KR101992151B1 - 듀얼셀 타입 분리판 조립체 - Google Patents

Abstract

연료전지용 금속판과, 이를 구비한 듀얼셀 타입 분리판 및 분리판 조립체가 개시된다. 개시된 연료전지용 금속판은, 듀얼셀 타입 연료전지 스택을 구성하는 사각형의 금속판으로서, 금속판의 중앙부에 배치된 반응 영역, 금속판의 4개의 모서리 중 하나의 모서리에서 금속판의 내측으로 파여진 복수의 수소 덴트를 구비한 하나의 수소 매니폴드 영역, 복수의 수소 덴트가 형성된 하나의 모서리를 제외한 금속판의 3개의 모서리 중 서로 등진 한 쌍의 모서리에 가까운 영역으로서, 공기가 통과하는 복수의 공기 통공을 구비한 제1 및 제2 공기 매니폴드 영역, 및 복수의 수소 덴트가 형성된 금속판의 모서리의 양 단부에서 금속판의 내측으로 파여진 복수의 냉각수 덴트를 구비한 제1 및 제2 냉각수 매니폴드 영역을 구비한다. 금속판은 제1 및 제2 공기 매니폴드 영역으로부터 같은 거리로 이격된 가상의 중앙선을 중심으로 대칭되는 형상이다.

Description

듀얼셀 타입 분리판 조립체{Dual cell type separator assembly}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 듀얼셀 타입의 연료전지 스택(stack)에 적용 가능한 연료전지용 금속판과, 상기 연료전지용 금속판을 구비한 듀얼셀 타입 분리판 및 분리판 조립체에 관한 것이다.

연료전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지 중에서 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 다른 종류의 연료전지에 비하여 작동 온도가 낮을 뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용함으로써, 자동차 등에 사용되는 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.

한편, 연료전지에 있어서, 단위 셀 자체로는 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에 단위 셀이 적층된 스택(stack) 구성을 갖는다. 구체적으로, 연료전지 스택은 막-전극 집합체(MEA: membrane-electrode assembly)와 분리판으로 이루어지는 단위 셀이 수 개 내지 수백 층으로 적층된 구조이다. 막-전극 집합체는 전해질 막을 사이에 두고 소위, 연료 전극 또는 산화 전극이라고도 불리는 애노드 전극과, 소위 공기 전극 또는 환원 전극이라고도 불리는 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다.

분리판은, 기체 확산층(GDL: gas diffusion layer)과 막-전극 집합체를 구조적으로 지지하는 역할과, 연료전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소 가스를 공급하는 역할과, 막-전극 집합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 특히, 분리판에 의해 상기 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되고 상기 캐소드 전극에는 산소 가스가 공급된다. 이 과정에서 상기 애노드 전극에서는 수소 가스의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 상기 캐소드 전극에서는 산소 가스의 전기 화학적인 환원이 반응이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 반응열이 발생하고, 물이 생성된다. 상기 반응열을 냉각하기 위하여 분리판의 냉각 유로에는 냉각수가 공급된다.

근래에 연료전지 스택을 얇게 만들기 위하여 한 평면에 단위 셀을 한 쌍씩 적층하는 듀얼셀 타입 연료전지 스택이 소개되고 있다. 그런데, 종래의 듀얼셀 타입 연료전지 스택은 적층 층수가 1/2이 되어 얇아지기는 하지만, 평면적이 2배로 넓어져서 전체 체적은 줄어들지 않으므로, 연료전지 스택의 집적도 및 부피당 출력은 향상되지 않는다.

대한민국 공개특허공보 제10-2010-0057965호

본 발명은 출력 밀도와 집적도가 향상되는 듀얼셀 타입 연료전지 스택에 적용되는 연료전지용 금속판과, 상기 연료전지용 금속판을 구비한 듀얼셀 타입 분리판 및 분리판 조립체를 제공한다.

본 발명은, 듀얼셀 타입 연료전지 스택(dual cell type fuel cell stack)을 구성하는 사각형의 금속판(metal plate)로서, 상기 금속판의 중앙부에 배치된 반응 영역, 상기 금속판의 4개의 모서리(edge) 중 하나의 모서리에서 상기 금속판의 내측으로 파여진 복수의 수소 덴트(hydrogen dent)를 구비한 하나의 수소 매니폴드(manifold) 영역, 상기 복수의 수소 덴트가 형성된 하나의 모서리를 제외한 금속판의 3개의 모서리 중 서로 등진 한 쌍의 모서리에 가까운 영역으로서, 공기가 통과하는 복수의 공기 통공을 구비한 제1 및 제2 공기 매니폴드(manifold) 영역, 및 상기 복수의 수소 덴트가 형성된 금속판의 모서리의 양 단부에서 상기 금속판의 내측으로 파여진 복수의 냉각수 덴트(dent)를 구비한 제1 및 제2 냉각수 매니폴드 영역을 구비하고, 상기 금속판은 상기 제1 및 제2 공기 매니폴드 영역으로부터 같은 거리로 이격된 가상의 중앙선을 중심으로 대칭되는 형상인 연료전지용 금속판을 제공한다.

상기 반응 영역의 일 측면은 수소 가스(hydrogen gas)가 흐르는 수소 유동 표면이고, 상기 반응 영역의 타 측면은 냉각수가 흐르는 냉각수 유동 표면이며, 상기 수소 유동 표면에는 수소 가스가 유동하도록 지그재그 경로를 따라 연장되고 요철(凹凸) 형상의 단면을 갖는 복수의 수소 채널(channel)이 형성될 수 있다.

상기 복수의 수소 채널은 각각, 상기 수소 매니폴드 영역에서 멀어지는 방향으로 흐르도록 수소 가스의 흐름을 유도하는 한 쌍의 순행(順行) 유로부와, 상기 수소 매니폴드 영역에 가까워지는 방향으로 흐르도록 수소 가스의 흐름을 유도하는 한 쌍의 역행(逆行) 유로부를 구비하고, 상기 한 쌍의 순행 유로부와 한 쌍의 역행 유로부는, 서로 평행하게 연장되고 교번하여 배치될 수 있다.

상기 반응 영역의 일 측면은 공기가 흐르는 공기 유동 표면이고, 상기 반응 영역의 타 측면은 냉각수가 흐르는 냉각수 유동 표면이며, 상기 공기 유동 표면에는 공기가 유동하도록 일직선 경로를 따라 연장되고 요철(凹凸) 형상의 단면을 갖는 복수의 공기 채널(channel)이 형성될 수 있다.

상기 복수의 공기 채널은 각각, 상기 제1 공기 매니폴드 영역에 구비된 공기 통공에서 제1 공기 매니폴드 영역에 구비된 공기 통공을 향하여 최단 경로를 따라 연장된 직선 유로부를 구비할 수 있다.

상기 금속판의 두께는 80 내지 120㎛ 이고, 상기 반응 영역의 일 측면에는 요철(凹凸) 형상의 단면을 갖는 채널(channel)이 형성되고, 상기 채널의 깊이는 400 내지 600㎛ 일 수 있다.

고무 소재로 형성된 가스켓(gasket)이 상기 하나의 수소 매니폴드 영역, 제1 및 제2 공기 매니폴드 영역, 및 제1 및 제2 냉각수 매니폴드 영역에 일체로 접합되고, 상기 반응 영역의 외주변에 다수의 접합 보조 통공이 형성되고, 상기 가스켓이 상기 금속판에 접합되는 표면적이 커지도록 상기 가스켓의 고무 소재가 상기 다수의 접합 보조 통공에 채워질 수 있다.

또한 본 발명은, 상기 연료전지용 금속판을 한 쌍 구비한 것으로, 상기 한 쌍의 연료전지용 금속판은, 대응되는 복수의 수소 덴트 및 복수의 냉각수 덴트가 일대일로 연결되어 복수의 수소 통공 및 복수의 냉각수 통공이 형성되도록 서로 마주보며 하나의 평면에 대칭되게 배치되고, 상기 복수의 수소 통공 중 일부의 수소 통공은 상기 반응 영역으로 공급되는 수소 가스가 통과하는 수소 공급용 통공이고, 나머지의 수소 통공은 상기 반응 영역에서 배출된 수소 가스가 통과하는 수소 배출용 통공이고, 상기 제1 및 제2 공기 매니폴드 영역 중 하나의 공기 매니폴드 영역에 구비된 공기 통공은 상기 반응 영역으로 공급되는 공기가 통과하는 공기 공급용 통공이고, 다른 하나의 공기 매니폴드 영역에 구비된 공기 통공은 상기 반응 영역에서 배출된 공기가 통과하는 공기 배출용 통공이고, 상기 복수의 냉각수 통공 중 일 측에 배치된 냉각수 통공은 상기 반응 영역으로 공급되는 냉각수가 통과하는 냉각수 공급용 통공이고, 타 측에 배치된 냉각수 통공은 서로 마주보는 금속판 모서리의 양 단부 중 일 측 단부에 형성되는 모든 냉각수 통공은 상기 반응 영역에서 배출된 냉각수가 통과하는 냉각수 배출용 통공인 듀얼셀 타입 분리판을 제공한다.

상기 한 쌍의 금속판의 서로 마주보는 모서리가 고무 소재에 의해 연결되어 상기 복수의 수소 통공 및 복수의 냉각수 통공이 형성될 수 있다.

또한 본 발명은, 상기 반응 영역의 일 측면은 수소 가스(hydrogen gas)가 흐르는 수소 유동 표면이고, 상기 반응 영역의 타 측면은 냉각수가 흐르는 냉각수 유동 표면이며, 상기 수소 유동 표면에는 수소 가스가 유동하도록 지그재그 경로를 따라 연장되고 요철(凹凸) 형상의 단면을 갖는 복수의 수소 채널(channel)이 형성된 연료전지용 금속판 한 쌍을 구비하는 제1 듀얼셀 타입 분리판, 및 상기 반응 영역의 일 측면은 공기가 흐르는 공기 유동 표면이고, 상기 반응 영역의 타 측면은 냉각수가 흐르는 냉각수 유동 표면이며, 상기 공기 유동 표면에는 공기가 유동하도록 일직선 경로를 따라 연장되고 요철(凹凸) 형상의 단면을 갖는 복수의 공기 채널(channel)이 형성된 연료전지용 금속판 한 쌍을 구비하는 제2 듀얼셀 타입 분리판을 구비하고, 상기 제1 듀얼셀 타입 분리판의 한 쌍의 연료전지용 금속판 및 제2 듀얼셀 타입 분리판의 한 쌍의 연료전지용 금속판은 각각, 대응되는 복수의 수소 덴트 및 복수의 냉각수 덴트가 일대일로 연결되어 복수의 수소 통공 및 복수의 냉각수 통공이 형성되도록 서로 마주보며 같은 평면에 대칭되게 배치되고, 상기 제1 듀얼셀 타입 분리판의 한 쌍의 연료전지용 금속판 및 제2 듀얼셀 타입 분리판의 한 쌍의 연료전지용 금속판은, 상기 수소 유동 표면과 공기 유동 표면이 서로 등지고, 상기 냉각수 유동 표면끼리 서로 마주보도록 정렬되어 겹쳐지게 배치되는 듀얼셀 타입 분리판 조립체를 제공한다.

상기 제1 듀얼셀 타입 분리판 및 제2 듀얼셀 타입 분리판은 각각, 고무 소재로 형성된 것으로, 상기 같은 평면에 대칭되게 배치된 한 쌍의 연료전지용 금속판에 접합 지지되어 상기 한 쌍의 연료전지용 금속판을 서로 연결하는 가스켓(gasket)을 더 구비할 수 있다.

본 발명의 연료전지용 금속 분리판은 층마다 2개씩의 반응 영역을 가지도록, 소위 '듀얼셀 타입(dual cell type)'으로 적층할 수 있고, 수소의 공급 및 배출을 위한 수소 통공을 공통으로 사용할 수 있어서, 대등한 전력을 발생하기 위한 연료전지 스택(stack)의 부피를 줄일 수 있다. 즉, 연료전지 스택의 집적도가 높아지고, 연료전지 스택의 부피당 출력이 향상된다.

본 발명의 듀얼셀 타입 분리판 조립체는, 애노드와 대면(對面)하는 금속 분리판 한 쌍이 서로 같은 형상으로 형성되고, 캐소드와 대면하는 금속 분리판 한 쌍이 서로 같은 형상으로 형성된다. 따라서, 스탬핑(stamping) 가공을 통해 금속 분리판을 생산하기 위한 프레스 금형의 설계 및 제작에 투입되는 비용이 절감되고, 이를 통해 연료전지 스택 및 연료전지의 제조 비용이 절감된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼셀 타입 분리판 조립체에 의하면, 가스켓이 동종(同種)인 한 쌍의 금속 분리판을 연결하며 상기 한 쌍의 금속 분리판에 일체로 접합된다. 그러므로, 상기 가스켓을 금속 분리판의 삽입 사출 성형에 의해 형성한다고 가정할 때, 각각의 금속 분리판에 개별적으로 가스켓이 접합되는 경우와 비교하여, 총 사출 회수, 즉 금형의 형합 및 형개 회수가 1/2로 감소한다. 또한, 가스켓에 의해 동종인 한 쌍의 금속 분리판이 하나의 개체로 연결되어 있으므로, 연료전지 스택을 적층할 때 금속 분리판의 적층 회수가 1/2로 감소한다. 결과적으로, 연료전지 스택 및 연료전지의 생산성이 향상되고, 제조 비용이 절감된다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 연료전지용 금속판의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼셀 타입 분리판 조립체의 평면도이자, 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀얼셀 타입 분리판의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼셀 타입 분리판 조립체의 평면도이자, 본 발명의 제2 실시예에 따른 듀얼셀 타입 분리판의 평면도이다.
도 5는 도 3을 V-V에 따라 절단하여 확대 도시한 단면도이다.
도 6은 도 3을 VI-VI에 따라 절단하여 확대 도시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속판, 상기 연료전지용 금속판을 구비한 듀얼셀 타입 분리판 및 듀얼셀 타입 분리판 조립체를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 연료전지용 금속판의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼셀 타입 분리판 조립체의 평면도이자, 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀얼셀 타입 분리판의 평면도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼셀 타입 분리판 조립체의 평면도이자, 본 발명의 제2 실시예에 따른 듀얼셀 타입 분리판의 평면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 금속판(10)은 사각형의 금속판으로서, 소위 '애노드(anode) 접촉 금속판'이다. 부연하면, 연료전지 스택(stack)을 구성하는 막-전극 집합체(MEA: membrane-electrode assembly)(3)(도 5 참조)는 박막(membrane)(4)(도 5 참조)과, 상기 박막(4)의 일 측면과 반대 측면에 적층된 애노드 전극(anode electrode)(5)(도 5 참조) 및 캐소드 전극(cathode electrode)(6)(도 5 참조)을 구비하는데, 연료전지 스택에서 상기 애노드 접촉 금속판(10)의 반응 영역(15)은 상기 애노드 전극(5)과 대면(對面) 접촉된다. 상기 애노드 접촉 금속판(10)의 소재는 예컨대, 스테인레스강(stainless steel), 알루미늄합금강(aluminum alloy steel), 니켈합금강(nickel alloy steel)일 수 있다. 이하에서는, 편의상 상기 애노드 접촉 금속판(10)을 '제1 금속판'으로 칭한다.

상기 제1 금속판(10)의 평면 형상은 직사각형이며, 직교하는 제1 내지 제4 모서리(edge)(11, 12, 13, 14)를 구비한다. 제1 모서리(11)와 제3 모서리(13)가 서로 평행하며 Y축과 평행하게 연장되고, 제2 모서리(12)와 제4 모서리(14)가 서로 평행하며 X축과 평행하게 연장된다. 상기 제1 금속판(10)의 중앙부에는 반응 영역(15)이 배치된다. 상기 제1 모서리(11)의 중앙 지점에 가까운 영역으로 도 1에서 2점 쇄선으로 한정된 영역(30)은 수소 매니폴드 영역이다. 수소 매니폴드 영역(30)에는 상기 제1 모서리(11)에서 제1 금속판(10)의 내측, 구체적으로 X축 음(-)의 방향으로 파여진 제1 및 제2 수소 덴트(hydrogen dent)(31, 33)가 구비된다. 상기 제1 및 제2 수소 덴트(31, 33)는 금속판(10)에서 금속 소재가 제거되어 형성되는 부분이며, X축과 평행하며 상기 제1 금속판(10)을 반분하는 가상의 X축 중앙선(CX)에 대해 대칭되게 형성된다.

반응 영역(15)에 가까운 수소 덴트(31, 33)의 일 측 모서리에는 반응 영역(15) 측으로 연장되며 서로 이격된 다수의 게이트 홈(gate groove)(32, 34)이 형성된다. 상기 게이트 홈(32, 34)은 제1 금속판(10)의 평면에서 저면 측으로 오목하게 형성된다. 도 1 및 도 3을 함께 참조하면, 듀얼셀 타입 연료전지 스택을 구성하는 제1 듀얼셀 타입 분리판(110)은 XY평면과 평행한 하나의 평면에 제1 모서리(11)가 마주보도록 서로 대칭되게 배치되는 한 쌍의 제1 금속판(10)을 구비한다. 한 쌍의 제1 금속판(10)의 같은 수소 덴트(31, 33)끼리 일대일로 연결되어 수소가 Z축과 평행한 방향으로 통과하는 제1 및 제2 수소 통공(101, 102)이 형성된다.

도 1을 다시 참조하면, 한 쌍의 수소 덴트(31, 33)가 형성된 제1 모서리(11)를 제외한 3개의 모서리 중 서로 등진 한 쌍의 모서리, 즉 제2 및 제4 모서리(12, 14)에 가까운 영역으로 도 1에서 2점 쇄선으로 한정된 영역(35, 38)은 제1 및 제2 공기 매니폴드 영역이다. 제1 공기 매니폴드 영역(35)에는 공기가 Z축과 평행한 방향으로 통과하는 복수의 제1 공기 통공(36)이 구비된다. 제2 공기 매니폴드 영역(38)에는 공기가 Z축과 평행한 방향으로 통과하는 복수의 제2 공기 통공(39)이 구비된다. 상기 제1 및 제2 공기 통공(36, 39)은 제1 금속판(10)에서 금속 소재가 제거되어 형성되는 부분이다. 제1 공기 통공(36)과 제2 공기 통공(39)은 X축과 평행하며 상기 제1 금속판(10)을 반분하는 가상의 X축 중앙선(CX)에 대해 대칭되게 형성된다.

상기 제1 모서리(11)의 양 단부에 가까운 영역으로 도 1에서 2점 쇄선으로 한정된 영역(41, 43)은 제1 및 제2 냉각수 매니폴드 영역이다. 부연하면, 제1 냉각수 매니폴드 영역(41)은 수소 매니폴드 영역(30) 및 제1 공기 매니폴드 영역(35) 사이의 코너(corner)에 마련된 영역이고, 제2 냉각수 매니폴드 영역(43)은 수소 매니폴드 영역(30) 및 제2 공기 매니폴드 영역(38) 사이의 코너에 마련된 영역이다. 제1 냉각수 매니폴드 영역(41)에는 상기 제1 모서리(11)에서 제1 금속판(10)의 내측, 구체적으로 X축 음(-)의 방향으로 파여진 하나의 제1 냉각수 덴트(dent)(42)가 구비되고, 제2 냉각수 매니폴드 영역(43)에는 상기 제1 모서리(11)에서 제1 금속판(10)의 내측으로 파여진 하나의 제2 냉각수 덴트(44)가 구비된다. 상기 제1 및 제2 냉각수 덴트(42, 44)는 제1 금속판(10)에서 금속 소재가 제거되어 형성되는 부분이며, X축과 평행하며 상기 제1 금속판(10)을 반분하는 가상의 X축 중앙선(CX)에 대해 대칭되게 형성된다.

도 1 및 도 3을 다시 함께 참조하면, 상기 제1 듀얼셀 타입 분리판(110)에서 한 쌍의 제1 금속판(10)의 같은 냉각수 덴트(42, 44)끼리 일대일로 연결되어 냉각수가 Z축과 평행한 방향으로 통과하는 제1 및 제2 냉각수 통공(103, 104)이 형성된다.

반응 영역(15)의 일 측면, 즉 도 1에 보이는 측면은 수소 가스(hydrogen gas)가 흐르는 수소 유동 표면이고, 반응 영역(15)의 타 측면, 즉 수소 유동 표면의 반대 측면은 냉각수가 흐르는 냉각수 유동 표면이 된다. 듀얼셀 타입 연료전지 스택에서 상기 수소 유동 표면이 상기 막-전극 집합체(3)(도 5 참조)의 애노드 전극(5)(도 5 참조)에 대면 접촉된다. 상기 수소 유동 표면에는 한 쌍의 수소 통공(101, 102) 중 제1 수소 통공(101)으로부터 유입된 수소 가스가 제2 수소 통공(102)으로 배출될 때까지 상기 수소 유동 표면을 유동하도록 지그재그(zigzag) 경로를 따라 연장된 복수의 수소 채널(channel)(20)이 형성된다. 복수의 수소 채널(20)은 교차하지 않고 평행하게 연장된다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 수소 채널(20)은 요철(凹凸) 형상의 단면을 갖는다. 금속판을 프레스 금형에 안치하고 스탬핑(stamping) 가공하여 요철 형상 단면을 갖는 수소 채널(20)을 형성하게 되므로, 수소 유동 표면에서 오목하게 파여져 형성된 수소 채널(20)이 냉각수 유동 표면에서는 볼록하게 돌출 형성된 둑(embankment)이 된다. 또한, 상기 냉각수 유동 표면에서는 인접한 둑 사이에 냉각수가 유동하는 냉각수 유로(131)가 형성된다. 제1 금속판(10)의 두께(TH1)는 80 내지 120㎛ 이고, 수소 채널(20)의 깊이(DP1)는 400 내지 600㎛ 이다.

도 1 및 도 3을 다시 함께 참조하면, 각각의 수소 채널(20)은 X축과 평행하게 연장된 4개의 X 방향 유로부(21, 22, 23, 24)를 구비한다. 상기 4개의 X 방향 유로부(21, 22, 23, 24) 중에서 한 쌍(21, 22)은 수소 매니폴드 영역(30)에서 멀어지는 방향, 즉 제1 모서리(11)에서 멀어지는 방향으로 흐르도록 수소 가스의 흐름을 유도하는 제1 및 제2 순행(順行) 유로부이고, 나머지 한 쌍(23, 24)은 수소 매니폴드 영역(30)에 가까워지는 방향, 즉 제1 모서리(11)에 가까워지는 방향으로 흐르도록 수소 가스의 흐름을 유도하는 제1 및 제2 역행(逆行) 유로부이다. 상기 한 쌍의 순행 유로부(21, 22)와 한 쌍의 역행 유로부(23, 24)는 교번하여 배치된다.

각각의 수소 채널(20)의 양측 말단(26, 27)은 제1 및 제2 수소 덴트(31, 33)에 형성된 게이트 홈(32, 34)에 인접 배치된다. 복수의 수소 채널(20)의 양측 말단(26, 27) 중 제1 순행 유로부(21)에 가까운 일 측 말단(26)은, 제1 수소 덴트(31)에 형성된 복수의 게이트 홈(32)에 일대일로 대응되게 위치하고, 제2 역행 유로부(24)에 가까운 타 측 말단(27)은, 제2 수소 덴트(33)에 형성된 복수의 게이트 홈(34)에 일대일로 대응되게 위치한다. 제1 수소 덴트(31)에 형성된 게이트 홈(32)에서 수소 채널(20)의 일 측 말단(26)으로 수소 가스가 이동하면, 그 수소 가스는 수소 채널(20)의 제1 순행 유로부(21), 제1 역행 유로부(23), 제2 순행 유로부(23), 및 제2 역행 유로부(24)를 차례로 통과하여 지그재그 경로를 따라 유동하고, 수소 채널 타 측 말단(27)에서 제2 수소 덴트(33)에 형성된 게이트 홈(34)으로 이동한다. 일 측 말단(26)에서 타 측 말단(27)까지 수소 채널(20)의 길이는, 반응 영역(15)에 있는 모든 수소 채널(20)에서 ±10% 오차 범위 내에서 동일하다.

반응 영역(15)의 외주변에는 다수의 접합 보조 통공(45)이 형성된다. 다만, 상기 수소 채널(20)의 말단(26, 27)과 게이트 홈(32, 34) 사이에는 접합 보조 통공(45)이 형성되지 않는다. 제1 금속판(10)의 수소 매니폴드 영역(30), 한 쌍의 공기 매니폴드 영역(35, 38), 및 한 쌍의 냉각수 매니폴드 영역(41, 43)에는 고무 소재로 형성된 제1 가스켓(111)이 접합된다. 상기 제1 가스켓(111)은 제1 금속판(10)의 삽입 사출 방법, 다시 말해 제1 금속판(10)을 사출 성형 금형(미도시)의 캐비티(cavity)에 삽입 고정하고 고무 소재에 대응되는 용융된 수지를 상기 캐비티에 사출 주입하는 방법에 의해 형성된다. 상기 용융된 수지가 상기 캐비티에 주입되면, 상기 다수의 접합 보조 통공(45)에 상기 용융된 수지가 채워지고 경화되므로, 상기 다수의 접합 보조 통공(45)이 없는 경우와 비교하여 볼 때 상기 제1 가스켓(111)이 제1 금속판(10)에 접합되는 표면적이 커지게 된다. 따라서, 상기 제1 가스켓(111)이 제1 금속판(10)에 더욱 견고하게 일체로 접합된다.

제1 금속판(10)의 4곳의 코너에 인접한 지점에는 복수의 삽입 사출 정렬 통공(47)이 형성된다. 상기 가스켓(111)을 사출 성형하기 위한 사출 성형 금형은 상기 복수의 삽입 사출 정렬 통공(47)이 끼워지는 복수의 정렬 핀(pin)(미도시)을 구비한다. 상기 복수의 정렬 핀이 복수의 삽입 사출 정렬 통공(47)에 끼워지도록 제1 금속판(10)을 상기 사출 성형 금형에 정렬하여 놓고, 상기 사출 성형 금형의 상부 코어(core)와 하부 코어를 형합(型合)하면 상기 제1 금속판(10)이 사출 성형 금형의 캐비티 내에 올바른 위치에 삽입 고정된다.

상기 제1 금속판(10)은 제 및 제2 공기 매니폴드 영역(35, 38)로부터 같은 거리로 이격된 가상의 중앙선, 다시 말해 상기 X축 중앙선(CX)을 중심으로 대칭되는 형상을 갖는다. 부연하면, 제1 공기 매니폴드 영역(35)의 공기 통공(36)과 제2 공기 매니폴드 영역(38)의 공기 통공(39)이 서로 대칭되고, 제1 냉각수 매니폴드 영역(41)의 냉각수 덴트(42)와 제2 냉각수 매니폴드 영역(43)의 냉각수 덴트(44)가 서로 대칭되며, 수소 매니폴드 영역(30)의 일 측의 수소 덴트(31) 및 게이트 홈(32)과 타 측의 수소 덴트(33) 및 게이트 홈(34)이 서로 대칭된다. 또한, 각각의 수소 채널(20)에서 제1 순행 유로부(21)와 제2 역행 유로부(24)가 서로 대칭되고, 제1 역행 유로부(23)와 제2 순행 유로부(22)가 서로 대칭되며, 각 수소 채널(20)의 일 측 말단(26)과 타 측 말단(27)이 서로 대칭된다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 금속판(50)은 사각형의 금속판으로서, 소위 '캐소드(cathode) 접촉 금속판'이다. 부연하면, 연료전지 스택에서 상기 제2 금속판(50)의 반응 영역(55)은 막-전극 집합체(3)(도 5 참조)의 캐소드 전극(4)과 대면(對面) 접촉된다. 상기 캐소드 접촉 금속판(50)의 소재는 예컨대, 스테인레스강(stainless steel), 알루미늄합금강(aluminum alloy steel), 니켈합금강(nickel alloy steel)일 수 있다. 이하에서는, 편의상 상기 캐소드 접촉 금속판(50)을 '제2 금속판(50)'으로 칭한다.

상기 제2 금속판(50)의 평면 형상은 직사각형이며, 직교하는 제1 내지 제4 모서리(edge)(51, 52, 53, 54)를 구비한다. 제1 모서리(51)와 제3 모서리(53)가 서로 평행하며 Y축과 평행하게 연장되고, 제2 모서리(52)와 제4 모서리(54)가 서로 평행하며 X축과 평행하게 연장된다. 상기 제2 금속판(50)의 중앙부에는 반응 영역(55)이 배치된다. 상기 제1 모서리(51)의 중앙 지점에 가까운 영역으로 도 2에서 2점 쇄선으로 한정된 영역(70)은 수소 매니폴드 영역이다. 수소 매니폴드 영역(70)에는 상기 제1 모서리(51)에서 제2 금속판(50)의 내측, 구체적으로 X축 음(-)의 방향으로 파여진 제1 및 제2 수소 덴트(hydrogen dent)(71, 73)가 구비된다. 상기 제1 및 제2 수소 덴트(71, 73)는 금속판(50)에서 금속 소재가 제거되어 형성되는 부분이며, X축과 평행하며 상기 제2 금속판(50)을 반분하는 가상의 X축 중앙선(CX)에 대해 대칭되게 형성된다.

도 2 및 도 4을 함께 참조하면, 듀얼셀 타입 연료전지 스택을 구성하는 제2 듀얼셀 타입 분리판(120)은 XY평면과 평행한 하나의 평면에 제1 모서리(51)가 마주보도록 서로 대칭되게 배치되는 한 쌍의 제2 금속판(50)을 구비한다. 한 쌍의 제2 금속판(50)의 같은 수소 덴트(71, 73)끼리 일대일로 연결되어 수소가 Z축과 평행한 방향으로 통과하는 제1 및 제2 수소 통공(106, 107)이 형성된다.

도 2를 다시 참조하면, 한 쌍의 수소 덴트(71, 73)가 형성된 제1 모서리(51)를 제외한 3개의 모서리 중 서로 등진 한 쌍의 모서리, 즉 제2 및 제4 모서리(52, 54)에 가까운 영역으로 도 2에서 2점 쇄선으로 한정된 영역(75, 78)은 제1 및 제2 공기 매니폴드 영역이다. 제1 공기 매니폴드 영역(75)에는 공기가 Z축과 평행한 방향으로 통과하는 복수의 제1 공기 통공(76)이 구비된다. 제2 공기 매니폴드 영역(78)에는 공기가 Z축과 평행한 방향으로 통과하는 복수의 제2 공기 통공(79)이 구비된다. 상기 제1 및 제2 공기 통공(76, 79)은 제2 금속판(50)에서 금속 소재가 제거되어 형성되는 부분이다.

제1 공기 통공(76)을 한정하는 모서리들 중에서 반응 영역(55)에 가까운 일 측 모서리와, 제2 공기 통공(79)을 한정하는 모서리들 중에서 반응 영역(55)에 가까운 일 측 모서리에는 반응 영역(55) 측으로 연장되며 서로 이격된 다수의 게이트 홈(gate groove)(77, 80)이 형성된다. 상기 게이트 홈(77, 80)은 제2 금속판(50)의 평면에서 저면 측으로 오목하게 형성된다. 제1 공기 매니폴드 영역(75)에 구비된 공기 통공(76) 및 게이트 홈(77)과, 제2 공기 매니폴드 영역(78)에 구비된 모든 공기 통공(79) 및 게이트 홈(80)은 상기 X축 중앙선(CX)에 대해 대칭되게 형성된다.

상기 제1 모서리(51)의 양 단부에 가까운 영역으로 도 2에서 2점 쇄선으로 한정된 영역(81, 83)은 제1 및 제2 냉각수 매니폴드 영역이다. 부연하면, 제1 냉각수 매니폴드 영역(81)은 수소 매니폴드 영역(70) 및 제1 공기 매니폴드 영역(75) 사이의 코너(corner)에 마련된 영역이고, 제2 냉각수 매니폴드 영역(83)은 수소 매니폴드 영역(70) 및 제2 공기 매니폴드 영역(78) 사이의 코너에 마련된 영역이다. 제1 냉각수 매니폴드 영역(81)에는 상기 제1 모서리(51)에서 제2 금속판(50)의 내측, 구체적으로 X축 음(-)의 방향으로 파여진 하나의 제1 냉각수 덴트(82)가 구비되고, 제2 냉각수 매니폴드 영역(83)에는 상기 제1 모서리(51)에서 제2 금속판(50)의 내측으로 파여진 하나의 제2 냉각수 덴트(84)가 구비된다. 상기 제1 및 제2 냉각수 덴트(82, 84)는 제2 금속판(50)에서 금속 소재가 제거되어 형성되는 부분이며, 상기 X축 중앙선(CX)에 대해 대칭되게 형성된다.

도 2 및 도 4를 다시 함께 참조하면, 상기 제2 듀얼셀 타입 분리판(120)에서 한 쌍의 제2 금속판(50)의 같은 냉각수 덴트(82, 84)끼리 일대일로 연결되어 냉각수가 Z축과 평행한 방향으로 통과하는 제1 및 제2 냉각수 통공(108, 109)이 형성된다.

반응 영역(55)의 일 측면, 즉 도 2에 보이는 측면은 공기가 흐르는 공기 유동 표면이고, 반응 영역(55)의 타 측면, 즉 공기 유동 표면의 반대 측면은 냉각수가 흐르는 냉각수 유동 표면이 된다. 듀얼셀 타입 연료전지 스택에서 상기 공기 유동 표면이 상기 막-전극 집합체(3)(도 5 참조)의 캐노드 전극(6)(도 5 참조)에 대면 접촉된다. 상기 공기 유동 표면에는 제1 공기 매니폴드 영역(75)의 공기 통공(76)으로부터 유입된 공기가 제2 공기 매니폴드 영역(78)의 공기 통공(79)으로 배출될 때까지 상기 공기 유동 표면을 유동하도록 일직선 경로를 따라 연장된 복수의 공기 채널(channel)(60)이 형성된다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 공기 채널(60)은 요철(凹凸) 형상의 단면을 갖는다. 금속판을 프레스 금형에 안치하고 스탬핑(stamping) 가공하여 요철 형상 단면을 갖는 공기 채널(60)을 형성하게 되므로, 공기 유동 표면에서 오목하게 파여져 형성된 공기 채널(60)이 냉각수 유동 표면에서는 볼록하게 돌출 형성된 둑(embankment)이 된다. 또한, 상기 냉각수 유동 표면에서는 인접한 둑 사이에 냉각수가 유동하는 냉각수 유로(131)가 형성된다. 제1 금속판(10)의 경우와 마찬가지로 제2 금속판(50)의 두께(TH2)는 80 내지 120㎛ 이고, 공기 채널(60)의 깊이(DP2)는 400 내지 600㎛ 이다.

도 2 및 도 4를 다시 함께 참조하면, 각각의 공기 채널(60)은 제1 공기 통공(76)과 이에 대응되는 제2 공기 통공(79)을 최단 경로가 되도록 Y축과 평행하게 일직선으로 연장된 직선 유로부를 구비한다. 각각의 공기 채널(60)의 양측 말단(66, 67) 중에서 제1 공기 통공(76)에 가까운 일 측 말단(66)은, 제1 공기 매니폴드 영역(75)에 마련된 복수의 게이트 홈(77)에 일대일 대응되게 위치하고, 제2 공기 통공(79)에 가까운 타 측 말단(67)은, 제2 공기 매니폴드 영역(78)에 마련된 복수의 게이트 홈(80)에 일대일 대응되게 위치한다.

상기 제1 공기 매니폴드 영역(75)에 마련된 게이트 홈(77)에서 공기 채널(60)의 일 측 말단(66)으로 공기가 이동하면, 이 공기는 공기 채널(60)을 따라 Y축과 평행하게 유동하고, 공기 채널(60)의 타 측 말단(67)에서 제2 공기 매니폴드 영역(78)에 마련된 게이트 홈(80)으로 이동한다.

반응 영역(55)의 외주변에는 다수의 접합 보조 통공(85)이 형성된다. 다만, 상기 공기 채널(60)의 말단(66, 67)과 게이트 홈(77, 80) 사이에는 접합 보조 통공(85)이 형성되지 않는다. 제2 금속판(50)의 수소 매니폴드 영역(70), 한 쌍의 공기 매니폴드 영역(75, 78), 및 한 쌍의 냉각수 매니폴드 영역(81, 83)에는 고무 소재로 형성된 제2 가스켓(121)이 접합된다. 상기 제2 가스켓(121)은 제2 금속판(50)의 삽입 사출 방법, 다시 말해 제2 금속판(50)을 사출 성형 금형(미도시)의 캐비티(cavity)에 삽입 고정하고 고무 소재에 대응되는 용융된 수지를 상기 캐비티에 사출 주입하는 방법에 의해 형성된다. 상기 용융된 수지가 상기 캐비티에 주입되면, 상기 다수의 접합 보조 통공(85)에 상기 용융된 수지가 채워지고 경화되므로, 상기 다수의 접합 보조 통공(85)이 없는 경우와 비교하여 볼 때 상기 제2 가스켓(121)이 제2 금속판(50)에 접합되는 표면적이 커지게 된다. 따라서, 상기 가스켓(121)이 제2 금속판(50)에 더욱 견고하게 일체로 접합된다.

제2 금속판(50)의 4곳의 코너에 인접한 지점에는 복수의 삽입 사출 정렬 통공(87)이 형성된다. 상기 가스켓(121)을 사출 성형하기 위한 사출 성형 금형은 상기 복수의 삽입 사출 정렬 통공(87)이 끼워지는 복수의 정렬 핀(pin)(미도시)을 구비한다. 상기 복수의 정렬 핀이 복수의 삽입 사출 정렬 통공(87)에 끼워지도록 제2 금속판(50)을 상기 사출 성형 금형에 정렬하여 놓고, 상기 사출 성형 금형의 상부 코어(core)와 하부 코어를 형합(型合)하면 상기 제2 금속판(50)이 사출 성형 금형의 캐비티 내에 올바른 위치에 삽입 고정된다.

상기 제2 금속판(50)은 제1 및 제2 공기 매니폴드 영역(75, 78)로부터 같은 거리로 이격된 가상의 중앙선, 다시 말해 X축 중앙선(CX)을 중심으로 대칭되는 형상을 갖는다. 부연하면, 제1 공기 매니폴드 영역(75)의 공기 통공(76) 및 게이트 홈(77)과 제2 공기 매니폴드 영역(78)의 공기 통공(79) 및 게이트 홈(80)이 서로 대칭되고, 제1 냉각수 매니폴드 영역(81)의 냉각수 덴트(82)와 제2 냉각수 매니폴드 영역(83)의 냉각수 덴트(84)가 서로 대칭되며, 수소 매니폴드 영역(70)의 일 측의 수소 덴트(71)와 타 측의 수소 덴트(73)가 서로 대칭된다. 또한, 각각의 공기 채널(60)의 양 측 말단(66, 67)이 서로 대칭된다.

도 5는 도 3을 V-V에 따라 절단하여 확대 도시한 단면도이고, 도 6은 도 3을 VI-VI에 따라 절단하여 확대 도시한 단면도이다. 도 3 내지 도 6을 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)는 하나의 제1 듀얼셀 타입 분리판(110)과 하나의 제2 듀얼셀 타입 분리판(120)을 구비한다. 상기 듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)와 막-전극 집합체(3)가 교번하여 적층되어 듀얼셀 타입 연료전지 스택이 구성된다. 상술한 바와 같이 제1 듀얼셀 타입 분리판(110)은 한 쌍의 제1 금속판(10)을 구비하고, 상기 한 쌍의 제1 금속판(10)은 제1 듀얼셀 타입 분리판(110)을 반분하며 Y축과 평행한 가상의 직선인 Y축 중앙선(CY)에 대해 대칭되게 배치된다. 또한, 제2 듀얼셀 타입 분리판(120)은 한 쌍의 제2 금속판(50)을 구비하고, 상기 한 쌍의 제2 금속판(50)은 제2 듀얼셀 타입 분리판(120)을 반분하며 Y축과 평행한 가상의 직선인 Y축 중앙선(CY)에 대해 대칭되게 배치된다. 제1 및 제 듀얼셀 타입 분리판(110, 120)은 각각, 한 쌍의 제1 금속판(10) 및 한 쌍의 제2 금속판(50)에 접합 지지되어 한 쌍의 제1 금속판(10) 및 한 쌍의 제2 금속판(50)을 연결하는 제1 및 제2 가스켓(111, 121)을 구비한다.

제1 금속판(10)은 도 1을 참조하여 상세하게 설명한 바 있고, 제2 금속판(50)은 도 2를 참조하여 상세하게 설명한 바 있으므로, 중복되는 설명은 생략한다. 한편, 제1 가스켓(111) 및 제2 가스켓(121)을 제1 금속판(10) 및 제2 금속판(50)과 구분하여 식별하기 용이하도록, 도 3 및 도 4에서 제1 가스켓(111) 및 제2 가스켓(121)은 해칭(hatching) 표현된다.

한 쌍의 제1 금속판(10)은 XY 평면과 평행한 일 평면 상에 제1 모서리(11)(도 1 참조)가 서로 마주보도록 배치된다. 한 쌍의 제2 금속판(50)은 XY 평면과 평행하고 상기 한 쌍의 제1 금속판(10)이 배치된 평면과 다른 일 평면 상에 제1 모서리(51)(도 2 참조)가 서로 마주보도록 배치된다. 상기 한 쌍의 제1 금속판(10)과 한 쌍의 제2 금속판(50)은 제1 금속판(10)의 수소 유동 표면과 제2 금속판(50)의 공기 유동 표면이 서로 등지고, 제1 금속판(10)의 냉각수 유동 표면과 제2 금속판(50)의 냉각수 유동 표면이 서로 마주보도록 정렬된다. 이에 따라, XY 평면과 평행한 일 평면당 한 쌍의 막-전극 집합체(3)가 배치되는 듀얼셀 타입 연료전지 스택이 구현된다.

제1 가스켓(111)과 제2 가스켓(121)은 고무 소재로 형성되며, 상술한 바와 같이 삽입 사출 방법에 의해 형성될 수 있다. 부연하면, 제1 가스켓(111)을 성형하기 위한 사출 성형 금형의 캐비티 내에 한 쌍의 제1 금속판(10)을 XY 평면과 평행한 일 평면 상에 제1 모서리(11)(도 1 참조)가 서로 마주보도록 삽입 고정하고, 고무 소재에 대응되는 용융된 수지를 상기 캐비티에 사출 주입하고 가류함으로써 제1 가스켓(111)을 형성한다. 또한, 제2 가스켓(121)을 성형하기 위한 사출 성형 금형의 캐비티 내에 한 쌍의 제2 금속판(50)을 XY 평면과 평행한 일 평면 상에 제1 모서리(51)(도 1 참조)가 서로 마주보도록 삽입 고정하고, 고무 소재에 대응되는 용융된 수지를 상기 캐비티에 사출 주입하고 가류함으로써 제2 가스켓(121)을 형성한다. 상술한 바와 같이, 제1 금속판(10)의 복수의 삽입 사출 정렬 통공(47)과 제2 금속판(50)의 복수의 삽입 사출 정렬 통공(87)은 제1 금속판(10)과 제2 금속판(50)이 대응되는 사출 성형 금형의 캐비티 내에서 올바른 위치에 삽입 고정되도록 안내한다.

제1 가스켓(111)은 제1 금속판(10)에서 수소 채널(20)이 형성된 반응 가스 측면에 적층 형성된 반응 가스 측면 가스켓부(112)와, 상기 반응 가스 측면의 반대되는 측면, 다시 말해 제1 금속판(10)에서 냉각수 유로(131)가 형성된 냉각수 측면에 적층 형성된 냉각수 측면 가스켓부(114)와, 한 쌍의 제1 금속판(10)의 제1 모서리(11)를 이어주는 연결 가스켓부(116)를 구비한다. 상술한 바와 같이 다수의 접합 보조 통공(45)에 고무 소재가 채워져서 제1 가스켓(111)이 제1 금속판(10)에 접합되는 표면적이 커지며, 제1 가스켓(111)이 제1 금속판(10)에 더욱 견고하게 접합된다.

도 3 및 도 5에서는 편의상 점선에 의해 연결 가스켓부(116)를 반응 가스 측면 가스켓부(112) 및 냉각수 측면 가스켓부(114)와 구분하여 표현하였으나, 실제로는 상기 연결 가스켓부(116)는 한 쌍의 제1 금속판(10)의 제1 모서리(11) 주변의 반응 가스 측면 가스켓부(112) 및 냉각수 측면 가스켓부(114)와 하나의 덩어리로 형성되어 구분하기 어렵다.

상기 반응 가스 측면 가스켓부(112)는 반응 영역(15)(도 1 참조)을 제외한 부분에 적층되지만, 덴트(31, 33, 42, 44), 게이트 홈(32, 34), 통공(36, 39, 47)에는 적층되지 않아 이 부분들이 노출된다. 다만, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 반응 가스 측면 가스켓부(112)는 접합 보조 통공(45)이 가리워지도록 적층된다. 한편, 참조번호 '117'은 고무 부재가 적층되지 않아 제1 금속판(10)의 금속 소재가 노출된 부분으로서, 공기 통공(36, 39)과 반응 영역(15)(도 1 참조) 사이에 공기의 유동을 신뢰성 있게 차단하기 위한 유동 차단 홈(groove)을 가리킨다.

도 3에 명확하게 도시되어 있지 않지만 상기 냉각수 측면 가스켓부(114)는, 반응 가스 측면 가스켓부(112)와 마찬가지로 반응 영역(15)(도 1 참조)을 제외한 부분에 적층되고, 덴트(31, 33, 42, 44), 게이트 홈(32, 34), 통공(36, 39, 47)이 노출되도록 이 부분들에는 적층되지 않는다. 그리고, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 냉각수 측면 가스켓부(114)는 접합 보조 통공(45) 상에 적층되지 않는다. 또한, 상기 제1 금속판(10)의 냉각수 측면에서 냉각수 덴트(42, 44)(도 1 참조)와 반응 영역(15)의 코너(corner) 사이에 냉각수가 충분한 유량으로 흐를 수 있는 냉각수 유로가 형성되도록, 이 영역에는 냉각수 측면 가스켓부(114)가 적층되지 않는다.

제2 가스켓(121)은 제2 금속판(50)에서 공기 채널(60)이 형성된 반응 가스 측면에 적층 형성된 반응 가스 측면 가스켓부(122)와, 한 쌍의 제2 금속판(50)의 제1 모서리(51)를 이어주는 연결 가스켓부(126)를 구비한다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 제2 가스켓(121)은 제1 가스켓(111)의 경우와 달리 제2 금속판(50)에서 냉각수 유로(131)가 형성된 냉각수 측면에 냉각수 측면 가스켓부가 적층되지 않는다. 다만, 본 발명이 도 5 및 도 6에 도시된 형태에 한정되는 것은 아니며, 제1 가스켓(111)의 냉각수 측면 가스켓부(114)의 두께가 얇게 형성되는 경우, 그만큼의 두께 감소를 보상하기 위하여 제2 가스켓(121)에 냉각수 측면 가스켓부가 구비될 수도 있다.

상술한 바와 같이 다수의 접합 보조 통공(85)에 고무 소재가 채워져서 제2 가스켓(121)이 제2 금속판(50)에 접합되는 표면적이 커지며, 제2 가스켓(121)이 제2 금속판(50)에 더욱 견고하게 접합된다.

도 4 및 도 5에서는 편의상 점선에 의해 연결 가스켓부(126)를 반응 가스 측면 가스켓부(122)와 구분하여 표현하였으나, 실제로는 상기 연결 가스켓부(126)는 한 쌍의 제2 금속판(50)의 제1 모서리(51) 주변의 반응 가스 측면 가스켓부(122)와 하나의 덩어리로 형성되어 구분하기 어렵다.

상기 반응 가스 측면 가스켓부(122)는 반응 영역(55)(도 2 참조)을 제외한 부분에 적층되지만, 덴트(71, 73, 82, 84), 통공(76, 79, 87), 및 게이트 홈(77, 80)에는 적층되지 않아 이 부분들이 노출된다. 다만, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 반응 가스 측면 가스켓부(122)는 접합 보조 통공(85)이 가리워지도록 적층된다. 한편, 참조번호 '127'은 고무 부재가 적층되지 않아 제2 금속판(50)의 금속 소재가 노출된 부분으로서, 수소 덴트(71, 73)(도 2 참조)와 반응 영역(55)(도 2 참조) 사이에 수소 가스의 유동을 신뢰성 있게 차단하기 위한 유동 차단 홈(groove)을 가리킨다.

듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)에서 한 쌍의 제1 금속판(10)과 한 쌍의 제2 금속판(50)은 수소 채널(20)의 바닥면(20B)과 공기 채널(60)의 바닥면(60B)이 밀착되도록 적층된다. 다만, 상기 수소 채널(20)의 경로와 공기 채널(60)의 경로가 대체로 직교하고 부분적으로 일치하므로, 상기 수소 채널 바닥면(20B)과 공기 채널 바닥면(60B)은 부분적으로만 밀착된다. 상기 수소 채널 바닥면(20B)과 공기 채널 바닥면(60B)이 밀착되는 지점은 예컨대, 브레이징(brazing), 접착 등의 방법에 의해 접합될 수도 있다. 이와 같이 한 쌍의 제1 금속판(10)과 한 쌍의 제2 금속판(50)이 밀착되면 제1 가스켓(111)의 냉각수 측면 가스켓부(114) 말단이 제2 금속판(50)의 냉각수 측면에 탄성 밀착된다. 이에 따라, 제1 금속판(10)과 제2 금속판(50)의 냉각수 측면에서 냉각수는 정해진 영역 이외의 영역으로는 유출되지 않게 밀봉된다.

한 쌍의 제1 금속판(10)에서 수소 덴트(31, 33)와 냉각수 덴트(42, 44)가 대응되는 것들끼리 연결 가스켓부(116)에 의해 이어져서 제1 및 제2 수소 통공(101, 102)과 제1 및 제2 냉각수 통공(103, 104)이 마련된다. 마찬가지로, 한 쌍의 제2 금속판(50)에서도 수소 덴트(71, 73)와 냉각수 덴트(82, 84)가 대응되는 것들끼리 연결 가스켓부(126)에 의해 이어져서 제1 및 제2 수소 통공(106, 107)과 제1 및 제2 냉각수 통공(108, 109)이 마련된다.

복수의 듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)와 복수의 막-전극 집합체(3)가 교번 적층되어 연료전지 스택이 형성된 경우에, 상기 제1 및 제2 금속판(10, 50)의 제1 수소 통공(101, 106), 제2 수소 통공(102, 107), 제1 냉각수 통공(103, 108), 제2 냉각수 통공(104, 109), 제1 공기 통공(36, 76), 및 제2 공기 통공(39, 79)은 각각 Z축과 평행한 일직선 상에 정렬되게 배치된다.

상기 제1 수소 통공(101, 106)은 제1 금속판(10)의 반응 영역(15)(도 1 참조), 구체적으로 수소 유동 표면으로 공급되는 수소 가스가 통과하는 수소 공급용 통공이 된다. 상기 제2 수소 통공(102, 107)은 제1 금속판(10)의 반응 영역(15), 구체적으로 수소 유동 표면을 통과하여 배출된 수소 가스가 통과하는 수소 배출용 통공이 된다. 상기 제1 공기 통공(36, 76)은 제2 금속판(50)의 반응 영역(55)(도 2 참조), 구체적으로 공기 유동 표면으로 공급되는 공기가 통과하는 공기 공급용 통공이 된다. 상기 제2 공기 통공(39, 79)은 제2 금속판(50)의 반응 영역(55), 구체적으로 공기 유동 표면을 통과하여 배출된 공기가 통과하는 공기 배출용 통공이 된다. 상기 제1 냉각수 통공(103, 108)은 제1 및 제2 금속판(10, 50)의 반응 영역, 구체적으로 서로 대면하는 냉각수 유동 표면으로 공급되는 냉각수가 통과하는 냉각수 공급용 통공이 된다. 상기 제2 냉각수 통공(104, 109)은 제1 및 제2 금속판(10, 50)의 반응 영역, 구체적으로 서로 대면하는 냉각수 유동 표면을 통과하여 배출된 냉각수가 통과하는 냉각수 배출용 통공이 된다.

듀얼셀 타입 연료전지 스택으로 공급된 수소 가스는 제1 금속판(10)의 제1 수소 통공(101)에 이어진 게이트 홈(32)으로부터 수소 채널(20)의 일 측 말단(26)으로 이동하고, 수소 채널(20)을 따라 좌우 양 측 한 쌍의 반응 영역(15), 즉 수소 유동 표면을 유동하고, 수소 채널(20)의 타 측 말단(27)으로부터 제1 금속판(10)의 제2 수소 통공(102)에 이어진 게이트 홈(34)을 통해 제2 수소 통공(102)으로 이동하고, 듀얼셀 타입 연료전지 스택 외부로 배출된다. 도시되진 않았으나, 듀얼셀 타입 연료전지 스택에서 제1 가스켓(111)의 반응 가스 측면 가스켓부(112)와 제2 가스켓(121)의 반응 가스 측면 가스켓부(122) 사이에는 상기 게이트 홈(32, 34)과 수소 채널(20)의 양 측 말단(26, 27)을 유체 이동 가능하게 이어주는 다수의 제1 유로 연결 통공이 형성된 필름(film)(미도시)이 개재될 수 있으며, 상기 제1 유로 연결 통공을 통해 상기 게이트 홈(33, 34)과 수소 채널(20)의 양 측 말단(26, 27) 사이에 수소 가스가 유동할 수 있다. 상기 필름은 막-전극 집합체(3)의 박막(4)과 일체로 형성될 수도 있다.

듀얼셀 타입 연료전지 스택으로 공급된 공기는 제2 금속판(50)의 제1 공기 통공(76)에 이어진 게이트 홈(77)으로부터 공기 채널(60)의 일 측 말단(66)으로 이동하고, 공기 채널(60)을 따라 좌우 양 측 한 쌍의 반응 영역(55), 즉 공기 유동 표면을 유동하고, 공기 채널(60)의 타 측 말단(67)으로부터 제2 금속판(50)의 제2 공기 통공(79)에 이어진 게이트 홈(80)을 통해 상기 제2 공기 통공(79)으로 이동하고, 연료전지 스택 외부로 배출된다. 도시되진 않았으나, 듀얼셀 타입 연료전지 스택에서 제1 가스켓(111)의 반응 가스 측면 가스켓부(112)와 제2 가스켓(121)의 반응 가스 측면 가스켓부(122) 사이에는 상기 게이트 홈(77, 80)과 공기 채널(60)의 양 측 말단(66, 67)을 유체 이동 가능하게 이어주는 다수의 제2 유로 연결 통공이 형성된 필름이 개재될 수 있으며, 상기 제2 유로 연결 통공을 통해 상기 게이트 홈(77, 80)과 공기 채널(60)의 양 측 말단(66, 67) 사이에 공기가 유동할 수 있다. 상기 필름은 막-전극 집합체(3)의 박막(4)과 일체로 형성될 수 있다. 상기 제1 유로 연결 통공이 형성된 필름과 제2 유로 연결 통공이 형성된 필름은 하나로 이어질 수도 있다.

듀얼셀 타입 연료전지 스택으로 공급된 냉각수는 제1 및 제2 금속판(10, 50)의 제1 냉각수 통공(103, 108)에서 반응 영역(15, 55)의 냉각수 유동 표면으로 유도되고, 냉각수 유로(131)를 따라 흘러서 냉각수 유동 표면을 통과하여 제2 냉각수 통공(104, 109)으로 이동하고, 연료전지 스택 외부로 배출된다.

한편, 상기 제1 수소 통공(101, 106)이 수소 공급용 통공, 제2 수소 통공(102, 107)이 수소 배출용 통공, 제1 공기 통공(36, 76)이 공기 공급용 통공, 제2 공기 통공(39, 79)이 공기 배출용 통공, 제1 냉각수 통공(103, 108)이 냉각수 공급용 통공, 제2 냉각수 통공(104, 109)이 냉각수 배출용 통공으로 고정된 것은 아니며, 역할이 반대로 설정될 수도 있다.

이상에서 설명한 연료전지용 금속판(10, 50)은 같은 평면의 층마다 2개씩의 반응 영역을 가지도록, 소위 '듀얼셀 타입(dual cell type)'으로 적층할 수 있고, 수소 공급용 통공(101, 106), 수소 배출용 통공(102, 107), 냉각수 공급용 통공(103, 108), 및 냉각수 배출용 통공(104, 109)를 상기 듀얼셀에 대해 공통으로 사용할 수 있어서, 싱글셀(single cell type) 연료전지 스택과 비교할 때 대등한 전력을 발생하기 위한 연료전지 스택(stack)의 부피를 줄일 수 있다. 즉, 연료전지 스택의 집적도가 높아지고, 연료전지 스택의 부피당 출력이 향상된다.

또한, 상기 듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)에서 제1 듀얼셀 타입 분리판(110)의 한 쌍의 제1 금속판(10)이 서로 같은 형상으로 형성되고, 제2 듀얼셀 타입 분리판(120)의 한 쌍의 제2 금속판(50)이 서로 같은 형상으로 형성된다. 따라서, 스탬핑(stamping) 가공을 통해 제1 및 제2 금속판(10, 50)을 생산하기 위한 프레스 금형의 설계 및 제작에 투입되는 비용이 절감되고, 이를 통해 연료전지 스택 및 연료전지의 제조 비용이 절감된다.

또한, 상기 제1 및 제2 듀얼셀 타입 분리판(110, 120)에서, 제1 및 제2 가스켓(111, 121)이 각각 한 쌍의 제1 금속판(10) 및 한 쌍의 제2 금속판(50)을 연결하며 상기 한 쌍의 제1 금속판(10) 및 한 쌍의 제2 금속판(50)에 일체로 접합된다. 그러므로, 상기 제1 및 제2 가스켓(111, 121)을 제1 및 제2 금속판(10, 50)의 삽입 사출 성형에 의해 형성한다고 가정할 때, 각각의 금속판에 개별적으로 가스켓이 접합되는 경우와 비교하여, 총 사출 회수, 즉 사출 성형 금형의 형합 및 형개 회수가 1/2로 감소한다. 또한, 제1 가스켓(111)에 의해 한 쌍의 제1 금속판(10)이 하나의 개체로 연결되고 제2 가스켓(121)에 의해 한 쌍의 제2 금속판(50)이 하나의 개체로 연결되므로, 듀얼셀 타입 연료전지 스택을 적층할 때 금속판(10, 50)의 적층 회수가 1/2로 감소한다. 결과적으로, 연료전지 스택 및 연료전지의 생산성이 향상되고, 제조 비용이 절감된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10,50: 금속판 15,55: 반응 영역
20,60: 채널 30,70: 수소 매니폴드 영역
35,38,75,78: 공기 매니폴드 영역 41,43,81,83: 냉각수 매니폴드 영역
45,85: 접합 보조 통공 47,87: 가스켓 정렬 통공
100: 듀얼셀 타입 분리판 조립체 111, 121: 가스켓

Claims (11)

1. 서로 일체로 형성된 제1 금속판 및 제2 금속판으로 이루어진 금속판쌍을 구비하고, 서로 적층 배치된 제1 듀얼셀 타입 분리판 및 제2 듀얼셀 타입 분리판을 구비하고,
   상기 제1, 2 금속판에는, 각각 수평 일측에 수소 덴트와, 냉각수 덴트가 형성되고, 상측과 하측에 공기 통공이 형성되고,
   상기 제1 금속판의 수소 덴트은 제2 금속판의 수소 덴트와 접하여서 수소 통공을 이루고, 상기 제1 금속판의 냉각수 덴트는 제2 금속판의 냉각수 덴트와 접하여서 냉각수 통공을 이루고,
   상기 상측 공기 통공과 하측 공기 통공으로 각각 같은 거리로 이격된 가상의 중앙선을 중심으로 대칭되는 형상을 하고,
   상기 제1 듀얼셀 타입 분리판의 한 평면은 수소 가스(hydrogen gas)가 흐르는 수소 유동 표면이고, 상기 제1 듀얼셀 타입 분리판의 다른 한 평면은 냉각수가 흐르는 냉각수 유동 표면이고,
   상기 제2 듀얼셀 타입 분리판의 한 평면은 공기가 흐르는 공기 유동 표면이고, 상기 제2 듀얼셀 타입 분리판의 다른 한 평면은 냉각수가 흐르는 냉각수 유동 표면이고,
   상기 제1 듀얼셀 타입 분리판 및 제2 듀얼셀 타입 분리판은, 상기 수소 유동 표면과 공기 유동 표면이 서로 등지고, 상기 냉각수 유동 표면끼리 서로 마주보도록 정렬되어 겹쳐지게 배치된 것을 특징으로 하는 듀얼셀 타입 분리판 조립체.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 금속판 및 제2 금속판 각각은,
   상기 금속판의 중앙부에 배치된 반응 영역; 상기 금속판의 4개의 모서리(edge) 중 하나의 모서리에서 상기 금속판의 내측으로 파여진 복수의 수소 덴트(hydrogen dent)를 구비한 하나의 수소 매니폴드(manifold) 영역; 상기 복수의 수소 덴트가 형성된 하나의 모서리를 제외한 금속판의 3개의 모서리 중 서로 등진 한 쌍의 모서리에 가까운 영역으로서, 공기가 통과하는 복수의 공기 통공을 구비한 제1 및 제2 공기 매니폴드(manifold) 영역; 및, 상기 복수의 수소 덴트가 형성된 금속판의 모서리의 양 단부에서 상기 금속판의 내측으로 파여진 복수의 냉각수 덴트(dent)를 구비한 제1 및 제2 냉각수 매니폴드 영역;을 구비하고,
   상기 제1 듀얼셀 타입 분리판의 금속판쌍에서,
   상기 반응 영역의 일 측면은 수소 가스(hydrogen gas)가 흐르는 수소 유동 표면이고, 상기 반응 영역의 타 측면은 냉각수가 흐르는 냉각수 유동 표면이며,
   상기 수소 유동 표면에는 수소 가스가 유동하도록 지그재그 경로를 따라 연장되고 요철(凹凸) 형상의 단면을 갖는 복수의 수소 채널(channel)이 형성된 것을 특징으로 하는 듀얼셀 타입 분리판 조립체.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 복수의 수소 채널은 각각, 상기 수소 매니폴드 영역에서 멀어지는 방향으로 흐르도록 수소 가스의 흐름을 유도하는 한 쌍의 순행(順行) 유로부와, 상기 수소 매니폴드 영역에 가까워지는 방향으로 흐르도록 수소 가스의 흐름을 유도하는 한 쌍의 역행(逆行) 유로부를 구비하고,
   상기 한 쌍의 순행 유로부와 한 쌍의 역행 유로부는, 서로 평행하게 연장되고 교번하여 배치된 것을 특징으로 하는듀얼셀 타입 분리판 조립체.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 금속판 및 제2 금속판 각각은,
   상기 금속판의 중앙부에 배치된 반응 영역; 상기 금속판의 4개의 모서리(edge) 중 하나의 모서리에서 상기 금속판의 내측으로 파여진 복수의 수소 덴트(hydrogen dent)를 구비한 하나의 수소 매니폴드(manifold) 영역; 상기 복수의 수소 덴트가 형성된 하나의 모서리를 제외한 금속판의 3개의 모서리 중 서로 등진 한 쌍의 모서리에 가까운 영역으로서, 공기가 통과하는 복수의 공기 통공을 구비한 제1 및 제2 공기 매니폴드(manifold) 영역; 및, 상기 복수의 수소 덴트가 형성된 금속판의 모서리의 양 단부에서 상기 금속판의 내측으로 파여진 복수의 냉각수 덴트(dent)를 구비한 제1 및 제2 냉각수 매니폴드 영역;을 구비하고,
   상기 제2 듀얼셀 타입 분리판의 금속판쌍에서,
   상기 반응 영역의 일 측면은 공기가 흐르는 공기 유동 표면이고, 상기 반응 영역의 타 측면은 냉각수가 흐르는 냉각수 유동 표면이며,
   상기 공기 유동 표면에는 공기가 유동하도록 일직선 경로를 따라 연장되고 요철(凹凸) 형상의 단면을 갖는 복수의 공기 채널(channel)이 형성된 것을 특징으로 하는 듀얼셀 타입 분리판 조립체.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 복수의 공기 채널은 각각, 상기 제1 공기 매니폴드 영역에 구비된 공기 통공에서 제1 공기 매니폴드 영역에 구비된 공기 통공을 향하여 최단 경로를 따라 연장된 직선 유로부를 구비하는 것을 특징으로 하는 듀얼셀 타입 분리판 조립체.
6. 제2 항 또는 제4 항에 있어서,
   상기 금속판의 두께는 80 내지 120㎛ 이고,
   상기 반응 영역의 일 측면에는 요철(凹凸) 형상의 단면을 갖는 채널(channel)이 형성되고,
   상기 채널의 깊이는 400 내지 600㎛ 인 것을 특징으로 하는 듀얼셀 타입 분리판 조립체.
7. 제2 항 또는 제4 항에 있어서,
   고무 소재로 형성된 가스켓(gasket)이 상기 하나의 수소 매니폴드 영역, 제1 및 제2 공기 매니폴드 영역, 및 제1 및 제2 냉각수 매니폴드 영역에 일체로 접합되고,
   상기 반응 영역의 외주변에 다수의 접합 보조 통공이 형성되고,
   상기 가스켓이 상기 금속판에 접합되는 표면적이 커지도록 상기 가스켓의 고무 소재가 상기 다수의 접합 보조 통공에 채워지는 것을 특징으로 하는 듀얼셀 타입 분리판 조립체.
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