KR20090043963A - Cathode end plate and plate type fuel cell stack having the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 체결압의 균일성을 높이고 전지 성능을 향상시킬 수 있는 캐소드 엔드 플레이트 및 이 캐소드 엔드 플레이트를 채용한 평판형 연료전지 스택에 관한 것이다. 본 발명의 캐소드 엔드 플레이트는 절연판, 이 절연판의 일면에 배치되는 도전층, 및 절연판과 도전층을 관통하는 복수의 제1 홀들 및 복수의 제2 홀들을 포함하며, 복수의 제1 홀들은 격자 모양으로 배치되고, 복수의 제2 홀들은 복수의 제1 홀들 사이에 배치되고, 제2 홀의 직경은 제1 홀의 직경보다 작다.The present invention relates to a cathode end plate capable of increasing the uniformity of clamping pressure and improving battery performance, and a flat fuel cell stack employing the cathode end plate. The cathode end plate of the present invention includes an insulating plate, a conductive layer disposed on one surface of the insulating plate, and a plurality of first holes and a plurality of second holes penetrating the insulating plate and the conductive layer, wherein the plurality of first holes are in a lattice shape. And a plurality of second holes are disposed between the plurality of first holes, and the diameter of the second hole is smaller than the diameter of the first hole.

연료전지, 평판형, 공기호흡, 캐소드 구조, 체결압, PCB Fuel cell, flat panel, air breathing, cathode structure, clamping pressure, PCB

Description

캐소드 엔드 플레이트 및 이를 채용한 평판형 연료전지 스택{Cathode end plate and plate type fuel cell stack having the same}Cathode end plate and plate type fuel cell stack having the same

본 발명은 연료전지의 캐소드 구조에 사용되는 여러 부품을 일체화하면서 전지 성능을 향상시킬 수 있는 캐소드 엔드 플레이트 및 이 캐소드 엔드 플레이트를 채용한 평판형 연료전지 스택에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cathode end plate capable of integrating various components used in the cathode structure of a fuel cell while improving battery performance, and a flat fuel cell stack employing the cathode end plate.

평판형 연료전지는 소위 공기호흡형 연료전지(air breathing fuel cell)로도 불리며, 대기 중의 공기를 산화제로 이용하기 때문에 공기 펌프 등의 산화제 공급수단을 생략할 수 있어 소형 전원에 적합하다.Flat fuel cells are also called air breathing fuel cells, and since air in the air is used as an oxidant, an oxidant supply means such as an air pump can be omitted, which is suitable for a small power source.

평판형 연료전지 스택은 통상 애노드 전극과 캐소드 전극 및 이 전극들 사이에 위치하는 고분자 전해질막으로 이루어진 막전극집합체(membrane electorde assembly, MEA); 연료를 애노드 전극에 분배하기 위한 연료 유동유로를 구비하며 애노드 전극의 전류를 포집하는 애노드 세퍼레이터(anode separator); 순환 공기(ambient air)의 출입을 위한 산화제 유동유로 예컨대 홀을 구비하며 캐소드 전극의 전류를 포집하는 캐소드 커런트 컬렉터(cathode current collector); 상기 막전극집합체, 애노드 세퍼레이터 및 캐소드 커런트 컬렉터로 이루어진 적층체의 양 면을 일정한 압력으로 지지하도록 설치되는 한 쌍의 엔드 플레이트(end plates) 및 체결수단으로 구성된다.The flat fuel cell stack typically includes a membrane electrode assembly (MEA) including an anode electrode, a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane positioned between the electrodes; An anode separator having a fuel flow path for distributing fuel to the anode electrode and collecting current from the anode electrode; A cathode current collector having an oxidant flow passage for entering and exiting ambient air, for example, having a hole and collecting a current of the cathode electrode; It consists of a pair of end plates and fastening means installed to support both sides of the stack consisting of the membrane electrode assembly, the anode separator and the cathode current collector at a constant pressure.

평판형 연료전지 스택은 안정적인 운전과 성능 유지를 위하여 애노드 전극에 연료를 원활히 공급하고 캐소드 전극에 산화제를 원활히 공급하면서 연료전지의 전기화학 반응으로 인하여 캐소드 전극에서 발생하는 수분을 원활히 배출하고 전류 포집 특성이 우수할 뿐 아니라 유체 누출을 방지하기 위한 개스킷 기능 및 균일한 체결압을 얻을 수 있는 구조로 설계되어야 한다.The flat fuel cell stack smoothly supplies fuel to the anode electrode and smoothly supplies oxidant to the cathode electrode for stable operation and performance while smoothly discharging moisture generated from the cathode electrode due to the electrochemical reaction of the fuel cell and collecting current. Not only is it superior, it must be designed with a gasket function to prevent fluid leakage and a structure that achieves a uniform clamping pressure.

하지만, 평판형 연료전지 스택은 통상 막전극집합체, 애노드 세퍼레이터, 캐소드 커런트 컬렉터를 각각 만들고 그 위에 별도로 제작된 시트상의 개스킷을 추가로 설치한 후에 상기 설치된 구조물을 한 쌍의 엔드 플레이트 및 체결수단으로 압박하는 공정 단계를 거쳐 제작된다. 따라서 평판형 연료전지 스택은 공정 단계의 복잡성으로 인하여 균일한 압박이 어렵고, 여러 부품의 개별 제작 공정에 따른 공차 증대로 인하여 제작된 스택의 성능 감소가 필연적으로 발생하는 문제가 있다.However, a flat fuel cell stack typically makes a membrane electrode assembly, an anode separator, and a cathode current collector, and additionally installs a sheet-like gasket separately manufactured thereon, and then presses the installed structure with a pair of end plates and fastening means. It is produced through a process step. Therefore, the flat fuel cell stack has a problem that it is difficult to uniformly press due to the complexity of the process step, and the performance of the fabricated stack is inevitably generated due to increased tolerances due to the individual manufacturing process of several components.

본 발명의 목적은 평판형 연료전지 스택의 캐소드 구조에 사용되는 여러 부품을 일체화하면서 전지 성능을 향상시킬 수 있는 캐소드 엔드 플레이트를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a cathode end plate capable of improving cell performance while integrating various components used in the cathode structure of a flat fuel cell stack.

본 발명의 또 다른 목적은 전술한 캐소드 엔드 플레이트를 채용함으로써 가공성 및 양산성이 우수한 평판형 연료전지 스택을 제공하는 데 있다.Still another object of the present invention is to provide a flat fuel cell stack having excellent processability and mass productivity by employing the cathode end plate described above.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 제1 측면에 의하면, 절연판; 절연판의 일면에 배치되는 도전층; 및 절연판과 도전층을 관통하는 복수의 제1 홀들 및 복수의 제2 홀들을 포함하는 캐소드 엔드 플레이트가 제공된다. 여기서, 복수의 제1 홀들은 격자 모양으로 배치되며, 복수의 제2 홀들은 복수의 제1 홀들 사이에 배치되고, 제2 홀의 직경은 제1 홀의 직경보다 작다.According to a first aspect of the present invention to solve the technical problem, the insulating plate; A conductive layer disposed on one surface of the insulating plate; And a cathode end plate including a plurality of first holes and a plurality of second holes penetrating the insulating plate and the conductive layer. Here, the plurality of first holes are disposed in a lattice shape, the plurality of second holes are disposed between the plurality of first holes, and the diameter of the second hole is smaller than the diameter of the first hole.

본 발명의 제2 측면에 의하면, 애노드 전극, 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질로 이루어지는 막전극집합체; 애노드 전극에 접하며 외부에서 공급되는 연료를 애노드 전극으로 분배하는 애노드 플레이트; 및 캐소드 전극에 접하는 캐소드 엔드 플레이트를 포함하는 평판형 연료전지 스택이 제공된다. 여기서, 캐소드 엔드 플레이트는, 절연판; 절연판의 일면에 배치되며 캐소드 전극의 전류를 포집하는 도전층; 및 절연판과 도전층을 관통하는 복수의 제1 홀들 및 복수의 제2 홀들을 구비한다. 그리고 여기서, 복수의 제1 홀들 은 격자 모양으로 배치되며, 복수의 제2 홀들은 복수의 제1 홀들 사이에 배치되고, 제2 홀의 직경은 제1 홀의 직경보다 작다.According to a second aspect of the present invention, a membrane electrode assembly comprising an anode electrode, a cathode electrode and an electrolyte located between the anode electrode and the cathode electrode; An anode plate in contact with the anode electrode and distributing fuel supplied from the outside to the anode electrode; And a cathode end plate in contact with the cathode electrode. Here, the cathode end plate, the insulating plate; A conductive layer disposed on one surface of the insulating plate and collecting current of the cathode electrode; And a plurality of first holes and a plurality of second holes penetrating the insulating plate and the conductive layer. Here, the plurality of first holes are disposed in a lattice shape, the plurality of second holes are disposed between the plurality of first holes, and the diameter of the second hole is smaller than the diameter of the first hole.

바람직하게, 도전층은 절연판의 일면에 일체로 설치된다. 절연판 및 도전층의 적층체는 도전층이 일면에 패터닝된 단면 인쇄회로기판이다.Preferably, the conductive layer is integrally provided on one surface of the insulating plate. The laminate of the insulating plate and the conductive layer is a single-sided printed circuit board on which a conductive layer is patterned on one surface.

캐소드 엔드 플레이트는 도전층 상에 일체로 접착되는 PCB 개스킷을 더 포함할 수 있다.The cathode end plate may further comprise a PCB gasket integrally bonded onto the conductive layer.

본 발명의 캐소드 엔드 플레이트는 평판형 연료전지 스택의 캐소드 구조에 이용되는 여러 부품을 단일체로 형성함으로써 압축률 및 균일성 향상, 원활한 연료 공급과 물 배출, 가스의 누출 방지, 체결 공정의 단순화 등의 장점이 있다. 아울러, 평판형 연료전지 스택에 있어서 각 기능별로 가공된 여러 부품을 사용하던 기존의 캐소드 구조와 달리 스택 가격의 큰 비중을 차지하는 별도의 금속 캐소드 커런트 컬렉터를 사용할 필요가 없으므로, 스택 가격을 낮출 수 있고, 자체 부피 및 중량을 감소시킬 수 있으며, 제조 공정을 단순화하여 양산성을 높일 수 있다.The cathode end plate of the present invention forms the components used in the cathode structure of the flat fuel cell stack as a single unit, thereby improving compression rate and uniformity, smooth fuel supply and water discharge, preventing gas leakage, and simplifying the fastening process. There is this. In addition, unlike the conventional cathode structure, which uses a number of components machined for each function in the flat fuel cell stack, it is not necessary to use a separate metal cathode current collector, which occupies a large portion of the stack price. In addition, it can reduce its own volume and weight, and can increase the mass productivity by simplifying the manufacturing process.

이하, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 충분히 이해하도록 하기 위한 것이며, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다 고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면의 각 구성요소의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following examples are provided to fully understand the present invention for those skilled in the art, and in describing the present invention, detailed descriptions of related well-known functions or configurations are unnecessary to the gist of the present invention. If it is determined that it may be blurred, a detailed description thereof will be omitted. In addition, the size of each component of the drawings may be exaggerated for convenience and clarity of description.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 캐소드 엔드 플레이트의 사시도이다. 도 1b는 도 1a의 캐소드 엔드 플레이트의 저면측 사시도이다. 도 2는 도 1a의 캐소드 엔드 플레이트의 I-I'선에 의한 단면도이다. 도 3은 도 1a의 캐소드 엔드 플레이트의 일측면도이다. 1A is a perspective view of a cathode end plate according to an embodiment of the present invention. FIG. 1B is a bottom perspective view of the cathode end plate of FIG. 1A. FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II ′ of the cathode end plate of FIG. 1A. FIG. 3 is a side view of the cathode end plate of FIG. 1A.

도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하면, 캐소드 엔드 플레이트(10)는 절연판(11), 절연판(11)의 일면(11a)에 일체로 설치된 도전층(12), 상기 절연판(11)과 도전층(12)을 관통하는 복수의 제1 홀(13), 상기 절연판(11)과 도전층(12)을 관통하며 상기 제1 홀(13)의 직경보다 작은 직경을 구비하는 복수의 제2 홀(14), 및 볼트 등의 체결 수단의 관통을 위한 체결공(15)을 포함한다.1A, 1B and 2, the cathode end plate 10 is electrically insulated from the insulating plate 11, the conductive layer 12 provided integrally on one surface 11a of the insulating plate 11, and the insulating plate 11. A plurality of first holes 13 penetrating the layer 12, a plurality of second holes penetrating the insulating plate 11 and the conductive layer 12 and having a diameter smaller than the diameter of the first hole 13 14, and fastening holes 15 for penetrating fastening means such as bolts.

본 실시예에 따른 캐소드 엔드 플레이트(10)는 평판형 연료전지 스택의 캐소드 구조를 구성하는 캐소드 커런트 컬렉터와 엔드 플레이트를 일체로 접착시킨 단일체 구조를 구비하는 것과, 순환 공기의 출입과 생성수의 배출을 원활하게 하고 체결압의 균일성을 향상시키기 위하여 소정 패턴의 제1 홀들(13)과, 이 제1 홀들(13) 사이에 배치된 제2 홀들(14)로 이루어진 유로 구조를 구비하는 것을 주된 특징으로 한다.The cathode end plate 10 according to the present embodiment has a monolithic structure in which the cathode current collector constituting the cathode structure of the flat fuel cell stack and the end plate are integrally bonded to each other, and the inflow of circulating air and the discharge of generated water. In order to facilitate the operation and to improve the uniformity of the fastening pressure, it is mainly provided with a flow path structure composed of the first holes 13 of the predetermined pattern and the second holes 14 disposed between the first holes 13. It features.

주요 구성요소들을 상세히 설명하면, 절연판(11)은 캐소드 엔드 플레이트(10)의 단층 또는 다층의 판상 모재(basic material)이며, 여러 가지 재질과 두께를 가진 절연체로 이루어질 수 있다. 절연판(11)은 스택의 작동 온도, 발생 열, 스택 크기에 따른 요구 강도 등을 고려하여 재료 및 두께가 선택되는 것이 바람직하다. 절연판(11)의 재료는 종이, 유리섬유, 세라믹, 페놀 계열, 에폭시 계열로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 혹은, 절연판(11)의 재료는 폴리카보네이트(polycabonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone), 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylenenaphthalate), 폴리에스테르(polyester)로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.When the main components are described in detail, the insulating plate 11 is a single-layer or multi-layered basic material of the cathode end plate 10, and may be made of an insulator having various materials and thicknesses. The insulating plate 11 is preferably selected from materials and thicknesses in consideration of the operating temperature of the stack, the heat generated, the required strength according to the stack size, and the like. The material of the insulating plate 11 may be selected from the group consisting of paper, glass fiber, ceramic, phenol-based and epoxy-based. Alternatively, the material of the insulating plate 11 is a group consisting of polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyethersulfone, polyimide, polyethylenenaphthalate, and polyester Can be selected from.

도전층(12)은 절연판(11)의 일면(11a)에 일체로 배치된다. 도전층(12)은 도전성이 우수하고 연료전지의 연료와 반응하지 않는 비산화성 (또는 내식성)이 우수한 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 도전층(12)의 재료는 카본(carbon), 그라파이트(graphite), 내식성이 우수한 물질이 표면 코팅된 금속, 내식성이 강한 합금, 고분자 및 탄소 복합체, 금속을 전도성 물질로 포함한 복합체 등에서 선택될 수 있다. 일례로써, 도전층(12)의 재료로 표면에 도전성 금속 미립자가 부동태피박을 뚫고 돌출된 구조를 구비한 스테인리스 강(stainless steel)을 이용할 수 있다.The conductive layer 12 is integrally disposed on one surface 11a of the insulating plate 11. The conductive layer 12 is preferably made of a material having excellent conductivity and excellent non-oxidation (or corrosion resistance) that does not react with the fuel of the fuel cell. The material of the conductive layer 12 may be selected from carbon, graphite, a metal coated with a material having excellent corrosion resistance, an alloy having a high corrosion resistance, a polymer and a carbon composite, a composite containing a metal as a conductive material, and the like. . For example, stainless steel having a structure in which conductive metal fine particles penetrate the passivation film on the surface thereof and protrudes may be used as the material of the conductive layer 12.

또한 도전층(12)은 도 1a와 도 3에 도시한 바와 같이 외부와의 전기적 연결을 위하여 외부로 연장되는 배선(12a)과, 배선(12a)의 말단에 위치하며 절연판(11)의 일측면(11c)에 노출되는 패드부(12b)를 포함할 수 있다. 도 1a에서 배선(12a)과 패드부(12b)는 절연판(11)의 일면(11a) 상에서 대략 직각으로 구부려져 연장되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 본 발명에서 도전층(12)은 절연판(11)의 내부에 삽입되어 외부로 연장되거나 절연판(11)을 관통하여 외부로 연장 되는 또 다른 형태의 배선과 패드부를 구비할 수 있다. 또한 도 3에서 패드부(12b)는 절연판(11)의 두 면(11a, 11c)이 만나는 모서리 부분에 매립되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 패드부(12b)가 일측면(11c) 상에 돌출되도록 형성되는 것을 포함한다.In addition, as shown in FIGS. 1A and 3, the conductive layer 12 includes a wiring 12a extending to the outside for electrical connection with the outside, and positioned at one end of the wiring 12a and on one side of the insulating plate 11. It may include a pad portion 12b exposed to (11c). In FIG. 1A, the wiring 12a and the pad part 12b are bent and extended at approximately right angles on one surface 11a of the insulating plate 11, but the present invention is not limited thereto. For example, in the present invention, the conductive layer 12 may include another type of wiring and pad part inserted into the insulating plate 11 to extend to the outside or penetrating through the insulating plate 11 to the outside. In addition, in FIG. 3, the pad part 12b is buried in the corner portion where the two surfaces 11a and 11c of the insulating plate 11 meet, but the present invention is not limited thereto, and the pad part 12b has one side surface 11c. It is formed to protrude over.

한편, 본 발명은 일반적인 기술을 적용한 변형예로써 도전층(12)의 표면에 코팅되는 비산화성 코팅층을 더 포함하도록 이루어질 수 있다. 이 경우, 도전층(12)의 재료는 탄탈륨(tantalum), 니오븀(niobium), 티타늄(titanium), 마그네슘, 구리, 은, 니켈로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 그리고 코팅층의 재료는 플래티늄(platinum)계 금속, 도전성 고분자, 금, 티타늄나이트라이드, 납산화물, 카본으로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.On the other hand, the present invention can be made to further include a non-oxidizing coating layer is coated on the surface of the conductive layer 12 as a modification of applying a general technique. In this case, the material of the conductive layer 12 may be selected from the group consisting of tantalum, niobium, titanium, magnesium, copper, silver, and nickel. The material of the coating layer may be selected from the group consisting of platinum-based metal, conductive polymer, gold, titanium nitride, lead oxide, and carbon.

전술한 절연판(11)과 도전층(12)의 적층체는 제1 홀(13) 및 제2 홀(14)을 갖는 도전층(12)이 일면에 패터닝된 경성(rigid)의 단면 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)인 것이 바람직하다. 단면 PCB는 에폭시 수지가 함침된 유리섬유를 여러겹 쌓아 만들어지며 소위 FR-4로 불리는 PCB 재료를 포함한다. PCB 재료를 이용하여 캐소드 엔드 플레이트를 제작하면, 이미 잘 알려진 PCB 패터닝 공정을 통하여 압축률을 균일하게 조절하는 것이 매우 쉽기 때문에 스택 제작시 균일한 체결압 형성에 매우 유리하다.The laminate of the insulating plate 11 and the conductive layer 12 described above is a rigid single-sided printed circuit board having a conductive layer 12 having a first hole 13 and a second hole 14 patterned on one surface thereof. (printed circuit board, PCB) is preferred. Single-sided PCBs are made by stacking several layers of glass fiber impregnated with epoxy resin and contain a so-called FR-4 material. Fabrication of cathode end plates using PCB materials is very advantageous for uniform clamping pressure during stack fabrication because it is very easy to control the compression rate uniformly through the well-known PCB patterning process.

전술한 캐소드 엔드 플레이트(10)의 제작 과정을 간략히 설명하면, 먼저 일면에 동막이 입혀진 단면 FR-4 PCB를 준비하고, 타공 수단을 이용하여 단면 FR-4 PCB에 제1 홀(13)과 제2 홀(14)을 형성한다. 이때 제1 홀(13)과 제2 홀(14)은 단면 FR-4 PCB를 그 일면(11a)에서 타면(11b)에 이르기까지 두께 방향으로 완전히 관통하도록 형성한다. 따라서 제1 홀(13)과 제2 홀(14)은 절연판 부분과 도전층 부분 사이에 불연속적이거나 단차부를 형성하지 않는다. 다음으로, 4개의 영역으로 분할된 도전층(12)이 형성되도록 제1 홀(13)과 제2 홀(14)이 형성되어 있는 동박을 패터닝하여 캐소드 엔드 플레이트(10)를 제작한다.The manufacturing process of the cathode end plate 10 described above will be briefly described. First, a cross-section FR-4 PCB having copper film coated on one surface thereof is prepared, and the first hole 13 and the first hole 13 are formed in the cross-sectional FR-4 PCB using a perforation means. Two holes 14 are formed. At this time, the first hole 13 and the second hole 14 are formed so as to completely penetrate the cross-section FR-4 PCB in the thickness direction from the one surface (11a) to the other surface (11b). Accordingly, the first hole 13 and the second hole 14 do not form a discontinuous or stepped portion between the insulating plate portion and the conductive layer portion. Next, the cathode end plate 10 is manufactured by patterning the copper foil in which the 1st hole 13 and the 2nd hole 14 are formed so that the conductive layer 12 divided into four areas may be formed.

도 4는 본 발명의 캐소드 엔드 플레이트의 유로 구조를 설명하기 위한 도면이며, 본 발명의 캐소드 엔드 플레이트의 도전층의 평면도에 해당한다.4 is a view for explaining the flow path structure of the cathode end plate of the present invention, which corresponds to a plan view of the conductive layer of the cathode end plate of the present invention.

도 4를 참조하면, 도전층(12)은 중심점을 연결했을 때 격자 모양이 되는 복수의 제1 홀들(13), 및 복수의 제1 홀들(13)의 사이에 하나씩 위치하며 제1 홀(13)의 크기보다 작은 크기를 갖는 복수의 제2 홀들(14)을 포함한다.Referring to FIG. 4, the conductive layer 12 is positioned between the plurality of first holes 13 and the plurality of first holes 13, which are in a lattice shape when the center point is connected, and the first holes 13. It includes a plurality of second holes 14 having a size smaller than the size of).

격자 모양의 가로 및 세로 방향에서 제1 홀들(13)의 중심점들 간의 거리(L1, L2) 즉, 가장 인접한 제1 홀들(13)의 중심점들 간의 거리는 서로 동일한 것이 바람직하다. 이 경우, 스택 제작시 복수의 제1 홀들(13) 간의 거리가 일정하므로 더욱 균일한 체결압 형성에 효과가 있다.The distances L1 and L2 between the center points of the first holes 13 in the horizontal and vertical directions of the grid shape, that is, the distances between the center points of the first adjacent holes 13 are preferably the same. In this case, since the distance between the plurality of first holes 13 is constant during fabrication of the stack, it is effective to form a more uniform fastening pressure.

제1 홀(13)의 직경(R)과 제2 홀(14)의 직경(r)의 비율은 3 : 1 내지 8 : 3.8 범위에서 선택되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 범위는 3㎜ : 1㎜, 4㎜ : 1.4㎜, 5㎜ : 2㎜, 및 8㎜ : 3.8㎜를 포함한다. 이 경우, 단위 전지 즉 셀의 면적(H×W)에 대한 개구율은 기재된 순서대로 약 62%, 66%, 60%, 60%가 된다. 상기 범위를 적용하면, 균일한 체결압 형성을 위한 격자 구조를 구비하면서 상기 도전층(12)에 의해 정의되는 셀 면적에 대한 개구율을 60% 이상으로 확보할 수 있다.The ratio of the diameter R of the first hole 13 to the diameter r of the second hole 14 is preferably selected from 3: 1 to 8: 3.8. For example, the range includes 3 mm: 1 mm, 4 mm: 1.4 mm, 5 mm: 2 mm, and 8 mm: 3.8 mm. In this case, the opening ratio with respect to the area (H × W) of the unit cell, that is, the cell, is about 62%, 66%, 60%, and 60% in the order described. Applying the above range, it is possible to ensure the opening ratio with respect to the cell area defined by the conductive layer 12 to 60% or more while having a lattice structure for forming a uniform fastening pressure.

도 5a 및 도 5b는 비교예에 따른 일반적인 캐소드 커런트 컬렉터를 설명하기 위한 도면이다.5A and 5B are views for explaining a general cathode current collector according to a comparative example.

도 5a를 참조하면, 일반적인 평판형 연료전지 스택에 사용되는 캐소드 커런트 컬렉터(2)는 단일 모양으로 균일하게 타공된 복수의 홀들(3)을 구비한다. 제1 홀(3)의 직경이 2㎜일 때 캐소드 커런트 컬렉터(2)의 개구율은 대략 55%가 된다. 이러한 단일 홀 구조에서는 개구율을 60% 이상으로 형성하기 어렵다.Referring to FIG. 5A, the cathode current collector 2 used in a typical flat fuel cell stack has a plurality of holes 3 which are perforated uniformly in a single shape. When the diameter of the first hole 3 is 2 mm, the opening ratio of the cathode current collector 2 is approximately 55%. In such a single hole structure, it is difficult to form the opening ratio to 60% or more.

전술한 캐소드 커런트 컬렉터(2)는 스택 제작시 균일한 체결압 형성에 효과가 있지만, 개구율이 상대적으로 낮아 순환 공기의 출입과 물 배출 성능이 그다지 좋지 않은 단점이 있다.The cathode current collector 2 described above is effective in forming a uniform clamping pressure during stack fabrication, but has a disadvantage in that the opening ratio and the water discharge performance of the circulating air are not so good.

도 5b를 참조하면, 또 다른 일반적인 평판형 연료전지 스택에 사용되는 캐소드 커런트 컬렉터(2a)는 전체 면적에 대하여 분할 타공된 세 개의 큰 개구부(3a)를 구비한다. 이 경우, 캐소드 커런트 컬렉터(2a)의 개구율은 대략 70% 이상이 된다.Referring to FIG. 5B, the cathode current collector 2a used in another general planar fuel cell stack has three large openings 3a which are partially perforated with respect to the entire area. In this case, the opening ratio of the cathode current collector 2a is approximately 70% or more.

전술한 캐소드 커런트 컬렉터(2a)는 스택 제작시 순환 공기의 출입와 물 배출 성능은 우수할 수 있지만, 개구부(3a)가 세 부분으로 편중되어 있어 전체 면적에 대하여 균일한 체결압을 형성하기가 어려운 단점이 있다.Although the cathode current collector 2a described above may have excellent inflow and outflow performance of the circulating air when the stack is manufactured, it is difficult to form a uniform fastening pressure for the entire area due to the three-part opening 3a. There is this.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 캐소드 엔드 플레이트에 부착가능한 PCB 개스킷의 사시도이다.6 is a perspective view of a PCB gasket attachable to a cathode end plate according to an embodiment of the invention.

도 6을 참조하면, PCB 개스킷(20)은 앞서 설명한 본 발명의 캐소드 엔드 플레이트와 막전극집합체(도 7의 30 참조) 사이에 설치하여 스택 내의 가스 방출을 방지하고 기밀을 유지하기 위한 요소이다. 이를 위해 PCB 개스킷(20)은 시트상 몸 체(21), 스택의 셀 영역에 상응하는 부분을 노출시키기 위한 개구부(23), 및 체결 수단이 통과하는 홀(25)을 포함한다.Referring to FIG. 6, the PCB gasket 20 is installed between the cathode end plate and the membrane electrode assembly (see 30 in FIG. 7) of the present invention as described above to prevent gas discharge and maintain airtightness in the stack. To this end, the PCB gasket 20 includes a sheet-like body 21, an opening 23 for exposing a portion corresponding to the cell area of the stack, and a hole 25 through which the fastening means passes.

몸체(21)는 앞서 설명한 본 발명의 캐소드 엔드 플레이트의 절연판과 동일하거나 유사한 크기를 구비한다. 몸체(21)는 상기 절연판과 동일하거나 유사한 절연성 재료로 제작될 수 있다.The body 21 has the same or similar size as the insulating plate of the cathode end plate of the present invention described above. The body 21 may be made of the same or similar insulating material as the insulating plate.

또한, PCB 개스킷(20)은 탄성을 갖는 일반적인 본딩 시트를 통해 본 발명의 캐소드 엔드 플레이트의 일면 상에 일체로 접착되는 것이 바람직하다. 이 경우, 도전층의 패터닝에 따른 높이차를 PCB 개스킷(20)과 본딩 시트를 이용하여 조절할 수 있기 때문에 절연성을 확보하면서 가스 누출을 방지할 뿐 아니라 균일한 체결압을 더욱 효과적으로 제공할 수 있다.In addition, the PCB gasket 20 is preferably bonded integrally on one surface of the cathode end plate of the present invention through a general bonding sheet having elasticity. In this case, since the height difference according to the patterning of the conductive layer can be adjusted using the PCB gasket 20 and the bonding sheet, it is possible to more effectively provide a uniform fastening pressure as well as preventing gas leakage while ensuring insulation.

본 실시예에 의하면, 평판형 연료전지 스택의 캐소드 구조를 구성하는 캐소드 커런트 컬렉터, 엔드 플레이트 및 개스킷을 일체로 접착시킨 단일체 구조의 캐소드 엔드 플레이트를 제공할 수 있다. 상기 단일체 구조의 캐소드 엔드 플레이트를 이용하면, 절연 문제와 함께 가스 누출에 대한 체결압 문제를 동시에 해결할 수 있다. 아울러, PCB 개스킷(20)이 일체화된 본 발명의 캐소드 엔드 플레이트를 이용하면, PCB 개스킷(20)이 보강재 역할을 함으로써 캐소드 엔드 플레이트가 쉽게 휘어지는 것을 방지할 수 있다.According to this embodiment, it is possible to provide a single-piece cathode end plate in which a cathode current collector, an end plate, and a gasket constituting the cathode structure of a flat fuel cell stack are integrally bonded. By using the cathode end plate of the monolithic structure, it is possible to simultaneously solve the problem of tightening pressure against gas leakage along with insulation problem. In addition, by using the cathode end plate of the present invention in which the PCB gasket 20 is integrated, the PCB gasket 20 serves as a reinforcing material, thereby preventing the cathode end plate from being easily bent.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 평판형 연료전지 스택의 사시도이다. 도 8은 도 7의 평판형 연료전지 스택의 분해 사시도이다. 도 8에서는 편의상 도 7의 개스킷(20)과 체결수단(50)이 생략되어 있다. 그리고 도 9는 도 8의 애노드 플레이트 의 Ⅱ-Ⅱ'선에 의한 단면도이다.7 is a perspective view of a flat fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. FIG. 8 is an exploded perspective view of the flat fuel cell stack of FIG. 7. In FIG. 8, the gasket 20 and the fastening means 50 of FIG. 7 are omitted for convenience. 9 is a cross-sectional view taken along line II-II 'of the anode plate of FIG.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 평판형 연료전지 스택은 두 개의 캐소드 엔드 플레이트(10), 네 개의 개스킷(20), 두 개의 막전극집합체(30a, 30b), 하나의 애노드 플레이트(40), 및 체결 수단(50)을 포함한다. 평판형 연료전지 스택은 애노드 구조가 양면에 형성된 애노드 플레이트(40)를 사이에 두고 그 양면에 막전극집합체(30)와 캐소드 엔드 플레이트(10)가 각각 적층된 이중 샌드위치 구조를 구비한다. 물론, 캐소드 엔드 플레이트(10)와 막전극집합체(30)와의 사이 및 막전극집합체(30)와 애노드 플레이트(40)와의 사이에는 개스킷(20)이 설치된다.7 to 9, the planar fuel cell stack includes two cathode end plates 10, four gaskets 20, two membrane electrode assemblies 30a and 30b, one anode plate 40, and the like. And fastening means 50. The planar fuel cell stack has a double sandwich structure in which the membrane electrode assembly 30 and the cathode end plate 10 are stacked on both surfaces thereof with the anode plate 40 having anode structures formed on both surfaces thereof. Of course, a gasket 20 is provided between the cathode end plate 10 and the membrane electrode assembly 30 and between the membrane electrode assembly 30 and the anode plate 40.

캐소드 엔드 플레이트(10)는 도 1a, 도 1b, 도 2 내지 도 4를 참조하여 앞서 설명한 본 발명의 캐소드 엔드 플레이트로 설치된다.The cathode end plate 10 is installed with the cathode end plate of the present invention described above with reference to FIGS. 1A, 1B, and 2 to 4.

개스킷(20)은 도 6을 참조하여 앞서 설명한 PCB 개스킷으로 설치된다.The gasket 20 is installed with the PCB gasket described above with reference to FIG. 6.

두 막전극집합체(30a, 30b)는 전해질막(31)과, 전해질막(31)의 양면에 위치하며 각각 네 개의 셀 영역으로 분할된 애노드 전극층 및 캐소드 전극층을 구비한다. 즉, 애노드 플레이트(40)의 일면(도 8에서 윗면)에 위치하는 제1 막전극집합체(30a)는 제1 내지 제4 셀 영역(A, B, C, D)에 설치된 캐소드 전극층(32)을 포함하고, 애노드 플레이트(40)의 타면(도 8에서 아랫면)에 위치하는 제2 막전극집합체(30b)는 제5 내지 제8 셀 영역(E, F, G, H)에 설치된 애노드 전극층(33)을 포함한다.The two membrane electrode assemblies 30a and 30b include an electrolyte membrane 31 and an anode electrode layer and a cathode electrode layer, which are located on both sides of the electrolyte membrane 31 and are divided into four cell regions, respectively. That is, the cathode electrode layer 32 disposed in the first to fourth cell regions A, B, C, and D is formed on the first membrane electrode assembly 30a positioned on one surface (the upper surface in FIG. 8) of the anode plate 40. And a second membrane electrode assembly 30b disposed on the other surface (the lower surface of FIG. 8) of the anode plate 40, wherein the anode electrode layer is disposed in the fifth to eighth cell regions E, F, G, and H. 33).

전해질막(31)은 애노드 전극층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다. 전해질막(31)은 두께 50~200㎛인 고체 고 분자 특히 수소이온 전도성 고분자로 제작가능하며, 수소이온 전도성 고분자로는 불소계 고분자, 케톤계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자, 이미드계 고분자, 설폰계 고분자, 스티렌계 고분자, 탄화수소 고분자 등이 있다. 참고로 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 전해질막(31)이 스택의 외부에 노출되도록 도시하였지만 전해질막(31)은 외부로 노출되지 않도록 개스킷(20)에 의해 포위될 수 있다.The electrolyte membrane 31 has a function of ion exchange to move hydrogen ions generated in the anode electrode layer to the cathode electrode layer. The electrolyte membrane 31 may be made of a solid polymer having a thickness of 50 to 200 μm, in particular a hydrogen ion conductive polymer, and the hydrogen ion conductive polymer may be a fluorine polymer, a ketone polymer, a benzimidazole polymer, an ester polymer, or an amide polymer. Polymers, imide polymers, sulfone polymers, styrene polymers, hydrocarbon polymers and the like. For reference, in the present embodiment, the electrolyte membrane 31 is shown to be exposed to the outside of the stack for convenience of description, but the electrolyte membrane 31 may be surrounded by the gasket 20 so as not to be exposed to the outside.

캐소드 전극층(32)과 애노드 전극층(33)은 각각 촉매층과 지지층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우, 촉매층은 외부로부터 공급되는 연료가 화학적으로 빠르게 산화 반응하거나 외부로부터 유입되는 산소가 화학적으로 빠르게 환원 반응할 수 있도록 반응 촉진 역할을 담당하고, 그리고 지지층은 촉매층을 지지하는 역할을 하면서 연료, 물, 공기 등의 분산 작용과, 생성된 전기의 집전 작용, 및 촉매층 물질의 소실을 방지하는 역할을 담당한다.It is preferable that the cathode electrode layer 32 and the anode electrode layer 33 consist of a catalyst layer and a support layer, respectively. In this case, the catalyst layer plays a role of promoting the reaction so that the fuel supplied from the outside can be rapidly chemically oxidized or the oxygen introduced from the outside can be chemically rapidly reduced, and the support layer plays the role of supporting the catalyst layer. It plays a role in preventing the dispersing action of water and air, the current collecting action of generated electricity, and the loss of the catalyst layer material.

애노드 플레이트(40)는 절연성 몸체(41), 절연성 몸체(41)의 일면에 위치하는 제1 집전부(43), 및 절연성 몸체(41)의 타면에 위치하는 제2 집전부(44)를 포함하여 이루어진다.The anode plate 40 includes an insulating body 41, a first current collector 43 located on one surface of the insulating body 41, and a second current collector 44 located on the other surface of the insulating body 41. It is done by

절연성 몸체(41)는 애노드 전극층(33)에 공급할 기체상 또는 액체상 연료의 분배를 위한 매니폴드(manifold)를 내부에 구비하며(도 9의 47 참조), 외부로부터 연료를 공급받기 위한 연료 유입공(47a)을 구비한다. 절연성 몸체(41)의 재료는 일반적으로 잘 알려진 다양한 절연체들에서 선택될 수 있으며, 캐소드 엔드 플레이트(10)의 절연판과 동일한 재료로 제작가능하다.The insulating body 41 has a manifold for dispensing gaseous or liquid fuel to be supplied to the anode electrode layer 33 (see 47 in FIG. 9), and a fuel inlet for receiving fuel from the outside. 47a is provided. The material of the insulating body 41 can be selected from a variety of insulators that are generally well known and can be made of the same material as the insulating plate of the cathode end plate 10.

제1 및 제2 집전부(43, 44)는 막전극집합체(30a, 30b)의 전극층에 대응하도록 절연성 몸체(41)의 일면과 상기 일면과 마주하는 타면 상에서 네 개의 분할된 셀 영역에 각각 설치된다. 각 집전부(43, 44)는 구불구불한(meandering) 개구부(43a, 44a)를 구비한다. 개구부(43a, 44a)는 애노드 플레이트(40)가 막전극집합체(30a, 30b)의 애노드 전극층(33)과 밀착될 때 이들 사이의 공간으로 연료 유동유로를 형성한다.The first and second current collectors 43 and 44 are respectively provided in four divided cell regions on one surface of the insulating body 41 and the other surface facing the one surface so as to correspond to the electrode layers of the membrane electrode assemblies 30a and 30b. do. Each current collector portion 43, 44 has meandering openings 43a, 44a. The openings 43a and 44a form a fuel flow path as a space therebetween when the anode plate 40 is in close contact with the anode electrode layer 33 of the membrane electrode assemblies 30a and 30b.

또한 제1 및 제2 집전부(43, 44)는 외부와의 전기적 연결을 위하여 애노드 플레이트(40)의 일측면으로 연장되고 적어도 그 말단이 외부에 노출되는 배선(43b)을 구비한다. 제1 및 제2 집전부(43, 44)는 일반적으로 잘 알려진 도전성 재료로 제작될 수 있으며, 캐소드 엔드 플레이트(10)의 도전층과 동일한 재료로 제작가능하다.In addition, the first and second current collectors 43 and 44 include a wiring 43b that extends to one side of the anode plate 40 and at least one end thereof is exposed to the outside for electrical connection with the outside. The first and second current collectors 43 and 44 may be made of a generally known conductive material, and may be made of the same material as the conductive layer of the cathode end plate 10.

전술한 애노드 플레이트(40)는 개별적으로 제작된 절연성 몸체(41)와 두 집전부(43, 44)에 의해 제작할 수 있지만 캐소드 엔드 플레이트(10)의 경우와 유사하게 절연성 몸체(41)의 양면에 집전부(43, 44) 형성을 위한 도전성 소재를 일체로 접착시킨 양면 PCB 구조로 제작하는 것도 가능하다.The above-described anode plate 40 may be manufactured by the insulating body 41 and the two current collectors 43 and 44 separately manufactured, but similarly to the cathode end plate 10 on both sides of the insulating body 41. It is also possible to fabricate a double-sided PCB structure in which conductive materials for forming the current collectors 43 and 44 are integrally bonded.

체결수단(50)은 두 캐소드 엔드 플레이트(10) 간에 일정한 체결력을 부여한다. 체결수단(50)은 볼트 등을 이용한 나사 결합 구조를 포함한다. 이 경우, 체결수단(50)은 막전극집합체(30a, 30b)의 체결공(35)과 애노드 플레이트(40)의 체결공(45)을 관통하도록 설치될 수 있다.The fastening means 50 impart a constant fastening force between the two cathode end plates 10. The fastening means 50 includes a screw coupling structure using a bolt or the like. In this case, the fastening means 50 may be installed to pass through the fastening holes 35 of the membrane electrode assemblies 30a and 30b and the fastening holes 45 of the anode plate 40.

전술한 평판형 연료전지 스택의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.The operation principle of the aforementioned flat fuel cell stack is as follows.

애노드 플레이트(40)의 연료 유입공(47a)을 통해 외부로부터 유입된 연료는 애노드 플레이트(40)의 연료 유동유로(43a)를 통해 막전극집합체(30a, 30b)의 애노드 전극층(33)에 공급되고, 공급된 연료는 애노드 전극층(33)에서 전기화학적 반응에 의해 수소이온(H+)와 전자(e-)로 이온화되면서 산화된다. 생성된 수소이온은 전해질막(31)을 통해 캐소드 전극층(32)으로 이동하고, 전자는 외부 부하가 연결되어 있는 도선을 통해 캐소드 전극층(32)으로 이동한다.Fuel introduced from the outside through the fuel inlet hole 47a of the anode plate 40 is supplied to the anode electrode layer 33 of the membrane electrode assemblies 30a and 30b through the fuel flow passage 43a of the anode plate 40. The supplied fuel is oxidized while being ionized into hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ) by an electrochemical reaction in the anode electrode layer 33. The generated hydrogen ions move to the cathode electrode layer 32 through the electrolyte membrane 31, and electrons move to the cathode electrode layer 32 through a conductive wire to which an external load is connected.

캐소드 전극층(32)에 도달한 수소이온은 외부로부터 캐소드 전극층(32)에 공급되는 산소와 결합하면서 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 발생시킨다. 이때, 상기 환원반응에 사용되는 전자는 애노드 전극층(33)으로부터 도선을 통해 캐소드 전극층(32)으로 이동하면서 전기에너지를 발생시킨다.The hydrogen ions that reach the cathode electrode layer 32 combine with oxygen supplied to the cathode electrode layer 32 from the outside to generate an electrochemical reduction reaction to generate reaction heat and water. In this case, the electrons used in the reduction reaction generate electric energy while moving from the anode electrode layer 33 to the cathode electrode layer 32 through the conducting wire.

상기 연료로는 메탄올, 에탄올, 부탄 가스 등의 탄화수소계 연료나 소듐 보로하이드라이드(NaBH4) 또는 순수 수소가 사용될 수 있다. 연료로써 메탄올 수용액을 사용하는 경우, 연료전지 스택의 전기화학 반응은 아래의 반응식 1과 같이 나타낼 수 있다.The fuel may be a hydrocarbon-based fuel such as methanol, ethanol, butane gas, sodium borohydride (NaBH 4), or pure hydrogen. When using an aqueous methanol solution as a fuel, the electrochemical reaction of the fuel cell stack can be expressed as in Scheme 1 below.

애노드 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- Anode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -

캐소드 : 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O Cathode: 3 / 2O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O

전 체 : CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2OTotal: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

다른 한편으로, 연료로써 순수 수소 또는 수소가 풍부한 개질가스를 연료로 사용하는 경우, 연료전지 스택의 전기화학 반응은 아래의 반응식 2와 같이 개략적으로 나타낼 수 있다.On the other hand, in the case of using pure hydrogen or hydrogen-rich reformed gas as the fuel, the electrochemical reaction of the fuel cell stack can be schematically represented as in Scheme 2 below.

애노드 : H2(g) → 2H+ + 2e- Anode: H 2 (g) → 2H + + 2e -

캐소드 : 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O

전 체 : H2 + 1/2O2 → H2OTotal: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O

이와 같이 본 발명의 평판형 연료전지 스택에 의하면, 순환 공기의 출입과 물 배출 효과를 확보하면서 스택 구조에 균일한 체결압을 제공할 수 있고, 막전극집합체에 가해지는 체결압을 균일하게 하면서 막전극집합체로부터의 전류 포집 능력이 균일하게 함으로써 전지 성능을 향상시킬 수 있으며, 아울러 체결 공정을 단순화시켜 양산성을 높일 수 있다.As described above, according to the flat fuel cell stack of the present invention, it is possible to provide a uniform fastening pressure to the stack structure while ensuring the inflow and outflow of the circulating air, and to uniform the fastening pressure applied to the membrane electrode assembly. By making the current collecting capability from the electrode assembly uniform, battery performance can be improved, and the fastening process can be simplified to increase productivity.

한편, 전술한 실시예에 있어서 평판형 연료전지 스택은 동일한 체적에 대하여 출력밀도를 높일 수 있는 이중 샌드위치 구조를 구비하고 있다. 하지만 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 하나의 막전극집합체가 애노드 플레이트와 캐소드 엔드 플레이트 사이에 위치하는 또 다른 평판형 연료전지 스택에도 적용가능하다.On the other hand, in the above-described embodiment, the planar fuel cell stack has a double sandwich structure capable of increasing the output density with respect to the same volume. However, the present invention is not limited to such a configuration, and is applicable to another flat fuel cell stack in which one membrane electrode assembly is positioned between the anode plate and the cathode end plate.

또한, 전술한 실시예에 있어서 평판형 연료전지 스택에 더욱 강한 체결압이 요구되는 경우, 캐소드 엔드 플레이트에 프레임 형태로 이루어진 셔스(SUS) 등의 금속판을 부착하는 것도 가능하다.In the above-described embodiment, when a stronger clamping pressure is required for the flat fuel cell stack, it is also possible to attach a metal plate such as a frame (SUS) in the form of a frame to the cathode end plate.

또한, 전술한 실시예의 평판형 연료전지 스택에 있어서 막전극집합체(30a, 30b)의 전해질막(31)이 고체 고분자로 이루어진 경우를 예를 들어 언급하였다. 하지만 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 캐소드 전극층과 애노드 전극층 사이에 위치하는 액체상의 전해질을 포함하도록 제작된 또 다른 구조의 막전극집합체를 구비한 평판형 연료전지 스택에도 적용가능하다. 액체상의 전해질로는 수산화칼륨(KOH) 용액 등이 이용될 수 있다.In addition, the case where the electrolyte membrane 31 of the membrane electrode assemblies 30a and 30b of the planar fuel cell stack of the above-described embodiment is made of a solid polymer is mentioned as an example. However, the present invention is not limited to such a configuration, but is also applicable to a flat fuel cell stack having a membrane electrode assembly of another structure fabricated to include a liquid electrolyte located between the cathode electrode layer and the anode electrode layer. Potassium hydroxide (KOH) solution or the like may be used as the liquid electrolyte.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 캐소드 엔드 플레이트의 사시도.1A is a perspective view of a cathode end plate according to an embodiment of the invention.

도 1b는 도 1a의 캐소드 엔드 플레이트의 저면측 사시도.FIG. 1B is a bottom perspective view of the cathode end plate of FIG. 1A; FIG.

도 2는 도 1a의 캐소드 엔드 플레이트의 I-I'선에 의한 단면도.FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II ′ of the cathode end plate of FIG. 1A; FIG.

도 3은 도 1a의 캐소드 엔드 플레이트의 일측면도.3 is a side view of the cathode end plate of FIG. 1A;

도 4는 본 발명의 캐소드 엔드 플레이트의 유로 구조를 설명하기 위한 도면.4 is a view for explaining the flow path structure of the cathode end plate of the present invention.

도 5a 및 도 5b는 비교예에 따른 일반적인 캐소드 커런트 컬렉터를 설명하기 위한 도면.5A and 5B are views for explaining a general cathode current collector according to a comparative example.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 캐소드 엔드 플레이트에 부착가능한 PCB 개스킷의 사시도.6 is a perspective view of a PCB gasket attachable to a cathode end plate according to an embodiment of the invention.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 평판형 연료전지 스택의 사시도.7 is a perspective view of a flat fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

도 8은 도 7의 평판형 연료전지 스택의 분해 사시도.8 is an exploded perspective view of the flat fuel cell stack of FIG. 7.

도 9는 도 8의 애노드 플레이트의 Ⅱ-Ⅱ'선에 의한 단면도.9 is a cross-sectional view taken along line II-II ′ of the anode plate of FIG. 8.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 캐소드 엔드 플레이트 11 : 절연판10: cathode end plate 11: insulation plate

12 : 도전층 13 : 제1 홀12: conductive layer 13: first hole

14 : 제2 홀 15 : 체결공14: second hole 15: fastening hole

20 : PCB 개스킷 30 : 막전극집합체20: PCB gasket 30: membrane electrode assembly

40 : 애노드 플레이트 50 : 체결수단40: anode plate 50: fastening means

Claims (17)

절연판;Insulation plate; 상기 절연판의 일면에 배치되는 도전층; 및A conductive layer disposed on one surface of the insulating plate; And 상기 절연판과 상기 도전층을 관통하는 복수의 제1 홀들 및 복수의 제2 홀들을 포함하며,A plurality of first holes and a plurality of second holes penetrating the insulating plate and the conductive layer; 상기 복수의 제1 홀들은 격자 모양으로 배치되고, 상기 복수의 제2 홀들은 상기 복수의 제1 홀들 사이에 배치되며, 상기 제2 홀의 직경은 상기 제1 홀의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 캐소드 엔드 플레이트.The plurality of first holes are arranged in a grid shape, the plurality of second holes are disposed between the plurality of first holes, the diameter of the second hole is characterized in that the cathode end smaller than the diameter of the first hole plate. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 도전층은 상기 절연판의 일면에 일체로 설치되는 캐소드 엔드 플레이트.The conductive layer is a cathode end plate integrally installed on one surface of the insulating plate. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 절연판 및 상기 도전층의 적층체는 상기 도전층이 일면에 패터닝된 단면 인쇄회로기판인 캐소드 엔드 플레이트.The laminate of the insulating plate and the conductive layer is a cathode end plate is a single-sided printed circuit board with the conductive layer patterned on one surface. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 도전층 상에 일체로 접착되는 PCB 개스킷을 더 포함하는 캐소드 엔드 플레이트.And a PCB gasket integrally bonded onto the conductive layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 인접한 제1 홀들 간의 거리는 동일함을 특징으로 하는 캐소드 엔드 플레이트.And the distance between the adjacent first holes is the same. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 홀의 직경과 상기 제2 홀의 직경은 3 : 1 내지 8 : 3.8의 비율로 형성된 캐소드 엔드 플레이트.The diameter of the first hole and the diameter of the second hole is a cathode end plate formed in a ratio of 3: 1 to 8: 3.8. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 도전층은 내식성을 가진 금속 재료로 이루어지는 캐소드 엔드 플레이트.And the conductive layer is made of a metal material having corrosion resistance. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 도전층의 표면에 코팅되는 내식성 코팅층을 더 포함하는 캐소드 엔드 플레이트.The cathode end plate further comprises a corrosion resistant coating layer coated on the surface of the conductive layer. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 도전층은 알루미늄, 티타늄, 니켈 및 은으로 이루어진 그룹에서 선택되 는 캐소드 엔드 플레이트.The conductive layer is a cathode end plate is selected from the group consisting of aluminum, titanium, nickel and silver. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 코팅층은 금, 티타늄 나이트라이드, 납 산화물, 카본, 도전성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택되는 캐소드 엔드 플레이트.The coating layer is a cathode end plate selected from the group consisting of gold, titanium nitride, lead oxide, carbon, conductive polymer. 애노드 전극, 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질로 이루어지는 막전극집합체;A membrane electrode assembly comprising an anode electrode, a cathode electrode, and an electrolyte located between the anode electrode and the cathode electrode; 상기 애노드 전극에 접하며 외부에서 공급되는 연료를 분배하여 상기 애노드 전극으로 제공하는 애노드 플레이트; 및An anode plate in contact with the anode electrode and distributing fuel supplied from the outside to the anode electrode; And 상기 캐소드 전극에 접하는 캐소드 엔드 플레이트를 포함하며,A cathode end plate in contact with the cathode electrode; 상기 캐소드 엔드 플레이트는, 절연판; 상기 절연판의 일면에 배치되며 상기 캐소드 전극의 전류를 포집하는 도전층; 및 상기 절연판과 상기 도전층을 관통하는 복수의 제1 홀들 및 복수의 제2 홀들을 구비하고,The cathode end plate, the insulating plate; A conductive layer disposed on one surface of the insulating plate and collecting current of the cathode electrode; And a plurality of first holes and a plurality of second holes penetrating the insulating plate and the conductive layer. 상기 복수의 제1 홀들은 격자 모양으로 배치되고, 상기 복수의 제2 홀들은 상기 복수의 제1 홀들 사이에 배치되고, 상기 제2 홀의 직경은 상기 제1 홀의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 평판형 연료전지 스택.The plurality of first holes are disposed in a grid shape, the plurality of second holes are disposed between the plurality of first holes, the diameter of the second hole is flat than the diameter of the first hole Fuel cell stack. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 도전층은 상기 절연판의 일면에 일체로 설치되는 평판형 연료전지 스 택.And the conductive layer is integrally installed on one surface of the insulating plate. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 절연판 및 상기 도전층의 적층체는 상기 도전층이 일면에 패터닝된 단면 인쇄회로기판인 평판형 연료전지 스택.And a laminate of the insulating plate and the conductive layer is a single-sided printed circuit board having the conductive layer patterned on one surface thereof. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 도전층 상에 일체로 접착되는 PCB 개스킷을 더 포함하는 평판형 연료전지 스택.And a PCB gasket integrally bonded onto the conductive layer. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 제1 홀의 직경과 상기 제2 홀의 직경은 3 : 8 내지 8 : 3.8의 비율인 평판형 연료전지 스택.The diameter of the first hole and the diameter of the second hole is a flat fuel cell stack ratio of 3: 8 to 8: 3.8. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 인접한 제1 홀들 간의 거리는 동일함을 특징으로 하는 평판형 연료전지 스택.And a distance between the adjacent first holes is the same. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 애노드 플레이트와 상기 캐소드 엔드 플레이트를 체결하는 체결수단을 더 포함하는 평판형 연료전지 스택.And a fastening means for fastening the anode plate and the cathode end plate.
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