KR102044762B1 - 성능 및 내구성이 향상된 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 성능 및 내구성이 향상된 연료전지에 관한 것으로서, 제 1 반응가스 공급부와 제 2 반응가스 분배부, 제 3 구역 유로부 및 제 4 가스 배출부를 구성하여 연료전지 운전조건에 상관없이 높은 반응가스 이용률을 달성하고 촉매활성면적의 균일한 반응과 물 관리 및 열 배출을 효과적으로 달성할 수 있도록 고분자 전해질막과 전극으로 이루어진 막전극접합체(MEA: membrane electrode assembly)와 상기 막전극접합체을 중심으로 인접하는 양측에는 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성 분리판들을 포함하는 단위전지가 복수의 단위전지들이 적층되어 연료전지 스택을 이루며,
상기 분리판들은 막전극접합체막의 양측에 인접하여 배치되고, 분리판들의 내측에는 반응가스를 공급하는 통로인 제 1 가스 공급부와, 촉매활성면적을 분할하는 제 2 가스 분배부와, 촉매활성면적으로 공급된 반응가스들은 촉매에서의 전기화학반응을 통해 반응가스를 소모하여 직류전력과 반응 생성물인 물을 생산하는 제 3 구역 유로부 및 전기화학반응에 미사용된 남은 반응가스와 반응 생성물을 스택 외부로 방출하는 제 4 가스 배출부를 포함한다.

Description

성능 및 내구성이 향상된 연료전지{Fuel cell to improve the performance and durable}
본 발명은 성능 및 내구성이 향상된 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제 1 반응가스 공급부와 제 2 반응가스 분배부, 제 3 구역 유로부 및 제 4 가스 배출부를 구성하여 연료전지 운전조건에 상관없이 높은 반응가스 이용률을 달성하고 촉매활성면적의 균일한 반응과 물 관리 및 열 배출을 효과적으로 달성할 수 있는 성능 및 내구성이 향상된 연료전지에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지는 고분자 전해질 막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극 및 분리판으로 이루어지며, 특히 수소를 함유한 연료가스와, 공기 등의 산소를 함유하는 산화제가스를 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기와 열을 생산한다.
고분자전해질 연료 전지는 작동 온도가 낮고 빠른 시동 및 응답 특성을 갖고 있어, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택 및 일반 건축물과 같은 분산용 전원 및 드론, 로봇 등과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 광범위한 장점이 있다.
연료전지 전극은 백금족 금속 등의 금속촉매를 담지(擔持)한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층과, 이 촉매층의 바깥면에 형성되며 통기성과 전자도전성을 갖는 기체확산층으로 이루어진다.
상기 기체확산층은 일반적으로 탄소종이(carbon paper)나 탄소부직포(carbon cloth) 등으로 이루어진다. 이와 같이 고분자 전해질막과 그 양쪽에 형성된 전극을 지칭하여 막전극 접합체(MEA ; membrane electrode assembly)라고 한다.
막전극접합체 외측에는 인접하는 막전극접합체를 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성 분리판이 구비되어 단위전지를 이룬다.
분리판이 막전극접합체와 접촉하는 부분에는, 전극 면에 반응가스를 공급하고 잉여가스와 반응생성물을 운반하기 위한 유로가 형성되며, 상기 유로는 분리판의 표면에 홈 형태로 형성되는 것이 일반적이다. 상기 산화제가스(cathode) 및 연료가스(anode) 유로가 형성된 분리판은 전기전도성, 가스 기밀성 및 내식성이 요구되기 때문에 종래에는 레진을 함침시킨 흑연판을 절삭 등의 가공으로 홈을 형성하거나 카본복합체 분말을 압축 성형하여 사용하는 방법 또는 금속판을 프레스 가공한 후 표면에 내식성 코팅을 하여 사용하는 방법들이 적용된다.
연료전지 분리판은 일 측에 연료가스 유로를 구비하고 그 반대측에 유로가 형성되지 않은 평판을 구비한 연료가스용 분리판과, 일 측에 산화제가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 산화제 가스용 분리판을 냉각유로 측과 평판 측을 접하게 구성하는 방법이 일반적이며, 각각의 연료가스, 산화제가스 및 냉각매체 별로 최소 2개 이상의 관통 구멍을 형성하고, 가스유로의 입출구를 각각 이들의 관통구멍까지 연결시켜, 한쪽의 관통 구멍으로부터 반응가스 혹은 냉각매체를 각각의 유로로 공급하고 다른 쪽의 관통구멍으로 잉여가스 및 반응생성물 혹은 냉각매체를 배출하는 것이 일반적인 방법이다.
분리판에 형성된 관통 구멍은 단위전지를 적층하여 스택을 구성함에 있어서 적층 방향으로 가스공급부를 형성하게 된다.
통상의 연료전지는 상기 막전극접합체와 상기 막전극접합체의 양측에 배치된 연료가스(anode) 분리판과 산화제가스(cathode) 분리판으로 이루어지는 복수 개의 단위전지들이 적층된 구조로 이루어지며, 적절한 체결수단을 통하여 압축력을 가하여 고정된 구조로 이루어진다.
그러나 종래의 고분자 전해질 연료전지에서 전해질막의 수분 함유 정도에 따라 이온 전도성이 상이하고, 촉매활성면적이 큰 경우에는 농도 분극 및 전류밀도가 높아지면 반응가스의 공급속도와 열관리에 따라 연료전지 성능과 내구성에 악영향을 미치는 문제점이 있었다.
(0001) 대한민국 등록특허 제10-0569709호 (0002) 대한민국 공개특허 제10-2007-0112978호
상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 제 1 반응가스 공급부와 제 2 반응가스 분배부, 제 3 구역 유로부 및 제 4 가스 배출부를 구성하여 연료전지 운전조건에 상관없이 높은 반응가스 이용률을 달성하고 촉매활성면적의 균일한 반응과 물 관리 및 열 배출을 효과적으로 달성할 수 있는 성능 및 내구성이 향상된 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 반응가스인 연료가스와 산화제가스가 공급되어 전기화학반응이 일어나는 촉매활성면적(active area)에 분할하는 제 2 가스분배부는 고분자 전해질막을 중심으로 양측면에 일정 두께의 보조 공급부 공간을 갖는데 그 목적이 있다.
본 발명은 연료가스와 산화제가스가 반응하고 남은 반응가스들은 제 4 가스 배출부로 배출될 시에, 고분자 전해질막을 중심으로 양측면의 배출 유로 깊이를 구역유로 깊이 보다 얕게 하여 분리판 유로의 공급·배출부의 압력 차이 증가로 유로 내부에 있는 물 제거 능력을 향상시켜 플러딩(flooding) 현상을 개선시키는데, 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 제 2 가스 분배부를 제 1 가스 공급부에서 1 개의 유로로 공급되고 활성면적 입구에서 2개 이상의 유로들로 분기하는 성능 및 내구성이 향상된 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은 고분자 전해질막과 전극으로 이루어진 막전극접합체(MEA: membrane electrode assembly)와 상기 막전극접합체을 중심으로 인접하는 양측에는 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성 분리판들을 포함하는 단위전지가 복수의 단위전지들이 적층되어 연료전지 스택을 이루며, 상기 분리판들은 막전극접합체막의 양측에 인접하여 배치되고, 분리판들의 내측에는 반응가스를 공급하는 통로인 제 1 가스 공급부와, 촉매활성면적을 분할하는 제 2 가스 분배부와, 촉매활성면적으로 반응가스들을 공급하여 촉매에서의 전기화학반응을 통해 반응가스를 소모하고 직류전력과 반응 생성물인 물을 생산하는 제 3 구역 유로부 및 전기화학반응에 미사용된 남은 반응가스와 반응 생성물을 스택 외부로 방출하는 제 4 가스 배출부를 포함한다.
상기 제 2가스 분배부는 상기 고분자 전해질막을 중심으로 양측면에 기체확산층 두께만큼 측면으로의 보조 공급부 공간을 갖는다.
상기 제 2 가스 분배부는 제 1 가스 공급부에서 1 개의 유로로 공급되고 촉매활성면적 입구에서 2개 이상의 유로들로 분기하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 4 가스 배출부 내에 고분자 전해질막을 중심으로 양측면에 위치하는 배출 유로 깊이를 구역 유로 깊이보다 얕게 하여 상기 배출 유로 깊이와 상기 구역 유로 깊이의 차이로 인한 반응가스 입·출구단에 압력차를 만든다.
상기 배출 유로 깊이를 상기 구역유로 깊이의 40% ∼ 60% 정도로 하는 것을 더 포함한다.
상기 촉매활성면적 입구에서 2개 이상의 유로들로 분기하여 1개의 유로로 분기하는 분리판의 랜드 폭보다 좁게 하여 촉매활성면적을 더욱 증대시켜 균일한 반응이 일어나는 유로를 갖는 것을 특징으로는 한다.
본 발명의 해결수단에 의하면, 수소와 산소의 전기화학반응으로 직류 전력을 생산하는 연료전지에서, 연료전지 용량 증가에 따라 촉매활성면적이 커져도 반응가스인 연료가스와 산화제가스의 균일한 공급과 반응을 유지할 수 있어 연료전지 성능과 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 연료전지를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 촉매활성면적을 분할하는 제 2 가스 분배부를 통해 다수의 유로로 구성되어 촉매활성면적에 복수 개의 유로 구역별로 동시에 반응가스를 공급함으로써 반응가스의 균일한 전기화학 반응을 유지할 수 있으므로, 연료전지 성능과 내구성 향상에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명은 제 2 가스 분배의 반응가스인 연료가스와 산화제가스의 주공급유로뿐만 아니라, 막전극접합체 촉매활성면적의 기체확산층 두께만큼 측면으로의 보조 공급부 공간을 가지고 있어 촉매활성면적에 대해 더욱 균일한 전기화학반응으로 전기와 열을 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 연료가스와 산화제가스가 반응하고 남은 반응가스들은 제 4 가스 배출부로 배출될 시에, 고분자 전해질막을 중심으로 양측면에 위치하는 배출 유로 깊이를 구역 유로 깊이보다 얕게 하여 반응가스 입·출구단에 압력차를 만들어 반응물인 물의 배출을 용이하게 하여 물 제거 능력을 향상시켜 플러딩(flooding) 현상을 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 제 2 가스 분배부를 제 1 가스 공급부에서 1 개의 유로로 공급되고 촉매활성면적 입구에서 2개 이상의 유로들로 분기되도록 하여 촉매활성면적을 더욱 효과적으로 활용하여 균일한 반응이 일어나게 한다.
도 1은 본 발명의 연료전지 단위전지의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 연료전지 분리판의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 제 1실시형태에 관한 연료전지 분리판의 개략적인 단면을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 제 2실시형태에 관한 연료전지 분리판의 개략적인 단면을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 연료전지 분리판 유로 구조의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 연료전지 단위전지의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 연료전지 분리판의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 고분자 전해질막과 전극으로 이루어진 막전극접합체(MEA: membrane electrode assembly)(12)와 상기 막전극접합체을 중심으로 인접하는 양측에는 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성 분리판들(11, 13)을 포함하는 단위전지가 복수의 단위전지들이 적층되어 연료전지 스택을 이룬다.
즉, 연료전지 단위전지(10)는 고분자 전해질 막과 전극으로 이루어진 막전극접합체 (MEA : Membrane electrode assembly)(12)와 상기 막전극 접합체의 일측에 인접하여 배치되는 연료가스 유로부로 구성된 분리판(11)과 산화제가스 유로부로 구성된 분리판(13)을 각각 포함하며, 연료전지 스택은 단위전지(10)가 복수개로 적층되어 구성된다.
상기 막전극접합체(12)는 선택적으로 수소 이온을 통과시킬 수 있는 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막의 일측에 위치하는 연료극과, 반대편 일측에 위치하는 공기극으로 구성된다.
연료전지용 분리판(11)은 전극과 인접하여 연료가스 유로를 구비한 면과 그 반대측에 유로가 형성되지 않은 평판으로 이루어져 있으며, 연료가스 유로를 통해 수소를 함유한 연료가스가 유입된다.
산화제 가스용 분리판(13)은 전극과 인접하여 산화제 가스 유로를 구비한 면과 그 반대측에 냉각매체가 흐를 수 있는 냉각유로를 구비한 면으로 구성되며, 산화제 가스 유로를 통해 산소를 포함하는 산화제 가스가 유입되는 구조로 이루어진다.
고분자 전해질막을 중심으로 양측에 가스 유로가 형성된 판을 인접하여 구성한 단위전지의 적층에 있어서, 연료전지용 분리판(11)의 유로가 없는 평판과 산화제 가스용 분리판(13)의 냉각유로가 형성된 면을 인접하는 방식으로 구성된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 막전극접합체막(12)의 양측에 인접하여 배치되는 분리판들(11, 13)은 상기 막전극접합체막(12)과 마주하는 내측에는 반응가스를 공급하는 통로인 제 1 가스 공급부(101)와, 촉매활성면적을 분할하는 제 2 가스 분배부(102)와, 촉매활성면적으로 반응가스들을 공급하여 촉매에서의 전기화학반응을 통해 반응가스를 소모하고 직류전력과 반응 생성물인 물을 생산하는 제 3 구역 유로부(103)및 전기화학반응에 미사용된 남은 반응가스와 반응 생성물을 스택 외부로 방출하는 제 4 가스 배출부(104)를 포함한다.
상기 연료전지 분리판에 있어서, 반응가스의 이동경로는 일 예로 스택 외부에서 제1가스 공급부(101)를 통해 내부로 공급된 후 제 2 가스 분배부(102)로 유입되며, 분배부의 유로를 따라 촉매활성면적에 가스를 공급하는 제 3 구역 유로부에 이동한다.
상기 제 3 구역 유로부(103)에서 촉매활성면적으로 공급된 반응가스들은 촉매에서의 전기화학반응을 통해 반응가스를 소모하여 직류전력과 반응 생성물인 물을 생산한다.
전기화학반응에 미사용된 남은 반응가스와 반응 생성물은 구역 유로부를 따라 제 4 가스 배출부(104)로 공급되어 스택 외부로 방출하게 된다.
상기 제 2 가스 분배부(102)는 반응가스인 연료가스와 산화제가스가 공급되어 전기화학반응이 일어나는 촉매활성면적(active area)에 분할하며, 고분자 전해질막을 중심으로 양측면에 일정 두께의 보조 공급부 공간을 갖는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 제 1실시형태에 관한 연료전지 분리판의 개략적인 단면을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 막전극접합체의 일측에 인접하여 배치되는 연료전지 분리판에 있어서, 연료전지 스택 외부에서 반응가스를 공급하는 통로인 제 1 가스 공급부(101)와 촉매활성면적을 분할하는 제 2 가스 분배부(102)와 제 3 구역 유로부(103)와 제 4 가스 배출부(104), 가스 누설을 방지하는 가스켓(105) 및 막전극접합체의 사선으로 표시된 촉매활성면적(106)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 1가스 공급부(101)를 통해 유입된 반응가스는 제 2 가스 분배부(102) 유로를 통해 촉매활성면적으로 공급한다.
이 때 제 2 가스 분배부(102)는 다수의 유로로 구성되어 촉매활성면적에 유로 구역별(201, 202, 203)로 동시에 반응가스를 공급함으로써 반응가스의 균일한 전기화학 반응을 유지할 수 있으므로 연료전지 성능과 내구성 향상에 기여할 수 있다.
또한, 구성에서 단면을 살펴보면, 연료전지분리판, 가스 누설을 방지하는 가스켓(105), 고분자전해질막(107)과 상기 막 양측면에 촉매전극층과 기체확산층(108)의 구조로 이루어져 있다.
제 2 가스 분배부(102)의 반응가스인 연료가스와 산화제가스의 주공급유로(109) 뿐만아니라, 막전극접합체 촉매활성면적의 기체확산층 두께만큼 측면으로의 보조 공급부 공간(110)을 가지고 있어 촉매활성면적에 극대화하고 반응가스 이용률을 높여 더욱 균일한 전기화학반응으로 전기와 열을 생산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2실시형태에 관한 연료전지 분리판의 개략전인 단면을 나타내는 도면이다.
상기 연료전지 분리판은 도 3의 구성요소와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복된 설명은 생략한다.
상기 연료전지 분리판에 있어서, 연료가스와 산화제가스가 반응하고 남은 반응가스들은 제 4 가스 배출부(104)로 배출될 시에, 고분자 전해질막을 중심으로 양측면에 위치하는 배출 유로 깊이(111)를 구역 유로 깊이(112)보다 얕게 하는 것을 특징으로 하며, 반응가스 입·출구단에 압력차를 만들어 반응물인 물의 흐름을 빠르게 함으로써 배출을 용이하게 한다.
이 때 전기화학반응에서 소모되어 감소된 반응가스의 양을 고려하여 배출 유로 깊이(111)를 구역유로 깊이(112)의 40% ∼ 60% 정도로 하는 것이 바람직하며, 이는 연료가스와 산화제가스가 반응하고 남은 반응가스의 량과 반응 생성물인 물의 량 등을 종합적으로 고려한 최적화된 수치이다.
도 5는 본 발명의 연료전지 분리판의 유로 구조를 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 5a는 촉매활성면적 입구에서 유로가 분기 되지 않은 분리판의 유로를 나타내며, 도 5b는 유로가 분기된 분리판의 유로를 나타낸다.
도 5b에서 상기 연료전지 분리판에 있어서, 제 2 가스 분배부(102)는 제 1 가스 공급부(101)에서 1 개의 유로로 공급되고 촉매활성면적 입구에서 2개 이상의 유로들로 분기하는 것으로 구성된다. 확대 도면에 도시한 바와 같이, 유로를 분기하여 도5 (b)의 분리판의 랜드 폭(302)을 도5 (a) 분리판의 랜드 폭(301) 보다 좁게 함으로써 촉매활성면적에 더욱 효과적이고 균일한 반응이 일어나는 유로를 갖는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 샅이, 본 발명은 제 1 반응가스 공급부와 제 2 반응가스 분배부, 제 3 구역 유로부 및 제 4 가스 배출부를 구성하여 연료전지 운전조건에 상관없이 높은 반응가스 이용률을 달성하고 촉매활성면적의 균일한 반응과 물 관리 및 열 배출을 효과적으로 달성할 수 있는 특징이 있다.
본 발명은 제 2 가스 분배부(102)의 반응가스인 연료가스와 산화제가스의 주공급유로(109) 뿐만아니라, 막전극접합체 촉매활성면적의 기체확산층 두께만큼 측면으로의 보조 공급부 공간(110)을 가지고 있어 촉매활성면적에 극대화하고 반응가스 이용률을 높여 더욱 균일한 전기화학반응으로 전기와 열을 생산할 수 있는 특징이 있다.
또한, 연료가스와 산화제가스가 반응하고 남은 반응가스들은 제 4 가스 배출부로 배출될 시에, 고분자 전해질막을 중심으로 양측면의 배출 유로 깊이를 구역유로 깊이 보다 얕게 하여 분리판 유로의 공급·배출부의 압력 차이 증가로 유로 내부에 있는 물 제거 능력을 향상시켜 플러딩(flooding) 현상을 개선시킬 수 있으며, 배출 유로 깊이를 구역 유로 깊이의 40% ∼ 60% 정도로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 2 가스 분배부는 제 1 가스 공급부에서 1 개의 유로로 공급되고 촉매활성면적 입구에서 2개 이상의 유로들로 분기하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10 : 연료전지의 단위전지
- 11 : 연료전지용 분리판 - 12 : 막전극접합체
- 13 : 산화제 가스용 분리판
101 : 제 1 가스 공급부
102 : 제 2 가스 분배부
103 : 3 구역 유로부
104 : 제 4 가스 배출부
105 : 가스켓
106 : 촉매활성면적
107 : 고분자전해질막
108 : 촉매전극층과 기체확산층
109 : 주공급유로
110 : 보조 공급부 공간
111 : 배출 유로 깊이
112 : 구역 유로 깊이
201, 202, 203 : 유로 구역별

Claims (6)

  1. 고분자 전해질막과 전극으로 이루어진 막전극접합체(MEA: membrane electrode assembly)와 상기 막전극접합체을 중심으로 인접하는 양측에는 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성 분리판들을 포함하는 단위전지가 복수의 단위전지들이 적층되어 연료전지 스택을 이루며,
    상기 분리판들은 막전극접합체막의 양측에 인접하여 배치되고, 분리판들의 내측에는 반응가스를 공급하는 통로인 제 1 가스 공급부와, 촉매활성면적을 분할하는 제 2 가스 분배부와, 촉매활성면적으로 반응가스들을 공급하여 촉매에서의 전기화학반응을 통해 반응가스를 소모하고 직류전력과 반응 생성물인 물을 생산하는 제 3 구역 유로부 및 전기화학반응에 미사용된 남은 반응가스와 반응 생성물을 스택 외부로 방출하는 제 4 가스 배출부로 이루어지고,
    상기 제 2가스 분배부는 다수의 유로로 구성되어 촉매활성면적에 유로 구역별로 동시에 반응가스를 공급하고 상기 고분자 전해질막을 중심으로 양측면에 기체확산층 두께만큼 측면으로의 보조 공급부 공간을 가지며,
    제 1 가스 공급부에서 1 개의 유로로 공급되고 촉매활성면적 입구에서 2개 이상의 유로들로 분기하는 것을 특징으로 하는 성능과 내구성 향상된 연료전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 4 가스 배출부 내에 고분자 전해질막을 중심으로 양측면에 위치하는 배출 유로 깊이를 구역 유로 깊이보다 얕게 하여 상기 배출 유로 깊이와 상기 구역 유로 깊이의 차이로 인한 반응가스 입·출구단에 압력차를 만드는 것을 특징으로 하는 성능과 내구성 향상된 연료전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 배출 유로 깊이를 상기 구역유로 깊이의 40% ∼ 60% 정도로 하는 것을 더 포함하는 성능과 내구성 향상된 연료전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매활성면적 입구에서 2개 이상의 유로들로 분기하여 1개의 유로로 분기하는 분리판의 랜드 폭보다 좁게 하여 촉매활성면적을 더욱 증대시켜 균일한 반응이 일어나는 유로를 갖는 것을 특징으로는 성능과 내구성 향상된 연료전지.

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110767919A (zh) * 2019-12-26 2020-02-07 武汉中极氢能产业创新中心有限公司 燃料电池的双极板和燃料电池
CN115207389A (zh) * 2022-07-22 2022-10-18 中汽创智科技有限公司 一种双极板及燃料电池

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001057219A (ja) * 1999-08-19 2001-02-27 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池
JP2003077499A (ja) * 2001-06-18 2003-03-14 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2005268110A (ja) * 2004-03-19 2005-09-29 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池用セパレータ
KR100569709B1 (ko) 2004-04-30 2006-04-11 한국과학기술연구원 내구성과 고성능을 갖는 연료 전지용 전극 및 막전극접합체의 제조 방법
KR20070112978A (ko) 2006-05-24 2007-11-28 현대자동차주식회사 연료 전지 전극과 연료 전지 전극의 내구성 향상 방법
KR20100108101A (ko) * 2009-03-27 2010-10-06 (주)퓨얼셀 파워 세퍼레이터 및 이를 이용한 연료 전지 스택
JP2012003858A (ja) * 2010-06-14 2012-01-05 Toyota Motor Corp 燃料電池

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001057219A (ja) * 1999-08-19 2001-02-27 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池
JP2003077499A (ja) * 2001-06-18 2003-03-14 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2005268110A (ja) * 2004-03-19 2005-09-29 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池用セパレータ
KR100569709B1 (ko) 2004-04-30 2006-04-11 한국과학기술연구원 내구성과 고성능을 갖는 연료 전지용 전극 및 막전극접합체의 제조 방법
KR20070112978A (ko) 2006-05-24 2007-11-28 현대자동차주식회사 연료 전지 전극과 연료 전지 전극의 내구성 향상 방법
KR20100108101A (ko) * 2009-03-27 2010-10-06 (주)퓨얼셀 파워 세퍼레이터 및 이를 이용한 연료 전지 스택
JP2012003858A (ja) * 2010-06-14 2012-01-05 Toyota Motor Corp 燃料電池

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110767919A (zh) * 2019-12-26 2020-02-07 武汉中极氢能产业创新中心有限公司 燃料电池的双极板和燃料电池
CN110767919B (zh) * 2019-12-26 2020-04-10 武汉中极氢能产业创新中心有限公司 燃料电池的双极板和燃料电池
CN115207389A (zh) * 2022-07-22 2022-10-18 中汽创智科技有限公司 一种双极板及燃料电池
CN115207389B (zh) * 2022-07-22 2023-12-15 中汽创智科技有限公司 一种双极板及燃料电池

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