KR102645045B1 - Fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 스택은, 복수의 단위세트가 소정의 적층방향으로 적층되어 마련되며, 단위세트는, 막 전극 접합체와, 적층방향을 기준으로, 막 전극 접합체의 일측 및 타측에 각각 배치되어 반응기체 유로들을 마련하는 제1 및 제2 분리판을 포함한다. 제1 분리판은, 제1 방향으로 반응기체를 안내하기 위해, 제1 반응기체 유로를 마련한다. 제1 방향의 반대 방향으로 물의 유동을 안내하기 위해, 막 전극 접합체를 향하는 면인 제1 분리판의 내측면에는, 소정 깊이 함몰된 홈 형상인 물 유로가 마련된다. The fuel cell stack according to the present invention is provided by stacking a plurality of unit sets in a predetermined stacking direction, and the unit sets are disposed on one side and the other of the membrane electrode assembly based on the stacking direction, respectively. It includes first and second separation plates providing reaction gas flow paths. The first separation plate provides a first reaction gas flow path to guide the reaction gas in a first direction. In order to guide the flow of water in a direction opposite to the first direction, a water flow path in the shape of a groove sunken to a predetermined depth is provided on the inner surface of the first separator plate, which is the surface facing the membrane electrode assembly.

Description

연료전지 스택{FUEL CELL STACK}Fuel cell stack{FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것이다. The present invention relates to fuel cell stacks.

연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.The fuel cell system is a system that continuously produces electrical energy through a chemical reaction of continuously supplied fuel, and continuous research and development is being conducted as an alternative to solving global environmental problems.

연료전지 시스템은 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.Depending on the type of electrolyte used, the fuel cell system is divided into phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), and solid oxide fuel cell (SOFC). ), polymer electrolyte fuel cell (PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), alkaline fuel cell (AFC; alkaline fuel cell), and direct methanol fuel cell (DMFC), etc., depending on the type of fuel used. Depending on the operating temperature, output range, etc., it can be applied to various application fields such as mobile power, transportation, and distributed power generation.

이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.Among these, polymer electrolyte fuel cells are being applied to the field of hydrogen vehicles (hydrogen fuel cell vehicles), which are being developed to replace internal combustion engines.

수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 따라서, 수소차는 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산해내는 스택(FC STACK: Fuel Cell Stack), 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치들뿐만 아니라 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 생성하는 모터 등을 포함하는 구조를 갖는다. Hydrogen cars produce their own electricity through a chemical reaction between hydrogen and oxygen and drive by driving a motor. Therefore, a hydrogen car consists of a hydrogen tank (H 2 Tank) that stores hydrogen (H 2 ), a stack (FC STACK: Fuel Cell Stack) that produces electricity through the oxidation-reduction reaction of hydrogen and oxygen (O 2 ), and produced water. It has a structure that includes not only various devices for draining electricity, but also a battery that stores electricity produced in the stack, a controller that converts and controls the produced electricity, and a motor that generates driving force.

이중, 스택은 수십 또는 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체를 일컫는 장치로써, 엔드플레이트들 사이에 복수개의 셀이 적층된 구조를 갖되, 각각의 셀의 내부는 전해질막으로 구획되고 일측은 애노드 타측은 캐소드가 마련된다. Among them, a stack is a device that refers to a fuel cell body in which tens or hundreds of cells are stacked in series. It has a structure in which multiple cells are stacked between end plates, and the inside of each cell is partitioned by an electrolyte membrane and one side is A cathode is provided on the other side of the anode.

각각의 셀들 사이에는 분리판이 배치되어 수소와 산소의 유동 경로를 제한하며 상기 분리판은 산화환원 반응시 전자를 이동시키도록 전도체로 제조된다. A separator is placed between each cell to limit the flow path of hydrogen and oxygen, and the separator is made of a conductor to move electrons during a redox reaction.

이러한 스택은 애노드에 수소가 공급되면 촉매에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 전자는 분리판을 통해 스택 외부로 이동하며 전기를 생산하며, 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드로 이동한 후 외기에서 공급되는 산소 및 전자와 결합하여 물을 형성하고 외부로 배출된다.In this stack, when hydrogen is supplied to the anode, it is separated into hydrogen ions and electrons by a catalyst, the electrons move to the outside of the stack through the separator and generate electricity, and the hydrogen ions pass through the electrolyte membrane and move to the cathode and are then released into the outside air. It combines with supplied oxygen and electrons to form water and is discharged to the outside.

연료전지 스택은 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하며, 그와 함께 물을 생성한다. 생성된 물의 일부는 막 전극 접합체를 함습시키고, 또 다른 일부는 막 전극 접합체로부터 반응기체가 공급되는 채널로 배출된다. 반응기체가 공급되는 채널로 배출된 물은 채널을 따라 흘러 연료전지 스택 외부로 배출된다.A fuel cell stack generates power through an electrochemical reaction and also produces water. Part of the generated water moistens the membrane electrode assembly, and another part is discharged from the membrane electrode assembly into a channel through which the reaction gas is supplied. The water discharged into the channel where the reaction gas is supplied flows along the channel and is discharged to the outside of the fuel cell stack.

연료전지가 정상적으로 동작하기 위해서는 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되는 것이 필요하다. 전해질막의 습도가 일정 미만인 경우, 전해질막을 통한 수소 양이온의 이동이 원활하지 않아 연료전지의 발전성능이 저하될 수 있다(일명, dry out).In order for a fuel cell to operate normally, the electrolyte membrane needs to be maintained above a certain level of humidity. If the humidity of the electrolyte membrane is below a certain level, the movement of hydrogen cations through the electrolyte membrane may not be smooth, which may reduce the power generation performance of the fuel cell (aka, dry out).

한편, 연료전지 내부의 습도가 과도하게 높을 경우에는 연료전지 내부의 물질전달이 방해 받을 수 있다(일명, flooding). 예를 들면, 연료전지 내부가 과습한 경우, 애노드 극으로의 수소 공급이 방해 받아 연료전지의 발전 성능이 저하될 수 있다.On the other hand, if the humidity inside the fuel cell is excessively high, material transfer inside the fuel cell may be interrupted (aka, flooding). For example, if the inside of the fuel cell is overly humid, the supply of hydrogen to the anode pole may be interrupted, thereby reducing the power generation performance of the fuel cell.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 연료전지 내부로 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습기를 별도로 구비하거나, 연료전지 내부에서 전기-화학적 반응에 의해 생성되는 물을 이용해 전해질막의 습도를 높이는 방법 등이 이용되고 있다.To solve this problem, methods such as providing a separate humidifier to humidify the air supplied into the fuel cell or increasing the humidity of the electrolyte membrane using water generated by an electro-chemical reaction inside the fuel cell are used. .

그러나, 종래에는 반응 기체가 유입되는 입구에 가까운 부분에서는 전해질막이 건조한데 비해 반응 기체가 배출되는 출구에 가까운 부분에서는 과습한 문제가 있었다. 즉, 분리판에 형성된 채널 내부를 따라 유동하는 가스와 물의 유동 방향에 따라서 채널 내부의 습도 또는 수분에 편차가 존재하였다.However, in the past, there was a problem that the electrolyte membrane was dry in the area near the inlet through which the reaction gas flows, but was overly humid in the area near the outlet through which the reaction gas was discharged. That is, there was variation in humidity or moisture inside the channel depending on the flow direction of the gas and water flowing along the inside of the channel formed in the separator plate.

본 발명은 연료전지 스택의 내부에서 생성되는 물을 이용하여 막 전극 접합체의 전반적인 영역에서 함습률을 높이기 위한 연료전지 스택의 구조를 제공하는 것을 주목적으로 한다.The main purpose of the present invention is to provide a structure for a fuel cell stack to increase the moisture content in the overall area of the membrane electrode assembly using water generated inside the fuel cell stack.

이를 통해, 연료전지 스택의 내부로 공급되는 반응기체를 가습하기 위한 별도의 가습기를 구비하지 않고도 연료전지 스택이 구동되는데 적절하도록 연료전지 스택의 내부 습도가 조절될 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.Through this, the purpose is to ensure that the internal humidity of the fuel cell stack can be adjusted to suit the operation of the fuel cell stack without having a separate humidifier to humidify the reaction gas supplied into the fuel cell stack.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은, 복수의 단위세트가 소정의 적층방향으로 적층되어 마련되고, 상기 단위세트는, 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)와; 상기 적층방향을 기준으로, 상기 막 전극 접합체의 일측 및 타측에 각각 배치되어 반응기체 유로들을 마련하는 제1 및 제2 분리판을 포함한다.In order to achieve the above object, the fuel cell stack according to an embodiment of the present invention is prepared by stacking a plurality of unit sets in a predetermined stacking direction, and the unit sets include a membrane electrode assembly (MEA) and ; Based on the stacking direction, it includes first and second separators disposed on one side and the other side of the membrane electrode assembly, respectively, to provide reaction gas passages.

상기 제1 분리판은, 제1 방향으로 반응기체를 안내하기 위해, 제1 반응기체 유로를 마련한다.The first separation plate provides a first reaction gas flow path to guide the reaction gas in a first direction.

상기 제1 방향의 반대 방향으로 물의 유동을 안내하기 위해, 상기 막 전극 접합체를 향하는 면인 상기 제1 분리판의 내측면에는, 소정 깊이 함몰된 홈 형상인 물 유로가 마련된다.In order to guide the flow of water in a direction opposite to the first direction, a water flow path in the shape of a groove recessed to a predetermined depth is provided on the inner surface of the first separator plate, which is the surface facing the membrane electrode assembly.

본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.According to an embodiment of the present invention, one or more of the following effects are achieved.

분리판의 내부에서 반응기체가 이동하는 방향의 반대 방향으로 물의 유동을 안내하기 위한 물 유로를 마련함으로써, 반응기체가 유입되는 분리판의 입구단과 인접한 막 전극 접합체의 일 영역에 습도를 높일 수가 있다. 이는, 일반적인 스택 구동 시, 특히 저출력 구동 시 스택의 입구단이 건조하게 되는 현상을 고려한 것이다.By providing a water flow path to guide the flow of water in the direction opposite to the direction in which the reaction gas moves inside the separator, humidity can be increased in an area of the membrane electrode assembly adjacent to the inlet end of the separator through which the reaction gas flows. . This takes into account the phenomenon that the inlet end of the stack becomes dry during general stack operation, especially low power operation.

이를 통해, 연료전지 스택의 내부로 공급되는 반응기체를 가습하기 위한 별도의 가습기를 구비하지 않고도 연료전지 스택이 구동되는데 적절하도록 연료전지 스택의 내부 습도가 조절될 수 있게 마련될 수 있다.Through this, the internal humidity of the fuel cell stack can be adjusted to suit the operation of the fuel cell stack without a separate humidifier for humidifying the reaction gas supplied into the fuel cell stack.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 일부의 단면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 캐소드측 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 연료전지 스택을 다른 측면에서 바라본 도면이다.
도 5 내지 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 물 유로를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 애노드측 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.1 is a cross-sectional view of a portion of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
Figures 2 and 3 are diagrams for explaining the cathode side separator of Figure 1.
FIG. 4 is a view of the fuel cell stack of FIG. 1 viewed from another side.
5 to 8 are diagrams for explaining water flow paths according to various embodiments of the present invention.
Figure 9 is a diagram for explaining an anode side separator according to another embodiment of the present invention.
Figure 10 is a diagram for explaining a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through illustrative drawings. When adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that identical components are given the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, when describing embodiments of the present invention, if detailed descriptions of related known configurations or functions are judged to impede understanding of the embodiments of the present invention, the detailed descriptions will be omitted.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Additionally, in describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being "connected," "coupled," or "connected" to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but there is no need for another component between each component. It should be understood that may be “connected,” “combined,” or “connected.”

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 일부의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a portion of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 연료전지 스택은 복수의 단위세트가 소정의 적층방향(s1)으로 적층되어 마련될 수 있다.The fuel cell stack according to this embodiment may be prepared by stacking a plurality of unit sets in a predetermined stacking direction (s1).

단위세트는 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)(10), 캐소드측 분리판(100), 및 애노드측 분리판(200)을 포함한다.The unit set includes a membrane electrode assembly (MEA) 10, a cathode side separator 100, and an anode side separator 200.

막 전극 접합체(10)는 전극과 전해질 막이 일체형으로 접합된 촉매 코팅막(11)과, 촉매 코팅막(11)의 양측에 접합되는 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL)(13)을 포함한다.The membrane electrode assembly 10 includes a catalyst coating film 11 in which an electrode and an electrolyte membrane are integrally bonded, and a gas diffusion layer (GDL) 13 bonded to both sides of the catalyst coating film 11.

막 전극 접합체(10)는 연료전지 스택에서 실제 전기화학 반응이 발생하는 부분으로 연료전지의 성능을 좌우한다.The membrane electrode assembly 10 is a part of the fuel cell stack where the actual electrochemical reaction occurs and determines the performance of the fuel cell.

막 전극 접합체(10)는 후술하는 채널들(공기 공급채널, 수소 공급채널)을 통해 반응 기체(수소, 산소 등)을 공급받아 전기화학 반응을 통해 전력을 생성할 수 있다.The membrane electrode assembly 10 can generate power through an electrochemical reaction by receiving a reaction gas (hydrogen, oxygen, etc.) through channels (air supply channel, hydrogen supply channel) described later.

캐소드측 분리판(100)과 애노드측 분리판(200)은 적층방향(s1)을 기준으로 막 전극 접합체(10)의 일측 및 타측에 각각 배치되어 반응기체 유로들을 마련할 수 있다.The cathode side separator 100 and the anode side separator 200 may be respectively disposed on one side and the other side of the membrane electrode assembly 10 based on the stacking direction s1 to provide reaction gas passages.

캐소드측 분리판(100)은 공기를 공기의 유동방향(도 1의 fl1 참조)으로 안내하기 위해, 공기 공급채널을 마련할 수 있다.The cathode side separator 100 may provide an air supply channel to guide air in the air flow direction (see fl1 in FIG. 1).

막 전극 접합체(10)를 향하는 면인 캐소드측 분리판(100)의 내측면에는, 공기의 유동방향(도 1의 fl1)의 반대 방향으로 물의 유동을 안내하기 위해, 소정 깊이 함몰된 홈 형상인 물 유로(150)가 마련될 수 있다.On the inner surface of the cathode side separator 100, which is the surface facing the membrane electrode assembly 10, a water groove in the shape of a groove sunken to a predetermined depth is provided to guide the flow of water in the opposite direction to the air flow direction (fl1 in FIG. 1). Euros (150) can be provided.

연료전지 스택은 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하며, 그와 함께 물을 생성한다. 생성된 물의 일부는 막 전극 접합체를 함습시키고, 또 다른 일부는 막 전극 접합체로부터 반응기체가 공급되는 채널로 배출된다. 반응기체가 공급되는 채널로 배출된 물은 채널을 따라 흘러 연료전지 스택 외부로 배출된다.A fuel cell stack generates power through an electrochemical reaction and also produces water. Part of the generated water moistens the membrane electrode assembly, and another part is discharged from the membrane electrode assembly into a channel through which the reaction gas is supplied. The water discharged into the channel where the reaction gas is supplied flows along the channel and is discharged to the outside of the fuel cell stack.

연료전지가 정상적으로 동작하기 위해서는 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되는 것이 필요하다. 전해질막의 습도가 일정 미만인 경우, 전해질막을 통한 수소 양이온의 이동이 원활하지 않아 연료전지의 발전성능이 저하될 수 있다(일명, dry out).In order for a fuel cell to operate normally, the electrolyte membrane needs to be maintained above a certain level of humidity. If the humidity of the electrolyte membrane is below a certain level, the movement of hydrogen cations through the electrolyte membrane may not be smooth, which may reduce the power generation performance of the fuel cell (aka, dry out).

한편, 연료전지 내부의 습도가 과도하게 높을 경우에는 연료전지 내부의 물질전달이 방해 받을 수 있다(일명, flooding). 예를 들면, 연료전지 내부가 과습한 경우, 애노드 극으로의 수소 공급이 방해 받아 연료전지의 발전 성능이 저하될 수 있다.On the other hand, if the humidity inside the fuel cell is excessively high, material transfer inside the fuel cell may be interrupted (aka, flooding). For example, if the inside of the fuel cell is overly humid, the supply of hydrogen to the anode pole may be interrupted, thereby reducing the power generation performance of the fuel cell.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 연료전지 내부로 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습기를 별도로 구비하거나, 연료전지 내부에서 전기-화학적 반응에 의해 생성되는 물을 이용해 전해질막의 습도를 높이는 방법 등이 이용되고 있다.To solve this problem, methods such as providing a separate humidifier to humidify the air supplied into the fuel cell or increasing the humidity of the electrolyte membrane using water generated by an electro-chemical reaction inside the fuel cell are used. .

그러나, 종래에는 반응 기체가 유입되는 입구에 가까운 부분에서는 전해질막이 건조한데 비해 반응 기체가 배출되는 출구에 가까운 부분에서는 과습한 문제가 있었다. 즉, 분리판에 형성된 채널 내부를 따라 유동하는 가스와 물의 유동 방향에 따라서 채널 내부의 습도 또는 수분에 편차가 존재하였다.However, in the past, there was a problem that the electrolyte membrane was dry in the area near the inlet through which the reaction gas flows, but was overly humid in the area near the outlet through which the reaction gas was discharged. That is, there was variation in humidity or moisture inside the channel depending on the flow direction of the gas and water flowing along the inside of the channel formed in the separator plate.

본 실시예에 따른 연료전지는 스택 내부에서 생성되는 물의 유동을 일정 방향으로 유도함으로써, 막 전극 접합체의 전반적인 영역에서 함습률을 높이기 위한 위한 것이다. 보다 구체적으로 본 실시에에 따른 연료전지 스택은, 분리판의 내부에서 반응기체가 유동되는 유동방향읠 반대방향으로 물의 유동을 안내하기 위해, 분리판의 내측면에 소정 깊이로 함몰된 홈 형상인 물 유로를 마련하는 것에 기본적인 특징이 있다.The fuel cell according to this embodiment is intended to increase the moisture content in the overall area of the membrane electrode assembly by directing the flow of water generated inside the stack in a certain direction. More specifically, the fuel cell stack according to this embodiment has a groove shape recessed to a predetermined depth on the inner surface of the separator to guide the flow of water in the opposite direction of the flow direction of the reaction gas inside the separator. There is a basic characteristic of establishing a water flow path.

본 실시예에 따른 연료전지 스택의 특징을 이하에서 보다 상술한다.The characteristics of the fuel cell stack according to this embodiment will be described in more detail below.

도 1을 참조하면 캐소드측 분리판(100)은 캐소드측 다공성 분리판(100a)과 캐소드측 중간 분리판(100b)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the cathode side separator 100 may include a cathode side porous separator 100a and a cathode side intermediate separator 100b.

캐소드측 다공성 분리판(100a)은 캐소드측 중간 분리판(100b)과 막 전극 접합체(10)의 사이에 적층되고, 반응 기체의 난류 흐름을 유도하기 위해 유로면에 다수의 유로홀이 형성될 수 있다.The cathode-side porous separator 100a is stacked between the cathode-side intermediate separator 100b and the membrane electrode assembly 10, and a plurality of passage holes may be formed on the flow path surface to induce a turbulent flow of the reaction gas. there is.

캐소드측 다공성 분리판(100a)은 막 전극 접합체(10)의 일측에 접하는 복수의 랜드부(110)를 포함할 수 있다. The cathode-side porous separator 100a may include a plurality of land portions 110 in contact with one side of the membrane electrode assembly 10.

캐소드측 다공성 분리판(100a)은 캐소드측 중간 분리판(100b)과 접하는 복수의 채널부(120)를 포함할 수 있다. The cathode-side porous separator 100a may include a plurality of channel portions 120 in contact with the cathode-side intermediate separator 100b.

복수의 랜드부(110)와 복수의 채널부(120)는 복수의 연결부(130)에 의해 연결될 수 있다.The plurality of land portions 110 and the plurality of channel portions 120 may be connected by a plurality of connection portions 130.

복수의 연결부(130)에는 다수의 유로홀(130h)이 형성될 수 있다.A plurality of passage holes 130h may be formed in the plurality of connection parts 130.

캐소드측 중간 분리판(100b)에는 물 유로(150)가 마련될 수 있다.A water flow path 150 may be provided in the cathode-side intermediate separator plate 100b.

애노드측 분리판(200)은 수소의 유동방향(도 1의 fl2)으로 수소가 유동하도록 수소공급 채널을 마련할 수 있다.The anode side separator 200 may provide a hydrogen supply channel so that hydrogen flows in the hydrogen flow direction (fl2 in FIG. 1).

도 2 및 도 3은 도 1의 캐소드측 분리판을 설명하기 위한 도면이다.Figures 2 and 3 are diagrams for explaining the cathode side separator of Figure 1.

도 2는 도 1의 캐소드측 다공성 분리판을 적층방향(s1)의 일측에서 바라본 도면이다. 도 2를 참조하면, 다수의 유로홀(130h)은 서로 지그재그로 형성되어, 공기공급 채널을 통해 유동하는 공기에 난류를 유도할 수 있다. 이를 통해, 막 전극 접합체(10)로 공기의 투습량을 늘릴 수 있다.FIG. 2 is a view of the cathode-side porous separator of FIG. 1 viewed from one side of the stacking direction s1. Referring to FIG. 2, the plurality of flow holes 130h are formed in a zigzag pattern to induce turbulence in the air flowing through the air supply channel. Through this, the amount of moisture permeation of air into the membrane electrode assembly 10 can be increased.

캐소드측 중간 분리판(100b)과 접하는 캐소드측 분리판의 채널부(120)들 각각은 채널부(120) 전체가 캐소드측 중간 분리판(100b)과 닿는 것이 아니고, 닿는 부분(121)과 닿지 않는 부분(122)이 교대로 나타날 수 있다. 이때, 채널부(120)의 캐소드측 중간 분리판(100b)과 닿는 부분을 골(121), 캐소드측 중간 분리판(100b)과 닿지 않는 부분을 마루(122)라고 할 수 있다. 복수의 채널부(120)들의 골(121)들은 제2 방향(s2)으로 배열될 수 있다.Each of the channel portions 120 of the cathode-side separator plate that contacts the cathode-side intermediate separator 100b does not contact the entire channel portion 120 with the cathode-side intermediate separator 100b, but only touches the touching portion 121. The missing parts 122 may appear alternately. At this time, the part of the channel portion 120 that contacts the cathode-side intermediate separator 100b may be referred to as a valley 121, and the portion that does not contact the cathode-side intermediate separator 100b may be referred to as a crest 122. The valleys 121 of the plurality of channel portions 120 may be arranged in the second direction s2.

캐소드측 중간 분리판(100b)에는 복수의 채널부(120)들의 골(121)에 대응되게, 제2 방향(s2)으로 연장되는 물 유로(150)가 마련될 수 있다.A water flow path 150 extending in the second direction s2 may be provided in the cathode-side intermediate separator plate 100b, corresponding to the valleys 121 of the plurality of channel portions 120.

물 유로(150)의 폭은 채널부(120)의 골(121)의 폭보다 작게 형성되어, 채널부(120)의 골(121)이 물 유로(150)로 삽입되어 물의 유동을 방해하는 것이 방지될 수 있다. The width of the water flow path 150 is formed to be smaller than the width of the valley 121 of the channel part 120, so that the valley 121 of the channel part 120 is inserted into the water flow path 150 and interferes with the flow of water. It can be prevented.

예를 들면, 물 유로(150)의 폭은 약 1mm 이하로 형성될 수 있다. 물 유로(150)의 폭이 넓을 경우 모세관 현상이 일어나지 않게 되어, 공기공급 채널에서 물 유로(150)로의 물 유입이 원활하지 않을 수 있다.For example, the width of the water channel 150 may be formed to be about 1 mm or less. If the width of the water channel 150 is wide, capillary action does not occur, and water may not flow smoothly from the air supply channel into the water channel 150.

또한, 물 유로(150)의 깊이는 캐소드측 중간 분리판(100b)의 두께의 절반 이하로 형성될 수 있다. 이를 통해, 캐소드측 중간 분리판(100b)의 강도가 지나치게 낮아지는 것이 방지될 수 있다.Additionally, the depth of the water flow path 150 may be formed to be less than half the thickness of the cathode-side intermediate separator plate 100b. Through this, the strength of the cathode-side intermediate separator plate 100b can be prevented from being excessively low.

도 3을 참조하면, 연료전지 스택은 중력방향(g)에 대하여 평행한 각도로 차량에 설치될 수 있다. 즉, 연료전지 스택은 공기의 유동방향(fl1)이 중력방향(g)과 평행하도록, 차량에 설치될 수 있다.Referring to FIG. 3, the fuel cell stack may be installed in the vehicle at an angle parallel to the direction of gravity (g). That is, the fuel cell stack can be installed in the vehicle so that the air flow direction (fl1) is parallel to the gravity direction (g).

한편, 도시되지는 않았으나, 연료전지스택은 중력방향(g)에 대하여 소정 각도를 이루며 기울어지게 설치될 수도 있다. 공기공급 채널의 내부에서는 캐소드 출구로 갈수록 습도가 증가하기 때문에, 캐소드 출구 부근에서는 액상물이 형성된다. 이때, 액상물은 중력에 의해 캐소드측 다공성 분리판(100a)을 따라 아래로 이동하는데 캐소드측 다공성 분리판(100a)의 형상에 따라 채널부(120)의 캐소드측 중간 분리판(100b)과 닿는 부분(121)로 흐르게 된다.Meanwhile, although not shown, the fuel cell stack may be installed tilted at a predetermined angle with respect to the direction of gravity (g). Since humidity increases inside the air supply channel toward the cathode outlet, liquid is formed near the cathode outlet. At this time, the liquid moves downward along the cathode-side porous separator 100a by gravity, and depending on the shape of the cathode-side porous separator 100a, it touches the cathode-side intermediate separator 100b of the channel portion 120. It flows to part 121.

액상물은 중력에 의해 캐소드측 다공성 분리판(100a)을 타고 아래로 이동하다가 물 유로(150)를 만나면 모세관 현상에 의해 물 유로(150)로 이동될 수 있다.Liquid water moves down the cathode-side porous separator 100a by gravity, and when it encounters the water flow path 150, it may be moved to the water flow path 150 by capillary action.

물 유로(150)로 유입된 물은 표면장력에 의해 물 유로(150)의 내측면에 붙은 상태로 중력에 의해 캐소드 입구를 향하여 이동될 수 있다. 즉, 물 유로(150)로 유입된 물은 공기의 유동방향(도 3의 fl1)과 반대방향으로 이동될 수 있다.The water flowing into the water channel 150 may adhere to the inner surface of the water channel 150 due to surface tension and move toward the cathode inlet by gravity. That is, water flowing into the water flow path 150 may move in a direction opposite to the air flow direction (fl1 in FIG. 3).

캐소드 입구 근처로 이동된 물은 공기와 섞이면서 다시 공기의 유동방향(fl1)으로 이동하며, 막 전극 접합체(10)에 수분을 공급할 수 있다. 이를 통해, 캐소드 입구측의 막 전극 접합체(10)의 습도가 증가될 수 있다.The water moved near the cathode inlet mixes with air and moves again in the air flow direction (fl1), and can supply moisture to the membrane electrode assembly 10. Through this, the humidity of the membrane electrode assembly 10 on the cathode inlet side can be increased.

도 4는 도 1의 연료전지 스택을 다른 측면에서 바라본 도면이다.FIG. 4 is a view of the fuel cell stack of FIG. 1 viewed from another side.

도 4는 도 1에서 공기가 유동하는 방향(fl1)으로 연료전지 스택을 바라본 도면으로, 캐소드측 중간 분리판(100b) 상에 물 유로(150)가 형성되는 위치를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.FIG. 4 is a view of the fuel cell stack in the direction in which the air flows (fl1) in FIG. 1, and is a view to explain in more detail the position where the water flow path 150 is formed on the cathode side intermediate separator 100b. am.

도 4를 참조하면, 물 유로(150)는, 캐소드측 중간 분리판(100b)의 내측면 상에, 적층방향(s1)을 기준으로 애노드측 분리판의 채널부(220)와 중첩되지 않는 영역에 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4, the water flow path 150 is an area on the inner surface of the cathode-side intermediate separator 100b that does not overlap with the channel portion 220 of the anode-side separator based on the stacking direction s1. can be formed in

애노드측 분리판(200)은 막 전극 접합체(10)와 접하는 랜드부(210)를 포함할 수 있다. 애노드측 분리판(200)은 캐소드측 중간 분리판(100b)과 접하는 채널부(220)를 포함할 수 있다. 애노드측 분리판(200)은 랜드부(210)와 채널부(220)를 연결하는 연결부(230)를 포함할 수 있다.The anode-side separator 200 may include a land portion 210 in contact with the membrane electrode assembly 10. The anode-side separator 200 may include a channel portion 220 in contact with the cathode-side intermediate separator 100b. The anode side separator 200 may include a connection portion 230 connecting the land portion 210 and the channel portion 220.

적층방향(s1)을 기준으로 애노드측 분리판의 채널부(220)와 캐소드측 중간 분리판(100b)이 중첩되는 영역을 A1, 애노드측 분리판의 채널부(220)와 캐소드측 중간 분리판(100b)이 중첩되지 않는 영역을 A2라고 할 때, 물 유로(150)는 캐소드측 중간 분리판(100b) 상에 A2 영역에 마련될 수 있다. 물 유로(150)를 이와 같은 위치에 형성하는 이유는 아래와 같다.Based on the stacking direction (s1), the area where the channel portion 220 of the anode side separator plate and the cathode side intermediate separator 100b overlap is A1, and the channel portion 220 of the anode side separator plate and the cathode side intermediate separator plate are A1. When the area where (100b) does not overlap is referred to as A2, the water flow path 150 may be provided in area A2 on the cathode-side intermediate separator plate (100b). The reason for forming the water flow path 150 at this location is as follows.

먼저, 캐소드측 중간 분리판(100b)과 캐소드측 다공성 분리판(100a) 사이에 전기 저항이 커지는 것을 방지하기 위함이다.First, this is to prevent electrical resistance from increasing between the cathode-side intermediate separator 100b and the cathode-side porous separator 100a.

도 4를 참조하면 연료전지 스택이 구동될 시 전자는 애노드측 가스 확산층(13)에서 애노드측 분리판(200)으로 이동하여, 애노드측 분리판(200)을 따라 이동한 후 캐소드측 중간 분리판(100b)을 통하여 캐소드측 다공성 분리판(100a)으로 이동한다.Referring to FIG. 4, when the fuel cell stack is driven, electrons move from the anode-side gas diffusion layer 13 to the anode-side separator 200, move along the anode-side separator 200, and then move to the cathode-side middle separator. It moves to the cathode side porous separator plate (100a) through (100b).

이때, 전자의 이동경로(e) 상에서 캐소드측 중간 분리판(100b)과 캐소드측 다공성 분리판(100a) 사이의 접촉면적이 감소할 경우 전기 저항이 증가되어, 전자의 이동이 저하될 수 있고, 결과적으로 연료전지 스택의 성능이 저하될 수 있다.At this time, if the contact area between the cathode-side intermediate separator 100b and the cathode-side porous separator 100a decreases on the electron movement path e, the electrical resistance may increase and the movement of electrons may decrease, As a result, the performance of the fuel cell stack may deteriorate.

따라서, 전지 저항이 상승되는 것을 최소화하기 위해 물 유로(150)는 캐소드측 중간 분리판(100b) 상에 A2 영역에 마련될 수 있다.Therefore, in order to minimize an increase in battery resistance, the water flow path 150 may be provided in area A2 on the cathode-side intermediate separator 100b.

또 다른 이유로, 스택 체결 시에 분리판이 파손되는 것을 방지하기 위함이다.Another reason is to prevent the separator plate from being damaged when fastening the stack.

스택 체결 시에는 적층방향으로 스택을 가압하며 체결하게 된다. 이때, 애노드측 분리판(200)과 캐소드측 중간 분리판(100b)이 접촉되는 A1영역에서는 A2영역에서보다 캐소드측 다공성 분리판(100a)으로 더 많은 힘이 가해지게 된다.When fastening the stack, the stack is pressed and fastened in the stacking direction. At this time, in area A1, where the anode side separator 200 and the cathode side intermediate separator 100b are in contact, more force is applied to the cathode side porous separator 100a than in the A2 area.

따라서, 캐소드측 중간 분리판(100b)의 A2 영역에 물 유로(150)를 형성함으로써 스택 체결 시에 물 유로(150)로 인해 캐소드측 다공성 분리판(100a)의 강도가 약해진 부분에 과도한 힘이 가해지게 되어, 캐소드측 다공성 분리판(100a)이 파손되는 것을 방지할 수 있다.Therefore, by forming the water channel 150 in the A2 area of the cathode-side intermediate separator 100b, excessive force is applied to the area where the strength of the cathode-side porous separator 100a is weakened due to the water channel 150 when the stack is fastened. This can prevent the cathode side porous separator 100a from being damaged.

한편, 도 4를 참조하면, 캐소드측 분리판의 채널부(120)는 캐소드측 중간 분리판(100b)에 접촉되는 부분(121)과 접촉되지 않는 부분(122)이 교대로 반복되는 형상일 수 있다. 이는, 캐소드측 다공성 분리판(100a)의 형상에 따른 것으로, 본 실시예에 따른 캐소드측 다공성 분리판(100a)은 캐소드측 분리판의 채널부(120)의 전체가 캐소드측 중간 분리판(100b)에 닿는 것이 아니라, 캐소드측 분리판의 채널부(120)의 일부분이 캐소드측 중간 분리판(100b)에 닿도록 마련될 수 있다.Meanwhile, referring to Figure 4, the channel portion 120 of the cathode side separator plate may have a shape in which a portion 121 that is in contact with the cathode side intermediate separator plate 100b and a portion 122 that is not in contact are alternately repeated. there is. This is according to the shape of the cathode-side porous separator 100a, and in the cathode-side porous separator 100a according to this embodiment, the entire channel portion 120 of the cathode-side separator is divided into the cathode-side intermediate separator 100b. ), but a portion of the channel portion 120 of the cathode side separator may be provided to touch the cathode side intermediate separator 100b.

이때, 물 유로(150)는, 캐소드측 중간 분리판(100b)의 내측면에, 캐소드측 분리판의 채널부(120)와 접하는 부분에 인접하게 형성될 수 있다. 즉, 물 유로(150)는, 캐소드측 분리판의 채널부(120)의, 캐소드측 중간 분리판(100b)과 접촉하는 부분(121)에 인접하게 형성될 수 있다.At this time, the water flow path 150 may be formed on the inner surface of the cathode-side intermediate separator 100b adjacent to the portion in contact with the channel portion 120 of the cathode-side separator. That is, the water flow path 150 may be formed adjacent to the portion 121 of the channel portion 120 of the cathode-side separator that contacts the cathode-side intermediate separator 100b.

또한, 물 유로(150)의 폭은, 캐소드측 분리판의 채널부(120)의, 캐소드측 중간 분리판(100b)과 접촉되는 부분(121)의 폭보다 작게 형성되어, 캐소드측 분리판의 채널부(120)가 물 유로(150)에 끼게 되는 것이 방지될 수 있다.In addition, the width of the water flow path 150 is formed to be smaller than the width of the portion 121 of the channel portion 120 of the cathode side separator that is in contact with the cathode side intermediate separator 100b, The channel portion 120 can be prevented from being caught in the water flow path 150.

한편, 도 4를 참조하면, 물 유로(150)가 캐소드측 중간 분리판(100b)의 내부로 함몰된 깊이는, 캐소드측 중간 분리판(100b)의 두께의 절반 이하로 형성되어, 캐소드측 중간 분리판(100b)의 강도가 과도하게 낮아지지 않도록 할 수 있다.Meanwhile, referring to FIG. 4, the depth of the water flow path 150 recessed into the cathode-side intermediate separator 100b is formed to be less than half the thickness of the cathode-side intermediate separator 100b, so that the cathode-side intermediate separator 100b The strength of the separator plate 100b can be prevented from being excessively lowered.

도 5 내지 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 물 유로를 설명하기 위한 도면이다.5 to 8 are diagrams for explaining water flow paths according to various embodiments of the present invention.

도 5를 참조하면, 물 유로(150)는 캐소드측 중간 분리판(100b)의 캐소드측 다공성 분리판(100a)과 접하는 측면에 형성되는 다수의 물 유로(150)를 포함할 수 있다. 다수의 물 유로(150)들 각각은 제2 방향(s2)으로 연장될 수 있다. 제2 방향(s2)은 캐소드측 분리판(100)에 의해 마련되는 공기공급 채널을 통해 공기가 유동하는 방향과 나란한 방향일 수 있다.Referring to FIG. 5 , the water flow path 150 may include a plurality of water flow paths 150 formed on a side of the cathode-side intermediate separator 100b that is in contact with the cathode-side porous separator 100a. Each of the plurality of water channels 150 may extend in the second direction s2. The second direction s2 may be parallel to the direction in which air flows through the air supply channel provided by the cathode side separator 100.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 물 유로(150)는 적층방향 및 상기 제2 방향(s2)에 수직한 방향으로 배열되는 복수 개의 서브 물 유로(150a)들을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 6A and 6B , the water channel 150 may include a plurality of sub-water channels 150a arranged in a direction perpendicular to the stacking direction and the second direction s2.

복수 개의 서브 물 유로(150a)들은 일단이 서로 합쳐져서 제2 방향(s2)으로 더 연장될 수 있다. 즉, N개의 서브 물 유로(150a)들이 N보다 작은 수인 M개의 서브 물 유로(150b)들로 합쳐지고, 다시 M개의 서브 물 유로(150b)들이 M보다 작은 L개의 물 유로(150c)로 합쳐지는 형상으로 마련될 수 있다.One end of the plurality of sub-water channels 150a may be joined together to further extend in the second direction s2. That is, the N sub-water channels 150a are merged into M sub-water channels 150b, which are smaller than N, and the M sub-water channels 150b are combined into L water channels 150c, which are smaller than M. It can be prepared in a losing shape.

이를 통해, 비교적 폭이 좁은 서브 물 유로(150a, 150b)들에서는 모세관 현상에 의해 물 유로로 내로 물 유입을 유도하고, 비교적 폭이 넓고 큰 유로 단면적을 가지는 물 유로(150c)를 통하여 물 유로로 유입된 물이 중력에 의해 원활하게 이동될 수 있다. 이는, 캐소드 입구 영역으로 갈수록 모세관 현상보다 중력에 의한 물의 유동이 중요해지기 때문으로, 물의 유동을 효과적으로 안내하기 위함이다.Through this, the relatively narrow sub-water passages 150a and 150b induce water to flow into the water passage through capillary action, and flow into the water passage through the water passage 150c, which is relatively wide and has a large passage cross-sectional area. Inflowed water can be moved smoothly by gravity. This is because the flow of water due to gravity becomes more important than the capillary phenomenon as you move toward the cathode inlet area, and this is to effectively guide the flow of water.

도 7a를 참조하면, 물 유로(150)는 캐소드 출구단에서의 폭이 캐소드 입구단에서의 폭보다 좁게 형성될 수 있다. 예를 들면, 물 유로(150)는 캐소드 출구단에서 캐소드 입구단으로 갈수록 폭이 넓어지는 형상일 수 있다.Referring to FIG. 7A, the width of the water flow path 150 at the cathode outlet end may be narrower than the width at the cathode inlet end. For example, the water flow path 150 may have a shape whose width increases from the cathode outlet end to the cathode inlet end.

도 7b를 참조하면, 적층방향(s1)과 제2 방향(s2)에 수직한 방향을 제3 방향(s3)이라고 할 때, 물 유로(150)는 제3 방향(s3)을 기준으로 일측 및 타측으로 교대로 굴곡지며 제2 방향(s2)으로 연장되는 형상일 수 있다. 즉, 물 유로(150)는 웨이브 형상으로 형성될 수 있다. 이를 통해, 물 유로(150)를 통해 유동되는 물이 공기의 유동에 의해 비산되는 현상이 최소화될 수 있다. 즉, 물 유로(150)가 이와 같이 형성되면, 공기의 유동방향(fl1)과 물 유로의 유동 방향이 정반대방향이 아니므로, 물 유로(150)의 내부의 물이 공기에 의해 휩쓸리는 현상이 줄어들게 된다.Referring to FIG. 7B, when the direction perpendicular to the stacking direction s1 and the second direction s2 is referred to as the third direction s3, the water flow path 150 has one side and one side based on the third direction s3. It may be alternately bent to the other side and extend in the second direction (s2). That is, the water flow path 150 may be formed in a wave shape. Through this, the phenomenon of water flowing through the water passage 150 being scattered by the flow of air can be minimized. In other words, when the water flow path 150 is formed in this way, the flow direction of the air (fl1) and the flow direction of the water flow path are not opposite to each other, so the phenomenon of the water inside the water flow path 150 being swept away by the air is reduced. do.

도 8a 내지 도 8b는, 앞서 설명한 것과 달리 연료전지 스택이 중력방향에 대해 수직한 방향으로차량에 설치되는 경우에 적용될 수 있는 물 유로의 형상을 설명하기 위한 도면이다. 연료전지 스택이 중력방향에 수직한 방향으로 차량에 설치되는 경우는, 연료전지 스택의 길이방향이 지면에 수평하게 연장되도록 연료전지 스택이 설치되는 경우와 동일한 것으로 이해될 수 있다. 연료전지 스택의 길이방향은 전체적으로 직육면체 형상인 연료전지 스택의 각 변들 중에서 가장 긴 변이 연장되는 방향으로 정의될 수 있다. 연료전지 스택이 중력방향에 수직한 방향으로 차량에 설치되는 경우는, 연료전지 스택의 내부에서 공기의 유동방향(fl1) 또는 수소의 유동방향(fl2)가 지면에 수평하도록 연료전지 스택이 설치되는 경우에 해당된다.FIGS. 8A and 8B are diagrams for explaining the shape of a water flow path that can be applied when the fuel cell stack is installed in a vehicle in a direction perpendicular to the direction of gravity, unlike what was previously described. The case where the fuel cell stack is installed in a vehicle in a direction perpendicular to the direction of gravity can be understood as the same as the case where the fuel cell stack is installed so that the longitudinal direction of the fuel cell stack extends horizontally to the ground. The longitudinal direction of the fuel cell stack can be defined as the direction in which the longest side extends among the sides of the fuel cell stack, which has an overall rectangular parallelepiped shape. When the fuel cell stack is installed in a vehicle in a direction perpendicular to the direction of gravity, the fuel cell stack is installed so that the air flow direction (fl1) or the hydrogen flow direction (fl2) inside the fuel cell stack is horizontal to the ground. This applies to cases.

이 경우, 캐소드 출구단에서 캐소드 입구단으로 공기의 유동방향과 반대방향으로 물의 유동을 유도하기 위해서는, 중력에 의해 물의 유동을 안내할 수 있는 물 유로의 형상이 필요하다.In this case, in order to induce the flow of water in a direction opposite to the direction of air flow from the cathode outlet end to the cathode inlet end, a shape of a water flow path that can guide the flow of water by gravity is required.

도 8a를 참조하면, 캐소드측 중간 분리판(100b)의, 공기가 유입되는 쪽을 캐소드 입구단, 공기가 배출되는 쪽을 캐소드 출구단, 캐소드 입구단에서 캐소드 출구단을 향하는 방향을 캐소드측 중간 분리판(100b)의 길이방향이라고 정의할 수 있다.Referring to FIG. 8A, the side of the cathode side intermediate separator 100b through which air flows in is the cathode inlet end, the side through which air is discharged is the cathode outlet end, and the direction from the cathode inlet end to the cathode outlet end is the cathode side middle side. It can be defined as the longitudinal direction of the separation plate 100b.

차량에 설치된 상태에서, 중력 방향을 기준으로, 캐소드 출구단과 인접한 물 유로(150)의 출구단이 캐소드 입구단과 인접한 물 유로(150)의 입구단보다 상측에 위치하도록, 물 유로(150)가 연장되는 방향과 캐소드측 중간 분리판(100b)의 길이방향이 소정 각도를 이룰 수 있다.When installed in a vehicle, the water flow path 150 is extended so that the outlet end of the water flow path 150 adjacent to the cathode outlet end is located above the inlet end of the water flow path 150 adjacent to the cathode inlet end, based on the direction of gravity. The direction and the longitudinal direction of the cathode-side intermediate separator plate 100b may form a predetermined angle.

도 8b, 도 8c, 및 도 8d를 참조하면, 물 유로(150)는 메인 물 유로(150c)와, 메인 물 유로(150c)보다 작은 유로 단면적을 가지는 하나 이상의 서브 물 유로(150a)를 포함할 수 있다. 서브 물 유로(150a)는, 메인 물 유로(150c)로 물의 유동을 안내하기 위해, 일단이 메인 물 유로(150c)와 연결될 수 있다. 이를 통해, 서브 물 유로(150a)로 모세관 현상에 의해 물이 유입되도록 유도하고, 메인 물 유로(150c)를 통해 캐소드 출구단에서 캐소드 입구단을 향하여 중력에 의해 물의 유동이 안내될 수 있다.Referring to FIGS. 8B, 8C, and 8D, the water flow path 150 may include a main water flow path 150c and one or more sub water flow paths 150a having a smaller flow passage cross-sectional area than the main water flow path 150c. You can. One end of the sub water passage 150a may be connected to the main water passage 150c in order to guide the flow of water to the main water passage 150c. Through this, water is induced to flow into the sub-water passage 150a by capillary action, and the flow of water can be guided by gravity from the cathode outlet end toward the cathode inlet end through the main water passage 150c.

한편, 도 8e를 참조하면, 물 유로(150)는 캐소드 출구단에서 캐소드 입구단으로 갈수록 유로의 폭 또는 유로의 단면적이 넓어지는 형상으로 마련될 수 있다.Meanwhile, referring to FIG. 8E, the water flow path 150 may be provided in a shape in which the width or cross-sectional area of the flow path increases from the cathode outlet end to the cathode inlet end.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 애노드측 분리판을 설명하기 위한 도면이다.Figure 9 is a diagram for explaining an anode side separator according to another embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 애노드측 분리판(200)의 막 전극 접합체(10)를 향하는 내측면에도, 물 유로(250)가 마련될 수 있다. 이에 따라, 애노드측 분리판(200)의 내부에서 수소의 유동방향에 반대방향으로 물의 이동이 안내될 수 있고, 애노드측 입구단에서 막 전극 접합체의 습도가 상승될 수 있다.Referring to FIG. 9, a water flow path 250 may also be provided on the inner surface of the anode-side separator 200 facing the membrane electrode assembly 10. Accordingly, the movement of water can be guided in the direction opposite to the flow direction of hydrogen inside the anode-side separator 200, and the humidity of the membrane electrode assembly can be increased at the anode-side inlet end.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.Figure 10 is a diagram for explaining a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.

본 실시예에서 캐소드측 분리판(300)은 애노드측 분리판(400)과 마찬가지로 채널형 분리판으로 마련될 수 있다.In this embodiment, the cathode side separator 300 may be provided as a channel-type separator like the anode side separator 400.

캐소드측 분리판(300)은 공기의 유동을 안내하기 위해 공기공급 채널을 마련할 수 있다. 캐소드측 분리판(300)은 랜드부(310)와, 채널부(320)와, 연결부(330)를 포함할 수 있다.The cathode side separator 300 may provide an air supply channel to guide the flow of air. The cathode side separator 300 may include a land portion 310, a channel portion 320, and a connection portion 330.

또한, 캐소드측 분리판(300)의 채널부(320)의 공기공급 채널을 향하는 면에는 물 유로(350)가 형성될 수 있다.Additionally, a water flow path 350 may be formed on the surface of the channel portion 320 of the cathode side separator 300 facing the air supply channel.

애노드측 분리판(400)은 공기의 유동을 안내하기 위해 수소공급 채널을 마련할 수 있다. 애노드측 분리판(400)은 랜드부(410)와, 채널부(420)와, 연결부(430)를 포함할 수 있다.The anode side separator 400 may provide a hydrogen supply channel to guide the flow of air. The anode side separator 400 may include a land portion 410, a channel portion 420, and a connection portion 430.

또한, 애노드측 분리판(400)의 채널부(420)의 수소공급 채널을 향하는 면에는 물 유로(450)가 형성될 수 있다.Additionally, a water flow path 450 may be formed on the surface of the channel portion 420 of the anode-side separator 400 facing the hydrogen supply channel.

이때, 캐소드측 분리판(300)의 물 유로(350)와 애노드측 분리판(400)의 물 유로(450)는 적층방향(s1)을 기준으로 서로 중첩되지 않게 마련될 수 있다.At this time, the water flow path 350 of the cathode side separator 300 and the water flow path 450 of the anode side separator 400 may be provided so as not to overlap each other based on the stacking direction s1.

분리판의 물 유로가 형성되는 부분은 비교적 분리판의 강도가 약해질 수 밖에 없는데, 캐소드측 분리판(300)의 물 유로(350)와 애노드측 분리판(400)의 물 유로(450)는 적층방향(s1)을 기준으로 서로 중첩되게 형성되는 경우 스택의 체결 시에 캐소드측 분리판(300)과 애노드측 분리판(400)이 파손될 위험이 커지게 된다. 따라서, 분리판이 손상되는 것을 방지하기 위해, 캐소드측 분리판(300)의 물 유로(350)와 애노드측 분리판(400)의 물 유로(450)는 적층방향(s1)을 기준으로 서로 중첩되지 않게 마련될 수 있다.The strength of the separator is inevitably weakened in the part where the water flow path of the separator is formed. The water flow path 350 of the cathode side separator 300 and the water flow path 450 of the anode side separator 400 are If they are formed to overlap each other based on the stacking direction s1, the risk of damage to the cathode-side separator 300 and the anode-side separator 400 increases when the stack is fastened. Therefore, in order to prevent the separator from being damaged, the water flow path 350 of the cathode side separator 300 and the water flow path 450 of the anode side separator 400 do not overlap each other based on the stacking direction s1. It may not be possible to prepare.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.Although the present invention has been described above with limited examples and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the following description will be provided by those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. Various implementations are possible within the scope of equivalency of the patent claims.

10 : 막 전극 접합체
11 : 촉매 코팅막
13 : 가스 확산층
100, 300 : 캐소드측 분리판
100a : 캐소드측 다공성 분리판
110, 310 : 캐소드측 분리판의 랜드부
120, 320 : 캐소드측 분리판의 채널부
121 : 채널부의 접촉부
122 : 채널부의 비접촉부
130, 330 : 캐소드측 분리판의 연결부
130h : 유로홀
100b : 캐소드측 중간 분리판
150, 150a, 150b, 150c, 350 : 캐소드측 분리판의 물 유로
200, 400 : 애노드측 분리판
210, 410 : 애노드측 분리판의 랜드부
220, 420 : 애노드측 분리판의 채널부
230, 430 : 애노드측 분리판의 연결부
250, 450 : 애노드측 분리판의 물 유로
fl1 : 공기 흐름
fl2 : 수소 흐름
s1 : 적층방향
s2 : 제2 방향
s3 : 제3 방향
g : 중력방향
e : 전자의 이동방향
A1 : 중첩되는 영역
A2 : 중첩되지 않는 영역10: Membrane electrode assembly
11: catalyst coating film
13: gas diffusion layer
100, 300: cathode side separator
100a: Cathode side porous separator
110, 310: Land portion of cathode side separator plate
120, 320: Channel portion of cathode side separator plate
121: Contact part of channel part
122: Non-contact part of the channel part
130, 330: Connection part of the cathode side separator plate
130h: Eurohole
100b: Cathode side middle separator
150, 150a, 150b, 150c, 350: Water flow path of cathode side separator plate
200, 400: Anode side separator plate
210, 410: Land portion of anode side separator plate
220, 420: Channel portion of anode side separator plate
230, 430: Connection part of the anode side separator plate
250, 450: Water flow path of anode side separator plate
fl1: air flow
fl2: hydrogen flow
s1: stacking direction
s2: second direction
s3: third direction
g: direction of gravity
e: direction of movement of electrons
A1: Overlapping area
A2: Non-overlapping area

Claims (12)

복수의 단위세트가 소정의 적층방향으로 적층되어 마련되는 연료전지 스택에 있어서,
상기 단위세트는,
막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA); 및
상기 적층방향을 기준으로, 상기 막 전극 접합체의 일측 및 타측에 각각 배치되어 반응기체 유로들을 마련하는 제1 및 제2 분리판을 포함하고,
상기 제1 분리판은, 제1 방향으로 반응기체를 안내하기 위해, 제1 반응기체 유로를 마련하고,
상기 제1 분리판과 상기 막 전극 접합체의 사이에 존재하는 물을 상기 제1 방향의 반대 방향으로 안내하기 위해, 상기 제1 분리판의 일측면에는, 소정 깊이 함몰된 홈 형상인 물 유로가 마련되고,
상기 제1 분리판에서, 반응기체가 유입되는 쪽을 상기 제1 분리판의 입구단, 반응기체가 배출되는 쪽을 상기 제1 분리판의 출구단이라고 할 때,
상기 물 유로로 유입되는 물이 중력에 의해 상기 제1 방향의 반대 방향으로 유동되도록 하기 위해, 상기 단위세트가 차량에 설치된 상태에서, 중력방향을 기준으로, 상기 제1 분리판의 출구단과 인접한 상기 물 유로의 일단이 상기 제1 분리판의 입구단과 인접한 상기 물 유로의 타단보다 상측에 위치하는, 연료전지 스택. In a fuel cell stack prepared by stacking a plurality of unit sets in a predetermined stacking direction,
The unit set is,
membrane electrode assembly (MEA); and
Based on the stacking direction, first and second separator plates are respectively disposed on one side and the other side of the membrane electrode assembly to provide reaction gas passages,
The first separator plate provides a first reaction gas flow path to guide the reaction gas in a first direction,
In order to guide the water existing between the first separator plate and the membrane electrode assembly in a direction opposite to the first direction, a water flow path in the shape of a groove sunken to a predetermined depth is provided on one side of the first separator plate. become,
In the first separator, when the side through which the reaction gas flows is called the inlet end of the first separator plate, and the side through which the reaction gas is discharged is called the outlet end of the first separator plate,
In order to allow the water flowing into the water passage to flow in a direction opposite to the first direction by gravity, with the unit set installed in the vehicle, based on the direction of gravity, the outlet end of the first separation plate is adjacent to the unit set. A fuel cell stack, wherein one end of the water flow path is located above the other end of the water flow path adjacent to the inlet end of the first separator plate. 삭제delete 복수의 단위세트가 소정의 적층방향으로 적층되어 마련되는 연료전지 스택에 있어서,
상기 단위세트는,
막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA); 및
상기 적층방향을 기준으로, 상기 막 전극 접합체의 일측 및 타측에 각각 배치되어 반응기체 유로들을 마련하는 제1 및 제2 분리판을 포함하고,
상기 제1 분리판은, 제1 방향으로 반응기체를 안내하기 위해, 제1 반응기체 유로를 마련하고,
상기 제1 분리판과 상기 막 전극 접합체의 사이에 존재하는 물을 상기 제1 방향의 반대 방향으로 안내하기 위해, 상기 제1 분리판의 일측면에는, 소정 깊이 함몰된 홈 형상인 물 유로가 마련되고,
상기 제1 분리판은, 상기 물 유로가 마련되는 중간 분리판과, 상기 중간 분리판과 상기 막 전극 접합체 사이에 적층되고, 반응 기체의 난류 흐름을 유도하기 위해 유로면에 다수의 유로홀이 형성되는 다공성 분리판을 포함하는, 연료전지 스택.In a fuel cell stack prepared by stacking a plurality of unit sets in a predetermined stacking direction,
The unit set is,
membrane electrode assembly (MEA); and
Based on the stacking direction, first and second separator plates are respectively disposed on one side and the other side of the membrane electrode assembly to provide reaction gas passages,
The first separator plate provides a first reaction gas flow path to guide the reaction gas in a first direction,
In order to guide the water existing between the first separator plate and the membrane electrode assembly in a direction opposite to the first direction, a water flow path in the shape of a groove sunken to a predetermined depth is provided on one side of the first separator plate. become,
The first separator is stacked between an intermediate separator on which the water flow path is provided, and the intermediate separator and the membrane electrode assembly, and a plurality of flow holes are formed on the flow path surface to induce a turbulent flow of the reaction gas. A fuel cell stack including a porous separator plate. 청구항 3에 있어서,
상기 다공성 분리판은, 상기 막 전극 접합체와 접하는 랜드부와, 상기 중간 분리판과 접하는 채널부와, 랜드부와 채널부를 연결하는 연결부를 포함하고,
상기 물 유로는, 상기 다공성 분리판과 접하는 면인 상기 중간 분리판의 내측면에, 상기 다공성 분리판의 채널부와 접하는 부분에 인접하게 형성되는, 연료전지 스택.In claim 3,
The porous separator includes a land portion in contact with the membrane electrode assembly, a channel portion in contact with the intermediate separator, and a connection portion connecting the land portion and the channel portion,
The water flow path is formed on an inner surface of the intermediate separator, which is a surface in contact with the porous separator, adjacent to a portion in contact with a channel portion of the porous separator. 청구항 4에 있어서,
상기 다공성 분리판의 채널부는, 상기 중간 분리판과 접촉되는 부분과 접촉되지 않는 부분이 교대로 반복되는 형상이고,
상기 물 유로의 폭은, 상기 다공성 분리판의 채널부의, 상기 중간 분리판과 접촉되는 부분의 폭보다 작게 형성되는, 연료전지 스택.In claim 4,
The channel portion of the porous separator has a shape in which a portion that is in contact with the intermediate separator plate and a portion that is not in contact are alternately repeated,
A fuel cell stack in which the width of the water flow path is smaller than the width of a portion of the channel portion of the porous separator that is in contact with the intermediate separator. 청구항 3에 있어서,
상기 제2 분리판은, 상기 막 전극 접합체와 접하는 랜드부와, 인접한 단위세트와 접하는 채널부와, 랜드부와 채널부를 연결하는 연결부를 포함하고,
상기 물 유로는, 상기 다공성 분리판과 접하는 면인 상기 중간 분리판의 내측면 상에, 상기 적층방향을 기준으로, 상기 제2 분리판의 채널부와 중첩되지 않는 영역에 형성되는, 연료전지 스택.In claim 3,
The second separator includes a land portion in contact with the membrane electrode assembly, a channel portion in contact with an adjacent unit set, and a connection portion connecting the land portion and the channel portion,
The water flow path is formed on an inner surface of the intermediate separator, which is a surface in contact with the porous separator, in an area that does not overlap with the channel portion of the second separator, based on the stacking direction. 복수의 단위세트가 소정의 적층방향으로 적층되어 마련되는 연료전지 스택에 있어서,
상기 단위세트는,
막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA); 및
상기 적층방향을 기준으로, 상기 막 전극 접합체의 일측 및 타측에 각각 배치되어 반응기체 유로들을 마련하는 제1 및 제2 분리판을 포함하고,
상기 제1 분리판은, 제1 방향으로 반응기체를 안내하기 위해, 제1 반응기체 유로를 마련하고,
상기 제1 분리판과 상기 막 전극 접합체의 사이에 존재하는 물을 상기 제1 방향의 반대 방향으로 안내하기 위해, 상기 제1 분리판의 일측면에는, 소정 깊이 함몰된 홈 형상인 물 유로가 마련되고,
상기 제2 분리판은, 제2 방향으로 반응기체를 안내하기 위해 제2 반응기체 유로를 마련하고,
상기 제1 분리판의 내측면에 마련되는 물 유로를 제1 물 유로라고 할 때,
상기 제2 분리판의 일측면에는, 상기 제2 방향으로 연장되는 홈 형상인 제2 물 유로가 마련되고,
상기 제1 및 제2 물 유로는, 상기 적층방향을 기준으로, 서로 중첩되지 않게 마련되는, 연료전지 스택.In a fuel cell stack prepared by stacking a plurality of unit sets in a predetermined stacking direction,
The unit set is,
membrane electrode assembly (MEA); and
Based on the stacking direction, first and second separator plates are respectively disposed on one side and the other side of the membrane electrode assembly to provide reaction gas passages,
The first separator plate provides a first reaction gas flow path to guide the reaction gas in a first direction,
In order to guide the water existing between the first separator plate and the membrane electrode assembly in a direction opposite to the first direction, a water flow path in the shape of a groove sunken to a predetermined depth is provided on one side of the first separator plate. become,
The second separator plate provides a second reaction gas flow path to guide the reaction gas in a second direction,
When the water flow path provided on the inner surface of the first separation plate is referred to as the first water flow path,
A second water flow path in the shape of a groove extending in the second direction is provided on one side of the second separator plate,
The first and second water channels are provided so as not to overlap each other based on the stacking direction. 청구항 1에 있어서,
상기 물 유로가 상기 제1 분리판의 내부로 함몰된 깊이는, 상기 제1 분리판 두께의 절반 이하인, 연료전지 스택.In claim 1,
A fuel cell stack wherein the depth at which the water flow path is recessed into the interior of the first separator is less than half the thickness of the first separator. 청구항 1에 있어서,
반응기체가 유입되는 쪽을 상기 제1 분리판의 입구단, 반응기체가 배출되는 쪽을 상기 제1 분리판의 출구단, 상기 제1 분리판의 입구단에서 출구단으로 연장되는 방향을 상기 제1 분리판의 길이방향이라고 할 때,
상기 물 유로는, 상기 제1 분리판의 길이방향으로 연장되는 메인 물 유로들과 서브 물 유로들을 포함하고,
상기 메인 물 유로들은, 상기 서브 물 유로들보다 유로 단면적이 크고, 상기 서브 물 유로들보다 적은 수로 마련되고,
상기 메인 물 유로로 물의 유동을 안내하기 위해, 상기 서브 물 유로들의 일단이 상기 메인 물 유로들과 연결되되, 상기 서브 물 유로들 중에 적어도 어느 두 개의 서브 물 유로가 상기 메인 물 유로들 중에 어느 하나의 메인 물 유로와 연결되는, 연료전지 스택.In claim 1,
The side through which the reaction gas flows is the inlet end of the first separator plate, the side through which the reaction gas is discharged is the outlet end of the first separator plate, and the direction extending from the inlet end to the outlet end of the first separator plate is the second separator plate. 1 When considering the longitudinal direction of the separator,
The water flow path includes main water flow paths and sub water flow paths extending in the longitudinal direction of the first separator plate,
The main water channels have a larger cross-sectional area than the sub-water channels and are provided in fewer numbers than the sub-water channels,
In order to guide the flow of water into the main water passage, one end of the sub-water passages is connected to the main water passages, and at least two sub-water passages among the sub-water passages are one of the main water passages. A fuel cell stack connected to the main water flow path. 청구항 1에 있어서,
상기 물 유로는, 차량에 설치된 상태에서, 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 상단보다 하측에 위치하는 하단의 유로 단면적이 더 큰 형상인, 연료전지 스택. In claim 1,
The water flow path is a fuel cell stack in which, when installed in a vehicle, the cross-sectional area of the lower flow path is larger than that of the upper end positioned above with respect to the direction of gravity. 청구항 1에 있어서,
반응기체가 유입되는 쪽을 상기 제1 분리판의 입구단, 반응기체가 배출되는 쪽을 상기 제1 분리판의 출구단, 상기 제1 분리판의 입구단에서 출구단으로 연장되는 방향을 상기 제1 분리판의 길이방향이라고 하고,
상기 제1 분리판의 내측면 상에서 상기 제1 분리판의 길이방향과 수직한 방향을 폭방향이라고 할 때,
상기 물 유로는, 상기 제1 분리판의 폭방향을 기준으로, 일측 및 타측으로 교대로 굴곡지며 상기 제1 분리판의 길이방향으로 연장되는 형상인, 연료전지 스택.In claim 1,
The side through which the reaction gas flows is the inlet end of the first separator plate, the side through which the reaction gas is discharged is the outlet end of the first separator plate, and the direction extending from the inlet end to the outlet end of the first separator plate is the second separator plate. 1 This is called the longitudinal direction of the separator plate,
When the direction perpendicular to the longitudinal direction of the first separator plate on the inner surface of the first separator plate is referred to as the width direction,
The water flow path is alternately curved to one side and the other side based on the width direction of the first separator plate and has a shape extending in the longitudinal direction of the first separator plate. 청구항 1에 있어서,
반응기체가 유입되는 쪽을 상기 제1 분리판의 입구단, 반응기체가 배출되는 쪽을 상기 제1 분리판의 출구단, 상기 제1 분리판의 입구단에서 출구단을 향하는 방향을 상기 제1 분리판의 길이방향이라고 할 때,
상기 제1 분리판의 길이방향이 중력방향에 수직하도록 차량에 설치된 상태에서, 상기 중력방향을 기준으로, 상기 제1 분리판의 출구단과 인접한 상기 물 유로의 일단이 상기 제1 분리판의 입구단과 인접한 상기 물 유로의 타단보다 상측에 위치하도록, 상기 물 유로가 연장되는 방향과 상기 제1 분리판의 길이방향이 소정 각도를 이루는, 연료전지 스택.In claim 1,
The side through which the reaction gas flows is the inlet end of the first separator plate, the side through which the reaction gas is discharged is the outlet end of the first separator plate, and the direction from the inlet end of the first separator toward the outlet end is the first separator plate. When considering the longitudinal direction of the separator plate,
In a state where the longitudinal direction of the first separator plate is installed in the vehicle perpendicular to the direction of gravity, one end of the water flow path adjacent to the outlet end of the first separator plate is connected to the inlet end of the first separator plate, based on the direction of gravity. A fuel cell stack, wherein the direction in which the water flow path extends and the longitudinal direction of the first separator form a predetermined angle so as to be located above the other end of the adjacent water flow path.
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