KR20150027904A - 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료전지는, 셀, 분리판, 밀봉재, 및 집전체를 구비하는 단위전지가 복수 개 적층된 스택; 및 상기 스택의 체결압력 또는 작동온도에 의한 상기 밀봉재의 형상변형을 제한하도록 상기 분리판에 제공되는 차단부재;를 포함한다.
이와 같은 본 발명은, 스택의 체결압력 또는 작동온도에 의한 밀봉재의 형상변형을 제한하도록 분리판에 차단부재가 구성됨으로써, 입측 매니폴드, 출측 매니폴드, 연결 매니폴드에 통한 가스의 유동을 균일하게 할 수 있다.
이에 따라, 가스채널에 대한 가스의 분배가 균일하게 됨으로써, 균일한 전기화학적 반응과 온도분포를 구현할 수 있으며, 아울러, 열응력의 불균일로 인하여 발생하는 분리판의 열변형 또는 손상도 방지할 수 있다.

Description

연료전지{Fuel cell}

본 발명은 연료전지로서, 스택의 체결압력 또는 작동온도에 의한 밀봉재의 형상변형을 제한하도록 분리판에 차단부재가 구성되는 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전시스템으로, 예컨대 아노드(anode)측에 수소연료가 공급되고, 캐소드(cathode)에는 공기가 주입되며, 이들의 반응시 발생하는 화학적 에너지를 이용하여 전기적 에너지로 변환한다.

상기와 같은 연료전지에서 연료전지 스택은 셀, 분리판, 밀봉재 및 집전체로 구성된 단위전지를 연속적으로 적층하여 이루어진다.

이때, 상기 셀은 일반적으로 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극 및 연료극으로 이루어진다.

또한, 상기 분리판은 연료극과 공기극 가스채널이 형성되는데, 연료전지 스택에 유입되는 연료극 및 공기극 가스가 각 단위전지에 구비되어 있는 분리판의 홀 형상인 매니폴드를 통해 분리판의 연료극 및 공기극 가스채널로 유입된다.

그리고, 상기 밀봉재는 연료극 및 공기극의 혼합 및 스택 외부로의 가스누설을 차단하는 역할을 수행한다.

아울럴, 상기 집전체는 셀과 분리판의 전기적 연결이 원활하도록 공기극 측과 연료극 측에 각각 공기극 집전체와 연료극 집전체를 구비할 수 있다.

그러면, 구체적으로 종래기술에 따른 연료전지에 대해 도 1 내지 도 4를 참조하여 살펴보기로 한다.

도 1은 종래기술에 따른 분리판과, 상기 분리판에 체결되는 밀봉재를 각각 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 분리판에 밀봉재가 체결된 것을 나타낸 평면도이다. 또한, 도 3은 도 2의 분리판이 복수 개 적층되기 위해 상하 이격되게 배치된 사시도이고, 도 4는 도 3의 분리판 복수 개가 상하 압박되면서 적층된 것에서 A부분을 나타낸 확대도이다.

도면을 참조하면, 분리판(10)에는 가스가 유입되는 입측 매니폴드(11)와, 유입된 가스가 유출되는 출측 매니폴드(12)가 형성되고, 상하 가스채널을 연통시키기 위해 연결 매니폴드(13)가 형성된다. 아울러, 상기 분리판(10)에는 가스채널을 형성시키기 위해 돌출된 립(14)이 형성된다.

또한, 상기 밀봉재(20)는 분리판(10)과 분리판(10) 사이에 배치되어 분리판(10)들 사이에 형성된 가스채널로부터 가스가 외부로 누출되지 않도록 한다.

이때, 복수 개의 분리판(10)은 도 3에 도시된 바와 같이 서로 적층되기 위한 배치구조를 취한 후, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 상하 압박력이 작용하여 도 4(b)에 도시된 바와 같이 적층 체결하게 된다.

그런데, 상기와 같이 적층체결된 분리판(10)은 밀봉재(20)가 압박되는 과정에서 매니폴드에 간섭되는 문제점이 있다.

즉, 상기 밀봉재(20)는 분리판(10)이 적층되는 과정에서 체결압력으로 인하여 가스가 유동하는 매니폴드까지 횡방향으로 늘어지게 됨에 따라, 매니폴드를 통한 가스의 유동이 원활하지 않게 되고 이로 인하여, 분리판(10)에 형성된 가스채널에 대한 가스의 균일한 분배가 이루어지지 않게 되는 문제점이 있다. 아울러, 상기 밀봉재(20)는 연료전지 스택의 작동온도에 의해 가변됨에 따라, 상기와 같은 매니폴드에 대한 간섭이 발생할 수 있다.

연료전지 스택에 있어서 균일한 전기화학적 반응과 온도분포를 구현하는 과정에 있어서 가스의 균일한 분배가 가장 중요한데, 상기와 같이 매니폴드에 대한 밀봉재(20)의 간섭으로 인하여, 전기화학반응의 불균일이 발생하게 되는 문제점이 있다. 아울러, 연료가스 이용률이 떨어지고 이와 더불어 열응력의 불균일로 인하여 분리판(10)의 열변형 또는 손상도 발생할 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 스택의 체결압력 또는 작동온도에 의한 밀봉재의 형상변형을 제한하도록 분리판에 차단부재가 구성됨으로써, 입측 매니폴드, 출측 매니폴드, 연결 매니폴드에 통한 가스의 유동을 균일하게 할 수 있는 연료전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지는, 셀, 분리판, 밀봉재, 및 집전체를 구비하는 단위전지가 복수 개 적층된 스택; 및 상기 스택의 체결압력 또는 작동온도에 의한 상기 밀봉재의 형상변형을 제한하도록 상기 분리판에 제공되는 차단부재;를 포함한다.

이때, 상기 분리판의 테두리를 따라 상기 밀봉재가 배치되며, 상기 차단부재는 상기 분리판에서 상기 밀봉재의 내측에 배치될 수 있다.

구체적으로, 상기 밀봉재는 상기 분리판의 입측 매니폴드와 출측 매니폴드에 있어서 가스채널의 반대 측으로 이격되어 배치되며, 상기 차단부재는 상기 입측 매니폴드, 출측 매니폴드 각각에 대한 상기 밀봉재와의 이격공간에 배치될 수 있다.

또한, 상기 분리판에는 접하는 다른 층에 가스를 유동시키도록 연결 매니폴드가 형성되고, 상기 밀봉재는 상기 연결 매니폴드와 이격되어 둘러싸도록 배치되며, 상기 차단부재는 상기 연결 매니폴드에 대한 상기 밀봉재와의 이격공간에 배치될 수 있다.

한편, 상기 차단부재는 상기 분리판에 일체형으로서 돌출되어 형성되거나, 상기 분리판에 돌출되도록 부착체결될 수 있다.

아울러, 상기 차단부재는 비전도성 세라믹 소재로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지는, 스택의 체결압력 또는 작동온도에 의한 밀봉재의 형상변형을 제한하도록 분리판에 차단부재가 구성됨으로써, 입측 매니폴드, 출측 매니폴드, 연결 매니폴드에 통한 가스의 유동을 균일하게 할 수 있는 장점을 지닌다.

결과적으로, 가스채널에 대한 가스의 분배가 균일하게 됨으로써, 균일한 전기화학적 반응과 온도분포를 구현할 수 있으며, 아울러, 열응력의 불균일로 인하여 발생하는 분리판의 열변형 또는 손상도 방지할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 종래기술에 따른 분리판과, 상기 분리판에 체결되는 밀봉재를 각각 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 분리판에 밀봉재가 체결된 것을 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 분리판이 복수 개 적층되기 위해 상하 이격되게 배치된 사시도이다.
도 4는 도 3의 분리판 복수 개가 상하 압박되면서 적층된 것에서 A부분을 나타낸 확대도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지에서, 차단부재가 형성된 분리판 및 밀봉재를 각각 나타낸 평면도이다.
도 6은 도 5의 분리판에 밀봉재가 체결된 것을 나타낸 평면도이다.
도 7은 도 6의 분리판이 복수 개 적층되기 위해 상하 이격되게 배치된 사시도이다.
도 8은 도 7의 분리판 복수 개가 상하 압박되면서 적층된 것에서 B부분을 나타낸 확대도이다.

본 발명의 연료전지는, 스택의 체결압력 또는 작동온도에 의한 밀봉재의 형상변형을 제한하도록 분리판에 차단부재가 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지에서, 차단부재가 형성된 분리판 및 밀봉재를 각각 나타낸 평면도이rh, 도 6은 도 5의 분리판에 밀봉재가 체결된 것을 나타낸 평면도이다.

또한, 도 7은 도 6의 분리판이 복수 개 적층되기 위해 상하 이격되게 배치된 사시도이고, 도 8은 도 7의 분리판 복수 개가 상하 압박되면서 적층된 것에서 B부분을 나타낸 확대도이다.

도면을 참조하면, 본 발명은 단위전지가 적층되어 형성된 스택과, 상기 스택의 분리판(10)에 제공되는 차단부재(100)를 포함할 수 있다.

여기에서, 상기 스택은 셀, 분리판(10), 밀봉재(20), 및 집전체를 구비하는 단위전지가 복수 개 적층된 구조를 이룬다.

이때, 상기 밀봉재(20)는 밀봉을 위한 기능을 수행하기 위해 일정 정도의 탄성재질로 이루어지는데, 도 4에 도시된 바와 같이 스택의 체결압력에 의해 횡방향으로 늘어나는 형상변형이 발생하게 된다. 아울러, 비록 도면에 도시되지는 않았지만 스택의 작동온도에 의해서도 상기와 같은 형상변형이 발생하게 된다.

그리고, 상기 차단부재(100)는 스택의 체결압력 또는 작동온도에 의한 밀봉재(20)의 형상변형을 제한하도록 분리판(10)에 제공될 수 있다.

구체적으로, 상기 분리판(10)에 있어서 테두리를 따라 밀봉재(20)가 배치되는데, 상기 차단부재(100)는 분리판(10)에서 밀봉재(20)의 내측에 배치될 수 있다.

여기에서, 상기 밀봉재(20)는 분리판(10)의 입측 매니폴드(11)와 출측 매니폴드(12)에 있어서 가스채널의 반대 측으로 이격되어 배치되며, 상기 차단부재(100)는 입측 매니폴드(11), 출측 매니폴드(12) 각각에 대한 밀봉재(20)와의 이격공간에 배치될 수 있다.

이로 인하여, 도 8에 도시된 바와 같이 스택의 체결압력이 가해지거나 스택의 작동온도에 따라 상기 밀봉재(20)가 입측 매니폴드(11), 출측 매니폴더의 내측으로 형상변형되는 것을 차단하게 된다.

상기 분리판(10)에 있어서 가스는 입측 매니폴드(11)를 통해 유입된 후 복수 개의 립(14)에 의해 형성된 가스채널을 통과하여 출측 매니폴드(12)를 통해 유출하게 되는데, 이때 가스가 입측 매니폴드(11)(도 4에 도시)와 출측 매니폴드(12)를 통하여 유입하는 과정에서 형상변형된 밀봉재(20)에 의해 입측 매니폴드(11)가 간섭되게 된다.

이와 같이 간섭되는 밀봉재(20)를 차단하기 위해, 밀봉재(20)는 분리판(10)의 입측 매니폴드(11)와 출측 매니폴드(12)에 있어서 가스채널의 반대 측으로 이격되어 배치되며, 차단부재(100)는 입측 매니폴드(11), 출측 매니폴드(12) 각각에 대한 밀봉재(20)와의 이격공간에 배치됨으로써, 입측 매니폴드(11)와 출측 매니폴드(12)를 통한 가스의 유동을 균일하게 할 수 있다.

이로 인하여, 가스채널에 대한 가스의 분배가 균일하게 됨에 따라, 균일한 전기화학적 반응과 온도분포를 구현할 수 있다.

나아가, 본 발명의 상기 분리판(10)에는 접하는 다른 층에 가스를 유동시키도록 연결 매니폴드(13)가 형성되는데, 이때 상기 밀봉재(20)는 연결 매니폴드(13)와 이격되어 둘러싸도록 배치되며, 상기 차단부재(100)는 연결 매니폴드(13)에 대한 밀봉재(20)와의 이격공간에 배치될 수 있다.

이로 인하여, 도 8에 도시된 바와 같이 스택의 체결압력이 가해지거나 스택의 작동온도에 따라 상기 밀봉재(20)가 연결 매니폴드(13)의 내측으로 형상변형되는 것을 차단하게 된다.

상기 분리판(10)에 있어서 가스는 연결 매니폴드(13)를 통해 접하는 다른 층에 가스를 유동시키게 되는데, 이때 도 4에 도시된 바와 같이 가스가 연결 매니폴드(13)를 통하여 유입하는 과정에서 형상변형된 밀봉재(20)에 의해 연결 매니폴드(13)가 간섭되게 된다.

이와 같이 간섭되는 밀봉재(20)를 차단하기 위해, 상기 밀봉재(20)는 연결 매니폴드(13)와 이격되어 둘러싸도록 배치되며, 상기 차단부재(100)는 연결 매니폴드(13)에 대한 밀봉재(20)와의 이격공간에 배치됨으로써, 연결 매니폴드(13)를 통한 가스의 유동을 균일하게 할 수 있다.

이로 인하여, 분리판(10)에는 접하는 다른 층에서의 가스의 유동에 있어서 가스채널에 대한 가스의 분배가 균일하게 됨에 따라, 균일한 전기화학적 반응과 온도분포를 구현할 수 있다.

상기와 같은 기능을 수행하는 차단부재(100)는, 분리판(10)에 일체형으로서 돌출되어 형성되거나, 분리판(10)에 돌출되도록 부착체결될 수 있다.

즉, 상기 차단부재(100)는 분리판(10)의 입측 매니폴드(11), 출측 매니폴드(12), 연결 매니폴드(13)에 있어서 밀봉부재의 형상변형이 매니폴드를 간섭하는 것을 차단하도록 분리판(10)에 제공 시, 분리판(10)에 돌출되게 형성되되 분리판(10)의 제작 시 일체형으로 형성되거나 또는 분리판(10)에 별도로 부착체결시킬 수 있다.

한편, 상기 차단부재(100)는 비전도성 세라믹 소재로 이루어질 수 있다.

이는 단위전지에 있어서 전기는 전극을 통해서만 흘러야 하는데, 상기 차단부재(100)가 통전되게 되면 생성되는 전력이 저하되거나 생성이 전혀 이루어지지 않을 수 있다. 즉, 연료전지에 있어서 그 성능이 저하되거나 전혀 그 기능을 수행할 수 없게 될 수 있다.

이에 따라, 상기 차단부재(100)는 비전도성 세라믹 소재가 활용되는 것이 바람직하며, 나아가 본 발명에 의해 한정되지 않고 비전도성이면서도 내식성이 우수한 어떠한 재질로도 이루어질 수 있음은 물론이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은, 스택의 체결압력 또는 작동온도에 의한 밀봉재(20)의 형상변형을 제한하도록 분리판(10)에 차단부재(100)가 구성됨으로써, 입측 매니폴드(11), 출측 매니폴드(12), 연결 매니폴드(13)에 통한 가스의 유동을 균일하게 할 수 있다.

이에 따라, 가스채널에 대한 가스의 분배가 균일하게 됨으로써, 균일한 전기화학적 반응과 온도분포를 구현할 수 있으며, 아울러, 열응력의 불균일로 인하여 발생하는 분리판(10)의 열변형 또는 손상도 방지할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

10 : 분리판 11 : 입측 매니폴드
12 : 출측 매니폴드 13 : 연결 매니폴드
14 : 립 20 : 밀봉재
100 : 차단부재

Claims (6)

1. 셀, 분리판(10), 밀봉재(20), 및 집전체를 구비하는 단위전지가 복수 개 적층된 스택; 및
   상기 스택의 체결압력 또는 작동온도에 의한 상기 밀봉재(20)의 형상변형을 제한하도록 상기 분리판(10)에 제공되는 차단부재(100);
   를 포함하는 연료전지.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 분리판(10)의 테두리를 따라 상기 밀봉재(20)가 배치되며,
   상기 차단부재(100)는 상기 분리판(10)에서 상기 밀봉재(20)의 내측에 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 밀봉재(20)는 상기 분리판(10)의 입측 매니폴드(11)와 출측 매니폴드(12)에 있어서 가스채널의 반대 측으로 이격되어 배치되며,
   상기 차단부재(100)는 상기 입측 매니폴드(11), 출측 매니폴드(12) 각각에 대한 상기 밀봉재(20)와의 이격공간에 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 분리판(10)에는 접하는 다른 층에 가스를 유동시키도록 연결 매니폴드(13)가 형성되고, 상기 밀봉재(20)는 상기 연결 매니폴드(13)와 이격되어 둘러싸도록 배치되며,
   상기 차단부재(100)는 상기 연결 매니폴드(13)에 대한 상기 밀봉재(20)와의 이격공간에 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지.
   
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 차단부재(100)는 상기 분리판(10)에 일체형으로서 돌출되어 형성되거나, 상기 분리판(10)에 돌출되도록 부착체결된 것을 특징으로 하는 연료전지.
   
6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 차단부재(100)는 비전도성 세라믹 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지.
   

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