KR20180068657A - 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.
상기 연료전지용 분리판은, 반응가스의 이동통로인 유로가 형성된 채널부와, 상기 채널부의 가장자리에 관통 형성되고, 상기 유로와 연통되어, 상기 채널부에 상기 반응가스를 유출입시키는 매니폴드부와, 상기 채널부와 상기 매니폴드부 사이에 상기 반응가스가 이동하도록, 상기 채널부와 상기 매니폴드부를 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 매니폴드부는, 상기 반응가스를 상기 채널부로 유입시키고, 상기 채널부의 하부에 관통 형성된 입구 매니폴드와, 상기 반응가스를 상기 채널부로부터 외부로 배출시키고, 상기 채널부의 상부에 관통 형성된 출구 매니폴드를 포함하되, 상기 출구 매니폴드의 하면은, 연료전지 반응에 의해 생성되어 상기 연결부를 통해 유입된 응축수가, 상기 연결부와 연결되지 않은 부분으로 이동하도록, 상기 연결부와 연결되지 않은 부분을 향하여 하향 경사지게 형성된 제1 경사부를 포함할 수 있다.

Description

연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택{SEPARATOR FOR FUEL CELL AND FUEL CELL STACK USING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함한 연료전지 스택에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에서 발생되어 상부의 매니폴드로 도입된 응축수의 흐름을 원활하게 하여 플러딩 발생을 최소화하는 연료전지용 분리판 및 이를 포함한 연료전지 스택에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는, 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 통해 전기를 발생시키는 장치로, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있다. 또한 반응 생성물이 순수 물이기 때문에 친환경적인 동력원으로 현재 자동차 업계에서 활발한 연구가 진행 중이다.
연료전지는 큰 동력을 얻기 위해 개별로 구성된 일정한 범위의 전압을 갖는 셀을 여러장 적층(Stacking) 함으로 전기적으로 큰 에너지를 얻을 수 있다. 이렇게 개별 구성품을 하나하나 쌓은 것을 연료전지 스택이라 부르고, 일반적으로 수 백장 이상 쌓아 연료전지 차량을 구동할 수 있도록 한다.
연료전지 스택 내 셀은 전기화학 반응과 수소이온 통로가 되는 막-전극 접합체와, 반응 가스 및 전자를 이동시키는 분리판과, 반응 가스를 전극에 고르게 분해해주는 가스확산층 및, 적층 시 반응가스로 사용되는 수소, 공기, 냉각수를 각각 격리하고 외부로 세어나가는 것을 막기 위한 가스켓으로 구성된다. 막-전극 접합체는 다시 전해질 막과 전극으로 나누어 지는데, 여기에 사용되는 전해질 막은 고체 고분자를 많이 사용하고, 일반적으로 연료전지 성능에 큰 영향을 미치는 이온 전도성을 낮추기 위해 얇은 막을 사용하게 된다.
고분자 전해질 연료전지의 일반적인 운전온도는 사용되는 고분자 막의 특성 때문에 약 -30~80℃의 온도 범위에서 운전된다. 고분자 막은 높은 성능 발현을 위해 전도성 확보가 필요하다. 이러한 전도성에 가장 큰 영향을 미치는 것이 물의 함량이다. 셀 내 존재하는 과량의 물은 연료전지 운전시 성능 및 내구에 나쁜 영향을 미치게 된다. 이를 홍수 현상(Flooding)이라고 한다. 성능 측면에서 과량의 물은 반응 가스의 전극으로의 도달을 방해하기 때문에 물질 전달 저항을 크게 증가시켜서, 성능 감소 및 셀 전압 떨림 현상(Fluctuation)을 일으키게 된다. 또한 내구 측면에서, 과량 존재하는 물, 특히 애노드에 존재하는 물은 국부적인 애노드 전극의 카본 부식뿐만 아니라 캐소드 전극의 카본부식에 까지 영향을 미칠 수 있고, 그것은 연료전지 차량 성능의 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 그 방지 대책이 필요하다.
연료전지 스택을 제조하고 운전함에 있어 유량 공급 불균일성은 셀 디자인 및 품질편차에 따라 발생될 수 있다. 도 1은 공기를 아래에서 위로 공급하는 형태의 연료전지 스택을 도시한 도면이고, 도 2은 공기 상향식 분리판을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 스택(1)은, 적층되는 복수의 단위 셀(2)과, 최외측 단위 셀(2)에 결합되는 클로즈형 엔드플레이트(3a)와 오픈형 엔드플레이트(3b)를 포함할 수 있다. 오픈형 엔드플레이트(3b)에는 공기가 유출입되는 공기입구(4IN) 및 공기출구(4OT)와, 수소가 유출입되는 수소입구(5IN) 및 수소출구(5OT)와, 냉각수가 유출입되는 냉각수입구(6IN) 및 냉각수출구(6OT)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 분리판은 공기입구(4IN) 및 공기출구(4OT)와 연통되는 공기 입구 매니폴드(7IN) 및 공기 출구 매니폴드(7OT)와, 수소입구(5IN) 및 수소출구(5OT)와 연통되는 수소 입구 매니폴드(8IN) 및 수소 출구 매니폴드(8OT)를 포함할 수 있다. 그리고, 냉각수입구(6IN) 및 냉각수출구(6OT)와 연통되는 냉각수 입구 매니폴드(9IN) 및 냉각수 출구 매니폴드(9OT)를 포함할 수 있다.
공기 상향식 분리판 및 연료전지 스택(1)은, 무가습 또는 저가습 특성을 좋게 하는 이점이 있는 반면, 수평으로 공급되는 경우에 비해, 중력에 의해 물배출이 용이하지 않아 플러딩 현상이 발생할 가능성이 높다(도 2의 공기 출구 매니폴드 참조). 특히, 연료전지 스택(1)의 출구 방향으로 흘러가는 물이 더 많이 모임으로써 스택 출구 부분에 위한 분리판 유로의 가스 차압을 더 높이게 된다. 이렇게 높아진 가스 차압에 의해 가스 공급속도는 늦어지고, 이 부분에서의 플러딩은 가속화되는 문제가 있다.
도 3은 일 례로, 공기 상향 공급 분리판을 적용한 연료전지 스택(1)을 이용하여, 플러딩이 발생하는 30℃ 조건에서 측정된 다수의 셀 전압 분포 특성 결과를 나타내는 그래프이다. 도 3에서 셀 번호의 숫자가 작을수록 스택의 출구측(오픈형 엔드플레이트 측)에 인접하게 배치된다. 또한 도 4는 도 1에 도시된 연료전지 스택(1)의 측단면을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4에서, 상측으로 향하는 화살표의 굵기는 하부에서 상부로 이동하는 반응가스의 유량을 의미하며, 빗금친 부분은 출구 매니폴드측에 잔존하는 응축수의 잔존수 량을 의미한다.
도 3 및 도 4에 도시된 실시예와 같이, 각각의 셀의 분리판의 가스 출구 매니폴드로 배출된 응축수는 스택의 출구 부분으로 모이게 됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 출구 매니폴드에서 스택 출구 측에 응축수가 더 많이 분포되고, 이에 따라, 스택의 출구 측으로 갈수록 채널부를 통과하는 반응가스의 유량의 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 그래프와 같이, 스택의 출구 측에 배치된 셀의 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 응축수의 배출을 용이하게 하여 플러딩(Flooding) 현상을 최소화하는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 적층되는 다수의 셀에서의 가스 흐름 불균일도를 낮춤으로써 연료전지 스택의 성능을 향상시키는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은, 반응가스의 이동통로인 유로가 형성된 채널부와, 상기 채널부의 가장자리에 관통 형성되고, 상기 유로와 연통되어, 상기 채널부에 상기 반응가스를 유출입시키는 매니폴드부와, 상기 채널부와 상기 매니폴드부 사이에 상기 반응가스가 이동하도록, 상기 채널부와 상기 매니폴드부를 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 매니폴드부는, 상기 반응가스를 상기 채널부로 유입시키고, 상기 채널부의 하부에 관통 형성된 입구 매니폴드와, 상기 반응가스를 상기 채널부로부터 외부로 배출시키고, 상기 채널부의 상부에 관통 형성된 출구 매니폴드를 포함하되, 상기 출구 매니폴드의 하면은, 연료전지 반응에 의해 생성되어 상기 연결부를 통해 유입된 응축수가, 상기 연결부와 연결되지 않은 부분으로 이동하도록, 상기 연결부와 연결되지 않은 부분을 향하여 하향 경사지게 형성된 제1 경사부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 입구 매니폴드는, 공급된 공기를 상기 채널부로 유입시키는 공기 입구 매니폴드이고, 상기 출구 매니폴드는, 상기 공기를 상기 채널부로부터 외부로 배출시키는 공기 출구 매니폴드일 수 있다.
바람직하게, 상기 입구 매니폴드는, 공급된 수소를 상기 채널부로 유입시키는 수소 입구 매니폴드이고, 상기 출구 매니폴드는, 상기 수소를 상기 채널부로부터 외부로 배출시키는 수소 출구 매니폴드일 수 있다.
바람직하게, 상기 출구 매니폴드의 하면은, 상기 연결부와 연결된 부분인 제1 영역과, 상기 제1 영역에서 연장되며, 상기 연결부에 연결되지 않은 부분인 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 영역은, 상기 제1 영역을 포함하는 상기 제1 경사부에서, 하측으로 단차지게 요입 형성된 단차부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지 스택은, 전해질막과 연료극 및 공기극을 구비하는 막 전극 어셈블리와, 상기 막 전극 어셈블리의 양측에 배치되는 분리판을 포함하고, 적층되는 다수의 단위 셀과, 다수의 상기 단위 셀의 적층방향 양측에 결합되어 다수의 상기 단위 셀을 체결하고, 반응가스가 유출입되는 입구부와 출구부가 관통 형성된 엔드플레이트를 포함하되, 상기 분리판은, 상기 반응가스의 이동통로인 유로가 형성된 채널부와, 상기 유로와 연통되고, 상기 입구부와 연결되며, 상기 반응가스를 상기 채널부로 유입시키고, 상기 채널부의 하부에 관통 형성된 입구 매니폴드와, 상기 출구부와 연결되며, 상기 반응가스를 상기 채널부로부터 외부로 배출시키고, 상기 채널부의 상부에 관통 형성된 출구 매니폴드를 포함하는 매니폴드부와, 상기 채널부와 상기 매니폴드부 사이에 상기 반응가스가 이동하도록, 상기 채널부와 상기 매니폴드부를 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 출구 매니폴드의 하면은, 연료전지 반응에 의해 생성되어 상기 연결부를 통해 유입된 응축수가, 상기 연결부와 연결되지 않은 부분으로 이동하도록, 상기 연결부와 연결되지 않은 부분을 향하여 하향 경사지게 형성된 제1 경사부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 다수의 상기 단위 셀이 적층될 때, 다수의 상기 분리판에 형성된 상기 출구 매니폴드들은, 서로 연결되어 배출통로를 형성하고, 상기 배출통로는, 상기 배출통로의 하면에, 다수의 상기 제1 경사부들이 연결되어 형성된 제1 경사면을 포함하는, 연료전지용 분리판을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 출구 매니폴드의 하면은, 상기 연결부와 연결된 부분인 제1 영역과, 상기 제1 영역에서 연장되며, 상기 연결부에 연결되지 않은 부분인 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 영역은, 상기 제1 영역을 포함하는 상기 제1 경사부에서, 하측으로 단차지게 요입 형성된 단차부를 포함하며, 상기 배출통로는, 다수의 상기 단차부들이 연결되어, 다수의 상기 단위 셀이 적층되는 방향을 따라 형성되고, 상기 제1 경사면과 연결되어 상기 제1 경사면을 따라 이동하여 유입된 상기 응축수를 배출시키는 응축수 배출홈을 더 포함하는, 연료전지용 분리판을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 응축수 배출홈의 하면은, 상기 반응가스의 흐름 방향으로 하향 경사지게 형성된 제2 경사면을 포함하는, 연료전지용 분리판을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 응축수 배출홈의 하면에 밀착되게 삽입되고, 상기 반응가스의 흐름 방향으로 하향 경사지게 형성된 제2 경사면이 형성된 삽입체를 더 포함하는, 연료전지용 분리판을 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택은, 공기 출구 매니폴드로 이동한 응축수가, 제1 경사부에 의해 빠르게 제2 영역으로 이동하므로, 중력에 의해 채널부로 다시 유입되는 것을 방지함으로써, 응축수를 외부로 용이하게 배출할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지 스택은, 응축수의 배출이 용이하므로 플러딩(Flooding) 현상을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택은, 연료전지 스택의 출구부로 응축수가 모여서 스택 출구부의 가스의 흐름을 방해하는 것을 방지하므로, 다수의 셀에 구비된 각각의 분리판에서의 가스 차압 편차를 최소화할 수 있다. 따라서, 다수의 셀에서의 가스 흐름 불균일도를 낮춤으로써, 결과적으로 연료전지 스택의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 공기 상향식 연료전지 스택을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 적용되는 공기 상향식 분리판을 도시한 도면이다.
도 3은 공기 상향식 연료전지 스택에서 다수의 셀 전압 분포 특성 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지 스택의 측단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료전지용 분리판의 전면을 도시한 전면도이다.
도 6은, 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료전지 스택에 적용되는 배출통로를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 의한 연료전지용 분리판의 전면을 도시한 전면도이다.
도 8은 도 7의 부분 확대도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 의한 연료전지 스택에 적용되는 배출통로를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 의한 연료전지 스택의 측단면을 나타내는 측단면도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 의한 연료전지용 분리판의 전면을 도시한 전면도이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 의한 연료전지용 분리판의 전면을 도시한 전면도이다.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 연료전지용 분리판 및 이를 포함한 연료전지 스택의 기술적인 특징을 이해시키기에 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예들에 의하여 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(10)은, 적층되는 다수의 단위 셀(20)과, 엔드플레이트(30)를 포함할 수 있다(도 9 참조).
구체적으로, 각각의 단위 셀은, 가장 안쪽에 배치되는 막 전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly, MEA)와, 막 전극 어셈블리의 바깥에 적층되는 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)과, 가스확산층의 바깥 쪽에 배치되는 분리판(200)으로 구성될 수 있다. 막 전극 어셈블리는, 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포되는 촉매층인 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 구성된다.
엔드플레이트(30)는, 클로즈형 엔드플레이트(31)와, 오픈형 엔드플레이트(32)를 포함할 수 있다. 클로즈형 엔드플레이트(31)는, 다수의 단위 셀(20)의 일측에 결합되는 판 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 오픈형 엔드플레이트(32)는, 다수의 단위 셀(20)의 타측에 결합되고, 판 형상으로 형성되며, 반응가스가 유출입되는 입구부(33)와 출구부(34)가 관통 형성될 수 있다. 다만, 본 발명에 적용되는 엔드플레이트(30)의 구성은 상기한 바에 한정하는 것은 아니며, 예를 들어, 다수로 적층되는 단위 셀(20)의 양측에 모두 오픈형 엔드플레이트(32)가 결합될 수도 있다.
이러한 엔드플레이트(30)는, 클로즈형 엔드플레이트(31)와 오픈형 엔드플레이트(32)가 연속적으로 적층되는 다수의 단위 셀(20)의 적층 방향의 양측(최외측 셀)에 결합되어, 다수의 단위 셀(20)을 체결시킬 수 있다.
이하에서는, 도 5 내지 도 12에 도시된 실시예를 참조하여, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판(200) 및 연료전지 스택(10)을 설명한다. 도 5 및 도 6은 본 발명의 제1 실시예를 도시한 도면이고, 도 7 내지 도 10은 본 발명의 제2 실시예를 도시한 도면이다. 제1 및 제2 실시예는, 공기가 하부에서 상부로 공급되는 분리판(200) 및 연료전지 스택(10)을 도시한 도면이다. 도 11은 본 발명의 제3 실시예를 도시한 도면이고, 도 12는 본 발명의 제4 실시예를 도시한 도면이다. 제3 및 제4 실시예는, 수소가 하부에서 상부로 공급되는 분리판(200) 및 연료전지 스택(10)을 도시한 도면이다.
먼저, 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료전지용 분리판(200)은, 채널부(210)와, 매니폴드부(230)와, 연결부(271)를 포함할 수 있다.
채널부(210)는, 반응가스의 이동통로인 유로가 복수 개로 형성될 수 있다. 여기서, 반응가스는 산화제가스인 공기와, 연료가스인 수소일 수 있다. 그리고, 채널부(210)의 유로는 공기가 이동하는 유로와 수소가 이동하는 유로일 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)에는, 연료전지 반응에 의해 발생된 열을 방출하여 연료전지 스택(10) 전체의 온도를 균일하게 제어하기 위한 냉각수를 흘려주는데, 채널부(210)에는 이러한 냉각수가 흐르는 유로를 포함할 수도 있다.
매니폴드부(230)는, 채널부(210)의 가장자리에 관통 형성되고, 유로와 연통되어, 채널부(210)에 반응가스를 유출입시킬 수 있다.
또한, 연결부(271)는, 채널부(210)와 매니폴드부(230) 사이에 반응가스가 이동하도록, 채널부(210)와 매니폴드부(230)를 연결할 수 있다.
구체적으로 매니폴드부(230)는, 도 5에 도시된 실시예와 같이, 반응가스를 채널부(210)로 유입시키고, 채널부(210)의 하부에 관통 형성된 입구 매니폴드(241)와, 반응가스를 채널부(210)로부터 외부로 배출시키고, 채널부(210)의 상부에 관통 형성된 출구 매니폴드(243)를 포함할 수 있다.
입구 매니폴드(241)는, 오픈형 플레이트의 입구부(33)와 연통되어 반응가스가 유입될 수 있고, 유입된 반응가스를 채널부(210)로 공급할 수 있다. 입구 매니폴드(241)로 유입된 반응가스는, 채널부(210)로 유입되어 하부에서 상부로 이동하여, 출구 매니폴드(243)로 유출될 수 있다. 출구 매니폴드(243)는, 오픈형 플레이트의 출구부(34)와 연통되어 반응가스를 외부로 배출할 수 있다.
여기서 매니폴드부(230)는, 공기가 유출입되는 공기 입구 매니폴드(241) 및 공기 출구 매니폴드(243)와, 수소가 유출입되는 수소 입구 매니폴드(251)(241) 및 수소 출구 매니폴드(253)와, 냉각수가 유출입되는 냉각수 입구 매니폴드(261)(241) 및 냉각수 출구 매니폴드(263)를 포함할 수 있다. 도 5 내지 도 10에 도시된 제1 및 제2 실시예는 공기 상향식 연료전지 스택(10)을 일 례로 설명한다. 이하에서 설명하는 제1 및 제2 실시예에서는 입구 매니폴드(241)는 공기 입구 매니폴드(241)로, 출구 매니폴드(243)는 공기 출구 매니폴드(243)로 설명하고, 같은 도면 부호를 사용한다.
연결부(271)는, 입구 매니폴드(241)와 출구 매니폴드(243)를 채널부(210)를 연결하여, 반응가스가 이동하는 유로가 될 수 있다. 연결부(271)는, 분리판(200)에 구비되는 가스켓에 의해 매니폴드부(230)와 채널부(210)를 연결할 수 있다. 일 례로, 도 5에 도시된 실시예와 같이, 채널부(210)와, 공기가 유출입되는 공기 입구 매니폴드(241) 및 공기 출구 매니폴드(243)를 포함하여 설치된 공기 가스켓(281)에 의해 연결부(271)가 구비될 수 있다. 미설명 부호인 282는 수소 가스켓, 도면 부호 283는 냉각수 가스켓이다.
여기서, 채널부(210)의 반응가스가 출구 매니폴드(243)로 이동할 때, 연료전지 반응에 의해 생성된 응축수(W)가 출구 매니폴드(243)로 함께 유입될 수 있다.
본 발명에 적용되는 출구 매니폴드(243)의 하면은, 출구 매니폴드(243)와 연결부(271)와 연결되지 않은 부분으로 응축수(W)가 이동하도록, 연결부(271)와 연결되지 않은 부분을 향하여 하향 경사지게 형성된 제1 경사부(244)를 포함할 수 있다. 여기서, 출구 매니폴드(243)의 하면에서, 연결부(271)와 연결된 부분을 제1 영역(243a)으로 정의하고, 제1 영역(243a)에서 연장되며, 연결부(271)에 연결되지 않은 부분을 제2 영역(243b)으로 정의한다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 채널부(210)의 상부에 구비된 공기 출구 매니폴드(243)의 하면은, 연결부(271)와 연결되지 않은 제2 영역(243b)을 향하여 하향 경사지게 형성된 제1 경사부(244)를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 다수의 단위 셀(20)이 적층될 때, 다수의 분리판(200)에 형성된 출구 매니폴드(243)들은, 서로 연결되어 배출통로(50)를 형성할 수 있다. 그리고, 배출통로(50)는, 배출통로(50)의 하면에, 다수의 제1 경사부(244)들이 연결되어 형성된 제1 경사면(51)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 실시예에서는, 공기 출구 매니폴드(243)들이 서로 연결되어 공기 배출통로(50)를 형성할 수 있다. 또한, 공기 입구 매니폴드(241) 들이 서로 연결되어 공기 공급통로(40, 도 10 참조)를 형성할 수 있다.
이와 같은 제1 경사부(244)로 형성된 제1 경사면(51)은, 다수의 셀의 적층 시에, 다수의 공기 출구 매니폴드(243)가 서로 연결되면, 응축수(W)가 제2 영역(243b)으로 원활하게 흐를 수 있게 하는 가이드 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 공기 출구 매니폴드(243)로 이동한 응축수(W)는, 제1 경사부(244)에 의해 빠르게 제2 영역(243b)으로 이동하므로, 중력에 의해 채널부(210)로 다시 유입되는 것을 방지하여, 응축수를 외부로 용이하게 배출시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지 스택(10)은, 응축수의 배출이 용이하므로 플러딩(Flooding) 현상을 최소화할 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)의 출구부(34)로 응축수(W)가 모여서 스택 출구부(34)의 가스의 흐름을 방해하는 것을 방지하므로, 다수의 셀에 구비된 각각의 분리판(200)에서의 가스 차압 편차를 최소화할 수 있다. 이에 따라 다수의 셀에서의 가스 흐름 불균일도를 낮춤으로써, 결과적으로 연료전지 스택(10)의 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 7 내지 도 10에 도시된 실시예를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 의한 연료전지용 분리판(200)에서, 제2 영역(243b)은, 제1 영역(243a)을 포함하는 제1 경사부(244)에서, 하측으로 단차지게 요입 형성된 단차부(245)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1 경사부(244)는 제1 영역(243a)을 포함하여 이루어질 수 있고, 단차부(245)는 제1 영역(243a) 중 적어도 일부에 형성될 수 있다. 이에 따라, 단차부(245)는 연결부(271)와 직접적으로 연결되지 않은 영역에 형성될 수 있다.
또한, 연료전지 스택(10)에서 다수의 단위 셀(20)의 적층 시에 형성되는 배출통로(50)는, 응축수 배출홈(53)을 더 포함할 수 있다.
응축수 배출홈(53)은, 다수의 단차부(245)들이 연결되어 형성되고, 다수의 단위 셀(20)이 적층되는 방향을 따라 형성될 수 있다. 또한, 응축수 배출홈(53)은 제1 경사면(51)과 연결되고, 제1 경사면(51)을 따라 이동하여 유입된 응축수(W)를 배출시킬 수 있다.
구체적으로 도 9 및 도 10을 참조하면, 응축수 배출홈(53)은 공기 배출통로(50)의 길이 방향을 따라 길게 형성될 수 있으며, 하향 경사진 제1 경사면(51)의 하측에 단차지게 형성될 수 있다. 이에 따라, 공기 출구 매니폴드(243)로 유입된 응축수(W)가, 제1 경사면(51)을 따라 제2 영역(243b) 방향으로 흘러서, 응축수 배출홈(53)에 수용된 후, 연료전지 스택(10)의 출구(오픈형 엔드플레이트(32)의 출구부(34)) 측으로 흘러서 배출될 수 있다. 이때, 다수의 단위 셀(20)에 구비된 각각의 공기 출구 매니폴드(243)에서 유입된 응축수(W)가, 공기 배출통로(50)의 응축수 배출홈(53)에 유입되어, 출구부(34) 측으로 흐를 수 있다.
한편, 도시하지 않았지만, 본 발명의 제2 실시예에 적용되는 응축수 배출홈(53)의 하면은, 반응가스의 흐름 방향으로 하향 경사진 제2 경사면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 경사면은, 상기 클로즈형 엔드플레이트(31)에서 상기 오픈형 엔드플레이트(32) 방향으로 갈수록 하향 경사지게 형성될 수 있다. 구체적으로, 단차부(245)가 경사진 형태로 형성됨으로써, 다수의 셀의 적층 시에 응축수 배출홈(53)에 제2 경사면이 형성되게 할 수 있다.
한편, 도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예는, 응축수 배출홈(53)의 하면에 밀착되게 삽입되고, 반응가스의 흐름 방향으로 하향 경사지게 형성된 제2 경사면(56)이 형성된 삽입체(55)를 더 포함할 수 있다. 즉, 제2 경사면(56)은, 클로즈형 엔드플레이트(31)에서 오픈형 엔드플레이트(32) 방향으로 갈수록 하향 경사지게 형성될 수 있다.
구체적으로, 삽입체(55)는, 응축수 배출홈(53)의 길이방향의 길이와 폭에 대응되는 크기로 형성될 수 있다. 또한, 삽입체(55)에 형성된 제2 경사면(56)은, 응축수 배출홈(53)의 길이방향을 따라 경사지되, 오픈형 엔드플레이트(32) 방향으로 하향 경사진 형태로 형성될 수 있다.
이에 따라, 제2 경사면(56)은, 응축수 배출홈(53)으로 유입된 응축수(W)를 연료전지 스택(10)의 출구(오픈형 엔드플레이트(32)의 출구부(34)) 방향으로 흐르도록 유도할 수 있다. 따라서, 응축수를 연료전지 스택(10)의 외부로 용이하게 배출할 수 있다.
한편, 이하에서는 도 11 및 도 12를 참조하여, 본 발명의 제3 실시예 및 제4 실시예를 설명한다. 제3 및 제4 실시예는, 수소가 하부에서 상부로 공급되는 수소 상향식 연료전지 스택(10)을 도시한 도면이다.
이하에서 설명하는 제3 실시예 및 제4 실시예는, 상기한 제1 실시예 및 제2 실시예와 대비하여, 입구 매니폴드가 수소 입구 매니폴드(251)이고, 출구 매니폴드가 수소 출구 매니폴드(253)인 점에서 차이가 있으며, 이에 따라, 상기한 제1 경사부(254)와 단차부(255)가 수소 출구 매니폴드(253)에 형성되는 점에서 차이가 있다. 여기서 제1 경사부(254)와 단차부(255)의 구체적인 형상 및 기능은, 제1 실시예 및 제2 실시예에서 설명한 구성과 동일하므로, 이하에서는 동일한 구성에 대한 자세한 설명은 생략한다.
먼저 도 11을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 의한 연료저지용 분리판(200)은, 채널부(210)와, 매니폴드부(230)와, 연결부(273)를 포함할 수 있다.
여기서 매니폴드부(230)는, 공기가 유출입되는 공기 입구 매니폴드(241) 및 공기 출구 매니폴드(243)와, 수소가 유출입되는 수소 입구 매니폴드(251) 및 수소 출구 매니폴드(253)와, 냉각수가 유출입되는 냉각수 입구 매니폴드(261) 및 냉각수 출구 매니폴드(263)를 포함할 수 있다. 도 11 및 도 12에 도시된 제3 및 제4 실시예는 수소 상향식 연료전지 스택(10)을 일 례로 설명한다. 따라서, 이하에서 설명하는 제3 및 제4 실시예에서는 입구 매니폴드는 수소 입구 매니폴드(251)로, 출구 매니폴드는 수소 출구 매니폴드(253)로 설명하고, 같은 도면 부호를 사용한다.
또한, 연결부(273)는 채널부(210)와, 수소 입구 매니폴드(251) 및 수소 출구 매니폴드(253)를 연결하도록 구비될 수 있다. 그리고, 연결부(273)는 수소 가스켓(282)에 의해 구획 및 실링되어, 채널부(210)와 수소 출구 매니폴드(253) 사이에 수소가 이동하는 유로가 될 수 있다. 제3 및 제4 실시예에서, 수소는 수소 입구 매니폴드(251)로 공급된 후 채널부(210)로 유입되고, 하부에서 상부로 이동하여 수소 출구 매니폴드(253)로 유입될 수 있다.
여기서, 수소가 수소 출구 매니폴드(253)로 이동할 때, 연료전지 반응에 의해 생성된 응축수가 수소 출구 매니폴드(253)로 함께 유입될 수 있다.
제3 실시예에 적용되는 수소 출구 매니폴드(253)의 하면은, 연결부(273)와 연결되지 않는 부분을 향하여 하향 경사지게 형성된 제1 경사부(254)를 포함할 수 있다.
또한, 도시하지 않았지만, 다수의 단위 셀(20)이 적층될 때, 다수의 분리판(200)에 형성된 수소 출구 매니폴드(253)들은, 서로 연결되어 수소 배출통로(60)를 형성할 수 있다. 그리고, 수소 배출통로(60)는, 수소 배출통로(60)의 하면에, 다수의 제1 경사부(254)들이 연결되어 형성된 제1 경사면(61)을 포함할 수 있다. 제3 및 제4 실시예에서는, 수소 출구 매니폴드(253)들이 서로 연결되어 수소 배출통로(60)를 형성할 수 있다.
한편, 도 12를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 의한 연료전지 분리판(200)은, 수소 출구 매니폴드(253)의 하면에서, 연결부(273)에 연결되지 않은 부분인 제2 영역(253b)에 단차부(255)를 포함할 수 있다. 단차부(255)는 연결부(273)와 연결된 부분인 제1 영역(253a)을 포함하는 제1 경사부(254)에서, 하측으로 단차지게 요입 형성될 수 있다.
또한, 도시하지 않았지만, 본 발명의 제4 실시예에서, 수소 배출통로(60)는 응축수 배출홈(63)을 더 포함할 수 있다. 응축수 배출홈(63)은 다수의 단차부(255)들이 연결되어 형성되고, 다수의 단위 셀(20)이 적층되는 방향을 따라 형성될 수 있다. 또한, 응축수 배출홈(63)은 제1 경사면(61)과 연결되고, 제1 경사면(61)을 따라 이동하여 유입된 응축수를 배출시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택은, 공기 출구 매니폴드로 이동한 응축수가, 제1 경사부에 의해 빠르게 제2 영역으로 이동하므로, 중력에 의해 채널부로 다시 유입되는 것을 방지함으로써, 응축수를 외부로 용이하게 배출할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지 스택은, 응축수의 배출이 용이하므로 플러딩(Flooding) 현상을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택은, 연료전지 스택의 출구부로 응축수가 모여서 스택 출구부의 가스의 흐름을 방해하는 것을 방지하므로, 다수의 셀에 구비된 각각의 분리판에서의 가스 차압 편차를 최소화할 수 있다. 따라서, 다수의 셀에서의 가스 흐름 불균일도를 낮춤으로써, 결과적으로 연료전지 스택의 성능을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 특허청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다.
10: 연료전지 스택 20: 다수의 단위 셀
30: 엔드 플레이트 31: 클로즈형 엔드플레이트
32: 오픈형 엔드플레이트 50, 60: 배출통로
51, 61: 제1 경사면 53, 63: 응축수 배출홈
55, 65: 삽입체 56, 66: 제2 경사면
200: 연료전지용 분리판 210: 채널부
230: 매니폴드부 241: 공기 입구 매니폴드
243: 공기 출구 매니폴드 251: 수소 입구 매니폴드
253: 수소 출구 매니폴드 243a, 253a: 제1 영역
243b, 253b: 제2 영역 244, 254: 제1 경사부
245, 255: 단차부 261: 냉각수 입구 매니폴드
263: 냉각수 출구 매니폴드 271, 273: 연결부
281: 공기 가스켓 282: 수소 가스켓
283: 냉각수 가스켓

Claims (9)

  1. 반응가스의 이동통로인 유로가 형성된 채널부;
    상기 채널부의 가장자리에 관통 형성되고, 상기 유로와 연통되어, 상기 채널부에 상기 반응가스를 유출입시키는 매니폴드부; 및,
    상기 채널부와 상기 매니폴드부 사이에 상기 반응가스가 이동하도록, 상기 채널부와 상기 매니폴드부를 연결하는 연결부를 포함하고,
    상기 매니폴드부는, 상기 반응가스를 상기 채널부로 유입시키고, 상기 채널부의 하부에 관통 형성된 입구 매니폴드와, 상기 반응가스를 상기 채널부로부터 외부로 배출시키고, 상기 채널부의 상부에 관통 형성된 출구 매니폴드를 포함하되,
    상기 출구 매니폴드의 하면은, 연료전지 반응에 의해 생성되어 상기 연결부를 통해 유입된 응축수가, 상기 연결부와 연결되지 않은 부분으로 이동하도록, 상기 연결부와 연결되지 않은 부분을 향하여 하향 경사지게 형성된 제1 경사부를 포함하는, 연료전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입구 매니폴드는, 공급된 공기를 상기 채널부로 유입시키는 공기 입구 매니폴드이고,
    상기 출구 매니폴드는, 상기 공기를 상기 채널부로부터 외부로 배출시키는 공기 출구 매니폴드인, 연료전지용 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입구 매니폴드는, 공급된 수소를 상기 채널부로 유입시키는 수소 입구 매니폴드이고,
    상기 출구 매니폴드는, 상기 수소를 상기 채널부로부터 외부로 배출시키는 수소 출구 매니폴드인, 연료전지용 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 출구 매니폴드의 하면은, 상기 연결부와 연결된 부분인 제1 영역과, 상기 제1 영역에서 연장되며, 상기 연결부에 연결되지 않은 부분인 제2 영역을 포함하고,
    상기 제2 영역은, 상기 제1 영역을 포함하는 상기 제1 경사부에서, 하측으로 단차지게 요입 형성된 단차부를 포함하는, 연료전지용 분리판.
  5. 전해질막과 연료극 및 공기극을 구비하는 막 전극 어셈블리와, 상기 막 전극 어셈블리의 양측에 배치되는 분리판을 포함하고, 적층되는 다수의 단위 셀;
    다수의 상기 단위 셀의 적층방향 양측에 결합되어 다수의 상기 단위 셀을 체결하고, 반응가스가 유출입되는 입구부와 출구부가 관통 형성된 엔드플레이트를 포함하되,
    상기 분리판은,
    상기 반응가스의 이동통로인 유로가 형성된 채널부;
    상기 유로와 연통되고, 상기 입구부와 연결되며, 상기 반응가스를 상기 채널부로 유입시키고, 상기 채널부의 하부에 관통 형성된 입구 매니폴드와, 상기 출구부와 연결되며, 상기 반응가스를 상기 채널부로부터 외부로 배출시키고, 상기 채널부의 상부에 관통 형성된 출구 매니폴드를 포함하는 매니폴드부; 및,
    상기 채널부와 상기 매니폴드부 사이에 상기 반응가스가 이동하도록, 상기 채널부와 상기 매니폴드부를 연결하는 연결부를 포함하고,
    상기 출구 매니폴드의 하면은, 연료전지 반응에 의해 생성되어 상기 연결부를 통해 유입된 응축수가, 상기 연결부와 연결되지 않은 부분으로 이동하도록, 상기 연결부와 연결되지 않은 부분을 향하여 하향 경사지게 형성된 제1 경사부를 포함하는, 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지 스택.
  6. 제5항에 있어서,
    다수의 상기 단위 셀이 적층될 때, 다수의 상기 분리판에 형성된 상기 출구 매니폴드들은, 서로 연결되어 배출통로를 형성하고,
    상기 배출통로는, 상기 배출통로의 하면에, 다수의 상기 제1 경사부들이 연결되어 형성된 제1 경사면을 포함하는, 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지 스택.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 출구 매니폴드의 하면은, 상기 연결부와 연결된 부분인 제1 영역과, 상기 제1 영역에서 연장되며, 상기 연결부에 연결되지 않은 부분인 제2 영역을 포함하고,
    상기 제2 영역은, 상기 제1 영역을 포함하는 상기 제1 경사부에서, 하측으로 단차지게 요입 형성된 단차부를 포함하며,
    상기 배출통로는, 다수의 상기 단차부들이 연결되어, 다수의 상기 단위 셀이 적층되는 방향을 따라 형성되고, 상기 제1 경사면과 연결되어 상기 제1 경사면을 따라 이동하여 유입된 상기 응축수를 배출시키는 응축수 배출홈을 더 포함하는, 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지 스택.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 응축수 배출홈의 하면은, 상기 반응가스의 흐름 방향으로 하향 경사지게 형성된 제2 경사면을 포함하는, 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지 스택.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 응축수 배출홈의 하면에 밀착되게 삽입되고, 상기 반응가스의 흐름 방향으로 하향 경사지게 형성된 제2 경사면이 형성된 삽입체를 더 포함하는, 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지 스택.
KR1020160170566A 2016-12-14 2016-12-14 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 KR102587079B1 (ko)

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