KR101173864B1

KR101173864B1 - 연료전지 시스템용 스택

Info

Publication number: KR101173864B1
Application number: KR1020100054974A
Authority: KR
Inventors: 이진화; 이치승; 안성진; 한상일; 송가영
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2012-08-14
Also published as: US20110305965A1; US9070909B2; KR20110135200A

Abstract

본 발명의 일 측면은 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드 내에서 공급되는 연료 및 산화제의 분포를 각각 균일하게 하는 연료전지 시스템용 스택을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템용 스택은, 고분자 전해질막의 양면에 애노드전극 및 캐소드전극을 형성하는 막전극집합체, 상기 막전극집합체의 일면에 적층 배치되어, 상기 애노드전극에 연료를 공급하는 연료통로를 구비하고, 상기 막전극집합체의 다른 일면에 적층 배치되어, 상기 캐소드전극에 산화제를 공급하는 산화제통로를 형성하는 세퍼레이터, 및 상기 막전극집합체와 상기 세퍼레이터를 포함하여 이루어지는 단위셀들을 적층하고, 적층 방향의 양단에 구비되는 앤드 플레이트를 포함하며, 상기 세퍼레이터는, 상기 적층 방향으로 관통되는 제1 관통구들을 서로 연결하여 설정되고, 상기 연료통로에 연결되는 제1 매니폴드와, 상기 적층 방향으로 관통되는 산화제유입구들을 서로 연결하여 설정되고, 상기 산화제통로에 연결되는 제2 매니폴드를 구비하며, 상기 제1 매니폴드 및 상기 제2 매니폴드 중 적어도 하나에 설치되어, 설치된 매니폴드의 내부로 벋어 내부의 유체 흐름을 제어하는 필름 구조의 배플을 포함한다.

Description

연료전지 시스템용 스택 {STACK FOR FUEL CELL SYSTEM}

본 기재는 연료 및 산화제를 연료유입 및 산화제유입 매니폴드로 각각 유입하는 연료전지 시스템용 스택에 관한 것이다.

연료전지 시스템, 예를 들면, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 시스템은 수소이온 교환특성을 가지는 고분자 전해질막을 사용하며, 메탄올이나 천연가스 등과 같은 탄화수소계열의 연료를 개질하여 생성된 개질가스(또는 수소)와, 산화제, 예를 들면, 산소를 함유한 공기를 고분자 전해질막에 선택적으로 수송하여 전기화학반응을 일으킴으로써 전력과 열을 생산한다. 연료전지 시스템은 실질적으로 전력과 열을 생산하는 단위셀들을 복수로 적층하여 형성되는 스택, 수소를 함유하는 연료를 스택에 공급하는 연료공급부, 및 산화제를 스택에 공급하는 산화제공급부를 포함한다.

단위셀은 수소이온을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질막의 양면에 애노드전극과 캐소드전극을 형성하는 막전극집합체(MEA: Membrane Electrode Assembly) 및 세퍼레이터를 포함한다. 일례를 들면, 애노드전극측 세퍼레이터는 연료공급부에 연결되어 연료를 애노드전극에 공급하는 연료통로를 구비하고, 캐소드전극측 세퍼레이터는 산화제공급부에 연결되어 산화제를 캐소드전극에 공급하는 산화제통로를 구비한다.

한편, 스택은 각 단위셀의 연료통로에 연료공급부를 연결하는 연료유입 매니폴드와, 각 단위셀의 산화제통로에 산화제공급부를 연결하는 산화제유입 매니폴드를 구비한다. 연료유입 매니폴드는 각 단위셀의 세퍼레이터들에 형성된 연료유입 관통구들을 스택의 적층 방향으로 연결하여 설정된다. 산화제유입 매니폴드는 각 단위셀의 세퍼레이터들에 형성된 산화제유입 관통구들을 스택의 적층 방향으로 연결하여 설정된다. 일례를 들면, 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드는 세퍼레이터에서 직사각형으로 이루어져 적층 방향으로 곧게 벋는 구조를 가진다.

이와 같은 스택을 장기 운전 평가하면, 스택에서 특정 위치의 단위셀이 열화되는 것을 확인할 수 있다. 이는 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드에서 연료 또는 산화제가 지그재그 상태의 곡선으로 흐르는 곡류(curve flow) 현상에서 그 원인을 찾을 수 있다.

곡류 현상은 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드에서 역류 및 난류를 형성하여 적층 방향을 따라 매니폴드의 전체 범위에서 연료 또는 산화제의 분포를 불균일하게 하므로 일부 단위셀에 과량의 연료 또는 산화제를 공급하고, 일부 다른 단위셀에 연료 또는 산화제의 부족 현상을 발생시킨다. 이로 인하여, 단위셀 간의 전압편차가 증대되고, 스택의 성능 및 내구성이 저하된다.

본 발명의 일 측면은 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드 내에서 공급되는 연료 또는 산화제의 분포를 각각 균일하게 하는 연료전지 시스템용 스택을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템용 스택은, 고분자 전해질막의 양면에 애노드전극과 캐소드전극을 형성하는 막전극집합체, 상기 막전극집합체의 일면에 적층 배치되어, 상기 애노드전극에 연료를 공급하는 연료통로를 구비하고, 상기 막전극집합체의 다른 일면에 적층 배치되어, 상기 캐소드전극에 산화제를 공급하는 산화제통로를 구비하는 1쌍의 세퍼레이터, 및 상기 막전극집합체와 상기 세퍼레이터를 포함하여 이루어지는 단위셀들을 적층하고, 적층 방향의 양단에 구비되는 앤드 플레이트를 포함하며, 상기 세퍼레이터는, 상기 적층 방향으로 관통되는 제1 관통구들을 서로 연결하여 설정되고, 상기 연료통로에 연결되는 제1 매니폴드와, 상기 적층 방향으로 관통되는 제2 관통구들을 서로 연결하여 설정되고, 상기 산화제통로에 연결되는 제2 매니폴드를 구비하며, 상기 제1 매니폴드 및 상기 제2 매니폴드 중 적어도 하나에 설치되어, 설치된 매니폴드의 내부로 벋어 내부의 유체 흐름을 제어하는 필름 구조의 배플(baffle)을 포함한다.

상기 배플은 유동성을 가지는 유연재로 형성될 수 있다. 상기 배플은 1쌍의 상기 세퍼레이터들 사이에 배치되어 상기 막전극집합체 둘레를 실링하는 개스킷과 동일 재질로 형성될 수 있다. 상기 배플은 폴리염화비닐 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중 하나로 형성될 수 있다.

상기 배플은, 상기 제1 매니폴드의 상기 제1 관통구에 설치되는 제1 배플과, 상기 제2 매니폴드의 상기 제2 관통구에 설치되는 제2 배플을 포함할 수 있다.

상기 세퍼레이터는 서로 대향 부착되는 사이에 냉각유체통로를 형성하는 제1 부재와 제2 부재를 포함하며, 상기 배플은, 일단을 상기 제1 부재와 상기 제2 부재 사이에 설치하고, 다른 일단을 상기 부착된 매니폴드의 내부로 벋어 있을 수 있다.

상기 제1 부재는 상기 냉각유체통로의 반대측에 상기 연료통로를 형성하고, 상기 제2 부재는 상기 냉각유체통로의 반대측에 상기 산화제통로를 형성할 수 잇다.

상기 설치된 매니폴드는, 상기 적층 방향에 수직하는 평면에 대하여 사각형 공간을 형성하고, 상기 배플은, 사각형의 단일 부재로 형성되어, 상기 사각형 공간의 일측에 한 변으로 설치되고, 상기 설치된 매니폴드로 벋은 부분의 면적이 상기 사각형 공간의 면적에 일치할 수 있다.

상기 설치된 매니폴드는, 상기 적층 방향에 수직하는 평면에 대하여 사각형 공간을 형성하고, 상기 배플은, 상기 사각형 공간에 대응하는 2등분 사각형으로 형성되는 제11 배플과 제12 배플을 포함하며, 상기 제11 배플과 상기 제12 배플은, 각각 상기 사각형 공간의 일측에 한 변으로 설치되고, 상기 설치된 매니폴드로 벋은 부분의 합 면적이 상기 사각형 공간의 면적에 일치할 수 있다.

상기 설치된 매니폴드는, 상기 적층 방향에 수직하는 평면에 대하여 사각형 공간을 형성하고, 상기 배플은, 상기 사각형 공간에 대응하는 4등분 삼각형으로 형성되는 제21 배플, 제22 배플, 제23 배플 및 제24 배플을 포함하며, 상기 제21 배플, 상기 제22 배플, 상기 제23 배플 및 상기 제24 배플은, 각각 상기 사각형 공간의 일측에 한 변으로 설치되고, 상기 설치된 매니폴드로 벋은 부분의 합 면적이 상기 사각형 공간의 면적에 일치할 수 있다.

상기 설치된 매니폴드는, 상기 적층 방향에 수직하는 평면에 대하여 사각형 공간을 형성하고, 상기 배플은, 상기 사각형 공간에 대응하는 4등분 사각형으로 형성되는 제31 배플, 제32 배플, 제33 배플 및 제34 배플을 포함하며, 상기 제31 배플, 상기 제32 배플, 상기 제33 배플 및 상기 제34 배플은, 각각 상기 사각형 공간의 일측 1/2변에 한 변으로 설치되고, 상기 설치된 매니폴드로 벋은 부분의 합 면적이 상기 사각형 공간의 면적에 일치할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드에 배플(baffle)을 설치하여, 연료 또는 산화제의 흐름을 직선으로 제어하여 곡류 현상을 방지함으로써, 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드 내부로 공급되는 연료 또는 산화제의 분포를 균일하게 하는 효과가 있다. 이와 같이, 공급되는 연료 또는 산화제의 균일한 분포로 인하여, 단위셀 간의 전압편차가 줄어들고, 스택의 성능 및 내구성이 향상될 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템용 스택의 분해 사시도이다.
도2는 도1에서 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 자른 단위셀의 부분 단면도이다.
도3은 도2의 세퍼레이터의 연료유입 매니폴드와 산화제유입 매니폴드 및 연료통로에 대한 MEA의 위치 관계를 도시한 평면도이다.
도4는 도2의 세퍼레이터의 연료유입 매니폴드와 산화제유입 매니폴드 및 산화제통로에 대한 MEA의 위치 관계를 도시한 평면도이다.
도5는 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드에 설치되는 배플의 제1 실시예의 사시도이다.
도6은 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드에 설치되는 배플의 제2 실시예의 사시도이다.
도7은 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드에 설치되는 배플의 제3 실시예의 사시도이다.
도8은 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드에 설치되는 배플의 제4 실시예의 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템용 스택의 분해 사시도이고, 도2는 도1에서 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 자른 단위셀의 부분 단면도이다. 도1 및 도2를 참조하면, 일 실시예의 연료전지 시스템용 스택(30)은 연료공급부(미도시)로부터 수소가 함유된 연료를 공급받고, 산화제공급부(미도시)로부터 산화제, 예를 들면, 산소가 함유한 공기를 공급받아서, 수소와 산소의 전기화학반응으로 전력과 열을 생산하도록 구성된다.

스택(30)은 막전극집합체(이하, "MEA"라 한다)(33), MEA(33)의 양면에 배치되는 1쌍의 세퍼레이터(편의상, "제1, 제2 세퍼레이터"라 한다)(31, 32), 및 양단에 배치되는 앤드 플레이트(34, 37)를 포함한다. 제1 세퍼레이터(31), MEA(33) 및 제2 세퍼레이터(32)는 z축 방향으로 적층되어 전력을 생산하는 단위셀(CU)을 형성한다. MEA(33)는 수소이온을 교환하는 고분자 전해질막(43), 이 전해질막(43)의 양면에 구비되는 애노드전극(41) 및 캐소드전극(42)을 포함한다.

도3은 도2의 세퍼레이터의 연료유입 매니폴드와 산화제유입 매니폴드 및 연료통로에 대한 MEA의 위치 관계를 도시한 평면도이다. 도2 및 도3을 참조하면, 제1 세퍼레이터(31)는 일면에 형성되는 연료통로(311)를 통하여, MEA(33)의 애노드전극(41)에 연료를 공급한다.

도4는 도2의 세퍼레이터의 연료유입 매니폴드와 산화제유입 매니폴드 및 산화제통로에 대한 MEA의 위치 관계를 도시한 평면도이다. 도2 및 도4를 참조하면, 제2 세퍼레이터(32)는 애노드전극(41)의 반대측에 형성되는 산화제통로(321)를 통하여, MEA(33)의 캐소드전극(42)에 산화제를 공급한다.

제1, 제2 세퍼레이터(31, 32)는 하나의 MEA(33)를 기준을 할 때, 연료통로(311)와 산화제통로(321)를 각각 형성하지만, z축 방향으로 배치되는 복수의 MEA(33)를 기준으로 할 때, 동일한 구조로 형성될 수 있다. 즉 제1, 제2 세퍼레이터(31, 32)는 일측에 연료통로(311)를 형성하고, 다른 일측에 산화제통로(321)를 형성한다.

예를 들면, 제1, 제2 세퍼레이터(31, 32)는 서로 대향하여 부착되는 제1 부재(301)와 제2 부재(302)를 포함하며, 제1, 제2 부재(301, 302) 사이에 냉각유체를 유통시키는 냉각유체통로(303)를 형성할 수 있다. 즉 제1 부재(301)는 냉각유체통로(303)의 반대측에 연료통로(311)를 형성하고, 제2 부재(302)는 냉각유체통로(303)의 반대측에 산화제통로(321)를 형성한다.

다시 도1을 참조하면, 앤드 플레이트(34, 37)는 복수의 단위셀들(CU)을 적층한 적층 방향(z축 방향)의 양단에 배치되어 체결볼트(35)와 너트(36)로 체결된다. 이로써, 단위셀들(CU)과 앤드 플레이트(34, 37)는 단위 스택(30)을 형성한다.

앤드 플레이트(34)는 연료공급부에 연결되어 제1 세퍼레이터(31)의 연료통로(311)로 연료를 공급하는 연료유입구(71), 연료통로(311)로부터 미반응연료를 배출하는 미반응연료출구(72), 산화제공급부에 연결되어 제2 세퍼레이터(32)의 산화제통로(321)로 산화제를 공급하는 산화제유입구(81), 및 산화제통로(321)로부터 미반응산화제를 배출하는 미반응산화제출구(82)를 포함한다.

도2 내지 도4를 참조하면, 제1, 제2 세퍼레이터(31, 32)는 외곽에서 적층 방향(z축 방향)으로 관통하는 제1 매니폴드(이하, "연료유입 매니폴드"라 한다)(711), 제2 매니폴드(이하, "산화제유입 매니폴드"라 한다)(811), 제3 매니폴드(이하, "미반응연료배출 매니폴드"라 한다)(721), 및 제4 매니폴드(이하, "미반응산화제배출 매니폴드"라 한다)(821)를 형성한다.

연료유입 매니폴드(711)는 연료를 유입하도록 z축 방향으로 관통되는 제1 관통구(이하 "연료유입 관통구"라 한다)들(712)을 연결하여 설정되며, 연료통로(311)에 연료유입구(71)를 연결하여 연료를 유입한다(도2, 도3 참조). 산화제유입 매니폴드(811)는 산화제를 유입하도록 z축 방향으로 관통되는 제2 관통구(이하, "산화제유입 관통구"라 한다)들(812)을 연결하여 설정되며, 산화제통로(321)에 산화제유입구(81)를 연결하여 산화제를 유입한다(도2, 도4 참조).

미반응연료배출 매니폴드(721)는 미반응연료를 배출하도록 z축 방향으로 관통되는 제3 관통구(이하, "미반응연료배출 관통구"라 한다)들(722)을 연결하여 설정되며, 연료통로(311)를 미반응연료출구(72)에 연결하여 미반응연료를 스택(30) 밖으로 배출한다(도1 참조). 미반응산화제배출 매니폴드(821)는 미반응산화제를 배출하도록 z축 방향으로 관통되는 제4 관통구(이하, "미반응산화제배출 관통구"라 한다)들(822)을 연결하여 설정되며, 산화제통로(321)를 미반응산화제출구(82)에 연결하여, 미반응산화제를 스택(30) 밖으로 배출한다(도1 참조).

본 실시예에서, 제1, 제2, 제3, 제4 매니폴드(711, 811, 721, 821)는 z축 방향에 대하여 수직하는 평면(xy평면)에 사각형 공간을 형성하지만, 도시되지 않은 원형, 삼각형, 오각형, 육각형, 팔각형으로 형성될 수도 있다.

한편, 일 실시예의 스택(30)에서 제1, 제2 세퍼레이터(31, 32)는 연료유입 매니폴드(711) 또는 산화제유입 매니폴드(811)에 설치되는 배플(10)을 구비한다. 베플(10)은 연료유입 매니폴드(711) 또는 산화제유입 매니폴드(811) 내에서 연료 또는 산화제의 흐름을 직선으로 제어하여 곡류 현상을 방지함으로써 연료 또는 산화제의 분포를 균일하게 제어한다. 배플(10)은 연료유입 매니폴드(711)와 산화제유입 매니폴드(811) 중 어느 하나에만 설치될 수도 있으나, 본 실시예에서는 2곳 모두에 설치되어 있다.

즉 배플(10)은 산화제나 연료의 유동 저항을 최소화하면서 산화제나 연료의 흐름을 제어할 수 있도록 흐름에 따라 유동성을 가지는 유연재로 형성된다. 예를 들면, 배플(10)은 개스킷(20)과 동일한 재료, 폴리염화비닐 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 형성될 수 있다.

도2를 참조하면, 개스킷(20)은 제1, 제2 세퍼레이터들(31, 32) 사이에 배치되어 MEA(33)의 둘레를 실링하도록 형성된다. 개스킷(20)은 연료유입 관통구들(712)을 연료유입 매니폴드(711)에만 연결하고, 산화제유입 관통구들(812)을 산화제유입 매니폴드(811)에만 연결할 수 있게 한다. 또한 개스킷(20)은 미반응연료배출 관통구들(722)을 미반응연료배출 매니폴드(721)에만 연결하고, 미반응산화제배출 관통구들(822)을 미반산화제유입 매니폴드(821)에만 연결할 수 있게 한다(도1 참조).

도2에 도시된 바와 같이, 배플(10)은 연료유입 매니폴드(711)의 연료유입 관통구(712)에 설치되는 제1 배플(11)과, 산화제유입 매니폴드(811)의 산화제유입 관통구(812)에 설치되는 제2 배플(12)을 포함한다.

제1 배플(11)은 연료유입 관통구들(712) 및 연료유입 매니폴드(711) 내부를 흐르는 연료의 흐름을 직선으로 제어하여 곡류를 방지함으로써 연료의 분포를 균일하게 한다. 따라서 각 단위셀(CU)의 연료통로(311)로 유입되는 연료의 분포가 균일하게 된다. 제2 배플(12)은 산화제유입 관통구들(812) 및 산화제유입 매니폴드(811) 내부를 흐르는 산화제의 흐름을 직선으로 제어하여 곡류를 방지함으로써 산화제의 분포를 균일하게 한다. 따라서 각 단위셀(CU)의 산화제통로(321)로 유입되는 산화제의 분포가 균일하게 된다.

이와 같은 배플(10)은 제1, 제2 세퍼레이터(31, 32)의 구성에 따라 다양한 구조로 설치되어 작용할 수 있다. 기설명한 바와 같이 제1, 제2 세퍼레이터(31, 32) 각각이 제1, 제2 부재(301, 302)로 형성되는 경우, 제1, 제2 배플(11, 12) 각각은 일단을 제1 부재(301)와 제2 부재(302) 사이에 설치하고, 다른 일단을 연료유입 매니폴드(711)와 산화제유입 매니폴드(811) 각각의 내부로 벋는 상태를 유지할 수 있다.

도5는 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드에 설치되는 배플의 제1 실시예의 사시도이다. 연료유입 매니폴드(711)의 연료유입 관통구(712)에 제1 배플(11)을 설치하는 구성과, 산화제유입 매니폴드(811)의 산화제유입 관통구(812)에 제2 배플(12)을 설치하는 구성은 동일하다. 따라서 이하에서 설명의 편의를 위하여, 연료유입 매니폴드(711)의 연료유입 관통구(712)에 제1 배플(11)을 설치하는 구성을 예로 들어 설명하고, 산화제유입 관통구(812)에 제2 배플(12)을 설치하는 구성에 대한 설명을 생략한다.

도5를 참조하면, 연료유입 매니폴드(711)는 xy 평면에 대하여 사각형 공간을 형성하고, 제1 실시예의 제1 배플(11)은 연료유입 매니폴드(711)의 사각형 공간에 대응하는 2등분 사각형으로 형성되는 제11 배플(111)과 제12 배플(112)을 포함한다. 제11 배플(111)과 제12 배플(112)은 각각 사각형 공간의 일측에 한 변으로 설치되고, 연료유입 매니폴드(711)로 벋은 부분의 합 면적이 사각형 공간의 면적에 일치하거나 보다 더 작을 수 있다.

즉, 연료유입 매니폴드(711)로 연료가 흐르지 않는 경우, 제11, 제12 배플(111, 112)은 연료유입 관통구(712)를 닫는 구조(도5의 가상선 상태)를 형성하고, 연료가 흐르는 경우, 연료의 흐르는 힘에 의하여 양쪽으로 개방되면서(도5의 실선 상태) 연료의 흐름을 가능하게 하면서 연료의 흐름을 직선으로 제어하여 곡류 현상을 방지한다.

도6은 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드에 설치되는 배플의 제2 실시예의 사시도이다. 도6을 참조하면, 제2 실시예의 배플(13)은 사각형의 단일 부재로 형성되어, 연료유입 매니폴드(711)의 사각형 공간의 일측에 한 변으로 설치되고, 연료유입 매니폴드(711)로 벋은 부분의 면적이 사각형 공간의 면적에 일치하거나 보다 더 작을 수 있다.

즉, 연료유입 매니폴드(711)로 연료가 흐르지 않는 경우, 배플(13)은 연료유입 관통구(712)를 닫는 구조(도6의 가상선 상태)를 형성하고, 연료가 흐르는 경우, 연료의 흐르는 힘에 의하여 한쪽으로 개방되면서(도6의 실선 상태) 연료의 흐름을 가능하게 하면서 연료의 흐름을 직선으로 제어하여 곡류 현상을 방지한다.

도7은 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드에 설치되는 배플의 제3 실시예의 사시도이다. 도7을 참조하면, 제3 실시예의 배플(14)은 연료유입 매니폴드(711)의 사각형 공간에 대응하는 4등분 삼각형으로 형성되는 제21 배플(141), 제22 배플(142), 제23 배플(143) 및 제24 배플(144)을 포함한다. 제21 배플(141), 제22 배플(142), 제23 배플(143) 및 제24 배플(144)은 각각 사각형 공간의 일측에 한 변으로 설치되고, 연료유입 매니폴드(711)로 벋은 부분의 합 면적이 사각형 공간의 면적에 일치하거나 보다 더 작을 수 있다.

즉, 연료유입 매니폴드(711)로 연료가 흐르지 않는 경우, 제21 배플(141), 제22 배플(142), 제23 배플(143) 및 제24 배플(144)은 연료유입 관통구(712)를 닫는 구조(도7의 가상선 상태)를 형성하고, 연료가 흐르는 경우, 연료의 흐르는 힘에 의하여 양쪽으로 개방되면서(도7의 실선 상태) 연료의 흐름을 가능하게 하면서 연료의 흐름을 직선으로 제어하여 곡류 현상을 방지한다.

도8은 연료유입 또는 산화제유입 매니폴드에 설치되는 배플의 제4 실시예의 사시도이다. 도8을 참조하면, 제4 실시예의 배플(15)는 연료유입 매니폴드(711)의 사각형 공간에 대응하는 4등분 사각형으로 형성되는 제31 배플(151), 제32 배플(152), 제33 배플(153)) 및 제34 배플(154)을 포함한다. 제31 배플(151), 제32 배플(152), 제33 배플(153)) 및 제34 배플(154)은 각각 사각형 공간의 일측 1/2변에 한 변으로 설치되고, 연료유입 매니폴드(711)로 벋은 부분의 합 면적이 사각형 공간의 면적에 일치하거나 보다 더 작을 수 있다.

즉, 연료유입 매니폴드(711)로 연료가 흐르지 않는 경우, 제31 배플(151), 제32 배플(152), 제33 배플(153)) 및 제34 배플(154)은 연료유입 관통구(712)를 닫는 구조(도8의 가상선 상태)를 형성하고, 연료가 흐르는 경우, 연료의 흐르는 힘에 의하여 양쪽으로 개방되면서(도8의 실선 상태) 연료의 흐름을 가능하게 하면서 연료의 흐름을 직선으로 제어하여 곡류 현상을 방지한다.

이상을 통해 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.

10, 13, 14, 15 : 배플 11, 12 : 제1, 제2 배플
20 : 개스킷 30 : 스택
31, 32 : 제1, 제2 세퍼레이터 33 : 막전극집합체(MEA)
34, 37 : 앤드 플레이트 35 : 체결볼트
36 : 너트 41 : 애노드전극
42 : 캐소드전극 43 : 전해질막
71 : 연료유입구 72 : 미반응연료출구
81 : 산화제유입구 82 : 미반응산화제출구
111, 112 : 제11, 제12 배플
141, 142, 143, 144 : 제21, 제22, 제23, 제24 배플
151, 152, 153, 154 : 제31, 제32, 제33, 제34 배플
301, 302 : 제1, 제2 부재 303 : 냉각유체통로
311 : 연료통로 321 : 산화제통로
711 : 제1 매니폴드(연료유입 매니폴드)
712, 812, 722, 822 : 제1, 제2, 제3, 제4 관통구
721 : 제3 매니폴드(미반응연료배출 매니폴드)
811 : 제2 매니폴드(산화제유입 매니폴드)
821 : 제4 매니폴드(미반응산화제배출 매니폴드)
CU : 단위셀

Claims

고분자 전해질막의 양면에 애노드전극과 캐소드전극을 형성하는 막전극집합체;
상기 막전극집합체의 일면에 적층 배치되어, 상기 애노드전극에 연료를 공급하는 연료통로를 구비하고, 상기 막전극집합체의 다른 일면에 적층 배치되어, 상기 캐소드전극에 산화제를 공급하는 산화제통로를 형성하는 세퍼레이터; 및
상기 막전극집합체와 상기 세퍼레이터를 포함하여 이루어지는 단위셀들을 적층하고, 적층 방향의 양단에 구비되는 앤드 플레이트를 포함하며,
상기 세퍼레이터는,
서로 대향 부착되는 사이에 냉각유체통로를 형성하는 제1 부재와 제2 부재를 포함하며,
상기 적층 방향으로 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 관통하는 제1 관통구들을 서로 연결하여 설정되고, 상기 연료통로에 연결되는 제1 매니폴드와,
상기 적층 방향으로 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 관통하는 제2 관통구들을 서로 연결하여 설정되고, 상기 산화제통로에 연결되는 제2 매니폴드를 구비하고,
상기 제1 매니폴드의 제1 관통구 및 상기 제2 매니폴드의 상기 제2 관통구 중 적어도 하나에 설치되어, 설치된 관통구의 내부로 벋어 내부의 유체 흐름을 제어하는 필름 구조의 배플을 포함하며,
상기 배플은,
일단을 상기 제1 부재와 상기 제2 부재 사이에 설치하고,
다른 일단을 상기 부착된 매니폴드의 내부로 벋어 있으며, 관통구를 전체적으로 덮어 유체의 흐르는 힘에 따라 휘어져 관통구를 가변적으로 개폐하는 연료전지 시스템용 스택.
제1 항에 있어서,
상기 배플은 유동성을 가지는 유연재로 형성되는 연료전지 시스템용 스택.
제1 항에 있어서,
상기 배플은,
상기 막전극집합체 둘레를 실링하는 개스킷과 동일 재질로 형성되는 연료전지 시스템용 스택.
제1 항에 있어서,
상기 배플은 폴리염화비닐 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중 하나로 형성되는 연료전지 시스템용 스택.
제1 항에 있어서,
상기 배플은,
상기 제1 매니폴드의 상기 제1 관통구에 설치되는 제1 배플과,
상기 제2 매니폴드의 상기 제2 관통구에 설치되는 제2 배플을 포함하는 연료전지 시스템용 스택.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 제1 부재는 상기 냉각유체통로의 반대측에 상기 연료통로를 형성하고,
상기 제2 부재는 상기 냉각유체통로의 반대측에 상기 산화제통로를 형성하는 연료전지 시스템용 스택.
제1 항에 있어서,
상기 설치된 매니폴드는,
상기 적층 방향에 수직하는 평면에 대하여 사각형 공간을 형성하고,
상기 배플은,
사각형의 단일 부재로 형성되어, 상기 사각형 공간의 일측에 한 변으로 설치되고,
상기 설치된 매니폴드로 벋은 부분의 면적이 상기 사각형 공간의 면적에 일치하는 연료전지 시스템용 스택.
제1 항에 있어서,
상기 설치된 매니폴드는,
상기 적층 방향에 수직하는 평면에 대하여 사각형 공간을 형성하고,
상기 배플은,
상기 사각형 공간에 대응하는 2등분 사각형으로 형성되는 제11 배플과 제12 배플을 포함하며,
상기 제11 배플과 상기 제12 배플은,
각각 상기 사각형 공간의 일측에 한 변으로 설치되고,
상기 설치된 매니폴드로 벋은 부분의 합 면적이 상기 사각형 공간의 면적에 일치하는 연료전지 시스템용 스택.
제1 항에 있어서,
상기 설치된 매니폴드는,
상기 적층 방향에 수직하는 평면에 대하여 사각형 공간을 형성하고,
상기 배플은,
상기 사각형 공간에 대응하는 4등분 삼각형으로 형성되는 제21 배플, 제22 배플, 제23 배플 및 제24 배플을 포함하며,
상기 제21 배플, 상기 제22 배플, 상기 제23 배플 및 상기 제24 배플은,
각각 상기 사각형 공간의 일측에 한 변으로 설치되고,
상기 설치된 매니폴드로 벋은 부분의 합 면적이 상기 사각형 공간의 면적에 일치하는 연료전지 시스템용 스택.
제1 항에 있어서,
상기 설치된 매니폴드는,
상기 적층 방향에 수직하는 평면에 대하여 사각형 공간을 형성하고,
상기 배플은,
상기 사각형 공간에 대응하는 4등분 사각형으로 형성되는 제31 배플, 제32 배플, 제33 배플 및 제34 배플을 포함하며,
상기 제31 배플, 상기 제32 배플, 상기 제33 배플 및 상기 제34 배플은,
각각 상기 사각형 공간의 일측 1/2변에 한 변으로 설치되고,
상기 설치된 매니폴드로 벋은 부분의 합 면적이 상기 사각형 공간의 면적에 일치하는 연료전지 시스템용 스택.