KR20110013054A - Metal seperator for fuel cell including convex coolant guideline and fuel cell stack having the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A metal separator for a fuel cell including convex coolant guideline is provided to secure cooling performance and reactive gas flow path while minimizing the size of the metal separator and to facilitate the flow of cooling water and reaction gas. CONSTITUTION: A metal separator(100) for a fuel cell including convex coolant guideline includes: a channel part including a reactive gas channel(140) and a coolant channel(145), wherein the reactive gas channel protrudes from a first side to a second side and the coolant channel is formed between the reactive gas channels; manifolds formed at both sides of the channel part; a coolant flow channel terminal part formed in a region between the channel part and manifold; and convex coolant guidelines(170,180,185) formed form the first side to the second side.

Description

돌출형 냉각수 가이드라인을 포함하는 연료전지용 금속 분리판 및 이를 구비하는 연료전지 스택{METAL SEPERATOR FOR FUEL CELL INCLUDING CONVEX COOLANT GUIDELINE AND FUEL CELL STACK HAVING THE SAME}TECHNICAL SEPERATOR FOR FUEL CELL INCLUDING CONVEX COOLANT GUIDELINE AND FUEL CELL STACK HAVING THE SAME}

본 발명은 냉각수 유로 터미널부에 돌출형 냉각수 가이드라인을 포함하는 연료전지용 금속 분리판 및 이를 구비하는 연료전지 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell metal separator including a protruding coolant guide portion in a coolant flow path terminal and a fuel cell stack including the same.

연료전지란, 일반적으로 수소와 산소의 산화, 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치이다. 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(cathode)으로 이동한다. 이때, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동한다. 아울러, 양극에서 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다. A fuel cell is a power generation device which converts chemical energy into electrical energy generally by oxidizing and reducing hydrogen and oxygen. Hydrogen is oxidized at the anode and separated into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions move through the electrolyte to the cathode. At this time, the electrons move to the anode through the circuit. In addition, a reduction reaction occurs in which the hydrogen ions, electrons, and oxygen react to form water at the anode.

상술한 구조의 연료전지 중 특히 고체고분자 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell; PEMFC)에서 고분자 전해질막(polymer electrolyte membrane)이 함유하고 있는 물의 양은 연료전지의 성능을 좌우하는 중요한 요소 중 하나가 된다. 물은 수소이온을 양극으로 전달하는 매개체 역할을 하기 때문이다.Among the fuel cells having the above-described structure, the amount of water contained in the polymer electrolyte membrane is particularly important in determining the performance of the fuel cell in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). This is because water acts as a medium for transferring hydrogen ions to the anode.

한편, 연료전지는 여러 부품으로 구성되는데 먼저 전기화학 반응이 일어나는 MEA(막-전극 집합체)와 반응가스를 MEA 표면으로 고르게 분산시켜주는 다공성 매체인 GDL 그리고 MEA와 GDL을 지지해주며, 반응가스와 냉각수의 수송 및 생성된 전기를 수집하여 전달하는 부품들을 포함한다. 이런 부품들을 수십, 수백 개로 쌓은 것이 연료전지 스택이 된다. On the other hand, the fuel cell is composed of several parts. First, the MEA (membrane-electrode assembly) where the electrochemical reaction takes place and the GDL, a porous medium for evenly dispersing the reaction gas to the surface of the MEA, and the MEA and GDL are supported. Transporting the coolant and collecting and delivering the generated electricity. Dozens or hundreds of these parts form a fuel cell stack.

여기서, 연료전지 발전시 MEA와 GDL, 분리판의 각 면으로 수소와 산소 그리고 냉각수가 계속 공급되어 흐르게 되는데 각각의 반응가스와 냉각수가 서로 섞이지 않도록 기밀성을 확보하는 것은 연료전지 시스템 운전에 있어서 가장 중요한 부분 중 하나이다.Here, during fuel cell power generation, hydrogen, oxygen, and cooling water are continuously supplied to each side of the MEA, GDL, and separator plates. Is one of the parts.

기존의 연료전지는 흑연 재질 및 금속 재질로 제조된 분리판을 이용한다. 흑연 분리판은 밀링 가공을 통해, 금속 분리판은 프레스 가공을 통해 냉각수 채널을 형성한다. 이때, 냉각수 채널의 폭이 좁을 뿐 아니라, 굴곡을 가지는 구조로 형성되어 냉각수의 유출입이 원활하지 못하였다. 즉, 기존의 흑연 분리판은 반응면과 냉각면의 유로를 다르게 제작할 수 있으나, 특히 금속 분리판은 반응 가스 채널을 스탬핑 가공함에 따라 반대면에 채널의 형태가 그대로 투영되므로 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 별개로 확보하기 어렵다는 단점이 있다.Conventional fuel cells use separator plates made of graphite and metal. The graphite separator is milled and the metal separator is pressed to form cooling water channels. At this time, not only the width of the cooling water channel is narrow, but also has a curved structure, the flow of the cooling water was not smooth. In other words, the existing graphite separation plate can be made differently the flow path between the reaction surface and the cooling surface, but in particular, the metal separation plate is a flow path for the coolant flow because the shape of the channel is projected on the opposite side as the stamping process of the reaction gas channel as it is It is difficult to secure separately.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 별도의 냉각수 유입구조를 만들기가 어려운 금속계 분리판에서 원활한 냉각수 유입을 위하여, 일반적으로 매니폴드와 채널 사 이에 냉각수 유로 터미널부라는 완충 영역을 만들어 냉각수가 유입되도록 하는 구조가 이용되었다. 그러나, 냉각수 유로 터미널부를 흐르는 냉각수가 가스켓에 부딪치면서 그 흐름이 원활해지지 못하고, 이로 인하여 분리판 내에서 열의 축적이 가장 이루어지는 중간 부분으로 냉각수의 유입이 잘 이루어지지 않는 단점이 있다. In order to solve this problem, in order to smoothly flow the coolant in the metal divider plate which is difficult to make a separate coolant inflow structure, a structure in which a coolant flow path terminal part is formed between the manifold and the channel is used to allow the coolant to flow therein. Was used. However, when the coolant flowing through the coolant flow path terminal part hits the gasket, the flow thereof is not smooth, and thus, the inflow of the coolant does not occur well in the middle part where heat is accumulated most in the separator.

한편, 대부분의 고분자 전해질 연료전지에서는 분리판의 양쪽면에 가스켓을 설치하여 기밀구조를 확보하는 방식을 채택하고 있는데 가스켓을 설치하여 기밀성을 확보하는 경우 기밀성 향상과 전기전도성 향상을 위하여 연료전지 스택에 수기압의 체결압을 가하게 된다. 이러한 하중이 가해질 때 GDL과 가스켓에서 대부분의 변형이 일어나면서, 박판성형으로 제작된 금속계 분리판의 경우 수기압의 체결압에서 가스켓의 변형과 함께 금속분리판의 일부가 함께 변형되게 된다. 특히 반응가스 및 냉각수가 유입되는 부부의 경우 가스켓이 존재하는 부분과 유체가 지나가야하는 부분에서의 지지구조의 부재로 인하여, 변형이 쉽게 이루어지는 구조가 된다.On the other hand, most polymer electrolyte fuel cells adopt a method of securing a gas tight structure by installing gaskets on both sides of the separator plate. When a gas gasket is installed to secure the airtightness, the fuel cell stack is installed to improve airtightness and electrical conductivity. The tightening pressure of hand pressure is applied. Most of the deformation occurs in the GDL and the gasket when such a load is applied, and in the case of the metal-based separator plate manufactured by sheet molding, a part of the metal separator plate is deformed together with the deformation of the gasket at the clamping pressure of the hand pressure. Particularly, in the case of a couple in which the reaction gas and the coolant are introduced, the structure is easily deformed due to the absence of the supporting structure in the portion where the gasket is present and the portion where the fluid must pass.

이러한 변형이 발생할 경우 반응가스와 냉각수의 원활한 유입이 어렵게 되어 주변 장치, 특히 블로어나 펌프에 많은 부하를 가하게 되어 시스템의 효율이 저하되게 된다. When this deformation occurs, it is difficult to smoothly introduce the reaction gas and the cooling water, which causes a large load on the peripheral devices, especially the blower or the pump, thereby reducing the efficiency of the system.

상술한 바와 같이, 종래 기술에 따른 연료전지용 분리판은 효율적인 냉각수 유로 형성 및 분리판의 변형 방지 문제를 해결해야 하는 어려움이 있다. 특히, 상기 두 가지 문제의 근본적인 원인이 되는 부분은 분리판의 냉각수 유로 터미널부이다. 냉각수 유로 터미널부에서는 채널부와 매니폴드부 사이의 영역을 지칭하는 것 으로 채널을 통과하여 나오는 냉각수가 가스켓 부분에 부딪치면서 정류가 발생하고, 이로 인하여 냉각수가 냉각수 배출 매니폴드까지 정상적으로 흐르지 못하는 문제가 발생한다. 또한, 유로 터미널부는 냉각수 또는 반응가스의 흐름을 위해 상대적으로 빈 공간으로 형성되는 경향이 있으므로, 뒤틀림과 같은 변형에 매우 취약한 문제가 있으나 아직까지 특별한 해결책이 없는 상황이다.As described above, the fuel cell separator according to the prior art has a difficulty in solving the problem of forming an efficient cooling water flow path and preventing deformation of the separator. In particular, the root cause of the two problems is the cooling water flow path terminal portion of the separator. In the coolant flow path terminal part, it refers to the area between the channel part and the manifold part, and rectification occurs when the coolant coming out of the channel hits the gasket part, which causes the coolant to not flow normally to the coolant discharge manifold. Occurs. In addition, since the flow path terminal portion tends to be formed as a relatively empty space for the flow of cooling water or reaction gas, there is a problem that is very vulnerable to deformation such as distortion, but there is no special solution yet.

본 발명은 금속 분리판의 크기를 최소화하면서 냉각 성능 및 반응가스 유로를 확보할 수 있는 연료전지용 연료전지용 금속 분리판 본체를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a fuel cell metal separator body for a fuel cell that can secure cooling performance and a reaction gas flow path while minimizing the size of the metal separator plate.

아울러, 본 발명은 냉각수의 흐름을 원활하게 하기 위하여, 냉각수 정류가 발생하는 부분인 유로 터미널부에 별도의 냉각수 흐름 가이드라인을 설치함으로써, 냉각수 유출입을 원활하게 하되, 가이드라인을 채널부와 같은 돌출형 프레임 구조로 으로 형성함으로써, 분리판의 변형을 확실하게 방지할 수 있는 돌출형 냉각수 가이드라인을 포함하는 연료전지용 금속 분리판 및 이를 구비하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, the present invention by providing a separate coolant flow guideline in the flow path terminal portion that is the portion where the coolant rectification occurs in order to facilitate the flow of the coolant, while smoothing the flow of the coolant, protruding the guideline like the channel portion It is an object of the present invention to provide a fuel cell metal separator plate and a fuel cell stack having the same, which include a protruding coolant guideline capable of reliably preventing deformation of the separator plate.

본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판 본체는 제1면으로부터 제2면으로 돌출되어 형성되는 반응가스 채널 및 상기 제2면에 돌출된 상기 반응가스 채널 사이에 형성되는 냉각수 채널을 포함하는 채널부와, 상기 채널부의 양측에 각각 형성되는 매니폴드와, 상기 매니폴드 및 상기 채널부 사이의 영역에 형성되는 냉각수 유로 터미널부 및 상기 냉각수 유로 터미널부에 상기 제1면으로부터 상기 제2면으로 돌출되어 형성되는 바(Bar) 형태의 돌출형 냉각수 가이드라인을 포함하되, 상기 냉각수 유로 터미널부로 냉각수가 흘러나오는 방향과 상기 돌출형 냉각수 가이드라인 이 이루는 각(θ)이 80° 내지 100°인 것을 특징으로 한다.The metal separator plate body for a fuel cell according to the present invention includes a channel portion including a reaction gas channel protruding from a first surface to a second surface and a coolant channel formed between the reaction gas channel protruding from the second surface. And protruding from the first surface to the second surface of the manifold formed on both sides of the channel portion, the cooling water flow path terminal portion and the cooling water flow path terminal portion formed in the region between the manifold and the channel portion. Including a bar-shaped protruding coolant guidelines, characterized in that the angle (θ) formed by the direction in which the coolant flows into the coolant flow path terminal portion and the protruding coolant guideline is 80 ° to 100 °. .

여기서, 상기 냉각수 채널은 금속 분리판 본체의 상기 제2면으로부터 상기 제1면으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 매니폴드는 반응가스 유출입부 및 냉각수 유출입부를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 냉각수 유로 터미널부 중 상기 매니폴드와 인접한 부분에 형성되는 반응가스 유출입홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 돌출형 냉각수 가이드라인은 상기 반응가스 유출입부와 대응되는 길이로 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 돌출형 냉각수 가이드라인은 드로우비드(Drawbead)로서, 금속 분리판 본체의 성형시 주름방지 수단 및 성형 후 변형(Spring Back) 방지 수단으로 이용되는 것을 특징으로 한다.The coolant channel may be formed to protrude from the second surface of the metal separator body to the first surface, and the manifold may include a reaction gas inlet and a coolant outlet. And a reaction gas outlet hole formed in a portion adjacent to the manifold of the cooling water flow path terminal part, wherein the protruding coolant guide line has a length corresponding to the reaction gas outlet part. The protruding coolant guideline is a drawbead, and is used as an anti-wrinkle means and anti-spring means when forming a metal separator body.

아울러, 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판은 상술한 돌출형 냉각수 가이드라인을 포함하는 금속 분리판 본체 및 상기 금속 분리판 본체의 채널부 및 매니폴드 주변의 테두리부와 그 외에 실링을 필요로 하는 부위에 형성되는 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the metal separator plate for fuel cells according to the present invention requires a metal separator plate body including the above-described protruding coolant guideline and a channel portion of the metal separator plate body and an edge portion around the manifold and other sealings. It characterized in that it comprises a gasket formed on the site.

여기서, 상기 채널부 및 상기 매니폴드 사이의 영역 중 상기 매니폴드와 인접한 상기 금속 분리판 본체 부분에 형성되는 반응가스 유출입홀과, 상기 금속 분리판 본체의 상기 제1면에 형성되며, 상기 매니폴드 및 상기 반응가스 유출입홀 사이의 영역에 상기 채널부를 향하여 오픈된 형태로 형성되는 제1가이드가스켓 및 상기 금속 분리판 본체의 상기 제2면에 형성되며, 상기 반응가스 유출입홀 및 상기 돌출형 냉각수 가이드라인 사이의 영역에 상기 매니폴드를 향하여 오픈된 형태로 형성되는 제2가이드가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, a reaction gas outlet hole formed in a portion of the metal separator plate adjacent to the manifold of the region between the channel portion and the manifold, and is formed in the first surface of the metal separator body, the manifold And a first guide gasket formed in the region between the reaction gas inlet and outlet holes toward the channel portion, and formed on the second surface of the main body of the metal separator plate, wherein the reaction gas inlet and the protruding coolant guides are formed. And further comprising a second guide gasket formed in an open area toward the manifold in an area between the lines.

아울러, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택은 상술한 금속 분리판 및 막-전극 접합체(MEA)의 접합구조가 복수개 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the fuel cell stack according to an embodiment of the present invention is characterized in that a plurality of junction structures of the aforementioned metal separator and membrane-electrode assembly (MEA) are stacked.

아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택은 상술한 금속 분리판 2개가 각각의 제1면이 대향하는 형태로 접합되어 있는 적층 구조물 및 상기 적층 구조물의 상부에 형성되는 막-전극 접합체를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the fuel cell stack according to another embodiment of the present invention is a stack structure in which the two metal separator plates are joined to each other in a form in which the first surfaces thereof face each other, and a membrane-electrode assembly formed on the stack structure. It is characterized by including.

본 발명에 따른 금속 분리판 본체는 채널부와 매니폴드 사이의 영역에 돌출형의 가이들 라인을 형성함으로써, 냉각수의 유로를 확보할 수 있도록 한다. 따라서, 분리판의 두께, 면적, 부피를 키우지 않으면서 연료전지의 냉각성능을 향상시킬 수 있도록 하고, 생산 효율을 증가시킬 수 있는 효과를 제공한다.The metal separator plate body according to the present invention forms a protruding guide line in the region between the channel portion and the manifold, thereby securing a flow path of the cooling water. Therefore, it is possible to improve the cooling performance of the fuel cell without increasing the thickness, area, and volume of the separator, and to provide an effect of increasing the production efficiency.

또한 본 발명에 따른 금속 분리판의 돌출형 냉각수 가이드라인은 형성 각도를 조절하거나, 분할 크기를 조절함으로써, 냉각수 유출입 효율을 증가시킬 수 있다. In addition, the protruding coolant guideline of the metal separation plate according to the present invention can increase the coolant flow-through efficiency by adjusting the forming angle or adjusting the division size.

아울러, 본 발명에 따른 금속 분리판의 돌출형 냉각수 가이드라인은 채널부에 반응가스 채널 또는 냉각수 채널을 형성하기 위한 스탬핑 공정을 이용하여 동시에 형성할 수 있으므로, 금속 분리판 제조 시간을 단축시킬 수 있고, 제조 단가 또한 낮출 수 있는 효과를 제공한다.In addition, since the protruding coolant guideline of the metal separator according to the present invention may be formed at the same time using a stamping process for forming a reaction gas channel or a coolant channel in the channel portion, the manufacturing time of the metal separator may be shortened. In addition, the manufacturing cost also provides an effect that can be lowered.

마지막으로, 본 발명에 따른 금속 분리판의 돌출형 냉각수 가이드라인은, 금속 분리판의 빈 공간 부분을 지지하는 프레임 역할을 하게되므로, 공간 변형에 대한 저항성이 뛰어나고, 금속 분리판 및 가스켓의 변형을 더욱 확실히 방지함으로써, 분리판 간의 적층을 용이하게 하고, 연료전지 스택을 더 효율적으로 형성할 수 있는 효과를 제공한다.Finally, since the protruding coolant guideline of the metal separator according to the present invention serves as a frame for supporting the empty space portion of the metal separator, it is excellent in resistance to deformation of the space and prevents deformation of the metal separator and the gasket. By more reliably preventing, the lamination between the separators is facilitated, and the effect of forming the fuel cell stack more efficiently is provided.

이하에서는, 본 발명에 따른 돌출형 냉각수 가이드라인을 포함하는 연료전지용 금속 분리판 및 이를 구비하는 연료전지 스택에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a fuel cell metal separator including a protruding coolant guideline according to the present invention and a fuel cell stack including the same will be described in detail.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent with reference to the embodiments and drawings described in detail below. However, it is to be understood that the present invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. It is intended that the disclosure of the present invention be limited only by the terms of the appended claims.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판의 제1면을 도시한 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판의 제2면을 도시한 평면도이다. 여기서, 분리판의 길이 방향에 대한 중간 부분은 일부 생략하여 도시하였다.1 is a plan view showing a first surface of a metal separator plate for a fuel cell according to the present invention, Figure 2 is a plan view showing a second surface of a metal separator plate for a fuel cell according to the present invention. Here, the middle part with respect to the longitudinal direction of the separator is omitted.

도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저 직사각형 형태로 구비되는 금속 분리판 본체(100)의 중심부에 반응가스 채널(140) 및 냉각수 채널(145)이 형성되고, 그 4측면 주변을 둘러싸는 가스켓(130)이 형성된다. 그리고, 채널부의 양측으로 제1반응가스 유입 매니폴드(120), 냉각수 유입 매니폴드(124), 제2반응가스 유입 매니폴드(128), 제1반응가스 배출 매니폴드(160), 냉각수 배출 매니폴드(164) 및 제2반응가스 배출 매니폴드(168)가 각각 구비된다. 이때, 반응가스 채널(140)은 도시된면(제1면)의 이면(제2면)으로 돌출되는 형태를 갖고, 냉각수 채널(140)은 반응가스 채널(140) 사이의 영역을 활용하여 형성되거나, 제2면에서 제1면으로 돌출된 형태로도 형성될 수 있다. 또한, 각각의 매니폴드는 금속 분리판 본체 내에 형성되는 매니폴드에 의해서 형성될 수 있으며, 본 발명에 따른 다른 실시예로서 하나의 매니폴드로 형성된 금속 분리판 본체를 형성한 후, 가스켓과 같은 구조에 의해서 각각의 매니폴드 영역으로 분할될 수도 있다.1 and 2, first, a reaction gas channel 140 and a coolant channel 145 are formed in a central portion of a metal separator body 100 that is provided in a rectangular shape and surrounds four sides of the gasket ( 130) is formed. The first reaction gas inlet manifold 120, the coolant inlet manifold 124, the second reaction gas inlet manifold 128, the first reaction gas outlet manifold 160, and the coolant outlet manifold are provided at both sides of the channel part. The fold 164 and the second reaction gas discharge manifold 168 are respectively provided. In this case, the reaction gas channel 140 has a shape protruding to the rear surface (second surface) of the illustrated surface (first surface), the cooling water channel 140 is formed by utilizing the region between the reaction gas channel 140. It may also be formed in a form protruding from the second surface to the first surface. In addition, each manifold may be formed by a manifold formed in the metal separator body, and in another embodiment according to the present invention, after forming a metal separator body formed of one manifold, a gasket-like structure May be divided into respective manifold regions.

아울러, 여기서는 구조적 이해를 용이하게 하기 위하여 각각의 유입 매니폴드들과 배출 매니폴드들을 구분하여 표시하였으나, 유입 및 출입의 방향은 상황에 따라서 정 반대로 이루어질 수 있으므로 본 발명에 도시된 구성은 유입 또는 출입에 의해서 항상 제한 되는 것은 아니다.In addition, in order to facilitate structural understanding, the respective inflow manifolds and the discharge manifolds are separately displayed, but the directions of inflow and outflow may be made in reverse according to the situation. It is not always limited by

다음으로, 채널부와 매니폴드 사이의 영역에 각각 반응가스 유입홀(125) 및 반응가스 배출홀(150)이 형성된다. 상기와 같은 반응가스 유출입홀은 금속 분리판 본체 내에 형성될 수도 있으며, 가스켓이 매니폴드를 구성하는 독립 구조로 형성되 는 경우에는 가스켓에 일체형으로 형성될 수 있다. 이 경우 상기 가스켓의 제1면과 제2면을 'S'자 형태로 연결하는 가스 유출입구조가 되도록 한다.Next, the reaction gas inlet hole 125 and the reaction gas outlet hole 150 are respectively formed in the region between the channel part and the manifold. The reaction gas inlet and outlet holes as described above may be formed in the metal separator body, and when the gasket is formed as an independent structure constituting the manifold, it may be formed integrally with the gasket. In this case, a gas outflow structure is formed in which the first and second surfaces of the gasket are connected in an 'S' shape.

여기서, 도시된 제1면은 반응가스들이 흐르는 면으로서, 반응가스면이라고 정의할 수 있으며, 이 경우 제2면은 냉각수면이 된다. 따라서, 반응가스는 제2면을 통하여 유입되며, 반응가스 유입홀(125)을 통하여 제1면으로 유도되고, 제1면의 반응가스 채널(140)을 통하여 반응가스 배출홀(150) 방향으로 배출되게 된다. 이때, 반응가스의 유출입을 원활하게 하기 위하여 금속 분리판 본체(100)의 매니폴드 및 반응가스 유출입홀 사이의 영역에 가이드가스켓을 형성한다. 제1면에 형성되며 채널부를 향하여 오픈된 형태로 형성되는 것이 제1가이드가스켓(135A)이고, 제2면에 형성되며 매니폴드를 향하여 오픈된 형태로 형성되는 것이 제2가이드가스켓(135B) 이다.Here, the illustrated first surface is a surface through which reaction gases flow, and may be defined as a reaction gas surface, in which case the second surface becomes a cooling water surface. Accordingly, the reaction gas is introduced through the second surface, guided to the first surface through the reaction gas inlet hole 125, and toward the reaction gas discharge hole 150 through the reaction gas channel 140 of the first surface. Will be discharged. At this time, in order to facilitate the inflow and outflow of the reaction gas, a guide gasket is formed in a region between the manifold and the reaction gas inflow hole of the metal separation plate main body 100. The first guide gasket 135A is formed on the first surface and is opened toward the channel portion, and the second guide gasket 135B is formed on the second surface and is opened toward the manifold. .

여기서, 냉각수면인 제2면을 기준으로 보면 채널부를 통과하여 흘러나오는 냉각수가 제2가이드가스켓(130B)에 부딪히는 구조로 형성되는 것을 알 수 있다. 이 경우 제2가이드가스켓(130B)에 의해서 냉각수가 흐르지 않게 되는 정류가 발생할 수 있고, 이로 인하여 냉각수가 냉각수 유출입 매니폴드(124, 164)로 흐르지 못하게 될 우려가 있다. 따라서, 본 발명에서는 반응가스 채널(140)과 냉각수 채널(145)이 형성된 채널부 및 유출입 매니폴드들이 형성된 매니폴드 사이의 영역 중 채널부와 인접한 부분에 돌출형 냉각수 가이드라인(170, 175, 180, 185)을 형성한다.Here, it can be seen that the cooling water flowing through the channel part is formed in a structure in which the second guide gasket 130B collides with the second surface as the cooling water surface. In this case, the second guide gasket 130B may generate rectification that prevents the cooling water from flowing, and thus, the cooling water may not flow into the cooling water inflow and out manifolds 124 and 164. Accordingly, in the present invention, protruding coolant guidelines 170, 175, and 180 are provided at a portion adjacent to the channel portion among regions between the channel portion on which the reaction gas channel 140 and the coolant channel 145 are formed and the manifold on which the outlet manifolds are formed. , 185).

여기서, 냉각수면을 기준으로 할 때, 채널부 및 매니폴드 사이의 영역을 유 로 터미널부라 하며, 돌출형 냉각수 가이드라인(170, 175, 180, 185)은 상기 유로 터미널부에 형성되는 것이다. 이때, 돌출형 냉각수 가이드라인(170, 175, 180, 185)은 제1면에서 제2면으로 돌출된 형태가 되어야 하며, 도시된 형태는 바(Bar) 형으로 되어 있으나, 상기한 바와 같이 제2가이드가스켓(130B)에 냉각수가 부딪히지 않게만 된다면, 어떠한 형태가 되어도 무방하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 돌출형 냉각수 가이드라인에 대해 상세히 설명하는 것으로 한다.Here, the area between the channel portion and the manifold is referred to as the euro terminal portion when the coolant surface is referred to, and the protruding coolant guide lines 170, 175, 180, and 185 are formed in the flow path terminal portion. At this time, the protruding coolant guide line 170, 175, 180, 185 should be a shape protruding from the first surface to the second surface, the shape is shown as a bar (Bar), as described above As long as the coolant does not hit the two guide gasket 130B, it may be in any form. Therefore, hereinafter, the protrusion type cooling water guideline according to various embodiments of the present invention will be described in detail.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판의 냉각수 흐름을 도시한 개략도이다.3 is a schematic view showing a cooling water flow of the metal separator plate for fuel cells according to the present invention.

도 3은 금속 분리판 본체(200)의 제2면을 도시한 것으로, 반응가스 채널(240) 및 제2면에서 제1면으로 돌출된 형태의 냉각수 채널(245)로 이루어지는 채널부 외곽에 가스켓(230)이 형성된다. 이때, 가스켓(230)의 일 부분으로써, 제2반응가스 배출 매니폴드(228)와 채널부 사이에 제2가이드가스켓(235)이 형성된다.3 illustrates a second surface of the metal separator body 200, and includes a reaction gas channel 240 and a cooling water channel 245 protruding from the second surface to the first surface. 230 is formed. In this case, as part of the gasket 230, a second guide gasket 235 is formed between the second reaction gas discharge manifold 228 and the channel part.

여기서, 제2가이드가스켓(235)은 반응가스 배출홀(225)을 통하여 배출되는 반응가스가 제2반응가스 배출 매니폴드(228)로 자연스럽게 유도될 수 있도록, 제2가이드가스켓(235) 방향으로 오픈될 수 있는 형태가 되어야 한다. 따라서, 냉각수가 제2가이드가스켓(235)에 부딪히게 되는데, 종래의 경우 X1, X2 부분에서 정류가 발생하여 냉각수가 냉각수 배출 매니폴드(224)로 흘러가지 않을 수 있었다. 그러 나, 본 발명에서는 돌출형 냉각수 가이드라인(270)에 의해서 상기와 같은 정류 문제가 해결된다. 돌출형 냉각수 가이드라인(270)에 의해서 냉각수가 제2가이드가스켓(235)에 부딪히지 않거나, 제2가이드가스켓(235)으로 흘러가는 냉각수에 정류가 발생하지 않도록 할 수 있다. 여기서, 정류가 발생하지 않는 이유는 제2가이드가스켓(235)에 의해서 냉각수 유로의 폭이 감소되므로, 유속이 더 빨라져서 정류가 발생하지 않게 되는 것이다. 따라서, 돌출형 냉각수 가이드라인(270)의 선폭이나 길이는 유로 터미널부의 크기에 따라서 적절하게 조절될 수 있다. 또한, 상황에 따라서는 돌출형 냉각수 가이드라인(270)이 2열로도 형성될 수 있으며, 작은 바(Bar) 형태로 분할된 여러 개의 돌출형 냉각수 가이드라인(270)들이 일렬로 연결되어 형성될 수도 있다.Here, the second guide gasket 235 is in the direction of the second guide gasket 235 so that the reaction gas discharged through the reaction gas discharge hole 225 may be naturally induced to the second reaction gas discharge manifold 228. It must be in a form that can be opened. Therefore, the coolant hits the second guide gasket 235. In the conventional case, rectification occurs in the X 1 and X 2 portions, and thus the coolant may not flow to the coolant discharge manifold 224. However, in the present invention, the rectification problem as described above is solved by the protruding coolant guideline 270. The protruding coolant guideline 270 may prevent the cooling water from hitting the second guide gasket 235 or rectifying the cooling water flowing into the second guide gasket 235. Here, the reason why the rectification does not occur is that the width of the cooling water flow path is reduced by the second guide gasket 235, so that the flow rate is faster, so that rectification does not occur. Therefore, the line width or length of the protruding coolant guide line 270 may be appropriately adjusted according to the size of the flow path terminal portion. In addition, depending on the situation, the protruding coolant guidelines 270 may be formed in two rows, and the plurality of protruding coolant guidelines 270 divided into small bars may be connected in a line. have.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판을 도시한 개략도이다.Figure 4 is a schematic diagram showing a metal separator plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 금속 분리판 본체(300)에 가스켓(330)이 형성되고, 가스켓(330)의 일부분으로 제2가이드가스켓(335)이 형성된다. 다음으로, 제2가이드가스켓(335)이 오픈된 방향으로 반응가스 배출홀(325) 및 제1반응가스 배출 매니폴드(320)가 형성된다. 아울러, 여기서 반응가스 배출홀(325)은 금속 분리판 본체(300) 내에 직접 형성될 수 있으며, 또는 금속 분리판 본체를 감싸는 형태의 가스켓을 형성한 후, 상기 가스켓에 반응가스 배출홀(325)이 일체형으로 진행될 수 있다.Referring to FIG. 4, a gasket 330 is formed in the metal separator body 300, and a second guide gasket 335 is formed as part of the gasket 330. Next, the reaction gas discharge hole 325 and the first reaction gas discharge manifold 320 are formed in the direction in which the second guide gasket 335 is opened. In addition, the reaction gas discharge hole 325 may be formed directly in the metal separator body 300, or after forming a gasket covering the metal separator body, the reaction gas discharge hole 325 in the gasket. This can be done in one piece.

그 다음으로, 반응가스 채널(340)과 냉각수 채널(345) 및 제2가이드가스켓(335)사이의 영역에 돌출형 냉각수 가이드라인(370a, 370b)이 형성된다. 이때, 냉각수 유로 터미널의 크기 또는 길이에 따라서 다양한 형태의 돌출형 냉각수 가이드라인(370a, 370b)이 형성될 수 있으며, 그에 대한 첫번째 조건으로 냉각수가 흘러나오는 방향과 바(Bar)형의 길이방향이 이루는 각이 수직 또는 수직에 가까운 방향이 되도록 하는 것이 바람직하다. Next, protruding coolant guidelines 370a and 370b are formed in a region between the reaction gas channel 340, the coolant channel 345, and the second guide gasket 335. In this case, various types of protruding coolant guide lines 370a and 370b may be formed according to the size or length of the coolant flow path terminal, and the first condition is a direction in which the coolant flows and a length of the bar type. It is preferable to make the angle to be made vertical or near vertical.

아울러, 바의 길이 또한 특별한 제한은 없으나 제1반응가스 배출 매니폴드(320)와 같은 반응가스 유출입홀의 길이에 대응되는 길이로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.In addition, the length of the bar is not particularly limited, but may be formed to have a length corresponding to the length of the reaction gas outlet holes such as the first reaction gas discharge manifold 320.

최소 각(θ1)은 80°가 되도록 하는 것이 바람직하며, 최대 각(θ2)은 110°가 되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나게 되면, 돌출형 냉각수 가이드라인(370a, 370b)이 제2가이드가스켓(335) 또는 채널부에 접하게 되어, 냉각수의 흐름을 오히려 방해될 수 있으므로, 수직 또는 최대한 수직에 가까운 범위 내에서 형성될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.Preferably, the minimum angle θ 1 is 80 °, and the maximum angle θ 2 is preferably 110 °. If it is out of the range, the protruding coolant guidelines 370a and 370b come into contact with the second guide gasket 335 or the channel part, and thus may impede the flow of the coolant. It is desirable to be able to form.

도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택을 도시한 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing a fuel cell stack according to the present invention.

도 5는 상기 도 4의 연료전지용 금속 분리판 3장이 결합되어 형성된 연료전지 스택을 나타낸 것이다.FIG. 5 illustrates a fuel cell stack formed by combining three metal separator plates for fuel cell of FIG. 4.

제2 금속 분리판 본체(500)와 제3 금속 분리판 본체(600)의 냉각수면(제2면) 이 서로 마주 보도록 접합되어 냉각수 유로를 형성한다. 이때, 제2 돌출형 냉각수 가이드라인(570)과 제3 돌출형 냉각수 가이드라인(670)이 서로 접합되도록 한다. The cooling water surface (second surface) of the second metal separator plate body 500 and the third metal separator plate body 600 are joined to face each other to form a cooling water flow path. In this case, the second protruding coolant guide line 570 and the third protruding coolant guide line 670 are bonded to each other.

제2 금속 분리판 본체(500)의 반응가스면(제1면) 상에는 제2 막-전극접합체(580)가 형성되고, 제1 금속 분리판 본체(400)에 형성된 막-전극 접합체(480)와 서로 접합되도록 하는 것이 바람직하다. The second membrane-electrode assembly 580 is formed on the reaction gas surface (first surface) of the second metal separator body 500, and the membrane-electrode assembly 480 formed in the first metal separator body 400. And to be bonded to each other.

이와 같은 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판은 적층 구조는 안정적인 냉각수 배출 라인을 형성할 수 있고, 또한 돌출형 냉각수 가이드라인(470, 570, 670)금속 연료전지 본체의 뒤틀림 변형과 같은 문제를 자연스럽게 해결할 수 있다.As described above, the metal separator for fuel cells according to the present invention may form a stable cooling water discharge line, and may naturally cause problems such as warpage deformation of the protruding coolant guidelines 470, 570, and 670 metal fuel cell body. I can solve it.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판 본체, 금속 분리판 및 이를 구비하는 연료전지 스택은 반응가스, 냉각수 유출입 매니폴드부를 구성하는 매니폴드 및 반응가스 채널과 냉각가스 채널로 형성되는 채널부 사이의 영역에 돌출형 냉각수 가이드라인을 형성함으로써, 분리판의 두께, 면적, 부피를 변경시키지 않으면서 연료전지의 성능을 효율적으로 향상시킬 수 있도록 할 수 있다. As described above, the metal separator plate body, the metal separator plate, and the fuel cell stack including the same according to the present invention are formed of a manifold, a reaction gas channel, and a cooling gas channel constituting a reaction gas, a coolant inlet and outlet manifold. By forming the protruding coolant guideline in the region between the channel portions, it is possible to efficiently improve the performance of the fuel cell without changing the thickness, area, and volume of the separator.

아울러, 돌출형 냉각수 가이드라인을 공간 변형이 취약한 부위에 형성함으로써, 반응가스 유출입 효율을 증가시킬 수 있으며, 반응가스 유출입홀을 일체형으로 가지고 있는 종래 금속 분리판의 경우보다 공간 변형에 대한 저항성이 뛰어나고, 반응가스의 유동 저항을 저감시켜 압력 강하량을 감소시킬 수 있는 연료전지용 금속 분리판을 제조할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 돌출형 냉각수 가이드라인은 금속 분리판의 성형 시 드로우비드(Drawbead) 역할을 하여, 금속 분리판의 주름방지 및 성형 후 변형을 저감시킬 수 있도록 하는 스프링백(Spring Back) 저감 기능을 수행한다.In addition, by forming a protruding coolant guideline in a region where space deformation is vulnerable, it is possible to increase the reaction gas inlet and outlet efficiency, and is more resistant to space deformation than in the case of the conventional metal separation plate having the reaction gas inlet and outlet integrally. In addition, it is possible to manufacture a metal separation plate for a fuel cell that can reduce the pressure drop by reducing the flow resistance of the reaction gas. That is, the protruding coolant guideline according to the present invention serves as a drawbead when forming the metal separating plate, thereby reducing spring back to prevent wrinkles and reduce deformation after forming the metal separating plate. Perform the function.

아울러, 상기와 같은 본 발명의 연료전지용 금속 분리판 한 장에 막-전극 접합체(MEA)를 접합시키거나, 상술한 금속 분리판의 반응가스면이 서로 대향되도록 접합시킨 후 막-전극 접합체(MEA)를 적층시킴으로써, 고효율을 가지며, 다양한 형태의 매니폴드를 가질 수 있는 연료전지 스택을 제조할 수 있다.In addition, the membrane-electrode assembly (MEA) is bonded to one sheet of the metal separator plate for fuel cell of the present invention as described above, or the reaction gas surfaces of the metal separator plate are joined to face each other, and then the membrane-electrode assembly (MEA) is bonded. By stacking), a fuel cell stack having a high efficiency and having various types of manifolds can be manufactured.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to the above embodiments and can be modified in various forms, and having ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판의 제1면을 도시한 평면도.1 is a plan view showing a first surface of a metal separator plate for fuel cell according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판의 제2면을 도시한 평면도.Figure 2 is a plan view showing a second surface of the metal separator plate for fuel cells according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판의 냉각수 흐름을 도시한 개략도.Figure 3 is a schematic diagram showing the cooling water flow of the metal separator plate for fuel cells according to the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판을 도시한 개략도.Figure 4 is a schematic diagram showing a metal separator plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택을 도시한 단면도.5 is a sectional view showing a fuel cell stack according to the present invention;

Claims (7)

제1면으로부터 제2면으로 돌출되어 형성되는 반응가스 채널 및 상기 제2면에 돌출된 상기 반응가스 채널 사이에 형성되는 냉각수 채널을 포함하는 채널부;A channel part including a reaction gas channel protruding from the first surface to the second surface and a coolant channel formed between the reaction gas channel protruding from the second surface; 상기 채널부의 양측에 각각 형성되는 매니폴드;A manifold formed on both sides of the channel portion; 상기 매니폴드 및 상기 채널부 사이의 영역에 형성되는 냉각수 유로 터미널부; 및A cooling water flow channel terminal portion formed in an area between the manifold and the channel portion; And 상기 냉각수 유로 터미널부에 상기 제1면으로부터 상기 제2면으로 돌출되어 형성되는 바(Bar) 형태의 돌출형 냉각수 가이드라인을 포함하되, 상기 냉각수 유로 터미널부로 냉각수가 흘러나오는 방향과 상기 돌출형 냉각수 가이드라인이 이루는 각(θ)이 80° 내지 100°인 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판 본체.And a bar-shaped protruding coolant guide line formed to protrude from the first surface to the second surface of the coolant flow path terminal part, wherein the coolant flows out to the coolant flow path terminal part and the protruding coolant. An angle (θ) formed by the guideline is a metal separator plate body for a fuel cell, characterized in that 80 ° to 100 °. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 냉각수 채널은 금속 분리판 본체의 상기 제2면으로부터 상기 제1면으로 돌출되어 형성되고, 상기 냉각수 유로 터미널부 중 상기 매니폴드와 인접한 부분에 형성되는 반응가스 유출입홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판 본체.The coolant channel is formed to protrude from the second surface of the metal separator body to the first surface, and further comprises a reaction gas inlet and outlet hole formed in a portion adjacent to the manifold of the cooling water flow path terminal portion. Metal separator plate body for fuel cells. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 돌출형 냉각수 가이드라인은 드로우비드(Drawbead)로서, 금속 분리판 본체의 성형시 주름방지 수단 및 성형 후 변형(Spring Back) 방지 수단으로 이용되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판 본체.The protruding coolant guideline is a drawbead, and the metal separator plate body for a fuel cell, which is used as an anti-wrinkle means and a spring back prevention means during molding of the metal separator body. 제1항 내지 제3항의 돌출형 냉각수 가이드라인을 포함하는 금속 분리판 본체; 및Claims 1 to 3 of the metal separating plate body comprising the protruding coolant guidelines; And 상기 금속 분리판 본체의 채널부 및 매니폴드 주변의 테두리부와 그 외에 실링을 필요로 하는 부위에 형성되는 가스켓을 포함하는 연료전지용 금속 분리판.And a gasket formed on a channel portion of the metal separator plate body, an edge portion around the manifold, and a portion requiring sealing. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 채널부 및 상기 매니폴드 사이의 영역 중 상기 매니폴드와 인접한 상기 금속 분리판 본체 부분에 형성되는 반응가스 유출입홀;A reaction gas outlet hole formed in a portion of the main body of the metal separator adjacent to the manifold among the region between the channel part and the manifold; 상기 금속 분리판 본체의 상기 제1면에 형성되며, 상기 매니폴드 및 상기 반응가스 유출입홀 사이의 영역에 상기 채널부를 향하여 오픈된 형태로 형성되는 제1가이드가스켓; 및A first guide gasket formed on the first surface of the metal separation plate body, the first guide gasket being opened toward the channel part in a region between the manifold and the reaction gas outlet hole; And 상기 금속 분리판 본체의 상기 제2면에 형성되며, 상기 반응가스 유출입홀 및 상기 돌출형 냉각수 가이드라인 사이의 영역에 상기 매니폴드를 향하여 오픈된 형태로 형성되는 제2가이드가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.And a second guide gasket formed on the second surface of the metal separation plate body, the second guide gasket being opened toward the manifold in a region between the reaction gas inflow hole and the protruding coolant guide line. A metal separator plate for fuel cells. 제4항의 금속 분리판 및 막-전극 접합체(MEA)의 접합구조가 복수개 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.A fuel cell stack comprising a plurality of junction structures of the metal separator of claim 4 and a membrane-electrode assembly (MEA). 제4항의 금속 분리판 2개가 각각의 제1면이 대향하는 형태로 접합되어 있는 적층 구조물; 및A laminated structure in which two metal separator plates of claim 4 are joined to each other such that their first surfaces face each other; And 상기 적층 구조물의 상부에 형성되는 막-전극 접합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.And a membrane-electrode assembly formed on the stack structure.
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