KR20200086032A - Separator, and Fuel cell stack comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a separator to decrease flow resistance of fluid and a fuel cell stack including the same. According to one aspect of the present invention, the separator comprises: a first surface; a second surface disposed in an opposite direction of the first surface; and a supply part and a discharge part configured to penetrate the first and second surfaces and disposed on both longitudinal end parts, respectively. The first surface includes a first channel part disposed to realize flow for longitudinally forming a reaction area from the supply part to the discharge part, and a condensate channel disposed on n non-reaction area spaced apart from the first channel part and disposed to longitudinally realize flow from the supply part to the discharge part. Moreover, the second surface includes a second channel part for allowing coolant to flow therethrough.

Description

분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택{Separator, and Fuel cell stack comprising the same}Separator, and fuel cell stack comprising the same}

본 발명은 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a separator, and a fuel cell comprising the same.

일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.In general, a fuel cell is an energy conversion device that generates electric energy through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidizing agent, and as long as fuel is continuously supplied, power generation is possible.

수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 낮은 약 100℃ 이하의 작동온도를 가지며, 에너지 전환 효율과 출력밀도가 높고 응답특성이 빠른 장점이 있다. 뿐만 아니라, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 제공될 수 있다. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), which uses a polymer membrane capable of permeating hydrogen ions as an electrolyte, has an operating temperature of about 100°C or lower, lower than other types of fuel cells, and energy conversion efficiency and output. It has the advantage of high density and fast response characteristics. In addition, since it can be miniaturized, it can be provided as a portable, vehicle, and home power supply.

고분자 전해질 연료전지 스택은 복수 개의 연료전지 셀이 적층된 구조를 갖고, 각각의 연료전지 셀은 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(anode)와 캐소드(cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 반응 영역 전체에 걸쳐 고르게 분포시키고, 애노드 전극의 산화반응에 의해 발생된 전자를 캐소드 전극 쪽으로 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들을 가스 확산층으로 공급하고, 전기화학반응에 의해 발생된 물을 외부로 배출시키는 분리판(bipolar plate), 분리판 또는 막-전극 접합체의 반응 영역 외주에 배치되어 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는, 탄성을 갖는 소재의 가스켓(gasket)을 포함할 수 있다.The polymer electrolyte fuel cell stack has a structure in which a plurality of fuel cell cells are stacked, and each fuel cell cell includes an electrode layer formed by coating an anode and a cathode, respectively, around an electrolyte membrane made of a polymer material. Membrane Electrode Assembly (MEA), Gas Diffusion Layer (GDL), which distributes the reaction gases evenly over the entire reaction region and transfers electrons generated by the oxidation reaction of the anode electrode toward the cathode electrode. ), which is disposed on the outer periphery of the reaction region of a bipolar plate, separator or membrane-electrode assembly that supplies reaction gases to the gas diffusion layer and discharges water generated by the electrochemical reaction to the outside. It may include a gasket (gasket) of the elastic material to prevent leakage.

한편, 최근 고출력 운전 영역에서의 확산 저항 저감을 통해 연료전지의 성능을 향상시키기 위해, Metal Foam, Metal Mesh, Expanded Metal 등을 적용한 분리판(이하, '다공체'라고도 함)이 제안되고 있으나, 다공체의 형상 및 구조는 냉각수 공급 유로의 유동 특성을 결정하는 중요한 인자로 작용하기 때문에, 다공체의 냉각수 유로 개선을 위한 연구가 필요한 실정이다.On the other hand, in order to improve the performance of the fuel cell by reducing the diffusion resistance in the high-power operation area, a separation plate to which metal foam, metal mesh, and expanded metal is applied (hereinafter, also referred to as'porous body') has been proposed, but porous bodies Since the shape and structure of acts as an important factor for determining the flow characteristics of the cooling water supply flow path, a study for improving the cooling water flow path of the porous body is required.

통상 다공성 부재가 접합/일체화되는 금속 성형 분리판의 형상/구조는 반응 열 제어를 위한 냉각수 공급 유로 확보를 위해 애노드(ANODE) 측에는 유로 분리판, 캐소드(CATHODE) 측에는 다공체 적용 평판형 분리판이 사용되고 있다.In general, the shape/structure of the metal molded separator plate to which the porous member is joined/integrated is a flow path separator plate on the anode side and a porous plate separation plate applied on the cathode side to secure the cooling water supply flow path for reaction heat control. .

본 발명은 축적되는 응축수 배출을 유동하기 위한 하나 이상의 응축수 채널을 갖는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.An object of the present invention is to solve the problem of providing a separator plate having at least one condensate channel for flowing accumulated condensate discharge and a fuel cell stack including the same.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 면, 제1 면의 반대방향의 제2 면, 제1 면 및 제2 면을 관통하도록 마련되며, 길이방향의 양 단부에 각각 위치하는 공급부 및 배출부를 포함하고, 제1 면은 공급부 측에서 배출부 측으로 길이방향을 따라 반응 영역 형성을 위한 유동이 이루어지도록 마련된 제1 채널부 및 제1 채널부와 떨어져 미반응 영역에 위치하며, 공급부 측에서 배출부 측으로 길이방향을 따라 유동이 이루어지도록 마련된 응축수 채널을 갖고, 제2 면에는 냉각수가 유동하기 위한 제2 채널부가 마련된 분리판이 제공된다.In order to solve the above problems, according to an aspect of the present invention, it is provided to penetrate the first surface, the second surface in the opposite direction of the first surface, the first surface and the second surface, at both ends in the longitudinal direction Each includes a supply portion and a discharge portion, and the first surface is located in an unreacted region apart from the first channel portion and the first channel portion provided to flow to form a reaction region along the longitudinal direction from the supply side to the discharge portion side. And, it has a condensate channel provided to flow in the longitudinal direction from the supply side to the discharge side, the second surface is provided with a separation plate provided with a second channel portion for cooling water flow.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 애노드 전극 및 캐소드 전극을 갖는 막-전극 접합체, 애노드 전극 및 캐소드 전극 상에 각각 배치된 한 쌍의 가스 확산층, 애노드 전극 측 가스 확산층과 적어도 일부에서 접촉하도록 배치된 제1 분리판, 및 캐노드 전극 측 가스 확산층과 적어도 일부에서 접촉하도록 배치된 제2 분리판을 포함하는 연료전지 스택을 포함한다. 여기서, 제1 분리판은, 애노드 전극 측 가스확산층과 마주하는 제1 면, 제1 면의 반대방향의 제2 면, 제1 면 및 제2 면을 관통하도록 마련되며, 길이방향의 양 단부에 각각 위치하는 공급부 및 배출부를 포함하고, 제1 분리판의 제1 면은 공급부 측에서 배출부 측으로 길이방향을 따라 반응 영역 형성을 위한 유동이 이루어지도록 마련된 제1 채널부 및 제1 채널부와 떨어져 미반응 영역에 위치하며, 공급부 측에서 배출부 측으로 길이방향을 따라 유동이 이루어지도록 마련된 제1 응축수 채널을 갖고, 제1 분리판의 제2 면에는 냉각수가 유동하기 위한 제2 채널부가 마련된다.In addition, according to another aspect of the present invention, a membrane-electrode assembly having an anode electrode and a cathode electrode, a pair of gas diffusion layers respectively disposed on the anode electrode and the cathode electrode, to contact at least part of the gas diffusion layer on the anode electrode side And a fuel cell stack including a disposed first separator plate and a second separator plate arranged to contact at least a portion of the cathode electrode side gas diffusion layer. Here, the first separation plate is provided to penetrate the first surface facing the anode electrode side gas diffusion layer, the second surface opposite the first surface, the first surface and the second surface, and at both ends in the longitudinal direction. Each includes a supply portion and a discharge portion, and the first surface of the first separation plate is separated from the first channel portion and the first channel portion provided to flow to form a reaction region along the longitudinal direction from the supply side to the discharge portion side. It is located in the unreacted region, and has a first condensate channel provided to flow along the longitudinal direction from the supply side to the discharge side, and a second channel portion for flowing coolant is provided on the second surface of the first separation plate.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.As described above, the separation plate related to at least one embodiment of the present invention and the fuel cell stack including the same have the following effects.

다공성 부재(또는 다공체)를 적용한 분리판을 포함하는 연료전지 셀/스택의 반응/냉각 유체의 유동 저항을 감소시킬 수 있고, 분배 균일도를 향상시킬 수 있다. It is possible to reduce the flow resistance of the reaction/cooling fluid of the fuel cell/stack including the separation plate to which the porous member (or porous body) is applied, and to improve the distribution uniformity.

또한, 리버 델타형(River Delta形)의 동심원 구조를 갖는 유체 분배부가 도입/적용된 표리 반전 구조의 스탬핑 성형 금속 분리판을 통해, 고출력 영역에서 냉각 부하를 낮출 수 있고, 전극 면 내 반응 유체의 확산 전달 균일도를 향상시킬 수 있으며, 스택 성능/내구성 및 시스템 발전 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, through a stamped molded metal separating plate of the front and back inverted structure in which a fluid delta having a river delta-shaped concentric circle structure is introduced/applied, a cooling load can be lowered in a high-power region, and diffusion of reaction fluid in the electrode surface Delivery uniformity can be improved, and stack performance/durability and system power generation efficiency can be improved.

또한, 연료전지 셀 적층 시, 애노드/캐소드(ANODE/CATHODE) 분리판의 결합에 의해 리버 델타(River Delta)형의 분배기가 정합됨에 따라 시계 방향과 반시계방향으로 교차 유입된 냉각수의 충돌/합류에 의해 3차원적 난류 유동이 형성될 수 있으며, 그 결과 고출력 영역에서의 냉각 성능/효율이 향상된다.In addition, when stacking fuel cell, collision/joint of coolant cross-clockwise and counter-clockwise cross-flow due to the combination of the River Delta type distributor by the combination of anode/cathode (ANODE/CATHODE) separators By this, a three-dimensional turbulent flow can be formed, and as a result, cooling performance/efficiency in a high power region is improved.

또한, 리버 델타형(River Delta形) 유체 분배부 및 다공성 부재 하단에 축적되는 웅축수 배출을 유도하기 위해 웨이브 형(wave-like) 및 지그재그 형(zigzag 形) 미세유로를 가지며, 그 결과 응축수 배출 촉진에 따른 확산 저항을 낮출 수 있고, 성능 및 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, it has a wave-like and zigzag-type micro-channels to induce discharge of concentrated water accumulated at the bottom of a river delta-type fluid distribution portion and a porous member, and consequently discharged condensate The diffusion resistance due to acceleration can be lowered, and performance and stability can be improved.

또한, 연료전지 스택 제작/조립 시 압축력에 의한 다공성 부재 내 과도한 가스확산층(GDL)의 함입 및 금속분리판의 중심부 휨 현상 방지를 위한 구조 보강 지지용 포밍(forming)부와 균일한 내압 특성 향상을 위한 아치형(arch形) 기밀 구조를 제공하는 가스켓을 포함하며, 그 결과, 압축 체결에 의한 구조적 안정성을 향상시킬 수 있고, 확산 전달 저항을 낮출 수 있다.In addition, forming/assembly of the fuel cell stack improves the formation of the forming part for supporting the structural reinforcement and uniform pressure resistance to prevent the intrusion of excessive gas diffusion layer (GDL) in the porous member due to the compressive force and the bending of the center of the metal separator. It includes a gasket providing an arcuate airtight structure for, and as a result, it is possible to improve the structural stability by compression fastening and lower the diffusion transfer resistance.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택을 나타내는 개략도이다.
도 2는 제1 분리판의 제1 면을 나타내는 개략도이다.
도 3은 제2 분리판의 제1 면을 나타내는 개략도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제1 분리판의 요부 확대도이다.
도 5는 제1 응축수 채널을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6 내지 도 8은 제1 응축수 채널 및 제2 응축수 채널을 설명하기 위한 개략도들이다.1 is a schematic diagram showing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view showing a first surface of the first separation plate.
3 is a schematic view showing the first surface of the second separation plate.
FIG. 4 is an enlarged view of main parts of the first separation plate illustrated in FIG. 1.
5 is a schematic diagram for describing a first condensate channel.
6 to 8 are schematic diagrams for describing the first condensate channel and the second condensate channel.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a separator according to an embodiment of the present invention and a fuel cell stack including the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.In addition, the same or corresponding components are assigned the same or similar reference numerals regardless of the reference numerals, and duplicate descriptions thereof will be omitted, and the size and shape of each component shown are exaggerated or reduced for convenience of explanation. Can be.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택을 나타내는 개략도(100)이고, 도 2는 제1 분리판(200)의 제1 면을 나타내는 개략도이며, 도 3은 제2 분리판(300)의 제1 면을 나타내는 개략도이고, 도 4는 도 1에 도시된 제1 분리판(200)의 요부 확대도이다.1 is a schematic diagram 100 showing a fuel cell stack related to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram showing a first side of the first separator 200, and FIG. 3 is a second separator 300 ) Is a schematic view showing a first surface, and FIG. 4 is an enlarged view of main parts of the first separation plate 200 shown in FIG. 1.

또한, 도 5는 제1 응축수 채널(280)을 설명하기 위한 개략도이고, 도 6 내지 도 8은 제1 응축수 채널(380) 및 제2 응축수 채널(390)을 설명하기 위한 개략도들이다.In addition, FIG. 5 is a schematic diagram for describing the first condensate channel 280, and FIGS. 6 to 8 are schematic diagrams for illustrating the first condensate channel 380 and the second condensate channel 390.

본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(100)은 복수 개의 연료전지 셀(예를 들어, 제1 연료전지 셀, 제2 연료전지 셀 등)을 포함한다. 각각의 연료전지 셀은 동일한 구조를 가지며, 연료전지 셀을 구성하는 구성요소는 모두 동일하다. The fuel cell stack 100 related to an embodiment of the present invention includes a plurality of fuel cell cells (eg, a first fuel cell cell, a second fuel cell cell, etc.). Each fuel cell has the same structure, and the components constituting the fuel cell are all the same.

도 1을 참조하면, 연료전지 스택을 구성하는 연료전지 셀은 막-전극 접합체(110), 가스확산층(120), 제1 분리판(200) 및 제2 분리판(300)을 포함한다. 또한, 제1 연료전지 셀 및 제2 연료전지 셀이 적층된 연료전지 스택에서, 제1 연료전지 셀의 제1 분리판의 제2 면은 제2 연료전지 셀의 제2 분리판의 제2 면과 마주하도록 적층된다. 이때, 제1 연료전지 셀의 제1 분리판의 제2 면 및 제2 연료전지 셀의 제2 분리판의 제2 면은 그 사이로 냉각수가 유동할 수 있는 채널을 제공한다. 냉각수 채널은 예를 들어, 제1 분리판의 제2 면에 성형될 수 있다.Referring to FIG. 1, a fuel cell constituting a fuel cell stack includes a membrane-electrode assembly 110, a gas diffusion layer 120, a first separation plate 200 and a second separation plate 300. In addition, in the fuel cell stack in which the first fuel cell and the second fuel cell are stacked, the second surface of the first separation plate of the first fuel cell is the second surface of the second separation plate of the second fuel cell. It is stacked to face. At this time, the second surface of the first separation plate of the first fuel cell and the second surface of the second separation plate of the second fuel cell provide channels through which cooling water can flow. The cooling water channel can be molded, for example, on the second side of the first separator plate.

구체적으로, 연료전지 셀은 애노드 전극(111)과 캐소드 전극(112)을 갖는 막-전극 접합체(10) 및 애노드 전극(111) 및 캐소드 전극(112) 상에 각각 배치된 한 쌍의 가스 확산층(120)을 포함한다.Specifically, the fuel cell includes a membrane-electrode assembly 10 having an anode electrode 111 and a cathode electrode 112, and a pair of gas diffusion layers disposed on the anode electrode 111 and the cathode electrode 112, respectively. 120).

또한, 연료전지 셀은 애노드 전극(111) 측 가스 확산층(120)과 적어도 일부에서 접촉하도록 배치된 제1 분리판(200) 및 캐노드 전극 측 가스 확산층과 적어도 일부에서 접촉하도록 배치된 제2 분리판(300)을 포함한다. 본 문서에서, 제1 분리판은 애노드 분리판, 제2 분리판은 캐소드 분리판이라 지칭할 수 있다.In addition, the fuel cell is a first separation plate 200 arranged to contact at least a portion of the gas diffusion layer 120 on the anode electrode 111 side and a second separation arranged to contact at least a portion of the gas diffusion layer on the anode electrode side. Plate 300 is included. In this document, the first separator may be referred to as an anode separator and the second separator may be a cathode separator.

도 2 및 도 4를 참조하여, 제1 분리판(200, 또는 '분리판'이라 약칭함)을 설명한다. 제1 분리판(또는 분리판)은 제1 면(201), 제1 면(201)의 반대방향의 제2 면(202), 제1 면(201) 및 제2 면(202)을 관통하도록 마련되며, 길이방향의 양 단부에 각각 위치하는 공급부(210) 및 배출부(220)를 포함한다. 공급부(210)는 수소 공급홀(211), 냉각수 공급홀(212), 및 공기 공급홀(213)을 포함할 수 있다. 또한, 배출부(220)는, 수소 배출홀(221), 냉각수 배출홀(222), 및 공기 배출홀(223)을 포함할 수 있다.2 and 4, the first separation plate 200 (or abbreviated as'separation plate') will be described. The first separating plate (or separating plate) penetrates the first surface 201, the second surface 202 opposite the first surface 201, the first surface 201, and the second surface 202. It is provided, and includes a supply unit 210 and a discharge unit 220 located at both ends in the longitudinal direction. The supply unit 210 may include a hydrogen supply hole 211, a cooling water supply hole 212, and an air supply hole 213. In addition, the discharge unit 220 may include a hydrogen discharge hole 221, a cooling water discharge hole 222, and an air discharge hole 223.

본 문서에서 분리판(제1 및 제2 분리판을 포함)은 평면에서 볼 때, 대략 직사각형 형상이고, 이때, 장변방향(x축 방향)을 분리판의 길이방향이라 지칭하고, 장변방향에 직교하는 단변방형(y축 방향)을 분리판의 폭 방향이라 지칭할 수 있다.In this document, the separation plate (including the first and second separation plates) has a substantially rectangular shape when viewed in a plan view. In this case, the long side direction (x-axis direction) is referred to as a longitudinal direction of the separation plate, and is orthogonal to the long side direction. The unilateral rectangle (y-axis direction) can be referred to as the width direction of the separation plate.

제1 분리판(또는 분리판)의 제1 면(201)은 공급부(210) 측에서 배출부(220) 측으로 길이방향을 따라 반응 영역 형성을 위한 유동이 이루어지도록 마련된 제1 채널부(230) 및 제1 채널부(230)와 떨어져 미반응 영역에 위치하며, 공급부(210) 측에서 배출부(220) 측으로 길이방향을 따라 유동이 이루어지도록 마련된 제1 응축수 채널(280)을 갖는다. 본 문서에서, 제1 채널부(230)의 길이방향(x축 방향)이라 함은, 공급부(210) 측에서 배출부(220) 측을 향하는 방향을 지칭하고, 제1 채널부(230)의 폭 방향(y축 방향)은 길이방향에 직교하는 방향을 지칭한다.The first surface 201 of the first separation plate (or separation plate) is a first channel portion 230 provided to flow to form a reaction region along a longitudinal direction from a supply portion 210 side to a discharge portion 220 side. And a first condensate channel 280 provided in an unreacted region away from the first channel portion 230 and provided to flow along the longitudinal direction from the supply portion 210 side to the discharge portion 220 side. In this document, the longitudinal direction (x-axis direction) of the first channel unit 230 refers to a direction from the supply unit 210 side toward the discharge unit 220 side, and the first channel unit 230 The width direction (y-axis direction) refers to a direction orthogonal to the longitudinal direction.

또한, 제1 분리판(또는 분리판)의 제2 면(202)에는 냉각수가 유동하기 위한 제2 채널부(도시되지 않음)가 마련된다. 제2 채널부는 스탬핑 성형 공정 시, 제1 면의 제1 채널부에 의해 종속적으로 제2 면에 형성될 수 있다. 즉, 제1 분리판(또는 분리판)은 표리 반전 형태로 형성될 수 있다. In addition, a second channel portion (not shown) for cooling water to flow is provided on the second surface 202 of the first separation plate (or separation plate). The second channel portion may be formed on the second surface by the first channel portion of the first surface during the stamping molding process. That is, the first separation plate (or separation plate) may be formed in a front and rear inversion form.

제1 분리판(또는 분리판)의 제1 면(201)은 공급부(210)와 제1 채널부(230)를 연결하는 제1 분배부(240), 및 제1 채널부(230)와 배출부(220)를 연결하는 제2 분배부(250)를 가질 수 있다. 이때, 제1 응축수 채널(280)은 제1 및 제2 분배부(230, 240)와 각각 유체 이동 가능하게 연결될 수 있다. 이때, 각각의 분배부(230, 240)는 원활한 냉각수 공급/분배 및 반응 면(채널부)으로의 반응 가스 균일 유량 분배/공급을 위한 압력 손실 저감을 위해 리버 델타(River Delta)형 유체 분배부로 형성될 수 있다. The first surface 201 of the first separation plate (or separation plate) includes a first distribution unit 240 connecting the supply unit 210 and the first channel unit 230, and the first channel unit 230 and discharge It may have a second distribution unit 250 for connecting the unit 220. In this case, the first condensate channel 280 may be fluidly connected to the first and second distribution units 230 and 240, respectively. At this time, each distribution unit (230, 240) is a river delta (River Delta) type fluid distribution unit for smooth pressure supply/distribution of cooling water and uniform pressure distribution/reduction of reaction gas to the reaction surface (channel section) Can be formed.

또한, 제1 채널부(230)는 복수 개의 채널이 길이방향을 따라 직선 유로를 형성하도록 마련될 수 있고, 제1 응축수 채널(280)은 길이방향을 따라 곡선 유로를 형성하도록 마련될 수 있다. 제1 채널부(230) 내 화살표는 유체의 이동방향을 나타낸다.In addition, the first channel portion 230 may be provided so that a plurality of channels form a straight flow path along the longitudinal direction, and the first condensate channel 280 may be provided to form a curved flow path along the longitudinal direction. Arrows in the first channel portion 230 indicate the direction of movement of the fluid.

이와는 다르게, 제1 채널부(230)는 복수 개의 채널이 길이방향을 따라 직선 유로를 형성하도록 마련될 수 있고, 제1 응축수 채널(280)은 길이방향을 따라 직선 유로를 형성하도록 마련될 수 있다.Alternatively, the first channel portion 230 may be provided so that a plurality of channels form a straight flow path along the longitudinal direction, and the first condensate channel 280 may be provided to form a straight flow path along the longitudinal direction. .

이때, 제1 응축수 채널(280)은 직선 유로로 형성되어도 웅축수 배출 효과를 갖지만, 곡선 유로를 도입하였을 때 상대적으로 응축수 배출 효과가 크며, 유로 길이에 비례하여 유체 저항이 증가함에 따라 반응 가스의 바이패스(bypass) 우회 유동을 최소화할 수 있다.At this time, although the first condensate channel 280 has a condensate discharge effect even when it is formed as a straight flow path, when the curved flow path is introduced, the condensate discharge effect is relatively large, and as the fluid resistance increases in proportion to the flow path length, the reaction gas Bypass bypass flow can be minimized.

곡선 유로인 경우, 웨이브형, 지그재그 형으로 형성될 수 있으며, 구체적으로, 제1 응축수 채널(280)의 곡선 유로는 제1 채널부(230)의 채널의 길이방향(x축 방향)에 평행한 가상의 선분을 복수 회 교차하도록 마련될 수 있다. In the case of a curved flow path, it may be formed in a wave shape or a zigzag shape. Specifically, the curved flow path of the first condensate channel 280 is parallel to the longitudinal direction (x-axis direction) of the channel of the first channel portion 230. It may be provided to cross the virtual line segment multiple times.

또한, 제1 응축수 채널(280)은 그 폭이 제1 채널부(230)의 채널의 폭보다 작게 형성될 수 있다. 응축수 배출용 제1 응축구 채널(280)의 폭이 제1 채널부의 채널의 폭에 비해 협소하게 설정되어야만, 반응 가스의 바이패스(bypass) 우회 유동을 최소화할 수 있다.In addition, the first condensate channel 280 may have a width smaller than that of the channel of the first channel unit 230. When the width of the first condensate channel 280 for discharging condensate is set to be narrower than the width of the channel of the first channel, it is possible to minimize bypass bypass flow of the reaction gas.

한편, 제1 분리판(또는 분리판)의 제1 면(201) 및 제2 면(202) 중 어느 하나에는 가장자리에 강성 보강을 위한 포밍부(270)가 마련될 수 있다. 또한, 제1 분리판(또는 분리판)은 공급부(210), 분배부(240, 250), 제1 채널부(230)를 둘러싸는 가스켓(260)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 분리판(또는 분리판)은 가장자리에 셀 적층 시 정렬을 위한 복수 개의 정렬부(271)를 가질 수 있다.Meanwhile, one of the first surface 201 and the second surface 202 of the first separating plate (or separating plate) may be provided with a forming portion 270 for reinforcing rigidity at the edge. In addition, the first separation plate (or separation plate) may include a gasket 260 surrounding the supply unit 210, the distribution units 240 and 250, and the first channel unit 230. In addition, the first separation plate (or separation plate) may have a plurality of alignment units 271 for alignment when stacking cells on the edge.

포밍부(270)는 대략 오목한 형태의 구조 보강 지지체로서, 포밍부는 셀/스택 체결 시 적정 수준이상으로 냉각 면이 과하게 압축되어 냉각수 압력 손실이 급증하는 것을 방지하고자, 냉각면 가장자리에 배치된 가스켓(260)의 압축 두께와 동일한 깊이를 갖도록 설정됩니다. 포밍부(270)의 주요 기능은 셀/스택이 이상적인 압축 두께를 갖는 밀착 구조를 갖도록 하여, 과도한 압축에 의한 분리판 변형을 방지해 주는 기능을 수행한다.The forming portion 270 is a structural concave support in a substantially concave shape, and the forming portion is a gasket disposed at the edge of the cooling surface in order to prevent a sudden increase in the pressure loss of the cooling water due to excessive compression of the cooling surface at an appropriate level when the cell/stack is fastened ( 260) is set to have the same depth as the compression thickness. The main function of the forming unit 270 is to make the cell/stack have a close contact structure with an ideal compression thickness, and thus perform a function of preventing deformation of the separator due to excessive compression.

또한, 제1 및 제2 분배부(240, 250)에는, 제1 채널부(230)의 폭 방향을 따라 소정 간격으로 떨어져 위치한 복수 개의 돌기부(241, 242)가 마련될 수 있다. 적층되는 분리판 마다 복수 개의 돌기부(241, 242)는 동일한 위치에 형성될 수 있다. 복수 개의 돌기부(241, 242)는 유체(가스, 냉각수) 분배 기능 및 셀/스택 적층 시 마주하는 분리판의 돌기부와 접촉함으로써, 정합 기능을 제공할 수 있다.Also, the first and second distribution units 240 and 250 may be provided with a plurality of protrusions 241 and 242 spaced apart at predetermined intervals along the width direction of the first channel unit 230. The plurality of protrusions 241 and 242 may be formed at the same position for each separation plate to be stacked. The plurality of protrusions 241 and 242 may provide a matching function by contacting the fluid (gas, cooling water) distribution function and the protrusions of the separation plates facing each other when stacking cells/stacks.

또한, 제1 분리판(또는 분리판)은 연료전지 셀/스택 조립 시, 폭 방향(y축 방향)이 중력 방향에 평행하게 배치된다.In addition, when assembling the fuel cell/stack, the first separation plate (or separation plate) is arranged in a width direction (y-axis direction) parallel to the gravity direction.

도 3, 도 6 내지 도 8을 참조하면, 제2 분리판(300)은, 캐소드 전극(112) 측 가스확산층(120)과 마주하는 제1 면(301), 제1 면(301)의 반대방향의 제2 면(302), 제1 면 및 제2 면을 관통하도록 마련되며, 길이방향의 양 단부에 각각 위치하는 공급부(310) 및 배출부(320)를 포함한다. 제1 분리판과 마찬가지로, 공급부(310)는 수소 공급홀(311), 냉각수 공급홀(312), 및 공기 공급홀(313)을 포함할 수 있다. 또한, 배출부(320)는, 수소 배출홀(321), 냉각수 배출홀(322), 및 공기 배출홀(323)을 포함할 수 있다.3 and 6 to 8, the second separation plate 300 is opposite to the first surface 301 and the first surface 301 facing the gas diffusion layer 120 on the cathode electrode 112 side. It is provided to penetrate the second surface 302, the first surface and the second surface in the direction, and includes a supply part 310 and a discharge part 320 located at both ends in the longitudinal direction, respectively. Like the first separation plate, the supply unit 310 may include a hydrogen supply hole 311, a cooling water supply hole 312, and an air supply hole 313. In addition, the discharge unit 320 may include a hydrogen discharge hole 321, a cooling water discharge hole 322, and an air discharge hole 323.

제2 분리판(300)의 제1 면(301)은 공급부(310) 측에서 배출부(320) 측으로 길이방향을 따라 반응 영역 형성을 위한 유동이 이루어지도록 마련된 복수 개의 제1 채널부(331, 332)을 갖는다. 이때, 각각의 제1 채널부(331, 332)는 공급부(310) 측에서 배출부(320) 측으로 길이방향을 따라 반응 영역 형성을 위한 유동이 이루어지도록 마련되고, 복수 개의 제1 채널부(331, 332)는 폭 방향을 따라 배열된다. The first surface 301 of the second separation plate 300 has a plurality of first channel portions 331, which are provided to flow to form a reaction region along a longitudinal direction from a supply portion 310 side to a discharge portion 320 side. 332). In this case, each of the first channel portions 331 and 332 is provided to flow to form a reaction region along the longitudinal direction from the supply portion 310 side to the discharge portion 320 side, and a plurality of first channel portions 331 , 332) are arranged along the width direction.

제2 분리판(300)의 제1 면(301)은 인접하는 2개의 제1 채널부(331, 332) 사이의 미반응 영역에 위치하며, 공급부(310) 측에서 배출부(320) 측으로 길이방향을 따라 유동이 이루어지도록 마련된 제2 응축수 채널(390)을 갖는다.The first surface 301 of the second separation plate 300 is located in an unreacted region between two adjacent first channel parts 331 and 332, and is length from the supply part 310 side to the discharge part 320 side. It has a second condensate channel 390 provided to flow along the direction.

또한, 제2 분리판의 복수 개의 제1 채널부(331, 332)에는 각각 다공성 부재가 마련된다. 즉, 복수 개의 홀을 갖는 금속 성형 다공성 부재('다공체'라고도 함)가 유체 유동을 위한 채널부를 구성한다. In addition, porous members are provided in the plurality of first channel portions 331 and 332 of the second separation plate, respectively. That is, a metal molded porous member (also referred to as a'porous body') having a plurality of holes constitutes a channel portion for fluid flow.

또한, 제2 응축수 채널(390)은 제1 채널부(331)의 길이방향을 따라 소정 간격 떨어져 배치된 복수 개의 제1 돌기부(391) 및 제1 채널부의 길이방향을 따라 인접하는 2개의 제1 돌기부 사이에 위치하도록 배치된 복수 개의 제2 돌기부(392)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 돌기부(391)와 제2 돌기부(392) 사이 공간에 응축수 배출을 위한 채널이 형성된다.In addition, the second condensate channel 390 includes a plurality of first protrusions 391 disposed at predetermined intervals along the longitudinal direction of the first channel portion 331 and two first adjacent portions along the longitudinal direction of the first channel portion. A plurality of second protrusions 392 disposed to be positioned between the protrusions may be included. At this time, a channel for discharging condensate is formed in a space between the first protrusion 391 and the second protrusion 392.

즉, 제2 응축수 채널(390)은 인접하는 2개의 제1 채널부(331, 332) 사이의 미반응 영역에 위치한다. 제1 분리판의 경우 제1 채널부의 채널들(직선 형태 채널)이 독립적으로 분리되어 있어 중력에 의해 응축수가 하단부 채널에 축적되는 현상이 발생하지 않기 때문에 반응 영역 중심부에 응축수 배출 유로가 필요하지 않은 반면, 다공체가 적용된 제2 분리판의 경우 중앙부에 불연속 돌기의 교차 배열에 의한 직선형 응축수 배출 유로가 배치되어 있다. That is, the second condensate channel 390 is located in an unreacted region between two adjacent first channel portions 331 and 332. In the case of the first separating plate, since the channels (linear channels) of the first channel part are independently separated, condensate is not accumulated in the lower part channel by gravity, so a condensate discharge channel is not required in the center of the reaction area. On the other hand, in the case of the second separating plate to which the porous body is applied, a straight condensate discharge flow path by a cross arrangement of discontinuous protrusions is disposed at the center.

도 7 및 도 8을 참조하면, 제2 분리판 측에만 중앙부에 응축수 배출을 위한 지그재그 미세유로가 형성된 이유는, 중력에 의해 다공체 하단에 응축수가 축적되어 반응 가스 유동 통로가 폐색되는 현상을 방지하기 위함이다. 즉, 지그재그 미세 응축수 유로(제2 응축수 채널)는 중력에 의해 분할 구획된 제1 채널부 및 제2 채널부의 다공체 내부에 응축수가 축적되는 현상을 최소화하기 위한 물 배출 격벽의 기능을 수행할 수 있다. 도면에 나타난 실시예에는 지그재그 미세 응축수 유로를 중앙부에 1개 적용하였으나, 복수 개의 채널부의 분할 구획 개수가 변경되는 경우 지그재그 미세 유로 위치, 개수, 형상도 변경될 수 있다. Referring to FIGS. 7 and 8, the reason why the zigzag micro-channel for discharging condensed water is formed in the center only on the side of the second separation plate is to prevent condensate from accumulating at the bottom of the porous body to prevent the reaction gas flow passage from being blocked by gravity. It is for sake. That is, the zigzag fine condensate flow path (second condensate channel) can function as a water discharge partition wall to minimize the phenomenon of condensate accumulation in the porous body of the first channel portion and the second channel portion divided by gravity. . In the embodiment shown in the drawing, one zigzag fine condensate flow path is applied to the central portion, but when the number of division sections of the plurality of channel portions is changed, the zigzag fine flow path position, number, and shape may also be changed.

또한, 제2 분리판(300)의 제1 채널부와 떨어져 미반응 영역에 위치하며, 공급부 측에서 배출부 측으로 길이방향을 따라 유동이 이루어지도록 마련된 제1 응축수 채널(380)을 가질 수 있다. 제1 응축수 채널(380)은 제1 채널부(331)의 길이방향을 따라 곡선 유로를 형성하도록 마련될 수 있다. 제2 분리판(300)의 제1 응축수 채널(380)은 제1 분리판의 제1 응축수 채널(280)과 동일한 위치에, 동일한 구조로 마련될 수 있다. In addition, it may be located in the unreacted region away from the first channel portion of the second separation plate 300, and may have a first condensate channel 380 provided to flow along the longitudinal direction from the supply side to the discharge side. The first condensate channel 380 may be provided to form a curved flow path along the longitudinal direction of the first channel portion 331. The first condensate channel 380 of the second dividing plate 300 may be provided in the same position as the first condensate channel 280 of the first dividing plate and have the same structure.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The preferred embodiments of the present invention described above are disclosed for the purpose of illustration, and those skilled in the art having various knowledge of the present invention will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention. And additions should be considered to fall within the scope of the following claims.

100: 연료전지 스택
110: 막-전극 접합체
120: 가스 확산층
200: 제1 분리판(애노드 분리판)
300: 제2 분리판(캐소드 분리판)100: fuel cell stack
110: membrane-electrode assembly
120: gas diffusion layer
200: first separation plate (anode separation plate)
300: second separation plate (cathode separation plate)

Claims (18)

제1 면, 제1 면의 반대방향의 제2 면, 제1 면 및 제2 면을 관통하도록 마련되며, 길이방향의 양 단부에 각각 위치하는 공급부 및 배출부를 포함하고,
제1 면은 공급부 측에서 배출부 측으로 길이방향을 따라 반응 영역 형성을 위한 유동이 이루어지도록 마련된 제1 채널부 및 제1 채널부와 떨어져 미반응 영역에 위치하며, 공급부 측에서 배출부 측으로 길이방향을 따라 유동이 이루어지도록 마련된 제1 응축수 채널을 갖고,
제2 면에는 냉각수가 유동하기 위한 제2 채널부가 마련된 분리판.It is provided to penetrate the first surface, the second surface opposite to the first surface, the first surface and the second surface, and includes supply and discharge portions respectively located at both ends in the longitudinal direction,
The first surface is located in the unreacted region apart from the first channel portion and the first channel portion provided to flow through the longitudinal direction from the supply portion side to the discharge portion side, and is provided in the unreacted region from the supply side to the discharge side. Has a first condensate channel provided to flow along,
The second surface is a separation plate provided with a second channel portion for cooling water to flow. 제 1 항에 있어서,
제1 면은 공급부와 제1 채널부를 연결하는 제1 분배부, 및 제1 채널부와 배출부를 연결하는 제2 분배부를 갖고,
제1 응축수 채널은 제1 및 제2 분배부와 각각 유체 이동 가능하게 연결된 분리판.According to claim 1,
The first surface has a first distribution portion connecting the supply portion and the first channel portion, and a second distribution portion connecting the first channel portion and the discharge portion,
The first condensate channel is a separation plate that is fluidly connected to the first and second distribution portions, respectively. 제 1 항에 있어서,
제1 채널부는 복수 개의 채널이 길이방향을 따라 직선 유로를 형성하도록 마련되며,
제1 응축수 채널은 길이방향을 따라 곡선 유로를 형성하도록 마련된 분리판.According to claim 1,
The first channel portion is provided so that a plurality of channels form a straight flow path along the longitudinal direction,
The first condensate channel is a separation plate provided to form a curved flow path along the longitudinal direction. 제 3 항에 있어서,
제1 채널부는 복수 개의 채널이 길이방향을 따라 직선 유로를 형성하도록 마련되며,
제1 응축수 채널은 길이방향을 따라 직선 유로를 형성하도록 마련된 분리판.The method of claim 3,
The first channel portion is provided so that a plurality of channels form a straight flow path along the longitudinal direction,
The first condensate channel is a separation plate provided to form a straight flow path along the longitudinal direction. 제 3 항에 있어서,
제1 응축수 채널의 곡선 유로는 제1 채널부의 채널의 길이방향에 평행한 가상의 선분을 복수 회 교차하도록 마련된 분리판.The method of claim 3,
The curved flow path of the first condensate channel is a separation plate provided to intersect a virtual line segment parallel to the longitudinal direction of the channel of the first channel portion. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
제1 응축수 채널은 그 폭이 제1 채널부의 채널의 폭보다 작게 형성된 분리판.The method of claim 3 or 4,
The first condensate channel has a width that is smaller than that of the channel of the first channel portion. 제 1 항에 있어서,
제1 면 및 제2 면 중 어느 하나에는 가장자리에 강성 보강을 위한 포밍부가 마련된 분리판.According to claim 1,
Separation plate provided with a forming portion for rigid reinforcement at one of the first and second surfaces. 제 1 항에 있어서,
제1 및 제2 분배부에는, 제1 채널부의 폭 방향을 따라 소정 간격으로 떨어져 위치한 복수 개의 돌기부가 마련된 분리판.According to claim 1,
The first and second distribution portions, the separation plate is provided with a plurality of projections located at a predetermined interval along the width direction of the first channel portion. 애노드 전극 및 캐소드 전극을 갖는 막-전극 접합체;
애노드 전극 및 캐소드 전극 상에 각각 배치된 한 쌍의 가스 확산층;
애노드 전극 측 가스 확산층과 적어도 일부에서 접촉하도록 배치된 제1 분리판; 및
캐노드 전극 측 가스 확산층과 적어도 일부에서 접촉하도록 배치된 제2 분리판을 포함하고,
제1 분리판은, 애노드 전극 측 가스확산층과 마주하는 제1 면, 제1 면의 반대방향의 제2 면, 제1 면 및 제2 면을 관통하도록 마련되며, 길이방향의 양 단부에 각각 위치하는 공급부 및 배출부를 포함하고,
제1 분리판의 제1 면은 공급부 측에서 배출부 측으로 길이방향을 따라 반응 영역 형성을 위한 유동이 이루어지도록 마련된 제1 채널부 및 제1 채널부와 떨어져 미반응 영역에 위치하며, 공급부 측에서 배출부 측으로 길이방향을 따라 유동이 이루어지도록 마련된 제1 응축수 채널을 갖고,
제1 분리판의 제2 면에는 냉각수가 유동하기 위한 제2 채널부가 마련된 연료전지 스택.A membrane-electrode assembly having an anode electrode and a cathode electrode;
A pair of gas diffusion layers respectively disposed on the anode electrode and the cathode electrode;
A first separator plate arranged to contact at least a portion of the anode electrode side gas diffusion layer; And
And a second separator plate arranged to contact at least part of the gas diffusion layer on the cathode electrode side,
The first separation plate is provided to penetrate the first surface facing the anode electrode side gas diffusion layer, the second surface opposite to the first surface, the first surface and the second surface, and located at both ends in the longitudinal direction, respectively. Including the supply and discharge section,
The first side of the first separation plate is located in the unreacted region apart from the first channel portion and the first channel portion provided to flow through the longitudinal direction from the supply side to the discharge side, and from the supply side Has a first condensate channel provided to flow in the longitudinal direction toward the discharge side,
A fuel cell stack having a second channel portion for cooling water to flow on the second surface of the first separation plate. 제 9 항에 있어서,
제1 분리판의 제1 면은 공급부와 제1 채널부를 연결하는 제1 분배부, 및 제1 채널부와 배출부를 연결하는 제2 분배부를 갖고,
제1 응축수 채널은 제1 및 제2 분배부와 각각 유체 이동 가능하게 연결된 연료전지 스택.The method of claim 9,
The first surface of the first separation plate has a first distribution portion connecting the supply portion and the first channel portion, and a second distribution portion connecting the first channel portion and the discharge portion,
The first condensate channel is a fuel cell stack connected to the first and second distribution portions so as to be fluidly movable. 제 9 항에 있어서,
제1 채널부는 복수 개의 채널이 길이방향을 따라 직선 유로를 형성하도록 마련되며,
제1 응축수 채널은 길이방향을 따라 곡선 유로를 형성하도록 마련된 연료전지 스택.The method of claim 9,
The first channel portion is provided so that a plurality of channels form a straight flow path along the longitudinal direction,
The first condensate channel is a fuel cell stack provided to form a curved flow path along the longitudinal direction. 제 11 항에 있어서,
제1 응축수 채널의 곡선 유로는 제1 채널부의 채널의 길이방향에 평행한 가상의 선분을 복수 회 교차하도록 마련된 분리판.The method of claim 11,
The curved flow path of the first condensate channel is a separation plate provided to intersect a virtual line segment parallel to the longitudinal direction of the channel of the first channel portion. 제 9 항에 있어서,
제1 응축수 채널은 그 폭이 제1 채널부의 채널의 폭보다 작게 형성된 분리판.The method of claim 9,
The first condensate channel has a width that is smaller than that of the channel of the first channel portion. 제 9 항에 있어서,
제2 분리판은, 캐소드 전극 측 가스확산층과 마주하는 제1 면, 제1 면의 반대방향의 제2 면, 제1 면 및 제2 면을 관통하도록 마련되며, 길이방향의 양 단부에 각각 위치하는 공급부 및 배출부를 포함하고,
제2 분리판의 제1 면은 공급부 측에서 배출부 측으로 길이방향을 따라 반응 영역 형성을 위한 유동이 이루어지도록 마련된 복수 개의 제1 채널부 및 인접하는 2개의 제1 채널부 사이의 미반응 영역에 위치하며, 공급부 측에서 배출부 측으로 길이방향을 따라 유동이 이루어지도록 마련된 제2 응축수 채널을 갖는 연료전지 스택.The method of claim 9,
The second separation plate is provided to penetrate the first surface facing the gas diffusion layer on the cathode electrode, the second surface opposite to the first surface, the first surface and the second surface, and positioned at both ends in the longitudinal direction, respectively. It includes a supply unit and a discharge unit,
The first side of the second separation plate is provided in a unreacted region between a plurality of first channel portions and two adjacent first channel portions provided to flow to form a reaction region along a lengthwise direction from a supply side to a discharge side. Located, the fuel cell stack having a second condensate channel provided to flow in the longitudinal direction from the supply side to the discharge side. 제 14 항에 있어서,
제2 분리판의 복수 개의 제1 채널부에는 각각 다공성 부재가 마련된 연료전지 스택.The method of claim 14,
A fuel cell stack in which a plurality of first channel portions of the second separator plate are provided with porous members, respectively. 제 14 항에 있어서,
제2 응축수 채널은 제1 채널부의 길이방향을 따라 소정 간격 떨어져 배치된 복수 개의 제1 돌기부 및 제1 채널부의 길이방향을 따라 인접하는 2개의 제1 돌기부 사이에 위치하도록 배치된 복수 개의 제2 돌기부를 포함하며,
제1 돌기부와 제2 돌기부 사이 공간에 채널이 형성된 연료전지 스택.The method of claim 14,
The second condensate channel has a plurality of first protrusions arranged at predetermined intervals along the longitudinal direction of the first channel part and a plurality of second protrusions arranged to be positioned between two adjacent first protrusions along the longitudinal direction of the first channel part It includes,
A fuel cell stack in which a channel is formed in a space between the first protrusion and the second protrusion. 제 14 항에 있어서,
제2 분리판의 제1 채널부와 떨어져 미반응 영역에 위치하며, 공급부 측에서 배출부 측으로 길이방향을 따라 유동이 이루어지도록 마련된 제1 응축수 채널을 갖는 연료전지 스택.The method of claim 14,
A fuel cell stack having a first condensate channel located in an unreacted region away from the first channel portion of the second separation plate and provided to flow along the longitudinal direction from the supply side to the discharge side. 제 17 항에 있어서,
제1 응축수 채널은 제1 채널부의 길이방향을 따라 곡선 유로를 형성하도록 마련된 연료전지 스택.The method of claim 17,
The first condensate channel is a fuel cell stack provided to form a curved flow path along the longitudinal direction of the first channel portion.
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