, 금속판의 배면을 냉각수 유동면이라 지칭하기도 한다.
이러한 구조를 갖는 금속 분리판은 수냉식(water-cooled) 금속 분리판 구조로서, 채널부 일측의 냉각수 유입 매니폴드로 유입되는 냉각수가 냉각수 채널을 통과하면서 연료전지 동작시 활성화 손실(activation loss), 양극에서의 환원 반응 및 주울 가열(Joule heating) 등의 원인으로 인하여 발생하는 열을 냉각시킨다. 상기의 냉각과정을 거친 냉각수는, 이후 채널부 타측의 냉각수 배출 매니폴드를 통하여 분리판 외부로 빠져나간다.
이러한, 수냉식 금속 분리판의 경우, 연료전지 동작시 발생하는 열을 냉각시키기 위하여, 냉각수를 금속 분리판 계속해서 공급해주어야 한다. 이 경우 냉각수 공급을 위한 펌프, 이온제거기, 열교환기 등의 장치가 필요하게 되며, 이로 인하여 연료전지 시스템 제조 비용의 상승을 초래하는 원인이 되며, 이러한 수냉식 금속 분리판의 문제점을 보완할 수 있는 공냉식 금속 분리판이 연구되어 왔다.
한편, 기존의 공냉식 분리판의 경우 흑연 분리판의 냉각면을 가공하여 공기의 유출입부를 제작하였다. 그러나 이 경우, 분리판의 부피가 두꺼워짐과 동시에 스택의 부피가 커지는 단점이 있었다.
또한, 금속 박판을 성형하여 만든 분리판의 경우 흑연과 같은 냉각유로를 별도로 만들기 어려운 단점이 있다.
따라서 냉각유체인 공기의 원활한 출입이 가능한 구조를 제조 공정상에서 손쉽게 구현할 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 비연속적인 가스켓 구조를 통하여, 연료전지 구동 시 발생하는 열을 냉각하기 위한 냉각수를 필요로 하지 않으며 분리판의 공냉이 가능한 연료전지용 공냉식 금속 분리판을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 상기 공냉식 금속 분리판과 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)가 순차적으로 적층되어, 효율적인 냉각 구조를 갖는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 연료전지용 공냉식 금속 분리판은 금속판의 중앙부에, 전면으로부터 배면으로 돌출 형성되는 반응가스 채널과 상기 배면에 돌출된 반응가스 채널 사이에 형성되는 공기 유로를 포함하는 채널부; 상기 채널부 전면의 테두리에 연속적으로 형성되는 제1가스켓; 및 상기 채널부 배면의 테두리에 비연속적으로 형성되어, 상기 비연속적 부분이 공기의 이동 통로가 되는 제2가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 반응가스 채널에 반응가스를 도입하는 반응가스 유입 매니폴드 및 상기 반응가스 채널을 통과한 반응가스를 배출하는 반응가스 배출 매니폴드를 포함하는 반응가스 매니폴드가 상기 금속판의 양측 가장자리에 각각 개구된 형태로 형성되어 있으며, 상기 반응가스 유입 매니폴드 및 반응가스 배출 매니폴드의 전면 및 배면의 테두리에 연속적으로 형성되는 제3가스켓을 더 포함할 수 있다
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 연료전지 스택은 상기 제시된 공냉식 금속 분리판 및 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)가 순차적으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일실시예에 따른 연료전지 스택은 상기 제시된 공냉식 금속 분리판 2개가 각각의 전면이 대향하는 형태로 접합되어 있는 분리판 구조물과 막-전극 접합체(MEA)가 순차적으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공냉식 금속 분리판은 비연속적 가스켓을 통하여 분리판의 공냉이 가능하며, 연료전지 구동시 발생하는 열을 냉각하기 위한 냉각수를 필요로 하지 않는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 공냉식 금속 분리판과 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)를 순차적으로 적층한 연료전지 스택은 상기 공냉식 금속 분리판의 공기 유동면에 금속 본체의 변형 방지 및 공기 이동 통로 확보를 위한 비 연속적 가스켓이 배치되어 효율적인 냉각 구조를 가지는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 공냉식 금속 분리판 및 이를 이용한 연료전지 스택에 대하여 상세히 설명한다.
이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 공냉식 금속 분리판을 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 공냉식 금속 분리판은 채널부(210), 제1가스켓(220) 및 제2가스켓(230)을 포함한다.
채널부(210)는 금속판(201)의 중앙부에, 전면(201a)으로부터 배면(201b)으로 돌출 형성되는 반응가스 채널(202a)과 상기 배면(201b)에 돌출된 반응가스 채널(202a) 사이에 형성되는 공기 유로(202b)를 포함한다.
제1가스켓(220)은 반응가스 채널(202a)의 기밀성을 부여하기 위하여, 채널 부(210) 전면(201a)의 테두리에 연속적으로 형성된다.
제2가스켓(230)은 공기 유로(202b)의 공기의 흐름이 이루어지면서도 적층시 금속 분리판의 지지를 위하여, 채널부(210) 배면(201b)의 테두리에 비연속적으로 형성된다.
도 1a 내지 도 1d는 반응가스가 유동하는 금속 분리판의 길이 방향에 따른 폭 방향 단면을 나타낸 것이다.
도 1a의 경우, 채널부(210) 양측 테두리의 전면(201a)에 제1가스켓(220)이 형성되어 있고, 채널부(210) 양측 테두리의 배면(201b)에 제2가스켓(230)이 형성되어 있다.
도 1b 및 도 1c의 경우, 채널부(210) 양측 테두리의 전면(201a)에 제1가스켓(220)이 형성되어 있고, 채널부(210) 일측 테두리의 배면(201b)에만 제2가스켓(230)이 형성되어 있다.
도 1d의 경우, 채널부(210) 양측 테두리의 전면(201a)에 제1가스켓(220)이 형성되어 있고, 채널부(210) 양측 테두리의 배면(201b)에는 제2가스켓(230)이 형성되어 있지 않다.
즉, 채널부(210) 양측 테두리의 전면(201a)에 형성되는 제1가스켓(220)은 기밀을 위한 것이므로, 금속 분리판의 길이 방향을 따라 연속적으로 형성되어 있어야 한다.
반면, 채널부(210) 양측 테두리의 배면(201b)에 형성되는 제2가스켓(230)은 공냉식의 특성상 존재하지 않아도 무방하다. 그러나, 제2가스켓(230)이 전혀 형 성되어 있지 않을 경우, 연료전지 스택 제조를 위하여 금속 분리판과 막-전극 접합체를 순차적으로 적층할 때에 채널부의 테두리 부분의 지지가 이루어지지 않아 금속 분리판의 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 제2가스켓(230)은 채널부(210) 양측 테두리의 배면(201b)에 비연속적으로 형성되어, 공기 유로에서의 공기 유동을 방해하지 않으면서 금속 분리판을 지지하게 되는 것이다.
이렇게 비연속적으로 형성되는 제2가스켓(230) 금속 분리판의 길이 방향을 따라 양측으로 대칭적으로 형성될 수 있으며, 금속 분리판의 길이 방향을 따라 양측으로 비대칭적으로 형성되어도 무방하다.
종래의 수냉식 금속 분리판은 연료전지 동작시 활성화 손실(activation loss), 양극에서의 환원 반응 및 주울 가열(Joule heating) 등의 원인으로 인하여 발생하는 열을 냉각하기 위하여 냉각수를 냉각수 채널로 계속해서 공급하여야 하였다. 그러나, 본 발명에 따른 공냉식 금속 분리판은 공기를 통해 냉각이 이루어지므로 냉각수를 공급하지 않아도 되며, 또한, 분리판 배면의 가스켓은 기밀성을 부여하기 위한 것이 아니라, 분리판을 지지하여 분리판의 변형을 방지하기 위한 목적에서 형성된다. 분리판 배면의 가스켓에서 비연속적 부분은 공기의 이동 통로가 된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 공냉식 금속 분리판의 전면 및 배면을 나타낸 것이다.
먼저, 반응가스가 유동하는 공냉식 금속 분리판의 전면을 나타내는 도 2a 를 참조하면, 직사각형 형태의 금속판(310)의 중심부에 반응가스 채널(340) 및 공기 유로(345)를 포함하는 채널부가 형성되고, 채널부 주변의 테두리를 둘러싸는 제1가스켓(331)이 연속적으로 형성된다. 여기서, 도 2a 및 도 2b에서는 직사각형 형태의 금속판(310)의 장방향의 일부를 생략하였다.
반응가스 채널(340)은 스탬핑 공정에 의하여 금속판의 전면에서 배면으로 돌출하는 형태로 형성되며, 배면의 반응가스 채널(340)의 사이 부분에 공기 유로(345)가 형성되며, 반응가스 채널(340) 및 공기 유로(345)를 포함하여 채널부를 형성한다. 공기 유로(345)는 금속판(310)의 배면에 돌출된 반응가스 채널(340) 사이의 영역을 활용하여 형성되거나 또는 반응가스 채널(340)의 사이 부분이 금속판(310)의 전면으로 돌출하도록 스탬핑 공정에 의해 형성될 수 있다.
상기 채널부의 구조를 통하여 반응가스는 금속판(310)의 전면 상에서 유동하고, 공기는 금속판의 배면 상에서 유동한다.
다음으로, 공기가 유동하는 공냉식 금속 분리판의 배면을 나타내는 도 2b를 참조하면, 도 2a의 구조와 거의 동일하나, 채널부 양측에는 비연속적으로 제2가스켓(332)이 형성되어 있다. 이는 제1가스켓(331)의 경우 반응가스의 기밀을 위한 것이므로 연속적으로 형성되는 것이고, 제2가스켓(332)의 경우 기밀성을 요하지 않으면서 또한 분리판의 지지를 목적으로 형성되는 것이므로 비연속적으로 형성되는 것이다.
도 2b에는 비연속적으로 형성되는 제2가스켓(332)이 채널부 양측으로 대칭형으로 형성되어 있는 예를 나타내었으나, 비대칭형으로 형성될 수도 있다.
한편, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 채널부의 길이방향의 일측에는 반응가스를 채널부의 반응가스 채널(340)로 도입하는 반응가스 유입 매니폴드 및 채널부의 길이방향의 타측에는 반응가스 채널(340)로부터 반응가스를 배출하기 위한 반응가스 배출 매니폴드를 포함하는 반응가스 매니폴드가 각각 개구된 형태로 형성되어 있다. 본 발명은 공냉식 금속 분리판이므로, 종래와 같은 냉각수 유입 매니폴드 혹은 냉각수 배출 매니폴드를 요하지 않는다.
구체적으로 반응가스 유입 매니폴드는 산소 유입 매니폴드(320) 및 수소 유입 매니폴드(328)가 분할 형성되어 있으며, 산소 유입 매니폴드(320) 또는 수소 유입 매니폴드(328)와 채널부 사이에는 반응가스 유입홀(325)이 형성된다. 마찬가지로, 반응가스 배출 매니폴드는 산소 배출 매니폴드(360) 및 수소 배출 매니폴드(368)가 분할 형성되어 있으며, 수소 배출 매니폴드(368) 또는 산소 배출 매니폴드(360)와 채널부 사이에는 반응가스 배출홀(365) 이 형성된다.
상기 반응가스 유입 매니폴드에 형성되는 산소 유입 매니폴드(320)와 수소 유입 매니폴드(328)는 금속판(310)에 미리 분할된 개구부를 형성하고, 이를 이용하여 분할 형성할 수 있으며, 또한 각각의 매니폴드 형성을 위한 일체화된 고분자 틀 구조에 의해 분할 형성될 수 있다. 이는 그리고 반응가스 배출 매니폴드에 형성되는 산소 배출 매니폴드(360)와 수소 배출 매니폴드(368)의 분할 형성에도 마찬가지로 적용할 수 있다.
또한, 반응가스 유입 매니폴드와 반응가스 배출 매니폴드의 전면 및 배면의 테두리에는 산소 가스 및 수소 가스를 밀봉하기 위하여 제3가스켓(333)이 연속 적으로 형성되어 있다. 제3가스켓(333)은 제1가스켓(331)이나 제2가스켓(332)와 동일한 재질로 형성될 수 있으며, 가스켓 형성을 위한 사출 성형시 제1가스켓(331)이나 제2가스켓(332)와 동시에 형성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 공냉식 금속 분리판이 적용된 연료전지 스택의 예를 나타낸 것이다.
도 3a 내지 3d는 하나의 공냉식 금속 분리판과 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)가 순차적으로 적층되어 형성되는 연료전지 스택을 나타낸 것이고, 도 3e 및 도 3f는 공냉식 금속 분리판 2개가 각각의 전면이 대향하는 형태로 접합되어 있는 분리판 구조물과 막-전극 접합체(MEA)가 순차적으로 적층되어 형성되는 연료전지 스택을 나타낸 것이다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 연료전지 스택은 금속 분리판(410)과 막-전극 접합체(420)가 순차적으로 적층되어 형성된다. 금속 분리판(410)에서 반응가스 및 공기가 유동하는 채널부의 테두리에는 가스켓이 형성되는데, 분리판(410)의 전면에는 연속적인 제1가스켓(413)이 형성되어 있고, 분리판(410)의 배면에는 비연속적인 제2가스켓(414)이 형성되어 있다. 도 3a에는 제2가스켓(414)가 형성된 것을, 도 3b에는 제2가스켓(414)이 형성되지 않은 것을 의미한다.
이는 전술한 바와 같이, 분리판의 전면에 형성되는 제1가스켓(413)의 경우에는 반응가스 채널(411)에 기밀성을 부여하여, 반응가스를 밀봉하기 위한 것이므로 연속적으로 형성되는 것이며, 분리판의 배면에 형성되는 제2가스켓(414)의 경우 에는 공기 유로(412)의 개방을 통한 공기 유동에 방해를 하지 않으면서 막-전극 접합체(420)에 대한 지지 역할을 하기 위하여 비연속적으로 형성되는 것이다.
도 3a 및 도 3b의 경우에는 제1가스켓(413)에 의해 반응가스 채널(411) 사이에 통로가 존재하는 예가 나타나 있으며, 도 3c 및 도 3d의 경우에는 제1가스켓(413)의 두께를 최소한으로 줄이는 것을 통하여 반응가스 채널(411) 사이에 통로가 존재하지 않는 예가 나타나 있다.
반응가스 채널(411) 사이에 통로를 존재하지 않는 것은 반응가스 채널(411) 형성을 위한 금속판의 전면에서 배면으로의 스탬핑 공정 이외에, 공기 유로 형성을 위한 배면에서 전면으로의 스탬핑을 통하여도 이루어질 수 있다. 반응가스 채널(411) 사이에 통로가 존재하거나 각각의 반응가스 채널(411)을 밀폐하는 것은 금속 분리판의 사용 환경에 따라서 달라질 수 있다.
도면에는 도시되지 않았으나, 금속 분리판(410)의 전면과 막-전극 접합체(420) 사이에는 반응가스 채널(411)을 통하여 유동하는 반응가스를 막-전극 접합체(420) 표면으로 고르게 분산시켜주는 다공성 매체인 기체 확산층(Gas Diffusion Layer)이 더 포함될 수 있다.
도 3e 및 도 3f는 공냉식 금속 분리판 2개(410a,410b)가 각각의 전면이 대향하는 형태로 접합되어 있는 분리판 구조물과 막-전극 접합체(420)가 순차적으로 적층되어 형성되는 연료전지 스택을 나타낸 것이다. 도 3e의 경우에는 제1가스켓(413)에 의해 2개의 금속 분리판(410)의 접합에 의해 형성되는 반응가스 채널(411)들 사이에 통로가 존재하는 예가 나타나 있으며, 도 3f의 경우에는 제1가스 켓(413)의 두께를 최소한으로 줄이는 것을 통하여 반응가스 채널(411) 사이에 통로가 존재하지 않는 예가 나타나 있다.
반응가스 채널(411) 사이에 통로를 존재하지 않는 것은 전술한 바와 같이, 가스켓의 두께에 의하여 이루어질 수 있으며, 또한 반응가스 채널(411) 형성을 위한 금속판의 전면에서 배면으로의 스탬핑 공정 이외에, 공기 유로 형성을 위한 배면에서 전면으로의 스탬핑을 통하여도 이루어질 수 있다.
반응가스 채널(411) 사이에 통로가 존재하거나 각각의 반응가스 채널(411)을 밀폐하는 것은 금속 분리판의 사용 환경에 따라서 달라질 수 있다.
도 4는 다층의 공냉식 금속 분리판 구조체의 예를 나타내는 측면도이다.
도 4를 참조하면, 도시된 다층의 공냉식 금속 분리판 구조체는 연속적인 제1가스켓(510), 금속 본체(501), 비연속적인 제2가스켓(520), 금속 본체(501), 연속적인 제1가스켓(510), 금속 본체(501), 비연속적인 제2가스켓(520), 금속본체(501) 및 연속적인 제1가스켓(510)이 하부로부터 순차적으로 형성되어 있다.
여기서, 제1가스켓(510)은 전술한 바와 같이, 채널부에 기밀성을 부여하기 위하여 연속적으로 형성된다. 반면, 제2가스켓(520)은 제1가스켓(510)과는 달리, 비연속적으로 형성되어 하나의 제2가스켓과 다른 제2가스켓 사이에 유로(A)를 제공하게 된다.
이에 따라, 제2가스켓(520)이 형성되어 있는 부분은 분리판들을 지지하는 역할을 하게 되고, 제2가스켓(520)이 형성되지 않은 부분은 공기가 유동할 수 있는 유로의 역할을 하게 된다.
이러한 다층 구조체는 4개의 금속 분리판을 접합함으로써 형성할 수 있는데, 이 경우, 하나의 금속 분리판의 제1가스켓과 다른 하나의 금속 분리판의 제1가스켓을 접합하고, 하나의 금속 분리판의 제2가스켓과 다른 하나의 금속 분리판의 제2가스켓을 접합하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 공냉식 금속 분리판은 연료전지 구동시 발생하는 열을 냉각하기 위한 냉각수를 필요로 하지 않아, 연료전지 제조 비용 및 구동 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 공냉식 금속 분리판과 막-전극 접합체(MEA)를 순차적으로 적층한 연료전지 스택은 상기 공냉식 금속 분리판의 공기 유동면에 비연속적 가스켓이 배치되어 금속 본체의 변형을 방지할 수 있고, 또한 가스켓의 비연속적 부분을 통하여 공기의 이동 통로를 확보할 수 있게 된다. 이는 종래의 수냉식 금속 분리판의 가스켓 구조를 변경함으로써 쉽게 구현할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 공냉식 금속 분리판을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 공냉식 금속 분리판의 전면 및 배면을 나타낸 것이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 공냉식 금속 분리판이 적용된 연료전지 스택의 예를 나타낸 것이다.
도 4는 다층의 공냉식 금속 분리판 구조체의 예를 나타내는 측면도이다.

Claims (7)

  1. 금속판의 중앙부에, 전면으로부터 배면으로 돌출 형성되는 반응가스 채널과 상기 배면에 돌출된 반응가스 채널 사이에 형성되는 공기 유로를 포함하는 채널부;
    상기 채널부 전면의 테두리에 연속적으로 형성되는 제1가스켓; 및
    상기 채널부 배면의 테두리에 비연속적으로 형성되어, 상기 비연속적 부분이 공기의 이동 통로가 되는 제2가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉식 금속 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응가스 채널에 반응가스를 도입하는 반응가스 유입 매니폴드 및 상기 반응가스 채널을 통과한 반응가스를 배출하는 반응가스 배출 매니폴드를 포함하는 반응가스 매니폴드가 상기 금속판의 양측 가장자리에 각각 개구된 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉식 금속 분리판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응가스 유입 매니폴드와 반응가스 배출 매니폴드의 전면 및 배면의 테두리에 연속적으로 형성되는 제3가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉식 금속 분리판.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 채널부와 상기 반응가스 유입 매니폴드 사이에 반응가스 유입홀이 형성되어 있고,
    상기 채널부와 상기 반응가스 배출 매니폴드 사이에 반응가스 배출홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉식 금속 분리판.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 반응가스 유입 매니폴드 및 상기 반응가스 배출 매니폴드는 산소 가스용 매니폴드 및 수소 가스용 매니폴드로 각각 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 공냉식 금속 분리판.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 금속 분리판 및 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)가 순차적으로 적층되어 형성되는 연료전지 스택.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 금속 분리판 2개 이상이 각각의 전면 또는 배면이 대향하는 형태로 접합되어 있는 분리판 구조물과 막-전극 접합체(MEA)가 순차적으로 적층되어 형성되는 연료전지 스택.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101459961B1 (ko) * 2013-10-24 2014-11-07 현대하이스코 주식회사 개방형 공기 유로를 구비하는 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 구비하는 공냉식 연료전지 스택
KR101509949B1 (ko) 2013-10-24 2015-04-07 현대하이스코 주식회사 반응 가스 공급 및 가습 성능을 향상시킨 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 구비하는 연료전지 스택
WO2015060517A1 (ko) * 2013-10-24 2015-04-30 현대하이스코 주식회사 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 갖는 연료전지 스택
KR20160055550A (ko) * 2014-11-10 2016-05-18 한국타이어 주식회사 연료전지 분리판
WO2017146359A1 (ko) * 2016-02-23 2017-08-31 (주)엘지하우시스 연료전지 분리판 및 이를 갖는 연료전지 스택
KR20190068151A (ko) * 2017-12-08 2019-06-18 현대자동차주식회사 금속 공기 전지의 가스켓
KR20220092062A (ko) 2020-12-24 2022-07-01 현대자동차주식회사 공냉식 연료전지용 분리판 조립체 및 이를 포함하는 연료전지 스택

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101806620B1 (ko) * 2015-09-23 2017-12-07 현대자동차주식회사 연료전지 스택
KR102071906B1 (ko) * 2016-12-02 2020-01-31 주식회사 엘지화학 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택
JP2022175657A (ja) 2021-05-14 2022-11-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
CN113964362B (zh) * 2021-12-23 2022-03-08 国家电投集团氢能科技发展有限公司 边框结构及具有该结构的电化学电池装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010033956A1 (en) 2000-02-11 2001-10-25 Texas A&M University System Fuel cell with monolithic flow field-bipolar plate assembly and method for making and cooling a fuel cell stack
JP2006179404A (ja) * 2004-12-24 2006-07-06 Ebara Corp 空冷式燃料電池発電装置
JP2008146843A (ja) * 2006-12-06 2008-06-26 Kurimoto Ltd 固体高分子型燃料電池
US20090092866A1 (en) 2004-12-21 2009-04-09 Nissan Motor Co., Ltd. Startup method for fuel cell stack structure, temperature control method for fuel cell stack structure, and fuel cell stack structure

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5424144A (en) * 1993-10-21 1995-06-13 M-C Power Corporation One piece separator plate with insert ring step design
JP3540491B2 (ja) * 1996-03-07 2004-07-07 政廣 渡辺 燃料電池及び電解セル並びにその冷却・除湿方法
US7226688B2 (en) * 1999-09-10 2007-06-05 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell
JP4448703B2 (ja) * 2004-01-30 2010-04-14 本田技研工業株式会社 車載用燃料電池スタックの運転方法
US20080050629A1 (en) * 2006-08-25 2008-02-28 Bruce Lin Apparatus and method for managing a flow of cooling media in a fuel cell stack
KR100821389B1 (ko) * 2006-09-07 2008-04-11 현대자동차주식회사 연료전지 스택용 금속 분리판의 적층성 향상을 위한 구조
WO2008047989A1 (en) * 2006-10-16 2008-04-24 Hyundai Hysco Metal separator for fuel cell and fuel cell stack having the same
DK176957B1 (da) * 2007-07-18 2010-07-26 Serenergy As Forbedringer i pakninger og bipolære plader til PEM brændselsceller
CN101308936A (zh) * 2008-06-03 2008-11-19 大连工业大学 空气直接冷却的燃料电池
CN101420037B (zh) * 2008-12-10 2011-05-18 新源动力股份有限公司 一种质子交换膜燃料电池金属双极板

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010033956A1 (en) 2000-02-11 2001-10-25 Texas A&M University System Fuel cell with monolithic flow field-bipolar plate assembly and method for making and cooling a fuel cell stack
US20090092866A1 (en) 2004-12-21 2009-04-09 Nissan Motor Co., Ltd. Startup method for fuel cell stack structure, temperature control method for fuel cell stack structure, and fuel cell stack structure
JP2006179404A (ja) * 2004-12-24 2006-07-06 Ebara Corp 空冷式燃料電池発電装置
JP2008146843A (ja) * 2006-12-06 2008-06-26 Kurimoto Ltd 固体高分子型燃料電池

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10186717B2 (en) 2013-10-24 2019-01-22 Hyundai Steel Company Metal separation plate for fuel cell stack and fuel cell stack having the same
KR101509949B1 (ko) 2013-10-24 2015-04-07 현대하이스코 주식회사 반응 가스 공급 및 가습 성능을 향상시킨 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 구비하는 연료전지 스택
WO2015060517A1 (ko) * 2013-10-24 2015-04-30 현대하이스코 주식회사 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 갖는 연료전지 스택
KR101459961B1 (ko) * 2013-10-24 2014-11-07 현대하이스코 주식회사 개방형 공기 유로를 구비하는 공냉식 연료전지 스택용 금속 분리판 및 이를 구비하는 공냉식 연료전지 스택
GB2533755A (en) * 2013-10-24 2016-06-29 Hyundai Steel Co Metal separation plate for fuel cell stack and fuel cell stack having same
GB2533755B (en) * 2013-10-24 2021-05-05 Hyundai Steel Co Metal separation plate for fuel cell stack and fuel cell stack having same
KR20160055550A (ko) * 2014-11-10 2016-05-18 한국타이어 주식회사 연료전지 분리판
KR101698584B1 (ko) * 2014-11-10 2017-02-01 한국타이어 주식회사 연료전지 분리판
WO2017146359A1 (ko) * 2016-02-23 2017-08-31 (주)엘지하우시스 연료전지 분리판 및 이를 갖는 연료전지 스택
KR20190068151A (ko) * 2017-12-08 2019-06-18 현대자동차주식회사 금속 공기 전지의 가스켓
KR102540508B1 (ko) * 2017-12-08 2023-06-05 현대자동차주식회사 금속 공기 전지의 가스켓
KR20220092062A (ko) 2020-12-24 2022-07-01 현대자동차주식회사 공냉식 연료전지용 분리판 조립체 및 이를 포함하는 연료전지 스택
US11652221B2 (en) 2020-12-24 2023-05-16 Hyundai Motor Company Separator assembly for air cooled fuel cell and fuel cell stack including the same

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Publication number Publication date
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