KR20200028072A - 연료전지 스택 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판을 구성하는 다공체의 하단영역 형상을 변경하여 스택 내 생성수의 동결에 의한 국부적인 응력집중을 회피할 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택은 다수의 셀이 스택 양단의 엔드 플레이트 사이에 적층된 연료전지 스택에 있어서, 한 쌍의 엔드 플레이트 중 어느 하나의 엔드 플레이트와 다수의 셀 중 상기 엔드 플레이트와 인접되는 엔드 셀 사이에 배치되는 엔드 캐소드 분리판을 포함하고, 상기 엔드 캐소드 분리판은 상기 엔드 셀의 애노드 분리판에 접촉되는 평판과; 상기 평판과 상기 엔드 플레이트 사이에 배치되는 다공체로 이루어지며, 상기 다공체 중 중력방향으로 하단영역은 상기 엔드 플레이트와 상기 평판 중 적어도 어느 하나와 이격되어 해당 영역에서 평판이 변형될 수 있는 여유공간이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택은 다수의 셀이 스택 양단의 엔드 플레이트 사이에 적층된 연료전지 스택에 있어서, 한 쌍의 엔드 플레이트 중 어느 하나의 엔드 플레이트와 다수의 셀 중 상기 엔드 플레이트와 인접되는 엔드 셀 사이에 배치되는 엔드 캐소드 분리판을 포함하고, 상기 엔드 캐소드 분리판은 상기 엔드 셀의 애노드 분리판에 접촉되는 평판과; 상기 평판과 상기 엔드 플레이트 사이에 배치되는 다공체로 이루어지며, 상기 다공체 중 중력방향으로 하단영역은 상기 엔드 플레이트와 상기 평판 중 적어도 어느 하나와 이격되어 해당 영역에서 평판이 변형될 수 있는 여유공간이 형성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판을 구성하는 다공체의 하단영역 형상을 변경하여 스택 내 생성수의 동결에 의한 국부적인 응력집중을 회피할 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 일반적인 연료전지 스택은 다수의 셀(100)이 스택 양단의 엔드 플레이트(200) 사이에 직렬로 적층되어 이루어진다. 이때 각각의 셀(100)은 가장 안쪽에 막전극접합체(110, MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 막전극접합체(110)는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 막전극집합체(110)의 일면과 타면, 즉 공기극 및 연료극이 위치한 바깥 부분에는 기체확산층(120, GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 기체확산층(120)의 외면에는 반응가스를 공급하고 반응에 의해 발생된 생성수를 배출하는 분리판(130)이 위치한다.
예를 들어 분리판(130)은 애노드 분리판(131)과 캐소드 분리판(132)으로 구분되는데, 이러한 애노드 분리판(131)과 캐소드 분리판(132)은 서로 인접되는 셀(100)을 구성하는 애노드 분리판(131)과 캐소드 분리판(132)이 서로 접촉되어 쌍을 이루면서 연료전지 스택을 구성한다. 그래서, 엔드 플레이트(200)와 다수의 셀(100) 중 엔드 플레이트(210, 220)와 인접되는 엔드 셀(100) 사이에는 각각 엔드 캐소드 분리판(300)과 엔드 애노드 분리판(400)이 배치된다.
이러한, 분리판은 다수의 랜드부와 채널부가 형성되어 반응가스 및 생성수의 유로를 형성하는 일반적인 형태의 분리판이 적용될 수 있지만, 최근에는 연료전지 시스템의 성능 향상을 위하여 분리판에 다공성 부재를 적용하여 기체의 물질 전달 효율을 증대시키기도 한다.
분리판에 적용되는 다공성 부재는 메탈(Metal)이나 카본(Carbon) 소재 기반으로 한 미세 기공이 존재하는 3차원 구조 다공성 부재인 메탈/카본 폼(Metal/Carbon foam), 금속 와이어(wire)를 그물 형상으로 짜서 다공성 구조를 형성한 3차원 구조체인 와이어 메쉬(Wire Mesh) 및 금속 박판에 홀 형성 또는 흠집을 내어 요철을 성형함으로써 형성된 3차원 구조체인 다공체 등이 있다.
예를 들어 분리판은 애노드 분리판(131)과 캐소드 분리판(132)으로 구분되는데, 이때 애노드 분리판(131)과 캐소드 분리판(132)을 같은 형태의 분리판을 적용할 수 있지만, 성능 향상을 위하여 애노드 분리판(131)은 랜드부와 채널부가 형성되는 분리판 형태를 적용하고, 캐소드 분리판(132)은 평판(132a)과 다공체(132b)로 이루어진 형태를 적용할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템은 주로 수소와 산소의 입구방향이 반대로 이루어진 counter-flow 형태로 이루어져 있으며, 출구의 위치는 입구의 위치에 비해 아래쪽에 위치하게 된다.(중력 작용 방향이 아래쪽을 향하는 기준) 그래서, 스택 내 기체 입구 매니폴드로 유입되는 액적(응축수) 및 셀 내 발생하는 생성수는 셀 내 기체의 흐름 및 중력 방향으로 이동하여 출구 매니폴드를 통해 외부로 배출이 될 수 있다.
한편, 연료전지 시스템의 셀 내부로는 다양한 원인에 의해 물이 유입될 수 있다. 예를 들어 셀 내로 유입되는 물은 수소 재순환 및 가습기를 통과하여 수증기 형태로 유입되는 유입수와, 연료전지 전기화학 반응으로 인한 생성수 등이 있다. 이렇게 유입된 물들은 연료전지 운전이 진행됨에 따라 대부분 셀의 외부로 배출이 되지만, 운전이 종료된 이후에도 셀 내부에 물이 남아 있을 수 있다.
이렇게 셀 내부에 남는 물(이하, '생성수'라 함)은 제어로직 변경을 통한 차량 운전 종료 직후 과량의 드라이(dry)한 기체를 공급하는 방식으로 스택 내 생성수를 인위적으로 배출할 수 있지만, 순간적인 스택 외기 저감 등에 의한 포화수증기량 저감으로 셀 내 수증기가 응축되어 생성수가 필연적으로 존재하게 된다.
이러한 셀 내부의 생성수는 다양한 위치에 분포하게 되는데, 크기가 커진 생성수는 중력 방향으로 유동되며 주로 분리판 하부의 기체 출구부 인접 유로를 중심으로 잔존하게 된다.
예를 들어 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 생성수(W)는 기체의 유동 및 중력의 영향으로 분리판(131, 132)의 하부에 잔존하게 되고, 도 1과 같이 반응가스가 유입 및 배출되는 방향의 엔드 플레이트(210) 방향으로 점점 생성수의 양이 증가하게 된다.
이렇게 잔존하게 된 생성수(W)는 외기가 영하일 경우 셀(100) 내부에서 생성수(W)가 얼면서 부피가 팽창하게 되는데, 이로 인하여 기체확산층(120)의 파손이 발생하게 되며 심한 경우 막전극 접합체(110)의 손상을 초래하기도 한다.
이때 비교적 중간 영역에 배치된 셀(100)에 잔존하는 생성수(W)가 결빙되어 팽창되는 경우에는 양 방향(스택의 적층 방향)으로 팽창이 되면서 셀(100)을 구성하는 요소들의 손상이 억제되지만, 반응가스가 유입 및 배출되는 방향의 엔드 플레이트(210) 근처의 엔드 셀(100)에서 생성수(W)가 결빙에 의해 팽창이 되는 경우에 다른 구성 요소들보다 강체인 엔드 플레이트(210) 방향으로는 팽창이 이루어지지 않고 상대적으로 강성이 약하면서 엔드 플레이트(210)의 반대 방향에 배치된 분리판(130), 기체확산층(120) 및 막전극 접합체(110) 방향으로 한쪽으로만 팽창이 진행되면서 국부적으로 응력이 집중되는 현상이 발생되고, 이러한 응력의 집중에 의해서 해당 영역에서 분리판(130), 기체확산층(120) 및 막전극 접합체(110)의 변형이 발생되고, 해당 영역에서 생성수(W)의 냉해동이 반복되면서 셀(100)을 구성하는 구성 요소들이 손상되는 현상까지 발생되는 문제가 있다.
본 발명은 분리판을 구성하는 다공체의 하단영역 형상을 변경하여 스택 내 생성수의 동결에 의한 국부적인 응력집중을 회피하여 셀을 구성하는 구성 요소들이 변형 및 손상되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택은 다수의 셀이 스택 양단의 엔드 플레이트 사이에 적층된 연료전지 스택에 있어서, 한 쌍의 엔드 플레이트 중 어느 하나의 엔드 플레이트와 다수의 셀 중 상기 엔드 플레이트와 인접되는 엔드 셀 사이에 배치되는 엔드 캐소드 분리판을 포함하고, 상기 엔드 캐소드 분리판은 상기 엔드 셀의 애노드 분리판에 접촉되는 평판과; 상기 평판과 상기 엔드 플레이트 사이에 배치되는 다공체로 이루어지며, 상기 다공체 중 중력방향으로 하단영역은 상기 엔드 플레이트와 상기 평판 중 적어도 어느 하나와 이격되어 해당 영역에서 평판이 변형될 수 있는 여유공간이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 평판은 상기 다공체가 배치되는 바텀부와, 상기 바텀부의 가장자리를 둘러싸면서 상기 엔드 플레이트와 접촉되도록 절곡되어 돌출되는 탑부로 구분되고, 상기 다공체는 요철 형상으로 형성되는 요철부와, 중력방향으로 상기 요철부의 하부에서 연장되어 평평한 형상으로 형성되는 평탄부로 구분되며, 상기 요철부는 상기 엔드 플레이트와 상기 평판에 접촉되며, 상기 평탄부는 상기 엔드 플레이트와 상기 평판 중 적어도 어느 하나와 이격되는 것을 특징으로 한다.
상기 다공체의 평탄부는 단부가 상기 평판과 이격되어 상기 평판의 탑부에 대응되는 높이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 엔드 셀은 랜드부와 채널부가 형성되는 애노드 분리판을 포함하고, 상기 다공체는 요철부에서 평탄부로 변곡되는 변곡지점이 상기 애노드 분리판의 채널부가 형성된 영역에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 다공체의 평탄부는 단부가 상기 엔드 플레이트와 이격되어 상기 평판의 바텀부에 접촉되도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 다공체의 평탄부는 단부가 상기 엔드 플레이트 및 평판과 이격되어 상기 평판의 탑부와 바텀부 사이에 배치되도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 한 쌍의 엔드 플레이트는 반응가스가 유입 및 배출되는 반응가스 엔드 플레이트와 냉각수가 유입 및 배출되는 냉각수 엔드 플레이트로 구분되고, 상기 엔드 캐소드 분리판은 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 반응가스 엔드 플레이트에 접촉되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
한 쌍의 엔드 플레이트 사이에 배치되는 다수의 셀은 각각 막전극접합체(MEA)와; 상기 막전극접합체의 일면과 타면에 각각 접촉되는 한 쌍의 기체확산층(GDL)과; 상기 기체확산층의 외면에 각각 접촉되는 애노드 분리판과 캐소드 분리판을 포함하고, 상기 캐소드 분리판은 평판과; 상기 평판과 배치되는 다공체로 이루어지며, 상기 다공체 중 중력방향으로 하단영역은 인접되는 기체확산층과 평판 중 적어도 어느 하나와 이격되어 해당 영역에서 평판이 변형될 수 있는 여유공간이 형성되되, 각 셀에 형성되는 여유공간은 엔드 플레이트에 가까워질수록 점진적으로 커지는 것을 특징으로 한다.
상기 한 쌍의 엔드 플레이트는 반응가스가 유입 및 배출되는 반응가스 엔드 플레이트와 냉각수가 유입 및 배출되는 냉각수 엔드 플레이트로 구분되고, 각 셀에 형성되는 여유공간은 반응가스 엔드 플레이트에 가까워질수록 점진적으로 커지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 생성수가 상대적으로 많이 잔존되는 영역에서 분리판을 구성하는 다공체의 형상을 변경하여 생성수의 결빙에 의한 부피 팽창을 흡수할 수 있는 공간을 형성함으로써 생성수의 부피 팽창에 의한 구성 요소들의 변형 및 손상을 방지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1 및 도 2는 일반적인 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이며,
도 4 내지 도 6은 본 발명의 다양한 변형예에 따른 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이며,
도 4 내지 도 6은 본 발명의 다양한 변형예에 따른 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 다양한 변형예에 따른 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이다면이다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 다수의 셀(100)이 스택 양단의 엔드 플레이트(200) 사이에 직렬로 적층되어 이루어진다. 이때 각각의 셀(100)은 가장 안쪽에 막전극접합체(110, MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 막전극집합체(110)의 일면과 타면에는 기체확산층(120, GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 기체확산층(120)의 외면에는 반응가스를 공급하고 반응에 의해 발생된 생성수를 배출하는 분리판(131, 132a, 132b)이 위치한다.
엔드 플레이트(200)는 집전판 역할을 하면서, 적층된 다수의 셀(100)의 양측 단부에 각각 배치되는 수단으로서, 반응가스가 유입 및 배출되는 유입구와 배출구가 형성된 반응가스 엔드 플레이트(210)와, 냉각수가 유입 및 배출되는 유입구와 배출구가 형성된 냉각수 엔드 플레이트(220)로 구분된다.
막전극접합체(110)는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 구성되는 일반적인 막전극접합체로 구현된다.
기체확산층(120)은 기재와, 그의 일면으로 형성되는 반응가스를 확산시키는 미세기공층으로 이루어진다.
분리판(130)은 하나의 셀(100) 내에서 막전극접합체(110) 및 기체확산층(120)을 기준으로 한 쌍이 서로 대향 배치되는데, 수소의 흐름을 유도하는 애노드 분리판(131)과, 공기의 흐름을 유도하는 캐소드 분리판(132)으로 구분된다.
이러한 애노드 분리판(131)과 캐소드 분리판(132)은 서로 인접되는 셀(100)을 구성하는 애노드 분리판(131)과 캐소드 분리판(132)이 서로 접촉되어 쌍을 이루면서 연료전지 스택을 구성한다. 그래서, 반응가스 엔드 플레이트(210)와, 이와 인접된 엔드 셀(100) 사이에는 엔드 캐소드 분리판(300)이 배치되고, 냉각수 엔드 플레이트(210)와, 이와 인접된 엔드 셀(100) 사이에는 엔드 애노드 분리판(400)이 배치된다.
이때 애노드 분리판(131), 캐소드 분리판(132), 엔드 캐소드 분리판(300) 및 엔드 애노드 분리판(400)은 같은 형태의 분리판을 적용할 수 있지만, 본 실시예에서는 성능 향상을 위하여 애노드 분리판(131) 및 엔드 애노드 분리판(400)은 랜드부(131a)와 채널부(131b)가 형성되는 분리판 형태를 적용하고, 캐소드 분리판(132) 및 엔드 캐소드 분리판(300)은 평판(132a, 310)과 다공체(132b, 320)로 이루어진 형태를 적용할 수 있다.
특히, 캐소드 분리판(132) 및 엔드 캐소드 분리판(300)을 구성하는 평판(132a, 310)은 수소의 유동을 위한 밀폐용 격벽 역할을 하는 수단으로서, 다공체(132b, 320)가 배치되는 바텀부(311)와, 상기 바텀부(311)의 가장자리를 둘러싸면서 인접되는 다른 구성요소와 접촉되어 바텀부(311)를 밀폐시키도록 절곡되어 돌출되는 탑부(312)로 구분된다.
그리고 캐소드 분리판(132) 및 엔드 캐소드 분리판(300)을 구성하는 다공체(132b, 320)는 수소의 확산을 위하여 요철 단면을 이루면서 수소가 통과하는 다수의 유로홀(미도시)이 규칙 또는 불규칙적으로 배열된다.
특히, 엔드 캐소드 분리판(300)은 요철 단면 및 유로홀이 형성되는 요철부(321)와, 중력방향으로 상기 요철부(321)의 하부에서 연장되어 평평한 형상으로 형성되는 평탄부(322)로 구분된다.
그래서, 본 실시예에서는 상기 다공체(320) 중 중력방향으로 하단영역, 즉 평탄부(322)가 반응가스 엔드 플레이트(210)와 평판(310) 중 적어도 어느 하나와 이격되어 해당 영역에서 평판(310)이 변형될 수 있는 여유공간(S)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
부연하자면, 다수의 셀(100)이 적층되어 스택을 구성하는 경우에 한 쌍의 엔드 플레이트(200)에 의해 각각의 셀(100)은 서로 밀착되기 때문에 엔드 캐소드 분리판(300)을 구성하는 다공체(320)의 요철부(321)는 양측면이 반응가스 엔드 플레이트(210)와 다공체(320)의 평판(310)에 밀착된다. 반면에, 엔드 캐소드 분리판(300)을 구성하는 다공체(320)의 평탄부(322)는 반응가스 엔드 플레이트(210)와 다공체(320)의 평판(310) 중 어느 하나에 이격되기 때문에 해당 공간에 생성수(W)가 잔존하여 외기에 의해 결빙되는 경우에 생성수(W)의 부피가 팽창되더라도 평판(310)이 변형되면서 해당 영역에 응력이 집중되는 것을 해소할 수 있는 것이다.
바람직하게는 도 3에 도시된 바와 같이 다공체(320)의 평탄부(322)는 단부가 평판(310)과 이격되어 평판(310)의 탑부(312)에 대응되는 높이로 형성되어 평탄부(322)와 평판(310) 사이에 여유공간(S)이 형성되도록 할 수 있다. 이때 평탄부(322)는 평탄부(322)와 평판(310) 사이에서 여유공간(S)을 최대로 형성하기 위하여 평판(310)의 바텀부(311)에 접촉되는 요철부(321)에서 경사지게 형성되어 평판(310)의 탑부(312)에 해당되는 높이까지 평탄하게 연장되고 이어서 반응가스 엔드 플레이트(210)에 접촉된 상태로 평판(310)의 탑부(312)가 형성되는 위치에 근접되도록 연장될 수 있다.
이때 다공체(320)의 요철부(321)에서 평탄부(322)로 변곡되는 변곡지점(323)에 응력이 집중되는 것을 최소화하기 위하여 다공체(320)의 상기 변곡지점(323)의 위치를 조정할 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 다공체(320)의 상기 변곡지점(323)을 인접된 셀(100)의 애노드 분리판(131)에 형성되는 채널부(131b)가 형성된 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 그래서, 다공체(320)의 상기 변곡지점(323)에 응력이 집중되더라도 인접된 셀(100)의 애노드 분리판(131)에 형성된 채널부(131b) 공간을 활용하여 평판(310)이 변형되면서 해당 영역에 응력이 집중되는 것을 해소할 수 있는 것이다.
한편, 다공체(320)의 평탄부(322) 형상을 변형시켜 해당 영역에서 여유공간(S)을 형성하는 방식을 변형시킬 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 다공체(320)의 평탄부(322)는 단부가 반응가스 엔드 플레이트(210)와 이격되어 평판(310)의 바텀부(311)에 접촉되도록 경사지게 형성될 수 있다. 부연하자면, 요철부(321) 중 평판(310)의 탑부(312)에 해당되는 높이에서 평판(310)의 바텀부(311)까지 경사지게 연장되어 반응가스 엔드 플레이트(210)와 평탄부(322) 사이 및 평탄부(322)와 평판(310) 사이에 여유공간(S)이 형성되도록 할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 다공체(320)의 평탄부(322)는 단부가 반응가스 엔드 플레이트(210) 및 평판(310)과 이격되어 평판(310)의 탑부(312)와 바텀부(311) 사이에 배치되도록 경사지게 형성될 수 있다. 부연하자면, 요철부(321) 중 평판(310)의 탑부(312)에 해당되는 높이에서 평탄부(322)로 변곡되는 영역은 평판(310)의 탑부(312)에 해당되는 높이에서 평판(310)의 탑부(312)와 바텀부(311) 사이의 중간 지점으로 경사지게 연장되고, 요철부(321) 중 평판(310)의 바텀부(311)에서 평탄부(322)로 변곡되는 영역은 평판(310)의 바텀부(311)에서 평판(310)의 탑부(312)와 바텀부(311) 사이의 중간 지점으로 경사지게 연장되어 서로 한 지점으로 모아지게 형성된다. 그래서, 반응가스 엔드 플레이트(210)와 평탄부(322) 사이 및 평탄부(322)와 평판(310) 사이에 여유공간이 형성되도록 할 수 있다.
상기의 실시예 및 변형예는 엔드 캐소드 분리판(300)을 구성하는 다공체(320)의 형상을 개선하여 반응가스 엔드 플레이트(210)와, 이와 인접된 엔드 셀(100) 사이에 여유공간(S)을 형성하였지만, 엔드 셀(100)을 비롯하여 한 쌍의 엔드 플레이트(200) 사이에 적층되는 다수의 셀(100)을 구성하는 캐소드 분리판(132)의 다공체 개선하여 보다 충분한 여유공간(S)을 형성할 수 있다.
예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 각 셀(100)을 구성하는 캐소드 분리판(132)의 다공체(320)를 전술된 실시예와 같이 요철부(321)와 평탄부(322)로 구성하여 다공체(320) 중 중력방향으로 하단영역, 즉 평탄부(322)가 인접되는 기체확산층(120)과 평판(310) 중 적어도 어느 하나와 이격되어 해당 영역에서 평판(310)이 변형될 수 있는 여유공간(S)을 형성할 수 있다. 그래서 각각의 셀(100)을 구성하는 캐소드 분리판(132) 중 평탄부(322)가 형성되는 영역에 평판(310)이 변형될 수 있는 여유공간(S)을 형성할 수 있다.
이때 각 셀(100)에 형성되는 여유공간(S)은 반응가스 엔드 플레이트(210)에 가까워질수록 점진적으로 커지는 것이 바람직하다.
예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 각 셀(100)을 구성하는 캐소드 분리판(132)의 다공체(320)에 형성되는 요철부(321)에서 평탄부(322)로 변곡되는 변곡지점의 위치를 반응가스 엔드 플레이트(210)에 가까운 셀(100)을 구성하는 캐소드 분리판(132)일수록 점점 평판(310)의 탑부(312)에서 멀어지게 하여 반응가스 엔드 플레이트(210)에 가까워질수록 여유공간(S)의 크기가 점진적으로 커지도록 할 수 있다. 즉, 반응가스 엔드 플레이트(210)에 가까운 셀(100)을 구성하는 캐소드 분리판(132)일수록 평탄부(132c, 132d)의 길이가 점점 길어지도록 하여 반응가스 엔드 플레이트(210)에 가까워질수록 여유공간(S)의 크기가 점진적으로 커지도록 할 수 있다.
상기와 같이 셀(100) 내부에서 생성수(W)가 잔존되는 영역, 즉 분리판(130)의 하단영역에서 생성수(W)의 결빙시 부피 팽창이 되더라도 평판(310)이 변형될 수 있는 여유공간(S)을 형성함에 따라 평판(310)이 변형되면서 해당 영역에 응력이 집중되는 것을 해소할 수 있는 것이다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
100: 셀
110: 막전극 접합체
120: 기체확산층 130: 분리판
131: 애노드 분리판 132: 캐소드 분리판
200: 엔드 플레이트 300: 엔드 캐소드 분리판
310: 평판 311: 바텀부
312: 탑부 320: 다공체
321: 요철부 322: 평탄부
323: 변곡지점 400: 엔드 애노드 분리판
120: 기체확산층 130: 분리판
131: 애노드 분리판 132: 캐소드 분리판
200: 엔드 플레이트 300: 엔드 캐소드 분리판
310: 평판 311: 바텀부
312: 탑부 320: 다공체
321: 요철부 322: 평탄부
323: 변곡지점 400: 엔드 애노드 분리판
Claims (9)
- 다수의 셀이 스택 양단의 엔드 플레이트 사이에 적층된 연료전지 스택에 있어서,
한 쌍의 엔드 플레이트 중 어느 하나의 엔드 플레이트와 다수의 셀 중 상기 엔드 플레이트와 인접되는 엔드 셀 사이에 배치되는 엔드 캐소드 분리판을 포함하고,
상기 엔드 캐소드 분리판은 상기 엔드 셀의 애노드 분리판에 접촉되는 평판과; 상기 평판과 상기 엔드 플레이트 사이에 배치되는 다공체로 이루어지며,
상기 다공체 중 중력방향으로 하단영역은 상기 엔드 플레이트와 상기 평판 중 적어도 어느 하나와 이격되어 해당 영역에서 평판이 변형될 수 있는 여유공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
- 청구항 1에 있어서,
상기 평판은 상기 다공체가 배치되는 바텀부와, 상기 바텀부의 가장자리를 둘러싸면서 상기 엔드 플레이트와 접촉되도록 절곡되어 돌출되는 탑부로 구분되고,
상기 다공체는 요철 형상으로 형성되는 요철부와, 중력방향으로 상기 요철부의 하부에서 연장되어 평평한 형상으로 형성되는 평탄부로 구분되며,
상기 요철부는 상기 엔드 플레이트와 상기 평판에 접촉되며,
상기 평탄부는 상기 엔드 플레이트와 상기 평판 중 적어도 어느 하나와 이격되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
- 청구항 2에 있어서,
상기 다공체의 평탄부는 단부가 상기 평판과 이격되어 상기 평판의 탑부에 대응되는 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
- 청구항 3에 있어서,
상기 엔드 셀은 랜드부와 채널부가 형성되는 애노드 분리판을 포함하고,
상기 다공체는 요철부에서 평탄부로 변곡되는 변곡지점이 상기 애노드 분리판의 채널부가 형성된 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
- 청구항 2에 있어서,
상기 다공체의 평탄부는 단부가 상기 엔드 플레이트와 이격되어 상기 평판의 바텀부에 접촉되도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
- 청구항 2에 있어서,
상기 다공체의 평탄부는 단부가 상기 엔드 플레이트 및 평판과 이격되어 상기 평판의 탑부와 바텀부 사이에 배치되도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
- 청구항 1에 있어서,
상기 한 쌍의 엔드 플레이트는 반응가스가 유입 및 배출되는 반응가스 엔드 플레이트와 냉각수가 유입 및 배출되는 냉각수 엔드 플레이트로 구분되고,
상기 엔드 캐소드 분리판은 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 반응가스 엔드 플레이트에 접촉되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
- 청구항 1에 있어서,
한 쌍의 엔드 플레이트 사이에 배치되는 다수의 셀은 각각 막전극접합체(MEA)와; 상기 막전극접합체의 일면과 타면에 각각 접촉되는 한 쌍의 기체확산층(GDL)과; 상기 기체확산층의 외면에 각각 접촉되는 애노드 분리판과 캐소드 분리판을 포함하고,
상기 캐소드 분리판은 평판과; 상기 평판과 배치되는 다공체로 이루어지며,
상기 다공체 중 중력방향으로 하단영역은 인접되는 기체확산층과 평판 중 적어도 어느 하나와 이격되어 해당 영역에서 평판이 변형될 수 있는 여유공간이 형성되되,
각 셀에 형성되는 여유공간은 엔드 플레이트에 가까워질수록 점진적으로 커지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
- 청구항 8에 있어서,
상기 한 쌍의 엔드 플레이트는 반응가스가 유입 및 배출되는 반응가스 엔드 플레이트와 냉각수가 유입 및 배출되는 냉각수 엔드 플레이트로 구분되고,
각 셀에 형성되는 여유공간은 반응가스 엔드 플레이트에 가까워질수록 점진적으로 커지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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| KR1020180106117A KR20200028072A (ko) | 2018-09-05 | 2018-09-05 | 연료전지 스택 |
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| KR20200028072A true KR20200028072A (ko) | 2020-03-16 |
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| KR (1) | KR20200028072A (ko) |
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|---|---|---|---|---|
| KR20210124581A (ko) * | 2020-04-06 | 2021-10-15 | 한국자동차연구원 | 연료전지 분리판용 유로부재 및 이를 포함하는 연료전지용 셀 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120053103A (ko) | 2010-11-17 | 2012-05-25 | 현대자동차주식회사 | 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택 |
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2018
- 2018-09-05 KR KR1020180106117A patent/KR20200028072A/ko active IP Right Grant
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