KR20110061269A - Separator for fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A separator for a fuel cell stack is provided to minimize the flow rate of reactive gas and cooling water bypassed without the reaction for generating electricity and to improve the output performance of a fuel cell stack through uniform distribution of reactive gas and cooling water. CONSTITUTION: A separator(20) for a fuel cell stack minimize the area of an outside reaction channels(28a,28b) by protruding a part of cooling water flow channels(32a,32b) of a separator contacting a gasket(18). A bypass amount of the reactive gas flowing inside a reaction channel is minimized. The area of outside cooling water channel is minimized by protruding some sections of outside reaction channels toward colling water.

Description

연료전지 스택용 분리판{Separator for fuel cell stack}Separator for fuel cell stack

본 발명은 연료전지용 스택용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판의 유로 구조를 개선하여, 실제 전기 생성을 위해 반응하지 않고 바이패스되는 유체량을 최소화시키며, 연료전지 스택 냉각면 외곽쪽으로 흐르는 냉각수의 양을 최소화 함으로써, 반응기체 및 냉각수의 균일 분배를 통해 연료전지 스택의 출력 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 스택용 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a separator for a fuel cell stack, and more particularly, to improve the flow path structure of the separator, to minimize the amount of fluid bypassed without reacting for actual electricity generation, and to the outside of the fuel cell stack cooling surface. By minimizing the amount of flowing coolant, the present invention relates to a separator for a fuel cell stack capable of improving output performance of a fuel cell stack through uniform distribution of a reactor body and cooling water.

연료전지 스택의 구성을 첨부한 도 5를 참조로 살펴보면, 고분자 전해질막(10)과 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(12: cathode) 및 연료극(14: anode)으로 이루어진 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)을 포함하고, 또한 공기극(12) 및 연료극(14)이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(16) 및 가스켓(18)이 차례로 적층되고, 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 위치하며, 가장 바깥 쪽에는 각 구성들을 고정시키기 위한 엔드 플레이트(30)가 결합된다.Referring to FIG. 5 attached to the configuration of the fuel cell stack, a cathode (electrode) 12 and a cathode 14, which are a polymer electrolyte membrane 10 and a catalyst layer coated to allow hydrogen and oxygen to react on both surfaces of the electrolyte membrane, are described. A membrane-membrane-electrode assembly (MEA) comprising an anode, and a gas diffusion layer (GDL) 16 and a gasket 18 located at an outer portion where the cathode 12 and the anode 14 are located. ) Are sequentially stacked, and a separator 20 having a flow field is provided at the outer side of the gas diffusion layer 16 to supply fuel and discharge water generated by the reaction. End plates 30 are fixed for fixing them.

따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극(14)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(10)과 분리판(20)을 통하여 공기극(12)으로 이동하게 되며, 상기 공기극(12)에서는 연료극(14)으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.Accordingly, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode 14 of the fuel cell stack to generate hydrogen ions (Proton) and electrons (Electron), and the generated hydrogen ions and electrons are separated from the electrolyte membrane 10, respectively. The electrode 20 moves to the cathode 12 through the plate 20. At the cathode 12, water is generated through an electrochemical reaction involving hydrogen ions, electrons, and oxygen in the air. Electric energy is generated from the flow of electrons.

첨부한 도 4를 참조로 분리판 구조를 살펴보면 다음과 같다.Looking at the structure of the separator with reference to the accompanying Figure 4 as follows.

상기 분리판은 기체확산층(16)에 밀착 지지되는 랜드부와, 반응기체가 흐르는 반응유로를 이루는 채널부가 반복되는 구조로 제작된 것으로서, 전극막 접합체의 양쪽에 배열된 각 가스확산층(16)과 접하도록 적층 결합되며, 두 장이 한 세트로 이루어진 제1 및 제2분리판(20a,20b)이 각 가스확산층(16)에 접하면서 결합된다.The separation plate is made of a structure in which the land portion closely supported by the gas diffusion layer 16 and the channel portion constituting the reaction flow path through which the reactor body flows are repeated, and each gas diffusion layer 16 arranged on both sides of the electrode membrane assembly and They are laminated to be in contact with each other, and two sets of first and second separators 20a and 20b are bonded to each gas diffusion layer 16.

이때, 상기 제1분리판(20a)의 저면과 가스확산층(16)의 사이 공간은 수소가 흐르는 연료극 반응유로(22)가 되고, 상기 제2분리판(20b)의 상면과 가스확산층(16)의 사이 공간은 공기가 흐르는 공기극 반응유로(24)가 되며, 두 장의 이루어진 제1분리판(20a)간의 사이공간 및 제2분리판(20b)간의 사이공간은 냉각수유로(26)가 된다.At this time, the space between the bottom of the first separation plate 20a and the gas diffusion layer 16 becomes the anode reaction flow passage 22 through which hydrogen flows, and the top surface of the second separation plate 20b and the gas diffusion layer 16. The space between the air is the cathode reaction flow path 24 through which air flows, and the space between the two separation plates 20a and the second separation plate 20b formed between the cooling water flow path 26.

또한, 상기 제1 및 제2분리판(20a,20b)의 테두리 부분에는 반응기체의 외부 유출을 방지하는 동시에 각 유체의 밀폐성을 제공하여 주며, 각 분리판의 적층시 지지 역할을 하는 가스켓(18)이 삽입 부착된다.In addition, the edge portion of the first and second separation plates (20a, 20b) prevents the outflow of the reactor body and at the same time provides a seal of each fluid, gasket (18) that serves as a support for the stacking of each separation plate ) Is inserted and attached.

따라서, 분리판(20a,20b)의 수소, 공기, 냉각수 매니폴드를 통해 유입된 유체가 각각 수소 반응유로(22)와, 산소 반응유로(24)와, 냉각수 유로(26)로 공급되어지며, 각 반응유로는 기체확산층(16)이 마주보며 위치하는 바, 이 기체확산층은 반응이 일어나는 이온교환막 즉, 그 안쪽에 위치하는 전해질막에 반응기체인 수소 및 공기를 균일하게 분배해주는 역할을 한다.Accordingly, the fluid introduced through the hydrogen, air, and cooling water manifolds of the separation plates 20a and 20b is supplied to the hydrogen reaction passage 22, the oxygen reaction passage 24, and the cooling water passage 26, respectively. Each reaction flow path is located with the gas diffusion layer 16 facing each other, and the gas diffusion layer serves to uniformly distribute hydrogen and air, which are reactive gas, to the ion exchange membrane where the reaction takes place, that is, the electrolyte membrane located therein.

그러나, 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이 각 분리판(20a,20b)의 테두리쪽인 외곽쪽 반응유로(28a,28b), 즉 가스켓(18)과 접하고 있는 외곽쪽 반응유로(28a,28b)내에는 기체확산층(16)이 위치하고 있지 않아, 결과적으로 전기 생성을 위한 반응 자체가 일어나지 않게 되는 외곽쪽 반응유로에 불필요한 기체(수소 또는 공기)가 흐르게 되어, 스택 출력에 제약이 발생할 수 있는 문제점이 있다.However, as shown in FIG. 4, the outer reaction flow paths 28a and 28b, that is, the outer reaction flow paths 28a and 28b which are in contact with the gaskets 18, which are the edges of the respective separation plates 20a and 20b. The gas diffusion layer 16 is not located inside, and as a result, unnecessary gas (hydrogen or air) flows into the outer reaction flow path where the reaction itself for generation of electricity does not occur, which may cause a limitation in stack output. have.

또한, 냉각유로중 그 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)에도 필요 이상의 냉각수가 흐르게 되어, 실제 냉각을 필요로 하는 중앙쪽 반응유로쪽과 접하는 냉각유로내에 냉각수 흐름량이 저하될 수 있다.In addition, the cooling water flows more than necessary to the outer cooling water flow paths 32a and 32b of the cooling flow path, so that the amount of cooling water flows in the cooling flow path that is in contact with the central reaction flow path requiring actual cooling.

이렇게 실제 기체 반응이 발생하지 않는 외곽쪽 반응유로 및 냉각수유로는 가스켓 제조 공정으로 인하여 금형 설계상 생성된 면적이다.The outer reaction flow path and the cooling water flow path, in which the actual gas reaction does not occur, are the area generated by the mold design due to the gasket manufacturing process.

즉, 분리판에 가스켓을 부착하는 공정을 위하여, 분리판(20a,20b)의 외곽부에 가스켓 금형(40)의 클램핑(clamping) 허용면적이 필요하지만, 가스켓 금형(40)이 맞물리는 실제 클램핑 면적보다 더 큰 클램핑 면적부(50)가 분리판의 외곽부에 형성됨에 따라, 실제 기체 반응이 발생하지 않는 필요 이상의 반응기체가 흐르는 외곽쪽 반응유로(28a,28b) 및 필요 이상의 냉각수가 흐르는 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)가 만들어지게 된다.That is, for the process of attaching the gasket to the separator plate, although the allowable clamping area of the gasket mold 40 is required on the outer portions of the separator plates 20a and 20b, the actual clamping of the gasket mold 40 is engaged. As the clamping area 50 larger than the area is formed at the outer side of the separator plate, the outer reaction flow paths 28a and 28b and the outer side through which the required coolant flows, and the coolant flows more than necessary, in which no actual gas reaction occurs. The side cooling water flow paths 32a and 32b are made.

이와 같이, 불필요한 반응기체(수소 또는 공기)가 외곽쪽 반응유로에 흐름에 따라, 첫째 이온교환막에 도달하지 않고 바이패스(By-pass)되는 불필요한 반응기체가 발생함으로써, 반응기체의 분배성이 떨어지게 되고, 둘째 반응기체의 압력이 떨어짐으로써 기체확산층을 통해 이온교환막에 도달하는 반응기체의 양이 감소하게 되어 전체적인 스택 시스템의 효율을 저하시키는 문제점이 있다. As such, as unnecessary reactor gas (hydrogen or air) flows to the outer reaction flow path, unnecessary reactor gas is bypassed without reaching the first ion exchange membrane, thereby reducing the distribution of the reactor gas. And, second, the pressure of the reactor is lowered, the amount of the reactor to reach the ion exchange membrane through the gas diffusion layer is reduced, there is a problem that lowers the efficiency of the overall stack system.

또한, 불필요한 냉각수가 외곽쪽 냉각수유로를 흐르게 됨에 따라, 분리판의 냉각 균일성이 저하되는 단점이 있다. In addition, as unnecessary cooling water flows through the outer cooling water flow path, there is a disadvantage in that the cooling uniformity of the separator is lowered.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 분리판의 유로 구조를 가스켓 금형의 클램핑 면적을 최소화시키는 동시에 분리판의 외곽쪽으로 흐르는 반응기체와 냉각수의 흐름량을 최소화시키는 구조로 개선하여, 실제 전기 생성을 위해 반응하지 않고 바이패스되는 반응기체 및 냉각수 유량을 최소화하여, 반응기체 및 냉각수의 균일 분배를 통해 연료전지 스택의 출력 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 스택용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, and the flow path structure of the separator plate is improved to minimize the clamping area of the gasket mold and at the same time minimize the flow rate of the reactant and cooling water flowing to the outside of the separator plate, The present invention provides a separator for a fuel cell stack that minimizes the flow rate of the reactor gas and the cooling water that is bypassed without reacting to generate electricity, thereby improving the output performance of the fuel cell stack through the uniform distribution of the reactor gas and the cooling water. There is a purpose.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가스켓과 접하는 분리판의 외곽쪽 냉각수유로 구간중 일부 구간을 외곽쪽 반응면쪽으로 돌출시켜 외곽쪽 반응유로의 면적을 최소화시키는 동시에 외곽쪽 반응유로내를 흐르는 반응기체의 바이패스 량을 최소화시키고; 상기 가스켓과 접하는 분리판의 외곽쪽 반응유로 구간중 일부 구간을 외곽쪽 냉각수면쪽으로 돌출시켜 외곽쪽 냉각수유로의 면적을 최소화시키는 동시에 외곽쪽 냉각수유로내를 흐르는 냉각수의 바이패스 량을 최소화시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention protrudes a portion of the outer cooling water flow passage section of the separator contacting the gasket toward the outer reaction surface to minimize the area of the outer reaction flow passage and at the same time the reaction flowing in the outer reaction flow passage. Minimize the amount of gas bypass; Some sections of the outer reaction flow path sections of the separator contacting the gasket protrude toward the outer cooling water surface to minimize the area of the outer cooling water channel and minimize the amount of bypass of the cooling water flowing in the outer cooling water channel. A separator for a fuel cell stack is provided.

바람직한 일 구현예로서, 상기 외곽쪽 냉각수유로를 이루면서 가스확산층에 밀착되는 랜드부 면적을 증가시키는 동시에 외곽쪽 반응유로를 이루는 채널부의 면적을 감소시켜서, 외곽쪽 반응유로의 면적을 최소화시키는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the area of the outer reaction channel is minimized by increasing the area of the land portion in close contact with the gas diffusion layer while forming the outer cooling water channel and reducing the area of the channel portion constituting the outer reaction channel. do.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 외곽쪽 반응유로를 이루는 채널부의 면적을 증가시키는 동시에 외곽쪽 냉각수유로를 이루면서 가스확산층에 밀착되는 랜드부 면적을 감소시켜서, 외곽쪽 냉각수유로의 면적을 최소화시키는 것을 특징으로 한다.In another preferred embodiment, by increasing the area of the channel portion constituting the outer reaction flow path and at the same time to reduce the land area in close contact with the gas diffusion layer while forming the outer cooling water flow path, it minimizes the area of the outer cooling water flow path do.

특히, 상기 가스켓과 접하는 분리판의 외곽단부에 형성되는 가스켓 금형의 클램핑 허용면적은 가스켓 금형이 맞물리는 실제 클램핑 면적과 동일하게 형성된 것을 특징으로 한다.In particular, the clamping allowable area of the gasket mold formed on the outer end portion of the separator plate in contact with the gasket is the same as the actual clamping area to which the gasket mold is engaged.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above problem solving means, the present invention provides the following effects.

본 발명에 따르면, 가스켓과 인접하는 분리판의 외곽(테두리)쪽 반응유로 및 냉각수유로의 일부 구간에 대한 단면적을 감소시키고, 가스켓 부착을 위한 금형 클램핑 면적을 최소화시켜서, 분리판의 외곽쪽 유로를 흐르는 반응기체와 냉각수의 흐름량을 최소화시킬 수 있고, 그에 따라 실제 전기 생성을 위해 반응하지 않고 바이패스되는 반응기체 및 냉각수 유량을 최소화시켜서 반응기체 및 냉각수의 균일 분배를 통해 연료전지 스택의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the outer flow path of the separator plate is reduced by reducing the cross-sectional area of a part of the reaction flow path and the cooling water flow path on the outer side of the separator plate adjacent to the gasket and minimizing the mold clamping area for attaching the gasket. It is possible to minimize the flow rate of the flowing reactant fluid and the cooling water, thereby minimizing the flow rate of the reactant fluid and the coolant that is bypassed without reacting for actual electricity generation, thereby improving the output performance of the fuel cell stack through the uniform distribution of the reactant fluid and the coolant. Can be improved.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판을 나타내는 단면도로서, 미설명부호 34,36,38은 각각 수소 매니폴드, 공기 매니폴드, 냉각수 매니폴드를 나타낸다.1 is a cross-sectional view illustrating a separator for a fuel cell stack according to the present invention, and reference numerals 34, 36, and 38 denote hydrogen manifolds, air manifolds, and cooling water manifolds, respectively.

도 1에서, A-A선 단면은 분리판(20)에 가스켓을 일체로 사출할 때, 그 사출 금형이 클램핑되는 클램핑 면적부를 최소한의 면적으로 남겨두고, 동시에 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)를 외곽쪽 반응면(28a,28b) 쪽으로 돌출시켜, 외곽쪽 반응유로(28a,28b)내를 흐르는 반응기체(수소 또는 산소)가 기체확산층(16)과 접하지 않고 바이패스되는 것을 최소화시킴으로써, 반응기체의 분배성을 향상시킬 수 있는 구조를 나타낸다.In FIG. 1, the cross section along the AA line leaves the clamping area where the injection mold is clamped when the gasket is integrally injected to the separator 20 with a minimum area, and at the same time the outer cooling water flow paths 32a and 32b By protruding toward the side reaction surfaces 28a and 28b, the reactor body (hydrogen or oxygen) flowing in the outer reaction passages 28a and 28b is minimized by bypassing without contacting the gas diffusion layer 16. The structure which can improve the distribution property of is shown.

즉, 상기 가스켓 사출 금형(40)에 의하여 사출 성형되는 가스켓(18)과 인접 하면서 분리판(20)의 길이방향을 따라 형성되는 분리판의 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b: 분리판의 가장 바깥쪽에 형성되는 냉각수 유로) 구간중 그 일부 구간을 외곽쪽 반응면(28a,28b: 가스켓의 클램핑 면적부와 외곽쪽 냉각수유로 사이에 형성되는 반응유로)쪽으로 돌출시켜, 외곽쪽 반응면(28a,28b)의 단면적을 최소화시킬 수 있고, 그에 따라 외곽쪽 반응면(28a,28b)내를 흐르는 반응기체의 바이패스 량을 감소시킬 수 있다.That is, the outer cooling water flow paths 32a and 32b of the separation plate are formed along the longitudinal direction of the separation plate 20 while adjacent to the gasket 18 injection-molded by the gasket injection mold 40. Part of the section of the cooling water flow path formed on the side is projected toward the outer reaction surfaces 28a and 28b (reaction flow path formed between the clamping area of the gasket and the outer cooling water flow path) and the outer reaction surfaces 28a and 28b. Cross-sectional area can be minimized, thereby reducing the amount of bypass of the reactor flowing through the outer reaction surfaces 28a and 28b.

보다 상세하게는, 상기 외곽쪽 반응유로(28a,28b)의 단면적을 최소화시키는 방법은 분리판(20)의 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)를 이루면서 가스확산층(16)에 밀착되는 랜드부(42) 면적을 증가시키는 동시에 외곽쪽 반응유로(28a,28b)를 이루는 채널부(44)의 면적을 감소시킴으로써, 분리판(20)의 가장 바깥쪽 즉, 가스켓(18)의 클램핑 면적부(50)와 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b) 사이에 형성되는 외곽쪽 반응유로(28a,28b)의 단면적을 최소화시킬 수 있다.More specifically, the method of minimizing the cross-sectional area of the outer reaction flow paths 28a and 28b forms a land portion in close contact with the gas diffusion layer 16 while forming the outer cooling water flow paths 32a and 32b of the separation plate 20. 42) By increasing the area and reducing the area of the channel portion 44 constituting the outer reaction flow paths 28a and 28b, the clamping area 50 of the outermost portion of the separator plate 20, that is, the gasket 18, is reduced. ) And the cross-sectional areas of the outer reaction flow passages 28a and 28b formed between the outer cooling water flow passages 32a and 32b.

이때, 종래에는 가스켓 금형(40)이 맞물리는 실제 클램핑 면적보다 더 큰 클램핑 면적부(50)가 분리판(20)의 외곽부에 형성되었지만, 본 발명에서는 가스켓(18)과 접하는 분리판(20)의 외곽단부에 형성되는 가스켓 금형(40)의 클램핑 허용면적 즉, 클램핑 면적부(50)가 가스켓 금형(40)이 실제 맞물리는 클램핑 면적과 동일한 수준으로 형성된다.At this time, although the clamping area 50 which is larger than the actual clamping area where the gasket mold 40 is engaged is formed in the outer part of the separator 20, in the present invention, the separator 20 is in contact with the gasket 18. The clamping allowable area, that is, the clamping area 50 of the gasket mold 40 formed at the outer end of the c) is formed at the same level as the clamping area where the gasket mold 40 is actually engaged.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판의 반응기체 유동해석 시험 결과를 종래와 비교하여 나타낸 그래프로서, 도 2에 나타낸 A-B선에서의 반응기체 흐름 유동을 측정한 결과이다.FIG. 2 is a graph showing a result of a reaction fluid analysis test of a separator plate for a fuel cell stack according to the present invention in comparison with the conventional art, and is a result of measuring the flow rate of the reaction gas in the A-B line shown in FIG. 2.

도 2에서 보듯이, 기존 분리판의 반응기체 유동 해석의 경우, 도 4에 나타낸 외곽쪽 반응유로(32a,32b)내에서 반응기체의 유동이 높게 나타나는데 비해서, 도 1의 A-A단면에 나타낸 본 발명의 외곽쪽 반응유로(32a,32b)내에서의 반응기체 유동은 기존 대비 낮은 것으로 해석되었으며, 이로 인해서 나머지 반응유로를 통해 반응기체가 균일하게 분배되며, 그 분배양이 증가하는 것으로 해석되었다.As shown in FIG. 2, in the case of the reaction gas flow analysis of the conventional separation plate, the flow rate of the reaction gas is high in the outer reaction flow paths 32a and 32b shown in FIG. 4. The flow of the reactor in the outer reaction flow paths 32a and 32b of was interpreted to be lower than that of the conventional one, and thus, the reaction fluid was uniformly distributed through the remaining reaction flow paths, and the distribution amount was increased.

기존에는 분리판의 외곽쪽 반응유로를 흐르는 반응기체 양 즉, 기체확산층과 접하지 않아 반응하지 않고 그대로 바이패스되는 반응기체 양이 크고, 결과적으로 연료전지 스택에 주입된 반응기체 중에 반응하지 않고 스택을 통과하여 나오는 반응기체가 발생되어 스택의 출력이 떨어지는 단점이 있었지만, 본 발명의 유로 구조가 적용된 경우에는 최소 단면적으로 축소된 외곽쪽 반응유로를 통과하여 반응하지 않고 배출되는 반응기체의 양이 최소화되어, 반응기체의 반응 효율을 증대시키는 동시에 스택의 출력 향상을 도모할 수 있다.Conventionally, the amount of the reaction gas flowing through the outer reaction flow path of the separator plate, that is, the amount of the reaction gas bypassed as it is not in contact with the gas diffusion layer, is large, and as a result, the reaction gas is not reacted in the reaction gas injected into the fuel cell stack. Although there was a disadvantage in that the output of the stack was lowered due to the generation of the reactor gas passing through the reactor, in the case where the flow path structure of the present invention is applied, the amount of the reactor gas discharged without reacting through the outer reaction path reduced in the minimum cross-sectional area is minimized. This can increase the reaction efficiency of the reactor body and at the same time improve the output of the stack.

또한, 본 발명의 유로구조를 적용함에 따라, 외곽쪽 반응유로를 흐르는 반응기체가 감소하는 동시에 나머지 반응유로내를 흐르는 반응기체 흐름량이 증가하게 되므로, 반응기체의 분배성이 균일해지기 때문에, 반응에 의해 생성되는 물을 반응유로의 바깥쪽으로 효과적으로 배출시킬 수 있어, 스택 성능 향상 및 전압 안정성 개선에 일조할 수 있다.In addition, according to the flow path structure of the present invention, since the amount of reactive gas flowing in the outer reaction flow path decreases while the amount of reactive gas flowing in the remaining reaction flow path increases, the distribution of the reactive gas becomes uniform, so that the reaction The water produced by the effluent can be effectively discharged to the outside of the reaction flow path, thereby improving stack performance and improving voltage stability.

도 1에서, B-B선 단면은 분리판에 가스켓을 일체로 사출할 때, 그 사출 금형(40)이 클램핑되는 클램핑 면적부(50)를 최소한의 면적으로 남겨두고, 동시에 외곽쪽 반응유로(28a,28b)를 외곽쪽 냉각수면(32a,32b) 쪽으로 돌출시켜, 외곽쪽 냉 각수유로(32a,32b)내를 흐르는 냉각수 흐름량을 최소화하여, 나머지 냉각수유로에 대한 냉각수 분배성을 향상시킬 수 있도록 한 구조를 나타낸다.In Fig. 1, the cross-section of the line BB shows the clamping area 50 at which the injection mold 40 is clamped when the gasket is integrally injected to the separator plate with a minimum area and at the same time the outer reaction flow path 28a, 28b) protrudes toward the outer cooling water surfaces 32a and 32b to minimize the amount of cooling water flowing in the outer cooling water channels 32a and 32b, thereby improving the distribution of cooling water to the remaining cooling water channels. The structure is shown.

즉, 상기 가스켓 사출 금형(40)에 의하여 사출 성형되는 가스켓(18)과 인접하면서 분리판(20)의 길이방향을 따라 형성되는 분리판(20)의 외곽쪽 반응유로(28a,28b: 가스켓의 클램핑 면적부와 바로 인접하며 형성된 반응유로) 구간중 그 일부 구간을 외곽쪽 냉각수면(32a,32b: 분리판의 가장 바깥쪽에 형성되는 냉각수 유로)쪽으로 돌출시켜, 외곽쪽 냉각면(32a,32b)의 단면적을 최소화시킬 수 있고, 그에 따라 외곽쪽 냉각면내를 흐르는 냉각수의 바이패스 량을 감소시킬 수 있다.That is, the outer reaction flow paths 28a and 28b of the separator 20 are formed along the longitudinal direction of the separator 20 while adjacent to the gasket 18 injection-molded by the gasket injection mold 40. Some of the sections of the reaction flow passage formed immediately adjacent to the clamping area portion protrude toward the outer cooling water surfaces 32a and 32b (the cooling water flow channels formed on the outermost side of the separation plate), and the outer cooling surfaces 32a and 32b. It is possible to minimize the cross-sectional area of, thereby reducing the bypass amount of the cooling water flowing in the outer cooling surface.

보다 상세하게는, 상기 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)의 단면적을 최소화시키는 방법은 분리판(20)의 외곽쪽 반응유로(28a,28b)를 이루는 채널부(44)의 면적을 증가시키는 동시에 분리판(20)의 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)를 이루면서 가스확산층(16)에 밀착되는 랜드부(42)의 면적을 감소시킴으로써, 분리판(20)의 가장 바깥쪽에 위치하는 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)의 면적을 최소화시킬 수 있다.More specifically, the method of minimizing the cross-sectional area of the outer coolant flow paths 32a and 32b increases the area of the channel portion 44 which forms the outer reaction flow paths 28a and 28b of the separator plate 20. Outer coolant located at the outermost part of the separator 20 by reducing the area of the land portion 42 in close contact with the gas diffusion layer 16 while forming the outer coolant flow paths 32a and 32b of the separator 20. The area of the flow paths 32a and 32b can be minimized.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판의 냉각수 유동해석 시험 결과를 종래와 비교하여 나타낸 그래프로서, 도 3에 나타낸 A-B선에서의 냉각수 흐름 유동을 측정한 결과이다.FIG. 3 is a graph showing a comparison result of the cooling water flow analysis test results of the separator plate for fuel cell stack according to the present invention, which is a result of measuring the cooling water flow flow in the A-B line shown in FIG.

기존 분리판에 대한 냉각수 유동 해석의 경우, 도 4에 나타낸 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)에서의 냉각수 유동이 높게 나타나는데 비해서, 도 1의 B-B 단면에 나타낸 본 발명의 외곽쪽 냉각수유로(32a,32b)에서의 냉각수 유동은 기존 대비 낮은 것으로 해석되었으며, 이로 인해서 나머지 냉각수유로의 냉각수의 분배성이 개 선되어, 외곽쪽을 제외한 나머지 냉각수유로내의 냉각수 흐름이 증가하는 것으로 해석되었다.In the case of the analysis of the coolant flow for the existing separation plate, the coolant flow in the outer coolant flow paths 32a and 32b shown in FIG. 4 is high, whereas the outer coolant flow path 32a of the present invention shown in the BB section of FIG. The cooling water flow in 32b) was interpreted to be lower than that of the conventional one, and thus, the distribution of the cooling water to the remaining cooling water paths was improved, and the cooling water flow in the remaining cooling water paths except for the outer side was increased.

기존에는 분리판의 외곽쪽 냉각수유로를 흐르는 냉각수 양이 나머지 중앙부쪽 냉각수유로를 흐르는 양에 비해서 크기 때문에, 나머지 중앙부쪽 냉각수유로를 흐르는 냉각수의 양이 작아지는 바, 스택의 특성상 그 외곽쪽이 온도가 낮고 중앙쪽이 높지만 외곽쪽 냉각수유로의 냉각수 흐름량이 크기 때문에 스택의 냉각 효율이 떨어지는 단점이 있었지만, 본 발명의 냉각수유로가 적용된 경우 외곽쪽 냉각수유로의 냉각수 흐름양이 최소화되어, 나머지 중앙부쪽 냉각수유로의 냉각수 흐름량이 증가하게 되고, 결국 온도가 높은 스택의 중앙부에 대한 냉각 효율이 증가하여 스택의 성능이 개선될 수 있다.Conventionally, since the amount of cooling water flowing through the outer cooling water channel of the separator plate is larger than that flowing through the remaining central cooling water channel, the amount of cooling water flowing through the remaining central cooling water channel is reduced. Although the cooling efficiency of the stack was lowered due to the low and high central flow, but the amount of coolant flow in the outer coolant flow path is large, the amount of coolant flow in the outer coolant flow path is minimized when the coolant flow path of the present invention is applied, and the remaining central coolant flow is minimized. The flow rate of the coolant flow in the flow path is increased, and as a result, the cooling efficiency for the central portion of the high temperature stack is increased to improve the stack performance.

한편, 도 1에서 C-C선 단면은 직선 유로부에 대한 단면도로서, 분리판(20)의 외곽쪽 반응유로(28a,28b) 및 냉각수유로(32a,32b)의 일부 구간에 대한 단면적을 상기와 같이 감소시키되, 직선유로부에서의 외곽쪽 반응유로(28a,28b) 및 냉각수유로(32a,32b)의 단면적은 그 유체 흐름에 대한 흐름성이 좋기 때문에 기존 구조와 동일하게 형성시킬 수 있다.In FIG. 1, the cross-sectional view of the CC line is a cross-sectional view of a straight flow path portion, and the cross-sectional areas of some sections of the outer reaction flow paths 28a and 28b and the cooling water flow paths 32a and 32b of the separator 20 are as described above. The cross-sectional areas of the outer reaction flow paths 28a and 28b and the cooling water flow paths 32a and 32b in the linear flow path part may be reduced to have the same structure as the existing structure because of good flowability for the fluid flow.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판을 나타내는 단면도,1 is a cross-sectional view showing a separator for a fuel cell stack according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판의 반응기체 유동해석 시험 결과를 나타내는 그래프,2 is a graph showing a test result of a fluid flow analysis of a separator for a fuel cell stack according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 분리판의 냉각수 유동해석 시험 결과를 나타내는 그래프,3 is a graph showing a test result of cooling water flow analysis of a separator plate for fuel cell stack according to the present invention;

도 4는 종래의 연료전지 스택용 분리판 구조를 나타낸 단면도,4 is a cross-sectional view showing a structure of a separator plate for a conventional fuel cell stack;

도 5는 연료전지 스택의 구성을 설명하는 개략도.5 is a schematic diagram illustrating a configuration of a fuel cell stack.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 전해질막 12 : 공기극10: electrolyte membrane 12: air electrode

14 : 연료극 16 : 가스확산층14 fuel electrode 16 gas diffusion layer

18 : 가스켓 20 : 분리판18: Gasket 20: Separator

20a : 제1분리판 20b : 제2분리판20a: first separator 20b: second separator

22, 24 : 반응유로 26 : 냉각수유로22, 24: reaction flow path 26: cooling water flow path

28a,28b : 외곽쪽 반응유로 30 : 엔드 플레이트28a, 28b: outer reaction flow path 30: end plate

32a,32b : 외곽쪽 냉각수유로 34 : 수소 매니폴드32a, 32b: outer cooling water flow path 34: hydrogen manifold

36 : 공기 매니폴드 38 : 냉각수 매니폴드36: air manifold 38: coolant manifold

40 : 가스켓 금형 42 : 랜드부40: gasket mold 42: land part

44 : 채널부 50 : 클램핑 면적부44: channel portion 50: clamping area portion

Claims (4)

가스켓과 접하는 분리판의 외곽쪽 냉각수유로 구간중 일부 구간을 외곽쪽 반응면쪽으로 돌출시켜 외곽쪽 반응유로의 면적을 최소화시키는 동시에 외곽쪽 반응유로내를 흐르는 반응기체의 바이패스 량을 최소화시키고;Protruding some sections of the outer coolant flow path sections of the separator plate in contact with the gasket toward the outer reaction surface to minimize the area of the outer reaction flow path and at the same time minimizing the amount of bypass of the reactor flowing through the outer reaction flow path; 상기 가스켓과 접하는 분리판의 외곽쪽 반응유로 구간중 일부 구간을 외곽쪽 냉각수면쪽으로 돌출시켜 외곽쪽 냉각수유로의 면적을 최소화시키는 동시에 외곽쪽 냉각수유로내를 흐르는 냉각수의 바이패스 량을 최소화시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판.Some sections of the outer reaction flow path sections of the separator contacting the gasket protrude toward the outer cooling water surface to minimize the area of the outer cooling water channel and minimize the amount of bypass of the cooling water flowing in the outer cooling water channel. Separation plate for a fuel cell stack, characterized in that. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 외곽쪽 냉각수유로를 이루면서 가스확산층에 밀착되는 랜드부 면적을 증가시키는 동시에 외곽쪽 반응유로를 이루는 채널부의 면적을 감소시켜서, 외곽쪽 반응유로의 면적을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판.Separating the fuel cell stack for minimizing the area of the outer reaction flow path by increasing the area of the land portion in close contact with the gas diffusion layer while forming the outer cooling water flow path and reducing the area of the channel portion forming the outer reaction flow path plate. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 외곽쪽 반응유로를 이루는 채널부의 면적을 증가시키는 동시에 외곽쪽 냉각수유로를 이루면서 가스확산층에 밀착되는 랜드부 면적을 감소시켜서, 외곽쪽 냉각수유로의 면적을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판.Separation of the fuel cell stack by increasing the area of the channel portion constituting the outer reaction flow path and at the same time to reduce the land area close to the gas diffusion layer while forming the outer cooling water flow path, thereby minimizing the area of the outer cooling water flow path plate. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 가스켓과 접하는 분리판의 외곽단부에 형성되는 가스켓 금형의 클램핑 허용면적은 가스켓 금형이 맞물리는 실제 클램핑 면적과 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판.The clamping allowable area of the gasket mold formed on the outer end of the separator plate in contact with the gasket is formed equal to the actual clamping area to which the gasket mold is engaged.
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