KR102025750B1 - Fuel cell separator for and the fuel cell stack having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평탄도 개선을 위한 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell separator and a fuel cell stack including the same, and more particularly, to a fuel cell separator for improving flatness and a fuel cell stack including the same.
연료전지는 수소 등의 친환경연료를 사용하여 전기를 생산하는데 있어서 가장 효율이 높은 이상적인 에너지 변환장치로 일컬어지고 있으며, 미래사회의 핵심이 되는 기술이 될 것이다. 한편 에너지원과 에너지 저장매체로 화석연료를 사용하는 현 시점에서도 고효율의 친환경적인 에너지전환장치로서의 연료전지는 응용 가능 분야가 다양하고, 에너지 절약 및 기타 특수 목적을 위해 현재 세계 각국에서 상용화를 위한 연구가 활발히 진행 중이다.Fuel cell is said to be the most efficient energy conversion device that is the most efficient in producing electricity by using eco-friendly fuel such as hydrogen, and it will be the core technology of future society. Meanwhile, even at the present time when fossil fuels are used as energy sources and energy storage media, fuel cells as highly efficient and eco-friendly energy conversion devices have various fields of application and are currently being researched for commercialization in various countries around the world for energy saving and other special purposes. Is actively underway.
연료전지(Fuel cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 에너지 변환 장치이다. 도 1을 참조하여, 연료전지 스택(1)의 구성을 살펴보면, 가장 안쪽에 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 전극막 접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(2)과 상기 전해질막(2) 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(4) 및 연료극(6)으로 구성되어 있다.A fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy by oxidation and reduction of reactants into electrical energy. Referring to FIG. 1, when looking at the configuration of the
또한, 상기 전극막의 바깥 부분, 즉 공기극(4) 및 연료극(6)이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(8, GDL: Gas Diffusion Layer) 이 적층되고, 상기 가스확산층(8)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물이 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(10)이 가스켓(9)을 사이에 두고 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트가 결합된다.In addition, a gas diffusion layer 8 (GDL: Gas Diffusion Layer) is stacked on an outer portion of the electrode film, that is, an outer portion where the
따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극(6)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(2)과 분리막을 통하여 공기극(4)으로 이동하게 되며, 상기 공기극(4)에서는 연료극(6)으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.Accordingly, in the
한편, 상기 분리판(10)은 가스확산층(8)에 밀착되는 랜드와 유체의 흐름 경로가 되는 채널(유로)이 반복 형성된 구조로 제작되는 것이 일반적이다.On the other hand, the
즉, 일반적인 분리판(10)은 랜드와 채널(유로)이 반복적으로 굴곡된 구조로 되어 있기 때문에 가스확산층(8)과 마주보는 일면쪽의 채널은 수소 또는 공기와 같은 반응기체가 흐르는 공간으로 활용되고, 동시에 반대쪽 채널은 냉각수가 흐르는 공간으로 활용됨에 따라, 수소/냉각수 채널을 갖는 분리판(10) 1장과, 공기/냉각수 채널을 갖는 분리판(10) 1장 등 총 2장의 분리판(10)으로 하나의 단위전지를 구성할 수 있다(도 2 참조).That is, the
상기 분리판은 막전극접합체와 더불어 연료전지 핵심부품으로 막전극접합체와 기체확산층의 구조적 지지, 발생한 전류의 수집 및 전달, 반응가스의 수송, 반응생성물의 수송 및 제거, 그리고 반응열 제거를 위한 냉각수 수송 등의 다양한 역할을 담당하는 연료전지의 핵심부품이다.The separator is a fuel cell core component along with the membrane electrode assembly, which is structural support of the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer, collection and transfer of generated current, transport of reaction gas, transport and removal of reaction product, and transport of cooling water for removal of reaction heat. It is a core part of fuel cell that plays various roles.
상기 분리판은 우수한 전도성 및 화학적 안정성을 갖는 흑연계 소재 및 수지와 흑연을 혼합한 복합 흑연 재료를 사용해서 제조하여 왔다. 그러나, 상기 흑연계 소재는 기계적 강성과 밀폐성 및 전기전도성이 금속계 소재에 비해 떨어지는 문제점이 있어, 상기 분리판을 금속계 분리판으로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.The separator has been manufactured using a graphite-based material having excellent conductivity and chemical stability, and a composite graphite material mixed with a resin and graphite. However, the graphite-based material has a problem in that mechanical stiffness, sealability, and electrical conductivity are inferior to those of the metal-based material, and studies to replace the separator with a metal-based separator have been actively conducted.
분리판을 금속계 분리판으로 적용하게 된다면, 분리판 두께 감소를 통한 연료전지 스택의 부피 감소 및 경량화가 가능하고, 스탬핑(Stamping) 등을 이용한 제조가 가능하여 대량생산성을 확보할 수 있는 장점이 있다.If the separator is applied as a metal-based separator, it is possible to reduce the volume and weight of the fuel cell stack by reducing the thickness of the separator, and to manufacture by using stamping, thereby securing mass productivity. .
지금까지 내부식성이 좋은 스테인리스강, 티타늄 합금, 알루미늄 합금 및 니켈 합금 등이 금속 분리판의 후보 재료로 검토되고 있으며, 이 중에서 스테인리스강은 비교적 저렴한 소재 원가 및 우수한 내식성 등의 장점에 의해 분리판 소재로 많은 주목을 받고 있다.Until now, stainless steel, titanium alloys, aluminum alloys, and nickel alloys, which have good corrosion resistance, have been considered as candidate materials for metal separator plates. Among them, stainless steel is a separator material material due to its relatively low material cost and excellent corrosion resistance. As a lot of attention.
한편, 금속 분리판은 매우 얇은 두께(0.1~0.2mm) 의 박막을 사용함으로 인해 프레스 성형에 의한 유로 가공 및 매니폴더부 생성시 스프링백 현상이 발생된다. 이는 불규칙적으로 휘어지는 현상을 의미하는데, 금속 분리판의 두께가 얇아질수록 이러한 휨 현상은 더욱 크게 나타난다.On the other hand, the metal separating plate is a springback phenomenon occurs during the flow path processing and the manifold portion generated by the press molding due to the use of a thin film (0.1 ~ 0.2mm) of very thin thickness. This means irregular bending, and the thinner the thickness of the metal separator, the greater the warpage.
이러한 분리판의 휨 현상은 성형하고자 하는 설계도면의 형상을 얻는데 악영향을 미칠 수 있으며, 두 개의 분리판을 스팟 용접시 정확히 접합되는 것이 아니라, 간극이 발생되어 이는 품질분량으로 이어지게 된다. The bending phenomenon of the separator may adversely affect obtaining the shape of the design drawing to be formed, and the two separators are not precisely joined during spot welding, but a gap is generated, which leads to a quality amount.
따라서, 금속 분리판의 성형시, 휨 현상을 저감시킬 수 있도록 평탄도를 개선시킬 수 있는 분리판의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, when forming a metal separator, it is necessary to develop a separator capable of improving flatness so as to reduce warpage.
전술한 문제점을 해결하기 위하여,In order to solve the above-mentioned problem,
본 발명의 목적은 분리판의 성형시 휨 현상을 저감시킬 수 있도록 평탄도를 개선시킬 수 있는 연료전지 분리판을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a fuel cell separator that can improve the flatness to reduce the warpage phenomenon during molding of the separator.
본 발명의 다른 목적은 전체적이 성능 향상이 가능한 연료전지 스택을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of improving overall performance.
상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,
본 발명은 하나의 실시예에서,The invention in one embodiment,
반응유로가 형성된 플레이트; 및A plate on which a reaction flow path is formed; And
플레이트의 양측에 형성되어, 반응유로에 유체를 공급하고 배출시키도록 홀이 형성된 매니폴드; 를 포함하며, A manifold formed at both sides of the plate, the hole being formed to supply and discharge fluid to and from the reaction flow path; Including;
플레이트의 외곽을 따라 변형 방지부가 형성되되, A deformation prevention part is formed along the outer edge of the plate,
상기 변형 방지부는 플레이트의 일면으로 볼록하게 돌출된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판을 제공한다.The deformation preventing part provides a fuel cell separation plate which protrudes convexly to one surface of the plate.
본 발명은 다른 하나의 실시예에서,In another embodiment of the present invention,
연료전지 분리판을 포함하는 단위전지; 및A unit cell including a fuel cell separator; And
스택 형태로 적층되는 적어도 하나의 단위전지를 결합하는 결합부; 를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.Coupling unit for coupling at least one unit cell stacked in a stack form; It provides a fuel cell stack comprising a.
본 발명에 따른 연료전지 분리판은 플레이트의 일면으로 볼록하게 돌출된 변형 방지부에 의해 평탄도를 개선할 수 있다. The fuel cell separator according to the present invention may improve flatness by the deformation preventing part protrudingly convex to one surface of the plate.
아울러, 상기 분리판을 포함하는 연료전지 스택을 제공할 수 있다. 상기 연료전지 스택은 평탄도가 개선된 분리판에 의해 반응유체들이 누출되는 것을 방지할 수 있어, 전체적이 성능 향상이 가능한 연료전지 스택을 제공할 수 있다.In addition, a fuel cell stack including the separator may be provided. The fuel cell stack may prevent the reaction fluids from leaking by the separator having improved flatness, thereby providing a fuel cell stack capable of improving overall performance.
도 1은 연료전지 스택의 구성을 설명하는 개략도이다.
도 2는 연료전지 스택의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 연료전지 분리판을 도시한 평면도이다 ((a) 애노드 분리판, (b) 캐소드 분리판).
도 4는 실험예에서 변형 방지부 포함 유무에 따른 분리판의 변형을 비교하기 위한 사진이다((a) 변형 방지부 미포함, (b) 변형 방지부 포함).1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a fuel cell stack.
2 is a cross-sectional view of a fuel cell stack.
3 is a plan view showing a fuel cell separator of the present invention ((a) anode separator and (b) cathode separator).
Figure 4 is a photograph for comparing the deformation of the separator plate with or without the deformation prevention in the experimental example ((a) without deformation prevention, (b) including deformation prevention).
본 발명은 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평탄도 개선을 위한 연료전지 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell separator and a fuel cell stack including the same, and more particularly, to a fuel cell separator for improving flatness.
본 발명에 따른 연료전지 분리판은 플레이트의 일변으로 볼록하게 돌출된 변형 방지부에 의해 평탄도를 개선할 수 있어, 온도 변화에 따른 뒤틀림을 방지할 수 있으며, 이에 따른 접촉불량이나 파괴 등을 예방할 수 있는 효과가 있다. 아울러, 상기 분리판을 포함하여, 전체적이 성능 향상이 가능한 연료전지 스택을 제공할 수 있다.Fuel cell separator according to the present invention can improve the flatness by the deformation preventing portion protruding convexly to one side of the plate, can prevent distortion due to temperature changes, thereby preventing contact failure or breakdown, etc. It can be effective. In addition, the separator may include a fuel cell stack capable of improving overall performance.
본 발명에서 "연료전지"는 연료의 화학적 에너지를 전기적으로 에너지로 변환하는 발전시스템으로, 애노드(anode) 측인 연료극에는 연료(예를 들어, 수소가스)가 공급되고, 캐소드(cathode)측인 공기극에는 산화제(일례로 공기)가 주입되며, 이들의 반응시 발생하는 화학적 에너지를 이용하여 전기적 에너지로 변환되는 장치이다. 이러한 반응과정은 다음의 반응식 1 또는 2와 같다.In the present invention, a "fuel cell" is a power generation system that converts chemical energy of fuel into energy, and a fuel (for example, hydrogen gas) is supplied to an anode on an anode side, and a cathode on a cathode side is supplied to a cathode. An oxidant (for example, air) is injected and converted into electrical energy by using chemical energy generated during their reaction. This reaction process is shown in
[반응식 1]
음극(Cathode): 1/2O2 + 2e- ↔ O-2 Cathode: 1 / 2O 2 + 2e - ↔ O -2
양극(Anode): O-2 + H2 ↔ H2O + 2e- A
[반응식 2]
음극(Cathode): 1/2O2 + 2H+ → H2OCathode: 1 / 2O 2 + 2H + → H 2 O
양극(Anode): H2 → 2H+ + 2e- A positive electrode (Anode): H 2 → 2H + + 2e -
한편, 연료전지는 작동온도, 전해질 종류에 따라 저온형, 고온형으로 구분할 수 있으며, 저온형은 주로 자동차 등에 사용되는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 대표적이며, 고온형은 MCFC(Molen Carbonate Fuel Cell), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 및 SOFC 의 역반응을 이용한 SOEC(solid oxide electrolysis cell)이 대표적으로 사용된다.On the other hand, the fuel cell can be classified into low temperature type and high temperature type according to operating temperature and electrolyte type. The low temperature type is PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) mainly used in automobiles, and the high temperature type is MCFC (Molen Carbonate Fuel). Cells, solid oxide fuel cells (SOFCs), and solid oxide electrolysis cells (SOECs) using reverse reactions of SOFCs are typically used.
연료전지는 연료(수소)와 산화제가 지속적으로 주입되는 과정에서 연속적인 발전이 가능하며, 연료의 경우 발전 효율, 경제성을 고려하여 이용률을 높여야 상업적으로 가치를 높일 수 있다.Fuel cells can be continuously generated while fuel (hydrogen) and oxidant are continuously injected, and fuels can be commercially valued only when the utilization rate is increased in consideration of power generation efficiency and economic efficiency.
일 예로, 본 발명에서 연료전지는 산소 이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면에 위치한 전극으로 공기극 및 연료극을 포함할 수 있다. 이와 같이, 전해질, 공기극 및 연료극으로 이루어진 연료전지를 단위전지라 하며, 이러한 단위전지는 공기극과 연료극 사이에 연료전지용 반응가스인 산화제 또는 연료를 각각 순환하여 반응시 에너지를 생산할 수 있다.For example, in the present invention, the fuel cell may include an air electrode and a fuel electrode as an electrolyte having oxygen ion conductivity and electrodes disposed on both surfaces thereof. As such, the fuel cell including the electrolyte, the cathode, and the anode is referred to as a unit cell. The unit cell may generate energy during the reaction by circulating an oxidant or a fuel, which is a reaction gas for the fuel cell, between the cathode and the anode.
본 발명의 일 실시예에서는 전기에너지의 생산량을 증가시키기 위해 다수의 단위전지를 적층하여 일체로 결합하여 스택 형태로 적층한 연료전지 스택(stack)으로 제공될 수 있다.In an embodiment of the present invention, in order to increase the production of electrical energy, a plurality of unit cells may be provided as a stack of fuel cells stacked in a stacked form by integrally combining the plurality of unit cells.
이때, 연료전지 스택은 이루는 각각의 단위전지에서 공기극과 연료극을 전기적으로 연결하면서 반응가스의 혼합을 막기 위해 본 실시예의 "연료전지 분리판"이 설치될 수 있다.In this case, the fuel cell stack may be provided with a "fuel cell separator" of the present embodiment in order to prevent mixing of the reaction gas while electrically connecting the cathode and the anode in each unit cell.
여기서, "연료전지 분리판" 이란, 연료전지 내부를 구성하는 일부로, 전류 이동, 연료와 산화제의 분산 및 셀 분리 등의 기능을 수행하기 위한 분리판을 의미한다.Here, the "fuel cell separator" refers to a separator for constituting the inside of the fuel cell and performing a function such as current transfer, fuel and oxidant dispersion, and cell separation.
아울러, "평탄도" 라 함은, 금속 분리판의 플레이트의 평평함을 나타내는 기준을 의미하는 것으로, 본 발명에서 "평탄도 개선"이란, 금속 분리판의 성형시 휨 현상을 저감시키는 것을 방지할 수 있는 정도를 의미한다. 한편, 금속 분리판은 본 발명의 연료전지 분리판을 의미한다.In addition, "flatness" means a criterion indicating the flatness of the plate of the metal separator plate, and "improved flatness" in the present invention can prevent the reduction of the warpage phenomenon during molding of the metal separator plate. It means that there is. Meanwhile, the metal separator means the fuel cell separator of the present invention.
본 발명에서 "일면"은 제1면을 의미하는 것으로, 도면상에 도시된 분리판의 상면인 전면을 의미하며, "타면"이라 함은 제2면을 의미하는 것으로, 도면상에 도시된 분리판의 상면의 반대면인 배면을 의미한다. In the present invention, "one side" means the first side, means the front surface that is the upper surface of the separation plate shown in the drawing, "other side" means the second side, the separation shown in the drawings It means the back side opposite to the upper side of the plate.
아울러, "제1방향"은 횡방향을 의미하는 것으로, x축 방향인 가로방향일 수 있으며, "제2방향"은 종방향을 의미하는 것으로, y축 방향인 세로방향일 수 있다.In addition, the "first direction" refers to the transverse direction, may be a horizontal direction in the x-axis direction, the "second direction" refers to the longitudinal direction, it may be a vertical direction in the y-axis direction.
본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.In addition, it is to be understood that the accompanying drawings in the present invention are shown to be enlarged or reduced for convenience of description.
이하, 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same or corresponding components will be given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.
도 3은 본 발명의 연료전지 분리판을 도시한 평면도 ((a) 애노드 분리판, (b) 캐소드 분리판), 도 4는 본 발명의 연료전지 분리판의 구조를 도시한 단면도이다.3 is a plan view showing a fuel cell separator of the present invention ((a) anode separator, (b) cathode separator), and FIG. 4 is a sectional view showing the structure of the fuel cell separator of the present invention.
이하, 도 3 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 상세히 설명한다.Hereinafter, the fuel cell separator and the fuel cell stack including the same of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 4.
본 발명은 하나의 실시예에서,The invention in one embodiment,
반응유로(110)가 형성된 플레이트(100); 및A
플레이트(100)의 양측에 형성되어, 반응유로(110)에 유체를 공급하고 배출시키도록 홀이 형성된 매니폴드(120); 를 포함하며, A manifold 120 formed at both sides of the
플레이트(100)의 외곽을 따라 변형 방지부(130)가 형성되되, Deformation prevention portion 130 is formed along the outside of the
상기 변형 방지부(130)는 플레이트(100)의 일면으로 볼록하게 돌출된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판(10)을 제공한다.The deformation preventing part 130 provides a
플레이트(100)는 연로전지용 분리판(10)으로 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 플레이트(100)는 얇은 박막의 금속 형태로 제공될 수 있으며, 탄소와 고분자로 제조한 복합 분리판 또는 스테인리스강 재질로 구성될 수 있다. 특히, 스테인리스강 재질로 구성될 수 있다.The
이러한 플래이트(110)는 중심부에 반응부(150)가 형성될 수 있으며, 반응부(150)는 반응유로(110)가 형성되어 반응이 일어나는 부분으로서, 연료전지 시스템의 배치에 따라 전면이나 후면 중의 적어도 한 면에는 연료극 유로나 공기극 유로가 형성될 수 있다.The
구체적으로, 두 개의 바이폴라판(애노드 분리판, 캐소드 분리판)이 하나로 결합되는 분리판이 연료전지의 반응유로이며, 서로 독립적인 수소유로와 공기 유로 및 작동과정 중 연료전지를 냉각시키는 역할을 하는 냉각수가 흐르는 유로를 만들게 한다(미도시).Specifically, a separator plate in which two bipolar plates (anode separator and cathode separator) are combined as one is a reaction flow path of a fuel cell, and a hydrogen flow path and an air flow path that are independent of each other, and a coolant that cools the fuel cell during operation Make flow paths flow (not shown).
또한, 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체를 사이에 두고 두 판이 하나로 결합되어 이루는 바이폴라판들이 적층되면 연료전지의 단위 셀이 되는 것이고, 여러개 적층된 후에, 양단에 지지블럭을 조립하여 연료전지 스택을 제작하게 된다.In addition, when the bipolar plates composed of two plates joined together with a membrane electrode assembly including a polymer electrolyte membrane are stacked, the unit cells of the fuel cell are stacked. After stacking, the support blocks are assembled at both ends to form a fuel cell stack. Will be produced.
한편, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 플레이트(100)는 플레이트(100)의 외곽을 따라 변형 방지부(130)가 형성된 것을 특징으로 한다.On the other hand, the
본 발명의 하나의 실시예에서, "변형 방지부(130)"라 함은, 금속 분리판(10)의 평탄도를 개선시키기 위한 수단으로, 플레이트(100)의 일면으로 볼록하게 돌출되어 있는 것을 특징으로 한다. In one embodiment of the present invention, the "deformation preventing portion 130" is a means for improving the flatness of the
여기서, "플레이트의 일면으로 볼록하게 돌출" 이라 함은 플레이트(130)의 타면으로부터 일면, 즉, 플레이트의 배면으로부터 전면으로 돌출된 형태를 의미하는 것으로, 일종의 요철형태의 철(凸)부를 의미할 수 있다.Here, "convexly protruding to one surface of the plate" refers to a form protruding from one surface of the plate 130 to the front surface, that is, the front surface of the back surface of the plate, and may refer to an uneven form of iron. Can be.
특히, 변형 방지부(130)는 플레이트(100)의 외곽을 따라 일면으로 볼록하게 돌출되도록 형성됨으로써, 변형 방지부(130)가 없을 때 보다 응력 집중도를 완화시킬 수 있으며, 이에 따라 평탄도를 개선시킬 수 있다.In particular, since the deformation preventing part 130 is formed to protrude convexly toward one surface along the outer side of the
아울러, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 변형 방지부(130)는 평균폭이 2 내지 7 mm 로 형성될 수 있다. 또는 3.5 내지 6.5 mm, 4 내지 6 mm, 4.5 내지 5.8 mm 또는 5 내지 5.7 mm 로 형성될 수 있다.In addition, the deformation preventing part 130 according to an embodiment of the present invention may have an average width of 2 to 7 mm. Or 3.5 to 6.5 mm, 4 to 6 mm, 4.5 to 5.8 mm or 5 to 5.7 mm.
이는 종래 대비 일면으로 돌출된 폭의 증가로 인하여 평탄도를 증가시킬 수 있다. 한편, 변형 방지부(130) 폭이 3 mm 미만인 경우, 폭이 너무 좁아 분리판의 성형이 어려울 수 있으며, 7 mm 를 초과하는 경우 변형 방지부의 폭이 너무 넓어 패턴이 형성된 부분에 응력이 집중되어 분리판의 성형 또는 높은 온도에서 뒤틀리는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 상술한 폭의 범위가 바람직하다.This may increase flatness due to an increase in width protruding from one surface of the conventional art. On the other hand, when the width of the deformation prevention part 130 is less than 3 mm, the width of the deformation prevention part 130 may be difficult to form the separation plate. If the width of the deformation prevention part 130 is greater than 7 mm, the width of the deformation prevention part is too wide, so that stress is concentrated on the patterned part. Molding of the separator or warping at high temperatures may occur. Therefore, the range of the above-mentioned width is preferable.
특히, 플레이트(100)의 양 측인, 제2방향을 따라 형성된 폭이 종래 대비 증가하면서, y축인 제2방향에 대한 평탄도를 상승시킬 수 있다.In particular, while the width formed along the second direction, which is both sides of the
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 변형 방지부(130)는 물결패턴(131)으로 형성될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the deformation preventing unit 130 may be formed in a wave pattern (131).
구체적으로, 상기 물결패턴(131)은 가로축, 즉 제1방향의 평탄도를 상승하기 위한 것으로, 플레이트(100)의 상부 및 하부에 각각 형성될 수 있으며, 제1방향을 따라서 확장되도록 형성될 수 있다. 이때, 각각의 물결패턴의 소정의 폭이 형성되는 것이 바람직하며, 각각의 물결패턴의 폭은 상술한 변형방지부의 폭과 대응될 수 있다. 구체적으로, 2 내지 7 mm 로 형성될 수 있다. 또는 3.5 내지 6.5 mm, 4 내지 6 mm, 4.5 내지 5.8 mm 또는 5 내지 5.7 mm 로 형성될 수 있다. 여기서, 물결패턴(131)의 폭은 돌출된 부분인 철(凸)부를 의미한다.Specifically, the wave pattern 131 is to increase the flatness of the horizontal axis, that is, the first direction, may be formed on the top and bottom of the
만일, 상기 물결패턴(131)의 폭이 2 mm 미만인 경우, 폭이 너무 좁아, 분리판의 성형이 어려울 수 있으며, 7 mm 를 초과하게 되면, 돌출된 물결패턴(131)의 폭이 너무 넓어, 패턴 부분에 응력이 집중되어 분리판의 성형시 또는 높은 온도에서 뒤틀리는 현상이 발생할 수 있다.If the width of the wave pattern 131 is less than 2 mm, the width is too narrow, it may be difficult to form the separation plate, if it exceeds 7 mm, the width of the protruding wave pattern 131 is too wide, Stress may be concentrated in the pattern portion, which may result in distortion during molding of the separator plate or at high temperatures.
한편, 물결패턴(131)이 플레이트(100)의 외곽 전면에 형성될 수 있으나, 플레이트의 상부 및 하부에만 형성되는 것은 평탄도를 증가시켜주기 위함이다. 구체적으로, 동일한 패턴의 물결패턴(131)이 플레이트(100)의 외곽 전면에 형성되면, 분리판 성형시 응력이 플레이트의 외곽 전면에 발생하게 되어, 플레이트의 중앙부에 뒤틀림이 발생할 수 있다. On the other hand, the wave pattern 131 may be formed on the outer front surface of the
이에 따라, 물결패턴(131)은 플레이트(100)의 좌/우(제2방향)에는 배제하여 형성될 수 있다. 다만, 플레이트(100)의 외곽 좌/우에 형성된 변형 방지부(130)는 플레이트의 외곽의 모양을 따라 형성될 수 있다.Accordingly, the wave pattern 131 may be formed to exclude the left / right (second direction) of the
아울러, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 플레이트(100)는 평균두께 0.1 내지 0.5 mm 일 수 있다. 특정 양태로서, 0.1 내지 0.4 mm, 0.1 내지 0.3 mm 또는 0.1 내지 0.2 mm 일 수 있다. 한편, 플레이트의 열적 변형을 방지하기 위해서, 플레이트(100)의 두께를 두껍게 할 수 있으나, 비용도 증가하는 원인이 되기 때문에, 가능하면 플레이트(100)의 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 플레이트(100)의 두께가 0.1 mm 미만인 경우, 플레이트(100)의 두께가 너무 얇아 반응부(150)에 변형응력이 집중될 수 있어, 이에 따라 열적 뒤틀림 등의 변형이 발생할 수 있다.In addition, the
아울러, 플레이트(100)의 두께가 0.5 mm 를 초과하는 경우, 플레이트(100)의 두께가 너무 두꺼워 상술한 바와 같이 비용도 증가할 수 있으며, 최종 생산하게 되는 스택의 두께도 두꺼워질 수 있다.In addition, when the thickness of the
본 발명의 하나의 실시예에 따른 플레이트(100)는 사각형 형태이며, 플레이트(100)의 양측에는 매니폴드(120)가 형성되어 있다. 구체적으로, 플레이트(100)의 모서리 부분에는 공기입구(1201)와 공기출구(1201')가 배치되어 있다. 또는 수소입구(1202)와 수소출구(1202')가 배치될 수 있다.
공기는 공기입구(1201)를 통해 유입되고, 공기출구(1201')를 통해 배출되며, 수소는 수소입구(1202)와 수소출구(1202')를 통해 배출된다. 한편, 공기입구(1201) 및 공기출구(1201')는 캐소드 분리판에 형성될 수 있으며, 수소입구(1202)와 수소출구(1202')는 애노드 분리판에 형성될 수 있다.Air is introduced through the
아울러, 상기 공기입구(1201)와 공기출구(1201') 또는 수소입구(1202)와 수소출구(1202')의 중앙부에는 냉각수 입구(1203)와 냉각수 출구(1203')가 배치될 수 있다. 냉각수는 냉각수 입구(1203)를 통해 유입되고, 냉각수 출구(1203')을 통해 배출된다.In addition, a
한편, 상기 플레이트(100)는 매니폴드(120)를 둘러싸는 보강패턴(121)을 포함할 수 있다.On the other hand, the
상기 보강패턴(121)은 상술한 변형 방지부(130)의 하나의 구성일 수 있으며, 이 또한, 분리판의 변형되는 방지하기 위한 구성이다.The reinforcement pattern 121 may be one configuration of the above-described deformation preventing unit 130, and this is also a configuration for preventing deformation of the separator.
구체적으로, 상기 보강패턴(121)은 매니폴드(120)를 둘러싸되, 플레이트(100)의 외곽을 둘러싸는 것으로, 상술한 물결패턴(131)으로부터 확장된 형태일 수 있으며, 이 또한, 플레이트(100)의 일면으로 돌출된 형태일 수 있다.In detail, the reinforcement pattern 121 surrounds the manifold 120 and surrounds the outer portion of the
상기 매니폴드(120)는 플레이트(100)의 모서리에 형성되어 있기 때문에, 상기 보강패턴은 플레이트(100)의 모서리의 평탄도를 상승시키기 위함이다.Since the manifold 120 is formed at the edge of the
아울러, 플레이트(100)에서, 수소, 공기 및 냉각수 유로가 형성된 부분의 외곽부로는 가스켓 댐(미도시)이 제공된다. 가스켓댐에는 플레이트상을 유동하는 수소, 공기 및 냉각수 등이 누출되지 않도록 실링하기 위한 가스켓이 삽입될 수 있다.In addition, in the
아울러, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 플레이트(100)는 매니폴드(120)와 연통되는 가스출입부(140)가 형성되며, 상기 가스출입부(140)는 제1방향을 따라 확장되는 복수개의 가이드바(141)를 포함한다.In addition, the
가스출입부(140)는 반응부(150)로 공기를 전달하기 위한 공간이며, 가이드바(141)는 공기를 반응부(150)로 보다 용이하게 전달하기 위함이다. The
아울러, 복수개의 가이드바(141)는 플레이트(100)의 일면으로 돌출되며, 이웃하는 가이드바(141)의 말단과 단차가 형성되되, 플레이트의 내측에서 외측으로 갈수록 가이드바(141)의 길이는 길게 형성될 수 있다.In addition, the plurality of guide bars 141 protrude to one surface of the
가스 출입부(140)는 제1방향으로 확장되되 내부에 공간이 형성될 수 있으며, 상기 공간에 복수개의 가이드바(141)가 형성될 수 있다.The
본 명세서에서 편의상 상기 복수개의 가이드바(141)를 제1가이드바(1411), 제2가이드바(1412), 제3가이드바(1413)로 지칭하도록 한다. 복수개의 가이드바(141)의 개수는 복수개를 포함하는 것으로, 그 개수는 한정되지 않는다.In the present specification, the plurality of guide bars 141 are referred to as a
제1가이드바(1411), 제2가이드바(1412) 및 제3가이드바(1413) 모두 가스 출입부(140)의 공간에서 제1방향을 따라 확장되어 형성될 수 있으나, 서로 다른 길이를 가질 수 있다. 구체적으로, 제1가이드바(1411) 보다는 제2가이드바(1412)의 길이가 더 길 수 있으며, 제2가이드바(1412) 보다는 제3가이드바(1413)의 길이가 더 길게 형성될 수 있다. 여기서, 반응부(150)와 인접한 가이드바를 제1가이드바(1411)로 지칭하도록 한다.The
한편, 상기 가이드바(1411, 1412, 1413)의 일측의 동일한 축(y축)상에 형성될 수 있으나, 말단인 타측은 서로 다른 축(y축)상에 형성될 수 있다. 즉, 이웃하는 가이드바는 서로 단차가 형성될 수 있다. 이는 매니폴드(120) 내로 유입되는 수소를 반응부(150)로 보다 용이하게 유입시키기 위함이며, 또한, 반응부의 반응가스가 매니폴드(120)로 보다 용이하게 배출하기 위함이다.Meanwhile, the guide bars 1411, 1412, and 1413 may be formed on the same axis (y-axis) on one side, but the other end of the guide bar may be formed on different axes (y-axis). That is, neighboring guide bars may be stepped with each other. This is to more easily introduce hydrogen introduced into the manifold 120 into the
아울러, 상기 가이드바(141)는 가스의 유입 및 배출을 용이하게 함과 동시에 분리판(10)의 평탄도를 증가시킬 수 있다.In addition, the guide bar 141 may increase the flatness of the
구체적으로, 상기 가이드바(141)도 상술한 바와 같이, 플레이트(100)의 일면으로 돌출되어 형성됨으로써, 분리판의 성형시 또는 높은 온도에서 응력을 분산시킬 수 있어, 분리판(10)이 뒤틀리는 현상을 방지할 수 있다.Specifically, as described above, the guide bar 141 is also formed to protrude to one surface of the
아울러, 플레이트(100)는 반응유로(110)를 구분하는 복수개의 돌출바(151)를 포함하며, 복수개의 돌출바(151)는 제2방향을 따라 확장될 수 있다.In addition, the
이때, 복수개의 돌출바(151) 는 0.5 내지 3 mm 간격으로 배열되는 것을 특징으로 한다. 이때, 복수개의 돌출바(151)는 서로 이웃하는 돌출바(151)와 0.5 내지 3 mm 간격, 0.7 내지 2.8 mm 간격, 1.0 내지 2.6 mm 또는 2.45 mm 간격으로 배열될 수 있다. At this time, the plurality of
상기 돌출바(151)는 분리판(10)의 중앙부인 반응부(150)의 평탄도를 상승시키기 위한 것으로, 상기 돌출바(151)의 배열간격은 배치되는 돌출바(151)의 개수에 따라 변경할 수 있다.The
이러한 복수개의 돌출바(151)의 간격이 0.5 mm 미만인 경우, 반응유로(110)를 구분하기 위한 돌출바(151)의 개수가 너무 많이 배치되어, 반응유로(110)의 간격이 너무 좁아져 반응유체의 이동이 어려울 수 있다. 뿐만 아니라, 돌출바(151)의 개수가 너무 많이 배치되어, 분리판의 제조시 또는 높은 온도에서 응력이 돌출바(151)에 집중되어 플레이트의 중심부에 휨 현상이 발생할 수 있다. When the spacing of the plurality of protruding
한편, 복수개의 돌출바(151)의 간격이 3.0 mm 를 초과하여 배열되는 경우, 돌출바(151)의 개수가 너무 적어 반응유체를 용이하게 안내하지 못하고, 이 또한, 돌출바(151)의 개수가 너무 적어 플레이트의 중앙부에 응력이 집중됨으로써, 휨 현상이 발생될 수 있다.On the other hand, when the spacing of the plurality of
한편, 상기 복수개의 돌출바(151)는 제2방향을 따라 확장되어 형성될 수 있으나, 서로 동일한 길이로 형성될 수 있으나, 서로 이웃하는 돌출바(151)의 일단은 서로 단차가 형성될 수 있으며, 타단 또한 단차가 형성될 수 있다. On the other hand, the plurality of
플레이트(100)에 형성된 변형 방지부(130), 보강패턴(121), 물결패턴(131), 가이드바(141), 돌출바(151) 등은 분리판(10)의 평탄도를 개선시키기 위함이며, 분리판(10)의 프레스 성형시 함께 가공될 수 있으며, 또는 분리판 내부의 반응유로 프레스 성형 이후 별도의 공정을 통해 가공될 수 있다. The deformation preventing part 130, the reinforcement pattern 121, the wave pattern 131, the guide bar 141, and the protruding
본 발명은 다른 하나의 실시예에서,In another embodiment of the present invention,
연료전지 분리판을 포함하는 단위전지; 및A unit cell including a fuel cell separator; And
스택 형태로 적층되는 적어도 하나의 단위전지를 결합하는 결합부; 를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.Coupling unit for coupling at least one unit cell stacked in a stack form; It provides a fuel cell stack comprising a.
상술한 바와 같이, 전해질, 공기극, 연료극 및 연료전지 분리판으로 이루어진 연료전지를 단위전지라 하며, 이러한 단위전지는 공기극과 연료극 사이에 연료전지용 반응가스인 산화제 또는 연료를 각각 순환하여 반응시 에너지를 생산할 수 있다.As described above, a fuel cell composed of an electrolyte, an anode, a fuel electrode, and a fuel cell separator is called a unit cell, and the unit cell circulates an oxidant or a fuel, which is a reaction gas for a fuel cell, between the cathode and the anode to circulate energy. Can produce.
본 발명의 다른 하나의 실시예에서는 전기에너지의 생산량을 증가시키기 위해 다수의 단위전지를 적층하여 일체로 결합하여 스택 형태로 적층한 연료전지 스택(stack)으로 제공될 수 있다.In another embodiment of the present invention, in order to increase the production of electrical energy, a plurality of unit cells may be provided as a stack of fuel cells stacked in a stacked form by integrally combining the plurality of unit cells.
즉, 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 스택은 평탄도가 개선된 분리판(100)을 포함하여, 연료전지 스택의 이상 작동을 방지할 수 있고, 전체적인 성능 향상이 가능하며, 스택의 전체적인 높이를 낮출 수 있는 효과가 있다.That is, the fuel cell stack according to another exemplary embodiment of the present invention includes the
이하, 본 발명을 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by experimental examples.
<실험예>Experimental Example
실험예 1. 평탄도 측정Experimental Example 1. Flatness Measurement
변형 방지부를 포함하지 않는 연료전지 분리판과 변형 방지부를 포함하는 연료전지 분리판을 제조하였다. 그리고, 두 종류의 연료전지 분리판의 평탄도를 측정하였으며, 그 결과를 도 4((a) 변형 방지부 미포함, (b) 변형 방지부 포함)에 나타내었다.A fuel cell separator and a fuel cell separator including a strain preventing part were manufactured. In addition, the flatness of the two types of fuel cell separators was measured, and the results are shown in FIG. 4 ((a) without deformation prevention part and (b) with deformation prevention part).
보다 구체적으로, 기준면(바닥)에 분리판을 놓고 기준면과 분리판의 사각모서리(네곳)의 높이 단차(h)를 측정하여 평균을 내었다.More specifically, the separation plate was placed on the reference plane (bottom), and the height difference (h) of the four corners of the reference plane and the separation plate was measured and averaged.
그 결과, 평균 높이 단차(h)는 변형 방지부 미포함 연료전지 분리판(a)은 0.8mm 였고, 변형 방지부 포함 연료전지 분리판(b) 은 0.3mm 였다. 즉, 변형 방지부 포함 연료전지 분리판(b)이 변형 방지부 미포함 연료전지 분리판(a) 보다 평균 높이 단차(h)의 수치값이 작은 것으로 평탄도가 개선된 것을 확인할 수 있었다.As a result, the average height step h was 0.8 mm for the fuel cell separation plate a without the deformation preventing portion and 0.3 mm for the fuel cell separation plate b with the deformation preventing portion. That is, it was confirmed that the flatness of the fuel cell separation plate (b) including the deformation preventing part was smaller than that of the fuel cell separation plate (a) without the deformation preventing part (a).
특히, 도 4를 참조하면, 도 4(a)는 육안으로도 연료전지 분리판의 변형이 일어난 것을 확인할 수 있다.In particular, referring to FIG. 4, FIG. 4 (a) shows that deformation of the fuel cell separator occurs even with the naked eye.
이상에서 본 발명에 의한 연료전지용 집전체 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 구체적으로 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시양태를 기재한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의해서 그 범위가 결정 되어지고 한정되어진다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 명세서의 기재내용에 의한 다양한 변형 및 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다.The fuel cell current collector and the fuel cell stack including the same according to the present invention have been described in detail above. However, this is only for describing the most preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited thereto. The range is determined and defined by the range. In addition, anyone of ordinary skill in the art will be able to make various modifications and imitations according to the description of the specification of the present invention, but it will be apparent that this is also outside the scope of the present invention.
10: 연료전지 분리판
100: 플레이트
110: 반응유로
120: 매니폴드
1201: 공기입구 1201': 공기출구
1202: 수소입구 1202': 수소출구
1203: 냉각수 입구 1203' 냉각수 출구
121: 보강패턴
130: 변형 방지부 131: 물결패턴
140: 가스출입부
141: 가이드바
1411: 제1가이드바 1412: 제2가이드바
1413: 제3가이드바
150: 반응부 151: 돌출바10: fuel cell separator
100: plate
110: reaction flow path
120: manifold
1201: air inlet 1201 ': air outlet
1202: hydrogen inlet 1202 ': hydrogen outlet
1203: coolant inlet 1203 'coolant outlet
121: reinforcement pattern
130: deformation preventing portion 131: wave pattern
140: gas entry part
141: guide bar
1411: first guide bar 1412: second guide bar
1413: third guide bar
150: reaction unit 151: protrusion bar
Claims (10)
플레이트의 양측에 형성되어, 반응유로에 유체를 공급하고 배출시키도록 홀이 형성된 매니폴드; 를 포함하며,
플레이트의 외곽을 따라 변형 방지부가 형성되되,
상기 변형 방지부는 플레이트의 일면으로 볼록하게 돌출되며,
변형 방지부는 플레이트의 상부 및 하부에서만 제1방향을 따라 확장된 물결 패턴으로 형성되며,
플레이트의 외곽 좌/우에 제2 방향을 따라 형성된 변형 방지부는 물결 패턴이 배제되어 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
A plate on which a reaction flow path is formed; And
A manifold formed at both sides of the plate, the hole being formed to supply and discharge fluid to and from the reaction flow path; Including;
A deformation prevention part is formed along the outer edge of the plate,
The deformation preventing part protrudes convexly to one surface of the plate,
The deformation prevention part is formed in a wave pattern extending along the first direction only at the upper and lower portions of the plate,
The fuel cell splitter plate, characterized in that the deformation prevention portion formed along the second direction on the outer left and right sides of the plate is excluded from the wave pattern.
변형 방지부의 돌출된 폭은 평균 2 내지 7 mm 인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
The method of claim 1,
The protruding width of the deformation preventing part is an average of 2 to 7 mm fuel cell separator.
플레이트는
매니폴드를 둘러싸는 보강패턴을 포함하는 연료전지 분리판.
The method of claim 1,
The plate is
A fuel cell separator comprising a reinforcement pattern surrounding a manifold.
플레이트는
평균두께 0.1 내지 0.5 mm 인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
The method of claim 1,
The plate is
A fuel cell separator, characterized in that the average thickness of 0.1 to 0.5 mm.
플레이트는
매니폴드와 연통되는 가스출입부가 형성되며,
상기 가스출입부는 제1방향을 따라 확장되는 복수개의 가이드바를 포함하는 연료전지 분리판.
The method of claim 1,
The plate is
A gas inlet communicating with the manifold is formed,
The gas outlet plate comprises a plurality of guide bars extending along the first direction.
복수개의 가이드바는
플레이트의 일면으로 돌출되며,
이웃하는 가이드 바의 말단과 단차가 형성되되, 플레이트의 내측에서 외측으로 갈수록 가이드 바의 길이는 길게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
The method of claim 6,
Multiple guide bars
Protrude to one side of the plate,
Wherein the step is formed with the end of the neighboring guide bar, the fuel cell separation plate, characterized in that the length of the guide bar is formed longer from the inside of the plate toward the outside.
플레이트는
반응유로를 구분하는 복수개의 돌출바를 포함하며,
복수개의 돌출바는 제2방향을 따라 확장되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
The method of claim 1,
The plate is
It includes a plurality of protrusion bar to separate the reaction flow path,
A plurality of protruding bars extend along the second direction.
복수개의 돌출바는
0.5 내지 4 mm 간격으로 배열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
The method of claim 8,
Multiple protrusion bars
A fuel cell separator, characterized in that arranged at 0.5 to 4 mm intervals.
스택 형태로 적층되는 적어도 하나의 단위전지를 결합하는 결합부; 를 포함하는 연료전지 스택.A unit cell including a fuel cell separator according to claim 1; And
Coupling unit for coupling at least one unit cell stacked in a stack form; Fuel cell stack comprising a.
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