KR100981574B1 - 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 이용하는 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 셀 성능 편차를 감소시키고 데드 스페이스를 감소시킴으로써 스택 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 이용하는 연료전지 스택에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지용 세퍼레이터는 베이스 부재와, 베이스 부재의 적어도 일면에 배치되며 적어도 하나의 채널을 갖는 제1 채널 그룹과 적어도 하나의 채널을 갖는 제2 채널 그룹을 포함하고, 제1 채널 그룹과 제2 채널 그룹이 서로 평행하게 연장되며 채널 영역의 중간 부분에서만 서로 다른 영역에서 독립적으로 연장된다.

세퍼레이터, 연료전지, 채널, 십자형, 홀, 압력, 셀, 성능

Description

연료전지용 세퍼레이터 및 이를 이용하는 연료전지 스택{Separator for fuel cell and fuel cell stack using the same}

본 발명은 셀 성능 편차를 감소시키고 데드 스페이스를 감소시킴으로써 스택 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 이용하는 연료전지 스택에 관한 것이다.

연료전지용 세퍼레이터는 복수의 셀들이 적층된 구조를 갖는 연료전지 스택에 이용될 수 있다. 그 경우, 세퍼레이터는 셀과 셀 사이에 배치되며 인접한 셀에 연료 또는 산화제를 공급하고 인접한 두 셀들을 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 따라서 세퍼레이터는 통상 셀의 애노드 측에 연료를 공급하기 위한 채널 및/또는 셀의 캐소드 측에 산화제를 공급하기 위한 채널을 구비한다.

연료전지 스택은 다양한 응용에 따라 다양한 모양과 형태로 제작될 수 있다. 특히, 연료전지 스택은 셀의 액티브 영역 안쪽에 체결공이 뚫린 구조나 세퍼레이터가 십자형 채널 영역을 갖는 구조로 제작될 수 있다. 여기서, 셀의 액티브 영역 내에 체결공이 뚫린 스택 구조는 셀과 세퍼레이터가 적층될 때 이들의 경계면이 벌어지는 것을 방지하기 위한 구조이다. 그리고, 세퍼레이터가 십자형 채널 영역을 갖 는 스택 구조는 동일한 스택 부피에서 최대의 액티브 영역을 얻기 위한 구조이다.

세퍼레이터의 채널은 통상 적층형 연료전지 스택에 설치되는 인렛 매니폴드와 아웃렛 매니폴드 사이에 연결된다. 하나의 세퍼레이터의 일면에 복수의 채널들이 설치된 경우, 복수의 채널들은 인렛 매니폴드에서 아웃렛 매니폴드까지 서로 평행하게 연장되거나 인렛 매니폴드에서 아웃렛 매니폴드까지 서로 다른 영역에서 독립적으로 연장되도록 설치된다.

그러나, 셀의 액티브 영역 안쪽에 체결공이 뚫린 구조를 갖는 연료전지 스택에서는 체결공 때문에 세퍼레이터가 서로 평행하게 연장되는 복수의 채널들을 구비하기 어렵다. 또한, 셀의 액티브 영역 안쪽에 체결공이 뚫린 구조를 갖는 연료전지 스택에서, 서로 다른 영역에서 각각 독립적으로 연장되는 복수의 채널들을 설치하는 경우, 인렛 매니폴드 및 아웃렛 매니폴드가 세퍼레이터의 채널 영역의 상하 또는 좌우의 중간 부분에 위치하기 때문에 데드 스페이스(dead space)가 커지며, 그것에 의해 셀의 액티브 영역이 작아져 셀 부피당 출력 밀도가 낮아지는 단점이 있다.

또한, 연료전지 스택에서 서로 다른 영역에서 각각 독립적으로 연장되는 복수의 채널들을 갖는 세퍼레이터를 이용하는 경우, 인렛 매니폴드 및 아웃렛 매니폴드가 세퍼레이터의 채널 영역의 대각선 방향에 위치하기 때문에 인렛 매니폴드와 아웃렛 매니폴드 사이에서 독립적으로 패턴을 형성하는 채널 그룹들 중 어느 한쪽 그룹에 연료 유량이 몰리는 현상이 발생하고, 채널 그룹들 간의 연료 유량이 불균일해져 스택 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은 셀의 액티브 영역 안쪽에 홀을 가진 스택 구조나 세퍼레이터가 십자형 채널 영역을 갖는 구조에서 리액턴트 유량이 작을 때 연료전지 스택 내의 셀들 간에 원하지 않는 성능 편차가 발생하는 것을 방지함으로써 스택 성능의 안정성을 높일 수 있는 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 이용하는 연료전지 스택을 제공하는 것이다. 여기서, 리액턴트는 연료전지의 전기화학 반응에 이용되는 연료 및/또는 산화제를 가리킨다.

본 발명의 또 다른 목적은 셀의 액티브 영역 안쪽에 홀을 가진 스택 구조나 세퍼레이터가 십자형 채널 영역을 갖는 스택 구조에서 데스 스페이스를 최소화함으로써 스택의 출력 밀도를 높일 수 있는 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 이용하는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 베이스 부재; 및 베이스 부재의 적어도 일면에 배치되며 적어도 하나의 채널을 갖는 제1 채널 그룹과 적어도 하나의 채널을 갖는 제2 채널 그룹을 포함하되, 제1 채널 그룹과 제2 채널 그룹이 서로 평행하게 연장되며 채널 영역의 중간 부분에서만 서로 다른 영역에서 독립적으로 연장되는 연료전지용 세퍼레이터가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드를 분리하는 전해질을 구비한 적어도 하나의 셀; 및 셀의 일면에 접하도록 설치되며, 애노 드 및 캐소드 중 적어도 하나로 리액턴트를 공급하는 세퍼레이터를 포함하되, 세퍼레이터가 베이스 부재; 및 베이스 부재의 적어도 일면에 배치되며 적어도 하나의 채널을 갖는 제1 채널 그룹과 적어도 하나의 채널을 갖는 제2 채널 그룹을 포함하고, 제1 채널 그룹과 상기 제2 채널 그룹이 서로 평행하게 연장되며 채널이 형성되는 영역의 중간 부분에서만 서로 다른 영역에서 독립적으로 연장되는 연료전지 스택이 제공된다.

바람직하게, 상기 제1 채널 그룹과 상기 제2 채널 그룹이 서로 다른 영역에서 독립적으로 연장되는 상기 중간 부분은 상기 채널이 형성되는 영역 전체의 절반 이하이다.

채널이 형성되는 영역은 십자형 형태를 가진다. 또한, 채널이 형성되는 영역의 중앙부에 홀을 구비할 수 있다.

제1 채널 그룹의 일단과 제2 채널 그룹의 일단이 연결되는 제1 매니폴드와 제1 채널 그룹의 타단과 제2 채널 그룹의 타단이 연결되는 제2 매니폴드를 더 포함할 수 있다. 이때, 제1 매니폴드와 제2 매니폴드는 사각형 형태를 갖는 베이스 부재의 마주하는 두 모서리 부분에 각각 배치된다.

제1 채널 그룹의 일단 및 제2 채널 그룹의 일단은 제1 매니폴드에 독립적으로 연결된다. 또한, 제1 채널 그룹의 타단 및 제2 채널 그룹의 타단은 제2 매니폴드에 독립적으로 연결될 수 있다.

본 발명에 의하면, 채널 영역 안쪽에 홀을 가진 세퍼레이터 구조 및 십자형 채널 영역을 갖는 세퍼레이터 구조에서 리액턴트 유량이 작을 때 연료전지 스택 내의 셀들 간에 큰 성능 편차가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 다시 말하면, 연료전지 스택에 전기적으로 연결된 부하의 용량 감소나 연료전지 시스템의 동작 모드 변화, 예컨대, 정상 모드에서 대기 모드로의 변화 등과 같이 운전 조건의 변화로 인하여 스택에 공급되는 연료 유량 및/또는 산화제 유량이 크게 낮아지는 경우에도 스택의 동작 안정성을 유지할 수 있고, 그것에 의해 연료전지 시스템의 장시간 안정적인 운전에 기여할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 채널 영역 안쪽에 홀을 가진 세퍼레이터 구조나 십자형 채널 영역을 갖는 세퍼레이터 구조에서 데스 스페이스를 최소화할 수 있다. 따라서, 동일한 부피에서 스택 성능을 향상시킬 수 있고, 그것에 의해 연료전지 시스템의 소형화에 기여할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 충분히 이해하도록 하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 평면도이다. 도 2는 도 1의 세퍼레이터의 Ⅱ-Ⅱ선에 의한 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 세퍼레이터(10)는 베이스 부재(12)와, 베이스 부재(12)의 적어도 일면에 형성되며 십자형 형태(cross shape)를 갖는 채널 영역(14)과, 채널 영역(14)의 외곽에 형성되는 복수의 매니폴드들(16a, 16b, 17a, 17b)과, 각 매니폴드들과 소정 간격을 두고 액티브 영역(14)의 외곽에 형성되는 복수의 체결용 구멍들(18a, 18b, 18c, 18d)과, 한 쌍의 매니폴드들(16a, 16b) 사이에 형성되는 제1 채널(21) 및 제2 채널(23)을 포함한다. 여기서, 채널 영역(14)은 채널이 형성되는 영역으로서, 셀 내에서 세퍼레이터에 의해 리액턴트가 공급되는 영역으로 언급될 수 있다.

세퍼레이터(10)는 양면에 채널을 각각 구비하는 바이폴라 플레이트 구조나 일면에만 채널을 구비하는 모노폴라 플레이트 구조로 구현될 수 있다.

베이스 부재(12)는 고밀도 그래파이트(graphite)로 제조된 카본 세퍼레이터, 탄소와 고분자로 제조된 복합 세퍼레이터, 또는 스테인리스 강을 위주로 한 금속 세퍼레이터로 구현될 수 있다.

복수의 매니폴드들(16a, 16b, 17a, 17b)은 연료 유동을 위한 제1 쌍의 매니폴드들(16a, 16b)과 산화제 유동을 위한 제2 쌍의 매니폴드들(17a, 17b)을 포함한다. 제1 쌍의 매니폴드들(16a, 16b)은 대략 사각형 형태를 갖는 베이스 부재(12)의 마주하는 두 모서리 부분에 각각 배치된다. 제2 쌍의 매니폴드들(17a, 17b)은 대략사각형 형태를 갖는 베이스 부재(12)의 마주하는 또 다른 두 모서리 부분에 각각 배치된다.

제1 쌍의 매니폴드들(16a, 16b)은 각 셀의 애노드로 연료를 공급하기 위해 연료전지 스택에 설치되는 것으로서, 베이스 부재(12)의 두께 방향으로 베이스 부재(12)를 관통하는 연료 유동용 구멍을 가리킨다. 제2 쌍의 매니폴드들(17a, 17b)은 각 셀의 캐소드로 산화제를 공급하기 위해 연료전지 스택에 설치되는 것으로서, 베이스 부재(12)의 두께 방향으로 베이스 부재(12)를 관통하는 산화제 유동용 구멍을 가리킨다.

체결용 구멍들(18a, 18b, 18c, 18d)은 세퍼레이터(10)를 게재하고 적층되는 복수의 셀들을 체결하는 체결 수단, 예컨대, 볼트가 통과하는 구멍을 가리킨다. 본 실시예에 있어서, 네 개의 체결용 구멍들(18a, 18b, 18c, 18d)은 십자가 형태로 외부로 연장하는 채널 영역의 연장부들 사이에서 각 매니폴드와 소정 간격을 두고 각각 배치된다. 전술한 체결용 구멍들은 체결 구조에 따라 일부 또는 전체가 생략될 수 있다.

제1 채널(21)과 제2 채널(23)은 인렛 메니폴드(16a)로부터 연료가 유입되어 흘러가는 유로이다. 연료는 제1 채널(21)과 제2 채널(23)을 통과하면서 연료전지 스택의 각 셀의 애노드로 확산된다.

세퍼레이터(10)는 도 2에 도시한 바와 같이 두 매니폴드(16b, 17b) 내의 단차부(25a)와 두 체결용 구멍(18c, 18d) 내의 단차부(25b), 및 베이스 부재(12)의 일면 가장자리의 단차부(25c)를 구비할 수 있다. 이들 단차부에는 세퍼레이터(10)의 설치시 셀과 세퍼레이터(10) 사이를 밀봉하는 개스킷(미도시)이 부분적으로 삽입될 수 있다. 참고로, 도 2에서는 도시의 편의상 일면에 채널을 구비하는 모노폴라 플레이트 구조로 세퍼레이터(10)를 도시하였다.

전술한 세퍼레이터(10)는, 복수의 채널을 구비하고 동일한 크기를 갖는 세퍼레이터에서, 데드 스페이스를 가장 최소화할 수 있는 구조이다. 이러한 구조는 비대칭 채널 구조로 언급될 수 있으며, 동일한 부피의 세퍼레이터에서 셀의 액티브 면적을 넓혀 스택 성능을 향상시킨다. 이와 관련하여 아래에서 좀더 상세히 본 실시예의 구조 및 작용에 대하여 설명한다.

본 실시예에서 제1 채널(21)과 제2 채널(23)은 연료 유동을 위한 인렛 매니폴드(16a)에서 산화제 유동을 위한 아웃렛 매니폴드(17b)로 향하는 제1 방향으로 서로 평행하게 연장하고, 아웃렛 매니폴드(17b)에 인접한 부분에서 함께 180도 구부려진 후 제1 방향의 역방향으로 다시 서로 평행하게 연장한다. 그리고, 인렛 매니폴드(16a)에 인접한 부분에서 다시 함께 180도 구부려진 후 다시 제1 방향으로 서로 평행하게 연장한다. 즉, 제1 채널(21)과 제2 채널(23)은 인렛 매니폴드(16a)에 인접한 채널 영역에서 구불구불한 형상으로 서로 평행하게 연장한다.

또한, 제1 채널(21)은 그 중간 부분 즉, 제1 중간 채널 영역(14a)에서 제2 채널(23)과 서로 평행하게 연장하지 않고, 독립적인 채널 패턴으로 구불구불하게 연장한다. 유사하게, 제2 채널(23)은 그 중간 부분 즉, 제2 중간 채널 영역(14b)에서 제1 채널(21)과 서로 평행하게 연장하지 않고, 독립적인 채널 패턴으로 구불구불하게 연장한다.

또한, 제1 채널(21)과 제2 채널(23)은 연료 유동용 아웃렛 매니폴드(16b)에 인접한 채널 영역에서 산화제 유동을 위한 인렛 매니폴드(17a)와 연료 유동을 위한 아웃렛 매니폴드(16b)를 연결하는 직선과 대략 평행한 방향 즉 제1 방향에서 서로 평행하게 그리고 구불구불하게 연장한다.

또한, 제1 채널(21)의 양단부와 제2 채널(23)의 양단부는 연료 유동을 위한 인렛 매니폴드(16a)와 아웃렛 매니폴드(16b)에 각각 독립적으로 연결된다. 제1 채 널(21)과 제2 채널(23)이 인렛 매니폴드(16a) 및/또는 아웃렛 매니폴드(16b)에 서로 독립적으로 연결되는 구조는 본 실시예의 주된 기술적 특징 중 하나이다.

전술한 제1 채널(21) 및 제2 채널(23)의 결합 구조는 인렛 매니폴드(16a)에 인접한 채널 영역에서 제1 채널(21)과 제2 채널(23)의 길이가 달라서 제1 채널(21)과 제2 채널(23) 사이에 원하지 않는 압력 차이가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 3은 비교예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 평면도이다. 도 3에 도시된 비교예의 세퍼레이터(10a)는 본 실시예의 세퍼레이터(10)의 채널 구조와의 대비를 위한 것이다. 비교예의 세퍼레이터(10a)의 설명에 있어서, 도 1의 본 실시예의 세퍼레이터(10)와 동일하거나 유사한 요소는 설명의 편의와 중복 설명의 생략을 위해 동일한 참조부호로 나타내었다.

도 3을 참조하면, 비교예의 세퍼레이터(10a)에 있어서, 제1 채널(21a)과 제2 채널(23a)은 애노드 인렛측 채널 영역(14c)에서 서로 평행하게 연장하지 않고 각각 독립적인 채널 패턴으로 서로 다른 영역에서 구불구불하게 연장한다.

또한, 제1 채널(21a)은 그 중간 부분 즉, 제1 중간 채널 영역(14a)에서 제2 채널(23a)과 평행하게 연장하지 않고, 실질적으로 독립적인 채널 패턴으로 서로 다른 영역에서 구불구불하게 연장한다. 그리고 제2 채널(23a)은 그 중간 부분 즉, 제2 중간 채널 영역(14b)에서 제1 채널(21a)과 평행하게 연장하지 않고, 독립적인 채널 패턴으로 서로 다른 영역에서 구불구불하게 연장한다. 그리고, 제1 채널(21a)과 제2 채널(23a)은 연료 아웃렛 매니폴드(16b)에 인접한 채널 영역(14d)에서 서로 평행하게 연장하지 않고 각각 독립적인 채널 패턴으로 서로 다른 영역에서 구불구불 하게 연장한다.

비교예의 세퍼레이터(10a)의 구조에 의하면, 제1 채널(21a)을 통과하는 연료의 산화 반응 결과로 생성되는 이산화탄소와 제2 채널(23a)을 통과하는 연료의 산화 반응 결과로 생성되는 이산화탄소의 발생 위치가 인렛 매니폴드(16a)에서의 거리를 기준으로 많이 차이가 난다. 부피가 큰 기상의 이산화탄소가 제1 채널(21a)과 제2 채널(23a)의 서로 다른 위치에서 발생하게 되면, 애노드 인렛측 채널 영역(14c)에서 제1 채널(21a)과 제2 채널(23a)에 서로 다른 압력이 형성되고, 이러한 압력 차이에 의해 한쪽 채널로 연료가 몰리는 문제와 가스확산층을 통해 우회 유로가 형성되는 문제가 발생할 수 있다. 이와 같이, 비교예의 세퍼레이터(10a)에서는 연료전지 스택의 성능 안정성을 확보하기가 어렵다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 평면도이다.

도 4를 참조하면, 세퍼레이터(30)는 적층형 연료전지 스택의 체결시 체결 부재가 삽입되는 체결용 홀들(38a, 38b, 38c, 38d, 38e)을 구비한다. 네 개의 홀들(38a, 38b, 38c, 38d)은 채널이 형성되는 영역 즉 세퍼레이터(30)의 채널 영역의 바깥쪽에 설치되고, 하나의 홀(38e)은 채널 영역 안쪽에 설치된다.

또한, 세퍼레이터(30)는 복수의 채널(31)을 구비한다. 복수의 채널(31)은 제1 중간 채널 영역(34a)을 통과하는 제1 채널들을 구비한 제1 채널 그룹과, 제2 중간 채널 영역(34b)을 통과하는 제2 채널들을 구비한 제2 채널 그룹으로 구분할 수 있다.

또한, 세퍼레이터(30)은 연료 유동용 제1 인렛 매니폴드(36a), 연료 유동용 제1 아웃렛 매니폴드(36b), 산화제 유동용 제2 인렛 매니폴드(37a) 및 산화제 유동용 제2 아웃렛 매니폴드(37b)를 구비한다. 제1 인렛 매니폴드(36a)에는 제1 채널 그룹의 각 채널의 일단과 제2 채널 그룹의 각 채널의 일단이 연결되고, 제1 아웃렛 매니폴드(36b)에는 제1 채널 그룹의 각 채널의 타단과 제2 채널 그룹의 각 채널의 타단이 연결된다.

제1 채널 그룹의 각 채널과 제2 채널 그룹의 각 채널(31)은 애노드 인렛측 채널 영역(34c)에서 서로 평행하게 연장한다. 또한, 제1 채널 그룹의 각 채널과 제2 채널 그룹의 각 채널(31)은 애노드 아웃렛 채널 영역(34d)에서 서로 평행하게 연장한다. 다만, 제1 채널 그룹의 채널들과 제2 채널 그룹의 채널들은 중간 부분에서 서로 다른 영역에서 독립적으로 연장한다. 즉, 제1 채널 그룹의 채널들은 제1 중간 채널 영역(34a)에서 서로 평행하게 연장하고, 제2 채널 그룹의 채널들은 제2 중간 채널 영역(34b)에서 서로 평행하게 연장한다.

도 5는 비교예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 평면도이다.

도 5를 참조하면, 비교예의 세퍼레이터(30a)는 연료 유동용 제1 인렛 매니폴드(36a)와 연료 유동용 제1 아웃렛 매니폴드(36b)를 구비한다. 또한, 세퍼레이터(30a)는 서로 다른 영역에서 독립적으로 연장하는 제1 채널 그룹의 채널들(32a)과 제2 채널 그룹의 채널들(32b)을 구비한다.

세퍼레이터(30a)의 채널 영역을 제1 상부 채널 영역과 제2 하부 채널 영역으로 양분할 때, 제1 채널 그룹의 채널들(32a)은 제1 인렛 매니폴드(36a)에서 제1 상부 채널 영역을 지나 제1 아웃렛 매니폴드(36b)까지 연장한다. 그리고, 제2 채널 그룹의 채널들(32b)은 제1 인렛 매니폴드(36a)에서 제2 하부 채널 영역을 지나 제1 아웃렛 매니폴드(36b)까지 연장한다.

비교예의 세퍼레이터(30a)는 전술한 제2 실시예의 세퍼레이터(30)에 비해 데스 스페이스가 크다. 다시 말하면, 비교예의 세퍼레이터(30a)는 실제로 제1 인렛 매니폴드(36a)와 제1 아웃렛 매니폴드(36b)를 세퍼레이터(30a)의 폭 방향의 중간부에 구비하기 때문에 이들 매니폴드에 의해 데스 스페이스가 커진다. 하지만, 본 실시예의 세퍼레이터(30)는 제1 인렛 매니폴드(36a)와 제1 아웃렛 매니폴드(36b)가 대략 사각형 모양을 갖는 세퍼레이터(30)의 서로 마주하는 모서리 부분에 설치되기 때문에 비교예의 세퍼레이터(30a)에 비해 데스 스페이스를 감소시킬 수 있다. 물론, 전술한 제2 실시예의 세퍼레이터(30)는 제1 실시예의 세퍼레이터에서 언급한 기술적 특징을 포함한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택이 채용된 연료전지 시스템의 개략도이다.

도 6을 참조하면, 연료전지 스택(100)은 애노드 촉매층(103a)과 제1 기체확산층(105a)을 구비한 애노드, 캐소드 촉매층(103b)과 제2 기체확산층(105b)을 구비한 캐소드, 및 애노드와 캐소드를 분리하는 전해질(101)을 포함한다. 애노드, 전해질(16) 및 캐소드의 적층체는 셀을 구성하며, 소위 막전극 집합체(membrane electrode assembly, MEA)로 불린다.

또한, 연료전지 스택(100)은 세퍼레이터(107), 개스킷(109), 한 쌍의 엔드 플레이트(111), 체결부재(113), 연료 유동용 인렛 매니폴드(121), 및 연료 유동용 아웃렛 매니폴드(123)를 포함한다.

세퍼레이터(107)는 소위 분리판이라고 불리며, 셀들 사이에 설치되며, 셀들과 적층체를 형성하고, 각 셀의 애노드에 혼합 연료를 공급하기 위한 복수의 연료 유동용 채널들(108a) 및/또는 각 셀의 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 산화제 유동용 채널(108b)을 구비한다.

개스킷(109)은 각 셀에 공급되는 혼합 연료 및 산화제가 누설되지 않고 외부의 공기나 불순물이 침투하지 않도록 각 셀을 기밀하게 밀봉한다.

한 쌍의 엔드 플레이트(111)는 셀들과 세퍼레이터(107)가 적층된 적층체의 양단에 배치되며, 적층 방향에서 적층체를 지지하도록 체결 부재(113)에 의해 서로 결합한다.

본 실시예에서 세퍼레이터(107)는 앞서 설명한 본 실시예의 세퍼레이터들(10, 30) 중 어느 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 이때, 세퍼레이터(107)는 인렛 매니폴드(121)에 인접한 채널 영역에서 각 셀의 채널들(108a)의 길이를 최대한 비슷하게 하고, 채널들이 독립적으로 서로 평행하게 인렛 매니폴드(121)에 연결되도록 구성된다.

본 실시예의 연료전지 스택에 의하면, 인렛 매니폴드(121)에 인접한 액티브 영역에서 채널들의 길이가 달라서 생기는 기존의 문제와 기체확산층(105a)으로 우회 유로가 형성되는 것을 방지함으로써 스택 성능의 안정성을 확보할 수 있다. 특히, 연료 공급량 및/또는 산화제 공급량이 낮아지는 경우 불안정해질 수 있는 스택 성능을 안정적으로 유지할 수 있다. 여기서, 우회 유로는 구불구불한 채널을 가로 지는 유로의 단락 패스(short path)나 인접한 채널들 간에 형성되는 유로의 단락 패스를 가리킨다. 그리고 우회 유로가 발생하면, 일부 채널에 연료 또는 산화제가 공급되지 않아 실질적으로 셀에서 전기를 발생시킬 수 있는 액티브 면적이 감소하고, 이것에 의해 셀 성능이 저하된다.

도 7은 본 실시예의 연료전지 스택의 출력 성능과 비교예의 연료전지 스택의 출력 성능을 설명하기 위한 그래프이다.

본 실험에서, 본 실시예의 연료전지 스택은 도 1에 도시한 세퍼레이터를 채용하고 비교예의 연료전지 스택은 도 3에 도시한 세퍼레이터를 채용한 것을 제외하고 동일한 사양을 구비한다. 본 실험에 사용된 연료전지 스택은 20개의 셀을 구비하고, 스택의 정상 운전시 셀 평균 전압은 약 4.5V를 나타내었다.

도 7에서 알 수 있듯이, 비교예의 연료전지 스택은 애노드측 인렛 매니폴드로 공급되는 연료의 양론비(anode stoichiometry)와 캐소드측 인렛 매니폴드로 공급되는 공기의 양론비(cathode stoichiometry)가 각각 2, 2.5 및 3일 때, 셀 전압에 큰 표준 편차를 나타내었다. 예컨대, 공기의 양론비가 2일 때 셀 전압 편차는 연료의 양론비에 따라 약 40㎷, 약 39㎷, 약 43㎷를 나타내었고, 공기의 양론비가 2.5일 때 셀 전압 편차는 연료의 양론비에 따라 약 19㎷, 약 10㎷, 약 15㎷를 나타내었고, 공기의 양론비가 3일 때 셀 전압 편차는 연료의 양론비에 따라 약 25㎷, 약 9㎷, 약 8㎷를 나타내었다. 이처럼, 비교예의 연료전지 스택에서, 공기의 양론비가 3 또는 2.5보다 작은 2인 경우에 셀 전압 편차가 크게 나타나는 경향이 있음을 알 수 있다.

또한, 비교예의 연료전지 스택에서 셀 전압 편차는 연료의 양론비가 2.5 또는 3인 경우들보다 연료의 양론비가 2인 경우에 대부분 크게 관측되었다. 예를 들면, 연료의 양론비가 2이고 공기의 양론비가 2.5인 경우의 셀 전압 편차는 약 19㎷이다. 이 값은 공기의 양론비가 2.5이고 연료의 양론비가 2.5 또는 3인 경우들의 셀 전압 편차들 약 10㎷ 또는 약 15㎷보다 크다. 또한, 연료의 양론비가 2이고 공기의 양론비가 3인 경우의 셀 전압 편차(1)는 약 25㎷이다. 이 값은 공기의 양론비가 3이고 연료의 양론비가 2.5 또는 3인 경우들의 셀 전압 편차들 약 9㎷ 또는 약 8㎷보다 거의 3배 정도 크다. 이처럼, 비교예의 연료전지 스택에서, 연료의 양론비가 3 또는 2.5보다 작은 2인 경우에 대체로 셀 전압 편차가 크게 나타나는 경향이 있음을 알 수 있다.

전술한 비교예의 연료전지 스택에서 연료의 양론비 및/또는 공기의 양론비가 낮을 때 셀 전압 편차가 커지는 이유는 연료 유동을 위한 인렛 매니폴드와 아웃렛 매니폴드 사이에 독립적으로 연결되는 채널들 간에 연료 유량에 따라 셀간 유량 편차가 심해지기 때문이다. 유사하게 산화제 유동을 위한 인렛 매니폴드와 아웃렛 매니폴드 사이에 독립적으로 연결되는 채널들 간에도 산화제 유량에 따라 셀간 유량 편차가 심해지기 때문이다. 예컨대, 그것은 두 채널 중 한 채널로 연료가 유입되고 다른 한 채널을 정체되는 현상 때문이다. 이러한 현상은, 특히 액상 물질과 기상 물질이 유동할 때, 두 채널들 간에 발생하는 압력 차이에 의해 더욱 쉽게 발생한다.

다시 도 7을 참조하면, 본 실시예의 연료전지 스택은 스택에 공급되는 연료 의 양론비와 공기의 양론비가 각각 2, 2.5 및 3일 때, 거의 일정한 낮은 셀 전압 편차를 나타내었다. 예컨대, 공기의 양론비가 2일 때 셀 전압 편차는 연료의 양론비에 따라 약 9㎷, 약 11㎷, 약 10㎷를 나타내었고, 공기의 양론비가 2.5일 때 셀 전압 편차는 연료의 양론비에 따라 약 7㎷, 약 7㎷, 약 6㎷를 나타내었고, 공기의 양론비가 3일 때 셀 전압 편차는 연료의 양론비에 따라 약 6㎷, 약 6㎷, 약 6㎷를 나타내었다. 이처럼, 본 실시예의 연료전지 스택은 연료의 양론비가 2, 2.5 및 3인 경우와 공기의 양론비가 2, 2.5 및 3인 경우 모두에서 약 11㎷에서 약 6㎷의 거의 균일한 셀 전압 편차를 나타내었다.

본 실시예의 세퍼페이터를 이용하면, 연료전지 스택에 공급되는 연료 및/또는 산화제 공급량이 변동하는 경우에도 스택 성능이 저하되지 않고 스택 성능이 안정적으로 유지됨을 알 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 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.

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

도 2는 도 1의 세퍼레이터의 Ⅱ-Ⅱ선에 의한 단면도.

도 3은 비교예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 평면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 평면도.

도 5는 비교예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 평면도.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택이 채용된 연료전지 시스템의 개략도.

도 7은 본 발명의 연료전지 스택의 출력 성능과 비교예의 연료전지 스택의 출력 성능을 설명하기 위한 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 30 : 세퍼레이터

12 : 베이스 부재

14 : 액티브 영역

16a, 16b, 17a, 17b, 36a, 36b, 37a, 37b : 매니폴드

21, 23, 31 : 채널

Claims (15)

1. 베이스 부재; 및

   상기 베이스 부재의 적어도 일면에 배치되며 적어도 하나의 채널을 갖는 제1 채널 그룹과 적어도 하나의 채널을 갖는 제2 채널 그룹을 포함하되,

   상기 제1 채널 그룹과 상기 제2 채널 그룹은 서로 평행하게 연장되며 채널이 형성되는 영역의 중간 부분에서만 서로 다른 영역에서 독립적으로 연장되고,

   상기 제1 채널 그룹의 일단과 상기 제2 채널 그룹의 일단이 연결되는 제1 매니폴드와 상기 제1 채널 그룹의 타단과 상기 제2 채널 그룹의 타단이 연결되는 제2 매니폴드를 더 포함하고,

   상기 제1 매니폴드와 상기 제2 매니폴드는 사각형 형태를 갖는 상기 베이스 부재의 마주하는 두 모서리 부분에 각각 배치되며,

   상기 제1 채널 그룹의 일단 및 상기 제2 채널 그룹의 일단은 상기 제1 매니폴드에 독립적으로 연결되는 연료전지용 세퍼레이터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 채널 그룹과 상기 제2 채널 그룹이 서로 다른 영역에서 독립적으로 연장되는 상기 중간 부분은 상기 채널이 형성되는 영역 전체의 절반 이하인 연료전지용 세퍼레이터.
3. 제1항에 있어서,

   상기 채널이 형성되는 영역은 십자형 형태를 가지는 연료전지용 세퍼레이터.
4. 제3항에 있어서,

   상기 채널이 형성되는 영역의 중앙부에 홀을 구비하는 연료전지용 세퍼레이터.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 제1 채널 그룹의 타단 및 상기 제2 채널 그룹의 타단은 상기 제2 매니폴드에 독립적으로 연결되는 연료전지용 세퍼레이터.
8. 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 상기 캐소드를 분리하는 전해질을 구비한 적어도 하나의 셀; 및

   상기 셀의 일면에 접하도록 설치되며, 상기 애노드 및 상기 캐소드 중 적어도 하나로 리액턴트를 공급하는 세퍼레이터를 포함하고,

   상기 세퍼레이터는 베이스 부재; 및 상기 베이스 부재의 적어도 일면에 배치되며 적어도 하나의 채널을 갖는 제1 채널 그룹과 적어도 하나의 채널을 갖는 제2 채널 그룹을 포함하고, 상기 제1 채널 그룹과 상기 제2 채널 그룹은 서로 평행하게 연장되며 상기 채널이 형성되는 영역의 중간 부분에서만 서로 다른 영역에서 독립적으로 연장되고,

   상기 제1 채널 그룹의 일단과 상기 제2 채널 그룹의 일단이 연결되는 제1 매니폴드와 상기 제1 채널 그룹의 타단과 상기 제2 채널 그룹의 타단이 연결되는 제2 매니폴드를 더 포함하고,

   상기 제1 매니폴드와 상기 제2 매니폴드는 사각형 형태를 갖는 상기 베이스 부재의 마주하는 두 모서리 부분에 각각 배치되며,

   상기 제1 채널 그룹의 일단 및 상기 제2 채널 그룹의 일단은 상기 제1 매니폴드에 독립적으로 연결되는 연료전지 스택.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1 채널 그룹과 상기 제2 채널 그룹이 서로 다른 영역에서 독립적으로 연장되는 상기 중간 부분은 상기 채널이 형성되는 영역 전체의 절반 이하인 연료전지 스택.
10. 제8항에 있어서,

    상기 채널이 형성되는 영역은 십자형 형태를 가지는 연료전지 스택.
11. 제10항에 있어서,

    상기 세퍼레이터는 상기 채널이 형성되는 영역의 중앙부에 홀을 구비하는 연료전지 스택.
12. 삭제
13. 삭제
14. 제8항에 있어서,

    상기 제1 채널 그룹의 타단 및 상기 제2 채널 그룹의 타단은 상기 제2 매니폴드에 독립적으로 연결되는 연료전지 스택.
15. 제8항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 셀은 직접 메탄올형 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.

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