KR102002211B1 - 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판 및 연료전지스택 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연료전지스택(100)은 연료전지 분리판(1)을 적용하고, 상기 연료전지 분리판(1)은 수소와 공기 및 냉각수의 각각에 대한 입출구를 형성하는 좌 매니폴드(2-1)와 우 매니폴드(2-2)의 사이에 위치되고, 상기 좌 매니폴드(2-1)에서 상기 우 매니폴드(2-2)로 이어지는 상기 수소의 흐름과 상기 우 매니폴드(2-2)에서 상기 좌 매니폴드(2-1)로 이어지는 상기 공기의 흐름 및 상기 좌 매니폴드(2-1)에서 상기 우 매니폴드(2-2)로 이어지는 상기 냉각수의 흐름을 서로 간섭하지 않는 채널 유로(8)가 구비됨으로써 동일한 형상의 1세트 금형만 이용하여 설계의 용이성과 함께 비용 저감도 이루어지는 특징을 갖는다.

Description

채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판 및 연료전지스택{Common Flow Field type Fuel Cell Separator and Fuel Cell Stack thereby}

본 발명은 연료전지 분리판에 관한 것으로, 특히 채널 유로(Flow Field)의 공용화 설계가 적용된 연료전지 분리판으로 구성된 연료전지스택에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지자동차에는 연료전지스택이 탑재되고, 상기 연료전지스택은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킴으로써 자동차의 동력을 생성한다.

이를 위해 상기 연료전지스택은 전극막 접합체(Membrane-Electrode Assembly)와 가스확산층(Gas Diffusion Layer) 및 분리판으로 이루어진 단위 셀을 주요 구성요소로 한다.

구체적으로 상기 전극막 접합체는 연료전지스택의 가장 중심부에 위치하고, 고분자 전해질막의 양쪽면에 촉매층이 도포된 형태로 구성된다. 상기 가스확산층은 전극막 접합체의 바깥부분으로 위치된다. 상기 분리판은 가스확산층의 바깥부분으로 적층된다. 상기 단위 셀은 1장의 전극막 접합체, 2장의 가스확산층, 2장의 분리판으로 구성되며, 각 단위 셀을 수십개에서 수백개 적층함으로써 연료전지 스택이 원하는 규모의 출력을 확보할 수 있도록 한다.

특히 상기 분리판은 공기극/수소극 분리판과 냉각수를 공급하는 분리판으로 구성되고, 공기극/수소극용 가스채널 및 냉각수용 워터채널에 대한 이중의 채널 유로(Flow Field)를 형성함으로써 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하여 준다.

국내 공개특허공보 10-2017-0026771(2017년03월09일)

하지만 상기 분리판은 가스/워터채널을 위한 공기극/수소극 분리판과 냉각수 분리판이 별도로 구분됨으로써 금형 설계 및 수량의 증가를 가져오는 방식이다.

일례로, 1가지 사양의 연료전지 스택을 개발하기 위해서는 공기극/수소극 분리판 1세트와 냉각수용 분리판 1세트로 총 2세트 또는 그 이상의 분리판 금형 개발이 요구될 수밖에 없고, 이러한 분리판 금형 개발 수량 증가는 소요 비용을 높이게 된다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 매니폴드에서 가스 및 냉각수가 공급되어 채널 유로를 통해 각 유체가 서로 간섭되지 않도록 흐르는 구조를 반영함으로써 1개의 분리판에 공용화된 금형 및 형상으로 채널 유로 설계가 이루어지고, 공용화된 채널 유로로 동일한 형상의 1세트 금형으로 금속분리판 제조가 이루어짐으로써 이중 채널 유로 대비 비용 절감이 이루어지는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판 및 연료전지스택의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 분리판은 수소와 공기 및 냉각수의 각각에 대한 입출구를 형성하는 매니폴드에 이어지고, 상기 수소와 상기 공기 및 상기 냉각수의 흐름을 서로 간섭하지 않는 채널 유로가 포함되어 채널 유로 공용화 타입으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 채널 유로는 상기 수소의 입출구를 연결하여 상기 수소의 흐름을 형성해주는 수소 채널, 상기 공기의 입출구를 연결하여 상기 공기의 흐름을 형성해주는 공기 채널, 상기 냉각수의 입출구를 연결하여 상기 냉각수의 흐름을 형성해주는 냉각수 채널로 구분되고, 상기 수소 채널과 상기 공기 채널 및 상기 냉각수 채널의 각각은 서로 연결되지 않는다.

바람직한 실시예로서, 상기 수소의 입구와 상기 공기의 출구는 상기 수소의 출구와 상기 공기의 입구를 위아래로 구분시키는 상기 냉각수의 입구와 함께 위치되고, 상기 수소의 출구와 상기 공기의 입구는 상기 수소의 입구와 상기 공기의 출구를 위아래로 구분시키는 상기 냉각수의 출구와 함께 위치되며; 상기 매니폴드는 상기 수소의 출구와 상기 공기의 입구 및 상기 냉각수의 출구가 위치된 좌 매니폴드, 상기 수소의 입구와 상기 공기의 출구 및 상기 냉각수의 입구가 위치된 우 매니폴드로 구분되고; 상기 좌 매니폴드와 상기 우 매니폴드의 사이로 상기 수소 채널과 상기 공기 채널 및 상기 냉각수 채널의 각각이 연결된다.

바람직한 실시예로서, 상기 수소의 출구는 상기 냉각수의 출구 위쪽에서 상기 수소 채널의 한쪽과 연결되는 반면 상기 수소의 입구는 상기 냉각수의 입구 아래쪽에서 상기 수소 채널의 다른쪽과 연결되며, 상기 공기의 출구는 상기 냉각수의 입구 위쪽에서 상기 공기 채널의 한쪽과 연결되는 반면 상기 공기의 입구는 상기 냉각수의 출구 아래쪽에서 상기 공기 채널의 다른쪽과 연결되고, 상기 냉각수의 입구와 상기 냉각수의 출구는 동일한 위치로 상기 냉각수 채널과 연결된다.

바람직한 실시예로서, 상기 수소의 입구는 상기 매니폴드에서 상기 수소가 들어가는 수소 입구통로부와 함께 상기 수소 채널을 나온 상기 수소가 통과하는 수소 입구경로부를 구비하며, 상기 수소의 출구는 상기 매니폴드에서 상기 수소가 나오는 수소 출구통로부와 함께 상기 수소 채널로 들어가는 상기 수소가 통과하는 수소 출구경로부를 구비한다.

바람직한 실시예로서, 상기 수소 입구경로부와 상기 수소 출구경로부의 각각은 서로 이격된 전,후방 슬릿으로 구성되고, 상기 전방 슬릿은 상기 매니폴드에서 상기 수소가 들어가는 반면 상기 후방 슬릿은 상기 매니폴드에서 상기 수소가 나오도록 한다. 상기 공기의 입구는 상기 매니폴드에서 상기 공기가 들어가는 공기 입구통로부와 함께 상기 공기 채널을 나온 상기 공기가 통과하는 공기 입구경로부를 구비하며, 상기 공기의 출구는 상기 매니폴드에서 상기 공기가 나오는 공기 출구통로부와 함께 상기 공기 채널로 들어가는 상기 공기가 통과하는 공기 출구경로부를 구비한다.

바람직한 실시예로서, 상기 공기 입구경로부와 상기 공기 출구경로부의 각각은 서로 이격된 전,후방 슬릿으로 구성되고, 상기 전방 슬릿은 상기 매니폴드에서 상기 공기가 들어가는 반면 상기 후방 슬릿은 상기 매니폴드에서 상기 공기가 나오도록 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 냉각수의 입구는 상기 매니폴드에서 상기 냉각수가 들어가는 냉각수 입구통로부와 함께 상기 냉각수 채널을 나온 상기 냉각수가 흐르는 냉각수 경로부를 구비하며, 상기 냉각수의 출구는 상기 매니폴드에서 상기 냉각수가 나오는 냉각수 출구통로부와 함께 상기 냉각수 채널로 들어가는 상기 냉각수가 흐르는 냉각수 경로부를 구비한다.

바람직한 실시예로서, 상기 매니폴드와 상기 채널 유로는 개스킷 플랜지로 에워싸여진다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 분리판은 수소 입구통로부와 수소 입구경로부로 수소가 들어오는 흐름을 형성하고, 공기 출구통로부와 공기 복귀경로부로 공기가 나오는 흐름을 형성하며, 냉각수 입구통로부와 냉각수 경로부로 냉각수가 들어오는 흐름을 형성하는 좌 매니폴드; 수소 출구통로부와 수소 출구경로부로 수소가 나오는 흐름을 형성하고, 공기 입구통로부와 공기 입구경로부로 공기가 들어오는 흐름을 형성하며, 냉각수 입구통로부와 냉각수 경로부로 냉각수가 들어가는 흐름을 형성하는 우 매니폴드; 상기 좌 매니폴드와 상기 우 매니폴드의 중간에 위치되어 상기 좌 매니폴드와 상기 우 매니폴드를 연결하고, 상기 수소와 상기 공기 및 상기 냉각수의 각 흐름을 서로 간섭하지 않는 채널 유로; 상기 좌 매니폴드와 상기 채널 유로 및 상기 우 매니폴드를 에워싸 테두리를 형성하는 개스킷 플랜지;가 포함되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 냉각수 입구통로부와 상기 냉각수 경로부는 상기 수소 입구통로부와 상기 수소 입구경로부 및 상기 공기 출구통로부와 상기 공기 출구경로부를 위아래로 구분시키고, 상기 냉각수 출구통로부와 상기 냉각수 경로부는 상기 수소 출구통로부와 상기 수소 출구경로부 및 상기 공기 입구통로부와 상기 공기 입구경로부를 위아래로 구분시켜준다.

바람직한 실시예로서, 상기 수소 입구통로부와 상기 수소 입구경로부는 상기 수소 출구통로부와 상기 수소 출구경로부를 이어주는 수소 채널로 연결되고, 상기 공기 입구통로부와 상기 공기 입구경로부는 상기 공기 출구통로부와 상기 공기 출구경로부를 이어주는 공기 채널로 연결되며, 상기 냉각수 입구통로부와 상기 냉각수 경로부는 상기 냉각수 출구통로부와 상기 냉각수 경로부를 이어주는 냉각수 채널로 연결되고. 상기 수소 채널과 상기 공기 채널 및 상기 냉각수 채널의 각각은 서로 연결되지 않는 상태로 상기 채널 유로로 형성된다.

바람직한 실시예로서, 상기 수소 입구경로부와 상기 수소 출구경로부 및 상기 공기 입구경로부와 상기 공기 출구경로부의 각각은 서로 이격된 전,후방 슬릿으로 구성되고, 상기 전방 슬릿은 상기 수소가 들어가는 반면 상기 후방 슬릿은 상기 수소가 나오도록 한다.

그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 스택은 수소와 공기 및 냉각수의 각각에 대한 입출구를 형성하는 좌 매니폴드와 우 매니폴드의 사이에 위치되고, 상기 좌 매니폴드에서 상기 우 매니폴드로 이어지는 상기 수소의 흐름과 상기 우 매니폴드에서 상기 좌 매니폴드로 이어지는 상기 공기의 흐름 및 상기 좌 매니폴드에서 상기 우 매니폴드로 이어지는 상기 냉각수의 흐름을 서로 간섭하지 않는 채널 유로가 구비된 연료전지 분리판; 상기 연료전지 분리판과 함께 전극막 접합체 및 가스 확산층이 적용되어 출력을 발생하는 단위 셀;이 포함되는 덧을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 공기극/수소극 분리판과 냉각수를 공급하는 분리판을 별도로 제작하여야 함에 따라 1가지 사양의 연료전지스택을 개발하기 위해서는 공기극/수소극 분리판 1세트, 냉각수용 분리판 1세트 총 2세트 이상의 분리판 금형 개발이 필요하였으나, 1세트의 동일한 형상을 대칭하여 적용 가능한 매니폴드부의 설계 개선을 통하여 별도의 금형이 필요 없이 총 1세트의 금형개발만으로 분리판을 제작할 수 있다.

또한 본 발명은 연료전지 분리판 중 금속 분리판에 적용됨으로써 금속 분리판을 제작하는데 소요되는 비용을 크게 저감할 수 있다.

또한 본 발명의 연료전지스택은 제조 비용을 크게 저감한 금속 분리판으로 제조됨으로써 비용 저감과 함께 가격 경쟁력 우위를 점할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판의 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판의 수소 흐름 상태이고, 도 3은 본 발명에 따른 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판의 공기 흐름 상태이며, 도 4는 본 발명에 따른 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판의 냉각수 흐름 상태이고, 도 5는 본 발명에 따른 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판이 적용된 연료전지스택의 구성도이다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

도 1을 참조하면, 연료전지 분리판(1)은 소정 형상의 좌,우측 부위로 좌 매니폴드(2-1)와 우측으로 우 매니폴드(2-2)를 형성하고, 그 중간부위로 좌,우 매니폴드(2-1,2-2)가 이어진 채널 유로(8)를 형성하며, 좌,우 매니폴드(2-1,2-2)와 채널 유로(8)가 감싸이는 개스킷 플랜지(9)로 테두리를 형성한다.

특히, 상기 좌,우 매니폴드(2-1,2-2)의 각각은 서로 동일한 형상으로 이루어지고, 상기 채널 유로(8)는 수소와 공기 및 냉각수의 흐름이 서로 간섭되지 않도록 좌 매니폴드(2-1)에서 우 매니폴드(2-2) 또는 우 매니폴드(2-2)에서 좌 매니폴드(2-1)로 이어 진다 . 그 결과 연료전지 분리판(1)은 좌,우 매니폴드(2-1,2-2)를 이용하여 채널 유로 공용화 타입으로 형성됨으로써 금형 설계 비용 및 분리판 제조 비용을 크게 저감하여 준다.

구체적으로 상기 좌 매니폴드(2-1)는 수소 입구통로부(3-1), 수소 입구경로부(4-1), 공기 출구통로부(5-2), 공기 출구경로부(6-2), 냉각수 입구통로부(7-1),냉각수 경로부(7a)를 포함한다.

일례로 상기 수소 입구통로부(3-1)와 상기 수소 입구경로부(4-1)는 좌 매니폴드(2-1)의 바디면에 뚫려져 형성되고, 상기 수소 입구경로부(4-1)는 서로 간격을 둔 전,후방 슬릿(4a,4b)으로 구성된다. 레이아웃 측면에서 수소 입구통로부(3-1)와 수소 입구경로부(4-1)가 일직선상으로 연속 배열됨으로써 수소 입구통로부(3-1)에 간격을 두고 위치된 전,후방 슬릿(4a,4b)이 채널 유로(8)쪽으로 근접 위치된다. 특히 상기 수소 입구통로부(3-1)는 냉각수 입구통로부(7-1)를 향한 부위가 깎여진 대략 "⊂"형상을 이루는 반면 상기 전,후방 슬릿(4a,4b)의 각각은 직선 형상의 슬릿(slit)으로 형성된다.

일례로 상기 공기 출구통로부(5-2)와 상기 공기 출구경로부(6-2)는 좌 매니폴드(2-1)의 바디면에 뚫려져 형성되고, 상기 공기 출구경로부(6-2)는 서로 간격을 둔 전,후방 슬릿(6a,6b)으로 구성된다. 레이아웃 측면에서 공기 출구통로부(5-2)와 공기 출구경로부(6-2)가 일직선상으로 연속 배열됨으로써 공기 출구통로부(5-2)에 간격을 두고 위치된 전,후방 슬릿(6a,6b)이 채널 유로(8)쪽으로 근접 위치된다. 특히 상기 공기 출구통로부(5-2)는 냉각수 입구통로부(7-1)를 향한 부위가 깎여진 대략 "⊂"형상을 이루는 반면 상기 전,후방 슬릿(6a,6b)의 각각은 직선 형상의 슬릿(slit)으로 형성된다.

일례로 상기 냉각수 입구통로부(7-1)는 수소 입구통로부(3-1)와 공기 출구통로부(5-2)를 구분하며, 상기 냉각수 경로부(7a)는 수소 입구경로부(4-1)와 공기 출구경로부(6-2)를 구분한다. 특히 상기 냉각수 입구통로부(7-1)는 좌 매니폴드(2-1)의 바디면에 뚫려진 홀로 이루어지는 반면 상기 냉각수 경로부(7a)는 좌 매니폴드(2-1)의 바디면에 홈으로 형성된다.

따라서 상기 좌 매니폴드(2-1)는 냉각수 입구통로부(7-1)를 중앙구간으로 하여 수소 입구통로부(3-1)와 공기 출구통로부(5-2)가 대칭을 이룸으로써 대략 "ε"형상으로 형성된다.
구체적으로 상기 우 매니폴드(2-2)는 수소 출구통로부(3-2), 수소 출구경로부(4-2), 공기 입구통로부(5-1), 공기 입구경로부(6-1), 냉각수 출구통로부(7-2),냉각수 경로부(7a)를 포함한다.

삭제

일례로 상기 수소 출구통로부(3-2)와 상기 수소 출구경로부(4-2)는 우 매니폴드(2-2)의 바디면에 뚫려져 형성되고, 상기 수소 출구경로부(4-2)는 서로 간격을 둔 전,후방 슬릿(4a,4b)으로 구성된다. 레이아웃 측면에서 수소 출구통로부(3-2)와 수소 출구경로부(4-2)가 일직선상으로 연속 배열됨으로써 수소 출구통로부(3-2)에 간격을 두고 위치된 전,후방 슬릿(4a,4b)이 채널 유로(8)쪽으로 근접 위치된다. 특히 상기 수소 출구통로부(3-2)는 냉각수 출구통로부(7-2)를 향한 부위가 깎여진 대략 "⊃"형상을 이루는 반면 상기 전,후방 슬릿(4a,4b)의 각각은 직선 형상의 슬릿(slit)으로 형성된다.

일례로 상기 공기 입구통로부(5-1)와 상기 공기 입구경로부(6-1)는 우 매니폴드(2-1)의 바디면에 뚫려져 형성되고, 상기 공기 입구경로부(6-1)는 서로 간격을 둔 전,후방 슬릿(6a,6b)으로 구성된다. 레이아웃 측면에서 공기 입구통로부(5-1)와 공기 배출경로부(6-1)가 일직선상으로 연속 배열됨으로써 공기 입구통로부(5-1)에 간격을 두고 위치된 전,후방 슬릿(6a,6b)이 채널 유로(8)쪽으로 근접 위치된다. 특히 상기 공기 입구통로부(5-1)는 냉각수 복귀통로부(7-2)를 향한 부위가 깎여진 대략 "⊃"형상을 이루는 반면 상기 전,후방 슬릿(6a,6b)의 각각은 직선 형상의 슬릿(slit)으로 형성된다.

일례로 상기 냉각수 출구통로부(7-2)는 수소 출구통로부(3-2)와 공기 입구통로부(5-1)를 구분하며, 상기 냉각수 경로부(7a)는 수소 출구경로부(4-2)와 공기 입구경로부(6-1)를 구분한다. 특히 상기 냉각수 출구통로부(7-2)는 우 매니폴드(2-2)의 바디면에 뚫려진 홀로 이루어지는 반면 상기 냉각수 경로부(7a)는 우 매니폴드(2-2)의 바디면에 홈으로 형성된다.

따라서 상기 우 매니폴드(2-2)는 냉각수 출구통로부(7-2)를 중앙구간으로 하여 수소 출구통로부(3-2)와 공기 입구통로부(5-1)가 대칭을 이룸으로써 대략 "역 ε"형상으로 형성된다.

구체적으로 상기 채널 유로(8)는 수소극의 수소 흐름을 형성하는 수소 채널(8-1), 공기극의 공기 흐름을 형성하는 공기 채널(8-2), 냉각수 흐름을 형성하는 냉각수 채널(8-3)로 구분된다. 그러므로 상기 채널 유로(8)는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하여 준다. 이 경우 수소 채널(8-1)과 공기 채널(8-2) 및 냉각수 채널(8-3)은 하나의 선으로 단순 표현되었으나 실제적으론 복수로 복잡하게 형성된다. 특히 도 1 내지 도 4에서 수소 채널(8-1)과 공기 채널(8-2)이 각각 하나의 선을 구부러진 형상으로 표현하고, 냉각수 채널(8-3)이 하나의 선을 일작선 형상으로 표현하여 좌,우 매니폴드(2-1,2-2)로 이어짐은 수소 배출/복귀통로부(3-1,3-2)와 수소 배출/복귀경로부(4-1,4-2)를 통로로 이용하는 수소, 공기 배출/복귀통로부(5-1,5-2)와 공기 배출/복귀경로부(6-1,6-2)를 통로로 이용하는 공기가 좌 매니폴드(2-1)에서 우 매니폴드(2-2) 또는 우 매니폴드(2-2)에서 좌 매니폴드(2-1)로 흐르고, 냉각수 배출/복귀통로부(7-1,7-2)를 통로로 이용하는 냉각수가 좌 매니폴드(2-1)와 우 매니폴드(2-2)로 흐름을 단순하게 설명하기 위함일 뿐이다. 이러한 이유는 본원 발명은 공지 기술 사항인 수소 채널(8-1)과 공기 채널(8-2) 및 냉각수 채널(8-3)의 세부 구성을 포함하지 않기 때문이다.

구체적으로 상기 개스킷 플랜지(9)는 좌 매니폴드(2-1)와 채널 유로(8) 및 우 매니폴드(2-2)를 감싸 연료전지 분리판(1)의 테두리를 형성하여 주고, 연료전지 분리판(1)이 전극막 접합체와 가스 확산층으로 단위 셀을 형성할 때 기밀을 위한 개스킷이 놓여지는 공간을 제공한다.

한편 도 2 내지 도 4의 각각은 연료전지 분리판(1)의 수소와 공기 및 냉각수의 흐름 상태를 예시한다. 이 경우 연료전지 분리판(1)의 양면을 도 5의 예와 같이 상,하부 연료전지 분리판(1-1,1-2)이 서로 포개져 형성한 공간에 대해 윗면(노출 부위)과 뒷면(비 노출 부위)으로 구분하여 설명된다. 또한 ①,②,③,④,⑤,⑥,⑦의 각 표시는 흐름 순서를 나타낸다. 특히 도 5에서, 연료전지 분리판(1)은 서로 포개진 상,하부 연료전지 분리판(1-1,1-2)으로 한 쌍을 이루고, 상,하부 연료전지 분리판(1-1,1-2)은 좌,우 매니폴드(2-1,2-2)가 서로 포개져 이 분야이세 공지 기술에 속하는 수소와 공기 및 냉각수 흐름을 형성한다. 그러므로 하기에서 설명되는 상기 좌 매니폴드(2-1)의 포개진 공간을 냉각수 입구/출구통로부(7-1,7-2)로 형성함으로써 좌 매니폴드(2-1)의 각각이 냉각수 입구/출구통로부(7-1,7-2)의 공간에서 마주하는 면을 뒷면(비 노출 부위)으로 그 반대면을 윗면(노출 부위)으로 한다. 또한 우 매니폴드(2-2)의 포개진 공간을 냉각수 입구/출구통로부(7-1,7-2)로 형성함으로써 우 매니폴드(2-2)의 각각이 냉각수 입구/출구통로부(7-1,7-2)의 공간에서 마주하는 면을 뒷면(비 노출 부위)으로 그 반대면을 윗면(노출 부위)으로 한다. 따라서 이하의 수소/공기/냉각수 흐름은 이를 바탕으로 이해되어야 한다.

도 2를 도 5의 우측 단면도와 함께 참조하면, 수소 채널(8-1)은 좌 매니폴드(2-1)의 수소 입구통로부(3-1)와 수소 입구경로부(4-1)를 우 매니폴드(2-2)의 수소 출구경로부(4-2)와 수소 출구통로부(3-2)로 연결함으로써 수소가 좌 매니폴드(2-1)에서 우 매니폴드(2-2)로 흘러 연료로 공급하여 준다. 일례로 수소는 수소 입구통로부(3-1)에서 윗면으로 나온 후 수소 입구경로부(4-1)의 전방 슬릿(4a)을 통해 뒷면으로 들어간 다음 후방 슬릿(4b)을 통해 윗면으로 나와 좌 매니폴드(2-1)쪽을 빠져 나오고, 이어 수소 채널(8-1)을 통해 우 매니폴드(2-2)쪽으로 흘러가며, 이후 우 매니폴드(2-2)쪽에서 후방 슬릿(4b)을 통해 뒷면으로 들어간 다음 전방 슬릿(4a)을 통해 윗면으로 나온 후 수소 복귀통로부(3-2)를 통해 뒷면으로 들어감으로써 연료로 공급되는 흐름 경로를 형성한다.

도 3을 도 5의 우측 단면도와 함께 참조하면, 공기 채널(8-2)은 우 매니폴드(2-2)의 공기 입구통로부(5-1)와 공기 입구경로부(6-1)를 좌 매니폴드(2-1)의 공기 출구경로부(6-2)와 공기 출구통로부(5-2)로 연결함으로써 공기가 우 매니폴드(2-2)에서 좌 매니폴드(2-1)로 흘러 연료로 공급하여 준다. 일례로 공기는 공기 입구통로부(5-1)에서 윗면으로 나온 후 공기 입구경로부(6-1)의 전방 슬릿(6a)을 통해 뒷면으로 들어간 다음 후방 슬릿(6b)을 통해 윗면으로 나와 우 매니폴드(2-2)쪽을 빠져 나오고, 이어 공기 채널(8-2)을 통해 좌 매니폴드(2-1)쪽으로 흘러가며, 이후 좌 매니폴드(2-1)쪽에서 후방 슬릿(6b)을 통해 뒷면으로 들어간 다음 전방 슬릿(6a)을 통해 윗면으로 나온 후 공기 출구통로부(5-2)를 통해 뒷면으로 들어감으로써 연료로 공급되는 흐름 경로를 형성한다.

도 4를 도 5의 우측 단면도와 함께 참조하면, 냉각수 채널(8-3)은 좌 매니폴드(2-1)의 냉각수 입구통로부(7-1)와 냉각수 경로부(7a)를 우 매니폴드(2-2)의 냉각수 경로부(7a)와 냉각수 출구통로부(7-2)로 연결함으로써 반응으로 생성된 물이 냉각수로 되어 좌 매니폴드(2-1)에서 우 매니폴드(2-2)로 흘러 냉각작용 후 외부로 배출시켜준다. 일례로 냉각수는 냉각수 입구통로부(7-1)에서 윗면으로 나와 냉각수 경로부(7a)를 따라 좌 매니폴드(2-1)쪽을 빠져 나오고, 이어 냉각수 채널(8-3)을 통해 우 매니폴드(2-2)쪽으로 흘러가며, 이후 우 매니폴드(2-2)쪽에서 냉각수 경로부(7a)를 따라 냉각수 출구통로부(7-2)로 흘러가고, 냉각수 출구통로부(7-2)에서 뒷면으로 들어감으로써 외부로 배출되는 흐름 경로를 형성한다.

따라서 수소는 좌 매니폴드(2-1)에서 우 매니폴드(2-2)로 흘러가고, 공기는 우 매니폴드(2-2)에서 좌 매니폴드(2-1)로 흘러가며, 냉각수는 좌 매니폴드(2-1)에서 우 매니폴드(2-2)로 흘러간다.

한편 도 5를 참조하면, 연료전지 스택(100)은 연료전지 분리판(1), 전극막 접합체(20), 가스 확산층(30), 개스킷(40) 및 씨일(50)을 하나의 단위 셀로 하고, 상기 단위 셀은 연료전지 스택(100)이 원하는 규모의 출력을 확보할 수 있도록 수십개에서 수백개 적층된다. 여기서 상기 연료전지 분리판(1)은 도 1 내지 도 4를 통해 기술된 연료전지 분리판(1)과 동일하다.

구체적으로 상기 단위 셀은 1장의 전극막 접합체(20), 2장의 가스확산층(30), 2장의 연료전지 분리판(1)으로 구성된다. 이 경우 상기 연료전지 분리판(1)은 상,하부 연료전지 분리판(1-1,1-2)으로 구분되어 가스 확산층(30)의 바깥부분으로 적층된다. 상기 전극막 접합체(20)는 연료전지스택(100)의 가장 중심부에 위치하고, 고분자 전해질막의 양쪽면에 촉매층이 도포된 형태로 구성된다. 상기 가스 확산층(30)은 상,하부 가스 확산층(30-1,30-2)으로 구분되어 전극막 접합체(20)의 바깥부분으로 위치된다. 상기 개스킷(40)은 상,하부 연료전지 분리판(1-1,1-2)의 개스킷 플랜지(9)에 위치되어 압착 변형됨으로써 기밀을 형성하여 준다. 상기 씨일(50)은 상부 연료전지 분리판(1-1)과 하부 가스 확산층(30-2)의 사이에 위치되어 압착 변형됨으로써 기밀을 형성하여 준다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지스택은 연료전지 분리판을 적용하고, 상기 연료전지 분리판(1)은 수소와 공기 및 냉각수의 각각에 대한 입출구를 형성하는 좌 매니폴드(2-1)와 우 매니폴드(2-2)의 사이에 위치되고, 상기 좌 매니폴드(2-1)에서 상기 우 매니폴드(2-2)로 이어지는 상기 수소의 흐름과 상기 우 매니폴드(2-2)에서 상기 좌 매니폴드(2-1)로 이어지는 상기 공기의 흐름 및 상기 좌 매니폴드(2-1)에서 상기 우 매니폴드(2-2)로 이어지는 상기 냉각수의 흐름을 서로 간섭하지 않는 채널 유로(8)가 구비됨으로써 동일한 형상의 1세트 금형만 이용하여 설계의 용이성과 함께 비용 저감도 이루어진다.

1 : 연료전지 분리판 1-1,1-2 : 상,하부 연료전지 분리판
2-1,2-2 : 좌,우 매니폴드 3-1 : 수소 입구통로부
3-2 : 수소 출구통로부 4-1 : 수소 입구경로부
4-2 : 수소 출구경로부 4a,4b,6a,6b : 전,후방 슬릿
5-1 : 공기 입구통로부 5-2 : 공기 출구통로부
6-1 : 공기 입구경로부 6-2 : 공기 출구경로부
7-1 : 냉각수 입구통로부 7-2 : 냉각수 출구통로부
7a : 냉각수 경로부
8 : 채널 유로 8-1 : 수소 채널
8-2 : 공기 채널 8-3 : 냉각수 채널
9 : 개스킷 플랜지
20 : 전극막 접합체 30 : 가스 확산층
30-1,30-2 : 상,하부 가스 확산층
40 : 개스킷 50 : 씨일
100 : 연료전지 스택

Claims (18)

1. 수소와 공기 및 냉각수의 각각에 대한 입출구를 형성하는 매니폴드에 이어지고, 상기 수소와 상기 공기 및 상기 냉각수의 흐름을 서로 간섭하지 않는 채널 유로;가 포함되며,
   상기 채널 유로는 상기 수소의 입출구를 연결하여 상기 수소의 흐름을 형성해주는 수소 채널, 상기 공기의 입출구를 연결하여 상기 공기의 흐름을 형성해주는 공기 채널, 상기 냉각수의 입출구를 연결하여 상기 냉각수의 흐름을 형성해주는 냉각수 채널로 구분되고;
   상기 냉각수의 입구는 상기 매니폴드에서 상기 냉각수가 들어가는 냉각수 입구통로부와 함께 상기 냉각수 채널을 나온 상기 냉각수가 흐르는 냉각수 경로부를 구비하며, 상기 냉각수의 출구는 상기 매니폴드에서 상기 냉각수가 나오는 냉각수 출구통로부와 함께 상기 냉각수 채널로 들어가는 상기 냉각수가 흐르는 냉각수 출구경로부를 구비하며,
   상기 수소의 입구와 상기 공기의 출구 및 상기 냉각수의 입구는 함께 위치되고, 상기 수소의 출구와 상기 공기의 입구 및 상기 냉각수의 출구는 함께 위치되며; 상기 냉각수의 출구는 상기 수소의 출구와 상기 공기의 입구를 위아래로 구분하고, 상기 냉각수의 입구는 상기 수소의 입구와 상기 공기의 출구를 위아래로 구분하고, 상기 수소의 입구와 상기 공기 출구는 상기 냉각수 입구통로부를 향한 부위가 깎여 경사지고, 상기 수소의 출구와 상기 공기의 입구는 상기 냉각수 출구통로부를 향한 부위가 깎여 경사지며, 상기 냉각수 입구통로부와 상기 상기 냉각수 출구통로부의 각각은 깎여 경사진 형상으로 깔대기 형상으로 이루는
   것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 수소 채널과 상기 공기 채널 및 상기 냉각수 채널의 각각은 서로 연결되지 않는 것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 매니폴드는 상기 수소의 출구와 상기 공기의 입구 및 상기 냉각수의 출구가 위치된 좌 매니폴드, 상기 수소의 입구와 상기 공기의 출구 및 상기 냉각수의 입구가 위치된 우 매니폴드로 구분되고;
   상기 좌 매니폴드와 상기 우 매니폴드의 사이로 상기 수소 채널과 상기 공기 채널 및 상기 냉각수 채널의 각각이 연결되는 것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
   
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서, 상기 수소의 출구는 상기 냉각수의 출구 위쪽에서 상기 수소 채널의 한쪽과 연결되는 반면 상기 수소의 입구는 상기 냉각수의 입구 아래쪽에서 상기 수소 채널의 다른쪽과 연결되며, 상기 공기의 출구는 상기 냉각수의 입구 위쪽에서 상기 공기 채널의 한쪽과 연결되는 반면 상기 공기의 입구는 상기 냉각수의 출구 아래쪽에서 상기 공기 채널의 다른쪽과 연결되고, 상기 냉각수의 입구와 상기 냉각수의 출구는 동일한 위치로 상기 냉각수 채널과 연결되는 것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
   
6. 청구항 3에 있어서, 상기 수소의 입구는 상기 매니폴드에서 상기 수소가 들어가는 수소 입구통로부와 함께 상기 수소 채널을 나온 상기 수소가 통과하는 수소 입구경로부를 구비하며, 상기 수소의 출구는 상기 매니폴드에서 상기 수소가 나오는 수소 출구통로부와 함께 상기 수소 채널로 들어가는 상기 수소가 통과하는 수소 출구경로부를 구비하는 것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
   
7. 청구항 6에 있어서, 상기 수소 입구경로부는 서로 이격된 전,후방 슬릿으로 구성되고, 상기 전방 슬릿은 상기 매니폴드에서 상기 수소가 들어가는 반면 상기 후방 슬릿은 상기 매니폴드에서 상기 수소가 나오며, 상기 수소 출구경로부는 서로 이격된 전,후방 슬릿으로 구성되어 상기 수소 입구경로부의 상기 전,후방 슬릿과 반대로 작용하는 것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
   
8. 청구항 3에 있어서, 상기 공기의 입구는 상기 매니폴드에서 상기 공기가 들어가는 공기 입구통로부와 함께 상기 공기 채널을 나온 상기 공기가 통과하는 공기 입구경로부를 구비하며, 상기 공기의 출구는 상기 매니폴드에서 상기 공기가 나오는 공기 출구통로부와 함께 상기 공기 채널로 들어가는 상기 공기가 통과하는 공기 출구경로부를 구비하는 것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
   
9. 청구항 8에 있어서, 상기 공기 입구경로부는 서로 이격된 전,후방 슬릿으로 구성되고, 상기 전방 슬릿은 상기 매니폴드에서 상기 공기가 들어가는 반면 상기 후방 슬릿은 상기 매니폴드에서 상기 공기가 나오며, 상기 공기 출구경로부는 서로 이격된 전,후방 슬릿으로 구성되어 상기 공기 입구경로부의 상기 전,후방 슬릿과 반대로 작용하는 것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
   
   
10. 삭제
11. 청구항 1에 있어서, 상기 매니폴드와 상기 채널 유로는 개스킷 플랜지로 에워싸여지는 것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
    
12. 수소 입구통로부와 수소 입구경로부로 수소가 들어오는 흐름을 형성하고, 공기 출구통로부와 공기 출구경로부로 공기가 나오는 흐름을 형성하며, 냉각수 입구통로부와 냉각수 경로부로 냉각수가 들어오는 흐름을 형성하는 좌 매니폴드;
    수소 출구통로부와 수소 출구경로부로 수소가 나오는 흐름을 형성하고, 공기 입구통로부와 공기 입구경로부로 공기가 들어가는 흐름을 형성하며, 냉각수 출구통로부와 냉각수 경로부로 냉각수가 나오는 흐름을 형성하는 우 매니폴드;
    상기 좌 매니폴드와 상기 우 매니폴드의 중간에 위치되어 상기 좌 매니폴드와 상기 우 매니폴드를 연결하고, 상기 수소와 상기 공기 및 상기 냉각수의 각 흐름을 서로 간섭하지 않는 채널 유로;
    상기 좌 매니폴드와 상기 채널 유로 및 상기 우 매니폴드를 에워싸 테두리를 형성하는 개스킷 플랜지;가 포함되고,
    상기 냉각수 입구통로부와 상기 냉각수 경로부는 상기 수소 입구통로부와 상기 수소 입구경로부 및 상기 공기 출구통로부와 상기 공기 출구경로부를 위아래로 구분시키고, 상기 냉각수 출구통로부와 상기 냉각수 경로부는 상기 수소 출구통로부와 상기 수소 출구경로부 및 상기 공기 입구통로부와 상기 공기 입구경로부를 위아래로 구분시키며, 상기 수소의 입구와 상기 공기 출구는 상기 냉각수 입구통로부를 향한 부위가 깎여 경사지고, 상기 수소의 출구와 상기 공기의 입구는 상기 냉각수 출구통로부를 향한 부위가 깎여 경사지며, 상기 냉각수 입구통로부와 상기 상기 냉각수 출구통로부의 각각은 깎여 경사진 형상으로 깔대기 형상으로 이루는
    것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
    
13. 삭제
14. 청구항 12에 있어서, 상기 수소 입구통로부와 상기 수소 입구경로부는 상기 수소 출구통로부와 상기 수소 출구경로부를 이어주는 수소 채널로 연결되고, 상기 공기 입구통로부와 상기 공기 입구경로부는 상기 공기 출구통로부와 상기 공기 출구경로부를 이어주는 공기 채널로 연결되며, 상기 냉각수 입구통로부와 상기 냉각수 경로부는 상기 냉각수 출구통로부와 상기 냉각수 경로부를 이어주는 냉각수 채널로 연결되고.
    상기 수소 채널과 상기 공기 채널 및 상기 냉각수 채널의 각각은 서로 연결되지 않는 상태로 상기 채널 유로로 형성되는 것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
    
15. 청구항 14에 있어서, 상기 수소 입구경로부와 상기 수소 출구경로부의 각각은 서로 이격된 전,후방 슬릿으로 구성되고, 상기 전방 슬릿은 상기 수소가 들어가는 반면 상기 후방 슬릿은 상기 수소가 나오는 것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
    
16. 청구항 14에 있어서, 상기 공기 입구경로부와 상기 공기 출구경로부의 각각은 서로 이격된 전,후방 슬릿으로 구성되고, 상기 전방 슬릿은 상기 공기가 들어가는 반면 상기 후방 슬릿은 상기 공기가 나오는 것을 특징으로 하는 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판.
    
17. 청구항 1 내지 청구항 3 및 청구항 5 내지 청구항 9 및 청구항 11 중 어느 한 항에 의한 채널 유로 공용화 타입 연료전지 분리판;
    상기 연료전지 분리판이 적용되어 출력을 발생하는 단위 셀;
    이 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 단위 셀에는 상기 연료전지 분리판과 함께 전극막 접합체와 가스 확산층이 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.

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