KR20200086531A - 연료전지 스택 - Google Patents

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KR20200086531A KR1020190002846A KR20190002846A KR20200086531A KR 20200086531 A KR20200086531 A KR 20200086531A KR 1020190002846 A KR1020190002846 A KR 1020190002846A KR 20190002846 A KR20190002846 A KR 20190002846A KR 20200086531 A KR20200086531 A KR 20200086531A
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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 스택은, 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA) 및 막전극접합체의 양측에 적층되어 반응기체유로를 형성하는 캐소드측 분리판과 애노드측 분리판을 포함하고, 서로 적층되는 복수의 발전셀과, 적층된 복수의 발전셀의 적어도 한쪽의 적층 단부에 설치되고, 발전을 목적으로하지 않는 더미셀과, 적층된 복수의 발전셀 및 더미셀의, 적층방향 양단부에 설치되는 엔드플레이트들을 포함한다. 더미셀은, 제1 분리판과 제2 분리판을 포함한다. 제1 분리판과 제2 분리판 중에 발전셀의 분리판과 인접한 분리판 및 발전셀의 분리판 사이에 제1 냉각유로가 마련되고, 제1 분리판과 제2 분리판 중에 엔드플레이트와 인접한 분리판 및 엔드플레이트 사이에 제2 냉각유로가 마련되고, 제1 분리판과 제2 분리판 사이에 제3 냉각유로가 마련된다.

Description

연료전지 스택{FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각유로가 발전셀과 더미셀을 포함하되 더미셀에 냉각유로가 마련되는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.
수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 따라서, 수소차는 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산해내는 스택(FC STACK: Fuel Cell Stack), 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치들뿐만 아니라 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 생성하는 모터 등을 포함하는 구조를 갖는다.
이중, 스택은 수십 또는 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체를 일컫는 장치로써, 엔드플레이트들 사이에 복수개의 셀이 적층된 구조를 갖되, 각각의 셀의 내부는 전해질막으로 구획되고 일측은 애노드 타측은 캐소드가 마련된다.
각각의 셀들 사이에는 분리판이 배치되어 수소와 산소의 유동 경로를 제한하며 상기 분리판은 산화환원 반응시 전자를 이동시키도록 전도체로 제조된다.
이러한 스택은 애노드에 수소가 공급되면 촉매에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 전자는 분리판을 통해 스택 외부로 이동하며 전기를 생산하며, 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드로 이동한 후 외기에서 공급되는 산소 및 전자와 결합하여 물을 형성하고 외부로 배출된다.
일반적으로 연료전지 스택은 서로 적층된 복수 개의 발전셀을 포함하고, 적층된 복수 개의 발전셀의 양측 적층 단부를 한 쌍의 엔드플레이트로 가압하여 연료전지 스택을 구성한다. 이때, 적층된 복수 개의 발전셀들 사이의 틈으로 수소나 공기가 새는 것을 방지하기 위해, 복수 개의 발전셀들은 적층방향으로 가압하며 엔드플레이트와 함께 체결된다.
복수 개의 발전셀들이 적층방향으로 가압되게 되면, 복수 개의 발전셀들의 사이에 배치되는 가스켓 등에 의해 막전극접합체(또는 가스확산층)가 찍히거나 눌려서, 막전극접합체(또는 가스확산층)가 변형되거나 또는 물리적 특성이 변하게 된다. 이로 인해 발전셀 내부의 가스확산층 등이 눌려서 해당 발전셀의 내부로 기체의 확산이 원활하지 않게 되는 문제점과, 발전셀의 냉각이 충분히 이루어지지 않게 되는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 연료전지 스택의 체결에 의해 발전셀이 가압되어 발전셀이 손상되는 것을 방지하고 또한 발전셀을 효과적으로 냉각시키기 위한 구조를 갖는 연료전지 스택을 제공하는 것에 주목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은, 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA) 및 상기 막전극접합체의 양측에 적층되어 반응기체유로를 형성하는 캐소드측 분리판과 애노드측 분리판을 포함하고, 서로 적층되는 복수의 발전셀과; 상기 적층된 복수의 발전셀의 적어도 한쪽의 적층 단부에 설치되고, 발전을 목적으로 하지 않는 더미셀과; 적층된 상기 복수의 발전셀 및 상기 더미셀의, 적층방향 양단부에 설치되는 엔드플레이트들을 포함한다.
상기 더미셀은, 제1 분리판과 제2 분리판을 포함한다.
상기 제1 분리판과 제2 분리판 중에 상기 발전셀의 분리판과 인접한 분리판 및 상기 발전셀의 분리판 사이에 제1 냉각유로가 마련되고, 상기 제1 분리판과 제2 분리판 중에 상기 엔드플레이트와 인접한 분리판 및 상기 엔드플레이트 사이에 제2 냉각유로가 마련되고, 상기 제1 분리판과 상기 제2 분리판 사이에 제3 냉각유로가 마련된다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 적층된 복수의 발전셀과 엔드플레이트의 사이에, 발전을 목적으로 하지 않는 더미셀을 설치함으로써, 연료전지 스택의 체결에 따른 압력으로 발전셀의 손상이 발생되는 것이 방지될 수 있다.
둘째, 더미셀 및 그와 인접한 발전셀의 사이와 더미셀 및 그와 인접한 엔드플레이트의 사이에 냉각유체가 유동될 수 있는 냉각유로를 마련할 뿐만 아니라, 더미셀의 내부에도 냉각유로를 마련함으로써, 연료전지 스택의 냉각 효과를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 연료전지 스택의 캐소드측 분리판과 발전셀측 가스켓을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 연료전지 스택의 제2 분리판과 더미셀측 가스켓을 나타낸 도면이다.
도 4a는 도 1의 A 부분의 확대도이다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택은 발전셀(100), 더미셀(200), 엔드플레이트(300)를 포함한다.
발전셀(100)은 복수 개가 서로 적층될 수 있다. 복수의 발전셀(100)의 각각은 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)(110) 및 상기 막전극접합체(110)의 양측에 적층되어 반응기체유로를 형성하는 애노드측 분리판(120)과 캐소드측 분리판(130)을 포함할 수 있다.
더미셀(200)은 적층된 복수의 발전셀(100)의 적어도 한쪽의 적층 단부에 설치될 수 있다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에서는 적층된 복수의 발전셀(100)의 양쪽의 적층 단부에 각각 더미셀(200)이 설치된다.
발전을 목적으로 하는 발전셀(100)과 달리, 더미셀(200)은 발전을 목적으로 하지 않는다. 따라서, 더미셀(200)은 막전극접합체를 포함하지 않는다. 또는, 더미셀(200)은 전해질막을 포함하지 않는다.
더미셀(200)은 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 제2 분리판(230) 및 그와 인접한 발전셀(100)의 애노드측 분리판(120)의 사이에 제1 냉각유로(200a)가 마련될 수 있다. 제1 분리판(220) 및 그와 인접한 엔드플레이트(300)의 사이에 제2 냉각유로(200b)가 마련될 수 있다. 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)의 사이에 제3 냉각유로(200c)가 마련될 수 있다.
엔드플레이트(300)는 적층된 복수의 발전셀(100) 및 더미셀(200)의 적층방향 양단부에 설치될 수 있다.
일반적으로 연료전지 스택은 서로 적층된 복수 개의 발전셀을 포함하고, 적층된 복수 개의 발전셀의 양측 적층 단부를 한 쌍의 엔드플레이트로 가압하여 연료전지 스택을 구성한다. 이때, 적층된 복수 개의 발전셀들 사이의 틈으로 수소나 공기가 새는 것을 방지하기 위해, 복수 개의 발전셀들은 적층방향으로 가압하며 엔드플레이트와 함께 체결된다.
복수 개의 발전셀들이 적층방향으로 가압되게 되면, 복수 개의 발전셀들의 사이에 배치되는 가스켓 등에 의해 막전극접합체(또는 가스확산층)가 찍히거나 눌려서, 막전극접합체(또는 가스확산층)가 변형되거나 또는 물리적 특성이 변하게 된다. 종래에는 연료전지 스택의 체결구조에 의해 발전셀이 과도하게 가압되는 것을 막기 위해, 더미셀을 발전셀과 엔드플레이트의 사이에 배치하는 것을 고려해볼 수 있었다.
더미셀을 배치하더라도 적층된 복수 개의 발전셀들 중에 양 끝단에 위치한 발전셀의 경우 중간에 위치한 발전셀에 비해 상대적으로 큰 힘으로 가압되게 되고, 이로 인해 발전셀 내부의 가스확산층 등이 눌려서 해당 발전셀의 내부로 기체의 확산이 원활하지 않게 되는 문제점과, 발전셀의 냉각이 충분히 이루어지지 않게 되는 문제점이 존재하였다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택은 발전셀의 냉각 효과를 보다 향상시키기 위한 것으로, 특히 적층된 복수의 발전셀들 중에 양 끝단에 위치한 발전셀을 보다 효과적으로 냉각시킬 수 있는 연료전지 스택의 구조에 관한 것이다.
보다 구체적으로 본 실시예에 따른 연료전지 스택은, 적층된 복수의 발전셀의 적어도 한쪽의 적층 단부에 설치되고 발전을 목적으로 하지 않는 더미셀(200)을 포함하고, 더미셀(200)은 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)을 포함하여, 상기 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230) 중에 상기 발전셀(100)의 분리판과 인접한 분리판 및 상기 발전셀(100)의 분리판 사이에 제1 냉각유로(200a)가 마련되고, 상기 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230) 중에 상기 엔드플레이트(300)와 인접한 분리판 및 상기 엔드플레이트(300) 사이에 제2 냉각유로(200b)가 마련되고, 상기 제1 분리판(220)과 상기 제2 분리판(230) 사이에 제3 냉각유로(200c)가 마련되는 것에 기본적인 특징이 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택에 의하면, 더미셀에 냉각유체가 유동되는 냉각유로를 추가로 확보함으로써, 연료전지 스택의 냉각효과를 향상시킬 수 있고, 이를 통해 연료전지 스택이 장기간 운전되더라도 발열에 의해 발전성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
도 1을 참조하면, 복수의 발전셀(100)들과 더미셀(200) 및 엔드플레이트(300)들의 결합에 의해, 복수의 발전셀(100)의 냉각유로와 더미셀(200)의 냉각유로(200a, 200b, 200c)들로 냉각유체를 공급하기 위한 메인냉각유로(10)가 적층방향으로 연장된 형상으로 마련될 수 있다.
예를 들면, 복수의 발전셀(100)과 더미셀(200)의 각각에는 서로 대응되는 위치에 메인냉각유로홀이 형성되어, 복수의 발전셀(100)과 더미셀(200)이 서로 결합되는 것에 의해 메인냉각유로홀들이 서로 연결되며 메인냉각유로(10)가 마련될 수 있다.
연료전지 스택의 외부로부터 유입되는 냉각유체(예를 들면, 냉각수)가 메인냉각유로(10)로 유동될 수 있다.
도 1에 도시되지는 않았으나, 메인냉각유로(10)는 발전셀(100)의 냉각유로와 더미셀(200)의 냉각유로(200a, 200b, 200c)들을 통과한 냉각유체가 배출되는 출구측 메인냉각유로(미도시)를 포함할 수 있다. 출구측 메인냉각유로는 도 1에 표시된 입구측 메인냉각유로(10)와 동일한 방식으로 마련될 수 있다.
복수의 발전셀(100)의 각각은 막전극접합체(110)와 캐소드측 분리판(130)과 애노드측 분리판(120)의 각각이 상기 적층방향을 기준으로 서로 소정 거리 이격되도록 하기 위해 마련되는 발전셀측 가스켓(140)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 발전셀측 가스켓(140)은 하나의 가스켓에 상기 막전극접합체(110)와 캐소드측 분리판(130)과 애노드측 분리판(120)의 각각이 삽입되도록 마련될 수도 있다.
일 실시예에서, 발전셀측 가스켓(140)은 복수의 발전셀측 가스켓(140)을 포함하고, 상기 막전극접합체(110)와 캐소드측 분리판(130)과 애노드측 분리판(120)의 사이마다 발전셀측 가스켓(140)이 개재될 수 있다.
더미셀(200)은 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)이 상기 적층방향을 기준으로 소정 거리 이격되도록 하기 위해 마련되는 더미셀측 가스켓(240)을 포함할 수 있다.
더미셀측 가스켓(240)은 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)의 사이에 마련되는 제3 냉각유로(200c)로 냉각유체의 유입이 허용되도록 마련될 수 있다.
도 1을 참조하면, 제1 분리판(220)과 엔드플레이트(300)의 사이에는 제2 냉각유로(200b)가 마련될 수 있다. 제1 분리판(220)과 결합에 의해 제2 냉각유로(200b)를 형성하기 위해, 제1 분리판(220)과 엔드플레이트(300)의 사이에 추가로 분리판이 설치될 수 있다.
즉, 제2 냉각유로(200b)는 제1 분리판(220)과 엔드플레이트(300)의 결합에 의해 형성될 수도 있고, 제1 분리판(220)과 엔드플레이트(300)의 사이에 배치되는 분리판 및 제1 분리판(220)의 결합에 의해 형성될 수도 있다.
일 실시예에서, 더미셀(200)과 엔드플레이트(300)의 사이에는 밀봉을 위한 기밀부재가 더 마련될 수 있다.
발전셀(100)의 막전극접합체(110)는 전해질막(111) 및 전해질막(111)의 캐소드측과 애노드측에 각각 배치되는 가스확산층(112)들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 발전셀(100)의 각각은 발전셀측 다공성분리판(150)을 포함할 수 있다. 발전셀측 다공성분리판(150)은 캐소드측 분리판(130)과 막전극접합체(110)의 사이에 배치되어 공기유로(도 4a의 130a 참조)를 마련할 수 있다.
발전셀측 다공성분리판(150)은 공기의 난류 유동을 유도하기 위한 형상을 가질 수 있다. 발전셀측 다공성분리판(150)은 종래에 알려진 다양한 형상의 다공성분리판들 중에 어느 하나가 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 더미셀(200)은 더미셀측 다공성분리판(250)을 포함할 수 있다. 더미셀측 다공성분리판(250)은 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)의 사이에 배치되어 제3 냉각유로(200c)를 마련할 수 있다.
더미셀측 다공성분리판(250)은 냉각유체의 난류 유동을 유도하기 위한 형상을 가질 수 있다. 더미셀측 다공성분리판(250)은 종래에 알려진 다양한 형상의 다공성분리판들 중에 어느 하나가 적용될 수 있다.
도 1에 도시되지는 않았으나, 적층된 복수의 발전셀(100)과 엔드플레이트(300)의 사이에는 복수의 더미셀(200)이 배치될 수 있다.
이 경우, 복수의 더미셀(200)들 중에 적층된 복수의 발전셀(100)과 인접한 하나 또는 그 이상의 더미셀(200)의 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)의 사이에만 제3 냉각유로(200c)가 마련되고, 복수의 더미셀(200)들 중에 나머지 더미셀(200)의 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)의 사이에는 냉각유로가 마련되지 않을 수 있다.
또는, 복수의 더미셀(200)들 중에 엔드플레이트(300)와 인접한 하나 또는 그 이상의 더미셀(200)의 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)의 사이에만 제3 냉각유로(200c)가 마련되고, 복수의 더미셀(200)들 중에 나머지 더미셀(200)의 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)의 사이에는 냉각유로가 마련되지 않을 수 있다.
이는, 연료전지 스택의 작동환경이나 구조에 따라 선택될 수 있다. 즉, 발전셀의 냉각이 상대적으로 더 필요한 연료전지 스택의 경우에는 복수의 더미셀들 중에 발전셀과 인접한 더미셀의 내부에 냉각유로를 마련할 수 있고, 또는 엔드플레이트의 냉각이 상대적으로 더 필요한 연료전지 스택의 경우에는 복수의 더미셀들 중에 엔드플레이트와 인접한 더미셀의 내부에 냉각유로를 마련할 수도 있다.
도 2는 도 1의 연료전지 스택의 캐소드측 분리판과 발전셀측 가스켓을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1의 연료전지 스택의 제2 분리판과 더미셀측 가스켓을 나타낸 도면이다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여, 발전셀(100)과 더미셀(200)의 구조 상의 차이에 대해 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 발전셀(100)의 캐소드측 분리판(130)은 냉각유체가 유동되는 메인냉각유로(또는, 그를 마련하기 위한 홀)(10)과, 공기가 유동되는 메인공기유로(또는, 그를 마련하기 위한 홀)(20)과, 수소가 유동되는 메인수소유로(또는, 그를 마련하기 위한 홀)(30)을 포함할 수 있다.
캐소드측 분리판(130)에는 메인공기유로(20)로 유동되는 공기를 막전극접합체(110)로 공급하기 위해, 공기유입홀(130h)이 형성될 수 있다. 공기유입홀(130h)은 메인공기유로(20)와 캐소드측 분리판(130)의 내부 공간을 서로 연통시킬 수 있다.
발전셀측 가스켓(140)은 메인냉각유로(10)로 유동되는 냉각유체(예를 들면 냉각수)나 메인수소유로(30)로 유동되는 수소가 캐소드측 분리판(130)의 내부 공간으로 유입되는 것을 방지하기 위해, 캐소드측 분리판(130)에 형성된 메인냉각유로(또는, 메인냉각유로홀)(10)과 메인수소유로(또는, 메인수소유로홀)(30)를 에워싸는 형상을 가질 수 있다.
또한, 발전셀측 가스켓(140)은 공기유입홀(130h)을 통하지 않고 공기가 메인공기유로(20)로부터 유입되는 것을 방지하기 위해, 캐소드측 분리판(130)에 형성된 메인공기유로(또는, 메인공기유로홀)(20)를 에워싸는 형상을 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 더미셀(200)의 제2 분리판(230)은 냉각유체가 유동되는 메인냉각유로(또는, 그를 마련하기 위한 홀)(10)과, 공기가 유동되는 메인공기유로(또는, 그를 마련하기 위한 홀)(20)과, 수소가 유동되는 메인수소유로(또는, 그를 마련하기 위한 홀)(30)을 포함할 수 있다.
더미셀측 가스켓(240)은 메인냉각유로(10)로부터 제3 냉각유로(200c)로 냉각유체의 유입이 허용되도록 하기 위해, 냉각유체유입홀(230h)을 포함할 수 있다. 냉각유체유입홀(230h)은 메인냉각유로(10)와 제2 분리판(230)의 내부 공간을 서로 연통시킬 수 있다.
이와 같이 마련되는 연료전지 스택에 의하면, 발전셀(100)의 경우 서로 인접한 발전셀(100)들의 사이에만 냉각유체가 유동되는 냉각유로가 마련되는 반면, 더미셀(200)의 경우에는 i) 더미셀(200) 및 그와 인접한 발전셀 또는 그와 인접한 타 더미셀(200)의 사이, ii) 더미셀(200) 및 그와 인접한 엔드플레이트의 사이, 뿐만 아니라 iii) 더미셀(200)의 내부에도 냉각유로가 마련됨으로써, 더미셀에 의한 냉각 효과가 보다 향상될 수 있는 이점이 있다.
도 4a는 도 1의 A 부분의 확대도이다.
도 4a를 참조하면, 발전셀(100)의 애노드측 분리판(120)은 적층방향을 기준으로 일측 및 타측으로 교대로 복수 회 굴곡진 판형의 분리판으로 마련될 수 있다. 적층방향은 복수 개의 발전셀(100)들 및 더미셀(200)이 적층되는 방향으로 정의될 수 있다. 애노드측 분리판(120)과 막전극접합체(110)의 결합에 의해 수소유로(120a)가 마련될 수 있다.
발전셀(100)의 캐소드측 분리판(130)은 평판으로 마련될 수 있고, 캐소드측 분리판(130)과 발전셀측 다공성분리판(150)과 막전극접합체(110)의 결합에 의해 공기유로(130a)가 마련될 수 있다.
발전셀(100)의 애노드측 분리판(120)과 인접한 타 발전셀의 캐소드측 분리판(130)의 사이에는 발전셀측 냉각유로(100a)가 마련될 수 있다. 즉, 발전셀측 냉각유로(100a)는 발전셀(100)의 애노드측 분리판(120)과 인접한 타 발전셀의 캐소드측 분리판(130)의 결합에 의해 마련될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 더미셀(200)의 제1 분리판(220)은 상기 적층방향을 기준으로 일측 및 타측으로 교대로 복수 회 굴곡진 판형의 분리판으로 마련될 수 있다. 더미셀(200)의 제2 분리판(230)과 발전셀(100)의 애노드측 분리판(120)의 사이에 제1 냉각유로(200a)가 마련될 수 있다. 즉, 제1 냉각유로(200a)는 더미셀(200)의 제2 분리판(230)과 발전셀(100)의 애노드측 분리판(120)의 결합에 의해 마련될 수 있다.
더미셀(200)의 제1 분리판(220)과 엔드플레이트(300)의 사이에 제2 냉각유로(200b)가 마련될 수 있다. 즉, 제2 냉각유로(200b)는 더미셀(200)의 제1 분리판(220)과 엔드플레이트(300)의 결합에 의해 마련될 수 있다. 또는, 제2 냉각유로(200b)는 제1 분리판(220)과 제3 분리판의 결합에 의해 마련될 수 있고, 제3 분리판은 제1 분리판(220) 및 엔드플레이트(300)의 사이에 배치된 분리판일 수 있다.
더미셀(200)의 제2 분리판(230)은 평판으로 마련될 수 있다.
더미셀(200)의 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)의 사이에는 제3 냉각유로(200c)가 마련될 수 있다. 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)의 사이에는 더미셀측 다공성분리판(250)이 배치되어, 제3 냉각유로(200c)로 유동되는 냉각유체에 난류를 유도하여 제3 냉각유로(200c)로 유동되는 냉각유체에 의한 냉각 효과를 향상시킬 수 있다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)은 둘 다 상기 적층방향을 기준으로 일측 및 타측으로 교대로 복수 회 굴곡진 판형의 분리판으로 마련될 수 있다.
이 경우, 제3 냉각유로(200c)는 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)의 결합에 의해 마련될 수 있다. 제3 냉각유로(200c)는 제1 분리판(220)과 제2 분리판(230)의 사이에 형성될 수 있다.
이상에서 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 실시가 가능하다.
10 : 메인냉각유로
20 : 메인공기유로
30 : 메인수소유로
100 : 발전셀
100a : 발전셀측 냉각유로
110 : 막전극접합체
111 : 전해질막
112 : 가스확산층
120 : 애노드측 분리판
120a : 수소유로
130 : 캐소드측 분리판
130a : 공기유로
130h : 공기유입홀
140 : 발전셀측 가스켓
150 : 발전셀측 다공성분리판
200 : 더미셀
200a, 200b, 200c : 제1, 제2, 제3 냉각유로
220 : 제1 분리판
230 : 제2 분리판
230h : 냉각유체유입홀
240 : 더미셀측 가스켓
250 : 더미셀측 다공성분리판
300 : 엔드플레이트

Claims (7)

  1. 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA) 및 상기 막전극접합체의 양측에 적층되어 반응기체유로를 형성하는 캐소드측 분리판과 애노드측 분리판을 포함하고, 서로 적층되는 복수의 발전셀;
    상기 적층된 복수의 발전셀의 적어도 한쪽의 적층 단부에 설치되고, 발전을 목적으로하지 않는 더미셀; 및
    적층된 상기 복수의 발전셀 및 상기 더미셀의, 적층방향 양단부에 설치되는 엔드플레이트들을 포함하고,
    상기 더미셀은, 제1 분리판과 제2 분리판을 포함하고,
    상기 제1 분리판과 제2 분리판 중에 상기 발전셀의 분리판과 인접한 분리판 및 상기 발전셀의 분리판 사이에 제1 냉각유로가 마련되고,
    상기 제1 분리판과 제2 분리판 중에 상기 엔드플레이트와 인접한 분리판 및 상기 엔드플레이트 사이에 제2 냉각유로가 마련되고,
    상기 제1 분리판과 상기 제2 분리판 사이에 제3 냉각유로가 마련되는, 연료전지 스택.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 발전셀과 상기 더미셀 및 상기 엔드플레이트들의 결합에 의해, 상기 복수의 발전셀의 냉각유로와 상기 더미셀의 냉각유로들로 냉각유체를 공급하기 위한 메인냉각유로가 상기 적층방향으로 연장된 형상으로 마련되는, 연료전지 스택.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 발전셀의 각각은, 상기 막전극접합체와 상기 캐소드측 분리판과 상기 애노드측 분리판의 각각이 상기 적층방향을 기준으로 소정 거리 이격되도록 하기 위해 마련되는 발전셀측 가스켓을 포함하고,
    상기 더미셀은, 상기 제1 분리판과 상기 제2 분리판이 상기 적층방향을 기준으로 소정 거리 이격되도록 하기 위해 마련되는 더미셀측 가스켓을 포함하고,
    상기 더미셀측 가스켓은, 상기 메인냉각유로로부터 상기 제3 냉각유로로 냉각유체의 유입이 허용되도록 하기 위해, 냉각유체유입홀을 포함하는, 연료전지 스택.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 분리판과 상기 제2 분리판의 각각은, 상기 적층방향을 기준으로 일측 및 타측으로 교대로 복수 회 굴곡진 판형의 분리판인, 연료전지 스택.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 분리판 또는 상기 제2 분리판은, 난류 유동을 유도하기 위한 형상을 갖는 다공성 분리판을 포함하는, 연료전지 스택.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 더미셀은, 상기 적층된 복수의 발전셀과 상기 엔드플레이트의 사이에 배치되는 복수의 더미셀들을 포함하고,
    상기 복수의 더미셀들 중에 상기 적층된 복수의 발전셀과 인접한 더미셀의 제1 분리판과 제2 분리판 사이에는 냉각유로가 마련되되, 상기 복수의 더미셀들 중에 상기 엔드플레이트와 인접한 더미셀의 제1 분리판과 제2 분리판의 사이에는 냉각유로가 마련되지 않는, 연료전지 스택.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 더미셀은, 상기 적층된 복수의 발전셀과 상기 엔드플레이트의 사이에 배치되는 복수의 더미셀들을 포함하고,
    상기 복수의 더미셀들 중에 상기 엔드플레이트와 인접한 더미셀의 제1 분리판과 제2 분리판의 사이에는 냉각유로가 마련되되, 상기 복수의 더미셀들 중에 상기 적층된 복수의 발전셀과 인접한 더미셀의 제1 분리판과 제2 분리판 사이에는 냉각유로가 마련되지 않는, 연료전지 스택.
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WO2024136142A1 (ko) * 2022-12-21 2024-06-27 주식회사 엘지에너지솔루션 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩

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