KR102446039B1 - 연료전지의 단위셀장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 단위셀장치에 관한 것으로, 막전극 접합체(MEA)와 막전극 접합체의 양면에 결합된 기체확산층(GDL)을 포함하는 반응셀과, 반응셀의 양측에 배치되는 한 쌍의 분리판 및 한 쌍의 상기 분리판에 구비되어 반응셀의 내구 성능을 향상시키는 내구 성능 향상부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지의 단위셀장치{UNIT CELL APPARATUS OF FUEL CELL}

본 발명은 연료전지의 단위셀장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량에 설치되는 연료전지의 단위셀장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 전력반응수단으로, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.

이러한 연료전지는 단위 전압을 발생시키는 단위셀이 수백개가 적층되는 구성을 가짐에 따라 제조 등에 많이 비용과 시간이 소요된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 접착제 등 화학적인 방법으로 단위셀을 일체화시키는 기술이 개발되고 있다. 그러나 종래의 일체화 기술은 고온에서 동작되는 연료전지의 특성상, 접착제나 레진이 녹아 연료전지의 내부로 유입됨에 따라 연료전지의 성능 또는 내구성에 치명적인 결함을 유발시키는 문제점이 있다.

한편, 본 발명의 배경기술은 대한민국 특허등록공보 제10-0599776호(2006.07.05 등록, 발명의 명칭: 연료 전지 시스템 및 그 스택)에 개시되어 있다.

본 발명은 조립이 용이하고, 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지의 단위셀장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 연료전지의 단위셀장치는: 막전극 접합체(MEA)와 상기 막전극 접합체의 양면에 결합된 기체확산층(GDL)을 포함하는 반응셀; 상기 반응셀의 양측에 배치되는 한 쌍의 분리판; 및 한 쌍의 상기 분리판에 구비되어 상기 반응셀의 내구 성능을 향상시키는 내구 성능 향상부;를 포함한다.

또한, 상기 분리판은, 상기 반응셀의 일측에 배치되는 애노드 분리판; 및 상기 반응셀의 타측에 배치되는 캐소드 분리판을 포함하고, 상기 내구 성능 향상부는, 상기 애노드 분리판에 구비되는 제1기구적 결합부; 및 상기 캐소드 분리판에 구비되는 제2기구적 결합부;를 포함한다.

또한, 상기 제1기구적 결합부와 상기 제2기구적 결합부는 상기 애노드 분리판과 상기 캐소드 분리판이 상기 반응셀을 가압하도록 암수 방식으로 결합된다.

또한, 상기 제1기구적 결합부와 상기 제2기구적 결합부는 상기 애노드 분리판과 상기 캐소드 분리판이 상기 반응셀을 가압하도록 후크 방식으로 결합된다.

또한, 상기 제1기구적 결합부와 상기 제2기구적 결합부는 억지 끼움방식으로 결합된다.

본 발명에 따른 연료전지의 단위셀장치는 내구 성능 향상부에 의해 한 쌍의 분리판을 기계적으로 결합시킴에 따라 화학적인 결합이 가지는 레진 유입의 문제점이 해소된다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지의 단위셀장치는 제1기구적 결합부와 제2기구적 결합부가 암수 결합에 의해 견고하게 결합됨에 따라 높은 결합 강성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지의 단위셀장치는 제1기구적 결합부와 제2기구적 결합부가 억지 끼움 결합에 의해 결합됨에 따라 신속하고 효율적인 조립이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지의 단위셀장치는 제1기구적 결합부와 제2기구적 결합부가 후크 결합에 의해 상호 이탈이 방지됨에 따라 안정적인 작동이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 결합사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파손방지부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 작동상태를 나타내는 작동도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위셀장치의 구성을 개략적으로 나타내는 결합사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위셀장치의 구성을 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 8, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1기구적 결합부와 제2기구적 결합부의 구성을 개략적으로 나타내는 확대도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1기구적 결합부와 제2기구적 결합부의 결합구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1기구적 결합부와 제2기구적 결합부의 결합구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 13은 도 12에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판의 구성을 보다 구체적으로 나타내는 확대도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도상태유도부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 과도상태유도부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 과도상태유도부의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판의 작동상태를 나타내는 작동도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 분리판의 작동상태를 나타내는 작동도이다.

이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지의 단위셀장치의 실시예를 설명하도록 한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 접속)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(또는 구비)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 "포함(또는 구비)"할 수 있다는 것을 의미한다.

또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 특정 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 그 부호들은 다른 도면을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 특정 도면에 참조 부호가 표시되지 않은 부분이 있더라도, 그 부분은 다른 도면들을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 본 출원의 도면들에 포함된 세부 구성요소들의 개수, 형상, 크기 및 크기의 상대적인 차이 등은 이해의 편의를 위해 설정된 것으로서, 실시예들을 제한하지 않으며 다양한 형태로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 결합사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.

도 1, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는 단위셀장치(10), 파손방지부(20)를 포함한다.

단위셀장치(10)는 외부에서 연속적으로 공급되는 수소 및 공기를 전기화학반응에 의하여 전기에너지와 열에너지로 변환시킨다. 단위셀장치(10)는 복수개로 구비되고, 각각의 단위셀장치(10)는 전기적으로 상호 연결됨에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)에 요구되는 전압을 생성한다. 이 경우, 복수개의 단위셀장치(10)는 순차적으로 적층되도록 배치되어 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 스택(Stack)의 외형을 형성한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀장치(10)는 제1단위셀장치(10a)와, 제1단위셀장치(10a)와 마주보게 배치되는 제2단위셀장치(10b)를 포함할 수 있다. 즉, 제1단위셀장치(10a)와 제2단위셀장치(10b)는 순차적으로 적층된 복수개의 단위셀장치(10) 중 상, 하 방향으로 이웃하는 한 쌍의 단위셀장치(10)로 예시될 수 있다.

파손방지부(20)는 복수개의 단위셀장치(10) 중 적어도 어느 하나에 구비되어 단위셀장치(10)의 파손을 방지한다. 보다 구체적으로, 파손방지부(20)는 앤드플레이트(미도시) 등에 의해 복수개의 단위셀장치(10)에 가해지는 체결력이 해제되는 경우, 이웃하는 단위셀장치(10)를 서로 다른 방향으로 밀어내도록 구성된다. 이 경우, 파손방지부(20)는 고무, 합성 수지 등 탄성 복원력이 구비되는 탄성 재질을 포함할 수 있다. 이에 따라 파손방지부(20)는 단위셀장치(10)간의 상호 접착력 등에 의해 어느 하나의 단위셀장치(10)의 교체 시 인접한 다른 단위셀장치(10)에 발생되는 파손을 방지할 수 있다.

이하에서는 파손방지부(20)가 제1단위셀장치(10a)에 구비되는 것을 예로 들어 설명하겠으나, 파손방지부(20)는 이에 한정되는 것은 아니고, 제2단위셀장치(10b)에 구비될 수 있으며, 제1단위셀장치(10a)와 제2단위셀장치(10b) 모두에 구비되는 것도 가능하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파손방지부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파손방지부(20)는 고정부(21), 탄성지지부(22)를 포함할 수 있다.

고정부(21)는 제1단위셀장치(10a)에 고정되어 후술하는 탄성지지부(22)를 지지하며, 탄성지지부(22)가 연장될 수 있는 기준점을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고정부(21)는 판 형상으로 형성되어 제1단위셀장치(10a)의 상측면에 고정된다. 고정부(21)는 용접, 융착 등의 방식으로 제1단위셀장치(10a)에 고정될 수 있으며, 볼팅 등의 방식으로 제1단위셀장치(10a)에 고정되는 것도 가능하다. 고정부(21)는 제1단위셀장치(10a) 또는 제2단위셀장치(10b)를 유동하는 연료, 냉각수 등의 유동에 간섭되지 않도록 제1단위셀장치(10a)의 단부에 배치될 수 있다.

탄성지지부(22)는 제2단위셀장치(10b)가 제1단위셀장치(10a)로부터 멀어지는 방향으로 힘을 받도록 고정부(21)에서 연장된다. 보다 구체적으로, 탄성지지부(22)는 탄성복원력에 의해 제2단위셀장치(10b)를 제1단위셀장치(10a)로부터 밀어내는 방향으로 가압한다. 탄성지지부(22)는 고정부(21)로부터 연장되는 측이 탄성지지부(22)의 단부보다 두껍게 형성될 수 있다. 즉, 탄성지지부(22)는 연장되는 방향으로 향할수록 폭이 좁아지는 형상으로 구비될 수 있다. 이에 따라 탄성지지부(22)는 제2단위셀장치(10b)에 직접 접촉되는 단부의 변형을 유도하여 제2단위셀장치(10b)에 가해지는 가압력을 보다 증대시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄성지지부(22)는 탄성휨부(22a), 탄성지지본체(22b)를 포함한다.

탄성휨부(22a)는 제2단위셀장치(10b)에 접촉되어 휘어진다. 탄성휨부(22a)는 외력에 의해 휘어지는 변형이 가능하도록 탄성의 재질을 포함한다. 탄성휨부(22a)는 휘어진 변형량에 의해 축적된 탄성에너지를 제2단위셀장치(10b)로 향하는 방향으로 가할 수 있도록 형성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성휨부(22a)는 탄성지지본체(22b)로부터 연장되는 돌기의 형상으로 형성될 수 있다. 탄성휨부(22a)의 단부는 제2단위셀장치(10b)에 의한 탄성휨부(22a)의 변형 방향으로 미리 절곡되도록 형성될 수 있다. 이에 따라 탄성휨부(22a)는 휘어지는 방향의 일관성을 확보할 수 있어 제2단위셀장치(10b)에 균일한 탄성에너지를 가할 수 있다. 탄성휨부(22a)의 두께, 길이는 탄성휨부(22a)의 재질, 제1단위셀장치(10a)와 제2단위셀장치(10b) 사이에 작용하는 체결력의 크기 등에 따라 다양하게 설계변경이 가능하다.

탄성지지본체(22b)는 탄성휨부(22a)와 고정부(21) 사이에 구비되어 탄성휨부(22a)를 지지한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성지지본체(22b)는 고정부(21)로부터 수직하게 연장되는 기둥 형상으로 형성되어 고정부(21)와 탄성휨부(22a)를 연결시킨다. 탄성지지본체(22b)는 탄성휨부(22a) 보다 넓은 폭을 갖도록 형성된다. 이에 따라 탄성지지본체(22b)는 제2단위셀장치(10b)에 의해 체결력이 가해지더라도 탄성휨부(22a)에 비해 작은 변형량으로 변형되어 탄성휨부(22a)를 견고하게 지지할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 작동을 설명하도록 한다.

도 4, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 작동상태를 나타내는 작동도이다.

도 4, 도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 조립 시, 앤드플레이트 등에 의해 제1단위셀장치(10a)와 제2단위셀장치(10b)에는 서로 가까워지는 방향으로 작용하는 체결력이 가해진다.

이에 따라 제1단위셀장치(10a)의 상측면에 구비되는 탄성휨부(22a)는 제2단위셀장치(10b)의 하측면에 접해 하방으로 만곡되어 변형된다. 이 경우, 탄성휨부(22a)의 단부는 변형의 방향으로 절곡되도록 형성됨에 따라 제2단위셀장치(10b)에 의한 변형 방향이 안내된다. 또한, 탄성지지본체(22b)는 탄성휨부(22a)에 비해 작은 폭으로 변형되어 탄성휨부(22a)의 하단부를 견고하게 지지한다.

탄성휨부(22a)는 변형됨에 따라 축적되는 탄성에너지에 의해 제1단위셀장치(10a)와 제2단위셀장치(10b)에 가해지는 체결력과 반대 방향으로 제2단위셀장치(10b)를 가압한다.

이후 활성화 공정 등을 통해 제1단위셀장치(10a)와 제2단위셀장치(10b) 중 어느 하나의 교체가 필요한 경우, 제1단위셀장치(10a)와 제2단위셀장치(10b)에 작용하는 체결력을 해제한다.

이에 따라, 제1단위셀장치(10a)와 제2단위셀장치(10b)는 탄성휨부(22a)에 의해 의해 서로 멀어지는 방향으로 가압력을 받게 된다.

탄성휨부(22a)가 초기의 형태로 복원됨에 따라 제1단위셀장치(10a)와 제2단위셀장치(10b)는 상호 이격되며, 작업자는 제1단위셀장치(10a) 또는 제2단위셀장치(10b)를 적층된 단위셀장치(10)로부터 용이하게 분리할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위셀장치(10)의 구성을 설명하도록 한다. 한편, 설명의 편의를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위셀장치(10)는 복수개의 단위셀장치(10) 중 제1단위셀장치(10a)인 것을 예로 들어 설명하도록 한다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위셀장치(10) 이에 한정되는 것은 아니고, 제2단위셀장치(10b) 또는 복수개의 단위셀장치(10) 중 어느 하나의 단위셀장치(10)일 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위셀장치의 구성을 개략적으로 나타내는 결합사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위셀장치의 구성을 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.

도 6, 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위셀장치(10)는 분리판(100), 반응셀(200), 실링부(300), 내구 성능 향상부(400)를 포함한다.

분리판(100)은 한 쌍으로 구비되어 후술하는 반응셀(200)의 양측에 각각 배치된다. 보다 구체적으로, 분리판(100)은 반응셀(200)에 구비되는 기체확산층(220)을 사이에 두고 막전극접합체(210)의 양측에 배치되어 기체확산층(220)으로 수소, 산소 등의 반응연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 반응수를 배출할 수 있는 유로(Flow Field)가 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 분리판(100)은 반응셀(200)의 일측에 배치되는 애노드 분리판(100a)과, 반응셀(200)의 타측에 배치되는 캐소드 분리판(100b)을 포함할 수 있다.

반응셀(200)은 애노드 분리판(100a)으로부터 공급되는 수소를 촉매에 의해 수소이온과 전자로 분리시키고, 분리된 수소이온과 전자를 캐소드 분리판(100b)측으로 이동시킨다.

본 발명의 일 실시예에 따른 반응셀(200)은 막전극 접합체(MEA)(210)와 기체확산층(GDL)(220)를 포함한다.

막전극 접합체(210)는 수소 양이온(proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 공기극(cathode)와 연료극(anode)로 구성되는 촉매층을 포함한다. 막전극 접합체(210)의 단부에는 후술하는 내구 성능 향상부(400)가 상호 접촉 또는 체결될 수 있도록 막전극 접합체(210)를 관통하는 관통홀이 구비될 수 있다.

기체확산층(220)은 막전극 접합체(210)와 분리판(100) 사이에 위치된다. 기체확산층(220)은 막전극 접합체(210)에 접촉되고, 표면에 형성된 미세기공층을 통해 분리판(100)을 통해 유동되는 수소와 산소 등의 반응가스를 막전극 접합체(210)로 확산시킨다.

밀폐부(300)는 막전극 접합체(210)와 분리판(100)의 사이에 개재된다. 밀폐부(300)는 막전극 접합체(210)와 분리판(100)을 상호 결속시킴과 동시에 막전극 접합체(210)와 분리판(100)의 사이를 밀폐시킨다. 밀폐부(300)는 용접, 융착 등에 의해 분리판(100)과 연결될 수 있다. 밀폐부(300)는 EPDM, NBR, 불소 고무, 실리콘 고무, 플루오로 실리콘 고무, 부틸 고무, 천연 고무, 스티렌 고무, 클로로 플레인, 또는 아크릴고무 등의 실링재, 쿠션재, 혹은 패킹재의 재질을 포함할 수 있다.

내구 성능 향상부(400)는 한 쌍의 분리판(100)에 구비되어 반응셀(200)의 내구 성능을 향상시킨다. 보다 구체적으로, 내구 성능 향상부(400)는 애노드 분리판(100a)과 캐소드 분리판(100b)에 각각 구비되고, 애노드 분리판(100a)과 캐소드 분리판(100b)을 기계적으로 결합시켜 반응셀(200)을 양측에서 가압 고정한다. 이에 따라 내구 성능 향상부(400)는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위셀장치(10)의 각 구성을 일체로 결합시킬 수 있다. 또한, 내구 성능 향상부(400)는 연료전지의 단위셀장치(10)의 각 구성을 기계적으로 결합시킴에 따라 접착제 등에 의한 화학적인 결합에 비해 결합 강도가 향상되며, 접착제 등이 고온에 의해 반응셀(200) 등으로 유입되어 연료전지 장치(1)의 내구성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내구 성능 향상부(400)는 제1기구적 결합부(410), 제2기구적 결합부(420)를 포함한다.

제1기구적 결합부(410)와 제2기구적 결합부(420)는 각각 애노드 분리판(100a)과 캐소드 분리판(100b)에 구비된다. 제1기구적 결합부(410)와 제2기구적 결합부(420)는 애노드 분리판(100a)과 캐소드 분리판(100b)이 반응셀(200)을 양측에서 가압하도록 암수 방식으로 결합될 수 있다. 제1기구적 결합부(410)와 제2기구적 결합부(420)는 탄성 변형에 의해 결합될 수 있도록 탄성의 재질을 포함할 수 있다. 제1기구적 결합부(410)와 제2기구적 결합부(420)는 각각 애노드 분리판(100a)과 캐소드 분리판(100b)의 둘레를 따라 복수개로 구비될 수 있다.

도 8, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1기구적 결합부와 제2기구적 결합부의 구성을 개략적으로 나타내는 확대도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1기구적 결합부와 제2기구적 결합부의 결합구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 8 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1기구적 결합부(410)와 제2기구적 결합부(420)는 억지 끼움방식으로 결합될 수 있다.

이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1기구적 결합부(410)는 애노드 분리판(100a)으로부터 돌출된다. 제1기구적 결합부(410)는 후술하는 제2기구적 결합부(420)가 삽입될 수 있도록 홈이 내부로 함몰 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제2기구적 결합부(420)는 캐소드 분리판(100b)으로부터 돌출되어 제1기구적 결합부(410)로 삽입되는 돌기의 형상으로 형성된다. 제2기구적 결합부(420)는 제1기구적 결합부(410)에 억지 끼움 결합되도록 제1기구적 결합부(410)에 구비되는 홈의 폭보다 넓은 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 제2기구적 결합부(420)는 단부로 향할수록 폭이 좁아지는 형상으로 구비될 수 있다. 이에 따라 제2기구적 결합부(420)는 제1기구적 결합부(410)로 최초 삽입 시 삽입이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1기구적 결합부와 제2기구적 결합부의 결합구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1기구적 결합부(410)와 제2기구적 결합부(420)는 후크 방식으로 결합될 수 있다.

이 경우, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1기구적 결합부(410)는 애노드 분리판(100a)으로부터 돌출되며, 제2기구적 결합부(420)가 걸림 결합될 수 있도록 단턱을 형성하는 홈이 내부로 함몰 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 제2기구적 결합부(420)는 캐소드 분리판(100b)으로부터 돌출되어 제1기구적 결합부(410)로 삽입되는 돌기의 형상으로 형성된다. 제2기구적 결합부(420)의 단부는 제1기구적 결합부(410)로 완전히 삽입된 경우, 제1기구적 결합부(410)에 구비된 홈의 단턱에 걸려 이탈이 방지될 수 있도록 후크 형상으로 형성된다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(1)의 단위셀장치(10)의 작동을 설명하도록 한다.

도 6 내지 도 11을 참조하면, 우선 작업자는 애노드 분리판(100a)에 구비된 제1기구적 결합부(410)와 캐소드 분리판(100b)에 구비된 제2기구적 결합부(420)를 마주보게 배치시킨 상태에서 기체확산층(220), 막전극접합체(210)를 적층시켜 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위셀장치(10)를 조립한다.

이 경우, 제1기구적 결합부(410)와 제2기구적 결합부(420)는 막전극접합체(210)의 단부에 구비된 관통홀을 관통하여 상호 체결된다.

보다 구체적으로, 제2기구적 결합부(420)는 제1기구적 결합부(410)의 내부로 함몰 형성된 홈으로 삽입됨에 따라 기계적으로 접합된다.

제1기구적 결합부(410)와 제2기구적 결합부(420)가 억지끼움 결합되는 경우, 제2기구적 결합부(420)는 제1기구적 결합부(410)에 구비되는 홈보다 좁은 폭을 갖는 단부에 의해 제1기구적 결합부(410)으로의 삽입이 안내된다.

이후 제2기구적 결합부(420)는 제1기구적 결합부(410) 내부로 계속해서 삽입됨에 따라 1기구적 결합부(310)에 구비되는 홈보다 좁은 폭을 탄성 변형되어 제1기구적 결합부(410)의 내측면에 밀착되어 억지 끼움 결합이 완료된다.

한편, 제1기구적 결합부(410)와 제2기구적 결합부(420)가 후크 결합되는 경우, 제2기구적 결합부(420)는 제1기구적 결합부(410)에 구비되는 홈으로 삽입됨에 따라 탄성 변형된다.

이후 제2기구적 결합부(420)의 단부는 제1기구적 결합부(410) 내부로 완전히 삽입됨에 따라 1기구적 결합부(310)에 구비되는 홈의 단턱에 접하게 되고, 제2기구적 결합부(420)는 제1기구적 결합부(410)의 내측면에 후크 결합된다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판(100)의 구성을 설명하도록 한다. 한편 설명의 편의를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판(100)은 애노드 분리판(100a)인 것을 예로 들어 설명하도록 한다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판(100)은 이에 한정되는 것은 아니고 캐소드 분리판(100b)인 것도 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판(100)의 내부를 유동하는 반응가스(G)는 수소, 메탄, 공기, 개질 가스 등의 연료로 예시될 수 있으며, 반응수는 연료전지의 반응과정에서 생성된 수분 또는 기체에 함유된 수분으로 예시될 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 13은 도 12에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판의 구성을 보다 구체적으로 나타내는 확대도이다.

도 12, 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판(100)은 공급부(1000), 공급차단부(2000), 유동부(3000), 과도상태유도부(4000)를 포함한다.

공급부(1000)는 반응가스(G)를 공급받아 반응가스(G)를 후술하는 유동부(3000) 또는 과도상태유도부(4000)로 전달한다. 공급부(1000)는 본 발명에 따른 연료전지의 분리판(100)의 양측에 배치되는 매니폴드를 통해 반응가스(G)를 공급받을 수 있다. 공급부(1000)는 일측이 후술하는 과도상태유도부(4000)와 연통되어 공급되는 반응가스(G)를 과도상태유도부(4000)로 전달한다. 공급부(1000)의 단면 형상은 원형, 반원형, 다각형 등 다양한 형상으로 설계변경이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공급부(1000)는 제1공급부(1100), 제2공급부(1200)를 포함한다.

제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)는 서로 이격되게 구비되어 공급된 반응가스(G)를 각각 독립적으로 유동시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)는 후술하는 공급차단부(2000)에 의해 서로 이격되어 나란하게 배치되는 한 쌍의 관의 형태로 형성된다. 제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)는 직선 형상으로 연장될 수 있다.

공급차단부(2000)는 제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)의 사이에 구비되어 제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)를 상호 이격시키며, 제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)를 통해 공급되는 반응가스가 섞이지 않도록 차단한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공급차단부(2000)는 제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)의 사이를 가로막는 격벽 또는 홈의 형태로 마련될 수 있다.

유동부(3000)는 제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)를 통해 공급된 반응가스가 유동된다. 유동부(3000)는 반응셀(200) 상에서 반응가스(G)와 반응수의 유동 경로를 마련하도록 구비된다. 유동부(3000)는 분리판(100)의 내부로 오목하게 함몰되어 요철 형상을 이루도록 형성된다. 유동부(3000)는 일측이 후술하는 과도상태유도부(4000)와 연통되어 반응가스(G)를 전달받는다. 유동부(3000)는 타측이 매니폴드 등과 연통되어 전달받은 반응가스(G)와 연료전지의 화학 반응에 의해 생성된 반응수를 외부로 배출시킨다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유동부(3000)는 제1유동부(3100), 제2유동부(3200), 유동차단부(3300)를 포함한다.

제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)는 과도상태유도부(4000)와 연통되어 반응가스(10)를 전달받는다. 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)는 각각 과도상태유도부(4000)로부터 분기되어 전달받은 반응가스(10)를 독립적으로 유동시킨다. 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)는 서로 이격된 위치에서 과도상태유도부(4000)로부터 연통될 수 있다. 이에 따라 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)는 과도상태유도부(4000)에 의해 유도된 반응가스(10)의 과도상태유동을 보다 오래 지속시킬 수 있도록

본 발명의 일 실시예에 따른 제1유동부(3100)는 일측이 과도상태유도부(4000)와 연통되고, 타측이 연료전지의 분리판(1)의 길이방향을 따라 서로 이격되어 나란하게 배치되는 제1유동부 제1유로(3110), 제1유동부 제2유로(3120), 제1유동부 제3유로(3130)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제2유동부(3200)는 제1유동부(3100)와 이격된 위치에서 과도상태유도부(4000)와 연통되고, 타측이 연료전지의 분리판(1)의 길이방향을 따라 서로 이격되어 나란하게 배치되는 제2유동부 제1유로(3210), 제2유동부 제2유로(3220), 제2유동부 제3유로(3230)를 포함할 수 있다.

유동차단부(3300)는 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200) 사이에 구비되어 제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)를 상호 이격시키며, 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)로 유동되는 반응가스가 섞이지 않도록 차단한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유동차단부(3300)는 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)의 사이를 가로막는 격벽 또는 홈의 형태로 마련될 수 있다. 유동차단부(3300)는 복수개로 구비되어 제1유동부(3100)에 구비되는 제1유동부 제1유로(3110), 제1유동부 제2유로(3120), 제1유동부 제3유로(3130) 또는 제2유동부(3200)에 구비되는 제2유동부 제1유로(3210), 제2유동부 제2유로(3220), 제2유동부 제3유로(3230)를 각각 상호 이격시킬 수 있다.

과도상태유도부(4000)는 공급부(1000)와 유동부(3000)를 연결시켜 공급부(1000)로부터 유입되는 반응가스(G)를 유동부(3000)로 전달한다. 과도상태유도부(4000)는 공급부(1000)로부터 유동부(3000)로 전달되는 반응가스(G)의 유동을 유속 또는 압력 등과 같은 유체 성질이 시간과 위치에 따라 끊임없이 변화하는 과도상태(Transient State)로 유도한다. 보다 구체적으로, 과도상태유도부(4000)는 서로 반대 방향으로 회전되며 반응가스(G)의 유동 방향으로 진행하는 제1와류(20)와 제2와류(30)를 설정 주기로 번갈아 발생시키도록 구비되어 유동부(3000)에 맥동을 발생시킨다.

과도상태유도부(4000)는 제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)로 공급되는 반응가스(G)의 유속 또는 유량 중 적어도 어느 하나에 연동되어 과도상태의 세기를 조절한다. 보다 구체적으로, 과도상태유도부(4000)는 제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)로 공급되는 반응가스의 유속 또는 유량 중 적어도 어느 하나가 증가함에 따라 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)에 발생되는 맥동의 진동수를 증가시켜 생성되는 반응수의 제거율을 높인다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도상태유도부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 과도상태유도부(4000)는 제1공급부(1100) 및 제2공급부(1200)를 상호 연통시켜 제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)로부터 각각 유입되는 반응가스(G)를 혼합시킨다. 과도상태유도부(4000)는 유동부(3000)가 제1유동부(3100), 제2유동부(3200)를 포함하는 경우, 제1공급부(1100), 제2공급부(1200)로부터 전달되는 반응가스(G)를 혼합시켜 과도상태로 유도하고, 과도상태로 유도된 반응가스(G)를 각각 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)로 분기시키도록 구비된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 과도상태유도부(4000)는 제1공급부(1100) 및 제2공급부, 제1유동부(3100) 및 제2유동부(3200)보다 넓은 직경을 갖는 관의 형태를 갖도록 형성된다. 과도상태유도부(4000)는 일측이 제1공급부(1100), 제2공급부(1200)와 연통되고 타측이 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)와 연통된다.

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 과도상태유도부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 과도상태유도부의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 15, 도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 과도상태유도부(4000)에는 과도상태유도부재(4100)가 구비될 수 있다.

과도상태유도부재(4100)는 과도상태유도부(4000)의 내부로 돌출되어 반응가스(G)의 유동과 간섭된다. 과도상태유도부재(4100)는 일측이 반응가스(G)의 유동 방향과 마주보게 배치되어 반응가스(G)의 원활한 유동을 교란시킴에 따라 타측에서 와류가 생성되는 것을 유도한다. 보다 구체적으로, 과도상태유도부재(4100)는 서로 반대 방향으로 회전되며 반응가스(G)의 유동 방향으로 진행하는 제1와류(20)와 제2와류(30)를 설정 주기로 번갈아 발생시키도록 구비된다. 이에 따라 과도상태유도부재(4100)는 타측에서 생성되는 와류에 의해 반응가스(G)의 유동을 과도상태로 유도할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 과도상태유도부재(4100)는 대략 원형의 단면을 갖는 기둥의 형상을 갖도록 형성되어 과도상태유도부(4000)의 내부로 돌출된다. 과도상태유도부재(4100)의 단면 형상, 설치 위치, 면적 등은 서로 반대 방향으로 회전되는 와류를 생성할 수 있도록 반응가스(G)의 점성, 유속 등에 따라 다양한 설계변경이 가능하다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판(100)의 작동을 설명하도록 한다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판의 작동상태를 나타내는 작동도이다.

도 5, 도 6을 참조하면, 공급부(1000)로 공급된 반응가스(G)는 각각 제1공급부(1100)와 제2공급부(1200)로 분기되어 유동되면서 과도상태유도부(4000)로 전달된다.

이후 과도상태유도부(4000)로 유입된 반응가스(G)는 제1공급부(1100), 제2공급부(1200)와 과도상태유도부(4000)의 경계면을 지나며 유동 단면적이 확대됨에 따라 과도상태로 유도된다.

보다 구체적으로 과도상태유도부(4000)는 제1공급부(1100), 제2공급부(1200)의 단부를 연결시키는 연결면의 후방으로 서로 다른 위상 즉, 서로 다른 회전 방향을 갖고 주기적으로 분리되어 진행하는 제1와류(20)와 제2와류(30)를 번갈아 발생시킨다. 이러한 제1와류(20)와 제2와류(30)는 반응가스(G)의 유속이 빨라짐에 따라 더 짧은 주기로 발생된다.

과도상태유도부(4000)에 의해 발생되는 제1와류(20)와 제2와류(30)는 과도상태유도부(4000)의 내부를 유동하는 반응가스(G)의 유동을 진동시킨다. 반응가스(G)의 유동이 계속하여 진동됨에 따라 반응가스(G)의 유동상태는 과도상태로 유도 또는 전환된다.

이후 과도상태의 반응가스(G)는 유동부(3000)로 전달된다. 유동부(3000)가 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)를 포함함에 따라 반응가스(G)는 과도상태유도부(4000)의 서로 다른 지점에서 분기되어 각각 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)로 유입된다.

제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)로 전달되는 반응가스(G)는 시간의 흐름에 따라 압력과 유속이 실시간으로 변화하게 되고, 이러한 압력 변동에 의해 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200)의 내부에서 각각 맥동이 발생된다.

이후 고부하 운행 등에 의해 제1유동부(3100)와 제2유동부(3200) 내부에서 정체되는 반응수는 내부의 맥동압력에 의해 외부로 배출된다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 분리판(100)의 작동을 설명하도록 한다. 한편, 설명의 편의를 위해 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분리판(100)과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.

도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 분리판의 작동상태를 나타내는 작동도이다.

도 15, 도 16, 및 도 18을 참조하면, 공급부(1000)로 공급된 반응가스(G)는 공급부(1000) 내부를 따라 유동되면서 과도상태유도부(4000)로 전달된다.

이후 과도상태유도부(4000)로 유입된 반응가스(G)는 과도상태유도부재(4100)의 전면에 간섭된다. 이에 따라 과도상태유도부재(4100)는 후방 양측에서 서로 다른 위상 즉, 서로 다른 회전 방향을 갖고 주기적으로 분리되어 진행하는 제1와류(20)와 제2와류(30)를 번갈아 발생시킨다. 제1와류(20)와 제2와류(30)는 반응가스(G)의 유속이 빨라짐에 따라 더 짧은 주기로 발생된다.

과도상태유도부재(4100)에 의해 발생되는 제1와류(20)와 제2와류(30)는 과도상태유도부재(4100)의 후방을 유동하는 반응가스(G)의 유동을 진동시킨다. 반응가스(G)의 유동이 계속하여 진동됨에 따라 반응가스(G)의 유동상태는 과도상태로 유도 또는 전환된다.

이에 따라 유동부(3000)로 전달되는 반응가스(G)는 시간의 흐름에 따라 압력과 유속이 실시간으로 변화하게 되고, 이러한 압력 변동에 의해 유동부(3000) 내부에서 맥동이 발생된다.

이후 고부하 운행 등에 의해 유동부(3000) 내부에서 정체되는 반응수는 이러한 유동부(3000) 내부의 맥동압력에 의해 외부로 배출된다.

본 발명은 도면에 도시되는 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

1 : 연료전지 장치 10 : 단위셀장치
10a : 제1단위셀장치 10b : 제2단위셀장치
20 : 파손방지부 21 : 고정부
22 : 탄성지지부 22a : 탄성휨부
22b : 탄성지지본체 100 : 분리판
100a : 애노드 분리판 100b : 캐소드 분리판
200 : 반응셀 210 : 막전극 접합체
220 : 기체확산층 300 : 밀폐부
400 : 내구 성능 향상부 410 : 제1기구적 결합부
420 : 제2기구적 결합부 G : 반응가스
W1 : 제1와류 W2 : 제2와류
1000 : 공급부 1100 : 제1공급부
1200 : 제2공급부 2000 : 공급차단부
3000 : 유동부 3100 : 제1유동부
3110 : 제1유동부 제1유로 3120 : 제1유동부 제2유로
3130 : 제1유동부 제3유로 3200 : 제2유동부
3210 : 제2유동부 제1유로 3220 : 제2유동부 제2유로
3230 : 제2유동부 제3유로 3300 : 유동차단부
4000 : 과도상태유도부 4100 : 과도상태유도부재

Claims (5)

1. 막전극 접합체(MEA)와 상기 막전극 접합체의 양면에 결합된 기체확산층(GDL)을 포함하는 반응셀;
   상기 반응셀의 양측에 배치되는 한 쌍의 분리판;
   상기 막전극 접합체와 상기 분리판의 사이에 개재되는 밀폐부; 및
   한 쌍의 상기 분리판에 구비되어 상기 반응셀의 내구 성능을 향상시키는 내구 성능 향상부;를 포함하고,
   상기 분리판은,
   상기 반응셀의 일측에 배치되는 애노드 분리판; 및
   상기 반응셀의 타측에 배치되는 캐소드 분리판을 포함하고,
   상기 내구 성능 향상부는,
   상기 애노드 분리판에 구비되는 제1기구적 결합부; 및
   상기 캐소드 분리판에 구비되는 제2기구적 결합부;를 포함하고,
   상기 제1기구적 결합부와 상기 제2기구적 결합부는 상기 애노드 분리판과 상기 캐소드 분리판이 상기 반응셀을 가압하도록 후크 방식으로 결합되고,
   상기 제1기구적 결합부와 상기 제2기구적 결합부는 상기 막전극 접합체의 단부에 구비된 관통홀을 관통하여 상호 체결되고,
   상기 제1기구적 결합부는 상기 애노드 분리판으로부터 돌출되며, 내부에 단턱을 형성하는 홈이 함몰 형성되고,
   상기 제2기구적 결합부는 상기 캐소드 분리판으로부터 돌출되어 상기 제1기구적 결합부의 내부로 삽입되고, 단부가 상기 제1기구적 결합부에 형성된 홈의 단턱에 걸리도록 후크 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위셀장치.
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