KR101992322B1 - Gasket embedded separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속판에 고무 소재의 가스켓이 일체로 접합된 연료전지용 가스켓 일체형 분리판에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
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.Fuel Cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy. PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) has lower operating temperature than other types of fuel cells, and has a quick start and response characteristic. It is also possible to modify methanol, ethanol or natural gas By using hydrogen as a fuel, it has a wide range of applications such as a mobile power source used in automobiles, a distributed power source such as a house, a public building, and a small power source such as an electronic device.
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. On the other hand, in a fuel cell, a unit cell itself has a stack structure in which unit cells are stacked because the voltage is low and practicality is low. Specifically, the fuel cell stack has a structure in which unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator are stacked in several to several hundred layers. The membrane-electrode assembly has a structure in which an anode electrode, also called a fuel electrode or an oxidation electrode, and a cathode electrode, which is also called an air electrode or a reduction electrode, are attached with an electrolyte membrane sandwiched therebetween.
분리판은, 기체 확산층(GDL: gas diffusion layer)과 막-전극 집합체를 구조적으로 지지하는 역할과, 연료전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 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 산소가 공급된다. 이 과정에서 상기 애노드 전극에서는 수소 가스의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 상기 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원이 반응이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 반응열이 발생하고, 물이 생성된다. 상기 반응열을 냉각하기 위하여 분리판의 냉각 유로에는 냉각수가 공급된다.The separator plate has a function of structurally supporting a gas diffusion layer (GDL) and a membrane-electrode assembly, a function of supplying hydrogen gas and oxygen necessary for the reaction of the fuel cell, and an anode electrode And serves as a conductor for connecting the cathode electrodes in series. Particularly, hydrogen gas is supplied to the anode electrode and oxygen is supplied to the cathode electrode by the separation plate. In this process, an electrochemical oxidation reaction of hydrogen gas occurs at the anode electrode, and an electrochemical reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode. At this time, due to the movement of generated electrons, reaction heat is generated with electricity, . In order to cool the reaction heat, cooling water is supplied to the cooling passage of the separator plate.
연료전지용 가스켓(gasket)은, 막-전극 집합체와 겹쳐진 반응 영역으로 수소 가스, 공기, 및 냉각수가 않고 원활하게 투입되고, 상기 반응 영역으로부터 원활하게 배출되도록 유도한다. 또한, 분리판과 막-전극 집합체 사이의 간격을 일정하게 유지하며, 상기 수소 가스, 공기, 및 냉각수가 서로 섞이거나 유출되지 않도록 밀봉한다. A gasket for a fuel cell is smoothly introduced into the reaction region overlapping with the membrane electrode assembly without hydrogen gas, air, and cooling water, and is guided to be smoothly discharged from the reaction region. Also, the gap between the separator and the membrane-electrode assembly is kept constant, and the hydrogen gas, air, and cooling water are sealed so as not to be mixed with each other or leaked out.
한편, 연료전지 스택(stack)을 조립할 때 분리판, 막-전극 집합체, 가스켓을 용이하게 정렬하고 빠르게 적층할 수 있게 가스켓이 분리판에 일체로 접합된 가스켓 일체형 분리판이 공지되어 있으며, 일 예가 대한민국 등록특허공보 제10-1134429호에 개시되어 있다. 그런데, 연료전지 스택을 형성하기 위해 상기 종래의 가스켓 일체형 분리판을 적층할 때, 안내 라인에 하중이 집중되어 메인 라인(main line)에는 접촉 면압이 약해지고, 이로 인해 서로 다른 반응 가스가 섞이는 문제가 있다. On the other hand, there is known a gasket integral separator plate in which a gasket is integrally bonded to a separator plate so that the separator plate, the membrane-electrode assembly, and the gasket can be easily aligned and laminated when the fuel cell stack is assembled, And is disclosed in Patent Registration No. 10-1134429. However, when the conventional gasket integrated type separator is laminated to form the fuel cell stack, the load is concentrated on the guide line, and the contact surface pressure is weakened in the main line, have.
본 발명은 이종(異種) 유체 간의 섞임이나 유체 유출이 없도록 밀봉 성능이 향상되는 연료전지용 가스켓 일체형 분리판이 개시된다. Disclosed is a gasket integral type separator for a fuel cell in which sealing performance is improved so that no mixing or fluid outflow occurs between different types of fluids.
본 발명은, 연료전지 스택을 구성하는 분리판으로서, 금속 소재로 형성된 판(plate) 형상 부재로서, 일 측면은 반응 가스가 흐르는 반응 가스 측면이고 반대 측면은 냉각수가 흐르는 냉각수 측면이고, 중앙부에 배치된 반응 영역과, 상기 반응 영역의 바깥에 배치된 복수의 반응 가스 통공 및 복수의 냉각수 통공을 구비한 금속판, 고무 소재로 형성되고, 상기 금속판의 반응 가스 측면에서 상기 반응 영역을 제외한 영역에 상기 복수의 반응 가스 통공 및 복수의 냉각수 통공을 폐쇄하지 않게 적층되는 반응 가스 측면 가스켓, 및 고무 소재로 형성되고, 상기 금속판의 냉각수 측면에서 상기 반응 영역을 제외한 영역에 상기 복수의 반응 가스 통공 및 복수의 냉각수 통공을 폐쇄하지 않게 적층되는 냉각수 측면 가스켓을 구비하고, 상기 반응 가스 측면 가스켓 및 냉각수 측면 가스켓은 각각, 상기 반응 가스 통공과 반응 영역 사이에서 상기 반응 영역의 경계선과 평행하게 연장된 씰링 보강부를 구비하고, 상기 반응 가스 측면 가스켓의 씰링 보강부와 상기 냉각수 측면 가스켓의 씰링 보강부는 상기 금속판을 사이에 두고 겹쳐지게 정렬된 연료전지용 가스켓 일체형 분리판을 제공한다. The present invention relates to a separator plate constituting a fuel cell stack, which is a plate-like member formed of a metal material, wherein one side is a side of the reaction gas through which the reaction gas flows, and the opposite side is a side of the cooling water through which the cooling water flows, A plurality of reaction gas through holes and a plurality of cooling water through holes disposed outside the reaction region, and a rubber plate made of a rubber material, wherein the plurality of A reaction gas side gasket laminated so as not to close the reaction gas through holes and a plurality of cooling water through holes, and a rubber gasket formed on the cooling water side of the metal plate except for the reaction zone, And a cooling water side gasket laminated so as not to close the through hole, wherein the reaction gas side gasket And the cooling water side gasket each have a sealing reinforcement extending parallel to the boundary line of the reaction zone between the reaction gas through hole and the reaction zone, wherein the sealing reinforcement of the reaction gas side gasket and the sealing reinforcement of the cooling water side gasket And a gasket integral type separator for a fuel cell, wherein the gasket integral type separator plates are arranged so as to overlap with each other with the metal plate interposed therebetween.
상기 냉각수 측면 가스켓은, 상기 반응 영역의 경계선과 교차하며 반응 영역 측으로 돌출되어서, 상기 반응 영역의 경계선을 따라 흐르는 냉각수를 상기 반응 영역의 중심 측으로 안내하는 안내 돌기부를 더 구비할 수 있다. The cooling water side gasket may further include a guide protrusion which protrudes toward the reaction area side intersecting the boundary line of the reaction area and guides the cooling water flowing along the boundary line of the reaction area toward the center of the reaction area.
상기 연료전지용 가스켓 일체형 분리판은 상기 금속판을 한 쌍 구비하고, 상기 한 쌍의 금속판은 하나의 평면에 인접하여 배치되고, 상기 연료전지용 가스켓 일체형 분리판은, 고무 소재로 형성되고, 상기 한 쌍의 금속판에 적층된 반응 가스 측면 가스켓 및 냉각수 측면 가스켓과 일체로 형성되어 상기 한 쌍의 금속판을 연결시키는 연결 가스켓을 더 구비하고, 상기 연결 가스켓의 두께는, 상기 반응 가스 측면 가스켓의 두께, 상기 냉각수 측면 가스켓의 두께, 및 상기 금속판의 두께의 합(合)보다 클 수 있다. Wherein the gasket integral type separator for a fuel cell has a pair of the metal plates, the pair of metal plates are disposed adjacent to one plane, the gasket integral separator plate for a fuel cell is formed of a rubber material, A connecting gasket integrally formed with the reaction gas side gasket and the cooling water side gasket laminated on the metal plate to connect the pair of metal plates, wherein the thickness of the connecting gasket is determined by the thickness of the reaction gas side gasket, The thickness of the gasket, and the thickness of the metal plate.
상기 반응 가스 측면 가스켓 및 냉각수 측면 가스켓은 각각, 상기 연결 가스켓에 인접하고 상기 금속판의 말단에 겹쳐지게 적층되는 금속판 말단 가스켓부를 구비하고, 상기 연결 가스켓의 두께는, 상기 반응 가스 측면 가스켓의 금속판 말단 가스켓부의 두께, 상기 냉각수 측면 가스켓의 금속판 말단 가스켓부의 두께, 및 상기 금속판의 두께의 합보다 50 내지 200㎛ 더 클 수 있다. The reaction gas side gasket and the cooling water side gasket each have a metal plate end gasket portion adjacent to the connection gasket and stacked on the end of the metal plate, The thickness of the gasket at the end of the metal plate of the cooling water side gasket, and the thickness of the metal plate.
상기 한 쌍의 금속판은 상기 연료전지용 가스켓 일체형 분리판을 반분하는 가상의 중앙선에 대해 서로 대칭되고, 상기 한 쌍의 금속판이 상기 연결 가스켓에 의해 연결되어 상기 연료전지용 가스켓 일체형 분리판의 중앙부에 상기 복수의 반응 통공 및 복수의 냉각수 통공 중 적어도 일부의 통공이 형성될 수 있다. Wherein the pair of metal plates are symmetrical with respect to an imaginary center line bisecting the gasket integral type separator for fuel cells and the pair of metal plates are connected by the connection gasket, And at least a part of the through holes of the plurality of cooling water holes may be formed.
상기 반응 가스 측면 가스켓 및 냉각수 측면 가스켓은, 상기 금속판을 금형(mold) 내에 삽입 고정하고 상기 고무 소재에 대응되는 용융된 수지를 상기 금형 내에 사출 주입하는 삽입 사출에 의해 형성되고, 상기 반응 가스 측면 가스켓 및 냉각수 측면 가스켓에는 상기 금속판이 상기 금형 내에서 휘지 않도록 접촉 지지되어서 상기 고무 소재가 채워지지 않고 상기 금속판이 노출되는 금속판 고정용 홈(groove)이 형성될 수 있다.The reaction gas side gasket and the cooling water side gasket are formed by insert injection in which the metal plate is inserted and fixed in a mold and injection molten resin corresponding to the rubber material is injected into the mold, And the cooling water side gasket may be formed with grooves for fixing the metal plate so that the metal plate is not contacted with the metal mold so as to be bent so that the rubber material is not filled but the metal plate is exposed.
상기 금속판에는 상기 반응 영역의 바깥에 다수의 접합 보조 통공이 형성되고, 상기 반응 가스 측면 가스켓이 상기 금속판에 접합되는 표면적이 커지도록, 상기 반응 가스 측면 가스켓의 고무 소재가 상기 다수의 접합 보조 통공에 채워질 수 있다. A plurality of joining auxiliary holes are formed in the metal plate outside the reaction zone and a rubber material of the reaction gas side gasket is adhered to the plurality of joining auxiliary holes so that the surface area of joining the reaction gas side gasket to the metal plate becomes large. Can be filled.
상기 냉각수 측면 가스켓의 두께가 상기 반응 가스 측면 가스켓의 두께보다 클 수 있다. The thickness of the cooling water side gasket may be greater than the thickness of the reaction gas side gasket.
본 발명의 연료전지용 가스켓 일체형 분리판은, 금속판의 반응 가스 측면과 냉각수 측면에 각각 반응 영역의 경계선과 평행하게 연장되고 서로 겹쳐지게 정려된 씰링 보강부를 구비한다. 따라서, 다수의 연료전지용 가스켓 일체형 분리판과 막-전극 집합체가 적층되어 연료전지 스택이 조립된 경우에 씰링 보강부끼리 밀착 압축되어 반응 영역과 반응 통공 사이에 부분적으로 약해지는 지점이 없이 균일하게 면압이 향상되므로, 이종(異種) 유체 간의 섞임이나 유체 유출이 없이 신뢰성 있게 밀봉 성능이 향상된다. The gasket integral type separator for a fuel cell of the present invention has a sealing reinforcement portion extending parallel to a boundary line of a reaction region on a side of a reaction gas and a side of a cooling water of a metal plate and overlapping each other. Therefore, when a plurality of gasket integrated type separators for fuel cells and membrane-electrode assemblies are stacked to assemble the fuel cell stack, the sealing reinforcement parts are pressed and pressed uniformly to form a uniform pressure The sealing performance can be reliably improved without intermixing of different kinds of fluids or fluid outflow.
안내 돌기부를 구비하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 가스켓 일체형 분리판에 의하면, 반응 영역 주변부를 따라 흐르는 냉각수가 반응 영역의 중심부 측으로 유도되어 연료전지 스택에서 냉각 효율이 향상되고 과열이 예방된다. According to the gasket integrated type separator for a fuel cell according to the preferred embodiment of the present invention, the cooling water flowing along the periphery of the reaction zone is guided to the center of the reaction zone to improve cooling efficiency and prevent overheating of the fuel cell stack .
연결 가스켓을 구비하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 가스켓 일체형 분리판을 적층하여 연료전지 스택을 조립하게 되면, 연결 가스켓이 반응 가스 측면 가스켓과 냉각수 측면 가스켓보다 더 많이 밀착 압축된다. 따라서, 연결 가스켓이 금속판 상에 적층 지지되지 않더라도, 연결 가스켓 부분의 면압이 반응 가스 측면 가스켓 및 냉각수 측면 가스켓의 면압과 대등하게 유지되며, 연결 가스켓 부분으로의 유체 유출이 없이 신뢰성 있게 밀봉 성능이 향상된다. When the fuel cell stack is assembled by stacking the gasket integrated type separator for a fuel cell according to the preferred embodiment of the present invention having the connection gasket, the connection gasket is compressed more tightly than the reaction gas side gasket and the cooling water side gasket. Therefore, even if the connecting gasket is not laminated and supported on the metal plate, the surface pressure of the connecting gasket portion is kept equal to the surface pressure of the reaction gas side gasket and the cooling water side gasket, and the sealing performance is reliably improved do.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스켓 일체형 분리판을 구비한 듀얼셀 타입 연료전지 스택을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 제1 가스켓 일체형 분리판을 도시한 평면도 및 저면도이다.
도 4는 도 2의 제1 금속판을 도시한 평면도이다.
도 5는 도 1의 제2 가스켓 일체형 분리판을 도시한 평면도이다.
도 6은 도 5의 제2 금속판을 도시한 평면도이다.
도 7은 도 2의 VII 부분을 확대 도시한 도면이다.
도 8은 도 5의 VIII 부분을 확대 도시한 도면이다.
도 9는 도 1의 듀얼셀 타입 연료전지 스택의 일 부분을 밀착되지 않은 상태로 확대 도시한 단면도로서, 도 2의 IX-IX에 대응되는 부분의 단면도이다.
도 10은 도 1의 듀얼셀 타입 연료전지 스택의 다른 일 부분을 밀착된 상태로 확대 도시한 단면도로서, 도 2의 X-X에 대응되는 부분의 단면도이다. 1 is a schematic view showing a dual cell type fuel cell stack having a gasket integral type separator according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 and Fig. 3 are a plan view and a bottom view showing the first gasket integrated separator of Fig. 1;
FIG. 4 is a plan view showing the first metal plate of FIG. 2. FIG.
FIG. 5 is a plan view showing the second gasket integrated separator of FIG. 1; FIG.
FIG. 6 is a plan view showing the second metal plate of FIG. 5;
7 is an enlarged view of a portion VII in Fig.
8 is an enlarged view of a portion VIII in Fig.
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the dual-cell fuel cell stack of FIG. 1 in a non-contact state, and is a cross-sectional view of a portion corresponding to IX-IX of FIG.
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of another portion of the dual-cell fuel cell stack of FIG. 1 in an adhered state, and is a cross-sectional view of a portion corresponding to XX in FIG.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가스켓 일체형 분리판을 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.Hereinafter, a gasket integral type separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The terminology used herein is a term used to properly express the preferred embodiment of the present invention, which may vary depending on the intention of the user or operator or the custom in the field to which the present invention belongs. Therefore, the definitions of these terms should be based on the contents throughout this specification.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스켓 일체형 분리판을 구비한 듀얼셀 타입 연료전지 스택을 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 1을 참조하면, 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)은 복수의 듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)와, 복수의 막-전극 집합체(MEA)(153)와, 애노드 집전체(anode current collector)(161)과, 캐소드 집전체(cathode current collector)(162)를 구비한다. 복수의 듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)와, 복수의 막-전극 집합체(153)는 Z축과 평행한 방향으로 교번하여 배열되고, 서로 밀착된다. XY 평면과 평행한 일 평면에 막-전극 집합체(153)가 한 쌍씩 배치되어서, 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)이 형성된다. 1 is a schematic view showing a dual cell type fuel cell stack having a gasket integral type separator according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the dual cell type
막-전극 집합체(153)는 박막(membrane)(154)(도 10 참조)과, 상기 박막(154)의 일 측면 및 반대 측면에 적층된 애노드 전극(anode electrode)(155)(도 10 참조) 및 캐소드 전극(cathode electrode)(156)(도 10 참조)을 구비한다. 각각의 듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)는 동일한 평면에 배치된 한 쌍의 막-전극 집합체(153)의 애노즈 전극(155)에 대면(對面) 접촉되는 제1 가스켓 일체형 분리판(110)과, 동일한 평면에 배치된 한 쌍의 막-전극 집합체(153)의 캐소드 전극(156)에 대면 접촉되는 제2 가스켓 일체형 분리판(130)을 구비한다. The membrane-
애노드 집전체(161)는 연료전지 스택(150)에서 가장 외곽에 배치된 제2 분리판(130)을 가리도록 그 바깥 측에 배치되고, 캐소드 집전체(162)는 연료전지 스택(150)에서 가장 외곽네 배치된 제1 분리판(110)을 가리도록 그 바깥 측에 배치된다. 도 1에 도시되진 않았으나, 듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)와 막-전극 집합체(153) 사이, 듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)와 애노드 집전체(161) 사이, 및 듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)와 캐소드 집전체(162) 사이에는 기체 확산층(GDL: gas diffusion layer)이 개재될 수 있다. The anode
도 2 및 도 3은 도 1의 제1 가스켓 일체형 분리판을 도시한 평면도 및 저면도이고, 도 4는 도 2의 제1 금속판을 도시한 평면도이고, 도 5는 도 1의 제2 가스켓 일체형 분리판을 도시한 평면도이고, 도 6은 도 5의 제2 금속판을 도시한 평면도이고, 도 7은 도 2의 VII 부분을 확대 도시한 도면이고, 도 8은 도 5의 VIII 부분을 확대 도시한 도면이고, 도 9는 도 1의 듀얼셀 타입 연료전지 스택의 일 부분을 밀착되지 않은 상태로 확대 도시한 단면도로서, 도 2의 IX-IX에 대응되는 부분의 단면도이며, 도 10은 도 1의 듀얼셀 타입 연료전지 스택의 다른 일 부분을 밀착된 상태로 확대 도시한 단면도로서, 도 2의 X-X에 대응되는 부분의 단면도이다. 이하에서 편의상 제1 듀얼셀 타입 분리판(110)은 '제1 분리판'으로, 제2 듀얼셀 타입 분리판(130)은 '제2 분리판'으로 칭한다. 2 and 3 are a plan view and a bottom view of the first gasket integrated separator of FIG. 1, FIG. 4 is a plan view of the first metal plate of FIG. 2, FIG. 6 is a plan view showing the second metal plate of FIG. 5, FIG. 7 is an enlarged view of the portion VII of FIG. 2, and FIG. 8 is an enlarged view of the portion VIII of FIG. And FIG. 9 is a cross-sectional view of a portion of the dual cell type fuel cell stack of FIG. 1 in an enlarged state without being closely contacted, and is a sectional view of a portion corresponding to IX-IX of FIG. 2, Sectional view of another portion of the cell-type fuel cell stack in an enlarged close-up view, and is a cross-sectional view of a portion corresponding to XX in Fig. Hereinafter, the first dual
도 2 내지 도 4를 함께 참조하면, 제1 분리판(110)은 한 쌍의 제1 금속판(10)을 구비하고, 상기 한 쌍의 제1 금속판(10)은 제1 분리판(110)을 반분하며 Y축과 평행한 가상의 직선인 Y축 중앙선(CY)에 대해 대칭되게 배치된다. 제1 분리판(110)은 한 쌍의 제1 금속판(10), 및 상기 한 쌍의 제1 금속판(10)에 접합 지지된 제1 가스켓(111)을 구비한다. Referring to FIGS. 2 to 4, the
상기 제1 금속판(10)은 금속 소재로 형성된 사각형 판(plate) 형상의 부재로서, 소위 '애노드(anode) 접촉 금속판'이다. 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)(도 1 참조)에서 제1 금속판(10)의 반응 영역(15)은 막-전극 집합체(153)의 애노드 전극(155)과 대면(對面) 접촉된다. 도 2 및 도 4에서 보이는 제1 금속판(10)의 일 측면은 제1 반응 가스인 수소 가스(hydrogen gas)가 흐르는 반응 가스 측면이고, 그 반대 측면은 냉각수가 흐르는 냉각수 측면이다. 상기 제1 금속판(10)의 소재는 예컨대, 스테인레스강(stainless steel), 알루미늄합금강(aluminum alloy steel), 니켈합금강(nickel alloy steel)일 수 있다. The
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 4에서 2점 쇄선으로 한정된 영역(30)은 제1 반응 가스 매니폴드 영역, 즉 수소 매니폴드 영역이다. 수소 매니폴드 영역(30)에는 상기 제1 모서리(11)에서 제1 금속판(10)의 내측으로 파여진 제1 및 제2 수소 덴트(hydrogen dent)(31, 33)가 구비된다. 상기 제1 및 제2 수소 덴트(31, 33)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. The planar shape of the
반응 영역(15)에 가까운 수소 덴트(31, 33)의 일 측 모서리에는 반응 영역(15) 측으로 연장되며 서로 이격된 다수의 게이트(gate)(32, 34)가 형성된다. 제1 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. A plurality of
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 4에서 2점 쇄선으로 한정된 영역(35, 38)은 제2 반응 가스 매니폴드 영역, 즉 공기 매니폴드 영역으로 한 쌍이 마련된다. 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. In FIG. 4, a pair of equally spaced corners of the three corners except for the
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 내측으로 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. The
상기 제1 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. The same cooling water dents (42, 44) of the pair of first metal plates (10) in the first separator plate (110) are connected one-to-one to connect the first and second cooling water holes (103, 104) are formed.
도 2 및 도 4에 보이는 반응 가스 측면의 반응 영역(15)에 막-전극 집합체(153)(도 10 참조)의 애노드 전극(155)(도 10 참조)이 대면 접촉된다. 상기 반응 가스 측면의 반응 영역(15)에는 한 쌍의 수소 통공(101, 102) 중 제1 수소 통공(101)으로부터 유입된 수소 가스가 제2 수소 통공(102)으로 배출될 때까지 상기 반응 영역(15)을 유동하도록 지그재그(zigzag) 경로를 따라 연장된 복수의 수소 채널(channel)(20)이 형성된다. 복수의 수소 채널(20)은 교차하지 않고 평행하게 연장된다. The anode electrode 155 (see Fig. 10) of the membrane-electrode assembly 153 (see Fig. 10) is in face-to-face contact with the
도 10에 도시된 바와 같이 수소 채널(20)은 요철(凹凸) 형상의 단면을 갖는다. 금속판을 프레스 금형에 안착하고 스탬핑(stamping) 가공하여 요철 형상 단면을 갖는 수소 채널(20)을 형성하게 되므로, 제1 금속판(10)의 반응 가스 측면에서 오목하게 파여져 형성된 수소 채널(20)이 도 3에서 보이는 제1 금속판(10)의 냉각수 측면에서는 볼록하게 돌출 형성된 둑(embankment)이 된다. 또한, 상기 냉각수 측면의 반응 영역(15)에서는 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. As shown in Fig. 10, the
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. Each of the
각각의 수소 채널(20)의 양측 말단(26, 27)은 제1 및 제2 수소 덴트(31, 33)에 형성된 게이트(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(32)에 일대일로 대응되게 위치하고, 제2 역행 유로부(24)에 가까운 타 측 말단(27)은, 제2 수소 덴트(33)에 형성된 복수의 게이트(34)에 일대일로 대응되게 위치한다. 제1 수소 덴트(31)에 형성된 게이트(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(34)로 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. Both ends 26,27 of each
반응 영역(15)의 바깥에는 다수의 접합 보조 통공(45)이 형성된다. 다수의 접합 보조 통공(45)은 반응 영역(15)을 한정하는 경계선(AR1, AR2, AR3, AR4)을 따라 일렬로 이격되게 배열되며, 제1 및 제2 냉각수 덴트(42, 44)와 반응 영역(15) 사이에 대각선을 따라 이격되게 배열된다. 다만, 상기 수소 채널(20)의 말단(26, 27)과 게이트(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), 구체적으로는 반응 가스 측면 가스켓(112)이 제1 금속판(10)에 접합되는 표면적이 커지게 된다. 따라서, 상기 제1 가스켓(111)이 제1 금속판(10)에 더욱 견고하게 일체로 접합된다. A plurality of joining
제1 금속판(10)의 4곳의 코너에 인접한 지점에는 복수의 삽입 사출 정렬 통공(47)이 형성된다. 상기 제1 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. A plurality of insertion injection aligning through
상기 제1 금속판(10)은 제1 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(32)와 타 측의 수소 덴트(33) 및 게이트(34)가 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.The
제1 가스켓(111)은 고무 소재로 형성되며, 한 쌍의 제1 금속판(10)의 반응 가스 측면에 접합 적층된 반응 가스 측면 가스켓(112)과, 한 쌍의 제1 금속판(10)의 냉각수 측면에 접합 적층된 냉각수 측면 가스켓(121)과, 한 쌍의 제1 금속판(10) 중 일 측의 금속판(10)과 타 측의 금속판(10)을 연결시키는 연결 가스켓(128)을 구비한다. 도 2 및 도 3에서 제1 가스켓(111)을 제1 금속판(10)과 구분하여 식별하기 용이하도록 상기 제1 가스켓(111)은 해칭(hatching) 표현된다. The
반응 가스 측면 가스켓(112)은 제1 금속판(10)의 반응 가스 측면에서 반응 영역(15)을 제외한 영역에 적층되나, 수소 통공(101, 102), 게이트(32, 34), 냉각수 통공(103, 104), 공기 통공(36, 39), 및 삽입 사출 정렬 통공(47)을 폐쇄하지 않게 적층된다. 그리고, 도 2 및 도 10에 도시된 바와 같이 반응 가스 측면 가스켓(112)은 접합 보조 통공(45)이 가리워지도록 적층된다. 한편, 참조번호 '115'은 고무 부재가 적층되지 않아 제1 금속판(10)의 반응 가스 측면이 노출된 부분으로서, 공기 통공(36, 39)과 반응 영역(15)(도 4 참조) 사이에 공기의 유동을 신뢰성 있게 차단하기 위한 유동 차단 홈(groove)을 가리킨다. The reaction
반응 영역(15)을 한정하는 경계선은, 제1 모서리(11)에 가까운 제1 경계선(AR1), 제2 모서리(12)에 가까운 제2 경계선(AR2), 제3 모서리(13)에 가까운 제3 경계선(AR3), 및 제4 모서리(14)에 가까운 제4 경계선(AR4)을 포함한다. 제1 분리판(110)의 반응 가스 측면 가스켓(112)은 제1 및 제2 수소 통공(101, 102)과 반응 영역(15) 사이에서 상기 제1 경계선(AR1)과 평행하게 연장된 제1 씰링 보강부(113), 및 제1 및 제2 공기 통공(36, 39)과 반응 영역(15) 사이에서 상기 제2 및 제4 경계선(AR2, AR3)와 평행하게 연장된 제2 씰링 보강부(114)를 구비한다. The boundary line defining the
상기 제1 씰링 보강부(113)는 일정한 폭으로 Y축과 평행하게 연장되며, 제1 수소 통공(101)과 제2 수소 통공(102) 사이를 제외하고는 중간에 끊어지지 않고 연장된다. 상기 제2 씰링 보강부(114)는 일정한 폭으로 X축과 평행하게 연장되며, 인접한 제1 공기 통공(36) 사이 및 인접한 제2 공기 통공(39) 사이에서 끊김 없이 연장된다. 도 2에서 식별하기 용이하도록 상기 제1 및 제2 씰링 보강부(113, 114)는 이점 쇄선으로 표시되어 있으나, 실제로는 반응 영역 측면 가스켓(112)에서 제1 및 제2 씰링 보강부(113, 114)와 그 주변의 가스켓이 명확하게 구분되지 않을 수 있다. The first
냉각수 영역 가스켓(121)은, 제1 금속판(10)의 냉각수 측면에서 반응 영역(15)을 제외한 영역에 적층되나, 수소 통공(101, 102), 게이트(32, 34), 냉각수 통공(103, 104), 공기 통공(36, 39), 및 삽입 사출 정렬 통공(47)을 폐쇄하지 않게 적층된다. 그리고, 도 3에 도시된 바와 같이 냉각수 측면 가스켓(121)은 접합 보조 통공(45)을 가리도록 적층되지는 않는다. The cooling
한 쌍의 제1 금속판(10)의 냉각수 측면에는 제1 및 제2 냉각수 통공(103, 104)과 반응 영역(15) 사이에서 대각선 방향을 따라 고무 소재가 적층되지 않아서 제1 금속판(10)이 노출된 제1 및 제2 냉각수 유로(122A, 122B)가 마련된다. 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)(도 1 참조) 내부로 공급된 냉각수는, 제1 냉각수 통공(103)으로부터 상기 제1 냉각수 유로(122A)를 통해 냉각수 측면의 반응 영역(15)으로 유입되고, 제2 냉각수 유로(122B)를 통해 제2 냉각수 통공(104)으로 이동하고 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)의 외부로 배출된다. 제1 금속판(10)의 반응 가스 측면에 적층된 반응 가스 측면 가스켓(112)과, 냉각수 측면에 적층된 냉각수 측면 가스켓(121)이 겹쳐진 영역을 쉽게 비교 파악할 수 있도록 도 2에 상기 냉각수 측면 가스켓(121)의 경계가 점선으로 표현되어 있다. A rubber material is not laminated along the diagonal direction between the first and second cooling water through
반응 가스 측면 가스켓(112)의 경우와 마찬가지로, 제1 분리판(110)의 냉각수 측면 가스켓(121)은 제1 및 제2 수소 통공(101, 102)과 반응 영역(15) 사이에서 상기 제1 경계선(AR1)과 평행하게 연장된 제1 씰링 보강부(123), 및 제1 및 제2 공기 통공(36, 39)과 반응 영역(15) 사이에서 상기 제2 및 제4 경계선(AR2, AR3)와 평행하게 연장된 제2 씰링 보강부(124)를 구비한다. As in the case of the reaction
상기 제1 씰링 보강부(123)는 일정한 폭으로 Y축과 평행하게 연장되며, 제1 수소 통공(101)과 제2 수소 통공(102) 사이를 제외하고는 중간에 끊어지지 않고 연장된다. 상기 제2 씰링 보강부(124)는 일정한 폭으로 X축과 평행하게 연장되며, 인접한 제1 공기 통공(36) 사이 및 인접한 제2 공기 통공(39) 사이에서 끊김 없이 연장된다. 도 3에서 식별하기 용이하도록 상기 제1 및 제2 씰링 보강부(123, 124)는 이점 쇄선으로 표시되어 있으나, 실제로는 냉각수 측면 가스켓(121)에서 제1 및 제2 씰링 보강부(123, 124)와 그 주변의 가스켓이 명확하게 구분되지 않을 수 있다. 상기 반응 가스 측면 가스켓(112)의 제1 및 제2 씰링 보강부(113, 114)와 상기 냉각수 측면 가스켓(121)의 제1 및 제2 씰링 보강부(123, 124)는 제1 금속판(10)을 사이에 두고 겹쳐지게 정렬된다. The first
냉각수 측면 가스켓(121)은 반응 영역(15)의 제1 경계선(AR1) 및 제3 경계선(AR3)과 교차하며 반응 영역(15) 측으로 돌출된 안내 돌기부(125)를 구비한다. 바람직하게는 상기 안내 돌기부(125)는 제1 경계선(AR1) 및 제3 경계선(AR3)과 직교하도록 X축과 평행하게 돌출될 수 있다. 상기 제1 냉각수 유로(122A)를 통해 냉각수 측면의 반응 영역(15)으로 유입된 냉각수는 냉각수 유로(131)를 따라 흐르며 열 교환을 통해 제1 분리판(110)의 반응 영역(15) 및 제2 분리판(130)(도 5 참조)의 반응 영역(55)(도 6 참조)을 냉각하고, 상기 제2 냉각수 유로(122B)를 통해 반응 영역(15, 55) 밖으로 배출된다. 그런데, 상기 제1 냉각수 유로(122A)를 통해 반응 영역(15, 55)으로 유입된 냉각수 중 일부는 제1 분리판(110)의 반응 영역(15)의 외주 부분, 즉 경계선(AR1, AR2, AR3, AR4)과, 제2 분리판(130)의 반응 영역(55) 외주 부분, 즉 경계선(CR1, CR2, CR3, CR4)의 주변을 따라서만 이동하고, 상기 제2 냉각수 유로(122B)를 통해 흘러 나갈 수 있다. 이로 인해 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)의 냉각 효율이 저하될 수 있다. The cooling
그런데, 상기 안내 돌기부(125)가 상기 반응 영역(15, 55)의 경계선을 따라 흐르는 냉각수를 가로막고 흐름의 방향을 반응 영역(15, 55)의 중심부 측으로 전환시키므로, 보다 많은 양의 냉각수가 반응 영역(15, 55)의 중심부 측으로 유도되어 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)에서 냉각 효율이 향상되고 과열이 예방된다. Since the
제1 분리판(110)의 연결 가스켓(128)은 한 쌍의 제1 금속판(10)에 적층된 한 쌍의 반응 가스 측면 가스켓(112) 및 한 쌍의 냉각수 측면 가스켓(121)과 일체로 형성되어 상기 한 쌍의 제1 금속판(10)을 연결시키는 가스켓으로서, 상기 Y축 중앙선(CY)을 따라 연장된다. 상기 연결 가스켓(128)에 의해 한 쌍의 제1 금속판(10)의 제1 및 제2 수소 덴트(31, 33) 및 제1 및 제2 냉각수 덴트(42, 44)가 이어져서 제1 및 제2 수소 통공(101, 102) 및 제1 및 제2 냉각수 통공(103, 104)이 형성된다. The connecting
도 2, 도 3, 및 도 9를 함께 참조하면, 상기 연결 가스켓(128)의 두께(TAC)는 반응 가스 측면 가스켓(112)의 두께, 냉각수 측면 가스켓(121)의 두께, 및 제1 금속판(10)의 두께(TH1)의 합(合)보다 크다. 구체적으로, 반응 가스 측면 가스켓(112) 및 냉각수 측면 가스켓(121)은 각각, 연결 가스켓(128)에 인접하고 한 쌍의 제1 금속판(10)의 말단, 즉 제1 모서리(11)의 주변부에 겹쳐지게 적층되는 반응 가스 측면 금속판 말단 가스켓부(116) 및 냉각수 측면 금속판 말단 가스켓부(126)를 구비한다. 상기 반응 가스 측면 금속판 말단 가스켓부(116) 및 냉각수 측면 금속판 말단 가스켓부(126)는 연결 가스켓부(128)와 마찬가지로 Y축과 평행하게 연장된다. 2, 3, and 9, the thickness TAC of the
상기 연결 가스켓(128)의 두께(TAC)는 상기 반응 가스 측면 금속판 말단 가스켓부(116)의 두께(TAG), 상기 냉각수 측면 금속판 말단 가스켓부(126)의 두께(TAW), 및 제1 금속판(10)의 두께(TH1)의 합보다 50 내지 200㎛ 더 크다. 여기서, 상기 연결 가스켓 (128)의 두께(TAC), 상기 반응 가스 측면 금속판 말단 가스켓부(116)의 두께(TAG), 및 상기 냉각수 측면 금속판 말단 가스켓부(126)의 두께(TAW)는 Z축과 평행한 방향으로 압축되지 않은 상태에서 측정되는 두께이다. The thickness TAC of the connecting
도 5 및 도 6을 함께 참조하면, 제2 분리판(130)은 한 쌍의 제2 금속판(50)을 구비하고, 상기 한 쌍의 제2 금속판(50)은 제2 분리판(130)을 반분하며 Y축과 평행한 가상의 직선인 Y축 중앙선(CY)에 대해 대칭되게 배치된다. 제2 분리판(130)은 한 쌍의 제2 금속판(50), 및 상기 한 쌍의 제2 금속판(50)에 접합 지지된 제2 가스켓(131)을 구비한다. 5 and 6, the
상기 제2 금속판(50)은 금속 소재로 형성된 사각형 판(plate) 형상의 부재로서, 소위 '캐소드(cathode) 접촉 금속판'이다. 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)(도 1 참조)에서 제2 금속판(50)의 반응 영역(55)은 막-전극 집합체(153)의 캐노드 전극(156)과 대면(對面) 접촉된다. 도 5 및 도 6에서 보이는 제2 금속판(50)의 일 측면은 제2 반응 가스인 공기가 흐르는 반응 가스 측면이고, 그 반대 측면은 냉각수가 흐르는 냉각수 측면이다. 상기 제2 금속판(50)의 소재는 예컨대, 스테인레스강(stainless steel), 알루미늄합금강(aluminum alloy steel), 니켈합금강(nickel alloy steel)일 수 있다. The
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 6에서 2점 쇄선으로 한정된 영역(70)은 제1 반응 가스 매니폴드 영역, 즉 수소 매니폴드 영역이다. 수소 매니폴드 영역(70)에는 상기 제1 모서리(51)에서 제2 금속판(50)의 내측으로 파여진 제1 및 제2 수소 덴트(hydrogen dent)(71, 73)가 구비된다. 상기 제1 및 제2 수소 덴트(71, 73)는 제2 금속판(50)에서 금속 소재가 제거되어 형성되는 부분이며, X축과 평행하며 상기 제2 금속판(50)을 반분하는 가상의 X축 중앙선(CX)에 대해 대칭되게 형성된다. The planar shape of the
제2 분리판(130)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. The
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 6에서 2점 쇄선으로 한정된 영역(75, 78)은 제2 반응 가스 매니폴드 영역, 즉 공기 매니폴드 영역으로 한 쌍이 마련된다. 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. 6 (a) and 6 (b) show a pair of equally spaced corners of the three corners except for the
복수의 제1 공기 통공(76)과 복수의 제2 공기 통공(79)에는 반응 영역(55) 측으로 연장되며 서로 이격된 다수의 게이트(gate)(77, 80)가 형성된다. 제1 공기 매니폴드 영역(75)에 구비된 모든 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. A plurality of
상기 제1 모서리(51)의 양 단부에 가까운 영역으로 도 6에서 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(11)에서 제2 금속판(50)의 내측으로 파여진 하나의 제1 냉각수 덴트(dent)(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, X축과 평행하며 상기 제2 금속판(50)을 반분하는 가상의 X축 중앙선(CX)에 대해 대칭되게 형성된다. The
상기 제2 분리판(130)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. The same cooling water dents (82, 84) of the pair of second metal plates (50) are connected one-to-one with each other in the second separator plate (130) so that the cooling water flows through the first and second cooling water holes (108, 109) are formed.
도 5 및 도 6에 보이는 반응 가스 측면의 반응 영역(55)에 막-전극 집합체(153)(도 10 참조)의 캐소드 전극(156)(도 10 참조)이 대면 접촉된다. 상기 반응 가스 측면의 반응 영역(55)에는 제1 공기 통공(76)으로부터 유입된 공기가 제2 공기 통공(79)으로 배출될 때까지 상기 반응 영역(55)을 유동하도록 일직선 경로를 따라 연장된 복수의 공기 채널(channel)(60)이 형성된다. The cathode electrode 156 (see Fig. 10) of the membrane-electrode assembly 153 (see Fig. 10) is in face-to-face contact with the
공기 채널(60)은 요철(凹凸) 형상의 단면을 갖는다. 금속판을 프레스 금형에 안착하고 스탬핑(stamping) 가공하여 요철 형상 단면을 갖는 공기 채널(60)을 형성하게 되므로, 반응 가스 측면에서 오목하게 파여져 형성된 공기 채널(60)이 냉각수 측면에서는 볼록하게 돌출 형성된 둑(embankment)이 된다. 상기 냉각수 측면의 반응 영역(55)에서는 인접한 둑 사이에 냉각수가 유동하는 냉각수 유로(131)가 형성된다. 도 10을 참조하면, 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. The
도 5 및 도 6을 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 통공(76)에 이어진 복수의 게이트(77)에 일대일 대응되게 위치하고, 제2 공기 통공(79)에 가까운 타 측 말단(67)은, 제2 공기 통공(79)에 이어진 복수의 게이트(80)에 일대일 대응되게 위치한다. Referring again to Figures 5 and 6, each
상기 제1 공기 통공(76)에 이어진 게이트(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 통공(79)에 이어진 게이트(80)로 이동한다. When air moves from the
반응 영역(55)의 바깥에는 다수의 접합 보조 통공(85)이 형성된다. 다수의 접합 보조 통공(85)은 반응 영역(55)을 한정하는 경계선(CR1, CR2, CR3, CR4)을 따라 일렬로 이격되게 배열되며, 제1 및 제2 냉각수 덴트(82, 84)와 반응 영역(55) 사이에 대각선을 따라 이격되게 배열된다. 다만, 상기 공기 채널(60)의 말단(66, 67)과 게이트(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(131)이 접합된다. 상기 제2 가스켓(131)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(131), 구체적으로는 반응 가스 측면 가스켓(132)이 제2 금속판(50)에 접합되는 표면적이 커지게 된다. 따라서, 상기 제2 가스켓(131)이 제2 금속판(50)에 더욱 견고하게 일체로 접합된다. A plurality of joining
제2 금속판(50)의 4곳의 코너에 인접한 지점에는 복수의 삽입 사출 정렬 통공(87)이 형성된다. 상기 제2 가스켓(131)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. A plurality of insertion injection aligning through
상기 제2 금속판(50)은 제1 및 제2 공기 매니폴드 영역(75, 78)로부터 같은 거리로 이격된 가상의 중앙선, 다시 말해 상기 X축 중앙선(CX)을 중심으로 대칭되는 형상을 갖는다. 부연하면, 제1 공기 매니폴드 영역(75)의 공기 통공(76) 및 게이트(77)와, 제2 공기 매니폴드 영역(78)의 공기 통공(79) 및 게이트(80)가 서로 대칭되고, 제1 냉각수 덴트(82)와 제2 냉각수 덴트(84)가 서로 대칭되며, 제1 수소 덴트(71)와 제2 수소 덴트(73)가 서로 대칭된다. 또한, 각각의 공기 채널(60)의 양 측 말단(66, 67)이 서로 대칭된다. The
제2 가스켓(131)은 고무 소재로 형성되며, 한 쌍의 제2 금속판(50)의 반응 가스 측면에 접합 적층된 반응 가스 측면 가스켓(132)과, 한 쌍의 제2 금속판(50) 중 일 측의 금속판(50)과 타 측의 금속판(50)을 연결시키는 연결 가스켓(138)을 구비한다. 도 5에서 제2 가스켓(131)을 제2 금속판(50)과 구분하여 식별하기 용이하도록 상기 제2 가스켓(131)은 해칭(hatching) 표현된다. 한편, 제2 가스켓(131)은 제1 가스켓(111)에 구비된 냉각수 측면 가스켓(121)에 대응되는 가스켓은 구비하지 않는다. 따라서, 제2 분리판(130)에서 제2 금속판(50)의 냉각수 측면은 고무 소재에 의해 적층된 부분 없이 노출된다. The
반응 가스 측면 가스켓(132)은 제2 금속판(50)의 반응 가스 측면에서 반응 영역(55)을 제외한 영역에 적층되나, 수소 통공(106, 107), 냉각수 통공(108, 109), 공기 통공(76, 79), 게이트(77, 80), 및 삽입 사출 정렬 통공(87)을 폐쇄하지 않게 적층된다. 그리고, 도 5 및 도 10에 도시된 바와 같이 반응 가스 측면 가스켓(132)은 접합 보조 통공(85)이 가리워지도록 적층된다. 한편, 참조번호 '135'은 고무 부재가 적층되지 않아 제2 금속판(50)의 반응 가스 측면이 노출된 부분으로서, 수소 통공(106, 107)과 반응 영역(55)(도 6 참조) 사이에 공기의 유동을 신뢰성 있게 차단하기 위한 유동 차단 홈(groove)을 가리킨다. The reaction
반응 영역(55)을 한정하는 경계선은, 제1 모서리(51)에 가까운 제1 경계선(CR1), 제2 모서리(52)에 가까운 제2 경계선(CR2), 제3 모서리(53)에 가까운 제3 경계선(CR3), 및 제4 모서리(54)에 가까운 제4 경계선(CR4)을 포함한다. 제2 분리판(130)의 반응 가스 측면 가스켓(132)은 제1 및 제2 수소 통공(106, 107)과 반응 영역(55) 사이에서 상기 제1 경계선(CR1)과 평행하게 연장된 제1 씰링 보강부(133), 및 제1 및 제2 공기 통공(76, 79)과 반응 영역(55) 사이에서 상기 제2 및 제4 경계선(CR2, CR3)와 평행하게 연장된 제2 씰링 보강부(134)를 구비한다. The boundary line defining the
상기 제1 씰링 보강부(133)는 일정한 폭으로 Y축과 평행하게 연장되며, 제1 수소 통공(106)과 제2 수소 통공(107) 사이를 제외하고는 중간에 끊어지지 않고 연장된다. 상기 제2 씰링 보강부(134)는 일정한 폭으로 X축과 평행하게 연장되며, 인접한 제1 공기 통공(76) 사이 및 인접한 제2 공기 통공(79) 사이에서 끊김 없이 연장된다. 도 5에서 식별하기 용이하도록 상기 제1 및 제2 씰링 보강부(133, 134)는 이점 쇄선으로 표시되어 있으나, 실제로는 반응 영역 측면 가스켓(132)에서 제1 및 제2 씰링 보강부(133, 134)와 그 주변의 가스켓이 명확하게 구분되지 않을 수 있다. The first
제2 분리판(130)의 연결 가스켓(138)은 한 쌍의 제2 금속판(50)에 적층된 한 쌍의 반응 가스 측면 가스켓(132)과 일체로 형성되어 상기 한 쌍의 제2 금속판(50)을 연결시키는 가스켓으로서, 상기 Y축 중앙선(CY)을 따라 연장된다. 상기 연결 가스켓(138)에 의해 한 쌍의 제2 금속판(50)의 제1 및 제2 수소 덴트(71, 73) 및 제1 및 제2 냉각수 덴트(82, 84)가 이어져서 제1 및 제2 수소 통공(106, 107) 및 제1 및 제2 냉각수 통공(108, 109)이 형성된다. The connecting
도 5 및 도 9를 함께 참조하면, 제2 분리판(130)에서 상기 연결 가스켓(138)의 두께(TCC)는 반응 가스 측면 가스켓(132)의 두께 및 제2 금속판(50)의 두께(TH2)의 합(合)보다 크다. 구체적으로, 반응 가스 측면 가스켓(132) 연결 가스켓(138)에 인접하고 한 쌍의 제2 금속판(50)의 말단, 즉 제1 모서리(51)의 주변부에 겹쳐지게 적층되는 반응 가스 측면 금속판 말단 가스켓부(136)를 구비한다. 상기 반응 가스 측면 금속판 말단 가스켓부(136)는 연결 가스켓부(138)와 마찬가지로 Y축과 평행하게 연장된다. 5 and 9, the thickness TCC of the connecting
상기 연결 가스켓(138)의 두께(TCC)는 상기 반응 가스 측면 금속판 말단 가스켓부(136)의 두께(TCG) 및 제2 금속판(50)의 두께(TH2)의 합보다 30 내지 100㎛ 더 크다. 여기서, 상기 연결 가스켓(138)의 두께(TCC) 및 상기 반응 가스 측면 금속판 말단 가스켓부(136)의 두께(TCG)는 Z축과 평행한 방향으로 압축되지 않은 상태에서 측정되는 두께이다.The thickness TCC of the connecting
도 1 내지 도 3, 도 5, 도 9, 및 도 10을 함께 참조하면, 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 가스켓(121)이 제2 금속판(50)의 냉각수 측면에 탄성 밀착된다. 이에 따라, 제1 금속판(10)과 제2 금속판(50)의 냉각수 측면에서 냉각수는 반응 영역(15, 55)과, 냉각수 통공(103, 104, 108, 109)과, 냉각수 유로(122A, 122B)에서만 유동하고 이외의 영역으로는 유출되지 않게 밀봉된다. Referring to FIGS. 1 to 3, 5, 9 and 10, a pair of
반응 영역(15, 55) 이외의 영역에서 제1 금속판(10)과 제2 금속판(50)은 수소 채널(20)의 깊이(DP1)와 공기 채널(60)의 깊이(DP2)를 합한 거리만큼 이격되고 제1 분리판(110)의 냉각수 측면 가스켓(121)에 의해 그 간격이 유지된다. 따라서, 냉각수 측면 가스켓(121)의 두께가 제1 분리판(110)의 반응 가스 측면 가스켓(112)의 두께 및 제2 분리판(130)의 반응 가스 측면 가스켓(132)의 두께보다 크다. 한편, 제1 분리판(110)의 반응 가스 측면 가스켓(112)의 두께 및 제2 분리판(130)의 반응 가스 측면 가스켓(132)의 두께의 합은 막-전극 집합체(153)의 두께에 대응된다. The
복수의 듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)가 밀착 적층된 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)에서 제1 가스켓(111)과 제2 가스켓(131)의 제1 씰링 보강부(113, 123, 133)와 제2 씰링 보강부(114, 124, 134)는 Z축과 평행한 방향으로 겹쳐지게 정렬된 상태로 밀착 압축된다. 이에 따라, 제1 및 제2 분리판(110, 130)에서 반응 영역(15, 55)과 수소 통공(101, 102, 106, 107) 사이, 및 반응 영역(15, 55)과 공기 통공(36, 39, 76, 79) 사이에 제1 및 제2 가스켓(111, 131)의 면압이 국지적으로 약해지는 지점이 없이 균일하게 면압이 향상된다. 따라서, 연료전지 스택(150) 내에서 다른 종류의 유체 간 섞임이나 유체의 유출 없으며, 밀봉 성능의 신뢰성이 향상된다. In the dual cell type
복수의 듀얼셀 타입 분리판 조립체(100)가 밀착 적층된 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)에서는, 제1 분리판(110)의 연결 가스켓(128)의 두께와, 금속판 말단 가스켓부(116, 126)의 두께 및 제1 금속판(10)의 두께(TH1)의 합이 같아지게 된다. 또한, 제2 분리판(130)의 연결 가스켓(138)의 두께와, 금속판 말단 가스켓부(136)의 두께 및 제2 금속판(50)의 두께(TH2)의 합이 같아지게 된다. 결과적으로, 연결 가스켓(128, 138)이 금속판 말단 가스켓부(116, 126, 136)보다 더 많이 밀착 압축된다. 따라서, 연결 가스켓(128, 138)이 제1 및 제2 금속판(10, 50) 상에 적층 지지되지 않더라도, 연결 가스켓(128, 138)의 면압이 금속판 말단 가스켓부(116, 126, 136)의 면압과 대등하게 유지되며, 연결 가스켓(128, 138)에서 유체 유출이 없이 밀봉 성능이 신뢰성 있게 유지된다. 한편, 도 9에서 연결 가스켓(128, 138)에 표시된 이점 쇄선은 밀착 압축된 상태의 연결 가스켓(128, 138)의 상측 및 하측 외곽선을 예시적으로 표현한 것이다. In the dual cell type
제1 가스켓(111)과 제2 가스켓(131)은 고무 소재로 형성되며, 상술한 바와 같이 삽입 사출 방법에 의해 형성될 수 있다. 부연하면, 제1 가스켓(111)을 성형하기 위한 제1 가스켓용 사출 성형 금형(미도시)의 캐비티 내에 한 쌍의 제1 금속판(10)을 XY 평면과 평행한 일 평면 상에 제1 모서리(11)(도 4 참조)가 서로 마주보도록 삽입 고정하고, 고무 소재에 대응되는 용융된 수지를 상기 캐비티에 사출 주입하고 가류함으로써 제1 가스켓(111)을 형성한다. 제1 금속판(10)의 복수의 삽입 사출 정렬 통공(47)은 제1 금속판(10)이 제1 가스켓용 사출 성형 금형의 캐비티 내에서 올바른 위치에 삽입 고정되도록 안내한다.The
상기 캐비티 내에 고정된 한 쌍의 제1 금속판(10)은 상기 용융된 수지의 사출 압력과 유동 압력에 의해 휘어질 수 있다. 이를 방지하기 위하여 제1 가스켓용 사출 성형 금형은 한 쌍의 제1 금속판(10)을 지지하고 잡아주는 돌기(미도시)를 구비할 수 있다. 따라서, 제1 가스켓용 사출 성형 금형이 형개(型開)되어 취출된 제1 분리판(110)의 반응 가스 측면 가스켓(112)과 냉각수 측면 가스켓(121)에는 상기 돌기에 접촉 지지되어서 고무 소재가 채워지지 않고 제1 금속판(10)이 노출되는 금속판 고정용 홈(groove)(117, 127)이 형성된다. The pair of
마찬가지로, 제2 가스켓(131)을 성형하기 위한 제2 가스켓용 사출 성형 금형(미도시)의 캐비티 내에 한 쌍의 제2 금속판(50)을 XY 평면과 평행한 일 평면 상에 제1 모서리(51)(도 6 참조)가 서로 마주보도록 삽입 고정하고, 고무 소재에 대응되는 용융된 수지를 상기 캐비티에 사출 주입하고 가류함으로써 제2 가스켓(131)을 형성한다. 제2 금속판(50)의 복수의 삽입 사출 정렬 통공(87)은 제2 금속판(50)이 제2 가스켓용 사출 성형 금형의 캐비티 내에서 올바른 위치에 삽입 고정되도록 안내한다.Similarly, a pair of
상기 캐비티 내에 고정된 한 쌍의 제2 금속판(50)은 상기 용융된 수지의 사출 압력과 유동 압력에 의해 휘어질 수 있다. 이를 방지하기 위하여 제2 가스켓용 사출 성형 금형은 한 쌍의 제2 금속판(50)을 지지하고 잡아주는 돌기(미도시)를 구비할 수 있다. 따라서, 제2 가스켓용 사출 성형 금형이 형개(型開)되어 취출된 제2 분리판(130)의 반응 가스 측면 가스켓(132)에는 상기 돌기에 접촉 지지되어서 고무 소재가 채워지지 않고 제2 금속판(50)이 노출되는 금속판 고정용 홈(137)이 형성된다.The pair of
도 1 내지 도 3, 도 5, 도 7, 및 도 8을 함께 참조하면, 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)에서 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 가스 측면의 반응 영역(15)(도 4 참조)으로 공급되는 수소 가스가 통과하는 수소 공급용 통공이 된다. 상기 제2 수소 통공(102, 107)은 제1 금속판(10)의 반응 가스 측면의 반응 영역(15)을 통과하여 나간 수소 가스가 연료전지 스택(150)의 밖으로 배출되기 위해 통과하는 수소 배출용 통공이 된다. Referring to FIGS. 1 to 3, 5, 7, and 8, the first hydrogen holes 101 and 106 of the first and
상기 제1 공기 통공(36, 76)은 제2 금속판(50)의 반응 가스 측면의 반응 영역(55)(도 6 참조)으로 공급되는 공기가 통과하는 공기 공급용 통공이 된다. 상기 제2 공기 통공(39, 79)은 제2 금속판(50)의 반응 가스 측면의 반응 영역(55)을 통과하여 나간 공기가 연료전지 스택(150)의 밖으로 배출되기 위해 통과하는 공기 배출용 통공이 된다. 상기 제1 냉각수 통공(103, 108)은 제1 및 제2 금속판(10, 50)의 냉각수 측면의 반응 영역(15, 55)으로 공급되는 냉각수가 통과하는 냉각수 공급용 통공이 된다. 상기 제2 냉각수 통공(104, 109)은 제1 및 제2 금속판(10, 50)의 냉각수 측면의 반응 영역(15, 55)을 통과하여 나간 냉각수가 연료전지 스택(150)의 밖으로 배출되기 위해 통과하는 냉각수 배출용 통공이 된다. The first air vent holes 36 and 76 serve as air vent holes through which the air supplied to the reaction area 55 (see FIG. 6) of the reaction gas side of the
듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)으로 공급된 수소 가스는 제1 금속판(10)의 제1 수소 통공(101)에 이어진 게이트(32)로부터 수소 채널(20)의 일 측 말단(26)으로 이동하고, 수소 채널(20)을 따라 반응 가스 측면의 반응 영역(15)을 유동하고, 수소 채널(20)의 타 측 말단(27)으로부터 제1 금속판(10)의 제2 수소 통공(102)에 이어진 게이트(34)를 통해 제2 수소 통공(102)으로 이동하고, 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150) 외부로 배출된다. The hydrogen gas supplied to the dual cell type
도 7에 도시된 바와 같이, 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)에서 제1 분리판(110)의 반응 가스 측면 가스켓(112)과 제2 분리판(130)의 반응 가스 측면 가스켓(132) 사이에는 상기 게이트(32, 34)와 수소 채널(20)의 양 측 말단(26, 27)을 유체 이동 가능하게 이어주는 다수의 제1 유로 연결 통공(158)이 형성된 필름(film)(미도시)이 개재될 수 있다. 상기 제1 유로 연결 통공(158)이 형성된 필름은 막-전극 집합체(153)에 이어진 것일 수 있다. 상기 제1 유로 연결 통공(158)을 통해 상기 게이트(33, 34)와 수소 채널(20)의 양 측 말단(26, 27) 사이에 수소 가스가 유동할 수 있다. 7, in the dual cell type
듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)으로 공급된 공기는 제2 금속판(50)의 제1 공기 통공(76)에 이어진 게이트(77)로부터 공기 채널(60)의 일 측 말단(66)으로 이동하고, 공기 채널(60)을 따라 반응 가스 측면의 반응 영역(55)을 유동하고, 공기 채널(60)의 타 측 말단(67)으로부터 제2 금속판(50)의 제2 공기 통공(79)에 이어진 게이트(80)를 통해 상기 제2 공기 통공(79)으로 이동하고, 연료전지 스택 외부로 배출된다. The air supplied to the dual cell type
도 8에 도시된 바와 같이, 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)에서 제1 분리판(110)의 반응 가스 측면 가스켓(112)과 제2 분리판(130)의 반응 가스 측면 가스켓(132) 사이에는 상기 게이트(77, 80)와 공기 채널(60)의 양 측 말단(66, 67)을 유체 이동 가능하게 이어주는 다수의 제2 유로 연결 통공(159)이 형성된 필름이 개재될 수 있다. 상기 제2 유로 연결 통공(159)이 형성된 필름은 막-전극 집합체(153)에 이어진 것일 수 있다. 상기 제1 유로 연결 통공(158)이 형성된 필름과 제2 유로 연결 통공(159)이 형성된 필름은 하나로 이어질 수도 있다. 상기 제2 유로 연결 통공(159)을 통해 상기 게이트(77, 80)와 공기 채널(60)의 양 측 말단(66, 67) 사이에 공기가 유동할 수 있다. As shown in FIG. 8, in the dual cell type
듀얼셀 타입 연료전지 스택(150)으로 공급된 냉각수는 제1 및 제2 금속판(10, 50)의 제1 냉각수 통공(103, 108)에서 냉각수 측면의 반응 영역(15, 55)으로 유도되고, 냉각수 유로(131)를 따라 흘러서 상기 반응 영역(15, 55)을 통과하여 제2 냉각수 통공(104, 109)으로 이동하고, 듀얼셀 타입 연료전지 스택(150) 외부로 배출된다. The cooling water supplied to the dual cell type
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.In the meantime, the first hydrogen passage holes 101 and 106 serve as a hydrogen supply passage, the second hydrogen passage holes 102 and 107 serve as a hydrogen discharge passage, the first air passage holes 36 and 76 serve as an air supply passage, The air vent holes 39 and 79 are not fixed to the air exhaust holes, the first
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. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.
10: 금속판 15: 반응 영역
20: 수소 채널 112: 반응 가스 측면 가스켓
121: 냉각수 측면 가스켓 113,114,123,124: 씰링 보강부
125: 안내 돌기부 128: 연결 가스켓10: metal plate 15: reaction area
20: hydrogen channel 112: reaction gas side gasket
121: Cooling water side gasket 113,114,123,124: Sealing reinforcement part
125: guide protrusion 128: connection gasket
Claims (8)
금속 소재로 형성된 판(plate) 형상 부재로서, 일 측면은 반응 가스가 흐르는 반응 가스 측면이고 반대 측면은 냉각수가 흐르는 냉각수 측면이고, 중앙부에 배치된 반응 영역과, 상기 반응 영역의 바깥에 배치된 복수의 반응 가스 통공 및 복수의 냉각수 통공을 구비한 금속판; 고무 소재로 형성되고, 상기 금속판의 반응 가스 측면에서 상기 반응 영역을 제외한 영역에 상기 복수의 반응 가스 통공 및 복수의 냉각수 통공을 폐쇄하지 않게 적층되는 반응 가스 측면 가스켓; 및, 고무 소재로 형성되고, 상기 금속판의 냉각수 측면에서 상기 반응 영역을 제외한 영역에 상기 복수의 반응 가스 통공 및 복수의 냉각수 통공을 폐쇄하지 않게 적층되는 냉각수 측면 가스켓;을 구비하는 연료전지용 가스켓 일체형 분리판으로서,
상기 금속판은 한 쌍으로 배치되고,
상기 한 쌍의 금속판은 하나의 평면에 인접하여 배치되고,
상기 연료전지용 가스켓 일체형 분리판은, 고무 소재로 형성되고, 상기 한 쌍의 금속판에 적층된 반응 가스 측면 가스켓 및 냉각수 측면 가스켓과 일체로 형성되어 상기 한 쌍의 금속판을 연결시키는 연결 가스켓;을 더 구비하고,
상기 연결 가스켓의 두께는, 상기 반응 가스 측면 가스켓의 두께, 상기 냉각수 측면 가스켓의 두께, 및 상기 금속판의 두께의 합(合)보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓 일체형 분리판. As a separation plate constituting the fuel cell stack,
A plate-like member formed of a metallic material, wherein one side is a side of the reaction gas through which the reaction gas flows, and the opposite side is a side of the cooling water through which the cooling water flows; a reaction zone disposed at the center; A reaction gas through hole and a plurality of cooling water holes; A reaction gas side gasket formed of a rubber material and laminated on the reaction gas side of the metal plate except for the reaction zone so as not to close the plurality of reaction gas holes and the plurality of cooling water holes; And a cooling water side gasket formed of a rubber material and laminated on the cooling water side of the metal plate except for the reaction region so as not to close the plurality of reaction gas holes and the plurality of cooling water holes. As a plate,
The metal plates are arranged in a pair,
Wherein the pair of metal plates are disposed adjacent to one plane,
The gasket integral type separator for a fuel cell may further include a connection gasket formed of a rubber material and integrally formed with the reaction gas side gasket and the cooling water side gasket laminated on the pair of metal plates to connect the pair of metal plates and,
Wherein the thickness of the connecting gasket is larger than the sum of the thickness of the reaction gas side gasket, the thickness of the cooling water side gasket, and the thickness of the metal plate.
상기 냉각수 측면 가스켓은, 상기 반응 영역의 경계선과 교차하며 반응 영역 측으로 돌출되어서, 상기 반응 영역의 경계선을 따라 흐르는 냉각수를 상기 반응 영역의 중심 측으로 안내하는 안내 돌기부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓 일체형 분리판. The method according to claim 1,
Wherein the cooling water side gasket further comprises a guide protrusion which protrudes toward the reaction zone side intersecting the boundary line of the reaction zone and guides the cooling water flowing along the boundary line of the reaction zone toward the center of the reaction zone. Gasket integral plate.
상기 반응 가스 측면 가스켓 및 냉각수 측면 가스켓은 각각, 상기 연결 가스켓에 인접하고 상기 금속판의 말단에 겹쳐지게 적층되는 금속판 말단 가스켓부를 구비하고,
상기 연결 가스켓의 두께는, 상기 반응 가스 측면 가스켓의 금속판 말단 가스켓부의 두께, 상기 냉각수 측면 가스켓의 금속판 말단 가스켓부의 두께, 및 상기 금속판의 두께의 합보다 50 내지 200㎛ 더 큰 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓 일체형 분리판. The method according to claim 1,
The reaction gas side gasket and the cooling water side gasket each have a metal plate end gasket adjacent to the connection gasket and stacked on the end of the metal plate,
Wherein the thickness of the connecting gasket is 50 to 200 占 퐉 larger than the sum of the thickness of the gasket end gasket of the reaction gas side gasket, the thickness of the gasket end gasket of the cooling water side gasket, and the thickness of the metal plate. Gasket integral plate.
상기 한 쌍의 금속판은 상기 연료전지용 가스켓 일체형 분리판을 반분하는 가상의 중앙선에 대해 서로 대칭되고,
상기 한 쌍의 금속판이 상기 연결 가스켓에 의해 연결되어 상기 연료전지용 가스켓 일체형 분리판의 중앙부에 상기 복수의 반응 통공 및 복수의 냉각수 통공 중 적어도 일부의 통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓 일체형 분리판. The method according to claim 1,
Wherein the pair of metal plates are symmetrical with respect to an imaginary center line bisecting the gasket integral type separator for fuel cells,
Wherein the pair of metal plates are connected by the connection gasket so that at least a portion of the plurality of reaction holes and the plurality of cooling water holes are formed in a central portion of the gasket integral separator for fuel cells. plate.
상기 반응 가스 측면 가스켓 및 냉각수 측면 가스켓은, 상기 금속판을 금형(mold) 내에 삽입 고정하고 상기 고무 소재에 대응되는 용융된 수지를 상기 금형 내에 사출 주입하는 삽입 사출에 의해 형성되고,
상기 반응 가스 측면 가스켓 및 냉각수 측면 가스켓에는 상기 금속판이 상기 금형 내에서 휘지 않도록 접촉 지지되어서 상기 고무 소재가 채워지지 않고 상기 금속판이 노출되는 금속판 고정용 홈(groove)이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓 일체형 분리판. The method according to claim 1,
The reaction gas side gasket and the cooling water side gasket are formed by insert injection in which the metal plate is inserted and fixed in a mold and injection molten resin corresponding to the rubber material is injected into the mold,
Wherein the reaction gas side gasket and the cooling water side gasket are formed with grooves for fixing the metal plate which are supported by the metal plate so that the metal plate is not bent in the metal mold and the rubber material is not filled but the metal plate is exposed. Integral separator.
상기 금속판에는 상기 반응 영역의 바깥에 다수의 접합 보조 통공이 형성되고,
상기 반응 가스 측면 가스켓이 상기 금속판에 접합되는 표면적이 커지도록, 상기 반응 가스 측면 가스켓의 고무 소재가 상기 다수의 접합 보조 통공에 채워지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓 일체형 분리판. The method according to claim 1,
A plurality of bonding auxiliary holes are formed in the metal plate outside the reaction zone,
Wherein a rubber material of the reaction gas side gasket is filled in the plurality of joining auxiliary holes so that a surface area of the reaction gas side gasket bonded to the metal plate becomes large.
상기 냉각수 측면 가스켓의 두께가 상기 반응 가스 측면 가스켓의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓 일체형 분리판. The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the cooling water side gasket is larger than the thickness of the reaction gas side gasket.
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