KR101724972B1 - 연료전지 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 MEA(Membrane Electrode Assembly)와 MEA 양측면에 각각 배치된 GDL(Gas Diffusion Layer)로 구성된 반응층; 일면이 반응층의 일면에 밀착되며 반응기체가 공급되어 흐르는 다공성 분리층; 및 패널 형상으로써 다공성 분리층의 일면에 밀착되며, 전단부에 반응기체가 공급되는 매니폴드가 형성되고 매니폴드로부터 다공성 분리층을 향하도록 복수의 확산채널이 형성되며 확산채널 중 일부는 후단부로 연장되며 다공성 분리층을 분할하는 격벽채널을 형성하고, 격벽채널은 반응기체가 흐르는 방향으로 연장되되 사선방향으로 연장된 캐소드분리판;을 포함하는 연료전지 셀이 소개된다.

Description

연료전지 셀 {FUEL BATTERY CELL}
본 발명은 연료전지 셀에 있어서, 반응기체 및 냉각수의 흐름을 반응영역에 대해 전체적으로 고르게 분포시키고, 연료전지 셀 내의 화학적 반응에 의해 생성된 응축수의 배출을 원활하게 하는 연료전지 셀에 관한 것이다.
연료전지는 통상적으로 수소와 산소의 반응을 유도하는 촉매층이 구비된 전극막 접합체(MEA:Membrane-Electrode-Assembly)와 상기 전극막 접합체의 양측에 마련되어 상기 전극막 접합체 내부로 수소와 공기를 공급하면서 동시에 물의 배출을 용이하게 하는 분리판이 구비되어 있다.
상기 전극막 접합체와 상기 전극막 접합체의 양측면에 각각 수소 또는 산소를 택일적으로 공급하는 한 쌍의 분리판이 마련됨으로써 하나의 연료전지 셀을 구성하며, 상기 연료전지 셀이 복수개 적층되어 연료전지 스택을 구성한다.
이러한 연료전지의 성능을 극대화하기 위해서는 분리판의 다공성 부재를 마련함으로써 면압을 균등히 분산시키고, 반응기체의 확산 및 생성수 배출 성능이 향상되도록 한다. 다공성 부재로는 Metal이나 Carbon 소재 기반으로 한 미세 기공이 존재하는 3차원 구조체, 금속 Wire를 그물 형상으로 짜서 다공성 구조를 형성한 3차원 구조체, 금속 박판에 홀 형성 또는 흠집을 내어 성형하여 형성한 3차원 구조체 등 다양한 전도성 다공체의 미세 기공 구조를 가진 부재들로 구성되며, 이들은 모두 면압을 균일하기 분포시키는 기능을 한다.
그러나, 종래에는 다공성 부재를 적용함에 따라 반응 기체 및 생성수의 흐름을 제어할 수 없어 반응 면적을 효율적으로 이용할 수 없고, 연료전지 내부의 수분이 과포하 상태로 유지될 경우 다공성 부재의 미세 기공들이 막혀 연료전지의 안정성 및 효율이 저하되는 문제가 발생된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2010-0020715 A (2010. 02. 23)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 반응기체 및 냉각수의 흐름을 반응영역에 대해 전체적으로 고르게 분포시키고, 연료전지 셀 내의 화학적 반응에 의해 생성된 응축수의 배출을 원활하게 하는 연료전지 셀을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 셀은 MEA(Membrane Electrode Assembly)와 MEA 양측면에 각각 배치된 GDL(Gas Diffusion Layer)로 구성된 반응층; 일면이 반응층의 일면에 밀착되며 반응기체가 공급되어 흐르는 다공성 분리층; 및 패널 형상으로써 다공성 분리층의 일면에 밀착되며, 전단부에 반응기체가 공급되는 매니폴드가 형성되고 매니폴드로부터 다공성 분리층을 향하도록 복수의 확산채널이 형성되며 확산채널 중 일부는 후단부로 연장되며 다공성 분리층을 분할하는 격벽채널을 형성하고, 격벽채널은 반응기체가 흐르는 방향으로 연장되되 사선방향으로 연장된 캐소드분리판;을 포함한다.
상기 캐소드분리판의 격벽채널은 연료전지 셀에 적용된 상태에서, 중력방향인 상측에서 하측을 향하도록 사선 방향으로 연장된 것을 특징으로 한다.
캐소드분리판의 일면에 밀착되고, 일측과 타측 방향으로 반복하여 굴곡지도록 형성됨으로써 일측의 개방 공간으로 반응기체가 통과하는 기체채널이 형성되고, 타측의 개방 공간으로 냉각 매체가 통과하는 냉각채널이 형성된 애노드분리판;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
애노드분리판의 냉각채널과 기체채널은 전단부가 매니폴드에 연결되어 각각 냉각 매체와 반응기체를 공급받는 것을 특징으로 한다.
캐소드분리판의 격벽채널은 타측으로 돌출되어 일측으로 개방 공간이 형성되고, 애노드분리판의 냉각채널이 타측으로 개방 공간을 갖음에 따라 격벽채널의 연장선상에 냉각채널과 겹쳐지는 부분이 형성됨으로써 냉각채널의 냉각 매체를 격벽채널과 공용하는 것을 특징으로 한다.
애노드분리판의 냉각채널과 기체채널은 매니폴드에서 직선 방향으로 연장되고, 캐소드분리판의 격벽채널은 매니폴드에서 사선 방향으로 연장됨으로써 하나의 격벽채널이 서로 다른 다수의 냉각채널과 겹쳐지는 것을 특징으로 한다.
캐소드분리판의 격벽채널은 반응기체가 흐르는 방향을 향해 직선방향으로 소정 거리 연장된 후 사선방향으로 연장된 것을 특징으로 한다.
삭제
매니폴드는 캐소드분리판의 전단부에 형성되는 입구측 매니폴드와 캐소드분리판의 후단부에 형성되는 출구측 매니폴드로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연료전지 셀에 따르면, 반응기체 및 냉각수의 흐름을 반응영역에 대해 전체적으로 고르게 분포시키고, 연료전지 셀 내의 화학적 반응에 의해 생성된 응축수의 배출이 원활히 수행되도록 하여 응축수에 의한 반응기체의 흐름이 막히는 것이 방지된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 셀의 평면 구성도.
도 2 내지 3은 도 1에 도시된 연료전지 셀의 일부 단면 구성도.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지 셀을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 셀을 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 셀에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 셀의 평면 구성도이고, 도 2 내지 3은 도 1에 도시된 연료전지 셀의 일부 단면 구성도이며, 도 4는 도 1에 도시된 연료전지 셀을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 셀을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 연료전지 셀은 산화제 가스와 수소 가스로 이루어진 반응기체를 제공받아 수소와 산소의 화학적인 반응을 이용하여 전기에너지를 발생시키도록 구성된다.
이때, 연료전지의 셀에는 반응 부산물로서, 열이 발생되고, 응축수로서의 생성수를 배출한다.
본 발명에서는 연료전지 셀 내에서 생성수의 배출을 용이하게 함과 더불어 열을 냉각시키는 냉각 매체의 흐름이 원활히 이동되도록 함으로써 냉각 효율이 증대되도록 한다.
본 발명에 따른 연료전지 셀은 도 1 내지 2에 도시된 바와 같이, MEA(Membrane Electrode Assembly)(120)와 MEA(120) 양측면에 각각 배치된 GDL(Gas Diffusion Layer)(140)로 구성된 반응층(100); 일면이 반응층(100)의 일면에 밀착되며 반응기체가 공급되어 흐르는 다공성 분리층(200); 및 패널 형상으로써 다공성 분리층(200)의 일면에 밀착되며, 전단부에 반응기체가 공급되는 매니폴드(320)가 형성되고 매니폴드(320)로부터 다공성 분리층(200)을 향하도록 복수의 확산채널(340)이 형성되며 확산채널(340) 중 일부는 후단부로 연장되며 다공성 분리층(200)을 분할하는 격벽채널(342)을 형성하고, 격벽채널(342)은 반응기체가 흐르는 방향으로 연장되되 사선방향으로 연장된 캐소드분리판(300);을 포함한다.
상기의 반응층(100)을 이루는 MEA(120)와 GDL(140)은 수소 가스와 산화제 가스로 이루어진 반응기체에서 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 생성하도록 이루어진다. 또한, 상기의 다공성 분리층(200)은 반응층(100)의 일면에 밀착되고, 반응기체가 공급되어 흐름에 따라 반응기체가 반응층(100)에 공급되도록 이루어진다. 여기서, 다공성 분리층(200)은 Metal / Carbon 소재 기반으로 이루어지거나, Wire Mesh 구조로 이루어지거나, 금속 박판에 홀 또는 흠집을 성형하여 다수의 미세 개구가 형성된 소재로 이루어질 수 있다.
상술한 반응층(100)과 다공성 분리층(200)은 연료전지 분야에 있어서, 자명한 기술 사항인바, 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
본 발명은 다공성 부재를 적용한 연료전지 셀에 있어서, 반응기체의 흐름 및 생성수의 배출을 효율적으로 하기 위한 것으로, 패널 형상으로써 다공성 분리층(200)의 일면에 밀착되며, 전단부에 반응기체가 공급되는 매니폴드(320)가 형성되고 매니폴드(320)로부터 다공성 분리층(200)을 향하도록 복수의 확산채널(340)이 형성되며 확산채널(340) 중 일부는 후단부로 연장되며 다공성 분리층(200)을 분할하는 격벽채널(342)을 형성하고, 격벽채널(342)은 반응기체가 흐르는 방향으로 연장되되 사선방향으로 연장된 캐소드분리판(300);이 구성된다.
이러한 캐소드분리판(300)의 전단부에는 매니폴드(320)가 형성되며, 이 매니폴드(320)는 캐소드분리판(300)의 전단부에 형성되는 입구측 매니폴드(322)와, 캐소드분리판(300)의 후단부에 형성되는 출구측 매니폴드(324)로 구성될 수 있다. 즉, 입구측 매니폴드(322)로부터 반응기체가 공급되어 전기에너지를 생성 후 배출되는 생성수 등이 출구측 매니폴드(324)를 통해 배출되는 것이다.
특히, 캐소드분리판(300)에는 매니폴드(320)로부터 다공성 분리층(200)을 향하도록 복수의 확산채널(340)이 형성되어 매니폴드(320)로부터 공급되는 반응기체가 다공성 분리층(200)으로 공급되도록 하며, 확산채널(340) 중 일부는 후단부로 연장되며 다공성 분리층(200)을 가로지름에 따라 다공성 분리층(200)을 분할하는 격벽채널(342)이 형성된다.
여기서, 격벽채널(342)의 경우 연료전지 셀에 적용된 상태에서, 중력방향인 상측에서 하측을 향하도록 사선 방향으로 연장될 수 있다. 본 발명에서는 다공성 분리층(200) 및 반응층(100) 간의 전기 화학적 반응을 통해 생성되는 생성수의 배출을 용이하게 하기 위한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 연료전지 스택의 배치가 중력 방향에 대해 수직방향으로 배치된 상태에서, 다공성 분리층(200)을 통해 생성된 생성수가 전단부에서 후단부를 향해 상측에서 하측으로 사선 연장된 격벽채널(342)을 통해 중력방향으로 흘러 내려가면서 원활히 배출되도록 할 수 있다. 이로 인해, 생성수가 과다 생성되는 조건에서, 생성수는 격벽채널(342)을 타고 이동함에 따라 출구측 매니폴드(324)로 배출되어 연료전지 셀 내부에 생성수가 쌓이는 것이 방지되고, 그에 따라 연료전지 셀의 효율을 확보 및 유지할 수 있다.
본 발명에 대해서 구체적으로 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드분리판(300)의 일면에 밀착되고, 일측과 타측 방향으로 반복하여 굴곡지도록 형성됨으로써 일측의 개방 공간(422)으로 반응기체가 통과하는 기체채널(420)이 형성되고, 타측의 개방 공간(442)으로 냉각 매체가 통과하는 냉각채널(440)이 형성된 애노드분리판(400);을 더 포함할 수 있다.
이러한 애노드분리판(400)의 냉각채널(440)과 기체채널(420)은 전단부가 매니폴드(320)에 연결되어 각각 냉각 매체와 반응기체를 공급받도록 이루어진다.
즉, 애노드분리판(400)은 캐소드분리판(300)의 일면에 밀착되어 일측과 타측 방향에 대해 반복되어 굴곡지도록 형성됨에 따라 기체채널(420)과 냉각채널(440)을 형성한다. 여기서, 애노드분리판(400)의 일측으로 형성되는 기체채널(420)에는 매니폴드(320)로부터 공급된 반응기체가 통과하며, 타측으로 형성되는 냉각채널(440)에는 냉각 매체가 통과하도록 구성된다. 이로 인해, 애노드분리판(400)의 일측에 밀착되는 반응층(100)에 반응기체가 공급되고, 애노드분리판(400)의 타측에 밀착되는 캐소드분리판(300)을 통해 냉각 매체가 이동할 수 있는 공간이 형성되어 냉각 매체가 원활히 이동되도록 할 수 있다.
특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 캐소드분리판(300)의 격벽채널(342)은 타측으로 돌출되어 일측으로 개방 공간(344)이 형성되고, 애노드분리판(400)의 냉각채널(440)이 타측으로 개방 공간(442)을 갖음에 따라 격벽채널(342)의 연장선상에 냉각채널(440)과 겹쳐지는 부분이 형성됨으로써 냉각채널(440)의 냉각 매체를 격벽채널(342)과 공용할 수 있다.
이렇게, 캐소드분리판(300)의 격벽채널(342)은 일측으로 개방된 공간(344)이 형성되고, 애노드분리판(400)의 냉각채널(440)의 개방된 공간(442)이 타측으로 형성되며, 특히 격벽채널(342)의 경우 사선방향으로 연장됨으로써 격벽채널(342)의 연장선상에 격벽채널(342)과 냉각채널(440)이 겹쳐지는 부분이 형성되어 냉각채널(440)의 냉각 매체를 격벽채널(342)과 공용화하여 냉각 효율이 향상되도록 한다.
즉, 애노드분리판(400)의 냉각채널(440)과 기체채널(420)은 매니폴드(320)에서 직선 방향으로 연장되고, 캐소드분리판(300)의 격벽채널(342)은 매니폴드(320)에서 사선 방향으로 연장됨으로써 하나의 격벽채널(342)이 서로 다른 다수의 냉각채널(440)과 겹쳐지도록 구성될 수 있다. 물론, 도 3에서 볼 수 있듯이, 격벽채널(342)은 사선방향으로 연장되어 어떤 냉각채널(440)과는 개방된 공간이 공용하지 않을 수 있고, 다른 냉각채널(440)과는 개방된 공간이 공용함에 따라 냉각채널(440)에 흐르는 냉각 매체가 과도하게 격벽채널(342) 측으로 순환되지 않을 수 있다.
이처럼, 애노드분리판(400)의 냉각채널(440)은 직선방향으로 연장됨에 따라 기체채널(420)과 다공성 분리층(200) 및 반응층(100)에서 전기 화학적 반응에 의해 발생된 열을 냉각시킬 수 있다. 특히, 도 4에 도시된 바와 같이, 격벽채널(342)은 사선 방향으로 연장됨에 따라 하나의 격벽채널(342)이 다수의 냉각채널(440)과 겹쳐지는 부분이 발생됨으로써 냉각채널(440)의 냉각 매체가 격벽채널(342)을 통해 이동되어 냉각 매체의 유동에 따른 차압을 저감시키며, 냉각 효율이 더욱 증대되도록 할 수 있다. 이렇게, 애노드분리판(400)의 냉각채널(440)을 통해 이동되는 냉각 매체가 격벽채널(342)에도 분배됨에 따라 냉각수의 차압 과다로 인해 냉각수가 전기 화학반응이 이루어지는 공간으로 침투하는 문제를 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이, 연료전지 셀은 일측부터 타측으로 반응층(100), 애노드분리판(400), 캐소드분리판(300), 반응층(100)이 순차적으로 적층되는 구성을 이루고, 매니폴드(320)로부터 공급되는 반응기체는 다공성 분리층(200), 반응층(100), 애노드분리판(400)의 기체채널(420)을 통해 이동됨에 따라 전기 화학반응을 통한 전기 에너지의 생성이 이루어지며, 매니폴드(320)로부터 공급되는 냉각매체는 애노드분리판(400)의 냉각채널(440) 및 캐소드분리판(300)의 격벽채널(342)에 분배되어 이동됨에 따라 효율적인 냉각이 이루어짐과 더불어 냉각수 차압이 감소되지 않도록 한다.
한편, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 셀은 도 5에 도시된 바와 같이, 캐소드분리판(300)의 격벽채널(342)은 반응기체가 흐르는 방향을 향해 직선방향으로 소정 거리 연장된 후 사선방향으로 연장될 수 있다.
즉, 입구측 매니폴드(322)를 통해 공급되는 반응기체는 캐소드분리판(300)의 확산채널(340)에서 균등하게 분배되는데, 매니폴드(320)를 통해 공급된 반응기체는 입구측 매니폴드(322) 측에서는 생성수가 정체되지 않고, 소정 거리 연장된 특정 지점부터 생성수가 쌓이게 된다. 따라서, 캐소드분리판(300)의 격벽채널(342)은 매니폴드(320)로부터 반응기체가 균등하게 분배됨에 따라 생성수가 정체되지 않는 부분에 대해서는 직선방향으로 연장되도록 하고, 반응 기체가 정체되는 지점부터 사선방향으로 연장되도록 하여 생성수가 중력방향으로 원활히 흘러 배출되도록 하는 것이다.
여기서, 반응기체의 흐름에 따른 생성수가 생성되는 정체되는 지점은 실험을 통해 도출 가능하며, 연료전지 셀의 사양에 따라 달리 설정될 수 있다.
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본 발명의 연료전지 셀에 따르면, 반응기체 및 냉각수의 흐름을 반응영역에 대해 전체적으로 고르게 분포시키고, 연료전지 셀 내의 화학적 반응에 의해 생성된 응축수의 배출이 원활히 수행되도록 하여 응축수에 의한 반응기체의 흐름이 막히는 것이 방지된다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100:반응층 120:MEA
140:GDL 200:다공성 분리층
300:캐소드분리판 320:매니폴드
340:확산채널 342:격벽채널
400:애노드분리판 420:기체채널
440:냉각채널

Claims (9)

  1. MEA(Membrane Electrode Assembly)와 MEA 양측면에 각각 배치된 GDL(Gas Diffusion Layer)로 구성된 반응층;
    일면이 반응층의 일면에 밀착되며 반응기체가 공급되어 흐르는 다공성 분리층; 및
    패널 형상으로써 다공성 분리층의 일면에 밀착되며, 전단부에 반응기체가 공급되는 매니폴드가 형성되고 매니폴드로부터 다공성 분리층을 향하도록 복수의 확산채널이 형성되며, 확산채널 중 일부는 후단부로 연장되고 다공성 분리층을 분할하도록 돌출된 격벽채널로 형성되며, 격벽채널은 반응기체가 흐르는 방향으로 연장되되 사선방향으로 연장됨으로써 다공성 분리층을 통해 생성된 생성수가 격벽채널을 따라 배출되는 캐소드분리판;을 포함하는 연료전지 셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐소드분리판의 격벽채널은 연료전지 셀에 적용된 상태에서, 중력방향인 상측에서 하측을 향하도록 사선 방향으로 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
  3. 청구항 1에 있어서,
    캐소드분리판의 일면에 밀착되고, 일측과 타측 방향으로 반복하여 굴곡지도록 형성됨으로써 일측의 개방 공간으로 반응기체가 통과하는 기체채널이 형성되고, 타측의 개방 공간으로 냉각 매체가 통과하는 냉각채널이 형성된 애노드분리판;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
  4. 청구항 3에 있어서,
    애노드분리판의 냉각채널과 기체채널은 전단부가 매니폴드에 연결되어 각각 냉각 매체와 반응기체를 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
  5. 청구항 3에 있어서,
    캐소드분리판의 격벽채널은 타측으로 돌출되어 일측으로 개방 공간이 형성되고, 애노드분리판의 냉각채널이 타측으로 개방 공간을 갖음에 따라 격벽채널의 연장선상에 냉각채널과 겹쳐지는 부분이 형성됨으로써 냉각채널의 냉각 매체를 격벽채널과 공용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
  6. 청구항 5에 있어서,
    애노드분리판의 냉각채널과 기체채널은 매니폴드에서 직선 방향으로 연장되고, 캐소드분리판의 격벽채널은 매니폴드에서 사선 방향으로 연장됨으로써 하나의 격벽채널이 서로 다른 다수의 냉각채널과 겹쳐지는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
  7. MEA(Membrane Electrode Assembly)와 MEA 양측면에 각각 배치된 GDL(Gas Diffusion Layer)로 구성된 반응층;
    일면이 반응층의 일면에 밀착되며 반응기체가 공급되어 흐르는 다공성 분리층; 및
    패널 형상으로써 다공성 분리층의 일면에 밀착되며, 전단부에 반응기체가 공급되는 매니폴드가 형성되고 매니폴드로부터 다공성 분리층을 향하도록 복수의 확산채널이 형성되며, 확산채널 중 일부는 후단부로 연장되고 다공성 분리층을 분할하도록 돌출된 격벽채널로 형성되며, 격벽채널은 반응기체가 흐르는 방향을 향해 직선방향으로 소정거리 연장된 후 사선방향으로 연장됨으로써 다공성 분리층을 통해 생성된 생성수가 격벽채널을 따라 배출되는 캐소드분리판;을 포함하는 연료전지 셀.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    매니폴드는 캐소드분리판의 전단부에 형성되는 입구측 매니폴드와 캐소드분리판의 후단부에 형성되는 출구측 매니폴드로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11233261B2 (en) 2019-07-12 2022-01-25 Hyundai Motor Company Fuel cell stack

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108470922B (zh) * 2018-03-02 2021-06-18 广东国鸿氢能科技有限公司 一种燃料电池双极板分配头
KR20220046199A (ko) * 2020-10-07 2022-04-14 현대자동차주식회사 연료전지 셀

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008251204A (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Equos Research Co Ltd 燃料電池装置
KR20100020715A (ko) 2008-08-13 2010-02-23 부산대학교 산학협력단 연료전지 스택의 체결구
KR20150121959A (ko) * 2014-04-22 2015-10-30 현대자동차주식회사 분리판 및 이를 포함하는 연료전지

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5230966A (en) * 1991-09-26 1993-07-27 Ballard Power Systems Inc. Coolant flow field plate for electrochemical fuel cells
WO2003036747A1 (en) * 2001-10-22 2003-05-01 Protonex Technology Corporation One-shot fabrication of membrane-based electrochemical cell stacks
AU2003231755B2 (en) * 2002-04-23 2009-04-23 Protonex Technology Corporation Membrane based electrochemical cell stacks
JP2006519468A (ja) * 2003-02-27 2006-08-24 プロトネクス テクノロジー コーポレーション 外部にマニホルドされた膜に基づく電気化学的セルスタック
GB2422716B (en) * 2005-01-26 2007-08-22 Intelligent Energy Ltd Multi-layer fuel cell diffuser
FR2913925B1 (fr) * 2007-03-22 2009-05-08 Renault Soc Par Actions Simpli Agencement pour la fixation amovible d'un siege sur un plancher d'un vehicule automobile
WO2009157981A1 (en) 2008-06-23 2009-12-30 Blanchet Scott C Fuel cell with reduced mass transfer limitations
EP2357695B1 (en) * 2009-10-13 2015-08-12 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell and method for manufacturing same
JP5123279B2 (ja) 2009-11-25 2013-01-23 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP5591074B2 (ja) * 2010-01-22 2014-09-17 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
US20110262831A1 (en) * 2010-04-22 2011-10-27 Gm Global Technlogy Operations, Inc. Formed plate assembly for pem fuel cell
KR20130065171A (ko) * 2011-12-09 2013-06-19 현대자동차주식회사 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지
JP5603894B2 (ja) * 2012-03-19 2014-10-08 本田技研工業株式会社 燃料電池
WO2014173751A1 (de) * 2013-04-26 2014-10-30 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte sowie einer schichtstruktur, bipolarplatte und schichtstruktur

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008251204A (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Equos Research Co Ltd 燃料電池装置
KR20100020715A (ko) 2008-08-13 2010-02-23 부산대학교 산학협력단 연료전지 스택의 체결구
KR20150121959A (ko) * 2014-04-22 2015-10-30 현대자동차주식회사 분리판 및 이를 포함하는 연료전지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11233261B2 (en) 2019-07-12 2022-01-25 Hyundai Motor Company Fuel cell stack

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