KR101145574B1 - Fuel cell stack having current collector with coolant flow - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각수 유로가 형성된 전류집전체를 가지는 연료전지 스택에 관한 것으로, 제 1 면에 형성되는 냉각수 유로와 제 2 면에 형성되는 반응가스 유로로 이루어진 제 1 유로부 및 상기 제 1 유로부의 양측에 형성되는 매니폴드부를 각각 포함하는 분리판 본체, 상기 분리판 본체 2장이 서로 접합되어 있는 연료전지용 분리판, 복수개의 상기 연료전지용 분리판 사이마다 배치되는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 포함하되, 복수개의 상기 연료전지용 분리판 중 양쪽 가장자리의 연료전지용 분리판은 1장으로 이루어진 최외각 분리판 본체를 갖는 스택과, 상기 최외각 분리판 본체와 대응되는 면적을 가지며, 상기 최외각 분리판 본체에 형성되어 있는 냉각수 유로와 대응되는 제 2 유로부를 갖는 전류집전체(Current Collector) 및 상기 전류집전체의 외각부 및 상기 스택을 보호하는 엔드플레이트(End Plate)를 제공하는 발명에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell stack having a current collector having a coolant flow path, wherein both sides of a first flow path portion and a first flow path portion formed of a coolant flow path formed on a first surface and a reaction gas flow path formed on a second surface are provided. A separator plate body including a manifold portion formed in each of the plurality of separator plates, a fuel cell separator plate in which two separator plate bodies are bonded to each other, and a membrane-electrode assembly (MEA) disposed between the plurality of fuel cell separator plates. Including, but a plurality of the fuel cell separator plate of the edge of the fuel cell separator plate has a stack having an outermost separator plate body consisting of one piece, the outermost separator plate body has an area corresponding to the outermost shell Current collector and second current collector having a second flow path portion corresponding to the cooling water flow path formed in the separation plate main body The present invention relates to an outer plate and an end plate for protecting the stack.

Description

냉각수 유로가 형성된 전류집전체를 가지는 연료전지 스택{FUEL CELL STACK HAVING CURRENT COLLECTOR WITH COOLANT FLOW}FUEL CELL STACK HAVING CURRENT COLLECTOR WITH COOLANT FLOW}

본 발명은 냉각수 유로가 형성된 전류집전체를 가지는 연료전지 스택에 관한 것으로, 종래 연료전지 스택의 최외각부에 형성되는 분리판과 가스확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 제거하고, 최외각 분리판 본체와 대응되는 전류집전체를 형성함으로써, 연료전지 스택의 두께 감소, 접촉저항을 감소시키고 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell stack having a current collector having a cooling water flow path, wherein a separator and a gas diffusion layer (GDL) formed in an outermost part of a conventional fuel cell stack are removed, and an outermost separator is formed. By forming a current collector corresponding to the main body, a technique for reducing the thickness of the fuel cell stack, the contact resistance and improve the efficiency of the fuel cell.

연료전지는 수소 가스와 산소 가스를 이용하여 전기 화학적으로 전기를 생산하는 장치로서, 외부에서 연속적으로 공급되는 연료(수소) 및 공기(산소)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지와 열로 변환시키는 장치이다.A fuel cell is a device that produces electricity electrochemically by using hydrogen gas and oxygen gas, and converts fuel (hydrogen) and air (oxygen) continuously supplied from the outside into electrical energy and heat by an electrochemical reaction. to be.

이러한 연료전지는, 산화전극(anode)에서의 산화반응 및 환원전극(cathode)에서의 환원반응을 이용하여 전력(electric power)을 생성하게 된다. 이때, 산화/환원 전극에는 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위한 구성요소로서, 백금 또는 백 금-루테늄 금속 등이 포함된 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)가 사용된다.Such a fuel cell generates electric power using an oxidation reaction at an anode and a reduction reaction at a cathode. In this case, a membrane-electrode assembly (MEA) containing platinum or platinum-ruthenium metal or the like is used for the oxidation / reduction electrode as a component for promoting oxidation and reduction reactions.

현재, 상술한 연료전지는 대체전원(alternative power source)으로서 다양한 용도로 연구 및 사용되고 있으며, 대표적으로는 고분자형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)를 들 수 있다. 고분자형 연료전지는 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높고 80℃ 이하의 낮은 온도에서도 작동 가능하며, 소형화 및 밀폐화가 가능한 장점 등 다양한 장점을 가지고 있다. 때문에, 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신장비, 군사용 장비, 의료기기 등 여러 가지 분야에서 대체전원으로 사용되고 있다.Currently, the above-described fuel cell has been researched and used for various purposes as an alternative power source, and representative examples thereof include a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). Polymer fuel cells have various advantages, such as high output density and energy conversion efficiency, can operate at low temperature below 80 ℃, and can be miniaturized and sealed. Therefore, it is being used as an alternative power source in various fields such as pollution-free automobiles, household power generation systems, mobile communication equipment, military equipment, and medical equipment.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택을 도시한 분해 단면도이다.1 is an exploded cross-sectional view showing a fuel cell stack according to the prior art.

도 1을 참조하면, 연료전지 스택은 먼저 2장의 분리판 본체, 즉 제 1 분리판(10) 및 제 2 분리판(20)이 접합되어 내측에 냉각수 유로가 형성되고, 외측 양면에는 막-전극 접합체(40)가 결합되어 전력을 형성할 수 있는 기본 셀 구조를 포함한다.Referring to FIG. 1, a fuel cell stack is formed by first joining two separator plates, that is, a first separator plate 10 and a second separator plate 20, to form a coolant flow path therein, and a membrane electrode on both sides of the outside. The junction 40 includes a basic cell structure that can be coupled to form power.

여기에, 반응 가스 확산을 도와주는 가스확산층(GDL)(50)이 각 분리판(10, 20)과 막-전극 접합체(40) 사이에 형성되고, 각 분리판(10, 20)의 외각 영역에는 가스 누설을 방지하는 가스켓(30)이 형성된다.Here, a gas diffusion layer (GDL) 50 which assists the diffusion of the reaction gas is formed between each of the separators 10 and 20 and the membrane-electrode assembly 40, and the outer region of each of the separators 10 and 20 is formed. The gasket 30 is formed to prevent the leakage of gas.

상기 기본 셀 구조가 2층 이상 반복 결합되어 연료전지 스택을 형성하는데, 연료전지 스택의 양쪽 끝에는 스택 구성 요소간의 체결을 위한 엔드플레이트(End plate, 70)가 배치된다. 이때, 엔드플레이트(70)에는 전력 전달을 위한 전류집전 체(Current Collector, 60)가 포함되고, 전류집전체(60)는 엔드플레이트(70)를 관통하는 전류인가용 체결용 볼트(80)를 포함하여 구비된다.The basic cell structure is repeatedly coupled to two or more layers to form a fuel cell stack. End plates 70 are disposed at both ends of the fuel cell stack for fastening the stack components. At this time, the end plate 70 includes a current collector (Current Collector, 60) for power transmission, the current collector 60 is a fastening bolt 80 for applying the current passing through the end plate (70) It is provided including.

이때, 가스켓(30) 및 유로에 의해서 최외각의 분리판과 전류집전체(60)는 완벽하게 접속되지 못하고 이격 간격을 가지게 된다. 그리고 이러한 이격 간격에 의해서 스택으로부터 나오는 전류를 제대로 전류집전체(60)에 전달시키지 못하는 문제가 발생되었다.At this time, the outermost separation plate and the current collector 60 are not completely connected by the gasket 30 and the flow path, and have a separation interval. And, such a spacing has caused a problem that can not properly transfer the current coming from the stack to the current collector (60).

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전류집전체(60)와 최외각 분리판 사이에 가스확산층(GDL)(50)을 더 포함시켜서, 전기 발생을 위한 반응가스 유로를 확보할 수 있도록 하였다. 그리고 스택에서 발생하는 전기를 용이하게 전류집전체(60)로 전달할 수 있도록, 가스확산층(GDL)(50)을 카본 소재를 이용하여 제작하여 전도성을 향상시키는 방법도 이용되고 있다.In order to solve this problem, a gas diffusion layer (GDL) 50 is further included between the current collector 60 and the outermost separator, so as to secure a reaction gas flow path for electricity generation. In addition, a method of improving conductivity by manufacturing a gas diffusion layer (GDL) 50 using a carbon material so as to easily transfer electricity generated from the stack to the current collector 60 is also used.

그러나, 카본을 이용한 간접 전도 방식으로는 스택으로부터 발생하는 전기를 그대로 전류집전체(60)에 전달하지 못하고, 연료전지의 성능 향상에 도움이 되지 않는 문제가 있다.However, the indirect conduction method using carbon does not transfer electricity generated from the stack to the current collector 60 as it is and does not help to improve the performance of the fuel cell.

또한, 가스확산층(GDL)(50) 추가는 연료전지 스택 제조를 위한 비용 상승 및 스택의 두께가 불필요하게 증가되는 문제를 야기시키고 있다. 따라서, 연료전지의 가격 대비 성능에 대한 효율이 감소되는 문제가 있다.In addition, the addition of the gas diffusion layer (GDL) 50 causes a problem of an increase in cost for manufacturing a fuel cell stack and an unnecessary increase in the thickness of the stack. Therefore, there is a problem in that the efficiency of the fuel cell relative to the cost performance is reduced.

본 발명은 연료전지 스택의 양쪽 외각에 배치되는 분리판 본체 및 가스확산층을 제거하고, 전류집전체(Current Collector)를 연료전지 스택 최외각 분리판 본체와 직접 접합되도록 하고, 접합부 내에 냉각수 유로를 형성할 수 있는 형태로 제작하여, 연료전지 스택의 크기를 최소화하고, 전류집전 효율을 극대화 시킬 수 있도록 하는 냉각수 유로가 형성된 전류집전체를 가지는 연료전지 스택을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention removes the separator plate body and the gas diffusion layer disposed on both outer sides of the fuel cell stack, allows the current collector to be directly bonded to the fuel cell stack outermost separator plate body, and forms a cooling water flow path in the junction. It is an object of the present invention to provide a fuel cell stack having a current collector having a coolant flow path formed to be capable of minimizing the size of the fuel cell stack and maximizing current collection efficiency.

본 발명에 따른 연료전지 스택은 제 1 면에 형성되는 냉각수 유로와 제 2 면에 형성되는 반응가스 유로로 이루어진 제 1 유로부 및 상기 제 1 유로부의 양측에 형성되는 매니폴드부를 각각 포함하는 분리판 본체, 상기 분리판 본체 2장이 서로 접합되어 있는 연료전지용 분리판, 복수개의 상기 연료전지용 분리판 사이마다 배치되는 막-전극접합체(MEA)를 포함하되, 복수개의 상기 연료전지용 분리판 중 양쪽 가장자리의 연료전지용 분리판은 1장으로 이루어진 최외각 분리판 본체를 갖는 스택과, 상기 최외각 분리판 본체와 대응되는 면적을 가지며, 상기 최외각 분리판 본체에 형성되어 있는 냉각수 유로와 대응되는 제 2 유로부를 갖는 전류집전체(Current Collector) 및 상기 전류집전체의 외각부 및 상기 스택을 보호하는 엔드플레이트(End Plate)를 포함하는 것을 특징으로 한다.The fuel cell stack according to the present invention includes a separation plate including a first flow path part including a coolant flow path formed on a first surface and a reaction gas flow path formed on a second surface, and a manifold part formed on both sides of the first flow path. A main body, a separator for fuel cells in which two sheets of the separator main body are bonded to each other, and a membrane-electrode assembly (MEA) disposed between each of the plurality of fuel cell separators, wherein both edges of the plurality of fuel cell separators are included. The fuel cell separator includes a stack having a single outermost separator main body, an area corresponding to the outermost separator main body, and a second flow path corresponding to a coolant flow path formed in the outermost separator main body. It includes a current collector having a portion (Current Collector) and an end plate for protecting the outer portion of the current collector and the stack (End Plate) .

여기서, 상기 연료전지용 분리판은 상기 냉각수 유로가 서로 마주보도록 접합되어 형성되고, 상기 각 분리판 본체의 둘레 및 실링을 필요로 하는 부위에 형성되는 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전류집전체는 상기 최외각 분리판 본체에 형성된 가스켓과 대응되는 형태의 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전류집전체는 상기 엔드플레이트의 표면으로부터 상기 스택 쪽으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하고, 상기 전류집전체는 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 알루미늄(Al) 및 전도성 카본(C) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전류집전체는 금(Au), 백금(Pt), 금속질화물 AxByN(A: Cr, Ti, Al, B : Cr, Ti, Al, C) 및 금속탄화물 AxC(A: Cr, Ti, Al) 중 하나 이상을 포함하는 물질로 표면이 코팅된 것을 특징으로 하고, 상기 스택 중 상기 최외각 분리판 본체와 상기 전류집전체 사이의 영역을 제외한, 상기 연료전지용 분리판 및 상기 막-전극접합체(MEA) 사이의 영역에 배치되는 가스확산층(GDL)을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전류집전체의 전류 인가 및 수집은 상기 엔드플레이트를 관통하는 전류 인가용 체결볼트를 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.The fuel cell separator may include a gasket formed to be joined to each other so that the cooling water flow paths face each other, and to be formed around a periphery of each of the separator plates and a portion requiring sealing. And a gasket having a shape corresponding to a gasket formed in the outermost separator plate body, wherein the current collector protrudes from the surface of the end plate toward the stack. Is characterized in that it comprises at least one of copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), titanium (Ti), chromium (Cr), aluminum (Al) and conductive carbon (C), the current collector All are gold (Au), platinum (Pt), metal nitrides A x B y N (A: Cr, Ti, Al, B: Cr, Ti, Al, C) and metal carbides A x C (A: Cr, Ti , Al) characterized in that the surface is coated with a material containing at least And a gas diffusion layer (GDL) disposed in a region between the fuel cell separator and the membrane-electrode assembly (MEA), except for a region between the outermost separator body and the current collector in the stack. It is characterized in that, the current application and collection of the current collector is characterized in that made through the fastening bolt for applying the current passing through the end plate.

본 발명에 따른 냉각수 유로가 형성된 전류집전체를 가지는 연료전지 스택은 최외각부의 연료전지 분리판과 직접 접합되면서, 접합면 사이에 냉각수 유로가 형성될 수 있는 구조를 가지는 전류집전체를 형성함으로써, 연료전지에 사용되는 가 스확산층(Gas Diffusion Layer: GDL) 개수를 감소시킬 수 있다. The fuel cell stack having a current collector having a coolant flow path according to the present invention forms a current collector having a structure in which a coolant flow path can be formed between the joining surfaces while being directly bonded to the fuel cell separator of the outermost part. The number of gas diffusion layers (GDLs) used in fuel cells can be reduced.

즉, 전류집전체 및 연료전지 분리판 사이의 가스확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 생략할 뿐만 아니라, 최외각 분리판 본체도 감소시킬 수 있게 되는 것인데, 이를 통하여 본 발명은 연료전지 스택의 두께, 면적, 부피를 키우지 않으면서 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있고, 생산 효율을 높일 수 있는 효과를 제공한다.That is, not only the gas diffusion layer (GDL) between the current collector and the fuel cell separator can be omitted, but also the outermost separator body can be reduced. It is possible to improve the performance of fuel cells without increasing the area, volume, and volume, and to increase the production efficiency.

또한 본 발명이 제공하는 냉각수 유로가 형성된 전류집전체는 종래의 전류집전체 보다 공간 변형에 대한 저항성이 뛰어나고, 연료전지 스택을 보다 효율적으로 지지할 수 있는 능력을 제공한다. In addition, the current collector provided with the cooling water flow path provided by the present invention is more resistant to space deformation than the conventional current collector, and provides the ability to support the fuel cell stack more efficiently.

따라서, 본 발명에 따른 냉각수 유로가 형성된 전류집전체를 포함하는 연료전지 스택은 분리판 및 가스켓의 변형을 더욱 확실히 방지하고, 분리판 간의 적층을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the fuel cell stack including the current collector having the coolant flow path according to the present invention has an effect of more reliably preventing deformation of the separator and the gasket, and facilitating stacking between the separators.

이하에서는, 본 발명에 따른 냉각수 유로가 형성된 전류집전체를 가지는 연료전지 스택에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a fuel cell stack having a current collector having a cooling water flow path according to the present invention will be described in detail.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent with reference to the embodiments and drawings described in detail below. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms, only the embodiments are to make the disclosure of the present invention complete, it is common in the art It is provided to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, which is to be defined only by the scope of the claims.

즉, 이하 본 발명에 관한 상세한 설명에서는 고분자형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)를 예로 들어 설명한다.That is, the following detailed description of the present invention will be described taking a polymer electrolyte membrane (PEMFC) as an example.

그러나, 이는 설명과 이해의 편의를 위한 것으로서 본 발명의 기술적 사상이 고분자형 연료전지에 반드시 한정된 것으로 이해되어서는 안 된다. 특히, 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 SPEFC(Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell), SPFC(Solid polymer fuel cell), PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell) DMFC(Direct Methanol Fuel Cell) 및 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 같은 용어로도 사용되고 있으므로, 본원발명은 전극집전체(Current Collector)를 포함하는 연료전지 분야에 전반적으로 적용되는 것으로 이해하여야 한다.However, this is for convenience of explanation and understanding, and the technical spirit of the present invention should not be understood as necessarily limited to the polymer fuel cell. In particular, as a fuel cell using a polymer membrane as an electrolyte, SPEFC (Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell), SPFC (Solid Polymer Fuel Cell), PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) and Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) Since it is also used in terms such as), it should be understood that the present invention is generally applied to the fuel cell field including the current collector.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 분해 단면도로, 각 구성의 연결관계를 명확히 하기 위하여 소정 공백을 두고 도시한 것이다. 그러나, 실제 형태는 하기 각 구성들이 긴밀하게 압축되어 있는 형태를 취하고 있다.FIG. 2 is an exploded cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention, and is shown with a predetermined space in order to clarify the connection relationship of each component. However, the actual form takes a form in which each of the following components is tightly compressed.

먼저, 본 발명에 따른 연료전지 스택(200)의 주요 구성으로 연료전지용 분리판(120), 막-전극접합체(140), 가스확산층(150)이 형성된다. 또한, 연료전지 스택의 내부를 보호하고, 전류집결을 위한 엔드플레이트(170)가 최외각 분리판 본체(110a, 110b)의 양측에 형성된다.First, as the main configuration of the fuel cell stack 200 according to the present invention, the fuel cell separator 120, the membrane-electrode assembly 140, and the gas diffusion layer 150 are formed. In addition, an end plate 170 for protecting the inside of the fuel cell stack and collecting current is formed at both sides of the outermost separator plate bodies 110a and 110b.

여기서, 본 발명에 따른 연료전지 스택은 막-전극접합체(140)에서 발생하는 전기를 엔드플레이트(170) 내에 형성되는 전류집전체(160)로 모아서 출력시키는 구조를 취하고 있다. 이때, 전류집전체(160)를 연료전지용 분리판의 크기만큼 그 면적을 확장시키고, 냉각수 유로를 형성할 수 있도록 최외각 분리판 본체(110a, 110b)에 직접접합되는 구조로 형성한다. 또한, 본 발명에 따른 전류집전체(160)는 엔드플레이트(170)의 내벽에 일체형으로 형성할 수 있고, 엔드플레이트(170)에서 돌출된 형태로 형성함으로써, 그 활용 범위를 넓힐 수 있다.Here, the fuel cell stack according to the present invention has a structure in which electricity generated in the membrane-electrode assembly 140 is collected and output to the current collector 160 formed in the end plate 170. In this case, the current collector 160 is formed to have a structure that is directly bonded to the outermost separator plate bodies 110a and 110b so as to expand the area by the size of the separator plate for fuel cell and form a cooling water flow path. In addition, the current collector 160 according to the present invention can be integrally formed on the inner wall of the end plate 170, and formed in the form protruding from the end plate 170, it is possible to widen the range of application.

본 발명은 상기와 같은 구조를 사용함으로써, 전류집전체(160)의 접촉저항을 감소시킬 수 있고, 가스확산층(150) 개수를 감소시켜 연료전지용 스택의 두께를 감소시킬 수 있다.According to the present invention, the contact resistance of the current collector 160 can be reduced by using the above structure, and the thickness of the fuel cell stack can be reduced by reducing the number of gas diffusion layers 150.

이하, 상기 도 2에 관하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 2.

먼저, 연료전지 스택은 복수개의 연료전지용 분리판(120)을 포함한다. 여기서는 연료전지용 분리판(120)의 일부만 도시되었으나, 실제로는 수십에서 수백개까지 적층되어 스택을 형성한다.First, the fuel cell stack includes a plurality of fuel cell separator plates 120. Here, only a part of the fuel cell separator 120 is shown, but in practice, several tens to hundreds are stacked to form a stack.

본 발명에서 사용하는 분리판(120)의 재질은 스테인리스강을 주요 구성으로 하는 금속 분리판, 금속 및 그라파이트의 혼합물로 형성하는 복합분리판, 탄소복합재를 이용한 탄소분리판 등이 사용될 수 있으며, 그 재질에 의해서 본 발명이 제한되는 것은 아니다.The material of the separator plate 120 used in the present invention may be a metal separator plate made of stainless steel as a main component, a composite separator plate formed of a mixture of metal and graphite, a carbon separator plate using a carbon composite material, and the like. The present invention is not limited by the material.

그리고, 본 발명에서 연료전지용 분리판(120)은 2장의 분리판 본체가 결합된 형태를 하나의 분리판 형태로 사용한다. 즉, 제 1 면에 형성되는 냉각수 유로 및 제 2 면에 형성되는 반응가스 유로로 이루어지는 유로부와, 상기 유로부의 양측에 형성되는 매니폴드부를 포함하는 2장의 분리판 본체(100, 110)가 접합된 형태를 가진다. 이때, 냉각수 유로가 서로 마주보도록 접합되어 분리판(120)의 중심부에 냉각수 유로가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.In addition, in the present invention, the separator plate 120 for fuel cell uses a form in which two separator plates are combined as one separator plate. That is, the two separation plate main bodies 100 and 110 including the flow path part including the cooling water flow path formed on the first surface and the reaction gas flow path formed on the second surface, and the manifold parts formed on both sides of the flow path part are joined. Has a modified form. At this time, it is preferable that the cooling water flow paths are joined to face each other so that the cooling water flow path is formed at the center of the separation plate 120.

여기서는, 톱니 모양으로 형성된 주름 형태가 냉각수 유로 또는 반응가스 유로로 도시되었으며, 매니폴드부는 단면도 상에 나타나지 않으므로 생략되었다.Here, the pleated form formed in the sawtooth shape is shown as a cooling water flow path or a reaction gas flow path, and the manifold portion is omitted since it does not appear in the cross-sectional view.

다음으로, 각 분리판 본체(100, 110)의 둘레 및 그 외 실링을 필요로 하는 부위에 가스켓(130)이 형성된다. 이때, 가스켓(130)은 실리콘, 고무와 같은 기밀성을 유지할 수 있는 재질로 형성하는 것이 바람직하며, 분리판 본체(100, 110)가 서로 접합되는 면(냉각수 유로 형성면)의 가스켓은 냉각면 사이의 접촉저항을 낮게 유지하면서 냉각수의 기밀을 유지할 수 있도록 형성하는 것이 바람직하고, 반응가스 유로가 형성된 면의 가스켓(130)은 반응가스 유로에 접합되는 막-전극접합체(MEA) 또는 가스확산층(GDL)의 두께를 고려하여, 가스 확산 과정에서 기밀성이 유지될 수 있도록 형성하는 것이 바람직하다.Next, a gasket 130 is formed at the periphery of each of the separation plate bodies 100 and 110 and other portions requiring sealing. At this time, the gasket 130 is preferably formed of a material capable of maintaining airtightness such as silicon and rubber, and the gaskets of the surfaces (cooling water flow path forming surfaces) to which the separator plates 100 and 110 are bonded to each other are provided between cooling surfaces. It is preferable to form the airtightness of the cooling water while keeping the contact resistance of the low, and the gasket 130 of the surface on which the reaction gas flow path is formed is a membrane-electrode assembly (MEA) or a gas diffusion layer (GDL) bonded to the reaction gas flow path. In consideration of the thickness of the), it is preferable to form the airtightness in the gas diffusion process.

그 다음으로, 연료전지용 분리판(120) 사이마다 막-전극접합체(MEA, 140)가 배치된다. 이때, 막-전극접합체(140)는 전기를 발생시키기 위해 전해질과 전극을 일체형으로 접합시킨 장치로, 고분자전해질막에 백금 또는 백금-루테늄 금속 전극을 포함하는 형태의 것을 사용할 수 있다. Next, a membrane-electrode assembly (MEA) 140 is disposed between the separator plates 120 for fuel cells. In this case, the membrane-electrode assembly 140 is a device in which the electrolyte and the electrode are integrally bonded to generate electricity. The membrane-electrode assembly 140 may include a platinum or platinum-ruthenium metal electrode in the polymer electrolyte membrane.

그 다음으로, 분리판(120)과 막-전극접합체(140) 사이의 영역에 가스확산층(150)을 더 형성할 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 가스확산층(150)은 카본 블 랙, 플루오로폴리머 및 그래파이트 미립자와 카본 미립자중 적어도 어느 하나의 미립자를 포함하는 코팅층 형태로 형성하는 것이 바람직하다.Next, the gas diffusion layer 150 may be further formed in the region between the separator 120 and the membrane-electrode assembly 140. At this time, the gas diffusion layer 150 according to the present invention is preferably formed in the form of a coating layer containing at least any one of carbon black particles, fluoropolymers and graphite particles and carbon particles.

따라서, 가스확산층(150)은 막-전극접합체(140)의 양면을 보호하는 보호막 형태로 형성되며, 도 2에 도시된 두께는 가스확산층(150)을 부각시키기 위한 불가피한 조치로 과장되게 도시된 것으로 이해하여야 한다.Therefore, the gas diffusion layer 150 is formed in the form of a protective film that protects both sides of the membrane-electrode assembly 140, and the thickness shown in FIG. 2 is exaggerated as an inevitable measure for highlighting the gas diffusion layer 150. It must be understood.

그 다음으로, 스택의 양쪽 최외각에 배치되는 분리판 본체(110a, 110b)와 접합되는 전류집전체(160)가 형성된다. 즉, 본 발명에서는 스택의 중심부에 형성되는 연료전지용 분리판(120) 구조에서, 최외각 분리판 본체 1장을 생략한 단일 구조의 최외각 분리판 본체(110a, 110b)를 스택의 양측에 위치시키고, 전류집전체(160)가 나머지 1장의 분리판 본체 역할을 할 수 있도록 하는 것이다. Next, a current collector 160 is formed which is joined to the separator plate bodies 110a and 110b disposed at both outermost sides of the stack. That is, in the present invention, in the structure of the fuel cell separator 120 formed at the center of the stack, the outermost separator body 110a and 110b having a single structure, in which one outermost separator body is omitted, are positioned on both sides of the stack. Then, the current collector 160 is to be able to serve as the remaining separator body.

따라서, 본 발명에 따른 전류집전체(160)는 스택에 포함되는 분리판 본체와 대응되는 면적으로 가져야 한다. 이는 일반적으로 형성되는 전류집전체 보다 확장된 면적을 가지는 것으로, 도체의 면적이 증가되면 전류의 흐름도 좋아지므로, 본 발명에 따른 전류집전체(160)는 그 본래의 역할인 전류 집전 효율도 향상될 수 있다. 아울러, 전류집전체(160)의 면적은 분리판 본체와 정확하게 매치되어야 하는 것은 아니며, 일부 더 작은 면적을 가지는 형태로 형성될 수도 있다. 그러나, 이하에서 설명되는 가스켓 영역을 모두 포함할 수 있는 면적 이상은 되도록 형성하여야 한다.Therefore, the current collector 160 according to the present invention should have an area corresponding to that of the separator body included in the stack. This generally has an area larger than that of the current collector formed, and as the area of the conductor is increased, the flow of current is improved. Thus, the current collector 160 according to the present invention may also improve current collection efficiency. Can be. In addition, the area of the current collector 160 does not have to exactly match the separator body, and may be formed in a shape having a smaller area. However, it should be formed to be larger than the area that can include all of the gasket regions described below.

또한, 전류집전체(160)의 표면에 냉각수 유로(165)를 형성함으로써, 엔드플레이트(170) 부분에서 냉각도 원활하게 수행될 수 있도록 하여, 연료전지 스택의 냉각 효율도 향상시킬 수 있다.In addition, by forming the cooling water flow path 165 on the surface of the current collector 160, the cooling in the end plate 170 can be performed smoothly, it is also possible to improve the cooling efficiency of the fuel cell stack.

아울러, 상기 도 1의 연료전지 스택과 비교하여 볼 때 결과적으로 분리판 본체 2장과 최외각의 가스확산층 2개를 제거한 형태를 취하므로, 연료전지 스택을 두께를 감소시킬 수 있다. 이는 공간 절약 및 연료전지 스택 제조 비용을 감소시킬 수 있는 효과를 유도하며, 체결의 편의성도 향상시켜 연료전지의 제조 공정도 용이하게 바꿀 수 있다.In addition, as compared to the fuel cell stack of FIG. 1, two fuel cell stacks and two outermost gas diffusion layers are removed as a result, thereby reducing the thickness of the fuel cell stack. This induces an effect that can save space and reduce the fuel cell stack manufacturing cost, and can also easily change the manufacturing process of the fuel cell by improving the convenience of fastening.

상술한 본 발명의 전류집전체(160)를 구성하는 재료로서는 전기 전도도가 높으며, 전지 반응에 불활성인 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 재료의 바람직한 예로서는, 전기 화학 반응에서 합금화되지 않는 금속 재료를 들 수 있다. As the material constituting the current collector 160 of the present invention described above, it is preferable to use a material having high electrical conductivity and inert to battery reaction. Preferred examples of the material include metal materials which are not alloyed in the electrochemical reaction.

그러한 금속 재료의 구체예는 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 알루미늄(Al) 및 전도성 카본(C) 등이 될 수 있으며, 이들 금속을 단독으로 또는 합금 형태로 이용할 수 있다. 그리고 기타 스테인레스강도 사용될 수 있다. Specific examples of such metal materials may be copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), titanium (Ti), chromium (Cr), aluminum (Al), conductive carbon (C), and the like. May be used alone or in the form of an alloy. And other stainless steels may also be used.

아울러, 본 발명에 따른 전류집전체(160)는 내식성을 향상시키기 위하여 금(Au), 백금(Pt), 금속질화물 AxByN(A: Cr, Ti, Al, B: Cr, Ti, Al, C) 및 금속탄화물 AxC(A: Cr, Ti, Al) 중 하나 이상을 포함하는 물질로 표면이 코팅된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 코팅층(미도시)은 최외각 분리판 본체(110a, 110b)와 접합되는 일면에만 형성될 수 있고, 전류집전체(160) 모든 면에 형성될 수 있다.In addition, the current collector 160 according to the present invention is gold (Au), platinum (Pt), metal nitride A x B y N (A: Cr, Ti, Al, B: Cr, Ti, It is preferable to use a surface coated with a material containing at least one of Al, C) and metal carbide A x C (A: Cr, Ti, Al). In this case, the coating layer (not shown) may be formed only on one surface bonded to the outermost separator plate bodies 110a and 110b, and may be formed on all surfaces of the current collector 160.

또한, 본 발명에 따른 전류집전체(160)는 전기전도도와 기밀성을 확보하기 위하여 최외각 분리판 본체(110a, 110b)에 형성된 가스켓(130)과 대응되는 구조의 가스켓을 포함할 수 있다. 여기서, 최외각 분리판 본체(110a, 110b)에 형성된 가스켓(130)과 전류집전체(160)에 형성된 가스켓이 결합되어 하나의 가스켓으로 표시될 수 있으며, 하나의 가스켓을 서로 공유하는 형태로도 표시될 수 있다.In addition, the current collector 160 according to the present invention may include a gasket having a structure corresponding to the gasket 130 formed on the outermost separation plate main body (110a, 110b) in order to ensure electrical conductivity and airtightness. Here, the gasket 130 formed on the outermost separating plate bodies 110a and 110b and the gasket formed on the current collector 160 may be combined to be represented as one gasket, and may also share one gasket. Can be displayed.

한편, 엔드플레이트(170)는 스택의 기밀성이 유지될 수 있도록 분리판(120), 가스확산층(150) 및 막-전극접합체(140)를 압착시켜주는 역할을 하며, 전류집전체(160)를 고정시키는 기능을 수행한다. 이때, 전류집전체(160)는 전류 엔드플레이트(170)를 관통하는 인가용 체결볼트(180)에 의해서 고정된다. Meanwhile, the end plate 170 compresses the separator 120, the gas diffusion layer 150, and the membrane-electrode assembly 140 so that the airtightness of the stack can be maintained, and the current collector 160 is pressed. Perform the function of fixing. At this time, the current collector 160 is fixed by the fastening bolt 180 for applying through the current end plate 170.

그리고, 본 발명에 따른 전류집전체(160)는 엔드플레이트(170)의 내벽에 내장되는 형태로 형성될 수 있으며, 엔드플레이트(170)의 표면으로부터 돌출된 형태로도 형성될 수도 있다. 이와 같은 구조에서는 전류집전체(160)가 엔드플레이트(170)의 내벽을 거의 커버하는 형태를 취하므로, 종래 기술인 상기 도 1의 구조와 대비하여 볼 때, 엔드플에이트(170) 내벽이 부식될 위험이 거의 없음을 알 수 있다. In addition, the current collector 160 according to the present invention may be formed in a form embedded in the inner wall of the end plate 170, may also be formed in a form protruding from the surface of the end plate 170. In such a structure, since the current collector 160 almost covers the inner wall of the end plate 170, the inner wall of the end plate 170 may be corroded in comparison with the structure of FIG. 1. It can be seen that there is little risk.

즉, 상기 도 1의 구조를 살펴 보면, 수분을 함유한 반응가스 들이 가스확산층을 통하여 최외각 연료전지용 분리판 및 엔드플레이트 사이의 영역에 분사되면서, 전류집전체 또는 엔드플레이트의 일부분이 수분에 갈바닉 부식(galvanic corrosion)을 당하게 되는 문제가 발생할 수 있다. That is, referring to the structure of FIG. 1, while the reaction gases containing water are injected into the region between the outermost fuel cell separator and the end plate through the gas diffusion layer, a part of the current collector or the end plate is galvanic in water. Problems with galvanic corrosion may occur.

이러한 상태로 연료전지 스택을 장시간 운전에 하게 되면, 부식에 의한 부식생성물이 연료전지 스택을 순환하게 된다. 따라서 이러한 경우에는 부식생성물이 연료전지 스택(일예로 스택 내의 촉매)를 오염시키게 되므로, 이는 연료전지 스택의 내구성에 심한 악영향을 끼치게 되는 것이다. 그러나, 본 발명에 따라 냉각수 유로(165)가 형성된 전류집전체(160)를 가지는 연료전지 스택에서는 상기와 같은 부식 문제가 발생하지 않도록 할 수 있는 것이다.When the fuel cell stack is operated for a long time in this state, corrosion products due to corrosion are circulated in the fuel cell stack. In this case, the corrosion product contaminates the fuel cell stack (for example, the catalyst in the stack), which severely affects the durability of the fuel cell stack. However, the fuel cell stack having the current collector 160 having the coolant flow path 165 according to the present invention can prevent the corrosion problem as described above.

따라서, 본 발명에 따른 전류집전체(160)는 최외각 분리판 본체(110a, 110b)의 반응가스 유로를 완벽하게 밀봉시킬 수 있는 구조로 형성되는 것이 바람직하다.Accordingly, the current collector 160 according to the present invention is preferably formed in a structure capable of completely sealing the reaction gas flow paths of the outermost separator plate bodies 110a and 110b.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전류집전체는 그 면적이 분리판 본체의 크기만큼 확장되고, 냉각수 유로를 포함하도록 형성되어, 연료전지 스택 체결시 최외각 분리판 본체에 대응되는 분리판 본체의 역할을 하는 동시에 전류집전 효율을 향상시킬 수 있는 구조로 형성된다. As described above, the current collector according to the present invention has an area that extends as much as the size of the separator plate body and is formed to include a cooling water flow path, so that when the fuel cell stack is fastened, the current collector of the separator plate body corresponds to the outermost separator plate body. At the same time it is formed into a structure that can improve the current collection efficiency.

이와 같이 냉각수 유로가 형성된 전류집전체를 사용하는 경우 부식 문제에 구애를 받지 않으므로, 내구성을 향상시킬 수 있고, 전기전도도가 현저하게 증가될 수 있으므로, 연료전지의 효율도 극대화 시킬 수 있다. As such, when the current collector having the cooling water flow path is used, since the corrosion problem is not limited, durability can be improved, and electrical conductivity can be significantly increased, thereby maximizing the efficiency of the fuel cell.

아울러, 본 발명에 따른 전류집전체는 전류 집전 효율 향상기능 이외에, 최외각 연료전지용 분리판과 가스확산층을 생략할 수 있는 구조를 가지므로, 연료전지용 스택의 두께를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 연료전지 스택 제조 시간 및 제조 비용을 절약할 수 있고, 스택 체결의 편의성이 향상되므로 제조 공정을 단순화 시킬 수 있다.In addition, since the current collector according to the present invention has a structure capable of omitting the outermost fuel cell separator and the gas diffusion layer in addition to the current collector efficiency improving function, it is possible to reduce the thickness of the fuel cell stack. Therefore, according to the present invention, fuel cell stack manufacturing time and manufacturing cost can be saved, and the convenience of stack fastening can be improved, thereby simplifying the manufacturing process.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to the above embodiments and can be modified in various forms, and having ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택을 도시한 분해 단면도.1 is an exploded cross-sectional view showing a fuel cell stack according to the prior art.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 분해 단면도.Figure 2 is an exploded cross-sectional view showing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

Claims (8)

제 1 면에 형성되는 냉각수 유로와 제 2 면에 형성되는 반응가스 유로로 이루어진 제 1 유로부 및 상기 제 1 유로부의 양측에 형성되는 매니폴드부를 각각 포함하는 분리판 본체, 상기 분리판 본체 2장이 서로 접합되어 있는 연료전지용 분리판, 복수개의 상기 연료전지용 분리판 사이마다 배치되는 막-전극접합체(MEA)를 포함하되, 복수개의 상기 연료전지용 분리판 중 양쪽 가장자리의 연료전지용 분리판은 1장으로 이루어진 최외곽 분리판 본체를 갖는 스택; The separator plate main body and the separator plate main body each including a first flow path part including a cooling water flow path formed on the first surface and a reaction gas flow path formed on the second surface, and a manifold part formed on both sides of the first flow path. A fuel cell separator plate which is bonded to each other, and a membrane-electrode assembly (MEA) disposed between each of the plurality of fuel cell separator plates, wherein the fuel cell separator plate at each edge of the plurality of fuel cell separator plates is one sheet. A stack having an outermost separation plate body made up of; 상기 스택의 최외곽 분리판 본체와 전기적으로 직접 접촉되며, 상기 최외곽 분리판 본체에 형성되어 있는 냉각수 유로와 대응되는 제 2 유로부를 갖는 전류집전체(Current Collector); A current collector electrically contacting the outermost separator body of the stack and having a second flow path part corresponding to the cooling water flow path formed in the outermost separator plate body; 상기 전류집전체의 외곽부 및 상기 스택을 보호하는 엔드플레이트(End Plate); An end plate protecting an outer portion of the current collector and the stack; 상기 스택 중 상기 최외곽 분리판 본체와 상기 전류집전체 사이의 영역을 제외한, 상기 연료전지용 분리판 및 상기 막-전극접합체(MEA) 사이의 영역에 배치되는 가스확산층(GDL); 및 A gas diffusion layer (GDL) disposed in an area between the fuel cell separator and the membrane-electrode assembly (MEA), except for an area between the outermost separator plate body and the current collector in the stack; And 상기 연료전지용 분리판은 상기 냉각수 유로가 서로 마주보도록 접합되어 형성되고, 상기 각 분리판 본체의 둘레 및 실링을 필요로 하는 부위에 형성되는 가스켓;을 포함하며,The fuel cell separator includes a gasket formed to be bonded to each other so that the cooling water flow paths face each other, and formed on the periphery of each of the separator plates and a portion requiring sealing. 상기 전류집전체는 복수개의 상기 연료전지용 분리판과 각각 대응되는 면적을 가지며, 상기 엔드플레이트의 내벽에 일부가 매립되고, 상기 일부를 제외한 나머지는 상기 엔드플레이트의 표면으로부터 상기 스택 방향으로 돌출되도록 형성되고, The current collector has an area corresponding to each of the plurality of separator plates for fuel cells, and a portion of the current collector is embedded in an inner wall of the end plate, and the remaining portion except the portion protrudes from the surface of the end plate in the stack direction. Become, 상기 전류집전체의 전류 인가 및 수집은 상기 엔드플레이트를 관통하는 전류인가용 체결볼트를 통해 이루어지며,Current application and collection of the current collector is made through a fastening bolt for applying the current passing through the end plate, 상기 전류집전체는 구리(Cu), 크롬(Cr) 및 전도성 카본(C) 중 하나 이상으로 형성되고, 상기 전류집전체는 백금(Pt), 금속질화물 AxByN(A: Cr, Al, B : Cr, Al, C) 및 금속탄화물 AxC(A: Cr, Ti, Al) 중 하나 이상을 포함하는 물질로 표면이 코팅되며, The current collector is formed of one or more of copper (Cu), chromium (Cr) and conductive carbon (C), and the current collector is platinum (Pt), metal nitride A x B y N (A: Cr, Al , B: Cr, Al, C) and the surface is coated with a material containing at least one of the metal carbide A x C (A: Cr, Ti, Al), 상기 전류집전체는 최외곽 분리판 본체의 반응가스 유로를 밀봉시켜, 상기 전류집전체의 제2 유로부로 순환하는 냉각수에 의한 갈바닉 부식을 방지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.The current collector seals the reaction gas flow path of the outermost separator plate body, thereby preventing galvanic corrosion by the cooling water circulated to the second flow path part of the current collector. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전류집전체는 상기 최외곽 분리판 본체에 형성된 가스켓과 대응되는 형태의 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.The current collector includes a gasket of a shape corresponding to the gasket formed in the outermost separator plate body. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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