KR101784053B1

KR101784053B1 - 세퍼레이터 및 이를 포함하는 연료 전지 스택

Info

Publication number: KR101784053B1
Application number: KR1020150000975A
Authority: KR
Inventors: 정혜미; 강경문; 정지훈; 양재춘
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2017-10-10
Also published as: KR20160084594A

Abstract

본 발명은 세퍼레이터 및 이를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 면 및 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지며, 제1 유체의 유동 공간을 제공하도록 제1 면으로부터 제2 면 측으로 돌출된 복수 개의 제1 채널을 갖는 제1 플레이트; 및 제1 플레이트의 제2 면과 마주보는 제1 면 및 제1 면과 반대방향의 제2 면을 가지며, 제2 유체의 유동 공간을 제공하도록 제2 면으로부터 제1 면 측으로 돌출된 복수 개의 제2 채널을 갖는 제2 플레이트를 포함하며, 제1 플레이트와 제2 플레이트는 제1 채널이 제2 플레이트의 제1 면에 접촉하고, 제2 채널이 제1 플레이트의 제2 면에 접촉하도록 마련된 세퍼레이터가 제공된다.

Description

세퍼레이터 및 이를 포함하는 연료 전지 스택{Separator and Fuel cell stack comprising the same}

본 발명은 세퍼레이터 및 이를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지는 연료 전지 스택과 연료 전지 스택에 수소를 포함하는 연료를 공급하는 연료 공급부 및 연료 전지 스택의 전기 화학 반응에 필요한 산소를 포함하는 산화제를 공급하는 공기 공급부를 포함할 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 연료 전지는 연료와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.

연료 전지 스택은 세퍼레이터들이 연속적으로 배열되어 이루어지며, 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 막-전극 어셈블리의 양측에 세퍼레이터가 배치될 수 있다.

상기 세퍼레이터는 한 쌍의 금속 플레이트를 포함할 수 있으며, 상기 세퍼레이터에는 연료 및 공기를 각각 막-전극 어셈블리로 공급하는 수소 유로와 공기 유로 및 냉각매체(예를 들어, 냉각수)를 유동시키기 위한 냉각 유로가 각각 마련된다.

도 1은 종래 세퍼레이터(1)의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 종래 세퍼레이터(1)는 복수 개의 금속 박판(2, 3)이 접합된 구조를 갖는다. 여기서, 각각의 금속 박판(2, 3)에는 반응 가스 유로(4, 5) 및 냉각 매체 유로(6)가 각각 마련된다. 종래 세퍼레이터(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수 개의 금속 박판(2, 3)의 결합/합치 구조를 채택하고 있기 때문에, 통상 양극/음극 분리판(2, 3)은 유로의 개수와 치수 및 형상이 동일하게 형성되거나, 좌우(x축 방향) 및 상하(y축 방향) 대칭 구조가 적용된다.

따라서, 양극 및 음극 분리판(2, 3)의 각 유로(4, 5, 6)의 개수, 치수 및 형상을 결정할 때 자유도가 극히 낮은 문제점을 갖는다. 또한, 이러한 각각의 분리판(2, 3)의 구조에 의하면 세퍼레이터(1)의 두께가 증가하고, 나아가 단위 전지 및 연료 전지 스택의 두께가 증가하게 되고, 이에 따라 연료 전지의 체적 출력 밀도가 떨어지는 문제가 발생한다.

본 발명은 단위 전지의 두께를 감소시킬 수 있는 세퍼레이터 및 이를 포함하는 연료 전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 연료 및 산화제가 유동하기 위한 채널의 개수, 형상 및 치수를 결정함에 있어 자유도가 높은 세퍼레이터 및 이를 포함하는 연료 전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 세퍼레이터를 구성하는 복수 개의 플레이트의 결합/접합 강도 및 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 세퍼레이터 및 이를 포함하는 연료 전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 면 및 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지며, 제1 유체의 유동 공간을 제공하도록 제1 면으로부터 제2 면 측으로 돌출된 복수 개의 제1 채널을 갖는 제1 플레이트; 및 제1 플레이트의 제2 면과 마주보는 제1 면 및 제1 면과 반대방향의 제2 면을 가지며, 제2 유체의 유동 공간을 제공하도록 제2 면으로부터 제1 면 측으로 돌출된 복수 개의 제2 채널을 갖는 제2 플레이트를 포함하는 세퍼레이터가 제공된다.

여기서 제1 플레이트와 제2 플레이트는 제1 채널이 제2 플레이트의 제1 면에 접촉하고, 제2 채널이 제1 플레이트의 제2 면에 접촉하도록 마련된다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 플레이트 및 제1 플레이트와 결합되는 제2 플레이트를 포함하는 세퍼레이터가 제공된다.

여기서 제1 플레이트에는 제2 플레이트를 향해 돌출된 복수 개의 제1 채널이 마련되고, 제2 플레이트에는 제1 플레이트를 향해 돌출된 복수 개의 제2 채널이 마련된다.

또한, 제2 플레이트를 향해 돌출된 제1 채널의 깊이와 제1 플레이트를 향해 돌출된 제2 채널의 깊이는 동일하게 형성된다.

또한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 및 제2 세퍼레이터를 포함하는 연료 전지 스택이 제공된다.

여기서 각각의 세퍼레이터는, 제1 면과 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지며, 연료의 유동 공간을 제공하도록 제1 면으로부터 제2 면 측으로 돌출된 복수 개의 제1 채널을 갖는 제1 플레이트; 및 제1 플레이트의 제2 면과 마주보는 제1 면과 제1 면과 반대방향의 제2 면을 가지며, 산화제의 유동 공간을 제공하도록 제2 면으로부터 제1 면 측으로 돌출된 복수 개의 제2 채널을 갖는 제2 플레이트를 포함한다.

또한, 제1 플레이트와 제2 플레이트는 제1 채널이 제2 플레이트의 제1 면에 접촉하고, 제2 채널이 제1 플레이트의 제2 면에 접촉하도록 마련된다.

또한, 막-전극 어셈블리는 제1 세퍼레이터와 접촉하는 제1 면과 제2 세퍼레이터와 접촉하고, 제1 면의 반대방향의 제2 면을 갖는다.

또한, 제1 세퍼레이터는 제1 플레이트의 제1 면이 막-전극 어셈블리의 제1 면과 마주하도록 배치되고, 제2 세퍼레이터는 제2 플레이트의 제2 면이 막-전극 어셈블리의 제2 면과 마주하도록 배치된다.

또한, 각각의 세퍼레이터는 제1 플레이트 및 제1 플레이트와 결합하는 제2 플레이트를 포함하고, 제1 플레이트에는 제2 플레이트를 향해 돌출된 복수 개의 제1 채널이 마련되고, 제2 플레이트에는 제1 플레이트를 향해 돌출된 복수 개의 제2 채널이 마련된다.

또한, 제2 플레이트를 향해 돌출된 제1 채널의 유동 깊이와 제1 플레이트를 향해 돌출된 제2 채널의 유동 깊이는 동일하게 마련된다.

또한, 제1 세퍼레이터는 제1 플레이트의 제1 채널이 막-전극 어셈블리의 제1 면과 연통하도록 배치되고, 제2 세퍼레이터는 제2 플레이트의 제2 채널이 막-전극 어셈블리의 제2 면과 연통하도록 배치된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 세퍼레이터 및 이를 포함하는 연료 전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.

세퍼레이터를 구성하는 각 플레이트(양극 및 음극 분리판)에 요철 형태로 유로가 형성된다. 이때, 작동 유체(연료, 산화제)의 유량 및 전달 물성을 고려하여 양극 및 음극 분리판의 채널(유로)의 개수, 형상 및 치수를 동일하거나 다르게 설계할 수 있다. 따라서, 연료 및 산화제가 유동하기 위한 채널의 개수, 형상 및 치수를 결정함에 있어 설계 자유로를 높일 수 있다. 특히, 상대적으로 분자량이 작고, 확산속도가 빠른 작동 유체의 유로 사이에 분자량이 크고 확산속도가 느린 작동 유체의 유로가 배치되도록 세퍼레이터를 구성할 수 있다.

또한, 양극 및 음극 분리판의 접합 시, 요철 결합 구조를 통해 세퍼레이터와 단위 전지 및 연료 전지 스택의 두께를 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 연료 전지 스택의 체적 출력밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 세퍼레이터를 구성하는 복수 개의 플레이트의 결합/접합 강도 및 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 세퍼레이터를 나타내는 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 세퍼레이터를 구성하는 제1 플레이트와 제2 플레이트를 나타내는 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 세퍼레이터의 평면도이다.
도 5는 도 3의 선 A-A’를 따라 절취한 상태의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료 전지 스택을 나타내는 단면도이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터 및 이를 포함하는 연료 전지 스택을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 세퍼레이터(100)를 구성하는 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)를 나타내는 도면들이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 세퍼레이터(100)의 평면도이며, 도 5는 도 3의 선 A-A’를 따라 절취한 상태의 단면도이다.

본 발명의 일 실시예와 관련된 세퍼레이터(100)는 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120)를 포함한다.

제1 플레이트(110)는 제1 면(111) 및 제1 면(111)의 반대방향의 제2 면(112)을 갖는다. 또한, 제1 플레이트(110)는 제1 유체의 유동 공간을 제공하도록 제1 면(111)으로부터 제2 면(112) 측으로 돌출된 복수 개의 제1 채널(113)을 갖는다. 각각의 제1 채널(113)은 제1 플레이트(110)의 길이방향(L)을 따라 연장된다. 또한, 복수 개의 제1 채널(113)은 제1 플레이트(110)의 폭 방향(W)을 따라 소정 간격으로 이격되도록 마련된다. 제1 채널(113)은 폭 방향(W)(x축 방향에 대응)에 따른 소정 폭과 두께방향(y축 방향에 대응)에 따른 소정 깊이를 가질 수 있다. 구체적으로, 각각의 제1 채널(113)은 제1 유체의 유동을 위한 유동 폭과 제1 유체의 유동을 위한 유동 깊이를 갖도록 마련된다. 또한, 복수 개의 제 1 채널(113)은 제1 플레이트(110)의 폭 방향(W)을 따라 인접하는 2개의 제1 채널 사이의 간격(p1, p2)이 서로 다르게 마련될 수 있다. 즉, 복수 개의 제1 채널(113)의 폭 방향 피치는 모두 동일하지 않을 수 있다.

여기서 상기 제1 유체는 수소를 포함하는 연료일 수 있다. 상기 제1 플레이트(110)는 양극 분리판(anode bipolar plate) 이라 지칭할 수 있다. 각각의 제1 채널(113)은 제1 플레이트(110)의 제1 면(111) 측으로 개방된다. 또한, 상기 제1 플레이트(110)에는 복수 개의 제1 채널(113)과 연결된 공급 매니폴드(114) 및 회수 매니폴드(115)가 마련된다. 또한, 복수 개의 제1 채널(113)은 동일한 폭과 동일한 깊이를 갖도록 마련될 수 있다. 한편, 각각의 제1 채널(113)은 깊이방향(y축 방향과 대응)에 따라 일정한 폭을 가질 수도 있고, 깊이가 증가함에 따라 폭이 좁아지도록 마련될 수도 있다.

제2 플레이트(120)는 제1 플레이트(110)의 제2 면(112)과 마주보는 제1 면(121) 및 제1 면(121)과 반대방향의 제2 면(122)을 갖는다. 또한, 제2 플레이트(120)는 제2 유체의 유동 공간을 제공하도록 제2 면(122)으로부터 제1 면(121) 측으로 돌출된 복수 개의 제2 채널(123)을 갖는다. 각각의 제2 채널(123)은 제2 플레이트(120)의 길이방향(L)을 따라 연장된다. 또한, 복수 개의 제2 채널(123)은 제2 플레이트(120)의 폭 방향(W)을 따라 소정 간격으로 이격되도록 마련된다. 제2 채널(123)은 폭 방향(W)(x축 방향에 대응)에 따른 소정 폭과 두께방향(y축 방향에 대응)에 따른 소정 깊이를 가질 수 있다. 구체적으로, 각각의 제2 채널(123)은 제2 유체의 유동을 위한 유동 폭과 제2 유체의 유동을 위한 유동 깊이를 갖도록 마련된다. 또한, 복수 개의 제 2 채널(123)은 제2 플레이트(120)의 폭 방향(W)을 따라 인접하는 2개의 제2 채널 사이의 간격이 동일하게 마련될 수도 있다. 이와는 다르게, 복수 개의 제 2 채널(123)은 제2 플레이트(120)의 폭 방향(W)을 따라 인접하는 2개의 제2 채널 사이의 간격이 서로 다르게 마련될 수도 있다. 즉, 복수 개의 제2 채널(123)의 폭 방향 피치는 모두 동일하지 않을 수도 있다.

여기서 상기 제2 유체는 공기(산소)를 포함하는 산화제일 수 있다. 상기 제2 플레이트(120)는 음극 분리판(cathode bipolar plate) 이라 지칭할 수 있다. 각각의 제2 채널(113)은 제2 플레이트(120)의 제2 면(122) 측으로 개방된다. 또한, 상기 제2 플레이트(120)에는 복수 개의 제1 채널(123)과 연결된 공급 매니폴드(124) 및 회수 매니폴드(125)가 마련된다. 또한, 복수 개의 제2 채널(123)은 동일한 폭과 동일한 깊이를 갖도록 마련될 수 있다. 한편, 각각의 제2 채널(123)은 깊이방향(y축 방향과 대응)에 따라 일정한 폭을 가질 수도 있고, 깊이가 증가함에 따라 폭이 좁아지도록 마련될 수도 있다.

한편, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 결합되며, 특히, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 세퍼레이터(100)의 두께 방향(y축 방향)을 따라 적층 상태로 결합될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 플레이트(110, 120)는 금속 재질로 형성되고, 제1 및 제2 채널(113, 123)은 스탬핑(stamping) 공정을 통해 형성될 수 있다. 또한, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 용접 접합될 수도 있다.

또한, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 각 플레이트(110, 120)의 가장자리에 마련된 가스켓(116, 126)을 통해 결합될 수 있다. 상기 가스켓(116, 126)은 연료와 산화제 및 냉각매체의 혼입 및 외부로의 누설을 방지하고, 연료 전지 스택의 체결 압력을 분산시킴으로써 반응 면에 대하여 균일한 면압을 형성하는 기능을 수행한다. 또한, 상기 가스켓(116, 126)은 탄성 복원력이 있는 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 가스켓(116, 126)은 실리콘계, 불소계 또는 올레핀계의 고무 재질로 형성될 수 있다.

또한, 제1 플레이트(110)에는 제2 플레이트(120)를 향해 돌출된 복수 개의 제1 채널(113)이 마련되고, 제2 플레이트(120)에는 제1 플레이트(110)를 향해 돌출된 복수 개의 제2 채널(123)이 마련된다. 또한,

제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 제1 채널(113)이 제2 플레이트(120)의 제1 면(121)에 접촉하고, 제2 채널(123)이 제1 플레이트(110)의 제2 면(112)에 접촉하도록 결합된다. 상기와 같은 구조를 통해, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 똑딱 단추와 같은 요철 결합 구조를 가질 수 있다. 또한, 인접하는 2개의 제2 채널(123) 사이에 제1 채널(113)이 위치하도록 마련되며, 이에 따라 세퍼레이터(100)의 두께를 감소시킬 수 있다. 또한, 상기와 같은 구조를 통해, 상대적으로 분자량이 작고 확산속도가 빠른 작동 유체의 채널 사이에 분자량이 크고 확산속도가 느린 작동 유체의 채널을 배치시킬 수 있다. 또한, 기체 확산속도가 빠른 단일의 수소 채널(제1 채널) 사이 사이에 분기-합류가 반복되는 공기 채널(제2 채널)이 위치됨에 따라 산소의 물질 전달 저항(확산 저항)을 감소시킴과 동시에 전기화학반응에 의해 생성되는 수분이 효과적으로 배출될 수 있다. 즉, 제1 채널(113)은 제1 플레이트(110)의 길이방향(L)에 걸쳐 단일 채널로 형성된다. 즉, 제1 채널(113)은 제1 플레이트(110)의 길이방향(W)에 걸쳐 인접한 제1 채널과 분기-합류가 이루어지지 않도록 마련될 수 있다. 이와는 다르게, 제2 채널(123)은 제2 플레이트(120)의 길이방향(L)에 걸쳐 인접한 제2 채널과 분기 및 합류되도록 마련될 수 있다.

한편, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)의 결합을 통해, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120) 사이, 구체적으로 제1 플레이트(110)의 제2 면(112)과 제2 플레이트(120)의 제1 면(121) 사이에 제3 채널(131)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 세퍼레이터(100)는 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120) 사이 공간으로 제3 유체가 유동하도록 마련될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터(100)는 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120) 사이에, 제1 채널(113) 및 제2 채널(123) 사이 공간으로 제3 유체가 유동하도록 마련될 수 있다. 상기 제3 유체는 냉각 매체(예를 들어, 냉각수) 또는 가열 매체일 수 있다. 이때, 제3 채널(131)의 두께는 제1 채널(113)의 깊이와 동일할 수 있다. 상기 제3 채널(131)은 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)의 합치에 의해 종속적으로 형성되며, 냉각/가열 매체의 유로가 반응면적 전체에 걸쳐 균일하게 형성될 수 있다. 한편, 도 4의 미설명 부호 130은 냉각수 유로부를 나타낸다.

상기와 같은 구조를 갖는 세퍼레이터(100)는 작동 유체(제1 유체 및 제2 유체)의 유량 및 전달 물성에 기초하여 제1 플레이트 및 제2 플레이트(110, 120)의 제1 및 제2 채널(113, 123)의 개수, 형상 및 치수(폭, 깊이)가 다양하게 결정될 수 있다.

제1 채널(113)의 유동 깊이(또는 깊이라고도 함)와 제2 채널(123)의 유동 깊이(또는 깊이라고도 함)는 동일하게 마련된다. 구체적으로, 제2 플레이트(120)를 향해 돌출된 제1 채널(113)의 깊이와 제1 플레이트(110)를 향해 돌출된 제2 채널(123)의 깊이는 동일하게 마련된다. 이에 따라, 상기 세퍼레이터(100)의 두께는 상기 제1 플레이트(110)의 두께와 상기 제2 플레이트(120)의 두께 및 제1 채널(113)의 깊이의 합으로 정의될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터(100)의 두께는 제1 플레이트(110)의 두께와 제2 플레이트(120)의 두께 및 제2 채널(123)의 깊이의 합으로 정의될 수 있다.

한편, 제1 채널(113)의 유동 폭과 제2 채널(123)의 유동 폭은 서로 다르게 설정될 수 있다. 여기서, 제1 채널(113)의 유동 폭은 제2 채널(123)의 유동 폭보다 작게 마련될 수 있다. 이는 각 채널(113)을 유동하는 작동 유체의 유량 및 물성을 고려한 것이다. 또한, 제2 채널(123)의 유동 단면적은 제1 채널(113)의 유동 단면적보다 크게 마련될 수 있다. 또한, 제1 채널(113)의 개수와 제2 채널(123)의 개수는 서로 다르게 마련될 수 있다. 여기서, 상기 세퍼레이터(100)는 제2 채널(123)의 개수가 제1 채널(113)의 개수보다 많도록 마련될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료 전지 스택(200)을 나타내는 단면도이다. 또한, 상기 연료 전지 스택(200)은 하나 이상의 전술한 세퍼레이터(100)를 포함한다. 또한, 연료 전지 스택(200)은 하나 이상의 단위 전지(400)(unit cell)을 포함할 수 있다.

연료 전기 스택(200)은 복수 개의 세퍼레이터(100)와 복수 개의 막-전극 어셈블리(300)를 포함한다. 이때, 복수 개의 세퍼레이터(100)와 복수 개의 막-전극 어셈블리(300)는 적층 상태로 교대로 배열되며, 막-전극 어셈블리(300)의 양 측에 각각 세퍼레이터(100)가 배열된다. 이와 같이 막-전극 막-전극 어셈블리(300)의 양 측에 각각 세퍼레이터(100)가 배열된 구조를 단위 전지(400)라 지칭할 수 있다. 도 6에는 복수 개의 단위 전지(400)가 적층된 연료 전지 스택(200)이 도시되어 있으며, 이하, 단일의 단위 전지(400)를 기초로 연료 전지 스택(200)을 설명한다.

상기 연료 전지 스택(200)은 제1 세퍼레이터(100-1)와 막-전극 어셈블리(300) 및 제2 세퍼레이터(100-2)를 포함한다. 제1 및 제2 세퍼레이터(100-1, 100-2)는 도 2 내지 도 5를 통해 설명한 세퍼레이터(100)와 동일하다. 각각의 세퍼레이터(100-1. 100-2)를 구성하는 구성요소는 도 2 내지 도 5를 통해 설명한 세퍼레이터(100)의 대응 구성요소와 동일한 부호를 참조하여 설명하도록 한다.

구체적으로, 각각의 세퍼레이터(100-1, 100-2)는 제1 면(111)과 제1 면(111)의 반대방향의 제2 면(112)을 가지며, 연료의 유동 공간을 제공하도록 제1 면(111)으로부터 제2 면(112) 측으로 돌출된 복수 개의 제1 채널(113)을 갖는 제1 플레이트(110)를 포함한다.

또한, 각각의 세퍼레이터(100-1, 100-2)는 제1 플레이트(110)의 제2 면(112)과 마주보는 제1 면(121)과 제1 면(121)과 반대방향의 제2 면(122)을 가지며, 산화제의 유동 공간을 제공하도록 제2 면(122)으로부터 제1 면(121) 측으로 돌출된 복수 개의 제2 채널(123)을 갖는 제2 플레이트(120)를 포함한다.

구체적으로, 제1 플레이트(110)에는 제2 플레이트(120)를 향해 돌출된 복수 개의 제1 채널(113)이 마련되고, 제2 플레이트(120)에는 제1 플레이트(110)를 향해 돌출된 복수 개의 제2 채널(123)이 마련된다.

각각의 세퍼레이터(100-1, 100-2)에서, 전술한 바와 같이, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 제1 채널(113)이 제2 플레이트(120)의 제1 면(121)에 접촉하고, 제2 채널(123)이 제1 플레이트(110)의 제2 면(112)에 접촉하도록 마련된다.

또한, 제2 플레이트(120)를 향해 돌출된 제1 채널(113)의 유동 깊이와 제1 플레이트(110)를 향해 돌출된 제2 채널(123)의 유동 깊이는 동일하게 마련된다.

한편, 막-전극 어셈블리(300)(Membrane Electrode Assembly: MEA)은 제1 세퍼레이터(100-1)와 접촉하는 제1 면(301)과 제2 세퍼레이터(100-2)와 접촉하고, 제1 면(301)의 반대방향의 제2 면(302)을 갖는다. 막-전극 어셈블리(300)는 전해질막(310)과 기체확산층(320)을 포함할 수 있다. 또한, 전해질막(310)의 양 면에는 애노드 및 캐소드 전극을 형성하기 위한 촉매가 마련될 수 있다.

여기서 제1 세퍼레이터(100-1)는 제1 플레이트(110)의 제1 면(111)이 막-전극 어셈블리(300)의 제1 면(301)과 마주하도록 배치되고, 제2 세퍼레이터(100-2)는 제2 플레이트(120)의 제2 면(122)이 막-전극 어셈블리(300)의 제2 면(302)과 마주하도록 배치된다.

또한, 제1 세퍼레이터(100-1)의 제1 채널(113)은 막-전극 어셈블리(300)의 제1 면(301)과 연통하고, 제2 세퍼레이터(100-2)의 제2 채널(123)은 막-전극 어셈블리(300)의 제2 면(302)과 연통하도록 마련된다. 따라서, 제1 세퍼레이터(100-1)의 제1 채널(113)을 통해 연료를 막-전극 어셈블리(300)로 공급할 수 있고, 제2 세퍼레이터(100-2)의 제2 채널(123)을 통해 막-전극 어셈블리(300)로 산화제를 공급할 수 있다.

구체적으로, 제1 세퍼레이터(100-1)는 제1 플레이트(110)의 제1 채널(113)이 막-전극 어셈블리(300)의 제1 면(301)과 연통하도록 배치되고, 제2 세퍼레이터(100-2)는 제2 플레이트(120)의 제2 채널(123)이 막-전극 어셈블리(300)의 제2 면(302)과 연통하도록 배치된다.

또한, 전술한 바와 같이, 각각의 세퍼레이터(100-1, 100-2)는 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120) 사이에, 제1 채널(113)과 제2 채널(123) 사이 공간으로 냉각 매체가 유동하도록 마련될 수 있다. 한편, 미설명 부로 131은 냉각 매체의 유동을 위한 제3 채널을 나타낸다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100, 100-1, 100-2: 세퍼레이터
110: 제1 플레이트
113: 제1 채널
120: 제2 플레이트
123: 제2 채널
131: 제3 채널
200: 연료 전지 스택
300: 막-전극 어셈블리
400: 단위 전지

Claims

제1 면 및 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지며, 제1 유체의 유동 공간을 제공하도록 제1 면으로부터 제2 면 측으로 돌출된 복수 개의 제1 채널을 갖는 제1 플레이트; 및
제1 플레이트의 제2 면과 마주보는 제1 면 및 제1 면과 반대방향의 제2 면을 가지며, 제2 유체의 유동 공간을 제공하도록 제2 면으로부터 제1 면 측으로 돌출된 복수 개의 제2 채널을 갖는 제2 플레이트를 포함하며,
제1 플레이트와 제2 플레이트는 제1 채널이 제2 플레이트의 제1 면에 접촉하고, 제2 채널이 제1 플레이트의 제2 면에 접촉하도록 마련되고,
제1 채널은 제1 플레이트의 길이방향에 걸쳐 인접하는 제1 채널과 분기 및 합류가 일어나지 않도록 단일 채널로 형성되고,
제2 채널은 제2 플레이트의 길이방향에 걸쳐 인접하는 제2 채널과 분기 및 합류되도록 마련되며,
인접하는 제1 채널 사이에 분기-합류가 반복되는 제2 채널이 위치하고,
제1 채널의 유동 폭은 제2 채널의 유동 폭보다 작으며,
제2 채널의 유동단면적은 제1 채널의 유동단면적보다 크고,
제1 채널은 폭 방향에 따른 소정 폭과 두께방향에 따른 소정 깊이를 가지며, 제1 채널은 깊이가 증가함에 따라 일정한 폭을 가지고,
제2 채널은 폭 방향에 따른 소정 폭과 두께방향에 따른 소정 깊이를 가지며, 제2 채널은 깊이가 증가함에 따라 일정한 폭을 갖는 세퍼레이터.
제 1 항에 있어서,
제1 채널의 유동 깊이와 제2 채널의 유동 깊이는 동일한 세퍼레이터.
삭제
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
제1 채널의 개수와 제2 채널의 개수는 서로 다르게 마련된 세퍼레이터.
제 1 항에 있어서,
제2 채널의 개수는 제1 채널의 개수보다 많은 세퍼레이터.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
복수 개의 제 1 채널은 인접하는 2개의 제1 채널 사이의 간격이 서로 다르게 마련되고,
복수 개의 제 2 채널은 인접하는 2개의 제2 채널 사이의 간격이 서로 다르게 마련된 세퍼레이터.
제 1 항에 있어서,
제1 플레이트의 제2 면과 제2 플레이트의 제1 면 사이의 공간으로 제3 유체가 유동하도록 마련된 세퍼레이터.
제 11 항에 있어서,
제1 플레이트 및 제2 플레이트 사이에, 제1 채널 및 제2 채널 사이 공간으로 제3 유체가 유동하도록 마련된 세퍼레이터.
제 1 항에 있어서,
제1 플레이트와 제2 플레이트는 각 플레이트의 가장자리에 마련된 가스켓을 통해 결합되는 세퍼레이터.
제 1 항에 있어서,
제1 및 제2 플레이트는 금속 재질로 형성되고,
제1 및 제2 채널은 스탬핑(stamping) 공정을 통해 형성된 세퍼레이터.
제 1 항에 있어서,
제1 유체는 연료이고, 제2 유체는 산화제인 세퍼레이터.
삭제
삭제
제1 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 및 제2 세퍼레이터를 포함하는 연료 전지 스택으로서,
각각의 세퍼레이터는, 제1 면과 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지며, 연료의 유동 공간을 제공하도록 제1 면으로부터 제2 면 측으로 돌출된 복수 개의 제1 채널을 갖는 제1 플레이트; 및
제1 플레이트의 제2 면과 마주보는 제1 면과 제1 면과 반대방향의 제2 면을 가지며, 산화제의 유동 공간을 제공하도록 제2 면으로부터 제1 면 측으로 돌출된 복수 개의 제2 채널을 갖는 제2 플레이트를 포함하며,
제1 플레이트와 제2 플레이트는 제1 채널이 제2 플레이트의 제1 면에 접촉하고, 제2 채널이 제1 플레이트의 제2 면에 접촉하도록 마련되고,
막-전극 어셈블리는 제1 세퍼레이터와 접촉하는 제1 면과 제2 세퍼레이터와 접촉하고, 제1 면의 반대방향의 제2 면을 가지며,
제1 세퍼레이터는 제1 플레이트의 제1 면이 막-전극 어셈블리의 제1 면과 마주하도록 배치되고, 제2 세퍼레이터는 제2 플레이트의 제2 면이 막-전극 어셈블리의 제2 면과 마주하도록 배치되며,
제1 채널은 제1 플레이트의 길이방향에 걸쳐 인접하는 제1 채널과 분기 및 합류가 일어나지 않도록 단일 채널로 형성되고,
제2 채널은 제2 플레이트의 길이방향에 걸쳐 인접하는 제2 채널과 분기 및 합류되도록 마련되며,
인접하는 제1 채널 사이에 분기-합류가 반복되는 제2 채널이 위치하고,
제1 채널의 유동 폭은 제2 채널의 유동 폭보다 작으며,
제2 채널의 유동단면적은 제1 채널의 유동단면적보다 크고,
제1 채널은 폭 방향에 따른 소정 폭과 두께방향에 따른 소정 깊이를 가지며, 제1 채널은 깊이가 증가함에 따라 일정한 폭을 가지고,
제2 채널은 폭 방향에 따른 소정 폭과 두께방향에 따른 소정 깊이를 가지며, 제2 채널은 깊이가 증가함에 따라 일정한 폭을 갖는 연료 전지 스택.
제 18 항에 있어서,
제1 세퍼레이터의 제1 채널은 막-전극 어셈블리의 제1 면과 연통하고,
제2 세퍼레이터의 제2 채널은 막-전극 어셈블리의 제2 면과 연통하도록 마련된 연료 전지 스택.
제 18 항에 있어서,
각각의 세퍼레이터는 제1 플레이트의 제2 면과 제2 플레이트의 제1 면 사이의 공간으로 냉각 매체가 유동하도록 마련된 연료 전지 스택.
제 18 항에 있어서,
각각의 세퍼레이터는 제1 플레이트 및 제2 플레이트 사이에, 제1 채널과 제2 채널 사이 공간으로 냉각 매체가 유동하도록 마련된 연료 전지 스택.
삭제