KR101279991B1 - 연료전지 스택 및 이에 적용된 연료전지용 세퍼레이터 - Google Patents

연료전지 스택 및 이에 적용된 연료전지용 세퍼레이터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 스택은 냉각유체를 균일하게 냉각할 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 냉각유체가 유입되는 냉각유체 입구 매니폴드와 상기 냉각유체가 배출되는 냉각유체 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 냉각유체 입구 매니폴드와 상기 냉각유체 출구 매니폴드는 냉각유체가 이동하는 통로인 냉각유체 유로를 통해서 서로 연통되고, 상기 냉각유체 입구 매니폴드에는 돌출부가 형성되며, 상기 돌출부에서 상기 냉각유체 유로와 연통되고, 상기 돌출부의 옆에는 냉각유체를 전달하는 홈이 형성된다.
연료전지, 냉각유체, 냉각유체 매니폴드, 돌출부, 홈

Description

연료전지 스택 및 이에 적용된 연료전지용 세퍼레이터{FUEL CELL STACK AND SEPARATOR USED THEREOF}
본 발명은 연료전지 스택 및 연료전지 스택용 세퍼레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각유체 입구 매니폴드의 구조를 개선한 연료전지 스택 및 연료전지 스택용 세퍼레이터에 관한 것이다.
연료전지는 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.
연료전지의 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.
이러한 연료전지는 크게, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료전지(Direct Oxydation Fuel Cell), 및 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.
고분자 전해질형 연료전지는 스택(stack)이라 불리는 연료전지 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.
직접 산화형 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알콜류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 직접 메탄올형 연료전지는 직접 산화형 연료전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 전지를 말한다.
이하에서는 설명의 편의상 도 10을 참조하여 고분자 전해질형 연료전지를 위주로 설명한다. 고분자 전해질형 연료전지는 다른 연료전지에 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.
연료전지 스택은 적층 배열된 복수 개의 단위 셀(150)을 포함하며, 단위 셀(150)의 최외측에는 전류를 추출하기 위한 집전판과 그 외곽에 외부와의 절연을 위한 절연판이 차례로 적층되고, 엔드 플레이트(160) 및 체결수단을 통해서 고정된다.
고분자 전해질형 연료전지에 사용되는 막-전극 어셈블리(151)는 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 부직포 등으로 이루어진다.
막-전극 어셈블리(151)의 외측에는 막-전극 어셈블리(151)를 기계적으로 지지함과 동시에 인접하는 막-전극 어셈블리(151)를 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성을 갖는 세퍼레이터(152, 153)가 설치되어 단위 셀을 형성한다. 세퍼레이터(152, 153)는 막-전극 어셈블리와 접촉하는 부분에 전극면에 반응가스를 공급하고 잉여가스와 반응 생성물을 운반하기 위한 유로를 형성하고 있다. 유로는 세퍼레이터(152, 153)와 별도로 설치될 수도 있지만 세퍼레이터(152, 153)의 표면에 홈 형태로 형성되는 것이 일반적이다.
냉각 유로는 일측 세퍼레이터에만 형성될 수 있으며, 두 개의 세퍼레이터에 채널이 형성되고, 이들 세퍼레이터가 맞닿아서 냉각 유로를 형성할 수도 있다.
연료전지 외부에서 세퍼레이터의 유로로 반응가스 및 냉각유체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각유체를 배출하기 위해서는 세퍼레이터에 각각의 연료가스, 산화제가스 및 냉각유체 별로 최소 2개 이상의 관통 구멍을 형성한다.
그리고 유로의 입출구를 각각 이들의 관통구멍까지 연결시켜, 한쪽의 관통구멍으로부터 반응가스 혹은 냉각유체를 각각의 유로로 공급하고 다른 쪽의 관통구멍으로 잉여가스 및 반응생성물 혹은 냉각유체를 배출한다. 반응가스 및 냉각유체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각유체를 배출하는 관통구멍을 통상 매니폴드(Manifold) 구멍이라고 한다. 이러한 매니폴드 구멍이 이어져 매니폴드를 형성한다.
냉각유체 입구 매니폴드의 내부를 냉각유체가 완전히 채워지지 않은 상태에서 냉각유체 유입구(163)를 통해서 냉각유체가 공급되거나 외부에서 공급되는 냉각유체에 공기가 함께 유입되어 냉각유체 입구 매니폴드에 공기가 존재하는 경우가 빈번하게 발생한다.
이러한 경우, 외부에서 공급되는 냉각유체는 각 셀로 균일하게 유입되지 않고 냉각유체 유입구와 인접한 셀부터 냉각 유로로 유입되면서 냉각유체가 공급되는 배관과 반대측의 셀에는 냉각유체의 공급이 부족하게 될 수 있다.
이와 같은 현상이 발생하게 되면 냉각유체가 부족한 부분에서 전극의 열화가 가속된다. 이와 같은 특정 셀의 열화는 인접 셀의 열화로 이어져 결국 연료전지 스택 전체의 운전이 불가능한 상황이 발생 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지 스택 내부에서 냉각유체가 각 냉각유체 유로로 균일하게 공급될 수 있는 세퍼레이터 및 연료전지 스택을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 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 냉각유체가 유입되는 냉각유체 입구 매니폴드와 상기 냉각유체가 배출되는 냉각유체 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 냉각유체 입구 매니폴드와 상기 냉각유체 출구 매니폴드는 냉각유체가 이동하는 통로인 냉각유체 유로를 통해서 서로 연통되고, 상기 냉각유체 입구 매니폴드에는 돌출부가 형성되며, 상기 돌출부에서 상기 냉각유체 유로와 연통되고, 상기 돌출부의 옆에는 냉각유체를 전달하는 홈이 형성된다.
상기 홈은 상기 돌출부의 양쪽 옆에 형성될 수 있으며, 상기 돌출부는 상기 냉각유체 입구 매니폴드의 길이 방향을 따라 이어져 형성될 수 있다. 또한, 상기 돌출부와 상기 냉각유체 유로는 상기 세퍼레이터에 형성될 수 있다.
상기 전기 발생부 사이에는 냉각유체 유로가 형성된 냉각판이 설치되고, 상기 냉각판의 냉각유체 유로는 돌출부에서 상기 냉각유체 입구 매니폴드와 연통될 수 있으며, 상기 냉각유체 입구 매니폴드는 상기 냉각유체 출구 매니폴드에 보다 중력 방향을 기준으로 상부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택용 세퍼레이터는 연료전지 스택의 전기 생성부를 구성하는 세퍼레이터에 있어서, 상기 세퍼레이터는 반응가스가 유입되는 냉각유체 입구 매니폴드를 형성하는 냉각유체 입구 매니폴드 구멍과 상기 냉각유체가 배출되는 냉각유체 출구 매니폴드를 형성하는 냉각유체 출구 매니폴드 구멍, 및 상기 냉각유체 입구 매니폴드 구멍과 냉각유체 출구 매니폴드 구멍을 연결하는 냉각유체 유로를 갖고, 상기 냉각유체 입구 매니폴드 구멍에는 돌출부가 형성 되며, 상기 돌출부에서 상기 냉각유체 유로와 연결되고, 상기 돌출부의 옆에는 상기 냉각유체를 전달하는 홈이 형성된다.
상기와 같이 본 발명에 따르면 냉각유체를 각 냉각유체 유로로 균일하게 공급하여 연료전지 스택을 균일하게 냉각함으로써 전극의 열화가 가속되는 것을 방지할 수 있다.
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.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생산하는 복수 개의 전기 생성부(30)를 포함하여 구성된다.
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.
이와 같은 전기 생성부(30)를 복수로 구비하고, 이들 전기 생성부(30)을 연속적으로 배치함으로써 전기 생성부(30)의 적층 구조에 의한 연료전지 스택(100)이 형성된다.
본 발명에 따른 연료전지 스택(100)은 통상적인 개질기를 통해 액체 또는 기체 연료로부터 크랙킹(cracking)된 수소를 연료로서 사용할 수 있다. 이 경우 상기 연료전지 스택(100)은 전기 생성부(30)에 의한 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.
대안으로서 연료전지 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 연료전지 스택(100)은 전기 생성부(30)에 의한 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.
연료전지 스택(100)은 연료와 반응하는 산화제로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다.
막-전극 어셈블리(31)는 고체 폴리머 전해질로 형성된 고분자 전해질막과 고분자 전해질막의 양면에 배치된 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함한다.
세퍼레이터(32, 33)는 막-전극 어셈블리(31)를 사이에 두고 밀착 배치되어, 막-전극 어셈블리(31)의 양측에 각각 연료 유로(32a)와 산화제 유로(33a)를 형성한 다. 이 때 연료 유로(32a)가 형성된 애노드 세퍼레이터(32)는 막-전극 어셈블리(31)의 애노드 전극 측에 배치되고, 산화제 유로(33a)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.
위와 같은 복수의 전기 생성부(30)가 연속적으로 배치됨으로써 연료전지 스택(100)을 구성하게 된다. 여기서 연료전지 스택(100)의 제일 외각에는 연료전지 스택(100)을 일체로 고정하는 엔드 플레이트(60)가 설치된다.
일측 엔드 플레이트(60)의 상부에는 산화제를 연료전지 스택(100)으로 공급하기 위한 산화제 유입구(62)와 연료를 연료전지 스택(100)으로 공급하기 위한 연료 유입구(64), 및 냉각 매체를 주입하기 위한 냉각유체 유입구(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 냉각유체 배출구(68)가 형성된다. 여기서 상부는 중력 방향을 기준으로 위쪽에 있다는 것을 의미하며, 하부는 중력 방향을 기준으로 아래쪽에 있다는 것을 의미한다.
애노드 세퍼레이터(32)는 막-전극 어셈블리(31)를 향하는 일면에 연료 유로(32a)가 형성되고, 이런 연료 유로(32a)로 수소를 함유하는 연료 가스가 유입된다. 캐소드 세퍼레이터(33)는 막-전극 어셈블리(31)를 향하는 일면에 산화제 유 로(33a)가 형성되고, 이런 산화제 유로(33a)로 산소를 함유하는 산화제 가스가 유입된다.
캐소드 세퍼레이터(33)는 상기 일면의 반대편에 해당하는 배면에 냉각유체 유로(33b)가 형성된다.
연료전지 스택(100) 내부에는 산화제가 유입되는 산화제 입구 매니폴드(41)와 냉각 매체가 유입되는 냉각유체 입구 매니폴드(42), 및 연료가 유입되는 연료 입구 매니폴드(43)가 형성된다. 또한, 연료전지 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.
산화제 입구 매니폴드(41)는 연료전지 스택(100)의 상부 일측 코너에 형성되고, 산화제 출구 매니폴드(46)는 연료전지 스택(100)의 하부에서 상기 일측 코너의 대각선 방향 코너에 형성된다. 또한, 연료 입구 매니폴드(43)는 연료전지 스택(100)의 상부 타측 코너에 형성되고, 연료 출구 매니폴드는 상기 타측 코너의 대각선 방향 코너에 형성된다.
또한, 냉각유체 입구 매니폴드(42)는 상부 중앙에 형성되고, 냉각유체 출구 매니폴드는 하부 중앙에 형성된다.
산화제 입구 매니폴드(41), 연료 입구 매니폴드(43), 냉각유체 입구 매니폴드(42)는 적층 배열되는 전기 생성부들에 형성된 구멍들이 이어져 형성된다.
연료 입구 매니폴드(43) 및 연료 출구 매니폴드는 애노드 세퍼레이터(32)에 형성된 연료 유로(32a)와 연통되며, 산화제 입구 매니폴드(41) 및 산화제 출구 매 니폴드(46)는 캐소드 세퍼레이터(33)에 형성된 산화제 유로(33a)와 연통된다. 또한, 냉각유체 입구 매니폴드(42) 및 냉각유체 출구 매니폴드는 캐소드 세퍼레이터(33)에 형성된 냉각유체 유로와 연통된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 부분 사시도이고, 도 4는 도 3에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 잘라 본 연료전지 스택의 부분 종단면도이며, 도 5는 도 3에서 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 잘라 본 연료전지 스택의 부분 횡단면도이다.
도 1및 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 냉각유체 입구 매니폴드(42)에는 돌출부(71)가 형성되고, 이 돌출부(71)에서 냉각유체 유로(33b)와 냉각유체 입구 매니폴드(42)가 연통된다. 또한, 돌출부(71)는 냉각유체 입구 매니폴드(42)의 중앙에 위치하고 돌출부(71)의 양쪽 옆에는 냉각유체가 이동할 수 있도록 홈(73)이 형성된다. 홈은 냉각유체 입구 매니폴드의 길이방향으로 이어져 형성되며, 냉각유체 입구 매니폴드의 길이 방향으로 냉각유체를 전달한다.
본 실시예에서는 냉각유체 입구 매니폴드(42)가 내부 매니폴드 방식으로 구성된 것을 예로서 설명하나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 냉각유체 입구 매니폴드는 외부 매니폴드 방식으로 구성될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 캐소드 세퍼레이터를 도시한 배면도이다. 도 2를 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 캐소드 세퍼레이터(33)는 장방형 판 구조로 이루어지며, 상부에 산화제 입구 매니폴드를 형성하는 산화제 입구 매니폴드 구멍(141)과, 냉각 매체 유로를 형성하는 냉각유체 입구 매니폴드 구멍(142), 및 연료 입구 매니폴드를 형성하는 연료 입구 매니폴드 구멍(143)이 형성된다.
또한, 캐소드 세퍼레이터(33)의 하부에는 산화제 출구 매니폴드를 형성하는 산화제 출구 매니폴드 구멍(146)과 냉각유체 출구 매니폴드를 형성하는 냉각유체 출구 매니폴드 구멍(147), 및 연료 출구 매니폴드를 형성하는 연료 출구 매니폴드 구멍(148)이 형성된다.
냉각유체 입구 매니폴드 구멍(142)에는 돌출부(142a)가 형성되며, 돌출부(142a)의 양쪽 옆에는 홈(142b)이 형성된다.
캐소드 세퍼레이터(33)의 일면에는 홈 형태의 채널로 이루어진 산화제 유로(33a)가 형성되며, 산화제 유로(33a)는 복수 개의 채널이 무리를 이루어 배치된다.
또한, 캐소드 세퍼레이터(33)의 일면과 반대방향을 향하는 타면에는 홈 형태의 채널로 이루어진 냉각유체 유로(33b)가 형성되며, 냉각유체 유로(33b)는 복수 개의 채널이 무리를 이루어 배치된다. 본 실시예에서는 캐소드 세퍼레이터(33)에 냉각유체 유로(33b)가 형성된 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 애노드 세퍼레이터(32)에 냉각유체 유로가 형성될 수도 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 냉각유체 유입구(63)를 통해서 냉각유체 입구 매니폴드(42)로 유입된 냉각유체는 화살표와 같이 각 전기 생성부(30)로 분배 공급된다. 홈(73)에는 냉각유체 유로(33b)가 연결되어 있지 아니하며, 돌출부(71)에서 냉각유체 유로(33b)가 냉각유체 입구 매니폴드(42)와 연통된다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 냉각유체 입구 매니폴드(42)의 내부를 냉각유체가 완전히 채워지지 않은 상태에서 냉각유체 유입구(63)를 통해서 냉각유 체가 공급되거나 외부에서 공급되는 냉각유체에 공기가 함께 유입되어 냉각유체 입구 매니폴드(42)에 공기가 존재하면, 냉각유체는 홈(73)을 따라 제일 뒤쪽에 위치한 전기 생성부(30)까지 이동한다.
홈(73)에 냉각유체가 충분히 채워지면 냉각유체의 수위가 위로 상승하여 돌출부(71)의 위까지 냉각유체가 이동한다. 홈(73)에는 냉각유체 유로(33b)가 연결되어 있지 아니하므로 작은 양의 냉각유체도 뒤쪽까지 충분히 이동할 수 있다.
또한, 냉각유체가 홈(73)을 가득 채우면 유입되는 냉각유체가 홈(73)에서 돌출부(71)로 이동하여 냉각유체 유로(33b)로 유입되므로 냉각유체의 진행방향을 기준으로 뒤쪽에 있는 전기 생성부까지 냉각유체를 균일하게 공급할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 부분 횡단면도이고, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 부분 종단면도이다. 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 연료전지 스택(110)은 애노드 세퍼레이터(34)의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 연료전지 스택과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택(110)은 복수 개의 전기 생성부(30')를 포함하며, 전기 생성부(30')는 막-전극 어셈블리(31)와 막-전극 어셈블리(31)의 일면에 밀착된 애노드 세퍼레이터(34), 막-전극 어셈블리(31)의 타면에 밀착된 캐소드 세퍼레이터(33)를 포함한다.
애노드 세퍼레이터(34)의 일면에는 연료 유로가 형성되고 일면과 반대방향을 향하는 타면에는 냉각유체 유로(34a)가 형성된다.
냉각유체 유로(34a)는 이웃하는 전기 생성부의 캐소드 세퍼레이터(33)를 향하는 면에 형성되며, 애노드 세퍼레이터(34)의 냉각유체 유로(34a)와 캐소드 세퍼레이터(33)의 냉각유체 유로(33b)가 맞닿아서 냉각유체가 흐르는 통로를 제공한다.
애노드 세퍼레이터(34) 및 캐소드 세퍼레이터(33)의 냉각유체 유로(33b, 34a)는 돌출부(71)에서 냉각유체 입구 매니폴드(42)와 연통된다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 애노드 세퍼레이터(34)와 캐소드 세퍼레이터(33) 모두에 냉각유체 유로(33b, 34a)가 형성되므로 냉각 성능이 더욱 향상된다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 스택의 부분 종단면도이다.
도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료전지 스택(130)은 냉각판(49)이 설치되고, 캐소드 세퍼레이터(35)에 냉각유체 유로가 형성되지 않은 것을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 연료전지 스택(130)과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택(130)은 복수 개의 전기 생성부(30")와 전기 생성부(30") 사이에 배치된 냉각판(49)을 포함하며, 전기 생성부(30")는 막-전극 어셈블리(31)와 막-전극 어셈블리(31)의 일면에 밀착된 애노드 세퍼레이터(32), 막-전극 어셈블리(31)의 타면에 밀착된 캐소드 세퍼레이터(35)를 포함한다.
연료전지 스택(130)에는 냉각유체 입구 매니폴드(42)가 형성되고 냉각유체 입구 매니폴드(42)에는 냉각유체가 이동하는 홈(73)과 홈(73)의 사이에서 홈(73)의 바닥보다 더 높게 돌출된 돌출부(71)가 형성된다.
냉각판(49)은 전기 생성부들(30") 사이에 배치되며, 내부에 냉각유체가 이동 하는 냉각유체 유로(49a)가 형성된다. 냉각유체 유로(49a)는 돌출부(71)에서 냉각유체 입구 매니폴드(42)와 연통된다.
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.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 캐소드 세퍼레이터를 도시한 정면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 스택이 결합된 상태를 나타낸 부분 사시도이다.
도 4는 도 3에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 잘라 본 연료전지 스택의 부분 종단면도이다.
도 5는 도 3에서 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 잘라 본 연료전지 스택의 부분 횡단면도이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 제1 실시예의 연료전지 스택에 냉각유체가 냉각유체 유로로 유입되는 과정을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 부분 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 부분 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 스택의 부분 종단면도이다.
도 10는 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 부분 종단면도이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
100: 연료전지 스택 30: 전기 생성부
31: 막-전극 어셈블리 32: 애노드 세퍼레이터
32a: 연료 유로 33: 캐소드 세퍼레이터
33a: 산화제 유로 33b: 냉각유체 유로
41: 산화제 입구 매니폴드 42: 냉각유체 입구 매니폴드
43: 연료 입구 매니폴드 46: 산화제 출구 매니폴드
49: 냉각판 60: 엔드 플레이트
71: 돌출부 73: 홈

Claims (6)

  1. 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 복수개의 전기 생성부를 포함하는 연료전지 스택에 있어서,
    상기 전기 생성부에는 냉각유체가 유입되는 냉각유체 입구 매니폴드와 상기 냉각유체가 배출되는 냉각유체 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 냉각유체 입구 매니폴드와 상기 냉각유체 출구 매니폴드는 냉각유체가 이동하는 통로인 냉각유체 유로를 통해서 서로 연통되고,
    상기 냉각유체 입구 매니폴드에는 돌출부가 형성되며, 상기 돌출부에서 상기 냉각유체 유로와 연통되고, 상기 돌출부의 양쪽 옆에는 냉각유체를 전달하는 홈이 형성되며, 상기 상기 돌출부는 상기 냉각유체 입구 매니폴드의 길이 방향을 따라 이어져 형성되고,
    상기 세퍼레이터는 애노드 세퍼레이터와 캐소드 세퍼레이터를 포함하되,
    상기 애노드 세퍼레이터의 일면에는 연료 유로가 형성되고 상기 일면과 반대방향을 향하는 타면에는 냉각유체 유로가 형성되며,
    상기 캐소드 세퍼레이터의 일면에는 산화제 유로가 형성되고 상기 일면과 반대방향을 향하는 타면에는 냉각유체 유로가 형성되며,
    상기 애노드 세퍼레이터의 냉각유체 유로와 상기 캐소드 세퍼레이터의 냉각유체 유로가 맞닿아서 냉각유체가 흐르는 통로를 제공하고,
    상기 냉각유체 입구 매니폴드의 내부에 냉각유체가 완전히 채워지지 않은 상태에서 상기 냉각유체는 상기 홈을 따라 상기 연료전지 스택의 제일 뒤쪽에 위치한 전기 생성부까지 이동하는 연료전지 스택.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 냉각유체 유로는 상기 세퍼레이터에 형성된 연료전지 스택.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각유체 입구 매니폴드는 상기 냉각유체 출구 매니폴드 보다 중력 방향을 기준으로 상부에 위치하는 연료전지 스택.
  6. 삭제
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