KR101118666B1 - Separator and fuel cell stack using thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 스택은 응축수가 반응가스 유로로 유입되는 것을 방지할 수 있도록 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리에 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전기 생성부를 포함하며, 상기 전기 생성부에는 반응가스가 유입되는 반응가스 입구 매니폴드와 상기 반응가스가 배출되는 반응가스 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 반응가스 입구 매니폴드와 상기 반응가스 출구 매니폴드는 상기 세퍼레이터에 형성된 반응가스 유로와 연통되고 상기 반응가스 입구 매니폴드에는 돌출부가 형성되며, 상기 반응가스 입구 매니폴드는 상기 돌출부에서 상기 반응가스 유로와 연결된다.The fuel cell stack according to the present invention includes a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly so as to prevent condensate from flowing into the reaction gas flow path. The electricity generating unit includes a reaction gas inlet manifold through which the reaction gas is introduced and a reaction gas outlet manifold through which the reaction gas is discharged, and the reaction gas inlet manifold and the reaction gas outlet manifold are formed. The fold communicates with a reaction gas flow path formed in the separator, and a protrusion is formed in the reaction gas inlet manifold, and the reaction gas inlet manifold is connected with the reaction gas flow path in the protrusion.

연료 전지, 유로, 저항부재, 돌출부, 홈 Fuel cell, flow path, resistance member, protrusion, groove

Description

세퍼레이터 및 이를 이용한 연료 전지 스택{SEPARATOR AND FUEL CELL STACK USING THEREOF}Separator and fuel cell stack using same {SEPARATOR AND FUEL CELL STACK USING THEREOF}

본 발명은 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택용 세퍼레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응가스 입구 매니폴드의 구조를 개선한 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택용 세퍼레이터에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack and a separator for a fuel cell stack, and more particularly, to a fuel cell stack and a separator for a fuel cell stack having improved structures of a reaction gas inlet manifold.

연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.A fuel cell is a device that produces electricity electrochemically by using fuel (hydrogen or reformed gas) and oxidant (oxygen or air), and converts fuel and oxidant continuously supplied from outside into electric energy directly by electrochemical reaction. Device.

연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소, 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH), 또는 탄화수소계 연료를 개질하여 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.The oxidant of the fuel cell uses pure oxygen or air containing a large amount of oxygen, and the fuel contains a large amount of hydrogen by reforming pure hydrogen, hydrocarbon fuels (LNG, LPG, CH 3 OH), or hydrocarbon fuels. Use the reformed gas.

이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell), 및 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.These fuel cells are largely divided into polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct oxidation fuel cells (DMFC), and direct methanol fuel cells (DMFC). Can be.

고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체를 포함하며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.The polymer electrolyte fuel cell includes a fuel cell body called a stack, which generates electrical energy through an electrochemical reaction of hydrogen gas supplied from the reformer and air supplied by the operation of an air pump or fan. It is made as a structure. Here, the reformer functions as a fuel treatment apparatus for reforming fuel to generate hydrogen gas from the fuel, and supplying the hydrogen gas to the stack.

직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 직접 메탄올형 연료 전지는 직접 산화형 연료 전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 전지를 말한다.Unlike the polymer electrolyte type fuel cell, the direct oxidation type fuel cell is directly supplied with alcohol, which is a fuel, without using hydrogen gas. The direct energy fuel cell is supplied by the electrochemical reaction of hydrogen contained in the fuel and separately supplied air. It is made as a structure for generating a. The direct methanol fuel cell refers to a cell using methanol as a fuel in a direct oxidation fuel cell.

이하에서는 설명의 편의상 고분자 전해질형 연료 전지를 위주로 설명한다. 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기와 같은 소형기기용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점이 있다.Hereinafter, for convenience of description, the polymer electrolyte fuel cell will be described. The polymer electrolyte fuel cell has excellent output characteristics compared to other fuel cells, has a low operating temperature, fast start-up and response characteristics, as well as mobile power sources such as automobiles, as well as distributed power supplies and electronic devices such as houses and public buildings. There is a wide range of applications such as power supply for small devices.

고분자 전해질형 연료 전지에 사용되는 막-전극 어셈블리는 수소이온 전도성 고분자 전해질막의 양면에 백금족 금속 등의 금속 촉매를 담지한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층과 이 촉매층의 바깥면에 형성되며 통기성과 전자 도전성을 갖는 가스 확산층으로 구성되며, 가스 확산층은 일반적으로 탄소 종이 또는 탄소 부 직포 등으로 이루어진다.The membrane-electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell is formed on both sides of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and includes a catalyst layer mainly composed of a carbon powder carrying a metal catalyst such as a platinum group metal, and an outer surface of the catalyst layer. It consists of a gas diffusion layer having a gas diffusion layer is generally made of carbon paper or carbon nonwoven fabric.

막-전극 어셈블리의 외측에는 막-전극 어셈블리를 기계적으로 지지함과 동시에 인접하는 막-전극 어셈블리를 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성을 갖는 세퍼레이터가 설치되어 단위 셀을 형성한다. 세퍼레이터는 막-전극 어셈블리와 접촉하는 부분에 전극면에 반응가스를 공급하고 잉여가스와 반응 생성물을 운반하기 위한 유로를 형성하고 있다. 유로는 세퍼레이터와 별도로 설치될 수도 있지만 세퍼레이터의 표면에 홈 형태로 형성되는 것이 일반적이다.Outside the membrane-electrode assembly, a separator having electrical conductivity for mechanically supporting the membrane-electrode assembly and electrically connecting adjacent membrane-electrode assemblies to each other is provided to form a unit cell. The separator forms a flow path for supplying the reaction gas to the electrode surface and transporting the surplus gas and the reaction product to the portion in contact with the membrane-electrode assembly. The flow path may be provided separately from the separator, but is generally formed in a groove shape on the surface of the separator.

복수 개의 단위 셀은 적층 배열되며 단위 셀의 최외측에는 전류를 추출하기 위한 집전판과 그 외곽에 외부와의 절연을 위한 절연판이 차례로 적층되고, 체결판 및 체결수단을 통해서 고정된다.A plurality of unit cells are arranged in a stack and a current collector plate for extracting current and an insulation plate for insulation from the outside are sequentially stacked on the outermost side of the unit cell, and are fixed through the fastening plate and the fastening means.

연료 전지에 공급된 연료와 산화제는 막-전극 어셈블리에서 전기화학 반응을 통해 물로 변환되며 이 과정에서 전기와 열을 발생시킨다. 미반응 연료와 산화제는 연료 전지 스택 외부로 배출되는데, 전기화학 반응에 사용된 반응가스량과 공급 가스량의 비율을 가스 이용률이라고 한다.The fuel and oxidant supplied to the fuel cell are converted to water through an electrochemical reaction in the membrane-electrode assembly, which generates electricity and heat. Unreacted fuel and oxidant are discharged out of the fuel cell stack. The ratio of the amount of reactant gas to the amount of feed gas used in the electrochemical reaction is called gas utilization.

전기화학 반응에서 발생한 열을 배출하기 위하여 하나 또는 수개의 단위 셀 마다 냉각 매체가 유동하는 냉각부가 설치된다. 냉각부는 일 측에 연료가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 연료용 세퍼레이터와, 일 측에 산화제가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 산화제용 세퍼레이터를 서로 부착하는 방법이 많이 사용된다.In order to discharge heat generated in the electrochemical reaction, a cooling unit in which a cooling medium flows is installed every one or several unit cells. The cooling unit includes a fuel separator having a fuel gas flow path on one side and a cooling flow path for the cooling medium on the opposite side, and an oxidant having a cooling flow path for the cooling medium on the opposite side and an oxidant gas flow path on the opposite side. Many methods for attaching the separators to each other are used.

연료 전지 외부에서 세퍼레이터의 유로로 반응가스 및 냉각매체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각매체를 배출하기 위해서는 세퍼레이터에 각각의 연료가스, 산화제가스 및 냉각매체 별로 최소 2개 이상의 관통 구멍을 형성한다. 그리고 유로의 입출구를 각각 이들의 관통구멍까지 연결시켜, 한쪽의 관통구멍으로부터 반응가스 혹은 냉각매체를 각각의 유로로 공급하고 다른 쪽의 관통구멍으로 잉여가스 및 반응생성물 혹은 냉각매체를 배출한다. 반응가스 및 냉각매체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각매체를 배출하는 관통구멍을 통상 매니폴드(Manifold) 구멍이라고 한다.In order to supply the reaction gas and the cooling medium from the outside of the fuel cell to the flow path of the separator and to discharge the surplus gas, the reaction product and the cooling medium, at least two through holes are formed in each separator for each fuel gas, the oxidant gas and the cooling medium. . The inlet and outlet of the flow path are connected to their through holes, respectively, to supply the reaction gas or the cooling medium from each of the through holes to each of the flow paths, and to discharge the surplus gas and the reaction product or the cooling medium into the other through holes. The through hole for supplying the reaction gas and the cooling medium and discharging the surplus gas, the reaction product and the cooling medium is commonly referred to as a manifold hole.

세퍼레이터에 형성된 매니폴드 구멍은 단위 셀을 여러 장 적층하여 스택을 구성함에 있어서 적층 방향으로 매니폴드를 형성하게 되는데, 이러한 반응가스 및 냉각매체 공급방식을 내부 매니폴드 방식이라고 한다.In the manifold hole formed in the separator, a plurality of unit cells are stacked to form a manifold in the stacking direction. This reaction gas and cooling medium supply method is called an internal manifold method.

내부 매니폴드 방식 이외에, 세퍼레이터에 매니폴드 구멍을 형성하지 않고 세퍼레이터 외측에 가스 분배를 위한 배관이나 구조물을 형성하여 각각의 단위 셀로 반응가스 혹은 냉각매체를 공급하는 방식을 외부 매니폴드 방식이라고 한다.In addition to the internal manifold method, a method of supplying a reaction gas or a cooling medium to each unit cell by forming a pipe or a structure for gas distribution outside the separator without forming a manifold hole in the separator is called an external manifold method.

일반적으로 고분자 전해절 연료 전지는 전해질막에서 수소 이온의 전도성을 향상시키기 위하여 반응가스(연료 및 산화제)를 공급할 때 일정 수준 이상으로 가습해서 공급한다. 한편, 캐소드 측에서는 전기화학 반응에 의해서 물이 생성되기 때문에, 반응가스의 노점온도가 연료 전지 작동 온도보다 높으면 가스 유로나 전극 내부에서 수증기 응축에 의한 물방울이 발생한다.In general, a polymer electrolyte fuel cell is humidified to a predetermined level or more when a reaction gas (a fuel and an oxidant) is supplied to improve conductivity of hydrogen ions in an electrolyte membrane. On the other hand, since the water is generated by the electrochemical reaction on the cathode side, when the dew point temperature of the reaction gas is higher than the operating temperature of the fuel cell, water droplets due to water vapor condensation are generated in the gas flow path or the electrode.

이러한 것을 플러딩(flooding) 현상이라고 하는데, 플러딩 현상은 반응가스의 불균일한 유동 및 전극에서 반응가스의 결핍을 유발하여 연료 전지의 성능을 저 하시키는 원인이 된다. 플러딩 현상은 캐소드 전극뿐만 아니라 전해질 막을 통과해 전달된 물에 의해 애노드 전극에서도 발생할 수 있다. 특히 애노드 측에서 이러한 응축수에 의한 가스유로 막힘 현상이 발생한 경우에는 연료가스의 결핍을 초래하고, 이것은 전극의 비가역적 손상을 초래하게 된다.This is called flooding, which causes uneven flow of reactant gas and deficiency of reactant gas at the electrode, thereby causing deterioration of fuel cell performance. Flooding can occur at the anode electrode as well as at the cathode electrode due to the water transferred through the electrolyte membrane. In particular, when the clogging phenomenon of the gas oil by the condensate occurs on the anode side, it causes a deficiency of fuel gas, which causes irreversible damage of the electrode.

이것은 연료가스가 부족한 상태로 부하전류가 강제로 가해지면 연료가 없는 상태에서 전자와 프로톤을 만들기 위해서 애노드의 촉매를 담지하고 있는 카본이 물과 반응하기 때문이다. 이러한 반응의 결과로 애노드 측 촉매의 손실이 발생하게 되고 유효 전극 면적의 감소를 초래하여 연료 전지 성능을 저하시킨다.This is because when the load current is forcibly applied due to the lack of fuel gas, the carbon carrying the catalyst of the anode reacts with water to make electrons and protons in the absence of fuel. As a result of this reaction, a loss of the anode side catalyst occurs, leading to a reduction in the effective electrode area, thereby degrading fuel cell performance.

종래에는 플러딩 현상을 방지하고 연료 전지의 성능을 안정화시키기 위하여 반응가스의 이슬점 온도를 연료 전지 운전 온도보다 약간 낮게 가습하여 공급하는 방법이 사용되었다. 그러나, 이 경우에도 반응가스 입구 배관의 단열이 완벽할 수 없기 때문에, 장시간 운전 시에는 입구 배관에 응축수가 발생하고 이 응축수는 반응가스와 함께 매니폴드에 간헐적으로 유입되어 가스 유로로 섞여 들어가게 된다. 가스유로로 들어간 응축수는 유로를 가로막아 유로 내부로의 반응가스 흐름을 방해하고, 이에 따라 연료 전지는 가스 부족 현상을 겪게 된다. 또한 응축수가 존재하는 부근의 전극에서는 반응 생성물인 수증기의 응축이 더욱 가속화되어 플러딩 현상이 심화된다.Conventionally, in order to prevent flooding and to stabilize the performance of a fuel cell, a method of humidifying and supplying a dew point temperature of a reaction gas slightly lower than a fuel cell operating temperature has been used. However, even in this case, since the insulation of the reaction gas inlet pipe cannot be perfect, condensate is generated in the inlet pipe during long time operation, and the condensate is intermittently introduced into the manifold with the reaction gas and mixed into the gas flow path. The condensate entering the gas passage blocks the flow path and obstructs the flow of the reaction gas into the flow path, which causes the fuel cell to run out of gas. In addition, the electrode in the vicinity of the condensed water is further accelerated condensation of the water vapor, the reaction product, deepening the flooding phenomenon.

특히 여러 장의 단위 셀이 적층되어 있는 연료전지 스택의 경우 입구 배관에 인접한 셀에 응축수의 유입이 집중되어 전극의 열화가 가속되며, 이와 같이 특정 셀의 열화는 인접 셀의 열화로 이어져 결국에는 연료전지 스택 전체의 운전이 불가 능한 상황에 이르게 된다. In particular, in the case of a fuel cell stack in which several unit cells are stacked, condensed water is concentrated in a cell adjacent to the inlet pipe, and thus deterioration of the electrode is accelerated. The entire stack is inoperable.

통상 단위 셀로 유입된 물에 의한 가스유로의 막힘 및 플러딩 현상을 해소하기 위하여, 공급가스의 세퍼레이터 유로부분에서의 유속을 빠르게 하여 응축된 물을 배출시키는 방법이 사용되었다.In order to solve the clogging and flooding of the gas flow path by the water flowing into the unit cell, a method of discharging the condensed water by increasing the flow rate in the separator flow path portion of the feed gas is usually used.

그러나, 공급가스 유속을 증가시키기 위해서는 높은 압력으로 가스를 공급하는 것이 필요하며, 이를 위해서 가스공급 블로어 또는 압축기 등의 동력을 극단적으로 증가시켜야 하기 때문에, 시스템 효율이 저하되는 문제가 발생한다.However, in order to increase the feed gas flow rate, it is necessary to supply the gas at a high pressure. For this purpose, since the power of the gas supply blower or the compressor must be extremely increased, a system efficiency decreases.

또한, 응축수는 모든 단위 셀로 균등하게 분배되어 유입되는 것이 아니라 이상(two-phase) 유동의 특성상 입구측에 인접한 단위셀에 편중되어 들어가는 경향이 있으며 이러한 상황에서는 반응가스의 유속을 증가시켜도 유로를 막고 있는 물을 효율적으로 배출시키지 못하는 문제가 있다.In addition, condensate does not flow evenly into all unit cells, but rather tends to enter the unit cell adjacent to the inlet side due to the nature of the two-phase flow. In this situation, even if the flow rate of the reaction gas is increased, There is a problem that does not efficiently discharge the water present.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유로 내로 응축수가 유입되는 것을 억제할 수 있는 연료 전지 스택 및 이에 사용되는 세퍼레이터를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack and a separator used therein that can suppress condensed water from flowing into the flow path.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리에 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전기 생성부를 포함하며, 상기 전기 생성부에는 반응가스가 유입되는 반응가스 입구 매니폴드와 상기 반응가스가 배출되는 반응가스 출구 매니폴드가 형성되며, 상기 반응가스 입구 매니폴드와 상기 반응가스 출구 매니폴드는 상기 세퍼레이터에 형성된 반응가스 유로와 연통되고 상기 반응가스 입구 매니폴드에는 돌출부가 형성되고, 상기 반응가스 입구 매니폴드는 상기 돌출부에서 상기 반응가스 유로와 연결된다.A fuel cell stack according to an embodiment of the present invention includes an electricity generation unit including a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, the separator being in close contact with each other. The generating unit includes a reaction gas inlet manifold through which the reaction gas is introduced and a reaction gas outlet manifold through which the reaction gas is discharged, and the reaction gas inlet manifold and the reaction gas outlet manifold are formed in the separator. And a protrusion is formed in the reaction gas inlet manifold, and the reaction gas inlet manifold is connected to the reaction gas flow path in the protrusion.

상기 반응가스 입구 매니폴드에는 응축수가 위치하는 홈이 형성될 수 있으며, 상기 돌출부는 상기 반응가스 입구 매니폴드의 하면 중앙에 위치하고 상기 홈은 상기 반응가스 입구 매니폴드의 양쪽 옆에 위치할 수 있다. 또한, 상기 돌출부는 상기 반응가스 입구 매니폴드의 길이 방향을 따라 이어져 형성될 수 있다. The reaction gas inlet manifold may be provided with a groove in which condensate is located, and the protrusion may be located at the center of the lower surface of the reaction gas inlet manifold, and the groove may be located at both sides of the reaction gas inlet manifold. In addition, the protrusion may be formed to extend along the longitudinal direction of the reaction gas inlet manifold.

상기 반응가스 유로는 이웃하는 세퍼레이터를 향하는 면에 형성된 유로 도입부, 및 상기 유로 도입부와 연통되며 상기 막-전극 어셈블리를 향하는 면에 형성된 유로 반응부를 포함할 수 있으며, 상기 반응가스 유로는 상기 유로 도입부와 상기 유로 반응부를 연결하며, 상기 세퍼레이터의 두께 방향으로 형성된 유로 연결부를 더 포함할 수 있다.The reaction gas flow path may include a flow path introduction part formed on a surface facing the neighboring separator, and a flow path reaction part communicating with the flow path introduction part and formed on the surface facing the membrane-electrode assembly, wherein the reaction gas flow path includes the flow path introduction part. The flow path connecting part may further include a flow path connecting part formed in the thickness direction of the separator.

또한, 상기 돌출부는 상기 세퍼레이터에 형성될 수 있으며, 상기 반응가스는 연료 또는 산화제일 수 있다. 상기 반응가스 입구 매니폴드의 앞쪽에는 상기 반응가스의 유동을 방해는 저항부재가 설치될 수 있으며, 상기 저항부재는 원통형, 사각 기둥형, 타원 기둥형, 유선형 기둥형 중에서 선택되는 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 반응가스 입구 매니폴드는 상기 반응가스 출구 매니폴드에 보다 중력 방향을 기준으로 상부에 위치할 수 있다.In addition, the protrusion may be formed in the separator, and the reaction gas may be a fuel or an oxidizing agent. A front side of the reaction gas inlet manifold may be provided with a resistance member that interrupts the flow of the reaction gas, the resistance member in any one shape selected from cylindrical, rectangular columnar, elliptical columnar, streamlined columnar. Can be done. In addition, the reaction gas inlet manifold may be located above the reaction gas outlet manifold based on the direction of gravity.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리에 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전기 생성부를 포함하며, 상기 전기 생성부에는 반응가스가 유입되는 반응가스 입구 매니폴드와 상기 반응가스가 배출되는 반응가스 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 반응가스 입구 매니폴드와 상기 반응가스 출구 매니폴드는 상기 세퍼레이터에 형성된 반응가스 유로와 연통되고, 상기 반응가스 유로는 이웃하는 세퍼레이터를 향하는 면에 형성된 유로 도입부와 상기 유로 도입부에 연통되며 상기 막-전극 어셈블리를 향하는 면에 형성된 유로 반응부를 포함한다.A fuel cell stack according to an embodiment of the present invention includes an electricity generation unit including a membrane-electrode assembly and a separator disposed on both surfaces of the membrane-electrode assembly, and the reaction gas is introduced into the electricity generation unit. A reaction gas inlet manifold and a reaction gas outlet manifold through which the reaction gas is discharged are formed, and the reaction gas inlet manifold and the reaction gas outlet manifold are in communication with a reaction gas flow path formed in the separator. Includes a flow path introduction portion formed on a surface facing the neighboring separator and a flow path reaction portion communicating with the flow path introduction portion and formed on the surface facing the membrane-electrode assembly.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는 반응가스가 유입되는 반응가스 입구 매니폴드를 형성하는 반응가스 유로 구멍과 상기 반응가스가 배출되는 반응가스 출구 매니폴드를 형성하는 반응가스 출구 구멍, 및 상기 반응가스 입구 매니폴드 구멍과 반응가스 출구 매니폴드 구멍을 연결하는 반응가스 유로를 갖고, 상기 반응가스 입구 매니폴드 구멍에는 돌출부가 형성되며, 상기 반응가스 유로와 연결된다.The separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a reaction gas flow path hole forming a reaction gas inlet manifold into which a reaction gas is introduced, and a reaction gas outlet hole forming a reaction gas outlet manifold from which the reaction gas is discharged; It has a reaction gas flow path connecting the reaction gas inlet manifold hole and the reaction gas outlet manifold hole, the reaction gas inlet manifold hole is formed with a projection, it is connected to the reaction gas flow path.

또한, 상기 반응가스 유로는 이웃하는 세퍼레이터를 향하는 면에 형성된 유로 도입부, 및 상기 유로 도입부와 연통되며 상기 막-전극 어셈블리를 향하는 면에 형성된 유로 반응부를 포함할 수 있으며, 상기 반응가스 유로는 상기 유로 도입부와 상기 유로 반응부를 연결하며, 상기 세퍼레이터의 두께 방향으로 형성된 유로 연결부를 더 포함할 수 있다.The reaction gas flow path may include a flow path introduction part formed on a surface facing the neighboring separator, and a flow path reaction part communicated with the flow path introduction part and formed on the surface toward the membrane-electrode assembly, wherein the reaction gas flow path is the flow path. A flow path connecting part may be further connected to an introduction part and the flow path reaction part in a thickness direction of the separator.

상기 돌출부의 옆에는 응축수가 위치하는 홈이 형성될 수 있으며, 상기 반응 가스는 연료 또는 산화제일 수 있다.A groove in which condensate is located may be formed next to the protrusion, and the reaction gas may be a fuel or an oxidant.

상기와 같이 본 발명에 따르면 응축수가 반응가스 유로로 유입되는 것을 방지하여 플러딩 현상을 억제함으로써 발전 성능의 저하 없이 안정적으로 전기 에너지를 생산할 수 있다.As described above, according to the present invention, condensed water is prevented from flowing into the reaction gas flow path, thereby suppressing flooding, thereby stably producing electric energy without deteriorating power generation performance.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.1 is an exploded perspective view illustrating a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생산하는 셀(cell) 단위의 전기 생성부(30)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the fuel cell stack 100 according to the first exemplary embodiment includes an electricity generation unit 30 in a cell unit that generates electrical energy by electrochemically reacting fuel and an oxidant. It is configured by.

각각의 전기 생성부(30)는 전기를 발생시키는 단위 셀을 의미하며, 연료와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode assembly: MEA)(31) 및, 반응가스인 연료와 산화제를 막-전극 어셈블리(31)로 공급하기 위한 세퍼레이터(당 업계에서는 바이폴라 플레이트라고도 한다.)(separator)(32, 33)를 포함한다.Each of the electricity generating units 30 refers to a unit cell for generating electricity, and includes a membrane electrode assembly (MEA) 31 for oxidizing / reducing oxygen in fuel and oxidant, and a fuel which is a reaction gas. Separators (also known in the art as bipolar plates) for supplying oxidant to the membrane-electrode assembly 31.

이와 같은 전기 생성부(30)를 복수로 구비하고, 이들 전기 생성부(30)을 연 속적으로 배치함으로써 전기 생성부(30)의 적층 구조에 의한 연료 전지 스택(100)이 형성된다.The fuel cell stack 100 having a stack structure of the electricity generation unit 30 is formed by providing a plurality of such electricity generation units 30 and continuously disposing these electricity generation units 30.

본 발명에 따른 연료 전지 스택(100)은 통상적인 개질기를 통해 액체 또는 기체 연료로부터 크랙킹(cracking)된 수소를 연료로서 사용할 수 있다. 이 경우 상기 연료 전지 스택(100)은 전기 생성부(30)에 의한 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.The fuel cell stack 100 according to the present invention may use hydrogen cracked from liquid or gaseous fuel as a fuel through conventional reformers. In this case, the fuel cell stack 100 may be configured as a polymer electrolyte fuel cell system that generates electrical energy by reaction of hydrogen and oxygen by the electricity generating unit 30.

대안으로서 연료 전지 스택(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 스택(100)은 전기 생성부(30)에 의한 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.Alternatively, the fuel used in the fuel cell stack 100 may include a liquid or gaseous fuel containing hydrogen, such as methanol, ethanol, LPG, LNG, gasoline, butane gas, and the like. In this case, the fuel cell stack 100 according to the present invention is a direct oxidation fuel cell method for generating electrical energy through the direct reaction of liquid or gaseous fuel and oxygen by the electricity generating unit 30. Can be configured.

연료 전지 스택(100)은 연료와 반응하는 산화제로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다.The fuel cell stack 100 may use pure oxygen stored in a separate storage means as an oxidant reacting with the fuel, or may use air containing oxygen as it is.

막-전극 어셈블리(31)는 고체 폴리머 전해질로 형성된 고분자 전해질막과 고분자 전해질막의 양면에 배치된 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함한다.The membrane-electrode assembly 31 includes a polymer electrolyte membrane formed of a solid polymer electrolyte and an anode electrode and a cathode electrode disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane.

세퍼레이터(32, 33)는 막-전극 어셈블리(31)를 사이에 두고 밀착 배치되어, 막-전극 어셈블리(31)의 양측에 각각 연료 유로(36)와 산화제 유로(34)를 형성한다. 이 때 연료 유로(36)가 형성된 애노드 세퍼레이터(32)는 막-전극 어셈블 리(31)의 애노드 전극 측에 배치되고, 산화제 유로(34)가 형성된 캐소드 세퍼레이터(33)는 막-전극 어셈블리(31)의 캐소드 전극 측에 배치된다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시켜, 캐소드 전극의 산소와 결합되어 물을 생성시키는 이온 교환을 가능하게 한다.The separators 32 and 33 are closely arranged with the membrane-electrode assembly 31 interposed therebetween to form a fuel passage 36 and an oxidant passage 34 on both sides of the membrane-electrode assembly 31, respectively. At this time, the anode separator 32 on which the fuel flow path 36 is formed is disposed on the anode electrode side of the membrane-electrode assembly 31, and the cathode separator 33 on which the oxidant flow path 34 is formed is the membrane-electrode assembly 31. ) Is disposed on the cathode electrode side. The electrolyte membrane then transfers the hydrogen ions generated at the anode to the cathode, thereby enabling ion exchange to combine with oxygen at the cathode to produce water.

위와 같은 복수의 전기 생성부(30)가 연속적으로 배치됨으로써 연료 전지 스택(100)을 구성하게 된다. 여기서 연료 전지 스택(100)의 제일 외각에는 연료 전지 스택(100)을 일체로 고정하는 엔드 플레이트(60)가 설치된다.The plurality of electricity generating units 30 as described above are continuously arranged to constitute the fuel cell stack 100. Here, the outermost end of the fuel cell stack 100 is provided with an end plate 60 which integrally fixes the fuel cell stack 100.

일측 엔드 플레이트(60)의 상부에는 산화제를 연료 전지 스택(100)으로 공급하기 위한 산화제 주입구(62)와 연료를 연료 전지 스택(100)으로 공급하기 위한 연료 주입구(64), 및 냉각 매체를 주입하기 위한 냉각매체 주입구(63)가 형성된다. 한편, 일측 엔드 플레이트(60)의 하부에는 애노드 전극에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출시키기 위한 연료 배출구(67)와 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분과 미반응 공기를 배출시키기 위한 산화제 배출구(69), 및 냉각 매체가 배출되는 냉각매체 배출구(68)가 형성된다.An oxidant inlet 62 for supplying an oxidant to the fuel cell stack 100, a fuel inlet 64 for supplying fuel to the fuel cell stack 100, and a cooling medium are injected into an upper portion of the one end plate 60. Cooling medium inlet (63) is formed. On the other hand, the lower portion of the one end plate 60 discharges the water and the unreacted air generated by the combined reaction of hydrogen and oxygen at the fuel outlet 67 and the cathode electrode for discharging the remaining unreacted fuel from the anode electrode An oxidant outlet 69 for cooling, and a cooling medium outlet 68 through which the cooling medium is discharged.

세퍼레이터(32, 33)는 그 일면에 채널 형상의 반응가스 유로(36, 34)가 형성되어, 이런 반응가스 유로(36, 34)를 통해 연료 또는 산화제로 이루어진 반응가스가 유입된다. 여기서 반응가스 유로라 함은 산화제 유로와 연료 유로를 포함하는 개념이다.The separators 32 and 33 have channel-shaped reaction gas flow paths 36 and 34 formed on one surface thereof, and the reaction gas made of fuel or oxidant flows through the reaction gas flow paths 36 and 34. Here, the reaction gas flow path is a concept including an oxidant flow path and a fuel flow path.

세퍼레이터(32, 33)는 애노드 세퍼레이터(32)와 캐소드 세퍼레이터(33)로 구분될 수 있다. 캐소드 세퍼레이터(33)는 막-전극 어셈블리(31)를 향하는 일면에 산화제 유로(34)가 형성되고, 이런 산화제 유로(34)로 산소를 함유하는 산화제 가스가 유입된다. 애노드 세퍼레이터(32)는 막-전극 어셈블리(31)를 향하는 일면에 연료 유로(36)가 형성되고, 이런 연료 유로(36)로 수소를 함유하는 연료 가스가 유입된다.The separators 32 and 33 may be divided into an anode separator 32 and a cathode separator 33. In the cathode separator 33, an oxidant flow path 34 is formed on one surface facing the membrane-electrode assembly 31, and an oxidant gas containing oxygen flows into the oxidant flow path 34. The anode separator 32 is formed with a fuel flow passage 36 on one surface facing the membrane-electrode assembly 31, and a fuel gas containing hydrogen flows into the fuel flow passage 36.

세퍼레이터(32, 33)는 상기 일면의 반대편에 해당하는 배면에 냉각 유로가 형성될 수 있으며, 이에 따라 전기 에너지와 함께 발생되는 반응열을 제거한다.The separators 32 and 33 may have a cooling channel formed on a rear surface corresponding to the opposite side of the separator, thereby removing reaction heat generated together with electrical energy.

연료 전지 스택(100) 내부에는 산화제가 유입되는 산화제 입구 매니폴드(41)와 냉각 매체가 유입되는 냉각매체 입구 매니폴드(42), 및 연료가 유입되는 연료 입구 매니폴드(43)가 형성된다. 또한, 연료 전지 스택(100)의 내부에는 산화제가 배출되는 산화제 출구 매니폴드(46)와 연료가 배출되는 연료 출구 매니폴드, 및 냉각 매체가 배출되는 냉각 매체 출구 매니폴드가 형성된다. In the fuel cell stack 100, an oxidant inlet manifold 41 into which an oxidant is introduced, a cooling medium inlet manifold 42 into which a cooling medium is introduced, and a fuel inlet manifold 43 into which fuel is introduced. In addition, an oxidant outlet manifold 46 through which the oxidant is discharged, a fuel outlet manifold through which the fuel is discharged, and a cooling medium outlet manifold through which the cooling medium is discharged are formed in the fuel cell stack 100.

산화제 입구 매니폴드(41)는 연료 전지 스택(100)의 상부 일측 코너에 형성되고, 산화제 출구 매니폴드(46)는 연료 전지 스택(100)의 하부에서 상기 일측 코너의 대각선 방향 코너에 형성된다. 본 기재에서 상부라 함은 중력 방향을 기준으로 위에 있다는 의미하며, 하부라 함은 중력 방향을 기준으로 아래에 있다는 것을 의미한다. 또한, 연료 입구 매니폴드(43)는 연료 전지 스택(100)의 상부 타측 코너에 형성되고, 연료 출구 매니폴드는 상기 타측 코너의 대각선 방향 코너에 형성된다. 따라서 산화제 입구 매니폴드(41) 및 연료 입구 매니폴드(43)는 산화제 출구 매니폴드(46) 및 연료 출구 매니폴드에 비하여 중력방향으로 상부에 위치한다.An oxidant inlet manifold 41 is formed at the upper one corner of the fuel cell stack 100, and an oxidant outlet manifold 46 is formed at the diagonal corner of the one corner at the bottom of the fuel cell stack 100. In the present description, the upper means that the upper side is based on the direction of gravity, and the lower means that the lower side is based on the direction of gravity. In addition, the fuel inlet manifold 43 is formed at the upper other corner of the fuel cell stack 100, and the fuel outlet manifold is formed at the diagonal corner of the other corner. Thus, the oxidant inlet manifold 41 and fuel inlet manifold 43 are located above in the direction of gravity relative to the oxidant outlet manifold 46 and the fuel outlet manifold.

산화제 입구 매니폴드(41), 연료 입구 매니폴드(43)는 적층 배열되는 전기 생성부들에 형성된 구멍들이 이어져 형성된다.The oxidant inlet manifold 41 and the fuel inlet manifold 43 are formed by successive holes formed in the electrical generators arranged in a stack.

산화제 입구 매니폴드(41) 및 산화제 출구 매니폴드(46)는 캐소드 세퍼레이터에 형성된 산화제 유로(34)와 연통되며, 연료 입구 매니폴드(43) 및 연료 출구 매니폴드는 애노드 세퍼레이터(32)에 형성된 연료 유로(36)와 연통된다.The oxidant inlet manifold 41 and oxidant outlet manifold 46 communicate with the oxidant flow path 34 formed in the cathode separator, and the fuel inlet manifold 43 and fuel outlet manifold are fuel formed in the anode separator 32. It communicates with the flow path 36.

본 실시예에 따른 산화제 입구 매니폴드(41)에는 돌출부(71)가 형성되고 이 돌출부(71)에서 산화제 유로(34)와 산화제 입구 매니폴드가 연통된다. In the oxidant inlet manifold 41 according to the present embodiment, a protrusion 71 is formed, and the oxidant flow path 34 and the oxidant inlet manifold communicate with the protrusion 71.

한편, 돌출부(71)의 양쪽 옆에는 응축수가 위치할 수 있도록 홈(73)이 형성된다.On the other hand, the grooves 73 are formed on both sides of the protrusions 71 so that the condensed water can be located.

또한, 연료 입구 매니폴드(43)에도 돌출부(81)가 형성되고, 이 돌출부(81)에서 연료 유로(36)와 연결된다. 또한, 돌출부(81)의 양쪽 옆에는 응축수가 위치할 수 있도록 홈(83)이 형성된다.In addition, a projection 81 is also formed in the fuel inlet manifold 43, and is connected to the fuel passage 36 in the projection 81. In addition, grooves 83 are formed at both sides of the protrusion 81 so that the condensed water can be located.

본 실시예에서 돌출부(71, 81)는 세퍼레이터(32, 33)에만 형성되며 막-전극 어셈블리(31)에는 형성되지 않는다. 그러나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 막-전극 어셈블리에도 돌출부가 형성되어 돌출부가 산화제 또는 유로 유로의 길이 방향을 따라 이어져 형성될 수도 있다.In the present embodiment, the protrusions 71 and 81 are formed only in the separators 32 and 33 and are not formed in the membrane-electrode assembly 31. However, the present invention is not limited thereto, and the protrusion may be formed in the membrane-electrode assembly so that the protrusion may be formed along the longitudinal direction of the oxidant or the flow path.

도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 스택의 일부를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2에서 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 잘라 본 연료 전지 스택의 부분 횡단면도이고, 도 4는 도 2에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 잘라 본 연료 전지 스택의 부분 종단면도이다.FIG. 2 is a perspective view showing a part of the fuel cell stack shown in FIG. 1, FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack taken along line III-III in FIG. 2, and FIG. 4 is IV-IV in FIG. 2. Partial longitudinal sectional view of the fuel cell stack taken along a line.

상기한 도면들을 참조하여 설명하면, 본 실시예에서는 산화제 입구 매니폴드(41)를 예로서 설명하나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 연료 입구 매니 폴드(43)도 동일하게 형성될 수 있다.Referring to the drawings, the oxidant inlet manifold 41 is described as an example in the present embodiment, but the present invention is not limited thereto, and the fuel inlet manifold 43 may be formed in the same manner.

산화제 입구 매니폴드(41)의 하단 중앙에는 돌출부(71)가 형성되고 돌출부(71)의 양쪽 옆인 산화제 입구 매니폴드(41)의 양쪽 가장자리에 응축수 배출을 위한 홈(73)이 형성된다. 본 실시예에서는 산화제 입구 매니폴드(41)가 내부 매니폴드 방식으로 구성된 것을 예로서 설명하나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 산화제 입구 매니폴드는 외부 매니폴드 방식으로 구성될 수도 있다.A protrusion 71 is formed at the center of the lower end of the oxidant inlet manifold 41, and grooves 73 for condensate discharge are formed at both edges of the oxidant inlet manifold 41 which are both sides of the protrusion 71. In the present embodiment, the oxidant inlet manifold 41 is configured as an internal manifold method as an example, but the present invention is not limited thereto, and the oxidant inlet manifold may be configured as an external manifold method.

산화제 입구 매니폴드(41)는 캐소드 세퍼레이터(33)에 형성된 산화제 유로(34)와 연통되어 산화제 유로(34)를 통해서 막-전극 어셈블리로 산화제를 공급한다. The oxidant inlet manifold 41 communicates with the oxidant flow path 34 formed in the cathode separator 33 to supply oxidant to the membrane-electrode assembly through the oxidant flow path 34.

산화제 유로(34)는 접하도록 배치된 애노드 세퍼레이터(32)를 향하는 면에 형성된 유로 도입부(34b)와 유로 도입부(34b)에 연통되며 막-전극 어셈블리(31)를 향하는 면에 형성된 유로 반응부(34a), 및 유로 도입부(34b)와 유로 반응부(34a)를 연결하는 유로 연결부(34c)를 포함한다.The oxidant flow passage 34 communicates with the flow path introduction portion 34b formed on the surface facing the anode separator 32 disposed to be in contact with the flow path introduction portion 34b and is formed on the surface toward the membrane-electrode assembly 31. 34a) and a flow path connecting part 34c connecting the flow path introduction part 34b and the flow path reaction part 34a.

유로 도입부(34b)는 캐소드 세퍼레이터(33)와 접하는 애노드 세퍼레이터(32)를 향하는 면에 채널 형태로 형성되며, 돌출부(71)로 이어져 돌출부(71)에서 산화제 입구 매니폴드(41)와 연통된다. The flow path introduction portion 34b is formed in the form of a channel on the surface facing the anode separator 32 in contact with the cathode separator 33, and leads to the protrusion 71 to communicate with the oxidant inlet manifold 41 at the protrusion 71.

유로 연결부(34c)는 캐소드 세퍼레이터(33)의 두께 방향으로 이어진 통로 형태로 형성되어 유로 도입부(34b)와 유로 반응부(34a)를 연결한다. 다만, 유로 연결부(34c)가 반드시 필요한 것은 아니며, 유로 도입부(34b)와 유로 반응부(34a)가 직접 연결될 수도 있다.The flow path connecting portion 34c is formed in the form of a passage extending in the thickness direction of the cathode separator 33 to connect the flow path introduction part 34b and the flow path reaction part 34a. However, the flow path connecting part 34c is not necessarily required, and the flow path introduction part 34b and the flow path reaction part 34a may be directly connected.

한편, 유로 반응부(34a)는 막-전극 어셈블리(31)를 향하는 면에 채널 형태로 형성되며, 사행형상으로 이어져 산화제를 막-전극 어셈블리(31)로 공급한다.On the other hand, the flow path reaction part 34a is formed in a channel shape on the surface facing the membrane-electrode assembly 31 and continues in a meandering shape to supply an oxidant to the membrane-electrode assembly 31.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 산화제 주입구(62)를 통해서 산화제 입구 매니폴드(41)로 유입된 산화제는 화살표와 같이 각 전기 생성부(30)로 분배 공급된다. 이때, 응축된 수분도 산화제 입구 매니폴드(41)로 유입되는데, 산화제 입구 매니폴드(41)의 하단부에 형성된 돌출부(71)가 주변보다 높게 형성되어 있으므로 수분은 직접 산화제 유로(34)로 유입되지 못하고, 가스 상태인 산화제는 산화제 유로(34)로 용이하게 유입될 수 있다. 또한 응축수는 돌출부의 좌우에 형성된 홈(73)을 통해서 유동하게 된다. 홈(73)은 간헐적으로 유입되는 응축수를 수용할 수 있도록 충분한 체적을 갖는 것이 바람직하다.As shown in FIGS. 3 and 4, the oxidant introduced into the oxidant inlet manifold 41 through the oxidant inlet 62 is distributed and supplied to each of the electricity generating units 30 as shown by the arrow. At this time, the condensed water is also introduced into the oxidant inlet manifold 41. Since the protrusion 71 formed at the lower end of the oxidant inlet manifold 41 is formed higher than the periphery, the water is not directly introduced into the oxidant flow path 34. The oxidant, which is in a gaseous state, may be easily introduced into the oxidant flow path 34. In addition, the condensed water flows through the grooves 73 formed on the left and right sides of the protrusion. The groove 73 preferably has a sufficient volume to accommodate intermittent condensed water.

본 실시예와 같이 산화제 입구 매니폴드(41)에서 산화제 유로(34)와 연결된 부분에 돌출부(71)를 형성하면 산화제와 응축수는 서로 분리되어 산화제만 각 전기 생성부(30)로 분배되고 응축수는 홈(73)으로 유도되므로 산화제 입구 매니폴드(41)의 앞쪽에 설치된 전기 생성부(30)로 응축수가 유입되는 것을 방지할 수 있다.As shown in the present embodiment, when the protrusion 71 is formed at the portion connected to the oxidant flow path 34 in the oxidant inlet manifold 41, the oxidant and the condensate are separated from each other, and only the oxidant is distributed to each of the electricity generating units 30. Since it is guided to the groove 73, it is possible to prevent the inflow of condensate into the electricity generating unit 30 installed in front of the oxidant inlet manifold 41.

또한, 연료 전지 스택(100)의 운전 중에는 산화제 입구 매니폴드(41)의 내부 온도가 산화제 주입구(62) 온도보다 더 높게 유지되므로 홈(73)에 존재하는 물은 점차 증발하여 반응가스와 함께 각 전기 생성부(30)로 공급된다. 따라서 본 실시예에 따르면 응축수가 앞쪽에 위치하는 전기 생성부(30)에 편중되어 유입되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 반응가스를 더욱 가습할 수도 있다.In addition, since the internal temperature of the oxidant inlet manifold 41 is maintained higher than the temperature of the oxidant inlet 62 during the operation of the fuel cell stack 100, the water present in the groove 73 gradually evaporates and reacts with the reaction gas. It is supplied to the electricity generating unit 30. Therefore, according to the present exemplary embodiment, the condensed water may not only be prevented from being introduced into the electricity generating unit 30 positioned in front of the condensed water, but may further humidify the reaction gas.

또한, 일반적인 연료 전지 스택의 경우 막-전극 어셈블리(31)의 외주에 세퍼 레이터(32, 33)와 막-전극 어셈블리(31) 사이를 밀봉하는 외부 가스켓(미도시)이 설치되고, 캐소드 전극, 및 애노드 전극은 각각 전해질막과 접하는 촉매층, 및 촉매층의 외측에 설치된 가스 확산층(GDL; gas diffusion layer)을 포함한다.In addition, in the case of a general fuel cell stack, an outer gasket (not shown) for sealing between the separators 32 and 33 and the membrane-electrode assembly 31 is installed at the outer circumference of the membrane-electrode assembly 31, and the cathode electrode, And the anode electrode includes a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane and a gas diffusion layer (GDL) provided outside the catalyst layer, respectively.

또한, 가스 확산층의 두께가 외부 가스켓의 두께보다 더 두껍게 형성되는 것이 일반적이다. 이 때문에 막-전극 어셈블리와 애노드 세퍼레이터 또는 막-전극 어셈블리와 캐소드 세퍼레이터 사이에 간극이 발생한다. 이 간극으로 홈(73)에 축적된 응축수가 부분적으로 유입될 수 있으며, 이 경우 응축수가 산화제 유로(34) 또는 연료 유로(36)까지 유입될 수 있다.It is also common for the thickness of the gas diffusion layer to be thicker than the thickness of the outer gasket. This causes a gap between the membrane electrode assembly and the anode separator or between the membrane electrode assembly and the cathode separator. Condensed water accumulated in the groove 73 may be partially introduced into the gap, and in this case, the condensed water may flow into the oxidant flow path 34 or the fuel flow path 36.

본 실시예에서는 이러한 문제점을 방지하기 위해서 유로 도입부(34b)를 이웃하여 접하는 세퍼레이터를 향하는 면에 형성하였다. 이와 같이 유로 도입부(34b)를 형성하면, 응축수가 간극을 통해서 유입되더라도 반대면에 형성된 유로 도입부로 유입되지 못한다. 간극은 매우 작고 외부 가스켓이 설치된 부분에만 존재하므로 가스켓보다 더 아래에 위치하는 유로 반응부(34a)까지 응축수가 이동하지 못하여 홈(73)의 응축수가 산화제 유로로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 본 기재에서는 산화제 유로에 대해서만 설명하고 있으나, 연료 유로도 산화제 유로와 동일한 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 이와 같은 유로 구조는 본 실시예와 달리 돌출부와 홈이 형성되지 않은 경우에도 매니폴드에 축적된 물이 반응가스 유로로 유입되는 것을 안정적으로 방지할 수 있다.In this embodiment, in order to prevent such a problem, the flow path introduction part 34b is formed in the surface which faces the adjacent separator. When the flow path introduction portion 34b is formed in this manner, even if condensed water flows through the gap, the flow path introduction portion 34b does not flow into the flow path introduction portion formed on the opposite surface. Since the gap is very small and exists only in the portion where the outer gasket is installed, condensed water may not move to the flow path reaction part 34a located below the gasket, thereby preventing condensed water in the groove 73 from flowing into the oxidant flow path. In the present description, only the oxidant flow path is described, but the fuel flow path may also have the same structure as the oxidant flow path. In addition, unlike the present embodiment, the flow path structure can stably prevent the water accumulated in the manifold from flowing into the reaction gas flow path even when the protrusion and the groove are not formed.

도 5는 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 캐소드 세퍼레이터 및 애노드 세퍼레이터를 도시한 사시도이다. 도 5를 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 캐 소드 세퍼레이터(200)는 장방형 판 구조로 이루어지며, 상부에 산화제 입구 매니폴드를 형성하는 산화제 입구 매니폴드 구멍(241)과, 냉각 매체 유로를 형성하는 냉각매체 입구 매니폴드 구멍(242), 및 연료 입구 매니폴드를 형성하는 연료 입구 매니폴드 구멍(243)이 형성된다.5 is a perspective view illustrating a cathode separator and an anode separator according to a modification of the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the cathode separator 200 according to the present exemplary embodiment has a rectangular plate structure, and includes an oxidant inlet manifold hole 241 forming an oxidant inlet manifold thereon and a cooling medium flow path. Cooling medium inlet manifold apertures 242 and fuel inlet manifold apertures 243 forming a fuel inlet manifold.

또한, 캐소드 세퍼레이터(200)의 하부에는 연로 출구 매니폴드를 형성하는 연료 출구 매니폴드 구멍(248)과 냉각매체 출구 매니폴드를 형성하는 냉각매체 출구 매니폴드 구멍(247), 및 산화제 출구 매니폴드를 형성하는 산화제 출구 매니폴드 구멍(246)이 형성된다.Further, a lower portion of the cathode separator 200 includes a fuel outlet manifold hole 248 for forming a fuel outlet manifold, a cooling medium outlet manifold hole 247 for forming a cooling medium outlet manifold, and an oxidant outlet manifold. An oxidant outlet manifold aperture 246 is formed.

또한 캐소드 세퍼레이터(200)의 표면에는 산화제 입구 매니폴드 구멍(241)과 산화제 출구 매니폴드 구멍(246)을 연결하는 산화제 유로(230)가 형성된다. 산화제 유로(230)는 캐소드 세퍼레이터(200)에서 홈 형태의 채널로 이루어지며, 복수 개의 채널이 무리를 이루어 배치된다. 채널들은 리브들에 의하여 복수개로 나누어 진다.In addition, an oxidant flow path 230 connecting the oxidant inlet manifold hole 241 and the oxidant outlet manifold hole 246 is formed on the surface of the cathode separator 200. The oxidant flow path 230 is formed of a groove-shaped channel in the cathode separator 200, and a plurality of channels are arranged in a group. Channels are divided into a plurality of ribs.

산화제 유로(230)는 판의 높이 방향으로 이어진 유로가 임의의 간격을 두고 배치되며, 그 양단이 교호적으로 연결되어 사행(meander) 형상의 패스로 이루어진다.The oxidant flow path 230 has flow paths extending in the height direction of the plate at random intervals, and both ends thereof are alternately connected to each other to form a meandering path.

또한 산화제 유로(230)는 이에 접하도록 배치된 애노드 세퍼레이터(300)를 향하는 면에 형성된 유로 도입부(232)와 유로 도입부(232)에 연통되며 막-전극 어셈블리(31)를 향하는 면에 형성된 유로 반응부(231), 및 유로 도입부(232)와 유로 반응부(232)를 연결하는 유로 연결부(235)를 포함한다.In addition, the oxidant flow path 230 communicates with the flow path introduction part 232 formed on the surface facing the anode separator 300 disposed to be in contact with the flow path introduction part 232 and is formed on the surface toward the membrane-electrode assembly 31. The unit 231 includes a flow path connecting part 235 connecting the flow path introduction part 232 and the flow path reaction part 232.

산화제 입구 매니폴드 구멍(241)에는 돌출부(271)가 형성되며, 이 돌출부(271)에서 산화제 입구 매니폴드 구멍(241)과 유로 도입부(232)가 연통된다. 또한, 돌출부(271)는 중앙에 형성되어 산화제 입구 매니폴드 구멍(241)의 가장자리에는 응축수(278)가 위치하는 홈(272)이 형성된다.An oxidant inlet manifold hole 241 is formed with a protrusion 271, in which the oxidant inlet manifold hole 241 and the flow path introduction part 232 communicate with each other. In addition, the protrusion 271 is formed at the center thereof, and a groove 272 is formed at the edge of the oxidant inlet manifold hole 241 in which the condensate 278 is located.

또한, 연료 입구 매니폴드 구멍(243)에도 돌출부(281)가 형성되며, 연료 입구 매니폴드 구멍(243)의 가장자리에는 응축수가 위치하는 홈(282)이 형성된다.A projection 281 is also formed in the fuel inlet manifold hole 243, and a groove 282 is formed at the edge of the fuel inlet manifold hole 243 in which the condensed water is located.

본 실시예와 같이 산화제 입구 매니폴드 구멍(243)에 돌출부(281)가 형성되고, 돌출부에서 산화제 입구 매니폴드 구멍(243)과 산화제 유로(230)가 연통되면 산화제 유로(230)로 응축수가 유입되는 것을 안정적으로 방지할 수 있다.As shown in the present embodiment, a protrusion 281 is formed in the oxidant inlet manifold hole 243, and when the oxidant inlet manifold hole 243 and the oxidant flow path 230 communicate with each other, condensate flows into the oxidant flow path 230. Can be reliably prevented.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 부분 횡단면도이고 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 부분 종단면도이다. 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 연료 전지 스택은 산화제 입구 매니폴드(41)에 설치되어 산화제의 유동을 방해하는 저항부재(80)를 포함한다.6 is a partial cross-sectional view of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a partial longitudinal cross-sectional view of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 6 and 7, the fuel cell stack according to the present exemplary embodiment includes a resistance member 80 installed in the oxidant inlet manifold 41 to prevent the flow of the oxidant.

저항부재(80)는 산화제 입구 매니폴드(41)의 앞쪽에 설치되며 산화제와 응축수의 분리를 더욱 원활하게 한다. 저항부재(80)는 연료 주입구(64)와 첫번째 전기 생성부(30) 사이의 공간에 설치되며 본 실시예와 같이 엔드 플레이트(60) 내부에 설치될 수 있다. 저항부재(80)는 대략 원통형으로 이루어지며, 산화제 입구 매니폴드(41)의 바닥에서 상면까지 이어져 형성된다.The resistance member 80 is installed in front of the oxidant inlet manifold 41 to facilitate the separation of the oxidant and the condensate. The resistance member 80 is installed in the space between the fuel injection port 64 and the first electricity generation unit 30 and may be installed inside the end plate 60 as in the present embodiment. The resistance member 80 is formed in a substantially cylindrical shape and extends from the bottom of the oxidant inlet manifold 41 to the top surface.

산화제 주입구(62)를 통해서 공급된 산화제는 화살표와 같이 저항부재(80)에 부딪혀 앞으로 흘러가려는 관성이 억제되고 저항부재(80) 좌우로 돌아서 산화제 유 로(34)로 흘러가게 된다. 이 과정에서 산화제에 포함된 물은 저항부재(80)에 부딪혀 아래로 떨어지게 되고 산화제 입구 매니폴드(41)의 하단부 홈(73)으로 안내되게 된다. 본 실시예에 따른 저항부재(80)는 원통형으로 형성되나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 저항부재(80)는 사각 기둥, 유선형 기둥, 타원형 기둥 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 이와 같이 저항부재(80)를 설치하면 반응가스에 포함된 수분을 조기에 분리하여 전기 생성부로 과도한 수분이 유입되는 것을 방지할 수 있다.The oxidant supplied through the oxidant inlet 62 is struck by the resistance member 80 as shown by the arrow, and the inertia to flow forward is suppressed, and the resistance member 80 turns left and right to flow into the oxidant flow path 34. In this process, the water contained in the oxidant hits the resistance member 80 and falls down to be guided to the lower groove 73 of the oxidant inlet manifold 41. The resistance member 80 according to the present embodiment is formed in a cylindrical shape, but the present invention is not limited thereto, and the resistance member 80 may be formed in various forms such as a square pillar, a streamlined pillar, and an elliptical pillar. In this way, if the resistance member 80 is installed, the moisture contained in the reaction gas may be separated at an early stage to prevent excessive moisture from flowing into the electricity generating unit.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.1 is an exploded perspective view illustrating a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 스택의 일부를 도시한 사시도이다.FIG. 2 is a perspective view illustrating a part of the fuel cell stack illustrated in FIG. 1.

도 3은 도 2에서 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 잘라 본 연료 전지 스택의 부분 횡단면도이다.3 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack taken along line III-III in FIG. 2.

도 4는 도 2에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 잘라 본 연료 전지 스택의 부분 종단면도이다.4 is a partial longitudinal cross-sectional view of the fuel cell stack taken along line IV-IV in FIG. 2.

도 5는 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 캐소드 세퍼레이터 및 애노드 세퍼레이터를 도시한 사시도이다.5 is a perspective view illustrating a cathode separator and an anode separator according to a modification of the first embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 부분 횡단면도이다.6 is a partial cross-sectional view of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 부분 종단면도이다.7 is a partial longitudinal cross-sectional view of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 --Explanation of symbols for the main parts of the drawing-

100: 연료 전지 스택 30: 전기 생성부100: fuel cell stack 30: electricity generating unit

31: 막-전극 어셈블리 32: 애노드 세퍼레이터31 membrane-electrode assembly 32 anode separator

36: 연료 유로 33: 캐소드 세퍼레이터36: fuel euro 33: cathode separator

34: 산화제 유로 41: 산화제 입구 매니폴드34: oxidant flow path 41: oxidant inlet manifold

43: 연료 입구 매니폴드 60: 엔드 플레이트43: fuel inlet manifold 60: end plate

71: 돌출부 73: 홈71: protrusion 73: groove

Claims (18)

막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리에 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 복수 개의 전기 생성부들과, 상기 전기 생성부들의 외각에 설치된 엔드 플레이트를 포함하며,And a plurality of electricity generating units including a membrane-electrode assembly (MEA), a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, and an end plate installed at an outer surface of the electricity generating units. , 상기 전기 생성부에는 반응가스가 유입되는 반응가스 입구 매니폴드와 상기 반응가스가 배출되는 반응가스 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 반응가스 입구 매니폴드와 상기 반응가스 출구 매니폴드는 상기 세퍼레이터에 형성된 반응가스 유로와 연통되고 In the electricity generating unit, a reaction gas inlet manifold through which a reaction gas is introduced and a reaction gas outlet manifold through which the reaction gas is discharged are formed, and the reaction gas inlet manifold and the reaction gas outlet manifold are formed in the separator. In communication with the gas flow path 상기 반응가스 입구 매니폴드에는 돌출부가 형성되고, 상기 반응가스 입구 매니폴드는 상기 돌출부에서 상기 반응가스 유로와 연결되며,The reaction gas inlet manifold is formed with a protrusion, and the reaction gas inlet manifold is connected with the reaction gas flow path in the protrusion, 상기 반응가스 입구 매니폴드에는 상기 반응가스의 유동을 방해는 저항부재가 설치되며, The reaction gas inlet manifold is provided with a resistance member that interrupts the flow of the reaction gas, 상기 저항부재는 상기 엔드 플레이트의 내부에 설치되며 상기 반응가스 입구 매니폴드의 바닥에서 상면까지 이어져 형성된 기둥 형상으로 이루어진 연료 전지 스택.The resistance member is installed in the end plate and the fuel cell stack having a columnar shape formed extending from the bottom of the reaction gas inlet manifold to the top surface. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 반응가스 입구 매니폴드에는 응축수가 위치할 수 있도록 홈이 형성된 연료 전지 스택.And a groove formed in the reaction gas inlet manifold to allow condensate to be located. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 돌출부는 상기 반응가스 입구 매니폴드의 중앙에 형성되고, 상기 홈은 상기 돌출부의 양쪽 옆에 형성된 연료 전지 스택.Wherein the protrusion is formed at the center of the reaction gas inlet manifold, and the groove is formed at both sides of the protrusion. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 반응가스 유로는 이웃하는 세퍼레이터를 향하는 면에 형성된 유로 도입부, 및 상기 유로 도입부와 연통되며 상기 막-전극 어셈블리를 향하는 면에 형성된 유로 반응부를 포함하는 연료 전지 스택.The reaction gas flow path includes a flow path introduction part formed on a surface facing the neighboring separator, and a flow path reaction part communicating with the flow path introduction part and formed on the surface facing the membrane-electrode assembly. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 반응가스 유로는 상기 유로 도입부와 상기 유로 반응부를 연결하며, 상기 세퍼레이터의 두께 방향으로 형성된 유로 연결부를 포함하는 연료 전지 스택.The reaction gas flow path is connected to the flow path introduction portion and the flow path reaction portion, the fuel cell stack including a flow path connecting portion formed in the thickness direction of the separator. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 돌출부는 상기 반응가스 입구 매니폴드의 길이 방향을 따라 이어져 형성된 연료 전지 스택.The protrusion is formed along the longitudinal direction of the reaction gas inlet manifold. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 돌출부는 상기 세퍼레이터에 형성된 연료 전지 스택.The protrusion is formed in the separator fuel cell stack. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 반응가스는 연료 또는 산화제인 연료 전지 스택.And the reaction gas is a fuel or an oxidant. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 저항부재는 원통형, 사각 기둥형, 타원 기둥형, 유선형 기둥형 중에서 선택되는 어느 하나의 형상으로 이루어진 연료 전지 스택.The resistance member is a fuel cell stack made of any one shape selected from cylindrical, rectangular columnar, elliptic columnar, streamlined columnar. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 반응가스 입구 매니폴드는 상기 반응가스 출구 매니폴드에 보다 중력 방향을 기준으로 상부에 위치하는 연료 전지 스택.And the reaction gas inlet manifold is located above the reaction gas outlet manifold with respect to the direction of gravity. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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