KR102131950B1 - 고분자 전해질막 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료극 다공성 시트와 공기극 다공성 시트가 기체가 흐르는 방향으로 갈수록 공극률이 감소하도록 형성됨으로써, 공극률의 감소로 인해 기체 침투성이 향상되어 보다 넓은 면적으로 기체 확산이 잘 일어나게 되는 이점이 있다. 또한, 본 발명은, 연료극 분리판에 형성된 연료극 다공성 시트 삽입홈과, 공기극 분리판에 형성된 공기극 다공성 시트 삽입홈을 입구에서 출구를 향한 방향으로 갈수록 깊이가 얕게 형성함으로써, 연료극 다공성 시트와 공기극 다공성 시트를 각각 삽입시 위치에 따라 압축률이 달라지게 되어 공극률을 다르게 형성할 수 있는 이점이 있다.

Description

고분자 전해질막 연료전지{Polymer electrolyte membrane fuel cell}
본 발명은 고분자 전해질막 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분리판에 구비된 다공성 유로판의 입구에서 출구를 향한 대각선 방향으로 갈수록 공극률이 감소하도록 형성됨으로써, 공급 기체가 주변으로 보다 균일하게 확산될 수 있는 고분자 전해질막 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 장치이다. 상기 연료전지는, 전해질의 종류에 따라 고체산화물 연료전지, 용융탄산염 연료전지 및 고분자 전해질막 연료전지 등으로 구분된다.
상기 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는, 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료 전지이다.
최근 산업에서 요구하는 출력에 대응하기 위해서는 고분자 전해질막 연료전지의 고출력 시스템 개발이 필수적이다. 또한, 제한된 공간에서 효율적인 사용을 위하여 부피를 최소화시켜 단위 부피당 출력을 높이는 것에 관심이 증대되고 있다.
한국등록특허 제10-1836648호
본 발명의 목적은, 분리판에 구비된 다공성 유로판에서 기체 확산이 보다 활발하게 이루어지도록 하여 성능이 향상될 수 있는 고분자 전해질막 연료전지를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 고분자 전해질막 연료전지는, 연료극 분리판, 고분자 전해질막 및 공기극 분리판을 포함하는 연료전지 단위 셀이 복수개가 적층된 고분자 전해질막 연료전지에 있어서, 상기 연료극 분리판은, 상기 고분자 전해질막을 향한 면에 형성된 연료극 다공성 시트 삽입홈과, 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈에 삽입되고 연료 입구에서 연료 출구를 향한 방향으로 갈수록 공극률이 감소하도록 형성된 연료극 다공성 시트를 포함하고, 상기 공기극 분리판은, 상기 고분자 전해질막을 향한 면에 형성된 공기극 다공성 시트 삽입홈과, 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈에 삽입되고 공기 입구에서 공기 출구를 향한 방향으로 갈수록 공극률이 감소하도록 형성된 공기극 다공성 시트를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 고분자 전해질막 연료전지는, 연료극 분리판, 고분자 전해질막 및 공기극 분리판을 포함하는 연료전지 단위 셀이 복수개가 적층된 고분자 전해질막 연료전지에 있어서, 상기 연료극 분리판은, 상기 고분자 전해질막을 향한 면에 형성되고 연료 입구에서 연료 출구를 향한 방향으로 갈수록 깊이가 얕아지도록 형성된 연료극 다공성 시트 삽입홈과, 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈에 삽입되고 두께가 일정한 다공성 소재로 형성되어 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈의 깊이에 따라 압축률이 달라져서 상기 연료 입구에서 상기 연료 출구를 향한 방향으로 갈수록 공극률이 감소하는 연료극 다공성 시트를 포함하고, 상기 공기극 분리판은, 상기 고분자 전해질막을 향한 면에 형성되고 공기 입구에서 공기 출구를 향한 방향으로 갈수록 깊이가 얕아지도록 형성된 공기극 다공성 시트 삽입홈과, 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈에 삽입되고 두께가 일정한 다공성 소재로 형성되어 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈의 깊이에 따라 압축률이 달라져서 상기 공기 입구에서 상기 공기 출구를 향한 방향으로 갈수록 공극률이 감소하는 공기극 다공성 시트를 포함한다.
본 발명은, 연료극 다공성 시트와 공기극 다공성 시트가 기체가 흐르는 방향으로 갈수록 공극률이 감소하도록 형성됨으로써, 공극률의 감소로 인해 기체 침투성이 향상되어 보다 넓은 면적으로 기체 확산이 잘 일어나게 되는 이점이 있다.
또한, 본 발명은, 연료극 분리판에 형성된 연료극 다공성 시트 삽입홈과, 공기극 분리판에 형성된 공기극 다공성 시트 삽입홈을 입구에서 출구를 향한 방향으로 갈수록 깊이가 얕게 형성함으로써, 연료극 다공성 시트와 공기극 다공성 시트를 각각 삽입시 위치에 따라 압축률이 달라지게 되어 공극률을 다르게 형성할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 단위 셀을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료극 분리판과 연료극 다공성 시트의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료극 분리판과 연료극 다공성 시트의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 연료극 다공성 시트의 기체 확산을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 공기극 분리판과 공기극 다공성 시트의 단면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 공기극 다공성 시트의 기체 확산을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 성능을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 단위 셀을 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1에 도시된 연료극 분리판과 연료극 다공성 시트의 분해 사시도이다. 도 3은 도 1에 도시된 연료극 분리판과 연료극 다공성 시트의 단면도이다. 도 4는 도 1에 도시된 연료극 다공성 시트의 기체 확산을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5는 도 1에 도시된 공기극 분리판과 공기극 다공성 시트의 단면도이다. 도 6은 도 1에 도시된 공기극 다공성 시트의 기체 확산을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지는, 2개의 앤드 플레이들들 사이에 복수의 연료전지 단위 셀들이 적층된 연료전지 스택이다.
도 1을 참조하면, 상기 연료전지 단위 셀(10)은, 고분자 전해질막(20), 연료극 분리판(30), 공기극 분리판(40) 및 냉각수 분리판(50)을 포함한다.
상기 고분자 전해질막(20)은, 막 전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)(21)와, 상기 막 전극 접합체(21)의 좌,우측면에 형성된 기체 확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)(22)을 포함한다.
상기 고분자 전해질막(20)의 좌,우측 중 일측에는 상기 연료극 분리판(30)이 구비되고, 타측에는 상기 공기극 분리판(40)이 구비된다. 본 실시예에서는, 상기 고분자 전해질막(20)의 좌측면에는 상기 연료극 분리판(30)이 구비되고, 우측면에는 상기 공기극 분리판(40)이 구비되는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 고분자 전해질막(20)은, 상하방향으로 단면적이 일정한 직육면체 형상으로 형성된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 연료극 분리판(Anode bipolar plate)(30)은, 상기 고분자 전해질막(20)에 접하는 우측면(30a)에 형성된 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)과, 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)에 삽입된 연료극 다공성 시트(32)를 포함한다.
상기 연료극 분리판(30)은, 두께가 일정한 판 형상으로 형성된다.
상기 연료극 분리판(30)에는 연료가 유입되는 연료 입구(31a)와, 연료가 배출되는 연료 출구(31b)가 형성된다. 상기 연료 입구(31a)와 상기 연료 출구(31b)는 대각선 방향(C)으로 서로 이격되게 배치된다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에서는, 상기 연료 입구(31a)는 하부 우측에 형성되고, 상기 연료 출구(31b)는 상부 좌측에 형성되는 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 연료 입구(31a)와 상기 연료 출구(31b)는 보다 효과적인 기체 확산을 위해 멀리 떨어질수록 유리하다.
상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)은, 상기 연료극 분리판(30)에서 상기 고분자 전해질막을 향한 우측면(30a)에 오목하게 형성된 홈이다. 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)은, 상기 연료 입구(31a)에서 상기 연료 출구(31b)를 향한 대각선 방향(C)으로 갈수록 깊이가 점차 얕아지도록 형성된다. 즉, 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)의 바닥면은 경사지게 형성된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)은 상기 연료 입구(31a)측 깊이(t11)보다 상기 연료 출구(31b)측 깊이(t12)가 얇게 형성되어, 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)의 종단면은 직각 사다리꼴 형상으로 형성된다.
본 실시예에서는, 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)에서 상기 연료 입구(31a)측의 최대 깊이는 약 0.9mm이고, 상기 연료 출구(31b)측의 최소 깊이는 0.5mm인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 연료극 다공성 시트(32)는 제조시에는 초기 두께(t13)가 일정한 직육면체 형상으로 형성된다. 상기 연료극 다공성 시트(32)는 금속 발포체로 형성되어 내부의 공극들이 연료가 흐르는 다공성 유로를 형성한다.
상기 연료극 다공성 시트(32)는, 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)에 삽입된다. 상기 연료극 다공성 시트(32)의 두께는 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)의 깊이보다 크게 형성되어, 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)에 삽입시 압축된다. 상기 연료극 다공성 시트(32)의 초기 두께(t13)는 약 1mm인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 연료극 다공성 시트(32)는 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)에 삽입되기 이전에는 두께가 일정한 시트 형상이나, 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)에 삽입시 홈의 형상에 맞게 압축되어 상기 연료 입구(31a)에서 상기 연료 출구(31b)를 향한 방향으로 갈수록 보다 압축되어 두께가 얇아진다. 즉, 상기 연료극 다공성 시트(32)는, 상기 연료 입구(31a)에서 상기 연료 출구(31b)를 향한 방향으로 갈수록 압축률이 커져서 공극률이 감소하게 된다.
상기 연료극 다공성 시트(32)가 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)에 삽입된 이후, 상기 연료극 다공성 시트(32)에서 상기 연료 입구(31a)측 두께보다 상기 연료 출구(31b)측 두께가 얇게 압축되어, 종단면이 직각 사다리꼴 형상으로 형성된다.
상기와 같이, 상기 연료극 다공성 시트(32)가 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈(31)에 삽입되어, 상기 연료 입구(31a)에서 상기 연료 출구(31b)를 향한 방향으로 갈수록 공극률이 감소하게 되면, 연료가 흐르는 유로에 해당하는 공극의 단면적이 점차 작아져서 유속이 증가할 수 있다. 또한, 상기 연료 출구(31b)측으로 갈수록 공극률이 감소하게 되면, 연료는 상기 대각선 방향(C)에서 사방으로 보다 잘 퍼지게 된다. 즉, 상기 공극률이 감소함에 따라 연료가 상기 대각선 방향(C) 이외에 사방 모서리를 향한 방향(A)으로 침투성을 유도하여 보다 균일한 기체 확산이 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 상기 공기극 분리판(Cathode bipolar plate)(40)은, 상기 고분자 전해질막(20)에 접하는 좌측면(20a)에 형성된 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)과, 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)에 삽입된 공기극 다공성 시트(42)를 포함한다.
상기 공기극 분리판(40)은, 두께가 일정한 판 형상으로 형성된다.
상기 공기극 분리판(40)에는 공기가 유입되는 공기 입구(41a)와, 공기가 배출되는 공기 출구(41b)가 형성된다. 상기 공기 입구(41a)와 상기 공기 출구(41b)는 대각선 방향(C')으로 서로 이격되게 배치된다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에서는, 상기 공기 입구(41a)는 상부 좌측에 형성되고, 상기 공기 출구(41b)는 하부 우측에 형성되는 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 공기 입구(41a)와 상기 공기 출구(41b)는 보다 효과적인 기체 확산을 위해 멀리 떨어질수록 유리하다. 또한, 상기 공기 입구(41a)는 상기 연료 입구(31a)와 반대 방향에 형성되고, 상기 공기 출구(41b)는 상기 연료 출구(31b)와 반대 방향에 형성된다.
상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)은, 상기 공기극 분리판(40)에서 상기 고분자 전해질막을 향한 좌측면(40a)에 오목하게 형성된 홈이다. 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)은, 상기 공기 입구(41a)에서 상기 공기 출구(41b)를 향한 상기 대각선 방향(C')으로 갈수록 깊이가 점차 얕아지도록 형성된다. 즉, 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)의 바닥면은 경사지게 형성된다.
도 5를 참조하면, 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)은, 상기 공기 입구(41a)측에 해당하는 상측 깊이(t21)보다 상기 공기 출구(41b)측에 해당하는 깊이 (t22)가 얇게 형성되어, 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)의 종단면은 직각 사다리꼴 형상으로 형성된다.
본 실시예에서는, 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)에서 상기 공기 입구(41a)측의 최대 깊이는 약 0.9mm이고, 상기 공기 출구(41b)측의 최소 깊이는 0.5mm인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 공기극 다공성 시트(42)는 제조시에는 초기 두께가 일정한 직육면체 형상으로 형성된다. 상기 공기극 다공성 시트(42)는 금속 발포체로 형성되어 내부의 공극들이 공기가 흐르는 다공성 유로를 형성한다.
상기 공기극 다공성 시트(42)는, 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)에 삽입된다. 상기 공기극 다공성 시트(42)의 두께(t23)는 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)의 최대 깊이보다 크게 형성되어, 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)에 삽입시 압축된다. 상기 공기극 다공성 시트(42)의 초기 두께(t23)는 약 1mm인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 공기극 다공성 시트(42)는 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)에 삽입되기 이전에는 두께가 일정한 시트 형상이나, 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)에 삽입시 홈의 형상에 맞게 압축되어 상기 공기 입구(41a)에서 상기 공기 출구(41b)를 향한 방향으로 갈수록 보다 압축되어 두께가 점차 얇아진다. 따라서, 상기 공기극 다공성 시트(42)는, 상기 공기 입구(41a)에서 상기 공기 출구(41b)를 향한 방향으로 갈수록 압축률이 커져서 공극률이 감소하게 된다.
상기 공기극 다공성 시트(42)가 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)에 삽입된 이후, 상기 공기극 다공성 시트(42)에서 상기 공기 입구(41a)측 두께보다 상기 공기 출구(41b)측 두께가 얇게 압축되어, 종단면이 직각 사다리꼴 형상으로 형성된다.
상기와 같이, 상기 공기극 다공성 시트(42)가 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈(41)에 삽입되어, 상기 공기 입구(41a)에서 상기 공기 출구(41b)를 향한 방향으로 갈수록 공극률이 감소하게 되면, 공기가 흐르는 유로에 해당하는 공극의 단면적이 점차 작아져서 유속이 증가할 수 있다. 또한, 상기 공기 출구(41b)측으로 갈수록 공극률이 감소하게 되면, 공기는 상기 대각선 방향(C')에서 사방으로 보다 잘 퍼지게 된다. 즉, 상기 공극률이 감소함에 따라 연료가 상기 대각선 방향(C') 이외에 사방 모서리를 향한 방향(A)으로 침투성을 유도하여 보다 균일한 기체 확산이 이루어질 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 상기 냉각수 분리판(50)은, 상기 복수의 연료전지 단위 셀들(10)에서 상기 연료극 분리판(30)과 상기 공기극 분리판(40)사이에 배치된다.
상기 냉각수 분리판(50)은, 두께가 일정한 직육면체 형상으로 형성되어, 좌측면은 상기 공기극 분리판(40)의 우측면에 접하고, 우측면은 상기 연료극 분리판(30)의 좌측면에 접하게 배치된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 작동을 설명하면 다음과 같다.
상기 연료는 상기 연료 입구(31a)를 통해 유입된 후, 상기 연료극 다공성 시트(32)를 통과하면서 반응한 후 상기 연료 출구(31b)를 통해 배출된다.
상기 연료는 상기 연료극 다공성 시트(32)를 통과하는 동안, 상기 연료 입구(31a)에서 상기 연료 출구(31b)를 향한 대각선 방향(C)으로 주로 흐른다.
상기 연료극 다공성 시트(32)는 상기 연료 출구(31b)를 향한 방향으로 갈수록 공극률이 감소하도록 형성되었기 때문에, 상기 공극률이 감소되면 상기 연료가 흐르는 유로의 단면적이 감소되어 유속이 증가할 수 있다. 또한, 상기 유로의 단면적이 감소하기 때문에 상기 연료는 사방으로 보다 잘 퍼지게 된다.
도 4를 참조하면, 상기 연료 출구(31b)를 향한 방향으로 갈수록 상기 연료가 흐르는 유로를 형성하는 공극의 크기가 점차 작아지기 때문에, 상기 연료는 상기 연료극 다공성 시트(32)의 모서리를 향한 방향(A)으로 보다 잘 확산될 수 있다.
상기 연료극 다공성 시트(32)의 공극률이 점차 감소하도록 형성됨으로써, 상기 연료가 상기 연료극 다공성 시트(32)의 내부에서 중심뿐만 아니라 측방향으로도 잘 퍼질 수 있다. 따라서, 상기 연료극 다공성 시트(32)의 내부에서 공극이 작아질수록 연료의 침투성이 향상되어 보다 넓은 범위로 균일한 기체 확산을 유도할 수 있다.
한편, 상기 공기는 상기 공기 입구(41a)를 통해 유입된 후, 상기 공기극 다공성 시트(42)를 통과하면서 반응한 후 상기 공기 출구(41b)를 통해 배출된다.
상기 공기는 상기 공기극 다공성 시트(42)를 통과하는 동안, 상기 공기 입구(41a)에서 상기 공기 출구(41b)를 향한 대각선 방향(C')으로 주로 흐른다.
상기 공기극 다공성 시트(42)는 상기 공기 출구(41b)를 향한 방향으로 갈수록 공극률이 감소하도록 형성되었기 때문에, 상기 공극률이 감소되면 상기 연료가 흐르는 유로의 단면적이 감소되어 유속이 증가할 수 있다. 또한, 상기 공기 출구(41b)를 향해 흐르는 공기는 주변으로 보다 잘 퍼지게 된다. 즉, 상기 공기 출구(41b)를 향한 방향으로 갈수록 상기 공기가 흐르는 유로를 형성하는 공극의 크기가 점차 작아지기 때문에, 상기 공기는 상기 공기극 다공성 시트(42)의 모서리를 향한 방향(A)으로 보다 잘 확산될 수 있다.
상기 공기극 다공성 시트(42)의 공극률이 점차 감소하도록 형성됨으로써, 상기 공기가 상기 공기극 다공성 시트(42)의 내부에서 중심뿐만 아니라 측방향으로도 잘 퍼질 수 있다. 따라서, 상기 공기극 다공성 시트(42)의 내부에서 공극이 작아질수록 공기의 침투성이 향상되어 보다 넓은 범위로 균일한 기체 확산을 유도할 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 공극이 균일한 경우에 비해 상기 공극의 크기가 달라지는 본 발명의 경우, 스택의 성능이 향상됨을 알 수 있다. 즉, 상기 공극이 균일한 경우에는 상기 공극의 크기가 감소되는 본 발명의 경우에 비해 기체 확산이 덜 일어나는 한계가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
20: 고분자 전해질막 21: 막 전극 접합체
22: 기체 확산층 30: 연료극 분리판
31: 연료극 다공성 시트 삽입홈 32: 연료극 다공성 시트
40: 공기극 분리판 41: 공기극 다공성 시트 삽입홈
42: 공기극 다공성 시트

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 연료극 분리판, 고분자 전해질막 및 공기극 분리판을 포함하는 연료전지 단위 셀이 복수개가 적층된 고분자 전해질막 연료전지에 있어서,
    상기 연료극 분리판은, 상기 고분자 전해질막을 향한 면에 형성되고 연료 입구에서 연료 출구를 향한 방향으로 갈수록 깊이가 얕아지도록 형성된 연료극 다공성 시트 삽입홈과, 두께가 일정한 다공성 소재로 형성되어 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈에 삽입되고 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈의 깊이에 따라 압축률이 달라져서 상기 연료 입구에서 상기 연료 출구를 향한 방향으로 갈수록 두께와 공극률이 감소하는 연료극 다공성 시트를 포함하고,
    상기 공기극 분리판은, 상기 고분자 전해질막을 향한 면에 형성되고 공기 입구에서 공기 출구를 향한 방향으로 갈수록 깊이가 얕아지도록 형성된 공기극 다공성 시트 삽입홈과, 두께가 일정한 다공성 소재로 형성되어 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈에 삽입되고 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈의 깊이에 따라 압축률이 달라져서 상기 공기 입구에서 상기 공기 출구를 향한 방향으로 갈수록 두께와 공극률이 감소하는 공기극 다공성 시트를 포함하고,
    상기 연료극 분리판과 상기 공기극 분리판의 두께는 일정하게 형성되고,
    상기 연료 입구와 상기 연료 출구는 대각선 방향으로 서로 이격되게 배치되고,
    상기 연료극 다공성 시트 삽입홈은 상기 대각선 방향으로 갈수록 깊이가 점차 얕아지도록 바닥면이 경사지게 형성되고,
    상기 공기 입구와 상기 공기 출구는 대각선 방향으로 서로 이격되게 배치되고,
    상기 공기극 다공성 시트 삽입홈은 상기 대각선 방향으로 갈수록 깊이가 점차 얕아지도록 바닥면이 경사지게 형성되고,
    상기 연료극 다공성 시트는, 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈에 삽입시 상기 연료극 다공성 시트 삽입홈의 형상에 맞게 압축되어, 상기 연료 입구에서 상기 연료 출구를 향한 방향으로 갈수록 압축률이 커져서 두께는 얇아지고 공극률은 감소하게 형성되고,
    상기 공기극 다공성 시트는, 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈에 삽입시 상기 공기극 다공성 시트 삽입홈의 형상에 맞게 압축되어, 상기 공기 입구에서 상기 공기 출구를 향한 방향으로 갈수록 압축률이 커져서 두께는 얇아지고 공극률은 감소하게 형성된 고분자 전해질막 연료전지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 연료전지 단위 셀들의 사이에는 냉각수가 통과하는 냉각수 유로가 형성된 냉각수 분리판이 구비되고,
    상기 냉각수 분리판의 두께는 일정하게 형성된 고분자 전해질막 연료전지.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료극 다공성 시트 삽입홈의 최대 깊이는 상기 연료극 다공성 시트의 두께보다 작게 형성되고,
    상기 공기극 다공성 시트 삽입홈의 최대 깊이는 상기 공기극 다공성 시트의 두께보다 작게 형성된 고분자 전해질막 연료전지.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 고분자 전해질막은, 막 전극 접합체와, 상기 막 전극 접합체의 좌,우측면에 형성된 기체 확산층을 포함하고,
    상기 연료극 다공성 시트와 상기 공기극 다공성 시트는 각각 상기 기체 확산층에 접하도록 배치된 고분자 전해질막 연료전지.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료극 다공성 시트와 상기 공기극 다공성 시트는 각각 금속 발포체를 포함하는 고분자 전해질막 연료전지.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007095541A (ja) * 2005-09-29 2007-04-12 Toshiba Corp 燃料電池
JP2009140670A (ja) * 2007-12-05 2009-06-25 Toshio Shudo 金属多孔体を利用した直接メタノール型燃料電池
JP4507833B2 (ja) * 2004-11-02 2010-07-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池及びその製造方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101836648B1 (ko) 2016-06-09 2018-03-09 현대자동차주식회사 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4507833B2 (ja) * 2004-11-02 2010-07-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池及びその製造方法
JP2007095541A (ja) * 2005-09-29 2007-04-12 Toshiba Corp 燃料電池
JP2009140670A (ja) * 2007-12-05 2009-06-25 Toshio Shudo 金属多孔体を利用した直接メタノール型燃料電池

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